KR101443190B1 - 자기 터널 접합 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다. 본 발명은 가변 방향으로 자화를 가질 수 있는 자유층; 고정된 방향으로 자화를 갖는 고정층; 및 상기 자유층과 고정층 사이에 형성된 터널 절연막을 포함하고, 상기 고정층은 강자성체막 및 비정질 금속막이 포함된 자기 터널 접합 소자를 제공한다.
본 발명에 의하여 자기 터널 접합 소자의 고정층에 비결정질 금속막을 포함하는 경우, 열처리 공정시 발생할 수 있는 터널 절연막의 불균일성을 개선할 수 있고, 고정층의 하부에 형성될 수 있는 반 강자성체 입자의 확산을 막아주어, 자기저항의 균일성을 개선할 수 있다. 이로 인하여, 자기 터널 접합 소자의 특성을 크게 개선할 수 있다.

Description

자기 터널 접합 소자 {MAGNETIC TUNNEL JUNCTION DEVICE}
본 발명은 자기 터널 접합 소자에 관한 것으로, 보다 상세히는 자기 터널 접합 소자의 특성 개선을 위하여 비결정질 금속막이 더 포함된 고정층을 포함하는 자기 터널 접합 소자에 관한 것이다.
1990년대 중반부터 스핀트로닉스(spintronics)의 응용 분야로 산업적 응용 가능성이 집중되고 있다. 여기서, 스핀트로닉스란 '스핀(spin) + 일렉트로닉스(electronics)'의 합성어이다. 즉, 현재의 전자공학은 전자의 두 가지 성질 중 한가지인 '전하'를 이용한 기술만을 연구하였으나, 전자의 다른 성질인 '스핀'을 이용하여 새로운 기능을 가진 소자를 개발하려고 하고 있다.
전자의 스핀을 이용하는 가장 좋은 방법은 강자성체(ferromagnetic)를 이용하는 것이다. 특히, TMR(Tunneling Magneto Resistance : TMR)구조를 이용한 자기 터널 접합 소자(Magentic Tunnel Junction : MTJ)의 경우 그 응용가능 분야가 넓어 최근들어 더욱 주목받고 있다.
여기서, TMR구조란 강자성체-절연막-강자성체 구조를 말하는 것으로서, 자기 터널 접합 소자는 양자역학의 터널링 전류가 강자성체의 자화 방향에 영향을 받는 효과를 이용하여 데이터를 저장하는 수단으로 활용할 수 있는 것이다. 여기서, 데이터의 저장수단으로 사용할 수 있는 원리는 자기 저항(magneto-resistance) 특성 때문인데 이것은 두 강자성체의 배열에 따라 저항이 달라지는 특성을 의미한다. 즉, 두 강자성체의 자화 방향이 평행할 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반 평행할 경우에는 최소가 된다. 강자성체는 스핀 방향에 따라 서로 다른 전자 밀도를 가진다. 강자성체의 페르미 준위에 있는 전자가 절연막을 통과할 때 두 번째 강자성체가 첫 번째 강자성체와 동일한 방향으로 자화되어있으면 두 강자성체가 갖기 쉬운 스핀 방향이 일치하므로 전자가 쉽게 이동하지만, 강자성체가 서로 반대 방향으로 배열해 있으면 터널링 전자의 스캐터링이 일어나 저항이 커지는 특성을 갖게 된다.
도 1은 기본적인 자기 터널 접합 소자의 구조에 대한 개략도이다. 일반적으로, 두 강자성층 중 한 층은 자화 방향이 고정된다. 이를 고정층(pinned layer : PL)이라 하고, 나머지 하나는 외부 자기장 혹은 관통하는 전류에 의해 자화 방향이 움직이는 자유층(free layer : FL)라 한다. 여기서, 화살표는 자화방향을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 고정층(PL)은 자화방향이 고정되어 있으나, 자유층(FL)은 가변방향으로 자화가 가능하다.
일반적으로, 고정층(PL)은 PtMn, IrMn 등과 같은 반강자성층(anti-ferromagnetic layer : AFM)등과 함께 사용되어 자유층(FL)에 비해 자화 방향이 바뀌기 어렵게 된다. 반 강자성층(AFM)은 고정층(PL)의 자화 반전에 필요한 자기장의 영역을 자유층(FL)과 완전히 분리함으로써, 실제 사용 범위에 해당되는 외부 자기장 영역에서는 고정층(PL)의 자화 반전이 일어나지 않고 자유층(FL)만 자화 반전이 가능하게 된다. 결국, 두 강자성층은 상대적으로 평행한 자화방향 또는 반 평행한 자화 방향의 두 가지 상태만 가능하도록 자기 터널 접합 소자의 층간 구조를 설계한다. 결과적으로 최적의 TMR값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 신호의 안정성을 높일 수 있게 된다.
터널링 절연막은 높은 자기 저항비(MR비)를 얻을 수 있는 재료가 선택되어야 하는데, 이를 위하여 최근 새로운 절연막으로 MgO가 주목받고 있다.
또한, 높은 MR비와 더불어, 자기저항의 균일성(uniformity)도 자기 터널 접합 소자의 특성을 결정짓는 중요한 요소이다. 이를 위해서는 각각의 막의 두께를 균일하게 형성하는 것이 중요하며, 특히, 열처리 공정시 터널 절연막의 두께를 평탄하게 형성하는 것이 중요하다.
그런데, 도시한 자기 터널 접합 소자의 경우에는 자기저항의 균일성에 많은 문제가 보고되고 있다. 즉, 열처리 공정 수행중 터널 절연막의 하부 구조물에 의하여 터널 절연막의 평탄도가 나빠지는 문제점이 발생하는 것이다.
열처리 공정은 터널 절연막 및 강자성체를 결정화함으로써 자성체의 특성을 향상시키기 위한 필수적인 공정이다. 그런데, 터널 절연막의 하부 구조물이 결정화되면서, 하부 구조물이 거칠어지는데(roughness) 하부 구조물의 상부에 형성된 터널 절연막이 이에 영향을 받아 평탄도가 나빠지게 된다. 결국, 종래의 구조에 따르면 동일 웨이퍼 상에 형성되었더라도, 각각의 자기 터널 접합소자의 특성이 각각 달라지게 되므로, 자기 저항의 균일성을 확보할 수 없다.
또한, 종래의 자기 터널 접합 소자는 열처리 공정 수행시 터널 절연막이 하부 구조물에 의하여 오염될 수 있는 문제점이 있다. 특히, 예를 들어, 반 강자성층(AFM)의 재료로 사용되는 PtMn 또는 IrMn의 경우, 열처리 과정에서 Mn입자들이 터널 절연막 쪽으로 확산하면서 터널 절연막의 계면에 위치하게 되어 터널 절연막을 오염시키게 된다. 이 경우, 터널 절연막은 평탄도가 나빠지며, 결국 자기저항의 균일성에 악영향을 미친다.
따라서, 터널 절연막의 하부 구조물을 형성시 균일성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 자기 터널 접합 소자가 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 열처리 공정시 발생할 수 있는 터널 절연막의 불균일성을 개선하여, 자기 터널 접합 소자의 특성을 개선하고자 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가변 방향으로 자화를 가질 수 있는 자유층; 고정된 방향으로 자화를 갖는 고정층; 및 상기 자유층과 고정층 사이에 형성된 터널 절연막을 포함하고, 상기 고정층은 강자성체막 및 비정질 금속막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여 자기 터널 접합 소자를 제조하는 경우 열처리 공정시 발생할 수 있는 터널 절연막의 불균일성을 개선할 수 있고, 고정층의 하부에 형성될 수 있는 반 강자성체 입자의 확산을 막아주어, 자기저항의 균일성을 개선할 수 있다. 이로 인하여, 자기 터널 접합 소자의 특성을 크게 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 자기 터널 접합 소자의 구조에 대한 개략도.
도 2는 본 발명에 의해 제안된 자기 터널 접합 소자의 구조를 설명하기 위한 도면
도 3은 고정층에 FeZr을 포함하였을 경우 효과를 설명하기 위한 실험 데이터
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위해서 표현될 것일 뿐, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명에 의해 제안된 자기 터널 접합 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 강자성체층 및 반강자성층을 중심으로 도시하였다.
앞서 살펴 보았듯이, 자기 터널 접합 소자는 기본적으로 "강자성체-절연막-강자성체"의 구조를 가지며, 동작의 편의를 위하여 두 강자성체 중 하나는 자화를 고정시키고, 다른 하나는 자화가 가변 가능하도록 형성한다. 편의상 전자를 고정층, 후자를 자유층이라하며, 두 강자성체의 자화 방향이 평행 하느냐, 반 평행 하느냐에 따라 터널링 전류가 달라지므로, 이를 센싱하여 기억소자로서의 역할을 하게 된다.
여기서, 강자성체를 구성하는 재료로는 높은 MR비를 확보할 수 있는 물질이 바람직하며, CoFe 또는 CoFeB를 포함할 수 있다.
본 발명의 자기 터널 접합 소자는 기판(미도시)상에 가변 방향으로 자화를 가질 수 있는 자유층(FL); 고정된 방향으로 자화를 갖는 고정층(PL); 및 상기 자유층(FL)과 고정층(PL) 사이에 형성된 터널 절연막을 포함하고, 상기 고정층(PL)은 강자성체막(PL_1,PL_2) 및 비정질 금속막(21)을 포함한다.
여기서, 상기 비정질 금속막(21)의 결정화 온도는 상기 강자성체막(PL_1,PL_2) 및 터널 절연막 보다 더 높은 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정층(PL)의 강자성체막(PL_1), 비정질 금속막(21) 및 강자성체막(PL_2)은 적층 구조를 포함할 수 있다.
본 발명은 종래와 같이 복합 반강자성 구조를 가진 것이 아니라, 고정층(PL)이 "강자성체(PL_1)-높은 결정화 온도를 갖는 비정질금속막(21)-강자성체(PL_2)"을 포함한다는 점에서 종래의 기술과 구별된다.
본 발명과 같이 터널 절연막의 하부에 형성되는 고정층(PL)에 비정질금속막(21)을 더 포함함으로써, 강자성체(PL_1)와 강자성체(PL_2)가 열처리 공정을 통해 결정화되더라도, 포함된 비정질금속막(21)에 의하여 일정한 두께로 성장시킬 수 있다. 즉, 터널 절연막 하부 구조물의 거칠기(roughness)를 크게 감소 시킬 수 있으며, 이로 인하여 터널 절연막을 평탄하게 형성할 수 있어, 자기 저항의 균일성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 고정층(PL)의 하부에는 고정층(PL)의 자화를 고정하기 위하여 반 강자성층(AFM)이 형성됨은 앞서 본 바와 같다. 이 경우, 열처리 공정 중 반 강자성층(AFM)의 물질이 고정층(PL)으로 확산하여 터널 절연막을 오염시킬 수 있다. 상기 터널 절연막이 오염되는 경우, 자기 터널 접합의 터널링 전류가 오염의 정도에 따라 달라져, 자기 저항의 균일성(uniformity)이 나빠지게 된다.
그러나, 본 발명과 같이 고정층(PL)에 높은 결정화 온도를 갖는 비정질 금속막(21)을 포함하는 경우에는 상기와 같은 현상을 방지할 수 있다. 즉, 열처리 공정이 진행되더라도, 비정질 금속막(21)의 결정화 온도가 높으므로, 비정질 상태를 유지하며, 고정층(PL) 사이에 비정질 금속막(21)이 있으므로, 반 강자성층(AFM)의 물질은 비정질 금속막(21)을 통과하기 어렵게 된다.
또한, 본 발명과 같은 비정질 금속막은 자성체를 포함할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 미세 두께 조절을 할 필요가 없다.
종래에는 자성체의 표유 전계(stary field)를 차단하기 위하여 “강자성체-Ru-강자성체”의 복합 반강자성구조(Synthetic anti-ferromagnetic structure)가 사용된바 있다. 이 경우에는 삽입층인 "Ru"의 두께를 아주 미세하게 조절을 해야 한다. 즉, Ru의 두께에 의해서 자기 결합(magnetic coupling)특성이 변화하면서 전체 소자의 특성이 변화하는 단점이 있었다. 따라서, 열처리 과정에서 Ru의 확산으로 인한 Ru의 두께 변화는 소자의 스위칭 특성의 변화를 가져 올 수 있다.
그러나, 본 발명의 목적은 자성체의 표유 전계(stray field) 차단이 주목적이 아니고, 앞서 본 바와 같이 터널 절연막을 평탄하게 형성하기 위한 목적을 갖고 있다. 따라서, 본 발명의 고정층은 강자성체막 및 비정질 금속막을 포함한다. 바람직하게는 강자성체막 사이에 비정질 금속막이 형성되어 있는 적층 구조를 포함할 수 있음은 앞서 본 바와 같다. 따라서, 본 발명은 상기와 같이 미세 두께 조절을 할 필요가 없다. 다만, 필요에 의하여 비정질 금속막의 두께를 강자성체막(PL_1, PL_2)의 두께만큼 혹은 그 이상까지 두껍게 형성이 가능하다. 이 경우, 터널 절연막의 평탄도가 개선됨과 동시에 하부에 형성된 반 강자성층(AFM)물질의 확산을 차단시킬 수 있는 효과가 있다.
예를 들어 설명하면 다음과 같다. 앞서 설명하였듯이 자기 터널 접합 소자의 강자성층 재료로 CoFe 또는 CoFeB가 사용될 수 있다. 그리고, 고정층(PL)의 자화를 고정하는 반 강자성층(AFM)의 재료로는 PtMn 또는 IrMn이 사용될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 강자성층으로 CoFeB이고, 반 강자성층의 재료로 IrMn인 예를 설명하도록 한다. 그리고, 터널 절연막은 MgO가 바람직하나, 상기와 같은 재료들은 관련기술의 발전에 따라 다른 물질이 사용될 수도 있음에 주의하여야 한다.
이 경우, 열처리 공정을 통하여 각각의 재료는 점점 결정화된다. 본 발명과 같이, 자기 터널 접합 소자를 "CoFeB-MgO-CoFeB-결정화 온도가 높은 비정질 금속막(21)-CoFeB"로 형성한 경우에는 CoFeB가 결정화될 때까지, 포함된 비정질 금속막(21)은 결정화되지 않으므로, Mn입자의 확산을 막아줄 수 있다.
그렇다면, 상기와 같이 결정화 온도가 높은 비정질 금속막(21)의 재료가 문제될 수 있다. 여기서 비정질 금속막(21)은 결정화 온도가 높아야하고, 고정층(PL)에 포함되는 재료이므로 자성체의 성질을 포함할 수 있다.
이 경우 비정질 금속막(21)은 FeZr을 포함할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 FeZr을 제시하였으나, 이와 같은 재료는 관련기술의 발전에 따라 다른 적합한 물질도 사용될 수 있음에 주의하여야 한다.
FeZr은 즉, CoFeB가 bcc구조 또는 fcc구조로 결정화되더라도, 결정화 온도가 높아 결정화되지 않고, 비정질상태로 존재한다. 또한, FeZr은 Fe과 Zr의 비율에 따라서, 강자성, 상자성, 약한 강자성 세 가지의 자성특징을 가질 수 있어, 자기 터널 접합소자의 제조에 있어 활용의 폭이 크다. 또한, FeZr은 미세 두께 조절을 할 필요가 없어 공정상 매우 유리하다.
도 3은 고정층(PL)에 FeZr을 포함하였을 경우 효과를 설명하기 위한 실험 데이터이다. 실험은 12.5mm x 12.5mm SiOx 웨이퍼에 7개의 자기 터널 접합 소자를 형성하였다. 그리고, 터널절연막(MgO)의 성장을 위해 외부 자기장 4kOe를 걸어주고 270도에서 10분간 열처리 공정을 수행하였다. 자기 터널 접합소자는 직류 전류원을 사용하여 4단자 측정법으로 상온에서 각각의 TMR을 측정하였다.
도시한 바와 같이, 고정층(PL)에 FeZr을 포함하지 않은 경우(41)에는 7개의 자기 터널 접합 소자의 TMR분포가 매우 넓다.(D1) 그러나, FeZr을 5Å 포함한 경우(42), FeZr을 10Å포함한 경우(43)로 한 경우에는 TMR분포는 매우 좁아진다(D2),
이와 같이, FeZr을 고정층(PL)에 포함함으로써, 자기 저항의 균일성은 매우 향상되며, 이로 인하여 자기 터널 접합 소자의 제조 및 동작에 있어서 신뢰성을 확보할 수 있다.
FL : 자유층
PL : 고정층
AFM : 반 강자성층
21 : 비정질 금속막

Claims (7)

  1. 가변 방향으로 자화를 가질 수 있는 자유층;
    고정된 방향으로 자화를 갖는 고정층; 및
    상기 자유층과 고정층 사이에 형성된 터널 절연막을 포함하되,
    상기 고정층은 제1 강자성체막, 제2 강자성체막, 및 이들 사이에 개재된 비정질 금속막을 포함하고,
    상기 비정질 금속막의 결정화 온도는 상기 제1 강자성체막 및 상기 제2 강자성체막의 결정화 온도보다 높고, 상기 터널 절연막의 결정화 온도보다 높은 자기 터널 접합 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 금속막은 자성체인
    자기 터널 접합 소자.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 비정질 금속막은 FeZr를 포함하는
    자기 터널 접합 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기 터널 접합 소자는
    상기 고정층의 하부에 반강자성체층을 더 포함하는
    자기 터널 접합 소자.
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