KR20030046296A - Voltage control of magnetization easy axis in ferromagnetic films, ultrahigh-density, low power, nonvolatile magnetic memory and writing method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for controlling a magnetization easy axis of a ferroelectric film using a voltage, a non-volatile, a high-integrated, and a power-saving magnetic memory using the same, and a method for recording information are provided to control the spin direction of the ferroelectric film by using an inverse magnetostriction effect and an inverse piezoelectricity effect. CONSTITUTION: A magnetic memory includes a piezoelectric layer(21), a free magnetic layer(22), a fixed magnetic layer(24), and a non-magnetic layer(22). The piezoelectric layer is formed with a piezoelectric element which is selected from PZT, PLZT, BLY, and SBT. The thickness of the piezoelectric layer is less than 500nm. The magnetic layer is selected from CoPd or ABC alloy where A is Co, Fe, Ni and B is Co, Fe, Ni and C is Pd, Pt, Au, Cu, Al, W. The thickness of the magnetic layer is less than 50nm. The electric field is formed by applying a voltage to an electrode layer in a stacked structure of the electrode layer, the piezoelectric layer, and the magnetic layer. A magnetization easy axis of the magnetic layer is switched between a thin film and a vertical axis by the magnetic field.

Description

전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법 및 이를 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리와 정보기록방법 {VOLTAGE CONTROL OF MAGNETIZATION EASY AXIS IN FERROMAGNETIC FILMS, ULTRAHIGH-DENSITY, LOW POWER, NONVOLATILE MAGNETIC MEMORY AND WRITING METHOD THEREOF}Biaxial control method for magnetization of ferromagnetic thin film using voltage and nonvolatile, ultra-high density, ultra-low power magnetic memory and information recording method using the same WRITING METHOD THEREOF}

본 발명은 강자성박막에서 전압에 의해 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축 제어방법 및 이를 이용한 비휘발성 자기메모리와 그 정보기록방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도선의 전류 흐름에 의한 자기장을 인가하는 방법 대신 압전박막에 전압을 인가하여 자성박막에 인장응력 혹은 압축응력을 가함으로써 역 자왜효과를 이용하여 강자성박막의 스핀방향을 제어하는 방법과, 이를 이용한 초고집적, 초절전형, 비휘발성 자기 메모리소자를 실용화하기 위한 자기랜덤억세스메모리 (Magnetic Random Access Memory: MRAM) 소자에 있어서 전압 인가방식의 정보기록 방식에 관한 것이다.The present invention relates to a biaxial control method for magnetization in which a spontaneous magnetization direction is influenced by a voltage in a ferromagnetic thin film, a nonvolatile magnetic memory using the same, and a method for recording information thereof, and more particularly, to apply a magnetic field due to current flow in a wire. Instead of the method, a method of controlling the spin direction of a ferromagnetic thin film using an inverse magnetostrictive effect by applying a tensile stress or compressive stress to the magnetic thin film by applying a voltage to the piezoelectric thin film, and an ultra-high density, ultra-low power, nonvolatile magnetic memory device using the same The present invention relates to an information recording method of a voltage application method in a magnetic random access memory (MRAM) element for practical use.

최근 최첨단 정보기억소자 분야에서 기술상의 핵심 논점은 이상적인 비휘발성 정보기억소자를 구현하는 것이다. 기대되는 기술은 강유전체 박막의 높은 전하자발쌍극현상을 이용한 강유전체메모리반도체(Ferroelectric Random Access Memory :FeRAM)와, 정보 판독 수단으로서 스핀편극를 이용한 자기 랜덤 억세스 메모리(MRAM)이다. 이 MRAM은 오늘날 반도체 SRAM의 빠른 속도와 고밀도 DRAM의 장점을 겸비한 FeRAM에 견줄만한 비휘발성 자기메모리소자이다.Recently, a key issue in the field of advanced information storage devices is to implement an ideal nonvolatile information storage device. Expected technologies are ferroelectric random access memory (FeRAM) using high charge spontaneous dipole phenomenon of ferroelectric thin film and magnetic random access memory (MRAM) using spin polarization as information reading means. This MRAM is a nonvolatile magnetic memory device comparable to FeRAM, which combines the speed of today's semiconductor SRAM with the advantages of high density DRAM.

MRAM은 비휘발성이라는 커다란 장점에도 불구하고 초고집적화의 달성에 걸림돌이 되는 기술적인 어려움이 있는데, 이는 메모리 셀 간의 간격이 줄어들 때 충분한 크기를 가진 외부 자기장의 국부화가 어렵고 각 셀 간의 스핀들이 상호작용하여 기록된 정보의 유실이 예측된다는 것이다. 자기장 인가방식의 자화방향 제어는 정보기록시 각 셀의 스핀 방향을 변경(스위칭)하는데 있어서 셀이 작을수록 자기장의 국소화는 더욱 어려워진다. 즉, 기존의 자기장에 의한 스핀 스위칭 구동 방식을 사용하면 셀의 크기나 간격이 작아지는 초고밀도 집적시 메모리 기록에 한계가 있는데, 이것은 인간된 자기장이 스핀 스위칭을 원하지 않는 주위의 셀에도 영향을 미쳐 기록된 비트가 삭제될 수 있기 때문이다. 또한 각각의 셀의 스핀간 상호작용에 의해 저장된 스핀방향 즉 정보가 유실될 수도 있다. 그러므로, 초고집적 MRAM 구조를 위해서는 금속선을 통해 흐르는 전류에 의해 자기장을 인가하지 않고 자발자화방향을 제어하는 것이 필수적이며, 동시에 기록된 스핀 방향의 상호 작용에 의한 간섭효과도 없애야 한다. 뿐만 아니라, 기존의 MRAM 기술에서는 두 강자성박막을 분리하는 절연박막층을 통과하는 터널링 전자의 자기저항효과를 이용하여 고정층과 자유층 자성박막의 상대적 스핀방향을 판독하기 때문에, 절연박막층의 두께가 약 1 nm 이하여야 한다. 이는 생산공정시 일정한 두께로 1 nm의 절연박막을 수 인치 반경을 갖는 웨이퍼에 균일하게 증착하기 어렵기 때문에 기존의 MRAM 소자의 커다란 약점이기도 하다.In spite of the huge advantages of non-volatile MRAM, there is a technical difficulty in achieving ultra-high integration, which is difficult to localize an external magnetic field with a sufficient size when the distance between memory cells is reduced, and the spindles interact with each other. The loss of recorded information is predicted. In the magnetization direction control of the magnetic field application method, in order to change (switch) the spin direction of each cell of information storage, the smaller the cell, the more difficult the localization of the magnetic field becomes. In other words, using the conventional spin-switched driving method, there is a limit to memory writing in ultra-high density integration, where the size and spacing of cells become smaller, which affects the cells around which the human magnetic field does not want spin switching. This is because the recorded bit can be erased. In addition, the stored spin direction, or information, may be lost due to the inter-spin interaction of each cell. Therefore, for the highly integrated MRAM structure, it is necessary to control the spontaneous magnetization direction without applying the magnetic field by the current flowing through the metal wire, and at the same time, the interference effect caused by the interaction of the recorded spin direction must be eliminated. In addition, conventional MRAM technology uses the magnetoresistive effect of tunneling electrons passing through the insulating thin film layer separating the two ferromagnetic thin films to read the relative spin directions of the fixed and free layer magnetic thin films. It should be less than or equal to nm. This is also a major drawback of conventional MRAM devices because it is difficult to uniformly deposit an insulating thin film of 1 nm on a wafer with a few inches radius in the production process.

최근에, 인가 자기장의 사용이라는 전통적인 방법 대신 전류에 의해 자화 방향을 제어하려는 주목할 만한 시도가 있었다. 그 중 하나는, 강자성박막층/금속 분리층/절연 초박막층/강자성 박막층의 복잡한 적층 구조에서의 스핀 스위칭을 예상하고 있는데, 제어 가능한 교환결합(exchange coupling)이 그 근거가 될 수 있으나, 아직 실험적으로 증명된 것은 아니다(You, C. Y. & Bader S.D., Prediction of switching rotation of the magnetization direction with applied voltage in a controllable interlayer exchange coupled system,J.Magn.Magn.Mater.195, 488-500(1999)). 다른 하나는, Co/Cu/Co(코발트/구리/코발트) 샌드위치 구조에 있어서 전류-유도 스핀방향 스위칭에 대한 실험적인 증명이며, 이 현상은 흐르는 전도 전자 및 스핀 사이의 국소 교환 상호작용(loacal exchange interaction)에 기인하는 것이다(Myers, E. B., Ralph, D.C., Katine, J.A., Louie, R.N. & Buhrman, R.A., Current Induced Switching of Domains in Magnetic Multilayer Devices,Science285, 867-870(1999)). 이 구조의 문제점은 스핀 스위칭을 유도하기 위한 전류가 일반적으로 거대자기저항(GMR)을 측정하는 데에도 사용된다는 것이다.Recently, notable attempts have been made to control the magnetization direction by current instead of the traditional method of using an applied magnetic field. One of them anticipates spin switching in a complex stacked structure of ferromagnetic thin film / metal separation layer / insulation ultra thin film / ferromagnetic thin film layer, which can be based on controllable exchange coupling, but is still experimental. It is not proven (You, CY & Bader SD, Prediction of switching rotation of the magnetization direction with applied voltage in a controllable interlayer exchange coupled system, J. Magn.Magn. Mater. 195, 488-500 (1999)). The other is an experimental proof of current-induced spin-direction switching in a Co / Cu / Co (cobalt / copper / cobalt) sandwich structure, which is a local exchange interaction between flowing conduction electrons and spin. interaction) (Myers, EB, Ralph, DC, Katine, JA, Louie, RN & Buhrman, RA, Current Induced Switching of Domains in Magnetic Multilayer Devices, Science 285, 867-870 (1999)). The problem with this structure is that the current to induce spin switching is also commonly used to measure the giant magnetoresistance (GMR).

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 실온에서 동작되는 강자성박막에서의 전압에 의한 자발자화방향 제어방법을 제안하며, 보다 상세하게는 압전/자성박막 복합시스템에서 역자왜(inverse magnetostriction) 효과 및 역압전(inverse piezoelectricity) 효과를 이용한 전압구동 스핀 스위칭 방법과 이를 이용한 비휘발성 자기 메모리인 MRAM에서 128 Mbit 이상의 초고집적시 스핀방향 제어 즉 정보기록방식을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 기술적 장점은 1 nm 정도의 절연 초박막을 사용하지 않기 때문에 이에 따른 공정상의 어려움을 제거할 수 있고 또한 제품수율(yield)도 높일 수 있다는 것이다. 또한, MRAM의 기존의 정보저장방식은 강자성박막의 스핀 자유층의 스핀방향을 자화용이축상에서 서로 반대방향의 반전을 이용하지만, 본 발명에서 제안하는 방법은 자화용이축 자체를 이용하여 수직과 수평의 상대적인 스핀방향을 이용하기 때문에 더욱 안정된 정보저장능력을 제공하여 자성박막을 포함한 셀의 크기가 작아질 때 발생하는 초상자성 (superparamagnetism) 효과에 의한 정보유실을 극복할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention proposes a method for controlling the spontaneous magnetization direction by voltage in a ferromagnetic thin film operated at room temperature, and more particularly, inverse magnetostriction effect and inverse magnetostriction in a piezoelectric / magnetic thin film composite system. It is an object of the present invention to provide a spin control method for voltage driving using an inverse piezoelectricity effect and a spin direction control, that is, an information recording method, when the MRAM, which is a nonvolatile magnetic memory using the same, has a super high density of 128 Mbit or more. Another technical advantage of the present invention is that since it does not use an insulating ultra thin film of about 1 nm, it is possible to eliminate the process difficulties caused by this and also to increase the yield (yield). In addition, the conventional information storage method of MRAM uses the reverse direction of the spin direction of the spin free layer of the ferromagnetic thin film on the biaxial axis for magnetization, but the method proposed in the present invention uses the biaxial axis for magnetization itself to be vertical and horizontal. By using the relative spin direction of, it provides more stable information storage capability and can overcome the information loss due to the superparamagnetism effect that occurs when the cell size including the magnetic thin film becomes smaller.

도 1a는 본 발명에 따른 전압에 의한 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축(magnetization easy axis) 제어방법을 구현한 압전박막/자기박막 및 전극층의 복합 시스템의 설계도,1A is a schematic diagram of a composite system of a piezoelectric thin film / magnetic thin film and an electrode layer implementing a magnetization easy axis control method influencing the spontaneous magnetization direction due to voltage according to the present invention;

도 1b는 Pt 전극선의 단면도 및 인가된 전기장(electric field: E)에 반응하여 일어나는 자화용이축 스위칭의 기법에 대한 개념도,1B is a conceptual diagram of a cross sectional view of a Pt electrode wire and a technique of biaxial switching for magnetization occurring in response to an applied electric field E;

도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명에 따른 복합시스템을 광학현미경으로 본 평면도,1C, 1D and 1E are plan views of a composite system according to the present invention as viewed under an optical microscope,

도 2a는 본 발명에 따른 복합시스템에서 세로방향(longitudinal) 및 극방향(polar) 커 신호(Kerr signal)를 측정하기 위한 기하(geometry)를 도시한 도면,FIG. 2A shows a geometry for measuring longitudinal and polar Kerr signals in a composite system according to the present invention; FIG.

도 2b 및 2c는 전압의 변화에 따라 달리 측정되는 커 타원 (Kerr ellipticity) 및 회전(rotation) 자기이력곡선을 각각 도시한 도면,2b and 2c show Kerr ellipticity and rotation magnetic hysteresis curves measured differently according to the change in voltage.

도 3a 및 도 3b는 0.5 Hz의 주파수에서 전압이 ±10 V 범위에서 사인 파형으로 변동되는 데 대한 세로방향 및 극방향 커 회전 신호를 도시한 도면,3A and 3B show longitudinal and polar Kerr rotational signals for fluctuations in a sinusoidal waveform in the range ± 10 V at a frequency of 0.5 Hz,

도 3c는 150 Oe의 인가 자기장 하에서 주파수가 0.5 Hz일 때 ±10 V 범위의 여러 파형에 반응하는 극방향 커 회전 신호의 시간에 따른 변동을 도시한 도면,3c shows the time-dependent variation of the polar Kerr rotational signal in response to various waveforms in the range ± 10 V when the frequency is 0.5 Hz under an applied magnetic field of 150 Oe;

도 3d는 전압이 ±10 V 사이에서 변조되고 그 사인파형(sine wave)의 주파수의 변화에 따른 극방향 커 회전 신호를 도시한 도면,FIG. 3D shows a polar Kerr rotational signal with a voltage modulated between ± 10 V and a change in the frequency of its sine wave; FIG.

도 3e는 0.5 Hz에서 사인 곡선 형태의 전압 진폭에 따른 극방향 커 회전 신호의 변화를 도시한 도면,Figure 3e is a diagram showing the change of the polar Kerr rotational signal according to the voltage amplitude of the sinusoidal form at 0.5 Hz,

도 4a 및 도 4b는 박막적층면에 전압을 각각 수직과 수평으로 인가할 경우의 본 발명에 따른 메모리의 셀 어레이(cell array) 및 어드레싱(addressing) 구조의 두 형태를 도시한 도면,4A and 4B illustrate two forms of a cell array and an addressing structure of a memory according to the present invention when voltage is applied vertically and horizontally to a thin film stack;

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 압전박막/자성박막 및 전극선의 복합구조의 메모리의 셀에 대한 두 형태를 자세히 도시한 도면.5A and 5B detail two forms of a cell of a memory of a composite structure of a piezoelectric thin film / magnetic thin film and an electrode line according to the present invention;

상기 목적의 해결을 위해 본 발명에 의한 강자성막박의 스핀방향 제어방법은, 전극층, 압전층 및 자성층을 배치하고, 상기 전극층에 전압을 인가하여 전기장이 확보되면, 상기 압전층에 격자변동(격자확장 혹은 격자압축)이 야기된 후, 상기 자성층에 응력(인장응력 혹은 압축응력)이 가해짐으로써 상기 자성층의 자발자화방향을 좌우하는 자화용이축이 박막면에서 수직축으로 또는 그 역으로 스위칭되는 것을 특징으로 한다.In the spin direction control method of the ferromagnetic film foil according to the present invention for solving the above object, when the electrode layer, the piezoelectric layer and the magnetic layer is disposed, and the electric field is secured by applying a voltage to the electrode layer, lattice fluctuation (lattice lattice) in the piezoelectric layer After expansion or lattice compression is applied, a stress (tensile stress or compressive stress) is applied to the magnetic layer to switch the magnetic axis for magnetization that determines the spontaneous magnetization direction of the magnetic layer from the thin film plane to the vertical axis or vice versa. It features.

본 발명의 부가적인 특징은, 상기 압전층을 이루는 압전소자가 PZT(티탄 지르콘산 납), PLZT, 피로에 강한 SBT(SrBiTaO계) 또는 BLT 중 어느 하나인 것이다.An additional feature of the present invention is that the piezoelectric element constituting the piezoelectric layer is any one of PZT (lead titanium zirconate), PLZT, fatigue resistant SBT (SrBiTaO based) or BLT.

본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 압전층의 두께를 100 nm 이하로 하여 수직으로 전압을 인가할 때 수 V 이하에서도 전하 쌍극자 편광이 발생하여 작은 전압으로 정보를 기록하여 절전형 비휘발성 메모리소자를 제조하는 것이며, 압전층의 두께를 50 nm 이하로 작게 할 때는 구동전압이 1 V 이하의 초절전형 메모리소자를 제작할 수 있다.Another additional feature of the present invention is that when the voltage is applied vertically with the thickness of the piezoelectric layer to 100 nm or less, charge dipole polarization occurs even at several V or less to record information at a small voltage, thereby saving power. When the thickness of the piezoelectric layer is reduced to 50 nm or less, an ultra-low power memory device having a driving voltage of 1 V or less can be manufactured.

본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 자성층을 이루는 소자가 CoPd(코발트 팔라듐) 합금이거나, 이 때 큰 자왜 특성과 동시에 큰 자기저항특성을 갖기 위해 CoFe 및 NiFe 합금 또는 Ni, Fe, Co로 이루어진 삼종원소 합금으로 구성되는 것이다. 또한 상기 합금원소에 Pd, Pt, Au, Cu, Ru, W 중 비자성원소가 첨가된 합금박막으로 구성되는 것이다.Another additional feature of the present invention is that the element constituting the magnetic layer is a CoPd (cobalt palladium) alloy, and in this case is made of CoFe and NiFe alloys or Ni, Fe, Co in order to have a large magnetoresistance property and a large magnetoresistance property It is composed of three element alloys. In addition, the alloy element is composed of an alloy thin film to which a nonmagnetic element of Pd, Pt, Au, Cu, Ru, W is added.

본 발명의 또 다른 부가적인 특징은, 상기 전극층은 Pt(백금), Pd, Cu, Al, Ru, W 중 어느 한 원소의 전극선으로 구성되는 것이다.Another additional feature of the present invention is that the electrode layer is composed of an electrode line of any one of Pt (platinum), Pd, Cu, Al, Ru, and W.

또한, 본 발명에 의한 강자성막의 스핀방향 제어방법을 이용한 메모리의 특징은, 압전 소자로 이루어진 압전층과, 상기 압전층 상부에 배치되고 인가된 전압에 의해 상기 압전층이 유발한 인장응력 혹은 압축응력의 결과로 자화용이축이 스위칭되는 자유자성층과, 상기 자유자성층 상부에 배치되고 자화용이축이 고정되어있는 고정자성층, 그리고 상기 자유자성층과 고정자성층 사이에 배치되어 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층을 포함하는 메모리 셀의 어레이로 이루어지는 것이다.In addition, the memory using the spin direction control method of the ferromagnetic film according to the present invention is characterized in that the piezoelectric layer consisting of a piezoelectric element, and the tensile stress or compression caused by the piezoelectric layer due to the voltage applied to and disposed on the piezoelectric layer. Magnetic interaction between the two magnetic layers is disposed between the free magnetic layer in which the magnetizing axis is switched as a result of the stress, the stator magnetic layer disposed on the free magnetic layer and the magnetizing axis is fixed, and the free magnetic layer and the stating magnetic layer. It is made of an array of memory cells including a nonmagnetic layer for suppressing.

본 발명에 의한 메모리의 부가적인 특징은, 상기 메모리 셀이 수직을 이루는 금속전극선들로 연결되어 있어, 메모리 셀에 정보를 기록할 때는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전압을 인가하여 상기 자유자성층의 자발자화방향을 스위칭하는 것이다.An additional feature of the memory according to the present invention is that the memory cells are connected to vertical metal electrode lines, so that when the information is written into the memory cell, a voltage is applied to the metal electrode lines to which the memory cells are connected to the free magnetic layer. It is to switch the spontaneous direction of.

본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 정보를 재생할 때에 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전류를 흘려 상기 자유자성층과 고정자성층의 자기저항 즉, 수직과 수평방향으로 배열된 스핀간의 자기저항값을 읽어 상기 두 자성층의 상대적 자화방향을 판독하는 것이다.Another additional feature of the memory according to the present invention is that the magnetic resistance of the free magnetic layer and the pinned magnetic layer, i.e., the magnets between the spins arranged in the vertical and horizontal directions, flows through the metal electrode lines to which the memory cells are connected when reproducing information. The relative magnetization directions of the two magnetic layers are read by reading the resistance value.

본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은 스핀방향이 수직과 수평자화용이축에 의해 결정되기 때문에 각 셀의 스핀 상호작용에 스핀방향이 안정하다는 것이다.Another additional feature of the memory of the present invention is that the spin direction is stable to the spin interaction of each cell because the spin direction is determined by the vertical and horizontal magnetization axes.

본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은 스핀 고정층과 자유층의 스핀방향이 자화용이축에 의해 결정되기 때문에 셀의 크기가 작아질 때 발생하는 초상자성효과에서도 응력에 의해 유발된 강한 자기이방성으로 인해 자화용이축이 유지되고 그러므로 정보유실을 억제할 수 있다는 것이다.Another additional feature of the memory according to the present invention is the strong magnetic anisotropy caused by stress even in the superparamagnetic effect that occurs when the size of the cell is reduced because the spin directions of the spin pinned and free layers are determined by the easy axis of magnetization. This maintains the axis of magnetization and thus can suppress information loss.

본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 셀면에 수직방향으로 전압을 인가하는 경우, 대각선 방향으로 금속전극선을 추가로 배치하여, 정보를 재생할 때 상기 메모리 셀이 연결된 가로 방향의 금속전극선 및 상기 대각선 방향의 금속전극선에 전류를 가하는 것이며, 이때 금속전극선은 정보기록 및 판독용으로 모두 3개면 된다.Another additional feature of the memory according to the present invention is that in the case of applying a voltage in the vertical direction to the cell surface, by additionally disposing a metal electrode line in the diagonal direction, the horizontal metal electrode line connected to the memory cell when reproducing information and An electric current is applied to the diagonal metal electrode lines, in which three metal electrode lines are all required for information recording and reading.

본 발명에 의한 메모리의 또 다른 부가적인 특징은, 셀면에 평행한 방향으로 전압을 인가하는 경우, 상기 전류가 상기 자성층으로 흐르지 않도록 하기 위하여, 상기 금속전극선을 절연체(insulator)에 의해 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 흘려주기 위한 통로로 분리하는 것이다.Another additional feature of the memory according to the present invention is that when the voltage is applied in a direction parallel to the cell surface, the voltage is applied to the metal electrode line by an insulator so that the current does not flow to the magnetic layer. It is divided into a passage for passing and a passage for passing a current.

본 발명은 기본적으로 압전/자성박막의 복합 시스템을 이용하고 있으며, 압전/자성박막의 복합 시스템을 사용하여 저전압 구동 스핀 스위칭을 구현하기 위해 가장 필요한 것은, 자성층의 내부 변형(strain)에 있어서 적은 양의 변화를 제어하여 자화용이축을 스위칭하는 것이다. 자성층의 역 자왜 효과는 이를 가능하게 만드는데, 이는 압전층이 양, 음으로 충전된 이온의 영구 쌍극으로 인한 유효 전기장 구동 격자변동을 가지며 자성층에 충분한 응력(stress)을 유도할 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 이러한 요구를 충족시키는 물질로서, 자성층에는 초박(ultrathin) CoPd(코발트 팔라듐) 합금 박막을, 압전층에는 PZT(티탄 지르콘산 납)를 실시예로 사용하였으며, 전자는 큰 역자왜 효과를 가진 것으로 알려져 있으며, 후자는 상당한 압전 및 이의 역 (전기왜곡) 효과를 가진 것으로 알려져 있다. 그 밖에도 PLZT, BLT, SBT 및 LiNbO3등이 압전층으로, AB(여기서 A는 Co, Ni, Fe이고 B는 Pd, Pt, Au, Cu등) 혹은 Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au, Cu등의 삼원계 이상의 합금계나 TbFeCo계의 소자가 자성층으로 사용될 수 있다.The present invention basically uses a piezoelectric / magnetic thin film composite system, and the most necessary for implementing low voltage driving spin switching using the piezoelectric / magnetic thin film composite system is a small amount in internal strain of the magnetic layer. It is to switch the axis for magnetization by controlling the change of. The inverse magnetostrictive effect of the magnetic layer makes this possible because the piezoelectric layer has an effective field drive lattice variation due to permanent dipoles of positive and negatively charged ions and can induce sufficient stress in the magnetic layer. In the present invention, as a material satisfying these requirements, ultrathin CoPd (cobalt palladium) thin film was used as the magnetic layer, and PZT (lead titanium zirconate) was used as the piezoelectric layer as an example. The latter is known to have significant piezoelectric and its inverse (electrodistortion) effects. In addition, PLZT, BLT, SBT, and LiNbO 3 are piezoelectric layers, and AB (where A is Co, Ni, Fe, and B is Pd, Pt, Au, Cu, etc.) or Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au. Alloys such as Cu and Cu or TbFeCo-based devices such as Cu and Cu may be used as the magnetic layer.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예 및 실험 예들을 살펴본다.Hereinafter, with reference to the drawings looks at embodiments and experimental examples of the present invention.

도 1a는 MgO 기판위에 TiOy(산화 티탄)을 증착하고 그 위에 패턴 Pt(백금) 전극(12) - Pb(ZrxTi1-x)O3(산화 티탄 지르콘산 납, 13) - Pd/CozPd1-z/Pd(팔라듐/코발트 팔라듐/팔라듐, 14)를 배치한 복합 시스템의 설계도로서, 본 발명에 따른 압전/자성박막 복합 시스템을 도시한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 강자성박막의 스핀 스위칭 구동방법은 압전층과 자성층으로 구성된 복합 시스템에 의하며, 상술한 바와 같이 압전층을 이루는 압전소자로는 PZT를, 자성층을 이루는 강자성 소자로는 CoPd 합금박막을 사용할 수 있다. 또한, 낮은 전압 인가로 이웃하는 Pt 전극(12)들 간에 충분한 전기장을 확보하기 위하여 마이크로스케일 패턴의 Pt 전극이 사용되며, 결과적으로 주어진 전압에서 충분한 전기왜곡 효과가 발생한다. 상세한 층 구조는 바닥으로부터 MgO 기판(11) 및 TiOy층, 50 nm 두께와 5μm 너비 그리고 5μm 간격을 가진 Pt 전극선 및 Pt 패드(12), 100 nm 두께의 Pb(ZrxTi1-x)O3(13), Pd/CozPd1-z/Pd(14)층 순으로 되어 있다. 상기와 같은 패턴의 Pt 전극(12)은 충분한 전압이 인가될 때의 상호 교대 편광(alternate charge polarization)을 위해 설계되었다.FIG. 1A shows the deposition of TiO y (titanium oxide) on an MgO substrate and on it a patterned Pt (platinum) electrode 12-Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (lead titanium zirconate oxide, 13)-Pd / A schematic diagram of a composite system in which Co z Pd 1-z / Pd (palladium / cobalt palladium / palladium, 14) is arranged, illustrating a piezoelectric / magnetic thin film composite system according to the present invention. That is, the spin switching driving method of the ferromagnetic thin film according to the present invention is a complex system composed of a piezoelectric layer and a magnetic layer. As described above, the piezoelectric element forming the piezoelectric layer is PZT, and the ferromagnetic element forming the magnetic layer is a CoPd alloy thin film. Can be used. In addition, a Pt electrode in a microscale pattern is used to secure a sufficient electric field between neighboring Pt electrodes 12 with low voltage application, resulting in a sufficient electrodistortion effect at a given voltage. The detailed layer structure includes a MgO substrate 11 and a TiO y layer from the bottom, Pt electrode lines and Pt pads 12 with 50 nm thickness and 5 μm width and 5 μm spacing, Pb (Zr x Ti 1-x ) O with 100 nm thickness. 3 (13) and Pd / Co z Pd 1-z / Pd (14) layer order. The Pt electrode 12 of the above pattern is designed for alternate charge polarization when sufficient voltage is applied.

도 1b는 상기 Pt 전극 와이어의 단면도 및 인가된 전기장에 반응하여 일어나는 자발적인 스핀 스위칭의 기법에 대한 개념도로서, 점선 화살표는 방향성 전기장선을 가리킨다. 전기장이 0인 경우 스핀 방향은 박막면에 있는데, 이는 자기 쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)에 기인한 전형적인 박막의 자기형상이방성 때문이다. 반면, 전기장이 인가되면, 상당한 전기왜곡에 의해 야기되는 PZT층의 격자 확장(lattice expansion)과 이후 발생하는 CoPd 합금층에서의 인장 응력(tensile stress)이 뒤따르며, 결과적으로 자성 CoPd 합금박막의 역 자기왜곡 효과가 자화용이축을 박막면(in-plane)에서 수직축(out-of-plane)으로 전이시킴으로써 스핀방향 스위칭이 유발된다. 이 때 CoPd 합금박막의 집합조직(texture)은 (111)면으로서 약 - 10-4정도의 음의 자왜상수를 갖고 있다.FIG. 1B is a schematic diagram of a cross-sectional view of the Pt electrode wire and the technique of spontaneous spin switching occurring in response to an applied electric field, with dashed arrows indicating directional electric fields. If the electric field is zero, the spin direction is on the thin film plane because of the typical magnetic anisotropy of the thin film due to the dipole-dipole interaction. On the other hand, when an electric field is applied, lattice expansion of the PZT layer caused by significant electric distortion and subsequent tensile stress in the CoPd alloy layer that follows occurs, resulting in the inverse of the magnetic CoPd alloy thin film. The magnetostrictive effect causes spin direction switching by transferring the magnetization axis from the in-plane to the out-of-plane. At this time, the texture of the CoPd alloy thin film has a negative magnetostriction constant of about −10 −4 as the (111) plane.

도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명에 의한 스핀스위칭 구동방법에 의한 복합 시스템을 광학현미경으로 관찰한 평면도로서, 상술한 다층구조가 잘 나타나 있으며 각 도면에 다른 축적(scale bar)이 적용되었다. 상세히 설명하면, 도 1c의 15는 MgO/TiO/PZT/Pd/CoPd/Pd 적층 구조 부분, 16은 MgO/TiO/Pt/PZT/Pd/CoPd/Pd 적층 구조 부분, 17은 자화반전을 관찰하기 위한 레이저 빔이 입사되는 부분, 18은 MgO/TiO 기판 부분, 19 및 20은 Au(금) 와이어, 그리고 21은 MgO/TiO/Pt 적층 구조 부분이다. 도 1d는 도 1c의 점선 부분을 확대한 것으로 22는 Pt 패드를, 23은 Pt 전극선을 나타낸다. 도 1e은 도 1d의 점선 부분을 확대한 것(24)이다.1C, 1D, and 1E are plan views of optical systems of the composite system of the spin switching driving method according to the present invention, in which the above-described multilayer structure is well illustrated, and different scales are applied to each drawing. . In detail, 15 in FIG. 1C is a MgO / TiO / PZT / Pd / CoPd / Pd laminated structure part, 16 is a MgO / TiO / Pt / PZT / Pd / CoPd / Pd laminated structure part, and 17 is a magnetization reversal. Is the portion where the laser beam is incident, 18 is the MgO / TiO substrate portion, 19 and 20 are Au (gold) wire, and 21 is the portion of the MgO / TiO / Pt laminated structure. FIG. 1D is an enlarged dotted line of FIG. 1C, where 22 is a Pt pad and 23 is a Pt electrode line. FIG. 1E is an enlarged view of a dotted line 24 of FIG. 1D.

본 발명에서는 PZT 기판 상부에 CoPd 합금층을 직접 배치하기 위해, 이것을 초고진공챔버(ultrahigh vacuum chamber)에 넣은 후 이 합금박막을 1×10-8Torr의 진공도에서 1.5 Å/min의 전자빔 증착기(evaporator)로 증착(grow)하였다. 또한,15-Å-두께의 Pd 덮개층이 산화 방지를 위해 배치된 후, 2 개의 Pt 전극 패드가 2 개의 외부 금 선에 접착되어 전압을 인가하도록 상기 초고진공챔버의 내부가 공기중에 노출(vent)된다(도 1c). Pt 전극들이 잘 연결되었는지 체크하기 위하여, 인접하는 Pt 전극 사이의 커패시턴스를 임피던스 분석기를 통해 측정하였는 바, 측정된 커패시턴스는 전극 기하학 및 PZT 특성을 기초로 계산된 기대치와 일치하였다.In the present invention, in order to directly place a CoPd alloy layer on the PZT substrate, the alloy thin film is placed in an ultrahigh vacuum chamber and the alloy thin film is then subjected to an electron beam evaporator of 1.5 mW / min at a vacuum of 1 × 10 -8 Torr. ) Was deposited. In addition, after the 15-mm-thick Pd cover layer is disposed for oxidation prevention, the inside of the ultra-high vacuum chamber is exposed to air so that two Pt electrode pads are bonded to two external gold wires to apply a voltage. (FIG. 1C). In order to check that the Pt electrodes were well connected, the capacitance between adjacent Pt electrodes was measured by an impedance analyzer, and the measured capacitance was consistent with the expected calculation based on electrode geometry and PZT characteristics.

도 2a는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법에 따른 복합 시스템에서 세로방향(longitudinal) 및 극방향(polar) 커 신호를 측정하기 위한 기하(geometry)로서, 세로방향의 경우 빛 산란 평면에서의 자기장 방향은 박막면에 평행하며, 극방향의 경우 빛 산란 평면에서의 자기장 방향은 박막면에 수직이다. 도 2b 및 도 2c는 상기 기하에서 전압 함수로서 측정되는 자기이력곡선을 도시한 것으로서, 커 타원(ellipticity) 및 회전(rotation)이 동시에 측정되었다. 도 2b에는 세로방향 커 타원을, 도 2c에는 극방향 커 회전을 도시하였는데, 크기에 있어서의 고유한 차이뿐만 아니라 측정 기하에 대한 상이한 방향 민감도가 나타나있다.FIG. 2A is a geometry for measuring longitudinal and polar Kerr signals in a complex system according to the spin switching driving method according to the present invention, and in the vertical direction, magnetic field direction in a light scattering plane. FIG. Is parallel to the thin film plane, and in the polar direction the direction of the magnetic field in the light scattering plane is perpendicular to the thin film plane. 2B and 2C show the hysteresis curve measured as a function of voltage in the geometry, where the ellipticity and rotation were simultaneously measured. In Fig. 2B the longitudinal cut ellipse is shown and Fig. 2C shows the polar Kerr rotation, showing not only the inherent differences in size but also the different direction sensitivity to the measurement geometry.

인가 전압의 변화에 따른 자화반전은 도 2a의 측정 기하에 나타난 바와 같이, 세로방향의 커 타원(longitudinal Kerr ellipticity) 및 극방향의 커 회전(polar Kerr rotation)을 통해 측정된다. 전압 0에서의 커 타원은 거의 90% 잔류자화의 정방형 이력곡선으로 나타나는 반면(도 2b), 이에 대응하는 극방향 커 회전은 전형적인 하드축(hard axis) 자기이력곡선을 보인다(도 2c). 이는 전압이 0일 때 자발자화 방향이 박막면에 있음을 의미한다. 인가된 전압이 증가함에 따라, 세로방향 타원(longitudinal ellipticity) 이력곡선은 점차 기울어 져서 ±10 및±15 V에서 사라진다. 한편, 이에 대응하는 극방향 회전(polar rotation) 이력곡선은 더욱 열린상태가 되며 마이너(minor) 이력곡선 같이 되는데, 이는 인가한 자기장의 세기가 충분하지 못했기 때문이다. 상술한 바와 같이 인가된 전압에 따라 자화용이축이 전이(스위칭)하는 현상이 이력곡선의 모양변화로부터 명확히 알 수 있다.The magnetization reversal according to the change of the applied voltage is measured through a longitudinal Kerr ellipticity and a polar Kerr rotation as shown in the measurement geometry of FIG. 2A. The cut ellipse at voltage zero is represented by a square hysteresis curve of nearly 90% residual magnetization (FIG. 2B), while the corresponding polar Kerr rotation shows a typical hard axis hysteresis curve (FIG. 2C). This means that when the voltage is zero, the spontaneous magnetization direction is on the thin film surface. As the applied voltage increases, the longitudinal ellipticity hysteresis gradually slopes and disappears at ± 10 and ± 15 V. On the other hand, the corresponding polar rotation hysteresis curve becomes more open and becomes like a minor hysteresis curve because the applied magnetic field strength is not sufficient. As described above, the phenomenon of the transition (switching) of the easy axis of magnetization in accordance with the applied voltage can be clearly seen from the shape change of the hysteresis curve.

상기 커 회전 및 타원 신호는 대기 압력하에서 전압 뿐만 아니라 자기장 변화에 대해 광자기 커 효과를 이용하여 측정하였는데, 여기서 자기장은 도 2a에 도시된 바와 같이 시편을 회전시켜 박막면을 따라서 (세로 방향으로) 그리고 박막면에 수직방향으로 (극 방향으로) 인가하였다. 두 경우 모두 자기장의 방향은 빛 산란 평면에 있다. 레이저 빔은 박막면으로부터 45도 각도로 입사하며, 그 크기는 지름 0.7mm 정도로서 대부분 패턴 Pt 전극 상부에 배치된 자성막의 국소 영역에 바로 입사된다. 커 타원 및 회전은 각각 광탄성 변조기의 첫 번째와 두 번째 고조파를 분리함으로써 반사된 양을 통해 관찰된다. 상기 두 신호를 동시에 측정함으로써, 자기장 또는 전압에 의한 스핀 스위칭현상을 관찰할 수 있다.The Kerr rotation and elliptic signals were measured using the magneto-optical Kerr effect on the change in magnetic field as well as the voltage under atmospheric pressure, where the magnetic field was rotated along the thin film plane (in the vertical direction) by rotating the specimen as shown in FIG. 2A. And it applied to the thin film surface in the perpendicular direction (polar direction). In both cases the direction of the magnetic field is in the light scattering plane. The laser beam is incident at a 45 degree angle from the thin film surface, and the size of the laser beam is about 0.7 mm in diameter and is incident directly on the local region of the magnetic film disposed on the pattern Pt electrode. Kerr ellipses and rotations are observed through reflected amounts by separating the first and second harmonics of the photoelastic modulator, respectively. By measuring the two signals at the same time, it is possible to observe the spin switching phenomenon by the magnetic field or voltage.

도 3a 및 도 3b는 0.5 Hz의 주파수에서 전압이 ±10 V 범위에서 사인 파형으로 변동되는데 대한 커 회전 신호를 도시한 것이며, 세로방향 및 극방향 신호가 각각 0 Oe와 150 Oe의 자기장에서 측정되었다. 도 3c는 150 Oe의 인가 자기장 하에서 주파수가 0.5 Hz일 때 ±10 V 범위의 다양한 파형에 반응하는 극방향 커 회전 신호의 시간에 따른 변동을 도시한 것으로, 가는 선으로 표시된 부분이 인가된 전압의 파형들을 나타낸다. 도 3d에는 전압이 ±10 V 사이에서 변조되고 주파수가사인 파형으로 변화할 때의 커 회전 신호를, 도 3e에는 0.5 Hz에서 사인 곡선 형태의 전압 진폭에 따른 커 회전 신호의 변화를 도시하였다.3A and 3B show Kerr rotational signals for voltage fluctuations in a sinusoidal waveform in the ± 10 V range at a frequency of 0.5 Hz, with longitudinal and polar signals measured at magnetic fields of 0 Oe and 150 Oe, respectively. . Figure 3c shows the time-dependent variation of the polar Kerr rotational signal in response to various waveforms in the range of ± 10 V when the frequency is 0.5 Hz under an applied magnetic field of 150 Oe, with the part shown by the thin line being the Represent waveforms. FIG. 3D shows the Kerr rotation signal when the voltage is modulated between ± 10 V and changed into a waveform whose frequency is pseudo. FIG. 3E shows the Kerr rotation signal according to the voltage amplitude in the form of a sinusoid at 0.5 Hz.

상술한 바와 같이, 도 3a 및 도 3b에는 각각 전압의 사인 곡선 변조와 대비되는 세로방향 및 극방향 커 회전 신호가 도시되어 있다. 커 회전 신호는 -10 V에서 +10 V까지의 범위에 속하는 전압 신호와 정확히 동일한 파형을 따르고 있다. 관측된 세로방향 커 회전의 주파수는 인가된 전압의 주파수에 비해 두배 빠른데, 이는 세로방향 커 이력곡선이 전압에 대해 균등한(even) 반응을 보이기 때문이다. 반면, 극방향 회전은 전압과 동일한 주파수를 가지는데, 이는 극방향 이력곡선이 전압에 대해 오드(odd) 반응을 하기 때문이다. 여기서 주목할 점은 전압의 변동이 커 회전 신호의 진동을 유도했다는 것이다. 이는 궁극적으로 CoPd/PZT 복합 시스템에 있어서 가역적인 방식으로 전압 구동 스핀 스위칭이 가능하다는 것을 증명하는 것이다.As discussed above, Figures 3A and 3B show longitudinal and polar Kerr rotation signals as compared to sinusoidal modulation of voltage, respectively. Kerr rotational signals follow exactly the same waveform as voltage signals in the range of -10V to + 10V. The frequency of the observed longitudinal Kerr rotation is twice as fast as the frequency of the applied voltage because the longitudinal Kerr hysteresis curve shows an even response to the voltage. Polar rotation, on the other hand, has the same frequency as voltage, because the polar hysteresis curve has an odd response to the voltage. It is important to note that the voltage fluctuations were large and induced vibration of the rotation signal. This ultimately proves that voltage-driven spin switching is possible in a reversible manner in a CoPd / PZT composite system.

본 발명에서는 0.5 Hz의 주파수, 다양한 주파수 및 다양한 전압 진폭에서의 -10 V 부터 +10 V 까지 범위에 속하는 전압의 다양한 파형에 반응하는 스핀 스위칭 동작을 연구해 왔다. 관측된 커 회전은 정확하게 인가된 전압 및 그 주파수의 파형을 가역적인 방식으로 따르고 있다. 인가된 전압의 크기가 감소되면, 커 회전의 진폭도 감소된다. 도 3c, 도 3d 및 도 3e에서 극방향의 경우만 도시하였다. 극방향 커 회전 신호는 약 150 Oe의 인가된 자기장 하에서 측정되었는데, 이는 도 2b 및 도 2c에서 도시한 자기이력곡선의 전압 종속성에 나타난 바와 같이, 자기장 0에서의 이 회전 신호가 더 큰 자기장에서의 신호에 비해 상대적으로 작기 때문이다.한편, CoPd 층을 배치하지 않은 Pt 전극/PZT 샘플로부터의 커 신호를 측정하였으나, 압전/자성 복합 박막에서 관측가능한 커 신호를 볼 수 없었다. 이는 분명 복합 시스템에서 전압에 의해 제어되는 스핀 스위칭이 PZT 자체의 광전기 및 광자기 효과 때문이 아니라, 순수한 자성층에서의 역자왜 효과와 PZT 기판의 역압전효과에 의한 CoPd 합금박막에서의 스핀방향천이(spin-reorientation transition) 때문임을 보여주는 것이다.In the present invention, spin switching operations have been studied in response to various waveforms of voltages ranging from -10 V to +10 V at frequencies of 0.5 Hz, various frequencies, and various voltage amplitudes. The observed Kerr rotation follows the waveform of the correctly applied voltage and its frequency in a reversible manner. As the magnitude of the applied voltage is reduced, the amplitude of the Kerr rotation is also reduced. 3C, 3D and 3E show only the polar case. The polar Kerr rotation signal was measured under an applied magnetic field of about 150 Oe, which is shown in the voltage dependency of the magnetic hysteresis curves shown in FIGS. On the other hand, the Kerr signal from the Pt electrode / PZT sample without the CoPd layer was measured, but the Kerr signal was not observable in the piezoelectric / magnetic composite thin film. Obviously, this is because spin switching controlled by voltage in complex systems is not due to the photoelectric and magneto-optical effects of PZT itself, but the spin direction transition in CoPd alloy thin films due to the reverse magnetostrictive effect in pure magnetic layers and the reverse piezoelectric effect of PZT substrates. spin-reorientation transition).

본 발명의 결과에 따르면, PZT/CoPd 복합 시스템은 외부자기장의 인가없이 전압으로 제어가능한 스핀 스위칭에 대한 강력한 기술이 될 수 있다. 그러나, 전압이 0일 때, 즉 전원이 제거되었을 때의 잔류 자화를 아직 보이지 않았다. 전원이 없는 경우의 충분한 잔류 자화는 비휘발성 메모리에 매우 중요하다. 그러므로, 전압 0에서의 자발자화-전압에 대한 이력(histeretic) 동작을 획득하는 것이 필요하다. 적절한 전기장 대 압전층의 변형(strain) 동작을 찾는 것뿐만 아니라, CoPd 합금박막의 두께 및 구성의 최적화를 통해 획기적인 스핀 스위칭의 전압 구동 이력 동작을 야기할 수 있다. 또한, 근접한 Pt 전극선 간의 간격이 더 좁아지면 주어진 전압 또는 더 적은 전압에 의한 더 큰 전하 쌍극자 편광을 야기하므로, 이에 따라서 수직 방향으로의 현저한 스핀 스위칭이 발생하게 된다. 따라서, 근접한 Pt 전극선 간의 거리가 감소할수록, 더 높은 밀도뿐만 아니라 저전력이 촉진된다.According to the results of the present invention, the PZT / CoPd complex system can be a powerful technique for voltage controlled spin switching without the application of an external magnetic field. However, no residual magnetization was seen when the voltage was zero, that is, when the power supply was removed. Sufficient residual magnetization in the absence of power is very important for nonvolatile memory. Therefore, it is necessary to obtain a hysteretic operation on spontaneous magnetization-voltage at voltage zero. In addition to finding the proper strain behavior of the field versus piezoelectric layer, optimization of the thickness and composition of the CoPd alloy thin film can lead to breakthrough voltage switching hysteresis behavior of spin switching. Further, narrower spacing between adjacent Pt electrode lines results in greater charge dipole polarization by a given voltage or less voltage, thus resulting in significant spin switching in the vertical direction. Therefore, as the distance between adjacent Pt electrode lines decreases, higher power as well as low power are promoted.

한편, 판독 수단으로서는 거대자기저항(GMR) 효과가 사용될 수 있는데, 이는 박막면에 평행인(in-plane) 용이축과 박막면에 수직인(out-of-plane) 용이축 사이의 자발자화방향의 이선적인(noncollinear) 관계 또한 상당한 GMR을 야기하기 때문이다. 실제 디바이스에서 좋은 신호를 얻기위해 CoPd 대신 자기저항과 자왜상수가 큰 물질계를 사용할 필요가 있다. 즉, Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au, Cu, W 등의 삼원계 이상의 합금계가 사용될 수 있다.On the other hand, as a reading means, a giant magnetoresistance (GMR) effect can be used, which is a spontaneous magnetization direction between an easy axis parallel to the thin film plane and an easy axis out-of-plane to the thin film plane. This is because the noncollinear relationship of s also causes significant GMR. In order to get a good signal in a real device, it is necessary to use a material system with a large magnetoresistance and magnetostriction constant instead of CoPd. That is, ternary or higher alloys such as Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Au, Cu, and W may be used.

다음으로 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 메모리에 대해 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 메모리 셀 어레이 및 어드레싱 아키텍쳐의 두가지 타입의 실시 예를 도시한 것으로서, 각 셀들에 전압을 가할 수 있도록 금속전극선들이 배열되어 있고 그 사이에 셀들이 위치해 있다.Next, a memory to which the spin switching driving method according to the present invention is applied will be described. 4A and 4B illustrate two types of embodiments of a memory cell array and an addressing architecture to which the spin switching driving method according to the present invention is applied, wherein metal electrode lines are arranged to apply voltage to each cell, and between them. The cells are located.

도 4a에서 셀 어레이 형태 1의 경우, 정보를 기록할 때는 a 및 b 금속전극선들 중 원하는 셀이 연결된 전극선들을 이용하여 각 셀에 전압을 인가해 정보를 기록하고, 정보를 재생할 때는 자기저항을 이용하여 a 및 c(대각선 전극선)에 전류를 흘려 저항을 측정함으로써 기록된 정보를 읽는다. 결국, a, b, c 전극선들은 각각의 셀에 정보를 기록하기 위해 전압을 인가하고 정보를 재생하기 위해 전류를 인가하는 통로가 되는 금속전극선들이다.In FIG. 4A, in the case of cell array type 1, information is recorded by applying a voltage to each cell using electrode lines connected to a desired cell among a and b metal electrode lines when recording information, and using magnetoresistance when reproducing information. Current is passed through a and c (diagonal electrode wires) to measure the resistance, and the recorded information is read. As a result, the a, b, and c electrode lines are metal electrode lines serving as passages for applying a voltage for recording information to each cell and for applying a current to reproduce the information.

도 4b에서 셀 어레이 형태 2의 경우, a 및 b 전극선에 전압을 인가하거나 전류를 흘려 각각 정보를 기록하거나 재생할 수 있다. 이 구조에서는 각각의 a 및 b 전극선은 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 흘려주기 위한 통로가 절연체(insulator)로 분류가 되어 있어 정확하게는 총 4 종류의 전극선이 있게 되며, 상세한 구조는 후술한다.In the case of the cell array type 2 in FIG. 4B, information may be recorded or reproduced by applying a voltage or a current to the a and b electrode lines, respectively. In this structure, each of the a and b electrode wires is classified into an insulator by a passage for applying a voltage and a passage for passing a current, so that there are exactly four kinds of electrode wires, and a detailed structure will be described later.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 스핀스위칭 구동방법을 적용한 MRAM의 셀구조를 도시한 것으로, 각각 도 4a 및 도 4b에서 점선 부분으로 표시된 하나의 메모리 셀을 자세히 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 자성박막의 적층은 압전층(21, 31)의 전압에 의해 스핀 스위칭할 수 있는 자유자성층(22, 32)과 스핀 용이축이 고정된 고정자성층(24, 34) 및 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층(23, 33)으로 구성되어 있다.5A and 5B illustrate a cell structure of an MRAM to which the spin switching driving method according to the present invention is applied, and details of one memory cell indicated by dotted lines in FIGS. 4A and 4B, respectively. As shown in the drawing, the magnetic thin films are laminated with free magnetic layers 22 and 32 that can be spin-switched by the voltages of the piezoelectric layers 21 and 31, stator magnetic layers 24 and 34 having an easy spin axis, and the two magnetic layers. It is composed of nonmagnetic layers 23 and 33 for suppressing the magnetic interaction of.

도 5a에 도시된 형태 1의 메모리 셀은, 25와 26을 통해 압전층(21)에 수직방향으로 전압을 인가하여 자유자성층(22)의 수직(혹은 수평) 스핀방향을 수평(혹은 수직)면으로 스위칭할 수 있다. 또한, 26과 27에 전류를 흘려주어 자유자성층(22)과 고정자성층(24)의 상대적 스핀방향에 따른 자기저항값을 읽어 정보를 재생할 수 있다.The memory cell of Form 1 shown in FIG. 5A has a horizontal (or vertical) plane in which the vertical (or horizontal) spin direction of the free magnetic layer 22 is applied by applying a voltage in the vertical direction to the piezoelectric layer 21 through 25 and 26. Can be switched. In addition, current can be passed through 26 and 27 to read the magnetoresistance values according to the relative spin directions of the free magnetic layer 22 and the pinned magnetic layer 24 to reproduce the information.

도 5b에 도시된 형태 2의 메모리의 셀은, 인가하는 전압이나 전류의 흐름 방향이 수직이 아닌 수평 방향이라는 점에서 도 5a에 도시된 형식 1과 다르다. 압전층(31)에 전압을 가하기 위해 금속전극선은 절연체층(41)에 의해 전류를 흘려주기 위한 통로(38, 39, 40)와 분리되어 있으므로, 금속전극선에 전압을 가할 때 전류가 자성막으로 흘러 전압강하 현상은 발생하지 않는다. 정보를 재생할 때에는 38, 39, 40의 금속전극선에 전류를 흘려줌으로써 두 자성층(32, 34)의 상대적인 스핀 방향을 자기저항을 이용하여 판독할 수 있다. 도 5b에서 점선으로 표시된 원 내부에 도시된 것은 상기 메모리 셀을 위에서 본 것이다.The cell of the form 2 memory shown in FIG. 5B differs from the type 1 shown in FIG. 5A in that the flow direction of the applied voltage or current is not the vertical but the horizontal direction. In order to apply a voltage to the piezoelectric layer 31, the metal electrode lines are separated from the passages 38, 39, and 40 for flowing current by the insulator layer 41, so that when the voltage is applied to the metal electrode lines, the current flows into the magnetic film. No voltage drop occurs. When the information is reproduced, a current flows through the metal electrode lines 38, 39, and 40 so that the relative spin directions of the two magnetic layers 32 and 34 can be read using the magnetoresistance. Shown inside the circle indicated by the dotted line in FIG. 5B is the above view of the memory cell.

본 발명에 따른 전압 구동 스핀방향 스위칭은 외부자기장을 인가하는 대신전압을 인가하는 방법을 사용함으로써, 정보를 기록할 셀에만 스핀 스위칭 구동력을 국소화 시킬 수 있으므로 MRAM에서 128 Mbit이상의 초고집적의 비휘발성 자기메모리소자를 구현할 수 있으며, 1Gbit 집적도의 MRAM에 있어서는 필수적인 정보기록방법이 된다. 또한, 본 발명을 응용하면 강유전체메모리반도체(FeRAM)에 실제로 사용되는 강유전 물질의 기존 특성 및 생산공정을 많이 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 증명된 강자성 박막의 자화용이축에 대한 전압 제어는 비휘발성 MRAM 뿐만 아니라 자기 센서, 디지털 판독 헤드와 같은 실용적인 자기 장치에 응용될 수 있다. 또한 본 발명은 한 자화용이축에서 서로 반대의 스핀방향을 이용한 정보 저장 방법이 아닌 자화용이축 자체, 즉 응력으로 유도된 수직 및 수평이방성을 이용하기 때문에 정보의 외부 자기장에 대한 기록된 정보의 안정성이 탁월하다. 뿐만아니라 자화용이축 자체를 이용한 정보저장방법은 자성체의 크기가 수 nm에서 수십 nm에서 발생할 수 있는 초상자성을 극복할 수 있어 메모리소자의 기록밀도를 더욱 높일 수 있다.The voltage-driven spin direction switching according to the present invention uses a method of applying a voltage instead of an external magnetic field, so that the spin switching driving force can be localized only to a cell to record information. It is possible to implement a memory device, which is an essential information writing method for 1Gbit MRAM. In addition, if the present invention is applied, the existing properties and production processes of ferroelectric materials actually used in ferroelectric memory semiconductors (FeRAM) can be utilized. In addition, the voltage control on the biaxial magnetization of the ferromagnetic thin film demonstrated by the present invention can be applied to practical magnetic devices such as magnetic sensors and digital read heads as well as nonvolatile MRAM. In addition, the present invention utilizes the magnetization axis itself, that is, the vertical and horizontal anisotropy induced by stress, rather than the information storage method using the opposite spin directions in one magnetization axis, and thus the stability of the recorded information on the external magnetic field of the information. This is excellent. In addition, the information storage method using the magnetizing biaxial itself can overcome the superparamagnetism that the magnetic body can generate from several nm to several tens of nm, thereby further increasing the recording density of the memory device.

Claims (13)

전극층, 압전층 및 자성층을 적층구조로 배치하고, 상기 전극층에 전압을 인가하여 전기장이 확보되면, 상기 압전층에 격자변동이 야기된 후, 상기 자성층에 응력이 가해짐으로써 상기 자성층의 자화용이축이 박막면과 수직축 사이에서 가역적으로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.When the electrode layer, the piezoelectric layer, and the magnetic layer are arranged in a stacked structure, and an electric field is secured by applying a voltage to the electrode layer, lattice variation occurs in the piezoelectric layer, and then stress is applied to the magnetic layer, thereby causing the magnetic layer to be magnetized. A biaxial control method for magnetization of a ferromagnetic thin film using voltage, wherein the thin film surface and the vertical axis are reversibly switched. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압전층을 이루는 압전소자는 PZT, PLZT, BLT 또는 SBT계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.The piezoelectric element constituting the piezoelectric layer is a biaxial control method for magnetization of a ferromagnetic thin film using voltage, characterized in that any one of PZT, PLZT, BLT or SBT. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 압전층의 두께가 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.A biaxial control method for magnetization of a ferromagnetic thin film using a voltage, characterized in that the thickness of the piezoelectric layer is 500 nm or less. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자성층을 이루는 소자는 CoPd 또는 ABC(A=Co, Fe, Ni, B=Co, Fe, Ni, C=Pd, Pt, Au, Cu, Al, W)합금박막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.The element constituting the magnetic layer is any one of CoPd or ABC (A = Co, Fe, Ni, B = Co, Fe, Ni, C = Pd, Pt, Au, Cu, Al, W) alloy thin film Biaxial control method for magnetization of ferromagnetic thin film using voltage. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 자성층의 두께가 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.The magnetic axis biaxial control method for magnetization of the ferromagnetic thin film using a voltage, characterized in that the thickness of the magnetic layer is 50 nm or less. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전극층은 Pt, Pd, Cu, Al, Ru 또는 W 중 어느 하나로 된 금속전극선을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법.The electrode layer is a biaxial control method for magnetizing a ferromagnetic thin film using a voltage, characterized in that it comprises a metal electrode line made of any one of Pt, Pd, Cu, Al, Ru or W. 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법을 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리에 있어서,In a nonvolatile, ultra-high density, ultra-low power magnetic memory using a biaxial control method for magnetizing ferromagnetic thin films using voltage, 압전 소자로 이루어진 압전층과; 상기 압전층 상부에 배치되고 인가된 전압에 의해 상기 압전층이 유발한 응력의 결과로 자화용이축이 박막면과 수직축 사이에서 가역적으로 스위칭되는 자유자성층과; 상기 자유자성층 상부에 배치되고 자화용이축이 고정되어 있는 고정자성층; 그리고 상기 자유자성층과 고정자성층 사이에 배치되어 상기 두 자성층의 자기적 상호작용을 억제하기 위한 비자성층;을 포함하는 메모리 셀의 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.A piezoelectric layer made of a piezoelectric element; A free magnetic layer disposed on the piezoelectric layer and whose reversible magnetic axis is reversibly switched between the thin film surface and the vertical axis as a result of the stress induced by the piezoelectric layer; A stator magnetic layer disposed on the free magnetic layer and having a fixed magnetization axis; And a nonmagnetic layer disposed between the free magnetic layer and the pinned magnetic layer to suppress magnetic interaction between the two magnetic layers. 2. The non-volatile, ultra-high density, ultra-low power magnetic memory of claim 2, wherein the nonmagnetic layer comprises an array of memory cells. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 메모리 셀은 가로방향 및 세로방향의 금속전극선들로 연결되어 있어, 메모리 셀에 정보를 기록할 때는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전압을 인가하여 상기 자유자성층의 자화용이축을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.The memory cell is connected to metal electrode lines in a horizontal direction and a vertical direction. When writing information to the memory cell, a voltage is applied to the metal electrode lines to which the memory cell is connected to switch the biaxial axis for magnetization of the free magnetic layer. Non-volatile, ultra high density, ultra low power magnetic memory. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 정보를 재생할 때에는 상기 메모리 셀이 연결된 금속전극선들에 전류를 인가하여 상기 자유자성층과 고정자성층의 상대적 스핀방향에 따른 자기저항값을 읽어 상기 두 자성층의 상대적 스핀방향을 판독하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.When reproducing the information, a non-volatile characteristic of reading the relative spin directions of the two magnetic layers by reading a magnetoresistance value according to the relative spin direction of the free magnetic layer and the pinned magnetic layer by applying a current to the metal electrode lines to which the memory cells are connected. , Ultra high density, ultra low power magnetic memory. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 상대적 스핀방향의 판독은, 상기 자유자성층과 고정자성층의 스핀 방향이 각각 수직과 수평 혹은 그 반대인 경우 자기저항값을 읽어 그 차이를 판독하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.In the reading of the relative spin direction, non-volatile, ultra-high density, ultra-low power magnetism is characterized in that the magnetoresistance value is read when the spin direction of the free magnetic layer and the pinned magnetic layer is vertical, horizontal, or vice versa, respectively. Memory. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 전압을 상기 메모리 셀면에 수직방향으로 인가하는 경우, 대각선 방향으로 금속전극선을 추가로 배치하여, 정보를 재생할 때 상기 메모리 셀이 연결된 가로 방향의 금속전극선 및 상기 대각선 방향의 금속전극선에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.When the voltage is applied in the vertical direction to the memory cell surface, the metal electrode lines are additionally arranged in a diagonal direction so that current is applied to the horizontal metal electrode lines connected to the memory cells and the diagonal metal electrode lines when the information is reproduced. Non-volatile, ultra-high density, ultra low-power magnetic memory, characterized in that. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 전압을 상기 메모리 셀면에 수평방향으로 인가하는 경우, 상기 전류가 상기 자성층으로 흐르지 않도록 하기 위하여, 상기 금속전극선을 절연체에 의해 전압을 인가하기 위한 통로와 전류를 인가하기 위한 통로로 분리하는 것을 특징으로 하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리.When the voltage is applied to the memory cell surface in a horizontal direction, in order to prevent the current from flowing into the magnetic layer, the metal electrode line is separated into a passage for applying a voltage by an insulator and a passage for applying a current. Non-volatile, ultra high density, ultra low power magnetic memory. 전압을 이용한 강자성박막의 자화용이축 제어방법을 이용한 비휘발성, 초고집적, 초절전형 자기메모리의 정보기록방법에 있어서,In the information recording method of a nonvolatile, ultra-high density, ultra-low power magnetic memory using a biaxial control method for magnetizing ferromagnetic thin films using voltage, 하나의 자화용이축에서 서로 반대 방향인 두 스핀 상태를 이용한 방법이 아닌, 서로 수직 혹은 기울어진(noncollinear) 두개의 자화용이축 자체를 이용하는 방법을 사용함으로써, 상기 강자성박막의 항복자기(coercivity) 세기 이상인 외부자기장에의 순간적인 노출에도 정보의 유실이 없는 것을 특징으로 하는 자기메모리의 정보기록방법.Coercivity strength of the ferromagnetic thin film by using two magnetizing biaxial axes perpendicular to each other or noncollinear, rather than using two spin states that are opposite to each other on one magnetizing axis. An information recording method of a magnetic memory, characterized in that there is no loss of information even in the instantaneous exposure to an external magnetic field.
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