KR20040105187A - 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합 - Google Patents

비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합 Download PDF

Info

Publication number
KR20040105187A
KR20040105187A KR1020030036489A KR20030036489A KR20040105187A KR 20040105187 A KR20040105187 A KR 20040105187A KR 1020030036489 A KR1020030036489 A KR 1020030036489A KR 20030036489 A KR20030036489 A KR 20030036489A KR 20040105187 A KR20040105187 A KR 20040105187A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetic tunnel
tunnel junction
layer
conbzr
cobalt
Prior art date
Application number
KR1020030036489A
Other languages
English (en)
Inventor
김영근
전병선
추인장
이성래
Original Assignee
학교법인고려중앙학원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 학교법인고려중앙학원 filed Critical 학교법인고려중앙학원
Priority to KR1020030036489A priority Critical patent/KR20040105187A/ko
Priority to PCT/KR2004/000909 priority patent/WO2004109820A1/en
Publication of KR20040105187A publication Critical patent/KR20040105187A/ko

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3909Arrangements using a magnetic tunnel junction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H10N50/85Magnetic active materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

자기터널접합에서 하지층(underlayer) 효과를 향상시키기 위하여 하지층으로 Co85.5Nb8Zr6.5 (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 터널배리어(Al산화층)에서 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.
반강자성체 IrMn 의 Mn이 하부 강자성체 전극방향으로 내부 확산하는 것을막기(줄이기) 위하여 하지층이나 버퍼층에 나노산화층(Nano-Oxide Layer: NOL)을 삽입시켰다.

Description

비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을 사용한 자기터널접합 {Magnetic tunnel junctions incorporating amorphous CoNbZr alloys and nano-oxide layers}
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 나타내는 박막 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)를열처리 전 뿐만 아니라 열처리 후에도 매우 부드럽게 해야만 한다.
매우 부드러운 계면을 만들어 하지층 효과를 중시하고자 일반적으로 사용된 탄탈륨(Ta) 대신에 비정질 박막을 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 저항 값을 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 낮은 자기터널접합을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 상기 자기터널접합의 하부 전극의 하지층으로서 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는자기터널접합구조이다.
또한, 본 발명은 강자성체사이에 절연층을 두는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서, 하부 전극의 하지층으로서 사용되는 코발트-나이오븀-지르코늄 합금의 조성이 Co85.5Nb8Zr6.5 임을 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 층과 코발트-철 층의 두께가 몇 가지 종류임 )의 온도변화에 따른 터널자기 저항비를 나타내는 도면
도 5는 나노산화층을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우의 CoNbZr 기반의 자기터널접합에서 Mn의 오제이 전자 분광분석(AES) 형상을 나타내는 도면
도 6은 하지층으로 Ta를 사용한 자기터널접합, CoNbZr을 사용한 자기터널접합 및 의도적으로 표면을 거칠게 만든 CoNbZr을 사용한 자기터널접합의 온도에 따른 인가접압(Vh)의 변화를 나타내는 도면
도 7은 (a)CoNbZr-기반 자기터널접합의 경우 (b)의도적으로 표면을 거칠게 한 CoNbZr-기반 자기터널접합의 경우 (c)Ta-기반 자기터널접합의 경우의 I-V 곡선을 나타내는 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과같다.
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 CoNbZr이Ta보다 전기적 비저항이 낮아 (80 vs. 270 mΩcm, 10 nm 두께에서) 자기터널접합의 전체 저항 값을 낮출 수 있다는 점도 고려하였다. 본 발명에서는 CoNbZr을 사용한 새로운 자기터널접합의 자기저항, 바이어스 전압과 열적거동을 확인하였으며, 증착 후 열처리공정에 따라 본 발명에 따른 자기터널접합구조의 열적안정성을 살펴보았다.
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 Al2O3 층을 의미하며 이 층의 상하부에 있는 CoFe는 강자성체이다. 자기터널접합에서 강자성체로는 NiFe 또는 CoFeB등이 사용되기도 한다. Al2O3 층의 하부의 강자성체 CoFe는 핀드층(pinned layer)이며, 그 하부에 있는 반강자성체 IrMn은 피닝층(pinning layer)이다. IrMn 하부의 CoFe는 버퍼층(buffer layer)이며, 그 밑의 CoNbZr이 하지층으로 작동한다. Al2O3 층 위의 CoFe 층은 자유층(free layer)이다.
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 ×10-7 torr 이하로 유지되는 환경이다. SiO2 는 약 200Å의 두께이다. 여기에 사용된 코발트-나이오븀-지르코늄(CoNbZr)층의 조성은 Co85.5Nb8Zr6.5 이며, 코발트-철(Co-Fe)층의 조성은 Co90Fe10이며, 철-망간(Ir-Mn)층의 조성은 Ir20Mn80 이다.
코발트-나이오븀-지르코늄(CoNbZr)층은 Co target에 작은 Nb과 Zr 칩을 붙여서 요구되는 조성의 CoNbZr 박막을 제작하였고 CoNbZr 박막의 조성은 energy dispersive x-ray spectroscopy를 이용하여 확인하였다. 개구부의 면적이 200 ×200㎛2인 금속 새도우 마스크를 이용하여 접합을 패터닝하였다. 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/cm2 이다. 나노산화층(NOL)은 하지층인 CoNbZr이나 버퍼층인 CoFe층을 5mTorr의 산소 부분압에서 산화시켜 형성한다. 열처리는 300℃온도, 5 ×10-6 torr 진공도, 500 Oe의 자기장을 가한 상태에서 실시하였다. 열처리에서 온도상승은 2.5℃/s 속도로 증가시키며 온도 하강은 1℃/s 속도로 감소시켰다. 온도의존성은 크라이오제닉 디워(cryogenic dewar)를 이용하여 10 K ≤ T ≤300 K의 범위에서 측정하였다. 박막의 표면조도와 결정구조는 각각 AFM(atomic force microscopy)과 XRD(x-ray diffraction)를 이용하여 확인하였다. 내부확산 거동(interdiffusion behavior)은 AES(auger electron spectroscopy)를 이용하여 확인하였다.
도 1은 하지층의 재료와 열처리조건에 따른 자기터널접합의 자기저항비, 저항 및 인가전압(bias voltage)의 변화를 나타내는 도면이다. 위에서 본 바와 같이 본 발명의 자기터널접합구조는 SiO2 / CoNbZr (2 nm) / CoFe(8 nm) / IrMn (7.5nm) / CoFe(3 nm) / Al(1.6 nm) + oxidation/ CoFe(3 nm) / CoNbZr(2 nm)이며, 여기에서 Al + oxidation은 Al2O3 층 하부의 강자성체 CoFe는 핀드층(pinned layer)이며, 그 하부에 있는 반강자성체 IrMn은 피닝층(pinning layer)이고, IrMn 하부의 CoFe는 버퍼층(buffer layer)이며, 그 밑의 CoNbZr이 하지층 인데, 이 하지층으로 CoNbZr을 사용하여 자기저항비, 저항 및 인가전압의 변화를 알아 본 것이다.
여기에서 인가전압 Vh는 전압을 인가하지 않았을 때의 자기저항비가 반으로 되는 전압 값이다. 열처리 전 상태에서 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합이 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합보다 상온에서 낮은 자기저항비를 나타낸다 (11% vs. 15%). CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합이 더 낮은 자기저항비를 나타내는 것은 결정질이 덜 발달되었기(poorly developed crystal structure) 때문으로 보인다. 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 알 수 있듯이 CoNbZr을 하지층으로 사용하면 CoNbZr의 비정질 특성에 의하여 결정화도의 발달(development of crystallinity)이 제한을 받게 된다.
도 1에 나타난 바와 같이 300℃, 10분 열처리를 하면 CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합의 자기저항비는 11%에서 17%로 향상되고 저항값은 115 Ω에서84 Ω으로 감소하였다. 그러나 Ta을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 같은 열처리조건에서 배리어(barrier)의 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 오제이 전자 분광분석 (AES) 깊이-형상법(depth-profiling)을 사용하였다. 그러나 0 ~ 30분 열처리된 시편은 측정 장비 분해능의 한계로 특별한 변화를 확인할 수 없어서 열처리 시간을 360분으로 의도적으로 증가시킨 경우의 데이터를 표시하였다. 도 3에 나타난 바와 같이 반강자성체 IrMn의 Mn이 CoFe 고정층(pinned layer)뿐만 아니라 AlOx 배리어(barrier)까지 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). 작은 양의 내부확산이 있는 경우에도 30분 열처리된 시편의 자기저항비의 감소를 유발시킨다.
CoNbZr을 하지층으로 사용한 자기터널접합은 더 좋은 Vh (300℃, 10분 열처리된 시편 : 325 mV) 특성을 나타내고 Vh 값이 온도증가에 따라 점차적으로 증가함을 알 수 있었다.
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 고정층(pinned layer)과 자유층(free layer)으로 사용되었기 때문에 같은 온도의존성을 가지리라 기대하였는데 서로 다른 온도의존성을 나타나는 이유는 표면조도의 차이라고 판단하였으며, 이러한 판단을 확인하기 위하여 알루미나 배리어까지 모든 층을 제작하여 원자힘 현미분석법(AFM)으로 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 배리어까지 좋은 표면조도를 가지면 온도의존성을 커지는 것을 피할 수 있는 장점을 가지게 된다. 여기서 CoNbZr 덮개층을 포함하는 상부전극의 계면구조는 별로 중요하지 않다.
도 4는 코발트-나이오븀-지르코늄을 하지층으로 한 자기터널접합(코발트-나이오븀-지르코늄 층과 코발트-철 층의 두께가 몇 가지 종류임)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 결과를 보면, 열처리후에 버퍼(buffer) 층의 두께가 10 nm 일 때 까지는 자기저항비가 증가하지만 버퍼(buffer) 층의 두께가 17 nm가 되면 자기저항비가 감소한다. 이러한 이유는 버퍼(buffer) 층의 두께가 너무 두꺼우면 매우 얇은 터널 배리어로는 완벽하게 감싸지 못하기 때문이다. 이때 버퍼(buffer) 층의 두께가 적절히 선택되면 도 4(d)에서와 같이 실온에서 자기저항비가 32%까지 된다.
도 5는 나노산화층(NOL: nano-oxide layer)을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우의 CoNbZr 기반의 자기터널접합에서 Mn의 AES 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 5의 상단에는 자기터널접합의 층의 구조를 표시하였다. 반강자성체 IrMn의 Mn이 하부 CoFe 고정층(pinned layer)과 터널배리어(Al2O3)로 내부확산하는 것을 방지하기 위하여 버퍼층 CoFe층에 얇은 산화층(수 Å ~ 수십 Å 두께)을 형성한다. 하지층 CoNbZr층 또는 버퍼층 CoFe층을 형성한 후 스퍼터링을 멈추고 산소를 수초동안 챔버(chamber)에 주입하여 하지층 CoNbZr층 또는 버퍼층 CoFe층에 나노산화층을 형성하였다. 이는 산화층의 산소가 Mn의 확산에 대해 높은 화학적 전위(potential)을 제공하기 위함이다. 이렇게 함으로써 도 5에서 알 수 있듯이 반강자성체 IrMn 층의 Mn은 버퍼층인 CoFe측과 고정(pinned)층인 CoFe층으로 내부확산하지만 터널배리어층으로는 확산하지 않는다. 나노산화층이 없는 자기터널접합에서는 IrMn층의 Mn이 고정층인 CoFe층과 터널배리어층으로는 내부확산하지만 버퍼층인 CoFe층으로는 확산하지 않는다. 나노산화층을 가진 자기터널접합은 350℃까지 열적으로 안정성을 보인다 자기저항비는 실온(room temperature)에서는 20%이고, 350℃에서는 8%이다.
도 6은 하지층으로 Ta를 사용한 자기터널접합과 하지층으로 CoNbZr을 사용한 자기터널접합 및 의도적으로 표면을 거칠게 만든 하지층으로 CoNbZr 사용한 자기터널접합의 온도에 따른 인가접압(Vh)의 변화를 나타내는 도면이다. 자기터널접합에서 자기저항비의 인가전압 의존성은 금속 입자(particles), 마그논(magnons), 자기적 불순물(magnetic impurities)등에 영향을 받는다J.S. Moodera and G. Mathon, J. Magn. Mater. 200, 248(1999). 도 6에서는 터널베리어의 표면거칠기(표면조도)에 따라 온도에 따른 인가전압 Vh ( 자기저항값이 전압이 인가되지 않았을 때의 반이 되는 전압값 )의 변화를 나타낸 것이다. CoNbZr-기반(based) 자기터널접합은 Ta-기반(based) 자기터널접합보다 양호한 Vh 특성을 나타낸다. 또한, 온도가 상승함에 따라 Ta-기반 자기터널접합에서는 Vh 가 거의 변화없지만 CoNbZr-기반(based)자기터널접합에서는 Vh 가 증가한다. 인가접압 특성에 대한 표면거칠기(표면조도)에 따른 영향을 알아보기 위하여 CoNbZr 하지층 만을 Ar 가스 10 mTorr 기압하에서 증착한다. 이 경우 터널배리어의 표면에서 측정한 거칠기는 0.18nm 이다. 증착된 상태에서 표면이 거친 CoNbZr-기반 자기터널접합은 10K 에서 151 mV의 Vh 값을 나타내며, 온도가 증가함에 따라 증가하여 300K 에서 270mV까지 증가한다. 표면이 거친 CoNbZr-기반 자기터널접합이 표면이 거칠지 않은 CoNbZr-기반 자기터널접합보다 Vh 값이 작으며 온도에 따른 증가속도도 작다.
도 7은 (a)CoNbZr-기반 자기터널접합의 경우, (b)의도적으로 표면을 거칠게 한 CoNbZr-기반 자기터널접합의 경우, (c)Ta-기반 자기터널접합의 경우의 I-V 곡선을 나타내는 도면이다. 곡선들은 인가전압 방향에 따라 대칭이거나 반대 대칭이다. 즉, 상부전극에서 하부전극으로 전압이 인가되는 경우에는 순방향이고, 하부전극에서 상부전극으로 전압이 인가되는 경우에는 역방향이다. 도 7(a)와 (b)에서 보는 바와 같이, CoNbZr-기반 자기터널접합은 거의 대칭적인 I-V곡선을 보인다. 그러나, Ta-기반 자기터널접합은 비대칭 곡선을 나타낸다. 표면이 거친 접합에서는 계곡(valley)영역과 하부전극의 상부영역에는 각각 산화되지 않은 잔류 Al 그리고/또는 자기적 불활성영역이 존재할 수 있다S. Zhang, P.M. Levy, A.C. Marley, and S.S.P. Parkin, Phys. Rev. Lett. 79, 3744(1997). 따라서 표면이 거친 접합에서는 I-V 곡선이 전압이 높은 영역에서 더 비대칭이 된다. 순방향 전압인가의 경우 샘플 (a),(b) 및 (c)의 파괴전압(breakdown voltage)은 각각 1.04V, 0.92V 및 0.87V 이다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서 바람직한 실시예 등을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 30분간 열처리를 하면 의하여 층간 내부확산에 의하여 자기저항비가 감소한다. 얇은 CoNbZr을 사용하면 하부 전극의 계면이 매우 낮은 표면조도를 가져 터널자기저항비의 온도의존성을 감소시키는데 매우 좋다. 그리고 하부전극의 두께를 변화시켜 32%의 자기저항비를 가지게 되었다. 버퍼층 CoFe층 또는 하지층 CoNbZr층에 나노산화층(NOL)을 형성하여 나노산화층을 포함하는 자기터널접합은 350℃까지 열적 안정성을 보여 Mn의 내부확산이 방지된다. 인가전압 거동이 표면거칠기에 따라 영향을 받음을 알 수 있다. 결국, 표면조도를 향상시키기 위하여 하지층으로 비정질 CoNbZr 층을 사용하면 열적특성과 인가전압특성이 향상됨을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 절연층을 두고 상기 절연층의 상부와 하부에 강자성체를 갖는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서,
    상기 자기터널접합의 상기 하부 강자성체의 하부전극을 구성하는 하지층으로 수 Å 내지 수십 Å 두께의 산화층을 가지는 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로 사용하는 자기터널접합구조를 300℃, 10분 열처리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  3. 절연층을 두고 상기 절연층의 상부와 하부에 강자성체를 갖는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서,
    상기 자기터널접합의 상기 하부 강자성체의 하부전극을 구성하는 하지층으로서 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하고, 버퍼층으로서 수 Å 내지 수십 Å 두께의 산화층을 가지는 코발트-철 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 코발트-철 합금의 두께가 각각 4 nm과 10 nm 임을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로 사용하는 자기터널접합구조를 300℃, 10분 열처리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  6. 절연층을 두고 상기 절연층의 상부와 하부에 강자성체를 갖는 구조를 가지는 자기터널접합에 있어서,
    상기 자기터널접합의 상기 하부 강자성체의 하부전극을 구성하는 하지층으로서 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 사용하고,
    상기 코발트-나이오븀-지르코늄 합금의 하지층 상부에 수 Å 내지 수십 Å 두께의 산화층을 가지는 CoFe 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 자기터널접합구조를 300℃, 10분 열처리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 자기터널접합구조.
KR1020030036489A 2003-06-05 2003-06-05 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합 KR20040105187A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030036489A KR20040105187A (ko) 2003-06-05 2003-06-05 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합
PCT/KR2004/000909 WO2004109820A1 (en) 2003-06-05 2004-04-21 MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS INCORPORATING AMORPHOUS CoNbZr ALLOYS AND NANO-OXIDE LAYERS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030036489A KR20040105187A (ko) 2003-06-05 2003-06-05 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20040105187A true KR20040105187A (ko) 2004-12-14

Family

ID=33509616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020030036489A KR20040105187A (ko) 2003-06-05 2003-06-05 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20040105187A (ko)
WO (1) WO2004109820A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10978637B2 (en) 2017-02-21 2021-04-13 SK Hynix Inc. Method for fabricating electronic device

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100988086B1 (ko) * 2003-11-14 2010-10-18 삼성전자주식회사 자기 모멘트가 낮은 프리 자성막을 구비하는 자기터널접합셀 및 이를 포함하는 자기램
US9385309B2 (en) 2014-04-28 2016-07-05 Qualcomm Incorporated Smooth seed layers with uniform crystalline texture for high perpendicular magnetic anisotropy materials
CN104483306A (zh) * 2014-12-26 2015-04-01 淄博广通化工有限责任公司 八水合二氯氧化锆产品中杂质含量测定的新方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0950608A (ja) * 1995-08-04 1997-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd スピンバルブ素子
TW367493B (en) * 1996-04-30 1999-08-21 Toshiba Corp Reluctance component
JP3291208B2 (ja) * 1996-10-07 2002-06-10 アルプス電気株式会社 磁気抵抗効果型センサおよびその製造方法とそのセンサを備えた磁気ヘッド
JP2000091667A (ja) * 1998-09-09 2000-03-31 Read Rite Smi Kk スピンバルブ磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10978637B2 (en) 2017-02-21 2021-04-13 SK Hynix Inc. Method for fabricating electronic device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004109820A1 (en) 2004-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1885006B1 (en) A novel capping layer for a magnetic tunnel junction device to enhance dR/R and a method of making the same
KR100875844B1 (ko) 고성능 자기 터널링 접합 mram을 제조하기 위한 새로운버퍼(시드)층
US6341053B1 (en) Magnetic tunnel junction elements and their fabrication method
US7379280B2 (en) Magnetic tunnel magneto-resistance device and magnetic memory using the same
US6756237B2 (en) Reduction of noise, and optimization of magnetic field sensitivity and electrical properties in magnetic tunnel junction devices
US7276384B2 (en) Magnetic tunnel junctions with improved tunneling magneto-resistance
US8337676B2 (en) Low resistance tunneling magnetoresistive sensor with natural oxidized double MgO barrier
US7986498B2 (en) TMR device with surfactant layer on top of CoFexBy/CoFez inner pinned layer
US7528457B2 (en) Method to form a nonmagnetic cap for the NiFe(free) MTJ stack to enhance dR/R
US7479394B2 (en) MgO/NiFe MTJ for high performance MRAM application
US6710986B1 (en) Tunneling magnetoresistive head and a process of tunneling magnetoresistive head
EP1607980A2 (en) A novel capping structure for enhancing dR/R of the MTJ device
US20060093862A1 (en) MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS WITH HIGH TUNNELING MAGNETORESISTANCE USING NON-bcc MAGNETIC MATERIALS
US20110063758A1 (en) Spin filter junction and method of fabricating the same
JP3593472B2 (ja) 磁気素子とそれを用いた磁気メモリおよび磁気センサ
US6445024B1 (en) Ramp-edge structured tunneling devices using ferromagnet electrodes
Moon et al. PtMn-based spin-dependent tunneling materials with thin alumina barrier fabricated by two-step natural oxidation
JP3496215B2 (ja) 強磁性トンネル接合素子の製造方法
KR20040105187A (ko) 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금과 나노산화층을사용한 자기터널접합
Schwickert et al. Magnetic tunnel junctions with AlN and AlNxOy barriers
Choi et al. Thermal stability of magnetic tunnel junctions with new amorphous ZrAl-alloy films as the under and capping layers
KR20040078183A (ko) 비정질 코발트-나이오븀-지르코늄 합금을 하지층으로사용한 자기터널접합
Chun et al. Characteristics of magnetic tunnel junctions consisting of amorphous CoNbZr layers
Chun et al. Magnetoresistance characteristics of magnetic tunnel junctions consisting of amorphous CoNbZr alloys for under and capping layers
JP2007221086A (ja) トンネル型磁気検出素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application