Magnetic Properties of Spin Valve Ta Underlayer Depending on N2 Concentration and Annealing Temperature

In this research, magnetic properties and annealing effects of the spin valve structures were investigated, which have Ta underlayer deposited with Ar and $N_2$ gas mixture. Also, TaN underlayer as a diffusion barrier and the substrate were investigated. The structure of the spin valve was Si($SiO_2$)/Ta(TaN)/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/FeMn/Ta. Deposition rate was decreased and resistivity and roughness of the TaN films were increased as the $N_2$ gas flow was increased. The XRD results after high temperature annealing showed that Silicides were created in Si/Ta layer, but not in Si/TaN layer. Magnetoresistance ratio (MR) and exchange coupling field ($H_{ex}$) were decreased when the $N_2$ gas flow was increased over 4.0 sccm. The MR of the spin valves with Ta and TaN films deposited with up to 4.0 sccm of $N_2$ gas flow was increased about $0.5\%$ until the annealing temperature of up to $200^{\circ}C$ and then, decreased. TaN film deposited with 8.0 sccm of $N_2$ gas flow showed twice the adhesion of the Ta film. The above results indicate that with 3.0 sccm of $N_2$ gas flow during the Ta underlayer deposition, the magnetic properties of the spin valves are maintained, while the underlayer may be used as a diffusion barrier and the adhesion between the Si substrate and the underlayer is increased.

스핀 밸브 Ta 하지층의 질소함유량 변화와 열처리 온도에 따른 자기적 특성

본 연구에서는 스핀밸브 구조에서 하지층으로 많이 사용되고 있는 Ta 층에 질소를 첨가하여 질소량에 따른 자기적 특성과 열처리 결과를 비교 검토하였다. 또한 하지층에 질소를 첨가하여 확산 방지막으로서 역할과 기판과 하지층과의 접착력을 측정하여 비교하였다. 사용된 스핀밸브는 Si($SiO_2$)/Ta(TaN)/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/FeMn/Ta 구조이다. Ta 박막에 비해 TaN 박막의 질소량이 증가할수록 증착률은 감소하였고, 비저항과 표면 거칠기는 증가하였다. 고온에서 열처리 후 측정한 XRD 결과를 보면 Si/Ta 박막에서는 규소화합물이 생성된 반면 Si/TaN 박막에서는 규소화합물을 발견할 수 없었다. 자기저항비(MR)와 교환결합자장($H_{ex}$)은 질소량이 4.0 sccm 이상에서는 감소하였다. 열처리 결과 자기저항비는 하지층이 Ta인 시편과 질소량이 4.0 sccm까지 혼합된 TaN 시편은 $200^{\circ}C$까지는 약 $0.5\%$ 정도 증가하다가 감소하였다. 기판과 하지층과의 접착력을 측정한 결과 Ta 박막보다 질소량이 8.0 sccm인 TaN 박막인 경우 약 2배 강한 접착력을 보였다. 본 연구 결과에 의하면 하지층 증착 시 아르곤 가스에 3.0 sccm 정도의 질소 가스를 혼합하여 사용하면 자기적 특성에 크게 영향을 주지 않으면서 확산 방지막, 접착력 향상등의 이점을 얻을 수 있으리라 사료된다.