KR20090114682A - 자기터널접합 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고집적도(high density)를 갖는 자기터널접합 장치(Magnetic Tunnel Junction device, MTJ device)의 임계전류밀도(critical current density, Jc)를 감소시킬 수 있는 자기터널접합 장치에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 피닝막, 핀드막, 터널절연막 및 자유막을 포함하는 자기터널접합 장치에 있어서, 상기 핀드막 또는 상기 자유막 중 적어도 어느 하나는 질소(N)를 함유하는 강자성막(예컨대, NiFeN)으로 형성하는 것을 특징으로 하고 있으며, 본 발명에 따르면, 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시킬 수 있으며, 이를 통하여 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 구동전류밀도를 감소시킬 수 있다.
자기터널접합, NiFeN, 질소, 임계전류밀도
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고집적도(high density)를 갖는 자기터널접합 장치(Magnetic Tunnel Junction device, MTJ device)의 임계전류밀도(critical current density, Jc)를 감소시킬 수 있는 자기터널접합 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 장치가 고집적화됨에 따라 셀 면적 축소에 유리하고, 고속동작 및 비휘발성을 갖는 차세대 반도체 메모리 장치로서 자기 메모리 장치(Magnetic Random Access Memory, MRAM)가 주목받고 있다. 자기 메모리 장치는 스윗칭 동작을 수행하는 트랜지스터와 정보를 저장하는 자기터널접합 장치(Magnetic Tunnel Junction device, MTJ device)로 구성된다. 자기터널접합 장치는 두 개의 강자성막의 자화방향(magnetization direction)에 따라 자기저항비(magnetoresistance, MR)가 달라지는데, 이러한 자기저항비 변화에 따른 전압변화 또는 전류량의 변화를 이 용하여 자기터널접합 장치에 저장된 정보가 논리 "1" 또는 논리 "0"인지를 판별할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 자기터널접합 장치를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 자기터널접합 장치는 반강자성(antiferromagnetic) 물질로 이루어진 피닝막(pinning layer, 11), 강자성(ferromagnetic) 물질로 이루어지고 피닝막(11)에 의하여 자화방향이 고정된 핀드막(pinned layer, 12), 터널절연막(tunnel insulator, 13) 및 강자성 물질로 이루어지고 자화방향이 외부자극 예컨대, 스핀전달토크(Spin Transfer Torque, STT) 의하여 변화되는 자유막(free layer, 14)이 순차적으로 적층된 적층막으로 이루어진다.
상술한 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 성능 즉, 동작 속도(operation speed) 및 저장 용량(storage capacity)을 향상시키기 위해서는 자기터널접합 장치의 고집적화가 필수적으로 요구된다.
하지만, 종래기술에 따른 자기터널접합 장치는 집적도가 증가할수록 핀드막(12) 및 자유막(14)의 자구(Magnetic domain)크기가 작아지면서 포화자화율(Saturation Magnetization)이 증가한다. 이러한 포화자화율 증가는 자기터널접합 장치의 임계전류밀도(critical current density, Jc)를 증가시키는 문제점이 있다. 구체적으로, 자기터널접합 장치의 임계전류밀도가 증가할수록 자기터널접합 장치의 자기저항비를 변화시키기 위한 구동전류밀도(operation current density, Jo) 가 증가하고, 이로 인하여 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 소비전력이 증가하는 문제점이 발생한다.
또한, 자기터널접합 장치의 임계전류밀도가 증가함에 따라 요구되는 구동전류밀도를 제공하기 위해서는 트랜지스터의 크기 및 배선의 크기를 축소하기 어려워지며, 이로 인하여 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 집적도가 저하되는 문제점이 있다.
또한, 구동전류밀도의 증가는 자기 메모리 장치의 발열량 증가를 유발하여 장치의 열적 안정성을 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 자기터널접합 장치에서 피닝막(11)은 금속물질 또는 금속화합물질로 구성되는데, 공정간 200℃ 이상의 고온이 피닝막(11)에 가해질 경우, 피닝막(11)을 구성하는 금속원소들이 핀드막(12), 터널절연막(13) 및 자유막(14)으로 확산되고, 확산된 금속원소들은 이들을 오염시켜 자기터널접합 장치의 자기저항비 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고집적화된 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시킬 수 있는 자기터널접합 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명 다른 목적은 피닝막을 구성하는 물질의 확산으로 인하여 자기터널접합 장치의 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 자기터널접합 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 피닝막, 핀드막, 터널절연막 및 자유막을 포함하는 자기터널접합 장치에 있어서, 상기 핀드막 또는 상기 자유막 중 적어도 어느 하나는 질소(N)를 함유하는 강자성막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 자기터널접합 장치는 상기 핀드막 또는 상기 자유막 중 적어도 어느 하나는 강자성막과 질소를 함유하는 강자성막이 적층된 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 질소를 함유하는 강자성막은 NiFeN을 포함할 수 있으며, 상기 NiFeN 내 질소함량은 10% ~ 50% 범위를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 자기터널접합 장치는 상기 피닝막 아래에 형성된 버퍼막 및 상기 핀드막 상에 형성된 캡핑막을 더 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단을 바탕으로 하는 본 발명의 자기터널접합 장치는 핀드막 또는 자유막 중 적어도 어느 하나를 질소를 함유하는 강자성막으로 형성함으로써, 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 자기터널접합 장치는 질소를 함유하는 강자성막을 구비함으로써, 피닝막을 구성하는 물질의 확산으로 인한 자기터널접합 장치의 특성 열화를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 자기터널접합 장치는 임계전류밀도를 감소시킴으로써, 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 구동전류밀도를 감소시킬 수 있다. 이를 통하여 자기 메모리 장치의 소비전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 자기 메모리 장치를 구성하는 트랜지스터 및 배선의 크기를 감소시켜 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 자기 메모리 장치의 발열량을 감소시켜 장치의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
후술한 본 발명은 자기터널접합 장치의 고집적화에 따른 자기터널접합 장치(Magnetic Tunnel Junction device, MTJ device)의 임계전류밀도(critical current density, Jc) 증가를 억제할 수 있는 자기터널접합 장치를 제공한다. 이를 위하여 본 발명은 피닝막(pinning layer), 핀드막(pinned layer), 터널절연막(tunnel insulator) 및 자유막(free layer)을 포함하는 자기터널접합 장치에 있어서, 핀드막 또는 자유막 중 적어도 어느 하나가 질소(N)를 함유하는 강자성막 예컨대, NiFeN으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 핀드막 또는 자유막 중 적어도 어느 하나는 강자성막과 질소를 함유하는 강자성막이 적층된 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 자기터널접합 장치는, 피닝막/핀드막(NiFeN)/터널절연막/자유막, 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN)/터널절연막/자유막(NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막, 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막), 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막, 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN), 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN) 또는 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막) 중 선택된 어느 한 적층구조일 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에서는 상술한 다양한 구조들 중에서 피닝막/핀드막(NiFeN)/터널절연막/자유막 구조를 중심으로 본 발명의 특징에 대하여 설명한다. 이는 설명의 편의를 위한 것으로 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치를 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치는 피닝막(22), 핀드막(23), 터널절연막(24) 및 자유막(25)을 포함하고, 핀드막(23)은 질소(N)을 함유하는 강자성막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
피닝막(pinning layer, 22)은 핀드막(23)의 자화방향을 고정시키는 역할을 수행한다. 피닝막(22)은 반강자성(antiferromagnetic)을 갖는 금속물질 또는 금속화합물질로 형성할 수 있으며, 80Å ~ 200Å 범위의 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 피닝막(22)은 IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2 및 NiO으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다.
핀드막(pinned layer, 23)은 피닝막(22)에 의하여 자화방향이 고정되어 있으며, 통상적으로 강자성(ferromagnetic)을 갖는 금속물질 또는 금속화합물질로 형성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 핀드막(23)은 질소를 함유하는 강자성막으로 형성한다. 질소를 함유하는 강자성막으로는 NiFeN을 사용할 수 있으며, 핀드막(23)은 20Å ~ 80Å 범위의 두께를 가질 수 있다.
여기서, 핀드막(23)을 질소(N)를 함유하는 강자성막으로 형성함으로써, 핀드막(23)의 포화자화율(Saturation Magnetization)을 감소시킬 수 있으며, 이를 통하여 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 강자성막에 함유된 질소(N)는 강자성막 내 결정립(grain) 크기를 감소시키는 역할을 수행한다. 이때, 강자성막 내 결정립 크기가 감소할수록 막내 자구(Magnetic domain) 크기는 증가하기 때문에 강자성막의 포화자화율을 감소시킬 수 있다.
또한, 강자성막에 함유된 질소는 금속물질의 확산을 방지하는 확산베리어(diffusion barrier) 역할도 수행한다. 따라서, 자기터널접합 장치를 형성하는 과정에서 200℃ 이상의 고온이 피닝막(22)에 가해지더라도 피닝막(22)을 구성하는 금속원소들이 터널절연막(24) 및 자유막(25)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 질소를 함유하는 강자성막 예컨대, NiFeN에서 막내 질소함량은 10% ~ 50% 범위를 갖는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 막내 질소함량이 10% 이하일 경우 막내 결정립의 크기를 효과적으로 감소시킬 수 없기 때문이며, 막내 질소함량이 50% 이상일 경우, 막내 전하(charge) 터널링특성이 열화될 우려가 있기 때문이다.
자유막(free layer, 25)은 외부자극 예컨대, 스핀전달토크(Spin Transfer Torque, STT)에 의해 자화방향이 변화하며, 자유막(25)의 자화방향의 의하여 자기터널접합 장치의 자기저항비가 결정된다. 자유막(25)은 강자성(ferromagnetic)을 갖는 금속물질 또는 금속화합물질로 형성할 수 있으며, 10Å ~ 80Å 범위의 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 자유막(25)은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, NiFeB, CoFe, CoFeB, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막, 이들이 적층된 적층막 또는 이들과 루테늄막(Ru)이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다.
터널절연막(24)은 핀드막(23)과 자유막(25) 사이의 터널링장벽(tunneling barrier)으로 작용하며, 절연특성을 갖는 물질은 모두 사용할 수 있다. 예컨대, 터널절연막(24)은 마그네슘산화막(MgO), 알루미늄산화막(Al2O3), 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘질화산화막(SiON), 실리콘산화막(SiO2), 하프늄(Hf)을 포함하는 절연막 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 절연막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다. 하프늄을 포함하는 절연막으로는 하프늄산화막(HfO2)을 사용할 수 있고, 지르코늄을 포함하는 절연막으로는 지르코늄산화막(ZrO2)을 사용할 수 있다. 그리고, 터널절연막(24)은 7Å ~ 20Å 범위의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 자기터널접합 장치는 피닝막(22) 아래에 형성된 버퍼막(21) 및 자유막(25) 상에 형성된 캡핑막(26)을 더 포함할 수 있다.
버퍼막(21)은 피닝막(22)의 아래의 하부구조물과 피닝막(22) 사이의 계면특성을 개선하는 역할을 수행한다. 또한, 버퍼막(21)은 피닝막(22)을 형성하는 과정 에서 시드(seed)로 작용한다. 버퍼막(21)은 금속물질 또는 금속화합물 예컨대, 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화막(TaN), 백금(Pt), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 티타늄질화막(TiN), 텅스텐(W) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있으며, 30Å ~ 100Å 범위의 두께를 가질 수 있다.
캡핑막(26)은 공정상의 오류로 인하여 자유막(25)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 자유막(25)은 금속물질 또는 금속화합물질을 포함하는데, 공정상의 오류로 인하여 자유막(25)을 구성하는 물질이 산화 혹은 부식될 경우, 자기터널접합 장치의 자기저항비가 저하될 수 있다. 참고로, 자기저항비는 자기터널접합 장치가 고저항 상태일 때와 저저항 상태일 때의 저항차이를 저저항 상태일 때의 저항값에 대한 백분율로 정의한 값을 말한다. 캡핑막(26)은 금속물질 또는 금속화합물 예컨대, 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화막(TaN), 백금(Pt), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 티타늄질화막(TiN), 텅스텐(W) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있으며, 30Å ~ 100Å 범위의 두께를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 자기터널접합 장치는 핀드막(23)을 질소를 함유하는 강자성막으로 형성함으로써, 핀드막(23)의 포화자화율을 감소시킴과 동시에 피닝막(22)을 구성하는 금속물질이 터널절연막(24) 및 자유막(25)으로 확산하는 것을 방지할 수 있다.
이로써, 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시킬 수 있으며, 이를 통 하여 자기터널접합 장치를 구비하는 자기 메모리 장치의 구동전류밀도를 감소시킬 수 있다. 자기 메모리 장치의 구동전류밀도를 감소시킴으로써, 자기 메모리 장치의 소비전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 자기 메모리 장치를 구성하는 트랜지스터 및 배선의 크기를 감소시켜 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 자기 메모리 장치의 발열량을 감소시켜 자기 메모리 장치의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(미도시) 상부에 버퍼막(21)을 형성한다. 버퍼막(21)은 후속 공정을 통하여 형성될 피닝막(22) 아래의 하부구조물과 피닝막(22) 사이의 계면특성을 개선하는 역할을 수행함과 동시에 피닝막(22)을 형성하는 과정에서 시드(seed)로 작용한다.
버퍼막(21)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 사용하여 형성할 수 있다. 화학기상증착법으로 플라즈마화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 사용할 수 있고, 물리기상증착법으로는 스퍼터링법(Sputtering)을 사용할 수 있다. 버퍼막(21)은 금속물질 또는 금속화합물질 예컨대, 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화막(TaN), 백금(Pt), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 티타늄질화막(TiN), 텅스텐(W) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있으며, 30Å ~ 100Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
다음으로, 버퍼막(21) 상에 피닝막(22)을 형성한다. 피닝막(22)은 후속 공정 을 통하여 형성될 핀드막의 자화방향을 고정시키는 역할을 수행한다.
피닝막(22)은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 사용하여 형성할 수 있으며, 반강자성(antiferromagnetic)을 갖는 금속물질 또는 금속화합물질로 형성할 수 있다. 예컨대, 피닝막(22)은 IrMn, PtMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2 및 NiO으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있으며, 80Å ~ 200Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 피닝막(22) 상에 핀드막(23)을 형성한다. 핀드막(23)은 피닝막(22)에 의하여 자화방향이 고정된다. 핀드막(23)은 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 감소시키기 위하여 질소를 함유하는 강자성막으로 형성하는 것이 바람직하며, 20Å ~ 80Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 여기서, 질소를 함유하는 강자성막으로는 NiFeN을 사용할 수 있다.
구체적으로, 강자성막에 함유된 질소(N)는 강자성막 내 결정립(grain) 크기를 감소시키는 역할을 수행한다. 이때, 강자성막 내 결정립 크기가 감소할수록 막내 자구(Magnetic domain) 크기는 증가하기 때문에 강자성막의 포화자화율을 감소시킬 수 있다.
또한, 강자성막에 함유된 질소는 금속물질의 확산을 방지하는 확산베리어(diffusion barrier) 역할도 수행한다. 따라서, 자기터널접합 장치를 형성하는 과정에서 200℃ 이상의 고온이 피닝막(22)에 가해지더라도 피닝막(22)을 구성하는 금속원소들이 터널절연막 및 자유막으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 질소를 함유하는 강자성막 예컨대, NiFeN에서 막내 질소함량은 10% ~ 50% 범위를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 막내 질소함량이 10% 미만일 경우 막내 결정립의 크기를 효과적으로 감소시킬 수 없기 때문이며, 막내 질소함량이 50% 초과일 경우, 막내 전하(charge) 터널링특성이 열화될 우려가 있기 때문이다.
이하, 핀드막(23)을 NiFeN으로 형성하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 여기서, NiFeN은 공지된 다양한 반도체 제조기술을 활용하여 형성할 수 있는데 예를 들면 다음과 같다.
첫번째 방법은 NiFeN 타겟을 제조한 후, NiFeN 타켓을 이용한 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.
두번째 방법은 NiFe 타겟을 제조한 후, 질소분위기에서 NiFe 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.
세번째 방법은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 사용하여 NiFe를 형성한 후, 질소를 포함하는 가스를 이용한 플라즈마 처리(plasma treatment)를 실시하여 형성할 수 있다. 이때, 플라즈마 처리는 1mTorr ~ 100 Torr 범위의 압력 및 20W ~ 5kW 범위의 바이어스 파워(bias power)를 사용하여 실시할 수 있다. 질소를 포함하는 가스로는 질소가스(N2) 또는 암모니아가스(NH3)를 사용할 수 있다.
네번째 방법은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 사용하여 NiFe를 형성 한 후, 질소 이온주입을 실시하여 형성할 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 핀드막(23) 상에 터널절연막(24)을 형성한다. 터널절연막(24)은 핀드막(23)과 후속 공정을 통하여 형성될 자유막(25) 사이의 터널링장벽(tunneling barrier)으로 작용하며, 절연특성을 갖는 물질은 모두 사용할 수 있다. 터널절연막(24)은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 사용하여 형성할 수 있으며, 7Å ~ 20Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
여기서, 터널절연막(24)은 마그네슘산화막(MgO), 알루미늄산화막(Al2O3), 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘질화산화막(SiON), 실리콘산화막(SiO2), 하프늄(Hf)을 포함하는 절연막 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 절연막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다. 하프늄을 포함하는 절연막으로는 하프늄산화막(HfO2)을 사용할 수 있고, 지르코늄을 포함하는 절연막으로는 지르코늄산화막(ZrO2)을 사용할 수 있다.
다음으로, 터널절연막(24) 상에 자유막(25)을 형성한다. 자유막(25)은 외부자극 예컨대, 스핀전달토크(Spin Transfer Torque, STT)에 의해 자화방향이 변화한다. 즉, 자유막(25)의 자화방향의 의하여 자기터널접합 장치의 자기저항비가 결정된다.
자유막(25)은 강자성(ferromagnetic)을 갖는 금속물질 또는 금속화합물질로 형성할 수 있으며, 10Å ~ 80Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 예컨대, 자유막(25)은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, NiFeB, CoFe, CoFeB, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막, 이들이 적층된 적층막 또는 이들과 루테늄막(Ru)이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다.
다음으로, 자유막(25) 상에 캡핑막(26)을 형성한다. 캡핑막(26)은 공정상의 오류로 인하여 자유막(25)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행하는 것으로, 30Å ~ 100Å 범위의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 구체적으로, 자유막(25)은 금속물질 또는 금속화합물질을 포함하는데, 공정상의 오류로 인하여 자유막(25)을 구성하는 물질이 산화 혹은 부식될 경우, 자기터널접합 장치의 자기저항비가 저하될 수 있다.
캡핑막(26)은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법을 사용하여 금속물질 또는 금속화합물 예컨대, 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화막(TaN), 백금(Pt), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 티타늄질화막(TiN), 텅스텐(W) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 캡핑막(26) 상에 포토레지스트패턴(27)을 형성한 후, 포토레지스트패턴(27)을 식각장벽(eth barrier)으로 캡핑막(26), 자유막(25). 터널절연막(24), 핀드막(23), 피닝막(22) 및 버퍼막(21)을 순차적으로 식각하여 자기터널접합 장치를 완성한다.
자기터널접합 장치를 형성하기 위한 식각공정은 건식식각(dry etch)으로 진행할 수 있다. 식각가스로는 Cl2가스 또는 HBr가스를 단독으로 사용하거나, Cl2가스 와 HBr가스가 혼합된 혼합가스를 사용하여 실시할 수 있다. 그리고, 식각효율(예컨대, 식각속도)을 향상시키기 위한 첨가가스로 비활성가스 예컨대, 아르곤(Ar)가스를 사용할 수 있다.
한편, 포토레지스트패턴(27)은 식각과정이 모두 손실되거나, 별도의 제거공정 예컨대, 스트립공정을 실시하여 제거할 수 있다.
상술한 공정과정을 통하여 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치를 완성할 수 있다. 이때, 상술한 공정들은 엑시츄(ex-situ) 또는 인시츄(in-situ)로 진행할 수 있으며, 바람직하게는 외부 오염으로부터 자기터널접합 장치를 보호하기 위하여 인시츄로 진행하는 것이 좋다.
상술한 본 발명의 일실시예에서는 피닝막/핀드막(NiFeN)/터널절연막/자유막으로 이루어진 적층구조를 갖는 자기터널접합 장치에 대하여 설명하였다. 이외에도 본 발명은 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN)/터널절연막/자유막(NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막, 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막), 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막, 피닝막/핀드막/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN), 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN), 피닝막/핀드막(NiFeN/강자성막)/터널절연막/자유막(강자성막/NiFeN) 또는 피닝막/핀드막(강자성막/NiFeN)/터널절연막/자유막(NiFeN/강자성막) 중 선택된 어느 한 적층구조일 수 있다.
여기서, 핀드막 및 자유막이 모두 질소를 함유하는 강자성막으로 형성할 경 우, 이들 중 어느 하나가 질소를 함유하는 강자성막으로 형성된 구조보다 자기터널접합 장치의 임계전류밀도를 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 자기터널접합 장치를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 자기터널접합 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도.
*도면 주요 부분에 대한 부호 설명*
21 : 버퍼막 22 : 반강자성막
23 : 제1강자성막 24 : 터널절연막
25 : 제2강자성막 26 : 캡핑막
27 : 포토레지스트패턴
Claims (5)
- 피닝막, 핀드막, 터널절연막 및 자유막을 포함하는 자기터널접합 장치에 있어서,상기 핀드막 또는 상기 자유막 중 적어도 어느 하나는 질소(N)를 함유하는 강자성막으로 이루어진 자기터널접합 장치.
- 제1항에 있어서,상기 핀드막 또는 상기 자유막 중 적어도 어느 하나는 강자성막과 질소를 함유하는 강자성막이 적층된 적층막으로 이루어진 자기터널접합 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 질소를 함유하는 강자성막은 NiFeN을 포함하는 자기터널접합 장치.
- 제3항에 있어서,상기 NiFeN 내 질소함량은 10% ~ 50% 범위를 갖는 자기터널접합 장치.
- 제1항에 있어서,상기 피닝막 아래에 형성된 버퍼막; 및상기 핀드막 상에 형성된 캡핑막을 더 포함하는 자기터널접합 장치.
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| KR1020080040445A KR20090114682A (ko) | 2008-04-30 | 2008-04-30 | 자기터널접합 장치 |
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- 2008-04-30 KR KR1020080040445A patent/KR20090114682A/ko not_active Application Discontinuation
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