KR100651374B1 - 나노 자기저장소자의 제조방법 - Google Patents

나노 자기저장소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기저장소자(magnetic storage)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 임프린트 공정을 활용하여 나노 단위의 스케일로 구성되는 나노 자기저장소자의 제조방법에 관한 것이며, 이를 위하여, 나노 단위로 돌기(패턴)를 형성할 수 있는 임프린트 공정을 활용하여 기판의 표면에 소망의 패턴을 형성하는 공정을 포함하는 나노 자기저장소자의 제조방법을 제공함을 특징으로 하며, 이를 통하여 동일 면적에 대하여 높은 용량비를 갖는 대용량의 나노 자기저장소자를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법에 따르면 소망의 패턴을 형성하기 위하여 스탬퍼를 이용하기 때문에, 스탬퍼 및/또는 돌기의 형상을 변경함으로써 제조하고자 하는 나노 자기저장소자의 형태 및 자구의 밀도를 용이하게 변경시킬 수 있고, 양산성을 높일 수 있으며, 그리고 각 자구에 대하여 폭 대비 깊이의 비를 적절히 유지하도록 함으로써 형태이방성 특성이 향상된 나노 자기저장소자를 제공할 수 있다.
자기저장소자, 자구, 임프린트, 스탬퍼, 기판, 형태이방성

Description

나노 자기저장소자의 제조방법 {Method for manufacturing nano magnetic storage}
도 1은 종래의 자기저장소자의 제조방법의 일 예를 도시한 순서도;
도 2는 종래의 자기저장소자의 일 예를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법을 도시한 순서도; 및
도 4a 내지 4e는 도 3의 제조공정을 순차적으로 도시한 공정도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100, 200 : 자기저장소자 10, 110 : 기판
20, 120 : 자구 22, 122 : 자기 물질
24, 124 : 금속막 130 : 스탬퍼
132 : 돌기
W1, W2 : 자구의 폭 D1, D2 : 자구의 깊이
본 발명은 자기저장소자(magnetic storage; 또는 "자기 메모리(Magnetic RAM, MRAM)"라 한다)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 임프린트 공정을 활용하여 나노 단위의 스케일로 구성되는 나노 자기저장소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 정보를 저장하는 방식은 하드디스크와 같이 주사방식에 의해 정보를 저장하는 방식(scanning technology)과, 플래시메모리와 같이 고체 메모리 기술을 이용하여 정보를 저장하는 방식(solid state technology)으로 구분될 수 있다. 최근에, 고용량의 데이터를 고속으로 처리하는 휴대용 정보기기의 출현에 대처하기 위해서 주사방식의 매체와 같이 가격이 싸고 그리고 고체 메모리 기술을 이용한 정보저장소자와 같이 접근속도가 빠르며 소비전력이 작은 새로운 정보저장소자가 요구되고 있으며, 이러한 요구를 만족하는 차세대 정보저장소자로써 자기저장소자가 대두되고 있다.
이러한 자기저장소자는 소자의 구조가 간단하여 집적도를 향상시키기 용이하며 접근속도가 빠르고 비휘발성이기 때문에 노트북 컴퓨터 등의 전자기기에서 즉시 켜기(instant ON)가 가능할 것으로 예상되고 나아가 소비전력이 작기 때문에 휴대폰이나 개인정보단말기(PDA; personal digital assistant) 등의 휴대용 전자기기에서의 전력(배터리) 소모를 크게 줄여줄 것으로 기대된다.
종래의 일 예에 따른 자기저장소자를 제조하는 방법은 도 1의 순서도를 참조하여 다음과 같이 설명될 수 있다.
종래의 자기저장소자의 제조방법은 평평한 기판의 표면에 포토리소그래피(photorithography) 공정을 활용하여 소정의 패턴을 형성하는 단계(S10)와, 기판의 표면 위에 금속막을 증착하는 단계(S20)와, 증착된 금속막을 이용하여 소정의 패턴 내로 자기 물질(magnetic material)을 충진하는 단계(S30) 및 기판의 표면을 평탄화함으로써 자기저장소자를 완성하는 단계(S40)를 포함한다.
이러한 종래의 제조방법은 자기저장소자를 형성함에 있어 자기저장소자 내 형성되는 자구(magnetic pillar; 또는 "패턴"이라 한다)를 일반적인 반도체 제조공정(FAB)에서 이용되는 포토리소그래피 공정을 활용하여 형성한 점을 특징으로 한다. 그러나, 자기저장소자는 상대적으로 평탄한 표면을 갖는 웨이퍼상에 형성되는 것이 아니라 고분자 수지와 같은 기판상에 형성되기 때문에 위 포토리소그래피 공정을 적용함에 있어 다음과 같은 불리한 점을 갖는다.
도 2는 종래의 예에 따라 제조된 자기저장소자의 일 예를 도시한 단면도이며, 이를 참조하여 설명하기로 한다. 예를 들면, 종래의 자기저장소자(100)는 고분자 수지로 제조된 기판(10)의 표면에 소정의 폭(W1)과 깊이(D1)를 갖는 다수의 자구(20)를 구비한다. 자기저장소자의 자구(20)는 기판 표면의 패턴 내에 금속막(24)을 증착한 후 도금 공정을 이용하여 자기 물질(22)을 충진시킴으로써 생성되며, 이러한 패턴이 포토리소그래피 공정에 의해 형성되기 때문에 그 형상의 정확도를 제어하기 어려운 점이 있다.
예를 들면, 패턴의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이, 상부가 넓고 하부가 좁은 형상으로 제조되기 쉬우며, 이때 그 폭(W1)은 대략 10 ㎛ 이하로 형성하기 어렵다. 또한 패턴의 깊이(D1)도 깊게 형성하기에는 어려움이 있다. 덧붙여, 평탄한 웨이퍼의 표면을 기준으로 포토리소그래피 기술이 적용되던 것과는 달리 고분자 수지의 표면을 기준으로 포토리소그래피 기술이 적용되는 경우에는 그 정밀도를 제어하기 어렵고 나아가 패턴의 깊이를 원하는 정도로 충분히 깊게 형성하기 어려운 점이 있다. 또한 패턴의 깊이를 충분히 형성하지 못하는 경우 자구의 형태이방성 특성을 향상시키기 어려운 점이 있다.
본 발명은 고분자 수지 기판의 표면에 나노 스케일의 소망의 패턴을 형성할 수 있는 자기저장소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 형태이방성 특성이 향상된 나노 단위의 소망의 패턴을 구비한 자기저장소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 임프린트 공정을 이용하여 기판의 표면에 소정의 폭과 깊이를 갖는 패턴을 형성하는 단계와; (b) 패턴이 형성된 기판의 표면에 금속막을 코팅하는 단계와; (c) 금속막을 이용하여 기판의 표면에 자기 물질을 증착하는 단계; 및 (d) 기판의 표면 위로 형성된 자기 물질을 제거하는 단계를 포함하며, 이때 패턴의 간격이 나노 단위로 형성되고, 패턴 내에 증착된 자기 물질이 기판의 두께 방향으로 길게 형성된 자구를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, (a) 단계의 임프린트 공정은 소정의 폭과 깊이를 갖는 패턴에 대응하는 돌기가 형성된 스탬퍼를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, (b) 단계의 금속막은 스퍼터링 또는 무전해도금을 이용하여 형성되는 구리막인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 기판의 표면에 형성되는 자기 물질은 니켈(Ni), 철(Fe), 니켈-철(FeNi), 코발트(Co) 및 코발트-철(FeCo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, (d) 단계는 평탄화 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 4a 내지 4e는 도 3의 제조공정을 순차적으로 도시한 공정도이다. 도 3 내지 4e를 참조하여 본 발명에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법을 설명한다.
본 발명에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법은 평평한 기판의 표면에 임프린트(imprint) 공정을 활용하여 소망의 패턴을 형성하는 단계(S110)와, 기판의 표면 위에 금속막을 증착하는 단계(S120)와, 증착된 금속막을 이용하여 소정의 패턴 내로 자기 물질(magnetic material)을 충진하는 단계(S130) 및 기판의 표면을 평탄화함으로써 기판의 표면 위로 형성된 자기 물질을 제거하여 자기저장소자를 완성하는 단계(S140)를 포함한다.
이러한 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법은 자기저장소자를 형성함에 있어 자기저장소자 내 형성되는 자구(magnetic pillar; 또는 "패턴"이라 한다)를 종래와 달리 임프린트 공정을 활용하여 형성한 점을 특징으로 한다. 즉, 나노 단위로 형성되는 돌기(132)를 구비한 스탬퍼(130)를 이용하여 기판의 표면에 소망의 패턴(예컨대, 소정의 폭과 깊이를 갖는 패턴)을 형성함으로써 패턴에 의해 형성되는 자구의 형상이 충분히 작으면서 동시에 충분히 형태이방성 특성을 갖출 수 있도록 폭 대비 깊이의 비(예컨대, 1:2 또는 1:3)를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 금속 재질의 스탬퍼를 활용하여 소망의 패턴을 형성함에 있어서, 패턴의 형상은 스탬퍼의 돌기 형상에 대응하게 되고, 스탬퍼의 돌기는 대략 10 나노(nano) 이하로 형성될 수 있으며, 이러한 스탬퍼를 이용함으로써 기판의 표면에 10 나노 이하의 간격 또는 폭을 갖는 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 패턴의 크기(패턴간의 간격 또는 패턴의 폭)를 대략 10 나노 이하로 형성함으로써 동일한 영역 내에 보다 많은 수의 자구를 형성할 수 있으며, 이를 통하여 대용량의 집적된 자기저장소자를 제공할 수 있다. 또한, 종래에 포토리소그래피 공정과 비교하여 본 발명의 스탬퍼를 이용한 임프린트 공정은 그 공정단계가 간단하고 공정에 소요되는 기간이 단축될 수 있어 양산공정에 적합하며, 이에 따라 임프린트 공정을 적용한 자기저장소자를 제조함에 있어 이점을 제공할 수 있다.
다음으로, 도 4a 내지 4e를 참조하여 구체적인 제조 공정을 설명한다.
도 4a는 소정 형태의 돌기(132)가 다수 형성된 스탬퍼(130)를 이용하여 고분자(polymer) 수지 재질의 기판(110)에 소정의 패턴(112)을 형성하는 공정을 나타낸 다. 돌기(132)는 각각 소정의 폭(W2)과 소정의 길이(D2)를 갖도록 형성되며, 이러한 돌기들이 하부면에 형성된 스탬퍼(130)가 고온 고압의 조건하에서 기판(110)의 표면과 결합하고, 이를 통하여 돌기의 형상에 대응되는 패턴들(112)이 기판이 표면에 형성된다. 또한 스탬퍼가 분리된 후 위와 같은 형상의 패턴들(112)이 형성된 기판(110)의 표면이 도 4b에 예시적으로 도시되어 있다.
이때, 기판(110)의 표면에 형성되는 패턴들(112)의 폭(W2) 또는 패턴들 사이의 간격은 나노 스케일, 구체적으로는 대략 10 나노 이하로 구성되며, 패턴들의 깊이(D2)는 폭 대비 2배 또는 3배로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 형태이방성 특성을 향상시킬 수 있도록 폭 대비 깊이의 비는 대략 1:2 또는 1:3을 유지하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 패턴의 깊이는 대략 20 내지 30 나노의 크기로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4c는 패턴(112)이 형성된 기판(110)의 표면에 스퍼터링 공정(sputtering), 증착 공정(vapor deposition), 및 물리적 기상 증착 공정(PVD; physical vapor deposition) 등을 이용하여 금속막(124)을 증착한 모습을 도시하며, 이때 표면에 형성되는 금속막은 구리(Cu) 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
또는 이와 달리, 무전해 도금 공정(electroless plating)을 이용하여 금속막을 형성할 수도 있다. 즉, 증착 공정을 통하지 않고 무전해 도금 공정을 이용하여 기판(110)의 표면에 금속막(124)을 형성할 수 있으며, 이는 다음 단계에서 진행되는 전해도금을 실시하기 위하여 반드시 수행되어야 하는 공정이다.
이후, 도 4d에 도시된 바와 같이, 증착된 금속막(124)을 이용하여 전해도금을 실시함으로써 소망의 패턴이 형성된 기판(110)의 표면에 자기 물질(122)을 충진한다.
이때, 패턴 내에 충진되는 자기 물질로는 니켈(Ni), 철(Fe), 니켈-철(FeNi), 코발트(Co) 및 코발트-철(FeCo)로 구성되는 군(群)으로부터 선택되는 적어도 하나가 사용되는 것이 바람직하다. 자기 물질을 충진하기 위한 전해도금의 공정 조건은 대략 50℃의 온도와, 대략 1 내지 10 ASD의 전류밀도, 그리고 대략 2-3시간 정도의 공정시간으로 정의될 수 있으며, 이러한 공정을 통하여 대략 50 내지 100 ㎛의 도금층 두께를 형성하는 것이 바람직하다.
마지막으로 도 4e에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 표면을 기준으로 그 윗부분에 형성된 금속막 및 자기 물질층을 제거함으로써 패턴 내에 충진된 금속막(124) 및 자기 물질(122)로 구성되는 자구(120; magnetic pillar)가 기판(110)의 표면에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 각 자구(120)는 우수한 형태이방성 특성을 갖기 때문에 자화에 의해 스핀방향(화살표 A 참조)이 변경이 용이하게 실시될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자구의 형상은 폭 대 깊이의 비가 대략 1:2 또는 1:3을 만족하도록 형성되며, 이러한 형상에 따라 우수한 형태이방성 특성을 유지할 수 있다.
한편, 기판(110)의 표면에서 금속막(124) 등을 제거하는 공정은 평탄화 공정 또는 연마 공정이라 칭해지며, 본 실시예에서는 화학-기계적 연마 공정(CMP; chemical mechanical planarization)을 이용하는 예를 기술하고 있다. 이러한 평 탄화 공정을 통하여, 기판의 표면 위로 적층된 금속막 및 자기 물질 등이 제거됨으로써 그 내부에 자기 물질이 충진된 소망의 패턴을 갖는 기판을 제공할 수 있다.
이상에서 기술한 바와 같이, 임프린트 공정을 활용하여 기판(110)의 표면에 형태이방성 특성을 갖는 자구들(120)을 형성함으로써 본 발명에 따른 나노 자기저장소자(200)가 제조될 수 있다. 이와 같이, 나노 단위의 자구를 특징으로 하는 본 발명에 따른 나노 자기저장소자는 기존의 자기저장소자들과 비교하여 다음과 같은 우수한 특징을 나타낸다.
1) 면적 대비 대용량의 자기저장소자를 구현할 수 있다.
2) 스탬퍼 및 돌기 형상을 변경함으로써 여러가지 형상의 자기저장소자를 제조할 수 있다.
3) 나노 스케일의 자구를 형성하기에 용이하다.
4) 형태이방성 특성을 향상시킬 수 있고 기록밀도를 높이는 것이 용이하다.
5) 각각의 도메인(자구)이 분리되어 스핀 상호작용의 효과가 적다.
6) 도금 공정을 사용함으로써 비용이 적고 양산성이 높다.
7) 스탬퍼의 돌기(패턴)의 밀도를 높임으로써 싱글 도메인(즉, 자구)의 높은 밀도를 얻을 수 있고, 또한 그 밀도의 조절이 가능하다.
본 발명에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법은 종래의 포토리소그래피 공정을 이용하여 패턴을 형성하던 것과는 달리, 나노 단위로 돌기(패턴)를 형성할 수 있는 임프린트 공정을 활용하여 기판의 표면에 소망의 패턴을 형성하는 공정을 특 징으로 하며, 이를 통하여 동일 면적에 대하여 높은 용량비를 갖는 대용량의 나노 자기저장소자를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 나노 자기저장소자의 제조방법에 따르면 소망의 패턴을 형성하기 위하여 스탬퍼를 이용하기 때문에, 스탬퍼 및/또는 돌기의 형상을 변경함으로써 제조하고자 하는 나노 자기저장소자의 형태 및 자구의 밀도를 용이하게 변경시킬 수 있고, 양산성을 높일 수 있으며, 그리고 각 자구에 대하여 폭 대비 깊이의 비를 적절히 유지하도록 함으로써 형태이방성 특성이 향상된 나노 자기저장소자를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. (a) 임프린트 공정을 이용하여 기판의 표면에 소정의 폭과 깊이를 갖는 패턴을 형성하는 단계;
    (b) 상기 패턴이 형성된 기판의 표면에 금속막을 코팅하는 단계;
    (c) 상기 금속막을 이용하여 상기 기판의 표면에 자기 물질을 증착하는 단계; 및
    (d) 상기 기판의 표면 위로 형성된 자기 물질을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 패턴의 간격이 나노 단위로 형성되고, 상기 패턴 내에 증착된 자기 물질이 기판의 두께 방향으로 길게 형성된 자구를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계의 임프린트 공정은 상기 소정의 폭과 깊이를 갖는 패턴에 대응하는 돌기가 형성된 스탬퍼를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계의 금속막은 구리를 스퍼터링하여 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계의 금속막은 무전해도금 공정에 의해 형성 되는 구리막인 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 물질은 니켈, 철, 니켈-철, 코발트 및 코발트-철로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (d) 단계는 평탄화 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 자기저장소자의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100890211B1 (ko) * 2007-11-09 2009-03-25 고려대학교 산학협력단 나노 임프린팅 방식을 이용한 비휘발성 메모리 소자 제조방법

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