A Magnetic Tunnel Junction (MTJ) is an electronic device consisting of an ultra-thin insulating layer with a thickness of 1-2 nm sandwiched by two ferromagnetic metal electrodes. The electrical resistance of the MTJ becomes higher when the magnetizations of the two electrodes are aligned antiparallel than parallel state resistance. This phenomenon is called the tunneling magnetoresistance (TMR) effect and the amount of resistance changes is expressed as the TMR ratio. For practical usage such as high density Magnetic Random Access Memory (MRAM), the MTJ should have higher TMR ratio and lower resistance at the same MgO thickness. This can be achieved by using the epitaxial MgO barrier as the insulating layer. However, growth of good (001) oriented MgO layer without oxidizing bottom ferromagnetic electrode is not easy. There are two methods to grow good (001) oriented MgO thin films; one is direct sputter deposition and the other is e-beam evaporation. On the present study, effects of sputtering conditions of MgO layer on TMR ratio and resistance were studied in CoFeB/MgO/CoFeB junctions fabricated by a lithographic method. An ultra-high vacuum magnetron sputter system with multi-targets was employed. Sputter pressure, target-to-substrate (T-S) distance and sputter RF power were variables. As the sputter pressure increases TMR ratio increased but saturated beyond 10mtorr and RA (resistance х junction area) decreased at T-S distance of 5cm. At the same 5cm T-S distance, TMR ratio was nearly unchanged but RA increased with increasing RF power. At the fixed sputter pressure 10mtorr and sputter power 100W, TMR ratio decreased linearly and RA increased rapidly with increasing T-S distance. From these results, we have concluded that in order to achieve a good junction properties, mobility of Mg and O atoms should be higher than a critical value to keep good (001) MgO texture and oxygen ion energy and population should be greatly reduced to reduce the bottom electrode oxidation. For this purpose a substrate bias sputtering was employed. As negative substrate bias voltage increases, TMR ratio increased and RA decreased for T-S distance of 5cm, 6cm, and 8cm. The trends generally fit to the above-mentioned conclusion. On the present work, the highest TMR ratio of 352\% was achieved but RA of 105kΩμ㎡ at 2nm MgO thickness which is much higher value than the previously reported RA.
자기터널접합은 1-2nm의 얇은 절연층이 양쪽 강자성체 사이에 들어있는 전기 소자이다. 자기터널접합의 저항은 강자성체의 자화 방향이 반대가 되었을 때가 자화 방향이 평행일 때보다 높아진다. 이러한 현상을 터널자기저항 효과라고 하고 저항 변화의 정도는 터널자기저항비로 나타낸다. 자기터널접합이 고밀도의 자기메모리에 쓰이기 위해서는 보다 높은 터널자기저항비와 같은 두께에서 보다 낮은 저항이 요구된다. 이것은 절연층에 (001) 결정질의 MgO를 이용함으로써 가능하다. 그러나 아래쪽 자성층의 산화 없이 MgO를 (001)으로 잘 성장시키기가 쉽지 않다. MgO를 (001)으로 성장 시키는 방법에는 두 가지가 있는데 첫 번째는 스퍼터 방식이고 두 번째는 e-beam 증착이다. 본 연구에서는 MgO 증착 조건에 따른 자기터널접합의 터널자기저항비와 저항의 영향에 대해 연구하였다. 자기터널접합 제조에는 고진공 마그네트론 스퍼터 장비를 이용하였다. 이 때 증착 조건으로는 아르곤 압력, 타겟-기판 거리, RF 파워가 있다. 아르곤 압력이 증가할수록 터널자기저항비는 증가하다가 10mtorr이후에는 일정하였고 저항은 계속 감소하였다. 같은 타겟-기판 거리 5cm, 같은 아르곤 압력 10mtorr에서 RF power가 증가하면 터널자기저항비는 거의 일정한 데 비해 저항은 계속 증가하였다. 같은 아르곤 압력 10mtorr, 같은 RF power 100W에서 타겟-기판 거리를 늘이면 터널자기저항비는 계속 감소하고 저항은 급격히 커진다. 위의 결과를 통해 좋은 자기터널접합 특성을 얻기 위해서는 두 가지가 모두 만족되어야 한다고 결론지었다. 첫째로 MgO가 (001)으로 잘 자라기 위해서는 Mg와 O 원자가 충분한 이동도를 가져야 한다. 둘째로 아래쪽 자성층의 산화를 줄이기 위해서는 O 이온의 에너지 그리고 밀도가 크게 감소되어야 한다. 이를 위해 기판 전위 스퍼터 방식을 이용하였다. 기판에 음의 전위를 가할수록 터널자기저항비는 증가하고 저항은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 위의 결론과 일치하는 부분이다. 본 연구에서 얻은 최고 터널자기저항비는 352%이고 최저 저항은 MgO 두께 2nm에서 저항-면적 곱이 105kΩ㎛2로서 문제는 저항이 아직까지 발표된 수치보다 매우 높다는 것이다.
