Recently, intensive interests have been focused on "spintronics" which means the electronics based on spins as an alternative for the conventional electronics. The spintronics can be divided into two categories; spin transport and spin injection and manipulation. In the field of the spin transport the recently developed spin-transfer torque phenomenon played an important role in explaining for magnetic switching and domain wall motion by electric current.
Magnetic Random Access Memory (MRAM) and "magnetic race-track memory" were initially developed in longitudinal magnetization. However, as recording density becomes more important in memory devices, perpendicularly magnetized devices became necessary. Contrary to the conventional longitudinal recording, perpendicular recording provides higher thermal stability and higher density. Moreover if we use spin-transfer torque switching method in MRAM, we can not only avoid selectivity problem but reduced current for a smaller cells.
In this dissertation, we designed and developed the PMA (perpendicular magnetic anisotropy) materials for CIDWM (current-induced domain wall motion) and p-MTJ (perpendicular magnetic tunnel junction) as an element of the MRAM devices. The PMA materials for CIDWM are selected $Co_63Re_14Pt_23$ alloy and Co/Ni multilayers, whose properties exhibit $M_s$=450 emu/cc, K_u=2.2x$10^6$ erg/cc, and $M_s$=704 emu/cc, K_u=1.1x$10^6$ erg/cc, respectively. After patterning the films by e-beam lithography and etching, the PMA properties are maintained in the nanowires of 10 nm thick and 300~500 nm width. A reversed domain was made and pulse current were injected to observe wall motion by a NS-MOMM(nanosecond magneto-optical microscopy magnetometer). In the both nanowires, we could not observe the wall motion at a current level lower than a critical current density where Joule heating exceeds the Curie temperature of respective nanowires. However, when an magnetic fields of 330 and 225 Oe were applied and pulse currents of 3.8×$10^7$ and 4.7×$10^7$ A/$cm^2$ were injected we could observe the wall motion opposite to the current direction in CoRePt and Co/Ni nanowires, respectively. These indicate there are strong pinning fields in the nanowires. The origin of pinning field are considered due to intrinsic pinning field. In order to study magnitude of the pinning field in CoRePt nanowire we have studied depinning time by varying magnetic field and current density. The depinning time vs current density for a given magnetic field is well matched to an Arrhenius` law and estimated spin temperature is large as 2~6 times than lattice temperature. Also the pinning field estimated from the N$\acute{e}$el- Brown equation was 664 Oe at 0 K.
For p-MTJ we designed a full stack of seed layer/FePt/FeV/MgO/CoFeB/(Co/Pt)/Ta/Ru. $L1_0$ FePt system is selected as a bottom electrode for high Ku and good lattice matching with MgO. In order to align the "c" axis normal to plane and to make ordering of FePt at lower temperature, we have introduced a (002) oriented CrV seed layer. By controlling V content and sputtering conditions, (002) texture of CrV was obtained and lattice parameter "a" of CrV was slightly larger than that of FePt. The biaxial tensile stress induced by the misfit strain allowed lower temperature ordering of FePt. We could obtain well order FePt layer with high coercivity and high nucleation field at 400 ℃. However, the fabricated MTJ cells of this stack after photo-lithography and etching showed electrical short while measuring TMR (tunneling magneto-resistance). Analyses of microstructure by HR-TEM images for the stack unveil that the electrical short comes from grooves in the FePt films which induced a thinned area of MgO barrier in the groove region. Quantitative analysis of composition by EDS, the grooves are confirmed to originate from Pt diffusion to the grain boundary of CrV underlayer. However, when we deposit the layer at 300 ℃ the grooves were not found. To use the FePt layer for pinned layer in p-MTJ we have to increase substrate temperature to 400 ℃ to achieve higher nucleation field and higher coercivity. For this purpose we have introduced a VN buffer layer in-between CrV and FePt, electrically conductive, having similar lattice parameter to CrV and acting diffusion barrier to Pt. It was successful. However, the wetting property of Pt on VN was not so good. Pt layer formed in island, which induces rough surface. It is recommended to use another layer to solve this problem.
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 $Co_63Re_14Pt_23$ 합금과 Co/Ni 다층박막을 선택하여 각각 $$M_s$$=450 emu/cc, $K_u$=2.2x$10^6$ erg/cc, and $$M_s$$=704 emu/cc, $K_u$=1.1x$10^6$ erg/cc의 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 FePt의 규칙화를 이루고 평면에 수직한 방향으로 "c"축을 정렬하기 위해 (002) 평면으로 배향된 CrV 씨앗층(seed layer)을 도입하였다. V의 함량과 스퍼터(sputter) 조건을 조절하여, FePt보다 약간 큰 격자상수 "a"를 가진 CrV을 (002) 평면으로 잘 배향시킬 수 있었다. 격자불일치에 따른 변형율(Misfit strain)에 의한 2축방향(biaxial) 인장응력(tensile stress)이 FePt의 규칙화 온도를 낮추는 역할을 하였다. FePt 박막은 400 ℃의 공정온도를 이용하여 증착하였을 때 규칙화가 잘 이루어지고 큰 보자력과 큰 핵생성자계를 나타내었다. 그러나 포토 리소그래피(photo-lithography)와 에칭 방법을 이용하여 이 적층구조를 자기터널접합 셀로 제작하고 터널 자기저항(tunneling magneto-resistance; TMR)을 측정해 본 결과 전기적 단선 현상이 발생하였다. 적층구조에 대해 HR-TEM(high resolution transmission elecron microscopy)을 이용하여 미세구조를 분석해보니 자기터널접합 셀의 전기적 단선은 FePt 박막에서 형성된 홈(groove)이 원인이었다. FePt에 홈이 있는 곳에서 MgO barrier가 얇아지는 형태를 나타내었던 것이다. EDS(energy dispersive spectroscopy) 정량분석을 통해, groove는 CrV 하지층의 결정립계(grain boundary)를 따라 Pt가 확산을 하여 발생된 것임을 확인할 수 있었다. 그런데 300 ℃에서 공정이 진행된 경우에는 groove가 발생되지 않았다. 수직 자기터널접합에서 FePt를 고정층으로 사용하기 위해서는 큰 보자력과 큰 핵생성자계가 요구되므로 400 ℃의 공정온도가 필요하다. 이러한 이유로 Pt 확산을 방지하고자 CrV과 FePt 박막 사이에 중간층으로 VN 층을 도입하였는데, 전기 전도도가 높고 CrV과 유사한 격자상수를 가지고 있어 우수한 후보로 고려되었고 결과적으로 groove가 없는 막을 만드는데 성공하였다. 하지만, VN 층 위에서 Pt의 wetting 특성이 좋지 않아 island 형태로 박막이 형성되어 거친 표면을 만드는 문제가 발생하였다. 이 문제를 해결하기 위해서는 VN 층 위에 wettibility가 좋은 다른 층의 도입이 필요할 것으로 보인다.
