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성능/효과
- 합성형 자유층 구조는 기존의 단일층 구조의 자유층과는 달리 강자성/비자성/강자성의 3층막 형태의 구조를 갖는 형태로 반전전류 저감 효과와 함께 자유층의 열적안정성을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다. Tohoku 대의 Ohno 교수 그룹은 CoFeB과 반강자성 교환결합(synthetic antiferromagnetic coupling)을 하고 있는 CoFeB/Ru/CoFeB을 자유층에 도입함으로써 이 구조가 반전전류 저감 및 열적안정성 향상에 유리한 구조라는 실험 결과를 발표하였다. Fig.
- 2002년, 일본의 Canon그룹은 수직자기이방성 물질로 잘 알려진 TbFeCo, GdFeCo를 자유층과 고정층으로 사용하여 자기터널 접합을 제작하고, 자기저항비 55 %을 획득하였다[23]. 또한 MFM(magnetic force microscope)을 통해 수직자기 터널접합에서 다자구 현상이나 볼텍스(vortex)와 같은 자화 비틀림 현상이 없다는 것을 확인하였다(Fig. 8). 하지만 자기장에 의한 자화반전 방식의 MRAM에서는 구조적으로 수직한 방향의 자기장을 발생시키기 어렵다는 근본적인 문제가 있어 채택이 되지 못하였으나, 2006년 Hitachi Global Storage Technologies(HGST)와 프랑스 국립과학연구소(CNRS) 연구진은 수직자기이방성 재료를 사용한 스핀 밸브(spin valve) 구조에서 최초로 전류구동 자화반전 실험에 성공하며, 수직자기 소자의 반전전류가 일반적인 수평자기 소자에서의 자화 반전 거동인 식 (1)과는 달리 다음과 같은 거동을 보이는 것에 착안을 두고 반전전류가 감소할 수 있음을 제시하였다[24].
- 본 연구팀에서는 최초로 기존의 CoFeB과 신물질인 연자성의 NiFeSiB을 자유층에 사용하여 보다 기존보다 낮은 포화자화값을 갖으면서 높은 자기저항비와 낮은 저항을 갖는 연구결과를 얻었다[13].
- 위의 식에서 알 수 있듯이, 자화반전전류의 크기는 기록되는 자유층의 크기에 비례한다. 즉, 자유층의 크기가 작아질수록 자화반전 전류가 감소하여, 기존의 자기장 구동 방식에 비해 기록밀도 측면에서 매우 유리한 방식을 제공한다. 또한, 수평 자화를 갖는 구조에서 이방성 자기장은 2πMS에 비하여 매우 작기 때문에, 반전전류의 크기는 포화자화 값의 제곱에 비례한다고 할 수 있다.
후속연구
- 다만 수직자기 소자는 현재까지 100 % 미만의 자기저항비를 나타내고 있어 이에 대한 해결책이 제시되어야 하며, 자기터널접합 cell의 크기가 작아질수록 지나치게 큰 수직자기이방성 에너지가 오히려 반전전류의 증가시켜 적절한 재료 상수를 갖는 재료 개발이 필요하다.
- 이러한 시도는 매우 고무적인 결과로 120×240 nm2 크기의 소자에서 0.13 mA의 반전전류(전류밀도(Jc) 1.0×106A/cm2에 해당)를 기록하여 지금까지 보고된 자기터널접합의 반전전류 가운데 가장 낮은 값을 나타내었지만 자기저항비가 70 %에 머물고 있어 개선이 필요로 하며, 두 개의 MgO 터널배리어 사이에서의 자유층의 구조 변화에 대한 추가적인 규명이 필요하다.
- 차세대 메모리 시장을 선점하기 위해 세계 각국의 회사와 연구 그룹들은 엄청난 비용과 노력을 투자하고 있다. 특히 대한민국의 주력 산업인 메모리 산업이 차세대 메모리의 등장 이후에도 주도권을 유지하려면 MRAM에 대한 집중적인 연구투자와 산학연의 긴밀한 협력으로 연구 개발에 박차를 가해야 할 것이다.
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