고온 내구성을 위한 수직 형 자기터널접합의 확산방지 층에 관한 연구

Abstract

Recently, as one of new generation candidates, p-STT MRAM has attracted much attention as a promising new memory. Because of p-STT MRAM has fast read and write speed of <10 ns, low power consumption by non-volatile characteristic and good CMOS transistor compatibility. Based on these advantages, p-STT MRAM is expected to replace many types of the memory. Especially, it is becoming a stand-alone memory to replace the conventional DRAM that has reached its limit. However, in order to realize p-STT MRAM for high performance memory, p-MTJ spin-valve should be achieving the critical device performances, such as a high TMR ratio of ~150%, a high thermal stability of ~74 and a low critical current density of 1.5 MA/cm^2. In addition, these critical device performances should be satisfied simultaneously at a BEOL temperature of ~400oC. Furthermore, the p-MTJ spin-valve deposited on W/TiN bottom electrode on 12-inch-size Si wafer is an essential element for mass production with CMOS transistor. Today’s studies have provided the double MgO based p-MTJ spin-valve with top free layer and Ta material, which have a high TMR ratio and high thermal stability for realizing the p-STT MRAM. But none of them revealed an obvious mechanism and did not achieve good results even after 400oC of heat treatment. The goal of this thesis is to research and develop the key parameters, such as a high TMR ratio, high thermal stability low critical current and to satisfy these parameter after 400oC annealing on 12-inch TiN BE wafer. First, high thermal stability of ~61 was obtained using the double MgO based p-MTJ spin-valve with new material W. However, it showed a TMR ratio loss using the double MgO based p-MTJ spin-valve. In addition, the origin of the device performance difference of using the Ta and W materials for bridge and capping layer is clearly introduced. It is due to the difference in the diffusion profile and lattice strain of the MgO tunneling barrier. The TMR ratio of the top free based p-MTJ spin-valve with W bridge and capping layer peaks at 143% at 4.0 nm thickness of the W capping layer at 400oC ex-situ annealing temperature, but it could not exceed the TMR ratio of 150%. One of the problems at the BEOL temperature of 400oC was the diffusion of W atoms from the capping layer degrading the f.c.c. crystallinity of the MgO capping layer and tunneling barrier. This problem was solved by inserting a Fe diffusion barrier at the interface of the MgO/W capping layer. The TMR ratio and simply calculated thermal stability of p-MTJ spin-valves with Fe diffusion barrier peaks at 153% and ~76, respectively, at specific thickness of ~0.3 nm Fe diffusion barrier. In addition, we checked the electrical performance with ~250 nm patterned cell of p-MTJ spin-valve by using Fe diffusion barrier. In electrical property, we obtained the critical current density of 0.8 MA/cm2 at high current state of set voltage. These results are sufficient to achieve the critical performance of the p-MTJ device. |최근에 차세대 메모리 후보 중 하나인 수직 형 스핀전달토크 자기저항메모리는 많은 관심을 끌고 있으며 새로운 메모리로 각광받고 있다. 이는 수직 형 스핀전달토크 자기저항메모리가 10ns 보다 빠른 읽기와 쓰기 속도를 보이고 있으며 에너지 소비가 적으며 기존의 CMOS 트랜지스터와의 호환성도 좋기 때문이다. 이런 장점을 바탕으로 수직 형 스핀전달토크 자기저항메모리는 많은 종류의 메모리를 대체 할 것으로 기대하고 있으며, 특히 물리적 한계에 다다른 기존의 DRAM을 대체 할 독립 형 메모리로 부상하고 있다. 그러나 고성능 수직 형 스핀전달토크 자기저항메모리를 실현하기 위해서는 수직 형 자기터널접합이 150%의 높은 터널자기저항비 와 74정도의 높은 열 안정성, 1.5MA/cm^2의 낮은 임계 전류 밀도와 같은 핵심 소자 특성을 만족하여야 한다. 또한, 이러한 핵심 소자 특성을 후속공정을 위한 400도의 열처리 이후에도 충족되어야 한다. 더 나아가, 12인치 크기의 실리콘 웨이퍼 상의 W/TiN 하부 전극에 수직 형 자기터널접합 스핀벨브를 증착하는 것은 CMOS 트랜지스터와 호환하여 대량 생산하는 것의 필수요소이다. 최근의 연구는 수직 형 스핀전달토크 자기저항메모리를 실현하기 위해 상부 자유 층을 사용하여 높은 터널자기저항비를 갖고 이중 MgO를 사용하여 높은 열 안정성을 만드는 방향으로 진행되고 있다. 그러나, 이들 중 누구도 명백한 메커니즘을 밝히지 못하였고 400도의 열처리 이후에도 좋은 결과를 도출하지 못하였다. 이 논문의 목표는 높은 터널자기저항비 및 높은 열 안정성과 같은 핵심 소자 특성을 연구하고 개발하며, 12인치 TiN 하부 전극 위에 제작한 수직 형 자기터널접합이 400도 열처리 이후에도 이런 특성을 충족시키는 것이다. 처음으로, 새로운 재료인 W을 가지고 이중 MgO기반의 수직 형 자기터널접합 스핀벨브를 제작하여 61의 높은 열 안정성을 확보하였다. 그러나, 이중 MgO기반의 수직 형 자기터널접합 스핀벨브를 사용하면서 약간의 터널자기저항비의 감소가 있었다. 그리고 브리지 및 캡핑 층으로 Ta 및 W을 사용하는 디바이스의 성능 차이의 근원을 명확히 파악하였다. W 브리지 및 캡핑 층을 사용하는 상부 자유 층 기반 수직 형 자기터널접합 스핀벨브를 400도 열처리 한 이 후에 터널자기접합비는 143%를 기록하였다. 그러나, 이 또한 150%의 터널자기저항비를 넘지 못하였다. 400도 열처리 이 후에 생기는 문제점 중 하나는 캡핑 층으로 사용한 W이 f.c.c. 로 결정화 되어있는 MgO층들로 확산되는 문제이다. 이 문제는 Fe 확산 장벽을 W과 MgO사이 계면에 삽입함으로써 해결되었다. ~0.3 nm의 Fe 확산 장벽을 삽입함으로써, 수직 형 자기터널접합 스핀벨브는 153%의 터널자기저항비와 76정도의 열 안정성을 보였다. 또한, 이 특성을 250 및 ~30nm의 지름을 가진 패터닝된 셀에서도 확인할 수 있었다. 패터닝된 셀의 전류-전압 곡선에서 우리는 높은 전류상태에서 0.8 MA/cm2 의 낮은 임계전류밀도를 도출할 수 있었다. 이 결과들은 수직 형 자기터널접합 소자의 핵심 소자 특성을 달성하기에 충분하였다.; Recently, as one of new generation candidates, p-STT MRAM has attracted much attention as a promising new memory. Because of p-STT MRAM has fast read and write speed of <10 ns, low power consumption by non-volatile characteristic and good CMOS transistor compatibility. Based on these advantages, p-STT MRAM is expected to replace many types of the memory. Especially, it is becoming a stand-alone memory to replace the conventional DRAM that has reached its limit. However, in order to realize p-STT MRAM for high performance memory, p-MTJ spin-valve should be achieving the critical device performances, such as a high TMR ratio of ~150%, a high thermal stability of ~74 and a low critical current density of 1.5 MA/cm^2. In addition, these critical device performances should be satisfied simultaneously at a BEOL temperature of ~400oC. Furthermore, the p-MTJ spin-valve deposited on W/TiN bottom electrode on 12-inch-size Si wafer is an essential element for mass production with CMOS transistor. Today’s studies have provided the double MgO based p-MTJ spin-valve with top free layer and Ta material, which have a high TMR ratio and high thermal stability for realizing the p-STT MRAM. But none of them revealed an obvious mechanism and did not achieve good results even after 400oC of heat treatment. The goal of this thesis is to research and develop the key parameters, such as a high TMR ratio, high thermal stability low critical current and to satisfy these parameter after 400oC annealing on 12-inch TiN BE wafer. First, high thermal stability of ~61 was obtained using the double MgO based p-MTJ spin-valve with new material W. However, it showed a TMR ratio loss using the double MgO based p-MTJ spin-valve. In addition, the origin of the device performance difference of using the Ta and W materials for bridge and capping layer is clearly introduced. It is due to the difference in the diffusion profile and lattice strain of the MgO tunneling barrier. The TMR ratio of the top free based p-MTJ spin-valve with W bridge and capping layer peaks at 143% at 4.0 nm thickness of the W capping layer at 400oC ex-situ annealing temperature, but it could not exceed the TMR ratio of 150%. One of the problems at the BEOL temperature of 400oC was the diffusion of W atoms from the capping layer degrading the f.c.c. crystallinity of the MgO capping layer and tunneling barrier. This problem was solved by inserting a Fe diffusion barrier at the interface of the MgO/W capping layer. The TMR ratio and simply calculated thermal stability of p-MTJ spin-valves with Fe diffusion barrier peaks at 153% and ~76, respectively, at specific thickness of ~0.3 nm Fe diffusion barrier. In addition, we checked the electrical performance with ~250 nm patterned cell of p-MTJ spin-valve by using Fe diffusion barrier. In electrical property, we obtained the critical current density of 0.8 MA/cm2 at high current state of set voltage. These results are sufficient to achieve the critical performance of the p-MTJ device.