After the theoretical prediction of high TMR ratio due to coherent tunneling in Fe(001)/MgO(001) junction, a huge TMR was experimentally verified by using Fe/MgO/Fe and CoFe/MgO/CoFe magnetic tunnel junctions(MTJs).
An amorphous CoFeB/MgO(001) junction was also found to show high MR after a proper heat treatment. The cause of the high MR was also related to the crystallization of CoFeB into bcc (002) orientation at MgO (002) interface. However, the CoFeB electrode is directly in contact with other layers such as MgO layer and Ru layer in the case of a synthetic antiferromagnetic coupled electrode. In this case the orientation of crystallized CoFeB was dependent on orientation of the adjacent layer and crystallization temperature at the interfaces.
In this thesis, the crystallizing characteristics of $Co_{32}Fe_{48}B_{20}$ amorphous layer with different adjacent layers were studied for the case of Ru/CoFeB and MgO/CoFeB layers after annealing at different temperature. Also effect of MgO thickness on crystallization behavior of CoFeB was studied by TEM and coercivity examination.
In order to study crystallization temperature of the amorphous CoFeB layer adjacent to the MgO or Ru layer, we made multilayered films of CoFeB layer/crystalline layer. The hysteresis loops of the films after heat treatment at different temperatures were measured. The sample stacks are as followings; $Ta(5 nm)/[Ru(0.8 nm)/$Co_{32}Fe_{48}B_{20}(3 nm)]_{X3}$/Ta(5 nm) and $Ta(5 nm)/[MgO(3 nm)/Co_{32}Fe_{48}B_{20}(3 nm)]_{X3}/Ta(5 nm)$.
The abrupt increase of coercivity occurs after 340℃ annealing in the case of MgO interlayer and after 380℃ annealing in the case of Ru interlayer. These increments are due to the onset of crystallization of the amorphous CoFeB, because the coercivity of crystalline CoFe is much higher than amorphous CoFeB. In order to confirm the different crystallization behavior of Ru/CoFeB and MgO/CoFeB multilayers, cross-sectional HRTEM was examined. The junction structures are Ru/CoFeB and MgO/CoFeB multilayers on the Ta/NiFe/IrMn underlayer. Both CoFeB layers showed amorphous structure at the as-deposited state. The thin Ru layer showed amorphous structure at the as-deposited state. This may be due to 100% solubility of Ru to Co alloy sand over 60% solubility of Fe to Ru together with too thin Ru layer. As the CoFeB layer is amorphous, the reacted layer of Co and Fe with Ru will become amorphous. After 340℃ annealing the CoFeB layer on Ru showed an amorphous structure but the CoFeB layer on MgO (002) showed a bcc (002) textured structure at the top layer but the second and third layers were amorphous. After 380℃ annealing both CoFeB layers showed crystalline structure. The CoFeB layer was crystallized into randomly oriented bcc structure in Ru/CoFeB multilayer, while the CoFeB layer was crystallized to bcc (002) structure in MgO/CoFeB multilayer. The crystallization behavior Ru/CoFeB layer after 380℃ annealing was confirmed by bcc (110) peak in x-ray diffraction but that of MgO/CoFeB layer was not confirmed in x-ray diffraction due to weak intensity of bcc(200) peak.
The fact that the second and third CoFeB layers in MgO/CoFeB multilayers were not crystallized after 340℃ annealing suggests that some B diffusion from CoFeB layer into the adjacent layers is necessary for crystallization at rather lower temperature and B diffusion is retarded due to the MgO layers at both interfaces.
In order to avoid this problem, we made Ta/MgO(3 nm or 10 nm)/CoFeB(3nm) bilayers with Ta capping layers and studied coercivity change after various annealing temperature for 1 hour. The two different MgO thicknesses were used to study dependency of crystallization behavior of CoFeB layer on MgO thickness. CoFeB layer on 10 nm MgO showed a saturated coercivity upon 300 and 320℃ annealing while that on 3 nm MgO showed a saturated coercivity upon 380℃ annealing. The coercivity at the saturated states was around 12 to 14 Oe range which is comparable to 16 Oe for CoFe 3 nm layer on MgO (100) single crystal substrate. It may be concluded that CoFeB layer crystallization was completed at the temperature where the coercivity is saturated. The CoFeB was completely crystallized at MgO interface but not completely crystallized away from the interface in the 3 nm MgO specimen, while CoFeB layer was completely crystallized in the 10 nm thick MgO specimen. In order to crystallize at relatively lower temperature, B diffusion from CoFeB layer is essential to adjacent layer. Since Ta capping layer retards B diffusion due to no solubility, B should diffuse into MgO layer. The formation of B oxide was confirmed in a TMR junction with MgO/CoFeB interface after 340℃ annealing. The fact that CoFeB on 10nm MgO layer was crystallized at lower temperature than that on 3nm MgO layer confirms this.
It was found that B diffusion from amorphous CoFeB layer into adjacent layer is necessary to crystallize at lower temperature. Even in MgO/CoFeB bilayer case, CoFeB layer was crystallized at lower temperature when the MgO layer thickness was thicker. This is due to MgO can serve as a sink for B diffusion. Therefore it is concluded crystallization behavior of CoFeB layer depends on not only the adjacent layer material but thickness.
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 $Ta(5 nm)/[Ru(0.8 nm)/Co_{32}Fe_{48}B_{20}(3 nm)]X3/Ta(5 nm) and Ta(5 nm)/[MgO(3 nm)/Co_{32}Fe_{48}B_{20}(3 nm)]_{X3}/Ta(5 nm)$ 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 CoFeB 층의 B 확산이 지연되었다. 이 문제를 피하기 위해 Ta/MgO(3 nm, 10 nm)/CoFeB(3 nm) bilayer를 제작하였다. 맨 위층에 Ta을 capping layer로 사용하였고 열처리 온도에 따른 보자력 값의 변화를 측정하였다. MgO 층의 두께에 따른 CoFeB 층의 결정화 거동에 대해 분석하기 위해 3 nm와 10 nm 두께의 MgO 층을 이용하였다. 10 nm MgO 층 위의 CoFeB 층은 300 ~ 320℃ 열처리 온도에서 포화 보자력 값을 보였고, 3 nm MgO 층 위의 CoFeB 층은 380℃ 열처리 온도에서 포화 보자력 값을 보였다. MgO (100) single crystal 기판 위에 증착된 3 nm CoFe의 보자력 값이 16 Oe 정도임을 고려하면 12 ~ 14 Oe에서 포화 보자력 값을 가진 CoFeB 층은 완전히 결정화되었다고 할 수 있다. 320℃ 열처리 온도에서 3 nm MgO/CoFeB의 경우 MgO (002) 계면 근처에서는 CoFeB 층이 bcc (002) 구조로 결정화되었지만, Ta capping layer와 인접한 쪽은 비정질 상태로 남아있었다. 반면 10 nm MgO/CoFeB의 경우 CoFeB 층은 bcc (002) 구조로 완전히 결정화되었다. 상대적으로 낮은 온도에서 결정화되기 위해서는 CoFeB 층으로부터의 B 확산이 필요하다. Ta capping layer는 B에 대한 고용도가 없어 B의 확산을 지연시키기 때문에 B은 MgO 층으로 확산해가야 한다. 실제 TMR junction에서 340℃ 열처리 온도에서 MgO/CoFeB 계면에 B oxide가 생성됨이 보고되었다. 10 nm MgO 층 위의 CoFeB 층이 3 nm MgO 층 위의 CoFeB 층보다 상대적으로 낮은 온도에서 결정화되었음이 이를 뒷받침해 준다.
CoFeB 층이 상대적으로 낮은 온도에서 결정화되기 위해서는 비정질 CoFeB 층으로부터 인접층으로의 B 확산이 필요함이 확인되었고, MgO/CoFeB multilayer 뿐만 아니라 MgO/CoFeB bilayer의 경우에도 CoFeB 층은 MgO 층의 두께가 더 두꺼울 때 낮은 온도에서 결정화되었다. 이는 MgO 층이 B 확산의 sink 역할을 하기 때문이다. 그러므로 CoFeB 층의 결정화 특성은 인접층의 물질뿐만 아니라 두께에도 영향을 받는다고 결론지을 수 있다.
