JP5305627B2

JP5305627B2 - 磁区壁移動を利用したメモリ装置

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Publication number: JP5305627B2
Application number: JP2007239834A
Authority: JP
Inventors: 志慶林; 恩植金; 成▲チュル▼ 李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: US20080068881A1; KR100790885B1; JP2008091901A; EP1901305B1; US7652906B2; EP1901305A2; EP1901305A3; CN101145597A; CN101145597B

Description

本発明は、メモリ装置に係り、さらに詳細には、磁性材料の磁区壁移動を誘導して情報を記録、保存及び消去しうる磁区壁移動を利用したメモリ装置に関する。

情報産業の発達によって、大容量の情報処理が要求されるにつれて、高容量の情報を保存可能な情報記録媒体に関する需要が増加し続けている。需要の増加によって、情報記録速度が速く、かつ小型の情報記録媒体に関する研究が進められており、結果的に多様な種類のメモリ装置が開発された。一般的に、情報記録媒体として広く使われるＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）は、読み取り／書き込みヘッド及び情報が記録された回転する媒体を含んでおり、１００ＧＢ以上の高容量情報が保存される。しかし、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、動作時に不具合の発生する可能性が大きいため、信頼性が低下するという短所がある。

最近では、磁性物質の磁区壁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なされている。

図１Ａないし図１Ｃは、磁区壁移動原理を示す図面である。図１Ａを参照すれば、第１磁区１１、第２磁区１２、及び第１磁区１１と第２磁区１２との境界の磁区壁１３を備える磁性ワイヤが開示されている。

一般的に、磁性体を構成する磁気的な微小領域を磁区という。磁区内では、電子のスピン、すなわち、磁気モーメントの方向が同じ特徴を有している。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って適切に制御される。磁区壁は、異なる磁化方向を有する磁区の境界部分を表す。このような磁区壁は、磁性材料に印加される磁場または電流によって移動する特徴がある。

図１Ａに示したように、所定の幅及び厚さを有する磁性層内に、特定方向を有する多数の磁区を作った後、外部から磁場または電流を印加した場合、磁区壁を移動させうる。
図１Ｂを参照すれば、第２磁区１２から第１磁区１１方向に外部から磁場を加えれば、磁区壁１３は、第２磁区１２から第１磁区１１方向、すなわち、外部磁場の印加方向と同じ方向に移動するということが分かる。同じ原理で、第１磁区１１から第２磁区１２方向に磁場を印加する場合、磁区壁１３は、第１磁区１１から第２磁区１２方向に移動する。

図１Ｃを参照すれば、第１磁区１１から第２磁区１２方向に外部から電流を印加すれば、磁区壁１３は、第２磁区１２から第１磁区１１方向に移動する。電流を印加する場合、電子は、逆方向に流れ、磁区壁１３は、電子の移動方向に共に移動する。すなわち、磁区壁は、外部電流の印加方向と逆方向に移動するということが分かる。同じ原理で第２磁区１２から第１磁区１１方向に電流を印加する場合、磁区壁１３は、第１磁区１１から第２磁区１２方向に移動する。

結果的に、磁区壁は、外部磁場や電流の印加を通じて移動し、これは、直ちに、磁区の移動を意味する。

磁区壁移動原理は、ＨＤＤや不揮発性ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のようなメモリ装置に適用される。すなわち、特定方向に磁化した磁区及びそれらの境界である磁区壁を有する磁性物質で磁区壁が移動するにつれ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’のデータが書き込み／読み取り可能な不揮発性メモリ素子を具現しうる。この場合、ライン状の磁性物質内に特定電流を流して磁区壁の位置を変化させつつ、データが書き込み／読み取り可能であるため、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、磁区壁移動原理を利用する場合、従来のＦＲＡＭ（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＲＡＭ）、ＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲＡＭ）及びＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅＲＡＭ）に比べて、非常に大きい保存容量を有するメモリの製造が可能である。しかし、磁区壁移動を利用したメモリ装置は、まだ開発初期段階にあり、総じて情報保存密度が低いという短所がある。したがって、高密度の最適化された構造を有する磁区壁移動を利用したメモリ装置が要求される。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来の技術の問題点を改善するためのものであって、高い情報保存密度を有し、かつ簡単な構造を有する磁区壁移動を利用したメモリ装置を提供することである。

前記課題を達成するために、磁区壁移動を利用したメモリ装置において、磁性物質を含み、第１方向に形成された第１トラックと、前記第１トラック上に形成された中間層と、前記中間層上に第２方向に形成され、磁性物質を含む第２トラックと、を備える磁区壁移動を利用したメモリ装置を提供する。

本発明において、前記第１方向及び前記第２方向は、相互平行、直交または交差する方向であることを特徴とする。

本発明において、前記第１トラック及び前記第２トラックは、多層構造に形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記第１トラック及び前記第２トラックは、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数値を有する磁性物質で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記第１トラック及び前記第２トラックは、垂直磁気異方性を有する物質で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記第１トラック及び前記第２トラックは、ＣｏＰｔまたはＦｅＰｔのうち少なくとも何れか一物質を含んで形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記第１トラック及び前記第２トラックは、１ないし１００ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記中間層は、多層構造に形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記中間層は、１０^２ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数を有する磁性物質で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記中間層は、１０ないし１００ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記中間層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏまたはそれらのうち少なくとも何れか一物質を含む合金物質で形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、次のような長所がある。

第一に、メモリ装置の駆動時、ＨＤＤとは異なり、機構的に移動または接触させずとも、情報の記録及び再生が可能であり、機構的摩耗がなく、モバイル用として使用でき、超小型化が可能であり、テラビット／ｉｎ^２の高密度のメモリ装置を提供しうる。

第二に、構造が非常に簡単であるので、量産及び再現性の確保に有利である。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を詳細に説明する。図面に示した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張している。

本発明では、一つ以上の磁区を備える第１トラックと磁性物質で形成された第２トラック、及び前記第１トラックと前記第２トラックとの間に形成された中間層を備えるメモリ装置を提供する。

図２は、本発明の第１実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。

図２を参照すれば、第１方向に形成された第１トラック２１と第２方向に形成された第２トラック２３及び、第１トラック２１と第２トラック２３との間に形成された中間層２２を備える構造のメモリ装置が示されている。図２に開示された実施形態の場合、第１トラック２１と第２トラック２３とが相互平行に形成されており、これを平行型という。本発明において、第１トラック２１は、その機能的に、書き込み用トラックに該当し、第２トラック２３は、情報保存用トラックに該当する。

第１トラック２１及び第２トラック２３は、情報保存密度を高めるために、高い磁気異方性特性を有する物質を使用して形成させる。磁気異方性定数は、１０^５Ｊ／ｍ^３以上の物質を使用し、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数を有する物質（ＨＩＧＨＫ）を使用することが望ましい。このような物質を具体的に挙げれば、垂直磁化特性を有するＣｏＰｔ、ＦｅＰｔまたはこれらを含む合金物質がある。第１トラック２１及び第２トラック２３は、単層または多層構造に形成され、１ないし１００ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。

中間層２２は、第１トラック２１及び第２トラック２３より低い磁気異方性定数を有する物質（ＬＯＷＫ）で形成される。中間層２２の磁気異方性定数は、１０^３Ｊ／ｍ^３以下の物質で形成させ、１０^２ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数を有する物質で形成されることが望ましい。具体的には、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏまたはこれらのうち少なくとも何れか一つの物質を含む物質で形成される。中間層２２の厚さは、１０ｎｍ以上に形成され、１０ないし１００ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。

図３は、本発明の第２実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。

図３を参照すれば、第１方向に形成された第１トラック３１と第２方向に形成された第２トラック３３及び、第１トラック３１と第２トラック３３との間に形成された中間層３２を備える構造のメモリ装置が開示されている。図３に開示された構造の場合、第１トラック３１及び第２トラック３３が相互垂直方向に形成されており、これを直交型という。

図３に示したメモリ装置の場合、図２と比較すれば、第１トラック３１と第２トラック３３の形成方向に差があるが、各トラックの構成物質と中間層３２の構成物質は、図２に示した第１実施形態の物質をそのまま使用して形成しうる。

図４は、本発明の第３実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。

図４を参照すれば、第１方向に形成された第１トラック４１と第２方向に形成された第２トラック４３及び、第１トラック４１と第２トラック４３との間に形成された中間層４２を備える。図４に開示された情報保存トラックの場合、第１トラック４１と第２トラック４３とが交差する方向に形成されており、このような構造を交差型という。

図４に示したメモリ装置の場合、図３に示したメモリ装置と比較すれば、第２トラック４３が中間層４２と接する領域の両側に何れも形成されているということが分かる。

図２、図３及び図４では、第１トラック及び第２トラックの形成方向によるメモリ装置を示しており、これは、本発明の実施形態によるメモリ装置のトラックは、使用環境によって適切にその方向を調節して構成しうることを意味する。第１トラック及び第２トラックの方向を任意に設定でき、多数の磁区を有するワイヤ状に形成しうる。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の第４実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。第１方向に形成された第１トラック５１上に多層構造の中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃが形成されており、中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃ上には、第２方向に形成された第２トラック５３が形成されている。第１トラック５１、第２トラック５３及び中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、本願の第１実施形態で使用した物質と同じ物質を使用して形成しうる。図５Ａ及び図５Ｂを参照すれば、中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃが多層構造に形成されているということが分かる。中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、前述したように、磁気異方性定数は、１０^３Ｊ／ｍ^３以下の物質で形成させ、１０^２ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数を有する物質で形成されることが望ましい。例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏまたはこれらのうち少なくとも何れか一つの物質を含んで形成される。

図５Ａ及び図５Ｂの場合、中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃの磁化方向が逆であるということが分かる。図５Ａの場合、第２トラック５３の磁区を中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃを経て第１トラック５１に移動させたものであって、第１トラック５１から第２トラック５３方向に電流を印加したものである。一方、図５Ｂでは、第１トラック５１の磁区を中間層５２ａ，５２ｂ，５２ｃを経て第２トラック５３方向に移動させたものであって、これは、第２トラック５３から第１トラック５１方向に電流を印加したものである。

以下、本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を図６Ａないし図６Ｈを参照して詳細に説明する。

図６Ａを参照すれば、第１トラック６１と第２トラック６３とが相互平行に形成されており、第１トラック６１と第２トラック６３との間には、中間層６２が形成されている。ここで、第１トラック６１は、書き込みトラックの役割を行い、第２トラックは、情報保存トラックの役割を行う。第２トラック６３の左側端部には、伝導性物質で形成された第１導電線Ｅ１が形成されており、第１トラック６１の左側端部には、第２導電線Ｅ２が形成されており、右側端部には、第３導電線Ｅ３が形成されている。第１トラック６１には、磁化方向が上向きである磁区領域Ａ１及び磁化方向が下向きである磁区領域Ａ２が形成されている。第２トラック６３の場合、磁化方向が何れも上向きに形成されている。磁化方向が下向きである場合を“０”に設定し、磁化方向が上向きである場合を“１”に設定する場合、第２トラック６３に磁化方向が下向きである“０”の情報を保存する方法を説明すれば、次の通りである。

図６Ｂを参照すれば、まず第１トラック６１の両側端部の第２導電線Ｅ２及び第３導電線Ｅ３を通じて電流を供給する。

図６Ｃを参照すれば、第２導電線Ｅ２から第３導電線Ｅ３方向に電流を流れるようにすれば、磁区壁は、電流の方向と逆に移動する。磁区壁は、電子の移動方向によって共に移動するので、電流の方向と逆に移動する。したがって、第２導電線Ｅ２方向に磁区壁が移動する。結果的に、第１トラック６１の磁区Ａ１の領域は減少し、磁区Ａ２の領域は増加する。磁区Ａ２が中間層６２の下部に位置すれば、中間層６２は、磁区Ａ２の影響を受けて磁区領域Ａ２と同じ磁化方向を有する。

図６Ｄを参照すれば、第１トラック３３の左側端部の第２導電線Ｅ２を、ＯＦＦに設定し、第２トラック３１の左側端部の第１導電線Ｅ１をＯＮに設定する。そして、第１導電線Ｅ１及び第３導電線Ｅ３を通じて電流が流れるようにする。電流の流れる方向を第１導電線Ｅ１から第３導電線Ｅ３方向に設定すれば、中間層６２を通じて磁化方向が下向きである磁区Ａ２が第２トラック６３に拡張されて第２トラック６３の左側方向に磁化方向が下向きである磁区Ａ３が拡張される。結果的に、第２トラック６３に磁化方向が下向きである磁区Ａ３が発生し、“０”の情報が保存される。

図６Ｅを参照すれば、磁区Ａ３を第２トラック６３の左側方向に移動するように第３導電線Ｅ３から第１導電線Ｅ１方向に電流を流れるようにする。

次いで、“０”の情報を第２トラック６３に記録した後、磁化方向が上向きである磁区領域、すなわち“１”の情報を第２トラック６３に記録する過程を説明する。

図６Ｆを参照すれば、第１導電線Ｅ１をＯＦＦに設定し、第２導電線Ｅ２及び第３導電線Ｅ３をＯＮに設定して電流を流れるようにする。

図６Ｇを参照すれば、第３導電線Ｅ３から第２導電線Ｅ２方向に電流が流れるようにする。第３導電線Ｅ３から第２導電線Ｅ２方向に電流が流れれば、電子は、第２導電線Ｅ２から第３導電線Ｅ３方向に移動する。したがって、磁化方向が上向きである磁区Ａ１と磁化方向が下向きである磁区Ａ２との境界である磁区壁は、第１トラック６１の右側方向に移動する。磁区Ａ１と磁区Ａ２との間の磁区壁が中間層６２と対応する領域を通過するまで電流を印加する。磁区Ａ１が中間層６２と接触するので、中間層６２は、第１トラック６１の磁区Ａ１と同じ上向きの磁化方向を有する。

図６Ｈを参照すれば、第１導電線Ｅ１及び第２導電線Ｅ２をＯＮに設定し、第３導電線Ｅ３をＯＦＦに設定する。第１導電線Ｅ１から第２導電線Ｅ２方向に電流を流せば、電子は、第２導電線Ｅ２から第１導電線Ｅ１方向に移動する。したがって、中間層６２を通じて、第２トラック６３には、磁化方向が上向きである磁区Ａ４が拡張される。結果的に、第２トラック６３には、磁化方向が下向きである磁区Ａ３の右側に磁化方向が下向きである磁区Ａ４が位置する。したがって、“０”の情報領域の右側に“１”の情報領域が発生する。

そして、情報の再生方法を概略的に説明すれば、次の通りである。第１トラック６１の下向きに磁気抵抗センサー（図示せず）を位置させ、第１トラック６１の右側の第３導電線Ｅ３及び第２トラック６３の第１導電線Ｅ１を通じて電流を印加して、第２トラック６３の磁区を第１トラック６１の右側に移動させる。第１トラック６１の下向きに位置した磁気抵抗センサーは、移動する磁区の磁化方向による抵抗値が変わり、この抵抗値を測定することによって磁化方向を読み取られる。もちろん、磁気抵抗センサーの形成位置は、選択的に調節可能である。

前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、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であると解釈されたい。例えば、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もあり、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もあり、場合によっては、論理素子として使われることもある。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定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されるものである。

本発明は、ＨＤＤや不揮発性ＲＡＭのようなメモリ装置関連の技術分野に適用される。

磁区壁移動に関する基本原理を示す図面である。磁区壁移動に関する基本原理を示す図面である。磁区壁移動に関する基本原理を示す図面である。本発明の第１実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。本発明の第２実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。本発明の第３実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面である。本発明の第４実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面であって、書き込みトラックの磁化方向によって軟磁性中間層のスピン方向が変化することを示す図面である。本発明の第４実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置を示す図面であって、書き込みトラックの磁化方向によって軟磁性中間層のスピン方向が変化することを示す図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。本発明の実施形態による磁区壁移動を利用したメモリ装置の情報記録方法を説明するための図面である。

符号の説明

１１第１磁区
１２第２磁区
１３磁区壁
２１，３１，４１，５１，６１第１トラック
２２，３２，４２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，６２中間層
２３，３３，４３，５３，６３第２トラック

Claims

磁区壁移動を利用したメモリ装置において、
磁性物質を含み、第１方向に形成された第１トラックと、
前記第１トラック上に形成された中間層と、
前記中間層上に第２方向に形成され、磁性物質を含む第２トラックと、を備え、
前記第１方向及び前記第２方向は、相互平行、直交または交差する方向であり、
前記第１トラックと前記中間層と前記第２トラックとに磁区壁を有し、前記中間層は前記第１トラック及び前記第２トラックより低い磁気異方性定数を有する物質（ＬＯＷＫ）で形成される
ことを特徴とする磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記第１トラック及び前記第２トラックは、多層構造に形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記第１トラック及び前記第２トラックは、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数値を有する磁性物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記第１トラック及び前記第２トラックは、垂直磁気異方性を有する物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記第１トラック及び前記第２トラックは、ＣｏＰｔまたはＦｅＰｔのうち少なくとも何れか一物質を含んで形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記第１トラック及び前記第２トラックは、１ないし１００ｎｍの厚さに形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記中間層は、多層構造に形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記中間層は、１０^２ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性定数を有する磁性物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記中間層は、１０ないし１００ｎｍの厚さに形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。
前記中間層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏまたはこれらのうち少なくとも何れか一物質を含む合金物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁区壁移動を利用したメモリ装置。