Magnetic and Structural Properties of CoFeZr Alloy Films and Magnetoresistive Properties of Spin Valves Incorporating Amorphous CoFeZr Layer

(1)

−

227

⁻

CoFeZr 합금박막의 미세구조, 자기적 특성 및 비정질 CoFeZr 합금박막을 사용한 스핀밸브의 자기저항 특성에 관한 연구

안황기·박대원·김기수·이성래^*

고려대학교 신소재공학부, 서울시 성북구 안암동 5-1, 136-713

(2008년 11월 12일 받음, 2008년 12월 3일 최종수정본 받음, 2008년 12월 15일 게재확정)

Zr

^함량에^따르는

CoFeZr

^의^{합금박막의}^구조^및^자기적^특성

,

^그리고 ^비정질

CoFeZr

^을^사용한^{스핀밸브의} ^자기저항^및^열적

안정성에관하여연구하였다

. Zr

조성이 증가함에따라

CoFeZr

합금박막의포화자기장 및보자력은감소하며완전히비정질이 형성되었을때보자력은 최소값을보였다

. Zr

의함량이 약

18 at%

이상일때완전한비정질이형성되었다

.

비정질

CoFeZr

을스 핀밸브에적용하였을때기존의

CoFe

^을^사용한^{스핀밸브보다}^{자기저항비와}^{교환결합력은}^약간^감소하는^경향을^확인^하였다

.

^이

는비정질 자성체의상대적으로높은저항값에 기인하였다

.

^그러나 ^∆ρ

,

^즉^{스핀의존산란은}^{향상되었다}

.

주제어

: CoFeZr

^합금박막

,

^비정질

,

^스핀밸브

I. 서 론

스핀밸브를사용한소자는자기저항비및민감도를극대화 시키는동시에 열적안정성을구현하는 것이중요하다

.

소자 제조

(~350

^o

C)

및 실제 소자 작동

(~150

^o

C)

시 그리고

ESD (Electro Static Discharge)

및

thermal asperity

에 의해 높은 열이스핀밸브에발생하게되고

,

극심한경우에는자기저항비

,

교환결합력의 감소 및고정층의 자화방향이 치우침

,

그리고 다층구조를 파괴하는 열화현상이 발생하여 소자로서의 역할 을잃어버리게 된다

[1-4].

스핀밸브에서 나타나는 열화 현상 중가장 주된원인은지속적으로열에 노출되었을때원자들 의상호확산

(interdiffusion)

및상호섞임

(intermixing)

이다

.

이 러한현상은계면거칠기

,

결정성

,

결정립크기와같은 미세구 조에크게 의존하며하지층의 종류에크게 영향을받는다

[5- 9].

최근에 열적안정성을 향상시키기 위한 방안으로 비정질 자성체를사용한스핀밸브에대한연구가진행되었다

.

비정질 자성체는 결정립이없기 때문에 높은 전기저항을 가지고 있 어전류세어현상

(shunting effect)

을최소화시킬수있고상 호확산이나 상호섞임을 억제시켜 열적안정성을 향상시킬 수

있는 장점이 있다

[10].

또한 결정화된 자성층보다낮은 보자

력및고민감도그리고짧은평균자유행로

(mean free path)

을 가지고 있기 때문에 최대 자기저항비가나오는 자성층의 두

께를줄일 수있는장점이 있다

[10, 11].

특히

,

임의의온도에서결정화된 재료보다상호확산및상 호섞임이적게일어나는구조이기때문에헤드제작 및실제 작동시발생하는열에대해서우수한열적특성을나타나게된

다

[12].

^그래서 ^많은 ^{연구자들이} ^비정질 ^자성층을 ^사용하여

스핀밸브를제작하여열적특성을향상시키기위한연구를하 였다

.

그러나결정화된 자성체보다는스핀의존산란이작아자 기저항비가 낮고 반강자성체와의교환결합력이 적은 문제점

을 가지고 있다

.

이러한 문제를 해결하기 위해서

Sakakima

[13]

등은

Cu

와 비정질 자성체

(CoMnB, CoNbZr)

사이에

Co

를 삽입하여

Co

두께에 따라

1~7 %

까지의 자기저항비를

얻었다

.

또한

, Co

두께를 일정하게 하였을 때비정질의 두께 는감소할수록최대 자기저항비가나타났다

. Fusita

등

[14]

은 비정질자성체와반강자성체사이에결정화된자성체

NiFe

을 삽입시켜 교환결합력을증대시켰다

.

비정질자성체가 반강자 성체하고의 교환결합력은약하지만 강자성체

NiFe

하고는결 합력이높기때문에반강자성체와

NiFe

의높은교환결합력은 유지하면서비정질자성체와

NiFe

의강한결합을사용하여기 존의결정화된자성체를사용한 것과비슷한교환결합력을얻

을수있었다

. Fujitsu

에서는

CoFe

대신고정층 및자유층으

로

CoFeB

을 사용하여

synthetic

스핀밸브를 제작하여 높은

자기 저항비를얻었다

.

본연구에서는

CoFeZr

합금박막에서

Zr

함량에따르는미

세구조및자기적특성을분석하고비정질

CoFeZr

을사용한

스핀밸브의자기저항특성및열적안정성에관하여연구를하 였다

.

II. 실험 방법

본실험에서는 초고진공

6 target DC

마그네트론 스퍼터 장비를사용하여시편을제작하였다

.

박막제조시사용된기

판은

Si(100)

웨이퍼위에 약

2000 Å

의산화막을형성시킨열

*Tel: (02) 3290-3270, E-mail: [email protected]

(2)

산화웨이퍼를 사용하였다

.

^스핀밸브 ^박막^제작에 ^사용된^타

겟은 반강자성체로

IrMn,

강자성체로

CoFe,

비자성체로

Cu,

그리고 하지층과 보호층으로

Ta

^을 ^{사용하였고}

seed layer

^로

NiFe(81 : 19 at%)

을 사용하였고 비정질 자성체인

CoFeZr

은

Co

⁹⁰

Fe

¹⁰^과

Co

⁸⁰

Fe

²⁰^타켓에

Zr chip

^을^부쳐서^개수를^변화시

키며 조성을 변화 시켰다

.

합금박막의 조성분석은

ICP

를사

용하였다

.

^모든^타겟의 ^순도는

99.95 %

^{이상이었다}

.

^증착 ^전

초기 진공도는

3×10

⁻⁸

Torr

이하를 유지하였다

.

스퍼터 가스

로는 순도

99.9999 %

^아르곤을 ^{사용하였다}

.

^{증착전력은}

50~80 W

로증착하였다

.

증착되는 막에이방화를주기위해서

시편 양옆으로영구자석을부착하여 약

500 Oe

^의^자장을 ^인

가하여증착을 하였다

.

본연구에서제작된박막은

Si/Ta/NiFe/IrMn/CoFe(CoFeZr)/

Cu/CoFe/Ta

구조의

bottom

스핀밸브 구조로 제작하였다

.

제 작된 박막은 진동시료형 자력계로 상온에서 자기적 특성을

, 4

단자법

(four point probe method)

으로상온에서의 자기저항 비

(MR %)

를측정하였다

. CoFeZr

합금박막의

Zr

조성에 따 르는미세구조및회절상의변화는 투과전자현미경을사용하 여분석하였다

.

III. 실험 결과 및 고찰 1. CoFeZr의미세구조및자기적특성

CoFeZr

합금박막의기본물성을파악하기위해

Co

90

Fe

10및

Co

⁸⁰

Fe

²⁰ ^타겟에

Zr chip

^개수를 ^{변화시켜가며}

Zr

^의 ^조성을

변화시켰다

.

이렇게 제작한 합금박막 시편의 조성을

ICP

분 석을 통하여 확인하였으며

Table I

^에^그 ^결과를^{나타내었다}

. Zr chip

의첨가에 따른

Zr

의함량은

Co

90

Fe

10을사용한경우 와

Co

⁸⁰

Fe

²⁰^을^사용한 ^경우 ^크게 ^{차이나지는} ^않았지만 ^동일

한 갯 수의

chip

을 부착하였을때

Co

80

Fe

20을 사용한 경우

Co

⁹⁰

Fe

¹⁰^을^사용한^경우보다

Zr

^의^조성이^약간^낮게^나타났다

. Co

90

Fe

10을 이용해

Zr chip

개수를 변화해 가면서 제작한

Table 1.

Zr at% in CoFe as a function of number of Zr chips.

Co

90

Fe

10

Co

80

Fe

20

Chip

^개수

Zr

^함량

(at%) Zr

^함량

(at%)

12 28.71 27.21

10 20.06 19.56

08

17.84 14.30

06

11.06 11.89

03 06.02 07.72 _{Fig. 1.}_M_s

and

^H^c

of Co

⁹⁰

Fe

¹⁰

as a function of number of Zr chip.

Fig. 2.

In-plane TEM view of Co

⁹⁰

Fe

¹⁰

and CoFeZr alloy films.

(3)

CoFeZr

^{합금박막의}^자화값^및^보자력을

Fig. 1

^에^{나타내었다}

.

Zr chip

개수 즉

Zr

의 조성이 증가함에 지속적으로 포화자화

값및 보자력은 감소하고 있다

.

^그러나

Zr chip

^의 ^개수가

6

개이상이 되면 보자력은 거의 일정하게 유지되고 있다

.

그

리고 자화값의 변화를 살펴보면

Zr chip

^의^개수가 ^증가함에

따라서자화값은 지속적으로감소한다

. Zr chip

의개수가

11

개이상에서는 약

980(emu/cc)

^의^{자화값으로} ^유지되는 ^경향

을 보인다

.

일단 보자력 변화 결과를 미루어 보면

Zr chip

개수가 약

6

^이상에서

CoFeZr

^{합금박막이} ^{미세구조의} ^변화

를예상 할수있다

.

Zr

^의^함량에^따른^{미세구조의}^변화^및^비정질^형성을^직접

확인하기 위하여

TEM

분석하였다

. Fig. 2

는

Co

90

Fe

10의

Zr

함량에따르는

TEM

^명시야상 ^및^회절상을^보여 ^주고 ^있다

.

Zr

함량이 증가함에 따라 결정립의 크기는 급격히 감소하여

Zr

의 함량이 약

18 at%

에 이르게 되면 거의 비정질화 되는

것을 확인 할수있다

.

또한

Zr

함량이 약

29 at%

까지도 비

정질 상이 유지되고있음을 보여준다

.

따라서

Fig. 1

에서 본

바와같이 보자력의변화는

CoFeZr

의미세구조변화일치하

고있으며 비정질이 형성되면서최소의 보자력을 보이고 비 정질이유지되는조성범위에서는보자력이오차범위내에서 거의 일정한 값을 유지한다

.

그러나 포화 자화값은

Zr

의함 량이증가하면자기모멘트의희석에따라 지속적으로감소하 게 된다

.

따라서 스핀밸브에 적용할 비정질 강자성층으로는 완전한비정질상이형성되고포화자화값이 크게감소되지않 는조성의 합금을 선택하는 것이 바람직하다

.

따라서 약

18 at%

가들어간

CoFeZr

합금 박막을선택하였다

.

2.비정질CoFeZr을사용한스핀밸브

비정질자성체는결정립이없기 때문에결정화된자성층보 다낮은 보자력을가지므로서스핀밸브의자기저항민감도가 우수하며짧은 평균자유행정

(mean free path)

을가지고 있기 때문에 전류새어흐름을 감소시켜 최대 자기저항비가 나오는 자성층의두께를줄일 수있는 장점이있다

.

또한 비정질상 은계면 평활도가 우수하여 스핀밸브에적용시 열적 특성이 개선된다

[15, 16].

Fig. 3

에

Co

90

Fe

10에

Zr chip 8

개

,

즉약

18 at%

를첨가한

CoFeZr

을강자성체로사용한스핀밸브의자기저항특성을나

타내었다

.

초기

10

분열처리에서자기저항비

(MR%)

가증가되 며이는 증착시형성된다양한형태의결함이제거되면서스 핀의존산란

(

∆ρ

)

의 향상 및 저항

(

ρ

)

의 감소에 의하여 나타난

다

[15].

이후자기저항의 지속적인감소는다층구조에서상호

확산

,

특히

Mn

계반강자성체를사용하는스핀밸브에서

Mn

의확산이주된 열화의원인으로저항의증가와스핀의존산

란의감소에기인한다

[17].

열처리결과

CoFeZr

을사용한경

우와

CoFe

을 사용한 스핀밸브의 자기저항의 열적안정성 거

동의변화는거의동일한경향으로나타났다

.

^하지만^저항

(

^ρ

)

의변화를 살펴 볼때비정질

CoFeZr

을사용한 스핀밸브의

경우가

CoFe

^을 ^사용한 ^스핀밸브 ^보다 ^큰 ^값들을 ^나타내고

있다

.

즉

, Zr

의첨가에 의해 비정질

CoFeZr

을얻을 수있었 지만비정질의특성인상대적으로높은저항값의영향으로자 기저항비가 감소하였다

.

하지만 ∆ρ

,

즉 스핀의존 산란은 전 류새어흐름을 억제하여

CoFe

^을 ^사용한 ^스핀밸브 ^보다 ^크게

나타났다

.

Fig. 4

^에

Zr chip

^의^개수를

10

^로^사용한

CoFeZr

^을^자유층

과고정층으로 사용한 스핀밸브의 자기적 특성을각각 나타

내었다

. Zr Chip 10

^개를^사용하여^제작한^{스핀밸브의}^경우도

Zr chip 8

개를 사용하여 제작한 스핀밸브와 동일한 경향의

자기저항비와 교환결합력을나타내었다

.

^이^{스핀밸브의} ^∆ρ과

ρ를 살펴 볼때비정질의 특성을 가지는 상대적으로높은 저 항값 및 ∆ρ을 관찰할 수있었다

.

^또한 ^열처리 ^후 ^나타나는

자기저항비의 변화는

Zr chip 8

개로제작한스핀밸브의경우 Fig. 3.

The magnetoresistive and magnetic properties of spin valve

with CoFeZr (8 Zr chips) as a function of annealing time.

(4)

보다는약간향상되었고교환결합력은동일한결과를얻을수 있었다

.

Fig. 5

에

Zr chip

의 개수를

8, 10, 11

로 제작한

CoFeZr

을 각각 사용한 스핀밸브의열처리 시간에 따른 자기적 특성의 변화를 나타내었다

. Zr chip

의개수가

11

의경우 다른 스핀 밸브에 비하여 자기저항비와 ∆ρ가 감소되었다

.

^ρ의 ^변화는

큰차이가 없는 것으로 보아 자기저항비의 차이는 ∆ρ의 감 소에기인된다

.

^이는

Zr

^함량이^증가되어^자화값의 ^감소에^기

인된 것으로 생각된다

.

ρ는

Zr

을첨가하지 않은 스핀밸브에

비하여크게증가한다

. CoFeZr

^이^비정질의 ^특성을^가지고^있

음을 확인 하였다

.

그리고 ∆ρ의 변화를 살펴 보았을때

CoFeZr

^을^사용할시 ^스핀의존^산란이

CoFe

^을^사용한 ^스핀밸

브보다증가하였다

.

따라서 비정질

CoFeZr

을사용한 스핀밸 브의 자기저항비의 감소 원인은

CoFeZr

^의^저항값의 ^증가가

주된이유이다

.

하지만

CoFeZr

의최적 두께 변화에대한 실

험이 누락되어 최적 조건의 확립에따른 스핀밸브의자기적

특성을다시확인하여볼만하다고생각된다

. CoFeZr

을사용

한스핀밸브의자기저항비 향상의가능성에대하여평가한결

과

, CoFeZr

을사용한스핀밸브의최적조건을확립한다면보

다향상된특성을 얻을수있을 것으로생각된다

.

IV. 결 론

본연구에서는

CoFe

^에

Zr

^함량에^따르는^미세구조^변화와

자기적특성을분석하였고비정질

CoFeZr

합금박막을사용한 스핀밸브에서

Zr

^함량에 ^따르는 ^자기저항 ^특성 ^및^열적안정

에 대하여 연구하였다

. TEM

분석결과

Zr

의 함량이 약

18 at%

^이상에서 ^단일 ^{비정질상이} ^{형성되었으며}

28 at%

^까지

비정질상이유지되었으며작은 보자력을갖는 비정질합금을

제조할수있었다

.

^비정질

CoFeZr

^{합금박막을}^{스핀밸브에}^적

용하였을때기존의

CoFe

을사용한 스핀밸브보다자기저항

비가 약간 감소하였는데 이비정질상의 상대적으로높은 저 항값에 기인하였다

.

그러나 비정질

CoFeZr

합금박막을사용 할경우 스핀의존산란

,

^즉 ^∆ρ는 ^{증가하였다}

.

감사의 글

“

^본^연구는^{학술진흥재단}

(KRF-2004-005-C00068)

^연구비^지원

에의해수행된결과의일부이며이에사의를표하는바이다

.”

Fig. 4.

The magnetoresistive and magnetic properties of spin valve with CoFeZr (10 Zr chips) as a function of annealing time.

Fig. 5.

The magnetoresistive and magnetic properties of spin valve

with CoFeZr as a function of Zr chip numbers and annealing time.

(5)

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Magnetic and Structural Properties of CoFeZr Alloy Films and Magnetoresistive Properties of Spin Valves Incorporating Amorphous CoFeZr Layer

Whang-gi Ahn, Daewon Park, Kisu Kim, and Seong-Rae Lee

^*

Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea (Received 12 November 2008, Received in final form 3 December 2008, Accepted 15 December 2008)

Magnetic and structural properties of CoFeZr alloy films as a function of Zr concentration and magnetoresistive properties of spin valves incorporated with amorphous CoFeZr alloy films have been studied. Magnetization and coercivity of CoFeZr alloy films decreased as the Zr content increased. A single amorphous CoFeZr phase was formed when the Zr content is about above 18 at%.

Magnetoresistance ratio and exchange coupling field of spin valves with amorphous CoFeZr were reduced slightly as compared with spin valves with CoFe because the resistance of amophous CoFeZr is higher than that of crystalline CoFe. However, the

∆ρ

of spin valves with amorphous CoFeZr was improved due to reduction of current shunting.

Keywords :