[논문]자기터널접합을 활용한 고집적 MRAM 소자 기술

전병선; 김영근

doi:10.4283/jkms.2006.16.3.186

초록
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자기터널접합 기반의 MRAM(magnetic random access memory)은 자기저항효과를 응용하는 메모리소자로서 비휘발성과 고속 정보처리가 가능할 뿐만 아니라 고집적화 할 수 있는 차세대 통합형 비휘발성 메모리이다. 그러나 기존의 메모리 소자들에 비해 스위칭 산포가 크고, 기록마진(writing margin)이 확보되지 않아 아직까지는 고집적화가 어려운 실정이다. 최근 포화자화가 낮은 NiFeSiB 및 CoFeSiB과 같은 비정질 강자성체를 자기터널접합의 자유층 재료로 사용하여 스위칭 자기장의 거대화를 크게 감소시켜 MRAM의 기록마진을 높이는 연구결과에 관해 정리하여 보았다. 그리고 이러한 물질을 이용하여 자기터널접합의 재생마진(reading margin)과 관련된 터널자기저항비의 인가전압의존성을 저감시킬 수 있었다. 본고에서는 나노자기소자 기술의 중요한 분야인 MRAM의 기술발전 방향과 연구사례를 소개하고자 한다.

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Ferromagnetic amorphous $Ni_{16}Fe_{62}Si_8B_{14}$ and $Co_{70.5}Fe_{4.5}Si_{15}B_{10}$ layers have been devised and incorporated as free layers of magnetic tunnel junctions (MTJs) to improve MRAM reading and writing performance. The NiFeSiB and CoFeSiB single-layer film exhibi...

Ferromagnetic amorphous $Ni_{16}Fe_{62}Si_8B_{14}$ and $Co_{70.5}Fe_{4.5}Si_{15}B_{10}$ layers have been devised and incorporated as free layers of magnetic tunnel junctions (MTJs) to improve MRAM reading and writing performance. The NiFeSiB and CoFeSiB single-layer film exhibited a lower saturation magnetization ($Ms=800emu/cm^3,\;and\;560emu/cm^3$, respectively) compared to that of a $Co_{90}Fe_{10}(Ms=1400emu/cm^3)$. Because amorphous ferromagnetic materials have lower Ms than crystalline ones, the MTJs incorporating amorphous ferromagnetic materials offer lower switching field ($H_{sw}$) values than that of the traditional CoFe-based MTJ. The double-barrier MTJ with an amorphous NiFeSiB free layer offered smooth surface resulting in low bias voltage dependence, and high $V_h\;and\;V_{bd}$ compared with the values of the traditional CoFe-based MTJ.

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문제 정의

따라서 본 연구실은 일반적2로 자기터널접합의 자유층으로 사용되는 결정질 자성재료 CoFe 또는 NiFe을 대신하叫 비정질 자성재료인 NiFeSiB과 CoFeSiB을 나노 자기 터널 접합의 자유층点一 사용하여 높은 인가전압에서도 자기 저항 비의 감소 없이 스위칭 자기장을 감소시키고자 하였다[8-11].

제안 방법

5Sii5B10 단일층은 Co90Fe10(M = 1, 400 emu/cm³)°]] 비해 낮은 포화자화값(M = 800 emu/cm³ 및 560 emu/cm')을 가지며 Ni8OFe2o(^, = 1, 000 erg/crrr3) 에비 해 높은 이 방성 상수(K” = 2, 800 erg/cm³ 및 2, 700 erg/ cm')를 갖는다. si/SiOJTa 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/AlOx 1.5/NiFeSiB, CoFeSiB, CoFe, 또는 NiFe 7/Ru 60(nm) 구조의 자기터널접합을 스퍼터링 증착방법을 사용하여 제작하였고 사진식각 기술을 이용하여 10X 10 呻2에서 100X 100 呻2 크기의 셀로 만들었다. 일반적으로 자기터널접합의 자유층2로사용되는 CoFe과 NiFe은 비교의 목적으로 제작하였다.

대상 데이터

13 pirn CMOS 기술을 적용하여 양산용 256 Mbit MRAM을 개발하고 있匸卜. Motorola(현, Frccscalc Semiconductors)는 20041신 0.2 pim CMOS 기술을 적용한 Embedded 메모리 형태의 4 Mb MRAM 시제품을 출시하였다. 동사는 주로 리치마켓용 메모리에 중점을 두고있다.
스위칭 자기장을 더욱 감소시키기 위해 NiFeSiB 합성형 반강자성체 구조의 자유충을 사용하였다. Fig.
일예로 Si 기판에 Ta 45/Ru 9.5/IrMn 10/CoFe 7/AlOx 1.5/风유층/ A1OX 1.5/CoFe 7/IrMn 10/Ru 60 nm (여기서 자유층으로는 CoFe 7, NiFeSiB 7, CoFe 3.5/NiFeSiB 3.5, 및 NiFeSiB 3.5/ CoFe 3.5) 접합을 제조하였다. Table 5에서와 같이 NiFeSiB 이 사용된 자기터널접합은 CoFe。] 사용된 자기터널접합에 비해 높은 표면평활도를 가짐을 알 수 있다.

이론/모형

약 7배 정도의 낮은 값을 갖는다. Gb급 소자 크기인 수십 nm 크기의 셀에서 스위칭 거동을 비교분석하기 위해 Landau-Lifschitz-Gilbert(LLG) 방정식을 이용한 전산 모사법을 사용하였다. 전산모사를 이용시 CoFe은 셀의 크기가 100 nm 이하가 될 때 스위칭 자기장이 급격하게 증가하게 되고 셀의 크기가 40nm가 되면 대략 1500 Oe 정도가 되어 NiFeS诅과 CoFeSiB에 비해 2배 정도의 큰 스위칭자기장을 갖게 된다.

성능/효과

그밖에 (4) 저가, 비휘발성을 요구하는 RFID 태그에 적용하려는 시도가 진행 중이며, (5) 공장자동화 용 microcontroller, 로봇 등에 활용가능성이 높다. Table 2를 보면 MRAM은 비휘발성 이라는 탁월한 성능 이외에도 집적 가능성, 구동전력 등에서 기존의 RAM이 갖고 있는 성능보다 훨씬 탁월하다는 것을 알 수 있다.
3은 NiFeSiB과 CoFeSiB을 자유층£로 사용한 10X 10 |im2 크기의 자기터널접합의 터널자기저항비와 스위칭 자기 징을 나타낸다. NiFeSiB과 CoFeSiB을 자유층으로 사용한 자기터널접합은 각각 30 %와 29%의 터널자기저항비 (tunneling magnetoresistance ratio)를 나타내었고, 이때 CoFe과 NiFe 자유층 구조는 각각 36 %와 19 %의 터널 자기 저항 비를 나타내었다. 스위칭 자기장은 NiFeSiB과 CoFeSiB 을 사용하였을 경우 각각 4 Oe와 2 Oe 이었으며 CoFe은 54 Oe NiFe은 2 Oe였다.

후속연구

또한 초고속 컴퓨터, RFID, 의료기기, 일반가전에서 우주항공에 이르기까지 전체 전자기기들을 네트워킹화 하려는 시도가 진행되면서 중계기, 단말기 및 통신부품등에 사용되는 메모리의 성능 또한 고집적, 고속, 고기능화를 목표로 지속적인 개발요구가 이루어지고 있다. 이러한 전자제품의 개발추세를 고려할 때 DRAM, SRAM, FRAM 등은 2010너을 기점으로 Gb급 초고집적, 초고속 차세대메모리인 MRAM을 중심으로 빠르게 재편될 것으로 기대된다. Table 3과 4에 MRAM의 시장규모와 이의응용 가능 분야를 정리해 두었다.
특히 기록마진은 강자성체의 재료물성 자체에, 재생마진은 자기저항비에 큰 영향을 받는다. 문제는 향후 5 년내 다가올 수 Gb 이상의 초고집적도를 달성하기 위해서는 수십 나노미터 셀 구조가 필수불가결하며, 셀 크기감소에 따른 강자성체 자화반전의 제어와 큰 자기저항비 확보가 필수적이다. 기록기술과 관련하여 Motorola는 2003년 Toggle 스위칭이라는 원천특허를 취득하여 돌파구를 제시하였다.
부품, 시스템에 기능성을 제공하는 핵심기술이다. 본 연구를 통해 얻은 신 강자성체 나노자기터널접합을 활용한 고집적 MRAM 소자재료 기술은 차세대메모리 소자제조 전반의 기술경쟁력을 제고하는데 크게 기여할 것이라 생각한다.

참고문헌 (11)

G. Grynkewich, et al., MRS Bulletin, Nov. 818 (2004)
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NanoMarket, 'Magnetic Memory : An analysis and forecast of the market for MRAM' (2005)
J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong, and R. Meservey, Phys. Rev. Lett., 74, 3273 (1995)

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J. Y. Hwang, S. S. Kim, J. R. Rhee, B. S. Chun, I. S. Yoo, B. S. Oh, Y. K. Kim, T. Kim, and W. Park, IEEE Trans. Magn., 45, 2685, (2005)
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J. Y. Hwang, J. R. Rhee, B. S. Chun, Y. K. Kim, and T. Kim, J. Appl. Phys., 99, 08T315 (2006)

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