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磁壁の移動を利用した半導体装置
説明

磁壁の移動を利用した半導体装置

【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】磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置であって、磁性物質膜は、ダンピング定数が0.015〜0.1であることを特徴とする半導体装置である。前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金である。前記非磁性物質は、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される少なくとも何れか一つである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
不揮発性データ記録装置は、HDD(Hard Disk Drive)や不揮発性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する媒体とを備え、100GB以上の多くのデータが記録されうる。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高いので、信頼性が低下する。
【0004】
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/書き込み動作速度が遅く、かつ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た。しかし、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、かつ生産コストが高いという問題がある。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
強磁性体を構成する磁気的な微小領域を磁気区域(Magnetic Domain;以下、磁区という)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されうる。
【0008】
磁壁は、相異なる磁化方向を有する磁区の境界部分であって、このような磁壁は、磁性材料に印加される電流または外部磁場により移動されうる。
【0009】
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うる。すなわち、磁性物質内に特定データと対応され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。したがって、従来のHDDの摩耗及びフェイルの問題が解決される。このように、磁壁の移動原理を、HDDのように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。
【0010】
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うる。すなわち、特定の方向に磁化された磁区及びそ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な記録容量を有するメモリの製造が可能である。
【0011】
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、磁壁の移動速度と関連する。磁壁の移動速度が遅い場合、十分に速い読み取り/書き込みの速度が得られない。磁性物質内の磁壁は、印加された電流または磁場で高速かつ安定的に移動されねばならない。ところが、未だに磁壁の移動速度と関連した物理的現象が理論的に明確に理解されておらず、磁壁の移動速度の改善に困難さが増している。
【特許文献1】米国特許第6,834,005B1号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
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、磁壁の移動速度を改善して読み取り/書き込み速度などを改善可能にした磁壁の移動を利用した半導体装置を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記技術的課題を解決するために、本発明は、磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置において、前記磁性物質膜は、ダンピング定数が少なくとも0.015であることを特徴とする半導体装置を提供する。前記磁性物質膜のダンピング定数は、0.015〜0.1でありうる。
【0014】
ここで、前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金でありうる。
【0015】
前記磁性物質膜は、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の磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であって、このとき、前記Ni−Feは、Ni80Fe20(permalloy:Py)でありうる。
【0016】
前記非磁性物質は、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される少なくとも何れか一つの物質でありうる。
【0017】
前記非磁性物質は、0.5〜10原子%が含まれうる。
【0018】
前記磁性物質膜は、Co、CoFe、CoNi及びCoFeNiからなる群から選択される何れか一つでありうる。
【0019】
前記磁性物質膜の下部に非磁性シード膜がさらに備えられうる。
【0020】
前記非磁性シード膜は、Cu、Os、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される何れか一つからなりうる。
【0021】
前記非磁性シード膜は、30〜300Åの厚さを有しうる。
【0022】
前記磁性物質膜の上部に非磁性キャッピング膜がさらに備えられうる。
【0023】
前記非磁性キャッピング膜は、Cu、Os、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される何れか一つからなりうる。
【0024】
前記非磁性キャッピング膜は、30〜300Åの厚さを有しうる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、磁壁の移動原理を利用する半導体装置の磁性物質膜として、ダンピング定数が少なくとも0.015以上である物質を使用して磁壁の移動速度を大きく上昇させうる。
【0026】
したがって、本発明は、磁壁の移動原理が利用されうる半導体装置、例えば、HDDのようなデータ記録装置、不揮発性RAMのようなメモリ素子または論理回路素子などで磁壁の移動を高速かつ安定的に進ませることによって、その動作速度を著しく改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施例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。
【0028】
まず、本発明の理論的な原理を説明すれば、次の通りである。
【0029】
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い、これにより磁壁の移動を妨害する原因を探し、磁壁の移動速度を改善できる原理を見出した。
【0030】
本出願人は、まず、同じダンピング定数を有し、相異なる方向の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1の通りである。このとき、前記サンプルは、バー状を有し、長手方向によ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は0.01である。そして、サンプルに印加される磁場は、サンプルの長手方向のうち何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。
【0031】
図1に示すように、印加された磁場が5[Oe]から15[Oe]に大きくなることによって、単位体積当りの磁気モーメント値(magnetization:M)が−1.0に収斂される速度が速くなる傾向を表す。これは、印加された磁場が5[Oe]から15[Oe]に大きくなることによって磁壁の移動速度が速くなり、磁化が速く進むということを意味する。しかし、印加された磁場が20[Oe]以上になれば、曲線は大きく振動し、単位体積当りの磁気モーメント値Mが−1.0に収斂される速度が著しく遅くなる。印加された磁場が20[Oe]である場合、単位体積当りの磁気モーメント値Mが−1.0に収斂されるのに約20nsの時間がかかり、印加された磁場が40[Oe]である場合、単位体積当りの磁気モーメント値Mが−1.0に収斂される時間は、20nsよりはるかに長い。このように、20[Oe]以上の磁場内で磁化速度が遅い理由は、磁壁が振動するためである。すなわち、印加された磁場が特定の値以上に大きくなれば、磁壁の振動効果が発生して、磁壁の移動速度が遅くなる。
【0032】
本出願人は、このような磁壁の移動速度の低下の原因を探すために、ダンピング定数が異なる複数のサンプルに磁場を印加しつつ、それらの磁化速度を評価した。その結果は、図2Aないし図2Cの通りである。サンプルの基本形態及び磁場の方向は、前記図1で説明したサンプルと同じであり、サンプルのそれぞれのダンピング定数及び印加された磁場条件はグラフ内に表記されている。
【0033】
図2Aに示すように、印加された磁場が15[Oe]となって同じである場合、ダンピング定数が0.01であるサンプルより、ダンピング定数が0.015であるサンプルの磁化速度が若干速いということが確認できる。単位体積当りの磁気モーメント値Mが−1.0に近づく部分であるA領域での曲線の微小振動も、ダンピング定数が0.015であるサンプルでさらに少ない。
【0034】
図2Bに示すように、印加された磁場が20[Oe]となって同じである場合、ダンピング定数が0.01であるサンプルの磁化速度は20nsである一方、ダンピング定数が0.015であるサンプルの磁化速度は7〜8ns程度であることが確認できる。すなわち、ダンピング定数が0.01から0.015に大きくなることによって、磁化曲線の振動が著しく低減し、磁壁の移動速度が著しく上昇したことが分かる。
【0035】
図2Cに示すように、印加された磁場が40[Oe]となって同じである場合、ダンピング定数が0.01から0.015を経て0.02に大きくなることによって、磁化速度が次第に速くなるが、これまで磁化曲線の振動がほとんどそのまま維持される。しかし、ダンピング定数が0.03であるサンプルの場合、印加された磁場が40[Oe]であるとしても、磁化曲線の振動がほとんど発生せず、磁化速度が、図2Aでのそれと類似したレベルで非常に速くなることが確認できる。この場合、磁壁の振動現象はほとんど発生しない。
【0036】
図1及び図2Aないし図2Cの結果から、磁壁の移動は、磁壁の振動効果により妨害され、このような磁壁の振動効果は、磁性物質のダンピング定数を大きくすることによって解消されうるということが分かる。
【0037】
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(数式1)でαである。
【0038】
【数1】

【0039】
前記数式1でMは、単位体積当りの磁気モーメントである磁化量を表し、γは、回転磁気比を表し、Heffは、サンプルに印加された有効磁場を表し、Mは、飽和磁化量を表す。
【0040】
数式1でのダンピング定数αの増加は、本出願人の実験から証明されたように、サンプルに印加された磁場によるエネルギーをよく分散させて、磁壁の磁気的共振を低減させる役割を行う。すなわち、ダンピング定数αが大きいほど、磁壁の振動効果が低減されて、磁化速度が速くなる。
【0041】
したがって、本発明では、磁壁の移動を利用する半導体装置のための磁性物質膜として、ダンピング定数が少なくとも0.015以上、さらに具体的には、ダンピング定数が0.015〜0.1である磁性物質膜を使用することによって磁壁の振動効果を低減させる。これにより、磁壁の移動が高速かつ安定的に進みうる。したがって、本発明は、磁壁の移動を利用した半導体装置の動作速度を著しく改善できる。このような磁壁の移動を利用した半導体装置は、HDDのようなデータ記録装置であってもよく、不揮発性RAMのようなメモリ素子であってもよく、論理回路素子であってもよい。
【0042】
一方、本発明では、磁性物質膜のダンピング定数を大きくすることができる方法として、次の3つ方法を提案する。
【0043】
第一に、磁性物質膜として、磁性物質内に非磁性物質の含まれた合金を使用することによって、そのダンピング定数を0.015以上に大きくすることができる。ここで、前記磁性物質は、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の磁性物質であってもよく、前記非磁性物質は、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される少なくとも何れか一つの物質であってもよい。そして、前記非磁性物質は、0.5〜10原子%が含まれうる。
【0044】
磁性物質Ni80Fe20の場合、Osの含量が増加することによって、ダンピング定数αは大きくなる。
【0045】
第二に、磁性物質膜の下部または上部のうち、少なくとも何れか一面に非磁性物質膜を備えさせることによって、そのダンピング定数を0.015以上に大きくすることができる。このとき、磁性物質膜の下部に備えられる非磁性物質膜は、非磁性シード膜であって、上部に備えられる非磁性物質膜は、非磁性キャッピング膜と称しうる。前記非磁性シード膜または非磁性キャッピング膜は、Cu、Os、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される何れか一つからなり、30〜300Åの厚さを有しうる。
【0046】
Pyからなる磁性物質膜に、非磁性シード膜及び非磁性キャッピング膜が両方とも備えられたN−Py−N構造で、非磁性物質膜(前記非磁性シード膜及び/または前記非磁性キャッピング膜)が厚くなるにつれて、前記磁性物質膜のダンピング定数αは大きくなる。ここで、Nは、Pt、Pd、TaまたはCuからなる非磁性物質膜である。すなわち、磁性物質膜の上下部に備えられる非磁性物質膜は、ダンピング定数αを大きくする役割を行う。
【0047】
第三に、本質的にダンピング定数が0.015より大きい磁性物質膜、例えば、Co、CoFe、CoNiまたはCoFeNiのような磁性物質膜を使用することによって、本発明で目的とする磁壁の移動速度を改善できる。この場合、磁性物質膜内に非磁性物質を含有させたり、磁性物質膜の上下部に非磁性物質膜を別途に備えずとも、磁壁の移動速度の改善による半導体装置の動作速度の改善効果が得られる。しかし、第一及び第二の方法を付加的に使用することによってさらに大きいダンピング定数が得られ、本発明の効果を極大化させうる。
【0048】
図3は、本発明の一実施例に係る磁壁の移動を利用する半導体装置の部分断面図であって、図面符号10、20及び30は、それぞれ非磁性シード膜、磁性物質膜及び非磁性キャッピング膜を表す。ここで、前記磁性物質膜20は、ダンピング定数が0.015〜0.1であり、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、ZnまたはAgのような非磁性物質を含みうる。一方、前記非磁性シード膜10及び非磁性キャッピング膜30は、選択的な構成要素である。
【0049】
以上では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、望ましい実施例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、本発明で提案した大きいダンピング定数を有する磁性物質膜が、HDDのようなデータ記録装置、RAMのようなメモリ素子、ロジック回路素子を備える多様な半導体装置に活用されうるということが理解でき、場合によっては、磁性物質膜の種類及び磁性物質膜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理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施例によって決まらず、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。
【産業上の利用可能性】
【0050】
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。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】固定されたダンピング定数を有するサンプルの磁場変化による磁化特性を示すM−T(Magnetization−Time)グラフである。
【図2A】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すM−Tグラフである。
【図2B】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すM−Tグラフである。
【図2C】ダンピング定数及び磁場変化によるサンプルの磁化特性を示すM−Tグラフである。
【図3】本発明の一実施例に係る磁壁の移動を利用する半導体装置の部分断面図である。
【符号の説明】
【0052】
10 非磁性シード膜
20 磁性物質膜
30 非磁性キャッピング膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁壁を移動させうる磁性物質膜を備える半導体装置において、
前記磁性物質膜は、ダンピング定数が少なくとも0.015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。
【請求項2】
前記磁性物質膜は、磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であ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。
【請求項3】
前記非磁性物質は、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項2に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項4】
前記非磁性物質は、0.5〜10原子%が含まれていることを特徴とする請求項2に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項5】
前記磁性物質膜は、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の磁性物質内に非磁性物質が含まれた合金であ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。
【請求項6】
前記Ni−Feは、Ni80Fe20であることを特徴とする請求項5に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項7】
前記非磁性物質は、Os、Nb、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAgからなる群から選択される少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項5に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項8】
前記非磁性物質は、0.5〜10原子%が含まれたことを特徴とする請求項5に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項9】
前記磁性物質膜は、Co、CoFe、CoNi及びCoFeNiからなる群から選択される何れか一つであ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。
【請求項10】
前記磁性物質膜の下部に非磁性シード膜がさらに備えられた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。
【請求項11】
前記非磁性シード膜は、Cu、Os、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAg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10に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項12】
前記非磁性シード膜は、30〜300Åの厚さを有することを特徴とする請求項10に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項13】
前記磁性物質膜の上部に非磁性キャッピング膜がさらに備えられたことを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。
【請求項14】
前記非磁性キャッピング膜は、Cu、Os、Ru、Rh、Ta、Pt、Zr、Ti、Pd、B、Zn及びAg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13に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項15】
前記非磁性キャッピング膜は、30〜300Åの厚さを有することを特徴とする請求項13に記載の磁壁の移動を利用した半導体装置。
【請求項16】
前記磁性物質膜のダンピング定数は、0.1以下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。

【図1】
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【図2A】
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【図2B】
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【図2C】
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【図3】
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【公開番号】特開2008−21976(P2008−21976A)
【公開日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−147340(P2007−147340)
【出願日】平成19年6月1日(2007.6.1)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.FRAM
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【Fターム(参考)】