KR101256598B1 - 인접 비정질 또는 나노 크리스털 물질 층을 이용한 수직 자기 이방성 형성 자기 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

자기 소자, 및 자기 소자 제조 방법이 개시된다. 자기 소자는 비정질 또는 나노 크리스털 물질층, 및 비정질 또는 나노 크리스털 물질층 상에 형성된 수직 자기 이방성 물질층을 포함한다. 비정질 또는 나노 크리스털 물질층은 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질의 층으로서 하부층 상에 형성되고, 수직 자기 이방성 물질층은 비정질 또는 나노 크리스털 물질층 상에 형성된다. 또는 그 적층 순서가 반대인 것도 가능하다. 하부층상에 수직 자기 이방성 물질을 형성하기 위한 버퍼로서, 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질을 채용함으로써, 구조가 단순하면서도 결정의 크기나 구조에 구애받지 않는 버퍼를 구현할 수 있게 된다.

Description

인접 비정질 또는 나노 크리스털 물질 층을 이용한 수직 자기 이방성 형성 자기 소자 및 그 제조 방법{Magnetic device and manufacturing method for the device with perpendicular magnetic anisotropy using neighboring amorphous or nano-crystal layer}

본 발명은 자기 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일부 자기 접합 소자와 같이 수직 자기 이방성 물질을 이용하는 미세 자기 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 자성 물질에서 수직 자기를 구현하는 방안은 수직 자성을 갖는 결정성을 가진 채 증착되게 하기 위해, 증착될 수직 자기 물질과 같거나 비슷한 결정 상수(lattice constant)를 갖는 물질을 버퍼로 사용하는 방법이다.

이와 다른 방법으로, 터널링 자기 저항을 이용한 자성 메모리를 연구하는 과정에서 일본 AIST의 유아사(S. Yuasa) 등은 비정질 상태의 CoFeB 위에 비정질 상태의 MgO를 증착한 이후 열처리를 하여 MgO가 결정화 되고 (J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007)), 더 높은 온도에서 B 원자가 이동하여 빠져나가면서 MgO의 결정화된 형태(Morphology)를 따라 체심 입방(bcc) 구조의 CoFe이 형성되면서 터널 접합에서 요구하는 체심 입방(bcc) 구조의 면내 자기 이방성을 갖는 자성층을 형성하였다.

이후 오사카(Osaka) 대학의 스즈키(Y. Suzuki) 그룹은 Au, Pt을 버퍼로 사용할 경우 위 구조에서 수직 자기 이방성이 발생할 수 있음을 확인한 바 있고 (Appl. Phys. Lett. 96, 022506 (2010)), 최근 오노(Ohno) 그룹의 네이쳐 머티리얼즈(Nature Materials 9, 721 724(2010))에서 Ta을 버퍼로 활용하여 수직 이방성을 확인하였다.

그러나 이 모든 기존의 발명은 수직 이방성을 구현하기 위하여 단원자 물질 구조를 버퍼로 사용하거나 결정질 물질을 버퍼로 활용하였다. 그 결과 수직 이방성을 보이는 그레인 (grain)이 수 마이크로비터 단위로 형성되어 수직 자기를 이용한 STT-MRAM (Spin Transfer Torque- MRAM)에서 수십 나노미터 크기의 메모리 셀을 형성시킬 경우 셀이 그레인 경계(grain boundary)에 형성될 경우 불량셀이 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 기존의 수직 자기 이방성 제어 기술의 경우, 수직 자기 이방성의 제어를 위해 수직 자기 이방성을 갖는 물질의 격자 상수와 결정 방향에 꼭 맞는 버퍼층(buffer layer)의 조합이 필수 요소였다.

하지만 이 경우, 많은 버퍼층(buffer layer)의 사용으로 인해 버퍼층(buffer layer)의 두께가 두꺼워 지거나, 결정의 크기가 맞는 특정한 물질만이 사용 가능하거나, 여러 버퍼층(buffer layer)의 사용으로 인한 공정상의 여러 난점을 극복해야 하였다.

또한, 하부에 고정층(Pinned layer)로 사용 가능한 FePt나 FePd과 같은 L10 구조로 오더링(ordering)되어진 물질 위에서 성막이 불가능하였다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 구조가 단순하고, 결정의 크기나 구조에 구애받지 않으며, 자화 연결을 시켜줄 수 있으면서도 두께가 얇은 버퍼층(buffer layer)을 가진 자기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 자기 소자는 비정질 또는 나노 크리스털 물질층, 및 비정질 또는 나노 크리스털 물질층 상에 형성된 수직 자기 이방성 물질층을 포함한다. 비정질 또는 나노 크리스털 물질층은 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질의 층으로서 하부층 상에 형성되고, 수직 자기 이방성 물질층은 비정질 또는 크리스털 물질층 상에 형성된다.

이와 같이, 기판 또는 기판 상에 형성된 여러층의 구조를 가지는 하부층상에 수직 자기 이방성 물질을 형성하기 위한 버퍼로서, 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질을 채용함으로써, 구조가 단순하면서도 결정의 크기나 구조에 구애받지 않는 버퍼를 구현할 수 있게 된다. 여기에서, 버퍼는 수직 이방성 물질의 바로 하부에 놓이는 층(반대로 쌓아가는 경우에는 상부층)을 의미한다.

이때, 비정질 버퍼 물질은 수직 자기 이방성 물질보다 결정화 온도가 높은 것이 바람직하다. 이와 같이, 비정질 버퍼 물질의 결정화 온도가 수직 자기 이방성 물질의 결정화 온도보다 높은 경우 수직 자기 이방성 물질은 결정화되며, 수직 이방성을 나타내어도 이웃한 버퍼층은 결정화가 진행되지 않은 채 비정질 상태를 유지하여 비정질 버퍼 역할을 수행한다.

또한, 비정질 물질은 비정질 금속일 수 있으며, 특히 FeZr일 수 있다. 이와 같이 비정질 물질을 비정질 금속으로 채용하는 경우 버퍼를 통한 수직 자기 이방성 물질층으로의 전기 전도가 용이해 진다.

하부층은 수직 자기 이방성 물질층일 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 비정질 금속층 하부 및 상부 수직 자기 이방성 물질층 사이의 텍스쳐(texture) 전달은 차단하면서도 자기적으로는 연결이 가능하게 된다.

또한, 하부층은 반강자성 물질층을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성으로 인해, 상층의 수직 자기 이방성 물질층을 고정층으로 사용하는 스핀 밸브 구조가 가능하게 된다.

아울러, 상기 소자를 제조하는 방법 발명이 개시된다.

본 발명에 의하면, 얇은 비정질 버퍼층(amorphous buffer layer)로 FeZr 단층을 삽입한 결과 열처리 이후 MgO 층에 인접한 CoFeB 층에서 수직자기 이방성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

또한, 버퍼층(Buffer layer)의 두께가 얇기 때문에 적층 후 식각 공정에서 두꺼운 버퍼층(buffer layer)의 사용으로 인한 긴 식각 공정에서 발생할 수 있는 시료의 손상(damage)을 방지할 수 있다.

또한, 결정화 온도가 높은 단층 물질을 버퍼층(morphology buffer layer)로 사용할 경우 일반적으로 수직 자기 이방성을 위해 고온 열처리 과정에서 버퍼층(buffer layer)의 결정화로 인한 열처리 온도의 제한을 극복할 수 있다.

또한, 버퍼층(buffer layer)이 비정질 상태이기 때문에 격자 상수가 다른 수직 자기 이방성 물질이라 할지라도 결정의 크기에 상관없이 버퍼층(buffer layer)으로 사용이 가능하다. 따라서 하부 전극의 텍스쳐(texture)에 상관없이 원하는 수직 자기 이방성을 구현할 수 있다.

또한, 강한 수직 자기 이방성을 띠는 고정층(Pinned layer) 위에 수직 자기 이방성을 갖는 CoFeB층(layer)의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명의 구조는 다층 박막을 형성하는 순서가 반대인 경우에도 동일하게 적용된다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 소자의 일 실시예의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 구조를 가지는 시료에서 400도 열처리 후의 자화의 변화를 보여주는 VSM 데이터를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 자기 소자의 다른 실시예의 개략적인 단면도.
도 4는 스핀 밸브 구조를 포함하는 본 발명에 따른 자기 소자 일 실시예의 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 자기 소자 제조 방법의 일 실시예를 수행하기 위한 개략적인 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 소자의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 1에서는, 일반적으로 수평 자기 이방성을 갖는 CoFeB 자성체를 수직 자기 이방성을 갖도록 하기 위하여 FeZr 비정질 모폴로지 버퍼층(amorphous morphology buffer layer)을 사용하여 수직 자기 이방성을 갖도록한 시료의 적층구조가 도시되어 있다.

여기에서 모폴로지 버퍼층이란 위와 아래로 이웃한 박막층으로 텍스쳐(texture)가 파급되어 텍스쳐 충돌이 일어나는 것을 방지하거나 또는 원하지 않는 텍스쳐의 파급을 차단하는 층을 의미한다.

도 1에서, 자기 소자는 비정질 물질층(110), 및 비정질 물질층(110) 상에 형성된 수직 자기 이방성 물질층(120)을 포함한다. 비정질 물질층(110)은 비정질 물질의 층으로서 하부층(130) 상에 형성되고, 수직 자기 이방성 물질층(120)은 비정질 물질층(110) 상에 형성된다.

도 1에서 모폴러지 버퍼층(110)으로 비정질 물질이 사용되었으나, 비정질 물질 대신 나노 크리스털 물질이 모폴러지 버퍼층으로 사용될 수도 있으며, 이때 나노 크리스털 물질은 전체적으로 비정질이지만 부분적으로 결정을 가지는 물질을 의미한다.

이때, 수직 이방성 물질층(120)은 층의 형성시에 이미 수직 이방성을 가질 수도 있겠지만, 층의 형성 이후에 열처리 등의 기법을 통해 수직 이방성을 가지는 것이 일반적일 것이다. 또한, 수직 자기 이방성 물질층(120)이 수직 자기 이방성을 보일 수 있도록 상부에 MgO층(140) 또는 이와 유사한 결정 구조층이 필요하다.

또한, 도 1에서 하부층(130)은 실리콘 기판으로 구현되어 있지만, 하부층(130)은 이외에도 다양한 물질의 기판은 물론, 전극으로 구현될 수 있다.

이와 같이, 하부층 상(130)에 수직 자기 이방성 물질을 형성하기 위한 버퍼로서, 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질을 채용함으로써, 구조가 단순하면서도 하부층(130)의 결정의 크기나 구조에 구애받지 않는 버퍼를 구현할 수 있게 된다.

이때, 비정질 물질 및 나노 크리스털 물질은 수직 자기 이방성 물질보다 결정화 온도가 높은 것이 바람직하다. 이와 같이, 비정질 물질의 결정화 온도가 수직 자기 이방성 물질의 온도가 높은 경우 수직 자기 이방성을 위한 고온 열처리 과정에서 버퍼층의 결정화로 인한 열처리 온도의 제한을 극복할 수 있게 된다.

또한, 비정질 물질은 비정질 금속일 수 있으며, 특히 FeZr일 수 있다. 이와 같이 비정질 물질을 비정질 금속으로 채용하는 경우 버퍼를 통한 수직 자기 이방성 물질층으로의 전기 전도가 용이해 진다.

도 2는 도 1의 구조를 가지는 시료에서 400도 열처리 후의 VSM 데이터를 도시한 도면이다. 도 2에서, 아웃 오브 플레인(Out of plane) 방향에서 자화 반전이 일어나는 것으로 보아 수직 자기 이방성이 생성되어 있음을 확인할 수 있다. 더불어 버퍼층(buffer layer)과 CoFeB층(layer)의 두께를 조절함으로 인해서 다양한 수직 자기 이방성을 확인할 수 있다. 또한, FeZr 비정질 모폴로지 버퍼층(amorphous morphology buffer layer)을 이용하여 수직 자기 이방성이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 자기 소자의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.

도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비정질 금속층(110)과 기판(130) 사이에 수직 자기 이방성 물질층(140)을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 비정질 금속층(110) 하부 자기 이방성 물질층(140) 및 상부 수직 자기 이방성 물질층(120) 사이의 텍스쳐(texture) 전달은 차단하면서도 자기적으로는 연결이 가능하게 된다.

다시 말해, 결정화된 하부 전극에 상관없이 상부에 수직 자기 이방성을 구현할 수 있게 된다. 하부 및 상부 전극의 텍스쳐(texture)의 전달은 차단하면서도 자기적으로는 연결이 가능하게 하여 수직 이방성 하드 피닝층(hard pinning layer) 위에 수직자기 CoFeB/MgO의 구조의 구현이 가능하게 된다.

도 4는 스핀 밸브 구조를 포함하는 본 발명에 따른 자기 소자 일 예의 개략적인 단면도이다. 도 4에는 본 발명에서 제시된 FeZr을 사용하여 수직 자기 이방성을 갖는 MgO MTJ의 수직-수직 스핀 밸브(spin valve) 구조를 도시하고 있다.

도 4의 좌측 도면의 경우 하부층에 반강자성(antiferro magnet) 물질(160)을 사용하고 조성에 따른 강자성 또는 상자성 FeZr 물질을 사용하여 상부의 CoFeB 물질을 고정층(Pinned layer)으로 작동할 수 있게 하였고, 도 4의 우측 도면의 경우 반강자성(antiferro magnet) 물질 대신에 L10 오더링(ordered) 되어진 강고정층(Hard pinned layer)을 사용하여 강자성층(Pinned layer)으로 작동할 수 있게 하였다.

고정층(pinned layer) 상부에 역시 수직 자기 이방성을 갖는 CoFeB 물질을 자유층(free layer)으로 작동할 수 있도록 하여, (수직 pinned) - (수직 free layer)를 형성하고 수직 자기 이방성을 갖는 스핀 밸브(spin valve) 구조의 구현을 가능하게 하였으며, 이 구조를 이용하여 자기 저장 메모리로의 구동을 가능하게 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 자기 소자 제조 방법의 일 실시예를 수행하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 5에서, 기판상에 비정질 물질층을 형성하고(S110), 형성된 비정질 모폴로지 버퍼층 상에 수직 자기 이방성으로 변화하게 될 물질층을 형성한다(S120).

자세히 설명하자면, 다양한 물질의 조합이나 적층 구조가 아닌 단순한 버퍼층(buffer layer)이면서 얇은 두께에서도 위에 성장된 물질이 수직 이방성을 갖도록 만들어 주며, 결정의 크기가 달라도 버퍼층(buffer layer)으로 사용 가능하고 후공정 과정에서 문제가 발생하지 않는 버퍼층(buffer layer)을 삽입하는 것이다.

이 버퍼층은 열처리에 따라 비정질 자성체 CoFeB에 있어 MgO 로부터 전파되어 내려오는 체심 입방(bcc) 구조와 아래로부터 작용하는 텍스쳐(texture; fcc, fct, hcp 등 상이 구조)로부터 전파되는 다른 상을 차단한다. 따라서 그동안 L10 같은 텍스쳐(texture)를 갖는 물질들 위에서 성막이 불가능했던 문제점을 해결할 수 있다.

더불어 모폴로지 버퍼(morphology buffer)의 역할을 하면서도 자화 연결이 가능하기 때문에 수직 이방성 고정층(Pinned layer)/수직 이방성 자유층(free layer)의 구조의 구현이 가능하다.

또한, 삽입층(Inserting layer)로 사용되어지는 FeZr 물질은 Fe과 Zr의 조성비를 조절하여 상자성 및 강자성체로 상전이가 가능하기 때문에 원하는 상을 찾아서 사용이 가능하다.

이에 대해서는, 비정질 버퍼층(amorphous morphology buffer layer)으로 얇은 FeZr층(layer)을 사용하여 열처리 공정 후, 위에 성장한 CoFeB 강자성체(ferromagnetic) 물질이 수직 이방성을 가질 수 있도록 실험 확인한 바 있다.

본 발명은 다음과 같은 경우에 유용하게 채용될 수 있다.

- 다층막에서 결정화 과정을 통하거나, 나노 결정화 과정 및 유사 열처리 과정을 통하여 상을 전파하려 할 경우에 있어, 한 개의 상의 전파를 차단하거나 또는 두 개 이상의 상이 충돌하는 것을 차단하기 위하여 단층의 비정질 물질 또는 이와 결합한 다층막을 활용하는 경우

- 결정화 과정을 이용하여 상의 전달을 야기하고, 이를 통하여 수직 자기 이방성을 발현하고자 할 때, 이 수직 이방성이 받는 스트레인(strain)을 풀어줄 목적으로 수직 자기를 구현하고자 하는 자성층에 그 층의 결정화 온도보다 결정화 온도가 높은 비정질 금속층 또는 이와 결합한 다층막을 이웃하게 하여 모폴로지 버퍼층(morphology buffer layer)로 사용하는 경우

- 결정화 되어진 하부 전극에 상관없이 상부에 수직 자기 이방성을 구현하는 경우

- 상부 및 하부에 구성되어진 전극들의 결정형의 영향은 차단하면서 자기적으로 연결 가능하여 수직 자기 이방성으로의 적용을 하는 경우.

정리하자면, 일반적으로 기존의 수직자기 이방성을 위한 버퍼층(buffer layer)의 경우 수직 자기 이방성을 위하여 격자 상수가 비슷하거나 여러 가지 물질을 적층 구조로 사용하여 수직 자기 이방성을 가질 수 있는 특별한 조건들을 만족해야만 했다.

그런데, 이러한 경우 버퍼층(buffer layer)의 두께가 두꺼워질 수 있고, 또는 여러 물질의 적층 구조로 이루어지거나, 결정의 크기 등 특별한 조건을 만족하는 경우에만 수직 자기 이방성을 가질 수 있게 되었다.

하지만 본 발명에서는 비정질 모폴로지 버퍼층(amorphous morphology buffer layer)을 사용하여 두께가 얇은 단층의 버퍼층(buffer layer)에서 수직 자기 이방성을 확인하였다.

다시 말해, 비정질(amorphous) 물질이기 때문에 결정의 크기에 상관없이 버퍼층(buffer layer)으로 사용이 가능하며, 결정화 온도가 높기 때문에 고온에서도 버퍼층(buffer layer)의 역할을 할 수 있는 비정질 버퍼층(amorphous morphology buffer layer)을 사용하여 수직 자기 이방성을 확인하였다.

더불어, 본 발명에 의하면, 하부 및 상부 전극의 텍스쳐(texture)의 전달은 차단하면서도 자기적으로는 연결이 가능하게 하여 수직 이방성 하드피닝층(hard pinning layer) 위에 수직 자기 CoFeB/MgO 의 구조의 구현이 가능해 진다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.

110: 비정질 물질층
120: 수직 자기 이방성 물질층
130: 기판
140: MgO층(비자성체층)
150: 고정 자화층(수직 자기 이방성 물질층)
160: 반강자성 물질층

Claims (13)

1. 하부층;
   상기 하부층 상에 형성된 비정질 또는 나노 크리스털 물질층; 및
   상기 비정질 또는 나노 크리스털 물질층 상에 형성되고, 상기 비정질 또는 나노 크리스털 물질층과 접촉하는 자기 이방성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비정질 물질 및 나노 크리스털 물질은 상기 자기 이방성 물질층보다 결정화 온도가 높은 물질인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 비정질 물질은 비정질 금속인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 비정질 금속은 FeZr인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 하부층은 수직 자기 이방성 물질층인 것을 특징으로 하는 자기 소자.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 하부층은 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
7. 하부층 상에 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질층을 형성하는 단계;
   상기 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질층의 상면에 접촉하는 강자성체 물질층을 형성하는 단계; 및
   상기 비정질 물질 또는 나노 크리스털 물질층을 열처리하여, 상기 강자성체 물질층이 수직 자기 이방성을 갖도록 하는 단계를 포함하는 자기 소자 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 비정질 물질 및 나노 크리스털 물질은 상기 강자성체 물질보다 결정화 온도가 높은 물질인 것을 특징으로 하는 자기 소자 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 비정질 물질은 비정질 금속인 것을 특징으로 하는 자기 소자 제조 방법.
10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 9항에 있어서,
    상기 비정질 금속은 FeZr인 것을 특징으로 하는 자기 소자 제조 방법.
11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 10항에 있어서,
    상기 하부층은 수직 자기 이방성 물질층인 것을 특징으로 하는 자기 소자 제조 방법.
12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 10항에 있어서,
    상기 하부층은 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자 제조 방법.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기 이방성 물질층은 수직 자기 이방성을 가지는 자기 소자.

Images