KR100572953B1 - 자기 터널 소자, 그 제조 방법 및 자기 헤드 - Google Patents

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Abstract

제1 자성층과 제2 자성층이 터널 장벽층을 통해 적층되고, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화가, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화와 비교하여 작은 영역을 갖는다. 자기 터널 소자는, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 자기 저항비의 전압 의존성이 작어져서, 안정된 터널 전류가 흐르게 된다.
자기 터널 소자, 자기 헤드, 자기 터널링 효과, 터널 장벽층, 자화 고정막

Description

자기 터널 소자, 그 제조 방법 및 자기 헤드{MAGNETIC TUNNEL DEVICE, METHOD OF MANUFACTURE THEREOF, AND MAGNETIC HEAD}
본 발명은, 터널 장벽층을 통해 한쌍의 자성층을 적층하고, 한쪽 자성층으로부터 다른쪽의 자성층으로 터널 전류가 흘러, 이 터널 전류의 컨덕턴스가 한쌍의 자성층의 자화의 분극율에 의존하여 변화하는 자기 터널 소자 및 그 제조 방법 및 자기 헤드에 관한 것이다.
종래부터, 한쌍의 자성 금속층으로 얇은 절연층을 협지하여 이루어지는 층 구조에 있어서, 한쌍의 자성 금속층을 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하면, 절연층에 흐르는 터널 전류의 컨덕턴스가 한쌍의 자성 금속층의 자화의 상대 각도에 의존하여 변화한다고 하는 자기 터널링 효과가 보고되어 있다. 즉, 한쌍의 자성 금속층으로 얇은 절연층을 협지하여 이루어지는 층 구조에서는, 절연층에 흐르는 터널 전류에 대한 자기 저항 효과를 나타내는 것이다.
이 자기 터널링 효과에서는, 한쌍의 자성 금속층의 자화의 분극율에 의해 자기 저항비를 이론적으로 산출할 수 있고, 특히, 한쌍의 자성 금속층에 Fe를 이용한 경우에는, 약 40%의 자기 저항비를 기대할 수가 있다.
이 때문에, 적어도, 한쌍의 자성 금속층으로 얇은 절연층을 협지하여 이루어 지는 층 구조를 갖는 자기 터널 소자가 외부 자계 검출용의 소자로서 주목을 모으고 있다.
그런데, 상술한 바와 같은 자기 터널 소자에서는, 얇은 절연층으로서 금속 산화물을 이용하는 것이 일반적이다. 그러나, 절연층으로서 금속 산화물을 이용한 경우, 핀홀 등이 형성되어 한쌍의 자성 금속층 간에 단락이 생기게 되는 경우가 있다. 또한, 절연층으로서 금속 산화물을 이용한 경우, 금속의 산화도가 불충분하여, 터널 장벽이 불완전하게 되어 자기 터널링 효과가 발현하지 않는 경우도 있다.
〈발명의 개시〉
그래서, 본 발명은, 이러한 실정을 감안하여 제안된 것으로, 터널 전류가 터널 장벽층에 확실하게 흘러, 안정적인 자기 터널링 효과를 발현하는 자기 터널 소자 및 제조 방법 및 자기 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 자기 터널 소자는, 제1 자성층과 제2 자성층이 터널 장벽층을 통해 적층되어 이루어지는 자기 터널 소자에 있어서, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화가, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화와 비교하여 작은 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 터널 소자에서는, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 터널 장벽층을 통해 제2 자성층으로부터 제1 자성층을 향해 전자가 흐르게 된다. 이 때, 자기 터널 소 자에서는, 역방향으로 전자를 흘린 경우와 비교하여 자기 저항비의 변화량이 작아진다. 다시 말해서, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 자기 터널 소자에서는, 자기 저항비의 전압 의존성이 적어진다. 이 때문에, 자기 터널 소자에서는, 터널 장벽층에 대해, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정된 터널 전류가 흐르게 된다.
또한, 본 발명에 따른 자기 터널 소자는, 제1 자성층과, 상기 제1 자성층 상에 형성되고, 상기 제1 자성층측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층과, 상기 터널 장벽층 상에 형성된 제2 자성층을 구비하고, 상기 제2 자성층으로부터 상기 제1 자성층을 향해 전자를 공급함으로써 상기 터널 장벽층에 터널 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 터널 소자에서는, 제1 자성층 상에 금속을 단계적으로 산화시킴으로써 터널 장벽층이 형성되어 있다. 즉, 제1 자성층상에는, 가장 산화도가 낮은 터널 장벽층이 형성되게 된다. 이 때문에, 터널 장벽층은, 제1 자성층에 대한 접착성이 양호하게 된다. 또한, 이 자기 터널 소자에서는, 터널 장벽층에 대한 전자의 공급방향을 규정하고 있다. 이 때문에, 이 자기 터널 소자에서는, 터널 장벽층에 대해, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정된 터널 전류가 흐르게 된다.
또한, 본 발명에 따른 자기 터널 소자의 제조 방법은, 제1 자성층을 형성하고, 상기 제1 자성층 상에, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고, 이 터널 장벽층을 통해, 상기 제1 자성층 상에 제2 자성층을 형성하는 것을 특 징으로 하는 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 터널 소자의 제조 방법에 의하면, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고 있기 때문에, 제1 자성층상에 대한 터널 장벽층의 접착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 수법에서는, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고 있기 때문에, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정적으로 터널 전류가 흐르는 자기 터널 소자를 제조할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기 헤드는, 제1 자성층과 제2 자성층이 터널 장벽층을 통해 적층되어 이루어지고, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화가, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화와 비교하여 작은 영역을 갖는 자기 터널 소자를 구비하고, 상기 자기 터널 소자를 감자부로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 헤드에서는, 자기 터널 소자에, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 터널 장벽층을 통해 제2 자성층으로부터 제1 자성층을 향해 전자를 흘린다. 이 때, 자기 터널 소자에서는, 역방향으로 전자를 흘린 경우와 비교하여 자기 저항비의 변화량이 작아진다. 다시 말해서, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 자기 터널 소자에서는, 자기 저항비의 전압 의존성이 적어진다. 이 때문에, 자기 헤드에서는, 감자부(感磁部)인 자기 터널 소자가 안정적으로 동작하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 자기 헤드는, 제1 자성층과, 상기 제1 자성층 상에 형성되고, 상기 제1 자성층측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층과, 상기 터널 장벽층 상에 형성된 제2 자성층을 지니고, 상기 제2 자성층으로부터 상기 제1 자성층을 향해 전자를 공급함으로써 상기 터널 장벽층에 터널 전류를 흘리는 자기 터널 소자를 구비하고, 상기 자기 터널 소자를 감자부로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자기 헤드에서는, 제1 자성층 상에 금속을 단계적으로 산화시킴으로써 터널 장벽층이 형성된 자기 터널 소자를 감자부로 하고 있다. 즉, 자기 터널 소자에 있어서, 제1 자성층 상에는, 가장 산화도가 낮은 터널 장벽층이 형성되게 된다. 이 때문에, 터널 장벽층은, 제1 자성층에 대한 접착성이 양호한 것으로 된다. 또한, 이 자기 헤드에서는, 터널 장벽층에 대한 전자의 공급 방향을 규정하고 있다. 이 때문에, 이 자기 헤드에서는, 터널 장벽층에 대해, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정된 터널 전류가 흐르게 되어, 감자부인 자기 터널 소자가 안정적으로 동작하게 된다.
도 1은 일례로서 도시한 자기 터널 소자의 주요부 사시도.
도 2는 자기 터널 소자의 주요부 단면도.
도 3은 자기 터널 소자에 있어서의 전압과 규격화된 자기 저항비와의 관계를 나타낸 특성도.
도 4는 정전류원 및 전압계를 접속한 자기 터널 소자의 주요부 사시도.
도 5는 자기 터널 소자에 인가되는 전압과 저항치 및 자기 저항비를 나타낸 특성도.
도 6은 자기 터널 소자에 있어서의 터널 장벽을 모식적으로 나타낸 개념도.
도 7은 어닐링 처리를 실시하지 않고 형성된 자기 터널 소자에 인가되는 전압과 저항치 및 자기 저항비를 나타낸 특성도.
〈발명을 실시하기 위한 최량의 형태〉
이하, 본 발명에 따른 자기 터널 소자 및 그 제조 방법 및 자기 헤드의 최량의 형태를, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
자기 터널 소자는, 도 1에 도시한 바와 같이, 비자성 기판(1) 상에 띠형상으로 형성된 제1 자성 금속층(2)과, 이 제1 자성 금속층(2)의 대략 중심부를 덮도록 형성된 터널 장벽층(3)과, 이 터널 장벽층(3) 상에 형성된 제2 자성 금속층(4)을 구비한다. 이 자기 터널 소자에 있어서, 제1 자성 금속층(2) 및 제2 자성 금속층(4)은, 각각의 길이 방향이 대략 직교하도록 형성되어 있다. 이 때문에, 이 자기 터널 소자에서는, 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4)이 각각의 대략 중심부로부터 터널 장벽층(3)을 통해 적층되어 있다.
이 자기 터널 소자에 있어서의 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4)이 터널 장벽층(3)을 통해 적층된 부분의 단면도를 도 2에 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 자성 금속층(2)은 비자성 기판(1) 측으로부터 NiFe층(5)과 Co층(6)을 차례로 적층하여 이루어지는 2층 구조로 하였다. 또한, 제2 자성 전극층(4)은, 터널 장벽층(3) 측으로부터 Co층(7)과 NiFe층(8)과 FeMn층(9)과 Ta층(10)을 차례로 적층하여 이루어지는 4층 구조로 하였다.
구체적으로, 비자성 기판(1)으로는, 표면을 3000Å 산화한 Si(100%) 기판이 이용되었다.
또한, 제1 자성 금속층(2)에 있어서, NiFe막(5)은, 보자력이 낮고, 외부 자계에 대해 그 자화 방향을 변화시키는 자화 자유막이다. 이 제1 자성 금속층(2)에 있어서, Co층(6)은 후술하는 Co층(7)과 함께 스핀 분극율을 증가시키기 위해 배치된 층이다. 즉, NiFe막(5) 및 터널 장벽층(3)의 계면과 NiFe(9) 및 터널 장벽층(3)의 계면과, Co층(6) 및 Co층(7)을 배치함으로써, 이 자기 터널 소자의 자기 저항비를 크게 할 수 있다.
구체적으로는, 상술한 비자성 기판(1) 상에 188Å의 막 두께로 NiFe 막(5)이 형성되고, 이 NiFe막(5) 상에 33Å의 막 두께로 Co막(6)이 형성된다. 또, 이들 NiFe막(5) 및 Co막(6)은, 메탈 마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 띠 형상으로 성막되었다.
그리고, 이 제1 자성 금속층(2)에는, 소위 어닐링 처리가 실시된다. 이 어닐링 처리는, 제1 자성 금속막(2)의 길이 방향으로 330Oe의 자계를 인가하면서 350℃에서 6×10-4pa의 진공 중에서 행하였다.
또한, 터널 장벽층(3)은, 금속을 단계적으로 산화함으로써 제1 자성 금속층(2)측으로부터 산화도가 증가하는 층이다. 이 터널 장벽층(3)은, 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4) 사이의 전기적인 장벽으로 되어, 소위 터널 장벽이 된다.
이 터널 장벽층(3), 예를 들면, Al, Gd, Hf, Fe, Co, Ni, Se, Mg 등의 금속을 이용하여 형성된다. 그러나, 터널 장벽층(3)으로는, 이들 금속 원소에 한정되지 않고, 산화됨으로써 터널 장벽이 될 수 있으면, 어떠한 금속을 이용하여도 좋다.
이 터널 장벽층(3)을 형성할 때에는, 상술한 바와 같이 형성된 제1 자성 금속층(2) 상에, 산소 분압을 증가시키면서 금속 원소를 성막하면 좋다. 이와 같이 산소 분압을 증가시킴으로써, 터널 장벽층(3)은, 제1 자성 금속층(2) 측으로부터 산화도가 증가하도록 형성된다.
구체적으로, 터널 장벽층(3)을 성막할 때의 프로세스 가스에는, Ar과 O2와의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 이 Ar과 O2와의 혼합 가스 분위기 하에서, 상기 금속을 60초간 성막함으로써, 터널 장벽층(3)을 형성할 수가 있다. 그리고, 성막 개시 시에는, 혼합 가스에 있어서의 분압비를, Ar : O2= 10 : 0으로 하고, 60초 후에는, 분압비가 Ar : O2 = 10 : 1이 되도록 산소 분압을 정비례로 증가시켰다.
또, 상술한 수법에서는, 산소 분압을 정비례로 증가시킴으로써, 금속을 단계적으로 산화하여 터널 장벽층(3)을 형성하였지만, 본 발명은, 이러한 수법에 한정되는 것은 아니다. 즉, 금속을 단계적으로 산화시키기 위해서는, 산소 분압을 지수 함수적으로 증가시켜도 좋다.
또한, 제2 자성 금속층(4)에 있어서, FeMn층(9)은, 반강자성 재료이고, NiFe층(8)의 자화를 소정의 방향으로 고정하고 있다. 이 FeMn층(9)에 의해, NiFe층(8)은 자화 고정막이 된다. 이 제2 자성 금속층(4)에 있어서, Co층(7)은, 상술한 바와 같이, 자기 터널 소자의 자기 저항비를 향상시키기 위해 배치된 층이다. 또한, 이 제2 자성 금속층(4)에 있어서, Ta층(10)은, FeMn층(9)의 부식을 방지하기 위해 배치된 층이다.
구체적으로는, Co층(7)의 막 두께를 26Å으로 하고, NiFe층(8)의 막 두께를 188Å으로 하고, FeMn층(9)의 막 두께를 450Å으로 하고, Ta층(10)의 막 두께를 200Å으로 하도록, 메탈 마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 차례로 띠형상으로 성막되었다. 이 때, 각 층은, 길이 방향에 대해 직교하는 방향으로 52Oe의 자계를 인가하면서 성막되었다.
또, 각 층을 스퍼터링할 때의 프로세스로서는, Ar 가스가 이용되었다. 그리고, 각 층을 성막할 때의 Ar 가스압은, NiFe막(5, 8) 및 Co(6, 7)막의 경우에는 0.3Pa로 하고, Al의 경우는 0.2Pa로 하고, FeMn막(9)의 경우에는 0.6Pa로 하였다.
또한, 구체적으로, 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4)이 중첩되는 부분의 면적, 즉, 터널 전류가 흐르는 부분의 면적으로서는, 100×100∼500×50O㎛2의 9 종류를 제작하였다.
이상과 같이 구성된 자기 터널 소자에서는, 외부 자계가 인가되면, 제1 자성 금속층(2)에 있어서의 NiFe막(5)의 자화 방향이 변화한다. 이에 대해, 제2 자성 금속층(4)에서는, 외부 자계가 인가되더라도 자화 방향을 변화시키지 않는다. 따라서, 자기 터널 소자에 대해 외부 자계를 인가하면, NiFe막(5)의 자화 방향과 NiFe막(8)의 자화 방향과의 상대 각도가 변화한다.
NiFe막(5)의 자화 방향과 NiFe막(8)의 자화 방향과의 상대 각도가 변화하면, 터널 장벽층(3)에 대해 흐르는 터널 전류에 대한 저항치가 변화한다. 다시 말해서, 터널 장벽층(3)에 흐르는 터널 전류에 대한 저항치는, NiFe막(5)의 자화 방향과 NiFe막(8)의 자화 방향과의 상대 각도에 의존하여 변화한다. 따라서, 자기 터널 소자에서는, 터널 장벽층(3)에 소정의 터널 전류를 흘림과 함께 상기 터널 전류의 전압치를 검출함으로써, 터널 전류에 대한 저항치의 변화를 전압 변화로서 검출할 수가 있다. 즉, 터널 소자에서는, 터널 전류의 전압 변화를 검출함으로써 외부 자계를 검출할 수가 있다.
특히, 이 자기 터널 소자에서는, 제2 자성 금속층(4)이 제1 자성 금속층(2)과 비교하여 저전위로 되도록 전압을 인가하는 경우와, 반대로, 제2 자성 금속층(4)이 제1 자성 금속층(2)과 비교하여 고전위가 되도록 전압을 인가하는 경우에서, 전압 변화에 대한 자기 저항비의 변화량이 다르다. 이하의 설명에 있어서, 제2 자성 금속층(4)이 제1 자성 금속층(2)과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압을「플러스 전압」이라 칭하고, 반대로, 제2 자성 금속층(4)이 제1 자성 금속층(2)과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압을「마이너스 전압」이라 칭한다.
이 자기 터널 소자에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 플러스 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화량이, 마이너스 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화량 과 비교하여 작아져 있는 영역을 갖고 있다. 다시 말해서, 플러스 전압을 인가한 경우, 자기 터널 소자에는, 전압 변화에 의존하지 않고 자기 저항비가 대략 일정치를 나타내는 영역이 있다.
또, 이 도 3에 있어서, 종축은, 최대의 자기 저항비를 소정의 전압치에 있어서의 자기 저항비로 제산한 값(「규격화된 MR 비」로 나타낸다. )를 나타내고, 횡축은, 자기 터널 소자에 대해 인가하는 전압(플러스 전압은 플러스로 하고, 마이너스 전압은 마이너스로 하였다. )의 크기를 나타낸다.
이 자기 터널 소자는, 전압 변화에 의존하지 않고 자기 저항비가 대개 일정치를 도시한 바와 같은 영역에서 구동됨으로써, 안정적인 자기 터널링 효과를 나타내게 된다. 즉, 이 자기 터널 소자에 있어서는, 제2 자성 금속층(4)으로부터 제1 자성 금속층(2)에 대해 전자를 흘림으로써, 전압의 변화에 따르지 않고 대개 일정한 자기 저항비를 나타내기 때문에, 안정적으로 동작할 수가 있다. 구체적으로는, 이 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 0∼50㎷의 플러스 전압을 인가함으로써, 자기 터널 소자는, 자기 저항비의 변화를 1% 이내로 할 수 있다. 따라서, 자기 터널 소자는, 0∼50㎷의 플러스 전압으로 구동됨으로써, 안정적으로 동작할 수가 있다.
또한, 이 자기 터널 소자에서는, 적어도 플러스 전압이 0∼1.25㎷의 범위에서의 자기 저항비의 변화가 1% 이내인 것이 바람직하다. 다시 말해서, 자기 터널 소자에서는, 자기 저항비의 변화가 1% 이내가 되는 플러스 전압의 최대치가 1.25㎷ 이상인 것이 바람직하다.
예를 들면, 자기 터널 소자로서, Fe를 이용하여 자기 저항비가 40% 정도를 나타내는 것을 사용한 경우, 전압 변화 출력을 0.5㎷ 얻기 위해서는, 구동 전압을 1.25㎷로 할 필요가 있다. 다시 말해서, 자기 저항비의 변화가 1% 이내로 되는 플러스 전압의 최대치가 1.25㎷ 미만인 경우에는, 자기 저항비가 40% 정도인 자기 터널 소자를 이용하여 충분한 전압 변화 출력을 얻지 못할 우려가 있다.
이 자기 터널 소자는, 예를 들면, 자기 기록 매체에 기록된 신호를 재생하는 자기 헤드에 사용되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 자기 헤드로서는, 자기 기록 매체로부터의 자계를 검출하는 감자부로서 상술한 자기 터널 소자를 사용하는 것이 바람직하다. 이 자기 헤드에 있어서, 자기 터널 소자에 대해 플러스 전압을 인가함으로써, 자기 기록 매체로부터의 자계를 안정적으로 검출할 수가 있다.
또한, 자기 터널 소자는, 통상의 이방성 자기 저항 효과 소자나 거대 자기 저항 효과 소자와 비교하여 자기 저항비가 크기 때문에, 고밀도 기록의 자기 기록 매체에 대한 자기 헤드로서 이용하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 자기 헤드는, 감자부로서 자기 터널 소자를 이용함으로써, 고밀도 기록된 자기 기록 매체를 확실하게 재생할 수가 있다.
그런데, 상술한 자기 터널 소자에서는, 플러스 전압을 인가하여 전압 변화에 의존하지 않고 자기 저항비를 대개 일정한 것으로 하였다. 이것은, 자기 터널 소자에 있어서, 터널 장벽층(3)이 금속을 단계적으로 산화함으로써 제1 자성 금속층(2) 측으로부터 산화도가 증가하도록 형성되어 있기 때문이다.
이 터널 장벽층(3)에 대해 상술한 바와 같이 플러스 전압을 인가함으로써, 산화도가 높은 측으로부터 전자가 공급되게 된다. 다시 말해서, 이 자기 터널 소자는, 산화도가 높은 제2 자성 금속층(4)측으로부터 전자를 공급함으로써, 안정적으로 자기 터널링 효과를 나타내게 된다.
이것을 검증하기 위해, 상술한 바와 같은 자기 터널 소자에 대해, 도 4에 도시한 바와 같이, 소정의 전류를 공급하는 정전류원과, 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4) 사이의 전압을 측정하는 전압계를 접속하고, 전자의 공급 방향을 변화시켜 그 저항치 및 자기 저항비를 측정하였다.
이 때, 제1 자성 금속층(2)으로부터 제2 자성 금속층(4)을 향해 전자를 공급하는 경우를「-방향」이라 부르고, 반대로, 제2 자성 금속층(4)으로부터 제1 자성 금속층(2)을 향해 전자를 공급하는 경우를「+방향」이라 부른다. 그리고, 전압계는, 「-방향」으로 전자를 공급한 경우에 마이너스를 나타내고, 「+방향」으로 전자를 공급한 경우에 플러스를 나타내도록 접속되었다.
이와 같이 구성된 자기 터널 소자에 대해, 일정 방향의 외부 자계를 인가하고, 전압을 변화시켰을 때의 저항치 변화 및 자기 저항비 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다.
이 도 5로부터 명백한 바와 같이, -방향으로 전자를 공급한 경우에는, 인가는 전압이 증대함에 따라서 저항치가 변화하고 있다. 다시 말해서, -방향으로 전자를 공급한 경우에는, 터널 장벽층(3)의 저항치는, 전압치에 의해 변화하는 전압 의존성을 갖고 있다.
이에 대해, +방향으로 전자를 공급한 경우에는, 인가되는 전압이 증대하더라 도 대략 일정한 저항치를 나타내고 있다. 이것은, +방향으로 전자를 공급한 경우에는, 터널 장벽층(3)은, 전압 의존성을 지니고 있지 않은 것을 나타내고 있다. 또, 이 도 5에 도시한 바와 같이, 일정 방향의 외부 자계를 인가하고 있기 때문에, 자기 저항비는 일정하다. 또한, 상술한 도 3은, 이 도 5에 있어서의 자기 저항비의 값을 이용하여 제작한 것이다.
이 점으로부터, 제1 자성 금속층(2) 측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층(3)을 갖는 경우, +방향으로 전자를 공급함으로써, 자기 터널 소자는, 전압 의존성을 갖지 않고 안정한 자기 터널 효과를 도시하는 것이 증명되었다. 이것은, 터널 장벽층(3)에 있어서의 제2 자성 금속층(4)측의 부분이 가장 산화되어 있기 때문에, 터널 장벽층(3)의 두께 방향에 있어서의 터널 장벽의 포텐셜이 도 6에 도시한 바와 같이 이루어져 있기 때문이라고 생각된다.
또한, 상술한 자기 터널 소자에서는, 산소 분압을 서서히 증가시켜 터널 장벽층(3)을 형성하고 있다. 이 때문에, 이 자기 터널 소자에 있어서, 터널 장벽층(3)은, 제1 자성 금속층(2)에 대한 접착성에 뛰어나게 된다. 따라서, 이 자기 터널 소자에 있어서는, 터널 장벽층(3)이 제1 자성 금속층(2)으로부터 박리하여 버리거나, 제1 자성 금속층(2)과 제2 자성 금속층(4)이 핀홀을 통해 단락하게 되는 것이 확실하게 방지된다. 이에 따라, 이 자기 터널 소자에서는, 항상 안정적으로 터널 전류가 흐르게 된다.
그런데, 이 자기 터널 소자에서는, 상술한 바와 같이, 어닐링 처리를 행하고 있다. 이 어닐링 처리는, 자기 저항비나 연자기 특성 혹은 자기적 안정성 등을 고려하여 결정된 온도 조건이나 자장 조건 하에서 행해진다. 따라서, 자기 터널 소자는 이 어닐링 처리를 실시함으로써, 원하는 자기 저항비나 연자기(軟磁氣) 특성을 나타내게 된다.
이에 대해, 어닐링 처리를 행하지 않고 형성된 자기 터널 소자는, 일정 방향의 외부 자계를 인가한 상태에서, 전압을 변화시켰을 때의 저항치 변화 및 자기 저항비 변화가 도 7에 도시한 바와 같이 이루어져 있다. 이 도 7에 도시한 바와 같이, 어닐링 처리를 행하지 않는 경우에는, +방향 또는 -방향 중 어느 한쪽의 방향으로 전자를 공급하여도, 전압에 대한 의존성은 보이지 않는다.
이 점으로부터, 어닐링 처리를 실시한 자기 터널 소자에 대해, 상술한 바와 같이, 제2 자성 금속층(4)으로부터 제1 자성 금속층(2)을 향해서 전자를 공급하면 효과적인 것을 알 수 있다.
또, 상술한 자기 터널 소자에서는, 플러스 전압을 인가함으로써, 자기 저항비가 전압 의존성을 갖지 않고 대개 일정한 값을 나타내었다. 그러나, 본 발명은, 이러한 것에 한정되지 않고, 예를 들면, 마이너스 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화량이, 플러스 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화량과 비교하여 작게 되어 있는 영역을 갖는 자기 터널 소자에 대해서도 적용할 수 있다. 즉, 이 경우, 자기 터널 소자에 대해서는, 마이너스 전압을 인가하여, 제1 자성 금속층(2)으로부터 제2 자성 금속층(4)에 대해 전자를 공급함으로써, 전압 변화에 의존하지 않고 자기 저항비가 대개 일정치를 나타내게 된다. 따라서, 이 자기 터널 소자에서는, 마이너스 전압을 인가함으로써, 안정적으로 자기 터널 효과를 나타낼 수 있다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기 터널 소자에서는, 제2 자성층이 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 자기 저항비의 전압 의존성이 작아진다. 이 때문에, 자기 터널 소자에서는, 터널 장벽층에 대해, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정된 터널 전류가 흐르게 되어, 항상 안정적으로 자기 터널 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기 터널 소자에서는, 제1 자성층 상에 형성되고, 제1 자성층 측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층을 구비하고, 제2 자성층으로부터 제1 자성층을 향해 전자를 공급하고 있다. 이 때문에, 이 자기 터널 소자에서는, 인가되는 전압의 크기에 의존하지 않고, 안정된 자기 터널 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 이 자기 터널 소자에서는, 절연층에 있어서의 제1 자성층과의 접착면이 가장 산화도가 낮아져 있기 때문에, 제1 자성층과 절연층과의 접착성이 양호한 것으로 된다. 따라서, 이 자기 터널 소자는, 항상 안정적으로 자기 터널 효과를 나타내는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 자기 터널 소자의 제조 방법은, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고 있기 때문에, 제1 자성층 상에 대한 터널 장벽층의 접착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 수법에서는, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고 있기 때문에, 전압의 크기에 의존하지 않고 안정적으로 터널 전류가 흐르는 자기 터널 소자를 제조할 수가 있다. 이 때문에, 본 수법에 따르면, 항상 안정적으로 자기 터널 효과를 발현하는 자기 터널 소자를 확 실하게 제조할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기 헤드에서는, 자기 터널 소자에, 제2 자성층이 제1 자성층과 비하교여 저전위가 되도록 전압을 인가함으로써, 자기 터널 소자에 있어서의 자기 저항비의 전압 의존성이 적어진다. 이 때문에, 자기 헤드에서는, 감자부인 자기 터널 소자가 안정적으로 동작하게 되어, 안정된 전자 변환 특성을 나타낼 수 있다.

Claims (19)

  1. 제1 자성층과 제2 자성층이 터널 장벽층을 통해 적층되어 이루어지는 자기 터널 소자로서,
    상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화가, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화와 비교하여 작은 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    자기 저항비의 변화가 1% 이내가 되는, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 최대치가 1.25㎷ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화자유막을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 소정 방향의 고정 자화된 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화 자유막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    200℃∼350℃의 온도로 어닐링 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  6. 제1 자성층과,
    상기 제1 자성층 상에 형성되고, 상기 제1 자성층 측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층과,
    상기 터널 장벽층 상에 형성된 제2 자성층을 포함하고,
    상기 제2 자성층으로부터 상기 제1 자성층을 향해 전자를 공급함으로써 상기 터널 장벽층에 터널 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화자유막을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화 자유막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    200℃∼350℃의 온도로 어닐링 처리를 실시한 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자.
  10. 제1 자성층을 형성하고,
    상기 제1 자성층 상에, 금속을 단계적으로 산화함으로써 터널 장벽층을 형성하고,
    이 터널 장벽층을 통해, 상기 제1 자성층 상에 제2 자성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 소자의 제조 방법.
  11. 제1 자성층과 제2 자성층이 터널 장벽층을 통해 적층되어 있고, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화가, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 고전위가 되도록 인가한 전압의 변화에 대한 자기 저항비의 변화와 비교하여 작은 영역을 갖는 자기 터널 소자를 포함하고,
    상기 자기 터널 소자를 감자부(感磁部)로 하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  12. 제11항에 있어서,
    자기 저항비의 변화가 1% 이내로 되는, 상기 제2 자성층이 상기 제1 자성층과 비교하여 저전위가 되도록 인가한 전압의 최대치가 1.25㎷ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화자유막을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화 자유막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  15. 제11항에 있어서,
    200℃∼350℃의 온도로 어닐링 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  16. 제1 자성층과, 상기 제1 자성층 상에 형성되고, 상기 제1 자성층 측으로부터 산화도가 증가하여 이루어지는 터널 장벽층과, 상기 터널 장벽층 상에 형성된 제2 자성층을 지니고, 상기 제2 자성층으로부터 상기 제1 자성층을 향해 전자를 공급함으로써 상기 터널 장벽층에 터널 전류를 흘리는 자기 터널 소자를 포함하고,
    상기 자기 터널 소자를 감자부로 하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화자유막을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 자성층이 적어도 소정 방향의 고정자화된 자화 고정층을 포함함과 함께, 상기 제2 자성층이 적어도 외부 자계에 따라서 자화 방향을 변화시키는 자화 자유막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  19. 제16항에 있어서,
    200℃∼350℃의 온도로 어닐링 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
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