(The) magnetic properties and spin-Hall effect of CoFeB ferromagnetic layer

국문 초록 (Abstract)

최근의 반도체 산업은 Moore의 법칙이 무너지며 차세대 메모리의 개발을 서두르고 있다. 이론과 상용기술과의 간극은 계속 좁혀지고 소자 선폭의 한계영역에 도달한 결과, 저전력, 비 휘발성의 대체 메모리가 급부상 하였고, STT-MRAM은 가장 유력한 차세대 메모리 중 하나이다. MRAM에서 가장 중요한 부분은 자기터널접합 소자로 두 개의 자성층 사이에 절연층이 삽입된 샌드위치 구조를 갖고 있으며, 두 자성층의 자화방향이 서로 같을 때와 다를 때의 저항 변화를 이용한 스위칭 소자이다. 이때 자기저항비가 클수록 좋은 스위칭 소자라 할 수 있으며, 높은 자기저항비를 얻기 위해서는 CoFeB 과 MgO를 사용하는 것이 널리 알려져 있다. 최근 10년 동안의 연구로 양질의 자기터널접합을 얻는 기술은 확보되었으며, 이미 하드디스크 등의 TMR 센서로 사용되고 있다.
본 연구에서 주목한 점은 더 높은 에너지 효율을 갖는 소자를 연구하는 것이다. 높은 에너지 효율을 얻기 위해서는 수평자기 이방성이 아닌 수직자기이방성을 갖는 자성층을 사용해야만 하고, 이는 낮은 구동전류 및 높은 집적도를 위해 필수적이다. 이에 CoFeB/MgO 구조를 이용한 수직자기이방성을 연구하였다. FeZr 버퍼층을 사용한 경우 Ta버퍼를 사용한 경우보다 더 두꺼운 영역 까지 (<1.8 nm) 수직자기이방성을 확보하였고, Ta capping을 사용한 경우 표면수직자기이방성이 40 % 이상 증가됨을 확인하였다. 이는 본 연구에서 최초로 보고한 내용이며, 삼성전자에 기술이전 되어 소자로 구현된 바 있다.
STT-MRAM의 또 다른 숙제는 손쉬운 자화반전이다. 자화반전에 사용되는 에너지가 적을수록 에너지 소모가 적은 소자를 구현할 수 있으며, 이를 위해 수평자기이방성에서 수직자기이방성으로 기술이 발전하였다. 기존 스핀필터링 효과를 이용한 스핀토크 인가에 더해 순수스핀전류를 인가함으로서 낮은 구동전류를 얻을 수 있다는 아이디어는 수년 전부터 활발히 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 스핀 홀 현상을 이용한 자화반전을 심도있게 연구하였고, 그 결과 수직자화층에 작용하는 토크들의 원인과 크기에 대한 정량화를 이루어내었고, 스핀홀효과의 효율을 나타내는 스핀 홀 앵글의 정량적인 측정법을 개발하였다. 이 측정법은 기존에 소개된 다른 측정방법에 비해 훨씬 간단하고, 빠르고, 정확하다는 장점이 있으며, 이는 차세대 메모리 개발에 기반이 되는 중요한 연구결과 이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spin-transfer-torque magnetic random access memory (STT-MRAM) attracts extensive attentions due to its non-volatility, high density and low power consumption. The main part of MRAM is magnetic tunnel junctions (MTJs) which include a CoFeB/MgO multi-layer. The magic of large tunneling magneto resistance (TMR) is occurred by the coherent tunneling between CoFe and MgO. The same crystal structure (bcc) give rise to high TMR ratio. Recently, the magnetic anisotropy control needed to the MRAM industry also. Because the perpendicular magnetic anisotropy gives the small magnetization reversal energy, and fast magnetization switching. Thus, the study of both perpendicular magnetic anisotropy and high TMR ratio is equally important.
In this thesis, Perpendicular magnetic anisotropy was observed in sputtered FeZr/CoFeB/MgO multilayers. A thin paramagnetic amorphous FeZr layer was used as a buffer layer and perpendicular anisotropy was obtained by annealing the samples without an external magnetic field. The critical CoFeB thickness for perpendicular anisotropy was 1.8 nm; the anisotropy changes from out-of-plane to in-plane as the CoFeB thickness increases beyond this point. Perpendicular anisotropy was also enhanced when a Ta layer was capped on top of the MgO layer. The amorphous buffer provided better perpendicular anisotropy than previously reported Ta buffer, and it may be applied to perpendicular magnetization MRAM devices where good uniformity of tunnel junctions is required.
The spin-Hall effect was observed in sputtered Ta/CoFeB/MgO and Pt/Co/Pt multi-layers. A Tantalum and Platinum has a large spin-orbit interaction itself and it induced a spin current to ferromagnetic layer. The role of each torques such as y- and z- directional magnetic field, induced current, and anisotropy torque is well considered. The new method for measuring a spin-Hall angle is developed. The spin Hall angle of Pt measured by new method is 0.045 and it is reliable value. The new method is very easy, fast, and correct compare with other reported method. It can be candidate for the spin-orbitronics well.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I 3
• Introduction and motivation 3
• Reference 6
• CHAPTER II 7
• 1. Introduction and motivation 7
• 2. Theoretical background 9
• 2.1 Magnetic anisotropy 9
• 2.2 The origin of perpendicular magnetic anisotropy 10
• 2.3 The anomalous Hall-effect 11
• 3. Preliminary experiments 12
• 3.1 The physical properties of CoFeB 12
• 4. Results and discussions 23
• 4.1 The perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB on FeZr buffer layer (without Ta capping layer) 23
• 4.2 The perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB on FeZr buffer layer (with Ta capping layer) 31
• 5. Conclusions 33
• Reference 34
• CHAPTER III 41
• 1. Introduction and motivation 41
• 2. Theoretical background 42
• 2.1 Spin Hall effect 42
• 2.2 Spin-orbit torque 44
• 3. Results and discussions 45
• 3.1 Sample preparation 45
• 3.2 In-plane magnetic field (Hy) dependence 50
• 3.3 Induced current (Iy) dependence 56
• 3.4 Out-of-plane magnetic field (Hz) dependence 62
• 3.5 The new method for measuring a spin-Hall angle 65
• 4. Conclusions 70
• Reference 71
• CHAPTER IV 73
• 1. Introduction and motivation 73
• 2. Theoretical background 74
• 2.1 Magnetostatic spin wave 74
• 2.2 Dzyaloshinskii-Moriya interaction 76
• 3. Results and discussions 77
• 3.1 Device preview 77
• 3.2 The dependence of the distance between two CPWs 81
• 3.3 The group velocity and attenuation length in FeZr/CoFeB/MgO. 83
• 4. Conclusions 86
• Reference 87
• KOREAN ABSTRACT 90