차세대 자기메모리 핵심소재기술 개발
계면 엔지니어링을 이용한 구동전류 저감기술 개발로 실용화 단계 앞당겨

▲ 왼쪽부터 김영근 교수, 김용진 박사(공동제1저자), 이민혁 석박사통합과정(공동제1저자)

공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 “차세대 자기메모리(MRAM)의 구동전류를 획기적으로 저감할 수 있는 소재기술을 개발했다. 

자기메모리(MRAM)는 기존의 반도체를 기반으로 하는 메모리와는 달리 자성박막을 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 메모리 소자로서, 특히 스핀궤도토크(spin-orbit torque)를 이용하는 방식은 동작 속도와 에너지 효율 측면에서 유리할 것으로 기대되어 세계 각국에서 경쟁적으로 개발하고 있다. 그러나 현재까지 스핀궤도토크 방식의 자기메모리는 정보기록을 위한 높은 구동전류로 인해 상용화가 이루어지지 못하고 있다.

현 연구팀은 기존 기술보다 5배 이상 낮은 구동전류를 확보할 수 있는 소재기술을 개발했다. 스핀궤도토크 자기메모리의 경우, 정보기록을 위해 비자성층/강자성층 박막 구조를 사용하며, 비자성층 경우 스핀-궤도 결합력이 강한 텅스텐(W)이 주목받고 있다.  연구팀은 비자성층/강자성층 계면에 반응성 스퍼터링 기법을 이용한 텅스텐 질화물 초박막을 삽입하여 계면제어에 따라 스위칭 구동전류를 획기적으로 저감할 수 있는 기술을 개발했다. 구동전류가 감소되는 원인은 텅스텐 질화물 초박막의 특성에 따라 변하는 내재적 특성인 스핀(spin) 홀(Hall) 전도도에 의한 것임을 공동연구자인 울산대 물리학과 임성현 교수 연구팀의 제일원리 계산을 이용하여 성공적으로 규명했다.

* 스핀궤도토크(Spin-orbit Torque) : 전자의 스핀과 궤도 사이의 상호작용으로 인한 물리적 현상을 기반으로 하며, 물질 내부에 흐르는 전류로부터 생성되는 스핀에 작용하는 토크로 인접한 강자성체의 정보를 조작한다.
* 반응성 스퍼터링 기법 : 기존의 스퍼터링은 아르곤 분위기에서 플라즈마를 발생시켜 원하는 물질의 박막을 제작하는 방식이다. 이 스퍼터링 과정에 산소나 질소를 흘려주어 해당 원소가 포함되는 각종 화합물 박막을 제조할 수 있는 방법을 말한다. 흘려주는 가스의 분압을 조절하여 박막의 화합물 조성을 제어할 수 있다. 
* 스핀 홀 전도도 : 물질에 전압을 주고 자기장이 존재할 경우 나타나는 정렬된 스핀의 이동성을 뜻한다. 일반적으로 가해준 전류의 수직 방향으로 그 특성이 나타난다.

김영근 교수는 “본 연구는 스핀궤도토크 기반 차세대 자기메모리의 구현을 방해했던 높은 구동전류를 해결할 수 있는 방향성을 제시했고, 해당 기술의 실용화 시기를 한 걸음 앞당겼다는 것에 의미가 있다.”라고 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․ 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 재료과학 분야 최고 권위의 국제학술지인 악타 머티리얼리어(Acta Materialia) 지에 게재됐으며, 국내외 특허를 출원했다.

* 논문명 : Large reduction in switching current driven by spin-orbit torque in
W/CoFeB heterostructures with W–N interfacial layers
* 저자 : 김영근 (교수) (교신저자/고려대학교), 김용진 (박사) (공동 제1저자, 고려대학교), 이민혁 (공동 제1저자, 고려대학교), 김규원 (공동저자, 고려대학교), 김태현 (공동저자, 고려대학교), 차인호 (공동저자, 고려대학교), 꾸인 안 응우옌 (공동저자, 울산대학교), 임성현 (교수) (공동저자, 울산대학교)
 

[ 용 어 설 명 ]

1. 스핀궤도토크(Spin-Orbit Torque)
  ○ 전자의 스핀과 궤도 사이의 상호작용으로 인한 물리적 현상을 기반으로 하며, 비자성체 내부에 흐르는 전류로부터 생성되는 스핀에 작용하는 토크로 인접한 강자성체의 자화방향을 바꿀 수 있다.

2. 반응성 스퍼터링 기법
  ○ 기존의 스퍼터링은 아르곤 분위기에서 플라즈마를 발생시켜 원하는 물질의 박막을 제작하는 방식이다. 이 스퍼터링 과정에 산소나 질소를 흘려주어 해당 원소가 포함되는 각종 화합물 박막을 제조하는 방법을 말한다. 흘려주는 가스의 분압을 조절하여 박막의 화합물 조성을 제어할 수 있다.

3. 스핀 홀 전도도
  ○ 물질에 전압이 주어지고 자기장이 존재할 경우 나타나는 정렬된 스핀의 이동성을 뜻한다. 일반적으로 가해준 전류의 수직 방향으로 그 특성이 나타난다.

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 텅스텐 질화물이 삽입된 소자구조와 구동특성 변화
(중앙) 텅스텐 질화물이 삽입된 스핀궤도토크에 의해 구동되는 소자 개략도. (좌) 질소 함량과 텅스텐 질화물 박막의 두께의 변화에 따른 스핀궤도토크 효율 확인. (우) 질소 함량에 따른 구동전류가 감소됨을 확인

(그림2) 텅스텐 질화물의 구조물성과 스핀 홀 전도도 확인
질소 조성에 따라 텅스텐 질화물 박막의 물성이 어떻게 변하는지 확인하였다. (a) X-ray 결정 분석과 소자 비저항 측정으로 상변화 예측 (b) 전자투과현미경을 이용하여 상 분석 (c) 결정 구조 분석결과를 바탕으로 한 스핀 홀 전도도의 제일원리 계산 값(위), 실험 측정값 (아래)

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)