고성능 스핀트로닉스 소자를 위한 자기터널접합의 전기적 특성 개선

Abstract

스핀트로닉스(spintronics) 소자의 핵심 단위 셀인 자기터널접합(magnetic tunnel junction)은 차세대 비휘발성 메모리를 준비하는 많은 연구자들의 관심을 받고 있다. 이러한 자기터널접합을 이용한 스핀트로닉스 소자를 구현하기 위해서는 두 가지 중요한 요소를 고려하여야 한다. 터널링 장벽의 품질향상은 신호 노이즈와 응답시간을 줄여주기 때문에 첫번째 중요한 요소는 터널링 장벽의 품질이다. 그러므로 AlOx를 이용한 터널링 장벽과 신 호와의 관계에서 기인하는 영향을 파악하기 위해 자기터널접합 내의 터널링 자기저 항(tunneling magnetoresistance)의 온도 의존성을 표면 플라즈몬 공명 분광법 (surface plasmon resonance spectroscopy)을 이용하여 분석하였다. 표면 플라즈몬 공명 분광법은 AlOx 터널링 장벽의 유전상수를 분석하는 가장 유용한 방법중의 하 나이다. 실험 시스템의 최상의 조건에서 자기터널접합을 만든 후 상온에서 가장 높 은 터널링 자기저항비(tunneling magnetoresistance ratio) 값을 나타내는 샘플을 선택하였다. 실험적인 표면 플라즈몬 공명 분광법의 분석은 AlOx 터널링 장벽 내의 산화되지 않은 잔류 Al이 결함으로 작용하여 150 K에서 부터 터널링 자기저항 비가 감소한다는 것을 알 수 있었으며, 이 결론은 자화방향이 평행과 반평행인 상태의 접합 저항을 측정함으로써 확인하였다. 다음으로, exchange bias는 스핀트로닉스 소자의 보다 성공적인 제작을 위한 자기적 성질을 조작 및 조절하는 기능을 보이는 유용한 형태를 보이기 때문에 두 번째로 중요한 요소가 된다. 따라서, 자기터널접합 내의 exchange bias의 온도의존 성을 저온 터널링 자기저항 측정 시스템과 초전도 양자 간섭계(superconducting quantum interference device)를 사용하여 2 K에서 300 K의 영역에서 측정하였다. 자기터널접합은 Ta / NiFe / IrMn / CoFe / AlOx / CoFe / Ta의 일반적인 구조를 가지고 있으며, 저온 터널링 자기저항 측정 시스템을 통해 얻은 터널링 자기저항의 곡선으로부터 exchange bias 값 (Hex)을 계산해내었다. 또한 초전도 양자 간섭계 측 정을 통해 얻은 자기이력선(hysteresis)을 통해 확인하였다. Hex는 30 K까지는 천천 히 증가하다가 30 K 이하에서 급격히 증가하는 경향을 보였으며, 이러한 exchagne bias의 온도에 따른 행동은 온도가 감소함에 따라 포논(phonon) 에너지가 감소하는 것에서 기인하는 것으로 예상된다.; Magnetic tunnel junction(MTJ), which is core unit cell of spintronics device, is attracting interest of many researchers which prepare for next generation’s nonvolatile memory. Realization of spintronics devices using magnetic tunnel junction requires two important factors. The first important factor is quality of tunneling barrier because improvement of its quality reduces signal noise and response time. Therefore, in order to investigate effect which relate the quality of AlOx tunneling barrier to signal, the temperature dependence of tunneling magneto-resistance (TMR) in MTJ was analyzed using a surface plasmon resonance spectroscopy (SPRS). The SPRS is one of the most useful tools in the analysis of dielectric function a tunneling AlOx barrier. We prepared MTJ devices at the best oxidation condition of our experimental system and then chose the best sample which yielded the highest TMR at room temperature. The experimental SPRS analysis suggested that a decrease of the TMR ratio starting at 150 K was caused by residual Al metallic defects distributed within the insulating AlOx barrier. This conclusion was confirmed by measuring the junction resistances in parallel and anti-parallel states. The second important factor is exchange bias (Hex) because it appears to be a useful feature that has the ability to manipulate and control magnetic properties for the highly successful design of spintronics devices. Therefore the temperature dependence of exchange bias in magnetic tunnel junctions (MTJ) was also carried out with a cryogenic tunneling magneto-resistance (TMR) measurement system and superconducting quantum interference device (SQUID) from 2 K to 300 K. The MTJ devices have a typical structure of Ta / NiFe / IrMn / CoFe / AlOx / CoFe / Ta. We have measured TMR ratio with our cryogenic TMR measurement system and then exchange bias field (Hex) were calculated from the curves of TMR. These experimental results were confirmed by M-H loops measurements with SQUID. The Hex was increased with decreasing temperatures for our samples. The Hex is gradually increased up to about 30 K and then it is sharply increased at less than 30 K. It is expected that the temperature dependent behaviors of exchange bias is related to the decrease of phonon energy with decreasing temperatures.