[기고] 저전력 소형화 메모리 시대 여는 차세대 메모리 MRAM과 MTJ 특성 계측하기
  • 2021-05-11
  • 글 / 고려대학교 주병권 교수, 디스플레이 및 나노시스템 연구실 황영현, 김수진, 전아현, 나영준


현재 차세대 메모리에 대한 개발은 가속화되고 있으며 그 중에 MRAM은 주력 후보이다. 그중 MRAM 소자 내에서 MTJ에 대한 연구가 소재, 구조, 현상 그리고 측정 원리 등 다양한 방법으로 활발히 진행 중이다. 개발이 지속되어 소자의 성능이 다양한 환경에서 더욱 향상될 수 있다면, 현재 메모리 성능을 월등히 뛰어 넘는 저전력, 소형화 그리고 고성능의 메모리 시대를 열 수 있을 것이다.



목 차
1. 자기저항 메모리 (Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM)와
자기 터널 접합 (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소개 및 원리
2. 자기 터널 접합 특성 (Magnetic Tunneling Junction Parameters)
2.1. 자기 이력 곡선 (Magnetic Hysteresis Loop)
2.2. LLG 방정식 (Landau-Lifshitz-Gilbert Equation, LLG Equation)
2.3. Field-like 토크 & Damping-like 토크
2.4. 스핀 홀 효과 (Spin Hall Effect, SHE)
3. MTJ 계측 장비
3.1. CIPT (Current-in-plane Tunneling) 방법을 통한 터널 자기저항 측정
3.2. 진동 시료 자력계 (Vibrating Sample Magnetometry, VSM)
3.3. 자기 광 커 효과 (Magneto-optic Kerr Effect, MOKE)
3.4. 시분해 MOKE (Time-resolved MOKE, TR-MOKE)
3.5. 강자성 공명 (Ferromagnetic Resonance, FMR)
3.6. 스핀 토크 강자성 공명 (Spin-Torque Ferromagnetic Resonance,
ST-FMR)
3.7. 비정상 홀 측정 (Anomalous Hall Measurement)
3.8. 스핀 홀 자기저항과 2nd Harmonics 측정 (Spin Hall
Magnetoresistance and 2nd Harmonics Measurement)
3.9. Spin-SEM (or SEMPA; SEM with Polarization Analysis)
3.10. 스핀 분극 주사 터널링 현미경 (Spin Polarized Scanning Tunneling
Microscopy, SP-STM)
4. 시장 동향
5. 결론

1.  자기저항 메모리
(Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM)와 자기 터널 접합 (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소개 및 원리

1.1. MRAM의 등장

성공적으로 스케일(Scale)을 줄여, 적은 생산 비용으로 고밀도, 고속 메모리를 개발하는데 성공했다. 그러나, 스케일링만으로 메모리 소자의 성능을 발전시키는 데는 한계가 있었다. 한 예로, 메모리 소자의 대표 주자 중 하나인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)소자는 커패시터에 전하를 축적하여 정보를 기록하고 저장하는 메모리로, 소자의 크기가 작아짐에 따라 커패시터에서 전하 누출이 발생하여 정보 손실이 생길 수 있게 되었다.

또한, DRAM은 비휘발성 메모리(Non-volatile Memory) 소자가 아니라서, 정보를 유지하기 위해 일정 주기마다 리프레시(refresh) 과정이 필요하다. 따라서, 오프 상태(Off-state)일 때 소모되는 전력이 다른 비휘발성 메모리에 비해 큰 편이다. 이처럼 한계를 맞은 실리콘 기반의 DRAM이나 플래시 메모리 소자 이후의 차세대 소자 양산을 위해, 스핀트로닉스(Spintronics)를 기반으로 한 MRAM에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

MRAM은 SRAM의 빠른 속도와, DRAM의 높은 밀도, 플래시 메모리(Flash Memory)의 비휘발성이라는 각 메모리 소자의 장점들을 모두 갖는 이상적 메모리 소자다. MRAM은 기본적으로, 두 자성층(Magnetic Layer) 사이의 상대적인 자화(Magnetization) 방향에 따라 ‘0’과 ‘1’의 정보를 저장하는 원리다. 비휘발성이고 고집적화가 가능한 MRAM은 저장 메모리 역할 뿐만 아니라 높은 속도를 바탕으로 작업 메모리 역할까지 기대할 수 있다.

따라서 MRAM은 데이터 센터, 자율주행, IoT, AI, 로봇 공학, 의료용 장치 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 특히 데이터 로깅(Data Logging)에 사용될 수 있는데, 데이터 로거는 장기간의 데이터 누적을 위해 다수의 메가비트의 비휘발성 메모리가 필요하기 때문이다. 또한, MRAM은 전력 소모가 적을 뿐 아니라 방사선에 내성이 있어 병원 환경에 적합하여, 의료용 장치에도 사용할 수 있다.

1.2. MTJ의 구조
<그림 1>의 MRAM 셀 하나의 구조를 보면 알 수 있듯이, MRAM의 동작 원리를 살펴보기 위해서 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)를 먼저 알아야 한다. MTJ의 기본 구조는 두 강자성 금속층(Ferromagnetic Layer) 사이에 터널 장벽(Tunnel Barrier)으로 사용되는 아주 얇은 절연체가 삽입된 구조다. 두 자성층 중 하나는 자화 방향이 쉽게 바뀌는 자유층(Free Layer)이고, 다른 하나는 자화 방향이 고정된 고정층(Pinned Layer)이다.



전도 전자는 자성층 사이의 얇은 절연체를 양자 터널링(Quantum tunneling)하여 지나가게 된다. 이때 터널 장벽으로는 주로 MgO, Al2O3, NaCl, ZnO 등의 절연체 물질을 사용하고, 강자성 층으로는 Fe, Co, CoFe, CoFeB 등의 물질을 사용하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 앞서 언급한 것처럼 MRAM에서 로직 ‘0’과 ‘1’은 MTJ 내의 두 자성 층의 상대적 자화 방향에 따라 전도의 양상이 바뀜에 따라 달라지는 저항 값에 의해 결정된다.

만약 자화 방향이 같아 ‘평행 (Parallel)’이면 낮은 저항 값을 보이고, 자화 방향이 반대여서 ‘반평행(Antiparallel)’이면 높은 저항 값을 보인다. 이러한 전도도의 차이는 자유층과 고정층으로 사용되는 강자성체의 스핀 분극도(Polarization)와 터널 장벽 물질을 통한 전자의 터널링 효과에 의해 발생한다.

1.3. MRAM의 읽기
MRAM에서 정보를 읽는다는 것은 MTJ 내의 저항 값을 읽는 것이다. 이 원리를 제대로 알기 위해서는 자기저항(Magnetoresistance, MR)에 대해 먼저 알아야 한다. MR 효과란, 앞서 언급한 것처럼, 로직에 따라 저항 차이가 발생하는 현상이며, 그 저항 차가 얼마나 큰지를 나타내는 수치를 MR이라 한다.

이 때 큰 저항 값은 두 자성층의 자화 방향이 반평행일 때의 값이고, 작은 저항 값은 두 자성층의 자화 방향이 평행일때의 값이다. MRAM에서 제대로 정보를 읽고 쓰기 위해서는 큰 저항 차이, 즉 큰 MR 값이 필요하다. 처음 강자성체 단일층에서 발견한 MR 효과를 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)이라 하며, 이는 자화 방향과 전류 방향의 각도에 따른 저항 차이를 이용한 것이다.

그 후, 다층막(Multilayer)에서 각 층의 상대적인 자화 방향에 따른 저항 차를 이용하면 더 큰 MR 값을 얻을 수 있다는 것을 발견했고, 따라서 이 현상을 거대 자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)이라 명명했다. 그 이후, 상온에서 16%에 달하는 MR 값이 비정질 AlOx 장벽을 이용한 MTJ에서 발견되었고, MTJ 내의 터널링을 이용한다 하여 터널 자기저항(Tunnel Magnetoresistance, TMR)이라 이름 붙였다.

후에는 비정질 AlOx 대신 결정질 MgO 장벽을 사용하면서, 실험 조건에서 600%보다 큰 값을 얻을 수 있었다. 이 때, TMR 값은 스핀 분극도 P를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다. 스핀 분극도 P 식의 n↑와 n↓는 각각 다수(majority) 스핀을 가진 전자의 수와 소수(minority) 스핀을 가진 전자의 수를 의미한다.



1.4. MRAM의 쓰기
MRAM에서 정보를 기록한다는 것은 자유층의 자화 방향을 바꾼다는 것을 의미한다. 이때, 자화 반전의 메커니즘에 따라 자기장 유도 자화 반전(Field Induced Magnetization Switching, FIMS) MRAM, 스핀 전달 토크(Spin-transfer Torque, STT) MRAM, 그리고 스핀 궤도 토크(Spin-orbit Torque, SOT) MRAM으로 나눌 수 있다. FIMS MRAM은 외부 자기장을 이용하여 스위칭하는 원리이고, STT-MRAM과 SOT-MRAM의 쓰기 원리에 대하여 살펴보면 STT-MRAM은 이름 그대로, 스핀 전달 토크를 이용하여 정보를 기록한다.



<그림 2>의 (a)는 STT-MRAM에서 정보를 쓰는 과정을 나타낸 그림이다. 낮은 저항 값을 보이는 평행의 정보를 기록하려면 전자를 고정층에서 자유층으로 흘려야 한다. 고정층의 자기 모멘트(Magnetic Moment)를 가진 전자가 자유층에 스핀 전달 토크를 가하여 고정층의 자화와 같은 자화 방향을 가지게 하는 것이다. 반대로 자유층에서 고정층으로 전자를 흘리면, 자유층을 통과한 후 고정층 벽에 의해 스핀 방향이 바뀐(Back Scattered) 전자가 다시 자유층으로 가게 되어 결과적으로 고정층의 자화와 반대방향의 자화를 가지게 만들어 반평행의 정보를 기록한다.

SOT-MRAM의 경우, <그림 2>의 (b)에서 볼 수 있듯이 중금속층(Heavy Metal Layer)에 주입된 전류가 스핀 궤도 상호작용(Spin-orbit Interaction) 또는 스핀 궤도 결합(Spin-orbit Coupling, SOC)이라고 부르는 효과로 인해 스핀 홀 효과가 발생하고 스핀이 분극된 전자와 자유층과의 상호작용으로 인해 토크가 전달되며 자화 방향은 바뀌게 된다. 이와 같은 방식의 스핀 전달 원리를 라쉬바 효과(Rashba Effect)를 통해서 설명하기도 하며 이러한 원리로 동작하는 SOT-MRAM은 차세대 MRAM 소자로 주목받고 있다.

2.  자기 터널 접합 특성(Magnetic Tunneling Junction Parameters)

2.1 자기 이력 곡선 (Magnetic Hysteresis Loop)

<그림 3>은 강자성체의 자화 과정을 그래프 형식으로 나타낸 것으로 M-H Loop라고 부르기도 하는 자기 이력 곡선은 포화 자기장(Saturation Magnetic Field, Hs), 포화 자화 (Saturation Magnetization, Ms), 잔류 자화(Remanent Magnetization, Mr), 보자력 (Coercitivity, Hc)등을 위 그래프를 통해 알 수 있다.



<그림 3>에서 (i)상태와 (iii)상태는 포화 자기장보다 큰 자기장을 가해줌으로써 물질 내의 모든 자기 모멘트가 자기장의 방향과 일치하게 되고 이때를 포화 자화라고 한다. (ii)상태와 같이 포화 자기장보다 작은 자기장을 가해주면, 자화(Magnetization)는 줄어들게 된다.

또한, 강자성체 내부의 자화는 에너지를 최소화하려고 하며 정자기 에너지 (Magnetostatic Energy)는 감소하고 영역별로 자화를 다르게 갖게 되는데, 각각의 경계를 자구벽(Magnetic Domain Wall)이라 한다. M-H Loop의 모양이 직사각형과 비슷할수록 잔류 자화 값은 포화 자화와 같은 값을 갖게 된다. 이를 토대로 자기 이력 곡선이 사각형과 비슷한 모양을 가지면 자화 변화 특성이 이상적인 상태이다.

2.2 LLG 방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert Equation, LLG Equation)
LLG 방정식은 자화가 시간에 따른 변화를 나타내는 방정식이다. LLG 방정식은 아래와 같이 기술된다.



이때, 은 자화 방향, γ는 자기 회전 비율(Gyromagnetic ratio), 는 적용된 자기장, α는 길버트 감쇠 상수(Gilbert Damping Constant)를 의미한다. LLG 방정식에서 우변의 첫 번째 항 은 자화의 세차 운동(Magnetization Precession)을 나타내고, 두 번째 항 는 감쇠 값을 나타낸다. 이렇게 세차 운동과 감쇠가 동시에 발생하며 자화의 궤적은 적용된 자기장의 방향인 H와 동일 선상에 놓이게 된다. <그림 4>는 LLG 방정식에 의한 스핀 동작을 나타낸다.



2.3 Field-like 토크 & Damping-like 토크
스핀 전달 토크는 <그림 5>에서 한쪽 고정층(FM1)에 의해 분극된 전자들이 다른 방향으로 자화 되어 있는 자성층인 자유층(FM2)에 유입 되는 경우에 토크가 발생하게 되는 현상이다. 이때 발생하는 토크를 <그림 5>의 (b)에 나타냈다. 전체 토크 는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.


는 분극된 스핀의 방향을 나타내고, , 는 전류, 자화, 자성층과 비자성층의 계면의 구조적 형태와 같은 재료의 특성에 따라서 결정된다.



 는 크게 Damping-like 토크(우변 첫 번째 항) 와 Field-like 토크(우변 두 번째 항)에 영향을 받는다. Damping-like 토크는 자화를 전류의 분극 방향으로 향하게 하는 역할을 하고, Field-like 토크는 자화의 세차 운동을 유발하는 성분이다.

스핀 전달 토크 값은 앞서 언급한 LLG 방정식에 대입하여 계산하게 되는데, 계산식을 통해서 전류 밀도에 따라 스핀 전달 토크를 이용해 자화 반전이 유도 되는 것을 알 수 있다. 스핀 궤도 토크의 모식도는 <그림 6>에 나타냈다.



+x 방향으로 전자가 주입될 때 전자 스핀의 방향에 따라 +z, 혹은 -z 방향으로 나뉘게 되면서 전하 스핀 전환(Charge-to-spin Conversion)이 일어난다. 이때의 전환 효율을 Spin Hall Angle (θsh=|Js|/|Jc|)로 나타내기도 하며 전하 전류 밀도(Jc) 대비 스핀 전류 밀도(Js)를 의미한다. 이렇게 분극된 전자 스핀은 자성체에 토크를 전달하고 위와 마찬가지로 Field-like 토크와 Damping-like 토크를 가하게 된다.

2.4 스핀 홀 효과 (Spin Hall Effect, SHE)
스핀 궤도 상호작용에 의해 발생되는 효과이고 전류를 가하였을 때 스핀에 따라 시료의 측면에 스핀이 축적되는 현상이다. 반대쪽 표면의 경계에는 반대 기호의 스핀이 존재하게 된다. 그리고, <그림 7>의 (a)에서와 같이 전하 전류 (IC)를 주입하였을 때, 스핀의 방향에 따라 전자들이 시료의 표면에 축적된다. 이러한 축적의 정도는 물질에 따라 다르게 되는데 비자성체의 경우 스핀의 개수가 같아 스핀 홀 효과로 개수차이에 의한 전압을 야기 하지 못하게 된다.



반대로 강자성체의 경우는 스핀의 개수가 다르게 되고 이로 인해 스핀 전류(IS)가 야기되는 효과가 나타난다. 이 같은 강자성체의 스핀 홀 효과를 비정상 홀 효과 (Anomalous Hall Effect, AHE)라 한다. <그림 7>의 (b)에서는 역 스핀 홀 효과(Inverse Spin Hall Effect, ISHE)를 나타내고 있다. 이름과 같이 스핀 홀 효과의 반대 효과로 스핀전류를 주입하였을 때 스핀의 움직임에 의해 전하 전류가 형성이 되는 효과를 말한다.

3.  MTJ 계측 장비

3.1 CIPT(Current-in-plane Tunneling) 방법을 통한 터널 자기저항 측정

MTJ의 상태에 따른 저항 값의 변화인 TMR의 신뢰성은 곧 MRAM의 양산성 문제로 직결된다. TMR의 특성을 보기 위한 자기 수송 및 자기 특성은 CIPT(Current-in-plane Tunneling) 방법으로 측정할 수 있다. CIPT는 터널 접합을 구조화하는 종래의 기술 없이 웨이퍼 전체 혹은 대면적 시료에 탐침 한 세트를 놓아서 터널 접합의 특성을 측정하는 비파괴적 측정법이다.

CIPT에서 탐침 간 간격이 마이크로미터 단위로 매우 좁기 때문에 균일성이 보장되며 웨이퍼 크기의 시료에 따라 변화하는 매개변수를 특성화 할 수 있다. 4개의 탐침을 쓰는 방법으로 시료의 면저항을 알 수 있는데, 이때 2개의 탐침으로 시료의 전류차를 감지하고 다른 2개로 전압차를 구해 저항을 계산한다. 일부 전류는 상부 전극을 따라 흐르고, 나머지 전류는 하부 전극과 그 사이 장벽을 따라 흐르는데, 장벽을 따라 흐르는 전류의 양은 탐침 간 간격에 의해 변화한다.



이때 탐침 간 거리가 너무 좁으면 전류가 미처 장벽을 따라 내려오지 못하고 상부 전극에만 머무르게 된다. 반대로 탐침 간 간격이 넓으면 상부 및 하부에 전류가 골고루 분산된다. 그래서 터널 접합의 저항 크기는 탐침 간 간격에 반비례한다고 볼 수 있다.

다양한 탐침 간격 조건에서 터널 접합의 저항을 측정하면 곡선 형태의 데이터 세트를 확보할 수 있고 이로부터 아래 그래프와 같이 터널 접합의 저항 특성을 탐침 간격 별로 얻을 수 있다. 위와 같은 데이터로부터 R(T) 상부 전극의 저항, R(B) 하부 전극의 저항, RA Product, TMR 상부와 하부 전극 간 상대적인 저항 차 등을 구할 수 있다.

3.2. 진동 시료 자력계 (Vibrating Sample Magnetometry, VSM)
자성 물질의 기본이 되는 스핀의 상태를 측정하는 가장 기본적인 장비에는 미국 MIT의 링컨 연구소에서 1955년도에 발명한 VSM(Vibrating Sample Magnetometer)이 있다. VSM은 자성박막의 기본 물성이 되는 포화자화를 측정할 수 있다. 다만 이름에서 알 수 있다시피 시료를 기계적으로 진동시키는 프로세스 때문에 유사한 구동 원리를 갖는 MOKE와 달리 전류를 흘려 측정하거나 극저온 환경에서의 측정이 불가능하다.



이 측정 장비를 사용하여 자석의 잔류 자속 밀도(Br), 보자력(Hc), 최대 에너지적(BHmax) 등을 측정한다. VSM은 전기장과 자기장의 상호간 유도 현상을 설명한 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의하여 동작한다. 이때 자기장으로부터 발생된 전류를 측정하여 실시간으로 변화하는 자기 특성을 얻을 수 있다. VSM 장비를 사용한 측정은 시료를 일정한 자기장에 노출시키는 것으로 시작한다. 이때 프로브를 통해 걸어준 일정한 자기장은 자구벽 혹은 각각의 스핀을 자기장의 방향과 나란히 함으로써 시료를 자화 시킨다.

자화의 세기는 걸어준 자기장의 세기에 비례하며 시료의 자기 쌍극자 모멘트는 시료 주변에 표유 자계(Stray Magnetic Field)라고 불리는 자기장을 형성한다. 시료가 진동에 의해 아래위로 움직일 때 이 표유 자계는 시간의 함수로 변화하며 이를 픽업 코일로 감지한다. 이 교번 자계(Alternating Magnetic Field)는 패러데이의 법칙에 의해 픽업 코일 내부에 전계를 일으킨다.

이 유도전류는 트랜스 임피던스 증폭기와 Lock-in 증폭기에 의해 증폭된다. 이때 유도된 전류의 크기는 자화의 세기에 비례하기 때문에 유도된 전류로 시료의 자화 특성을 볼 수 있다. 장비에 연결된 컴퓨터 인터페이스를 이용해 소프트웨어를 제어 및 모니터링 하고 시스템을 통해 시료의 자화 정도를 알 수 있다.

3.3. 자기 광 커 효과 (Magneto-optic Kerr Effect, MOKE)
자화된 물질의 표면 위로 빛이 입사했을 때 발생하는 반사광의 편광, 반사율이 자화로 인해 달라지는 현상을 말한다. 빛의 세기에 따라 물질의 굴절률과 같은 광학적 특성이 변하는 현상을 동반한다. 자기 광학적 커 효과를 이용한 커 현미경은 물질의 자기 구조를 파악하는 데에 쓰인다.

MOKE 분석은 자계에 의한 입사광의 편광상태 변화를 감지하는 것이다. MOKE 측정 기술은 고민감도를 자랑하는 비 파괴적인 기술로 국소 프로빙을 통해 나노 구조체에 대한 정보와, 표면과 계면의 자성을 분석하는 데에 쓰인다. 높은 정확성, 시간 및 공간 해상도와 빠른 응답 속도로 박막 필름부터 단결정에 이르기까지 다양한 물질의 자기 특성을 분석하는 데에 적용된다. MOKE 측정에서 인가된 자기장은 시료의 공간 및 시간 반전 대칭을 깨트려 시료에서 반사된 빛의 편광 변화를 분석한다.



시료에 선형적으로 편광된 빛이 입사되면, 반사된 빛의 편광은 두 가지의 새로운 형태로 변형될 수 있다. 첫째, 입사광의 편광 축에 대해 회전한 주 편광 축과 다른 방향일 수 있고(커 회전각) 혹은 둘째, 시간에 따라 전기장의 끝이 타원을 그리는 타원형이 될 수 있다(커 타원율). 커-회전각(φk)과 커 타원율(εk)의 크기는 자화의 크기와 비례한다. 반사면과 입사면에 대한 자화 벡터의 방향에 따라 Polar, Longitudinal, Transversal 이렇게 크게 세 가지로 분류된다.

Polar MOKE(P-MOKE)는 시료와 최대 180°까지 대칭을 이루는 반면에 Longitudinal 혹은 Transverse MOKE(L- or T-MOKE)는 시료와 비대칭을 이룬다. 입사광의 편광, 시료 평면에 대한 자화 벡터의 방향 세 가지는 아래의 그림과 같이 나타낼 수 있다. P-MOKE는 자화성분이 시료 표면과 수직을 이루고 L-MOKE는 자화 성분이 시료 평면과 광원의 입사면에 모두 평행한 상태이다. T-MOKE는 자화 성분이 입사면에 수직일 때를 말한다.



변조된 빛은 전자석 극의 중앙에 위치한 시료에 의해 반사된다. 분석기의 각도를 0°로 설정하면 측정된 신호 세기와 광-자기 매개변수 간 수학적 관계를 단순화시킬 수 있다. 아래의 수식은 결과 값인 신호 강도를 나타내는데 Lock-in 증폭기로 얻은 값들로부터 MOKE의 매개변수인 θk와 εk를 계산할 수 있다.



여기서 V1f, V2f는 Lock-in 으로부터 얻은 첫 번째 조화 신호의 전압, VDC는 DC 전압 그리고 J1, J2는 베셀 함수 계수이다.

3.4. 시분해 MOKE (Time-resolved MOKE, TR-MOKE)
자기장 펄스 또는 전류 펄스에 의한 자구벽의 역학적 해석은 펨토초(Femtosecond, fs) 기반의 Time-resolved MOKE로 가능하다. TR-MOKE는 기존 MOKE보다 더 뛰어난 민감도와 반응속도를 갖는 기술로 더 높은 공진 주파수와 외부 자기장에서도 측정이 가능해 아주 단단한 자성물질의 측정도 가능하다. 일반적인 TR-MOKE 측정은 시간의 함수로 나타낸 입사 광에 대해 반사된 빛의 회전과 타원의 정도를 측정한다.

자기 나노 와이어 구조체에 펄스를 사용해 미리 정의된 위치에 자구벽을 주입했을 때 MOKE 신호는 1μm 이하의 공간 분해능과 150fs 이하의 시간 분해능으로 나노 와이어의 국소 부위의 자화를 탐지할 수 있다. MOKE 신호의 변화는 자구벽의 움직임에 따른 자화 반전에 해당한다. 다양한 위치에서 발생하는 신호를 측정함으로써 자구벽의 속도를 계산할 수 있다. 이와 같은 논리는 자기 반응과 광 반응이 동일하게 시간 종속성을 띄는 밀도 행렬을 갖고 있다고 가정할 때 성립한다.



3.5. 강자성 공명 (Ferromagnetic Resonance, FMR)
FMR이라고 불리는 강자성공명은 마이크로파(Microwave) 측정 시 강자성체 재료가 정자기장(Static Magnetic Field) 내에 놓이고 자화의 세차 운동이 일어날 때, 전자 스핀의 세차 진동수와 마이크로파의 진동수가 일치하면서 발생하는 공명 현상을 말한다.

측정 시 Stripline과 CPW(Coplanar Waveguides)를 이용하여 연속적인 주파수 측정을 통한 Broadband FMR 특성을 도출한다. 이때 도출되는 FMR spectrum의 선폭, 공진 주파수(Resonant Frequency) 그리고 공진 자기장(Resonance Magnetic Field) 등을 통해 다양한 재료의 성질들(자기 회전 비율, 길버트 감쇠 상수 등)을 얻어낼 수 있다.



이렇게 얻어낸 재료의 성질들과 LLG 방정식을 통해 자화 역학(Magnetization Dynamics)을 해석하게 된다. 일반적으로 FMR 측정을 위해서는 CPW가 제작된 플립칩(Flip-chip) 위에 시료를 올려 두고 진행하고 매우 작은 크기의 시료의 경우 CPW와 측정 시료를 패터닝한 후 측정하기도 한다. 또한, FMR 측정 전, 시료와 CPW 사이에 단락(Short)이 형성되지 않도록 절연층을 제공하는 것이 필요하다.

이후 RF 전원의 신호를 CPW를 통해 전달하고, 이때 형성되는 RF 자기장 (Radio Frequency Magnetic Field)은 변동되는 외부 정자기장(HDC, <그림 14> 참조)에 수직으로 놓이게 한다. 이는 자화의 세차 운동이 지속될 수 있도록 보상 에너지를 제공하기 위함이다. FMR 스펙트럼을 검출할 때, 신호 대 노이즈 비율을 최소화하기 위하여, Lock-In 증폭기를 이용한다.



3.6. 스핀 토크 강자성 공명 (Spin-Torque Ferromagnetic Resonance, ST-FMR)
현재 SOT-MRAM을 위한 연구를 위해 비자성체/자성체 시료의 스핀 궤도 토크 분석이 활발히 진행중이다. 일반적으로 스핀 궤도 상호작용을 효과적으로 적용하기 위해 비자성체는 중금속을 이용하며, 그때 스핀 홀 효과에 의해 편향된 전자 스핀은 자성체에 토크를 전달하고 그 효과를 분석하기 위해 ST-FMR 측정법 이용한다.

일반적으로 ST-FMR의 전체적인 원리는 FMR 측정과 유사하지만, 비자성체/자성체 시료에 직접적으로 RF 전류를 주입하는 것이 가장 큰 차이점이다. 이때 유입되는 RF 전류와 자성체의 이방성 자기저항(AMR, Anisotropic Magnetoresistance)에 의한 혼합 전압(Mixing Voltage)중 시간 독립인 항의 전압을 해석한다. FMR 측정과 마찬가지로 선폭과 공진 주파수 등을 통해 재료의 특성들을 도출하며, 측정된 전압 신호를 대칭 신호와 비대칭 신호로 분리하여 전하 스핀 전환 효율(θsh)을 분석할 수 있다.

최근에는 중금속과의 접합 뿐만 아니라, 구리 산화물(CuOX)과 같은 다양한 재료들의 접합 분석도 이루어진다. <그림 15>는 구리 산화물/자성체 접합 시의 스핀 토크 강자성 공명 측정의 모식도와 전압 스펙트럼을 보여준다.



3.7. 비정상 홀 측정 (Anomalous Hall Measurement)
자성체 시료의 스핀 홀 효과 중 비정상 홀 효과를 검출하기 위해, 비정상 홀 측정을 사용할 수 있다. 일반적인 스핀 홀 효과 측정은 비자성 금속에서 진행하는 반면, 비정상 홀 측정은 자성체 시료에서 측정을 진행하며 전자 스핀이 분극되기 때문에 산란에 의한 전압 측정이 용이해 졌다.

보통 Hall Bar 모양을 형성하며, 십자 모양 중 한 축은 전류의 경로로 사용하고 다른 한 축으로 전압을 측정한다. 이때 편향된 스핀을 가진 전자들이 스핀 방향에 따라 산란에 의해 이동이 달라지고, 전압이 측정되는 Bar 양단의 전하의 양이 달라져 전압 차이가 발생한다. 그렇게 측정된 전압과 전류의 비를 통해, 저항값을 도출하여 자성체의 자화 방향을 해석한다.

3.8 스핀 홀 자기저항과 2nd Harmonics 측정(Spin Hall Magnetoresistance and 2nd Harmonics Measurement)
비정상 홀 측정을 변형하여 스핀 홀 효과 측정에 응용할 수도 있다. 마찬가지로 Hall Bar 모양의 시료를 제작하는데, 스핀 궤도 상호작용에 의한 효과를 보기 위해 중금속과 자성체 재료를 접합하는 것이 특징이다. 그리고 시료에 자화 방향을 고정시킬 수 있는 자기장을 인가하고 그 방향을 변경하며 저항 변화를 측정한다.

측정한 저항 변화를 통해 중금속 층으로부터의 스핀 궤도 상호작용에 의한 스핀 전류의 거동과 효율을 분석한다. 이때, Hall Bar 전체를 중금속과 자성체로 증착하여 시료를 제작하는 방법도 있지만, 자성체 부분의 모양과 크기를 조절하여 Hall Bar 중심에 두고 측정하는 방법이 있다.

단, 전류의 분포를 고려하여 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 자성체의 크기와 위치를 제한하게 된다. 중금속과 같은 비자성 금속과 자성체 접합 간의 스핀의 토크에 의한 효과를 측정할 때, 주로 스핀 궤도 상호작용을 근거로 두고 측정을 진행한다.



하지만, 라쉬바 효과(Rashba Effect)도 주목해야하는 계면(Interface)에서의 작용이므로 연구가 활발히 진행중이며, 이 효과를 측정하기 위해 <그림 16>처럼 2nd Harmonics 측정을 사용할 수 있다. 신호의 2nd Harmonics를 분석함으로써 라쉬바 장(Rashba Field)를 측정할 수 있게 되고, 토크의 영향을 확인할 수 있게 된다. 이 효과를 증명하기 위해, 스핀 궤도 상호작용이 영향을 미치지 않도록 중금속 대신 Ti 같은 금속을 사용한다.



3.9 Spin-SEM (or SEMPA; SEM with Polarization Analysis)
스핀 물성의 측정을 나노미터 스케일에서 하기 위해 다양한 구조체의 스핀 이미징이 가능해야 한다. 나노 스케일의 스핀 이미징을 위해서 전자 빔을 이용한 스핀 검출 기술인 Spin-SEM이 있는데, 시료에 전자 빔을 입사 시켜 반사 혹은 회절 되어 나오는 전자 빔의 스핀 상태를 분석하는 측정법이다.

검출 범위 한계를 갖는 기존의 스핀 검출기를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 대체하여 스핀 이미징을 하면 수 나노미터 의 분해능을 갖는 스핀 분석이 가능하다. Spin-SEM에서는 시료에서 방출되는 2차 전자의 분극이 스핀 검출기에 의해 감지되며 이를 통해 자기 구역의 이미지를 형성하기 위한 신호로 쓴다. 종래의 검출기보다 월등한 점은 세가지의 자화 벡터 구성 요소를 모두 감지해서 자화 벡터 방향을 알아낸다는 것이다.

3.10. 스핀 분극 주사 터널링 현미경(Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy, SP-STM)
자성체 박막의 전자 스핀을 분석할 때, 스핀 분극 주사 터널링 현미경은 원자 단위에서의 분석을 가능하게 한다. 기본적인 원리는 주사 터널링 현미경과 유사하게 팁(Tip)과 시료 사이에 전압을 가하여 터널링 되는 전자를 통해 전류를 해석한다. 이때, SP-STM의 팁을 자성 물질로 제작하여 팁과 시료 사이를 스핀 벨브(Spin Valve) 구조처럼 형성되게 하고, 터널 자기저항 효과를 이용한다.



즉, 시료와 팁의 자화가 평행하면 큰 전류가 흐르고 반평행하면 작은 전류가 흐른다. 하지만, 원자 단위에서 높은 해상도로 분석하기 위해 팁은 매우 날카로워야 하며 동시에 큰 스핀 분극을 가져야 한다. 단, 시료와 매우 짧은 거리에서 측정되는 만큼 팁으로부터의 표유 자계가 시료에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 중요하다.

그러므로, 팁 전체를 강자성 물질로 제작하는 방식 보다는 반강자성체로 팁 끝의 스핀 분극만을 제어하는 방식을 적용한다. 또한, 비자성 물질로 가공된 팁 끝을 강자성체 박막으로 덮어 계면 이방성을 이용하여 스핀 분극을 제어하는 기술도 적용될 수 있다.

4.  시장 동향

국제 MRAM 시장은 2016년에 US 달러로 3억750만 달러로 책정되었고 앞으로 웨어러블과 플렉서블한 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 이 시장 규모는 더 커질 전망이며, 특히 2025년에는 스핀 전달 토크기술의 시장 규모가 36억 640만 달러로 예측된다. 이 웨어러블한 전자 기기들은 데이터 처리와 저장을 위해 플렉서블한 자기 메모리를 필요로 한다1.



Objective Analysis and Coughlin Associates의 조사에 의하면, MRAM과 STT-MRAM 수익은 2018년과 비교해 2029년에 약 170배 성장하여, 약 40억 달러에 이를 것으로 예측했으며, 이 새로운 메모리 기술은 오늘날의 NOR 플래시나 SRAM의 자리를 대체할 것이라 내다보았다2.

MRAM은 고온에서 견고하고 신뢰성이 높기 때문에 자동차에 사용가능한 소자로 수요가 증가하고 있다. 미국의 Everspin은 슈퍼바이크 용으로 사용할 수 있는 4Mb MRAM 칩을 제공했는데 이는 엔진 컨트롤 유닛, 고급 변속 컨트롤, 차량 내 데이터 로그 및 엔터테인먼트를 위한 멀티미디어 시스템 등 다양한 자동차 응용 프로그램에 사용된다3.

국내 기업인 삼성전자는 MRAM의 적용 분야를 확대하여 2019년 내장형 MRAM(Embedded MRAM, eMRAM)을 소형 전자제품 대상의 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit ,MCU), 시스템 온 칩(SoC)에 적용을 하였다. 또한, 2021년 2월 4일 세미콘 코리아 콘퍼런스에서 MRAM의 MTJ 패터닝의 요구사항을 충족시키며 실패율을 대폭 개선하였다고 언급했다4.

국내 연구소인 KIST에서는 2020년 5월 MRAM의 전력소비를 낮추는 초 저전력 기술을 개발하였다. 기존 MRAM에서 사용하지 않았던 새로운 물질을 활용하여 스핀의 정렬 방향 전환 속도가 기존 대비 100배 향상된 소자를 제작에 성공하였다5.

이 뿐만 아니라, MRAM 후보 소재 성능을 측정하는 AI를 개발하여 MRAM 제작에 적합한 소재를 찾는 시간을 줄였다6.

5.  결론

현재 차세대 메모리에 대한 개발은 가속화되고 있으며 그 중에 MRAM은 주력 후보이다. 그중 MRAM 소자 내에서 MTJ에 대한 연구가 소재, 구조, 현상 그리고 측정 원리 등 다양한 방법으로 활발히 진행 중이며, MRAM 중에서도 SOT-MRAM의 개발을 위해 스핀 궤도 상호작용과 라쉬바 효과 사이의 명확한 영향력 차이를 분석하는 것이 필요하다.

또한, 전자 스핀의 특성은 저온에서 잘 나타나지만, 고온에서의 분석은 어려운 상황이므로, 이를 해결할 수 있는 방법을 고안해 내는 것도 중요하다. 그러므로, 개발이 지속되어 소자의 성능이 다양한 환경에서 더욱 향상될 수 있다면, 현재 메모리 성능을 월등히 뛰어 넘는 저전력, 소형화 그리고 고성능의 메모리 시대를 열 수 있을 것이다.


 [4. 시장동향 참고 자료]
1 GrandViewResearch, [Magneto Resistive RAM(MRAM) Market Analysis By Type(Toggle, Spin-Transfer Torque)], 2017.04.
2 Forbes, [Analysts expect MRAM revenues to grow 170X by 2029 to reach $4 billion], 2019.07.09.
3 Mordor Intelligence [MAGNETO RESISTIVE RAM(MRAM) MARKET-GROWTH, TRENDS, COVID-19 IMPACT, AND FORECASTS(2021-2026)], 2020
4 THEELEC, [삼성전자, 뉴메모리 ‘M램’활용처 확대], 2021.02.04.
5 ITBizNews, [국내 연구진, 초저전력 자성메모리(MRAM) 소자기술 개발 성공], 2020.05.27.
6 조선비즈, [KIST, AI로 차세대 메모리 MRAM 개발 앞당긴다], 2020.11.17.

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