KR100574713B1 - 고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이 - Google Patents

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Abstract

자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와, 자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와, 상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 포함하는 기록 자성부와, 상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 자구 분단부와, 상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 중간부를 포함하며, 상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고, 상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제2 방향에 대한, 상기 제3 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자를 제공한다.
기록 자성부, 기입 전류, 자화 방향, 강자성체

Description

고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이{SOLID-STATE MAGNETIC DEVICE AND SOLID-STATE MAGNETIC DEVCIE ARRAY}
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 자기 소자의 기본적인 단면 구조를 예시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 고체 자기 소자에 있어서의 기록부 W의 동작을 설명하는 모식도.
도 3은 제1 실시 형태의 고체 자기 소자에서의 재생부 R의 동작을 설명하는 모식도.
도 4는 기억층 및 참조층을 다층화한 예로서, 반강자성 결합한 다층막을 사용한 고체 자기 소자의 단면을 예시한 모식도.
도 5는 고체 자기 소자의 각층의 폭이 상호 다르게 형성한 고체 자기 소자를 도시한 모식도.
도 6은 제1 실시 형태의 고체 자기 소자의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 7은 제1 실시 형태의 고체 자기 소자의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이를 구성하는 셀의 등가 회로를 나타내는 모식도.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이의 일부를 나타내 는 모식 회로도.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이의 또하나의 구체예를 도시한 모식 회로도.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 자기 소자의 단면 구조를 도시한 모식도.
도 12는 제2 실시 형태의 고체 자기 소자의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 13은 제2 실시 형태의 고체 자기 소자의 또하나의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 14는 제2 실시 형태의 고체 자기 소자의 또하나의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 15는 제2 실시 형태의 고체 자기 소자의 또하나의 변형예를 도시한 모식 단면도.
도 16은 제2 실시 형태의 고체 자기 소자를 이용한 고체 자기 소자 어레이의 모식 회로도.
도 17은 본 발명의 실시예의 고체 자기 소자의 주요부 단면 구조를 도시한 모식도.
도 18은 본 발명의 제3 실시예로서의 고체 자기 소자의 제조 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
A, E : 참조 자성부
B : 자구 분단부
C : 기록 자성부
D : 중간부
본 발명은 고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이에 관한 것으로, 특히 전류 직접 구동형 기록과, 자기 저항 효과에 의한 재생이 가능한 고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이에 관한 것이다.
강자성층/비자성층/강자성층으로 이루어지는 적층 구조에서 면 내에 전류를 흘린 경우에, 거대 자기 저항 효과(Giant Magnetoresistance effect)가 나타나는 것이 발견된 이래, 큰 자기 저항 변화율을 갖는 계로서, 전류를 적층 구조에 대하여 수직 방향으로 흘리는 CPP(Current Perpendicular to Plane)형 자기 저항 효과 소자나, 비자성층이 절연체로 이루어지는 강자성 터널 자기 저항 효과 소자가 개발되었다.
또한, 보다 큰 자기 저항 효과를 나타내는 계로서, 2개의 바늘 형상의 니켈(Ni)을 맞붙인 「자기 미소 접점」(N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923(1999)), 혹은 2개의 마그네타이트를 접촉시킨 자기 미소 접점(J. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol. 87, p26601-1(2001))을 갖는 자기 저항 효과 소자가 발견되었다.
이들 자기 저항 효과 소자는, 자기 센서나 자기 기록 재생 시스템의 재생 소자로서 이용할 뿐만 아니라, 불휘발성의 고체 자기 메모리로서의 전개가 진행되고 있다.
자기 저항 효과 소자를 고체 자기 소자로서 이용한 경우, 기입은 자기 저항 효과 소자의 근방에 형성된 배선으로부터 인가하는 전류 자계라는 누설 자장에 의존하고 있다. 그러나, 이 경우, 기록을 위한 자화 반전을 일으키기 위해 필요한 전류가, 수 ㎃이상으로 지나치게 크다는 결점이 있었다.
이것에 대하여, 기록 자성부에 직접 전류를 흘림으로써 기록을 위한 자화 반전을 일으키는 「전류 직접 구동형 자화 반전」이 발견되었다(J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, Ll(1996). E. B. Myers, et al., Science 285, 867(1999). J. A. Katine, et al., Phys. Rev. Lett. 14, 3149(2000). F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809(2000). J. -E. Wegrowe, et al., Europhys. Lett., 45, 626(1999). J. Z. Sun, J. Magn. Magn. Mater. 202, 157(1999).).
이 현상은, 참조 자성부 혹은 주위의 자성층을 통과할 때에 스핀 편극한 전류가 흐름으로써 발생하는 스핀 편극 전자의 각운동량이, 기록 자성부의 각운동량으로 전달되는 것으로 자화 반전하는 것이다. 이 현상에 의하면, 기록층에 대하여, 보다 직접적으로 작용시키는 것이 가능하기 때문에, 기록 시의 자화 반전에 필요한 전류는 감소할 것으로 기대되고 있다.
이상의 직접 통전형 자기 기록 소자와 자기 저항 소자는 지금까지 다른 것이 었다. 그러나, 이들을 조합하면, 기록 재생을 하나의 소자로 실현할 수 있어, 소자의 미세화에 기여할 것으로 예상된다.
그러나, 기록 자성부를 포함하는 기록부의 전기 저항은 매우 작다. 이 때문에, 기록부와 비교하여 저항이 큰 자기 저항 효과부와 조합하여 동작시키는 것은 어렵다. 또한, 기록부의 전기 저항이 작기 때문에, 특히 소자를 어레이화한 경우의 소자 선택은 곤란하다.
전류 직접 구동형 자화 반전을 이용한 자기 소자는, 저전류화가 기대되지만, 전기 저항이 작다. 이 때문에, 저항이 기록부에 비해 커지는 자기 저항 효과부와의 조합이 어렵다. 또한, 어레이화한 경우에 소자 선택이 어렵다는 문제를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 고체 자기 소자는,
자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 포함하는 기록 자성부와,
상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 자구 분단부와,
상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 중간부
를 포함하고,
상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제2 방향에 대한, 상기 제3 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 고체 자기 소자는,
자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성된 중간부와,
상기 제1 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 갖는 제1 기록 자성부와,
상기 제2 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제4 강자성체를 갖는 제2 기록 자성부와,
상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 형성된 제1 자구 분단부와,
상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 형성된 제2 자구 분단부
를 포함하고,
상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제4 강자성체의 자화를 상기 제2 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
상기 제1 기록 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체와 상기 제4 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 고체 자기 소자 어레이는 상술한 본 발명의 고체 자기 소자를 복수개 형성하여, 상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 자기 소자의 기본적인 단면 구조를 예시하는 모식도이다. 이 자기 소자는 전류에 의해 직접 기입을 행하는 기록 부 W와, 자기 저항 효과에 의해 판독을 행하는 재생부 R을 갖는다. 기록부 W와 재생부 R은, 기록층 C를 공유하고 있다.
즉, 기록부 W는 하드 자성체로 이루어지는 참조 자성부 A와, 비자성체로 이루어지는 자구 분단부 B와, 참조 자성부 A보다도 자기적으로 소프트한 기록 자성부 C가 적층된 구조를 갖는다. 한편, 재생부 R은, 기록 자성부 C와, 중간부 D와, 기록 자성부 C보다도 자기적으로 하드한 자성체로 이루어지는 참조 자성부 E를 갖는다.
참조 자성부 A, 기록 자성부 C, 참조 자성부 E에는, 각각 전극 E1, E2, E3이 접속되어 있다. 중간부 D는 도전성 금속 및/혹은 절연체로 이루어진다.
전극의 인출 방향은 도 1에서 가로 방향인 경우와 상하 방향인 경우가 있지만, 이들은 편의상의 구분이며, 그 어느 쪽, 혹은 경사 방향이라도 무방하다. 이것은, 이후의 모든 도면에 공통적이다.
도 1에 도시한 고체 자기 소자에서, 「기입」은 기록부 W에서, 전류 직접 구동형 자화 반전 기구에 의해 행할 수 있다. 즉, 스핀 편극 전류에 의해, 기록 자성부 C의 자화를 반전시킨다.
도 2는 본 발명의 고체 자기 소자에서의 기록부 W의 동작을 설명하는 모식도이다.
즉, 우선 도 2a에 도시한 바와 같이, 참조 자성부 A로부터 기록 자성부 C를 향하여 전자 전류를 흘리면, 기록 자성부 C에 대하여, 참조 자성부 A의 자화 M1과 동일한 방향의 기입을 할 수 있다. 즉, 이 방향으로 전자 전류를 흘린 경우, 전자 의 스핀은 우선, 참조 자성부 A에서 그 자화 M1의 방향에 대응하여 편극된다. 그리고, 이와 같이 스핀 편극된 전자가 기록 자성부 C에 유입하여, 그 자화 M2를 참조 자성부 A의 자화 M1과 동일한 방향으로 반전시킨다.
이것에 대하여, 도 2b에 도시한 바와 같이, 기록 자성부 C로부터 참조 자성부 A를 향하여 전자 전류를 흘리면, 이것과는 역방향으로 기입할 수 있다. 즉, 참조 자성부 A의 자화 M1과 대응한 스핀 전자는, 참조 자성부 A를 용이하게 통과할 수 있는 데 대하여, 자화 M1과 역방향인 스핀 전자는 자구 분단부 B와 참조 자성부 A와의 계면에서 높은 확률로 반사된다. 그리고, 이와 같이 반사된 스핀 편극 전자가 기록 자성부 C로 되돌아감으로써, 기록 자성부 C의 자화 M2를, 참조 자성부 M1과는 반대 방향으로 반전시킨다.
이와 같이, 본 발명에서는, 스핀 편극 전류에 의한 전류 직접 구동형 자화 반전 기구에 의해, 기록 자성부 C에 소정의 자화를 기입할 수 있다. 이 때문에, 누설 전류 자계에 의해 기록층을 자화 반전시키는 종래의 기록 소자와 비교하여, 기록 시의 자화 반전에 필요한 전류를 감소시키는 것이 가능해진다.
한편, 본 실시 형태의 고체 자기 소자에서의 「판독」은, 재생부 R에서 자기 저항 효과에 의해 행할 수 있다.
도 3은 본 실시 형태의 고체 자기 소자에서의 재생부 R의 동작을 설명하는 모식도이다.
즉, 도 3a에 도시한 바와 같이, 기록 자성부 C의 자화 M2와 참조 자성부 E의 자화 M3이 평행한 경우, 도 3a에 화살표로 나타낸 방향(혹은 이것과 반대 방향이어 도 됨)으로 감지 전류를 흘려 얻을 수 있는 저항은 작다.
한편, 도 3b에 도시한 바와 같이, 기록 자성부 C의 자화 M2와 참조 자성부 E의 자화 M3이 반평행한 경우, 저항은 커진다. 따라서, 이들 저항 출력에 대응하여, 「0」레벨과 「1」레벨을 할당함으로써, 2치 정보를 재생할 수 있다.
본 발명에서는, 재생부 R에서 자기 저항 효과에 의해 기록 자성부 C의 자화를 높은 감도로 재생하는 것이 가능해진다. 또, 후술한 바와 같이, 중간부 D의 재료나 구조를 적절하게 고안함으로써, 감지 전류를 흘리는 재생부의 전기 저항을 최적의 레벨까지 높일 수 있다. 그 결과, 특히 소자를 어레이화한 바와 같은 경우의 소자 선택이 용이해져, 이 고체 자기 소자를 집적화시킨 메모리 소자 혹은 논리 회로 등을 실현할 수 있다.
이어서, 본 발명의 고체 자기 소자를 구성하는 각 요소에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 참조 자성부 A 및 E와, 기록 자성부 C의 재료로는, 철(Fe), 코발트 (Co), 니켈(Ni), 또는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 합금, 「퍼멀로이」라고 하는 NiFe계 합금, 혹은 CoNbZr계 합금, FeTaC계 합금, CoTaZr계 합금, FeAlSi계 합금, FeB계 합금, CoFeB계 합금 등의 연자성 재료, 호이슬러 합금, 자성 반도체, CrO2, Fe3O4, Lal-xSrxMnO3 등의 하프 메탈 자성체 산화물(혹은 하프 메탈 자성체 질화물) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
여기서 「자성 반도체」로서는, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나의 자성 원소와, 화합물 반도체 또는 산화물 반도체로 이루어지는 것을 이용할 수 있으며, 구체적으로는, 예를 들면 (Ga, Cr)N, (Ga, Mn)N, MnAs, CrAs, (Ga, Cr) As, ZnO:Fe, (Mg, Fe)O 등을 예로 들 수 있다.
본 발명에서는, 자성층 A, C 및 E의 재료로서, 이들 중에서 용도에 대응하는 자기 특성을 갖는 것을 적절하게 선택하여 이용하면 된다.
또한, 이들 자성층에 이용하는 재료로는, 연속적인 자성체이어도 되며, 혹은 비자성 매트릭스 내에 자성체로 이루어지는 미립자가 석출 혹은 형성되어 있는 복합체 구조를 이용할 수도 있다.
또한, 특히 기록 자성부 C로서, [(Co 혹은 CoFe 합금)/(NiFe 혹은 NiFeCo로 이루어지는 퍼멀로이 합금 혹은 Ni)]로 이루어지는 2층 구조, 혹은 [(Co 혹은 CoFe 합금)/(NiFe 혹은 NiFeCo로 이루어지는 퍼멀로이 합금 혹은 Ni)/(Co 혹은 CoFe 합금)]으로 이루어지는 3층 구조를 이용할 수도 있다. 이들 다층 구조로 이루어지는 자성층인 경우, 외측의 Co 혹은 CoFe 합금의 두께는 0.2㎚ 내지 3㎚의 범위인 것이 바람직하다. 이러한 다층 구조를 채용함으로써, 녹색에 필요한 전류를 내릴 수 있다.
또한, 기록 자성부 C로서, 층간 교환 결합한 [(퍼멀로이나 CoFe 등의 자성층)/(Cu, Ru 등의 비자성층(두께 0.2㎚ 이상 3㎚ 이하))/(퍼멀로이나 CoFe 등의 자성층)]으로 이루어지는 3층막, 특히 반강자성적으로 층간 교환 결합한 다층막도, 기록 자성부 유닛으로서 이용할 수 있으며, 스위칭 전류나 스위칭 자계를 작게 하 기 때문에 효과적이다.
한편, 참조 자성부 A의 자화 M1, 혹은 참조 자성부 E의 자화 M3을 고착하기 위해, 참조 자성부 A, E의 각각의 외측에, 도시하지 않은 반강자성층을 형성하여 교환 바이어스를 인가하면 된다. 혹은, 루테늄(Ru)이나 구리(Cu) 등의 비자성층과 강자성층, 그리고 반강자성층을 적층하여 교환 바이어스를 인가하면, 자화 방향을 제어할 수 있어, 자기 저항 효과가 큰 신호 출력을 얻는 데 유용하다. 특히, 반강자성적으로 층간 교환 결합시킨 (CoFe 등의 자성층)/(Cu, Ru 등의 비자성층)/(CoFe 등의 자성층)/반강자성층을 이용함으로써, 참조층으로부터의 누설 자장도 작게 할 수 있고, 작은 전류로 기록 자성부로의 기입을 할 수 있다.
그 결과, 반강자성 재료로서는, 철망간(FeMn), 백금 망간(PtMn), 팔라듐·망간(PdMn), 팔라듐 백금 망간(Pd PtMn) 등을 이용하는 것이 바람직하다.
기억층 및 참조층을 다층화한 예로서, 반강자성 결합한 다층막을 사용한 고체 자기 소자의 단면을 도 4에 예시한다. 도 4에 예시한 바와 같이, 고체 자기 소자의 참조 자성부 A, 자구 분단부 B, 기록 자성부 C, 중간부 D, 참조 자성부 E를 각각 반강자성체막 AF, 강자성체 F, 비자성체막 NM을 조합하여 형성할 수 있다. 또, 도 4에는 강자성체 F의 자화 방향도 화살표로 나타내었다.
또한 한편, 자구 분단부 B는 참조 자성부 A와 기록 자성부 C 사이에서 자구를 분단하는 역할을 갖는다. 또한, 자구 분단부 B는 스핀 편극 전자의 통로로서의 역할도 갖는다. 그 구성으로는 ① Cu, Ag, Au 등의 비자성 귀금속 원소 중 어느 하나, 혹은 이 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 금속 혹은, ② 참조 자성부 혹은 기록 자성부와 동일한 자성체의 구성 원소로 이루어지지만, 결정 결함 등의 결정 변질을 포함하거나, 혹은 표면 요철이 형성되어 자계벽이 트랩되도록 형성되어 있다. 이 결정 결함은, 전자선 조사나 이온 조사로 만들 수 있다. 또한 표면 요철은, 세선으로 목을 가늘게 형성하여 만들 수 있다.
또, 자구 분단부 B의 재료로서는, 예를 들면 Cu, Ag, Au 등의 저저항 재료를 이용하는 것이 더 바람직하다.
또한 한편, 중간부 D의 재료로서는, 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 실리콘(Si) 및 철(Fe)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물 혹은 질화물, 불화물로 이루어지는 절연체를 이용할 수 있다. 또는, 중간부 D의 재료로는 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 혹은 이들 중 어느 한 종류 이상을 포함하는 합금을 이용할 수도 있다.
재생부의 소자 저항을 높이기 위해서는, 중간부 D의 재료로서 절연성의 재료를 이용하는 것이 유리하다.
참조 자성부 A 및 E의 두께는 0.6㎚∼100㎚의 범위 내로 하는 것이 바람직하며, 기록 자성부 C의 두께는 0.2㎚∼50㎚의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또한, 자구 분단부 B의 두께는 0.2㎚∼100㎚의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또한, 중간부 D는 0.2㎚∼10㎚의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또한 한편, 기록 자성층 C와 참조 자성층 E 및 중간부 D는 박막 형상 혹은 세선 형상으로 형성하는 것이 소자를 제작하는 데에 있어서 바람직하다.
한편, 본 발명의 고체 자기 소자의 평면 형상으로는, 예를 들면 기록 자성부 C의 평면 형상이, 장방형, 마름모형 혹은 세로로 긴(가로로 긴) 6각형이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 그 종횡비는 1:1∼1:5의 정도로 하고, 일축성의 형상 자기 이방성을 생기기 쉽게 하는 것이 바람직하다.
또한 기록 자성부 C의 사이즈는 길이 방향의 1변이 5㎚ 내지 1000㎚정도의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 도 1 등에서는, 참조 자성부 A, E와, 기록 자성부 C의 폭을 동일하게 나타내었지만, 본 발명은 이것에는 한정되지 않는다. 즉, 배선의 접속을 위해, 혹은 자화 방향의 제어를 위해, 도 5에 예시한 바와 같이 고체 자기 소자의 각 층의 폭이 상호 다르게 형성되어도 된다.
도 6은 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 변형예를 도시한 모식 단면도이다. 도 6에 대해서는, 도 1 내지 도 5에 관하여 상술한 것과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
이들 변형예는, 모두 그 중간부 D에 「포인트 컨택트」 즉, 접촉 면적이 100㎚2 이하의 자성 미소 접점 P가 형성되어 있다. 이 자성 미소 접점 P는, 참조 자성부 E 혹은 기록 자성부 C의 재료로 이루어지며, 중간부 D에서 그 주위는 절연체에 의해 피복되어 있다.
그리고, 이 자기 미소 접점 P는 도 6a에 예시한 바와 같이 콘 형상의 단면을 갖고 있어도 되며, 혹은 도 6b에 예시한 바와 같이 필라 형상의 단면을 갖고 있어도 된다. 또한, 도 6c 및 도 6d에 예시한 바와 같이, 복수의 자기 미소 접점 P가 형성되어 있어도 된다.
이러한 자기 미소 접점 P의 사이즈를 미세화하면, 자장의 인가에 의해 전기 저항이 감소한다. 이러한 전기 저항의 감소가 나타나는 사이즈는, 미소 접점 P의 단면 형상에도 의하지만, 본 발명자의 검토의 결과에 의하면, 미소 접점 P의 최대 폭을 대강 20㎚ 이하로 하면, 전기 저항의 감소가 현저해지는 것이 판명되었다. 이 때에, 자기 저항 변화율이 20% 이상으로 되는 큰 자기 저항 효과가 발생한다. 단,미소 접점 P의 단면 형상이, 아주 편평한 경우에는, 그 최대 폭이 20㎚을 초과해도, 자장의 인가에 의한 전기 저항의 감소가 발생하는 경우가 있다. 이러한 미소 접점 P를 갖는 고체 자기 소자도, 본 발명의 범위에 포함된다.
즉, 이러한 자기 미소 접점 P을 형성함으로써, 재생부 R에서 기록 자성부 C의 자화를 매우 높은 감도로 판독하는 것이 가능해진다.
또한, 이러한 자기 미소 접점 P를 형성하는 경우, 중간부 D에서 미소 접점 P 주위의 재료는 절연성의 재료에 의해 형성하고, 또한 중간부 D의 막 두께는 0.2㎚∼1000㎚ 정도의 범위까지 후막화해도 된다.
또한, 이 자성 미소 접점 P는 참조 자성부 E 혹은 기록 자성부 C의 재료로 이루어지는 것 외에, 구리(Cu)로 이루어지는 것으로 해도 된다. 이 경우에는, 컨택트부가 구리(Cu)로 이루어지며, 그 주위는 알루미늄(Al) 등의 산화물로 이루어지는 것으로 할 수 있다. 이와 같이 하면, 전류 패스를 좁게 할 수 있으므로, 통상의 CPP-MR보다도 감도를 상승시킬 수 있다.
도 7a는, 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 또 하나의 변형예를 도시한 모식 단면도이다. 도 7a에 대해서는, 도 1 내지 도 6에 관하여 상술한 것과 동일한 요 소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
본 변형예에서는, 중간부 D의 상하에 기록 자성부 C 및 참조 자성부 E가 각각 적층되어 있지만, 도 1에서 그 상측에 적층하여 형성되는 자구 분단부 B와, 또한 그 위에 적층하여 형성되는 참조 자성부 A는, 각각 면내 방향에 인접되어 있다. 즉, 자구 분단부 B와, 참조 자성부 A는 기록 자성부 C에 대하여, 막 두께 방향으로 적층되지 않고, 면내 방향에 인접하여 형성되어 있다.
고체 자기 소자의 각 층을 이러한 배치 관계로 배열해도, 도 2에 관하여 상술한 스핀 편극 전류에 의한 입력 동작이나, 도 3에 관하여 상술한 자기 저항 효과에의한 출력 동작은 마찬가지로 행할 수 있다.
또한 여기서, 중간부 D는 단일 절연층으로서 형성해도 되지만, 도 6에 예시한 바와 같이, 하나 혹은 복수의 자기 미소 접점 P를 형성함에 따라, 도 6에 관하여 상술한 작용 효과를 마찬가지로 얻을 수 있다.
도 7b는, 도 7a의 고체 자기 소자의 사용 형태를 예시하는 모식도이다. 즉, 전극 E1을 스위칭 소자 SW에 접속하고, 전극 E2를 기입 배선에 접속하고, 전극 E3을 판독 배선에 접속한다. 스위칭 소자 SW를 온으로 한 상태에서 스위칭부 SW로부터 기입 배선에 이르는 경로에 기입 전류를 흘림으로써 기록할 수 있다. 또한, 스위칭 소자 SW를 온으로 한 상태에서 스위칭부 SW로부터 판독 배선에 이르는 경로에 감지 전류를 흘림으로써 판독할 수 있다.
또, 도 1 내지 도 7에서, 동일 소자 내의 참조 기록층의 자화 방향은 동일한 방향으로 도시했지만, 이것은 어디까지나 일례이며, 이들이 상호 반평행, 혹은 90 도기울어 있어도 된다.
이상, 도 1 내지 도 7을 참조하면서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고체 자기 소자는 기록부 W에서, 스핀 편극 전류에 의해 작은 기입 전류로 기록 자성부 C에 자화 M2를 기입할 수 있으며, 또한 재생부 R에서, 자기 저항 효과를 이용하여 높은 감도로 기록 자성부 C의 자화 M2를 판독할 수 있다. 또한, 재생부 R의 임피던스 즉 소자 저항을 최적의 범위까지 높일 수 있고, 어레이화 혹은 집적화가 용이하다는 이점을 갖는다.
그래서, 이어서 이 고체 자기 소자를 어레이화한 구조에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이를 구성하는 셀의 등가 회로를 도시한 모식도이다. 즉, 본 발명의 소자 어레이의 셀은, 도 1 내지 도 7에 관하여 상술한 고체 자기 소자(10)와, 이 소자를 선택하여 전류를 흘리기 위한 스위칭부(20)를 갖는다. 고체 자기 소자(10)는 상술한 바와 같이, 전류를 흘려 기입을 행하는 기록부 W와, 기록부 W의 기록 자성부 C를 공유하여 자기 저항 효과에 의해 판독을 행하는 재생부 R을 갖는다.
그리고, 재생부 R과 스위칭부(20)와의 사이에 기록부 W가 형성되고, 재생부 R과 기록부 W와의 사이에 기입용 배선 WL2가 접속되어 있다. 이 구조에 의하면, 스위칭부(20)를 ON(온) 상태로 하여 b-c 사이에 전류를 흘림으로써 기입이 가능해지고, 또 스위칭부를 ON(온) 상태로 하여 a-c 사이에 전류를 흘리고, a-c 사이의 저항(전압)을 검출함으로써 재생을 행할 수 있다. 즉, b는 기입용 배선 WL2에 접속되어 있다.
이 접속 관계는 재생부 R의 저항과 비교하여 기록부 W의 저항이 작기 때문에 고안하였다. 즉, 기록부 W와 재생부 R의 위치 관계가 도 8에 도시한 관계와는 반대로 되면, 재생부 R의 큰 저항에 의해 기입 시에 기록부 W에 자화 반전에 충분한 전류를 흘릴 수 없게 된다. 이것을 회피하기 위해, 재생부 R과 스위칭부(20) 사이에 기록부 W를 형성하고, 재생부 R과 기록부 W와의 사이에 기입용 배선 WL2를 접속한다. 이와 같이 하면, 기입과 판독을 위한 셀의 선택을, 하나의 스위칭부(20)에 의해 행하는 것이 가능해지고, 집적화한 경우의 구성을 대폭 간략하게 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이의 일부를 도시한 모식 회로도이다. 즉, 이 소자 어레이는, 예를 들면 자기 메모리로서 이용할 수 있으며, 도 8에 예시한 셀을 매트릭스 형상으로 접속한 구조를 갖는다. 그리고, 도 8에 도시한 기입용 배선 WL2 외에, 이것에 평행한 재생용 배선 WL1, 그리고 이것에 직교하는 셀 선택을 위한 배선 BL1이라는 3개의 배선을 셀 사이에서 공유한다.
이 구조에 의하면, 지정된 셀의 번지에 대응하는 워드선(WL1, WL2)과 비트선(BL1)을 사용하여, 임의의 셀을 선택한 기입 및 재생이 가능해진다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 자기 소자 어레이의 또하나의 구체예를 도시한 모식 회로도이다. 이 구체예도 자기 메모리로서 이용할 수 있다.
본 구체예인 경우, 재생부 R에는 스위칭부(20A)가 접속되고, 기록부 W에는 스위칭부(20B)가 접속되어 있다. 그리고, 재생부 R과 기록부 W와의 사이에 기입용 배선 WL1이 접속되어 있다. 스위칭부(20A)는 배선 BL1에 의해 ON(온) 상태로 되 고, 스위칭부(20B)는 배선 BL2에 의해 ON(온) 상태로 된다.
이 어레이의 경우에는, 스위칭부(20A)와 배선 WL1에 의해 임의의 셀의 재생부 R을 선택하여 판독을 행하고, 한편 스위칭부(20B)와 배선 WL1에 의해 임의의 셀의 기록부 W를 선택하여 기입을 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 제1 실시 형태로서, 도 1 내지 도 10에 예시한 고체 자기 소자 및 그 응용 예에 대하여 설명하였다.
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 자기 소자의 단면 구조를 도시한 모식도이다.
즉, 본 실시 형태의 고체 자기 소자는 중앙부에 재생부 R을 갖고, 그 양측에 기록 자성부를 각각 공유하도록 2개의 기록부 W1, W2를 갖는다.
그 적층 구조에 대하여 설명하면, 참조 자성부 A, 자구 분단부 B, 기록 자성부 C, 중간부 D, 기록 자성부 E, 자구 분단부 F, 참조 자성부 G가 이 순서대로 적층된 구조를 갖는다. 그리고, 참조 자성부 A와 자구 분단부 B와 기록 자성부 C에 의해 기록부 W1이 구성되고, 기록 자성부 C와 중간부 D와 기록 자성부 E에 의해 재생부 R이 구성되고, 기록 자성부 E와 자구 분단부 F와 참조 자성부 G에 의해 기록부 W2가 구성되어 있다.
이들 각 층의 재료나 막 두께, 사이즈 등에 대해서는, 제1 실시 형태에 관하여 상술한 것과 마찬가지로 할 수 있다.
그 동작에 대하여 설명하면, 우선 기입은 전극 E1-E2 사이에 전류를 흘림으 로써 기록 자성부 C의 자화 반전을 행하여 기록 자성부 C에의 기입을 행하고, 전극 E3-E4 사이에 전류를 흘림으로써 기록 자성부 E의 자화 반전을 행하여 기록 자성부 E에의 기입을 행한다. 이들 기입의 메카니즘은, 도 2에 관하여 상술한 것과 마찬가지로, 스핀 편극 전류를 이용한 전류 직접 구동형 자화 반전 기구에 의한다.
한편, 재생은 전극 E2-E3 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 기록 자성부 C와 E 사이의 자화의 상대적 각도를 자기 저항으로서 검출한다. 그 메카니즘은, 도 3에 관하여 상술한 것과 마찬가지이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 고체 자기 소자는 2개의 기록 자성부에 각각 독립적으로 정보를 저장할 수 있다.
도 12는 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 변형예를 도시한 모식 단면도이다. 도 12에 대해서는, 도 11에 관하여 상술한 것과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
즉, 이들 변형예는 도 6에 예시한 소자와 마찬가지로, 포인트 컨택트 즉 자기 미소 접점 P를 갖는다. 상술한 바와 같이, 이러한 미소 접점 P를 형성함으로써, 높은 자기 저항 변화율을 얻을 수 있고, 기록 자성부 C 및 E에 기록된 자화를 매우 높은 감도로 판독하는 것이 가능해진다.
또, 도 11 및 도 12에서, 동일 소자 내의 참조 기록층의 자화 방향은 동일한 방향으로 나타내었지만, 이것은 어디까지나 일례이고, 이들이 상호 반평행, 혹은 90도기울어 있어도 된다.
도 13a는 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 또하나의 변형예를 도시한 모식 단면도이다. 도 13a에 대해서는, 도 1 내지 도 12에 관하여 상술한 것과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
본 변형예에서도, 중간부 D의 상하로 기록 자성부 C 및 E가 각각 적층되어 있지만, 자구 분단부 B, F와, 참조 자성부 A, G는 기록 자성부 C, E에 대하여, 막 두께 방향으로 적층되지 않고, 각각 면내 방향에 인접하여 형성되어 있다. 그리고, 전극 E1이 참조 자성부 A에 접속되고, 전극 E2가 기록 자성부 C에 접속되고, 전극 E3이 기록 자성부 E에 접속되고, 전극 E4가 참조 자성부 G에 접속되어 있다.
고체 자기 소자의 각 층을 이러한 배치 관계로 배열해도, 도 2에 관하여 상술한 스핀 편극 전류에 의한 입력 동작이나, 도 3에 관하여 상술한 자기 저항 효과에의한 출력 동작은 마찬가지로 행할 수 있다.
또한 여기서, 중간부 D는 단일 절연층으로서 형성해도 되지만, 도 6이나 도 12에 예시한 바와 같이, 하나 혹은 복수의 자기 미소 접점 P를 형성함에 따라, 도 6 및 도 12에 관하여 상술한 작용 효과를 마찬가지로 얻을 수 있다.
도 13b는, 도 13a의 고체 자기 소자의 사용 형태를 예시하는 모식도이다. 즉, 전극 E1, E4를 스위칭 소자 SW1, SW2에 각각 접속하고, 전극 E2, E3을 기입 배선(1, 2)에 각각 접속한다. 스위칭 소자 SW1을 온으로 한 상태에서 스위칭부 SW1로부터 기입 배선(1)에 이르는 경로에 기입 전류를 흘림으로써 기록 자성부 C의 자화를 소정의 방향을 향하여 기록할 수 있다. 또한, 스위칭 소자 SW2를 온으로 한 상태에서 스위칭부 SW2로부터 기입 배선(2)에 이르는 경로에 기입 전류를 흘림으로써 기록 자성부 E의 자화를 소정의 방향을 향하여 기록할 수 있다.
도 14는 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 또 하나의 변형예를 도시한 모식 단면도이다. 즉, 도 14a는 그 평면도이고, 도 14b는 그 정면도이다. 도 14에 대해서도, 도 1 내지 도 13에 관하여 상술한 것과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
본 변형예에서는, 참조 자성부 A, 자구 분단부 B, 기록 자성부 C, 자구 분단부 H, 참조 자성부 I가 이 순서대로, 대략 동일 평면 내에 배치되어 있다. 그리고, 기록 자성부 C 위에 중간부 D가 적층되고, 그 위에 참조 자성부 E가 적층되어 있다.
중간부 D의 크기는 기록 자성부 C와 참조 자성부 E와의 중첩부와 동일하거나 그 이상의 것이 필요하다. 따라서, 중간부 D는 기록 자성부 C의 전체를 피복해도, 또한 자구 분단부 B까지 피복해도 전극 E1과 E2를 접속할 수 있으면 된다.
또한, 참조 자성부 I의 자화 방향은 참조 자성부 A와는 반평행한 것이 바람직하다. 전극 E2는 참조 자성부 I에 접속되어 있다. 2개의 자구 분단부 B 및 H에 의해, 참조 자성부 A와 기록 자성부 C, 혹은 기록 자성부 C와 참조 자성부 I의 자화 방향을 각각 반평행하게 향하게 하는 것이 가능해진다.
이것에 전극 E1과 E2를 사용하여, 전자를 E1로부터 E2로 흘리면, 기록 자성부 C의 자화는 참조 자성부 A와 동일한 방향을 향한다. 반대로, 전자를 전극 E2로부터 전극 E1로 흘리면, 기록 자성부 C의 자화는 참조 자성부I의 방향이 된다.
스위칭부, 기입 배선, 판독 배선을 각각 E1, E2, E3에 접속하면, 도 7b에 관하여 상술한 것과 동일한 동작이 가능해진다.
도 15는, 본 실시 형태의 고체 자기 소자의 또하나의 변형예를 나타내는 모식 단면도이다. 즉, 도 15a는 그 평면도이고, 도 15b는 그 정면도이다. 도 15에 대해서도, 도 1 내지 도 14에 관하여 상술한 것과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
본변형예에서는, 참조 자성부 A, 자구 분단부 B, 기록 자성부 C, 자구 분단부 H, 참조 자성부 I가 이 순서대로, 대략 동일한 평면 내에 배치되어 있다. 그리고, 기록 자성부 C의 위에, 중간부 D가 적층되고, 그 위에 기록 자성부 E가 적층되어 있다. 기록 자성부 E의 양측에는, 각각 자구 분단부 F, J를 개재하여, 참조 자성부 G, K가 대략 동일면 내에 배열되어 있다. 중간부 D의 크기는 기록 자성부 C와 기록 자성부 E와의 중첩부와 동일하거나 그 이상의 것이 필요하다.
또한, 본 구체예에서도, 참조 자성부 G의 자화 방향은 참조 자성부 K의 자화 방향과는 반평행한 것이 바람직하다. 2개의 자구 분단부 B 및 H에 의해, 참조 자성부 A와 기록 자성부 C, 혹은 기록 자성부 C와 참조 자성부 I의 자화 방향을 각각 반평행하게 향하게 하는 것이 가능해진다. 또 마찬가지로, 2개의 자구 분단부 F 및 J에 의해, 참조 자성부 G와 기록 자성부 E, 혹은 기록 자성부 E와 참조 자성부 K의 자화 방향을 각각 반평행하게 향하게 하는 것이 가능해진다.
도 16은 본 실시 형태의 고체 자기 소자를 이용한 고체 자기 소자 어레이의 모식 회로도이다. 이 고체 자기 소자 어레이는, 도 11 또는 도 12에 도시한 고체 자기 셀과 이 셀을 선택하여 전류를 흘리기 위한 2개의 스위칭부(30A, 30B)로 이루어지는 셀이, 매트릭스 형상으로 접속된 구조를 갖는다. 이들 셀은 2개의 스위칭 부(30A, 30B) 각각에 접속된 2개의 비트선 BL1과 BL2, 재생부 R과 2개의 기록부 W1, W2와의 사이에 접속된 워드선 WL1과 WL2, 또한 한쪽의 스위칭부에 접속된 워드선 WL3에 접속되어 있다.
기입은, 다음과 같이 하여 행한다. 우선, 기록부 W1의 기록 자성부 C에 기입하는 경우에는, 스위칭부(30A)를 ON(온) 상태로 하여 이 스위칭부(30A)의 일단(도면에서는 하단)과 배선 WL1과 전류를 흘려 기입을 행한다. 또한, 기록부 W2의 기록 자성부 E에의 기입은 스위칭부(30A)를 ON(온) 상태로 하고, 워드선 WL2와 WL3에 전류를 흘려 기입한다.
한편, 재생은 3가지의 방법에 의해 가능하다.
제1 방법으로는, 2개의 스위칭부(30A, 30B)를 ON(온) 상태로 하여, 스위칭부(30A)의 하단(도 16에서)과 워드선 WL3과의 사이의 자기 저항을 검출한다.
제2 방법으로는, 스위칭부(30A)만 ON(온) 상태로 하고, 스위칭부(30A)의 하단(도 16에서)과 워드선 WL2와의 사이의 자기 저항을 검출한다.
제3 방법으로는, 스위칭부(30B)만 ON(온) 상태로 하고, 워드선 WL1과 WL3과의 사이의 자기 저항을 검출한다.
상기 어느 한 경우도, 기록 자성부 C, E의 저항이 작으므로, 재생부 R의 저항을 검출할 수 있다.
이하, 실시예를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 더 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
우선, 본 발명의 제1 실시예로서, 제1 실시 형태의 고체 자기 소자를 제작하였다.
도 17a 및 도 17b는 본 실시예의 고체 자기 소자의 주요부 단면 구조를 도시한 모식도이다.
이들 적층 구조는, 초고 진공 스퍼터 장치를 이용하여 제작하였다. 우선, 통상의 CMOS 프로세스에 의해 Si 웨이퍼 위에 FET를 형성한 것을 기반으로 하였다. 그 위에, 탄탈(Ta)과 구리(Cu)로 이루어지는 하측 전극막(도시하지 않음)을 형성하고, 도 17a 및 도 17b의 적층막을, 도 17과는 상하 반대의 순서로 형성하고, 또한 상부 전극층을 형성하였다. 이 적층막 위에 EB(electron beam) 레지스트를 도포하여 EB 노광하고, 리프트 오프함으로써, 적층막을 우선 60㎚×240㎚의 사이즈로 가공한 후, 또 EB 묘화, 리프트 오프를 이용하여, 미소 적층막의 일부를 기록층이 나올 때까지 제거하여 도 1에 도시한 구조를 제작하였다. 또한, 각각의 전극은 도 9에 도시한 바와 같이 판독용 및 기입용 워드선과 FET에 접속하였다.
이 고체 자기 소자에 대하여, 스위칭용 트랜지스터를 ON(온) 상태로 하여 우선, 마이너스 3㎃(밀리암페어)의 펄스 전류를 b-c 사이에 흘려 자화를 초기화한 후, 플러스의 부호를 갖는 펄스 전류를 흘리고, 기록 자성부 C의 자화 반전을 a-c 사이의 자기 저항 변화에 의해 검출하였다. 그 결과, 도 17a, 도 17b 모두 b-c 사이에 플러스 0.2㎃의 기입 전류를 흘린 경우, a-c 사이에서 얻어지는 터널 자기 저항의 값은 변화하지 않고, 자화 반전이 생기지 않았지만, 도 17a의 구조를 갖는 소자는 b-c 사이에 플러스 0.9㎃의 전류를 흘리면 a-c 사이에서 얻어지는 자기 저항 은 변화를 나타내고, 또한 도 17b의 구조를 갖는 소자는 b-c 사이에 플러스 0.6㎃의 전류를 흘리면 a-c 사이에서 얻어지는 자기 저항은 변화를 나타내고, 각각 자화 반전한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 이 고체 자기 소자를 4 x 4의 매트릭스 형상으로 어레이화하여 도 9와 같은 접속한 고체 자기 소자 어레이를 제작하였다. 이 어레이 구조에서, 비트선 BL과 워드 WL을 적절하게 선택함으로써, 임의의 셀에 대하여 기입과 판독을 행할 수 있었다.
(제2 실시예)
이어서, 본 발명의 제2 실시예로서, 도 11에 도시한 제2 실시 형태의 고체 자기 소자를 제작하였다. 즉, 본 실시예에서는 기록 자성부 C 및 E로서는 니켈철 코발트(NiFeCo)로 이루어지는 자성체막을 이용하고, 중간부 D로서는 알루미나를 이용하고, 참조 자성부 A 및 G로서는 코발트철(CoFe)을 이용하였다. 또한, 참조 자성부 A 및 G의 외측에는 루테늄(Ru)/코발트철(CoFe)/백금 이리듐·망간(PtIrMn)으로 이루어지는 적층막을 각각 형성하여 교환 이방성을 부여하였다.
이와 같이 하여 형성한 제2 실시 형태의 고체 자기 소자는, 하나의 소자로 논리 처리를 행할 수 있다. 즉, 이 소자는, 기록 자성부 C와 기록 자성부 E에 각각 입력하는 「0」, 「1」 신호의 조합에 의해, 예를 들면 논리곱(AND)이나 논리합(OR) 혹은 이들 부정(NAND, NOR)을 비롯한 각종 논리 처리가 가능해진다. 또한, 이 재생 출력 결과를 증폭 처리하여 다음 셀에 입력함으로써, 더 복잡한 각종 연산 처리가 가능해진다.
(제3 실시예)
이어서, 본 발명의 제3 실시예로서, 도 14에 예시한 바와 같이, 2개의 세선을 크로스시킨 구조의 고체 자기 소자의 작성 방법을 설명한다.
도 18은 본 실시예의 고체 자기 소자의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
즉 우선, 참조 자성부 A, 자구 분단부 B, 기록 자성부 C, 자구 분단부 H, 참조 자성부 I의 기초가 되는 CoFe로 이루어지는 자성막을 형성한다. 그 막 위에 레지스트를 도포하고, EB 묘화 장치를 이용하여 세선형 마스크를 형성한다. 그리고,리액티브 이온 에칭 장치에서 세선 이외의 부분을 제거하여 도 18a에 도시한 바와 같이 세선(100)을 형성한다.
이 세선에 대하여, 도 18a에 도시한 L1과 L2의 라인 상에서 전자 빔을 스캔시킴에 따라, 도 18b에 도시한 바와 같이, 결정 변질부로 이루어지는 자구 분단부 B, H를 형성한다.
이어서, 도 18c에 도시한 바와 같이, 세선(100) 위에 중간부 D 및, 참조 자성부 E를 위한 자성층(110)을 형성한다. 그리고, 도 18a에 관하여 상술한 것과 동일한 방법으로 이 자성층(110)을 세선화한다. 이 때, 세선(120)의 방향이, 하측의 세선(100)과 대략 직각 방향이 되도록 형성한다.
참조 자성부 A와 참조 자성부 I와의 자화 방향을 반평행하게 하기 위해, 예를 들면 참조 자성부 I에 PtMn 패드를 직접 적층하거나 Ru(막 두께 약 1㎚)을 통해 PtMn 패드를 적층한다. 그리고, 마지막으로 배선을 부착하였다.
이상 설명한 방법에 의해, 중간부 D를 개재하여 예를 들면 폭 50㎚의 2개의 크로스한 세선을 갖는 고체 자기 소자를 형성할 수 있다.
이상, 구체예를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이들 구체예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 고체 자기 소자를 구성하는 각 요소의 구체적인 치수 관계나 재료, 기타, 전극, 패시베이션, 절연 구조 등의 형상이나 재질에 관해서는, 당업자가 공지된 범위로부터 적절하게 선택함으로써 본 발명을 마찬가지로 실시하고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는한, 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 고체 자기 소자에서의 반강자성층, 강자성층, 간층, 절연층 등의 구성 요소는, 각각 단층으로서 형성해도 되며, 혹은 2 이상의 층을 적층한 구조로 해도 된다.
기타, 본 발명의 실시 형태로서 상술한 고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이를 기초로 하여, 당업자가 적절하게 설계 변경하여 실시할 수 있는 모든 고체 자기 소자 및 고체 자기 소자 어레이도 마찬가지로 본 발명의 범위에 속한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전류 직접 구동에 의한 자화 반전을 이용하여 저전류로 확실한 기입이 가능한 기록부와, 자기 저항 효과를 이용하여, 높은 소자 임피던스가 가능한 재생부를 갖는 고체 자기 소자를 제공할 수 있다.
그 결과로서, 어레이화한 경우에도 셀 선택이 가능하고, 고집적화 및 저소비 전력화가 가능한 자기 메모리나 각종 논리 회로 등을 실현할 수 있어, 산업 상의 장점은 많다.

Claims (21)

  1. 자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
    자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
    상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 포함하는 기록 자성부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 자구 분단부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 중간부
    를 포함하고,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제2 방향에 대한, 상기 제3 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 스위칭부와,
    상기 기록 자성부에 접속된 기입 배선
    을 더 포함하고,
    상기 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 스위칭부로부터 상기 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘리고,
    상기 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 스위칭부로부터 상기 제2 참조 자성부에 이르는 경로에 상기 감지 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 제1 스위칭부와,
    상기 기록 자성부에 접속된 기입 및 판독 배선과,
    상기 제2 참조 자성부측에 접속된 제2 스위칭부
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제1 스위칭부로부터 상기 기입 및 판독 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘리고,
    상기 제2 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제2 스위칭부로부터 상기 기입 및 판독 배선에 이르는 경로에 상기 감지 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 기록 자성부에 스핀 편극한 전자 전류가 유입되고, 상기 스핀 편극한 전자 전류에 의해 그 기록 자성부의 강자성체의 자화가 상기 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 되고,
    상기 감지 전류를 흘렸을 때에, 상기 자화 방향의 상대적인 관계에 대응하여 저항이 변화하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중간부는 전기적으로 절연성 재료에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간부는 인접하는 자성층으로부터 연장된 자기 접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기록 자성부가 갖는 상기 강자성체는, 상기 참조 자성부가 갖는 상기 강자성체보다도 연자성의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성체에 교환 바이어스 자계를 인가하는 반강자성층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  9. 자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
    자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
    상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성된 중간부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 갖는 제1 기록 자성부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제4 강자성체를 갖는 제2 기록 자성부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 형성된 제1 자구 분단부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 형성된 제2 자구 분단부
    를 포함하고,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제4 강자성체의 자화를 상기 제2 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제1 기록 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체와 상기 제4 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 제1 스위칭부와,
    상기 제2 참조 자성부측에 접속된 제2 스위칭부와,
    상기 제1 기록 자성부에 접속된 제1 기입 배선과,
    상기 제2 기록 자성부에 접속된 제2 기입 배선
    을 더 포함하고,
    상기 제1 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제1 스위칭부로부터 상기 제1 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제2 스위칭부로부터 상기 제2 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 제4 강자성체의 자화를 상기 제2 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 기록 자성부에 스핀 편극한 전자 전류가 유입되고, 상기 스핀 편극한 전자 전류에 의해 그 기록 자성부의 강자성체의 자화가 상기 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 되는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 중간부는 인접하는 자성층으로부터 연장된 자기 접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 중간부는 전기적으로 절연성의 재료에 의해 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 중간부는 인접하는 자성층으로부터 연장된 자기 접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 기록 자성부가 갖는 상기 강자성체는, 상기 참조 자성부가 갖는 상기 강자성체보다도 연자성의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성체에 교환 바이어스 자계를 인가하는 반강자성층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자.
  17. 자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
    자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
    상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 포함하는 기록 자성부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 자구 분단부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 형성된 중간부
    를 포함하고,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제2 방향에 대한, 상기 제3 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 복수의 고체 자기 소자와,
    상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단
    을 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자 어레이.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 스위칭부와,
    상기 기록 자성부에 접속된 기입 배선
    을 더 포함하고,
    상기 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 스위칭부로부터 상기 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘리고,
    상기 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 스위칭부로부터 상기 제2 참조 자성부에 이르는 경로에 상기 감지 전류를 흘리도록 구성한 복수의 고체 자기 소자와,
    상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단
    을 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자 어레이.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 제1 스위칭부와,
    상기 기록 자성부에 접속된 기입 및 판독 배선과,
    상기 제2 참조 자성부측에 접속된 제2 스위칭부
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제1 스위칭부로부터 상기 기입 및 판독 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘리고,
    상기 제2 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제2 스위칭부로부터 상기 기입 및 판독 배선에 이르는 경로에 상기 감지 전류를 흘리도록 구성한 복수의 고체 자기 소자와,
    상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단
    을 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자 어레이.
  20. 자화 방향이 제1 방향으로 고착된 제1 강자성체를 포함하는 제1 참조 자성부와,
    자화 방향이 제2 방향으로 고착된 제2 강자성체를 포함하는 제2 참조 자성부와,
    상기 제1 및 제2 참조 자성부 사이에 형성된 중간부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제3 강자성체를 갖는 제1 기록 자성부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 중간부와의 사이에 형성되고, 제4 강자성체를 갖는 제2 기록 자성부와,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 형성된 제1 자구 분단부와,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 형성된 제2 자구 분단부
    를 포함하고,
    상기 제1 참조 자성부와 상기 제1 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 참조 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 기입 전류를 흘림으로써, 상기 제4 강자성체의 자화를 상기 제2 방향과 대략 평행하거나 대략 반평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제1 기록 자성부와 상기 제2 기록 자성부와의 사이에 감지 전류를 흘림으로써, 상기 제3 강자성체와 상기 제4 강자성체의 자화 방향의 상대적인 관계를 검출 가능하게 한 복수의 고체 자기 소자와,
    상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자 어레이.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 참조 자성부측에 접속된 제1 스위칭부와,
    상기 제2 참조 자성부측에 접속된 제2 스위칭부와,
    상기 제1 기록 자성부에 접속된 제1 기입 배선과,
    상기 제2 기록 자성부에 접속된 제2 기입 배선
    을 더 포함하고,
    상기 제1 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제1 스위칭부로부터 상기 제1 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 제3 강자성체의 자화를 상기 제1 방향과 대략 평행하거나 대략 반 평행한 방향을 향하게 하고,
    상기 제2 스위칭부를 온으로 한 상태에서 상기 제2 스위칭부로부터 상기 제2 기입 배선에 이르는 경로에 상기 기입 전류를 흘림으로써 상기 제4 강자성체의 자화를 상기 제2 방향과 대략 평행하거나 대략 반 평행한 방향을 향하게 하도록 구성한 복수의 고체 자기 소자와,
    상기 복수의 고체 자기 소자의 임의의 어느 하나를 선택하여 상기 기입 전류 또는 상기 감지 전류를 흘리는 선택 수단
    을 포함한 것을 특징으로 하는 고체 자기 소자 어레이.
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