[논문]Capping층 재료에 따른 CoFeB/MgO/CoFeB 자기터널접합의 미세구조와 자기저항 특성

정하창; 이성래

doi:10.4283/jkms.2007.17.4.162

초록
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본 연구에서는 CoFeB/MgO/CoFeB 구조를 가지는 자기터널접합에서 capping층 재료의 종류와 열처리 시간에 따른 비정질 top CoFeB 자성층의 결정화 상태 및 자기터널접합의 자기적 특성 변화에 대한 연구결과를 비교 분석 하였다. Hcp(Hexagonal close-packed)의 결정구조를 가지는 Ru(002)를 capping층 재료로 사용한 자기터널접합 박막의 경우에는 열처리 이후 Ru과 인접한 부분의 top CoFeB이 bcc-CoFe(110)로 성장하는 반면, TiAl과 ZrAl을 capping층 재료로 사용한 자기터널접합의 경우는 열처리 이후 top CoFeB이 MgO와 epitaxial하게 bcc-CoFe(002)로 결정성장 하였다. 이로 인해 Ru을 사용한 자기터널접합의 터널자기 저항비(46.7%)보다 약 1.5배 높은 터널자기저항비(TiAl: 71.8%, ZrAl: 72.7%)를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the effects of the capping layer materials on the crystallization of the amorphous top-CoFeB (t-CoFeB) electrode and the magnetoresistance properties of the magnetic tunnel junctions (MTJs). When the hcp(002)-textured Ru capping layer was used, the amorphous t-CoFeB was crystallized ...

We investigated the effects of the capping layer materials on the crystallization of the amorphous top-CoFeB (t-CoFeB) electrode and the magnetoresistance properties of the magnetic tunnel junctions (MTJs). When the hcp(002)-textured Ru capping layer was used, the amorphous t-CoFeB was crystallized to bcc-CoFe(110). The CoFe(110)/Ru(002) texture relation can be minimized the lattice mismatch down to 5.6%. However, when the fine polycrystalline but almost amorphous TiAl or amorphous ZrAl were used, the amorphous t-CoFeB was crystallized to bcc-CoFe(002). When the amorphous capping materials were used, the evolution of the t-CoFeB texture was affected mainly by the MgO(001) texture. Consequently, the M ratios of the annealed MTJ capped with the ZrAl and TiAl (72.7 and 71.8%) are relatively higher than that of the MTJ with Ru capping layer (46.7%). In conclusions, the texture evolution of the amorphous t-CoFeB during the post deposition annealing could be controlled by the crystallinity of the adjacent capping layer and in turn, it affects the TMR ratio of MTJs.

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문제 정의

본 연구는 학술진흥재단(KRF-2004-005-C00068) 및 과학재단의 특정기초 연구(R-01-2005-000-11188-0)에 의해 수행된 결과의 일부이며 연구비 지원에 사의를 표하는 바이다.

제안 방법

본 연구에서는 비정질 top CoFeB에 인접한 capping층 재료의 종류와 열처리시간에 따른 top CoFeB의 결정화 거동에 대하여 분석하였으며, CoFeB/MgO/CoFeB를 근간으로 하는 자기 터널 접합을 제작하여 TMR 특성 변화를 비교, 분석하였다.
위에 제작하였다. 자기터널접합의 증착은 i.ox 10-8Torr 이하의 진공도에서 시행하였으며, TiAl이나 ZrAl과 같은 게터 역할을 할 수 있는 재료를 pre-sputtering하여 진공챔임버 내에 잔류하는 O2나 H2O와 같은 기체를 제거하는 방법을 사용하였다[6]. 자기터널접합의 구조는 Si/SiO₂/TiAl or ZrAl 5/Co8oFe10 17/IrMn 7.
패터닝은 3종류의 금속 마스크를 이용하여 십자형태의 접합을 형성 하였으며, 접합면적은 200X200 um2이다. 제작된 시편은 3X10% Torr의 고진공영역에서 350 ℃에서 시간을 60분에서 120분까지 변화시켜 열처리를 실시하였다.
4는 capping층 재료에 따른 최적 열처리 이후, 자기터널접합의 TMR curve를 보여준다. Capping층 재료를 달리한 모든 자기터널접합에서 1181.4 Oe 이상의 아주 큰 exchange coupling field(Hex)와 2.5 Oe 이 하의 아주 작은 interlayer coupling field(HG를 가지게 되었으며, 고감도의 자기터널접합을 구현하였다. Capping층 재료로 Ru을 사용한 자기터널접합의 경우 350 T에서 80분간 열처리를 했을 때, 46.

대상 데이터

자기터널접합 소자는 UHV 영역에 도달 가능한 DC & RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 200 nm 열산화처리된 si(ioo)기판 위에 제작하였다. 자기터널접합의 증착은 i.
ox 10-8Torr 이하의 진공도에서 시행하였으며, TiAl이나 ZrAl과 같은 게터 역할을 할 수 있는 재료를 pre-sputtering하여 진공챔임버 내에 잔류하는 O2나 H2O와 같은 기체를 제거하는 방법을 사용하였다[6]. 자기터널접합의 구조는 Si/SiO₂/TiAl or ZrAl 5/Co8oFe10 17/IrMn 7.5/Co8oFe10 2/Ru 0.8/Co56Fe24B2o 3/MgO 1.7/Co56Fe24B2o 3/capping층 4(nm)이며, capping층의 종류는 hcp(Hexagonal close-packed)의 결정구조는 갖는 Ru 과 비정질에 가까운 다결정질 TiAl[7], 그리고 비정질 ZrAl[8]을 사용하여 각기 시편을 제작 하였다. 패터닝은 3종류의 금속 마스크를 이용하여 십자형태의 접합을 형성 하였으며, 접합면적은 200X200 um2이다.

이론/모형

자기터널접합에서 capping층 재료와 열처리 조건에 따른 다층박막의 성장상태는 high-resolution XRD(HRXRD)을 이용하여 분석하였으며, 자기저항 측정과 자기적 특성 분석은 사탐 침 (four point probe) 방법으로 시행하였다.

성능/효과

열처리 시간이 증가함에 따라 비정질 CoFeB이 결정화가 진행되며, 자기터널접합의 TMR 비가 점차 증가를 하게 된다. 세 종류의 모든 자기터널접합의 경우, 열처리 조건이 350P에서 80분간 열처리했을 경우에 최적인 TMR 비를 나타내었으며(Ru capping: 46.7 %, TiAl capping: 71.8 %, ZrAl capping: 72.7 %), °] 는 비정질 CoFeB이 가장 최적으로 결정화가- 일어났음을 말해준다. 80분의 열처리 조건 이후부터는 TMR 비가 감소하는 거동을 나타내는데 이는 고온에서 장시간 열처리를 통한 synthetic 구조에서의 Ru의 확산과 반 강자성층에서의 Mn의 확산에 의한 거동[10], 혹은 CoFeB의 결정화로 인한 B의 확산으로부터의 MgO/CoFeB의 계면의 특성저하라고 사료된다.
이처럼 capping 층 재료에 따라 열처리 이후 TMR 비의 차이가 나는 이유는 MgO(OOl) barrier와 capping증 사이에 CoFeB증의 texture 발달 차이로 인해서 나타남을 알 수 있었다. 또한 top CoFeB증은 MgO barrier와 Ru capping증 사이에서 mismatch 성장을 할 경우 CoFeB층의 (002) 단일성장에 문제를 발생시켜 TMR 비가 상대적으로 감소하는 것을 확인 하였다. 그러나 TiAl와 ZrAl를 cappine 재료로 사용된 자기터널접합 구조에서는 적절한 열처리 이후에 MgO(OOl) barrier와 top CoFeB의 (001) texture로의 epitaxial 관계를 유도할 수 있었으며, 70% 이상의 상온 TMR ratio!- 얻을 수 있었다.

참고문헌 (10)

Y. S. Choi, K. Tsunekawa, Y. Nagamine, and D. Djayaprawira, J. Appl. Phys., 101, 013907 (2007)

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W. H. Butler, X.-G. Zhang, T. C. Schulthess, and J. M. MacLaren, Phys. Rev. B, 63, 054416 (2001)
J. Mathon and A. Umersky, Phy. Rev. B, 63, 220403R (2001)

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S. Yuasa, A. Fukushima, T. Nagahama, K. Ando, and Y. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys., 43, L588 (2004)

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C. Park, Y.-H. Wang, D. E. Laughlin, and J.-G. Zhu, IEEE Trans. Mag., 42, 2639 (2006)
S. Yuasa, A. Fukushima, H. Kubota, Y. Suzuki, and K. Ando, Appl. Phys. Lett., 89, 062507 (2006)

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J.-O. Song, S.-R. Lee, and H.-J. Shin, IEEE Trans. Magn., 41, 2944 (2005)
S.-R. Lee, C.-M. Choi, and Y. K. Kim, Appl. Phys. Lett., 83, 317 (2003)
X.-G. Zhang and W. H. Butler, Phys. Rev. B, 70, 1724407 (2004)
H. G. Cho, Y. K. Kim, and S.-R. Lee, J. Appl. Phys., 91, 8581 (2002)

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