KR20140136600A - 공유층이 형성된 개별주파수 특성을 갖는 sto 어레이 및 이의 제조방법 - Google Patents

공유층이 형성된 개별주파수 특성을 갖는 sto 어레이 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스핀토크 오실레이터의 조합체에 있어 소자를 구성하는 고정층을 공유하는 스핀토크오실레이터 어레이 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 병렬로 연결된 복수 개의 스핀토크오실레이터(STO)를 형성하는 스핀토크오실레이터 어레이에 있어, 고정된 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 고정층(Pinned layer)과; 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 각각 개별적으로 분할되어 형성되는 구분된 자유층(Free layer)들과; 상기 고정층과 자유층 사이 그리고 인접한 상기 자유층들 사이에 형성되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 고정층 또는 편극층을 공유하여 주파수 특성을 동일하게 맞춘 STO 어레이를 제공할 수 있고, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용이 저렴해지는 장점이 있다.

Description

공유층이 형성된 개별주파수 특성을 갖는 STO 어레이 및 이의 제조방법 { SPIN TORQUE OSCILLATOR ARRAY HAVING DIFFERENT FREQUENCY WITH SHARED LAYER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF }
본 발명은 자유층을 다르게 형성하여 다른 주파수 특성을 갖는 스핀토크 오실레이터들의 조합체를 형성하되, 고정층을 단일 공유층으로 구성하는 스핀토크오실레이터 어레이 및 이의 제조방법에 관한 것으로. 교육과학기술부의 원천기술개발사업(글로벌프론티어사업) 중 에너지혁신소자 연구과제(수행기간 2012.09.01~2013. 08.31)'를 수행함에 있어 산출된 결과물에 대한 발명이다.
최근에는 MTJ 접합구조를 응용한 여러 소자에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있고, 이중 하나가 Spin TransferTorque를 이용한 RF Oscillator이다.
Spin Torque RF Oscillator(이하 'STO'라 한다)는 spin transfer torque(STT)기술을 이용한 차세대 정보통신용 나노스핀발진소자이다.
고주파대역의 동작 주파수에 따른 초소용화 및 무선통신 시스템의 요구 기능에 의해 휴대 통신기, 위성 및 레이더 통신 등과 같이 휴대 문선통신 송수신기의 RF front-end의 사용이 필수적이게 되었고, 이는 소형화, 안정화, 낮은 phasenoise, 적은 전력 소모 및 높은 출력 전력의 광대역 가변 발진기를 요구되고 있다.
스핀 토크 현상을 이용한 나노스핀발진소자는 그동안 MRAM에 연구되었던 전류주입자화반전기술(CIMS)을 이용하여 주입된 전류에 의해 생성된 스핀 토크가 고주파 자기발진의 가능성을 설명해 보이면서 이를 응용한 스핀발진소자에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
초고주파 스핀소자는 스핀 소자는 자성체/비자성체/강자성체의 구조에 스핀토크와 자기장에 의한 토크가 서로 반대방향이 되도록 설계하고,DC 전류가 자성을 띈 다층 자화구조의 강자성층을 먼저 통과할 때 스핀분극이 생기고,이때 전류의 스핀이 분극 되어 Spin TransferTorque(STT)에 의해 얇은 freelayer를 통과하면서 스핀각 운동량을 전달한다.
상기 전달로 인해 고정되지 않는 자성층 (Free Layer)의 자화가 외부자기장(H)의 힘과 자성층의 자화(M)사이에 상호 작용에 의해 외부자기장 방향으로 똑바로 가지 못하고 외부자기장의 주위를 회전하는 운동이 발생하는 지속적 발진을 하게 되는데 이때 걸어주는 외부 자장의 크기와 방향을 통하여 스핀이 GHz대역에서 세차운동을 하도록 제어하는 것이 가능하다.
이처럼 스핀소자의 고유의 자기저항의 특성에 따라 전류를 흘려주면 AC출력 전압이 발생하고 이때 걸리는 자기장에 의해 자성체의 세차운동과 결합되어 RF 전압이 출력될 수 있다.
이러한 원리로 방출되는 마이크로 스핀파를 이용해 일정주파수 범위에서 가변 가능한 발진소자를 만들 수 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제1018502호에는 이와 같은 스핀토크 나노 고추파 발진소자의 구성이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래기술에 의한 스핀토크오실레이터를 이용하여 다양한 주파수의 신호를 생성해내기에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 종래기술에 의해 스핀토크오실레이터는 출력 신호의 주파수가 자유층의 스핀 회전각에 의존하므로, 출력 신호의 주파수는 상기 자유층의 스핀 회전각의 범위 및 출력 특성에 의해 제한되어, 다양한 주파수의 출력 신호를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 의해 다양한 주파수의 신호를 생성하기 위해서는 자유층의 스핀 회전각을 정밀하게 제어하여야 하는데, 현실적으로 현재 기술로는 상기 자유층 스핀 회전각을 원하는 형태로 정밀하게 제어하는 것이 불가능하여 다양한 형태의 출력신호를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제1018502호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 고정층을 공유하여 식각 영역을 최소화하여, 설계상의 주파수 특성이 정확하게 구현된 STO 어레이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명은 STO 어레이를 구성함에 있어, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용이 저렴한 STO 어레이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 병렬로 연결된 복수 개의 스핀토크오실레이터(STO)를 형성하는 스핀토크오실레이터 어레이에 있어, 고정된 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 고정층(Pinned layer)과; 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 각각 개별적으로 분할되어 형성되는 구분된 자유층(Free layer)들과; 상기 고정층과 자유층 사이 그리고 인접한 상기 자유층들 사이에 형성되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성되고: 상기 자유층들은, 상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성된다.
또한 본 발명은 병렬로 연결된 복수 개의 스핀토크오실레이터(STO)를 형성하는 스핀토크오실레이터 어레이에 있어, 고정된 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 고정층(Pinned layer)과; 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 각각 개별적으로 분할되어 형성되는 구분된 자유층(Free layer)들과; 상기 고정층과 자유층 사이에 형성되는 산화막으로, 상기 고정층과 자유층 사이의 터널베리어(tunnel barrier)를 형성하는 제1비자성층(Spacer)과; 상기 자유층과 자유층 사이에 형성되는 산화막으로, 상기 자유층 사이를 구분하고, 상기 자유층 사이의 간섭을 차단하는 제2비자성층(Spacer)을 포함하여 구성되고: 상기 자유층들은, 상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성되는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이를 포함한다.
이때, 상기 제2비자성층은, 상기 제1비자성층 보다 유전율이 낮은 물질로 형성될 수도 있다.
그리고 상기 제1비자성층 상면에 형성되어 상기 제1비자성층의 식각을 방지하는 식각 방지층을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 유동 전하에 수직 방향 벡터(vector)를 제공하도록 강자성의 금속성 물질로 형성되고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 편극층(Polarized layer)과; 상기 고정층과 편극층 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하도록 비자성 물질로 형성되고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 구획층을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 상기 자유층, 고정층 및 편극층은, NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성될 수도 있다.
그리고 상기 구획층은 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO), 그래핀 또는 비자성 금속 물질로 형성될 수도 있다.
또한 본 발명은 (A) 고정된 자화방향을 갖는 고정층을 형성하는 단계와; (B) 상기 고정층 상부에 비자성물질로 형성되는 비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와; (C) 상기 비자성층 상부에 복수개의 동일 패턴을 형성하여 상기 패턴에 따라 소정의 깊이로 상기 비자성층을 식각하여 제거하는 단계; 그리고 (D) 상기 비자성층의 식각된 공간에 강자성물질을 증착하여 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층을 형성하는 단계를 포함하여 수행되고: 상기 비자성층의 식각 깊이는, 상기 비자성층 상부로부터 상기 고정층 상부로 소정의 높이로 이격된 거리까지이며: 상기 패턴은, 상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성되는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법을 포함한다.
그리고 본 발명은 (a) 고정된 자화방향을 갖는 고정층을 형성하는 단계와;
(b) 상기 고정층 상부에 비자성물질로 제1비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와; (c) 상기 제1비자성층 상부에 유전율이 낮은 비자성물질로 제2비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와; (d) 상기 제2비자성층 상부에 복수개의 동일 패턴을 형성하고, 상기 패턴에 따라 제2비자성층을 식각하여 제거하는 단계; 그리고 (e) 상기 제2비자성층의 식각된 공간에 강자성물질을 증착하여 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층을 형성하는 단계를 포함하여 수행되고: 상기 패턴은, 상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성되는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법을 포함한다.
이때, 제1비자성층의 형성 이후 식각 방지층을 증착하는 단계를 더 포함하여 수행될 수도 있다.
그리고 상기 고정층의 형성 이전에, 기판상에 강자성 물질로 형성되어 유동 전하에 수직 방향 벡터(vector)를 제공하는 편극층을 형성하는 단계와; 상기 편극층 상면에 비자성물질의 구획층을 형성하는 단계를 더 포함하여 수행될 수도 있다.
한편, 상기 각 층의 형성은 스퍼터법 또는 단위 성막 처리를 반복수행하는 다단계 산화법에 의해 수행될 수도 있다.
그리고 상기 식각 공정은 포토레시스터를 이용한 플라즈마 식각법에 의해 수행될 수도 있다.
위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 공유층이 형성된 개별주파수 특성을 갖는 STO 어레이 및 이의 제조방법에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 고정층 또는 편극층을 공유하여, 설계상의 주파수 특성이 정확하게 구현된 STO 어레이를 얻을 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명은 STO 어레이를 구성함에 있어, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용이 저렴해지는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 일반적인 스핀토크 오실레이터의 구조를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제1실시예의 구성을 도시한 블록도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제1실시예의 제조 공정을 순차적으로 도시한 예시도.
도 4는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제2실시예의 구성을 도시한 블록도.
도 5d 내지 도 5e는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제2실시예의 주요 제조 공정을 도시한 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제3실시예의 구성을 도시한 블록도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제1실시예의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제1실시예의 제조 공정을 순차적으로 도시한 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이(STO)의 제1실시예는, 소정의 구조물이 형성된 기판(210)상에 형성된 전극층(220), 편극층(310), 구획층(320), 고정층(400), 비자성층(500), 자유층(600) 및 차폐층(700)을 포함하여 구성된다.
상기 전극층(220)은 STO 소자에 전압을 인가하기 위한 전극을 형성하는 층으로 전기저항이 낮은 금속 물질로 형성된다.
그리고 상기 편극층(Polarized layer)(310)은 유동 전하에 수직 방향 vector를 제공해주는 층으로, 강자성의 금속성 물질로 형성된다. 상기 편극층(310)은 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.
또한, 상기 구획층(320) 상기 고정층(400) 및 편극층(310) 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하는 층으로, 비자성 금속으로 형성된다. 이때, 상기 구획층(320)은 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO) 등), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta 등)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 고정층(Pinned layer)(400)은 전류 및 전압에 따라 자성 vector가 고정된 자성층으로, 강자성의 금속성 물질로 형성된다. 상기 고정층(400)은 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.
그리고 상기 비자성층(Spacer)(500)은 상기 자유층(600) 및 고정층(400) 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하는 층으로, 비자성 금속으로 형성된다. 이때 상기 비자성층(500) 역시 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO) 등), 그래핀 또는 비자성 금속 물질(Cu, Ru 또는 Ta 등)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 자유층(Free layer)(600)은 인가되는 전류 및 전압에 따라 자성 vector가 일정하게 precess하는 자성 층으로, 강자성의 금속성 물질로 형성되고, 상기 자유층(600)은 예를 들어 NiFe, CoFe, CoFeB, 자성을 갖는 Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성된다.
그리고 상기 차폐층(Capping layer)(700)은 상기 자유층(600) 상부를 차폐하여 제조공정 중에 발생될 수 있는 소자 각 층의 손상을 방지하기 위해 선택적으로 형성되는 부분으로, 상부 전극의 역할을 수행하도록 전기저항이 낮은 금속물질로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에의한 STO 어레이는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(210)상에 형성된 편극층(310), 구획층(320) 및 고정층(400)이 하나의 층으로 형성된다.
그리고 상기 고정층(400) 상부에 종방향으로 구획되어 자유층(600)이 형성된다. 이때, 상기 자유층(600)과 고정층(400) 사이 및 상기 자유층(600)과 인접한 자유층(600)은 비자성층(500)에 의해 구분된다.
이와 같이 형성된 STO 어레이는 각각의 자유층(600)을 포함하는 부분이 하나의 STO(110, 120, 130)를 구성한다.
이때 상기 각각의 자유층(600)은 서로 다른 단면적을 갖도록 형성된다. 이는 상기 각 STO(110, 120, 130)이 서로 다른 주파수 특성을 갖도록 하기 위한 것이다.
즉, STO의 출력 주파수 특성을 결정하는 변수 인자는 자유층을 구성하는 물질 특성, 자성물질의 두께 또는 면적, spin torque efficiency factor 등이 있다.
이들 변수 인자 중 STO 어레이의 제조 공정을 고려할 경우, 자유층의 단면적을 달리하여 주파수 특성을 서로 다르게 하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에서는 상기 자유층의 단면적이 서로 다르게 형성하여 각 STO의 주파수 특성을 다르게 한다.
물론, 이 경우 상기 STO들 모두를 각각 다른 면적(다른 주파수 출력 특성)으로 형성하는 것도 가능하고, 동일면적의 STO와 다른 면적의 STO를 혼합하여 그 배열을 구성하는 것도 가능하다.
그러므로 본 발명에 의한 상기 STO 어레이는 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 다수개의 스핀토크 오실레이터(STO)(110, 120, 130)를 포함하여 구성된다.
즉, 다수개의 STO가 편극층(310), 구획층(320) 및 고정층(400)을 서로 공유하는 구성을 하는 STO 어레이가 구현된다.
한편, 상기 편극층(310) 및 구획층(320)은 STO의 설계 조건에 따라 구비되지 않을 수도 있다. 즉, 외부자기장이 인가되는 경우 또는 상기 자유층(600)의 구성조건(조성물질의 이방성 계수 및 자화방향)에 따라 편극층(310) 없이 Oscillation이 발생되도록 설계된 경우, 상기 편극층(310) 및 구획층(320)은 형성되지 않을 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 STO 어레이의 제1실시예를 제조하는 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.
이하 제조공정 중 특정 층(layer)을 형성함에 있어, 특정 물질 층의 증착 및 식각의 과정이 반복적으로 수행되고, 상기 증착 공정은 스퍼터법 또는 단위 성막 처리를 반복수행하는 다단계 산화법 등의 공지된 방법에 의해 수행되고 상기 식각 공정은 포토레시스터를 이용한 플라즈마 식각법 등의 공지된 식각공법에 의해 수행된다.
따라서 상기 증착 및 식각 공정의 구체적인 실시방법은 본 명세서에서 상세히 설명하지는 않도록 한다.
본 발명에 의한 STO 어레이의 제1실시예는 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전극층(220)이 형성된 기판(210)상에 편극층(310)을 형성한다. 이때 상기 편극층(310)은 강자성 물질로 형성됨은 전술한 바와 같다.
이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 편극층(310) 상부에 비자성물질의 구획층(320)을 형성한다.
그리고 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 구획층(320) 상부에 자성 벡터가 고정된 고정층(400)을 형성한다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 고정층(400) 상부에 비자성물질로 형성되는 비자성층(500)을 소정의 높이로 증착한다.
그리고 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 비자성층(500) 상부에 패턴을 형성하고, 설계 패턴에 따라 소정의 깊이로 상기 비자성층(500)을 식각하여 제거한다.
이때 상기 비자성층(500)의 식각 깊이는 이후 형성될 자유층(600)의 높이로, 상기 고정층(400) 상부로 소정의 높이로 이격된 거리까지 식각되도록 결정된다.
그리고 상기 패턴의 면적은 서로 다르게 형성된다. 이는 상기 자유층의 단면적을 다르게 하여 각각의 소자가 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖도록 하기 위함이다.
물론, 상기 패턴은 모두 서로 다른 단면적으로 형성되는 것도 가능하고, 동일 단면적의 패턴과 다른 단면적의 패턴을 병행하여 구성하는 것도 가능하다.
이후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 식각된 비자성층(500)의 공간에 강자성물질을 증착하여 자유층(600)을 형성한다.
마지막으로 상기 자유층(600)과 상기 비자성층(500)의 상면에 차폐층(700)을 형성하여 STO 어레이를 완성한다.
이하에서는 본 발명에 의한 STO 어레이의 제2실시예를 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제2실시예의 구성을 도시한 블록도이고, 도 5d 내지 도 5e는 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제2실시예의 주요 제조 공정을 도시한 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 STO 어레이의 제2실시예는, 전체적으로 제1실시예와 동일한 구조를 갖는다. 즉, 상기 STO 어레이의 제2실시예는, 제1실시예와 동일한 구조의 전극층(220), 편극층(310), 구획층(320), 고정층(400), 자유층(600) 및 차폐층(700)을 포함하여 구성된다.
다만, 상기 고정층(400)과 자유층(600) 사이에 개제되는 비자성층이 제1비자성층(510)과 제2비자성층(520)으로 구분된다.
이때, 상기 제1비자성층(510)은 상기 고정층(400)과 자유층(600) 사이에 위치하는 산화막(oxide layer)으로, 상기 자유층(600)과 고정층(400) 사이의 터널베리어(tunnel barrier)를 형성한다.
그리고 상기 제1비자성층(510)은 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide, AlOx), 산화마그네슘(MgO), 그래핀 또는 다양한 금속 산화막이 적용될 수 있다.
한편, 상기 제2비자성층(520)은 각 소자의 자유층(600)과 자유층(600) 사이에 위치하는 산화막(oxide layer)으로, 각 소자의 자유층 간의 간섭을 방지하는 역할을 수행한다.
따라서 상기 제2비자성층은 유전율이 낮은 물질로 형성된다.
이하에서는 본 발명에 의한 STO 어레이의 제2실시예를 제조하는 주요 공정을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 의한 STO 어레이의 제2실시예는, 제1실시예와 동일한 공정으로 전극층(220), 편극층(310), 구획층(320) 및 고정층(400)이 형성된다.
이후, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 고정층(400) 상부에 비자성물질로 제1비자성층(510)을 소정의 높이로 증착한다.
그리고 도 5dd에 도시된 바와 같이, 상기 제1비자성층(510) 상부에 유전율이 낮은 비자성물질로 제2비자성층(520)을 소정의 높이로 증착한다.
이때, 상기 제2비자성층(520)의 적층 높이는 이후 설명할 자유층(600)의 높이에 대응된다.
다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 제2비자성층(520) 상부에 패턴을 형성하고, 설계 패턴에 따라 제2비자성층(520)을 식각하여 제거한다.
이때 상기 패턴이 서로 다른 단면적을 포함하여 형성됨은 전술한 바와 같다.
이후, 도 5f에 도시된 바와 같이, 상기 식각된 제2비자성층(520)의 공간에 강자성물질을 증착하여 자유층(600)을 형성한다.
마지막으로 상기 자유층(600)과 상기 비자성층(500)의 상면에 차폐층(700)을 형성하여 STO 어레이를 완성한다.
이와 같은 본 발명의 제2실시예에 의한 STO 어레이는 각 소자의 자유층과 자유층 사이에 유전율이 낮은 비자성 물질이 개제되므로, 자유층 사이의 간섭이 저하되는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 STO 어레이의 제3실시예를 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명에 의한 스핀토크오실레이터 어레이의 제3실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 STO 어레이의 제3실시예는, 제2실시예와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1비자성층(510) 상면에 식각 방지층(530)이 형성된다.
상기 식각 방지층(530)은 아몰퍼스 CoFeB 등의 다양한 식각 방지물질로 형성되는 층으로, 제2비자성층(520)을 식각하는 경우, 제1비자성층(510)이 일부 식각되거나 상기 제2비자성층(520) 일부가 식각되지 않는 것을 방지하기 위한 것으로, 정확히 상기 제2비자성층(520) 만을 완전히 식각하기 위한 것이다.
따라서 본 발명에 의한 STO 어레이의 제3실시예 제조공정은 제1비자성층(510)의 형성 이후에 식각 방지층(530)을 증착하는 공정이 추가적으로 시행된다.
이와 같은 본 발명의 제3실시예에 의한 STO 어레이는 각 소자의 자유층(600) 깊이를 동일하고 정확히 설계된 깊이로 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은 스핀토크 오실레이터의 조합체에 있어 소자를 구성하는 고정층을 공유하는 스핀토크오실레이터 어레이 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 고정층 또는 편극층을 공유하여 주파수 특성을 설계된 바에 정확히 맞춘 STO 어레이를 제공할 수 있고, 제조 공정을 간소화하여 제조 비용이 저렴해지는 장점이 있다.
110, 120, 130 : STO소자 210 : 자유층
220 : 전극층 310 : 편극층
320 : 구획층 400 : 고정층
500 : 비자성층 510 : 제1비자성층
520 : 제2비자성층 530 : 식각방지층
600 : 자유층 700 : 차폐층

Claims (13)

  1. 병렬로 연결된 복수 개의 스핀토크오실레이터(STO)를 형성하는 스핀토크오실레이터 어레이에 있어,
    고정된 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 고정층(Pinned layer)과;
    가변적으로 회전되는 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 각각 개별적으로 분할되어 형성되는 구분된 자유층(Free layer)들과;
    상기 고정층과 자유층 사이 그리고 인접한 상기 자유층들 사이에 형성되는 비자성층(Spacer)을 포함하여 구성되고:
    상기 자유층들은,
    상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  2. 병렬로 연결된 복수 개의 스핀토크오실레이터(STO)를 형성하는 스핀토크오실레이터 어레이에 있어,
    고정된 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 고정층(Pinned layer)과;
    가변적으로 회전되는 자화방향을 갖고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 각각 개별적으로 분할되어 형성되는 구분된 자유층(Free layer)들과;
    상기 고정층과 자유층 사이에 형성되는 산화막으로, 상기 고정층과 자유층 사이의 터널베리어(tunnel barrier)를 형성하는 제1비자성층(Spacer)과;
    상기 자유층과 자유층 사이에 형성되는 산화막으로, 상기 자유층 사이를 구분하고, 상기 자유층 사이의 간섭을 차단하는 제2비자성층(Spacer)을 포함하여 구성되고:
    상기 자유층들은,
    상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2비자성층은,
    상기 제1비자성층 보다 유전율이 낮은 물질로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1비자성층 상면에 형성되어 상기 제1비자성층의 식각을 방지하는 식각 방지층을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 전하에 수직 방향 벡터(vector)를 제공하도록 강자성의 금속성 물질로 형성되고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 편극층(Polarized layer)과;
    상기 고정층과 편극층 사이에 개제되어 이들 각층을 구분하도록 비자성 물질로 형성되고, 상기 복수 개의 스핀토크오실레이터에 대하여 단일 공유층으로 형성되는 구획층을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자유층, 고정층 및 편극층은,
    NiFe, CoFe, CoFeB, Fe 합금, Co 합금 또는 Ni 합금 중 어느 하나 이상이 포함된 물질로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 구획층은 금속산화막(Aluminum oxide(AlOx), 산화마그네슘(MgO), 그래핀 또는 비자성 금속 물질로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이.
  8. (A) 고정된 자화방향을 갖는 고정층을 형성하는 단계와;
    (B) 상기 고정층 상부에 비자성물질로 형성되는 비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와;
    (C) 상기 비자성층 상부에 복수개의 동일 패턴을 형성하여 상기 패턴에 따라 소정의 깊이로 상기 비자성층을 식각하여 제거하는 단계; 그리고
    (D) 상기 비자성층의 식각된 공간에 강자성물질을 증착하여 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층을 형성하는 단계를 포함하여 수행되고:
    상기 비자성층의 식각 깊이는,
    상기 비자성층 상부로부터 상기 고정층 상부로 소정의 높이로 이격된 거리까지이며:
    상기 패턴은,
    상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
  9. (a) 고정된 자화방향을 갖는 고정층을 형성하는 단계와;
    (b) 상기 고정층 상부에 비자성물질로 제1비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와;
    (c) 상기 제1비자성층 상부에 유전율이 낮은 비자성물질로 제2비자성층을 소정의 높이로 증착하는 단계와;
    (d) 상기 제2비자성층 상부에 복수개의 동일 패턴을 형성하고, 상기 패턴에 따라 제2비자성층을 식각하여 제거하는 단계; 그리고
    (e) 상기 제2비자성층의 식각된 공간에 강자성물질을 증착하여 가변적으로 회전되는 자화방향을 갖는 자유층을 형성하는 단계를 포함하여 수행되고:
    상기 패턴은,
    상기 스핀토크오실레이터 어레이가 적어도 둘 이상의 서로 다른 출력 주파수 특성을 갖는 소자의 조합으로 구성되도록, 둘 이상의 서로 다른 단면적으로 형성됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제1비자성층의 형성 이후 식각 방지층을 증착하는 단계를 더 포함하여 수행됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정층의 형성 이전에,
    기판상에 강자성 물질로 형성되어 유동 전하에 수직 방향 벡터(vector)를 제공하는 편극층을 형성하는 단계와;
    상기 편극층 상면에 비자성물질의 구획층을 형성하는 단계를 더 포함하여 수행됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 층의 형성은 스퍼터법 또는 단위 성막 처리를 반복수행하는 다단계 산화법에 의해 수행됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 식각 공정은 포토레시스터를 이용한 플라즈마 식각법에 의해 수행됨을 특징으로 하는 공유층을 구비한 스핀토크오실레이터 어레이의 제조방법.
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