KR20060071955A - 전압제어 자화반전 기록방식의 ｍｒａｍ 소자 및 이를이용한 정보의 기록 및 판독 방법 - Google Patents

전압제어 자화반전 기록방식의 ｍｒａｍ 소자 및 이를이용한 정보의 기록 및 판독 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM(Magnetic Random Access Memory) 소자 및 이를 이용한 정보의 기록 및 판독 방법에 관한 것으로, 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 기저전극을 이용하여 PZT 박막에 보다 원할하게 전압이 인가되도록 형성하고 두 개의 판독선에 의하여 판독이 이루어지도록 함으로써 기록과 판독이 상호 독립적으로 이루어지며, 압전층에 전압을 인가함으로써 자유 강자성체의 자화방향을 역자왜현상(inverse magnetostriction)을 이용하여 평면방향 또는 평면방향에 수직한 방향으로 제어하여 정보를 기록하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자 및 이를 이용한 정보의 기록 및 판독 방법을 제공하기 위한 것으로, 그 기술적 구성은 전기전도성 기저전극에 있어서, 전기전도성 기저전극에 구비되는 양(+) 전극과 음(-) 전극을 갖는 두 개의 기록선에 좌, 우 각 면이 접촉하도록 배치되는 압전층과; 상기 압전층의 하부에 배치되고 양(+) 전극과 음(-) 전극을 분리시키도록 이루어지는 절연층과; 상기 절연층의 상부에 배치되는 수평방향과 수직방향의 자화상태를 가지는 자유 강자성층과; 상기 자유 강자성층의 상부에 배치되는 비 자성층과; 상기 비 자성층의 상부에 배치되는 고정 강자성층과; 상기 고정 강자성층의 상부에 배치되는 반 강자성층과; 서로 수직한 두 개의 전기전도성 판독선; 및 상기 두 개의 전기전도성 판독선 중 어느 하나의 판독선이 상기 고정 강자성층의 상부에 배치되고, 다른 하나의 판독선이 상기 양(+) 전극의 전기전도성 기저전극 절연층 상부에 배치되게 이루어지 는 것을 특징으로 한다.
MRAM, 기저전극, 압전층, 절연층, 자유 강자성층, 비 자성층, 고정 강자성층, 반 강자성층, 전기전도 판독선

Description

전압제어 자화반전 기록방식의 ＭＲＡＭ 소자 및 이를 이용한 정보의 기록 및 판독 방법{Information storage and interpretation method of magnetic random access memory using voltage-control magnetization reversal as the writing type}
도 1은 본 발명에 의한 MRAM 소자의 강자성층과 압전층을 개략적으로 나타내는 단면도,
도 2a는 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 기록기재부분을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2b는 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 판독기재부분을 개략적으로 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 배열에 관한 것으로 판독선 소자 및 기록선 소자를 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 기록 방법을 개략적으로 나타내는 블럭도,
도 5는 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 판독 방법을 개략적으로 나타내는 블럭도.
** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1 : MRAM 소자, 10 : 기저전극,
10a, 10b : 기록선, 20 : 압전층,
30 : 절연층, 40 : 자유 강자성층,
50 : 비 자성층, 60 : 고정 강자성층,
70 : 반 강자성층, 80 : 전기전도성 판독선,
80a, 80b : 판독선.
본 발명은 전압제어 자화반전 및 거대 자기저항 현상을 메모리의 기록 및 판독 방법으로 이용하고, 기록과 판독이 각각 독립적으로 작동하는 새로운 방식의 차세대 메모리 MRAM 소자 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 기저전극을 이용하여 PZT 박막에 보다 원할하게 전압이 인가되도록 형성하고 두 개의 판독선에 의하여 판독이 이루어지도록 함으로써 기록과 판독이 상호 독립적으로 이루어지며, 압전층에 전압을 인가함으로써 자유 강자성체의 자화방향을 역자왜현상(inverse magnetostriction)을 이용하여 평면방향 또는 평면방향에 수직한 방향으로 제어하여 정보를 기록하는 비휘발성, 초고집적, 초절전형 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자 및 이를 이용한 정보의 기록 및 판독 방 법에 관한 것이다.
최근 들어 차세대 정보저장 기술연구는 초고집적, 비휘발성, 저전력, 초고속 메모리의 개발에 집중되고 있으며, 이러한 여러가지의 차세대 메모리 기술 중 MRAM 기술은 DRAM의 초고집적도 및 SRAM의 초고속성을 모두 충족시켜 줄 새로운 기술로 인식되면서 각광받고 있다.
현재까지 MTJ(Magnetic Tunnelling Junction)를 기반으로 하는 여러가지의 MRAM 기술이 개발되었으며, 이는 미국 특허(US Pat. No. 6,518,588, 6,097,625, 5,640,343)에 기술되어 있다.
상술한 바와 같은 종래기술에 의하면 정보의 기록을 위해 외부인가 자기장을 사용하여 자성층의 자화방향을 변화시켜 기록을 수행하도록 이루어진다.
그러나, 상기한 바와 같이 외부인가 자기장에 의한 기록방식은 자기장의 국소화가 용이하지 않으며, 이로 인해 초고집적 메모리의 개발하기 위한 근본적인 한계를 가지고 있었다.
또한, 기존의 MRAM 기술에서는 두 강자성 박막을 분리하여 절연 박막층을 통과하는 터널링 전자의 자기저항 효과를 이용하여 고정층(pinned layer)과 자유층(free layer) 자성박막의 상대적 스핀방향을 판독하기 때문에 절연 박막층의 두께가 약 1nm 이하여야만 한다.
이는 생산공정 시 1nm의 일정한 두께로 이루어지는 절연박막을 소정 인치의 반경을 갖는 웨이퍼에 균일하게 증착시키기가 어렵기 때문에 생산에 있어 정밀한 작업을 요하는 등 MRAM 소자 생산에 커다란 약점으로 작용하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 자기기록 기술에서 외부 자기장 이외의 방법으로 자화반전을 제어하는 기술에 대한 중요성이 최근 들어 증대되고 있으며, 이를 위하여 전류나 전기장을 인가하여 자화방향을 제어하기 위한 시도가 이루어지고 있다.
E.B.Myers는 Cu/Co/Cu 다층박막 구조에서 전류인가 자화반전을 실험적으로 증명했으며, 이 현상은 흐르는 전도 전자 및 스핀 사이의 국소 교환 상호작용에 기인한 것으로 해석되고 있다(Myers, E.b., Ralph, D.C., Katine, J.A., Louie, R.N and Buhrman, R.A., Current Induced Switching of Domains in Magnietc Multilayer Devices, Science 285, 867-870. 1999).
그러나, 이러한 구조는 스핀의 스위칭을 유도하기 위한 전류가 일반적으로 거대 자기저항(GMR)을 측정하는데 사용되므로 상기한 판독 전류는 스핀 스위칭을 유도하지 않는 작은 값의 전류를 사용하여야 하며, 이로 인해 그에 따른 거대 자기 저항값이 낮아지는 요인으로 작용할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 상술한 문제점을 해결하기 위한 다른 시도 중 하나는 강자성 반도체에서 전기장을 이용하여 자화반전을 제어하는 것이다(Chilba, D., Yamanouchi, M., Matsukura, F. and Ohno, H., Electrical Manipulation of Magnetization Reversal in a Ferromagnetic Semiconductor, Science 301, 943-945. 2003).
상기한 바와 같은 방법의 경우 현재까지 상온에서 실용적으로 사용할 수 있는 강자성 반도체가 개발되어 있지 않다는 문제점을 가지고 있다.
강자성 박막에서 전압을 인가하여 자화반전을 제어하는 방법으로는 미국 특 허(US 2003/0103371 A1, Method of controlling magnetization easy axis in ferromagnetic films using voltage, ultrahigh density, low power, nonvolatile magnetic memory using the control method, and method of writing information on the magnetic memory)에 기술되어 있으나, 이 구조의 경우에도 기존의 CMOS 회로와의 통합이 용이하지 않은 물질 및 구조를 사용하고 있어 초고속 MRAM에 적합한 설계가 이루어져 있지 않다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 기저전극을 이용하여 PZT 박막에 보다 원할하게 전압이 인가되도록 형성하고 두 개의 판독선에 의하여 판독이 이루어지도록 함으로써 기록과 판독이 상호 독립적으로 이루어지며, 이로 인해 MRAM의 속도를 향상시킬 뿐만 아니라, 기존 MRAM에서 사용되는 나노 두께의 tunnelling barrier가 필요하지 않으며, CMOS 회로와의 통합이 용이한 물질 및 구조를 이용하였기 때문에 기존 CMOS 회로와의 integration, 메모리 속도, 생산성 측면에서 우수한 장점을 가지고, 기존 외부 자기장 인가 기록방식의 MRAM과는 달리 외부 자기장 생성이 필요치 않아 저전력 설계가 가능하며, 전압 인가 방식을 개선함으로써 보다 효율적으로 MRAM을 제작할 수 있으므로 메모리 소자 외에도 전압제어 스핀 소자 등에 이용가능할 뿐만 아니라, 초고밀도 차세대 메모리 개발에 응용이 가능한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자 및 이를 이용한 정보의 기록 및 판독 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기전도성 기저전극에 있어서, 전기전도성 기저전극에 구비되는 양(+) 전극과 음(-) 전극을 갖는 두 개의 기록선에 좌, 우 각 면이 접촉하도록 배치되는 압전층과; 상기 압전층의 하부에 배치되고 양(+) 전극과 음(-) 전극을 분리시키도록 이루어지는 절연층과; 상기 절연층의 상부에 배치되는 수평방향과 수직방향의 자화상태를 가지는 자유 강자성층과; 상기 자유 강자성층의 상부에 배치되는 비 자성층과; 상기 비 자성층의 상부에 배치되는 고정 강자성층과; 상기 고정 강자성층의 상부에 배치되는 반 강자성층과; 서로 수직한 두 개의 전기전도성 판독선; 및 상기 두 개의 전기전도성 판독선 중 어느 하나의 판독선이 상기 고정 강자성층의 상부에 배치되고, 다른 하나의 판독선이 상기 양(+) 전극의 전기전도성 기저전극 절연층 상부에 배치되게 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전기전도성 기저전극이 Si기판 위에 SrRuO3의 금속산화 전극층이 증착되도록 이루어진다.
그리고, 상기 전기전도성 기저전극과 절연층과 압전층 및 Si 기판이 상호 격자 불일치를 최소화하여 에피 성장을 가능하게 하는 물질로 이루어진다.
또한, 상기 전기전도성 기저전극의 각 기록선이 절연층에 의하여 절연되고, 각 기록선의 측면을 사이에 두고 절연층이 배열되게 이루어진다.
한편, 상기 절연층이 SrTiO3로 이루어진다.
또한, 상기 압전층이 PZT계로 이루어진다.
더불어, 상기 압전층이 PLZT, BLT, SBT계 중 어느 하나로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 자유 강자성층이 Co와 Pd의 합금으로 이루어진다.
더불어, 상기 자유 강자성층이 Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금 중 어느 하나로 이루어진다.
그리고, 상기 비 자성층이 Cu와 Ru의 합금으로 이루어진다.
여기서, 상기 고정 강자성층이 Ni와 Fe의 합금으로 이루어진다.
그리고, 상기 고정 강자성층이 Co와 Pd의 합금으로 이루어진다.
또한, 상기 고정 강자성층이 Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금 중 어느 하나로 이루어진다.
더불어,상기 고정 강자성층이 Pt와 Mn 및 인공 반강자성체로 대체되게 이루어진다.
바람직하게는, 상기 반 강자성층이 Pt와 Mn의 합금박막으로 이루어진다.
또한, 상기 반 강자성층이 Co와 Fe의 합금박막으로 이루어진다.
한편, 상기 두 개의 전기 전도성 판독선이 Cu로 이루어진다.
여기서, MRAM 소자에 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각 기록선에 전압을 인가하는 단계와; 상기 각 기록선이 교차하는 지점의 압전층에 전기장이 형성되는 단계와; 상기 압전층에 발생되는 전기장에 의하여 압전층에 변형이 유도되 는 단계와; 상기 압전층에 유도된 변형에 의하여 압전층의 상부에 배치되는 자유 강자성층이 수평자화 상태에서 수직자화 상태로 변하는 단계; 및 상기 자유 강자성층에서 발생되는 자화변화가 기록되는 단계;로 이루어진다.
그리고, 상기 두 개의 기록선에 의하여 기록이 독립적으로 수행되도록 이루어진다.
대안적으로는, 상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선 중 어느 하나의 판독선에 전류를 인가하는 단계와; 인가된 전류가 반 강자성층, 고정 강자성층, 비 자성층, 자유 강자성에 순차적으로 전송되는 단계와; 전송되는 전류를 경험하는 저항이 자유 강자성층과 고정 강자성층의 상대적인 자화방향에 따라 변화하는 단계; 및 상기 자유 강자성층에 발생되는 자화상태가 판독되는 단계;로 이루어진다.
그리고, 상기 자유 강자성층과 고정 강자성층의 각 자화방향이 상호 수직 또는 수평으로 이루어지는 자화방향의 배열에 따라 저항의 변화를 판독한다.
여기서, 상기 두 개의 판독선에 의하여 판독이 독립적으로 수행되도록 이루어진다.
한편, MRAM 소자에 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각 기록선에 전압을 인가하는 단계와, 상기 각 기록선이 교차하는 지점의 압전층에 전기장이 형성되는 단계와, 상기 압전층에 발생되는 전기장에 의하여 압전층에 변형이 유도되는 단계와, 상기 압전층에 유도된 변형에 의하여 압전층의 상부에 배치되는 자유 강자성층이 수평자화 상태에서 수직자화 상태로 변하는 단계, 및 상기 자유 강자성층에 서 발생되는 자화변화가 기록되는 단계를 포함하는 기록 과정과; 상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선 중 어느 하나의 판독선에 전류를 인가하는 단계와, 인가된 전류가 반 강자성층, 고정 강자성층, 비 자성층, 자유 강자성에 순차적으로 전송되는 단계와, 전송되는 전류를 경험하는 저항이 자유 강자성층과 고정 강자성층의 상대적인 자화방향에 따라 변화하는 단계, 및 상기 자유 강자성층에 발생되는 자화상태가 판독되는 단계를 포함하는 판독 과정으로 이루어져 상기 두 개의 기록선과 두 개의 판독선에 의하여 기록 및 판독이 각각 독립적으로 수행되도록 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 MRAM 소자의 강자성층과 압전층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자(1)는 압전층(20)과 절연층(30)과 자유 강자성층(40)과 비 자성층(50)과 고정 강자성층(60)과 반 강자성층(70)과 두 개의 전기전도성 판독선(80)이 배치되고, 양(+) 전극과 음(-) 전극을 갖는 전기전도성 기저전극(10)으로 이루어진다.
상기 MRAM 소자(1)는 Si 기판 위에 SrRuO3 금속산화 전극층이 먼저 증착되도록 이루어짐으로써 상기 전기전도성 기저전극(10)을 SrRuO3로 이루어지도록 한다.
상기와 같이 Si 기판 위에 SrRuO3 금속산화 전극층이 증착되어 양(+) 전극과 음(-) 전극의 전기전도성을 갖는 SrRuO3 기저전극(10)에서 상기 전기전도성 기저전극(10)은 기록 과정에서 전압을 인가하는 양(+) 전극과 음(-) 전극의 각 기록선(10a, 10b)으로 구성되고, 상기 양(+) 전극과 음(-) 전극은 절연층(30)에 의하여 상호 분리되게 이루어지며, 상기 절연층(30)은 SrTiO3로 이루어진다.
그리고, 상기 MRAM 소자(1)의 배열에서 양(+) 전극과 음(-) 전극은 각각의 소자를 접속 및 연결하기 위하여 각각 수직한 방향으로 연장되게 이루어진다.
한편, 상기 양(+) 전극과 음(-) 전극의 사이에 압전 현상으로 압력을 가할 때 전하들의 분극화가 발생하여 전류를 흐르도록 이루어지는 압전층(20)이 기록선(10)의 각 면과 접촉하도록 개재되어 배치되는 것도 가능하다.
상기 압전층(20)은 PZT와 같이 압전 상수가 큰 물질로 이루어지며, 상기 압전층(20)의 두께는 저전압에서 최대 변형이 인가되기 위한 범위 내에서 결정된다. 즉, 압전층(20)의 조성, 두께 및 크기는 저전압에 의해 역압전 효과를 최대화시키기 위한 범위 내에서 결정되도록 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 압전층(20)이 PZT계로 이루어져 있으나, 상기 압전층(20)이 PLZT, BLT, SBT계 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전기전도성 기저전극(10)과 절연층(30)과 압전층(20)의 물질 선택은 상호 격자 불일치(lattice mismatch)를 최소화하여 에피 성장(epitaxial growth)을 가능하게 하는 물질로 이루어지고, Si 기판 위에도 에피 성장이 가능한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 자유 강자성층(40)은 자기 기록층이라고도 불리며, 적절한 보자력, 큰 전류자기와 큰 역자왜 효과를 보이는 강자성 박막이 사용되고, 상기 압전층(20)의 상부에 증착되게 이루어진다.
상기한 바와 같은 조건을 충족 및 만족시키기 위한 물질로는 Co와 Pd의 합금으로 이루어지는 COxPd1-x 초박막이 적용된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 자유 강자성층(40)이 Co와 Pd의 합금으로 이루어져 있으나, Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금으로 이루어지는 희토류와 전이 금속으로 구성된 SmCo, TbFeCo, TbFeDy 등의 이원 혹은 삼원 합금 등이 있다.
또한, 자유 강자성층(40)의 모양 역시 이웃한 기록소자간의 stray field에 의한 상호 간섭을 최대한 줄일 수 있도록 이루어진다.
상기 비 자성층(50)은 상기 자유 강자성층(40)의 상부에 배치되고, 구리층으로 이루어진다. 상기 비 자성층(50)을 비롯하여 자유 강자성층(40) 및 후술하는 고정 강자성층(60)의 조성 및 두께는 거대자기 저항효과를 최대화시키는 조건에 의하여 가변 및 고정되게 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 비 자성층(50)이 구리층으로 이루어져 있으나, Cu와 Ru의 합금으로 이루어지는 것도 가능하다.
상기 고정 강자성층(60)은 구리층으로 이루어지는 상기 비 자성층(50)의 상부에 증착되어 배치되며, 일반적으로 NiFe와 같은 강자성체가 고정 강자성체(60)로 이용된다.
상기 고정 강자성층(60)의 자화는 고정 강자성층(60)의 상부에 증착되도록 이루어지는 후술하는 반 강자성층(70)에 의하여 수평방향으로 자화되도록 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 고정 강자성층(60)이 NiFe와 같은 강자성체로 이루어져 있으나 Co와 Pd의 합금으로 이루어지는 것도 가능하며, 상기 고정 강자성층(60)이 Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 상기 고정 강자성층(60)이 Pt와 Mn 및 인공 반강자성체로 대체되게 이루어지는 것도 가능하다.
상기 반 강자성층(70)은 상기 고정 강자성층(60)의 상부에 배치되며, 일반적으로 Pt와 Mn의 합금박막을 이용된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 반 강자성층(70)이 Pt와 Mn 및 인공 반강자성체로 대체되게 이루어져 있으나, Ru 비 자성층(50)에 의하여 떨어져 있는 Co와 Fe의 합금박막과 같은 인공 반 강자성층이 이용되는 것도 가능하다.
상기 전기전도성 판독선(80)은 상기 반 강자성층(70)의 상부에 증착되어 배치되며, 일반적으로 구리선이 이용된다.
상기 전기전도성 판독선(80)은 두 개의 판독선(80a, 80b)으로 나뉘어지며, 두 개의 전기전도성 판독선(80a, 80b) 중 상측에 배치되는 어느 하나의 판독선(80a)은 반 강자성층(70)의 상부에 증착되고, 하측에 배치되는 다른 하나의 판독선 (80b)은 기록선(10a, 10b)으로 이용되는 기저전극(10)의 양(+) 전극 상부에 증착되게 이루어진다.
상기와 같이 반 강자성층(70)의 상부에 증착되는 어느 하나의 판독선(80a)과 기저전극(10)의 양(+) 전극 상부에 증착되는 다른 하나의 판독선(80b)은 상호 수직되게 이루어지며, 서로 다른 평면에 위치하게 된다.
이렇게 위치된 두 개의 전기전도성 판독선(80a, 80b)에 의하여 전류는 상부에 위치하는 판독선(80a)을 통하여 각각의 메모리 소자를 거친 후 하부에 위치하는 다른 하나의 판독선(80b)으로 흐르게 되고, 각 소자의 배열에서 각각의 판독선(80a, 80b)은 트랜지스터와 같은 고체 스위치를 이용하여 선택되도록 이루어짐으로써 각각의 소자를 판독할 수 있다.
도 2a는 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 기록기재부분을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자의 기록기제부분은 종래기술에서 서술한 미국특허(US Pat. No. 2003/0103371 A1)에 보다 자세히 기재되어 있으므로 본 발명에서는 상기한 종래기술과의 차이점만 간략하게 설명한다.
양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 기저전극(10)의 양 전극이 각각의 기록선(10a, 10b)이 되며, 상기 각 기록선(10a, 10b)은 상호 수직을 이루는, 즉 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각 기록선(10a, 10b)은 상부에서 보면 상호 교차하는 형태로 이루어진다.
상기와 같은 구조로 이루어지는 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각각의 기록선(10a, 10b)에 동작 시 +V와 -V가 각각 걸리게 되며, 상기 두 기록선(10a, 10b)이 교차하는 지점의 압전층(20)에 전기장이 형성되게 된다.
이렇게 발생되는 전기장에 의해 상기 압전층(20)이 역압전 효과에 의해 변형이 유도되며, 이러한 변형의 결과로 압전층(20) 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)의 자화상태가 역자왜 효과에 의하여 수평자화에서 수직자화 상태로 변하게 되며, 이러한 상태가 기록된다.
즉, 각 기록선(10a, 10b)이 교차하는 압전층(20)에 발생되는 전기장에 의하여 상기 압전층(20)이 역압전 효과에 의하여 변형되고, 변형된 압전층(20)의 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)의 자화상태가 역자왜 효과에 의하여 수평자화 상태인 "0" 상태에서 수직자화 상태인 "1" 상태로 변하게되면서 이러한 상태가 기록되게 된다.
도 2b는 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 판독기재부분을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자의 기록기제부분은 상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선(80)은 상술한 바와 같은 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각각의 기록선(10a, 10b)과 독립적으로 작동한다.
이를 위하여 상기 각 판독선은(80a, 80b) 상기 각 기록선(10a, 10b)과 절연층(30)에 의하여 상호 분리되도록 이루어진다.
상기와 같은 각 판독선(80a, 80b)은 소자의 동작 시 각 상태의 판독을 위한 전류는 두 개의 판독선(80a, 80b) 중 어느 하나의 판독선(80a)을 통하여 반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성층(40)을 거쳐 다른 하나의 판독선(80b)으로 흐르게 된다.
이때, 전류가 경험하는 저항은 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 상대적인 자화방향에 따라 달라지게 된다. 즉, 자유 강자성층(40)의 자화상태가 수직방향이면 전류는 높은 저항을 경험하게 되고, 자유 강자성층(40)의 자화상태가 수평방향이면 전류는 낮은 저항을 경험하게 된다.
다시 말하면, 상기 자유 강자성층(40)의 자화방향이 수직방향이면 전류는 "1" 상태인 높은 저항을 경험하게 되고, 자유 강자성층(40)의 자화방향이 수평방향이면 전류는 "0" 상태인 낮은 저항을 경험하게 된다.
이때, 전기전도성 판독선(10) 중 어느 하나의 판독선(80a)을 통하여 입력되는 전류가 각각의 MRAM 소자(1)를 거쳐 다른 하나의 판독선(80b)으로 흐르면서 발생되는 거대 자기저항 효과에 의하여 MRAM 소자(1)의 정보를 판독하도록 이루어진다.
도 3은 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 배열에 관한 것으로 판독선 소자 및 기록선 소자를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 기록 방법을 개략적으로 나타내는 블럭도이고, 도 5는 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 판독 방법을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 MRAM의 각 판독선(80a, 80b)과 각 기록선(10a, 10b)은 상기한 바와 같이 상호 독립적으로 구동 및 작동하도록 이루어지며, 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 상기 각 기록선(10a, 10b)에 전압을 인가함으로써 셀(Cell) 1에 기록이 가능하도록 이루어지며, 상기 각 판독선(80a, 80b)에 전류를 인가함으로써 셀(Cell) 2의 기록상태를 읽을 수 있도록 이루어진다.
상술한 바와 같은 구조 및 구성에 의하여 상기 MRAM 소자(1)는 기록과 판독 과정이 동시에 가능하므로 소자 속도의 향상이 가능할 뿐만 아니라, 기록 및 판독에 대단한 유연성을 갖도록 이루어진다.
이하, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 MRAM 소자의 기록방법 및 판독방법을 설명한다.
먼저, 전압제어 자화반전 MRAM 소자(1)의 기록방법에 대해 설명한다.
반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성층(40)이 상방향에서 하방향을 향하여 순차적으로 배열 및 배치되고, 상기 자유 강자성층(40)의 하부에 압전층(20)과 상기 압전층(20)에 전압을 인가하도록 이루어지는 두개의 기저전극(10)이 배치되는 MRAM 소자(1)에 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 형성되는 기저전극(10)의 각 기록선(10a, 10b)에 전압을 인가한다(S1-1).
이로 인해 상기 각 기록선(10a, 10b)이 교차하는 지점의 압전층(20)에 전기장이 형성된다(S1-2).
상기 압전층(20)에서 발생되는 전기장에 의하여 압전층(20)에 변형이 유도된 다(S1-3).
상기 압전층(20)에 유도된 변형에 의하여 압전층(20) 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)이 수평자화에서 수직자화로 변하게 된다(S1-4).
즉, 각 기록선(10a, 10b)이 교차하는 압전층(20)에 발생되는 전기장에 의하여 상기 압전층(20)이 역압전 효과에 의하여 변형되고, 변형된 압전층(20)의 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)의 자화상태가 역자왜 효과에 의하여 수평자화 상태인 "0" 상태에서 수직자화 상태인 "1" 상태로 변하게 된다.
이렇게 자화변화에 따라 자유 강자성층(40)에서 발생되는 자화변화가 기록된다(S1-5).
다음, 전압제어 자화반전 MRAM 소자(1)의 판독방법에 대해 설명한다.
먼저, 상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선(80a, 80b) 중 어느 하나의 판독선(80a)에 전류를 인가한다(S2-1).
상기 각 판독선(80a, 80b) 중 어느 한 판독선(80a)에 인가된 전류가 반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성층(40)으로 전송된다(S2-2).
이때, 전송되는 전류를 경험하는 저항이 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 상대적인 자화방향에 따라 변화하게 된다(S2-3).
즉, 자유 강자성층(40)의 자화상태가 수직방향이면 전류는 높은 저항을 경험하게 되고, 자유 강자성층(40)의 자화상태가 수평방향이면 전류는 낮은 저항을 경험하게 된다.
다시 말하면, 전류가 두개의 전기전도성 판독선(80a, 80b) 중 상부에 배치되는 어느 하나의 판독선(80a)을 통하여 반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성층(40)을 통하여 흐를 경우 자유 강자성층(40)의 자화방향에 따라 저항이 다르게 나타나는 현상을 이용하여 정보를 판독하게 되며, 상기 자유 강자성층(40)의 자화방향이 수직방향이면 전류는 "1" 상태인 높은 저항을 경험하게 되고, 자유 강자성층(40)의 자화방향이 수평방향이면 전류는 "0" 상태인 낮은 저항을 경험하게 된다.
이렇게 자화상태의 변화에 따라 자유 강자성층(40)에 발생되는 자화상태가 판독된다(S2-4).
한편, 상기 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 각 자화방향이 상호 수직 또는 수평으로 이루어지는 자화방향의 배열에 따라 저항의 변화를 판독하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
이렇게 상기와 같은 구조 및 구성에 의한 본 발명의 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보판독 방법은 상기 두 개의 기록선(10a, 10b)과 두 개의 판독선(80a, 80b)에 의하여 기록 및 판독이 각각 독립적으로 수행되도록 이루어져 기록과 판독을 동시에 실행가능하게 이루어짐으로써 MRAM 소자(1)의 속도를 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 기저전극을 이용하여 PZT 박막에 보다 원할하게 전압이 인가되도록 형성하고 두 개의 판독선에 의하여 판독이 이루어지도록 함으로써 기록과 판독이 상호 독립적으로 이루어지며, 이로 인해 MRAM의 속도를 향상시킬 뿐만 아니라, 기존 MRAM에서 사용되는 나노 두께의 tunnelling barrier가 필요하지 않으며, CMOS 회로와의 통합이 용이한 물질 및 구조를 이용하였기 때문에 기존 CMOS 회로와의 integration, 메모리 속도, 생산성 측면에서 우수한 장점을 가지고, 기존 외부 자기장 인가 기록방식의 MRAM과는 달리 외부 자기장 생성이 필요치 않아 저전력 설계가 가능하며, 전압 인가 방식을 개선함으로써 보다 효율적으로 MRAM을 제작할 수 있으므로 메모리 소자 외에도 전압제어 스핀 소자 등에 이용가능할 뿐만 아니라, 초고밀도 차세대 메모리 개발에 응용이 가능하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (23)

  1. 전기전도성 기저전극에 있어서,
    전기전도성 기저전극(10)에 구비되는 양(+) 전극과 음(-) 전극을 갖는 두 개의 기록선(10a, 10b)에 좌, 우 각 면이 접촉하도록 배치되는 압전층(20)과;
    상기 압전층(20)의 하부에 배치되고 양(+) 전극과 음(-) 전극을 분리시키도록 이루어지는 절연층(30)과;
    상기 절연층(30)의 상부에 배치되는 수평방향과 수직방향의 자화상태를 가지는 자유 강자성층(40)과;
    상기 자유 강자성층(40)의 상부에 배치되는 비 자성층(50)과;
    상기 비 자성층(50)의 상부에 배치되는 고정 강자성층(60)과;
    상기 고정 강자성층(60)의 상부에 배치되는 반 강자성층(70)과;
    서로 수직한 두 개의 전기전도성 판독선(80); 및
    상기 두 개의 전기전도성 판독선(80) 중 어느 하나의 판독선(80a)이 상기 고정 강자성층(60)의 상부에 배치되고, 다른 하나의 판독선(80b)이 상기 양(+) 전극의 전기전도성 기저전극(10) 절연층(30) 상부에 배치되게 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기전도성 기저전극(10)이 Si기판 위에 SrRuO3의 금속산화 전극층이 증착되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기전도성 기저전극(10)과 절연층(30)과 압전층(20) 및 Si 기판이 상호 격자 불일치를 최소화하여 에피 성장을 가능하게 하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기전도성 기저전극(10)의 각 기록선(10a, 10b)이 절연층(30)에 의하여 절연되고, 각 기록선(10a, 10b)의 측면을 사이에 두고 절연층(30)이 배열되게 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층(30)이 SrTiO3로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전층(20)이 PZT계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전층(20)이 PLZT, BLT, SBT계 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자유 강자성층(40)이 Co와 Pd의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자유 강자성층(40)이 Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비 자성층(50)이 Cu와 Ru의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정 강자성층(60)이 Ni와 Fe의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고정 강자성층(60)이 Co와 Pd의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 고정 강자성층(60)이 Co, Fe, Ni, Tb로 구성되는 A군과 Co, Fe, Ni, C로 구성되는 B군과 Sm, Dy, Tb로 구성되는 C군의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 고정 강자성층(60)이 Pt와 Mn 및 인공 반강자성체로 대체되게 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반 강자성층(70)이 Pt와 Mn의 합금박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반 강자성층(70)이 Co와 Fe의 합금박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 전기 전도성 판독선(80a, 80b)이 Cu로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자.
  18. MRAM 소자에 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각 기록선(10a, 10b)에 전압을 인가하는 단계(S1-1)와;
    상기 각 기록선(10a, 10b)이 교차하는 지점의 압전층(20)에 전기장이 형성되는 단계(S1-2)와;
    상기 압전층(20)에 발생되는 전기장에 의하여 압전층(20)에 변형이 유도되는 단계(S1-3)와;
    상기 압전층(20)에 유도된 변형에 의하여 압전층(20)의 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)이 수평자화 상태에서 수직자화 상태로 변하는 단계(S1-4); 및
    상기 자유 강자성층(40)에서 발생되는 자화변화가 기록되는 단계(S1-5);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 기록 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 두 개의 기록선(10a, 10b)에 의하여 기록이 독립적으로 수행되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 기록 방법.
  20. 상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선(80a, 80b) 중 어느 하나의 판독선(80a)에 전류를 인가하는 단계(S2-1)와;
    인가된 전류가 반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성(40)에 순차적으로 전송되는 단계(S2-2)와;
    전송되는 전류를 경험하는 저항이 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 상대적인 자화방향에 따라 변화하는 단계(S2-3); 및
    상기 자유 강자성층(40)에 발생되는 자화상태가 판독되는 단계(S2-4);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 판독 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 각 자화방향이 상호 수직 또는 수평으로 이루어지는 자화방향의 배열에 따라 저항의 변화를 판독하는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 판독 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 두 개의 판독선(80a, 80b)에 의하여 판독이 독립적으로 수행되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 판독 방법.
  23. MRAM 소자에 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 각 기록선(10a, 10b)에 전압을 인가하는 단계(S1-1)와, 상기 각 기록선(10a, 10b)이 교차하는 지점의 압전층(20)에 전기장이 형성되는 단계(S1-2)와, 상기 압전층(20)에 발생되는 전기장에 의하여 압전층(20)에 변형이 유도되는 단계(S1-3)와, 상기 압전층(20)에 유도된 변형에 의하여 압전층(20)의 상부에 배치되는 자유 강자성층(40)이 수평자화 상태에서 수직자화 상태로 변하는 단계(S1-4), 및 상기 자유 강자성층(40)에서 발생되는 자화변화가 기록되는 단계(S1-5)를 포함하는 기록 과정과;
    상호 직각으로 이루어지는 수직방향의 두 개의 전기전도성 판독선(80a, 80b) 중 어느 하나의 판독선(80a)에 전류를 인가하는 단계(S2-1)와, 인가된 전류가 반 강자성층(70), 고정 강자성층(60), 비 자성층(50), 자유 강자성(40)에 순차적으로 전송되는 단계(S2-2)와, 전송되는 전류를 경험하는 저항이 자유 강자성층(40)과 고정 강자성층(60)의 상대적인 자화방향에 따라 변화하는 단계(S2-3), 및 상기 자유 강자성층(40)에 발생되는 자화상태가 판독되는 단계(S2-4)를 포함하는 판독 과정으로 이루어져 상기 두 개의 기록선(10a, 10b)과 두 개의 판독선(80a, 80b)에 의하여 기록 및 판독이 각각 독립적으로 수행되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압제어 자화반전 기록방식의 MRAM 소자를 이용한 정보의 기록 및 판독 방법.
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