JP2008034808A - 磁壁の移動を利用した半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁壁の移動を利用した半導体装置を提供する。
【解決手段】複数の磁区を有する磁性ワイヤーを備える半導体装置において、磁性ワイヤーは、パルス磁場及びパルス電流のうち何れか一つにより移動する磁壁を備えてノッチフリーであることを特徴とする半導体装置である。これにより、該半導体装置の磁性ワイヤーは、パルス磁場またはパルス電流の強度及び幅によって移動距離が制御される磁壁を備えるので、磁壁の移動の制御のための別途のノッチが不要である。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体装置に係り、さらに詳細には、磁性材料の磁壁の移動を利用する半導体装置に関する。

データ記録装置は、揮発性データ記録装置と不揮発性データ記録装置とに大別される。揮発性データ記録装置の場合、電源が遮断されれば、記録されたデータが全て消去されるが、不揮発性データ記録装置の場合、電源が遮断されても、記録されたデータが消去されない。

不揮発性データ記録装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及び不揮発性ＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。ＨＤＤは、読み取り／書き込みヘッドと、データが記録される回転媒体と、を備え、１００ＧＢ以上の多くのデータが保存されうる。ところが、ＨＤＤのように、回転する部分を有する記録装置は摩耗される傾向があり、動作時に故障（フェイル）が発生する可能性が大きいので、信頼性が低下する。

一方、不揮発性ＲＡＭとしては、現在広く使用されているフラッシュメモリが代表的であるが、フラッシュメモリは、読み取り／書き込みの動作速度が遅く、寿命が短いという短所がある。このようなフラッシュメモリの短所を克服するために、ＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のような新たなメモリが紹介され、これらの一部は、制限的に製品化されている。しかし、ＦＲＡＭは、セル面積の縮小が難しいので、大容量メモリとしての開発が難しく、ＭＲＡＭの場合には、書き込み電流が大きく、データ信号の区別のためのセンシング・マージンが小さいため、大容量化が難しい。ＰＲＡＭは、ＦＲＡＭ及びＭＲＡＭより微細化が比較的に容易であるが、低電力化のために、リセット電流を減少させる必要がある。また、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ及びＰＲＡＭは、何れもＨＤＤに比べてデータ記録容量が非常に少なく、かつ生産費用が高いという問題がある。

これにより、最近には、前記のような従来の不揮発性データ記録装置の問題点を克服するための方法として、磁性物質の磁壁の移動原理を利用する新たなデータ記録装置に関する研究及び開発が行われている。

まず、磁性物質の磁区及び磁壁について説明した後、それを利用したデータ記録装置について説明する。

強磁性体を構成する磁気的な微小領域を磁気区域（以下、磁区）という。このような磁区内では、電子の自転、すなわち、磁気モーメントの方向が同じである。このような磁区のサイズ及び磁化方向は、磁性材料の形状、サイズ及び外部のエネルギーにより適切に制御が可能である。

磁壁は、相異なる磁化方向を有する磁区の境界部分であり、このような磁壁は、磁性材料に印加される磁場または電流により移動する。すなわち、所定の幅及び厚さを有する磁性ワイヤー内に特定の方向を有する複数の磁区が設けられ、適切な強度を有する磁場または電流を利用して前記磁区を移動させうる。

前記磁壁の移動原理は、ＨＤＤのようなデータ記録装置に適用される。すなわち、磁性物質内に特定のデータと対応するように磁化された磁区を、読み取り／書き込みヘッドを通過するように移動させることによって、データの読み取り／書き込み動作が可能である。この場合、記録媒体を直接に回転させずとも読み取り／書き込みが可能であるので、従来のＨＤＤの摩耗及びフェイル問題が解決される。このように、磁壁の移動原理を、ＨＤＤのようなデータ記録装置に適用した一例が、特許文献１に紹介された。

また、磁壁の移動原理は、不揮発性ＲＡＭのようなメモリに適用される。すなわち、特定の方向に磁化された磁区及びこれらの境界である磁壁を有する磁性物質で、磁壁が移動することによって磁性物質内の電圧が変化する原理を利用して‘０’または‘１’のデータを書き込み及び読み取ることができる不揮発性メモリ素子を具現できる。この場合、ライン状の磁性物質内に特定の電流を流して、磁壁の位置を変化させつつデータの書き込み及び読み取りが可能であるので、非常に簡単な構造を有する高集積素子の具現が可能である。したがって、磁壁の移動原理を利用する場合、従来のＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ及びＰＲＡＭなどに比べて非常に大きい記録容量を有するメモリの製造が可能である。このように、磁壁の移動原理を、ＲＡＭのようなメモリに適用した一例は、特許文献２に紹介された。

しかし、磁壁の移動を利用した半導体装置は、未だに開発初期段階にあり、その実用化のためには、いくつかの問題点が解決されねばならない。重要な問題点の一つは、磁壁の移動の安定性と関連する。

磁壁の移動の安定性を確保するためには、一般的に、人為的なノッチが利用される。図１は、特許文献１に紹介されたものであって、ノッチが形成されたＵ字状の磁性ワイヤー１００の斜視図である。図１で説明されていない図面符号１０は、１ビットに該当する磁区を示し、図面符号１５は、磁壁を示す。図２は、特許文献２に紹介されたものであって、ノッチが形成された磁性ワイヤー２００の平面図である。図２で説明されていない図面符号２０及び２５は、それぞれ磁区及び磁壁を示す。図１及び図２に示すように、ノッチは、磁壁の所定部分に該当する磁性ワイヤー１００、２００部分の両側に形成された溝であって、移動する磁壁を安定的に停止させる役割を行う。

しかし、数十ｎｍ程度の厚さ及び幅を有する磁性ワイヤーに微細なサイズのノッチを形成することは、現実的に非常にむずかしい。さらに、微細なノッチを均一な間隔、サイズ及び形状を有するように形成することはさらに難しい。もし、ノッチの間隔、サイズ及び形状が不均一であれば、それにより、磁壁を停止させる磁場の強度、すなわち、ピンニング磁場の強度が変わるので、素子特性が不均一になる。

このように、磁壁の移動の安定性のためにノッチを利用することは、工程の容易性及び素子特性の均一性の側面で不適である。したがって、ノッチなしに磁壁を１ビット単位で安定的に移動させうる技術が要求されている。
米国特許第６,８３４,００５号明細書 韓国特許公開第１０−２００６−００１３４７６号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記問題点を改善するためのものであって、ノッチなしに磁壁の移動の安定性を確保できる半導体装置を提供するところにその目的がある。

前記技術的課題を解決するために、本発明は、複数の磁区を有する磁性ワイヤーを備える半導体装置において、前記磁性ワイヤーは、パルス磁場及びパルス電流のうち何れか一つにより移動する磁壁を備えてノッチフリーであることを特徴とする磁壁の移動を利用した半導体装置を提供する。

ここで、前記パルス磁場の強度は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続磁場の強度ほどの強度であって、１５〜２００［Ｏｅ］でありうる。

前記パルス磁場は、前記磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン持続時間を有する。

前記パルス電流の強度は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続電流の強度ほどの強度であって、１.５×１０^７〜２.０×１０^１０Ａ／ｃｍでありうる。

前記パルス電流は、前記磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン持続時間を有する。

前記磁性ワイヤーの幅は、５〜１００ｎｍでありうる。

前記磁性ワイヤーの厚さは、５〜５０ｎｍでありうる。

前記磁性ワイヤーのダンピング定数は、０.００１〜０.１でありうる。

前記磁性ワイヤーは、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つからなりうる。

本発明は、磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン維持時間を有するパルス磁場（またはパルス電流）を使用して磁性ワイヤーの磁壁を移動させることによって、ノッチなしにも磁壁を１ビット単位で正確に移動させうる。

したがって、本発明によれば、ノッチの形成による工程の困難さ及び素子特性の均一性が低下する問題点なしに、信頼性の高い磁壁移動の半導体装置を具現できる。

特に、ノッチの形成が現実的に難しく、その均一性の確保はさらに難しいということに鑑みれば、本発明は、磁壁の移動を利用した半導体装置の量産及び再現性の確保に大きく寄与できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態に係る磁壁の移動を利用した半導体装置を詳細に説明する。

後述するが、本発明は、複数の磁区を有する磁性ワイヤーを備える半導体装置において、前記磁性ワイヤーは、パルス磁場及びパルス電流のうち何れか一つにより移動する磁壁を備えてノッチフリーであることを特徴とする磁壁の移動を利用した半導体装置を提供する。まず、前記の本発明の原理、すなわち、パルス磁場またはパルス電流を使用することによってノッチフリー磁性ワイヤーの使用が可能となる本発明の原理を説明すれば、次の通りである。

本出願人は、磁場内で磁壁が移動する現象を研究するために、下記のようなシミュレーション実験を行った。

本出願人は、まず、同じダンピング定数を有し、相異なる方向に磁化された二つの磁区を備える五つのサンプルに相異なる磁場を印加しつつ磁壁の移動現象を評価した。その結果は、図３の通りである。すなわち、図３は、同じダンピング定数（α＝０.０１）を有するサンプルの磁場強度による磁化特性を示すＭ−Ｔ（Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−Ｔｉｍｅ）グラフである。このとき、前記サンプルは、バー状を有し、長手方向に沿って相互逆方向に磁化された二つの磁区を備え、そのダンピング定数αは、０.０１である。そして、サンプルに印加される磁場は、連続的な磁場であって、サンプルの長手方向のうちいずれか一方向に印加され、そのサイズは、５、１０、１５、２０、４０［Ｏｅ］である。ここで、前記ダンピング定数は、磁性物質に印加されたエネルギーの分散程度と関連した定数であって、下記のＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ方程式でαである。

前記数式１でＭは、単位体積当りの磁気モーメントの磁化量を表し、γは、回転磁気比を表し、Ｈ_ｅｆｆは、サンプルに印加された有効磁場を表し、Ｍ_ｓは、飽和磁化量を表す。

図３に示すように、印加された磁場が５［Ｏｅ］ないし１５［Ｏｅ］程度であれば、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍは、約０.５から−１.０に直線的に小さくなる傾向を表す。しかし、印加された磁場が２０［Ｏｅ］以上であれば、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍは、振動しつつ小さくなる傾向を表し、特に、印加された磁場が４０［Ｏｅ］程度であれば、Ｍ−Ｔ曲線は、ほぼ規則的に振動する傾向を表す。

また、本出願人は、ダンピング定数αの異なる二つのサンプルに同じ強度の磁場を印加しつつ、磁壁の移動現象を評価した。その結果は、図４の通りである。すなわち、図４は、相異なるダンピング定数αを有するサンプルの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。このとき、前記サンプルは、バー状を有し、長手方向に沿って相互逆方向に磁化された二つの磁区を備え、各サンプルのダンピング定数αは、０.０１５及び０.０３である。そして、サンプルに印加される磁場は、連続的な磁場であって、サンプルの長手方向のうちいずれか一方向に印加され、そのサイズは、４０［Ｏｅ］である。

図４に示すように、ダンピング定数αが０.０３であるサンプルは、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが約０.５から−１.０に直線的に小さくなる傾向を表すが、ダンピング定数αが０.０１５であるサンプルは、同じ４０［Ｏｅ］条件下でも単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが規則的に振動しつつ小さくなる傾向を表す。

すなわち、図３及び図４に示すように、印加される磁場（あるいは電流）の大きさ及びダンピング定数αの大きさによって、Ｍ−Ｔ曲線が周期的に振動する傾向を表すということが確認できる。このようなＭ−Ｔ曲線の周期的な振動は、特定の条件下で磁壁が周期的に振動しつつ移動することを意味する。

図３の部分拡大図を参照すれば、磁壁の周期的な振動は、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが小さくなる第１段階と、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍがほぼ一定に維持される第２段階と、単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが大きくなる第３段階との繰り返しである。前記第１段階は、磁壁が磁場の方向に移動する段階であり、前記第２段階は、磁壁が移動せずに停止している段階であり、前記第３段階は、磁場の逆方向に移動する段階である。

ここで、図面符号Ｐは、前記第１段階、第２段階及び第３段階が１回繰り返される磁壁の振動周期を示し、磁壁の振動周期Ｐは、印加された磁場、磁性ワイヤーのダンピング定数α及び材質によって変わりうる。例えば、ダンピング定数αが０.０１であるＮｉ_ｘＦｅ_ｙの磁壁の振動周期Ｐは、下記のような数式２により決定されうる。

ここで、Ｐの単位は、ｎｓであり、ｍは、印加された磁場の強度［Ｏｅ］である。

したがって、特定の条件下で磁性ワイヤーの磁壁は、前記の第１段階、第２段階及び第３段階のような段階を繰り返しつつ移動できる。

本発明は、前記磁壁の振動移動現象を磁壁の移動安定性の確保のために利用する。さらに具体的に説明すれば、本発明では、磁壁の移動が止まる前記第２段階で、オフ状態になるパルス磁場（またはパルス電流）を磁性ワイヤーに印加することによって磁壁を安定的に停止させる。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ連続磁場を印加した場合、及びパルス磁場を印加した場合の磁壁の移動傾向を示すＭ−Ｔ曲線であって、このときに使用されたサンプルは、図１のサンプルと同じである。そして、連続磁場及びパルス磁場の強度は２０［Ｏｅ］であり、パルス磁場の場合、前記第２段階に該当する６ｎｓの付近でオフ状態になる。

図５Ｂに示すように、前記第２段階の付近でオフ状態になるパルス磁場が印加されれば、前記第２段階以後に単位体積当りの磁気モーメント値Ｍが一定に維持されることを確認できる。これは、パルス磁場により、前記第２段階で磁壁が安定的に停止できるということを意味する。このとき、前記パルス磁場の１回印加により移動する磁壁の距離は、１ビット距離に対応しうる。一方、図５Ａに示すように、従来のように連続磁場が印加された場合、前述のように、磁場の逆方向に磁壁が移動する第３段階が表れる。

したがって、本発明の原理を利用すれば、人為的に形成されたノッチなしにも、磁壁を安定的に停止させうる。したがって、本発明の原理を適用すれば、ノッチの形成による工程の困難さなしに信頼性の高い磁壁移動の半導体装置を製造できる。

図６は、本発明の実施形態に係る磁壁の移動を利用した半導体装置の平面図である。

図６に示すように、本発明の実施形態に係る磁壁の移動を利用した半導体装置は、複数の磁区３０を有する磁性ワイヤー３００を備える半導体装置であって、ここで、前記磁性ワイヤー３００は、ノッチのないノッチフリーワイヤーであり、その磁壁３５は、パルス磁場及びパルス電流のうち何れか一つにより移動する。

ここで、前記パルス磁場の強度は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続磁場の強度ほどの強度であって、１５〜２００［Ｏｅ］でありうる。そして、前記パルス磁場は、前記磁壁の振動周期Ｐの４０〜８０％に該当する１回のオン持続時間を有する。すなわち、図５Ｂで、パルス磁場の１回オン持続時間は、４〜８ｎｓ程度でありうる。

もし、磁壁がパルス電流により移動すれば、前記パルス電流の強度は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続電流の強度ほどの強度であって、１.５×１０^７〜２.０×１０^１０Ａ／ｃｍでありうる。これは、前記パルス磁場の強度に相応する値である。そして、前記パルス電流は、前記パルス磁場と同様に、前記磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン持続時間を有する。

一方、前記磁性ワイヤーは、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つからなり、その幅Ｗ、厚さ及びダンピング定数は、それぞれ５〜１００ｎｍ、５〜５０ｎｍ及び０.００１〜０.１でありうる。

このように、本発明は、パルス磁場またはパルス電流を使用して磁壁を移動させることによって、ノッチなしでも磁壁の移動の安定性の確保された磁性ワイヤーを備える半導体装置を製造できる。

以上では多くの事項が具体的に記載されているが、これらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、本発明の半導体装置は、読み取り／書き込みヘッドをさらに備えるＨＤＤのようなストレージ装置であって、読み取り／書き込み電極をさらに備えるＲＡＭのようなメモリ素子であってもよく、場合によっては、ロジック素子であってもよいということが分かり、それぞれの場合に付加される構成要素がさらに多様化されうるということが分かるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらねばならない。

本発明は、半導体装置に関連した技術分野に好適に適用されうる。

従来の技術によるＵ字状の磁性ワイヤーの斜視図である。 他の従来の技術による磁性ワイヤーの平面図である。 同じダンピング定数を有するサンプルの磁場強度による磁化特性を示すＭ−Ｔ（Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−Ｔｉｍｅ）グラフである。 相異なるダンピング定数を有するサンプルの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。 連続磁場が印加されたときの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。 パルス磁場が印加されたときの磁化特性を示すＭ−Ｔグラフである。 本発明の実施形態に係る磁壁の移動を利用した半導体装置の平面図である。

符号の説明

３０ 磁区
３５ 磁壁
３００ 磁性ワイヤー

Claims (11)

1. 複数の磁区を有する磁性ワイヤーを備える半導体装置において、
   前記磁性ワイヤーは、パルス磁場及びパルス電流のうち何れか一つにより移動する磁壁を備えてノッチフリーであることを特徴とする磁壁の移動を利用した半導体装置。
2. 前記パルス磁場は、１５〜２００［Ｏｅ］の強度を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
3. 前記パルス磁場は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続磁場の強度ほどの強度を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
4. 前記パルス磁場は、前記磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン持続時間を有することを特徴とする請求項３に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
5. 前記パルス電流は、１.５×１０^７〜２.０×１０^１０Ａ／ｃｍの強度を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
6. 前記パルス電流は、前記磁壁を周期的に振動移動させる連続電流の強度ほどの強度を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
7. 前記パルス電流は、前記磁壁の振動周期の４０〜８０％に該当する１回オン持続時間を有することを特徴とする請求項６に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
8. 前記磁性ワイヤーは、５〜１００ｎｍの幅を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
9. 前記磁性ワイヤーは、５〜５０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
10. 前記磁性ワイヤーは、０.００１〜０.１のダンピング定数を有することを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
11. 前記磁性ワイヤーは、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ及びＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる群から選択される何れか一つからなることを特徴とする請求項１に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。

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