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Kafe 바로가기주관연구기관 | 연세대학교 Yonsei University |
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연구책임자 | 홍종일 |
참여연구자 | 정지원 , 이현우 , 박승영 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-07 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO202200007057 |
과제고유번호 | 1711058707 |
사업명 | 전자정보디바이스산업원천기술개발 |
DB 구축일자 | 2022-09-03 |
키워드 | 자성메모리.자기터널접합.반금속.식각.스핀-궤도 결합.스핀스위칭. |
3. 개발결과 요약
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
수직자기이방성 반금속(고스핀분극) 강자성층으로 구성된 자기터널접합 단위 소자의 소재기술 및 식각기술을 확보하며 스핀-궤도 결합 현상을 보조로 이용하여 스핀을 스위칭시키는 기구를 연구, 그 구조기술을 확보함으로써 고성능 MRAM 개발에 필요한 핵심기술을 개발함.
□ 개발내용 및 결과
1. 수직자기이방성 반금속(고스핀분극) 강자성층 개발
⦁ 강자성 금속, 비자성 산화물 씨앗층 및 lamination 구조를 이용하여 수직 자기이방성을 갖는 2.2 nm 이하의 Co
□ 최종목표
수직자기이방성 반금속(고스핀분극) 강자성층으로 구성된 자기터널접합 단위 소자의 소재기술 및 식각기술을 확보하며 스핀-궤도 결합 현상을 보조로 이용하여 스핀을 스위칭시키는 기구를 연구, 그 구조기술을 확보함으로써 고성능 MRAM 개발에 필요한 핵심기술을 개발함.
□ 개발내용 및 결과
1. 수직자기이방성 반금속(고스핀분극) 강자성층 개발
⦁ 강자성 금속, 비자성 산화물 씨앗층 및 lamination 구조를 이용하여 수직 자기이방성을 갖는 2.2 nm 이하의 Co2MnSi 강자성층을 개발함. 100% 상분율을 갖는 B2 규칙상 및 Keff=1×106 J/m3 크기의 수직자기이방성을 확보함.
⦁ 반금속(고스핀분극) 스핀 전자구조를 띠는 수직자기이방성 CoFeB/MgO 구조를 개발함. 2.0 nm 이하의 CoFeB과 MgO 사이에 원자단위의 Mg 삽입층을 이용한 계면제어 기술을 적용하여 계면에서의 산소양을 조절하였으며 Keff=2×105 J/m3 크기의 수직자기이방성을 확보함.
2. 100×100 nm2 이하의 자기터널접합 단위소자 개발
⦁ 수직자기이방성 고스핀분극 CoFeB 강자성층을 사용하는 100 nm급 자기 터널접합 단위소자를 제작하여 터널자기저항비 203%, 스핀분극률 71% 특성을 확보함.
3. 70×70 nm2 크기의 자기터널접합 식각공정 개발
⦁ Pulsed plasma를 이용한 새로운 식각공정을 적용하여 15 nm/min의 식각속도와 4.8의 식각선택도 특성을 확보함.
⦁ 측면 재증착 없이 84°의 식각경사를 갖는 자기터널접합을 성공적으로 제작함.
4. 스핀-궤도 결합을 이용하는 스위칭 기술
⦁ 스핀의존성 전·자기장, 스핀 전류 생성 모델, 스핀 홀 상수 등의 요인에 따른 스핀-궤도 토크 원리에 대하여 이론적으로 규명함.
⦁ 전계를 가해주어 강자성체 표면의 전자구조 상태밀도를 변화 시켰으며 이로 인하여 줄어든 자기이방성을 이용하여 스핀스위칭 임계전류를 저감할 수 있음을 확인함.
⦁ 전계효과와 스핀-궤도토크(SOT), 스핀전달토크(STT)가 모두 적용된 하이브리드 스위칭기술을 적용하여 자기터널접합(RA=8.56 Ω·μm2)의 강자성층을 자화반전시켰으며 이 때, 스위칭 전류밀도 Jc=3.8×106 A/cm2 특성을 확보함.
⦁ 수소이온을 조사하여 계면을 원자수준에서 조절함으로써 계면의 스핀-궤도 결합을 향상시켜 높은 수직자기이방성을 얻었으며 동시에 세계적 수준의 스핀-궤도 토크를 획득하였음(2×10-6 Oe/A/cm2).
5. 수직자기이방성을 갖는 소재의 물질상수 추출 기술 개발
⦁ Cryostat에 음압을 형성하는 시스템을 고안하여 기존장비의 한계를 넘어서 2.7 K의 극저온에서 자기터널접합의 전기적 특성을 관측함.
⦁ CPW-FMR 계측 시스템을 구축하여 50GHz의 주파수 영역에서 수직자기이방성 소재의 강자성 공명 측정 및 분석법을 성공적으로 마련함. 이를 이용하여 감쇠상수 및 스핀-홀 각도와 같은 추출하기 어려운 물질상수를 높은 신뢰도로 확보함.
□ 기술개발 배경
1. 수직자기이방성 반금속 강자성층 연구 개발
⦁ 강자성소재를 기반으로 하는 스핀트로닉스에서는 전자의 전하가 아닌 고유의 각 운동량인 업스핀(↑)과 다운스핀(↓)을 구분하여 스핀 스위칭을 시키는 원리를 바탕으로 구동하기 때문에 그 자체가 “0”과 “1”을 나타내며 이는 바로 유비쿼터스 시대에서 요구되는 전자소자의 조건인 “비휘발성, 초고속, 그리고 디지털화된” 신호를 출력할 수 있음.
⦁ Si 반도체를 기반으로 하는 전자기기 시대의 한계를 극복할 수 있는 스핀트로닉스 소자 중 최근의 스핀전달토크(spin transfer torque, STT) 현상을 이용하는 STT-MRAM은 SRAM (static RAM)의 초고속 스위칭 속도, DRAM (dynamic RAM)의 고집적도가 달성될 수 있는 가장 가능성이 높은 비휘발성 차세대 메모리로 새롭게 주목받고 있음.
⦁ 작은 스위칭 전류 및 고출력을 얻어내기 위하여 결맞는 터널링과 함께 고효율의 스핀주입기술이 요구되며 이는 높은 스핀분극(spin polarization)을 갖는 강자성 재료의 개발로 효율을 극대화시킬 수 있음. MRAM의 출력이 터널자기저항비(tunneling magnetoresistance, TMR)에 비례하고 또한, 전자가 한쪽의 강자성층에서 다른 강자성층으로 터널되는 과정에서 스핀주입이 얼마나 효율적으로 이루어졌는가에 의하여 결정되기 때문에 고 스핀분극과 결 맞는 스핀터널링이 동시에 이루어진다면 이론상으로는 무한대의 출력을 기대할 수 있음. 현재의 기술 수준에서는 70% 이상의 스핀주입이 가능하게 되면 Gbit 급 이상의 고집적 MRAM 셀의 설계가 가능함.
⦁ 한편 수직자기이방성을 갖는 수직자기터널접합(perpendicular-magnetic tunnel junction, p-MTJ)은 높은 열적 안정성과 그에 따른 고집적도, 수 ns의 빠른 스위칭 속도, 작은 스위칭 전류에 따른 저전력 등의 장점을 가지고 있음. 아래 식에서, Jc는 스위칭 전류밀도이며, e는 전하량, α는 감쇠상수, Ms는 포화자화, t는 자유층의 두께, η는 스핀전달효율, Hk는 이방성자기장, Hd는 반자기장을 각각 나타냄. 수직이방성 강자성체를 이용한 p-MTJ는 반자기장에 의한 요인이 없기 때문에 스위칭 전류밀도를 낮출 수 있음.
(수식)
2. 스핀-궤도 결합을 이용하는 스위칭 연구 개발
⦁ 1996년 IBM의 Slonczewski 및 카네기-멜론대학의 Berger가 제시한 ‘스핀전달토크’를 이용한 자기 스위칭에 대한 아이디어를 바탕으로 자기장 구동방식의 기존 MRAM에서 가장 큰 문제가 되어왔던 스케일링 문제를 해결하기 위해 학계 및 산업계 전반에서 전류(‘스핀전달토크’) 구동 방식의 STT-MRAM에 대한 연구가 집중적으로 진행되어 왔음.
⦁ 차세대 메모리 소자에서 요구되는 ‘저전력’ 특성을 만족시키기 위하여 스위칭 임계전류를 106 A/cm2 이하로 낮추기 위한 노력이 시도되고 있음.임계 전류값을 낮추기 위해 스핀-궤도 결합을 이용하는 방법과 전계 구동방식을 이용하여 자기이방성을 조절하는 방법이 연구되고 있으며 저전력 자기터널접합 구현의 차세대 핵심기술로 여겨짐.
⦁ 스핀-궤도 결합을 이용할 경우 스핀-홀 효과를 응용하는 소자와 전류인가에 따른 스핀-궤도 토크 효과를 응용하는 소자로 구분할 수 있음. 스핀-홀 효과를 응용하는 소자의 경우 발생되는 스핀 전류가 중요한데, 전극 재료의 스핀-홀 상수(θSH)가 큰 물질일수록 스핀-홀 효과에 의한 스핀 전류(Js)의 생성이 증가하여 스위칭 전류 밀도를 낮출 수 있어 스핀-홀 상수가 큰 물질인 Pt, Au, Ta과 같은 중금속를 사용한 자기터널접합 개발이 필요함.
⦁ 전류 인가에 따른 스핀-궤도 토크 효과를 응용하는 소자의 경우 산화물/강자성층의 계면에서 스핀-궤도 결합을 강화할 수 있는 물질이 중요함. 전계 구동방식을 이용하여 자기이방성을 조절하는 방법은 계산상으로는 STT-MRAM에 비해 1/1000 수준의 전력으로도 소자를 구동할 수 있는 장점이 있으나 외부자기장의 보조 없이는 기록의 쓰기가 불가능한 상황임. 외부자기장 사용을 지양한 전계구동 방식이 보조기술로 쓰여질 수 있는 방법이 개발된다면 구동전력을 크게 낮출 수 있음.
3. 자기터널접합을 구성하는 소재의 식각기술 개발
⦁ 초기 연구단계에서는 자성박막 및 자기터널접합의 식각가스로서 불활성 가스인 Ar을 사용하는 ion milling법을 사용했으나 Ar 가스를 사용하는 ion milling은 식각 후에 식각된 패턴의 측면에 물질이 재증착되어 단위 소자의 전기적 단락(shorting)을 일으키는 주요 원인으로 알려져 왔음.
⦁ 이러한 부작용을 방지하기 위하여 고밀도 플라즈마 식각장비인 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각장치(inductively coupled plasma reactiveion etching, ICP-RIE)에 Cl2와 BCl3 등의 염소계 가스를 도입하여 강자성물질 및 자기터널접합의 식각이 진행되어 왔으나 Cl2 가스는 자성박막들과 반응성 이온 식각에 의한 식각기구를 따르지 않고 주로 물리적 식각인 sputtering etching의 기구를 따르고 있음이 밝혀짐. 또한 가스의 성격상 부식성이 강하여 박막 특성이 열화되고 식각프로파일도 낮은 식각경사를 보이는 등 최적의 식각가스가 아님이 확인됨.
⦁ 최근 많이 연구되고 있는 염소계 가스에 의한 부식방지를 위하여 새로운 식각가스로서 CO/NH3, CH4/H2, 및 CH3OH 등이 연구되고 있으며 그중에서 알콜계의 CH3OH 가스가 일본의 Canon-Anelva사에 의하여 개발되어 기존의 결과를 뛰어넘는 식각결과를 주는 것으로 알려져 있음. 그러나 100 nm이하의 미세 패턴에서는 node의 공간이 좁아짐에 따라서 자기터널접합의 측면에 재증착이 발생하는 문제가 여전히 존재하는 것이 확인됨. 따라서 새로운 식각가스를 개발하여 100 nm 이하 극미세패턴의 자기터널접합 소자 식각에 대한 공정 개발이 필요함.
⦁ 현재 가장 널리 연구되고 있는 ion beam etching 방법 및 ICP-RIE 방법에 의한 자성물질 및 자기터널접합의 식각에서 발견된 문제점들은 다음과 같으며, 따라서 식각공정의 주요변수인 새로운 식각가스를 찾아내고 식각가스의 농도 및 새로운 식각 하드마스크를 도입하여 기존의 공정과 차별되는 새로운 식각공정을 개발하는 것이 중요함.
- 식각 후 패턴주위에 식각잔류물(etch residue) 발생
- 미세 패턴의 식각 시 자기터널접합 측면 및 node 사이에 재증착 발생
- 하드마스크에 대한 매우 낮은 식각선택도
- 고에너지 이온들에 의한 자기터널접합 소자의 물리적, 전기적 열화(radiation and etch damage)
⦁ 식각공정에 있어서 또 다른 주요변수들인 ICP coil power, 공정압력, 및 dc-bias voltage 등의 변화에 대하여 연구하여 식각속도, 식각선택도 및 식각프로파일 등의 자성박막의 식각특성을 확보하는 것이 중요함.
4. 자기터널접합 및 그 구성 소재의 특성 평가기술
⦁ 목적하는 기능의 자기터널접합 제작 기술개발의 성공을 위해 해당 공정의 적합성을 판단하여 올바른 공정개발의 방향 설정이 필수적임. 따라서 하나의 시료에서 최대한 많은 물질 정보를 추출할 수 있는 체계적인 측정 시스템 개발이 요구됨.
⦁ 자기터널접합 연구를 위하여 단일 박막 시료의 자기장(H) 및 온도(T)에 따른 자화거동(M-H, M-T)과 전자이동성(μ, mobility), 강자성 공명(FMR), 자기저항(magnetoresistance) 등의 측정을 통하여 보자력(Hc), 포화자화(Ms), 온도 안정성(Δ), 임계온도(Tc), 자기이방성(Hk), 자기저항 비율(MR-R), 감쇠상수(α) 등 7가지 이상의 주요한 물질 상수를 정량적으로 추출하고 미지의 변수를 최소화하는 실험 연구가 뒷받침되어야 함. 이러한 종합적 정량 특성 자료는 분석의 정확성 및 신뢰도를 높일 수 있음.
⦁ 스핀-궤도결합을 성공적으로 이용하기 위해서는 스핀전류(Js)를 측정할 수 있어야 함. 스핀 =전류는 Js=θSH(σ×Je)로 기술되는데, 여기에서 스핀-홀각도인 θSH가 클수록 스핀전류가 커서 임계전류 Jc를 줄이는데 도움을 주기 때문에 이 물질 변수를 추출할 수 있어야함 (Je: charge current, σ:spin polarization unit vector).
⦁ θSH는 직접 측정하기에 어려움이 있으나, 유효 감쇠상수 α’은 전류가 0일 때의 감쇠상수 α0에 부가적으로 직류 charge current 밀도 Je와 θSH에 의존하여 아래와 같이 묘사되며 강자성 공명 측정을 이용하여 감쇠상수 α0를 조사하고, 스핀-홀 효과 측정을 통한 α’을 조사하는 한편, M-H 측정을 이용하여 포화자화값 Ms를 계측하는 일련의 측정 시스템이 요구됨.
(수식)
⦁ 위와 같은 다양한 특성 평가 기술을 완성하기 위해서는 극저온에서 고온에 이르는 넓은 범위의 온도, 자기장, 전류 및 전압, 그리고 초고주파 주파수 등 다수의 환경 변수 가운데 최소 두 가지 이상의 다중 환경을 동시에 정밀 제어할 수 있는 계측 시스템의 구비 및 운영 노하우를 요구함.
5. 참고자료
1S. Min et al., Thin Solid FilMs, 516, 3507 (2008), Etch characteristics of magnetic tunnel junction stack with nanometer-sized patterns for magnetic random access memory.
2E. Kim et al., J. Electrochem. Soc., 159, H230 (2012), Evolution of Etch Profile of Magnetic Tunnel Junction Stacks Etched in a CH3OH/Ar Plasma
□ 핵심개발 기술의 의의
⦁ 스핀전달토크 현상만을 이용하는 MRAM은 터널전류를 이용하기 때문에 임계전류를 감소시키는 데 한계를 가질 수 밖에 없음. 따라서, 새로운 스위칭기술과 조합하여 하이브리드 스위칭을 하는 것이 극복기술임. 본 과제에서는 전계효과와 스핀-궤도 토크, 스핀전달토크 3가지 스핀스위칭방법이 결합된 하이브리드 스위칭기술로 스위칭 전류밀도 Jc를 107 A/cm2 단위에서 106 A/cm2 단위로 낮춤으로써 이러한 하이브리드 스위칭 기술이 향후 저전력 고성능 MRAM의 개발에 필수불가결한 핵심요소 기술임을 증명함으로써 향후 업계의 기술개발 방향을 제시하였음.
⦁ 수소이온 조사법으로 계면을 원자수준에서 조절함으로써 계면의 스핀-궤도 결합을 향상시켜 높은 수직자기이방성을 얻었으며 동시에 세계적 수준의 스핀-궤도 토크를 획득하여 향후 스위칭전류 저감을 위한 획기적인 결과를 얻었음 (2×10-6 Oe/A/cm2).
⦁ 한편, MRAM의 출력을 결정하는 스핀분극을 최대화할 수 있도록 나노소자인 자기터널접합의 계면을 원자수준에서 제어함으로써 200% 이상의 터널자기저항비를 확보함으로써 출력증대를 위한 구체적인 방법과 이를 결정짓는 물리적 인자들을 제시하여 업계의 차세대 기술개발에 직접적인 도움을 줄 것으로 기대함.
⦁ 강자성체 및 귀금속 등 식각이 어려운 소재들의 식각을 위하여 식각가스를 개발하고 pulsed plasma를 이용한 새로운 식각 방법을 적용하여 측면 재증착이 없고 84°의 높은 경사도를 갖는 100 nm급 자기터널접합을 성공적으로 제작함.
⦁ 기존 장비 사양을 넘어서기 위해 cryostat에 음압을 형성하는 시스템을 고안하여 2.7 K의 극저온에서 자기터널접합의 전기적 특성을 관측하였으며, CPW-FMR 계측 시스템을 구축하여 50GHz의 주파수 영역에서 수직자기이방성 소재의 강자성 공명 측정 및 분석법을 성공적으로 마련함. 이를 이용하여 감쇠상수 및 스핀-홀 각도와 같은 추출하기 어려운 물질상수를 높은 신뢰도로 확보함.
□ 적용 분야
⦁ MRAM은 로직소자와 메모리 등 통상적인 반도체 제품에 사용할 수 있는 universal memory를 지향하고 있음: 회로가 scale-down됨에 따라 기술적 한계에 직면하고 있는 기존의 Si 기반의 DRAM, SRAM, Flash 등의 메모리를 대체할 수 있으며 로직내에 위치하여 스위칭 속도를 증가시키고 소비전력과 제품 원가를 현저히 감소시킬 수 있기 때문에 다양한 반도체 제품에 사용될 것으로 기대하고 있음.
⦁ 기존의 소자와는 달리 작동하지 않을 경우는 항상 전원이 꺼진 대기전력이 없는 MRAM은 휴대폰의 AP내에 적용할 수 있을 뿐만이 아니라 기존의 로직분야에서는 비휘발성 캐시 역할을 담당할 수 있어 새로운 제품화가 기대되고 있음.
⦁ 다른 소자에 비하여 유비쿼터스 시대에서 요구되는 고속, 고용량, 저전력 무제한 기록 등의 장점이 있는 MRAM은 새로운 시장창출을 유도할 수 있어 이를 단위소자로 이용하는 신제품에 대한 사업화를 통하여 국가의 새로운 먹거리 창출에 기여할 수 있을 것임.
(출처 : 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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