KR101348503B1 - 난수 발생기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR101348503B1
KR101348503B1 KR1020120070847A KR20120070847A KR101348503B1 KR 101348503 B1 KR101348503 B1 KR 101348503B1 KR 1020120070847 A KR1020120070847 A KR 1020120070847A KR 20120070847 A KR20120070847 A KR 20120070847A KR 101348503 B1 KR101348503 B1 KR 101348503B1
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magnetic
tunnel junction
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이승백
천성우
김성주
마사히코하라
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리켄
한양대학교 산학협력단
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Abstract

난수 발생기 및 이의 제조방법을 제공한다. 난수 발생기는 자유층과 핀드층 중 적어도 하나에 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가져, 주입되는 전류에 따라 자유층 내의 스핀을 다양하게 자화 스위칭시킴으로써, 발생되는 난수의 무작위성을 증가시킬 수 있다. 칩 상에 제조가 가능하므로, 고집적이 용이하며, 대용량의 연산 처리 시스템이나 암호 해독 시스템 등 다양한 장치에 적용할 수 있다. 또한, 난수 발생기의 제조방법은 자화 어닐링을 수행하지 않거나, 하드 마스크를 식각 마스크로 이용하여 기판을 식각함으로써 적어도 하나의 자기터널접합 구조물을 형성하되, 식각으로 자기터널접합 구조물의 측벽에 비균등한 결정구조를 발생시켜, 핀드층 및 자유층 중 적어도 하나에 멀티 마그네틱 도메인을 형성함으로써 간단하고 용이하게 자성층 내에 멀티 마그네틱 도메인을 형성할 수 있다.

Description

난수 발생기 및 이의 제조방법{Random number generator and method for manufacturing the same}
본 발명은 난수 발생기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 구조를 채용한 난수 발생기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
난수(random number)란, 특정한 배열 순서나 규칙을 가지지 않는 연속적인 임의의 수를 의미하는 것이다. 일반적으로, 난수는 소프트웨어(software)를 활용하여 계산적으로 발생된다. 이러한 방식은 시스템으로 작동하는 프로그램을 이용하여 난수를 발생시킨다. 그러나, 이를 통해 발생된 난수는 자연 발생적인 난수가 아니어서, 그 수가 무한대로 커지는 경우 특정한 경향성을 나타내게 된다. 따라서, 이러한 난수 발생 방식은 향후 대용량의 연산 처리 시스템이나 암호 해독 시스템 등에 적용되는 경우, 문제점을 야기할 것으로 예상된다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 원천적으로 예측이 불가능한, 자연 발생적인 난수 발생기를 제조하기 위한 연구들이 진행되었다.
2007년 제31회 일본 응용 자기학회 학술 강연회 개요집에서 후쿠시마 등에 의해 자기터널접합 구조에서 스핀 주입 자화 스위칭을 이용한 난수 발생기가 처음으로 소개되었다[(2007) 13 pC-15 (214 page)].
이러한 난수 발생기는 스핀전달토크형 자기저항 메모리(Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random Access Memory; STT-MRAM) 소자의 기반이 되는 자기터널접합 구조를 이용한다. 이는 자유층의 자화를 스위칭시키기 위해 1/2의 확률을 가지는 전류를 인가하고, 이 때 출력되는 저항을 기준으로 난수를 발생시키는 방식이다. 이러한 방식은 일본 공개특허공보 특개 제2011-13901호에도 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방식에는 여러 가지 문제점이 있다.
첫째로, 자기터널접합 구조에서 발생하는 난수에 편향성이 없게 하기 위해서는 난수 발생 신호의 "0"과 "1"의 발생 확률이 동일하도록 전류를 인가해야 한다. 그러나, 난수 발생기의 제조공정 중 발생하는 여러 외부 요인 등과, 실시간으로 변화하는 자성층의 스핀 세차 운동의 특성상, 이를 조절하기란 현실적으로 매우 어렵다.
둘째로, 이러한 난수 발생기는 STT-MRAM 소자 제조 공정을 그대로 적용하여 제조된다. 이 경우, 자성층의 자화 배열이 한 방향으로 정렬되는 싱글 마그네틱 도메인(single magnetic domain)이 형성된다. 그러나, 자성층이 싱글 마그네틱 도메인을 가지는 경우, 자성층의 두께와 구성 물질 등에 의해 일부 스핀이 가지는 스위칭 특성이 특정하게 결정되어 버린다. 이는, 난수의 무작위성(randomness)을 원천적으로 제한하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 난수를 자연적으로 발생시키되, 난수의 무작위성을 증가시켜 예측 불가능한 난수를 무한대로 발생시킬 수 있는 난수 발생기 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 난수 발생기를 제공한다. 상기 난수 발생기는 스핀 자화 방향이 고정되는 핀드층, 스핀 자화 방향이 스위칭되는 자유층, 상기 핀드층과 자유층 사이에 개재되는 터널 배리어층, 상기 핀드층과 상기 자유층 중 어느 일면에 배치되는 제1 전극 및 상기 핀드층과 상기 자유층 중 다른 일면에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 상기 자유층과 핀드층 중 적어도 하나는 멀티 마그네틱 도메인을 가진다.
상기 자유층의 자화 방향은 스핀 주입 전류에 의해 결정될 수 있다.
상기 제1 전극과 핀드층 사이에 배치되는 씨드층을 더 포함할 수 있다.
상기 자유층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 캡핑층을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 난수 발생기의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 제1 전극이 형성된 기판 상에 핀드층, 터널 배리어층 및 자유층을 순차 적층하여 자기터널접합층을 형성하는 단계 및 상기 자기터널접합층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 자유층과 핀드층 중 적어도 어느 하나는 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가진다.
상기 멀티 마그네틱 도메인은, 상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 형성되며, 상기 자기터널접합층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계 및 상기 하드 마스크를 이용하여 상기 기판을 식각함으로써 적어도 하나의 자기터널접합 구조물을 형성하되, 상기 식각으로 자기터널접합 구조물의 측벽에 비균등한 결정구조를 발생시켜, 상기 핀드층 및 상기 자유층 중 적어도 어느 하나에 멀티 마그네틱 도메인을 형성하는 단계를 거쳐 형성될 수 있다.
상기 멀티 마그네틱 도메인을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에, 상기 자기터널접합 구조물을 덮도록 패시베이션층을 형성하는 단계 및 상기 패시베이션층을 평탄화하여 상기 자기터널접합 구조물을 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 하드 마스크를 형성하는 단계 사이에, 상기 자기터널접합층이 형성된 기판을 자화 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자화 어닐링은 상기 터널 배리어층이 결정화되는 온도, 및 상기 핀드층과 상기 자유층의 큐리 온도 이하에서 수행될 수 있다.
상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에, 상기 자기터널접합층이 형성된 기판의 자화 어닐링은 수행되지 않을 수 있다.
상기 자기터널접합층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계는 전자빔 리소그래피를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 식각은 건식 식각일 수 있으며, 상기 건식 식각은 이온빔 식각일 수 있다.
본 발명에 따르면, 자성층 중 적어도 하나는 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가져, 주입되는 전류에 따라 자성층 내의 스핀을 다양하게 자화 스위칭시킴으로써, 발생되는 난수의 무작위성을 증가시킬 수 있다. 또한, 칩 상에 제조가 가능하므로, 고집적이 용이하며, 대용량의 연산 처리 시스템이나 암호 해독 시스템 등 다양한 장치에 적용할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기에 포함된 자성층의 자화 배열을 나타내는 도면들이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 이론적인 R-H 곡선 및 R-I 곡선을 나타내는 그래프들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 실제 측정한 R-H 곡선 및 R-I 곡선을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 난수 발생 신호를 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 난수 발생 예를 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 하부에 기판(10)이 위치할 수 있다. 일 예로, 상기 기판(10)은 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물이 형성된 특정의 막질과 기판의 조합일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(10) 상에 제1 전극(20)이 위치할 수 있다. 상기 제1 전극(20)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 도전성 물질은 금속 또는 금속 화합물일 수 있다. 일 예로, 상기 금속으로 Ti, Ta, Pt, Cu, W 또는 Al 등을 사용할 수 있고, 상기 금속 화합물로 TiN, TaN 또는 WSi 등을 사용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(20) 상에 자기터널접합층(40)이 위치할 수 있다. 상기 자기터널접합층(40)은 핀드층(pinned layer, 44), 터널 배리어층(tunnel barrier, 46) 및 자유층(free layer, 48)이 순차 적층된 다중층일 수 있다. 상기 핀드층(44)과 자유층(48)은 자성층일 수 있고, 이들 사이에 개재되는 터널 배리어층(46)은 비자성층일 수 있다.
상기 제1 전극(20)과 상기 자기터널접합층(40) 사이에는 씨드층(30)이 더 위치할 수 있다.
상기 씨드층(30)은 그 상부에 증착되는 자기터널접합층(40)의 결정학적 텍스처(crystallographic texture)를 변화시키는 층일 수 있다. 상기 씨드층(30)은 단일층 또는 이중층일 수 있다.
일 예로, 상기 씨드층(30)은 Ta층과, Ni-Fe-Cr 합금층이 상하 적층된 이중층일 수 있다. 특히, 터널 배리어층(46)이 Al2O3층인 경우, 상기 씨드층(30)은 Al과 결정 구조가 동일한 면심입방체(FCC) 구조를 갖는 Ta를 함유하는 것이 바람직하다. 이는 씨드층(30)의 결정성이 그 상부에 적층되는 층들의 결정구조에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이외에도, 상기 씨드층(30)은 Cr, Ti 또는 Ni 등의 금속, 또는 이들의 합금을 함유할 수 있다.
상기 자기터널접합층(40)은 피닝층(pinning layer, 42)을 더 포함할 수 있다. 상기 피닝층(42)은 핀드층(44)의 하부에 위치할 수 있다.
상기 피닝층(42)은 그 상부에 위치하는 핀드층(44)의 스핀 자화 방향을 고정시키는 층일 수 있다. 상기 피닝층(42)은 반강자성체층일 수 있다. 상기 피닝층(42)은 핀드층(44)과 반강자성적으로 결합하여, 핀드층(44)의 스핀 자화의 방향을 항상 일정하게 유지하도록 할 수 있다. 즉, 피닝층(42)과 핀드층(44)의 교환 결합(exchange coupling)에 의해, 상기 핀드층(42)의 자기 모멘트(magnetic moment)는 고정될 수 있다.
일 예로, 상기 피닝층(42)은 IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2 또는 NiO 등으로 이루어질 수 있다. 상기 피닝층(42)은 단일층 또는 다중층일 수 있다.
상기 핀드층(44)은 스핀 자화 방향이 고정되는 층일 수 있다. 상기 핀드층(44)의 스핀 자화 방향을 고정하기 위해 자유층(48)과 구성 물질 또는 두께를 다르게 할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 상기 핀드층(44)의 하부에 피닝층(42)을 위치시킬 수 있다.
상기 핀드층(44)은 강자성체층일 수 있다. 일 예로, 상기 핀드층(44)은 Co, Ni Fe, 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 합금에 전이 금속 또는 희소 금속이 첨가될 수 있다. 상기 전이 금속은 Nb(니오븀) 또는 Zr(지르코늄) 등일 수 있다. 상기 희소 금속은 Tb(테르븀) 또는 Y(이트륨) 등일 수 있다.
상기 핀드층(44)은 두 층의 강자성체층의 사이에 비자성체층이 더 포함된 적층 구조를 가질 수 있다. 이 때, 상기 비자성체층은 Ru(루테늄), Re(레늄), Rh(로듐), Cu 및 Cr 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 터널 배리어층(46)은 핀드층(44)과 자유층(48)을 자기적으로 분리함과 더불어, 터널 전류가 흐르는 층일 수 있다.
상기 터널 배리어층(46)은 절연 물질을 함유할 수 있다. 일 예로, 상기 절연 물질은 MgO, Al2O3, Si3N4, SiON, SiO2, HfO2 또는 ZrO2 등일 수 있다.
상기 자유층(48)은 소정의 자기 모멘트를 갖는 층일 수 있다. 상기 자유층(48)은 자기장 또는 스핀 주입 전류 등 외부 자극에 따라, 스핀 자화의 배열 방향이 상기 핀드층(44)의 자화 방향과 동일하거나 반대가 되는 층일 수 있다.
상기 자유층(48)은 두 층의 강자성체층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 강자성체층은 Co-Fe 합금층과 Ni-Fe 합금층으로 이루어질 수 있다. 이외에도, 상기 강자성체층은 Co층, Ni-Fe-X 합금층으로 이루어질 수 있다. 이 때, X는 Cr, Ta, Mo, Zr 또는 Nb 등일 수 있다.
또한, 상기 자유층(48)은 상기 핀드층(44)과 동일한 구성물질을 함유하되, 두께만이 다를 수 있다. 이 때, 상기 자유층(48)의 두께는 상기 핀드층(44)의 두께보다 작을 수 있다.
상기 자성층 중 적어도 하나, 즉, 상기 핀드층(44)과 자유층(48) 중 적어도 어느 하나는, 층 내에 멀티 마그네틱 도메인을 가질 수 있다. 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)이란, 스핀 자화의 배열 방향이 서로 다른 복수개의 마그네틱 도메인(magnetic domain)을 의미한다. 즉, 상기 하나의 층 내에 스핀 자화의 배열 방향이 다양하게 분포되어 있다. 단, 상기 스핀 자화의 배열 방향은 하나의 마그네틱 도메인 내에서는 일정할 수 있다.
상기 자유층(48)의 상부에는 캡핑층(50)이 더 위치할 수 있다. 상기 캡핑층(50)은 상기 자유층(48)의 보호를 위한 층일 수 있다. 상기 캡핑층(50)은 제조 공정 상의 오류로 상기 자유층(48)의 구성 물질이 산화 또는 부식되는 것을 방지할 수 있다.
상기 캡핑층(50)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 캡핑층(50)은 Ta, Cr, Ti, W, Al, Cu, TiN 또는 CuN 등의 금속이나 금속 질화물 등을 함유할 수 있다.
상기 자기터널접합층(40)을 포함하는 자기터널접합 구조물(P)은 기판(10) 상에 복수개 배치될 수 있다. 상기 자기접합터널 구조물(P)은 하나의 셀을 구성할 수 있다. 이 때, 상기 복수개의 자기접합터널 구조물(P)을 둘러싸는 패시베이션층(70)이 개재될 수 있다.
상기 패시베이션층(70)은 셀 간을 전기적으로 차단하고, 캡핑층(50)의 표면 효과(skin effect)를 방지하는 층일 수 있다.
상기 패시베이션층(70)은 절연층일 수 있다. 일 예로, 상기 패시베이션층(70)은 Al2O3, TiO2, SiO2 또는 Si3N4 등을 함유할 수 있다.
상기 자기터널접합 구조물(P)의 상부에는 제2 전극(80)이 위치할 수 있다. 상기 제2 전극(80)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제2 전극(80)은 Ag, Al, Mo, Au 및 Cr, 또는 이들의 합금으로 이루어진 전극일 수 있다.
상기 제1 전극(20)을 통해 상기 자기터널접합층(40)으로 일정한 스핀 주입 전류를 인가하면, 상기 전류는 상기 핀드층(44)과 자유층(48)의 내부에 존재하는 스핀 자화 방향으로 분극되어 흐를 수 있다.
이 때, 상기 핀드층(44)이 멀티 마그네틱 도메인을 가지는 경우, 복수개의 마그네틱 도메인 내에 각각 존재하는 스핀 자화 방향이 서로 다르기 때문에, 상기 전류는 다양한 방향으로 스핀 분극되어 흐를 수 있다. 따라서, 상기 핀드층(44)을 통과하는 전류의 스핀 분극 정도가 증가할 수 있다.
또한, 상기 핀드층(44)을 통과한 전류는 상기 자유층(48)의 내부에 존재하는 스핀 자화 방향으로 분극되어 흐를 수 있다. 따라서, 상기 자유층(48)의 스핀의 자화 방향이 변화하면, 상기 전류의 스핀 분극 방향도 변화할 수 있다. 이 때, 상기 전류는 스핀 자화와 상호 작용하여 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque, STT)를 발생시키고, 이는 상기 자유층(48)의 스핀 자화 방향을 변화시킬 수 있다. 따라서, 상기 스핀 주입 전류를 통해 자유층(48) 내부에 존재하는 스핀들의 자화 방향이 변화하는 자화 스위칭이 일어날 수 있다.
상기 자유층(48)에 존재하는 복수개의 서로 다른 마그네틱 도메인 내의 스핀들은 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 즉, 각 마그네틱 도메인 내의 스핀들은 각기 다른 각도 또는 다른 방향으로 세차 운동할 수 있다.
따라서, 동일한 전류를 지속적으로 인가하더라도, 자유층(48) 내의 각 마그네틱 도메인 내의 스핀들의 자화 스위칭 정도에는 차이가 있을 수 있다. 즉, 상기 자화 스위칭은 스핀 특성의 차이로 인해 각 마그네틱 도메인마다 다르게 일어날 수 있다.
따라서, 동일한 전류를 지속적으로 인가하면서, 시간에 따른 셀의 저항 또는 전압을 측정하면, 상기 자유층(48)의 각 마그네틱 도메인 내의 다양한 스핀 자화 스위칭으로 인해 저항 또는 전압의 값이 랜덤하게 나타날 수 있다. 따라서, 상기 랜덤한 값을 출력신호로 이용하여 난수를 발생시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기에 포함된 자성층의 자화 배열을 나타내는 도면들이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 하나의 층 내에 싱글 마그네틱 도메인(single magnetic domain)을 가지는 경우, 층 내에 존재하는 스핀 자화는 한 방향으로 정렬될 수 있다. 즉, 층 내에 존재하는 모든 스핀 자화는 동일한 배열 방향을 갖는다(도 2a).
반면, 하나의 층 내에 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가지는 경우, 하나의 마그네틱 도메인의 스핀 자화는 자벽(magnetic domain wall)을 사이에 두고 다른 마그네틱 도메인의 스핀 자화와 서로 다른 방향으로 정렬될 수 있다(도 2b, 도 2c).
자성층 중 핀드층이 멀티 마그네틱 도메인을 가지는 경우, 각 마그네틱 도메인 내에 존재하는 스핀 자화 방향이 서로 다르므로, 스핀 주입 전류를 인가하면, 상기 전류는 여러 방향으로 스핀 분극되어 흐를 수 있다. 따라서, 핀드층을 통과하는 전류의 스핀 분극 정도가 증가할 수 있다.
또한, 자성층 중 자유층이 멀티 마그네틱 도메인을 가지는 경우, 스핀 주입 전류를 인가하면, 자유층 내의 각 마그네틱 도메인 내의 스핀들의 자화 스위칭 정도에 차이가 있을 수 있다. 즉, 상기 자화 스위칭은 스핀 특성의 차이로 인해 각 마그네틱 도메인마다 서로 다르게 일어날 수 있다.
상기 멀티 마그네틱 도메인은 하나의 층 내에서 부분적으로 형성되거나(도 2b), 전체에 걸쳐 형성될 수 있다(도 2c).
일 예로, 자성층이 원형인 경우를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 자성층이 특정한 형상을 가지는 경우, 별도로 멀티 마그네틱 도메인을 형성하는 과정을 거치지 않고도, 상기 형상을 따라 멀티 마그네틱 도메인이 자발적으로 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(10)상에 제1 전극(20)을 형성하고, 상기 제1 전극(20) 상에 핀드층(44), 터널 배리어층(46) 및 자유층(48)을 순차 적층하여 자기터널접합층(40)을 형성한다.
이 때, 상기 핀드층(44)의 하부에 피닝층(42)을 더 형성할 수 있다. 상기 피닝층(42)은 핀드층(44)과 반강자성적으로 결합하여, 상기 핀드층(44)의 자화 방향을 고정시키기 위해 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(20)과 상기 자기터널접합층(40) 사이에, 씨드층(30)을 더 형성할 수 있다. 상기 씨드층(30)은 그 상부에 증착되는 층들의 결정학적 텍스처(crystallographic texture)를 변화시키기 위해 형성할 수 있다. 또한, 상기 자기터널접합층(40) 상에 캡핑층(50)을 더 형성할 수 있다. 상기 캡핑층(50)은 일종의 보호층으로서 기능할 수 있다.
일 예로, 스퍼터링을 이용하여 상기 기판(10) 상에 제1 전극(20), 씨드층(30), 피닝층(42), 핀드층(44), 터널 배리어층(46), 자유층(48) 및 캡핑층(50)을 순차 증착할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 증착법을 이용할 수 있다.
이후, 핀드층(44) 및 자유층(48) 각각의 스핀 자화를 한 방향으로 정렬하기 위해 상기 기판(10)을 자기장 오븐에서 자화 어닐링(magnetic annealing)할 수 있다.
상기 자화 어닐링은 핀드층(44) 및 자유층(48)의 큐리 온도 이하의 온도 조건과, 터널 배리어층(46)이 결정화될 수 있는 온도 조건을 만족하는 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 자화 어닐링은 0℃ ~ 350℃에서 수행될 수 있다.
그러나, 상기 자화 어닐링 과정은 생략될 수 있다. 따라서, 핀드층(44) 및 자유층(48) 각각이 가지는 스핀 자화 배열이 한 방향으로 정렬되지 않을 수 있다. 이 경우, 후술하는 식각 공정을 거치지 않고서도 핀드층(44) 및 자유층(48) 내에 멀티 마그네틱 도메인이 존재할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 자기터널접합층(40)이 형성된 기판(10) 상에 하드 마스크(60)를 형성한다.
상기 하드 마스크(60)는 후술하는 식각 공정에서 식각 마스크로 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 하드 마스크(60)는 전자빔 리소그래피를 통해 형성할 수 있다.
상기 하드 마스크(60)를 형성하기 위해 상기 자기터널접합층(40) 상에 전자빔용 레지스트를 도포할 수 있다. 상기 전자빔용 레지스트는 네거티브 레지스트(negative resist)일 수 있다. 따라서, 후술하는 식각 공정 수행 이후, 상기 자기터널접합층(40)의 형상은 하드 마스크(60)의 패턴 형상과 동일할 수 있다.
일 예로, 스핀 코팅을 이용하여 상기 전자빔용 레지스트를 상기 기판(10) 상에 도포할 수 있다. 상기 전자빔용 레지스트를 도포하기 전에, 상기 기판(10)과의 접착력을 향상시키기 위해 접착층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 일 예로, 상기 접착층은 HDMS(hexamethyldisilazane)을 함유한 층일 수 있다.
상기 전자빔용 레지스트가 도포된 기판(10)을 베이킹(baking)하고, 전자빔 리소그래피 후, 현상하여 하드 마스크(60)를 형성할 수 있다. 상기 하드 마스크(60)의 패턴은 일정하게 배열된 사각형 또는 원형 패턴일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3c 및 도 3d를 참조하면, 하드 마스크(60)를 식각 마스크로 이용하여 기판(10)을 식각한다. 상기 식각을 통해 상기 기판(10) 상에 자기터널접합 구조물(P)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 자기터널접합 구조물(P)은 필러 형태로 형성될 수 있다. 상기 자기터널접합 구조물(P)은 상기 기판(10) 상에 적어도 하나 형성될 수 있다.
상기 식각은 건식 식각일 수 있다. 일 예로, 상기 식각은 이온빔 식각(ion beam etching)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 상기 식각은 자기터널접합 구조물(P)의 측벽에 결정구조의 비균등성을 발생시킬 수 있을 정도로 수행할 수 있다. 일 예로, 상기 결정구조의 비균등성은 이온빔을 이용하여 상기 자기터널접합 구조물(P)의 측벽에 강한 충돌에너지를 가하여 달성할 수 있다.
이를 통해 스핀 자화 방향이 서로 다른 복수개의 마그네틱 도메인이 형성될 수 있다. 즉, 상기 식각을 통해 하나의 층 내에 특정한 스핀 자화 방향을 갖는 마그네틱 도메인들이 복수개 형성될 수 있다. 상기 손상 또는 재증착의 정도는 이온빔의 양과, 가속 전압(accelerate voltage) 등의 공정 조건에 따라 결정될 수 있다.
이 때, 이온빔의 양은 캐소드 서플라이 전압(Cathode supply voltage)으로 조절할 수 있으며, 이온빔의 가속도는 빔 서플라이 전압(Beam supply voltage)과 가속 서플라이 전압(Accelerate supply voltage)의 합으로 조절할 수 있다. 또한, 상기 자기터널접합 구조물(P)의 측벽으로의 재증착(redeposition)을 제거하기 위해 샘플의 틸트각(tilting angle)을 조절할 수 있다. 따라서, 상기 변수들을 조절하여 마그네틱 도메인의 개수를 다양하게 변화시킬 수 있다.
상기 마그네틱 도메인은 주로 핀드층(44) 또는 자유층(48)의 가장자리에 형성될 수 있다. 상기 마그네틱 도메인들은 자벽을 사이에 두고 배치될 수 있다.
즉, 상기 핀드층(44) 또는 상기 자유층(48)은 멀티 마그네틱 도메인을 가질 수 있다.
도 3e를 참조하면, 자기터널접합 구조물(P)을 덮도록 패시베이션층(passivation layer, 70)을 형성한다. 상기 패시베이션층(70)은 절연층일 수 있다. 일 예로, 상기 패시베이션층(70)은 Al2O3, TiO2, SiO2 또는 Si3N4 등을 함유할 수 있다.
상기 패시베이션층(70)은 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD) 또는 스퍼터링 등을 이용하여 형성할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 증착법을 사용할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 패시베이션층(70)을 평탄화한다. 일 예로, 상기 평탄화는 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP)를 통해 달성될 수 있다. 상기 평탄화를 통해 상부에 위치하는 하드 마스크(60)가 노출될 수 있다. 이후, 아세톤 등의 전자빔 레지스트 스트리퍼(stripper)을 이용하여 잔존하는 하드 마스크(60)를 제거할 수 있다. 이 경우, 자기터널접합 구조물(P)의 상부가 노출될 수 있다.
도 3g를 참조하면, 자기터널접합 구조물(P) 상에 제2 전극(70)을 형성한다. 상기 제2 전극(70)은 Ag, Al, Mo, Au 및 Cr, 또는 이들의 합금으로 이루어진 전극일 수 있다.
일 예로, 상기 제2 전극(70)은 포토 리소그래피를 이용하여 자기터널접합 구조물(P) 상의 일부에 전극이 형성될 부분을 정의하고, 증발법을 이용하여 전극 물질을 증착한 후, 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
Si/SiO2 기판 상에 스퍼터링을 이용하여 TiN(500Å) /Ta(30Å /Ru(100Å /(Co-Pd)다중층(52Å), Co-Fe-B(11Å) /MgO(8Å) /Co-Fe-B(12Å), Co-Fe-Tb(300Å) /Ru(100Å) /Ti(5Å)가 순차로 적층된 자기터널접합 구조의 다층박막을 형성하였다. 자성층의 자화 배열을 위해 275℃, 자기장 오븐에서 2시간동안 자화 어닐링하였다. 이후, 아세톤 및 이소프로필알콜(IPA)을 이용하여 다층박막이 형성된 Si/SiO2 기판을 세척하였다. 이후, 전자빔 리소그래피 장비를 이용하여 네거티브 전자빔 레지스트를 상기 다층박막이 형성된 Si/SiO2 기판 상에 도포하였다. 보다 구체적으로, 전자빔 레지스트와 기판과의 접착력을 향상시키기 위해 HMDS를 5초/1000rpm, 25초/2500rpm 조건으로 스핀코팅한 후, 네거티브 전자빔 레지스트인 AR-N 7520, 18을 5초/1000rpm, 10초/3000rpm, 45초/5000rpm 조건으로 스핀 코팅하고, 핫플레이트(hot-plate)에서 85℃, 3분동안 베이킹하였다. 이후, 전자빔 리소그래피 공정을 수행하고, 현상하여 하드 마스크를 형성하였다. 상기 현상은 AR 300-47 : DI water = 4:1로 혼합한 후 2분간 진행하고, 이후 DI water에서 1분간 린싱하였다. 상기 하드 마스크를 식각 마스크로 사용하여 Ar 이온빔 밀링(ion-beam millimg)을 수행하였다. 이 때, 이온빔의 양을 결정하는 캐소드 서플라이 전압(Cathode supply)으로 20V를 인가하였으며, 이온빔의 가속도를 결정하는 빔 서플라이 전압(Beam supply voltage)과 가속 서플라이 전압(Accelerate supply voltage)으로 각각 400V, 100V를 인가하였다. 또한, 재증착(redeposition)을 제거하기 위해 샘플의 틸트각(tilting angle)은 45°와 30°가 되도록 반복하였다.
이온 밀링 후, 원자층 증착 장비를 이용하여 Al2O3를 증착하고, 스퍼터링을 이용하여 TaO2를 증착하여 패시베이션하였다. 이후, 화학 기계적 연마를 진행하여 하드 마스크를 노출시키고, 아세톤을 이용하여 잔존하는 하드 마스크를 제거하였다. 이후, 상기 노출된 부분에 포토 리소그래피를 이용하여 전극이 형성될 부분을 정의하고, 증발법을 이용하여 Cr 박막 5nm와 Au 박막 80nm를 순차로 증착한 후, 리프트-오프 공정을 수행하여 Au/Cr 전극을 형성하였다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 이론적인 R-H 곡선 및 R-I 곡선을 나타내는 그래프들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 자성층이 멀티 마그네틱 도메인을 가지는 경우, 자기장의 인가에 따라 저항이 매우 랜덤하게 나타날 수 있다(도 4a). 전류의 인가에 따라서도 동일한 결과를 얻을 수 있다(도 4b).
싱글 마그네틱 도메인을 가질 때와는 달리, 고저항과 저저항에서도 저항은 인가되는 자기장 또는 전류에 따라 계속 달라질 수 있다. 즉, 멀티 마그네틱 도메인을 가지는 자성층에 외부 자극을 인가하면, 매우 다양한 저항값을 얻을 수 있다.
즉, 외부 자극의 인가에 따라 스핀의 자화 스위칭이 매우 불규칙한 특성을 보인다. 이는 각 마그네틱 도메인 내에 존재하는 스핀의 특성이 다르기 때문인 것으로 풀이된다.
따라서, 동일한 자기장 또는 전류를 지속적으로 인가하면서, 시간에 따른 셀의 저항을 측정하고, 상기 저항값을 출력신호로 이용하여 난수를 발생시킬 수 있다.
이 때, 자유층의 자화 스위칭을 발생시킬 수 있도록 자기장은 Hs의 범위에서, 전류는 Is의 범위에서 인가되는 것이 바람직하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 실제 측정한 R-H 곡선 및 R-I 곡선을 나타내는 그래프들이다.
도 5a를 참조하면, 약 -700 Oe ∼ -1000 Oe 부근에서, 자화 스위칭이 불규칙한 특성을 나타낸다. 즉, 상기 범위에서 랜덤한 저항값을 나타냄을 확인할 수 있다.
5b를 참조하면, -0.005A 및 0.001A ∼ 0.013A 부근에서, 자화 스위칭이 불규칙한 특성을 나타낸다. 즉, 상기 범위에서 랜덤한 저항값을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 동일한 셀에 동일한 전류를 1회, 2회, 3회 및 4회 인가하였을 때, 각 회마다 서로 다른 자화 스위칭 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
즉, 동일한 셀에 동일한 전류를 인가하더라도, 자화 스위칭 특성이 다르게 나타날 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 난수 발생 신호를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일정한 전류를 지속적으로 인가하면, 시간에 따라 다양한 전압값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 측정되는 전압값에 규칙성이 없음을 알 수 있다. 또한, 동일한 셀에 동일한 전류를 인가하였을 경우에도, 1회(first)와 2회(second) 측정시, 기록되는 전압값이 다를 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 동일한 전류를 지속적으로 인가하면서, 시간에 따른 셀의 전압을 측정하고, 상기 전압값을 출력신호로 이용하여 난수를 발생시킬 수 있다. 이를 통해 무작위성이 증가된 난수를 얻을 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 난수 발생기의 난수 발생 예를 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 셀에 동일한 전류 또는 동일한 자기장을 지속적으로 인가하면서, 시간에 따라 측정되는 저항 또는 전압값을 출력할 수 있다.
이 때, 자성층 중 적어도 하나는 멀티 마그네틱 도메인을 가지므로, 상기 저항 또는 전압값은 각 마그네틱 도메인 내의 다양한 스핀 자화 스위칭으로 인해 랜덤하게 나타날 수 있다. 따라서, 상기 랜덤한 저항 또는 전압값을 출력신호로 이용하여, 난수를 발생시킬 수 있다.
도 7a는 도 6의 출력신호를 미분한 값을 나타낸 것이며, 도 7b는 상기 도 7a에서 미분한 값을 양수 및 음수로 하여 "0"과 "1"을 나타낸 것이다.
이를 이용하여 2개의 랜덤한 출력신호를 얻을 수 있으며, 상기 두 출력신호를 합하여 짝수이면 "0", 홀수이면 "1"로 설정하여 "0"과 "1"을 구분할 수 있다.
이외에도, 상기 난수를 발생시키기 위해, 먼저 셀에 동일한 전류를 지속적으로 인가하면서 시간에 따라 측정되는 전압을 기록할 수 있다. 상기 전압의 기준값을 기 설정하고, 상기 기준값 이하의 값에 대해서는 "0"으로, 상기 기준값을 초과하는 값에 대해서는 "1"로 출력되도록 프로그래밍할 수 있다. 이 경우, 다양한 스핀 자화 스위칭으로 인해 "0"과 "1"은 무작위로 발생될 수 있다.
이와 같은 방법으로 "0"과 "1"을 포함하는 난수를 발생시킬 수 있다. 그러나, 난수를 발생시키는 방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 프로그래밍 방법을 이용하여 난수를 발생시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10: 기판 20: 제1 전극
30: 씨드층 42: 피닝층
44: 핀드층 46: 터널 배리어층
48: 자유층 50: 캡핑층
60: 하드 마스크 70: 패시베이션층
80: 제2 전극

Claims (13)

  1. 스핀 자화 방향이 고정되는 핀드층;
    스핀 자화 방향이 스위칭되는 자유층;
    상기 핀드층과 자유층 사이에 개재되는 터널 배리어층;
    상기 핀드층과 상기 자유층 중 어느 일면에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 핀드층과 상기 자유층 중 다른 일면에 배치되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 자유층과 핀드층 중 적어도 어느 하나는 스핀의 자화 방향이 서로 다른 복수 개의 도메인을 구비하는 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가지는 난수 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자유층의 자화 방향은 스핀 주입 전류에 의해 결정되는 난수 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 핀드층 사이에 배치되는 씨드층을 더 포함하는 난수 발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자유층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 캡핑층을 더 포함하는 난수 발생기.
  5. 제1 전극이 형성된 기판 상에 핀드층, 터널 배리어층 및 자유층을 순차 적층하여 자기터널접합층을 형성하는 단계; 및
    상기 자기터널접합층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 자유층과 핀드층 중 적어도 어느 하나는 스핀의 자화 방향이 서로 다른 복수 개의 도메인을 구비하는 멀티 마그네틱 도메인(multi magnetic domain)을 가지는 난수 발생기의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멀티 마그네틱 도메인은,
    상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 형성되며,
    상기 자기터널접합층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 하드 마스크를 이용하여 상기 기판을 식각함으로써 적어도 하나의 자기터널접합 구조물을 형성하되, 상기 식각으로 상기 자기터널접합 구조물의 측벽에 비균등한 결정구조를 발생시켜, 상기 핀드층 및 상기 자유층 중 적어도 어느 하나에 멀티 마그네틱 도메인을 형성하는 단계를 거쳐 형성되는 난수 발생기의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 멀티 마그네틱 도메인을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에,
    상기 자기터널접합 구조물을 덮도록 패시베이션층을 형성하는 단계; 및
    상기 패시베이션층을 평탄화하여 상기 자기터널접합 구조물을 노출시키는 단계를 더 포함하는 난수 발생기의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 하드 마스크를 형성하는 단계 사이에,
    상기 자기터널접합층이 형성된 기판을 자화 어닐링하는 단계를 더 포함하는 난수 발생기의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자화 어닐링은 상기 터널 배리어층이 결정화되는 온도, 및 상기 핀드층과 상기 자유층의 큐리 온도 이하에서 수행되는 난수 발생기의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 자기터널접합층을 형성하는 단계와, 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에,
    상기 자기터널접합층이 형성된 기판의 자화 어닐링은 수행되지 않는 난수 발생기의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 자기터널접합층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계는 전자빔 리소그래피를 이용하여 수행되는 난수 발생기의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 식각은 건식 식각인 난수 발생기의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 건식 식각은 이온빔 식각인 난수 발생기의 제조방법.



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