KR101447131B1 - 발진소자 및 발진소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터널장벽층을 포함한 자기저항소자가 높은 발진출력 및 하이 Q 팩터 모두를 달성하는 발진소자; 및 상기 발진소자 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 발진소자(10)는 자화자유층(103), 자화고정층(105), 및 터널장벽층(102)을 갖는 자기저항소자를 포함한다. 보호층(101,102) 및 전극(151,152)이 부분적으로 보호층(102,103)과 전기 접촉하는 점접촉부(140)를 갖는 전극(151,152)이 자화자유층(103)에 제공된다. 전극 및 보호층들 간에 점접촉부(140)와는 다른 부분들에 전기접촉을 방지하기 위해, 전극과 보호층 간에 층간 절연막이 제공된다. 자화자유층(103) 및 터널장벽층(140) 간의 경계면 면적은 점접촉부(140)의 표면적보다 더 크다. 더욱이, 층간 절연막(150)과 접촉하는 보호층의 일부는 전극과 접촉하는 보호층의 일부보다 표면 법선방향으로 두께가 더 작다.
Description
본 발명은 자기저항소자를 이용한 발진소자 및 발진소자 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 자기저항효과 및 스핀전달 토크를 이용한 디바이스 애플리케이션들이 개발되어 왔다. 스핀전달 토크는 강자성 재료를 통해 스핀편극 전류가 통과함에 따라 도전 전자에서 로컬 전자로 각운동량이 교환될 때 강자성 재료에 로컬 자기모멘트에 작용하는 자기 토크이다.
예컨대, 발진소자에 자기저항소자의 적용을 위해, 자화자유층의 자화가 자발 발진상태에 도달할 필요가 있다. 이런 상태에 도달하기 위해, DC 바이어스에 의해 발생된 스핀전달토크 및 자화반전이 차단되는 이런 방향에서 유효 자기장에 의해 유도된 자화반전이 필요하다. 스핀전달토크 및 서로 대항하는 유효 자기장의 토크의 작용으로, 자화자유층의 자기 모멘트가 정상적 세차운동(자발발진상태)을 계속하는 상태에 도달한다. 자발발진상태에서, 저항값은 주기적으로 변하고, 고주파 신호들이 자기저항소자의 양 단에서 발생된다. 자화 세차운동이 매우 빠르기 때문에, 수 GHz에서 수십 GHz의 주파수를 갖는 고주파 신호들을 얻을 수 있다.
이런 원리로 동작하는 발진기 소자의 특별한 적용을 위해, 소자는 100 이상의 하이 Q 팩터(high-Q factor)와 마이크로와트 크기의 고발진출력을 모두 달성할 필요가 있다.
이를 달성하기 위해, 비특허문헌 1은 나노스케일 전극이 자기저항 박막에 직접 형성되는 점접촉 구조를 이용한다. 이 점접촉 구조는 자화자유층의 에칭 없이 형성되고 이로써 상기 구조는 평면에 자기 이방성을 전혀 형성하지 않고; 자화자유층은 물리적 또는 화학적으로 손상되지 않는 것 등을 특징으로 한다. 이 구조를 이용함으로써, 대략 18000 Q 팩터가 최대로 얻어지고 또한 수정진동자를 이용한 발진회로에 상당하는 레벨의 Q 팩터를 갖는 안정적 발진상태가 얻어진다.
그러나, GMR 소자는 비특허문헌 1에서 자기저항소자로 사용된다. GMR 소자는 낮은 MR비를 갖고 원칙적으로 마이크로와트 크기의 고발진출력을 얻기가 어려운 것으로 알려져 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 고 MR 비를 갖는 TMR 소자의 이용이 비특허문헌 2에 제안되었다. 그러나, 하이 Q 팩터와 고발진출력 모두를 아직 얻지 못했다.
인용목록
비특허문헌
비특허문헌 1: 더불유.에이치. 리파드 등(W. H. Rippard , et al.) "Current - driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle," PHYSICAL REVIEW B70, 100406 (R)(2004)
비특허문헌 2: 앨리남 데악 등(ALINAM. DEAC, et al.) "Bias- driven high-power microwave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices, " Nature physics, 4, 803, (2008)
GMR 소자와는 달리, 절연층을 갖는 터널 자기저항소자는 비특허문헌 1에서와 같이 점접촉 구조를 이용할 경우 하기의 현상을 야기한다. 특히, 저항이 큰 절연층으로 인해 전류가 분산되어 자화자유층에 증착된 저저항 금속보호막에서 측면으로 흐르게 된다. 다시 말하면, 최종 발생한 구조는 자기저항효과를 일으키는 저항성분(터널 전류를 발생하는 강자성/터널장벽/강자성)에 나란히 기생저항이 삽입되는 형상을 갖는다. 이는 발진소자의 전극들 간에 저항값을 낮추고 또한 자기저항비를 낮춘다.
본 발명은 상술한 문제를 고려해 고안되었다. 본 발명의 목적은 자기저항소자에 있는 비자기층용 절연체와 같은 고저항 재료를 이용한 터널 자기저항소자가 고발진출력과 하이 Q 팩터를 모두 달성할 수 있는 발진소자와 발진소자 제조방법을 제공하는 것이다.
이런 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 태양은 자화방향이 가변하는 자화자유층, 자화방향이 일방향으로 고정된 자화고정층, 및 자화자유층과 자화고정층 간에 개입된 터널장벽층을 갖는 자기저항소자와, 자화자유층에 형성되고 상기 자화자유층을 보호하도록 구성된 보호층을 갖는 기판을 제조하는 단계; 자화자유층과 터널장벽층 간의 경계면보다 면적이 더 작은 보호층 영역에 마스크층을 형성하는 단계; 보호층이 자화자유층의 전체 표면에 남아 있고 마스크가 형성되는 영역과는 다른 자화자유층 영역이 마스크가 형성되는 보호층 영역보다 자기저항소자 및 보호층의 적층방향으로의 두께가 더 작은 식으로 마스크로서 마스크층을 이용해 보호층을 에칭하는 단계; 적어도 에칭에 의해 노출된 보호층의 일부를 커버하는 식으로 층간 절연막을 형성하는 단계; 마스크층을 제거하는 단계; 및 마스크층을 제거함으로써 노출된 보호층 영역과 접촉하는 부분에 점접촉부를 형성하는 식으로 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발진소자 제조방법이다.
본 발명의 제 2 태양은 자화방향이 가변하는 자화자유층, 자화방향이 일방향으로 고정된 자화고정층, 및 자화자유층과 자화고정층 간에 개입된 터널장벽층을 갖는 자기저항소자와, 자화자유층에 형성되고 상기 자화자유층을 보호하도록 구성된 보호층을 갖는 기판을 제조하는 단계; 자화자유층과 터널장벽층 간의 경계면보다 면적이 더 작은 보호층 영역에 마스크층을 형성하는 단계; 보호층이 자화자유층의 전체 표면에 남아 있고 마스크가 형성되는 영역과는 다른 보호층 영역은 마스크가 형성되는 보호층 영역보다 자기저항소자 및 보호층의 적층 방향으로 두께가 더 작은 식으로 마스크로서 마스크층을 이용해 보호층을 에칭하는 단계; 적어도 에칭에 의해 노출된 보호층의 일부를 커버하는 식으로 층간 절연막을 형성하는 단계; 마스크를 제거하는 단계; 및 마스크층을 제거함으로써 노출된 보호층 영역과 접촉하는 부분에 점접촉부를 형성하는 식으로 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발진소자 제조방법이다.
본 발명에서, 자화자유층과 터널장벽층 간에 경계면 면적이 전극과 점접촉부와 보호층 간의 경계면 면적보다 더 크고; 더욱이, 층간 절연막과 접촉한 보호층의 일부는 전극과 접촉한 보호층의 일부가 보다 표면 법선방향으로 두께가 더 작다. 따라서, 가령 절연체와 같은 고저항 재료가 비자기층용으로 이용되는 발진소자에서, 상당히 큰 하이 Q 팩터를 달성할 수 있고, 마이크로와트 이상의 고발진출력을 얻을 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자의 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제 1 비교예로서 마이크로파 발진소자의 구조를 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제 2 비교예로서 마이크로파 발진소자의 구조를 설명한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 제 1 비교예의 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 제 2 비교예의 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항박막의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항 박막의 에칭 동안 측정된 SIMS 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예의 발진소자를 비교예의 발진소자와 비교하기 위해 자기장 편이 및 보자성(保磁性) 간의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제 1 비교예로서 마이크로파 발진소자의 구조를 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제 2 비교예로서 마이크로파 발진소자의 구조를 설명한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 제 1 비교예의 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 제 2 비교예의 마이크로파 발진소자를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항박막의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항 박막의 에칭 동안 측정된 SIMS 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 발진소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예의 발진소자를 비교예의 발진소자와 비교하기 위해 자기장 편이 및 보자성(保磁性) 간의 관계를 설명하는 그래프이다.
이하, 도면을 참조로 본 발명을 실행하는 실시예들을 설명한다. 본 발명은 실시예들에 국한되지 않는다고 말할 필요가 없음에 주목하라. 더욱이, 하기에 기술된 도면에서, 동일한 참조부호는 동일한 기능을 갖는 것을 나타내며, 몇몇 경우 설명의 반복은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 발진소자(10)의 개략 횡단면도이다. 마이크로파 발진소자(10)는 자화방향이 가변하는 자화자유층(103); 자화방향이 한 방향으로 고정되는 자화고정층(105)(도 1에 미도시된 SAF(112)의 일부, (도 7 참조)); 및 자화자유층(103)과 자화고정층(105) 사이에 삽입된 터널장벽층(104)을 갖는 자기저항소자를 포함한다. 또한, 마이크로파 발진소자(10)는 자화자유층(103)에 제공되고 자화자유층(103)을 보호하도록 구성된 보호층들(101,102); 보호층들(101,102)에 형성되고 전극(151,152)이 보호층과 부분적으로 전기 접촉되는 점접촉부(140)를 갖는 전극(151,152); 및 점접촉부(140)와 다른 부분에서 전기접촉을 방지하기 위해 전극(151,152)과 사이에 제공된 층간 절연막(150)을 포함한다. 특히, 마이크로파 발진소자(10)에서, Si 기판인 기판(120), SiO2층(111), 하부전극(110), Ta층(109), 및 PtMn층(108)이 연이어 적층된다. 더욱이, CoFe층(107), Ru층(106), 및 CoFeB로 제조된 자화고정층(105)을 포함한 SAF(Synthetic anti-ferri)층(112)이 PtMn층(108)에 적층된다(CoFe층(107), Ru층(106), 및 자화고정층(105)은 도 1에 미도시된 SAF(112)의 일부이다(도 7 참조)). 또한, 산화마그네슘(MgO)로 제조된 터널장벽층(104), CoFeB로 제조된 자화자유층(103), Ta로 제조된 제 1 보호층(102), Ru로 제조된 제 2 보호층(101), Cr으로 제조된 제 1 전극층(151), 및 Au로 제조된 제 2 전극층(152)이 SAF(112)에 적층된다.
이 실시예에서, Si는 기판(120)에 사용되나, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 세라믹 기판, 유리기판, 플라스틱 기판, 및 유기박막과 같은 다양한 기판들을 사용할 수 있다.
자화방향이 실질적으로 일방향으로 고정되는 자화고정층(105)용 자기재료는 CoFeB에 국한되지 않는다. 그 예로는 Ni, Fe, 및 Co와 같은 자기요소들을 포함한 NiFe 및 CoFe와 같은 강자성 재료를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 자화고정층(105)의 자화방향은 반강자성층(108)에 교환 커플링(exchange coupling)에 의해 고정된다.
자화방향이 변하는 자화자유층(103)의 재료는 CoFeB에 국한되지 않는다. 예컨대, Ni, Fe, 및 Co와 같은 자기요소들을 포함한 NiFe 및 CoFe와 같은 강자성 재료를 또한 사용할 수 있다.
이 실시예에서, 산화마그네슘(MgO)은 높은 MR 비를 얻기 위해 터널장벽층(104)용으로 사용되나, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 알루미늄 및 티타늄 산화물과 같은 금속산화물을 또한 사용할 수 있다.
더욱이, SiO2는 중간절연층막(150)으로 사용되나, 가령, Al2O3, AlN, 에어 브릿지 등을 또한 사용할 수 있다.
이 실시예에서, 보호층(101,102)은 2개층을 포함한 라미네이트막으로 형성되나, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 단층의 보호층 또는 2 이상의 층들을 포함한 다층구조를 갖는 보호층을 채택할 수 있다. 추가로, 보호층에 사용되는 재료는 Ta및 Ru에 국한되지 않는다. 재료가 도전적인 한, 임의의 재료가 사용될 수 있다.
이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)는 자화자유층(103)과 터널장벽층(104) 사이의 인터페이스 영역이 보호층(101)과 전극층(151) 사이 접촉면적(점접촉부(140)의 표면적(점접촉부(140)와 보호층(101) 간의 경계면 면적))보다 더 큰, 보다 바람직하게는 2 이상의 계수만큼 더 큰 것을 특징으로 한다. 이는 자화자유층(103)의 자화의 안정적 세차운동을 달성하는 것으로 여겨진다. 또한, 자화자유층(103)이 층간 절연막(150)과 직접 접촉하는 것을 막기 위해, 적어도 보호층(102)이 자화자유층(103)에 형성된다.
더욱이, 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)는 층간 절연막(150)과 접촉한 제 1 보호층(102)의 일부가 전극층(151)과 접촉한 보호층(101,102)의 일부가 표면 법선방향(위로 적층되는 방향)으로 갖는 두께보다 제 1 보호층(102)의 표면에 법선방향(마이크로파 발진소자(10)의 라미네이트 적층방향)으로의 두께가 더 작다. 도 1에서, Y로 표시된 부분의 박막 두께는 X로 표시된 부분의 박막 두께보다 더 작다. 다시 말하면, 보호층(101,102)의 라미네이트는 융기부를 갖도록 형성되고, 융기부의 상단면(상부면)은 전극층(151)의 점접촉부(140)와 접촉한다. 융기부는 보호층(101,102)의 라미네이트의 융기부와 다른 부분보다 적층방향으로 두께가 더 크게 형성된다. 이는 제 1 보호층(102)의 평면방향(자화자유층(103)의 상부면에 나란한 방향)으로 보호층(102)의 두께(Y)를 상대적으로 작게 할 수 있어, 자화자유층(103)과 접촉하는 보호층 부분인 제 1 보호층(102)의 점접촉부(140)와 대응하는 영역 이외의 영역에서 측방향으로 흐르는 전류에 대한 저항을 실질적으로 증가시키게 한다. 따라서, 금속보호층이 전기경로로서 작용하는 현상이 억제될 수 있다.
부수적으로, 예컨대, 보호층(102)만이 단일 보호층으로 사용될 경우, 전극층(151)과 접촉한 보호층(102)의 일부는 보호층(102)의 다른 부분보다 표면 법선방향으로 두께가 더 커야 한다고 말할 필요가 없다.
이 실시예에서, 전극이 보호층과 접촉한 점접촉부(140)의 크기는 50㎚×150㎚이다. 그러나, 점접촉부(140)의 크기는 이에 국한되지 않는다. 크기는 단지 300㎚×500㎚ 이하, 더 바람직하게는 100㎚×100㎚ 이하일 필요가 있다.
도 2는 이 실시예의 제 1 비교예로서 마이크로파 발진소자(20)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 마이크로파 발진소자(20)의 박막형성은 기본적으로 도 1에 도시된 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)의 박막형성과 같다. 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타내며, 이들에 대한 설명은 생략할 것이다. 그러나, 도 2에서 제 1 비교예의 마이크로파 발진소자(20)에서, 제 2 보호층(101), 제 1 보호층(102), 자화자유층(103), 터널장벽층(104), 및 SAF층(자화고정층)(112)은 이들 패턴부를 제외하고 건식 에칭에 의해 제거된다; 따라서, 소위 필라구조가 형성된다. 필라구조의 크기는 50㎚×150㎚이다. 보다 상세하게, 자화자유층(103) 및 터널장벽층(104) 간의 인터페이스 영역은 보호층(101)과 전극층(151) 사이 접촉영역(점접촉부(140)의 표면적)과 대략 동일하다.
도 3은 이 실시예의 제 2 비교예로서 마이크로파 발진소자(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 마이크로파 발진소자(30)의 박막형성은 기본적으로 도 1에 도시된 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)의 박막형성과 같다. 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타내며, 이들에 대한 설명은 생략할 것이다. 그러나, 제 2 비교예의 구조에서, 보호층(101,102)이 점접촉부를 형성하지 않는 동안 전극층(151,152)이 점접촉부를 형성한다. 보다 상세하게, 제 2 비교예의 마이크로파 발진소자(30)에서, 전극층(151)과 접촉한 보호층(101)의 일부의 두께는 SiO2로 제조된 층간 절연막과 접촉한 보호층의 일부의 두께와 같다(즉, 보호층이 건식 에칭 등에 의해 제거되지 않는다). 보호층과 접촉한 전극층(151)의 두께는 50㎚×150㎚이다.
먼저, 도 4는 도 1에 도시된 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)를 평가한 결과를 도시한 것이다. 평가를 위해, 스펙트럼 분석기를 이용한 전력 스펙트럼 밀도(power spectrum density, PDS)가 측정된다. 측정 동안, 적절한 외부 자기장이 마이크로파 발진소자(10)에 가해진다. 더욱이, 스핀전달토크를 유도하기 위한 7.2mA의 바이어스 전류가 마이크로파 발진소자(10)의 상부전극(152) 및 하부전극(110)에 가해진다.
출력전력은 도 4에 도시된 PSD 곡선을 적분함으로써 계산될 수 있다. 또한, Q 팩터는 (최대 PSD 값이 도시된 주파수) PSD 중심 주파수를 발진 선폭으로 나눔으로써 계산될 수 있다. 그 결과, 2.43 마이크로와트의 발진출력과 350의 Q 팩터를 얻었다. 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)를 이용함으로써, 마이크로와트 크기의 발진출력과 200 이상의 하이 Q 팩터 모두의 목적이 달성될 수 있다.
다음, 도 5는 도 2에 도시된 제 1 비교예의 마이크로파 발진소자(20)를 이용해 도 4에 도시된 PSD 측정과 동일한 측정을 수행함으로써 평가 결과를 도시한 것이다. 측정방법은 기본적으로 본 발명의 마이크로파 발진소자(10)의 상술한 경우와 동일하다. 그러나, 참조부호(51)는 마이크로파 발진소자(20)에 50 Oe의 유효 자기장을 가함으로써 측정결과를 도시한 스펙트럼을 나타내며, 참조부호(52)는 마이크로파 발진소자(20)에 200 Oe의 유효 자기장을 가함으로써 측정결과를 도시한 스펙트럼을 나타낸다. 제 1 비교예의 마이크로파 발진소자(20)에서, 출력 및 최대 발진출력에서의 Q 팩터(참조부호(51))가 그래프로부터 계산될 경우, 상대적으로 0.13 마이크로와트의 큰 출력을 얻으나, Q 팩터는 약 11이다. 높은 발진출력과 하이 Q 팩터 모두가 달성되지 않는다. 더욱이, 다른 한편으로, 상대적으로 큰(참조부호(52)) 약 110의 Q 팩터의 경우, 단지 약 0.04 마이크로와트의 발진출력을 얻었다. 높은 발진출력과 하이 Q 팩터 모두를 마찬가지로 얻지 못한다.
다음, 도 6은 도 3에 도시된 제 2 비교예의 마이크로파 발진소자(30)를 이용해 도 4에 도시된 바와 동일한 측정을 수행함으로써 평가 결과를 도시한 것이다. 제 2 비교예의 마이크로파 발진소자(30)에서, 약 280의 Q 팩터를 얻었으나, 최대 발진출력은 고작 약 0.02 마이크로와트였다. 높은 발진출력과 하이 Q 팩터 모두를 얻지 못한다.
동일한 박막구성의 자기저항 박막이 사용되더라도, 자화자유층(103)이 건식 에칭의 에칭 공정을 받을 때 또는 전극층(151)과 접촉한 보호층의 일부의 두께가 보호층(101,102)을 제거하거나 또는 다른 처리를 하지 않고도 층간 절연막(150)과 접촉한 보호층의 일부의 두께와 같아지게 될 경우 높은 발진출력과 하이 Q 팩터 모두를 달성하기 어려운 것을 이들 결과로부터 알 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 마이크로파 발진소자(10)를 만드는 방법이 예시되어 있다.
먼저, 도 7은 이 실시예의 마이크로파 발진소자(10)에 사용된 자기저항 박막의 횡단면도를 도시한 것이다.
자기저항 박막(100)은 Si로 제조된 기판(120), SiO2층(111), 하부전극(110), Ta(5㎚)층(109), PtMn(15㎚)층(108), Co70Fe30(2㎚)층(107), Ru(0.85㎚)층(106), (Co70Fe30)80B20(3㎚)로 된 자화고정층(105), MgO(1.1㎚)로 된 터널장벽층(104), (Co40Fe40B20)(1.7㎚)로 된 자화자유층(103), Ta(8㎚)로 된 제 1 보호층(102), 및 Ru(7㎚)로 된 제 2 보호층(101)이 적층되는 구조를 갖는다.
참조번호(112)는 (Co70Fe30)80B20(3㎚)층(105), Ru(0.85㎚)층(106), Co70Fe30(2㎚)층(107)을 갖는 소위 반강자성 중간층 교환결합(SAF)을 나타낸다. Co70Fe30(2㎚)층(107)의 자화방향은 PtMn(15㎚)층(108)의 반자성층에 교환결합에 의해 고정된다. 이 자기저항박막(100)에서, SAF(112)는 자화고정층으로서 기능하는 반면, (Co40Fe40B20)(1.7㎚)층(103)은 자화자유층으로 기능한다.
상술한 자기저항 박막(100)의 각 층은 스퍼터링 방법을 이용해 형성된다. 대안으로, 각 층은 다른 방법들(가령, 증기 증착 등)에 의해 형성될 수 있거나, 도 7에 도시된 바와 같이 라미네이트를 갖는 기판이 사전에 재고로 제조될 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 라미네이트를 갖는 기판이 준비된다.
형성된 자기저항 박막(100)은 진공장치에서 공기에 노출되고 패턴화를 위해 유기 레지스트가 도포된다. 따라서, 자화자유층(103)이 산화 등에 의해 화학적으로 손상된다. 이는 자기 특성 및 자기저항비의 열화를 야기한다. 이 화학적 손상을 방지하거나 줄이기 위해, 보호막(101,102)이 자화자유층(103)에 제공된다.
그럼에도 불구하고, 이 실시예에서, 2층 라미네이트막은 보호층(102,101)으로서 형성되나, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 단층 보호층 또는 2 이상의 층들을 포함하는 다층 구조를 갖는 보호층을 채택할 수 있다. 추가로, 보호층에 사용되는 재료는 Ta 및 Ru에 국한되지 않는다. 재료가 도전적인 한, 임의의 재료가 사용될 수 있다.
마이크로파 발진소자(10)에서, 고 MR비를 갖는 자기저항 박막은 바람직하게는 높은 발진출력을 얻기 위해 사용된다. 이를 위해, 이 실시예에서, 산화물(MgO)은 터널장벽층(112)용으로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 재료는 이에 국한되지 않으며, 예컨대, 알루미늄 및 티타늄 산화물과 같은 금속산화물이 또한 본 발명에 필요한 자기저항 소자의 터널장벽층(112)용으로 사용될 수 있다.
더욱이, 본 실시예의 마이크로파 발진소자의 적용은 주로 마이크로파 대역 부근이므로, 마이크로파 발진소자와 전송라인, 다른 전자 구성부품들 등 간에 임피던스 매칭이 달성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 전송 시스템이 약 50Ω인 경우, 임피던스 자기저항소자도 바람직하게는 또한 약 50Ω이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 자기저항 박막(100)이 생성된 후, 점접촉부(140)로서 추후 사용되는 패턴(130)이 EB 리소그래피를 이용한 자기저항 박막(100)에 형성된다. 보다 상세하게, 점접촉부(140)에 해당하는 제 2 보호층(101)의 영역에 마스크층으로서 EB 레지스트(130)가 형성된다. 즉, 상기 영역은 자화자유층(103)과 터널장벽층(104) 사이 경계면보다 더 작은 영역을 갖는다. 패턴 크기는 50×150㎚이고, 레지스트의 두께는 약 300㎚이다.
다음, 마스크로서 이 저항 패턴(130)을 이용해, 보호층(101,102)이 건식 에칭된다. 건식 에칭은 보호층들(101,102)이 전극층(151,152)의 점접촉부(140)와 접촉되는 라미네이트 영역이 다른 영역보다 적층방향으로 두께가 더 큰 식으로 보호층(101,102)의 부분들을 에칭하도록 수행된다. 다시 말하면, 보호층들의 라미네이트는 EB 레지스트(130)가 형성되는 보호층들의 라미네이트 영역과 다른 영역들은 EB 레지스트(130)가 형성되는 보호층의 라미네이트 영역보다 적층방향으로 두께가 더 작다. 보호층들(101,102)로부터 자화자유층(103)을 노출시킬 필요가 없는 것에 유의하라. 따라서, 에칭은 보호층들(101,102)이 상기 보호층들(101,102) 측에서 적어도 자화자유층(103)의 전체 표면에 유지된다. 건식 에칭의 결과, Ar 이온 밀링공정이 이용된다. 이 경우, 에칭 깊이는 2차 이온-마이크로브 질량분석기(SIMS)를 채택함으로써 컨트롤된다.
도 9는 자기저항 박막(100)의 에칭 동안 측정된 SIMS 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 이런 식으로, 이 실시예에서, 이온-마이크로브 질량분석기를 채택함으로써, 건식 에칭이 제 2 보호층(101)에서 제 1 보호층(102)의 중간까지 제거 후에 정확하게 완료될 수 있다. 보다 상세하게, 도 10에 도시된 바와 같이, 에칭은 보호층들(101,102)의 라미네이트의 일부(표면이 점접촉부(140)와 접촉한 영역)가 융기형태로 남겨지는 식으로 수행될 수 있는 한편, 융기부와는 다른 부분들은 상대적으로 얇아진다.
다음, SiO2막이 형성되며, 층간 절연막(150)으로 사용된다. 특히, 층간 절연막(150)은 적어도 에칭에 의해 노출된 보호층(101,102)의 표면들을 커버한다. 따라서, 제 2 보호층(101)으로부터 EB 레지스트(130)를 제거함으로써 전극층들(151,152)의 점접촉부(140)와 접촉하는 제 2 보호층(101) 표면만이 노출된다. 이는 추후 전극층(151)을 형성하는데 있어 제 2 보호층(101)의 상부면이 점접촉부(140)와 접촉하는 구성을 쉽게 얻을 수 있게 한다.
이 실시예에서, 중간 절연층(150)의 두께는 50Ω 전달라인과의 임피던스 매칭을 고려해 결정된다. 도 11은 이 상태를 도시한 것이다.
다음, 도 12에 도시된 바와 같이, 자기저항 박막 및 상부 전극들 간에 접촉을 만들기 위해, 레지스트(130) 및 상기 레지스트(130)에 적층된 SiO2층(150)이 리프트오프(lift off) 방법에 의해 제거된다. 리프트 오프 방법에서, 수십 ℃로 가열된 NMP는 기판에 제팅(jetting)식으로 분사된다.
그런 후, 도 13에 도시된 바와 같이, 스퍼터링에 의해 제 2 보호층(101) 및 중간 절연층(150)에 상부전극(151,152)의 박막들이 형성된다. 이로써, 전극들(151,152)이 형성되고, EB 레지스트(130)가 형성되는 제 2 보호층(101)의 영역과 접촉하는 부분이 점접촉부(140)가 된다. 이 실시예에서, Ru는 최외각 표면에 위치된 제 2 보호층(101)용으로 사용된다. 이는 공기 노출에 의해 산화되더라도 제 2 보호층(101)은 전기저항을 낮추지 않고도 도전 산화물이 되는 이점을 낫는다. 보호층의 최외곽 표면으로서 도전산화물이 되는 금속을 이용해, 상부전극과 바람직한 전기 접촉이 쉽게 달성될 수 있다. 도전 산화물이 사용되지 않는 경우, 상부 전극층이 형성되기 전에 건식 에칭과 같은 방법에 의해 가령 보호층 표면에 산화물층을 제거하기 위해 측정이 취해져야 한다.
먼저, 전극(152)의 박막이 스퍼터링에 의해 제 2 보호층(101)에 형성된다. 다음, 다음, 상부전극(152)의 박막이 스퍼터링에 의해 제 2 보호층(101)에 형성된다. Au가 상부전극(152)에 사용되나, Cr으로 제조된 전극(151)은 박막 접착제를 향상시키기 위해 버퍼층으로 삽입된다. 이 실시예에서, Cr/Au 조합이 상부 전극용으로 사용된다. 그러나, 바람직한 전기 접촉이 달성될 수 있는 한 재료는 이에 국한되지 않는다. 도 13은 상부 전극이 형성된 후의 상태를 도시한 것이다.
따라서 제조된 마이크로파 발진소자(10)에서, 자화자유층(103)은 에칭되지 않는다. 따라서, 자화자유층(103)은 화학적으로 손상되지 않고, 또한 상기 소자의 형태로 인한 자기 이방성이 평면 방향으로 전혀 형성되지 않는다. 이런 이유로, 전류를 보내기 위한 점접촉구조가 상기 자화자유층(103) 위에 형성되어 이로써 전류가 측면으로 흐르는 전기경로로서 작용하여 기대된 상태를 달성할 수 있는 것으로 생각된다.
더욱이, 이 실시예의 발진소자는 또한 생산 면에서 이점적이다. 도 14는 본 발명에 따른 마이크로파 발진소자(10)를 기판 상에 다수의 필라 구조를 갖는 마이크로파 발진소자(20)와 비교하기 위해 자기장 편이 및 보자성(保磁性) 간의 관계를 도시한 것이다.
비교예의 필라 구조를 갖는 마이크로파 발진소자(20)는 자기장 편이 및 보자성에서 상당히 크게 큰 변화를 갖는다. 한편, 이 실시예에 따른 점접촉구조를 갖는 마이크로파 발진소자(10)는 자기장 편이 및 보자성의 변화가 작다. 얻어진 결과는 평평한 박막의 변화와 유사하다. 그 이유는 이 실시에에 따른 발진소자의 경우 자화자유층은 에칭되지 않기 때문이라 생각된다; 따라서, 자화자유층은 형태가 변하지 않고 산화 등에 의해 손상되지 않는다. 다시 말하면, 자기 특성의 변화는 그렇지 않으면 생산공정 동안 발생할 수도 있는 패턴화로 인한 변화 및 에칭으로 인한 변화를 거의 포함하지 않는다고 말할 수 있다.
추가로, 본 발명의 마이크로파 발진소자는 자기센서로서 또한 사용될 수 있다.
상술한 실시예에서, Ta층 및 Ru층의 2개 층들이 보호층으로서 제공된다. 그러나, 보호층은 이에 국한되지 않으며 단층일 수 있다. 마찬가지로, Cr층 및 Au층의 2개 층들이 전극층으로 제공된다. 그러나, 전극층은 이에 국한되지 않으면, 단층일 수 있다.
Claims (6)
- 자화방향이 가변하는 자화자유층; 자화방향이 일방향으로 고정된 자화고정층; 및 상기 자화자유층과 상기 자화고정층 간에 개입된 터널장벽층을 갖는 자기저항소자와,
상기 자화자유층 상에 접촉하여 형성되고 상기 자화자유층을 보호하도록 구성된 제 1 보호층과,
상기 제 1 보호층 상에 형성된 제 2 보호층과,
상기 제 2 보호층 상에 형성되고, 상기 제 2 보호층과 전기접촉되는 전극과,
상기 전극이 상기 제 2 보호층과 부분적으로 전기접촉하는 점접촉부를 가지도록, 상기 제 1 보호층과 상기 전극 사이에 형성된 층간 절연막을 구비하고,
상기 제 2 보호층과 상기 전극 사이의 경계면 면적은 상기 제 1 보호층과 상기 자화자유층 사이의 경계면 면적보다 작으며,
상기 제 1 보호층은, 상기 제 2 보호층과 접촉한 부분의 법선방향의 두께보다, 상기 층간 절연막과 접촉한 부분의 법선방향으로 두께가 얇고,
상기 제 1 보호층과 상기 제 2 보호층을 가지는 적층체가 볼록부를 가지도록 성형되어 있으며,
상기 볼록부의 상면과 상기 전극의 점접촉부가 전기 접촉하고 있고,
상기 적층체 중 상기 볼록부 이외의 부분의 법선방향의 두께는 상기 볼록부의 법선방향의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 발진소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 자화자유층과 상기 터널장벽층 간의 경계면 면적이 상기 점접촉부와 상기 제 2 보호층 간의 경계면 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 발진소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 보호층과 상기 전극 간의 경계면 면적은, 상기 제 1 보호층과 상기 제 2 보호층 간의 경계면 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 발진소자. - 자화방향이 가변하는 자화자유층; 자화방향이 일방향으로 고정된 자화고정층; 및 상기 자화자유층과 상기 자화고정층 간에 개입된 터널장벽층을 갖는 자기저항소자와, 상기 자화자유층 상에 접촉하여 형성되고 상기 자화자유층을 보호하도록 구성된 제 1 보호층과, 상기 제 1 보호층 상에 적층된 제 2 보호층을 갖는 기판에 대하여, 상기 제 1 보호층과 상기 제 2 보호층 간의 경계면 면적보다 작은 면적을 가지는 상기 제 2 보호층 영역 상에 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 마스크로서 상기 제 2 보호층을 패터닝하고, 더욱이 상기 제 1 보호층의 상기 제 2 보호층이 형성되는 영역 이외의 영역의 상기 자기저항소자와 상기 제 1 보호층의 적층방향 두께가, 상기 제 1 보호층의 상기 제 2 보호층이 형성되는 영역의 상기 적층방향의 두께보다 얇아지도록, 상기 제 1 보호층을 보호층을 에칭하는 단계이며, 상기 제 1 보호층과 상기 제 2 보호층을 가지는 적층체가 볼록부를 가지도록 성형되고, 상기 적층체 중 상기 볼록부 이외의 부분의 법선방향의 두께가 상기 볼록부의 법선방향의 두께보다 얇아지는 단계;
상기 에칭에 의해 노출된 상기 제 1 보호층의 부분 및 상기 마스크층 상에 층간 절연막을 형성하는 단계;
상기 층간 절연막이 형성된 퇴적된 상기 마스크층을 제거하는 단계; 및
상기 마스크층을 제거함으로써 노출된 제 2 보호층 영역과 접촉하는 부분이 점접촉부를 형성하도록 전극을 형성하는 단계이며, 상기 볼록부의 상면과 상기 전극의 점접촉부가 전기 접촉하는 단계를 포함하는 발진소자 제조방법. - 자화방향이 가변하는 자화자유층; 자화방향이 일방향으로 고정된 자화고정층; 및 상기 자화자유층과 상기 자화고정층 간에 개입된 터널장벽층을 갖는 자기저항소자와,
상기 자화자유층 상에 접촉하여 형성되고 상기 자화자유층을 보호하도록 구성된 보호층과,
상기 보호층 상에 형성되고, 상기 보호층과의 사이에서 부분적으로 전기접촉하는 점접촉부를 가지는 전극과,
상기 점접촉부 이외의 상기 전극과 상기 보호층 사이에 형성된 층간 절연막을 구비하며,
상기 보호층은, 상기 층간 절연막이 접촉하는 부분의 법선방향의 두께가, 상기 점접촉부에 접촉하는 부분의 법선방향 두께보다 얇고,
상기 보호층은 볼록부를 가지도록 형성되어 있으며,
상기 볼록부의 상면과 상기 전극의 점접촉부가 전기 접촉하고 있고,
상기 보호층 중 상기 볼록부 이외의 부분의 법선방향의 두께는 상기 볼록부의 법선방향의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 발진소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 자화자유층과 상기 터널장벽층 간의 경계면 면적이 상기 점접촉부와 상기 보호층 간의 경계면 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 발진소자.
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