수직 자기터널접합 스핀 밸브 기반 이중 MgO의 시간 의존적 유전체 항복(TDDB)에 대한 MgO RF 스퍼터링 파워가 미치는 영향

Abstract

최근에 DRAM을 대체할 차세대 메모리로 STT-MRAM(Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)이 비휘발성 메모리이면서 낮은 전력 소모(< 1 pJ/bit), 빠른 스위칭 속도(~1 ns), 높은 머무른 시간(>10년)과 같은 많은 이점으로 주목받고 있다. [1] STT-MRAM 중 p-STT MRAM(perpendicular Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)은 강자성체 Co2Fe6B2 사이에 절연체 MgO가 존재하는 구조인 수직 자기터널접합 (Perpendicular Magnetic Tunnel Junction, p-MTJ) 스핀 밸브로 구성되어 있다. 이 수직 자기터널접합은 터널 자기 저항 효과(Tunnel Magnetoresistance, TMR), 열적 안정성(Thermal Stability)과 같은 소자 특성에 영향을 미친다. 높은 TMR 비를 얻기 위해서는 수직 자기터널접합의 Co2Fe6B2 층과 MgO 터널링 장벽 사이 계면의 수직 자기 이방성(Interfacial Perpendicular Magnetic Anisotropy, i-PMA)과 MgO 터널링 장벽의 결정성이 영향을 미치므로 중요하다. 본 연구에서는 MgO 터널링 장벽의 RF 스퍼터링 파워에 따라 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 각각의 RF 스퍼터링 파워(290, 320, 350 W)별 Co2Fe6B2의 두께에 따른 M-H 곡선을 진동 시료 자화 측정기(VSM)을 통해 이방성 자기장(Hk)과 포화 자기모멘트 (Ms)를 측정하고 유효 이방성(Keff)를 계산하여 320 W에서 0.66091 erg/cm2로 가장 큰 Keff 값이 도출되었다. Co2Fe6B2의 두께가 1.1 nm일 때, Keff 최고값을 가져 PMA 특성이 가장 높고 350 W, 290 W순으로 큰 Keff 값이 도출되었다. MTJ를 이루는 절연체인 MgO는 열이나 스트레스에 취약하여 신뢰성 문제가 일어날 수 있어 절연체의 결정성을 향상시키는 것이 중요하다. 따라서, 시간 의존적 유전체 파괴(Time Dependent Dielectric Breakdown, TDDB)라는 신뢰성 평가를 통해 MgO 터널링 장벽의 RF 스퍼터링 파워(290 W, 320 W, 350 W)에 따른 신뢰성을 비교하였다. TDDB 측정 결과, RF 스퍼터링 파워가 320 W일 때 α와 β값이 큰 값을 가져 편차가 작고 늦게 고장나는 가장 좋은 샘플이다. 또한, 높은 분해능 투과 전자 현미경(High Resolution Transmission Electron Microscopy, HR-TEM)을 통해 MgO 터널링 장벽의 RF 스퍼터링 파워에 따른 결정성을 확인하여 320 W일 때 결정성이 잘 형성된 것을 확인하였다.