KR101844128B1 - 스핀궤도 토크 변조에 의한 자구벽 이동 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자구벽 이동 소자를 제공한다. 이 자구벽 이동 소자는 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 강자성층은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역을 포함하고, 상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고, 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
Description
본 발명은 자구벽을 기반으로 하는 메모리 또는 로직 소자 내부의 자구벽 위치를 제어하는 기술에 관한 것이다.
정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구되어, 대용량의 정보를 저장하는 메모리 소자와 대용량의 정보를 처리하는 로직 소자에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 정보를 읽고 저장하는 매체로서 하드디스크(HDD)가 널리 사용되고 있다. HDD의 읽기/쓰기 과정은 기계적 헤드와 디스크를 회전하는 매체로서 구동을 하며, 수 TeraBytes 이상의 대용량 정보를 저장할 수 있다. 그러나 HDD는 기계적으로 회전하는 부분을 가져서 기계적 부분이 마모가 되거나, 동작 시 오류가 발생할 가능성이 크기 때문에 정보 저장의 신뢰성이 떨어지며, 기계적인 부분을 포함하고 있기 때문에 휴대하기에 불안정 등으로 차세대 정보 저장매체로서 여러 가지 문제점을 가지고 있다.
차세대 정보 저장매체 개발을 위해, 강자성(ferromagnetic) 물질의 자구벽(magnetic domain wall)을 기반으로 하는 메모리 장치가 제안되고, 이에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 강자성 물질 내부에서 같은 방향으로 정렬된 자화 상태(magnetization)를 가지는 구역을 자구(magnetic domain)라고 한다. 그리고 여러 개의 자구가 있는 강자성 물질 내부에서 서로 다른 방향의 자구들의 경계 부분을 자구벽이라고 한다. 강자성 물질 내부의 자구 크기 및 정렬 방향과 외부에서 인가하는 자기장 또는 전류에 의해 변화하므로, 이러한 성질을 이용하여 자구벽의 위치를 이동시킬 수 있다.
IBM의 Parkin은 기계적인 움직임을 전류에 의한 자구벽의 이동으로 대체하는 자기 레이스트렉 메모리(Magnetic Racetrack Memory)를 제안하였다. 자기 레이스트렉 메모리에서 정보는 자성 나노와이어에서 서로 반대방향의 자화를 갖는 자구의 형태로 저장된다. 자구의 자화방향을 바꾸어 정보를 기록하는 것은 쓰기소자의 자구벽에서 발생하는 자기장을 이용하며, 기록된 정보는 자성나노와이어에 부착된 읽기소자의 자기터널접합에서 발생하는 저항차이로부터 읽어낸다. 그리고 자성나노와이어에 전류를 흘려서 자성나노와이어의 자구와 자구벽들을 동시에 움직임으로써, 자성나노와이어에 기록된 정보 중 원하는 위치의 정보에 접근하게 된다.
자기 레이스트렉 메모리는 아이디어와 개념은 정립되어 있으나 이를 구현하기 위해서는 극복해야 할 기술적 난관이 많다. 우선 자성 나노 와이어에서 자구벽을 움직이기 위해서 필요한 전류밀도가 높아서 나노 와이어에서 많은 열이 발생하는 등의 문제가 있기 때문에 구동 전류밀도를 낮추어야 한다. 그리고 자벽의 이동 속도가 느리며, 많은 수의 자구벽을 원하는 거리만큼 일정하게 움직여서 원하는 위치에 고정되도록 하는 것 역시 앞으로 많은 연구가 필요하다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 스핀-궤도 토크에 의하여 이동하는 자구벽을 기반으로 하는 메모리 또는 로직 소자에서 자구벽의 위치를 제어하는 구조 및 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 스핀 토크 계수의 부호를 공간적으로 변조하여 스핀-궤도 토크에 의하여 이동하는 자구벽을 기반으로 하는 메모리 또는 로직 소자에서 자구벽을 핀닝하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 스핀 토크 계수의 부호를 공간적으로 변조하여 자구벽을 핀닝하고, 일 방향으로 상기 자구벽을 이동시키기 위하여 이동 방향 선택하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 강자성층은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역을 포함하고, 상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고, 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 상기 강자성층의 구조 또는 조성에 의하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역 중에서 어느 한 영역은 산소 원자의 도핑에 의하여 상기 스핀토크 계수의 부호가 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 금속층은 상기 강자성층의 상부면에 인접하여 배치된 상부 비자성 금속층; 및 상기 강자성층의 하부면에 인접하여 배치된 하부 비자성 금속층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 강자성 영역 및 상기 제2 강자성 영역 각각은 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역이 서로 접촉하는 경계면 부위에 배치된 폭이 좁아지는 노치를 포함할 수 있다. 상기 노치의 가장 작은 폭을 가지는 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 노치는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간을 포함하고, 상기 노치는 상기 제1 강자성 영역 또는 상기 제2 강자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가지고, 상기 제1 노치 구간의 시작 위치는 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 정렬되고, 상기 제2 노치 구간의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강자성체층은 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 주위에 보조 핀닝 영역를 포함하고, 상기 보조 핀닝 영역의 중심 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 핀닝 영역은 상기 강자성체층에 이온 주입된 불순물을 포함하고, 상기 이온 주입된 불순물은 산소, 불소, 질소, 금속, 전이금속, 갈륨 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자는 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 비자성 금속층은 상기 비자성 금속층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 비자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 비자성 영역들 사이에 배치된 제2 비자성 영역을 포함하고, 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수와 상기 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고, 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층과 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비자성 금속층은 상기 강자성층의 상부면에 인접하여 배치된 상부 비자성 금속층; 및 상기 강자성층의 하부면에 인접하여 배치된 하부 비자성 금속층을 포함할 수 있다. 상기 제1 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층의 두께와 서로 다르거나, 상기 제1 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께와 서로 다를 수 잇다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비자성 영역에서 상기 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 비자성 금속층의 두께와 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강자성체층은 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 마다 국부적으로 폭이 좁아지는 노치를 포함하고, 상기 노치의 가장 작은 폭을 가지는 위치는 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 사이의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 노치는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간을 포함하고, 상기 노치는 상기 제1 비자성 영역 또는 상기 제2 비자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가지고, 상기 제1 노치 구간의 시작 위치는 상기 제1 비자성 영역과 제2 비자성 영역의 사이의 경계면에 정렬되고, 상기 제2 노치 구간의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 상기 제1 비자성 영역과 제2 비자성 영역 사이의 경계면에 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강자성체층은 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 상의 경계면이 서로 접촉하는 부위의 주변에 배치된 보조 핀닝 영역를 포함하고, 상기 보조 핀닝 영역의 중심 위치는 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 핀닝 영역은 상기 강자성체층에 이온 주입된 불순물을 포함하고, 상기 이온 주입된 불순물은 산소, 불소, 질소, 금속, 전이금속, 갈륨 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어는 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 나노와이어는 상기 나노와이어의 연장 방향을 따라 제1 영역과 제2 영역으로 교번하여 배치되고, 상기 제1 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고, 상기 제1 영역과 제2 영역의 경계면에서 상기 강자성층의 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구 벽의 이동 방향을 선택하는 이동 방향 선택부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이동 방향 선택부는 상기 강자성체에 형성된 노치, 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성체에 국부적 산소 불순물 주입 또는 상기 비자성 금속층의 국부적 두께 변조에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성층과 상기 비자성층 사이의 계면 변조에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자구벽을 기반으로 하는 메모리 소자의 자구벽 위치 제어 기능을 제공함으로써, 메모리 소자 개발의 핵심 기술로 활용된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자구벽을 기반으로 하는 로직 소자의 자구벽 위치 제어 기능을 제공함으로써, 로직 소자 개발의 핵심 기술로 활용된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 임의 형태의 국소적인 조성 및 구조 변조를 통해 임의 구조의 자구벽 발생이 가능함으로써, Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) 측정 등 자구벽을 기반으로 하는 측정 기술에 활용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 방향 선택부가 나노와이어와 일체화된 경우를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 자벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 자구벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 방향 선택부가 나노와이어와 일체화된 경우를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 자벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 자구벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가지는 강자성체에서는 자화 상태가 수직방향으로 정렬되는 경우에 더 낮은 에너지를 갖는 안정된 상태가 된다. 이러한 안정된 상태에는 구체적으로 두 가지 자화 상태가 존재한다. 즉, 자화 방향이 각각 수직 축에 평행(parallel) 또는 반평행(antiparallel)하게 정렬되는 경우이다. 이와 같은 자화 방향의 자구를 각각 "1" 또는 "0"의 디지털 정보에 대응시키면 메모리 소자로서 활용을 할 수 있다. 이러한 수직자기이방성 강자성체에 나노/마이크로 공정을 적용하여 얇은 폭을 가진 나노 와이어 형태 구조를 만들어 디지털 정보를 저장하는 메모리 소자로서 자구벽 레이스트랙 메모리(magnetic domain wall racetrack memory) 소자가 Parkin에 의하여 제안되었다. 자구벽 레이스트랙 메모리 소자의 구동을 위해서는 모든 자구벽이 동시에 소자의 길이 방향으로 균일하게 이동하는 것이 필요하다. 이러한 균일한 자구벽 이동은 소자의 길이 방향으로 전류를 흘려줌으로써 발생시킬 수 있다.
이와 같이 전류를 인가하여 자구벽을 이동시키는 형태의 메모리 소자를 개발하려면 기본적으로 자구벽의 위치를 정확하게 제어하는 기술이 필요하다. 자구벽의 위치를 특정 위치에 고정(pinning)시키기 위하여, 메모리 소자의 나노와이어에 노치(notch)와 같은 구조를 추가하는 형태의 기술이 제안되었으나, 노치 구조만으로는 자구벽을 완벽하게 고정시키기 어려운 단점을 가지고 있다.
자구벽 이동을 이용한 정보저장장치의 핵심 기술 중 하나는 자구벽의 핀닝(pinning) 기술이다. 자성트랙에 인가된 전류에 의해 움직이기 시작한 자구벽은 소정 길이만큼 이동한 후, 자성트랙의 특정 위치에 정지, 즉, 핀닝(pinning)될 수 있어야 한다. 따라서, 자구벽의 비트 단위 이동이 가능하다.
자구벽의 핀닝(pinning)을 위해 주로 노치(notch)가 이용된다. 즉, 자성트랙에 노치(notch)를 형성하여 그것을 자구벽의 핀닝 지점(pinning site)으로 사용한다. 그러나 노치(notch)만으로 자구벽을 핀닝시키 위해서는 크기가 큰 구조의 노치(notch)가 필요하고, 따라서 노치만을 이용함에 있어서, 여러 문제점이 발생할 수 있다. 예컨대, 자성트랙의 노치(notch) 부분에 전류가 집중되어 열이 발생할 수 있고, 이로 인해, 자성트랙에 기록된 정보의 신뢰성이 떨어지고, 자성트랙 자체가 손상되는 등 다양한 문제가 유발될 수 있다. 또한 수십 나노미터(nm) 정도의 두께 및 폭을 갖는 자성트랙에 크기가 큰 구조의 노치(notch)를 형성하는 것은 용이하지 않다. 크기가 큰 노치(notch)들을 균일한 간격, 크기 및 모양을 갖도록 형성하는 것은 더욱 어렵다. 노치(notch)의 간격, 크기 및 모양이 불균일하면, 그에 따라 자구벽을 정지시키는 자기장의 강도, 즉 핀닝(pinning) 자기장의 강도가 달라지기 때문, 노치만으로 자구 벽을 핀닝시키는 경우에는 소자 특성이 불균일해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 이동하는 전류-유도 자구벽 이동 소자는 서로 다른 부호의 스핀토크 계수를 가지는 영역을 교번하여 배치하여, 자구벽을 특정한 위치에서 멈출 수 있다.
본 발명은 아래와 같은 원리를 기반으로 하고 있다. 첫째, 전류에 의한 자구벽의 이동은 스핀토크라는 현상에 의해 발생한다. 둘째, 자구벽의 이동 방향은 스핀토크 현상의 부호에 의해 결정된다. 셋째, 이때 스핀토크 현상의 부호는 소자의 조성 및 구조에 의해 결정된다. 넷째, 소자의 국소적인 조성 및 구조를 변조함으로써, 스핀토크 현상의 국소적인 부호 또는 크기를 변조할 수 있다. 따라서 자구벽 이동 방향은 국소적으로 변조할 수 있다. 다섯째, 자구벽 이동 방향을 국소적으로 변조시킴으로써, 소자 내부의 특정 위치에 자구벽을 고정하는 구조가 가능하다. 또한, 자구벽이 일 방향으로 이동을 위하여, 노치와 같은 이동 방향 선택 부재가 사용된다. 상기 이동 방향 선택 부재는 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구벽을 동일한 부호의 스핀토크 계수를 가지는 영역으로 자연 이동시킬 수 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어를 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 나노 와이어(110)는 기판 상에 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 나노와이어(110)는 상기 나노와이어의 연장 방향을 따라 제1 영역(A)과 제2 영역(B)으로 교번하여 배치된다. 상기 제1 영역(A)의 스핀토크 계수와 상기 제2 영역(B)의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 상기 제1 영역(A)과 제2 영역(B)의 경계면 AB에서 상기 강자성층의 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
이동 방향 선택부(120)는 상기 비자성 금속층의 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구 벽의 이동 방향을 선택한다. 상기 이동 방향 선택부(120)는 상기 강자성체에 형성된 노치(notch), 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다.
상기 강자성층은 자기 방향이 서로 나란한 방향으로 정렬하려는 물질을 포함한다. 상기 강자성층은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등의 순수 강자성 물질과 이들을 사이의 합금 또는 다층박막 구조물을 사용한다.
비자성 금속층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au) 등일 수 있다. 상기 비자성 금속층은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다.
상기 강자성층은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다. 상기 비자성 금속층 상에 강자성층이 적층된다.
상기 강자성층 상에 상기 비자성 금속층 또는 산화마그네슘(MgO), 산화규소(SiO2), 질화규소(SiN3) 등의 산화 물질로 덮음으로써 수직자기이방성을 가지는 강자성체 박막 구조체을 만들 수 있다.
상기 나노와이어(110)를 형성하기 위하여 적층된 박막은 리소그라피 공정을 통하여 패턴닝된다. 상기 나노와이어는 비자성 금속층/강자성층/비자성 금속층 구조와 비자성 금속층/강자성층/산화물질 구조로 분류될 수 있다.
수직자기 이방성(PMA, perpendicular magnetic anisotropy)이란 평면에 수직한 방향으로 스핀들이 정렬되어 있는 상태를 말한다. 상기 수직자기이방성을 가지는 강자성체 박막 구조에서, 자화 방향이 수직방향의 평행(parallel) 또는 반평행(antiparallel) 방향으로 정렬된 구역을 자구라고 하고, 자구와 자구 사이의 경계를 자구벽이라고 한다.
전류-유도 자구벽 이동(Current-induced domain wall motion, CIDWM)은 종래에서는 비자성 금속층이 제거된 상태에서 스핀 전달 토크 이론에 의하여 설명되었으나, 비자성 금속층을 구비한 나노와이에서 Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI)과 스핀 궤도 토크 이론에 의하여 설명되고 있다.
수직자기이방성을 가지는 비자성 금속층/강자성층을 구비한 나노와이어에 자구벽 이동을 위하여, 스핀 전류( 또는 스핀 홀 전류, Spin Hall Current)가 인접한 비자성 금속층에서 스핀홀 효과(spin Hall effect) 또는 라시바 효과(Rashiba effect)에 의하여 강자성층에 발생된다. 상기 스핀 전류( 스핀 홀 전류)는 강자성층 내로 주입될 수 있다. 상기 스핀 홀 전류는 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 의하여 외부 자기장없이 상기 자구 벽을 빠르게 이동시킨다. 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 의한 자구벽의 이동속도는 종래의 강자성체만에 흐르는 전하 전류에 의한 스핀 전달 토크(spin transfer torque)에 의한 자구벽의 이동속도보다 빠를 수 있다.
그러나, 상기 스핀 궤도 토크(spin orbit torque)에 이동하는 전류-유도 자구벽 이동 소자도 역시 특정한 위치에서 비트 단위로 자구 벽을 고정하는 핀닝 기술 및 비트 단위로 일 방향으로 이동시키는 이동 기술이 요구된다.
상기 비자성 금속층에 전류를 흘려주는 경우, 스핀토크 현상에 의해 상기 강자성층의 자구벽이 한쪽 방향으로 이동하는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 기반으로 자구벽 메모리 또는 로직 소자가 제안되어 개발되고 있다. 그러나, 스핀 궤도 토크에 기반한 자구벽 소자는 자구벽을 특정 위치에 필요에 따라 고정시킬 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 스핀토크 현상의 부호를 국소적으로 변조함으로써, 스핀 궤도 토크에 기반한 자구벽 소자에서 자구벽을 특정 위치에 고정시키는 방법을 제안한다. 그 원리는 아래와 같다.
자구벽의 이동방향(S DM)은 스핀토크 계수의 부호(S ST)와 인가된 전류 부호(S J)의 곱에 의해 결정된다. 즉, S DM = S ST × S J 이다. 이때 스핀토크 계수의 부호는 스핀궤도 현상(spin orbit effect)의 부호(S SOT)와 비대칭 상호 교환결합(Dzyaloshinskii Moriya interaction, DMI) 부호(S DMI)의 곱에 의해 결정된다. 즉, S ST = S SOT × S DMI 이다. 여기서 스핀궤도 현상은 스핀 홀 현상(spin Hall effect) 또는 라시바 현상(Rashba effect)에 의해 발생한다.
전류-유도 자구벽 이동 소자의 국소 영역의 스핀궤도 현상의 부호(S SOT) 또는 비대칭 상호 교환결합의 부호(S DMI)를 소자의 연장 방향을 따라 주기적으로 변조하면, 스핀토크 계수의 부호(S ST)가 반대인 영역을 생성할 수 있다. 이에 따라, 전류-유도 자구벽 이동 소자의 연장 방향을 따라, 상기 스핀토크 계수의 부호는 교번하면서 변경된다. 스핀토크 계수의 부호의 변조는 스핀 궤도 현상의 변조에 의하여 수행될 수 있다.
상기 제1 영역(A)은 스핀 토크 계수가 양의 값을 가지는 영역이고, 상기 제2 영역(B)은 스핀 토크 계수가 음의 값을 가지는 영역이다. 상기 제1 영역(A)과 상기 제2 영역(B)이 서로 교번하여 배치됨에 따라, 상기 제1 영역(A)과 상기 제2 영역(B) 사이의 경계면 AB에 자구벽이 핀닝된다.
상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성체에 국부적 산소 불순물 주입 또는 상기 비자성 금속층의 국부적 두께 변조에 수행될 수 있다. 상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성층과 상기 비자성층 사이의 계면 변조에 의하여 수행될 수 있다. 상기 계면 변조는 상기 제1 영역(A) 및 상기 제2 영역(B) 중에서 어느 한 영역에 수 nm 이하의 팔라듐과 같은 물질을 증착하여 형성될 수 있다.
상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 자구벽을 특정한 위치에 핀닝할 수 있다. 그러나, 상기 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 양 방향 중에서 어느 방향으로도 이동할 수 있다. 따라서, 특정한 이동 방향을 선택하는 이동 방향 선택 수단이 요구된다.
이동 방향 선택부(120)는 상기 강자성체에 형성된 노치, 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다. 상기 강자성체에 형성된 노치는 전류가 제거된 상태에서 경계면 AB에 핀닝된 자구벽을 특정한 스핀토크 변조 영역으로 이동시킨다. 이에 따라, 모든 자구벽이 동일한 부호를 가진 스핀토크 변조 영역(예를 들어, 제2 영역)으로 미세 이동된다. 화살표의 방향은 자구벽의 이동방향(S DM)을 나타낸다.
이에 따라, 모든 자구벽이 동일한 부호를 가진 스핀토크 변조 영역으로 이동된 경우, 면내 전류는 스핀 궤도 토크를 이용하여 선택된 특정한 방향으로 상기 자구벽을 이동시킬 수 있다. 이러한 나노 와이어는 로직 소자 또는 레이스트렉 메모리 소자 등에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 방향 선택부가 나노와이어와 일체화된 경우를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 나노 와이어(210)는 기판 상에 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함한다. 상기 나노와이어는 상기 나노와이어(210)의 연장 방향을 따라 제1 영역(A)과 제2 영역(B)으로 교번하여 배치된다. 상기 제1 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 상기 제1 영역과 제2 영역의 경계면에서 상기 강자성층의 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
이동 방향 선택부(220)는 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구 벽의 이동 방향을 선택한다. 상기 이동 방향 선택부(220)는 상기 강자성체에 형성된 노치(notch)일 수 있다. 상기 노치는 상기 강자성체의 폭을 국부적으로 좁게하는 하고, 최소 폭의 위치는 상기 경계면 AB 에 인접하게 배치되나 상기 경계면 AB과 정렬되지 않도록 배치된다. 이에 따라, 상기 노치의 폭이 가장 넓은 위치는 상기 경계면 AB와 일치하거나 상기 경계면 AB의 우측에 배치될 할 수 있다. 이에 따라, 스핀토크 변조에 의하여, 자구벽이 상기 노치의 폭이 가장 넓은 위치에서 고정된 후, 전류가 제거되면, 상기 자구벽은 상기 노치의 가장 폭이 좁은 위치로 이동한다. 이에 따라, 모든 자구벽은 스핀토그 계수가 음의 값을 가지는 제2 영역 B에 위치한다. 따라서, 음의 면내 전류는 모든 자구벽을 동시에 양의 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 자구벽 이동 소자(300)는 나노 와이어(310)를 포함한다. 상기 나노 와이어(310)는 수직자기 이방성을 가진 강자성층(312); 및 상기 강자성층(312)과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층(314a,314b)을 포함한다. 상기 강자성층(312)은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들(영역 A) 및 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역(영역 B)을 포함한다. 상기 제1 강자성 영역(A)의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역(B)의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 인접한 제1 강자성 영역(A)과 제2 강자성 영역(B)의 경계면 AB에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층(314a,314b)의 면내 전류(in-plane current)에 의하여 이동한다.
상기 비자성 금속층(314a,314b)은 상기 강자성층(312)의 하부에 배치된 하부 비자성 금속층(314a)과 상기 강자성층의 상부에 배치된 상부 비자성 금속층(314b)을 포함할 수 있다. 상기 하부 비자성 금속층(314a) 또는 상기 상부 비자성 금속층(314b)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au) 등일 수 있다. 상기 상부 비자성 금속층 또는 상기 하부 비자성 금속층은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다.
예를 들어, 상기 제1 강자성 영역(A)의 스핀 토크 계수는 양수이고, 상기 제2 강자성 영역(B)의 스핀 토크 계수는 음수일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 강자성 영역의 스핀 토크 계수의 절대값은 상기 제2 강자성 영역의 스핀 토크 계수의 절대값과 동일할 수 있다.
스핀토크 계수(S ST)의 부호가 양수인 영역을 A로, 음수인 영역을 B로 표기하였다. 상기 비자성 금속층에 (+)부호의 전류를 흘려주면, 상기 제1 강자성 영역(A)에 있는 자구벽은 (+) 방향으로 이동하고, 상기 제2 강자성 영역(B)에 있는 자구벽은 (-)방향으로 이동하게 된다. 따라서 모든 자구벽은 상기 제1 강자성 영역(A)와 상기 제2 강자성 영역(B)의 경계면에 고정되게 된다.
이동 방향 선택부(120)는 상기 나노와이어(310)와 이격되어 배치되거나 상기 나오와이어에 일체화되어 배치될 수 있다. 상기 이동 방향 선택부(120)는 상기 강자성체에 형성된 노치, 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다. 상기 강자성체에 형성된 노치는 전류가 제거된 상태에서 경계면 AB에 핀닝된 자구벽을 특정한 스핀토크 변조 영역으로 이동시킨다. 이에 따라, 모든 자구벽이 동일한 부호를 가진 스핀토크 변조 영역(제1 영역 또는 제2 영역)으로 미세 이동된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 상기 자구벽 이동 소자(300a)는 수직자기 이방성을 가진 강자성층(312); 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층(314)을 포함한다. 상기 강자성층은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들(영역 A) 및 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역(영역 B)을 포함한다. 상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 인접한 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
나노와이어(310a)는 차례로 적층된 비자성 금속층(314), 강자성층(312), 및 산화물층(316)을 포함할 수 있다. 상기 산화물층(316)은 산화마그네슘(MgO), 산화규소(SiO2), 질화규소(SiN3) 등의 산화 물질로 구성될 수 있다.
상기 비자성 금속층(314)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au) 등일 수 있다. 상기 비자성 금속층은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다.
상기 강자성층(312)은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등의 순수 강자성 물질과 이들을 사이의 합금 또는 다층박막 구조물을 사용한다.
이동 방향 선택부(120)는 상기 나노와이어(310a)와 이격되어 배치되거나 상기 나오와이어에 일체화되어 배치될 수 있다. 상기 이동 방향 선택부는 상기 강자성체에 형성된 노치, 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다. 상기 강자성체에 형성된 노치는 전류가 제거된 상태에서 경계면 AB에 핀닝된 자구벽을 특정한 스핀토크 변조 영역으로 이동시킨다. 이에 따라, 모든 자구벽이 동일한 부호를 가진 스핀토크 변조 영역(제1 영역 또는 제2 영역)으로 미세 이동된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 자벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 자구벽 이동 소자(400)는 수직자기 이방성을 가진 강자성층(412); 및 상기 강자성층(412)과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층(414);을 포함한다. 상기 강자성층(412)은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들(A) 및 인접한 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역(B)을 포함한다. 상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고, 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
상기 제1 강자성 영역(A)과 상기 제2 강자성 영역(B)의 스핀토크 계수는 상기 강자성층의 구조 또는 조성에 의하여 결정된다. 구체적으로, 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역 중에서 어느 한 영역은 산소 원자와 같은 도핑 물질에 의하여 상기 스핀토크 계수의 부호가 변경된다. 상기 도핑 물질은 산소일 수 있다.
상기 비자성 금속층(414)은 상기 강자성층의 상부면에 배치된 상부 비자성 금속층(414b); 및 상기 강자성층의 하부면에 배치된 하부 비자성 금속층(414a)을 포함할 수 있다. 상기 상부 비자성 금속층의 재질은 상기 하부 비자성 금속층과 동일한 재질일 수 있다. 상기 상부 비자성 금속층의 두께는 상기 하부 비자성 금속층의 두께와 동일할 수 있다.
상기 강자성체(412)는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등의 순수 강자성 물질과 이들을 사이의 합금이고, 상기 강자성체(412)가 스퍼티링 방법에 의하여 증착된 제2 강자성 영역(B)에만 선택적으로 산소 도핑을 하기 위하여, 상기 강자성체가 노출된 기판은 보호막으로 증착되고, 상기 보호막은 상기 제2 강자성 영역만을 선택적으로 노출되도록 패터닝될 수 있다. 상기 제2 강자성 영역(B)이 노출된 기판은 산소 가스 분위기 하에서 산화되거나 도핑될 수 있다. 상기 강자성체(412)에 산소를 주입하는 방식은 확산 또는 이온 주입 방법 등으로 수행될 수 있다.
상기 제1 강자성 영역(A) 및 상기 제2 강자성 영역(B) 각각은 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역이 서로 접촉하는 경계면 AB 주변에서 폭이 좁아지는 노치(420)를 포함할 수 있다. 상기 노치의 가장 작은 폭을 가지는 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 AB에서 정렬되지 않도록 배치될 수 있다. 상기 노치(420)는 자구벽의 이동 방향 선택 수단으로 기능한다.
상기 노치(420)는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간(420a)과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간(420b)을 포함할 수 있다. 상기 노치(420)는 상기 제1 강자성 영역 또는 상기 제2 강자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가질 수 있다. 상기 제1 노치 구간(420a)의 시작 위치는 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면 AB 에 정렬될 수 있다. 상기 제2 노치 구간(420b)의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면 AB에 정렬될 수 있다. 이에 따라, 상기 노치의 최대폭을 가지는 위치는 상기 경계면 AB와 일치하고, 상기 노치의 최소폭을 가지는 위치는 상기 경계면 AB에서 약간 우측으로 이동할 수 있다.
전류가 인가되면, 상기 자구벽은 경계면 AB에 정렬하고, 상기 전류가 제거되면, 상기 자구벽은 상기 노치(420)의 최소폭을 가지는 위치로 이동한다. 이에 따라, 모든 자구벽은 전류에 의하여 특정한 이동 방향으로 이동된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다. 도 5 및 도 6에서 설명한 것과 중복되는 것은 생략한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 노치(426)는 자구벽의 이동 방향 선택 수단으로 기능한다. 상기 노치(426)는 제1 강자성 영역(A)와 제2 강자성 영역(B)의 경계면 AB 주위에 배치되고, 상기 노치(426)의 최소폭을 가지는 위치는 상기 경계면 AB와 정렬되지 않도록 배치된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 평면도이다. 도 5 및 도 6에서 설명한 것과 중복되는 것은 생략한다.
도 5, 도 6, 및 도 8을 참조하면, 상기 강자성체층(412)은 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 AB 주위에 보조 핀닝 영역(427)를 포함한다. 상기 보조 핀닝 영역(427)의 중심 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 AB에서 정렬되지 않도록 배치된다. 상기 보조 핀닝 영역(427)은 상기 강자성체층(412)에 이온 주입된 불순물을 포함할 수 있다. 상기 이온 주입된 불순물은 산소, 불소, 질소, 금속, 전이금속, 갈륨 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 보조 핀닝 영역(427)은 자구벽의 이동 방향 선택 수단으로 기능한다. 상기 보조 핀닝 영역(427)은 강자성체의 자화가 감소된 영역일 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 자구벽 이동 소자(500)는 나노와이어(510)를 포함한다. 상기 나노 와이어(510)는 수직자기 이방성을 가진 강자성층(512); 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층(514)을 포함한다. 상기 비자성 금속층(514)은 상기 비자성 금속층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 비자성 영역들(A) 및 인접한 한 쌍의 제1 비자성 영역들 사이에 배치된 제2 비자성 영역(B)을 포함한다. 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수와 상기 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층과 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
비자성 금속층(514)은 상기 강자성층(512)의 하부에 배치된 하부 비자성 금속층(514a)과 상기 강자성층(512)의 상부에 배치된 상부 비자성 금속층(514b)을 포함할 수 있다. 상기 하부 비자성 금속층(514a) 또는 상기 상부 비자성 금속층(514b)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au) 등일 수 있다. 상기 상부 비자성 금속층(514b) 또는 상기 하부 비자성 금속층(514a)은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다.
상기 제1 비자성 영역(A)에서 상기 상부 비자성 금속층(514b)의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층(514b)의 두께와 서로 다를 수 있다. 또는 상기 제1 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층(514a)의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층(514a)의 두께와 서로 다를 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층(514b)의 제1 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층(514b)의 제2 두께와 서로 다를 수 있다. 상기 제1 두께는 수 nm 수준이고, 상기 제2 두께는 상기 제1 두께의 수 배 수준일 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 비자성 금속층의 두께는 3 nm이고, 상기 제1 비자성 영역에서 상부 비자성 금속층의 두께는 2nm이고, 상기 제2 비자성 영역(B)에서 상기 상부 비자성 금소층의 두께는 4 nm일 수 있다. 이에 따라, 제1 비자성 영역(A)에 대응하는 강자성체(512)의 총 스핀 홀 전류와 상기 제2 비자성 영역(B)에 대응하는 강자성체(512)의 총 스핀 홀 전류는 서로 반대 방향일 수 있다.
상기 비자성 금속층(514)의 두께 변조는 스핀 토크 계수의 부호를 공간적으로 변조한다. 이에 따라, 상기 비자성층(514)에 면내 전류가 흐르는 경우, 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역의 경계면 AB에 대응하는 강자성층에서, 자구벽은 핀닝된다.
이동 방향 선택부(120)는 상기 경계면 AB에 대응하는 강자성층에 핀닝된 자구벽의 이동 방향을 선택하는 기능을 한다. 이동 방향 선택부(120)는 상기 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구벽의 이동 방향을 선택한다. 상기 이동 방향 선택부는 상기 강자성체에 형성된 노치(notch), 상기 강자성체에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 자벽 이동 소자의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구벽 이동 소자를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 자구벽 이동 소자의 동작 상태를 나타내는 평면도이다.
도 9에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면, 자구벽 이동 소자(600)는 나노 와이어(610)를 포함한다. 상기 나노와이어(610)는 수직자기 이방성을 가진 강자성층(612); 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층(614)을 포함한다. 상기 비자성 금속층(614)은 상기 비자성 금속층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 비자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 비자성 영역들 사이에 배치된 제2 비자성 영역을 포함한다. 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수와 상기 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이다. 상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층과 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동한다.
비자성 금속층(614)은 상기 강자성층의 하부에 배치된 하부 비자성 금속층(614a)과 상기 강자성층의 상부에 배치된 상부 비자성 금속층(614b)을 포함할 수 있다. 상기 하부 비자성 금속층 또는 상기 상부 비자성 금속층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au) 등일 수 있다. 상기 상부 비자성 금속층 또는 상기 하부 비자성 금속층은 수 Å(옹그스트롬)에서 수 nm(나노미터) 정도 되는 두께의 박막으로 제작한다.
상기 제1 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층(614b)의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층(614b)의 두께와 서로 다를 수 있다. 또는 상기 제1 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께와 서로 다를 수 있다.
경계면 AB에 빠져 나오는 자구벽이 항상 같은 방향으로 이동시키기 위하여, 노치(640)가 나노 와이어( 자구벽 이동 소자)의 연장 방향을 따라 주기적으로 형성된다. 상기 노치(640)는 자구벽의 이동시 이동 방향을 선택하는 수단일 수 있다. 예를 들어, 상기 노치(640)는 상기 제1 강자성 영역(A)의 단위 길이 및 상기 제2 강자성 영역(B)의 단위 길이에 걸쳐 각각 형성된다. 상기 제1 강가성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 단위 길이가 동일한 경우, 상기 노치는 상기 나오 와이어의 연장 방향을 따라 반복적으로 형성된다.
상기 노치(640)는 스트립 라인의 형태의 나노 와이어의 폭을 국부적으로 최소화하여 구현될 수 있으며, 상기 노치는 상기 자구벽의 에너지가 최소화하는 위치를 제공할 수 있다. 상기 비자성 금속층에 흐르는 전류에 의하여 상기 자구 벽이 상기 경계면 AB에 핀닝된 후, 상기 전류가 제거되면 상기 자구벽은 상기 노치의 최소폭을 가지는 위치로 외부 에너지 없이 이동한다. 따라서, 상기 자구벽은 외부 전류가 제거된 상태에서 상기 노치의 최소폭을 가지는 위치에 위치한다. 따라서, 상기 자구벽은 외부 전류가 제거된 상태에서 선택된 제2 비자성 영역(B)에 위하는 경우, 음의 외부 전류에 의하여 양의 길이 방향으로 이동한다. 또한, 상기 자구벽은 외부 전류가 제거된 상태에서 선택된 제1 비자성 영역(A)에 위치하는 경우, 양의 외부 전류에 의하여 양의 길이 방향으로 이동한다. 이러한, 일 방향의 이동은 자기 레이스 트랙 메모리 소자(Magnetic Racetrack Memory) 및 이동 레지스터 로직 소자(shift registor logic device)를 제공할 수 있다.
상기 노치(640)는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 AB 주위에 폭이 좁아진다. 상기 노치(640)의 최소 폭을 가지는 위치는 상기 경계면 AB에서 정렬되지 않도록 배치된다. 상기 노치는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간(640a)과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간(640b)을 포함한다. 상기 노치는 상기 제1 비자성 영역 또는 상기 제2 비자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가지고, 상기 제1 노치 구간의 시작 위치는 상기 경계면 AB에 정렬된다. 상기 제2 노치 구간의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 경계면 AB에 정렬된다. 이에 따라, 상기 자구벽이 양의 길이 방향으로 이동하기 경우, 이러한 노치 구조는 상기 노치에 의한 에너지 베리어를 낮출 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 노치는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 자구벽의 이동 방향을 선택하기 위하여 이온 주입된 불순물 영역이 상기 강자성체에 주기적으로 형성될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
410: 나노와이어
412: 강자성체층
414: 비자성 금속층
420: 노치
412: 강자성체층
414: 비자성 금속층
420: 노치
Claims (20)
- 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및
상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층;을 포함하고,
상기 강자성층은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역을 포함하고,
상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고,
상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
상기 제1 강자성 영역 및 상기 제2 강자성 영역 각각은:
상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역이 서로 접촉하는 경계면 부위에 배치된 폭이 좁아지는 노치를 포함하고,
상기 노치의 가장 작은 폭을 가지는 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 상기 강자성층의 구조 또는 조성에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역 중에서 어느 한 영역은 산소 원자의 도핑에 의하여 상기 스핀토크 계수의 부호가 변경되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 비자성 금속층은:
상기 강자성층의 상부면에 인접하여 배치된 상부 비자성 금속층; 및
상기 강자성층의 하부면에 인접하여 배치된 하부 비자성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 노치는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간을 포함하고,
상기 노치는 상기 제1 강자성 영역 또는 상기 제2 강자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가지고,
상기 제1 노치 구간의 시작 위치는 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 정렬되고,
상기 제2 노치 구간의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 정렬되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및
상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층;을 포함하고,
상기 강자성층은 상기 강자성층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 강자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 강자성 영역들 사이에 배치된 제2 강자성 영역을 포함하고,
상기 제1 강자성 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 강자성 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고,
상기 제1 강자성 영역과 제2 강자성 영역의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
상기 강자성층은 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면 주위에 형성된 보조 핀닝 영역을 포함하고,
상기 보조 핀닝 영역의 중심 위치는 상기 제1 강자성 영역과 상기 제2 강자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 보조 핀닝 영역은 상기 강자성층에 이온 주입된 불순물을 포함하고,
상기 이온 주입된 불순물은 산소, 불소, 질소, 금속, 전이금속, 갈륨 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및
상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층;을 포함하고,
상기 비자성 금속층은 상기 비자성 금속층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 비자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 비자성 영역들 사이에 배치된 제2 비자성 영역을 포함하고,
상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수와 상기 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고,
상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층과 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
상기 강자성층은 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 마다 국부적으로 폭이 좁아지는 노치를 포함하고,
상기 노치의 가장 작은 폭을 가지는 위치는 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 사이의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제9 항에 있어서,
상기 비자성 금속층은:
상기 강자성층의 상부면에 인접하여 배치된 상부 비자성 금속층; 및
상기 강자성층의 하부면에 인접하여 배치된 하부 비자성 금속층을 포함하고,
상기 제1 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 상부 비자성 금속층의 두께와 서로 다르거나,
상기 제1 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 하부 비자성 금속층의 두께와 서로 다른 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 비자성 영역에서 상기 비자성 금속층의 두께는 상기 제2 비자성 영역에서 상기 비자성 금속층의 두께와 서로 다른 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 삭제
- 제9 항에 있어서,
상기 노치는 급격히 폭이 감소하는 제1 노치 구간과 완만히 폭이 증가하는 제2 노치 구간을 포함하고,
상기 노치는 상기 제1 비자성 영역 또는 상기 제2 비자성 영역의 길이에 대응하는 단위 거리를 가지고,
상기 제1 노치 구간의 시작 위치는 상기 제1 비자성 영역과 제2 비자성 영역의 사이의 경계면에 정렬되고,
상기 제2 노치 구간의 종료 위치는 상기 단위 거리 만큼 이동한 상기 제1 비자성 영역과 제2 비자성 영역 사이의 경계면에 정렬되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및
상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층;을 포함하고,
상기 비자성 금속층은 상기 비자성 금속층의 연장 방향을 따라 배치된 제1 비자성 영역들 및 인접한 한 쌍의 제1 비자성 영역들 사이에 배치된 제2 비자성 영역을 포함하고,
상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수와 상기 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고,
상기 제1 비자성 영역에 대응하는 강자성층과 제2 비자성 영역에 대응하는 강자성층의 경계면에 생성된 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
상기 강자성층은 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역 상의 경계면이 서로 접촉하는 부위의 주변에 배치된 보조 핀닝 영역를 포함하고,
상기 보조 핀닝 영역의 중심 위치는 상기 제1 비자성 영역과 상기 제2 비자성 영역의 경계면에서 정렬되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 제14 항에 있어서,
상기 보조 핀닝 영역은 상기 강자성층에 이온 주입된 불순물을 포함하고,
상기 이온 주입된 불순물은 산소, 불소, 질소, 금속, 전이금속, 갈륨 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 소자. - 수직자기 이방성을 가진 강자성층; 및 상기 강자성층과 접촉하여 나란히 연장되는 비자성 금속층을 포함하는 나노 와이어에 있어서,
상기 나노와이어는 상기 나노와이어의 연장 방향을 따라 제1 영역과 제2 영역으로 교번하여 배치되고,
상기 제1 영역의 스핀토크 계수와 상기 제2 영역의 스핀토크 계수는 서로 반대 부호이고,
상기 제1 영역과 제2 영역의 경계면에서 상기 강자성층의 자구벽은 상기 비자성 금속층의 면내 전류에 의하여 이동하고,
상기 면내 전류가 제거된 상태에서 상기 자구 벽의 이동 방향을 선택하는 이동 방향 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어. - 삭제
- 제16 항에 있어서,
상기 이동 방향 선택부는 상기 강자성층에 형성된 노치, 상기 강자성층에 형성된 이온 주입 불순물 영역, 또는 상기 나노와이어의 주위에 배치된 별도의 자기장 인가 수단인 것을 특징으로 하는 나노와이어. - 제16 항에 있어서,
상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성층에 국부적 산소 불순물 주입 또는 상기 비자성 금속층의 국부적 두께 변조에 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어. - 제16 항에 있어서,
상기 스핀토크 계수의 공간 변조는 상기 강자성층과 상기 비자성 금속층 사이의 계면 변조에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어.
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