KR20030071063A - 자기 터널 접합 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 터널 접합에 관한 것으로, 특히 우수한 절연막과 절연막/강자성층 계면을 확보하는 자기 터널 접합 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 자기 터널 접합 제조 방법은 하부 적층 구조 위에 질화물 절연막을 형성하는 단계와, 상기 질화물 절연막 위에 강자성 자유층과, 보호막을 차례로 형성한다.

Description

자기 터널 접합 제조 방법{Method for manufacturing Magnetic tunnel junction}

본 발명은 자기 터널 접합에 관한 것으로, 특히 질화물 절연막을 이용한 자기 터널 접합 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction : MTJ) 소자는 고정층과 자유층 2개의 강자성막과, 이사이의 절연막으로 주로 구성되어 있고, 스핀이 분극된 전자 터널링(spin polarized electron tunneling) 현상을 이용하는 것이다.

상기 고정층은 자기 소자가 작동하는 동안 항상 고정되어 있으며, 자유층만이 자화의 방향을 바꾸게 된다.

터널링 현상은 전자스핀에 관계되므로 자기 터널 접합의 특성은 두 개의 강자성층의 상대적 배향과 스핀 극성의 함수이다.

자기 터널 접합 소자의 상태는 감지 전류가 강자성층 중 하나로부터 다른 강자성층으로 접합에 수직으로 흐를 때, 자기 터널 접합 저항의 변화를 측정함으로써 결정된다.

두 개의 강자성층의 자화방향의 상대적인 배열에 따라서 자기 터널 접합을 가로질러 전자의 터널링의 확률이 달라진다.

전자 캐리어의 터널링 확률은 두 강자성 층의 자화방향이 평행할 경우에 최고가 되고, 두 강자성의 자화 방향이 반대로 평행할 경우 최소가 된다.

즉, 자기 터널 접합의 저항은 상호 자화 방향이 반 평행일 때 최고가 되고, 평행할 때 최소가 된다.

이러한, 두 개의 강자성 층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기 터널 접합 저항값의 차이를 자기 터널 접합 단위 소자 2개의 비트 상태(0 또는 1)로 고유하게 정의할 수 있다.

자기 터널 접합의 소자는 구체적으로 비휘발성 자기 메모리 소자에서 자기 저장 셀(magnetic storage cell) 혹은 자기기록 디스크 드라이브에서 데이터 판독용 자기 저항 헤드(magnetoresistive head : MR head)의 센서로 사용될 수 있는데, 실제적인 응용을 위해서는 상대적인 자화 방향의 배열에 따른 저항의 변화량(TMR ratio) 뿐만 아니라 MTJ 소자의 저항값 자체가 적절한 값을 가져야 한다.

즉, 저항이 너무 크면 임피던스 지연 효과에 의해 속도가 느리고, 반대로 저항이 너무 작으면 출력이 작아지게 되어 바람직하지 않다.

이러한 자기 터널 접합 저항은 강자성층 사이에 위치하는 절연막과 절연막/강자성층의 계면 특성에 의해 좌우된다.

현재 흔히 사용되고 있는 절연막으로는 Al 금속을 증착한 후 산화시켜 만든 Al₂O₃박막을 얇게 만들고 있는데 이 역시 한계에 도달하고 있는 상황이다.

도 1은 종래의 자기 터널 접합의 대략적인 구조도이다.

도 1을 참조하면, 2층의 강자성(5-7, 8) 박막 사이에 얇은 절연박막(6)을 증착시켰을 때 간단한 자기터널 접합 소자가 완성된다.

상기 절연막(6)으로 Al 금속을 증착한 후 산화시켜 만든 Al₂O₃으로, 우수한 절연특성과 안정된 박막증착 특성을 나타낸다.

그러나 상기 산화 공정은 공정 중에 강자성 금속 박막의 표면도 역시 산화되오 강자성층에 계면 분극 로스가 발생하는 단점이 있으며, 응답속도를 높이기 위해서 저항을 낮추려는 목적으로 Al₂O₃박막을 만들고 있는데 이 역시 한계에 도달하고 있다.

이와 같은 종래의 방법으로 제조된 산화물 절연막을 이용한 자기 터널 접합등의 실험조건의 제어가 힘들고, 재현성이 떨어지며, 소요되는 공정 시간이 길고, 고가의 장치가 필요한 등의 문제점을 갖고 있다.

그리고, 자기 터널 접합을 이용한 실제 소자의 성능을 확보하는데 어려움이 크다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 우수한 절연막과 절연막/강자성층 계면을 확보하는 자기 터널 접합 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 자기 터널 접합의 대략적인 구조도

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 자기 터널 접합 제조를 나타내는 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 기판 11 : 버퍼층

12 : 씨앗층 13 :하부 반강자성층

14 : 하부 강자성층 15 : 질화물 절연층

16 : 상부 강자성층 17 : 상부 강자성층

18 : 보호막

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 하부 적층 구조 위에 질화물 절연막을 형성하는 단계와, 상기 질화물 절연막 위에 강자성 자유층과, 보호막을 차례로 형성한다.

바람직하게, 상기 질화물 절연막은 AlN 이고, 상기 질화물 절연막 형성은 N₂, H₂혼합가스를 반응가스로 사용하여 리액티브 증착하거나, 증착된 Al 금속박막을 N₂, H₂혼합가스를 분위기 가스로 해서 열처리하여 질화 시킨다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 자기 터널 접합 제조를 나타내는 도면이다.

먼저, 본 발명에서는 기존의 산화물(Al₂O₃) 절연막 대신에 AlN 등의 질화물 절연막을 이용한 자기 터널 접합의 제작과정을 제안하고자 하는 것으로 자기터널 접합에 가장 중요한 것은 우수한 특성의 강자성 층의 형성 이외에도 우수한 특성의 절연막과 절연막/강자성층 계면을 확보하는 것인데, 무엇보다도 절연막을 형성하는 공정 중에 강자성층과 반응(절연막 성분과의 반응, 절연막 형성에 필요한 분위기에 의한 반응 등)하지 않아서 강자성층과 절연막 각각의 특성을 저하시키지 않으며, 또한 강자성층 위에 절 적층될 수 있어야 한다.

도 2a를 참조하면, 기판(10) 상에 단일 씨앗층(seed layer)(12) 혹은 씨앗층/버퍼층(11, 12)의 복합구조의 박막을 형성한다.

그리고, 상기 씨앗층(12) 위에 자기 터널 접합 고정층 자화의 고정을 위하여 하부 반강자성 고정층(13)을 형성한다.

상기 하부 반강자성 고정층(13)은 한 층 혹은 여러 층의 결합이어도 무방하다.

그리고, 상기 하부 반강자성 고정층(13) 위에 하부 강자성 고정층(14)을 형성한다.

그 다음, 도 2b와 같이 상기 도 2a와 같이 구성된 하부 적층 구조(bottom stack structure) 위에 질화물 절연막(15)을 형성한다.

상기 질화물 절연막(15) 형성 방법의 첫 번째는 N₂, H₂혼합가스를 반응가스로 사용하여 리액티브(reactive)한 방법으로 질화물 박막을 바로 증착하거나, 두번째로 우선 Al 금속 박막을 증착한 후에 N₂, H₂혼합가스를 분위기 가스로 해서 고온 열처리하여 Al 금속 박막을 질화(nitridation)시켜서 AlN 절연막을 형성한다.

상기 Al 금속 박막 혹은 질화물 박막의 증착방법은 PLD, 스퓨터링(sputtering), CVD, coevaporation, MBE 등을 이용한다.

그리고 상기 두 번째 방법의 후속 분위기 열처리 방법에는 고온에서 혼합가스르 흘려주는 방법(natual nitridation)과 rf, dc, ECR 등의 플라즈마를 형성하는 방법이 있다.

또한, 절연막을 질화물과 산화물의 특성을 함께 가질 수 있는 Al-O-N으로 하고자 할 경우에는 혼합가스 내의 H₂함량을 조절함으로써 얻는 것이 가능하다.

상기와 같은 N₂, H₂혼합가스를 이용해서 강한 환원성 분위기에서 열처리를 통화여 질화물 절연막(15)을 형성하므로, 즉 oxygen-free 공정을 이용하여 절연막을 형성하게 되어 Al₂O₃등의 산화물 절연막 형성 시에 발생되는 강자성층의 산화로 인한 자기특성 저하를 해결할 수 있다.

또한, 이와 함께 혼합가스에 포함된 수소 이온은 자기 터널 접합 내부에 존재하는 댄링 본딩(dangling bonding)에 결합되어 안정하게 유지되므로, 댄링 본딩이 스핀 분극 전달을 방해하는 결함으로 작용하지 않게 하여 자기 터널 접합 소자 제작의 편이성과 생산성을 향상시키고, 소자 특성 조절 및 재현성 향상을 시킬 수 있어서 양질의 자기 터털 접합 제작이 가능하다.

상기 질화물 절연막(15)이 완성되면 그 위에 자화반전이 일어나게 상부 강자성층(16)과 상부 반강자성층(17)을 형성하고, 강자성 박막을 보호하는 역할을 하는 보호층(18)을 형성하고, 마지막으로 전극으로써 리프트-오프(lift-off)법으로 Au 등의 전극을 형성한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 동시에 여러 장의 소자나 대면저의 소자에 대해서 간편하게 적용할 수 있는 공정으로, 시편의 지오메트리가 바뀐다 하더라도 쉽게 적용 가능하여 자기 터널에 의한 TMR을 이용한 모든 소자에 적용하는 효과가 있고, 특히 비휘발성 자기 메모리 소자에서 자기저장 셀 혹은 자기 기록 디스크 드라이브에서 데이터 판독용 자기 저항 헤드의 센서 같은 소자에 적용하는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 하부 적층 구조 위에 질화물 절연막을 형성하는 단계와;

   상기 질화물 절연막 위에 강자성 자유층과, 보호막을 차례로 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 질화물 절연막은 AlN인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 질화물 절연막 형성은 N₂, H₂혼합가스를 반응가스로 사용하여 리액티브 증착하거나, 증착된 Al 금속박막을 N₂, H₂혼합가스를 분위기 가스로 해서 열처리하여 질화시키는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합 제조 방법.