KR101308105B1 - 수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다. 수직자화 박막 구조체는, i) 베이스층, ii) 베이스층 위에 위치하고, L10 결정 구조를 가지는 자성층, 및 iii) 자성층 위에 위치하는 금속 산화물층을 포함한다.

Description

수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법 {PERPENDICULARLY MAGNETIZED THIN FILM STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 자성층과 금속층이 포함된 박막 구조체를 열처리하여 자성층 위에 위치하는 금속층을 산화시킴으로써 자성층을 L10 결정 구조로 변환시키면서 수직자기 이방성을 확보할 수 있는 수직자화 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
L10 결정 구조를 가진 자성체는 높은 자기이방성을 가지므로, 정보저장을 위한 소재로서 높은 이용 가치를 가진다. 좀더 구체적으로, L10 결정 구조를 가진 자성체는 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic random access memory, MRAM) 또는 하드 디스크 드라이브(hard disk drive, HDD) 등에서 정보를 저장하는 자성층으로서 이용될 수 있다. 또한, 자기이방성이 큰 자성층을 사용하는 경우, 자성층의 부피가 작더라도 열적 요동에 의해 자성층의 자화 방향이 임의로 바뀌지 않으므로 메모리 소자를 고집적화할 수 있다.
L10 결정 구조를 가지는 대표적인 자성체의 소재는 FePt, FePd 또는 CoPt 등을 예로 들 수 있다. L10 결정 구조를 가지는 자성체의 c축이 자화 용이축이고, c축이 수직 방향으로 배열되는 경우에 자성체가 수직자기이방성을 가진다. 특히, FePt 합금의 수직자기이방성 에너지가 매우 큰 것으로 알려져 있다. 높은 수직자기이방성을 가진 자성체를 기록층으로 사용하는 경우, 자성체의 부피가 매우 작더라도 열적 요동에 의해 정보를 손실하지 않으며, 기록층의 안정성 지수(KUV/kBT, KU: 자기이방성, V: 자성체의 부피, kB: 볼츠만 상수, T: 절대온도)가 매우 높아진다.
열처리에 의해 자성층 위에 위치하는 금속층을 산화시킴으로써 자성층을 L10 결정 구조로 변환시키면서 수직자기 이방성을 확보할 수 있는 수직자화 박막 구조체를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 수직자화 박막 구조체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체는 수직자화 박막 구조체는, i) 베이스층, ii) 베이스층 위에 위치하고, L10 결정 구조를 가지는 자성층, 및 iii) 자성층 위에 위치하는 금속 산화물층을 포함한다.
금속 산화물층은 TiO2, Ta2O5, Al2O3, Cr2O3, ZrO2, ZnO, Cu2O 및 NiO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 자성층은 A100-xBx의 화학식을 가지는 화합물을 포함하고, A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 및 Cr(크롬)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Ni(니켈), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, x는 25 내지 75일 수 있다. 좀더 바람직하게는, x는 40 내지 60일 수 있다. 자성층은 0보다 크고 50 이하의 B(Boron)를 포함하고, 금속 산화물층은 B2O3를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체는 베이스층과 자성층 사이에 위치하는 절연층을 더 포함할 수 있다. 절연층은 MgO층을 포함하고, MgO층의 두께는 2nm 이하일 수 있다.
베이스층은 자성층을 포함할 수 있다. 자성층은 FePtB 및 CoPtB로 이루어진 군에서 선택된 하나 이사의 화합물로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체는 절연층과 자성층 사이에 위치하고, 체심입방(body centered cubic, BCC) 결정 구조를 가지며. CoFeB, CoFe 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함하는 또다른 자성층을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체는 금속 산화물층 위에 위치하는 전극층을 더 포함하고, 금속 산화물층의 두께는 자성층의 두께보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은, i) 베이스층을 제공하는 단계, ii) 베이스층 위에 자성층을 제공하는 단계, iii) 자성층 위에 금속층을 제공하는 단계, 및 iv) 베이스층, 자성층 및 금속층의 열처리 단계를 포함한다. 열처리 단계에서, 자성층은 L10 결정 구조를 가지도록 변환되고, 자성층의 c축은 자성층의 판면이 뻗은 방향에 수직인 방향으로 정렬되며, 금속층은 금속 산화물층으로 변환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은 베이스층과 자성층 사이에 절연층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 열처리 단계에서, 절연층을 베이스층, 자성층 및 금속층과 함께 열처리할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은 절연층과 금속층 사이에 또다른 자성층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 열처리 단계에서, 또다른 자성층을 베이스층, 절연층, 자성층 및 금속층과 함께 열처리할 수 있다.
열처리 단계에서의 열처리 온도는 400℃ 내지 900℃일 수 있다. 열처리 단계에서의 산소 분압은 1010 bar 내지 1 bar일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은 i) 열처리 단계 후에 금속 산화물층의 두께를 줄이는 단계, 및 ii) 금속 산화물층 위에 전극층을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 금속 산화물층의 두께를 감소시키는 단계는 금속 산화물층을 아르곤 이온 밀링(Ar ion milling), 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching) 또는 화학기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization)하여 금속 산화물층을 부분적으로 제거할 수 있다.
자성층 위에 위치하는 금속층의 인장 응력을 이용하여 비정질층 위에서도 L10 결정 구조를 가진 자성층을 형성할 수 있다. 따라서 L10 결정 구조를 가지면서 수직자기 이방성이 우수한 수직자화 박막 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 수직자화 박막 구조체의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 수직자화 박막 구조체의 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6 내지 도 9는 각각 본 발명의 제2 실시예 내지 제5 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 10은 오제이 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy)을 이용하여 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체 성분의 분석 그래프이다.
도 11은 X선 회절 분석기(Xray diffractometry)를 이용하여 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체 결정 구조의 분석 그래프이다.
도 12는 시료 진동 자력계(vibrating sample magnetometer, VSM)를 이용하여 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다.
도 13은 시료 진동 자력계를 이용하여 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다.
도 14는 시료 진동 자력계를 이용하여 실험예 4에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다.
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.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체의 개략적인 단면 구조를 나타내고, 도 2 내지 도 5는 도 1의 수직자화 박막 구조체의 제조 공정의 각 단계들을 개략적으로 나타낸다. 이하에서는 도 1과 함께 도 2 내지 도 5를 참조하여 수직자화 박막 구조체의 제조 방법을 순서대로 설명한다. 도 1의 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수직자화 박막 구조체의 제조 방법을 다른 형태로 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은, i) 베이스층을 제공하는 단계(S10), ii) 베이스층 위에 자성층을 제공하는 단계(S20), iii) 자성층 위에 금속층을 제공하는 단계(S30) 및 iv) 베이스층, 자성층 및 금속층을 열처리하는 단계(S40)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 수직자화 박막 구조체의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 도 1의 단계(S10)에서는 베이스층(10)을 제공한다. 베이스층(10)은 진공 분위기에서 증착 등의 방법으로 형성할 수 있다. 도 2의 베이스층(10)의 소재 또는 결정 구조는 특별히 제한되지 않는다. 따라서 베이스층(10)의 소재 또는 결정 구조를 자유롭게 채택하여 사용할 수 있다. 베이스층(10)의 소재로는 실리콘(Si) 또는 금(Au)을 사용할 수 있다. 또한, 베이스층(10)의 소재로서 MgO 등의 산화물 또는 CoFeB 또는 FePtB 등의 자성 재료도 사용할 수 있다. 전술한 소재들을 각각 층 형태로 제조하여 베이스층(10)을 다층 구조로 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 1의 단계(S20)에서는 베이스층(10) 위에 자성층(20)을 제공한다. 예를 들면, 자성층(20)을 베이스층(10) 위에 진공 분위기하에서 증착하여 형성할 수 있다. 도 3의 자성층(20)은 A100-xBx의 화학식을 가지는 화합물을 포함한다. 여기서, A는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Mn(망간) 또는 Cr(크롬)일 수 있다. 또한, B는 Pt(백금), Pd(팔라듐), Ni(니켈), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 또는 Al(알루미늄)일 수 있다. 여기서, B는 붕소(Boron)가 아니라 다양한 원소들을 포괄할 수 있는 임의의 표시 기호로서 사용한다.
한편, x는 25 내지 75일 수 있다. 좀더 바람직하게는 x는 40 내지 60일 수 있다. x가 50인 경우, L10 구조가 가장 안정하지만 전술한 범위내에서도 적절한 수직자기 이방성을 확보할 수 있다. 예를 들면, 주변으로부터 응력이 작용하는 경우, 전술한 범위내에서 더 큰 수직자기 이방성을 확보할 수도 있다. 그러나 전술한 x가 너무 작거나 너무 큰 경우, 해당 화합물의 구조가 화학적으로 더 안정할 수 있어서 L10 구조라고 하기 어렵다. 그러므로, 자성층(20)에 포함된 화합물의 조성범위를 전술한 범위로 조절함으로써 적절한 수직자기 이방성을 확보할 수 있다. 한편, 자성층(20)은 열처리전 비정질 구조를 얻기 위해서 0보다 크고 50at% 이하의 붕소(Boron)를 포함할 수 있다.
도 1의 단계(S30)에서는 자성층(20) 위에 금속층(30)을 제공한다. 도 4의 금속층(30)은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 붕소(Boron) 등의 소재를 자성층(20) 위에 진공 분위기하에 증착하여 형성할 수 있다. 여기서, 금속층(30)에 포함된 붕소(Boron)의 양은 0보다 크고 50at% 이하일 수 있다. 붕소(Boron)의 양이 너무 많은 경우, 금속층(30)이 금속 산화물층(32)으로 변환되기 어렵다. 따라서 붕소(Boron)의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
도 4에 화살표로 도시한 바와 같이, 자성층(20)은 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 평행인 방향으로 자화용이방향을 가진다. 도 4에 도시한 바와 같이, 자화용이축은 형상 이방성에 의해 판면(201)이 뻗은 방향으로 뻗어 있다.
다시 도 1로 되돌아가면, 도 1의 단계(S40)에서는 베이스층(10), 자성층(20) 및 금속층(30)을 열처리한다. 여기서, 열처리 온도는 400℃ 내지 900℃일 수 있다. 열처리 온도가 너무 낮은 경우, 금속층(30)이 잘 산화되지 못하므로, 자성층(20)에 충분한 인장 응력을 주지 못하여 자성층(20)의 수직자기이방성이 확보되기 어렵다. 반대로, 열처리 온도가 너무 높은 경우, 산소 확산에 의해 금속층(30) 뿐만 아니라 자성층(20)도 산화되므로, 자성층(20)의 결정 구조를 L10로 변환하기가 어렵다. 따라서 열처리 온도를 L10 결정 구조의 상변태 온도와 유사한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는 자성층의 하부가 아니라 자성층의 상부를 이용하여 L10 결정 구조의 자성층을 형성하여 수직자기 이방성을 확보한다. 자성층의 상부는 열처리전에는 금속층이었지만 열처리에 의해 금속 산화물층으로 변환되면서 자성층의 판면에 평행한 방향으로 인접한 자성층에 인장 응력을 가한다. 예를 들면, FePt의 L10 결정 구조에서 a축의 격자 상수는 0.385nm이고, c축의 격자 상수는 0.371nm 이다.
열처리중에 인접한 금속 산화물층(32)에 의해 자성층(20)이 그 판면(201)에 평행한 방향으로 인장 응력을 받는 경우, 상대적으로 격자 상수가 큰 a축은 자성층(20)의 판면(201)에 평행한 방향으로 정렬되고, 상대적으로 격자 상수가 작은 c축은 자성층(20)의 판면(201)에 수직인 방향으로 정렬된다. 자성층(20)의 판면(201)에 평행하게 작용하는 인장 응력이 없는 상태로 자성층(20)을 열처리하는 경우, 자성층(20)은 면심입방 다결정(FCC polycrystalline) 구조로 되거나 L10 결정 구조가 형성되더라도 c축의 방향이 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수평인 경우와 수직인 경우가 혼재하므로, 큰 수직이방성을 얻을 수 없다. 따라서, 열처리 중에 자성층(20)에 가해지는 자성층(20)의 판면(201)에 평행한 방향으로의 인장 응력은 자성층(20)이 L10 결정 구조를 형성하고 c축이 자성층(20)의 판면(201)에 수직인 방향으로 정렬되도록 돕는다. 특히, 자성층(20)의 하부가 아닌 자성층(20)의 상부에 인장 응력을 인가하므로, 자성층(20)의 하부에 위치한 베이스층(10)이 결정질이 아닌 비정질인 경우에도 자성층(20)에 L10 결정 구조를 형성시킬 수 있다.
열처리에 의해 도 4의 금속층(30)은 도 5의 금속 산화물층(32)으로 변환된다. 열처리에 의해 금속층(30)을 상압에 노출시키는 경우, 금속층(30)의 표면이 대기 중에 포함된 산소와 반응하여 산화된다. 상온에서는 산화반응속도가 느려서 금속층(30)의 표면만 산화되고, 자성층(20)과 인접한 부분은 산화되지 않고 금속 상태로 잔존한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열처리에 의해 금속층(30)(도 4에 도시, 이하 동일)이 산화되면서 금속 산화물층(32)으로 변태되고 그 부피가 증가한다. 하기의 표 1에는 각 금속의 부피팽창비율을 예시하여 나타낸다.
Figure 112011091320821-pat00001
금속층(30)이 금속 산화물층(32)으로 변환되는 경우의 부피팽창비율은 금속층(30)의 부피에 대한 금속 산화물층(32)의 부피를 의미한다. 표 1에 기재한 바와 같이, 금속의 부피팽창비율은 1 이상이므로, 금속층(30)이 금속 산화물층(32)으로 변환되면서 인접한 자성층(20)에 인장 응력을 인가한다. 여기서, 인장 응력은 L10 결정 구조 형성과 결부될 수 있다. 600℃ 내지 700℃인 L10 결정 구조의 상변태 온도를 고려하여 이 온도와 유사하게 열처리를 하는 경우, 자성층(20)의 결정 구조가 L10으로 변환된다. 한편, 인장 응력의 인가에 따라 L10 결정 구조를 가진 자성층(20)의 c축이 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수직인 방향으로 정렬된다. 즉, 도 5에서 점선 화살표로 도시한 바와 같이, 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향으로 응력이 작용하는 경우, a축보다 상대적으로 격자 상수가 작은 c축이 자성층(20)의 판면(201)에 수직인 방향으로 정렬되는 것이 에너지적으로 안정하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열처리시 금속층(30)이 산화되면서 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향으로 부피 팽창이 일어나는 경우, 인접한 자성층(20)과의 평면상 길이가 일치하지 않게 된다. 따라서 금속층(30)의 길이가 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향으로 커지므로, 도 5의 금속층(30)은 압축응력(compressive stress)을 받고, 자성층(20)은 인장 응력(tensile stress)을 받는다.
L10 결정 구조의 c축을 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수직인 방향으로 정렬시키기 위해서 대략 수 GPa의 인장 응력이 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향으로 자성층(20)에 인가되는 것이 바람직하다. 응력의 강도는 금속층(20)의 물질의 종류, 금속층(20)의 두께, 열처리 온도, 열처리 시간 및 진공도 등에 따라 변한다. 이에 따라 금속 산화물층(32)의 형성 정도를 조절하는 경우, 자성층(20)에 이상적인 인장 응력을 가할 수 있다.
한편, 자성층(20)을 전술한 바와 같이 열처리하는 경우에 적절한 온도와 적절한 진공도는 금속층(30)의 두께와 산화물의 표준 생성 에너지(standard free energy of formation)에 따라 다르다. 열처리는 고진공에서 상압에 이르기까지의 다양한 진공도에서 실시할 수 있다. 산화 반응의 표준 생성 에너지(△G 0)는 하기의 화학식 1로 나타낼 수 있다. 화학식 1에서 △H 0는 표준 생성열, △S 0는 표준 엔트로피 변화, T는 절대온도이다.
[화학식 1]
△G 0 = △H 0 - T△S 0
산화 반응의 표준 생성 에너지가 음의 값을 가진다는 것은 산화 반응이 자발적으로 일어나는 것을 의미한다. 하기의 표 2에는 1bar의 산소 분압과 700℃의 열처리 온도에서 Ti, Ta, Al, Cr, Zr, Zn, Cu 및 Ni의 산화물 표준 생성 에너지를 나타낸다.
Figure 112011091320821-pat00002
표 2에 기재한 바와 같이, 모든 산화물의 생성 에너지가 음의 값을 가지므로, 금속층(30)은 예를 들면 1bar의 산소 분압과 700℃의 열처리 온도에서 산화물 생성 반응을 일으킨다. 산화물 생성 에너지의 절대값이 크므로, 산소 분압이 1bar 보다 훨씬 적더라도 산화물 생성 반응이 일어난다. 산소 분압이 1bar가 아닌 경우의 형성 자유 에너지는 하기의 화학식 2로 나타낼 수 있다. 여기서, R은 이상기체상수이고, P02는 산소 분압을 의미한다.
[화학식 2]
△G = △G 0 - RTlnP 02
금속 산화물 중에서는 Cu2O가 가장 작은 음의 △G 0를 가진다. 금속 산화물이 Cu2O인 경우, △G 가 0이 되는 즉, 산화 반응이 중단되는 산소 분압은 1010 bar 이다. 나머지 산화물들은 훨씬 큰 △G 0의 절대값을 가지므로, 산화 반응이 중단되는 산소 분압은 1010 bar 보다 훨씬 작다. 따라서 1010 bar 내지 1 bar에서의 산소 분압에서 박막 구조체를 열처리하는 경우, 금속층(30)이 산화되어 금속 산화물층(32)으로 변환된다. 반면에, 진공도가 너무 작거나 진공도가 너무 큰 경우, 금속층(30)은 금속 산화물층(32)으로 변환되지 않을 수 있다.
한편, 전술한 진공도 범위내에서의 적절한 진공도는 금속층(30)의 소재, 금속층(30)의 두께, 열처리 온도 및 열처리 시간에 따라 달라진다. 예를 들면, 금속 산화물층(32)의 산소 이온 전도성이 높거나 금속층(30)의 두께가 작거나 열처리 온도가 높거나 열처리 시간이 긴 경우, 우수한 진공도, 즉 낮은 산소 분압이 요구된다. 이 경우, 산소 분압이 너무 높으면, 자성층(20)까지 산화되어 자성층(20)의 L10 결정 구조 형성을 오히려 방해할 수 있다.
도 5에 도시한 금속 산화물층(32)은 TiO2, Ta2O5, Al2O3, Cr2O3, ZrO2, ZnO, Cu2O, NiO 또는 B2O3를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 금속층(30)을 비정질로 형성하기 위해 B를 사용하는 경우, 금속 산화물층(32)은 B2O3를 포함할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열처리된 자성층(20)은 c축이 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수직인 L10 결정 구조를 가진다. 나아가, 자성층(20)은 L10 결정 구조에서 그 c축도 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수직한 방향으로 정렬된다. 그 결과, 도 5에 실선 화살표로 나타낸 바와 같이, 자화용이방향도 자성층(20)의 판면(201)이 뻗은 방향에 수직한 방향이 된다. 따라서 열처리된 자성층(20)은 수직자기이방성을 가진다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체(200)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 6의 수직자화 박막 구조체(200)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수직자화 박막 구조체(200)의 단면 구조를 다앙하게 변형할 수 있다. 또한, 도 6의 수직자화 박막 구조체(200)의 구조는 절연층(40)을 제외하고는 도 5의 수직자화 박막 구조체(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 절연층(40)은 베이스층(10)과 자성층(20) 사이에 위치한다. 절연층(40)은 베이스층(10) 위에 증착하여 형성할 수 있고, 자성층(20)은 절연층(40) 위에 증착되어 형성될 수 있다. 절연층(40)은 베이스층(10), 자성층(20) 및 금속층(미도시)과 함께 열처리된다. 절연층(40)을 이용하여 베이스층(10)과 자성층(20)을 상호 절연시키므로, 통전에 의한 피해를 방지할 수 있다. 한편, 도 6에는 도시하지 않았지만, 절연층(40)은 MgO 층을 포함할 수 있고, MgO 층의 두께는 2nm 이하일 수 있다. MgO 층의 두께가 너무 큰 경우, 수직자화 박막 구조체(200)의 제조 비용이 크게 증가할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 MgO 층의 두께를 조절한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체(300)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 7의 수직자화 박막 구조체(300)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수직자화 박막 구조체(300)의 단면 구조를 다앙하게 변형할 수 있다. 또한, 도 7의 수직자화 박막 구조체(300)의 구조는 또다른 자성층(50)을 제외하고는 도 6의 수직자화 박막 구조체(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 또다른 자성층(50)은 절연층(40)과 자성층(20) 사이에 위치한다. 또다른 자성층(50)은 절연층(40) 위에 증착하여 형성할 수 있고, 자성층(20)은 또다른 자성층(50) 위에 증착되어 형성될 수 있다. 또다른 자성층(50)은 베이스층(10), 절연층(40), 자성층(20) 및 금속층(미도시)과 함께 열처리된다.
또다른 자성층(50)의 소재로는 CoFeB, CoFe 또는 Fe 등을 사용할 수 있다. 또다른 자성층(50)은 전술한 소재로 인하여 체심입방(body centered cubic, BCC) 결정 구조를 가진다. MgO로 된 절연층(40)과 BCC 결정 구조의 또다른 자성체(50)가 가 인접한 경우, 자기재생신호값이 크므로 재생 신호를 크게 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수직자화 박막 구조체(400)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 8의 수직자화 박막 구조체(400)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수직자화 박막 구조체(400)의 단면 구조를 다앙하게 변형할 수 있다. 또한, 도 8의 수직자화 박막 구조체(400)의 구조는 금속 산화물층(34) 및 전극층(60)을 제외하고는 도 6의 수직자화 박막 구조체(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 전극층(60)은 금속 산화물층(34) 위에 위치한다. 전극층(60)은 금속 산화물층(34) 위에 증착하여 형성할 수 있다. 열처리에 의해 변환된 금속 산화물층(34)의 저항이 MgO로 된 절연층(40)의 저항보다 큰 경우, 수직자화 박막 구조체로부터 발생되는 재생 신호값이 작아진다. 재생 신호값을 향상시키기 위해서는 금속 산화물층(34)의 저항이 절연층(40)의 저항보다 작은 것이 바람직하다.
따라서 도 8에 도시한 바와 같이, 열처리 단계 후에 금속 산화물층(34)의 두께를 감소시킬 수 있다. 즉, 열처리 전에 금속 산화물층(34)으로 변환되기 전의 금속층의 두께를 줄이는 경우, 자성층(20)의 L10 결정 구조 형성을 방해할 수 있다. 따라서 열처리 전이 아니라 열처리 후에 금속 산화물층(34)의 두께(t34)를 줄이는 것이 바람직하다. 즉, 금속 산화물층(34)을 아르곤 이온 밀링, 반응성 이온 에칭 또는 화학기계적 평탄화하여 금속 산화물층(34)을 부분적으로 제거할 수 있다. 이 경우, 금속 산화물층(34)의 두께(t34)는 자성층(20)의 두께(t20)보다 작아진다. 금속 산화물층(34)의 두께(t34)를 줄인 후 금속 산화물층(34) 위에 저항이 낮은 전극층(60)을 제공할 수 있다. 전극층(60)은 금속 산화물층(34) 위에 증착될 수 있으며, 수직자화 박막 구조체(400)를 외부 전원과 전기적으로 연결시킨다.
전술한 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예와는 달리, 금속 합금에서 L10 결정구조를 얻기 위해 지금까지 일반적으로 알려진 방법은 다음과 같다. 먼저 (001) 방향으로 성장된 베이스층을 형성하고, 이 베이스층 위에 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 통해 L10 결정구조를 지닌 합금을 제조한다. 예를 들면, (001) 방향으로 성장된 MgO 단결정 기판이나 Si 기판 위에 수십 nm 두께의 베이스층을 (001) 방향으로 성장시킨 후, L10 합금을 그 위에 형성한다. 전술한 방법으로 베이스층을 이용하는 경우 많은 문제점이 있다. 먼저, MgO 등으로 된 단결정 기판의 가격은 Si로 된 기판의 가격에 비해 높다. 또한, 베이스층을 형성하기 어렵다. 일반적으로, Si 기판 위에서 베이스층을 (001) 방향으로 성장시키기 위해서는 증착 온도가 높아야 하지만, 증착 온도가 높아짐에 따라 공정 설비가 추가로 필요하며, 조절해야 할 공정 변수가 증가한다. 나아가, 베이스층으로 인해 L10 결정 구조를 가지는 합금의 용도가 제한된다. 베이스층이 (001) 결정 구조를 가지지 않더라도 베이스층 위에 L10 결정 구조를 형성할 수 있으면 L10 결정 구조를 가지는 합금의 용도를 훨씬 다양화할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
열산화처리한 실리콘 기판을 준비하였다. 스퍼터(sputter) 시스템을 이용하여 실리콘 기판 위에 2nm 두께의 MgO층을 증착하였다. 그리고 MgO층 위에 원자%로 Fe40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 10nm 두께의 자성층을 증착하였다. 또한, 자성층 위에 5nm 두께의 티타늄층을 증착하여 박막 구조체를 제조하였다. 전술한 방법으로 제조한 박막 구조체를 109bar 내지 108bar의 진공도 및 600℃에서 30분 동안 열처리하였다. 여기서, 실리콘 기판 및 MgO층은 베이스 구조체에 해당한다.
실험예 2
열산화처리한 실리콘 기판을 준비하였다. 스퍼터(sputter) 시스템을 이용하여 실리콘 기판 위에 2nm 두께의 MgO층을 증착하였다. 그리고 MgO층 위에 원자%로 Co40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 1nm 두께의 하부 자성층을 증착하였다. 또한, 하부 자성층 위에 Fe40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 10nm의 두께의 상부 자성층을 증착하였다. 그리고 상부 자성층 위에 5nm 두께의 티타늄층을 증착하여 박막 구조체를 제조하였다. 전술한 방법으로 제조한 박막 구조체를 109bar 내지 108bar의 진공도 및 600℃에서 30분 동안 열처리하였다. 여기서, 실리콘 기판, MgO층 및 하부 자성층은 베이스 구조체에 해당한다.
실험예 3
MgO층 위에 원자%로 Co40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 2nm 두께의 자성층을 증착하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 2와 동일하였다.
실험예 4
Au로 된 버퍼층을 준비하였다. 스퍼터 시스템을 이용하여 버퍼층 위에 원자%로 Fe40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 10nm 두께의 하부 자성층을 증착하였다. 또한, 자성층 위에 2nm 두께의 MgO층을 증착하였다. 그리고 MgO층 위에 원자%로 Fe40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 3nm 두께의 상부 자성층을 증착하였다. 또한, 상부 자성층 위에 5nm 두께의 티타늄층을 증착하여 박막 구조체를 제조하였다. 전술한 방법으로 제조한 박막 구조체를 109bar 내지 108bar의 진공도 및 700℃에서 30분 동안 열처리하였다. 여기서, 버퍼층, 하부 자성층 및 MgO층은 베이스 구조체에 해당한다.
비교예 1
열산화처리한 실리콘 기판을 준비하였다. 스퍼터(sputter) 시스템을 이용하여 실리콘 기판 위에 2nm 두께의 MgO층을 증착하였다. 그리고 MgO층 위에 원자%로 Fe40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 10nm 두께의 자성층을 증착하였다. 또한, 자성층 위에 5nm 두께의 티타늄층을 증착하여 박막 구조체를 제조하였다. 박막 구조체는 열처리하지 않았다.
실험 결과
박막 구조체의 성분 분석 결과
오제이 전자 분광기를 이용하여 박막 구조체의 성분을 분석하였다. 즉, 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 성분을 오제이 전자 현미경을 이용하여 분석하였다.
도 9는 오제이 전자 현미경을 이용하여 각각 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 성분을 분석한 결과를 나타낸다. 도 9의 좌측에는 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 성분을 나타내고, 도 9의 우측에는 실험예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 성분을 나타낸다.
도 9의 우측에 도시한 바와 같이, 실험예 1에서는 산화티타늄(TiO2)층과 FePt 층에 대응하는 그래프가 관찰되었다. 즉, 박막 구조체를 열처리함으로써 티타늄층 전체로 산화가 확대된 것을 알 수 있다. 그러나 산화물은 티타늄층에서만 형성되고, 자성층인 FePtB층까지는 확산되지 못하였다. 이는 충분히 낮은 진공도, 즉 낮은 산소 분압에서 열처리가 이루어진 것에 기인한다. 실험예 1에서는 티타늄층의 두께가 5nm로 최적화되어 FePtB층까지의 산화를 방지할 수 있었다. 동일한 진공도 및 열처리 조건하에서 티타늄층이 아닌 다른 물질로 된 층을 사용하는 경우, 그 층만 산화시키기 위한 층의 두께는 달라질 수 있다.
이와는 대조적으로, 도 9의 좌측에 도시한 바와 같이, 비교예 1에서는 티타늄층과 FePt 층에 대응하는 그래프가 관찰되었다. 즉, 박막 구조체를 열처리하기 전에는 박막 구조체의 상부에 위치한 티타늄층의 표면만 상압에 노출되면서 산화되었고, 자성층인 FePtB와 인접한 부분은 산화되지 않고 티타늄층으로 존재하였다.
X선 회절 분석 결과
X선 회절 분석기를 이용하여 박막 구조체의 결정 구조를 분석하였다. 즉, 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 결정 구조를 성분을 X선 회절 분석기를 이용하여 분석하였다.
도 10은 X선 회절 분석기를 이용하여 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 결정 구조를 분석한 그래프이다. 도 10의 좌측에는 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 결정 구조를 분석한 결과를 나타내고, 도 10의 우측에는 실험예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 결정 구조를 분석한 결과를 나타낸다.
도 10의 우측에 도시한 바와 같이, X선 회절 실험 결과, 실험예 1에서는 24˚와 49˚에서 L10 결정 구조의 (001) 회절 및 (002) 회절이 나타났다. 따라서 자성층이 L10 결정 구조를 가지도록 변태되었다는 것을 확인할 수 있었다.
이와는 대조적으로, 도 10의 좌측에 도시한 바와 같이, 비교예 1에서는 피크가 나타나지 않았으므로, 자성층이 아무런 결정 구조가 아닌 비정질 상태인 것을 알 수 있었다.
자기적 특성 변화 실험 결과
시료 진동 자력계를 이용하여 박막 구조체의 자기적 특성을 분석하였다. 즉, 실험예 1 내지 실험예 3과 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 자기적 특성을 시료 진동 자력계를 이용하여 분석하였다.
도 11은 시료 진동 자력계를 이용하여 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다. 도 11의 좌측은 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이고, 도 11의 우측은 실험예 1에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다.
도 11의 우측에 도시한 바와 같이, 실험예 1에 따라 제조한 박막 구조체에서는 자성층의 자화용이방향이 수직으로 변경되었다. 따라서 자성충이 수직자기이방성을 가지는 것을 알 수 있었다. 즉, 자성층이 L10 결정 구조를 가지면서, 그 c축이 자성층의 판면 방향에 수직인 방향으로 정렬된 것을 알 수 있었다. 이와는 대조적으로, 도 11의 좌측에 도시한 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조한 박막 구조체에서는 자성체의 자화용이방향이 자성층의 판면 방향으로 정렬된 것을 알 수 있었다.
도 12는 시료 진동 자력계를 이용하여 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 제조한 박막 구조체들의 자기이력곡선이다. 도 12에서 사각형은 실험예 1을 나타내고, 원은 실험예 2를 나타내며, 삼각형은 실험예 3을 나타낸다.
도 12에 도시한 바와 같이, 실험예 2 및 실험예 3에서 Co40Pt40B20의 화학식을 가지는 화합물을 포함하는 비정질 구조의 하부 자성층을 박막 구조체에 사용하더라도 상부 자성층에 L10 결정 구조를 형성할 수 있었다. 즉, 하부 자성층에 존재함에도 불구하고, 열처리시 티타늄층의 산화에 의한 인장 인력에 의해 상부 자성층에 L10 결정 구조를 형성할 수 있었다. 따라서 베이스 구조체의 결정성에 대한 의존도를 줄이면서 자성층이 L10 결정 구조를 가지도록 변태시킬 수 있다.
도 13은 시료 진동 자력계를 이용하여 실험예 4에 따라 제조한 박막 구조체의 자기이력곡선이다. 도 13에서 점선으로 도시한 부분은 상부 자성층의 자화 방향을 나타내고, 실선으로 도시한 부분은 하부 자성층의 자화 방향을 나타낸다.
실험예 4에서의 열처리 공정에 의해 상부 자성층은 모두 L10 결정 구조를 가지게 되었다. 그리고 티타늄층은 산화되어 산화티타늄층으로 변화되었다.
도 13에 도시한 바와 같이, 하부 자성층의 보자력은 0.3T 정도이고, 상부 자성층의 보자력은 0.5T 정도인 것으로 측정되었다. 따라서 적절한 외부 자기장을 인가하여 상부 자성층 및 하부 자성층의 자화 방향이 평행 또는 반평행이 되도록 할 수 있었다. MgO층을 사이에 두고 상호 마주하는 상부 자성층 및 하부 자성층의 자화 방향이 평행 또는 반평행인지 여부에 따라 저항이 달라진다. 즉, 자기터널접합 디바이스에서는 자성층의 방향으로 정보를 기록하고, 그 저항차를 읽어서 정보를 재생한다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10. 베이스층
20, 50. 자성층
30. 금속층
32, 34. 금속 산화물층
40. 절연층
60. 전극층
100, 200, 300, 400. 수직자화 박막 구조체
201. 판면

Claims (18)

  1. 베이스층,
    상기 베이스층 위에 위치하는 절연층
    상기 절연층 위에 위치하고, L10 결정 구조를 가지는 자성층,
    상기 자성층 위에 위치하는 금속 산화물층, 및
    상기 금속 산화물층 위에 위치하는 전극층
    을 포함하고,
    상기 금속 산화물층의 두께는 상기 자성층의 두께보다 작은 수직자화 박막 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 TiO2, Ta2O5, Al2O3, Cr2O3, ZrO2, ZnO, Cu2O 및 NiO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 수직자화 박막 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자성층은 A100-xBx의 화학식을 가지는 화합물을 포함하고, 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), Ni(니켈), Rh(로듐), Au(금), Hg(수은) 및 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 x는 25 내지 75인 수직자화 박막 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 x는 40 내지 60인 수직자화 박막 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 0보다 크고 50at% 이하의 B(Boron)를 포함하고, 상기 금속 산화물층은 B2O3를 포함하는 수직자화 박막 구조체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 MgO층을 포함하고, 상기 MgO층의 두께는 2nm 이하인 수직자화 박막 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층은 자성 재료를 포함하는 수직자화 박막 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자성 재료는 FePtB 및 CoPtB로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물로 형성된 수직자화 박막 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절연층과 상기 자성층 사이에 위치하고, 체심입방(body centered cubic, BCC) 결정 구조를 가지며. CoFeB, CoFe 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함하는 또다른 자성층을 더 포함하는 수직자화 박막 구조체.
  11. 삭제
  12. 베이스층을 제공하는 단계,
    상기 베이스층 위에 자성층을 제공하는 단계,
    상기 자성층 위에 금속층을 제공하는 단계, 및
    상기 베이스층, 상기 자성층 및 상기 금속층의 열처리 단계
    를 포함하고,
    상기 열처리 단계에서, 상기 자성층은 L10 결정 구조를 가지도록 변환되고, 상기 자성층의 c축은 상기 자성층의 판면이 뻗은 방향에 수직인 방향으로 정렬되며, 상기 금속층은 금속 산화물층으로 변환되는 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스층과 상기 자성층 사이에 절연층을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 열처리 단계에서, 상기 절연층을 상기 베이스층, 상기 자성층 및 상기 금속층과 함께 열처리하는 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연층과 상기 금속층 사이에 또다른 자성층을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 열처리 단계에서, 상기 또다른 자성층을 상기 베이스층, 상기 절연층, 상기 자성층 및 상기 금속층과 함께 열처리하는 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서의 열처리 온도는 400℃ 내지 900℃인 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서의 산소 분압은 1010 bar 내지 1 bar인 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 열처리 단계 후에 상기 금속 산화물층의 두께를 줄이는 단계, 및
    상기 금속 산화물층 위에 전극층을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속 산화물층의 두께를 감소시키는 단계는 상기 금속 산화물층을 아르곤 이온 밀링(Ar ion milling), 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching) 또는 화학기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization)하여 상기 금속 산화물층을 부분적으로 제거하는 수직자화 박막 구조체의 제조 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10522589B2 (en) * 2012-12-24 2019-12-31 Shanghai Ciyu Information Technologies Co., Ltd. Method of making a magnetoresistive element
SG10201604026QA (en) * 2015-07-16 2017-02-27 Agency Science Tech & Res Recording medium for heat assisted magnetic recording and method of forming the same
JP7143817B2 (ja) * 2019-05-24 2022-09-29 株式会社村田製作所 積層型コイル部品

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030215675A1 (en) * 2000-11-09 2003-11-20 Hitachi Maxell, Ltd. Magnetic recording medium and magnetic recording apparatus
JP2007035146A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Toshiba Corp 磁化容易軸方向を傾斜させた垂直磁気記録媒体、その製造法、及びそれを含む磁気記録再生装置
JP2010102757A (ja) * 2008-10-21 2010-05-06 Showa Denko Kk 磁気記憶媒体、磁気記憶媒体製造方法および情報記憶装置
JP2010232499A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Toshiba Corp 磁気抵抗素子および磁気メモリ

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6709767B2 (en) * 2001-07-31 2004-03-23 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. In-situ oxidized films for use as cap and gap layers in a spin-valve sensor and methods of manufacture
US7623325B2 (en) * 2005-09-29 2009-11-24 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Method for providing an endpoint layer for ion milling of top of read sensor having top lead connection and sensor formed thereby
JP4444241B2 (ja) * 2005-10-19 2010-03-31 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置
US7780820B2 (en) * 2005-11-16 2010-08-24 Headway Technologies, Inc. Low resistance tunneling magnetoresistive sensor with natural oxidized double MgO barrier
JP2008098523A (ja) * 2006-10-13 2008-04-24 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP4649457B2 (ja) * 2007-09-26 2011-03-09 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
US8018692B2 (en) * 2009-01-13 2011-09-13 Tdk Corporation Thin film magnetic head and method of manufacturing the same
US8147994B2 (en) * 2009-02-26 2012-04-03 Tdk Corporation Layered structure having FePt system magnetic layer and magnetoresistive effect element using the same
KR101115039B1 (ko) * 2009-08-21 2012-03-07 한국과학기술연구원 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법
KR101684915B1 (ko) * 2010-07-26 2016-12-12 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
JP5652075B2 (ja) * 2010-09-13 2015-01-14 ソニー株式会社 記憶素子及びメモリ
US8498083B2 (en) * 2011-03-16 2013-07-30 Tdk Corporation Magneto-resistive effect element having spacer layer containing gallium oxide, partially oxidized copper
JP5665707B2 (ja) * 2011-09-21 2015-02-04 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果素子の製造方法
TWI501224B (zh) * 2013-03-07 2015-09-21 Nat Univ Tsing Hua 磁性電子裝置及其製造方法
US9087543B2 (en) * 2013-06-06 2015-07-21 International Business Machines Corporation Spin torque MRAM having perpendicular magnetization with oxide interface

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030215675A1 (en) * 2000-11-09 2003-11-20 Hitachi Maxell, Ltd. Magnetic recording medium and magnetic recording apparatus
JP2007035146A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Toshiba Corp 磁化容易軸方向を傾斜させた垂直磁気記録媒体、その製造法、及びそれを含む磁気記録再生装置
JP2010102757A (ja) * 2008-10-21 2010-05-06 Showa Denko Kk 磁気記憶媒体、磁気記憶媒体製造方法および情報記憶装置
JP2010232499A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Toshiba Corp 磁気抵抗素子および磁気メモリ

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