반금속 호이슬러 합금을 이용한 자기터널접합에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 스핀트로닉스용 반금속 전극 물질로 예측되는 $Co_2$ -based Heusler alloy 중 $Co_2MnSi$ 과 $Co_2FeSi$ 을 선택하여 제조공정에 따른 박막의 특성을 살펴보고, 또 이를 호이슬러 합금을 이용하여 $Co_2 MnSi/AlO_x/CoFe$ 및 $Co_2FeSi/MgO/CoFeB$, $Co_2FeSi/MgO/Co_2FeSi$, $CoFeB/MgO/Co_2FeSi$ 의 자기터널접합을 제조하여, TMR 및 RA를 평가하여 다음 결과를 얻었다.

1. $SiO_2$ 기판 위에 증착한 다결정 $Co_2MnSi$ 박막의 경우, 330℃의 기판 온도에서 $L2_1$ 구조의 형성을 의미하는 (111) superlattice peak이 나타나기 시작했다. 다결정 $Co_2MnSi$ 박막의 포화자화 값은 330℃의 기판온도에서 약 $4.5 \mu_B$ 로 이론치인 $5.0 \mu_B$ 과 약간의 차이를 보였다. $L2_1$ 구조를 형성시키면서 표면 거칠기를 최소화시키기 위해 330℃의 기판 온도에서 $Co_2MnSi/AlO_x/Co_{75}Fe_{25}$ 자기터널접합을 제조한 결과, 200℃ 열처리 시 상온에서 38%, 50K에서 53%의 자기저항비를 얻을 수 있었고 수십 $M \Omega \mu m^2$ 정도의 매우 큰 접합저항값을 얻었다. 이 결과는 반금속이라 예상되는 $Co_2MnSi$을 사용했을 때 기대되는 자기저항비에 크게 미치지 못하는데, 이러한 낮은 자기저항비는 본 실험에 사용된 $Co_2 MnSi$ 박막의 off-stoichiometry와 atomic disorder에 의한 반금속성의 소멸이 가장 근본적인 원인으로 추정했다. 또한 높은 접합저항값은 계면에서의 $Mn_2SiO_4$ 형성으로 인한 barrier width의 증가가 가장 큰 원인으로 생각된다.

2. Cr 하지층이 삽입된 MgO(100) 단결정 기판 위의 에피택시 $Co_2FeSi$ 박막의 경우, 열처리 온도에 따른 특성 변화를 분석해본 결과 420℃에서 $L2_1$ 구조로 ordering이 되기 시작하고 390℃ 이하에서는 B2 구조와 A2 구조의 혼합물이 형성되었다. 포화자화 값과 보자력은 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 570℃의 온도에서 약 $5.5 \mu_B$ 의 포화자화 값을 보여 이론치 $(6.0 mu_B)$ 에 비해 약간 낮은 값을 보였다. X-ray 및 EXAFS 분석에 의하면 기판 가열 온도가 570℃로 높을수록 $L2_1$ 규칙격자상이 증가했다. $SiO_2$ 기판 위에 증착된 다결정 $Co_2FeSi$ 박막의 경우, MgO 단결정 기판 위에 증착되었을 때보다 더 큰 포화자화 값을 보이는 경우도 있었으나 이는 $L2_1$ 구조의 형성으로 인한 것이 아니라 과잉 Co 원자나 atomic disorder로 인해 Co나 Fe 원자의 큰 자기모멘트가 직접적으로 반영되었기 때문이다. 본 연구에서 증착된 $Co_2FeSi$ 박막은 증착 당시에는 $X-Y(D0_3)$ type disorder가 상당 부분 존재하나 열처리 후 B2 type으로 바뀜을 알 수 있고, 높은 온도에서 열처리한 후에도 A2 disorder가 존재함을 알 수 있었다.

3. 비정질 CoFeB 전극과 $Co_2FeSi$ Heusler alloy, MgO 절연층을 도입하여 자기터널접합을 제조하고, 자기저항 특성을 살펴보았다. $CoFeB/MgO/Co_2FeSi$ 접합의 경우 350℃ 열처리 시 A2 구조와 B2 구조가 혼합된 disordered 구조임에도 불구하고 158.4%의 높은 자기저항비를 보였다. 이는 열처리로 인해 결정화된 CoFeB과 MgO, $Co_2FeSi$ Heusler alloy 간의 $CoFeB(100)[011]//MgO(100)[001]//Co_2FeSi$ (100)[011] 에피택시 관계에서 비롯된 coherent tunneling에 의한 것으로 판단된다. 하지만 기존의 CoFeB/MgO/CoFeB 접합에서 보인 280%의 높은 자기저항비에 비해 상대적으로 낮은 값