KR20240011991A - 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자 제조 방법 - Google Patents

수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자 제조 방법 Download PDF

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KR20240011991A
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강재민
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Abstract

본 발명은 비자성층(non-magnetic layer), 상기 비자성층 상에 접합되는 강자성층(ferromagnetic layer) 및 상기 강자성층 상에 접합되는 반강자성층(anti-ferromagnetic layer)을 포함하고, 상기 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하는 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자로서, 본 발명에 의하면, 수직 교환 결합을 기반으로 한 자기 메모리 소자를 이용하여 물리적으로 복제가 불가능하며 재현성을 가지는 자기 메모리 소자를 제공할 수 있다.

Description

수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 및 자기 메모리 소자 제조 방법{MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY BASED ON PERPENDICULAR EXCHANGE BIAS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 수직 교환 결합을 기반으로 한 자기 메모리 소자 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 전장 부품의 확대에 따라 차량의 주행이 기존의 기계식 조작을 뛰어 넘어 전자식 드라이브 바이 와이어(drive by wire)로 급격히 변하고 있으며, 이에 따라 차량 내부 전장 플랫폼의 보안 문제가 중요한 이슈가 되고 있다.
IoT(internet of things) 등 정보통신기술의 발전에 따른 자율주행 자동차의 양산을 앞두고 V2X(vehicle to everything) 상황에서 차량의 자율주행시스템의 보안 문제가 대두되고 있으며, 만약 자율주행 시스템을 외부 공격으로부터 안정적으로 보호하지 못하면 탑승자나 보행자의 생명에 치명적인 위협을 야기할 수 있다.
이에 대응하기 위해 기존의 소프트웨어 기반의 보안 솔루션의 안정성을 넘어서는 하드웨어 기반의 보안 솔루션이 최근 각광을 받기 시작하고 있다.
본 발명은 이 같은 보안 문제의 열쇠가 될 수 있는 메모리 소자에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래의 물리적으로 복제 불가능한(physically unclonable functions, PUF) 메모리 소자에 관한 예이다.
도 1의 경우 반도체 공정 중 금속 전극을 제작하기 위한 via hole etching process 공정을 조절하여 via hole의 크기를 무작위적으로 하여 전기적 contact의 randomness를 확보하는 기술이다.
이는 환경(온도, 습도 등)에 변경되지 않는 unique, randomness 및 우수한 반복성(Reliability를 확보한다. 그리고, VIA PUF key로 암호화된 데이터는 VIA PUF key 없이 복호화가 불가능하다.
다만, 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
도 2는 소위 spin transfer torque magnetic tunnel junction based physically unclonable functions 로서, 두 개의 MTJ(magnetic tunnel juction) 소자를 하나의 전류 라인으로 연결하고 과전류를 흘려 소자의 절연파괴(breakdown, BD)를 일으킨 후 우측 및 좌측 MTJ가 랜덤하게 BD가 일어나는 현상을 이용하여 PUF를 구현하는 것이다.
한 쪽이 BD가 일어나면 다음 시행에도 BD된 부분이 비가역적이기 때문에 Intra-die HD가 0%인 이상적인 상황이고, 어느 부분이 BD될지 랜덤이기 때문에 Intra-die HD도 높다고 한다.
그러나, 이 또한 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
도 3은 소위 perpendicular magnetic anistropy based physically unclonable functions 로서, Ta(10nm) / CoFeB(1.6nm) / MgO(1.6nm) / Ta(5nm) 구조에서 수직 자화를 발생시키는 CoFeB / MgO 계면의 수직자기이방성 효과를 최상부 Ta(5nm) capping 층을 식각(etching)하여 MgO의 non-uniform 두께(0.6~0.8nm)를 만들어내 조절하고, 외부 자기장이 0일 때 각 CoFeB의 anomalous Hall resistance 값의 차이를 읽음으로써 PUF를 구현한다.
환경(온도, radiation 등)에 민감하지 않은 PUF 특성이 확보 가능하다고 하나, anomalous Hall 신호를 digital output 으로 변환시켜주는 과정 및 회로가 따로 필요하며, 이 또한 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0133821호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 수직 교환 결합을 기반으로 한 자기 메모리 소자를 이용하여 물리적으로 복제가 불가능하며 재현성을 가지는 자기 메모리 소자 및 그것의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자는, 비자성층(non-magnetic layer), 상기 비자성층 상에 접합되는 강자성층(ferromagnetic layer) 및 상기 강자성층 상에 접합되는 반강자성층(anti-ferromagnetic layer)을 포함하고, 상기 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 강자성층은 수직 이방성을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 강자성층은 CoFeB, CoFe 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 비자성층은 Pt(백금), Ta(탄탈륨) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 제조 방법은, 상기의 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자를 준비하는 단계 및 상기 자기 메모리 소자의 상기 강자성층을 탈자화(demagnetization)시키는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 강자성층을 탈자화시키는 단계는, 상기 자기 메모리 소자를 가열하는 단계 및 상기 자기 메모리 소자에 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 자기 메모리 소자를 가열하는 단계는 상기 강자성층의 닐 온도(Neel temperature) 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 자기장을 인가하는 단계는, 상기 자기 메모리 소자에 정방향과 반대방향의 자기장을 교번하여 인가하며 크기를 순차적으로 줄여 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자성체 박막의 탈자화 과정에서 생성되고, 외부 요인에 따라 제어가 되지 않는 무작위적인 자화 패턴을 기반으로 하고 있다.
본 발명의 방식으로 형성된 무작위적인 자화 배열은 매 시도마다 그 패턴이 동일하지 않기에 이를 물리적, 화학적 방법을 이용하여 소자를 제작하고, 전기적, 광학적인 방법을 이용하여 각 소자의 자화 방향(또는 자화 방향에 의존하는 특성)을 읽어 들이는 방법과 결부시키면 하드웨어 기반 보안 소자로서 응용이 가능하다.
그리고, 무작위적으로 분포된 각각의 자화 패턴을 자기장이나 열 등의 외부 충격으로부터 보호하기 위해 교환자기결합이방성을 이용해 자화 방향을 고정할 수 있으며, 박막의 탈자화를 통해 생성된 무작위 자화 패턴을 이용한 소자는 현재 개발되고 있는 자기터널접합 기반의 MRAM소자와 결부된 응용 및 그 외 다양한 자성체 기반 소자에 응용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 자기 메모리 소자의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 자기 메모리 소자의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 탈자화 전 자화 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 탈자화에 의한 자기장의 변화를 도시한 것이다.
도 7은 자성체의 탈자화(demagnetization) 공정에 의한 M-H 곡선을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 탈자화 후 자기 모멘트 분포를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 의한 소자 어레이의 무작위적인 자화 배열을 광자기커효과(MOKE, magneto=optic Kerr effect)를 이용하여 확인한 결과이며, 도 11은 소자의 +Mz와 -Mz 상태를 나타낸다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 소자 어레이의 히스테리시스 곡선을 나타낸 것이다.
도 14 Unit 소자의 anomalous Hall curve를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
최근의 반도체 소자 중 자기 메모리 소자는 속도가 빠르고 작동 전압이 낮고 비휘발성 특성을 갖기 때문에 메모리 소자로서 이상적인 조건을 갖고 있다.
자기 메모리 소자는 두 강자성 물질이 절연층에 의해 분리된 자기터널접합 구조를 가진다. 그래서, 두 자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 달라지는 자기 저항으로 정보를 저장한다.
두 자성층의 자화 방향 제어는 스핀 분극 전류로 제어가 가능하고, 이는 전자가 가지고 있는 각운동량이 자기 모멘트에 전달되어 토크를 발생시키는 스핀전달토크(Spin Transfer Torque)라 한다.
본 발명은 이러한 자기 저항 특성을 이용하여, 보안 기술에 사용 가능하도록 물리적으로 복제 불가능한 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
본 발명의 자기 메모리 소자는 비자성층(10, non-magnetic layer), 강자성층(20, ferromagnetic layer), 반강자성층(30, anti-ferromagnetic layer)의 삼중층 구조를 포함하고, 도 4에서 Pt 소재의 비자성체(10), Co 소재의 강자성체(20), IrMn 소재의 반강자성체(30)를 예로 들 수 있다.
비자성층(10)은 Pt(백금), Ta(탄탈륨) 등의 비자성을 지닌 금속일 수 있으며, 강자성층(20)은 수직 이방성을 가지는 CoFeB, CoFe 합금 등 Co 소재의 강자성 물질일 수 있다.
그리고, 반강자성층(30)은 IrMn, PtMn 등일 수 있다.
그래서, Exchange bias layer(Co/IrMn)가 Randomness source인 동시에 detection layer의 기능을 동시에 수행한다.
따라서 직접적으로 reading current를 흘려주어 Co/IrMn의 anomalous Hall 저항 값을 읽을 수 있다.
통상적으로 anomalous Hall 저항값을 읽어주기 위하여 필요한 전류밀도가 작기 때문에 소자를 동작하는데 필요한 power consumption이 훨씬 적을 수가 있다.
여기서, 본 발명은 수직 이방성의 강자성층(20)의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 한다.
무작위적 자화 방향 분포를 만드기 위해서는 물리적, 화학적으로 연속적인 자성박막(magnetic thin film)에 외부 자기장의 방향을 교대로 바꿔 크기를 줄여 인가함으로써 최종 자기장이 0이 되어 탈자화(demagnetization)된 것일 수 있다.
또한, 수직 이방성의 강자성층(20)의 외부 자기장 및 열적 안정성을 확보하기 위해서, 반강자성층(antiferromagnetic layer)과 강자성층이 접합된 구조를 형성하여 반강자성층과 강자성층 간에 형성되는 교환자기결합 이방성을 적용하여 무작위성을 얻을 수 있다.
본 발명은 이 같은 강자성층(20) 또는 이를 대신하는 강자성층(20)과 반강자성층(30)의 실시 형태에 의해 무작위적으로 분포된 자화 방향을 전기적 혹은 광학적 방법을 통해 읽어 내는 소자를 구현할 수 있으며, 이는 물리적으로 복제 불가능한(physically unclonable functions, PUF) 보안소자를 위시한 여러 소자(MTJ 기반 MRAM 소자 등)에 응용될 수가 있다.
강자성층(20)과 반강자성층(30) 구조에 의해 외부 자기장에 대한 안정성의 확보가 가능해진다.
본 발명은 앞서 살펴본 삼중층 구조에서 반강자성층과 강자성층의 교환자기 결합이방성이 사라지는 온도(blocking 온도, 닐 온도) 이상으로 접합체를 가열하고, blocking 온도 이상에서 교대로 자기장을 인가하는 탈자화 공정을 진행하여 수직 자화 강자성층의 무작위적인 자화 배열을 형성시킨다. 또는 이온조사법에 의해 탈자화할 수도 있다.
그래서, blocking 온도 이하로 접합체를 냉각시켜 수평 자화 강자성층의 무작위적인 자화 배열을 따라가는 교환자기결합 이방성의 무작위적인 분포가 확보된다.
이하에서는, 강자성층과 반강자성층 구조에 의해 탈자화 공정을 진행하여 무작위적인 자화 배열을 형성시켜, 광자기커효과(MOKE, magneto=optic Kerreffect)를 이용하여 확인하도록 한다.
탈자화 전 강자성층(20)은 도 5와 같은 자화 상태를 가지며, 도 6과 같은 앞서 설명한 탈자화(demagnetization) 공정에 의해 도 7의 M-H 곡선과 같이 수직 자화의 무작위 분포가 생성되게 된다.
도 7은 자성체의 탈자화(demagnetization) 공정에 의한 M-H 곡선을 도시한 것이며, 이 같은 시편을 이용하여 자기 메모리 소자를 제조하여 PUF 소자로서 이용할 수 있다.
먼저, 반강자성층과 강자성층 이중층 구조를 탈자화를 위해 1)시편을 지지하는 홀더를 반강자성층의 blocking 온도 이상에서 가열하고, 2) 시편을 홀더에서 30초간 가열하고, 3) 탈자화 공정을 30초간 수행한다.
반강자성층의 blocking 온도는 예를 들어 240℃이고, 탈자화 공정은 자기장의 방향을 정방향과 반대방향으로 교번하며 순차적으로 줄여서 자기장이 0이 될 때까지 실시한다.
다음, 시편을 냉각 후 VSM(Vibrating Sample magnetometer)을 통해 측정한다.
그 결과, 도 8의 easy axis(as-deposited)에 대한 탈자화 전 자기모멘트 상태에서, 탈자화 후 도 9와 같은 분포로 나타나게 된다. 도시와 같이 As-deposited 상태에서 5:5 비율이 나오지 않았지만 이를 탈자화 공정을 통하여 자기 도메인의 up 과 down의 비율을 5:5 로 나눌 수 있는 것을 확인할 수 있다.
다음, 도 10은 앞서 설명한 본 발명의 소자 구조를 20×15 어레이 패턴(array pattern)으로 구성하여 MOKE 이미지를 촬영한 결과로서, 자기 도메인의 랜덤 분포를 확인할 수 있었다.
각 소자의 +Mz와 -Mz 상태는 도 11과 같으며, +Mz와 -Mz 의 비는 154:146(51%:49%)로 우수한 uniformity를 확인할 수 있었다.
그리고, 도 12는 8×8 어레이를 제작하여 1차 탈차화(1st demagnetization) 후 Anomalous Hall effect(비정상 홀효과)를 측정한 결과로서, 32:32의 패턴 결과가 도출되었다.
AHE 를 통하여 hysteresis loop shift를 측정하면 수직 교환 결합의 방향을 알 수 있고 이는 전기적 측정이 가능함을 의미한다.
도 13은 2차 탈자화(2nd demagnetization) 후 Anomalous Hall effect(비정상 홀효과)를 측정한 결과이다.
동일 PUF에 대하여 2nd demagnetization 시 33:31의 서로 다른 패턴이 획득되었으며, 이는 제작된 PUF 소자가 reconfigurability를 가지고 있음을 의미한다.
추가적으로, 도 14를 참조하면, Unit 소자의 anomalous Hall curve를 보았을 경우에 zero field에서 magnetic state가 한 개임을 알 수 있다.
이것이 의미하는 것은 외부에서 자기장을 +로 주었다 제거를 할 경우와 ??로주었다 제거를 할 경우에 모두 Ferromagnet의 방향이 도시와 같이 down 상태로 고정이 됨을 의미한다.
따라서 외부에서 자기장을 주었다 제거를 할 경우에도 Ferromagnet의 자화 방향이 exchange bias에 의하여 변하지 않으며 출력되는 PUF의 bit도 변하지 않음을 의미한다.
따라서 본 수직 PUF 소자의 경우 외부 자기장을 인가하였다 제거하여도 PUF pattern이 변하지 않음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 자기 메모리 소자 구조에 의하면, 무작위적 자화 분포는 매번 동일한 방법을 이용해 자화 분포 형성을 시도할 때마다 그 자화의 분포가 동일하지 않게 무작위적으로 배열되게 되며, 이러한 무작위성은 외부 공정 요인으로 인해 의도적으로 제어가 불가능한 성질을 가지게 된다.
따라서, 이러한 특성을 바탕으로 본 발명의 무작위적 자화 방향분포를 이용한 수직 교환 결합 기반 스핀트로닉스 PUF 소자는 재현성(reconfigurability)을 갖게 된다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10 : 비자성층
20 : 강자성층
30 : 반강자성층

Claims (10)

  1. 비자성층(non-magnetic layer);
    상기 비자성층 상에 접합되는 강자성층(ferromagnetic layer); 및
    상기 강자성층 상에 접합되는 반강자성층(anti-ferromagnetic layer)을 포함하고,
    상기 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 강자성층은 수직 이방성을 가지는 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 강자성층은 CoFeB, CoFe 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비자성층은 Pt(백금), Ta(탄탈륨) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반강자성층은 IrMn, PtMn 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자.
  7. 청구항 1의 수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자를 준비하는 단계; 및
    상기 자기 메모리 소자의 상기 강자성층을 탈자화(demagnetization)시키는 단계를 포함하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 강자성층을 탈자화시키는 단계는,
    상기 자기 메모리 소자를 가열하는 단계; 및
    상기 자기 메모리 소자에 자기장을 인가하는 단계를 포함하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 자기 메모리 소자를 가열하는 단계는 상기 강자성층의 닐 온도(Neel temperature) 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 자기장을 인가하는 단계는, 상기 자기 메모리 소자에 정방향과 반대방향의 자기장을 교번하여 인가하며 크기를 순차적으로 줄여 인가하는 것을 특징으로 하는,
    수직 교환 결합 기반의 자기 메모리 소자 제조 방법.
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