KR20060013476A

KR20060013476A - 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자

Info

Publication number: KR20060013476A
Application number: KR1020050134308A
Authority: KR
Inventors: 김형권; 안도열; 황종승; 황성우
Original assignee: 안도열; 황종승; 황성우
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2006-02-10
Also published as: KR100933888B1

Abstract

본 발명은 나노 크기의 자성 금속을 이용한 새로운 개념의 자기 기억 소자에 대한 것이다. 종래의 자기 기억 소자를 제조하기 위한 기술적 방법으로는 비자성 물질의 양 측면에 박막형태로 접합 되어 있는 두 개의 자성층의 자화방향이 동일하거나 반대일 때 비자성 물질의 저항이 차이가 나는 것을 기억 정보로 이용하거나 이를 응용한 방법이 사용되고 있으나, 자성층과 비자성 물질의 적층구조로 이루어져 있어서 소자 구성이 복잡해지고 이로 인하여 고집적도를 얻는데 어려운 단점이 있다. 본 발명은 수십에서 수백 나노미터 크기의 자성 금속을 이용하여 작동원리가 간단하고 고집적도를 얻을 수 있으며 비휘발성 방식의 기억소자를 제작하는 방법으로서 반도체 기판 위에 자기적 성질을 가지는 금속을 일반적인 반도체 공정으로 형성하고, 전류 구동에 의한 자벽의 이동원리를 적용하여 자벽의 위치변화에 따른 차이로 기억소자의 기본인 “0”과 “1”의 쓰기를 구현하며, 자벽의 위치변화에 따른 자성 금속 내부의 맴돌이전류에 의한 전기력의 변화를 탐지하여 읽기를 수행한다.

자기 기억 소자, 메모리, 자성 금속, 자벽, 맴돌이전류

Description

자성 금속을 이용한 자기 기억 소자{Magnetic memory device using magnetic metal}

도 1은 본 발명인 자기 기억 소자의 구성을 나타내는 개념도로서 자벽이 중앙에서 왼쪽에 위치하고 있다.

도 2는 본 발명인 자기 기억 소자의 구성을 나타내는 개념도로서 자벽이 중앙에서 오른쪽에 위치하고 있다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

10: 자성 금속

20: 쓰기 금속 전극 1

30: 읽기 금속 전극

40: 쓰기 금속 전극 2

50: 자벽

60: 자성 금속 박막 내에서 자화의 방향을 나타냄.

본 발명은 자성 금속 박막을 이용한 새로운 개념의 기억소자 구현에 관한 것이다. 정보 기술 산업에서 반도체 소자의 크기는 점점 더 작아지고 있으며, 특히 기억 소자의 정보 저장 능력은 급속히 발전하고 있다.

종래 많이 쓰이는 정보 저장의 방법은 크게 휘발성과 비휘발성의 두 가지 구분이 존재한다. 휘발성 정보저장 방법은 전원이 없을 때는 저장 장치가 저장했던 정보를 잃어버리는 방식이고, 비휘발성 정보저장 방법은 사용 도중에 전원이 나가도 저장 장치가 저장했던 정보를 고스란히 보존하는 방식이다.

비휘발성 방식은 상기의 장점이 있으나, 소자의 동작에 소요되는 시간이 오래 걸리는 단점이 있고, 휘발성 방식은 반대의 특징이 있다. 컴퓨터에 주로 쓰이는 기억 장치인 램(RAM, random access memory)은 반도체 트랜지스터와 커패시터의 역할을 하는 부분으로 구성되어 있어서 속도가 빠르나 휘발성의 성질을 가진다. 동작속도가 빠른 비휘발성 성질의 기억소자를 만들게 되면 빠른 속도와 동시에 컴퓨터의 성능개선을 도모할 수 있을 것이다.

반도체 기억 소자가 비휘발성을 띄게 하기 위해서 유전체의 물질을 바꾸는 방식을 제안하거나, 자성 램(MRAM, magnetic random access memory)과 같은 자성물질을 이용한 새로운 개념의 소자도 등장하고 있는 실정이다. 그러나 일반적인 자성 램의 형태는 자성 층과 비자성 물질의 적층구조로 이루어지므로 소자 구성이 복잡해지고 이로 인하여 고집적도를 얻는데 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 속도가 빠르고, 자기 기억 장치의 휘발성을 극복하는 데 그 목적이 있다. 그리고 자기 기억 소자의 주요부를 이루는 부분의 크기가 수십에서 수백 나노미터 크기를 가지기 때문에 소자의 고집적화의 효과도 가질 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자의 개념에는, 수 나노미터에서 수십 나노미터의 두께를 가지는 자성 금속(10); 쓰기 금속 전극 1(20)과 2(40); 읽기 금속 전극(30); 자벽(50);을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자성 금속(10), 쓰기 금속 전극 1(20)과 2(40), 읽기 금속 전극(30)들이 반도체 절연막 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 자성 금속(10)의 폭은 수십에서 수백 나노미터가 될 수 있으며, 길이는 백 나노미터 내지는 수 마이크로미터도 가능하다.

본 발명에 있어서 자성 금속의 형태는 얇은 판형의 모양으로서 두께가 수 나노미터인 박막이 될 수도 있다.

자성 금속(10)의 형성 방법은 반도체 공정에서 사용되는 리소그라피와 증착 또는 식각 공정이 포함될 수 있으며 수십 나노 크기의 모양을 묘사하기 위해서는 전자선 리소그라피 기술이 적용될 수 있다.

자성 금속(10)의 재료로는 대표적으로 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe)과 같은 물질이 사용될 수 있으며, 이와 유사한 또는 이들의 합금으로 구성된 자성 금속 재료의 사용이 가능하다.

읽기와 쓰기에 사용되는 금속전극의 형성방법으로는 반도체 공정에서 사용되는 리소그라피와 증착 또는 식각 공정이 포함될 수 있으며 수십 나노 크기의 모양을 묘사하기 위해서는 전자선 리소그라피 기술이 적용될 수 있다.

읽기와 쓰기에 사용되는 금속전극의 재료로는 대표적으로 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu)와 같은 물질이 사용될 수 있으며, 이와 유사한 또는 이들의 합금으로 구성된 전기적 전도가 용이한 금속 재료의 사용이 가능하다.

자성 금속이 가지는 특성으로서 자성 금속의 크기가 수십 나노미터 크기로 제한이 되면 자성 금속 내에서 자구(magnetic domain)의 개수는 하나가 되려는 경향이 강해지고, 자성 금속의 모양을 조절하면 자기 이방성의 성질을 이용하여 그 자구 내의 자화 방향을 자성 금속의 길이 방향으로 조절이 가능하다. 이러한 수십 나노미터 크기의 자성 금속의 형상에 제한적인 변형을 가하게 되면 그 부분에 자벽(magnetic domain wall)이 생성되게 된다. 이 내용은 「A. Yamaguchi, T. Ono, S. Nasu, K. Miyake, K. Mibu and T. Shinjo, “Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”, Physical Review Letters, 92, 077205 (2004), Gen Tatara and Hiroshi Kohno, “Theory of Current-Driven Domain Wall Motion: Spin Transfer versus Momentum Transfer”, Physical Review Letters, 92, 086601 (2004)」의 문헌에 보다 상세하게 논의되어 있으며, 이들 문헌은 모두 본원에 참조로 인용된다.

자벽(50)이라 함은 자성 금속 박막(10)에서 자화의 방향이 반대 방향인 곳에서 생겨나는 에너지 장벽이다. 이 자벽은 도면 1에 표현된 바와 같이 인위적으로 병목 모양을 만들어 안정적으로 존재할 수 있다.

이하, 첨부된 도면 1 내지 도면 2를 참조하면서 본 발명에 따른 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자를 공정 단계별로 상세하게 설명한다.

도면 1에 도시한 바와 같이 자성 금속(10)을 형성하는 과정에서 자성 금속의 길이 방향 상의 가운데 두 지점을 오목하게 하여 자성금속을 세 개의 부분으로 구분한다.

처음 상태에서는 세 개의 부분 모두가 모두 오른쪽으로 자화된 상태를 사용한다. 여기에 적절한 자기장을 가하여 왼쪽의 오목한 부분에 자벽이 형성되도록 한다. 이 상태에서 맨 왼쪽부분의 자화방향이 왼쪽이고 가운데 부분의 자화방향이 오른쪽이며 오른쪽 부분의 자화방향이 오른쪽으로 된다.

본 발명에 있어서 전류의 흐름 방향과 자벽의 이동방향은 반대로 형성된다.

도면 1의 상태에서, 쓰기 금속 전극 2(40)에서 쓰기 금속 전극 1(20)로 전류를 흘려주게 되면 도면 2에 도시한 바와 같이 자벽은 오른쪽 오목한 지점으로 이동하게 되며 따라서 맨 왼쪽부분의 자화방향이 왼쪽이고 가운데 부분의 자화방향이 왼쪽으로 바뀌며 오른쪽 부분의 자화방향이 오른쪽으로 된다.

도면 2의 상태에서, 쓰기 금속 전극 1(20)에서 쓰기 금속 전극 2(40)로 전류를 흘려주게 되면 도면 1에 도시한 바와 같이 자벽은 왼쪽 오목한 지점으로 이동하게 되며 따라서 맨 왼쪽부분의 자화방향이 왼쪽이고 가운데 부분의 자화방향이 오른쪽으로 바뀌며 오른쪽 부분의 자화방향이 오른쪽으로 된다.

본 발명에 있어서 상기에서 기술한 바와 같이 중앙에서 왼쪽에 자벽(50)이 형성되는 “0” 상태와 중앙에서 오른쪽에 자벽(50)이 형성되는 “1” 상태가 생기게 된다.

만약 자벽(50)이 “0” 상태의 위치에 존재하면 쓰기 금속 전극 1(20)과 쓰기 금속 전극 2(40) 사이에 전류를 흘려주어 “1” 상태로 자벽의 위치를 옮길 수 있다. 반대의 방향으로 전류를 흘리면 자벽(50)의 위치를 “1” 상태에서 “0” 상태로 움직일 수도 있다. 즉, 쓰기 금속 전극 1(20)과 쓰기 금속 전극 2(40)에 흘려주는 전류로 “0”과 “1”의 상태를 쓸 수 있는 것이다.

본 발명에 있어서 읽기의 방법은 다음과 같다.

쓰기 금속 전극 1(20)과 읽기 금속 전극 사이(30)에 전류를 흘려주고, 읽기 금속 전극(30)과 쓰기 금속 전극 2(40) 사이의 전압변화를 측정한다. 자벽이 왼쪽에 위치한 “0” 상태일 경우에는 쓰기 금속 전극 1(20)과 읽기 금속 전극 사이(30)에 흐르는 전류에 의해 자벽(50)의 미세한 변위가 생길 것이며 이 미세한 변위는 읽기 금속 전극(30)과 쓰기 금속 전극 2(40) 사이에 전압의 변화를 일으킬 것이다. 반대로 자벽이 오른쪽에 위치한 “1” 상태일 경우에는 쓰기 금속 전극 1(20)과 읽기 금속 전극(30) 사이에 흘려준 전류는 자벽(50)의 변위에 영향을 미칠 수 없으며 그 결과 읽기 금속 전극(30)과 쓰기 금속 전극 2(40) 사이에 아무런 전압의 변화를 일으키지 못하게 된다. 따라서 전압측정의 결과에 의하여 자벽의 위치를 확인할 수 있고 기억상태를 읽을 수 있게 된다.

자벽(50)의 미세한 변화에 따르는 전압의 변화는 가운데 부분에서 형성되는 맴돌이전류에 의하여 형성될 수 있다.

상기의 방법으로 자기적 성질을 가지는 금속을 이용하여 쓰기와 읽기가 가능한 자기 기억 소자가 구현될 수 있다.

본 발명에 있어서 자기 금속과 금속 전극의 크기는 수십 나노미터까지 제어가 가능하므로 크기가 작고 구성이 간단하여 고집적 소자를 만들 수 있는 특징이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자 구현은 다음의 효과를 가진다.

첫째, 자성 금속을 이용하기 때문에 비휘발성의 기억장치 구현이 가능하다.

둘째, 자기적 성질을 전기적 방법인 전류와 전압으로 조절 및 탐지하기 때문에 구조가 간단하며 고집적도의 구현이 가능하다.

Claims

나노 크기의 자성 금속 박막; 읽기와 쓰기 금속 전극; 자벽의 변위; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자.
제1항에 있어서,

나노 크기의 자성 금속 박막에서 자벽이 안정적으로 존재할 수 있게 하는 인위적인 병목 모양이 있는 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자.
제1항에 있어서,

두 개의 쓰기 금속 전극으로 구성되어 이를 통하여 흐르는 전류로 자벽의 위치를 제어하는 방법을 사용하는 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자.
제1항에 있어서,

읽기 금속 전극과 한 개의 쓰기 금속 전극 사이의 전압의 변화로 자벽의 위치를 판단하는 방법을 사용하는 자성 금속을 이용한 자기 기억 소자.