식 (2.3.19)
3.3.3 SOT system
각 실험은 최대 2.7 T 까지 인가 가능한 전자석 시스템에서 진행되었으며 강한 자, 기장이 요구되는 field dependence 측정 실험을 진행하였다 이를 위하여 . -1.6 T ~
의 영역에서 외부 자기장를 으
1.6 T negative -> 0 -> possitive -> 0 -> negative 로 sweep 하여 총 120개 이상의 step을 측정하였다.
측정에서 실험에서는 외부 자기장의 세기가 인 지점에서
SOT field dependence 0
내의 자화가 자기이방성에 따라 수직 성분을 가지게 된다 그러나 시편의 자화가
FM .
수직 성분을 가지게 될 때 자화의 방향이 서로 , 180˚ 차이가 나는 multi domain을 형성하는 것을 방지하기 위해서 시편에 3.6˚ 만큼 회전시킨 상황에서 field sweep을 진행하였다 따라서 그림 . 27. 의 모식도를 기준으로 field sweep 실험에는 의 값이 θ
를 초기 설정으로 실시하였다
3.6˚ .
모든 실험은 300K온도에서 진행되었으며, 실험에 사용된 전류밀도는 모두
×
로 동일하다.또한 SOT 측정을 위해 Hall 측정을 실시하였으며 이 때 인가하는 전류의 방향과 , 외부자기장와의 방향이 일치유무에 따라 측정하고자 하는 토크가 결정이 된다 측정. 하고자 하는 토크의 종류가 damping이기 때문에 그림 , 26. 와 같이 인가되는 전류의 방향은 외부 자기장의 방향과 일치하는 방향으로 하였으며 자연스럽게 측정하는 전, 압의 방향은 인가하는 전류의 방향과 수직된 방향으로 측정 한다.
실험에서 사용되는 소프트웨어는 LabView 프로그램을 이용하여 실시하였으며 실험, 에 사용된 계측기는 6221 AC sourcemeter 와 LI5650 lock-in amplifier을 사용하
그림 27 Field sweep 측정에 따른 토크 측정 모식도 및 실제 이미지.
그림 28. 2차 고주파 측정 시스템
측정 결과 3.4 SOT
실험은 Cr층의 변화를 2.0nm, 3.0nm, 4.0nm, 5.0nm, 7.5nm, 10.0nm, 12.5nm, 총 가지를 변화를 주었으나7 , 3nm 시편군만 유의미한 데이터가 도출되었다 다른 시. 편에서는 유의미한 신호가 검출되지 않는 것으로 보아 시편이 손상되었다고 판단되며 이후 측정된 차 고주파 신호인 2
값을 fitting하여 damping torque를 계산하였다 즉 식 . , (3.2.4)에 있는
∥
∥sin
∥sin
항을 따로 추출해 계산하였 다, [17]을 제외한 나머지 시편에서 유의미한 데이터가 나오지 않는 것은 해당 시편군
Cr3.0 ,
에서 원래 신호가 나오지 않는 것이 아니라 시편이 손상이 발생해서 SOT 신호가 발 생하지 않는 것으로 판단된다 이러한 결론을 내린 근거는 . 1) 동일한 시편을 SMR 측 정에 사용했다는 점 2) Hall bar pattern측정을 위하여 wire bonder 장비를 이용하 여 wiring을 수 차례 진행했다는 점 3) 여분의 시편이 없어 한 시편만 진행했다는 점
다른 시편군에서
4)
측정 결과에서 자기이력곡선 (Heterosis loop)이 나오지 않 았다는 등이 있다.
결과 그림 ( 28. 그림 29. (a))를 보면 동일한 부호의 값을 가지나 그 세기는 , 층이 없을 때 더 강한 값이 나오는 것을 확인 할 수 있다 또한 외부자기장이 없Pt , .
을 때 높은
값을 가지고 강한 외부자기장이 있을 때 낮은 , ,
값을 가지는 것을 확인 할 수 있다 이를 통해 .
의 값을 가지고 있음을 확인 할 수 있다.
결과(그림 28. 그림 29. (b))를 보면 층의 유무에 따라 부호 및 세기가 달라Pt 짐을 확인 할 수 있다 이는 동일한 전류밀도 및 자기장을 인가해주어도 층의 유무. Pt 로 인하여 강자성체 내로 유입되는 스핀의 방향이 서로 다르다는 것을 의미하며 이, 는 층의 유무로 인하여 강자성체로 흐르는 스핀전류의 방향이 달라지는 것을 의미Pt한다 이를 통해 그림 . 30 와 같이 층을 통과하는 스핀은 그 방향이 변화된다고 판. Pt 단된다 이는 앞서 . SMR결과 해석에서 언급한 오비탈 스핀 전환현상에 따른 결과라고 - 사료된다. Cr의 경우 스핀 궤도 결합의 부호가 음이기 때문에 스핀과 오비탈의 방향- 이 다르다 따라서. , Pt의 유무에 따라 SOT의 부호가 바뀔 수 있다 이 역시 명확한 . , 결론을 위해 다양한 실험적 결과와 전자구조에 대한 연구가 더 요구된다,
해당 결과들을 통해 산출된 damping torque의 세기의 값은 표 을 통해 확인 할 3.
수 있다.
Cr3 Cr3/Pt1
∥ -52.24 ± 22 6.27 ± 1.89
∥ 321.48 ± 127 -27.65 ± 6.99
∥ -694.93 ± 149 50.44 ± 5.69 표 3. damping torque 측정 결과
그림 29. Cr3/Pt1/CoFeB0.9 SOT 측정 결과. (a) (b) (C) ∥∥sin ∥sin
그림 30. Cr3/CoFeB0.9 SOT 측정 결과. (a) (b) (C) ∥∥sin ∥sin
그림 31. SOT의 영향에 따른 스핀 전류에 대한 모식도
결론 .
Ⅳ
본 연구에서는 상당한 스핀 홀 각도와 우수한 전도성을 가진 Cr 기반 이종 구조 사 이에 높은 스핀 오빗 커플링을 가진 층 유무에 따른 - Pt SMR 및 SOT측정을 실시해 그 결과를 측정해보았다.
측정 결과를 통해 층의 두께가 낮을 때 의 세기가 강해지는 것을 확인
SMR Cr SMR
할 수 있었으며 이를 통해 , SMR의 세기는 Cr층의 두께에 비례한다는 사실을 확인 가능했고, Pt층이 존재하는 경우에는 그 세기가 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다 또. 한 Cr층 및 Co/Pt층에서의 스핀 확산거리를 확인 할 수 있었으며 그 값은 각각 , 5.16 nm 과 2.63 nm의 값을 가지는 것으로 확인되었다 그리고 . Cr층의 두께에 따 른 SMR 그래프에서 굴곡이 검출되었다 이는 . Cr층의 두께가 변화함에 따라 스핀 홀 각도가 변화한다는 것을 의미한다 이처럼 층의 유무로 인하여 . Pt SMR의 신호 및 부 호가 달라지는 것을 확인하였으며 이를 통해 , OHE의 가능성을 확인하였다.
이러한 OHE의 존재유무를 확인하기 위하여 SOT 측정을 실시하였다 비록 시편의 . 상태가 좋지 않아 Cr3 및 Cr3/Pt1 시편만 측정을 하였지만 해당 측정을 통해 층, Pt 의 유무에 따른
의 값 및 부호가 변화하는 것을 확인 할 수 있었으며 이를 통하, 여 층에 인가되는 스핀전류의 부호 및 세기가 층을 통과하지 않는 스핀전류의 부Pt Pt 호와 다르다는 것을 확인하였다. 따라서 SMR 측정 결과를 통하여 기존의 SMR만으 로는 해석 할 수 없는 결과를 얻어냈으며, SOT 측정 결과를 통해 층의 유무에 따Pt 른 다른 부호를 가진 결과가 나온다는 것을 실험적으로 관측하였다 이러한 결과를 . 토대로 우리는 OHE의 존재가능성을 확인하였으며 앞으로 이 토크 신호를 사용하여 ,의 스핀 동역학을 연구를 할 수 있을 것으로 기대된다
Cr .
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부록 .
Ⅴ :
A-Atomic force microscopy for advanced nano- patterning measurement
Atomic force microscopy for advanced
nano- patterning measurement
본 부록은 2021.01.01. ~ 2021.06.30. 기간동안 벨기에 imec에서 파견 근무 중 실 시한 연구에 관한 내용이다.
A-1. Introduction
Recently, resist thickness has decreased. Due to this, Numerical Aperture (NA) is much higher than previous one (FigureA.1.). Because of these resist thickness decreases on film, there is contrast loss in Scanning full name (SEM) image (Figure A.2.). By this issue, a challenge for metrology has occurred. However, this decrease in aspect ratio gives opportunity for Atomic Force Microscopy (AFM).
Figure A.1. High NA set up
Figure A.2. Contrast loss in SEM image due to film thickness
In this research, I tried to make optimization about AFM acquisition.
Goals are 1. More accurate measurements`for narrow trenches depth 2.
Bigger output 3. Increasing signal/ noise ratio 4. Find best measurement settings 5. Increase probe lifetime.
AFM is a kind of scanning probe microscopy. Scanning probe Microscopy is that a probe is travelling above the surface, while a sensor is measuring its fluctuation and so the surface topography can be measured. And AFM is gathering information by feeling or touching the surface with a mechanical probe. Because AFM scans the surface using the probe, there are strengths and weaknesses.
Strengths is 1. All materials measurable 2. High sensitivity to topography.
So, there is a unique capability, resist height.
Weaknesses is 1. Probe shape convolution and dependence. 2. More topography, more time consuming. As you can see in these images, when AFM measures a wall, it not only measures wall height but it also measures probe shape. And when AFM measures trench, there is a possibility that it cannot measure the bottom of the trench due to probe size or trench-probe interaction (Figure A.3.). Due to this when AFM measures 1.
High ratio and 2. Thick trench pattern, they require low scanning speed.
But on thinner trench and low aspect ratio pattern, we expect more
Figure A.3. Estimation AFM result influence by tip
Figure A.4. Opportunity for AFM
In AFM, there is a lot of acquisition mode; non-contact mode (NCM), tapping mode and pinpoint mode.
1) non-contact mode; called NCM ‘s principle is oscillating tip over sample. The advantage of NCM is no damage to either tip nor the sample.
And the disadvantage of NCM is low accuracy compared to contact mode.
2) Tapping mode is mixed contact mode and NCM. The advantage of tapping mode is increasing accuracy rather than NCM. And tapping mode is less damaging than contact mode, but more damaging than non-contact mode.
3) Pinpoint measures pixel by pixel. Due to measuring pixel by pixel, pinpoint can reduce tip and sample interaction. But normally there is more time consuming.
A-2. Experiment design
I designed an experiment; change variable parameter. 1) In acquisition mode, I used 3 kinds of modes: NCM, tapping and pinpoint. 2) In the Measurement setup, I changed 3 kinds of settings: setpoint, gain and speed.
3) In probe, I plan to change to probe 1. dimension 2. Material and cantilever, but due to time limitation, not covered in that work.
The tool I used is NX-wafer from Parksystems; on FAB300 (Figure A.5.).
This tool has a lot of functions. This tool can measure the full size of wafer; 300 nm wafer. And This tool has automatic measurement systems.
They can load FOUP due to having EFEM. And once a recipe, nx-wafer can automatically measure and analysis. And this tool has different acquisition modes; 1) contact mode 2) Tapping mode 3) True non-contact mode 4) Pinpoint mode. And this tool has cantilever storage inside; can automatically load cantilever; not manually.
Figure A.5. NX-wafer
This is an image of mask and site (Figure A.6.). I used a sample about DoE on does. And measured die edge; mask is stoch 16. At this point, there are 3 kinds of specific structure: dummy. Blanket and trench; called array or pattern. Dummy structure has a 200 nm pitch. Blanket has 500 nm width. Finally, the array has a 32 nm pitch.
Figure A.6. Schematic image about sample
This is about the region of interest. This image is about analysis. And the bottom image is a real measure result. Top image is about the blue line region on the result (Figure A.7.). To check whether the probes reached the bottom or not, I measured the array's bottom.
Figure A.7. Image about analysis
A-3. Results and Discussions
3.1. Variable setpoint result on NCM
This is about variable setpoint results on NCM(Figure A.8.). According to the blanket height, array height, and height loss measurement, there is no damage to the sample about changing the set point. And According to array bottom result, lower setpoint; 4.0 is reaching array bottom when higher setpoint(4.7) isn’t.
Figure A.8. Variable setpoint result on NCM