KR101236116B1 - 마그네틱 도메인의 이동을 이용하는 마그네틱 메모리 및 동작방법 - Google Patents

Abstract

마그네틱 도메인의 이동현상을 이용한 마그네틱 메모리 및 이의 동작방법이 개시된다. 데이터의 입력은 입력 자유층의 자화 방향의 설정에 의해 수행된다. 데이터의 입력은 거대자기저항 소자를 가지는 데이터 입력부를 통해 수행된다. 또한, 입력 자유층에 셋팅된 자화 방향이 설정된 도메인은 바이어스의 인가에 따라 다수의 자유층으로 구성된 데이터 저장층으로 이동한다. 특정의 위치에서는 자기터널접합을 통해 데이터의 출력이 수행된다.

Description

마그네틱 도메인의 이동을 이용하는 마그네틱 메모리 및 동작방법{Magnetic Memory of using Magnetic Domain Motion and Method of operating the same}

본 발명은 비휘발성 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마그네틱 도메인의 이동 현상을 이용한 마그네틱 메모리 및 이의 동작방법에 관한 것이다.

마그네틱 메모리는 불휘발성 메모리의 한 종류이며, 자기 저항 효과를 이용하는 소자이다. 자기 저항 효과는 도체에 자기장을 인가하는 경우, 저항이 변하는 현상을 지칭한다. 예컨대, 강자성체 등에 자기장을 인가하여 저항의 변화를 유도하고, 이를 데이터의 저장 및 읽기 동작에 이용하는 경우, 이를 마그네틱 메모리라 지칭할 수 있다.

즉, 마그네틱 메모리는 자기저항이라는 양자역학적 효과를 이용한 것으로, 초기엔 거대자기저항 현상(Giant Magnetoresistance)을 이용하여 있으나, 최근엔 자기터널접합(Magnetic Tunnenl Junction)을 이용한다.

거대자기저항 현상은 강자성체/비강자성체 박막을 형성한 경우, 특정의 박막에서, 자기장의 인가에 의해 저항이 급격히 감소한다. 특정의 박막은 통상적으로 연자성 금속(Co, Fe, Ni 혹은 이의 합금형태의 Alloy) 과 비자성 금속 (Al, Cu, Cr 등)의 다중박막 구조를 가지는 것으로 알려져 있다.

자기터널접합은 강자성체로 구성된 고정층 (Co, Fe, Ni 혹은 이의 합금형태의 Alloy)과 자유층이 구비되고, 중간에 터널 베리어로 사용되는 절연층 (Al₂O₃ 혹은 MgO)으로 구비되는 구조이다. 상기 자기터널접합에서 스핀전자의 전도는 전자가 강자성체/절연층/강자성체로 이루어진 접합을 통과할 때, 상하부의 강자성체의 자화배열에 따라 그 양상이 달라진다. 예컨대, 강자성체의 평행, 반평행 상태에 따라 저항값은 변화하는데 이를 터널자기저항비(Tunneling Magnetoresistance)라 지칭한다. 따라서, 자기터널접합에서 저항의 차이는 2개의 강자성체들의 스핀분극도 및 베리어 물질을 통한 전자의 터널링에 크게 의존하는 특성을 가진다.

또한, 마그네틱 메모리는 데이터를 기록하는데 크게 2가지의 방식을 선택적으로 사용한다.

첫째는 자기장기록(Magnetic Field Writing) 방식이다. 상기 방식은 매트릭스 구조로 이루어진 메모리의 어레이 내에서 원하는 셀을 선택하기 위해 X 방향과 Y 방향의 벡터 합을 이용한다. 이는 원하는 셀에 자기장을 인가하여 저항변화를 유도하는 방식이라 할 수 있다.

둘째는 스핀전달토크(Spin Transfer Torque) 방식이다. 이는 외부 자기장의 인가가 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 기록방식이다.

특히, 스핀전달토크 방식은 마그네틱 메모리의 고집적화에 적합한 방식으로 알려져 있다. 이는 데이터 저장 유닛인 자기터널접합에 직접 전류를 인가하는 방식임에 기인한다. 즉, 스핀전달토크에서는 스핀전류를 통해 자화방향을 조절한다. 이는 자성체/비자성 금속을 흐르는 전도전자의 스핀은 계면에서 여과되고, 자성체와 비자성 금속의 경계면에서 전자의 스핀방향에 따라 반사되는 정도가 틀려지며 이를 통해 저항의 변화가 유도된다. 이를 스핀여과라 지칭한다. 따라서, 스핀전달토크의 자화거동은 자기터널접합 내에서 터널 베리어의 특성에 크게 의존하는 특성을 가진다. 자기터널접합 내에서 터널 베리어로는 MgO 또는 유사한 금속 산화물이 사용되는데, 이는 데이터의 기록을 위해 인가되는 전류의 제한을 유발한다. 즉, 전자의 터널링 현상을 유지하고, 물리적 파괴나 물성적 변형이 일어나지 않는 한계 전류를 가지는 것이 문제가 되고 있다.

즉, 낮은 한계 전류에 의해 저항변화의 유도를 위해 인가하여야 하는 전류가 제한받게 되며, 이는 데이터의 기록동작이 원활하게 이루어질 수 없는 일 요인이 된다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은 낮은 동작전압에서도 데이터의 입력이 가능하고, 높은 집적도를 확보할 수 있는 마그네틱 메모리를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 상기 제2 목적은 상기 제1 목적의 달성에 의해 획득되는 마그네틱 메모리의 동작방법을 제공하는데 있다.

상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 거대자기저항 소자를 가지는 데이터 입력부; 상기 데이터 입력부에 기록된 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장부; 및 상기 데이터 저장부와 자기터널접합을 구성하는 데이터 출력부를 포함하는 마그네틱 메모리를 제공한다.

또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 거대자기저항 소자로 구성된 데이터 입력부에 특정의 자화방향을 설정하는 단계; 상기 특정의 자화방향을 마그네틱 도메인의 이동을 통해 데이터 저장부에 이동시키는 단계; 및 상기 데이터 저장부와 자기터널접합을 통해 상기 특정의 자화방향에 상응하는 데이터를 출력하는 단계를 포함하는 마그네틱 메모리의 동작방법을 제공한다.

상술한 본 발명에 따르면, 데이터의 입력동작은 비자성 금속층을 포함하는 거대자기저항 소자를 통해 수행된다. 따라서, 낮은 동작 전압에서도 데이터의 입력이 가능하다.

또한, 입력된 데이터는 마그네틱 도메인의 이동 동작을 통해 데이터 저장부로 전달되고, 저장된다. 데이터의 출력은 특정 영역에서 자기터널접합을 통해 수행된다. 따라서, 데이터의 이동 동작은 마그네틱 도메인의 이동을 통해 수행되므로, 별도의 독립된 스위칭 소자의 적용이 없이도, 데이터 저장부의 데이터를 저장 및 검출할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 트랜지스터 또는 다이오드로 대표되는 스위칭 소자의 도입이 없으므로, 한정된 공간에 밀집된 정보의 저장이 가능하며, 소자의 고집적화를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네틱 메모리의 구조를 도시한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 입력부의 동작을 설명하기 위한 블록도들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 저장부 및 데이터 출력부의 동작을 설명하기 위한 블록도들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고집적 마그네틱 메모리 소자를 구성하는 등가 회로도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네틱 메모리의 구조를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 마그네틱 메모리는 데이터 입력부(100), 데이터 저장부(200) 및 데이터 출력부(300)를 가진다.

상기 데이터 입력부(100)는 거대자기저항 소자를 이용한다. 즉, 입력 고정층(110), 비자성 금속층(120) 및 입력 자유층(130)으로 구성되고, 입력 고정층(110) 및 입력 자유층(130)은 강자성 물질로 구성된다. 상기 입력 자유층(130) 상에는 금속물을 가지는 비자성 금속층(120)이 구비되고, 비자성 금속층(120) 상에는 입력 고정층(110)이 배치된다.

입력 고정층(110) 구성의 예는 Exchange Bias Spin-valve로 알려진 구조를 적용항 수 있으며, 반자성금속과 연자성금속의 다중박막으로 구성된다. 상기 반자성 금속으로는 IrMn 또는 FeMn이 있으며, 연자성 금속으로는 Co, Fe, Ni 또는 이들의 합금이 있다. 상기 입력자유층(130)은 연자성 금속으로 구성되며, 고정층과 자유층은 비자성 금속으로 분리된다. 상기 비자성 금속은 Cu, Al 또는 Cr 등이 적용된다.

상기 데이터 입력부(100)에는 스핀전달토크가 작용하도록 임계값 이상의 전류를 인가하여 입력 자유층(130)의 자화방향을 입력 고정층(110)의 자화방향과 동일하게 하거나, 다르게 할 수 있다.

또한, 데이터 저장부(200)는 입력자유층과 동일한 물질 혹은 구조를 갖는 다수개의 데이터 자유층들(210)로 구성된다. 각각의 데이터 자유층(210)은 자화 도메인을 형성한다. 즉, 데이터 자유층(210)은 각각의 자화 도메인을 가지며, 이에는 특정의 자화 방향이 결정된 상태이다. 다만, 상기 데이터 자유층들(210)은 인접한 데이터 자유층과 물리적으로 분리된 상태는 아니며, 연속된 상태로 구비된다. 또한, 데이터 자유층(210)의 특정 영역은 읽기대상 자유층(220)으로 구획된다. 이는 데이터 출력부(300)의 구성과 관련된다.

데이터 출력부(300)는 상기 데이터 저장부(200)와 자기터널접합을 형성한다. 이를 위해 상기 데이터 출력부(300)는 자화방향이 고정된 데이터 고정층(310) 및 절연층(320)을 가진다. 또한, 데이터 저장부(200)와 자기터널접합의 형성은 데이터 고정층(310), 절연층(320) 및 읽기대상 자유층(220)의 구성에 의해 달성된다.

특히, 상술한 데이터 저장부(200)는 마그네틱 도메인의 이동이 수행될 수 있다. 예컨대, 데이터 입력부(100)에 의해 설정된 입력 자유층(130)의 자화방향은 데이터 저장부(200)의 양측면에 구비된 도선들에 인가되는 전압/전류에 의해 좌우측으로 이동할 수 있다. 이를 통해 데이터 입력부(100)에 기록된 정보는 데이터 저장층(200)으로 이동할 수 있다.

마찬가지로, 데이터 저장층(200)의 특정의 마그네틱 도메인에 설정된 자화방향은 마그네틱 도메인의 이동에 의해 데이터 출력부(300)와 자기터널접합을 형성할 수 있다. 데이터 출력부(300)와 자기터널접합을 형성하는 부위인 읽기대상 자유층(220)에서는 저장된 데이터의 출력동작이 수행된다.

이는 데이터 저장층(200)의 읽기대상 자유층(220) 상에 연결된 배선과 데이터 출력부(300)의 데이터 고정층(310)에 연결된 배선 사이에 인가되는 전압의 인가에 의해 수행된다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 입력부의 동작을 설명하기 위한 블록도들이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 데이터 입력부(100)는 입력 고정층(110), 비자성 금속층(120) 및 입력 자유층(130)으로 구성된다. 상기 데이터 입력부(100)는 거대자기저항 소자로 구성된다. 또한, 데이터 입력부(100)에 대한 데이터의 기록은 스핀전달토크 방식을 이용하여 수행된다. 따라서, 데이터 입력부(100)의 상하부에 연결된 배선들을 통해 펄스 신호를 인가하여 펄스 신호의 양상에 따라 입력 자유층(130)의 자화방향을 결정한다.

상기 도 2에서 데이터 입력부(100)의 배선을 통해 양의 펄스 신호가 인가되면, 입력 자유층(130)의 자화 방향은 입력 고정층(110)의 자화 방향과 동일하도록 셋팅된다.

또한, 상기 도 3에서 데이터 입력부(100)의 배선을 통해 음의 펄스 신호가 인가되면, 입력 자유층(130)의 자화 방향은 입력 고정층(110)의 자화 방향과 반대가 되도록 셋팅된다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 저장부 및 데이터 출력부의 동작을 설명하기 위한 블록도들이다.

도 4를 참조하면, 데이터 저장부(200)는 다수개의 자화 도메인들을 가진다. 각각의 자화 도메인은 데이터 자유층(210)을 형성한다. 따라서, 하나의 데이터 자유층(210)으로 구획되는 자화 도메인은 데이터의 저장단위가 된다. 따라서, 통상적인 메모리의 구조에서 데이터의 저장단위인 셀로 해석될 수 있다.

또한, 데이터 저장부(200)와 데이터 출력부(300)에는 데이터의 출력을 위한 배선들이 구비된다. 특히, 데이터 고정층(310) 및 절연층(320)의 상부에 형성된 자화 도메인인 읽기대상 자유층(220) 상에는 배선이 연결되고, 읽기 대상 자유층(220)에 셋팅된 특정의 자화 도메인, 절연층(320) 및 데이터 고정층(310)이 형성하는 자기터널접합에 대한 읽기 동작이 수행될 수 있다. 이는 양측의 배선에 읽기 전압을 인가하고, 저항에 따른 전류의 측정 또는 저항의 변화에 따른 전압차의 감지에 의해 달성된다. 이외에도 양측 배선에 정전류원을 설치하고, 정전류원의 인가에 의해 발생되는 전압을 통해 저항의 변화를 감지할 수도 있다.

도 5를 참조하면, 상기 도 4에 개시된 데이터 저장부(200)에 대해 소정의 전압을 인가하여 마그네틱 도메인의 이동을 수행한다. 예컨대, 데이터 저장부(200)의 양 말단에 전압을 인가하여, 데이터 저장부(200)의 우측으로부터 좌측으로 마그네틱 도메인을 이동시킨다. 한 단위의 마그네틱 도메인의 이동에 의해 상기 도 4에서 읽기대상 자유층(220)에 해당하는 마그네틱 도메인의 우측에 형성된 마그네틱 도메인은 상기 도 5에서 읽기대상 자유층(220)의 마그네틱 도메인으로 이동한다.

이후에 자기터널접합에 대해 읽기 전압을 인가하여 2개의 강자성체들에 대한 전류의 측정을 통해 데이터의 상태를 읽어낼 수 있다.

예컨대, 상기 도 4에서 읽기 전압이 인가되는 경우, 자기터널접합을 흐르는 전류는 비교적 높은 값을 가진다. 이는 2개의 강자성체의 자화방향이 동일한데 기인한다. 반면, 도 5에서 읽기 전압이 인가되는 경우, 자기터널접합을 흐르는 전류는 비교적 낮은 값을 가진다. 이는 2개의 강자성체의 자화방향이 상이함에 따라 저항값이 상승한데 기인한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고집적 마그네틱 메모리 소자를 구성하는 등가 회로도이다.

상기 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 메모리 소자는 데이터 입력부(100), 데이터 저장부(200) 및 데이터 출력부(300)가 어레이 형태로 구비된다.

또한, 데이터 입력부(100)는 입력 디코더(410)와 연결되며 어레이의 각 행이나 열을 선택하는 스위치(415)를 통해 상기 입력 디코더(410)와 연결된다. 또한, 데이터 입력부(100)는 상술한 거대자기저항소자에 의해 같은 열에 있는 모든 Bit(Domain wall)에 각각의 데이터를 쓰게 된다. 이 때 입력 디코더(410)는 데이터 입력을 위한 행이나 열을 선택하게 되고, 선택된 거대자기저항소자에 Spin transfer torque, 즉 임계전류보다 충분히 큰 전류를 공급하게 된다.

또한 입력 디코더(410)는 다음의 Bit를 쓰기위해 자유층의 Domain wall motion을 일으키는 별도의 전류를 공급하기 위한 행이나 열을 선택하며, 이와 같은 일이 순차적으로 진행하여 모든 Bit에 데이터가 입력된다.

본 발명에 의한 메모리 소자의 데이터 출력부(300)는 구성된 어레이에서 데이터가 저장된 비트를 선택하기위해 출력 디코더(420)와 연결되고, 스위치(425)를 통해 출력 디코더(420)와 연결된다. 출력 디코더(420)는 구성되어 행이나 열을 선택하고, 이때에 선택된 자기터널접합소자의 출력 저항을 기준값을 위해 별도로 구성된 기준 자기터널접합소자(430)의 저항을 비교기(440)로 비교하여 데이터 1과 데이터 0을 출력하게 된다. 이때, 동일한 행이나 열에 속하는 개별 비트는 데이터 입력과 같이 자유층의 Domain wall motion을 이용한다.

상술한 본 발명에 따르면, 데이터의 입력은 금속재질의 비자성체를 도입하는 거대자기저항 소자를 이용하여 실현한다. 따라서, 기존의 스핀전달토크를 이용하는 경우에 비해 낮은 임계전류의 인가 조건에서도 데이터의 입력 동작이 수행될 수 있다.

또한, 데이터의 저장 및 이동 동작은 마그네틱 도메인의 이동을 통해 수행되므로, 별도의 독립된 스위칭 소자의 적용이 없이도, 데이터 저장부의 데이터를 저장 및 검출할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 트랜지스터 또는 다이오드로 대표되는 스위칭 소자의 도입이 없으므로, 한정된 공간에 밀집된 정보의 저장이 가능하며, 소자의 고집적화를 구현할 수 있다.

100 : 데이터 입력부 200 : 데이터 저장부
300 : 데이터 출력부

Claims (7)

1. 거대자기저항 소자를 가지는 데이터 입력부;
   상기 데이터 입력부에 기록된 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장부; 및
   상기 데이터 저장부와 자기터널접합을 구성하는 데이터 출력부를 포함하고,
   상기 데이터 입력부는,
   상기 데이터 저장부와 연결된 입력 자유층;
   상기 입력 자유층 상에 형성되고, 금속물을 가지는 비자성 금속층; 및
   상기 비자성 금속층 상에 형성되고, 자화방향이 고정된 입력 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 메모리.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 데이터 입력부는 스핀전달토크 방식을 이용하여, 상기 입력 자유층의 자화 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 메모리.
4. 제1항에 있어서, 상기 입력 자유층은 설정된 마그네틱 도메인을 인가되는 전압에 따라 상기 데이터 저장부에 전달하는 상기 마그네틱 도메인의 이동을 수행하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 메모리.
5. 제1항에 있어서, 상기 데이터 저장부는,
   자화 도메인을 가지는 데이터 자유층; 및
   상기 데이터 출력부와 자기터널접합을 형성하는 읽기대상 자유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 메모리.
6. 제5항에 있어서, 상기 데이터 출력부는,
   자화방향이 고정된 데이터 고정층; 및
   상기 데이터 고정층 상에 형성되고, 상기 읽기대상 자유층과 접하는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 메모리.
7. 삭제

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