KR20040078183A

KR20040078183A - 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로사용한 자기터널접합

Info

Publication number: KR20040078183A
Application number: KR1020030012960A
Authority: KR
Inventors: 김영근; 전병선; 이성래
Original assignee: 학교법인고려중앙학원
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-10

Abstract

자기터널접합에서 하지층(underlayer) 효과를 향상시키기 위하여 하지층으로 Co_85.5Nb₈Zr_6.5(in at. %)을 사용하여 자기터널접합을 제작하였으며 기존에 Ta를 하지층으로 사용한 자기터널접합과 그 특성을 비교하였다. 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄(CoNbZr)을 하지층으로 사용하여 구성하는 자기터널접합은 웨이퍼위에 SiO₂/ CoNbZr(2 nm) / CoFe(8 nm) / IrMn(7.5 nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) + oxidation / CoFe(3 nm) / CoNbZr(2 nm)의 구조를 가지며, 이를 웨이퍼위에 SiO₂/ Ta₂(2 nm) / CoFe(8 nm ) / IrMn(7.5 nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) + oxidation / CoFe(3 nm) / Ta₂(2 nm) 의 구조를 가지는 기존의 자기터널접합과 비교하였다. 열처리 전과 열처리 후에 CoNbZr를 하지층으로 사용한 자기터널접합은 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합보다 터널베리어에서 우수한 표면조도를 가지며 (0.16 vs. 0.34 nm), 표면조도가 향상되어 열적안정성이 좋으며, 또한 자기저항의 온도의존성을 줄이는데 매우 이롭다고 판명되었다. 오제 전자 분광분석기(Auger Electron Spectroscopy)로 확인시 장시간 열처리를 하면 Mn이 하부 강자성체 전극으로 내부확산이 발생하여 자기저항 특성을 저하시키는 현상을 알 수 있는데, 하부전극의 두께를 미세하게 변화시키면, 예를 들어 CoNbZr을 4 nm 두께로, CoFe를 10 nm로 하여 300℃에서 10분간 열처리 한 경우에는 자기저항비가 32%로 증가하였다.

Description

비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로 사용한 자기터널접합 {Magnetic tunnel junctions using amorphous CoNbZr as a underlayer}

본 발명은 자기터널 접합구조에 관한 것으로서, 특히 물적 특성이 개선된 자기터널 접합구조를 갖는 자기터널접합구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.

자기터널접합(MTJs: Magnetic Tunnel Junctions)의 구조는 터널링 장벽(tunneling barrier)으로서 절연층 (일반적으로 Al₂O₃)을 사이에 둔 두 강자성층 (ferromagnetic layer)의 샌드위치 형태로 되어 있으며, 전류가 각 층에 수직하게 흐르는 현상을 나타낸다. 전류가 흐를 때, 두 강자성층의 스핀 방향이 같으면 (parallel) 저항이 작으며 전류의 터널링 확률이 크게 된다. 반면에 두 강자성층의 스핀 방향이 정반대이면 (antiparallel), 저항이 크며 전류의 터널링 확률이 작게 된다. 즉, 자기 터널링 접합(MTJs)에서 터널링 전류는 두 강자성층의 상대적 자화방향에 의존하는 현상을 나타낸다. 이 현상은 1975년 줄리에르(Julliere)에 의해 실험적으로 처음 발견되었으며, 이를 터널자기저항(TMR : Tunneling Mangetoresistance) 이라고 한다.

자기터널접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junctions)은 큰 터널자기저항 (TMR: Tunneling Magnetoresistence)비를 가지기 때문에 고밀도헤드와 자기메모리(MRAM: magnetic Random Access Memory)에 사용하기에 매우 좋은 특성을 가지고 있다(J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong, and R. Meservey, Phys. Rev. Lett.74, 3273 (1995), W. J. Gallagher, S. S. P. Parkin, Yu Lu, X. P. Bian, A. Marley, K. P. Roche, R. A. Altman, S. A. Rishton, C. Jahnes, T. M. Shaw, and Gang Xiao, J. Appl. Phys. 81, 3741 (1997). 참조). 자기메모리(MRAM) 소자의 경우에, 그 소자의 구현에 있어 핵심 기술은 우수하고 안정적인 자기저항 특성을 나타내는박막 소재를 개발하는 기술과 기존의 반도체 회로와 공정을 이용한 집적 공정 기술이라 할 수 있다. 이 점에서 터널자기저항(TMR) 현상을 나타내는 자기저항 박막, 즉 자기 터널링 접합 (Magnetic Tunneling Junction)은 우수한 특성의 비휘발성 자기메모리 소자 개발에 있어 가장 적합한 박막 소재로 인정되고 있다.

자기터널링접합에 있어서, 접합저항과 터널자기저항비는 하부전극과 절연층의 표면조도에 매우 민감하다고 알려져 있다( J. J. Sun, K. Shimazawa, N. Kasahara, K. Sato, S. Saruki, T. Kagami, O. Redon, S. Araki, H. Morita, and M. Matsuzaki, Appl. Phys. Lett.76, 2424 (2000) 참조). 자기터널접합에서 절연층은 2개의 강자성체 사이에서 스핀-분극화된(spin-polarized) 터널링 전자의 터널베리어로 작용한다. 스핀-의존(spin-dependent) 터널링 거동은 2개의 강자성체의 스핀-분극화뿐만 아니라 강자성체와 절연층사이의 계면의 특성에도 크게 의존한다( J. C. Slonczewski, Phys. Rev. B39, 6995 (1989) 참조). 나노미터 두께의 터널베리어를 균일하게 증착하기 위해서는 하부전극의 표면조도(surface smoothness)를 열처리 전 뿐만 아니라 열처리 후에도 매우 부드럽게 해야만 한다. 매우 부드러운 계면을 만들어 하지층 효과를 중시하고자 일반적으로 사용된 탄탈륨(Ta) 대신에 비정질 필름을 사용하였다. 비정질재료는 결정입계가 없어서 표면조도가 양호할 뿐만 아니라 내부확산에 대한 저항성(interdifffusion resistance)을 가진다. 많은 비정질 재료 중에서 열적안정성(thermal stability)과 표면 조도가 좋은 재료를 자기터널접합의 하지층으로 사용하면 좋은 효과가 기대된다. 더불어 전기적 비저항이 낮은 재료를 선택하면 자기터널접합의 전체 저항값을 낮출 수 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여,

본 발명은 자기터널접합의 표면조도가 높은 자기터널접합을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 자기저항의 온도의존성이 낮은 자기터널접합을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기저항비가 높은 자기터널접합을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 상기 자기터널접합의 하부 전극의 하지층으로서 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조이다.

또한, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 하부 전극의 하지층으로서 사용되는 코발트-나이오븀-지르코늄 합금의 조성이 Co_85.5Nb₈Zr_6.5임을 특징으로 하는 자기터널접합구조이다.

또한, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 상기 자기터널접합의 하부 전극의 하지층과 버퍼층으로 각각 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 코발트-철 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조이다.

또한, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 각각 하부 전극의 하지층과 버퍼층으로 사용되는 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 코발트-철 합금의 두께가 각각 4 nm, 10 nm 임을 특징으로 하는 자기터널접합구조이다.

도 1은 하지층의 재료와 열처리조건에 따른 자기터널접합의 자기저항비, 저항 및 인가전압(bias voltage)의 변화를 나타내는 도면

도 2는 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합과 탄탈륨을 하지층으로 한 자기터널접합의 X선 패턴

도 3은 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합의 오제 전자 분광 분석 결과를 나타내는 도면

도 4는 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합(코발트-나이오븀-지르코늄 층의 두께가 몇 가지 종류임)과 코발트-철 층의 의 온도변화에 따른 터널자기 저항비를 나타내는 도면

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

위에 언급한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 많은 비정질 재료 중에서 열적안정성(thermal stability)과 표면 조도가 좋은 물리적 성질을 갖는 CoNbZr을 (E.-H. Kim, Y. K. Kim, and S.-R. Lee, J. of Magn. Magn. Mater.233, L142 (2001), H. G. Cho, Y. K. Kim, and S. -R. Lee, J. Appl. Phys. 91, 8581 (2002) 참조) 자기터널접합의 하지층으로 사용하였다. 여기에는 CoNbZr이 Ta보다 전기적 비저항이 낮아 (80 vs. 270 mΩcm, 10 nm 두께에서) 자기터널접합의 전체저항값을 낮출 수 있다는 점도 고려하였다. 본 발명에서는 CoNbZr을 사용한 새로운 자기터널접합의 자기저항과 열적거동을 확인하였으며, 증착후 열처리공정에 따라 본 발명에 따른 자기터널접합구조의 열적안정성을 이해하고자 하였다.

본 발명의 실험절차에서 사용된 본 발명의 자기터널접합의 구조인 SiO₂/ CoNbZr (2 nm) / CoFe(8 nm) / IrMn (7.5 nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) +oxidation / CoFe(3 nm) / CoNbZr(2 nm) 구조의 터널접합과 기존의 자기터널접합구조인 SiO₂/ Ta (2 nm) / CoFe(8 nm) / IrMn (7.5 nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) + oxidation / CoFe(3 nm) / Ta(2 nm) 구조의 터널접합은 4-target rf magnetron sputtering 시스템을 사용하여 제작하였고, 제작시의 진공도는 5 ×10^-7torr 이하로 유지되는 환경이다. 코발트-나이오븀-지르코늄(CoNbZr)층은 Co target에 Nb과 Zr 칩을 붙여서 CoNbZr 필름을 제작하였고 CoNbZr 필름의 조성은 energy dispersive x-ray spectroscopy를 이용하여 확인하였다. 개구부의 면적이 200 ×200㎛²인 금속 새도우 마스크를 이용하여 접합이 페터닝되었다. 터널베리어는 1.6 nm 두께를 갖는 알루미늄(Al)을 rf 플라즈마 환경에서 산화시켜 제작하였다. 이때 산소는 100 mTorr의 분압에서 40 sccm로 흘려주었고 알루미늄을 산화시키기 위한 파워밀도는 3.44 watt/cm²이다. 열처리는 300℃, 5 ×10^-6torr, 500 Oe의 자기장을 가한 상태에서 실시하였고 온도는 2.5℃/s로 증가시키고 1℃/s로 감소시켰다. 온도의존성은 크라이오제닉 디워(cryogenic dewar)를 이용하여 10 K ≤ T ≤300 K의 범위에서 측정하였다. 필름의 표면조도와 결정구조는 각각 AFM과 XRD를 이용하였고 내부확산은 AES를 이용하여 확인하였다.

본 발명의 자기터널접합구조는 SiO₂/ CoNbZr (2 nm) / CoFe(8 nm) / IrMn (7.5 nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) + oxidation/ CoFe(3 nm) / CoNbZr(2 nm)인데, 여기에서 Al + oxidation은 Al₂O₃층을 의미하며 이 층의 상하부에 있는 CoFe는강자성체이다. 자기터널접합에서 강자성체로는 NiFe 또는 CoFeB등이 사용되기도 한다. CoFe 하부에 있는 IrMn은 핀드층(pinned layer)이며 그 밑의 CoFe는 버퍼층(buffer layer)이다. 그 밑의 CoNbZr이 하지층으로 작동한다.

도 1은 하지층의 재료와 열처리조건에 따른 자기터널접합의 자기저항비, 저항 및 인가전압(bias voltage)의 변화 나타내는 도면이다. 여기에서 V_h는 전압을 인가하지 않았을 때의 자기저항비가 반으로 되는 전압값이다. 열처리전 상태에서 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합이 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합보다 상온에서 낮은 자기저항비를 나타낸다 (11% vs. 15%). 300°C에서 10분간 열처리를 한 경우에는 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합이 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합보다 높은 자기저항비를 나타낸다. 2가지 자기터널접합의 결정화도를 비교하기 위하여 도 2에 XRD 형상을 나타내었다. 즉, 도 2는 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합과 탄탈륨을 하지층으로 한 자기터널접합의 X선 패턴을 나타낸다. 도 2에서 명백히 알수있듯이 CoNbZr을 하지층으로 사용하면 CoNbZr의 비정질 특성에 의하여 결정화도의 발달이 제한을 받게 된다. 도 1에 나타난 바와 같이 300℃, 10분 열처리를 하면 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합의 자기저항비는 11%에서 17%로 향상되고 저항값은 115 Ω에서 84 Ω으로 감소하였다. 그러나 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 같은 열처리조건에서 베리어의 불연속에 의해 전기적인 단락이 발생하여 의미있는 실험값을 나타내지 못하였다. CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합의 자기저항비의 향상은 하부 강자성체 계면 일부의 특성이 향상되었기 때문이다(S. S. P. Parkin, K. P. Roche, M. G. Samant, P. M. Rice, R. B. Beyers, R. E. Scheuerlein, E. J. OSullivan, S. L. Brown, J. Bucchigano, D. W. Abraham, Y. Lu, M. Rooks, P. L. Trouilloud, R. A. Wanner, and W. J. Gallagher, J. Appl. Phys.85, 5828 (1999).참조). 이 시편을 300℃, 30분 열처리를 하면 10분 열처리 시편에 비해 자기저항비의 감소가 나타난다(도1에 도시된 결과임).

도 3은 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합의 오제 전자 분광 분석 결과를 나타내는 도면이다. 내부확산을 확인하기 위하여 조성분석 오제 전자 분광 분석 (AES) 깊이-프로파일(depth-profiling)을 사용하였다. 그러나 0~30분 열처리된 시편은 측정장비 분해능의 한계로 특별한 변화를 확인할 수 없어서 열처리 시간을 360분으로 의도적으로 증가시킨 경우의 데이터를 표시하였다. 도 3에 나타난 바와 같이 반강자성체 IrMn의 Mn이 CoFe 고정층뿐만 아니라 AlOx 베리어까지 내부확산이 발생한 사실을 알 수 있다(S. Cardoso, R. Ferreira, P. P. Freitas, P. Wei, and J. C. Soares, Appl. Phys. Lett.76, 3792 (2000) 참조). 이로 인해 작은 양의 내부확산이 30분 열처리된 시편의 자기저항비의 감소를 유발시킨다. CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 더 좋은 V_h(300℃, 10분 열처리된 시편 : 325 mV) 특성을 나타내고 V_h값이 온도증가에 따라 점차적으로 증가함을 알 수 있었다 다만, 그 원인은 아직까지 밝혀지지 않았다. CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합의 또 하나의 특성은 자기저항비의 온도의존성과 저항값 변화의 온도의존성이 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합에 비해 덜 민감하다는 것이다. 2가지 시편에서 모두 같은 두께의 CoFe 층이 고정층과 자유층으로 사용되었기 때문에 같은 온도의존성을 가지리라 기대하였는데 서로 다른 온도의존성을 나타나는 이유는 표면조도의 차이라고 판단하였으며, 이러한 판단을 확인하기 위하여 알루미나 베리어까지 모든 층을 제작하여 AFM으로 표면조도를 측정하였다.

표 1은 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합과 탄탈륨을 하지층으로 한 자기터널 접합의 열처리에 따른 표면조도를 나타낸다. CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합이 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합에 비해 낮은 root-mean-square 표면조도를(0.12 vs. 0.26 nm) 가짐을 알 수 있었으며, 또 하나의 중요한 양상은 300℃, 10분 열처리에 의해 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 표면조도가 거의 변하지 않지만(0.12 vs 0.16 nm) Ta를 하지층으로 사용한 시편은 매우 나빠지게(0.26 vs 0.34 nm) 된다. 따라서 베리어까지 좋은 표면조도를 가지면 온도의존성을 커지는 것을 피할 수 있는 장점을 가지게 된다. 여기서 CoNbZr을 덮게층으로 사용한 상부전극의 계면구조는 별로 중요하지 않다.

도 4는 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합(코발트-나이오븀-지르코늄 층의 두께가 몇 가지 종류임)과 코발트-철 층의 의 온도변화에 따른 터널자기 저항비를 나타내는 도면이다. 도 4의 (a), (b), (c), (d)는 하부전극 CoNbZr x(nm)/CoFe y(nm)의 구성에서 x/y가 각각 (a) 2/8, (b)2/10, (c)2/17, (d)4/10 (nm) 인 경우를 나타낸다. 즉, 각 층의 두께효과를 관찰하기 위해 두께비가 여러 가지인 CoNbZr x(nm)/CoFe y(nm)의 하부전극을 가진 자기터널접합을 제작하여 온도변화에 따라 자기저항비가 어떠한 변화를 보이는 가를 나타내었다. 비록 버퍼층(buffer layer) CoFe의 두께가 증가되더라도 결정구조의 발달은 여전히 제한되어짐을 알 수 있다(결과치를 나타내지는 않음). 도 4에 나타나듯이 하부전극의 두께를 변화시킨 결과 보면, 열처리후에 버퍼(buffer) 층의 두께가 10 nm 일때까지는 자기저항비가 증가하지만 버퍼(buffer) 층의 두께가 17 nm가 되면 자기저항비가 감소한다. 이러한 이유는 버퍼(buffer) 층의 두께가 너무 두꺼우면 매우 얇은 터널 베리어로는 완벽하게 감싸지 못하기 때문이다. 이때 버퍼(buffer) 층의 두께가 적절히 선택되면 도 4(d)에서와 같이 실온에서 자기저항비가 32%까지 된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서 바람직한 실시예 등을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

비정질 CoNbZr로 구성된 자기터널접합의 특징을 관찰하였다. Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합과는 달리 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 결정구조가 잘 발달되지 않는다. CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합을 300℃, 10분 열처리하면 자기저항비의 증가와 저항값의 감소를 나타낸다. 그러나 30분 열처리에 의하여 내부확산에 의하여 자기저항비가 감소한다. 얇은 CoNbZr을 사용하면 하부 전극의 계면이 매우 좋은 표면조도를 가져 터널자기저항비의 온도의존성을 감소시키는데 매우 좋다. 그리고 하부전극의 두께를 변화시켜 32%의 자기저항비를 가지게 되었다.

Claims

절연층을 두고 상기 절연층의 상부와 하부에 강자성체를 갖는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서,

상기 자기터널접합의 상기 하부 강자성체의 하부전극을 구성하는 하지층으로 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
제 1항에 있어서,

상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로 사용하는 자기터널접합구조를 300℃, 10분 열처리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
절연층을 두고 상기 절연층의 상부와 하부에 강자성체를 갖는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서,

상기 자기터널접합의 상기 하부 강자성체의 하부전극을 구성하는 하지층과 버퍼층으로서 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 코발트-철 합금층을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
제 3항에 있어서,

상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 코발트-철 합금의 두께가 각각 4 nm과 10 nm 임을 특징으로 하는 자기터널접합구조.