자화 이해와 정보 저장 및 읽기의 주요 매커니즘 이해가 필요해

반도체 소자의 고집적화가 이루어지며 기술이 점차 발전해 감에 따라, 메모리 분야에서 기존의 한계를 극복한 더 높은 수준의 소자 기술과 적용이 문제로 대두되었다. 이러한 한계와 특성을 극복한 차세대 메모리 소자로 MRAM이 주목받고 있다.

여러 장점을 고루 가지며 높은 효율을 자랑하는 MRAM을 이해하기 위해선 자화에 대한 이해와 정보 저장 및 읽기의 주요 매커니즘인 스위칭에 관한 이해가 필요하다. 이에 MRAM 및 STT의 기본 원리와 스위칭에 관해 자세히 알아보고자 한다.



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실

주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
송서현 (고려대학교 전기전자공학부 석박통합과정)
이종성 (고려대학교 전기전자공학부 석박통합과정)


목차

개요
1. 서론
2. 자기 저항 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM)
    2-1. MRAM 의 근황과 STT-MRAM (Spin Transfer Torque-MRAM)
    2-2. MTJ (Magnetic Tunnel Junction), 그리고 STT (Spin Transfer Torque)의 기본 원리
3. 스핀 전달 토크와 스위칭 현상
    3-1. 스핀 전달 토크의 스위칭 속성 (STT Switching Properties)
    3-2. 스위칭 확률과 쓰기 오류율 (Switching probability & Write Error Rate, WER)
    3-3. STT-MRAM 소자에서의 스위칭 딜레이 (Switching Delay)
    3-4. 원치 않는 스위칭, 읽기 방해율 (Read Disturb Rate, RDR)
    3-5. 스위칭 이상현상 (Switching Abnormality)
4. 결론
5. 참고문헌


1. 서론
  
차세대 메모리 기술인 MRAM은 비휘발성 메모리로서, 자성체의 자화 방향을 이용하여 데이터를 저장한다. 특히 STT-MRAM은 낮은 전력 소모와 고속 스위칭을 구현할 수 있어 주목받고 있다. 최근 인공지능, 사물인터넷, 자율주행차 등의 발전으로 메모리의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, MRAM은 이러한 요구에 부합하는 차세대 메모리 기술로 각광받고 있다. 본 보고서에서는 STT-MRAM의 원리와 스위칭 특성에 대해 상세히 분석하여, 이 기술을 소개하고자 한다.


2. 자기 저항 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM)

2-1. MRAM의 근황과 STT-MRAM
  
MRAM은 비휘발성 메모리 기술로, 자성층의 자화 방향을 이용해 데이터를 저장하고 읽는다. 그림 1은 MRAM의 구조를 나타낸 모식도로 그림 내 MTJ의 두 자성층 사이의 자화 방향에 따라 '0'과 '1'의 이진 정보를 저장하며, 비휘발성 특성 덕분에 전원이 꺼져도 데이터를 보존할 수 있다. MRAM은 빠른 읽기와 쓰기 속도, 높은 내구성, 낮은 에너지 소모 등의 장점으로 주목받고 있다.

STT-MRAM은 MRAM의 한 종류로, 스핀 전달 토크(STT) 기술을 사용하여 자성층의 자화 방향을 변경한다. STT-MRAM은 기존의 MRAM보다 낮은 전력 소모로 고속 스위칭을 구현할 수 있어 차세대 메모리 기술로 각광받고 있다. STT 기술은 전류가 자성층을 통과할 때 스핀 각운동량을 전달하여 자화 방향을 변경시키는 원리를 사용한다. 이를 통해 더욱 효율적이고 신뢰성 있는 데이터 저장을 가능하게 한다.

자동차 산업에서는 자율 주행 및 차량 정보 시스템에 MRAM과 STT-MRAM이 사용되며, 클라우드 컴퓨팅, 대규모 데이터 처리, AI 및 머신러닝 응용 분야에서도 높은 효율성과 안정성 덕분에 각광받고 있다. 또한 임베디드 시스템, IoT, 로봇 공학, 의료용 장치 등 다양한 분야에서도 활용된다. STT-MRAM은 특히 에너지 효율성과 고속 작동이 필요한 응용 분야에서 큰 장점을 제공한다.
 



2-2. MTJ (Magnetic Tunnel Junction), 그리고 STT (Spin Transfer Torque)의 기본 원리
  
MTJ는 두 자성층 사이에 절연층이 있는 구조로, 자성층의 자화 방향에 따라 터널링 저항이 변하는 특성을 가진다. 자화 방향이 평행하면 저항이 낮고, 반평행하면 저항이 높아진다. 이 특성을 이용해 데이터를 저장하고 읽어들이는 방식이 MRAM의 기본 원리이다.

 


STT는 전류가 자성층을 통과할 때 스핀 각운동량을 전달하여 자화 방향을 변경시키는 현상이다. 이 원리는 MTJ의 특성과 결합되어 STT-MRAM의 스위칭 특성을 구현하는 데 사용된다. STT는 기존 메모리 기술에 비해 더 낮은 전력으로 고속 스위칭을 가능하게 하여 차세대 메모리 솔루션으로 주목받고 있다.

그림 2는 전류로 인한 스핀 전달의 모식도이다. 그림 2(a)에선 자유층에서 고정층을 향하는 방향으로 전류를 가했으므로, 자유층 내의 자화는 고정층을 통과하여 오는 전자들의 스핀 방향으로 인해 스핀 전달 토크 힘의 반대 방향인 오른쪽으로 살짝 틀어지는 것을 볼 수 있다. 반대로 그림 2(b)에선 고정층에서 자유층을 향하는 방향으로 전류를 가했으므로, 전류의 모든 전자가 자유층에서 고정층을 향해 들어가게 된다.

이때, 업스핀을 띄는 전자들은 업스핀 방향의 자화방향을 가진 고정층을 그대로 통과하게 되지만, 다운스핀을 띄는 전자들은 고정층을 통과하지 못해 NM (Non-magnetic Material)층에서 산란된다. 이 반사된 전자들은 NM과 자유층의 계면에 충돌하게 되고, 이는 다시 자유층 자화에 스핀 전달 토크를 가하여 자유층의 자화를 고정층의 자화방향으로부터 반대방향으로 정렬하게 하려는 경향이 생긴다.

따라서 반사되는 전자들은 자유층 내의 자화 방향에 맞추어져서 나오게 된다. 이렇게 전류 방향을 이용해 전자가 스핀 방향에 의해 통과되고 통과되지 못하는 성질을 이용하여 전류 방향에 따른 P (Parallel)또는 AP (Anti-Parallel)배열 자기 구성을 정렬시킬 수 있다.

위와 같이 자성층에 전류를 흘려보내어 스핀 각운동량을 전달함으로써 자화 방향을 제어하는 STT 기술은 전력 소모를 줄이고 스위칭 속도를 향상시킬 수 있다. 이 원리를 기반으로 동작하는 STT-MRAM은 높은 내구성과 빠른 작동 속도를 제공하며, 다양한 응용 분야에서 효율적인 메모리 솔루션을 제공한다.

3. 스핀 전달 토크와 스위칭 현상

3-1. 스핀 전달 토크의 스위칭 속성 (STT switching properties) 
  
STT 기술은 전류가 자성층을 통과하며 스핀 각운동량을 전달해 자화 방향을 바꾼다. STT-MRAM은 이 원리로 빠른 스위칭을 구현하며, 전류 밀도와 자성층 특성에 크게 의존한다. 특히, 스위칭 동작은 전류의 펄스 너비에 따라 크게 달라지며 전류 밀도가 높을수록 스위칭 시간은 짧아지기 때문에 전류 밀도는 스위칭 특성을 파악하는 데에 중요한 요소이다. 그림 3은 전류에 영향을 미치는 요소로 쓰기 펄스 폭에 대한 쓰기 전류의 의존도 그래프이다.
 


임계 전류는 자화 반전을 유도하는데, 이에 대한 임계전류밀도는 식 1을 통해 알 수 있으며 Macrospin 모델이라 불리는 단일 도메인 모델을 기반으로 하였다.
 


평면 MTJ의 경우, H_K는 벌크 이방성(bulk anisotropy), H_D는 형상 이방성(shape anisotropy)를 의미하며 이 형상 이방성은 총 이방성에 영향을 크게 주는 역할을 한다. 식 2는 스위칭 임계전류를 나타낸 식이며, 이 때 V는 자유층의 부피를 의미한다.
 


수직 MTJ의 경우, H_K는 수직계면 이방성(perpendicular interfacial anisotropy)을 나타내며 수직계면 이방성이 총 이방성에 지배적인 영향을 준다. 아래 식 3은 이 MTJ의 스위칭 임계전류를 나타낸다.


 
두 방정식 모두 상온에서 열 안정성 계수로 나타낼 수 있으며, 이는 아래의 식 4와 같다.
 


이 식 4를 통해 벌크 이방성 및 수직계면 이방성과 포화 자화는 모두 온도에 대한 영향을 받는 것을 볼 수 있는데, 스위칭 임계값은 온도가 증가할수록 떨어지는 것을 알 수 있다. 또한 주변 온도가 상승하여 자체 발열로 인해 저항면적이 높아지면 임계전류가 상대적으로 감소하게 된다. 이는 직경이 큰 MTJ일수록 더 많은 열을 발생시키기 때문에, 작은 직경의 MTJ를 스위칭 할 때 스위칭 전류밀도가 더 높다는 것을 의미한다.

전류 펄스로 자화를 스위칭 하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있는데 짧은 전류 펄스로 스위칭 하는 방법과 긴 전류 펄스로 스위칭 하는 방법이 있다. 짧은 전류 펄스로 자화를 스위칭 하려면 자화와 관련된 방정식인  LLG식으로 도출되는 원뿔의 각도가 π/2 이상으로 커지도록 해야 한다. 그러기 위해선 더 높은 전류가 필요하게 되며, 스위칭 시간은 대략 (I_w-I_c0 )에 반비례하게 된다. 여기서 쓰기 전류(write current, I_w)가 임계전류(I_c0)를 초과하게 된다. 긴 전류 펄스로 자화를 스위칭하려면 열 변동과 분극 전류가 모두 자화에 작용하고, 전류가 임계전류보다 작을 때 스위칭이 발생할 수 있다.

3-2. 스위칭 확률과 쓰기 오류율 (Switching probability & Write Error Rate, WER)
  
스핀 전달 토크의 스위칭 특성은 열적 오차를 고려할 때 확률적인 양상을 보인다. 이는 초기 자화 지터로 인해 발생하며, 열 에너지가 자화를 용이축(easy-axis) 주위로 조금씩 움직이게 한다. 이로 인해 자화와 용이축 사이의 원뿔 각도 θ는 작지만 한정된 범위에 걸쳐 분포하게 된다. 열 에너지가 낮고 이방성이 강할수록 θ의 범위는 좁아진다.



정규화된 시간 τ는 세차주기, t_pw는 펄스 폭, ι는 정규화된 전류를 나타낸다. τ=0 에서는 전류가 작용하지 않으며, 자화는 θ=0 부근에서 조금씩 움직인다. 스위칭 임계전류의 1.5배 크기인 스핀전류가 주입되면 4번의 세차주기에서 원뿔 각도의 100%가 π에 도달해 완전한 스위칭이 이루어진다. 스위칭 확률은 전류 밀도와 온도에 따라 달라지며, 특정 쓰기 펄스가 스위칭에 실패할 확률인 WER를 계산할 수 있다. 그림 4는 Δ=60인 정규화된 전류에서 시간에 대한 오류율을 보여준다.
 


쓰기 전류가 임계전류보다 낮을 경우, 스핀 전류는 자체적으로 원뿔각도 θ를 π/2 이상 성장시킬 수 없지만 열 변동은 세차운동 중에 영향을 줄 수 있어 자유층의 자화가 반전되는 것을 그림 6에서 확인할 수 있다. 이처럼, 쓰기 전류가 계속 켜져 있으면 대부분의 θ는 π/2에 도달하게 되어 자화가 스위칭된다.

 


긴 스위칭 펄스 폭 및 열 영역에서의 전류밀도는 Ji0 이다. 스위칭 확률 근사값 P_sw는 아래의 식 5를 통해 나타낼 수 있다. 여기서 t_pw는 펄스 폭을, I_c0는 쓰기 임계전류를 나타낸다.
 




반대로, 짧은 스위칭 펄스 폭에서의 전류밀도는 J>J_i0 이므로 스위칭 프로세스가 에너지 장벽을 넘어선 열 활성화로 간주될 수 없다. 따라서 이때의 스위칭 확률은 식 6을 통해 나타낼 수 있다.
 


쓰기 전압은 MTJ저항과 면적의 곱에 비례하므로 식 7으로 나타낼 수 있다.
 


위를 통해 MTJ의 저항과 면적의 곱을 낮추면 쓰기 전류를 동일하게 유지하면서 쓰기 전압을 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다. 이때 WER은 특정 펄스 폭을 조절하여 식5와 WER=1-P_SW 를 통해 구할 수 있으므로, 전류를 통해 전압을 구하여 WER의 그래프를 그림 7과 같이 나타낼 수 있다.
 


이 데이터는 펄스 폭이 짧아짐에 따라 쓰기 전류가 점진적으로 증가한다는 것을 보여주고, 더 넓은 펄스일수록 WER에서 더 가파른 감쇠를 일으키며, 짧은 펄스일수록 일반적인 형태보다 감쇠가 느리고 WER이 느리게 떨어지는 것을 보여준다. 이렇게 칩 수준 설계의 스위칭 윈도우 크기를 예측하려면 오류율 측정이 필요하다.

3-3. STT-MRAM 소자에서의 스위칭 딜레이 (Switching Delay)
  
그림 8에서 나타낸 것처럼 1M-1T MRAM cell에서는 MTJ가 스위칭 될 때, 셀 전류가 계단함수를 나타낸다. 주어진 전류에서의 스위칭 딜레이는 쓰기 펄스의 시작에서부터 MTJ가 스위칭 되는 때까지 측정된다. 그림 8(b)에서의 스위칭 딜레이 구간은 ②→③ 사이의 구간과 ⑥→⑦ 사이의 구간으로 볼 수 있다. 쓰기 펄스가 딜레이 분포를 커버할 수 있을 만큼 충분히 길면 WER는 낮아지거나 0이 된다.
 


3-4. 원치 않는 스위칭, 읽기 방해율 (Read Disturb Rate, RDR)
  
MTJ에 전류를 인가하여 셀 데이터를 읽을 때 원치 않는 스위칭이 발생하는 경우가 생기는데 이를 읽기 방해라고 한다. 원치 않는 스위칭이 발생할 확률인 RDR은 (RDR)= 1-(WER) 로 나타낼 수 있다. Butler는 읽기 펄스 폭과 MTJ 열안정성 계수의 함수를 통해 RDR을 계산했으며, 그림 9는 =60의 계산 결과를 보여준다.
 


3-5. 스위칭 이상현상 (MTJ Switching Abnormality)
  
MTJ가 동일한 상태를 유지하려 할 때, 반대 상태로 전환 후 다시 원래 상태로 돌아오는 현상을 “자기 백-호핑(magnetic back-hopping)”이라고 한다. 이 현상은 일반적으로 에너지 장벽이 낮아 외부적인 영향이나 열적인 영향으로 인해 의도하지 않은 스위칭이 되는 것으로 쓰기 임계전류보다 훨씬 큰 전류에서 자주 발생하며, 주로 이방성이 낮은 샘플에서 발생한다. 자기 백-호핑 현상은 평면 MTJ와 평면 외 MTJ 모두에서 발생할 수 있으며, 데이터 저장에 있어 MTJ의 안정성과 신뢰성에 직접적인 영향을 줄 수 있다.

스위칭 전압이나 전류가 증가하면 WER은 감소하지만, 일부 비트 셀에서는 감소가 느리거나 특정 전압 이후에 정상적인 감소가 시작된다. 이 현상을 "풍선 현상(ballooning)"이라고 합니다. 이는 자성이 불균일하게 분포된 매체나 외부 자기장에 의해 발생할 수 있다.

4. 결론
 
STT-MRAM은 높은 데이터 처리 속도와 낮은 전력 소모, 비휘발성 특성으로 다양한 산업 분야에서 각광받고 있다. 특히 자율주행차, AI, IoT 등에서 중요한 역할을 하고 있으며, 미래에는 더욱 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 현재 고온 안정성 등 기술적 과제를 해결하기 위한 연구가 지속되고 있으며, 이를 통해 STT-MRAM의 성능과 신뢰성이 향상되고 있다. 향후 지속적인 연구와 개발을 통해 STT-MRAM은 더욱 발전된 메모리 솔루션으로 자리매김할 것이며, 정보 기술의 혁신을 이끌어갈 것이다.


5. 참고문헌(Reference) 
 
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5. Denny D. Tang, et al. Magnetic memory technology: Spin-Transfer-Torque MRAM and beyond. Wiley-IEEE Press. Ch. 7
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