KR100466975B1 - 자기저항효과소자, 자기저항효과형헤드, 메모리소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
보다 작은 자계을 기본으로 보다 큰 MR변화를 얻는 것이 가능한 자기저항효과소자, 자기저항효과형헤드, 메모리소자 및 이들의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 자기저항효과소자는, 기본구조가 〔자성막/비자성절연막 /자성막〕인 적층체이고, 그 비자성절연막의 노출된 부위에, 상기한 비자성절연막과 자성막의 접촉부분보다 충분히 작은 전도부분이 형성되어, 상기한 전도부분에 의해 자성막이 서로 전기적으로 접속된다. 또, 상하의 자성막에 전극리드부를 설치한다. 또는 이 적층체에 있어서, 비자성절연막에, 비자성절연막과 자성막의 접촉부분보다 충분히 작고, 원기둥형태로 형성된 전도부분을 형성해도 된다. 상기한 비자성절연막은 전도체의 산화물 또는 질화물로 되고, 상기한 도전부분은 그 비자성절연막에 있어서 질소농도 또는 산소농도보다 감소한 농도인 구성으로 해도 된다. 더욱이, 한쪽의 자성막의 막표면에, 그 자성막의 자화반전을 억제하기 위해, 전도성의 자화반전억제막을 설치, 기본구조를 〔자화반전억제막/자성막/비자성절연막/자성막〕의 적층체로 해도 된다.
Description
본 발명은 자기저항효과소자, 자기저항효과형 헤드, 메모리소자 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
최근 Cr, Ru 등의 금속비자성박막을 통해 반강자성적 결합을 이루는〔Fe/Cr〕,〔Co/Ru〕인공격자막이 강자장(1∼10kOe)에서 거대자기저항효과를 나타내는 것이 발견되었다(PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. No. 21, p2472-2475, 1988, PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. No. 19, p2304-2307, 1990). 이들 기술에 의한 막 은 큰 자기저항(Magnetoresistance, 이하, MR이라고 한다) 변화를 나타내기는 하였지만, 자성막 사이가 반강자성적으로 결합되어 있기 때문에 MR효과를 발생하기 위해 필요한 자계가 수 kOe 정도로 커서 실용상 문제가 있었다.
또, 금속비자성박막 Cu에서 분리되어 자기적 결합이 약한 2종류의 자성박막Ni-Fe와 Co를 이용한〔Ni-Fe/Cu/Co〕인공격자막에 있어서도 거대자기저항효과가 발견되었고, 실온 인가자계 0.5kOe에서 MR비가 약 8% 얻어졌다. (Journal of The Physical Society of Japan, Vol.59,No.9,September,1990 ,pp.3061-3064). 그러나, 이 기술에 있어서도 자성막 사이의 자성적 결합을 완전히 차단하는 것은 어렵다. 따라서 작은 인가자계에서 보다 큰 MR변화를 나타내는 자기저항효과소자의 개발이 필요하였다.
또, 막표면에 수직방향으로 전류를 흘리면 큰 MR변화가 얻어질 수 있지만, 상기 인공격자막은 극히 얇기 때문에 막표면에서 수직방향의 저항은 매우 작아 실용상 문제가 있다.
미소한 인가자계에서 동작하는 것으로서는 반강자성재료인 Fe-Mn을 Ni-Fe/Cu/Ni-Fe에 접합시킨 스핀밸브형이 제안되어(Journal of Magnet-ism and Magnetic Materials 93,p.101-104, 1991), 자기저항효과형 헤드에 대한 응용이 검토되고 있다. 그렇지만, 이 기술에 따른 구성의 경우는 MR변화가 2∼4% 정도로 작다는 문제점이 있다.
또한 두 개의 자성막 사이에 절연막을 이용한 터널형 자기저항효과소자가 개발되어 있지만(일본 응용자기학회지 Vol.19,No.2,p369-372,1995), 절연막의 막질 (膜質)제어가 어렵기 때문에 특성의 재현성이 양호한 소자를 얻기가 어렵다.
메모리소자로서는, 워드선과 종래의 MR재료를 센스선에 이용한 것이 제안되고 있지만(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 27, NO. 6,P5520-5522, 1991), MR변화율이 작기 때문에 정보를 읽어낼 때의 출력이 작다는 문제가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제를 해결하기 위한 것이고, 그 목적은 보다 작은 자계에서 보다 큰 MR변화를 얻는 것이 가능한 자기저항효과소자, 자기저항효과형 헤드, 메모리소자 및 이들의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1⒜는 본 발명의 저기저항효과소자의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 1⒝는 이 도 1⒜에 있어서의 주요부 A의 확대도이다.
도 2는 본 발명의 자기저항효과소자의 다른 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 자기저항효과형헤드의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 메모리소자의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5⒜는 본 발명의 자기저항효과소자의 또 다른 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 5⒝는 이 도 5⒜에 있어서의 X-X단면도이다.
도 6은 본 발명의 자기저항효과소자의 또 다른 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 자기저항효과형헤드의 다른 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 메모리소자의 다른 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1의 자기저항효과소자의 자기저항변화율을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 자기저항효과소자의 제조시에 적합한 집속이온빔장치의 구성을 모식적으로 나타내는 종단면도이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 자기저항효과소자는 기본구조가〔자성막/비자성절연막/자성막〕의 적층체로 이루어진 자기저항효과소자이고, 상기 비자성절연막을 사이에 두고 각각의 자성막이 서로 전기적으로 접속하는 도전부분을 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성하고, 또, 각각의 자성막에는 전극리드가 형성되어 있다. 또, 기본구조가 [자성막/비자성절연막/자성막] 의 적층체에 있어서, 상기 비자성절연막에 거대자기저항효과가 생기는 크기의 원기둥형의 도전부분이 형성되어 있어도 된다. 이 비자성절연막은 도전체의 산화물 또는 질화물로 이루어지고, 이들의 도전부분은 그 비자성절연막보다 질소농도 또는 산소농도가 낮은 것이 좋다.
절연막의 노출된 부위에 형성된 상기 도전부분에 의해 상하의 자성막을 서로 전기적으로 접속하고, 터널링에 대응하는 채널이 형성된다. 이것에 의해 종래의 절연막만을 이용한 터널형 거대자기저항효과막의 특성이 개선된다.
또, 상기 비자성절연막을 통해 서로 이웃하는 자성막의 한쪽에는 연자성막, 다른 쪽에는 상기 연자성막보다 보자력이 큰 자성막을 이용하는 것이 바람직하다. 이 구성에서는, 미소한 신호자계에 의해 보자력이 작은 자성막, 즉 연자성막은 인가 자계방향으로 자화반전하지만, 보자력이 큰 자성막, 즉 경질자성막은 반전하지 않고, 두 자성막의 자화방향은 반평행(反平行)이 되어 소자의 저항은 증가하고, MR변화율은 커진다.
또한, 한쪽의 상기 자성막의 막표면에 그 자성막의 자화반전을 억제하기 위해 전도성의 자화반전억제막을 설치하고, 기본구조를〔자화반전억제막/자성막/비자성절연막/자성막〕의 적층체로 하고, 상기 비자성절연막의 노출된 부위에 거대자기저항효과가 생기는 크기의 도전부분이 형성되고, 그 도전부분에 의해 상기 자성막이 서로 전기적으로 접속되어, 상하의 자성막에 전극리드부가 형성된 구성으로 해도 된다.
이 구성에 있어서도, 그 비자성절연막에 그 비자성절연막보다 질소농도 또는 산소농도가 낮은 도전부분이 거대자기저항효과가 생기는 크기로, 원기둥형태로 형성되고, 또한, 그 도전부분에 의해 자성막 사이가 서로 전기적으로 접속하는 동시에, 상하의 자성막에 전극리드부를 형성한 구성으로 해도 된다. 이 자화반전억제막은 도전성 반강자성체로 하는 것이 바람직하다.
이 구성에 있어서는, 자화반전막에 의해 이 자화반전막에 접합하는 자성막은쉽게 자화반전하지 않고, 경질 자성막에 대응하는 구성이 된다.
또한, 자성막 중 적어도 한쪽의 자성막은 비정질합금막이어도 되고, 자성막중 적어도 한쪽의 자성막과 비자성절연막의 계면에 주요 구성원소의 하나로서 Co 또는 Fe를 함유하는 두께 2nm이하의 계면자성막을 설치한 구성으로 해도 된다. 이 구성으로 하면 보다 큰 MR변화율을 얻는 것이 가능하다.
또, 비자성절연막이 Nb의 산화물에 의해 구성되어도 된다.
이상의 구성에 의해 미소자계에서도 쉽게 자화반전하는 연자성막과 쉽게 자 화반전하지 않는 자성막을 특수한 비자성절연막으로 분리하고, 두 자성막의 자기적 결합을 매우 약하게 하여 연자성막의 자화회전을 양호하게 하는 것에 의해 소자의 자계감도를 향상시킬 수 있다. 또 보다 큰 MR변화율을 나타내는 막표면 수직방향의 자기저항효과를 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 자기저항효과형 헤드는 상기 본 발명의 자기저항효과소자가 이용된 구성으로, 검지해야 할 자기매체로부터의 신호자계방향과 한쪽 자성막의 자화용이축(easy magnetization axis) 방향이 평행하고, 또 한쪽 자성막의 자화용이축은직교하는 구성으로 되어 있다.
이 구성에 의해 출력이 크고, 선형성이 양호한 자기저항효과형헤드가 얻어진다.
또, 본 발명의 메모리소자는 상기 본 발명의 자기저항효과소자가 이용된 구성으로, 이 자기저항효과소자 근방에 정보기록용 자계를 발생하는 도체선으로 된 워드선이 절연막을 끼워서 설치되어 있으며, 각 전극리드부를 도체선으로 접속한 정보읽기용 센스선이 설치되어 있다. 또한, 본 발명의 자기저항효과소자가 여러 개의 매트릭스상으로 배치되어, 그 각각의 자기저항효과소자 근방에서 서로 절연된 직교하는 워드선을 설치하여, 그 각 자기저항효과소자의 상하에 형성된 전극리드부를 서로 도체선으로 접속하는 센스선이 설치되어 있는 구성이 적당하다.
본 발명의 자기저항효과형헤드 및 메모리소자에 있어서는, 막표면의 수직방향도 저항이 높고, 소자의 막표면의 수직방향으로 전류를 흘리는 것이 가능하여, 보다 큰 MR변화율을 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 자기저항효과소자의 제조방법은 두 개의 자성체 사이의 도전체의산화물 또는 질화물로 된 비자성절연막에 대해 고속이온빔 또는 고속중성입자빔을조사하는 것에 의해, 그 조사부분에 그 비자성절연막보다 질소농도 또는 산소농도가 작은 도전부분을 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성하고, 그 도전부분에 의해 상기 자성막을 서로 전기적으로 접속하는 것에 의해 특징지어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명의 적당한 실시형태에 대해 설명한다.
도 1⒜는 본 발명의 자기저항효과소자의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 1⒝는 이 도 1⒜에 있어서의 주요부(A)의 확대도이다.
이 형태에 있어서의 자기저항효과소자는, 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕의 기본구조를 가지고, 비자성막(2)의 노출된 부위의 가장자리부(C')(C'') (C''')에 비자성절연막을 사이에 두고 각각의 자성막(3)(1)이 서로 전기적으로 접속하는 도전부분(C)이 거대자기저항효과를 생기게 하는 크기로 형성되어 있고, 또,상하의 자성막(3), (1)에 전극리드부(도시생략)가 형성된다.
이 구성의 자기저항효과소자에 따른 동작원리는 다음과 같이 된다.
미소한 자계(H)가 인가된 경우, 보자력이 작은 자성막, 즉, 연자성막(도면에서는 자성막(1)으로 한다)은 인가자계방향으로 자화반전하지만, 보자력이 큰 자성막(도면에서는 자성막(3)으로 한다), 즉, 경질자성막은 자화반전하지 않고, 이 경질자성막의 자화방향이 인가자계방향과 반(反)평행한 경우는, 두 자성막의 자화방향은 반평행으로 되어 소자의 저항은 증가한다. 인가자계을 더욱 강하게 하면, 두 자성막의 자화방향은 평행하게 되고 소자의 저항은 감소한다.
종래 기술에서는, 이 비자성막에 금속을 이용하면 자성막 사이의 자기적 결합을 차단하는 것이 힘들고, 그 막의 두께를 증가시키면 자기적 결합의 분리는 가능하지만, MR변화율은 저하한다. 또, 비자성막으로 절연체를 이용하고, 막표면의 수직방향에 터널효과를 이용하여, 전류를 흘리고자 하면, 절연막의 막질(膜質) 등에 의해 특성의 재현성이 나빠진다.
본 실시의 형태에서는, 비자성막(2)의 노출된 부위에 상기의 도전부분(C)을 설치한 구성을 채용하는 것에 의해, 상기의 종래 기술의 문제를 해소하는 것이 가능하다. 또, 본 실시형태의 비자성절연막의 터널효과는 다음에 설명할 전기저항효과소자의 제조방법을 이용하는 것에 의해 제어 가능하게 되고, 소자설계가 쉽게 된다.
이렇게 기본구조를 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕의 구성으로 한정하지 않고, 도 2에 나타나 있듯이 〔자화반전억제막(4)/자성막(3')/비자성막(2)/자성막(1)〕으로 된 구성이어도 된다. 그 구성에 있어서는, 자화반전억제막(4)에 의해 자성막(3')은 쉽게 자화반전하지 않고, 이 자화반전억제막(4)/자성막(3')의 구성이 도 1의 자성막(3)에 대응하는 구성으로 된다. 결국, 자성막(3')과 자성막(1)은 다른 막으로 해도 되고, 같은 막으로 해도 된다.
또한, 상기 기본구조의 자기저항효과소자를 예를 들면, 비자성막(2) 등의 절연막을 끼워 적층한 구성으로 해도 된다.
또한, 자성막과 비자성막의 계면에 주요 구성원소의 한 가지로서 Co 또는 Fe를 함유하는 두께 2㎚이하의 계면자성막을 설치하는 것에 의해 보다 큰 MR변화율을 얻는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 자기저항효과형헤드의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
이 자기저항효과형헤드는 기본구조가 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕의 자기저항효과소자를 이용한 구성으로 되어 있고, 자기매체로부터의 신호자계(H)과 자기저항소자의 연자성막(1)의 자화용이축(Z)은 직교하고, 또 한쪽의 자성막(3)과는 평행하게 된다. 또, 연자성막(1)의 일부에는 신호자계(H)와 평행한 방향으로 돌기부(3a)가 설치되어 있고, 효율적으로 신호자계(H)를 검출할 수 있도록 배려되어 있다. 연자성막(1) 및 자성막(3)에는 리드전극(S)(S')이 설치되어 있고, 이 사이의 저항변화를 검출한다. 이 구성에 의해 선형성이 양호하고, 노이즈가 적고, 고출력인 자기저항효과형헤드가 가능하게 된다. 도 3으로부터 명확하듯이, 본 발명에서는 패턴화된 자성막의 형상이 이방성(異方性)을 가지고 있어도 검출하여야 할 자계방향과 자성막의 자화용이축방향의 제어가 쉬운 것을 특징으로 하고, 도 3의 구성에서는 패턴화된 자성막의 길이방향이 자화용이축으로 되는 것을 이용하고 있다. 또 다른 쪽의 자성막(3)은 신호자계에서 자화반전이 생기지 않도록 보자력이 크고, 또한 보다 큰 MR변화율을 얻기 위해 자화곡선의 각형비(잔류자화/포화자화)가 적어도 0.7 이상의 경질자성막이 바람직하다. 또, [자화반전억제막(4)/자성막(3')/비자성막(2)/자성막(1)〕으로 구성된 자기저항효과소자를 이용해도 같은 자기저항효과형헤드를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 메모리소자의 실시형태의 구성을 나타내는 사시도이다.
자기저항효과소자(M)(도 4 중 비자성막(2)을 포함하는 자성막(3)(1)의 교차부분)는 도체선(S)(S')에 접속되어 센스선을 구성하고 있고, 이 자기저항효과소자(M)의 근방에는 절연막을 통해 정보기록용 워드선(W)(W')이 설치되어 있다. 이 메모리소자의 동작원리는 다음과 같이 된다.
즉, 정보의 기록은 워드선(W)(W')에 전류를 흘리고, 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕타입의 자기저항효과소자의 경우는 보자력이 큰 쪽의 자성막(3)을 자화반전하여 정보를 기록하고, 정보읽기는 워드선(W)(W')에 약한 전류를 흘려, 보자력이 작은 쪽의 자성막(1)만을 자화반전하고, 그 때 자기저항효과소자(M)에 생기는 자기저항변화를 센스선으로 검출하여 정보의 읽기가 행해진다. 이 메모리소자의 경우, 보자력이 큰 쪽의 자성막(3)은 워드선에 의해 발생하는 자계에서 자화반전할 필요가 있고, 보자력이 너무 크면 곤란하기 때문에 적당한 크기의 보자력의 반경질자성막이 적당하다. 또한, 정보의 기록상태를 명확하게 하기 위해서는 이 반경질자성막의 자화곡선의 각형성(角型性)이 양호한 것이 적당하다.
또한, 자기저항효과소자가 〔자화반전억제막(4)/자성막(3')/비자성막(2) /자성막(1)〕의 구성을 가지고, 특히 자화반전억제막(4)이 반강자성체의 경우, 워드선전류발생자계에서 자성막(3')의 자화반전을 일으키는 것은 곤란한 경우가 많고, 이 경우는 정보의 기록은 워드선에 전류를 흘리고, 자성막(1)을 자화반전시켜 정보를 기록하고, 정보의 읽기도 워드선에 전류를 흘려 자성막(1)을 자화반전시켜 행한다. 앞에서 설명한 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕식의 구성은 비파괴 읽기로 되는 것에 반해, 〔자화반전억제막(4)/자성막(3')/비자성막(2)/자성막(1)〕타입의 구성에서는 파괴 읽기로 된다.
이상의 실시형태에서는, 비자성절연막(2)의 노출된 부위에 도전부분(C)이 형성된 구성을 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 도 5⒜, ⒝에 나타나있듯이, 자성막(1)과 자성막(3) 사이의 비자성절연막(2)에, 부분적으로 이 비자성절연막(2)을 관통하는 원기둥형태의 도전부분(C)을 설치한 구성으로 해도 앞의 실시형태와 같은 작용효과를 얻는 것이 가능하다.
도 4 내지 도 6은, 각각 도 2 내지 도 4에서 나타낸 실시형태에 있어서, 이 구성, 즉, 자성막(1)과 자성막(3) 또는 자성막(1)과 자성막(3') 사이의 비자성절연막(2)에 도 5⒜, ⒝에 나타난 미소 도전부분(C)이 형성된 구성을 채용한 실시형태를 나타낸다.
본 발명의 실시형태의 자기저항효과소자를 구성하는 연자성막(1), (반)경질자성막(3), 도전성자화반전억제막(4) 및 비자성절연막(2)에는 이하의 구성이 적당하다.
우선, 연자성막(1)으로서는 자기저항변화를 만들기 쉽고, 저자계에서 자화반전하기 쉬운 NiXCoYFeZ를 주성분으로 하고, 원자조성비가 X=0.6∼0.9, Y=0∼0.4, Z=0∼0.3인 Ni-rich의 자성막이 적당하고, 그 대표적인 것은 Ni0.8Co0.15Fe0.05, Ni0.68Co0.2Fe0.12 등이다. 이들보다 약간 동작자기변형이 크게 되지만, 보다 큰 자기 저항변화가 얻어질 수 있는 것으로서, NiX'CoY'FeZ'를 주성분으로 하고, 원자조성비가 X'=0∼0.4, Y'=0.2∼0.95, Z'=0∼0.5인 Co-rich의 자성막이 있고, 그 대표적인 것은 Co0.9Fe0.1, Co0.7Ni0.1Fe0.2 등이다. 이들은 자기변형이 작고 실용상 소자에 사용하는 경우 유효하다. 상기 연자성막 이외에 비정질합금막이 있고, 이것은 매우 얇은 막에서도 연자성을 나타내기 때문에 이것을 이용하면 소자 전체의 막두께를 얇게 하는 것이 가능하다. 이들의 대표적인 것은 CoMnB, CoFeB, CoNbB 등이다.
또, Fe계의 막은 자기변형은 제로는 아니지만 큰 MR변화율이 얻어질 수 있고, 제조조건에 따라 비교적 보자력이 작은 것이나 큰 것이 가능하고, 연자성막으로서도 후술하는 반경질자성막으로서도 사용할 수 있다.
(반)경질자성막(3)으로서는 검지해야 할 자계에서 자화반전하지 않도록 보자력이 어느 정도 크게 각진 형태의 자화곡선을 가지는 것이 적당하다. 또, 소자가 큰 자기저항효과를 나타내기 위해서는 주요구성원소의 한 가지로서 Fe나 Co를 함유하는 것이 적당하다. 그 대표적인 것은 Co, Co0.5Fe0.5, Co0.75Pt0.25 등이다.
도전성자화반전억제막(4)으로서는, 자성막(3')에 결부시키는 것에 의해 자성막(3')의 자화반전을 억제하는 효과가 있으면 무엇이든 되지만, 예를 들면 IrMn, NiMn 등의 반강자성체나 TbCo, SmCo 등의 경질자성막이 있다.
계면자성막으로서는 Co 또는 Fe를 함유하는 박막이 MR변화율을 향상시키는 것에 유효하지만, 자성막(1)과 비자성막(2)의 계면에 설치된 경우는 자성막(1)의 연자성을 손상하지 않도록 막두께를 2㎚이하로 하는 것이 바람직하다.
비자성절연막(2)으로서는, AlO, NbO 등의 산화막이 있지만, 여기에 이온을 조사주입하면, 그 주입부분의 산소가 되튀어서(recoil) 산소농도가 원래의 비자성절연막(2)의 산소농도보다 낮은 저산소농도영역이 형성되어 그 영역이 도전부분으로 된다. 이 효과가 특히 현저한 것은 Nb 산화막이지만, 질화막의 절연막에서도 이온 조사 주입에 의해 마찬가지로 같은 비자성절연막(2)의 질소농도보다 낮은 저질소농도영역이 형성되어 그 영역이 도전부분으로 된다. 이렇게 비자성절연막(2)으로서는 되튐(recoiling)에 의해 도전부분을 형성하는 것이 가능한 막이면 된다.
워드선이나 센스선의 도체선부는 저항이 낮은 금속이 적당하고, 예를 들면 Au, Cu 등이 있다.
이온을 투입하면 미소한 도전층이 형성되는 메카니즘은 다음과 같이 생각될 수 있다. 투입된 이온과 비자성절연막 중의 금속원자와 산소(질소)원자는 충돌하고, 금속원자와 산소(질소)원자는 각각 이온에 의해 운동에너지를 받는다. 운동을 시작한 금속원자, 산소(질소)원자는 질량, 운동에너지에 의해 결정된 영역만큼만 이동하여 에너지를 소비한 후 정지한다. 범위는 질량이 작아질수록 길어진다. 비자성절연막의 두께를 산소(질소)원자의 영역 이상, 금속원자의 영역 이하로 하면, 이온빔의 조사부위에 있어서 절연층 중에 부분적으로 그 절연층과 비교하여 저산소 (저질소)부위가 생겨 도전층이 형성된다. 이온빔 자체도 영역을 갖기 때문에 도전영역은 절연층의 두께 및 이온빔의 영역에 의해 규정된다.
도 1에 나타나 있는 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕의 구조에 있어서 자성막(1)의 윗면의 비자성막(2)(도면 중에 부호 2로 나타낸 부분)의 두께를 고속이온빔의 영역보다 충분히 두껍게 하고, 한 쪽 자성막(1)의 끝면에 걸린 비자성막 (도면 중에 부호 C, C'로 나타낸 부분)의 두께를 상기 조건을 만족하도록 할 때, 고속이온빔을 전면에 조사하는 것에 의해 네 가장자리부(C, C', C'', C''')에 상기기구에 의해 미소한 도전층이 형성된다. 그 크기는 단면은 도 1의 확대도에 있어서 C로 나타낸 부분이고, 깊이는 빔이 투입된 깊이에 상당한다. 이들의 크기는 연자성막(1), 비자성절연막의 막 두께 및 투입된 빔에너지에 의해 결정되기 때문에 각각 쉽게 나노미터단위의 정밀도로 제어를 하는 것이 가능하다. 이 때, 마스크를 이용하거나 혹은 도 10에 나타나 있듯이 집속이온빔장치를 이용해 고속이온빔의 조사부위를 제한하는 것에 의해, (C)(C')(C'')(C''')로부터 임의의 1∼3개만의 도전부분(3)을 형성하는 것이 가능하다.
또, 도 5⒜, ⒝에 나타나 있는 〔자성막(3)/비자성막(2)/자성막(1)〕구조에 있어서, 자성층(1)의 윗면의 비자성막(2)에 대해 자성막(3)이 형성되기 전에 집속시킨 고속이온빔을 조사하는 것에 의해 조사부분(C)에 미소한 원기둥형태의 도전층이 형성된다. 그 크기는 비자성막(2)의 막두께 및 투입된 빔의 크기에 따라 결정되기 때문에 각각 쉽게 나노미터단위의 정밀도로 제어하는 것이 가능하다.
여기서, 본 실시형태의 자기저항효과소자를 제조할 때에 이용하는 것으로 적당한 집속이온빔장치의 구성 예를, 도면을 참조하면서 설명한다.
이 예에 있어서, 집속이온빔장치는 히터에 의해 가열되는 액체금속이온원(21)과, 그 이온 배출구에 근접 배치된 인출전극(23), 이온원으로부터 인출된 이온을 집속시키는 콘덴서렌즈(24), 질량분석기로서의 E×B 마스크필터(26) 및 빔구경(25), 빔을 주사하기 위한 편향전극(27), 표적인 기판(도시생략)의 직전에서 이온빔을 집속 시키는 대물렌즈(28), 기판을 지지하는 샘플홀더(29), 및 그 샘플홀더(29)를 지지하는 샘플스테이지(30)를 주요 구성요소로 하고, 이들은 진공실(20)내에 수용되어 있다.
이런 집속이온빔장치에 의해 도 5⒜, ⒝에 나타나 있는 부분적으로 원기둥형태의 도전부분을 형성하는 것이 가능하다.
또, 도 1내지 도 4에 나타나있는 소정의 영역에 걸쳐 도전층을 형성하는 경우는 집속이온빔장치를 이용하지 않아도 되고, 그 소정의 영역에 이온을 주입하는 것이 가능한 장치라면 좋다. 게다가, 일정의 에너지를 가진 입자빔이면 중성빔이어도 좋다.
다음으로, 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
(실시예 1)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로써 Ni0.68Co0.2Fe0.12를 12㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 두께 10㎚의 Nb의 산화막을 형성하고, 그 뒤 패턴화하여 줄무늬모양으로 한다. 그 다음, Nb의 산화막을 두께 5㎚로 형성한다. 이 결과, 자성체(1)의 윗면에는 두께 15㎚의 비자성절연막(2)이, 옆면에는 두께 5㎚의 비자성절연막(2')이 형성된다. 그 뒤, 스퍼터법으로 자성막(3)으로써 Co0.5Fe0.5을 2㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 패턴화하여 도 1에 나타나있듯이 절연막부가 노출된 형상으로 한다. 또한 5keV∼50keV의 에너지를 가진 이온빔을 조사하여 도 1에 나타나있는 도전부분(C)을 형성하여, 터널형상의 자기저항효과소자를 제조했다. 자성막(1)과 자성막(3)의 전극리드부에 전류를 흘려 막표면의 수직방향의 MR변화특성을 조사한 경우, 도 9에 나타난 것과 같은 결과가 얻어진다. 본 실시예에서는, 인가자계 50Oe를 인가하여 측정한 경우 18%의 MR변화율이 얻어졌다.
(실시예 2)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로써 Co0.72Mn0.08B0.20을 2㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 1에 나타낸 것과 같은 방법을 이용해 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 또한 스퍼터법으로 자성막(3'), 자화반전억제막(4)으로서 Co를 2㎚, IrMn을 10㎚ 증착시키고, 패턴화하여 도 2에 나타낸 것과 같은 절연막이 노출한 형상으로 하고, 또 이온을 조사 주입하여 도 2에 나타나 있는 것과 같은 도전부분(C)을 형성하고, 전극에 전류를 흘려 막표면의 수직방향의 MR특성을 도 2에 나타낸 검출해야 할 자계방향으로 인가자계 200e를 인가하고 측정한 경우, 10%의 MR변화율이 얻어졌다.
(실시예 3)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로써 Ni0.8Fe0.2를 10㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 1에 나타낸 것과 같은 방법을 이용하여 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 또한 스퍼터법으로 자성막(3)으로써 Co를 5㎚증착하고, 패턴화하여 도 3에 나타낸 것과 같은 절연막부가 노출된 형상으로 하고, 또한 이온을 조사 주입하여 도 3에 나타낸 것과 같은 도전부분(C)을 형성하고, 상하자성막부에 전극(S)(S')을 설치하는 것에 의해 자기저항효과형헤드를 제조했다. 이 헤드에 검지해야 할 자계방향으로, 100e의 자계을 인가하여 발생한 출력을 측정했을 때, 유사한 형상으로 종래의 MR재료인 Ni-Fe막을 이용한 헤드에 비해 6배의 출력이 있는 것을 알게 되었다.
(실시예 4)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로써 Ni0.8Fe0.2를 10㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 1에 나타낸 것과 같은 방법으로 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 또한 스퍼터법으로 자성막(3)으로서 Co를 5㎚증착시키고, 패턴화하여 도 4에 나타낸 것과 같은 절연막부가 노출된 형상으로 하고, 다시 이온을 조사 주입하여 도 4에 나타나있는 것과 같은 도전부분(C)을 형성하고, 상하자성막부에 전극을 부착하여 센스선을 형성시킨 뒤, SiO2를 스퍼터링하여 절연막을 부착한다. 게다가 Au를 증착시켜 패턴화하여 워드선을 제조하는 것에 의해, 메모리소자를 제조했다. 워드선에 전류를 흘려 자성막(3)을 한쪽방향으로 자화시킨 뒤, 자성막(1)만을 자화반전해야할 자성막(3)의 자화방향과 반대방향의 자계을 발생하는 약전류를 워드선에 흘려 센스선의 저항변화를 측정한 경우 출력변화가 있고, 자성막의 자화방향으로 자계를 발생하는 약전류를 워드선에 흘린 경우 센스선에는 출력변화가 생기지 않아서, 메모리소자로서 동작하는 것을 알았다. 또, 어느 정도의 약전류를 워드선으로 흘려 정보읽기를 해도 출력변화가 있고, 비파괴 읽기가 가능한 것을 알았다.
(실시예 5)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로서 Ni0.68Co0.2Fe0.12를 12㎚의 두께로 증착시킨 뒤, Nb의 산화막을 10㎚형성하고, 패턴화하여 줄무늬모양으로 한다. 이 결과, 자성체(1)의 윗면에는 두께 10㎚의 비자성절연막(2)이 형성된다. 이어서, 5keV∼50keV의 에너지를 가진 집속이온빔을 조사하여 도 5⒜, ⒝에 나타낸 것과 같은 도전부분(C)을 형성한다. 다시 스퍼터법으로 자성막(3)으로서 Co0.5Fe0.5를 2㎚증착하고, 패턴화하여 도 5⒜, ⒝에 나타낸 것과 같은 형상으로 하는 것에 의해, 터널형태의 자기저항효과소자를 제조했다. 자성막(1)과 자성막(3)의 전극리드부에 전류를 흘려 막표면의 수직방향의 MR특성을 인가자계 500e로 측정한 경우 18%의 MR변화율이 얻어졌다.
(실시예 6)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로서 Co0.72Mn0.08B0.20을 2㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 5에 나타낸 것과 같은 방법을 이용하여 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 다시, 집속이온을 조사 주입하여 도전부분(C)을 형성하고, 이어서 스퍼터법으로 자성막(3'), 자화반전억제막(4)으로서 Co를 2㎚, IrMn을 10㎚증착시키고, 패턴화시켜 도 6에 나타낸 것과 같은 형상으로 하고, 자성막(1)(3')에 전극리드를 설치하여, 전류를 흘려 막표면의 수직방향의 MR특성을 인가자계 200e로 측정한 경우 10%의 MR변화율이 얻어졌다.
(실시예 7)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로써 Ni0.8Fe0.2를 12㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 5에 나타낸 것과 같은 방법으로 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 더구나 스퍼터법으로 자성막(3)으로서 Co0.5Fe0.5를 2㎚증착시키고, 패턴화하여 도 7에 나타낸 것과 같은 형상으로 하고, 다시 전극(S)(S')으로 나타낸 배선을 설치하여 자기저항효과형헤드를 제조했다. 이 헤드에 검출되어야 할 자계방향으로 100e의 자계를 인가하여 발생한 출력을 측정하면, 유사한 형상으로 종래의 MR재료인 Ni-Fe막을 이용한 헤드에 비해 6배의 출력이 있음을 알았다.
(실시예 8)
스퍼터법에 의해 자성막(1)으로서 Ni0.8Fe0.2를 10㎚의 두께로 증착시킨 뒤, 실시예 5에 나타낸 것과 같은 방법으로 자성막(1)의 패턴화 및 비자성절연막(2)의 형성을 행한다. 다음으로, 집속이온을 조사 주입하여 도전부분(C)을 형성하고, 또한 스퍼터법으로 자성막(3)으로서 Co를 5㎚증착시켜 패턴화하여 도 8에 나타낸 것과 같은 형상으로 하고, 상하자성막부에 전극을 붙여 센스선을 형성한 뒤, SiO2를 스퍼터하여 절연막을 붙인다. 또한 Au를 증착시켜 패턴화하여 워드선을 제조하는 것에 의해 메모리소자를 제조했다. 워드선에 전류를 흘려 자성막(3)을 한쪽방향으로 자화시킨 뒤, 자성막(1)만을 자화반전해야 할 자성막(3)의 자화방향과 반대방향의 자계을 발생하는 약전류를 워드선에 흘려 센스선의 저항변화를 측정한 경우 출력변화가 있고, 자성막의 자화방향으로 자계을 발생하는 약전류를 워드선으로 흘린 경우 센스선에는 출력변화가 생기지 않아, 메모리소자로서 동작하는 것을 알았다. 또, 어느 정도의 약전류를 워드선에 흘려 정보의 읽기를 해도 출력변화가 있고, 비파괴 읽기가 가능한 것을 알았다.
Claims (14)
- 기본구조가 [자성막/비자성절연막/자성막]의 적층체로 이루어진 자기저항효과소자로서, 상기 비자성절연막의 노출된 부위에 상기 비자성절연막을 통해 각각의 자성막이 서로 전기적으로 접속하는 도전부분을 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성하고, 또한 상기 각각의 자성막에 전극리드부가 형성되어 있고, 상기 자기저항효과소자의 저항은 상기 각 자성막의 자화방향이 서로 평행할 때에는 감소하고, 평행하지 않을 때에는 증가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 기본구조가 [자성막/비자성절연막/자성막] 의 적층체로 이루어진 자기저항효과소자로서, 상기 비자성절연막에 원기둥형태의 도전부분이 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성되고, 그 도전부분에 의해 자성막 사이가 서로 전기적으로 접속되고, 또한 상기 비자성절연막을 사이에 둔 각각의 자성막에 전극리드부가 형성되어 있는 동시에, 상기 자기저항효과소자의 저항은 상기 각 자성막의 자화방향이 서로 평행할 때에는 감소하고, 평행하지 않을 때에는 증가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비자성절연막은 도전체의 산화물 또는 질화물로 이루어지고, 상기 도전부분은 비자성절연막보다 질소농도 또는 산소농도가 낮은 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비자성절연막을 사이에 두고 서로 이웃하는 자성막의 한쪽에 연자성막, 다른 한쪽에 상기 연자성막보다 보자력이 큰 자성막을 이용하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 한쪽 자성막의 막표면에, 그 자성막의 자화반전을 억제하기 위해 도전성의 자화반전억제막이 설치되어 기본구조가 [자화반전억제막/자성막/비자성절연막/자성막] 인 적층체로 이루어지며, 상기 비자성절연막의 노출된 부위에 상기 비자성절연막을 사이에 두고 각각의 자성막이 서로 전기적으로 접속하는 도전부분을 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성하고, 또한 상기 각각의 자성막에 전극리드부가 형성되어 있고, 상기 자기저항효과소자의 저항은 상기 각 자성막의 자화방향이 서로 평행할 때에는 감소하고, 평행하지 않을 때에는 증가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 한쪽 자성막의 막표면에 그 자성막의 자화반전을 억제하기 위해, 도전성의 자화반전억제막이 설치되어 기본구조가 [자화반전억제막/자성막/비자성질연막/자성막] 인 적층체로 이루어지며, 상기 비자성절연막에는 상기 비자성절연막을 사이에 두고 각각의 자성막을 서로 전기적으로 접속한 도전부분이 거대자기저항효과가 생기는 크기로 원기둥 형태로 형성되고, 상기 도전부분의 질소농도 또는 산소농도는 비자성절연막보다 낮으며, 또한 상기 비자성절연막을 사이에 둔 각각의 자성막에는 전극리드부가 형성되어 있고, 상기 자기저항효과소자의 저항은 상기 각 자성막의 자화방향이 서로 평행할 때에는 감소하고, 평행하지 않을 때에는 증가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 자화반전억제막이 도전성 반강자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성막 중 적어도 한쪽의 자성막은 비정질합금막인 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성막 중 적어도 한쪽의 자성막과 비자성절연막의 계면에 주요 구성원소의 하나로서 Co 또는 Fe를 함유하는 두께 2nm 이하의 계면자성막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비자성절연막이 Nb의 산화물로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 자기저항 효과소자가 이용된 자기저항효과형 헤드로서, 검지해야할 자기매체로부터의 신호의 자계방향과 한쪽 자성막의 자화용이 축방향이 평행하고, 다른 한쪽의 자성막의 자화용이축과는 직교하도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기저항효과형헤드.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 자기저항 효과소자가 이용된 메모리소자로서, 이 자기저항효과소자 근방에 정보기록용 자계를 발생하는 도체선으로 이루어진 워드선이 절연막을 매개로 설치되어 있는 동시에, 상기 각 전극리드부를 도체선으로 접속한 정보읽기용 센스선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 메모리소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 자기저항 효과소자가 복수개 이용된 메모리소자로서, 이들 자기저항효과소자가 매트릭스상으로 배치되고, 그 각 자기저항효과소자 근방에 서로 절연된 직교하는 워드선이 설치되어 있고, 각 자기저항효과소자의 상하에 형성된 전극리드부를 서로 도체선으로 접속하는 센스선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 메모리소자.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 자기저항 효과소자를 제조하는 방법으로서, 두 개의 자성체 사이의 도전체의 산화물 또는 질화물로 이루어진 비자성절연막에 대해서 고속이온빔 또는 고속중성입자빔을 조사함으로써 그 조사부분에 상기 비자성막을 사이에 두고 각각의 자성막이 서로 전기적으로 접속하는 도전부분이 거대자기저항효과가 생기는 크기로 형성되고, 또 상기 도전부분의 질소 농도 또는 산소농도는 상기 비자성절연막보다 낮은 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자의 제조방법.
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