KR100722334B1 - 자기 센서 및 강자성 터널 접합 소자 - Google Patents

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Abstract

(1) 지지 기재, (2) 이 지지 기재 상의 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층 상의 절연층으로서, 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃(target)을 사용하는 스퍼터링에 의해 제 1 자성층 상에 형성된 알루미늄막을 산화하여 얻어진 산화 알루미늄을 포함하는 터널 절연층과, 이 터널 절연층 상의 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및 (3) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자를 포함하는 자기 센서. 또는, (2)의 강자성 터널 접합 소자로서, 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 것을 사용한다. 이 비대칭인 전압-저항 특성의 절연층은 절연층 재료막의 열처리, 산화물 절연층 성막시의 성막 분위기 중의 산소 분압의 변화, 2종 이상의 성막용 타깃 재료와 이동 기재의 사용 등에 의해 얻을 수 있다.

Description

자기 센서 및 강자성 터널 접합 소자{MAGNETIC SENSOR AND FERROMAGNETIC TUNNEL JUNCTION DEVICE}
본 발명은 자기 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고밀도 자기 기록용 판독 헤드나, 자장(magnetic field) 감지용 센서 등에 사용되는 강자성 터널 접합을 갖는 자기 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속층과 절연층과 금속층이 이 순서대로 적층된 적층 구조(이 명세서에서는, 이러한 적층구조를 "금속/절연체/금속"과 같이 표현하는 것으로 한다)의 접합에 있어서, 절연층의 두께가 충분히 얇은(수백pm ~ 수천pm 정도) 경우, 양측의 금속층간에 전압을 인가하면, 작은 전류가 흐르는 것이 알려져 있다. 이 현상은 "터널 효과(tunnel effect)"로 불리고, 양자역학적으로 설명될 수 있다. 또한, 이 전류를 터널 전류로 부르고, 또 이러한 접합을 터널 접합(tunnel junction)이라 한다.
이러한 터널 접합에 있어서의 절연층으로서는, 종래에 금속 산화막이 사용된다. 예를 들면 알루미늄의 표면층을 자연 산화, 플라즈마 산화, 또는 열산화 등에 의해 산화시킴으로써 형성된 산화 알루미늄의 박층이 절연층으로서 사용된다. 이 산화 알루미늄의 박층의 두께는 산화 조건을 제어함으로써, 터널 효과에 필요하게 되는 수백pm ~ 수천pm 정도로 할 수 있다.
터널 접합의 양측의 금속층을 강자성 재료로 형성한, 강자성 금속/절연체/강자성 금속의 구조를 갖는 접합은 강자성 터널 접합으로 불린다. 이 경우, 터널 전류의 크기는 양쪽의 강자성 금속층의 자화 상태(magnetization condition)에 의존하는 것이 알려져 있다. 양쪽의 자화의 방향이 같은 방향인 경우에 가장 많은 터널 전류가 흐르고, 양쪽의 자화가 반대 방향의 경우에 터널 전류는 작아진다. 이것은 강자성체 내의 전도 전자가 분극되어 있고, 전자가 이 분극을 유지한 채로 터널링하는 것에 기인한다고 설명된다. 한방향으로 분극한 전자는 그 방향으로 분극된 상태로 밖에 터널링할 수 없고, 역방향으로 분극한 전자는 역방향으로 분극된 상태로 밖에 터널링할 수 없다. 절연층을 사이에 둔 양쪽의 금속층의 강자성체의 자화 방향이 같은 경우에는, 같은 상태로부터 같은 상태로 터널링할 수 있으므로, 터널 전류가 많이 흐르지만(터널 확률이 높음), 자화 방향이 서로 역방향의 경우에는, 한방향으로 분극하고 있는 상태의 전자와 역방향으로 분극하고 있는 상태의 전자가 터널할 층의 상태에서 빈곳을 찾을 수 없다면 터널링이 발생하지 않으므로, 통상, 터널 전류는 작아진다(터널 확률이 작음).
이와 같이, 강자성 터널 접합에 있어서는, 터널 확률(터널 저항)이 양측의 자성층의 자화 상태에 의존하고, 이 때문에 외부 자장을 인가하여 자성층의 자화 상태를 변화시킴으로써, 터널 저항을 제어할 수 있다. 다시 말하면, 터널 저항의 변화에 의해 외부 자장의 변화를 검출할 수 있다.
양 자성층간의 자화의 상대 각도를 θ로 하면, 터널 저항(R)은 다음의 식으로 표현할 수 있다.
R = Rs + (1/2) ΔR(1-cosθ) (1)
여기서, Rs는 상대 각도(θ)가 0°, 즉 양 자성층의 자화의 방향이 평행인 경우의 터널 저항이고, ΔR은 양 자성층의 자화의 방향이 평행일 때와 반평행일 때의 터널 저항의 차이다.
식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 터널 저항(R)은 양 자성층의 자화의 방향이 평행일 때에 최소가 되고, 반평행일 때에 최대가 된다. 이것은 강자성체 내의 전자가 스핀 편극(polarized in spin)하고 있는 것에 기인한다. 전자는 통상 상향 스핀(upward-spinning) 상태와 하향 스핀(downward-spinning) 상태 중 어느 상태를 취한다. 상향 스핀 상태의 전자를 업스핀(up-spin) 전자, 하향 스핀 상태의 전자를 다운스핀(down-spin) 전자로 부른다.
비자성체에 있어서는, 통상 업스핀 전자와 다운스핀 전자의 수가 동일하다. 이 때문에, 비자성체는 전체로서 자성을 나타내지 않는다. 한편, 강자성체 내에 있어서는, 업스핀 전자수와 다운스핀 전자수가 다르다. 이 때문에, 강자성체는 전체로서 상향 또는 하향의 자화를 갖는다.
터널 접합에 있어서 전자가 터널링하는 경우, 각 전자는 스핀 상태를 유지한 채로 터널링하는 것이 알려져 있다. 전자는 터널 이전의 자성층에 해당 전자의 스핀 상태에 대응한 빈 에너지 준위가 있으면 터널링 가능하지만, 빈 에너지 준위가 없으면 터널링할 수 없다.
터널 저항의 변화율 ΔR/Rs 는 전자원(電子源)의 자성층의 분극률과 터널 이전의 자성층의 빈 에너지 준위의 분극률과의 곱을 사용하여, 다음의 식으로 표현된다.
ΔR/Rs = 2P1P2/(1 - P1P2) (2)
여기서, P1은 전자원의 전자의 스핀 분극률을 나타내고, P2는 터널 이전의 자성층의 빈 에너지 준위의 스핀 분극률을 나타낸다. 또한, P1 및 P2는,
P1, P2 = 2(Nup - Ndown)/(Nup + Ndown) (3)
으로 표현되고, 여기서 Nup은 업스핀 전자수 또는 업스핀 전자에 대한 준위수를 나타내고, Ndown은 다운스핀 전자수 또는 다운스핀 전자에 대한 준위수를 나타낸다.
분극률(P1, P2)은 강자성 재료의 종류에 의존하고, 분극률이 5O% 가까운 값을 나타내는 것도 있다. 이 경우, 이방성 자기 저항 효과(AMR)나 거대 자기 저항 효과(GMR)에 의한 저항 변화율보다도 큰 수십% 정도의 저항 변화율을 기대할 수 있다. 예를 들면, 자성층에 Co, Fe, Ni 등의 강자성 금속을 사용한 경우에는, 저항 변화율은 20 ~ 50% 정도의 값이 얻어지는 것이 이론적으로 예측되어 있고, 실험적으로도 그것에 가까운 값이 얻어지고 있다. 이와 같이, 터널 효과에 있어서의 저항 변화율은 종래의 이방성 자기 저항 효과나 거대 자기 저항 효과와 비교하여 크 기 때문에, 강자성 터널 접합을 사용한 소자는 차세대의 자기 센서로서의 응용이 기대되고 있다.
터널 접합 소자에서는, 2개의 자성층 사이에 끼워진 터널 절연막을 얇게 하면, 핀홀 등의 결함이 발생되기 쉬워진다. 그렇지만, 핀홀의 발생을 방지하기 위해서 터널 절연막을 두껍게 하면, 자기 저항 변화율이 감소된다는 문제가 있다.
한편, 강자성 터널 접합 소자를 자기 센서로서 사용하는 경우에는, 통상, 일정한 전류(센스 전류)를 흘려 자장을 걸고, 저항값의 변화를 검출하여 이것을 전압으로 변환하여 출력한다. 강자성 터널 효과는 인가 전압 의존성을 가지는 것이 알려져 있고, 저항 변화율은 인가전압에 따라서 변화한다. 도 1에, 강자성 터널 효과에 대한 저항 변화율의 인가 전압 의존성의 측정 결과의 예를 나타낸다. 도 1에서 명백한 바와 같이, 강자성 터널 접합 소자는 미소 전압에서 큰 저항 변화율을 가져도, 예를 들면 0.4V 정도의 전압을 인가하면, 저항 변화율은 반 정도까지 저하되어 버린다. 강자성 터널 효과에 대한 이 전압 의존성은 강자성체와 절연체와의 계면에 생기는 마그논(magnon)(자기 모멘트의 요동)에 기인하는 것으로 생각되고 있다.
일반적으로, 소자에 큰 전압을 인가하는 편이 큰 출력이 얻어지지만, 강자성 터널 접합 소자에서는 이 저항 변화율의 인가 전압 의존성에 의해 큰 전압을 인가하면 실제로 얻어지는 출력은 작아져 버린다. 이것을 해결하기 위해서, 터널 접합을 복수개 직렬로 접속하여 각 소자에 걸리는 전압을 분산시킴으로써 바이어스 특성을 개선하는 방법이 개시되어 있다(일본특개평11-112054호 공보). 그러나, 이 방법에 의하면 접합을 직렬로 연결하기 때문에, 전체의 저항값이 커져 버린다.
또한, 강자성 터널 접합 특유의 성질로서, 전압-전류(V-I)특성이 비선형인 것이 거론된다. 도 2에, 강자성 터널 접합의 V-I특성의 예를 나타낸다. 이것에 대응하여, 전기 저항(터널 저항)의 값도 전압에 의존하여 크게 변화하고, 도 3에 보이는 바와 같은 전압-저항(V-R)특성을 나타낸다. 이것에서, 강자성 터널 접합에서는 저항값이 큰 전압 의존성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 저항값의 큰 전압 의존성이 회로 설계상의 제약이 될 가능성이 있다.
이들의 문제에 비추어 볼 때, 본 발명은 터널 절연막을 두껍게 해도 자기 저항 변화율의 감소량이 적은 자기 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
또한, 저항값과 저항 변화율의 전압 의존성을 저감 또는 억제한 강자성 터널 접합 소자와, 이것을 이용한 자기 센서를 제공하는 것도, 본 발명의 또 하나의 목적이다.
본 발명의 1측면에 의하면,
(1)지지 기재(support substrate),
(2) 이 지지 기재 상의 제 1 자성층(magnetic layer)과, 이 제 1 자성층 상의 절연층으로서, 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃을 사용하는 스퍼터링에 의해 제 1 자성층 상에 형성된 알루미늄막을 산화하여 얻어진 산화 알루미늄을 포함하는 터널 절연층과, 이 터널 절연층 상의 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
(3) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
를 포함하는 자기 센서가 제공된다.
본 발명의 또 하나의 측면에 의하면, (1)지지 기재, (2) 이 지지 기재 상의 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층 상의 터널 절연층과, 이 터널 절연층 상의 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및 (3) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자를 포함하는 자기 센서의 제조 방법으로서, 상기 강자성 터널 접합 소자를, 지지 기재 상에 제 1 자성층을 형성하는 공정과, 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃을 스퍼터링하여 제 1 자성층 상에 알루미늄막을 형성하는 공정과, 이 알루미늄막을 산화하여 산화 알루미늄을 포함하는 터널 절연층으로 하는 공정과, 이 터널 절연층 상에 제 2 자성층을 형성하는 공정을 포함하는 방법에 의해 제작하는 자기 센서의 제조 방법이 제공된다.
산화전의 알루미늄막의 형성에 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃을 사용하면, 형성하는 알루미늄막을 두껍게 해도 그 알루미늄막의 산화에 의해 얻어지는 터널 절연층의 MR비를 비교적 큰 것으로 할 수 있다. 이렇게 해서, 최초에 형성하는 알루미늄막을 두껍게 하면, 이 막에 있어서의 핀홀 등의 결함의 발생을 방지할 수 있고, 이 알루미늄막의 산화에 의해 얻어지는 절연층의 신뢰성을 높이고, 그것에 의해 이 절연층을 포함하는 터널 접합 소자의 신뢰성, 그리고 최종적으로 얻어지는 자기 센서의 신뢰성도 높일 수 있다.
바람직하게는, 알루미늄 타깃의 스퍼터링 전에 분위기의 압력을 2 ×1O-4Pa 이하로 한다.
바람직하게는, 제 1 자성층 상의 알루미늄막을 산소 플라즈마 중에서 산화시켜 산화 알루미늄을 포함하는 터널절연층으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고, 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자가 제공된다. 이와 같이, 본 발명은 저항값·저항 변화량 모두 전압 의존성을 갖는 강자성 터널 접합에 있어서, 이 저항값·저항 변화량의 전압 의존성을 인가 전압의 정전압측과 부전압측에서 다른 특성이 되도록 하는 것으로, 터널 접합 소자의 저항 변화량을 감소시키는 동시에, 저항값도 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 터널 접합의 장벽층인 절연체층에 있어서 전압 인가 방향에 관하여 조성 분포를 비대칭으로 한 재료를 사용하거나, 또는 절연체층에 접하는 양측의 층에 있어서 다른 재료를 사용하는 것으로, 상술한 특성을 갖는 접합을 제작할 수 있다.
또한, 1개의 강자성 터널 접합 소자에 있어서 2개 이상의 접합을 그들의 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 직렬로 접속시켜, 소자의 저항값의 전압 의존성을 완화하도록 할 수도 있다.
이 터널 접합 소자에 있어서는, 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성(V-R 특성)을 갖도록 하는 것으로, 강자성 터널 접합 소자의 저항 변화량(ΔR)이 전압의 인가와 함께 감소하는 한편, 저항값(R)도 전압의 인가와 함께 크게 감소함으로써, 소자의 저항 변화율(ΔR/R)의 감소를 작게 할 수 있다. 또한, 이러한 접합을 전압 증가에 대한 저항의 변화 방향이 반대가 되도록 직렬로 접속한 소자로 한 경우, 전압 인가시의 각 접합의 저항 변화가 서로 상쇄되고, 소자 전체로서의 저항의 변화가 작아진다.
이와 같이 하여, 본 발명에 의하면, 강자성 터널 접합 소자에 있어서 인가 전압에 의해 터널 저항값과 저항 변화율이 크게 변화하는 것을 피할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하는 강자성 터널 접합 소자의 제조 방법으로서, 상기 터널 접합에 그것에의 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 부여하는 것을 포함하는, 강자성 터널 접합 소자의 제조 방법도 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면,
(a) 지지 기재,
(b) 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고, 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
(c) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
를 포함하는 자기 센서가 제공된다.
도 1은 강자성 터널 접합에 있어서의 저항 변화율의 인가 전압 의존성을 나타내는 측정예의 그래프.
도 2는 강자성 터널 접합의 전압-전류(V-I)특성의 예를 나타내는 그래프.
도 3은 강자성 터널 접합의 전압-저항(V-R)특성의 예를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 제 1 태양의 자기 센서의 평면도.
도 5는 도 4의 자기 센서의 V-V선단면도.
도 6은 도 4 및 도 5에서 설명한 자기 센서의 자기 저항 변화율의 외부 자장의존성을 나타내는 그래프.
도 7은 터널 절연층을 형성하기 위한 Al막의 막 두께와 자기 센서의 MR비와의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 Al막의 스퍼터링에 의한 성막 전의 스퍼터링 챔버 내의 도달 진공도와 자기 센서의 MR비와의 관계를 나타내는 그래프.
도 9a는 본 발명에 의한 자기 센서를 사용한 하드디스크 장치용 자기 헤드의 상면도.
도 9b는 도 9a의 자기 헤드를 동 도면의 화살표(AR)의 방향으로부터 확대해 본 도면.
도 10은 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자의 열처리 전의 전압-저항(V-R)특성을 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자의 열처리 후의 전압-저항(V-R)특성을 나타내는 그래프.
도 12는 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자의 열처리 후의 전압-저항 변화(V-ΔR)특성을 나타내는 그래프.
도 13은 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자의 열처리 후의 전압-저항 변화율(V-MR)특성을 나타내는 그래프.
도 14a 및 14b는 각각 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자에 있어서의 열처리 전후의 터널 절연층을 설명하는 모식도.
도 15는 터널 절연층에 있어서의 산소 분포를 설명하는 모식도.
도 16은 터널 절연층에 조성 분포를 부여하는 방법의 하나를 설명하는 도면.
도 17은 터널 절연층에 조성 분포를 부여하는 또 하나의 방법을 설명하는 도면.
도 18은 조성이 다른 막을 적층하여 형성한 터널 절연층을 갖는, 본 발명에 있어서의 강자성 터널 접합을 나타내는 도면.
도 19a 및 19b는 본 발명의 제 2 태양의 강자성 터널 접합 소자의 절연층에 있어서의 농도 분포를 설명하는 도면.
도 20은 터널 절연층에 조성 분포를 부여하는 또 하나의 방법을 설명하는 도면.
도 21은 본 발명의 강자성 터널 접합 소자를 형성하는데 직렬로 접속하여 사용하는 2개의 접합의 비대칭의 전압-저항(V-R)특성을 나타내는 그래프.
도 22는 비대칭의 전압-저항(V-R)특성을 갖는 2개의 접합을 직렬로 접속하여 형성한 본 발명에 의한 강자성 터널 접합 소자의 합성 저항의 전압-저항(V-R)특성 을 종래의 터널 접합 소자의 V-R특성과 비교하여 나타낸 그래프.
도 23은 비대칭의 V-R특성을 갖고 서로 역극성이 되도록 직렬로 접속한 2개의 접합을 포함하는 본 발명의 강자성 터널 접합 소자를 사용한 자기 헤드의 예를 설명하는 도면.
도 24는 본 발명의 강자성 터널 접합 소자를 사용한 자기 헤드의 또 하나의 예를 설명하는 도면.
도 4에, 본 발명의 일 태양의 자기 센서의 평면도를 나타낸다. 이 자기 센서에서는, 실리콘 기판(도시되지 않음)의 표면상에 도면의 종방향으로 뻗어있는 하부 자성층(10)이 형성되고, 그 하부 자성층(10)의 중앙부에 하부 자성층(10)을 덮도록 터널 절연층을 포함하는 중간층(20)이 형성되고, 그리고 이 중간층(20)이 형성되어 있는 영역에 있어서, 하부 자성층(10)과 교차하도록 도면의 횡방향으로 뻗어있는 상부 자성층(30)이 형성되어 있다. 각 층은 예를 들면 그 층의 형상에 대응한 개구를 갖는 금속 마스크를 사용한 스퍼터링에 의해 형성된다. 하부 자성층(10)과 상부 자성층(30) 사이에는 전류원(2) 및 전압계(3)가 접속되어 있다. 전류원(2)에 의해 하부 자성층(10)과 상부 자성층(30) 사이에 전류를 흘리고, 전압계(3)에 의해 양자간의 전압을 측정함으로써 터널 저항을 구할 수 있다.
도 5에, 도 4의 V-V선을 따른 단면도를 나타낸다. 이 도면의 태양에서는, 실리콘 기판(1)의 표면상에 형성된 하부 자성층(10)은 NiFe층(11)과 Co층(12)의 적층체에 의해 구성되어 있다. 또한, 이와 같이 이 명세서에서 화합물의 조성비를 명기하고 있지 않은 경우, 그 조성비는 1개로 한정되지 않는다. 예를 들면, 이 태양에 대한 NiFe는 Ni와 Fe의 조성비가 1:1인 것으로 한정되는 것을 의미하지 않는다.
NiFe층(11) 및 Co층(12)의 형성은 스퍼터링법에 의해 기판(1)의 표면에 평행하고 동시에 하부 자성층(l0)이 뻗어있는 방향에 평행한 방향의 자장 중에서 각각의 재료를 퇴적시켜 행한다. NiFe층(11) 및 Co층(12)의 두께는 예를 들면 각각 17.1nm 및 3.3nm이다.
하부 자성층(10) 상에는, 중간층(20)이 존재하고 있다. 이 도면의 태양에서는, 중간층(20)은 기판(1)의 표면의 Co층(12) 상에, 예를 들면 두께 1.3 ~ 3.5nm의 Al막을 퇴적한 후, 산소 플라즈마 중에서 그것을 산화함으로써 형성된 AlO의 터널 절연층(22)을 포함하고, 이 산화가 불충분한 경우에는, AlO층(22)의 아래에 Al층(21)이 남는 것도 있다.
중간층(20)을 형성하기 위한 Al막의 형성은 바람직하게는 스퍼터링에 의해 행해진다. 이 스퍼터링에 사용하는 타깃 재료는 순도 99.999%(5N) 이상의 알루미늄이다. 또한, 스퍼터링에 앞서, 스퍼터링 챔버 내를 압력 2 ×10-4Pa 이하까지 진공 배기하는 것이 바람직하다. 퇴적된 Al막의 산화는 바람직하게는 산소 플라스마를 사용하여 행해지고, 산화 시간은 약 40초이다.
중간층(20) 상에 형성된 상부 자성층(30)은 두께 3.3nm의 Co층(31), 두께 17.1nm의 NiFe층(32), 두께 45nm의 FeMn층(33), 및 두께 10nm의 NiFe층(34)의 적층 체에 의해 구성되어 있다. 상부 자성층(30)의 각 층의 형성은 바람직하게는 스퍼터링에 의해 행해진다. 이 스퍼터링은 기판(1)면에 평행하고 동시에 하부 자성층(10)이 뻗어있는 방향에 직교하는 방향의 자장 중에서 행한다. 이것에 의해서, 상부 자성층(30)의 각 층이 도 5의 지면에 수직한 방향으로 자화된다.
일반적으로, Co의 분극률은 NiFe의 분극률보다도 크다. 그 때문에, 하부 자성층(10)의 NiFe층(11)과 중간층(20) 사이, 및 상부 자성층(30)의 NiFe층(32)과 중간층(20) 사이에, 각각 Co층(12) 및 Co층(31)을 삽입함으로써, 식 (2)에서 나타낸 터널 저항의 변화율(ΔR/Rs)을 크게 할 수 있다.
NiFe는 강자성체이고, FeMn은 반강자성체이다. 그 때문에, 상부 자성층(30)에 있어서는 FeMn층(33)과 NiFe층(32)이 자기적으로 교환 상호 작용을 미치게 하고, 강자성체인 NiFe층(32)의 자화 방향이 외부 자장의 방향에 의하지 않고 고정된다. 마찬가지로, 상부 자성층(30)의 Co층(31)의 자화 방향도 고정된다. 상부 자성층(30)에 있어서의 FeMn층(33) 상의 NiFe층(34)은 FeMn층(33)의 산화를 방지한다.
상부 자성층(30)에 있어서 이와 같이 NiFe층(32)과 Co층(31)의 자화 방향이 외부 자장의 방향에 의하지 않고 고정되는데 대해서, 하부 자성층(10)의 NiFe층(11)과 Co층(12)의 자화 방향은 외부 자장의 영향을 받아 변화한다. 따라서, 도 5에 나타낸 하부 자성층(10), 중간층(20), 및 상부 자성층(30)으로 구성된 접합에 외부로부터 자장을 인가하면, 하부 자성층(10)의 Co층(l2)과 상부 자성층(30)의 Co층(31) 사이의 자화의 상대 각도가 변화하게 된다. 이렇게 해서 양자의 자화의 상대 각도가 변화하면, 식 (1)에서 나타낸 바와 같이, 터널 저항(R)이 변화한다. 이 터널 저항(R)의 변화를 전압계(3)로 측정함으로써, 외부자장의 변화를 검출할 수 있다.
도 6은 도 4 및 도 5에 나타낸 자기 센서의 터널 저항 변화율의 자장 의존성을 나타내고 있다. 횡축은 외부 자장을 단위 Oe(에르스테드; oersted)로 나타내고, 종축은 터널 저항 변화율을 단위 %로 나타내고 있다. 자장 단위의 에르스테드는 1000/4π암페어/미터에 상당한다. 또한, 외부 자장의 부호는 그 방향이 상부 자성층(30)의 자화 방향과 반대일 경우를 정(正)으로 한다.
도 5의 지면에 수직한 방향의 자장을 인가하여 하부 자성층(10)의 NiFe층(11)과 Co층(12)의 자화 방향을 회전시키고, 상부 자성층(30)의 Co층(31)의 자화의 방향과 평행 또는 반평행으로 하면, 터널 저항은 양자가 평행일 경우에 최소값 ρmin을 나타내고, 반평행일 경우에 최대값 ρmax을 나타낸다. 터널 접합 소자의 MR비는 이들의 터널 저항의 최대값 ρmax와 최소값 ρmin을 사용하여 다음의 식으로 정의된다.
MR비(%) = ((ρmax - ρmin) / ρmin) ×100 (4)
도 6에서 2개의 곡선이 나타나 있는 것은 자장을 -100 Oe(-7960A/m)로부터 +100 Oe(+7960A/m)까지 변화시키는 경우와, +100 Oe(+7960A/m)로부터 -100 Oe(-7960A/m)까지 변화시키는 경우에서 MR비 변화의 상태가 다르기 때문이다. 외부 자장이 -10 Oe(-796A/m)이하의 경우에는, 상부 자성층(30)의 Co층(31)과 하부 자성층(10)의 Co층(12)과의 자화 방향이 평행이 되고 있기 때문에, 터널 저항은 ρmin과 같고, 자기 저항 변화율은 거의 0%이다. 자장을 -10 Oe(-796A/m )이상으로 하면, 하부 자성층(10)의 Co층(12)의 자화의 방향이 변화하기 시작하여 자기 저항 변화율이 상승한다. 외부 자장이 약 +15 Oe(+1190A/m)가 되면, 상하 Co층(31, 12)의 자화의 방향이 반평행이 되고, 터널 저항이 최대로 된다. 이 때 자기 저항 변화율은 약 20%가 된다. 즉, MR비는 약 20%이다.
외부 자장이 +60 Oe(+4780A/m)를 넘으면, 상부 자성층(30)의 Co층(31)의 자화의 방향도 외부 자장의 방향에 일치하기 때문에, 상하 Co층(31, 12)의 자화의 방향이 평행이 된다. 이 때문에, 터널 저항이 거의 최소값을 나타내고, 자기 저항 변화율은 거의 0%가 된다.
다음으로, 외부 자장을 +100 Oe(+7960A/m)로부터 서서히 저하시키는 경우에는, 외부 자장이 약 +35 Oe(+2790A/m) 이하가 되면, 상부 자성층(30)의 Co층(31) 내의 자화의 방향이 FeMn층(33)의 초기 자화 방향에 일치하고, 터널 저항이 최대값을 나타낸다. 외부 자장이 약 -10 Oe(-796A/m)이 되면, 상하 Co층(31, 12) 내의 자화의 방향이 일치하여 터널 저항이 최소가 된다.
이와 같이, 본 발명의 자기 센서에 있어서는, 2개의 자성층(제 1 및 제 2 자성층) 중 한쪽의 자성층 내의 자화 방향이 외부자장에 의해 자유롭게 변화하고, 다른 쪽의 자성층 내의 자화 방향은 외부 자장의 크기가 소정의 값보다 작을 때에, 외부 자장의 영향을 받지 않고 고정되도록 할 수 있다.
도 7은 상기와 같이 하여 제작한 자기 센서의 MR비의 Al막 두께 의존성을 나타내고 있다. 횡축은 산화전의 Al막의 막 두께를 단위 nm로 나타내고, 종축은 MR비를 단위 %로 나타내고 있다. 도면 중의 흑색 원 기호는 본 발명에 의해 순도 99.999%(5N) 이상의 알루미늄 타깃을 사용하여 Al막을 퇴적시킨 사례에 대한 자기 센서의 MR비를 나타내고 있다. 비교를 위해서, Al막의 형성에 사용하는 타깃재로서 순도 99.99%(4N)의 것을 사용한 사례에서의 자기 센서의 MR비를 백색 원 기호로 나타낸다. 후자의 사례에서는, 자기 센서의 MR비는 Al막의 막 두께가 1.7nm 이상의 영역에서 저하하고 있다. 이것에 대해서, 본 발명에 의한 사례에서는, Al막의 막 두께가 1.7nm 이상이 되어도, MR비는 비교적 높게 유지되고 있다. 또한, 본 발명에 의한 자기 센서의 사례에서는, 비교를 위해서 나타낸 사례에 비해서 MR비의 편차가 적다는 것을 안다.
이와 같이, 강자성 터널 접합의 중간 절연층(즉, 터널 절연층)을 만들기 위한 Al막의 형성에 사용하는 Al 타깃재의 순도를 99.999% 이상으로 함으로써, Al막을 두껍게 해도 비교적 높은 MR비를 얻을 수 있다. 특히, Al막의 막 두께를 1.7nm 이상으로 하는 경우, 보다 구체적으로는 1.7 ~ 3.5nm 정도로 하는 경우에, 높은 효과를 기대할 수 있다. 이 경우, Al막을 산화한 후의 Al막과 AlO막과의 합계의 두께는 약 8nm가 된다고 생각된다.
도 8은 Al막 형성시의 스퍼터링 전의 스퍼터링 챔버 내의 도달 진공도를 변화시킨 경우의 MR비의 변화의 상태를 나타내고 있다. 또한, 이 경우의 Al막의 막 두께는 3.5nm로 했다. 도달 진공도가 낮아지면(압력이 높게 됨), MR비가 감소하고 있는 것을 안다. 이것은 챔버 내에 잔류하는 수분의 영향에 의해서 터널 절연막의 막질이 열화하기 때문이라 생각된다. 높은 MR비를 얻기 위해서는, 도달 압력을 2 ×1O-4Pa 이하로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 강자성 터널 접합의 터널 절연층 형성을 위한 Al막을 성막할 때에, 99.999% 이상의 순도가 높은 Al 타깃재를 사용함으로써, 또 성막 전의 분위기 압력을 2 ×10-4Pa 이하로 함으로써, 터널 절연층을 두껍게 해도, MR비를 비교적 높게 유지할 수 있다. 터널 절연층을 두껍게 함으로써, 핀홀 등의 결함의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 9a는 본 발명에 의한 자기 센서를 사용한 하드디스크 장치용 자기 헤드의 상면도이고, 도 9b는 도 9a의 자기 헤드를 동 도면의 화살표(AR)의 방향으로부터 확대해 본 정면도(자기 기록 매체인 자기 디스크에 대향하는 면을 나타내는 도면)이다. 이하, 도 9a 및 9b를 참조하면서, 자기 헤드의 구성 및 동작을 설명한다.
이들의 도면에 나타낸 자기 헤드에 있어서는, 지지 기판(70) 상에 NiFe 또는 FeN 등으로 이루어진 하부 실드층(50)이 형성되어 있다. 지지 기판(70)은 Al2O3-TiC 하지 기판 상에 알루미나(Al2O3)층을 형성한 것이다. 하부 실드층(50) 상에는, Al2O로 이루어진 하부 갭층(5l)이 형성되어 있다. 하부 갭층(51)의 일부의 영역 상에 하부 자성층(52)이 형성되어 있다. 하부 자성층(52)의 폭(WL)은 예를 들면 0.8μm이다. 하부 자성층(52)의 양측에는, 그 단면에 접하도록 CoCrPt층(53A, 53B)이 각각 형성되어 있다. CoCrPt층(53A, 53B)은 하부 자성층(52)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, CoCrPt층(53A, 53B)은 자화되어 있고, 하부 자성층(52)을 단자구화(單磁區化)하여 자기벽의 돌발적인 변화를 억제하고, 동작의 불안정성을 해소한다.
CoCrPt층(53A, 53B) 상에, Ta, Ti, Cu 또는 W 등으로 이루어진 전극(54A, 54B)이 각각 형성되어 있다. 전극(54A, 54B)은 각각 CoCrPt층(53A, 53B)에 전기적으로 접속되어 있다.
하부 자성층(52)과 전극(54A, 54B)을 덮도록, 중간층(터널 절연층)(55)이 형성되어 있다. 중간층(55)의 상면 중 하부 자성층(52)에 대응하는 영역상의 일부에 상부 자성층(56)이 형성되어 있고, 또 그 위에 Ta, Ti, Cu 또는 W 등으로 이루어진 상부 전극(57)이 형성되어 있다. 상부 자성층(56)의 폭(WH)은 예를 들면 0.5㎛이다. 상부 전극(57) 및 터널 절연층(55)을 덮도록, Al2O3로 이루어진 상부 갭층(58)이 형성되고, 또 그 위에 NiFe 등으로 이루어진 상부 실드층(59)이 형성되어 있다. 이렇게 해서, 하부 자성층(52), 중간층(터널 절연층)(55), 및 상부 자성층(56)에 의해 강자성 터널 접합 소자가 구성되고, 그리고 이것에 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자를 접속하면, 본 발명에 의한 상술의 태양의 자기 센서가 형성된다. 도 9a 및 9b에 도시되어 있지는 않지만, 여기서의 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자에는, 먼저 도 4를 참조하여 설명한 전류원과 전압계가 포함된다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 자기 디스크(60)가 자기 헤드의 도 9b에 나타낸 면에 대향한다. 먼저 설명한 바와 같이, 자기 헤드의 자기 기록 매체에 대향하는 면(즉, 도 9b에 나타낸 면)에, 자기 센서의 지지 기판과, 이 지지 기판상에 차례차례 형성된 상기 제 1 자성층, 터널 절연층, 및 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자가 포함되어 있다. 자기 디스크(60)는 도 9b에 나타낸 면과의 간극을 유지한 채로 동 도면의 하부 자성층(52)의 상면 또는 하면의 법선 방향(도 9b의 종방향)으로 이동한다. 자기 디스크(60)의 자화 상태에 의해 하부 자성층(52) 내에 발생하는 자장의 방향 및 크기가 변화한다. 자기 디스크(60)의 자화 정보의 판독시에는, 좌측의 하부 전극(54A)과 상부 전극(57) 사이에 일정한 전류를 흘려 두고, 양 전극간의 전압을 검출한다. 또는, 우측의 하부 전극(54B)과 상부 전극(57) 사이에 일정한 전류를 흘려 두고, 좌측의 하부 전극(54A)과 상부 전극(57) 사이의 전압을 검출해도 좋다. 또, 그 역으로 해도 좋다.
상기의 예에서는, 강자성 재료로서 Co, FeNi, 반강자성 재료로서 FeMn을 사용한 경우를 설명했지만, 그 이외의 재료를 사용할 수도 있다. 또한, 도 9a 및 도 9b에서 설명한 예는 본 발명의 자기 센서를 자기 디스크용 자기 헤드에 적용한 것이지만, 이 예에 의한 자기 센서는 그 이외의 장치에 적용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 그것은 로터리 인코더(rotary encode)의 자기 센서로서 사용하는 것도 가능하다.
또한, 자기 헤드에 있어서의 각 층의 성막은 지금까지의 설명에서 언급한 스 퍼터링법에 한정되지 않고, 비교적 얇아도 핀홀 등의 결함이 없는 막을 일반적으로 만들기 쉬운 물리 기상 성장(PVD)법에 의해 바람직하게 행할 수 있다. 예를 들면, 증착 등의 수법을 사용하는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 또 하나의 태양에 의한, 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자를 설명한다. 이 태양의 강자성 터널 접합 소자는 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조를 포함하고, 강자성 재료는 강자성을 나타내는 재료이면 어떠한 것을 사용해도 좋지만, 일반적으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 등의 금속, 또는 이들 금속의 합금이 사용된다. 또한, 절연체로서는, 상기 절연성을 갖춘 임의의 비자성 재료가 사용 가능하고, 일례로서 알루미나(Al2O3) 등의 절연성 재료를 들 수 있다. 또한, 본 발명의 강자성 터널 접합 소자는 터널 접합을 구성하는 적층된 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 층 외에 별도의 재료층을 포함할 수도 있다.
본 발명의 이 태양의 강자성 터널 접합 소자에 있어서는, 터널 접합부의 전압-저항 특성이 전압 인가 방향에 관하여 비대칭이 되도록 하는 것이 중요하다. 이하, 이 태양의 강자성 터널 접합 소자의 제 1 예로서, Co/Al 산화물/Co의 접합 구조를 포함하는 강자성 터널 접합 소자를 설명하는 것으로 한다.
먼저, 실리콘 기판 상에, 스퍼터링법에 의해 NiFe(50nm)/Co(3.3nm)/Al (1.3nm)의 연속막을 제조하고, 산소 플라즈마에 의해 Al 표면을 산화시켰다. 여기서, NiFe는 니켈과 철의 합금(퍼멀로이(permalloy))을 나타내고 있다. 또한, 각 막 재료의 뒤의 괄호 내의 수치는 막 두께를 나타내고 있고, 같은 표기법을 이하의 설명에서 채용하는 것으로 한다. 그 후, Co(3.3nm)/NiFe(20nm)/FeMn(45nm)/NiFe (20nm)를 차례차례 성막하여, Co/Al 산화물/Co의 구조의 터널 접합을 포함하는 터널 접합 소자를 제조했다. 이 터널 접합 소자는 최고로 약 16%의 저항 변화율(MR)을 나타냈다. 이 터널 접합 소자의 V-R특성은 도 10에 나타냈던 대로이고, 종래와 마찬가지로 인가 전압 0V의 선을 중심으로 한 거의 대칭의 특성을 나타냈다.
다음으로, 이 접합 소자에 250℃에서 1시간의 열처리를 행한 경우, 저항 변화율은 16% 그대로 이었다. 그러나, 이 열처리 후의 접합 소자의 V-R특성은 도 11에 도시된 바와 같이, 인가 전압 0V의 선에 대해서 큰 비대칭성을 갖게 되었다. 이 시프트 량은 대채로 300 ~ 400mV이다.
이와 같이, 열처리 후의 터널 접합 소자는 V-R곡선에서 저항값이 최대가 되는 점이 시프트하고 있기 때문에, 인가 전압 0V의 근방에서는 전압 인가에 대해서 저항값이 단조롭게 감소하는 특성을 갖고 있다. 이 특성은 장벽층인 절연층, 및 그 절연층과 강자성 재료층의 계면의 상태에 의존한다.
한편, 열처리 후의 터널 접합 소자의 V-ΔR 곡선을 도 12에 나타낸다. 이 곡선은 종래의 것과 바뀌지 않고, 인가 전압 0V의 선을 중심으로 하여 거의 대칭이고, 소자는 인가 전압 0V의 근방에서 가장 큰 저항 변화량을 갖는다. 이것은 저항 변화의 감소가 장벽(배리어)층의 특성보다 오히려, 계면에서의 마그논 여기(magnon excitation)에 기인하기 때문이라고 생각된다.
다음으로, 열처리 후의 터널 접합 소자의 V-MR특성을 도 13에 나타낸다(이 도면의 그래프의 횡축은 인가 전압의 절대값에 상당하고 있다). 도 11의 V-R특성의 비대칭성에 기인하여, 인가 전압에 대한 저항 변화율의 감소의 모드가 정전압측과 부전압측에서 다르고, 정전압측에서는 변화율의 감소가 억제되어 있고, 즉 V-MR특성이 시프트되고 있는 것을 안다.
이 예에서의 V-MR특성의 시프트의 메커니즘은 이하와 같다고 생각된다.
Al 성막 직후에서는, 절연체의 Al 산화물을 생성시키기 위해 Al의 표면에서 산화시키기 때문에, 절연층의 상부는 산화물로 변화하고 있는데 대해서, 하부는 산화도가 작고, Al이 그대로 잔존하고 있다고 생각된다. 도 14a에 모식적으로 나타낸 이 상태(도면 중에서 Al-AlO로 표기)의 절연층을 열처리한 경우, 절연층의 표면은 안정한 Al2O3가 형성되어 있기 때문에, 열처리의 영향은 적다. 그러나, 절연층의 하부에서는, 잔존하고 있는 Al과 그 아래에 위치하는 Co층(1) 중 Co의 일부가 열처리에 의해 확산되어 고용체를 생성하고, 양 층의 경계 영역에서 도 14b에 모식적으로 도시된 바와 같이 양자가 혼재하는 Co-Al층을 형성한다고 생각된다. 이렇게 해서, 터널 장벽층인 알루미늄산화물의 절연층의 양측에 조성이 다른 층(Co-Al층 및 Co층(2))이 존재하게 되고, 이에 따라 비대칭인 V-R특성이 생긴다고 생각된다.
도 14a와 도 14b에 있어서, 횡축(z)은 터널 접합의 두께 방향을 나타내고 있고, 동시에 터널 접합 소자의 전압 인가 방향을 나타내고 있다. 여기서는, Al 산화물을 주로 하는 절연층의 좌측의 Co층(1)이 최초로 형성된 강자성 재료층을 나타 내고, 우측의 Co층(2)이 Al막의 산화 후에 형성된 강자성 재료층을 나타내고 있다.
이와 같이, 절연체 재료로서, 이와 접하는 강자성 재료층에서 사용되는 재료와 고용체를 형성하는 것을 선정하면, 절연 재료층과 한쪽의 강자성 재료층의 계면 근방에 양자의 재료의 고용체를 생기게 할 수 있고, 그것에 의해 절연 재료층에 접하는 양측 층의 재료를 다른 것으로 할 수 있다. 이러한 고용체는 예를 들면 강자성 재료인 Co, Fe, Ni 및 이들 금속의 합금과 고용체를 형성하는 비자성 금속으로부터 형성된 절연 재료층을 형성한 후, 자연 산화 또는 플라즈마 산화 등에 의해 그 표면 근방을 산화하여 하부에 산화 불충분한 부분을 형성하고, 그 후 열처리를 행함으로써, 먼저 설명한 바와 같이 절연층과 접하는 한쪽의 자성층 측에만 형성하는 것이 가능하다.
또 하나의 예로서, 절연체 재료가 산화 알루미늄과 같은 산화물인 경우에, 절연 장벽 내의 산소 농도 분포를 제어함으로써 같은 효과를 얻을 수 있다. 도 15에 예시한 바와 같이, 성막한 Al층의 표면에서 내부를 향해 산소 농도가 작아지는 것과 같은 장벽층을 제조함으로써, 비대칭인 V-R특성을 갖는 터널 접합 소자가 실현된다. 이 산소 농도 분포는 Al을 성막한 후에, 표면에서 산화를 행하는 것만으로도 어느 정도는 생기지만, 산화 조건을 제어하거나, 또는 열처리를 행함으로써, 보다 큰 농도 분포를 생기게 할 수 있다. 산화 조건의 제어는 예를 들면 플라즈마 산화의 조건(플라즈마 장치의 파워, 가스량, 처리 시간 등)을 제어하여 행할 수 있다. 도 15에서는, 종축이 산소 농도를 나타내고 있고, 횡축(z)은 도 14와 같이 터널 접합의 두께 방향을 나타내는 동시에 소자의 전압 인가 방향을 나타내고 있다.
다음으로, 열처리에 의하지 않고, 절연층의 성막시에 막 두께 방향으로 조성 분포를 형성하는 예를 설명한다.
예를 들면, 도 16에 도시된 바와 같이, 2종류 이상의 타깃(111, 112)을 동시에 스퍼터링하면서, 기판(113)의 위치를 오른쪽의 화살표로 나타내는 이동 방향으로 이동시킴으로써, 기판(113) 상에 형성하는 절연층의 막 두께 방향으로 조성 분포를 형성하는 것이 가능하다. 또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 2종류 이상의 타깃(111', 112')에 대한 투입 전력의 비를 아래쪽의 그래프에 예시한 바와 같이 시간과 함께 변화시켜, 각각의 타깃으로부터 절연층을 형성하는 기판(113')으로의 원소의 비래빈도(飛來頻度)를 제어함으로써, 형성하는 절연층의 막 두께 방향으로 조성 분포를 생기게 할 수도 있다. 여기서 예시한 스퍼터링법 이외에, 예를 들면 증착법이나 분자선 에피택시법(epitaxy process)에 의해도, 마찬가지로 막 두께 방향의 조성 분포를 갖는 절연층을 형성할 수 있다.
또 하나의 예에 있어서는, 조성 또는 구조가 다른 복수의 막을 적층하여 절연층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 18에 도시된 바와 같이, 강자성 재료층(121, 122) 사이에 조성이 다른 3개의 막(123, 124, 125)을 적층하여, 절연층(126)을 형성하는 것이 가능하다. 이 도면에서, 강자성 재료층(121)/절연층(126)/강자성 재료층(122)의 적층체가 본 발명에 있어서의 강자성 터널 접합을 구성하고 있다.
이와 같이 하여 조성적으로 다른 막(123, 124, 125)을 적층하여 형성한 절연층(126)은 특정 성분(일례로서 산화 알루미늄 절연층에서의 산소)의 농도에 대해 서, 도 19a에 도시된 바와 같이, 절연층(터널 장벽층)에 있어서의 전압 인가 방향을 표시하는 z축을 따라 연속적인 분포를 갖고 있지 않지만, 비대칭의 농도 분포이므로, 터널 접합 소자에 있어서의 V-R특성은 역시 비대칭이 되고, 소자의 저항값의 전압 의존성을 완화하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 18의 3개의 막을 적층하여 형성한 절연층(126)을 열처리함으로써, 이 적층 절연층(126)에서의 특정 성분의 농도 분포 곡선을 도 19a에서의 계단 형상으로부터, 도 19b에 예시한 바와 같이 연속에 가까운 것으로 하는 것도 가능하다.
다음으로, 절연막의 막 두께 방향에 조성 분포를 형성하는 또 하나의 예를 설명한다. 이 예에서는, 예를 들면 산화물의 절연층을 형성할 때에, 산소를 포함하는 분위기 중에서 Al 등의 금속을 성막한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 챔버(131) 내에서 Al 타깃(132)을 사용하여 스퍼터링법으로 기판(133) 상에 절연층(도시되지 않음)을 형성할 때에, 챔버(131) 내에 산소를 공급하여 Al을 산화하면서 성막하고, 공급 산소량을 유량 제어 장치(134)에 의해서 아래쪽에 나타낸 그래프에 보이는 바와 같이 시간에 관하여 제어함으로써, 절연층 내부의 산소 분포를 조절할 수 있고, 그것에 의해 비대칭의 V-R특성을 갖춘 소자가 얻어진다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 여러 가지 방법에 의해 비대칭의 V-R특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자가 실현 가능하다. 본 발명의 이 태양의 강자성 터널 접합 소자는 도 18에 모식적으로 도시된 바와 같이, 강자성 재료층(121, 122) 사이에 절연층(126)이 배치된 접합 구조를 갖는다. 도 18의 절연층(126)은 조성을 다르게 하는 절연 재료의 막(123, 124, 125)을 적층하여 구성 되어 있지만, 본 발명에 있어서는 절연층(126)을 1개의 재료로부터 성막하여 그 전압 인가 방향의 조성을 변화시켜 형성할 수도 있는 것은 상기의 설명으로부터 말할 것조차 없이 분명하다.
또한, 본 발명의 강자성 터널 접합 소자는 터널 접합을 구성하는 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조 이외에, 먼저 예시한 바와 같이 다른 재료층을 포함할 수도 있다.
전압 인가 방향에 관하여 비대칭의 V-R특성을 갖추고, 그것에 의해 저항값과 저항 변화율의 전압 의존성이 저감된 본 발명의 강자성 터널 접합 소자는 이미 설명한 본 발명의 일 태양의 강자성 터널 접합 소자와 같이, 지지 기재와, 강자성 터널 접합 소자와, 그리고 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 소자를 포함하는 자기 센서에 있어서, 바람직하게 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이 태양의 자기 센서는,
(a) 지지 기재,
(b) 이 지지 기재 상에 형성된 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고, 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
(c) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
를 포함한다. 본 발명에 있어서의 이 자기 센서는 자장 감지용 자기 센서로서, 또는 고밀도 자기 기록의 판독 등에 사용되는 자기 헤드에서 넓게 이용할 수 있다.
본 발명에서는, 전압의 인가 방향에 관하여 비대칭의 V-R특성을 가진, 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 구조의 터널 접합을 2개 이상 포함하는 태양도 가능하고, 이러한 구성에 의해 저항값과 저항 변화율의 전압 의존성을 더욱 완화함으로써, 저항의 변화가 보다 작은 강자성 터널 접합 소자를 실현하는 것도 가능하다.
이와 같이 복수의 터널 접합을 포함하는 소자의 일례로서, 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)의 적층 구조를 갖는 것을 들 수 있다. 이 경우에는, 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)으로 1개의 터널 접합이 구성되고, 자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)으로도 1개의 터널 접합이 구성된다. 이들 2개의 터널 접합은 저항의 전압 의존성이 서로 대칭적으로 되어, 소자 전체로서의 저항값과 저항 변화율의 전압 의존성을 완화할 수 있도록 조합된다. 이 구조의 소자에서는, 외측에 위치하는 2개의 자성층(1, 3)의 자화 방향이 고정되어 있다.
또한, 상술의 2개의 터널 접합을 포함하는 소자에 있어서는, 자성층(1, 3)의 단부로부터 발생하는 자계 때문에, 자성층(2)의 자화 방향이 영향을 받을 수 있고, 이것을 회피하기 위해서, 자성층(1, 3)을 각각 강자성층(a)/비자성층(b)/강자성층(c)의 3층 구조로 할 수도 있다. 이 경우, 강자성층(a, c)은 비자성층(b)을 개재하여 반강자성적으로 결합되어 있다.
다음으로, 이러한 복수의 터널 접합을 포함하는 태양을 구체적으로 설명한다. 이러한 태양에 있어서는, V-R곡선에서 저항값이 최대가 되는 점이 도 21에 도시된 바와 같이 정의 전압측으로 시프트하고 있는 강자성 터널 접합(1)과, 부의 전압측으로 시프트하고 있는 강자성 터널 접합(2)을 직렬로 접속하여 소자를 형성한 다.
이 구조의 강자성 터널 접합 소자의 합성의 V-R특성을 저항값이 최대가 되는 점이 인가 전압 0V의 선으로부터 시프트하고 있지 않은 종래의 터널 접합 소자의 V-R특성과 비교하여 도 22에 나타낸다. 이 도면에서, 파선으로 나타낸 곡선(A)은 먼저 도 3을 참조하여 예시한 바와 같은 종래의 터널 접합 소자의 시프트가 없는 V-R특성을 나타내고 있고, 실선으로 나타낸 곡선(B)은 상술의 접합(1, 2)을 직렬로 접속하여 형성한 본 발명의 강자성 터널 접합 소자의 합성의 V-R특성을 나타내고 있다. 본 발명의 터널 접합 소자에 있어서는, 접합(1, 2)의 전압 인가에 대해서 저항(R)이 증가하는 방향의 작용과 감소하는 방향의 작용이 서로 상쇄되기 때문에, 종래의 터널 접합 소자에 비해 넓은 전압 범위에 있어서 저항의 전압 의존성이 작게 억제되어 있다.
또, 이와 같이 2개의 접합을 역극성이 되도록 직렬 접속한 본 발명의 강자성 터널 접합 소자에서는, 직렬 접속을 위해서 각 접합에 전압이 분배되기 때문에, 저항 변화율의 전압 의존성은 2개 소자의 접속에 의한 합성 전에 비해 1/2로 개선된다. 마찬가지로, 2개의 접합을 병렬 접속한 경우도, 2종류의 접합이 서로 반대 방향으로 저항 변화하기 때문에, 합성한 저항의 변화도 작게 억제된다.
도 23에, 비대칭의 V-R특성을 갖고 서로 역극성이 되도록 직렬로 접속한 2개의 접합을 포함하는 본 발명의 강자성 터널 접합 소자(150)를 사용한, 자기 기록의 판독용 헤드를 모식적으로 나타낸다. 이 도면에 나타난 면이 여기서 설명하는 자기 헤드가 자기 기록 매체에 대향하는 면이다. 통상, 이러한 판독 헤드에서는, 상 부 실드(shield;141)와 하부 실드(142) 사이의 리드 갭(reading gap; 143)내에 자장을 감지하는 소자(150)를 삽입한다. 여기서 설명하는 예에서는, 이 소자(150)가 본 발명의 강자성 터널 접합 소자이고, 그리고 이 소자(150)는 도면에 도시한 바와 같이, 반강자성층(151)/자성층(152)/절연층(153)/자성층(154)/절연층(155)/자성층(156)/반강자성층(157)의 적층 구조를 갖는다. 이 적층 구조체는 그 위에 층(151 ~ 157)을 차례차례 성막하는데 사용되는 지지 기재(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 자성층(152, 154, 156)에 도시되어 있는 화살표는 각각의 층에 대한 자화 방향을 나타내고 있고, 자성층(152, 156)의 자화 방향은 고정되어 있다.
자성층(152, 156)은 Fe, Co, Ni 또는 이들 금속의 합금을 주성분으로 한 강자성 재료이면, 특히 종류를 묻지 않지만, 분극률이 높은 금속 재료 쪽이 저항 변화율이 크기 때문에 바람직하다. 그러한 분극률이 높은 금속 재료의 예로서는, Co-Fe 합금을 들 수 있다. 반강자성층(151, 157)에는, 예를 들면 FeMn, IrMn, PdPtMn, NiO, RhMn 등의, 자성층(152, 156)의 금속 재료에 일방향 이방성을 유기하는 조성의 재료를 사용한다. 또한, 중간의 자성층(154)은 외부 자계에 대해서 자화 방향을 용이하게 변화시키는 특성을 갖는 연질 자성 재료로 제조되고, 그러한 재료의 예로서는, 예를 들면 NiFe 합금을 들 수 있다. 또한, 자성층(152, 154, 156)은 각각 반드시 단층막으로 구성할 필요는 없고, 자성층(152, 156)은 조성이 다른 2종류 이상의 강자성 금속의 다층막일 수도 있고, 자성층(154)은 연질 자성 재료의 막을 포함하는 다층막일 수도 있다. 예를 들면, 자성층(152, 156)은 각각 반강자성층(151, 157)에 접하는 측에 NiFe 등의 일방향 이방성을 유기하기 쉬운 재료를 사용하고, 각각 절연층(153, 155)에 접하는 측에 CoFe 등의 분극률이 큰 재료를 사용함으로써, 더욱 양호한 소자 특성이 얻어진다. 또한, 자성층(154)은 중앙 부분을 NiFe 합금과 같은 연질 자성 재료로 하고, 양측을 CoFe 합금과 같은 분극률이 큰 강자성 재료로 함으로써, 역시 더욱 양호한 소자 특성이 얻어진다. 이와 같이, 이 예의 자기 헤드에서 사용하는 소자(150)는 절연층(153)과 절연층(155) 각각의 양측을 강자성층 사이에 둔 구조의 접합으로 구성할 수도 있고, 또는 절연층(153, 155)을 포함하는 적층 구조의 외측의 자성층(152, 156)을 강자성층으로 하고, 중간의 자성층(154)을 연질 자성층으로 하는 구조의 접합으로 구성할 수도 있다.
또, 절연층(153, 155)은 V-R곡선에서 저항값이 최대가 되는 점이 서로 역의 전압측에 시프트하도록 만들어지고 있다. 즉, 자성층(152)/절연층(153)/자성층(154)으로 구성되는 제 1 터널 접합과, 자성층(154)/절연층(155)/자성층(156)으로 구성되는 제 2 터널 접합이 서로 저항의 전압 의존성이 대칭적으로 되도록 만들어지고 있다.
자기 헤드에서 사용하는 소자를 도 23에 나타낸 적층 구조로 한 경우에는, 특히 리드 갭(143)의 폭이 작아진 경우에 있어서, 외측에 위치하는 자성층(152, 156)의 단부로부터 발생하는 자계 때문에 중간의 자성층(154)의 자화 방향이 영향을 받게 되고, 충분한 자장 감도가 얻어지지 않게 된다. 이러한 경우에는, 도 23의 터널 접합 소자(150)의 자성층(152, 156)에 해당하는 부분을 강자성층/비자성층/강자성층의 3층 구조로 하여 자장 감도의 부족을 보충할 수 있다.
도 23의 외측에 위치하는 자성층(152, 156)에 해당하는 부분을 이러한 3층 구조로 한 터널 접합 소자를 사용한 자기 헤드를 도 24에 모식적으로 나타낸다. 이 도면에서, 도 23의 자기 헤드에 대한 것과 동일한 부재에 대해서는, 도 23에서 사용한 것과 동일한 참조 번호를 사용하고 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 이 태양의 자기 헤드에 있어서는, 도 23의 소자(150)의 자성층(152)에 해당하는 부분(162)을 강자성층(162a)/비자성층(162b)/강자성층(162c)의 3층 구조로 하고, 마찬가지로 자성층(156)에 해당하는 부분(166)을 강자성층(166a)/비자성층(166b)/강자성층(166c)의 3층 구조로 하는 것을 제외하고, 도 23을 참조하여 설명한 것과 동일한 강자성 터널 접합 소자(160)를 사용하고 있다. 이러한 강자성층/비자성층/강자성층의 3층 구조에서는, 중간의 비자성층(162b, 166b)의 두께를 1nm 정도로 함으로써, 각각의 양측의 강자성층(162a, 162c; 166a, 166c)의 자화가 반강자성적으로 결합하는 것이 알려져 있다. 즉, 자성층(162a)(또는 166a)과 자성층(162c)(또는 166c)의 자화는 도 24에 화살표로 도시된 바와 같이 반대 방향으로 향하게 된다. 이렇게 함으로써, 자성층(162a, 162c) 사이, 또는 자성층(166a, 166c) 사이에서 자장이 폐쇄되기 때문에, 자성층(154)의 자화 회전에 영향을 주는 일이 없어진다.
이 경우, 터널 접합 소자(160)의 비자성층(162b, 166b)에는, Cu, Ru 등의 천이금속원소를 사용할 수 있다. 한편, 이 소자(160)에 있어서의 비자성층(162b, 166b)이외의 각 층에서는, 도 23에 나타낸 자기 헤드에 대해서 먼저 설명한 것과 동일한 재료를 사용할 수도 있다.
도 23과 도 24에서 설명한 자기 헤드에서 사용하는 강자성 터널 접합 소자(150, l60)에서는, 중간의 자성층(154)의 두께를 조절함으로써, 공명 터널 효과(양자 공명 터널 효과)를 일으키게 할 수 있다. 공명 터널 효과가 생기면, 터널링하는 전자의 파동 함수가 중간의 자성층(154)의 내부에서 정재파(stationary wave)를 형성하기 때문에, 터널 확률이 변화된다. 이것을 이용하여, 중간 자성층(154)의 막 두께를 공명 터널 효과로 터널 확률이 커지도록 설정하여 터널 저항을 저감시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 자기 헤드는 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 본 발명의 강자성 터널 접합 소자를 포함하는 것이고, 해당 자기 헤드의 자기 기록 매체에 대향하는 면에 상기 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 각 층이 배치되어 있는 자기 헤드이다.
본 발명의 강자성 터널 접합 소자는 이러한 자기 헤드에 뿐만 아니라, 기타의 장치에 적용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 앞서도 기술한 바와 같이 로터리인코더의 자기 센서에의 응용이 가능하고, 또는 이 외에 강자성 터널 접합 소자가 갖는 터널 접합의 2층의 자화 상태를 기억 상태(온/오프)에 대응시켜 터널 저항의 대소로 판독을 행하는 장치에의 응용 등이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기서 특별히 설명한 태양이나 예에 한정되지 않고, 그들에 대해 여러 가지 변경, 개 량 등이 가능한 것은 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 강자성 터널 접합의 터널 절연층 형성을 위한 Al막의 성막시에 특히 99.999% 이상의 순도가 높은 Al 타깃재를 사용함으로써, 터널 절연층을 두껍게 해도 소자의 MR비를 비교적 높게 유지할 수 있다. 이와 같이 터널 절연층을 보다 두껍게 함으로써, 터널 절연층에 있어서의 핀홀 등의 결함의 발생을 미연에 방지하여 강자성 터널 접합 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 또 강자성 터널 접합 소자 제조에 있어서의 제품 수율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 역시 본 발명에 의하면, 저항값과 저항 변화율의 전압 의존성이 저감한 강자성 터널 접합 소자와, 이 소자를 사용한 자기 센서의 이용이 가능해진다.
이상의 설명으로부터, 본 발명의 특징을 예로서 들면 다음과 같다.
1. (1) 지지 기재,
(2) 이 지지 기재 상의 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층 상의 절연층으로서, 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃을 사용하는 스퍼터링에 의해 제 1 자성층 상에 형성된 알루미늄막을 산화하여 얻어진 산화 알루미늄을 포함하는 터널 절연층과, 이 터널 절연층 상의 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
(3) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
를 포함하는 자기 센서.
2. 제 1 기재에 있어서, 상기 제 1 자성층이 NiFe층과 Co층으로 이루어진 2층막으로 형성되어 있고, Co층이 상기 절연층에 접해 있는 자기 센서.
3. 제 1 또는 제 2 기재에 있어서, 상기 제 2 자성층이 Co층과 NiFe층과 FeMn층과 NiFe층을 차례차례 성막한 다층막으로 형성되어 있고, Co층이 상기 절연층에 접해 있는 자기 센서.
4. 제 1 내지 제 3 기재 중 어느 하나에 있어서, 제 1 자성층 및 제 2 자성층 중 한쪽의 자성층 내의 자화 방향이 외부 자장에 의해 자유롭게 변화하고, 다른 쪽의 자성층 내의 자화 방향은 외부 자장의 크기가 소정의 값보다 작을 때에, 외부 자장의 영향을 받지 않고 고정되도록 되어 있는 자기 센서.
5. (1) 지지 기재, (2) 이 지지 기재 상의 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층 상의 터널 절연층과, 이 터널 절연층 상의 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및 (3) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자를 포함하는 자기 센서의 제조 방법으로서, 상기 강자성 터널 접합 소자를, 지지 기재 상에 제 1 자성층을 형성하는 공정과, 순도 99.999% 이상의 알루미늄 타깃을 스퍼터링하여 제 1 자성층 상에 알루미늄막을 형성하는 공정과, 이 알루미늄막을 산화하여 산화 알루미늄을 포함하는 터널절연층으로 하는 공정과, 이 터널 절연층 상에 제 2 자성층을 형성하는 공정을 포함하는 방법에 의해 제조하는 자기 센서의 제조 방법.
6. 제 5 기재에 있어서, 상기 알루미늄 타깃의 스퍼터링 전에 분위기의 압력을 2 ×10-4Pa 이하로 하는 방법.
7. 제 5 또는 제 6 기재에 있어서, 제 1 자성층 상에 형성하는 알루미늄막의 두께가 1.7 ~ 3.5nm인 방법.
8. 제 5 내지 제 7 기재 중 어느 하나에 있어서, 제 1 자성층 상의 상기 알루미늄막을 산소 플라즈마 중에서 산화하여 산화 알루미늄을 포함하는 터널 절연층으로 하는 방법.
9. 제 1 내지 제 4 중 어느 하나에 기재된 자기 센서를 포함하는 자기 헤드.
10. 제 9 기재에 있어서, 상기 자기 헤드의 자기 기록 매체에 대향하는 면에, 상기 지지 기재와, 상기 지지 기재 상에 차례차례 형성된 상기 제 1 자성층, 터널 절연층, 및 제 2 자성층을 갖는 강자성 터널 접합 소자가 포함되어 있는 자기 헤드.
11. 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고, 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자.
12. 제 11 기재에 있어서, 상기 절연체의 층에 있어서 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 조성 분포를 비대칭으로 한 재료가 사용되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
13. 제 12 기재에 있어서, 상기 절연체가 산화물이고, 이 산화물의 산소 농도가 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 비대칭인 강자성 터널 접합 소자.
14. 제 11 기재에 있어서, 상기 절연체의 층에 접하는 양측의 층의 재료가 다른 강자성 터널 접합 소자.
15. 제 14 기재에 있어서, 상기 절연체의 층과, 이 층과 접하는 다른 한쪽의 강자성 재료의 층과의 경계 영역에 상기 절연체의 구성 성분과 상기 강자성 재료와 의 고용체가 존재함으로써, 상기 절연체의 층과 접하는 양측의 층의 재료가 다른 강자성 터널 접합 소자.
16. 제 11 내지 제 15 기재 중 어느 하나에 있어서, 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합을, 그것들의 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 직렬로 접속시켜 구성되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
17. 제 11 내지 제 15 기재 중 어는 하나에 있어서, 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합을, 그것들의 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 병렬로 접속시켜 구성되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
18. 제 16 기재에 있어서, 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)의 적층 구조를 갖고, 그리고 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)으로 1개의 터널 접합을 구성하고, 자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)으로 또 하나의 터널 접합을 구성하고 있어, 이들 2개의 터널 접합은 서로의 저항의 전압 의존성이 대칭적으로 되어 터널 접합 소자 전체의 저항값 및 저항 변화율의 전압 의존성을 완화할 수 있도록 조합되어 있고, 또 외측에 위치하는 자성층(1)과 자성층(3)의 자화 방향이 고정되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
19. 제 18 기재에 있어서, 자성층(1) 및 자성층(3)이 각각 강자성층(a)/비자성층(b)/강자성층(c)의 3층 구조를 갖고, 강자성층(a) 및 강자성층(c)이 비자성층(b)을 개재하여 반강자성적으로 결합되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
20. 제 18 또는 제 19 기재에 있어서, 자성층(2)이 양자 공명 터널 효과를 생기게 하는 막 두께인 강자성 터널 접합 소자.
21. (a) 지지 기재,
(b) 이 지지 기재 상에 형성된 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고, 이 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
(c) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
를 포함하는 자기 센서.
22. 제 21 기재에 있어서, 상기 절연체의 층에서 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 조성 분포를 비대칭으로 한 재료가 사용되어 있는 자기 센서.
23. 제 22 기재에 있어서, 상기 절연체가 산화물이고, 이 산화물의 산소 농도가 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 비대칭인 자기 센서.
24. 제 21 기재에 있어서, 상기 절연체의 층에 접하는 양측의 층의 재료가 다른 자기 센서.
25. 제 24 기재에 있어서, 상기 절연체의 층과, 이 층과 접하는 다른 한쪽의 강자성 재료의 층과의 경계 영역에 상기 절연체의 구성 성분과 상기 강자성 재료와의 고용체가 존재함으로써, 상기 절연체의 층과 접하는 양측의 층의 재료가 다른 자기 센서.
26. 제 21 내지 제 25 기재 중 어느 하나에 있어서, 상기 강자성 터널 접합 소자가 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합이 그것들의 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 직렬로 접속되어 있는 자기 센서.
27. 제 21 내지 제 25 기재 중 어느 하나에 있어서, 상기 강자성 터널 접합 소자가 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합이 그것들의 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 병렬로 접속되어 있는 자기 센서.
28. 제 26 기재에 있어서, 상기 강자성 터널 접합 소자가 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)의 적층 구조를 갖고, 그리고 자성층(l)/절연층(1)/자성층(2)으로 1개의 터널 접합을 구성하고, 자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)으로 또 하나의 터널 접합을 구성하고 있어, 이들 2개의 터널 접합은 서로의 저항의 전압 의존성이 대칭적으로 되어 터널 접합 소자의 저항값 및 저항 변화율의 전압 의존성을 완화할 수 있도록 조합되어 있고, 또 외측에 위치하는 자성층(1)과 자성층(3)의 자화 방향이 고정되어 있는 자기 센서.
29. 제 28 기재에 있어서, 자성층(1) 및 자성층(3)이 각각 강자성층(a)/비자성층(b)/강자성층(c)의 3층 구조를 갖고, 강자성층(a) 및 강자성층(c)이 비자성층(b)을 개재하여 반강자성적으로 결합되어 있는 자기 센서.
30. 제 28 또는 제 29 기재에 있어서, 자성층(2)이 양자 공명 터널 효과를 생기게 하는 막 두께인 자기 센서.
31. 제 21 내지 제30 기재 중 어느 하나에 있어서, 자기 센서를 포함하는 자기 헤드.
32. 제 31 기재에 있어서, 상기 자기 헤드의 자기 기록 매체에 대향하는 면에 상기 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 각 층이 배치되어 있는 자기 헤드.
33. 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하는 강자성 터널 접합 소자의 제조 방법으로서, 상기 터널 접합에 그것에의 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 부여하는 것을 포함하는 강자성 터널 접합 소자의 제조 방법.
34. 제 33 기재에 있어서,
터널 접합에의 비대칭인 전압-저항 특성의 부여를,
(1) 제 1 강자성 재료의 층의 표면에 절연체의 재료로 되고, 제 1 강자성 재료와 고용체를 형성할 수 있는 비자성 재료의 막을 피착(被着) 형성하는 공정,
(2) 상기 비자성 재료의 막의 표면에서 산소를 작용시켜 이 막의 표면측의 영역을 산화하여 절연체로 하는 공정,
(3) 산화된 상기 비자성 재료의 막의 표면에 제 2 강자성 재료의 층을 피착 형성하는 공정,
(4) 공정(2)에서 절연체로 된 영역의 하부에 열처리에 의해 제 1 강자성 재료와 상기 비자성 재료의 고용체를 형성시키는 공정
을 포함하는 처리에 의해 행하는 방법.
35. 제 33 기재에 있어서, 상기 절연체가 산화물로서, 상기 절연체의 층을 산소 분위기 중에서 성막하고, 성막 중의 분위기의 산소 분압을 시간과 함께 변화시키는 방법.
36. 제 33 기재에 있어서, 상기 절연체로서 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 조성 분포를 비대칭으로 한 재료를 사용한 터널 접합, 또는 상기 절연체로서 상기 절연체의 층에 접하는 양측의 층에서 다른 재료를 사용한 터널 접합을 형 성하고, 그리고 이 접합에 열처리를 행하는 방법.
37. 제 33 기재에 있어서, 산소 농도가 상기 소자의 전압 인가 방향에 관하여 비대칭인 산화물을 절연체로서 포함하는 터널 접합을 형성하고, 그리고 이 접합에 열처리를 행하는 방법.

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  11. 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고,
    (1) 상기 절연체의 층과, 이 층과 접하는 다른 한쪽의 강자성 재료의 층과의 경계 영역에 상기 절연체의 구성 성분과 상기 강자성 재료의 고용체가 존재함으로써,
    (2) 상기 절연체가 2종류 이상의 재료로 형성되며 막 두께 방향으로 조성 분포를 가짐으로써, 또는
    (3) 상기 절연체가 조성 또는 구조가 다른 복수의 막을 적층하여 형성됨으로써,
    상기 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자.
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  15. 제 11항에 있어서, 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합을, 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 직렬로 접속시켜 구성되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
  16. 제 11항에 있어서, 복수의 상기 터널 접합을 포함하고, 이들의 접합을, 전압 증가에 대한 저항 변화가 반대 방향이 되도록 병렬로 접속시켜 구성되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
  17. 제 15항에 있어서, 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)의 적층 구조를 갖고, 하나의 터널 접합이 자성층(1)/절연층(1)/자성층(2)으로 구성되고, 또하나의 터널 접합이 자성층(2)/절연층(2)/자성층(3)으로 구성되어, 이들 2개의 터널 접합은 전압에 대한 그들의 저항 의존성이 서로 대칭적으로 되어, 터널 접합 소자 전체의 전압에 대한 저항값 및 저항 변화율의 의존성을 완화할 수 있도록 조합되어 있고, 또 외측의 자성층(1)과 자성층(3)의 자화 방향이 고정되어 있는 강자성 터널 접합 소자.
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  20. (a) 지지 기재,
    (b) 이 지지 기재 상에 형성된 강자성 재료/절연체/강자성 재료의 적층 구조의 터널 접합을 포함하고,
    (1) 상기 절연체의 층과, 이 층과 접하는 다른 한쪽의 강자성 재료의 층과의 경계 영역에 상기 절연체의 구성 성분과 상기 강자성 재료의 고용체가 존재함으로써,
    (2) 상기 절연체가 2종류 이상의 재료로 형성되며 막 두께 방향으로 조성 분포를 가짐으로써, 또는
    (3) 상기 절연체가 조성 또는 구조가 다른 복수의 막을 적층하여 형성됨으로써,
    상기 터널 접합이 전압 인가 방향에 비대칭인 전압-저항 특성을 갖는 강자성 터널 접합 소자, 및
    (c) 자계의 변화를 저항의 변화로 변환하는 변환 소자
    를 포함하는 자기 센서.
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