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KR20020019017A - 바이어싱 자성층 구조를 갖는 자계 소자 - Google Patents

바이어싱 자성층 구조를 갖는 자계 소자 Download PDF

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KR20020019017A
KR20020019017A KR1020017014198A KR20017014198A KR20020019017A KR 20020019017 A KR20020019017 A KR 20020019017A KR 1020017014198 A KR1020017014198 A KR 1020017014198A KR 20017014198 A KR20017014198 A KR 20017014198A KR 20020019017 A KR20020019017 A KR 20020019017A
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KR
South Korea
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layer structure
magnetic
biasing
magnetic layer
magnetic field
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Application number
KR1020017014198A
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English (en)
Inventor
질리스머레이에프.
렌센카르스-미키엘에이치.
쿠이퍼안토니우스이.티.
Original Assignee
요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Filing date
Publication date
Application filed by 요트.게.아. 롤페즈, 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. filed Critical 요트.게.아. 롤페즈
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Abstract

본 발명은, 제 1 자성층 구조(7), 고정된 자화 방향(M11)을 갖는 제 2 자성층 구조(11) 및 그 제 1 자성층 구조와 그 제 2 자성층 구조를 서로 분리하는 스페이서층 구조(9)를 갖는 스택으로 구성된 자계 소자에 관한 것이다. 이 자계 소자는, 상기 제 1 자성층 구조에 종방향 바이어스 자계를 인가하는 바이어싱 수단을 더 구비하며, 상기 바이어싱 수단이 제 1 자성층 구조에 대향하여 위치된 박형 바이어싱 자성층 구조(3)를 구비한다. 이 바이어싱 자성층 구조는, 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 수직한 자기 결합 자계 성분(M3)을 제공하고, 비자성층 구조(5)에 으해 제 1 자성층 구조로부터 분리된다. 이 제 1 자성층 구조는, 바이어싱 자성층 구조에 강자성적으로 결합된다. 자계 소자는, 초고밀도 응용에 적합하다.

Description

바이어싱 자성층 구조를 갖는 자계 소자{MAGNETIC FIELD ELEMENT HAVING A BIASING MAGNETIC LAYER STRUCTURE}
본 발명은, 제 1 자성층 구조, 고정된 자화 방향을 갖는 제 2 자성층 구조 및 그 제 1 자성층 구조와 그 제 2 자성층 구조를 서로 분리하는 스페이서층 구조를 갖는 스택으로 구성된 자계 소자에 관한 것으로, 상기 제 1 자성층 구조에 종방향 바이어스 자계를 인가하는 바이어싱 수단을 더 구비한 자계 소자에 관한 것이다.
US-A 6,023,395에는, 외부 자계를 감지하는 자기 터널 접합형 자기 저항 센서가 개시되어 있다. 자기 터널 접합장치는, 절연 터널 장벽층에 의해 서로 분리된 고정 강자성층과 감지 강자성층을 구비하고, 스핀 편광된 전자 터널링 현상에 의거한다. 자기 터널 접합장치의 응답은, 감지 전류가 하나의 강자성층에서 다른 강자성층으로 자기 터널 접합을 수직 통과하는 경우 자기 터널 접합의 저항을 측정하여 결정된다. 자기 터널 접합장치는, 단일 자구(magnetic domain) 상태를 유지하는 문제 때문에 손상을 입는다. 자벽(domain wall) 이동으로 잡음이 일어나고 신호 대 잡음비가 감소한다. 이로 인해 선형 응답이 필요한 경우, 재생 불가능한 센서의 응답이 일어날 수도 있다. 이 문제점에 비추어 볼 때, 종래의 자기 터널 접합 자기 저항 센서는, 감지 강자성층과 정자기적으로(magnetostatically) 결합된 층들의 자기 터널 접합 스택 내에 바이어싱 강자성층으로 구성된다. 전기적으로 비자성 도전 스페이서층은, 바이어싱층과 감지 강자성층 사이의 강자성 결합을 막도록 바이어싱층과 다른 스택 층들 사이에 존재한다. 바이어싱 강자성층으로부터의 감자 자계는, 감지 강자성층의 에지와 정자기적으로 결합한다. 이러한 구성에서, 상기 스페이서층이 충분한 두께를 가질 경우, 감지층과 바이어싱층의 자기 모멘트는, 감지 및 바이어싱층의 에지와의 정자기적인 결합으로부터 생기는 반강자성 결합 자계를 통해 또 다른 층에 자기적으로 결합된다.
종래 센서의 단점은, 바이어싱층과 감지층의 자기 결합도가 소자의 주변(geometry), 특히 그 관련 층들에 의거한다는 것이다. 또한, 반강자성 정자기적 결합은, 가능한 강자성 결합을 막기 위해서 두꺼운 스페이서층을 요구하지만, 평면 구성 전류(current-in-plane configuration)일 경우에 상기와 같은 두꺼운 층으로 원하지 않는 전기 분류(shunting)가 일어난다. 이 효과로 인해, 반강자성 결합 메카니즘이 실제로 GMR 또는 AMR 소자의 적용에 부적합하다. 이 문단에서, 주목할 것은, 상기 개시된 방법은, 자기 터널 접합 자기 저항 센서에 관련될 뿐이라는 것이다.
본 발명의 목적은, 바이어싱 수단에 의해 유도된 자기 결합이 자계 소자의 주변과 비교적 독립되도록 서두에 기재된 종류의 자계 소자를 개선하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자계 소자는, 제 1 자성층 구조, 고정된 자화 방향을 갖는 제 2 자성층 구조 및 그 제 1 자성층 구조와 그 제 2 자성층 구조를 서로 분리하는 스페이서 층 구조를 갖는 스택으로 구성되고, 이 자계소자가 상기 제 1 자성층 구조에 종방향 바이어스 자계를 인가하는 바이어싱 수단을 더 구비하고, 상기 바이어싱 수단이 제 1 자성층 구조에 대향하여 위치된 바이어싱 자성층 구조를 구비하고, 상기 바이어싱 자성층 구조가 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 수직한 자기 결합 자계 성분(magnetic coupling field component)을 제공하고, 비자성층 구조에 의해 제 1 자성층 구조로부터 분리됨으로써, 상기 제 1 자성층 구조가, 주로 그 바이어싱 자성층 구조에 강자성적으로 결합된다. 종방향 바이어스 자계는, 제 2 자성층 구조의 고정된 자화 방향에 수직한 방향으로 향한다. 그 적용된 방법으로 비자성층 구조를 통해 바이어싱 자성층 구조와 제 1 자성층 구조 사이의 자기 결합이 일어난다. 자계 소자의 제조시에, 바이어싱 자성층 구조는, 간단한 방법으로 이미 존재하는 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 바이어싱 자성층 구조의 형성시에, 자계는 제 2 자성층 구조의 형성시에 인가된 자계에 의해 0°보다 크고 180°보다 작게 하여 인가되어야 한다.
그 자계 소자에 인가된 바이어싱 수단은, 다른 감지 원리를 갖는 센서에 적용 가능하다. 본 발명에 따른 자계 소자는 스핀 터널 접합 소자로, 이 경우에 스페이서층 구조는 Al2O3와 같은 절연재의 터널 장벽층 또는 거대(giant) 자기 저항형의 스핀-밸브 소자(spin-valve element)를 포함한다. 이 두 경우에, 매우 중요한 자기 특성은, 제 1 자성층 구조의 자기 히스테리시스이다. 이 층 구조의 자기 모멘트가 자기원, 예를 들면 패싱(passing) 자기 디스크의 자계와 정렬된 경우, 제 2 자성층 구조의 자기 모멘트와 반평행(anti-parallel) 정렬을 이룰 수도 있다. 이 효과로 인해 저항의 변화가 일어난다. 자계 소자의 출력에서의 왜곡을 막기 위해서는 상기자기 정렬시에 제 1 자성층 구조를 통해 불규칙적으로 이동하는 자벽의 도입을 막는 것이 필요하다. 자벽은, 제 1 자성층 구조에 자기 히스테리시스가 존재할 경우 도입되어도 된다. 여기서, 증명된 것은, 상기 히스테리시스가 본 발명에 따른 센서에서 상당히 감소되고 완전히 제거도 된다는 것이다.
본 발명에 따른 자계 소자에서, 바이어싱 자성층 구조와 제 1 자성층 구조 사이에 자기 결합 자계, 즉 종방향 바이어싱 자계는 존재한다. 그에 따른 결합은, 강자성 결합이 현재의 반강자성 결합보다 우세한 주로 강자성이다. 그 우세함은, 관련 층 구조의 강자성체의 기능으로서 스페이서층 구조의 두께를 신중히 선택하여 얻어질 수 있다. 그 강자성 결합은, 매우 국부적인 레벨, 즉 그 구조의 입자 크기 순으로 대 영역, 즉 원리상 바이어싱층 구조와 제 1 층 구조의 대향면에서 이루어진다. 더욱 명확하게는, 자성층 구조의 기복 또는 거칠기로 인한 강자성 결합을 이용하여 원하는 강자성 결합을 얻는다. 또한, 이 결합은, 오렌지 껍질 결합(orange-peel coupling) 또는 위상 결합(topological coupling)이라 불린다. 본 발명에서 충분한 두께를 갖는 비자성 스페이서층 구조로 그 구조가 분리된 바이어싱 자성층 구조와 제 1 자성층 구조의 상관된 기복은 강자성 결합을 일으킨다. 평행 자화의 경우에, 자속은 자기 구조에서 다른 구조까지 스페이서 구조를 가로지른다. 즉, 이것으로 평행 자화에 의한 경우가 반평행 구성에 관해 매우 유리하다.
예를 들면 스페이서 물질로서 Ta를 사용하는 경우에 스페이서층 구조를 충분히 얇게 함으로써, 그 두께는 일반적으로 약 3nm 미만이고, 충분히 바이어싱층 구조가 클 때에 강자성층의 포화 자화를 선택함으로써, 여기서 확인할 수 있는 것은,강자성 결합이 정자기적인 반강자성 결합보다 우세하여서, 강자성 결합이 자계 소자의 주변과 비교적 독립되어 적어도 그 소자의 큰 부분 상에서 균일하다는 것이다.
상술한 구성으로 다른 바이어싱 수단에 의해 가능한 것 이상으로 인가하려고 하는 자계를 매우 낮춘다. 극히 미세한 레벨의 상호작용(interaction)으로 인해, 그 강자성 결합은 자계 소자의 주 부분에서 균일하고, 자계 소자의 크기와 주변에 거의 의존하지 않는다. 또한, 그 바이어싱 수단은, 간단한 특징을 갖고 초고밀도 응용을 위해 존속할 수 있는 해결책을 제공한다. 강자성 결합을 위한 다른 메카니즘은, 그 층들의 두께가 매우 신중히 선택되어야 할 경우에, 층간 교환 결합을 이용할 수 있다.
일반적으로, 제 1 자성층 구조는, 제 2 자성층 구조의 고정된 자화 방향에 수직한 완만한 자화 축을 가질 것이다. 제 1 자성층 구조는, 일반적으로 NiFe 합금 또는 CoFe 합금과 같은 강자성체로 이루어진 소위 자유층인 강자성층을 포함한다. 제 2 자성층 구조는, NiFe 합금 또는 CoFe 합금과 같은 강자성체로 이루어진 소위 핀드 층(pinned layer)과, 반강자성체, 예를 들어 IrMn 합금과 같은 교환 바이어싱 재료로 이루어진 소위 피닝 층(pinning layer)을 포함한다.
주목할 것은, US-A 5,729,410에는, 자기적으로 기록된 데이터를 판독하기 위해 사용된 센서로서 사용된 종래의 자계 소자가 개시되어 있고, 절연 터널 장벽층의 반대측에 형성된 하나의 고정 강자성층과 하나의 감지 강자성층을 갖는다는 것이다. 경성 바이어싱 강자성체, 특히 CoPtCr 합금으로 이루어진 2층의 부분은, 그감지 강자성층의 측면 에지로부터 단지 분리될 만큼 근접한 위치에 있다. 상기 층 부분은, 감지 강자성층으로부터 전기적으로 절연되어 있지만 정자기적으로 결합되어 있고 이 감지층의 자기 모멘트를 종방향으로 바이어스하는 역할을 한다. 이러한 종래 센서의 단점은, 경성 바이어싱 재료의 층 부분이, 제어하기 어렵고, 그러한 자석이 멀리 떨어져 있어서 그에 따른 자계가 예로 5 내지 10 Oe인 낮은 값과 균일한 큰 트랙 폭용에서만 실용적이다라는 것이다. 그것은 초고밀도 기록용으로 부적합한 해결책이다. 그 종래 센서의 또 다른 단점은, 상기 층 부분이, 달리 센서에서 아무데도 사용되지 않는 물질로 이루어진다는 것이다. 이것은 퇴적 시스템에서 별도의 자원이 필요하다. 아울러, 별도의 마스크 공정이 상기 층 부분의 구조를 정의하는 제조시에 필요해진다. 또한, 경성 자성 재료가 종종 온도에 아주 의존하는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 자계 소자의 실시예는, 바이어싱 자성층 구조가, 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 관하여 적어도 45°의 각도 및 최대 135°의 각도인 고정된 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 한다. 이 실시예에서, 바이어싱 자성층 구조는, 제 1 자성층 구조에서의 자기 히스테리시스가 실질적으로 감소된다는 점에서 제 1 자성층 구조에 상당한 영향을 미친다. 최대 종방향 바이어싱 자계는, 바이어싱 자성층 구조의 자화 방향이 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 관하여 실질적으로 90°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 본 실시예에서 달성된다.
본 발명에 따른 자계 소자의 실시예에서, 비자성층 구조는, Al2O3와 같은 하나 또는 그 이상의 재료 Cu, Ru 및 Ta 및/또는 비자성 산화물로 이루어진 층을 포함한다. 이 층의 두께를 조절함으로써, 종방향 바이어싱 자계는, 예를 들어 매우 두꺼운 Cu층용 약 5 Oe에서 매우 얇은 Cu층용 약 100 Oe까지 튜닝될 수 있다. Ta는, 고저항률 때문에 스핀-밸브에서 특히 바람직하다. 또한, Ta는 원하는 구성을 유도한다.
본 발명에 따른 자계 소자의 실시예는, 바이어싱 자성층 구조가, 핀드 층 구조와 그 핀드 층 구조를 고정하기(pinning) 위한 피닝 층 구조를 구비한다. 이 핀드 층 구조는, 바람직하게는 자성 재료, 예로서 NiFe 합금, Co 또는 CoFe 합금의 강자성층을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 자계 소자의 상술한 실시예는, 바람직하게는 상기 피닝 층 구조가, 예를 들면 FeMn 합금, IrMn 합금 등의 반강자성체 또는 예를 들면 TbCo 합금 또는 TbFeCo 합금 등의 강자성체와 같은 교환 바이어싱 재료로 이루어진 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
원하는 경우 핀드 층 구조는 비자성 재료로 이루어진 층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 포함하여도 된다. 이 구조는, 예를 들면 NiFe 합금 또는 CoFe 합금과 같은 2층의 강자성체와 적절한 두께를 갖고 Ru, Rh 또는 Cu와 같은 비자성 재료인 삽입층이어도 된다. 이 삽입층은, 강자성체로 이루어진 층들 사이에 반강자성 결합이 된다. 비자성 재료로 이루어진 삽입층에 의해 분리된 강자성체의 층들을 포함하는 상기와 같은 구조는, 종종 인공 반강자석(Artificial antiferromagnet, AAF)이라 불린다.
본 발명에 따른 자계 소자의 실시예는, 청구항 8에 기재된 것을 특징으로 한다. 이 실시예에서는, 자기 표유 자계(magnetic stray field)를 최소화할 수도 있다.
본 발명에 따른 자계 소자의 실시예는, 청구항 9에 기재된 것을 특징으로 한다. 본 실시예에서는 바이어싱 자성층 구조의 자기적인 견고성(robustness)이 더욱 향상된다.
또한, 본 발명은, 자계 소자를 포함하는 스핀 터널 접합장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 스핀 터널 접합장치는, 본 발명에 따른 자계 소자로 구성되고, 그 스페이서층 구조는 예를 들면 Al2O3와 같은 절연재로 이루어진 터널 장벽층을 포함한다.
또한, 본 발명은, 자계 소자를 포함하는 거대 자기 저항소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 거대 자기 저항소자는, 본 발명에 따른 자계 소자를 포함한다. Al2O3와 같은 절연재 또는, Ta, W 또는 Mo와 같은 고저항률의 재료는, 비자성층용 재료가 바람직하다.
상술한 두 장치는, 센서, 예를 들면 자동차 제품용 자계 센서 또는 자기 등록 또는 정보 매체와 상호 작용하는 판독 헤드와 같은 자기 헤드로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은, 자기 정보매체로부터 정보를 판독하는 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 본 발명에 따른 자계 소자 또는 본 발명에 따른 장치 중 하나를 포함한다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 자계 소자를 포함하는 자기 메모리와 이러한 메모리를 포함하는 전자 회로에 관한 것이다.
청구범위를 참조하면, 주목할 것은, 청구범위의 내용에 기재된 것과 같은 여러 가지 특징적인 특징을 조합하여도 된다는 것이다. 더욱이, 주목해야 할 것은, 본 명세서에서 사용된 상기 용어 "층 구조"마다 단일 층 또는 층들로 이루어진 스택으로 언급하여도 된다는 것이다.
이후, 설명된 실시예들을 참조하여, 본 발명의 상술한 발명 내용 및 다른 국면은, 비 제한적인 예로부터 명백해질 것이고 그 예에 의해 설명될 것이다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 자계 소자의 실시예의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 거대 자기 저항형의 스핀 밸브 소자의 실시예의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 스핀 터널 접합장치의 실시예의 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 자계 소자가 구비된 자계 센서의 실시예의 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 다이어그램적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 자기 메모리의 실시예의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 전자 회로도이다.
주목해야 할 것은, 동일 참조부호는, 일부 실시예의 대응 부품을 나타내는데 사용될 것이라는 것이다.
도 1에 도시된 자계 소자는, 기판(1)에 의해 지지된 평행 층 구조의 스택으로 구성된다. 이 층 구조의 스택은, 순차로 바이어싱 자성층 구조(3), 박형 비자성층 구조(5), 제 1 자성층 구조(7), 스페이서층 구조(9) 및 제 2 자성층 구조(11)를 포함한다. 상기 기판(1)은, Si와 같은 비자성, 비도전성 재료로 이루어진다. 제 1 자성층 구조(7)와 제 2 자성층 구조(11) 사이에는 스페이서층 구조(9)가 삽입되고, 바이어싱 층 구조(3)와 제 1 자성층 구조(7) 사이에는 비자성층 구조(5)가 삽입된다. 각 층 구조(3, 5, 7, 9, 11)는, 단일 층 또는 다층을 포함하여도 된다. 제 2 자성층 구조(11)는, 그 자체의 층 구조(11)의 평면에 고정된 자화 방향 M11을 갖는다. 이 자화 방향 M11은, 형성시에, 특히 제 2 자성층 구조(11)의 적층시에 적합한 자계를 인가함으로써 자계 소자의 제조시에 도입된다.
제 1 자성층 구조(7)에 대향한 위치에 있는 바이어싱 자성층 구조(3)는, 자화 M3에 평행하고 제 2 자성층 구조(11)의 자화 방향 M11에 수직한 자기 결합 자계 성분을 제공하는 자화 M3를 갖는다. 이 자화 방향 M3은, 형성시에, 특히 제 2 자성층 구조(11)의 형성시에 인가된 자계에 의해 0°와 180°사이의 각도를 만드는 적합한 자계를 인가함으로써 바이어싱 자성층 구조(3)의 적층시에 나타난다. 이 자화 M3은, 비자성층 구조(5)를 통해 바이어싱 자성층 구조(3)와 제 1 자성층 구조(7) 사이에서 강자성 결합을 생기게 하여, 매우 국부적인 결합이 생긴다. 바이어싱 자성층 구조(3)의 자화 M3은, 제 2 자성층 구조(11)의 상기 자화 방향 M11에 관하여 적어도 45°와 최대 135°의 각도인 고정 방향을 갖는다. 최대 자기 결합 자계 성분은, 바이어싱 자성층 구조의 상기 자화 방향 M3이 자화 방향 M11에 관하여 90°의 각도를 가질 경우 달성된다. 제 1 자성층 구조(7)는, 제 2 자성층 구조(11)의 고정된 자화 방향 M11에 평행한 완만한 자화 축 A7을 갖는다. 또한, 특정 응용에 있어서 그것은, 고정된 자화 방향 M11에 수직한 완만한 자화 축 A7을 선택하는데 이롭다. 제 1 자성층 구조(7)는, 강자성체, 예를 들면 NixFe1-x로 이루어진 소위 자유층을 구비한다. 제 2 자성층 구조(11)는, 강자성체, 예를 들면 CoxFe1-x로 이루어진 소위 핀드 층, 또는 반강자성체, 예를 들면 Fe50Mn50과 같은 교환 바이어싱 재료로 이루어진 소위 핀드 층을 구비한다.
본 발명에 따른 자계 소자는, 스핀 터널 접합장치에 사용되어도 되는데, 그 경우에는 스페이서층 구조(9)가 예를 들어 Al2O3와 같은 전기적 절연재로 이루어진 터널 장벽층을 구비하고, 또는 거대 자기 저항소자에 사용되어도 되는데, 그 경우에는 스페이서층 구조(9)가 예를 들어 Cu와 같은 비자성 재료로 이루어진 층을 구비한다.
3nm보다 작은 두께의 박형 비자성층 구조(5)는, 그 요소 Cu, Ru 또는 Ta 또는 Al2O3산화물과 같은 비자성 재료 또는 또 다른 적합한 재료로 이루어진 하나 또는 그 이상의 층을 포함하여도 된다. 바이어싱층 구조(3)는, 핀드 층 구조와 피닝층 구조로 이루어진 스택을 구비한다. 이때의 핀드 층 구조는, Cu와 같은 비자성 재료의 층에 의해 분리된 NiFe 합금과 같은 2층의 강자성체를 구비하는 것이 바람직하고, 또한 피닝 층 구조는 반강자성체, 예를 들면 FeMn 합금과 같은 교환 바이어싱 재료 또는 예를 들면 TbCo 합금과 같은 적합한 강자성체로 이루어진 층을 구비하는 것이 바람직하다. 그 강자성층 중의 하나는 교환 바이어싱 재료로 이루어진 층에 인접하는 것이 바람직하다. 또한, 바이어싱층 구조(3)는, 비자성 재료로 이루어진 층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 구비한다.
도 2에 도시된 거대 자기 저항소자는, 기판을 포함하고, 바이어싱층 구조(3), 박형 비자성층 구조(5), 제 1 자성층 구조(7), 스페이서층 구조(9), 제 2 자성층 구조(11)를 구비한 층 구조의 스택으로 구성된 자계 소자를 포함한다. 바이어싱층 구조(3)는, 제 2 자성층 구조(11)의 고정된 자화 방향 M11에 수직한 자화 M3를 갖는다. 바이어싱 자성층(3)은, 핀드 층 구조(3B)와 그 핀드 층 구조(3B)를 고정하기 위한 피닝 층 구조(3A)를 구비한다. 그 피닝 층 구조(3A)는, 본 실시예에서는 IrMn 합금과 같은 교환 바이어싱 재료로 구성된 층을 구비한다. 또 본 실시예에서 핀드 층 구조(3B)는, 비자성 재료로 이루어진 삽입층(3B3)에 의해 분리된 강자성체로 이루어진 2층(3B1, 3B2)을 구비한다. 이 실시예에서, 그 강자성체는 CoFe 합금이고, 비자성 재료는 Ru이다. 그 층 구조(3B1, 3B2, 3B3)는, 강자성층 3B1과 3B2사이에서 반강자성 결합이 생긴다. 이 실시예에서, 2nm 두께의 비자성층 구조(5)는 Ta층을 구비한다. 제 1 자성층 구조(7)는 강자성체, 예를 들면 NiFe 합금으로 이루어진 자유층을 구비한다. 스페이서층 구조(9)는 Cu로 이루어진 층을 구비한다. 제 2 자성층 구조(11)는, 핀드 층(11A)과 피닝층(11B)을 갖는 핀드 구조이다. 제 2 자성층 구조(11)는 고정된 자화 방향 M11을 갖고, 바이어싱층 구조(3)는 자화 방향 M11에 수직한 자기 결합 자계 성분을 제공한다.
도 3에 도시된 스핀 터널 접합장치는, 기판(1) 위에 형성되고, 바이어싱 자성층 구조(3), 비자성층 구조(5), 제 1 자성층 구조(7), 스페이서층 구조(9) 및 제 2 자성층 구조(11)로 이루어진 스택으로 구성된 자계 소자를 포함한다. 스페이서층 구조(9)는, 적합한 산화물, 예를 들면 Al2O3와 같은 비자성, 전기적 절연재로 이루어진 터널 장벽층을 구비한다. 이 층 구조(3, 5, 11)는, 이미 상술한 실시예에서처럼 구성되어도 된다. 제 1 자성층 구조(7)는, 주로 바이어싱층 구조(3)에 강자성적으로 결합된다.
도 4는 자계 센서의 일부를 도시한 것이다. 이 센서는, 전기 접속부재(100)를 갖는 변환기 T를 포함한다. 이 변환기 T는, 본 발명에 따른 자계 소자의 예, 예컨대 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 실시예들 중의 하나를 구비한다. 이 센서는, 자기 회로를 형성하기 위해 변환기 T에 관하여 위치 결정된 자속 안내부재(102, 104)를 포함한다. 자속 안내부재(102, 104)는, 센서의 자극면을 형성하는 끝면(102a, 104a)을 갖고, 자기 갭(106)은 상기 면 사이에 있다. 자기 테이프, 디스크 또는 카드와 같은 자기 매체가 아주 근접하게 상기 면(102a, 104a)을 지나가며 이동할 경우, 그 매체에 자기적으로 저장된 정보는 상술한 자기회로에서변화 자속을 발생하고, 이 자속은 변환기 T를 통해 공급된다. 변환기 T는, 그 변화 자속을 전기 접속부재(100)에 접속된 측정 기구에 의해 측정될 수 있는 전기 저항 변동으로 변환한다. 또한, 자기 헤드로서 언급된 상기 센서는, 자기 매체의 자기 정보 기록에 이용될 수 있는 유도 코일을 구비하여도 된다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 시스템은, 프레임(200)과, 하드 디스크 또는 자기-광 디스크와 같은 디스크형 정보매체(204)를 이송하는 그 프레임(200)에 회전 가능하게 탑재된 스핀들(202)을 포함한다. 이 정보 매체(204)는, 집적형 매체 또는 이동 가능형 매체이어도 된다. 이 시스템은, 본 발명에 따른 자계 센서(208)를 이송하는 스윙-암(206)을 더 구비한다. 드라이브는, 스핀들(202)과 암(206)을 구동하기 위해 구성된다. 동작 상태에서, 센서(208)는 회전하는 정보 매체(204)를 주사하되, 이 센서는 정보매체(204)에 대향하게 배치되고 매체(204)에 대해 실질적으로 방사형으로 이동한다. 도시된 시스템은, 데이터 저장 시스템이지만, 예를 들면 오디오 및/또는 비디오 시스템이어도 된다. 또한, 본 발명에 따른 시스템은, 테이프 또는 카드로부터 정보를 판독하는 시스템이어도 된다.
도 6에서, 본 발명에 따른 스핀 터널 접합장치(300)는, 고밀도 비휘발성 메모리로 구성된 하나의 셀을 형성하는, 예를 들어 Si 트랜지스터와 같은 트랜지스터 또는 예를 들면 GaAs 다이오드와 같은 다이오드와 같은 반도체 장치(302)의 상부에 집적된다.
도 7은 고밀도 MRAM용 평면도(400)를 나타낸 것이다. 이 평면도(400)는, 예를 들어 다이오드나 트랜지스터와 같은 선택장치(402)와, 본 발명에 따른 스핀 터널 접합장치 형태의 자기 소자(404) 또는 본 발명에 따른 거대 자기 저항소자를 포함하는 메모리 셀을 포함한다.

Claims (14)

  1. 제 1 자성층 구조, 고정된 자화 방향을 갖는 제 2 자성층 구조 및 그 제 1 자성층 구조와 그 제 2 자성층 구조를 서로 분리하는 스페이서층 구조를 갖는 스택으로 구성되고, 상기 제 1 자성층 구조에 종방향 바이어스 자계를 인가하는 바이어싱 수단을 더 구비하며, 상기 바이어싱 수단이 제 1 자성층 구조에 대향하여 위치된 바이어싱 자성층 구조를 구비하고, 상기 바이어싱 자성층 구조가 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 수직한 자기 결합 자계 성분을 제공하고 비자성층 구조에 의해 제 1 자성층 구조로부터 분리됨으로써, 상기 제 1 자성층 구조가 그 바이어싱 자성층 구조에 강자성적으로 결합된 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어싱 자성층 구조가, 제 2 자성층 구조의 자화 방향에 관하여 적어도 45°의 각도 및 최대 135°의 각도인 고정된 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이어싱 자성층 구조의 자화 방향이 제 2 자성층 구조의 자화 방향에관하여 90°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비자성층 구조는, Ta 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어싱 자성층 구조는, 핀드 층 구조와, 그 핀드 층 구조를 고정하기 위한 피닝 층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피닝 층 구조는, 교환 바이어싱 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 핀드 층 구조는, 비자성 재료로 이루어진 층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어싱 자성층 구조는, 비자성 재료로 이루어진 층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이어싱층 구조는 비자성 재료로 이루어진 층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 포함하고, 그 강자성층 중의 하나는 교환 바이어싱 재료로 이루어진 층에 인접하는 것을 특징으로 하는 자계 소자.
  10. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 자계 소자를 포함하고, 스페이서층 구조가 터널 장벽층을 구비한 것을 특징으로 하는 스핀 터널 접합장치.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 자계 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 거대 자기 저항 소자.
  12. 자기 정보매체로부터 정보를 판독하고, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 자계 소자 또는 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 판독 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 자계 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 메모리.
  14. 제 13 항에 따른 메모리를 구비한 것을 특징으로 하는 전자 회로.
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