Magnetic random access memory (MRAM) has been expected to replace conventional memory device, such as DRAM and flash memory, in terms of ultra high density and/or ultra high speed. MRAM devices generally utilize magnetic tunnel junctions (MTJs) as a cell, which consist of insulating layer sandwiched by two ferromagnetic layer. The information of the cell is read by measuring tunneling magnetoresistance (TMR). For recording, the direction of magnetization in a FM electrode can be deliberately manipulated; so current-induced Oersted field or spin-transfer torque has been used, but they have difficulty in realizing currently required device. Recently, it has been demonstrated that current flows within underlayer could reverse the magnetization direction of FM in Ta/ CoFeB/ MgO or Pt/ Co/ $AlO_x$ heterostructure with perpendicular magnetic anisotropy (PMA), which is referred to as spin-orbit torques (SOTs). However, the origin of SOTs remains controversial between spin-Hall effect (SHE) and Rashba effect. SHE in the nonmagnetic conductor with large spin-orbit coupling, where electrons with distinct spin orientation are transported in the opposite direction to accumulate spin-polarized current at each side. This spin current, however, can be generated via Rashba effect in the heterostructure; of which structural inversion asymmetry generates electric field, and current feels the electric field as an effective magnetic field. Meanwhile, a new phenomena named spin-Hall magnetoresistance (SMR) was discovered in NM/ FM insulator bilayer. As reciprocal phenomenon of SOTs, the resistance of NM conductor changes due to the interaction between spin current generated by SHE and magnetization. In this study, we investigated SOTs and SMR in W/ CoFeB/ MgO heterostructure with PMA. The reason why we employed W as underlayer is that it has been known to be of the highest spin Hall angle so far. The materials were deposited by sputtering method, and cross structure called Hall bar was fabricated by photo-lithography. First, for the calculation of SOTs, magnetization behavior was analyzed by measuring the first and second harmonic of Hall voltage under magnetic field with AC current. Furthermore, direct current-induced magnetization switching was also conducted for the same samples. Subsequently, both longitudinal and transverse resistances were simultaneously measured under magnetic field with DC current source. As a results, we could observe lower switching current density and ten times larger SMR compared to the structure with Ta or Pt underlayer. Therefore, this study can be regarded as significant from both industrial and scientific point of view.
스핀트로닉스는 전자의 전하 특성에 더하여 스핀 특성을 유용하게 활용하기 위해 연구하는 학문이다. 주로 스핀-오빗 특성이 큰 비자성 금속, 강자성 물질 그리고 반강자성 물질들에 대하여 연구된다. 특히 휴대폰, 노트북등 전자기기들의 급격한 발전에 따라 요구되는 초고속 및 초고집적 저장장치 개발에 스핀트로닉스의 활용이 기대되고 있다. 따라서 기존의 메모리들을 대체하기 위하여 자기 메모리에 대해 많은 연구들이 활발히 이루어져 왔다. 하지만, 상용화를 위해서는 구동 전력 감소, 소자의 안정성 확보 등 몇몇 과제가 아직 남아있다.
자기 메모리는 주로 두 개의 강자성층 사이에 절연체가 삽입되어 있는 터널 접합 소자를 하나의 셀로 이용한다. 두 강자성층의 자화방향은 평행 또는 반평행 상태를 이룰 수 있는데, 이에 따라 소자의 저항이 달라지는 터널 자기저항 현상을 이용하여 이진 부호로 정보를 읽는다. 따라서 정보를 기록하기 위해서는 한쪽 강자성 전극의 자화방향을 조절 할 수 있어야 하는데, 이를 위해 전류에 의한 유도 자기장 또는 자성층을 통과는 스핀 편향 전류에 의해 전달되는 스핀-트랜스퍼 토크가 이용되어 왔다. 하지만 전자는 소자의 구조를 복잡하게 하여 고집적화에 어려움이 있고, 후자는 높은 수준의 전류가 터널 막을 통과하므로 안정성 측면에서 불리하다는 단점이 있다.
최근에는 수직 자기 이방성을 가지는 터널 접합 소자의 한쪽 전극에 평행하게 흐르는 전류로 자성층의 자화 방향을 반전 시키는 스핀-오빗 토크에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 이를 활용하면 고집적화에 유리한 수직 자기 이방성을 낮은 구동 전력으로 활용할 수 있다는 이점이 있다. 현재까지 Ta/ CoFeB/ MgO 또는 Pt/ Co/ $AlO_x$ 의 이종구조에서 발생하는 스핀-오빗 토크에 대해 많은 보고들이 있었는데, 그 원리에 대해서는 스핀-홀 현상과 Rashba 현상 두 가지로 나뉘어 의견이 분분한 실정이다. 스핀-홀 현상은 스핀-오빗 토크가 큰 비자성 금속에 전류가 흐를 때, 서로 다른 스핀 배향을 가지는 전자가 정 반대 방향으로 이동하는 현상으로서, 이를 통하여 스핀 편향 전류를 강자성체에 주입 할 수 있다. 한편, 이종구조에서는 Rashaba 현상에 의해서도 계면에 스핀 편향 전류가 형성 될 수 있다. 서로 다른 계면에 의해 박막에 수직 방향으로 발생한 전기장 내에서 평행하게 흐르는 전류는 마치 자기장하에서 놓인 것처럼 거동한 다는 것이 Rashba에 의해 밝혀졌다. 두 현상이 자화 방향에 미치는 토크의 방향이 같아서 구분하는데에 많은 어려움이 있다.
한 편, 비자성/ 강자성 절연체 이중층 구조에서 일종의 스핀-오빗 토크의 반작용에 해당하는 현상이 최근 발견되어 많은 주목을 받았다. 스핀-홀 자기저항으로 명명된 이 현상의 원리는 다음과 같다. 비자성층에서 스핀-홀 현상에 의해 발생하여 강자성층으로 주입되는 스핀 편향 전류가 자성층의 자화 방향에 따라 흡수되거나 반사되는 정도가 달라져, 강자성층의 물질이 절연특성을 가짐에도 불구하고 소자의 저항이 자화방향에 따라 달라진다는 것이다. 이 현상은 스핀-홀 현상과 직접적인 관련이 있으므로 학문적인 탐구 가치가 높은 것으로 평가된다.
본 연구에서는, 스핀-홀 효과가 가장 큰 것으로 알려진 비자성 물질인 텅스텐을 이용하여 스퍼터링 기법으로 수직 자기 이방성을 가지는 W/ CoFeB/ MgO 이종구조를 형성 한 뒤, 박막 위에 자외선 리소그래피를 이용하여 십자가 모양의 홀 소자를 제작하였다. 이에 대해 우선 교류 전류를 주입하고 자기장의 크기를 변화시켜 홀 전압을 측정하였다. Lock-in 기술을 이용하여 전류의 한 배 및 두 배 진동수와 관련된 홀 신호를 분리함으로서 자화의 거동을 분석할 수 있었다. 이를 통해 기존에 보고된 식들을 활용하여 스핀-오빗 토크의 크기를 구하려 하였다. 또한, 직접적으로 전류에 의한 자화반전을 관측하는 실험도 수행하였다. 자기저항 측정을 위해서는, 직류 전류를 주입하고 소자를 자기장하에서 회전 시키면서 전류에 대해 평행 및 수직인 두 방향의 전압을 동시에 측정하였다. 그 결과, 기존의 Ta나 Pt를 이용한 구조와 비교하여 더 낮은 전류밀도에서의 자화반전과 10배 가량 큰 스핀-홀 자기저항을 관측할 수 있었다. 따라서 본 연구는 실용적인 측면과 학문적인 측면에서 모두 의미가 있다고 할 수 있다.
