KR101115039B1 - 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 자기터널접합 디바이스는 i) (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제1 자성층, ii) 제1 자성층 위에 위치하는 절연층, 및 iii) 절연층 위에 위치하고, (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제2 자성층을 포함한다. 제1 자성층 및 제2 자성층은 수직자기 이방성을 가지고, A 및 상기 B는 각각 금속 원소이며, C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소이다.
자기터널접합 디바이스, 수직자기 이방성, 비정질
Description
본 발명은 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 비정질 수직자기 이방성 물질을 이용한 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 다양한 종류의 메모리가 개발되고 있다. 예를 들면, 메모리로서 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic random access memory, MRAM), 상전이 랜덤 액세스 메모리(phase-change random access memory, PRAM), 및 저항 랜덤 액세스 메모리(resistive random access memory, RRAM) 등이 개발되고 있다.
전술한 메모리들 중에서 자기 랜덤 액세스 메모리는 자기터널접합(magnetic tunnel junction, MJT) 소자를 정보 저장 소자로서 이용한다. 자기터널접합 소자는 메모리셀 내에 포함되어 강자성 터널 접합을 형성한다. 자기터널접합 소자는 자성층, 절연층 및 자성층의 구조로 이루어지고, 전류는 절연층을 터널링하여 흐른다. 여기서, 2개의 자성층들의 상대적인 자화 방향이 상호 동일한 경우, 자기터널접합 소자는 낮은 저항값을 가진다. 반대로, 2개의 자성층들의 상대적인 자화 방 향이 상호 다른 경우, 자기터널접합 소자는 높은 저항값을 가진다. 전술한 낮은 저항값 및 높은 저항값은 각각 디지털 정보로서 0 및 1에 대응한다.
전술한 디지털 정보를 장시간 유지하는 능력을 열적 안정성으로 정의한다. 열적 안정성은 자기터널접합 소자의 자성층의 이방성 에너지의 크기에 비례한다. 자기터널접합 소자의 소재로서 사용되는 수평 자기 이방성 강자성체의 이방성 에너지의 대부분은 형태 이방성 에너지이므로, 전체 이방성 에너지의 크기가 작다. 이러한 한계를 극복하기 위해 자기터널접합 소자의 소재로서 사용되는 수직 자기 이방성 강자성체는 높은 결정 이방성 에너지를 가진다. 따라서 자기터널접합 소자의 전체 이방성 에너지의 크기가 크므로, 자기터널접합 소자는 그 부피가 작더라도 높은 열적 안정성을 가진다.
재생 신호값을 증가시키고 열적 안정성을 향상시킨 자기터널접합 디바이스를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 자기터널접합 디바이스의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스는 i) (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제1 자성층, ii) 제1 자성층 위에 위치하는 절연층, 및 iii) 절연층 위에 위치하고, (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제2 자성층을 포함한다. 제1 자성층 및 제2 자성층은 수직자기 이방성을 가지고, A 및 상기 B는 각각 금속 원소이며, C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소이다.
A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다. B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다. 절연층은 D100-zEz (0<z<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하고, D는 Li(리튬), Be(베릴륨), Na(나트륨), Mg(마그네슘), Nb(니오븀), Ti(티타늄), V(바나듐), Ta(탄탈륨), Ba(바륨), Pd(팔라듐), Zr(지르코늄), Ho(홀미움), K(칼륨) 및 Ag(은)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, E는 O(산소), N(질소), C(탄소), H(수소), Se(셀레늄), Cl(염소) 및 F(불소)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다. 제1 자성층 및 제2 자성층 중 하나 이상의 자성층은 입방정계 또는 정방정계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스는 i) 제2 자성층 및 절연층의 사이에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층, 및 ii) 제2 자성층 위에 위치하는 결정성 유도층을 더 포함할 수 있다. 수평 자기 이방성 자성층은 Fe, CoFe 및 CoFeB로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 제1 자성층 및 제2 자성층 중 하나 이상의 자성층에 포함된 화합물이 (Fe100-xPdx)100-yBy (0<x<100, 0<y<100) 또는 (Fe100-xPtx)100-yBy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 경우, 결정성 유도층은 Pd, Pt, Au 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스는 i) 제1 자성층 및 절연층의 사이에 위치하는 또 다른 수평 자기 이방성 자성층, 및 ii) 제1 자성층 아래에 위치하는 또다른 결정성 유도층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스는 i) 결정성 유도층, ii) 결정성 유도층 위에 위치하고 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 수직 자기 이방성 자성층, iii) 수직 자기 이방성 자성층 위에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층, iv) 수평 이방성 자성층 위에 위치하는 절연층, v) 절연층 위에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층, 및 vi) 수평 자기 이방성 자성층 위에 위치하는 수직 자기 이방성 유도층을 포함한다. A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 제조 방법은 i) 비정질을 포함하는 제1 자성층을 제공하는 단계, ii) 제1 자성층 위에 절연층을 제공하는 단계, iii) 절연층 위에 비정질을 포함하는 제2 자성층을 제공하는 단계, 및 iv) 제1 자성층, 절연층 및 제2 자성층을 열처리하여 제1 자성층 및 제2 자성층을 결정화하는 단계를 포함한다.
제1 자성층을 제공하는 단계 및 제2 자성층을 제공하는 단계에서, 제1 자성층 및 제2 자성층은 각각 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지고, A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소일 수 있다. 제1 자성층 및 제2 자성층을 결정화하는 단계에서, 제1 자성층 및 제2 자성층은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다. 제1 자성층 및 상기 제2 자성층을 결정화하는 단계에서, 제1 자성층, 절연층 및 제2 자성층을 300℃ 내지 600℃에서 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 제조 방법은 i) 제2 자성층 및 절연층의 사이에 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계, 및 ii) 제2 자성층 위에 결정성 유도층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 제조 방법은 i) 제1 자성층 및 절연층의 사이에 또다른 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계, 및 ii) 제1 자성층 아래에 또다른 결정성 유도층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 제조 방법은 i) 결정성 유도층을 제공하는 단계, ii) 결정성 유도층 위에 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 자성층을 제공하는 단계, iii) 자성층 위에 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계, iv) 수평 자기 이방성 자성층 위에 절연층을 제공하는 단계, v) 절연층 위에 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계, vi) 수평 자기 이방성 자성층 위에 수직 자기 이방성 유도층을 제공하는 단계, 및 vii) 결정성 유도층, 자성층, 수평 자기 이방성 자성층, 절연층, 수평 자기 이방성 자성층, 및 수직 자기 이방성 유도층을 열처리하여 자성층을 결정화하는 단계를 포함한다. 자성층을 결정화하는 단계에서 자성층은 수직 자기 이방성을 가지고, 자성층은 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지며, A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소이다.
비정질 자성층 위에 절연층을 증착시키므로, 절연층이 낮은 평탄지수를 가지면서 증착된다. 따라서 높은 재생 신호값을 가지는 자기터널접합 디바이스를 제조할 수 있다. 또한, 비정질 자성층을 열처리하여 그 결정 구조를 회복시킴으로써 자성층이 수직자기 이방성을 가진다. 따라서 높은 열적 안정성을 가지는 자기터널접합 디바이스를 제조할 수 있다. 그 결과, 자기터널접합 디바이스의 재생 신호값 및 열적 안정성을 모두 높임으로써 자기터널접합 디바이스를 자기 랜덤 액세스 메모리 또는 초고주파 진동자 등에 사용할 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", ""위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
단면도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나 거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.
이하에서 기재하는 "평탄지수"라는 용어는 박막 계면의 수직방향으로 계면의 높낮이 편차를 나타내는 지수로 해석된다. 평탄지수가 낮을수록 계면 높이가 일정한, 즉, 평평한 계면을 의미한다. 반대로, 평탄지수가 높을수록 높이 변화가 심한 계면, 즉, 굴곡이 심한 계면을 의미한다. 소자의 재생 신호를 증대시키기 위해서는 절연층의 평탄지수를 낮추어서 평평한 계면을 형성하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스(100)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 자기터널접합 디바이스(100)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 자기터널접합 디바이스(100)의 단면 구조를 다른 형태로 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(100)는 제1 자성층(10), 절연층(20) 및 제2 자성층(30)을 포함한다. 제1 자성층(10)은 고정 자성층으로서 기능하고, 제2 자성층(30)은 자유 자성층으로서 기능한다. 자기터널접합 디바이 스(100)의 열적 안정성을 높이기 위해서 L10 계열 합금처럼 정렬된 결정 구조를 회복시 수직자기 이방성을 가지는 강자성체 물질로 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)을 형성한다.
제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 각각 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 소재를 포함한다. 여기서, A 및 B는 각각 금속 원소일 수 있다. 좀더 구체적으로, A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 또는 Cr(크롬)일 수 있다. 또한, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 또는 Al(알루미늄)일 수 있다. 그리고 C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 또는 Hf(하프뮴)일 수 있다.
A100-xBx (0<x<100)의 화학식을 가지는 합금은 정렬된 구조를 가진다. 정렬된 구조는 입방정계 또는 정방정계 구조일 수 있다. 입방정계로는 L12 결정 구조를 그 예로 들 수 있다. 또한, 정방정계로는 L10 결정 구조를 그 예로 들 수 있다. C는 열처리 전에 A100-xBx (0<x<100)의 화학식을 가지는 합금을 비정질화하기 위하여 첨가한다. 전술한 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 각각 다른 소재 또는 동일한 소재로 형성될 수 있다.
한편, 절연층(20)은 D100-zEz (0<z<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하고, 상기 D는 Li(리튬), Be(베릴륨), Na(나트륨), Mg(마그네슘), Nb(니오븀), Ti(티타늄), V(바나듐), Ta(탄탈륨), Ba(바륨), Pd(팔라듐), Zr(지르코늄), Ho(홀미움), K(칼륨) 및 Ag(은)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 E는 O(산소), N(질소), C(탄소), H(수소), Se(셀레늄), Cl(염소) 및 F(불소)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이다. 예를 들면, 절연층(20)의 소재로서 산화마그네슘(MgO)을 사용할 수 있다.
절연층(20)은 입방정계 구조를 가질 수 있다. 입방정계로는 B1 결정 구조를 그 예로 들 수 있다. 절연층은 자기터널접합 디바이스(100)의 재생 신호값을 증대시키기 위하여 박막 계면의 판면에 수직한 방향을 따라 (001) 방향성을 가질 수 있다.
도 1에 화살표로 나타낸 바와 같이, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 열처리를 통하여 그 결정 구조를 회복한 후에는 수직 자기 이방성을 가진다. 따라서, 우수한 열적 안정성과 높은 재생 신호값을 가지는 자기터널접합 디바이스(100)를 제조할 수 있다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 통하여 전술한 도 1의 자기터널접합 디바이스(100)의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 자기터널접합 디바이스(100)의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다.
도 2에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(100)의 제조 방법은, i) 제1 자성층(10)(도 1에 도시, 이하 동일)을 제공하는 단계(S10), ii) 제1 자성층(10) 위에 절연층(20)(도 1에 도시, 이하 동일)을 제공하는 단계(S20), iii) 절연층(20) 위에 제2 자성층(30) (도 1에 도시, 이하 동일)을 제공하는 단계(S30), 그리고 iv) 제1 자성층(10), 절연층(20) 및 제2 자성층(30)을 열처리하는 단 계(S40)를 포함한다. 이외에, 자기터널접합 디바이스(100)의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 자기터널접합 디바이스(100)를 제조하기 위해서 제1 자성층(10)을 제공한다. 제1 자성층(10)은 증착 방법에 의해 형성할 수 있다. 정렬된 결정 구조를 가지는 경우 수직자기 이방성을 가지는 강자성체 물질에 비정질화 원소를 첨가하여 증착시 수직자기 이방성을 가지지 않고 제1 자성층(10)을 제조한다. 제1 자성층(10)은 단계(S40)에서의 열처리를 통하여 결정 구조를 회복함으로써 수직자기 이방성을 가진다.
제1 자성층(10)이 결정 구조를 가지는 경우, 자성층의 결정격자상수와 절연층(20)의 결정격자상수 차이가 클 수 있다. 이 경우, (001) 방향성을 가지는 절연층(20)을 제1 자성층(10) 위에서 성장시키기 어렵다. 또한, (001) 방향성을 가지는 절연층(20)이 제1 자성층(10) 위에서 성장하더라도 제1 자성층(10)의 결정격자상수와 절연층(20)의 결정격자상수의 차이가 크므로 절연층(20)의 평탄 지수가 높아진다. 특히, 수직자기 이방성이 높은 L10 구조의 합금의 격자상수는 절연층(20)의 소재로 사용되는 산화마그네슘의 격자상수와 큰 차이를 나타낸다. 따라서 L10 구조의 합금 위에 산화마그네슘을 B1 결정 구조의 (001) 방향으로 성장시키기 어렵다. 더욱이, 산화마그네슘을 L10 구조의 합금 위에 성장시키더라도 양자간의 큰 격자상수차이로 인하여 절연층(20)의 평탄 지수가 커져서 자기터널접합 디바이스의 재생 신호값을 낮춘다.
그러나 본 발명의 제1 실시예에서는 비정질로 이루어진 제1 자성층(10)을 제공하므로, 절연층(20)이 제1 자성층(10) 위에서 (001) 방향성을 가지면서 잘 성장한다. 또한, 제1 자성층(10)이 비정질인 경우 결정 구조가 존재하지 않는다. 따라서 제1 자성층(10)이 절연층(20)과의 결정 구조 차이를 유발하지 않으므로, 절연층(20)의 평탄 지수가 낮아진다. 그 결과, 자기터널접합 디바이스의 재생신호값을 크게 증가시킬 수 있고, 자기터널접합 디바이스의 저항을 크게 낮출 수 있다.
다음으로, 단계(S20)에서는 제1 자성층(10) 위에 절연층(20)을 제공한다. 즉, 절연층(20)은 제1 자성층(10) 위에서 (001) 방향성을 가지면서 증착된다. 또한, 절연층(20)의 평탄 지수가 낮아진다.
단계(S30)에서는 절연층(20) 위에 제2 자성층(30)을 제공한다. 제2 자성층(30)은 비정질로 이루어진다. 제2 자성층(30)은 단계(S10)의 제1 자성층(10)과 동일한 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
도 3은 제1 자성층(10), 절연층(20) 및 제2 자성층(30)이 차례로 적층된 열처리 전의 자기터널접합 디바이스를 개략적으로 나타낸다.
자기터널접합 디바이스를 열처리하기 전에는 비정질로 이루어진 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)이 결정성이 없어서 수직 자기 이방성을 가지지 못한다. 따라서 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 그 자화 모멘트가 x축 방향, 즉 수평 방향을 따라 위치한다.
다시 도 2로 되돌아가면, 단계(S40)에서는 전술한 방법으로 제조한 제1 자성층(10), 절연층(20) 및 제2 자성층(30)을 열처리한다. 고온에서 충분한 시간 동안 제1 자성층(10), 절연층(20) 및 제2 자성층(30)을 열처리함으로써 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)이 정렬된 결정 구조로 회복되도록 한다. 좀더 구체적으로는, 다른 원소의 확산으로 인한 자기터널접합의 성능 저하를 막기 위하여 300℃ 내지 600℃에서 수분 내지 수시간 동안 열처리할 수 있다.
열처리에 의해 비정질 강자성체로 된 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 정렬된 결정 구조로 변환되면서 수직 자기 이방성을 가진다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에서는 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)을 각각 비정질 상태로 증착하여 자기터널접합 디바이스를 제조한 후 자기터널접합 디바이스를 열처리한다. 따라서 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)의 수직 자기 이방성을 유도함으로써 자기터널접합 디바이스(100)의 재생 신호값을 높이고, 작은 부피를 가지면서도 열적 안정성을 높일 수 있다. 그 결과, 신호 특성이 우수한 소재로 제1 자성층(10), 제2 자성층(30) 및 절연층(20)을 제조하면서 자기터널접합 디바이스(100)의 수직자기 이방성을 확보할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스(200)의 개략적인 단면 구조를 나타낸다. 도 4의 자기터널접합 디바이스(200)는 도 1의 자기터널접합 디바이스(100)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(200)는 제1 자성층(10), 절연층(20), 제2 자성층(30), 수평 이방성 자성층들(40, 42) 및 결정성 유도층들(50, 52)을 포함한다. 수평 이방성 자성층들(40, 42)은 자성층들(10, 30)과 절연층(20)의 결정 구조차가 너무 커서 정합이 이루어지지 않는 경우 이를 보완하기 위하여 사용한다. 또한, 자기터널접합 디바이스(200)의 재생 신호값을 높이기 위하여 수평 이방성 자성층들(40, 42)을 사용할 수도 있다.
이 경우, 절연층(20)은 수평 이방성 자성층들(40, 42)과 정합을 이루고, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 결정성 유도층들(50, 52)과 정합을 이룬다. 수직 이방성을 가지는 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)은 수평 이방성 자성층들(40, 42)과 정합을 이루지는 않지만, 자기적으로 연결된다. 그 결과, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)의 강한 수직 이방성이 수평 이방성 자성층들(40, 42)의 자기 모멘트를 수직으로 정렬시키므로, 자기터널접합 디바이스(200)에 수직 자기 이방성 자기 터널 집합을 구현할 수 있다.
수평 이방성 자성층들(40, 42)은 높은 스핀 분극율을 가지고, 격자 상수에 있어서 절연층(20)과의 차이가 작다. 수평 이방성 자성층들(40, 42)의 소재로는 Fe, CoFe 또는 CoFeB 등을 사용할 수 있다.
한편, 결정성 유도층들(50, 52)은 비정질로 이루어진 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)이 절연층(20)과 접촉하지 않으면서도 열처리에 의해 정렬된 결정 구조를 가지도록 만들어준다. 예를 들면, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)의 소재로서 FePdB 또는 FePtB 등을 사용하는 경우, 결정성 유도층들(50, 52)의 소재로서 Pd, Pt, Au 또는 Fe 등을 (100) 방향성을 가지도록 성장시켜서 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 자성층(10) 및 제2 자성층(30)과 절연층(20)의 결정 구조 차이가 매우 크더라도 수평 이방성 자성층들(40, 42) 및 결정성 유도층들(50, 52)을 이용함으로써 자기터널접합 디바이스(200)의 수직 자기 이방성을 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스(300)의 개략적인 단면 구조를 나타낸다. 도 5의 자기터널접합 디바이스(300)는 도 4의 자기터널접합 디바이스(200)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다,
도 5에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(300)는 제1 자성층(10), 절연층(20), 수평 자기 이방성 자성층(40), 결정성 유도층(50), 수평 자기 이방성 자성층(60) 및 수직 자기 이방성 유도층(62)을 포함한다.
도 5의 자기터널접합 디바이스(300)의 절연층(20) 상부 구조는 도 4의 자기터널접합 디바이스(200)의 절연층(20) 상부 구조와 상이하고, 나머지 부분은 상호 동일하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(300)에는 수직 자기 이방성 유도층으로서 한쪽에는 비정질로 된 물질을 사용하고, 다른 한쪽에는 결정질 물질을 사용할 수 있다. 열처리 후에는 비정질로 된 물질은 제1 자성층(10)이 되고, 결정질 물질은 그대로 수직 자기 이방성 유도층(62)이 된다. 도 5에는 절연층(20)의 하부에 수직 자기 이방성 유도층으로서 비정질로 된 물질을 사용한 경우를 나타낸다. 이 경우, 절연층(20) 하부 구조는 도 4의 자기터널접합 디바이스(200)의 절 연층(20) 하부 구조와 동일하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 자기터널접합 디바이스(300)의 절연층(20) 상부에는 수평 자기 이방성 자성층(60) 및 결정질의 수직 자기 이방성 유도층(62)이 형성된다. 예를 들면, 수평 자기 이방성 자성층(60)의 소재로서 CoFeB 합금을 사용하고, 수직 자기 이방성 유도층(62)의 소재로서 다층 구조의 Co/Pt 합금을 사용할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
1
자성층, 절연층 및 자성층이 차례로 적층된 자기터널접합 디바이스를 제조하였다. 자성층은 원소함량으로 1:1인 Fe50Pd50 합금에 20at%의 붕소를 첨가하여 (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 제조하였다. Fe50Pd50 합금은 정렬된 결정 구조를 가지고, 수직자기 이방성을 가졌다. 여기에 붕소를 첨가함으로써 자성층을 비정질화하였다. 자성층의 두께는 3nm이었다.
다음으로, 자성층 위에 절연층을 증착하였다. 절연층의 소재는 산화마그네슘이었고, 절연층의 두께는 10nm이었다. 또한, 전술한 (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 절연층 위에 증착하였다.
도 6은 전술한 실험예 1에 따라 제조한 자기터널접합 디바이스의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, 2θ가 약 43°인 위치에서 X선 회절 피크가 관찰되었다. 이는 절연층인 MgO가 (001) 방향성을 가지면서 성장했다는 것을 의미한다. 따라서 자성층 위에서 절연층이 (001) 방향성을 가지고 성장한 것을 알 수 있었다. 또한, 절연층이 비정질화된 자성층 위에 증착되었으므로, 절연층의 평탄 지수도 낮을 것으로 예측되었다.
실험예
2
(001) 방향성을 가지는 MgO로 된 단결정 기판 위에 Pt층을 (001)방향성을 가지게 40 nm 증착하였다. 여기서, Pt층은 40nm의 두께를 가지며, 비정질 자성층의 결정성 유도층으로 기능하였다. 다음으로, (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 Pt층 위에 비정질 상태로 증착하였다. (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층의 두께는 10 nm이었다. 자성층을 증착하여 500 ℃에서 1시간 열처리하였다.
도 7은 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 자기터널접합 디바이스에 포함된 (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층의 열처리전 및 열처리후의 수직 자기 이력 곡선을 나타낸다. 도 7에서 가는 선은 열처리 전의 비정질 상태의 정규자화도를 나타내고, 굵은 선은 열처리한 후의 결정 구조를 회복한 상태의 정규자화도를 나타낸다.
도 7에 도시한 바와 같이, (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 열처리하기 전에는 자기장에 따라 자화도가 비례하여 증가하다가 얇은 박막 상태로 증착된 형태에 의해 발생하는 반자장(demagnetization field)값인 7000 Oe 부근에서 포화되었다. (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층의 포화 자기모멘트값은 560emu/cc이고, 그 증착 형태가 얇은 박막인 경우, 반자장값은 7000 Oe가 되었다. 즉, (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 열처리하기 전에는 결정 구조가 없으므로, 자성층의 수직자기 이방성은 확보되지 않고 자성층은 수평 자기 이방성을 가졌다. 그러나 (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층을 열처리한 후, 자성층의 자화도는 반자장 값, 즉 7000 Oe보다 훨씬 작은 1000 Oe 부근에서 포화되었다. 즉, 열처리한 후 (Fe50Pd50)80B20으로 된 자성층의 결정 구조가 회복되면서 수직자기 이방성이 확보되었다.
본 발명을, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 자기터널접합 디바이스의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 제1 자성층, 절연층 및 제2 자성층이 차례로 적층된 열처리 전의 자기터널접합 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기터널접합 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 6는 본 발명의 제1 실험예에 따라 제조한 자기터널접합 디바이스의 X선 회절 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 자기터널접합 디바이스의 자성층의 열처리전 및 열처리후의 자기 이력 곡선이다.
Claims (17)
- (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제1 자성층,상기 제1 자성층 위에 위치하는 절연층, 및상기 절연층 위에 위치하고, (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 제2 자성층을 포함하고,상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층은 수직자기 이방성을 가지며,상기 A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 상기 B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소인 자기터널접합 디바이스.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 절연층은 D100-zEz (0<z<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하고, 상기 D는 Li(리튬), Be(베릴륨), Na(나트륨), Mg(마그네슘), Nb(니오븀), Ti(티타늄), V(바나듐), Ta(탄탈륨), Ba(바륨), Pd(팔라듐), Zr(지르코늄), Ho(홀미움), K(칼륨) 및 Ag(은)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 E는 O(산소), N(질소), C(탄소), H(수소), Se(셀레늄), Cl(염소) 및 F(불소)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소인 자기터널접합 디바이스.
- 제1항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 중 하나 이상의 자성층은 입방정계 또는 정방정계인 자기터널접합 디바이스.
- 제1항에 있어서,상기 제2 자성층 및 상기 절연층의 사이에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층, 및상기 제2 자성층 위에 위치하는 결정성 유도층을 더 포함하는 자기터널접합 디바이스.
- 제6항에 있어서,상기 수평 자기 이방성 자성층은 Fe, CoFe 및 CoFeB로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 자기터널접합 디바이스.
- 제6항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층 중 하나 이상의 자성층에 포함된 상기 화합물이 (Fe100-xPdx)100-yBy (0<x<100, 0<y<100) 또는 (Fe100-xPtx)100-yBy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 경우, 상기 결정성 유도층은 Pd, Pt, Au 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 자기터널접합 디바이스.여기서, 상기 (Fe100-xPdx)100-yBy 및 상기 (Fe100-xPtx)100-yBy의 B는 붕소를 의미함
- 제6항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 절연층의 사이에 위치하는 또 다른 수평 자기 이방성 자성층, 및상기 제1 자성층 아래에 위치하는 또다른 결정성 유도층을 더 포함하는 자기터널접합 디바이스.
- 결정성 유도층,상기 결정성 유도층 위에 위치하고 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 수직 자기 이방성 자성층,상기 수직 자기 이방성 자성층 위에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층,상기 수평 이방성 자성층 위에 위치하는 절연층,상기 절연층 위에 위치하는 수평 자기 이방성 자성층, 및상기 수평 자기 이방성 자성층 위에 위치하는 수직 자기 이방성 유도층을 포함하고,상기 A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 상기 B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소인 자기터널접합 디바이스.
- 비정질을 포함하는 제1 자성층을 제공하는 단계,상기 제1 자성층 위에 절연층을 제공하는 단계,상기 절연층 위에 비정질을 포함하는 제2 자성층을 제공하는 단계, 및상기 제1 자성층, 상기 절연층 및 상기 제2 자성층을 열처리하여 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층을 결정화하는 단계를 포함하고,상기 제1 자성층을 제공하는 단계 및 상기 제2 자성층을 제공하는 단계에서, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층은 각각 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지고, 상기 A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 상기 B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소인 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
- 삭제
- 제11항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층을 결정화하는 단계에서, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층은 수직 자기 이방성을 가지는 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층을 결정화하는 단계에서, 상기 제1 자성층, 상기 절연층 및 상기 제2 자성층을 300℃ 내지 600℃에서 열처리하는 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 제2 자성층 및 상기 절연층의 사이에 수평 자기 이방성 자성층을 제공 하는 단계, 및상기 제2 자성층 위에 결정성 유도층을 제공하는 단계를 더 포함하는 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
- 제15항에 있어서,상기 제1 자성층 및 상기 절연층의 사이에 또다른 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계, 및상기 제1 자성층 아래에 또다른 결정성 유도층을 제공하는 단계를 더 포함하는 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
- 결정성 유도층을 제공하는 단계,상기 결정성 유도층 위에 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 자성층을 제공하는 단계,상기 자성층 위에 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계,상기 수평 자기 이방성 자성층 위에 절연층을 제공하는 단계,상기 절연층 위에 수평 자기 이방성 자성층을 제공하는 단계,상기 수평 자기 이방성 자성층 위에 수직 자기 이방성 유도층을 제공하는 단계, 및상기 결정성 유도층, 상기 자성층, 상기 수평 자기 이방성 자성층, 상기 절연층, 상기 수평 자기 이방성 자성층, 및 상기 수직 자기 이방성 유도층을 열처리하여 상기 자성층을 결정화하는 단계를 포함하고,상기 자성층을 결정화하는 단계에서 상기 자성층은 수직 자기 이방성을 가지고, 상기 자성층은 (A100-xBx)100-yCy (0<x<100, 0<y<100)의 화학식을 가지며, 상기 A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 상기 B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 C는 B(붕소), C(탄소), Ta(탄탈륨) 및 Hf(하프뮴)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비정질화 원소인 자기터널접합 디바이스의 제조 방법.
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