KR20010079879A - 자기 터널 접합소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

2개의 자기층(3, 7)과 그 사이에 연장되는 장벽층(5)을 구비한 적층체(1)가 형성된 자기 터널 접합소자의 제조방법이 개시된다. 자기층들 중 한개가 에칭을 사용하여 형성되고, 에칭과정 동안, 잔류층(7r)이 잔류할 때까지 물질을 제거함으로써 이 층의 일부분이 더 얇아지게 된다. 이와 같은 잔류층은 화학 변환에 의해 패시베이션된다. 이 방법에 있어서, 구조화할 예정이 아닌 자기층이 나머지 자기층의 형성 동안에 악영향을 받게 되는 것이 방지된다.

Description

자기 터널 접합소자의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING A MAGNETIC TUNNEL JUNCTION DEVICE}

본 발명은, 2개의 자기층과 그 사이에 연장되는 장벽층을 구비한 적층체가 형성된 자기 터널 접합소자의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 이와 같은 방법을 사용하여 얻어질 수 있는 자기 터널 접합소자와, 이러한 소자를 구비한 자기장 센서와, 이와 같은 소자를 구비한 자기 메모리에 관한 것이다.

전술한 것과 같은 장치는 WO-A 99/22368에 개시되어 있다. 상기한 특허출원으로부터 공지된 자기 터널 접합소자는, 제 1 및 제 2 자기층을 구비하고, 이들 층은 층간 절연막에 대해 사이에 끼워지고 전극층으로서의 역할을 한다. 변환소자로서, 이와 같은 소자는 자기 요크를 구비한 자기장 센서의 일부분을 구성하며, 이때 제 1 자기층은 요크의 일부분과 직접 접촉한다. 요크와 마찬가지로, 제 1 자기층은 연자성 재료로 이루어진다. 제 2 자기층은 복합층으로서, 강자성 서브층과 핀 고정(pinning) 구조를 구비한다. 층간 절연막은 터널 장벽을 구성한다.

따라서, 이러한 종래의 자기 터널 접합소자에 있어서는, 자기층들 중 한개의 한개층, 즉 연자성층이 자속 안내부재로서의 역할도 수행한다. 터널 장벽에 대향하는 연자성층의 표면의 불규칙성으로 인한 도메인 벽의 형성과 같이, 이와 같은 층의 자기 특성에 대한 악영향을 방지하기 위해, 나머지 자기층, 즉 제 2 자기층과, 가능한 경우에는 장벽 형성용 중간층이 구성되는 것이 바람직하다.

결국, 본 발명의 목적은, 자기층들 중 한개를 구성하는 공정을 포함하고, 나머지 자기층에 도달하기 전에 이 공정이 확실하게 중단되는, 서두에 기재된 형태의 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방법은, 자기층들 중 한개가 에칭을 사용하여 형성되고, 에칭과정 동안, 잔류층이 잔류할 때까지 물질을 제거함으로써 해당 층의 일부분이 더 얇아지게 되며, 그후, 화학적 변환에 의해 잔류층의 전기저항이 증가되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 방법을 수행한 후에, 자기층들 중에서 한개가 형성되고, 사용 중에 얻어진 형성된 층 내부의 원치 않는 전류가 억제되도록, 이 층이 처리된 자기 터널 접합소자가 얻어진다. 원칙적으로, 나머지 자기층은 공격을 받지 않은 상태로 유지된다.

본 발명에 따른 방법에 있어서는, 형성하고자 하는 자기층이 상기한 에칭공정 중에 전체가 에칭제거되며, 연자성층에 해당하거나 연자성층을 포함할 수 있는 형성하고자 하는 자기층의 일부분을 차폐하기 위해 공지된 방식으로 마스크가 사용되기 때문에, 나머지 자기층에 확실하게 도달되지 않게 된다. 잔류층으로 불리는, 에칭 후에 잔류하는 이 층의 에칭된 부분의 잔류 부분은, 화학반응을 사용하여 약한 도전성이 갖게 되며, 그후 나머지 자기층 뿐만 아니라 형성된 자기층은 자기 전극으로 사용될 수 있다. 에칭은 바람직하게는 잔류층이 0 nm 내지 5 nm의 두께에 도달할 때까지 진행하며, 이와 같은 공정에서, 예를 들면, 저항 측정은 언제 잔류층에 도달하는지를 결정한다. 전술한 측정은 상기한 나머지 자기층에 어떠한 악영향도 미치지 않으며, 특히, 이 자기층의 자기특성에 악영향을 미치지 않는다는 것이 밝혀졌다. 또한, 본 발명에 따른 방법은, 비선택적 에칭 기술을 사용할 때 제조 마진이 상당히 커진다는 이점을 이용한다. 이와 같은 자기층이 연자성 물질로 이루어지는 경우에, 이 층은 자속 안내층으로 사용하는데 매우 적합하다.

본 발명에 따른 방법의 일 실시예는, 상기 화학적 변환이 산화 및/또는 질화에 의해 달성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 실시예에 있어서, 잔류층은 공지된 공정을 이용함으로써 간단하게 패시베이션될 수 있다. 잔류층의 물질이 산화물로 변환되는 잔류층의 산화는, 바람직하게는 열산화, 플라즈마 산화 또는 UV 산화에 의해 구현된다. 잔류층의 물질이 질화물로 변환되는 잔류층의 질화는 바람직하게는 열질화 또는 플라즈마 질화에 의해 구현된다. 전술한 공지된 화학공정에 있어서, 잔류층의 자성 물질의 원하는 산화 또는 질화는 비교적 짧은 시간에 얻어질 수 있다. 일반적인 경우에, 장벽층이 산화물층인 경우에, 장벽층은 산화공정의 수행 중의 주어진 순간에 잔류층의 산화를 중단시키거나 감소시킨다.

본 발명에 따른 방법의 일 실시예는, 물리적 에칭이 수행되는 것을 특징으로 한다. 물리적 에칭은, 스퍼터링 에칭, 이온 밀링 및 이온 빔 에칭과 같이 전기적으로 하전된 입자들의 빔을 사용한 에칭을 의미한다. 이들 공지된 에칭방법은 본 발명에 따른 방법에 매우 적합한 것으로 판명되었다.

본 발명에 따른 방법의 일 실시예는, 형성하고자 하는 자기층이, 순차적으로, 기저층과, 기저층의 자기 핀 고정을 위한 적어도 한개의 또 다른 층을 포함하는 층 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다. 기저층은, 예를 들어 NiFe 합금 또는 Co 합금, 특히 Co-Fe 합금의 강자성층일 수 있는 한편, 핀 고정 층 구조는 다음의 가능성 중 한가지를 포함할 수 있다: 예를 들어 FeMn 합금 또는 IrMn 합금의 반강자성 층, 예를 들면 Co 합금의 경자성 강자성층, 층간 금속층에 의해 분리된 2개의 반평행(anti-parallel) 자기층을 포함하는 인공 반강자성 구조. 이와 같은 구조는 예를 들면 FeMn 합금의 반강자성층에 접속될 수 있다. 형성하고자 하는 이와 같은 자기층이 형성되면, 기저층에 도달할 때까지, 에칭, 특히 물리적 에칭이 발생하기 전에 이 층 구조를 선택적으로 에칭, 특히 선택적으로 화학 에칭하는 것이 바람직하다. 상기한 선택적 에칭을 부분적으로 이용함으로써, 본 발명에 따른 방법에 따른 구조화 공정이 더욱 짧은 기간 내에 수행될 수 있다. 선택적인 화학 에칭은 공지된 에칭기술이다.

이때, 본 발명에 따른 방법은, 자기 터널 접합소자의 반제품의 자기 전극층을 형성하는 방법을 내포한다는 점에 주목하기 바라며, 이때 반제품은 상기한 전극층, 장벽층 및 또 다른 자기 전극층을 포함한다. 전술한 방법에 있어서, 해당 층의 형성은 자기 터널 접합소자의 나머지 자기 전극층의 자기 특성에 영향을 미치지 않는데, 적어도 악영향을 미치지 않는다. 에칭이 이용되는 이와 같은 방법의 특별한 면은, 자기 터널 접합소자의 장벽층에 관한 한 에칭이 발생하지 않지만, 잔류층이 장벽층 상에 잔류하는 더 이른 순간에 에칭공정이 중단된다는 것이다. 이에 따라, 층 두께의 변동과 에칭 방법의 변동에도 불구하고, 형성하고자 하는 것이 아닌 자기 전극층이 확실히 에칭되지 않게 된다. 낮은 전기 도전성을 갖는 층인 절연층또는 유전층에 해당하는 장벽층은 보통 약 1 nm의 두께만을 갖는다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된, 본 발명에 따른 자기 터널 접합소자는, 이 방법을 사용하여 형성된 자기층과, 연자성층이거나 연자성층을 포함하며 자속 안내부재로서 사용가능한 또 다른 자기층을 갖는다. 이와 같은 연자성층은, 예를 들면 NiFe 합금 또는 Co-Fe 합금과 같은 Co 합금으로 제조될 수 있다. 또한, 연자성층은 다수의 서브층으로 제조될 수도 있다.

본 발명에 따른 자기장 센서는 본 발명에 따른 자기 터널 접합소자를 구비한다. 자기 터널 접합소자는 본 발명에 따른 자기장 센서의 한개 또는 변환소자를 구성한다. 이 센서는, 특히 자기 테이프 또는 자기 디스크와 같은 자기 정보매체로부터 발생된 자속을 디코딩하는 자기 헤드, 지자계를 검출하는 나침반의 센서, 예를 들어, 차량용에 있어서 위치, 각도 또는 속도를 검출하는 센서, 의학용 스캐너에 있어서 자기장 센서와, 전류 검출기로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자기 메모리, 특히 MRAM은 본 발명에 따른 자기 터널 접합소자를 구비한다.

청구항에 대해서는, 종속항에 기재된 실시예의 다양한 조합이 가능하다는 점에 주목하기 바란다.

본 발명의 이와 같은 발명내용은 이하에서 설명되는 실시예를 참조하여 더욱 명백해질 것이다.

도면에 있어서,

도 1a는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예로부터 얻어진 제 1 중간 생성물을개략적으로 나타낸 것이고,

도 1b는 본 발명에 따른 방법의 상기한 실시예로부터 얻어진 제 2 중간 생성물을 개략적으로 나타낸 것이며,

도 1c는 본 발명에 따른 방법의 실시예로부터 얻어진 제 3 중간 생성물을 개략적으로 나타낸 것이고,

도 1d는 제 4 중간 생성물을 개략적으로 나타낸 것이며,

도 1e는, 본 발명에 따른 방법의 전술한 실시예에 따라 제조된, 본 발명에 따른 자기 터널 접합소자의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명에 따른 자기장 센서의 일 실시예를 나타낸 것이다.

도 1a는, 본 실시예에 있어서, NiFe 합금과 같은 연자성 물질의 제 1 자기층(3)과, 본 명세서에서는 예를 들어 Al₂O₃의 장벽층으로도 불리는 절연성의 약한 도전성 또는 유전층(5), 본 실시예에 있어서는 NiFe 합금의 연자성 물질로 이루어진 본 실시예에 있어서 기저층(7a)과 FeMn 합금과 같은 반강자성 물질의 적어도 한개의 추가 층을 포함하는 층 구조(7b)로 이루어진 제 2 자기층(7)을 구비한 복수의 층의 적층체(1)를 나타낸 것이다. 이와 달리, 경자성층이 기저층(7a)과 층 구조(7b)를 포함하는 층 구조체를 위한 제 2 자기층으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 진행 중에, 도 1b에 도시된 것과 같이 예를 들면 포토레지스트의 차폐층(9)이 도시된 적층체(1) 상에 설치된다. 그후, 도 1c에 나타낸 것과 같이, 에칭공정이 사용되어, 기저층(7)에 도달할 때까지, 층 구조(7b)가 먼저 선택적으로 에칭, 특히 화학적으로 에칭된다. 그후, 도 1d에 도시된 것과 같이, 연자성 물질의 잔류층(7r)이 잔류할 때까지, 기저층(7a)이 에칭, 특히 물리적으로 에칭된다. 이와 달리, 2가지 에칭 공정 대신에, 스퍼터링 에칭과 같은 물리적 에칭만을 사용하는 것도 충분할 수 있다. 또한, 제 2 자기층(7)에 경자성층인 경우에도 물리 에칭이 사용되는 것이 바람직하다.

전술한 방법들 중에서 하나에서 얻어진 잔류층(7r)은 바람직하게는 최대 5 nm에 이르는 두께를 갖는다. 본 발명에 따른 방법의 진행 중에, 본 실시예에 있어서는 잔류층(7r)이 노출되어 산화되므로, 해당 층의 전기저항을 증가시킨다. 그후, 도 1e에 도시된 것과 같이, 잔류층(7r)은 본 실시예에 있어서는 Ni과 Fe를 포함하는 산화물층(7R)으로 변환된다. 질화반응을 사용할 때에는, 질화물층(7R)이 얻어진다. 본 실시예에 있어서, 이와 같은 변환을 위해 열산화 또는 플라즈마 산화가 사용되는 것이 바람직하다. SiO₂와 같은 절연 물질을 적층함으로써, 산화물층(7R) 위에 보호층(11)이 형성될 수 있다. 그후, 차폐층(9)이 제거된다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 자기장 센서는, 도 1e에 도시된 형태를 갖는 자기 터널 접합소자(20)를 구비한다. 본 실시예에 있어서, 센서는 터널 접합소자(20)로 다리가 놓여지고 이 소자와 자기적으로 접속하는 차단부(22a)를 갖는 자기 요크(22)를 더 구비한다. 자기 요크(22)는 NiFe 합금과 같은 연자성 재료로 이루어진다. 센서는 비자성 변환 간극(26)에 인접한 센서면(24)을 갖는다. 차단부(22a)와 간극(26)은 예를 들어 SiO₂또는 Al₂O₃와 같은 절연층으로 이루어진다.

본 발명은 도시된 실시예에 한정되지 않는다는 점에 주목하기 바란다. 예를 들면, 본 발명의 범주 내에서 상기한 방법의 다수의 단계의 변형이 가능하다. 더구나, 도시된 센서는 자기 기록매체를 주사하는 자기 헤드로서 구성될 수 있다. 이와 같은 구성은 일체화된 판독/기록 헤드의 일부분을 구성할 수 있다. 본 발명의 방법에 따라 얻어진 자기 터널 접합수조는 자기 메모리의 일부분을 구성할 수도 있다.

Claims (12)

1. 2개의 자기층과 그 사이에 연장되는 장벽층을 구비한 적층체가 형성된 자기 터널 접합소자의 제조방법에 있어서, 자기층들 중 한개가 에칭을 사용하여 형성되고, 에칭과정 동안, 잔류층이 잔류할 때까지 물질을 제거함으로써 해당 층의 일부분이 더 얇아지게 되며, 그후, 화학적 변환에 의해 잔류층의 전기저항이 증가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 화학적 변환은 산화 또는 질화에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   물리적 에칭이 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   형성하고자 하는 자기층이, 순차적으로, 기저층과, 기저층의 자기 핀 고정을위한 적어도 한개의 또 다른 층을 포함하는 층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   물리적 에칭 이전에, 기저층에 도달할 때까지 층 구조가 화학적으로 에칭되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 잔류층의 산화는 열산화, 플라즈마 산화 또는 UV 산화에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 잔류층의 질화는 열질화 또는 플라즈마 질화에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 사용하여 얻어진 자기 터널접합소자.
9. 제 8항에 있어서,

   형성된 자기층 이외의 층은, 자속 안내부재로서 사용가능한 연자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합소자.
10. 청구항 8에 기재된 자기 터널 접합소자를 구비한 자기장 센서.
11. 제 10항에 있어서,

    자기 터널 접합소자의 연자성층과 자기적으로 접속하는 자기 요크를 구비한 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
12. 청구항 8에 기재된 자기 터널 접합소자를 구비한 자기 메모리.