KR100922247B1 - 자기저항효과소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

자화 고착층, 비자성 중간층, 및 자화 자유층이 순차적으로 적층되어 있는 자기저항효과소자를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은, 상기 자화 고착층과 상기 자화 자유층 중 어느 하나가 될 자성층의 적어도 일부를 형성하는 단계와; 상기 자성층의 일부 상에 산화물, 질화물, 및 불화물(fluoride) 중 적어도 하나를 포함하는 기능층을 형성하는 단계와; 상기 기능층을 이온빔과 플라스마 조사 중 어느 하나에 노출시킴으로써 상기 기능층의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
자기저항효과소자, CIP-GMR(Current-In-Plane-Giant-Magnetoresistance), TMR(Tunneling Magnetoresistance), CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)-GMR, 하프 메탈(half metal)

Description

자기저항효과소자의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING MAGNETORESISTANCE EFFECT ELEMENT}
[종래기술문헌 1] : "Phys. Rev. B45, 806(1992), J. Appl. Phys. 69, 4774 (1981)"
[종래기술문헌 2] : "J. Appl. Phys. 89, 6943(2001), IEEE Trans. Magn. 38, 2277 (2002)"
본 명세서는 2006년 2월 9일에 출원된 일본 특허 출원 2006-032261호에 포함된 주제에 관한 것으로, 그 특허 출원의 전체 내용이 본 명세서에 참고로 통합된다.
본 발명은 자기저항효과 막의 막 면에 대하여 수직 방향으로 센스 전류를 흐르게 하는 구조를 갖는 자기저항효과소자를 제조하는 방법과 아울러, 자기저항효과소자, 자기저항효과 헤드, 자기 기록/재생 장치, 및 자기 기억 장치에 관한 것이다.
[강자성층/비자성층/강자성층]의 샌드위치 구조의 다층 막의 면을 통하여 전류가 흐르게 함으로써 얻어지는 CIP-GMR(Current-In-Plane-Giant- Magnetoresistance)에 관하여 강자성층이 반강자성 결합을 겪지 않은 경우에도, 큰 자기저항효과가 나타나는 예가 지금까지 보고되어 있다. 구체적으로는, 비자성층을 사이에 둔 2개의 강자성층들 중 하나에 교번 바이어스 자장(alternating bias magnetic field)이 인가됨으로써 자화가 고정된다(그 층은 "자화 고착층(magnetization fixed layer)" 또는 "핀층(pin layer)"으로 불린다). 나머지 강자성층은 외부 자장(신호 자장 등)에 의해 반대로 자화된다("자화 자유층(magnetization free layer)" 또는 "자유층"으로 불린다). 따라서, 비자성층을 사이에 두고 배치된 2개의 강자성층들의 자화 방향들 간의 상대적인 각도가 변화됨으로써, 큰 자기저항효과가 달성된다. 그러한 타입의 다층은 "스핀 밸브(spin valve)"로 불린다. 상세에 대해서는 종래기술문헌 1을 참조하자.
스핀 밸브는 낮은 자장 강도에서 자화를 포화시킬 수 있으므로, 스핀 밸브는 MR 헤드로서 사용하기에 적합하다. MR 헤드는 이미 실용화되어 있지만, 현 상황에서는 MR 헤드의 자기저항의 변화율이 최대 약 20%에 머무르고 있다. 보다 높은 자기저항의 변화율(이하에서는 "MR 비"라 함)을 나타내는 MR 소자가 요구되고 있다.
그러한 MR 소자의 후보로서 터널 효과를 이용한 TMR(Tunneling MagnetoResistance)이 거론되고 있다. 그러나, 그러한 효과는 전자들이 절연층을 터널링한 결과로서 발현된다. 따라서, TMR 소자는 통상적으로 높은 저항을 갖는다. MR 헤드가 높은 저항을 가지면, 하드 디스크 드라이브에 포함된 자기 헤드가 큰 노이즈를 발생시키는 문제가 생긴다. 저항을 감소시키기 위해서는, 배리어(barrier) 층의 두께가 감소되어야 한다. 그러나, 배리어층이 얇아지면, 균일한 MR 헤드가 제조될 수 없어, 핀 홀들(pin holes)에 의해 MR 비가 저하된다는 것이 알려져 있다. TMR 소자에 관하여, 낮은 저항과 높은 MR 비 간의 양립을 달성하는 데 어려움이 있다. TMR에서는, 막 면에 대하여 수직 방향으로 전류가 흐르게 되므로, 하드 디스크의 기록 밀도가 증가된다. TMR 헤드의 사이즈가 감소되면, 저항이 더욱 증가되어, 그 헤드를 사용하기가 곤란하게 된다.
이에 대하여, 소자의 막 면에 대하여 수직 방향으로 센스 전류가 흐르게 되는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)-GMR 소자가 후보로서 거론되고 있다. GMR 소자에서는, 전자들이 금속을 통하여 전도하여 발현한다. 따라서, GMR 소자는 낮은 저항의 이점을 갖는다. 그러나, 스핀 밸브 막의 경우, 전류의 수직 도통에 대한 저항이 작다. 따라서, 스핀 의존 전도에 기여하는 막 내의 영역의 저항 값을 증가시킴으로써 저항의 변화량을 증가시키는 것이 대단히 중요하다.
저항의 변화량을 증가시키기 위하여, 즉, 자기저항효과를 향상시키기 위하여, 스핀 밸브의 막 내에 절연체를 포함하는 저항 조절층을 삽입하는 기법이 고안되어 있다. 상세에 대해서는 종래기술문헌 2를 참조하자.
스핀 밸브는 전자들을 스핀 의존 산란시키는 영역(자화 고착층/스페이서 층/자화 자유층)과, 스핀 의존 산란의 정도가 낮은 영역(그라운드 층, 반강자성층, 보호층 등)으로 형성된다. 전자의 영역의 저항은 Rsd로 하고, 후자의 영역의 저항은 Rsi로 하면, 스핀 밸브의 자기저항효과는 ΔRsd/(Rsi+Rsd)로 표현될 수 있다. Rsd가 Rsi보다 더 클수록 자기저항효과가 더 커지는 자기저항효과 향상 현상에 착안한 결과로, 상술한 바와 같이 절연체를 포함하는 저항 조절층이 삽입된다.
그러나, 전류 제한 효과만으로 달성되는 자기저항효과의 향상은 한계가 있다. 자기저항효과를 더욱 향상시키기 위해서는, 자화 고착층의 스핀 의존 산란 인자들과 자화 자유층의 스핀 의존 산란 인자들을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 하프 메탈(half metal)에 대한 연구가 활발해졌다. 여기서, "하프 메탈"이라는 표현은 페르미 레벨 근방의 전자들의 상태를 봤을 때 업스핀(up-spin) 전자들 또는 다운스핀(down-spin) 전자들 중의 어느 한쪽만의 상태 밀도를 갖는 자성 재료로서 일반적으로 정의된다. 이상적인 하프 메탈이 실현될 수 있는 경우에는, 2개의 상태가 실현될 수 있다. 즉, 자화 고착층의 자화 상태와 자화 자유층의 자화 상태가 서로 반평행인 경우와 그것들이 서로 평행인 경우에, 저항이 무한대인 상태와 저항이 낮은 또 하나의 상태의 2개의 상태가 실현될 수 있다. 따라서, 무한대의 MR 변화율이 달성될 수 있다. 실제로는, 이렇게까지 이상적인 상태가 실현될 수 없다 하더라도, 업스핀 전자들의 상태 밀도와 다운스핀 전자들의 상태 밀도 간의 차이가 종래의 재료에서 달성된 것보다 크면, 크기의 자리수가 다른 현저한 MR 비의 증가가 기대된다. 그러나, 하프 메탈은 상용화를 저해하는 큰 문제점들이 있다. 구체적인 문제점들은 다음과 같다. (1) 페로브스카이트계(perovskite-based) 하프 메탈의 경우, 결정성의 향상이 필수적이다. 그러나, 자기 헤드에서 이용되는 다결정막의 경우에는, 결정성의 향상이 본질적으로 불가능하다. (2) 일반적으로, 하프 메탈 특성이 유지될 수 있는 온도가 낮고, 실온에서는 하프 메탈이 거의 발현 하지 않는다. (3) 자화 고착층과 자화 자유층 사이에 삽입되는 스페이서 층을 구성하는 상이한 재료들 간의 계면에서 하프 메탈 특성이 소실할 가능성이 있다. 이들 중에서도, (3)의 문제점이 치명적이다. 실온에서 완벽한 하프 메탈이 제조될 수 있다 하더라도, 스페이서 층의 형성 중에 하프 메탈을 적층함으로써 TMR 막 또는 CPP-GMR 막이 형성될 때 하프 메탈의 특성이 유효하게 이용될 수 없다.
부수적으로, 자기저항효과소자의 관점으로부터는, 완벽한 하프 메탈은 요구되지 않는다. 본질적인 필요 조건은 센스 전류를 통하여 전도하는 전자들에서의 스핀 편극율의 향상이다. 즉, 전도에 기여하는 페르미 레벨의 전자들의 스핀 편극율이다. 제안된 기법은 스핀 편극율에 착안하여 밴드 구조를 변조하기 위한 기능층을 자화 고착층과 자화 자유층에 삽입하는 것이다.
이 기법에 따르면, 기능층은 매우 얇은 산화층 등으로 형성된다. 이 수단은 금속으로 형성된 자화 고착층 또는 자화 자유층에 극도로 얇은 산화층이 삽입될 때, 그 계면 부근에서 스핀이 편극된다고 하는 시사에 기초하고 있다. 산화층이 두꺼워지면, 소자의 저항이 증가되고, 종래의 TMR 소자의 경우에서와 같이 소자에 노이즈와 같은 악영향이 가해진다. 따라서, 산화층을 1 원자 정도의 매우 얇은 층으로 형성함으로써 저저항화의 도모를 가능케 한다.
그러나, 일반적으로, 도 11에 도시된 바와 같이 기능층이 1 원자층 정도의 두께로 형성되면, 기능층은 섬 형상으로 되거나, 복수의 핀 홀들이 열린다. 따라서, 균일한 기능층을 형성하는 것이 곤란하다. 기능층에 홀들이 열려 있으면, 그 홀들을 통과한 전자들에 의해 야기된 전류가 션트 전류로 되고, 그에 따라 큰 스핀 의존 산란을 얻을 수 없게 된다. 그 결과, 스핀 필터링 효과가 감소된다. 따라서, 기능층은 매우 얇고 균일해야 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 자화 고착층, 비자성 중간층, 및 자화 자유층이 순차적으로 적층되어 있는 자기저항효과소자를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 자화 고착층과 상기 자화 자유층 중 어느 하나가 될 자성층의 적어도 일부를 형성하는 단계와; 상기 자성층의 일부 상에 산화물, 질화물, 및 불화물(fluoride) 중 적어도 하나를 포함하는 기능층을 형성하는 단계와; 상기 기능층을 이온빔과 플라스마 조사 중 어느 하나에 노출시킴으로써 상기 기능층의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 자화 고착층, 비자성 절연 중간층, 및 자화 자유층이 순차적으로 적층되어 있는 자기저항효과소자를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 산화물, 질화물, 및 불화물 중 하나에 의해 상기 비자성 절연 중간층을 형성하는 단계와; 상기 비자성 절연 중간층을 이온빔과 플라스마 조사 중 어느 하나에 노출시킴으로써 상기 비자성 절연 중간층의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
자기저항 효과 소자를 제조하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 자기저항의 큰 변화량, 높은 신뢰도, 및 높은 자기적 안정성을 보이는 자기저항 효과 소자가 제공될 수 있다. 따라서, 매우 민감한 자기 검출이 안정적으로 성취된다. 높은 기록 밀도 및 높은 출력에서도 높은 신호대 잡음비를 보이는 자기 헤드; 상기 헤드를 장착한 자기 재생 장치; 및 고집적 자기 메모리가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 이하에서 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
(제1 실시예)
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 자기저항효과(magnetoresistance effect)소자에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 자기저항효과소자의 단면도이다.
도 1에 도시된 자기저항효과소자는, 제1 전극(1); 5㎚의 두께를 갖는 Ta 층과 2㎚의 두께를 갖는 Ru 층으로 형성된 기판층(2), 15㎚ 정도의 두께를 가지며 PtMn 재료로 형성된 반강자성층(3); 3 내지 4 ㎚ 정도의 두께를 가지며 Co90Fe10 재료로 형성된 제1 자화 고착층(4-1)과, 약 0.9㎚의 두께를 가지며 Ru 재료로 형성되는 자화 반평행 결합층(4-2)과, 기능층(10-1)이 그 사이에 개재되면서 약 1.5㎚ 두께의 Co90Fe10 층에 본딩된 제2 자화 고착층(4-3)을 포함하는 자화 고착층(4); Cu 재료로 형성되고 3 ㎚ 정도의 두께를 갖는 스페이서층(5); 자화 자유층(6); 제1 보호층(7); 제2 보호층(8); 및 제2 전극(9)을 적층하여 형성되는 구조를 갖는다.
제1 자화 고착층(4-1)의 자화는 인접한 반강자성층(3)에 의해 본질적으로는 한 방향으로 고착된다. 제2 자화 고착층(4-3)의 자화는 자화 반평행 결합층(4-2)을 통해서 제1 자화 고착층에 반평행한 방향으로 고착된다. 자화 자유층(6)은 그 자화가 외부 자계에 따라서 변화할 수 있는 강자성층을 포함한다. 스페이서층(5)은 제2 자화 고착층(4-3)과 자화 자유층(6) 간의 자기적 결합을 차단하는 층이다. 도 1에 도시된 자기저항효과소자에서, 스페이서층(5)은 금속으로만 형성된다.
상기 구성을 갖는 자기저항효과소자는 이하에서 언급하는 대로 제조된다. 먼저, 5㎚의 Ta 층과 2㎚의 Ru층이, 제1 전극(1)이 될, Cu, NiFe, Ta, Ru, CuAg 등과 같은 재료 위에, DC 마그네트론 스퍼터링에 의해서 적층되어 기판층(2)을 형성하게 된다.
반강자성층(3)이 될 PtMn이, 기판층(2)이 형성되었던 분위기를 깨뜨리지 않고, DC 마그네트론 스퍼터링에 의해서 기판층(2) 위에 15㎚의 두께로 형성된다. 반강자성층(3)의 형성 후에, Co90Fe10 이 반강자성층(3) 위에 3 내지 4㎚의 두께로 적층되어 제1 자화 고착층(4-1)을 형성하게 된다. Ru가 0.9㎚의 두께로 적층된 결과, 자화 반평행 결합층(4-2)이 형성된다. 다음 순서로, 적층 구성원인, 즉 제2 자화 고착층(4-3)인 Co90Fe10 이 1.5㎚의 두께로 적층된다. 제2 자화 고착층(4-3)을 형성하는 동안에, 기능층(10-1)이 도 2a 내지 도 2e에 도시된 프로세스에 의해서 제2 자화 고착층(4-3) 내에 형성된다.
특정하게는, 상기 프로세스는 이하와 같다. 먼저, Fe가 피산화층이 될 제2 자화 고착층(4-3)의 일부로서 1㎚의 두께로 성장된다. 여기서, '제2 자화 고착층(4-3)의 일부' 라는 용어는 기능층(10)이 그 사이에 개재되어 상부 및 하부 영역으로 나뉘는 제2 자화 고착층의 하부 절반을 의미한다.
제2 자화 고착층(4-3)의 일부인 Fe의 표면을 자연 산화, 이온빔 산화(IAO:Ion Assisted Oxidation), 또는 플라즈마 산화를 겪게 하여, 기능층(10-1)이 Fe의 표면 위에서 약 1.5㎚ 에서 3㎚의 두께로 성장하도록 야기한다. 여기서, IAO는 산소를 Ar 이온빔에 노출시키면서 산소를 챔버 내로 도입하여 산화를 일으키기 위한 프로세스이다. 상세 내용으로는, 이하의 관련 문헌 3을 참조하라.
관련 문헌 3: "J. Appl. Phys. 91,6684(2002)."
이온빔은 통상의 밀링(milling) 요구 조건에 따라 채택되는 것보다 매우 약하고, 빔 전압은 100V 또는 그 이하로 설정된다. 이런 요구 조건 하에서 Fe를 산소 없이 이온빔에 노출하였을 때 획득되는 에칭 레이트는 0.1 내지 3 옹스트롬/분 정도의 값을 갖는다.
자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화에 관한 프로세스 요구 조건은 도 12에 도시된 표1에서 제공되었다.
표1에서, 참조 부호 REF는, 참조될 샘플로서, 어떤 기능층도 갖지 않은 스핀 밸브 구조의 프로세스를 표시한다. 참조 부호 A-1 내지 A-4는 기능층을 준비하는 관련 프로세스에 대한 프로세스 조건을 표시한다. 참조 부호 B-1 내지 B-4는 본 발명의 기능층을 준비하는 프로세스에 대한 프로세스 조건들을 표시한다.
기능층을 준비하는 종래의 프로세서에 관한 프로세스 조건과 기능층을 준비하는 본 발명의 프로세스에 관한 프로세스 조건 간의 차이는, AIT(After Ion Treatment), 즉 약한 이온빔의 조사가, 산화물 박막이 자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화 중의 임의의 것에 의해 형성될 때, 수행된다는 점에 있다. AIT는 매우 약 한 밀링에 의해 Fe50Co50-O 로부터 박막을 형성하기 위한 것이다. 이전에 기술된 IAO의 경우에서처럼, 매우 약한 이온 빔 조건이 본 경우에 요구된다. 예를 들어, AIT 가, 수십 나노미터 정도의 두께를 갖는 후막이 밀링에 의해 제거될 경우에 채택되는, 200V 또는 그 이상의 빔 전압과 100㎃ 또는 그 이상의 빔 전류라는 조건 하에서 수행될 때, 도 11에 도시된 대로 균일한 기능층(10)이 준비될 수 없다. 처리(treat)된 막 표면은 거칠거칠하게 되고, 이는 감지 전자 전류(17)가 기능층(10)을 통해서 부분적으로만 흐르게 되기 때문에 MR 비를 감소시키는 결과를 낳는다. 본 발명의 AIT 는 기능층이 섬 형상으로 형성되거나 또는 다수의 핀 홀이 기능층 내에 형성되는 결과를 낳지 않는다. 기능층(10)이 될 산화물 막은 도 3에 도시된 대로 균일한 두께를 갖는 박막이 되도록 형성될 수 있다. 그 결과, 전류(17)의 전체가 기능층(10)을 통해서 흐를 수 있어서 높은 MR비가 획득될 수 있다.
기능층(10)이 이상의 프로세스에 의해 형성된 후에, 제2 자화 고착층(4-3)의 상부 절반을 형성하게 되는 Co90Fe10 이 형성되어 제2 자화 고착층(4-3)을 완성시키게 된다. 다음으로, Cu 재료로 만들어진 스페이서층(5)이 제2 자화 고착층(4-3) 위에 3㎚의 두께로 형성된다.
스페이서층(5)의 형성 후에, 자화 자유층(6)이 형성된다 제2 자화 고착층(4-3)의 경우와 같이, 자화 자유층(6)은 기능층(10-2)를 포함할 수 있다. 이번에 채택되는 제조 프로세스도 제2 자화 고착층(4-3)을 제조하는 프로세스와 본질적으로 동일하기 때문에 그 설명은 생략된다.
자화 자유층(6)의 형성 후에, Cu 재료로 형성된 제1 보호층과 Ru 재료로 형성된 제2 보호층(8)이, DC 바이어스를 이용한 마그네트론 스퍼터링에 의해서 진공 하에 계속 있으면서, 형성된다.
최종적으로, Cu, NiFe, Ta, Ru, CuAg 등과 같은 재료가 제2 보호층(8)의 표면 위에서 성장하도록 야기되어, 제2 전극(9)을 형성하게 된다. 이상 언급한 프로세스를 통해서, 자기저항효과소자가 완성된다.
본 실시예에서, 기능층(10)은 Fe의 산화물로서 취해진다. 그러나, 기능층(10)은 이 재료에만 국한되지 않는다. 기능층(10)에 대한 본질적인 요구 조건은, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 함유하는 금속 또는 합금을 산화하거나, 질화시키거나, 불화(fluorinate)시켜서 형성된 산화물, 질화물, 또는 불화물이어야 한다는 점이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 자기저항효과소자와 종래의 제조 방법으로 제조된 자기저항효과소자의 속성들 간의 차이가 표1을 참조하여 설명될 것이다.
표1을 보면, 기능층(10)이 종래 기술 프로세스에 따라서 형성된 A-1, A-2, A-3 및 A-4에서, MR비는 기능층이 형성되지 않은 샘플 REF와 비교하여 증가된다. 그러나, 상당한 정도의 증가가 발견되지는 않았다. 대조적으로, 기능층이 본 발명의 프로세스에 따라 형성된 때의 샘플들인 B-1, B-2, B-3 및 B-4에서는, 본 발명의 프로세스를 따라 준비된 샘플들에 대응하여, MR비가 10 팩터(factor) 정도 증가된 다. 따라서, 본 발명의 샘플들의 유리한 점이 주목할만하다. 그 이유는 도 3에 도시된 것과 같은 균일한 기능층이, 샘플들 A-1, A-2, A-3 및 A-4 의 기능층들이 도 11에 도시된 섬 형상으로 형성되는 것과는 대조적으로, 샘플들 B-1, B-2, B-3 및 B-4 내에 형성되기 때문이다.
도 6a는 본 발명의 프로세스를 통해서 준비된 기능층들(10-1, 10-2) 근방에서의 에어리어의 단면 TEM(Transmission electron microscope) 이미지이다. 도해된 샘플들에서, 기능층들(10-1, 10-2)은 산화물 층들이고, 따라서 주변 에어리어들의 것보다 더 백색의 콘트라스트가 획득된다. 백색 콘트라스트에 의해서, 기능층들이 균일한지 또는 조각난 섬 형상을 갖는지에 대한 판정이 이뤄질 수 있다. 도 6a에 도시된 대로, 샘플이 전자선 투과 방향으로 가능한 한 얇게 슬라이스(slice)된다 하더라도, 본질적으로 곧게 뻗은 기능층들(10-1, 10-2)은 어떤 비연속성도 없고, 매우 얇다. 한편, 도 6b는 종래 기술의 프로세스를 통해서 준비된 기능층들(10-1, 10-2)의 에어리어의 단면 TEM 이미지이다. 도 6a와는 대조적으로, 기능층들(10-1, 10-2)은 비연속성을 갖는 것으로 단정할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서, 기능층들(10-1, 10-2)은 백색을 띠고 그외의 부분들로부터 뚜렷하게 구별될 수 있다. 기능층들을 구별하기 힘들 때는, 그 크기가 1 ㎚ 정도로 좁혀진 빔을 채택한 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrosopy)에 의해서 기능층들이 식별될 수 있다. 이 경우에, 막의 성장 방향을 따라 0.5 ㎚ 내지 1㎚의 간격으로 측정 포인트들이 제공된다. 기능층들은 측정 포인트들에 대해서 소자의 분포가 그려졌을 때 획득되는, 산소, 질화물, 인광물질(phosphor), 플루오르 등 과 같은 것의 농도 분포의 반값 폭(half-value width)으로부터 계산될 수도 있다.
도 7은 AIT 에 대한 조건이 샘플 B-2에 대해서 변화했을 때에 획득되는 결과를 보여주는데, 이는 본 발명의 전형적 예의 프로세스이다. 프로세싱 시간은 막이 Fe50Co50-O 재료로부터 0.3 ㎚ 의 두께로 형성되도록 조정되고 변화된다. 그 결과로부터 알 수 있는 것처럼, 빈 전압이 110V 를 초과하면 MR 비는 감소한다. 빔 전압이 210V까지 증가될 때, MR 비는 0.3％의 값을 가진다고 이해되는데, 이는 어떤 기능층도 없는 샘플 REF의 경우에 획득된 MR 비보다 낮은 것이다. 이 실험 결과로부터, AIT의 빔 전압은 양호하게는 110V 또는 그 이하가 된다.
RF 플라즈마의 조사는 또는 매우 약한 에너지 조건들을 요구한다. 이 에너지의 적합한 범위는 15W 내지 30W이다. 대조적으로, 기판을 세정하기 위해 사용되는 100W 등의 강한 에너지 조건 하에서는, 막의 표면은 열화되어 MR 비가 감소된다.
(제1 변형예)
도 4는 도 1에 도시된 제1 실시예의 제1 변형예로서, 삼층 구조(복합 구조, synthetic structure)가 아닌 단일 자화 고착층을 갖는 자기저항효과소자를 도시하였다.
도 4에서 본 변형예의 자기저항효과소자는, 제1 전극(1'), 5㎚의 두께를 갖는 Ta층/2㎚의 두께를 갖는 Ru층을 포함하는 기판층(2'), 15㎚ 정도의 두께로 PtMn 재료로 형성되는 반강자성층(3'), Co90Fe10 층으로부터 형성된 자화 고착층(4'), 3㎚ 정도의 두께로 Cu로 형성된 스페이서층(5'), Co90Fe10 층으로 형성된 자화 자유층(6'), 약 1㎚의 두께로 Cu로 형성된 제1 보호층(7'), 약 5㎚의 두께로 Ru로부터 형성된 제2 보호층(8'), 및 제2 전극(9')이 적층된 구조를 갖는다. 기능층(10')은 자화 고착층(4') 내로 삽입된다.
제1 변형예에서도, 제1 실시예에서 획득된 효과와 유사한 효과가 산출된다.
(제2 변형예)
도 5는 도 1에 도시되는 제1 실시예의 제2 변형예로서, 스페이서층을 개재하여, 자화 고착층 및 자화 자유층의 위치가, 도 1에 도시된 제1 실시예의 자화 고착층 및 자화 자유층의 위치와 역으로 되어 있는 자기저항효과소자를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 변형예의 자기저항효과소자는, 제1 전극(1"); 5nm 두께의 Ta층 및 2nm 두께의 Ru층으로 형성된 기판층(2"); 기능층(10-2")을 협지하도록 1.5nm 정도의 Co90Fe10층을 자화층에 부착(affix)함으로써 형성된 자화 자유층(6"); Cu로 형성되고 막 두께가 3nm 정도인 스페이서층(5"); 기능층(10-1")을 협지하도록 1.5nm 정도의 Co90Fe10층을 자화층에 부착함으로써 형성된 제2 자화 고착층(4-3"); Ru로 형성되고 막 두께가 0.9nm 정도인 자화 반평행 결합층(4-2"); Co90Fe10으로 형성되고 막 두께가 3~4nm 정도인 제1 자화 고착층(4-1"); PtMn으로 형성되고 막 두께가 15nm 정도인 반강자성층(3"), Ru로 형성되고 막 두께가 5nm 정도인 보호층(8"), 및 제2 전극(9")을 적층한 구조를 갖는다. 제2 변형예에서도, 제1실시예와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
(제2 실시예)
지금부터, 본 발명의 제2 실시예의 자기저항효과소자의 제조 방법을 설명한다. 제2 실시예는 기능층의 재료가 변경된다는 점에서 제1 실시예와는 다르다. 따라서, 제1 실시예와 제2 실시예간의 명확한 차이점에 대하여 설명하고, 유사한 부분에 대해서는 생략한다.
제1 전극(1)에서 자화 반평행 결합층(4-2)까지를 제1 실시예에서 설명하는 프로세스들을 통해 형성한 후에, 적층 부재이며 제2 자화 고착층(4-3)으로서 역할을 하는 Co90Fe10을 1.5nm로 적층한다. 제2 자화 고착층(4-3)의 형성 과정 중에, 도 2의 (a) 내지 도 2의 (e)에 도시된 바와 같은 프로세스를 통해 기능층(10-1)을 형성한다.
구체적으로는, 프로세스들은 다음과 같다. 먼저, 피산화층으로 되는 제2 자화 고착층(4-3)의 일부로서 Fe50Co50을 1nm 두께로 성장시킨다. 여기서, "제2 자화 고착층(4-3")의 일부"란, 제1 실시예에서도 설명한 바와 같이, 기능층(10-1)을 협지하여 상하로 분단된 제2 자화 고착층의 아래 절반을 의미한다.
재2 자화 고착층(4-3)의 일부인 Fe50Co50의 표면은 자연 산화, 이온 빔 산화(IAO : Ion Assisted Oxidation), 또는 플라즈마 산화 처리되어, Fe50Co50의 표면에 약 1.5nm 내지 3nm 두께의 기능층(10-1)이 성장하게 된다. 여기서, 이온 빔은 통상의 밀링 조건에서 비해서 매우 약해, 빔 전압은 100V 이하로 설정하고 있다. 이 조건에서의 이온 빔을 산소 없이 하여 Co90Fe10에 조사한 경우의 에칭 레이트는 3Å/min 정도이다.
자연 산화, IAO 및 플라즈마 산화에 대한 프로세스 조건은 도 13에 도시된 표 2에 제공된 바와 같다.
표 2에서，참조 기호 REF는 참조용 샘플로서 기능층이 없는 스핀 밸브 구조의 프로세스를 나타내고 있다. C-1∼C-4는, 종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다. D-1∼D-4는 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다.
종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건과의 차이는, 제1 실시예에서와 같이, 자연 산화, IAO 및 플라즈마 산화 중 어느 하나로 형성된 산화막을 박막화 할 때에 AIT(After Ion Treatment)를 행하고 있는 것이다． 이 AIT를 행함으로써, 기능층(10)을, 섬 형상이 되거나, 복수의 핀 홀을 갖지 않고, 일정한 두께를 유지하면서 박막층으로 형성될 수 있다.
기능층(10)을 전술한 프로세스에 의해 형성 한 후, 제2 자화 고착층(4-3)의 위의 절반이 되는 Co90Fe10을 형성하는 프로세스로부터 제2 전극(9)을 형성할 때까지의 프로세스는 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에，설명을 생략한다.
또한， 본 실시예에서는, 기능층(10)을 FeCo의 산화물이라고 하고 있지만, 제1 실시예와 마찬가지로, 이것에 한정되지 않는다. Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au로 이루 어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재를 포함하는 금속 혹은 합금을 산화, 질화, 플루오르화함으로써 얻을 수 있는 산화물, 질화물, 또는 플루오르화물이면 된다.
다음에 본 발명의 제2 실시예의 제조 방법으로 제작한 자기저항효과소자와 종래의 제조 방법으로 제작한 자기저항효과소자와의 특성상의 차이에 대해서 표 2를 이용하여 설명한다. 표 2로부터, 기능층(10)의 모재로서 FeCo 합금을 이용했을 경우에도, 종래의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 C에서는 MR 증가량이 크지는 않았다. 그러나, 본 발명의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 D에서의 MR 증가량은 매우 크다. 이것도, 똑같은 기능층(10)이 그룹 D에서 얻어지기 때문에라고 생각된다.
제2 실시예의 방법에서 자기저항효과소자를 형성한 경우, 조건을 제1 실시예와 동일하게 빔 전압 100V이하, RF 플라즈마로 한 경우에는 RF 파워를 l5W로부터 30W로 한 경우에만, 기능층의 효과를 충분히 활용할 수 있고, 높은 MR를 얻을 수 있다.
또한， 제1 실시예와 제2 실시예의 조성을 포함하는 Co1 - XFex 합금(50≤x≤1O0)을 이용하면, 더욱 고 MR화를 실현할 수 있다．
(제3 실시예)
다음에 본 발명의 제3 실시예인 자기저항효과소자의 제조 방법에 대해서 설명한다. 제3 실시예에서는, 제2 실시예와 같이 제1 실시예의 기능층(10)과는 그 재 료를 변화시키고 있는 점에 있다. 따라서, 제1 실시예와 명확하게 다른 부분에 대해서 설명하고, 같은 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
제1 전극(1)으로부터 자화 반평행 결합층(4-2)까지를 제1 실시예에 기재된 프로세스로 형성한 후, 적층 부재이고 제2 자화 고착층(4-3)인 Co90Fe10을 1.5nm로 적층한다. 이 제2 자화 고착층(4-3)의 형성 과정 중에, 도 2의 (a) 내지 (e)에 도시한 바와 같은 프로세스에 의해 기능층(10-1)을 형성한다.
구체적으로는，다음과 같은 프로세스다. 우선，피산화층이 되는 제2 자화 고착층(4-3)의 일부로서 Ti를 1nm의 두께로 성장시킨다. 여기서 "제2 자화 고착층(4-3)의 일부"란, 제1 실시예에서도 설명한 바와 같이, 기능층(10-1)을 협지하여 상하로 분단된 제2자화 고착층의 아래 절반을 의미한다.
다음으로，상기 제2 자화 고착층(4-3)의 일부인 Ti의 표면을 자연 산화, 혹은 이온 빔 산화(IAO : lon Assisted 0xidation), 혹은 플라즈마 산화함으로써, 이 표면에 막 두께 1.5∼3nm 정도의 기능층(10-1)을 성장시킨다. 이온 빔은 통상의 밀링 조건에 비교해서 매우 약하게, 빔 전압을 I0OV 이하로 설정하고 있다． 이 조건에서의 이온 빔을 산소가 없이 하여 Ti에 조사했을 경우의 에칭 레이트는, 0.1∼3Å/min 정도다.
자연 산화, IAO 및 플라즈마 산화 각각의 프로세스 조건은 표 3에 도시한다.
표 3에서，참조 번호 REF는 참조용 샘플로서 기능층이 없은 스핀 밸브 구조의 프로세스를 나타내고 있다. E-1∼E-4는, 종래의 기능층 작성 프로세스의 프로 세스 조건을 나타내고 있다. F-1∼F-4는 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다.
종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건과의 차이는, 제1 실시예와 같이 자연 산화, IAO 및 플라즈마 산화 중 어느 하나에 의해 형성된 산화막을 박막화 할 때에 AIT(After Ion Treatment)를 행하고 있는 것이다． 이 AIT를 행함으로써, 기능층(10)을, 섬 형상이 되거나, 복수의 핀 홀을 갖지 않고, 균일한 막 두께를 유지하면서 박막화하는 것이 가능하게 된다．
기능층(10)을 전술한 프로세스에 의해 형성 한 후, 제2 자화 고착층(4-3)의 위의 절반이 되는 Co90Fe10을 형성하는 프로세스로부터 제2 전극(9)을 형성할 때 까지의 프로세스는 제1 실시예와 마찬가지이기 때문에，설명을 생략한다.
또한，본 실시예 에서는，기능층(10)을 Ti의 산화물이라고 하고 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt 및 Au로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 혹은 합금을 산화, 질화, 플루오르화함으로써 얻을 수 있는 산화물, 질화물,또는 플루오르화물이면 된다.
본 발명의 제3 실시예의 제조 방법으로 제작한 자기저항효과소자와 종래의 제조 방법으로 제작한 자기저항효과소자와의 특성상의 차이에 대해서 표 3을 이용하여 설명한다. 기능층의 모재로서 Ti를 이용했을 경우에도, 종래의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 E에서는 MR증가량이 크지는 않았다. 그러나, 본 발명의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 F에서의 MR 증가량은 매우 크다. 이것도, 똑같은 기능층이 그룹 F에서 얻어지기 때문에라고 생각된다.
제3 실시예의 방법에서 자기저항효과소자를 형성했을 경우, 조건을 제1 실시예와 동일하게 빔 전압 100V이하, RF 플라즈마라고 했을 경우에는, RF 파워를 l5W로부터 30V로 했을 경우에만, 기능층의 효과를 충분히 활용할 수 있고, 높은 MR을 얻을 수 있다.
(제4 실시예)
다음으로, 본 발명의 제4 실시예의 자기저항효과소자의 제조 방법에 대해서 설명한다. 제4 실시예에서는，제2 실시예와 마찬가지로, 제1 실시예의 기능층(10)과는 그 재료를 변화시키고 있는 점에 차이가 있다. 따라서, 제1 실시예와 명확하게 차이가 되는 부분에 대해서 설명하고, 마찬가지의 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
제1 전극(1)으로부터 자화 반평행 결합층(4-2)까지를 제1 실시예에 기재된 프로세스로 형성한 후, 적층 부재이고 제2 자화 고착층(4-3)인 Co90Fe10를 1.5nm적층한다. 이 제2 자화 고착증(4-3) 형성 과정 중에, 도 2의 (a) 내지 (e)에 도시한 바와 같은 프로세스에 의해 기능층(10-1)을 형성한다.
구체적으로는，다음과 같은 프로세스다. 우선，피산화층이 되는 제2 자화 고착층(4-3)의 일부로서 Ti를 1nm의 두께로 성장시킨다. 여기서, "제2 자화 고착층(4-3)의 일부"란, 제1 실시예에서도 설명한 바와 같이, 기능층(10-1)을 협지하여 상하로 분단된 제2 자화 고착층의 아래 절반이다.
상기 제2 자화 고착층(4-3)의 일부인 Zr의 표면을 자연 산화, 이온 빔 산화(IAO), 혹은 플라즈마 산화함으로써, Zr의 표면에 막 두께 1.5 ~ 3nm 정도의 기능층(10-1)을 성막한다. 여기서, 이온 빔은 통상의 밀링 조건에 비해 매우 약하고, 빔 전압은 10OV 이하로 설정된다. 이 조건에서 이온 빔을 산소없는 Ti에 노출했을 경우의 에칭 레이트는 0.1 ~ 3Å/min(angstrom/min) 정도이다.
자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화 각각의 프로세스 조건은 도 15에 도시된 표 4에 주어진 바와 같다.
표 4에서, 참조 부호 REF는, 참조용 샘플로서, 기능층이 없은 스핀 밸브 구조의 프로세스를 나타내고 있다. 참조 부호 G-1 ~ G-4는, 종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다. 참조 부호 H-1 ~ H-4는 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다.
종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건과 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건 간의 차이는, 제1 실시예와 같이, 자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화 중 어느 하나에 의해 형성된 산화막을 박막화할 때 AIT(After Ion Treatment)를 행한다는 것이다. AIT를 행함으로써, 기능층(10)이, 섬 형상으로 형성되거나 복수의 핀홀을 갖지 않고 균일한 두께를 유지한 채 박막으로 형성되는 것이 가능하게 된다．
전술한 프로세스에 의해 기능층(10)을 형성 한 후, 제2 자화 고착층(4-3)의 상측 반쪽(upper half)이 되는 Co90Fe10를 형성하는 프로세스로부터 제2 전극(9)을 형성하는 프로세스까지의 프로세스들은 제1 실시예와 마찬가지이므로, 여기서 그에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 기능층(10)을 Zr의 산화물로 한다. 그러나, 기능층(10)은 이 재료에 한정되지 않는다. 기능층(10)을 위한 필수 조건은 Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 금속 혹은 합금을 산화, 질화, 또는 불화함으로써 형성된 산화물, 질화물, 또는 불화물이라는 것이다.
다음에, 본 발명의 제4 실시예의 제조 방법으로 제작한 자기저항 효과소자와 종래의 제조 방법으로 제작한 자기저항 효과소자와의 특성상의 차이에 대해 표 4를 참조하여 설명할 것이다. 기능층의 모재로서 Zr를 이용하는 경우에도, 종래의 프로세스 플로우에 따라 작성한 샘플 그룹 G에서는 MR 증가량이 크지 않다. 그러나, 본 발명의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 H에서의 MR 증가량은 매우 크다. 이것도, 똑같은 기능층을 그룹 H에서 얻을 수 있기 때문인 것으로 생각된다.
제4 실시예의 방법에서 자기저항 효과소자를 형성하는 경우, 제1 실시예와 동일한 조건 하에, 즉, 빔 전압 100V 이하인 RF 플라즈마로 한 경우에는, RF 파워를 15W ~ 30W로 설정하는 경우에만 기능층의 효과를 십분 활용할 수 있고, 높은 MR 비를 얻을 수 있다.
제1 내지 제4 실시예에서는, 여러 가지 재료의 기능층(10)을 제조하는 방법 으로 도 2a ~ 2e에 도시한 박막화 공정이 유용한 것으로 나타냈다. 추가로, 기능층(10)으로 Ti, Cr, Zr, Hf, V, A1, Mg, 또는 Cu를 이용하는 경우에도, 동일한 방식으로 그 재료에 박막화 공정을 실시함으로써 똑같은 기능층을 얻을 수 있고, 높은 MR 비를 얻을 수 있다는 것이 이해될 것이다.
(제5 실시예)
이제, 본 발명의 제5 실시예에 따른 자기저항 효과소자의 제조 방법에 대해서 설명할 것이다. 제5 실시예는 제1 내지 제4 실시예와는 달리, 기능층(10)가 적층체로 되어 있다. 그 외에 대해서는 제5 실시예가 제1 내지 제4 실시예와 본질적으로 동일하기 때문에, 제5 실시예와 제1 내지 제4 실시예간의 명백히 다른 부분에 대해서 설명하고, 같은 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
제1 전극(1)부터 자화 반평행 결합층(4-2)까지를 제1 실시예에 기재된 프로세스에 의해 형성한 후, 적층체이고 제2 자화 고착층(4-3)인 Co90Fe10를 1.5nm로 적층한다. 제2 자화 고착층(4-3)을 형성하는 과정 동안, 도 2a-2e에 도시한 바와 같은 프로세스에 의해 기능층(10-1)을 형성한다.
구체적으로, 상기 프로세스들은 다음과 같다. 우선, 피산화층이 되는 제2 자화 고착층(4-3)의 일부로서 Fe를 0.15nm의 두께로 성막하고, 계속해서 Zr를 0.15nm의 두께로 성막한다. 여기서, "제2 자화 고착층(4-3)의 일부"라는 용어는, 제1 실시예에 있어서도 설명한 바와 같이, 기능층(10-1)을 개재하여 상부와 하부로 분단된 제2 자화 고착층 하측 반쪽(lower half)이다.
상기 제2 자화 고착층(4-3)의 일부인 Fe 및 Zr를 자연 산화, 이온 빔 산화(IAO), 혹은 플라즈마 산화함으로써, Fe 및 Zr의 표면에 막 두께 1.5 ~ 3nm 정도의 기능층(10-1)을 성막한다. 여기서, 이온 빔은 통상의 밀링 조건에 비해 매우 약하고, 빔 전압은 10OV 이하로 설정된다. 이 조건에서의 이온 빔을 산소 없이 Fe 및 Zr로 이루어진 다층체(multilayer body)에 조사했을 경우의 에칭 레이트는 약 0.1 ~ 3Å/min 정도이다.
자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화 각각의 프로세스 조건은 도 16에 도시된 표 5에 제공되는 바와 같다.
표 5에서, 참조 부호 REF는, 참조용 샘플로서, 기능층이 없는 스핀 밸브 구조의 프로세스를 나타내고 있다. 참조 부호 I-1 ~ I-4는 종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다. 참조 부호 J-1 ~ J-4는 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건을 나타내고 있다.
종래의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건과 본 발명의 기능층 작성 프로세스의 프로세스 조건 간의 차이는, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 자연 산화, IAO, 플라즈마 산화 중 어느 하나에 의해 형성된 산화막을 박막화할 때에 AIT(After Ion Treatment)를 행한다는 것이다. AIT를 행함으로써, 기능층(10)이, 섬 형상으로 형성되거나 복수의 핀홀을 갖지 않고 균일한 막 두께를 유지한채 박막화되는 것이 가능하다．
기능층(l0)을 전술한 프로세스에 의해 형성 한 후, 제2 자화 고착층(4-3)의 상측 반쪽이 되는 Co90Fe10를 형성하는 프로세스로부터 제2 전극(9)을 형성하는 프로세스까지의 프로세스들은 제1 실시예와 동일하므로, 그들에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 기능층(10)을 Fe-Zr의 산화물로 하고 있다. 그러나, 기능층(10)은 이 재료에 한정되지 않는다. 기능층(10)을 위한 필수 조건은, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 금속 혹은 합금을 산화, 질화, 또는 불화함으로써 형성되는 산화물, 질화물, 또는 불화물이라는 것이다.
이제, 본 발명의 제5 실시예의 제조 방법으로 제작한 자기저항 효과소자와 종래의 제조 방법으로 제작한 자기저항 효과소자의 특성상의 차이에 대해서 표 5를 참조하여 설명할 것이다. 기능층의 모재로서 Zr를 이용하는 경우에도, 종래의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 I에서는 MR 증가량이 크지 않다. 그러나, 본 발명의 프로세스 플로우로 작성한 샘플 그룹 J에서의 MR 증가량은 매우 크다. 이것도, 똑같은 기능층을 그룹 J에서 얻을 수 있기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 기능층(10)이 다층체이기 때문에, 기능층(10)이 단층으로 형성된 제2 실시예와 제3 실시예보다 큰 MR을 얻을 수 있다. 그 이유는, 기능층(10)의 전자 구조의 변조가 전도 전자에 어떠한 스핀 편극 효과를 가져오고, 이로써 큰 스핀 필터링 효과를 만들어 내는 것이라 생각된다.
본 실시예의 경우에도, 박막화 공정에 AIT가 사용되는 경우에, 제1 실시예와 동일한 조건, 즉, 빔 전압 100V 이하의 RF 플라즈마로 하면, RF 파워를 15W ~ 30W 로 설정했을 경우에만 기능층의 효과를 십분 활용할 수 있고, 높은 MR 비를 얻을 수 있다.
본 실시예에서의 적층체의 조합은 상술한 예에 한정되는 것은 아니다. 적층체는, Ti, Cr, Zr, Hf, V, Al, Mg, 및 Cu로부터 선택되는 2 종류 이상의 재료로 형성된 적층체이기만 하면 본 실시예와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
(제6 실시예)
제1 내지 제5 실시예에서는, 기능층이 자화 고착층이나 자화 자유층 중 어느 하나 혹은 이들 둘 모두에 포함되는 것으로 가정했다. 제6 실시예는, 기능층이 자화 고착층이나 자화 자유층 중 어느 하나에 들어가 있을 경우에 달성되는 MR 비와, 기능층이 자화 고착층과 자화 자유층 둘 다에 들어가 있을 경우에 달성되는 MR 비 간의 차이에 대해 검토한다.
자기저항 효과소자에 요구되는 특성으로는 저항 변화율과 함께 자기 특성이 있다. 특히, 자화 자유층의 보자력 Hc와 자화 왜곡 λ이 증대하면, 자기 특성은 노이즈의 원인이 되거나 신호인 외부 자장에의 응답성이 나빠지게 된다. 상기 소자가 자기 헤드로 사용된 경우, S/N(signal-to-noise) 비를 손실하게 된다. 따라서, 자화 자유층의 Hc 및 λ를 최소화해야 한다. 일반적으로, 강자성체에 산소가 혼입되면, Hc나 λ가 증대하는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 기능층은 주로 산화층으로부터 형성되므로, 기능층이 자화 자유층에 삽입되는 경우에 Hc 및 λ이 증대하여, 이로써 S/N비가 열화해 버릴 가능성이 있다. 그러나 자기 특성 열화에 의한 손실과 MR 향상으로, MR 향상의 장점이 크면, 자화 자유층에 기능층을 삽입해도 문제가 없다. 게다가, 기능층이 자화 자유층에만 삽입되는 구성이 실제 디바이스로서 실현하기 쉽다는 장점이 있다.
일례로서, 제1 실시예에 있어서 자화 고착층에 기능층이 있다는 전제 하에, 기능층이 자화 자유층에 있는 경우와 기능층이 자화 자유층에 없는 경우라는 각각의 상황이 주어진다. 도 17에 도시된 표 6은 MR 비를 측정한 결과에 대해 나타낸다. 동시에, 표 6에는 자유층의 자기 특성이 양호하게 되는 구성(Co90Fe10 1nm/Ni80Fe20 3.5nm)을 나타낸다.
표 6에 따르면, 제1 내지 제6 실시예의 결과와 같이, 자화 고착층에서, 자연 산화, IAO, 및 플라즈마 산화 중 어느 하나에 의해 형성된 산화막을 박막화할 때 AIT를 행한 샘플들 B-1~B-4, L-1~L-4, 0-1~0-4이, AIT를 행하지 않은 샘플들 A-1 ~ A-4, K-1 ~ K4, M-1 ~ M-4보다 MR 비가 크다는 것이 이해될 것이다. A-2와 K-2 사이, 및 M-2, B-1와 L-1, O-1 사이의 비교로부터 명백하듯이, 자화 고착층에만 기능층을 삽입한 경우에는 MR 비 향상의 효과가 상당히 감소한다.
샘플 B-1~B-4, L-1~L-4, 및 0-1~0-4의 그룹끼리 비교하고, 샘플 A-1~A-4, K-1~K4, 및 M-1~M-4의 그룹끼리 비교함으로써, 자화 자유층에 기능층이 삽입되어 있는 샘플들이 보다 큰 스핀 필터링 효과를 보일 수 있다. 따라서, 보다 큰 MR 비를 얻는 것이 가능하게 된다.
(제7 실시예)
제1 내지 제6 실시예들과 관련하여 기술된 자기저항 효과 소자들에서, 스페 이서층(5)은 구리로부터 형성된다. 제7 실시예에서, 스페이서층(5)으로서 저항 조절층을 가진 자기저항 효과 소자에 의하여 본 발명의 장점이 도출되는지 여부에 대한 검토가 수행되어 왔다. 여기에서 이용된 저항 조절층은 Cu로 된 금속 경로를 갖는 Al-O로부터 형성된 NOL(Nano Oxide Layer)이다. Cu 금속 경로는 절연부인 Al-O를 관통하고, 자화 고착층과 자화 자유층을 오믹 방식(ohmic manner)으로 접속한다.
제7 실시예의 자기저항 효과 소자의 개념도가 도 9에 도시된다. 제7 실시예의 구조는, 스핀에 의존하는 자화 고착층(104), 스페이서층(105), 및 자유층(106)의 부근으로 전류가 한정되는, 소위 CCP(Current-Confined Path) 효과를 나타낸다. 따라서, MR 비가 증가된다. 일 예로서, 도 18에 도시된 표 7은 제1 내지 제5 실시예들과 관련하여 기술된 기능층들과 Cu 금속 경로를 갖는 Al-NOL 구조의 스페이서층이 함께 조합되어 있는 자기저항 효과 소자에서의 MR 비의 측정 결과를 도시한다.
표 7에 따르면, 각각이 Cu 금속 경로를 갖는 Al-NOL 구조의 스페이서층(105)을 갖는 자기저항 효과 소자들(P-1 내지 P-4, 및 Q-1 내지 Q-4)의 MR 비들은, 각각이 제1 내지 제5 실시예들과 관련하여 기술된 구조를 갖는 MR 비들(소자들 A-1 내지 A-4, 및 B-1 내지 B-4에 의하여 달성됨)의 약 6 내지 7배이다.
이상과 같이, Cu 금속 경로를 갖는 Al-NOL 구조의 스페이서층(105)을 갖는 자기저항 효과 소자는 또한 본 발명의 장점을 유지할 수 있다(즉, 자화 고착층 및 자화 자유층을 산화 및 AIT 처리하여 형성된 기능층에 의하여 실현된 MR 비의 향 상).
(제8 실시예)
제1 내지 제6 실시예에서, 기능층의 위치는 자화 고착층과 자화 자유층 사이의 실질적으로 중간의 위치 부근에 위치되는 것으로 가정한다. 그러나, 자화 고착층 또는 자화 자유층에서의 스핀 필터링 효과는 어느 곳에서나 균일하게 이루어져야 한다.
그러나, 제7 실시예에 도시된 스페이서의 저항 조절층을 갖는 자기저항 효과 소자의 경우, 전류 한정 효과는 스페이서로의 거리가 짧을수록 더 커진다. 따라서, 자화 고착층과 자화 자유층 사이의 경계 부근에서 일어나는 스핀 의존 스캐터링 현상의 증가가 매우 중요하다. 따라서, 자화 고착층 및 자화 자유층에 대한 기능층의 위치 의존성이 조사될 것이다.
비교예로서, 제7 실시예의 자화 고착층과 자화 자유층 사이의 위치(경계로부터 1.5 nm)에 기능층이 위치되는 자기저항 효과 소자의 MR 비가, 본 실시예의 기능층이 하나의 위치(경계로부터 0.7 nm의 위치)에 위치되는 구성을 갖는 자기저항 효과 소자의 MR 비와 비교된다. 비교의 결과는 도 19에 도시된 표 8에 제공된다.
표 8로부터 역시 자명한 바와 같이, 샘플 R 그룹에서 얻어진 MR 비들 및 S 그룹에서 얻어진 MR 비들은 샘플 그룹 P 및 샘플 그룹 Q에서 얻어진 MR 비들보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 기능층이 스페이서층에 가까와질수록, 스핀 필터링 효과가 두드러지는 것으로 이해된다. 전술된 실시예의 경우에서와 같이, 샘플 R 그룹 및 샘플 S 그룹이 서로 비교될 때, 도 2a 내지 2e에 도시된 것과 같은 박막 형성 프로세스를 통하여 형성된 기능층에서 MR 비가 더 커지는 것으로 이해된다.
(제9 실시예)
제1 내지 제8 실시예들 모두에서, 자화 고착층 또는 자화 자유층에 기능층이 제공되며, 기능층은 MR 비의 향상에 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 그러나, MR 비 변동의 원인이 되는 스핀 의존 스캐터링은 자화 고착층 또는 자화 자유층에서 단독으로 발현되지 않는다. 스페이서층과 자화 고착층 사이의 경계 또는 자화 자유층과 스페이서층 사이의 경계에서도 전도 전자들은 스핀 의존 스캐터링된다.
따라서, 제9 실시예에서는, 스페이서층과 자화 고착층 또는 자화 자유층 사이의 경계에서 기능층이 스핀 의존 스캐터링을 증가시키는, 자화 고착층 또는 자화 자유층에서의 기능층의 위치에 대한 검토가 수행된다.
도 8은 제9 실시예의 자기저항 효과 소자를 도시한다. 도 8에서, 본 실시예의 자기저항 효과 소자는, 제1 전극(201); 5 nm의 Ta 층 및 2 nm의 Ru 층을 포함하는 기판층(202); 약 15 nm의 두께로 PtMn으로부터 형성된 반강자성층(203); 3 내지 4 nm 정도의 두께로 Co90Fe10으로부터 형성된 제1 자화 고착층(204-1), 약 0.9 nm 정도의 두께로 Ru로부터 형성된 자화 반평행 결합층(204-2), 및 Co90Fe10 층으로부터 형성된 제2 자화 고착층(204-3)을 포함하는 자화 고착층(204); 약 3 nm의 두께로 Cu로부터 형성된 스페이서층(205); Co90Fe10 층으로부터 형성된 자화 자유층(206); 약 1nm의 두께로 Cu로부터 형성된 제1 보호층(207); 약 5 nm의 두께로 Ru로부터 형성된 제2 보호층(208); 및 제2 전극(209)을 적층한 구조를 갖는다.
기능층(210-1)은 제2 자화 고착층(204-3)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 존재하고, 기능층(210-2)은 자화 자유층(206)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 존재한다. 제2 자화 고착층(204-3) 및 기능층(210-1)의 전체 두께는 약 3 nm이고, 자화 자유층(206) 및 기능층(210-2)의 전체 두께는 약 3 nm이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 표 9는 자화 고착층에 기능층이 제공되는 자기저항 효과 소자에서 얻어진 MR 비, 및 자화 고착층과 스페이서층 사이의 경계를 따라 기능층이 존재하는 자기저항 효과 소자에서 얻어진 MR 비의 크기 사이의 비교를 도시한다. 제1 실시예에서 이용된 Fe의 산화물층이 기능층에 적용된다. 제1 실시예의 샘플 그룹들 A-1 내지 A-4 및 B-1 내지 B-4에 대하여 이용되는 산화 조건들, AIT 조건들, 등이 그대로 이용된다.
표 9에 따르면, 제2 자화 고착층(204-3)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 기능층(210-1)이 삽입되거나, 자화 자유층(206)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 기능층(210-2)이 삽입되는 경우에도, 제1 내지 제8 실시예들에서 도출된 것과 유사한 스핀 필터링 효과가 도출된다. 더욱이, 제1 내지 제8 실시예들의 경우와 같이, 도 2a - 2e에 도시된 박막 형성 프로세스를 통해 기능층들이 형성되는 샘플들(U-1, U-2, U-3, 및 U-4)의 MR 비들은, 도 2a - 2e에 도시된 바와 같은 박막 형성 프로세스를 포함하지 않는 프로세스를 통해 형성되는 기능층들을 갖는 자기저항 효과 소자의 샘플들(T-1, T-2, T-3, 및 T-4)의 MR 비들보다 더 크게 되는 것이 이해된다. 그 이유는, 제1 실시예 등과 관련하여 기술된 바와 같이, 도 2a - 2e에 도시된 프로세스로 균일한 두께를 갖는 기능층이 성장될 수 있기 때문이다.
전술된 바와 같이, 제9 실시예에서, 제2 자화 고착층(204-3)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 기능층(210-1)이 삽입되거나, 자화 자유층(206)과 스페이서층(205) 사이의 경계를 따라 기능층(210-2)이 삽입된다. 그러나, 기능층이 두 경계들 사이에 삽입될 수 있다. 그 경우에, 제2 자화 고착층에 의한 스핀 필터링 효과와 자화 자유층에 의한 스핀 필터링 효과의 상승 효과가 나타난다. 더욱이, 보다 높은 MR 비를 갖는 자기저항 효과 소자가 제조될 수 있다.
(제10 실시예)
전술된 실시예들 모두 GMR 구조의 자기저항 효과 소자들에 관한 것이지만, 본 발명은 GMR 구조로 한정되는 것은 아니며, TMR 구조에도 적용될 수 있다. 본 실시예에서는, 기능층이 TMR 구조로부터 형성되는 자기저항 효과 소자가 도시된다. TMR 구조에서, GMR 구조의 기능층은 배리어층에 상당한다. TMR 구조의 자기저항 효과 소자는 현재 하드 디스크 드라이브의 재생 헤드의 RA의 감소의 문제가 있다. 더 낮은 RA를 얻기 위하여, 배리어층의 두께가 감소되어야 한다. 또한, 배리어층의 두께가 감소되는 경우, 배리어층에서의 핀홀들의 형성 및 MR의 심각한 감소의 문제를 야기시킨다.
도 10에서, 본 실시예의 자기저항 효과 소자는, 제1 전극(201); 5 nm의 Ta 층 및 2 nm의 Ru 층을 포함하는 기판층(202); 15 nm 두께로 PtMn으로부터 형성된 반강자성층(203); 3 내지 4 nm 정도의 두께로 Co90Fe10로부터 형성된 제1 자화 고착층(204-1), 약 0.9 nm 정도의 두께로 Ru로부터 형성된 자화 반평행 결합층(204-2), 및 2 nm 정도의 두께로 Co90Fe10 층으로부터 형성된 제2 자화 고착층(204-3)을 포함하는 자화 고착층(204); AlO로부터 형성된 배리어층(211); 약 2 nm의 Co75Fe25 층 및 3.5 nm의 Ni80Fe20 층을 갖는 2층 구조를 갖는 자화 자유층(206); 약 1 nm의 두께로 Cu로부터 형성된 제1 보호층(207); 약 5 nm의 두께로 Ru로부터 형성된 제2 보호층(8); 및 제2 전극(9)을 적층한 구조를 갖는다.
도 21에 도시된 표 10은 배리어층(211)을 형성하기 위한 프로세스들을 도시한다.
표 10은 도 2a - 2e에 도시된 프로세스들을 통하여 배리어층들이 형성되는 샘플들 w-1, w-2, w-3, 및 w-4 모두는 시작으로부터 두꺼운 AlO로부터 형성된 샘플들 V-1, V-2, V-3, 및 V-4에 의하여 보여지는 것들 보다 더 큰 MR 비들을 나타낸다. 그 이유는 핀홀들의 수가 감소되고 균일한 배리어층이 생성되기 때문이다.
제10 실시예에서, 배리어층은 Al의 산화물로서 간주된다. 그러나, 배리어층은 이 재료에 한정되는 것은 아니다. 배리어층에 대한 필수 요건은, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Cr, Mn, Mg, Al, Si, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금을 산화, 질화, 또는 플루오르화(fluorinating)시킴으로써 형성된 산화물, 질화 물, 또는 플루오르화물(fluoride)로 되는 것이다. 이 경우에도, 배리어층은 박막 형성 프로세스를 통하여 균일하게 될 수 있다.
제10 실시예에서, 배리어층은 본 발명의 프로세스들을 거친다. 제1 내지 제9 실시예들의 경우에서와 같이, 본 발명은 또한 자화 고착층 또는 자화 자유층에 삽입되는 기능층을 형성하는 프로세스로서 자연스럽게 적용된다.
본 발명은 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 실제 단계에서, 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않고 변형되면서 구성 요소들이 구현될 수 있다. 본 실시예들에서 기술된 복수의 구성 요소들의 적절한 조합에 의하여 다양한 발명들이 생성될 수 있다. 예를 들면, 일부 구성 요소들은 상기 실시예들에 기술된 구성 요소들 모두로부터 제거될 수 있다. 더욱이, 상이한 실시예들에 기술된 구성 요소들은 또한 적절하게 조합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 내지 제8 실시예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 2a-2e는 본 발명의 기능층 및 배리어층의 형성에 관한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 프로세스를 통하여 작성된 기능층의 스핀 필터링 효과를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 프로세스를 통하여 작성된 기능층의 TEM 이미지와 종래의 프로세스를 통하여 작성된 기능층의 TEM 이미지를 각각 보여준다.
도 7은 본 발명의 프로세스 중의 AIT 처리에서의 인가된 전압과 MR 비 간의 상관 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제9 실시예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 제10 실시예에 따른 자기저항효과소자의 구조도이다.
도 11은 종래의 프로세스를 통하여 작성된 기능층의 스핀 필터링 효과를 보여주는 도면이다.
도 12는 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보 여주는 표이다.
도 13은 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보여주는 표이다.
도 14는 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보여주는 표이다.
도 15는 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보여주는 표이다.
도 16은 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보여주는 표이다.
도 17은 샘플들에 대한 MR 비의 측정 결과를 보여주는 표이다.
도 18은 샘플들에 대한 MR 비의 측정 결과를 보여주는 표이다.
도 19는 샘플들에 대한 MR 비의 측정 결과를 보여주는 표이다.
도 20은 자기저항효과소자의 샘플들에서 얻어진 MR 비의 크기 간의 비교를 보여주는 표이다.
도 21은 실시예에 따라서 제작된 샘플들에 대한 프로세스 필요 조건들을 보여주는 표이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 제1 전극
2 : 기판층
3 : 반강자성층
4 : 자화 고착층
5 : 스페이서 층
6 : 자화 자유층
7 : 제1 보호층
8 : 제2 보호층
9 : 제2 전극

Claims (7)

  1. 자화 고착층, 비자성 중간층, 및 자화 자유층이 순차적으로 적층되어 있는 자기저항효과소자를 제조하는 방법으로서,
    상기 자화 고착층의 적어도 일부 또는 상기 자화 자유층의 적어도 일부로서 자성층을 형성하는 단계와;
    상기 자성층 상에 산화물, 질화물, 및 불화물(fluoride) 중 적어도 하나를 포함하는 기능층을 형성하는 단계와;
    상기 기능층을 산소 없는 분위기에서 100V 이하의 전압의 이온빔과 15W 내지 30W의 범위의 출력의 플라스마 조사 중 어느 하나에 노출시킴으로써 상기 기능층의 일부를 제거하여 상기 기능층을 균일한 두께를 갖는 박막으로 박막화하는 단계
    를 포함하는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막화하는 단계에서, 상기 기능층은 100V 이하의 전압의 이온빔에 노출되는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 박막화하는 단계에서, 상기 기능층은 15W 내지 30W의 범위의 출력의 플라스마 조사에 노출되는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비자성 중간층을 도전체로 형성하는 단계를 더 포함하 는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 절연체와 도전체를 포함하도록 상기 비자성 중간층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 도전체는 상기 절연체를 관통하는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비자성 중간층을 비도전체로 형성하는 단계를 더 포함하는 자기저항효과소자의 제조 방법.
  7. 자화 고착층, 비자성 절연 중간층, 및 자화 자유층이 순차적으로 적층되어 있는 자기저항효과소자를 제조하는 방법으로서,
    산화물, 질화물, 및 불화물 중 하나에 의해 상기 비자성 절연 중간층을 형성하는 단계와;
    상기 비자성 절연 중간층을 산소 없는 분위기에서 100V 이하의 전압의 이온빔과 15W 내지 30W의 범위의 출력의 플라스마 조사 중 어느 하나에 노출시킴으로써 상기 비자성 절연 중간층의 일부를 제거하여 균일한 두께를 갖는 비자성 절연 중간층을 형성하는 단계
    를 포함하는 자기저항효과소자의 제조 방법.
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