KR20050078158A - 자기 저항 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기 저항 소자에 관한 것이다. 순차적으로 형성된 고정화층, 고정층, 비자성층 및 자유층을 포함하는 자기 저항 소자에 있어서, 상기 자유층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자를 제공하여, 보다 높은 자기 저항비 즉, MR 비를 얻을 수 있어서, 센스 마진(sense margin)을 크게 향상시킬 수 있으며, 자기 저항 헤드의 경우 종래의 GMR, TMR 소자에 비해 보다 큰 용량의 고밀도 기록 매체를 구현시키는 원동력이 될 수 있다.

Description

자기 저항 소자{Magnetoresisance Device}
본 발명은 자기 저항 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속간 화합물(intermetallic compound) 또는 금속간 합금(intermetallic alloy)을 자기 저항 소자의 자유층, 고정층 등에 사용한 자기 저항 소자에 관한 것이다.
최근, 고진공의 초박막 증착 기술과 표면 처리 기술의 급속한 발달로 인해 스핀간의 교환 상호 작용 거리인 수 nm 두께에서 자성 박막을 정밀하게 성장시키고, 소자를 제작하는 것이 가능해졌다. 그에 따라, 벌크(bulk) 형태의 자성 물질에서는 관찰할 수 없었던 여러 현상들이 발견되었고 이를 가전 제품 및 산업 부품 등에 응용하는 단계에 이르렀다. 예를 들어, 초고밀도의 정보 저장 장치에 정보를 기록하는 자기 기록용 헤드, MRAM(Magnetic Random Access Memory : 자기 메모리) 등이 대표적이다.
이러한 자기 저항 소자는 자기 에너지에 의해 저항이 변하는 원리를 이용한 소자이다. 자기 저항 헤드의 경우, 정보가 저장되어 있는 HDD(Hard Disk Driver : 하드 디스크 드라이버)와 같은 정보 저장 매체의 정보를 감지하는 장치로서, 최근 GMR 헤드(Giant Magneto Resistance Head : 거대 자기 저항 헤드) 또는 TMR 헤드(Tunnel Magneto Resistance Head : 투과 자기 저항 헤드) 등이 널리 사용되고 있다.
거대 자기 저항 현상은 강자성체(고정층:pinned layer)/금속비자성체(스페이서층 : spacer layer)/강자성체(자유층 : free layer)의 연속적인 구조로 형성된 것이 일반적이다. 이는 전자가 강자성층을 통과할 때, 두 자성층의 자화 배열에 따라 저항값이 변화하는 것을 응용한 것으로, 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)으로 설명 가능하다. 또한, 터널 자기 저항 현상은 강자성체/절연체(터널 장벽층 : tunnel barrier layer)/강자성체의 연속적인 배열로 형성된 것이 일반적이다. 이는 두 강자성층 사이에 절연체가 존재하는 구조에서 강자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 터널링 전류가 달라지는 현상을 의미한다. 거대 자기 저항 현상을 이용한 MRAM의 경우 자화 방향에 따른 저항치의 차가 상대적으로 작기 때문에 전압치의 차를 크게 할 수 없다. 또한, 셀을 구성하기 위해 GMR 막과 조합하여 MOSFET의 크기를 작게해야 하는 단점이 있어 최근에는 TMR 막을 채용하여 MRAM의 실용화를 위한 연구가 진행중이다.
터널링 자기 저항 소자의 일반적인 형태를 도 1에 나타내었다. 도 1은 터널링 자기 저항 소자(10)의 대표적인 형태를 나타낸 것이다. 그 구조를 간단히 설명하면 다음과 같다. 기판(11) 상에 고정층인 제 1강자성층(13)의 전자 스핀을 고정하는 역할을 하는 반강자성층(12)이 형성되며, 반강자성층(12) 상부에 제 1강자성층(13), 터널 장벽층(14) 및 자유층 역할을 하는 제 2강자성층(15)이 순차적으로 형성되어 있다. 이러한 자기 저항 소자는 강자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 터널링 전류가 달라지는 현상인 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction) 원리를 이용한 것이다. 여기서, 고정층(pinned layer)인 제 1강자성층(13)의 스핀 방향을 고정하는 고정화층(pinning layer)은 일반적으로 반강자성 물질을 사용하여 형성시키며 따라서, 통상적으로 고정화층은 반강자성층(12)이라 불린다.
고정층인 제 1강자성층(13)과 자유층인 제 2강자성층(15)의 자화 스핀이 반대방향인 경우 전류를 인가하면 TMR 소자의 높은 자기 저항으로 인해 적은 전류가 장벽층을 통과하여 흐른다. 역으로 고정층과 자유층의 스핀 방향이 동일하면 자기저항이 낮아 많은 전류가 흐른다. 이 때 자기저항 비(Magnetoresistive Ratio; MR 비)는 다음 수학식 1로 표현된다.
여기서, P1은 고정층(13)의 스핀 분극을 나타내며, P2는 자유층(15)의 스핀 분극을 나타낸다. MR비가 높으면 고정층(13)과 자유층(15)의 스핀 방향을 판별하기가 용이하여 "1"과 "0"의 정보 기록 및 재생 성능이 우수한 자기저항 소자를 제조할 수 있다. 상기에서 살펴본 바와 같이 높은 자기 저항비(MR ratio)를 구현하는 것은 자기 저항 소자의 성능을 향상시키는데 결정적인 것이다. 종래의 자기 저항 소자는 자유층 및 고정층과 같은 강자성층에 사용하는 자성 물질로 CoFe 또는 NiFe 등을 사용하여 왔다. 이와 같은 강자성층에 사용하는 강자성 물질에 대한 연구는 높은 자기 저항비를 얻어 고집적 소자를 구현하기 위해서 필수적인 것으로, 더 높은 MR비를 지닌 물질들이 요구되어 지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 종래에 자기 저항 소자에 사용하지 않았던 물질을 자기 저항 소자의 강자성층에 사용함으로써, 높은 MR비를 지니며, 보다 성능이 우수한 자기 저항 소자를 구현하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는,
고정화층, 고정층, 비자성층 및 자유층이 순차적으로 형성된 자기 저항 소자에 있어서,
상기 자유층이 금속간 화합물로 형성된 자기 저항 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 고정층을 금속간 화합물로 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고정화층이 금속간 화합물로 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속간 화합물은 X2YZ의 일반 구조식을 지니며, 여기서 X는 Co 또는 Cu계열의 금속 중에서 선택되며, Y는 Mn, V, Ti, Ni, Hf 중에서 선택되며, Z는 3A족 또는 4A족 물질로서 Al, Si, Ga, Ge Sn 또는 Sb 등의 비자성체 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속간 화합물은 PtMnSb, NiMnSb, CuMnSb, PdMnSb, PtFeSb, PtCrSb 또는 PhMnSb 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한 본 발명에서는 고정화층, 고정층, 비자성층 및 자유층이 순차적으로 형성된 자기 저항 소자에 있어서, 상기 고정층이 금속간 화합물로 형성된 자기 저항 소자를 제공한다. 그리고, 상기 고정화층은 금속간 화합물로 형성될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 자기 저항 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도 2a는 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제 1실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제 1실시예는 다음과 같다. 즉, 기판(21) 상에 고정화층(22)(pinning layer)이 형성되며, 고정화층(22) 상부에 고정층(23)(pinned layer), 비자성층인 터널 장벽층(24) 및 자유층(25)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서의 자기 저항 소자는 터널링 자기 저항 소자의 형태를 나타낸 것으로 이와 같은 구조는 종래의 터널링 자기 저항 소자의 기본 구조와 같다. 본 발명에서는 이와 같은 자기 저항 소자의 고정층(23) 또는 자유층(25)을 금속간 화합물로 형성시킨 것을 특징으로 한다. 고정층(23) 만을 금속간 화합물로 형성시킬 수 있으며, 고정층(23) 및 자유층(25) 모두 금속간 화합물로 형성시킬 수 있다. 또한 고정층(23)은 종래의 강자성 물질로 형성시킬 수 있으며, 자유층(25)만을 금속간 화합물로 형성시킬 수 있다. 고정화층(22)은 종래의 반강자성 물질인 IrMn합금, FeMn합금 또는 NiMn합금 중 어느 하나로 형성시킬 수 있으나, 본 발명의 특징인 금속간 화합물로 형성시킬 수 있다.
도 2b는 본 발명에 자기 저항 소자의 제 2실시예를 나타낸 도면이다. 도 2b를 참조하면, Si 웨이퍼 등의 기판(21) 상에 자유층(25), 스페이서층(26), 고정층(23), 고정화층(22)이 순차적으로 형성다. 이는 스핀 밸브형 거대 자기 저항 소자의 형태를 나타낸 것이다. 여기서, 자유층(25) 또는 고정층(23)는 금속간 화합물을 사용한 것이다. 종래의 자유층(25) 또는 고정층(23)은 강자성 물질인 CoFe합금 등의 물질에 의해 형성되었으나, 본 발명에서는 자유층(25) 또는 고정층(23)을 금속간 화합물로 형성시킨 것을 특징으로 한다. 상기 스페이서층(26)은 종래 기술과 마찬가지로 Cu 등의 비자성체로 형성시킬 수 있다. 종래 기술에 의한 자기 저항 소자에서는 고정화층(22)을 주로, Mn을 포함하는 합금으로 형성시켰다. 예컨대 IrMn합금, FeMn합금, NiMn합금 등의 반강자성 물질로 형성하였으며, 상기 고정층(23)의 자화 방향을 고정시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 상기 고정화층(22) 또한 종래의 반강자성 물질을 사용하지 않고 금속간 화합물로 형성시킬 수 있다.
이와 같은 구조의 자기 저항 소자의 동작에 대해 살펴보면 다음과 같다. 여기서는 스핀 밸브(spin valve)형 자기 저항 소자인 도 2b를 예를 들어 설명한다. 자기 저항 소자에 대해 외부 자장이 인가되면, 고정층(23)의 자화 방향에 대한 자유층(25)의 자화 방향이 변한다. 그 결과, 고정층(23)과 자유층(25) 사이의 자기 저항이 변한다. 이러한 자기 저항의 변화를 통해, MRAM이나 자기기록 매체, 즉 HDD 등에 저장되어 있는 자기 정보가 감지될 수 있게 된다. 이와 같이, 고정층(23)과 자유층(25) 사이의 자기 저항의 변화에 의해 자기 기록 매체의 정보를 읽을 수 있게 되는 것이다. 이때, 자기 저항 소자의 사용시에 자기저항비(MR비; 최소자기저항에 대한 자기저항 변화량) 및 교환결합력(Hex; 반강자성층이 고정층의 자화 방향을 고정시키는 힘)이 안정되게 유지되어야 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 자기 저항 소자의 고정층(23), 자유층(25) 또는 고정화층(22)을 금속간 화합물(intermetallic compound)이나 금속간 합금 (intermetallic alloy)을 포함하여 형성시킨 것을 특징으로 한다.
금속간 화합물 또는 금속간 합금에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 금속간 화합물 또는 금속간 합금의 일반적인 구조식은 X2YZ로 이루어진다. 여기서 X는 Co 또는 Cu계열의 금속이며, Y는 Mn, V, Ti, Ni, Hf 등이 사용된다. 그리고, Z는 3A족 또는 4A족 물질로서 Al, Si, Ga, Ge Sn 또는 Sb 등의 비자성체가 사용된다. 이와 같은 X2YZ의 구조식을 지닌 금속간 화합물의 예를 들면, Co2MnSi Cu 2MnAl, Cu2MnSn 또는 Co2TiSn 등이 있다. 여기서, 대표적인 금속간 화합물의 결정 구조를 도 3에 나타내었다. 도 3에서는 X2YZ의 구조식을 갖는 금속간 화합물의 결정 구조를 나타낸 것으로, Co2MnSi를 예로 들면, A와 B 사이트에는 Co가 위치하고, C 사이트에는 Mn이 위치하고, D 사이트에는 Si가 위치한다.
그리고, 또 다른 금속간 화합물의 구조식으로 XYZ를 들 수 있다. XYZ 형태의 구조식을 지닌 금속간 화합물의 예를 들면, PtMnSb, NiMnSb, CuMnSb, PdMnSb, PtFeSb, PtCrSb 또는 PhMnSb 등이 있다.
이와 같은 형태의 금속간 화합물을 이용한 자기 저항 소자의 제조 공정은 일반적인 GMR 또는 TMR과 같은 자기 저항 소자의 제조 공정시 강자성층을 증착시키는 공정을 금속간 화합물을 증착시키는 공정으로 변경하여 형성시킬 수 있다. 다만, 종래의 금속간 화합물의 제조 공정시 생산성의 문제 및 조성 제어에 어려움이 있어 효율적인 결과를 가져오기 어려웠다. 예를 들어 스퍼터링 공정을 이용하여 금속간 화합물을 기판 상에 형성시키는 경우, 금속간 화합물의 대상 물질이 조성에 맞춰서 타겟으로 제작되어야 하지만, 일반적으로 금속간 화합물은 부서지기 쉽기 때문에 하나의 타겟으로 제작하기 어렵다. 따라서, 금속간 화합물을 형성시킬 때, 코스퍼터링(co-sputtering) 공정을 이용하여 금속간 화합물을 증착시키는 것이 바람직하다. 코스퍼터링 공정은 대상 물질들 각각을 별도의 타겟으로 하여, 스퍼터(sputter) 내에 장착시키고, 증착 속도를 조절하여 기판상에 원하는 조성을 지닌 금속간 화합물층을 형성시키는 것이다.
도 4는 상기 코스퍼터링(co-sputtering)에 의해 금속간 화합물을 기판상에 증착시키는 것을 나타낸 도면이다. 여기서, Cu2MnAl을 예를 들면, Cu, Mn 및 Al을 각각의 타겟 형태로 Cu 타겟(41a), Mn 타겟(41b) 및 Al 타겟(41c)을 제작한다. 이와 같은 타겟을 기판(42)이 장착된 기판 안착부(43) 상에 소정의 거리를 두고 위치시키고, 스퍼터링을 하는 것이다. 공정 압력, 공정 온도 및 증착 속도는 원하는 형태의 박막에 따라 조절할 수 있다. 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제작시에는 약 10-3Torr의 공정 압력에서 섭씨 약 200도 내지 400도의 공정 온도를 유지하였다. 그리고, Cu의 경우 약 83Å/min, Mn의 경우 약 44Å/min, Al의 경우 약 57Å/min의 속도를 유지하였다. 기판 상에 금속간 화합물을 제외한 다른 절연층(터널 장벽층) 또는 스페이서층들은 종래의 형성방법을 이용하여 증착시킬 수 있다. 일반적으로는, 동일 챔버 내에서 in-situ 형태로 전체 자기 저항 소자를 형성시키고, 열처리 공정을 수행할 수 있다.
본 발명에 의한 제 1실시예에서 자유층(25)을 금속간 화합물을 형성시킨 자기 저항 소자에 대해 XRD(X-ray diffraction:X-선 회절) 장비로 박막 특정을 측정하여 도 5a의 그래프로 나타내었다. 여기서 열처리 온도가 섭씨 약 250도, 300도 및 400도의 경우 intensity 값을 비교하기 위해 섭씨 약 200도의 결과를 기준으로 y축 방향으로 100단위 만큼 이동시켰다.
도 5a를 참조하면, 약 33도, 62도 및 68도에서 발생하는 픽(peak)은 실리콘 기판의 특성을 나타내고 있다. 그리고, 약 26도에서 발생한 픽은 (111) 방향 초격자 피크이며, 약 42도에서 발생하는 픽은 (200) 방향의 금속간 화합물의 결정 구조에서 각 구성 성분들이 disordered된 특성을 나타낸다. 초격자 픽이 발생하는 경우, 자성 박막의 특성이 구현이 잘된 것으로 알려져 있다. 여기서, 기판의 온도가 증가할수록 약 26도 근방의 초격자 픽이 눈에 띄게 발현되며, 약 42도 부근에서 박막의 결정 구조가 diordered되는 특성이 감소하는 것을 알 수 있다.
도 5b 및 도 5c에서는 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 강자성층과 절연층 사이의 경계부를 단면을 잘라 TEM 사진으로 나타낸 것이다. 여기서, Co2MnSi 측과 절연층인 AlOx 층 사이의 경계선을 명확하게 구분할 수 있다.
상기와 같이 제작하여 완성한 자기 저항 소자에 대해 VSM 장비를 이용하여 자성 특성을 조사하여 그래프로 나타낸 것이 도 5d이다. 도 5d에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 MR 비는 30%를 넘는 높은 수치를 나타냄을 알 수 있다.
MR비는 상기 수학식1에 나타낸 바와 같이 결정된다. 일반적으로 사용되는 자기 저항 소자의 강자성물질, 예를 들어 NiFe, Co 또는 CoFe의 경우 스핀 분극도는 약 40 내지 50%이다.(P = 0.4 ~ 0.5) 그러나, 금속간 화합물의 경우 약 100%에 가까운 스핀 분극도를 내는 것으로 알려져 있다.(P = 1.0) 따라서, 이론적으로 자기 저항 소자의 자유층 및 고정층에 금속간 화합물을 사용하게 되면, 자기 저항 비가 무한대에 가까와진다. 그리고, 자유층과 고정층 중 한쪽에만 금속간 화합물을 사용하는 경우에는 P1 = 1, P2 = 0.5로서 MR 비가 거의 200%에 가까운 수치가 얻어진다. 그러나, 이는 이상적인 경우로서 실재적으로 실현시키기 거의 불가능하다. 따라서, 금속간 화합물을 고정층 또는 자유층에 사용하고, 금속간 화합물의 증착이 정확하게 된 경우에는 보다 큰 MR 비가 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 자기 저항 소자의 자유층, 고정층 또는 고정화층을 종래의 물질과 다른 금속간 화합물(intermetallic compound) 또는 금속간 합금(intermetallic alloy)를 사용함으로써 보다 향상된 자기 저항비 즉, MR 비를 얻을 수 있다. 따라서, 센스 마진(sense margin)을 크게 향상시킬 수 있으며, 자기 저항 헤드의 경우 종래의 GMR, TMR 소자에 비해 보다 큰 용량의 고밀도 기록 매체를 구현시키는 원동력이 될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 자기 저항 소자를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제 1실시예 및 제 2실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 금속간 화합물의 결합 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 자기 저항 소자에 있어서, 금속간 화합물을 형성시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제 1실시예를 XRD 장비로 측정한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5b 및 도 5c는 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 금속간 화합물층을 TEM에 의해 촬영한 사진을 나타낸 도면이다.
도 5d는 본 발명에 의한 본 발명에 의한 자기 저항 소자의 제 1실시예에 대해 인가하는 자장의 크기에 따른 MR 값을 측정한 그래프를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10... 종래 기술에 의한 자기 저항 소자 11... 기판
12... 반강자성층 13... 고정층(제 1강자성층)
14... 터널링 장벽층 15... 자유층(제 2강자성층)
21... 기판 22... 고정화층
23... 고정층 24... 비자성층
25... 자유층 26... 스페이서층
41a, 41b, 41c... 금속간 화합물의 구성원소
42... 기판 43... 기판 안착부

Claims (10)

  1. 순차적으로 형성된 고정화층, 고정층, 비자성층 및 자유층을 포함하는 자기 저항 소자에 있어서,
    상기 자유층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고정화층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고정화층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 X2YZ의 일반 구조식을 지니며, 여기서 X는 Co 또는 Cu계열의 금속 중에서 선택되며, Y는 Mn, V, Ti, Ni, Hf 중에서 선택되며, Z는 3A족 또는 4A족 물질로서 Al, Si, Ga, Ge Sn 또는 Sb 등의 비자성체 중에서 선태되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  6. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 PtMnSb, NiMnSb, CuMnSb, PdMnSb, PtFeSb, PtCrSb 또는 PhMnSb 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  7. 고정화층, 고정층, 비자성층 및 자유층이 순차적으로 형성된 자기 저항 소자에 있어서,
    상기 고정층이 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고정화층은 금속간 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 X2YZ의 일반 구조식을 지니며, 여기서 X는 Co 또는 Cu계열의 금속 중에서 선택되며, Y는 Mn, V, Ti, Ni, Hf 중에서 선택되며, Z는 3A족 또는 4A족 물질로서 Al, Si, Ga, Ge Sn 또는 Sb 등의 비자성체 중에서 선태되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 PtMnSb, NiMnSb, CuMnSb, PdMnSb, PtFeSb, PtCrSb 또는 PhMnSb 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 소자.
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