KR100451660B1 - 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법 및 이를이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리와정보기록방법 - Google Patents

전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법 및 이를이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리와정보기록방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강자성박막에서의 전압에 의한 자화용이축(magnetization easy axis) 제어방법 및 이를 이용한 비휘발성 자기메모리와 그 정보기록(writing) 방법에 관한 것으로서, 전극층, 압전층 및 자성층을 배치하고, 전극층에 전압을 인가하여 전기장이 확보되면, 압전층에 격자확장(혹은 격자압축)이 야기된 후, 자성층에 인장응력 혹은 압축응력이 가해짐으로써 자성층의 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축이 박막면에서 수직축으로 또는 그 역으로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전압 인가 방식의 강자성막의 자발자화방향 제어방법 및 이를 이용한 자기메모리와 그 정보기록방법을 제공하며, 본 발명을 이용하면 자기장(magnetic field)을 인가하지 않고 정보를 기록(writing)할 수 있어, 초고집적도 비휘발성 메모리소자를 형성할 때 메모리 셀의 크기가 작아지고 셀 간의 간격이 작아져 발생하는 정보 유실과 정보기록시의 신뢰도 손실을 억제하는 효과가 있다.

Description

전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법 및 이를 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리와 정보기록방법 {VOLTAGE CONTROL OF MAGNETIZATION EASY AXIS IN FERROMAGNETIC FILMS, ULTRAHIGH-DENSITY, LOW POWER, NONVOLATILE MAGNETIC MEMORY AND WRITING METHOD THEREOF}
본 발명은 강자성박막에서 전압에 의해 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축 제어방법 및 이를 이용한 비휘발성 자기메모리와 그 정보기록방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도선의 전류 흐름에 의한 자기장을 인가하는 방법 대신 압전박막에 전압을 인가하여 자성박막에 인장응력 혹은 압축응력을 가함으로써 역 자왜효과를 이용하여 강자성박막의 스핀방향을 제어하는 방법과, 이를 이용한 초고집적, 초절전형, 비휘발성 자기 메모리소자를 실용화하기 위한 자기랜덤억세스메모리 (Magnetic Random Access Memory: MRAM) 소자에 있어서 전압 인가방식의 정보기록 방식에 관한 것이다.
최근 최첨단 정보기억소자 분야에서 기술상의 핵심 논점은 이상적인 비휘발성 정보기억소자를 구현하는 것이다. 기대되는 기술은 강유전체 박막의 높은 전하자발쌍극현상을 이용한 강유전체메모리반도체(Ferroelectric Random Access Memory :FeRAM)와, 정보 판독 수단으로서 스핀편극를 이용한 자기 랜덤 억세스 메모리(MRAM)이다. 이 MRAM은 오늘날 반도체 SRAM의 빠른 속도와 고밀도 DRAM의 장점을 겸비한 FeRAM에 견줄만한 비휘발성 자기메모리소자이다.
MRAM은 비휘발성이라는 커다란 장점에도 불구하고 초고집적화의 달성에 걸림돌이 되는 기술적인 어려움이 있는데, 이는 메모리 셀 간의 간격이 줄어들 때 충분한 크기를 가진 외부 자기장의 국부화가 어렵고 각 셀 간의 스핀들이 상호작용하여 기록된 정보의 유실이 예측된다는 것이다. 자기장 인가방식의 자화방향 제어는 정보기록시 각 셀의 스핀 방향을 변경(스위칭)하는데 있어서 셀이 작을수록 자기장의 국소화는 더욱 어려워진다. 즉, 기존의 자기장에 의한 스핀 스위칭 구동 방식을 사용하면 셀의 크기나 간격이 작아지는 초고밀도 집적시 메모리 기록에 한계가 있는데, 이것은 인간된 자기장이 스핀 스위칭을 원하지 않는 주위의 셀에도 영향을 미쳐 기록된 비트가 삭제될 수 있기 때문이다. 또한 각각의 셀의 스핀간 상호작용에 의해 저장된 스핀방향 즉 정보가 유실될 수도 있다. 그러므로, 초고집적 MRAM 구조를 위해서는 금속선을 통해 흐르는 전류에 의해 자기장을 인가하지 않고 자발자화방향을 제어하는 것이 필수적이며, 동시에 기록된 스핀 방향의 상호 작용에 의한 간섭효과도 없애야 한다. 뿐만 아니라, 기존의 MRAM 기술에서는 두 강자성박막을 분리하는 절연박막층을 통과하는 터널링 전자의 자기저항효과를 이용하여 고정층과 자유층 자성박막의 상대적 스핀방향을 판독하기 때문에, 절연박막층의 두께가 약 1 nm 이하여야 한다. 이는 생산공정시 일정한 두께로 1 nm의 절연박막을 수 인치 반경을 갖는 웨이퍼에 균일하게 증착하기 어렵기 때문에 기존의 MRAM 소자의 커다란 약점이기도 하다.
최근에, 인가 자기장의 사용이라는 전통적인 방법 대신 전류에 의해 자화 방향을 제어하려는 주목할 만한 시도가 있었다. 그 중 하나는, 강자성박막층/금속 분리층/절연 초박막층/강자성 박막층의 복잡한 적층 구조에서의 스핀 스위칭을 예상하고 있는데, 제어 가능한 교환결합(exchange coupling)이 그 근거가 될 수 있으나, 아직 실험적으로 증명된 것은 아니다(You, C. Y. Bader S.D., Prediction of switching rotation of the magnetization direction with applied voltage in a controllable interlayer exchange coupled system,J.Magn.Magn.Mater.195, 488-500(1999)). 다른 하나는, Co/Cu/Co(코발트/구리/코발트) 샌드위치 구조에 있어서 전류-유도 스핀방향 스위칭에 대한 실험적인 증명이며, 이 현상은 흐르는 전도 전자 및 스핀 사이의 국소 교환 상호작용(loacal exchange interaction)에 기인하는 것이다(Myers, E. B., Ralph, D.C., Katine, J.A., Louie, R.N. Buhrman, R.A., Current Induced Switching of Domains in Magnetic Multilayer Devices,Science285, 867-870(1999)). 이 구조의 문제점은 스핀 스위칭을 유도하기 위한 전류가 일반적으로 거대자기저항(GMR)을 측정하는 데에도 사용된다는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 실온에서 동작되는 강자성박막에서의 전압에 의한 자발자화방향 제어방법을 제안하며, 보다 상세하게는 압전/자성박막 복합시스템에서 역자왜(inverse magnetostriction) 효과 및 역압전(inverse piezoelectricity) 효과를 이용한 전압구동 스핀 스위칭 방법과 이를 이용한 비휘발성 자기 메모리인 MRAM에서 128 Mbit 이상의 초고집적시 스핀방향 제어 즉 정보기록방식을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 기술적 장점은 1 nm 정도의 절연 초박막을 사용하지 않기 때문에 이에 따른 공정상의 어려움을 제거할 수 있고 또한 제품수율(yield)도 높일 수 있다는 것이다. 또한, MRAM의 기존의 정보저장방식은 강자성박막의 스핀 자유층의 스핀방향을 자화용이축상에서 서로 반대방향의 반전을 이용하지만, 본 발명에서 제안하는 방법은 자화용이축 자체를 이용하여 수직과 수평의 상대적인 스핀방향을 이용하기 때문에 더욱 안정된 정보저장능력을 제공하여 자성박막을 포함한 셀의 크기가 작아질 때 발생하는 초상자성 (superparamagnetism) 효과에 의한 정보유실을 극복할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 전압에 의한 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축(magnetization easy axis) 제어방법을 구현한 압전박막/자기박막 및 전극층의 복합 시스템의 설계도,
도 1b는 Pt 전극선의 단면도 및 인가된 전기장(electric field: E)에 반응하여 일어나는 자화용이축 스위칭의 기법에 대한 개념도,
도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명에 따른 복합시스템을 광학현미경으로 본 평면도,
도 2a는 본 발명에 따른 복합시스템에서 세로방향(longitudinal) 및 극방향(polar) 커 신호(Kerr signal)를 측정하기 위한 기하(geometry)를 도시한 도면,
도 2b 및 2c는 전압의 변화에 따라 달리 측정되는 커 타원 (Kerr ellipticity) 및 회전(rotation) 자기이력곡선을 각각 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 0.5 Hz의 주파수에서 전압이 ±10 V 범위에서 사인 파형으로 변동되는 데 대한 세로방향 및 극방향 커 회전 신호를 도시한 도면,
도 3c는 150 Oe의 인가 자기장 하에서 주파수가 0.5 Hz일 때 ±10 V 범위의 여러 파형에 반응하는 극방향 커 회전 신호의 시간에 따른 변동을 도시한 도면,
도 3d는 전압이 ±10 V 사이에서 변조되고 그 사인파형(sine wave)의 주파수의 변화에 따른 극방향 커 회전 신호를 도시한 도면,
도 3e는 0.5 Hz에서 사인 곡선 형태의 전압 진폭에 따른 극방향 커 회전 신호의 변화를 도시한 도면,
도 4a 및 도 4b는 박막적층면에 전압을 각각 수직과 수평으로 인가할 경우의 본 발명에 따른 메모리의 셀 어레이(cell array) 및 어드레싱(addressing) 구조의 두 형태를 도시한 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 압전박막/자성박막 및 전극선의 복합구조의 메모리의 셀에 대한 두 형태를 자세히 도시한 도면.
상기 목적의 해결을 위해 본 발명에 의한 강자성막박의 스핀방향 제어방법은, 전극층, 압전층 및 자성층을 배치하고, 상기 전극층에 전압을 인가하여 전기장이 확보되면, 상기 압전층에 격자변동(격자확장 혹은 격자압축)이 야기된 후, 상기 자성층에 응력(인장응력 혹은 압축응력)이 가해짐으로써 상기 자성층의 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축이 박막면에서 수직축으로 또는 그 역으로 스위칭되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 특징은, 상기 압전층을 이루는 압전소자가 PZT(티탄 지르콘산 납), PLZT, 피로에 강한 SBT(SrBiTaO계) 또는 BLT 중 어느 하나인 것이다.
본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 압전층의 두께를 100 nm 이하로 하여 수직으로 전압을 인가할 때 수 V 이하에서도 전하 쌍극자 편광이 발생하여 작은 전압으로 정보를 기록하여 절전형 비휘발성 메모리소자를 제조하는 것이며, 압전층의 두께를 50 nm 이하로 작게 할 때는 구동전압이 1 V 이하의 초절전형 메모리소자를 제작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 자성층을 이루는 소자가 CoPd(코발트 팔라듐) 합금이거나, 이 때 큰 자왜 특성과 동시에 큰 자기저항특성을 갖기 위해 CoFe 및 NiFe 합금 또는 Ni, Fe, Co로 이루어진 삼종원소 합금으로 구성되는 것이다. 또한 상기 합금원소에 Pd, Pt, Au, Cu, Ru, W 중 비자성원소가 첨가된 합금박막으로 구성되는 것이다.
본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 전극층은 Pt(백금), Pd, Cu, Al, Ru, W 중 어느 한 원소의 전극선으로 구성되는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 강자성막의 스핀방향 제어방법을 이용한 메모리의 특징은, 압전 소자로 이루어진 압전층과, 상기 압전층 상부에 배치되고 인가된 전압에 의해 상기 압전층이 유발한 인장응력 혹은 압축응력의 결과로 자화용이축이 스위칭되는 자유자성층과, 상기 자유자성층 상부에 배치되고 자화용이축이 고정되어있는 고정자성층, 그리고 상기 자유자성층과 고정자성층 사이에 배치되어 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층을 포함하는 메모리 셀의 어레이로 이루어지는 것이다.
본 발명에 의한 메모리의 부가적인 특징은, 상기 메모리 셀이 수직을 이루는 금속전극선들로 연결되어 있어, 메모리 셀에 정보를 기록할 때는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전압을 인가하여 상기 자유자성층의 자발자화방향을 스위칭하는 것이다.
본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 정보를 재생할 때에 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전류를 흘려 상기 자유자성층과 고정자성층의 자기저항 즉, 수직과 수평방향으로 배열된 스핀간의 자기저항값을 읽어 상기 두 자성층의 상대적 자화방향을 판독하는 것이다.
본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은 스핀방향이 수직과 수평자화용이축에 의해 결정되기 때문에 각 셀의 스핀 상호작용에 스핀방향이 안정하다는 것이다.
본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은 스핀 고정층과 자유층의 스핀방향이 자화용이축에 의해 결정되기 때문에 셀의 크기가 작아질 때 발생하는 초상자성효과에서도 응력에 의해 유발된 강한 자기이방성으로 인해 자화용이축이 유지되고 그러므로 정보유실을 억제할 수 있다는 것이다.
본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 셀면에 수직방향으로 전압을 인가하는 경우, 대각선 방향으로 금속전극선을 추가로 배치하여, 정보를 재생할 때 상기 메모리 셀이 연결된 가로 방향의 금속전극선 및 상기 대각선 방향의 금속전극선에 전류를 가하는 것이며, 이때 금속전극선은 정보기록 및 판독용으로 모두 3개면 된다.
본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 셀면에 평행한 방향으로 전압을 인가하는 경우, 상기 전류가 상기 자성층으로 흐르지 않도록 하기 위하여, 상기 금속전극선을 절연체(insulator)에 의해 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 흘려주기 위한 통로로 분리하는 것이다.
본 발명은 기본적으로 압전/자성박막의 복합 시스템을 이용하고 있으며, 압전/자성박막의 복합 시스템을 사용하여 저전압 구동 스핀 스위칭을 구현하기 위해 가장 필요한 것은, 자성층의 내부 변형(strain)에 있어서 적은 양의 변화를 제어하여 자화용이축을 스위칭하는 것이다. 자성층의 역 자왜 효과는 이를 가능하게 만드는데, 이는 압전층이 양, 음으로 충전된 이온의 영구 쌍극으로 인한 유효 전기장 구동 격자변동을 가지며 자성층에 충분한 응력(stress)을 유도할 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 이러한 요구를 충족시키는 물질로서, 자성층에는 초박(ultrathin) CoPd(코발트 팔라듐) 합금 박막을, 압전층에는 PZT(티탄 지르콘산 납)를 실시예로 사용하였으며, 전자는 큰 역자왜 효과를 가진 것으로 알려져 있으며, 후자는 상당한 압전 및 이의 역 (전기왜곡) 효과를 가진 것으로 알려져 있다. 그 밖에도 PLZT, BLT, SBT 및 LiNbO3등이 압전층으로, AB(여기서 A는 Co, Ni, Fe이고 B는 Pd, Pt, Au, Cu등) 혹은 Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au, Cu등의 삼원계 이상의 합금계나 TbFeCo계의 소자가 자성층으로 사용될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예 및 실험 예들을 살펴본다.
도 1a는 MgO 기판위에 TiOy(산화 티탄)을 증착하고 그 위에 패턴 Pt(백금) 전극(12) - Pb(ZrxTi1-x)O3(산화 티탄 지르콘산 납, 13) - Pd/CozPd1-z/Pd(팔라듐/코발트 팔라듐/팔라듐, 14)를 배치한 복합 시스템의 설계도로서, 본 발명에 따른 압전/자성박막 복합 시스템을 도시한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 강자성박막의 스핀 스위칭 구동방법은 압전층과 자성층으로 구성된 복합 시스템에 의하며, 상술한 바와 같이 압전층을 이루는 압전소자로는 PZT를, 자성층을 이루는 강자성 소자로는 CoPd 합금박막을 사용할 수 있다. 또한, 낮은 전압 인가로 이웃하는 Pt 전극(12)들 간에 충분한 전기장을 확보하기 위하여 마이크로스케일 패턴의 Pt 전극이 사용되며, 결과적으로 주어진 전압에서 충분한 전기왜곡 효과가 발생한다. 상세한 층 구조는 바닥으로부터 MgO 기판(11) 및 TiOy층, 50 nm 두께와 5μm 너비 그리고 5μm 간격을 가진 Pt 전극선 및 Pt 패드(12), 100 nm 두께의 Pb(ZrxTi1-x)O3(13), Pd/CozPd1-z/Pd(14)층 순으로 되어 있다. 상기와 같은 패턴의 Pt 전극(12)은 충분한 전압이 인가될 때의 상호 교대 편광(alternate charge polarization)을 위해 설계되었다.
도 1b는 상기 Pt 전극 와이어의 단면도 및 인가된 전기장에 반응하여 일어나는 자발적인 스핀 스위칭의 기법에 대한 개념도로서, 점선 화살표는 방향성 전기장선을 가리킨다. 전기장이 0인 경우 스핀 방향은 박막면에 있는데, 이는 자기 쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)에 기인한 전형적인 박막의 자기형상이방성 때문이다. 반면, 전기장이 인가되면, 상당한 전기왜곡에 의해 야기되는 PZT층의 격자 확장(lattice expansion)과 이후 발생하는 CoPd 합금층에서의 인장 응력(tensile stress)이 뒤따르며, 결과적으로 자성 CoPd 합금박막의 역 자기왜곡 효과가 자화용이축을 박막면(in-plane)에서 수직축(out-of-plane)으로 전이시킴으로써 스핀방향 스위칭이 유발된다. 이 때 CoPd 합금박막의 집합조직(texture)은 (111)면으로서 약 - 10-4정도의 음의 자왜상수를 갖고 있다.
도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명에 의한 스핀스위칭 구동방법에 의한 복합 시스템을 광학현미경으로 관찰한 평면도로서, 상술한 다층구조가 잘 나타나 있으며 각 도면에 다른 축적(scale bar)이 적용되었다. 상세히 설명하면, 도 1c의 15는 MgO/TiO/PZT/Pd/CoPd/Pd 적층 구조 부분, 16은 MgO/TiO/Pt/PZT/Pd/CoPd/Pd 적층 구조 부분, 17은 자화반전을 관찰하기 위한 레이저 빔이 입사되는 부분, 18은 MgO/TiO 기판 부분, 19 및 20은 Au(금) 와이어, 그리고 21은 MgO/TiO/Pt 적층 구조 부분이다. 도 1d는 도 1c의 점선 부분을 확대한 것으로 22는 Pt 패드를, 23은 Pt 전극선을 나타낸다. 도 1e은 도 1d의 점선 부분을 확대한 것(24)이다.
본 발명에서는 PZT 기판 상부에 CoPd 합금층을 직접 배치하기 위해, 이것을 초고진공챔버(ultrahigh vacuum chamber)에 넣은 후 이 합금박막을 1×10-8Torr의 진공도에서 1.5 Å/min의 전자빔 증착기(evaporator)로 증착(grow)하였다. 또한,15-Å-두께의 Pd 덮개층이 산화 방지를 위해 배치된 후, 2 개의 Pt 전극 패드가 2 개의 외부 금 선에 접착되어 전압을 인가하도록 상기 초고진공챔버의 내부가 공기중에 노출(vent)된다(도 1c). Pt 전극들이 잘 연결되었는지 체크하기 위하여, 인접하는 Pt 전극 사이의 커패시턴스를 임피던스 분석기를 통해 측정하였는 바, 측정된 커패시턴스는 전극 기하학 및 PZT 특성을 기초로 계산된 기대치와 일치하였다.
도 2a는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법에 따른 복합 시스템에서 세로방향(longitudinal) 및 극방향(polar) 커 신호를 측정하기 위한 기하(geometry)로서, 세로방향의 경우 빛 산란 평면에서의 자기장 방향은 박막면에 평행하며, 극방향의 경우 빛 산란 평면에서의 자기장 방향은 박막면에 수직이다. 도 2b 및 도 2c는 상기 기하에서 전압 함수로서 측정되는 자기이력곡선을 도시한 것으로서, 커 타원(ellipticity) 및 회전(rotation)이 동시에 측정되었다. 도 2b에는 세로방향 커 타원을, 도 2c에는 극방향 커 회전을 도시하였는데, 크기에 있어서의 고유한 차이뿐만 아니라 측정 기하에 대한 상이한 방향 민감도가 나타나있다.
인가 전압의 변화에 따른 자화반전은 도 2a의 측정 기하에 나타난 바와 같이, 세로방향의 커 타원(longitudinal Kerr ellipticity) 및 극방향의 커 회전(polar Kerr rotation)을 통해 측정된다. 전압 0에서의 커 타원은 거의 90% 잔류자화의 정방형 이력곡선으로 나타나는 반면(도 2b), 이에 대응하는 극방향 커 회전은 전형적인 하드축(hard axis) 자기이력곡선을 보인다(도 2c). 이는 전압이 0일 때 자발자화 방향이 박막면에 있음을 의미한다. 인가된 전압이 증가함에 따라, 세로방향 타원(longitudinal ellipticity) 이력곡선은 점차 기울어 져서 ±10 및±15 V에서 사라진다. 한편, 이에 대응하는 극방향 회전(polar rotation) 이력곡선은 더욱 열린상태가 되며 마이너(minor) 이력곡선 같이 되는데, 이는 인가한 자기장의 세기가 충분하지 못했기 때문이다. 상술한 바와 같이 인가된 전압에 따라 자화용이축이 전이(스위칭)하는 현상이 이력곡선의 모양변화로부터 명확히 알 수 있다.
상기 커 회전 및 타원 신호는 대기 압력하에서 전압 뿐만 아니라 자기장 변화에 대해 광자기 커 효과를 이용하여 측정하였는데, 여기서 자기장은 도 2a에 도시된 바와 같이 시편을 회전시켜 박막면을 따라서 (세로 방향으로) 그리고 박막면에 수직방향으로 (극 방향으로) 인가하였다. 두 경우 모두 자기장의 방향은 빛 산란 평면에 있다. 레이저 빔은 박막면으로부터 45도 각도로 입사하며, 그 크기는 지름 0.7mm 정도로서 대부분 패턴 Pt 전극 상부에 배치된 자성막의 국소 영역에 바로 입사된다. 커 타원 및 회전은 각각 광탄성 변조기의 첫 번째와 두 번째 고조파를 분리함으로써 반사된 양을 통해 관찰된다. 상기 두 신호를 동시에 측정함으로써, 자기장 또는 전압에 의한 스핀 스위칭현상을 관찰할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 0.5 Hz의 주파수에서 전압이 ±10 V 범위에서 사인 파형으로 변동되는데 대한 커 회전 신호를 도시한 것이며, 세로방향 및 극방향 신호가 각각 0 Oe와 150 Oe의 자기장에서 측정되었다. 도 3c는 150 Oe의 인가 자기장 하에서 주파수가 0.5 Hz일 때 ±10 V 범위의 다양한 파형에 반응하는 극방향 커 회전 신호의 시간에 따른 변동을 도시한 것으로, 가는 선으로 표시된 부분이 인가된 전압의 파형들을 나타낸다. 도 3d에는 전압이 ±10 V 사이에서 변조되고 주파수가사인 파형으로 변화할 때의 커 회전 신호를, 도 3e에는 0.5 Hz에서 사인 곡선 형태의 전압 진폭에 따른 커 회전 신호의 변화를 도시하였다.
상술한 바와 같이, 도 3a 및 도 3b에는 각각 전압의 사인 곡선 변조와 대비되는 세로방향 및 극방향 커 회전 신호가 도시되어 있다. 커 회전 신호는 -10 V에서 +10 V까지의 범위에 속하는 전압 신호와 정확히 동일한 파형을 따르고 있다. 관측된 세로방향 커 회전의 주파수는 인가된 전압의 주파수에 비해 두배 빠른데, 이는 세로방향 커 이력곡선이 전압에 대해 균등한(even) 반응을 보이기 때문이다. 반면, 극방향 회전은 전압과 동일한 주파수를 가지는데, 이는 극방향 이력곡선이 전압에 대해 오드(odd) 반응을 하기 때문이다. 여기서 주목할 점은 전압의 변동이 커 회전 신호의 진동을 유도했다는 것이다. 이는 궁극적으로 CoPd/PZT 복합 시스템에 있어서 가역적인 방식으로 전압 구동 스핀 스위칭이 가능하다는 것을 증명하는 것이다.
본 발명에서는 0.5 Hz의 주파수, 다양한 주파수 및 다양한 전압 진폭에서의 -10 V 부터 +10 V 까지 범위에 속하는 전압의 다양한 파형에 반응하는 스핀 스위칭 동작을 연구해 왔다. 관측된 커 회전은 정확하게 인가된 전압 및 그 주파수의 파형을 가역적인 방식으로 따르고 있다. 인가된 전압의 크기가 감소되면, 커 회전의 진폭도 감소된다. 도 3c, 도 3d 및 도 3e에서 극방향의 경우만 도시하였다. 극방향 커 회전 신호는 약 150 Oe의 인가된 자기장 하에서 측정되었는데, 이는 도 2b 및 도 2c에서 도시한 자기이력곡선의 전압 종속성에 나타난 바와 같이, 자기장 0에서의 이 회전 신호가 더 큰 자기장에서의 신호에 비해 상대적으로 작기 때문이다.한편, CoPd 층을 배치하지 않은 Pt 전극/PZT 샘플로부터의 커 신호를 측정하였으나, 압전/자성 복합 박막에서 관측가능한 커 신호를 볼 수 없었다. 이는 분명 복합 시스템에서 전압에 의해 제어되는 스핀 스위칭이 PZT 자체의 광전기 및 광자기 효과 때문이 아니라, 순수한 자성층에서의 역자왜 효과와 PZT 기판의 역압전효과에 의한 CoPd 합금박막에서의 스핀방향천이(spin-reorientation transition) 때문임을 보여주는 것이다.
본 발명의 결과에 따르면, PZT/CoPd 복합 시스템은 외부자기장의 인가없이 전압으로 제어가능한 스핀 스위칭에 대한 강력한 기술이 될 수 있다. 그러나, 전압이 0일 때, 즉 전원이 제거되었을 때의 잔류 자화를 아직 보이지 않았다. 전원이 없는 경우의 충분한 잔류 자화는 비휘발성 메모리에 매우 중요하다. 그러므로, 전압 0에서의 자발자화-전압에 대한 이력(histeretic) 동작을 획득하는 것이 필요하다. 적절한 전기장 대 압전층의 변형(strain) 동작을 찾는 것뿐만 아니라, CoPd 합금박막의 두께 및 구성의 최적화를 통해 획기적인 스핀 스위칭의 전압 구동 이력 동작을 야기할 수 있다. 또한, 근접한 Pt 전극선 간의 간격이 더 좁아지면 주어진 전압 또는 더 적은 전압에 의한 더 큰 전하 쌍극자 편광을 야기하므로, 이에 따라서 수직 방향으로의 현저한 스핀 스위칭이 발생하게 된다. 따라서, 근접한 Pt 전극선 간의 거리가 감소할수록, 더 높은 밀도뿐만 아니라 저전력이 촉진된다.
한편, 판독 수단으로서는 거대자기저항(GMR) 효과가 사용될 수 있는데, 이는 박막면에 평행인(in-plane) 용이축과 박막면에 수직인(out-of-plane) 용이축 사이의 자발자화방향의 이선적인(noncollinear) 관계 또한 상당한 GMR을 야기하기 때문이다. 실제 디바이스에서 좋은 신호를 얻기위해 CoPd 대신 자기저항과 자왜상수가 큰 물질계를 사용할 필요가 있다. 즉, Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au, Cu, W 등의 삼원계 이상의 합금계가 사용될 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 메모리에 대해 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 메모리 셀 어레이 및 어드레싱 아키텍쳐의 두가지 타입의 실시 예를 도시한 것으로서, 각 셀들에 전압을 가할 수 있도록 금속전극선들이 배열되어 있고 그 사이에 셀들이 위치해 있다.
도 4a에서 셀 어레이 형태 1의 경우, 정보를 기록할 때는 a 및 b 금속전극선들 중 원하는 셀이 연결된 전극선들을 이용하여 각 셀에 전압을 인가해 정보를 기록하고, 정보를 재생할 때는 자기저항을 이용하여 a 및 c(대각선 전극선)에 전류를 흘려 저항을 측정함으로써 기록된 정보를 읽는다. 결국, a, b, c 전극선들은 각각의 셀에 정보를 기록하기 위해 전압을 인가하고 정보를 재생하기 위해 전류를 인가하는 통로가 되는 금속전극선들이다.
도 4b에서 셀 어레이 형태 2의 경우, a 및 b 전극선에 전압을 인가하거나 전류를 흘려 각각 정보를 기록하거나 재생할 수 있다. 이 구조에서는 각각의 a 및 b 전극선은 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 흘려주기 위한 통로가 절연체(insulator)로 분류가 되어 있어 정확하게는 총 4 종류의 전극선이 있게 되며, 상세한 구조는 후술한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 MRAM의 셀구조를 도시한 것으로, 각각 도 4a 및 도 4b에서 점선 부분으로 표시된 하나의 메모리 셀을 자세히 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 자성박막의 적층은 압전층(21, 31)의 전압에 의해 스핀 스위칭할 수 있는 자유자성층(22, 32)과 스핀 용이축이 고정된 고정자성층(24, 34) 및 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층(23, 33)으로 구성되어 있다.
도 5a에 도시된 형태 1의 메모리 셀은, 25와 26을 통해 압전층(21)에 수직방향으로 전압을 인가하여 자유자성층(22)의 수직(혹은 수평) 스핀방향을 수평(혹은 수직)면으로 스위칭할 수 있다. 또한, 26과 27에 전류를 흘려주어 자유자성층(22)과 고정자성층(24)의 상대적 스핀방향에 따른 자기저항값을 읽어 정보를 재생할 수 있다.
도 5b에 도시된 형태 2의 메모리의 셀은, 인가하는 전압이나 전류의 흐름 방향이 수직이 아닌 수평 방향이라는 점에서 도 5a에 도시된 형식 1과 다르다. 압전층(31)에 전압을 가하기 위해 금속전극선은 절연체층(41)에 의해 전류를 흘려주기 위한 통로(38, 39, 40)와 분리되어 있으므로, 금속전극선에 전압을 가할 때 전류가 자성막으로 흘러 전압강하 현상은 발생하지 않는다. 정보를 재생할 때에는 38, 39, 40의 금속전극선에 전류를 흘려줌으로써 두 자성층(32, 34)의 상대적인 스핀 방향을 자기저항을 이용하여 판독할 수 있다. 도 5b에서 점선으로 표시된 원 내부에 도시된 것은 상기 메모리 셀을 위에서 본 것이다.
본 발명에 따른 전압 구동 스핀방향 스위칭은 외부자기장을 인가하는 대신전압을 인가하는 방법을 사용함으로써, 정보를 기록할 셀에만 스핀 스위칭 구동력을 국소화 시킬 수 있으므로 MRAM에서 128 Mbit이상의 초고집적의 비휘발성 자기메모리소자를 구현할 수 있으며, 1Gbit 집적도의 MRAM에 있어서는 필수적인 정보기록방법이 된다. 또한, 본 발명을 응용하면 강유전체메모리반도체(FeRAM)에 실제로 사용되는 강유전 물질의 기존 특성 및 생산공정을 많이 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 증명된 강자성 박막의 자화용이축에 대한 전압 제어는 비휘발성 MRAM 뿐만 아니라 자기 센서, 디지털 판독 헤드와 같은 실용적인 자기 장치에 응용될 수 있다. 또한 본 발명은 한 자화용이축에서 서로 반대의 스핀방향을 이용한 정보 저장 방법이 아닌 자화용이축 자체, 즉 응력으로 유도된 수직 및 수평이방성을 이용하기 때문에 정보의 외부 자기장에 대한 기록된 정보의 안정성이 탁월하다. 뿐만아니라 자화용이축 자체를 이용한 정보저장방법은 자성체의 크기가 수 nm에서 수십 nm에서 발생할 수 있는 초상자성을 극복할 수 있어 메모리소자의 기록밀도를 더욱 높일 수 있다.

Claims (13)

  1. 전극층, 압전층 및 자성층을 적층구조로 배치하고, 상기 전극층에 전압을 인가하여 전기장이 확보되면, 상기 압전층에 격자변동이 야기된 후, 상기 자성층에 응력이 가해짐으로써 상기 자성층의 자화용이축이 박막면과 수직축 사이에서 가역적으로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층을 이루는 압전소자는 PZT, PLZT, BLT 또는 SBT계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압전층의 두께가 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성층을 이루는 소자는 CoPd 또는 ABC(A=Co, Fe, Ni, B=Co, Fe, Ni, C=Pd, Pt, Au, Cu, Al, W)합금박막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자성층의 두께가 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극층은 Pt, Pd, Cu, Al, Ru 또는 W 중 어느 하나로 된 금속전극선을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.
  7. 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법을 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리에 있어서,
    압전 소자로 이루어진 압전층과; 상기 압전층 상부에 배치되고 인가된 전압에 의해 상기 압전층이 유발한 응력의 결과로 자화용이축이 박막면과 수직축 사이에서 가역적으로 스위칭되는 자유자성층과; 상기 자유자성층 상부에 배치되고 자화용이축이 고정되어 있는 고정자성층; 그리고 상기 자유자성층과 고정자성층 사이에 배치되어 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층;을 포함하는 메모리 셀의 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메모리 셀은 가로방향 및 세로방향의 금속전극선들로 연결되어 있어, 메모리 셀에 정보를 기록할 때는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전압을 인가하여 상기 자유자성층의 자화용이축을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    정보를 재생할 때에는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전류를 인가하여 상기 자유자성층과 고정자성층의 상대적 스핀방향에 따른 자기저항값을 읽어 상기 두 자성층의 상대적 스핀방향을 판독하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상대적 스핀방향의 판독은, 상기 자유자성층과 고정자성층의 스핀 방향이 각각 수직과 수평 혹은 그 반대인 경우 자기저항값을 읽어 그 차이를 판독하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전압을 상기 메모리 셀면에 수직방향으로 인가하는 경우, 대각선 방향으로 금속전극선을 추가로 배치하여, 정보를 재생할 때 상기 메모리 셀이 연결된 가로 방향의 금속전극선 및 상기 대각선 방향의 금속전극선에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전압을 상기 메모리 셀면에 수평방향으로 인가하는 경우, 상기 전류가 상기 자성층으로 흐르지 않도록 하기 위하여, 상기 금속전극선을 절연체에 의해 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 인가하기 위한 통로로 분리하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.
  13. 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법을 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리의 정보기록방법에 있어서,
    하나의 자화용이축에서 서로 반대 방향인 두 스핀 상태를 이용한 방법이 아닌, 서로 수직 혹은 기울어진(noncollinear) 두개의 자화용이축 자체를 이용하는 방법을 사용함으로써, 상기 강자성박막의 항복자기(coercivity) 세기 이상인 외부자기장에의 순간적인 노출에도 정보의 유실이 없는 것을 특징으로 하는 자기메모리의 정보기록방법.
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