MgO, Ru 층 위의 비정질 CoFeB 박막의 결정화 거동에 관한 연구

Abstract

Fe(001)/MgO(001)/Fe(001) junction에서 coherent tunneling에 의한 높은 TMR 값이 이론적으로 예측된 후에, Fe/MgO/Fe 또는 CoFe/MgO/CoFe를 이용한 MTJ에서 실험적으로 높은 TMR 값이 입증되었다. 비정질 CoFeB/MgO(001)/CoFeB junction 역시 적절한 열처리 후 높은 MR 값을 보임이 보고되었다. 높은 MR 값의 원인은 CoFeB이 MgO(002) 계면에서 bcc (002)로 결정화되기 때문이다. 그러나 CoFeB 전극이 synthetic antiferromagnetic coupled 전극으로 쓰이는 경우 MgO 층 또는 Ru 층과 같은 다른 층과 직접 접하게 된다. 이 경우 결정화되는 CoFeB 층의 방향성은 인접층의 방향성과 계면에서의 결정화 온도에 의존하게 된다. 본 연구에서는 Co32Fe48B20 비정질 전극이 Ru/CoFeB 혹은 MgO/CoFeB과 같은 다른 층과 접해있을 때, 열처리 온도 변화에 따른 CoFeB의 결정화 특성에 대해 연구하였다. 또한 TEM과 보자력 분석을 통해서 MgO 층의 두께 변화에 따른 CoFeB의 결정화 특성에 대해 연구하였다. 비정질 CoFeB 층이 MgO 또는 Ru 층과 접해있을 때의 결정화 온도를 분석하기 위해 CoFeB/결정질 층을 제작하여 열처리 온도 변화에 따른 hysteresis loop를 측정하였다. 박막의 구조는 $Ta(5 nm)/[Ru(0.8 nm)/Co32Fe48B20(3 nm)]X3/Ta(5 nm) and Ta(5 nm)/[MgO(3 nm)/Co_{32}Fe_{48}B_{20}(3 nm)]_{X3}/Ta(5 nm)$ 이다. MgO/CoFeB multilayer의 경우 340℃ 이상의 열처리 온도에서, Ru/CoFeB multilayer의 경우 380℃ 이상의 열처리 온도에서 보자력 값이 급격히 증가하였다. 이런 보자력 값의 급격한 증가는 비정질 CoFeB의 결정화 때문이다. 왜냐하면 상온에서 결정질인 CoFe의 보자력 값은 비정질 CoFeB보다 더 크기 때문이다. Ru/CoFeB, MgO/CoFeB multilayer의 서로 다른 결정화 거동을 확인하기 위해 cross-sectional HRTEM 분석을 이용하였다. Junction은 Ta/NiFe/IrMn 하지층 위에 Ru/CoFeB 또는 MgO/CoFeB multilayer를 증착한 구조이다. 상온에서 CoFeB 층은 두 경우 모두 비정질 상태였다. 또한 얇은 두께의 Ru 층도 상온에서 비정질 상태였다. 이는 Ru이 Co 합금에 100%의 고용도, Fe 합금에 60%의 고용도를 가지며 매우 얇은 두께이기 때문일 것이다. Ru/CoFeB multilayer의 경우 340℃의 열처리 온도에서도 비정질 상태로 남아있었지만, MgO/CoFeB multilayer의 경우에는 맨 위층의 CoFeB 층은 MgO(002) 계면을 따라 bcc (002)로 결정화 되었고 두 번째와 세 번째 CoFeB 층은 비정질 상태로 남아있었다. 380℃ 열처리 후에는 두 경우 모두 CoFeB 층이 결정화되었다. Ru/CoFeB multilayer의 경우 CoFeB 층은 randomly oriented bcc 구조를 보인반면, MgO/CoFeB multilayer의 경우 CoFeB 층은 bcc (002)로 결정화되었다. Ru/CoFeB multilayer의 380℃ 이상 열처리 온도에서의 결정화 거동은 XRD 분석에서 bcc (110) peak을 통해서도 확인할 수 있었다. 하지만 MgO/CoFeB multilayer의 경우에는 bcc (002) peak의 상대적인 강도가 매우 작아서 어떤 peak도 확인할 수 없었다. MgO/CoFeB multilayer에서 340℃ 열처리 온도에서 두 번째와 세 번째 CoFeB 층이 결정화 되지 않은 사실을 통해 상대적으로 낮은 온도에서 CoFeB 층이 결정화되기 위해서는 CoFeB 층으로부터 인접한 층으로의 B 확산이 필요함을 알 수 있었다. Multilayer에서는 양쪽의 MgO 층 때문에