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KR101584099B1 - 자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자 - Google Patents

자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자 Download PDF

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KR101584099B1
KR101584099B1 KR1020090076737A KR20090076737A KR101584099B1 KR 101584099 B1 KR101584099 B1 KR 101584099B1 KR 1020090076737 A KR1020090076737 A KR 1020090076737A KR 20090076737 A KR20090076737 A KR 20090076737A KR 101584099 B1 KR101584099 B1 KR 101584099B1
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layer
magnetic
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metal
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서순애
조영진
피웅환
허진성
배지영
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 자성소자는 자성층의 상·하면에 서로 다른 비자성층이 구비된 트랙을 포함할 수 있다. 상기 서로 다른 두 개의 비자성층 중 하나는 원자번호가 높은 원소를 포함할 수 있다. 이러한 구조에 기인하여, 상기 자성층은 높은 비단열계수(non-adiabaticity)(β)를 가질 수 있다.

Description

자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자{Track including magnetic layer and magnetic device comprising the same}
본 개시는 자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자에 관한 것이다.
전원이 차단되더라도 기록된 정보가 유지되는 비휘발성 정보저장장치는 HDD(hard disk drive)와 비휘발성 RAM(ramdom access memory) 등이 있다.
일반적으로, HDD는 회전하는 부분을 갖는 저장장치로 마모되는 경향이 있고, 동작시 페일(fail)이 발생할 가능성이 크기 때문에 신뢰성이 떨어진다. 한편, 비휘발성 RAM의 대표적인 예로 플래시 메모리를 들 수 있는데, 플래시 메모리는 회전하는 기계 장치를 사용하지 않지만, 읽기/쓰기 동작 속도가 느리고 수명이 짧으며, HDD에 비해 저장용량이 작은 단점이 있다. 또한 플래시 메모리의 생산 비용은 상대적으로 높은 편이다.
이에, 최근에는 종래의 비휘발성 정보저장장치의 문제점을 극복하기 위한 방안으로서, 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용하는 새로운 정보저장장치에 관한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 자구(magnetic domain)는 강자성체 내에서 자기 모멘트가 일정 방향으로 정돈된 자기적인 미소영역이고, 자구벽은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계부이다. 자구 및 자구벽은 자성트랙에 인가되는 전류에 의해 이동될 수 있다. 자구 및 자구벽의 이동 원리를 이용하면, 회전하는 기계 장치를 사용하지 않으면서 저장용량이 큰 정보저장장치를 구현할 수 있을 것이라 예상된다.
그런데 자구벽 이동을 이용한 장치의 실용화를 위해서는, 자구 및 자구벽을 이동시킬 수 있는 임계전류를 낮출 필요가 있다. 상기 임계전류가 높을 때, 전력 소모가 크고, 줄열(Joule heat)에 의해 자성체가 가열되어 다양한 문제가 발생할 수 있다. 또한 전류 인가를 위한 구동 소자나 스위칭 소자의 사이즈를 증가시켜야 하므로, 집적도 개선에 불리할 수 있다.
자구벽을 이동시킬 수 있는 자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자를 제공한다.
본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙; 상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및 상기 트랙에 대한 정보의 재생 및 기록을 위한 읽기/쓰기수단;을 포함하고,
상기 트랙은 상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층; 상기 자성층의 하면 및 상면 중 하나에 구비된 제1비자성층; 및 상기 자성층의 하면 및 상면 중 다른 하나에 상기 제1비자성층과 다른 물질로 형성되고, 원자번호가 14 이상인 금속 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 제2비자성층;을 구비하는 자성소자가 제공된다.
상기 자성층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다.
상기 자성층은 Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1비자성층은 상기 자성층의 자화를 수직으로 배향하는 층일 수 있다.
상기 제1비자성층은 금속층일 수 있다.
상기 금속층은 Pd 또는 Pt 를 포함할 수 있다.
상기 제2비자성층은 금속산화물층일 수 있다.
상기 원자번호가 14 이상인 금속은 Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 0.1 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙; 상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및 상기 트랙에 대한 정보의 재생 및 기록을 위한 읽기/쓰기수단;을 포함하고,
상기 트랙은 상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층; 상기 자성층의 하면에 구비된 열전도성 절연층; 및 상기 자성층의 상면에 구비되고, 원자번호가 12 이상인 금속을 포함하는 비자성층;을 구비하는 자성소자가 제공된다.
상기 비자성층은 금속산화물층일 수 있다.
상기 원자번호가 12 이상인 금속은 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자성층은 수직 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 자성층은 Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 열전도성 절연층은 상기 자성층의 자화를 수직으로 배향하는 층일 수 있다.
상기 열전도성 절연층은 AlN을 포함할 수 있다.
상기 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 0.1 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙; 상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및 상기 트랙에 대한 정보의 재생 및 기록을 위한 읽기/쓰기수단;을 포함하고,
상기 트랙은 상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층; 상기 자성층의 하면 및 상면 중 하나에 구비된 제1비자성층; 상기 자성층의 하면 및 상면 중 다른 하나에 상기 제1비자성층과 다른 물질로 형성되고, 원자번호가 12 이상인 금속을 포함하는 제2비자성층; 및 상기 자성층과 상기 제2비자성층 사이에 구비되고, 원자번호가 14 이상인 금속을 포함하는 삽입층;을 구비하며, 상기 삽입층의 금속 농도는 상기 제2비자성층의 금속 농도보다 높은 자성소자가 제공된다.
상기 자성층은 수직 자기이방성을 가질 수 있다.
상기 자성층은 Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1비자성층은 상기 자성층의 자화를 수직으로 배향하는 층일 수 있다.
상기 제1비자성층은 금속층 또는 절연층일 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 Pd 또는 Pt 를 포함할 수 있고, 상기 절연층은 AlN을 포함할 수 있다.
상기 제2비자성층은 금속산화물층일 수 있다.
상기 제2비자성층은 상기 원자번호가 12 이상인 금속으로 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 삽입층은 금속층 또는 금속산화물층일 수 있다.
상기 삽입층은 상기 원자번호가 14 이상인 금속으로 Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 삽입층의 두께는 1nm 이하일 수 있다.
상기 삽입층에 포함된 금속의 원자번호는 상기 제2비자성층에 포함된 금속의 원자번호보다 크거나 같을 수 있다.
상기 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 0.1 이상일 수 있다.
자성층의 자구벽 이동을 위한 임계전류를 낮출 수 있다. 따라서 전력 소모가 적고, 줄(Joule) 히팅(heating) 문제가 억제된 자구벽 이동 소자를 구현할 수 있다. 자구벽 이동 전류를 인가하기 위한 구동 소자나 스위칭 소자의 사이즈를 감소시킬 수 있으므로, 집적도 향상이 용이해질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 자성층을 구비한 트랙 및 이를 포함하는 자성소자를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랙(T1)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 트랙(T1)은 제1비자성층(1), 자성층(2) 및 제2비자성층(3)이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 즉, 자성층(2)의 하면 및 상면에 각각 제1비자성층(1) 및 제2비자성층(3)이 구비될 수 있다. 트랙(T1)은 소정 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장될 수 있다.
자성층(2)은 트랙(T1)의 연장 방향(즉, Y축 방향)으로 일렬로 배열된 다수의 자구를 가질 수 있고, 인접한 두 개의 자구 사이마다 자구벽이 구비될 수 있다. 자성층(2)은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 이 경우, 자성층(2)은 Co 계열의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 자성층(2)은 Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 하나로 형성될 수 있다.
제1비자성층(1)은 자성층(2)의 자화를 수직으로 배향하는 층일 수 있다. 다시 말해, 제1비자성층(1)에 의해 자성층(2)의 자화 용이축(magnetization easy axis)이 Z축으로 결정될 수 있고, 그에 따라, 자성층(2)이 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 이러한 제1비자성층(1)은 금속층일 수 있다. 예컨대, 제1비자성층(1)은 Pd 또는 Pt 등을 포함할 수 있다. 제1비자성층(1)은 Pd층 또는 Pt층일 수 있다. 그러나 제1비자성층(1)의 물질은 이에 한정되지 않는다.
제2비자성층(3)은 제1비자성층(1)과 다른 물질로 형성된 층일 수 있다. 이 경우, 트랙(T1)은 자성층(2)을 기준으로 상하 비대칭 구조를 갖는다 할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제2비자성층(3)은 금속화합물층, 예컨대, 금속산화물층일 수 있다. 이때, 제2비자성층(3)은 원자번호가 14 이상인 금속을 포함할 수 있다. 상기 원자번호가 14 이상인 금속은 Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나일 수 있다. 제2비자성층(3)은 상기 원자번호가 14 이상인 금속 대신에, 혹은, 그와 더불어, 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2비자성층(3)은 MOx(여기서, M은 금속)로 표현할 수 있고, 이때, M은 Mg, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1비자성층(1), 자성층(2) 및 제2비자성층(3)의 두께는 각각 0.5∼5.0 nm, 0.2∼1.0 nm 및 0.5∼3.0 nm 정도일 수 있다. 그리고 트랙(T1)의 X축 방향 폭은 30∼1000 nm 정도일 수 있다.
본 실시예에서와 같이, 자성층(2)의 상·하면에 서로 다른 비자성층(즉, 제1 및 제2비자성층)(1, 3)이 구비되어, 트랙(T1)이 상하 비대칭 구조를 갖는 경우, 그리고, 제2비자성층(3)이 원자번호가 비교적 큰 원소(금속원소)를 포함하는 경우, 자성층(2)의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 커질 수 있다. 자성층(2)의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 클수록, 자구 및 자구벽의 자기모멘트(magnetic moment)가 용이하게 회전할 수 있으므로, 자구 및 자구벽의 이동이 용이해질 수 있다. 따라서, 자구 및 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도는 낮아질 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 트랙(T1)이 전술한 상하 비대칭 구조를 갖는 경우, 제1비자성층(1)과 자성층(2) 사이의 계면(이하, 제1계면)과 자성층(2)과 제2비자성층(3) 사이의 계면(이하, 제2계면)의 전기적 특징이 다르기 때문에, 상기 제1 및 제2계면 사이에 전기장(electric field)이 발생될 수 있다. 예컨대, 상기 제2계면에서 상기 제1계면 방향으로 전기장이 인가될 수 있다. 상기 전기장은 자성층(2)에 인가된다고 할 수 있다. 이러한 전기장은 "라쉬바 효과(Rashba effect)"를 발생시키고, 그 결과, 자성층(2)을 통해 이동하는 전자의 스핀 플립 속도(spin-flip rate)가 증가될 수 있다. "라쉬바 효과(Rashba effect)"는 전기장(electric field) 하에서 이동하는 전자에 자기장(magnetic field)이 인가된다는 것으로, 상기 자기장과 상기 전자의 스핀 간 상호작용(interaction)에 의해 상기 전자의 스핀 플립 속도(spin-flip rate)가 증가될 수 있다. 상기 전자의 스핀 플립 속도(spin-flip rate)가 증가된다는 것은 스핀 플립 시간(spin-flip time)(τsf)이 짧아진다는 것이다. 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 아래의 수학식 1과 같이, 전자의 에너지 교환 시간(energy exchange time)(τex)을 스핀 플립 시간(spin-flip time)(τsf)으로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 따라서, 전술한 "라쉬바 효과(Rashba effect)"에 의해 전자의 스핀 플립 시간(spin-flip time)(τsf)이 감소하면, 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 증가한다.
Figure 112009050689236-pat00001
이때, 본 실시예에서와 같이, 제2비자성층(3)이 원자번호가 비교적 큰 원소(금속원소)를 포함하는 경우, "라쉬바 효과(Rashba effect)"는 더욱 커질 수 있다. 이는 원자번호가 큰 물질일수록, 원자핵에 양성자를 많이 포함하므로, 그만큼 강한 전기장을 발생시킬 수 있기 때문이라 사료된다. 즉, 제2비자성층(3)에 함유된 금속의 원자번호가 클수록, 자성층(2)과 제2비자성층(3)의 계면(즉, 상기 제2계면)에서 발생하는 자기장의 세기가 커질 수 있고, "라쉬바 효과(Rashba effect)"가 증대되어, 트랙(T1)에 흐르는 전자의 스핀 플립 시간(spin-flip time)(τsf)은 더욱 짧아질 수 있다. 이는 자성층(2)의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 증가됨을 의미한다. 예컨대, 본 실시예에서 자성층(2)의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 약 0.1 이상일 수 있다. 따라서, 트랙(T1)의 자구 및 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도는 상당히 낮아질 수 있다. 이러한 효과는 이하에서 설명할 다른 실시예들에 따른 트랙에서도 유사하게 나타날 수 있다. 이하의 실시예들에 따른 트랙에 포함된 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)도 약 0.1 이상일 수 있다.
도 1에서 제1비자성층(1)과 제2비자성층(3)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 그 예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 트랙(T2)은 자성층(2')의 하면 및 상면에 각각 제2비자성층(3')과 제1비자성층(1')이 구비된 구조를 가질 수 있다. 제1비자성층(1'), 자성층(2') 및 제2비자성층(3')은 각각 도 1의 제1비자성층(1), 자성층(2) 및 제2비자성층(3)에 대응될 수 있다. 도 2에서와 같이, 제1비자성층(1')이 자성층(2')의 상면에 구비되더라도, 제1비자성층(1')이 Pd층이나 Pt층과 같은 금속층인 경우, 그에 의해 자성층(2')의 자화가 수직하게 배향될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랙(T3)의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 트랙(T3)은 제1비자성층(10), 자성층(20) 및 제2비자성층(30)이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 즉, 자성층(20)의 하면 및 상면에 각각 제1비자성층(10)과 제2비자성층(30)이 구비될 수 있다. 트랙(T3)은 소정 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장될 수 있다.
자성층(20)은 도 1의 자성층(2)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
제1비자성층(10)은 열전도성 절연층일 수 있다. 예컨대, 제1비자성층(10)은 AlN층일 수 있다. AlN층의 열전도도(k)는 230 J/(s·m·K) 정도일 수 있다. 이와 같이, 제1비자성층(10)이 열전도성 절연층인 경우, 자구벽 이동을 위해 트랙(T3)에 인가하는 전류에 의해 자성층(20)이 가열되는 문제가 억제될 수 있다. 즉, 상기 전류에 의해 자성층(20)에서 발생한 열은 제1비자성층(10)을 거쳐 외부로 쉽게 빠져 나갈 수 있으므로, 자성층(20)의 가열로 인한 특성 열화는 억제 또는 방지될 수 있다. 또한, 제1비자성층(10)이 열전도성 절연층인 경우, 제1비자성층(10)의 전기 저항이 높기 때문에, 자구 및 자구벽 이동을 위한 전류는 제1비자성층(10)으로는 거의 흐르지 않는다. 이는 상기 전류가 자성층(20)으로 집중될 수 있다는 의미이다. 따라서, 제1비자성층(10)이 도전층인 경우보다 낮은 전류를 이용해서 자성층(20)의 자구 및 자구벽을 이동시킬 수 있다.
부가해서, 제1비자성층(10)이 열전도성 절연층인 경우라도, 제1비자성층(10)은 자성층(20)의 자화를 수직하게 배향하는 역할을 할 수 있다. 즉, 제1비자성층(10)에 의해 자성층(20)의 자화 용이축이 Z축 방향으로 결정될 수 있다.
제2비자성층(30)은 제1비자성층(10)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 트랙(T3)은 상하 비대칭 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2비자성층(30)은 금속화합물층, 예컨대, 금속산화물층일 수 있다. 이때, 제2비자성층(30)은 원자번호가 12 이상인 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속은 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2비자성층(30)은 MOx(여기서, M은 금속)로 표현할 수 있고, 이때, M은 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 제1비자성층(10), 자성층(20) 및 제2비자성층(30)의 두께 및 폭은 도 1의 제1비자성층(1), 자성층(2) 및 제2비자성층(3)의 그것과 유사할 수 있다.
이와 같이, 트랙(T3)이 상하 비대칭 구조를 갖고, 제2비자성층(30)이 원자번호가 비교적 큰 원소(금속원소)를 포함하기 때문에, "라쉬바 효과(Rashba effect)" 에 의해 자성층(20)의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 커질 수 있고, 자구 및 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도는 낮아질 수 있다. 이러한 효과는 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사하다. 다만, 도 3의 실시예에서는 제1비자성층(10)이 열전도성 절연층이기 때문에, 그로 인한 효과가 부가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랙(T4)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 트랙(T4)은 제1비자성층(100), 자성층(200), 삽입층(250) 및 제2비자성층(300)이 순차로 적층된 구조를 가질 수 있다. 트랙(T4)은 소정 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장될 수 있다.
제1비자성층(100)은 도 1의 제1비자성층(1)과 유사한 금속층이거나 도 3의 제1비자성층(10)과 유사한 절연층일 수 있다. 예컨대, 상기 금속층은 Pd 또는 Pt를 포함할 수 있고, 상기 절연층은 AlN을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1비자성층(100)은 Pd층 및 Pt층과 같은 금속층이거나, AlN층과 같은 절연층일 수 있다. 이러한 제1비자성층(100)은 자성층(200)의 자화를 수직하게 배향하는 역할을 할 수 있다.
자성층(200)은 도 1의 자성층(2)에 대응하는 층일 수 있다. 즉, 자성층(200)은 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 이 경우, Co 계열의 물질, 예컨대, Co, CoFe, CoFeB, CoCr 및 CoCrPt 중 하나로 형성될 수 있다.
제2비자성층(300)은 도 3의 제2비자성층(30)에 대응하는 층일 수 있다. 즉, 제2비자성층(300)은 금속화합물층, 예컨대, 금속산화물층(MOx, M은 금속)일 수 있다. 이때, 제2비자성층(300)은 원자번호가 12 이상인 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속은 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
자성층(200)과 제2비자성층(300) 사이의 삽입층(250)은 원자번호가 14 이상인 금속을 포함할 수 있다. 삽입층(250)의 금속 농도는 제2비자성층(300)의 금속 농도보다 높을 수 있다. 삽입층(250)에 포함된 금속의 원자번호는 제2비자성층(300)에 포함된 금속의 원자번호보다 크거나 같을 수 있다. 예컨대, 삽입층(250) Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속층이거나 금속산화물층일 수 있다. 삽입층(250)의 두께는 상대적으로 얇을 수 있다. 예컨대, 삽입층(250)은 1nm 이하의 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 삽입층(250)의 두께가 얇은 경우, 삽입층(250)은 자성층(200)과 제2비자성층(300)의 계면에서, 상기 계면의 특징을 변화시키는 역할을 한다고 할 수 있다. 삽입층(250)의 금속 농도는 제2비자성층(300)의 금속 농도보다 높을 수 있고, 또한, 삽입층(250)에 포함된 금속의 원자번호는 제2비자성층(300)에 포함된 금속의 원자번호보다 클 수 있으므로, 삽입층(250)에 의해 "라쉬바 효과(Rashba effect)"가 더욱 증대될 수 있다. 따라서, 자구 및 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도는 더욱 낮아질 수 있다.
도 4의 구조는 도 5와 같이 변형될 수 있다.
도 5를 참조하면, 트랙(T5)은 자성층(200')의 상면에 제1비자성층(100')이 구비되고, 자성층(200')의 하면에 삽입층(250')과 제2비자성층(300')이 차례로 구비된 구조를 가질 수 있다. 제1비자성층(100'), 자성층(200'), 삽입층(250') 및 제2비자성층(300')은 각각 도 4의 제1비자성층(100), 자성층(200), 삽입층(250) 및 제2비자성층(300)에 대응될 수 있다. 도 5의 트랙(T5)은 도 4의 트랙(T4)을 뒤집은 구조라 할 수 있다. 단, 도 5의 트랙(T5)에서 제1비자성층(100')에 의해 자성층(200')의 자화가 수직 배향되도록 하기 위해서는, 제1비자성층(100')은 Pd 또는 Pt와 같은 금속으로 형성할 수 있다. 제1비자성층(100')으로 AlN층을 사용하는 경우, 자성층(200')의 자화를 수직 배향하기 어려울 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는, 제1비자성층(100')이 자성층(200')의 자화를 수직 배향하는 층으로 사용되지 않을 수도 있으므로, 제1비자성층(100')의 물질은 전술한 Pd 및 Pd와 같은 금속으로 한정되지 않는다.
도 5와 같은 구조에서도 도 4에서와 유사하게 "라쉬바 효과(Rashba effect)"에 의해, 자구 및 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도가 낮아질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 트랙의 형성방법에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다. 트랙(T1∼T5)을 구성하는 층들은 반도체 공정에서 사용되는 일반적인 박막 증착 공정으로 형성할 수 있다. 다만, 자성층(2, 2', 20, 200, 200')의 수직 자화를 위해, 제2비자성층(3, 3', 30, 300, 300')(MOx)을 플라즈마 산화(plasma oxidation)를 거쳐 형성하거나, 트랙(T1∼T5)을 소정 온도로 어닐링(annealing) 할 수 있다. 상기 어닐링의 온도는 약 400℃ 이하일 수 있다. 상기 플라즈마 산화 및 어닐링은 선택적(optional) 공정이다. 즉, 트랙(T1∼T5)의 구조 및 구성 물질에 따라, 상기 플라즈마 산화 및 어닐링 없이도 자성층(2, 2', 20, 200, 200')을 수직 자화시킬 수 있다. 또한, 이상에서는 자성층(2, 2', 20, 200, 200')이 수직 자기이방성을 갖는 경우에 대해 설명하였지만, 자성층(2, 2', 20, 200, 200')은 수직 자기이방성이 아닌 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 물질 및 구조로 형성할 수도 있다. 따라서 제1비자성층(1, 1', 10, 100, 100')은 자성층(2, 2', 20, 200, 200')의 자화를 수직 배향하는 역할을 하지 않을 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트랙에서 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)에 따른 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6은 댐핑 상수(damping constant)(α)가 서로 다른 자성층을 갖는 다수의 트랙에 대한 결과이다.
도 6을 참조하면, 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 약 0.1∼0.15 이상인 경우, 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 증가함에 따라 임계전류 밀도가 감소함을 알 수 있다. 도 6의 결과에서는 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 약 0.1∼0.15 인 지점으로부터 임계전류 밀도가 감소하기 시작하였지만, 임계전류 밀도가 감소하기 시작하는 포인트는 트랙의 구조와 구성 물질에 따라 달라질 수 있다. 한편, 도 6에서 댐핑 상수(α)가 작아질수록 임계전류 밀도는 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 AlN/Co/PtOx 구조에서는 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 1.0 정도인 반면, 비교예에 따른 Pt/Co/Pt 구조에서는 비단열계수(non-adiabaticity)(β)가 약 0.02 이므로, 도 6의 결과에 기초할 때, 상기 실시예에 따른 구조(AlN/Co/PtOx)에서는, 상기 비교예의 경우보다 임계전류 밀도가 1/3 정도로 줄어들 것이라 예상된다.
이상에서 설명한 트랙은 자구벽 이동을 이용한 자성소자에 적용할 수 있다. 그 일례가 도 7에 도시되어 있다. 즉, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트랙(1000) 을 포함하는 자구벽 이동을 이용한 자성소자를 보여주는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 소정 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장된 트랙(1000)이 구비될 수 있다. 트랙(1000)은 도 1 내지 도 5의 트랙(T1∼T5) 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 트랙(1000)은 그 연장 방향(즉, Y축 방향)을 따라 일렬로 연속 배열된 다수의 자구를 가질 수 있고, 인접한 두 개의 자구 사이에 자구벽이 구비될 수 있다. 트랙(1000)은 각 자구에 정보를 저장하는 정보저장요소로 사용될 수 있다. 트랙(1000)의 형태는 도시된 바에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있다.
트랙(1000)의 양단 중 적어도 하나는 트랜지스터와 연결될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 트랙(1000)의 양단은 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)와 연결될 수 있다. 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2) 중 적어도 하나는 전류원(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 전류원과 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)는 트랙(1000)에 연결된 "자구벽 이동수단"을 구성할 수 있다. 상기 전류원과 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)를 이용해서 트랙(1000)에 소정의 전류를 인가하여, 트랙(1000) 내에서 자구 및 자구벽을 이동시킬 수 있다. 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 온(ON)·오프(OFF) 상태를 제어하여 상기 전류의 방향을 조절할 수 있고, 상기 전류의 방향에 따라 자구 및 자구벽의 이동 방향이 달라질 수 있다. 전류의 방향은 전자의 방향과 반대이므로, 자구 및 자구벽은 전류의 방향과 반대 방향으로 이동한다. 트랙(1000)의 양단을 각각 제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)와 연결시키는 대신에, 트랙(1000)의 양단 중 하나에 하나 또는 둘 이상의 트랜지스터를 연결할 수도 있다. 트랜지스터 대신에 다른 스위칭소자, 예컨대, 다이오드를 사용할 수도 있 다. 그 밖에도, 상기 "자구벽 이동수단"의 구성은 다양하게 변형될 수 있다.
트랙(1000)의 소정 영역 상에 읽기수단(2000) 및 쓰기수단(3000)이 구비될 수 있다. 읽기수단(2000) 및 쓰기수단(3000)은 각각 하나의 자구에 대응하는 길이를 가질 수 있다. 읽기수단(2000)은 거대자기저항(giant magneto resistance)(이하, GMR) 효과를 이용한 GMR 센서 또는 터널자기저항(tunnel magneto resistance)(이하, TMR) 효과를 이용한 TMR 센서일 수 있다. 쓰기수단(3000)은 GMR 또는 TMR 기록장치일 수 있다. 쓰기수단(3000)은 외부 자장을 이용하여 쓰기를 수행하는 장치일 수도 있는데, 이 경우, 쓰기수단(3000)은 트랙(1000)과 소정 간격 이격될 수 있다. 읽기수단(2000) 및 쓰기수단(3000)의 읽기 및 쓰기 메카니즘, 구조 및 형성 위치 등은 전술한 것들 및 도시된 것에 한정되지 않고, 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 읽기수단(2000) 및 쓰기수단(3000)을 각각 구비하는 대신, 읽기 기능과 쓰기 기능을 겸하는 일체형의 읽기/쓰기수단을 구비시킬 수도 있다. 또 읽기수단(2000) 및 쓰기수단(3000)은 트랙(1000)의 상면이 아닌 하면에 구비시킬 수 있고, 경우에 따라서는 트랙(1000)의 측면에 구비시킬 수도 있다.
제1 및 제2 트랜지스터(Tr1, Tr2)를 포함하는 전류 인가수단으로 트랙(1000)에 전류를 인가하여 자구 및 자구벽을 비트 단위로 이동시키면서, 읽기수단(2000) 또는 쓰기수단(3000)을 이용해서 정보를 재생하거나 기록할 수 있다. 따라서 도 7의 자성소자는 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치일 수 있다.
본 실시에에서는 트랙(1000)의 자구 및 자구벽을 이동시키기 위한 임계전류 밀도가 낮기 때문에, 상기 자성소자의 전력 소모는 적을 수 있고, 줄(Joule) 히 팅(heating) 문제도 억제될 수 있다. 또한 자구 및 자구벽 이동을 위한 전류를 인가하는 소자(즉, 도 7의 제1 및 제2트랜지스터(Tr1, Tr2))의 사이즈를 감소시킬 수 있으므로, 집적도 향상이 용이할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 실시예에 따른 트랙은 도 7과 같은 정보저장장치(메모리)뿐만 아니라, 자구벽 이동 원리가 적용되는 다른 모든 분야에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 도 1 내지 도 5 및 도 7의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 자성층(2, 2', 20, 200, 200')은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)이 아닌 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 물질 및 구조로 형성될 수 있고, 제1비자성층(1, 1', 10, 100, 100')은 자성층(2, 2', 20, 200, 200')의 자화를 수직 배향하는 역할을 하지 않을 수 있으며, 제2비자성층(3, 3', 30, 300, 300')은 금속산화물이 아닌 다른 금속화합물로 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 트랙을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트랙에서 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)에 따른 자구벽 이동을 위한 임계전류 밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트랙을 포함하는 자구벽 이동을 이용한 자성소자를 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
T1∼T5 : 트랙 Tr1, Tr2 : 트랜지스터
1, 10, 100 : 제1비자성층 2, 20, 200 : 자성층
250 : 삽입층 3, 30, 300 : 제2비자성층
1000 : 트랙 2000 : 읽기수단
3000 : 쓰기수단

Claims (27)

  1. 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙;
    상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및
    상기 트랙에 대한 정보의 재생을 위한 읽기수단과 정보의 기록을 위한 쓰기수단;을 포함하고,
    상기 트랙은,
    상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층;
    상기 자성층의 하면 및 상면 중 하나에 구비된 제1비자성층; 및
    상기 자성층의 하면 및 상면 중 다른 하나에 상기 제1비자성층과 다른 물질로 형성되고, 원자번호가 14 이상인 금속 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 제2비자성층;을 구비하고,
    상기 자성층의 비단열계수(non-adiabaticity)(β)는 0.1 이상인 자성소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성층은 수직 자기이방성을 갖고,
    상기 제1비자성층은 상기 자성층의 자화를 수직으로 배향하는 층인 자성소자.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1비자성층은 금속층이고,
    상기 금속층은 Pd 또는 Pt 를 포함하는 자성소자.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2비자성층은 금속산화물층이고,
    상기 원자번호가 14 이상인 금속은 Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 자성소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙;
    상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및
    상기 트랙에 대한 정보의 재생을 위한 읽기수단과 정보의 기록을 위한 쓰기수단;을 포함하고,
    상기 트랙은,
    상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층;
    상기 자성층의 하면에 구비된 것으로, AlN을 포함하는 열전도성 절연층; 및
    상기 자성층의 상면에 구비되고, 원자번호가 12 이상인 금속을 포함하는 비자성층;을 구비하는 자성소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비자성층은 금속산화물층이고,
    상기 원자번호가 12 이상인 금속은 Mg, Al, Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 자성소자.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 다수의 자구 및 그들 사이에 자구벽을 갖는 트랙;
    상기 트랙에 연결된 자구벽 이동수단; 및
    상기 트랙에 대한 정보의 재생을 위한 읽기수단과 정보의 기록을 위한 쓰기수단;을 포함하고,
    상기 트랙은,
    상기 자구 및 자구벽을 갖는 자성층;
    상기 자성층의 하면 및 상면 중 하나에 구비된 제1비자성층;
    상기 자성층의 하면 및 상면 중 다른 하나에 상기 제1비자성층과 다른 물질로 형성되고, 원자번호가 12 이상인 금속을 포함하는 제2비자성층; 및
    상기 자성층과 상기 제2비자성층 사이에 구비되고, 원자번호가 14 이상인 금속을 포함하는 삽입층;을 구비하며,
    상기 삽입층의 금속 농도는 상기 제2비자성층의 금속 농도보다 높은 자성소자.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 삽입층은 금속층 또는 금속산화물층이고,
    상기 삽입층은 상기 원자번호가 14 이상인 금속으로 Cr, Ru, Pd, Ta 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 자성소자.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
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