KR100733782B1 - ＣｏＦｅＺｒ을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CoFeZr 강자성층을 포함하는 거대 자기저항 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 반강자성층, 고정층, 비자성층과 자유층을 포함하는 자기저항 구조체에 있어서, 상기 고정층 및/또는 자유층을 CoFeZr를 포함된 거대 자기저항 소자의 제조 방법을 제공하여 구조적 안정성 및 열적 안정성이 향상시킬 수 있다.
Description
도 1은 종래 기술에 의한 거대 자기 저항 소자를 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자의 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 CoFeZr을 자유층에 사용한 거대 자기 저항 소자의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 고정층 및 자유층을 CoFeZr로 형성한 거대 자기 저항 소자의 TMR 값을 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 고정층, 자유층 및 거대 장벽층의 물질을 달리하며 자기 저항 소자의 TMR 값을 측정한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7e는 Zr의 성분비(at%)에 따른 TEM 사진을 나타낸 도면이다.
본 발명은 거대 자기 저항 소자에 관한 것으로 보다 상세하게는 고정층 또는 자유층에 CoFeZr을 사용하거나, 고정층 및 자유층 모두에 CoFeZr을 사용하여 자기 저항비 및 열적 안정성을 향상시킨 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 고진공의 초박막 증착 기술과 표면 처리 기술의 급속한 발달로 인해 스핀간의 교환 상호 작용 거리인 수 nm 두께에서 자성 박막을 정밀하게 성장시키고, 소자를 제작하는 것이 가능해졌다. 그에 따라, 벌크(bulk) 형태의 자성 물질에서는 관찰할 수 없었던 여러 현상들이 발견되었고 이를 가전 제품 및 산업 부품 등에 응용하는 단계에 이르렀다.
초고밀도의 정보 저장 장치에 정보를 기록하는 자기 기록용 헤드, MRAM(Magnetic Random Acess Memory : 자기 메모리) 등이 대표적이다. 자기 저항 소자는 자기 에너지에 의해 저항이 변하는 원리를 이용한 소자로서, 최근 GMR(Giant Magneto Resistance : 거대 자기 저항) 소자 또는 TMR(Tunnel Magneto Resistance : 투과 자기 저항) 소자 등이 널리 사용되고 있다. 거대 자기 저항 현상은 전자가 자성층을 통과할 때, 두 자성층의 자화 배열에 따라 저항값이 변화하는 것을 응용한 것으로, 이는 스핀 의존 산란(spin dependent)로 설명 가능하다. 또한, 투과 자기 저항 현상은 두 자성층 사이에 절연체가 존재하는 구조에서 강자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 터널링 전류가 달라지는 현상을 의미한다.
거대 자기 저항 소자의 일반적인 형태를 도 1에 도시하였다. 통상 GMR 소자는 스핀 밸브형 자기 저항 소자가 널리 사용되고 있다. 그 구조도 여러 가지가 있 으나, 여기서는 가장 기본적인 구조에 대해서 설명한다.
도 1을 참조하면, 스핀 밸브형 자기 저항 소자는 기판(미도시)과 같은 하부 구조체 상에 반강자성층, 제 1강자성층, 스페이서층과 제 2강자성층이 순차적으로 형성된 구조를 가진다.
반강자성층은 주로, Mn을 포함하는 합금으로 이루어진다. 예컨대 IrMn합금, FeMn합금, NiMn합금 등에 형성되며, 제 1강자성층의 자화 방향을 고정시키는 역할을 한다. 제 1강자성층은 통상 NiFe 또는 CoFe합금 등의 강자성체에 의해 형성되며, 반강자성층에 의해 그 자화 방향이 변하지 않고 고정되므로 고정층이라 한다. 스페이서층은 Cu 등의 비자성체로 형성되며, 제 1강자성층을 제 2강자성층과 분리시킨다. 제 2강자성층은 제 1강자성층과 마찬가지로, NiFe 또는 CoFe합금 등의 강자성체로 형성되며 인가되는 자장에 의해 그 자화 방향이 변화될 수 있어 자유층이라 한다. 여기서, 여기서, 상기 반강자성층, 제 1강자성층, 스페이서층 및 상기 제 2강자성층과 함께, 자기 저항 헤드의 센서부 또는 메모리 소자의 데이타 저장부의 역할을 하게 된다.
도 1에 나타낸 구조의 거대 자기 저항 소자의 동작에 대해 살펴보면 다음과 같다. 고정층은 반강자성층에 의해 그 자기 정렬 방향이 고정되며, 자유층은 그 자기 정렬 방향이 외부의 영향(외부 자장의 인가)으로 전환된다. 고정층과 자유층의 자기 정렬 방향이 반대인 경우 고정층과 자유층에 전류를 인가하면 높은 자기 저항으로 인해 적은 전류가 터널 장벽층을 통과하여 흐른다. 역으로 고정층과 자유층의 자기 정렬 방향이 동일하면 자기 저항이 낮아 터널 장벽층을 통해 많은 전류가 흐 른다. 여기서 자기 저항 비(Magnetoresistive Ratio; MR 비)는 하기 수학식 1에 의해 계산된다.
MR비가 높으면 고정층과 자유층의 스핀 방향을 판별하기가 용이하여 MRAM과 같은 비휘발성 메모리 소자의 데이타 기록 및 재생 성능이 우수한 자기 저항 소자를 제조할 수 있다. 따라서, 자기 저항 소자의 사용 시에 자기 저항비(MR비; 최소자기저항에 대한 자기저항 변화량) 및 교환결합력(Hex; 반강자성층이 제 1강자성층의 자화 방향을 고정시키는 힘)이 안정되게 유지되어야 한다. 이를 위하여 고정층과 자유층에 사용할 수 있는 균질한 표현 형상을 지니며 MR 비가 높은 자성체 물질이 요구된다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 표면 정밀도가 높으며, 자기적으로 안정된 특성을 지닌 물질을 자유층 및 고정층으로 사용한 거대 자기저항 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 반강자성층, 고정층, 스페이서층 및 자유층을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 있어서,
상기 자유층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 스페이서층 상에 형성시키는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법. CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 자유층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 스페이서층 상에 형성시키는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법. CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법을 제공한다.
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본 발명에 있어서, 상기 고정층은 상기 반강자성층 상에 CoFeZr을 포함하는 물질을 도포하여 형성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 반강자성층, 고정층, 스페이서층 및 자유층을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 있어서,
상기 고정층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 반강자성층 상에 형성시키는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 고정층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 반강자성층 상에 형성시키는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1내지 제 3실시예에 따른 거대 자기 저항 소자의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 기판(미도시) 상에 반강자성층이 형성되어 있으며, 반강자성층 상에 고정층, 스페이서층 및 CoFeZr 자유층이 순차적으로 형성되어 있다. 반강자성층은 통상 사용되는 물질을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대 IrMn합금, FeMn합금, NiMn합금 등 Mn을 포함하는 합금으로 형성된다. 선택적으로, NiFe 및 IrMn 등을 다층 구조로 형성시켜 사용할 수 있다. 반강자성층 상에는 강자성 물질로 형성된 고정층이 형성되어 있다. 고정층은 반강자성층에 의해 스핀 배열, 즉 자화 방향이 일정하게 고정된 층으로 통상 NiFe 또는 CoFe로 형성된다. 고정층 상에는 스페이서층이 형성되어 있다. 스페이서층은 비자성 물질로 형성되며, 예를 들어, Cu 또는 Ag 등을 사용한다.
스페이서층 상에는 CoFeZr 자유층이 형성되어 있다. 본 발명의 제 1실시예에 의한 거대 자기 저항 소자는 자유층이 CoFeZr로 형성된 것을 특징으로 한다. 자기 저항 소자는 자유층의 스위칭 거동이 잘 일어날 수록 좋은 특성을 지닌다. Zr을 CoFe에 부가하여 비정질 특성을 나타내며, 보자력이 감소하여 sensitive한 스위칭 거동을 나타낸다.
도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 의한 거대 자기 저항 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 기판(미도시) 상에 반강자성층이 형성되어 있으며, 반강자성층 상에 CoFeZr 고정층, 스페이서층 및 자유층이 순차적으로 형성되어 있다. 반강자성층, 스페이서층 및 자유층은 통상 사용되는 물질을 제한 없이 사용할 수 있다.
CoFeZr을 고정층으로 사용하는 경우, 그 상부에 형성되는 스페이서층과 자유층 등의 구조적 안정성을 도모할 수 있다. 상세히 설명하면, 거대 자기 저항 소자를 사용하는 경우, 그 동작시의 안정성을 확보하기 위하여 열적 안정성과 구조적 안정성이 보장되어야 한다. 열적 안정성을 확보하기 위해서는 고온에서 동작 시 원하는 자화 방향의 전환을 가져와야 하며, 구조적 안정성을 확보하기 위해서는 소자를 형성시키는 경우, 원하는 표면 정밀도를 지녀 그 상부에 형성되는 다층 구조가 안정적으로 형성되어야 한다. CoFeZr을 고정층으로 사용하는 경우, CoFeZr의 표면 정밀도가 우수하여 그 상부의 스페이서층과 자유층 등의 안정적인 성장을 도모할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 제 3실시예에 의한 거대 자기 저항 소자를 나타낸 도면이다. 도 2c를 참조하면, 기판(미도시) 상에 반강자성층이 형성되어 있으며, 반강자성층 상에 CoFeZr 고정층, 스페이서층 및 CoFeZr 자유층이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 반강자성층, 스페이서층은 종래 사용되는 물질을 이용할 수 있으며, 제한은 없다. 상기 도 2a 및 도 2b에서는 각각 자유층 및 고정층에 CoFeZr을 사용하였으나, 여기서는 자유층과 고정층 모두에 CoFeZr을 사용한 것을 특징으로 한다. 자유층과 고정층 모두에 CoFeZr을 사용하게되면, 거대 자기 저항 소자의 구조적 안정성과 자유층의 스위칭 거동이 용이한 특성을 모두 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자의 제조 방법을 간략하게 나타낸 순서도이다.
먼저, 기판을 마련하고 기판 상에 스퍼터링 장비 등에 의해 반강자성 물질을 증착시킨다. 반강자성 물질은 통상 사용되는 것을 타겟으로 제작하여 증착에 이용할 수 있으며, 예를 들어 IrMn 등을 사용할 수 있다.(101 단계)
다음으로, 반강자성층 상에 고정층을 증착시킨다.(103 단계) 상기 도 2a 내지 도 2c에서는 고정층과 자유층에 선택적으로 CoFeZe을 형성시킨 것을 나타내었다. 여기서, 제 2실시예 및 제 3실시예에서 나타낸 바와 같이 고정층에 CoFeZr을 형성시키는 과정을 설명하면 다음과 같다. 마그네트론 스퍼터를 이용하는 경우, 초기 진공도는 10-7Torr 이하의 진공도를 유지하며, Ar과 같은 플라즈마 발생용 가스를 주입하여 약 10-3 내지 10-2Torr 정도에서 공정을 진행한다. CoFeZr은 CoFe 합금 타겟에 Zr의 칩을 부착하여 스퍼터링을 실시함으로써 반강자성층 상에 고정층을 형성시킬 수 있다. 또한, Co, Fe 및 Zr 각각 별개의 타겟을 스퍼터의 챔버 내에 장착시키고 Co-sputtering을 실시함으로써 합금 형태로 증착시킬 수 있다.
다음으로, 상기 고정층 상에 스페이서층을 형성시킨다.(105 단계) 상술한 바와 같이 터널 장벽층은 비자성 물질로 형성되며 예를 들어, Cu 또는 Ag 등을 사용할 수 있다.
다음으로 상기 스페이서층 상에 자유층을 형성시킨다.(107 단계) 상기 도 2a 및 상기 도 2c에서 자유층을 CoFeZr로 형성시킨 실시예를 나타내었으며, 이 경우에도 상술한 고정층의 증착 방법에 관한 103 단계의 제조 방법이 그대로 적용될 수 있다. 즉, CoFe 합금 타겟에 Zr의 칩을 부착하여 스퍼터링을 실시함으로써 스페이서층 상에 자유층을 형성시킬 수 있다. 그리고, Co, Fe 및 Zr 각각 별개의 타겟을 스퍼터의 챔버 내에 장착시키고 Co-sputtering을 실시함으로써 증착시킬 수 있다.
마지막으로 열처리를 실시하여(109 단계) 자유층 등의 표면 조도를 감소시키고 소자를 활성화시켜 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자를 완성한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 거대 자기 저항 소자의 특성에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4는 상기 도 2c에 나타낸 본 발명의 제 3실시예에 의한 거대 자기 저항 소자에 대해 Zr의 at%에 따른 저항 값(ρ, Δρ), MR 비 및 교환 결합력(Hex) 값을 나타낸 그래프이다. 측정 대상 시편은 Ta 5nm/IrMn 7.5nm/CoFeZr 3nm/Cu 2.5nm/CoFeZr 3nm/Ta 5nm의 구조를 지닌 것이며, 여기서 Ta은 거대 자기 저항 소자의 하지층 및 상지층으로 사용된 것이다. 시편 제작 후 섭씨 약 300도에서 시간(min)에 따른 특성 값을 측정한 것을 그래프로 나타내었다. CoFe에 대한 Zr의 분율 (at%)는 17.84at%의 시편에 대해 조사하였다.
도 4를 참조하면, Zr 17.84 at%의 분율을 지닌 CoFeZr을 자유층과 고정층에 사용한 자기 저항 소자의 MR 비와 그 교환 결합력은 온도 변화에 따른 CoFe를 자유층과 고정층에 사용한 종래 기술에 의한 자기 저항 소자와 비슷한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나, 저항 값(ρ, Δρ)의 경우에는 종래 기술에 의한 CoFe를 자유층과 고정층에 사용한 자기 저항 소자에 비해 증가한 것을 알 수 있다. 따라서, 비슷한 MR 비를 나타내면서, 전류가 세는 shunting 효과를 유용하게 방지하여 전기적으로 안정된 결과를 나타냄을 알 수 있다.
도 5a는 도 2a에 나타낸 본원의 제 1실시예 구조의 거대 자기 저항 소자에 대한 MR 비를 측정한 그래프를 나타낸 것이다. 측정 대상 시편은 Ta 2nm/IrMn 7.5nm/CoFe 2.5nm/Cu 2.5nm/CoFeZr 3nm/Ta 5nm이며, 자유층에서의 Zr 분율은 17.84at%이다. 8.7%의 높은 MR 비를 나타내었으며, 방향에 따른 교환 결합력들도 높게 나타난 것을 알 수 있다.
도 5b는 도 2b에 나타낸 본원의 제 2실시예 구조의 거대 자기 저항 소자에 대한 MR 비를 측정한 그래프를 나타낸 것이다. 측정 대상 시편은 Ta 2nm/IrMn 7.5nm/CoFeZr 3nm/Cu 2.5nm/CoFe 3nm/Ta 5nm이며, 고정층에서의 Zr 분율은 17.84at%이다. 여기서도 8.3%의 만족스런 MR 비를 나타내었으며, 방향에 따른 교환 결합력, 특히 Hin과 Hc
p등이 높게 나타난 것을 알 수 있다.
도 5c는 도 2c에 나타낸 본원의 제 3실시예 구조의 거대 자기 저항 소자에 대한 MR 비를 측정한 그래프를 나타낸 것이다. 측정 대상 시편은 Ta 2nm/IrMn 7.5nm/CoFeZr 3nm/Cu 2.5nm/CoFeZr 3nm/Ta 5nm이며, 고정층에서의 Zr 분율은 20.06at%이다. 측정 결과 8.9%의 만족스런 MR 비를 나타낸 것을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 CoFe에 부가되는 Zr의 at%를 조절하여 형성한 시편의 표면을 TEM(tunneling electron microscopy)으로 찍은 사진을 나타낸 도면이다.
도 6a는 종래의 고정층 또는 자유층에 사용되는 CoFe 사진으로 그 표면의 결정립들의 크기가 크며 표면 정밀도가 낮은 것을 알 수 있다. 도 6b 내지 도 6e는 CoFe에 Zr을 각각 11.06, 17.84, 20.06 및 28.71 at% 첨가하는 것으로 Zr의 첨가비가 증가할 수록 표면 비정질 상태가 점차 증가하여 표면이 조밀해 짐을 알 수 있다. 이와 같은 TEM 사진에 의해서도 Zr이 CoFe에 부가됨으로써 표면 비정질 상태가 진행되면 표면 정밀도가 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 상기 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 거대 자기 저항 소자의 구조는 가장 간단한 스핀 밸스 구조를 도시한 것으로, 부가적으로 버퍼층 등의 중간층을 더 포함하는 거대 자기 저항 소자를 형성시키는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 거대 자기 저항 소자의 고정층 또는 자유층을 선택적으로 CoFeZr로 형성시키거나, 고정층과 자유층 모두를 CoFeZr로 형성시킴으로써 구조적으로 안정된 표면 정밀도를 지니며, 열적으로 안정적이며 sensitive 한 스핀 배열 및 스위칭 거동을 지닌 거대 자기 저항 소자를 제공할 수 있다.
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- 반강자성층, 고정층, 스페이서층 및 자유층을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 있어서,상기 자유층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 스페이서층 상에 형성시키는 것을 특징으로 하는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 제 8항에 있어서,상기 스페이서층은 Cu 또는 Ag 중 적어도 어느 한 물질이 포함되도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 고정층은 상기 반강자성층 상에 CoFeZr을 포함하는 물질을 도포하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법.
- 반강자성층, 고정층, 스페이서층 및 자유층을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법에 있어서,상기 고정층은 CoFe 타겟에 Zr 칩을 부착하여 하나의 타겟을 사용하거나, Co, Fe 및 Zr을 각각 별개의 타겟으로 사용하여 스퍼터링에 의해 상기 반강자성층 상에 형성시키는 것을 특징으로 하는 CoFeZr을 포함하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 제 12항에 있어서,상기 스페이서층은 Cu 또는 Ag 중 적어도 어느 한 물질을 포함하도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 거대 자기 저항 소자의 제조 방법.
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