KR20200139542A - 수소 이온에 의해 자기 이방성이 제어되는 자기 메모리 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 장치 - Google Patents

수소 이온에 의해 자기 이방성이 제어되는 자기 메모리 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자는, 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되는 자성층; 상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극을 포함하며, 상기 상부전극은, 상기 상부전극과 상기 하부전극 간에 인가된 전압에 의해 상기 상부전극 주위의 수분을 분해하여 수소 이온을 발생시키고, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 제어된다.

Description

수소 이온에 의해 자기 이방성이 제어되는 자기 메모리 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 장치{MAGNETIC ANISOTROPY-CONTROLLED MAGNETIC MEMORY DEVICE BY PROTON AND MAGNETIC MEMORY DEVICE USING THEREOF}
자기 메모리 구조 및 이를 이용한 자기 메모리 장치에 관한 것으로, 특히 전압 인가로 인해 수소 이온이 이동하는 특성을 갖는 것에 관한 것이다.
최근 사물 인터넷, 인공지능, 빅데이터 기술의 발달로 인하여 방대한 양의 데이터를 효율적으로 처리하고 저장하기 위해 낮은 공정 비용으로 고집적화 및 고효율화가 가능한 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발이 요구되고 있다. 차세대 메모리 중에서도 자기 메모리는 특유의 비휘발성, 빠른 동작 속도 및 우수한 내구성으로 인하여 기존 실리콘 기반의 메모리를 대체할 수 있는 기술로 큰 주목을 받고 있다. 이러한 자기 메모리는 자성터널접합에서의 자화 방향에 따라 정보를 저장하는데, 이때 자화방향을 반전시키는 에너지를 낮추는 기술의 개발이 필요하다.
자성터널접합(MTJ) 구조에서 전압을 인가하여 오비탈 구조를 변경하는 방식이 제안되었지만, 만족할만한 동작 시간(속도)와 안정성을 보이지 못하고 있다.
한국 등록특허공보 제 10-0232667 호
종래와는 새로운 방식에 의해 자기이방성을 제어함으로써 동작 속도와 안정성이 향상되고, 동작 에너지가 낮은 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자는, 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되는 자성층; 상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극을 포함하며, 상기 상부전극은, 상기 상부전극과 상기 하부전극 간에 인가된 전압에 의해 상기 상부전극 주위의 수분을 분해하여 수소 이온을 발생시키고, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 제어된다.
상기 산화물층은 희토류 산화물일 수 있다.
상기 산화물층은 YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), BZCY(Barium Cerium Yttrium Zirconate) 및 GDC(Gadolinium-doped Ceria) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 자기 메모리 소자는, 상기 자성층과 상기 산화물층의 사이에 형성되어 상기 자성층의 산화를 방지하는 산화방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 산화방지층은 Pd로 이루어질 수 있다.
상기 상부전극은 Cu, Pt 및 Ir 중 어느 하나 또는 적어도 두가지의 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치는, 십자 형상이며, 상기 십자 형상의 4개의 단부에 형성된, 제1 단자, 상기 제1 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제2 단자, 제3 단자 및 상기 제3 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제4 단자가 형성되는 하부전극; 상기 하부 전극의 십자 형상의 교차 부분 상에 형성되는 자성층; 상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극을 포함하며, 상기 상부전극과 상기 하부전극의 제1 단자 간에 인가된 게이트 전압에 의해 상기 상부전극 주위의 수분이 분해되어 수소 이온이 발생하여, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 변화하고, 상기 하부 전극의 제1 단자와 제2 단자 간에 인가된 스위칭 전압에 의해 전류가 발생하고, 이에 따라 상기 자성층의 자화의 스위칭을 위한 스핀 궤도 토크가 유도된다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치의 구동 방법은,
십자 형상이며, 상기 십자 형상의 4개의 단부에 형성된, 제1 단자, 상기 제1 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제2 단자, 제3 단자 및 상기 제3 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제4 단자가 형성되는 하부전극; 상기 하부 전극의 십자 형상의 교차 부분 상에 형성되는 자성층; 상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극을 포함하는 자기 메모리 장치의 구동 방법으로,
상기 상부전극과 상기 하부전극의 제1 단자 간에 게이트 전압을 인가함으로써, 상기 상부전극 주위의 수분이 분해되어 수소 이온이 발생하여, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 변화하는 단계; 상기 하부 전극의 제1 단자와 제2 단자 간에 스위칭 전압을 인가함으로써, 상기 하부 전극에 전류가 발생하고, 이에 따라 상기 자성층의 자화의 스위칭을 위한 스핀 궤도 토크에 의한 스핀 전류가 유도되는 단계; 및 상기 게이트 전압과 스위칭 전압을 턴오프함으로써 스위칭된 자화 상태를 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 전압에 의해 수소 이온의 이동을 제어하여 자기 이방성을 제어함으로써, 내구성 및 동작속도가 향상되고 동작에너지가 낮은 자기 메모리 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 상부전극의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 산화물층의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 실험결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.
청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자(1)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 자기 메모리 소자(1)는 순차적으로 적층된 하부전극(110), 자성물질층(120), 산화물층(130) 및 상부전극층(140)을 포함한다. 상부전극(140)은, 상부전극(140)과 하부전극(110) 간에 인가된 전압에 의해 상부전극(140) 주위의 수분을 분해하여 수소 이온을 발생시키고, 발생한 수소 이온에 의해 자성물질층(120)의 자기 이방성이 제어된다. 구체적으로, 발생한 수소 이온은, 인가된 전압에 의해 자성물질층(120)으로 이동하면서 자성물질층(120)의 스핀궤도결합에 영향을 줌으로써 자성물질층(120)의 자기이방성이 제어된다.
도 2는 도 1의 상부전극(140)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상부전극(140)과 하부전극(110) 사이에 전압이 인가되면, 상부전극(140)은 주위의 수분(H2O)를 분해하여 수소 이온(H+)과 산소(O2)를 발생시킨다. 발생한 수소 이온(H+)은 자기 메모리 소자(1) 내부의 전기장에 의해 하부전극(110)의 방향으로 이동하게 된다.
상부 전극(140)에는 Au 등의 금속이 이용될 수 있다. 실시예에 따라, 상부 전극(140)은 금속 중에서도 물 분해가 잘 일어나는 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(140)은 Cu, Pt, Ir 중 어느 하나 또는 적어도 두가지의 화합물로 이루어질 수 있다.
도 3은 도 1의 산화물층(130)의 일 예를 나타내는 도면이다.
산화물층(130)은 상부전극(140)에서 발생한 수소 이온이 이동하는 통로이기 때문에, 자기 메모리 소자(1)의 스위칭 속도를 높이기 위해서는 이온 전도도가 높을 필요가 있다. 이에 따라, 산화물층(130)은 개방격자구조를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 산화물층(130)으로서 예를 들어 희토류 산화물이 이용될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), BZCY(Barium Cerium Yttrium Zirconate) 및 GDC(Gadolinium-doped Ceria) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
스위칭 속도를 개선하기 위해 산화물층(130)의 두께가 얇은 것이 바람직하다. 산화물층(130)의 두께는, 예를 들어 약 5nm일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자(1')를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 자기 메모리 소자(1')는 도 1의 자기 메모리 소자(1)에 비해 자성물질층(120)과 산화물층(130)의 사이에 산화방지층(150)을 더 포함한다. 산화방지층(150)은 예를 들어 Pd로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 의하면, 자성물질층(120)이 산화물층(130)과 직접적으로 닿지 않기 때문에 자성물질층(120)의 산화가 방지될 수 있다. 이에 따라, - 전압을 인가하는 것이 가능해지기 때문에, 수소 이온의 빠른 방출이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자(1, 1')의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는, 자기 메모리 소자(1, 1')를 모두 포괄하기 위해 하부전극(110)과 자성물질층(120)만을 도시하였다. 도 5의 좌측은 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 +6V를 인가한 경우를 나타내고, 도 5의 우측은 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 -6V를 인가한 경우를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 +6V가 인가되면, 상부전극(140)에서 발생한 수소이온(H+)은 하부전극(110)측으로 이동하여 자성물질층(120)과 하부전극(110)의 계면에 분포한다. 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 -6V가 인가되면, 자성물질층(120)과 하부전극(110)의 계면에 분포하였던 수소이온(H+)이 상부전극(140)측으로 이동하여, 자성물질층(120)과 하부전극(110)의 계면의 수소이온(H+)이 감소한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 실험결과를 나타낸다. 본 실험에서 도 4의 자기 메모리 소자(1')가 이용되었으며, 하부전극(110)으로서 Pd층이 이용되고, 자성물질층(120)으로 Co층이 이용되고, 산화방지층(150)으로 Pd층이 이용되고, 산화물층(130)으로 두께 5nm의 YSZ가 이용되고, 상부전극(140)으로 Pt가 이용되었다.
도 6은 자기 메모리 소자(1')의 자기이방성의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6의 좌측은 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 +6V를 인가한 경우를 나타내고, 도 6의 우측은 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 -6V를 인가한 경우를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 인가된 전압을 반전시킴에 따라 자기이방성의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자(1)의 자화비(Mr/Ms)를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 0.5Hz로 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이에 +6V의 전압과 -6V의 전압이 스위칭되었다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상부전극(140)과 하부전극(110)의 사이의 전압을 반전시킬 때, 그에 따른 자화비의 변화도 동일한 속도로 관찰되었다.
실제로, 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 소자(1')는 스위칭 시간이 ㅊ측정 가능 분해능인 1ms 보다 작고, 재활용성(cyclibility)은 103 보다 큰 것으로 확인되었다. 이는 현재까지 보고된 전압제어를 통해 이온을 이동시켜서 자기이방성 제어를 한 연구 결과 중에 가장 빠른 속도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 도면이다. 자기 메모리 장치는 도 4의 자기 메모리 소자(1')를 포함하는 SOT(spin orbit torque) 방식으로 동작한다. 도 8은 자기 메모리 소자(1')를 포함하는 것으로 도시하였지만, 산화방지층(150)이 생략된 자기 메모리 소자(1)를 포함하도록 구현될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 자기 메모리 장치의 상부 전극(140)에 게이트 단자(#0)가 연결되고, 십자 형상의 하부 전극(110)에 제1~제4 단자(#1~#4)가 연결된다.
이러한 자기 메모리 장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 게이트 단자(#0)와 제1 단자(#1)의 사이에 게이트 전압(VG)을 인가한다(Stage 1). 이에 따라, 산화물층(130)을 가로질러 전기장이 형성되어, 전압에 의해 유도된 수소 이온이 자성층(120)의 자기 이방성을 변화시킨다.
다음으로, 짧은 (나노세컨드 단위) 전류 펄스를 인가하여(스위칭 전압(Vsw)을 턴온), 스위칭을 위한 토크를 인가하는 스핀 궤토 토크에 의한 스핀 전류를 유도한다(Stage 2).
다음으로, 자화가 반대 상태로 스위칭되자마자, 게이트 전압(VG)과 스위칭 전압(Vsw)을 턴오프하여, 열적 변동에 대해 대개는 안정적인 높은 이방성 상태에서 자기 데이터를 유지한다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 하부전극;
    상기 하부전극 상에 형성되는 자성층;
    상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및
    상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극;
    을 포함하며,
    상기 상부전극은, 상기 상부전극과 상기 하부전극 간에 인가된 전압에 의해 상기 상부전극 주위의 수분을 분해하여 수소 이온을 발생시키고,
    상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 제어되는 자기 메모리 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화물층은 희토류 산화물인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화물층은 YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia), BZCY(Barium Cerium Yttrium Zirconate) 및 GDC(Gadolinium-doped Ceria) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성층과 상기 산화물층의 사이에 형성되어 상기 자성층의 산화를 방지하는 산화방지층을 더 포함하는 자기 메모리 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화방지층은 Pd로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부전극은 Cu, Pt 및 Ir 중 어느 하나 또는 적어도 두가지의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 소자.
  7. 십자 형상이며, 상기 십자 형상의 4개의 단부에 형성된, 제1 단자, 상기 제1 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제2 단자, 제3 단자 및 상기 제3 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제4 단자가 형성되는 하부전극;
    상기 하부 전극의 십자 형상의 교차 부분 상에 형성되는 자성층;
    상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및
    상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극;
    을 포함하며,
    상기 상부전극과 상기 하부전극의 제1 단자 간에 인가된 게이트 전압에 의해 상기 상부전극 주위의 수분이 분해되어 수소 이온이 발생하여, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 변화하고,
    상기 하부 전극의 제1 단자와 제2 단자 간에 인가된 스위칭 전압에 의해 전류가 발생하고, 이에 따라 상기 자성층의 자화의 스위칭을 위한 스핀 궤도 토크가 유도되는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  8. 십자 형상이며, 상기 십자 형상의 4개의 단부에 형성된, 제1 단자, 상기 제1 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제2 단자, 제3 단자 및 상기 제3 단자와 마주하는 위치에 형성되는 제4 단자가 형성되는 하부전극;
    상기 하부 전극의 십자 형상의 교차 부분 상에 형성되는 자성층;
    상기 자성층 상에 형성되며 개방 격자 구조를 갖는 산화물층; 및
    상기 산화물층 상에 형성되는 상부전극;
    을 포함하는 자기 메모리 장치의 구동 방법으로,
    상기 상부전극과 상기 하부전극의 제1 단자 간에 게이트 전압을 인가함으로써, 상기 상부전극 주위의 수분이 분해되어 수소 이온이 발생하여, 상기 발생한 수소 이온에 의해 상기 자성층의 자기 이방성이 변화하는 단계;
    상기 하부 전극의 제1 단자와 제2 단자 간에 스위칭 전압을 인가함으로써, 상기 하부 전극에 전류가 발생하고, 이에 따라 상기 자성층의 자화의 스위칭을 위한 스핀 궤도 토크가 유도되는 단계; 및
    상기 게이트 전압과 스위칭 전압을 턴오프함으로써 스위칭된 자화 상태를 유지하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.

KR1020190066168A 2019-06-04 2019-06-04 수소 이온에 의해 자기 이방성이 제어되는 자기 메모리 소자 및 이를 이용한 자기 메모리 장치 KR102236586B1 (ko)

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