KR20150055688A - 자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 구비하는 전자소자 - Google Patents

자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 구비하는 전자소자 Download PDF

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Abstract

자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 구비하는 전자소자가 개시된다. 개시된 자기저항 구조체 제조 방법은, 육방정계 질화 붕소층을 형성하는 단계와, 질화 붕소층 상에 그래핀층을 형성하는 단계와, 인터칼레이션 공정에 의해 질화 붕소층과 그래핀층 사이에 제1자성물질층을 형성하는 단계와, 그래핀층 상에 제2자성물질층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 구비하는 전자소자{magnetic resistance structure, method for manufacturing the magnetic resistance structure and electronic device including the same}
자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 구비하는 전자소자에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들로 이루어진 육방정계(hexagonal) 단층 또는 복수층 구조물로서, 구조적/화학적으로 안정하고, 전기적/물리적으로 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 그래핀은 실리콘(Si) 보다 100배 이상 빠른 전하 이동도(∼2×105㎠/Vs)를 갖고, 구리(Cu)보다 100배 이상 큰 전류 밀도(약 108A/㎠)를 갖는다. 이러한 그래핀은 기존 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.
또한, 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, 이하 h-BN으로 칭함)는 2차원 구조를 갖는 물질로서, 붕소원자와 질소 원자의 육각 배열로 이루어져 있으며, 그래핀과 격자 상수값이 유사하며, 광학 포논이 크고, 또한 밴드갭이 매우 크기 때문에 (약 5.9 eV) 고성능 그래핀 전자소자를 위한 2차원 물질로서 주목 받고 있다.
그래핀과 육방정계 질화붕소 2차원 층상 구조를 이용하여 형성되는 자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 포함하는 전자소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체는, 육방정계 질화 붕소층과; 상기 질화 붕소층 상에 형성된 제1자성물질층과; 상기 제1자성물질층 상에 형성된 그래핀을 포함하는 비자성층과; 상기 비자성층 상에 형성된 제2자성물질층을 포함한다.
상기 비자성층은 그래핀층일 수 있다.
상기 비자성층은 산화그래핀 절연층일 수 있다.
상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체 제조 방법은, 육방정계 질화 붕소층을 형성하는 단계와; 상기 질화 붕소층 상에 그래핀층을 형성하는 단계와; 인터칼레이션 공정에 의해 상기 질화 붕소층과 그래핀층 사이에 제1자성물질층을 형성하는 단계와; 상기 그래핀층 상에 제2자성물질층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 제2자성물질층을 형성전에 상기 그래핀층을 산화시켜 산화그래핀 절연층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 질화 붕소층은 금속 기판 상에 형성될 수 있다.
상기 금속 기판은 구리층이거나 구리호일일 수 있다.
상기 금속 기판을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자소자는, 자기저항요소를 구비하며, 상기 자기저항요소로 상기한 방법에 의해 제조된 자기저항 구조체를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 메모리소자는, 자기저항요소를 포함하는 적어도 하나의 메모리셀을 구비하며, 상기 자기저항요소는, 서로 이격된 제1 및 제2자성층; 및
상기 제1 및 제2자성층 사이에 구비된 비자성층;을 포함하고, 상기 비자성층은, 그래핀층이나 산화 그래핀 절연층으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2자성층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 그래핀과 육방정계 질화붕소 2차원 층상 구조를 이용하며, 인터칼레이션 공정에 의해, 그래핀층과 육방정계 질화붕소층 사이에 자성물질층을 형성함으로써, 자기저항 구조체를 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 저항 구조체를 개략적으로 보여준다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항 구조체 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 구조체를 개략적으로 보여준다.
도 5를 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체를 적용한 전자소자의 일 예로서, 메모리 소자의 실시예를 개략적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체 및 그 제조 방법, 이를 포함하는 전자소자를 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 도면상에서 각 구성요소의 크기나 두께 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에서 "상부"나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체는 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride:이하, h-BN)와 그래핀의 2차원 층상 구조를 이용하여 형성된다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체 제조 방법을 보여주는 단면도이다. 도 1a 내지 도 1c는 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하는 과정을 보여준다. h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조는 화학기상증착법을 이용하여 제조할 수 있다. 도 1d 내지 도 1e는 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기저항 구조체를 형성하는 과정을 보여준다.
먼저 도 1a를 참조하면, h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하기 위하여 금속 기판(10)을 준비한다.
상기 금속 기판(10)은 그 위에 h-BN층(20)을 직접 성장시키기 위한 촉매 역할과 함께 성장된 h-BN층(20)을 지지하는 지지체 역할을 한다. 상기 금속 기판(10)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr) 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 기판일 수 있다. 이러한 금속 기판(10)은 금속 단독으로 이루어진 박막 또는 후막의 시트일 수 있다. 상기 금속 기판(10)은 약 1mm 이하의 두께, 예를 들어 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 기판(10)은 구리 기판 예컨대, 구리 호일일 수 있다.
상기 금속 기판(10) 상에 직성장되는 h-BN층(20)의 표면 거칠기는 금속 기판(10)의 표면 거칠기에 따라 결정될 수 있다. 표면이 거친 금속 기판(10) 상에 성장된 h-BN층(20)은 거친 표면을 갖게 되고, 또한 다량의 불순물 입자를 포함하게 되어 물성 저하가 발생될 수 있다. 그러므로, 이러한 물성 저하를 억제하기 위해서 h-BN층(20) 형성시 먼저 상기 금속 기판(10)이 매끄러운 표면을 갖도록 제어함으로써, 그 위에 성장하는 h-BN층(20) 또한 불순물 입자의 함량이 적고 매끄러운 표면을 갖도록 형성할 수 있다.
다음으로, 도 1b에서와 같이, 상기 금속 기판(10)상에 h-BN층(20)을 형성할 수 있다. 상기 h-BN층(20)은 화학기상증착법을 이용하여 금속 기판(10) 상에 직접 성장될 수 있다. 상기 h-BN층(20)은 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체에서 절연층으로서 작용할 수 있다.
상기 h-BN층(20)은 2차원 평면 구조체로서 B-N간의 결합이 sp2 공유결합이고, 층간 결합은 반데르발스 결합을 포함할 수 있다. 상기 h-BN층(20)은 나노사이즈 두께의 대면적을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 h-BN층(20)은 원자층 두께로서, 단일층 두께를 가질 수 있으며, 2층 이상의 다중층 구조를 가질 수도 있다. 상기 h-BN층(20)은 예를 들어 10nm 이하, 구체적으로는 5nm 이하, 보다 구체적으로는 2nm 이하의 두께로 2차원 층상 구조로 적층된 단일층 또는 다중층 구조일 수 있다. 상기 h-BN층(20)의 두께가 예컨대, 10nm 이하에서 그 위에 그래핀층을 직접적으로 성장시킬 수 있는 지지체로 작용할 수 있다.
다음으로, 도 1c에서와 같이, h-BN층(20) 상에 그래핀층(30)을 형성한다. 그래핀층(30)은, 화학기상증착법을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 그래핀층(30)은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합(예컨대, sp2 결합)으로 연결되어 평면상으로 배열되어 있는 것으로, 상기 그래핀층(30)은 단일층 그래핀으로 이루어지거나, 복수층 그래핀으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 금속층 상에 h-BN층(20)을 형성하고, 이 h-BN층(20)을 기저층으로 하여 그래핀층(30)을 형성하면, h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조가 얻어질 수 있다.
이때, h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조는 화학기상증착법을 이용하여 제조할 수 있다. 즉, 상기 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조는 금속 기판(10) 상에 화학기상증착법으로 h-BN층(20)을 직성장하고, 이어서 이 h-BN층(20) 상에 화학기상증착법으로 연속적으로 그래핀층(30)을 형성시킴으로써 제조될 수 있다.
금속 기판(10) 상에 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하는 방법을 보다 구체적인 예를 들어 설명하면 아래와 같다.
h-BN층(20)은 금속 기판(10) 상에 다음과 같은 방법으로 직성장될 수 있다. 챔버 내에서 제1열처리에 의해 그레인 크기가 증가된 금속 기판(10)을 얻은 후, 질소 공급원 및 붕소 공급원을 상기 챔버에 기상으로 공급하면서, 제2열처리에 의해 상기 금속 기판(10) 상에 h-BN층(20)을 생성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있다.
h-BN층(20)을 형성하기 전에 상기 제1열처리 공정에 따라 금속 기판(10)을 미리 열처리하면, 금속 기판(10) 내의 그레인 크기를 증가시켜 h-BN층(20)의 표면 품질을 개선시킬 수 있다.
상기 금속 기판(10)의 그레인 크기는 각 개별 그레인이 차지하는 면적의 평균값으로 평가할 수 있다. 예를 들어 단위 그레인들의 평균 면적값은 상기 금속 기판(10)의 표면 광학 사진 중 일정 영역, 예컨대, 1cm X 1cm 내에 존재하는 그레인의 갯수를 육안으로 측정한 후, 상기 면적을 이들 갯수로 나누어 얻을 수 있다. 상기 제1열처리 후 상기 금속 기판(10)의 단위 그레인은 약 1㎛2 이상, 예를 들어 약 1㎛2 내지 약 1cm2의 평균 면적을 가질 수 있다.
상기 제1열처리 공정은 예를 들어 약 500℃ 내지 약 3,000℃의 고온을 갖는 챔버에서 약 10분 내지 약 24시간 동안 수행할 수 있다. 상기와 같은 제1열처리 공정에 의해 상기 금속 기판(10)에 존재하는 그레인 크기가 증가함에 따라 촉매 금속의 표면은 보다 낮은 표면조도를 나타내므로, 예를 들어 약 7.0nm 이하, 예컨대, 약 0.01 내지 약 7.0nm의 표면 조도를 가질 수 있다.
상기 제1열처리 공정 중 상기 챔버의 내부는 불활성 분위기 및/또는 환원성 분위기로 유지할 수 있다. 상기 제1열처리 공정은 1회 이상, 수차례 반복하여 그레인 크기를 보다 증가시키는 것도 가능하다.
상기 금속 기판(10)의 표면 제어 공정으로서 제1열처리에 의해 그레인의 크기를 증가시킨 후, 추가적인 연마 공정에 의해 그 표면을 더욱 매끄럽게 가공할 수 있다. 이와 같은 연마 공정으로서는 화학적 연마, 물리적 연마, 화학기계적 연마 및 전해 연마 공정 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기와 같은 연마 공정에 의해 제1열처리 공정에 의해 증가된 그레인 크기를 갖는 금속 기판(10)의 표면을 더욱 매끄럽게 하여 표면 조도를 감소시킬 수 있다. 상기와 같은 추가적인 연마 공정에 의해 상기 금속 기판(10)은 표면이 더욱 매끄러워짐에 따라 보다 낮은 표면 조도를 가질 수 있다. 예를 들어 약 5.0nm 이하 예컨대, 약 0.01 내지 약 5.0nm의 표면 조도를 가질 수 있다.
상기 금속 기판(10)의 크기 및 형태에 따라 그 위에 형성되는 h-BN층(20)의 크기 및 형태가 결정될 수 있다. 대면적 h-BN층(20)을 얻기 위해 상기 금속 기판(10)의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어 상기 금속 기판(10)의 크기는 폭 및 너비 중 하나 이상이 1cm 이상의 크기를 가질 수 있으며, 최대 1m 이상의 크기를 가질 수 있다. 또는 상기 금속 기판(10)의 면적이 1cm2 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 기판(10)의 면적은 약 1cm2 내지 약 1m2의 면적을 가질 수 있다.
상기 금속 기판(10)을 소정 패턴 형상으로 제조하여 사용할 경우, 그 표면 상에서 형성되는 h-BN층(20) 또한 동일한 패턴 형상을 가질 수 있다.
고품질 및 대면적의 h-BN층(20)은 상기와 같이 제1열처리 및 선택적인 연마 공정에 의해 표면처리된 금속 기판(10)에 질소공급원 및 붕소 공급원을 기상으로 챔버 내에 공급하면서 제2열처리를 수행하여 형성할 수 있다.
상기 질소 공급원은 질소 원소를 기상으로 공급할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, NH3, N2 등에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 붕소 공급원은 붕소 원소를 기상으로 공급할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, BH3, BF3, BCl3, B2H6, (CH3CH2)3B, (CH3)3B, 디보란 등에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
질소와 붕소를 모두 공급할 수 있는 공급원으로서 보라잔(H3NBH3), 보라진((BH)3(NH)3) 등에서 선택된 하나 이상을 사용할 수도 있다.
상기 질소 공급원 및 붕소 공급원은 챔버 내에 기상으로 공급될 수 있으나, 원료 물질 자체가 기상일 필요는 없으며, 외부 용기에서 고체상의 질소 및 붕소 함유 물질을 기화시켜 사용하는 것도 가능하다.
외부 용기에서 기화된 기상의 질소 공급원 및 붕소 공급원은 질소가스와 함께 상기 챔버에 공급될 수 있다. 이때 상기 외부 용기의 온도와 질소가스의 유속(flow rate)을 적절히 제어하여 챔버 내로 공급되는 질소 및 붕소의 함량을 조절할 수 있으므로, 그에 따라 얻어지는 h-BN의 성장을 제어할 수 있다.
상기 외부 용기에 저장되는 고상의 함질소 및 함붕소 화합물로서는 암모니아-보란(NH3-BH3) 화합물을 사용할 수 있다. 상기 암모니아-보란 화합물의 기화는 예컨대, 약 130℃에서 이루어지므로 온도를 조절하여 기화되는 NH3 및 BH3의 양을 적절히 조절할 수 있다.
기상의 질소공급원 및 붕소공급원은 일정한 유량으로 반응기 내에 공급될 수 있으며, 예를 들어 상기 질소공급원 및 붕소공급원은 약 1:1의 화학양론적으로 예를 들어 약 1 내지 약 100sccm의 유량으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 질소공급원 및 붕소공급원은 불활성분위기 및/또는 환원성 분위기하에 공급될 수 있다. 상기 불활성 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스와 같은 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 상기 환원성 분위기는 수소 가스를 사용하여 형성할 수 있다. 불활성 가스 및 수소 가스를 혼합가스 형태로 함께 공급하는 것도 가능하다. 상기 불활성 가스는 예를 들어 100 내지 1000 sccm, 구체적으로는 300 내지 700 sccm의 유량으로 반응기 내에 공급될 수 있으며, 상기 수소 가스는 예를 들어 100 내지 1000 sccm, 구체적으로는 300 내지 700 sccm의 유량으로 반응기 내에 공급될 수 있다.
상기 제2열처리 공정은 h-BN층(20) 상기 금속 기판(10)의 표면 상에서 성장시키기 위한 공정으로서, 적절한 온도에서 소정 시간 동안 수행될 수 있으며, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 1,200℃ 예컨대, 약 700℃ 내지 금속 기판(10)의 융점의 온도에서 약 1분 내지 약 2시간 동안 수행할 수 있다. 상기와 같은 제2열처리 공정에 의해 얻어진 결과물은 소정의 냉각 공정을 거치게 된다. 이와 같은 냉각 공정은 생성된 h-BN이 균일하게 성장하여 일정하게 배열될 수 있도록 하기 위한 공정으로서, 예를 들어 분당 약 10 내지 약 100℃의 속도로 냉각시킬 수 있다. 이와 같은 냉각을 위해 불활성가스인 질소가스 등을 일정한 유속으로 가할 수 있다. 또한 자연 냉각 등의 방법을 사용하는 것도 가능하며, 이와 같은 자연 냉각은 열원의 작동을 중지시키거나, 열원을 챔버에서 제거하는 등의 방법으로 수행할 수 있다.
이와 같은 냉각공정 이후 얻어지는 h-BN층(20) 원자층 두께로서 단일층 구조를 가지거나 혹은 2층 이상의 다중층 구조를 가질 수 있다. 상기 h-BN층(20)이 다중층 구조일 경우 예를 들어 10nm 이하, 구체적으로는 5nm 이하, 보다 구체적으로는 2nm 이하의 두께로 적층된 다중층 구조일 수 있다.
상기와 같이 금속 기판(10) 상에 직성장된 h-BN층(20)은 챔버 내에 제공되며, 이어서 상기 챔버의 온도를 300 내지 1500℃ 범위로 승온시킨다. 상기 승온된 온도 범위에서 금속 기판(10) 및 h-BN층(20)에 손상을 주지 않으면서, 그래핀층(30)을 성장시킬 수 있는 분위기가 챔버 내에 조성될 수 있다.
상기 승온 및 이어지는 열처리를 위한 열원으로 유도가열(inductin heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, 표면 플라즈몬 가열 등을 제한 없이 사용할 수 있다. 이와 같은 열원은 상기 챔버에 부착되어 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시키고 일정 온도를 유지시킬 수 있다.
그 다음, 탄소 공급원을 상기 챔버에 기상으로 공급하면서, 상기 온도 범위를 유지한 상태로 열처리 함으로써 상기 h-BN층(20) 상에 그래핀층(30)을 형성한다.
상기 탄소 공급원으로서는 탄소를 공급할 수 있으며, 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 기상 탄소 공급원으로서는 카본을 함유하는 화합물이면 어느 것이라도 가능하다. 예를 들어, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 탄소 공급원으로 사용할 수 있다.
이와 같은 탄소 공급원은 h-BN층(20)이 성장된 금속 기판(10)이 존재하는 챔버 내에 일정한 압력으로 투입될 수 있으며, 예를 들어 약 1 내지 약 100sccm의 유량으로 공급될 수 있다.
상기 탄소 공급원은 불활성분위기 및/또는 환원성 분위기하에서 챔버 내에 공급될 수 있다. 상기 불활성 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스와 같은 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 상기 환원성 분위기는 수소 가스를 사용하여 형성할 수 있다. 수소는 금속 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 탄소 공급원은 불활성 가스 및 수소 가스를 혼합가스 형태로 함께 공급하는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 불활성 가스는 약 100 내지 약 1000 sccm, 예컨대, 약 300 내지 약 700 sccm의 유량으로 챔버 내에 공급될 수 있으며, 상기 수소 가스는 약 100 내지 약 1000 sccm, 예컨대, 약 300 내지 약 700 sccm의 유량으로 챔버 내에 공급될 수 있다.
상기 탄소 공급원을 챔버 내에 기상으로 공급하면서, 상기 온도 범위를 유지한 상태로 열처리하면 h-BN층(20) 상에 그래핀층(30)이 형성될 수 있다. 열처리는 약 300 내지 약 1500℃ 범위로 승온된 온도를 유지한 상태로 진행될 수 있다. 예를 들어, 열처리는 약 500 내지 약 1000℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은, 금속 기판(10)이 후막 형태인 경우, 박막 형태인 경우에 비하여 보다 고온에서 수행될 수 있다.
상기 열처리 공정을 일정한 시간 동안 유지함으로써 그래핀층(30)의 생성 정도를 조절할 수 있다. 즉, 목적하는 그래핀층(30) 예컨대, 단일층의 그래핀층(30)을 얻기 위하여 열처리 공정의 유지시간을 제어할 수 있다. 상기 열처리 공정은 예를 들어 약 10분 내지 약 100 시간 동안 유지할 수 있다.
상기와 같은 열처리 공정에 의해 얻어진 결과물은 소정의 냉각 공정을 거칠 수 있다. 상기 냉각 공정은 생성된 그래핀이 균일하게 성장하여 2차원 평면 상으로 일정하게 배열되도록 도와줄 수 있다. 급격한 냉각은 생성되는 그래핀층(30)의 균열 등을 야기할 수 있으므로, 가급적 일정 속도로 서서히 냉각시키는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어 분당 약 0.1 내지 약 10℃의 속도로 냉각시키는 것이 필요할 수 있으며, 자연 냉각 등의 방법을 사용하는 것도 가능하다. 자연 냉각은 열처리에 사용된 열원을 단순히 제거한 것으로서, 이와 같은 열원의 제거만으로도 충분한 냉각 속도를 얻을 수 있다. 상기한 바와 같은 열처리 및 냉각 과정은 1사이클 과정으로 수행할 수 있으나, 이들을 수차례 반복하여 치밀한 구조의 그래핀층(30)을 생성하는 것도 가능하다.
상기 열처리 공정 후 얻어지는 그래핀층(30)은 단일층 또는 복수층일 수 있다.
상기 그래핀층(30)은 금속 기판(10) 및 h-BN층(20)의 크기를 조절함으로써 용이하게 대면적 조절이 가능하다. 예를 들어 상기 그래핀층(30)의 크기는 폭 및 너비 중 하나 이상이 1cm 이상의 크기를 가질 수 있으며, 최대 1m 이상의 크기를 가질 수 있다.
이와 같이 금속 기판(10) 상에 화학기상증착법으로 직성장된 h-BN층(20) 상에 화학기상 증착법을 이용하여 연속적으로 그래핀층(30)을 성장시켜 얻어진 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조는 기계적 전사 공정에 따라 그래핀 시트를 h-BN 시트 상에 형성시키는 경우에 비하여, 전사 공정 중에 발생할 수 있는 h-BN 시트와 그래핀 시트 사이의 계면으로의 불순물 유입을 최대한 억제할 수 있으므로, 결함이 적은 고품질의 2차원 층상 구조가 얻어질 수 있다.
상기와 같은 공정에 의해 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성한 다음, 도 1d에서와 같이, h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)을 형성한다.
h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)을 형성하는 공정은, 인터칼레이션(intercalation) 공정에 의해 이루어질 수 있다.
예를 들어, 인터칼레이션 공정은 온도가 차이가 나며 서로 통하도록 된 두 벌브(bulb)를 가지는 튜브 내에서 염소 분위기하에서 이루어질 수 있다. 이때, 일 벌브에는 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 위치시키고, 다른 벌브에는 제1자성물질층(40)의 원재료를 위치시킨 상태에서 이루어질 수 있다.
이러한 인터칼레이션 공정동안, 층 사이에 화학적 본딩을 가지지 않는 h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)이 형성될 수 있다.
상기 제1자성물질층(40)은 예컨대, 강자성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1자성물질층(40)은 Fe, Co, CoFe, CoFeB를 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 강자성물질로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 1e에서와 같이, 그래핀층(30) 상에 자성물질을 증착하여 제2자성물질층(50)을 형성할 수 있다. 상기 제2자성물질층(50)은 제1자성물질층(40)과 마찬가지로, 강자성물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2자성물질층(50)은 Fe, Co, CoFe, CoFeB를 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 강자성물질로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제2자성물질층(50)/그래핀층(30)/제1자성물질층(40)/h-BN층(20)의 스택 구조를 형성한 다음, 상기 금속 기판(10)은 제거될 수 있다.
도 1a 내지 도 1e를 참조로 설명한 공정을 통해, 도 2에서와 같은 제2자성물질층(50)/그래핀층(30)/제1자성물질층(40)/h-BN 절연층 구조의 자기 저항 구조체가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 구조체는, h-BN층(20)과, 이 h-BN층(20)상에 형성된 제1자성물질층(40)과, 제1자성물질층(40)상에 형성된 그래핀을 포함하는 비자성층과, 이 비자성층 상에 형성된 제2자성물질층(50)을 포함하며, 비자성층이 그래핀층(30)일 수 있다.
도 2에서와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 구조체는 예를 들어, GMR(giant magnetoresistance) 특성을 나타낼 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항 구조체 제조 방법을 보여주는 단면도이다. 도 3a 내지 도 3c는 도 1a 내지 도 1c에서와 마찬가지로, h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하는 과정을 보여준다. h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조는 화학기상증착법을 이용하여 제조할 수 있다. 도 3d 내지 도 1f는 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 이용하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항 구조체를 형성하는 과정을 보여준다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하기위하여, 금속 기판(10)을 준비하고, 이 금속 기판(10)은 위에 화학기상증착법으로 h-BN층(20)을 직접 성장시키고, 이어서 h-BN층(20) 상에 화학기상증착법으로 그래핀층(30)을 형성한다. h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성하는 공정은 도 1a 내지 도 1c를 참조로 전술한 바와 같을 수 있으므로, 여기서는 반복적인 설명은 생략한다.
상기와 같은 공정에 의해 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 형성한 다음, 도 3d에서와 같이, h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)을 형성한다.
h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)을 형성하는 공정은, 인터칼레이션(intercalation) 공정에 의해 이루어질 수 있다. 인터칼레이션 공정은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 인터칼레이션 공정은 온도가 차이가 나며 서로 통하도록 된 두 벌브(bulb)를 가지는 튜브 내에서 염소 분위기하에서 이루어질 수 있다. 이때, 일 벌브에는 h-BN과 그래핀의 2차원 층상 구조를 위치시키고, 다른 벌브에는 제1자성물질층(40)의 원재료를 위치시킨 상태에서 이루어질 수 있다.
이러한 인터칼레이션 공정동안, 층 사이에 화학적 본딩을 가지지 않는 h-BN층(20)과 그래핀층(30) 사이에 제1자성물질층(40)이 형성될 수 있다.
상기 제1자성물질층(40)은 예컨대, 강자성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1자성물질층(40)은 Fe, Co, CoFe, CoFeB를 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 강자성물질로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3e에서와 같이, b-BN층과 그랜핀층 사이에 인터칼레이션 공정에 의해 제1자성물질층(40)을 형성된 상태에서 그래핀층(30)에 대해 산화공정을 진행하여, 상기 그래핀층(30)을 산화그래핀(graphene oxide:GO) 절연층(130)으로 만들 수 있다.
상기 산화그래핀 절연층(130)은, 예를 들어, 실온에서 SiO2의 자연 산화와 같은 방식으로, 그래핀층(30)에 산화 공정을 진행함으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3f에서와 같이, 산화그래핀 절연층(130) 상에 자성물질을 증착하여 제2자성물질층(50)을 형성할 수 있다. 상기 제2자성물질층(50)은 제1자성물질층(40)과 마찬가지로, 강자성물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2자성물질층(50)은 Fe, Co, CoFe, CoFeB를 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 강자성물질로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제2자성물질층(50)/산화그래핀 절연층(130)/제1자성물질층(40)/h-BN층(20)의 스택 구조를 형성한 다음, 상기 금속 기판(10)은 제거될 수 있다.
도 3a 내지 도 3f를 참조로 설명한 공정을 통해, 도 4에서와 같은 제2자성물질층(50)/산화그래핀 절연층(130)/제1자성물질층(40)/h-BN(20) 구조의 자기 저항 구조체가 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 구조체는, h-BN층(20)과, 이 h-BN층(20)상에 형성된 제1자성물질층(40)과, 제1자성물질층(40)상에 형성된 그래핀을 포함하는 비자성층과, 이 비자성층 상에 형성된 제2자성물질층(50)을 포함하며, 비자성층이 산화그래핀 절연층(130)일 수 있다.
도 4에서와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 구조체는 예를 들어, TMR(tunnel magnetoresistance) 특성을 나타낼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 자기 저항 구조체 제조 방법 및 이로부터 얻어지는 자기 저항 구조체는 강자성/비자성/강자성의 자기저항 구조체를 필요로 하는 다양한 전자소자에 적용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체는, 메모리 디바이스, 자기 센서, 자성헤드 등 다양한 전자소자에 적용될 수 있다.
도 5를 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 구조체를 적용한 전자소자의 일 예로서, 메모리 소자의 실시예를 개략적으로 보여준다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 메모리소자는 메모리셀(MC1)에 자기저항요소(MR1) 및 이에 연결된 스위칭요소(TR1)를 포함할 수 있다. 자기저항요소(MR1)는 도 2 및 도 4를 참조로 설명한 자기저항 구조체를 가질 수 있다.
도 5와 도 2 및 도 4를 대조하면, 도 5에서 S10층은 도 2 및 도 4에서의 h-BN층(20)에 대응하며, 제1 및 제2자성층(M10, M20)은 제1 및 제2자성물질층(40)(50)에 대응하며, 비자성층(N10)은 그래핀층(30) 또는 산화그래핀 절연층(130)에 대응할 수 있다. h-BN층(S10)은 필요에 따라 제거될 수 있다.
자기저항요소(MR1)의 제1 및 제2자성층(M10, M20) 중 하나, 예컨대, 제1자성층(M10)은 자유층일 수 있고, 다른 하나, 예컨대, 제2자성층(M20)은 고정층일 수 있다.
상기 비자성층(N10)은 그래핀층(30)이거나 산화그래핀 절연층(130)일 수 있다. 상기 비자성층(N10)이 그래핀층(30)인 경우, 상기 메모리소자는 GMR 특성을 이용하는 메모리소자일 수 있다. 상기 비자성층(N10)이 산화그래핀 절연층(130)인 경우, 상기 메모리소자는 TMR 특성을 이용하는 메모리소자일 수 있다.
스위칭요소(TR1)는, 예컨대, 트랜지스터일 수 있다. 스위칭요소(TR1)는 자기저항요소(MR1)의 제1자성층(M10)에 전기적으로 연결될 수 있다.
메모리셀(MC1)은 비트라인(BL1)과 워드라인(WL1) 사이에 연결될 수 있다. 비트라인(BL1)과 워드라인(WL1)은 서로 교차하도록 구비될 수 있고, 이들의 교차점에 메모리셀(MC1)이 위치될 수 있다. 비트라인(BL1)은 자기저항요소(MR1)에 연결될 수 있다. 자기저항요소(MR1)의 제2자성층(M20)이 비트라인(BL1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 워드라인(WL1)은 스위칭요소(TR1)에 연결될 수 있다. 스위칭요소(TR1)가 트랜지스터인 경우, 워드라인(WL1)은 스위칭요소(TR1)의 게이트전극에 연결될 수 있다. 워드라인(WL1)과 비트라인(BL1)을 통해서, 메모리셀(MC1)에 쓰기전류, 읽기전류, 소거전류 등이 인가될 수 있다.
도 5에서는 하나의 메모리셀(MC1)을 도시하였지만, 복수의 메모리셀(MC1)은 어레이(array)를 이루도록 배열될 수 있다. 즉, 복수의 비트라인(BL1)과 복수의 워드라인(WL1)이 서로 교차하도록 배열될 수 있고, 이들의 교차점 각각에 메모리셀(MC1)이 구비될 수 있다.
10...금속 기판 20...h-BN층
30...그래핀층 40...제1자성물질층
50...제1자성물질층 130...산화그래핀 절연층

Claims (15)

  1. 육방정계 질화 붕소층과;
    상기 질화 붕소층 상에 형성된 제1자성물질층과;
    상기 제1자성물질층 상에 형성된 그래핀을 포함하는 비자성층과;
    상기 비자성층 상에 형성된 제2자성물질층을 포함하는 자기저항 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 그래핀층인 자기저항 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어진 자기저항 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 산화 그래핀 절연층인 자기저항 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어진 자기저항 구조체.
  6. 육방정계 질화 붕소층을 형성하는 단계와;
    상기 질화 붕소층 상에 그래핀층을 형성하는 단계와;
    인터칼레이션 공정에 의해 상기 질화 붕소층과 그래핀층 사이에 제1자성물질층을 형성하는 단계와;
    상기 그래핀층 상에 제2자성물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 자기저항 구조체 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2자성물질층을 형성전에 상기 그래핀층을 산화시켜 산화그래핀 절연층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 자기저항 구조체 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어진 자기저항 구조체 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2자성물질층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어진 자기저항 구조체 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 질화 붕소층은 금속 기판 상에 형성되는 자기저항 구조체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속 기판은 구리층이거나 구리호일인 자기저항 구조체 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 금속 기판을 제거하는 단계;를 더 포함하는 자기저항 구조체 제조 방법.
  13. 자기저항요소를 구비하며,
    상기 자기저항요소로 청구항 6항 내지 12항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 자기저항 구조체를 이용하는 전자소자.
  14. 자기저항요소를 포함하는 적어도 하나의 메모리셀을 구비하며,
    상기 자기저항요소는,
    서로 이격된 제1 및 제2자성층; 및
    상기 제1 및 제2자성층 사이에 구비된 비자성층;을 포함하고,
    상기 비자성층은, 그래핀층이나 산화 그래핀 절연층으로 이루어진 메모리소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2자성층 중 적어도 하나는 강자성 물질로 이루어진 메모리소자.
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