KR100688861B1 - 자기저장소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기저장소자의 제조방법에 관한 것으로, 임프린트 방법으로 나노 단위의 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판 상에 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법으로 자성물질을 증착하고 표면연마하여 나노 단위의 단일 도메인(domain)을 형성함으로써, 기록밀도를 증가시키고 수직자기이방성 특성 및 읽기 헤드(head)의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 대면적 기판에서도 다양한 패턴의 도메인을 단순한 공정으로 빠른 시간 내에 제작하여 생산성을 증가시키고 제조 단가를 감소시키는 자기저장소자의 제조방법에 관한 것이다.

자기저장소자, 도메인, 임프린트, 툴-포일, 스핀-스프레이 증착방법

Description

자기저장소자의 제조방법{Manufacturing method of magnetic storage element}

도 1은 종래의 자기메모리소자의 제조방법을 도시한 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법을 도시한 공정도이다.

도 4는 스핀-스프레이 페라이트 도금 장치의 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 툴-포일 15, 35 : 패턴

20 : 기판 30 : 베이스 기판

40 : 자성물질 50 : 스핀-스프레이 페라이트 도금 장치

51 : 회전판 52 : 발열기

53, 54 : 분무기 55 : 유입구

56 : 배수관 57 : 방출구

본 발명은 자기저장소자의 제조방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 임프린트 방법으로 나노 단위의 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판 상에 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법으로 자성물질을 증착하고 표면연마하여 나노 단위의 단일 도메인(domain)을 형성함으로써, 기록밀도를 증가시키고 수직자기이방성 특성 및 읽기 헤드(head)의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 대면적 기판에서도 다양한 패턴의 도메인을 단순한 공정으로 빠른 시간 내에 제작하여 생산성을 증가시키고 제조 단가를 감소시키는 자기저장소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 정보를 저장하는 방식은 하드디스크와 같이 주사방식에 의해 정보를 저장하는 방식 (Scanning Technology) 과 DRAM, 플래시 메모리와 같이 고체 메모리 기술을 이용하여 정보를 저장하는 방식 (Solid State Technology) 으로 크게 나눌 수 있다. 하드 디스크와 같이 주사방식에 의해 정보를 저장하는 방식은 가격이 싸고 저장용량이 큰 반면 접근속도가 느리고 모터에 의해 구동되기 때문에 소비전력도 큰 편이라 휴대용 전자기기에 사용하기에는 적합하지가 않다. 반면 플래시 메모리와 같이 고체 메모리 기술을 이용하여 정보를 저장하는 방식은 접근속도가 빠르고 소비전력이 작은 장점이 있어 현재 휴대용 전자기기에 사용되고는 있으나 가격이 비싸고 저장용량이 작은 단점이 있다.

따라서 곧 도래할 것으로 예상되는 IMT-2000 등과 같은 고용량의 데이터를 고속으로 처리하는 휴대용 정보기기의 출현에 대처하기 위해서는 주사방식의 매체 와 같이 가격이 싸고 고체 메모리 기술을 이용한 정보저장 소자와 같이 접근 속도가 빠르며 소비전력이 작은 새로운 정보저장 소자가 요구된다. 현재 이러한 특성을 만족하는 차세대 정보저장 소자로는 자기저장소자, 즉, 자기메모리 (Magnetic RAM, MRAM)가 가장 근접한 것으로 여겨지고 있다.

자기메모리는 자기저항 효과를 이용해 정보를 저장하는 비휘발성 메모리로, 현재의 D램이나 S램 수준의 고속성을 갖는다. 또한, 프레쉬 메모리와 같이 전원없이 저장된 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리라는 장점을 갖고 있다.

자기메모리 소자는 이방성(anisotropic) 자기저항(AMR)과 거대자기저항(GMR) 및 턴넬링형자기저항(TMR) 현상을 이용해 제작됐다. 80년대 중반에 처음 제작된 AMR는 전류의 방향과 자화의 방향에 따라 저항이 변하는 현상을 이용한다. AMR는 상온에서 최대 2%의 자기저항이 얻어지며 낮은 속도와 밀도로 인해 다른 메모리 소자에 비해 가격이 높다. 때문에 특수 응용 분야인 군사와 우주용으로 제한적으로 사용된다. GMR와 TMR 현상을 이용한 거대자기저항메모리(GMRAM)와 턴넬링형자기저항메모리(TMRAM)는 출력이 AMR에 비해 매우 높아 이에 대한 연구가 각 산업체에서 활발히 이뤄지고 있다. GMR는 자성체와 금속, 자성체 다층박막 구조에서 88년 최초 발견됐으며 상온에서 10%의 자기저항비가 얻어진다. 자기메모리는 나노기술을 이용한 최대 유망기술로 부각되면서 세계적 연구경쟁을 벌이는 분야다. 이는 자기저항비를 40% 이상 달성 가능한데다 높은 속도와 밀도뿐만 아니라 낮은 가격에 구현이 가능하다.

이처럼 자기저장소자, 즉, 자기메모리와 자기기록 기술의 상업화에 밑바탕 이 되는 기술이 바로 수 나노의 전자를 일정한 방향으로 정렬시키거나 밀도를 높이는 기술이다.

도 1은 종래의 일례로 자기메모리소자의 제조공정을 도시한 공정도이다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 글라스기판(1) 상에 포지티브(positive)형의 포토레지스트(2)를 도포한다.

이후, 도 1b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(2) 상에 포토마스크(4)를 밀착시키고 자외선(5)을 조사한다.

이때, 랜드에 대응하는 위치의 포토레지스트(2)에는 자외선(5)이 조사되지 않도록 Ta 등의 차폐금속(4)을 포토마스크(4)에 매립한다.

다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(2)를 현상한다.

이후, 도 1d에 도시된 바와 같이, CF₄ 등의 가스를 사용해서 반응성 이온에칭을 수행하여 약 80㎚ 깊이의 동심원상의 그룹(패턴;6)을 형성한다.

그룹(6)을 형성한 후, 도 1e에 도시된 바와 같이 자성막(7)을 균일하게 형성하고, 도 1f에 도시된 바와 같이 포토레지스트(2)를 제거한다.

마지막으로, 도 1g에 도시된 바와 같이, 글라스기판(1) 상에 스퍼터링(sputtering) 또는 증착방법으로 윤활막(8)을 형성함으로써 자기메모리소자를 완성한다.

상술한 바와 같은 종래의 자기메모리소자 제조방법은 포토 리소그래피 공법(photo-lithography process)으로 패턴을 형성함으로써, 패턴 크기에 따른 기록밀 도 및 수직자기이방성 특성 한계를 가져오는 문제점이 있었다.

즉, 포토 리소그래피 공법은 L/S(Line/Space)를 10㎛/10㎛ 이하로 제조하는 경우 포토레지스트와 기판 간의 경계면에서 접착력의 한계가 발생하는 문제점이 있으므로 패턴 크기의 한계를 가져오게 되고, 이것은 패턴 밀도와 비례하는 자기메모리소자의 기록밀도 및 수직자기이방성 특성의 한계를 가져오게 된다.

또한, 종래의 자기메모리소자 제조방법은 포토 리소그래피 공법으로 패턴을 형성함으로써, 포토레지스트를 기판상에 일정한 두께로 도포하는 과정, 특정부분을 노광 및 현상을 수행하는 과정, 에칭공정을 이용하여 포토레지스트 패턴이 없는 부분을 제거하는 과정, 자성막을 균일하게 형성하는 과정, 및 포토레지스트를 박리하는 과정 등 다수의 복잡한 공정을 수행해야하고, 제조단가도 비싼 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여, 균일한 패턴의 미세화를 구현하여 수직자기이방성 특성 및 기록밀도를 향상시키는 자기저장소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 대면적 기판에서도 다양한 패턴을 단순한 공정으로 빠른 시간 내에 제작하여 생산성을 증가시키고 제조 단가를 감소시키는 자기저장소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조 방법은 (A) 임프린트 방법을 이용하여 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판을 제공하는 단계, (B) 상기 베이스 기판 상부에 자성물질을 증착하여 상기 패턴을 메우는 단계, 및 (C) 상기 베이스 기판 상부를 표면연마하여 상기 베이스 기판의 패턴 외의 표면은 노출하고 상기 패턴은 메워진 상태로 두는 단계를 포함하고 상기 패턴은 나노 단위인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법에 있어서, (A) 단계는 (A-1) 원하는 패턴이 양각으로 성형된 툴-포일을 제공하는 단계, 및 (A-2) 평평한 기판 상에 상기 툴-포일을 열압착하여 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법에 있어서, 자성물질은 Co계 페라이트(ferrite) 물질인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법에 있어서, 자성물질은 Ni계 페라이트 물질인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법에 있어서, (B) 단계의 자성물질을 증착하는 방법은 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법을 이용한 것이 바람직하다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.

여기서, 도 2는 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 도2의 자기저장소자의 제조방법을 도시한 공정도이다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

임프린트 방법을 이용하여 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판을 제공한다(S100).

즉, 원하는 패턴이 양각으로 성형된 툴-포일(tool-foil)을 제작하여, 평평한 기판 상에 툴-포일을 정렬하고 열압착하면 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판이 형성된다.

툴-포일은 금속 또는 폴리머 등의 재질로써, 몰딩 가공 또는 표면 가공 등으로 원하는 패턴을 양각으로 성형할 수 있다.

한편, 기판과 툴-포일 열압착시에는 기판의 유리전이온도보다 높고 툴-포일의 유리전이온도보다 낮은 열을 제공하여, 기판만 반경화상태로 유지함으로써 툴-포일의 양각 패턴과 동일한 패턴이 기판 상에 음각으로 형성될 수 있도록 한다.

이후, 베이스 기판 상부에 자성물질을 증착하여 패턴 내부를 메운다(S200).

베이스 기판 상부에 자성물질을 증착할 때, 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법이 사용될 수 있다.

스핀-스프레이 증착방법은 스핀 증착방법과 스프레이 증착방법을 동시에 사용하는 것으로, 베이스 기판을 회전판을 이용하여 회전시킴과 동시에 스프레이로 산화액과 반응액을 분사하여 베이스 기판 상부에 자성물질을 증착시키게 된다.

여기서, 자성물질은 분사되는 반응액에 따라 Co계 페라이트(ferrite) 물질이나 Ni계 페라이트 물질이 될 수 있다.

마지막으로, 베이스 기판 상부를 표면연마하여 자기저장소자를 완성한다 (S300).

즉, 베이스 기판 상부에 증착된 자성물질은 패턴을 메울 뿐만 아니라 베이스 기판의 패턴 외의 표면도 일부 덮게 되므로, 베이스 기판 상부를 표면연마하여 베이스 기판의 패턴 외의 표면은 노출하고 자성물질로 메워진 나노 단위의 패턴은 단일 도메인으로 형성되어 자기저장소자를 완성하게 된다.

도 3a 내지 도 3f를 참조하여 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 나노 단위의 원하는 패턴(15)이 양각으로 성형된 툴-포일(10)을 제공한다.

툴-포일(10)은 금속, SiO₂ 또는 폴리머 등의 재질로써, 몰딩 가공 또는 표면 가공 등으로 나노 단위의 원하는 패턴(15)을 양각으로 성형할 수 있다.

판재 형태의 소재 한쪽 표면을 가공하는 표면 가공 방법은 전자빔 리소그래피(electron beam lithography), 포토 리소그래피(photo-lithography), 다이싱(dicing), 레이저, RIE(Reactive Ion Etching) 등이 이용할 수 있다.

다른 방법으로, 툴-포일(10)의 제작방법은 별개의 회로패턴들을 각각 제작하여 판재 형태의 소재에 부착할 수도 있다.

이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 평면 기판(20)과 툴-포일(10)을 정렬한다.

여기서, 평면 기판(20)은 툴-포일(10)의 유리전이온도보다 낮은 유리전이온도를 갖는 폴리머 계열의 재질로 형성되고, 대면적 크기를 가질 수 있다.

다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 평면 기판(20)과 툴-포일(10)을 열압착하고, 도 3d에 도시된 바와 같이 툴-포일(10)을 제거함으로써, 나노 단위의 원하는 패턴(35)이 음각으로 형성된 베이스 기판(30)을 완성한다.

즉, 평면 기판(20)의 유리전이온도보다 높고 툴-포일(10)의 유리전이온도보다 낮은 열을 가하여 반경화 상태가 된 평면 기판(20)에 툴-포일(10)을 압착한 후, 기판(20)에서 툴-포일(10)을 이형시킴으로써, 임프린트 방법을 이용하여 평면 기판(20)에 원하는 패턴(35)이 음각으로 형성된 베이스 기판(30)을 완성하게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법은 임프린트 방법을 이용하여 패턴을 형성함으로써, 패턴 크기에 제한을 갖는 복잡한 공정의 포토-리소그래피 공정과 달리 대면적에서도 패턴의 미세화를 구현하여 나노 단위의 패턴 형성이 가능할 뿐만 아니라, 단순한 임프린트 공정을 이용함에 따라 생산증가 및 제조단가 감소를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 툴-포일에 형성된 나노 단위의 패턴이 동일하게 기판에 형성됨으로써, 툴-포일의 패턴 변형만으로도 이후에 단일 도메인(domain)이 될 기판 상의 패턴 크기 및 깊이를 손쉽게 변경할 수 있는 효과가 있다.

이후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30) 상에 자성물질(40)을 증착시켜 패턴(35)을 메운다.

여기서, 베이스 기판(30) 상에 자성물질(40)을 증착시키는 방법은 스핀 증착방법과 스프레이 증착방법을 동시에 수행하는 스핀-스프레이 증착방법을 이용할 수 있다.

스핀-스프레이 페라이트 도금 장치(50)의 구조가 도시된 도 4를 참조하여 스핀-스프레이 증착공정을 자세히 설명하면, 분무기(53, 54)를 통하여 분무된 산화액 및 반응액은 유입구(55)로 유입된 N₂ 가스와 함께 화학반응을 일으켜 자성물질(40)을 형성하게 되고, 자성물질(40)은 회전판(51) 상에서 회전하는 베이스 기판(30) 상부에 증착하게 된다.

이때, 베이스 기판(30)이 정렬된 회전판(51)의 일부분은 발열기(52)가 함께 구성되어 베이스 기판(30)의 온도를 일정하게 90℃로 유지시켜줌으로써 자성물질(40)의 증착을 용이하게 도와줄 수 있다.

또한, 산화액은 NaNO₂ 용액 또는 NaNO₂ 및 CH₃COONH₄의 혼합용액이고, 반응액은 FeCl₂ 및 MCl₂의 혼합용액이며, 여기서, M = Co, Ni, Zn이 될 수 있다.

예를 들어, 자성물질로 Ni-Zn 페라이트 물질을 얻고 싶으면, 반응액으로 FeCl₂ , NiCl₂ 및 ZnCl₂의 혼합용액을 사용하여 산화액 및 N₂ 가스와 함께 화학반응을 일으켜 NiZnFeO₄ 물질이 형성되도록 한다.

이와 같은 방법으로 Co계 페라이트 물질 또는 Ni계 페라이트 물질을 형성하여 베이스 기판(30) 상부에 증착시켜 패턴(35)을 메우게 한다.

한편, 산화액, 반응액 및 N₂ 가스의 화학반응시 불필요하게 발생된 가스 및 혼합물질은 가스 방출구(57) 및 배수관(56)을 통하여 배출될 수 있다.

마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30) 상부를 표면연마하 여 자기저장소자(100)를 완성한다.

즉, 베이스 기판(30) 상부에 증착된 자성물질(40)은 패턴(35)을 메울 뿐만 아니라 베이스 기판(30)의 패턴(35) 외의 표면도 일부 덮게 되므로, 베이스 기판(30) 상부를 표면연마하여 베이스 기판(30)의 패턴(35) 외의 표면은 노출하고 자성물질(40)로 메워진 나노 단위의 패턴(35)은 단일 도메인(60)으로 형성되어 자기저장소자(100)를 완성하게 된다.

표면연마로는 기계 연마, 기계-화학적 연마 또는 에칭 연마 등을 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 자기저장소자의 제조방법에 따르면, 나노 단위의 패턴(35)을 임프린트 방법을 이용하여 형성하고, 스핀-스프레이 증착방법으로 자성물질을 증착한 후, 표면을 연마하여 자기저장소자(100)를 형성함으로써, 나노 단위의 패턴(35)이 대면적 기판 상에서 단일 도메인(60)이 되어 기록밀도가 증가할 뿐만 아니라 수직자기이방성 특성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 도메인이 각각 나노 단위의 단일 도메인(60)으로 분리되어 스핀 간의 상호작용이 감소함으로써, 읽기 헤드(head)의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명은 특정 실시예를 통하여 설명되었으나, 본 발명의 범위가 상기 실시예로 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위의 해석에 의해서만 한정된다.

본 발명의 자기저장소자의 제조방법에 따르면, 임프린트 방법으로 형성한 패턴을 이용하여 나노 단위의 단일 도메인을 형성함으로써, 기록밀도를 증가시키고 수직자기이방성 특성 및 읽기 헤드의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 자기저장소자의 제조방법에 따르면, 임프린트 방법으로 형성한 패턴을 이용하여 나노 단위의 단일 도메인을 형성함으로써, 대면적 기판에서도 다양한 패턴의 도메인을 단순한 공정으로 빠른 시간 내에 제작하여 생산성을 증가시키고 제조 단가를 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

1. (A) 임프린트 방법을 이용하여 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판을 제공하는 단계;

   (B) 상기 베이스 기판 상부에 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법으로 자성물질을 증착하여 상기 패턴을 메우는 단계; 및

   (C) 상기 베이스 기판 상부를 표면연마하여 상기 베이스 기판의 패턴 외의 표면은 노출하고 상기 패턴은 메워진 상태로 두는 단계

   를 포함하고 상기 패턴은 나노 단위인 것을 특징으로 하는 자기저장소자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (A) 단계는

   (A-1) 원하는 패턴이 양각으로 성형된 툴-포일을 제공하는 단계; 및

   (A-2) 평평한 기판 상에 상기 툴-포일을 열압착하여 원하는 패턴이 음각으로 형성된 베이스 기판을 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저장소자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 자성물질은 Co계 페라이트(ferrite) 물질인 것을 특징으로 하는 자기저장소자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 자성물질은 Ni계 페라이트 물질인 것을 특징으로 하는 자기저장소자의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 (B) 단계의 스핀-스프레이(spin-spray) 증착방법으로 자성물질을 증착할 때, 일정정도의 온도를 유지하도록 소정의 열을 상기 베이스 기판에 가하여 상기 자성물질의 증착을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 자기저장소자의 제조방법.

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