[연재 기고] 스핀-궤도 결합을 이용한 차세대 자기 메모리 기술 개발

2021-07-08
저자 / 고려대학교 전기전자공학부 주병권 교수님 연구실

스핀 소자는 매우 작은 전류에 의해서도 물질계의 자화 벡터를 스위칭하는 것이 가능하고 기존의 저항 변화 메모리 기술의 한계점을 극복하여, 초저전력의 반도체 메모리 및 논리소자를 구현하는 것이 가능하다. 이 기고에서는 전류-스핀 전환으로 생성되는 스핀 전류에 의한 자화 벡터 스위칭이 적용되는 자기메모리에 대해 다루고자 한다.



윤덕현 디스플레이 팀, KIST, 스핀융합연구단(학생연구원)
• 최동원 디스플레이 팀, KIST, 스핀융합연구단(학생연구원)
• 김병권 디스플레이 팀, KIST, 스핀융합연구단(학생연구원)

목 차
제 1 장 서론
제 2 장 자기 메모리 개발 동향
제 3 장 고효율을 위한 스핀 궤도결합에 의한 전류-스핀 전환 기술
제 4 장 결론
제 5 장 참고문헌

서론


ITRS 로드맵에 따르면 고집적화 되어가는 소자들의 에너지 소모량이 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상된다. 2020년 이후 슈퍼컴퓨터의 경우 Exa-flop 되어 전력 소모량이 250 MW 에 달하고 그에 따른 소자의 온도는 태양 표면온도인 6000K에 도달하여 소자 자체를 태워버릴 정도로 발생하는 열이 급격하게 올라간다.

이에 따라 소자의 온도 유지를 위해 추가적인 전력이 냉각에 소모되게 된다. 특히, 일상생활에서 자주 사용되는 스마트 폰, 태블릿 PC 등에는 배터리 수명이 제품 성능에 중요한 요소이므로 전력소모 문제는 더욱더 부각되고 있다.




최근까지의 연구는 Bipolar 및 CMOS 방식을 통해 반도체 소자의 온도상승 문제를 해결해 왔지만 이제 한계에 이르렀고 극복을 위해서 근본적인 작동방식의 변경 또는 새로운 소재 개발이 필수적이다. 그림 1.2에서는 차세대 메모리 후보군(PCM, STT-MRAM 등)을 보여주고 있고 그 중 상대적으로 저전력 동작이 가능한 STT-MRAM의 경우도 현재의 소재 및 디자인에서는 300 fJ 정도의 한계를 가지고 있다.

하지만 전기장을 통한 자화 제어나 스핀-홀 효과, 열 전류, 스핀-궤도 결합을 이용하면 초저전력 및 초고속 반도체 소자를 개발하는 것이 가능할 것으로 예상되고 있다. 현재 개발 중인 스핀소자는 스핀-궤도 결합을 이용하여 정보를 저장, 처리할 수 있는 소자로서 스핀-궤도 결합이 큰 물질계에서 그 특성의 제어가 가능한 새로운 물질계이다. 스핀-궤도 결합 효과를 지닌 물질계와 자성체/비자성체 이종접합 물질 계면에서 발생하는 스핀 전류를 극대화하고 이를 통해 물질계의 자기적 특성을 제어한다.

이러한 스핀 소재를 이용하여 만들어진 스핀 소자는 매우 작은 전류에 의해서도 물질계의 자화 벡터를 스위칭하는 것이 가능하고 기존의 저항 변화 메모리 기술의 한계점(기록밀도, 신뢰성, 전력소모)을 극복하여, 초저전력의 반도체 메모리 및 논리소자를 구현하는 것이 가능하다. 이 기고에서는 전류-스핀 전환으로 생성되는 스핀 전류에 의한 자화 벡터 스위칭이 적용되는 자기메모리에 대해 다루고자 한다.

자기 메모리 기술 개발 동향

2020년의 1인당 평균 데이터 사용량은 일일 1.5 GB로 현재 데이터 사용량의 2배 증가할 것으로 예상된다. 아래 그림 2.1에서 보듯이 4차 산업혁명의 시대로 들어감에 따라 IoT, 빅데이터(Big data), 인공지능(A.I)의 활성화를 위해서 대용량, 초고속 등 반도체 소자 자체의 기술적 요구가 증대되고 있다.



현재 반도체 소자에 요구되고 있는 조건들인 저전력, 빠른 처리속도, 높은 집적도 등을 충족시키고 이를 위해 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이 중에서도 ‘스핀트로닉스 (Spintronics)’라는 분야가 매우 각광을 받고 있다.

스핀트로닉스 소자는 강자성체에 기반을 둔 소자로서 강자성체의 고유특성인 비휘발성을 가지고 있다. 이는 외부 전력이 가해질 때만 정보가 저장되는 일반적인 전자소자와 달리, 외부 전력이 없더라도 여전히 정보를 저장할 수 있다. 또한 스핀트로닉스 소자는 새로운 물리적 방법을 통해 초저전력 영역대인 펨토줄(fJ)로 소자 구동이 가능하다는 특성이 있다.

그림 2.2는 기존기술과 차세대 메모리기술들의 비교하여 도시하였다.



스핀트로닉스 소자의 대표적인 예는 미래형 메모리 기술로 주목받고 있는 자기메모리(MRAM)이다. 초기의 MRAM은 전류자장 방식을 채용한 것으로 전류를 흘려 발생하는 자기장을 통해 자화방향을 바꿔주기 때문에 주입 전류 밀도가 높고 셀(cell) 크기의 소형화에 제약이 있어 스케일 다운(scale down)의 문제가 있었다. 이를 해결하고자 스핀소자에 직접 전류를 흘려서 자화방향을 변화시키는 스핀-전달-토크(STT) 반전 방식이 채용되었다.

이를 통해 소자의 직접화와 자화발전 전류를 감소시키는 것이 가능하였고 이러한 메모리 동작이 2006년에 실증되었다. 그 이후 수직자화 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자를 이용하여 수십 nm 급의 규격까지 미세화한 경우에도 대용량 메모리에 적용하는 성능(미세화, 저구동전류, 고MR비, 400℃ 제조 공정 열처리 내성 등)을 만족할 수 있는 가능성이 제시되었다.

그리고 2012년 미국 기업(Everspin사)이 세계 최초로 64Mb STT-MRAM의 개발에 성공하였고, 그 뒤로 2018년 28nm급 1Gb STT-MRAM을 제작하였다. 최근에 국내의 삼성전자, SK 하이닉스, 그리고 IBM, Everspin, Avalanche Technologies 등과 같은 여러 회사가 STT-MRAM 연구를 진행 중이며 곧 대량생산이 이루어질 것으로 전망된다.

하지만 최근 들어 STT-MRAM은 전력 소모 측면에서 한계가 들어나고 있다. 현재의 소재와 구조에서는 300 fJ 이하로는 전력 소모를 낮출 53수 없을 것으로 예상되고 이를 해결하기 위해 세계 유수의 대학과 연구소에서 스핀-궤도-토크(SOT)를 이용한 소자 개발관련 연구가 주목을 받고 있다(그림 2.3).



SOT-MRAM은 자기 터널 접합(MTJ)에 수직으로 전류가 직접 주입되는 STT-MRAM과 달리 자성층에 인접해있는 스핀-궤도 결합력이 큰 층에 면방향 전류를 주입하여 수직자성박막의 자화방향을 제어함으로써 정보를 처리하는 기술이다.

STT-MRAM의 경우 스핀분극된 전류는 약 60%로 한정되어 있기 때문에 전력소모에 대한 한계점이 있는 반면, 스핀-홀 효과나 Rashba-Edelstein 효과를 이용하는 SOT-MRAM은 순수한 스핀 전류를 생성하여 자성체로 주입하는 방식이므로 속도 및 구동 전력을 크게 향상시킬 것으로 전망되고, 또한 스핀 정보 읽기와 쓰기 과정의 전류경로가 달라 정보의 안정성을 향상시킬 것으로 예상된다. 하지만 SOT-MRAM 기술은 ‘3-terminal’로 동작하기 때문에 파워라인(power line)이 많아져서 scalability 문제를 해결해야 한다는 단점이 있다.

자기 메모리의 구동 원리와 그에 따른 구분

자기 메모리의 개발

자기 메모리 개발의 시발점이 되는 거대자기저항(GMR, giant magnetoresistance) 현상은 2007년 프랑스의 Albert Fert와 독일의 Peter Grünberg 이 노벨물리학상을 수상하면서 세상에 잘 알려지게 되었다. GMR 원리를 기반으로 하는 강자성체/비자성금속/강자성체 구조의 스핀밸브(spin valve)를 기반으로 나노 크기의 센서의 개발이 가능해졌고 이를 통해 현대에 가장 보편적으로 사용되는 정보저장 매체인 하드디스크 드라이브의 용량이 폭발적으로 증가하였다. 자기 기록 매체에서 기록할 수 있는 총 용량은 보편적으로 MR에 비례하게 되는데 GMR을 이용하여 나오는 MR은 수 십 % 정도에 그치는데 불과했다.

이 후에 산화층 박막 제작의 기술이 발전함에 따라 강자성체/산화층/강자성체 구조의 터널링자기저항(TMR, Tunneling Magnetoresistance)를 이용한 자기 기록 매체, 자기터널접합(MTJ, magnetic tunnel junction)가 개발 되었고 그에 따라 용량도 크게 증가하였다. 터널링자기저항은 강자성체/산화층/강자성체 구조에서 산화층을 지나는 전자의 스핀 방향 상태에 영향을 받는 스핀 의존 터널링(SDT, spin-dependent tunneling)의 결과로 나타나게 된다.

전자가 터널링할 수 있는 확률은 페르미 레벨(Fermi level, EF)에서의 상태 밀도(DOS, density of state)에 의존하는데, 강자성체에서는 스핀 방향에 따라 DOS가 달라지며 그에 따른 터널링 확률이 결정된다. 이때 두 자성층의 스핀 방향에 따른 터널링 확률 변화에 의한 자기저항 효과를 터널링 자기저항으로 정의한다.

MTJ의 상용화를 위해서는 몇 가지 조건이 필요하다. 먼저 자화반전(switching)을 위한 인가 전류가 트랜지스터가 생성할 수 있는 전류보다 작아야 하고, 작은 셀 크기에서도 자화 상태를 유지할 수 있는 열정 안정성(thermal stability)이 필요하다. 물론 앞서 언급한 조건들을 만족하면서도 높은 TMR 값을 유지해야 한다.

위의 조건을 만족할 때, 같은 크기의 소자 내에서 기록 밀도를 크게 증가시키는 방법이 개발 되었는데 이는 수직자기이방성(PMA, Perpendicular Magnetic Anisotropy)를 기반으로 한다. 기존에 연구된 MTJ는 자화 방향이 면에 누워있는 자성전극을 사용하였는데 이 자성소자를 수직자기이방성을 가지는 자성전극으로 대체하여 수직 터널 접합(perpendicular-MTJ, p-MTJ)을 연구하기 시작했다.
이러한 수직 터널 접합은 구동원리와 자화반전 방식에 따라 스핀-전달 토크 자기 메모리(spin transfer torque MRAM, STT-MRAM)과 스핀-궤도-결합 토크 자기 메모리(spin orbit torque MRAM, SOT-MRAM)으로 구분된다.

STT-MRAM
스핀전달토크


STT-MRAM은 스핀 전달 토크(spin transfer torque)를 이용한 자성 메모리이다. 스핀 전달 토크는 간단하게 스핀이 전달 될때의 힘(토크)를 나타낸다. 스핀 전달 토크는 고정층(FM1)/비자성층(NM)/자유층(FM2)으로 구성된 다층박막으로 설명할 수 있는데, 고정층인 강자성층/비자성층(FM1/NM) 계면으로 전자가 주입되면 비자성층에서 스핀 업과 스핀 다운의 상태 밀도가 서로 다르기 때문에 자성층과 같은 스핀 방향을 갖는 전자는 자성층을 통과하고, 반대 방향의 스핀을 갖는 전자는 반사될 확률이 높다.



이를 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)이라고 한다. 이때 비자성체의 스핀 분극화된 전자가 자유층(FM2)를 통과할 때 스핀이 자유층(FM2)의 자화방향과 같은 방향을 갖게 되고 exchange interaction에 의해 전도 전자의 스핀 각운동량(spin angular momentum)이 자유층의 전자에 전달 되는 과정에서 토크가 발생한다. 이를 이용하여 전류를 이용하여 자유층의 자화를 반전시키는 전류구동 자화반전(Current Induced Magnetization Switching)이 가능하다. 자화 반전을 위한 임계전류는 다음과 같이



로 나타낼 수 있다.

식(1)에서 α는 고유 감쇄 상수(damping constant) g는 스핀 분극 인자(spin polarization) Ms는 포화자화, V는 자유층의 크기, Hk는 이방성 자기장을 나타낸다. 임계전류를 줄이기 위해 낮은 고유 감쇄 상수, 높은 스핀 분극인자를 갖는 재료를 사용해야 하며 자화 반전을 위한 임계전류는 자유층의 크기와 비례하기 때문에 소자의 크기가 작아질수록 전류가 감소하여 집적이 용이한 장점을 갖는다. 하지만 반대로 소자의 크기가 작아질수록 열적안정성의 문제를 갖는다. 따라서 많은 변수를 고려하여 소자의 크기를 결정하는 것이 중요하다.

기존 MRAM과 STT-MRAM의 비교

그림 3.2(a)는 기존 MRAM의 구조를 나타낸다. 그림 3.1에서 BL은 비트라인, WWL은 쓰기워드라인, SL은 소스라인을 나타낸다.



MRAM은 자화의 방향이 평행이냐 반평행이냐에 따라 저항값이 달라져 1과 0을 판단한다. 그림 3.2(a)에서 각 라인에 전류를 흘려주면 자기장이 발생하는데, 충분한 자기장이 가해지면 교차점에 있는 MTJ 셀의 에너지 장벽이 사라지며 정보를 기록한다. 하지만 기록 과정 중 원하지 않는 셀에도 자기장이 가해져 자화가 스위칭 될 수 있다.

MTJ 셀의 크기가 작아질수록 자화 반전에 저항하는 힘이 커지게 되어 자화를 반전시킬 때 더 큰 전류가 필요하므로 메모리 집적이 쉽지 않다. 이 점을 극복하기 위해 스핀 전달 토크를 이용한 소자에 대한 연구가 진행중이다. 그림 3.1(b)는 STT MRAM의 구조를 나타낸다. 그림 3.1(b)에서 정보를 읽을 때는 기존 MRAM과 동일하게 자화 방향에 따른 저항 차이에 따라 1과 0을 판단한다.

하지만 정보를 쓸 때에는 기존 MRAM가 각 라인에 전류를 흘려 발생한 자기장을 이용하는 반면 MTJ에 직접 수직으로 전류를 인가, 스핀 전달 토크(Spin transfer torque)를 이용하여 자화의 방향을 변경하는 점이 가장 큰 차이점이다. STT-MRAM은 단위 셀 사이즈가 작아질수록 자화를 반전시키는데 필요한 에너지도 감소하여 메모리 집적이 용이하다. 하지만 크기가 작아지면 열적안정성의 문제를 갖게 되는 점을 고려해야한다.

SOT-MRAM

SOT(Spin-orbit torque) 소자는 강자성체(ferromagnet)와 금속 도체의 접합 구조에서 금속 도체에 면 방향으로 전류를 흘려주면 Spin-orbit interaction으로 인해 전자의 움직이는 방향이 휘게 된다. 이때 전류 방향에 수직한 방향으로 순수한 스핀 전류가 생성되는데, 이러한 스핀 전류에 의해 강자성체의 자화를 제어함으로써 정보를 처리할 수 있는 소자이다.

스핀 궤도 토크의 생성은 spin Hall effect나 Rashba-Edelstein effect를 이용 하는 경우 순수한 스핀 전류를 생성 하여 자성체로 주입시키는 것이 가능하고, 주입된 스핀 전류는 자성 층의 자화에 토크를 가해주면서 발생한다. SOT 소자는 플래시 메모리와 같이 전원이 끊어진 뒤에도 정보가 사라지지 않는 비휘발성(non-volatile)을 가지고 있다.

또한, 스핀 홀 효과나 Rashba-Edelstein 효과를 이용하여 순수한 스핀 전류를 생성하여 자성체로 주입하는 방식이므로 저전력으로 고속 동작이 가능하기 때문에 차세대 메모리로 주목을 받고 있다.

Spin-orbit torque의 두 가지 요소

SOT를 사용한 자화 제어는 강자성체/비자성체 박막구조에서 가능한데, 비자성체의 경우 스핀-궤도 결합이 강한 중금속을 사용한다. SOT를 발생시키는 spin-orbit coupling은 이론적으로 bulk 물질에서 발생하는 Spin Hall effect와 계면에서 발생하는 Rashba-Edelstein effect의 조합으로 이해될 수 있다.

Bulk에서 발생하는 효과로 생각되는 Spin Hall effect는 강55자성체/중금속 소자처럼 heavy metal에서 나타나고 잘 정립된 이론으로, 많은 과학자들은 SOT 소자의 스핀 궤도 상호작용이 bulk 효과라고 보고 있다. 강자성체/중금속 도선에 면에 평행한 방향으로 전류를 흘려주게 되면, 스핀 홀 효과에 의해 비자성체 층에서 면에 수직한 방향으로 스핀 전류가 흐르게 되고, 생성된 스핀 전류는 자성체로 주입이 되어 주입된 스핀 전류에 의해 강자성체의 자화가 토크를 받게 된다.

Rashba-Edelstein 효과는 계면에서의 스핀 궤도 상호 작용으로 스핀 트랜지스터에서 동작에 필요한 스핀 세차 운동(spin precession)을 발생시키는 기본 원리이기도 하다. 강자성체/중금속 도선에 전류가 흐를 경우, 계면에서 역대칭 구조가 깨지고, 계면을 중심으로 전자 밀도의 분포가 다르기 때문에 계면의 수직방향으로 유효 전기장()이 발생하게 된다. 그림 3.3 오른쪽 그림을 보면 알 수 있듯이 Rashba 장에 의해 전도 전자의 스핀이 y축 방향으로 정렬되면서 계면에서는 스핀 전류가 발생하게 된다.



계면에서는 스핀 전류가 발생하며 발생한 스핀 전류는 계면에서 축적이 되어 강자성체 층으로 확산되어 토크를 가하게 된다.



2016년 이후 Rashba effect가 스핀 세차 운동을 일으켜 스핀 스핀 전류를 생성할 가능성에 주목하면서, SOT 소자의 작동 원리에 대해 새로운 관점을 제시하였다.

강자성체 층에 주입된 특정 방향의 스핀들이 가하는 토크는



과 같이 되고, 감쇠를 유발하는 damping-like torque(τDL)와 세차운동을 유발하는 field-like torque(τFL) 두 가지 성분을 가지며, 자화와 각 토크는 서로 수직방향이다.

SOT 측정

스핀 궤도 토크의 정량적으로 평가하는 방법으로 여러 가지가 있지만, 그 중 단순한 접근이자 측정도 편리하여 SOT 입문자가 측정하기 가장 좋은 방법 중 하나인 고조파(harmonic) 측정 법에 대해 알아보겠다.

고조파 측정법은 외부자기장에 따른 홀 저항(RHall)의 변화를 측정하는 방법으로, 교류 전류의 1차 하모닉 성분과 2차 하모닉 성분으로부터 SOT의 크기를, 자기장의 인가 방향에 따라 SOT의 종류(τDL, τFL)를 알아낼 수 있다. 홀 자기저항 측정으로 비자성체 금속이 갖는 SOT를 쉽게 평가할 수 있고, 자화반전 측정 및 자기이력곡선 변화를 통한 SOT 측정 등을 진행할 수 있어 널리 사용되는 방법이다.

결론

4차 산업혁명에서 5차 산업혁명으로 넘어가면서 점차 늘어가는 방대한 양의 데이터와 이를 처리하는데 있어 메모리의 중요성이 대두되고 있다.



이에 따라 메모리시장의 규모는 점점 커지고 있으며, 문제점을 보완하기 위해 끊임없이 연구, 개발 되고 있다. 이 글에서 필자들은 차세대 메모리로 각광받고 있는 스핀트로닉스 기반의 메모리에 대해 알아보았다. 저전력 동작이 가능한 STT MRAM은 현재 양산 단계에 있고, SOT MRAM은 아직 기초 연구 단계에 머물러 있지만, 자성 물질과 스핀트로닉스의 물리 이론에 대한 연구와 소자 실험을 통해 초고속, 초저전력 차세대 메모리의 활로가 개척되기를 기대하고 있다.


 참고 문헌 
Aurelien Manchon, Nat. Phys. 10, 340 (2014).
Sanghoon Kim. 물리학과 첨단기술, 27권 9호 (2018)
Seung-heon, C. Baek, et al. Nature materials 17.6 (2018): 509-513.

 

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