Tunnel Magnetoresistance with Top Layer Plasma Oxidation Time in Doubly Oxidized Barrier Process

We fabricated TMR devices which have doubly oxidized tunnel barrier using plasma oxidation method to form homogeneously oxidized AlO tunnel barrier. We sputtered 10 $\AA$-bottom Al layer and oxidized it with oxidation time of 10 sec. Subsequent sputtering of 13 $\AA$-Al was performed and the metallic layer was oxidized for 50, 80, and 120 sec., respectively. The electrical resistance changed from 500 Ω to 2000 Ω with increase of oxidation time, while variation of MR ratio was little spreading 27∼31 % which is larger than that of TMR device of ordinary single tunnel barrier. We calculated effective barrier height and width by measuring I-V curves, from which we found the barrier height was 1.3∼1.8 eV sufficient for tunnel barrier, and the barrier width (<15.0 $\AA$) was smaller than physical thickness. Our results may be caused by insufficient oxidation of Al precursor into A1$_2$O$_3$. However, doubly oxidized tunnel barriers were superior to conventional single tunnel barrier in uniformity and density. Our results imply that we were able to improve MR ratio and tune resistance by employing doubly oxidized tunnel barrier process.

이중 절연층 공정에서 상부절연층의 산화시간에 따른 터널자기저항 특성연구

기존 절연막보다 균일한 AlO 절연막을 형성하기 위해 플라즈마 산화법을 이용하여 이중 연속 절연막을 형성한 TMR소자를 제작하였다. 10 $\AA$의 Al 하부 절연막의 산화시간을 10sec로 우선 완성하고 그 위에 13 $\AA$의 Al을 성막하고 50, 80, 120sec간 산화시켜 완성한 절연막의 특성을 알아본 결과 산화시간이 증가할수록 전기저항은 500 $\Omega$에서 2000 $\Omega$까지 크게 변화하며 80sec 에서 가장 작았고, MR비는 27~31 %로 큰 변화가 없었으나, 단일산화 절연막을 가진 시편(24%)보다는 모두 높은 자기저항비를 보였다. I-V측정을 통해 간접적으로 유효 장벽 높이와 장벽 폭을 계산한 결과 장벽 높이는 1.3~1.8eV로 터널링 장벽으로서 충분한 크기를 보였으며 장벽 폭의 경우에는 15.0 $\AA$ 이하로 실제 물리적으로 측정한 값보다 작음을 알 수 있었다. 이는 Al금속이 완전히 안정한 A1$_2$O$_3$로 산화되지 않았기 때문으로 생각되었으며, 그럼에도 불구하고 단일 AlO 절연막 시편보다는 균일하고 치밀한 절연막을 형성하였음을 확인하였다. 이러한 결과는 이중절연층 산화공정이 기존 공정보다 절연장벽을 우수하게 하여 MR비를 향상시키고 기준저항을 조절하는데 유리한 공정임을 의미하였다.