KR101800237B1 - 자기저항 효과 소자 - Google Patents

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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 자기저항 효과 소자는 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 한쪽 표면에 형성된 레퍼런스층(reference layer); 상기 배리어층의 다른 쪽 표면에 형성된 프리층; 및 상기 레퍼런스층의 상기 배리어층과는 반대측에 배치된 핀층(pinned layer)을 포함한다. 상기 핀층은 Ni, Co, Pt, Co, Ru, Co, Pt, Co, 및 Ni의 순서로 적층된 구조를 포함한다.

Description

자기저항 효과 소자{MAGNETRORESISTANCE EFFECT ELEMENT}
본 발명은 자기저항 효과 소자에 관한 것이며, 특히 MRAM에 이용되는 수직 TMR 소자에 적합한 자기저항 효과 소자에 관한 것이다.
자기저항 효과 소자는 외부 자기장이 그것에 가해질 경우 전기저항이 변화되는 소자이다. 자기저항 효과 소자들 중의 잘 알려진 것은 TMR 효과를 이용해서 정보 저장 및 자기 검출을 행하는 TMR(Tunnel Magneto Resistance) 소자("MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자"라고도 함)이다. 최근, MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory) 등에의 MTJ 소자의 이용이 기대되고 있다.
비특허 문헌 1에는 수직 자화형 MTJ 소자가 개시되어 있다. 수직 자화형 MTJ 소자는 프리층(자화 자유층), 터널 배리어층 및 레퍼런스층(자화 고정층)이 적층된 구조를 포함한다. 프리층 및 레퍼런스층의 자화 방향은 각각 적층 방향에 평행하다.
TMR 소자를 이용한 MRAM 디바이스의 특성의 향상을 위해서는, MR 비율(자기저항 비율)을 높게 하는 것이 중요하다. 특허 문헌 1에 기재된 CoFeB/MgO/CoFeB을 포함하는 적층 구조는 100%를 초과하는 높은 MR 비율을 나타내는 것이 알려져 있다.
도 10은 비특허 문헌 1에 기재된 기술을 이용한 MTJ 소자의 예를 나타낸다. 도 10에 나타낸 MTJ 소자(1000)는 바텀 핀(bottom pin) 구조의 수직 자화형 MTJ 소자(p-MTJ 소자)이다. MTJ 소자(1000)는 기판(1001) 상에 하부 전극(1002), 및 Ta 층(시드층)(1003)을 구비한다. MTJ 소자(1000)는, Ta 층(1003) 상에, Co/Pt 적층체(1004), Co 층(1005), Ru 층(1006), Co 층(1007), Pt 층(1008), Co/Pt 적층체(1009) 및 Ta 층(스페이서층)(1010)을 구비한다. 또한, MTJ 소자(1000)는, Ta 층(1010) 상에, 레퍼런스층으로서의 CoFeB 층(1011), MgO 층(배리어층)(1012), 프리층(자화 자유층)으로서의 CoFeB 층(1013), 캡핑층(1014), 및 상부 전극(1015)을 구비한다. MTJ 소자(1000)의 Co/Pt 적층체(1004)는, Co 층과 Pt 층을 교대로 소정의 수(N 회) 반복 적층한 것이다. 또한, MTJ 소자(1000)의 적층체(1009)는, Co 층과 Pt 층을 교대로 소정의 수(M 회) 반복 적층한 것이다.
도 11은 특허 문헌 1에 기재된 기술을 이용한 수직 자화형 MTJ 소자(p-MTJ 소자)의 예를 나타낸다. 도 11에 나타낸 MTJ 소자(2000)는, MTJ 소자(1000)의 Co/Pt 적층체(1004)를, Co 층과 Ni 층의 적층체(2005)로 변경하고 있다. 또한, MTJ 소자(2000)는, Pt 층(1008)을 Ni 층(2009)으로 변경하고, Co/Pt 적층체(1009)를 Co 층과 Ni 층의 적층체(2010)로 변경하고 있다.
일본국 특개2007-142364호 공보
D. C. Worledge et al., "Spin torque switching of perpendicular Ta/CoFeB/MgO-based magnetic tunnel junctions," Appl. Phys. Lett. 98, 2011, 02250
비특허 문헌 1 및 도 10에 기재된 TMR 소자는, 소자 내에 다수 포함되는 Pt 및 Pd가 성막 공정 후의 에칭 공정에서 에칭되어, 소자의 벽면에 부착된다. 이것은, 소자 회로의 댐핑 상수(damping constant)를 저하시키는 원인이 되어, 수율(yield)을 떨어뜨릴 수가 있다.
한편, 특허 문헌 1의 MTJ 소자(2000)는, Pt나 Pd를 포함하지 않기 때문에, MTJ 소자(1000)와 달리 수율이 저하될 우려는 없다. 그러나, 어닐링 처리중에, Ni가 계면을 가로질러 Co 층 내로 확산되기 때문에, MTJ 소자(2000)의 교환 결합 자기장을 감소시킬 우려가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 MR 비율을 갖고, 또한 강한 교환 결합 자기장을 갖는 자기저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 자기저항 효과 소자는 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 한쪽 표면에 형성된 레퍼런스층(reference layer); 상기 배리어층의 다른 쪽 표면에 형성된 프리층; 및 상기 레퍼런스층의 상기 배리어층과는 반대측에 배치된 핀층(pinned layer)을 포함하며, 상기 핀층은 Pt, Co, Ru, Co, 및 Pt의 순서로 적층된 층, 및 Ni을 포함하는 층을 포함하는 자기저항(magnetoresistance) 효과 소자를 포함한다.
본 발명의 자기저항 효과 소자에 따르면, 높은 MR 비율을 갖고, 또한 강한 교환 결합 자기장을 갖는 자기저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 후공정에서의 수율이 좋고, Pt의 사용량이 적기 때문에, 재료 비용이 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 자기저항 효과 소자에 따르면, 교환 결합 자기장이 강한 핀층을 형성함으로써 자화 고정층의 자화 반전이 일어나기 어려운 자기저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 MTJ 소자의 구성을 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 MTJ 소자의 성막 처리를 행하는 기판 처리 시스템의 개략 구성도.
도 3은 도 1의 MTJ 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도.
도 4는 도 1의 MTJ 소자의 MR 비율을 나타내는 도면.
도 5a는 자기 측정에 이용된 수직 MTJ 소자용 수직 자화 막의 구조를 나타내는 모식도.
도 5b는 자기 측정에 이용된 수직 MTJ 소자용 수직 자화 막의 구조를 나타내는 모식도.
도 6은 MTJ 소자의 자기 측정 결과를 나타내는 도면.
도 7은 MTJ 소자의 자기 측정 결과를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 MTJ 소자의 구성을 나타내는 모식도.
도 9는 도 8의 MTJ 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도.
도 10은 종래의 MTJ 소자의 구성을 나타내는 모식도.
도 11은 종래의 MTJ 소자의 구성을 나타내는 모식도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 본 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하에 설명하는 도면에서, 같은 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 부여하고, 그 반복 설명을 생략하는 것도 있다.
(제 1 실시형태)
도 1은 본 실시형태에 따른 성막 방법을 행하는 예시적인 MTJ(Magnetic Tunnel Junction: 자기저항 효과 소자) 소자(4000)의 구성을 나타내는 모식도이다. MTJ 소자는, 예를 들면 MRAM(Magnetic Random Access Memory), 자기 센서 등에 이용된다.
MTJ 소자(4000)는, 바텀 핀 구조의 수직 자화형 MTJ 소자(p-MTJ 소자)이다. MTJ 소자(4000)는, 기판(4001) 상에 하부 전극(4002), 및 Ta 층(시드층)(4003)을 구비한다. MTJ 소자(4000)는, Ta 층(4003) 상에, NiCr(시드층)(4004), Co/Ni 적층체(4005), Co/Pt 층(4006), Co 층(4007), Ru 층(4008), Co 층(4009), Pt 층(4010), Co/Ni 적층체(4011), 및 층(스페이서층)(4012)을 구비한다. 또한, MTJ 소자(4000)는, Ta 층(4012) 상에, 레퍼런스층으로서의 CoFeB 층(4013), 배리어층으로서의 MgO 층(4014), 프리층(자화 자유층)으로서의 CoFeB 층(4015, 캡핑층(4016), 및 상부 전극(4017)을 구비한다. MTJ 소자(4000)의 Co/Ni 적층체(4005)는 Co 층과 Ni 층을 교대로 소정의 수(N 회) 반복 적층한 것이다. 또한, Co/Ni 적층체(4011)는 Co 층과 Ni 층을 교대로 소정의 수(M 회) 반복 적층한 것이다.
CoFeB 층(4013)은 MgO 층(4014)의 한쪽 표면에 형성되어 있으며, CoFeB 층(4015)은 MgO 층(4014)의 다른 쪽 표면에 형성되어 있다. 여기서, Co/Ni 적층체(4005)에서 Co/Ni 적층체(4011)까지의 적층 구조를 SAF 구조의 핀층(이하, 핀층이라 함)이라 부른다. 핀층은 반강자성 층(antiferromagnetic layer)이며, MgO 층(4014)의 CoFeB 층(4013)과는 반대측에 배치되어 있다. 상세하게는, 핀층은, CoFeB 층(4013)의, 배리어층(4014)이 배치되어 있는 측의 반대측에 배치되며, CoFeB 층(4013)보다 아래층에 배치되어 있다. 핀층은, 레퍼런스층의 자화 반전을 억제하기에 충분히 큰 교환 결합 자기장을 갖는다.
MTJ 소자(4000)의 핀층은 Co 층(4007), Ru 층(4008) 및 Co 층(4009)의 3층의 적층 구조 부분이, Co/Pt 층(4006)의 Pt 층과 Pt 층(4010)의 사이에 개재되는 적층 구조를 갖고 있다. 즉, 핀층은 Pt(4006)/Co(4007)/Ru(4008)/Co(4009)/Pt(4010)의 순서로 적층된 적층 구조를 구비하고 있다. Ru 층(4008) 양단의 Co 층(4007, 4009)의 외측을 Pt 층(4006, 4010)으로 함으로써, 어닐링 처리중의 Co 층(4007, 4009) 내에의 Ni의 확산을 방지할 수 있으며, 이에 따라 교환 결합 자기장의 저하를 억제할 수 있다. Ru 층(4008)을 사이에 개재하는 Co 층(4007, 4009)을 외측으로부터 사이에 개재하는 Pt 층을 확산 방지 층이라고 부른다. 또한, 확산 방지 층이 확산을 방지하는 Ni은, Co/Ni 적층체(4005, 4011) 내에 포함되어 있는 Ni이다. 즉, 보다 구체적으로, MTJ 소자(4000)의 핀층은, Ni/Co/Pt(4006)/Co(4007)/Ru(4008)/Co(4009)/Pt(4010)/Co/Ni의 순서로 적층된 구조를 구비하고 있다.
또한, MTJ 소자(4000)로서는 여기에 나타낸 구성에 한정되지 않으며, SAF 구조의 상하를 Pt 층에 의해 개재하는 구성이라면, 수직 자화형 소자의 기능을 손상하지 않는 범위에서 층의 증감, 각 층의 구성 재료의 변경, 상하의 적층 순서의 역전(reversing) 등의 임의의 변경을 행한 구성이여도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, NiCr 층(시드층)(4004)은 Ni을 포함하지 않는 다른 층으로 대체될 수도 있다.
도 2는 MTJ 소자(4000)의 성막 처리를 행하는 기판 처리 시스템(1)의 개략 구성도이다. 기판 처리 시스템(1)은 클러스터형(cluster-type) 진공 처리 장치이며, 복수의 기판 처리 챔버(2)와, 로드락 챔버(load-lock chamber)(4), 기판 냉각 장치(100) 및 승온 장치(200)를 구비하고 있다. 복수의 기판 처리 챔버(2)는 기판(S)에 대하여 동일한 처리를 행하는 것이어도 되며, 또는 다른 처리를 행하는 것이어도 된다.
복수의 기판 처리 챔버(2), 로드락 챔버(4), 기판 냉각 장치(100) 및 승온 장치(200)는 반송 챔버(3)를 통해 접속되어 있으며, 각각의 접속 부분에는 개폐가능한 게이트 밸브가 설치되어 있다. 반송 챔버(3)에는 반송 로봇(7)이 설치되어 있다. 반송 로봇(7)은 기판 처리 챔버(2), 로드락 챔버(4), 기판 냉각 장치(100) 및 승온 장치(200) 사이에서 소정의 처리 순서에 따라서 기판(S)을 반송한다. 로드락 챔버(4)의 외측에는 기판(S)을 공급하기 위한 오토로더(autoloader)(5)가 설치되어 있다.
도 3은 본 실시형태에 따른 수직 자화형 MTJ 소자(4000)의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 여기서는, 도 2에 나타내는 클러스터형 기판 처리 시스템(1)을 이용하여 본 실시형태에 따른 성막 방법의 설명을 행한다. 또한, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 이용하는 장치는, 인라인(inline)형의 기판 처리 시스템을 이용해도 된다.
먼저, 기판 처리 시스템(1)의 로드락 챔버(4)로 기판(S)을 반입한다(스텝 101). 다음으로, 소정의 기판 처리 챔버(2)로 기판(S)을 이동시키고, 하층 성막 공정을 행한다(스텝 S102). 하층 성막 공정에서는, 에칭법에 의해서 기판 상에 부착된 불순물 등을 제거하고, 그 후에 하부 전극(4002), Ta 층(시드층)(4003), NiCr(시드층)(4004)을 순차적으로 성막한다.
다음으로, 소정의 기판 처리 챔버(2)로 기판(S)을 이동시켜서, Co/Ni 적층체(4005)(수직 자화 층 1)를 성막하는 제 1 공정을 행하고(스텝 S103); 다음으로, Co/Pt 층(4006)을 성막하는 제 2 공정을 행하고(스텝 S104); 다음으로, Co 층(4007)을 성막하는 제 3 공정을 행하고(스텝 S105); 다음으로, Ru 층(4008)을 성막하는 제 4 공정을 행하고(스텝 S106); 다음으로, Co 층(4009)을 성막하는 제 5 공정을 행하고(스텝 S107); 다음으로, Pt 층(4010)을 성막하는 제 6 공정을 행하고(스텝 S108); 다음으로, Co/Ni 적층체(4011)를 성막하는 제 7 공정을 행한다(스텝 S109).
그 후, 소정의 기판 처리 챔버(2)로 기판(S)을 순차 이동시켜서, Ta 층(4012)보다 위쪽의 층을 순차적으로 성막하는 상층 성막 공정(스텝 S110)을 행한다. 상층 성막 공정에서, MgO 층(4014)은, MgO 타겟을 이용한 고주파(RF) 스퍼터링법에 의해 성막되어 있다. 다른 방법으로서, Mg 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 프리층으로서의 CoFeB 층(4013) 상에 성막한 Mg 층을 산화 처리하여도 된다. 성막 처리와 산화 처리는 동일한 기판 처리 챔버(2) 내에서 행해져도 되고, 다른 기판 처리 챔버(2) 내에서 행해져도 된다.
또한, 성막 공정(스텝 S102 내지 S110)에서 성막되는 복수의 막 중, 2 이상의 막이 동일한 기판 처리 챔버(2) 내에서 성막되어도 되고, 모든 막이 다른 기판 처리 챔버(2) 내에서 성막되어도 된다. 본 실시형태의 성막 공정(스텝 S102 내지 S110)에서 성막되는 각 층은 스퍼터링법에 의해 성막되지만, 그 밖의 임의의 성막 방법에 의해 성막되어도 된다.
마지막으로, 로드락 챔버(4) 내의 반송 위치(기판 반출 위치)로 기판(S)을 이동시킨다(스텝 S112). 그 후, 기판(S)은, 기판 처리 시스템(1)의 하류(downstream)의 공정으로 보내지며, 기판 처리 시스템(1)과는 다른 장치로 어닐링 공정(스텝 S113)이 행해진다. 어닐링 공정은, 아모퍼스(amorphous) 상태의 CoFeB 층(4013, 4015)을 결정화시켜서, 소정의 자기 특성(magnetic property)을 얻기 위해 행하는 어닐링 처리이다. 또한, 기판 처리 시스템(1)의 챔버 구성을 변경하는 것에 의해, 어닐링 공정(스텝 S113)을 기판 처리 시스템(1) 내에서 행할 수도 있다.
도 4는 본 실시형태에 따른 성막 방법을 이용하여 제조된 MTJ 소자(2000, 3000)의 RA(면적 저항)에 대한 MR 비율을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에 따른 성막 방법을 이용하여 제조된 MTJ 소자, 및 종래의 성막 방법을 이용하여 제조된 MTJ 소자의 각각에 대하여, RA 및 MR 비율의 측정을 행하였다. 종래의 성막 방법과 본 발명의 성막 방법은, 도 3의 흐름도에 따라 제조된 것이다.
도 4의 가로축은 RA(Ω·㎛2)이며, 세로축은 MR 비율(%)이다. RA가 낮을수록, 또한 MR 비율이 높을수록, MTJ 소자의 소자 특성은 양호하다고 할 수 있다. 도 4에 있어서, 흰색 원(○)은 도 10에 나타낸 MTJ 소자 구조로 종래의 성막 방법에서 제작된 MTJ 소자(1000)의 측정 결과이다. 검은색 삼각형(▲)은 도 11에 나타낸 MTJ 소자로 종래의 성막 방법에서 제작된 MTJ 소자의 측정 결과이다. 검은색 다이아몬드(◆)는 본 실시형태에 따른 성막 방법으로 제작된 MTJ 소자(4000)의 측정 결과이다.
도 4에 의하면, 본 실시형태에 따른 성막 방법으로 성막을 행하면, 확산 방지 층의 유무에 관계없이, 동등한 MR 비율이 얻어짐을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 측정에 이용된 수직 자화형의 MTJ 소자용 수직 자화 막(5000, 6000)(이하, "측정용 MTJ 소자(5000, 6000)"라고 함)의 예를 나타낸다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 측정용 MTJ 소자(5000)는, 도 11에 나타낸 MJT 소자(2000)로부터 Ta 층(스페이서층)(2011), 레퍼런스층으로서의 CoFeB 층(2012), MgO 층(배리어층)(2013), 프리층(자화 자유층)으로서의 CoFeB 층(2014), 캡핑층(2015), 및 상부 전극(2016)을 제거하고; Co/Ni 적층체(5010)(수직 자화 층 2) 상에 Ru 층(캡핑층)(5011)을 형성하고; 또한 열처리 공정까지 실시함으로써 얻어진 것이다. 또한, 측정용 MTJ 소자(5000)의 하부 전극(2002)으로부터 Co/Ni 적층체(2010)까지의 구조는, MTJ 소자(2000)의 하부 전극(2002)으로부터 Co/Ni 적층체(2010)까지와 마찬가지이다.
도 5b에 나타낸 바와 같이, 수직 자화형 MTJ 소자(6000)는, 본 실시형태의 MTJ 소자에 대응하며, 도 1에 나타낸 MTJ 소자(4000)로부터 Ta 층(스페이서층)(4012), 레퍼런스층으로서의 CoFeB 층(4013), MgO 층(배리어층)(4014), 프리층(자화 자유층)으로서의 CoFeB 층(4015), 캡핑층(4016), 및 상부 전극(4017)을 제거하고; Co/Ni 적층체(4011)(수직 자화 층 2) 상에 Ru 층(캡핑층)(6012)을 형성하고; 또한 열처리 공정까지 실시함으로써 얻어진 것이다. 또한, 측정용 MTJ 소자(6000)의 하부 전극(6002)으로부터 Co/Ni 적층체(6011)까지의 구조는, MTJ 소자(4000)의 하부 전극(4002)으로부터 Co/Ni 적층체(4011)까지와 마찬가지이다.
도 6은 각각의 측정용 MTJ 소자(5000, 6000)의 수직 자화 곡선(M-H loop)의 측정 결과이다. 수직 자화 곡선의 측정에는, VSM를 이용하였다. 가로축은 MTJ 소자에 걸리는 자기장의 강도를 나타내고 있으며, 세로축은 MTJ 소자 내의 각 층의 자화를 나타내고 있다.
도 6에 있어서, 파선은 확산 방지 층인 Pt 층이 없는 측정용 MTJ 소자(5000)의 측정 결과이며, 실선은 확산 방지 층인 Pt 층이 있는 측정용 MTJ 소자(6000)의 측정 결과이다. 어느 것의 측정 결과에 따른 MTJ 소자도 도 3의 흐름도에 따라 제조된 것이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 측정용 MTJ 소자(6000)의 측정 결과(실선)는, 측정용 MTJ 소자(5000)의 측정 결과(파선)보다 큰 교환 결합 자기장(Hex)이 얻어지고 있다.
도 7은 측정용 MTJ 소자(5000, 6000)에 있어서, Co/Ni 적층 회수와 교환 결합 자기장(Hex)의 관계를 나타낸 도면이다. Co/Ni 적층 회수를 변화시킨, 수직 MTJ 소자 구조(5000, 6000) 각각에 있어서, 확산 방지 층의 유무로 VSM 측정 결과로부터 교환 결합 자기장(Hex)을 산출하였다. 도 7의 가로축은 Co/Ni 적층 회수를 나타내고, 세로축은 교환 결합 자기장(Hex)을 나타낸다. 각각의 Co/Ni 적층 회수에 있어서도, 확산 방지 층이 없는 측정용 MTJ 소자(5000)보다, 확산 방지 층이 있는 측정용 MTJ 소자(6000) 쪽이 교환 결합 자기장(Hex)이 더 크다.
본 실시형태의 자기저항 효과 소자는, 종래와 동등하게 높은 MR 비율을 가짐과 함께, 교환 결합 자기장이 크다. 따라서, 본 실시형태의 자기저항 효과 소자는, 외부 자기장에 의한 자화 고정층의 의도하지 않은 자화 반전의 발생을 방지할 수 있다. 또한, Pt의 사용량이 도 10에 나타낸 종래의 자기저항 효과 소자보다 작으므로, 후공정 이후에 소자 회로의 댐핑 상수 저하를 억제할 수 있기 때문에, 수율(yield)이 증가하게 된다. 또한, Pt의 사용량이 도 10에 나타낸 종래의 자기저항 효과 소자보다 작기 때문에, 재료 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 수직 자화형 MTJ 소자의 제조 방법에 따르면, 전술한 자기저항 효과 소자가 제조될 수 있다.
(제 2 실시형태)
제 1 실시형태에 따른 MTJ 소자(4000)는, 터널 배리어층(4014)의 아래에 레퍼런스층(4013)을 갖는 구조(바텀 핀 구조)이지만, 터널 배리어층 상에 레퍼런스층을 갖는 구조(탑 핀 구조)에도, 본 발명을 적용할 수 있다. 도 8에 탑 핀 구조의 수직 자화형 MTJ 소자(p-MTJ 소자)의 예로서 MTJ 소자(9000)를 나타낸다.
도 8의 MTJ 소자(9000)는, 기판(9001) 상에, 하부 전극(9002), Ta 층(시드층)(9003), 프리층(자화 자유층)으로서의 CoFeB 층(9004), MgO 층(배리어층)(9005), 레퍼런스층으로서의 CoFeB 층(9006), Ta 층(스페이서층)(9007), NiCr(시드층)(9008), Co/Ni 적층체(9009), Co/Pt 층(9010), Co 층(9011), Ru 층(9012), Co 층(9013), Pt 층(9014), Co/Ni 적층체(9015), 캡핑층(9016), 및 상부 전극(9017)을 순차적으로 적층시킨 것이다. Co/Ni 적층체(9009)는, Co 층과 Ni 층을 교대로 소정 수(M 회) 반복하여 적층한 것이다. 또한, Co/Ni 적층체(9015)는, Co 층과 Ni 층을 교대로 소정 수(N 회) 반복 적층한 것이다.
Co/Ni 적층체(9009)로부터 Co/Ni 적층체(9015)까지의 적층 구조를 SAF 구조의 핀층(이하, "핀층"이라 함)이라 한다. 핀층은 반강자성 층이며, CoFeB 층(9006)의 MgO 층(9005)과는 반대측에 배치되어 있다. 상세하게는, 핀층은, CoFeB 층(9006)의 배리어층(9005)이 배치되어 있는 측의 반대측에 배치되며, CoFeB 층(9006)보다 상층에 배치되어 있다. Ru 층(9012)이 사이에 개재되는 Co 층(9011, 9013)의 외측을 Pt 층(9010, 9014)으로 함으로써, Ni이 Ru 계면의 Co 층(9011, 9013)으로 확산되는 것을 방지하여, 교환 결합 자기장의 저하를 억제하는 효과가 있다. Ru 층(9012)을 사이에 개재하는 Co 층(9011, 9013)을 외측으로부터 사이에 개재하는 Pt 층을 확산 방지 층이라고 부른다. 또한, MTJ 소자(9000)는, 여기에 나타낸 구성에 한정되지 않으며, SAF 구조의 상하를 Pt 층으로 사이에 개재하는 이라면, 수직 자화형 소자의 기능을 손상하지 않는 범위에서 층의 증감, 각 층의 구성 재료의 변경, 상하 적층 순서의 역전 등의 임의의 변경을 행한 구성이여도 본 발명의 효과를 얻을 수가 있다.
도 9는 본 실시형태에 따른 MTJ 소자(9000)의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 여기서는 도 2에 나타낸 클러스터형 기판 처리 시스템(1)을 이용하여 본 실시형태에 따른 성막 방법의 설명을 행한다. 또한, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 이용되는 장치는, 인라인(inline)형 기판 처리 시스템을 이용해도 된다.
먼저, 기판 처리 시스템(1)의 로드락 챔버(4)로 기판(S)을 반입한다(스텝 201). 다음으로, Co/Ni 적층체(9009)보다도 기판측을 순차 성막하는 하층 성막 공정을 행한다(스텝 S202). 하층 성막 공정에서는, 에칭법에 의하여 기판 상에 부착된 불순물 등을 제거하고, 그 후에 하부 전극(9002), Ta 층(시드층)(9003), CoFeB 층(프리층)(9004), MgO 층(배리어층)(9005), CoFeB 층(레퍼런스층)(9006), Ta 층(스페이서층)(9007) 및 NiCr(시드층)(9008)을 순차적으로 성막한다. 하층 성막 공정 중에서 MgO 층(9005)은, MgO 타겟을 이용한 고주파(RF) 스퍼터링법에 의하여 성막되어 있다. 다른 방법으로서, Mg 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의하여 프리층으로서의 CoFeB 층(9004) 상에 성막된 Mg 층을 산화처리하여도 된다.
다음으로, Co/Ni 적층체(9009)(수직 자화 층 1)을 성막하는 제 1 공정을 행한다(스텝 S203). 다음으로, Co/Pt 층(9010)을 성막하는 제 2 공정을 행한다(스텝 S204). 다음으로, Co 층(9011)을 성막하는 제 3 공정을 행한다(스텝 S205). 다음으로, Ru 층(9012)을 성막하는 제 4 공정을 행한다(스텝 S206). 다음으로, Co 층(9013)을 성막하는 제 5 공정을 행한다(스텝 S207). 다음으로, Pt 층(9014)을 성막하는 제 6 공정을 행한다(스텝 S208). 다음으로, Co/Ni 적층체(9015)를 성막하는 제 7 공정을 행한다(스텝 S209). 그 후, 소정의 기판 처리 챔버(2)로 기판(S)을 순차 이동시켜서, Co/Ni 적층체(9015)보다도 위의 층을 순차 성막하는 상층 성막 공정(스텝 S210)을 행한다. 상층 성막 공정(스텝 S210)에서는 캡핑층(9016)과 상부 전극(9017)이 성막된다.
또한, 성막 공정(스텝 S202 내지 S210)에서 성막되는 복수의 막 중, 2 이상의 막이 동일한 기판 처리 챔버(2)에서 성막되어도 되며, 모든 막이 다른 기판 처리 챔버(2) 내에서 성막되어도 된다. 본 실시형태의 성막 공정(스텝 S202 내지 S210)에서 성막되는 각 층은 스퍼터링법에 의해 성막되지만, 그 밖의 임의의 성막 방법에 의해 성막되어도 된다.
마지막으로, 로드락 챔버(4) 내의 반송 위치(기판 반송 위치)로 기판(S)을 이동시킨다(스텝 S212). 그 후에, 기판(S)은 기판 처리 시스템(1)의 하류의 공정으로 보내지며, 기판 처리 시스템(1)과는 다른 장치에서 어닐링 공정(스텝 S213)이 행해진다. 어닐링 공정은, 아모퍼스 상태의 CoFeB 층(9004, 9006)을 결정화시키는 어닐링 처리이다. 또한, 기판 처리 시스템(1)의 챔버 구성을 변경하는 것에 의하여, 어닐링 공정(스텝 S213)을 기판 처리 시스템(1) 내에서 행할 수도 있다.
제 2 실시형태의 탑 핀 구조의 MTJ 소자(9000)는 제 1 실시형태와 원리적으로 동일하기 때문에, RA(면적 저항)과 MR 비율은, 확산 방지 층의 유무의 영향은 없다.
본 실시형태의 MTJ 소자(9000)는, 전술한 MTJ 소자(4000)와 마찬가지로 높은 MR 비율과 큰 교환 결합 자기장을 갖는다. 따라서, 외부 자기장에 의해 레퍼런스층의 의도하지 않은 자화 반전 발생을 방지할 수 있다. 또한, 후공정의 수율이 더욱 좋아지며, Pt의 사용량이 작기 때문에 재료 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 수직 자화형 MTJ 소자의 제조 방법에 의하면, 전술한 자기저항 효과 소자를 제조할 수 있다.

Claims (2)

  1. 배리어층(barrier layer);
    상기 배리어층의 한쪽 표면에 형성된 레퍼런스층(reference layer);
    상기 배리어층의 다른 쪽 표면에 형성된 프리층; 및
    상기 레퍼런스층의 상기 배리어층과는 반대측에 배치된 핀층(pinned layer)을 포함하며,
    상기 핀층은 Ni, Co, Pt, Co, Ru, Co, Pt, Co, 및 Ni의 순서로 층을 적층하여 얻어지는 구조를 포함하는 자기저항 효과 소자.
  2. 삭제
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