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Title Page
Contents
Abstract 12
CHAPTER I. Introduction and motivation 14
Reference 17
CHAPTER II. The perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB on an amorphous buffer layer 18
1. Introduction and motivation 18
2. Theoretical background 20
2.1. Magnetic anisotropy 20
2.2. The origin of perpendicular magnetic anisotropy 21
2.3. The anomalous Hall-effect 22
3. Preliminary experiments 23
3.1. The physical properties of CoFeB 23
4. Results and discussions 34
4.1. The perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB on FeZr buffer layer (without Ta capping layer) 34
4.2. The perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB on FeZr buffer layer (with Ta capping layer) 42
5. Conclusions 44
Reference 45
CHAPTER III. The spin Hall effect of CoFeB and Co ferromagnetic layer 52
1. Introduction and motivation 52
2. Theoretical background 53
2.1. Spin Hall effect 53
2.2. Spin-orbit torque 55
3. Results and discussions 56
3.1. Sample preparation 56
3.2. In-plane magnetic field (Hy) dependence(이미지참조) 61
3.3. Induced current (Iy) dependence(이미지참조) 67
3.4. Out-of-plane magnetic field (Hz) dependence(이미지참조) 73
3.5. The new method for measuring a spin-Hall angle 76
4. Conclusions 81
Reference 82
CHAPTER IV. Magnetostatic spin wave in very thin CoFeB film grown on amorphous FeZr buffer layer 84
1. Introduction and motivation 84
2. Theoretical background 85
2.1. Magnetostatic spin wave 85
2.2. Dzyaloshinskii-Moriya interaction 87
3. Results and discussions 88
3.1. Device preview 88
3.2. MSSW measurements and the existence of Dzyaloshinskii-Moriya interaction in FeZr/CoFeB/MgO. 90
3.2. The dependence of the distance between two CPWs 92
3.3. The group velocity and attenuation length in FeZr/CoFeB/MgO. 94
4. Conclusions 96
Reference 97
Korean Abstract 100
Figure 1. The resistivity (black-left) and saturation magnetization (blue-right) of... 24
Figure 2. The change of resistivity of CoFeB 50 ㎚ with various working pressure... 26
Figure 3. The resistivity (ρ) divided by the lowest resistivity (ρ0) vs. effective...(이미지참조) 27
Figure 4. The surface roughness of 50 ㎚ thick CoFeS films with various PAr and...(이미지참조) 28
Figure 5. The coordinate of GST-measurement. The field angle (θH) is the angle...(이미지참조) 30
Figure 6. The anomalous-Hall effect measurement of FeZr(1)/CoFeB(1)/MgO(2.5)... 32
Figure 7. (a) The GST-measurement of FeZr(1)/CoFeB(1)/MgO(2.5) with... 33
Figure 8. The resistance product area value of three MTJs vs. TMR ratio. The... 35
Figure 9. The result of XPS measurement of SiO₂/FeZr/CoFeB/MgO/Ta structures... 36
Figure 10. The anomalous-Hall effect measurement (red-left) and MOKE... 37
Figure 11. The out-of-plane (red-left) and in-plane (black-right) of FeZr(2)/... 38
Figure 12. The saturation field vs. tMgO.(이미지참조) 39
Figure 13. The anomalous-Hall effect measurement with out-of-plane (red-left)... 41
Figure 14. The saturation magnetization of FeZr(2)/CoFeB(t)/MgO(1.5)/Ta(1)... 42
Figure 15. The K1ef·t*CoFeB vs. t*CoFeB of FeZr(2)/CoFeB(t)/MgO(2.5) with and...(이미지참조) 43
Figure 16. An illustration of spin-Hall effect in transition metal. 54
Figure 17. The illustration of the relation between spin current density and charge... 55
Figure 18. The illustration of fabrication process with process order. 57
Figure 19. The illustration of our measurement set-up. An electromagnet induce a... 59
Figure 20. The optical microscope image of the fabricated sample. The width of... 60
Figure 21. The anomalous Hall effect measurement (left) and current induced... 61
Figure 22. The graph of current induced magnetization reversal with various in-... 62
Figure 23. The illustration of torque equilibrium process. There are three different... 63
Figure 24. The current induced magnetization reversal with various magnetic field 65
Figure 25. The change of the width of switching current (left) and the height of... 66
Figure 26. The out-of-plane anomalous-Hall effect measurement of Pt/Co/Pt... 67
Figure 27. The in-plane anomalous-Hall effect measurement of Pt/Co/Pt structure... 68
Figure 28. The in-plane anomalous-Hall effect measurement of Pt/Co/Pt structure... 70
Figure 29. The in-plane switching field (HC) vs. I.(이미지참조) 71
Figure 30. The y-directional magnetic field vs. critical switching current with... 72
Figure 31. The current induced magnetization reversal of Pt/Co/Pt with various... 73
Figure 32. The illustration of torque equilibrium with 4 torques. When the external... 74
Figure 33. The positive and negative switching current vs. z-directional field (left)... 75
Figure 34. The anomalous Hall effect measurement of... 78
Figure 35. Many hysteresis loop changed by z-directional magnetic field. 79
Figure 36. The average of critical switching current vs. z-directional magnetic... 80
Figure 37. Schematic representation of a spin wave in a one-dimensional string of... 85
Figure 38. A schematic illustration of a conduction-electron spin current: spin... 86
Figure 39. Visual description of the interface form DMI. The Dzyaloshinskii vector... 87
Figure 40. (a) Schematics of the sample structure and antenna geometry. dgap is...(이미지참조) 90
Figure 41. (a) Real and imaginary parts of the mutual communication signal (S₂₁)... 92
Figure 42. Comparison of S₂₁ (solid lines) and S₁₂ (colored open symbols) spectra... 93
Figure 43. (a) Spin wave intensity ｜S₂₁｜ vs. dgap for a different μ0H. The equation...(이미지참조) 95
초록보기 더보기
최근의 반도체 산업은 Moore의 법칙이 무너지며 차세대 메모리의 개발을 서두르고 있다. 이론과 상용기술과의 간극은 계속 좁혀지고 소자 선폭의 한계영역에 도달한 결과, 저전력, 비 휘발성의 대체 메모리가 급부상 하였고, STT-MRAM은 가장 유력한 차세대 메모리 중 하나이다. MRAM에서 가장 중요한 부분은 자기터널접합 소자로 두 개의 자성층 사이에 절연층이 삽입된 샌드위치 구조를 갖고 있으며, 두 자성층의 자화방향이 서로 같을 때와 다를 때의 저항 변화를 이용한 스위칭 소자이다. 이때 자기저항비가 클수록 좋은 스위칭 소자라 할 수 있으며, 높은 자기저항비를 얻기 위해서는 CoFeB 과 MgO를 사용하는 것이 널리 알려져 있다. 최근 10년 동안의 연구로 양질의 자기터널접합을 얻는 기술은 확보되었으며, 이미 하드디스크 등의 TMR 센서로 사용되고 있다.
본 연구에서 주목한 점은 더 높은 에너지 효율을 갖는 소자를 연구하는 것이다. 높은 에너지 효율을 얻기 위해서는 수평자기 이방성이 아닌 수직자기이방성을 갖는 자성층을 사용해야만 하고, 이는 낮은 구동전류 및 높은 집적도를 위해 필수적이다. 이에 CoFeB/MgO 구조를 이용한 수직자기이방성을 연구하였다. FeZr 버퍼층을 사용한 경우 Ta버퍼를 사용한 경우보다 더 두꺼운 영역 까지 (＜1.8 nm) 수직자기이방성을 확보하였고, Ta capping을 사용한 경우 표면수직자기이방성이 40 % 이상 증가됨을 확인하였다. 이는 본 연구에서 최초로 보고한 내용이며, 삼성전자에 기술이전 되어 소자로 구현된 바 있다.
STT-MRAM의 또 다른 숙제는 손쉬운 자화반전이다. 자화반전에 사용되는 에너지가 적을수록 에너지 소모가 적은 소자를 구현할 수 있으며, 이를 위해 수평자기이방성에서 수직자기이방성으로 기술이 발전하였다. 기존 스핀필터링 효과를 이용한 스핀토크 인가에 더해 순수스핀전류를 인가함으로서 낮은 구동전류를 얻을 수 있다는 아이디어는 수년 전부터 활발히 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 스핀 홀 현상을 이용한 자화반전을 심도있게 연구하였고, 그 결과 수직자화층에 작용하는 토크들의 원인과 크기에 대한 정량화를 이루어내었고, 스핀홀효과의 효율을 나타내는 스핀 홀 앵글의 정량적인 측정법을 개발하였다. 이 측정법은 기존에 소개된 다른 측정방법에 비해 훨씬 간단하고, 빠르고, 정확하다는 장점이 있으며, 이는 차세대 메모리 개발에 기반이 되는 중요한 연구결과 이다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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