KR100407907B1 - 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된자기 터널 접합 소자 - Google Patents

자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된자기 터널 접합 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로서, 특히 급속 열처리를 통하여 자기 터널 접합 소자의 전자기적 특성 및 열적 안정성을 향상시킨 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법 및 그 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다.
본 발명인 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법은 반강자성 재료로 이루어진 반강자성층과; 상기 반강자성층 상에 강자성 재료로 이루어진 고정층과; 상기 고정층 상에 전기적 절연성을 갖는 재료로 이루어진 터널 장벽 및; 상기 터널 장벽 상에 강자성 재료로 이루어진 자유층으로 구성된 자기 터널 접합 소자를 적외선 램프를 사용하여 급속 열처리하는 것이다.

Description

자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자{THERMAL ANNEAL METHOD OF MAGNETIC TUNNEL JUNCTION, AND MAGNETIC TUNNELING JUNCTION FABRICATED BY THE METHOD}
본 발명은 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로서, 특히 급속 열처리를 통하여 자기 터널 접합 소자의 전자기적 특성 및 열적 안정성을 향상시킨 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법 및 그 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다.
자기 터널 접합 소자(Magnetic Tunnel Junction: MTJ) 구현의 핵심 기술은 우수하고 안정적인 자기저항 특성을 나타내는 박막 소재의 개발 기술과 종래의 반도체 회로와 공정을 이용한 집적 공정 기술이다. 최근 활발히 연구되고 있는 터널 자기 저항(tunneling magnetoresistance: TMR) 현상을 나타내는 자기 저항 박막, 즉 자기 터널 접합 소자가 자기 디스크 드라이브의 자계 센서용뿐만 아니라, 우수한 특성의 비휘발성 자기 임의 접근 메모리(Magnetic Random Access Memory: MRAM) 소자 개발에 가장 적합한 박막 소자로 각광을 받고 있다.
도 1은 자기 터널 접합 소자(MTJ)의 단면도를 도시한 것으로서, 기판(11)과; 하부 리드(bottom lead)(12)와; 시드층(seed layer)(13)과; 반강자성층 (anti-ferromagnetic layer)(14)과; 제 1 자성층(15)과; 터널 장벽층(tunnel barrier layer)(16)과; 제 2 자성층(17) 및; 상부 리드(top lead)로 구성된다. 즉, 자기 터널 접합 소자의 구조는 절연층 또는 산화층(일반적으로 Al2O3)인 상기 터널 장벽층(16)을 사이에 둔 상기 2개의 제 1 및 제 2 자성층의 샌드위치 구조로 되어있다. 일반적으로, 상기 반강자성층(14)는 FeMn, IrMn 또는 PtMn으로 구성되거나, 또는 NiO로 구성된다.
전류는 각 층에 평행하게 흐르는 거대 자기 저항(giant magnetictoresistance: GMR)과는 달리 상기 층들의 수직하게 흐른다. 따라서, 상기 자성층(15), (17)의 스핀 방향이 같으면 저항이 적어 전류의 터널링 확률이 높고, 반면에 스핀 방향이 정반대이면, 저항이 커서 전류의 터널링 확률이 적다. 즉, 상기 자기 터널 접합 소자에서의 전류(이하, 터널링 전류함)는 두 자성층(15), (17)의 상대적 자화방향에 의존한다. 이와 같이, 터널링 전류가 자기 스핀의 방향에 따라 소자의 저항치가 달라지는 성질을 이용하여, 해당 비트가 "0"과 "1"인지를 판별하여 외부로부터 자기장을 걸어 상기 비트를 기록하거나 판독할 수 있다. 상기의 자기 터널 접합 소자를 동작시키는 센서에 관하여 미국 특허 제 5,650,958호에 개시되어 있다.
상기 자기 터널 접합 구조는 보자력이 다른 두 자성층을 이용하여 스핀의방향을 제어할 수 있는 가상 스핀-밸브(psedo spin-valve)형과 반강자성층의 교환 바이어스 자기장(exchange biasing field)을 통하여 두 자성층 중의 한 층을 고정함으로써 다른 자성층의 스핀 방향을 조절할 수 있는 교환 바이어스 형으로 나눌 수 있다. 상기 MRAM 작동시에 하나의 셀은 비트선이나 워드선 중 하나만으로 선택되는 경우가 많기 때문에 이러한 셀들은 반복적으로 간섭을 받는다. 따라서 자기적 크립(creep) 현상이 나타나 자화가 중간 상태로 되거나 완전하게 자화반전이 일어날 가능성이 있다. 그럼으로써, 메모리 소자의 에러를 유발하기 때문에 반강자성층에 의한 자화의 강한 고정이 요구된다. 그리하여, 상기 반강자성층(14)으로 합성 반강자성 재료(synthetic antiferromagnet) (강자성층/비자성층/강자성층)로 구성되어 상기 제 1 자성층(15)을 고정하는 효과를 증대시키도록 한다.
또한, 자기 터널 접합 소자 개발에 있어서, 가장 중대한 사안 중의 하나는 TMR 비율을 증가시키는 것이다. 상기 TMR 비율이 MRAM의 출력과, 밀도 및 속도에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이기 때문이다.
또한, 자기 터널 접합 소자 개발에 있어, 기록을 위한 자화의 반전(magnetic switching)과 열적 안정성(thermal stability)에 관한 사항이 중요한 사안이다. 일반적으로 4"-6" 웨이퍼에서 TMR 비율과 자기 터널 접합 소자의 저항(저항에 접합면을 곱한 비저항, R×A: R은 저항이고, A는 접합면의 면적)은 비교적 양호한 분포를보이나 자기 터널 접합 소자의 자화반전이 일어나는 자기장은 상당히 불균일하다. 상기 불균일한 자기장은 자기 터널 접합 소자의 크기가 감소함에 따라, 특히 1㎛2이하에서 더욱 증가하는 것이 관찰된다. 이에 대한 이유로서는 자구(magnetic domain)에 의한 복잡한 자화반전 거동 및 식각 공정에 의해 제조되는 미세패턴된 소자 형상의 불균일성을 주요한 요인으로 추정하고 있다.
일반적으로 자기 터널 접합 소자를 자기장을 가하면서 열처리를 함으로써, 자기 터널 접합 소자의 TMR 비와 교환 자기 이방성(Hex)를 향상시키고, 자유층의 자화반전시 각형성을 좋게 하고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기 터널 접합 소자의 TMR 비와 교환 자기 이방성(Hex)를 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자유층의 자화반전 시 각 형성(squareness)을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자기 터널 접합 소자의 열적 안정성을 향상시키는 것이다.
도 1은 자기 터널 접합 소자(MTJ)의 단면도.
도 2는 CTA와 RTA로 열처리한 자기 터널 접합 소자에 대한 열처리 온도에 따른 TMR비와 교환 자기 이방성(Hex)의 변화 그래프.
도 3a는 본 발명인 급속 열처리 방법이 적용되기 이전의 자기 터널 접합 소자의 단면도.
도 3b는 본 발명인 급속 열처리 방법이 적용된 자기 터널 접합 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 급속 열처리 방법이 적용된 자기 터널 접합 소자의 산화층의 두께와 높이의 변화 그래프.
도 5는 열처리전의 자기 터널 접합 소자(a)와, 300℃에서 CTA로 열처리된 자기 터널 접합 소자(b), 및 300℃에서 RTA로 열처리된 후, 다시 300℃에서 CTA로 열처리된 자기 터널 접합 소자(c)의 TMR 비 곡선과 자화이력곡선(M)의 변화 그래프.
본 발명인 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법은 반강자성 재료로 이루어진 반강자성층과; 상기 반강자성층 상에 강자성 재료로 이루어진 고정층과; 상기 고정층 상에 전기적 절연성을 갖는 재료로 이루어진 터널 장벽층 및; 상기 터널 장벽층 상에 강자성 재료로 이루어진 자유층으로 구성된 자기 터널 접합 소자를 적외선 램프를 사용하여 급속 열처리하는 것이다.
또한, 본 발명인 상기 방법으로 제조된 자기 터널 접합 소자는 반강자성 재료로 이루어진 반강자성층과; 상기 반강자성층 상에 강자성 재료로 이루어진 고정층과; 상기 고정층 상에 전기적 절연성을 갖는 재료로 이루어진 터널 장벽층 및; 상기 터널 장벽층 상에 강자성 재료로 이루어진 자유층으로 구성된 자기 터널 접합 소자가 급속 열처리 방법으로 처리된 것이다.
본 발명에서 적용되는 급속 열처리는 적외선 램프를 사용하는 방사형 열처리로서 빠른 가열과 냉각이 가능하다. 하기의 표1은 종래의 열처리 (conventional thermal anneal: CTA) 조건과 급속 열처리(rapid thermal anneal: RTA) 조건을 나타낸 것이다. 하기의 표 1에 기재된 본 발명에 의한 급속 열처리 조건은 일실시예로서 이에 한정되는 것은 아니다.
CTA RTA
램프(ramp) 작동 시간 15분 10초
열처리 시간 1시간 10초
냉각 시간 1.5시간 이내 6분 이내
전체 처리 시간 2.5시간 이상 7분 이내
처리 온도 200-300℃ 200-400℃
상기 RTA는 총 처리 시간이 7분 미만으로 CTA에 비하여 빠른 시간 내에 자기 터널 접합 소자의 특성을 전자기적 및 열적으로 최적화시키게 된다.
도 2는 CTA와 RTA로 열처리한 자기 터널 접합 소자에 대한 열처리 온도에 따른 TMR비와 교환 자기 이방성(Hex)의 변화 그래프를 도시한다. CTA로 열처리하면 TMR 비는 230℃까지 온도가 증가함에 따라 계속 증가하여 40%에 이른다. 이는 열처리 중 터널 장벽(16)인 AL 산화층(Al2O3)에서 산소의 재분포 및 균일화로 인하여 산화층이 터널링을 위한 최적화된 구조를 갖기 때문으로 판단된다. 그러나, 230℃ 이상의 온도에서는 TMR 비가 급격히 감소되는 데, 이에 대한 이유는 명확히 밝혀지지 않았지만, 반강자성층의 Mn이 확산하여 산화층 또는 고정층에 악영향을 주기 때문으로 여겨진다. 반면에, RTA로 열처리하면, 250-300℃에서 46%의 TMR 비를 나타낸다. 저항은 두 경우에 모두 온도에 따라 수 ㏀에서 수 백 Ω으로 감소한다.
또한, CTA의 교환 자기 이방성은 230℃까지 180 Oe에서 230 Oe까지 증가하다가 이후 급격히 감소한다. 반면, RTA의 경우 250-300℃ 범위에서 최고치 230 Oe를 보이며, 이후로 온도가 증가함에 따라 매우 서서히 감소한다.
도 3a는 본 발명인 급속 열처리 방법이 적용되기 이전의 자기 터널 접합 소자의 단면도를 도시한다. 도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 열처리 전의 자기 터널 접합 소자의 터널 장벽층(16)인 Al 산화층은 상하의 자성층과의 계면이 굴곡이 있고 명확하게 보이지 않는다.
도 3b는 본 발명인 급속 열처리 방법이 적용된 자기 터널 접합 소자의 단면도를 도시한다. 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 터널 장벽층(16)인 산화층 계면이 비교적 명확하게 나타나는데, 이는 터널 장벽층(16)인 산화층의 산소의 재분포 및 균일화가 향상되어 터널 장벽층(16)인 산화층의 계면을 명확하게 하여 터널링 효과를 향상시킴을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 급속 열처리 방법이 적용된 자기 터널 접합 소자의 산화층의 두께와 높이의 변화 그래프를 도시한다. 상기 그래프는 300℃에서 시몬스(Simmons) 모델로부터 전류-전압 곡선을 분석하여 얻어진 것이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 터널 장벽층(16)인 산화층의 두께와 높이는 RTA 과정 중의 초기 10초 내에 급속하게 변화가 일어남을 알 수 있다. 초기 10초 후의 산화층의 변화는 열처리 시간에 따라 매우 서서히 이루어짐을 알 수 있다.
도 5는 열처리전의 자기 터널 접합 소자(a)와, 300℃에서 CTA로 열처리된 자기 터널 접합 소자(b), 및 300℃에서 RTA로 열처리된 후, 다시 300℃에서 CTA로 열처리된 자기 터널 접합 소자(c)의 TMR 비 곡선과 자화이력곡선(M)의 변화 그래프를 나타낸다. 도 5의 (c)가 도 5의 (b)보다 TMR 비와 교환자기 이방성이 훨씬 향상됨을 알 수 있다. 상기 자성층들(15), (17)의 자기 모멘트의 변화로부터 RTA하고 CTA한 자기 터널 접합 소자는 열처리를 하지 않은 자기 터널 접합 소자의 자기 모멘트와 비슷한다. 즉, 300℃에서 CTA하면 열화되는 자기 터널 접합 소자는 RTA를 하면 300℃에서도 크게 열화되지 않음을 알 수 있다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명은 자기 터널 접합 소자의 TMR 비를 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 종래의 열처리 방법보다 훨씬 빠르고 효과적으로 자기 터널 접합 소자의 특성을 최적화 시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 터널 장벽인 산화층의 굴곡을 감소시킴으로써 터널링 효과를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 터널 장벽인 산화층에 미치는 열처리의 효과를 매우 빠른 시간에 이루어지게 함으로써 산화층을 효과적으로 최적화시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 급속 열처리 방법과 종래의 열처리 방법을 병행하여 적용함으로써 TMR 비와 교환 자기 이방성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 반강자성 재료로 이루어진 반강자성층과; 상기 반강자성층 상에 강자성 재료로 이루어진 고정층과; 상기 고정층 상에 전기적 절연성을 갖는 재료로 이루어진 터널 장벽 및; 상기 터널 장벽 상에 강자성 재료로 이루어진 자유층으로 구성된 자기 터널 접합 소자를 적외선 램프를 사용하여 급속 열처리하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  2. 스핀 방향을 제어할 수 있는 보자력이 다른 두개의 강자성층과; 상기 강자성층 사이에 전기적 절연성을 갖는 재료로 이루어진 터널 장벽으로 구성된 자기 터널 접합 소자를 적외선 램프를 사용하여 급속 열처리하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 급속 열처리는 자기장을 가하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 급속 열처리는 가열 시간이 10초 이내인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 급속 열처리는 냉각 시간이 6분 이내인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 급속 열처리는 가열 온도가 200 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열처리 방법은 상기 급속 열처리이후에, 종래의 열처리 방법으로 열처리하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법.
  8. 제 1항의 방법에 의해 처리된 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 2항의 방법에 의해 처리된 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 소자.
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