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KR100344030B1 - 자기 소자, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드 및 자기 저장 시스템. - Google Patents

자기 소자, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드 및 자기 저장 시스템. Download PDF

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KR100344030B1
KR100344030B1 KR1019990038509A KR19990038509A KR100344030B1 KR 100344030 B1 KR100344030 B1 KR 100344030B1 KR 1019990038509 A KR1019990038509 A KR 1019990038509A KR 19990038509 A KR19990038509 A KR 19990038509A KR 100344030 B1 KR100344030 B1 KR 100344030B1
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KR
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이노마타고이치로
사이토요시아키
나카무라신이치
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은 자기 소자, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드, 및 자기 기억 시스템에 관한 것으로, 상기 자기 소자는 교대로 적층된 강자성체-유전체 혼합층 및 유전체층으로 구성된 적층막을 갖고, 상기 강자성체-유전체 혼합층은 보자력을 갖는 강자성 재료와 유전체 재료의 혼합층으로, 상기 혼합층의 강자성 재료의 부피가 상기 유전체 재료의 부피보다 크거나 같다. 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)은 이에 가깝게 위치한 강자성층(1)을 갖는데, 이들 사이에 유전체층이 개재된다. 상기 강자성체-유전체 혼합층 사이에 터널 전류가 흐른다. 보다 작은 보자력을 갖는 자성층은 자기저항 효과가 발생되도록 그의 스핀이 전환된다. 강자성 터널 접합을 갖는 자기 소자는 자기저항 변화율이 증가하고, 소자의 저항이 감소되며, 자기저항 변화율이 전압에 따라 보다 적게 변화하도록 디자인된다.
또한, 보자력을 갖는 강자성 재료 및 유전체 재료로 구성된 혼합층은 그에 가깝게 배열된 한 쌍의 전극을 갖는데, 상기 전극 중 적어도 하나는 강자성 재료로 만들어진다. 상기 강자성 재료의 전극은 상기 혼합층에 인접하는데, 그들 사이에 유전체층이 개재된다. 다른 하나의 전극은 상기 혼합층 내의 강자성 재료와 실질적으로 접촉한다. 상기 자기 소자는 작은 자기장으로 큰 자기저항 변화율을 쉽게 제공한다. 이는 저항 및 자기 감도를 아주 적게 변화시키고, 낮은 저항을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 소자, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드 및 자기 기억 시스템{MAGNETIC ELEMENT, MAGNETIC MEMORY DEVICE, MAGNETORESISTANCE EFFECT HEAD, AND MAGNETIC STORAGE SYSTEM}
본 발명은 자기 터널 디바이스, 자기 메모리 디바이스, 자기저항 효과 헤드, 및 자기 기억 시스템에 관한 것이다.
어떤 종류의 자성 재료는 자기장에 놓이면 전기 저항이 변화된다. 이 현상을 자기저항 효과가 부른다. 이 효과는 자기 헤드 및 자기 센서 등의 자기저항 효과 소자(MR 소자)들에 사용되는데, 이 소자들에서 상기 자성 재료는 자성층의 형태로 존재한다. MR 소자들에 기반을 둔 새로운 자기 메모리가 제안되었다(이것은 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)로 불린다). 상기 MR 소자들은 외부 자기장에 대한 높은 감도가 요구되며, 높은 응답 속도를 갖는다.
강자성 재료로 이루어진 MR 소자는 양호한 온도 안정성 및 광범위한 동작 온도 범위의 특징을 가지고 있다. 이 소자들은 종래에는 NiFe 합금 등의 강자성 합금의 박막으로 제조되었다. 불행하게도, 이것은 자기저항이 약간(2 내지 3%)만 변화하기 때문에 충분한 감도를 가진 자기 헤드를 제공하지 못한다.
자기저항 효과는 또한 교대로 적층된 자성층 및 비자성층(수 나노미터 두께)으로 구성된 금속 적층막에서도 나타난다. 이 경우에는, 큰 자기저항 효과(GMR)로 불리는데, 이것은 상기 자성층의 스핀 방향에 따라 달라지는 전도 전자 산란으로 인한 것이다. GMR은 흥미있는 대상이다. 예를 들어, Fe/Cr 인공 초격자막(Phys. Rev. Lett., 61, 2472(1998)) 및 Co/Cu 인공 초격자막(J. Mag. Mag. Matter., 94, L1 (1991))에서 GMR이 관찰되었다는 보고가 있었다. 불행하게도, 자성층이 반강자성에 의해 결합되어 있는 그러한 금속 인공 초격자막은 큰 반강자성 교환 결합 상수를 가지고 있어서, 포화를 위해서는 큰 자기장이 필요하고, 상당한 히스테리시스(hysteresis)를 받는다.
두 개의 강자성층 및 그 사이에 개재된 하나의 비자성층으로 구성된 새로운 적층막이 개발되었다. 스핀-밸브 막으로 불리는 이 막은, 비자성층이 두껍고, 하나의 강자성층이 속박된 자화를 가지며, 다른 강자성 층은 외부의 자기장에 의해 쉽게 자화(스핀 반전으로)되도록 구성된다. 불행하게도, 상기 스핀-밸브 막은 저항이 낮아서 출력 전압이 낮다. 따라서, 상기 스핀-밸브 막이 높은 출력 전압을 발생하기 위해서, 감지 전류(sense current)가 커야 한다. 이 때문에, 스핀-밸브 막이 있는 자기 헤드의 경우, 상기 자화가 고정된 층의 자화가 정전 파괴(ESD)에 의해 반전된다는 것이다.
앞서 언급한 인공 금속 초격자 막과 같은 다층막은 Phys. Rev. Lett., 66, 3060(1991)에 보고된 바와 같이, 상기 막 표면에 수직인 방향으로 전류가 흐르는 경우 자기저항이 크게 변화한다. (이 현상은 수직 자기저항 효과로 불린다.) 그러나, 전류 경로가 작고 각 금속층의 저항이 작기 때문에, 이 효과는 서브미크론 차수의 미세 가공이 없으면 실온에서 측정될 수 없다.
Phys. Rev. Lett., 68, 3745(1992)에 보고된 바와 같이, 스핀-의존 전도에 기인한 GMR 효과는 비자성 금속 매트릭스 및 그 안에 분산된 미세한 자성 입자로 구성된 입상막(granular film)에서 발견된다. 자기장이 없는 경우에, 이 입상막은 높은 전기 저항을 갖는데, 그 이유는 개개의 미세한 자성 입자들이 불규칙한 방향으로 향해있는 스핀을 갖기 때문이다. 자기장이 있는 경우에는, 상기 자성 입자들이 자기장의 방향과 정렬된 스핀을 갖게 되어 저항이 감소된다. 이것이 스핀-의존 자기저항 효과를 만들어 낸다. 그러나, 이 경우 포화를 위한 자기장은 본질적으로 강한데, 그 이유는 상기 미세한 자성 입자가 초상자성을 나타내기 때문이다.
반면에, 상기 스핀-의존 산란과는 다른 강자성 터널 효과로 생기는 또 다른 큰 자기저항 효과가 발견되었다. 이 효과는 두 개의 강자성 금속층 및 이들 사이에 개재되는 하나의 유전체층으로 구성된 터널 접합을 갖는 적층막에서 나타나는데, 터널 전류가 상기 유전체층에서 발생하도록 상기 막 표면에 수직한 방향으로 전류가 흐를 때 나타난다. 이 큰 자기저항 효과는 작은 보자력을 갖는 상기 강자성 금속층에서 스핀 반전이 발생할 때, 상기 두 개의 강자성 금속층의 스핀이 서로 평행인지 반평행인지에 따라 상기 터널 전류가 크게 변화한다는 사실에 기인한다. 이것은 페르미(Fermi) 표면에서 상태 밀도의 스핀 비대칭성으로부터 유래하는 것으로 알려져 있다.
앞서 언급한 상기 강자성 터널 접합 소자는 자기저항이 비교적 크게 변화하긴 하지만, 수 제곱 마이크로미터 차수의 미세 가공된 소자의 형태인 경우, 1에서 10㏁까지 저항이 증가하는 단점이 있다. 이 높은 저항으로 응답 속도가 저하되고, 잡음이 커진다.
유전체 재료에 분산된 미세한 코발트 입자(직경이 2 내지 4nm)을 사용하는 강자성 터널 접합이 제안되었다(Phys. Rev., B56(10), R5747(1997)). 불행하게도, 그러한 코발트 미세 입자는 초상자성을 나타내며, 앞서 언급한 입상 막과 같이 포화를 위해서 강한 자기장을 본질적으로 필요로 한다. 더욱이, 미세한 코발트 입자를 사용하는 강자성 터널 접합 소자는 유전체층을 사용하는 소자의 단지 절반 정도의 자기저항의 변화를 나타낸다.
이론적으로는 Fe/Ge/Fe/Ge/강자성 재료로 구성된 이중 터널 접합이 스핀-분극된 공명 터널 효과로 인한 상당한 자기저항을 만드는 것이 예상된다(Phys. Rev., B56, 5484(1997)). 그러나, 이 예상은 상당히 낮은 온도(예를 들어, 8K)에서의 상황에 대한 것이고, 실온에서의 상태에 대해 어떠한 예측도 이루어지지 못했다. 더욱이, 이중 터널 접합의 실제 제작에 대한 보고는 전혀 없었다.
앞서 언급한 것과 다른 터널 효과 소자들 중에는 강자성 터널 효과 소자가 있는데, 이와 관련된 특허 출원이 미국 특허출원 번호 제 09/074588 호이다. 이 소자는 하나의 입상 자성막 및 이에 근접하여 배치된 두 개의 전극으로 구성되는데, 상기 입상 자성막은 비자성 유전체 매트릭스 내에 분산된 미세한 강자성 파우더(보자력을 지님)로 만들어지고, 상기 두 전극 중 적어도 하나는 강자성 재료로 만들어진다. 이 소자의 장점은 입상 자성막이 매우 두꺼워서(수 십 나노미터), 저항이 크게 변동되지 않고, 작은 자기장에서도 자기저항이 크게 변화하게 된다는 것이다. 그러나, 상기 소자가 상기 두 전극과 상기 입상 자성막의 입자들 사이의 경계에 두 개의 터널 장벽을 갖는다는 사실은 상기 두 터널 장벽이 변동될 수 있다는 단점이 된다. 또한, 상기 입상 자성막 내의 강자성 입자들은 크기가 작은 경우에 작은 보자력을 갖게 된다.
본 발명의 목적은 앞서 언급한 터널 효과 소자와는 다른 새로운 자기 소자를 제공하는 것이다. 본 발명은 또 다른 목적은 작은 자기장에서 용이하게 그리고 안정적으로 큰 자기저항 변화율을 나타내고, 저항 및 자기장에 대한 감도가 거의 변동되지 않는 자기 소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 자기 소자에 기초한, 자기 헤드 및 자기 메모리 소자와 같은 자기 장치를 제공하는 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 1 실시예의 기본적 구조를 설명하는 개략도로서, 전압 공급 수단 및 전압 변동 검출 수단이 있는 구조의 개략도.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 제 1 측면에 따른 자기 소자 내의 강자성체-유전체 혼합층의 내부 구조를 보여주는 개략도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제 1 측면에 따른 자기 소자 내에서 자기저항 효과가 발생하는 방법을 설명하는 개략도.
도 4는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 2 실시예로서 자기 소자의 구조를 보여주는 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 자기 소자의 변형예의 구조를 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 3 실시예로서 평면-타입의 자기 소자를 보여주는 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 자기 소자의 변형예의 구조를 보여주는 단면도.
도 8은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 4 실시예로서 자기 소자의 구조를 보여주는 단면도.
도 9는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 5 실시예로서 자기저항 효과 헤드의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 10은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 5 실시예로서 자기저항 효과 헤드의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 11은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 5 실시예로서 자기저항 효과 헤드의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 12는 본 발명의 제 1 또는 제 2 측면에 따른 자기 소자를 가진 자기저항 효과 헤드가 장착된 자기 헤드 어셈블리를 보여주는 사시도.
도 13은 본 발명의 제 1 또는 제 2 측면에 따른 자기 소자를 가진 자기저항 효과 헤드가 장착된 자기 디스크 어셈블리를 보여주는 사시도.
도 14는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 15는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 16은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 17은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 18은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 19는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 소자의 막 구조를 보여주는 단면도.
도 20은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 셀의 구조를 보여주는 단면도.
도 21은 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 집적된 자기 메모리 장치의 회로도.
도 22는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 장치를 보여주는 단면도.
도 23a 및 23b는 본 발명의 제 1 측면에 따른 제 6 실시예로서 자기 메모리 장치의 회로도.
도 24는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 1의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 25는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 1의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 26은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 1의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 27은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 1의 자기 소자에서 인가된 전압에 따라 정규화된 자기저항이 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프.
도 28은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 2의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 29는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 2의 자기 소자에서 인가된 전압에 따라 정규화된 자기저항이 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프.
도 30은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 3의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 31은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 3의 자기 소자에서 인가된 전압에 따라 정규화된 자기저항이 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프.
도 32는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 4의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 33은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 4의 자기 소자에서 인가된 전압에 따라 정규화된 자기저항이 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프.
도 34는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 6의 자기 소자에서 혼합층의 두께가 변화하는 경우 관찰되는 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 35는 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 7의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 36은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 7의 자기 소자에서 인가된 전압과 정규화된 자기저항 변화 사이의 관계를 보여주는 그래프.
도 37은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 8의 자기 소자의 자기저항 효과의 곡선을 보여주는 그래프.
도 38은 본 발명의 제 1 측면에 따른 실례 8의 자기 소자에서 인가된 전압과 정규화된 자기저항 변화 사이의 관계를 보여주는 그래프.
도 39는 본 발명의 제 2 측면에 따른 제 7 실시예를 보여주는 단면도.
도 40은 제 7 실시예의 변형예를 보여주는 단면도.
도 41은 제 7 실시예로서 자기 소자의 자기저항 특성을 보여주는 다이어그램.
도 42는 본 발명의 제 2 측면에 따른 제 8 실시예로서 자기 소자를 보여주는 단면도.
도 43은 본 발명의 제 2 측면에 따른 제 9 실시예로서 평면-타입의 자기 소자를 보여주는 단면도.
도 44는 본 발명의 제 2 측면에 따른 제 10 실시예를 보여주는 단면도.
도 45는 본 발명의 제 2 측면에 따른 제 11 실시예를 보여주는 단면도.
도 46은 본 발명의 제 2 측면에 따른 실례 9의 자기 소자에서 발생하는 자기장에 의한 저항 변화를 보여주는 그래프.
도 47은 비교예의 자기 소자에서 발생하는 자기장에 의한 저항 변화를 보여주는 그래프.
도 48은 본 발명의 제 2 측면에 따른 실례 10의 자기 소자에서 발생하는 자기장에 의한 저항 변화를 보여주는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,22,23 : 강자성층 2,4,24 : 유전체 터널 장벽층
3,13,21 : 강자성체-유전체 혼합층 6 : 강자성 재료
7 : 유전체 재료 8 : 전극층
15,16,20,22,23 : 강자성 전극층 14 : 유전체 터널층
17 : 기판 18 : 저저항층
본 발명의 제 1 측면은 자기 소자이다. 이 소자는 강자성층 및 강자성체-유전체 혼합층 사이에 터널 전류가 흐르도록 구성되고, 작은 보자력을 가지는 상기 자성층은 스핀이 전환되어, 상기 자기저항 효과가 발생되게 된다.
본 발명의 상기 제 1 측면에 따른 자기 소자는 상기 강자성체-유전체 혼합층내의 유전체 재료가 상기 강자성 재료의 매트릭스 내에 입상 형태로 분산되도록 구성되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 자기 소자는 강자성체-유전체 혼합층 및 유전체 재료층으로 구성된 적층막을 갖고, 상기 적층막의 층 배열은 아래와 같이 표현될 수 있다:
A / (B/A)N(여기서, N ≥1 으로서, 층 수를 나타낸다)
A : 유전체 재료층
B : 강자성체-유전체 혼합층
이 적층막 근방에는 강자성층이 배치된다. 상기 적층막 구조의 몇 가지 실례가 아래에 설명된다.
강자성층과 결합하는 A / (B/A)N구조의 적층막.
적층막의 표면에 따로 배열된 둘 이상의 강자성층을 갖는 적층막(평면 구조).
본 발명의 제 2 측면은 자기 소자이다.
본 발명의 발명자는 불연속 자성막 및 강자성 재료의 전극들로 구성된 자기 소자에 대해 집중적인 연구를 하였는데, 상기 불연속 자성막은 유전체 재료 및 강자성 재료의 혼합물로 만들어지고, 상기 전극들은 터널 장벽을 통해 상기 불연속 자성막과 인접하게 배열되어 있다. 그 결과, 보다 현저한 자기저항 효과를 얻고, 저항이 적은 강자성 터널 효과를 실현할 수 있다는 것이 확인되었는데, 이는 강자성 재료의 한 전극이 상기 불연속 자성막 상에 적층되고 유전체층이 그 사이에 개재되어 있으며, 강자성 재료의 다른 전극이 상기 불연속 자성막의 상기 강자성 재료와 실질적으로 접촉하는 경우에 상기의 결과가 확인되었다.
앞서 언급한 자기 소자는 상기 유전체 재료층을 통해, 상기 강자성 재료의 전극 및 상기 불연속 자성막을 가로지르는 터널 전류에 의해서만 터널 자기저항을 발생시킨다. 따라서, 유전체 재료의 한 층의 두께를 제어하는 것만이 필요하다. 이것으로 터널 장벽 두께의 변동으로 인한 저항 및 자기장 감도의 변동을 방지할 수 있다. 게다가, 상기 전극 중 하나가 상기 불연속 자성막의 강자성 재료와 실질적으로 접촉한다는 사실은, 상기 입상 자성막의 강자성 재료가 온도 상승 또는 불안정한 자기장으로 인한 스핀 반전을 받는 것을 어렵게 만든다. 이것은 자기 소자가 안정적이라는 의미이다.
본 발명의 자기 소자는, 강자성 재료의 제 1 및 제 2 전극이 상기 불연속 자성막의 표면에 따라 유전체 재료층 상에 배열되도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 평면 타입의 강자성 터널 효과 소자를 쉽게 제조할 수 있다는 것이다.
본 발명의 제 1 및 제 2 측면에 따른 자기 터널 소자는 기억 시스템(자기 메모리, 및 자기 기록과 재생 유닛용의 자기 재생 헤드 등) 및 자기 디바이스(자기 센서 등)에 적용될 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해 및 그에 따른 많은 장점들은 첨부한 도면과 함께 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
제 1 실시예:
아래의 제 1 실시예의 설명은 본 발명의 자기 소자가 약한 자기장에서도 자기저항이 크게 변화하는 이유에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 자기 소자의 기본 구조를 보여주는 개략적 단면도이다. 자기 소자는 전압 공급 수단 및 전압계가 제공된 이중 강자성 터널 접합을 갖는다. 상기 터널 접합은 강자성층(1), 적층막(5) 및 전극층(8)으로 구성되어 있다. 상기 적층막(5)은 유전체 터널 장벽층(2), 강자성체-유전체 혼합층(3) 및 유전체 터널 장벽층(4)으로 구성되어 있다. 후자의 두 층은 층들의 유닛을 구성한다. 도면 상의 화살표는 스핀 방향을 나타낸다. 전원(9)은 상기 이중 터널 접합에 전압을 인가한다. 이 전압은 상기 강자성층(1) 및 전극층(8)을 가로지르는 전위를 발생시키고, 상기 전위는 상기 전압계에 의해 측정된다.
본 발명의 자기 소자는 강자성 재료(6) 및 유전체 재료(7)로 이루어진 강자성체-유전체 혼합층(3)을 갖는데, 강자성 재료는 도 2a 내지 2c에 도시된 바와 같이 유전체 재료보다 부피가 더 크다. 상기 혼합층은 초상자성을 나타내지 않고, 제한된 보자력을 가진 강자성 재료이다. 이상적으로는, 상기 강자성 재료(6)는 한 방향으로 향해있는 스핀을 가져야 한다.
상기 강자성층(1)과 전극층(8)의 사이에는 적층막(5)이 개재되어 있는데, 상기 강자성층과 전극층을 가로질러 전압이 인가될 때(상기 전원(9)으로부터), 상기 강자성층(1) 내의 전도 전자들이 상기 유전체 터널 장벽층(2)을 통해 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)으로 이동한다. 이것은 터널 전류를 흐르게 한다. 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)은 두 개의 얇은 유전체 터널 장벽층(2, 4) 사이에서 유지되어, 상기 유전체 터널 장벽층(2)을 통해 상기 강자성 전극층(1) 및 강자성체-유전체 혼합층(3)을 가로질러 터널 전류가 흐르게 되며, 또한 상기 유전체 터널 장벽층(4)을 통해 상기 강자성체-유전체 혼합층(3) 및 전극층(8)을 가로질러 터널 전류가 흐르게 된다.
각각의 터널 장벽층을 통해 터널 전도가 이루어지는 동안, 전자들은 대개 스핀 방향을 유지한다. 외부 자기장이 전도 전자의 스핀이 유지되는 상태에 인가되는 경우 무슨 일이 발생하는지에 대해 아래에 설명한다.
강자성층(1) 및 강자성 재료(6)는 도 1a에 도시된 바와 같이 초기 상태에는 같은 스핀 방향을 갖는다고 가정한다. 이 상황에서, 상기 강자성층(1)과 강자성 재료(6)의 스핀 방향이 유지되면서 터널 전도가 발생한다. 따라서, 큰 상태 밀도를 갖는 스핀 밴드의 전자들(전자의 스핀이 도 3a에서 ↓로 표시되어 있음)이 전도에 크게 기여한다. 이것은 전자들이 쉽게 터널 전도되도록 한다. 바꿔 말하면, 전류에 대한 저항이 낮아진다.
다음으로, 외부 자기장이 인가된다. 이 외부 자기장은 강하지는 않지만 상대적으로 작은 보자력을 갖는 상기 강자성층(1) 또는 강자성 재료(6) 중 하나의 스핀을 반전시킬 수 있다. (도 1에서, 강자성층(1)의 스핀이 반전된다.) 이러한 상황 하에서, 상기 자성층(1, 5)의 스핀 밴드는 도 3b에 도시된 바와 같이 낮은 상태 밀도를 갖는 스핀 밴드를 경유한다. 따라서, 도 3b의 전자들은 도 3a의 전자들보다 터널 전도하기 어려워진다. 바꿔 말하면, 전류에 대한 저항이 커진다.
이렇게 해서, 더 작은 보자력을 갖는 자성층의 스핀만을 반전시키는 외부 자기장의 인가에 의해 자기저항을 크게 변화시킬 수 있다. 상기 언급한 메카니즘은 상기 강자성층(1)이 상기 강자성 재료(6)보다 더 큰 보자력을 갖고, 상기 강자성 재료(6)의 스핀이 반전되는 경우에도 상기와 같은 방식으로 동작한다.
작은 보자력을 갖는 연자성체가 선택되어 포화 자계가 약해지는 경우 상기 자기 소자는 고감도로 만들어질 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)은 강자성 재료(6) 및 유전체 재료(7)로 구성되는데, 강자성 재료가 유전체 재료보다 부피가 더 크다. 바꿔 말하면, 초상자성이 아니라 강자성이기 때문에, 종래의 입상 GMR 재료 및 입상 TMR 재료와는 달리 강한 포화 자계를 필요로 하는 단점을 갖지 않는다.
본 발명과 같이 둘 이상의 층을 갖는 다중 터널 접합은 일반적인 터널 접합보다 전기 저항이 한 자리수 또는 두 자리수 정도 작다. 더욱이, 변동이 적어 더욱 안정적이다. 적어도 두 개의 유전체 터널 장벽(2, 4)을 갖는 장점은 상기 접합에 실효적으로 인가되는 전압이 작고, 원하는 출력 전압을 발생시키기 위해 상기 자기 소자를 통과하는 전류 또는 인가된 전압에 관계 없이 자기 저항이 단지 약간만 변화한다는 것이다.
상기 강자성체-유전체 혼합층(3)이 유전체 재료(7)의 체적과 같거나 큰 체적의 강자성 재료(6)를 포함함으로써 강자성 재료의 스핀이 쉽게 정렬되도록 하여, 자기저항을 보다 효과적으로 발생시킨다. 상기 강자성 재료(6) 대 상기 유전체 재료(7)의 비율(체적비)은 바람직하게 1:1보다 더 커야한다(바꿔 말하면, 전자가 후자보다 크다). 그러한 경우에, 앞서 언급한 바와 같이, 강자성 재료는 그의 스핀이 쉽게 정렬되어, 자기 저항이 보다 효과적으로 발생된다. 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)은 바람직하게는, 상기 유전체 재료(7)가 상기 강자성 재료(6)의 매트릭스 내에 분산되도록 형성되어야 한다(개념적인 평면도인 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같은 상태임). 그러한 경우에, 강자성 재료(6)는 그의 스핀이 특히 쉽게 정렬되어, 자기 저항 효과를 향상시키는 결정성이 향상된다.
본 발명의 자기 소자는 자기저항-타입의 자기 헤드, 자계 센서, 및 자기 기록 소자에 적용될 수 있다. 자기 소자를 구성하는 자성층에는 일축 이방성이 부여되는 것이 바람직하다. 상기 자성층 중 하나가 자화 고착층으로 의도된 경우, 상기 강자성층(1) 또는 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)에 반강자성층이 제공되어 바이어스 자계가 인가되도록 구조가 변형될 수 있다.
제 2 실시예:
본 발명의 제 2 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 전류계(11)로 저항 변화를 측정하는데 사용되는 자기 소자에 관한 것이다. 도 4에 도시된 자기 소자는 강자성 재료의 전극층(1), 유전체 재료의 터널 장벽층(2), 강자성 재료 및 유전체 재료가 서로 혼합된 층(3), 유전체 재료의 터널 장벽층(4), 및 전극층(8)으로 구성되는 적층막을 갖는다. 상기 전극층(8)은 강자성 금속 또는 비자성 금속 중 하나로 만들어 질 수 있다.
상기 자기 소자는 상기 자성층(1, 3) 중 하나가 그의 스핀이 반전될 때 가장 큰 자기저항 효과를 발생시킨다. 외부 자기장에 의해 스핀이 반전되는 자성층은 상기 언급한 강자성 재료의 전극층(1)으로 제한되지는 않는다. 즉, 더 작은 보자력을 갖는 상기 자성층(1) 또는 상기 자성층(3) 중 하나일 수 있다.
본 발명의 자기 소자는 하나 이상의 강자성체-유전체 혼합층(3)을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 바꿔 말하면, 복수의 강자성체-유전체 혼합층(3a, 3b, 3c) 및 복수의 유전체층(2, 4a, 4b, 4c)를 가질 수 있는데, 이들은 교대로 적층되어, 3중(또는 다중)의 강자성 터널 접합이 형성된다. 본 발명의 자기 소자는 강자성 전극층(1), 유전체층(2), 강자성체-유전체 혼합층(3) 및 유전체층(4)으로 각각 구성된 N개의 적층막(여기서 N ≥1), 및 전극층(8)으로 구성될 수 있어서, (N+1)개의 다중의 터널 접합을 가지게 된다. 도 5의 부호 "11"은 전류 검출기를 나타낸다.
제 3 실시예:
본 발명의 제 3 실시예는, 도 6에 도시된 바와 같이, 막 표면을 따라 전류가 흐를 수 있는 평면 타입의 소자에 관한 것이다. 이것은 강자성체-유전체 혼합층(13), 유전체 터널층(14), 및 그 위에 서로 분리되어 적층된 강자성 전극층(15, 16)으로 구성되어 있다. 이 구조로 인해 유전체 터널층(14)이 두 개의 터널 장벽을 제공하게 된다. 바꿔 말하면, 제 1 유전체 터널 장벽이 강자성 전극층(16)과 강자성체-유전체 혼합층(13) 사이에 존재하고, 제 2 유전체 터널 장벽이 강자성 전극층(15)과 강자성체-유전체 혼합층(13) 사이에 존재한다. 이 소자는 상기 전극(15, 16)이 동일한 막 표면에 형성되기 때문에 평면 타입으로 불리운다. 이 소자에서, 터널 전류는 상기 터널 장벽을 통해 상기 유전체 터널층(14)의 주면에 대해 수직인 방향으로 흐르고, 상기 강자성체-유전체 혼합층(13)에서는 상기 막 표면과 평행한 방향으로 전류가 흐른다.
상기 평면 타입 소자는 마이크로 제조 기술로 쉽게 제조될 수 있다. 그러므로, 이렇게 제조된 소자들은 안정적인 특성을 가지며, 고밀도 배열에 적절하다.
도 6에는 기판(17)이 도시되어 있다. 만일 이 기판(17)이 유전체 재료라면, 하부의 유전체층이 생략될 수 있고, 강자성체-유전체 혼합층(13)이 도 6에 도시한 바와 같이 기판(17)의 주면 상에 형성된다. 이 경우, 제 1 및 제 2 실시예에서 사용된 유전체층(2)은 필요하지 않으며, 강자성체-유전체 혼합층(13)과 유전체 터널층(14)으로 각각 구성되는 N개의 적층막(여기서 N ≥1)으로 대체될 수 있다.
이와 같은 평면 타입 소자는, 도 7에 도시한 바와 같이, 유전체층(12), 강자성체-유전체 혼합층(13), 및 유전체층(14)으로 구성된 적층막 아래에 저저항층(18)을 가지기도 한다. 이 하부층(18)은 강자성 금속 또는 비자성 금속일 수 있다.
제 4 실시예:
본 발명의 자기 소자는 도 8에 도시된 단면도와 같이 에지-접합 타입일 수 있다. 도 8에 도시된 에지-접합 타입의 자기 소자는 기판(17), 강자성 전극층(20), 및 절연층(19)으로 구성되는데, 이들은 순차적으로 적층된다. 이 적층막은 소정의 각도 θ만큼 경사진 에지 표면을 갖는다. 상기 적층막(강자성 전극층(20)과 절연층(19)으로 구성됨)의 경사진 에지 표면은 다른 적층막(유전체층(12), 강자성체-유전체 혼합층(13), 및 유전체층(14)로 구성됨)과 상부의 전극층(15)으로 덮인다.
앞서 언급한 에지-접합 타입의 자기 소자는 강자성 전극층(20)과 강자성체-유전체 혼합층(13) 사이의 경사면을 따라 형성되는 강자성 터널 접합을 갖는데, 강자성 전극층과 강자성체-유전체 혼합층 사이에는 터널 장벽(12)이 개재되어 있다. 또한, 상기 상부와 하부 전극층(15, 20) 중 어느 하나는 강자성 재료 대신 비자성 금속일 수 있다. 이와 같은 에지 접합 타입의 자기 소자는 제 3 실시예에서 설명한 평면 타입의 자기 소자와 동일하게 작용한다.
필요하다면, 상기 에지 접합-타입 자기 소자뿐만 아니라 평면-타입 자기 소자에도 바이어스 자계을 인가하기 위한 막(반강자성층과 같은 것)이 제공될 수 있다. 강자성 전극층(20)과 강자성체-유전체 혼합층(13)을 가로질러 터널 전류가 흐르게 하고, 약한 보자력을 가지는 자성층(예를 들어, 강자성 전극층(20))의 스핀 방향을 변화시키는 외부 자기장을 인가할 때, 자기 소자의 자기 저항은 크게 변화한다.
앞서 설명한 제 1 내지 제 4 실시예는 본 발명에 관련된 자기 소자의 기본 구조 및 변형 구조를 설명하기 위해 언급된 것이다. 이제 본 발명의 자기 소자를 구성하는 층들에 적절한 재료와 구조를 설명한다.
강자성 전극층(1 또는 20) 또는 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13) 내의 강자성 재료(6)로 다양한 강자성 재료들이 사용될 수 있다. 적절한 강자성 재료로는 Co, Co-Pt 합금, Fe-Pt 합금 또는 전이 금속-희토류 금속 합금이 있는데, 이들은 상기 강자성 전극층(1 또는 20) 또는 상기 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13) 이 자화 고착층인 경우, 큰 자기 이방성을 갖는다.
자화가 자유로운 층으로 사용될 때, 상기 강자성 재료는 특별히 제한되지 않는다. Fe, Co, Ni, 이들의 합금; 큰 스핀 분극률을 갖는, 마그네타이트, CrO2, RXMnO3-y(R은 희토류 금속이고, X는 Ca, Ba 및 Sr에서 선택된 적어도 하나의 원소)와 같은 산화 자성 재료; NiMnSb 및 PtMnSb와 같은 호이슬러(Heusler) 합금을 포함할 수 있다. 만일 자성층을 산화물(oxide) 또는 반금속(half-metal)(예를 들어, 호이슬러 금속)으로 만드는 경우, 바이어스 전압에 의한 자기 저항의 감소를 피할 수 있다. 상기 자성층은, 경자성막이 연자성층에 인접하는 적층 자성막(둘 또는 그 이상의 층)으로 대체되는 경우, 연자성층으로서의 기능을 한다. 또한, 상기 연자성층 자체에 반강자성이 결합된 다층막(둘 이상의 층)을 사용할 수 있다. 반평행으로 결합된 적층막은 강자성막으로부터 자속이 누설되는 것을 막는다. 이것은 기록층을 보다 안정적으로 만든다.
부가하여, 강자성을 나타내는 한, 앞서 언급한 자성 재료는 Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Si, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo 및 Nb 등의 비자성 원소를 소량 포함할 수 있다.
자성층의 자화 방향을 고정하는 반강자성막(FeMn, PtMn, PtCrMn, NiMn, IrMn, NiO 및 Fe2O3등)을 제공함으로써 자성층이 경자성층으로 의도되는 경우, 자성 재료의 종류에는 제한이 없으며, 앞서 언급한 다양한 자성 재료가 사용될 수 있다. 상기 자성층의 자화 방향을 고정하기 위해 상기 반강자성막 아래에 Co/Ru/Co 또는 Co/Ir/Co의 적층막이 놓일 수 있다.
전극층(15)은 강자성 금속 또는 비자성 금속으로 만들어질 수 있다. 전자의 경우, 상기 전극층(15)과 강자성 전극층(20)이 항상 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 이들 강자성 전극층(15, 20)은 단일층 구조 또는 적층 구조 중 어느 하나일 수 있다. 적층은 둘 이상의 강자성층 사이에 비자성층이 개재되어 구성되고, 이들의 자화가 서로 반평행이 되도록 서로 결합된다. 이러한 방법으로 구성된 상기 적층막은 상기 강자성 전극층(15, 20)으로부터 자속이 누설되는 것을 방지한다.
상기 강자성 전극층(1 또는 20)과 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13)(및 강자성 재료로 구성된 전극층(16))은 막 평면에 일축 자기 이방성을 갖는 것이 바람직할 것이다. 이것은 급준한 자화 반전을 허용하고, 안정적인 자화 상태를 유지하도록 한다.
강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13)의 유전체 재료(7)와 유전체층(2, 4, 4n, 12 또는 14)은 Al2O3, SiO2, MgO, AlN, Bi2O3, MgF2, 및 CaF2와 같은 다양한 유전체 재료 중 어느 하나일 수 있다. 상기 강자성체-유전체 혼합층(3)은 상기 유전체 재료(7)로 강자성 재료(6)를 분단하여 형성된다. 부가하여, 상기 언급한 산화물(Oxide), 질화물(nitride), 및 플루오르화물(fluoride) 등은 대개 결함 원소를 갖지만, 상기 유전체 재료는 어떠한 문제도 일으키지 않는다.
상기 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13)은 초상자성이 되지 않을 정도의 소정 두께를 가져야 한다. 적절한 두께는 0.4nm 내지 50nm이다. 만일 강자성체-유전체 혼합층(13)의 두께가 3.5nm보다 얇다면, 상기 강자성체-유전체 혼합층(13)내의 얇은 강자성 재료(6)(강자성 매트릭스)에 양자 준위가 형성된다. 상기 강자성 전극층(20)의 스핀이 매그논(magnon) 여기에 의해 변동되는 경우, 이 양자 준위를 통해 쉽게 터널링되지 않기 때문에, 이 양자 준위는 매그논 여기에 의해 자기 저항이 감소되는 것을 방지한다. 상기 강자성체-유전체 혼합층(13)은 유전체 재료(7)가 강자성 매트릭스(6) 내에 균일하게 분포하도록 1.9nm 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 전극층(1, 8, 15, 16 또는 20)의 두께는 약 0.1 내지 100nm인 것이 적절하다. 상기 유전체층(2, 4, 4n, 12 및 14)의 두께는 특정적으로 제한되는 것은 아니지만 10nm보다 얇아야 하고, 3nm보다 얇은 것이 바람직하다. 상기 기판은 Si, SiO2, Al2O3, 첨정석(spinel), MgO 및 AlN 중 어느 하나로부터 형성될 수 있는데, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 적층막이 본 발명에 따라 이 기판 상에 형성된다.
앞서 언급한 바와 같은 층 구조의 자기 소자는 일반적으로 얇은 막 형태이다. 이것은 분자 빔 에피택시(MBE), 스퍼터링 및 진공 증착 등의 일반적인 박막 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 강자성 재료(6) 및 유전체 재료(7)를 교대로 적층하는 것은, 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13)(강자성 재료(6) 및 유전체 재료(7)로 구성되며, 전자가 후자보다 부피가 더 큼) 또는 강자성체-유전체 혼합층(3, 3n 또는 13)(강자성 재료(6), 및 매트릭스로서의 강자성 재료 내에 분산된 유전체 재료(7)로 구성됨)를 형성하는데 적용되기도 한다.
상기 유전체 터널 장벽층은 금속(Al 등), 희토류 원소(Mg 등), 또는 반도체(Si 등)의 막으로부터 형성되기도 하는데, 이들 막은 이어서 산소만으로, 또는 희(稀) 가스(Ar 등)와 혼합된 산소로 산화 또는 플라즈마-산화를 받게 된다. 대안으로, 고순도의 산소를 사용하여 후속되는 산화 또는 플라즈마-산화시키거나 산화시키지 않고, 유전체 재료의 타겟으로부터 스퍼터링함으로써 직접 형성할 수도 있다.
상기 제 1 내지 제 4 실시예를 참고하여 앞서 설명된 자기 소자는 자기 저항 효과 헤드, 상기 헤드가 제공된 자기 헤드 어셈블리, 자기 기록 시스템, 자기 메모리 소자, 및 집적된 자기 메모리 시스템 등에 사용될 수 있으며, 아래에 이를 설명한다.
제 5 실시예:
본 발명의 자기 소자를 자기 헤드에 적용하는 경우, 다음과 같이 구성될 것이다. 도 9 내지 도 11은 자기 저항 효과 헤드에 사용될 수 있는 자기 소자의 막 구조를 보여주는 단면도이다. 이들 도면에서, 도면 부호 "21", "22", "23" ,"24" 및 "25"는 각각 강자성체-유전체 혼합층(유전체층 및 강자성체-유전체 혼합층으로 구성된 다층막으로 대체될 수 있음), 강자성 전극층, 전극층(예를 들면, 강자성 재료의 전극층), 유전체 터널 장벽층, 및 강자성체-유전체 혼합층과 유전체 터널 장벽층으로 구성된 다층막을 나타낸다. 이와 같은 막 구조는, 전극층(22, 23) 사이에 강자성체-유전체 혼합층(21)이 있거나, 또는 이들 전극층 사이에 적층막(25)(강자성체-유전체 혼합층과 유전체 터널 장벽층으로 구성됨)이 있는 강자성 전극층(22, 23)을 가로질러 전압이 인가될 때, 상기 유전체 터널 장벽층 사이에 유지된 강자성 재료 내의 전도 전자들이 터널 효과로 인해 이동되도록 하는 기능을 한다.
본 발명의 자기 소자를 자기 헤드에 사용하는 경우, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 강자성 전극층(22 또는 23)과 강자성체-유전체 혼합층(21 또는 25)이 FeMn, PtMn, IrMn, PtCrMn, NiMn, NiO, 및 Fe2O3등의 반강자성 재료를 포함하는 반강자성막(26)과 인접해야 한다. 이 반강자성막(26)은 바이어스 자계를 인가하여, 자성층의 스핀이 한 방향으로 고정되게 한다.
도 9 내지 도 11에 도시된 막 구조는 상기 층들의 자기 특성(연자성 및 경자성)을 결합함으로써 좋은 자기 헤드를 구성할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 9에서, 강자성체-유전체 혼합층(21)은 연자성층으로서의 기능을 하고, 강자성 전극층(22, 23)은 경자성층으로서의 기능을 한다. 도 10에서, 강자성 전극층(22)은 연자성층으로서의 기능을 하고, 강자성체-유전체 혼합층(21) 및 강자성 전극층(23)은 경자성층으로서의 기능을 한다. 도 11에서, 강자성 전극층(22)이 연자성층으로서의 기능을 하고, 다층막(25)(강자성체-유전체 혼합층과 유전체 재료로 구성됨)은 경자성층으로서의 기능을 한다.
만일 상기 막이 자기장에서 형성되거나, 상기 막이 자기장에서 열처리를 받아서 하나의 자성층의 스핀이 그의 인접한 자성층의 스핀과 거의 직교하는 경우, 상기 언급한 층 결합은 HDD 기록 매체로부터의 자속 누설에 대한 양호한 선형 응답을 제공하는 장점을 제공한다. 이와 같은 구조는 어떤 구조의 자기 헤드에도 사용될 수 있다.
도 12는 앞서 언급한 본 발명의 제 1 측면에 관련된 자기 저항 효과 헤드 또는 아래 후술되는 본 발명의 제 2 측면에 관련된 자기 저항 효과 헤드가 제공된 자기헤드 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
액추에이터 암에는 자기 디스크 유닛에 고정되는 구멍을 갖는다. 상기 액추에이터 암의 한 쪽 끝에 서스펜션이 연결되어 있다.
상기 서스펜션의 앞쪽 끝에는 앞서 언급한 다양한 형태의 자기 저항 효과 헤드가 제공된 헤드 슬라이더가 부착되어 있다. 서스펜션에는 신호의 기록 및 판독을 위한 리드선이 제공되어 있다. 이 리드선의 한 쪽 끝은 헤드 슬라이더 안에 조립된 자기 저항 효과 헤드의 전극에 전기적으로 연결되어 있고, 이 리드선의 다른 쪽 끝은 전극 패드에 연결되어 있다.
도 13은 도 12에 도시된 자기 헤드 어셈블리가 제공된 자기 디스크 유닛의 내부 구조를 보여주는 사시도로서, 본 발명에 관련된 자기 기록 시스템 중의 하나이다.
자기 디스크는 스핀들 상에 장착되어 있고, 스핀들은 드라이브 제어(도시하지 않음)로부터의 제어 신호에 응답하는 모터(도시하지 않음)에 의해 회전된다. 헤드 슬라이더는 박막 형태로 서스펜션의 앞쪽 끝에 장착되어, 자기 디스크 상에서 부상하여 정보를 기록 및 판독하게 된다. 상기 헤드 슬라이더에는 앞서 언급한 자기저항 효과 재생 헤드가 장착되어 있다.
자기 디스크가 회전함에 따라, 상기 헤드 슬라이더(매체와 마주보고 있음)는 자기 디스크의 표면으로부터 소정의 높이로 부상한다.
상기 서스펜션은 구동 코일용 보빈(도시하지 않음)을 갖는 액추에이터 암의 한 쪽 끝에 연결되어 있다. 액추에이터 암의 다른 쪽 끝에는 선형 모터의 한 종류인 음성 코일 모터가 있다. 상기 음성 코일 모터는 구동 코일(도시하지 않음)과 자기 회로로 구성된다. 상기 구동 코일은 상기 액추에이터 암의 보빈 위에 감겨져 있다. 상기 자기 회로는 상기 구동 코일을 유지하는 대향 영구 자석, 및 대향 요크로 구성되어 있다.
상기 액추에이터 암은 고정축의 상부와 하부에 놓여있는 볼 베어링(도시하지 않음)에 의해 지지되어, 상기 음성 코일 모터에 의해 회전하게 된다.
제 6 실시예:
본 발명의 자기 소자를 자기 메모리 소자에 적용하는 경우, 다음과 같이 구성되어야 한다. 도 14 내지 도 17은 자기 메모리 소자용으로 사용될 수 있는 자기 소자의 막 구조를 보여주는 단면도이다.
도 14 및 도 15는 파괴성 판독을 상정한 경우의 자기 메모리 소자의 구조를 나타낸다. 강자성 전극층(22 또는 23)과 강자성체-유전체 혼합층(21 또는 25)은 FeMn, PtMn, IrMn, PtCrMn, NiMn, NiO 등의 반강자성막(26)에 인접하는 것이 바람직하다. 이 반강자성막(26)은 바이어스 자계를 인가하여, 자성층의 스핀이 한 방향으로 고정되게 한다. 도 14에서, 상기 강자성 전극층(22)은 연자성층이고, 상기 강자성체-유전체 혼합층(21) 및 상기 강자성 전극층(23)은 경자성층이다. 도 15에서, 상기 강자성 전극층(22)은 연자성층이고, 강자성체-유전체 혼합층 및 유전체 재료로 구성된 상기 다층막(25)은 경자성층이다.
도 16 및 도 17은 비파괴성 판독을 상정한 경우의 자기 메모리 소자의 구조를 보여주고 있다. 판독층과 기록층은 연자성층과 경자성층의 적절한 결합으로 형성된다. 이 구조는 연자성층의 자화가 전류 자계에 의해 반전될 때 기록층으로부터의 정보의 비파괴 판독을 허용한다. 도 16에서, 상기 강자성 전극층(22)은 연자성층이고, 상기 강자성체-유전체 혼합층(21)과 강자성 전극층(23)은 경자성층이다. 도 17에서, 상기 강자성 전극층(22)은 연자성층이고, 상기 강자성체-유전체 혼합층(21)은 경자성층이다. 하부 전극층은 비자성 금속층(27)이다.
도 18 및 도 19는 비파괴성 판독을 상정한 경우의 자기 메모리 소자의 다른 실례를 보여주는 단면도이다.
강자성 전극(22 또는 23) 또는 강자성체-유전체 혼합층(21)에는 반강자성막(26)(FeMn, PtMn, PtCrMn, NiMn 및 IrMn 등의 반강자성 재료를 포함함)이 적층되어, 강자성체-유전체 혼합층(21) 내의 강자성 재료는 그의 자화가 한 방향으로 고정되게 된다. 이 구조는 상기 강자성 전극(22 및 23) 또는 강자성체-유전체 혼합층(21)에 수 차례의 자기장이 인가될 때에도 자화가 반전되는 것을 방지한다. 이것은 안정적인 신호 강도를 제공한다. 도 18에 도시된 구조에서, 강자성체-유전체 혼합층(21)은 보자력을 갖는 메모리층으로서의 기능을 한다. 도 19에 도시된 구조에서는, 강자성층(22)이 보자력을 갖는 기록층으로서의 기능을 한다. 상기 보자력은 전류 자계를 위한 에너지를 절약하기 위해 100 Oe보다 작아야 한다.
도 18 및 도 19에 도시된 구조에서는 전압계(10)로 절대값을 측정함으로써 인접한 자성층의 스핀이 평행인지 반평행인지의 여부를 알 수 있다. 부가하여, 도 18 및 도 19는 저항 변화가 전압계(10)에 의해 측정되는 실례를 나타낸다. 그러나, 전류계로 저항의 변화를 측정하는 것도 가능하다.
지금까지, 도 14 내지 도 19(단면도)는 자기 메모리 소자의 막 구조를 설명하기 위해 제공되었다. 단일 기판 상에 어레이를 형성하기 위해 복수의 이러한 자기 메모리 소자(셀)가 배치되기도 한다. 그 결과로 얻어진 제품이 집적된 자기 메모리 디바이스이다. 한 방향(또는 워드라인 방향)으로 서로 인접하는 복수의 자기 메모리 소자(셀)들이 공동으로 워드 라인을 유지하고, 워드 라인과 같은 방향, 또는 직교하는 방향으로 서로 인접하는 복수의 자기 메모리 소자(셀)들이 공동으로 비트 라인을 유지하는 방식으로 집적화가 이루어진다. 그 결과물인 자기 기록 장치는 적은 전력량으로 동작된다.
도 20은 상기 셀(도 18에 도시된 것) 및 상기 비트 라인과 워드 라인의 배치를 보여주는 단면도이다.
반강자성막(26)과 강자성층의 일부분(22b)은 모두 비트 라인(34) 역할을 한다. 그 결과, 미세 제조를 위한 적층 구조가 강자성층(22a), 유전체 터널 장벽층(24) 및 강자성체-유전체 혼합층(21)으로 구성된 박막으로 만들어 질 수 있다. 이것은 제조의 정밀도를 향상시키고, 제조(에칭 등)에 기인한 손상을 줄이는 장점을 제공한다. 또한, 강자성층(23)(고착층으로서 상기 반강자성막(26)이 적층됨)이 강자성체-유전체 혼합층(21)과 면적이 다르다는 사실은 제작 정밀도를 향상시키고, 또한 제작에 기인한 손상을 줄이는데 기여한다. 부가하여, 도 20에서, 반강자성막(26)이 적층된 강자성층(23)은 금속 하부층(30)과 접촉 금속을 통해 CMOS 전계 효과 트랜지스터(도시하지 않음)에 연결된다(CMOS 전계 효과 트랜지스터는 반도체 기술에 의해 실리콘 기판의 주면 상에 형성된다.). 상기 강자성체-유전체 혼합층(21)(자유층으로서)은 상기 비트 라인(34) 및 워드 라인(35)의 결합된 자기장에 의해 자화가 반전된다. 따라서, 상기 비트 라인(34)과 워드 라인(35)은 서로 직교하여 배치되고, 워드 라인(35)은 지면에 대해 수직한 방향으로 연장된다(도 20). 상기 비트 라인(34)은 지면에 평행한 방향으로 어레이에 배치된 다른 셀에 의해 공동으로 소유되고, 상기 워드 라인(35)은 지면에 대해 수직인 방향으로 어레이에 배치된 다른 셀들에 의해 공동으로 소유된다. 셀에서 서로 교차하는 워드 라인(35)과 비트 라인(34)을 통해 전류가 흐르도록 하여 각각의 셀의 선택이 이루어진다.
도 21은 어레이에 배열된 셀(각각은 도 20에 도시됨)을 보여주는 회로 다이어그램이다. 자기 소자(31), 트랜지스터(32), 기록 라인(35) 및 비트 라인(34)이 도시되어 있는데, 이들은 미세 가공으로 형성되어 어레이에 배치된다. 그러므로, 어레이는 집적된 자기 기록 장치를 구성한다.
도 20 및 도 21을 참고하여 상기 설명된 자기 소자는 CMOS 전계 효과 트랜지스터에 연결된다. 이제 도 22(사시도)를 참고하여 아래에 설명될 자기 소자(셀)가 다이오드에 연결된다.
상기 셀은 상기 워드 라인 및 비트 라인이 서로 교차하는 영역 내에서 실리콘 다이오드에 연결된다. 상기 셀에 대한 전류 자계의 인가 및 어레이 내의 상기 셀들의 배치는 CMOS 전계 효과 트랜지스터가 실리콘 다이오드로 대체된 것을 제외하고는 도 20을 참고하여 앞서 설명한 바와 같다. 따라서, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 23a는 다이오드와 함께 사용된 자기 메모리 소자의 회로 다이어그램이다. 도 23b는 매트릭스에 배열된 메모리 소자를 보여주는 사시도이다. 도 23a에서, "Is"는 감지 전류를 나타내고, "Ib"는 비트 라인 전류를 나타내며, "Iw"는 워드 라인 전류를 나타낸다.
실례
본 발명의 실례를 그들의 평가 결과와 함께 아래에 설명하도록 한다.
실례 1:
이 실례는 스퍼터링 장치 및 금속 마스크를 사용하여 Si/SiO2기판 또는 SiO2기판 상에 형성되는 강자성 터널 접합(이중 터널 접합)을 설명한다.
먼저, 하부 강자성 전극(0.1㎜ 폭)을 위한 막이 자기장 내에 형성된다. 이 막은 Fe(11㎚ 두께) 및 Co80Pt20(2㎚ 두께)로 구성된다. 그 다음에, 바이어스 에칭(금속 마스크를 제거함)이 하부 전극의 표면 산화막에 실행된다. 적층막이 Al2O3및 Co80Pt20을 타겟으로 하여 교대 스퍼터링에 의해 형성된다. 적층막은 Al2O3(1.5㎚ 두께), Co80Pt20-Al2O3혼합층(1.7-3.2㎚ 두께), 및 Al2O3(2.5㎚ 두께)로 구성된다.
Co80Pt20필름이 형성되는 동안에, 400W의 기판 바이어스가 인가된다. 기판 바이어스는 Co80Pt20막이 2㎚보다 두꺼울 때에도 Co80Pt20-Al2O3혼합층이 평평하게 만들어지도록 한다. 게다가, 기판 바이어스는 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같이 CoPt-Al2O3혼합층(강자성 매트릭스와 여기에 분산된 Al2O3로 구성됨)을 얻는 것이 가능하게 한다. 따라서, 기판 바이어스는 MR의 변화율에 기여한다.
이어서, 금속 마스크를 교체하여, Co90Fe10막(30㎚ 두께)인 상부 강자성 전극이 형성되었다. 각각의 막은 2×10-3Torr의 아르곤에서 스퍼터링에 의해 형성되었다.
이런 방법으로, Fe/Co80Pt20/(Al2O3/CoPt-Al2O3/Al2O3)/Co9Fe로 구성된 100㎛2의사각형 이중 터널 접합이 얻어진다. CoPt-Al2O3혼합층(강자성체-유전체 혼합층)은 1.7 내지 3.2㎚ 범위인 Co80Pt20의 두께에 응하여 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는다는 것이 확인되었다.
하부 강자성 전극을 자기장에서 형성하여 일축 이방성을 부여하면, 그 유효 자기장(정적인 자기장)에 의해 상부 CoPt-Al2O3혼합층과 상부 강자성 전극(Co9Fe)에도 일축 이방성을 부여하게 되는 것이 확인되었다.
그 결과로 얻어진 자기 소자의 커 효과(Kerr effect)가 측정되었다. 그 결과, 2단계의 히스테리시스 곡선이 관찰되었는데, 이 곡선은 CoPt(큰 보자력을 가짐)의 히스테리시스 곡선 및 Fe/Co80Pt20과 Co9Fe(비교적 작은 보자력을 가짐)의 히스테리시스 곡선을 겹칠 경우 보자력의 차이를 나타낸다. 각각의 샘플의 자기 저항 효과 곡선이 도 24, 25, 및 26에 도시되어 있고, 인가된 전류에 대한 소자 전압의 의존성이 도 27에 도시되어 있다. 도 24는 CoPt-Al2O3혼합층이 도 2a에 나타낸 바와 같은 막 구조를 갖는 소자를 나타낸다. 도 25는 CoPt-Al2O3혼합층이 도 2b에 나타낸 바와 같은 막 구조를 가지는 소자를 나타낸다. 도 26은 CoPt-Al2O3혼합층이 도 2c에 나타낸 바와 같은 막 구조를 가지는 소자를 나타낸다.
상기 소자의 저항은 플라즈마 산화에 의해 알루미늄으로부터 형성된 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 한 자리수 내지 두 자리수 정도 작다. 그러므로, MR 변화율이 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소한다. 이러한 결과들은 본 실례의 이중 터널 접합이 자기 저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다.
도 24, 25, 및 26에 도시된 자기 저항 효과 곡선은 수 십 Oe 정도의 작은 자기장에서 Fe와 Co9Fe의 자기 저항이 급격하게 변화함을 나타낸다. 이 특성은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자에 대해 바람직하다.
또한, 유전체 재료가 SiO2, AlN, MgO, Bi2O3, MgF2, 및 CaF2중의 어느 하나로 대체되었을 때에 상기 언급한 것과 유사한 결과가 얻어졌다.
실례 2:
막 형성 절차는 상기 실례 1에서와 동일한 조건 하에서 반복되었다. 먼저, 금속 마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 Ni80Fe10(10㎚ 두께)와 Co8Pt2(10㎚ 두께)로 구성된 적층막이 열적으로 산화된 실리콘 기판 상에 형성되었다. 이 적층막은 하부 전극의 역할을 한다. 그 다음에, SiO2, CoPt-SiO2및 SiO2로 구성된 적층막이 타겟인 Co80Pt20와 SiO2로부터 형성된다. 마지막으로, Co90Fe10와 Ni80Fe20로 구성된 적층막이 형성되었는데, 이것은 상부 전극의 역할을 한다.
Ni80Fe20/Co80Pt20/(SiO2/Co80Pt20-SiO2/SiO2)/Co90Fe10/Ni80Fe20로 구성된 100㎛2의 사각형 이중 터널 접합이 얻어졌다. 강자성체-유전체 혼합층은 도 2b에 도시된 바와 같이 구성되는 것이 확인되었다.
그 결과로 얻어진 자기 소자의 커 효과(Kerr effect)를 시험했다. 그 결과, 2단계의 히스테리시스 곡선이 관찰되었는데, 이 곡선은 Co80Pt20-SiO2혼합층(큰 보자력을 가짐)의 히스테리시스 곡선, 및 Ni80Fe20/Co80Pt20와 Co90Fe10/Ni80Fe20(비교적 작은 보자력을 가짐)의 히스테리시스 곡선을 겹칠 경우 보자력의 차이를 나타낸다. 이 샘플의 자기저항 효과 곡선은 도 28에 도시되어 있고, 정규화된 자기저항 변화율의 인가된 전류에 대한 의존성이 도 29에 도시되어 있다.
상기 소자의 저항은 일반적인 단일 터널 접합의 저항보다 한 자리수 내지 두 자리수 정도 작다. 그러므로 MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이러한 결과는 본 실례의 이중 터널 접합이 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다.
도 28에 나타낸 자기저항 효과 곡선은 Ni80Fe20/Co80Pt20및 Co90Fe10/Ni80Fe20의 자기저항이 약 7 Oe정도의 작은 자기장에서 급격하게 변화한다는 것을 나타낸다. 이 특성은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자에 대해 바람직하다.
또한, 유전체 재료가 Al2O3, AlN, MgO, Bi2O3, MgF2, 및 CaF2중의 어느 하나로 대체되는 경우에도 상기 언급한 것과 유사한 결과가 얻어졌다.
실례 3:
이 실례는 도 6에 나타낸 바와 같이 구성된 소자를 설명한다. 이 소자는 금속 마스크와 리프트-오프 기술에 의해 형성된 마이크로 패턴을 이용하여 스퍼터링함으로써 열산화된 실리콘 기판 상에 형성된다.
먼저, 기판 상에 금속 마스크를 위치시키고, 열적으로 산화된 실리콘 기판이 Fe30Co50Pt20및 Al2O3을 교대로 타겟으로 하여 스퍼터링을 받았다. Fe30Co50Pt20막에 대한 스퍼터링을 하는 동안, 400W의 바이어스가 인가되었다. 100㎛2의 면적을 가진 SiO2/Fe30Co50Pt20-SiO2/SiO2로 구성된 사각형 적층막이 얻어졌다. 강자성체-유전체 혼합층은 도 2a에 나타낸 바와 같이 구성되는 것이 확인되었다. 막 형성의 절차는 실례 1에서와 동일한 조건 하에서 수행되었다.
상기 혼합층 위에서 상부 강자성 전극 역할을 하는 Co/Ni80Fe20/Au로 구성된 적층막을 형성하였다. 크롬 마스크를 통해 이 막이 레지스트 패터닝된 다음, 이온 에칭을 하여 2㎛의 갭(전극(11)과 전극(15) 사이의 거리)을 형성했다. 도 6에 나타낸 바와 같은 접합을 가진 소자가 얻어졌다. 마지막으로, 이 소자를 자기장 내에서 200℃로 열처리하여 일축 이방성을 부여했다.
그 결과로 얻어진 소자는 도 30에 나타낸 바와 같은 자기저항 효과 곡선을 나타내고, 또한 도 31에 나타낸 바와 같은 인가된 전류에 대한 전압 의존성을 나타낸다. 상기 소자의 저항은 일반적인 단일 터널 접합의 저항보다 약 한 자리수 작은 크기이다. 그러므로, MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이런 결과들은 본 실례의 이중 터널 접합이 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다.
도 30에 나타낸 자기저항 효과 곡선은 Co/Ni80Fe20층의 자기저항이 약 6 Oe 정도의 작은 자기장에서 급격히 변화한다는 것을 나타낸다. 이 특성은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 바람직하다.
유전체 재료가 SiO2, AlN, MgO, Bi2O3, MgF2, 및 CaF2중의 어느 하나로 대체될 때에도 상기에 언급한 것과 유사한 결과가 얻어진다.
실례 4:
열적으로 산화된 실리콘 기판 상에 금속 마스크를 놓고, 2×10-3Torr의 아르곤에서 스퍼터링함으로써 Pt-Mn(20㎚ 두께) 및 Co90Fe10(10㎚ 두께)로 구성된 적층막이 형성되었다. 상기 적층막 상에서 Co90Fe10및 Al2O3타겟으로 교대로 스터퍼링을 추가로 실시하고, Ni81Fe19및 Al2O3타겟으로 교대로 스퍼터링을 추가로 수행했다. 스퍼터링에 대한 다른 조건은 실례 1에서와 동일하다. 제 2 스퍼터링에 의해 Al2O3/Co90Fe10-Al2O3/Al2O3로 구성된 적층막, 및 Al2O3/Ni81Fe19-Al2O3/Al2O3로 구성된 적층막을 제공했다. Co(5㎚ 두께)와 Pt-Mn(20㎚ 두께)으로 구성된 또 다른 적층막이 그들 위에 형성되었다.
이런 방법으로, 도 10에 나타낸 바와 같이 이중 터널 접합을 갖는 사각형 소자(100㎛2)가 얻어졌다. 샘플은 자기장 내에서 300℃로 열처리를 받아서 단방향 이방성 및 일축 이방성이 부여되었다.
그 결과로 얻어진 소자는 도 32에 나타낸 바와 같은 자기저항의 변화율을 나타내고, 또한 도 33에 나타낸 바와 같은 인가된 전류에 대한 전압의 의존성을 나타냈다. 상기 소자의 저항은 일반적인 단일 터널 접합의 저항보다 약 한 자리수 내지 두 자리수 작은 크기이다. 그러므로, MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이런 결과들은 본 실례의 이중 터널 접합이 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다.
도 32에 나타낸 자기저항 효과 곡선은 Co90Fe10층과 Ni81Fe19층의 자기저항이 각각 약 90 Oe와 약 5.5 Oe 정도로 작은 자기장에서 급격히 변화한다는 것을 나타낸다. 이 특성은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 바람직하다.
유전체 재료를 SiO2, AlN, MgO, Bi2O3, MgF2, 및 CaF2중의 어느 하나로 대체하는 경우에도 상기에 언급한 바와 같은 유사한 결과가 얻어진다.
실례 5:
금속 마스크가 놓여진 열적으로 산화된 실리콘 기판 상에 표 1에 명시된 층 구조의 사각형 다중 터널 접합(100㎛2)이 스퍼터링에 의해 형성되었다. 각각의 샘플에 대해 자기저항 변화율과 소자 저항을 측정했다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다. 각각의 소자는 실례 1에서와 같은 방법으로 제조되었다.
샘플 강자성체-유전체 혼합층의 구성 소자의 저항(Ω)
(제로 자기장)		 MR의 변화율(%)
Ni81Fe19(10㎚)/Co(5㎚)/AlN(1.5㎚) /Co80Pd20-AlN혼합층/AlN(1.9㎚)/CoFe(5㎚) /Ni81Fe19(15㎚)
도 2b
6.7
17
Ir2Mn8(15㎚)/Ni8Fe2(5㎚)/CoFe(1㎚) /Al2O3(1.2㎚)/Ni5Fe3Co2-Al2O3혼합층 /Al2O3(1.5㎚)/CoFe(1㎚)/Ni8Fe2(7㎚) /Ir2Mn8(15㎚)
도 2c
5.1
19
NiMnSb(20㎚)/SiO2(1.5㎚)/Co9Pt1-SiO2혼합층(1.5㎚)/SiO2(1.5㎚)/CoFe(5㎚) /Ni81Fe19(15㎚)
도 2a
4.2
21
FeMn(20㎚)/CoFe(5㎚)/Al2O3(1.2㎚) /Co9Fe-Al2O3혼합층/Al2O3(1.4㎚)/CoFe(5㎚) /IrCrMn(20㎚)
도 2a
4.7
18
Ir2Mn8(15㎚)/CoFe(14㎚)/Al2O3(1.3㎚) /Ni81Fe19-Al2O3혼합층/Al2O3(1.5㎚) /CoFe(10㎚)/Ir2Mn8(15㎚)
도 2b
6.3
15
Ni8Fe2(20㎚)/CoFe(2㎚)/SiO2(1.5㎚) /CrO2-SiO2혼합층/SiO2(1.5㎚)/CoFe(5㎚) /Ni81Fe19(15㎚)
도 2c
5.2
11
FeMn(20㎚)/CoFeNi(5㎚)/Al2O3(1.2㎚) /Co9Fe-Ni8Fe2-Al2O3혼합층/Al2O3(1.4㎚) /CoFeNi(5㎚)/IrCrMn(20㎚)
도 2a
6.2
19
상기 소자의 저항은 일반적인 단일 터널 접합의 저항보다 약 한 자리수 내지 두 자리수 작은 크기이다. 그러므로 MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이들 결과들은 본 실례에서의 다중 터널 접합이 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다. 큰 MR값과 낮은 저항은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 바람직하다.
실례 6:
상부에 금속 마스크가 놓여있는 열적으로 산화된 실리콘 기판 상에 Ni80Fe20/Co90Fe10/Al2O3(1.5㎚)/CoPt-Al2O3(t㎚)/Al2O3(2㎚)/Co90Fe10/Ni80Fe20로 구성된 사각형 이중 터널 접합(100㎛2)이 스퍼터링에 의해 형성되었다. 강자성체-유전체 혼합층의 두께를 변화시켜, 몇 개의 샘플이 실례 1과 동일하게 제조되었다. 샘플들에 대해, 자기저항의 변화율이 강자성체-유전체 혼합층의 두께에 따라 얼마나 변화하는지를 측정하였다. 그 결과들이 도 34에 도시되어 있다. 상기 소자의 저항은 일반적인 단일 터널 접합의 저항보다 약 한 자리수 내지 두 자리수 작은 크기이다. 그러므로, MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이들 결과들은 본 실례의 이중 터널 접합이 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 효과적이라는 것을 제시한다.
강자성체-유전체 혼합층이 3.5㎚보다 얇을 때, 양자 준위가 강자성 매트릭스(강자성체-유전체 혼합층 내의 얇은 강자성 재료) 내에 형성된다. 강자성 전극에서 매그논(magnon)이 여기되어 변동하는 스핀은 이 양자 준위를 통하여 쉽게 터널링되지 않는다. 이것은 MR의 변화율이 매그논의 여기 때문에 더 감소하는 것을 방지한다. 이것은 상기 소자가 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 바람직한 큰 MR값과 낮은 저항을 가진다는 것을 제시한다.
실례 7:
실리콘 기판의 주평면 상에 실리콘 산화막이 형성되었다. 이 실리콘 산화막 상에는 Ta 하부막이 형성되었다. 이 하부막 위에는 스퍼터링에 의해 NiFe/CoFe의 강자성 전극층(22), Al2O3의 유전체 터널 장벽층(24), CoFe-Al2O3의 혼합층(21) 및 IrMn의 반강자성막(26)이 순차적으로 형성되었다. 층 구조가 도 19에 부분적으로 도시되어 있다. 마지막으로, Ta 보호막이 IrMn 막(26)상에 형성되었다.
그 결과로 얻어진 적층막은 2×107Torr의 초기 진공 상태에서 공지된 포토리소그래피 및 이온 밀링(milling) 기술에 의해 50㎛ 폭의 라인으로 제조되었다. 따라서 자기 소자(A)(본 실례)와 자기 소자(B)(비교 실례)가 얻어졌다. 이들의 층 구조는 다음과 같다.
A : Ta(5㎚)/NiFe(15㎚)/CoFe(5㎚)/Al2O3(1.8㎚)/CoFe-Al2O3(4㎚)/Ir22Mn78(18㎚)/Ta(5㎚)
B : Ta(5㎚)/NiFe(15㎚)/CoFe(5㎚)/Al2O3(1.8㎚)/CoFe(3㎚)/Ir22Mn78(18㎚)/ Ta(5㎚)
순수 아르곤을 도입하면서 진공에서 알루미늄 타겟을 사용하여, 상기 CoFe층 위에 터널 장벽층(24)을 연속적으로 형성한 다음, 진공을 유지하면서(또는 대기에 시스템을 노출시키지 않고) 산소를 도입하여 플라즈마 상태로 알루미늄을 산화시켰다. 이어서, CoFe가 3㎚의 속도로 성장하고, Al2O3가 1㎚의 속도로 성장하도록 RF 바이어스를 인가하여 혼합층(21)(4㎚)이 형성되었다. 따라서, 그 결과로 얻어진 혼합막은 CoFe가 풍부하게 된다. 마지막으로, IrMn의 반강자성막(26)이 1×103Torr의 부분압력의 순수한 아르곤에서 스퍼터링에 의해 형성되었다.
그 결과로 얻어진 적층막에 Ta 보호막이 제공되었다. 공지된 포토리소그래피 및 이온 밀링 기술에 의해, 터널 접합의 치수를 한정하는 레지스트 패턴이 이 보호막 상에 형성되었다. 이 레지스트 패턴을 마스크로 사용하여, CoFe-Al2O3(4㎚)/Ir22Mn78(18㎚)/Ta(5㎚)의 층이 처리되었다. 이 레지스트 패턴을 제거하지 않고, 전자빔 퇴적에 의해 Al2O3의 층간 절연막(300㎚ 두께)이 형성되었다. 레지스트 패턴이 리프트-오프에 의해 제거되었다. 상부 배선을 위해 또 다른 레지스트 패턴이 형성되었다. 기판 표면은 역스퍼터링에 의해 세척되고, 그 다음에 알루미늄 배선이 형성되었다. 상부에 상기 언급한 적층막이 형성된 기판은 자기장에서 열처리되어, 단방향 이방성이 고착층에 도입되었다.
소자(A)의 경우, 인가된 자기장(H)(Oe)에 대한 자기저항(MR)의 변화율(% 단위)을 플로팅하여 얻어지는, 도 35에 나타낸 바와 같은 자기저항 효과 곡선을 나타낸다. 자기저항은 약 17 Oe 정도의 작은 자기장으로 급격히 변화된다는 것에 주목할 필요가 있다. 이것은 또한 유전체 터널층이 SiO2, AlN, 또는 MgO를 포함하는 소자에서 관측된다.
도 36은 소자(A)와 소자(B)의 경우 인가된 전압(V)과 정규화된 MR 비율 간의 관계를 나타낸다. 소자(A)는 인가된 전압의 변화에 기인한 자기저항의 감소의 정도에서 소자(B)의 경우보다 작다. 바꾸어 말하면, 출력 전압을 원하는 만큼 변화시키기 위해 소정의 전압이 인가될 때, 소자(A)의 자기저항은 약간 감소한다.
실례 8:
실리콘 기판의 주평면 상에는 실리콘 산화막이 형성되었다. 이 실리콘 산화막 상에는 Ta 하부막(50㎚)이 형성되었다. 이 하부막 상에는 FeMn(20㎚) /NiFe(5㎚)/CeFe(3㎚)/Al2O3(1.8㎚)/Co9Fe-Al2O3(3.5㎚)/Al2O3(2.5㎚)/CoFe(3㎚)/NiFe(5㎚)/FeMn(20㎚)로 구성된 이중 터널 접합을 갖는 적층막이 형성되었다. 상기 층 구조는 도 18에 도시되어 있다. 최종적으로, Ta 보호막(5㎚)이 적층막 상에 형성되었다. 그 결과로 얻어진 적층막은 실례 7에서와 동일한 방법으로 50㎛ 폭의 라인으로 제조되었다. 부수적으로, Co9Fe-Al2O3혼합 라인이 실례 7에서와 동일한 방법으로 형성되었다.
순수 아르곤을 도입하면서 진공에서 알루미늄 타겟을 사용하고, 그 다음 진공을 유지하면서 순수 산소에 알루미늄막을 노출시킴으로써, Al2O3터널 장벽층이 형성되었다. 그 결과로 얻어진 터널 장벽층은 얇고, 산소 결함이 없게 된다.
터널 접합의 면적을 한정하는 레지스트 패턴이 실례 7에서와 동일한 방법으로 CoFe(3㎚)/NiFe(5㎚)/FeMn(20㎚)/Ta(50㎚)의 적층막 상에 형성되었다. Co9Fe층에 도달할 때까지 이온 밀링이 실행되었다. 이 레지스트 패턴을 제거하지 않고, Al2O3의 층간 절연막(300㎚)이 전자빔 퇴적에 의해 형성되었다. 상기 레지스트 패턴이 리프트-오프에 의해 제거되었다. 상부 배선을 위해 또 다른 레지스트 패턴이 형성되었다. 기판 표면이 역스퍼터링에 의해 세척된 다음, 알루미늄 배선이 형성되었다. 기판을 자기장 내에서 열처리하여 고착층에 단방향 이방성을 도입하였다. 따라서, 자기 소자가 얻어졌다.
이 자기 소자의 경우는 인가된 자기장(H)(Oe)에 대한 자기저항(MR)(% 단위)의 변화율을 플로팅함으로써 얻어지는, 도 37에 나타낸 바와 같은 자기저항 효과 곡선을 제공한다. 도 38은 인가된 전압(V)과 정규화된 MR 비율 사이의 관계를 나타낸다. 상기 소자의 저항은 일반적인 플라즈마 산화에 의해 얻어진 경우보다 한 자리수 내지 두 자리수 작은 크기이다. 그러므로, MR의 변화율은 크다. 전압 의존성에 기인한 자기저항의 변화율의 감소의 정도는 일반적인 단일 터널 접합의 경우보다 절반정도 작다. 그러므로, 원하는 전압 변화를 주기 위해 전류가 인가될 때, 자기저항은 덜 감소된다. 이들 결과는 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서의 효과적인 사용을 제시한다. 도 37은 Ce9Fe-Al2O3혼합층의 자기저항이 약 30 Oe 정도의 작은 자기장에서 급격하게 변화하는 것을 나타낸다. 이 특성은 자기저항 효과 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자에 대해 바람직하다. 또한, 유전체 재료를 SiO2, AlN, 및 MgO 중의 어느 하나로 대체하는 경우에도 상기에 언급된 바와 같은 유사한 결과가 얻어졌다.
실례 9:
열적으로 산화된 실리콘 기판 상에 표 2에 명기된 층구조의 사각형 적층막(100㎛2)이 스퍼터링에 의해 형성되었다. 표 2에서, 적층막 번호 1 내지 5는 단일 터널 접합을 갖고, 적층막 번호 6 내지 11은 이중 터널 접합을 갖는다.
각각의 샘플에 대하여, 자기저항의 변화율이 절반이 되는 전압1/2(V) 및 자기저항 변화율(% 단위)을 테스트하였다. 그 결과가 표 2에 도시되어 있다. 각각의 층을 구성하는 재료는 상기 실례 1에서 사용된 것과 다르지만, 막 제조 절차는 실례 1에서와 동일하다.
((＊㎚):설계에 따른 필름 두께)
번호 샘 플 MR(%) V1/2(V)
1 Ta(5㎚)/Ni80Fe20(10㎚)/Co9Fe(2㎚)/SiO2(1.7㎚)/Co9Fe(3㎚)-SiO2(0.5㎚)혼합층 /PtMn(20㎚)/Ta(5㎚) 15.3 0.61
2 Ti(7㎚)/Pd(3㎚)/FeMn(14㎚)/Ni5Co3Fe2(4㎚)-AlNX(1㎚)혼합층-AlN(2㎚)/CoFe(9㎚)/Ta(7㎚) 18.2 0.6
3 Ti(5㎚)/Pt(5㎚)/NiMn(18㎚)/CoFe(5㎚)-Al2O3(2㎚)혼합층/Al2O3(2㎚)/Co4Fe6(7㎚)/Ta(5㎚) 27 0.59
4 Ta(4㎚)/Ni83Fe17(15㎚)/AlN(2.5㎚)/CoFe(2.5㎚)-AlNX(0.5㎚)혼합층 /Ir21.5Mn78.5(9㎚)/Ta(5㎚) 16.1 0.56
5 Ta(4㎚)/Co85Ni15(10㎚)/MgO(1.5㎚)/Co7Fe2Ni(2㎚)-MgOx(0.3㎚)혼합층/NiMn(20㎚)/Pt(4㎚) 14.1 0.57
6 Ta(5㎚)/Pt(5㎚)/PtMn(17㎚)/Co9Fe1(3㎚)/AlN(2㎚)/Fe55Co45(5㎚)-AlN(0.2㎚)혼합층/AlN(2.6㎚)/Co8FeNi(3㎚)/PtMn(19㎚)/Ta(5㎚) 23.3 0.75
7 Ti(5㎚)/Pt(5㎚)/Ir22Mn78(15㎚)/CoFeNi(3㎚)/Al2O3(1.6㎚)/Fe65Co35(3㎚)-Al2O3(0.2㎚)혼합층/Al2O3(1.9㎚)/Co7Fe2Ni(5㎚)/Ir22Mn78(10㎚)/Ta(5㎚) 29.8 0.81
8 Ta(5㎚)/NiMn(19㎚)/CoFe(3㎚)/SiO2(1.8㎚)/Co(4㎚)-SiOX(0.5㎚)혼합층/SiO2(2.4㎚)/CoFe(5㎚)/NiMn(20㎚)/Ta(3㎚) 18.9 0.74
9 Pt(5㎚)/Ir22Mn78(15㎚)/CoFeNi(2㎚)/MgO(1.6㎚)/FeCo2Ni(5㎚)-MgOX(0.5㎚)혼합층/MgO(1.7㎚)/CoFeNi/Ir22Mn78(17㎚)/Ta(5㎚) 15.9 0.71
10 Ti(5㎚)/Pd(3㎚)/FeMn(17㎚)/CoFeNi2(2㎚)/Al2O3(1.6㎚)/Fe65Co35(3㎚)-Al2OX(0.2㎚)혼합층/Al2O3(2.1㎚)/Co7Fe2Ni(3㎚)/FeMn(20㎚)/Ta(5㎚) 14.5 0.78
11 Ta(5㎚)/Ir22Mn78(15㎚)/CoFe(3㎚)/Al2O3(1.6㎚)/Co90Pt10(3㎚)-Al2OX(0.2㎚)혼합층/Al2O3(1.9㎚)/Co7Fe2Ni(4㎚)/Ir22Mn78(20㎚)/Ta(5㎚) 30 0.81
이중 터널 접합이 단일 터널 접합보다 더 높은 전압1/2을 가지므로, 높은 전압에서도 더 높은 MR 변화율을 제공한다는 것에 주목할 필요가 있다. 원하는 전압 변화를 발생하기 위해 전류가 인가될 때 소자의 자기 저항이 약간만 감소한다는 사실은 높은 전압이 인가될 때에도 자기저항이 크게 변화한다는 것을 의미한다. 결과적으로, 자기저항 효과 헤드, 자기 센서 및 자기 메모리 소자로서 유용하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제 1 측면에 따른 자기 소자는 비교적 낮은 저항으로 큰 자기저항 변화율을 제공한다. 게다가, 자기 저항의 변화율은 전압에 따라서 거의 변화하지 않는다. 그러므로, 자기 소자는 안정적인 출력 전압을 발생한다. 이것은 높은 성능과 높은 신뢰도로 디자인된 자기저항 효과 헤드, 자기 센서, 자기 헤드 어셈블리 및 자기 기록 시스템에 적당하다.
제 7 실시예:
본 발명의 제 2 측면에 속하는 제 7 실시예로서의 자기 소자가 개략적으로 도 39에 단면으로 도시되어 있다. 도 39의 화살표는 자화(스핀) 방향을 나타낸다. 도 39에 나타낸 자기 소자(61)는 혼합층(64) 및 이에 가깝게 위치하는 한 쌍의 전극(65 및 66)을 갖는다. 혼합층(64)은 강자성 재료(62)(보자력을 가짐)와 유전체 재료(63)의 혼합물로 만들어진다. 강자성 재료(62)와 유전체 재료(63)는 임의의 비율(부피비)로 함께 혼합될 수 있다.
상기 전극(65)이 혼합층(64) 상에 적층되고, 이들 사이에 유전체층(67)이 개재된다. 다른 전극(66)은 실질적으로 혼합층(64)의 강자성 재료(62)와 접촉한다. 상기 유전체층(67)에 의해 혼합층(64)으로부터 분리되는 전극(65)은 강자성 재료로 만들어진다. 전극(65)과 혼합층(64)이 보자력의 차이를 가지는 한, 전극(65)은 특별하게 제한되지 않는다. 다른 전극(66)은 강자성 금속 또는 비자성 금속으로 만들어질 수 있다.
도 39에 도시된 자기 소자는 혼합층(64)이 매트릭스로서의 유전체 재료(63)와 여기에 분산된 강자성 재료(62)로 이루어지도록 구성된다. 혼합층(64)은 도 40에 나타낸 바와 같이 다르게 구성될 수 있다. 즉, 매트릭스로서의 강자성 재료(62)와 여기에 분산된 유전체 재료(63)로 구성된다. 어떤 경우에도, 강자성 재료(62)는 초상자성을 나타내지 않고, 유한한 보자력을 갖는 재료이다. 이상적으로, 한 방향으로 그의 스핀이 배열되는 재료이어야 한다.
부수적으로, 전극(65 및 66)을 구성하는 재료와 혼합층(64)의 구성을 이후 자세히 설명하도록 한다.
도 39와 도 40에 도시된 자기 소자(61)는 다음의 원리에 기초한다. 전극(66)이 강자성 재료로 만들어지고, 강자성 전극(65)이 최소의 보자력을 갖는 것으로 가정한다. 부수적으로, 전극(66)은 비자성 재료로부터 형성될 수 있고, 어떤 전극이 더 큰 보자력 또는 더 작은 보자력을 가져야 하는지는 중요하지 않다.
전압이 두 전극(65와 66)을 가로질러 인가될 때, 만일 유전체층(67)이 적당히 얇다면, 도 39와 도 40에 나타낸 자기 소자(61)에는 터널 전류가 흐르게 된다. 터널 전류는 강자성 전극(65와 66)의 스핀 및 혼합층(64)의 스핀에 의해 만들어진 각도에 의존하여 크기가 변화하고, 이에 의해 터널 자기저항이 발생된다. 이것이 강자성 터널 효과이다.
만일 큰 외부 자기장이 인가되어, 혼합층(64)과 강자성 전극(65 및 66)의 모든 자성 재료가 한 방향으로 스핀이 배열되고, 이어서 자기장의 크기가 감소되어 자기장의 부호(또는 방향)가 반전되는 경우, 강자성 전극(65)의 스핀만이 강자성 전극(65)의 보자력에 대응하는 자기장의 크기로 반전된다. 강자성 전극(65)의 스핀 반전으로 터널 전류는 감소되고, 저항은 증가한다. 이것이 터널 자기저항을 발생시킨다. 외부 자기장에 의해 스핀 반전을 받는 자성층은 강자성 전극(65)에 제한되지 않는다. 그것은 입상 자성막(64) 내의 강자성 재료(62)일 수 있다.
이것이 도 41에 설명되어 있다. 도 41에서, 화살표는 스핀 방향을 나타낸다. 도 39와 도 40에 나타낸 강자성 터널 효과 소자의 경우에, 전극(66)(또는 강자성 전극)은 실질적으로 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)와 접촉하고 있어서, 그들의 스핀의 방향은 동일하다. 그리고 혼합층(64)과 전극(66) 사이의 저항은 작아서, 터널 전류가 아닌 일반적인 전도에 기인한 전류가 그들을 가로질러 흐른다.
그러므로, 터널 자기저항은 강자성 전극(65)과 혼합층(64) 사이에서만 일어난다. 만일 자기저항이 얻어지는 경우, 유전체층(67)의 두께만을 제어하는 것이 필요하게 한다. 바꾸어 말하면, 도 39와 도 40에 도시된 자기 소자는 단일 터널 접합에 의해 터널 자기저항이 제어되도록 구성되어 있기 때문에, 두 개의 터널 장벽을 갖는 이중 터널 효과 소자와 달리, 두 개의 터널 장벽의 두께가 서로 차이가 나는지 아닌지에 따라서 저항 및 자계 감도가 변동하는 문제를 발생시킬 우려가 없다.
바꾸어 말하면, 도 39와 도 40에 나타낸 강자성 터널 효과 소자의 경우, 터널 자기저항을 발생하기 위해 유전체층(67)의 두께를 제어하는 것만이 필요하다. 그러므로, 상기 소자는 저항과 자계 감도의 변동으로부터 자유로울 수 있다. 게다가, 하나의 터널 장벽만을 갖기 때문에, 강자성 터널 효과 소자(61)는 그의 저항을 크게 감소시킬 수 있다. 전극(66)이 실질적으로 혼합층(64)의 강자성 재료(62)와 접촉하고 있다는 사실은 혼합층 내의 강자성 재료(62)의 스핀이 온도 상승과 교란 자계에 의해 반전되는 것을 방지하는 이점을 제공한다. 이것은 안정적인 방법으로 자기저항 효과를 강화시킨다.
도 39와 도 40에 나타낸 자기 소자(61)는 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)가 초상자성을 나타내지 않고, 유한한 보자력을 가지도록 구성되기 때문에, 종래의 입상 형태의 터널막과 달리 포화를 위해 큰 자기장이 필요한 단점을 갖지 않는다. 게다가, 혼합층(64)이 강자성 재료(62)과 유전체 재료(63)의 혼합물이라는 사실은 자기 소자(61)가 종래의 강자성 터널 접합에서와 같이 절연층과 핀홀의 변동에 기인하여 저항과 자기저항 효과가 불안정하게 되는 문제를 해소할 수 있다. 게다가, 상기 자기 소자는 전기 저항이 작다는 이점을 갖는다.
또한, 전기 저항은 혼합층(64)에 흐르는 전류의 경로의 길이(막 두께를 가로지르거나, 막 표면을 따르는 길이)를 제어하고, 또한 강자성 재료(62)의 충전율(부피 기준), 사이즈, 및 분산을 제어함으로써 적절히 제어될 수 있다. 그러므로, 자기 소자가 다양한 자기 장치에 적용될 때, 자기 소자(61)는 원하는 대로 조정된 전기 저항을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 자기 소자(61)는 작은 자기장에서 쉽고 안정적으로 큰 자기저항을 제공한다. 또한, 저항과 자계 감도의 양호한 안정성을 유지하여, 저항을 감소시키거나, 적당한 값으로 설정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 강자성 터널 효과 소자(61)는 자기 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자로서 실용적으로 사용된다.
부수적으로, 전극(66)이 실질적으로 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)와 접촉하고 있는 상태는 그들 사이의 전류가 터널 전류는 아니고 통상적인 전도에 기인한 전류가 흐르는 상태임을 나타낸다. 그러므로, 전극(66)과 혼합층(64) 사이에 통상적인 전류가 흐르는 한, 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)와 전극(66) 사이에 매우 얇은 유전체 재료를 개재하는 것을 허용할 수 있다. 전술한 것은 주로 전극(65 및 66) 모두가 강자성 재료로 만들어지는 실례에 대한 것이었다. 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)와 실질적으로 접촉하는 전극(66)은 비자성 재료 또는 반강자성 재료일 수 있다.
자기 소자(61)의 구성 부분의 자세한 설명이 하기에 기술된다. 상기한 바와 같이, 혼합층(64)은 도 39에 나타낸 바와 같이 유전체 재료(63)(매트릭스로서) 및 여기에 분산된 강자성 재료(62)로 구성되거나, 도 40에 나타낸 바와 같이, 강자성 재료(62)(매트릭스로서) 및 여기에 분산된 유전체 재료(63)로 구성될 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 발명에서 사용되는 혼합층(64)은 강자성 재료(62)와 유전체 재료(63)가 단면도에서 서로 분리되도록 구성되면 좋다. 강자성 재료(62)과 유전체 재료(63)의 혼합비는 특별히 제한되지 않는다. 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)가 보자력을 갖고, 터널 전류가 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)을 통해 흐를 수 있으면, 혼합비가 다른 어떤 종류의 혼합층(64)도 사용될 수 있다.
혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)는 다양한 연자성 및 경자성의 강자성 재료로부터 선택될 수 있다. 전자는 Fe-Ni 합금(퍼멀로이로 대표됨), 비정질 합금, Fe, Co, Ni, 및 그들의 합금(강자성을 나타냄), NiMnSb와 PtMnSb와 같은 반금속 또는 호이슬러 합금, CrO2, 마그네타이드 및 Mn-페로브스카이트(Mn-perovskite)와 같은 산화물 반금속을 포함한다. 후자는 Co-Pt 합금, Fe-Pt 합금 및 전이 금속-희토류 합금을 포함한다.
그리고, 유전체 재료(63)는 Al2O3, SiO2, MgO, MgF2, Bi2O3, AlN, 및 CaF2와 같은 다양한 유전체 재료로부터 선택될 수 있다. 상기 언급된 강자성 재료(62)를 분리하기 위해 이러한 유전체 재료들 중 하나가 사용되어, 본 발명의 혼합층(64)이 얻어진다. 부수적으로, 상기 언급된 산화물, 질화물 및 플루오르화물은 대개 결함 원소를 가지고 있지만, 이러한 유전체 재료는 어떤 문제도 일으키지 않는다.
한편, 강자성 전극(65)은 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)의 경우에서와 마찬가지로, 혼합층(64)의 보자력과 다른 보자력을 가지는 한 다양한 강자성 재료(연자성 재료와 경자성 재료를 포함함)로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 반금속의 하나의 스핀 밴드가 에너지 갭을 가지고 있고, 한 방향의 스핀을 갖는 전자들만이 전도에 기여하기 때문에, 반금속은 훨씬 큰 자기저항 효과를 만들어 낸다.
유전체층(67)은 혼합층(64) 내의 유전체 재료(63)의 경우에서와 마찬가지로 다양한 유전체 재료들로부터 형성될 수 있다. 상기 유전체 재료(63)와 동일하거나 다를 수도 있다. 터널 전류가 강자성 전극(65)과 혼합층(64) 사이의 유전체층을 통해 흐를 수 있는 한, 유전체층은 특별하게 제한되지 않는다.
실질적으로 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)와 접촉하는 전극(66)은 상기한 바와 같이 강자성 재료에 제한되지 않는다. 터널 전류가 실질적으로 혼합층(64)과 전극(66) 사이를 흐르지 않기 때문에, 전극(66)은 비자성 재료 또는 반강자성 재료로 만들어질 수 있다. 만일 전극(66)이 강자성 재료 또는 반강자성 재료로 만들어진 경우, 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)는 교환 상호작용으로 결합하기 위해 전극(66)과 접촉하게 된다. 이것은 더 큰 자기저항에 대해 스핀 방향이 안정되는 결과가 된다. 이것은 또한 온도 상승과 교란 자계에 의해 스핀이 흐트러지는 것을 방지한다. 이런 이유로 인해, 전극(66)을 강자성 재료 또는 반강자성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 전극(66)이 강자성 재료로 만들어지는 경우, 이 강자성 재료는 강자성 전극(65)과 반드시 동일한 재료일 필요는 없다. 다른 강자성 재료일 수 있다.
또한, 전극(66)은 강자성 재료와 비자성 재료로 이루어진 적층막일 수 있다. 이 경우에, 비자성 재료가 삽입되어 있는 인접한 강자성 재료가 반평행으로 쌍을 이루고 있는 스핀을 갖는다면, 전극(66)은 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)의 스핀 방향을 안정화시킨다. 이것은 자기저항 효과를 향상시킨다. 이 경우에 부수적인 장점은 자성막으로부터의 자속의 누설이 방지될 수 있다는 것이다.
전극(66)이 강자성 재료로 만들어지는 경우, 강자성 전극(66)이 반강자성 재료(68)와 접촉하는 구조를 채택하는 것이 가능하다. 이 구조에서, 강자성 전극(66)의 스핀이 반강자성 재료(68)에 의해 안정화될 수 있다. 결과적으로, 강자성 재료와 접촉하는 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)는 안정화된 스핀 방향을 갖는다. 이것은 자기저항 효과를 향상시킨다. 만일 혼합층(64) 내의 강자성 재료(62)의 스핀을 외부 자기장에 의해 반전시키고자 하는 경우, 강자성 전극(65)이 반강자성 재료와 접촉하는 구조를 채택하는 것이 가능하다.
혼합층(64)과 강자성 전극(65)(및 만일 전극(66)이 강자성 재료로 만들어진다면 전극(66))은 막 평면에서 일축 자기 이방성을 가지는 것이 바람직할 것이다. 이것은 급격한 자화 반전이 생기도록 하고 자화 상태를 안정적으로 유지시킨다. 이러한 특성들은 자기 헤드 및 자기 메모리 소자에 대한 응용에 효과적이다. 전극(65)과 전극(66)의 막 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 약 0.1 - 100㎚가 적절하다. 지나치게 두께가 커지면 소자가 과도하게 커지게 된다. 혼합층(64)의 막 두께는 오히려 얇은 것이, 예를 들어, 100㎚보다 얇은 것이 바람직할 것이다.
제 8 실시예:
도 39와 도 40에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 측면에 따른 자기 소자(61)는 기판에 대해 수직 방향으로 적층된 구성층을 갖는다. 이 층 구조는 도 43에 나타낸 바와 같이 두 개로 나누어진 강자성 전극(85a)과 강자성 전극(85b)이 혼합층(84)에 인접한 유전체층(87) 상에 나란하게 배열되는 평면 타입 소자에 적용될 수 있다.
도 43에 나타낸 바와 같은 평면 타입의 자기 소자(81)의 기능은 다음과 같다. 전압이 두 강자성 전극(85a, 85b)을 가로질러 인가될 때, 터널 전류는 강자성 전극(85a)에서 혼합층(84)으로 흐르고, 그 다음 혼합층(84) 내의 강자성 재료(82)와 접촉하는 전극(86)을 통해 다른 강자성 전극(85b)으로 흐른다. 바꾸어 말하면, 전극(86)은 실질적으로 혼합층(84) 내의 강자성 재료(82)와 접촉하고, 이들 사이에는 단지 작은 저항만이 존재한다. 그러므로, 기판을 따라 혼합층(84)을 통해 흐르는 전류는 억제될 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 제 2 측면에 따른 자기 소자, 특히 평면 타입의 자기 소자(81)는 쉬운 생산을 가능하게 하고, 개량된 특성을 나타낸다.
또한, 도 43에 나타낸 바와 같은 평면 타입의 자기 소자(81)에 있어서, 혼합층(84)과 강자성 전극(85)의 적층막이 복수개 사용될 수 있기 때문에, 자기 저항의 변화율을 증가시키는 것이 가능하다. 이 경우에, 전류는 주로 전극(86)을 통해 흐르는데, 이 전극(86)은 만일 상기 소자의 단면적이 더 작게 된다면, 혼합층(84)을 가로지르는 저항에 비해 무시될 수 있는 작은 저항을 갖게 된다. 그러므로, 혼합층(84)을 횡단하는 전류 경로가 두 배로 되기 때문에, 전류는 그에 따라서 증가한다. 이와 같은 방법으로, 특성을 개별적으로 조절하는 것이 가능하다.
도 39, 도 40, 및 도 43을 참고하여 앞서 설명한 본 발명의 제 2 측면에 따른 자기 소자(61, 81)는 2단자 소자로서의 사용을 고려한 것이다. 그러나, 세 번째 게이트 전극이 혼합층(64 또는 84) 상에 형성되고, 이들 사이에 유전체층이 개재되는 경우, 소자들은 또한 3단자 소자로서 사용되어 게이트 전극이 혼합층(64, 84)을 통해 흐르는 터널 전류를 제어하고, 또한 스핀 방향을 제어할 수 있게 된다. 상기 3단자 소자는 도 43에 나타낸 바와 같은 평면 타입의 자기 소자(81)를 구성한 이후에 제조되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제 2 측면에 따르는 상기에 언급한 자기 소자(61, 81)는 전형적으로 박막 형태이다. 그러므로, 소자들은 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 증착 및 표면 피복(plating)과 같은 일반적인 박막 형성 방법에 의해 제조될 수 있다. 혼합층(64)은 강자성 재료(62)와 유전체 재료(63)를 동시에 퇴적하고, 교대로 그들을 적층하여 제조될 수 있다.
강자성 터널 효과 소자(61, 81)는 유리, 세라믹, 또는 금속(단결정 또는 다결정)의 기판 상에 형성된 구성 적층막을 갖는다. 게이트 전극을 쉽게 형성할 수 있고, 또한 종래의 반도체 기술을 사용할 수 있기 때문에, 실리콘 기판이 바람직하다. 부수적으로, 본 발명의 강자성 터널 효과 소자는 자성 또는 비자성 재료의 하부층, 또는 비자성 재료의 보호막(overcoating)층을 가질 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따른 자기 소자(61, 81)는 자기 저항 효과형 자기 헤드, 자계 센서 및 자기 메모리 소자와 같은 자기 장치에 적용될 수 있다. 상기 자기 헤드 및 자기 메모리 소자는 자기 이방성을 지닌 막을 갖는 것이 바람직할 것이다.
상기 언급한 자기 저항 효과형 자기 헤드는 종래의 자기 저항 효과 헤드와 동일한 방법으로 구성될 수 있다. 바꾸어 말하면, 낮은 보자력을 가지는 혼합층(64 또는 84)의 자성막 또는 강자성 전극(65 또는 85)의 자성막이 자기민감층으로 사용되어, 자기민감층은 신호 자기장에 따라서 변화되는 자화 방향을 가지게 된다. 따라서, 발생된 감지 전류(터널 전류를 포함함)는 신호 자기장을 검출하기 위해 전압에 대하여 측정된다. 자기 헤드는 재생 헤드(자기 기록 장치용) 및 자계 센서로 유용하다.
제 9 실시예:
본 발명의 제 2 측면에 따른 자기 소자는 상기 언급한 바와 같은 자기 메모리 소자에 적용될 수 있다. 이 경우에, 강자성 전극 또는 혼합층은 기록을 위한 역할을 한다. 신호를 기록하는 것은 강자성 전극(105)에 인접한 전도층(112)(이들 사이에 절연층(111)이 개재됨)에서 어느 한 방향으로 흐르는 전류로 스핀의 방향을 제어함으로써 이루어진다. 스핀 방향은 "1" 또는 "0"으로 표시된다. 더 작은 보자력을 가진 스핀만을 반전시키고, 자기저항 효과를 활용함으로써 판독이 이루어진다. 도 44는 혼합층(104)이 메모리층으로서의 역할을 하고 강자성 전극(105)이 재생층으로서의 역할을 하는 실례를 보여주고 있다.
전술한 실시예는 전도층이 혼합층(104)에 인접하고, 그 사이에 절연층이 개재되도록 변형될 수 있다.
제 10 실시예:
본 발명의 제 2 측면에 따른 제 10 실시예가 도 46을 참조하여 설명될 것이다. 도 45에 도시된 자기 소자는 스트립 형태의 강자성 전극(A, C)으로 구성되는데, 이들 전극은 서로 직각으로 교차하고, 이들 사이에 둥근 혼합층(B)이 개재된다. 상기 전극(A, C)은 전원 및 전압계(V)에 연결된다. 몇 가지 샘플은 다음의 실례에서 설명되는 것과 같이 다른 재료들로부터 제조되고, 이들이 평가되었다.
실례 10:
도 45에 나타낸 바와 같이 구성된 자기 소자는 다음의 방법으로 스퍼터링함으로써 제조된다. MgO(110) 기판상에는 금속 마스크를 통해 Fe(6㎚ 두께) 및 Co80Pt20(3㎚ 두께)로 이루어진 스트립 형태(0.1㎜폭)의 강자성 적층막(A)이 형성되었다.
이 적층막 상에는 Co80Pt20합금 및 Al2O3의 타겟을 사용하여 Al2O3및 Co80Pt20합금으로 구성된 적층막(B)이 둥근 마스크를 통해 형성되었다. 적층막(B)은 세 단계로 형성되었다. 첫째, 1.5㎚ 두께 및 2㎜ 직경의 Al2O3의 막이 형성되었다. 다음, 400W로 기판에 바이어스를 인가하여, 그 위에 2.8㎚ 두께의 Co80Pt20합금의 막이 형성되었다. 마지막으로, 1.5㎚ 두께의 Al2O3의 막이 형성되었다.
마스크를 제거하고, 스트립 형태인 Co9Fe(20㎚ 두께)의 막(C)이, 직각으로 강자성 적층막(A)과 교차하도록 적층막(B) 상에 형성되었다. 이런 방법으로, 도 45에 나타낸 바와 같은 강자성 터널 효과 소자가 얻어졌다.
그 결과로 얻어진 입상 자성막의 단면 구조가 투과형 전자 현미경을 사용하여 검사되었다. 도 39에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 상기 막은 서로 분리되어 있는 Co80Pt20합금 및 Al2O3로 이루어진 것이 확인되었다. 또한, 입상 자성막의 Al2O3막이 얇고, Co80Pt20자성 합금 및 Co9Fe 막이 입상 자성막에서 서로 접촉하고 있다는 것이 확인되었다.
상기 언급한 강자성 적층막(A)과 Co9Fe 막(C)은 스퍼터링에 의해 Au로 코팅되었다. 전극으로서 퇴적된 Au를 사용하여, 전압이 두 막을 가로질러 인가되고, 자기장에서의 그들의 자기저항이 측정되었다. 저항 대 자기장의 변화는 도 46에 도시되어 있다. 저항은 Fe(6㎚)/Co80Pt20(3㎚)으로 구성된 강자성 적층막(A)의 보자력에 대응하는 약 30 Oe에서 급격하게 변화한다는 것에 주목할 필요가 있다. 저항 변화율은 22%이고, 저항의 피크값은 약 2.9Ω이다.
비교예 1:
입상 자성막 상에 Co9Fe 막(상부 전극으로서)이 형성되고 이들 사이에 2.5㎚ 두께의 Al2O3막이 개재되어 있는 것을 제외하고, 터널 접합을 형성하기 위해 실례 10과 동일한 과정이 반복되었다. 그 결과로 얻어진 입상 자성막의 단면 구조가 투과형 전자현미경을 사용하여 검사되었다. Co9Fe 막과 입상 자성막 사이에 2.5㎚ 두께의 Al2O3막이 존재한다는 것이 확인되었다.
실례 1에서와 동일한 방법으로 터널 접합에 대해 자기장에서의 자기저항을 측정하였다. 자기저항 변화 대 자기장의 변화가 도 47에 도시되어 있다. 저항은 Fe(6㎚)/Co80Pt20(3㎚)의 보자력에 대응하는 약 30 Oe에서, 또한 Co9Fe 막의 보자력에 대응하는 약 100 Oe에서 서서히 변화되었다는 것에 주목할 필요가 있다. 저항 변화율은 약 15%이고, 저항의 피크값은 약 9.8Ω이다.
만일 유전체층이 상기 두 전극의 각각과 상기 입상 자성막 사이에 개재되는 경우에 저항은 증가하고, 자기저항 변화율은 감소한다는 것에 주목할 필요가 있다.
실례 11:
Fe(6㎚)/Co80Pt20(3㎚)의 하부의 강자성 전극이 Fe(6㎚)/CoFe(3㎚)의 적층막으로 대체되었다는 것을 제외하고, 터널 접합을 형성하기 위해 실례 10과 동일한 과정이 반복되었다. 저항 변화 대 자기장의 변화가 도 48에 도시되어 있다. 저항은 Fe(6㎚)/CoFe(3㎚)의 적층막의 보자력에 대응하는 약 20 Oe에서 급격하게 변화한다는 것에 주목할 필요가 있다. 저항의 변화율은 28%이고, 저항의 피크값은 2.1Ω이다.
실례 12:
실례 10 및 비교예 1의 자기저항 효과 소자는 온도 변화에 따른 자기저항의 변동에 대해 시험되었다. 비교예 1에서 자기저항은 100℃에서 15%에서 9%로 감소되는 반면, 실례 10에서 자기저항은 100℃에서 22%에서 20%로 약간만 감소되었다는 것에 주목할 필요가 있다. 이것은 본 발명의 자기저항 효과 소자가 온도 안정성에서 우수하다는 것을 나타낸다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제 1 측면에 관한 자기 소자는 작은 자기장으로 쉽게 큰 자기저항 변화율을 제공한다. 또한, 접합 저항을 감소시켜서 우수한 재생능력을 갖는 특성을 나타내게 된다. 이 소자는 온도 상승과 교란 자기장에 의해 자기저항이 거의 변화하지 않는다. 본 발명의 강자성 터널 효과 소자는 높은 감도와 큰 출력 전압을 갖는 자기 헤드와 자계 센서에 대한 소자로서 사용될 수 있다. 또한 고속 및 고출력을 갖는 비휘발성 고체 자기 메모리로서 자기 메모리 장치에 적용될 수 있다.
부수적으로, 상기 언급한 실시예 및 실례에서 사용된 저항의 변화를 측정하기 위한 방법은 모든 다른 실시예 및 실례에서 사용될 수 있다.
비록 본 발명을 적절한 실시예를 참조하여 특정적으로 도시하고 설명하였으나, 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부사항의 여러 가지 다른 변형예가 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 자기 소자는 작은 자기장에서 큰 자기저항 변화율을 쉽게 제공하며, 저항 및 자기 감도를 아주 적게 변화시키고 낮은 저항을 가진다.

Claims (19)

  1. 강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층을 사이에 두고 양측에 각각 제 1 터널 유전체 장벽과 제 2 터널 유전체 장벽이 형성되는 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽,
    상기 제 1 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료의 제 1 층 사이에 개재되도록 형성되는 제 1 강자성 재료층, 및
    상기 강자성 재료의 제 1 층 및 강자성 재료의 제 2 층 사이를 흐르는 전류가 상기 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽의 각각 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해 흐르도록 상기 제 2 터널 유전체 상에 형성되는 강자성 재료의 제 2 층을 포함하고,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 강자성 재료는 상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 유전체 재료의 부피보다 작지 않은 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체 혼합층은 유전체 재료가 강자성 재료의 매트릭스 내에 분산되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    강자성 재료의 제 1 층 및 제 2 층 중 어느 하나와 교환 결합되어, 상기 강자성 재료의 제 1 층 및 제 2 층 중 어느 하나에 결합력을 제공하는 반강자성층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체층 내의 강자성 재료와 교환 결합되어, 상기 강자성체-유전체 층내의 강자성 재료에 결합력을 제공하는 반강자성 재료층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽은 하나의 유전체층으로 형성되고, 상기 강자성 재료의 제 1 층 및 제 2 층은 상기 유전체층의 하나의 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체층의 강자성 재료, 및 상기 강자성 재료의 제 1 층 및 제 2 층 중 어느 하나는 Co, CoPt, FePt, 및 전이 금속과 희토류 금속의 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체층의 강자성 재료, 및 상기 강자성 재료의 제 1 층 및 제 2 층 중 다른 하나는 Fe, Ni, Co, Fe 합금, Ni 합금, Co 합금, 마그네타이트, 산화물 자성 재료, 및 호이슬러(Heusler) 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  8. 메모리 셀을 포함하는 자기 메모리 장치에 있어서,
    상기 메모리 셀은,
    강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층을 사이에 두고 양측에 각각 제 1 터널 유전체 장벽과 제 2 터널 유전체 장벽이 형성되는 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽,
    상기 제 1 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료의 제 1 층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료의 제 1 층, 및
    상기 강자성 재료의 제 1 층 및 강자성 재료의 제 2 층 사이를 흐르는 전류가 상기 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽의 각각 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해 흐르도록 상기 제 2 터널 유전체 장벽 상에 형성되는 강자성 재료의 제 2 층을 구비하고,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 강자성 재료는 상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 유전체 재료의 부피보다 작지 않은 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  9. 강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층을 사이에 두고 양측에 각각 제 1 터널 유전체 장벽과 제 2 터널 유전체 장벽이 형성되는 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽,
    상기 제 1 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료의 제 1 층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료의 제 1 층, 및
    상기 강자성 재료의 제 1 층 및 강자성 재료의 제 2 층 사이를 흐르는 전류가 상기 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽의 각각 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해 흐르도록 상기 제 2 터널 유전체 장벽 상에 형성되는 강자성 재료의 제 2 층을 포함하고,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 강자성 재료는 상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 유전체 재료의 부피보다 작지 않은 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 헤드.
  10. 자기 매체, 및
    상기 자기 매체의 자기 정보를 재생하는 자기저항 효과 헤드를 포함하는 자기 기억 시스템에 있어서,
    상기 자기저항 효과 헤드는,
    강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층을 사이에 두고 양측에 각각 제 1 터널 유전체 장벽과 제 2 터널 유전체 장벽이 형성되는 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽,
    상기 제 1 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료의 제 1 층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료의 제 1 층, 및
    상기 강자성 재료의 제 1 층 및 강자성 재료의 제 2 층 사이를 흐르는 전류가 상기 제 1 및 제 2 터널 유전체 장벽의 각각 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해 흐르도록 상기 제 2 터널 유전체 장벽 상에 형성되는 강자성 재료의 제 2 층을 구비하고,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 강자성 재료는 상기 강자성체-유전체 혼합층 내의 유전체 재료의 부피보다 작지 않은 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 기억 시스템.
  11. 강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 상에 형성된 터널 유전체 장벽,
    상기 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료층 사이에 개재되도록 상기 터널 유전체 장벽 상에 형성되는 강자성 재료층, 및
    상기 강자성 재료층과 전극 사이를 흐르는 전류가 상기 터널 유전체 장벽 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해서 흐르도록 상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료와 직접 접촉하여 형성되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 자기 소자는 상기 터널 유전체 장벽의 한 표면 상에 형성된 복수의 강자성 재료층을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 강자성 재료층과 교환 결합되어 상기 강자성 재료층에 결합력을 제공하는 반강자성 재료층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료와 교환 결합되어 상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료에 결합력을 제공하는 반강자성 재료층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료는 FeNi, 비정질 합금, Fe, Co, Ni, Fe 합금, Co 합금, Ni 합금, 반금속, 및 전이 금속과 희토류 금속의 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 유전체 재료는 Al2O3, SiO2, MgO, MgF2, Ni2O3, AlN 및 CaF2로 구성된 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 소자.
  17. 자기 메모리 셀을 포함하는 자기 메모리 장치에 있어서,
    상기 자기 메모리 셀은,
    강자성 재료 및 유전체 재료의 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 상에 형성되는 터널 유전체 장벽,
    상기 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료층, 및
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료와 직접 접촉하여 형성되고, 상기 강자성 재료층과 전극 사이에 흐르는 전류가 상기 터널 유전체 장벽 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해서 흐르도록 형성되는 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
  18. 강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 상에 형성되는 터널 유전체 장벽,
    상기 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료층, 및
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료와 직접 접촉하여 형성되고, 상기 강자성 재료층과 전극 사이에 흐르는 전류가 상기 터널 유전체 장벽 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해서 흐르도록 형성되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 헤드.
  19. 자기 매체, 및
    상기 자기 매체의 자기 정보를 재생하는 자기저항 효과 헤드를 포함하는 자기 기억 시스템에 있어서,
    상기 자기저항 효과 헤드는,
    강자성 재료 및 유전체 재료를 갖는 강자성체-유전체 혼합층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층 상에 형성되는 터널 유전체 장벽,
    상기 터널 유전체 장벽이 상기 강자성체-유전체 혼합층과 강자성 재료층 사이에 개재되도록 형성되는 강자성 재료층,
    상기 강자성체-유전체 혼합층의 강자성 재료와 직접 접촉하여 형성되고, 상기 강자성 재료층과 전극 사이에 흐르는 전류가 상기 터널 유전체 장벽 및 상기 강자성체-유전체 혼합층을 통해서 흐르도록 형성되는 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 기억 시스템.
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