자벽이동 및 수직 자기터널접합용 수직자기 이방성 물질 개발Development of perpendicular magnetic anisotropy materials for domain wall motion and perpendicular magnetic tunnel junction

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최근, 기존의 일렉트로닉스(electronics)에 대한 대체 학문으로 스핀(spin)에 기반을 둔 일렉트로닉스 즉, "스핀트로닉스(spintronics)"에 많은 연구가 집중되고 있다. 스핀트로닉스는 크게 두 가지 기술로 분류될 수 있는데, 스핀의 전달과 스핀의 주입 및 조작이 그것이다. 특히 스핀의 전달 분야에서 최근 스핀 전달 토크(Spin-transfer torque) 현상이 전류에 의한 자화 반전 및 자구벽 이동의 물리적 설명에 대해 중요한 역할을 담당하면서 큰 발전이 이루어졌다. 자기 메모리(Magnetic random access memory; MRAM)과 “magnetic race-track memory"는 초창기 수평방향 방식으로 개발되었다. 그러나 메모리 장치에서 기록밀도가 점점 더 중요해지면서, 수직방향으로 자화된 방식의 장치가 요구되기 시작했다. 기존의 수평기록방식에 반해, 수직기록방식은 높은 열적 안정성과 높은 기록밀도를 보인다. 더구나 자기 메모리에서 스핀 전달 토크에 의한 자화반전이 이용되면, 선택도(selectivity) 문제를 피할 수 있을뿐더러 셀(cell)이 작아질수록 더 작은 전류로 구동이 가능해진다. 본 논문에서는 전류유도 자벽이동(Current-induced domain wall motion; CIDWM) 및 수직 자기터널접합(perpendicular MTJ; p-MTJ)에 적합한 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy; PMA) 물질을 고안하고 개발하였다. 전류유도 자벽이동을 위한 수직이방성 물질로는 $Co_{63}Re_{14}Pt_{23}$ 합금과 Co/Ni 다층박막을 선택하여 각각 $M_s=450 emu/cc$, $K_u=2.2x10^6 erg/cc$, and $M_s=704 emu/cc$, $K_u=1.1x10^6 erg/cc$ 의 자기적 특성을 확보하였다. 전자빔 리소그래피(E-beam lithography)와 에칭(etching) 방식으로 10 nm 두께의 박막을 300~500 nm의 폭을 가진 나노선(nanowire)으로 패턴한 후에도 수직이방성 특성은 유지되었다. NS-MOMM(nanosecond magneto-optical microscopy magnetometer) 장비를 이용하여 자벽이동 현상을 관찰하고자 자화반전된 도메인(domain)을 만들고 펄스 전류(pulse current)를 주입하였다. 두 종류의 나노선 모두에서 줄 열(Joule heating)에 의해 큐리 온도(Curie temperature)를 넘지 않는 전류 밀도 내에서 자벽 이동을 관찰하지는 못하였다. 그러나 CoRePt와 Co/Ni 나노선에 각각 330 Oe와 225 Oe의 자장이 펄스 전류 $3.8×10^7 A/cm^2$ and $4.7×10^7 A/cm^2$ 와 함께 인가되었을 때에는 전류의 방향에 반대로 자벽이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 나노선에 강한 pinning field가 존재한다는 것을 의미한다. Pinning field는 나노선의 본질적인 문제로 고려된다. CoRePt 나노선에서 pinning field의 크기를 측정하기 위해 자장과 전류밀도를 변화시키면서 자벽이 고정되어 있다가 벗어나는 시간 즉, depinning time을 측정하였다. 주어진 자장에 대해 depinning time과 전류밀도는 아레니우스 법칙(Arrhenius‘ law)에 잘 따랐고, 추산된 스핀 온도는 격자온도에 비해 2~6배 높게 나타나 나노선이 스핀 전달 토크에 의해 열적으로 활성화되어 자화반전이 일어났음을 알 수 있었다. 또한 $N\acute{e} el-Brown$ 방정식에 따라 pinning field는 절대온도에서 664 Oe로 추산되었다. 수직 자기터널접합 연구에서는 seed layer/FePt/FeV/MgO/CoFeB/(Co/Pt)/Ta/Ru 구조의 적층을 고안하였다. $L1_0$ FePt 구조가 높은 Ku를 가지고 MgO와 좋은 격자 일치를 보여 하면전극(bottom electrode)으로 선택하였다. 낮은 온도에서 FeP
Advisors
전덕영researcherJeon, Duk-Youngresearcher
Description
한국과학기술원 : 신소재공학과,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2011
Identifier
466420/325007  / 020065030
Language
kor
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과, 2011.2, [ viii, 111 p. ]

Keywords

수직자기 터널접합; 나노선; 전류유도 자벽이동; 수직자기 이방성; FePt; FePt; p-MTJ; nanowire; current induced domain wall motion; Perpendicular magnetic anisotropy

URI
http://hdl.handle.net/10203/49899
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=466420&flag=dissertation
Appears in Collection
MS-Theses_Ph.D.(박사논문)
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