KR101240806B1 - 산화물/질화물계 강자성 다층박막, 이를 이용하는 자성소자 및 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법 - Google Patents
산화물/질화물계 강자성 다층박막, 이를 이용하는 자성소자 및 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
산화물/질화물계 강자성 다층박막, 이를 이용하는 자성소자 및 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법을 제공한다. 산화물/질화물계 강자성 다층박막은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층 및 상기 제1 강자성 물질층 상에 형성된 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층을 포함하고, 상기 산화물/질화물계 물질층 및 상기 제1 비자성 물질층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막이고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 한다. 따라서, 높은 보자력, 높은 수직자기이방성 상수 및 우수한 열적 안정성을 갖는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 및 이를 이용하는 자성소자를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 강자성 다층박막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화물/질화물계 강자성 다층박막, 이를 이용하는 자성소자 및 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법에 관한 것이다.
새로운 정보저장 매체에 대한 요구로 주목받고 있는 차세대 비휘발성 메모리로는 강유전체 메모리(FeRAM), 자기메모리(MRAM), 저항형 메모리(ReRAM), 상변화메모리(PRAM) 등이 있다. 이들 메모리는 각각의 장점을 가지고 있으며, 그 용도에 맞는 방향으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 MRAM(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항(Magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 기억소자로서, 저소비 전력으로 고밀도성 및 고응답성의 특징으로 비휘발적인 데이터의 기억이 가능한 장치로, 현재 널리 이용되고 있는 기억소자인 DRAM을 대체할 수 있는 대용량용 기억소자이다.
자기 저항 효과로는, 거대자기저항(Giant Magneto Resistive, GMR)과 터널자기저항(Tunneling Magneto Resistive, TMR)의 2가지 효과가 알려져 있다.
GMR 효과를 이용하는 소자는 2개의 강자성층의 사이에 위치한 도체의 저항이 상하의 강자성층의 스핀 방향에 따라 변화되는 현상을 이용하여 정보를 기억하는 것이다. 그러나, GMR 소자는 자기 저항값의 변화의 비율을 나타내는 MR(magnetoresistance)비가 10% 정도로 낮기 때문에, 기억 정보의 판독 신호가 작아서, 판독 마진의 확보가 MRAM 실현의 최대 과제이다.
한편, TMR 효과를 이용하는 대표적인 소자로서는, 자기터널접합효과에 따른 자기 저항의 변화를 이용하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자가 알려져 있다.
이 MTJ 소자는 강자성층/절연층/강자성층의 적층 구조로 되어있다. MTJ 소자에서는, 상하의 강자성층의 스핀 방향이 동일한 경우에는, 터널 절연막을 개재한 2개의 강자성층간의 터널 확률이 최대로 되어, 그 결과 저항값이 최소로 된다. 이에 대하여, 스핀 방향이 반대인 경우에는, 그 터널 확률이 최소로 됨으로써 저항값이 최대로 된다.
이러한 2가지 스핀 상태를 실현하기 위해, 상기 강자성층(자성체막) 중 어느 한쪽은 그 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 일반적으로, 이 자화 방향이 고정되어 있는 강자성층을 고정층 또는 핀층(Pinned layer)이라 한다.
다른 쪽 강자성층(자성체막)은 인가되는 자계의 방향에 따라 자화 방향이 상기 고정층의 자화 방향과 동일하거나 반대가 가능하게 되어 있다. 이 강자성층을 일반적으로 자유층(Free layer)이라 하며, 정보를 저장하는 역할을 담당하고 있다.
MTJ 소자의 경우, 현재, 저항 변화율로서의 MR비가 50%를 초과하는 것도 얻어지고 있으며, MRAM 개발의 주류가 되고 있다.
최근 수년 동안 차세대 메모리 소자 분야 및 스핀트로닉스 소자분야에서 강자성 박막의 특성을 향상시키고자 많은 연구가 진행되어 왔다.
특히, Co, Fe계에 Pt, Pd 등의 비자성 물질을 적용한 수직자기이방성 강자성 박막의 제조가 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0060063호에서, 고정층 또는 자유층은 각각 층/강자성층또는 강자성층/Pd층이 2번 이상 N번 반복하여 증착된 다층박막을 개시하고 있고, 상기 강자성층은 Co층 또는 CoFe합금층이다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2008-0048151에서, 다층의 CoFeSiB/Pt 막을 포함하는 자기이방성 다층박막에 관하여 개시하고 있다.
상기 Co, Fe계의 자성체 물질에 Pt, Pd 등의 비자성 물질을 적용한 수직자기이방성 강자성 다층박막은 현재까지는 이중 스퍼터링 또는 융합 타겟을 사용하여 제조하여 왔다.
이중 스퍼터링 또는 융합 타겟을 사용하여 강자성 다층박막을 제조하는 경우에는 강자성 박막의 열적안정성 및 조성 제어에 어려움이 있다.
따라서, 상기와 같이 형성된 강자성 다층박막을 응용분야에 적용하는 경우에는 자성메모리 특성저하가 발생한다. 특히 불안정한 열적안정성으로 인하여 소자 제조공정 중에 발생하는 고온 처리 과정에서 자성박막의 보자력과 자화값이 급격히 변화하여 소자의 자화반전을 형성하기 위하여 필요한 전류밀도가 종래의 특성에서 변하는 문제점을 갖게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 높은 보자력, 높은 수직자기이방성 상수 및 우수한 열적안정성을 갖는 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 본 발명의 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 갖는 자성소자를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 보자력, 높은 수직자기이방성 상수 및 우수한 열적안정성을 확보할 수 있고, 또한 박막의 조성을 용이하게 제어할 수 있는 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층 및 상기 산화물/질화물계 물질층 상에 형성된 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층을 포함하고, 상기 산화물/질화물계 물질층 및 상기 제1 비자성 물질층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막이고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 제공한다.
상기 산화물계 물질은 Co-O 또는 Fe-O이고, 상기 질화물계 물질은 Co-N 또는 Fe-N일 수 있다.
상기 제1 비자성 물질은 Pd 또는 Pt를 포함할 수 있다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 두께는 10nm 내지 40nm일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막 상에 형성되고, 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질과 제1 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층되고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막, 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 상에 형성된 비자성층, 상기 비자성층 상에 형성된 제1 강자성 다층박막 및 상기 제1 강자성 다층박막 상에 형성된 전극을 포함하는 자성소자를 제공한다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 및 상기 비자성층 사이에 위치하고, 제2 강자성 물질과 제2 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층된 제2 강자성 다층박막을 더 포함할 수 있다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막은 Co-O, Fe-O, Co-N 및 Fe-N로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나와 Pd 및 Pt로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나가 교대로 반복적으로 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 제2 강자성 다층박막은 Co 또는 Fe와 Pd 또는 Pt가 교대로 반복적으로 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 강자성 물질과 상기 제2 강자성 물질은 동일하고, 상기 제1 비자성 물질과 상기 제2 비자성 물질은 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기판 상에 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층을 형성하는 단계 및 상기 산화물/질화물계 물질층 상에 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 산화물/질화물계 물질층을 형성하는 단계 및 상기 제1 비자성 물질층을 형성하는 단계를 교대로 반복적으로 수행하여 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 형성하고, 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 형성시 상기 기판과 수직한 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법을 제공한다.
상기 기판과 수직하게 인가되는 자기장의 세기는 100 Oe 내지 300 Oe인 것을 특징으로 한다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법은 순차적 교대 증착방법을 이용한 것을 특징으로 한다.
상기 순차적 교대 증착방법은 비활성가스를 도입하기 위한 비활성가스 도입구, 산소/질소가스를 도입하기 위한 산소/질소가스 도입구, 및 가스를 배출하기 위한 배기구가 구비되고 그 내부에서 증착이 이루어지는 챔버, 증착되는 물질이 함유되고 상기 챔버 내에 위치되는 타겟, 타겟과 서로 맞서 위치되고 증착물질이 증착되는 기판 및 이 기판주위에 구비되어 있는 자기형성장치를 포함하는 스퍼터링 장치를 사용하는 것을 특징으로 한다.
증착시 상기 챔버 내의 산소/질소 분압은 3×10-5torr 내지 1×10-3torr이고, 상기 챔버 내의 가스 조성은 0.1부피% 내지 40부피%의 산소/질소가스 및 나머지 비활성가스로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 산소/질소 분압은 3×10-4torr 내지 9×10-4torr인 것을 특징으로 한다.
증착시 상기 챔버 내로 공급되는 산소/질소의 유량은 1.1sccm 내지 4.8sccm인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 높은 보자력, 높은 수직자기이방성 상수 및 우수한 열적 안정성을 갖는 산화물/질화물계 수직자기이방성 강자성 다층박막 및 이 산화물/질화물계 수직자기이방성 강자성 다층박막을 갖는 자성소자를 얻을 수 있다.
또한, 강자성 박막을 다층박막으로 제조함으로써, 조성비의 조절이 용이하다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조에 바람직하게 적용될 수 있는 DC/RF 스퍼터링 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막을 이용한 자기터널 접합구조를 갖는 자성소자의 적층구조의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막들의 X-선회절(XRD)도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막의 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막에 대한 열처리 온도에 따른 보자력 및 자화값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 제조에 바람직하게 적용될 수 있는 DC/RF 스퍼터링 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막을 이용한 자기터널 접합구조를 갖는 자성소자의 적층구조의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막들의 X-선회절(XRD)도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막의 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막에 대한 열처리 온도에 따른 보자력 및 자화값 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "[A/B]n 다층박막"은 A와 B를 교대로 반복적으로 n번 적층한 다층박막을 의미한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)은 산화물/질화물계 물질층(210) 및 상기 산화물/질화물계 물질층(210) 상에 형성된 제1 비자성 물질층(220)을 포함하고, 상기 산화물/질화물계 물질층(210) 및 상기 제1 비자성 물질층(220)이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막이고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 한다.
상기 산화물/질화물계 물질층(210)은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화물계 물질은 Co-O 또는 Fe-O이고, 상기 질화물계 물질은 Co-N 또는 Fe-N일 수 있다.
상기 제1 비자성 물질층(220)은 제1 비자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 비자성 물질은 Pd 또는 Pt를 포함할 수 있다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 두께는 10nm 내지 40nm일 수 있다. 만일, 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 두께가 40nm를 상회하는 경우, 소자 에칭공정에서 공정시간 및 장시간의 가스노출로 인하여 자기특성이 변화될 우려가 있다. 또한, 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 두께가 10nm 미만인 경우, 산소/질소결합으로 인하여 반강자성 특성을 가질 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 결정질의 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)은 자성 메모리 등의 스핀 소자에 적용될 수 있다.
또한, 강자성층을 포함하는 자성소자에 있어서, 강자성층의 일부 또는 전부를 본 발명의 결정질 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)으로 대체할 수 있다.
따라서, 강자성층을 산화물/질화물계 다층박막으로 대체함으로써 우수한 열적 안정성(high thermal stability)와 높은 보자성(coercivity)을 갖는 강자성층이 제조된다.
도 2는 본 발명의 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 제조에 바람직하게 적용될 수 있는 DC/RF 스퍼터링 장치(10)의 개략도이다.
도 2의 스퍼터링 장치(10)를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자기이방성 강자성 다층박막을 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, DC/RF 스퍼터링 장치(10)는 비활성가스를 도입하기 위한 비활성가스 도입구(11), 산소/질소가스를 도입하기 위한 산소/질소가스 도입구(12) 및 가스를 배출하기 위한 배기구(13)가 구비되고 그 내부에서 증착이 이루어지는 챔버(1), 증착되는 물질이 함유되고 상기 챔버(1)내에 위치되는 타겟(2), 상기 타겟(2)과 서로 맞서 위치되고 증착물질이 증착되는 기판(3) 및 상기 기판(3) 주위에 구비되어 있는 자기형성장치(4)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따라 수직자기이방성 강자성 다층박막을 제조하기 위해서 먼저, 기판(3)에 증착되는 물질을 함유하는 타겟(2) 및 기판(3)을 챔버(1)내에 위치시킨다. 그 다음에, 비활성가스 및 상기 비활성가스에 대한 적정량의 산소/질소를 각각 비활성가스 도입구(11) 및 산소/질소가스 도입구(12)를 통하여 도입시킨다. 그 다음에, DC/RF 바이어스를 걸어줌으로써 전자가 비활성가스의 원자와 충돌하여 비활성가스의 원자를 양성자화시킨다.
이 때, 바람직한 DC 전압은 250V 내지 360V이고, 전류는 20mA 내지 80mA일 수 있다. 만일 상기 DC전압 대신 RF전압을 사용할 경우, RF전압은 5W 내지 30W일 수 있다.
만일, 상기 DC 전압이 360V를 상회하는 경우, 박막 표면에 플라즈마로 인한 표면손상의 문제가 있다. 또한, DC 전압이 250V 미만일 경우 증착율 및 산소/질소와의 반응성이 떨어지는 문제점이 있다.
만일, 상기 전류가 80mA를 상회하는 경우, 높은 증착율을 가지므로 박막의 표면 거칠기에 문제가 있다. 또한, 상기 전류가 20mA 미만인 경우, 산소/질소와 반응성이 떨어지는 문제가 있다.
상기와 같이 양성자화된 비활성가스 원자가 타겟에 충돌하여 타겟을 구성하고 있는 물질의 중성원자를 타겟으로부터 분리시키고 이 분리된 중성원자는 산소/질소와 반응하여 기판 상에 증착된다.
이 때, 기판(3) 주위에 구비되어 있는 자기형성장치(4)에 의하여 증착되는 박막에 기판(3)과 수직한 자기장을 형성하여 줌으로써 정렬된 자기 모멘트를 갖는 수직자기이방성 강자성 다층박막을 형성하게 된다.
이 때, 강자성 물질 타겟과 비자성 물질 타겟에 순차적 교대 증착방법을 이용하여 교대로 DC 바이어스를 걸어줌으로써 다층박막을 증착하게 되는데, 강자성 물질 타겟의 증착시에만 산소/질소 가스를 도입하게 된다.
이는 강자성 물질 원자와 산소/질소 원자간의 최외곽 전자궤도 겹침 현상을 통해 전자전달을 일어나게 함으로써 결과적으로 수직자기이방성을 높이는 데에 그 목적이 있다.
상기 기판과 타겟 사이의 거리는 6cm 내지 20cm 정도가 바람직하다.
증착시 챔버 내의 산소/질소 분압은 상기 증착물질에 대한 포화자화 및 보자력을 제어하고, 또한 타겟 물질의 높은 수직자기이방성 상수의 유도를 목표하는 것으로써, 3×10-5torr 내지 1×10-3torr로 설정하는 것이 바람직하다.
만일, 상기 산소/질소 분압이 3×10-5torr 미만인 경우, 반응가스의 유량이 상대적으로 작으므로, 산화물 강자성층이 형성되지 않는 문제점이 있다. 또한, 상기 산소/질소 분압이 1×10-3torr를 상회하는 경우 비자성의 산소/질소원자가 박막의 형성에 참여하는 밀도가 증가하여 강자성 자체의 자성특성을 잃어버리는 문제점이 있다.
보다 바람직하게는, 산소/질소 분압은 3×10-4torr 내지 9×10-4torr이다.
상기 챔버 내에 공급되는 산소/질소의 유량은 0.5sccm 내지 5sccm가 바람직하다. 만일, 산소/질소의 유량이 5sccm을 상회하는 경우, 형성되는 박막의 자성특성이 사라지는 문제점이 있다. 또한, 산소/질소의 유량이 0.5sccm 미만인 경우, 원하는 수직자기이방성 강자성층을 형성하지 못할 우려가 있다.
보다 바람직게는, 산소/질소의 유량은 1.1sccm 내지 4.8sccm이다.
상기 챔버 내의 가스조성은 0.1부피% 내지 40부피%의 산소/질소 가스 및 나머지 비활성가스로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 이유는 산소/질소의 함량이 너무 많은 경우에는 적절한 증착율의 조절과 강자성 박막의 자성특성에 문제가 있고, 너무 적은 경우에는 산화물/질화물 강자성층을 얻기 어려운 문제점이 있기 때문이다.
증착시 기판과 수직한 자기장을 다층박막상에 형성시켜 주는 것이 바람직한데, 그 이유는 증착되는 다층박막이 수직자기이방성을 갖도록 강자성 다층박막의 자성 모멘트를 정렬시키기 위함이다.
상기 증착되는 다층박막에 자기장이 인가되어 강자성 박막이 가지는 보자력보다 큰 자기장을 형성하여 자화용이축을 형성하게 된다.
따라서, 인가되는 자가장의 세기는 강자성 물질층의 보자력 이상이면 가능하고, 100 Oe 내지 300 Oe가 바람직하다.
만일, 인가되는 자기장의 세기가 100 Oe 미만인 경우, 자화용이축 형성이 어려운 점이 있다. 또한, 인가되는 자기장의 세기가 300 Oe를 상회하는 경우, 플라즈마의 분포에 영향을 미치므로 박막 형성 시에 표면의 거칠기에 변화를 유발할 수 있다.
상기와 같이 순차적 교대 증착방법을 이용하여 기판 상에 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층(210)과 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층(220)을 교대로 반복적으로 적층하여 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)을 형성할 수 있다.
또한, 산소/질소가스를 첨가하지 않고 순차적 교대 증착방법을 이용하여 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200) 상에 강자성 물질과 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층된 제2 강자성 다층박막(300)을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)을 이용한 자성소자의 적층구조의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성소자는 반강자성 박막(100), 상기 반강자성 박막(100) 상에 형성된 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200), 상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200) 상에 형성된 제2 강자성 다층박막(300), 상기 제2 강자성 다층박막(300) 상에 형성된 비자성층(400), 상기 비자성층(400) 상에 형성된 제1 강자성 다층박막(500) 및 상기 제1 강자성 다층박막(500) 상에 형성된 전극(600)을 포함한다.
상기 반강자성 박막(100)은 PtMn, IrMn, PdPtMn, NiMn, RuMn, RhMn, RuRhMn 또는 FeMn일 수 있다.
반강자성 박막(100)은 고정층이 일정한 자화방향을 유지하도록 잡아주는 역할을 한다.
상기 산화물/질화물계 다층박막(200)은 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층(210) 및 상기 산화물/질화물계 물질층(210) 상에 형성된 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층(220)을 포함하고, 상기 산화물/질화물계 물질층(210) 및 상기 제1 비자성 물질층(220)이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막이고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 한다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다. 바람직하게, 순차적 교대증착방법을 통해 형성될 수 있다.
상기 제2 강자성 다층박막(300)은 제2 강자성 물질과 제2 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층될 수 있다.
상기 제2 강자성 다층박막(300)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다. 바람직하게 스퍼터링 방법을 통해 형성될 수 있다.
상기 제1 강자성 물질과 상기 제2 강자성 물질은 동일하고, 제1 비자성 물질과 제2 비자성 물질은 동일한 것이 바람직하다.
예를 들어, 산화물/질화물계 다층박막이 [Co-O/Pt]n인 경우, 제2 강자성 다층박막은 [Co/Pt]n임이 바람직하다.
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200) 및 제2 강자성 다층박막(300)은 자화 방향이 고정되어 있어 외부 자화의 영향을 받지 않는 고정층 역할을 한다.
다만, 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)의 두께에 따라 상기 제2 강자성 다층박막(300)은 생략될 수 있다. 즉, 산화물/질화물계 강자성 다층박막(200)만으로 고정층 역할을 할 수 있는 경우, 제2 강자성 다층박막(300)은 생략될 수 있다.
상기 비자성층(400)이 전도성 물질인 경우 GMR 소자로, 상기 비자성층(400)이 비전도성 물질인 경우, TMR 소자로 각각 분류된다.
상기 비자성층(400)이 전도성 물질인 경우, Au, Ag 또는 Cu를 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되지 않고 전도성 특성을 가진 금속이면 어느 것이나 가능하다.
상기 비자성층(400)이 비전도성 물질인 경우, 절연체 또는 반도체를 포함하여 이루어진다. 상기 절연체는 MgO, Al2O3, HfO2, TiO2, Y2O3 및 Yb2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 강자성 다층박막(500)은 Co 또는 Fe와 Pt 또는 Pd가 교대로 반복적으로 적층된 다층박막일 수 있다.
상기 제1 강자성 다층박막(500)은 자계의 방향에 따라 자화 방향이 상기 고정층과 동일하거나 반대가 되도록 변환 가능하게 되는 자유층 역할을 한다.
상기 제1 강자성 다층박막(500)은 통상의 증착방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링법 또는 용액공정법이 가능하다.
상기 전극(600)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 전극(600)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 따라서, 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition), 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착법(atomic layer deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(molecular beam epitaxy)이 가능하다.
제조예
1
도 2에 제시된 스퍼터링 장치(10)를 사용하여 강자성 다층박막을 제조하였다.
이 때, 타겟으로는 Co 및 Pt 두 종류의 금속을 사용하고, 기판과 타겟 사이의 거리는 약 15cm 정도로 하고, 증착시 챔버 내의 압력은 약 3mT(밀리 토르)로 하고, 증착시 비활성 가스의 유량은 18sccm로 하고, 산소의 유량은 1.1sccm로 하고, 산소의 분압은 3.0×10-4torr(산소가스조성 10부피%)로 하였다.
또한, DC 바이어스 인가시 전압과 전류 값은 각각 320V 및 32mA로 하고, 기판에 가해지는 자기장의 값은 300 Oe로 하였다.
상기 증착조건 하에 약 10nm 두께의 [Co-O/Pt]5 다층박막을 형성하였다. 그 다음에, 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 상에 약 30nm 두께의 [Co/Pt]15 다층박막을 형성하였다.
따라서, 순차적 교대증착방법을 통하여 [Co-O/Pt]5 다층박막 및 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 상에 형성된 [Co/Pt]15 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막을 제조하였다.
또한, 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 및 [Co/Pt]15 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막의 자성특성을 향상시키기 위하여 상기 강자성 다층박막을 2,000 Oe의 외부 자기장 내에서 350℃의 온도로 1시간 동안 열처리가 진행되었다.
제조예
2
산소 분압을 4.8×10-4torr(산소가스조성 20부피%)로 한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여, 약 10nm 두께의 [Co-O/Pt]5 다층박막 및 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 상에 형성된 약 30nm 두께의 [Co/Pt]15 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막을 제조하였다.
제조예
3
산소 분압을 9.0×10-4torr(산소가스조성 30부피%)로 한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여, 약 10nm 두께의 [Co-O/Pt]5 다층박막 및 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 상에 형성된 약 30nm 두께의 [Co/Pt]15 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막을 제조하였다.
제조예
4
산소 분압을 12.0×10-4torr(산소가스조성 40부피%)로 한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여, 약 10nm 두께의 [Co-O/Pt]5 다층박막 및 상기 [Co-O/Pt]5 다층박막 상에 형성된 약 30nm 두께의 [Co/Pt]15 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막을 제조하였다.
비교예
1
산소를 첨가하지 않는 것(산소가스조성 0부피%)을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 약 40nm 두께의 [Co/Pt]20 다층박막을 포함하는 강자성 다층박막을 제조하였다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
1
상기 제조예 1, 제조예 2 및 제조예3에서 제조된 강자성 다층박막의 일부인 [Co-O/Pt]5 다층박막들 및 비교예 1에서 제조된 강자성 다층박막의 일부인 [Co/Pt]5 다층박막의 X선회절도를 측정하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막들의 X-선회절(XRD)도이다.
제조예 1, 제조예 2 및 제조예 3은 [Co-O/Pt]5 다층박막을 형성시 산소분압이 각각 3.0×10-4torr, 4.8×10-4torr, 9.0×10-4torr이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 산소를 첨가한 [Co-O/Pt]5 다층박막들의 경우에도 결정상을 유지하고 있음을 알 수 있다.
실험예
2
상기 제조예 1, 제조예 2, 제조예3, 제조예 4 및 비교예 1에서 제조된 강자성 다층박막의 히스테리시스 곡선을 측정하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막의 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
제조예 1, 제조예 2, 제조예 3 및 제조예 4는 [Co-O/Pt]5 다층박막을 형성시 산소가스가 각각 10부피%, 20부피%, 30부피%, 40부피%이다.
본 발명에 따라 산소를 첨가하여 제조된 제조예 1 내지 제조예 4의 강자성 다층박막들은 산소를 첨가하지 않은 비교예 1의 강자성 다층박막에 비하여 보자력이 낮지 않음을 알 수 있다.
실험예
3
상기 제조예 1에서 제조된 강자성 다층박막에 대한 열처리 온도에 따른 보자력 및 자화값 변화를 측정하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강자성 다층박막에 대한 열처리 온도에 따른 보자력 및 자화값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따라 산소를 첨가하여 제조된 수직자기이방성 강자성 [Co-O/Pt]5 다층박막은 열적 안정성이 우수함을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
1: 챔버 2: 타겟
3: 기판 4: 자기형성장치
10: 스퍼터링 장치 11: 비활성가스 도입구
12: 산소/질소가스 도입구 13: 배기구
100: 반강자성 박막
200: 산화물/질화물계 강자성 다층박막
210: 산화물/질화물계 물질층 220: 제1 비자성 물질층
300: 제2 강자성 다층박막 400: 비자성층
500: 제1 강자성 다층박막 600: 전극
3: 기판 4: 자기형성장치
10: 스퍼터링 장치 11: 비활성가스 도입구
12: 산소/질소가스 도입구 13: 배기구
100: 반강자성 박막
200: 산화물/질화물계 강자성 다층박막
210: 산화물/질화물계 물질층 220: 제1 비자성 물질층
300: 제2 강자성 다층박막 400: 비자성층
500: 제1 강자성 다층박막 600: 전극
Claims (16)
- 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층; 및
상기 산화물/질화물계 물질층 상에 형성된 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층을 포함하고,
상기 산화물/질화물계 물질층 및 상기 제1 비자성 물질층이 교대로 반복적으로 적층된 다층박막이고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 산화물계 물질은 Co-O 또는 Fe-O이고, 상기 질화물계 물질은 Co-N 또는 Fe-N인 산화물/질화물계 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 제1 비자성 물질은 Pd 또는 Pt를 포함하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막. - 제1항에 있어서,
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막의 두께는 10nm 내지 40nm인 산화물/질화물계 강자성 다층박막. - 반강자성 박막;
상기 반강자성 박막 상에 형성되고, 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질과 제1 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층되고, 조직이 결정질인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막;
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 상에 형성된 비자성층;
상기 비자성층 상에 형성된 제1 강자성 다층박막; 및
상기 제1 강자성 다층박막 상에 형성된 전극을 포함하는 자성소자. - 제5항에 있어서,
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 및 상기 비자성층 사이에 위치하고, 제2 강자성 물질과 제2 비자성 물질이 교대로 반복적으로 적층된 제2 강자성 다층박막을 더 포함하는 자성소자. - 제5항에 있어서,
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막은 Co-O, Fe-O, Co-N 및 Fe-N로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나와 Pd 및 Pt로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나가 교대로 반복적으로 적층된 것을 특징으로 하는 자성소자. - 제6항에 있어서,
상기 제2 강자성 다층박막은 Co 또는 Fe와 Pd 또는 Pt가 교대로 반복적으로 적층된 것을 특징으로 하는 자성소자. - 제6항에 있어서,
상기 제1 강자성 물질과 상기 제2 강자성 물질은 동일하고, 상기 제1 비자성 물질과 상기 제2 비자성 물질은 동일한 것을 특징으로 하는 자성소자. - 기판 상에 제1 강자성 물질을 주 원소로 하는 산화물계 또는 질화물계 물질을 포함하는 산화물/질화물계 물질층을 형성하는 단계; 및
상기 산화물/질화물계 물질층 상에 제1 비자성 물질을 포함하는 제1 비자성 물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 산화물/질화물계 물질층을 형성하는 단계 및 상기 제1 비자성 물질층을 형성하는 단계를 교대로 반복적으로 수행하여 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 형성하고,
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막을 형성시 상기 기판과 수직한 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제10항에 있어서,
상기 기판과 수직하게 인가되는 자기장의 세기는 100 Oe 내지 300 Oe인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제10항에 있어서,
상기 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법은 순차적 교대 증착방법을 이용한 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제12항에 있어서,
상기 순차적 교대 증착방법은 비활성가스를 도입하기 위한 비활성가스 도입구, 산소/질소가스를 도입하기 위한 산소/질소가스 도입구, 및 가스를 배출하기 위한 배기구가 구비되고 그 내부에서 증착이 이루어지는 챔버; 증착되는 물질이 함유되고 상기 챔버 내에 위치되는 타겟; 타겟과 서로 맞서 위치되고 증착물질이 증착되는 기판; 및 이 기판주위에 구비되어 있는 자기형성장치를 포함하는 스퍼터링 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제13항에 있어서,
증착시 상기 챔버 내의 산소/질소 분압은 3×10-5torr 내지 1×10-3torr이고,
상기 챔버 내의 가스 조성은 0.1부피% 내지 40부피%의 산소/질소가스 및 나머지 비활성가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제14항에 있어서,
상기 산소/질소 분압은 3×10-4torr 내지 9×10-4torr인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법. - 제14항에 있어서,
증착시 상기 챔버 내로 공급되는 산소/질소의 유량은 1.1sccm 내지 4.8sccm인 것을 특징으로 하는 산화물/질화물계 강자성 다층박막 형성방법.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2004524708A (ja) | 2001-04-24 | 2004-08-12 | 松下電器産業株式会社 | 磁気抵抗効果素子とこれを用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁気記録装置および磁気抵抗効果型メモリー装置 |
| KR20050018396A (ko) * | 2003-08-12 | 2005-02-23 | 삼성전자주식회사 | 다층박막구조의 자유층을 갖는 자기터널 접합 구조체들 및이를 채택하는 자기 램 셀들 |
| KR20080012981A (ko) * | 2005-06-08 | 2008-02-12 | 그랜디스, 인코포레이티드 | 스핀 전달을 이용하는 빠른 자성 메모리 소자 및 자성메모리 소자에 이용되는 자성 부재들 |
| JP2009111396A (ja) | 2007-10-31 | 2009-05-21 | Magic Technologies Inc | 磁気トンネル接合素子、ｍｒａｍ、ｓｔｔ−ｒａｍ、ｍｒａｍの製造方法、ｓｔｔ−ｒａｍの製造方法 |
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2011
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