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KR101074203B1 - 자기저항소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자기저항소자는, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층;상기 고정자화층 상에 형성되고, MgO로 형성된 터널장벽층; 상기 터널장벽층 상에 형성되고, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 자유자화층; 상기 자유자화층 상에 형성된 보호층을 포함하되, 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 동일한 결정 배향을 갖는 자기저항소자를 포함하여 구성된다. 여기서, 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성될 수 있다.
자기저항

Description

자기저항소자{MAGNETO-RESISTANCE ELEMENT}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 더 자세하게는 자기저항(Magneto-Resistance) 변화를 이용한 자기저항소자에 관한 것이다.
현재 널리 사용되고 있는 대표적인 메모리 소자인 디램(DRAM)의 경우, 고속 동작과 고집적이 가능하다는 장점이 있는 반면에, 휘발성 메모리로서 전원이 꺼지면 데이터를 잃게 될 뿐만 아니라 동작 중에도 계속하여 데이터의 리프레쉬(REFRESH)를 통해 재기록해야 하므로 전력 손실 측면에서 큰 단점이 있다. 또한 비휘발성과 고집적을 특징으로 하는 플래쉬(FLASH) 메모리는 동작 속도가 느린 단점이 있다. 이에 대하여, 자기저항 차이를 이용하여 정보를 저장하는 자기저항 메모리(MRAM)는 비휘발성 및 고속 동작의 특성을 가지면서도 고집적이 가능하다는 장점이 있다.
한편, MRAM은 강자성체 간의 자화(Magnetization) 방향에 따른 자기저항 변 화를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 말한다. 현재 MRAM으로 가장 많이 채용되고 있는 셀(Cell) 구조로는, 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 효과를 이용한 GMR 소자, 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 효과를 이용한 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자 등이 있으며, 이외에도 GMR 소자의 단점을 복하기 위해 강자성층을 영구자석으로 보강하고 자유층을 연자성층으로 채용한 스핀 밸브(Spin-Valve) 소자 등이 있다. 특히, MTJ 소자는 빠른 속도, 저전력을 갖으며, 디램(DRAM)의 커패시터 대용으로 사용되어 저전력 및 고속 그래픽, 모바일 소자에 응용될 수 있다.
일반적으로, 자기저항소자는 두 자성층의 스핀 방향(즉, 자기모멘텀의 방향)이 같은 방향이면 저항이 작고 스핀 방향이 반대이면 저항이 크다. 이와 같이 자성층의 자화 상태에 따라 셀의 저항이 달라지는 사실을 이용하여 자기저항 메모리 소자에 비트 데이터를 기록할 수 있다. MTJ 구조의 자기저항 메모리를 예로 하여 설명하면, 강자성층/절연층/강자성층 구조의 MTJ 메모리 셀에서 첫번째 강자성체층을 지나가는 전자가 터널링 장벽(Tunneling Barrier)으로 사용된 절연층을 통과할 때 두번째 강자성체층의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라진다. 즉, 두 강자성층의 자화방향이 평행일 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반평행할 경우 최소가 되므로, 예를 들면, 저항이 클 때 데이터 '1'(또는 '0')이, 그리고 저항이 작을 때 데이터 '0'(또는 '1')이 기록된 것으로 간주할 수 있다. 여기서, 두 강자성층 중 한 층은 자화 방향이 고정된 고정자화층으로, 그리고 나머지 하나는 외부 자기장 또는 전류에 의해 자화 방향이 반전되는 자유자화층이라 칭한다.
한편, 자기저항소자는 두 강자성층 사이에서의 자기 배열에 따라 터널링 전류의 큰 자기저항 변화를 가져오며, 자기저항소자가 산업상으로 그 응용이 가능하기 위해서(특히 메모리 소자로서 응용되기 위해서는), 고정자화층의 전자 스핀 방향과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 동일하거나 반대인 두가지 경우에서 전기 전도도의 차이가 커야 한다. 구체적으로는, 고정자화층과 자유자화층 사이의 얇은 절연층을 통해 전류가 흐를 때 고정자화층과 자유자화층의 전자 스핀 방향이 같은 경우와 반대인 경우의 자기저항비(Magneto-Resistance Ratio)가 커야 한다. 그러나, 종래의 자기저항소자는 적층된 층들 사이의 계면에서 전자 터널링시 산란이 발생하며, 이 때문에 큰 자기저항비를 가진 자기저항소자를 얻는 데 어려움이 있다.
본 발명은 서로 다른 재질의 여러 층들 사이의 계면에서의 전자 산란을 억제함으로써 자기저항비를 개선한 자기저항소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은, 자기저항비가 개선된 자기저항소자를 채용하며 보다 신뢰성이 향상된 자기저항 메모리 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 자기저항소자는, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층; 상기 고정자화층 상에 형성되고, MgO로 형성된 터널장벽층; 상기 터널장벽층 상에 형성되고, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 자유자화층; 상기 자유자화층 상에 형성된 보호층을 포함하되, 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 동일한 결정 배향을 갖는 자기저항소자를 포함하여 구성된다. 여기서, 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 자기저항소자에서는, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성될 수 있다. 나아가, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 자기저항 메모리 소자는, 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터로 구성된 자기저항 메모리 소자로서, 자기터널접합 소자가 CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층 및 자유자화층; 고정자화층과 자유자화층 사이 에 개재되고 MgO로 형성된 터널장벽층; 및 자유자화층 위에 형성되며 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향을 갖는 보호층;을 포함하여 구성된다. 여기서, 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성될 수 있다. 또한, 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성될 수 있으며, 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 자기저항소자는, 소자를 구성하는 여러 층들, 특히 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 형성되므로, 에피택시한 결정구조로 구성되며, 그 결과 터널링 전류가 자기저항소자를 통해 흐를 때 각 층들 사이의 계면에서의 전자 산란이 억제될 수 있으므로 높은 자기저항비를 나타내게 된다. 이를 통해 자기저항소자를 이용한 자기저항 메모리 소자의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 자기저항소자는 자기저항을 이용하는 다양한 산업분야, 예컨대 자기저항 메모리 소자 이외에도, 자기저항을 판독하여 정보를 파악하는 센서 등에도 다양하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요 소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 자기저항소자를 설명한다. 참고로 도 1은 본 발명에 따른 자기저항소자의 단면 구조를 도시한다. 도 1에서 보듯이, 맨 아래에 하지층(10)이 배치되고, 그 위로 고정자화층(Pinned Magnetic Layer; 20), 터널장벽층으로 기능하는 절연층(30) 및 자유자화층(Free Magnetic Layer; 40)이 순차적으로 적층된다. 아울러, 자유자화층(40)의 상부에는 전기전도성의 보호층(50)이 형성된다. 선택적으로, 하지층(10) 및 고정자화층(20) 사이에는 반강자성층(60)이 개재될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 자기저항소자에서, 터널장벽층(30)은 MgO 박막으로 형성될 수 있다. 특히, MgO의 결정구조는 체심입방구조(Body Centered Structure; BCC)를 가지며, 본 발명에 따른 자기저항소자에 적용함에 있어서 MgO의 결정 배향 의 {001} 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대해 수직하게 형성될 수 있다.
아울러, 고정자화층(20) 및 자유자화층(40)은 CoFeB[CoXFeYB(1-X-Y)] 또는 CoFeSiB로 이루어진 강자성층으로 형성될 수 있다. 특히, 고정자화층(20)은 단층 의 강자성층으로 형성될 수도 있고, 도 1에서 보듯이, 두개의 강자성층(21)과, 이 두개의 강자성층(21) 사이에 예컨대 Ru층과 같은 비자성층(23)이 개재된 구조자화층(Synthetic anti-ferromagnet; SAF)으로 형성될 수도 있다. 이와 같은 구조자화층을 고정자화층(20)으로 이용하면, Ru층(23)을 경계로 두 강자성층(21)이 생성하는 반평행 상태의 필드(Field)가 서로 자화 반전되는 것을 막아주게 된다. 아울러, 고정자화층(20)은 자유자화층(40)이 자화반전되는 영역에서는 자화반전되지 않는 전류밀도 또는 자기장 영역이 존재하며, 따라서 자유자화층(40)이 자화반전되더라도 고정자화층(20)은 자화반전되지 않을 수 있다.
고정자화층(20)의 자화반전을 억제하기 위한 또 다른 방법으로, 하지층(10) 및 고정자화층(20) 사이에 반강자성층(60)을 개재할 수도 있다. 여기서, 반강자성층(60)은, 고정자화층(20)의 자화반전에 필요한 자기장 또는 임계전류밀도의 영역을 자유자화층(40)과 완전히 분리함으로써, 실제 사용 범위에 해당되는 외부 자기장 또는 전류 영역에서는 고정자화층(20)의 자화 반전이 일어나지 않고 자유자화층(40)만 자화 반전이 가능하게 한다. 이러한 반강자성층(60)은, MnFe, MnIr, MnRh, PtMn 및 Ru를 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다.
한편, MgO 터널장벽층(30)의 상부 및 하부에 배치된 자유자화층(40) 및 고정자화층(20)은 CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성되며, 이들 재료들은 열처리 이전 증착 상태에서는 비정질의 합금이다. 본 발명에 따른 자기저항소자의 제조시 고정자화층(20), 터널장벽층(30), 자유자화층(40) 및 보호층(50)을 차례로 적층한 후, 열처 리 공정을 통해 비정질의 CoFeB 또는 CoFeSiB 층이 터널장벽층(30)인 MgO층과 동일한 결정 배향으로 결정화가 이루어진다. 여기서, 비정질의 자유자화층(40)의 결정화가 이루어질 때 하부의 터널장벽층(30) 및 보호층(50)의 결정 배향의 영향을 함께 받는다. 따라서, 보호층(50)의 결정 배향을 터널장벽층(30)인 MgO층의 결정 배향과 동일하게 함으로써 자유자화층(40)의 결정 배향이 층 전체를 통해 균일하게 이루어질 수 있다.
보다 자세하게는, 보호층(50)은 전기전도도가 우수한 재료, 예컨대 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 선택적 적어도 하나로 형성된 것이 바람직하며, 이들 전도성 재료들을 형성할 때 에피택시 성장법을 통해 터널장벽층(30)과 동일한 결정 배향을 갖도록 형성한다. 예컨대, 보호층(50)의 {001} 방향이 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대해 수직하게 형성된다. 여기서, 결정 배향이 동일하다는 의미는, 보호층으로 선택된 전도성 재료가 MgO와 같이 체심입방구조(BCC)가 아닌 경우에도, 즉 예컨대 면심입방구조(Face Centered Structure; FCC)를 갖더라도 그 결정 배향 중 {001} 방향이 MgO의 {001} 방향과 동일한 방향임을 의미한다.
위와 같이 보호층(50)의 결정 배향을 터널장벽층(30)의 결정 배향과 동일하게 형성하면, 자유자화층(40)의 열처리 공정시 비정질의 CoFeB 또는 CoFeSiB가 결정화될 때, 상부의 보호층(50) 및 하부의 터널장벽층(30)의 결정 배향의 영향을 받아서 그와 동일한 결정 배향으로 형성된다. 즉, 자유자화층(40)이 결정화 될 때, 자유자화층(40)의 하부 영역은 터널장벽층(30)의 영향을 받으며 상부 영역은 보호 층(50)의 영향을 받게 되며, 이때 터널장벽층(30)과 보호층(50)이 모두 동일한 결정 배향으로 형성되어 있으므로 자유자화층(40)은 층 전체를 통해 터널장벽층(30) 및 보호층(50)의 결정 배향과 동일하게 결정화된다. 그러므로, 터널장벽층(30)과 동일한 결정 배향을 갖는 보호층(50)을 통해 결정성이 균일한 자유자화층(40)을 얻을 수 있다. 이러한 구조의 자기저항소자는 터널장벽층, 자유자화층 및 보호층이 에피택시한 구조로 형성되며, 그 결과 터널장벽층과 자유자화층 사이의 전자 산란을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리하여, 높은 자기저항비를 갖는 자기저항소자의 구현이 가능하게 된다. 참고로, 도 2는 본 발명에 따라 형성한 자기저항소자에서 MgO 터널장벽층과 CoFeB 자유자화층의 결정 배향이 동일하게 형성된 상태를 나타낸 투과전자현미경의 이미지이다. 도 2에서 보듯이, 자유자화층인 CoFeB 자성층은 열처리 공정을 통해 MgO로 형성된 터널장벽층의 결정 배향과 동일한 결정 배향으로 결정화된다.
본 발명에 따른 자기저항소자는, 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터(예컨대, MOSFET)로 구성된 자기저항 메모리 소자에 응용될 수 있으며, 여기서, 자기터널접합 소자를 본 발명에 따른 자기저항소자로 형성하면, 높은 자기저항비를 가진 자기터널접합 소자를 구현할 수 있다. 특히, 자기저항 메모리 소자에서, 전류가 자기저항소자를 통과할 때 보호층과 자유자화층 사이의 계면 및 자유자화층과 터널장벽층 사이의 계면에서 발생되는 전자의 산란이 억제될 수 있으며, 그에 따라 자기저항소자의 자기저항비가 크게 향상되므로 보다 신뢰성이 높은 자기저 항 메모리 소자를 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 형성한 자기저항소자에서 MgO 터널장벽층과 CoFeB 자유자화층의 결정 배향이 동일하게 형성된 상태를 나타낸 투과전자현미경의 이미지이다.
< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 하지층 20: 고정자화층
30: 절연층 40: 자유자화층
50: 보호층 60: 반강자성층

Claims (8)

  1. CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층;
    상기 고정자화층 상에 형성되고, MgO로 형성된 터널장벽층;
    상기 터널장벽층 상에 형성되고, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 자유자화층;
    상기 자유자화층 상에 형성된 보호층을 포함하되,
    상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 동일한 결정 배향을 갖는 자기저항소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 적어도 선택된 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항소자.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기저항소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직한 것을 특징으로 하는 자기저항소자.
  5. 메모리셀이 자기터널접합 소자 및 선택 트랜지스터로 구성된 자기저항 메모리 소자에 있어서,
    상기 자기터널접합 소자는
    CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 고정자화층;
    상기 고정자화층 상에 형성되고, MgO로 형성된 터널장벽층;
    상기 터널장벽층 상에 형성되고, CoFeB 또는 CoFeSiB로 형성된 자유자화층; 및
    상기 자유자화층 상에 형성된 보호층을 포함하되, 상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층은 동일한 결정 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보호층은 Cu, Ti, Al, W, Ag, Au, Pt, Ru 및 Ta로 이루어진 그룹에서 적어도 하나로 선택된 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 터널장벽층, 상기 자유자화층 및 상기 보호층 각각의 {001} 결정 방향이 상기 자기터널접합 소자를 관통하여 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직한 것을 특징으로 하는 자기저항 메모리 소자.
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