KR20100104413A - Magnetic memory device using perpendicular magnetic anisotopy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직 자기 이방성을 이용한 메모리 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 전류인가형 자구벽 이동 기술을 위한 다층박막 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a memory device using perpendicular magnetic anisotropy. More specifically, the present invention relates to a multilayer thin film structure for a current-applied magnetic domain wall moving technique.
본 발명에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자는 비자성층, 비자성층 사이에 형성된 제1 자성층 및 제1 자성층 사이에 형성된 제2 자성층을 포함하고, 제2 자성층의 포화자화값은 제1 자성층의 포화자화값 미만인 것을 특징으로 한다.Magnetic memory device using the perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention includes a nonmagnetic layer, a first magnetic layer formed between the nonmagnetic layer and a second magnetic layer formed between the first magnetic layer, the saturation magnetization value of the second magnetic layer is It is characterized by being less than the saturation magnetization value.
본 발명에 따르면, 기존의 Pt/Co/Pt 구조에 비해 자성층의 두께가 두꺼워지더라도 수직자성을 유지할 수 있어 낮은 전류밀도에서 자구 벽 이동이 가능하므로, 자구 이동효율을 더욱 향상 시킬 수 있다. 또한, Pt/Co/Ni/Co/Pt의 심플한 구조로 구현하여 계면 수를 최소화 함으로서 기존의 Co/Ni 다층박막 구조보다 자구 벽 이동효율을 향상 시킬 수 있다.According to the present invention, even when the thickness of the magnetic layer becomes thicker than the conventional Pt / Co / Pt structure, the vertical magnetism can be maintained, and thus, the magnetic domain wall can be moved at a low current density, and thus the magnetic domain movement efficiency can be further improved. In addition, by minimizing the number of interfaces by implementing a simple structure of Pt / Co / Ni / Co / Pt can be improved magnetic domain wall movement efficiency than the existing Co / Ni multilayer thin film structure.
Description
본 발명은 수직 자기 이방성을 이용한 메모리 소자에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 전류인가형 자구 벽 이동 기술을 위한 다층박막 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a memory device using perpendicular magnetic anisotropy. More specifically, the present invention relates to a multilayer thin film structure for a current-applied magnetic domain wall transfer technique.
IBM의 'Stuart Parkin'에 의해 처음 제기되었던 자구 벽 메모리 소자에 대한 관심이 최근 급증하고 있다. 자구 벽 메모리 소자는 기존의 하드디스크와 플래쉬 메모리의 장점을 융합한 혁신적인 차세대 메모리 소자로 주목 받고 있다. Interest in magnetic wall memory devices, first raised by IBM's Stuart Parkin, has recently increased. The magnetic domain wall memory device is attracting attention as an innovative next-generation memory device that combines the advantages of the conventional hard disk and flash memory.
도 1은 수직 자기 이방성을 이용한 자구 벽 메모리 소자의 개념적인 구성과 정보 저장 방식을 나타낸 도면이다.1 is a view showing the conceptual configuration and information storage method of the magnetic domain wall memory device using vertical magnetic anisotropy.
도 1에 도시된 바와 같이, 수직 자기 이방성을 이용한 자구 벽 메모리 소자는 수백나노미터의 폭을 가지는 수직자성 나노선에 자기 영역(magnetic domain 이하, 자구라고 함)을 이용하여 정보를 저장하고, 전류에 의한 스핀 토크(spin torque)효과를 이용하여 자구 벽을 이동시키는 방식을 취한다. As shown in FIG. 1, a magnetic domain wall memory device using vertical magnetic anisotropy stores information using magnetic domains (magnetic domains, hereinafter referred to as magnetic domains) in vertical magnetic nanowires having a width of several hundred nanometers. By using the spin torque effect by the magnetic domain walls are taken.
자구 내에서는 두 가지의 안정된 자화방향(혹은 자기 모멘트 방향, 53)이 존재하고, 자화방향에 따라 '0' 또는 '1'의 단위 비트를 부여하여 메모리 소자로 작 동하게 함으로써 정보처리가 가능하다. 이러한 경우, 비트의 값이 바뀌는 부분에서 자구의 자화방향이 서로 엇갈리게 되고 여기에 자구 벽(magnetic domain wall)(51)이 형성된다. 자구 벽(51)은 서로 다른 자화방향을 갖는 자구들의 경계 부분이고, 이러한 자구 벽은 자성 재료에 인가되는 전류 또는 외부 자기장에 의해 이동될 수 있다. 이렇게 형성된 자구 벽(51)은 정보를 구분해 주는 역할을 하게 된다. 여기서 중요한 것은 나노선에 전류를 흘려줌으로써 자구 벽 이동이 가능하므로, 정보의 손실 없이 자성 나노선상에서 정보의 위치를 이동시킬 수 있다는 것이다. 이는 자구 벽 메모리의 핵심 개념이다.In the magnetic domain, there are two stable magnetization directions (or magnetic moment directions, 53), and information processing is possible by providing unit bits of '0' or '1' according to the magnetization direction to operate as a memory element. . In this case, the magnetization directions of the magnetic domains are staggered at the portion where the bit value changes, and a
따라서, 자구 벽 메모리는 수백 나노의 크기는 초 고집적성을 확보할 수 있으고, 전류를 이용한 방식은 기존 하드디스크의 단점인 물리적인 운동이 야기하는 속도와 안정성 문제를 해결할 수 있다.Therefore, the magnetic domain wall memory can secure ultra high integration of the size of several hundred nanometers, and the current-based method can solve the speed and stability problems caused by the physical motion, which is a disadvantage of the conventional hard disk.
자구 벽 메모리 소자에 있어서 핵심적인 것은 최대한 작은 전류밀도에서 자구 벽이 이동되어야 한다는 것이다. 최근 연구결과로 수평자성 물질보다 수직자성 물질에서 더욱 작은 전류밀도로 자구 벽을 이동시킬 수 있음이 알려짐에 따라 많은 연구단들이 자구 벽 메모리에 적당한 수직자성 물질을 찾기 위해 노력하고 있다.The key to magnetic domain wall memory devices is that the magnetic domain walls must be moved at the smallest current density possible. Recent research shows that the magnetic domain walls can be moved at a smaller current density in the vertical magnetic material than in the horizontal magnetic material, and many research groups are trying to find a suitable vertical magnetic material for the magnetic domain wall memory.
수직자성에는 'wall-motion', 'stripe-growth'및 'nucleation'의 세 가지 자구 이동 패턴이 있다. 전류에 의한 자구 벽 이동을 위해서는 'wall-motion' 패턴을 유지해야 하는데, 보통 아주 얇은 자성층(1 nm 이하)에서만 'wall-motion' 패턴을 유지한다. 그러나, 자구 벽 메모리에서는 자성층이 두꺼워야 스핀 토크(spin torque) 효과가 극대화되어 작은 전류밀도에서 자구를 이동시킬 수 있다. There are three magnetic domain movement patterns in vertical magnetism: wall-motion, stripe-growth, and nucleation. In order to move the magnetic domain wall by current, it is necessary to maintain the 'wall-motion' pattern. Usually, only the very thin magnetic layer (below 1 nm) maintains the 'wall-motion' pattern. However, in the magnetic domain wall memory, the magnetic layer must be thick to maximize the spin torque effect and to move the magnetic domain at a small current density.
도 2는 수직 자기 이방성을 이용한 기존의 자구 벽 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional magnetic domain wall memory device using vertical magnetic anisotropy.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 자구 벽 메모리 소자는 Pt(혹은 Pd, 55a)/Co(57)/Pt(혹은 Pd, 55b)와 같은 가장 전형적인 구조를 갖는다. 이러한 구조는 자성층(57, Co 층)의 포화자화값(약 1400 emu/cc)이 매우 크므로 자성층(57, Co 층)이 두꺼워질 경우 Volume anisotropy가 수직자성을 방해하기 때문에 보통 1 nm 이하에서만 'wall-motion' 패턴을 보이고, 1 nm 이상이 되면 수직자성을 급격히 잃어버리게 된다. 전류에 의한 자구 벽 이동 효과는 자성층에서 이루어지기 때문에 자성층이 너무 얇으면 그 효과가 줄어들어 자구 벽을 움직이기 위해서 큰 전류밀도를 필요로 하게 된다. 자성층을 여러 층을 반복해서 쌓으면 전체 자성층이 늘어날 수는 있지만, 층간 계면 수가 늘어나면 균일한 스핀 토크 현상을 저해하는 요인이 된다. As shown in Fig. 2, the existing magnetic domain wall memory device has the most typical structure such as Pt (or Pd, 55a) / Co (57) / Pt (or Pd, 55b). This structure has a very large saturation magnetization value (about 1400 emu / cc) of the magnetic layer (57, Co layer), so when the magnetic layer (57, Co layer) becomes thick, volume anisotropy interferes with the perpendicular magnetism, so it is usually only 1 nm or less. It shows a 'wall-motion' pattern, and when it is above 1 nm, the vertical magnetism is rapidly lost. Since the magnetic domain wall movement effect by the current is made in the magnetic layer, if the magnetic layer is too thin, the effect is reduced, requiring a large current density to move the magnetic domain wall. Stacking the magnetic layers repeatedly may increase the overall magnetic layer, but increasing the number of interfacial layers may hinder uniform spin torque.
한편, 자구 벽 메모리 소자의 구조에 있어서, 최근 주목 받고 있는 Co/Ni 다층박막은 보통 아주 얇은 (Co-0.2 nm, Ni-0.4 nm) 박막을 반복해서 쌓아 자기 결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)에 의해 수직자성을 갖는다. 이러한 구조는 보통 두꺼운 버퍼층(buffer-layer)이 필요할 뿐만 아니라 층간 계면 수가 10 층 이상으로 너무 많아 자구 벽 운동에 일정한 경향성을 예측하기 어렵다. 여러 합성물질(ex; TbFeCo)의 자기 결정 이방성을 이용한 수직자성 물질에 대한 연구도 진행되어 왔다. 그러나, 대부분의 합성물질들은 보자력이 매우 크고 결정상태가 커서 균일한 스핀 토크를 전달하는데 방해가 된다.On the other hand, in the structure of magnetic domain wall memory elements, Co / Ni multilayer films, which are recently attracting attention, are usually vertically formed by magnetocrystalline anisotropy by repeatedly stacking very thin (Co-0.2 nm, Ni-0.4 nm) thin films. Have magnetism. Such a structure usually requires a thick buffer-layer, and the interlaminar interfacial number is more than 10 layers, making it difficult to predict a constant tendency for the wall movement of the domain. Research has been conducted on perpendicular magnetic materials using magnetic crystal anisotropy of various synthetic materials (ex: TbFeCo). However, most composites have very high coercive force and a large crystal state, which impedes the transmission of uniform spin torque.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 두꺼운 자성층에서도 수직자성을 유지하고, 계면 수가 최소화되도록 형성되어 전류에 의한 자구 이동 효율이 향상된 자기 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a magnetic memory device that maintains vertical magnetism even in a thick magnetic layer and is formed to minimize the number of interfaces to improve magnetic domain movement efficiency due to current.
본 발명에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자는 비자성층, 비자성층 사이에 형성된 제1 자성층 및 제1 자성층 사이에 형성된 제2 자성층을 포함하고, 제2 자성층의 포화자화값은 제1 자성층의 포화자화값 미만인 것이 바람직하다.Magnetic memory device using the perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention includes a nonmagnetic layer, a first magnetic layer formed between the nonmagnetic layer and a second magnetic layer formed between the first magnetic layer, the saturation magnetization value of the second magnetic layer is It is preferable that it is less than saturation magnetization value.
비자성층은 Pt 또는 Pd을 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the nonmagnetic layer contains Pt or Pd.
제1 자성층은 Co 또는 Co계 합금을 포함하고,The first magnetic layer includes Co or Co-based alloy,
제2 자성층은 Ni 또는 Ni계 합금을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that a 2nd magnetic layer contains Ni or Ni type alloy.
제1 자성층은,The first magnetic layer is
제2 자성층의 상부에 적층된 제1 상부 자성층 및 제2 자성층의 하부에 적층된 제1 하부 자성층을 포함하고,A first upper magnetic layer stacked on the second magnetic layer and a first lower magnetic layer stacked on the lower portion of the second magnetic layer,
비자성층은,The nonmagnetic layer is
제1 상부 자성층의 상부에 적층된 상부 비자성층 및 제1 하부 자성층의 하부에 적층된 하부 비자성층을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include an upper nonmagnetic layer laminated on the upper portion of the first upper magnetic layer and a lower nonmagnetic layer laminated on the lower portion of the first lower magnetic layer.
본 발명에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자는 Pt 또는 Pd을 포함하는 비자성층, 상기 비자성층 사이에 형성되고, Co 또는 Co계 합금을 포함하는 제1 자성층 및 상기 제1 자성층 사이에 형성되고, Ni 또는 Ni계 합금을 포함하는 제2 자성층을 포함한다.Magnetic memory device using the perpendicular magnetic anisotropy according to the present invention is formed between a nonmagnetic layer containing Pt or Pd, the nonmagnetic layer, and formed between the first magnetic layer and the first magnetic layer containing Co or Co-based alloy , A second magnetic layer comprising Ni or a Ni-based alloy.
본 발명에 따르면, 기존의 Pt/Co/Pt 구조에 비해, 자성층의 두께가 두꺼워지더라도 수직자성을 유지할 수 있어 낮은 전류밀도에서 자구 벽 이동이 가능하므로, 자구 이동효율을 향상 시킬 수 있다.According to the present invention, even when the thickness of the magnetic layer is thicker than the conventional Pt / Co / Pt structure, the vertical magnetism can be maintained, and thus the magnetic domain wall can be moved at a low current density, thereby improving the magnetic domain movement efficiency.
또한, Pt/Co/Ni/Co/Pt의 심플한 구조로 구현하여 계면 수를 최소화 함으로서 기존의 Co/Ni 다층박막 구조보다 자구 벽 이동효율을 향상 시킬 수 있다.In addition, by minimizing the number of interfaces by implementing a simple structure of Pt / Co / Ni / Co / Pt can be improved magnetic domain wall movement efficiency than the existing Co / Ni multilayer thin film structure.
이하에는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1. 구성1. Configuration
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 구성을 예시적으로 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자는 비자성층(100a, 100b), 비자성층(100a, 100b) 사이에 형성된 제1 자성층(110a, 110b) 및 제1 자성층(110a, 110b) 사이에 형성된 제2 자성층(120)을 포함한다.Referring to FIG. 3, a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention may include the first
제1 자성층(110a, 110b)은 제2 자성층(120) 상부에 적층된 제1 상부 자성층(110a) 및 제2 자성층(120) 하부에 적층된 제1 하부 자성층(110b)을 포함한다. The first
제2 자성층(120)은 제1 상부 자성층(110a) 및 제1 하부 자성층(110b)의 포화자화값 미만인 자성물질을 포함하여 형성된 것이 바람직하다. 즉, 제2 자성층(120)에 포함된 자성물질은 제1 자성층(110a, 110b)에 포함된 자성물질보다 작은 포화자화값을 갖는다. 예를 들어, 제1 상부 자성층(110a) 및 제2 상부 자성층(110b)은 Co(약 1400 emu/cc) 또는 Co계합금으로 이루어진 자성물질을 포함할 수 있으며, 제2 자성층(120)은 Co 또는 Co계 합금 물질의 포화자화값보다 작은 Ni(약 450 emu/cc) 또는 Ni계 합금으로 이루어진 자성물질을 포함할 수 있다. The second
또한, 제1 상부 자성층(110a), 제2 자성층(120) 및 제2 상부 자성층(110b)은 각각 합금 조성에 따라 포화자화값이 조절된 자성물질을 포함할 수 있다. 즉, 제2 자성층(120)에 포함된 자성물질의 포화자화값은 제1 상부 자성층(110a) 및 제2 상부 자성층(110b)에 포함된 자성물질의 포화자화값보다 작은 값을 갖도록 조성된 것일 수 있다.In addition, the first upper
이러한 자성물질로는CoFeB, Ni-Fe, Co-Ni, Co-Fe, Co-Cr, Fe-Pt 또는 Co-Fe-Ni 등의 합금이 적용 가능하다. 예를 들어, 자성물질로 CoFeB 합금을 사용할 경우에는 제2 자성층(120)에 포함된 CoFeB의 포화자화값이 제1 상부 자성층(110a) 및 제2 상부 자성층(110b)에 포함된 CoFeB의 포화자화값보다 작은 값을 갖는다.As such a magnetic material, an alloy such as CoFeB, Ni-Fe, Co-Ni, Co-Fe, Co-Cr, Fe-Pt, or Co-Fe-Ni may be applied. For example, when a CoFeB alloy is used as a magnetic material, the saturation magnetization value of CoFeB included in the second
비자성층(100a, 100b)은 제1 상부 자성층(110a)의 상부에 적층된 상부 비자성층(100a) 및 제1 하부 자성층(110b)의 하부에 적층된 하부 비자성층(100b)을 포 함한다. 상부 비자성층(100a) 및 하부 비자성층(100b)은 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 비자성층(100a, 100b)은 오스뮴(Os), 니오브(Nb), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 붕소(B), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하여 형성된 것일 수도 있다.The
2. 특성2. Characteristics
본 발명의 자기 메모리 소자의 특성에 대한 설명에 앞서, 기존의 자구 벽 메모리 소자의 특성에 대해 설명한다. Prior to the description of the characteristics of the magnetic memory element of the present invention, the characteristics of the existing magnetic domain wall memory element will be described.
수직자성에는 'wall-motion', 'stripe-growth'및 'nucleation'의 3 가지 자구 이동 패턴이 있다. 전류에 의해 자구를 이동시키기 위해서는 wall-motion 패턴을 유지해야 하는데, 보통 아주 얇은 자성층(1 nm 이하)에서만 wall-motion 패턴이 유지된다. 그러나, 자구 벽 메모리에서는 자성층이 두꺼워야 스핀 토크(spin torque) 효과가 극대화되어 작은 전류밀도로 자구를 이동시킬 수 있다. 따라서, 수직자성을 이용하는 자구 벽 메모리 소자의 구조에 있어서, 전류를 이용하여 보다 효율적으로 자구을 이동시키기 위해서는 자성층이 전체 소자에서 차지하는 비율이 커야 한다. There are three magnetic domain movement patterns in vertical magnetism: wall-motion, stripe-growth, and nucleation. In order to move the magnetic domain by the current, the wall-motion pattern must be maintained. Usually, the wall-motion pattern is maintained only in a very thin magnetic layer (1 nm or less). However, in the magnetic domain wall memory, the magnetic layer must be thick to maximize the spin torque effect and to move the magnetic domain with a small current density. Therefore, in the structure of the magnetic domain wall memory device using the perpendicular magnetism, in order to move the magnetic domain more efficiently by using the current, the ratio of the magnetic layer to the entire device must be large.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 자구 벽 메모리 소자는 Pt(55a)/Co(57)/Pt(55b)의 기본 구조를 가진다. 여기서, 자성층 즉, Co 층(57)은 포화자화값이 1400 emu/cc 정도로 매우 크기 때문에 1nm 이상의 두께로 구현할 경우 'Volume anisotropy'가 증가하여 수직자성을 잃어버리게 된다. 즉, 기존의 Pt(55a)/Co(57)/Pt(55b) 구조에서 자구 이동 시 수직자성을 유지할 수 있는 Co 층(57)의 두께는 최대 1nm가 된다는 것이다.As shown in Fig. 2, the conventional magnetic domain wall memory device has a basic structure of
자구 벽 메모리에서는 자성층이 두꺼워야 스핀 토크 효과가 극대화되고 이에 따라 작은 전류밀도로 자구를 이동시킬 수 있으나, 기존의 자구 벽 메모리 소자에서는 수직자성을 유지할 수 있는 자성층의 최대 두께가 1nm가 되므로 자구를 이동시키기 위해서는 높은 전류밀도를 필요로 하게 되고 이에 따라, 자구 이동 효율이 떨어지는 현상이 일어나게 된다.In the magnetic domain wall memory, the magnetic layer should be thick to maximize the spin torque effect and move the magnetic domain with a small current density.However, in the conventional magnetic domain wall memory device, the magnetic layer that can maintain the vertical magnetization has a maximum thickness of 1 nm. In order to move, a high current density is required, thereby causing a phenomenon in which the magnetic domain moving efficiency is lowered.
이하에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자구 벽 메모리 소자의 특성에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 자기 메모리 소자 특성에 대한 설명은 자구 벽 메모리 소자에 적용하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the characteristics of the magnetic domain wall memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention will be described in detail. Description of the characteristics of the magnetic memory device of the present invention will be described in detail by applying to the magnetic domain wall memory device.
본 발명은 상술한 기존의 자구 벽 메모리 소자에서 일어나는 현상을 최소화하기 위해 제1 자성층 사이에 제1 자성층보다 작은 포화자화값을 갖는 제2 자성층을 삽입하여 자성층의 두께를 기존보다 증가시키더라도 수직자성이 그대로 유지되도록 하여 자구 이동 효율이 향상되도록 한 것이다. 즉, 자성층의 두께를 기존보다 두껍게 형성되더라도 표면 이방성(surface anisotropy)은 그대로 유지하고 Volume anisotropy를 감소시킴으로써 자구 이동 효율을 향상시키도록 한 것이다.According to the present invention, even if the thickness of the magnetic layer is increased by inserting a second magnetic layer having a saturation magnetization value smaller than that of the first magnetic layer between the first magnetic layers to minimize the phenomenon occurring in the conventional magnetic domain wall memory device described above, It is to be maintained as it is to improve the magnetic domain movement efficiency. That is, even if the thickness of the magnetic layer is formed thicker than the conventional, the surface anisotropy is maintained and the volume anisotropy is reduced to improve the magnetic domain movement efficiency.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 구조를 예시적으로 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 상부 비자성층(100a) 및 하부 비자성층(100b)으로 는 Pt를 사용하고, 제1 상부 자성층(110a) 및 제1 하부 자성층(110b)으로는 Co를 사용하고, 제2 자성층(120)으로는 Ni을 사용하였다. 특히, 도 3은 본 발명의 Pt/Co/Ni/Co/Pt 구조에서 Ni층 즉, 제2 자성층(120)이 wall-motion 패턴으로 수직자성을 유지할 수 있는 최대 두께일 때를 나타낸 도면이다. Pt층 즉, 하부 비자성층(100b)은 제1 하부 자성층(110b)과의 계면을 깨끗하게 하기 위해 2nm 이상의 두께로 형성하였고, Co 층 즉, 제1 상부 자성층(110a) 및 제2 하부 자성층(110b) 각각은 전체 포화자화값을 낮추기 위해 약 0.3nm 정도의 두께로 최소화하여 형성하였다.As shown in FIG. 3, Pt is used as the upper
제1 상부 자성층(Pt)(110a)/제2 자성층(120)(Ni)/제2 하부 자성층(Co)(110b) 구조으로 이루어진 자성층 전체의 두께는 도 2에 도시된 기존의 자성층(Co)(57) 두께보다 4배 이상으로 두껍게 구현되었고, 상부 및 하부 비자성층(Pt)(100a, 100b)의 저항 값이 가장 크기 때문에 전류가 제1 상부 자성층(Pt)(110a), 제2 자성층(120)(Ni)과 제2 하부 자성층(Co)(110b)으로 흐르게 되어 전류에 의한 자구 이동 효과가 극대화 될 수 있다.The thickness of the entire magnetic layer including the first upper magnetic layer (Pt) 110a / the second magnetic layer 120 (Ni) / the second lower magnetic layer (Co) (110b) structure is a conventional magnetic layer (Co) shown in FIG. (57) The thickness is more than four times the thickness, and since the resistance values of the upper and lower nonmagnetic layers (Pt) 100a and 100b are the largest, the current flows in the first upper magnetic layer (Pt) 110a and the second magnetic layer ( (120) (Ni) and the second lower magnetic layer (Co) (110b) flows to be able to maximize the magnetic domain movement effect by the current.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 자성층 두께 변화에 따라 변화되는 자구 이동 패턴을 나타낸 MOKE 현미경(magneto-optic kerr effect microscope) 사진이다.FIG. 4 is a photograph of a magneto-optic kerr effect microscope (MOKE) microscope showing a pattern of magnetic domain shifting in response to a change in magnetic layer thickness of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 Pt/Co/Ni/Co/Pt 구조에서 Ni 층 즉, 제2 자성층(120)의 두께가 약 1nm 내지 4nm 정도일 경우에서는 자구와 자구 사이에 긴 벽 즉, 자구 벽이 생기면서 이동하는 wall-motion 패턴이 나타났다. 또한, Ni 층의 두께가 약 5nm 내지 6nm 정도일 경우에는 자구가 가지 모양으로 뻗어나가는 stripe-growth 패턴이 나타났다. 또한, Ni 층의 두께가 약 7nm 이상이 되면 점차 수직자성을 잃어버리면서 불규칙적으로 여러 곳에서 자구가 생기는 nucleation 패턴이 나타났다.As shown in Figure 4, according to an embodiment of the present invention, when the thickness of the Ni layer, that is, the second
따라서, 본 발명의 자기 메모리 소자는 자성층의 두께가 기존의 자성층 두께보다 4배 이상 두껍게 형성되더라도 수직자성을 그대로 유지할 수 있으므로 높은 자구 이동 효율을 갖는다.Therefore, the magnetic memory device of the present invention has high magnetic domain movement efficiency since the magnetic layer can maintain the vertical magnetism even if the thickness of the magnetic layer is four times thicker than the thickness of the existing magnetic layer.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 자구 이동 패턴(wall-motion, stripe-growth, nucleation)에 따른 수직방향 자기 이력 곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating a vertical hysteresis curve according to wall-motion, stripe-growth, and nucleation of a magnetic memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자구 벽 메모리 소자는 Pt/Co/Ni/Co/Pt 구조에서 Ni 층 즉, 제2 자성층(120)이 약 4nm 정도의 두께로 형성되더라도 자화 방향이 깨끗하게 전환되어 기존의 자구 벽 메모리 소자와 동일한 동작이 가능함을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, the magnetic domain wall memory device of the present invention has a clean magnetization direction even when the Ni layer, that is, the second
기존의 구조에는 자성층 두께가 1nm 이상이 되면, wall-motion 패턴을 잃어버렸지만, 본 발명의 메모리 구조에서는 Ni 층과 Co 층으로 이루어진 자성층의 총 두께가 약 4.6nm 정도에서도 wall-motion 패턴을 유지함으로서 전류에 의한 자구 이동효율을 극대화 시킬 수 있다. 즉, 기존의 Pt/Co/Pt 구조에 비해, 자성층의 두께가 4배 이상 두꺼워지더라도 수직자성을 유지할 수 있어 낮은 전류밀도에서 자구 벽 이동이 가능하므로, 자구 이동효율을 향상 시킬 수 있다는 것이다.In the conventional structure, when the magnetic layer thickness is 1 nm or more, the wall-motion pattern is lost. However, in the memory structure of the present invention, the wall-motion pattern is maintained even when the total thickness of the magnetic layer including the Ni layer and the Co layer is about 4.6 nm. By maximizing the magnetic domain movement efficiency by the current. That is, compared to the conventional Pt / Co / Pt structure, even if the thickness of the magnetic layer is more than four times thick, the vertical magnet can be maintained, so that the magnetic domain wall can be moved at a low current density, the magnetic domain movement efficiency can be improved.
또한, Pt/Co/Ni/Co/Pt의 심플한 구조로 구현하여 계면 수를 최소화 함으로서 기존의 Co/Ni 다층박막 구조보다 자구 벽 이동효율을 향상 시킬 수 있다.In addition, by minimizing the number of interfaces by implementing a simple structure of Pt / Co / Ni / Co / Pt can be improved magnetic domain wall movement efficiency than the existing Co / Ni multilayer thin film structure.
이상, 본 발명은 자구 벽 메모리 소자에 적용하여 상세히 설명하였으나, 이에 한정하지 않고, 수직 자기 이방성을 이용하는 모든 자기 메모리 소자 등에 적용할 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 수직 자기 이방성을 이용한 자구 메모리 소자에 대한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail by applying to magnetic domain wall memory devices, it is to be understood that the present invention is not limited thereto and may be applied to all magnetic memory devices using vertical magnetic anisotropy. Therefore, the embodiments of the magnetic domain memory device using the perpendicular magnetic anisotropy described above are illustrative in all respects and should not be considered as limiting, and the scope of the present invention is defined by the following claims rather than the detailed description. It should be construed that all changes or modifications shown and derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present invention.
도 1은 수직 자기 이방성을 이용한 자구 벽 메모리 소자의 구성와 정보 저장 방식을 개념적으로 나타낸 도면.1 is a diagram conceptually illustrating a configuration of a magnetic domain wall memory device using vertical magnetic anisotropy and a method of storing information;
도 2는 기존의 수직 자기 이방성을 이용한 자구 벽 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view showing the structure of a magnetic domain wall memory device using the conventional perpendicular magnetic anisotropy.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 구성을 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 자성층 두께 변화에 따라 변화되는 자구 이동 패턴을 나타낸 MOKE 현미경(magneto-optic kerr effect microscope) 사진.FIG. 4 is a photograph of a magneto-optic kerr effect microscope (MOKE) microscope showing a pattern of magnetic domain shifting in response to a change in magnetic layer thickness of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 자기 이방성을 이용한 자기 메모리 소자의 자구 이동 패턴(wall-motion, stripe-growth, nucleation)에 따른 수직방향 자기 이력 곡선을 나타낸 그래프.FIG. 5 is a graph illustrating vertical hysteresis curves according to wall-motion, stripe-growth, and nucleation of a magnetic memory device using vertical magnetic anisotropy according to an embodiment of the present invention.
******** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **************** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ********
100a: 상부 비자성층100a: upper nonmagnetic layer
100b: 하부 비자성층100b: lower nonmagnetic layer
110a: 제1 상부 자성층110a: first upper magnetic layer
110b: 제1 하부 자성층110b: first lower magnetic layer
120: 제2 자성층120: second magnetic layer
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