KR20030017120A - 산화탄탈륨을 절연층으로 한 터널자기저항 소자 - Google Patents

Abstract

높은 자기저항비와 넓은 공정 범위를 갖으며 자기저항비의 고른 분포를 통해 대량생산이 용이한, 산화탄탈륨으로 이루어진 절연층을 갖는 터널자기저항(TMR) 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다.

Description

산화탄탈륨을 절연층으로 한 터널자기저항 소자{TMR DEVICES WITH A INSULATING LAYER OF TANTALUM OXIDE}

본 발명은 외부자기장의 유무에 따라 스핀 전자의 터널링에 의해 자기저항비가 변화하는 터널자기저항 소자에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 산화탄탈륨을 절연층으로 하는 터널자기저항 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

터널자기저항(tunnel magnetoresistance: TMR) 소자란 강자성층/절연층/강자성층 구조를 갖는 박막으로, 박막면에 수직한 방향으로 전류를 흘러줄 경우 양 강자성층의 자기배열에 따라 절연층을 통과하는 전자의 터널링 확률의 변화로 인해 전기저항이 달라지는 원리를 이용하여 자성센서로 사용되며 현재 컴퓨터의 하드디스크 헤드에 쓰이는 센서나 차세대 비휘발성 메모리로 유망한 MRAM에 이용되는 장치이다.

TMR 현상은 1975년 Julliere가 처음 발견한 이래, 극저온에서만 자기저항비를 나타내어서 쓰이지 않고 있다가 1995년 Moodera와 Miyazaki가 상온에서 약 20%의 자기저항비를 얻는데 성공하여 현재까지 활발히 연구가 행해지고 있다.

공업적으로 요구되는 TMR소자의 특성으로는 낮은 저항에서도 4∼50%의 MR비를 얻을 수 있어야 한다. 상기 목적을 위해 종래에 사용되어온 TMR소자의 절연층은 AlO가 주로 채택되었고 GeO, CoO 등 기타 절연막층이 연구되었으나 Al₂O₃가 전자기학적으로 가장 MR비가 높은 것으로 알려져 연구가 집중되어 왔다. 그러나, AlO 절연막은 빠른 산화시간과 높은 자기저항비와 넓은 공정 범위(process window)를 보임에도 불구하고 대량생산 즉 대구경 기판에 적용할 경우 같은 조건하에서 균일한 결과를 얻기가 어려운 문제점이 있었다.

좀더 상세하게는, 도 1에 종래기술에 따른 기판별 자기저항비 분포를 나타내었는데, 2.5㎝×2.5㎝ Si/SiO₂(1000Å) 기판 위에 14개의 TMR 소자를 형성시켰을 경우, 위치별 자기저항(MR)비 분포를 도시하였다. 그림에서 진한 색으로 나타낸 십자패턴은 MR비가 높게 나타난 곳이고 밝은 색으로 나타난 부분은 MR비가 낮게 나타난 곳이고 십자패턴이 표시되지 않은 부분은 MR비를 얻을 수 없었던 부분이다. 즉 2.5㎝×2.5㎝ 넓이의 기판 위에서 동일한 조건 하에 소자를 형성시켰음에도 불구하고 물성의 특성 분포가 균일하지 못함을 알 수 있다. 정량적인 계산결과에 따르면 표준편차가 MR이 2.15, 저항이 64.19 정도로 커서, 공업적으로 같은 품질의 소자를 제작하는 데 문제가 많다.

따라서, 공업적 목표를 만족하면서 공정 범위가 큰 새로운 물질의 개발과 공정이 절실히 요망되는 바이다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 TMR 효과도 비교적 높고 특히 산화시간이 길어서 매우 균일한 절연층을 만들 수 있고 최종적으로 산화 시간 등을 통해 균일한 절연막층의 두께를 조절하여 MR비를 조절하는 TMR 소자와 그의 제조 공정을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 기판별 자기저항비 분포를 나타낸 것이다.

도 2는 다양한 금속 산화물에 대한 엘링햄 다이어그램을 나타낸 것이다.

도 3은 TaO 및 AlO를 절연층으로 사용한 TMR소자의 전자현미경 단면 사진을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 일례로서 TMR 소자의 단면 및 그의 측정용 소자를 나타낸 것이다.

도 5는 ICP 플라즈마 성막 및 산화 장치를 나타낸 것이다.

도 6은 AlO를 절연층으로 사용하여 제작한 TMR소자(왼쪽)과 TaO를 절연층으로 사용하여 제작한 TMR 소자(오른쪽)의 자기저항 및 저항 분포를 비교하여 나타낸 것이다.

본 발명은 강자성층(Py)/절연층/강자성층(Co) 구조를 갖고, 상기 절연층이 산화탄탈륨으로 구성된 것을 특징으로 하는 터널자기저항(TMR) 소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 강자성층(Py) 상부에 탄탈륨을 물리적 증착법으로 성막하고, 산소플라즈마 산화법으로 기판을 음극화하고, 산소 및 아르곤 가스를 도입하여 탄탈륨 박막의 상부를 균일하게 산화시켜 산화탄탈륨막을 생성시키고,강자성층(Co)을 증착시키는 것으로 이루어지는 터널자기저항 소자의 제조 방법에 관한 것이기도 하다.

본 발명의 터널자기저항 소자의 제조 방법에서, 최초 금속 Ta 박막의 두께는 10∼12Å 이내로 하는 것이 바람직하고, 플라즈마 산화 시간을 1000초 이내로 하는 것이 특히 바람직하다. 이같은 범위를 벗어날 경우 유효한 자기저항비를 갖는 소자를 얻기 어렵다.

본 발명의 산화탄탈륨은 바람직하게는 Ta₂O₅또는 TaO_x로 이루어진다. 여기서, x는 비화학양론적인 표현이므로 특정하여 기재하는 것이 필수적이지 않으며, 통상적인 범위에 해당된다.

본 발명의 TMR 소자는 강자성층에 고정층(pinned layer)이나 자유층 및, 실리콘, IrMn, FeMn 등의 강자성체 박막층을 추가로 포함하여 소자의 특성이나 공업적 목적에 맞게 조절하여 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 강자성체는 표면이나 계면 안정성을 위해 Ta, Pt, Cu, CoFe 등의 적층물질을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명은 기존 AlO를 절연막으로 채택하는 소자에서 탈피하여, 좀더 균일하고 평평한 표면 형태로 대구경 기판에서도 전체적으로 고른 분포의 TMR비를 가지는 TaO를 절연막으로 이용하는 것을 가장 큰 특징으로 한다.

도 2에는 AlO 및 TaO를 포함하여 다양한 금속 산화물에 대한 엘링햄 다이어그램을 나타낸 것인데, 도 2에 나타낸 바와 같이 열역학적으로 안정하고 Al보다는 산화 경향이 약한 Ta는 산소에 노출되면 산소 원자가 계속 확산하며 TaO층이 성장하여 산화박막을 형성한다. Al의 경우 금속원자가 확산하는데 비해 TaO의 경우 산소 원자가 확산하기 때문에 매우 고르고 균일한 산화막이 형성된다.

실제로 TaO 및 AlO를 절연층으로 사용한 TMR 소자의 전자현미경 단면 사진을 나타낸 도 3을 통해 이를 확인할 수 있다. 도 3에서 보듯이 TaO를 절연막으로 채택하여 TMR 소자를 형성할 경우 AlO를 절연막으로 했을 경우보다 그 계면이+0.2 nm 정도 범위로 매우 평평하고 고름을 알 수 있다. 이같이 균일한 절연층을 형성하는 본 발명의 TMR 소자는, 대구경 기판 등에서도 자기저항비 등에 있어서 균일한 분포를 얻을 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 구체적인 일례를 통해 더욱 상세히 설명될 수 있으며, 이러한 일례에 본 발명을 국한시키고자 하는 것은 아니다.

<공정>

스핀 의존 터널링 접합을 형성할 기판으로 1000 Å의 열산화막을 형성한 직경 10 ㎝의 (100)Si 기판을 2.5×2.5㎠의 크기로 절단하여 사용한다. 표면의 유기물이나 기타 이물질을 제거하기 위해 먼저 아세톤에 담궈 30분간 초음파 세척을 행한 후 약 70℃의 에탄올로 씻어내었다.

메탈 마스크를 사용하여 도 4 (a), (b)와 같은 형태로 수직 구조는 NiFe(170Å)/CoFe(48 Å)/Ta(11 Å)-O/CoFe(500 Å)/Ta(50 Å)의 형태이고, 선폭 100 ㎛의 십자형 접합(junction)을 만든다. 하부막을 형성한 후와 산화막을 형성한 후 마스크를 바꾸기 위해 시편을 대기중에 노출시켜야 하며 접합 영역(junction area)는 100㎛×100㎛로 한다.

ICP(inductive coupled plasma)지원 마그네트론 스퍼터링으로 각 층을 만들고 Al을 산화시킴으로 산화막을 형성하여 상기 구조를 갖는 MTJ(magnetic tunnel junction)를 제작한다. ICP 산화법은 대기중 산화나 종래의 산화 방법에 비해서 재현성이 좋고 분산이 적은 것으로 알려져 있으며 터널 장벽층의 제작 방법 중 하나로 유효한 것으로 보고되어 있다. 여기서 사용한 스퍼터는 크게 로드 락(load lock) 역할을 하는 시편준비실과 플라즈마 산화전용실, 자성막형성실 3 개의 챔버로 이루어져 있다. 각 챔버는 터보 분자 펌프를 사용하여 10^-5∼10^-6이하의 고진공을 얻을 수 있도록 제작되었다. 산화실과 자성막형성실 모두 ICP 플라즈마를 일으킬 수 있도록 되어 있다. 자성막형성실에는 6 개의 건이 설치되어 시편을 옮기지 않고 박막을 형성할 수 있게 되어 있으며 시편이 1 회전/sec의 속도로 회전하여 고르게 박막이 입혀지도록 되어 있다. 전처리가 끝난 기판을 시편 준비실(sample preparation chamber)에 위치시킨 후 3.0×10^-5Pa의 압력이 될 때까지 진공으로 만든 후 자성막형성실(Ferromagnet depositon chamber)로 옮긴다. 자성막 형성실에서 3.0×10^-6Pa 정도의 진공으로 만든 후 하부막을 형성하고 다시 대기중으로 꺼내어 메탈 마스크를 교환하고 다시 산화실로 옮긴 후 1.4×10^-5Pa 정도의 진공으로 만들고 Ta를 증착한 후 산소를 흘러주어 산소 플라즈마로 산화시킨다. 다시 대기중으로 꺼내어 마지막 마스크로 교환하고 같은 순서대로 자성막실에서 상부막을 형성한다.

강자성층을 증착시킬 때는 100 Oe의 자장을 자화용이축 방향으로 인가하면서 스퍼터링을 행한다. 산화막층은 Ta를 11 Å 두께로 증착시킨 후에 플라즈마 산화법으로 산화시킨다. 스퍼터링은 챔버를 3.0×10^-6Pa 이하의 고진공으로 만든후에 Ar을 흘려주어 수행하였고 각 층마다의 스퍼터링 조건은 표 1과 같다.

각 층에 대한 스퍼터링 조건
층	증착률(Å/sec)	Ar 유량(sccm)	압력(Pa)	출력세기(타킷/W)	출력세기(코일/W)
Ta	0.5524	2.1	0.078	150	20
NiFe	0.6681	2.1	0.078	150	20
CoFe	0.4425	2.8	0.107	150	20

하부막을 형성한 후 Ta를 증착하고 그 Ta 층을 산화시키기 위해 플라즈마 산화법을 사용한다. Ta 증착과 산화는 자성막과는 다른 챔버에서 행하여지며 1.4 × 10^-5Pa의 진공으로 만든 후 Ar을 흘러주어 Ta를 11 Å 두께로 증착하고 그 후에 산소를 일정량 흘러주어 플라즈마 산화를 행한다. 플라즈마 산화시 조건은 O₂의 유량이 9.1 sccm, Ar의 유량이 4.0 sccm이 되게 하여 O₂의 분압은 0.4 Pa, Ar의 분압은 0.7 Pa이 되게 하고, 코일의 출력 세기는 100 W, 타킷(target)의 출력 세기(power)는 15 W로 한다. 산화 시간은 210 sec로 한다. 도 5에 ICP를 이용한 플라즈마 산화법의 개략도를 나타내었다. 음극 위에 위치한 코일에 RF 전류를 흘러줌으로 유도 결합 플라즈마를 발생시켜 기판 전면에서 고른 산화가 일어나도록 한다.

위와 같은 공정에 따라 각각 제조한 AlO와 TaO 절연층의 자기자항(MR)비의 분포를 그래프로 나타내었다. 도 6에 나타낸 바와 같이 AlO는 약 R과 MR비의 산포가, 20K-4Mohm/um², 2-10%로서 그의 산포도가 매우 큰 반면에, TaO의 경우는 1.5-2.5Mohm/um², 8-10%정도로 산포도가 매우 적어 대구경 기판에 의한 대량 생산에 매우 용이함을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 TMR 효과도 높음과 동시에 균일한 절연층을 형성시켜 자기저항비의 조절비 균일한 분포가 가능한 TMR 소자를 생성할 수 있으며, 이로써 넓은 process window를 갖으며 대량 생산이 용이하게 되어 그 산업상 이용 가능성이 매우 크다.

Claims (7)

1. 강자성층(Py)/절연층/강자성층(Co) 구조를 갖고, 상기 절연층이 산화탄탈륨으로 구성된 것을 특징으로 하는 터널자기저항(TMR) 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화탄탈륨이 Ta₂O₅또는 TaO_x인 것을 특징으로 하는 터널자기저항 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 강자성층이 고정층 또는 자유층이나, 실리콘, IrMn, FeMn, Ta, Pt, Cu 및 CoFe으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 적층물질로 이루어진 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 터널자기저항소자.
4. 강자성층(Py) 상부에 탄탈륨을 물리적 증착법으로 성막하고, 산소플라즈마 산화법으로 기판을 음극화하고, 산소 및 아르곤 가스를 도입하여 탄탈륨 박막의 상부를 균일하게 산화시켜 산화탄탈륨막을 생성시키고, 강자성층(Co)을 증착시키는 것으로 이루어지는 터널자기저항 소자의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 산화탄탈륨막이 Ta₂O₅또는 TaO_x으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 터널자기저항 소자의 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 최초 금속 탄탈륨 박막의 두께를 10∼12Å 이내로 성막하는 것을 특징으로 하는 터널자기저항 소자의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 플라즈마 산화 시간을 1000초 이내로 수행하는 것을 특징으로 하는 터널자기저항 소자의 제조방법.