[보고서]자성메모리의 방사선 영향 평가 및 내방사선 소재 개발

박병국

자성메모리의 방사선 영향 평가 및 내방사선 소재 개발
Study on radiation effects on magnetic random access memories and develop radiation-resistive materials 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology
연구책임자	박병국
참여연구자	류정춘 , 박준영 , 김정목 , 강민구 , 최종국
보고서유형	1단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2020-04
과제시작연도	2019
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202100020707
과제고유번호	1711092393
사업명	방사선기술개발사업(R&D)
DB 구축일자	2022-04-02
키워드	방사선.자성메모리.우주산업.자기터널접합.총 이온화 선량.Radiation.Magnetic memory.Aerospace application.Magnetic tunnel junction.Total ionization dose (TID)effect.

초록 ▼

● 1차년도 (2017년): 자성메모리 소자(자기터널접합, 수직자화소자) 제조 및 특성 평가, 감마선 조사 및 총이온화선량(TID) 효과에 대한 신뢰성 평가
- 수직자화소자 및 자기터널접합 소자 제조
- 수직자화소자에 대한 감마선 조사에 대한 내방사성 특성 평가
● 2차년도 (2018년): 자성메모리 소자(자기터널접합, 수직자화소자)의 감마선/양성자빔/중이온 빔 조사에 대한 신뢰성 평가
- 자기터널접합에 대한 감마선 조사에 대한 내방사성 확인
- 수직자화소자 및 자기터널접합에 대한 20MeV 양성자 빔 조사에 대한 내방사성 특성 평가
- 수직자화소자 및 수직 자기터널접합에 대한 20~100keV 중이온빔 조사에 의한 특성 평가
- SRIM 시뮬레이션 프로그램을 이용한 양성자/이온 빔 효과 해석
● 3차년도 (2019년): 내방사선 특성의 자성메모리 소재 개발
- 자기터널접합에 대한 감마선 조사에 대한 내방사성 확인
- 고에너지 방사선 입자 (양성자 빔 및 중이온 빔)에 대한 수직자화소자 및 자기터널접합의 내방사성 특성 평가
- 수직자화소자에 대한 20~100keV 중이온빔 조사에 의한 특성 열화 확인
- 중이온 빔에 의한 열화를 완화시키는 보호층 삽입에 대한 연구

(출처 : 보고서 요약서 4p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
A. 1^st year (2017)
○ Manufacturing and characterization of magnetic memory devices (magnetic tunnel junction, vertical magnetization devices), Radiation of gamma ray and reliability test
- Manufacturing vertical magnetization device [W/CoFeB/MgO, Ta/CoFeB/MgO, Ta/Pt/Co/AlOx] and measuring magnetic property[hysteresis loop, coercivity, saturated magnetic moment]
- Fabrication of ferromagne/insulator/ferromagnet magnetic tunnel juction (MTJ) device [CoFeB/MgO/CoFeB] which performs 180% of magnetic tunnel resistance
- Experiment of radiation hardness of vertical magnetization (W based, Ta/Pt based. Ta based vertical magnetization) device for gamma irradiation (from 20kGy to 80kGy)
- Radiation hardness evaluation on vertical magnetization device in terms of perpendicular magnetic anisotropy, thermal stability and Harmonic SOT evaluation

B. 2^nd year (2018)
○ Reliability evaluation of magnetic memory devices on gamma ray, proton beam, and heavy ion beam Irradiation.
- Evaluation of radiation hardness of vertical magnetization devices and MTJ devices after irradiating 20MeV proton beam irradiation(10¹²~10¹⁴ cm^-2)
- Evaluation of radiation hardness of vertical magnetization devices and MTJ devices after irradiating gamma ray
- Evaluation of radiation hardness of vertical magnetization device and MTJ devices for heayy ion (Cr, Cu) beam irradiation (10¹³~10¹⁵ cm^-2)
- Heavy ion beam effect analysis using simulation program (SRIM)

C. 3^rd year (2019)
○ Development of MRAM material with radiation hardness
- Reliability evaluation of single event effects (SEE) of magnetic memory devices for gamma ray radiation
- Reliability evaluation of magnetic/electric property for high energy proton beam (480 MeV, Canada, TRIUMF beam line) and heavy ion(15 MeV, USA, Texas A&M beam line)
- Degradation of vertical magnetization device by 20~100keV heavy ion (Cu) beam irradiation (up to 1×10¹⁴ cm^-3) (Spin-orbit torque)
- Confirmation of the effect of protective layer insertion, as a method of mitigating degradation caused by heavy ion beam irradiation

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 5
SUMMARY ... 8
CONTENTS ... 12
목차 ... 13
제1장 연구개발과제의 개요 ... 15
가. 제안과제 핵심기술 정의 ... 15
나. 내방사선 메모리 개발의 필요성 ... 17
제2장 국내외 기술개발 현황 ... 19
가. 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 19
나. 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 22
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
가. 연구수행 내용 및 결과 (요약) ... 26
나. 연구수행 내용 및 결과 ... 32
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 89
제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 93
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 95
제7장 연구장비의 구축 및 활용 결과 ... 98
제8장 참고문헌 ... 99
끝페이지 ... 100

표/그림 (63)

표 연구개발 개요
표 이중게이트 MOSFET의 감마선 조사 특성
표 양성자 조사를 이용한 자성특성 제어
표 우주개발 중장기 계획
표 알파선 영향에 대한 전산모사
표 방사선 조사 실험의 FinFet 소자 구조 사진
표 MJT 구조 및 중성자 조사 실험 장치
표 우주산업 경제규모
표 MRAM 시장 전망
표 수직자기이방성이 확보된 NM/FM/I 구조의 자기장 인가 방향에 따른 자화곡선 (a)수직, (b)수평 자기장
표 NM/FM/I 구조의자기장 인가 방향에 따른 자화곡선 (a)수직자기장, (b)350도 열처리, 수직자기장, (c)350도 열처리, 수평자기장
표 인가 전류 크기에 따른 Harmonic SOT 홀 전압 (a)V1ω , (b)V2ω (H║y), (c)V2ω(H║x)
표 면방향의 자기이방성을 갖는 다층박막의 열처리 온도에 따른 자화곡선 (a) 하부 CoFeB(5), (b) 하부 CoFeB(10)
표 면방향의 자기이방성을 갖는 MTJ 소자의 열처리 온도에 의한 TMR의 변화
표 감마선 피폭량에 따른 수직 자성 전극 소자의 자성 특성 변화 (a)수직자화곡선, (b)홀 전압
표 감마선 피폭량에 따른 수직 자성 전극 소자의 SOT 특성 변화 (a)인가 전류 크기 의존성, (b)감마선 피폭량 의존성
표 감마선 조사(30, 50, 80 kGy) 이후에 (a)면방향 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화 (b)(a)의 자기이력곡선으로부터 추출된 포화자화값과 보자력 및 교환결합바이어스의 크기 (c)수직 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화 (d)(c)의 자기이력곡선으로부터 추출된 포화 자화값과 보자력의 크기 변화
표 20 MeV의 에너지를 가진 양성자 빔 조사(1012 cm-2, 1013 cm-2, 1014 cm-2) 이후에 수직자화구조의 자기이력곡선의 변화 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm), (d)조사량에 따른 각 수직자화구조의 포화자화값의 크기 변화
표 20 MeV의 에너지를 가진 양성자 빔 조사(1012 cm-2, 1013 cm-2, 1014 cm-2) 이후에 (a)면방향 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화 (b)(a)의 자기이력곡선으로부터 추출된 포화자화 값과 보자력 및 교환결합바이어스의 크기 (c)수직 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화 (d)(c)의 자기이력곡선으로부터 추출된 포화자화값과 보자력의 크기 변화
표 양성자 조사(1012 cm-2, 1013 cm-2, 1014 cm-2)이후의 비정상 홀 효과의 변화 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm)
표 스핀-오빗 토크를 이용한 자화 반전의 개략도 [Y.W Oh et al., Nature Nanotech. (2016)]
표 양성자 조사(1012cm-2, 1013cm-2, 1014cm-2)이후의 스핀 오빗 토크를 이용한 자화 반전에 필요한 전류의 변화 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm)
표 면방향 자기터널접합의 개략도
표 20 MeV의 양성자가 조사된 면방향 자기터널접합에서 측정된 터널자기저항 (TMR)의 조사량에 따른 변화. 검은색 선은 동일 소자에서 조사 전에 측정된 결과이고 빨간색 선은 조사 후 측정된 결과임. (a)1012 cm-2 (b)1013 cm-2 (c)1014 cm-2
표 20 keV의 크롬 이온 조사(1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 5×1013 cm-2)이 후의 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm), (d)조사량에 따른 각 수직자화구조의 포화자화값의 크기 변화
표 20 keV의 구리 이온 조사(1013 cm-2, 1014 cm-2, 1015 cm-2)이후의 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm), (d)조사량에 따른 각 수직자화구조의 포화자화값의 크기 변화
표 20 keV의 구리 이온 조사(1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 5×1013 cm-2) 이후의 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm), (d)조사량에 따른 각 수직자화구조의 포화자화 값의 크기 변화
표 20 keV, 50 keV, 100 keV의 구리 이온 조사(5×1013 cm-2)이후의 (a)W(4 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (b)Ta(5 nm)/CoFeB(1.1 nm)/MgO(1.6 nm)/Ta(2 nm), (c)Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0.8 nm)/AlOx(2 nm), (d)조사 에너지에 따른 각 수직자화구조의 포화자화값의 크기 변화
표 20 keV의 에너지를 가진 크롬 이온 빔 조사(1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 5×1013 cm-2) 이후에 (a)수직 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화 (b)(a)의 자기이력곡선으로부터 추출된 각 자성층의 포화자화값과 보자력의 크기 변화
표 면방향 자기터널접합의 구리 이온 조사 이후의 자기이력곡선 변화 (a)(b)20 keV의 에너지로 (1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 5×1013 cm-2)양만큼 조사되었을 때의 변화 (c)(d)20 keV, 50 keV, 100 keV의 에너지를 가지고 5×1013 cm-2의 양만큼 조사되었을 때의 변화
표 수직 자기터널접합의 구리 이온 조사 이후의 자기이력곡선 변화 (a)(b)20 keV의 에너지로 (1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 5×1013 cm-2)양만큼 조사되었을 때의 변화 (c)(d)20 keV, 50 keV, 100 keV의 에너지를 가지고 5×1013 cm-2의 양만큼 조사되었을 때의 변화
표 20 keV의 크롬 이온이 조사된 수직 자기터널접합에서 측정된 터널자기저항 (TMR)의 조사량에 따른 변화. 검은색 선은 동일 소자에서 조사 전에 측정된 결과이고 빨간색 선은 조사 후 측정된 결과임. (a)1×1013 cm-2 (b)5×1013 cm-2
표 면방향 자기터널접합 구조에 20 MeV의 양성자 빔이 조사되었을 때 자기터널접합 구조가 입는 데미지 (a)자기터널접합구조 (b)실리콘 기판
표 자기터널접합 구조에 이온 빔이 조사되었을 때 자기터널접합 구조가 입는 데미지 (a) 수직 자기터널접합 구조에 크롬 이온빔이 조사된 경우 조사량에 따른 변화 (b) 면방향 자기터널접합 구조에 구리 이온빔이 조사된 경우 조사 에너지에 따른 변화
표 보호층 삽입에 따른 데미지 경감 및 입사 에너지 증가에 따른 침투 깊이의 변화 (a) 50 nm 두께의 루테늄 보호층에 20, 50, 100 keV의 크롬 이온으로부터 받는 데미지 (b) 20 MeV의 크롬 이온이 침투하는 루테늄 보호층의 깊이와 그 동안 발생하는 데미지
표 면방향 자기터널접합에 60Co에서 방사된 감마선을 30kGy, 50kGy, 80kGy 만큼 조사 이후의 터널자기저항 변화
표 면방향 자기터널접합에 20 keV의 에너지로 (1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 1×1014 cm-2)양만큼 크롬 이온빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 면방향 자기터널접합에 20 keV의 에너지로 (1×1013 cm-2, 3×1013 cm-2, 1×1014 cm-2)양만큼 크롬 이온빔 조사 이후의 터널자기저항 변화
표 (a)수직(적색) 및 면방향(흑색) 자기터널접합에 20keV, 1×1014 cm-2 양의 크롬 이온이 조사되었을 때 계산된 데미지 (b)각 자기터널접합의 터널막 및 그 인근의 자성층에 발생한 평균 데미지
표 면방향 자기터널접합에 50, 100, 200 keV의 에너지로 1×1014 cm-2 양만큼 양이온 빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 면방향 자기터널접합에 50, 100, 200 keV의 에너지로 1×1014 cm-2 양만큼 양성자 빔 조사 이후의 터널자기저항 변화
표 (a)Ta/Pt/Co/AlOx (b)Ta/CoFeB/MgO/Ta (c)W/CoFeB/MgO/Ta 수직자화소자에 480 MeV의 에너지로 (1×109 cm-2, 1×1010 cm-2, 1×1011 cm-2, 1×1012 cm-2)양만큼 양성자 빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 (a)면방향 및 (b)수직 자기터널접합에 480 MeV의 에너지로 (1×109 cm-2, 1×1010 cm-2, 1×1011 cm-2, 1×1012 cm-2)양만큼 양성자 빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 (a)면방향 및 (b)수직 자기터널접합에 480 MeV의 에너지로 (1×109 cm-2, 1×1010 cm-2, 1×1011 cm-2, 1×1012 cm-2)양만큼 양성자 빔 조사 이후의 터널자기저항 변화
표 (a)Ta/Pt/Co/AlOx (b)Ta/CoFeB/MgO/Ta (c)W/CoFeB/MgO/Ta 수직자화소자에 15 MeV의 에너지로 (3×107 cm-2, 1×108 cm-2, 3×108 cm-2, 1×109 cm-2)양만큼 He 이온 빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 (a)면방향 및 (b)수직 자기터널접합에 15 MeV의 에너지로 (3×107 cm-2, 1×108 cm-2, 3×108 cm-2, 1×109 cm-2)양만큼 He 이온 빔 조사 이후의 자기이력곡선 변화
표 (a)면방향 및 (b)수직 자기터널접합에 15 MeV의 에너지로 (3×107 cm-2, 1×108 cm-2, 3×108 cm-2, 1×109 cm-2)양만큼 He 이온 빔 조사 이후의 터널자기저항 변화
표 (a) 기존의 수직자화소자의 구조 (b) 스핀-오빗 토크 측정을 위해 반전된 수직자화소자의 구조
표 20keV의 구리 이온이 1×1014 cm-2 양으로 조사된다고 가정했을 때, 상단에 쌓인 MgO의 두께에 따라 스핀-오빗 토크의 근원 물질 및 자성층에 발생하는 데미지 계산 결과
표 Ta/MgO/CoFeB/W/MgO/Ta 구조에서 20keV의 구리 이온이 3×1013 cm-2(적색), 1×1014 cm-2(청색), 3×1014 cm-2(녹색)양으로 조사되었을 때, W 두께[(a) 2.5nm (b) 3nm (c) 3.5nm (d) 4nm (e) 5nm] 및 MgO 두께(15nm, 17.5nm, 20nm)에 따른 자기이력곡선의 변화
표 Ta/MgO/CoFeB/W/MgO/Ta 구조에서 20keV의 구리 이온이 조사되었을 때, 각 W 두께[(a) 2.5nm (b) 3nm (c) 3.5nm (d) 4nm (e) 5nm]에서 MgO 두께(15nm, 17.5nm, 20nm)에 따른 포화자화값 및 보자력의 도즈량에 따른 변화
표 Ta/MgO/CoFeB/W/MgO/Ta 구조에서 20keV의 구리 이온이 조사되었을 때, 각 MgO 두께[(a,d)15nm, (b,e)17.5nm, (c,f)20nm]에서 W 두께 (2.5nm, 3nm, 3.5nm, 4nm, 5nm)에 따른 포화자화값 및 보자력의 도즈량에 따른 변화
표 스핀-홀 자기저항(SMR; Spin Hall MagnetoResistance)을 나타내는 식
표 스핀-홀 자기저항의 측정을 위해 인가되는 전류(x축)와 자기장(zy 평면)의 모식도
표 20keV의 구리 이온 빔 (3×1013 cm-2(녹색), 1×1014 cm-2(청색), 3×1014 cm-2(적색)) 조사 전(흑색)후에 MgO 두께에 따른 스핀-홀 자기저항의 변화
표 20keV의 구리 이온 빔 (3×1013 cm-2(녹색), 1×1014 cm-2(청색), 3×1014 cm-2(적색)) 조사 전(흑색)후에 W 두께에 따른 스핀-홀 자기저항의 변화
표 20keV의 구리 이온 빔 조사 전후에 (a) W 두께 (b) 도즈량 (c) MgO 두께에 따른 스핀-홀 자기저항의 변화
표 20keV 구리 이온의 조사에 대해 Ru 보호층을 5~100nm 삽입하였을 때 터널막 근처에 발생하는 데미지 비교
표 상단 Ru 보호층의 두께 (a) 5nm, (b) 20nm, (c) 50nm, (d) 100nm에 따라 20keV~100keV의 구리 이온 빔이 1×1014 cm-2 양으로 조사되었을 때의 자기이력곡선의 변화
표 상단 Ru 보호층의 두께 (a) 5nm, (b) 20nm, (c) 50nm, (d) 100nm에 따라 20keV~100keV의 구리 이온 빔이 1×1015 cm-2 양으로 조사되었을 때의 면방향 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화
표 (a)1×1014 cm-2 (b)1×1015 cm-2 양의 구리 이온 빔이 20~100keV로 조사되었을 때, Ru 보호층의 두께에 따른 면방향 자기터널접합의 포화자화값, 보자력, 교환결합 바이어스의 변화
표 상단 Ru 보호층의 두께 (a) 5nm, (b) 20nm, (c) 50nm에 따라 20keV~100keV의 구리 이온 빔이 1×1015 cm-2 양으로 조사되었을 때의 수직 자기터널접합의 자기이력곡선의 변화
표 1×1015 cm-2 양의 구리 이온 빔이 20~100keV로 조사되었을 때, Ru 보호층의 두께에 따른 수직 자기터널접합의 포화자화값, 보자력의 변화 (a)(c) 상부 자성층, (b)(d) 하부 자성층

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