KR20210085394A - 수직 형태 자기 이방성을 이용한 자기 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치 - Google Patents
수직 형태 자기 이방성을 이용한 자기 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치 Download PDFInfo
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Abstract
자기 소자는, 압전층, 상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층, 상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함한다. PSMA를 갖는 자유층을 이용함으로써 높은 열적 안정성을 가질 수 있고, 자기 소자의 수직 자화를 반전할 때 압전층에 스트레인 전압을 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환함으로써 스위칭 전류를 감소할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 형태 자기 이방성을 이용한 자기 소자 및 상기 자기 소자를 포함하는 메모리 장치에 관한 것이다.
스핀 전달 토크(STT, Spin Transfer Toque) 기반의 자기 소자(magnetic device)들은 외부 자기장 또는 제어 전류(기입 전류, 스위칭 전류 또는 반전 전류)에 의해 자화 방향이 변화될 수 있는 "자유층"으로 구성되는 적어도 하나의 강자성층을 갖는 다양한 적층 구조(stack structure)들을 사용한다. 이러한 자기 소자는 자유층의 자화 방향에 기반하여 스위칭 소자, 메모리 소자 등으로 이용될 수 있다.
자기 소자의 높은 열적 안정성(thermal stability), 낮은 스위칭 전류(switching current) 및 높은 자기 저항 비(magnetoresistance ratio)를 확보하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 수직 자기 이방성(PMA, perpendicular magnetic anisotropy 또는 out-of-plane magnetic anisotropy)은 면내 자기 이방성(in-plane magnetic anisotropy)과 비교하여 높은 열적 안정성을 제공하기 때문에 STT-MRAM(spin transfer torque magnetic random access memory)의 연구분야에서 주류를 형성하고 있다. 수직형 자기 터널 접합(MTJ, magnetic tunnel junction)의 구현을 위해 계면 수직 자기 이방성(i-PMA)을 활용하고 있으나, i-PMA는 자기소거 필드(demagnetization field)와 반대 방향이므로 자기 이방성의 크기에 한계가 있으며, 작은 반지름을 갖는 MTJ에서는 열적 안정성을 확보하기가 어렵다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 높은 열적 안정성 및 낮은 스위칭 전류를 갖는 자기 소자를 제공하는 것이다.
또한, 또한 본 발명의 일 목적은, 높은 열적 안정성 및 낮은 스위칭 전류를 갖는 자기 소자를 포함하는 메모리 장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자는, 압전층, 상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층, 상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 자유층의 두께는 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향일 때의 자기 에너지와 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향과 수직한 수평 방향일 때의 자기 에너지가 동일한 경우에 상응하는 최소 두께 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자유층은 상기 수직 방향에 수직한 상면 및 하면을 갖는 원통의 형태를 갖고, 상기 자유층의 두께는 t_m = π1/2ㅧd/2의 수학식에 의해 결정되는 최소 두께 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자유층의 두께는 상기 자유층이 유니폼 스위칭(uniform switching)하기 위한 최대 두께 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전층과 상기 자유층 사이에 형성되고, 탄탈럼 및 텅스텐 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 접속층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스트레인 전압을 압전층에 인가하여 제1 수직 방향으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생하고, 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향으로 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 상기 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향의 기입 전류를 상기 자유층에 인가할 수 있다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치는, 복수의 행들과 복수의 열들의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 어레이, 제1 수평 방향으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 행 단위로 연결되는 복수의 워드라인들, 복수의 스트레인 라인들과 복수의 소스 라인들 및 상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 열 단위로 연결되는 복수의 비트라인들을 포함한다. 상기 메모리 셀들의 각각은, 상기 비트라인 및 상기 소스 라인 사이에 연결되는 자기 소자 및 셀 트랜지스터를 포함하고, 상기 워드라인이 상기 셀 트랜지스터의 게이트 전극에 연결된다. 상기 자기 소자는, 각각의 상기 스트레인 라인에 연결되는 압전층, 상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층, 상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 자유층의 두께는 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향일 때의 자기 에너지와 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향과 수직한 수평 방향일 때의 자기 에너지가 동일한 경우에 상응하는 최소 두께 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메모리 장치는 상기 스트레인 라인을 통하여 스트레인 전압을 상기 압전층에 인가하여 제1 수직 방향으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생하고, 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향으로 변환하고, 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 상기 비트라인과 상기 소스라인을 통하여 상기 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향의 기입 전류를 상기 자유층에 인가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메모리 장치는 동일한 행 어드레스에 기초하여 상기 복수의 워드라인들 중 하나의 워드라인 및 상기 복수의 스트레스 라인들 중 상기 하나의 워드라인과 동일한 행에 상응하는 하나의 스트레스 라인을 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자 및 상기 자기 소자를 포함하는 메모리 장치는 PSMA를 갖는 자유층을 이용함으로써 높은 열적 안정성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자 및 상기 자기 소자를 포함하는 메모리 장치는 자기 소자의 수직 자화를 반전할 때 압전층에 스트레인 전압을 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환함으로써 스위칭 전류를 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 자유층의 수직 형태 자기 이방성(PSMA)을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 자유층의 형태(shape)에 따른 장벽 높이를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 5d는 자유층의 형태에 따른 자화를 나타내는 도면들이다.
도 6은 자유층의 형태에 따른 열적 안정성을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 도면들이다.
도 8 및 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자의 자화 반전 방법을 나타내는 도면들이다.
도 10은 스트레인 전압 및 스위칭 전류의 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 11은 스트레인 전압에 따른 자화 용이축의 변환을 나타내는 도면이다.
도 12는 스위칭 전류의 전류 밀도 및 중복 시간에 따른 자화 반전을 나타내는 도면이다.
도 13a 내지 13c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가하지 않은 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가한 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 15 및 16은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 나타내는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 엠램 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 자유층의 수직 형태 자기 이방성(PSMA)을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 자유층의 형태(shape)에 따른 장벽 높이를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 5d는 자유층의 형태에 따른 자화를 나타내는 도면들이다.
도 6은 자유층의 형태에 따른 열적 안정성을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 도면들이다.
도 8 및 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자의 자화 반전 방법을 나타내는 도면들이다.
도 10은 스트레인 전압 및 스위칭 전류의 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 11은 스트레인 전압에 따른 자화 용이축의 변환을 나타내는 도면이다.
도 12는 스위칭 전류의 전류 밀도 및 중복 시간에 따른 자화 반전을 나타내는 도면이다.
도 13a 내지 13c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가하지 않은 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가한 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 15 및 16은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 나타내는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 엠램 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
3차원상에서 서로 수직하는 제1 수평 방향(X), 제2 수평 방향(Y) 및 수직 방향(Z)을 이용하여 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자의 구조를 설명한다. 본 명세서에서 수직 방향(Z)은 양의 수직 방향(+Z) 및 음의 수직 방향(-Z)을 모두 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 자기 소자(magnetic device)(500)는 압전층(piezoelectric layer)(10), 자유층(free layer)(20), 비자성층(non-magnetic layer)(30) 및 고정층(pinned layer)(40)를 포함한다. 실시예에 따라서, 자기 소자(500)는 접속층(50)을 더 포함할 수 있다.
자기 소자(500)은 복수의 층들이 수직 방향(Z)으로 적층되는 적층 구조(stack structure)를 갖는다. 다시 말해, 자유층(20)은 압전층(10) 상에 수직 방향으로 적층되고, 비자성층(30)은 자유층(20) 상에 수직 방향(Z)으로 적층되고, 고정층(40)은 비자성층(30) 상에 수직 방향(Z)으로 적층된다. 접속층(50)은 압전층(10)과 자유층(20) 사이에 형성되고, 실시예에 따라서 접속층(50)은 생략될 수도 있다.
압전층(10)은 (TaSe4)2I, 다층 AlxGa1-xAs/GaAs, BaTiO3/VGCF/CPE 합성물과 같은 도전성 압전 재료 또는 다른 압전성/도전성 재료 합성물로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서 압전층(10)은 베르리나이트(AlPO4), 석영, 갈륨 오르토 인산염(GaPO4) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14)와 같은 절연 재료, 티탄산 바륨(BaTiO3), SrTiO3, 비스무쓰 페라이트(BiFeO3), 지르코늄산염 티탄산염 납(Pb[ZrxTi1-x]O3, 0<x<1), Pb2KNb5O15, 티탄산염 납(PbTiO3), 탄탈산염 리튬(LiTaO3), 텅스텐산염 나트륨(NaxWO3), 니오브산염 칼륨(KNbO3), 니오브산염 리튬(LiNbO3), 또는 Ba2NaNb5O5과 같은 페로브스카이트 또는 텅스텐-브론즈 구조를 가진 세라믹, 그리고 ZnO, AlN, 폴리비닐리덴 불화물(PVDF), 란타늄 갈륨 실리케이트, 갈륨 나트륨 타르타르산염이나 나트륨 갈륨 니오브산염(KNN)과 같은 다른 재료를 포함할 수 있다.
자유층(20) 및 고정층(40)은 예를 들어 Co, Fe, Ni 또는 이들의 합금인 NiFe, CoFe, CoNiFe, 또는 도핑된 합금인 CoX, CoNiFeX, CoFeX(X=B, Cu, Re, Ru, Rh, Hf, Pd, Pt, C)와 같은 강자성 재료, 또는 Fe3O4, CrO2, NiMnSb, PtMnSb 및 BiFeO와 같은 반금속성(half-metallic) 강자성 재료를 포함할 수 있다.
비자성층(30)은 AlxOy, MgO, AlN, SiN, CaOx, NiOx, HfxOy, TaxOy, ZrxOy, NiMnOx, MgxFy, SiC, SiO2, SiOxNy, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 자기 소자(500)는 자유층(20)과 고정층(40) 사이의 비자성층(30)이 절연성을 갖고 있는 경우 자기 접합 터널(MTJ, magnetic tunnel junction) 구조에 해당한단. 한편, 자기 소자(500)는 비자성층(30)이 도전성을 갖고 있는 경우 스핀 밸브(SV, spin valve) 구조에 해당한다.
접속층(50)은 Ta 및 W 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 접속층(50)은 압전층(10)과 자유층(20)의 적층 공정을 촉진하고 압전층(10)에서 발생된 스트레인을 자유층(20)에 효율적으로 전달할 수 있는 임의의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라서, 자유층(20)은 높은 열적 안정성을 위해 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는다. 이에 대해서는 도 2a 내지 6을 참조하여 후술한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따라서, 수직 자화의 반전시, 즉 기입 동작(write operation)시 스위칭 전류(switching current)의 감소를 위해 압전층(10)에 스트레인 전압(STPLS)이 인가된다. 상기 스위칭 전류는 음의 수직 방향(-Z)으로 흐르는 제1 기입 전류(WC1) 및 양의 수직 방향(+Z)으로 흐르는 제2 기입 전류(WC2)를 포함할 수 있다. 스위칭 동작 즉 기입 동작에 대해서는 도 8 내지 14c를 참조하여 후술한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 자유층의 수직 형태 자기 이방성을 설명하기 위한 도면들이고, 도 3은 자유층의 형태(shape)에 따른 장벽 높이를 나타내는 도면이다.
자기 터널 접합(MTJ)을 사용하는 STT-MRAM의 열적 안정성은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서 ΔT는 열적 안정성을 나타내고, kB는 볼츠만 상수(Boltzmann constant)를 나타내고, T는 온도를 나타내고 KSA는 형태 이방성(shape anisotropy)을 나타내고, KUS는 결정 이방성(crystalline anisotropy)를 나타낸다.
수학식 1에서, 형태 이방성(KSA)은 자유층의 수평 방향의 사이즈 및 수직 방향의 사이즈와 같은 형태에 의해 결정되는 값으로서 형태 이방성(KSA)이 증가할수록 열적 안정성(ΔT)이 증가한다.
도 2a에는 임의의 형태를 갖는 자유층이 도시되어 있다. 이와 같은 임의 형태의 자유층의 자기 에너지는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2에서 Es는 자기 에너지를 나타내고, μo는 진공에서의 투자율(permeability)을 나타내고, Ms는 포화 자화(saturation magnetization)를 나타내고, θ 및 φ는 자화 방향의 극 좌표들(spherical coordinates)을 나타내고, Nxx, Nyy, Nzz는 각각 제1 수평 방향(X), 제2 수평 방향(Y), 수직 방향(Z)의 자기소거 인자들을 나타낸다. mz, my 및 mz는 포화 자화(Ms)의 정규화된 각 방향별 성분들로서 mz 2+my 2+mz 2=1을 만족한다.
수학식 2의 자기 에너지(Es)를 이용하여 수학식 3으로 표현되는 장벽 높이(barrier height)를 계산할 수 있다.
[수학식 3]
Δu=Es1-Es2
수학식 3에서 Δu는 장벽 높이를 나타내고, Es1은 수직 자화(Out-of-plane magnetization)에 해당하는 자기 에너지를 나타내고, Es2는 수평 자화(in-plane magnetization)에 해당하는 자기 에너지를 나타낸다.
장벽 높이(Δu)가 음수 값인 경우는 수평 자화가 더 안정적인 경우를 나타낸다. 결과적으로 수학식 2 및 3의 계산을 통하여 자유층이 PSMA를 갖기 위한 최소 두께를 구할 수 있다. 상기 최소 두께는 자유층의 자화 방향이 수직 방향일 때의 자기 에너지(Es1)와 자유층의 자화 방향이 수직 방향과 수직한 수평 방향일 때의 자기 에너지(Es2)가 동일한 경우에 상응한다.
도 2b에는 자유층이 수직 방향(Z)에 수직한 상면 및 하면을 갖는 원통의 형태를 갖는 실시예를 나타내고, 도 3은 원통 형태의 자유층의 지름(d) 및 두께(t)에 따른 장벽 높이를 나타낸다.
자유층이 원통 형태를 갖는 경우, Nxx=Nyy를 만족하므로 수학식 2 및 3으로부터 장벽 높이(Δu)는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
결과적으로, 원통 형태의 자유층이 PSMA를 갖기 위한 최소 두께는 t_m = π1/2ㅧd/2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, t_m은 자유층의 최소 두께를 나타내고, d는 자유층의 지름을 나타낸다.
예를 들어, 자유층이 Co로 형성되는 경우, 자유층의 지름이 15nm (nanometer)인 경우 자유층의 최소 두께는 약 14nm 이고, 자유층의 지름이 20nm인 경우 자유층의 최소 두께는 약 18nm 이고, 자유층의 지름이 25nm인 경우 자유층의 최소 두께는 약 23nm이다. 자유층의 두께가 이러한 최소 두께 이상이어야 자유층은 PSMA, 즉 수직 형태 자기 이방성을 가질 수 있다.
자유층의 두께에 따른 형태 자기 이방성(shape magnetic anisotropy)의 방향을 알기 위해 마크로스핀(macrospin) 계산을 수행할 수 있다. 자화 동역학(magnetization dynamics)는 수학식 5와 같은 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식으로 유도될 수 있다.
[수학식 5]
수학식 5에서 유효 자기장(Heff)은 결정 이방성(KUS)을 배제하고 형태 이방성(KSA)만을 적용한다. 원통 형태의 자유층인 경우에 대해 마크로스핀 계산을 수행하면, d=15 nm 인 경우, t=12 및 13nm에서는 자화 방향이 수평 방향(X, Y)을 향하며, t=14 및15 nm에서는 수직 방향(Z) 향한다. 다시 말해, t
13nm인 경우 자유층은 수평 형태 자기 이방성(in-plane shape magnetic anisotropy)을 갖고 t
14nm인 경우 자유층은 수직 형태 자기 이방성(PSMA, perpendicular shape magnetic anisotropy)을 형성한다.
한편 d=20 nm 인 경우, t=16, 17nm에서는 자화 방향이 수평 방향(X, Y)을 향하며, t=18,19 nm에서는 수직 방향(Z)을 향한다. 다시 말해, t
17nm인 경우 자유층은 수평 형태 자기 이방성을 갖고, t
18nm인 경우 자유층은 PSMA를 형성한다. 이와 같은 결과는 수학식 4의 계산 결과와 일치한다.
도 4a 내지 5d는 자유층의 형태에 따른 자화를 나타내는 도면들이다.
도 4a 내지 4d는 Co 자유층의 지름이 10nm인 경우, 자유층의 두께에 따른 자화를 나타내고, 도 5a 내지 5d는 Co 자유층의 지름이 20nm인 경우, 자유층의 두께에 따른 자화를 나타낸다.
도 4a, 4b, 5a 및 5b는 자유층의 두께가 최소 두께 이하인 경우에 해당한다. 이 경우 자유층이 PSMA를 갖지 못하기 때문에 시간이 경과함에 따라서 수직 방향의 자화 성분(mz)이 유지되지 못하고 수평 자화 성분들(mx, my)이 우세해짐을 알 수 있다.
도 4c, 4d, 5c 및 5d는 자유층의 두께가 최소 두께 이상인 경우에 해당한다. 이 경우 자유층이 PSMA를 갖기 때문에 시간이 경과하더라도 자유층에 기록된 수직 방향의 자화 성분(mz)이 유지됨을 알 수 있다.
이와 같이, i-PMA는 자유층의 두께가 얇을수록 커지는 반면에 PSMA는 자유층의 두께가 두꺼워질수록 커지게 된다. 본 발명의 실시예들에 따른 PSMA를 갖는 자유층을 포함하는 자기 소자는 작은 지름에서도 높은 열적 안정성을 가지므로 자기 소자 및 이를 포함하는 집적 회로의 사이즈를 감소할 수 있다. 한편, 자유층의 두께가 지나치게 증가하면 자화의 스위칭 속도가 저하된다.
도 6은 자유층의 형태에 따른 열적 안정성을 나타내는 도면이다.
도 6에는 여러 개의 고정된 지름(d)에 대한 두께(t)의 변화에 따른 거시적인(microscopic) 열적 안정성(ΔT)이 도시되어 있다.
마크로스핀(macrospin)의 열적 안정성(ΔT)은 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
수학식 6에서, A는 자유층의 수평면(즉 XY 평면)에 의한 단면적을 나타내고, Ku는 수학식 1의 결정 이방성(KUS)을 나타낸다.
도 6에서 수평 방향의 작은 점선들(small dotted lines)은 미시자기적(micromagnetic) 접근에서 도메인 월(domain wall)이 생성되며 스위칭할 때의 열적 안정성의 점근선을 나타낸다. 이 때의 열적 안정성은 원통 형태의 자유층의 경우 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
수학식 7에서, D는 원통 형태의 자유층의 지름(d)을 나타내고, Aex는 교환 강직도 상수(exchange stiffness constant)를 나타낸다.
도 6에서의 점근선과 각 지름에 대한 열적 안정성의 추세 곡선의 교점은 자유층이 유니폼 스위칭할 때의 최대 두께에 해당한다. 예를 들면, Co 자유층인 경우, d=10nm일 때 t<19 nm, d=15nm일 때 t<25nm, d=20nm 일 때 t<31nm, 그리고, d=25nm일 때 t<36nm을 만족하면 유니폼 스위칭을 할 수 있다. 이와 같이, 자유층의 최대 두께를 제한함으로써 스위칭 속도를 향상시킬 수 있다.
이와 같은 자유층의 최대 두께 조건과 함께 전술한 최소 두께 조건을 모두 만족하는 경우, 자유층은 PSMA를 가짐과 동시에 유니폼 스위칭을 수행할 수 있다. 예를 들어, Co 자유층인 경우 d=15nm인 경우 14nm<t<25nm의 두께를 만족해야 한다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자를 나타내는 도면들이다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 자기 소자의 다양한 스택 구조들을 나타내는 것이며, 본 발명의 실시예들이 예시된 스택 구조에 한정되는 것은 아니다. 이하, 도 1과 중복되는 설명은 생략하고, 도 1의 자기 소자(500)와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 7a의 자기 소자(501)의 적층 구조는 도 1의 자기 소자(500)의 적층 순서와 반대로 적층된 구조에 해당하며 실질적으로 도 1의 자기 소자(500)와 동일한 것으로 간주될 수 있다.
도 7b의 자기 소자(502)는 도 1의 자기 소자(500)와 비교하여 반강자성층(60)을 더 포함한다. 제조 공정 상의 포스트 어닐링 후 원하는 방향으로 고정층(40)의 자화를 고정하기 위해 반강자성층(60)이 포함될 수 있다.
도 1의 자기 소자(500)와 비교하여, 도 7c의 자기 소자(503)는 1개의 계면층(70)을 더 포함하고, 도 7d의 자기 소자(504)는 2개의 계면층들(70, 80)을 더 포함한다. 계면층들(70, 80)의 자화가 자유층(20)의 자화에 강하게 결합되도록 계면층들(70, 80)의 두께는 충분히 얇을 수 있다(예를 들면, 1nm 미만).
도 1의 자기 소자(500)가 단일의 자유층(20)을 포함하는 것과 비교하여, 도 7e의 자기 소자(505)는 제1 자유층(21) 및 제2 자유층(23) 사이에 접속층(22)를 포함하는 합성 자유층(synthetic free layer)(20_1)을 갖는다. 접속층(22)은 다양한 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어 접속층(22)은 MgO/Mn, MgO/Cr, MgO/V, MgO/Ta, MgO/Pd, MgO/Pt, MgO/Ru, 및 MgO/Cu와 같은 비교적 낮은 저항-면적 곱(resistance-area product)을 갖는 MgO를 포함하는 결정성 물질들을 포함할 수 있다.
도 8 및 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자의 자화 반전 방법을 나타내는 도면들이다.
도 8을 참조하면, 스트레인 전압을 압전층에 인가하여 제1 수직 방향으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생한다(S100). 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축(easy-axis)을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향으로 변환한다(S200). 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 상기 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향의 기입 전류를 상기 자유층에 인가한다(S300).
여기서 상기 제1 수직 방향은 양의 수직 방향(+Z) 및 음의 수직 방향(-Z) 중 하나를 의미하고, 상기 제2 수직 방향은 양의 수직 방향(+Z) 및 음의 수직 방향(-Z) 중 다른 하나를 의미할 수 있다.
도 9를 참조하면, 고정층의 자화가 양의 수직 방향(+Z)인 경우, 자유층의 자화 방향이 고정층과 동일한 양의 수직 방향(+Z)이면 자기 소자는 저저항 상태(SRL)를 갖고 자유층의 자화 방향이 고정층과 반대인 음의 수직 방향(-Z)이면 자기 소자는 고저항 상태(SRH)를 갖는다.
저저항 상태(SRL)에서 고저항 상태(SRH)로 자화를 반전시키는 기입 동작을 수행하는 경우에는 스트레인 전압(STPLS)을 압전층에 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환한 상태(SQS)에서 음의 수직 방향(-Z)의 제1 기입 전류(WC1)를 자유층에 인가함으로써 자화 방향의 스위칭을 구현할 수 있다. 반면에, 고저항 상태(SRH)에서 저저항 상태(SRL)로 자화를 반전시키는 기입 동작을 수행하는 경우에는 스트레인 전압(STPLS)을 압전층에 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환한 상태(SQS)에서 양의 수직 방향(+Z)의 제2 기입 전류(WC2)를 자유층에 인가함으로써 자화 방향의 스위칭을 구현할 수 있다.
압전층의 압전 물질에 전기장을 인가하는 경우 압전층에 스트레인(strain)이 유도되고 압전층과 접합되어 있는 자유층의 자화 방향은 이러한 스트레인에 영향을 받아 자기변형 효과(magnetostriction effect)가 발생하고, 스트레인에 의해 유도된 자기 에너지(magnetic energy)(Estrain)는 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
수학식 8에서, λ는 자기변형 계수(magnetostrictive coefficient)를 나타내고, σi는 스트레인에 기인한 에너지 기여도(energy contribution)를 나타내고, δi는 수평면(XY 평면)과 자화 사이의 각을 나타낸다.
수학식 8을 통해 자성물질 평면에 가해지는 스트레인에 의해 자유층 평면내에서 에너지가 낮음을 알 수 있으며, 이는 자성층 평면 방향으로 자화를 유도한다.
초기에 스트레인 전압(STPLS)을 인가하지 않은 자유층의 자화는 제1 수직 방향에 있다. 압전층에 스트레인 전압(STPLS)을 인가해주면 inverse piezoelectric effect에 의해 자유층의 자화는 평면으로 유도된다. 스트레인 전압(STPLS)의 인가 종료와 동시에 자유층에 제2 수직 방향으로 스위칭 전류를 인가하면, 평면으로 유도된 자화는 작은 전류 밀도에 의해 쉽게 제2 수직 방향으로 반전될 수 있다. 이와 같이, PSMA 및 스트레인을 이용하면 높은 열적 안정성과 스위칭 전류의 감소를 구현할 수 있다.
도 10은 스트레인 전압 및 스위칭 전류의 동작 타이밍을 나타내는 도면이고, 도 11은 스트레인 전압에 따른 자화 용이축의 변환을 나타내는 도면이고, 도 12는 스위칭 전류의 전류 밀도 및 중복 시간에 따른 자화 반전을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 시점(t1)은 스트레인 전압(STPLS)의 인가 개시 시점을 나타내고, 제2 시점(t2)은 스위칭 전류(SC)의 인가 개시 시점을 나타내고, 제3 시점(t3)은 스트레인 전압(STPLS)의 인가 종료 시점을 나타내고, 제4 시점(t4)은 스위칭 전류(SC)의 인가 종료 시점을 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이 스트레인 전압(STPLS)의 전압 레벨이 증가할수록 자화 방향이 수직 상태(PA-state)에서 수평 상태(IP)로 90도 스위칭되는 확률(switching count)가 증가한다. 일 실시예에서, 스트레인 전압(STPLS)의 전압 레벨은 상기 확률이 최대 값으로 포화(saturation)되기 시작하는 문턱 전압(예를 들어, 도 11의 320mV) 이상으로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 시점(t2) 및 제3 시점(t3)은 일치할 수 있고, 다시 말해, 스트레인 전압(STPLS) 및 스위칭 전류(SC)의 중복 시간(OT)은 0으로 설정될 수 있다. 그러나, 도 7e를 참조하여 설명한 바와 같은 합성 자유층(synthetic free layer)(20_1)을 적용하는 경우에는 열적 변동(thermal fluctuation)으로 인하여 스트레인 전압(STPLS)를 차단 후 스위칭 전류(SC) 인가는 감소된 전류 밀도에 의해서는 확정적인 자화 반전(deterministic magnetization switching)이 발생하지 않을 수 있다.
이를 극복하기 위해 스트레인 전압(STPLS)의 인가 구간 및 스위칭 전류(SC)의 인가 구간 사이에 적절한 중복 시간(OT)를 설정할 수 있다.
도 12에는 스트레인 전압(STPLS)와 스위칭 전류(SC)의 중복 시간(OT)에 따른 자화 반전, 즉 180도 스위칭되는 확률(switching count)이 도시되어 있다. 중복 시간(OT)가 0 일 때 180도 스위칭이 거의 발생하지 않으며, 중복 시간(OT)이 시간이 증가할수록 180도 스위칭이 잘 발생함을 알 수 있다. 다시 말해서, 중복 시간(OT)이 증가할수록 낮은 전류 밀도에서 자화 반전이 용이하게 발생할 수 있다. 이와 같이, 압전체의 스트레인에 의해 유도된 자유층의 자화 용이축의 변환(즉, 90도 스위칭)을 이용한 확정적인 자화 반전(즉, 180도 스위칭)을 위해 적절한 중복 시간(OT)을 적용할 수 있다.
도 13a 내지 13c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가하지 않은 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 13a 내지 13c는 Co 자유층의 지름이 15nm인 경우를 나타낸다. PSMA를 가지는 자유층의 전류 유도 자화 스위칭(current induced magnetization switching)을 구하기 위해 마크로스핀(macrospin) 계산을 수행할 수 있다. 자유층의 자화 동역학은 수학식 5의 LLG 방정식에 스핀 토크(spin torque) 항이 추가된 수학식 9로 표현될 수 있다.
[수학식 9]
수학식 9의 J는 스위칭 전류, 즉 전술한 제1 기입 전류(WC1) 및 제2 기입 전류(WC2)의 전류 밀도를 나타낸다. PSMA를 갖는 자유층의 자화 반전을 위한 전류 밀도(J)는 자유층의 두께가 비교적 두껍기 때문에 증가할 수 있다.
도 13a에 도시된 바와 같이 J=1.0ㅧ1011 A/m2인 경우 자화 반전은 발생하지 않는다. 한편, 도 13b에 도시된 바와 같이, J=2.0ㅧ1011 A/m2인 경우 자화 반전이 발생하고, 도 13c에 도시된 바와 같이, J=2.0ㅧ1011 A/m2로 더욱 증가한 경우 자화 반전 시간이 감소됨을 알 수 있다.
이러한 자화 반전을 위한 전류 밀도를 감소하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따라서 도 8 및 9를 참조하여 설명한 바와 같이 압전체에 스트레인 전압(STPLS)을 인가함으로써 자화 반전을 위한 전류 밀도를 감소할 수 있다. 스트레인을 이용한 자화 용이축의 변환은 낮은 전류 밀도에 의해서도 자화 반전을 가능하게 한다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자에 포함되는 압전층에 스트레인 전압을 인가한 경우의 스위칭 전류의 전류 밀도에 따른 자화 반전을 나타내는 도면들이다.
도 14a 내지 14c는 Co 자유층의 지름이 15nm이고, 10ns~20ns의 시구간에서 100mV의 스트레인 전압(STPLS)을 인가한 경우를 나타낸다.
도 14a에 도시된 바와 같이, J=1.0ㅧ1011 A/m2로서 도 13a와 동일한 전류 밀도의 경우에도 자화 반전이 발생함을 알 수 있다. 도 14b의 J=5.0ㅧ1010 A/m2, 도 13c의 J=1.0ㅧ1010 A/m2의 경우와 같이 전류 밀도를 더욱 감소하여도 자화 반전 시간이 증가할 뿐 자화 반전이 발생함을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자는 PSMA를 갖는 자유층을 이용함으로써 높은 열적 안정성을 갖는다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자는 자기 소자의 수직 자화를 반전할 때 압전층에 스트레인 전압을 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환함으로써 스위칭 전류를 감소할 수 있다.
도 15 및 16은 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 장치를 나타내는 도면들이다.
도 15를 참조하면, 메모리 장치(1000)는 복수의 워드라인들(WL0~WLn), 복수의 스트레인 라인들(PL0~PLn), 복수의 비트라인들(BL0~BLm), 복수의 소스 라인들(SL0~SLn) 및 메모리 셀 어레이(310)를 포함한다. 또한, 메모리 장치(1000)는 로우 디코더(320), 로우 드라이버(321), 기입 드라이버(330), 컬럼 디코더(340), 소스 라인 전압 발생기(350), 센스 앰프(360), 컬럼 선택 회로(370) 등을 포함할 수 있다.
메모리 셀 어레이(310)는 복수의 행들과 복수의 열들의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 메모리 셀들(MC)을 포함한다. 메모리 셀들(MC)은 STT-MRAM셀로 구현될 수 있다.
복수의 워드라인들(WL0~WLn), 복수의 스트레인 라인들(PL0~PLn)과 복수의 소스 라인들(SL0~SLn)은 제1 수평 방향(X)으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 행 단위로 연결된다. 복수의 비트라인들(BL0~BLm)은 제1 수평 방향(X)과 수직한 제2 수평 방향(Y)으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 열 단위로 연결된다.
각각의 메모리 셀(MC)은, 각각의 비트라인 및 각각의 소스 라인 사이에 연결되는 자기 소자(MD) 및 셀 트랜지스터(CT)를 포함하고, 각각의 워드라인이 셀 트랜지스터(CT)의 게이트 전극에 연결된다.
자기 소자(MD는, 전술한 바와 같이, 각각의 스트레인 라인에 연결되는 압전층, 상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층, 상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층 및 상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함한다.
도 15 및 16을 참조하면, 기입 동작 및 독출 동작시 워드 라인들 중(WL0~WLn) 행 어드세스(XADD)에 상응하는 하나의 워드라인(WL)이 로우 디코더(320)에 의해 선택되고 로우 드라이버(321)에 의해 구동된다. 한편, 자화 반전을 위한 기입 동작시 선택된 하나의 워드라인(WL)에 연결된 메모리 셀들(MC)에 스트레인 전압을 인가하기 위해서, 동일한 행 어드레스(XADD)에 기초하여 하나의 선택 워드라인(WL)과 동일한 행에 상응하는 하나의 스트레스 라인(PL)이 선택되고 로우 드라이버(321)에 의해 구동된다.
소스 라인(SL)은 소스 라인 전압 생성기(350)에 연결된다. 소스 라인 전압 생성기(350)는 어드레스 신호와 독출/기입 신호를 수신하고, 이를 디코딩하여 선택된 소스 라인(SL)으로 소스 라인 전압을 인가한다. 비선택된 소스 라인들에는 접지 전압이 인가될 수 있다.
비트라인(BL)은 컬럼 선택 신호(CSL0-CSLm)에 의해 구동되는 컬럼 선택 회로(370)와 연결된다. 컬럼 선택 신호(CSL0-CSLm)는 컬럼 어드레스(YADD)에 기초하여 컬럼 디코더(340)에 의해 선택된다. 예를 들어, 선택된 컬럼 선택 신호(CSL0)는 컬럼 선택 회로(370)내 컬럼 선택 트랜지스터를 턴온시켜 비트라인(BL)을 선택한다. 독출 동작시 선택된 비트라인(BL)으로 자기 소자(MD)의 로직 상태, 즉 자기 저항 상태가 센스 앰프(360)를 통해 독출 데이터(DOUT)로서 독출될 수 있다. 또한 자화 반전을 위한 기입 동작시 선택된 비트라인(BL) 및 소스 라인(SL)의 전압차에 의한 기입 전류가 자기 소자(MD)에 인가됨으로써 기입 데이터(DIN)에 상응하는 로직 상태가 자기 소자(MD)에 프로그램될 수 있다.
전술한 바와 같이, 자기 소자(MD)에 포함되는 자유층의 두께는 자유층의 자화 방향이 수직 방향(Z)일 때의 자기 에너지와 자유층의 자화 방향이 수직 방향(Z)과 수직한 수평 방향(X, Y)일 때의 자기 에너지가 동일한 경우에 상응하는 최소 두께 이상일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자 및 상기 자기 소자를 포함하는 메모리 장치는 PSMA를 갖는 자유층을 이용함으로써 높은 열적 안정성을 갖는다.
메모리 장치(1000)는 스트레인 라인(PL)을 통하여 스트레인 전압을 자기 소자(MD)의 압전층에 인가하여 제1 수직 방향(예를 들어, +Z 방향)으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생하고, 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향(X, Y)으로 변환할 수 있다. 메모리 장치(1000)는 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 비트라인(BL)과 소스라인(SL)을 통하여 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향(예를 들어, -Z 방향)의 기입 전류를 상기 자유층에 인가할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자 및 상기 자기 소자를 포함하는 메모리 장치는 자기 소자의 수직 자화를 반전할 때 압전층에 스트레인 전압을 인가하여 자유층의 자화 용이축을 수평 방향으로 변환함으로써 스위칭 전류를 감소할 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 엠램 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 17을 참조하면, 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(AP)(1110), 통신(Connectivity)부(1120), 사용자 인터페이스(1130), 메모리 장치(MEM)(1140), 엠램 장치(MRAM)(1150) 및 파워 서플라이(1160)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)는 인터넷 브라우저, 게임, 동영상 등을 제공하는 어플리케이션들을 실행할 수 있다. 실시예에 따라, 어플리케이션 프로세서(1110)는 하나의 프로세서 코어(Single Core)를 포함하거나, 복수의 프로세서 코어들(Multi-Core)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 어플리케이션 프로세서(1110)는 내부 또는 외부에 위치한 캐시 메모리(Cache Memory)를 더 포함할 수 있다.
통신부(1120)는 외부 장치와 무선 통신 또는 유선 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(1120)는 이더넷(Ethernet) 통신, 근거리 자기장 통신(Near Field Communication; NFC), 무선 식별(Radio Frequency Identification; RFID) 통신, 이동 통신(Mobile Telecommunication), 메모리 카드 통신, 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus; USB) 통신 등을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(1120)는 베이스밴드 칩 셋(Baseband Chipset)을 포함할 수 있고, GSM, GPRS, WCDMA, HSxPA 등의 통신을 지원할 수 있다.
엠램 장치(1150)는 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 소자들을 포함하는 복수의 MRAM 셀들을 포함할 수 있다. 엠램 장치(1150)는 어플리케이션 프로세서(1110)에 의해 처리되는 데이터를 저장하거나, 동작 메모리(Working Memory)로서 작동할 수 있다.
메모리 장치(1140)는 시스템(1100)을 부팅하기 위한 부트 이미지를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1140)는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory) 또는 이와 유사한 메모리로 구현될 수 있다.
사용자 인터페이스(1150)는 키패드, 터치 스크린과 같은 하나 이상의 입력 장치, 및/또는 스피커, 디스플레이 장치와 같은 하나 이상의 출력 장치를 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1160)는 시스템(1100)의 동작 전압을 공급할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 시스템(1100)은 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Processor; CIS)를 더 포함할 수 있고, 메모리 카드(Memory Card), 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 등과 같은 저장 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 자기 소자 및 메모리 장치는 반도체 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 메모리 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 임베디드 멀티미디어 카드(eMMC, embedded multimedia card), 유니버셜 플래시 스토리지(UFS, universal flash storage), 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), MP3 플레이어, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(internet of things;) 기기, IoE(internet of everything:) 기기, e-북(e-book), VR(virtual reality) 기기, AR(augmented reality) 기기 등과 같은 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (12)
- 압전층;
상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층;
상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층; 및
상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함하는 자기 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 자유층의 두께는 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향일 때의 자기 에너지와 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향과 수직한 수평 방향일 때의 자기 에너지가 동일한 경우에 상응하는 최소 두께 이상인 것을 특징으로 하는 자기 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 자유층은 상기 수직 방향에 수직한 상면 및 하면을 갖는 원통의 형태를 갖고,
상기 자유층의 두께는 하기의 수학식에 의해 결정되는 최소 두께 이상인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
t_m = π1/2ㅧd/2
(상기 수학식에서, t_m은 상기 최소 두께, d는 상기 원통의 지름을 나타냄) - 제1 항에 있어서,
상기 자유층의 두께는 상기 자유층이 유니폼 스위칭하기 위한 최대 두께 이하인 것을 특징으로 하는 자기 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 압전층과 상기 자유층 사이에 형성되고, 탄탈럼 및 텅스텐 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 접속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자. - 제1 항에 있어서,
스트레인 전압을 압전층에 인가하여 제1 수직 방향으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생하고, 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향으로 변환하는 것을 특징으로 하는 자기 소자. - 제6 항에 있어서, 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 상기 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향의 기입 전류를 상기 자유층에 인가하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
- 복수의 행들과 복수의 열들의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 어레이;
제1 수평 방향으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 행 단위로 연결되는 복수의 워드라인들, 복수의 스트레인 라인들과 복수의 소스 라인들; 및
상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 연장되어 형성되고 상기 메모리 셀들에 열 단위로 연결되는 복수의 비트라인들을 포함하고,
상기 메모리 셀들의 각각은,
상기 비트라인 및 상기 소스 라인 사이에 연결되는 자기 소자 및 셀 트랜지스터를 포함하고, 상기 워드라인이 상기 셀 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고,
상기 자기 소자는,
각각의 상기 스트레인 라인에 연결되는 압전층;
상기 압전층 상에 수직 방향으로 적층되고 수직 자기 형태 이방성(perpendicular shape magnetic anisotropy)을 갖는 자유층;
상기 자유층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 비자성층; 및
상기 비자성층 상에 상기 수직 방향으로 적층되는 고정층을 포함하는 메모리 장치. - 제9 항에 있어서,
상기 자유층의 두께는 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향일 때의 자기 에너지와 상기 자유층의 자화 방향이 상기 수직 방향과 수직한 수평 방향일 때의 자기 에너지가 동일한 경우에 상응하는 최소 두께 이상인 것을 특징으로 하는 메모리 장치. - 제8 항에 있어서,
상기 스트레인 라인을 통하여 스트레인 전압을 상기 압전층에 인가하여 제1 수직 방향으로 자화된 자유층에 스트레인을 발생하고, 상기 스트레인에 의해 상기 자유층의 자화 용이축을 상기 제1 수직 방향에서 수평 방향으로 변환하는 것을 특징으로 하는 메모리 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 자유층의 자화 용이축을 상기 수평 방향으로 변환한 상태에서 상기 비트라인과 상기 소스라인을 통하여 상기 제1 수직 방향과 반대인 제2 수직 방향의 기입 전류를 상기 자유층에 인가하는 것을 특징으로 하는 메모리 장치. - 제8 항에 있어서,
동일한 행 어드레스에 기초하여 상기 복수의 워드라인들 중 하나의 워드라인 및 상기 복수의 스트레스 라인들 중 상기 하나의 워드라인과 동일한 행에 상응하는 하나의 스트레스 라인을 선택하는 것을 특징으로 하는 메모리 장치.
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| KR20060071955A (ko) * | 2004-12-22 | 2006-06-27 | 한국과학기술원 | 전압제어 자화반전 기록방식의 ｍｒａｍ 소자 및 이를이용한 정보의 기록 및 판독 방법 |
| KR20110079827A (ko) * | 2008-09-30 | 2011-07-08 | 마이크론 테크놀로지, 인크. | 압전 응력 재료를 포함하는 ｓｔｔ-ｍｒａｍ 셀 구조 |
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