수직자화형 STT MRAM의 초고집적 공정을 위한 자기터널접합의 자기저항비 향상에 관한 연구 : TUNNEL MAGNETORESISTANCE RATIO ENHANCEMENT OF MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS FOR VLSI PROCESS OF PERPENDICULAR STT MRAM원문보기
얇은 강자성체/절연체/강자성체의 구조를 가진 자기터널접합 (MTJ)은 고속 읽기/쓰기 동작과 낮은 전력소모, 고집적회로에 적합한 셀 크기를 가진 차세대 비휘발성 메모리인 스핀전달토크 자기저항메모리 (STT-MRAM)의 저장소자로서, 고집적회로에 맞는 특성을 향상시키기 위한 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. STT-MRAM은 1970년 P. M. Tedrow와 R. Meservey이 규명한 스핀분극터널링에 의해 발생하는 터널자기저항 (...
얇은 강자성체/절연체/강자성체의 구조를 가진 자기터널접합 (MTJ)은 고속 읽기/쓰기 동작과 낮은 전력소모, 고집적회로에 적합한 셀 크기를 가진 차세대 비휘발성 메모리인 스핀전달토크 자기저항메모리 (STT-MRAM)의 저장소자로서, 고집적회로에 맞는 특성을 향상시키기 위한 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. STT-MRAM은 1970년 P. M. Tedrow와 R. Meservey이 규명한 스핀분극터널링에 의해 발생하는 터널자기저항 (TMR) 현상을 이용하여 데이터를 저장하는 메모리다. 반면 STT-MRAM은 커패시터 없이 자화정렬 상태에 따라 두 개의 저항을 가지는 MTJ 저항소자를 가지고 메모리로 구동하기 때문에 공정이 간단하며 집적화가 용이하다는 장점을 가진다. 그 중에서도 수직자화형 STT-MRAM은 수평자화형 STT-MRAM보다 자화전환에 있어서 더 낮은 에너지장벽을 갖기 때문에 저전력으로 쓰기동작이 가능하여 고집적화 소자에 더욱 적합하다. 본 연구에서는, 산화마그네슘(MgO)과 인접한 CoFeB의 두께에 따른 계면 수직자기이방성 (i-PMA) 특성과 이를 이용한 스핀밸브 구조에서 자기저항비와 자유층/고정층 간의 의존성에 대해 검증하였다.
우리는 Co2Fe6B2/MgO 시스템을 기반으로한 자유층/터널베리어/고정층의 구조를 가진 수직자화형 자기터널접합 스핀밸브를 제작하였으며, Co2Fe6B2 자유층과 고정층의 두께를 변화시키면서 터널자기저항비 의존성을 확인하였다. 그 결과 자유층과 고정층의 수직자기이방성 크기와 자기저항비가 놀랍도록 일치하는 것을 확인하였다. 우선 자기저항비는 자유층과 고정층이 각각 11 Å과 15.9 Å일 때 최대값을 가졌으며 이보다 자유층의 두께가 더욱 증가하거나 고정층의 두께가 감소하면 자기저항비는 감소하는 경향을 보였다. 우리는 진동 자화측정장치 (VSM)를 이용하여 자유층의 두께가 11 Å 이상일 경우 자화용이축이 박막 표면에 대해 수직에서 수평으로 변화하는 것을 확인하였다. 따라서 수평자화로 변환된 자유층이 수직자기장에 의해 자화가 전환되지 않고 평행상태와 반평행상태가 구분되지 않아, 결과적으로 자기저항비가 감소되는 것을 알 수 있었다. 또 자유층의 두께가 15.9 Å보다 얇을 경우에 이차 이온 질량분석 (SIMS)과 주사 투과 전자현미경 (STEM)을 통해 관찰한 결과, 고정층을 고정하는 [Co/Pd]n 다층 기반 SyAF 층의 fcc 결정구조가 고정층이 터널베리어에 의해 텍스쳐링된 bcc 결정구조와 충돌하면서 자기저항비를 감소시키는 것을 확인하였다. 따라서 [Co/Pd]n 다층 기반 SyAF 층의 영향을 줄이기 위해 고정층과 SyAF층 사이에 덮개층을 삽입함과 동시에 자유층보다 더욱 두꺼운 고정층의 두께가 필요한 것을 알 수 있었다. 최종적으로 최적화된 스핀밸브 구조에서 최대 자기저항비 104.4 %를 확인하였고, 이 때의 자유층 두께는 10.5 Å, 고정층 두께는 15.9 Å 라는 것을 밝혀냈다.
얇은 강자성체/절연체/강자성체의 구조를 가진 자기터널접합 (MTJ)은 고속 읽기/쓰기 동작과 낮은 전력소모, 고집적회로에 적합한 셀 크기를 가진 차세대 비휘발성 메모리인 스핀전달토크 자기저항메모리 (STT-MRAM)의 저장소자로서, 고집적회로에 맞는 특성을 향상시키기 위한 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. STT-MRAM은 1970년 P. M. Tedrow와 R. Meservey이 규명한 스핀분극터널링에 의해 발생하는 터널자기저항 (TMR) 현상을 이용하여 데이터를 저장하는 메모리다. 반면 STT-MRAM은 커패시터 없이 자화정렬 상태에 따라 두 개의 저항을 가지는 MTJ 저항소자를 가지고 메모리로 구동하기 때문에 공정이 간단하며 집적화가 용이하다는 장점을 가진다. 그 중에서도 수직자화형 STT-MRAM은 수평자화형 STT-MRAM보다 자화전환에 있어서 더 낮은 에너지장벽을 갖기 때문에 저전력으로 쓰기동작이 가능하여 고집적화 소자에 더욱 적합하다. 본 연구에서는, 산화마그네슘(MgO)과 인접한 CoFeB의 두께에 따른 계면 수직자기이방성 (i-PMA) 특성과 이를 이용한 스핀밸브 구조에서 자기저항비와 자유층/고정층 간의 의존성에 대해 검증하였다.
우리는 Co2Fe6B2/MgO 시스템을 기반으로한 자유층/터널베리어/고정층의 구조를 가진 수직자화형 자기터널접합 스핀밸브를 제작하였으며, Co2Fe6B2 자유층과 고정층의 두께를 변화시키면서 터널자기저항비 의존성을 확인하였다. 그 결과 자유층과 고정층의 수직자기이방성 크기와 자기저항비가 놀랍도록 일치하는 것을 확인하였다. 우선 자기저항비는 자유층과 고정층이 각각 11 Å과 15.9 Å일 때 최대값을 가졌으며 이보다 자유층의 두께가 더욱 증가하거나 고정층의 두께가 감소하면 자기저항비는 감소하는 경향을 보였다. 우리는 진동 자화측정장치 (VSM)를 이용하여 자유층의 두께가 11 Å 이상일 경우 자화용이축이 박막 표면에 대해 수직에서 수평으로 변화하는 것을 확인하였다. 따라서 수평자화로 변환된 자유층이 수직자기장에 의해 자화가 전환되지 않고 평행상태와 반평행상태가 구분되지 않아, 결과적으로 자기저항비가 감소되는 것을 알 수 있었다. 또 자유층의 두께가 15.9 Å보다 얇을 경우에 이차 이온 질량분석 (SIMS)과 주사 투과 전자현미경 (STEM)을 통해 관찰한 결과, 고정층을 고정하는 [Co/Pd]n 다층 기반 SyAF 층의 fcc 결정구조가 고정층이 터널베리어에 의해 텍스쳐링된 bcc 결정구조와 충돌하면서 자기저항비를 감소시키는 것을 확인하였다. 따라서 [Co/Pd]n 다층 기반 SyAF 층의 영향을 줄이기 위해 고정층과 SyAF층 사이에 덮개층을 삽입함과 동시에 자유층보다 더욱 두꺼운 고정층의 두께가 필요한 것을 알 수 있었다. 최종적으로 최적화된 스핀밸브 구조에서 최대 자기저항비 104.4 %를 확인하였고, 이 때의 자유층 두께는 10.5 Å, 고정층 두께는 15.9 Å 라는 것을 밝혀냈다.
Magnetic tunnel junctions (MTJ), which is a thin ferromagnetic layer/insulator /ferromagnetic multi-layer structure, has been studied extensively as a storage element of spin-transfer-torque magnetic-random-access-memory (STT-MRAM). STT-MRAM has demonstrated a high read and write operating speed, lo...
Magnetic tunnel junctions (MTJ), which is a thin ferromagnetic layer/insulator /ferromagnetic multi-layer structure, has been studied extensively as a storage element of spin-transfer-torque magnetic-random-access-memory (STT-MRAM). STT-MRAM has demonstrated a high read and write operating speed, low power consumption and small cell size suitable for very large scale integration device. STT-MRAM is based on tunnel magnetoresistance (TMR) effect which occurs due to spin-polarized tunneling indicated by P. M. Tedrow and R. Meservey in 1970. Because STT-MRAM records a data through two different resistant states of MTJ without a tall capacitor, there are various benefits for scale down and simplify the process in comparison to DRAM. Especially, interfacial perpendicular magnetic anisotropy (i-PMA) characteristic enables to write with a low switching current density since a lower switching energy (Eb) than that of in-plane magnetic anisotropy (IMA) magnetization. In this dissertation, the dependency of i-PMA characteristics on Co2Fe6B2 free and pinned layers thickness bonded to a MgO tunnel barrier and the correlation between TMR ratio and thickness of the free/pinned layers in p-MTJ spin-valve are examined.
To investigate i-PMA characteristics depended on the thickness of the free and pinned layers, Co2Fe6B2/MgO based p-MTJ spin-valves were sputtered with a [Co/Pd]n-multilayers(MLs) SyAF layer on a 12-inch Si wafer. Surprisingly, i-PMA characteristics were immensely correlated with the TMR ratio as a function of the free and pinned layers thickness. At first, the TMR ratio improved with increasing the free and pinned layers thickness to 11 and 15.9 Å, respectively. However, the TMR ratio depressed with both of a thick free layer and a thin pinned layer. In the case of a thick free layer thickness over 11 Å, an easy axis of the free layer was translated from i-PMA to IMA. Thus the magnetization of the free layer did not switch by an out-of-plane external magnetic field. As a result TMR ratio became zero. Therefore it is required a proper free layer thickness thinner than a critical thickness and sufficient to have a large i-PMA characteristic. In addition, a thin pinned layer thickness of 6.4 Å was analyzed by x-HR-TEM and STEM. Then the transition of fcc (111) crystallinity was confirmed from [Co/Pd]n-MLs SyAF layer to the pinned layer. Moreover Pd diffusion was observed by SIMS analysis. It is noted that not only the capping layer between the pinned layer and the [Co/Pd]n-MLs SyAF layer but also a thicker pinned layer thickness and are needed to reduce the influence of a Pd diffusion and the fcc (111) crystallinity transition.
Finally, the maximum TMR ratio of 104.4 % was obtained on the Co2Fe6B2/MgO based p-MTJ spin-valve when the free layer thickness is 10.5 Å and the pinned layer thickness is 15.9 Å with a perfect i-PMA characteristic and well textured bcc (001) crystallinity.
Magnetic tunnel junctions (MTJ), which is a thin ferromagnetic layer/insulator /ferromagnetic multi-layer structure, has been studied extensively as a storage element of spin-transfer-torque magnetic-random-access-memory (STT-MRAM). STT-MRAM has demonstrated a high read and write operating speed, low power consumption and small cell size suitable for very large scale integration device. STT-MRAM is based on tunnel magnetoresistance (TMR) effect which occurs due to spin-polarized tunneling indicated by P. M. Tedrow and R. Meservey in 1970. Because STT-MRAM records a data through two different resistant states of MTJ without a tall capacitor, there are various benefits for scale down and simplify the process in comparison to DRAM. Especially, interfacial perpendicular magnetic anisotropy (i-PMA) characteristic enables to write with a low switching current density since a lower switching energy (Eb) than that of in-plane magnetic anisotropy (IMA) magnetization. In this dissertation, the dependency of i-PMA characteristics on Co2Fe6B2 free and pinned layers thickness bonded to a MgO tunnel barrier and the correlation between TMR ratio and thickness of the free/pinned layers in p-MTJ spin-valve are examined.
To investigate i-PMA characteristics depended on the thickness of the free and pinned layers, Co2Fe6B2/MgO based p-MTJ spin-valves were sputtered with a [Co/Pd]n-multilayers(MLs) SyAF layer on a 12-inch Si wafer. Surprisingly, i-PMA characteristics were immensely correlated with the TMR ratio as a function of the free and pinned layers thickness. At first, the TMR ratio improved with increasing the free and pinned layers thickness to 11 and 15.9 Å, respectively. However, the TMR ratio depressed with both of a thick free layer and a thin pinned layer. In the case of a thick free layer thickness over 11 Å, an easy axis of the free layer was translated from i-PMA to IMA. Thus the magnetization of the free layer did not switch by an out-of-plane external magnetic field. As a result TMR ratio became zero. Therefore it is required a proper free layer thickness thinner than a critical thickness and sufficient to have a large i-PMA characteristic. In addition, a thin pinned layer thickness of 6.4 Å was analyzed by x-HR-TEM and STEM. Then the transition of fcc (111) crystallinity was confirmed from [Co/Pd]n-MLs SyAF layer to the pinned layer. Moreover Pd diffusion was observed by SIMS analysis. It is noted that not only the capping layer between the pinned layer and the [Co/Pd]n-MLs SyAF layer but also a thicker pinned layer thickness and are needed to reduce the influence of a Pd diffusion and the fcc (111) crystallinity transition.
Finally, the maximum TMR ratio of 104.4 % was obtained on the Co2Fe6B2/MgO based p-MTJ spin-valve when the free layer thickness is 10.5 Å and the pinned layer thickness is 15.9 Å with a perfect i-PMA characteristic and well textured bcc (001) crystallinity.
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