KR20120090902A - 자기저항 효과 소자 및 ｍｒａｍ - Google Patents

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Abstract

본 발명의 자기저항 효과를 가지는 소자는, 한 쌍의 강자성층과 상기 한 쌍의 강자성층 사이에 위치하는 배리어층으로 이루어지는 적층 구조를 포함하며, 상기 강자성층 중 적어도 하나는 적어도 상기 배리어층에 접하는 부분이 비정질(무정형) 물질 상태를 가지고, 상기 배리어층은 단결정 구조를 가지는 MgO 층이다.

Description

자기저항 효과 소자 및 ＭＲＡＭ{MAGNETORESISTANCE EFFECT DEVICE AND MRAM}
본 발명은 자기저항 효과를 가지는 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 간단한 스퍼터링(sputtering) 막 형성법을 이용하여 제작되는, 매우 높은 자기저항비를 가지는 자기저항성 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
근래, 불휘발성 메모리로서 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)라고 지칭되는 자기메모리 장치가 주목을 받고 있으며, 실용화 단계로 접어들고 있다. MRAM은, 구조가 간단하고, 기가비트급의 초고집적화가 용이하고, 자기모멘트의 회전을 이용하고, 기억 작용을 발생하게 하는 것부터 재기록 가능회수가 매우 크고, 나아가 동작속도를 나노초대로 할 수 있는 특성을 가지고 있다.
도 4에 MRAM의 구조가 나타나 있다. MRAM(l01)에서, 102는 메모리 소자, 103은 워드선(word line), 104는 비트선이다. 다수개의 메모리 소자(102) 각각은, 복수의 워드선(103)과 복수의 비트선(104)의 각 교점 위치에 배치되고, 격자형의 위치관계로 배치된다. 다수개의 메모리 소자(102) 각각은 1 비트의 정보를 기억한다.
MRAM(l01)의 메모리 소자(102)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 워드선(103)과 비트선(104)의 교점 위치에 있으며, l 비트의 정보를 기억하는 자기저항 효과를 가지는 소자, 즉 TMR 소자(11O)와, 스위치 기능을 가지는 트랜지스터(106)로 구성된다. 상기 메모리 소자(102)에서 중요한 점은 TMR(Tunneling Magneto Resistance) 소자(11O)가 이용된다는 것이다. TMR 소자의 기본 구조는, 도 6에 도시된 바와 같이, 강자성 금속 전극(강자성층)(107)/터널 배리어(터널 장벽)층(108)/강자성 금속 전극(강자성층)(109)로 이루어지는 3층의 적층 구조이다. TMR 소자(110)는, 한 쌍의 강자성층(107, 109)과 그 사이에 위치하는 터널 배리어층(108)으로 구성되어 있다.
TMR 소자(110)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 터널 배리어층(108) 양측의 강자성층(107, lO9)의 사이에 소요 전압을 인가하여 일정 전류를 흘린 상태에서 외부 자기장을 걸어, 강자성층(107, 109)의 자화 방향이 평행하고 동일할 때(「평행 상태」라고 한다) TMR 소자의 전기 저항은 최소가 되고((A)의 상태: 저항치 RP), 강자성층의 자화의 방향이 평행하고 반대일 때(「반평행 상태」라고 한다) TMR 소자의 전기 저항은 최대로 되는((B)의 상태: 저항치 RA) 특성을 가진다. 이로 인하여 TMR 소자(11O)는, 외부 자기장에 의해 평행 상태와 반평행 상태 형성으로 인한 저항치 변화로 정보를 기억할 수 있다.
이상의 TMR 소자는, 실용성이 있는 기가 비트급의 MRAM을 실현하기 위해, 「평행 상태」의 저항치 RP와「반평행 상태」의 저항치 RA의 차이를 크게 할 필요가 있다. 그 지표로서 자기저항비(MR비)가 이용된다. MR비는「(RA - RP)÷ RP」로 정의된다.
MR비를 향상시키기 위해, 종래에는 강자성 금속 전극(강자성층)의 전극재료를 최적화하거나 또는 터널 배리어층의 제조법이 고안되었다. 예를 들어, 일본 특허공개공보 제2003-304010호 또는 제2004-63592호에서는, 강자성 금속 전극(강자성층)의 재료로 FeXCoYBZ 등을 이용하는 몇가지의 최적예를 제안하고 있다.
상기 특허공개공보 제2003-304010호 및 제2004-63592호에 개시된 TMR 소자의 MR비는, 대략 70%미만이므로, MR비를 보다 높일 필요가 있다.
또한 최근에는, MgO 배리어층을 이용한 단결정 TMR 박막에 있어서, MBE와 초고진공 증착 장치를 이용하여 Fe/MgO/Fe의 단결정 TMR 박막을 제작함으로써, 88%의 MR비를 수득한 바 있다(湯淺新冶, 외 4명, "High Tunnel Magnetoresistance at Room Temperature in Fully Epitaxial Fe/MgO/Tunnel Junctions due to Coherent Spin-Polarized Tunneling", 나노일렉트로닉스 연구소, 일본의 응용물리 저널, 2004년 4월 2일 발행, 제43권, 제4B호, p. L588-L590). 상기 TMR 박막은 완전한 에피택셜(epitaxial) 단결정 구조를 가지고 있다.
상기의 문헌에 기재된 단결정 MgO 배리어층을 이용한 단결정 TMR 박막을 제작하기 위해서는, 고가의 MgO 단결정 기판을 사용하여야 한다. 또한 고가의 MBE 장치에 의한 Fe 막의 에피택셜 성장이나, 초고진공전자빔 증착에 의한 MgO의 막 형성 등의 고도한 막 형성기술이 요구되어, 막 형성 시간이 길어지는 등의 양산성이 부적합한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 높은 MR비를 가지며, 양산성이 우수하며, 실용성이 높은 자기저항 효과를 가지는 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 자기저항 효과를 가지는 소자 및 그의 제조방법은 다음과 같이 구성된다.
상기 자기저항 효과를 가지는 소자는, 제1 강자성층, 제2 강자성층, 및 상기 제1 강자성층과 제2 강자성층과의 사이에 위치하는 배리어층으로 이루어지는 적층 구조와 상기 제1 강자성층 측에 위치하는 기판을 포함하며, 상기 배리어층은, 상기 제1 강자성층과의 계면으로부터 상기 제2 강자성층과의 계면까지, 층의 두께 방향에 있어서, (001)면이 계면에 평행하게 배향한 단결정 구조의 산화 마그네슘을 포함하고, 상기 제1 강자성층은 CoFeB를 함유하는 것을 특징으로 한다.
자기저항 효과를 가지는 소자에 있어서, 바람직하기로는 상기 제1 강자성층은 상기 배리어층을 형성할 때 비정질(amorphous) 상태인 것으로 한다.
자기저항 효과를 가지는 소자에 있어서, 상기 배리어층은 산화 마그네슘 타겟을 이용하여 스퍼터링(sputtering)법으로 형성된 층인 것으로 한다.
본 발명에 있어서, TMR 소자 등의 자기저항 효과를 가지는 소자의 중간층인 터널 배리어층은 단결정 구조를 가지는 Mg0층이므로, MR비를 매우 높게 할 수 있으며, 이를 MRAM의 메모리 소자로 이용하여 기가 비트급의 초고집적도의 MRAM을 실현시킬 수 있다. 또한, 상기의 단결정 MgO 층을 스퍼터링법으로 막 형성함으로써, 양산에 적합하고, 실용성이 높은 자기저항 효과를 가지는 소자를 제작할 수 있다.
본 발명에 의하면, TMR 소자 등의 자기저항 효과를 가지는 소자의 중간층인 터널 배리어층은 단결정 구조를 가지는 Mg0층이므로, MR비를 매우 높게 할 수 있으며, 이를 MRAM의 메모리 소자로 이용하여 기가 비트급의 초고집적도의 MRAM을 실현시킬 수 있다. 또한, 상기의 단결정 MgO 층을 스퍼터링법으로 막 형성함으로써, 양산에 적합하고 실용성이 높은 자기저항 효과를 가지는 소자를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항 효과를 가지는 소자(TMR 소자)의 구조를 도시한 도면이며;
도 2는 본 발명에 따른 자기저항 효과를 가지는 소자(TMR 소자)를 제작하는 장치의 평면도이며;
도 3는 본 발명에 따른 자기저항 효과를 가지는 소자(TMR 소자)의 자기특성의 압력 의존성을 나타내는 그래프이며;
도 4는 MRAM의 주요부분의 구조를 나타내는 부분 사시도이며;
도 5는 MRAM의 메모리 소자의 구조를 도시한 도면이며; 및
도 6은 TMR 소자의 특성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항 효과를 가지는 소자의 적층 구조의 일례를 나타낸 것으로, TMR 소자의 적층 구조를 나타내고 있다. 상기 TMR 소자(10)에서, 예컨대 기판(1l) 상에 TMR 소자(10)를 구성하는 9층의 다층막이 형성되어 있다. 상기 9층의 다층막에는, 최하층인 제1 층에서 최상층인 제9 층까지 「Ta」, 「PtMn」, 「70CoFe」, 「Ru」, 「CoFeB」, 「MgO」, 「CoFeB」, 「Ta」, 「Ru」의 순서로 자성막 등이 적층되어 있다. 제1 층(Ta: 탄탈)은 베이스층이며, 제2 층(PtMn)은 반강자성층이다. 제3 층에서 제5 층(70CoFe, Ru, CoFeB)으로 이루어지는 층은, 자화 고정층을 형성하고 있다. 실질적인 자화 고정층은 제5 층의「CoFeB」로 이루어지는 강자성층이다. 제6 층(MgO: 산화마그네슘)은 절연층으로서, 터널 배리어층이다. 제7 층(CoFeB)은 강자성층이며, 자화 자유층이다. 제6 층(MgO)은, 그 상하에 위치하는 한 쌍의 강자성층(CoFeB) 사이의 중간층을 형성하고 있다. 제8 층(Ta: 탄탈)과 제9 층(Ru: 루테늄)은 하드 마스크층을 형성한다. 상기의 자화 고정층(제5 층의「CoFeB」), 터널 배리어층(제6 층의「MgO」) 및 자화 자유층(제7 층의「CoFeB」)에 의해, 협의의 의미로서의 TMR 소자부(12) 기본구조가 형성된다. 자화 고정층인 제5 층의「CoFeB」와 자화 자유층인 제7 층의「CoFeB」는 비정질(무정형) 상태의 강자성체로 알려져 있다. 터널 배리어층인 MgO 층은 두께 방향에 걸쳐서 단결정 구조를 갖도록 형성되어 있다.
또한, 도 1에서, 각 층의 괄호의 속에 기재된 수치는 각 층의 두께이며, 단위는「nm(나노미터)」이다. 상기 두께는 일례일 뿐이며, 이것에 한정되지 않는다.
다음으로, 도 2를 참조하여 상기의 적층 구조를 가지는 TMR 소자(10)를 제조하는 장치와 제조 방법을 설명한다. 도 2는 TMR 소자(10)를 제조하는 장치의 개략적인 평면도로, 본 장치는 복수의 자성막을 포함하는 다층막을 제작할 수 있는 장치이며, 양산용 스퍼터링막 형성 장치이다.
도 2에 나타낸 자성 다층막 제작 장치(20)는 클러스터형 장치이며, 스퍼터링법에 기초한 복수의 막 형성 챔버를 구비하고 있다. 본 장치(20)에는, 도시하지 않은 로봇 반송 장치를 구비한 반송 챔버(22)가 중앙에 설치되어 있다. 자성 다층막 제작 장치(2O)의 반송 챔버(22)에는, 2개의 로드/언로드 챔버(25, 26)가 설치되고, 각각에 의해 기판(실리콘 기판)(11)의 반입/반출이 행하여진다. 이들 로드/언로드 챔버(25, 26)를 교대로 사용함으로써, 다층막을 우수한 생산성으로 제작할 수 있는 구성으로 되어 있다.
상기의 자성 다층막 제작 장치(20)에는, 반송 챔버(22)의 주위에 예컨대 3개의 막 형성 챔버(27A, 27B, 27C)와, 하나의 에칭 챔버(28)가 설치되어 있다. 에칭 챔버(28)에서는 TMR 소자(10)의 표면을 에칭 처리한다. 각 챔버의 사이에는 양 챔버를 격리하고, 또한 필요에 따라 개폐 가능한 게이트밸브(30)가 설치되어 있다. 또한, 각 챔버에는 도시하지는 았았지만 진공배기 기구, 가스도입 기구, 전력공급 기구 등이 부설되어 있다.
자성 다층막 제작 장치(20)의 막 형성 챔버(27A, 27B, 27C) 각각에 스퍼터링법으로 기판(11) 상에 전술한 각 자성막을 하측으로부터 차례로 퇴적한다. 예를 들어, 막 형성 챔버(27A, 27B, 27C)의 천장부에는, 각각, 적당한 원주 상에 배치된 4기 또는 5기의 타겟((31, 32, 33, 34, 35), (4l, 42, 43, 44, 45), (5l, 52, 53, 54))이 배치된다. 또 상기 원주와 동일 축상에 위치하는 기판 홀더상에 기판이 배치된다.
상기에서, 예를 들면, 타겟(31)의 재료는「Ta」이고, 타겟(33)의 재료는「CoFeB」이다. 또한 타겟(41)의 재료는「PtMn」이고, 타겟(42)의 재료는「CoFe」이고, 타겟(43)의 재료는「Ru」이다. 또 타겟(51)의 재료는「MgO」이다.
상기 복수의 타겟은, 효율이 좋고 적절한 조성의 자성막을 퇴적시키기 위해서, 바람직하게는 각 기판을 향하도록 경사지게 설치되지만, 기판면에 평행한 상태로 설치되어도 된다. 또한, 복수의 타겟과 기판은 상대적으로 회전하는 구성으로 배치되어 있다. 상기의 구성을 가지는 장치(20)에 있어서, 각 막 형성 챔버(27A, 27B, 27C)를 이용하여, 도 1에 나타낸 자성 다층막이 기판(11)상에 스퍼터링법에 의해 차례로 막 형성된다.
본 발명의 중요한 소자부인 TMR 소자부(12)의 막 형성 조건을 설명한다. 자화 고정층(제5 층의「CoFeB」)는, CoFeB 조성비 60/20/20at%의 타겟을 이용하고, Ar 압력 0.03Pa에서 마그네트론 DC 스퍼터에 따라 스퍼터 속도 0.64Å/sec로 막 형성하였다. 계속해서, 터널 배리어층(제6 층의「MgO」)은, MgO 조성비 50/50at%의 타겟을 이용하고, 스퍼터 가스로서 Ar를 이용하여 압력 0.01 - 0.4Pa 범위에서 막을 형성하였다. 마그네트론 RF 스퍼터로 스퍼터 속도 0.14Å/sec에서 막 형성을 실시하였다. 계속하여, 자화 자유층(제7 층의「CoFeB」)은 자화 고정층(제5 층의「CoFeB」)와 동일 막 형성 조건에서 막을 형성시켰다.
상기 실시예에서는, MgO 막의 막 형성 속도는 0.14Å/sec 이지만, O.O1-1.0Å/sec의 범위에서 막 형성을 하더라도 무방하다.
각각의 막 형성 챔버(27A, 27B, 27C)에서는 스퍼터링막 형성을 수행하여 적층이 완료된 TMR 소자(10)는, 열처리로에서 어닐링 처리된다. 이 때, 어닐링 온도는 예컨대 약 300℃이며, 예컨대 8kOe(632kA/m)의 자장으로 예컨대 4시간 어닐링 처리를 수행한다. 이로써, TMR 소자(10)의 제2 층 PtMn에 필요한 자화가 부여된다.
도 3은 MgO의 자기 특성을 측정한 결과이다. 측정한 전체 범위에서 높은 MR비가 얻어졌다. 특히, 압력 O.05Pa 이상 O.2Pa 이하의 영역에서, 높은 MR비가 얻어졌다. 압력 O.05Pa 이상에서는, 기판상의 압력이 증대하고 이온충격이 저하된 결과로 막의 결함이 감소된 것으로 추정된다. 압력이 O.O5Pa 이상시, MR비가 증대되어 터널 저항치(RA)가 증가되었다. 이는, 양호한 단결정막이 형성됨으로써, 막의 리크전류가 감소하였기 때문인 것으로 추정된다. 한편, 0.05Pa 이하에서는 터널 저항치(RA)가 저하되어 MR비도 저하되었다. 이는, 이온충격이 증대됨으로써 MgO 단결정막의 결함이 증대되었기 때문인 것으로 여겨진다. 샘플을 단면 TEM으로 관찰한 결과, 측정한 압력의 전범위에서 Mg0막은 하측의 계면에서 상측의 계면까지 전체 층에서 단결정 구조를 가지고 있으며, 계면에 평행하게 MgO 단결정의(OO1)면이 배향하고 있는 상태가 관찰되었다. 또한 CoFeB 층은 비정질(무정형)상태로 형성되어 있는 것으로 관찰되었다.
상기 샘플은, MgO 층 양측의 강자성층으로서 비정질(무정형)의 CoFeB를 형성하였으나, 어느 한 쪽의 강자성층이 비정질(무정형)의 CoFeB로 형성되더라도 동일한 결과가 관측되었다. 상기 강자성층은, 적어도 배리어층과 접하는 부분이 비정질(무정형) 물질 상태이면 충분하다.
한편, MgO 층 양측의 강자성층을 다결정 구조를 가지는 CoFe로 형성하는 경우, MgO 층에는 다수의 전이가 보일 수 있어 양호한 단결정막을 얻지 못하므로, 특성이 좋지 않다.
이 때, 전술한 바와 같이, 타겟으로서 MgO 타겟(51)이 이용되고, 또한 바람직하게는 RF(고주파)마그네트론 스퍼터링법이 적용된다. 또 리액티브 스퍼터링법을 이용하여, Mg 타겟을 Ar과 O2의 혼합가스로 스퍼터링하여 Mg0막을 형성할 수도 있다.
또한 상기에서, MgO 층은 전체 층에 걸쳐 단결정이며, (OO1)면이 계면에 평행하게 배향되는 단결정 구조를 가지고 있다. 또한, TMR 소자부(12)를 형성하는 한 쌍의 강자성층은, 비정질(무정형)상태를 가지는 CoFeB 대신에, CoFeTaZr, CoTaZr, CoFeNbZr, CoFeZr, FeTaC, FeTaN, FeC 등의 비정질(무정형)상태를 가지는 강자성층을 이용할 수 있다.
이상의 실시예에서 설명된 구성, 형상, 크기 및 배치 관계는 본 발명을 이해 및 실시할 수 있는 정도로 개략적으로 나타낸 것에 불과하며, 또한 수치 및 각 구성의 조성(재질)에 대한 예시일 뿐이다. 따라서 본 발명은 상기 기재된 실시예로 한정되지 않으며, 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범위를 일탈하지 않은 한 여러 가지 형태로 변경될 수 있다.
본 명세서에 개시된 사항은 2004년 9월 7일에 출원된 일본특허출원 제2004-259280호에 포함된 주제에 관한 것으로, 상기 일본 출원의 개시내용은 그 전체를 원용하는 것에 의해 참고로 본 명세서에 통합된다.

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  1. 자기저항 효과 소자의 제조 방법.
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