KR100259428B1 - 길이 방향 바이어스를 갖는 자기 터널 접합 장치 - Google Patents

길이 방향 바이어스를 갖는 자기 터널 접합 장치 Download PDF

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포만 제프리 엘
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Abstract

자기 메모리 셀 또는 자계 센서로 사용하기 위한 자기 터널 접합 디바이스는 절연 터널 장벽층의 반대쪽 측면들 상에 형성된 하나의 고정 강자성층 및 하나의 감지 강자성층과 감지 강자성층과 전기적으로는 절연되지만 정자기적으로 결합되는 하드 바이어싱 강자성층을 갖는다. 자기 터널 접합 디바이스 내의 자기 터널 접합은 기판 상에 있는 전기 리드선 상에서 형성되고 여러 층들로 된 적층으로 이루어진다. 적층 내의 여러 층들은 반강자성층, 인가된 자계가 존재하는 경우 자기 모멘트가 회전할 수 없도록 반강자성층과 교환 바이어스되는 고정 강자성층, 고정 강자성층과 접촉하는 절연 터널 장벽층, 및 터널 장벽층과 접촉하고 인가된 자계가 존재하는 경우 자기 모멘트가 자유롭게 회전하는 감지 강자성층이다. 이러한 적층은 일반적으로 평행한 측면 단부들을 갖는 직사각형 형상으로 되어 있다. 하드 바이어싱 강자성 물질로 된 층은 감지 강자성층의 측면 단부에 가깝지만 이격되도록 위치하여, 감지 강자성층의 자기 모멘트를 바람직한 방향인 길이 방향으로 바이어스한다. 감지 전류가 하드 바이어스 물질로는 분류(shunting)되지 않지만, 적층 내의 여러 층들과 수직하게 관통하여 흐르는 것이 가능하도록 전기적 절연 물질로 된 층은 하드 바이어싱 물질을 전기 리드선 및 감지 강자성층과 절연시킨다.

Description

길이 방향 바이어스를 갖는 자기 터널 접합 장치
본 발명은 일반적으로 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction : MTJ) 디바이스에 관한 것으로, 특히 자기적으로 기록된 데이터를 판독하는 자기 저항(magnetoresistive : MR) 헤드로 사용되는 MTJ 디바이스에 관한 것이다.
자기 터널 접합 (MTJ) 디바이스는 얇은 절연 터널 장벽층에 의해 분리된 두 개의 강자성층으로 구성되고 스핀-분극화 전자 터널링(spin-polarized electron tunneling) 현상에 기초한 것이다. 강자성층들 중의 하나는 인가된 자계의 한쪽 방향에서 더 높은 포화 필드(saturation field)를 갖는데 이것은 일반적으로 다른 강자성층보다 높은 보자력(coercivity)을 갖기 때문이다. 절연 터널 장벽층은 충분히 얇게 되어 있어서, 강자성층들 사이에서 양자 역학적 터널링이 일어난다. 이러한 터널링 현상은 전자-스핀에 좌우되는 것으로, MTJ의 자기 응답(magnetic response)은 2개의 강자성층의 상대적 배향(relative orientation) 및 스핀 분극의 함수가 된다.
MTJ 디바이스는 기본적으로는 고체 상태 메모리용 메모리 셀로서 제안되었다. MTJ 메모리 셀의 상태는 감지 전류(sense current)가 하나의 강자성층에서 다른 강자성층으로 MTJ와 수직하게 관통할 때, MTJ의 저항을 측정함으로써 정해진다. 절연 터널링 장벽층을 횡단하는 전하 캐리어가 터널링을 일으킬 확률은 2개의 강자성층의 자기 모멘트(자화 방향)의 상대적인 정렬 상태에 좌우된다. 터널링 전류는 스핀 분극되는데, 이것은 예를 들어 자기 모멘트가 고정되거나 회전이 금지된 층인 강자성층들 중의 하나를 통과하는 전류가 주로 하나의 스핀 형태(강자성층의 자기 모멘트의 배향에 따라, 스핀 업 또는 스핀 다운)를 갖는 전자로 구성된다는 것을 의미한다. 터널링 전류의 스핀 분극의 정도는 터널 장벽층을 갖는 강자성층의 인터페이스(interface)에서 강자성층을 포함하는 자성 물질의 전자 밴드 구조(electronic band structure)에 의해 정해진다. 따라서, 제1 강자성층은 스핀 필터(spin filter)의 기능을 한다. 전하 캐리어의 터널링 확률은 제2 강자성층 내의 전류의 스핀 분극과 동일한 스핀 분극을 갖는 전자 상태의 이용 가능성에 좌우된다. 일반적으로, 제2 강자성층의 자기 모멘트가 제1 강자성층의 자기 모멘트와 평행할 때, 제2 강자성층의 자기 모멘트가 제1 강자성층의 자기 모멘트에 반대 방향으로 평행(antiparallel)하게 정렬한 경우보다 더 많은 이용 가능한 전자 상태를 갖는다. 따라서, 전하 캐리어의 터널링 확률은 양 강자성층의 자기 모멘트가 서로 평행할 때 가장 크고, 양 강자성층의 자기 모멘트가 서로 반대 방향으로 평행할 때 가장 작다. 모멘트가 서로 평행하거나 반대로 평행하게 정렬된 상태가 아닌 경우, 터널링 확률은 중간값을 갖는다. 따라서, MTJ 메모리 셀의 전기 저항은 전류의 스핀 분극 및 양 강자성층의 전자 상태에 모두 좌우된다. 그 결과, 자화 방향이 하나로(uniquely) 고정되지 않는 강자성층의 2개의 가능한 자화 방향은 메모리 셀의 2개의 가능한 비트 상태 (0 또는 1)를 정한다. MTJ 메모리 셀의 가능성은 상당 기간 알려져 왔지만, 이에 대한 깊은 관심은 지연되었는 바, 그 이유는 실제 구조에서 그리고 극저온에서 예측되는 크기를 갖는 응답을 얻는 것이 어려웠기 때문이다.
자기 저항(MR) 센서는 자성 물질로 제조된 판독 소자에 의해 감지되는 자속의 세기 및 방향의 함수로 판독 소자의 저항 변화를 통해 자계 신호를 검출한다. 자기 기록 디스크 드라이브에서 데이터를 판독하는 MR 판독 헤드로 사용되는 것과 같은 종래 MR 센서는 일반적으로 퍼멀로이(Ni81Fe19)인 벌크 상태의 자성 물질의 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive : AMR) 효과에 기초하여 동작한다. 판독 소자의 저항 성분은 판독 소자의 자화 방향과 판독 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향이 이루는 각도의 코사인의 제곱의 함수로 변한다. 기록된 데이터는 디스크 드라이브 내의 디스크와 같은 자기 매체로부터 판독될 수 있는데, 그 이유는 기록된 자기 매체로부터 나오는 외부 자계(신호 필드)가 판독 소자의 자화 방향의 변화를 일으키고, 그 후 이러한 변화는 판독 소자의 저항 변화와 그에 대응하는 감지된 전류 또는 전압의 변화를 일으키기 때문이다.
MTJ 디바이스를 MR 판독 헤드로 사용하는 것은 미국 특허 제 5,390,061호에 기술되어 있는 바와 같이 이미 제안되었다. 그러나, 이러한 MR 판독 헤드가 갖는 문제점들 중의 하나는 기록된 매체로부터 나오는 자계 강도에 선형이고 안정적인 출력 신호를 발생하는 구조를 개발하는 것이다. MTJ 디바이스의 강자성 감지층(즉, 모멘트가 고정되지 않는 강자성층)을 단일 자구(single magnetic domain) 상태로 유지하기 위한 소정의 수단이 사용되지 않으면, 자구의 자구벽(domain wall)이 강자성 감지층 내의 여러 위치로 이동하여 잡음을 일으키고, 이 잡음은 신호 대 잡음비를 감소시켜 재생이 불가능한 헤드의 응답을 일으킬 수 있다. 헤드의 선형 응답이 필요하다. 단일 자구 상태를 유지하는 문제는 MTJ MR 판독 헤드의 경우에 특히 곤란한 데, 그 이유는 감지 전류가 AMR 센서와는 달리 강자성층 및 터널 장벽층을 수직하게 관통하여, 강자성층의 단부들과 직접 접촉하는 모든 금속 물질이 판독 헤드의 전기 저항을 갖는 회로를 단락시키기 때문이다.
안정한 출력 및 선형 출력을 가지며, 그에 따라 기록된 매체로부터 나오는 자계에 선형 응답을 제공하는 MTJ MR 판독 헤드로서의 기능을 수행할 수 있는 MTJ 디바이스가 필요하다.
본 발명은 터널 장벽층의 반대쪽 측면들 상에 하나의 고정 강자성층(fixed ferromagnetic layer) 및 하나의 감지 강자성층(sensing ferromagnetic layer)을 가지며, 감지 강자성층과 전기적으로는 절연되지만 정자기적(magnetostatically)으로 결합되는 하드 바이어싱 강자성층(hard biasing ferromagnetic layer)을 갖는 MTJ 디바이스이다. MTJ 디바이스 내의 자기 터널 접합은 기판 상에 있는 전기 리드선 상에 형성되고 여러 층들로 된 적층으로 이루어진다. 적층 내의 여러 층들은 반강자성층, 인가된 자계가 존재하는 경우 자기 모멘트가 회전할 수 없도록 반강자성층과 교환 바이어스(exchange bias)되는 고정 강자성층, 고정 강자성층과 접촉하는 절연 터널 장벽층, 및 터널 장벽층과 접촉하고 인가된 자계가 존재하는 경우 자기 모멘트가 자유롭게 회전하는 감지 강자성층이다. 이러한 적층은 일반적으로 평행한 측면 단부들을 갖는 직사각형 형상으로 되어 있어서 여러 층들은 연속하는 단부를 갖게 된다. 하드 바이어싱 강자성 물질로 된 층은 감지 강자성층의 측면 단부에 가깝지만 이격되도록 위치하여, 인가된 자계가 없는 경우 감지 강자성층의 자기 모멘트를 바람직한 방향인 길이 방향으로 바이어스한다. 감지 전류가 하드 바이어스 물질로는 분류(shunting)되지 않지만, 자기 터널 접합 적층 내의 여러 층들을 수직하게 관통하여 흐르는 것은 가능하도록 전기적 절연 물질로 된 층은 하드 바이어싱 물질을 전기 리드선 및 감지 강자성층과 절연시킨다.
본 발명의 특징 및 기타 장점들을 더욱 상세히 이해하기 위해 후술하는 상세한 설명 및 첨부 도면이 참조되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드와 함께 사용하기 위한 종래 자기 기록 디스크 드라이브의 단순화된 블록도.
도 2는 커버가 제거된 도 1의 디스크 드라이브의 평면도.
도 3은 MR 판독 헤드가 차폐체(shields) 사이에 위치하고 유도 기록 헤드에 인접해 있는 종래의 유도 기록 헤드/MR 판독 헤드의 종단면도.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 단면도 및 평면도.
도 5는 감지 강자성층의 길이 방향 바이어싱을 제공하는 구조를 포함하는 다양한 물질층의 배열을 도시하기 위한 도 4a 및 도 4b의 MTJ MR 판독 헤드의 사시도.
도 6a 내지 도 6n은 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 제조 공정을 예시한 도면.
〈도면의주요부분에대한부호의설명〉
25 : 판독/기록 헤드
40 : 자기저항(MR) 센서
100 : 자기 터널 접합
102 : 하부 리드선
104 : 상부 리드선
110 : 제1 전극 다층 적층
116 : 반강자성층
118 : 고정 강자성층
120 : 절연 터널 장벽층
130 : 상부 전극 적층
132 : 감지 강자성층
150 : 바이어싱 강자성층
이하, 본 발명의 MTJ 디바이스는 자기 기록 디스크 드라이브 내의 자기저항(MR) 센서에 구현되는 것으로 설명되어 있으나, 본 발명은 메모리 셀 등과 같은 기타 다른 MTJ 애플리케이션과 자기 테이프 기록 시스템과 같은 기타 다른 자기 기록 시스템에도 적용이 가능하다.
먼저 도 1을 참조하면, MR 센서를 사용하는 형태로 되어 있는 종래 디스크 드라이브의 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 디스크 드라이브는 베이스 (10) 및 커버 (11)을 포함하고, 디스크 구동 모터 (12) 및 액츄에이터 (14)는 베이스에 고정되어 있다. 베이스 (10) 및 커버 (11)은 실질적으로 밀폐된 디스크 드라이브용 하우징을 제공한다. 일반적으로, 베이스 (10)과 커버 (11) 사이에는 가스켓(gasket) (13)이 위치하고 있으며, 디스크 드라이브의 내부와 외부 환경 사이에는 압력을 같게 하는 작은 통기 포트(breather port)(도시하지 않음)가 위치하고 있다. 자기 기록 디스크 (16)은 허브 (18)에 의해 구동 모터 (12)에 접속되고, 또한 자기 기록 디스크는 허브에 부착되어 구동 모터 (12)에 의해 회전한다. 디스크 (16) 상에는 윤활 박막(thin lubricant film) (50)을 형성 및 유지되어 있다. 판독/기록 헤드 또는 트랜스듀서 (25)는 공기 베어링 슬라이더 (20)과 같은 캐리어의 후행 단부(trailing end) 상에 형성된다. 트랜스듀서 (25)는 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 유도 기록 헤드부(inductive write head portion) 및 MR 판독 헤드부를 포함하는 판독/기록 헤드이다. 슬라이더 (20)은 강체 암(rigid arm) (22) 및 서스펜션 (24)에 의해 액츄에이터 (14)에 접속된다. 서스펜션 (24)는 슬라이더 (20)을 기록 디스크 (16)의 표면 상으로 밀어주는 바이어싱 힘(biasing force)을 제공한다. 디스크 드라이브가 동작하는 동안, 구동 모터 (12)는 일정한 속도로 디스크 (16)을 회전시키고, 일반적으로 선형 또는 회전 음성 코일 모터(voice coil motor : VCM)인 액츄에이터 (14)는 통상 디스크 (16)의 표면의 지름방향으로 가로질러 슬라이더 (20)을 이동시켜서 판독/기록 헤드 (25)가 디스크 (16) 상의 서로 다른 데이터 트랙들을 액세스할 수 있다.
도 2는 커버 (11)을 제거한 디스크 드라이브 내부의 평면도로 슬라이더 (20)을 디스크 (16) 쪽으로 밀어주는 힘을 슬라이더에 제공하는 서스펜션 (24)를 더욱 상세히 도시하고 있다. 서스펜션 (24)로는 IBM의 미국 특허 제 4,167,765호에 기재된 바와 같은 공지의 워트로스 서스펜션(Watrous suspension)과 같은 종래 형태의 서스펜션이 사용될 수 있다. 또한, 이러한 형태의 서스펜션은 슬라이더에 짐벌이 부착되어 있어 슬라이더가 공기 베어링 상에 떠 있을 때 슬라이더의 높이를 정하고 좌우로 움직이도록(pitch and roll) 해준다. 트랜스듀서 (25)에 의해 디스크 (16)에서 검출되는 데이터는 암 (22) 상에 위치한 집적 회로 칩 (15) 내의 신호 증폭 및 처리 회로에 의해 데이터의 리드백 판독 신호(readback signal)를 제공하도록 처리된다. 트랜스듀서 (25)로부터 나오는 신호는 가요성(可撓性) 케이블(flex cable) (17)을 통해 칩 (15)로 진행하고, 칩 (15)는 그 출력 신호를 케이블 (19)를 통해 디스크 드라이브 전자 장치(도시하지 않음)로 전송한다.
도 3은 MR 판독 헤드부 및 유도 기록 헤드부를 포함하는 판독/기록 헤드 (25)의 단면을 개략적으로 도시하고 있다. 헤드 (25)는 공기 베어링 표면(ABS)을 형성하도록 래핑되고(lapped), ABS는 상술한 바와 같은 공기 베어링에 의해 (도 1에 도시된)회전하는 디스크 (16)의 표면으로부터 이격되어 있다. 판독 헤드는 제1 갭층 (G1)과 제2 갭층 (G2) 사이에 삽입되는 MR 센서 (40)을 포함하고, 제1 및 제2 갭층은 제1 차폐층 (S1)과 제2 차폐층 (S2) 사이에 삽입되어 있다. 종래 디스크 드라이브에서는 MR 센서 (40)은 이방성 자기저항 센서(anisotropic magnetoresistive(AMR) sensor)이다. 기록 헤드는 절연층 (I1)과 (I3) 사이에 삽입되어 있는 코일층 (C) 및 절연층 (I2)를 포함하고, 이들 절연층은 제1 및 제 2 극편 (P1)과 (P2) 사이에 삽입되어 있다. 갭층 (G3)는 ABS에 인접한 양 극팁에서 제1 및 제 2 극편 (P1)과 (P2) 사이에 삽입되어 자기갭(magnetic gap)을 제공한다. 기록 동작 중에, 신호 전류는 코일층 (C)를 통해 통전되고, 플럭스(flux)는 제1 및 제2 극층 (P1) 및 (P2) 내로 유도되어, 플럭스가 ABS에 있는 극팁을 가로질려 프린지(fringe)를 형성하도록 한다. 이러한 플럭스는 기록 동작을 하는 동안 회전하는 디스크 (16) 상에 원형 트랙을 자화시킨다. 판독 동작을 하는 동안, 회전하는 디스크 (16) 상의 자화된 영역은 판독 헤드의 MR 센서 (40) 내로 자속을 주입하여, MR 센서 (40) 내에서 저항 변화를 일으킨다. 이들 저항 변화는 MR 센서 (40) 양단에 걸리는 전압 변화를 검출함으로써 검출된다. 이들 전압 변화는 (도2의) 칩 (15) 및 드라이브 전자 장치에 의해 처리되어 사용자 데이터로 변환된다. 도 3에 도시된 결합 헤드 (25)는 판독 헤드의 제2 차폐층 (S2)가 기록 헤드의 제1 극편 (P1)으로 사용되는 "통합형(merged)" 헤드이다. 피기백 방식의 헤드(piggyback head)(도시하지 않음)에서는 제2 차폐층 (S2) 및 제1 극편 (P1)은 분리된 층으로 되어 있다.
AMR 판독 헤드를 갖는 일반적인 자기 기록 디스크 드라이브에 대한 상기 설명 및 첨부한 도 1 내지 도 3은 단지 예시 목적으로 제공되는 것이다. 디스크 드라이브는 복수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 각 액츄에이터는 복수의 슬라이더를 지지할 수 있다. 또한, 액체 베어링, 기타 접촉 및 근접-접촉(near-contact) 기록 디스크 드라이브에서와 같은 디스크와 접촉하거나 또는 근접하여 접촉한 상태로 헤드를 유지하는 캐리어가 공기 베어링 슬라이더를 대신할 수 있다.
본 발명은 도 3의 판독/기록 헤드 (25) 내의 자기저항(MR) 센서 (40) 대신에 사용될 수 있는 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction : MTJ) 센서를 갖는 자기저항(MR) 판독 헤드이다.
먼저 도 4a 참조하면, MTJ MR 판독 헤드는 갭층 (G1) 기판 상에 형성된 하부 전기 리드선 (102), 갭층 (G2) 아래의 상부 전기 리드선 (104) 및 상부 전기 리드선 (104)와 하부 전기 리드선 (102) 사이의 층들로 이루어진 적층(stack of layers)으로 형성되는 MTJ (100)을 포함한다.
MTJ (100)은 제1 전극 다층 적층(first electrode multilayer stack) (110), 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier layer) (120) 및 상부 전극 적층(top electrode stack) (130)을 포함한다. 각 전극들은 터널 장벽층 (120)과 직접 접촉하는 강자성층 (118) 및 (132)를 포함한다.
전기 리드선 (102) 상에 형성된 베이스 전극층 적층(base electrode layer stack) (110)은 리드선 (102) 상의 시드(seed) 또는 "템플리트(template)"층 (112), 템플리트층 (112) 상의 반강자성 물질로 된 반강자성층 (116) 및 아래에 놓여 있는 반강자성층 (116) 상에서 교환 결합되도록 형성되는 "고정(fixed)" 강자성층 (118)을 포함한다. 강자성층 (118)은 고정층(fixed layer)이라고 불리우는데, 그 이유는 소정의 관련 범위 내에서 인가된 자계가 존재하더라도 그 강자성층의 자기 모멘트 또는 자화 방향의 회전이 방지되기 때문이다. 상부 전극 적층 (130)은 "감지(sensing)" 강자성층 (132) 및 감지 강자성층 (132) 상에 형성되는 보호층 또는 캡층 (134)를 포함한다. 감지 강자성층 (132)는 반강자성층과 교환 결합되지 않으므로, 따라서 관련 범위 내에서 인가된 자계가 존재하면 그 감지 강자성층의 자화 방향이 자유롭게 회전한다. 감지 강자성층 (132)는 자기 모멘트 또는 자화 방향(화살표 (133)으로 표시됨)이 일반적으로 (도 3의) ABS에 평행하고 배향되고, 인가된 자계가 없을 때에는 일반적으로 고정 강자성층 (118)의 자화 방향에 수직으로 배향되도록 제조된다. 터널 장벽층 (120) 바로 아래에 있는 전극 적층 (110) 내의 고정 강자성층 (118)은 하부 전극 적층 (110)의 일부를 형성하는 바로 아래에 놓여 있는 반강자성층 (116)과 인터페이스 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 고정되는 자화 방향을 갖는다. 고정 강자성층 (118)의 자화 방향은 일반적으로 ABS에 수직으로, 즉 (화살표 꼬리 부분인 (119)로 도시되는 바와 같이) 도 4a의 지면에서 나오거나 또는 들어가는 방향으로 배향된다.
또한, 도 4a에는 감지 강자성층 (132)의 자화를 길이 방향으로 바이어스하는 바이어싱 강자성층 (150)과 감지 강자성층 (132) 및 MTJ (100)의 다른 층들과 바이어싱층 (150)을 분리 및 절연하는 절연층 (160)이 도시되어 있다. 바이어싱 강자성층 (150)은 CoPtCr 합금과 같은 하드 자성 물질(hard magnetic material)이고, 이 하드 자성 물질은 인가된 자계가 없을 때 그 자기 모멘트(화살표 (151)로 표시됨)가 감지 강자성층 (132)의 자기 모멘트 (133)과 동일한 방향으로 정렬된다. 절연층 (160)은 바람직하게는 알루미나(Al2O3) 또는 실리카(SiO2)로 이루어져 있으며, MTJ (100), 전기 리드선(102) 및 (104)와 바이어싱층 (150)을 전기적으로 절연시키기에 충분한 두께를 갖지만, 충분히 얇아 감지 강자성층 (132)와 정자기 결합(靜磁氣 結合: magnetostatic coupling)(화살표 (153)으로 표시됨)이 이루어지도록 한다. 바이어싱 강자성층 (150)의 곱 M*t (여기서, M은 강자성층 내 물질의 단위 면적당 자기 모멘트이고, t는 강자성층의 두께임)는 안정한 길이 방향의 바이어싱을 보장하도록 감지 강자성층 (132)의 곱 M*t보다 크거나 같아야 한다. 감지 강자성층 (132)에서 사용되는 Ni(100-x)-Fe(x)(여기서, x는 대략 19임)의 자기 모멘트는 Co75Pt13Cr12과 같은 바이어싱 강자성층 (150)에 적합한 통상의 하드 자성 물질의 자기 모멘트의 대략 2배이므로, 바이어싱 강자성층 (150)의 두께는 적어도 감지 강자성층 (132) 두께의 대략 2배가 되어야 한다.
도 4b는 도 4a의 MTJ MR 헤드의 평면도로, MTJ MR 헤드는 상부에 여러 층들을 가지며, 아래에 놓인 헤드가 예시되도록 (G2) 층은 제거되어 있고 상부 전기 리드선 (104)는 점선으로 도시되어 있다. 일점 쇄선 (161)은 ABS를 나타내고, MTJ MR 헤드가 제조된 후 여러 층들이 다시 이 쇄선에 래핑된다. MTJ (100)은 디스크 상에 기록된 데이터의 트랙 폭에 적합한 폭 TW와 래핑 후의 최종 스트라이프 높이 SH를 갖는 스트라이프(stripe)로 도시되어 있다. 기록된 데이터 트랙의 폭은 TW보다 더 넓다.
도 5는 디스크 드라이브의 디스크와 같은 자기 기록 매체에 인접하여 도시된 도 4a 및 도 4b의 MTJ MR 판독 헤드의 개략적 사시도로서, 판독 헤드의 동작을 용이하게 설명하기 위해 분리된 MTJ (100)의 중요한 층들을 도시하고 있다. 디스크 상에서 트랙 폭 TW를 갖는 데이터 트랙 (180)은 화살표 (182)로 표시된 방향으로 자계 h를 발생하는 기록된 데이터를 갖는 것으로 도시되어 있다. 고정 강자성층 (118)은 화살표 (184)로 표시되고, ABS에 수직하며 일반적으로 디스크로부터 나오는 자계 방향 h에 평행하거나 또는 반대 방향으로 평행하게 배향되는 자기 모멘트를 갖는다. 방향 (184)는 기록된 데이터로부터 나오는 인가된 자계 h가 없더라도 인접한 반강자성층 (116)으로부터의 인터페이스 교환 결합으로 인해 고정된다. 감지 강자성층 (132)는 ABS에서 감지 단부(sensing edge)(도시하지 않음), 후방 단부(back edge) (192) 및 2개의 평행한 측면 단부(side edge) (194) 및 (196)을 갖는 일반적으로 직사각형 형상을 갖는다. 도시한 바와 같이, MTJ (100)의 기타 층들은 일반적으로 층 (132)의 단부들과 인접한 단부들을 갖는다. 감지 강자성층 (132)는 인가된 자계가 없는 경우 화살표 (133)으로 표시된 바와 같이 ABS 및 디스크 표면에 평행한 방향으로 정렬되는 자기 모멘트를 갖는다. 바이어싱 강자성층 (150)은 화살표 (151)로 표시되고, 일반적으로 방향 (133)에 평행하게 정렬되는 자기 모멘트를 가져 감지 강자성층 (132)에 일반적으로 단일 자구 상태(single magnetic domain state)를 제공한다. 정자기 결합은 바이어싱층 (150)의 하드 자성 물질을 MTJ (100)과 전기적으로 절연시키는 절연층 (160)을 가로질러 발생한다.
감지 전류 I는 제1 전기 리드선 (102)에서 나와 반강자성층 (116), 고정 강자성층 (118), 터널 장벽층 (120) 및 감지 강자성층 (132)를 수직으로 관통한 후, 제2 전기 리드선(104)로 나온다. 상술한 바와 같이, 터널 장벽층 (120)을 통과하는 터널링 전류(tunneling current)의 양은 터널 장벽층 (120)과 인접하여 접촉하는 고정 및 감지 강자성층 (118) 및 (132)와의 상대적인 자화 배향(relative orientations of the magnetizations)의 함수이다. 기록된 데이터로부터 나오는 자계 h는 감지 강자성층 (132)의 자화 방향을 점선 화살표 (187) 및 (189)로 표시한 바와 같이 방향 (133)에서 멀어지도록 회전시킨다. 이것은 강자성층 (118) 및 (132)의 자기 모멘트의 상대적 배향을 변화시키고, 그에 따라 MTJ (100)의 전기 저항 변화에 영향을 미치게 되는 터널링 전류의 양을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 디스크 구동 전자 장치에 의해 검출되고 처리되어 디스크로부터 판독된 데이터가 된다. 감지 전류는 전기 절연층 (160)에 의해 바이어싱 강자성층 (150)에 도달하는 것이 방지되고, 전기 절연층은 또한 바이어싱 강자성층 (150)을 전기 리드선 (102) 및 (104) 양자와 절연시킨다. 바람직한 실시예에 있어서, 바이어싱 강자성층 (150)은 리드선 (102) 및 (104)와 전기적으로 절연되지만, 기타 다른 리드선 및 터널 장벽층 (120)과 절연되어 있는 한, 바이어싱 강자성층 (150)은 리드선들 중의 하나와 접촉하도록 형성될 수 있다. 따라서, 절연층 (160)은 감지 전류에 분류(shunting)가 생기지 않으며 그에 따라 MTJ MR 헤드의 저항에 대한 역효과가 없으면서, 동시에 바이어싱 강자성층 (150)에 의해 감지 강자성층 (132) 내로 정자기 결합이 이루어지도록 해주는 것을 보장한다.
절연층 (160) 및 강자성층 (150)은 3개의 상이한 증착을 사용하여 형성된다. 먼저, 제1 알루미나 증착은 층 (160)의 하부를 형성하고 또한 감지 강자성층 (132)(도 4a)의 측면 단부 (194) 및 (196)의 상부와 일치한다. 절연층 (160)을 증착시키기 위해 고주파(radio frequency : RF) 스퍼터 증착 기술이 사용되는 경우, 측벽상의 절연층 두께는 평탄면의 두께보다 얇다. 측벽의 스퍼터 효율은 통상 평탄면 스퍼터 효율의 1/2 내지 3/4이다. 두 번째로, 하드 바이어싱 강자성층 (150)은 이온 빔 증착과 같은 방향성 증착 기술을 사용하여 증착된다. 측벽 (194) 및 (196)과 일치하는 제1 절연층 증착의 알루미나는 바이어싱 강자성층 (150)을 감지 강자성층 (132)와 절연시키는 기능을 한다. 세 번째로, 최종 절연층 증착은 층 (160)의 상부 영역을 형성하고 바이어싱 강자성층 (150)의 상부 표면을 덮거나 밀폐한다.
제1 절연층의 증착 두께는 바이어싱 강자성층 (150)을 하부 리드선 (102) 및 측벽 (194) 및 (196) 양자와 전기적으로 충분히 절연시켜야 한다. 이러한 절연은 알루미나가 100 Å 또는 100 내지 500 Å 범위의 최소 두께를 갖도록 만들어질 수 있다. 제2 절연층의 증착 두께는 바이어싱 강자성층 (150)을 상부 리드선 (104)와 전기적으로 충분히 절연시켜야 한다. 이러한 절연은 알루미나가 100 내지 500 Å 범위의 최소 두께를 갖도록 만들어질 수 있다.
절연층 (160)을 형성하는 제1 및 제2 절연층의 증착 두께는 몇가지 요인에 의해 제한된다. 먼저, 상부 리드선 (104)의 구조가 절연층 (160) 및 MTJ (100)의 구조의 상부와 일치하도록 하기 위해, 제1 및 제2 증착 두께의 합은 MTJ (100) 구조의 총 두께에 가까워야 하는데, 이것은 즉 2X보다 커서는 않되고 이상적으로는 1X에 가까워야 한다. 두 번째로, 바이어싱 강자성층 (150)에서의 정자기 결합 필드가 감지 강자성층 (132)와 효과적으로 상호 작용하기 위해서는, 제1 알루미나 증착 형성층 (160)의 두께가 제1 및 제2 갭 (G1) 및 (G2)의 두께보다 충분히 작아야 한다. 그렇지 않으면, 정자기 필드가 센서의 제1 및 제2 차폐 (S1) 및 (S2)로 인력을 받게 된다. 고밀도 센서는 통상 1000 Å 범위의 (G1) 및 (G2)를 갖도록 제조되므로, 절연층의 제1 부분의 두께는 500 Å 범위 내이어야 하고, 결과적으로 스퍼터 효율 때문에 측벽 (194) 및 (196)은 250 내지 400 Å 범위의 절연층으로 덮히게 된다. 명백히, 강자성 결합 효율은 전기적 절연을 손상시키는 희생없이도 제1 알루미나 증착층 (160)의 두께값을 최소화함으로써 개선된다. 요약하면, 2가지 별도의 알루미나 증착에 의해 형성되는 절연층 (160)은 MTJ (100) 구조의 감지 강자성층 (132)에서 바이어싱 강자성층 (150)을 전기적으로 절연시키는 기능을 한다. 이들 2개의 층 사이의 강자성 결합의 정도는 2개의 증착 두께에 의해 결정되고, 그 두께가 자유층과 강자성 바이어스층 사이의 절연 통합(insulating integrity)을 손상시킬 정도의 극단적으로 작은 값이 아닌 상태에서 제1 및 제2 갭의 두께와 비교해 최소가 될 때 강자성 결합 정도가 최대가 된다.
이하에서는 MTJ (100)(도 4a)용으로 사용되는 물질의 대표적인 세트를 설명하기로 한다. 기판의 표면에 평행하게 인가되는 자계가 존재할 경우 MTJ (100)의 모든 층이 성장한다. 자계는 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis)을 배향시키는 기능을 한다. 먼저, 하부 전기 리드선 (102)의 기능을 하는 10-50 nm Au층 상에 5 nm의 Ta 시드층(seed layer)(도시하지 않음)이 형성된다. 이 시드층은 면심입방체(face-centered cubic : fcc) Ni81Fe19템플리트층 (112)의 성장을 촉진하는 물질로 구성된다. 템플리트 강자성층 (112)는 반강자성층 (116)의 성장을 촉진한다. 적절한 시드층 물질은 Cu와 같은 fcc 금속 뿐만 아니라 Ta 또는 3-5 nm Ta/3-5 nm Cu와 같은 층들의 조합을 포함한다. MTJ 베이스 전극 적층 (110)은 10-20 nm의 두께를 갖는 Au층 (102) 상에 있는 Ta 시드층 위에 형성된 4 nm의 Ni81Fe19/10 nm Mn50Fe50/8 nm Ni81Fe19(각각, 층 (112), (116), 및 (118))의 적층을 포함한다. Au층 (102)는 기판 기능을 하는 알루미나 갭 물질 (G1) 상에 형성된다. 다음에, 증착 후, 0.8-2 nm의 Al층 (102)를 플라즈마 산화시킨다. 이렇게 하면 Al2O3절연 터널 장벽층 (120)이 만들어진다. 상부 전극 적층 (130)은 5 nm Ni-Fe/10 nm Ta로 된 적층(각각, 층 (132), 및 (134))이다. Ta 층 (134)는 보호 캡층으로서의 기능을 한다. 상부 전극 적층 (130)은 상부 전기 리드선 (104)의 기능을 하는 20 nm Au층과 접촉한다.
전류는 MTJ (100) 내의 층들과 수직하게 통과하므로, MTJ 디바이스의 저항은 주로 터널 장벽층 (120)의 저항에 의해 지배된다는 점을 유의하여야 한다. 따라서, 전도성 리드선 (102) 및 (104)의 단위 면적당 저항은 전류가 자기 헤드 내의 여러 층들과 평행하게 흐르는 종래 MR 판독 헤드보다 훨씬 더 높을 수 있다. 따라서, 리드선 (102) 및 (104)를 종래 MR 헤드 구조에서 보다 더 얇고/얇거나 더 좁게 만들어질 수 있고/있거나 합금 또는 여러 원소의 조합한 것과 같은 더 높은 고유 저항을 갖는 물질로 만들어질 수 있다.
하부 전극 적층 (110) 내의 층들은 평탄해야 하고, Al2O3터널 장벽층 (120)은 전기적으로 접합을 단락시키는 핀홀(pinhole)이 없어야 한다는 것이 중요하다. 예를 들면, 금속 다층 적층에서 양호한 거대 자기 저항 효과를 발생시키는 것으로 알려진 스퍼터링 기술에 의해 성장이 충분히 이루어진다. MTJ (100)에서는 고정 및 감지 강자성층 (118) 및 (132)의 자기 모멘트의 방향은 각각 인가된 자계가 제로일 때 대략 서로 직각이다. 고정층 (118)의 자기 모멘트 방향은 주로 반강자성층 (116)의 교환 이방성 필드(exchange anisotropy field)의 방향에 의해 결정된다. 감지층 (132)의 모멘트 배향은 강자성층 자체의 고유 이방성 및 이 감지층의 형상을 포함하는 다수의 요인에 의해 영향을 받는다. 고정층 (118)의 자화 방향과 수직하도록 배열되는 작은 자계 내에 감지층 (132)를 증착함으로써 감지층 (132) 내에서 고유 자기 이방성이 유도될 수 있다. 감지층 (132)의 형상이 정사각형이 아니면, 감지층의 직사각형 형상에서 기인하는 자기 이방성이 존재한다. 감지층의 길이 (TW)를 그 감지층의 높이보다 길게 선택함으로써, 형상 이방성은 감지층의 자기 모멘트가 고정층 (118)의 자기 모멘트와 수직하게 배향되도록 해준다. 따라서, 고유 및 형상 이방성은 감지층의 자기 모멘트의 적절한 배향이 고정층의 자기 모멘트와 수직하게 되도록 배열될 수 있다. 그러나, 이들 이방성의 어느 것도 MTJ MR 헤드의 적절한 동작에 필수적으로 요구되는 것은 아니다. 바이어싱 강자성층 (150)이 단독으로 존재하더라도 감지층 (132)의 모멘트를 적절히 배향할 수 있다. 감지층 (132)의 자기변형(magnetorestriction)은 (Ni-Fe 합금의 조성을 선택함으로써) 거의 제로가 되도록 배열되어, 그 결과 본 발명의 제조 공정에 의해 유도되는 이러한 감지층 내의 모든 응력은 저절로 어떤 자기 이방성도 일으키지 못한다.
또 다른 예의 감지 강자성층 (132)는 감지 강자성층 (132)와 터널 장벽층 (132) 사이의 인터페이스에 있는 얇은 Co 또는 Co(100-x)Fex또는 Ni(100-x)Fex(여기서 x는 대략 60임)층으로 구성될 수 있으며, 벌크 형태로 된 층 (132)는 Ni(100-x)Fex(여기서 x는 대략 19임)와 같은 자기변형이 낮은 물질이다. 얇은 Co 또는 Co(100-x)Fex또는 Ni(100-x)Fex(여기서 x는 대략 60임) 인터페이스층을 갖는 이러한 종류의 감지층의 자기변형은 벌크 형태로 된 층 (132)의 조성을 약간 변화시킴으로써 제로에 가까운 값을 갖도록 배열된다. 또 다른 예의 고정 강자성층 (118)은 터널 장벽층 (120)과의 인터페이스에서 Co 또는 Co(100-x)Fex또는 Ni(100-x)Fex(여기서 x는 대략 60임)층으로 된 얇은 층을 갖는 벌크 형태의 Ni(100-x)Fex층으로 주로 구성될 수 있다. Co 또는 가장 높은 분극(highest polarization)을 갖는 Ni(100-x)Fex(여기서 x는 60임) 또는 Co(100-x)Fex합금(x는 대략 70임)에 의해 가장 긴 신호가 얻어진다. 인터페이스층은 최적의 두께가 약 1 내지 2 nm이다. 결합층의 순 자기변형은 조성을 조금만 변화시키면 제로에 가깝게 배열된다. 만일 벌크 형태의 층 (118)이 Ni-Fe이면, 조성은 벌크 형태의 Ni-Fe가 제로의 자기변형을 갖는 조성인 Ni81Fe19가 된다.
Fe-Mn 반강자성층 (116)은 고정층 (118) 내의 강자성 물질을 교환 바이어스하고 Al2O3장벽층의 상당히 낮은 저항을 갖는 Ni-Mn층 또는 기타 적절한 반강자성층으로 치환될 수 있다. 이와 마찬가지로, Ni, Co, Ni-Fe 합금, Co-Fe 합금 또는 Ni-Fe-Co 3원 합금과 같은 2개의 자성층으로 이루어지고, 이 2개의 자성층은 얇은 금속층에 의해 분리되는 적층으로부터 고정 강자성층을 형성하면 고정 강자성층 (118)의 안정성이 더욱 증가되고, 그 결과 2개의 자성층의 반강자성 결합이 일어난다. 이러한 형태의 적층 고정층은 IBM의 미국 특허 제 5,465,185호에 기재되어 있다.
이하에서는, 도 6a 내지 도 6n의 공정 흐름도를 참조하여 본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드를 준비하는 공정이 기술된다. 이들 일련의 도면에 있어서, 좌측 도면은 각 층들이 증착되고 패터닝될 때의 각 층들의 단면도를 도시하고 있으며, 우측 도면은 예를 들어 최종적으로 도 4b에 도시한 바와 같은 MTJ MR 판독 헤드를 만들어내기 위해 리소그래픽 패터닝을 설명하기 위한 대응 평면도를 나타내고 있다.
공정을 용이하게 설명하기 위해, MTJ (100)을 구성하는 개별 층들은 도 6a 내지 도 6b에 도시되어 있지 않지만, 이들 일련의 층들은 각각 개별적으로 MTJ를 나타내는 것으로 한다. 일련의 층들이 증착되는 기판(도시하지 않음)은 (G1) 알루미나층이다. 실온 상태의 기판에 아르곤(Ar) 가스를 마그네트론 스퍼터링함으로써 막 성장이 이루어진다. 스퍼터링 성장이 매우 평탄한 막을 생성한다는 것을 보장하도록 주의를 기울여야 한다. 기판의 평면 내에서의 자계 방향을 갖는(도면에서는 왼쪽에서 오른쪽 방향으로) 크기 20-100 Oe 크기를 갖는 인가된 자계는 자성층들이 성장함에 따라 그 자성층 내로 자기 이방성을 유도하는데 사용될 수 있다. MTJ (100) 형성의 일부로서, 터널 장벽층 (120)이 되는 알루미늄층이 증착되고, 이어서 100 mTorr의 산소압 및 25 W/cm2의 전력 밀도로 30 내지 240초 동안 플라즈마 산화시킨다. 이렇게하여 알루미나의 절연 장벽층 (120)을 형성한다. 알루미늄층의 플라즈마 산화는 공정중 진공 상태를 파괴하지 않고 행해진다.
MTJ 디바이스의 동작에 필수적인 것은 아니지만, 대략 수직인 자계 내에서 이들 MTJ 층들을 증착함으로써 고정 및 감지 강자성층 내에 적절한 자기 이방성을 유도하는 것이 유리할 수 있다. MTJ (100) 내의 감지 강자성층 (132)를 증착하기 전에 그리고 알루미나 터널 장벽층 (120)을 형성한 후에, 일반적으로 인가된 자계를 횡단하도록 하기 위해 기판이 기판의 평면 내에서 대략 90도 회전된다. 또 다른 방법으로는, 외부에서 인가된 자계가 회전될 수 있다.
도 4a에 도시되고 설명된 MTJ 디바이스는 MTJ (100)의 하부 상에 고정 강자성층을 갖지만, 이 디바이스는 또한 감지 강자성층을 먼저 증착한 후, 터널 장벽층, 고정 강자성층 및 반강자성층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이러한 MTJ 디바이스는 도 4a에 도시된 MTJ (100)의 배열이 근본적으로 역전된 층들을 갖게 된다.
하부 리드선(102) 및 MTJ (100)(상부 캡층 (134)를 포함함)이 순차적으로 증착되는 공정이 도 6a에서 시작된다. 그 후, 이들 층들은 도 6b에 도시한 바와 같이, 하부 전기 리드선 (102)의 형상으로 패터닝된다. 다음 단계인 도 6c에서는 리소그래피를 사용하여 MTJ (100)의 트랙폭 TW를 정한다. 도 6c에 도시한 바와 같이, 포지티브 포토레지스트 (190)이 리드선 (102) 및 MTJ (100)에 붙이고 현상되어 트랙폭을 정한다. 이어서, 전기 리드선층 (102) 아래로 이온 밀링하여 섬 모양의 물질이 MTJ (100)에서 제거된다. 캡층 (134)의 물질을 적절히 선택하면 나머지 MTJ층을 이온 밀링하기 전에 캡층 (134)를 반응성 이온 에칭하는 것도 가능하다.
다음에, 도 6e 및 도 6f에 있어서, 처음의 알루미나 절연체층 (160), CoPtCr 하드 바이어싱 강자성층 (150), 및 이어지는 알루미나 절연체층 (160)이 포토레지스트 (190) 내의 개구부를 통해 증착되면, 바이어싱 강자성층 (150)을 형성하는 전기적으로 절연된 길이 방향 바이어싱 물질로 된 섬 모양이 남는다. 처음의 알루미나층 (160) 및 다음의 알루미나층 (160)은 MTJ (100)의 단부에서 전기 리드선(102) 상을 완전히 덮도록 해주는 RF 스퍼터링에 의해 형성되고 각각이 100-500 Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 공정에 의해 높은 집적도를 갖는 절연체가 형성되는데, 그 이유는 감지 전류가 하드 바이어싱층 (150)을 통해 분류되지 않는 것이 중요하기 때문이다. 바람직하게는 CoPtCr 합금인 하드 바이어싱층 (150)은 단부 겹침(edge overlap)이 발생하지 않도록 이온 빔 스퍼터링 증착과 같은 방향성 증착 공정에 의해 일정 방향으로 형성되고, 감지층 (132)의 두께의 대략 2배의 두께로 증착되는 것이 바람직하다. 그 후, 포토레지스트 (190) 및 그 포토레지스트 상부의 알루미나 및 하드 바이어싱층을 제거하면, 트랙폭 TW를 정하는 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction)의 측면 단부에 위치하는 하드 바이어싱 강자성층 (150)의 전기적으로 절연된 영역이 형성된다(도 6g 및 도 6h). 다음에, 리소그래피를 사용하여 포토레지스트 (191)을 증착 및 패터닝함으로써 MTJ (100)의 (래핑전) 초기 스트라이프 높이를 형성한다(도 6i 및 도 6j). 그 후, 전기 도체 (102)까지 아래 방향으로 이온 밀링을 행한 후, 추가 알루미나 (140)을 증착하면, 도 6k 및 도 6l에 도시된 구조가 형성된다. 포토레지스트 (191) 및 그 상부의 알루미나 (140)을 제거하며, 도 6m 및 도 6n에 도시한 구조가 남는다. 그 후, 전기 도체 (102)까지 아래 방향으로 비어(via)를 통하게 한 후 MTJ (100)의 상부 상에 상부 전기 리드선 (104)를 겹쳐 놓기만 하면 MTJ MR 헤드 구조의 제조가 완전히 완료된다.
MTJ 디바이스에 대해 대칭인 출력 특성을 얻기 위해서는 강자성 감지층 (132)의 자화 방향 (133)이 도 4A에 도시한 방향으로, 즉 횡단 성분이 없는 길이 방향을 따르도록 유지하여야 한다. 이것은 고정 강자성층으로부터 나오는 감자 필드(demagnetization field) Hd를 갖는 감지 및 고정 강자성층 간의 강자성 결합 필드(ferromagnetic coupling field) Hfc의 균형을 이루도록 함으로써 달성된다. MTJ 디바이스에서는 터널링 전류가 상기 구조를 갖는 층들과 수직하게 흐르므로, 박막들 내의 전류 흐름으로부터 작은 필드가 유도된다는 점을 유의하여야 한다. Hfc는 강자성 박막들과 실제 접합 사이의 인터페이스의 성질 및 접합의 두께에 결정적으로 좌우된다. Hfc는 수 에르스텟(Oe)에서 20-50 Oe까지 변할 수 있다. Hd는 센서의 지오메트리, 즉 최종 스트라이프 높이 SH 및 고정 강자성층 두께 t와 고정 강자성 자화 M에 따라 좌우되며, [(t/SH)xM]으로 가변한다. 따라서, t=50 Å, SH=10,000 Å, M=800 Oe일 때, Hd는 40 Oe 범위 내에 있다. 센서의 지오메트리 및 인터페이스의 특성을 변화시키면, Hd를 Hfc에 일치시킬 수 있다. 상술한 IBM의 미국 특허 제 5,465,185호에 기재된 적층된 반평형(antiparallel) 고정층을 사용함으로써 Hd가 최소화될 수 있다. 이러한 층의 총 자기 모멘트는 두 개의 고정된(pinned) 박막 사이의 간격에 상당하고, 이 간격은 대략 5 Å이므로, Hd는 대략 4 Oe로 줄어든다. 따라서, 인터페이스를 최적화하도록 Hfc를 줄일 수 있다.
리드선 (104)가 패터닝되어 MTJ MR 헤드 구조가 완전히 완성된 후에도 고정 강자성층 (118)의 자화를 적절한 방향으로 정렬시킬 필요가 있다. 고정 강자성층 (118)과 교환 결합시키기 위한 Fe-Mn층 (116)은 증착시에는 반강자성을 갖는다. 그러나, Fe-Mn층의 자화는 고정 강자성층 (118)과 적절한 배향으로 교환 결합할 수 있도록 재정렬되어야 한다. 상기 구조가 어닐링 오븐(annealing oven)에 놓여지고, 온도는 Fe-Mn의 블로킹 온도(blocking temperature)보다 더 높은 온도인 대략 180 ℃까지 올라간다. 이 온도에서, Fe-Mn층은 고정 강자성층 (118)과의 교환 이방성을 더 이상 일으키지 않는다. 자계 내에서 층 (116) 및 (118)의 쌍을 냉각시키면 강자성층 (118)의 교환 이방성이 발생된다. 고정 강자성층 (118)은 인가된 필드의 방향을 따르는 자화 배향을 갖게 될 것이다. 따라서, 어닐링 오븐 내에서 인가된 자계는 고정 강자성층 (118)의 모멘트가 도 5에서 화살표 (184)로 나타낸 바와 같은 공기 베어링 표면(ABS)과 수직한 원하는 방향을 따라 고정되도록 해준다. 이것은 원하는 방향으로 인가된 자계에 의해 자화된 강자성층 (118)이 있는 상태에서 Fe-Mn층을 냉각시킨 결과이다. 따라서, Fe-Mn의 블로킹 온도보다 낮은 온도에서, 기록 매체로부터 인가된 자계가 있을 경우, 고정 강자성층 (118)의 자화는 실질적으로 회전하지 않을 것이다.
리소그래피를 이용하여 형성된 전방 감지 단부를 라인 (161) 뒤쪽의 최종 치수로 래핑하면 본 발명 디바이스에서 MTJ (100)의 최종 스트라이프 높이 SH가 형성되어 도 4a 및 도 4b에 도시한 구조가 완성된다.
MR 판독 헤드로 MTJ 디바이스를 사용하는 것과 관련하여 상기에서 MTJ 디바이스의 상세한 설명이 제공되었다. 그러나, 본 발명은 고체 반도체 메모리 어레이의 메모리 셀로 사용되는 MTJ 디바이스에도 충분히 적용가능하다. 이러한 응용에 있어서, 고정 강자성층은 인가된 자계가 없을 때, 전기적으로 절연된 강자성 바이어싱층에 의해 길이 방향으로 바이어스되는 감지 강자성층의 자화 방향에 평행하거나 또는 반대로 평행하도록 자화 방향이 고정되는 것이 바람직하다. 메모리 셀이 기록 전류에서 발생되는 인가 자계에 의해 "기록"될 때, 감지 강자성층의 자화 방향은 180도 회전한다. 따라서, 감지 회로는 강자성층이 평행 또는 반대 방향으로 평행하게 정렬되는지의 여부에 의존하는 전기 저항을 검출함으로써 메모리 셀이 "0" 또는 "1"인지의 여부를 결정한다.
본 발명의 MTJ 디바이스는 터널 장벽층 반대쪽에 하나의 감지 강자성층 및 하나의 고정 강자성층을 가지며 상기 감지 강자성층에서 전기적으로는 절연되지만 정자기적으로 결합된 하드 바이어싱 강자성층을 구비하여, 출력이 안정하고 선형이며, 기록 매체에서 자계에 대하여 선형 응답을 제공하는 MTJ MR 판독 헤드로서 기능할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 본 발명 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 내용에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 본 발명은 단순히 예시하기 위한 것으로 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (14)

  1. 내부 전기 저항 변동을 검출하기 위한 감지 회로 접속용 자기 터널 접합 디바이스(magnetic tunnel junction device)에 있어서,
    a) 기판(substrate);
    b) 기판 상에 형성된 제1 전기 전도성 리드선;
    c) 상기 제1 리드선 상에 형성되고,
    i) 인가된 자계가 없을 때 자기 모멘트가 바람직한 방향으로 고정되는 자
    기 모멘트를 갖는 고정 강자성층(fixed ferromagnetic layer),
    ii) 고정 강자성층과 접촉하는 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier
    layer), 및
    iii) 절연 터널 장벽층과 접촉하는 감지 강자성층(sensing ferromagnetic
    layer)―여기서 감지 강자성층은 일반적으로 직사각형 형태이고 2개의
    대향하는 측면 단부를 가짐―
    을 포함하는 자기 터널 접합 적층;
    d) 자기 터널 접합 적층 상에서 자기 터널 접합 적층과 접촉하여 형성되는
    제 2 전기 전도성 리드선;
    e) 자기 터널 접합 적층의 반대쪽 측면 상에 있는 기판 상에 형성되고, 감지
    강자성층의 측면 단부들로부터 이격되는 바이어싱 강자성층(biasing
    ferromagnetic layer)―여기서 바이어싱 강자성층은 인가된 자계가 없는 경
    우 감지 강자성층의 자기 모멘트가 바이어싱 강자성층 모멘트와 실질적으
    로 동일한 방향이 되도록 바이어스하기 위한 자기 모멘트를 가짐―; 및
    f) 감지 강자성층의 측면 단부에서 바이어싱 강자성층과 감지 강자성층이 서
    로 접촉하지 못하도록 분리하는 전기적 절연층
    을 포함하고,
    상기 전기 리드선들이 감지 회로에 접속될 때 자기 터널 접합 적층 내에 있
    는 층들과 수직하게 관통하여 흐르는 전류에 대한 전기 저항이 고정 강자성
    층 및 감지 강자성층의 상대적인 자기 모멘트에 의해 정해지고, 감지 전류가
    바이어싱 강자성층에 분류(shunting)되지 않도록 절연층에 의해 방지되는
    자기 터널 접합 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 고정 강자성층 및 감지 강자성층의 자기 모멘트는 인가된 자계가 없는 경우 일반적으로 서로 평행하거나 또는 반대 방향으로 평행(antiparallel)하게 배향되는 자기 터널 접합 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 고정 강자성층 및 감지 강자성층의 자기 모멘트는 자계가 인가되지 않은 경우 일반적으로 서로 수직하게 배향되는 자기 터널 접합 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 절연층이 바이어싱 강자성층을 상기 리드선들 중 적어도 하나로부터 전기적으로 절연하는 자기 터널 접합 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 제1 전기 리드선이 하부 리드선(bottom lead)이고, 자기 터널 접합 적층이 기판 상에 형성되어 고정 강자성층이 제1 전기 리드선과 전기적으로 접속되며, 제2 전기 리드선이 상부 리드선(top lead)이고 감지 강자성층과 전기적으로 접촉하는 자기 터널 접합 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 제1 전기 리드선이 하부 리드선(bottom lead)이고, 상기 자기 터널 접합 적층이 기판 상에 형성되어 감지 강자성층이 제1 전기 리드선과 전기적으로 접속되며, 제2 전기 리드선이 상부 리드선(top lead)이고 고정 강자성층과 전기적으로 접촉하는 자기 터널 접합 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 자기 터널 접합 적층 내의 모든 층들이 연속된 측면 단부를 갖는 일반적으로 동일한 직사각형 형상을 갖는 자기 터널 접합 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 자기 터널 접합 적층은 인터페이스 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 고정 강자성층의 자기 모멘트를 바람직한 방향으로 고정하기 위해 고정 강자성층과 접촉하는 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 포함하는 자기 터널 접합 디바이스.
  9. 매체 상에 자기적으로 기록된 데이터를 감지하기 위한 자기 터널 접합 자기저항 판독 헤드(magnetic tunnel junction magnetoresistive read head)에 있어서,
    a) 기판(substrate);
    b) 기판 상에 형성된 고정 강자성층(fixed ferromagnetic layer)―여기서 고정
    강자성층의 자화 방향은 매체로부터 인가된 자계가 존재하는 경우 회전을
    실질적으로 방지하도록 바람직한 방향을 따라 고정됨―을 구비하는 제1
    전극;
    c) 매체로부터 인가된 자계가 없는 경우에는 자화 방향이 고정 강자성층의
    자화 방향과 일반적으로 수직인 방향으로 배향되고, 매체로부터 인가된
    자계가 존재하는 경우에는 자유롭게 회전하는 감지 강자성층(sensing
    ferromagnetic layer)을 갖는 제2 전극;
    d) 고정 강자성층 및 감지 강자성층 사이에 위치하고, 고정 강자성층 및 감
    지 강자성층에 일반적으로 수직인 방향으로 터널 전류가 흐르도록 하는
    절연 터널링 장벽층(insulating tunneling barrier layer);
    e) 인가된 자계가 없는 경우에 감지 강자성층의 자화 방향을 고정 강자성층
    의 자화 방향과 일반적으로 수직인 길이 방향으로 바이어스하기 위한 바
    이어싱 강자성층(biasing ferromagnetic layer);
    f) 바이어싱 강자성층 및 감지 강자성층 사이에 위치하고, 바이어싱층을 감지
    층과 전기적으로 절연시키기 위한 전기 절연층; 및
    g) 한쌍의 전기 리드선―여기서 각 리드선은 각각의 전극에 접속되고, 절연
    층에 의해 바이어싱층과 전기적으로 절연됨―
    을 포함하고,
    감지 전류가 전극들 사이를 통과할 때, 감지 전류가 바이어싱층 내로 통과하
    지 않고 절연 터널링 장벽층을 일반적으로 수직하게 관통하는
    자기 터널 접합 자기저항 판독 헤드.
  10. 제8항에 있어서, 고정 강자성층과 접촉하고, 인터페이스 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 고정 강자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 더 포함하는 헤드.
  11. 제9항에 있어서, 전기 리드선들 중 제1 리드선은 기판 상에 형성되고, 반강자성층은 기판 상에 형성되고 또한 기판과 고정 강자성층 사이에 위치하며, 고정 강자성층은 반강자성층 상에서 반강자성층과 접촉하여 형성됨으로써, 고정 강자성층의 자화 방향이 반강자성층과의 인터페이스 교환 결합에 의해 고정되는 헤드.
  12. 제8항에 있어서, 전기 리드선들 중 제1 리드선은 기판 상에 형성되고, 제2 전극은 전기 리드선들 중 제1 리드선 상에 형성되고 또한 기판과 절연 터널링 장벽층 사이에 위치하는 헤드.
  13. 제8항에 있어서, 감지 강자성층이 매체를 향하여 배향되는 감지 단부(sensing edge), 일반적으로 감지 단부와 평행하고 매체로부터 이격되는 후방 단부(back edge), 및 일반적으로 수직인 2개의 측면 단부(side edges)를 가지며 일반적으로 직사각형 둘레(rectangular perimeter)를 구비하고, 바이어싱 강자성층이 2개의 측면 단부에 인접하여 위치하지만 절연층에 의해 2개의 측면 단부로부터 이격되게 위치함으로써, 감지 강자성층의 자화 방향이 일반적으로 감지 단부와 평행한 방향인 길이 방향으로 바이어스되는 헤드.
  14. 제11항에 있어서, 고정 강자성층, 터널 장벽층, 및 감지 강자성층은 감지 강자성층의 직사각형 단부들과 일반적으로 공통인 평면 상에 있는 단부들을 갖는 고정 강자성층 및 터널 장벽층을 구비한 층들의 적층(stack)으로 형성되고, 상기 절연층은 적층을 바이어싱 강자성층 및 전기 리드선과 전기적으로 절연하는 헤드.
KR1019970033906A 1996-11-27 1997-07-19 길이 방향 바이어스를 갖는 자기 터널 접합 장치 KR100259428B1 (ko)

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