KR20120096054A - 자기 저항 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속층(예를 들어, Mg층)의 산화 처리에 의해 금속 산화물층(예를 들어, MgO층)을 형성하는 방법에서, 높은 MR비를 얻을 수 있는 자기 저항 소자의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 실시태양은 제 1 강자성층을 가진 기판을 제공하는 단계; 제 1 강자성층 상에 터널 배리어층을 제조하는 단계; 및 터널 배리어층 상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계를 포함한다. 터널 배리어층을 제조하는 단계는 제 1 강자성층 상에 제 1 금속층을 증착하는 단계; 제 1 금속층을 산화하는 단계; 산화된 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 증착하는 단계; 및 산화된 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 제 2 금속층이 끓는 온도로 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 높은 MR비를 나타내는 자기 저항 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
터널링 자기 저항(tunneling magneto-resistive; TMR) 소자는 터널 배리어층이 두 개의 강자성층들 사이에 삽입된 구조를 가진다. 외부 자기장이 인가되고 두 강자성층들 사이의 상대적인 자화각(magnetization angle)이 변화되는 경우 터널 배리어층을 통한 전자의 터널링 전도 확률이 변화되고 TMR 소자의 저항이 변화된다. 이러한 TMR 소자는 하드디스크 및 자성을 이용하는 비휘발성 메모리인 MRAM과 같은 장치에 사용되는 자기 헤드의 판독(read-out) 센서부에 적용된다.
알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg) 등의 산화물이 TMR 소자의 터널 배리어층을 위한 재료로 사용된다. 특히, 산화 마그네슘(MgO) 터널 배리어층은 보다 큰 자기 저항 변화율(MR비)을 가질 수 있다(비특허문헌 1 참조).
MgO 터널 배리어층의 제조 방법은 MgO층을 MgO 타겟의 고주파(RF) 스퍼터링에 의해 직접 형성하는 방법 및 Mg층을 증착하며 이후 산화 처리에 의해 MgO층을 형성하는 방법을 포함한다.
MgO 타겟의 RF 스퍼터링에 의해 직접 MgO 터널 배리어층을 형성하는 방법을 이용하는 TMR 소자의 경우 방법이 개시되어 있으며(비특허문헌 2 참조) 특히 낮은 RA(소자 저항 × 소자 영역)의 경우 MR비를 향상시키기 위한 기술로서 MgO 터널 배리어층의 형성 이후 기판 가열을 수행한다.
또한 Mg층을 증착하고 산화 처리에 의해 MgO층을 형성하는 방법을 이용하는 TMR 소자의 경우 방법이 개시되어 있으며(특허문헌 1 참조) 제 1 Mg층을 증착한 후 자연 산화(natural oxidation)에 의해 Mg층의 표면상에 MgO층을 형성한 다음 제 2 Mg층을 증착하여 제 1 Mg층/ MgO층/ 제 2 Mg층을 포함하는 터널 배리어층을 형성한다.
다른 방법으로 제 1 Mg층을 증착한 후 고압 하에서 산화 처리를 수행하고 이후 제 2 Mg층을 증착하고 저압 하에서 산화 처리를 수행하는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 2 참조).
또한 터널 배리어층으로 제 1 MgO층 및 제 2 MgO층의 적층체(stacked body)를 형성하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 3 참조). 특허문헌 3에 개시된 방법에서, 먼저 제 1 Mg층이 형성되고 제 1 Mg층의 산화에 의해 제 1 MgO층이 형성된다. 그런 다음 제 1 MgO층이 자기장에서 제 1 MgO층의 어닐링에 의해 결정 배향을 가지게 된다. 연속하여 제 2 Mg층이 제 1 MgO층 상에 형성되고 제 2 Mg층이 산화되어 제 2 MgO층을 형성함에 따라 터널 배리어층이 제 1 MgO층 및 제 2 MgO층의 적층체로서 형성된다.
비특허문헌 1: Butler et al., Physical Review B, 63, 054416 (2001)
비특허문헌 2: Appl. Phys. Lett., 93-192109
일반적으로 높은 MR비가 MgO 타겟의 RF 스퍼터링을 수행하는 형성 방법에 의해 얻어질 수 있지만 이 방법에서 수많은 입자들이 발생한다는 문제점이 있다. 입자들이 웨이퍼 상의 MR 소자에 해당하는 지역에 떨어지는 경우 TMR 소자의 전기적 특성들이 저하된다는 문제점이 발생한다.
한편, Mg층 형성 후 산화 처리에 의해 MgO층을 형성하는 방법은 입자들이 거의 발생하지 않고 MgO 타겟에 RF 스퍼터링을 수행하는 방법과 비교해 대량 생산에 적합한 반면 MR비가 작다는 문제점이 있다. 상기 특허문헌들에 의해 개시된 방법에 의해 얻어진 MR비들은 특허문헌 1에서 34%이며 특허문헌 3에서 대략 60%이다.
따라서, 본 발명은 금속층(예를 들어, Mg층) 상에 산화 처리를 수행함으로써 금속 산화물층(예를 들어, MgO층)을 형성하는 방법에서 보다 높은 MR비를 얻을 수 있는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태는 제 1 강자성층이 위에 형성된 기판을 제공하는 단계, 제 1 강자성층 상에 터널 배리어층을 제조하는 단계, 및 터널 배리어층 상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계를 포함하며, 터널 배리어층을 제조하는 단계는 제 1 강자성층 상에 제 1 금속층을 증착하는 단계, 제 1 금속층을 산화하는 단계, 산화된 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 증착하는 단계, 및 산화된 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 자기 저항 소자의 제조 방법이다.
본 발명의 제 2 양태는 제 1 강자성층이 위에 형성된 기판을 제공하는 단계, 제 1 강자성층 상에 터널 배리어층을 제조하는 단계, 및 터널 배리어층 상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계를 포함하며, 터널 배리어층을 제조하는 단계는 제 1 강자성층 상에 제 1 금속층을 증착하는 단계, 제 1 금속층을 산화하는 단계, 산화된 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 증착하는 단계, 및 산화된 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 제 2 금속층이 끓는 온도로 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 자기 저항 소자의 제조 방법이다.
본 발명에 따라 적은 수의 입자들 및 높은 MR비를 가진 자기 저항 소자를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시태양에 따른 TMR 소자의 제조 단계를 설명하는 순서도이다.
도 2는 도 1의 방법에 의해 제조된 TMR 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 TMR 소자를 제조하기 위한 제조 장치의 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실시태양에 따라 제 2 Mg층의 증착 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 RA 및 MR비 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 5는 본 발명의 실시태양에 따라 제 2 Mg층의 증착 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 산화 시간 및 RA 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시태양에 따라 산화 처리 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 RA 및 MR비 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 7은 본 발명의 실시태양에 따라 산화 처리 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 산화 시간 및 RA 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 8은 본 발명의 실시태양에 따른 증기압에 의존하는 Mg 온도를 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 방법에 의해 제조된 TMR 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 TMR 소자를 제조하기 위한 제조 장치의 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실시태양에 따라 제 2 Mg층의 증착 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 RA 및 MR비 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 5는 본 발명의 실시태양에 따라 제 2 Mg층의 증착 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 산화 시간 및 RA 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시태양에 따라 산화 처리 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 RA 및 MR비 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 7은 본 발명의 실시태양에 따라 산화 처리 이후 기판 열 처리를 수행하는 경우 및 기판 열처리를 수행하지 않는 경우에 대한 산화 시간 및 RA 사이의 관계를 도시하는 특성 차트이다.
도 8은 본 발명의 실시태양에 따른 증기압에 의존하는 Mg 온도를 도시하는 다이어그램이다.
(제 1 실시태양)
도 1은 본 실시태양에 따른 TMR 소자의 제조 단계를 설명하는 순서도이다. 또한 도 2는 본 실시태양에 따른 TMR 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 대로 제 1 기층(2a) 및 제 2 기층(2b)을 갖는 기층(underlayer)(2) 및 고정 자화층(fixed magnetization layer)(4)이 단계 S1에서 처리 기판(processing substrate)(1) 상에 증착된다. 예를 들어, 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W) 등으로 구성된 기층은 예를 들어, 대략 0.5 내지 5 nm의 두께를 가지며 다층 필름의 제 1 기층(2a)으로 처리 기판(1) 상에 증착된다. 예를 들어, 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr), 및 루테늄(Ru)과 같은 원소 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 기층(2b)은 대략 0.5 내지 5nm로 그 위에 증착된다. 예를 들어, IrMn, PtMn, FeMn, NiMn, RuRhMn, CrPtMn 등으로 구성된 반강자성층(anti-ferromagnetic layer)(3)이 대략 3 내지 15 nm로 그 위에 증착된다.
본 실시태양에서 제 1 기층(2a) 및 제 2 기층(2b)의 적층체가 기층(2)으로 사용되지만 기층(2)은 이 경우에 한정되지 않으며 기층(2)은 단일층일 수 있다는 점을 유의해야 한다.
대략 1 내지 5 nm의 두께를 가지며 예를 들어, CoFe 등으로 구성된 강자성층(4a), 대략 0.8 nm의 두께를 가지며 Ru, Cr, 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 및 레늄(Re) 중 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함하는 합금으로 구성된 비자성 중간층(4b), 및 대략 1 내지 5 nm의 두께를 가지며 예를 들어, CoFe, CoFeB 등으로 구성된 강자성층(4c)들이 그 위에 증착된다. 반강자성층(3), 강자성층(4a), 비자성 중간층(4b), 및 강자성층(4c)이 합성형(synthetic-type) 고정 자화층(4)을 형성한다. 강자성층들(4a 및 4c) 및 비자성 중간층(4b)은 강자성층의 단일층에 의해 교체될 수 있다. 이 경우에 고정 자화층(4)은 반강자성층(3) 및 강자성층의 2층 구조를 갖는다.
본 실시태양에서, 고정 자화층(4)은 단계 S1의 기판(1) 상에 형성되지만 고정 자화층(4)이 예비적으로 위에 증착된 기판(1)을 사용하는 것은 선택적이다. 즉, 본 실시태양에서 터널 배리어층이 위에 형성되는 강자성층을 갖는 기판이 제공될 수 있는 경우 임의의 방법이 사용될 수 있다.
단계 S2에서, 제 1 금속층(5a)은 대략 0.5 내지 2.0 nm로 고정 자화층(4) 위에 증착된다. 제 1 금속층(5a)의 경우 높은 MR비를 얻는 관점에서 Mg가 바람직하며, 또한 Zn 또는 Mg와 Zn의 합금이 바람직하다. 선택적으로 제 1 금속층(5a)은 Mg를 포함하는 합금일 수 있다.
그 이외에 제 1 금속층(5a)은 Al, Ti, Zn, Hf 및 Ga와 같은 금속일 수 있다. 또한 산소가 제 1 금속층(5a)으로 예시된 상기 금속에 추가될 수 있거나(제 2 실시태양 참조) 붕소(B), 및 탄소(C)와 같은 비금속 중 적어도 하나가 추가될 수 있다.
이후, 단계 S3에서, 제 1 금속층(5a)이 위에 형성된 기판(1)은 산화 챔버로 이동되고 제 1 금속층(5a)은 산화된다. 산화 처리는 산소 기체 또는 산소 기체와 예를 들어, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 및 제논(Xe) 중 적어도 하나의 불활성 기체에 의해 수행된다. 산화는 제한된 챔버에서 수행하는 제한된 산화, 배기 동안의 유동 산화(flow oxidation), 활성 산소를 이용하는 라디칼 산화, 플라즈마 산화 등의 방법에 의해 수행될 수 있다.
이후, 단계 S4에서, 산화된 제 1 금속층(5a)을 위에 갖는 기판(1)은 필름 증착 챔버로 이동되고 제 2 금속층(5b)이 상기 산화된 제 1 금속층(5a) 상에 증착된다. 이 층은 자화 자유층(magnetization free layer)의 산화를 방지하거나 감소시키는 기능을 가지며, 상기 자화 자유층(magnetization free layer)의 산화는 산화된 제 1 금속층(5a)의 표면상에 남아있는 산소의 연속하여 형성되는 자화 자유층으로의 이동에 의해 야기된다. 높은 MR비를 얻는 관점에서 Mg가 제 2 금속층(5b)으로서 바람직하다. 그 이외에 Ti, Zn, Hf 등의 금속이 사용될 수 있다.
이후, 단계 S5에서, 산화된 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)이 위에 형성된 기판(1)이 가열 챔버로 이동되고 열처리가 수행된다. 즉, 본 실시태양에서, 제 2 금속층(5b)의 증착 이후 및 또한 이하에서 설명될 자화 자유층(6)이 증착되기 전에 열처리가 수행된다. 열처리는 금속 및 산소 사이의 결합을 증진시키며 장벽층을 보다 균일하게 하고 더 높은 등급의 필름 품질을 갖게 하는 효과를 가진다. 또한 본 실시태양에서, 제 2 금속층(5b)은 열처리에 의해 증발된다. 본 실시태양에서, 상기에 기술된 바대로, 열처리는 제 1 금속층(5a)의 산화에서 남아있으며 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b) 사이에서 존재하는 산소 등을 제 2 금속층(5b)과 반응하게 하여 제 2 금속층(5b)을 산화시킨다. 이때 본 실시태양은 산화되지 않은 제 2 금속층(5b)(본 단계의 열처리에서 산소에 결합되지 않은 제 2 금속층(5b)의 금속 성분)을 증발시킴으로써 제 2 금속층(5b)의 산화에서 산화되지 않은 금속 성분을 제거한다. 따라서 본 단계에서의 열처리는 금속 산화물을 결정화하는 기능 이외에 제 2 금속층(5b)을 산화시키며 산화에 참여하지 않은 채 남아있는 금속 성분을 증발시키는 기능을 가진다. 따라서 가열 온도는 제 2 금속층(5b)이 기화되는 온도(기화가 일어나는 온도)이며, 즉 제 2 금속층(5b)의 증발이 일어나는 온도이다.
예를 들어, Mg가 제 1 및 제 2 금속층(5a 및 5b)로 사용되고 열처리 동안 가열 챔버 안의 압력이 1 x 10-9 내지 1 x 10-8 Torr인 경우, 가열 온도는 기판 온도로서 바람직하게 150 내지 400도(degrees)이다. 150도 이하의 온도에서, 금속으로 Mg와 산소 사이의 결합은 충분히 촉진되지 않으며 또한 Mg의 증발이 완벽하지 않다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 Mg의 경우 Mg는 1 x 10-9 내지 1 x 10-8 Torr의 분위기에서 대략 423K(대략 150℃)에서 끓기 시작한다. 따라서 제 2 금속층(5b)에서 산소에 결합되지 않은 Mg는 1 x 10-9 내지 1 x 10-8 Torr의 분위기에서 대략 150℃ 이상의 온도에서 끓으며 Mg가 기화되고 이로 인해 산소에 결합되지 않은 Mg가 제 2 금속층(5b)의 산화물로부터 제거된다. 이런 방식으로 150℃ 이상의 온도가 Mg의 증발에 바람직하다. 또한 400도 이상의 온도에서 고정 자화층(4)의 합성 반강자성 커플링(synthetic antiferro coupling)이 저하된다.
이러한 방식에서, 제 2 금속층(5b)의 열처리에서 가열 온도로서 Mg가 끓는 온도를 사용함으로써 산소에 결합되지 않은 Mg를 보다 효율적으로 기화시키는 것이 가능하다. 즉, Mg를 효율적으로 제거하는 것이 가능하다. 또한 Mg의 효율적인 제거에 의해 상기 제 2 금속층(5b)의 열처리 시간을 감소시키는 것이 가능하다.
가열 챔버 내의 압력이 1 x 10-9 내지 1 x 10-8 Torr 이외의 압력으로 설정되는 경우, 압력 설정을 위해 Mg가 증발하는 온도를 도 8로부터 명백하게 알 수 있음을 주목해야 한다. 또한 Mg 이외의 금속이 제 1 및 제 2 금속층(5a 및 5b)으로 사용되는 경우, 제 1 및 제 2 금속층(5a 및 5b)이 도 8에 도시된 증기압에 대한 온도 의존성을 이용하는 설정 압력에 따라 사용될 금속이 증발하는 온도에서 가열되도록 하기 위하여 열처리가 수행될 수 있다.
본 실시태양에서, 상기 기술된 대로 기화에 의해 산소에 결합되지 않은 Mg를 제거하는 것이 중요하다는 점이 주목되어야 한다. 따라서 Mg가 끓는 온도에 도달하지 않은 경우라도 Mg의 기화(증발)는 발생하며 가열 챔버가 배기되는 경우 기화(증발)에 의해 Mg를 제거하는 것이 가능하다.
또한 바람직한 가열 방법은 열발생 저항기(heat generation resistor) 또는 램프 히터(lamp heater)와 같은 복사 에너지(radiation)를 이용하는 방법, 또는 가열된 스테이지 상에 바로 웨이퍼를 배치하고 열전도를 이용하는 방법이다. 또한 다른 가열 방법들이 사용될 수 있다.
이런 방식에서, 본 단계는 산화된 제 1 금속층(5a) 및 산화된 제 2 금속층(5b)을 가진 터널 배리어층(5)을 형성한다.
단계 S6에서, 단계 S5에서 열처리된 기판(1)은 필름 증착 챔버로 이동되며 CoFe, CoFeB, NiFe 등의 적어도 하나의 층 또는 둘 이상의 층들로 구성된 자화 자유층(6)이 대략 1 내지 10 nm로 증착된다. 한편 냉각 단계(cooling step)가 터널 배리어층(5) 및 자화 자유층(6) 사이의 확산 방지 목적을 위해 자화 자유층(6)의 증착 전에 수행될 수 있다. 기판은 150도 이하의 온도로 냉각될 수 있다.
단계 S7에서, Ta, Ru, Ti, Pt 등의 적어도 하나의 층 또는 둘 이상의 층들로 구성된 보호층(7)이 자화 자유층(6) 상에 대략 1 내지 30 nm로 증착된다.
이러한 TMR 소자는 도 3에 도시된 클러스터형 기판 처리 장치를 사용하여 진공에서 지속적으로 제조된다.
다음으로, 본 실시태양의 클러스터형 제조 장치가 설명될 것이다.
적어도 하나 이상의 필름 증착 챔버, 하나의 산화 챔버, 및 하나의 기판 가열 챔버가 본 실시태양의 TMR 소자를 제조하기 위하여 필요하다.
예를 들어, 로드락 챔버(load-lock chamber)(8)로부터 이동된 기판(1)은 필름 증착 챔버(9a)로 이동되며 도 2에 도시된 기층(2) 내지 강자성층(4c)이 기판(1) 상에 증착된다. 이후 기판(1)이 필름 증착 챔버(9b)로 이동되고 제 1 금속층(5a)(예를 들어, 제 1 Mg층)이 증착된다. 그런 다음 제 1 금속층(5a)이 위에 형성된 기판(1)이 산화 챔버(10)로 이동되고 제 1 금속층(5a)이 산화된다. 이후 제 1 금속층(5a)이 위에 산화된 기판(1)이 필름 증착 챔버(9b)로 돌려 보내지고 제 2 금속층(5b)(예를 들어, 제 2 Mg층)이 산화된 제 1 금속층(5a) 상에 증착된다. 이후 제 2 금속층(5b)이 위에 형성된 기판(1)이 가열 챔버(11)로 이동되고 기판 열처리가 수행된다. 그런 다음 열처리된 기판(1)이 필름 증착 챔버(9b)로 돌려 보내지고 자화 자유층(6) 및 보호층(7)이 증착된다. 여기에서, 모든 로드락 챔버(8), 필름 증착 챔버(9a 및 9b), 산화 챔버(10), 및 가열 챔버(11)는 이송 챔버(12)를 통해 서로 연결된다. 각각의 챔버들은 개별적인 배기 장치가 구비되며 독립적으로 배기될 수 있으며, 이에 따라 기판 처리가 진공에서 지속적으로 수행될 수 있다.
여기서, 기판 열처리 이후 냉각을 위해 냉각 챔버가 구비될 수 있으며 기판은 자화 자유층(6)의 증착 전에 냉각될 수 있다. 선택적으로, 기판은 자화 자유층(6)의 증착 이전에 필름 증착 챔버 내에서 냉각될 수 있다.
상기 기술된 TMR 소자는 하드디스크 자기 헤드의 판독 센서부, MRAM의 기억 소자, 및 다른 자기 센서들에 사용될 수 있다.
상기 기술된 실시태양은 본 발명을 예시로서 보여주며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(실시예 1)
높은 MR비를 얻을 수 있는 TMR 소자의 제조 방법이 상기 기술된 본 실시태양에서 금속층을 증착한 후 산화 처리에 의해 산화층을 형성하는 방법을 이용하는 TMR 소자에 대해 설명될 것이다.
본 실시예에서, 제 1 금속층(5a)에 대해 Mg가 사용되었으며 제 1 Mg층은 제 1 금속층(5a)으로서 1.2 nm로 증착되었다. 이후 제 1 Mg층이 산화되고 Mg(제 2 Mg층)가 제 2 금속층(5b)으로서 0.4 nm로 증착되었다. 그 이후 TMR 소자들이 제조되고 기판 열처리(도 1의 단계 S5)가 제 2 Mg층이 증발하는 온도에서 수행된 경우(실시예 1) 및 기판 열처리를 수행하지 않은 경우(비교예 1)에 대해 RA 및 MR비를 측정하였다. 기판 열처리에서, 저항기는 열을 생성하며 기판은 복사 에너지에 의해 가열되었다. 기판 온도는 대략 300도이었다. 결과는 도 4에 도시된다. 또한 RA가 산화 시간의 변화에 의해 변화되었으며 산화 시간 및 RA 사이의 관계의 결과가 도 5에 도시된다.
도 6은 기판 열처리의 시간이 변화된 경우(비교예 2) 얻어진 소자 및 상기 비교예 1에서 얻어진 소자에 대한 RA 및 MR비 사이의 관계를 도시한다. 비교예 2에서 제 1 Mg층이 증착되고 제 1 Mg층은 그 이후 산화되며, 기판 열처리가 수행된 다음 제 2 Mg층이 증착되었다. 또한 도 7은 이러한 조건에서 제조된 TMR 소자에 대한 산화 시간 및 RA 사이의 관계를 도시한다.
기판 열처리에 의해 등량의 RA에서 MR비가 향상된다는 것이 도 4에서 확인된다. 또한 동일한 산화 시간에서도 열처리하는 경우에 RA가 증가한다는 것이 도 5에서 확인된다. 이러한 결과들로부터 아마도 산화 처리에서 Mg와 산소가 충분히 결합되지 않으며, 기판 열처리에 의해 Mg와 산소 사이의 결합이 촉진되며 핀홀(pinholes)과 같은 결점들이 줄어들 수 있다는 결론이 내려진다.
또한, 도 6으로부터, 제 1 Mg층이 산화 처리되는 경우, 기판 열처리가 수행되며 비교예 2에서와 같이 열처리 이후 제 2 Mg층이 증착되며, 기판 열처리 시간의 경우 소자 특성이 비교예 1에 비해 저하된다는 것이 확인된다. 이는 과잉 산소 원자가 제 1 Mg층(제 1 금속층(5a))으로부터 형성된 MgO층의 표면 부근에서 산화 처리 이후 존재하는 것에 의해 야기될 것이며, 적용되는 열처리에 의해 MgO가 과도하게 산화되거나 그 아래의 강자성층이 산화되어 특성 저하를 초래한다. 비교예 1의 결과는 과잉 산소 원자가 제 1 Mg층으로부터 형성된 MgO층의 표면에 대한 산화 처리 이후 존재하는 것에 의해 유사하게 유발될 것이며 이에 따라 우수한 결정 품질을 가진 MgO층이 얻어지지 않으며 특성이 저하된다.
본 실시예에서, 제 2 Mg층이 제 1 Mg층의 산화 처리 이후 증착된 다음 열처리가 수행된다. 따라서 MgO층 표면(즉, 산화된 제 1 금속층(5a) 및 제 1 금속층(5a) 상에 형성된 제 2 금속층(5B) 사이의 경계 표면)의 부근에 존재하는 과잉 산소 원자 및 제 2 Mg층(제 2 금속층(5b))은 서로 반응하여 MgO층을 형성한다. 즉, 본 실시예의 기판 열처리(단계 S5)에 의해 상기 경계 표면에 존재하는 산소는 제 2 Mg층의 Mg에 결합하여 제 2 Mg층을 MgO로 전환시킨다. MgO층의 형성 및 MgO의 결정화는 기판 열처리를 수행함으로써 촉진되며, Mg:O의 화학량론적 비율이 1:1에 가까운 우수한 결정 품질을 갖는 MgO층이 얻어지며 생각건대 이에 따라 비교예들과 비교하여 우수한 결과가 얻어진다.
본 실시태양의 이러한 방식에서, 제 1 금속층(5a)을 형성하고, 제 1 금속층(5a)을 산화시키고, 그 다음 산화된 제 1 금속층(5a) 상에 제 2 금속층(5b)을 형성시키고, 이후 기판 열처리를 수행함으로써 터널 배리어층의 최초 재료인 금속층을 산화시키는 경우 MR비에 대하여 금속층 표면 주위에 필연적으로 남아있는 산소의 영향을 감소시키는 것이 가능하다. 즉, 본 실시태양에서, 제 2 금속층(5b)이 제 1 금속층(5a)의 산화 이후 형성되며 열처리가 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b) 사이의 경계 표면에 산소가 존재하는 상태에서 수행되며, 이에 따라 제 2 금속층(5b)의 산화의 경우 통상적으로 MR비의 저하를 유발하는 금속층 표면의 주위에 남아있는 산소를 이용하는 것이 가능하며 결과적으로 상기 경계 표면에서 존재하는 산소를 제거하는 효과와 동일한 효과를 얻는 것이 가능하다. 이러한 산화는 상기 경계 표면에 존재하는 산소에 의해 유발되며 따라서 산화된 제 1 금속층(5a)의 표면상에 남아있는 산소를 제거하거나 감소시키는 것이 가능하다. 또한 상기 산화를 일으키는 가열 온도는 제 2 금속층(5b)의 증발이 일어나는 온도로 설정되며, 따라서 제 2 금속층(5b)에서 산화되지 않은 성분들이 기화되고 제거되며 표면에 남아있는 산소가 감소된 금속 산화물을 형성하는 것이 가능하다.
앞에서 기술된 바대로, Mg층과 같은 금속층의 산화 처리에 의해 MgO층과 같은 금속 산화물층을 얻는 방법에서, 금속 산화물층(예를 들어, MgO층)의 형성 이후 금속층(예를 들어, Mg층)을 증착시키고 금속층이 증착된 이후 열처리를 수행하는 것이 중요하다. 그런 다음 이 방법에 의해 종래의 것과 비교해 MR비가 향상된 자기 저항 소자를 제공하는 것이 가능하다.
상기 기술된 실시태양 및 실시예에서 자화 자유층(6) 및 고정 자화층(4)의 위치들이 제한적으로 기술되었지만 자화 자유층(6) 및 고정 자화층(4)의 위치들은 본 발명에서 특별히 제한되지 않는다는 점을 유의해야 한다. 즉, 자화 자유층(6)은 터널 배리어층(5)의 하부면 상에 형성될 수 있으며 고정 자화층(4)은 터널 배리어층(5)의 상부면 상에 형성될 수 있다.
(제 2 실시태양)
본 실시태양에서, 제 1 금속층(5a)은 제 1 금속층(5a)의 형성에서 의도적으로 산소 성분을 포함한다(제 1 금속층(5a)은 산소로 도핑된다). 즉, 본 실시태양의 제 1 금속층(5a) 형성에서 산소 기체가 또한 필름 증착 챔버 내로 도입되며 산소가 제 1 금속층 안으로 포함되면서 제 1 금속층(5a)이 형성된다.
예를 들어, 제 1 금속층(5a)이 플라즈마 스퍼터링에 의해 증착되는 경우, 도 1의 단계 S2에서 산소를 플라즈마 형성 기체에 추가함으로써 제 1 금속층(5a)이 산소 원자를 그 내부에 포함하도록 하는 것이 가능하다. 즉, 제 1 금속층(5a)의 재료가 되는 금속(예를 들어, Mg)의 타겟이 필름 증착 챔버에 제공되며, 불활성 기체가 필름 증착 챔버 내로 도입되고 플라즈마가 생성되며 상기 타겟의 플라즈마 스퍼터링에 의해 제 1 금속층(5a)이 기판(1) 상에 형성된다. 상기 실시예에서, 불활성 기체 이외에 산소 기체가 필름 증착 챔버 내로 도입된다. 이때에 공급된 산소 기체는 플라즈마로 여기되거나 여기되지 않을 수 있다. 따라서, 타겟으로부터 스퍼터된 스퍼터링 입자들(예를 들어, Mg 입자들) 및 산소(플라즈마로 여기되는 경우 산소 이온 또는 산소 라디칼)가 기판으로 공급되는 경우 공급된 산소를 받아들이기 위하여 제 1 금속층이 기판 상에 증착된다. 즉, 산소로 도핑된 제 1 금속층이 형성된다.
상기 산소 도핑을 위해 산소 기체를 도입하는 시기는 스퍼터링 기체의 불활성 기체를 도입하는 시기와 동일하거나 다를 수 있다. 또한 산소 기체 공급을 종료하는 시기는 불활성 기체 공급을 종료하는 시기와 동일하거나 다를 수 있다.
예를 들어, Mg가 제 1 금속층(5a)으로 사용되고 Ar이 불활성 기체로 사용되는 경우 예를 들어, Mg는 Ar 기체 및 산소 기체가 각각 서로 독립적으로(혼합된 산소 농도는 25%이다) 15 sccm 및 5 sccm에서 도입되는 분위기에서 제 1 금속층(5a)으로 증착될 수 있다.
본 실시태양에서, 제 1 금속층(5a)은 산소를 포함하며 따라서 바람직하게는 제 1 금속층(5a) 및 제 1 금속층(5a)의 하부층인 강자성층(4c) 사이 경계 표면의 주위에서 제 1 금속층(5a)의 산화를 수행하는 것이 가능하다.
일반적으로 제 2 층이 제 2 층이 제 1 층 위에 형성되는 적층체에서 산화되는 경우 제 1 층과 함께 경계 표면의 주변에서 제 2 층을 산화시키기 위하여 산화의 조절이 엄격하게 이루어질 필요가 있다. 산화가 과도하게 강한 경우 제 1 층이 또한 산화되고, 산화가 과도하게 약한 경우 산화되지 않은 부분이 제 2 층에 존재한다.
한편, 본 실시태양에서, 제 1 금속층(5a)이 상기 서술된 대로 산소가 도입되는 동시에 증착되기 때문에 산소는 강자성층(4c) 상에 형성되는 제 1 금속층(5a)의 두께 방향으로 분배되며 또한 산소는 경계 표면 주위에서 제 1 금속층(5a) 내의 강자성층(4c)과 함께 존재한다. 따라서 단계 S3의 산화 처리에서 제 1 금속층(5a)에 미리 포함된 산소는 제 1 금속층(5a)의 산화에 기여하며, 따라서 산화가 또한 바람직하게는 제 1 금속층(5a)에 포함된 산소에 의해 제 1 금속층(5a)의 경계 표면의 주위에서 수행된다. 따라서, 제 1 금속층(5a)으로 인한 우수한 품질의 금속 산화물(예를 들어, MgO)이 또한 제 1 금속층(5a) 및 강자성층(4c) 사이의 경계 표면에서 형성될 수 있다.
Claims (6)
- 제 1 강자성층을 가진 기판을 제공하는 단계;
제 1 강자성층 상에 터널 배리어층을 제조하는 단계; 및
터널 배리어층 상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계를 포함하며,
여기서, 터널 배리어층을 제조하는 단계는
제 1 강자성층 상에 제 1 금속층을 증착하는 단계;
제 1 금속층을 산화하는 단계;
산화된 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 증착하는 단계; 및
산화된 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 자기 저항 소자의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
제 1 금속층을 증착하는 단계는 제 1 금속층이 그 내부에 산소를 함유하도록 하기 위하여 제 1 금속층을 형성하는 것인 자기 저항 소자의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
열처리를 수행하는 단계는 산화 단계에서 산화된 제 1 금속층의 표면상에 남아있는 산소를 열처리에 의해 제 2 금속층에 결합시키는 것인 자기 저항 소자의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
제 1 금속층 및 제 2 금속층 중 적어도 하나는 마그네슘이거나 또는 마그네슘을 포함하는 것인 자기 저항 소자의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
열처리된 기판은 열처리를 수행하는 단계 이후 냉각되는 것인 자기 저항 소자의 제조 방법. - 제 1 강자성층을 가진 기판을 제공하는 단계;
제 1 강자성층 상에 터널 배리어층을 제조하는 단계; 및
터널 배리어층 상에 제 2 강자성층을 형성하는 단계를 포함하며,
여기서, 터널 배리어층을 제조하는 단계는
제 1 강자성층 상에 제 1 금속층을 증착하는 단계;
제 1 금속층을 산화하는 단계;
산화된 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 증착하는 단계; 및
산화된 제 1 금속층 및 제 2 금속층 상에 제 2 금속층이 끓는 온도로 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 자기 저항 소자의 제조 방법.
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