KR101340465B1 - 자성 패턴층 형성방법 및 이에 따라 제조된 자성 패턴층 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원되면 자성을 갖는 비자성층 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 마스크가 배치된 비자성층 상에 수소 이온을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 비자성층에서 상기 마스크 패턴에 대응되는 부분은 상기 조사된 수소 이온에 의해 환원되고 환원된 영역의 주변부는 부분 환원되는 자성 패턴층 형성방법 및 이에 제조된 자성 패턴층에 관한 것이다.

Description

자성 패턴층 형성방법 및 이에 따라 제조된 자성 패턴층{FORMING METHOD OF MAGNETIC PATTERN AND MAGNETIC PATTERN LAYER COMPRISING THE SAME}

본 발명은 자성 패턴층 형성방법 및 이에 따라 제조된 자성 패턴층에 관한 것으로서, 수소, 헬륨, 아르곤과 같은 이온을 이용하여 비파괴적으로 자성 패턴을 형성할 수 있는 자성 패턴층 형성방법 및 이에 따라 제조된 자성 패턴층에 관한 것이다.

일반적으로 자기 저장매체는 기판 위에 마그네틱 층을 형성하고 그 마그네틱 층을 일정한 간격으로 자화시켜 비트 단위의 정보를 저장하도록 한다. 대표적인 자기저장 매체인 하드 디스크 드라이브 (hard disk drive) 또는 하드 디스크 장치(hard disk device)는 기억 용량이 크고 정보에 대한 액세스(access) 속도가 빠르기 때문에 널리 사용되고 있으며, 이 하드 디스크 장치의 재생 헤드로서, 외부로부터의 자계에 따라 전기저항이 변하는 자기저항 효과막을 구비한 자기저항 효과형 헤드(Magneto Resistance effect head; 이하, 'MR 헤드'라 함)가 널리 사용되고 있다.　

하드 디스크 장치의 자기 디스크 기록 밀도는 매년 계속해서 향상되어 왔다. 기록 밀도의 향상에 따라 1 비트영역의 면적이 감소하게 됨으로써, 1 비트 영역으로부터 발생되는 신호 자계는 약해지게 되었다.　

따라서, 약한 신호 자계에 대해서도 큰 재생 신호를 출력하는 재생 헤드가 필요하게 되었으며, 거대 자기저항효과(Giant Magneto Resistance effect)를 이용한 자기저항 효과형 헤드가, 약한 신호 자계에 대해서도 큰 재생신호를 출력하는 재생 헤드로서 사용되고 있다.

자기저항 효과형 헤드는 자기저항 효과막을 갖고, 이러한 자기저항 효과막은 외부 자계에 따라 자화 방향이 변화하는 자유층(10)과, 비자성 금속으로 이루어진 중간층(20)과, 자화 방향이 소정의 방향으로 고정된 고정층(30, pinned layer)과, 고정층(30)의 자화 방향을 고정시키는 반강자성층(40)으로 구성된다.

이러한 자기저항 효과막(1)은, 외부 자계가 변해서 자유층(10)의 자화 방향이 변하면, 고정층(30)의 자화 방향과 자유층(10)의 자화 방향의 상대적인 각도가 변하게 됨에 따라서 저항이 변하게 된다.　자기저항 효과막(1)을 구비한 자기저항 효과형 헤드의 재생 신호의 출력은 외부 자계의 변화에 따라 달라지는 저항의 변화량에 대략 비례한다.　특히, 면수직 전류 (수직 전류) 주입형 스핀밸브의 경우, 막의 저항을 R, 센스 전류가 흐르는 면적을 A라고 할 때, 상기 자기저항 효과형 헤드의 재생 신호의 출력은 △(RA)에 비례하게 된다.

최근에는 정보산업의 비약적인 발전으로 인하여 기존의 자기 저장매체보다 고 기록밀도를 갖는 자기 저장 매체에 대한 개발의 필요성이 계속 요구되고 있다. 이에 따라, 자기 저장매체는 자기저항 전기 도전성 또는 자성을 갖는 미세 패턴의 형성을 통해 자기저항 효과막을 제조함으로써, 소자의 저항을 증가시키고, 이를 통해, △(RA)를 증가시키는 방법이 고려되고 있다.

따라서, 이러한 방식의 자기 저장매체는 한정된 공간에 많은 양의 데이터를 저장하기 위하여 그 정보를 저장하는 단위 간격의 사이즈를 줄여나가는 방법을 사용하고 있으나 종래의 단위 간격의 사이즈를 줄이는 방법은 어느 정도의 한계를 가지고 있고 어느 한계이상이 되면 정보 저장에 대한 안정성도 보장되지 못한다.

이러한 자기저장매체의 고 기록밀도를 유지하면서 안정적인 기록 및 정보 유지도 가능하도록 기판 위의 마그네틱층에 인위적인 패터닝을 통하여 기록의 최소 단위인 비트를 소정 피치 간격을 두고 물리적으로 분리한 패턴드 미디어에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

패턴드 미디어는 기존의 연속적인 마그네틱 층을 이용한 방식에서 벗어나, 나노 사이즈의 마그네틱 도트를 제작한 후 각각의 도트에 일정한 방향의 자화를 형성함으로써 비트 신호를 갖게 하는 자기 정보저장매체이다. 이러한 패턴드 미디어를 제작하는 방법은 자성 패턴을 만들고자 하는 형태로 기판상에 마스크 패턴 형성, 식각 등의 공정을 통하여 패턴을 제작한 후, 그 패턴 상에 자성물질을 도포하여 자성 패턴을 형성한 후 형성된 자성 패턴 사이사이의 비어 있는 공간을 비자성물질로 채우고 표면을 CMP(Chemical mechanical polishing) 등의 공정을 통하여 평탄화하는 복잡한 공정을 거쳐 제작되고 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 패턴드 미디어를 제작하는 방법은 복잡한 제조 공정을 거쳐야 하며 제조 과정이 복잡해질 뿐만 아니라 이 과정에서 결함이 발생할 수 있는 가능성이 커진다. 즉, 종래의 패턴 형성 방법은 기판 상에 형성된 패턴을 이용한 식각 공정시 정확한 식각 제어가 어려울 뿐만 아니라 식각 공정과 충진 공정을 거친패턴이 형성된 마그네틱층의 표면은 상당히 불규칙하여 CMP(Chemical Mechanical Planarization) 등의 평탄화 공정과 함께 추가적인 세척공정이 요구되어 제작 공정이 더욱 복잡해지는 문제점이 많다.

한편, 종래에 따른 패턴드 미디어를 제작하는 방법은 기록밀도를 높이기 위해서는 일 비트에 해당하는 단위 패턴의 사이즈가 수십 나노 스케일로 미소하게 제조되는 것이 필수적이다. 즉, 1Tb/in2 이상의 고밀도 미디어 구현을 위해서는 25nm 피치의 패턴 구현을 위한 미소 패터닝 기술이 필수적이다.

그러나, 이러한 나노 피치를 갖는 자성 패턴에 기록되는 비트의 크기가 작아지면서 열적으로 불안정하게 되어 기록된 정보가 지워지거나 불안정해지는 초상자성 효과(superparamagnetic effect)가 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 식각, 충진 등의 복잡한 공정 없이, 자기 저항 효과막 또는 패턴드 미디어에서 요구되는 나노 사이즈의 자성패턴을 선택적 환원에 의하여 간단하면서도 효과적으로 형성할 수 있는 자성 패턴층 형성방법을 제공한다.

또한, 자성패턴과 반강자성 패턴을 동시에 형성할 수 있는 자성 패턴층 형성방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 자성 패턴의 인접한 영역에 반강자성 패턴을 형성하여 이들의 교환 결합에 의해 초상자성 효과를 극복할 수 있는 자성 패턴층, 이를 포함하는 자기 저항 효과막 및 패턴드 미디어를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 자성 패턴층 형성방법은, 비자성층 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 마스크가 배치된 비자성층 상에 이온을 조사하는 단계;를 포함하며, 상기 비자성층은 상기 마스크 패턴에 의해 노출된 부분이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 강자성 패턴의 주변부는 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 자성 패턴층 형성방법은, 제1 비자성층과 그 위에 형성되는 제2 비자성층을 포함하는 단위 적층체를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계, 상기 단위 적층체 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 단위 적층체 상에 이온을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 제2 비자성층은 마스크 패턴에 의해 노출된 부분이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 제1 비자성층은 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 자성 패턴층 형성방법은, 환원되면 자성을 갖는 제1 비자성층과 그 위에 형성된 제2 비자성층을 포함하는 단위 적층체를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계, 상기 단위 적층체 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 단위 적층체 상에 이온을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 마스크는 상기 조사된 이온이 전부 투과되는 제1영역과, 이온이 일부 투과되는 제2영역, 및 이온이 투과되지 않는 제3영역이 순서대로 연속 배열된다.

본 발명에 의하면, 식각, 충진, 평탄화, 세척 등의 복잡한 공정을 거치지 않고 미세 자성패턴을 형성할 수 있으므로, 제조 공정이 단순화되고 응용소자의 모양이나 크기에 제약 없이 나노 크기의 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 자성패턴과 반강자성 패턴을 동시에 제작할 수 있어 별도로 반강자성체층을 제조할 필요가 없으며, 자성패턴이 이를 둘러싼 반강자성 패턴과 교환 결합이 되어 초상자성 효과를 극복할 수 있다.

도 1은 종래 자기 저항 효과막의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자성 패턴 적층체의 형성과정을 보여주는 순서도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 마스크 패턴을 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 마스크 패턴의 다른 변형예이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따라 형성된 강자성 패턴의 스핀 방향과 반강자성 패턴의 스핀 방향을 보여주는 개념도이고,
도 6은 강자성 패턴과 반강자성 패턴의 교환 결합에 의해 자기 이력곡선이 이동하는 상태를 보여주는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 자성 패턴층의 형성과정을 보여주는 순서도이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따라 형성된 강자성 패턴의 스핀 방향과 반강자성 패턴의 스핀 방향을 보여주는 개념도이고,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 자성 패턴층의 형성과정을 보여주는 순서도이고,
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따라 형성된 강자성 패턴의 스핀 방향과 반강자성 패턴의 스핀 방향을 보여주는 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

<제1실시예>

본 발명의 제1실시예에 따른 자성 패턴 형성방법은, 환원되면 자성을 갖는 비자성층(100) 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크(110)를 배치하는 단계, 및 상기 마스크(110)가 배치된 비자성층(100) 상에 이온을 조사하는 단계를 포함한다.

먼저 비자성층(100)에 마스크(110)를 배치하는 단계에 대하여 설명한다. 도 2(a)를 참고할 때, 비자성층(100)은 기판(100a)상에 자성패턴을 생성하기 위하여 형성된다. 구체적으로는 기판(110a)상에 CVD, PVD등과 같은 다양한 박막 형성장치를 이용하여 비자성층(100)을 형성할 수 있다.

이러한 비자성층(100)은 환원되면 자성 또는 전기전도성을 갖는 물질층으로 정의되며, 구체적으로는 산화물층, 질화물층, 및 황화물층 중 어느 하나 이상의 층으로 이루어진다. 이러한 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Tc로 이루어진 그룹에서 어느 하나가 선택되거나 또는 이 원소들이 적어도 2 이상 혼합되어 형성된다.

비자성층(100)의 두께는 초고밀도 소자를 제조할 수 있는 500Å 이하의 두께로 형성될 수 있다, 바람직하게는 10Å 내지 200Å의 두께를 갖는 것이 좋다. 만약 비자성층의 두께가 10Å이 안되거나 200Å를 초과하는 경우에는 소자 특성이 저하될 수 있다.

비자성층(100)의 상부에는 보호층(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다. 보호층은 이후의 마스크 공정이나 기타 세정 공정 또는 열처리 공정시, 비자성층의 상부 표면이 손상되는 것을 방지하고 비자성층이 환원된 후 다시 산화되는 것을 방지한다.

비자성층(100)상에 배치되는 마스크(110)는 소정의 패턴이 형성되어 이온을 통과시킨다. 이때 이온은 수소, 헬륨, 또는 아르곤과 같은 이온이 모두 선택될 수 있다. (이하에서는 수소 이온으로 기술한다.)

마스크의 제조 및 패턴은 일반적인 반도체 공정의 마스크 제조방법이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 미세한 마스크 패턴을 형성하기 위하여 나노 구조물이 표면에 형성된 스탬프를 이용하여 패턴을 형성하는 나노 임프린팅(nano imprinting) 공정에 의해 마스크 패턴은 수 nm에서 수십 ㎛의 피치로 다양하게 제조될 수 있다. 그러나 마스크 패턴은 이외에도 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 예를 들면, 블록 혼성 중합체(block co-polymer) 또는 양극산화알루미늄(AAO)에 의해 제조될 수 있다.

또한, 마스크 패턴은 수소 이온이 전부 투과되는 제1영역과 수소 이온이 일부 투과되는 제2영역, 및 수소 이온이 투과되지 않는 제3영역이 순서대로 연속 배열될 수 있다.

예를 들면, 도 3과 같이 마스크(120)는 비자성층(100)에 가까워 질수록 좁아지는 테이퍼 형상의 복수 개의 개구부(124)를 가질 수 있다. 이때, 제1영역(121)은 개구부(124) 중앙을 통과하는 영역이고, 제2영역(122)은 경사진 개구부(124)의 측벽을 통과하는 영역이고, 제3영역(123)은 마스크가 균일한 두께로 형성되어 이온의 조사가 차단되는 영역이다.

또한, 도 4와 같이 제1영역(131)과 제3영역(133)은 도 3과 동일하게 형성하고, 제2영역(132)은 개구부 측벽에 단차(132a)가 형성되어 수소 이온이 일부 투과되는 영역으로 형성될 수도 있다.

다시 도 2(c)를 참조할 때, 비자성층(100)에 자성패턴을 형성하기 위해 마스크(110)의 상부에서 수소 이온을 조사한다. 이러한 수소 이온은 챔버 내에서 가속시켜 조사할 수도 있고 플라즈마 상태로 만들어 조사할 수도 있다.

이때, 수소 이온의 에너지는 2KeV인 것이 바람직하다. 수소 이온의 에너지가 2keV보다 큰 경우에는 수소 이온의 에너지가 전달되는 과정에서 기판과 비자성층 및 막 구조의 계면 등에 손상이 발생하거나 결정구조가 변형될 우려가 있다.

이후, 도 2(d)와 같이 수소 이온은 마스크 패턴에 의해 노출된 비자성층(100)을 통과하면서 수소 환원 반응을 일으킨다. 이때 비자성층(100)은 환원되어 강자성 패턴(101)이 형성되며, 강자성 패턴(101)은 자화 방향이 정렬된 강자성체 성질을 갖게 된다.

그리고 강자성 패턴(101)의 주변부는 수소 이온의 확산 등에 의해 반강자성 패턴(102)를 형성하게 되고, 마스크(110)에 의해 커버된 영역(103)은 수소 이온과 반응하지 않아 비자성체로 남게 된다.

그러나, 수소 이온의 확산 등에 의해 반강자성 패턴이 형성된 경우 후술하는 바와 같이 강자성 패턴과 충분한 교환 결합이 일어나지 못하여 강장성 패턴의 스핀 방향을 고정시킬 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 도 3과 도 4와 같이 마스크 패턴을 통해 의도적으로 수소 이온의 일부가 투과되도록 조절하여 반강자성 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 비자성층(100)은 환원에 의해 비파괴적으로 복수의 강자성 패턴(101)과 반강자성 패턴(102)이 형성되고, 강자성 패턴(101)은 마스크 패턴에 따라 다양한 간격의 나노 패턴으로 형성될 수 있다.

여기서 환원이라 함은 임계 변위 에너지(displacement energy)가 다른 물질보다 낮은 산소가 수소나 헬륨이온에 의하여 충돌되어 전달되는 에너지의 크기에 의하여 선택적으로 빠져나가게 되어서 금속으로 변화하는 것으로 정의하며, 부분환원은 상대적으로 산소가 덜 빠져나감으로써 금속이 아닌 다른 산화물로 존재하는 것으로 정의한다.

예를 들면, 비자성층(100)이 산화철(FeO)인 경우 마스크 패턴을 통과하여 강자성 패턴(101)인 Fe가 되며 반강자성 패턴(102)은 Fe₃O₄가 되는 것이다.

이후, 도 2(d)와 같이, 수소 이온 빔의 전사가 끝난 후 마스크(110)를 제거한다. 또한 마스크 제거 후 비자성층 상에 금속이나 폴리머, 절연물 등을 증착하여 비자성층으로 보호하는 보호층(도시되지 않음)을 형성할 수도 있다.

이러한 방법은 종래 패턴형성방법과 달리 비자성층을 식각하고 식각한 부분을 충진하고 평탄화하는 과정을 거치지 않아 형태의 변화나 손상이 발생하지 않으므로 나노 크기의 자성 패턴층을 형성하는데 유리하다.

도 5를 참조할 때, 자성 패턴층의 반강자성 패턴(102)은 내부적으로 자화 방향이 서로 상쇄되어 자기적 성질을 갖고 있지 않으나, 강자성 패턴(101)과 경계인 지점에서는 교환 결합(exchange coupling)에 의해 반강자성 패턴(102)의 스핀 방향이 강자성 패턴의 스핀 방향과 동일하게 정렬되므로 강자성 패턴의 스핀 방향을 고정시키는 역할을 할 수 있다.

도 6을 참조할 때, 자화 M과 자계 H의 관계를 나타내는 MH 루프가 교환결합에 의해 한쪽 방향으로 이동하는 현상이 발생하며, 이는 강자성 패턴과 반강자성 패턴의 교환 결합에 의한 것임을 확인할 수 있다.

이러한 교환 결합에 의하여 자성패턴이 나노 크기로 점점 작게 형성됨에 따라 열에너지 등에 의해 강자성 패턴(101)의 전자 스핀이 변화하는 초상자성 효과가 발생 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

<제2실시예>

본 발명의 제2실시예에 따른 자성 패턴층 형성방법은, 환원되면 자성을 갖는 제1 비자성층과 제2 비자성층을 포함하는 단위 적층체를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계와, 상기 단위 적층체 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 단위 적층체 상에 수소 이온을 조사하는 단계를 포함한다.

먼저, 도 7(a)와 같이 기판(110a)상에 제1 비자성층(210)과 제2 비자성층(220)를 포함하는 단위 적층체(200)를 형성한다. 제1 비자성층(210)과 제2 비자성층(220)은 모두 환원되면 자성을 갖는 물질로 형성되며 구체적으로는 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층으로 구성될 수 있다. 이러한 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Tc로 이루어진 그룹에서 어느 하나가 선택되거나 또는 이 원소들이 적어도 2 이상 혼합되어 형성된다.

제2 비자성층(220)과 제1 비자성층(210)의 환원력은 서로 상이한 물질로 구성된다. 구체적으로 제2 비자성층(220)은 제1 비자성층(210)에 비해 환원력이 강한 물질로 구성되어, 수소 이온 조사시 제2 비자성층(220)은 쉽게 환원되는 반면, 제1 비자성층(210)은 부분환원 되도록 구성된다.

구체적으로 제2 비자성층(220)은 전술한 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층 중에서 환원력이 강한 물질이 선택되고, 제1 비자성층(210)은 상대적으로 환원력이 약한 물질이 선택된다.

이후, 도 7(b)와 같이 제2 비자성층(220) 상에 마스크(110)를 형성하고, 도 7(c)와 같이 마스크 상부에서 수소 이온을 조사하면 제2 비자성층(220)에서 마스크(110)에 의해 노출된 영역에 수소 이온이 조사되어 환원된다. 이때 제2 비자성층(220)은 환원력이 강한 물질로 구성되므로 약한 수소 이온 에너지에 의해서도 쉽게 환원되어 강자성 패턴(221)이 형성된다. 이때, 수소 이온은 제1 비자성층(210)이 부분환원될 수 있을 정도로 조절되어 조사된다.

이후, 제2 비자성층(220)을 통과한 수소 이온은 제1 비자성층(210)으로 조사되며, 제1 비자성층(210)은 상대적으로 환원력이 약한 물질로 구성되므로 부분환원되어 반강자성 패턴(211)이 형성된다.

이후, 수소 이온 빔의 전사가 끝난 후 마스크(110)를 제거한다. 또한 마스크 제거 후 비자성층 상에 금속이나 폴리머, 절연물 등을 증착하여 비자성층으로 보호하는 보호층을 형성할 수도 있다.

상기 제조방법에 의하면, 자성체를 각각 식각하여 자성체를 충진한 후 평탄화하는 과정 없이 한 번의 이온 조사로 강자성 패턴을 형성하고 그 하부에 반강자성 패턴층을 제조할 수 있다.

도 8을 참조할 때, 자성패턴층은 강자성 패턴(221)과 반강자성 패턴(211) 경계에서는, 교환 결합(exchange coupling)에 의해 반강자성 패턴(211)의 자화(스핀)방향이 강자성 패턴(221)의 스핀 방향과 일치하게 된다. 이러한 구성에 의해 반강자성 패턴(211)은 강자성 패턴의 스핀 방향을 고정시키는 역할을 할 수 있다.

<제3실시예>

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 자성 패턴 적층체의 형성과정을 보여주는 순서도이고, 도 10은 본 발명의 제3실시예에 따라 형성된 강자성 패턴의 자화 방향과 반강자성 패턴의 자화 방향을 보여주는 개념도이다.

본 발명의 제3실시예는 환원되면 자성을 갖는 제1 비자성층(310)과 제2 비자성층(320)을 포함하는 단위 적층체(300)를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계와, 상기 단위 적층체(300) 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크(110)를 배치하는 단계; 및 상기 단위 적층체(300) 상에 수소 이온을 조사하는 단계를 포함한다.

먼저, 도 9(a)와 같이 기판(100a)상에 제1 비자성층(310)과 제2 비자성층(320)를 포함하는 단위 적층체(300)를 형성한다. 제1 비자성층(310)과 제2 비자성층(320)은 모두 환원되면 자성을 갖는 물질로 형성되며 구체적으로는 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층으로 구성될 수 있다. 이러한 산화물층, 질화물층, 또는 황화물층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및 Tc로 이루어진 그룹에서 어느 하나가 선택되거나 또는 이 원소들이 적어도 2 이상 혼합되어 형성된다.

제2 비자성층(320)과 제1 비자성층(310)의 환원력은 서로 상이한 물질로 구성되며, 수소 이온 조사시 제2 비자성층(220)은 쉽게 환원되는 반면, 제1 비자성층(310)은 부분환원된다.

또한, 본 제조방법에 의하여 자기 저항 효과막을 제조하는 경우에는 제2 비자성층(320) 상에 외부 자계에 의해 자화 방향이 변하는 자성체층(도시되지 않음) 및 비자성층(도시되지 않음)을 더 형성할 수 있다.

이후, 도 9(b)와 같이 제2 비자성층(320) 상에 패턴된 마스크(110)를 형성한다. 마스크(110)는 소정의 패턴이 형성되어 수소 이온을 통과시킨다. 마스크의 제조 및 패턴은 일반적인 반도체 공정의 마스크 제조방법이 모두 적용될 수 있다. 또한, 마스크(110)의 패턴은 제1실시예와 동일한 구조로 제작될 수 있다.(도 3 및 도 4 참조)

도 9(c)와 같이 수소 이온을 조사하면 제2 비자성층(320)에서 마스크 패턴에 의해 노출된 영역에 수소 이온이 조사되어 환원된다. 이때 제2 비자성층(320)은 환원력이 강한 물질로 구성되므로 약한 수소 이온 에너지에 의해서도 쉽게 환원되어 강자성 패턴(321)이 형성된다.

또한, 수소 이온이 마스크 패턴을 통과하여 제2 비자성층(320)에 조사되면서 강자성 패턴(321)의 주변부는 수소 이온에 의해 부분환원되어 반강자성 패턴(322)이 형성된다.

이후, 제2 비자성층(320)을 통과한 수소 이온은 제1 비자성층(310)으로 조사되며, 제1 비자성층(310)은 상대적으로 환원력이 약한 물질로 구성되므로 충분하게 환원이 이루어지지 못하여 부분환원되므로 반강자성 패턴(311)이 형성된다.

반강자성 패턴(311)은 제1 비자성층(310)의 두께방향으로 전부 형성될 필요는 없으며, 상기 제2 비자성층(320)의 강자성 패턴(321)과 접촉되는 상측에만 형성되어도 무방하다.

이후, 수소 이온 빔의 전사가 끝난 후 마스크를 제거한다. 또한 마스크 제거 후 비자성층 상에 금속이나 폴리머, 절연물 등을 증착하여 비자성층으로 보호하는 보호층을 형성할 수도 있다.

제조된 자성 패턴층은 도 10을 참조할 때, 제2 비자성층(320)의 강자성 패턴(321)의 측면에는 제2반강자성 패턴(322)이 형성되고, 강자성 패턴(321)의 하부에도 제1반강자성 패턴(311)이 형성된다. 이때, 제1, 2 반강자성 패턴(311,322)과 강자성 패턴(321)의 경계에서는, 교환 결합(exchange coupling)에 의해 제1, 2 반강자성 패턴(311,322)의 자화(스핀)방향이 강자성 패턴(221)의 스핀 방향에 따라 정렬된다.

즉, 강자성 패턴(321)의 측면 및 하면의 스핀은, 측면에 형성된 제2반강자성 패턴(322)과 하부에 형성된 제1반강자성 패턴(311)에 의해 고정되므로 나노 크기의 패턴으로 제작되어도 초상자성의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

100: 비자성층 101, 221,321: 강자성 패턴
102, 211: 반강자성 패턴 103: 비자성 영역
110,120,130: 마스크 200, 300: 단위 적층체
210,310: 제1 비자성층 220,320: 제2 비자성층
311: 제1반강자성 패턴 322: 제2반강자성 패턴

Claims (21)

1. 비자성층 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계; 및
   상기 마스크가 배치된 비자성층 상에 이온을 조사하는 단계;를 포함하며,
   상기 비자성층은 상기 마스크 패턴에 의해 노출된 부분이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 강자성 패턴의 주변부는 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성되며, 나머지 영역은 비자성을 유지하고,
   상기 비자성층은 산화물층, 질화물층 및 황화물층 중 어느 하나 이상인 자성 패턴층 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 조사된 이온이 전부 투과되는 제1영역과, 이온이 일부 투과되는 제2영역, 및 이온이 투과되지 않는 제3영역이 순서대로 연속 배열되는 자성 패턴층 형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 소정 간격으로 이격된 개구부가 형성되고, 상기 개구부는 상기 이온이 조사되는 방향으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상을 갖는 자성 패턴층 형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 소정 간격으로 이격된 개구부가 형성되고, 상기 개구부의 측벽은 단차를 갖는 자성 패턴층 형성방법.
5. 삭제
6. 비자성층의 일부 영역이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 강자성 패턴의 주변부는 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성되며, 나머지 영역은 비자성을 유지하되,
   상기 강자성 패턴과 반강자성 패턴은 서로 교환 결합(exchange coupling)하는 자성 패턴층.
7. 제6항에 있어서, 상기 강자성 패턴은 수직 자화된 자성 패턴층.
8. 삭제
9. 제1 비자성층과, 상기 제1 비자성층보다 환원력이 강한 제2 비자성층을 포함하는 단위 적층체를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계;
   상기 단위 적층체 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계; 및
   상기 단위 적층체 상에 이온을 조사하는 단계;를 포함하며,
   상기 제2 비자성층은 마스크 패턴에 의해 노출된 부분이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 제1 비자성층은 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성되는 자성 패턴층 형성방법.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서, 상기 제2 비자성층과 제1 비자성층은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, 및 Tc로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 자성 패턴층 형성방법.
12. 비자성층의 일부 영역이 부분환원되어 반강자성 패턴이 형성된 제1자성 패턴층; 및
    상기 제1자성 패턴층 상에 형성되고, 비자성층의 일부 영역이 환원되어 강자성 패턴이 형성된 제2자성 패턴층;을 포함하고,
    상기 강자성 패턴과 상기 반강자성 패턴은 서로 대응되는 위치에 형성되고, 상기 제2 비자성층은 제1 비자성층보다 환원력이 강한 자성 패턴층.
13. 제12항에 있어서, 상기 강자성 패턴은 수직 자화된 자성 패턴층.
14. 제12항에 있어서, 상기 강자성 패턴과 반강자성 패턴은 서로 교환 결합(exchange coupling)하는 자성 패턴층.
15. 환원되면 자성을 갖는 제1 비자성층과 그 위에 형성된 제2 비자성층을 포함하는 단위 적층체를 적어도 한 층 이상 형성하는 단계;
    상기 단위 적층체 상에 소정의 패턴을 갖는 마스크를 배치하는 단계; 및
    상기 단위 적층체 상에 이온을 조사하는 단계;를 포함하며,
    상기 마스크는 상기 조사된 이온이 전부 투과되는 제1영역과, 이온이 일부 투과되는 제2영역, 및 이온이 투과되지 않는 제3영역이 순서대로 연속 배열된 자성 패턴층 형성방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 마스크는 소정 간격으로 이격된 개구부가 형성되고, 상기 개구부는 상기 이온이 조사되는 방향으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상을 갖는 자성 패턴층 형성방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 마스크는 소정 간격으로 이격된 개구부가 형성되고, 상기 개구부의 측벽은 단차를 갖는 자성 패턴층 형성방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 제2 비자성층은 제1 비자성층보다 환원력이 강한 자성 패턴층 형성방법.
19. 비자성층의 일부 영역이 부분환원되어 제1반강자성 패턴이 형성되는 제1자성 패턴층; 및
    상기 제1자성 패턴층 상에 형성되고, 비자성층의 일부 영역이 환원되어 강자성 패턴이 형성되고, 상기 강자성 패턴의 주변부는 부분환원되어 제2반강자성 패턴이 형성되는 제2자성 패턴층;을 포함하고,
    상기 제1반강자성 패턴과 상기 강자성 패턴은 서로 대응되는 위치에 형성되는 자성 패턴층.
20. 제19항에 있어서, 상기 강자성 패턴은 상기 제1반강자성 패턴, 및 제2반강자성 패턴과 각각 교환 결합(exchange coupling)하는 자성 패턴층.
21. 제19항 또는 제20항에 따른 자성 패턴층을 포함하는 자기 저항 효과막.

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