(51) Int. Cl. G11B 5/31 (2006.01) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 05 월 09 일 10-0716104 2007 년 05 월 02 일 (21) 출원번호 10-2003-0075402 (65) 공개번호 10-2005-0040248 (22) 출원일자 2003년10월28일 (43) 공개일자 2005년05월03일 심사청구일자 2003년10월28일 (73) 특허권자한국과학기술연구원서울성북구하월곡 2 동 39-1 (72) 발명자이광렬서울특별시서초구잠원동동아아파트 103-2010 이승철서울특별시관악구봉천 6 동관악드림타운 122 동 1403 김상필서울특별시강서구염창동 263 태진한솔아파트 101-903 (74) 대리인주성민장수길 (56) 선행기술조사문헌 JP07334816 A JP09291379 A JP2001192804 A JP09091618 A JP2000260009 A 심사관 : 김종기 전체청구항수 : 총 3 항 (54) 다층박막제조방법 (57) 요약 본발명은자성금속박막사이에미소두께의균일한비자성금속박막을형성할수있는다층박막제조방법에관한것이다. 본발명은자성금속박막을형성하는단계 ; 자성금속박막위에알루미늄을증착하는단계 ; 증착된알루미늄위에자성금속을증착하여알루미나이드박막을형성하는단계 ; 그리고알루미나이드박막위에자성금속박막을증착하는단계로이루어진다. 증착되는알루미늄의원자에너지는원자당 5eV 이하이고, 두께는 5A 내지 15A 이다. 자성금속은 Co, Fe 및 Ni 로이루어진군중에서선택된 1 종이상이다. 알루미나이드박막의결정학적정합성을향상시키기위해진공로에서 200 내지 400 의온도범위에서 30 분내지 60 분동안열처리하는단계를더포함한다. 대표도 - 1 -
도 1 특허청구의범위 청구항 1. 자성금속박막을형성하는단계 ; 상기자성금속박막위에알루미늄을증착하는단계 ; 증착된상기알루미늄위에자성금속을증착하여알루미나이드박막을형성하는단계 ; 그리고 상기알루미나이드박막위에자성금속박막을증착하는단계로이루어지고, 상기자성금속은 Co, Fe 및 Ni 로이루어진군중에서선택된 1 종이상인것을특징으로하는다층박막제조방법. 청구항 2. 제 1 항에있어서, 증착되는상기알루미늄의원자에너지는원자당 5eV 이하인것을특징으로하는다층박막제조방법. 청구항 3. 제 1 항에있어서, 증착되는상기알루미늄의두께는 5A 내지 15A 인것을특징으로하는다층박막제조방법. 청구항 4. 삭제 청구항 5. 삭제 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명은다층박막제조방법에관한것으로, 더욱상세하게는자성금속박막사이에미소두께의균일한비자성금속박막을형성할수있는다층박막제조방법에관한것이다. 자기저항 (magnetoresistance, MR) 은어떤물질에자기장을가하면그물질의전기저항이변화되는현상으로, 그메카니즘은여러가지가있다. 첫번째는홀효과 (Hall effect) 에의한것으로, Au 와같은비자성체및반도체물질에자기장을가하면전도전자가로렌츠 (Lorentz) 힘을받아전자의궤적이원형을그리게됨으로써앞으로나아가는것을방해하는저항이생긴다. 이를흔히정상자기저항 (ordinary magnetoresistance, OMR) 이라부르고, 1% 미만의상당히작은크기를갖는다. - 2 -
두번째는정상자기저항에부가적으로강자성물질에서나타나는자기저항이있다. 이것은스핀 - 궤도결합에기인한것으로자기저항은강자성체의자화용이축 (easy axis), 외부자기장과전류간의방향에의존하며, 이를이방성자기저항 (anisotropic magnetoresistance, AMR) 이라부른다. 세번째는인접한자성층사이를전도전자가통과할때스핀방향차이에따른스핀의존산란 (spin dependent scattering) 에기인한거대자기저항 (giant magnetoresistance, GMR) 이있다. 이러한거대자기저항은종래의자기저항에비해대략 10~20 배이상의변화를나타내며, 자성 / 비자성 / 자성다층박막에서주로나타나는것으로, Fe/Cr/Fe 다층박막에서처음발견되었다. 거대자기저항현상이나타나기위해서는자기장의변화에따라자기저항이변화하는값인자기저항민감도가매우커야하며, 자기저항민감도가크다는것은그만틈소자의민감도가향상된다는의미를가지기때문에자기적방법을통해정보를저장하는매체에서동일한면적에더많은저장용량을가진다는것을의미한다. 거대자기저항소자는하드디스크의읽기헤드에적용되어하드디스크의저장용량을비약적으로증가시킬수있는토대를마련하게되었다. 다층박막에서거대자기저항현상이일어나려면비자성금속층을사이에둔자성금속층사이의자화방향이달라야한다. 그리고, 두자성금속층이서로반대방향으로자화되었을때가장큰자기저항이얻어질수있다. 이때. 외부자기장에의해반강자성 (Anti-ferromagnetic) 과강자성 (Ferromagnetic) 결합이가능하려면두자성층사이의비자성금속재료의두께와균일도는매우중요한변수가된다. 예를들어, 강자성체사이의거리가단지 1 원자층만큼변화하더라도거대자기저항비는크게감소되는것이최근연구결과에서밝혀지고있다. 따라서, 높은거대자기저항비를가지는소자를제조하기위해서는자성금속및비자성금속박막의두께가정밀하게제조되어야한다. 예를들면, 자성금속박막과비자성금속박막의계면형상이비자성금속박막의두께에비해더큰정도로거칠다면닐결합 (Neel Coupling) 현상에의해자성금속박막의자화방향을변화시키기힘들게되고, 금속박막사이의계면에서 1 원자층두께의합금이만들어진다면제조된소자의거대자기저항은전자의산란을증가시키고자성금속의자화배열이불균일하게되는문제가발생한다. 따라서, 계면의형상이비교적부드럽고혼합되지않는구조를가져야한다. 또한, 비자성금속으로제조된사이층을어떤재료로사용하느냐에따라계면의결정학적상태와계면전자구조가변화하고, 그결과계면에서전자가경험하는저항은달라진다. 예를들어, 계면의정합성이좋은 Co/Cu, Fe/Cr 과같은조합의경우전도전자의산란과선택의투과성이우수하게되어높은자기저항비를나타내는반면, 계면의정합성이좋지않은 Fe/Cu, Co/Cr 과같은조합의경우상대적으로낮은자기저항비를나타낸다. 현재하드디스크용읽기헤드에사용되는스핀밸브소자로서비자성금속층으로는구리박막을, 자성금속층으로는코발트또는코발트 - 철합금박막을주로사용하고있다. 기존에사용되는금속다층박막은주로스퍼터링에의해증착되고있으며, 증착된자성금속과비자성금속박막계면의형상은어떤금속이증착되는가에따라계면의형상이현저하게다름이보고되고있다. 예를들면, 자성금속박막에비자성금속원소를증착시킬경우계면의형상은편평하지만, 비자성금속박막에자성금속을증착시킬경우에는계면의형상은현저하게거칠게된다. 이는자성금속과비자성금속사이의표면에너지차이에기인한것으로, 표면에너지가높은재료에표면에너지가낮은재료가증착되면평활한계면이얻어지고, 반대의경우거친계면이나타난다. 계면형상의비대칭성을극복하기위해증착되는원자의에너지변화, 증착각의변화등과같은공정변수의조절을통해평활한계면을얻을수있으며이런관점에서많은연구들이진행되어왔다. 그러나, 이러한현상은재료자체의성질에기인한것으로서, 오랜시간사용해금속원소사이에평형상태가만들어진경우에는계면의비대칭성은피할수없는한계라할수있다. 따라서, 새로운물질을사용하여비자성금속사이층을제조하려는시도가많이진행되고있다. 발명이이루고자하는기술적과제 본발명은이러한종래기술의문제점을해결하기위한것으로서, 본발명의목적은자성금속 / 비자성금속박막계면의형상의불규칙성과박막두께의불균일성을극복할수있는다층박막제조방법을제공하는것이다. 상기목적을달성하기위한본발명에따른다층박막제조방법은자성금속박막을형성하는단계 ; 자성금속박막위에알루미늄을증착하는단계 ; 증착된알루미늄위에자성금속을증착하여알루미나이드박막을형성하는단계 ; 그리고알루미나이드박막위에자성금속박막을증착하는단계로이루어진다. 증착되는알루미늄의원자에너지는원자당 5eV 이하이고, 두께는 5A 내지 15A 이다. - 3 -
바람직하게는, 자성금속은 Co, Fe 및 Ni 로이루어진군중에서선택된 1 종이상이다. 또한, 본발명은알루미나이드박막의결정학적정합성을향상시키기위해진공로에서 200 내지 400 의온도범위에서 30 분내지 60 분동안열처리하는단계를더포함한다. 발명의구성 이하에서는첨부된도면을참조하여본발명에대한바람직한실시예를상세하게설명한다. 도 1 은본발명에따라제조된다층박막의모식도이다. 우선, 기존의스퍼터링, 분자빔에피탁시 (MBE) 또는그외의원자단위로박막을형성하는방법을사용하여자성금속박막 (1) 을형성한다. 그후, 자성금속박막 (1) 위에알루미늄을증착시키며, 증착방법은자성금속박막을형성하는방법과동일하게통상의스퍼터링또는분자빔에피탁시등과같은모든물리기상증착법 (Physical Vapor Deposition) 을적용할수있다. 이때, 증착되는알루미늄원자의에너지가높을경우기증착된자성금속박막 (1) 과원자층단위에서혼합이일어날수있으므로비교적낮은에너지, 바람직하게는원자당 5eV 이하를가진원자를증착시킨다. 또한, 증착되는알루미늄의양을조절함으로써알루미늄의두께를대략 5A 내지 15A 정도로조절하게하는데, 이경우가장높은거대자기저항이나타날수있게된다. 이와같이, 알루미늄원자가자성금속내를침투할수없을정도의낮은에너지를가지며, 형성된알루미늄박막의표면에너지는자성금속박막의표면에너지보다훨씬작기때문에혼합이거의일어나지않게되므로, 증착되는알루미늄과자성금속사이에는평활한계면이얻어진다. 다음, 증착된알루미늄위에자성금속을증착하여알루미나이드박막 (2) 을형성한다. 여러증착방법중 DC 마그네트론스 퍼터링을이용하는경우를예로들어설명하면, 10-8 Torr 의베이스프레셔 (Base Pressure) 에서증착하게되며, 이때알루미나이드박막 (2) 의두께는스퍼터의전압을조절하여제어가가능한데, 대략 100V 정도의낮은전압에서는대략 9A 두께의알루미나이드가형성되고, 전압이높아짐에따라형성되는알루미나이드의두께는증가하게된다. 바람직하게는, 자성금속은 Co, Fe 및 Ni 로이루어진군중에서선택된 1 종이상이고, 알루미늄위에자성금속은자발적으로알루미나이드 (CoAl, FeAl, NiAl) 를형성하므로별도의열처리가필요하지않게된다. 그러나, 알루미나이드박막의결정학적정합성의최적화를위해자성금속과알루미늄의양이 1 대 1 이될수있도록진공로에서열처리를할수있다. 바람직하게는, 열처리온도는대략 200 내지 400 이고, 시간은대략 30 분에서 60 분동안진행한다. 마지막으로, 형성된알루미나이드박막 (2) 위에다시자성금속박막 (3) 을증착시킨다. 형성된알루미나이드박막 (2) 은매우안정하므로추가적인자성금속이증착되더라도계면의거칠기는증가하지않으므로, 자성금속박막 (3) 과비자성알루미나이드 (2) 사이에평활한계면을얻을수있다. 도 2 는본발명에따른다층박막제조방법에따라형성된 Co/CoAl/Co 다층박막의원자구조를보인것이다. 면심입방구조를가진코발트 (4) 면위에낮은에너지를가진알루미늄 (5) 을입사시키면, 형성된알루미늄박막은코발트와평활한계면을가지면서대략 1~2ML(monolayer) 의두께를가진다. 이후, 알루미늄 (5) 에다시코발트를증착시키면초기에증착되는코발트는알루미늄과강한화학적친화력이있으므로먼저코발트알루미나이드를형성하고, 이후순수한코발트박막이형성된다. 상술한바와같이, 본발명은스핀전자소자용재료에서비자성금속층을형성할때종래에사용하던구리를사용하지않고알루미늄과자성금속사이에서알루미나이드가자발적으로형성되는현상을이용해수 A 단위의두께가제어가능하며, 평활한계면을가진비자성금속층을형성하는방법을제공한다. 본발명은상기한실시예에한정되지아니하며, 특허청구범위에서청구하는본발명의요지를벗어남이없이당해발명이속하는분야에서통상의지식을가진자라면누구든지다양한변형이가능할것이다. 발명의효과 - 4 -
이상에서상세히설명한바와같이, 본발명은 Co, Fe, Ni 과같은자성금속이알루미늄과혼합되었을때열역학적으로안정한알루미나이드를자발적으로형성하는현상을이용한것으로, 알루미나이드는강도가크며, 해당원소주위에다른원소가위치하도록하는경향이크기때문에조성 (composition) 과두께에있어균일한박막을형성할수있으므로, 자성금속 / 비자성금속 / 자성금속 3 층으로이루어진다층박막형성방법에서자성금속박막사이에미소두께의균일한비자성금속박막을형성할수있는효과를가진다. 또한, 종래의자성박막사이층으로사용되는구리또는금과같은비자성금속에비해알루미나이드는자성금속과평활한계면을형성하므로, 더많은수의다층박막을하나의공정에서제조할수있는효과가있다. 또한, 종래에사용되는스퍼터링및그외의원자층단위박막형성방법이그대로적용가능하여, 종래의제조장치내에서도본발명을실행할수있으므로, 추가적인장비의제조가필요없는장점이있다. 도면의간단한설명 도 1 은본발명에따라제조된다층박막의모식도, 도 2 는본발명에따른다층박막제조방법에따라형성된 Co/CoAl/Co 다층박막의원자구조. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > 1,3: 자성금속박막 2: 알루미나이드박막 도면 도면 1-5 -
도면 2-6 -