표제지
목차
초록 7
Abstract 8
1. 연구 배경 및 동기 12
1) MRAM(Magnetic Random Access Memory, 이하 MRAM) 12
(1) MRAM의 핵심 구동 원리 14
(2) MRAM의 에너지 효율을 높이는 연구 18
2) Neuromorphic device: synaptic device using MRAM 24
3) FePt 기반 SOT 소자의 필요성 27
(1) L1₀-FePt 결정 구조 및 자기적 특성 28
(2) L1₀-FePt의 일축자기이방성의 생성원리 30
2. 샘플 제작 및 실험 조건 31
1) FePt 기반 이종접합구조 성장 31
(1) FePt 기반의 이종접합 박막 31
(2) FePt 기반의 입상박막 - MgO(100)/ FePt-TaOx (10 nm)/ capping 32
2) 스위칭 소자 공정 34
3) 스위칭 측정 방법 34
3. 실험 결과 및 분석 36
1) FePt/Ru/CoFeB 필름 보자력의 Ru 두께 의존성 36
2) SOT 기반 스위칭 특성 분석 39
(1) Ru 두께에 따른 FePt/Ru/CoFeB 소자의 스위칭 특성 39
(2) FePt/Ru/CoFeB 소자의 스위칭 기구 분석 42
3) FePt-TaOₓ granular film의 다중상태 스위칭 특성 47
(1) L1₀-FePt 층과 계면을 이루는 스핀 전류원의 성장 기구 47
(2) FePt-TaOₓ granular film의 다중상태 스위칭 특성 51
4. 결론 54
참고 문헌 55
그림 1.1. 메모리 계층 구조 12
그림 1.2. (위) In memory computing 기술 소개 (아래) 삼성전자에서 제안한 In memory computing 13
그림 1.3. 자기터널접합의 기본 구조 14
그림 1.4. 스핀 의존 터널링 모식도 15
그림 1.5. (a) 스핀홀효과 모식도 (b) NM/FM에서 발생하는 SOT 17
그림 1.6. 비휘발성 메모리들의 장단점 비교 18
그림 1.7. 다양한 금속 접합구조에서의 ƟSH[이미지참조] 19
그림 1.8. 외부자기장 유무에 따른 SOT 스위칭 모식도 20
그림 1.9. 무자장 자화제어를 위한 다양한 현상들 20
그림 1.10. 삼중층 구조에 존재하는 chiral coupling 효과에 의한 보자력 변화 관찰 결과 21
그림 1.11. 삼중층 구조의 계면에서 발생하는 스핀 세차운동에 의한 z spin 발생 모식도 22
그림 1.12. 알파고 VS 이세돌 : 알파고와 이세돌의 바둑대국 이후, 인공지능 컴퓨팅의 중요성이 본격적으로 주목받기 시작하였다. 24
그림 1.13. 시냅스 모식도 25
그림 1.14. 비휘발성 메모리 별 아날로그 소자 성능지표 25
그림 1.15. FePt의 L1₀ 구조와 결정방향에 따른 자기 이방성 모식도 27
그림 1.16. 상에 따른 FePt 합금의 세 가지 배열 구조 29
그림 1.17. 온도와 Fe의 조성에 따른 FePt 상 다이어그램 29
그림 1.18. Fe와 Pt가 벌크 상태에서 독립적으로 존재할 때와 L1₀ 합금 상을 가질 때 형성되는 밴드 구조 비교 30
그림 2.1. T-type 자화 구성을 이루는 각 층별 물질 32
그림 2.2. 초고진공 마그네트론 스퍼터링 시스템 32
그림 2.3. 제작된 FePt 기반 SOT 소자 34
그림 2.4. (위) SOT 스위칭 측정 과정 모식도 (아래) 전자석을 이용한 전기적 측정 시스템그림 35
그림 2.5. 중간 층 Ru 층의 두께에 따른 보자력 변화 곡선 37
그림 2.6. (좌) FePt 단일층의 AHE 측정 결과 (우) Ru 두께에 따른 유효자기장 변화 곡선 37
그림 2.7. Ru 층의 두께에 따른 XRD 측정 결과 38
그림 2.8. 중간 층 Ru 층의 두께에 따른 S parameter 38
그림 2.9. Ru 층의 두께에 따른 SOT 스위칭 결과 40
그림 2.10. 스위칭 시점에서의 소자 온도 확인 실험 41
그림 3.1. FePt/Ru/CoFeB 구조에서 chiral coupling 이 되어있을 경우, 선호하는 방향에 따라 요구되는 에너지 다이어그램 43
그림 3.2. 전기장으로 NM/NM과 FM/NM 계면에서의 스핀전류 생성 묘사 43
그림 3.3. FePt/Ru/CoFeB 구조에서 z spin 성분에 의한 자화 제어 모식도 44
그림 3.4. Pt 층에서 생성된 스핀전류가 (a) 스핀역흐름에 의한 총 스핀전류량의 감소를 묘사한 그림 (b) Ru 층에서 발생하는 스핀 흡수에 의해 강자성체로의... 45
그림 3.5. Ru 두께별 스위칭 효율 46
그림 3.6. L1₀-FePt 물질의 기본적인 자성 특성 48
그림 3.7. L1₀-FePt/Pt 시편의 결정성 및 자성 특성 48
그림 3.8. L1₀-FePt/Ta 시편의 결정성 및 자성 특성 48
그림 3.9. L1₀-FePt-Ta₂O₅ /Pt 시편의 결정성 및 자성 특성 49
그림 3.10. 관찰된 결정 성장을 이해하기 위한 표면 자유에너지 분석 모식도 50
그림 3.11. FePt 기반 입상자성박막의 멀티레벨 동작 특성 시뮬레이션 결과 51
그림 3.12. 저항의 다중상태 스위칭 측정 과정 모식도 52
그림 3.13. FePt-Ta₂O₅ 시편의 다중상태 특성 측정 결과 53