KR100927195B1 - Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion - Google Patents

Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion Download PDF

Info

Publication number
KR100927195B1
KR100927195B1 KR1020080030405A KR20080030405A KR100927195B1 KR 100927195 B1 KR100927195 B1 KR 100927195B1 KR 1020080030405 A KR1020080030405 A KR 1020080030405A KR 20080030405 A KR20080030405 A KR 20080030405A KR 100927195 B1 KR100927195 B1 KR 100927195B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetization direction
magnetic tunnel
tunnel junction
logic
layer
Prior art date
Application number
KR1020080030405A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20090105132A (en
Inventor
신형순
이승연
김지현
이현주
김소정
Original Assignee
이화여자대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이화여자대학교 산학협력단 filed Critical 이화여자대학교 산학협력단
Priority to KR1020080030405A priority Critical patent/KR100927195B1/en
Publication of KR20090105132A publication Critical patent/KR20090105132A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100927195B1 publication Critical patent/KR100927195B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • G01R33/093Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1659Cell access
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1673Reading or sensing circuits or methods
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1675Writing or programming circuits or methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 초기화 과정이 필요없는 스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 관한 것으로,The present invention relates to an XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction device using a spin torque conversion that does not require an initialization process.

제1 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제1 고정층과, 상기 제1 고정층 아래에 형성되며 전기적 절연을 위한 제1 유전층과, 상기 제1 유전층 아래에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제1 자유층으로 구성된 제1 자기터널접합 소자; 제2 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제2 고정층과, 상기 제2 고정층 위에 형성되며 전기적 절연을 위한 제2 유전층과, 상기 제2 유전층 위에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제2 자유층으로 구성된 제2 자기터널접합 소자; 및, 상기 제1 및 제2 자기터널접합 소자 사이에 전기적 절연을 위한 제3 유전층을 포함하는 것을 특징으로 한다.A first pinned layer to which a first input signal is applied and having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer formed under the first pinned layer for electrical insulation, and a first free layer formed under the first dielectric layer and having a variable magnetization direction A first magnetic tunnel junction element composed of layers; A second pinned layer having a second input signal and having a fixed magnetization direction, a second dielectric layer formed on the second pinned layer for electrical insulation, and a second free layer formed on the second dielectric layer and having a variable magnetization direction A second magnetic tunnel junction element configured; And a third dielectric layer for electrical insulation between the first and second magnetic tunnel junction elements.

Description

스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치{Device for XOR and XNOR magneto-logic circuit using double STT-MTJ}Device for XOR and XNOR magneto-logic circuit using double STT-MTJ using dual magnetic tunnel junction device using spin torque conversion

본 발명은 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초기화 과정이 필요없는 스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 관한 것이다.The present invention relates to an XOR and XNOR logic operation apparatus, and more particularly, to an XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction element using a spin torque conversion that does not require an initialization process.

일반적으로, 자기터널접합(Magnetic Tunneling Junction; MTJ) 소자를 이용한 논리 회로는 입력단에 같은 전류가 흐르는 경우에는 자유층(Free Magnetic Layer)의 자화 방향이 변하고, 전류의 방향이 서로 다른 경우에는 자유층의 자화방향은 변하지 않기 때문에, 각 전류가 만들어낸 합성 자장에 의하여 교차한 셀 내의 자유층의 자성 스핀을 원하는 방향으로 배열시킬 수 있고, 고정층(Pinned Magnetic Layer)의 자화방향은 고정되어 있으므로, 두개의 자성층의 자화 방향을 평행 또는 반평행의 두가지를 구현함으로써, '1'과 '0'의 논리 레벨인 디지털 신호를 기록할 수 있다.In general, a logic circuit using a magnetic tunnel junction junction (MTJ) element changes the magnetization direction of the free magnetic layer when the same current flows through the input terminal, and free layer when the current directions are different. Since the magnetization direction of does not change, the magnetic spin of the free layer in the intersected cell can be arranged in the desired direction by the synthetic magnetic field generated by each current, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed, so By implementing the magnetization direction of the magnetic layer of the parallel or anti-parallel, it is possible to record a digital signal that is a logic level of '1' and '0'.

그리고, 상기 '1'과 '0'의 논리 레벨인 디지털 신호를 읽을 때에는 자기터널 접합 소자의 TMR(Tunnelling Magneto-Resistance)를 이용하는데, 자기터널접합 소자에 감지전압이 가해질 때, 전자 캐리어는 상기 자기 물질층들 사이의 비자기성, 비도전성 터널층을 통하여 터널링함으로써, 상기 자기물질층을 통과하고, 상기 감지전류에 대한 저항은 상기 자기물질층 쌍의 자기벡터가 서로 같은 방향으로 평행일 때 최소가 되어 절연층을 터널하는 전자의 컨덕턴스가 두개의 자성층의 상대적인 자화방향에 따른 저항을 측정할 수 있다.In addition, when reading a digital signal having a logic level of '1' and '0', Tunnelling Magneto-Resistance (TMR) of a magnetic tunnel junction element is used. When a sensing voltage is applied to the magnetic tunnel junction element, the electron carrier is By tunneling through a nonmagnetic, non-conductive tunnel layer between magnetic material layers, the magnetic material layer passes through and the resistance to the sensing current is minimal when the magnetic vectors of the pair of magnetic material layers are parallel to each other in the same direction. The conductance of electrons tunneling through the insulating layer can be used to measure the resistance along the relative magnetization direction of the two magnetic layers.

한편, XOR 논리 연산장치는 배타적 논리합 회로로써, 입력된 2개의 값 중 1개만 참일 때 참이 되는 논리 연산장치인데, 이러한 XOR 논리 연산장치는 상기 자기터널접합 소자를 이용하여 구현할 수 있다.Meanwhile, the XOR logic unit is an exclusive OR circuit, which is true when only one of the two input values is true. The XOR logic unit may be implemented using the magnetic tunnel junction element.

도 1에 종래 기술에 따른, 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치가 도시되어 있다.(J. of Applied Physics, vol. 97, p.10D509, 2005 참조)In Fig. 1, an XOR logic computing device using a magnetic tunnel junction element according to the prior art is shown (see J. of Applied Physics, vol. 97, p. 10D509, 2005).

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치는, 전류가 도통하도록 구비되는 상부전극(2) 및 하부전극(3)과, 상기 상부전극과 하부전극 간에 증착되는 자성강층인 고정층(4) 및 자유층(6)과, 상기 고정층 및 자유층 간을 절연하며, 그 사이에 증착되는 절연층(5)으로 구성된 자기터널접합 소자와, 상기 상부전극(2) 위에 위치하여 자기터널접합 소자의 고정층(4) 및 자유층(6)의 자화를 위하여 전류를 입력하는 2개의 입력층(7, 8)을 포함하여 상 기 입력층(7, 8)에 입력된 전류 방향에 따라 XOR 논리 연산을 수행한다.Referring to FIG. 1, an XOR logic operation apparatus using a magnetic tunnel junction element according to the related art includes an upper electrode 2 and a lower electrode 3 provided with a current to conduct, and deposited between the upper electrode and the lower electrode. On the upper electrode 2 and the magnetic tunnel junction element comprising a fixed layer 4 and a free layer 6 which are magnetic steel layers, an insulating layer 5 which insulates between the fixed layer and the free layer and is deposited therebetween. A current input to the input layers 7 and 8, including two input layers 7 and 8 which are positioned to input current for magnetization of the fixed layer 4 and the free layer 6 of the magnetic tunnel junction element. Perform XOR logic operation according to the direction.

상기 각 입력층(7, 8)에 흐르는 전류의 방향이 도 1에 도시된 바와 같이 -I인 경우(도 1에 도시된 입력층의 앞부분에서 뒷부분으로 향하는 방향, 왼쪽 화살표), 논리 레벨을 '0', +I인 경우(오른쪽 화살표) 논리 레벨을 '1'로 정의한다. 상기 각 입력층에 흐르는 전류의 방향이 같은 경우에는 상기 자유층(6)의 자화방향이 변하며, 상기 각 입력층에 흐르는 전류의 방향이 다른 경우에는 상기 자유층(6)의 자화방향이 변하지 않는다.When the direction of the current flowing through each of the input layers 7 and 8 is -I as shown in FIG. 1 (the direction from the front to the rear of the input layer shown in FIG. 1, the left arrow), the logic level is' If 0 'or + I (right arrow), the logic level is defined as' 1'. The magnetization direction of the free layer 6 changes when the directions of currents flowing through the respective input layers are the same, and the magnetization direction of the free layer 6 does not change when the directions of currents flowing through the input layers are different. .

상기 하부전극(3)에 전류가 흐르지 않는 경우에는 상기 고정층(4)의 자화방향이 변하지 않는다. 상기 고정층(4)의 자화방향을 바꾸려면 상기 하부전극(3)에 전류 I가 흐르는 상태에서 상기 각 입력층(7, 8)에 흐르는 전류의 방향이 동일해야한다.When no current flows through the lower electrode 3, the magnetization direction of the pinned layer 4 does not change. In order to change the magnetization direction of the pinned layer 4, the direction of the current flowing through each of the input layers 7 and 8 while the current I flows in the lower electrode 3 must be the same.

도 2에는 종래 기술에 따른, 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치의 초기화 과정과 동작 과정이 도시되어 있다. 자기터널접합 소자의 동작은 초기화 과정(도 2(a)참조; 'SET')과 동작 과정(도 2(b)~(e)참조; 'Logic')으로 구분된다.2 illustrates an initialization process and an operation process of an XOR logic operation apparatus using a magnetic tunnel junction element according to the related art. The operation of the magnetic tunnel junction element is divided into an initialization process (see FIG. 2 (a); 'SET') and an operation process (see FIGS. 2 (b) to (e); 'Logic').

도 2의 (a)를 참조하면, 논리 연산장치 동작 전에 2단계의 초기화 과정을 통해 고정층(4)의 자화방향은 왼쪽으로 자유층(6)의 자화방향은 오른쪽으로 되도록 하여 높은 레벨의 저항값 RH로 만든다.Referring to FIG. 2A, the magnetization direction of the pinned layer 4 is to the left and the magnetization direction of the free layer 6 is to the right through a two-step initialization process before the logic operation unit operates. Is made of R H.

그 다음, 하부전극(3)에 전류 I를 인가한 상태에서 각각의 입력층(7, 8)에 -I(논리 레벨 0) 또는 +I(논리 레벨 1)를 도 2의 (b) 내지 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 입력하면 자기터널접합 소자의 저항값이 도 2의 (b) 내지 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 결정된다.Next, -I (logical level 0) or + I (logical level 1) is applied to each of the input layers 7 and 8 while the current I is applied to the lower electrode 3 of FIGS. When input as shown in (d) of 2, the resistance value of the magnetic tunnel junction element is determined as shown in (b) to (d) of FIG.

도 2의 (b) 내지 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 각각의 입력층(7, 8)의 논리 레벨이 동일하면 저항값이 낮은 레벨의 저항값 RL로 결정되고, 논리 레벨의 상이하면 초기화 상태와 같이 RH로 결정된다.As shown in FIGS. 2B to 2D, when the logic levels of the respective input layers 7 and 8 are the same, the resistance value is determined as the resistance value R L having a low level, and the logic level. If is different, R H is determined as the initialization state.

상기 자기터널접합 소자의 저항값을 도 3에 도시된 바와 같은 감지 증폭기(sense amp)를 이용하여 RL과 비교하면 하기 [표 1']에 기재된 바와 같이 XOR 논리 연산장치 소자로 동작하게 된다.When the resistance value of the magnetic tunnel junction element is compared with R L using a sense amplifier as shown in FIG. 3, the magnetic tunnel junction element operates as an XOR logic arithmetic element as shown in Table 1 '.

[표 1']TABLE 1

AA BB CC RR OUTOUT 00 00 II RL R L 00 00 1One II RH R H 1One 1One 00 II RH R H 1One 1One 1One II RL R L 00

이 때, 자기터널접합 소자의 저항값이 RL일 때 감지 증폭기의 출력이 논리 레벨 '0'이 되기 위해선 감지 증폭기의 오프셋 전압(offset voltage)(VOS)은At this time, when the resistance value of the magnetic tunnel junction element is R L , the offset voltage (V OS ) of the sense amplifier is decreased so that the output of the sense amplifier becomes a logic level '0'.

-ISENS * △R < VOS < 0 (△R = RH - RL)-I SENS * ΔR <V OS <0 (ΔR = R H -R L )

를 만족하여야 한다.Must satisfy

상기와 같은 종래기술에 따른 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치는 동작 후에 항상 자기터널접합 소자의 자유층과 고정층의 자화방향을 각각 다시 초기화해야 하는 단점이 있다.The XOR logic operation apparatus using the magnetic tunnel junction element according to the related art has a disadvantage in that the magnetization directions of the free layer and the pinned layer of the magnetic tunnel junction element are always reinitialized after the operation.

즉, 도 2의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같이, 입력층(7, 8)의 논리 레벨에 의해 자유층과 고정층의 자화방향이 변화하므로 다음 논리 연산을 위해 다시 자화방향을 환원하여 초기화하는 2단계의 초기화 과정이 필요하다. 이로 인해, XOR 논리 연산장치의 동작 속도가 감소하는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 XNOR 논리 연산장치에 있어서도 동일하게 발생한다.That is, as shown in (a) to (e) of FIG. 2, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer are changed by the logic levels of the input layers 7 and 8, so that the magnetization directions are reduced again for the next logical operation. There is a two-step initialization process. For this reason, there is a problem that the operating speed of the XOR logic computing device is reduced. This problem also occurs in the XNOR logic arithmetic unit.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 XOR 및 XNOR 논리 연산장치의 동작 속도가 감소하는 문제점을 해결하기 위해, 초기화 과정이 필요없는 XOR 및 XNOR 논리 연산장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an XOR and XNOR logic operation apparatus that does not require an initialization process in order to solve the problem that the operation speed of the prior art XOR and XNOR logic operation apparatus is reduced as described above.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치는,XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction device according to the present invention for solving the above problems,

제1 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제1 고정층과, 상기 제1 고정층 아래에 형성되며 전기적 절연을 위한 제1 유전층과, 상기 제1 유전층 아래에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제1 자유층으로 구성된 제1 자기터널접합 소자; 제2 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제2 고정층과, 상기 제2 고정층 위에 형성되며 전기적 절연을 위한 제2 유전층과, 상기 제2 유전층 위에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제2 자유층으로 구성된 제2 자기터널접합 소자; 및, 상기 제1 및 제2 자기터널접합 소자 사이에 전기적 절연을 위한 제3 유전층을 포함하는 것을 특징으로 한다.A first pinned layer to which a first input signal is applied and having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer formed under the first pinned layer for electrical insulation, and a first free layer formed under the first dielectric layer and having a variable magnetization direction A first magnetic tunnel junction element composed of layers; A second pinned layer having a second input signal and having a fixed magnetization direction, a second dielectric layer formed on the second pinned layer for electrical insulation, and a second free layer formed on the second dielectric layer and having a variable magnetization direction A second magnetic tunnel junction element configured; And a third dielectric layer for electrical insulation between the first and second magnetic tunnel junction elements.

또한, 상기 제1 및 제2 자유층의 자화 방향은 상기 제1 및 제2 고정층에 인가된 입력신호의 전압에 의해 상기 제1 및 제2 고정층과 제1 및 제2 자유층 사이에 형성되는 전류의 방향에 따라 스핀 토크 변환 방식으로 자화 방향이 결정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the magnetization direction of the first and second free layers is a current formed between the first and second fixed layers and the first and second free layers by the voltages of the input signals applied to the first and second fixed layers. The magnetization direction is determined by the spin torque conversion method according to the direction of.

또한, 상기 제1 및 제2 자유층은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압 사이의 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다. 여기서 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 자유층은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압 사이의 중간 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first and second free layers may be applied with a voltage between a voltage corresponding to logic level '0' and a voltage corresponding to logic level '1'. Here, preferably, the first and second free layers are applied with an intermediate voltage between a voltage corresponding to logic level '0' and a voltage corresponding to logic level '1'.

또한 이때, 상기 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압은 제1 및 제2 자유층의 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 임계 전류보다 큰 전류를 인가할 수 있는 전압이다.In this case, the voltage applied to the first and second free layers is a voltage capable of applying a current larger than a threshold current required to change the magnetization direction of the first and second free layers.

또한, 상기 제1 고정층 및 제2 고정층의 자화 방향이 같은 방향으로 고정된 경우, XOR 논리 연산을 수행하며, 상기 제1 고정층 및 제2 고정층의 자화 방향이 다른 방향으로 고정된 경우, XNOR 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are fixed in the same direction, an XOR logic operation is performed. When the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are fixed in different directions, an XNOR logic operation is performed. It characterized in that to perform.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 의하면,According to the XOR and XNOR logic operation apparatus using the double magnetic tunnel junction element according to the present invention as described above,

종래의 XOR 및 XNOR 논리 연산장치와는 달리, 초기화 과정이 필요없으므로, XOR 및 XNOR 논리 연산장치의 동작 속도가 향상되는 효과가 있다.Unlike the conventional XOR and XNOR logic arithmetic units, since no initialization process is required, the operation speed of the XOR and XNOR logical arithmetic units is improved.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; First, it should be noted that the same components or parts in the drawings represent the same reference numerals as much as possible. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the gist of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 사용되는 이중 자기터널접합 소자를 도시한 도로써, 제1 및 제2 고정층이 같은 방향으로 자화되어 XOR 논리연산을 수행하는 것을 도시한 도, 도 5는 데이터 기록시 도 4의 제1 및 제2 고정층에 인가되는 제1 및 제2 입력신호와 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압이 도시된 도, 도 6은 본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 사용되는 이중 자기터널접합 소자를 도시한 도로써, 제1 및 제2 고정층이 다른 방향으로 자화되어 XNOR 논리연산을 수행하는 것을 도시한 도, 도 7은 데이터 기록시 도 6의 제1 및 제2 고정층에 인가되는 제1 및 제2 입력신호와 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압이 도시된 도이다.4 is a diagram illustrating a dual magnetic tunnel junction element used in the XOR and XNOR logic operation apparatus according to the present invention, in which the first and second pinned layers are magnetized in the same direction to perform XOR logic operations. FIG. 5 is a diagram illustrating first and second input signals applied to the first and second pinned layers of FIG. 4 and voltages applied to the first and second free layers when data is written. FIG. 6 is an XOR according to the present invention. And a dual magnetic tunnel junction element used in the XNOR logic computing device, in which the first and second pinned layers are magnetized in different directions to perform XNOR logic operations, and FIG. The first and second input signals applied to the first and second pinned layers and the voltages applied to the first and second free layers are illustrated in FIG.

자기터널접합 소자(100, 200)는 자기 저항식 랜덤 엑세스 메모리(MRAM: Magneto - resistance Random Access Memory)를 구성하는 구성 요소로서, 전기도체의 저항이 주변 자기장에 따라 변화하는 자기저항효과(Magneto - resistance Effect)를 이용하여 데이터 및 정보를 저장한다.The magnetic tunnel junction elements 100 and 200 constitute a magneto-resistive random access memory (MRAM), and the magnetoresistive effect of changing the resistance of the electric conductor according to the surrounding magnetic field is shown in FIG. resistance effect) to store data and information.

이때, 자기저항효과(磁氣抵抗效果, Magnetoresistance Effect)는 자기장에 의하여 물질의 전기 저항이 변하는 현상으로서, 금속이나 반도체에 자기장을 걸어 주면 전기 저항이 증가하고, 전기 저항의 증가량은 약한 전기장에 대해서는 자기장 세기의 제곱에 비례하는 현상이며, 자기장의 방향에 대하여 전류의 방향이 수직인 경우를 가로 효과라 하는데, 강자성체에서는 자발자화로 방향의 변화에 따라 저항의 변화가 생긴다.In this case, the magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electrical resistance of a material is changed by a magnetic field. When a magnetic field is applied to a metal or a semiconductor, the electrical resistance increases, and the increase in the electrical resistance is weak for an electric field. It is a phenomenon that is proportional to the square of the magnetic field strength, and the case where the direction of the current is perpendicular to the direction of the magnetic field is called a lateral effect. In a ferromagnetic material, a change in resistance occurs due to spontaneous magnetization.

기존의 자기터널접합 소자는 외부의 메탈 라인으로 흐르는 전류에 의하여 인가되는 자기장 방향에 의하여 자유층(free layer)의 자화 방향이 바뀌는 현상을 이용하였으나, 스핀 토크 변환(spin torque transfer)을 이용한 자기터널접합 소자는 자기터널접합 소자를 통과하여 흐르는 전류의 방향에 의하여 자유층의 자화 방향이 바뀌게 된다. 전류가 자유층에서 고정층(fixed layer)으로 흐르는 경우 자유층의 자화 방향이 고정층과의 자화 방향과 동일하게 되어 자기터널접합 소자의 저항값이 RL이 된다. 반대로 전류가 고정층에서 자유층으로 흐르는 경우에는 자유층의 자화 방향이 고정층의 자화 방향과는 반대가 되어 자기터널접합 소자의 저항값이 RH가 된다.Conventional magnetic tunnel junction devices use a phenomenon in which the magnetization direction of the free layer is changed by a magnetic field direction applied by an electric current flowing to an external metal line, but a magnetic tunnel using spin torque transfer is used. In the junction element, the magnetization direction of the free layer is changed by the direction of the current flowing through the magnetic tunnel junction element. When the current flows from the free layer to the fixed layer, the magnetization direction of the free layer is the same as the magnetization direction with the fixed layer, and the resistance value of the magnetic tunnel junction element becomes R L. On the contrary, when the current flows from the fixed layer to the free layer, the magnetization direction of the free layer is opposite to the magnetization direction of the fixed layer, and the resistance value of the magnetic tunnel junction element becomes R H.

본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치는 스핀 토크 변환을 이용한 자기터널접합 소자(100, 200)가 이중으로 형성되는 것이 특징이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 자기터널접합 소자(100, 200) 각각은 제1 및 제2 고정층(110, 210)과 제1 및 제2 자유층(120, 220), 그리고 상기 제1 및 제2 고정층과 자유층 사이에는 제1 및 제2 유전층(130, 230)이 형성되어 각각의 고정층과 자유층 사이를 전기적으로 절연한다.XOR and XNOR logic operation apparatus according to the present invention is characterized in that the magnetic tunnel junction element (100, 200) using the spin torque conversion is formed in duplicate. As shown in FIG. 4, each of the magnetic tunnel junction elements 100 and 200 may include first and second pinned layers 110 and 210, first and second free layers 120 and 220, and the first and second layers, respectively. 2 The first and second dielectric layers 130 and 230 are formed between the pinned and free layers to electrically insulate between the pinned and free layers.

상기 제1 고정층(110)은 자화 방향이 고정되어 있으며, 제1 입력신호(도 5의 'A')가 인가된다. 한편, 상기 제2 고정층(210)도 자화 방향이 고정되어 있으며, 제2 입력신호(도 5의 'B')가 인가된다. 이때, 고정되는 자화 방향은 XOR 논리연산을 수행할 것인지, XNOR 논리연산을 수행할 것인지에 따라, 상기 제1 고정층(110)과 제2 고정층(210)의 자화 방향과 같아지도록 하는지 여부가 결정된다. XOR 논리연산을 수행하고자 하는 경우에는 상기 제1 고정층(110)의 자화 방향이 상기 제2 고정층(210)의 자화 방향과 같아지도록 하며, XNOR 논리연산을 수행하고자 하는 경우에는 자화 방향이 달라지도록 한다.The magnetization direction of the first pinned layer 110 is fixed, and a first input signal 'A' of FIG. 5 is applied. Meanwhile, the magnetization direction of the second pinned layer 210 is also fixed, and a second input signal 'B' of FIG. 5 is applied. In this case, the fixed magnetization direction is determined to be the same as the magnetization direction of the first pinned layer 110 and the second pinned layer 210 according to whether to perform XOR logic operation or XNOR logic operation. When the XOR logic operation is to be performed, the magnetization direction of the first pinned layer 110 is the same as the magnetization direction of the second pinned layer 210, and when the XNOR logic operation is to be performed, the magnetization direction is changed. .

상기 제1 자유층(120)은 전기적 절연을 위한 제1 유전층(130) 아래에 형성되며, 제1 자유층에 인가된 전압과 상기 제1 고정층에 인가된 입력신호의 전압에 의해 형성되는 전류의 방향에 따라 상기 스핀 토크 변환 방식으로 제1 자유층의 자화 방향이 결정된다. 마찬가지로, 상기 제2 자유층(220)은 전기적 절연을 위한 제2 유전층(230) 위에 형성되며, 제2 자유층에 인가된 전압과 상기 제2 고정층에 인가된 입력신호의 전압에 의해 형성되는 전류의 방향에 따라 상기 스핀 토크 변환 방식으로 제2 자유층의 자화 방향이 결정된다. 한편, 상기 자기터널접합 소자들(100, 200) 사이에는 전기적 절연을 위한 제3 유전층(330)이 형성된다.The first free layer 120 is formed under the first dielectric layer 130 for electrical insulation, and is formed by a voltage applied to the first free layer and a voltage of an input signal applied to the first fixed layer. According to the direction, the magnetization direction of the first free layer is determined by the spin torque conversion method. Similarly, the second free layer 220 is formed on the second dielectric layer 230 for electrical insulation and is formed by the voltage applied to the second free layer and the voltage of the input signal applied to the second fixed layer. The magnetization direction of the second free layer is determined by the spin torque conversion method according to the direction of. Meanwhile, a third dielectric layer 330 for electrical insulation is formed between the magnetic tunnel junction elements 100 and 200.

도 5를 참조하면, 제1 입력신호(A)가 상기 제1 고정층(110)에 인가되며, 제2 입력신호(B)가 상기 제2 고정층(210)에 인가된다. 이때, 상기 제1 자유층(120)과 제2 자유층(220)은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압(예를 들면, '0')과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압(예를 들면, 'V') 사이의 중간에 상응하는 전압(예를 들면, 'V/2')이 인가되고 유지된다. 또한, 이때 상기 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압(예를 들면, 'V/2')은 제1 및 제2 자유층의 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 임계 전류보다 큰 전류를 인가할 수 있는 전압이다.Referring to FIG. 5, a first input signal A is applied to the first pinned layer 110, and a second input signal B is applied to the second pinned layer 210. In this case, the first free layer 120 and the second free layer 220 may have a voltage corresponding to logic level '0' (for example, '0') and a voltage corresponding to logic level '1' (for example, For example, a voltage corresponding to the middle between 'V' (eg 'V / 2') is applied and maintained. In this case, a voltage (eg, 'V / 2') applied to the first and second free layers may apply a current larger than a threshold current required to change the magnetization direction of the first and second free layers. That is the voltage.

상기와 같은 본 발명에 따른 스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리연산 장치에서 XOR 논리연산을 수행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of performing the XOR logic operation in the XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction device using the spin torque conversion according to the present invention as follows.

먼저, 도 5와 같이 상기 제1 및 제2 고정층(110, 210)의 자화 방향은 오른쪽으로 고정된다. 쓰기(Writing)를 수행하는 동안에는 제1 및 제2 자유층(120, 220)은 동일한 전압을 유지하므로 두 층 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 상기 제1 고정층(110)에 인가된 제1 입력신호(A)가 논리레벨 '1'인 경우, 전류는 제1 고정층(110)에서 제1 자유층(120)으로 흐르게 된다. 따라서 제1 자유층(120)의 자화 방향은 제1 고정층(110)의 자화 방향과 반대 방향인 왼쪽으로 자화된다. 반대로 상기 제1 입력신호가 논리레벨 '0'인 경우, 전류는 제1 자유층(120)에서 제1 고정층(110)으로 흐르게 된다. 따라서 제1 자유층(120)의 자화 방향은 제1 고정층(110) 의 자화 방향과 같은 방향인 오른쪽으로 자화된다.First, as shown in FIG. 5, the magnetization directions of the first and second pinned layers 110 and 210 are fixed to the right side. During the writing, the first and second free layers 120 and 220 maintain the same voltage, so that no current flows between the two layers. When the first input signal A applied to the first pinned layer 110 has a logic level of '1', current flows from the first pinned layer 110 to the first free layer 120. Accordingly, the magnetization direction of the first free layer 120 is magnetized to the left side opposite to the magnetization direction of the first pinned layer 110. On the contrary, when the first input signal is at logic level '0', current flows from the first free layer 120 to the first pinned layer 110. Therefore, the magnetization direction of the first free layer 120 is magnetized to the right, which is the same direction as the magnetization direction of the first pinned layer 110.

마찬가지로, 상기 제2 고정층(210)에 인가된 제2 입력신호(B)가 논리레벨 '1'인 경우, 전류는 제2 고정층(210)에서 제2 자유층(220)으로 흐르게 된다. 따라서 제2 자유층(220)의 자화 방향은 제2 고정층(210)의 자화 방향과 반대 방향인 왼쪽으로 자화된다. 반대로 상기 제2 입력신호가 논리레벨 '0'인 경우, 전류는 제2 자유층(220)에서 제2 고정층(210)으로 흐르게 된다. 따라서 제2 자유층(220)의 자화 방향은 제2 고정층(210)의 자화 방향과 같은 방향인 오른쪽으로 자화된다.Similarly, when the second input signal B applied to the second pinned layer 210 has a logic level of '1', current flows from the second pinned layer 210 to the second free layer 220. Therefore, the magnetization direction of the second free layer 220 is magnetized to the left side opposite to the magnetization direction of the second pinned layer 210. On the contrary, when the second input signal is at logic level '0', current flows from the second free layer 220 to the second pinned layer 210. Therefore, the magnetization direction of the second free layer 220 is magnetized to the right, which is the same direction as the magnetization direction of the second pinned layer 210.

이와 같은 제1 및 제2 입력신호의 조합에 따라 아래 [표 1]과 같이 제1 및 제2 자유층(120, 220)의 자화 방향이 구성된다.According to the combination of the first and second input signals, the magnetization directions of the first and second free layers 120 and 220 are configured as shown in Table 1 below.

[표 1]TABLE 1

00 1One 00 → →→ → ← →← → 1One → ←→ ← ← ←← ←

상기 [표 1]에서 제1 가로행은 제1 입력신호(A)의 논리레벨을 뜻하고, 제1 세로열은 제2 입력신호(B)의 논리레벨을 의미한다. 그리고, 각 항목에서 위 화살표는 제1 자유층의 자화 방향, 아래 화살표는 제2 자유층의 자화 방향을 의미한다.In Table 1, the first horizontal row refers to the logic level of the first input signal A, and the first vertical column refers to the logic level of the second input signal B. In each item, an up arrow indicates a magnetization direction of the first free layer, and a down arrow indicates a magnetization direction of the second free layer.

한편, 읽기(Reading)를 수행하는 동안에는 상기 제1 자유층(120)과 제2 자유층(220) 사이의 저항을 측정한다. 이때 인가되는 전압은 임계 전류값 이하의 전류 가 흐를 정도로 낮으므로 자유층의 자화 방향은 바뀌지 않는다. 그 결과, 아래 [표 2]와 같이 저항이 측정되고, 여기서 RH를 논리레벨 '1', RL을 논리레벨 '0'으로 정의하면 아래 [표 3]과 같다.In the meantime, the resistance between the first free layer 120 and the second free layer 220 is measured while reading is performed. At this time, since the applied voltage is low enough to flow the current below the threshold current value, the magnetization direction of the free layer does not change. As a result, the resistance is measured as shown in Table 2 below, where R H is defined as logic level '1' and R L is defined as logic level '0', as shown in Table 3 below.

[표 2]TABLE 2

00 1One 00 RL R L RH R H 1One RH R H RL R L

[표 3]TABLE 3

00 1One 00 00 1One 1One 1One 00

상기 [표 2] 및 [표 3]에서 제1 가로행은 제1 입력신호(A)의 논리레벨을 뜻하고, 제1 세로열은 제2 입력신호(B)의 논리레벨을 의미한다.In [Table 2] and [Table 3], the first horizontal row refers to the logic level of the first input signal A, and the first vertical column refers to the logic level of the second input signal B.

상기 [표 3]에 의하면, 제1 고정층(110)과 제2 고정층(210)의 자화 방향이 같은 경우에는 본 발명에 따른 이중 자기터널접합 소자를 사용한 논리 연산 장치가 XOR 논리 회로로 동작함을 알 수 있다.According to Table 3, when the magnetization directions of the first pinned layer 110 and the second pinned layer 210 are the same, the logic operation device using the dual magnetic tunnel junction element according to the present invention operates as an XOR logic circuit. Able to know.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 사용되는 이중 자기터널접합 소자를 도시한 도로써, 제1 및 제2 고정층이 다른 방향으로 자화되어 XNOR 논리연산을 수행하게 된다. 도 4와 비교하여 제1 고정층(110)의 자화 방향이 제2 고정층(210)의 자화 방향과 다른 방향임을 알 수 있다. 즉, 제1 고정층은 왼쪽으로 자화되며, 제2 고정층은 오른쪽으로 자화된다.6 is a diagram illustrating a dual magnetic tunnel junction device used in the XOR and XNOR logic operation apparatus according to the present invention, in which the first and second pinned layers are magnetized in different directions to perform XNOR logic operations. As compared with FIG. 4, it can be seen that the magnetization direction of the first pinned layer 110 is different from the magnetization direction of the second pinned layer 210. That is, the first pinned layer is magnetized to the left and the second pinned layer is magnetized to the right.

도 7을 참조하면, 전술한 도 5와 마찬가지로, 제1 입력신호(A)가 상기 제1 고정층(110)에 인가되며, 제2 입력신호(B)가 상기 제2 고정층(210)에 인가된다. 이때, 상기 제1 자유층(120)과 제2 자유층(220)은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압(예를 들면, '0')과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압(예를 들면, 'V') 사이의 중간에 상응하는 전압(예를 들면, 'V/2')이 인가되고 유지된다. 또한, 이때 상기 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압(예를 들면, 'V/2')은 제1 및 제2 자유층의 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 임계 전류보다 큰 전류를 인가할 수 있는 전압이다.Referring to FIG. 7, similar to FIG. 5 described above, a first input signal A is applied to the first pinned layer 110, and a second input signal B is applied to the second pinned layer 210. . In this case, the first free layer 120 and the second free layer 220 may have a voltage corresponding to logic level '0' (for example, '0') and a voltage corresponding to logic level '1' (for example, For example, a voltage corresponding to the middle between 'V' (eg 'V / 2') is applied and maintained. In this case, a voltage (eg, 'V / 2') applied to the first and second free layers may apply a current larger than a threshold current required to change the magnetization direction of the first and second free layers. That is the voltage.

상기와 같은 본 발명에 따른 스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리연산 장치에서 XNOR 논리연산을 수행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of performing the XNOR logic operation in the XOR and XNOR logic operation apparatus using the dual magnetic tunnel junction element using the spin torque conversion according to the present invention as follows.

먼저, 상기 제1 고정층(110)의 자화 방향은 왼쪽으로 고정되고, 상기 제2 고정층(210)의 자화 방향은 오른쪽으로 고정된다. 쓰기(Writing)를 수행하는 동안에는 제1 및 제2 자유층(120, 220)은 동일한 전압을 유지하므로 두 층 사이에는 전류가 흐르지 않는다. 상기 제1 고정층(110)에 인가된 제1 입력신호(A)가 논리레벨 '1'인 경우, 전류는 제1 고정층(110)에서 제1 자유층(120)으로 흐르게 된다. 따라서 제1 자유층(120)의 자화 방향은 제1 고정층(110)의 자화 방향과 반대 방향인 오 른쪽으로 자화된다. 반대로 상기 제1 입력신호가 논리레벨 '0'인 경우, 전류는 제1 자유층(120)에서 제1 고정층(110)으로 흐르게 된다. 따라서 제1 자유층(120)의 자화 방향은 제1 고정층(110)의 자화 방향과 같은 방향인 왼쪽으로 자화된다.First, the magnetization direction of the first pinned layer 110 is fixed to the left side, and the magnetization direction of the second pinned layer 210 is fixed to the right side. During the writing, the first and second free layers 120 and 220 maintain the same voltage, so that no current flows between the two layers. When the first input signal A applied to the first pinned layer 110 has a logic level of '1', current flows from the first pinned layer 110 to the first free layer 120. Therefore, the magnetization direction of the first free layer 120 is magnetized to the right side opposite to the magnetization direction of the first pinned layer 110. On the contrary, when the first input signal is at logic level '0', current flows from the first free layer 120 to the first pinned layer 110. Therefore, the magnetization direction of the first free layer 120 is magnetized to the left, which is the same direction as the magnetization direction of the first pinned layer 110.

마찬가지로, 상기 제2 고정층(210)에 인가된 제2 입력신호(B)가 논리레벨 '1'인 경우, 전류는 제2 고정층(210)에서 제2 자유층(220)으로 흐르게 된다. 따라서 제2 자유층(220)의 자화 방향은 제2 고정층(210)의 자화 방향과 반대 방향인 왼쪽으로 자화된다. 반대로 상기 제2 입력신호가 논리레벨 '0'인 경우, 전류는 제2 자유층(220)에서 제2 고정층(210)으로 흐르게 된다. 따라서 제2 자유층(220)의 자화 방향은 제2 고정층(210)의 자화 방향과 같은 방향인 오른쪽으로 자화된다.Similarly, when the second input signal B applied to the second pinned layer 210 has a logic level of '1', current flows from the second pinned layer 210 to the second free layer 220. Therefore, the magnetization direction of the second free layer 220 is magnetized to the left side opposite to the magnetization direction of the second pinned layer 210. On the contrary, when the second input signal is at logic level '0', current flows from the second free layer 220 to the second pinned layer 210. Therefore, the magnetization direction of the second free layer 220 is magnetized to the right, which is the same direction as the magnetization direction of the second pinned layer 210.

이와 같은 제1 및 제2 입력신호의 조합에 따라 아래 [표 4]과 같이 제1 및 제2 자유층(120, 220)의 자화 방향이 구성된다.According to the combination of the first and second input signals, the magnetization directions of the first and second free layers 120 and 220 are configured as shown in Table 4 below.

[표 4]TABLE 4

00 1One 00 ← →← → → →→ → 1One ← ←← ← → ←→ ←

상기 [표 4]에서 제1 가로행은 제1 입력신호(A)의 논리레벨을 뜻하고, 제1 세로열은 제2 입력신호(B)의 논리레벨을 의미한다. 그리고, 각 항목에서 위 화살표는 제1 자유층의 자화 방향, 아래 화살표는 제2 자유층의 자화 방향을 의미한다.In Table 4, the first horizontal row refers to the logic level of the first input signal A, and the first vertical column refers to the logic level of the second input signal B. In each item, an up arrow indicates a magnetization direction of the first free layer, and a down arrow indicates a magnetization direction of the second free layer.

한편, 읽기(Reading)를 수행하는 동안에는 상기 제1 자유층(120)과 제2 자유층(220) 사이의 저항을 측정한다. 이때 인가되는 전압은 임계 전류값 이하의 전류가 흐를 정도로 낮으므로 자유층의 자화 방향은 바뀌지 않는다. 그 결과, 아래 [표 5]와 같이 저항이 측정되고, 여기서 RH를 논리레벨 '1', RL을 논리레벨 '0'으로 정의하면 아래 [표 6]과 같다.In the meantime, the resistance between the first free layer 120 and the second free layer 220 is measured while reading is performed. At this time, the applied voltage is low enough to flow a current below the threshold current value, so the magnetization direction of the free layer does not change. As a result, the resistance is measured as shown in [Table 5] below, where R H is defined as logic level '1' and R L is defined as logic level '0'.

[표 5]TABLE 5

00 1One 00 RH R H RL R L 1One RL R L RH R H

[표 6]TABLE 6

00 1One 00 1One 00 1One 00 1One

상기 [표 5] 및 [표 6]에서 제1 가로행은 제1 입력신호(A)의 논리레벨을 뜻하고, 제1 세로열은 제2 입력신호(B)의 논리레벨을 의미한다.In [Table 5] and [Table 6], the first horizontal row refers to the logic level of the first input signal A, and the first vertical column refers to the logic level of the second input signal B.

상기 [표 6]에 의하면, 제1 고정층(110)과 제2 고정층(210)의 자화 방향이 다른 경우에는 본 발명에 따른 이중 자기터널접합 소자를 사용한 논리 연산 장치가 XNOR 논리 회로로 동작함을 알 수 있다. 또한, 이들 XOR 또는 XNOR 논리 연산 과정에서 고정층의 자화 방향이 변화하지 않으므로 초기화 과정이 필요 없음을 알 수 있다.According to Table 6, when the magnetization directions of the first pinned layer 110 and the second pinned layer 210 are different, the logic operation device using the dual magnetic tunnel junction device according to the present invention operates as an XNOR logic circuit. Able to know. In addition, since the magnetization direction of the fixed layer does not change in these XOR or XNOR logic operations, it can be seen that an initialization process is not necessary.

따라서, 본 발명에 따른 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치는 기존의 XOR 및 XNOR 논리 연산장치와는 달리, 초기화 과정이 필요없으므로, XOR 및 XNOR 논리 연산장치의 동작 속도가 향상되는 효과가 있다.Therefore, unlike the conventional XOR and XNOR logic operation apparatus, the XOR and XNOR logic operation apparatus using the dual magnetic tunnel junction device according to the present invention does not require an initialization process, so that the operation speed of the XOR and XNOR logic operation apparatus is improved. It works.

이상과 같이 본 발명에 따른 스핀 토크 변환을 이용한 이중 자기터널접합 소자를 사용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above with reference to the drawings illustrating the XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction element using the spin torque conversion according to the present invention, the present invention is limited by the embodiments and drawings disclosed herein Of course, various modifications can be made by those skilled in the art within the technical scope of the present invention.

도 1은 종래 기술에 따른 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치가 도시된 도,1 is a view showing an XOR logic operation apparatus using a magnetic tunnel junction element according to the prior art,

도 2는 종래 기술에 따른 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치의 초기화 과정과 동작 과정이 도시된 도,2 is a view illustrating an initialization process and an operation process of an XOR logic operation apparatus using a magnetic tunnel junction element according to the prior art;

도 3은 종래 기술에 따른 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 논리 연산장치가 도시된 도,3 is a diagram illustrating an XOR logic operation apparatus using a magnetic tunnel junction element according to the prior art;

도 4는 본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 사용되는 이중 자기터널접합 소자를 도시한 도로써, 제1 및 제2 고정층이 같은 방향으로 자화되어 XOR 논리연산을 수행하는 것을 도시한 도,4 is a diagram illustrating a dual magnetic tunnel junction element used in the XOR and XNOR logic operation apparatus according to the present invention, in which the first and second pinned layers are magnetized in the same direction to perform XOR logic operations.

도 5는 데이터 기록시에 도 4의 제1 및 제2 고정층에 인가되는 제1 및 제2 입력신호와 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압이 도시된 도,FIG. 5 is a diagram illustrating first and second input signals applied to the first and second pinned layers of FIG. 4 and voltages applied to the first and second free layers when data is written;

도 6은 본 발명에 따른 XOR 및 XNOR 논리 연산장치에 사용되는 이중 자기터널접합 소자를 도시한 도로써, 제1 및 제2 고정층이 다른 방향으로 자화되어 XNOR 논리연산을 수행하는 것을 도시한 도,FIG. 6 is a diagram illustrating a dual magnetic tunnel junction device used in an XOR and XNOR logic computing device according to the present invention, in which the first and second pinned layers are magnetized in different directions to perform XNOR logic operations.

도 7은 데이터 기록시에 도 6의 제1 및 제2 고정층에 인가되는 제1 및 제2 입력신호와 제1 및 제2 자유층에 인가되는 전압이 도시된 도이다.FIG. 7 is a diagram illustrating first and second input signals applied to the first and second fixed layers of FIG. 6 and voltages applied to the first and second free layers when data is written.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100, 200 : 자기터널접합 소자100, 200: magnetic tunnel junction element

110, 210 : 제1, 제2 고정층110, 210: first and second fixed layers

120, 220 : 제1, 제2 자유층120, 220: first and second free layers

130, 230, 330 : 제1, 제2, 제3 유전층130, 230, 330: first, second and third dielectric layers

Claims (8)

제1 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제1 고정층과, 상기 제1 고정층 아래에 형성되며 전기적 절연을 위한 제1 유전층과, 상기 제1 유전층 아래에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제1 자유층으로 구성된 제1 자기터널접합 소자;A first pinned layer to which a first input signal is applied and having a fixed magnetization direction, a first dielectric layer formed under the first pinned layer for electrical insulation, and a first free layer formed under the first dielectric layer and having a variable magnetization direction A first magnetic tunnel junction element composed of layers; 제2 입력신호가 인가되며 자화 방향이 고정된 제2 고정층과, 상기 제2 고정층 위에 형성되며 전기적 절연을 위한 제2 유전층과, 상기 제2 유전층 위에 형성되며 자화 방향이 가변하는 제2 자유층으로 구성된 제2 자기터널접합 소자; 및,A second pinned layer having a second input signal and having a fixed magnetization direction, a second dielectric layer formed on the second pinned layer for electrical insulation, and a second free layer formed on the second dielectric layer and having a variable magnetization direction A second magnetic tunnel junction element configured; And, 상기 제1 및 제2 자기터널접합 소자 사이에 전기적 절연을 위한 제3 유전층A third dielectric layer for electrical insulation between the first and second magnetic tunnel junction elements 을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.XOR and XNOR logic operation apparatus using a dual magnetic tunnel junction element comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층의 자화 방향은 상기 제1 및 제2 고정층에 인가된 입력신호의 전압에 의해 상기 제1 및 제2 고정층과 제1 및 제2 자유층 사이에 형성되는 전류의 방향에 따라 스핀 토크 변환 방식으로 자화 방향이 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The magnetization direction of the first and second free layers is a direction of a current formed between the first and second fixed layers and the first and second free layers by a voltage of an input signal applied to the first and second fixed layers. And the magnetization direction is determined by a spin torque conversion method. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압 사이의 전압이 데이터 기록시에 인가되는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The first and second free layers are XOR using a dual magnetic tunnel junction element, wherein a voltage between a voltage corresponding to logic level '0' and a voltage corresponding to logic level '1' is applied during data writing. And an XNOR logical operation unit. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 제1 및 제2 자유층은 논리 레벨 '0'에 상응하는 전압과 논리 레벨 '1'에 상응하는 전압 사이의 중간 전압이 데이터 기록시에 인가되는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The first and second free layers are provided with an intermediate voltage between the voltage corresponding to logic level '0' and the voltage corresponding to logic level '1' upon data writing. XOR and XNOR logic units. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 제1 및 제2 자유층에 데이터 기록시에 인가되는 전압은 제1 및 제2 자유층의 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 임계 전류보다 큰 전류를 인가할 수 있는 전압인 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The voltage applied to the first and the second free layer when data is written is a dual magnetic tunnel, characterized in that the voltage to apply a current larger than the threshold current required to change the magnetization direction of the first and second free layer. XOR and XNOR Logic Computing Device Using Junction Devices. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 고정층 및 제2 고정층의 자화 방향이 같은 방향으로 고정된 경우, XOR 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The XOR and XNOR logic arithmetic unit using the dual magnetic tunnel junction element when the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer is fixed in the same direction. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 고정층 및 제2 고정층의 자화 방향이 다른 방향으로 고정된 경우, XNOR 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The XOR and XNOR logic arithmetic unit using the dual magnetic tunnel junction element when the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer is fixed in a different direction. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층에 데이터 읽기시 인가되는 전압은 제1 및 제2 자유층의 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 임계 전류보다 적은 전류를 인가할 수 있는 전압인 것을 특징으로 하는 이중 자기터널접합 소자를 이용한 XOR 및 XNOR 논리 연산장치.The voltage applied when reading data to the first and second free layers is a voltage capable of applying a current less than a threshold current required to change the magnetization direction of the first and second free layers. XOR and XNOR logic computing device using device.
KR1020080030405A 2008-04-01 2008-04-01 Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion KR100927195B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080030405A KR100927195B1 (en) 2008-04-01 2008-04-01 Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080030405A KR100927195B1 (en) 2008-04-01 2008-04-01 Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090105132A KR20090105132A (en) 2009-10-07
KR100927195B1 true KR100927195B1 (en) 2009-11-18

Family

ID=41534872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080030405A KR100927195B1 (en) 2008-04-01 2008-04-01 Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100927195B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8400066B1 (en) 2010-08-01 2013-03-19 Lawrence T. Pileggi Magnetic logic circuits and systems incorporating same
EP3304741A4 (en) * 2015-05-28 2019-05-01 INTEL Corporation Exclusive-or logic device with spin orbit torque effect

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010030391A (en) * 1999-09-16 2001-04-16 니시무로 타이죠 Magnetoresistive element and magnetic memory device
KR20060123641A (en) 2004-02-19 2006-12-01 그랜디스, 인코포레이티드 Spin transfer magnetic element having low saturation magnetization free layers
KR20060125913A (en) * 2004-02-26 2006-12-06 그랜디스, 인코포레이티드 Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2007088068A (en) 2005-09-20 2007-04-05 Toshiba Corp Magnetic element and magnetic signal processor using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010030391A (en) * 1999-09-16 2001-04-16 니시무로 타이죠 Magnetoresistive element and magnetic memory device
KR20060123641A (en) 2004-02-19 2006-12-01 그랜디스, 인코포레이티드 Spin transfer magnetic element having low saturation magnetization free layers
KR20060125913A (en) * 2004-02-26 2006-12-06 그랜디스, 인코포레이티드 Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2007088068A (en) 2005-09-20 2007-04-05 Toshiba Corp Magnetic element and magnetic signal processor using the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090105132A (en) 2009-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9508923B2 (en) Magnetic memory using spin orbit interaction
US7894248B2 (en) Programmable and redundant circuitry based on magnetic tunnel junction (MTJ)
CN100447892C (en) Magnetic storage device with soft reference layer
TWI550925B (en) A digital memory, improved mram memory configuration, and a method for configuring an stt-mram
EP1296331A2 (en) Method of performing MRAM read operation
EP1345231A1 (en) Double magnetic tunnelling junction cell with reference layers dynamically set
KR100910571B1 (en) Magneto-resistive device having soft reference layer
US7457149B2 (en) Methods and apparatus for thermally assisted programming of a magnetic memory device
KR20110103411A (en) Magnetic tunnel junction stack
KR100896457B1 (en) Magneto-resistive device including soft reference layer having embedded conductors
KR100961723B1 (en) Device for XOR magneto-logic circuit using STT-MTJ
TW200306431A (en) A magnetic field detection sensor
JP2017152071A (en) 3-transistor 2-junction mram bit cell
KR20060124578A (en) Magnetic storage element storing data by magnetoresistive effect
US20230309411A1 (en) Spin current and magnetoresistance from the orbital hall effect
KR100927195B1 (en) Logic and Logic Logic Computing Device Using Dual Magnetic Tunnel Junction Devices Using Spin Torque Conversion
US6787372B1 (en) Method for manufacturing MTJ cell of magnetic random access memory
KR100669363B1 (en) Reading Scheme Of Memory Device
KR20130016825A (en) Magnetic tunnel junction and spin transfer torque random access memory having the same
KR100814108B1 (en) Logical circuit using magnetic tunneling junction
US11011575B2 (en) Circuit selector of embedded magnetoresistive random access memory
JP2020088223A (en) Magnetic memory device
KR20120105154A (en) Magnetic memory of using magnetic domain motion and method of operating the same
JP2008226372A (en) Characteristic diagram

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121024

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131029

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141201

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151016

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170510

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee