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강자성체/절연체/강자성체 멀티 층 구조인 자기터널접합(MTJ: magnetic tunnel junction)은 스핀 주입 자화 반전 자기 임의접근기억장치(STT-MRAM)의 정보저장 요소로서 널리 연구되어 왔다. STT-MRAM은 스핀 분극화된 터널링 때문에 발생하는 터널자기저항(...

강자성체/절연체/강자성체 멀티 층 구조인 자기터널접합(MTJ: magnetic tunnel junction)은 스핀 주입 자화 반전 자기 임의접근기억장치(STT-MRAM)의 정보저장 요소로서 널리 연구되어 왔다. STT-MRAM은 스핀 분극화된 터널링 때문에 발생하는 터널자기저항(TMR) 현상에 근거하며 MTJ의 서로 다른 두 저항상태를 통해 데이터를 기록하기 때문에 DRAM과 비교했을 때 공정이 간단하고 규모 축소 등 다양한 이점들을 갖고 있다. 특히 계면수직자기이방성(i-PMA)은 평행자기이방성(IMA) 자화보다 낮은 스위칭에너지(Eb)를 가져 이를 이용하면 낮은 스위칭 전류 밀도로도 쓰기가 가능하다. 본 논문에서는 p-MTJ 스핀 밸브에서 고정 층과 자유 층의 위치에 따른 TMR ratio와 PMA특성을 연구하였다.
고정 층과 자유 층의 위치에 따른 i-PMA 특성을 확인하기 위해 12인치 실리콘 웨이퍼에 CoFeB/MgO/CoFeB 기반의 p-MTJ위에 [Co/Pd]다층 SyAF층을 증착한 상부 고정 층 구조와 [Co/Pd]다층 SyAF층위에 CoFeB/MgO/CoFeB 기반의 p-MTJ가 증착된 상부 자유 층 구조의 P-MTJ 스핀 밸브를 제작하였다. 상부 고정 층 구조와 상부 자유 층 구조의 p-MTJ 스핀 밸브제작 후 3T 수직 자기장 조건하에 30분 동안 275oC로 열처리 되었다. TMR ratio를 측정하기 위해 전류수평터널링(CIPT), 자유 층의 PMA특성을 확인하기 위해 진동샘플자력계(VSM), 텍스처링과 결정성을 확인하기 위해 고해상도전파전자현미경(HR-TEM)을 이용하였다. 연구 결과, 상부 고정 층과 상부 자유 층의 p-MTJ 스핀밸브에 각 고정 층과 자유 층의 두께가 5.4~13.3Å, 6.9~13.8Å로 증가할 때 TMR ratio가 향상되었다. 상부 고정 층 구조의 경우 상부 자유 층 구조보다 같은 CoFeB층 두께에서 더 높은 TMR ratio 값을 보였다. 또한 x-HR-TEM image와 M-H curve 분석을 통해 상부 고정 층 p-MTJ 스핀 밸브 구조가 MgO 터널링의 결정화 및 CoFeB 자유 층과 고정 층 간의 좋은 텍스처링과 자유 층은 PMA 특성이 잘 나타남을 확인했다.
결과적으로 상부 자유 층 구조에서 CoFeB 자유 층 두께가 13.8 Å일 때 74.43%의 최대 TMR ratio와 57.58Ω/μm2 RA값을 나타내었고, 상부 고정 층 구조에서 CoFeB 고정 층 두께가 13.3Å일 때 상부 자유 층 구조 TMR ratio보다 높은 91.93%와 낮은 RA 17.7Ω/μm2가 나타났다. 특히 본 연구에서는 고정 층 두께를 최적화하여 최대 TMR ratio 104.4%를 확보하였다.

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