KR100253743B1 - 메모리용 자기저항소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

기울여 잘라진(tilt-cut) Si 기판 상에 Cu 층을 바닥층으로 사용하고, 그 위에 자성층 / 비자성층 / 자성층으로 이루어지는 박막을 순차적으로 형성하여 자기이방성을 유도하는 것을 특징으로 하는 메모리용 자기저항 소자의 제조방법이 개시된다.

본 발명에 따르면, 스핀 밸브 거대자기저항 재료내에 증착중 외부자장의 인가 또는 후열처리 공정 없이도 강한 일축자기이방성이 유도되어 메모리용 소자 등의 제조에 응용가능한 유용한 것이다.

Description

메모리용 자기저항 소자의 제조방법

본 발명은 자기저항소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 비휘발성 메모리 소자로의 응용이 활발히 연구되고 있는 스핀밸브 자기저항 소자의 제조시에 재료 내에 별도의 외부자장의 인가없이 자기이방성을 유도하여 자기저항소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

스핀밸브 거대자기저항 재료는 자성층/비자성층/자성층으로 이루어진 박막 재료로서, 이를 이용한 메모리 소자(Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM)는 전원을 꺼도 기억된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 특성과 자유로운 쓰기 및 읽기특성 등 기존의 RAM 및 ROM 메모리 소자의 장점을 통합한 우수한 특성을 나타내므로, 최근들어 미국, 일본 등 선진국에서 활발히 연구되고 있다.

스핀밸브 거대자기저항 재료가 메모리용 소자로 응용되기 위해서는 재료 내에 강한 일축자기이방성을 유도하는 것이 필요하다. 일반적으로 스핀밸브 거대자기저항 재료 내에 일축자기이방성을 유도하기 위해서는 재료의 증착 중 외부에서 자장을 가하거나, 증착 후 외부 자장 내에서 후열처리를 행하는 방법이 이용되고 있다.

그러나, 이러한 방법은 재료의 증착 중 증착 변수가 증가하고 외부 자장 공급원을 증착 장치에 추가해야 하므로 증착 장치가 복잡해지거나, 공정수가 증가하는 등의 불리한 점이 있었다.

일반적으로 스핀밸브 거대자기저항 재료를 포함한 자성 재료의 자기이방성은 재료의 결정성 및 재료 내부의 응력, 재료의 형상에 기원한다. 특히 재료의 결정성에 의한 결정 자기이방성은 스핀밸브 거대자기저항 재료를 포함한 박막 재료의 증착 과정에서 박막을 특정한 방향으로 성장시킴으로써 재료 내에 유도할 수 있다. 또한, 증착 과정에서 박막 재료의 성장은 기판과 바닥층에 크게 의존하며, 기판과 바닥층에 따라 같은 박막 재료에서도 다양한 성장 양태와 특성을 나타낸다.

본 발명자들은 이러한 점에 착안하여, 거대자기저항을 나타내는 스핀밸브 박막 재료를 증착 중 특정한 방향으로 성장시켜 재료 내에 일축자기이방성을 유도하고자 하였으며, 특정한 기판과 바닥층을 이용하면 박막이 일정한 방향으로 성장하여 박막 재료 내에 일축자기이방성이 유도된다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술상의 문제점을 제거하기 위한 것으로, 스핀밸브 거대자기저항 재료의 메모리용 소자에의 응용을 위해 필요한 일축자기이방성을 증착 중 외부 자장의 인가 또는 후열처리 공정 없이 유도하여 자기저항소자를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Co(30Å)/Cu(60Å)/NiFeCo(60Å) 스핀밸브 거대자기저항재료의 자기이력곡선을 나타낸 것이고,

도 2는 도 1의 스핀밸브 거대자기저항재료의 자기저항특성을 나타낸 것이고,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Co(30Å)/Cu(40Å)/Co(2Å)/NiFe(60Å) 스핀밸브 거대자기저항재료의 자기이력곡선을 나타낸 것이며,

도 4는 도 3의 스핀밸브 거대자기저항재료의 자기저항특성을 나타낸 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 기울여 잘라진(tilt-cut) Si 기판 상에 Cu 층을 바닥층으로 사용하고, 그 위에 자성층 / 비자성층 / 자성층으로 이루어지는 박막을 순차적으로 형성하여 자기이방성을 유도하는 것을 특징으로 하는 메모리용 자기저항 소자의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따라 기울여 잘라진(tilt-cut) Si 기판은 표면에는 많은 계단(step)들이 존재하게 되는데, 이러한 계단에 의해 그 위에 형성되는 박막이 일정한 방향으로 성장하게 됨으로써 재료 내부에 일축자기이방성이 유도되는 것으로 생각된다.

일반적으로 특정한 기판과 바닥층 위에서 성장하는 박막이 특정한 배향성을 나타내기 위해서는 기판과 바닥층, 박막을 구성하는 물질의 결정구조와 격자상수 및 박막의 형성방법등이 조화를 이루어야 한다. 이러한 관점에서 본 발명에서는 기판층을 이루는 Si과 격자상수가 비슷한 Cu층을 바닥층으로 하였다. 바닥층은 기판의 효과를 바닥층 위에 형성하는 박막에 전달하는 역할을 하므로 연속적인 막(continuous film)이 확산되는 두께, 즉 약 30Å이상의 두께를 만족하면 충분하다.

한편, 본 발명에서 사용하는 자성층으로는 NiFe층, NiFeCo층, 또는 Co층 등이 있는데 각 자성층의 두께가 변화하면 보자력을 포함한 자기적 성질에 변화가 있게 되지만 본질적으로는 자기이방성의 방향이 변화하지는 않으므로 큰 문제는 없다. 그리고, 자성층과 자성층을 분리하는 사잇층으로는 Cu층이 이용되는데 이 경우에 있어서도 두께의 변화에 대한 자기이방성의 방향이 본질적으로 영향을 미치지 않는다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

(실시예 1)

4°기울여 잘라진(tilt-cut) Si(111) 웨이퍼와 Cu(50Å)를 바닥층으로 사용하여, Co(30Å)/Cu(60Å)/NiFeCo(60Å) 스핀밸브 거대자기저항 박막을 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 형성하였다. 본 발명에서는 기판의 표면이 중요하므로, 증착 전 웨이퍼를 불산과 이온교환수로 세척하였다. 고주파 파워는 50∼70W를 인가하고, 약 3 mTorr의 아르곤 압력에서 박막을 증착하였다. 증착한 시편은 상온에서 시편진동자력계와 4 탐침법으로 자기이력 및 자기저항특성을 측정하였으며, 이상의 결과를 도 1 및 도 2에 도시하였다.

도 1은 본 재료의 자기이력곡선으로서 M은 자화값이고, Ms는 포화자화값이며 H는 자장이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 재료 내에 자기이방성이 유도되어 기판을 기준으로 측정 방향에 따라 다른 형태를 보이고 있다. 본 재료는 연자성층인 NiFeCo와 경자성층인 Co로 이루어져 있으므로, 작은 자장에서의 자화반전은 NiFeCo 층에 의한 것이고 큰 자장에서의 자화반전은 Co 층에 의한 것이다. 4°기울어진 Si＜112＞ 방향으로 측정한 자기이력곡선에서 NiFeCo 층과 Co 층은 각형성(squareness)을 보이며 급격한 자화반전 거동을 보이므로, 두 자성층의 자화용이축은 4°기울어진 Si＜112＞ 방향으로 형성되어 있음을 알 수 있고, Si＜110＞ 방향으로 측정한 자기이력곡선에서는 NiFeCo층과 Co층의 자화반전 거동이 자장 변화에 대해 서서히 일어나고 있으므로, 두 자성층의 자화곤란축이 Si＜110＞ 방향임을 알 수 있다.

4°기울어진 Si＜112＞ 방향과 Si＜110＞ 방향은 기판의 표면에서 상호 수직임을 생각할 때, 본 재료를 구성하는 두 자성층은 자화용이축과 자화곤란축이 상호 수직으로 형성되어 있으며, 따라서 면내 일축자기이방성을 나타내고 있다.

면내 일축자기이방성을 나타내는 본 재료의 자기저항 특성을 도 2에 나타내었다. 여기서 △R/R_min은 자기저항비이다. 4°기울어진 Si＜112＞ 방향으로 자기저항곡선을 측정했을 때, 본 방향은 두 자성층의 자화용이축 방향이므로 각형성이 뛰어난 자기저항곡선이 측정되었다. 외부 자장이 가해지지 않을 때(H = 0), 2가지 자기저항 상태가 관찰되고 있으며, 이 때 높은 자기저항 상태를 "1"로 인식하고, 낮은 자기저항 상태를 "0"으로 인식하여 자기저항 메모리 소자(MRAM)에 응용할 수 있다. 2가지 저항 상태는 약 ± 30 Oe의 자장을 본 재료에 인가해 상호 변화될 수 있다.

따라서 본 실시예는 증착 중 외부 자장의 인가 없이도 메모리용 소자에 응용 가능한 스핀밸브 거대자기저항 재료를 형성할 수 있음을 나타낸다.

(실시예 2)

실시예 1에서와 동일한 방법으로 Co(30Å)/Cu(40Å)/Co(2Å)/NiFe(60Å) 스핀밸브 박막 재료를 형성한 다음, 자기이력 및 자기저항 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 도시하였다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이, Co / Cu / Co / NiFe 스핀밸브 박막 재료도 Co / Cu / NiFeCo 스핀밸브 박막과 같이 기울여 잘라진(tilt-cut) Si(111) 기판과 Cu 바닥층 위에서 일축자기이방성을 나타내며, 메모리용 소자에 응용 가능한 메모리 특성이 관찰되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 기울여 잘라진 Si 기판과 Cu 바닥층 위에서는 증착 중 외부자장의 인가 또는 후열처리 공정 없이도, 자성층 / 비자성층 / 자성층으로 구성된 스핀밸브 거대자기저항재료 내부에 강한 일축자기이방성이 유도되어 메모리용 소자 등의 제조에 응용가능한 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 4°기울여 잘라진(tilt-cut) Si 기판 상에 Cu 층을 바닥층으로 사용하고, 그 위에 자성층 / 비자성층 / 자성층으로 이루어지는 박막을 순차적으로 형성하여 자기이방성을 유도하는 것을 특징으로 하는 메모리용 자기저항 소자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 박막은 Co / Cu / NiFeCo 스핀밸브 거대자기저항 재료의 박막임을 특징으로 하는 메모리용 자기저항 소자의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 박막은 Co / Cu / Co / NiFe 스핀밸브 거대자기저항 재료의 박막임을 특징으로 하는 메모리용 자기저항 소자의 제조방법.

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