KR20020088441A - 플루오르화 마그네슘을 절연층으로 이용한자기터널접합소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1전극, 제2전극 및 제1전극과 제2전극사이에 배치된 터널 장벽층(절연층)을 포함하는 MTJ 센서의 제조에 있어서: 상기 절연층으로 MgF₂가 형성되도록 Mg를 증착한 후 플라즈마의 도움없이 진공중에서 F2 가스를 흘려주거나, MgF₂를 직접 증착시키는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 우수한 터널자기특성을 얻기 위하여 사용하고 있는 기존의 터널장벽층보다 절연특성이 우수하여 보다 향상된 터널자기특성을 얻을 수 있고, Al을 증착한 후 산화시켜 절연층을 얻는 기존의 까다로운 산화공정을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

플루오르화 마그네슘을 절연층으로 이용한 자기터널접합소자의 제조방법 {Method for Fabricating Magnetic Tunneling Junction using MgF2 for insulator}

본 발명은 자기터널접합소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절연터널장벽층으로 Al₂O₃나 기타의 다른 산화물 혹은 질화물을 이용할 때 문제가 되는 적절한 산화, 질화조건 확립의 어려움을 극복하고자 MgF₂를 직접 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하므로서 절연층형성의 어려움과 낮은 밴드갭에너지로 인한 터널링자기저항 효과의 감소를 동시에 달성하는 MgF₂를 절연층으로 이용한 자기터널접합소자의 제조방법에 관한 것이다.

대부분의 컴퓨터에는 필요한 때 사용하기 위한 데이터를 기록하고 판독할 수 있는 매체를 구비하는 보조 메모리 저장 장치가 포함된다. 통상적으로 회전 자기 디스크를 일체로 구성하는 직접 액세스 저장 장치(direct access storage device; DASD)는 자기 형태로 데이터를 디스크 표면상에 저장한다. 데이터는 디스크 표면상에서 동심(concentric)을 그리며 방사상으로 이격된 트랙상에 기록된다. 그후 판독 센서를 포함하는 자기 헤드를 사용하여 디스크 표면상의 트랙으로부터 데이터를 판독한다.

고용량 디스크 드라이브에서는 통상적으로 자기저항(magnetoresistive; MR) 센서라고 지칭되는 MR 판독 센서가 널리 사용되는데, 이는 박막 유도 헤드(thin film inductive head)에 비해 큰 트랙과 큰 선형 밀도(linear density)로 디스크 표면으로부터 데이터를 판독할 수 있는 능력이 있기 때문이다. MR 센서는 MR층에 의해 감지되는 자속의 세기 및 방향의 함수로서 MR 감지층(또는 "MR"소자라고도 함)의 저항 변화를 통해 자계를 검출한다.

이러한 종래의 MR 센서는 MR 소자의 저항이 MR 소자의 자화(magnetization)와 MR 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각도의 코사인 제곱값에 따라 달라지는 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive; AMR) 효과에 기초하여 동작한다. 기록된 자기 매체(신호 필드)로부터의 외부 자계가 MR 소자의 자화 방향을 변화시키고 따라서 MR 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지 전류 또는 전압의 변화를 발생시켜 기록된 데이터를 자기 매체로부터 판독할 수 있다.

MR 센서의 다른 형태는 거대 자기저항(giant magnetoresistance; GMR) 효과를 사용하는 GMR 센서이다. GMR 센서에서 MR감지층의 저항은 비자성층(스페이서)에 의해 분리되는 자성층간의 전도 전자의 스핀-의존 전도(spin-dependent transmission) 및 자성층과 비자성층 사이의 인터페이스 영역과 자성층 내에서 이에 수반하여 발생하는 스핀-의존 산란(spin-dependent scattering)을 함수로 하여변화한다.

비자성 재료(예를 들어 구리)층에 의해 분리되는 강자성 재료(예를 들어 Ni-Fe)층 중 단지 2개의 층만을 사용하는 GMR 센서는 일반적으로 스핀 밸브(spin valve; SV) 효과를 사용하는 SV 센서로 지칭된다.

또한, 자기터널접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 소자는 자기 디스크 드라이브에서 자계 센서(magnetic field sensor)로 사용되거나 자기 임의 접근(magnetic random access; MRAM) 배열에서 메모리 셀로 사용된다.

MTJ 소자는 제1 강자성층, 제2 강자성층 및 제1 강자성과 제2 강자성층 사이에 배치된 반평행 결합(antiparallel coupling; APC)층을 포함하는 강자성 반평행(antiparallel coupling; AP)-고정층, 자유 강자성층 및 AP-고정층의 제1 강자성층과 자유 강자성층 사이에 배치된 절연 터널 장벽층을 가진다. AP-고정층은 층의 평면과 동일한 방향으로 자화되지만, 자화 방향이 고정되어있으므로 자계가 인가되는 경우 인가된 자계의 영향력 범위 내에 있는 자화 방향은 회전할 수 없다. 자유 강자성층의 자화는 강자성 AP-고정층의 고정 자화에 대하여 층의 평면에서 회전할 수 있다. AP-고정층의 제2 강자성층은 AP-고정층의 자화 방향을 공기 베어링 표면과 수직인 방향으로 고정시키는 보자력이 높은 자성 재료로 구성된다. AP-고정층의 순 자기 모멘트(net magnetic moment)가 거의 0으로 설정되므로, AP-고정층과 자유층 사이의 자기저항 상호작용은 최소화된다.

참고적으로, 자기터널접합센서용 저모멘트/고보자력 고정층에 관한 공지 기술은 공개번호 출원번호: 10-1999-0028648, 출원일자: 1999년 7월 15일의 선행 특허에 개시된 바 있다.

통상적으로 종래의 MTJ는 Al₂O₃를 절연층으로 사용하여 터널링을 유도한다. 이 경우 Al₂O₃를 증착시키기 위하여 자연산화, 플라즈마산화, UV산화 등의 방법을 이용하였으나, 적절한 산화조건(산화시간, 산소압력, 플라즈마를 형성시키기 위한 출력)을 조절하기가 매우 힘들다. 게다가 제2강자성층의 자화 방향을 고정시키기 위해 반강자성층으로 IrMn혹은 FeMn을 주로 사용하는데, 이때 필요에 의해 열처리를 해야 하는 경우 Mn이 절연터널장벽층까지 확산하여 AlMn산화물을 형성하여 특성저하의 주요한 원인이 되고 있다.

또한 Al₂O₃이외의 다른 물질을 절연터널장벽층으로 이용하는 경우, 밴드갭에너지(band gap energy)가 낮아 효과적인 전자의 스핀 터널링(spin tunneling)이 이루어지기 어려워 터널링자기저항 효과가 감소하는 문제점이 있다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, MgF₂를 직접 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하므로서 절연층형성의 어려움과 낮은 밴드갭에너지로 인한 터널링자기저항 효과의 감소를 동시에 달성하는 MgF₂를 절연층으로 이용한 자기터널접합소자의 제조방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 소자의 적층 구조를 나타내는 예시도.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 제1전극, 제2전극 및 제1전극과 제2전극사이에 배치된 터널 장벽층(절연층)을 포함하는 MTJ 센서의 제조에 있어서: 상기 절연층으로 MgF₂가 형성되도록 Mg를 증착한 후 플라즈마의 도움없이 진공중에서 F2 가스를 흘려주거나, MgF₂를 직접 증착시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 MgF₂의 절연층 두께는 5Å∼30Å 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명은 새로운 마그네슘 불화물(Magnesium Fluoride)을 적용함에 따라 종래의 알루미늄 산화물을 이용할 때의 단점/공정상의 문제점을 극복할 수 있다.

이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 소자의 적층 구조를 나타내는 예시도가 도시된다.

MTJ 센서는 제1전극, 제2전극 및 제1전극과 제2전극사이에 배치된 터널 장벽층(절연층)을 포함한다. 제1전극은 적층된 AP(Antiparallel)고정층 및 시드층을 포함하며, 제2전극은 자유층 및 캡층을 포함한다. 여기서 자유층은 캡층과 터널 장벽층 사이에 배치된다.

제3강자성층은 반강자성층에 의해 자화방향이 고정되어 AP고정층의 자화방향을 고정시키는 고정자계(pinning field)를 제공한다. 시드층은 그 다음 층들의 결정학적 구조 또는 결정립 크기(grain size)를 변경하도록 증착된 층이며, 반드시 필요한 것은 아니다.

자유층은 제1강자성층 및 제2강자성층을 포함하며, 여기서 제2강자성층은 제1강자성층과 터널 장벽층 사이에 배치된다. 자유층의 자화는 신호자계가 인가되는 경우 자유로이 회전한다.

제1전극 및 제2전극과 각각 인접한 리드층은 전원으로부터 MTJ센서로 흐르는 감지전류의 흐름을 위한 전기적 연결을 제공한다. 리드와 전기적으로 연결된 신호검출기는 신호자계(예를 들어, 디스크 상에 저장된 데이터 비트에 의해 생성된 자계)에 의해 유도된 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화를 감지한다.

도 1에 예시되어 있는 바와 같이, MTJ센서는 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 또는 이온 빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering)시스템 내에서 다층 구조를 순차적으로 증착하여 제조되는 구조이다. 약 100Oe의 종방향 또는 횡방향 자계가 인가되는 경우, 스퍼터링 증착은 모든 강자성층의 자화용이축(easy axis)방향으로 수행된다.

약 100-500 Å 두께를 가지는 금(Au)으로 구성된 하부 리드층은 바람직하게는 Al₂O₃로 구성된 기판상에 증착된다. 두께가 약 50-100Å인 시드층은 Ni80-Fe20로 구성된다. 반강자성층은 50-200Å의 두께인 Ir20-Mn80으로 증착된다. 제3강자성층은 Co50-Fe50으로 구성되며 두께는 10-50Å이다.

이때, 본 발명의 핵심재료인 터널장벽층은 MgF₂를 소정의 두께로 증착하여 얻는다. 제2강자성층은 Co80-Fe20으로 구성되며 10-50Å의 두께로 증착한다. 제1강자성층은 30-200Å 의 두께로 Ni80-Fe20을 증착하여 얻는다. 캡층은 20-50Å의두께인 Ta으로 증착된다. 상부 리드층은 Au로 구성되며 두께는 100-500Å이다.

이와 같이 MgF₂로 구성되고 하부 리드와 상부 리드사이에 증착된 절연층은 리드들 사이에 전기적 절연을 제공하며, 감지 전류가 MTJ 센서 주위로 분류(shunt)되는 것을 방지한다.

상기 구조에서의 각 강자성층의 자기 모멘트는 층 재료의 자화 및 층 두께의 곱(product)과 동일하다.

본 발명은 단지 자기터널 절연층의 재료를 Al₂O₃에서 MgF₂로 변경하기 때문에 종래의 모든 자기터널 저항소자에 응용할 수 있다. 자기터널 저항소자의 특성에 영향을 미치는 여러 가지 조건을 고려해 볼 때 MgF₂로의 변경은 특성향상에 적지 않은 영향을 미칠 것이 확실하다.

밴드갭 에너지(Eg)는 Al₂O₃의 경우 8 eV인 반면 MgF₂의 경우 10.8 eV로서, 밴드갭 에너지가 클수록 우수한 절연특성을 보여 선택적 터널링 효과가 커지는 것을 의한다.

종래의 자기터널 저항소자는 몇 가지 다른 구조를 가지고 있지만, 기본적으로 절연층에서의 전자터널링을 이용한다는 면에서는 동일하다. 이때, 절연층의 특성, 절연층과 전극 계면의 구조 및 특성이 소자의 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 그러므로, 종래의 모든 자기터널 저항소자에 사용할 수 있으면서, 절연층 재료의 변경만으로도 확실한 특성향상을 꾀할 수 있다.

Al₂O₃박막을 증착시키는 방법에는 Al을 스팟터링 혹은 화학기상증착법으로 증착시킨 후 자연산화법, 플라즈마산화법, 오존산화법 등을 이용하는 경우와 반응성 스팟터링을 이용하는 경우, 그리고, Al₂O₃를 직접 증착시키는 방법 등이 있다. 우선 자연산화법은 Al을 증착시킨 후 대기중에 노출시키거나, 진공중에서 산소를 흘려줌으로써 산화시키는 방법이지만 알루미늄 산화물은 상온에서 매우 안정한 물질로써 표면에 얇은 산화막이 형성되면 그 후의 산화는 매우 어려워 매우 오랜 시간(수시간∼수십시간)이 소요된다. 플라즈마산화법은 Al을 증착시킨 후 진공중에서 산소를 흘려준 후 짧은 시간(수초∼수십초)동안 플라즈마를 형성시켜 알루미늄 산화층을 얻는다. 이때 산화시간제어가 매우 어려워 최적 산화조건을 얻기가 매우 어렵고, 산화시간이 짧아 산화되지 않은 Al이 남거나 산화시간이 길어 하부전극까지 산화가 되면 자기터널접합소자의 특성이 현저하게 감소하므로 세심한 제어를 필요로 하게 된다.

반면, MgF₂의 경우 알루미늄보다 불화가 훨씬 쉬우므로 Mg를 증착한 후 플라즈마의 도움없이 진공중에서 F2 가스를 흘려줌으로써 쉽게 MgF₂의 형성이 가능하고, 따라서 Al₂O₃플라즈마산화법에 비해 두께 및 공정제어가 훨씬 용이하다.

경우에 따라 MgF₂를 직접 증착시킬 수도 있다. Al₂O₃타겟 자체를 산화시키는 경우 Al₂O₃가 굉장히 안정한 물질이므로 고전원(high power)이 요구되고 하부전극의 산화문제가 자기저항특성에 좋지 않은 영향을 끼친다는 많은 보고가 발표된반면, MgF₂의 경우에는 하부전극에 불화물이 형성되더라도 MgF₂보다 불안정하기 때문에 Al₂O₃와 같은 하부전극의 산화에 의한 문제를 고려할 필요가 없으며 현재도 MgF₂를 직접 증착하는 경우가 많다. 그러므로, 까다로운 플라즈마산화공정을 없앨 수 있어 초극박막 제작이 보다 용이하다.

반도체공정에는 여러 가지 이유로 열처리가 필수적이다. 자기터널 저항소자 역시 열처리에 의해 특성향상을 꾀할 수 있지만, 최적 열처리온도이후 자기저항특성이 현격히 감소하는 경향이 있다. 그 이유에 대해 많은 연구결과가 보고되고 있는데, 그 중 반강자성층의 Mn이 Al₂O₃층으로 확산함에 의해 특성이 저하되는 경향이 지배적이다. 이는 Mn의 산화경향이 크기 때문이다. 하지만, Mn 산화물보다 Mn 불화물의 화학적 포텐샬이 낮으므로 확산에 의한 자기터널 저항소자의 특성저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 MgF₂터널장벽층(절연층)의 두께는 5Å∼30Å, 보다 바람직하게는 6-20Å로 한다.

자기터널 절연층의 두께는 물질의 종류에 관계없이 얇고 균일할수록 우수한 터널링 특성을 보인다. 두께가 30Å이상일 경우 터널링 특성이 급격히 감소하게 되므로 그 이상의 두께로는 소자를 만들지 않는 것이 바람직하다.

	Al2O3	MgF2	비 고
박막제조 및 공정제어의 용이성	불량	양호
자기터널링 효과	우수	우수
열처리 특성	불량	양호

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 우수한 터널자기특성을 얻기 위하여 사용하고 있는 기존의 터널장벽층보다 절연특성이 우수하여 보다 향상된 터널자기특성을 얻을 수 있고, Al을 증착한 후 산화시켜 절연층을 얻는 기존의 까다로운 산화공정을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

1. 제1전극, 제2전극 및 제1전극과 제2전극사이에 배치된 터널 장벽층(절연층)을 포함하는 MTJ 센서의 제조에 있어서:

   상기 절연층으로 MgF₂가 형성되도록 Mg를 증착한 후 플라즈마의 도움없이 진공중에서 F2 가스를 흘려주거나, MgF₂를 직접 증착시키는 것을 특징으로 하는 MgF₂를 절연층으로 이용한 자기터널접합소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 MgF₂의 절연층 두께는 5Å∼30Å 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 MgF₂를 절연층으로 이용한 자기터널접합소자의 제조방법.