MRAM의 어닐링과 고온 계측

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)은 속도, 내구성, 비휘발성, 확장성 및 CMOS 공정과의 통합 용이성 때문에 임베디드 메모리의 새로운 기술로 학계와 업계에서 주목받아 왔다. MRAM의 핵심인 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)에서 자유층으로는 CoFeB 합금이 흔히 사용된다. 이러한 MTJ 소자에서, 박막의 계면과 결정성은 높은 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA)과 높은 터널 자기저항(Tunnel Magnetoresistance, TMR)에 큰 영향을 미친다. 단, 고온에서는 이러한 자성 특성이 불안정해지므로, 이를 보완하도록 소자를 개발하고 정확히 계측하기 위한 연구가 필요하다.


글/ 주병권(고려대학교 전기전자공학부 교수)
김용진(고려대학교 전기전자공학과 박사 과정), 강병우(고려대학교 전기전자공학과 석박통합 과정)
황영현(고려대학교 전기전자공학과 석박통합 과정), 강역은(고려대학교 전기전자공학부), 주혜린(고려대학교 전기전자공학부)


 

목 차

1. 서론
2. MTJ 박막 증착과 어닐링
    2-1. 박막의 결정성
    2-2. 자기적 특성
    2-3. TMR 특성
3. 광학 계측 장비를 활용한 자성 박막의 특성 확인
   3-1. MOKE(Magneto-Optical Kerr Effect) microscopy의 구조 및 특성
   3-1-1. 자성 박막의 고온 특성 확인(MOKE microscopy)
   3-2. VASE(Variable Angle Spectroscopy Ellipsometry)의 구조 및 특성
   3-2-1. 자성 박막의 어닐링 특성 확인(VASE)
4. MTJ의 고온 특성 파악(VSM & FMR)
   4-1. 진동 시료 자력계(Vibrating Sample Magnetometry, VSM)
   4-2. 강자성 공명(Ferromagnetic Resonance, FMR)
5. 결론
6. 참고문헌

1. 서론

MTJ가 CMOS-BEOL 공정과 호환되려면, 400 ℃의 어닐링(annealing) 온도를 견딜 수 있는 열 안정성을 가져야 한다. 열 안전성은 데이터 보존을 담당하는 자기 이방성이 온도에 민감하기 때문에 중요한 수치이다. 즉, 고온에서의 열 안정성 손실을 막기 위해서는 자기 이방성과 포화자화(saturation magnetization, MS)를 증가시켜야 하는 것이다. 그러나 고온에서는 전자스핀의 특성이 분명히 드러나지 않기 때문에 계측에 어려움이 있으므로 고온 성능을 예측할 수 있는 모델링이 필요하다.

2. MTJ 박막 증착과 어닐링

CoFeB 박막의 구성, 두께 등은 CoFeB 박막의 자기적 특성에 영향을 미치므로 스퍼터링 조건을 조절하는 것이 MTJ의 기능에 영향을 미치게 된다. 그러므로 흔히 사용되는 RF 자전관 스퍼터링(RF magnetron sputtering) 기법에 의한 스퍼터링 파라미터의 영향에 대한 연구가 필요하다.

이에 더하여 어닐링은 스퍼터링 기법에 의해 증착된 MTJ 박막의 결정구조, 형태 및 표면구조 형성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 MTJ 박막의 자기적 특성에도 영향을 미친다. 따라서 최적의 MTJ 적용에 있어서 최적화된 어닐링 온도가 요구된다. 박막의 결정성을 파악하기 위해서는 흔히 X선 회절(X-Ray Diffraction, XRD) 분석법을 사용하고 박막의 형태 및 표면구조를 파악하기 위해서는 주로 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)을 사용한다.

2-1. 박막의 결정성

그림 1 (a)를 보면 어닐링 하지 않은 CoFeB 박막은 무정형 상태(amorphous state)의 특성을 가지고 있으나 그림 1 (b)를 통해 어닐링을 진행한 CoFeB 박막의 경우, 결정질 피크가 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 어닐링 온도가 500 ℃에 도달하게 되면 오히려 CoFeB 피크(peak)가 사라짐을 보아 적절한 어닐링 온도가 중요함을 보여주고 있다.

2-2. 자기적 특성

그림 2는 스퍼터링 파워와 어닐링 온도에 따라 MTJ 박막의 자기적 특성이 달라짐을 보여주고 있다. 스퍼터링 파워는 박막의 성장률, 표면 거칠기에는 영향을 끼치나 CoFeB 박막의 결정 구조와 자기 이력 곡선의 형태에는 큰 영향을 미치지 않음을 보여주고 있다.

다만 보자력은 스퍼터링 파워에 비례하며 포화자화는 일정 스퍼터링 파워에서 최댓값을 가지고 이후 점차 감소하는 모습을 보인다. 어닐링 과정은 무정형 상태의 박막을 결정성 상태로 변하게 하며, 어닐링 온도는 자기 이력 곡선에 큰 영향을 미침을 보여준다. 어닐링 온도 역시 스퍼터링 파워와 마찬가지로 보자력과 포화 자화에도 영향을 미치는데, 스퍼터링 파워와는 달리 보자력은 감소하다가 증가하는 모습을 보이고, 포화 자화는 증가하다가 감소하는 양상을 보인다.

2-3. TMR 특성

스핀 의존 터널링의 결과인 TMR은 기판에 따른 차이가 존재하나 그림 3에서 보듯이 일반적으로 특정 어닐링 온도까지 증가하는 경향이 존재한다. 이는 MgO 층의 결정성 증가로 인한 결과이다. 그림 4는 어닐링 온도에 따른 결정성 변화를 보여주고 있는데, 해당 시료의 경우 어닐링 온도가 350 ℃일 경우에 비해 500 ℃에서 어닐링을 진행한 경우 결정성이 향상된 모습을 보여준다.
 

빛은 전자기파의 일종으로 자성체와 반응하면 그 특성이 변화한다. 이런 변화는 자성 물질에 따른 고유한 특성을 나타내며, 따라서 빛의 변화를 통해 물질의 특성을 계측할 수 있다. 이를 활용한 대표적인 계측 장비로는 MOKE(Magneto-Optical Kerr Effect) microscopy와 VASE(Variable Angle Spectroscopy Ellipsometry)가 있다.

3. 광학 계측 장비를 활용한 자성 박막의 특성 확인

3-1. MOKE microscopy의 구조 및 특성

MOKE microscopy는 자성 박막의 자화 상태에 따라 반사되는 빛의 편광 상태가 변화하는 것을 측정하여 광학적 변화의 지표인 회전각(Kerr rotation angle)과 타원율(Kerr ellipticity) 측정해, 시료의 자화배열을 모니터링 하는 장치이다. 이때 입사되는 빛은 선형 편광의 동일한 위상속도와 진폭을 갖는 2개의 원형 편광 성분으로 구성되며, 물질과 상호 작용하여 반사되면 회전각 성분과 타원율을 포함하는 새로운 편광상태가 된다. 이러한 광학적 변화의 지표인 회전각과 타원율 간의 관계식은 식 1과 같은 관계식이 성립하며, r는 반사된 빛의 s-편광 벡터, k는 반사된 빛의 p-편광 백터를 의미한다.
 

MOKE microscopy의 구조는 그림 5와 같다.



레이저로부터 나온 빛이 편광판(polarizer)과 만나 선형 편광된 상태로 자성체 시료에 인가되며 이때 시료는 특정 방향으로 자화방향을 갖고 있는 상태이다. 선형 편광된 빛은 자성박막에 충돌되며, 반사된 빛이 분석기(analyzer)에 의해 다시 편광된 후, 감지기(detector)에 의해 감지된다.

식 2는 증폭기로부터 얻은 값들을 바탕으로 MOKE의 매개변수인 θk와 εk를 도출하는 계산식이다. 이때, 3가지 전압 값이 필요로 한다. V1f, V2f는 lock-in 증폭기로부터 얻은 조화 신호의 전압, VDC는 DC 전압이다. J1, J2는 베셀 함수 계수로 베셀 함수를 계산하여 얻는 값으로 φ0 = 2.4048 rad 에서 J1 = 0.51915, J2 = 0.43175의 값을 나타낸다. √2는 lock-in 증폭기가 rms 전압을 나타내기 때문에 사용되었다.

이를 통해, MOKE microscopy는 편광 상태를 나타내는 변수 θk와 εk를 측정함으로써 시료의 자화 배열을 모너터링 하여 물질의 종류에 따른 자기 광학적 특성을 분석할 수 있다. 또한 시료의 자화 방향과 빛의 입사 평면 간의 위치 관계에 따라 그림 6과 같이 크게polar MOKE, longitudinal MOKE, 그리고 transversal MOKE로 분류된다.

Polar MOKE는 시료의 자화 방향이 빛의 입사 평면과 평행하면서 시료의 평면에 대해 수직으로 자화된 경우이며, Longitudinal MOKE는 시료의 자화 방향이 빛의 입사 평면과 시료 평면에 대해 평행한 경우이다. 마지막으로 transverse MOKE는 시료의 자화 방향이 빛의 입사 평면에 수직이고 시료 표면에는 평행하는 경우에 해당하며, 이때 회전각이 존재하지 않는다.

MOKE microscopy는 편광 상태를 나타내는 변수 θk와 εk를 측정하고 이로부터 얻은 그래프인 자기이력곡선(hysteresis loop)으로 자화 배열을 모니터링한다.

자기이력곡선은 외부의 자기장 크기에 대한 자화 값을 나타내 자성체의 자화 특성을 알 수 있도록 한 그래프이다. 이때 외부 자기장의 크기에 대응하는 x축은 가해지는 자계 강도(magnetic field strength)이며, y은 단위 부피당 자기 모멘트를 의미하는 자화 값 M 혹은 자속 밀도(magnetic flux density)에 대응한다. 이러한 자기이력곡선을 통해 시료의 자성특성을 파악하는 과정을 설명하겠다.

그림 7은 자기이력곡선으로 원점은 외부 자기장이 인가되기 전의 상태로, 자기 모멘트들이 무질서하게 배열되어 있어 B = 0인 점이다.

이때, 외부 자기장을 인가하기 시작하면 청록색 선을 따라 자속 밀도가 변화하며, 특정 외부 자기장 이상의 값이 인가되면 자속 밀도가 포화되어 점 b에 도달한다. 이 시점에는 무질서했던 자기 모멘트들이 외부 자기장에 의해 규칙적으로 배열되어 전체적인 자기 방향성이 형성된다.

여기서, 시료 표면에 형성된 자속 밀도가 포화상태에 도달하도록 하는 최소 자기장을 포화 자기장이라고 한다. 이후 외부 자기장의 크기를 점차적으로 줄어들면, 자기장에 의한 영향이 줄어듦에 따라 자속 밀도 또한 동시에 감소한다. 점 c는 외부 자기장의 크기를 0으로 만들었을 때의 자속 밀도를 의미하며, 그 값이 0이 아니라는 것은 외부 자기장을 제거하더라도 앞서 만들어진 자화 배열이 즉각적으로 사라지지 않음을 의미한다.

이는 자성체의 성질에 따라 다른 형태를 띠는데, 상자성의 경우에는 외부 자기장이 사라지면 바로 자성을 잃어버려 점 c가 원점에 가까워진다. 반면에, 강자성의 경우에는 외부 자기장이 사라지더라도 자성이 지속적으로 유지되므로 점c는 포화된 상태의 값에 가깝다. 이러한 경향성은 반대 방향의 자기장을 인가할 때에도 동일하며, 이를 바탕으로 점 d, e, f를 이해할 수 있다.

한편 자화가 이루어진 후에 물질의 자성을 제거하기 위해 필요한 외부 자기장의 크기를 나타내는 점은 점 d와 g이며, 그때의 자기장을 보자력으로 정의된다. 따라서 보자력이 크다는 것은 처음에 외부 자기장에 의한 자화가 유지되는 성질이 강함을 의미하며, 그 값은 자성체의 자화 성질에 따라 다르다.

3-1-1. 자성 박막의 고온 특성 확인(MOKE spectroscopy)

MTJ의 소재로 사용될 수 있는 자성 박막인 GdIG(Gadolinium Iron Garnet)를 MOKE microscopy를 활용하여 온도 변화에 따른 자화 특성을 확인할 수 있다.

먼저, GdIG 박막은 다결정으로 이루어진 물질로 준 강자성체(ferrimagnetic material) 이다. 준 강자성체는 반강자성체의 특징인 다른 하부 격자에서 원자의 가기 모멘트가 반대로 되는 성질을 갖지만, 2종류 이상의 원자로 구성된 경우 반대 모멘트가 완전히 상쇄되지 않아 자발적인 자성이 남는 성질을 갖으며, GdIG 경우 Gd3+와 Fe3+의 2종류의 원자를 갖는다.

이러한 성질은 상전이가 일어나는 퀴리 온도(Curie temperature, Tc)를 기준으로 이하의 온도에서는 유지되며, 퀴리 온도 이상에서는 자발적인 자성이 모두 사려지게 되어 외부 자기장이 인가되지 않으면 자성을 나타내지 않는다. 또한, 퀴리 온도 이하의 범위 내에서 순 자기 모멘트가 0이 되는 보상온도(compensation temperature, Tcomp)가 존재한다.

이러한 특성을 갖는 GdIG 박막은 수직 자기 이방성을 이용해 데이터를 고밀도로 저장할 수 있어, 자기 기록 매체 또는 차세대 자기 버블케이드 메모리(magnetic bubblecade memory)와 같은 다양한 응용 분야에 응용될 수 있는 잠재성을 갖는다[7, 8].

따라서, 지금부터는 GdIG 박막의 온도 변화에 따른 자기적 특성을 MOKE microscopy를 이용하여 분석하고 이를 통해 고온 특성을 확인한 연구를 통해 살펴보겠다.

이 연구에서는 자성 박막의 2가지 자화 방향(in-plane과 out of plane)을 측정하기 위해 Longitudinal MOKE (L-MOKE)와 Polar-MOKE (P-MOKE) 분석을 진행하였다[4].

그림 8은 L-MOKE를 이용하여 80K ~ 520K의 온도범위에서 얻은 자기이력곡선이며, 그림 9는 P-MOKE를 이용하여 80K ~ 530K의 온도범위에서 얻은 자기이력곡선이며, 여기서 Tcomp은 순 자기 모멘트가 0인 온도점이다.

L-MOKE와 P-MOKE 모두 온도변화에 따른 자기이력곡선의 형태가 경향성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 80 K에서는 매우 작은 크기의 보자력을 나타내며, 따라서 외부 자기장이 인가되지 않을 때에는 자화 배열이 무질서하게 변화함을 알 수 있다. 하지만 온도가 계속해서 증가함에 따라서 300 K, 440 K일 때에는 높은 크기의 보자력을 나타내, 외부 자기장이 인가되지 않아도 기존에 자화된 배열이 유지될 수 있다. 이를 통해, GdIG 51박막은 온도에 따라 자기 특성이 다르다는 것을 알 수 있다.

또한, 가장 높은 온도 520 K에서 L-MOKE의 자기이력곡선은 온전한 곡선의 형태를 갖지 않는다. 이는 보자력이 존재하여, in-plane 방향으로의 자화가 완전히 사라지지 않았다는 것으로 따라서, 외부 자기장이 존재하지 않을 때에도 자화된 자기모멘트가 존재하는 것을 의미한다. 이러한 in-plane 방향으로의 잔류 자기는 자기 이방성의 방향이 박막에 수직이 아닌 비스듬한 방향일 수밖에 없음을 방증한다. 한편, Tcomp은 L-MOKE, P-MOKE로부터 얻은 자기이력곡선의 형태가 더 이상 변화하지 않는 온도로, 퀴리 온도에 도달한 상태를 의미한다.

3-2. VASE의 구조 및 특성

빛은 전기장과 자기장이 특정한 방향성을 갖고 진동하며 진행하는 현상으로, 전기장의 진동방향과 입사 평면 간의 위치 관계에 따라 s-편광과 p-편광으로 구분된다. S-편광은 전기장의 진동 방향이 입사 평면에 수직인 경우이고 p-편광은 전기장 진동 방향이 입사평면과 평행하는 경우이다. 이를 그림 10을 통해 살펴보면, 입사한 빛은 물질의 표면으로부터 반사되어 s-편광과 p-편광의 조합으로 표현된다.

이때, 반사되는 S-편광과 P-편광의 비율을 프레넬 방정식(Fresnel equation)에 적용하면, s-편광과 p-편광 간의 위상차와 진폭비의 개념이 정의되면 식 3과 같이 표현된다. 이때, RP는 p-편광의 반사율, RS는 s-편광의 반사율, 그리고 ρ는 복소 반사율(complex reflectance ratio)를 의미한다.

VASE의 구조는 그림 11과 같은 구조를 갖는다. 먼저, 다양한 파장대의 빛에서 나온 반사파 특성을 측정하기 위해 백색광과 분광기를 사용하며, 이렇게 만들어진 광원을 시료의 표면에 원하는 여러 각도로 조사된다.

이때, 분석에 사용되는 빛의 파장대는 주로 약 250 nm ~ 800 nm이며, 조사된 빛은 시료의 표면에서 반사가 일어나 분석기에 의해 s-편광과 p-편광의 합성 성분만이 검출기에 도달하게 된다. 검출기는 도달한 빛의 강도를 감지하고 Stoke vector, Miller Matrix, Jonse Matrix 등의 수학적 matrix를 이용하여 Psi, Delta에 대한 스펙트럼으로 표현된다.

이렇게 얻어진 스펙트럼은 k의 분포함수로 변환되며, 크라머스-크로닝 관계식(kramers-kronig relation)을 바탕으로 박막의 두께와 굴절률 계산을 하는데 사용된다. 이러한 연산 과정은 측정치를 입력 값으로 하여, 로우 값을 도출하고 샘플의 구조에 따라 계산된 로우 값과 평균 제곱 오차(mean squared error)를 최소화하는 회귀 분석과정이 포함한다[11].

이처럼 VASE는 여러 파장대의 빛을 다양한 각도로 물질의 표면에 조사하여 편광 상태 변화의 지표로써 반사된 빛의 s-편광과 p-편광을 얻고 이들 간의 관계에 대한 정보를 감지하고, 연산과정을 거쳐 시료의 특성을 나타내는 두께와 같은 물리적 특성뿐만 아니라 굴절률, 흡수계수 등의 광학적 특성도 알 수 있다. 또한 단일 층뿐만 아니라 여러 층으로 구성된 샘플에 서도 적용이 가능하며[10], Delta의 해상도는 0.01 도로 매우 미세한 특성 차이를 감지할 수 있어 반도체, 신소재, 생명과학 등 많은 분야에 활용되고 있다.

3-2-1. 자성 박막의 고온 특성 확인(VASE)

비정질 CoFeB 위에 MgO 터널링 장벽을 증착하고 열처리를 통해 성장시키면, 그 결과 소자는 높은 TMR 값을 가지게 된다[14]. 이는 (001)-textured MgO가 비정질 CoFeB 층을 (001)로 결정화되도록 탬플릿 역할을 하여, coherent 터널링이 일어났기 때문이다[15].

이러한 특성을 바탕으로, MTJ 구조에서 사용될 수 있는 소재로 CoFeB에 대한 많은 연구들이 진행되어왔다. 최근에는 스핀트로닉스 소자에서 새로운 물리적 원리를 통한 확장성을 제공하기 위해, CoFeB 층의 자기적 특성과 빛 사이의 상호 작용에 대한 관심이 증가되고 있는데, 특히 CoFeB의 광학적 특성들에 대한 상당한 관심이 집중되고 있다[13].

이에 따라, Hoffmann et al. 연구팀은 CoFeB가 온도에 따라 결정구조에 차이가 발생하는 특징을 바탕으로, 물리적 구조의 차이에 따라 광학적 특성이 변화될 것이라 생각하여, 온도 변화에 따른 CoFeB의 결정구조를 파악하고 VASE를 이용하여 광학적 특성을 분석하였다[13]. 이 연구를 바탕으로, VASE를 이용하여 온도 변화에 따른 특성을 살펴보겠다.

그림 12는 XRD를 통해 열처리 온도 변화에 따른 결정구조를 분석한 결과이다. 시편은 Si/SiO2(100 nm) / Co60Fe20B20(20 nm) / Au(3 nm) 순으로 증착되었다.

이후, 증착된 시편은 각각 350 도, 400 도에서 30 분간 열처리를 진행하였으며, 각각에 대하여 측정을 진행하였다. 증착 직후에는 Au(111)과 Si 피크만이 각각 38.2°, 69.1°에서 나타났으며, 이는 Co60Fe20B20 층은 비정질 상태로 있다는 것을 의미한다. 350 도에서 30 분간 열처리를 진행한 경우에도 비슷한 XRD 분석결과를 보여주었는데 이는 Co60Fe20B20 층이 여전히 비정질 상태이거나 결정을 형성했지만 검출되기에 충분히 크기 않아서 측정되지 못한 것으로 보인다. 반면에, 400 도에서 30 분간 열처리를 진행한 경우에는 45 도 지점에서 CoFe(110)의 결정 상을 나타내며, 이를 통해 결정구조가 형성되었음을 알 수 있다.

그림 13은 VASE를 통해 분석한 열처리 온도 변화에 따른 유전율(ε1)과 유전 손실(ε2)을 나타낸다. 앞서 살펴본 XRD 분석 결과와 함께 분석해보면, 먼저 빛의 파장에 따른 양자 에너지에 대한 유전 손실 그래프를 통해, 박막에서 일어난 결정화가 유전 손실의 감소 및 안정화에 기여했다는 것을 알 수 있다.

증착 직후에는 선형 그래프가 형성된 것을 확인할 수 있지만, 350 도에서 열처리를 진행하게 되면 이전에 비해 기울기가 증가하고 또한 400 도에서 열처리를 진행한 후에는 그래프가 다시 증작 직후와 유사하게 완만한 선형 그래프를 나타내는 것을 알 수 있다.

이러한 경향은 다결정 구조가 형성되어 전자의 회절 특성이 변화하여 광학적 특성이 변화했기 때문이다. 반면에, 다결정 구조가 온전히 형성되지 않고 여러 상태가 혼재되어 있는 경우에는 결정질(grain)의 크기가 다양하고 결정 입계(grain boundary)도 불규칙하여 추가적인 에너지의 흡수가 일어나 다른 광학적 특성을 갖게 된다. 따라서, 증착한 직후와 350 도에서 열처리한 경우, 400 도에서 열처리한 경우에 모두 서로 다른 결정구조를 가지며, 이에 따라 전자스핀의 성질이 다르므로 같은 물질로 이루어진 박막이더라도 서로 다른 광학적 특성을 갖게 된다.

다음으로, 양자 에너지에서 발생된 전자 전이의 양상은 유전율의 크기에 영향을 미친다. 이때 온도에 따라서 전자 전이 양상이 다르며 유전율의 크기는 온도와 양자 에너지에 의해 결정된다. 전자 전이 양상은 온도에 따라 달라지는데 이는 물질을 구성하고 있는 결정 구조가 온도에 따라 변화하기 때문이다. 따라서, 전자 전이는 결정의 대칭성에 특이적인 경향을 보이므로, 비정질 상태일 때와 결정화가 일어나는 경우, 그리고 온전한 결정 구조가 형성되었을 때에 서로 다른 유전율 값을 나타내게 된다.

그림 13의 유전율 그래프를 살펴보면, 열처리를 진행한 경우에 2.6 eV와 3.8 eV 부근에서 발생한 피크값에서 온도에 따른 다른 경향성을 확인할 수 있다. 이는 서로 동일한 체심 입방(Body Centered Cubic. BCC) 결정 구조의 대칭성이라는 공통점이 존재했기 때문으로 생각되며[16], 400 도에서 열처리한 직후 나타난 그림 9의 그래프 경향은 CoFeB 박막에 형성된 체심 입방 결정 구조에 의한 광학적 특성을 반영했기 때문으로 사료된다.

이를 통해, 동일한 물질도 열처리 온도변화에 따라서 광학적 특성이 다르며, 따라서 VASE 기반의 분석은 물질의 온도 의존적인 광학적 특성 변화에 대한 정보를 얻기 위해 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

4. MTJ의 고온 특성 파악(VSM & FMR)

Jodi M. Iwata-Harms et al. 연구팀은 MTJ 자유층의 붕소 및 금속 불순물 농도를 달리하여 S1~S12로 표시된 12개 시료를 VSM과 FMR로 측정하였다.

4-1. 진동 시료 자력계

(Vibrating Sample Magnetometry, VSM)

-150 ℃~375 ℃사이의 온도에 대한 MTJ 자유층의 MS를 VSM으로 측정하였다. MS와 온도와의 관계식을 통해, 퀴리 온도를 알 수 있다.

온도가 증가함에 따라 MS는 감소하는 경향을 보이며 높은 온도로 갈수록 MS는 크게 감소하는 경향을 보이는데, 0.88 ＜ T/TC ＜ 0.988 일 때, 즉 고온일때는 MS와 온도와의 관계식이 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.

저온일때는 MS와 온도와의 관계는 Bloch’s law를 따르며 관계식은 아래와 같다.

4-2. 강자성 공명(Ferromagnetic Resonance, FMR)

300 K와 400 K범위에서 FMR 장비를 통해 Hk(이방성 자기장)값은 측정 가능하나, 300 K에서 400 K 범위에서 측정한 값을 선형 근사하여 고온 특성을 알아내는 것은 오차가 크기 때문에 적절한 관계식을 찾아 내야한다.

Keff(effective anisotropy constant)와 Ki(interfacial energy constant)를 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다. 이때 MS값은 VSM을 통해 알 수 있고 Hk값은 FMR을 통해 알 수 있다. tFL은 MTJ 자유층의 두께이고 M0는 T = 0 K일 때 MS값이다. 지수 γ는 실험을 통해 알아내는 값으로 2.2 ~ 2.8 사이의 값이다.

이 두 관계식을 통해 실험적으로 접근할 수 있는 온도 범위를 넘어 Hk를 추정할 수 있다. 그림 15에 삽입된 그래프는 선형 근사와 모델링을 통해 추정한 값의 차이를 보여주고 있다.

5. 결론

열 안정성은 CMOS 공정과의 호환성과 더불어 자동차와 같은 고온 데이터 보존을 필요로 하는 용도에 적합한 MRAM 설계에 중요한 요인이다. 고온에서의 자화 특성값을 통해 열 안정성 계수를 추정할 수 있으므로 실험적으로 접근할 수 있는 범위보다 더 넓은 온도 범위에서 열 안정성 계수의 온도 의존성을 추정하는 간단한 모델을 만들 수 있게 된다. 이러한 모델링은 온도 변화에 따른 열 안정성 계수를 이해하는데 큰 도움이 될 것이다.

6. 참고 문헌

[1] Zhangliang Xu, Lei Qin. Effects of sputtering parameters and annealing temperatures on magnetic properties of CoFeB films (2021).
[2] S. Ota, A. Ando, T. Sekitani, et al. Flexible CoFeB/MgO-based magnetic tunnel junctions annealed at high temperature (≥350℃) (2019).
[3] C. Song and G. S. Chiuzbaian, Towards quantitative measurements of magneto-optic kerr effect (MOKE) from theory to experiment -, https://lcpmr.cnrs.fr/sites/default/files/report-Changqing_SONG_2015.pdf
[4] S. Yamamoto and I. Matsuda, Measurement of the resonat magneto-optical kerr effect using a free electron laser (2017), Appl. Sci, 7(7), 662
[5] J. Wallyn, N. Anton, and T. F. Vandamme, Synthesis, principles, and properties of magnetite nanoparticles for invivo imaging applications - A Review (2019),Pharmaceutics, 11(11), 60
[6] M. Kuila, Z. Hussain, and V. R. Reddy, MOKE study of magnetic compensation in polycrystalline gadolinium iron garnet thin film (2019), J. Magn.Magn. Mater, 473, 458-463
[7] K. -W. Moon, D. -H. Kim, S. -C. Yoo, S. -G. Je,B. S. Chun, W. Kim, B. -C. Min, C. Hwang, and S.-B. Choe, Magnetic bubblecade memory based on chiral domain walls (2015), Sci. Rep, 5, 9166
[8] F. Jianbo, M. Hua, X. Wen, M. Xue, S. Ding, M.Wang, P. Yu, S. Liu, and J. Han, Epitaxial growth of Y3Fe5O12 thin films with perpendicular magnetic anisotropy (2017), Appl. Phys. Lett, 110, 202403
[9] Emund optics, [Introduction to Polarization]
[10] C. Negaram Thickness measurement of thin films on curved surfaces with ellipsometry (2015),Technical Report IES-2014-05
[11] J. N. Hilfiker, N. Singh, T. Tiwald, D. Convey, S. M.Smith, J. H. Baker, and H. G. Tompkins, Survey of methods to characterize thin absorbing films with spectroscopic ellipsometry (2008), Thin Solid Films,516, 7979-7989
[12] S. U. Jen, Y. D. Yao, Y. T. Chen, J. M. Wu, C. C. Lee, T. L. Tsai, and Y. C. Chang, Magnetic and electrical properties of amorphous CoFeB films(2006), J. Appl. Phys, 99, 053701
[13] M. A. Hoffmann, A. Sharma, P. Matthes, S. Okano,O. Hellwig, R. Ecke, D. R. T. Zahn, G. Salvan, and S.E. Schulz, Spectroscopic ellipsometry and magneto optical kerr effect spectroscopy study of thermally treated Co60Fe20B20 thin films (2020), J. Phys: Condens. Matter, 32, 055702
[14] S. Ikeda, H. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M. Tsunoda, F. Matsukura, and H. Ohno, Tunnel magnetoresistance of 604% at 300K by suppression of Ta diffusion in CoFeB MgO CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature (2008), Appl. Phys. Lett, 93, 082508
[15] S. Yuasa and D. D. Djayaprawira, Giant tunnel magnetoreistance in amgnetic tunnel junctions with a crystalline MgO (001) barrier (2007), J. Phys. D:Appl. Phys, 40, R337-R354
[16] Debnath, N. Chandra, M. R. Chowdhuri, and S.Chatterjee, Electronic energy bands and optical properties of Cr and Fe by the KKR method (1985),Journal of Physics F: Metal Physics, 15, 1693-1701
[17] Jodi M. Iwata-Harms. et al. High-temperature thermal stability driven by magnetization dilution in CoFeB free layers for spin-transfertorque magnetic random access memory. Scientific REPORTS 10.1038/s41598-018-32641-6 (2018).