KR20020008475A - 터널 자기저항소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연층의 계면이 균일하고 핀홀이 없으며 자기저항비가 높은 터널 자기저항소자의 제조방법에 관한 것으로서, (1) Si 웨이퍼를 열산화하여 SiO₂를 생성시켜 기판을 형성하는 단계와; (2)상기의 기판위에 NiFe 연자성층을 증착시키는 단계와; (3) 상기의 NiFe 연자성층위에 Co 또는 CoFe강자성층을 증착시키는 단계와; (4) 상기의 강자성층위에 알루미늄 또는 탄탈룸의 순금속 박막을 스퍼터링법으로 증착한 후 산소플라즈마법으로 산화시켜 10∼20Å의 알루미늄산화막 또는 11∼12Å의 탄탈륨산화막의 절연층을 형성시키는 단계와; (5) 상기의 절연층위에 Co 또는 CoFe 강자성층을 증착시키는 단계로 구성되는 제조방법을 제공함으로써 터널 자기저항소자는 공업적으로 초고감도 자계센서, 하드디스크 드라이브의 정보재생 센서 및 MRAM의 기억장소로 유용하게 활용될 수 있다.

Description

터널 자기저항소자의 제조방법{Manufacturing Process of Tunneling Magnetoresistive Devices}

본 발명은 터널 자기저항소자의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 절연층의 계면이 균일하고 핀홀이 없으며 자기저항비가 높은 터널 자기저항소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 터널 자기저항효과는 수십Å의 얇은 절연층을 사이에 두고 상부와 하부에 자성 박막의 적층구조소자에서, 박막면 방향에 수직한 방향으로 전류가 흐를 때 두 자성 박막의 평행, 반평행의 자화상태에 따라 저항비가 변화하는 현상이다.

터널 자기저항소자에 관한 구체적인 예로, 대한민국 공개특허 제2000-023047호는 자기 터널 디바이스, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드, 및 자기 저장 시스템에 관한 것으로, 상기의 자기 소자는 강자성-유전체 혼합층 및 유전체 층이 교대로 박편화되어 구성된 박막을 포함하여 이루어져 있으며 작은 자기장에서 큰 자기저항 변화율을 쉽게 제공하며, 저항 및 자기 민감도만 아주 적게 변화시키고 낮은 저항을 가지는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 자기저항소자의 절연층을 제조하는 공정은 주로 10Å∼50Å두께의 알루미늄 순금속 박막을 스퍼터링법을 이용하여 기판 전면에 성막한 후 대기중에 노출시켜 산화시키는 자연산화법과 아르곤과 산소를 혼합하여 플라즈마를 발생시키고 이때의 산소이온으로 표면을 균일하고 치밀하게 산화시키는 산소플라즈마산화법이 사용되고 있다. 자연산화법에 비하여 산소플라즈마 산화법을 사용할 경우 치밀하고 균일한 절연막층을 제조할 수 있다.

그러나 절연층 제조시 순금속층의 두께가 30Å이상인 경우 산화과정에서 불균일 성장이 일어나 절연막층 상부의 표면 조도가 불균일하게 되고 이 불균일한 두께가 터널 자기저항비를 4%이하로 급격히 감소시킨다. 또한 절연막층의 얇은 부분으로 전류가 국부적으로 집중되어 핀홀 및 절연막층이 파괴되어 소자의 자기저항 효과가 열화되는 문제점 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 두 자성박막 사이의 절연층을 약 10Å정도의 두께로 얇게 유지시키면서도 미세결함이 없는 치밀한 박막으로 형성시킴으로써 터널자기효과를 극대화시키고 소자의 기준저항을 저하시킬 수 있는 터널 자기저항소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 실시예 1을 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

도 2는 실시예 1의 전류-전압(I-V)곡선을 측정한 그래프.

도 3은 실시예 1을 오제전자분광기(Auger Electron Spectroscopy)를 사용하여 깊이프로파일링(depth profiling)한 그래프.

도 4는 실시예 1을 투과전자현미경 사용하여 측정한 사진.

도 5는 실시예 2를 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

도 6은 비교예 1을 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

도 7은 실시예 3을 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

도 8는 실시예 3의 전류-전압(I-V)곡선을 측정한 그래프.

도 9은 실시예 3을 오제전자분광기(Auger Electron Spectroscopy)를 사용하여 깊이프로파일링(depth profiling)한 그래프.

도 10은 실시예 3을 투과전자현미경 사용하여 측정한 사진.

도 11은 NiFe/Co/Ta(x)/Al(13Å)-oxide/Co의 자기저항소자를 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

도 12는 비교예2를 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프를 측정한 그래프.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (1) Si 웨이퍼를 열산화하여 SiO₂를 생성시켜 기판을 형성하는 단계와; (2)상기의 기판위에 NiFe 연자성층을 증착시키는 단계와; (3) 상기의 NiFe 연자성층위에 강자성층을 증착시키는 단계와; (4) 상기의 강자성층위에 알루미늄 또는 탄탈룸의 순금속 박막을 스퍼터링법으로 증착한 후 산소플라즈마법으로 산화시켜 10∼20Å의 알루미늄산화막 또는 11∼12Å의 탄탈륨산화막의 절연층을 형성시키는 단계와; (5) 상기의 절연층위에 강자성층을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 터널 자기저항소자의 제조방법을 제공한다.

터널 자기저항현상은 자성박막/절연박막/자성박막의 구조에서 절연층으로 분리된 강자성내의 이종(異種)스핀의 상태밀도가 서로 다르기 때문에 발생하는 현상이다. 두 강자성 전극사이에 터널링 확률은 두 전극의 상대적 자화 방향에 의해 지배되는데, 두 자성체의 자화 방향이 같으면 한 전극의 점유된 상태수와 다른 전극의 점유가능한 상태수가 최대로 일치되어 터널링 전류가 최대가 되고 자화 방향이 반대가 되면 터널링 전류가 최소가 된다. 따라서 외부자계에 따라 터널링 저항이 달라지게 된다.

터널자기저항 다층박막은 여러종류의 자성박막/절연박막/자성박막으로 구성될 수 있다. 본 발명의 터널자기저항소자의 자성박막층은 연자성막과 강자성막으로 구성되며 연자성막으로 퍼멀로이(Ni₈₀Fe₂₀), 강자성막으로 Co, CoFe를 사용한다. 절연박막층은 알루미늄산화막, 탄탈룸산화막을 사용한다.

절연막층의 제조공정에 대해서 살펴보면 다음과 같다. Si 웨이퍼를 열산화하여 SiO₂를 생성시켜 기판을 형성한 후 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 NiFe 연자성층과 강자성층을 증착한다. 상기의 강자성층위에 Al층 또는 Ta층을 10Å이상의 두께로 성막시킨 후 산소플라즈마를 생성하여 산화시킨다. 균일하고 얇은 절연층을 형성시키기 위해서 알루미늄산화물와 탄탈륨산화물을 생성시키는 산화반응에서 산소가 Al층 또는 Ta층의 표면부까지 이동, 흡착 및 반응함으로써 기판 전면에 걸쳐서 균일한 산화가 일어날 수 있어야 하는데, 이때 산소의 분압, 산화시간이 중요한 공정조건으로 작용한다.

본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예1>

Si 웨이퍼를 열산화시켜 약 2000Å의 SiO₂가 형성된 기판을 사용한다. DC 마그네트론 스퍼터링법으로 다층박막을 증착하기 전에 기판의 물을 제거하기 위해 에탄올로 약 5분간 세척한다. 스퍼터링 쳄버의 진공도는 3x10^-6Pa로 한다. NiFe와 Co의 증착은 0.07Pa, 2.3 sccm의 아르곤 압력에서 약 0.7A/s의 속도로 진행한다. NiFe는 얼로이 타겟(alloy Target)를 사용하여 170Å의 두께로 증착하며 Co은 48Å의 두께로 증착한다. Al을 0.7 sccm의 아르곤 압력하에서 증착한 후 산소플라즈마에 노출시켜 두께 10∼20Å의 알루미늄산화막을 형성시킨다. 플라즈마산화과정에서 아르곤과 산소의 총압력을 1Pa로 유지하면서 산소분압과 산화시간을 변화시킨다. 산화알루미늄 절연층막위에 750Å의 Co층을 증착시켜 터널자기저항소자를 제조한다.

시료를 십자형 패턴으로 얻기 위하여 금속마스크(metal mask)를 이용하며 금속마스크를 갈아 끼울때마다 진공을 깬다. 금속마스크로 만든 터널자기저항소자의 크기는 100㎛x100㎛이하이다.

터널링 효과를 확인하기 위해서 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프(Magnetoresistance loops)와 전류-전압(I-V)곡선을 측정하였으며 그 결과를 각각 도 1과 도 2에 나타내었다.

절연층의 산화물의 형성상태를 알아보기 위해서 오제전자분광기(Auger Electron Spectroscopy)를 사용하여 깊이프로파일링(depth profiling)을 측정한 결과 알루미늄이 완전히 산화한 것을 관찰할 수 있었으며, 산화물의 계면상태를 알아보기 위해서 투과전자현미경(TEM JEM2010, jEOL, 200kV)을 사용하였다. 상기의 결 과를 각각 도 3과 도 4에 나타내었다.

상기의 결과로부터 NiFe/Co/Al-oxide/Co 다층박막에서 알루미늄 산화물을 플라즈마 산화법으로 제조한 경우 절연층의 두께가 10∼20Å, 산화시간이 30∼60초, 산소분압이 0.3∼0.9Pa일 경우에 알루미늄이 완전히 산화되며 계면상태가 매우 편평하게 형성되고 터널자기저항 효과가 약 15%이상으로 나타남을 알 수 있다.

절연층의 두께가 10Å미만 경우는 절연층막이 매끄럽게 이어져 골고루 증착되지 않고 핀홀이 많이 발생되는 문제점이 있으며, 절연층의 두께가 20Å을 초과하는 경우는 알루미늄 산화가 진행되면서 거칠기(roughness)가 심하여 균일한 절연층이 형성되지 못하는 문제점이 있다. 절연층의 두께는 10∼20Å 범위인 경우에 절연층의 계면이 ±2Å 이내로 균일하고, 특히 절연층의 두께가 약 13Å의 경우에 자기저항비가 15% 이상이며 이때의 저항값은 수백 Ohm/㎛²이다.

플라즈마 산화법에 있어서는 산소분압에 따라 성장하는 산화물의 성질이 매우 다르게 나타난다. 산소분압이 0.3Pa 보다 낮은 경우에는 알루미늄산화막의 형성시 표면조도가 불균일해져서 물질내에 여러 가지 결함(defect)이 생성될 수 있다. 따라서 기체이송제어(gas transport control)인 알루미늄 산화과정에서는 산소분압을 0.3∼0.9Pa으로 유지하는 것이 바람직하다.

산화시간은 산화시키는 물질의 양에 의해서 결정된다. 알루미늄이 모두 산화되지 않고 일부가 금속 알루미늄 상태로 남아있게 되면 스핀산란(spin scattering)현상으로 인하여 자기저항비를 감소시키므로 알루미늄을 모두 산화시킬 수 정도로 충분한 산화시간을 정해야 한다. 그러나 산화시간이 너무 길면 알루미늄 층의 아래층인 Co까지 산화될 수가 있다. 알루미늄 산화물의 두께가 10Å∼20Å인 경우의 산화시간은 30∼60초의 범위가 바람직하다.

<실시예 2>

강자성층을 CoFe를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한다. 사단탐침법을 사용한 자기저항루프를 측정한 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5의 결과로부터 Co의 분극(Polarization)값은 약 45이고 CoFe의 분극값은 약 50으로서 CoFe의 경우 분극값이 증가하였으므로 실시예 1에 비하여 자기저항비가 약 24%로 훨씬 증가함을 알 수 있다.

<비교예 1>

알루미늄산화물의 형성에 자연산화법을 사용하고 강자성층으로 CoFe를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한다. 자연산화의 조건은 실시예 1과 동일하게 스퍼터링방법으로 알루미늄을 증착한 후 대기중에 노출시켜 24시간 자연산화시킨다.

사단탐침법을 사용한 자기저항루프를 측정한 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 결과로부터 실시예 1과 비교하여 알루미늄 산화물 두께 10Å∼20Å에서 약 9%의 자기저항비로 감소함을 알 수 있다.

<실시예 3>

탄탄륨산화물을 절연층으로 사용하여 상기의 실시예 1과 동일한 방법으로 터널자기저항소자를 제조한 후 터널링 효과를 확인하기 위해서 사단참짐법을 사용하여 자기저항루프와 전류-전압(I-V)곡선을 측정하였으며 그 결과를 도 7와 도 8에 나타내었다. 절연층의 산화물의 형성상태를 알아보기 위해서 오제전자분광기(Auger Electron Spectroscopy)를 사용하여 측정하였으며 산화물의 계면상태를 알아보기 위해서 투과전자현미경(TEM JEM2010, jEOL, 200kV)을 사용하여 측정하였으며 그 결과를 도 9, 도 10에 나타내었다.

도 9의 결과로부터 탄탄륨산화물을 절연층으로 사용할 경우 Ta의 두께에 따라 자기저항비가 급격히 변화하는 것을 알 수 있다. 알루미늄 산화물의 경우에는 8Å∼70Å의 넓은 범위에 걸쳐 자기저항비가 측정되는 반면에 탄탄륨 산화물은 약 11∼12Å의 두께에서만 4∼9%의 자기저항비를 나타내며 그 이외의 경우에는 거의 0%이다.

탄탈륨은 산화시간을 10분이상 길게 하여도 산화가 잘 되지 않는데 이는 완전히 산화되지 않은 금속상태의 Ta이 그대로 남아있기 때문이며 도 10의 결과에도 잘 나타나 있다. 상기와 같이 완전히 산화되지 않고 남아있는 Ta이 자기저항비를낮추는 원인임을 확인하기 위해 NiFe/Co/Ta(x)/Al(13Å)-oxide/Co의 자기저항비를 측정하였으며 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11의 결과에서 금속상태의 Ta의 두께 x가 작을수록 자기저항비는 높게 측정되었다.

또한 탄탈륨의 산화메카니즘은 알루미늄의 경우와 달리 확산제어(diffusion control)이므로 산소분압이 탄탈륨 성장의 표면조도에 미치는 영향이 적어 0.1 Pa이상만 유지하면 되고 이는 도 10에서 볼 수 있듯이 0.1∼0.9Pa의 압력에서 제조된 탄탈륨 산화물의 계면이 매우 편평한 것을 확인할 수 있다. 상기의 결과로 부터의 탄탈륨은 최적 두께 11∼12Å, 산화시간 4∼5분, 산소분압 0.1∼0.9Pa 의 조건에서 완전히 산화됨을 알 수 있다.

<비교예 2>

알루미늄 산화물의 전연층의 두께를 63Å으로 하여 실시예 1과 동일한 방법으로 터널자기저항소자를 제조한 후 터널링 효과를 확인하기 위해서 사단탐침법을 사용하여 자기저항루프(Magnetoresistance loops)를 측정하였으며 그 결과를 도 12에 나타내었다.

도 12의 결과로부터 NiFe/Co/Al(63Å)-oxide의 자기저항비가 약 4.5%로 감소한 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 터널 자기저항소자는 절연층의 계면이 ±2Å이내로 균일하고 핀홀이 없으며 자기저항비가 높은 특징을 나타냄으로써 공업적으로 초고감도 자계센서, 하드디스크 드라이브의 정보재생 센서 및 MRAM의 기억장소로 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (4)

1. (1) Si 웨이퍼를 열산화하여 SiO₂를 생성시켜 기판을 형성하는 단계와; (2)상기의 기판위에 NiFe 연자성층을 증착시키는 단계와; (3) 상기의 NiFe 연자성층위에 강자성층을 증착시키는 단계와; (4) 상기의 강자성층위에 알루미늄 또는 탄탈룸의 순금속 박막을 스퍼터링법으로 증착한 후 산소플라즈마법으로 산화시켜 10∼20Å의 알루미늄산화막 또는 11∼12Å의 탄탈륨산화막의 절연층을 형성시키는 단계와; (5) 상기의 절연층위에 강자성층을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 터널 자기저항소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (4)단계의 산소플라즈마법에 의한 알루미늄의 산화는 산소분압 0.3∼0.9Pa, 산화시간 30∼60초로 수행됨을 특징으로 하는 터널 자기저항소자의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (4)단계의 산소플라즈마법에 의한 탄탈룸의 산화는 산소분압 0.1∼0.9Pa, 산화시간 4-5분으로 수행됨을 특징으로 하는 터널 자기저항소자의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 (3), (5)단계의 강자성층은 Co, CoFe로 이루어진 군으로부터 1종이상 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 터널 자기저항소자의 제조방법.