KR102454690B1

KR102454690B1 - 자성 다층 박막 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102454690B1
Application number: KR1020210068533A
Authority: KR
Inventors: 조재훈; 김준서; 유천열; 이찬강
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-10-14

Abstract

본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막은, 중금속층, 중금속층의 상면에 형성되는 자성층 및 자성층의 상면에 형성되는 산화막을 포함하고, 산화막은, 제1 두께를 갖는 제1 영역 및 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖는 제2 영역을 포함하고, 제1 영역과 제2 영역은 상이한 크기의 수직이방성을 가질 수 있다.

Description

자성 다층 박막 및 그 제조 방법{MAGNETIC MULTI LAYER THIN FILM AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 개시는 자성 다층 박막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화 처리법에 있어서 수직자기이방성을 가지는 자성 다층 박막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 메모리 소자로서 자기저항을 이용하여 제조하는 비휘발성 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory, 이하, 'MRAM')에 대한 기술적 연구가 진행되어 왔고, MRAM의 핵심 구조인 자기 터널 접합 (Magnetic Tunnel Junction, 이하 'MTJ')을 구현하기 위하여 산화막층을 이용하는 다층 박막 구조가 널리 이용되어 왔다.

산화막을 포함하는 다층 박막의 제조를 위하여 자연 산화 방법 또는 플라즈마 산화 방법이 주로 사용되어 왔으며, 중금속층(또는 하부 산화막층)의 상부로 자성층과 산화막층이 적층된 다층 박막 구조에 있어서, 자성층과 중금속층 사이의 계면에서 강한 스핀-궤도 상호 작용(Spin-Orbit Interaction)을 유도하여 수직자기이방성을 발생시켜 자성 다층 박막이 제조되었다.

이러한 다층 박막 구조에 있어서, 강한 스핀-궤도 상호 작용을 갖는 자성층은 수직자기이방성과 얄로쉰스키-모리야 상호작용(Dzyaloshinskii-Morita Interaction, 이하, 'DMI')의 경쟁에 의하여 스커미온(Skyrmion)을 생성할 수 있었으며, 스커미온을 이용한 비휘발성 메모리 소자 또는 논리 회로는 초저전력 인공지능 소자 또는 초저전력 차세대 비휘발성 메모리 소자로서 각광받고 있다.

종래의 다층 박막은 스커미온을 생성하기 위하여 주로 DMI를 조절하여 왔으며, DMI의 조절을 위하여 복합적으로 주변 인자를 조절해야 하기에 제조상의 어려움이 존재하였으며, 스커미온의 생성 및 응용 난이도가 상승하는 문제점이 존재하였다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막 및 그 제조 방법은 용이하게 수직자기이방성을 조절하는 산화막층을 포함하여 생산성과 활용성을 개선하는데에 목적이 있다.

본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막은, 중금속층, 상기 중금속층의 상면에 형성되는 자성층 및 상기 자성층의 상면에 형성되는 산화막을 포함하고, 상기 산화막은, 제1 두께를 갖는 제1 영역 및 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상이한 크기의 수직이방성을 가질 수 있다.

이 경우, 상기 제1 영역 및 제2 영역은 산화 탄탈럼(Tantalum Oxide, TaOx)을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 영역의 제1 두께는 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이일 수 있다.

이 경우, 상기 제1 영역의 제1 두께는 1.8 nm일 수 있다.

한편, 상기 제2 영역의 제2 두께는 상기 제1 영역의 제1 두께보다 클 수 있다.

한편, 상기 제1 영역의 각형비는 상기 제2 영역의 각형비의 1/5의 크기를 가질 수 있다.

한편, 상기 자성층은 상호 자성이 상이한 강자성층 및 약자성층을 포함하는 다층 구조일 수 있다.

한편, 상기 산화막은, 상기 제1 두께 및 상기 제2 두께와 상이한 제3 두께를 갖는 제3 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 내지 상기 제3 영역은 상호 상이한 크기의 수직이방성을 가질 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따른 자성 다층 박막의 제조 방법은, 기판 상에 중금속층을 적층하는 단계, 상기 중금속층의 상면으로 자성층을 적층하는 단계, 상기 자성층의 상면으로, 서로 상이한 두께를 갖는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 금속층을 적층하여, 자성 다층 박막을 형성하는 단계 및 상기 금속층에 수직자기이방성을 발현시켜 산화막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 산화막을 형성하는 단계는, 상기 자성 다층 박막을 진공 챔버에 배치하는 단계 및 상기 진공 챔버 내부에 플라즈마를 형성하여 금속층을 산화하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는, 상기 금속층이 탄탈럼(Tantalum)을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는, 상기 제1 영역은 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이의 두께를 가질 수 있다.

이 경우, 상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는, 상기 제1 영역은 1.8 nm의 두께를 가질 수 있다.

한편, 상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는,

상기 제2 영역은 상기 제1 영역의 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다.

한편, 상기 자성층을 적층하는 단계는, 상호 자성이 상이한 강자성층과 약자성층을 각각 적층하는 단계일 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자성 다층 박막의 제조 과정 중 일부를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막을 도시한 단면도이다.
도 3a는 본 개시의 일 실시예의 산화막의 두께에 대한 자기광 커 효과의 수치를 도시한 그래프이다.
도 3b는 본 개시의 일 실시예의 산화막의 두께에 대한 보자력을 도시한 그래프이다.
도 3c는 본 개시의 일 실시예의 산화막의 두께에 대한 잔류 자화의 수치를 도시한 그래프이다.
도 3d는 본 개시의 일 실시예의 산화막의 두께에 대한 각형비의 수치를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예의 산화막의 두께에 대한 DMI 수치를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막에 형성된 스커미온을 도시한 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 개시에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.　

본 개시의 실시 예에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 개시의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.　

본 개시의 실시 예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 개시된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시 예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다." 또는 "구성되다." 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.

본 개시의 실시 예에서 '유닛' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '유닛' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '유닛' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 유닛으로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 개시에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자성 다층 박막(1)의 제조 과정 중 일부를 도시한 단면도이다.

도 1을 참고하면, 자성 다층 박막(1)은 플라즈마 산화 방식을 통하여 산화막(100)을 형성할 수 있다.

일 실시예의 자성 다층 박막(1)은 기판(50), 기판(50)의 상면에 형성되는 금속층(40) 및 금속층(40)의 일부 영역이 산화되어 형성되는 산화막(100)을 형성할 수 있다. 자성 다층 박막(1)의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 한정되지 아니하고 다양하게 구현될 수 있으며, 도 2 이하에서 상세히 설명한다.

자성 다층 박막(1)은 챔버(10) 내부에 배치될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 챔버(10)는 진공 장치(미도시)에 연결되어 챔버(10) 내부는 진공 상태 또는 저기압 상태로 형성할 수 있다.

가스 주입구(25)는 챔버(10) 내부로 가스를 주입할 수 있다. 챔버(10)로 주입되는 가스는 산소, 산화질소 또는 기체 산화물을 포함할 수 있으며, 또는 질소, 아르곤 또는 다른 불활성 기체를 포함할 수 있다. 가스 배출구(23)는 챔버(10) 내부에서 반응된 가스 또는 챔버(10)에 잔존하는 가스를 외부로 배출할 수 있다.

플라즈마 발생 장치(35)는 전원 공급 장치(30)로부터 전원을 공급받으며, 금속층(40)에 대향되는 위치로 플라즈마를 발생시키며, 금속층(40)을 산화시켜 산화막(100)을 형성할 수 있다. 전원 공급 장치(30)는 플라즈마 발생 장치(35)로 강한 교류 전압을 인가할 수 있다.

상세하게는, 자성 다층 박막(1)의 금속층(40)의 상면은 플라즈마 발생 장치(35)에 대향되는 위치에 배치될 수 있다. 전원 공급 장치(30)에 의하여 플라즈마 발생 장치(35)로 전원이 공급되면, 플라즈마 발생 장치(35)는 금속층(40) 방향으로 플라즈마를 형성하며 주입된 가스를 원자화 내지 이온화하여, 금속층(40)을 산화시킬 수 있다. 이 외에, 상술한 구성 및 생략된 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명하므로 구체적인 설명은 생략한다.

플라즈마 산화 방법을 이용하여 자성 다층 박막(1)을 제조하는 경우, 인가되는 교류 전기장의 세기, 주파수, 주입되는 가스의 유량, 산화 시간 등을 조절하며 산화막(100)을 생성할 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)의 산화막(100) 형성 방법 중 하나를 간략하게 도시한 것으로, 실제 구현 시에는 이에 한정되지 아니하고 수직자기이방성을 형성할 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있다.

도 2는 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)을 도시한 단면도이다.

도 2를 참고하면, 일 실시예의 자성 다층 박막(1)은 기판(50), 중금속층(60), 자성층(70) 및 산화막(100)을 포함할 수 있다.

기판(50)은 자성 다층 박막(1)의 베이스이며, 기판(50)의 상면으로 중금속층(60), 자성층(70), 산화막(100)이 다층 구조를 가지며 증착될 수 있다. 기판(50)은 자성 다층 박막(1)의 용도에 따라 인쇄회로기판(50)(Printed Circuit board) 내지 FPCB(Flexible-PCB)로 구현될 수 있다. 기판(50)은 실리콘 또는 실리콘 화합물을 포함하는 반도체 기판(50)일 수 있으며, 메모리 셀들이 형성되는 셀 영역을 포함할 수 있다. 일 실시예의 자성 다층 박막(1)은 중금속층(60)이 기판(50)의 역할을 수행하고, 기판(50)은 생략될 수 있다.

중금속층(60)은 중금속 또는 중금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있으며, 중금속은 예를 들면 탄탈럼, 텅스텐, 팔라듐 또는 이리듐 중 적어도 하나일 수 있다. 중금속층(60)은 단일 층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있으며, 나노 미터(nm) 단위의 두께를 가질 수 있다.

일 실시예의 자성 다층 박막(1)은 중금속층(60)을 대신하여 금속재로 이루어지는 금속층(40) 또는 산화막(100)을 포함할 수 있으며, 자성층(70)과의 계면에서 스핀-궤도 상호작용을 형성시킬 수 있다면 만족될 수 있다.

자성층(70)은 합금계 자성체로 이루어질 수 있으며, 나노 미터(nm) 단위의 두께를 가질 수 있다. 자성층(70)과 중금속층(60)의 계면에서는 스핀 궤도 상호작용이 발생할 수 있다.

도면에는 도시되지 않았으나, 자성층(70)은 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 복수의 자성층(70)의 각 층은 자성의 세기에 따라 강자성층과 약자성층으로 구분될 수 있다. 이 경우 두 자성층(70)의 자화 방향에 따라 자기터널접합의 저항 값을 조절할 수 있으며, 이러한 저항 값의 차이를 이용하여 자성 다층 박막(1)은 데이터를 기입 및 판독할 수 있다.

산화막(100)은 자성층(70)의 상면에 형성될 수 있고, '유전체층'으로도 불릴 수 있다. 산화막(100)은, 자성층(70)의 상면에는 금속층(40)이 증착되고, 이후 금속층(40)은 플라즈마 산화 방법 또는 자연 산화 방법을 통하여 산화되는 과정을 통하여 형성될 수 있다.

산화막(100)은 자성층(70) 상면에 형성되어 수직자기이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA)을 극대화하는 데에 도움을 줄 수 있으며, 이러한 구조를 갖는 본 개시의 자성 다층 구조는 수직자기이방성을 갖는 자기터널접합(MTJ)을 구현할 수 있다.

스커미온은 자성층(70)의 내부에 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체이며, 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)을 통하여 형성되는 스커미온 구조는 도 6을 참고할 수 있다. 스커미온은 형성 여하에 따라 데이터를 저장하는 기본 구조를 구현할 수 있으며, 스커미온은 크기가 매우 작고 안정적이고 저전력으로도 작동이 가능한 효과를 가지고 있다.

자성층(70)과 중금속층(60)의 계면에서 발생하는 강한 스핀-궤도 상호작용으로 인하여 수직자기이방성이 발생하고, 수직자기이방성과 얄로쉰스키-모리야 상호작용(DMI)의 경쟁에 의하여 스커미온이 생성될 수 있다. 그러므로, 스커미온은 수직자기이방성 및 DMI의 조절을 통하여 형성될 수 있다.

이하에서는, 도 3a 내지 3d를 참고하여 산화막(100)은 탄탈럼이 산화된 산화 탄탈럼(Tantalum Oxide, TaOx)인 실시예에서, 산화막(100)의 두께에 따라 수직자기이방성에 관련된 다양한 수치의 변화를 설명한다.

도 3a는 본 개시의 일 실시예의 산화막(100)의 두께에 대한 자기광 커 효과의 수치를 도시한 그래프이다.

상세하게는, 도 3a는 산화막(100)의 두께가 증가함에 따라 나타나는 자기광 커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)의 산포를 보여주는 데이터이다.

도 3a를 참고하면, 산화막(100)의 두께는 일정 두께, 예를 들면 1.5 nm 이상의 수치에서는 산화막(100)의 두께의 증감에 의하여도 자기광 커 효과의 결과 수치의 증감이 크지 않는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 일정 두께 이상에서는 산화막(100)의 두께가 증감하여도 안정적으로 자기터널접합을 형성할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

도 3b는 본 개시의 일 실시예의 산화막(100)의 두께에 대한 보자력을 도시한 그래프이다.

상세하게는, 도 3b는 산화막(100)의 두께가 증가함에 따라 나타나는 보자력(coercivity, Hc)의 산포를 보여주는 데이터이다.

도 3b를 참고하면, 산화막(100)의 두께가 1 nm로부터 증가함에 따라 일부 영역에서는 보자력은 증가하나, 일정 두께, 예를 들면 1.25 nm 이상의 수치에서는 보자력이 감소하며, 특히, 2.0 nm이 인접하여 보자력이 최저치를 갖는 것을 확인할 수 있다.

도 3c는 본 개시의 일 실시예의 산화막(100)의 두께에 대한 잔류 자화의 수치를 도시한 그래프이고, 도 3d는 본 개시의 일 실시예의 산화막(100)의 두께에 대한 각형비의 수치를 도시한 그래프이다.

상세하게는, 도 3c 및 도 3d 각각은 산화막(100)의 두께가 증가함에 따라 나타나는 잔류 자화(Remanent Magnetization, Mr)의 산포 및 잔류 자화(Mr)에 대한 포화 자화 (Saturation Magnetization, Ms)의 비(Mr/Ms)인 각형비(squareness)의 산포를 보여주는 데이터이다.

도 3c 내지 도 3d를 참고하면, 산화막(100)의 두께가 1 nm로부터 증가함에 따라 각형비는 증가하는 추세를 보이나, 일정 두께, 약, 2.0 nm에 인접하여 각형비가 급감 후 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 3b 내지 도 3d의 데이터를 통하여, 산화막(100)의 특정 두께에 인접하여는 보자력과 각형비가 감소 후 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 자성 다층 박막(1)은 산화막(100)의 일정 영역의 두께를 달리하여, 수직자기이방성을 조절할 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)을 도시한 단면도이다.

도 4를 참고하면, 본 개시의 산화막(100)은 제1 영역(110)과 제2 영역(120)을 포함할 수 있다.

제1 영역(110)은 제1 두께를 가지는 산화막(100)의 일부 영역이고, 제2 영역(120)은 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지는 산화막(100)의 다른 일부 영역일 수 있다.

제1 영역(110)에 작용하는 수직자기이방성(P1)은 제2 영역(120)에 작용하는 수직자기이방성(P2)와 상이할 수 있다. 즉, 본 개시의 산화막(100)은 두께에 따라 상이한 크기의 수직자기이방성을 가질 수 있으며, 일 실시예의 산화막(100)은 산화 탄탈럼일 수 있다.

도 3a 내지 도 3d의 데이터로 도시된 바와 같이, 탄탈럼의 산화막(100)은 약 1.8 nm의 두께 범위에서, 인접 두께 영역과 비교할 때 자기장 커 효과는 큰 차이가 없으나 보자력과 각형비가 부분적으로 급감하는 특징을 갖기에, 수직자기이방성이 크게 증감하는 것을 확인할 수 있다.

본 개시의 자성 다층 박막(1)은 산화층의 제1 영역(110)과 제2 영역(120)의 각각의 두께(d1, d2)를 상이하게 조절하여, 국소적으로 산화막(100)에 작용하는 수직자기이방성을 제어하여 소자를 생산할 수 있다.

예를 들면, 산화막(100)이 산화 탄탈럼으로 이루어진 경우, 제1 영역(110)의 제1 두께(d1)은 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이로 형성될 수 있고, 제2 영역(120)의 제2 두께(d2)는 제2 두께(d1)보다 클 수 있다.

그 결과, 제1 영역(110)의 각형비는 제2 영역(120)의 각형비에 비교하여 작을 수 있으며, 예를 들면 1/5의 크기를 가질 수 있고, 제1 영역(110)의 제1 영역(110)에 작용하는 수직자기이방성(P1)은 제2 영역(120)에 작용하는 수직자기이방성(P2)보다 작은 세기를 가질 수 있다.

도면에는 도시되지 않았으나, 산화막(100)은 제1 두께 및 제2 두께와 상이한 제3 두께를 갖는 제3 영역(미도시)을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제3 영역은 상호 상이한 크기의 수직자기이방성을 가질 수 있다.

아래 수학식 (1)을 참고하면,

이 음수를 만족하는 자성상수를 이용하면 스커미온을 생산할 수 있다.

수학식 (1) :

(단,

는 교환상호작용 에너지이고,

는 수직자기이방성 에너지이며, D는 DMI 에너지 밀도임.)

본 개시의 산화막(100)을 포함하는 자성 다층 박막(1)은, 수학식 (1)의 수식을 참고하여 수직자기이방성 DMI 에너지 밀도와 에너지의 크기를 조절하며, 스커미온을 형성할 수 있다.

도 5는 본 개시의 일 실시예의 산화막(100)의 두께에 대한 DMI 수치를 도시한 그래프이다.

상세하게는, 도 5는 산화막(100)의 두께가 증가함에 따라 나타나는 DMI 에너지 밀도(수학식(1)의 'D')의 산포를 보여주는 데이터이다.

도 5를 참고하면, 산화막(100)의 두께가 1 nm로부터 증가함에 따라 DMI 에너지 밀도는 감소 후 증가하는 추세를 보이나, 도 3c, d의 결과에 따른 수직자기이방성에 비교하면 그 변화 비율이 크지 않은 것을 확인할 수 있다.

예를 들면, 도 3d의 결과를 참고하면, 탄탈럼으로 이루어진 산화막(100)은 1.8 nm의 두께를 갖는 경우, 인접한 1.5 nm 또는 2.1 nm의 두께를 갖는 경우에 비하여 각형비가 약 90% 감소하는 것을 확인할 수 있다.

그러나, 도 5의 결과를 참고하면, DMI 에너지 밀도는 탄탈럼으로 이루어진 산화막(100)은 1.8 nm의 두께를 갖는 경우, 인접한 1.5 nm 또는 2.1 nm의 두께를 갖는 경우에 비하여 변화율이 높지 않고, 최고점을 갖는 약 2.3 nm의 두께에 비교하여도 50 % 이내로 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이러한 데이터 결과를 기초하여 판단하면, 밀도는 탄탈럼으로 이루어진 산화막(100)은 특정 두께에 인접하여 수직자기이방성의 크기를 큰 폭으로 증가 또는 감소할 수 있으며, DMI는 이에 반하여 비슷한 수준으로 유지될 수 있다.

또한, 본 개시의 자성 다층 박막(1)은 산화막(100)의 두께를 조절함으로 DMI 에너지 밀도도 조절할 수 있기에, 이를 기초로 DMI의 세기를 조절하는 다양한 기술 분야에서 활용할 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)에 형성된 스커미온을 도시한 도면이다.

상술한 데이터 산포를 참고할 때, 본 개시의 자성 다층 박막(1)은 수직자기이방성을 줄여줌으로써 초저전력 인공지능 소자 또는 차세대 비휘발성 메모리 분야에 응용될 수 있는 전압인가 수직자기이방성 에너지의 변화를 용이하게 제어할 수 있다. 그리고 자성 다층 박막(1)은 수직자기이방성과 DMI 에너지밀도를 제어하여, 자구벽 이동 또는 스컬미온의 생성 및 응용을 가능하게 한다.

그러므로 일 실시예의 자성 다층 박막(1)이 일부 영역에서 두께를 다르게 가짐으로써, 국소적인 영역에서 DMI의 세기 변화를 최소화하며 수직자기이방성의 세기를 크게 하거나 줄일 수 있으며, 이를 통하여 자성 다층 박막(1)의 국소적인 영역에서 스커미온을 생성할 수 있고, 나아가 다양한 산업 분야에서 이를 응용하여 활용할 수 있다.

도 7은 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

도 7을 참고하면, 본 개시의 일 실시예의 자성 다층 박막(1)의 제조 방법은 기판(50) 상에 중금속층(60)을 적층하는 단계(S10), 중금속층(60)의 상면으로 자성층(70)을 적층하는 단계(S20), 자성층(70)의 상면으로, 서로 상이한 두께를 갖는 제1 영역(110) 및 제2 영역(120)을 포함하는 금속층(40)을 적층하여, 자성 다층 박막(1)을 형성하는 단계(S30) 및 금속층(40)에 수직자기이방성을 발현시켜 산화막(100)을 형성하는 단계(S40)을 포함할 수 있다.

자성층(70)을 적층하는 단계(S20)는 상호 자성이 상이한 강자성층(70)과 약자성층(70)을 각각 적층하는 단계일 수 있다.

금속층(40)을 적층하는 단계(S30)는, 금속층(40)이 탄탈럼(Tantalum)을 포함하는 금속일 수 있다. 그리고, 제1 영역(110)은 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이의 두께를 가질 수 있고, 일 실시예에서는 제1 영역(110)은 1.8 nm의 두께를 가질 수 있다. 이 경우 제2 영역(120)은 1 영역(110)의 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다.

산화막(100)을 형성하는 단계(S40)는, 자성 다층 박막(1)을 진공 챔버(10)에 배치하는 단계 및 진공 챔버(10) 내부에 플라즈마를 형성하여 금속층(40)을 산화하는 단계를 포함할 수 있다. 금속층(40)은 산화하여 산화막(100)을 형성하는 과정에서 제1 영역(110)과 제2 영역(120)은 서로 상이한 크기의 수직자기이방성을 가질 수 있으며, 이를 이용하여 자성 다층 박막(1)은 스커미온을 형성할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1 : 자성 다층 박막 50 : 기판
60 : 중금속층 70 : 자성층
100 : 산화막 110 : 제1 영역
120 : 제2 영역

Claims

중금속층;
상기 중금속층의 상면에 형성되는 자성층; 및
상기 자성층의 상면에 형성되는 산화막;을 포함하고,
상기 산화막은,
제1 두께를 갖는 제1 영역; 및
상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖는 제2 영역;을 포함하고,
상기 제1 영역의 제1 두께는 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이이며,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상호 상이한 크기의 수직이방성을 갖는, 자성 다층 박막.
제1항에 있어서,
상기 제1 영역 및 제2 영역은 산화 탄탈럼(Tantalum Oxide, TaOx)을 포함하는, 자성 다층 박막.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 제1 두께는 1.8 nm인, 자성 다층 박막.
제1항에 있어서,
상기 제2 영역의 제2 두께는 상기 제1 영역의 제1 두께보다 큰, 자성 다층 박막.
제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 각형비는 상기 제2 영역의 각형비의 1/5의 크기를 갖는, 자성 다층 박막.
제1항에 있어서,
상기 자성층은 상호 자성이 상이한 강자성층 및 약자성층을 포함하는 다층 구조인, 자성 다층 박막.
제1항에 있어서,
상기 산화막은,
상기 제1 두께 및 상기 제2 두께와 상이한 제3 두께를 갖는 제3 영역을 포함하고,
상기 제1 영역 내지 상기 제3 영역은 상호 상이한 크기의 수직이방성을 갖는, 자성 다층 박막.
기판 상에 중금속층을 적층하는 단계;
상기 중금속층의 상면으로 자성층을 적층하는 단계;
상기 자성층의 상면으로, 서로 상이한 두께를 갖는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 금속층을 적층하여, 자성 다층 박막을 형성하는 단계; 및
상기 금속층에 수직자기이방성을 발현시켜 산화막을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 금속층을 적층하여, 자성 다층 박막을 형성하는 단계는, 상기 제1 영역은 1.5 nm 내지 2.1 nm 사이의 두께를 갖는, 자성 다층 박막의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 산화막을 형성하는 단계는,
상기 자성 다층 박막을 진공 챔버에 배치하는 단계; 및
상기 진공 챔버 내부에 플라즈마를 형성하여 금속층을 산화하는 단계;를 포함하는, 자성 다층 박막의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는,
상기 금속층이 탄탈럼(Tantalum)을 포함하는, 자성 다층 박막의 제조 방법.
삭제
제9항에 있어서,
상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는,
상기 제1 영역은 1.8 nm의 두께를 갖는, 자성 다층 박막의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 금속층을 적층하여 자성 다층 박막을 형성하는 단계는,
상기 제2 영역은 상기 제1 영역의 두께보다 큰 두께를 갖는, 자성 다층 박막의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 자성층을 적층하는 단계는,
상호 자성이 상이한 강자성층과 약자성층을 각각 적층하는 단계인, 자성 다층 박막의 제조 방법.