MRAM은 MEMORY소자를 Spintronics를 기반으로 만든것입니다.
아직 개발중인 MRAM은 상용화가 되기위해 속도, 저전력, 신뢰도를 달성하기 위한 많은 물리학적, 전자공학적 요소를 발전시키고 있으며, 가장 지배적인 원리 4가지와 상용화를 위해 극복해야할 사항 4개를 소개하겠습니다. (링크를 타고 들어가면 관련된 더 자세한 설명을 볼 수 있습니다.) 추가로 지금까지 발전해 온 MRAM과 차세대 MRAM, 장단점과 극복방안에대해 설명하겠습니다.
# 4가지 지배적 원리
(1) Layer Structure VS Varying M
layer structure는 물질 내부에 magneticzation의 변화가 없는 것으로 단지
domain wall만 존재할때를 지칭합니다.
반면 varing M은 magntization의 변화가 내부에서 활발하게 있는 것으로
domain wall, 스커미온(skyrmion), 스핀파(spin wave) _spin pumping, spin seebeck, magnon를 포함합니다.
즉 layer structure는 
(2) Component of STT
관련 자료 : spin-transfer torque (STT)
Spin transfer torque는 방향과 원인에 따라 총 세가지 component로 구성되는데, 바로
입니다. 첫항은 위 layer structure에서 있는 magnetization으로 uniform vector라 가정할 수 있고
두번째 항은 spin transfer torque(inplane torque)로 다시 표현하자면
으로 adiabatic(단열적)입니다.
반면 세번째 항은 out of plane torque(perepndicular torque, field like torque)로 외부자기장 처럼 보이는 σ에 의한 torque으로 non adiabatic하고 잘 이용하려 하지 않던 torque입니다.
(3) Ballistic Transport VS Diffusive Transport
간단히 본다면 Ballistic transport는 quantum mechanical적인 현상이고 diffusive transport는 too many scattering으로 quantum적이 현상이 모두 사라지는 스핀의 이동입니다.
다시말해 
즉 diffustion transport가 진행되는 부분은에는 spin 이 여러번 충돌하다가 spin filp을 하게 되며, 이 filp될때까지의 거리를 spin filp length라 합니다.
즉 ballistic은 spin current를 다른 FM에게 얼마나 효율적으로 전달할 수 있는지 보는 것이고,(ex MgO|FM), diffusive는 얼마나 큰 spin accumulation을 가질 수 잇ㄴ느지 보는 것입니다.(spin asymmetry, spin diffusion length, spin memory loss)
(4) Exchange splitting VS Spin Orbit Splitting
관련자료 : 스핀궤도결합(spin orbit coupling), 교환 상호작용(exchange interaction)
이용되는 torque현상으로만 본다면 exchange splitting은 STT에, spin orbit splitting은 SOT에 적용됩니다. 즉 spin을 splitting하는 soruce의 차이 입니다. 두개는 energy diagram이 어떻게 움직이는지의 차이도 보이는데, 다음 그림과 같이 exchange splitting은 위아래로, spin orbit splitting은 좌우로 움직입니다.
또한 spin orbit splitting은 transition metal이나 semiconductor에서 잘 일어난다고 보고됩니다.
이들을 이용해 다양한 소자 engneering을 할 수 있습니다.
예를 들어 다음과 같은 STT 구조에서 그림의 QMBC(quantum mechanic boundary condition)부분을 제외하곤 모두 diffustion transport로 진행하고 QMBC만 ballistic transport로 진행하게 됩니다.
diffusion transport로 처리하는 것은 즉 스핀궤도결합(spin orbit coupling)으로 계산한 다는 것으로 보면 됩니다. 이때 주로 scattering에 의해서 spin filp이 되게 되는데 이는 EY(Elliot-Yafet)이라는 이론과 DP(Dyknov-perrel)이라는 이론이 있습니다. EY는 많은 defect에 의한 momentum scattering이 있어서 filp이 일어난다는 이론이고 DP는 defect가 없는 환경을 가정하여도 filp이 된다는, 이론으로 이를 anglar momentum change라 합니다. 물론 현실에서는 둘다 같이 나타납니다. 식 속에서 살펴본다면
에서 k에 dependent한것이 EY이고, m에 dependent한것이 DP입니다.
이때 FM2를 week ferromanget으로 하면 decoherence length가 길어져서 diffusion transport영역에 통과하는 기간이 길어져 회전을 더 많이 하게 되고 out of plane transfer torque가 커지게 됩니다. 이를 이용해 decoherence length를 out of plane torque를 측정해 예측하기도 합니다.
# Challenge to commercialization
(1) Scalability vs Thermal Stability
관련자료: 자화의 운동방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG)_스핀 감쇠(spin damping), magnetic perpendicular anisotropy(수직 이방성) _ demagnetization(반자화)
Write current와 Thermal stability를 비교한다면
로 비록 single domain일때에만 해당되는 식이지만 write current가 STT의 항이며 thermal이 damping의 항이라 치면 M과 K와 α(Gilbert damping)가 이 두가지가 모두 만족되는 항을 찾아야 합니다. 즉 낮은 Ms와 TMR과 P와 α의 degradation없이 만족해야 합니다. write current와 thermal stability를 둘다 고려해야 합니다. 상용화에 대한 목표치는 switching하기위한 boundary potential의 크기를 Φ라 한다면, cell size가 50nm이하에서는
즉 에너지 항보다 최소 60배 이상 커야 합니다. 즉 60배 클때까지 switching이 되면 안되는 것입니다.
uniaxial shape anisotropy의 경우 결코 60이상으로 커질수 없다는 수직적 결과가 나옵니다. 즉 작아지면 작아질 수록 원자가 별로 없을때 열에 민감하게 반응하는 것처럼, switching이 쉽게 되는 것입니다. 이때 FePd와 같은 수직 이방성 물질의 경우 열에 덜 민감하다는 것이 밝혀지고 이때부터 수직 STT RAM을 사용하게 되었습니다.
그러나 이렇다고 모든 thermal stability가 해결된 것은 아닙니다.
STT의 기본적인 switching current와 Thermal stability factor를 본다면
으로 한 항이 같습니다. 따라서 current를 낮추고 T-factor를 높이기 위해선 어쩔 수 없이, damping constant를 낮추거나 η를 높이는 수 밖에 없습니다.
(2) MR ratio가 100~150%이상 & RA product의 최소
관련자료: 자화의 운동방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG)_스핀 감쇠(spin damping)
CoFeB (CFB, 코발아이언보론), MgO, Co, Permalloy
어느 상태가 On이고 어느상태가 Off인지 확실하게 알기위해선 On과 Off상태에 따라 저항 ratio가 커야 합니다. 그래야 작은 read 전류에서도 에러율이 작아지겠죠... 또한 소자는 high freq.에서 쓰게 될텐데 RA product가 크면 CMOS와 매칭이 잘 안됩니다. MR ratio는 당연히 적어도 100%는 넘어야 하며, RA product는 65nm인 1Gbit에서는 30Ωum^2보다 작아야하고 30nm인 5Gbit에서는 7Ωum^2보다 작아야하며, 20nm인 10Gbit에서는 3.5Ωum^2보다 작아야합니다. 따라서 TMR의 insulator의 두께를 얇게 하는데 breakdown이 발생하기 쉽고 공정이 어려워 다른 방안을 강구해야합니다.
또한 MR을 높이기 위한 구조적인 문제로 MgO의 coherence한 효과를 높이기 위해 BCC MgO를 tunnel barrier로 사용해야하는데, 그냥 perpendicular magnetic anisotropy(PMA) 물질의 경우 MgO(001)와의 lattice mismatch와 Band mismatch문제가 있어 MgO(111)과 같은 crystal structure가 만들어지게 됩니다. 따라서 이를 극복하기 위해 PMA와 MgO 계면에 항상 CoFeB를 넣어 coherence한 MgO를 만듭니다.(추가로 CoFeB과 MgO사이에 CoFe를 얇게 삽입하기도 합니다.) 따라서 이런방법으로 일딴 10 Gbit의 Spin-Ram을 만들었습니다.(RA<3.5Ωum^2,MR>100%)
(3) Switching current density 최소
관련자료: 자화의 운동방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG)_스핀 감쇠(spin damping)
magnetic perpendicular anisotropy(수직 이방성) _ demagnetization(반자화)
Switching current를 줄이는것은 Spintronics 소자의 목적중 하나로 DRAM이나 SRAM을 대체하고자 하는 목표를 가지고 있습니다. 보통 J=5x10^5 A/cm^2이하의 switching current density가 필요합니다. 특히 Standard MRAM의 경우 cell size를 줄일 수록 Shape anisotropy의 영향을 많이받아 t/L를 비례하여 전류가 증가합니다. 따라서 ST-RAM으로 t x L^2에 비례하도록 되어 극복하였으나 아직 상용화되기에는 부족합니다. 따라서 이러한 작은 cell size에서는 demagnetization이 작은 perpendicular anisotropy가 필요합니다.
다시말해 inplane의 경우 switching barrier가 thermal barrier의 30배라면 perpendicular의 경우 거의 비슷합니다. 자세한건 관련자료를 참고해 주세요.
(4) Switching speed 감소
관련자료: 자화의 운동방정식(Landau-Lifshitz-Gilbert, LLG)_스핀 감쇠(spin damping)
Writ
# MRAM의 종류 및 차세대 MRAM
(1) Field-Driven & Thermally Assisted(TAS)
관련자료: 자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙, 자기저항_거대자기저항(GMR)_AMR
위 그림에서도 보이듯 전류에서 생기는 oersted field에 의해 GMR의 free layer의 자성을 바꾸는 것입니다. TAS와 같은 경우 이 free layer가 바뀌는 순간을 선택하는 것이 전류를 흘러주어 열이 생겨 에너지가 높아질때 바뀌도록 한 장치입니다. 열 빼고는 같은 원리 입니다.
그러나 크게 성공하진 못했습니다. 왜냐하면...넓은 범위에 자기장을 발생시키기 때문에, 다른 이웃한 cell에 영향 없이 딱 한 cell만 선택할 수 있는 selectivity가 굉장히 안좋습니다. 따라서 scalable도 안되며 특히 GMR의 경우 작아질 수록 두께는 같으나 넓이가 줄어들어 shape anisotropy 자성이 커지게 되어 coercivity가 커집니다. 따라서 switching하기위한 전류가 점점 커져 저전력에 적합하지 않고 전류가 크다는 것은 Transistor의 크고도 커져야한다는 것이므로 작아질 수도 없습니다. 따라서 엄청나게 옛날의 개념이라 생각하시면 됩니다.
(2) STT-RAM
관련자료: spin-transfer torque (STT)
STT의 이론 그래로를 memory로 옮겨놓은 것입니다. 위에서 다룬 Thermal stability vs scalability vs energy comsumption vs retantion time문제를 해결하지 못해 시장에서 원하는 만큼의 scale이나 저전력을 달성하지 못했지만, 계속 이를 해결하기위한 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어 Current induced synchronized switching(CISS)라 하여 resonance를 이용하여 DC current에 내부 RF field를 이용하여 switching current를 낮추는 것입니다. 즉 pinned layer는 perpendicular layer이며, free layer는 perpendicular한층 inplane 한층으로 inplane layer의 spin은 precession하면서 RF에 의한 field는 감소하는 것입니다. 이는 resonance때문에 매우 좁은 영역의 current에서만 switching이 됩니다. 또한 Orthogonal spin torque(OST)라 하여 가장 아래 layer는 큰 perpendicular spin을 주고 위에 두 layer는 inplane을 주어 damping과 STT가 경쟁하지 않고 precession이 아닌 direct switching을 가능하게 하여 빠른 switching과 낮은 전력을 소모하게 하지만, scaclability문제나 thermal stability와 current가 decoupling이 안되는 문제가 있습니다. 또한 Thermal assisted switching(TAS)이 있는데, 이는 current injection으로 Heating을 하여 current와 stability를 decoupling시킵니다. 그러나 온도를 다루는 만큼 환경 제어에 문제가 있습니다. 마지막으로 Electric field assisted switching이 있는데, 이는 spin accumulation이나 charge transfer로 spin orbit coupling을 바꿔 magnetocrystalline anisotropy change를 합니다. 그러나 오류율이 아직은 너무 큽니다.
(3) Three Terminal MRAM : SOT-RAM, Domain wall-RAM
관련자료: spin orbit torque(SOT), domain wall
차세대 MRAM에 대한 이론이지만, 3-terminal을 가지고 있는 치명적인 단점이 있는 메모리 입니다. 3-terminal이란 즉 전극이 3개가 있다는 것인데, 그만큼 power line이 복잡하며 많아져서 scalability문제가 있습니다. 또한 domain wall같은 경우 pinning potential이 필요한데 아직 domain wall을 제어하는 방법에대한 큰 기술이 부족해 Random pinning potential을 해결해야합니다.
4) VoCSM (Voltage Control Spintronics Memory)
관련자료: 전기장 제어 자기이방성(voltage controlled magnetic anisotropy, VCMA)
자성층에 전기장을 걸어 전자를 유도하거나 빼면 자기이방성을 제어할 수 있습니다. 자기 이방성을 제어한다는 것은 곧 쓰기를 쉽게 하고 메모리를 덜 잃어버릴 수 있게하는 Voltage-Time Dilemma 를 근복적으로 해결할 수 있는 방법입니다. 하지만 아직까지 상용화가 될 정도의 자기이방성을 변화시키지 못했습니다.
추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다!
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