자기저항소자 document_id A220623111532

현재 널리 사용되고 있는 대표적인 메모리 소자인 디램(DRAM)의 경우, 고속 동작과 고집적이 가능하다는 장점이 있는 반면에, 휘발성 메모리로서 전원이 꺼지면 데이터를 잃게 될 뿐만 아니라 동작 중에도 계속하여 데이터의 리프레쉬(REFRESH)를 통해 재기록해야 하므로 전력 손실 측면에서 큰 단점이 있다. 또한 비휘발성과 고집적을 특징으로 하는 플래쉬(FLASH) 메모리는 동작 속도가 느린 단점이 있다. 이에 대하여, 자기저항 차이를 이용하여 정보를 저장하는 자기저항 메모리(MRAM)는 비휘발성 및 고속 동작의 특성을 가지면서도 고집적이 가능하다는 장점이 있다. 한편, MRAM은 강자성체 간의 자화(Magnetization) 방향에 따른 자기저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 말한다. 현재 MRAM으로 가장 많이 채용되고 있는 셀(Cell) 구조로는, 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 효과를 이용한 GMR 소자, 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 효과를 이용한 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자 등이 있으며, 이외에도 GMR 소자의 단점을 복하기 위해 강자성층을 영구자석으로 보강하고 자유층을 연자성층으로 채용한 스핀 밸브(Spin-Valve) 소자 등이 있다. 특히, MTJ 소자는 빠른 속도, 저전력을 갖으며, 디램(DRAM)의 커패시터 대용으로 사용되어 저전력 및 고속 그래픽, 모바일 소자에 응용될 수 있다. 일반적으로, 자기저항소자는 두 자성층의 스핀 방향(즉, 자기모멘텀의 방향)이 같은 방향이면 저항이 작고 스핀 방향이 반대이면 저항이 크다. 이와 같이 자성층의 자화 상태에 따라 셀의 저항이 달라지는 사실을 이용하여 자기저항 메모리 소자에 비트 데이터를 기록할 수 있다. MTJ 구조의 자기저항 메모리를 예로 하여 설명하면, 강자성층/절연층/강자성층 구조의 MTJ 메모리 셀에서 첫번째 강자성체층을 지나가는 전자가 터널링 장벽(Tunneling Barrier)으로 사용된 절연층을 통과할 때 두번째 강자성체층의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라진다. 즉, 두 강자성층의 자화방향이 평행일 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반평행할 경우 최소가 되므로, 예를 들면, 저항이 클 때 데이터 ''1''(또는 ''0'')이, 그리고 저항이 작을 때 데이터 ''0''(또는 ''1'')이 기록된 것으로 간주할 수 있다. 여기서, 두 강자성층 중 한 층은 자화 방향이 고정된 고정자화층으로, 그리고 나머지 하나는 외부 자기장 또는 전류에 의해 자화 방향이 반전되는 자유자화층이라 칭한다. 한편, 자기저항을 이용한 소자가 산업상으로 그 응용이 가능하기 위해서, 특히 메모리 소자로서 응용되기 위해서는, 고정자화층의 전자 스핀 방향과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 동일하거나 반대인 두가지 경우에서 전기 전도도의 차이가 커야 한다. 구체적으로는, 고정자화층과 자유자화층 사이의 얇은 절연층을 통해 전류가 흐를 때 고정자화층과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 같은 경우와 반대인 경우의 자기저항비(Magneto-Resistance Ratio)가 커야 한다. 이렇게 자기저항비를 크게 하기 위해서는, 고정자화층과 절연층 사이의 계면의 표면거칠기 및 자유자화층과 절연층 사이의 계면의 표면거칠기가 개선되어야 한다. 일반적으로는 이들 계면의 표면거칠기는 열처리 과정을 통해 개선될 수는 있으나, 고온에서 자성층의 탈자 현상이 발생되는 문제가 야기된다.