A magnetic tunnel junction (MTJ) essentially consists of two magnetic electrodes separated by an insulating layer through which electrons can tunnel. The crucial part in the making of a tunnel junction, whether for application in magnetic random access memories or in read heads for high density magnetic recording, is the growth of the extremely thin tunnel barrier layer in a range of 1-2 nm thickness. The present method for forming an insulating layer is plasma oxidation. Although it has been the most successful and widely used method until now, energetic particles such as $O^{2-}$ ions may result in difficulty in controlling the optimum oxidation time and in structural damage at the interface between Al and a bottom magnetic layer.
In this study, for more precise control of oxidation of Al layers and maintenance of clean interfaces, an alternate method of growing the tunnel barriers was attempted, namely ozone oxidation. As the ozone oxidation is a plasma free oxidation process, it could eliminate the possible structural damage by an oxygen ion bombardment and give improved control over the tunnel barrier growth.
In the first part, we report on the results of a study on the ozone oxidation of thin Al layers. The tunnel barriers of Al oxide were formed by ozone oxidation, and we investigated the growth characteristics of the Al oxide on the basis of the Cabrera-Mott theory. The Al oxide layers were formed under different bias condition; zero, +100 V or -100 V bias conditions to study the oxidation mechanism in ozone atmosphere. Both positive and negative bias accelerated Al oxidation. This indicated that both electron tunneling and ion migration were rate limiting steps in this oxidation process and the ion migration was more dominant than the electron tunneling.
In the second part, magnetic tunnel junctions with tunnel barriers formed by ozone oxidation have been studied. The ozone oxidized junctions with a 1.8 nm Al layer thickness showed a TMR of about 30% for 40-60 min oxidation. The optimum oxidation time was long and in a wide range, compared to that of plasma oxidized junctions. Junction resistance was about one order of magnitude lower than that of plasma oxidized junctions. As lower junction resistance is desirable for device applications, the ozone oxidation technique has greater potential for low resistance junctions than plasma oxidation technique.
In the third part, we have studied on effect of Hf layer insertion in the tunnel barrier on the properties of MTJs. We have introduced the artificial modification of the oxide barrier by forming Hf oxide in the middle of the $Al_{2}O_{3}$ barrier. The TMR ratio of the as-deposited junctions was near 23% for both junctions with a normal Al oxide and a Hf-inserted barrier, and after annealing at 300℃, the junctions with the Hf-inserted barrier was 38% whereas, without the Hf layer, the TMR ratio was only 30%. The Hf-inserted barrier enhanced the TMR effect and reduced the temperature and bias-voltage dependence of TMR ratio. The TMR ratio with an Al-Hf oxide junction was 36% which was almost the same value as that with a Hf inserted junction. This implied that the inserted Hf layers mixed with Al layers during deposition or oxidation, and they might form Al-Hf oxide barriers. This compound Al Hf oxide formation may be responsible to reduction of defect concentration which enhanced the TMR ratio and reduced temperature and bias-voltage dependence.
In the last part, the MTJs with Hf oxide barriers were investigated and they showed the TMR of 13% and the barrier height of 1.3 eV at room temperature. In order to understand the low TMR ratio in MTJs with Hf oxides compared to those with Al oxides, the tunnel barriers were modified by inserting an Al layer of 0.3 nm thickness at the bottom, top, or both interfaces between ferromagnetic electrodes and Hf oxide insulating layers. As the Al layer was inserted at the interfaces, the TMR ratio was enhanced. When the Al layer of 0.3 nm was inserted at both top and bottom interfaces, the TMR ratio was restored to the value of the junctions with Al oxide. This suggested that the polarization of CoFe contacted with Al oxide might be larger than that of CoFe contacted with Hf oxide and the low TMR ratio in the junctions with Hf oxides might be due to the reduction of the spin polarization of CoFe electrodes. Furthermore, the insertion of the Al layer at the interfaces reduced the bias-voltage dependence in the inserting direction by an increase of the barrier height
최근 비휘발성 자기메모리나 고밀도자기기록용 헤드용 소자로 사용을 목표로 자기터널접합에 대한 관심이 고조되고 있다. 자기터널접합은 기본적으로 두 층의 강자성체와 그 사이의 절연층으로 구성되어 있다. 절연층을 통과하는 터널링 현상이 자기터널접합의 주요 기구이기 때문에 약 1-2 nm의 두께를 가진 절연층을 어떻게 형성하느냐가 터널접합의 제조에 가장 중요한 단계이다. 현재 가장 많이 쓰이는 절연층 형성방법은 플라즈마 산화법이다. 이 플라즈마 산화법은 가장 성공적이고 널리 사용되고 있지만 플라즈마 내에 있는 산소 이온 등의 높은 에너지를 가진 입자들이 최적의 산화시간의 제어를 어렵게 하고 아래 자성층과 알루미늄의 계면에 구조적인 결합을 유발하게 된다.
본 연구에서는 더 정확한 산화의 제어 및 깨끗한 계면을 유지하기 위해서 새로운 절연층의 형성 방법, 즉 오존 산화법을 제안하였다. 오존 산화법은 플라즈마가 없는 산화법이기 때문에 이온의 충격으로 인한 구조적 결함을 배제할 수 있고 절연층의 성장을 더 잘 제어할 수 있을 것이다.
먼저 첫번째 부분에서는 얇은 알루미늄층을 오존을 이용하여 산화시키면서 산화 특성을 Cavrera-Mott이론을 이용하여 연구하였다. 알루미늄의 산화기구를 연구하기 위해서 오존 산화시키면서 동시에 기판에 다른 바이어스 조건(0 V, +100 V, -100 V)을 부여하였다. 바이어스를 가할 경우 알루미늄의 산화가 촉진되었고 +100V를 인가했을 때 산화속도가 더 증가하였다. 이는 산화 시에 전자의 터널링과 이온의 이동이 모두 산화에서 속도를 제어하는 단계임을 보여주고 이온의 이동이 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
두번째 부분에서는 오존으로 산화시킨 절연층을 가진 자기터널접합을 제조하고 그 특성을 플라즈마 산화로 형성한 자기터널접합과 비교하였다. 1.8 nm의 알루미늄 두께를 산화시켰을 경우 40~60분의 산화시간에 터널자기저항이 약 30%을 보였다. 최적의 산화시간의 범위가 약 수초인 플라즈마 산화법과 비교하면 넓은 범위의 산화조건에서 최대 자기저항비를 보이는 결과를 얻었다. 또한 접합저항이 플라즈마로 산화한 접합보다 약 1/10으로 감소하였다. 낮은 접합저항이 소자로 적용하는데 유리하기 때문에 오존산화법은 플라즈마 산화법보다 효과적이라 할 수 있다.
세번째 부분에서는 알루미늄 산화층의 중앙에 하프늄을 첨가하여 터널접합의 특성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 하프늄 산화물은 높은 생성열을 가지기 때문에 산화물의 안정제 역할이나 절연층 내부의 결함을 감소시킬 것이라는 목적으로 연구하였다. 하프늄을 첨가했을 경우에 접합을 열처리하기 전에는 첨가하지 않은 접합과 비슷한 특성을 보였으나 300℃ 열처리 후에는 기존의 알루미늄 산화물보다 높은 자기저항비를 보이고 감소된 자기저항의 온도의존도와 바이어스 전압의존도를 보였다. 알루미늄과 하프늄을 반반의 금속을 제조하여 산화한 절연층을 가진 터널접합의 경우도 하프늄을 첨가한 절연층을 가진 터널접합과 유사한 특성을 보여주었다. 이러한 결과로부터 첨가한 하프늄이 증착시 또는 산화시에 알루미늄과 혼합되어 알루미늄-하프늄 혼합 산화물을 형성하였고 이 혼합 산화물의 형성으로 절연층내의 결함의 농도를 감소시켜 자기저항의 향상과 온도와 바이어스 전압의존도를 감소시킨 것을 알 수 있다.
마지막 부분에서는 하프늄 산화물을 절연층으로 가진 터널접합에 관한 연구를 하였다. 하프늄 산화물을 가진 터널 접합의 경우는 자기저항비가 약 13%이고 절연장벽의 높이가 약 1.3 eV다. 낮은 절연 장벽은 낮은 저항값을 위해서 유리하지만 전자소자로 이용하기 위해서는 자기저항비를 향상시켜야만 한다. 하프늄 산화물의 낮은 저항비를 연구하기 위해서 절연층과 자성층의 사이에 알루미늄을 첨가하였다. 계면에 알루미늄을 첨가하였을 경우 자기저항비가 증가하였고 양쪽 계면에 알루미늄을 첨가하였을 경우는 자기저항비가 알루미늄 산화물의 값과 거의 비슷하였다. 이러한 결과는 자성층의 CoFe의 전자의 스핀정렬도가 인접한 절연층의 물질에 의존한다는 것을 암시한다. CoFe 강자성체의 스핀정렬도의 경우는 알루미늄 산화물과 접할 경우 하프늄 산화물과 접합 때보다 높은 값을 보이고 이러한 낮은 스핀정렬도가 낮은 자기저항비를 유발하는 것으로 판단된다. 또한 알루미늄을 계면에 첨가하면 그 첨가하는 방향의 바이어스 전압의존도가 감소하는 결과를 얻었다.
