KR20110083404A - Method for fabricating perpendicular magnetic anisotropy cofeb films and magnetic random access memory fabricated using the same - Google Patents

Method for fabricating perpendicular magnetic anisotropy cofeb films and magnetic random access memory fabricated using the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating perpendicular magnetic anisotropy CoFeB films and magnetic random access memory fabricated using the same are provided to maintain improved vertical magnetic anisotropy by controlling the thickness of CoFeB magnetic layer to be 1.5~2nm. CONSTITUTION: In a method for fabricating perpendicular magnetic anisotropy CoFeB films and magnetic random access memory fabricated using the same, an CoFeB thin film is formed on a substrate and has thickness of 1.5~2nm. A Pd layer is formed on the top and the bottom of the CoFeB thin film. A substrate is selected among a silicon substrate, a glass substrates, a sapphire substrate, and a magnesium oxide substrate. Increasing Co proportion of Fe lowers saturation magnetization and to implement high vertical magnetic anisotropy.

Description

수직자기이방성을 가지는 코발트-철-보론 박막 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 자기 랜덤 액세스 메모리{METHOD FOR FABRICATING PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY CoFeB FILMS AND MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY FABRICATED USING THE SAME}METHODS FOR FABRICATING PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY CoFeB FILMS AND MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY FABRICATED USING THE SAME}

본 발명은 수직자기이방성을 가지는 CoFeB 박막 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 자기 랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로, 구체적으로는 CoFeB 박막의 수직자기이방성을 향상시키고 이를 이용하여 고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리를 제조하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a CoFeB thin film having perpendicular magnetic anisotropy and a magnetic random access memory manufactured using the same, and more particularly, to a technique for improving vertical magnetic anisotropy of a CoFeB thin film and manufacturing a high density magnetic random access memory using the same. It is about.

자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; 이하 MRAM)의 구동은 자화반전에 기반하게 되는데, 최근에는 전류를 이용한 자화반전(Current Induced Magnetization Switching, CIMS)이 고밀도 MRAM 구현에 적합한 것으로 증명되었다. The operation of magnetic random access memory (MRAM) is based on magnetization inversion, and recently, current induced magnetization switching (CIMS) has proved to be suitable for high density MRAM implementation.

자성박막에 전류를 인가하면 스핀토크(Spin-Transfer Torque; STT)가 발생하는데, CIMS는 이러한 스핀토크를 자화반전에 용이하게 이용할 수 있기 때문이다.Spin-Transfer Torque (STT) occurs when a current is applied to the magnetic thin film, because CIMS can easily use this spin torque to reverse magnetization.

아울러, 스핀토크를 이용한 자화반전은 기존의 자장을 이용한 자화 반전에 비하여 고집적화 및 넓은 쓰기 윈도우, 낮은 전력 소모 등 몇 가지 장점을 가지고 있다.In addition, magnetization inversion using spin torque has several advantages, such as high integration, wide write window, and low power consumption, compared to magnetization inversion using a conventional magnetic field.

지금까지의 연구는 평면자화형(In-plane Anisotropy) 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junctions (MTJs))을 이용한 연구가 주로 진행 되어왔으며, 최근에는 나노미터 단위의 자기 셀에서 열적 안정성을 유지하면서도 상대적으로 낮은 수MA/㎠의 임계전류 밀도(자화반전에 필요한 전류의 크기)가 얻어졌다.Until now, researches using In-plane Anisotropy Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) have been mainly conducted. In recent years, the thermal stability of nanometer magnetic cells has been relatively relatively maintained. A low critical current density (magnitude of current required for magnetization inversion) of several MA / cm 2 was obtained.

이와 같은 결과들은 대개 MgO막을 기반으로 한 3층 교환결합 구조의 자유층과 고정층을 이용한 구조들에서 얻어졌지만 상용화를 위한 고집적 MRAM의 구현에는 보다 낮은 임계전류 밀도(1MA/㎠ 이하)가 요구되고 있는 상황이다. These results are usually obtained from structures using free and fixed layers of three-layer exchange-bonded structures based on MgO films, but lower critical current densities (less than 1MA / cm 2) are required for high-density MRAM for commercialization. Situation.

이러한 점에서 수직자화형(Perpendicular Anisotropy) 자기터널접합(pMTJs)은 자화반전에 필요한 임계전류 밀도 값이 낮은 매우 큰 장점을 가지고 있다. 이때, 평면자화형 자기터널접합의 경우 자화반전시 반자장에 의한 2πMs (여기서 Ms는 포화자화) 크기의 토크가 추가적으로 필요하기 때문에 임계전류 밀도를 낮추는 것이 어렵다. In this regard, Perpendicular Anisotropy Magnetic Tunnel Junction (pMTJs) has a significant advantage of low critical current density value required for magnetization reversal. In this case, in the planar magnetization type magnetic tunnel junction, it is difficult to reduce the critical current density because additional torque of 2πMs (where Ms is saturated magnetization) due to the antimagnetic field is additionally required.

한편, 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)에서 전류를 이용한 자화반전(CIMS)이 실험적으로 보고되면서, 수직자기이방성의 구현을 위한 많은 노력들이 진행되고 있다. 이때, 적합한 수준의 수직자기이방성이 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)에 중요한 요소인 것은 분명하지만, 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)의 구현에는 추가적으로 높은 터널자기저항(TMR; tunneling magnetoresistance)이 필수적으로 요구되는 문제가 있다. 터널자기저항(TMR)은 두자화의 상대적인 방향, 즉 평행 혹은 반평행에 따라 전체 자기터널접합이 가지는 저항이 달라지는 현상을 말한다. 터널자기저항를 이용하면 특정 셀이 가지는 높은 혹은 낮은 저항 상태를 통해 메모리로서 0과 1을 정의하는 것이 가능해 진다.On the other hand, as the magnetization reversal (CIMS) using the current in the vertical magnetization magnetic tunnel junction (pMTJs) has been reported experimentally, a lot of efforts have been made to implement the perpendicular magnetic anisotropy. It is clear that a suitable level of magnetic anisotropy is an important factor for vertical magnetic tunnel junctions (pMTJs), but high tunneling magnetoresistance (TMR) is additionally required for the implementation of vertical magnetic tunnel junctions (pMTJs). There is an essential problem. Tunnel magneto-resistance (TMR) refers to the phenomenon that the resistance of the entire magnetic tunnel junction varies depending on the relative direction of the magnetization, ie parallel or anti-parallel. Tunnel magneto-resistance makes it possible to define 0s and 1s as memories through the high or low resistance state of a particular cell.

상기와 같은 터널자기저항을 고려할 때, 평면자화형 CoFeB/MgO/CoFeB 형태를 가지는 자기터널접합에서 높은 터널자기저항이 얻어지고 있는 것이 보고되고 있다. 따라서, 수직자기이방성을 가지는 CoFeB을 이용한 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)을 제조한다면 이는 고밀도 MRAM에 매우 유용할 것으로 생각되었다. In view of the above tunnel magnetoresistance, it is reported that a high tunnel magnetoresistance is obtained in a magnetic tunnel junction having a planar magnetization type CoFeB / MgO / CoFeB. Therefore, it is thought that this would be very useful for high density MRAM when manufacturing vertical magnetized magnetic tunnel junctions (pMTJs) using CoFeB having perpendicular magnetic anisotropy.

한편, Co/Pd, Co/Pt 등의 다층 박막이 수직자기이방성을 보이는 것으로 보고되고 있다. On the other hand, multilayer thin films such as Co / Pd and Co / Pt have been reported to exhibit perpendicular magnetic anisotropy.

그러나, 상기와 같은 다층박막의 대부분은 0.3 ~ 0.6 nm의 아주 얇은 자성막이 증착된 경우에만 강한 수직자기이방성이 발현되고 있다.However, most of the above multilayer thin films exhibit strong perpendicular magnetic anisotropy only when very thin magnetic films of 0.3 to 0.6 nm are deposited.

이러한 이유는 수직자기이방성의 발현이 표면/계면(surface/interface)에 기인하기 때문으로 이해되고 있다. 이러한 매우 얇은 자성막의 두께는 응용의 관점에서 매우 큰 문제가 된다. 구체적으로, 전류가 자성막을 통과 할 때 얇은 두께로 인해 완전한 스핀 분극이 일어나가 어렵고, 따라서 스핀 토크(STT)가 작아 자화반전(CIMS)에 필요한 임계전류 밀도가 높아질 것이기 때문이다.This reason is understood because the expression of perpendicular magnetic anisotropy is due to the surface / interface. The thickness of such a very thin magnetic film becomes a very big problem in terms of application. In particular, when the current passes through the magnetic film, it is difficult to achieve complete spin polarization due to the thin thickness, and therefore, the spin torque (STT) is small, and thus the critical current density required for the magnetization inversion (CIMS) will be increased.

따라서 수직자기이방성을 유지하되, 상대적으로 두꺼운 자성박막을 개발하는 것이 바람직하다. 이와 같은 동기로 인해 이미 1.5 ~ 2nm 두께의 Co를 포함하는 Pt/Co/oxide 와 oxide/Co/Pt 구조의 박막이 개발되었고, 이에 대한 수직자기이방성의 연구 결과가 보고된 바가 있다. Therefore, while maintaining the perpendicular magnetic anisotropy, it is desirable to develop a relatively thick magnetic thin film. Due to this motivation, thin films of Pt / Co / oxide and oxide / Co / Pt structures containing 1.5 to 2 nm thick Co have already been developed, and the results of the study of perpendicular magnetic anisotropy have been reported.

상기 Pt/Co/oxide 와 oxide/Co/Pt의 단위 구조에서 열처리 이후에 상대적으로 강한 수직자기이방성이 얻어 졌으며, 수직방향의 보자력(Hc)은 300 ~ 1500 Oe 정도였다. 이와 같은 큰 값은 물리적으로 Co가 산화막에 존재하는 산소와의 결합에 의한 것으로 해석되었다. In the unit structures of Pt / Co / oxide and oxide / Co / Pt, relatively strong perpendicular magnetic anisotropy was obtained after heat treatment, and the coercive force (Hc) in the vertical direction was about 300 to 1500 Oe. Such a large value was interpreted to be due to the physical coupling of Co to oxygen present in the oxide film.

그러나, 상기 연구 결과들은 고밀도 MRAM 구현을 위한 검증이 수행되지 않았으므로, 보다 중요한 결과는 고밀도 MRAM 구현에 필수적인 높은 터널자기저항(TMR)을 보여주는 MgO 산화막과 CoFeB 자성막에 기반을 둔 자기터널접합(MTJs)이라 할 수 있다. 상기와 같은 필요성이 대두되고 있음에도 불구하고, CoFeB 과 MgO를 이용한 수직자기이방성 연구에 대해서는 성공적인 보고 결과가 많지 않았다. However, since the above results are not verified for the implementation of high density MRAM, the more important result is the magnetic tunnel junction based on the MgO oxide and CoFeB magnetic films showing high tunnel magnetoresistance (TMR) which is essential for high density MRAM implementation. MTJs). Despite the necessity, there have not been many successful reports on vertical magnetic anisotropy studies using CoFeB and MgO.

그 중 한가지 결과로서, 상대적으로 강한(Hc=450 Oe) 수직자기이방성이 Pt/Co(0.5nm)/CoFeB(1nm)/MgO 구조에서 관찰 되었다. 다음으로, 상기의 Pt/Co(0.5 nm)/CoFeB(1nm)/MgO 구조보다 많이 약화된(Hc=50 Oe) 수직자기이방성을 가지는 MgO/CoFeB(1nm)/Pt 구조가 보고되었다. As one result, relatively strong (Hc = 450 Oe) perpendicular magnetic anisotropy was observed in Pt / Co (0.5nm) / CoFeB (1nm) / MgO structure. Next, an MgO / CoFeB (1nm) / Pt structure having perpendicular magnetic anisotropy (Hc = 50 Oe) weaker than the Pt / Co (0.5 nm) / CoFeB (1nm) / MgO structure was reported.

상기와 같은 단위 구조가 MgO 기반의 자기터널접합(MTJs) 구성에 사용될 수 있다고 하더라도, 1nm의 CoFeB은 여전히 얇은 두께인 것으로 판단되고 있다. Although the above unit structure can be used for the construction of MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs), it is judged that CoFeB of 1 nm is still thin.

따라서 완전한 스핀 분극이 일어나기 어렵고, 스핀 토크(STT)가 작아 자화반전(CIMS)에 필요한 임계전류 밀도가 증가하는 문제가 있다.Therefore, there is a problem in that complete spin polarization hardly occurs and the spin torque (STT) is small, so that the critical current density required for magnetization inversion (CIMS) increases.

또한 고밀도 MRAM을 구현하기 위한 자기 셀이 가지는 열적 안정성이 저하될 수 있다. 따라서 보다 두꺼운 CoFeB 박막에서 수직자기이방성의 크기를 보다 증가시킴으로써, MgO 기반의 자기터널접합(MTJs) 구조에 사용될 수 있는 자기 셀 단위 구조를 개발하는 것이 중요한 문제로 대두 되고 있으나, 아직까지 뚜렷한 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
In addition, thermal stability of a magnetic cell for implementing high density MRAM may be degraded. Therefore, the development of magnetic cell unit structure that can be used for MgO-based magnetic tunnel junction (MTJs) structure by increasing the magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy in the thicker CoFeB thin film has been a significant problem, but the results have not been clear yet. I'm not getting it.

본 발명은 수직자화형 자기터널접합(pMTJs) 구현을 위하여 CoFeB 자성층의 형성 두께를 1.5 ~ 2nm로 조절함으로써, 보다 향상된 수직자기이방성을 유지시킬 수 있도록 하는 코발트-철-보론 박막 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
The present invention is to adjust the formation thickness of the CoFeB magnetic layer to 1.5 ~ 2nm to implement a vertical magnetization type magnetic tunnel junction (pMTJs), cobalt-iron-boron thin film manufacturing method to maintain improved perpendicular magnetic anisotropy and using the same It is an object of the present invention to provide a high-density magnetic random access memory manufactured by using

본 발명에 따른 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법은 수직자기이방성을 가지는 CoFeB 박막을 제조하는데 있어서, 기판 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하되, 상기 CoFeB 박막의 상부 또는 하부에 Pd층을 형성하고, 열처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film according to the present invention, in forming a CoFeB thin film having vertical magnetic anisotropy, a CoFeB thin film having a thickness of 1.5 to 2 nm is formed on a substrate, and a Pd layer is formed on or below the CoFeB thin film. And performing a heat treatment process.

여기서, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 사파이어 기판 및 산화마그네슘 기판 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.Herein, the substrate may be selected from a silicon substrate, a glass substrate, a sapphire substrate, and a magnesium oxide substrate.

다음으로, 상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 일 실시예로 x=45~60, y=16~31, z=24인 것을 특징으로 하며, 다른 실시예로 x=43~58, y=15~30, z=27인 것을 특징으로 한다.Next, the CoFeB thin film is formed with the composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), but in one embodiment x = 45-60, y = 16-31, z = 24 In another embodiment, x = 43 ~ 58, y = 15 ~ 30, z = 27 is characterized in that.

그 다음으로, 상기 Pd층의 두께는 5 ~ 20nm로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 열처리 공정은 150 ~ 400℃에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
Next, the thickness of the Pd layer is characterized in that formed in 5 ~ 20nm, the heat treatment process is characterized in that carried out at 150 ~ 400 ℃.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법은 (a) 기판 상부에 MgO층을 형성하는 단계와, (b) 상기 MgO층 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하는 단계와, (c) 상기 CoFeB 박막 상부에 Pd층을 형성하는 단계 및 (d) 상기 (c) 단계의 구조물을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of (a) forming a MgO layer on the substrate, (b) forming a 1.5 ~ 2nm thick CoFeB thin film on the MgO layer And (c) forming a Pd layer on the CoFeB thin film, and (d) heat treating the structure of step (c).

여기서, 상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 일 실시예로 x=45~60, y=16~31, z=24인 것을 특징으로 하며, 다른 실시예로 x=43~58, y=15~30, z=27인 것을 특징으로 한다.Here, the CoFeB thin film is formed with a composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), but in one embodiment x = 45-60, y = 16-31, z = 24 In another embodiment, x = 43-58, y = 15-30, z = 27.

다음으로, 상기 Pd층의 두께는 5 ~ 15nm인 것을 특징으로 하고, 상기 열처리하는 단계는 300℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
Next, the thickness of the Pd layer is characterized in that 5 ~ 15nm, the heat treatment is characterized in that performed at a temperature of 300 ℃.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법은 (a`) 기판 상부에 시드층을 형성하는 단계와, (b`) 상기 시드층 상부에 Pd층을 형성하는 단계와, (c`) 상기 Pd층 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하는 단계와, (d`) 상기 CoFeB 박막 상부에 MgO층을 형성하는 단계 및 (e`) 상기 (d`) 단계의 구조물을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method according to another embodiment of the present invention (a`) forming a seed layer on the substrate, (b`) forming a Pd layer on the seed layer, (c`) forming a CoFeB thin film having a thickness of 1.5 to 2 nm on the Pd layer, (d`) forming an MgO layer on the CoFeB thin film, and (e`) the structure of step (d`) Heat treatment step; characterized in that it comprises a.

여기서, 상기 시드층은 Al 또는 Ta로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 일 실시예로 x=45~60, y=16~31, z=24인 것을 특징으로 하며, 다른 실시예로 x=43~58, y=15~30, z=27인 것을 특징으로 한다.Here, the seed layer is characterized in that formed of Al or Ta, the CoFeB thin film is formed with a composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), in one embodiment x It is characterized in that the = 45 ~ 60, y = 16 ~ 31, z = 24, another embodiment is characterized by x = 43 ~ 58, y = 15 ~ 30, z = 27.

다음으로, 상기 Pd층의 두께는 14 ~ 20nm인 것을 특징으로 하고, 상기 열처리하는 단계는 250℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
Next, the thickness of the Pd layer is characterized in that 14 ~ 20nm, the heat treatment is characterized in that performed at a temperature of 250 ℃.

아울러, 본 발명에 따른 고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리는 상술한 수직자기이방성 CoFeB 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the high density magnetic random access memory according to the present invention is characterized in that it comprises the above-described vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film.

본 발명에 따른 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법은 종래보다 두꺼운 CoFeB 박막을 형성함으로써, 우수한 열적 안정성을 확보할 수 있도록 하고, 완전한 스핀 분극이 일어날 수 있도록 하는 효과를 제공한다. 따라서, 스핀 토크(STT)를 향상시키고 자화반전(CIMS)에 필요한 임계전류 밀도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.The method for manufacturing a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film according to the present invention forms a thicker CoFeB thin film than the related art, thereby ensuring excellent thermal stability and providing an effect of allowing complete spin polarization to occur. Therefore, the effect of improving the spin torque (STT) and reducing the critical current density required for magnetization inversion (CIMS) can be obtained.

아울러, 상기와 같은 자화반전에 기반하는 자기 랜덤 액세스 메모리를 제조하는데 있어서, 스핀 토크(STT) 자화반전이 가능하도록 함으로써, 고집적화가 가능하도록 하고, 자화반전시 요구되는 전류밀도를 감소시킬 수 있다. 따라서 고성능의 자기 랜덤 액세스 메모리를 용이하게 제조할 수 있는 효과를 제공한다.
In addition, in manufacturing the magnetic random access memory based on the magnetization inversion as described above, by enabling the spin torque (STT) magnetization inversion, it is possible to achieve high integration and to reduce the current density required during the magnetization inversion. Therefore, the present invention provides an effect of easily manufacturing a high performance magnetic random access memory.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 제조 방법에 따른 전자기 특성을 실험하기 위한 실시예들을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 제조 방법에 따른 m-H 이력곡선.
도 4는 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 전자기 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리를 도시한 단면도.1 and 2 are cross-sectional views showing embodiments for testing the electromagnetic characteristics according to the manufacturing method of the CoFeB thin film according to the present invention.
3 is an mH hysteresis curve according to a method of manufacturing a CoFeB thin film according to the present invention.
4 is a graph showing the electromagnetic characteristics of the CoFeB thin film according to the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating a magnetic random access memory according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 상술한 본 발명의 기술에 근거하여 수직자기이방성을 가지는 코발트-철-보론 박막 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 고밀도 자기 랜덤 액세스 메모리에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, a cobalt-iron-boron thin film manufacturing method having vertical magnetic anisotropy and a high density magnetic random access memory manufactured by using the same will be described in detail based on the technology of the present invention described above.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 도면 및 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
Advantages and features of the present invention, and methods of accomplishing the same will be apparent with reference to the drawings and embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 제조 방법에 따른 전자기 특성을 실험하기 위한 실시예들을 도시한 단면도들이다.1 and 2 are cross-sectional views illustrating embodiments for experimenting with electromagnetic characteristics according to a method of manufacturing a CoFeB thin film according to the present invention.

도 1 및 도 2는 MgO기반의 자기터널접합(MTJs) 구조에 사용될 수 있는 두 가지 단위 구조를 나타낸다. 1 and 2 illustrate two unit structures that can be used for MgO-based magnetic tunnel junction (MTJs) structures.

도 1은 MgO층(20) 상부에 CoFeB 박막(30)을 형성한 경우를 나타내었으며, tCFB로 표시하였다. 샘플의 구성은 기판(10)/MgO층(20)/CoFeB 박막(30)/Pd층(40)의 구조로 형성하였다. 이때, 기판(10)은 열산화 Si/SiO2 기판(thermally oxidized substrate Si/SiO2)으로 500㎛의 두께로 형성하고, MgO층(20)은 1.5 ~ 2nm의 두께로 형성하고, CoFeB 박막(30)은 2nm의 두께로 형성하고, Pd층(40)은 3 ~ 15nm의 두께로 형성하였다.1 illustrates a case where the CoFeB thin film 30 is formed on the MgO layer 20, and is represented by tCFB. The structure of the sample was formed in the structure of the board | substrate 10 / MgO layer 20 / CoFeB thin film 30 / Pd layer 40. FIG. At this time, the substrate 10 is thermally oxidized Si / SiO 2 substrate (thermally oxidized substrate Si / SiO 2) as to form a thickness of 500㎛, MgO layer 20 is formed to a thickness of 1.5 ~ 2nm and, CoFeB thin film ( 30) was formed to a thickness of 2nm, Pd layer 40 was formed to a thickness of 3 ~ 15nm.

도 2는 MgO층(140) 아래쪽에 CoFeB 박막(130)을 형성한 경우를 나타내었으며, bCFB로 표시하였다. 샘플의 구성은 기판(100)/Ta층(110)/Pd층(120)/CoFeB 박막(130)/MgO층(140)의 구조로 형성하였다. 2 illustrates a case where the CoFeB thin film 130 is formed below the MgO layer 140, and is represented by bCFB. The structure of the sample was formed in the structure of the substrate 100 / Ta layer 110 / Pd layer 120 / CoFeB thin film 130 / MgO layer 140.

기판(100)은 열산화 Si/SiO2 기판(thermally oxidized substrate Si/SiO2)으로 500㎛의 두께로 형성하고, Ta층(110)은 10nm의 두께로 형성하고, Pd층(120)은 10 ~ 20nm의 두께로 형성하고, CoFeB 박막(130)은 1.5 ~ 2nm의 두께로 형성하고, MgO층(140)은 2nm의 구조로 형성하였다.Substrate 100 is thermally oxidized Si / SiO 2 substrate (thermally oxidized substrate Si / SiO 2) to have a thickness of 500㎛ and, Ta layer 110 is formed to a thickness of 10nm, Pd layer 120 is 10 It was formed to a thickness of ~ 20nm, CoFeB thin film 130 was formed to a thickness of 1.5 ~ 2nm, MgO layer 140 was formed in a structure of 2nm.

여기서, 상기 도 1 및 도 2에 형성된 각 층들은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법을 통해 증착 되었으며, 1×10-8 Torr 와 2×10-9 Torr 의 진공을 나타내는 두 챔버로 구성된 스퍼터를 사용하였다. 1 and 2 were deposited by a magnetron sputtering method, and sputters composed of two chambers representing vacuums of 1 × 10 -8 Torr and 2 × 10 -9 Torr were used. .

증착 과정 중에서, 샘플은 두 챔버 사이를 진공을 깨지 않은 상태에서 이동되었다. Co56Fe24B20 (원자 %)의 합금조성을 나타내는 물질이 타겟으로 사용되어 CoFeB이 증착되었으며, ICP AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)를 통한 CoFeB 조성 분석에서는 Co53Fe23B24 또는 Co51Fe22B27 (원자 %)의 조성이 확인 되었다. 타겟의 조성과 박막의 조성을 비교한 결과, Co/Fe 원자비는 타겟과 박막에서 동일하나, B함량은 박막이 타겟 보다 높음을 알 수 있다. During the deposition process, the sample was moved between the two chambers without breaking the vacuum. Co 56 Fe 24 B 20 alloy material that exhibits the composition of (atomic%) is used as a target was CoFeB is deposited, in the CoFeB composition analysis by the ICP AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) Co 53 Fe 23 B 24 or The composition of Co 51 Fe 22 B 27 (atomic%) was confirmed. As a result of comparing the composition of the target and the composition of the thin film, it can be seen that the Co / Fe atomic ratio is the same in the target and the thin film, but the B content is higher than the target.

박막의 두께는 증착속도로부터 시간을 제어함으로써 제어하였으며, 박막의 증착속도를 정확하게 측정하기 위하여 증착된 박막의 두께는 표면거칠기단차 박막두께측정기(Surface Profiler)와 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 사용하여 정확하게 측정하였다.The thickness of the thin film was controlled by controlling the time from the deposition rate, and in order to accurately measure the deposition rate of the thin film, the thickness of the deposited thin film was measured using a Surface Profiler and a Scanning Electron Microscope (SEM). It was measured accurately using.

후 열처리는 1×10-6 Torr 의 진공도하에서 1시간 동안 이루어졌으며, 박막의 특성 분석을 위한 M(or m)-H(자속 밀도(or 자기모먼트)-자기장)) 이력곡선은 진동시료형자력계(Vibrating Sample Magnetometer; VSM)를 통하여 상온에서 측정하였고, 자구 관찰은 자기력간전자현미경(Magnetic Force Microscope; MFM)을 통하여 측정하였고, 박막의 표면 상태는 비접촉식 3D 광학 표면측정기(Non-contacting 3D Optical Profiler)를 통하여 측정하였고, 화학적인 성분분석은 ICP AES 또는 XPS(X-ray photoelectron spectoscopy)를 통하여 측정하였고, 박막의 미세구조는 X선회절계(X-ray diffractometer; XRD)를 통해 측정하였다.
After heat treatment was performed for 1 hour under vacuum degree of 1 × 10 -6 Torr, the hysteresis curve of M (or m) -H (or magnetic moment-magnetic field) for the characterization of thin film was vibration sample type. Measured at room temperature using a Vibrating Sample Magnetometer (VSM), magnetic field observation was measured by a magnetic force microscope (MFM), the surface state of the thin film non-contacting 3D Optical The chemical composition was measured by ICP AES or X-ray photoelectron spectoscopy (XPS), and the microstructure of the thin film was measured by X-ray diffractometer (XRD).

도 3은 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 제조 방법에 따른 m-H 이력곡선이다.3 is an m-H hysteresis curve according to a method of manufacturing a CoFeB thin film according to the present invention.

도 3은 상기 도 1의 CoFeB 박막(tCFB)에 대한 것으로, 외부 자기장을 박막의 수직한 방향으로 가하면서 측정된 열처리 온도에 따른 m-H 이력곡선을 나타내었다. 여기서 CoFeB 박막(30)의 위쪽에 형성된 Pd층(40) 두께는 10nm로 증착하였다. 3 shows the CoFeB thin film (tCFB) of FIG. 1, and shows an m-H hysteresis curve according to the measured heat treatment temperature while applying an external magnetic field in a vertical direction of the thin film. Here, the thickness of the Pd layer 40 formed on the CoFeB thin film 30 was deposited to 10 nm.

다음에는, 증착 후 150℃, 300℃, 400℃에서 각각 열처리하여 그래프로 나타내었다. 그 결과, 열처리 이후에 수직자기이방성의 증가가 관찰되었다. 열처리 하지 않은 상태(as-deposited)에서 보여지지 않던 수직자기이방성은 150℃ 열처리 이후에 확연한 각형비(4각형에 가까운 모습)를 나타내며, 606 Oe의 큰 보자력(Hc)을 나타내었다. 또한, 열처리 온도가 150℃에서 300℃로 증가함에 따라 보자력(Hc)은 1050 Oe 까지 최대로 증가하였고, 400℃에서도 다소 감소된 보자력(Hc)을 나타내었다. 이는 종래의 1nm 의 CoFeB 박막에서 보고된 450 Oe의 보자력(Hc)에 비하여 매우 향상된 특성이다. 즉, CoFeB 박막의 두께가 2 nm로 두꺼울 뿐만 아니라 보자력 또한 높은 값이 얻어졌다. Next, the heat treatment at 150 ℃, 300 ℃, 400 ℃ after vapor deposition, respectively, are shown in the graph. As a result, an increase in perpendicular magnetic anisotropy was observed after the heat treatment. The perpendicular magnetic anisotropy, which was not seen in the as-deposited state, showed a clear angular ratio (near tetragonal shape) after 150 ° C. heat treatment, and showed a large coercive force (Hc) of 606 Oe. In addition, as the heat treatment temperature increased from 150 ° C to 300 ° C, the coercive force (Hc) increased up to 1050 Oe, and showed a slightly reduced coercive force (Hc) even at 400 ° C. This is a very improved property compared to the coercive force (Hc) of 450 Oe reported in the conventional 1nm CoFeB thin film. In other words, the CoFeB thin film had a thickness of 2 nm and a high coercive force.

따라서, 본 발명에 따른 CoFeB 박막 제조 방법은 CoFeB 박막의 두께를 2nm로 형성하고, 그 상부에 Pd층을 형성하며 150 ~ 400℃로 열처리 하는 것이 바람직하다.Therefore, in the method for manufacturing a CoFeB thin film according to the present invention, the thickness of the CoFeB thin film is preferably formed at 2 nm, a Pd layer is formed thereon, and the heat treatment is performed at 150 to 400 ° C.

상술한 결과는 CoFeB 박막/Pd층의 계면에서 CoFeB와 Pd가 인터믹싱(intermixing)되어 수직이방성이 촉진되는 것으로 판단되었다. 이에 대한 보다 면밀한 해석 및 본 발명에 따른 CoFeB 박막 형성 방법에 대한 임계적 의의를 조사하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.
The above results indicate that CoFeB and Pd are intermixed at the interface of the CoFeB thin film / Pd layer to promote vertical anisotropy. In order to investigate more closely this and to investigate the critical significance of the method for forming a CoFeB thin film according to the present invention, the following experiment was conducted.

도 4는 본 발명에 따른 CoFeB 박막의 전자기 특성을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the electromagnetic characteristics of the CoFeB thin film according to the present invention.

도 4의 (a)는 본 발명에 따른 비교예로서, 상기 도 1에서 설명한 tCFB 구조에서 Pd층(40)의 두께를 3nm로 형성한 경우(이하, tCFB(3)라 함) 열처리 온도(Ta)에 따른 포화자장(Hsat) 값의 변화를 나타낸 그래프이다. 이때, 포화자장(Hsat)은 외부 자기장이 박막면에 수직으로 인가될 때, 자기모먼트 값이 서서히 증가하다가 일정해 지는 지점을 뜻한다. 따라서, 포화되는데 필요한 외부 자장이 작다는 의미는 그 만큼 자화가 박막의 수직 방향으로 쉽게 일어난다는 것을 의미한다.4A is a comparative example according to the present invention, in which the thickness of the Pd layer 40 is 3 nm in the tCFB structure described with reference to FIG. 1 (hereinafter referred to as tCFB (3)). a ) is a graph showing the change of the value of the saturation field (H sat ) according to. In this case, when the external magnetic field is applied perpendicularly to the thin film surface, the saturation magnetic field (H sat ) means a point where the magnetic moment value gradually increases and becomes constant. Therefore, the small external magnetic field required to saturate means that magnetization easily occurs in the vertical direction of the thin film.

이러한 원리에서, 포화자장(Hsat)은 수직자기이방성의 한 측정 방법이 될 수 있는데, 증착 후 열처리 하지 않은 샘플의 수직자기이방성이 0 이라고 가정하면 박막에 수직한 방향으로 자화를 포화시키기 위해서는 4πMs에 해당하는 포화자장(Hsat)이 요구된다. In this principle, the saturation magnetic field (H sat ) can be a measuring method of perpendicular magnetic anisotropy. In order to saturate the magnetization in the direction perpendicular to the thin film, assuming that the perpendicular magnetic anisotropy of the sample that has not been heat-treated after deposition is zero, The corresponding saturation field (H sat ) is required.

도 4의 (a)에 도시된 인셋(inset) 그래프를 참조하면, 본 발명에 따른 열처리하지 않은 샘플 Co51Fe22B27 의 포화자장(Hsat) 값이 11.1 kOe이므로 포화자화(Ms) 값이 883 emu/cc인 것을 알 수 있다. 그 외에도, 본 발명에 따른 CoFeB층은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성 범위 내에서 구성될 수 있으며, 일 실시예로서 x=45~60, y=16~31, z=24이거나 또는 다른 실시예로서 x=43~58, y=15~30, z=27인 것이 좋다. x, y, z가 상기 범위를 벗어나는 경우 수직자기이방성이 떨어질 수 있으며, 상기 조성범위에 대한 그 구체적인 임계적 의의를 설명하면 다음과 같다. Referring to the inset graph shown in (a) of FIG. 4, since the saturation magnetic field (H sat ) value of the uncoated sample Co 51 Fe 22 B 27 according to the present invention is 11.1 kOe, the saturation magnetization (Ms) value It can be seen that this is 883 emu / cc. In addition, the CoFeB layer according to the present invention can be configured within the composition range of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), In one embodiment, x = 45-60, y = 16-31, z = 24, or in another embodiment, x = 43-58, y = 15-30, z = 27. When x, y, z is out of the above range, the perpendicular magnetic anisotropy may drop, and the specific critical meaning of the composition range is as follows.

본 발명에서는 상기 조성범위와 같이 Fe에 대한 Co의 함량을 높임으로써, 포화자화를 낮추고, 강한 수직자기이방성이 발현되도록 한다. In the present invention, by increasing the content of Co for Fe as in the composition range, it is possible to lower the saturation magnetization, and to express strong perpendicular magnetic anisotropy.

이와 대비되는 종래의 CoFeB 박막을 살펴보면, 통상의 MgO 기반 자기터널접합층(MTJs)에서는 Co40Fe40B20 또는 Co20Fe60B20 조성 범위를 가지는 타겟을 사용하여 CoFeB 박막을 많이 제조한다. 그 이유는 높은 터널자기저항(TMR) 달성에 필수적인 bcc CoFe 상이 열처리 중에 형성되는데 유리하기 때문이다. 이때, Co40Fe40B20 타겟을 사용하여 제조한 박막을 열처리 하지 않은 경우 (as-deposited) 포화자화(Ms)값은 1034 emu/cc값을 나타내고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 샘플과 종래의 샘플에 관한 포화자화값 차이는 151 emu/cc이고 이 조성범위에서 Co/Fe의 비율이 증가할수록 포화자화(Ms)는 감소하는 것을 알 수 있다.In contrast to the conventional CoFeB thin film, in conventional MgO-based magnetic tunnel junction layer (MTJs) Co 40 Fe 40 B 20 or Co 20 Fe 60 B 20 Many CoFeB thin films are manufactured using a target having a composition range. This is because the bcc CoFe phase, which is essential for achieving high TMR, is advantageously formed during the heat treatment. At this time, Co 40 Fe 40 B 20 When the thin film manufactured by using the target was not heat treated (as-deposited), the saturation magnetization (Ms) value was 1034 emu / cc. Accordingly, it can be seen that the difference in saturation magnetization value between the sample according to the present invention and the conventional sample is 151 emu / cc, and as the ratio of Co / Fe increases in this composition range, the saturation magnetization (Ms) decreases.

상기와 같은 결과에 따라서 수직자기이방성에 미치는 표면/계면 효과를 무시한다면, 본 발명에 따른 조성 범위를 사용할 경우 종래에 비해 1897 Oe(=4π Ms)만큼 큰 수직자기이방성을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 이는 수직자기이방성 형성에 포화자화가 매우 큰 기여를 한다는 것을 보여주는 것이다.If the surface / interface effect on the perpendicular magnetic anisotropy is neglected according to the above results, it means that by using the composition range according to the present invention, vertical magnetic anisotropy as large as 1897 Oe (= 4π Ms) can be obtained. . This shows that saturation magnetization contributes to the formation of perpendicular magnetic anisotropy.

실제로 이러한 효과를 검증하기 위하여 본 발명에서 사용된 Co56Fe24B20합금 타겟뿐만 아니라, 이 보다 포화자화가 큰 Co40Fe40B20 및 Co20Fe60B20들을 사용하여 유사한 단위구조물을 제작하여 특성을 평가하였다. Co40Fe40B20 (원자 %)의 합금 타겟을 통해 CoFeB을 증착하는 경우, ICP AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)를 통한 CoFeB 조성 분석에서는 Co38Fe38B24 (원자 %)의 조성이 확인 되었으며, Co20Fe60B20 (원자 %)의 합금 타겟을 사용하는 경우 Co19Fe57B24 (원자 %)의 조성이 확인 되었다.In fact, not only Co 56 Fe 24 B 20 alloy target used in the present invention to verify this effect, Co 40 Fe 40 B 20 having a larger saturation magnetization And Co 20 Fe 60 B 20 to prepare a similar unit structure to evaluate the properties. In the case of depositing CoFeB through an alloy target of Co 40 Fe 40 B 20 (atomic%), the analysis of CoFeB composition through ICP AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) showed that the composition of Co 38 Fe 38 B 24 (atomic%) When using an alloy target of Co 20 Fe 60 B 20 (atomic%), the composition of Co 19 Fe 57 B 24 (atomic%) was confirmed.

이러한 결과 포화자화가 큰 Co38Fe38B24 및 Co19Fe57B24 조성을 가지는 박막들에서는, 상술한 바와 같이 포화자화가 작은 본 발명의 Co51Fe22B27박막을 사용하였을 때보다 수직자기이방성이 매우 감소함을 확인하였다. As a result, Co 38 Fe 38 B 24 with high saturation magnetization In the thin films having the composition of Co 19 Fe 57 B 24 , as described above, it was confirmed that the perpendicular magnetic anisotropy was significantly reduced than when the Co 51 Fe 22 B 27 thin film of the present invention having small saturation magnetization was used.

구체적으로 CoFeB층 상부에 형성되는 Pd층의 두께를 10nm로 형성하고, 300℃에서 열처리한 tCFB(10) 구조를 사용하여 실험한 경우를 예로 들면, 본 발명에서 사용한 x=45~60, y=16~31, z=24 또는 x=43~58, y=15~30, z=27인 범위 내에서 우수한 수직자기이방성을 얻을 수 있었다. Specifically, when the thickness of the Pd layer formed on the CoFeB layer is formed to 10 nm, and the experiment was performed using the tCFB (10) structure heat-treated at 300 ° C., for example, x = 45 to 60, y = Excellent perpendicular magnetic anisotropy was obtained within a range of 16 to 31, z = 24 or x = 43 to 58, y = 15 to 30, and z = 27.

특히, Co51Fe22B27 박막조성에서 가장 우수한 수직자기이방성이 얻어졌으며(Hc=1050 Oe; Mr/Ms=100%, 여기서 Hc는 보자력, Mr은 잔류자화, Ms는 포화자화이며, Mr/Ms는 각형비를 나타냄), Co45Fe31B24, Co60Fe16B24, Co43Fe30B27 및 Co58Fe15B27 박막 조성에서 상기 최대치에 근접한 수직자기이방성이 얻어졌다. In particular, the best perpendicular magnetic anisotropy was obtained in the Co 51 Fe 22 B 27 thin film composition (Hc = 1050 Oe; Mr / Ms = 100%, where Hc is the coercivity, Mr is the residual magnetization, Ms is the saturation magnetization, Ms represents the square ratio), Co 45 Fe 31 B 24 , Co 60 Fe 16 B 24 , Co 43 Fe 30 B 27 And perpendicular magnetic anisotropy close to the maximum were obtained in the Co 58 Fe 15 B 27 thin film composition.

반면에 가장 큰 포화자화를 가지는 Co19Fe57B24 박막조성에서, Hc=0 Oe, Mr/Ms=0와 같은 가장 열화된 수직자기이방성이 얻어졌으며, 중간크기의 포화자화를 가지는 Co38Fe38B24 박막조성에서 중간 크기의 수직자기이방성(Hc=125 Oe; Mr/Ms=15%)이 얻어졌다. 그리고, z=24에서 x=61이상의 조성범위를 가지는 경우, 또는 z=27에서 x=59이상의 조성범위를 가지는 경우 수직자기이방성이 지속적으로 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.On the other hand, in the Co 19 Fe 57 B 24 thin film composition having the largest saturation magnetization, the most deteriorated perpendicular magnetic anisotropy such as Hc = 0 Oe and Mr / Ms = 0 was obtained, and Co 38 Fe having the medium saturation magnetization was obtained. Medium 38 perpendicular magnetic anisotropy (Hc = 125 Oe; Mr / Ms = 15%) was obtained in the 38 B 24 thin film composition. In addition, when z = 24 has a composition range of x = 61 or more, or when z = 27 has a composition range of x = 59 or more, vertical magnetic anisotropy was continuously decreased.

따라서, 본 발명에 따른 CoFeB층은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100) 상기 x=45~60, y=16~31, z=24, 또는 x=43~58, y=15~30, z=27의 조성 범위에서 수직자기이방성의 신뢰성이 높아지는 것을 알 수 있다. Thus, the CoFeB layer according to the present invention is Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100) x = 45 ~ 60, y = 16 ~ 31, z = 24, or x = 43 ~ 58 , y = 15-30, z = 27 It can be seen that the reliability of the perpendicular magnetic anisotropy increases in the composition range.

하기 표 1 및 표 2는 상기 실험 결과를 정리한 것이다. 표 1은 z=24인 경우에 대한 결과를 요약한 것이고, 표 2는 z=27인 경우에 대한 결과를 요약한 것이다. Table 1 and Table 2 summarize the above experimental results. Table 1 summarizes the results for the case of z = 24 and Table 2 summarizes the results for case of z = 27.

[표 1]TABLE 1

Figure pat00001

Figure pat00001

[표 2]TABLE 2

Figure pat00002

Figure pat00002

상기 표 1 및 표 2는 각형비(Mr/Ms)=100%을 기준으로 실시예 및 비교예를 구분하였으며, 그에 따른 보자력(Hc) 값을 기준으로 최적의 조성비를 취한 것이다.
Table 1 and Table 2 divided the Examples and Comparative Examples on the basis of the square ratio (Mr / Ms) = 100%, it takes the optimum composition ratio based on the coercive force (Hc) value.

다음으로, 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 샘플이 열처리에 의해 수직자기이방성을 보여줄 경우 포화자장(Hsat) 값은 11.1 kOe에서 수직자기이방성의 값만큼 감소된다. Next, as shown in (a) of FIG. 4, when the sample according to the present invention shows vertical magnetic anisotropy by heat treatment, the saturation magnetic field (H sat ) value is decreased by the value of vertical magnetic anisotropy at 11.1 kOe.

250℃까지 열처리 온도(Ta)가 증가함에 따라 포화자장(Hsat) 값은 급격하게 감소하였고, 3.8 kOe의 최소값이 250℃에서 얻어졌다. 이후 증가된 열처리 온도(Ta)에서는 다시 포화자장(Hsat)값이 증가하는 모습이 나타났다. As the heat treatment temperature (T a ) increases to 250 ° C., the saturation magnetic field (H sat ) value decreases rapidly, and a minimum value of 3.8 kOe is obtained at 250 ° C. After that, at the increased heat treatment temperature (T a ), the saturation magnetic field value (H sat ) increased again.

최소값의 포화자장(Hsat)에서 수직자기이방성은 7.3 kOe(=11.1kOe - 3.8kOe) 로 계산되며, tCFB(3)의 수직자기이방성 자체는 그 값이 작더라도 수직자기이방성이 열처리 이후에 확연하게 증가되었다.
At the minimum saturation magnetic field (H sat ), the perpendicular magnetic anisotropy is calculated as 7.3 kOe (= 11.1 kOe-3.8 kOe), and the vertical magnetic anisotropy of tCFB (3) itself is significant after vertical heat treatment even if the value is small. Increased.

다음으로, 상기와 같은 측정 과정과 동일하게 상기 도 1의 tCFB 구조물에서 Pd층 두께를 5nm로 형성한 경우(이하, tCFB(5)라 함)와, Pd층 두께를 10nm로 형성한 경우(이하, tCFB(10)라 함) 및 상기 도 2의 bCFB 구조에서 Pd층 두께를 20nm로 형성한 경우(이하, bCFB(20)라 함)에 대해서도 실험을 진행하였으며, 그 결과는 도 4의 (b) 내지 (d)에 나타내었다.Next, when the thickness of the Pd layer is formed at 5 nm in the tCFB structure of FIG. 1 (hereinafter, referred to as tCFB (5)) and the thickness of the Pd layer is formed at 10 nm (hereinafter, referred to as the measurement process described above) , tCFB (10)) and the case where the Pd layer thickness of 20nm in the bCFB structure of Figure 2 (hereinafter referred to as bCFB (20)), the experiment was also carried out, the results are shown in Figure 4 (b ) To (d).

먼저, 도 4의 (a)에서 인셋 그래프와 비교하여 보면 알 수 있는 바와 같이, tCFB(3)에 대한 구조물에서는 우수한 수직자기이방성이 나타나지 않았다.First, as can be seen in comparison with the inset graph in Figure 4 (a), excellent perpendicular magnetic anisotropy did not appear in the structure for the tCFB (3).

그러나, 도 4의 (b) 내지 (d)를 살펴보면 tCFB(5) 내지 tCFB(10), 그리고 bCFB(20)에서 우수한 수직자기이방성이 관찰되었음을 알 수 있다. 이에 대한 구체적 설명은 열처리 온도(Ta)에 따라 수직자기이방성에 관한 특성들이 변화되는 정도를 통하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.However, looking at (b) to (d) of Figure 4 it can be seen that excellent perpendicular magnetic anisotropy was observed in tCFB (5) to tCFB (10), and bCFB (20). A detailed description thereof may be expressed as follows through the degree of change in characteristics related to the perpendicular magnetic anisotropy according to the heat treatment temperature (T a ).

도 4의 (b)는 보자력(Hc)을 열처리 온도(Ta)에 대해 나타내었다. tCFB(5) 내지 tCFB(10), 그리고 bCFB(20) 모든 경우에, 열처리가 되지 않은 샘플(as-deposited)은 거의 0의 값을 나타내었다. 즉, 열처리가 수행되지 않은 tCFB 또는 bCFB 구조는 모두 좋지 않은 수직자기이방성을 나타내었다.4 (b) shows the coercive force (Hc) with respect to the heat treatment temperature (T a ). In all cases tCFB (5) to tCFB (10), and bCFB (20), the as-deposited sample showed almost zero value. That is, all of the tCFB or bCFB structures not subjected to heat treatment showed poor perpendicular magnetic anisotropy.

그러나, 열처리 이후에 보자력(Hc)이 크게 증가되는 양상을 나타내었다. 가장 좋은 수직자기이방성은 tCFB(10)에서 얻어졌으며, 300℃에서 1050 Oe 의 최대값을 나타내었다. tCFB(5)와 bCFB(20) 구조의 경우 보자력(Hc)이 낮은 열처리 온도(Ta)에서는 천천히 증가하다가 300℃ 근처에서 크게 증가하는 양상을 나타내었다. However, after the heat treatment, the coercive force (Hc) was shown to increase significantly. The best perpendicular magnetic anisotropy was obtained in tCFB (10) and showed a maximum value of 1050 Oe at 300 ° C. In the tCFB (5) and bCFB (20) structures, the coercive force (Hc) increased slowly at low heat treatment temperature (T a ) and then increased significantly near 300 ° C.

tCFB(5)의 가장 큰 보자력(Hc)은 940 Oe 로 열처리 온도(Ta) 350℃에서 얻어졌으며, bCFB의 경우 열처리 온도(Ta) 300℃에서 680 Oe가 얻어졌다. The largest coercive force (Hc) of tCFB (5) was obtained at a heat treatment temperature (T a ) of 350 ° C. at 940 Oe, and 680 Oe was obtained at a heat treatment temperature (T a ) of 300 ° C. for bCFB.

다음으로 도 4의 (c)는 각형비(remanence ratio; Mr/Ms)를 나타낸 것으로, 열처리 온도(Ta) 450℃에서 tCFB(5)의 수직자기이방성이 수평자기이방성으로 바뀌는 현상이 나타났다. 이는 도 4의 (c)에 도시된 인셋(inset)그래프에서도 확인할 수 있다.Next, Figure 4 (c) shows the square ratio (Remanence ratio; Mr / Ms), the vertical magnetic anisotropy of tCFB (5) was changed to the horizontal magnetic anisotropy at the heat treatment temperature (T a ) 450 ℃. This can also be confirmed in the inset graph shown in FIG.

이와 같이 450℃ 이상의 고온에서 수직자기이방성이 수평자기이방성으로 변환되는 현상은 열처리에 의한 CoFeB 박막의 산화에 기인한 것으로 판단된다. 산화에 의한 수직자기이방성 저하 현상은 과산화된 Pt/Co/Al 구조에서도 비슷한 거동이 나타났다는 점을 통하여 확인할 수 있다.As such, the phenomenon in which vertical magnetic anisotropy is converted to horizontal magnetic anisotropy at a high temperature of 450 ° C. or higher is believed to be due to oxidation of the CoFeB thin film by heat treatment. The deterioration of perpendicular magnetic anisotropy by oxidation can be confirmed by the fact that similar behavior was observed in the peroxidized Pt / Co / Al structure.

상기와 같은 결과들을 바탕으로, 수직자기이방성 향상을 위한 실제적인 중요조건은 최적의 열처리 온도(Ta)를 찾는 것임을 알 수 있다. bCFB(20) 샘플의 경우 보자력(Hc)이 최고로 나타났던 300℃가 최적인 것으로 보이지만, 이때의 각형비 (Mr/Ms)은 60% 정도로 낮다. 따라서, 보자력(Hc)과 각형비(Mr/Ms)의 두 가지 요소를 고려할 때, bCFB(20) 구조의 최적 열처리 온도는 250℃가 됨을 알 수 있다. 아울러, tCFB(5)내지 tCFB(10)의 경우, 150 ~ 350℃ 열처리 온도범위에서 100%의 각형비가 얻어지므로 최고의 보자력을 보이는 열처리 온도가 최적의 열처리 조건이 된다.Based on the above results, it can be seen that the practical important condition for improving the perpendicular magnetic anisotropy is to find the optimum heat treatment temperature (T a ). For the bCFB (20) sample, 300 ° C., which showed the highest coercive force (Hc), appears to be optimal, but the angular ratio (Mr / Ms) at this time is as low as 60%. Therefore, when considering two factors, the coercive force (Hc) and the square ratio (Mr / Ms), it can be seen that the optimum heat treatment temperature of the bCFB 20 structure is 250 ° C. In addition, in the case of tCFB (5) to tCFB (10), 100% of the square ratio in the 150 ~ 350 ℃ heat treatment temperature range is obtained, so the heat treatment temperature showing the highest coercive force is the optimum heat treatment conditions.

상기 그래프 자료들을 기초로하여 데이터를 정리하면 하기 표 3 및 표 4와 같이 나타난다.
The data is summarized based on the graph data as shown in Table 3 and Table 4 below.

[표 3][Table 3]

Figure pat00003

Figure pat00003

[표 4][Table 4]

Figure pat00004

Figure pat00004

상기 표 3 및 표 4를 참조하면, 각형비(Mr/Ms)=100%를 기준으로 할 때, 실시예33 내지 실시예43과 같이 tCFB 구조의 경우 Pd층의 두께가 5 ~ 15nm 일 경우 보자력(Hc)이 동일한 범주 내에서 움직였다. 그 중에서, 열처리 온도 300℃일 때, tCFB(10)의 경우가 1050 Oe로 최고값을 나타내었으며, tCFB(5)의 경우 843 Oe로 최소 값을 나타내었고, 나머지 경우는 상기 최소 내지 최대 값의 범위 내에서 움직였다. 따라서, 도 4의 (b)내지 (c)에서는 tCFB(5) 및 tCFB(10)의 경우만 도시하였다.Referring to Tables 3 and 4, based on the square ratio (Mr / Ms) = 100%, Examples 33-43 Likewise, in the case of the tCFB structure, when the thickness of the Pd layer was 5 to 15 nm, the coercive force (Hc) moved within the same range. Among them, when the heat treatment temperature of 300 ℃, tCFB (10) showed the highest value of 1050 Oe, tCFB (5) showed the minimum value of 843 Oe, the rest of the minimum to the maximum value Moved within range. Accordingly, only the tCFB 5 and the tCFB 10 are illustrated in FIGS. 4B to 4C.

아울러, 실시예44 내지 실시예47과 같이 bCFB의 경우에는 Pd층의 두께가 14 ~ 20nm이고, 열처리 온도가 250℃인 경우에만 각형비(Mr/Ms)=100%가 되는 특성을 보였으며, 이때 보자력(Hc)은 200 ~ 350 Oe로 다른 비교예들 보다 수직자기이방성이 높게 나타나고 있다.
In addition, as in Examples 44 to 47, in the case of bCFB, the thickness of the Pd layer was 14 to 20 nm, and only when the heat treatment temperature was 250 ° C., the square ratio (Mr / Ms) was 100%. At this time, the coercive force (Hc) is 200 ~ 350 Oe has a higher vertical magnetic anisotropy than other comparative examples.

그 다음으로, 본 발명에 따른 tCFB(5), tCFB(10) 및 bCFB(20) 구조의 포화자기모먼트(saturation magnetic moment, 이하 ms)를 나타낸 것이 도 4의 (d)이며, 전체적으로 열처리 온도(Ta)가 증가함에 따라 ms값도 증가되는 것으로 나타났다.Next, the saturation magnetic moment (m s ) of the tCFB (5), tCFB (10) and bCFB (20) structure according to the present invention is shown in Figure 4 (d), the overall heat treatment As the temperature T a increases, the m s value also increases.

이때, ms 값은 열처리 전의 ms 값으로 나눠진 표준화된 값(normalized value)이며, 이와 같은 증가의 경향성은 도 3의 tCFB(10) 구조에서도 이미 확인이 되었다.At this time, the m s value is a normalized value divided by the m s value before heat treatment, and the tendency of such increase has already been confirmed in the tCFB 10 structure of FIG. 3.

tCFB(5), tCFB(10) 및 bCFB(20) 구조의 모든 경우에 대하여 ms는 비교적 낮은 열처리 온도(Ta)에서도 증가하는 모습을 보였으며, 그 증가량은 tCFB(10)의 경우가 가장 컸다. 이렇게 증가된 ms는 150 ~ 350℃ 까지 증가양상을 보였으며, 이후의 열처리에서 감소되는 모습이었다. In all cases of tCFB (5), tCFB (10) and bCFB (20) structures, m s increased even at relatively low heat treatment temperature (T a ), and the increase was the most in the case of tCFB (10). It was great. The increased m s increased up to 150 ~ 350 ℃, and decreased in subsequent heat treatment.

여기서, 열처리 이후의 증가된 ms는 다음과 같은 2가지 요인에 기인한 것으로 판단된다.Here, it is determined that the increased m s after the heat treatment is due to the following two factors.

첫 번째로, MgO 와의 경계면에서 생성된 CoOx 또는 FeOx 가 Mg 나 B 의 높은 산소 친화력(affinity)에 의해 환원될 수 있다.First, CoO x or FeO x produced at the interface with MgO can be reduced by the high oxygen affinity of Mg or B.

두 번째로 비정질 CoFeB 박막 내에 존재하는 B가 MgO 쪽 계면으로 이동하며 산화될 수 있는데, 이는 XPS 결과에서도 확인이 되었다. 일반적으로 B(Boron)는 우수한 비정질 형성제(good glass former)로 알려져 있으며, CoFeB 박막 내에 B 결핍(B diffuse out from CoFeB)은 CoFe의 결정 형성을 촉진하므로, ms의 증가가 야기될 수 있다. 이와 같은 효과를 배제하더라도 비정질 CoFeB 박막 내에 B 함량이 감소 될 경우, ms증가에 영향을 미칠 수 있다. Secondly, B present in the amorphous CoFeB thin film can be oxidized by moving to the MgO side interface, which was confirmed by XPS results. In general, B (Boron) is known as a good glass former, and B diffusion out from CoFeB in the CoFeB thin film promotes crystal formation of CoFe, which may cause an increase in m s . . Even if this effect is excluded, if the B content is reduced in the amorphous CoFeB thin film, it may affect the increase in m s .

그리고, 상기와 같은 원리는 bCFB 구조에도 동일하게 적용이 가능하였다.
The same principle was also applicable to the bCFB structure.

그 다음으로, 350℃를 초과하는 높은 열처리 온도(Ta)에서의 ms의 급격한 감소를 보였는데, 이는 과도한 확산(diffusion)에 의하여 구조 자체가 와해되었기 때문으로 판단되었다. 또 다른 요소로는 CoFeB 박막의 산화에 의한 것인데, 이는 상기 도 4의 (c) 설명부분에서 언급한 수직자기이방성의 평면자화형(in-plane anisotropy)으로의 전이 현상과 동일한 원리를 따른다.
Next, there was a sharp decrease in m s at the high heat treatment temperature (T a ) exceeding 350 ° C., which was judged to be due to the collapse of the structure itself by excessive diffusion. Another factor is the oxidation of the CoFeB thin film, which follows the same principle as the transition to the in-plane anisotropy mentioned in the description of FIG.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 CoFeB 박막 제조 방법은 1.5 ~ 2nm의 CoFeB 박막을 사용하되, 단위 구조에서의 수직자기이방성 향상을 위해서, Pd층의 두께를 조절하고, 열처리 온도를 조절하여 반응하는 특성을 개선하였다. As described above, the CoFeB thin film manufacturing method according to the present invention uses a 1.5 ~ 2nm CoFeB thin film, in order to improve the perpendicular magnetic anisotropy in the unit structure, by controlling the thickness of the Pd layer, and controlling the heat treatment temperature to react Improved properties.

그 결과, CoFeB 박막 상부에 Pd층을 형성하는 tCFB 구조의 경우에 Pd층의 두께에 따라 수직자기이방성이 민감하게 변화함을 알 수 있었다. As a result, in the case of the tCFB structure in which the Pd layer is formed on the CoFeB thin film, the perpendicular magnetic anisotropy is sensitively changed depending on the thickness of the Pd layer.

Pd층이 3nm 증착된 경우 나타나지 않았던 tCFB 구조의 수직자기이방성은 Pd층이 5 ~ 15 nm 로 증가함에 따라 크게 증가 되었다. 이와 같은 현상은 CoFeB/Pd 계면에서의 인터믹싱(intermixing)이 수직자기이방성에 중요한 요인이 될 수 있음을 암시하는 것이으로 판단되었다.The perpendicular magnetic anisotropy of the tCFB structure, which did not appear when the Pd layer was deposited at 3 nm, was greatly increased as the Pd layer increased from 5 to 15 nm. This phenomenon was judged to suggest that intermixing at the CoFeB / Pd interface could be an important factor for the perpendicular magnetic anisotropy.

아울러, 14 ~ 20nm 의 Pd층이 CoFeB 박막의 하부에 형성된 bCFB 구조에서도 상기 tCFB 구조와 유사한 수직자기이방성 증가 양상을 보였다.In addition, the bCFB structure in which the Pd layer of 14 to 20 nm was formed on the lower portion of the CoFeB thin film showed an increase in perpendicular magnetic anisotropy similar to that of the tCFB structure.

따라서 종래의 CoFeB/MgO/CoFeB 자기터널접합에 적용가능한 박막구조에서 수직자기이방성이 관찰 되지 않거나, 수직자기이방성이 나타나더라도 CoFeB 박막의 두께가 1 nm 정도로 얇아 완전한 스핀 분극이 일어나기 어렵고, 따라서 스핀 토크(STT)가 작아 자화반전(CIMS)에 필요한 임계전류 밀도가 증가하는 문제를 용이하게 해결할 수 있다.Therefore, in the thin film structure applicable to the conventional CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junction, even if vertical magnetic anisotropy is not observed or vertical magnetic anisotropy appears, the thickness of the CoFeB thin film is as thin as 1 nm, so that complete spin polarization is difficult to occur. Small (STT) can easily solve the problem of increasing the critical current density required for magnetization inversion (CIMS).

또한, 종래 기술에서 1nm 두께의 얇은 CoFeB 박막을 사용함으로써 열적안정성이 떨어지는 문제를 본 발명에서는 1.5 ~ 2nm의 두꺼운 CoFeB를 사용함으로써, 용이하게 해결할 수 있도록 하였다. In addition, in the present invention, the problem of inferior thermal stability by using a thin CoFeB thin film having a thickness of 1 nm is easily solved by using a thick CoFeB of 1.5 to 2 nm in the present invention.

이와 같은 본 발명의 CoFeB 박막은 강한 수직자기이방성을 나타내므로, 고밀도 스핀 토크 MRAM의 구현에 실제적인 중요성을 갖는다. Since the CoFeB thin film of the present invention exhibits strong perpendicular magnetic anisotropy, it has practical importance in the implementation of high density spin torque MRAM.

즉, 본 발명의 CoFeB 박막은 높은 터널자기저항(TMR) 및 낮은 임계전류 밀도를 동시에 얻는 것이 가능하므로, STT MRAM 의 구현에 필수적인 MgO 기반 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)에 보다 적합하게 적용할 수 있다.That is, the CoFeB thin film of the present invention can simultaneously obtain a high tunnel magnetoresistance (TMR) and a low threshold current density, so that the CoFeB thin film can be more suitably applied to MgO-based vertical magnetization magnetic tunnel junctions (pMTJs), which are essential for implementing STT MRAM. Can be.

따라서, 본 발명에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리는 기판에 불순물이 각각 도핑되어 있고 상호 소정 간격 이격되어 있는 제1 및 제2불순물층과, 제1 및 제2불순물층 사이의 기판 상에 형성된 게이트 유전막과, 게이트 유전막 상에 형성되며, 상술한 수직자기이방성 CoFeB 박막과, 수직자기이방성 CoFeB 박막 상에 형성되어 제2불순물층과 같은 제1방향으로 연장되는 워드라인과, 제1방향과 수직인 제2방향으로 상기 제1 또는 제2 불순물층과 연결된 비트라인 및 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 상기 게이트 유전막, 수직자기이방성 박막 및 워드라인을 상기 비트라인으로부터 분리하도록 덮는 절연층을 포함하는 형태로 구비될 수 있다. 이때, 기판은 웨이퍼가 될 수 있으며, 상기와 같은 주요 구성 이외에 워드라인 및 비트라인에 전류를 공급할 수 있는 전류 인가 회로부 및 센스 앰프 등 메모리 소자를 구동하기 위한 각종 회로 장치들이 더 포함될 수 있다. 아울러, 상기 각 구성을 형성하는 공정 단계는 일반적 게이트, 워드라인, 비트라인 형성 공정과 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략하는 것으로 한다. Accordingly, the magnetic random access memory according to the present invention includes a first dielectric layer and a second dielectric layer doped with impurities on the substrate and spaced apart from each other at a predetermined interval, and a gate dielectric layer formed on the substrate between the first and second impurities layers; And a word line formed on the gate dielectric layer, the vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film described above, a word line formed on the vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film extending in a first direction such as a second impurity layer, and a second perpendicular to the first direction. And a bit line connected to the first or second impurity layer in a direction and an insulating layer covering the gate dielectric layer, the vertical magnetic anisotropic thin film, and the word line sequentially stacked on the substrate to separate the bit line from the bit line. Can be. In this case, the substrate may be a wafer, and in addition to the main components described above, various circuit devices for driving memory devices such as a current applying circuit unit and a sense amplifier capable of supplying current to the word line and the bit line may be further included. In addition, since the process steps for forming the respective components are the same as the general gate, word line, and bit line forming processes, description thereof will be omitted here.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a magnetic random access memory according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리는 기판(200)에 불순물이 각각 도핑되어 상호 소정 간격 이격되어 있는 제1 불순물 영역(215D)및 제2 불순물 영역(215S)을 포함한다. 이때, 기판(200)은 웨이퍼 기판이 사용 될 수 있다.Referring to FIG. 5, the magnetic random access memory according to the present invention includes a first impurity region 215D and a second impurity region 215S, each of which is doped with impurities on the substrate 200 and spaced apart from each other by a predetermined interval. In this case, the substrate 200 may be a wafer substrate.

다음으로, 제1 및 제2불순물 영역(215D, 215S) 사이의 기판(200) 상에 형성된 게이트 유전막(220)과, 게이트 유전막(220) 상에 형성되는 게이트 워드라인(230)이 구비된다.Next, a gate dielectric layer 220 formed on the substrate 200 between the first and second impurity regions 215D and 215S and a gate word line 230 formed on the gate dielectric layer 220 are provided.

그 다음으로, 제 1 및 제 2 불순물 영역(215D, 215S)과 각각 연결되는 콘택(240, 245)을 포함하고, 게이트 사이의 영역을 매립하는 제 1 층간절연막(235)이 구비된다.Next, a first interlayer insulating film 235 including contacts 240 and 245 connected to the first and second impurity regions 215D and 215S, respectively, and filling a region between the gates is provided.

그 다음으로, 콘택(240, 245)과 전기적으로 연결되는 전극 패드(250, 255)가 구비되고, 제 1 및 제 2 불순물 영역(215D, 215S) 중 선택된 어느 하나와 연결되는 수직자기이방성 CoFeB/Pd 박막(300)이 구비된다. 이때, 수직자기이방성 CoFeB/Pd 박막(300)은 시드층(310)과, Pd층(320)과, CoFeB 박막(340)과, MgO층(360)으로 구성되는 tCFB 구조 또는 bCFB 구조를 따르고, 비트라인과 연결되는 드레인 불순물 영역과 접속되도록 구비된다.Next, the electrode pads 250 and 255 are electrically connected to the contacts 240 and 245, and the perpendicular magnetic anisotropic CoFeB / is connected to any one selected from the first and second impurity regions 215D and 215S. The Pd thin film 300 is provided. At this time, the perpendicular magnetic anisotropic CoFeB / Pd thin film 300 has a tCFB structure or bCFB structure consisting of a seed layer 310, a Pd layer 320, a CoFeB thin film 340, MgO layer 360, And a drain impurity region connected to the bit line.

그 다음으로, 수직자기이방성 CoFeB/Pd 박막(300) 및 전극 패드(250, 255)를 매립하는 제 2 층간 절연막(260)이 구비된다.Next, a vertical magnetic anisotropic CoFeB / Pd thin film 300 and a second interlayer insulating film 260 filling the electrode pads 250 and 255 are provided.

그 다음으로, 제 2 층간 절연막(260) 상부에 수직자기이방성 CoFeB/Pd 박막(300)과 연결되며, 게이트 워드라인(230)과 수직한 방향으로 배열되는 비트라인(270)이 구비된다.Next, a bit line 270 connected to the vertical magnetic anisotropic CoFeB / Pd thin film 300 and disposed in a direction perpendicular to the gate word line 230 is provided on the second interlayer insulating layer 260.

그 다음으로, 본 발명에 따른 고밀도 스핀 토크 MRAM은 상기와 같은 주요 구성 이외에 게이트 워드라인(230) 및 비트라인(270)에 전류를 공급할 수 있는 전류 인가 회로부 및 센스 앰프 등 메모리 소자를 구동하기 위한 각종 회로 장치들이 더 포함될 수 있다. 아울러, 상기 각 구성을 형성하는 공정 단계는 일반 반도체 제조 공정의 게이트 워드라인, 비트라인 형성 공정과 동일하므로 여기서는 그 구체적인 설명을 생략하는 것으로 한다. Next, the high-density spin torque MRAM according to the present invention is used to drive a memory device such as a current applying circuit unit and a sense amplifier capable of supplying current to the gate word line 230 and the bit line 270 in addition to the above main configuration. Various circuit devices may further be included. In addition, since the process steps for forming the respective components are the same as the gate word line and bit line forming process of the general semiconductor manufacturing process, detailed description thereof will be omitted here.

또한, 상술한 도면은 고밀도 스핀 토크 MRAM에 대한 기본 구조를 중심으로 설명한 것 일뿐이므로, MRAM에 대한 모든 경우를 대표하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 상기 도 5에 의해서 제한되는 것이 아니며, MRAM에 사용되는 수직자기이방성 CoFeB 박막이라면, 어느 것이든 동일하게 적용이 되는 것으로 보아야 한다.
In addition, since the above-described drawings are only described based on the basic structure of the high density spin torque MRAM, they do not represent all cases of the MRAM. Therefore, the present invention is not limited to the above-described FIG. 5, and any vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film used in MRAM should be regarded as the same.

상술한 고밀도 스핀 토크(STT) MRAM에서 CoFeB 박막은 1.5 ~ 2nm의 두께를 가지면서도 높은 수직자기이방성을 가지고 있어, 높은 스핀분극 효율과 높은 열정안정성을 가진다. In the above-described high density spin torque (STT) MRAM, the CoFeB thin film has a thickness of 1.5 to 2 nm and has high perpendicular magnetic anisotropy, and thus has high spin polarization efficiency and high passion stability.

또한 높은 터널자기저항 (TMR)을 가지는 MgO 기반 자기터널접합에 적용이 가능하기 때문에 수직자화형 자기터널접합(pMTJs)형태를 가지는 MRAM의 구현에 최적의 조건을 제공한다. In addition, it can be applied to MgO-based magnetic tunnel junctions having high tunnel magnetoresistance (TMR), thus providing the optimum conditions for the implementation of MRAM having vertical magnetization magnetic tunnel junctions (pMTJs).

또한 기존의 자기장을 이용한 자화 반전 MRAM에 비하여 고집적화 및 쓰기 윈도우 마진을 향상시키고, 낮은 전력 소모량을 나타냄으로써, 최적의 MRAM 구성으로써, 작용하는 장점이 있다.
In addition, compared to the conventional magnetized inverted MRAM using the magnetic field, the high integration and write window margins are improved, and the low power consumption is achieved, thereby providing an optimal MRAM configuration.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be modified in various forms, and having ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

10, 100, 200: 기판 20, 140, 360: MgO층
30, 130, 340: CoFeB 박막 40, 120, 320: Pd층
110: Ta층 215D: 제1불순물 영역
215S: 제2불순물 영역 220: 게이트 유전막
230: 게이트 워드라인 235: 제1층간절연막
240, 245: 콘택 250, 255: 전극 패드
270: 비트라인 300: 수직자기이방성 CoFeB박막
310: 시드층 10, 100, 200: substrate 20, 140, 360: MgO layer
30, 130, 340: CoFeB thin films 40, 120, 320: Pd layer
110: Ta layer 215D: first impurity region
215S: second impurity region 220: gate dielectric film
230: gate word line 235: first interlayer insulating film
240, 245: contacts 250, 255: electrode pads
270: bit line 300: vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film
310: seed layer

Claims (18)

수직자기이방성을 가지는 CoFeB 박막을 제조하는데 있어서,
기판 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하되, 상기 CoFeB 박막의 상부 또는 하부에 Pd층을 형성하고, 열처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
In manufacturing a CoFeB thin film having perpendicular magnetic anisotropy,
Forming a 1.5 ~ 2nm CoFeB thin film on the upper substrate, a Pd layer formed on the top or bottom of the CoFeB thin film, characterized in that the vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method characterized by performing a heat treatment process.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 사파이어 기판 및 산화마그네슘 기판 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 1,
The substrate is a method of manufacturing a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film, characterized in that selected from silicon substrate, glass substrate, sapphire substrate and magnesium oxide substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=45~60이고, y=16~31이고, z=24인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 1,
The CoFeB thin film is formed with a composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 45-60, y = 16-31, and z = 24. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 1 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=43~58이고, y=15~30이고, z=27인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 1,
The CoFeB thin film is formed of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 43 to 58, y = 15 to 30, and z = 27. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 1 항에 있어서,
상기 Pd층의 두께는 5 ~ 20nm로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 1,
The thickness of the Pd layer is a method of manufacturing a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film, characterized in that formed in 5 ~ 20nm.
제 1 항에 있어서,
상기 열처리 공정은 150 ~ 400℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 1,
The heat treatment process is a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method characterized in that performed at 150 ~ 400 ℃.
(a) 기판 상부에 MgO층을 형성하는 단계;
(b) 상기 MgO층 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하는 단계;
(c) 상기 CoFeB 박막 상부에 Pd층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계의 구조물을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
(a) forming an MgO layer over the substrate;
(b) forming a 1.5 to 2 nm thick CoFeB thin film on the MgO layer;
(c) forming a Pd layer on the CoFeB thin film; And
(d) heat-treating the structure of step (c); a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method comprising a.
제 7 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=45~60이고, y=16~31이고, z=24인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The CoFeB thin film is formed with a composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 45-60, y = 16-31, and z = 24. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 7 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=43~58이고, y=15~30이고, z=27인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The CoFeB thin film is formed of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 43 to 58, y = 15 to 30, and z = 27. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 7 항에 있어서,
상기 Pd층의 두께는 5 ~ 15nm인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The thickness of the Pd layer is a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method, characterized in that 5 to 15nm.
제 7 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 150 ~ 350℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The heat treatment is a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method, characterized in that performed at a temperature of 150 ~ 350 ℃.
(a`) 기판 상부에 시드층을 형성하는 단계;
(b`) 상기 시드층 상부에 Pd층을 형성하는 단계;
(c`) 상기 Pd층 상부에 1.5 ~ 2nm 두께의 CoFeB 박막을 형성하는 단계;
(d`) 상기 CoFeB 박막 상부에 MgO층을 형성하는 단계; 및
(e`) 상기 (d`) 단계의 구조물을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
(a`) forming a seed layer over the substrate;
(b`) forming a Pd layer on the seed layer;
(c`) forming a CoFeB thin film having a thickness of 1.5 to 2 nm on the Pd layer;
(d`) forming an MgO layer on the CoFeB thin film; And
(e`) heat-treating the structure of step (d`); a method of manufacturing a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film comprising a.
제 12 항에 있어서,
상기 시드층은 Al 또는 Ta로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 12,
The seed layer is vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method characterized in that formed of Al or Ta.
제 12 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=45~60이고, y=16~31이고, z=24인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 12,
The CoFeB thin film is formed with a composition of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 45-60, y = 16-31, and z = 24. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 12 항에 있어서,
상기 CoFeB 박막은 CoxFeyBz(원자%, x+y+z=100)의 조성으로 형성하되, 상기 x=43~58이고, y=15~30이고, z=27인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB박막 제조 방법.
The method of claim 12,
The CoFeB thin film is formed of Co x Fe y B z (atomic%, x + y + z = 100), wherein x = 43 to 58, y = 15 to 30, and z = 27. Vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method.
제 12 항에 있어서,
상기 Pd층의 두께는 14 ~ 20nm인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 12,
The thickness of the Pd layer is a method of producing a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film, characterized in that 14 ~ 20nm.
제 12 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 250℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성 CoFeB 박막 제조 방법.
The method of claim 12,
The heat treatment is a vertical magnetic anisotropic CoFeB thin film manufacturing method, characterized in that performed at a temperature of 250 ℃.
상기 제1항 내지 제17항 중에서 선택되는 하나의 방법으로 제조되는 수직자기이방성 CoFeB 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 랜덤 액세스 메모리.18. The magnetic random access memory of claim 1, further comprising a perpendicular magnetic anisotropic CoFeB thin film manufactured by one of the methods selected from the preceding claims.
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