KR20060113244A - 하프 메탈 Ｆｅ３Ｏ４박막 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하프 메탈인 Fe3O4 박막 제조 방법에 관한 것이다. 하프 메탈 제조 방법에 있어서, (가) 챔버 내에 기판 및 Fe 타겟을 장착하고 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배기하는 단계; 및 (나) 상기 챔버 내부에 산소 가스를 1.0 내지 1.8 sccm의 유량으로 공급하여 상기 기판 상에 하프 메탈 Fe3O4 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법을 제공한다.
Description
도 1은 본 발명에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조를 위한 스퍼터링 장치를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 기판 상에 형성된 하프 메탈 Fe3O4 박막 등의 Fe 산화물에 대한 XRD(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 기판 상에 형성된 하프 메탈 Fe3O4 박막 등의 Fe 산화물에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 SiO2 및 Si 기판에서 DC 파워 및 산소의 유량을 조절하여 형성한 Fe 산화물의 상온 비저항을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 산소의 유량을 변화시키면서, DC 파워가 각각 60W 및 70W인 조건에서 제작한 시편에 대한 SiO2/Fe 산화막 및 Si/Fe 산화막의 포화자화(Ms)와 보자력(Hc)의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 SiO2 기판 상에 하프 메탈 Fe3O4 박막의 자기 저항 거동을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의해 제조한 하프 메탈 Fe3O4 박막을 XPS를 이용하여 Fe 2p 스펙트럼을 측정한 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11... 반응 챔버 12... 기판 안착부
13... 기판 14... 자석
15... 타겟 16... 셔터
17... 가스 공급부 18... 가스 배기부
본 발명은 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TMR, GMR 또는 MRAM 등에 응용할 수 있는 하프 메탈 Fe3O4 막을 저온 공정에서 용이하게 제조할 수 있는 제조 공정에 관한 것이다.
스핀 전자 재료에 관한 기술은 전자의 전하 뿐만 아니라, 업-다운(up-down) 스핀 정보를 지닌 전자의 이동을 제어하는 개념의 재료 기술이다. 이러한 기술은 현재, TMR/GMR 현상을 이용한 자기 헤드(센서) 및 비휘발성 메모리 소자인 MRAM에 응용되고 있다. GMR 현상을 이용한 소자는 강자성층/스페이서층/강자성층의 다층 구조를 기본 구조로 한 것으로, 스핀 정보를 가지고 있는 전자가 강자성체의 자화 방향에 따른 저항값의 차이를 이용한다. TMR 현상을 이용한 소자는 강자성층/터널 링 베리어/강자성층의 다층 구조를 기본 구조로 한 것으로, 부도체(예를 들어 Al2O3)를 사용한 터널링 베리어를 통한 전자의 스핀 터널링 현상을 이용한 것이다.
현재, 강자성체에 스핀 분극도가 높은 재료를 사용하여 GMR 또는 TMR 비의 크기를 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 스핀 분극도가 100%로 알려진 하프 메탈, 예를 들어 Fe3O4 또는 CrO2 등의 박막 제작에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하프 메탈은 페르미 에너지 레벨에서 한 방향으로의 스핀만이 존재하여 스핀 분극도가 100%인 재료로 알려져 있다. 스핀 분극도가 100%인 재료를 강자성체의 대용으로 사용하는 경우, 스핀 플립(spin-flip) 분산 현상이 감소하게된다. 예를 들어, TMR에서 스핀 밸브 효과가 증가하며, 이는 곧 강자성체의 자화가 평행과 반평행으로 전환을 이끄는 정도가 더 증가하여 자기 저항비 값을 증가시키는 효과가 있다. 결론적으로 스핀 분극도가 더 높은 재료를 사용하는 경우, 자기 저항 소자의 전기적 특성이 훨씬 개선되는 것이다.
하프 메탈이 GMR, TMR 또는 MRAM 등의 자기 저항 소자에 사용될 수 있기 위해서는 낮은 제작 온도와 높은 Tc(임계 온도)를 지닌 것이 바람직하다. 하프 메탈은 여러가지 종류가 있으나, Fe3O4는 Tc가 매우 높은 편이라 특히 활용성이 뛰어난 것으로 평가된다.
초기 하프 메탈 Fe3O4 박막의 제작에 관한 연구는 MgO 기판을 사용한 단결정 성장이었다. 하프 메탈 Fe3O4 박막에 대한 연구들을 살펴보면, Takeuchi 그룹에서는 575K의 온도에서 제조한 바 있으며, 벌크(bulk)와 유사한 477emu/cc 포화 자화 값이 측정되었다. 2002년 발표된 Susumu 그룹의 경우 523K의 증착 온도에서 두께 약 50nm 정도의 박막을 제작하였으며, 포화 자화값은 438emu/cc, 비저항은 1.0 ×102 ×Ωcm의 특성을 지닌 것으로 알려져 있다.
그러나 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법의 경우 비교적 고온에서 박막 증착 공정이 이루어지므로 그 공정 재현성에 신회성을 얻기 어려운 단점이 있다. 따라서, 저온 공정에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막의 제조에 관한 기술이 요구된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하프 메탈 Fe3O4 박막을 상온에서 제작 가능하며, 신뢰성 있는 공정 재현성을 보일 수 있는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법에 있어서,
(가) 챔버 내에 기판 및 Fe 타겟을 장착하고 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배기하는 단계; 및
(나) 상기 챔버 내부에 산소 가스를 1.0 내지 1.8 sccm의 유량으로 공급하여 상기 기판 상에 하프 메탈 Fe3O4 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 Si, SiO2 또는 글래스인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계는, 분위기 가스를 공급하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 챔버 내부에 산소 가스를 1.1 내지 1.7 sccm의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 하프 메탈 Fe3O4 박막은 상온에서 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 시 사용되는 증착 장비를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조를 위하여 다양한 종류의 증착 장비를 이용할 수 있어 제한은 없으나, 예를 들어 DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용할 수 있다. 도 2를 참조하면, 챔버(11) 하부에 기판(13)이 장착되는 기판 안착부(12)가 위치하고 있으며, 그 상부에 소정 거리 이격하여 타겟(15)이 장착되어 있다. 챔버(11)에는 분위기 가스 또는 반응 가스가 주입되는 가스 공급부(17)와 챔버(11) 내의 가스를 외부로 배기하는 가스 배기부(18)가 연결되어 있다. 여기서 부재 번호 14는 영구 자석을 나타내며, 부재 번호 16은 스퍼터링 량을 조절하는 셔터를 나타낸다. 하프 메탈 Fe3O4 박막의 제조를 위하여, 타겟(15)은 Fe 타겟을 사용한다. 그리고, 기판(13)은 통상적인 반도체 소자 제조 공정 시 사용되는 기판이라면 제한없이 사용 가능하다. 예를 들어, Si, SiO2 또는 글래스 기판을 사용할 수 있다. 그리고, Fe를 산화시키기 위해 제조 공정 중, 산소 가스를 반응 가스로 투입하는데, 그 유량은 1.0sccm 내지 1.8 sccm 이며, 바람직하게는 1.1 내지 1.7sccm 범위에서 조절하는 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실험예를 통하여 본 발명에 의한 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 공정에 대해 상세히 설명한다.
챔버(11) 내의 가스를 진공 펌프를 이용하여 외부로 배기하여, 챔버(11) 내의 진공도를 107 Torr 이상이 되도록 한다. 그리고, Ar 등의 분위기 가스를 주입하여 챔버(11) 내에 플라즈마를 생성시키면서, 반응 가스인 O2를 0 내지 2sccm의 유량으로 투입하였다. 기판(13)은 Si, SiO2 및 글래스를 사용하였으며, 타겟(15)은 99.999%의 Fe 타겟을 사용하였다. 온도는 상온으로 유지하였으며, Ar의 유량을 60, 70 및 80sccm으로 변화시켰으며, DC 파워는 60, 70W로 변화시켜 각각의 조건에 따른 Fe 산화물을 기판(13) 상에 증착하였다. 증착된 Fe 산화물의 두께는 10 내지 300nm로 다양하게 형성시켰다.
상술한 바와 같은 방법으로 제작한 각각의 시편에 대해 전기적 특성 및 자기적 특성을 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2a 및 도 2b는 상술한 방법에 의해 제작한 시편들의 XRD(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 2a의 결과는 DC 파워는 60W으로 고정시키고, 공정시 산소의 유량을 0, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6 및 2.0 sccm으로 조절하면서 각각의 산소 유량에 따른 시편에 대한 것이다. 도 2a를 참조하면, 산소의 유량이 0 ~ 0.4sccm인 경우 순수 Fe 관련 픽이 관찰되었다. 산소의 유량이 0.8sccm인 경우에는 FeO 픽이 관찰되었다. 산소의 유량이 1.2sccm인 경우에는 (220), (311), (400), (511) 및 (440)이 관찰되었다. 이러한 픽은 하프 메탈 Fe3O4 박막의 픽이며, 따라서, 1.2sccm의 산소 유량의 상태에서 하프 메탈 Fe3O4 박막이 제조됨을 알 수 있다. 산소 유량이 1.6 내지 2.0 sccm인 경우 Fe2O3 관련 픽이 관찰되었다.
도 2b는 상술한 도 2a의 시편들과는 달리 DC 파워를 70W로 고정시켜 제작한 시편들에 대한 XRD 그래프이다. 도 2b를 참조하면, 대부분의 경우 DC 파워를 60W로 고정시킨 도 2a의 결과와 유사한 것을 알 수 있다. 다만, DC 파워가 70W인 경우, 산소 유량이 1.6sccm인 경우에도 하프 메탈 Fe3O4의 픽이 관찰되는 것을 알 수 있다. 이를 참고하면 1.0 내지 1.8sccm의 산소 유량 범위에서 하프 메탈 Fe3O4 박막의 제조가 가능함을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 상술한 방법에 의해 제작한 시편들의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프로서, 도 3a는 DC 파워를 60W로 고정시킨 것이며, 도 3b는 DC 파워를 70W로 고정시킨 것이다. 도 2a 및 도 2b에 관한 시편들과의 차이점은 기판(13)을 SiO2가 아닌 Si 기판을 사용한 것이다. 이를 살펴보면, 도 2a 및 도 2b의 결과와 유사한 것을 알 수 있다. 이를 정리하면, Fe 증착시 공급하는 산소의 유량을 점차로 증가시킴에 따라 Fe, FeO, Fe3O4 및 Fe2O3의 순서로 Fe 산화물이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 SiO2 및 Si 기판에서 DC 파워 및 산소의 유량을 조절하여 형성한 Fe 산화물의 상온 비저항을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4a를 참조하면, 산소의 유량이 1.2 및 1.6sccm인 시편에서 측정된 비저항이 0.4×102Ωcm 내지 1.5×102Ωcm의 값을 가지며, 통상적으로 알려진 SiO2 기판에서의 하프 메탈 Fe3O4의 비저항 값과 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4b에 나타낸 산소 유량 1.2 및 1.6sccm인 시편에서 측정된 비저항 값은 Si 기판에서의 하프 메탈 Fe3O4의 비저항 값과 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 산소의 유량 증가에 다라 비저항이 갑자기 증가하는 것은 상온에서 절연 특성을 지닌 Fe2O3가 Fe3O4와 혼합상으로 존재하고 있기 때문이다.
도 5a 및 도 5b는 산소의 유량을 변화시키면서, DC 파워가 각각 60W 및 70W 인 조건에서 제작한 시편에 대한 SiO2/Fe 산화막 및 Si/Fe 산화막의 포화자화(Ms)와 보자력(Hc)의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 산소의 유량이 증가함에 따라서, 포화 자화는 감소되고 보자력은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 산소의 유량에 따라 Fe 산화물의 증착 상은 Fe -> FeO -> FeO34 -> Fe2O3이며, 이들 각각의 포화 자화와 보자력은 Fe : ~ 1400 emu/cc, ~ 50 Oe, FeO : ~ 1100 emu/cc, ~ 100 Oe, Fe3O4 : ~ 300 emu/cc, ~ 200 Oe 이다. Fe3O4의 경우, FeO 및 Fe보다 자기 이방성이 크며, 자기 이방성은 방향에 따른 자화 정도가 다른 것을 의미하므로 우 포화자화값이 급격히 감소한 것을 알 수 있다.
도 6은 SiO2 기판 상에 하프 메탈 Fe3O4 박막의 자기 저항 거동을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서는 분위기 가스인 Ar을 60 또는 80 sccm으로 설정하고, 산소의 유량을 1.2, 1.4 및 1.6sccm으로 설정하여 하프 메탈 Fe3O4 를 형성시킨 것이다. 이들의 자기 저항 거동을 살펴보면, negative MR 형태를 지니고 있으며, 이러한 특성은 전도 전자의 입자 경계에서 스핀 의존 터널링 현상에 기인한 것으로 사료된다.
도 7은 본 발명에 의해 제조한 하프 메탈 Fe3O4 박막을 XPS를 이용하여 Fe 2p 스펙트럼을 측정한 것이다. 도 7을 참조하면, 그래프 상에 나타난 피크들에서의 결 합에너지를 살펴보면, 724eV(Fe3O4 2p1/2), 711 eV(Fe3O4 2p3/2)이며, 그 에너지 가 13eV인 것을 알 수 있다. 이는 순수한 하프 메탈 Fe3O4 박막인 것으로 판단된다. 현재 알려져 있는 Fe2O3 피크들의 결합 에너지는 724,2 eV(Fe3O4 2p1/2), 710.7 eV(Fe3O4 2p3/2)이며, 약 720eV에서 부피크가 관측된다고 알려져 있다. 그러나, 도 7에서는 Fe 2p1/2, 2p3/2외의 부피크는 관측되지 않음을 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.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하프 메탈 Fe3O4 제조 방법에 의하면, 종래의 고온 공정을 거치지 않더라도 산소의 유량을 일정 범위에서 제어함으로써, 특히 자기 저항 소자에 매우 유용하게 사용될 수 있는 하프 메탈 Fe3O4 박막을 제조하는 것이 용이해진다.
Claims (5)
- 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법에 있어서,(가) 챔버 내에 기판 및 Fe 타겟을 장착하고 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배기하는 단계; 및(나) 상기 챔버 내부에 산소 가스를 1.0 내지 1.8 sccm의 유량으로 공급하여 상기 기판 상에 하프 메탈 Fe3O4 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 Si, SiO2 또는 글래스인 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 (나) 단계는, 분위기 가스를 공급하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 챔버 내부에 산소 가스를 1.1 내지 1.7 sccm의 유량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 하프 메탈 Fe3O4 박막은 상온에서 형성하는 것을 특징으로 하는 하프 메탈 Fe3O4 박막 제조 방법.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |