Spintronics is a study of electron spin, which can is a promising candidate for future transistors. A recentlydiscovered spin-orbit torque (SOT), is a new topic in spintronics, which allow the switching of magnetization byin-plane current through heavy metal (HM)/ferromagnet (FM)/oxide structure. SOT based switching is known forits high speed and high reliability. To enhance the efficiency of the SOT device, HM material with large spinHall angle is needed. On the other hand, over all these advantages, SOT devices require external in-planemagnetic field for deterministic switching, which is detrimental for device applications.This thesis focuses on the development of non-volatile spintronics logic device based on SOT. SOT-baseddevices are good candidates for logic-in-memory applications. For the given purpose, first a material search ofheavy metals with large spin Hall angle is performed. Prior reports suggest that tungsten (W) may have a largespin Hall angle compared to that of Ta or Pt, which are well known heavy metals that can induce perpendicularmagnetization with either CoFeB or Co. Moreover, as Ta and W are CMOS compatible material, W is studied asa replacement for Ta for its large spin Hall angle. Here, I observed that W is more SOT efficient than that of Ta.Then, a search for new underlayer material is performed. New underlayers such as anti-ferromagnets canbring new phenomena such as field-free switching. In this point of view, I introduce ferromagnetic material asthe underlayer. Even though 3d metals are known to have negligible spin-orbit coupling and SOT, some reportsshow that ferromagnetic metals have effective spin Hall angle, enough to produce non-negligible SOT. Thus,introducing a thin layer of FM as the source of SOT can allow a new degree of freedom on the development ofSOT-based devices.Finally, a prototype of logic-in-memory device based on spin-orbit torque is developed. A 2-bit logic-inmemorydevice is demonstrated which shows that by controlling the anisotropy of each bit, a selective switchingto simultaneous switching can be achieved. To control each bit independently, I introduced a gate oxide to thestructure, thereby enabling external application of electric field on the ferromagnetic layer. It has been reportedthe magnetic properties can be controlled by applying voltage on it. Thus, in this scheme, I applied externalvoltage as gate voltage and controlled the switching current of each FM bit. This allowed a full control of 2-bitlogic which was unable in the prototype of the device.
최근 몇 년 사이에 급증한 모바일 기기의 사용은 반도체 소자의 개발 방향을 고성능 소자에서 저전력 및 비휘발성 소자로 바꾸어 놓았다. 특히 한정된 배터리 용량에 의존하여 전자기기를 구동 시켜야 하기 때문에 정적소비 전력이 0에 가까운 비휘발성 특성은 매우 중요한 점으로 대두되고 있다. 이러한 새로운 소자를 개발하기 위해서 다양한 대안들이 제시되고 있는데 그 중에서 스핀트로닉스 소자는 위 필요 요소를 모두 만족시킬 수 있는 소자 중 하나라고 생각 된다. 스핀트로닉스 현상 중에서도 최근 관찰 된 중금속/자성체/산화막 삼중층 구조에서 일어나는 스핀오빗토크 현상은 면방향 전류를 이용해 자화방향을 제어 할 수 있는 새로운 물리적 현상이다. 이러한 스핀오빗토크 현상은 기존 스핀전달토크 현상보다 고속이면서 신뢰도가 높은 소자의 동작을 구현하게 해준다. 이러한 스핀오빗토크 현상은 중금속 물질의 스핀홀각도가 더 클수록 그 효율이 좋다고 알려져 있다. 이러한 다양한 장점에도 불구하고 스핀오빗토크 기반의 소자들은 외부자기장이 있어야만 안정적인 소자 동작이 가능하다. 이러한 점은 소자 응용에 있어서 큰 단점이자 극복해야 할 과제로 남아있다. 본 논문에서는 스핀오빗토크 현상에 기반한 새로운 스핀트로닉스 소자를 개발 하는 것에 초점을 맞추겠다. 이러한 새로운 소자는 비휘발성 논리 소자 혹은 로직-인-메모리 소자로 큰 활용가치를 가지고 있다. 이러한 활용 방안을 실현하기 위해서는 첫째로 스핀홀각도가 큰 중금속 물질을 찾아야만 한다. 기존 연구 결과를 보면 텅스텐 (W) 물질의 스핀홀각도가 기존에 흔히 사용 되던 탈탈 (Ta) 혹은 백금 (Pt) 보다 크다고 알려져 있다. 백금의 경우 가격이 비싸기 때문에 기존 반도체 공정에서 많이 쓰이지 않는 물질이지만 탄탈의 경우에는 흔히 사용 되는 물질이기 때문에 탄탈을 대체 하기 위한 물질로 텅스텐을 연구하기로 하였다. 텅스텐은 이미 기존 반도체 공정에서 사용 되기 때문에 기존 공정에 있어서 도입하는데 큰 문제가 없을 것이라고 판단 된다. 이번 연구에서 텅스텐이 탄탈보다 스핀오빗토크 효율이 높다는 것을 확인하였다. 그 다음으로 기존 중금속 물질이 아닌 다른 대체 물질로부터 스핀오빗토크를 생성 시키는 연구가 진행 되었다. 이러한 새로운 물질의 소개는 새로운 물리적 현상을 기대할 수 있다. 에를 들어 반강자성 물질의 접합은 외부자기장 없이도 안정적으로 동작하는 스핀오빗토크 소자를 개발 할 수 있게 해 준다. 이는 기존 자기메모리 혹은 스핀트로닉스 소자의 고집적도를 위해 필수적인 연구 방향이다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 중금속이 아닌 자성금속층을 이용하여 스핀오빗토크를 생성하고자 했다. 일반적으로 가벼운 3d 전이금속들은 스핀오빗작용이 매우 작다고 알려져 있지만 자성금속의 경우에는 스핀홀각도가 0이 아니라고 보고가 되었다. 또한 중금속보다는 낮은 저항, 내부 자기모멘트의 존재 등 새로운 현상을 예상 할 수 있기 때문에 기존 중금속을 이용하는 것 보다는 더 유연한 소자 개발에 도움이 될 것이라고 판단 되었다.
마지막으로 이러한 물리적 현상을 모두 이용하는 로직-인-메모리 소자의 프로토타입을 개발하였다. 2-비트 로직-인-메모리 소자의 동작에서 자화반전임계 전류가 각각 비트마다 서로 다른 것을 관찰 할 수 있었다. 이를 이용하여 2-비트 비휘발성 로직소자를 개발 할 수 있었다. 이와 더불어 각 비트를 독립적으로 제어하기 위해서 외부에서 전기장(전압)을 인가해 주어서 자성특성을 제어하였다. 이렇게 자성특성이 바뀌게 되면 자화반전임계 전류 역시 변화되기 때문에 각 비트를 독립적으로 제어 할 수 있게 된다. 이러한 방식을 이용하여 2-비트 로직-인-메모리 소자의 완벽한 동작을 구현 할 수 있었다. 본 논문의 결과는 스핀오빗토크 기반 비휘발성 로직소자의 개발에 많은 도움이 될 것이라고 생각된다.
