KR101161930B1

KR101161930B1 - The fixing method using stray field and notch for the magnetic domain wall pinning in the magnetic domain wall memory

Info

Publication number: KR101161930B1
Application number: KR1020090096795A
Authority: KR
Inventors: 최석봉; 안성민; 문경웅
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2012-07-03
Also published as: KR20110039792A

Abstract

본 발명은 자구벽 메모리의 핵심 기술 중 하나인 자구벽을 고정시키는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홈구조와 나노구조에서 발생하는 스트레이필드를 이용하여 자구벽 메모리 소자에서 자구벽을 고정시키는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for fixing a magnetic domain wall, which is one of the core technologies of magnetic domain wall memory, and more particularly, to fix a magnetic domain wall in a magnetic domain wall memory device using a stray field generated in a groove structure and a nanostructure. It is about.

본 발명에 의할 경우 자성나노선의 홈구조의 제작에 있어 현실적으로 존재하는 불균일성에 기인하는 여러개의 고정점으로 인한 자구벽의 불균일과 그로 인한 저장매체로서의 신뢰성 저하를 해결할 수 있다.According to the present invention, it is possible to solve the nonuniformity of the magnetic domain walls due to the various fixed points due to the nonuniformity present in the manufacture of the groove structure of the magnetic nanowire and the deterioration of reliability as a storage medium.

자구벽 소자, 자구벽 메모리, 자구벽 피닝, 자구벽 디피닝, 스트레이 필드 Magnetic domain element, Magnetic domain memory, Magnetic domain pinning, Magnetic domain pinning, Stray field

Description

Magnetic wall fixing method using groove structure and stray field in magnetic domain memory device {THE FIXING METHOD USING STRAY FIELD AND NOTCH FOR THE MAGNETIC DOMAIN WALL PINNING IN THE MAGNETIC DOMAIN WALL MEMORY}

본 발명은 자구벽 메모리의 핵심 기술 중 하나인 자구벽을 고정시키는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홈구조와 나노구조에서 발생하는 스트레이필드를 이용하여 자구벽 메모리 소자에서 자구벽을 고정시키는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for fixing a magnetic domain wall, which is one of the core technologies of magnetic domain wall memory. It is about.

IBM의 Stuart Parkin에 의해 처음 제기되었던 자구벽 메모리 소자에 대한 관심이 최근 급증하고 있다. 자구벽 메모리 소자는 기존의 하드디스크와 플래쉬 메모리의 장점을 융합한 혁신적인 기술로 차세대 메모리 소자로 주목 받고 있다. 자구벽 메모리 소자는 수백 나노미터의 폭을 가지는 자성 나노선에 자구(magnetic domain)을 이용하여 정보를 저장하고 전류를 이용하여 자구벽을 이동시키는 방식을 취하고 있다. 수백나노의 크기는 초고집적성을 확보하고 전류를 이용한 방식은 기존 하드디스크의 단점인 물리적인 운동이 야기하는 속도와 안정성 문제를 해결해준Interest in magnetic barrier memory devices, first raised by IBM's Stuart Parkin, has recently increased. Magnetic wall memory devices are attracting attention as next-generation memory devices with innovative technologies that combine the advantages of conventional hard disk and flash memory. The magnetic domain memory device uses a magnetic domain to store information on a magnetic nanowire having a width of several hundred nanometers and moves the magnetic domain wall by using a current. Hundreds of nanometers ensure ultra-high integration, and current-based solutions solve the speed and stability problems caused by physical movement, a disadvantage of conventional hard disks.

다.All.

이 경우 자구벽의 이동을 정확히 통제하는 것이 자구벽 메모리 소자의 핵심적인 기술이라 하겠다. 자구벽을 통제는 크게 두가지로 나누어 지는데 자구벽의 이동과 자구벽의 정지로 나누어 진다. 자구벽의 이동은 전류에 의해 이루어 지고 현재 활발한 연구가 이루어 지고 있는 반면 자구벽의 정지는 자성 나노선에 홈(notch)을 파는 형태로 자구벽을 멈추게 하는 방식이 주로 채택되고 있지만 홈구조의 제작에 따르는 불균일성으로 인해 발생하는 문제점들을 극복해야하는 과제가 있어 왔다. In this case, precise control of the movement of the magnetic domain wall is the core technology of the magnetic domain memory device. The control of the magnetic domain wall is largely divided into two parts: movement of the magnetic domain wall and suspension of the magnetic domain wall. While the movement of magnetic domain walls is made by current and active research is being conducted, the stopping of magnetic domain walls is mainly adopted to stop magnetic domain walls in the form of digging notches in magnetic nanowires. There have been challenges to overcome the problems caused by the heterogeneity that follows.

차세대 메모리로 각광받고 있는 자구벽 메모리소자는 기존의 하드디스크의 단점과 플래쉬 메모리의 단점을 동시에 보완하는 혁신적인 메모리 소자이다. IBM의 Stuart Parkin에 의해 처음 주장되었던 자구벽 메모리는 최근 그 실현을 위해 많은 연구가 이루어 지고 있다.The magnetic domain wall memory device, which is in the spotlight as the next generation memory, is an innovative memory device that simultaneously complements the disadvantages of the conventional hard disk and the flash memory. The wall memory, first claimed by IBM's Stuart Parkin, has recently been studied for its realization.

자구벽 메모리의 핵심 기술은 자구벽의 이동 기술과 자구벽의 정지 혹은 고정(pinning) 기술이 있다. 자구벽의 이동은 전류를 주입하여 이루어 지고 여기에 관해서는 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 하지만 자구벽의 고정에 관한 기술은 상대적으로 연구가 미진하다. 따라서 본 발명에서는 기존의 홈을 이용하여 자구벽을 정지시키는 기술의 단점을 극복하기 위해 스트레이필드로 자구벽을 정지시키는기술을 개발하고자 한다.Key technologies of magnetic domain memory include magnetic domain wall movement and magnetic domain wall stopping or pinning technology. The movement of the magnetic domain walls is made by injecting current, and active research is being conducted on this. However, the technique of fixing the magnetic domain wall is relatively poorly studied. Therefore, in the present invention, to overcome the disadvantages of the technology for stopping the magnetic domain wall by using the existing grooves to develop a technique for stopping the magnetic domain wall by the stray field.

기존의 자구벽 고정은 흔히 자성 나노선에 홈(notch)을 파는 방식으로 이루어지는데 도1 에 도시한 바와 같이 홈이 파여 있는 구조에 자구벽이 고정되어 있음을 확인할 수 있다. 자성 나노선에 홈을 파게 되면 홈에 자구벽이 위치할 때 에너지가 더 안정적이 되고 결과적으로 자구벽이 홈에 고정되는 것이다. 하지만 이러한홈 구조는 다음과 같은 문제점이 발생한다.Conventional magnetic domain wall fixing is often made by digging a groove (notch) in the magnetic nanowires, it can be seen that the magnetic domain wall is fixed to the grooved structure as shown in FIG. Digging the magnetic nanowires makes the energy more stable when the magnetic domain wall is located in the groove and consequently the magnetic domain wall is fixed in the groove. However, such a groove structure causes the following problems.

도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이 자성 나노선에 홈이 있는 구조로 제작하기 위해서는 홈을 원하는 데로 정밀하게 제작할 수 있어야 한다.하지만 이러한 홈을 제작하는 것은 직선구조의 자성 나노선을 제작하는 것 보다 훨씬 더 힘들다. 직선일 경우 나노선의 양 가장자리의 각도 변화가 없지만 홈을 팔 경우 급격한 각도 변화가 발생하고 각도변화가 발생하는 부분이 무뎌지는 현상이 일어난다. 이러한 작용은 홈 부분의 불균일함을 증가시키고 결과적으로 여러 개의 고정점을 형성할 수 있어 자구벽의 고정이 균일하지 않게 되는데 이는 저장매체로서 신뢰성에 문제가 발생하게 된다.As shown schematically in FIG. 2, in order to fabricate a structure having grooves in the magnetic nanowires, the grooves should be precisely formed as desired. Much harder. In the case of a straight line, there is no change in the angle of both edges of the nanowire, but when the groove is sold, a sudden change in angle occurs and a phenomenon in which the change in angle occurs is blunt. This action increases the non-uniformity of the groove portion, and as a result, it is possible to form a plurality of fixing points, so that the fixing of the magnetic domain walls is not uniform, which causes a problem in reliability as a storage medium.

따라서 본 발명에서는 홈 구조를 나노선에 형성시켜 자구벽을 고정시키는 기존의 구조적인 단점을 극복하고 정밀한 자구벽 제어를 위해 스트레이 필드를 기존의 홈 구조에 추가한 자구벽 고정방법을 제시하고자 한다.Therefore, the present invention is to overcome the existing structural disadvantages of fixing the magnetic domain wall by forming the groove structure in the nanowire and to propose a magnetic domain wall fixing method by adding a stray field to the existing groove structure for precise magnetic domain wall control.

이를 위하여 본 발명은 강자성 나노구조를 자성나노선의 홈(notch) 구조에 수직으로 위치시킴으로써 발생하는 스트레이필드를 통해 자구벽에 상기 자성나노선에 수직인 자화성분을 발생케 함으로써 수직인 자화성분이 수직인 외부자기장 하에 놓이게 되어 안정적 에너지 상태를 가지도록 하는 자구벽 메모리소자에서 홈 구조와 스트레이필드를 이용한 자구벽 고정방법을 제시한다.To this end, the present invention generates a magnetization component perpendicular to the magnetic nanowire through the stray field generated by positioning the ferromagnetic nanostructure perpendicular to the notch structure of the magnetic nanowire. A magnetic domain wall fixing method using a groove structure and a stray field is proposed in a magnetic domain memory device that is placed under an external magnetic field to have a stable energy state.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 고안의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.

도 3에서는 자구벽 메모리소자의 기본적인 형태와 정보 저장 방식을 도시한다. 도시한 바와 같이 자성 나노선에서 자화 방향은 두 가지의 안정된 방향이 존재하고 각 방향에 1, 0 의 단위 비트(bit)를 부여해 메모리 소자로 작동하게 함으로써 자성 메모리 소자를 통한 정보 처리가 가능하다. 이 경우 비트의 값이 바뀌는 부분에서 자구의 자화 방향이 서로 엇갈리게 되고 여기에 자구벽(magnetic domain wall)이 형성된다. 이렇게 형성된 자구벽은 정보를 구분해 주는 역할을 하는데 더 중요한 점은 자구벽을 이동시키면 저장된 정보의 손실이 없이 자성 나노선 상에서 정보의 위치를 이동시킬 수 있다는 점이다. 이는 자구벽 메모리의 핵심 개념이다. 3 illustrates a basic form and information storage method of the magnetic domain wall memory device. As shown, the magnetization direction in the magnetic nanowires has two stable directions, and 1, 0 unit bits are assigned to each direction to operate as a memory device, thereby enabling information processing through the magnetic memory device. In this case, the magnetization directions of the magnetic domains are staggered at the portion where the bit value changes, and a magnetic domain wall is formed thereon. The magnetic domain walls formed in this way serve to distinguish the information. More importantly, the magnetic domain walls can move the position of the information on the magnetic nanowires without losing the stored information. This is the core concept of magnetic domain memory.

상기한 자구벽 메모리를 구현함에 있어, 본 발명은 스트레이 필드를 이용하는데, 스트레이 필드란 물질이 자화되어 있을 때 물질 밖으로 작용하는 필드를 말한다. 도 4에서 도시된 바와 같이 강자성체 나노돗(nano-dot)이 자화되어 있을 때 발생하는 스트레이 필드를 micromagnetic simulation을 통해 구하였다. 도시된 바와 같이 나노돗에서부터 다양한 거리에 대하여 수직방향으로 뻗어나가는 자기장의 크기를 알 수 있다. 즉 나노돗의 구조를 이용하면 수십 Oe ~ 수백 Oe 정도의 자기장은 손쉽게 얻을 수 있다. In implementing the magnetic domain wall memory described above, the present invention utilizes a stray field, which refers to a field that acts out of the material when the material is magnetized. As shown in FIG. 4, the stray field generated when the ferromagnetic nano-dot is magnetized was obtained through micromagnetic simulation. As shown, the magnitude of the magnetic field extending in the vertical direction with respect to various distances from the nanodots can be seen. In other words, using the structure of nanodots, magnetic fields of tens of Oe to hundreds of Oe can be easily obtained.

한편, 스트레이 자기장은 나노돗 구조에만 국한되지 않고 다양한 형태의 강자성 나노구조를 제작하여 원하는 자기장의 형태를 얻어낼 수 있다.On the other hand, the stray magnetic field is not limited to the nano-dot structure, it is possible to obtain the shape of the desired magnetic field by producing a variety of ferromagnetic nanostructures.

상기한 나노돗 구조를 도 5에서 도시한 바와 같이 자성나노선의 홈(notch) 구조에 수직으로 위치시키면 나노돗에서 발생한 스트레이 필드가 자성나노선의 자구벽에 영향을 미치게 된다. 자구벽은 특성상 나노선에 수직인 자화성분이 발생하게 되는데 수직인 자화성분이 수직인 외부 자기장 하에 놓이게 되면 에너지적으로 안정적인 상태가 된다. 자성나노선의 임의의 위치에 자구벽이 위치할 때 에너지를 계산해보면 자구벽의 위치가 나노돗에 최대한 근접할 때가 가장 안정적인 상태가 된다. 즉, 도시된 바와 같이 자성 나노선에 형성된 홈(notch)구조에 나노돗을 수직으로 위치 시켰을 때, 자구벽이 안정적으로 고정되고, 나노돗의 위치에 존재하게 되는 형태와 자구벽의 위치에 따른 에너지를 도식적으로 살펴보면 나노돗의 위치에 자구벽이 위치 할 때 에너지가 최소가 되어 자구벽이 홈(notch)구조만 있을 때보다 안정적으로 고정됨을 알 수 있다.When the nanodot structure is positioned perpendicular to the notch structure of the magnetic nanowire as shown in FIG. 5, the stray field generated in the nanodot affects the magnetic wall of the magnetic nanowire. The magnetic domain wall is characterized by a magnetic component perpendicular to the nanowires, the energy is stable when the vertical magnetic field is placed under a vertical external magnetic field. When the magnetic domain wall is located at any position of the magnetic nanowire, the energy is calculated to be most stable when the magnetic domain wall is as close as possible to the nanodot. That is, when the nanodot is vertically positioned in the groove (notch) structure formed on the magnetic nanowire as shown, the magnetic domain wall is stably fixed, depending on the shape and position of the magnetic domain wall present at the position of the nanodot. Schematically, the energy is minimized when the magnetic domain wall is located at the location of the nano dot, and the magnetic domain wall is more stably fixed than when only the notch structure is present.

따라서 자성 나노선의 홈(notch) 구조에 일정 간격을 두고 수직으로 위치시키면 나노선에 홈(notch) 구조없이 형성된 속박구조에 의한 것보다 효율적으로 자구벽을 고정할 수 있다. 또한 나노돗은 길이방향으로 자화상태가 안정적이므로 외부 자기장에 쉽게 영향을 받지 않는다. 이러한 홈 구조와 스트레이 자기장을 이용한 자구벽 고정 기술은 홈 구조만을 이용한 고정방식이 가진 문제점을 극복하면서 정확한 자구벽 고정이 가능하다Therefore, when the vertical position of the magnetic nanowires at regular intervals in the notch structure can be fixed to the magnetic domain wall more efficiently than the bond structure formed without the notch structure in the nanowires. In addition, since the nanodot is stable in the longitudinal direction, it is not easily affected by an external magnetic field. The magnetic domain wall fixing technology using the groove structure and the stray magnetic field can accurately fix the magnetic domain wall while overcoming the problems of the fixing method using only the groove structure.

즉, 본 발명에 의할 경우 강자성 나노구조를 자성나노선의 홈(notch) 구조에 수직으로 위치시킴으로써 발생하는 스트레이필드를 통해 자구벽에 상기 자성나노선에 수직인 자화성분을 발생케 함으로써 수직인 자화성분이 수직인 외부자기장 하에 놓이게 되어안정적 에너지 상태를 가지도록 할 수 있다. 물론, 상기한 강자성 나노구조는 나노돗 구조에 한정되지 않음은 전술한 바와 같다.That is, according to the present invention, the vertical magnetization is made by generating a magnetization component perpendicular to the magnetic nanowires on the magnetic domain walls through the stray field generated by positioning the ferromagnetic nanostructures perpendicular to the notch structure of the magnetic nanowires. The component can be placed under a vertical external magnetic field, allowing it to have a stable energy state. Of course, the above ferromagnetic nanostructures are not limited to nanodot structures as described above.

한편, 상기한 홈(notch) 구조는 도시한 삼각형의 홈 형상에만 국한되지는 않는다. 이는 필요에 따라 원통형, 사각형, 원추형 등과 같이 형성될 수도 있다. 따라서, 홈(notch) 구조는 자성나노선의 소정영역에 함몰부를 형성함으로서 구비되는 구조를 통칭한다고 할 수 있다. On the other hand, the groove (notch) structure is not limited to the groove shape of the triangle shown. It may be formed as cylindrical, square, conical, etc. as needed. Therefore, the notch structure may be collectively referred to as a structure provided by forming a depression in a predetermined region of the magnetic nanowire.

이러한 홈(notch)구조와 스트레이 자기장을 이용한 자구벽 고정 기술은 홈을 이용한 고정방식이 가진 문제점인 홈(notch) 구조의 제작에 수반되는 홈(notch)의 불균일함으로 인해 여러 개의 고정점을 형성할 수 있고, 그에 따라 자구벽의 고정이 균일하지 않아 저장매체로서 신뢰성을 저하시키는 문제점을 제거할 수 있다.The magnetic domain wall fixing technique using the notch structure and the stray magnetic field may form a plurality of fixing points due to the nonuniformity of the notch that is involved in the production of the notch structure, which is a problem with the groove fixing method. Therefore, the fixing of the magnetic domain walls is not uniform, thereby eliminating the problem of lowering reliability as a storage medium.

도 1은 기존에 사용되던 홈 구조를 이용한 자구벽 고정방식을 나타내고 있다. 홈에 자구벽이 위치하게 되면 에너지가 안정적이 됨을 도식적으로 나타내고 있다.Figure 1 shows a magnetic domain wall fixing method using a groove structure used in the prior art. When the magnetic domain wall is located in the groove, the energy is shown to be stable.

도 2는 종래의 홈구조의 제작에서 발생하는 문제점을 개략적으로 설명한다.2 schematically illustrates a problem occurring in the fabrication of a conventional groove structure.

도 3은 자구벽 메모리 소자의 기본적인 구조와 정보 저장방식을 도시한다. 3 shows the basic structure and information storage method of the magnetic domain wall memory element.

도 4는 강자성 나노돗 구조에서 발생하는 스트레이 자기장과 나노돗에서 떨어진 거리에 따른 자기장의 세기를 나타낸다.4 shows the intensity of the stray magnetic field generated in the ferromagnetic nanodot structure and the magnetic field according to the distance away from the nanodot.

도5는 자성 나노선에 형성된 홈(notch)구조에 나노돗을 수직으로 위치 시켰을 때, 자구벽이 안정적으로 고정되고, 나노돗의 위치에 존재하게 되는 형태와 자구벽의 위치에 따른 에너지를 도식적으로 나타내고 있다. 나노돗의 위치에 자구벽이 위치 할 때 에너지가 최소가 되어 자구벽이 홈(notch)구조만 있을 때보다, 안정적으로 고정된다.5 is a diagram showing the energy of the magnetic domain wall stably fixed and present at the position of the nanodot and the position of the magnetic domain wall when the nanodot is vertically positioned in a notch structure formed in the magnetic nanowire. It is indicated by. When the magnetic domain wall is located at the location of the nano dot, the energy is minimized, and the magnetic domain wall is more stably fixed than when only the notch structure is present.

Claims

In the magnetic domain wall fixing of the magnetic domain wall memory element,

By placing the ferromagnetic nanostructure perpendicular to the notch structure of the magnetic nanowires, a magnetic field perpendicular to the magnetic nanowires is generated in the magnetic domain walls through a stray field so that the vertical magnetization components are placed under a vertical external magnetic field. The magnetic domain wall fixing method using the groove structure and the stray field in the magnetic domain wall memory device.

The method of claim 1,

The ferromagnetic nanostructure is a magnetic domain wall fixing method using a groove structure and a stray field in the magnetic domain wall memory device, characterized in that the ferromagnetic nano-dot.