http://www.msip.go.kr 보도자료 보도일시 2016. 7. 14.( 목) 조간( 온라인 7. 13. 12:00) 부터보도해주시기바랍니다. 배포일시 2016. 7. 13.( 수) 9:00 담당부서융합기술과 담당과장최미정 (02-2110-2410) 담당자박지현사무관 (02-2110-2415) 연구자 한국과학기술원박병국교수 (042-350-3330) 고려대학교이경진교수 (02-3290-3289) 차세대메모리핵심소재개발성공 - 기존 SRAM 메모리한계를뛰어넘는비휘발성, 고속, 고집적소재 - 미래창조과학부( 장관최양희 ) 는국내대학연구진이차세대자성 메모리 (MRAM) 의속도및집적도를동시에향상시키는소재기술 개발에성공하였다고밝혔다. 박병국교수( 한국과학기술원) 와이경진교수( 고려대) 공동연구 팀의연구결과는나노기술분야의최고권위의학술지인네이쳐 나노테크놀러지 (Nature Nanotechnology) 7월 11일자에게재되었다. o 논문명과저자정보는다음과같으며 미래소재디스커버리사업의 스핀궤도소재연구단( 단장고려대김영근) 의지원을받아연구를 수행하였다. - 논문명 : Field-free switching of perpendicular magnetization through spin-orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures - 저자정보 : 오영완, 백승헌( 공동제1 저자, 한국과학기술원박사과정), 김영민, 이해연, 이경동( 한국과학기술원), 양창근, 박은상, 이기승, 고경춘 ( 고려 대학교), 김경완(NIST), 정종율교수( 충남대학교), 민병철박사( 한국과학기술 연구원), 이현우교수( 포항공과대학교) 이경진교수( 공동교신저자, 고려 대학교), 박병국교수( 공동교신저자, 한국과학기술원) 포함총 15명
자성메모리 (MRAM) 는실리콘을기반으로한기존반도체메모리와달리얇은자성박막으로만들어진새로운비휘발성메모리소자로서외부전원공급이없는상태에서정보를유지할수있으며고속동작과집적도를높일수있다. 이러한특성때문에메모리패러다임을바꿀새로운기술로전세계여러반도체업체에서개발경쟁을벌이고있는차세대메모리이다. 개발경쟁의대상이되는핵심기술중하나는메모리동작속도를더높이면서도고집적도를동시에구현하는기술이다. 현재까지개발된자성메모리 (MRAM) 기술에의하면동작속도를최고치로유지하는경우집적도가현저히떨어지는문제가있었다. 현연구팀은동작속도를기존자성메모리(MRAM) 기술보다 10배 이상빠르고고집적도를달성할수있는새로운기술을개발하였다. o 본연구의기술이적용될수있는차세대메모리로주목받고있는 일반적스핀궤도토크기반의자성메모리 (MRAM) 경우, 정보기 록을위해중금속/ 강자성물질의스핀궤도결합을이용한다. 하지 만기존에사용되는백금(Pt) 또는텅스텐(W) 의경우외부자기장 을걸어주어야하는제약이있었는데, 연구팀은이리듐-망간 (IrMn) 합금과같은 새로운반강자성소재를도입하여반강자성 / 강자성물질의교환결합을이용해외부자기장없이고속, 저 전력동작이가능한기술을개발하였다. o 스핀궤도토크자성메모리(MRAM) 는컴퓨터또는스마트폰에쓰이는 SRAM 보다 10 배이하로전력소모를낮출수있고, 비휘발성특성 으로저전력을요구하는모바일, 웨어러블, 또는사물인터넷(IoT) 용 메모리로활용가능성이높다.
박병국교수는 본연구는차세대메모리로써각광받고있는자성 메모리 (MRAM) 의구현가능성을한걸음더발전시킨것에의미가 있고, 추가연구를통해기록성능이뛰어난신소재개발에주력할 예정이다. 라고밝혔다. < 참고자료> : 1. 연구결과개요 2. 용어설명 3. 연구이야기 4. 그림설명 5. 연구진이력사항 이자료에대하여더욱자세한내용을원하시면미래창조과학부박지현사무관( 02-2110-2415) 에게연락주시기바랍니다.
연구결과개요 1. 연구배경 ㅇ현재사용되는반도체구조에서는논리소자와메모리소자가공간적 으로단절되어있기때문에소자간의긴신호지연이불가피하다. 비휘발성메모리인 또한 SRAM의사용은정보유지를위한지속적인전력 공급으로인해높은전력소모의문제점을야기한다. 이와더불어현재 사용되는컴퓨터 CPU 및스마트폰 AP는 SRAM 소자의개수와그 성능이비례하기때문에소자성능향상을위해서는지속적으로메모리 면적의증가가요구되고있다. 걸림돌이되고있다. 이러한문제는소자고집적화에큰 ㅇ논리소자에메모리기능을탑재한로직메모리(logic-in-memory) 위에서언급된문제점을해결하는하나의대안이될수있다. 소자는 이소자를 구현하기위해서는기본적으로비휘발성이면서고속동작이가능한 메모리소자가필요하다. 예를들어현재널리사용되는 Flash 메모 리는비휘발성이긴하나동작속도가느려빠른정보처리가필요한 논리소자의장점을상쇄하기때문에대안이될수없다. ㅇ따라서비휘발성이면서고속동작및저전력이가능한메모리소자의 개발이필요하다. 전자의스핀과궤도간의상호작용을이용하는스핀 궤도토크(Spin orbit torque, SOT) 기반자성메모리(MRAM) 의경우상기 언급된특성을모두만족시키기때문에차세대메모리로의연구가치가 높다고평가된다. ㅇ SOT 기반소자는스핀홀또는라쉬바현상에의해발생하는스핀전류로강자성체의자화방향을제어한다. SOT 소자에서는일반적으로스핀홀 각도가큰중금속소재가주로연구되고있다. 하지만이경우외부자기장인가가필수인데, 이는고집적소자개발에있어서치명적인약점으로작용하기때문에이를극복하기위한해결방안이필요하다.
2. 연구내용 ㅇ SOT-MRAM 의경우강한스핀궤도결합을갖는원자번호가큰백금 (Pt), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 등의중금속을기반으로중금속/ 강자성소재 구조에대한연구가주로진행되어왔다. 이러한중금속/ 강자성구조 에서는소자구동에있어서외부자기장이필수적이다. ㅇ본연구에서는이러한한계를극복하기위해중금속대신반강자성 소재를도입하여반강자성/ 강자성계면에존재하는교환결합을이용 하는독창적인방법을고안했다. 이러한교환결합에서발생하는유효 자기장으로소자동작에필요한외부자기장을대체할수있다. ㅇ본연구팀은강한스핀궤도결합을가지고있는반강자성물질인 IrMn( 이리듐- 망간합금) 과강자성체인 CoFeB( 코발트-철- 붕소합급) 을 이용해이중층을구조를제작하고반강자성 / 강자성계면에서교환결합 자기장을유도하기위해면방향으로강한자기장을인가하면서열처 리를진행하였다. 이러한실험결과 IrMn/CoFeB 구조에서교환결합력의 존재를확인할수있었고기존중금속기반소자와버금가는크기의 스핀궤도토크를관찰할수있었다. ㅇ본연구진은여기에서한걸음더나아가외부자기장없이동작하는 3. 기대효과 다양한소재구조제작에성공하였다. 특히강자성/ 반강자성/ 강자성 3 층 구조는앞서제시한반강자성/ 강자성이중층구조에비해좀더큰 교환결합자기장을얻을수있었고더안정적인소자구동이가능함을 확인하였다. ㅇ현재논리소자의성능향상을위해 SRAM 캐시메모리의용량이증가 하고있으나이는휘발성소자의사용증가로인한누설전류의증가를 야기하고이로인해칩의전력소모에매우큰영향을미치게된다. 만약이를 증가하더라도 진다. SOT-MRAM 으로대체할경우비휘발성특성때문에용량이 SRAM 과달리누설전류가없어저전력/ 고집적이가능해
ㅇ또한기존논리소자위에 3D 적증이가능해지기때문에현재사용되는 반도체구조보다훨씬더작은면적의칩구현이가능해지며, 특히 SOT-MRAM 은웨어러블, 모바일, 바이오센서및 IoT 와같은저전력동작을 요구하는전자기기의발전에기여를할것으로판단된다. ㅇ국내반도체산업은 DRAM, Flash 등메모리반도체에서지속적으로 세계시장을선도해오고있다. 그러나최근중국의대규모메모리반도체 투자에따른위협이가시화되고있다. 이번연구결과로원천기술 선점과특허확보를통해, 메모리산업의주도권강화와더불어비메모리 논리소자부분의시장을확장하는데일조할수있을것으로판단된다.
용어설명 1. MRAM (Magnetic Random Access Memory) 비휘발성메모리의한종류인자성메모리로기존실리콘기반의 메모리와는다르게얇은자성박막의자화방향에의해데이터가 저장된다. 일반적으로자기터널접합구조인강자성/ 산화막/ 강자성 구조에서두개의강자성체의상대적인자화방향 ( 평행, 반평행) 상태에따라두가지의상태 (0,1) 로표현된다. 2007년노벨 물리학상이수여된거대자기저항현상을기본으로하는메모리 구조이다. 2. 스핀궤도토크 (Spin-orbit Torque) 전자의스핀(Spin) 과궤도(Orbit) 간의상호작용을기반으로하는 새로운물리적원리로, 강자성체와인접한금속도체에흐르는 전류에서발생하는스핀토크에의해자성정보를제어하게된다. 일반적으로원자번호가큰물질일수록스핀궤도토크의크기가 크다고알려져있기때문에주로중금속이금속도체로활용되고 있다. 3. 반강자성체 (Antiferromagnet) 한쪽방향으로자화되는강자성체와달리전자의스핀이인접한 스핀과균일하게반대로정렬되어있는자기적특성을가지는 물질로, 반강자성/ 강자성계면에서생기는교환결합을이용하여 강자성체의자화방향을조절할수있다. 교환결합은반강자성/ 강자성계면에서반강자성물질의일정한스핀 정렬에의해유효자기장이인가되어강자성물질의자화를특정 방향으로정렬시키는현상이다.
연구이야기 연구를시작한계기나배경은? 최근자성재료분야에서가장활발하게연구되고있는분야가스핀궤도토크와반강자성스핀트로닉스이다. 본연구는스핀궤도토크를실제메모리소자적용에문제점으로지적되는외부자기장문제해결을위해시작되었고, 반강자성스핀트로닉스기술을도입하므로성공적인연구결과를얻을수있었다. 연구전개과정에대한소개 본연구팀에서는 2012 년부터다양한중금속/ 강자성구조에서스핀궤도토크에대한 실험및이론연구를시작하였고, 2014년중견연구자사업의지원을받아반강자성 물질에서의스핀거동에관한연구를수행하였다. 이러한선행연구결과를바탕으로 2015 년미래소재디스커버리사업단의지원을받아반강자성물질의교환결합으로 스핀궤도토크소자의외부자기장을대체하는연구를본격적으로수행하였다. 결과반강자성물질을기반으로한스핀궤도토크소자를개발하였고, 외부자기장을 걸어줄필요가없는단순한구조의차세대자성메모리기록방식개발에성공하게 되었다. 그 연구하면서어려웠던점이나장애요소가있었다면무엇인지? 어떻게극복( 해결) 하였는지? 반강자성물질에서의스핀궤도토크연구는기존에연구되지않은분야이기때문에실험결과의올바른해석과예측을위해서는스핀궤도토크와반강자성물질에대한깊은이해와이론적인모델링등의연구가동반되어야했고, 또한이를증명하기위한고성능자성특성측정기술이요구되었다. 본연구에서는이러한문제를해결하기위해서이론그룹과공동연구를수행하였고, 국내최고측정장비를보유한한국과학기술연구원에서물질특성을분석할수있었다. 논문의저자를보면알수있듯이본연구는국내연구진만으로구성된공동연구로진행되었고, 다양한기관과학교의도움으로성공적인연구결과를얻을수있었다. 특히미래소재디스커버리사업스핀궤도소재연구단이시작되면서공동연구가활성화되어연구수행에큰도움이되었고, 이기회를통해앞으로도더활발한공동연구를진행할것을기대하고있다.
이번성과, 무엇이다른가? 최근발견된스핀궤도토크현상을반도체소자와융합하여저전력소모, 고집적이가능한자성메모리기록기술개발을위한연구를수행하였다. 본연구는반강자성특성을갖는새로운소재를도입하여스핀궤도토크메모리소자구동에서약점으로작용하는외부자기장인가문제점을해결하였다. 이와더불어강자성/ 반강자성 / 강자성등다양한소재구조를제시하여정보기록의안정성을높이는기술을개발하였다. 꼭이루고싶은목표와, 향후연구계획은? 현재국내자성재료연구수준은세계적으로도인정받고있다. 또한국내반도체메모리 산업역시세계 1 위를달리고있다. 따라서지속적인연구개발을통해자성메모리연구 개발및궁극적으로는상용화에앞장서고싶다.
그 림 설 명 [그림 1] 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성메모리(MRAM)의 개략도. 반강자 성(IrMn)/ 강자성(CoFeB) 계면에 존재하는 교환결합을 이용하여 외부 자기장 없이 소자구동 가능함. 반강자성 물질(IrMn) 내부에는 전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 반대로 정렬되어 있음. [그림 2] 스핀궤도토크에 의해 강자성 물질의 스핀 방향을 제어하는 소자개략도 및 주요 실험 결과. 외부자기장 없이 전류의 극성에 따라 스핀의 방향 제어 가능함을 보임.
연구진 이력사항 오영완 백승헌 박병국 교수 이경진 교수 한국과학기술원 박사과정 (공동 제1저자) 한국과학기술원 박사과정 (공동 제1저자) 한국과학기술원 신소재공학과 (공동 교신저자) 고려대학교 신소재공학과 KU-KIST융합대학원 50wan@kaist.ac.kr 042-350-3370 secret@kaist.ac.kr 042-350-3370 bgpark@kaist.ac.kr 042-350-3330 kj_lee@korea.ac.kr 02-3290-3289 이현우 교수 민병철 박사 정종율 교수 포항공과대학교 물리학과 한국과학기술연구원 스핀융합연구단 충남대학교 신소재공학과 hwl@postech.ac.kr 054-279-2092 min@kist.re.kr 02-958-5730 jrjeong@cnu.ac.kr 042-821-6632 (공동 교신저자)