자기 터널 접합 MTJ (Magnetic Tunnel Junction)

 

정의상 가정	박막(thin film)_surface energy,surface tention MgO magnetic perpendicular anisotropy(수직 이방성) _ demagnetization(반자화) multilayer of thin films_magnetic dead layer, seed layer, buffer layer, capping layer , free layer, pinned layer, fix layer spin-transfer torque (STT) 터널자기저항(tunnelling magnetoresistance, TMR)
내용상 가정
공식
단위
응용

 

 

 

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터널 자기접합은 스핀 의존 터널링(spin dependent tunneling, SDT)을 적용한 가장 간단한 형태로 두 강자성체 사이에 얇은 절연체가 들어가 있는 구조입니다.

 

두 강자성체 중 한 강자성체의 자화 방향을 변화시켜, 저항을 변화시킵니다. 이를 터널자기저항(tunnelling magnetoresistance, TMR)이라고 합니다.

TMR이 100%라면 스위치로, 100% 보다 조금 낮다면 가변저항과 같다고 볼 수 있습니다. 

 

실제 MRAM이나 HDD에 사용하기 위해선 이 TMR값이 높아져야합니다. 

TMR 값은 결정질 절연체의 evanscent state를 제어하여 s, p, d 밴드의 터널링 정도를 조절하여 높일 수 있습니다.(ex MgO(001))

 

또한 강자성체의 자화 방향을 spin-transfer torque (STT)를 이용하여 전기적으로 반전 시켜 줄 수도 있습니다. 이때 STT를 위한 전류는 실제 회로에서 자화반전 전류가 트랜지스터에서 만들어지는 전류보다 작아야 하며, 열적 안정성이 좋아 작은 셀에서 자화상태를 유지할 수 있어야 합니다. 

이를 위해서는 수직자기이방성을 가진 강자성체를 사용해야합니다. 이를 perpendicular-MTJ, p-MTJ라 합니다.

참고로 수직 이방성 물질은

1. 희토류를 포함한 자성물질(TMR 값이 100%이하로 MTJ와 비교해 작고 감쇠상수가 큼), 

2. CoPt, FePt L1, ordered alloy(수직 이방성이 좋아 열적 안정하나 공정상 높은 온도 열처리 요구) 

 

3.다층막, CoFeB/MgO구조(계면에서 표면 유도 자화)가 있습니다.

 

어떤 Film의 적층구조를 볼 때 이 multi-layer에는 알 수 없는 용어들이 들어있습니다.

 

 

 

사진은 google의 아무 multi layer나 가져왔습니다.(https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semitech_en/kap_8/backbone/r8_3_1.html (Courtesy ISE, Freiburg))

 

 

본 격적으로 MTJ 구조를 분석하기 전에 자성 박막을 다룰 때 나오는 용어를 알아야합니다. 조금만 검색해 보더라도 주로 magnetic dead layer, seed layer, buffer layer, capping layer , free layer, pinned layer, fix layer와 같은 용어들이 심심치 않게 볼 수 있습니다.

 

 

magnetic dead layer와 같은 경우
magnetic 물질의 surface에서 magnetic coupling이 없어져 ferromagnetic물질 같은 경우 ferromagnetic 물질의 성질이 없어지게된 layer를 지칭합니다.

직관적으로 다가오지 않는 용어일 것이지만 주로 어떤 두 layer의 계면에서의 interaction이 있는지 없는지 보기위해 사용됩니다. 만약 이 dead layer를 두 계면 사이에 삽입했는데, 자성이 변화한다면, 자성은 두 layer의 interaction에 영향이 있다!! 는 결론을 내리기위해 사용됩니다.

물론 다른 분야에서도 dead layer에서 쓰입니다. 예를 들어 ferroelectric에서도 dead layer라는 것이 있는데, 여기서도 polarization을 무너뜨리는 어떤 layer를 지칭합니다.

 

seed layer는 증착으로 잘 안쌓이는 layer가 있다면 그 아래 seed layer를 증착후 그 위에 증착합니다.(seed layer와 쌓고 싶은 layer의 lattice가 비슷하면 그럴거라 생각합니다.) 또한 전체적인 박막을 균일하게 만드는 역할을 하기도 합니다.

buffer layer는 film간의 lattice dismatch와  adhesion, stress와 같은 현상을 중재하기 위해 중간에 삽입하는 layer입니다.

capping layer는 쌓아 올린 layer들을 보호하거나 layer들의 효과를 높이기 layer들 위에 최종적으로 쌓는 layer입니다.

 

(통용되지 않는 용어라 상황에 따라 다른 의미로 쓰일 수 있습니다.)

 

또한 앞서 언급했 듯, 결연체 결정성이 좋기 때문에 https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table_(crystal_structure)에서 제공하는 결정성 주기율표를 먼저 확인하고 가겠습니다.

 

 

 

여기서 CoFe은 BCC를 띄며, Ta, W, Ir, Pt, Ru정도만 아시면 됩니다.

 

본격적으로, 실제 소자에 사용되는 MTJ구조를 보겠습니다. 기본적으로 위에서 다룬 구조이지만, 실제를 들여다보면 정말 많은 원리의 구조가 있습니다. 예를 들어 다음 구조를 보겠습니다.

 

 

다음과 같은 구조입니다.... 분명 사실 TMR과 STT를 위해서는 FM/Insulator/FM만 있으면 되지만, 효율을 높이기 위해 늘어났고 더 늘어나는 추세입니다.(FM : 강자성체) 그럼 블로그 특성에 맞게,... 하나하나 살펴보겠습니다.

 

1. Buffer layer (seed layer)

 

 

먼저 가장 아래 있는 Buffer layer입니다. 이 구조에서는 seed와 buffer가 같이 사용되므로 묶어서 설명 드리겠습니다. 사실 그냥 전극이라고 생각하면 되지만, 여러가지 특징이 있습니다. 가장 아래에 배치하여 앞으로 쌓을 layer들이 기판에 잘 쌓일 수 있도록하는 것입니다. 또한 stack전체의 oxidation을 방지해주는 기능도 합니다. 처음 Ta은 Ta 자체가 증착시 Amorphous로 증착되어 gain size도 적고 막질을 smoothing 하게하고 기판과 diffuse interface가 적습니다.  Ta /Ru/ Ta라는 3겹의 물질을 사용하는 이유는 Ta/ Ru의 경우 결정성을 형성할 수 있게 하며 열처리시 diffusion하는 것을 막아줍니다. 각 층의 두께에도 영향을 받는데, Ta 5nm/Ru 10nm/ Ta 3nm에서 막질이 좋다고 알려져 있습니다(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 07C712 (2011)). 이때 Ru이 너무 두꺼우면 점점 안좋아집니다. 특히 만약 박막이 우둘투둘한 roughness가 높은상태라면 TMR값이 낮게 나옵니다.(Appl. Phys. Lett. 88, 182508 (2006)) 또한 MgO에 degradation이 심해지게 하여 breakdown도 발생시키고 전기적 특성도 안좋게 많듭니다.

 

DOI 10.1109/IEDM.2014.7047081 에서 보고하는 바를 예를 들어보겠습니다.

TiN/Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/SyAF과 같은 구조의 MTJ에서는 결정구조가 

NaCl/Amorphous/Amorphous/B.C.T/Amorphous/Amorphous/FCC 입니다.

여기서 MgO가 B.C.T 결정구조인게 중요합니다. 그러나 Seed의 Ta은 열처리 시 MgO까지 diffusion되게 됩니다. 따라서 Ta seed위에는 강한 BCC 결정성을 띄는 구조를 넣어 diffusion을 막아야합니다. 또한 3.16A정도 결정상수를 가져야 CoFeB BCC형성에도 도움이 됩니다. 따라서 Ta/Ru/Ta를 씁니다. 번외로 MgO는 FCC에도 영향을 받는데, 이를 위해 SyAF도 BCC를 사용합니다. (SyAF에 대해선 아래에서 다루겠습니다.)

 

 

 

2. Ferromagnet

 

 

Buffer layer위에 처음으로 올라간것은 MTJ의 기본기능을 하기위한 첫번째 Ferromanget입니다. 이 layer는 MTJ의 pinned layer 즉 외부의 source에 대해 변화하지 않아야하는 layer입니다. 따라서 엄청나게 큰 PMA(magnetic perpendicular anisotropy(수직 이방성) _ demagnetization(반자화))를 가지고 있는 Co/Pt를 쓰게 됩니다. 특히 이 Co/Pt는 완벽한 111 결정을 만들어주기 때문에 seed로써 사용되기도 합니다. 

 

3. Second Ferromagnet

 

 

이 Co는 PMA를 더 높여주기 위해 사용됩니다.

 

 

4. Boron absorber

 

지금까지 외부 source에 의해 변화하지 않는 Ferromanget을 쌓았으니, 이제 지금까지의 Ferromagnet에 도움을 받는 TMR을 위한 수직이방성 Ferromagnet을 쌓아야합니다. 이때 여러가지 이유로 한 set로 다니는 물질이 있는데 바로 Ta/CoFeB/MgO입니다. 사실 물질자체야 바뀔 수 있지만, 이러한 물질을 쓰는 이유는 Ta가 MgO보다 B을 잘 흡수한다는 것입니다. 사실 Ru이 더 잘 흡수하여, Ta/Ru/Ta의 구조를 사용합니다. 자세한건 Ta/CoFeB/MgO stack을 다 쌓고 설명하겠습니다. 단순히 Ta는 B을 잘 흡수하는 층이라고 하고 넘어가겠습니다.

 

 

5. MTJ Pinned layer

 

CoFeB은 물질 자체가 결정성이 없는 비정질(Amorphous)이기 때문에, MgO가 올라갈때 영향을 주지 않으며, soft한 magnetic material이기 때문에 메모리 셀에 쓰이기 좋습니다. 여기서 Ta은 Crystalline decoupling을 위해 사용됩니다.(Appl. Phys. Express 11, 013006 (2018)). 하지만 여기서 보통 Pinned를 강하게 해주기 위해 exchange bias에 필요한 RKKY물질인 Ru이나 Ir을 삽입해 줍니다. 만약 반강자성체를 사용한다면 ML1부분에 IrMn이나 PtMn을 쌓고 그 위에 CoFe을 쌓은 뒤 Ru이나 Ir을 쌓아 CoFeB의 Pinned를 더 강하게 해줍니다.

 

6. MTJ dusting layer

 

그러나 CoFeB위에 살짝 엄청나게 얇게 다른 물질을 삽입하는데 이는 CoFeB위에 Oxide물질이 올라가기 때문에 oxidation의 영향을 줄이기 위해 사용됩니다. 사실 예시에서는 FeCo를 쌓았으나, 안 쌓는 경우가 더 많고, 보통 Mg를 얇게 증착합니다. 경우에 따라서 W, Hf과 같은 dusting layer를 삽입하여, 열적 안정도를 높이기도 합니다.

 

7. MgO & free layer

 

MgO는 coherent tunneling이 가능하기 때문에 CoFeB과 CoFeB 사이에 Spin current만 선택적으로 tunneling 할 수 있게 해줍니다. 즉 TMR이 높아지며 메모리도 크게 읽을 수 있습니다. 또한 STT도 잘되게 해줍니다. 이 MgO의 저항을 나타내는 RA product는 10 ohm/um2이하게 되게 하는게 중요합니다. MgO의 결정성은 (100) BCT가 되어야하는데 이를 위해 CoFeB 사용합니다. 여기서 CoFeB은 BCC가 되어야 하기 때문에 CoFeB과 인접한 물질은 모두 BCC이어야 합니다. 여기서 lattice constant가 3.16A이면 더 좋습니다.(DOI: 10.1109/IEDM.2014.7047081) 참고로 CoFeB 의 조성에 따라 TMR도 큰 차이가 나고 PMA도 차이가 많이 납니다. 이외에도 B이 diffusion되는 양상도 달라지는 집니다. Appl. Phys. Lett. 90, 212507 (2007)논문을 참조해본다면,

 

다음 그림처럼 결정이 Co 조성이 더 높다면 동그랗게 말리며 BCC 가 형성되고, Fe조성이 높다면 면 방향으로 생성이 됩니다.

 

8. MTJ double layer

 

 

사실 Step 7이 끝이라고 생각하시면 되지만 여기서는 중간 Ta을 기준으로 같은 stack을 다시 쌓았습니다. 이를 Double layer라 합니다. 이렇게 하는 이유는 크게 두가지로 free layer가 두꺼워지기 때문에 열적 안정도가 좋아지며, tunneling을 두번하기 때문에 메모리 margin도 좋게 됩니다. 하지만 공정상 어려움과 저항이 높아진다는 문제도 역시 생기게 됩니다. 맨 위에 Ta위에 Ru을 쌓기도 하는데 이는 Ru은 산화가 되어도 전도성이 있기 떄문입니다.

 

이렇게 구성된 MTJ는 Nano pillar의 구조이기도 하며 MgO의 Oxide층의 tunneling으로 굉장히 중요한 특성을 띄므로 Etching공정이 어려운 단점이 있습니다. 따라서 MgO가 한층으로만 된 구조를 사용하기도 하는데, MgO아래의 CoFeB이 switching되는 경우 bottom free top finned라 하고, 반대의 경우 bottom finned top free라 합니다.

 

 

이런 MTJ를 평가하는 척도는 크게 두가지로 TMR ratio와 RA product입니다.

TMR은 앞서 설명드렸으므로, RA product에 대해 다뤄보겠습니다.

RA product는 접합의 면적에 상관없이 성능을 비교하기 위한 것으로 저항에 면적을 곱한 값입니다. 단위는

$$\Omega \mu m2$$입니다.

소자를 집적하는 과정에 저항이 증가하게 되는데, 높은 저항은 Johnson noise, shot noise을 유발하고 time constant도 높이게 됩니다. 따라서 data rate을 한정하게 됩니다. 하지만, TMR을 높이기 위해선 RA가 커져야한다는 아이러니한 점도 있습니다. 따라서 TMR을 높이며 RA를 낮추는 방법이 강구되어야 합니다. 따라서 보통 TMR 120%에 10 ohm u m2을 기준으로 잡습니다.

 

 

상용화는 되었지만, 어느기업은 eFlash, SRAM을 대체하기 위해 제작을 하며, 어느기업은 DRAM을 대체하기위해 제작을합니다.

 

 

 

 

 

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!