Magnetic Tunnel Junction의 제조를 위한 Atomic Layer Deposition법을 이용한 Tunnel Barrier의 제조에 관한 연구
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Atomic Layer Depostion(ALD)법을 이용하여 터널장벽층을 Al,Ti,Hf,Mg 등을 증착한 후,산소 플라즈마에의한 플라즈마산화(Plasma Oxidation)방법을 이용해 14Å 두께의 산화절연막을 형성시켜,재현성 있는 절연장벽층 형성하고,그리고 터널배리어를 단일산화절연막뿐만 아니라 Al-Hf,Al-Ti 등 다층의 산화절연막도 제조하여 아래 특성을 나타내는 최적조건을 제시한다.① MR ratio 값이 35%이상 ② MR ratio 값을 ±1.5%오차 이내로 제어 ③ ALD법을 위한 최적의 전구체 선정④ ALD법을 이용하여 최소한의 표면 roughness를 갖는 self-limiting condition을 찾음(reactant partial pressure,exposure times,growth temperature 등)⑤ 교환바이어스의 크기:200 Oe이상⑥ SCI급 논문 2편 이상 투고
본 연수에서는 가장 널리 사용되고 있는 Fe50Mn50(이하 FeMn)반강자성층을 삽입하여 SiO2/Ta/NiFe/FeMn/FM(FM:Ferromagnetic Metal)과 같을 하부-교환바이어스 구조를 제작해 교환바이어스 효과를 충분하게 얻을 수 있는 조건을 찾고자 하였다.최하부 층에는 우선 Ta층을 위치시켰는데,이때의 Ta는 비정질로서 NiFe의 하지층으로 사용될 경우 NiFe 입자를 미세하게 하여 자기적으로 소프트(Soft)한 성질을 강화시켜주는 완충층(Buffer Layer)의 역할을 하게되며,NiFe 층은 FeMn의(111)배향을 촉진하기위한 씨앗층(Seed Layer)에 해당된다.가.다층박막의 증착 기판은 열산화된 6인치 실리콘(100)웨이퍼(SiO2~2000ű5%)를 12.5mm×12.5mm 크기의 칩(Chip)형태로 잘라 사용하고,아래와 같은 순서에 따라 웨이퍼 세척을 수행하고,박막의 증착은 ALD(Atomic Layer Deposition)방법을 이용하여 챔버에서 행한다.그리고 시료가 일축 자기 이방성(Uniaxial Magnetic Anisotropy)을 띠도록 하기위해 모든 증착공정은 시료면에 평행한 방향의 400 Oe 자장 중에서 행하여,시료의 자화용이축(Easy Axis)은 증착 중에 인가된 자장의 방향에 따라 하부전극과 평행한 방향으로 결정되도록 한다.그리고 증착은 SiO2 Wafer/Ta(50Å)/NiFe(80Å)/FeMn(40Å)/CoFe(40Å)/Barrier/CoFe(40Å)/NiFe(50Å)순서로 행한다.나.터널배리어 제조 터널장벽층은 Al,Ti,Hf,Mg 등을 증착한 후,직류출력 150W-20mTorr 산소 분위기에서 10-30초간 산소 플라즈마에 노출시키는 플라즈마산화(Plasma Oxidation)방법을 이용해 14Å 두께의 산화절연막을 형성시킨다.절연장벽층 형성을 위한 산화과정을 포함한 일련의 공정이 진공도를 유지하면서 진행되었으며,산화공정의 재현성을 위해 산소 주입 후 플라즈마 형성 전까지의 분압안정화 시간를 일정하게 제어한다.그리고 터널배리어는 단일산화절연막뿐만 아니라 Al-Hf,Al-Ti 등 다층의 산화절연막도 제조하여 각각의 특성을 연구한다.다.터널배리어 성능 평가 ALD법에서 박막이 형성되는 조건인 self-limiting condition을 각각의 터널배리어에 대해 reactant partial pressure,exposure times,growth temperature 등을 변화시켜 구하고,터널배리어의 두께,조성,표면 roughness,annealing time,annealing temperature 등에 따른 MR 값을 ±200Oe의 인가자장에서 평가한다.그리고 박막의 물리․화학적 연구를 Ellipsometry,Rutherford backscattering spectroscopy,FE-SEM,AFM,MFM,SQUID,XPS,HR-TEM,XRD 등을 이용하여 행한다.라.자기저항 및 터널장벽의 평가 MTJ에서 발생하는 스핀 의존 터널링(Spin Dependent Tunneling)현상은 산화막에 인접해 있는 자성층에 위치한 스핀분극된 전자들의 거동에 의해 결정되기 때문에,이러한 전자의 스핀분극율이 곧 자기저항비에 직결되는 요소이기 때문에 절연막을 형성하는 산화공정의 제어는 매우 중요할 뿐 아니라,동시에 MTJ 제작의 가장 큰 난점이 되고 있기도 하다.이에 따라,가장 우수한 특성을 내는 적합한 산화 조건을 찾고자 모든 증착조건을 고정시킨 상태에서 Al,Ti,Hf,Mg 등으로 터널장벽층을 제조하여 최적의 제조 조건을 구하고자 한다.
정보저장기기는 현재 컴퓨터를 비롯하여 비디오,오디오,캠코더 등에 매우 광범위하게 사용되고 있으며,향후에는 디지털 TV 등의 가전용 AV 시스템,홈 멀티미디어 서버,의료용 영상을 비롯하여 개인 휴대 통신기기에 이르기까지 정보산업 전 분야로 그 응용범위가 크게 확대될 것으로 전망되고 있다.이들 정보산업이 발달할수록 급격하게 요구되는 정보량에 대응하기 위해서는 대용량 초고속의 정보저장기기에 대한 요구는 더욱 확대될 것으로 판단된다.특히 마이크로 PDA(Personal Digital Assistant),휴대폰,디지털 카메라 등과 같은 휴대 정보기기에 내장될 수 있는 초소형의 정보저장 기기에 대한 수요는 급증할 것으로 전망됨에 따라 이들 정보저장기기의 소형화 및 저가격화의 필요성이 크게 대두되고 있으며 향후 이 한 휴대기기에는 MRAM과 같은 칩형의 비휘발성 메모리소자가 이용될 것으로 예상된다.이와 같이 소형의 정보저장기기가 정보산업 전반에 미치는 경제 및 산업적 파급효과가 매우 크기 때문에 선진 각국이 앞 다투어 이 분야에 대한 기술경쟁에 범국가적으로 총력을 기울이고 있다.정보저장기기 시장 중에서 현재 주요 정보 저장기기로 사용되고 있는 드라이브형의 HDD를 비롯하여 플래쉬 메모리 등 대부분의 정보저장기기가 향후 MRAM으로 대치될 것으로 예상되며,따라서 MRAM의 기술개발은 현채 국내의 반도체 산업이 행해온 역할을 대신할 수 있는 유일한 대안이 될 것으로 판단된다.MRAM 구현을 위하여 향후 개발되어야 할 핵심기술로는 자기 소자 제조 기술,자기 소자의 자화반전 제어기술 및 기존의 반도체와 자기 소자를 효율적으로 집적화 하는 공정기술을 들 수 있을 것이다.이와 같이 MRAM은 가장 유망한 차세대 칩형 비휘발성 메모리소자로서 향후 각종 휴대기기를 포함한 거의 모든 정보기기의 정보저장 소자로서 사용될 것으로 전망된다.따라서 현재 기술적 우위를 확보하고 있는 국내 반도체 공정기술과 MRAM의 핵심 소자인 MR 소재·소자 및 공정의 핵심 원천기술의 국내개발을 통해 차세대 비휘발성 메모리 소자인 MRAM을 개발함으로써 국내 정보기기 산업의 국제경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.