MgO 증착 조건에 따른 CoFeB/MgO/CoFeB 자기터널접합 특성 변화에 관한 연구

Abstract

자기터널접합은 1-2nm의 얇은 절연층이 양쪽 강자성체 사이에 들어있는 전기 소자이다. 자기터널접합의 저항은 강자성체의 자화 방향이 반대가 되었을 때가 자화 방향이 평행일 때보다 높아진다. 이러한 현상을 터널자기저항 효과라고 하고 저항 변화의 정도는 터널자기저항비로 나타낸다. 자기터널접합이 고밀도의 자기메모리에 쓰이기 위해서는 보다 높은 터널자기저항비와 같은 두께에서 보다 낮은 저항이 요구된다. 이것은 절연층에 (001) 결정질의 MgO를 이용함으로써 가능하다. 그러나 아래쪽 자성층의 산화 없이 MgO를 (001)으로 잘 성장시키기가 쉽지 않다. MgO를 (001)으로 성장 시키는 방법에는 두 가지가 있는데 첫 번째는 스퍼터 방식이고 두 번째는 e-beam 증착이다. 본 연구에서는 MgO 증착 조건에 따른 자기터널접합의 터널자기저항비와 저항의 영향에 대해 연구하였다. 자기터널접합 제조에는 고진공 마그네트론 스퍼터 장비를 이용하였다. 이 때 증착 조건으로는 아르곤 압력, 타겟-기판 거리, RF 파워가 있다. 아르곤 압력이 증가할수록 터널자기저항비는 증가하다가 10mtorr이후에는 일정하였고 저항은 계속 감소하였다. 같은 타겟-기판 거리 5cm, 같은 아르곤 압력 10mtorr에서 RF power가 증가하면 터널자기저항비는 거의 일정한 데 비해 저항은 계속 증가하였다. 같은 아르곤 압력 10mtorr, 같은 RF power 100W에서 타겟-기판 거리를 늘이면 터널자기저항비는 계속 감소하고 저항은 급격히 커진다. 위의 결과를 통해 좋은 자기터널접합 특성을 얻기 위해서는 두 가지가 모두 만족되어야 한다고 결론지었다. 첫째로 MgO가 (001)으로 잘 자라기 위해서는 Mg와 O 원자가 충분한 이동도를 가져야 한다. 둘째로 아래쪽 자성층의 산화를 줄이기 위해서는 O 이온의 에너지 그리고 밀도가 크게 감소되어야 한다. 이를 위해 기판 전위 스퍼터 방식을 이용하였다. 기판에 음의 전위를 가할수록 터널자기저항비는 증가하고 저항은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 위의 결론과 일치하는 부분이다. 본 연구에서 얻은 최고 터널자기저항비는 352%이고 최저 저항은 MgO 두께 2nm에서 저항-면적 곱이 105kΩ㎛2로서 문제는 저항이 아직까지 발표된 수치보다 매우 높다는 것이다.