KR20180045910A - 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 그 제조방법을 제공한다. 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하는 인위적 반강자성층, 상기 인위적 반강자성층 상에 위치하되, 상기 인위적 반강자성층과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층, 상기 계면 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함한다. 따라서, 고온에서도 열적 안정성을 갖는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 그 제조방법{Magnetic tunnel junction structure with perpendicular magnetic anisotropy and method of manufacturing the same}
본 발명은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 인위적반강자성층을 포함하는 MTJ 구조에 있어서, 고온에서도 열적 안정성을 가지는 수직 자기 이방성을 갖는 MTJ 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징을 가지는 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.
GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.
한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자가 알려져 있다.
이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.
이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀드층(Pinned layer)이라 한다.
다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이때의 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.
MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.
한편, 이러한 MTJ 소자 중 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자가 주목받고 있다.
특히, 이러한 수직자기이방성 물질을 이용한 MTJ 소자를 수직스핀전달토크형 자기저항메모리(STT-MRAM) 등에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
스핀전달토크형 기록방식은 외부 자기장이 아닌 자기터널접합에 직접 전류를 주입하여 자화반전을 유도하는 방식을 말한다. 이러한 STT 기록방식은 별도의 외부 도선이 필요없어 고집적화에 유리한 특징이 있다.
이러한 수직자기이방성을 이용한 자기터널접합 (MTJ) 소자에 있어서 피닝층(pinning layer)으로 사용되는 물질로써 인위적 반강자성체 구조가 있다. 본 구조는 통상적으로 CoPd, CoPt, [Co/Pd] 또는 [Co/Pt]와 같은 강자성층 사이에 Ru 이 삽입되어진 L1 / Ru / L1 구조로 이루어진다.
현재 STT-MRAM 소자 적용을 위해서는 궁극적으로 트랜지스터와 같은 선택소자 접합이 필수적인데, 이와 같은 선택소자의 공정온도는 대략 400 ℃의 고온 상태이며, 이러한 고온 조건 신뢰성을 갖추면서도 수직자기이방성의 특성이 약화 되지 않는 구조 및 물질을 고안하는 것이 더욱 중요해 지고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0060063호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인위적 반강자성체 결합 구조의 열처리 안정성을 향상시키고, 인위적 반강자성체 결합 구조에 사용되는 수직자기이방성 물질의 고온 공정에서의 열적 내안정성(Thermal Stability Robustness) 저하를 방지하고, 수직자기이방성 성능 향상이 가능한 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제공한다. 상기 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 씨앗층, 상기 씨앗층 상에 위치하는 인위적 반강자성층, 상기 인위적 반강자성층 상에 위치하되, 상기 인위적 반강자성층과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층, 상기 계면 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층, 상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층 및 상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하는 수직자기이방성을 갖는다.
또한, 상기 씨앗층은 Ta, Ru 또는 Pd을 포함할 수 있다.
또한, 상기 인위적 반강자성층은 강자성물질층과 비자성물질층이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 강자성물질층은 Co, Fe 또는 Ni을 포함할 수 있다.
또한, 상기 비자성물질층은 Pd 또는 Pt를 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물계 물질은 니켈산화물, 코발트산화물 또는 철산화물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계면수직자기이방성 유도층은 불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법을 제공한다. 상기 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법은 기판 상에 씨앗층을 형성하는 단계, 상기 씨앗층 상에 인위적 반강자성층을 형성하는 단계, 상기 인위적 반강자성층 상에 상기 인위적 반강자성층과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층을 형성하는 단계, 상기 계면 수직자기이방성 유도층 상에 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층을 형성하는 단계, 상기 제1 강자성층 상에 터널링 배리어층을 형성하는 단계 및 상기 터널링 배리어층 상에 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인위적 반강자성층은 강자성물질층과 비자성물질층이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 계면수직자기이방성 유도층을 형성하는 단계는, 불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불활성 가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 STT-MRAM 소자 개발에 있어서 필수적으로 요구되고 있는 고정층 소재 및 구조에서, 인위적 반강자성층 및 고정층 사이에 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층을 삽입함으로써, 인위적 반강자성체 결합 구조에 사용되는 수직자기이방성 물질의 고온 공정에서의 열적 내안정성(Thermal Stability Robustness)을 확보 하고, 수직자기이방성 성능 향상을 유도할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 일 단면도이다.
도 2는 비교예 및 제조예에 따른 MTJ 구조의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 3은 제조예에 따른 MTJ 구조의 열처리 온도에 따른 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 4는 제조예에 따른 MTJ 구조의 4, 7, 10, 13, 16, 및 19 s의 에칭 타임에 대한 스펙트럼을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "A/B/C 구조"는 A층 상에 B층 및 C층이 차례로 적층된 구조를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "[A/B]n 구조"는 A층과 B층이 교대로 n회 반복적층된 구조를 의미한다. 이때의 n은 1 이상의 정수이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조의 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조는 기판(100), 씨앗층(200), 인위적 반강자성층(300), 계면수직자기이방성 유도층(400), 제1 강자성층(500), 터널링 배리어층(600) 및 제2 강자성층(700)을 포함한다.
기판(100)은 공지된 다양한 물질의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기판(100)은 실리콘 기판으로 구현될 수 있다. 또한, 이러한 기판(100)은 전극으로 구현될 수도 있다. 한편, 이러한 기판(100)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
씨앗층(200)은 기판(100) 상에 위치한다. 이러한 씨앗층(200)은 인위적 반강자성층(300)을 형성을 위한 씨드 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 씨앗층(200)은 Ta, Ru 또는 Pd을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 씨앗층은 Ta/Ru/Pd 층 구조일 수 있다.
인위적 반강자성층(300)은 씨앗층(200) 상에 위치한다. 상기 인위적 반강자성층(300)은 강자성물질층(310)과 비자성물질층(320)이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 강자성물질층(310)은 Co, Fe 또는 Ni을 포함할 수 있다. 또한, 상기 비자성물질층(320)은 Pd 또는 Pt를 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 인위적 반강자성층(300)인 [Co/Pd]3 구조의 수직자기이방성 교차층일 수 있다.
한편, 도 1에서는 수직자기이방성 교차층을 강자성물질층(310)과 비자성물질층(320)이 서로 교대로 3회 반복적층된 구조로 도시하였으나, 반복적층되는 수는 이에 한정되지 않는다.
계면수직자기이방성 유도층(400)은 인위적 반강자성층(300) 상에 위치한다. 계면수직자기이방성 유도층(400)은 산화물계 물질을 포함함으로써, 인위적 반강자성층(300)과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 유도하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 산화물계 물질은 코발트산화물 또는 철산화물일 수 있다.
또한, 상기 계면수직자기이방성 유도층(400)은 불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 제조된 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 이때의 불활성 가스는 아르곤 가스일 수 있다.
바람직하게, 상기 스퍼터링 조건에서 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 한다. 만일, 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스의 유량을 0.25 sccm 미만으로 하여 계면수직자기이방성 유도층(400)을 제조할 경우, 계면수직자기이방성 유도층(400)의 산소 함량이 부족하여 인위적 반강자성층(300)과의 계면에서의 계면수직자기이방성 특성을 충분하게 발현시키지 못할 수 있다.
제1 강자성층(500)은 계면수직자기이방성 유도층(400) 상에 위치한다. 이 때의 제1 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다.
예컨대, 이러한 제1 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제1 강자성층(500)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB를 포함하는 제1 강자성층(500)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 1.5 nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 이러한 제1 강자성층(500)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
이러한 제1 강자성층(500)은 인위적 반강자성층(300)에 의해 자화 방향이 고정되어 고정층 역할을 하게 된다.
터널링 배리어층(600)은 이러한 제1 강자성층(500) 상에 위치한다. 즉, 터널링 배리어층(600)은 제1 강자성층(500)과 후술하는 제2 강자성층(700) 사이에 개재된다.
이러한 터널링 배리어층(600)의 물질은 절연물질인 것이면 어느 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 절연물질은 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게 터널링 배리어층(600)은 MgO층일 수 있다.
제2 강자성층(700)은 터널링 배리어층(600) 상에 위치한다. 상술한 바와 같이 제1 강자성층(500)이 고정층인 경우, 제2 강자성층(700)은 자유층일 것이다.
따라서, 이러한 자유층은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 됨으로써, 정보를 저장하는 역할을 한다.
이 때의 제2 강자성층(700)은 수직자기이방성을 갖는 강자성 물질을 주 원소로 한다. 따라서, 이러한 제2 강자성층(700)은 수직자기이방성을 갖기 위하여 Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Tb, Pd, Cu, W, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 제2 강자성층(700)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 이때의 CoFeB층은 수직자기이방성을 갖기 위하여 얇은 두께로 설정될 수 있다. 예를 들어, 수직자기이방성을 갖기 위하여 CoFeB층의 두께는 1.5 nm 이하로 설정될 수 있다.
한편, 이러한 제2 강자성층(700)은 층의 형성시에 이미 수직자기이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직자기이방성을 가질 수도 있다.
한편, 이러한 제2 강자성층(700) 상에 위치하는 캡핑층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 캡핑층은 보호층으로서 기능하며, 제2 강자성층(700)이 산화되는 것을 보호할 수 있다.
한편, 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법을 도 1의 구조를 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법은 기판(100) 상에 씨앗층(200)을 형성하는 단계, 상기 씨앗층(200) 상에 인위적 반강자성층(300)을 형성하는 단계, 상기 인위적 반강자성층(300) 상에 상기 인위적 반강자성층(300)과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층(400)을 형성하는 단계, 상기 계면 수직자기이방성 유도층(400) 상에 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(500)을 형성하는 단계, 상기 제1 강자성층(500) 상에 터널링 배리어층(600)을 형성하는 단계 및 상기 터널링 배리어층(600) 상에 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(700)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 기판(100) 상에 씨앗층(200)을 형성한다. 이러한 씨앗층(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
그 다음에, 상기 씨앗층(200) 상에 인위적 반강자성층(300)을 형성한다. 이러한 인위적 반강자성층(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
또한, 이때의 상기 인위적 반강자성층(300)은 강자성물질층(310)과 비자성물질층(320)이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함할 수 있다.
그 다음에, 상기 인위적 반강자성층(300) 상에 상기 인위적 반강자성층(300)과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층(400)을 형성한다.
상기 계면수직자기이방성 유도층(400)은 불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 제조된 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 이때의 불활성 가스는 아르곤 가스일 수 있다.
바람직하게, 상기 스퍼터링 조건에서 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 한다. 만일, 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스의 유량을 0.25 sccm 미만으로 하여 계면수직자기이방성 유도층(400)을 제조할 경우, 계면수직자기이방성 유도층(400)의 산소 함량이 부족하여 인위적 반강자성층(300)과의 계면에서의 수직자기이방성 특성을 충분하게 발현시키지 못할 수 있다.
그 다음에, 상기 계면 수직자기이방성 유도층(400) 상에 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층(500)을 형성한다. 이러한 제1 강자성층(500)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
그 다음에, 상기 제1 강자성층(500) 상에 터널링 배리어층(600)을 형성한다. 이러한 터널링 배리어층(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
그 다음에, 상기 터널링 배리어층(600) 상에 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층(700)을 형성한다. 이러한 제2 강자성층(700)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링법이 가능하다.
제조예
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제조하였다.
실험의 편의를 위하여 기판/씨앗층/인위적반강자성층/계면수직자기이방성유도층/산화방지층 구조까지만 제조하였다. 이때의 산화방지층은 계면수직자기이방성 유도층이 외부와의 접촉으로 산화되는 방지하기 위하여 제조하였다.
먼저 스퍼터링법을 이용하여 기판 상에 3 nm 두께의 Ta층, 5 nm 두께의 Ru층 및 3 nm 두께의 Pd층을 차례로 증착하여 Ta(3)/Ru(5)/Pd(3) 구조의 씨앗층을 형성하였다. 이때의 괄호는 각층의 두께를 의미한다.
그 다음에, 스퍼터링법을 이용하여 씨앗층 상에 0.3 nm 두께의 Co층과 0.3 nm 두께의 Pd층을 교대로 3회 반복적층하여 [Co/Pd]3 구조의 수직자기이방성 교차층인 인위적 반강자성층을 형성하였다.
그 다음에, 스퍼터링법을 이용하여 인위적 반강자성층 상에 CoO층인 계면수직자기이방성 유도층을 형성하였다. 이때, 아르곤 가스 20 sccm 및 산소 가스 5 sccm 분위기하에서 Co 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 이용하여 CoO층을 형성하였다.
그 다음에, 스퍼터링법을 이용하여 계면수직자기이방성 유도층 상에 3 nm 두께의 Pd층인 산화방지층을 형성하였다.
비교예
계면수직자기이방성 유도층인 CoO층 대신에 스퍼터링법을 이용하여 0.5 nm 두께의 Co층을 형성한 점을 제외하고 상기 제조예와 동일하게 수행하여 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조를 제조하였다.
비교예 역시 실험의 편의를 위하여 기판/씨앗층/인위적반강자성층/금속층(Co층)/산화방지층 구조까지만 제조하였다.
실험예
도 2는 비교예 및 제조예에 따른 MTJ 구조의 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
도 2(a)는 비교예에 따른 MTJ 구조의 자성특성을 나타낸 그래프이고, 도 2(b)는 제조예에 따른 MTJ 구조의 자성특성을 나타낸 그래프이다. 도 2(a) 및 도 2(b)에는 각각 MTJ 구조의 단면도를 함께 도시하였다. 이때 도 2(b)의 MTJ 구조에 도시된 CoO(t)의 t는 두께(nm)를 의미하고, 이때의 t는 0.5이다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 비교예 및 제조예에 따른 MTJ 구조를 400 ℃ 열처리한 후의 자성특성을 비교하였는데, 비교예에 따른 MTJ 구조에 비하여 제조예에 따른 MTJ 구조가 열처리 이후에도 안정적인 자성특성이 나타남을 확인할 수 있다.
도 3은 제조예에 따른 MTJ 구조의 열처리 온도에 따른 자성특성을 나타낸 그래프들이다.
제조예에 따른 MTJ 구조 중 계면수직자기이방성 유도층을 형성시의 아르곤 가스 및 산소 가스의 유량비를 조절하여 제조하였다.
도 3(a)는 아르곤 가스 20 sccm 및 산소 가스 1.5 sccm 조건하에서 계면수직자기이방성 유도층을 제조하였고, 도 3(b)는 아르곤 가스 20 sccm 및 산소 가스 3.5 sccm 조건하에서 계면수직자기이방성 유도층을 제조하였고, 도 3(c)는 아르곤 가스 20 sccm 및 산소 가스 5.0 sccm 조건하에서 계면수직자기이방성 유도층을 제조하였다.
이러한 MTJ 구조를 열처리 하지 않은 경우(as-dep.), 350 ℃ 열처리 한 경우 및 400 ℃ 열처리한 경우의 자성특성을 분석하였다.
도 3(a) 및 도 3(b)의 MTJ 구조는 400 ℃ 열처리한 이후에 자성특성이 무너지나, 도 3(c)의 MTJ 구조는 400 ℃ 열처리한 이후에도 안정적인 자성특성이 나타남을 확인할 수 있다.
따라서, 계면수직자기이방성 유도층의 불활성 가스 및 산소 가스의 비율을 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
열처리 공정(PMA)에 대한 안전성 향상에서의 CoO 박막의 역할을 확인하기 위해, 스폿 사이즈 400 ㎛을 가지는 Al Kα 선(1486.6 eV)을 이용하여, 열처리되지 않은 스택구조와 350℃에서 열처리된 스택구조에 대한 XPS depth profile을 구하였다. 모든 스펙트럼들이 100 eV의 패스 에너지(pass energy)를 가지는 CAE(constant analyzer energy) 모드로 측정하였다. 기판의 스펙트럼이 관측될 때까지 에칭을 3 초 간격으로 실시하였다. 0 1s의 결합에너지(binding energy; 284.4 eV)를 모든 XPS 스펙트럼의 칼리브레이션을 위한 기준 에너지로 사용하였다. 4, 7, 10, 13, 16, 및 19 s의 에칭 타임에 대한 스펙트럼들을 비교하였다. 도 4의 (a)와 (b)는 열처리되지 않은 샘플의 에칭 전 O 1s 및 Co 2p 피크를 각각 나타낸다. 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, O 1s는 532.38 eV와 530.03 eV이었다. 532.38 eV의 높은 결합에너지 피크는 CO3, OH 또는 막의 표면으로 흡수된 O2와 같이 주로 약하게 결합된 산소류에 기인하며, 반면에 낮은 결합 에너지 피크는 코발트 산화물(CoO) 내의 코발트-산소 결합에 기인한다. 낮은 결합 에너지 피크는 13 s의 에칭 시간까지 나타났으며, 이는 CoO 박막층에 의해 처음 생성된 산화된 Co-O 상을 나타낸다. 13 s 에칭 이후에는 이들 낮은 결합 에너지 피크들이 사라졌으며, 이는 금속-산소 결합이 없다는 것을 의미한다. 도 4의 (b)는 2개의 메인 Co 2p1/2과 2p3/2 피크를 나타내며, 이들은 각각 796.78 eV과 780.88 eV였다. 이들 피크는 열처리되지 않은 상태에서의 CoO, Co2O3, 또는 Co3O4와 같은 혼합 상과 관련이 있다. 에칭 시간을 늘이자, Co 2p1/2과 2p3/2 피크들이 13 s까지 낮은 결합 에너지로 이동하여 793.03 eV과 778.68 eV를 나타냈으며, 이는 바닥 부위의 [Co/Pd]3 ML 매트릭스 내의 금속성 Co 결합에 해당된다. 이는 7 s 내지 13 s의 에칭 시간에 [Co/Pd]3 ML에 CoOx 박막층에 의해 유도된 산화된 상이 존재한다는 것을 의미한다. 또한, 13 s 이전의 초기 피크들은 16 s 및 19 s에 비해 상대적으로 넓은 폭과 강도를 가졌다. 따라서, 넓은 폭과 완만한 피크 이동이 열처리 되지 않은 상태에서 여러 개의 Co-O 서브-옥사이드를 형성함을 의미한다고 볼 수 있다. 도 4의 (c)는 350℃에서 어닐링된 스택구조 샘플의 0 1s의 피크를 나타내는 것이며, 여기서는 열처리 되지 않은 상태에서 관찰되었던, Co-O 피크 (530.03 eV)가 존재하지 않고, 오로지 금속 피크(532.38 eV)만 보였다. 도 4의 (d) 또한 305℃의 어닐링 이후에 Co-O 피크들(796.78 eV 및 780.88 eV)이 없다는 것을 보여준다. 따라서, 높은 온도의 어닐링이 ML 매트릭스의 상부 영역 내의 초기 약한 Co-O 결합을 깨서, 열적으로 활성된 산소 원자들의 확산을 통해 구조적인 재편성을 하게 되었다고 볼 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 STT-MRAM 소자 개발에 있어서 필수적으로 요구되고 있는 고정층 소재 및 구조에서, 인위적 반강자성층 및 고정층 사이에 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층을 삽입함으로써, 인위적 반강자성체 결합 구조에 사용되는 수직자기이방성 물질의 고온 공정에서의 열적 내안정성(Thermal Stability Robustness)을 확보 하고, 수직자기이방성 성능 향상을 유도할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 기판 200: 씨앗층
300: 인위적 반강자성층 310: 강자성물질층
320: 비자성물질층 400: 수직자기이방성 유도층
500: 제1 강자성층 600: 터널링 배리어층
700: 제2 강자성층

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 씨앗층;
    상기 씨앗층 상에 위치하는 인위적 반강자성층;
    상기 인위적 반강자성층 상에 위치하되, 상기 인위적 반강자성층과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층;
    상기 계면 수직자기이방성 유도층 상에 위치하되, 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층;
    상기 제1 강자성층 상에 위치하는 터널링 배리어층; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 위치하고, 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 씨앗층은 Ta, Ru 또는 Pd을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인위적 반강자성층은 강자성물질층과 비자성물질층이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 강자성물질층은 Co, Fe 또는 Ni을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비자성물질층은 Pd 또는 Pt를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물계 물질은 코발트산화물 또는 철산화물인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계면수직자기이방성 유도층은 불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 제조된 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조.
  9. 기판 상에 씨앗층을 형성하는 단계;
    상기 씨앗층 상에 인위적 반강자성층을 형성하는 단계;
    상기 인위적 반강자성층 상에 상기 인위적 반강자성층과의 계면에서 수직자기이방성을 발현시키도록 산화물계 물질을 포함하는 계면수직자기이방성 유도층을 형성하는 단계;
    상기 계면 수직자기이방성 유도층 상에 수직자기이방성을 갖는 제1 강자성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 강자성층 상에 터널링 배리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 터널링 배리어층 상에 수직자기이방성을 갖는 제2 강자성층을 형성하는 단계를 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인위적 반강자성층은 강자성물질층과 비자성물질층이 서로 교대로 반복적층된 수직자기이방성 교차층을 포함하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 계면수직자기이방성 유도층을 형성하는 단계는,
    불활성 가스 및 산소 가스 분위기하에서, 금속 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 불활성 가스 1 sccm 대비 상기 산소 가스는 0.25 sccm 이상인 것을 특징으로 하는 수직자기이방성을 갖는 MTJ 구조 제조방법.
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