KR100643067B1 - Ｃｐｐ 스핀 밸브 소자 - Google Patents

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후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

CPP 스핀-밸브 소자는 적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층 구조 및 적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층 구조를 포함하는 기판 상에서 형성된다. 프리층은 핀드층보다 자기적으로 더 연하다. 프리층 및 핀드층을 분리하도록 구성되는 얇은 비자성 공간층 구조는 프리층 구조 및 핀드층 구조 사이의 자기 결합을 방지하고 전기 전류가 흐르도록 하기 위하여 제공된다. 상당히 상이한 전류 도전율들을 갖는 적어도 두개의 부분을 포함하는 적어도 두개의 전류 한정(CC) 층 구조가 내부에 통합되어 있다.

Description

ＣＰＰ 스핀 밸브 소자{CPP SPIN-VALVE ELEMENT}
도 1은 관련된 종래 기술의 CPP 스핀-밸브 소자의 개략적인 구조도.
도 2는 관련된 종래 기술의 다른 유형의 CPP 스핀-밸브 소자의 개략적인 구조도.
도 3a 내지 도 3c는 파라미터 집합을 지닌 본 발명의 스핀-밸브 구조의 두개의 CC-층의 위치 상의 저항, 저항 변화 ΔR, 및 GMR 비율의 종속성을 나타내는 전형적인 등고선 다이어그램.
도 4는 시뮬레이션 모델의 개략도.
도 5a 내지 도 5r은 다양한 별개의 파라미터 집합을 지닌 본 발명의 CPP 스핀-밸브 구조의 두개의 CC-층의 위치에 관한 GMR 비율의 등고선 맵.
도 6a 내지 도 6l은 GMR 비율 대 별개의 파라미터 집합을 지니고 도 5에 도시된 것과 같은 본 발명의 CPP 스핀-밸브 구조를 위한 CC-층의 위치를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예의 개략적인 구조도.
도 8a 및 도 8b는 GMR 비율 및 출력 전압 ΔV 대 본 발명의 다른 유형의 CPP 스핀-밸브 소자 구조를 위한 CC-층의 위치를 도시하는 도면.
도 9는 도 8에 도시된 것과 같은 구조들 중 하나의 본 발명의 실시예의 개략 적인 구조도.
도 10은 CC-층의 도전 경로들의 전체 폭에 대한 출력 전압 ΔV의 종속성을 나태내는 그래프.
도 11은 도 10의 예와 동일한 구조 및 파라미터들의 스핀-밸브 소자의 CC-층의 한정된 전류 경로의 폭과, 프리층 및 핀드층의 두께의 함수로서, 표준화된 출력 전압의 등고선 맵을 도시하는 도면.
도 12는 표준화된 출력 대 도 10의 예와 같은 구조 및 파라미터들을 위한 한정된 전류 경로의 폭을 나타내는 그래프.
도 13은 두개의 CC-층의 도전 부분들 사이의 거리에 대한 출력의 종속성을 나타내고, 각 CC-층은 하나의 도전 부분을 갖고, 본 발명의 실시예의 프리층을 가로질러 위치하고 있는 것인 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예의 개략적인 단면도.
본 발명은 일반적으로 자기 저항(magnetoresistive) 스핀-밸브(spin-valve; SV) 소자의 영역에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 CPP(current perpendicular-to-the-plane) 스핀-밸브 장치 구성들에 관한 것으로, 이는 자기 비휘발성 대용량 메모리(MRAM) 및/또는 자기 매체 상에 기록된 정보 신호들을 판독하는 자기 변환기 또는 "헤드"로서 이용가능하다.
관련된 기술, 예를 들면, 미국 특허 제5,159,513호는 스핀-밸브 자기 저항 센서로 종종 언급되는 자기 변환기를 개시한다. 스핀-밸브 소자는 상이한 자기장 감도를 갖는 적어도 두개의 강자성층(ferromagnetic layer)들을 포함한다. 더 고감도를 갖는 강자성층은 "프리층(free layer)"으로 언급되고, 또 다른 강자성층은 "핀드층(pinned layer)"로 언급된다. 스핀-밸브 소자의 저항은 두 층의 자화(magnetization) 사이의 각의 함수(그 각의 cosine)이고, 자화 방향에 대하여 전류 방향과 독립적이다(이는 전통적으로 거대 자기 저항 효과(GMR)로 불린다).
MRAM에 있어서, 이진 정보는 프리층 또는 핀드층 중 어느 하나의 자화의 방향으로 저장된다. 저장된 정보는 자계(field)를 인가하고 스핀-밸브 소자의 저항의 변화의 부호를 감지함으로써 판독된다. 예를 들면, 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 "Characteristics of AP Bias in Spin Valve Memory Elements"(J. Zhu 및 Y. Zheng, IEEE Trans.Magn. Vol.34, 1063-1065 페이지, 1998년도); "Pseudo Spin Valve MRAM Cells with Sub-Micrometer Critical Dimension"(B.A.Everitt 등, IEEE Trans.Magn. Vol.34, 1060-1062 페이지, 1998년도)를 참조한다. 이진(binary) 정보는 또한 스핀-밸브 소자의 저항을 직접 감지함으로써 판독된다. 스핀-밸브 소자는 또한 소자의 저항 변화를 통해 자기장을 검출함으로써, 자기 기록 내의 판독 헤드와 같은 자기장 센서에 적용될 수 있다. 스핀-밸브 헤드는 큰 선형 밀도에서 자기 표면으로부터의 데이터를 판독할 수 있음은 알려진 바 있다.
GMR 효과는 레이어 구조에 수직한 전류로 측정되는 경우가 평면 방향의 전류로 측정되는 경우보다 더 크다. 예를 들면, 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 "Perpendicular Giant Magnetoresistance of Microstructured Fe/Cr Magnetic multilayers from 4.2 to 300K"(M.A, M.Gijs, S.K.J.Lenczovski 및 J.B.Giesbers, Physical Review Letters, Vol.70, 3343-3346 페이지, 1993년도)를 참조한다. 전자는 CPP(current perpendicular-to-the-plane)로 불려지고, 후자는 CIP(current-in-plane)으로 불려진다. 그러므로 환경이 허용한다면, CIP보다는 CPP를 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 보통의 CPP 구조에 있어서의 결함은 CIP 구조에 비하여 매우 낮은 저항 변화만을 얻을 수 있다는 사실이다. 결과적으로 매우 낮은 저항 변화로 인하여 합당한 출력 신호 레벨을 얻기 위해서는 매우 큰 전류를 인가할 필요가 있다.
미국 특허 제6,560,077호는 기판 및 기판 상에 형성되는 층 구조를 포함하는 스핀-밸브 소자를 포함하는 한정된 전류 경로(confined current path; CCP) CPP 스핀-밸브 장치를 개시한다. 층 구조는 강자성체의 제1 박막층 및 강자성체의 제2 박막층을 구비한다. 제1 박막층 및 제2 박막층은 얇은 비자성층(non-magnetic layer) 구조에 의해 분리된다. 제1 및 제2 박막 층 중 하나는 프리층이고 제1 및 제2 박막 층 중 또 다른 하나는 핀드층이다. 비자성층 구조는 적어도 하나의 CCP 및 다수의 한정된 전류 경로들을 통해 프리층 및 핀드층 사이의 스핀-밸브 소자를 거쳐 전류 흐름을 생성하는 수단을 구비하는 전류 한정(current confining; CC) 층 구조를 갖는다. 다수의 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 한정된 전류 경로는 프리층의 가장자리에서를 제외하고 프리층의 교환 길이(exchange length)의 폭의 모든 플럭스(flux) 경로 내에 형성된다.
도 1은 미국 특허 제6,560,077호에 의해 개시된 CPP 스핀-밸브 소자를 나타낸다. 스핀-밸브 소자는 자성층(magnetic layer) 구조(11 및 12)를 포함하며, 이들 중 하나는 도입충 구조이고 또 다른 하나는 사이에 비자성 도전 공간층 구조(conducting spacer layer; 13) 및 CC-층 구조(14)를 지닌 핀드층 구조이다. 각 층 구조는 폭 w및 높이 h를 갖는다. CC-층 구조는 CC-층 구조의 한 쪽으로부터 CC-층 구조의 또 다른 쪽으로 향하는 전류 경로를 한정하여 스핀-밸브 소자의 전체 저항을 증가시킨다. 이로써 합당한 전류량이 소자에 수직한 스핀-밸브 소자에 인가될 경우 고 출력 전압이 가능하게 된다. CC-층 구조(14)는 도전 부분 또는 다수의 도전 부분들을 지닌 절연체를 포함한다. 도전 부분이 홀(hole)인 경우, 자성층 구조(11) 및 도전 공간층 구조(13)는 홀들을 통해 서로에 직접 연결된다. CC-층 구조(14)는 상당히 상이한 도전율을 갖는 적어도 두개의 부분들로 구성된 모자이크 구조일 수 있다. 스핀-밸브 소자는 리드(lead; 15 및 15`)를 통해 한 쪽에서 또 다른 쪽으로 전류를 인가하는 전류원에 연결된다. 리드는 자성체 또는 비자성체 중 어느 하나일 수 있다.
미국 특허 제5,715,121호는 다수의 자성막(magnetic film) 및 하나 이상의 비자성막(nonmagnetic film)을 포함하는 CPP 스핀-밸브 소자를 개시한다. 자성막들 및 하나 이상의 비자성막은 층으로 쌓여져, 각 비자성막은 한 쌍의 자성막 사이에 배열된다. 비자성막은 전기 절연체 막 및 전기 절연체 막에 배치된 적어도 하나의 전기 도전체를 포함하여, 전류 경로를 소자의 단면 영역보다 더 작은 단면 영역에 한정한다. 그러므로, 스핀-밸브 소자는 스핀-밸브 소자를 사용 가능하게 하 는 저항 변화 및 큰 저항을 제공한다.
도 2는 미국 특허 제5,715,121호에 의해 개시된 CPP 스핀-밸브 소자를 나타낸다. 스핀-밸브 소자는 자성층 구조(21 및 22)를 포함하고, 이들 중 어느 하나는 프리층 구조이고 또 다른 하나는 사이에 비자성 CC-층 구조(24)를 지닌 핀드층 구조이다. CC-층 구조(24)는 상당히 상이한 도전율을 갖는 적어도 두개의 부분을 포함하는 모자이크 구조일 수 있다. 스핀-밸브 소자는 전류원에 연결되어 리드(25 및 25`)를 통해 한 쪽으로부터 또 다른 쪽으로 전류를 인가하며, 리드는 자성체 또는 비자성체일 수 있고, 각 층 구조는 폭 w 및 높이 h를 갖는다.
미국 특허 제5,715,121호 및 제6,560,077호는 참조로 본 명세서에 통합되어 있다. 또한 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 "High-resolution focused ion beams"(Jon Orloff, Review of Scientific Instruments, Vol.64, 1105-1130 페이지, 1993년도)을 참조한다.
본 발명을 통하여 고 저항을 갖고 저 전류로 고 출력 신호를 생성하는 CPP 구조의 스핀-밸브 소자를 구현하여, 관련된 종래의 기술 장치에 의해 얻어진 것보다 더 낮은 전류를 인가함으로써 실질적으로 더 높은 출력 및 더 좋은 성능을 얻고자 한다.
본 발명의 목적은 고 저항을 갖고, 저 전류로 고 출력 신호를 생성하는 CPP 구조의 스핀-밸브 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 관련된 종래의 기술 장치에 의해 얻어진 것보다 더 낮은 전류를 인가함으로써 실질적으로 더 높은 출력 및 더 좋은 성능을 얻는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적들에 따라, 본 발명은 제1 및 제2 얇은 강자성층 구조를 포함하는 기판 상에 형성된 층 구조를 포함하는 CPP 스핀-밸브 소자를 제공한다. 프리층 구조(제1 및 제2 얇은 강자성층 구조들 중 하나)은 핀드층 구조(또 다른 강자성층 구조)보다 자기적으로 더 연하게 만들어지고, 두개의 층은 프리층 구조 및 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하는 얇은 비자성 공간층에 의해 분리된다. 또한 공간층은 전기 전류가 도통할 수 있도록 한다. 상당히 상이한 전류 도전율을 갖는 적어도 두개의 부분을 포함하는 적어도 두개의 CC-층 구조가 공간층 내부에 통합되어 있다.
보다 구체적으로, 층 구조를 포함하는 스핀-밸브 소자는 프리층 구조 및 핀드층 구조를 포함하는 기판 상에 형성된다. 프리층 구조 및 핀드층 구조는 얇은 비자성층 구조에 의해 분리된다. 얇은 비자성층 구조는 도전층 또는 CC-층 구조 중 하나이고, 프리층 구조 및 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 도통할 수 있도록 한다.
도전층 구조가 이용되는 경우, 하나의 CC-층 구조는 프리층 구조 내 또는 근처에 위치하게 되고, 적어도 하나의 다른 CC-층 구조는 핀드층 구조 내 또는 근처에 위치하게 된다. CC-층 구조가 이용되는 경우, 적어도 하나의 CC-층이 프리층 구조 내 또는 근처에, 또는 핀드층 구조 내 또는 근처에 더 부가되고/부가되거나 CC-층 구조의 한정된 전류 경로들의 사이즈는 일정한 임계값보다 더 크게 된다. 또한 CC-층 구조의 한정된 전류 경로들의 사이즈를 제어함으로써 이전의 스핀-밸브 소자에 비해 또 다른 성능 개선을 얻을 수 있다.
요약하면, 본 발명은 CCP-CPP 스핀-밸브 소자를 제공하고, 여기에서 CC-층의 구조 및/또는 위치는 효과적인 전류 제한을 실현하도록 설계된다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 두개의 CC-층(CC-층 1 및 CC-층 2)의 위치의 함수로서 평행 구성(프리층 구조 및 핀드층 구조의 자화가 서로 평행하게 되는 구성)을 위한 전체 저항 RP, 평행 및 반평행(anti-parellel) 구성 사이의 저항들 사이의 차이(즉, 자기 저항 ΔR), 및 GMR 비율의 시뮬레이션에 의해 계산된 등고선 맵핑을 도시한다. 이 시뮬레이션은 저항기 네트워크 모델을 이용하여 수행되었다. 저항기 네트워크 모델의 예는 도 4에서 개략적으로 도시된다.
스핀-밸브 소자의 평면이 x-z 평면에 설정되었다. 여기에서 (41)은 강자성 프리층이다. (42a) 및 (42b)는 각각 강자성층 및 반강자성층(antiferromagnetic layer)이며, 이들은 각각 핀드층 구조, 및 속박층(pinning layer)을 포함하는 핀드층을 포함한다. (43)은 비자성 도전 공간층이다. (44) 및 (44`)는 CC-층이고, 이들 각각은 슬릿(44a, 44a`)을 갖으며, 여기에는 CC-층이 삽입되는 층을 형성하는 동일 물질이 채워진다. (45) 및 (45`)는 각각 Cu로 구성되는 리드층이다. 전류는 y 방향으로 인가되었다. 각 층은 작은 셀들로 나누어졌고 각 셀층은 y 방향으로 오름차순으로 번호가 매겨졌다.
전형적인 예로서, 각 층의 두께는 Cu(10nm) / 강자성층(4.5nm) / Cu(2nm) / 강자성층(4.5nm) / 반강자성층(10nm) / Cu(10nm)으로 선택되었다. 두개의 자성층은 동일한 두께를 갖는 것으로 가정되었다. 높이 방향으로 바닥에서 상부까지 0.5nm에 달하는 폭을 갖는 슬릿을 지닌 0.5nm 두께 절연체의 두개의 CC-층은 슬릿 내에 동일한 물질들을 남겨놓는 상기 구조의 일부분을 대체함으로써 삽입되었다. 소자 사이즈는 40nm×40nm인 것으로 가정되었다. y 방향의 위치 번호들 및 층 물질들 사이의 대응은 표 1에 열거되어 있다. 시뮬레이션에 있어서, 물질의 전기 도전성을 위한 Mott의 두가지 전류 모델이 채택되었다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c의 수평 및 수직 축 상의 번호들은 각각 CC-층 1 및 CC-층 2의 위치를 표시한다. 맵핑의 우측 및 상부측 상의 기호 Cu, F, 및 AF는 각각 구리, 강자성층, 및 바강자성층의 위치를 나타낸다.
시뮬레이션에 대해 계산하기 위하여, 표 2에 도시된 파라미터들이 가정되었다. 여기에서 제1 강자성층은 프리층에 대응하고 제2 강자성층은 핀드층에 대응한다. Cu 층, 강자성층, 및 강자성층과 Cu 층 사이의 인터페이스 층을 위한 파라미터는 보고된 경험 결과로부터 선택되었다. 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 "Spin filtering effect at interfaces in perpendicular spin valves"(H.Oshima, K.Nagasaka, Y.Seyama, Y.Shimizu, 및 A.Tanaka, Phys.Rev.B66, 140404, 2002년도)를 참조한다. 반강자성층은 반강자성층이 Mn 합금으로 만들어졌음을 가정하여 선택되었다. 이러한 파라미터들은, CC-층들이 삽입되지 않은 경우, 대략 0.05(5%)의 GMR 비율을 제공한다. 소자 사이즈는 40nm 제곱인 것으로 가정되었다. 시뮬레이션에서 각 층은 두께 및 폭 방향으로 0.5nm×0.5nm의 셀들로 나누어졌다.
표 1 : 각 위치 번호에서 GMR 비율 계산을 위하여 이용된 층 구조의 물질.
위치 번호 물 질
1-20 Cu
21 인터페이스
22-30 강자성체
31 인터페이스
32-35 Cu
36 인터페이스
37-45 강자성체
46 인터페이스
47-66 반강자성체
67 인터페이스
68-87 Cu
표 2 : 각 층의 저항률이 도시된다. 강자성층 및 인터페이스 층에 대해서, Valet의 두개의 채널 모델을 이용하기 위하여, 두개의 상이한 저항률들(하나는 낮은 저항률 채널을 위한 것이고 또 다른 하나는 높은 저항률 채널을 위한 것임)이 가정되었다. Oshima 등의 발행물 및 "Theory of perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers"(T. Valet 및 A. Fert, Phys.Rev.B48, 7099-7113, 1993년도)을 참조한다. Valet 등의 발행물은 참조로 본 명세서에 통합되어 있다. 이러한 파라미터들은 임의의 CC-층들을 삽입하지 않은 상태에서 대략 5%의 GMR 비율을 제공한다.
층 낮은 저항률 채널 높은 저항률 채널
Cu 층 8.4 μΩ㎝ 8.4 μΩ㎝
강자성층 32 μΩ㎝ 120 μΩ㎝
반강자성층 80 μΩ㎝ 80 μΩ㎝
인터페이스 층(FM/Cu) 300 μΩ㎝ 610 μΩ㎝
인터페이스 층(기타) 500 μΩ㎝ 500 μΩ㎝
여기에서, 0.58의 벌크 스핀 비대칭 계수(β) 및 0.34의 인터페이스 스핀 비대칭 계수(γ)가 Oshima 등의 실험적 결과에 따라 가정되었고, β는 1-2ρ/ρH = 2ρ/ρL-1을 나타내고, ρ는 상기 강자성층 물질의 저항률이고, ρL은 낮은 저항률 채널을 위한 강자성층 물질의 저항률이고, ρH는 높은 저항률 채널을 위한 강자성층 물질의 저항률이며, γ는 1-2RA/RHA = 2RA/RLA-1을 나타내고, RA는 강자성층 및 Cu 층 사이의 인터페이스의 저항 영역 곱(resistance area product)이고, RLA는 낮은 저항률 채널을 위한 강자성층 및 Cu 층 사이의 인터페이스의 저항 영역 곱이고, RHA는 높은 저항률 채널을 위한 강자성층 및 Cu 층 사이의 인터페이스의 저항 영역 곱이다. 이러한 공식에 대해서는, 예를 들면, Valet 등의 발행물을 참조한다. 도 3a 내지 도 3c에서, 두개의 CC-층 각각이 도전 공간(이 예에 있어서는, 하나는 프리층에 대응하고 또 다른 하나는 핀드층에 대응하는, 두개의 강자성층 사이의 Cu 층)의 중심의 상이한 측면 상에 위치하는 경우, 전체 저항 RP, 자기 저항 ΔR, 및 GMR 비율은 실질적으로 개선됨이 명백하다. 이는 두개의 CC-층 각각이 강자성층 내 및/또는 근처에 있는 경우 특히 잘 들어 맞으며, 두개의 CC-층이 강자성층 내에 있을 경우에는 더욱 현저하다. 이러한 효과는 단지 하나의 CC-층만이 삽입되는 경우와 비교하여 현저하며, 이는 도면의 대각선(d)을 따라 그려진 결과에 의해 표현된다. 상기 도시된 맵핑의 특징은 상기 시뮬레이션에서 이용된 특정 파라미터 뿐만 아니라 후술할 파라미터들의 다양한 조합에 대해서도 얻어지는 특징들인 것으로 확인되었다.
표 3 : 계산 파라미터 집합(결과는 도 3 및 도 4에 도시됨): 제1 행의 알파벳들은 도 3의 다이어그램에 대응한다. 첨자들(F, I, Low, 및 High)은 각각 강자성층, 강자성층 및 Cu 층 사이의 인터페이스, 낮은 저항률 채널, 및 높은 저항률 채널을 나타낸다.
파라미터 집합 β및 γ의 평균 β γ ρF_Low (μΩ㎝) ρF_High (μΩ㎝) tF (nm) ρI_Low (μΩ㎝) ρI_Low (μΩ㎝)
(a) 0.46 0.58 0.34 32 120 1.5 300 610
(b) 0.46 0.58 0.34 32 120 3 300 610
(c) 0.46 0.58 0.34 32 120 4.5 300 610
(d) 0.46 0.46 0.46 34 93 1.5 270 740
(e) 0.46 0.46 0.46 34 93 3 270 740
(f) 0.46 0.46 0.46 34 93 4.5 270 740
(g) 0.46 0.34 0;58 37 76 1.5 250 950
(h) 0.46 0.34 0;58 37 76 3 250 950
(i) 0.46 0.34 0;58 37 76 4.5 250 950
(j) 0.7 0.85 0.55 27 330 1.5 260 890
(k) 0.7 0.85 0.55 27 330 3 260 890
(l) 0.7 0.85 0.55 27 330 4.5 260 890
(m) 0.7 0.7 0.7 29 170 1.5 240 1300
(n) 0.7 0.7 0.7 29 170 3 240 1300
(o) 0.7 0.7 0.7 29 170 4.5 240 1300
(p) 0.7 0.55 0.85 32 111 1.5 220 2700
(q) 0.7 0.55 0.85 32 111 3 220 2700
(r) 0.7 0.55 0.85 32 111 4.5 220 2700
도 5a 내지 도 5r 및 도 6a 내지 도 6l은 표 3에 도시된 파라미터 집합을 위한 시뮬레이션에 의해 공식화된 계산된 결과를 나타낸다. 도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.58 및 γ= 0.34에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다. 도 5d, 도 5e, 및 도 5f는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.46 및 γ= 0.46에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다. 도 5g, 도 5h, 및 도 5i는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.34 및 γ= 0.58에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다. 도 5j, 도 5k, 및 도 5l는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.85 및 γ= 0.55에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다. 도 5m, 도 5n, 및 도 5o는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.70 및 γ= 0.70에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다. 도 5p, 도 5q, 및 도 5r는 각각 강자성층 두께 tF=1.5nm, 3.0nm 및 4.5nm에 대해, 파라미터 β= 0.55 및 γ= 0.85에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어진 GMR 비율의 등고선 맵을 나타낸다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 또 다른 CC-층(CC-층 2)이 프리층의 중심에 고정되어 있는 경우, CC-층들 중 하나(CC-층 1)의 위치에 대한 GMR 비율의 종속성을 나타낸다. 파라미터들에 관하여, β및 γ의 평균은 0.46이고 강자성층의 두께는 각각 tF=1.5nm, 3nm, 및 4.5nm이다. 도 6d, 도 6e, 및 도 6f는 CC-층 2가 다음의 파라미터들에 대해 핀드층의 중심에 고정되어 있는 경우, CC-층 1의 위치에 대한 GMR 비율의 종속성을 나타낸다: β및 γ의 평균은 0.46이고 각각 tF=1.5nm, 3nm, 및 4.5nm이다. 도 6g, 도 6h, 및 도 6i는 CC-층 2가 다음의 파라미터들에 대해 프리층의 중심에 고정되어 있는 경우, CC-층 1의 위치에 대한 GMR 비율의 종속성을 나타낸다: β및 γ의 평균은 0.70이고 각각 tF=1.5nm, 3nm, 및 4.5nm이다. 도 6j, 도 6k, 및 도 6l는 CC-층 2가 다음의 파라미터들에 대해 핀드층의 중심에 고정되어 있는 경우, CC-층 1의 위치에 대한 GMR 비율의 종속성을 나타낸다: β및 γ의 평균은 0.70이고 각각 tF=1.5nm, 3nm, 및 4.5nm이다.
두개의 CC-층 중 하나가 프리층 내 또는 근처에 위치하고 또 다른 하나가 핀드층 내 또는 근처에 위치하는 경우, ΔR 및 GMR 비율은 그렇지 않은 경우보다 상당히 커짐은 명확하다. 그러나 상이한 파라미터 집합에 대해 상이한 특징들이 보여진다. γ가 β보다 큰 경우, 최대 효과는 CC-층이 자성층들(프리층 및 핀드층) 및 도전층들(도전 공간층 또는 프리층에 연결된 리드) 사이의 인터페이스에 또는 그 근처에 위치할 때 얻어진다. 한편, γ가 β보다 작은 경우, 최대 효과는 각 CC-층이 각 자성층, 프리층 및 핀드층의 중간에 위치하고 있는 경우 얻어진다.
그러므로 본 발명에 따르면 CPP 스핀-밸브 소자의 전형적인 실시예는 비자성체(즉, 도전 공간층 구조)의 얇은 도전층 구조에 의해 분리되는 제1 및 제2 얇은 강자성층 구조 및 상당히 상이한 전류 도전율을 갖는 적어도 두개의 부분들을 포함하는 두개의 CC-층 구조를 포함하는 기판 상에서 형성되는 스핀-밸브 소자이다. CC-층 구조는 제1 및 제2 강자성층 구조 내 및/또는 그 근처에 위치하고 있다. 자기장을 인가함으로써 핀드층 구조 중 하나의 자화의 방향보다는 프리층 구조 중 하나의 자화의 방향을 변화시키는 것이 더 용이하다.
도 7은 본 발명의 실시예의 개략도를 도시한다. 소자(71, 71` 및 72, 72`)는 자성층 구조이며, 그 중 하나는 프리층 구조이고 또 다른 하나는 사이에 도전 공간층 구조(73) 및 두개의 CC-층 구조(74 및 74`)를 지닌 핀드층 구조이다. 각 층 구조는 폭 w 및 높이 h이다. CC-층 구조 각각은 전류 경로를 CC-층 구조의 한 측면으로부터 CC-층 구조의 또 다른 측면으로 흐르도록 한정하여 스핀-밸브 소자의 전체 저항을 증가시키고 합당한 전류량이 소자 층 구조에 수직한 스핀-밸브 소자에 인가되는 경우 고 출력 전압을 얻는다. CC-층 구조 각각(74)은 도전 부분 또는 다수의 도전 부분들을 지닌 절연체를 포함한다. 도전 부분이 홀 또는 슬릿이고 CC-층들 중 하나가 자성층 구조(71 및 72) 중 하나 및 도전층 구조(73) 사이에 삽입되는 경우, 자성층 구조(71 및 72) 중 하나 및 도전 공간층 구조(73)는 홀 또는 슬릿을 통해 서로에 직접 연결된다. CC-층 구조 각각(74 및 74`)은 상당히 상이한 도전율을 가진 적어도 두개의 부분들을 포함하는 모자이크 구조일 수 있다. 스핀-밸브 소자는 리드(75 및 75`)를 통해 한 쪽에서 또 다른 쪽으로 전류원에 연결된다. 핀드층 구조는 프리층보다 더 높은 보자력(coercivity)을 갖는 단일 강자성층, 반강자성층과 교환 결합된 강자성층, 또는 (i) 강자성층, (ii) 비자성층, 및 (iii) 강자성층을 포함하는 샌드위치 구조 중 어느 하나일 수 있다. 샌드위치 구조는 합성 반강자성층 구조로 불린다. 합성 반강자성층의 강자성층들 중 하나는 반강자성층 또는 이들의 임의의 변형들과 교환 결합된다.
도 8a 및 도 8b는 CC-층 2가 임의의 도전 층 없이 두개의 자성층 사이에 고정되는 경우, CC-층 1의 위치에 대한 GMR 비율 및 자기 저항 ΔR의 종속성을 나타낸다. 이 구조는 CC-층 2가 표 1의 위치 번호(32)에 위치하고 있는 층 구조에 대응한다. β>γ인 경우, CC-층 1이 자성층에 위치할 때, GMR 비율 및 ΔR이 최대화됨을 알 수 있다. 한편, β<γ인 경우, 자기 저항 ΔR의 현저한 최대치는 CC-층 1이 핀드층 구조로부터 가장 멀리 위치하고 있는 Cu 층 및 프리층 사이의 인터페이스 및/또는 그 근처에 위치하는 경우 얻어진다.
도 9는 상술한 결과에 과한 실시예를 개략적으로 도시한다. 여기에서 (91) 및 (92)는 프리층 및 핀드층 구조이고, (94) 및 (94`)는 CC-층이고, (95) 및 (95`)는 전기 리드이다. 핀드층 구조는 프리층보다 더 높은 보자력을 갖는 단일 강자성층, 반강자성층과 교환 결합된 강자성층, 또는 합성 반강자성층 구조 중 어느 하나일 수 있다. 합성 반강자성층의 반강자성층들 중 하나는 반강자성층, 또는 이들의 임의의 변형들과 교환 결합된다. 이전의 경우, 핀드층 및 프리층 사이의 하나의 CC-층과 각 핀드층 및 프리층의 외부 인터페이스들의 근처에 삽입된 두개의 CC-층(총 세개의 CC-층)을 포함하는 스핀-밸브 구조는 우선되는 실시예를 구성한다.
도 10은 출력 전압 ΔV = ΔR ×I의 종속성을 도시하며, 여기에서 I는 상이한 유형의 CC-층 구조(하나는 단지 하나의 도전 부분을 갖고, 또 다른 하나는 다수의 도전 부분을 갖는다)를 지닌 두개의 스핀-밸브 구조에 대해 CC-층의 전체 도전 부분 폭 상의 스핀-밸브 소자에 인가된 감지 전류이다. 양 CC-층 모두 표 2에 도시된 것과 동일한 파라미터들을 갖는 nm 두께이다. 하나의 CC-층은 단지 하나의 도전 부분을 갖고 또 다른 CC-층 구조는 다수의 도전 부분을 갖는다. 스핀-밸브 구조들 중 하나의 CC-층 구조들 각각은 단지 하나의 도전 부분을 갖고, 또 다른 스핀-밸브 구조의 CC-층 구조들 각각은 다수의 도전 부분을 갖는다. 후자 스핀-밸브 소자에 대한 CC-층의 각 도전 부분의 폭은 0.5nm로 설정되었고, 전체 도전 부분 폭은 도전 부분들의 수를 변화시킴으로써 변화된다. 인가된 전류 I는 각 CC-층의 도 전 부분에서의 전류 밀도가 100MA/㎠로 유지되도록 선택되었다. 각 스핀-밸브 구조에 대한 CC-층의 도전 부분의 전체 폭이 서로 동일한 경우, 전자 스핀-밸브 구조는 전체 폭의 양 극단 상을 제외하고는 후자보다 더 높은 ΔV를 준다. 즉, CC-층들이, 도전 부분이 다수의 부분으로 나누어지는 구조보다 소정의 전체 폭을 갖는 도전 부분에 대해 더 높은 ΔV를 얻도록 하기 위해서는 단일 도전 부분 구조가 바람직하다.
이러한 결과는 전류 흐름 분배들의 차이에 의해 유발된다(도시되지는 않음). 도전 부분을 다수의 부분으로 나눔으로써 도전 부분의 물리적 폭(WCCP)(또는 물리적 영역)보다 더 큰 전류 흐름의 유효 폭(WCCP-eff)(또는 유효 영역)을 만든다. 이는 ΔV의 감소를 초래한다. 도전 부분들의 수를 증가시킴으로써 비율(WCCP-eff/WCCP)은 도전 부분의 가장자리의 증가로 인하여 증가하며, 도전 부분으로부터의 거리가 증가함에 따라 전류는 도전 부분의 가장 자리로부터 트랙 폭, 및 센서 높이 방향으로 확산한다. 비율(WCCP-eff/WCCP)이 더 커짐에 따라, ΔV는 더 작아진다. 그러나 실제 프리층에서의 자화들은 보통 수십 나노미터 내지는 수백 나노미터 사이의 범위에 있는 프리층의 임계값(즉, "교환 길이(exchange length)")보다 더 큰 거리만큼 분리되는 경우, 다소는 서로 독립적으로 행동하기 때문에, 적어도 하나의 도전 부분이 교환 길이와 같은 폭의 모든 자속 경로 내에 존재하도록 CC-층들의 도전 부분을 분배하는 것이 바람직하다. 이는 스핀-밸브 소자가 미국 특허 제6,560,077호에 설명된 바와 같이 자기 기록을 위한 기록 헤드와 같은 자기장의 센서로서 이용되는 경우 특히 잘 들어 맞는다. 그러므로 자성 매체 잡음을 낮게 유지하기 위해서는, 인접한 도전 부분들 사이의 거리를 교환 길이보다 더 작게 하는 것인 특히 이롭다. 그러나 CC-층의 도전 부분들의 동일한 전체 폭(또는 전체 영역)에 대해 높은 출력 ΔV를 얻는다는 관점에서, 도전 부분들의 수를 가능하면 작게 하는 것이 바람직하다. 인접하는 도전 부분들의 가장자리에서 가장자리까지의 거리를 프리층의 교환 길이보다 더 작게 하고 CC-층의 인접하는 도전 부분들의 중심들 사이의 거리를 교환 길이보다 더 크게 함으로써, 상기 두개의 양립할 수 없는 요구 조건들의 절충안을 얻을 수 있다.
도 11은 ΔV(동일한 구조 및 동일한 파라미터를 지닌 스핀-밸브 소자의 ΔV이지만 도 10에서 도시된 결과를 얻기 위해 이용된 바와 같이 CC-층이 없는 경우에는 ΔV0임)에 대한 자성층들의 두께(프리층 및 핀드층의 두께는 동일하다고 가정한다) 및 CC-층들의 도전 부분의 폭의 함수로서 스핀-밸브 소자의 ΔV의 비율의 등고선 맵핑을 도시하며, 각 CC-층은 각각 하나의 도전 부분을 갖고 있다. 자성층들의 두께 및 도전 부분의 폭이 더 작아짐에 따라, ΔV/ΔV0는 더 작아진다. 이는 도전 부분의 폭(또는 영역) 및 전류 흐름의 유효 폭(또는 영역) 사이의 거리에 의해 초래된다. ΔV/ΔV0의 일정한 비율을 주는 CC-층의 한정된 전류 경로(WCCP)의 폭은 최소 제곱 근사(least square fitting)에 의해 관계식 WCCP=CtF 3/2으로 잘 근사될 수 있으며, 여기서 tF는 자성층의 두께이고 C는 ΔV/ΔV0의 값에 의존하는 비례 계수이다. 예를 들면, tF가 nm 단위로 측정되는 경우, C는 80%의 비율에 대해 1.1이고, 90%의 비율에 대해 2.6이다. 그러므로 대략적으로 말하자면, 80%보다 큰 ΔV/ΔV0을 얻기 위해서 WCCP는 tF 3/2(tF는 nm 단위로 측정됨)와 거의 동일한 임계값(WCCP-Cr)보다 더 크게 되어야 한다. 이러한 관계는 슬릿 형태의 한정된 전류 경로를 지닌 CC-층들이 통합되어 있는 모델을 이용하는 계산으로부터 유도되었다. 사각 홀(square-hole) 형태의 한정된 전류 경로를 갖는 CC-층들이 통합되어 있는 모델로부터 유도된 WCCP-Cr은 대략 슬릿 형태 모델에 대해 얻어진 WCCP-Cr의 두배 정도의 크기였다.
도 12는 도 10에 도시된 결과들을 얻는 계산을 위해 이용된, CC-층 내의 하나의 도전 부분을 지닌 모델과 동일한 구조 및 파라미터들에 대한 WCCP의 함수로서 그려진 상술한 슬릿 형태 및 사각 홀 형태의 모델에 대해 얻은 ΔV/ΔV0 값들을 도시한다. 비록 양적이지만, 두개의 모델에 대해 얻은 결과들 사이에는 상당한 차이가 있음을 알 수 있다. 양 모델에 대한 양적인 특징들은 매우 유사하다.
도 13은 두개의 CC-층의 두개의 도전 부분들 사이의 평면 내 방향의 거리에 대한 ΔV`의 종속성을 도시하며, 각 CC-층은 Cu가 내장된 3nm 폭의 슬릿을 지니고, 두개의 CC-층은 프리층을 가로질러 놓여져 있어, 구조(Cu/CC-층/프리층/CC-층/핀드층/AF/Cu)를 이루게 된다. 프리층 및 핀드층의 두께는 3nm가 되도록 선택되었다. 여기에서 전류는 프리층에서의 최대 전류 밀도가 100MA/㎠에서 일정하게 유지되도록 선택되었다. 계산을 위해 선택된 다른 파라미터들은 도 10에 도시된 결과들을 얻기 위해 이용된, CC-층들 내에 단일 도전 부분을 지닌 구조에 대해 설정된 파라미터들 집합과 동일하였다. 두개의 CC-층들의 도전 부분들 사이의 거리를 증가시키는 동안 ΔV는 단조 증가하였다. 이는 슬릿들 사이의 거리가 증가함에 따라 자성층 내의 전류 경로의 길이가 증가하기 때문에 발생하였으며, GMR 효과 상의 자성층 두께의 증가의 효과와 동일한 효과를 초래하였다. 두개의 CC-층의 도전 부분들의 이러한 구성은 "직렬 구성(Cascade Arrangement)"으로 언급될 것이다. 스핀 확산 길이(Isf)보다 더 크지 않은 전류 경로 길이(Icp)에 대해, 자기 저항(ΔRb)에 대한 벌크 효과의 기여는 ΔRb∼1-exp(-lcp/lsf)으로 표현될 수 있다. 그러므로 lcp/lsf의 값은 0.5보다 더 크게(보다 바람직하게는 큰 자기 저항을 얻기 위해 1보다 크게) 선택되는 것이 바람직하다. 그러나 lcp가 lsf보다 더 크게 된다면, GMR 효과는 감소하기 시작한다.
"Giant magnetoresistance properties of Spin Valve films in CPP(Current Perpendicular to Plane) geometry"(K.Nagasaka, Y.Seyama, Y.Shimizu, 및 A.Tanaka, J.Magn.Soci.Jpn.Vo.25, 807-811 페이지, 2001년도)에 따르면, 최적 경로 길이(lcp)는 스핀 확산 길이 lsf의 몇배보다 작을 것이고, 이는 대략 3배, 보다 바람직하게는 대략 2배정도이며, 스핀-밸브 구조를 위한 전형적인 자성체인 Co90Fe10에 대해서는 대략 12nm이다. "Perpendicular giant magnetoresistance of Co91Fe9/Cu exchange-biased spin-valves: further evidence for a unified picture"(A.C.Reilly, W.Park, R.Slater, B.Ouaglal, R.Loloee, W.P.Pratt Jr., J.Bass, J.Magn.Mater., Vol.195, L269-L274 페이지, 1999년도)를 참조한다. 보통 프리층 및/또는 핀드층의 두께는 그 스핀 확산 길이보다 더 얇게 되도록 설계된다. 그러므로 한 쌍의 CC-층 구조들은 프리층 구조 및/또는 핀드층을 가로질러 양 측면 상에 위치하고, CC-층들의 도전 부분들은 직렬 방식으로 위치하고, 층 평면 상에 프리층 및 핀드층을 통해 주 전류 경로를 형성하는 CC-층들의 도전 부분들의 투사의 적어도 내부 가장자리에서 가장자리까지의 거리가 프리층 구조 및/또는 핀드층의 두께보다 더 큰 구조는 높은 자기 저항(ΔR)을 얻는 것을 용이하게 한다. Nagasaka 등 및 Reilly 등은 것은 참조로 본 명세서에 통합되어 있다.
지금까지 상술한 유사한 효과는 스핀-밸브 소자 구조에 대해 기대될 수 있으며, 스핀-밸브 소자 구조에서 핀드층 구조는 CC-층의 홀 또는 슬릿에 구성되고, CC-층의 개략적인 단면은 도 14에 도시되며, 여기에서 (141), (142), 및 (143)은 각각 프리층 구조, 핀드층 구조, 및 비자성 도전층이다. (145) 및 (145`)는 전기 리드를 형성하는 자성체 또는 비자성체 중 어느 하나의 도전층들이고, (146)은 CC-층 구조가 프리층(141) 및 핀드층(142) 모두에 대해 전류 한정층으로 작용하기 때문에 (142) 및 (143)과 함께 CC-층 구조를 형성하고 두개 이상의 CC-층 구조가 있는 것처럼 동작하는 절연체이다.
CC-층 구조는 상당히 상이한 도전율을 갖는 두개의 부분을 실질적으로 포함 하고, 도 7에 개략적으로 (74)에 의해 도시된 바와 같이 전형적으로 도전 부분은 낮은 저항률을 갖고 절연체 부분은 높은 저항률을 갖는다. CC-층 구조는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 그 방법들 중 하나는 진공 스퍼터링(vacuum sputtering), 다수의 소스 진공 기상 증착법(source vacuum vapor deposition), 레이저 증착법 등을 포함하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD); 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD); 또는 전기 증착(ED) 및/또는 CVD와 조합한 PVD 방법들과 같은 방법들을 이용함으로써 본질적으로 서로 혼합할 수 없는 도전체 및 절연체를 혼합 증착하는 것이다. 도전체는 바람직하게 Ag, Al, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Nb, Ni, Pd, Pt, Si, Ta, Ti, V, Zr 및 이들의 합금 그룹으로부터 선택되고, 절연체는 바람직하게 Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Nb, Ni, Pd, Si, Ta, Ti, V, 및 Zr과 같은 임의의 소자의 산화물 그룹 또는 Al, B, C, Si 및 Ta와 같은 임의의 소자의 질화물 그룹으로부터 선택된다. 이러한 방법은 도전체 및 절연체 모두의 층 구조를 만든 후, 층 구조가 열처리되어 모자이크 구조를 초래하는 것인 다른 방법으로 대체될 수 있다. 다른 방법에 의하면 혼합할 수 없는 금속들의 혼합 증착 후(이 중 하나는 또 다른 하나보다 산화하기 더 쉽다), 증착된 층은 산화 대기에 노출된다. 질화에 상이한 감응성을 갖는 물질들이 선택된다면 산화 대신 질화가 작용할 수도 있다. 잘 제어된 사이즈의 한정된 전류 경로들을 제공하는 CC-층 구조를 제조하는 다른 방법은 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 "Electrodeposition of nanoscale magnetic structures"(D.Hofmann, W.Schindler, 및 J.Kirschner, Appl.Phys.Lett., Vol.73, 3279-3281 페이지, 1998 년도)에 의해 제공되는 바와 같이 전기 화학 주사 탐침(electrochemical scanning probe)를 이용한 석판술(lithographical)법이다.
프로세스의 예는 다음과 같다: (1) 기판/Cu/CoFe/Al2O3 다중층 구조는 진공 스퍼터링 방법에 의해 준비된다; (2) 다중층 구조는 알카리성 전해질로 채워진 전기 화학 주사 터널링 현미경(STM) 상에서 설정된다; (3) dc 및 ac 펄스 전압이 STM 팁 및 기판 사이에 인가되어 Al2O3 층의 일부분이 용해되어 Al2O3 층 내에 원하는 영역의 홀을 만든다; (4) H2O로 용액을 씻어 내리고 Cu 도금 용액으로 대체한다; (5) 전기 화학 증착에 의해 채우기 위해 Cu를 홀 안으로 도금한다.
상기 내용에 비추어, 본 발명의 많은 부가적인 변경들 및 변화들이 가능하다. 그러므로 첨부된 청구범위 내에서, 본 발명은 본 명세서에서 특정 설명된 것 이외에서도 실행될 수 있다.
본 발명을 통하여 고 저항을 갖고 저 전류로 고 출력 신호를 생성하는 CPP 구조의 스핀-밸브 소자를 구현하여, 관련된 종래의 기술 장치에 의해 얻어진 것보다 더 낮은 전류를 인가함으로써 실질적으로 더 높은 출력 및 더 좋은 성능을 얻을 수 있다.

Claims (39)

  1. 기판 상에 형성되는 CPP 스핀-밸브 소자로서,
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층(free layer) 구조와;
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층(pinned layer) 구조와;
    상기 프리층 및 상기 핀드층을 분리하고, 상기 프리층 및 상기 핀드층 구조 사이의 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 흘러갈 수 있도록 구성되는 얇은 비자성 공간층(spacer layer) 구조를 포함하고,
    상기 프리층은 상기 핀드층보다 자기적으로 더 연하고,
    상당히 상이한 전류 도전율들을 갖는 적어도 두개의 부분들을 포함하는 적어도 두 개의 전류 한정(CC)층 구조가 상기 비자성 공간층 구조보다도 많이 내부에 통합되어 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀드층 구조는,
    상기 프리층 구조보다 더 높은 보자력을 갖는 단일 강자성층;
    반강자성층과 교환 결합된(exchange coupled) 강자성층, 또는;
    강자성층, 비자성층, 및 강자성층을 포함하는 샌드위치 구조 중 하나를 포함하는 것이고,
    상기 강자성층들 중 하나는 반강자성층과 교환 결합되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CC-층 구조는 도전 및 절연 부분들의 모자이크 구조를 포함하는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제3항에 있어서,
    상기 모자이크 구조는 금속 및 산화물을 포함하는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 금속은 Ag, Al, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Nb, Ni, Pd, Pt, Ta, Ti, V, Zr 및 이들의 합금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 상기 산화물은 Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Nb, Ni, Pd, Si, Ta, Ti, V, 및 Zr의 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제3항에 있어서,
    상기 모자이크 구조는 금속 및 질화물을 포함하는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제6항에 있어서,
    상기 금속은 Ag, Al, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ta 및 이들의 합 금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 상기 질화물은 Al, B, C, Si, 및 Ta의 질화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들 중 하나는 상기 프리층 구조 내에 또는 근처에 위치하고 있고, 상기 CC-층 구조들 중 다른 하나는 상기 핀드층 구조 내에 또는 근처에 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 강자성층 구조들의 강자성층의 벌크 스핀 비대칭 계수(β)는 상기 강자성층 구조의 강자성층 및 비자성층 사이의 인터페이스 스핀 비대칭 계수(γ)보다 크고,
    상기 CC-층 구조들 중 적어도 하나는 상기 강자성층 구조의 강자성층 내에 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 강자성층 구조들의 강자성층 및 비자성층의 인터페이스 스핀 비대칭 계수(γ)는 상기 강자성층의 벌크 스핀 비대칭 계수(β)보다 크고,
    상기 CC-층 구조들 중 적어도 하나는 상기 강자성층 구조의 강자성층의 어느 한 쪽의 인터페이스에 또는 그 근처에 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프리층 및 상기 핀드층 모두의 벌크 스핀 비대칭 계수(β)는 인터페이스 스핀 비대칭 계수(γ)보다 크고, 상기 CC-층 구조들 중 적어도 하나는 상기 프리층 구조의 강자성층 내에 위치하고 있고 상기 CC-층 구조들 중 적어도 다른 하나는 상기 핀드층 구조의 강자성층 내에 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    양 상기 강자성층 구조들의 각각의 강자성층 사이의 인터페이스 스핀 비대칭 계수(γ)는 벌크 스핀 비대칭 계수(β)보다 크고, 상기 CC-층 구조들 중 적어도 하나는 상기 프리층 구조의 어느 한 쪽의 인터페이스에 또는 그 근처에 위치하고 있고 상기 CC-층 구조들 중 적어도 다른 하나는 상기 핀드층의 어느 한 쪽의 인터페이스에 또는 그 근처에 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들의 한정된 전류 경로들의 폭은 상기 CC-층 구조들을 포함하거나 상기 CC-층 구조들에 인접하여 놓여 있는 상기 강자성층들의 나노미터로 측정된 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들의 한정된 전류 경로들의 폭은 상기 CC-층 구조들을 포함하거나 상기 CC-층 구조들에 인접하여 놓여 있는 상기 강자성층들의 나노미터로 측정된 두께의 1.5 승의 두배보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 한정된 전류 경로는 상기 프리층의 측면 가장자리에서를 제외하고는 상기 프리층의 교환 길이(exchange length)의 폭의 모든 플럭스(flux) 경로 내에 형성되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 CC-층 구조들은 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층을 가로 질러 양 측면 상에 위치하고 있으며, 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층의 도전 부분들은 직렬 방식으로 위치하고 있고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나를 통한 전류 경로들 중 적어도 하나를 형성하는 CC-층들의 도전 부분들의 적어도 내부의 가장자리에서 가장자리까지의 상기 층 평면 상의 투사 거리는, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께보다 크게 되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 CC-층 구조들은 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층을 가로 질러 양 측면 상에 위치하고 있으며, 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층의 도전 부분들은 직렬 방식으로 위치하고 있고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나를 통한 전류 경로들 중 적어도 하나의 길이는, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나의 스핀 확산 길이의 반보다 크고 스핀 확산 길이의 3배보다는 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 상기 길이는, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나의 스핀 확산 길이보다 크고 상기 전류 경로들의 스핀 확산 길이의 2배보다 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  19. 기판 상에 형성되는 CPP 스핀-밸브 소자로서,
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층 구조와;
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층 구조와;
    상기 프리층 및 상기 핀드층을 분리하고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 한정된 전류 경로들을 통해 흐르도록 구성되는 얇은 비자성 전류 한정(CC)-층 구조를 포함하고,
    상기 프리층은 상기 핀드층보다 자기적으로 더 연하고,
    상기 CC-층 구조의 한정된 전류 경로들의 폭은 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 하나의 두께의 1.5 승의 2배보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  21. 기판 상에 형성되는 CPP 스핀-밸브 소자로서,
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층 구조와;
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층 구조와;
    상기 프리층 및 상기 핀드층을 분리하고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 한정된 전류 경로들을 통해 흐르도록 구성되는 얇은 비자성 전류 한정(CC)-층 구조로 이루어지는 비자성 공간층 구조를 포함하고,
    상기 프리층은 상기 핀드층보다 자기적으로 더 연하고,
    다른 CC-층 구조가 내부에 통합되어 있으며,
    상기 CC-층 구조의 총계는 상기 비자성 공간층 구조의 수보다도 많은 것을 특징으로 하는 CPP 스핀-밸브 소자.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 다른 CC-층 구조는 상기 프리층 및 상기 핀드층 중 적어도 하나를 가로 질러 위치하고 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들의 한정된 전류 경로들의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들의 한정된 전류 경로들의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께의 1.5 승의 2배보다 큰 것인 CC 스핀-밸브 소자.
  25. 청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제22항에 있어서,
    상기 CC-층들의 도전 부분들은 직렬 방식으로 위치하고 있고, 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층을 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나를 형성하는 상기 CC-층들의 도전 부분들의 적어도 내부의 가장자리에서 가장자리까지의 상기 층 평면 상의 투사 거리는, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께보다 크게 만들어진 것인 CCP 스핀-밸브 소자.
  26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제22항에 있어서,
    상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 길이는 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 스핀 확산 길이의 반보다 크고, 상기 스핀 확산 길이의 3배보다 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제26항에 있어서,
    상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 중 적어도 하나를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 길이는 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 스핀 확산 길이보다 크고, 상기 스핀 확산 길이의 2배보다 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  28. 기판 상에 형성되는 CPP 스핀-밸브 소자로서,
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층 구조와;
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층 구조와;
    상기 프리층 및 상기 핀드층을 분리하고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 한정된 전류 경로들을 통해 흐르도록 구성되는 얇은 비자성 도전층 구조를 포함하고,
    상기 프리층은 상기 핀드층보다 자기적으로 더 연하고,
    적어도 하나의 CC-층 구조가 내부에 통합되어 있고,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 중 적어도 하나의 두께의 1.5 승의 두배보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  30. 기판 상에 형성되는 CPP 스핀-밸브 소자로서,
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 프리층 구조와;
    적어도 하나의 강자성층을 포함하는 핀드층 구조와;
    상기 프리층 및 상기 핀드층을 분리하고, 상기 프리층 구조 및 상기 핀드층 구조 사이의 실질적인 자기 결합을 방지하고, 전기 전류가 한정된 전류 경로들을 통해 흐르도록 구성되는 얇은 비자성 전류 한정(CC)-층 구조와;
    전극들에 연결되도록 구성되는 리드층들을 포함하고,
    상기 프리층은 상기 핀드층보다 자기적으로 더 연하고,
    적어도 상기 비자성층 및 상기 핀드층 구조는 적어도 하나의 한정된 전류 경로를 형성하는 CC-층 구조 내에서 형성되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조의 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은 상기 프리층 구조의 두께의 1.5 승의 2배보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  33. 제30항에 있어서,
    적어도 다른 CC-층 구조는 상기 프리층 구조를 가로 질러 통합되어 있는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  34. 청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제33항에 있어서,
    적어도 상기 다른 CC-층 구조는 상기 프리층 구조를 가로 질러 통합되어 있고, 상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조의 두께의 1.5 승보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  35. 청구항 35은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제33항에 있어서,
    상기 CC-층 구조의 상기 한정된 전류 경로들 중 적어도 하나의 폭은, 나노미터로 측정된 상기 프리층 구조의 두께의 1.5 승의 두배보다 큰 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  36. 청구항 36은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제33항에 있어서,
    상기 프리층 구조를 가로 질러 향하고 있는 CC-층들의 도전 부분들은 직렬 방식으로 위치하고 있고, 상기 프리층 구조를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 길이의 상기 층 평면 상의 투사는 상기 프리층 구조의 두께보다 크게 만들어지는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  37. 청구항 37은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제33항에 있어서,
    상기 프리층 구조를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 상기 길이는, 상기 프리층 구조 또는 상기 핀드층 구조의 스핀 확산 길이의 반보다 크고, 스핀 확산 길이의 3배보다 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  38. 청구항 38은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제37항에 있어서,
    상기 프리층 구조를 통한 상기 전류 경로들 중 적어도 하나의 상기 길이는 상기 프리층 구조의 상기 스핀 확산 길이보다 크고 상기 스핀 확산 길이의 2배보다 작은 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
  39. 제1항에 있어서,
    상기 CC-층 구조들은 집중된 이온빔(ion beam) 또는 전기 화학 주사 탐침을 이용하는 석판술 기술로 제조되는 것인 CPP 스핀-밸브 소자.
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