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KR101825318B1 - 스핀필터 구조체를 포함하는 자기 터널 접합 소자 - Google Patents

스핀필터 구조체를 포함하는 자기 터널 접합 소자 Download PDF

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KR101825318B1
KR101825318B1 KR1020170000532A KR20170000532A KR101825318B1 KR 101825318 B1 KR101825318 B1 KR 101825318B1 KR 1020170000532 A KR1020170000532 A KR 1020170000532A KR 20170000532 A KR20170000532 A KR 20170000532A KR 101825318 B1 KR101825318 B1 KR 101825318B1
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KR
South Korea
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conductive pattern
spin
magnetic layer
layer
free magnetic
Prior art date
Application number
KR1020170000532A
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English (en)
Inventor
김영근
이경진
고경춘
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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Filing date
Publication date
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Priority to EP17001094.6A priority patent/EP3343564B1/en
Priority to US15/639,662 priority patent/US10608169B2/en
Application granted granted Critical
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층; 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층; 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체를 포함한다.

Description

스핀필터 구조체를 포함하는 자기 터널 접합 소자 {Magnetic Tunnel Junction Device With Spin-Filter Structure}
본 발명은 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 스핀궤도토크를 유발하는 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction) 소자에 관한 것이다.
강자성체는 외부에서 강한 자기장을 인가하지 않더라도 자발적으로 자화가 되어 있는 물질을 말한다. 두 강자성체 사이에 절연체를 삽입한 자기 터널 접합 구조(제1 자성체/절연체/제2 자성체)에서 두 자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 전기 저항이 달라지는 터널 자기 저항 효과가 발생한다. 터널 자기 저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 효과는 자기 터널 접합 구조에서 업 스핀과 다운 스핀의 전자가 절연체를 터널링하여 흐르는 정도가 다르기 때문에 발생한다.
한편, 뉴턴의 제3 법칙인 작용-반작용 법칙에 따라, 상대적 자화 방향이 전류의 흐름을 제어할 수 있다면, 그 반작용으로 전류를 인가하여 두 자성체의 상대적 자화 방향을 제어하는 것 역시 가능하다. 자기 터널 접합 구조에 막 면의 수직 방향으로 전류를 인가하면, 제1 자성체(자화 고정 자성층, 이하 고정 자성층)에 의해 스핀 분극된 전류가 제2 자성체(자화 자유 자성층, 이하 자유 자성층)를 통과하면서 자신의 스핀 각운동량을 전달하게 된다. 이러한 스핀 각운동량의 전달에 의해 자화가 느끼는 토크를 스핀전달토크(spin-transfer torque, STT)라고 한다. 스핀전달토크를 이용하여 자유 자성층의 자화를 반전시키거나 지속적으로 회전시키는 소자 혹은 자유 자성층의 자구벽을 이동시키는 소자의 제작이 가능하다.
또한 자기 터널 접합은 자유 자성층에 인접한 도선 내에 흐르는 면내 전류가 흐를 때 스핀 홀 효과(spin Hall effect)나 라쉬바 효과(Rashba effect)에 의해 발생한 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하여 자유 자성층의 자화 반전 혹은 자구 구조의 이동을 유도할 수 있다.
스핀궤도토크를 이용한 자화 반전 소자는 US 8416618 B2에 개시되어 있다.
모바일과 사물인터넷(IoT) 전자장치의 활용이 증가되면서 저전력, 저면적, 초고속, 비휘발성 메모리가 주목받고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유 자성층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도전층에 스핀 필터(spin-filter, SF) 구조체를 통하여 스핀 분극(spin polarization) 전류를 제공하여 도전층과 자유 자성층 사이의 계면에 스핀 축적(spin accumulation)을 추가적으로 제공하며, 한편 스핀 필터 구조체의 자화방향을 면 수직 방향으로 설정 시 외부 자기장 인가가 불필요한 무자기장(field-free) 스위칭이 가능한 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유 자성층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도전층에 스핀 필터 구조체를 통한 스핀 분극 전류를 제공하여 도전층/자유 자성층 계면에 스핀홀 효과에 의한 스핀 축적이 증가하여 자유 자성층의 스위칭이 보다 용이한 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유 자성층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도전층에 스핀 필터 구조체를 통한 스핀 분극 전류를 제공하여 도전층과 자유 자성층 사이의 계면에 스핀홀 효과에 의한 스핀 축적과 면내 방향을 가진 스핀 축적을 제공하는 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자유 자성층에 접촉하여 면내 전류를 제공하는 도전층에 스핀 분극 전류를 제공하여 도전층과 자유 자성층 사이의 계면에 스핀 축적을 제공하는 자기 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스핀분리 효율을 높여 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)의 효과를 증강하는 소자 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 자기 메모리의 구조를 개선하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층; 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층; 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀 필터 구조체의 스핀분극(spin polarization, SP)이 0 보다 크고 1 이하일 수 있다. 스핀분극은 (업스핀-다운 스핀)/(업스핀+다운스핀)으로 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀 필터 구조체는 반금속 강자성체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반금속 강자성체는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4), 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSMO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀 필터 구조체는 강자성체를 포함하고, 상기 스핀 필터 구조체의 자화방향은 상기 강자성층의 자화 방향과 평행 또는 반평행하고, 상기 강자성층은 외부 자기장없이 스위칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀 필터 구조체가 상기 도전층의 양 측면에 배치된 경우, 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향은 양측에서 서로 반평행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전층과 상기 강자성층은 서로 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전층의 스핀-플립 확산 길이는 3 내지 4 nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자는, 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하는 자기 터널 접합; 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴; 및 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴에 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정 자성층은 차례로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층, 및 제2 고정 자성층으로 이루어진 반자성체(synthetic antiferromagnet) 구조일 수 있다. 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 비자성층은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정 자성층은 차례로 적층된 반강자성층, 제1 고정 자성층, 비자성층, 및 제2 고정 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 반강자성층은 Ir, Pt, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지고, 상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 비자성층은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 터널 장벽층은 AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)를 제공하고, 상기 도전 패턴은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층는 적어도 하나의 자구 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 면내 전류를 인가하는 도전 패턴은 차례로 적층된 반강자성층 및 강자성층을 포함하고, 상기 반강자성층은 상기 자유 자성층에 인접하여 배치되고, 상기 강자성층은 면내 자화 방향을 가지고, 상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하고, 상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정 자성층에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층을 더 포함하고, 상기 쌍극자 필드 비자성층은 상기 고정 자성층에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전 패턴과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 보조 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전 패턴은 차례로 적층된 도선 비자성층 및 도선 강자성층을 포함하고, 상기 도선 강자성층은 면내 자화 방향 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전 패턴은 차례로 적층된 도선 강자성층 및 도선 비자성층을 포함하고, 상기 도전 강자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 비자성층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자는, 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합; 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및 상기 제1 도전 패턴의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴에 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 면내 전류를 인가하고, 반강자성층을 포함하고, 상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자유 자성층은 적어도 하나의 자구 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 면내 전류를 인가하고, 차례로 적층된 반강자성층 및 강자성층을 포함할 수 있다. 상기 반강자성층은 상기 자유 자성층에 인접하여 배치되고, 상기 강자성층은 면내 자화 방향을 가지고, 상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하고, 상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고정 자성층에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층을 더 포함하고, 상기 비자성층은 상기 고정 자성층 자정체에 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 보조 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 비자성층 및 제1 도전 패턴 자성층을 포함하고, 상기 제1 도전 패턴 자성층은 면내 자화 방향 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 자성층 및 제1 도전 패턴 비자성층을 포함하고, 상기 제1 도전 패턴 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 비자성층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 나란히 진행하고, 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 도전 패턴들의 각각의 일단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴; 및 상기 제2 방향으로 배열된 제1 도전 패턴들의 각각의 타단에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결된 선택 트랜지스터들; 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들 각각의 소오스(source)/드레인(drain)에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들 각각의 게이트에 연결된 제3 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결된 선택 트랜지스터들; 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들 각각의 소오스/드레인에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 및 상기 제1 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들 각각의 게이트에 연결된 제3 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결되고 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 각각의 일단에 연결되고 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴; 상기 제1 도전 패턴 각각의 타단에 연결되는 선택 트랜지스터들; 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴; 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층에 각각 연결되는 선택 트랜지스터들; 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 소오스/드레인에 각각 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 제 1 도전 패턴 각각의 일단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴; 및 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 타단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결되고 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 상기 제1 도전 패턴의 일단에 각각 연결된 제1 선택 트랜지스터; 상기 제1 도전 패턴의 타단에 각각 연결된 제2 선택 트랜지스터; 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제 3 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제2 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제 4 도전 패턴; 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 게이트와 제2 선택 트랜지스터의 게이트를 서로 연결하여 상기 제2 방향으로 연장되는 제 5 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 자기 터널 접합의 고정 자성층에 각각 연결되는 제1 선택 트랜지스터; 상기 제1 도전 패턴의 일단에 각각 연결되는 제2 선택 트랜지스터; 상기 제1 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 타단을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴; 상기 제1 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터의 소오스/드레인을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴; 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴; 및 상기 제2 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장되는 제6 도전 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자는 기존 SOT 접합구조에서 도선 옆에 스핀분극(spin polarization, SP)이 0 보다 크고 1 이하인 자성층으로 구성된 스핀 필터(spin-filter, SF)구조를 덧대어, 주입한 전류에 따라 발생하는 스핀의 양과 방향을 제어하여 스핀 축적을 증가시키거나 스핀궤도토크 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 주입 전류가 감소되어 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 스핀 필터(spin-filter, SF)의 자화 방향과 자유 자성층의 자화 방향이 평행 또는 반평행한 경우, 외부 자기장 인가가 불필요한 무자기장(field-free) 스위칭이 가능하다.
도 1은 종래의 스핀궤도토크를 이용한 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 필터 구조체를 구비한 자기 소자를 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2의 자기 소자에서 위치에 따른 스핀 축적(spin accumulation)을 나타낸다.
도 4는 4개의 파라미터(
Figure 112017000553757-pat00001
,
Figure 112017000553757-pat00002
,
Figure 112017000553757-pat00003
, 그리고
Figure 112017000553757-pat00004
)에 따른 댐핑-라이크 스핀 토크(damping-like spin torque,
Figure 112017000553757-pat00005
)의 의존성을 나타낸다.
도 5는 4개의 파라미터(
Figure 112017000553757-pat00006
,
Figure 112017000553757-pat00007
,
Figure 112017000553757-pat00008
, 그리고
Figure 112017000553757-pat00009
)에 따른 필드-라이크 스핀 토크(field-like spin torque,
Figure 112017000553757-pat00010
)의 의존성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀필터 구조체를 구비한 자기 소자를 나타내는 개념도이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 필터 구조체와 강자성체의 자화 방향에 따른 스핀 축적을 나타내는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기터널 소자들을 나타내는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기터널 소자들을 나타내는 도면들이다.
도 13 내지 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 개념도들이다.
도 21 내지 도 28은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면들이다.
최근 강자성체(ferromagnet, FM)와 비자성체(non-magnet, NM)로 이루어진 이중층 구조에서 비자성체의 강한 스핀궤도결합(spin-orbit coupling, SOC)에 의한 스핀 홀 효과(spin Hall effect)나 강자성체/이중층 계면의 라쉬바 효과(Rashba effect)에 의한 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)로부터, FM의 자화방향을 낮은 에너지로 용이하게 반전(스위칭)시켜 메모리의 기록성능을 월등히 높일 수 있는 소재와 소자 기술이 부각되고 있다.
도 1은 종래의 스핀궤도토크를 이용한 자기 소자를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, x축 방향으로 면내 전류(
Figure 112017000553757-pat00011
)가 비자성층(10)에 주입된 경우, 비자성층 내부에서 발생하는 스핀홀 효과(spin Hall effect)에 의해 y축 방향으로 분극된(polarized) 스핀이 z축 방향으로 이동하는 스핀전류가 발생하고 이에 따라 비자성층(10)/자유 자성층(20) 계면에 스핀축적을 제공할 수 있다. 상기 비자성층(10)의 상부면에서 축적된 스핀의 분극방향은 +y축 방향이고, 상기 비자성층(10)의 하부면에서 축적된 스핀의 분극방향은 -y축 방향이다. 비자성층(10)/자유 자성층(20) 계면에 라쉬바 효과(Rashba effect)가 존재한다면 이 역시, x축 방향으로 면내 전류(
Figure 112017000553757-pat00012
)가 비자성층(10)에 주입된 경우, 상기 비자성층(10)의 상부면에 +y 방향(혹은 -y방향)으로 분극된 스핀 축적을 제공할 수 있다.
비자성층(10)에 흐르는 면내 전류는 비자성층 내부의 스핀 홀 효과(spin Hall effect) 또는 강자성/비자성 계면의 라쉬바 효과(Rashba effect)에 기인한 스핀 축적을 발생시키고 축적된 스핀은 강자성체에 스핀 토크를 제공한다. 스핀 홀 효과나 라쉬바 효과는 모두 강한 스핀 궤도 결합으로부터 기인하므로 이들로부터 발생한 스핀 토크를 스핀 궤도 토크(spin-orbit toque, SOT)라고 한다. 따라서 강자성/비자성 이종구조에서 면내전류를 인가했을 때 발생하는 스핀 궤도 토크로부터 강자성층의 면외 자화(out-of-plane magnetization)를 스위칭할 수 있다. SOT 스위칭 메커니즘은 빠른 스위칭 및 소자 안정성을 제공한다. 그러나, SOT 스위칭 메커니즘은 몇 가지의 단점을 가진다. SOT 스위칭을 위하여 요구되는 스위칭 전류는 통상적인 스핀 전달 토크를 위한 전류보다 큰 것으로 보고된다.
면내 전류(in-plane current)를 주입하는 경우, 스핀-궤도 결합 효과는 강자성/비자성 계면에 스핀 축적을 발생시키고, 이 스핀 축적이 강자성층에 스핀 궤도 토크를 유발한다. 따라서, 스위칭 전류를 감소시키는 적절한 소자 구조를 제공하는 일 방법은 강자성/비자성 계면에 스핀 축적을 증가시키는 것이다. 이를 위하여, 우리는 강자성 스핀 필터 구조체가 비자성층의 측면에 덧대진 구조를 제안한다. 이 스핀 필터 구조체를 통하여 제공된 전류는 비자성/강자성 계면에 스핀홀 효과와 별개로, 스핀필터 구조체의 자화방향과 일치하는, 스핀 축적을 발생시킨다. 즉 도선에 면내전류를 인가했을 때, 스핀 필터 구조체는 자체로 상기 강자성층에 스핀 필터 구조체의 자화방향과 일치하는 스핀 전달 토크(spin transfer torque)를 유발할 수 있다. 따라서 상기 스핀필터 구조체가 덧대진 비자성/강자성 이종구조에서 면내전류를 인가했을 때 나타나는 스핀 토크는 근사적으로 스핀궤도결합에 기인한 스핀 궤도 토크와 스핀 필터 효과로부터 발생하는 스핀 전달 토크의 벡터 합으로 주어진다. 상기 스핀 필터 구조체는 추가적으로 스핀 축적을 제공함으로, 스핀 궤도 토크 또는 스핀 전달 토크를 인가할 수 있다. 이에 따라, 임계 전류가 감소되어, 소비 전력이 감소될 수 있다.
스핀 필터 구조체의 자화 방향을 적절히 조절함에 의하여, 스핀 필터 구조체로부터 발생하는 스핀 축적은 스핀 홀 효과에 기인한 스핀 축적과 부가적으로(additively) 결합할 수 있다. 예를 들어, 스핀홀 효과에 의한 스핀 방향이 y축 방향인 경우, 스핀 필터 구조체의 자화 방향을 y축 방향으로 정렬하면, 스핀 축적은 y축 방향으로 합산될 수 있다. 따라서, 스핀 필터 구조체로부터의 부가적 스핀 축적은 강자성층에 작용하는 스핀 토크를 증가시킬 수 있다.
스핀 필터 구조체의 자화 방향이 z축 방향인 경우, 스핀 분극 전류는 z축 방향의 스핀 축적을 제공하고, 스핀 홀 효과에 기인한 스핀 축적은 y축 방향으로 스핀 축적을 제공할 수 있다. 벡터합에 의해서 총 스핀토크의 크기를 증가시킬 뿐 아니라 외부 자기장이 없이 상기 자유 자성층(강자성층)의 자화 반전을 유도할 수 있다.
비자성체(non-magnet, NM)-강자성체(ferromagnet, FM) 접합구조에서 상기 비자성체(NM)에 면내 전류를 주입하면 상기 비자성체(NM)와 상기 강자성체(FM) 사이의 강한 스핀 궤도 결합(spin-orbit coupling, SOC)에 기인하는 스핀 궤도 토크를 유도하여, 상기 강자성체(FM)의 자화방향을 용이하게 스위칭시킬 수 있다.
기존 방법의 경우, 상기 비자성체(NM)에 면내 전류를 주입 시 스핀 궤도 결합력(SOC) 효과에 의해 스핀분리가 일어난다. 총 스핀 수 중에서 비자성체층과 접합되어 있는 강자성체층으로는 1/2의 스핀들이 이동하고, 반대방향으로 나머지 1/2의 스핀들이 이동한다. 이중에서 상기 강자성체층으로 이동하는 스핀들이 스핀 궤도 토크(SOT)를 유발하여 상기 강자성체층의 자화(magnetization, M) 방향을 바꿔주는 역할을 한다. 다만 기존 구조에서는 상기 비자성체 층으로 전류가 주입되므로 스핀 분리 효율이 50%를 넘지 못한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소자는 강자성층과 비자성층의 적층 구조를 가진다. 상기 비자성층에서 면내 전류가 흐르는 방향의 적어도 일측에 스핀필터(spin-filter, SF) 구조체가 덧대진다(abutted). 상기 스핀필터 구조체는 상기 스핀필터 구조체에 주입되는 전류를 일 방향으로 스핀 분극된 스핀 전류로 변환할 수 있다. 스핀 분극의 방향은 스핀 필터 구조체의 자화 방향에 의존할 수 있다. 이에 따라, 상기 비자성층은 상기 스핀 필터 구조체에 의하여 특정 방향으로 더 많이 분극된 스핀 전류를 제공받는다. 상기 스핀 전류는 상기 강자성층의 자화 방향으로 분극된 스핀 전류일 수 있다. 즉, 상기 스핀 필터 구조체는 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 강자성층과 상기 비자성층 사이의 스핀 궤도 토크의 효율을 높일 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체로부터 스핀 분극 전류는 강자성층/비자성층 계면에 추가적인 스핀 화학 포텐셜 차이를 생성하고, 상기 강자성층에 스핀 전달 토크(spin transfer torque, STT)를 유발할 수 있다.
상기 스핀필터 구조체의 적절한 자화 방향은 자화 스위칭을 위하여 요구되는 외부 자기장을 제거할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명에서, 우리는 비저성/강자성 이종구조에 스핀 필터 구조체의 효과를 이론적으로 분석하였다. 이하, 본 발명의 동작 원리를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 필터 구조체를 구비한 자기 소자를 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 자기 소자(2)는 제1 방향(x축 방향)으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층(10); 상기 도전층(10)에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층(20); 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향(x축 방향)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체(11)를 포함한다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 스핀분극(spin polarization, SP)은 0 보다 크고 1 이하일 작을 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)는 반금속 강자성체일 수 있다.
상기 도전층(10)과 상기 강자성층(20)은 서로 적층되고, 상기 도전층(10)은 x축 방향(제1 방향)으로 연장되고 제1 방향 폭과 두께를 가진다. 상기 도전층(10)과 강자성층(20)은 수직 (z축)방향으로 정렬될 수 있다. 상기 도전층(10)의 x 방향의 일단에 고정된 자화 방향의 강자성을 가진 스핀 필터 구조체(11)가 배치된다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 자화 방향은 y축 방향일 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 길이는 L이다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 두께는 상기 도전층의 두께와 동일할 수 있다. 전류는 x 방향으로 흐르고, z 축은 상기 도전층(10)과 상기 강자성층(20)의 두께 방향이다. 상기 도전층(10)과 강자성층(20)의 계면은 z=0이다. 상기 도전층(10)의 제1 방향의 폭은 w이고, 두께는 tN이다. 상기 강자성층(20)의 제1 방향의 폭은 w이고, 두께는 tF이다. 상기 도전층(10)은 상기 스핀 필터 구조체의 의하여 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향으로 정렬된 스핀 분극 전류를 제공받을 수 있다.
상기 도전층(10)은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다. 상기 도전층은 비자성 금속 또는 반자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 비자성 물질은 스핀홀 효과를 유발하고, 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 또는 백금(Pt)일 수 있다. 상기 반자성 물질은 스핀홀 효과를 유발하고 PtMn, IrMn 또는 FeMn일 수 있다.
예를 들어, y축 방향의 스핀 분극 전류는 상기 도전층의 불순물의 산란에 의하여 스핀 홀 효과를 발생시키어 y축으로 정렬된 전자를 상부면에 제공하고, -y축으로 정렬된 전자를 하부면에 제공할 수 있다. 상기 도전층의 상부면에 배치된 스핀 축적은 스핀 궤도 토크를 유발하여 상기 강자성층의 자화 방향을 반전시킬 수 있다.
보조 도전층은 상기 스핀 필터 구조체에 연결되어 상기 스핀 필터 구조체에 전류를 제공할 수 있다. 상기 보조 도전층은 상기 도전층보다 높은 전기 전도도를 가진 물질일 수 있다.
상기 강자성층(20)은 스위칭되는 자화 방향을 가진 강자성체를 포함할 수 있다. 상기 강자성층(20)은 Fe, Co, Ni, Gd에서 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 강자성층은 이들의 조합으로 구성된 다층박막일 수 있다. 상기 강자성층(20)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 상기 강자성층은 수직 자기 이방성을 가지고 면외 방향으로 자화될 수 있다.
상기 스핀 필터 구조체는 반금속 강자성체일 수 있다. 상기 반금속 강자성체는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4), 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSMO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 스핀필터 구조체는 스핀분극(SP)=1인 반금속(half-metal)일 수 있다. 반금속의 에너지 준위에서 다수 밴드(majority band)와 소수 밴드(minority band)가 분리된 상태로, 하나의 스핀 상태를 갖는 경우, 전자의 흐름이 원활한 도체이나 , 반대 방향의 스핀 상태를 갖는 경우 부도체 또는 반도체 특성을 갖는다.
반금속 강자성체의 예로는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4)및 합금, 란타늄 스트론튬 망가나이트(LSMO) 및 합금 등의 물질이 있다. 호이슬러(Heusler) 합금에는 다음이 있다.
Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn,
Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Ni2MnGa
Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe, Co2NiGa
Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb
Co2FeSi, Co2FeAl
Fe2VAl
Mn2VGa, Co2FeGe
상기 스핀필터 구조체(11)는 스핀분극(SP) > 0.5 인 강자성체일 수 있다. 스핀분극(SP)의 값에 비례하여 스핀 분리 효율은 증가될 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체는 강자성체를 포함하고, 상기 스핀 필터 구조체의 자화방향은 상기 비자성층의 배치 평면(xy 평면) 내에서 상기 비자성층의 연장 방향(x축 방향)에 수직(y축 방향)할 수 있다. 이에 따라, 상기 스핀 필터 구조체(11)는 면내 전류를 제공받아 상기 비자성층(10)에 y축 방향의 스핀 방향을 가진 전자들 제공할 수 있다.
[모델 계산 방법]
우선, 우리는 SF/NM 구조에 대하여 스핀 축적을 계산한다. SF는 스핀 필터 구조체(11)를 나타내고, NM은 비자성층 또는 도전층(10)을 나타낸다. 이 계산에서는 단순화를 위해 자성층(20)을 무시(SF/NM 계면에서 계면 산란이 무시됨)하였다. SF/NM 계면에 스핀필터 드리프트-확산 방정식(drift-diffusion equation)을 풀면, 우리는 비자성층에서 스핀 축적의 y-성분을 얻을 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017000553757-pat00013
여기서,
Figure 112017000553757-pat00014
은 고정된 자화 방향을 가지는 스핀 필터 구조체(SF)의 비저항
Figure 112017000553757-pat00015
은 비자성층(NM)의 비저항을 나타낸다. L은 스핀 필터 구조체(SF)의 길이이고,
Figure 112017000553757-pat00016
,
Figure 112017000553757-pat00017
은 각각 강자성체로 구성된 스핀 필터 구조체(11) 및 비자성층(NM)의 스핀-플립 확산 길이(spin-flip diffusion lengths)이다.
Figure 112017000553757-pat00018
는 x-축 방향으로 인가된 전기장이고,
Figure 112017000553757-pat00019
Figure 112017000553757-pat00020
는 스핀 필터 구조체(11)의 스핀 분극이다. 편의상
Figure 112017000553757-pat00021
가 스핀필터 구조체/비자성 금속층의 계면으로 선택된다.
다음으로, 우리는 NM/FM 구조에 집중한다. NM은 비자성층을 나타내고, 상기 FM은 강자성층을 나타낸다. 우리가 x축 방향으로 외부 전기장을 인가하는 경우, 비자성층에서, z축 방향으로 흐르는 전하 및 스핀 전류 밀도(charge and spin current densities)는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 2]
Figure 112017000553757-pat00022
여기서, i와 j는 좌표계의 성분을 나타낸다. σ 는 비자성층의 전기 전도도이고,
e는 전자의 전하량이고,
Figure 112017000553757-pat00023
는 전기화학 포텐셜(electrochemical potential)이고,
Figure 112017000553757-pat00024
는 j-성분의 편극방향을 가지는 스핀 축적(j-component spin acculuation)이고,
Figure 112017000553757-pat00025
는 비자성층의 스핀 홀 전기 전도도이다.
Figure 112017000553757-pat00026
는 수학과 물리학에서 흔히 사용되는 levi-civita기호이다.
명확화를 위해 상기 [수학식 2]의 스핀전류의 정의가 통상적인 정의
Figure 112017000553757-pat00027
와 상수배 만큼 다르다는 것을 미리 밝혀둔다. 여기서, 첨자 i와 z는 스핀 전류의 스핀 편극방향과 흐름 방향을 각각 나타낸다. 강자성층(20)에 대하여, 전하 및 스핀 전류에 대한 방정식은 다음과 같다.
[수학식 3]
Figure 112017000553757-pat00028
여기서,
Figure 112017000553757-pat00029
은 자화를 따른 단위 벡터(unit vector along the magnetization)이고,
Figure 112017000553757-pat00030
는 강자성층(20)의 스핀 분극(spin polarization)이다.
스핀 필터 구조체(11)는 비자성층에 부가적인 스핀 축적을 제공한다. 이 스핀 축적은 x 방향에서 지수 함수적으로 감소한다. 2-차원 스핀 확산 방정식에 대한 해석적 (analytical solution)을 얻기 어렵다. 따라서, 우리는, 근사적으로, z축 방향에서 확산 방정식의 해에 스핀 필터 구조체(11)로부터 평균 스핀 축적을 단순히 더하여 비자성층(NM)에서 스핀 축적에 대하여 안사쯔(ansatz)를 취한다.
[수학식 4]
Figure 112017000553757-pat00031
여기서, 우리는 다음과 같은 근사를 사용한다.
Figure 112017000553757-pat00032
여기서, w는 비자성층의 폭이고, 수학식 2 및 4로부터, 우리는
Figure 112017000553757-pat00033
를 얻는다. 시료가 y축 방향으로 무한대이고, z축 방향으로 충분히 얇다고 가정한다. 정상 상태(
Figure 112017000553757-pat00034
상수,
Figure 112017000553757-pat00035
)의 경우, 연속 방정식
Figure 112017000553757-pat00036
은
Figure 112017000553757-pat00037
을 유도한다. 이 방정식의 해는
Figure 112017000553757-pat00038
이다. 여기서, C는 상수이고,
Figure 112017000553757-pat00039
는 외부 전기장 기여(external electric field contribution)를 나타낸다 (
Figure 112017000553757-pat00040
). z축 방향으로 흐르는 전류가 영인 경우,
Figure 112017000553757-pat00041
, 다음과 같이 주어진다.
[수학식 5]
Figure 112017000553757-pat00042
위의 식은 다음과 같이 표현된다.
[수학식 6]
Figure 112017000553757-pat00043
수학식 2, 4, 6을 사용하면, 우리는 다음과 같은 식을 얻는다.
[수학식 7]
Figure 112017000553757-pat00044
NM/FM 계면에서, 전하 및 스핀 전류는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 8]
Figure 112017000553757-pat00045
여기서, 첨자 T와 L은 수직 성분(transverse)과 평면(longitudinal) 성분을 각각 나타낸다.
Figure 112017000553757-pat00046
은 majority (minority) spin의 계면 전도도(interface conductivity)이고
Figure 112017000553757-pat00047
은 spin mixing conductance이다.
Figure 112017000553757-pat00048
는 계면 위쪽과 아래쪽의 전하(스핀) 화학 포텐셜 차이(charge (spin) chemical potential drop)이다. 여기서 우리는 강자성층에서 스핀 위상이탈 길이(spin dephasing length)는 매우 짧아, 수직방향 스핀전류,
Figure 112017000553757-pat00049
, 는 NM/FM 계면에서 전부 흡수된다고 가정한다. 따라서, 스핀 토크는 다음과 같이 기술된다.
[수학식 9]
Figure 112017000553757-pat00050
여기서,
Figure 112017000553757-pat00051
는 자이로마그네틱 비(gyromagnetic ratio)이고,
Figure 112017000553757-pat00052
는 단위 체적당 자화이다. 스핀 토크는 다음과 같이 댐핑-라이크 토크(damping-like torque)와 필드라이크 토크(field-like torque)로 기술된다.
[수학식 10]
Figure 112017000553757-pat00053
여기서,
Figure 112017000553757-pat00054
는 댐핑-라이크(필드-라이크) 토크의 계수(coefficient)이다. 경계조건(
Figure 112017000553757-pat00055
그리고
Figure 112017000553757-pat00056
)을 가지고 강자성층의 상부면(
Figure 112017000553757-pat00057
)과 비자성층의 하부면(
Figure 112017000553757-pat00058
)에서, 위에서 기술된 벌크 방정식을 풀면, 우리는 다음과 같이 얻는다.
[수학식 11][수학식 12]
Figure 112017000553757-pat00059
여기서,
Figure 112017000553757-pat00060
는 스핀홀앵글로 정의되는 양이고,
Figure 112017000553757-pat00061
이다. 수학식 11 및 12에서, NM/FM의 계면에서 국소화된, 스핀 토크는, 강자성층의 두께
Figure 112017000553757-pat00062
에 대하여 평균화된다. 각 토크의 첫 번째 항(first term)은 스핀 필터 구조체(11)가 없는 경우의 스핀 홀 기여분에 대응한다.
스핀 필터 구조체(11)의 효과는 둘째 항(second term)에 반영된다. 비자성층(NM)에서 스핀들은 스핀 필터 구조체에 의하여 부분적으로 분극(partially polarized)되기 때문에, 스핀홀 효과가 없는 경우에도, NM/FM 계면에 영이 아닌 스핀 화학 포텐셜 차이(non-zero spin chemical potential drop)가 유도되고, 이것은 스핀 토크를 유발할 수 있다. 스핀 필터 구조체(11)에 의하여 기인한 스핀 축적은 계면에 수직한 직접적인 전류 흐름(direct current-flow perpendicular to the interface)이 없는 경우에도 강자성층(20)에 토크를 인가한다. 이러한 종류의 스핀 토크는 비국소적 기하학(non-local geometry)에서 실험적으로 관측되었고, 비균일 자화(inhomogeneous magnetization)에 기인한 레터럴 스핀 토크(lateral spin torque)이다.
도 3은 도 2의 자기 소자에서 위치에 따른 스핀 축적(spin accumulation)을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 시뮬레이션에서, 다음과 같은 파라미터가 사용되었다. 비자성층(NM)은 백금(Pt)이고, 스핀필터 구조체(11)는 코발트이다.
Figure 112017000553757-pat00063
,
Figure 112017000553757-pat00064
,
Figure 112017000553757-pat00065
,
Figure 112017000553757-pat00066
,
Figure 112017000553757-pat00067
, 그리고
Figure 112017000553757-pat00068
. 비자성층(NM)에 인가된 전기장은
Figure 112017000553757-pat00069
이고, x 방향으로의 전하 전류 밀도는 근사적으로
Figure 112017000553757-pat00070
이다. 다른 파라미터들은 다음과 같이 선택되었다. 강자성층(10)의 자화는
Figure 112017000553757-pat00071
MA/m이고, 스핀 필터 구조체(11)의 길이는
Figure 112017000553757-pat00072
이고, 비자성층의 스핀 홀 앵글은
Figure 112017000553757-pat00073
를 사용하였고, 스핀 필터 구조체(11)의 스핀 분극(spin polarization)은
Figure 112017000553757-pat00074
을 사용하였다.
도 3을 참조하면,
Figure 112017000553757-pat00075
에 대하여 NM (5 nm)/FM(1.5 nm) 구조의 NM에서, y-성분 스핀 축적(y-component spin accumulation;
Figure 112017000553757-pat00076
)이 표시된다. 상부 가장자리 (z=0)에서 스핀 축적의 순수 양(net amount)은 스핀 분극
Figure 112017000553757-pat00077
가 증가함에 따라 증가한다. 이것은 수학식 11 및 12에서 스핀 토크를 증가시킨다.
도 4는 4개의 파라미터(
Figure 112017000553757-pat00078
,
Figure 112017000553757-pat00079
,
Figure 112017000553757-pat00080
, 그리고 w)에 따른 댐핑-라이크 스핀 토크(damping-like spin torques
Figure 112017000553757-pat00081
)의 의존성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 결과적인 댐핑-라이크 스핀 토크들은 증가하는 스핀홀 앵글
Figure 112017000553757-pat00082
에 따라 증가한다. 댐핑-라이크 스핀 토크는 비자성층의 두께
Figure 112017000553757-pat00083
에 따라 증가한다. 댐핑-라이크 스핀 토크는 비자성층의 스핀-플립 확산 길이
Figure 112017000553757-pat00084
에 따라 최대값을 보인다. 상기 비자성층(NM)의 스핀-플립 확산 길이는 3 내지 4 nm일 수 있다.
스핀 분극으로부터 부가적인 스핀 토크(additional spin torque from the spin polarization)는 x 방향을 따라 감소(decay)한다. 영이 아닌 스핀 분극
Figure 112017000553757-pat00085
에 대하여, 댐핑-라이크 스핀 토크는 비자성층의 폭 w 에 대하여 감소한다. 스핀 분극은 댐핑-라이크 스핀 토크를 증가시킨다.
도 5는 4개의 파라미터(
Figure 112017000553757-pat00086
,
Figure 112017000553757-pat00087
,
Figure 112017000553757-pat00088
, 그리고 w)에 따른 필드-라이크 스핀 토크(field-like spin torques
Figure 112017000553757-pat00089
)의 의존성을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 필드-라이크 스핀 토크(the field-like spin torque
Figure 112017000553757-pat00090
)는 댐핑-라이크 스핀 토크(damping-like spin torque
Figure 112017000553757-pat00091
)보다 10배 정도 작다. 왜냐하면, 매개변수화(parameterization)에서,
Figure 112017000553757-pat00092
이
Figure 112017000553757-pat00093
보다 작기 때문이다. 4개의 파라미터(
Figure 112017000553757-pat00094
,
Figure 112017000553757-pat00095
,
Figure 112017000553757-pat00096
, 그리고 w)에 대한 필드-라이크 스핀 토크의 의존성은 유사하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀필터 구조체를 구비한 자기 소자를 나타내는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 자기 소자(3)는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층(10); 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층(20); 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체(11)를 포함한다.
상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향은 상기 도전층의 배치 평편에 수직한 방향(z축 방향)일 수 있다. 상기 강자성층의 자화 방향은 수직자화 이방성을 가진 면외(out-of-plane) 방향일 수 있다.
상기 스핀 필터 구조체(11)의 스핀분극은 0.5 내지 1일 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)는 반금속 강자성체일 수 있다. 상기 반금속 강자성체는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4), 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium manganite; LSMO) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)는 강자성체를 포함하고, 상기 스핀 필터 구조체(11)의 자화방향은 상기 도전층(10)의 배치 평면에서 수직일 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 자화방향이 z축 방향으로 정렬된 경우, 수직 자기 이방성을 가진 강자성층(20)은 상기 도전층(10)에 흐르는 스핀 분극에 의하여 외부 자기장 없이 결정론적인 스위칭(deterministic switching)이 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 자기 소자(4)는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층(10); 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층(20); 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체(11)를 포함한다.
상기 스핀 필터 구조체(11)는 상기 비자성층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면에 각각 배치될 수 있다. 좌측에 배치된 스핀 필터 구조체(11)의 자화 방향(+y축 방향)은 우측에 배치된 스핀 필터 구조체의 자화 방향에 반평행(antiparallel)하게 -y축 방향일 수 있다. 이에 따라, y축 방향의 스핀 축적은 대칭적인 우함수(even function) 형태를 가질 수 있다. 상기 스핀 분극 전류에 기인한 y축 방향의 스핀 축적은 강자성층에 스핀 토크를 제공한다. 또한, 수직 자기 이방성을 가진 강자성층(20)은 상기 스핀 분극 전류의 산란에 기인한 y축 방향으로 정렬된 스핀 축적을 유발하고, 스핀홀 효과에 기인한 y 방향 스핀 축적은 강자성층에 추가적인 스핀 토크를 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 자기 소자(5)는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층(10); 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층(20); 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체(11)를 포함한다. 상기 스핀 필터 구조체(11)는 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면에 각각 배치될 수 있다. 좌측에 배치된 스핀 필터 구조체(11)의 자화 방향(+z축 방향)은 우측에 배치된 스핀 필터 구조체의 자화 방향에 반평행(antiparallel)하게 -z축 방향일 수 있다. 이에 따라, y축 방향의 스핀 축적은 대칭적인 우함수(even function) 형태를 가질 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 자화방향이 z축 방향으로 정렬된 경우, 수직 자기 이방성을 가진 강자성층(20)은 상기 도전층(10)에 흐르는 스핀 분극에 의하여 없이 결정론적인 스위칭(deterministic switching)이 가능하다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 소자를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 자기 소자(6)는, 제1 방향으로 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층(10); 상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층(20); 및 고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체(11)를 포함한다. 상기 스핀 필터 구조체(11)는 상기 도전층(10)의 상기 제1 방향의 양 측면에 각각 배치될 수 있다. 좌측에 배치된 스핀 필터 구조체(11)의 자화 방향(-x축 방향)은 우측에 배치된 스핀 필터 구조체의 자화 방향에 반평행(antiparallel)하게 +x축 방향일 수 있다. 이에 따라, x축 방향의 스핀 축적은 대칭적인 우함수(even function) 형태를 가질 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(11)의 자화방향이 x축 방향으로 정렬된 경우, 수직 자기 이방성을 가진 강자성층(20)은 상기 도전층(10)에 흐르는 스핀 분극에 의하여 스핀 토크를 제공받을 수 있다. 또한, 수직 자기 이방성을 가진 강자성층(20)은 스핀 홀 효과에 의하여 y축 방향으로 정렬된 스핀 축적에 의하여 스핀 토크를 제공받을 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스핀 필터 구조체와 강자성체의 자화 방향에 따른 스핀 축적을 나타내는 도면들이다.
도 10을 참조하면, 강자성층이 수직 자기 이방성을 가진 경우, 외부 자기장 없이 스위칭하기 위하여, 상기 스핀 필터 구조체의 장화 방향은 z축 방향일 수 있다(a-2).
또한, 강자성층이 면내 자화 방향을 가지는 경우, 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향과 상기 강자성층의 자화 방향이 동일한 경우, 강자성층은 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다(b-1, c-3).
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기터널 소자들을 나타내는 도면들이다.
도 11을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(100a~100d)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
자기 터널 접합 소자(100a~100d)는 자기 메모리 셀의 일부를 구성한다. 기판 상에 차례로 도전 패턴(110), 자유 자성층(120), 터널 장벽층(130), 및 고정 자성층(140)이 적층된다. 상기 고정 자성층(140)은 배선에 연결될 수 있다. 상기 도전 패턴은 면내 전류를 제공하고, 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다. 상기 면내 전류가 흐르는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 적어도 일측에는 스핀 필터 구조체(111)가 배치될 수 있다. 상기 보조 도전 패턴(112)은 상기 스핀 필터 구조체(111)에 연결될 수 있다. 면내 전류는 상기 보조 도전 패턴(112), 상기 스핀 필터 구조체(111), 및 상기 도전 패턴(110)을 통하여 흐를 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공하고, 상기 도전 패턴은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과에 의하여 상기 자유 자성층(120)에 스핀 궤도 토크를 인가하여 상기 자유 자성층의 자화 역전을 유도할 수 있다. 또한, 상기 스핀 필터 구조체(111)는 상기 자유 자성층에 상기 스핀 필터 구조체(111)의 자화 방향으로 정렬된 스핀 축적을 제공하고, 상기 스핀 축적은 결정론적인 스위칭(deterministic switching) 효과 또는 추가적인 토크를 제공하는 효과를 제공할 수 있다.
상기 자유 자성층(120)은 상기 도전 패턴(110)과 수직으로 정렬될 수 있다. 또는, 본 발명의 변형된 실시예에 따르녀, 상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 수직으로 정렬되지 않을 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체는 상기 자유 자성층과 접촉하는 부위를 가지도록 배치되거나, 상기 스핀 필터 구조체는 상기 자유 자성층과 접촉하는 부위를 가지지 않도록 배치될 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체는 통상적인 패터닝 공정에 의하여 형성되어 모서리를 가지거나, 컨포멀 증착(conformal deposition)과 이방성 식각에 의하여 형성된 사이드-월 스페이서 (side-wall spacer) 구조일 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기터널 소자들을 나타내는 도면들이다.
도 12를 참조하면, 자기 터널 접합 소자(100e~100h)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합(101)의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
자기 터널 접합 소자(100e~100h)는 자기 메모리 셀의 일부를 구성한다. 기판 상에 차례로 고정 자성층(140), 터널 장벽층(130), 자유 자성층(120), 및 도전 패턴(110)이 적층된다. 상기 고정 자성층(140)은 배선에 연결될 수 있다. 상기 도전 패턴(110)은 면내 전류를 제공하고, 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다. 상기 면내 전류가 흐르는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 적어도 일측에는 스핀 필터 구조체(111)가 배치될 수 있다. 상기 보조 도전 패턴(112)은 상기 스핀 필터 구조체(111)에 연결될 수 있다. 면내 전류는 상기 보조 도전 패턴(112), 상기 스핀 필터 구조체(111), 및 상기 도전 패턴(110)을 통하여 흐를 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공하고, 상기 도전 패턴은 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과에 의하여 상기 자유 자성층(120)에 스핀 궤도 토크를 인가하여 상기 자유 자성층의 자화 역전을 유도할 수 있다. 또한, 상기 스핀 필터 구조체는 상기 자유 자성층에 상기 스핀 필터 구조체(111)의 자화 방향으로 정렬된 스핀 축적을 제공하고, 상기 스핀 축적은 결정론적인 스위칭(deterministic switching) 효과 또는 추가적인 토크를 제공하는 효과를 제공할 수 있다.
상기 자유 자성층(120)의 측면은 상기 도전 패턴(110)의 측면과 수직으로 정렬될 수 있다. 또는, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 수직으로 정렬되지 않을 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체는 상기 자유 자성층과 접촉하는 부위를 가지도록 배치되거나, 상기 스핀 필터 구조체는 상기 자유 자성층과 접촉하는 부위를 가지지 않도록 배치될 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체는 통상적인 패터닝 공정에 의하여 형성되어 모서리를 가지거나, 컨포멀 증착(conformal deposition)과 이방성 식각에 의하여 형성된 사이드-월 스페이서 (side-wall spacer) 구조일 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 개념도이다.
도 13을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(200)는 고정 자성층(240), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(201); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 고정 자성층 자성체(240)는 차례로 적층된 제1 고정 자성층(244), 고정 자성층용 비자성층(246), 및 제2 고정 자성층(248)으로 이루어진 인위적 반자성체(synthetic antiferromagnet) 구조일 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(244) 및 제2 고정 자성층(248)은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 고정 자성층용 비자성층(246)은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 고정 자성층(240)은 차례로 적층된 반강자성층(242), 제1 고정 자성층(244), 고정 자성층용 비자성층(246), 및 제2 고정 자성층(248)으로 이루어진 교환 바이어스된 반자성체구조일 수 있다. 상기 반강자성층(242)은 Ir, Pt, Fe, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 고정 자성층(244) 및 제2 고정 자성층(248)은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 고정 자성층용 비자성층(246)은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합을 나타내는 개념도이다.
도 14를 참조하면, 자기 터널 접합 소자(300)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(320), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(301); 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합에 면내 전류를 인가하고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 고정 자성층 자성체(140)는 상기 자유 자성층(320)와 서로 정렬되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 자유 자성층(320)는 상기 도전 패턴(110)의 연장 방향으로 서로 나란히 연장될 수 있다. 상기 자유 자성층(320)는 적어도 하나의 자구 구조(321)을 포함할 수 있다. 상기 자구 구조(321)은 자벽 또는 스커미온이고, 서로 반대 방향으로 자화된 자구를 분할할 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합을 나타내는 개념도이다.
도 15를 참조하면, 자기 터널 접합 소자(400)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(410); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(410)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 도전 패턴(410)은 도전성 반강자성체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 도전 패턴(410)은 상기 면내 전류를 인가하고 반강자성층을 포함할 수 있다. 상기 도전 패턴(410)은 수직 자기 이방성을 가진 상기 자유 자성층(120)에 면내 교환바이어스 자기장을 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 도전 패턴(410)은 PtMn, IrMn, 또는 FeMn일 수 있다. 상기 반강자성층은 상기 자유 자성층(120)에 교환바이어스 자기장을 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 자기 터널 접합 소자는 외부 자기장을 사용하지 않고 수직 자기 이방성을 가진 자유 자성층의 자화 방향을 스위칭할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 설명하는 도면이다.
도 16을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(500)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(510); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(510)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 면내 전류를 인가하는 도전 패턴(510)은 차례로 적층된 반강자성층(510a) 및 강자성층(510b)을 포함할 수 있다. 상기 반강자성층(510a)은 상기 자유 자성층(120)에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 강자성층(510b)은 면내 자화 방향 또는 상기 강자성층이 연장되는 방향의 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 반강자성층(510a)은 상기 자유 자성층(120)에 면내 교환바이어스 자기장을 제공할 수 있다. 상기 자유 자성층(120)는 외부 자기장을 사용하지 않고 스위칭될 수 있다.
상기 강자성층(510b)은 면내 자기 이방성을 가지고 상기 반강자성층(510a)을 면내방향으로 반강자성 정렬시키는 기능을 제공한다. 수직 자기이방성을 갖는 자유 자성층(120)에 인접한 반강자성층(510a)이 수직 자기이방성을 갖는 자유 자성층(120)에 수평방향의 교환 바이어스 자기장을 발생시킨다. 구체적으로, 수평 자기장 하에 열적 어닐링 시 면내 자기이방성을 갖는 강자성층(510b)과 반강자성층(510a) 사이의 교환 상호작용에 의해 반강자성층(510a)에 면내 방향의 반강자성으로 정렬된다. 이로써, 반강자성 규칙에 의해 다른 편에 인접한 수직 자기이방성을 갖는 자유 자성층(120)에 수평방향의 교환 바이어스 자기장이 유도된다. 상기 반강자성층(510a)을 갖는 도전 패턴(510)에 흐르는 전류는 비정상 홀 효과(anomalous Hall effect) 혹은 스핀 홀 효과를 통해 스핀-궤도 스핀토크를 발생시킨다. 상기 스핀 필터 구조체는 상기 반강자성층(510a)의 측면에만 배치될 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(600)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 고정 자성층 자성체(140)에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층(652) 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층(654)가 배치된다. 상기 쌍극자 필드 비자성층(652)은 상기 고정 자성층 자성체(140)에 인접하여 배치된다.
상기 쌍극자 필드 비자성층(652)은 도전성 금속으로 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 쌍극자 필드 강자성층(654)은 면내 자화 방향(예를 들어, -x축 방향)을 가지고 쌍극자 자기장을 생성하여 상기 자유 자성층(120)에 면내 방향(+x축 방향)으로 자기장을 생성할 수 있다. 이에 따라, 상기 자기 터널 접합 소자의 자유 자성층는 외부 자기장을 사용하지 않고 자화 반전을 수행할 수 있다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(700)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(701); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(110); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
보조 절연층(727)이 상기 도전 패턴(110)과 상기 자유 자성층(120) 사이에 배치될 수 있다. 상기 보조 절연층(727)은 AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 보조 절연층(727)은 상기 도전 패턴을 따라 흐르는 면내 전하 전류가 상기 자기터널 접합(701)을 직접 통하여 흐르지 않도록 억제하고 순수 스핀 전류만 지나가도록 할 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 자기 터널 접합 소자(800)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(101); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(810); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(810)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(810)에 제공한다.
상기 도전 패턴(810)은 차례로 적층된 도선 비자성층(810a) 및 도선 강자성층(810b)을 포함할 수 있다. 상기 도선 강자성층(810b)은 면내 자화 방향 성분을 포함할 수 있다. 상기 도선 비자성층(810a)은 상기 자유 자성층(120)와 인접하도록 배치될 수 있다. 상기 도선 비자성층(810a)은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질일 수 있다. 상기 도선 강자성층(810b)은 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도선 강자성층(810b)를 통해 흐르는 면내 전하 전류에 의해, 상기 도선 강자성층(810b)의 자체적인 비정상 홀 효과 혹은 이방성 자기 저항(anisotropic magnetoresistance) 효과를 통해 스핀 전류를 발생시킬 수 있다[T. Taniguchi, J. Grollier, M. D. Stiles, Physical Review Applied 3, 044001 (2015)]. 또는 상기 도선 강자성층(810b)과 상기 도선 비자성층(810a)의 계면 스핀궤도 결합 효과에 의해 스핀 전류를 발생시킬 수 있다[V. P. Amin, M. D. Stiles, Physical Review B 94, 104419 (2016)]. 상기 스핀 필터 구조체(111)는 상기 도선 비자성층(810a)의 양측면 중에서 적어도 일측에 배치될 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 터널 접합 소자를 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 자기 터널 접합 소자(900)는 고정 자성층(140), 자유 자성층(120), 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층(130)을 구비하는 자기 터널 접합(901); 면내 전류가 흐르고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴(910); 면내 전류가 인가되는 방향에서 상기 도전 패턴(910)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체(111)를 포함한다. 상기 스핀필터 구조체(111)는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴(910)에 제공한다.
상기 도전 패턴(910)은 차례로 적층된 도선 강자성층(910a) 및 도선 비자성층(910b)을 포함할 수 있다. 상기 도전 강자성층(910a)과 상기 자유 자성층(120) 사이에 배치된 비자성층(927)을 포함할 수 있다. 상기 도선 강자성층(910a)은 상기 자유 자성층(120)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 비자성층(927)은 상기 자유 자성층의 측면과 정렬될 수 있다.
상기 도선 비자성층(910b) 및 상기 비자성층(927)은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질일 수 있다. 상기 도선 강자성층(910a)은 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(111)은 상기 도선 비자성층(910b)의 양 측면 중에서 적어도 일측에 배치될 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 21을 참조하면, 자기 메모리 소자(91)는 복수의 자기 터널 접합(101)을 구비한다. 상기 자기 터널 접합(101) 또는 자기 터널 접합 소자(100)는 도 2 내지 도 14에서 설명한 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다.
상기 자기 메모리 소자(91)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 나란히 진행할 수 있다. 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층(120)는 상기 제1 도전 패턴(110)에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 제2 도전 패턴(182 또는 WL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층 자성체(140)에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
상기 자기 메모리 소자(91)는 크로스포인트 메모리로 동작할 수 있다. 상기 자기 메모리 소자(91)는 상기 제1 도전 패턴(110)에 흐르는 스핀 분극 전류, 상기 스핀 분극 전류에 의한 스핀홀 효과, 상기 제2 도전 패턴(182)에 인가되는 전압에 의한 임계 전류 감소 효과에 의하여 동작할 수 있다. 또는, 상기 자기 메모리 소자(91)는 제1 도전 패턴에 흐르는 전류에 의한 스핀 분극 전류, 상기 스핀 분극 전류에 의한 스핀홀 효과 및 선택된 자기터널 접합을 통하여 흐르는 스핀 전달 토크 효과에 의하여 동작할 수 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 22를 참조하면, 자기 메모리 소자(92)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(92)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층(120)는 상기 제1 도전 패턴(110)에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다. 상기 스핀 필터 구조체(111)는 상기 제1 도전 패턴(110)에 스핀 분극 전류를 제공할 수 있다.
제2 도전 패턴(282 또는 WL)은 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층 자성체(140)에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장된다.
제3 도전 패턴(283 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 도전 패턴들(110)의 각각의 일단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장된다.
제4 도전 패턴(284 또는 BL)은 상기 제2 방향으로 배열된 제1 도전 패턴들(110)의 각각의 타단에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장된다.
상기 자기 메모리 소자(92)는 변형된 크로스포인트 메모리로 동작할 수 있다. 상기 제1 도전 패턴은 서로 분리되어 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 주입할 수 있다. 상기 제3 도전 패턴, 상기 제1 도전 패턴, 및 제 4도전 패턴을 통하여 전류가 흐르는 경우, 상기 제1 도전 패턴에 흐르는 면내 전류는 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 주입하여 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 23을 참조하면, 자기 메모리 소자(93)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(93)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층(120)는 상기 제1 도전 패턴(110 또는 BL)에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)에는 주기적으로 스핀 필터 구조체(111)가 배치될 수 있다.
선택 트랜지스터들(TR)은 상기 자기 터널 접합들(101)의 고정 자성층 자성체(140) 각각에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 도전 패턴(382 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들(TR) 각각의 소오스/드레인에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장될 수 있다.
제3 도전 패턴(383 또는 WL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들(TR) 각각의 게이트에 연결될 수 있다.
특정한 제1 도전 패턴(110, BL0)에 전류가 흐르는 경우, 상기 제1 도전 패턴에 연결된 모든 자기 터널 접합의 자유 자성층들은 스핀 전류를 공급받을 수 있다. 한편, 으나, 특정한 메모리 셀을 선택하기 위하여 선택 트랜지스터(TR)의 게이트에 연결된 특정 제3 도전 패턴에 전압을 인가한다. 이에 따라, 특정한 메모리 셀은 상기 제1 도전 패턴에 의한 스핀 전류 및 선택된 선택 트랜지스터에 의하여 고정 자성층에 전압 또는 스핀 전달 전류를 공급받을 수 있다. 이에 따라, 특정한 메모리 셀은 기록 동작을 수행할 수 있다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 24를 참조하면, 자기 메모리 소자(94)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(94)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110 또는 WBL)은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층(120)는 상기 제1 도전 패턴(110)에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다. 상기 제1 도전 패턴의 양측에는 주기적으로 스핀 필터 구조체(111)가 배치될 수 있다.
선택 트랜지스터들(TR)은 상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 자성체(140) 각각에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 도전 패턴(482 또는 RBL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들(TR) 각각의 소오스/드레인에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 2 방향으로 연장될 수 있다.
제3 도전 패턴(483 또는 WL)은 상기 제1 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들 각각의 게이트에 연결될 수 있다.
특정한 메모리 셀에 쓰기 동작을 수행하기 위하여, 특정한 제1 도전 패턴이 선택되고, 선택된 제1 도전 패턴에 전류가 흐른다. 또한, 선택된 메모리 셀에 연결된 선택 트랜지스터의 게이트에 연결된 제3 도전 패턴이 선택되어, 상기 선택 트랜지스터의 소오스/드레인을 상기 고정 자성층에 전압이 인가되거나 스핀 전달 전류가 흐른다. 이에 따라, 특정한 메모리 셀은 기록 동작을 수행할 수 있다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 25를 참조하면, 자기 메모리 소자(95)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(95)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층는 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다. 스핀 필터 구조체(111)는 상기 제1 도전 패턴(110)의 적어도 일측에 배치될 수 있다.
제2 도전 패턴(582 또는 RBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합의 고정 자성층 자성체(140) 각각에 전기적으로 연결되고 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제3 도전 패턴(583 또는 WBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴(110)의 각각의 일단에 연결되고 제1 방향으로 연장될 수 있다.
선택 트랜지스터들(TR)은 상기 제1 도전 패턴(110) 각각의 타단에 연결될 수 있다.
제4 도전 패턴(584 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들(TR)의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제5 도전 패턴(585 또는 WL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들(TR)의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 26을 참조하면, 자기 메모리 소자(96)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(96)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층는 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다. 스핀 필터 구조체(111)는 상기 제1 도전 패턴(110)의 적어도 일측면에 배치될 수 있다.
선택 트랜지스터들(TR)은 상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 자성체(140)에 각각 연결될 수 있다.
제2 도전 패턴(682 또는 RBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 소오스/드레인에 각각 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제3 도전 패턴(683 또는 WL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들(TR)의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
제4 도전 패턴(684 또는 WBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴(110)의 각각의 일단에 연결되고 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제5 도전 패턴(685 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴(110)의 타단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 27을 참조하면, 자기 메모리 소자(97)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(97)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층(120)는 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다.
제2 도전 패턴(782)은 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 고정 자성층 자성체(140) 각각에 전기적으로 연결되고 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장될 수 있다.
제1 선택 트랜지스터(TR1)는 상기 제1 도전 패턴(110)의 일단에 각각 연결될 수 있다.
제2 선택 트랜지스터(TR2)는 상기 제1 도전 패턴(110)의 타단에 각각 연결될 수 있다.
제 3 도전 패턴(783 또는 WBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 선택 트랜지스터(TR1)의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제 4 도전 패턴(784 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 상기 제2 선택 트랜지스터(TR2)의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제 5 도전 패턴(785)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터(TR1)의 게이트와 제2 선택 트랜지스터(TR2)의 게이트를 서로 연결하여 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 설명하는 도면이다.
도 28을 참조하면, 자기 메모리 소자(98)는 복수의 자기 터널 접합을 구비한다. 상기 자기 메모리 소자(98)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합(101); 상기 자기 터널 접합(101)의 자유 자성층(120)에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴(110); 및 상기 제1 도전 패턴(110)의 양 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함한다. 상기 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀궤도결합력에 기인하는 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque; SOT)를 제공하고, 상기 스핀필터 구조체(111)는 스핀 분극 전류를 상기 도전 패턴(110)에 제공한다.
상기 제1 도전 패턴(110)은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고, 상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층는 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 스핀 전류를 제공하고 상기 자유 자성층(120)에 스핀궤도 스핀 토크를 인가할 수 있다. 상기 스핀궤도 스핀 토크는 상기 자유 자성층의 자화 반전에 기여할 수 있다.
제1 선택 트랜지스터(TR1)는 상기 자기 터널 접합의 고정 자성층 자성체(140)에 각각 연결될 수 있다.
제2 선택 트랜지스터(TR2)는 상기 제1 도전 패턴(110)의 일단에 각각 연결될 수 있다.
제2 도전 패턴(882 또는 RBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터(TR1)의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제3 도전 패턴(883 또는 WBL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴(110)의 타단을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제4 도전 패턴(884 또는 SL)은 상기 제1 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터(TR2)의 소오스/드레인을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
제5 도전 패턴(885 또는 WL)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터(TR1)의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
제6 도전 패턴(886 또는 WL)은 상기 제2 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터(TR2)의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 상기 자유 자성층(120)는 적어도 하나의 자구 구조을 포함할 수 있다. 상기 자구 구조는 자벽 또는 스커미온일 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 상기 제1 도전 패턴(110)은 면내 전류를 인가하고, 반강자성층을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전 패턴(110)은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공할 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 상기 제1 도전 패턴(110)은 면내 전류를 인가하고, 차례로 적층된 반강자성층 및 강자성층을 포함하고, 상기 반강자성층은 상기 자유 자성층에 인접하여 배치되고, 상기 강자성층은 면내 자화 방향을 가지고, 상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하고, 상기 자유 자성층는 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 자기터널 접합은 상기 고정 자성층 자성체(140)에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층을 더 포함하고, 상기 비자성층은 상기 고정 자성층 자성체에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 자유 자성층는 상기 쌍극자 필드 강자성층으로부터 제공되는 면내 자기장에 의해, 외부 자기장 없이 스위칭될 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 자기터널 접합은 상기 제1 도전 패턴(110)과 상기 자유 자성층(120) 사이에 배치된 보조 절연층을 더 포함할 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 상기 제1 도전 패턴(110)은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 비자성층 및 제1 도전 패턴 자성층을 포함하고, 상기 제1 도전 패턴 자성층은 면내 자화 방향 성분을 포함할 수 있다.
도 21 내지 도 28을 참조하면, 상기 제1 도전 패턴(110)은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 자성층 및 제1 도전 패턴 비자성층을 포함하고, 상기 제1 도전 패턴 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 비자성층을 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
10: 도전층
11: 스핀 필터 구조체
20: 강자성체

Claims (44)

  1. 제1 방향으로 면내 전류가 주입되고 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전층;
    상기 도전층에 접촉하여 서로 적층되도록 배치되고 자화 방향이 스위칭되는 강자성층; 및
    고정된 자화 방향을 가지고 상기 도전층에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치되어 외부로 공급되는 상기 면내 전류를 제공받아 스핀 분극 전류를 생성하여 상기 스핀 분극 전류를 상기 도전층에 주입하는 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 스핀 필터 구조체가 상기 도전층의 양 측면에 배치된 경우, 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향은 양측에서 서로 반평행한 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체의 스핀분극(spin polarization, SP)이 0 보다 크고 1 이하인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체는 반금속 강자성체인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 반금속 강자성체는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4), 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium manganite; LSMO) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는자기 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체는 강자성체를 포함하고,
    상기 스핀 필터 구조체의 자화방향은 상기 강자성층의 자화 방향과 평행 또는 반평행하고,
    상기 강자성층은 외부 자기장없이 스위칭되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도전층의 스핀-플립 확산 길이는 3 내지 4 nm인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 도전층과 상기 강자성층은 서로 정렬된 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  9. 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하는 자기 터널 접합;
    면내 전류를 제1 방향으로 흘리고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴; 및
    상기 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 스핀 필터 구조체가 상기 도전 패턴의 양 측면에 배치된 경우, 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향은 양측에서 서로 반평행하고,
    상기 스핀필터 구조체는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴에 제공하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체의 스핀분극(spin polarization, SP)이 0보다 크고 1 이하인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체는 반금속 강자성체인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 반금속 강자성체는 호이슬러(Heusler) 합금, 마그네타이트(Fe3O4), 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSMO) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 스핀 필터 구조체는 강자성체를 포함하고,
    상기 스핀 필터 구조체의 자화방향은 상기 자유 자성층의 자화방향과 평행 또는 반평행한 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  14. 삭제
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴과 상기 자유 자성층은 서로 정렬된 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 자유 자성층은 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴의 스핀-플립 확산 길이는 3 내지 4 nm인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  18. 제9 항에 있어서,
    상기 고정 자성층은 차례로 적층된 제1 고정 자성층, 고정 자성층용 비자성층, 및 제2 고정 자성층으로 이루어진 반자성체(synthetic antiferromagnet) 구조로서,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 고정 자성층용 비자성층은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  19. 제9 항에 있어서,
    상기 고정 자성층은 차례로 적층된 반강자성층, 제1 고정 자성층, 고정 자성층용 비자성층, 및 제2 고정 자성층으로 이루어진 교환바이어스된 반자성체구조로서,
    상기 반강자성층은 Pt, Ir, Fe, Mn 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지고,
    상기 제1 고정 자성층 및 제2 고정 자성층은 각각 독립적으로 Fe, Co, Ni, Gd, B, Si, Zr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지며,
    상기 고정 자성층용 비자성층은 Ru, Ta, Cu, Pt, Pd, W, Cr 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  20. 제9 항에 있어서,
    상기 터널 장벽층은 AlOx, MgO, TaOx, ZrOx 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  21. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque; SOT)를 제공하고,
    상기 도전 패턴은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  22. 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하는 자기 터널 접합;
    면내 전류를 제1 방향으로 흘리고 상기 자기 터널 접합의 상기 자유 자성층에 인접하여 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 스핀 토크를 인가하도록 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발하는 도전 패턴; 및
    상기 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 스핀필터 구조체는 주입된 전류를 필터링하여 스핀의 양과 방향을 제어하여 상기 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자유 자성층는 적어도 하나의 자구 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  23. 제9 항에 있어서,
    상기 면내 전류를 인가하는 도전 패턴은 차례로 적층된 반강자성층 및 강자성층을 포함하고,
    상기 반강자성층은 상기 자유 자성층에 인접하여 배치되고,
    상기 강자성층은 면내 자화 방향을 가지고,
    상기 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하고,
    상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  24. 제9 항에 있어서,
    상기 고정 자성층 자성체에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층을 더 포함하고,
    상기 쌍극자 필드 비자성층은 상기 고정 자성층 자성체에 인접하여 배치되고,
    상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  25. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 보조 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  26. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴은 차례로 적층된 도선 비자성층 및 도선 강자성층을 포함하고,
    상기 도선 강자성층은 면내 자화 방향 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  27. 제9 항에 있어서,
    상기 도전 패턴은 차례로 적층된 도선 강자성층 및 도선 비자성층을 포함하고,
    상기 도선 강자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 비자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  28. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 스핀 필터 구조체가 상기 제1 도전 패턴의 양 측면에 배치된 경우, 상기 스핀 필터 구조체의 자화 방향은 양측에서 서로 반평행한 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은 Cu, Ta, Pt, W, Bi, Ir, Mn, Ti, Cr, Pd, Re, Os, Hf, Mo, Ru 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은 면내 전류를 인가하고, 반강자성층을 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  31. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 자유 자성층은 적어도 하나의 자구 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은 면내 전류를 인가하고, 차례로 적층된 반강자성층 및 강자성층을 포함하고,
    상기 반강자성층은 상기 자유 자성층에 인접하여 배치되고,
    상기 강자성층은 면내 자화 방향을 가지고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층에 면내 교환바이어스 자기장을 제공하고,
    상기 자유 자성층은 외부 자기장 없이 스위칭되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 고정 자성층에 인접하여 차례로 적층된 쌍극자 필드 비자성층 및 면내 자화방향을 가진 쌍극자 필드 강자성층을 더 포함하고,
    상기 비자성층은 상기 고정 자성층 자정층에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 보조 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  35. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 비자성층 및 제1 도전 패턴 자성층을 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴 자성층은 면내 자화 방향 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  36. 제28항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴은 차례로 적층된 제1 도전 패턴 자성층 및 제1 도전 패턴 비자성층을 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 배치된 비자성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  37. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 나란히 진행하고,
    제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  38. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 고정 자성층에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 도전 패턴들의 각각의 일단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 배열된 제1 도전 패턴들의 각각의 타단에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  39. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결된 선택 트랜지스터들;
    상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들 각각의 소오스/드레인에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들 각각의 게이트에 연결된 제3 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  40. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 연장되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결된 선택 트랜지스터들;
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들 각각의 소오스/드레인에 전기적으로 연결되고 상기 기판 평면에서 상기 2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향으로 배열된 상기 선택 트랜지스터들 각각의 게이트에 연결된 제3 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  41. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결되고 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 각각의 일단에 연결되고 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴;
    상기 제1 도전 패턴 각각의 타단에 연결되는 선택 트랜지스터들;
    상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  42. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 자기 터널 접합들의 고정 자성층에 각각 연결되는 선택 트랜지스터들;
    상기 제1 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 소오스/드레인에 각각 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴;
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 선택 트랜지스터들의 게이트에 연결되고 상기 제2 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 제 1 도전 패턴 각각의 일단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 타단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  43. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 고정 자성층 각각에 전기적으로 연결되고 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴;
    상기 제1 도전 패턴의 일단에 각각 연결된 제1 선택 트랜지스터;
    상기 제1 도전 패턴의 타단에 각각 연결된 제2 선택 트랜지스터;
    상기 제1 방향으로 배열된 상기 제1 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제 3 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 상기 제2 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제 4 도전 패턴; 및
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 게이트와 제2 선택 트랜지스터의 게이트를 서로 연결하여 상기 제2 방향으로 연장되는 제 5 도전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  44. 매트릭스 형태로 배열된 복수의 자기 터널 접합;
    제1 방향으로 연장되고 상기 자기 터널 접합의 자유 자성층에 인접하여 배치된 제1 도전 패턴; 및
    상기 제1 도전 패턴에서 상기 제1 방향의 일 측면과 상기 제1 방향의 반대 방향의 일 측면 중에서 적어도 일 측면에 배치된 스핀 필터 구조체를 포함하고,
    상기 제1 도전 패턴은 상기 자유 자성층과 상기 제1 도전 패턴 사이의 스핀 궤도 결합력에 기인하는 스핀 궤도 토크를 제공하고,
    상기 스핀필터 구조체는 스핀 분극 전류를 상기 제1 도전 패턴에 제공하고,
    상기 자기 터널 접합은 고정 자성층, 자유 자성층, 및 상기 고정 자성층과 상기 자유 자성층 사이에 개재된 터널 장벽층을 구비하고,
    상기 제1 도전 패턴은 기판 평면에서 제1 방향으로 주기적으로 배치되고,
    상기 제1 방향으로 배열된 자기 터널 접합들의 각각의 자유 자성층은 상기 제1 도전 패턴 각각에 인접하여 주기적으로 배치되고,
    상기 자기 터널 접합의 고정 자성층에 각각 연결되는 제1 선택 트랜지스터;
    상기 제1 도전 패턴의 일단에 각각 연결되는 제2 선택 트랜지스터;
    상기 제1 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 소오스/드레인에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 제1 도전 패턴의 타단을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 패턴;
    상기 제1 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터의 소오스/드레인을 각각 연결하고 상기 제1 방향으로 연장되는 제4 도전 패턴;
    상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 제1 선택 트랜지스터의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장되는 제5 도전 패턴; 및
    상기 제2 방향으로 배열된 제2 선택 트랜지스터의 게이트를 각각 연결하고 상기 제2 방향으로 연장되는 제6 도전 패턴;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
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