KR100465600B1 - 엠.티.제이. 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR100465600B1 KR10-2002-0027914A KR20020027914A KR100465600B1 KR 100465600 B1 KR100465600 B1 KR 100465600B1 KR 20020027914 A KR20020027914 A KR 20020027914A KR 100465600 B1 KR100465600 B1 KR 100465600B1
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Abstract

본 발명은 엠.티.제이. ( magnetic tunnel junction, 이하에서 MTJ 라 함 ) 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 자화 자유층의 보자력을 감소시키기 위하여 자성층과 비자성층을 교번으로 적층하고 이온빔을 조사하여 보자력을 감소시킴으로써 자기장을 형성하기 위한 도선에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있어 소자의 소모 전력을 감소시키고 그에 따른 소자의 고집적화를 가능하게 하는 기술이다.

Description

엠.티.제이. 셀 및 그 제조방법{A magnetic tunnel junction cell and A method for manufacturing the same}
본 발명은 엠.티.제이. ( magnetic tunnel junction, 이하에서 MTJ 라 함 ) 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 MTJ 셀을 구성하는 자유자화층 ( magnetic free layers )을 이온빔으로 조사하여 보자력을 감소시킴으로써 소자의 고집적화를 가능하게 하는 기술에 관한 것이다.
대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 자성체 물질을 이용하는 MRAM(magnetic random access memory)을 개발하고 있다.
상기 MRAM 은 자성층을 다층으로 형성하여 각 층의 자화방향에 따른 전류 변화를 감지함으로써 정보를 읽고 쓸 수 있는 기억소자로서, 자성 박막 고유의 특성에 의해 고속, 저전력 및 고집적화를 가능하게 할뿐만 아니라 플레쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리 동작이 가능한 소자이다.
또한, 상기 MRAM은 스핀이 전자의 전달 현상에 지대한 영향을 미치기 때문에 생기는 거대자기저항(giant magnetoresistance, GMR) 현상이나 스핀 편극 자기투과 현상을 이용하여 메모리 소자를 구현한다.
상기 거대자기저항 현상을 이용한 MRAM은 비자성층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우보다 다른 경우의 저항이 크게 다른 현상을 이용하여 거대자기저항 자기 메모리 소자를 구현한 것이다.
상기 스핀 편극 자기투과 현상을 이용한 MRAM은 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어나는 현상을 이용하여 자기투과 접합 메모리 소자를 구현하는 것이다.
한편, 비휘발성 메모리 소자인 MRAM 셀 구조 중 고성능용은 하나의 트랜지스터/하나의 MTJ 셀로 이루어지거나 하나의 다이오드/하나의 MTJ 셀로 이루어지며,
상기 MRAM 셀 구조 중 고집적용은 하나의 MTJ 셀로 이루어진다.
상기한 바와 같이 MRAM 은 반드시 MTJ 셀을 사용하여야 한다.
상기 MRAM 의 쓰기 동작은 상기 MTJ 셀의 상하로 지나는 도선에 흘려주는 전류에 의해 발생된 자기장을 이용하여 MTJ 자화 자유층의 자화방향을 조절함으로써 가능해 진다.
따라서, 상기 자화 자유층의 보자력이 작을수록 MRAM 의 고집적화가 가능해 진다.
도 1 은 종래기술에 따른 MTJ 셀의 적층구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 상기 MTJ 셀은 다음과 같은 적층구조를 갖는다.
상기 MTJ 셀은 하부로부터 버퍼 레이어 ( buffer layer )(11), 반강자성층 ( anti-ferroelectric material layer )(13), 자화 고정층 ( magnetic pinned layers )(15), 터널링 장벽층 ( tunneling barrier layer )(17), 자화 자유층 ( magnetic free layers )(19)의 적층구조를 갖는다.
이때, 상기 자화 자유층(19)은 NiFe 나 CoFe 와 같은 자성물질로 단일층 또는 이중층으로 형성하였다.
이상에서 설명한 바와 같이 종래기술에 따른 MTJ 셀의 제조방법은, 상기한 구조를 형성하기 위한 증착 및 식각공정으로 MTJ 셀을 형성하였으나 MTJ 셀이 작아짐에 따른 커지는 보자력의 크기로 인하여 자기장을 형성하기 위한 도선에서의 전류량이 많아지기 때문에 소자의 고집적화를 어렵게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 자성층과 비자성층이 교번으로 적층된 다중층으로 자화 자유층을 형성하고 이온빔을 조사하여 보자력을 감소시킴으로써 MRAM 의 고집적화를 가능하게 하는 MTJ 셀 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 MTJ 셀을 도시하는 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 자화 크기 변화 및 보자력 변화를 도시한 그래프도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 MTJ 셀을 도시하는 단면도.
도 4 은 본 발명의 실시예에 따른 보자력 변화를 도시한 그래프도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11,21 : 버퍼 레이어 13,23 : 반강자성층
15,25 : 자화 고정층 17,27 : 터널링 장벽층
19,29 : 자화 자유층 ⓐ : 이온빔 조사전 보자력
ⓑ : 이온빔 조사후 보자력
이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 MTJ 셀은,
자화 고정층과,
상기 자화 고정층 상부에 구비되는 터널링 장벽층과,
상기 터널링 장벽층 상부에 자성층과 비자성층이 교번으로 적층되어 이온빔이 조사된 자화 자유층으로 구성되는 것과,
상기 자화자유층은 3층이상으로 적층되어 구비되는 것과,
상기 자화 자유층의 자성층은 Co, CoFe, NiFe 중에서 선택되는 임의의 한가지로 구비되고, 상기 자화 자유층의 비자성층은 Ru, Al, Pt 중에서 선택되는 임의의 한가지로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 MTJ 셀 제조방법은,
MTJ 영역 하측에 자화 고정층을 형성하는 공정과,
상기 자화 고정층 상에 터널링 장벽층을 형성하는 공정과,
상기 터널링 장벽층 상부에 자화 자유층을 형성하되, 상기 자화 자유층은 자성층과 비자성층을 교번으로 적층하여 형성하는 공정과,
상기 자화 자유층에 이온빔을 조사하여 상기 자화 자유층의 보자력을 감소시키는 공정과,
MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 자화 자유층, 터널링 장벽층 및 자화 고정층을 패터닝 하는 공정을 포함하며,
상기 자화 자유층은 자성층과 비자성층을 3층이상 교번으로 적층하여 형성하는 것과,
상기 자화 자유층의 자성층은 Co, CoFe, NiFe 중에서 선택되는 임의의 한가지를 사용하고, 상기 자화 자유층의 비자성층은 Ru, Al, Pt 중에서 선택되는 임의의 한가지를 사용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 원리는 다음과 같다.
자성/비자성/자성 의 특성을 갖는 적층구조의 다중층을 형성하고 이온빔 조사를 실시하면 조사된 이온에 의해 자성 및 비자성 원자들이 다른 곳으로 팅겨 나가게 된다.
즉, 자성 원자는 비자성층으로 팅겨 가고, 비자성 원자는 자성층으로 팅겨져 다중층 계면의 증착 상태가 선명하지 않게 된다.
이로 인하여, 다중층으로 이루어진 자유 자화층의 보자력이 감소된다.
도 2 는 자기장의 세기에 따른 자화 크기 변화를 도시한 그래프도로서, 자기장의 세기에 따른 자화 크기가 이루는 사각형상이 보자력의 크기를 나타내며, 본 발명에 사용된 자성층이 이온빔 조사에 따라 변화되는 보자력의 크기를 도시한다.
여기서, ⓐ 는 이온빔 조사전 보자력의 크기를 도시하고, ⓑ 는 이온빔 조사후 보자력의 크기를 도시하며 이온빔 조사후 보자력이 작아졌음을 알 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 상세히 설명하면 다음과같다.
도 3 는 본 발명의 실시예에 따른 MTJ 셀 및 그 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 MTJ 셀은 하부로부터 버퍼 레이어(21), 반강자성층(23), 자화 고정층(25), 터널링 장벽층(27) 및 자화 자유층(29)의 적층구조로 구비되되, 상기 자화 자유층(29)은 자성/비자성/자성 의 특성을 갖는 다중층으로 형성된다. 이때, 상기 다중층은 예를 들어 CoFe/Ru/CoFe 와 같이 형성할 수 있다.
여기서, 상기 다중층은 자성과 비자성을 교번으로 증착하여 필요에 따라 3층이상의 다층으로 형성할 수 있으며, 형성후 이온빔이 조사된 것이다.
또한, 상기 자화 자유층의 자성층은 Co, CoFe, NiFe 중에서 선택되는 임의의 한가지로 형성하고, 상기 자화 자유층의 비자성층은 Ru, Al, Pt 중에서 선택되는 임의의 한가지로 형성한다.
상기 MTJ 셀의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 상기 MTJ 셀을 형성하는 자화 자유층(29)을 제외한 타층들을 공지의 기술로 적층하여 형성한다.
상기 타층들 상부에 상기 자화 자유층(29)을 증착한다.
상기 자화 자유층(29)을 이온빔으로 조사한다.
이때, 상기 자화 자유층(29)의 보자력이 작아져 자화 반전에 필요한 자기장의 크기가 작아지고 그에 따라 자기장 형성을 위한 도선에서의 전류량이 작아짐으로써 MRAM 전체의 전력 소모를 감소시킬 수 있어 소자의 고집적화를 가능하게 한다.
도 4 는 본 발명과 같이 Co 와 Pt 로 이루어진 다중층을 형성하고 Ar 불순물 이온을 이용하여 20 KeV 의 이온에너지로 이온빔의 도즈량을 변화하며 보자력을 측정한 것을 도시한 그래프도로서, 이온빔의 도즈량 증가에 따라 보자력이 작아짐을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 MTJ 셀 및 그 제조방법은, MTJ 셀의 자유 자화층을 자성층과 비자성층이 교번하여 구비되는 구조로 형성하고 이온빔으로 조사하여 상기 자유 자화층의 보자력을 감소시킴으로써 자기장 형성을 위한 도선에서의 전류량을 감소시켜 소자의 전력 소모를 감소시킬 수 있도록 하고 그에 따른 소자의 고집적화를 가능하게 하는 효과를 제공한다.

Claims (6)

  1. 자화 고정층과,
    상기 자화 고정층 상부에 구비되는 터널링 장벽층과,
    상기 터널링 장벽층 상부에 자성층과 비자성층을 교번으로 적층하고 이온빔을 조사하여 구비된 자화 자유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 MTJ 셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화 자유층의 자성층은 Co, CoFe, NiFe 중에서 선택되는 임의의 한가지로 구비되고, 상기 자화 자유층의 비자성층은 Ru, Al, Pt 중에서 선택되는 임의의 한가지로 구비되는 것을 특징으로 하는 MTJ 셀.
  4. MTJ 영역 하측에 자화 고정층을 형성하는 공정과,
    상기 자화 고정층 상에 터널링 장벽층을 형성하는 공정과,
    상기 터널링 장벽층 상부에 자화 자유층을 형성하되, 상기 자화 자유층은 자성층과 비자성층을 교번으로 적층하여 형성하는 공정과,
    상기 자화 자유층에 이온빔을 조사하여 상기 자화 자유층의 보자력을 감소시키는 공정과,
    MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 자화 자유층, 터널링 장벽층 및 자화 고정층을 패터닝하여 MTJ 셀을 형성하는 공정을 포함하는 MTJ 셀 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 자화 자유층의 자성층은 Co, CoFe, NiFe 중에서 선택되는 임의의 한가지를 사용하고, 상기 자화 자유층의 비자성층은 Ru, Al, Pt 중에서 선택되는 임의의 한가지를 사용하는 것을 특징으로 하는 MTJ 셀 제조방법.
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