KR19990023531A - 터널 자기저항효과 소자 및 이것을 사용한 자기센서 - Google Patents

터널 자기저항효과 소자 및 이것을 사용한 자기센서 Download PDF

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도시히코 사토
료이치 나카타니
노부유키 이나바
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 터널 자기저항효과 소자 및 이것을 사용한 자기센서에 관한 것으로서, 실온에서 동작할 수 있는 다중터널접합, 터널 자기저항효과 소자, 자기센서 및 자기기록센서 헤드를 제공하고, 터널전류의 변화를 높은 S/N비로 검출할 수 있는 자기센서 및 자기기록센서 헤드를 제공하기 위해서, 터널 자기저항효과 소자에 있어서 평면기판상에 연자성체재료로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 강자성체재료로 이루어지는 자성체입자를 마련하고, 제2 터널 배리어층상에 연자성체재료로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한 터널접합을 마련하였다.
상기한 구성으로 하는 것에 의해, 실온에 있어서 차단영역내의 전압을 인가하면 공동터널링효과에 의한 터널전류를 관측하는 것에 의해 터널저항을 검출할 수 있어 실온동작이 가능하고, 제1 및 제2 터널 배리어층 및 자성체 미립자를 용이하게 형성할 수 있으며, 제1 및 제2 자성체층 사이의 저항값을 저감할 수 있고, 자장에 의한 터널전류의 변화를 높은 S/N비로 검출할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

터널 자기저항효과 소자 및 이것을 사용한 자기센서
본 발명은 터널 자기저항효과 소자 및 이것을 사용한 자기센서에 관한 것이다.
공지예1(오노 K. , 시마다 히로시, 오츠카 요우이치 저, Enhanced Magnetic Valve Effect and Magneto-Coulomb Oscillations, Journal of the physical society of Japan, Vol. 66, No. 5, 1997년 5월, pp. 1261-1264)에 의하면, 미소 이중 접합계에 있어서 현저한 자기저항효과가 발현된다고 되어 있고, 미소 이중 접합형의 터널 자기저항(TMR)효과 소자가 기재되어 있다.
도 12는 공지예1에 기재된 종래의 터널 자기저항효과 소자를 도시한 도면으로서, 도 12a는 평면도이고, 도 12b는 정단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 절연체층(10)의 표면에 Ni로 이루어지는 연자성체층(전극)(200), (201)이 형성되고, 연자성체층(200), (201)의 표면에 NiO로 이루어지는 터널 배리어층(산화막 배리어)(300), (301)이 형성되고, 연자성체층(200)과 연자성체층(201) 사이에 Co로 이루어지는 강자성체층(섬)(100)이 형성되어 있다.
이 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 연자성체층(200)과 연자성체층(201) 사이에 전압V를 인가하면 한쪽의 연자성체층(200)에 전자가 주입되어 터널 배리어층(300)을 터널링하고, 강자성체층(100), 터널 배리어층(301)을 통해서 다른 쪽의 연자성체층(201)에 이르는 전류로가 형성된다. 이와 같은 전자의 경로를 따른 전류를 터널전류I라고 한다. 이 계(系)는 전류로상에 2개의 터널 배리어층(300), (301)이 존재하므로 이중 접합계로 되어 있다.
공지예2(D. V. Averin, Yu. V. Nazarov 저, Single Charge Tunneling-Coulomb Blockade Phenomena in Nanostructures, Hermann Grabert and Michel H. Devoret, Plenum Press, New York, 1992, Chap. 6, pp. 217-247)에도 기재되어 있는 바와 같이, 터널 자기저항효과 소자의 미소 이중 접합계의 전기전도특성을 측정하면, 바이어스전압V가 0(제로) 부근의 전압영역에 있어서 쿨롱차단효과(coulomb blockade effect)에 의해 고전적 터널전류I는 나타나지 않는다. 이 고전적 터널전류I가 나타나지 않는 전압영역을 차단영역(blockade region)이라 하고, 차단영역의 외측에 있어서는 고전적 터널전류I가 존재하고, 터널전류I는 전압V와 대략 비례한다. 즉, 바이어스전압V가 차단영역내와 차단영역의 외측을 격리시키는 전압Vc보다 작은(V＜Vc) 경우 즉 차단영역내인 경우의 미소 이중 접합의 I-V특성은 다음 식으로 표시된다.
또, 터널저항을 R1, R2로 하면, 바이어스전압V가 전압Vc보다 큰(VVc) 경우 즉 차단영역의 외측인 경우의 미소 이중 접합의 I-V특성은 다음식으로 표시된다.
한편, 차단영역내에 있어서도 양자역학적으로는 고차항에서 유래되는 터널전류가 관측되고, 전자의 전하를 e, 볼츠만정수를 k로 하면, 이 터널전류I는 다음식으로 표시된다.
이 터널전류I는 공동터널링효과(co-tunnelling effect)에 의한 전류라고도 불리고, 식 3에서 명확한 바와 같이 전압V가 일정하면 터널전류I는 터널저항R1, R2의 곱에 반비례하고, 또 터널전류I는 전압V에 비례하는 항 및 전압V의 3승에 비례하는 항을 포함하고 있다.
이와 같은 공동터널링효과에 의한 터널전류I는 차단영역의 안밖에 항상 존재한다. 그러나, 차단영역의 외측에서는 공동터널링효과에 의한 전류는 고전적 터널전류에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다. 한편, 차단영역내에서는 0차 항에 대응하는 고전적 터널전류가 0이므로(억압되므로) 고차항에서 유래되는 공동터널링효과의 터널전류가 주로 관측된다.
그런데, 연자성체층(200), (201)의 자화에 대해 강자성체층(100)의 자화가 어느쪽을 향하는지에 따라서 터널저항R1, R2는 변화한다. 바꿔말하면, Ni로 이루어지는 연자성체층(200), (201)내의 전자의 전도전자스핀은 약한 외부자장에도 영향을 받아 그 스핀배향을 용이하게 변화시킨다. 한편, Co로 이루어지는 강자성체층(100)은 약한 외부자장에는 용이하게 추종하지 않는다. 그 결과, 외부자장에 의해서 연자성체층(200), (201)내의 전자의 자화 방향과 강자성체층(100)내의 자화 방향이 평행한 경우와 반평행한 경우로 전환되게 된다. 그 결과, 연자성체층(200), (201)에서 강자성체층(100) 또는 강자성체층(100)에서 연자성체층(200), (201)로의 터널레이트가 변화하고, 터널저항R1, R2가 외부자장의 변화에 의해서 변화하는 것이다. 이 외부자장에 의해서 터널저항R1, R2가 변화하는 효과는 터널 자기저항효과라 불리고 있다. 도 12에 도시한 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 터널자기저항효과에 의해 외부자장의 변화에 대응한 터널전류I의 변화가 관측된다.
그러나, 식 1∼식 3에 의하면, 차단영역내에서 관측되는 공동 터널링효과에 의한 터널전류I는 터널저항R1과 터널저항R2의 곱에 반비례하는데 반해서, 차단영역의 외측에서 관측되는 고전적 터널전류I는 터널저항R1과 터널저항R2의 합에 반비례하는데 불과하다. 그 결과, 바이어스전압V가 일정할 때에는 차단영역의 외측의 경우보다 차단영역내의 경우 쪽이 자장의 변화에 대한 터널전류I의 변화가 보다 증강되는 결과로 된다. 이러한 현상을 바꿔말하면, 자장변화에 의한 전압V와 터널전류I의 비에 의해 결정되는 미소 이중 접합체의 저항R의 변화는 차단영역내에 있어서 증강되는 결과로 된다. 즉, 개개의 터널저항R1, R2의 변화는 차단영역내와 차단영역의 외측에서 동일하지만, 공동터널링효과에 의한 전류를 거쳐서 미소 이중 접합체의 저항R의 변화를 관측하면 보다 큰 전류변화로 되는 것이다. 이 효과는 터널현상의 고차항에서 유래되는 것으로서, 암암리에 0차 항만을 대상으로 한 터널 자기저항효과와는 다른 메카니즘으로 되어 있다. 그러나, 이와 같은 공동터널링효과에 의한 현상도 터널현상 전체의 일부의 효과에 의한 것이므로 이것을 공동터널링효과에 따른 자기저항효과의 증강이라고 하기로 한다.
도 12에 도시한 미소 이중 접합형 터널 자기저항효과 소자는 자기저항효과의 원인이 공동터널링효과에서 유래하기 때문에 단일 전자소자로서 유효하게 동작하는 것이 소자동작의 전제로 된다. 그러나, 공지예1에 의하면 터널 자기저항효과 소자는 20mK정도의 극저온(極低溫)에서 동작이 확인된 것에 불과하다. 또, 공지예1에 의하면 강자성체층(100)의 크기는 150㎚×2500㎚이지만, 실온에 있어서 동작하기 위해서는 강자성체층(100)의 크기가 5×5㎚이하이어야 한다. 이와 같이, 종래기술과 실온동작가능한 소자에 대한 요구는 크게 차이가 있으므로, 종래의 미세가공기술에서는 도달할 수 없는 강자성체층(100)의 크기를 제작하는 것이 요구된다.
또, 미소 이중 접합형 터널 자기저항효과 소자는 종래의 자기저항(MR)효과소자 및 거대자기저항(GMR)효과소자와 비교해서 높은 임피던스를 갖게 된다. 왜냐하면, 터널저항이 양자저항RK(약 25. 8Ω)보다 충분히 큰 것이 쿨롱차단효과가 발현되기 위한 필요조건으로 되어 있기 때문이다. 그 때문에, 터널 자기저항효과 소자의 고임피던스화를 회피하는 연구가 필요로 된다. 또, 터널 자기저항효과 소자의 고임피던스화를 충분히 회피할 수 없는 경우에는 S/N을 향상시키기 위해 종래와는 다른 신호검출방법을 사용할 필요가 생긴다.
본 발명의 목적은 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 실온에서 동작할 수 있는 다중터널접합, 터널 자기저항효과 소자, 자기센서 및 자기기록센서 헤드를 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 다른 목적은 터널전류의 변화를 높은 S/N비로 검출할 수 있는 자기센서 및 자기기록센서 헤드를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 다중터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 3은 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 4는 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 5는 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 6은 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 7은 본 발명에 관한 다른 다중 터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 도시한 단면도,
도 8은 도 7에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 일부를 도시한 단면도,
도 9는 도 7에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 10은 도 7에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법의 설명도,
도 11은 본 발명에 관한 자기센서의 검출회로계를 도시한 도면,
도 12는 종래의 터널 자기저항효과 소자를 도시한 도면.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 있어서는 평면기판상에 연자성체재료와 강자성체재료 중의 1개로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 상기 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 연자성체재료와 강자성체재료 중의 다른 1개로 이루어지는 자성체 미립자를 마련하고, 상기 제2 터널 배리어층상에 연자성체재료와 강자성체재료 중의 1개로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한다.
이 경우, 상기 자성체 미립자의 자기용량(自己容量)을 10aF이하로 한다.
또, 상기 자성체 미립자를 콜로이드 미립자로 한다.
또, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 및 상기 자성체 미립자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성한다.
또, 상기 자성체 미립자를 여러개 마련한다.
또, 터널 자기저항효과 소자에 있어서 상기 다중터널접합을 사용한다.
또, 상기 터널 자기저항효과 소자를 사용한 자기센서에 있어서 상기 제1 및 제2 자성체층 사이에 교류전압을 인가하는 교류전압원을 마련하고, 상기 교류전압의 전류응답중의 제2 고조파 이상의 주파수를 갖는 고조파 신호성분만을 추출하는 고역필터(high pass filter)를 마련한다.
또, 자기기록센서 헤드에 있어서 상기 자기센서를 사용한다.
도 1은 본 발명에 관한 다중터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 도시한 단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 절연체층으로 이루어지는 기판(11)상에 연자성체재료로 이루어지는 제1 연자성체층(베이스전극)(210)이 형성되고, 기판(11), 연자성체층(210)상에 절연층(350)이 형성되고, 연자성체층(210)상의 절연층(350)에 의해 둘러싸인 영역에 유전체박막으로 이루어지는 제1 및 제2 터널 배리어층(310), (311)이 형성되고, 터널 배리어층(310)과 터널 배리어층(311) 사이에 입자지름이 10㎚이하인 강자성체재료로 이루어지는 강자성체 미립자(110)이 마련되고, 터널 배리어층(311)상에 연자성체재료로 이루어지는 제2 연자성체층(톱전극)(211)이 형성되고, 연자성체층(210), 터널 배리어층(310), 강자성체 미립자(110), 터널 배리어층(311), 연자성체층(211)에 의해 다중터널접합(미소 이중 접합)이 형성되어 있다.
다음에, 도 2∼도 6에 의해 도 1에 도시한 다중터널접합 및 터널 자기저항효과 소자의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2(도 2b는 도 2a의 A-A단면도)에 도시한 바와 같이, 기판(11)상에 연자성체층(210)을 포토리도그래피와 진공증착을 사용해서 형성한다. 이 경우, 기판(11)로서는 Si기판상에 열산화에 의해서 형성된 400㎚이상의 막두께를 갖는 SiO2막을 사용할 수 있고, 또 연자성체층(210)으로서는 10㎚정도의 막두께의 NiFe막, 퍼멀로이막, 센더스트(Fe-Al-Si)막 등을 사용할 수 있다.
다음에, 도 3(도 3b는 도 3a의 B-B단면도)에 도시한 바와 같이, 기판(11), 연자성체층(210)상에 절연층(350)을 형성한다. 이 경우, 절연층(350)에는 중심부의 디바이스형성부(354)와 좌우부의 본드패드 형성부(352)에 대응하는 창부를 마련한다.
다음에, 도 4(도 4b는 도 4a의 C-C단면도)에 도시한 바와 같이, 디바이스형성부(354)의 창에만 터널 배리어층(310)을 형성한다. 이 경우, 터널 배리어층(310)으로서는 예를 들면 산화알루미늄 타겟을 스퍼터링해서 형성한 1㎚두께 정도의 산화알루미늄층 등의 각종 유전체박막을 사용할 수 있다. 다음에, 터널 배리어층(310)의 표면에 입자지름이 10㎚이하인 강자성체 미립자(110)을 단층으로 되도록 부착시킨다. 이 경우, 공지예3(J. R. Thomas 저, Preperation and Magnetic Properties of Colloidal Cobalt Particles, Journal of Applide Physics vol. 37, 2914(1966))에 개시된 방법에 의해서 제작된 콜로이드용액중에 포함되는 코발트 미립자를 강자성체 미립자(110)으로서 사용한다. 즉, 폴리머분자의 계면활성제로 피복되고 또한 직경이 8㎚정도인 코발트 미립자로 이루어지는 콜로이드용액중에 터널 배리어층(310)을 형성한 직후의 기판을 담그고, 강자성체 미립자(110)(코발트 미립자)를 터널 배리어층(310)상에 1층만 부착시킨다. 기판을 침지하는 시간은 24시간 정도로 하고, 이 동안 기판면과 평행한 정자계H0을 계속해서 인가한다. 그렇게 하면, 기판면과 평행한 정자계H0중에서 연자성체층(210)은 이 정자계H0의 방향으로 자화된다. 그러나, 스퍼터링에 의한 성막방법에 의해 형성된 연자성체층(210)의 표면에는 도 5에 도시한 바와 같은 나노메타(㎚)규모의 오목볼록이 존재한다. 본래, 연자성체는 투자율이 높은 재료이지만, 이와 같은 오목볼록의 존재에 의해서 자극(312)가 발생하고, 연자성체층(210) 표면의 매우 근방에 누설자계가 분포하고, 터널 배리어층(310)이 충분히 얇기 때문에 누설자계는 터널 배리어층(310)상으로까지 누설되고 있는 것으로 고려된다. 한편, 강자성체 미립자(110)은 각 결정방위에 의해 결정되는 방향으로 자화하고 있지만, 강자성체 미립자(110) 자체는 회전 브라운운동(Brownian motion)을 하면서 터널 배리어층(310)에 도달하고, 강자성체 미립자(110)의 자기모멘트는 반드시 일정한 방향을 향하고 있는 것은 아니다. 그러나, 터널 배리어층(310)의 표면에 도달한 후, 강자성체 미립자(110)은 터널 배리어층(310)에서 반델왈스(Van der Waals)력에 의한 인력(引力)을 받지만, 동시에 강자성체 미립자(110)(코발트 미립자)를 피복하는 계면활성제분자의 입체장해효과에 의해서 터널 배리어층(310)에서 척력(斥力)을 받는다. 이 때문에, 강자성체 미립자(110)의 터널 배리어층(310)의 표면으로의 속박이 약해져 터널 배리어층(310)의 표면상을 돌아다닐 수 있다. 그리고, 강자성체 미립자(110)이 터널 배리어층(310)의 표면상을 돌아다니는 동안 자극(312)의 누설자계가 존재하는 개소에 도달하면 강자성체 미립자(110)의 자화 방향이 누설자계의 방향과 합치하도록 배향하고, 강자성체 미립자(110)은 터널 배리어층(310) 표면상에 고정된다. 여기에서 중요한 것은 강자성체 미립자(110)의 자화가 터널 배리어층(310)의 표면과 평행하게 배향한 채로 고정되어 있는 점이다. 이와 같는 강자성체 미립자(110)의 고정방법에 의하면, 연자성체층(210)의 표면의 오목볼록에 의한 자극(312)의 분포에 의해서 강자성체 미립자(110)의 분포나 밀도가 결정되게 된다. 그 결과, 각 강자성체 미립자(110)은 평균 20㎚정도의 간격을 두고 임의의 배치를 취해서 디바이스형성부(354) 전체에 균일하게 부착된다. 그리고, 강자성체 미립자(110)을 고정시킨 후, 콜로이드용액의 용매를 제거한다.
다음에, 도 6(도 6b는 도 6a의 D-D단면도)에 도시한 바와 같이, 강자성체 미립자(110)이 부착된 기판에 산소플라즈마어싱을 실시하고, 강자성체 미립자(110)(코발트미립자) 표면의 계면활성제분자를 제거한 후, 터널 배리어층(310)의 형성과 동일한 방법에 의해 터널 배리어층(311)을 형성하고, 또 연자성체층(211)을 형성한다. 이 경우, 연자성체층(211)로서는 10㎚정도의 막두께의 Ni-Fe막, 센더스트막 등을 사용할 수 있다. 다음에, 연자성체층(210)과 연자성체층(211)에 리이드선(도시하지 않음)을 본딩하고 외부회로에 접속한다.
여기에서, 강자성체 미립자(110)의 크기는 중요한 파라미터로 된다. 즉, 대부분의 강자성체로 이루어지는 미립자는 그 직경이 3㎚이하로 되면 실온에 있어서 보자력을 잃고 초 상자성(super paramagnetism)을 나타내게 된다. 한편, 10㎚이하의 금속미립자가 갖는 자기용량은 1aF(10-18F)정도로 되고, 이 자기용량의 값에서 계산되는 충전에너지(charging energy)는 100meV정도로 되고, 실온에 있어서의 열적여기에너지 25meV를 충분히 상회할 수 있다. 따라서, 강자성체 미립자(110)의 직경이 10nm이하인 것이 실온에 있어서 현저한 쿨롱차단효과를 얻기 위한 기준으로 된다. 그래서, 보자력을 유지할 목적때문에 어느 정도 이상의 크기를 갖는 강자성체 미립자(110)을 사용할 필요가 있는 것 및 실온에 있어서 쿨롱차단효과를 관측하기 위해 충분히 작은 강자성체 미립자(110)을 사용하는 것의 쌍방의 조건을 만족시키는 강자성체 미립자(110)의 크기를 선정할 필요가 있다.
이 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 임의의 1개의 강자성체 미립자(110)에서 보면, 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이에는 터널 배리어층(310), (311)이 존재하고 있고, 상술한 바와 같이 1개의 강자성체 미립자(110)을 거쳐서 다중터널접합이 형성되어 있다. 그리고, 강자성체 미립자(110)이 다수 존재하므로 다수의 다중 터널접합이 병렬로 연자성체층(210)과 연자성체층(211)을 접속하고 있다.
또, 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이에 존재하는 다수의 다중터널접합 중 1개의 다중터널접합만을 고려하고, 가령 연자성체층(210)에 대해서 정의 전압V가 연자성체층(211)에 인가된 것으로 한다. 그 때, 이 전압V가 여기에서 고려하고 있는 다중터널접합이 갖는 차단영역내의 전압인지 차단영역 외측의 전압인지가 문제로 된다. 가령, 이 전압V가 차단영역의 외측에 속하는 전압이었다고 하면, 연자성체층(210)에서 터널 배리어층(310)을 거치는 터널에 의해서 강자성체 미립자(110)에 전자가 주입되고, 계속해서 터널 배리어층(311)을 거치는 터널에 의해서 전자가 강자성체 미립자(110)에서 연자성체층(211)로 방출되고, 주로 고전적 터널전류로 이루어지는 단일전자 터널전류가 흐른다. 또, 전압V가 차단영역내의 전압이었다고 하면 고전적 터널전류가 억압되고, 공동 터널링효과에 의한 터널전류가 주로 관측된다.
또, 연자성체층(210), (211)은 그 막면내와 평행한 외부자계에 의해서 용이하게 자화반전을 발생시킬 수 있다. 한편, 강자성체 미립자(110)은 결정구조에 고정된 자화를 갖고 있으므로, 외부자계에는 용이하게 추종하지 않는다. 이와 같은 강자성체 미립자(110)과 연자성체층(210), (211)과의 자화(각 자성체층의 자화)가 외부자계에 대해서 다른 응답성을 갖는 것에 의해서 터널 자기저항효과가 얻어진다. 즉, 강자성체 미립자(110)과 연자성체층(210), (211)의 자화의 배향 방법에 대응해서 터널 배리어층(310), (311)의 터널저항R1, R2가 변화하고, 다중터널접합을 통과하는 터널전류I가 변화한다. 이와 같은 다중 터널접합의 터널 자기저항효과는 바이어스전압V가 차단영역내인지 차단영역의 외측인지에 의해서도 변화하고, 차단영역내이면 공동터널링효과에 의해 증강된다. 그리고, 도 1에 도시한 다중 터널접합, 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 강자성체 미립자(110)의 직경을 10㎚이하로 하고 있기 때문에 실온에 있어서 현저한 쿨롱차단효과를 얻을 수 있다. 따라서, 실온에 있어서 차단영역내의 전압을 인가하면 공동터널링효과에 의한 터널전류를 관측하는 것에 의해 터널저항R1, R2를 검출할 수 있으므로 실온동작이 가능하다.
이상은 1개의 다중터널접합에 관한 의론이지만, 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이에는 다수의 강자성체 미립자(110)이 존재하고 다수의 다중터널접합이 형성되어 있다. 그리고, 강자성체 미립자(110)은 그 입자지름이 균일하고, 또 양 터널 배리어층(310), (311)의 막두께가 균일하면 다수의 다중터널접합의 특성은 균일하게 되고, 특성이 균일하게 된 다수의 다중터널접합이 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이를 병렬접속하고 있게 된다. 또, 강자성체 미립자(110)은 20㎚정도의 간격을 두고 배치되어 있으므로 다중터널접합끼리의 상호 작용은 무시할 수 있고, 개개의 다중터널접합이 독립적으로 동작하고 있다. 따라서, 관측되는 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이의 저항값은 이들의 특성이 균일하게 된 독립된 다중터널접합의 병렬접속의 값으로 된다. 그리고, 디바이스형성부(354)의 창영역이 1변이 2㎛정도인 정방형이라고 하면, 다중터널접합의 수는 10000개 이상으로 되므로 관측되는 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이의 저항값은 단일의 다중터널접합의 경우의 1000분의 1정도로 저감된다. 또, 각 다중터널접합의 특성이 균일하기 때문에 임의의 1개의 다중터널접합에 대해서 전압V가 차단영역내에 설정되어 있었다고 하면 다른 모든 다중터널접합에 대해서 차단영역내의 바이어스전압이 인가되어 있게 되고, 모든 다중터널접합에 의해 공동터널링효과에 의한 터널 자기저항효과의 증강이 얻어진다.
도 7은 본 발명에 관한 다른 다중터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7의 일부 상세도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 절연체층으로 이루어지는 기판(11)상에 연자성체층(210)이 형성되고, 연자성체층(210)상에 산화알루미늄으로 이루어지고 또한 두께b가 약 8㎚인 매트릭스(125)가 형성되고, 매트릭스(125)중에 직경a가 약 6㎚인 자성체 미립자인 코발트 미립자(120)이 분산해서 마련되고, 매트릭스(125)상에 연자성체층(211)이 형성되어 있다.
다음에, 도 9 및 도 10에 의해 도 7 및 도 8에 도시한 터널 자기저항효과 소자의 제조방법을 설명한다. 우선, 도 9(도 9b는 도 9a의 E-E단면도)에 도시한 바와 같이 기판(11)상에 연자성체층(210)을 포토리도그래피와 진공증착을 사용해서 형성한 후 유전체재료인 산화알루미늄과 강자성체재료인 코발트와의 쌍방을 타겟으로 해서 동시 스퍼터링을 실행하는 것에 의해 연자성체층(210)상에 두께가 약 8㎚인 복합막을 형성하고, 리도그래피에 의해 복합막의 패턴을 형성한 후 복합막을 가열처리하는 것에 의해 코발트 미립자(120)이 분산된 매트릭스(125)를 형성한다. 다음에, 도 10(도 10b는 도 10a의 F-F단면도)에 도시한 바와 같이, 스퍼터링과 포토리도그래피에 의해 패턴을 갖는 연자성체층(211)을 형성한다. 다음에, 연자성체층(210)과 연자성체층(211)에 리이드선(도시하지 않음)을 본딩하고 외부회로에 접속한다.
도 7에 도시한 다중터널접합, 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 코발트 미립자(120)의 표면과 연자성체층(210) 또는 연자성체층(211) 사이는 1㎚정도의 거리가 있기 때문에 코발트 미립자(120)과 연자성체층(210) 또는 연자성체층(211) 사이에 존재하는 매트릭스(125)가 제1 및 제2 터널 배리어층으로 되고, 연자성체층(210), (211)에서 코발트 미립자(120)으로의 전자의 터널이 가능하게 된다. 또, 매트릭스(125)의 두께b가 약 8㎚이기 때문에 연자성체층(211)과 연자성체층(210) 사이에는 코발트 미립자(120)은 1층밖에 존재하지 않는다. 따라서, 코발트 미립자(120)으로의 터널경로는 연자성체층(210), (211)로의 경로밖에 존재하지 않으므로 다중터널접합을 형성하고 있다. 또, 코발트 미립자(120)은 평균 20㎚정도의 거리를 두고 석출하고 있고, 개개의 다중터널접합은 독립적으로 동작한다고 고려된다. 그리고, 도 7에 도시한 다중터널접합, 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 매트릭스(125)로 이루어지는 제1 및 제2 터널 배리어층 및 코발트 미립자(120)으로 이루어지는 자성체 미립자를 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 유전체재료로서는 산화알루미늄 이외에 이산화규소 등을 사용할 수 있고, 또 강자성체재료로서 코발트 이외에 철 또는 그밖의 합금 등을 사용할 수 있다.
또, 도 1, 도 7에 도시한 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 다중터널접합의 차단영역내에 대응하는 전압V를 연자성체층(210)과 연자성체층(211)에 인가하고, 터널전류I의 자장에 대한 변화를 감시하는 것에 의해서 자기센서로서 동작시킬 수 있다. 또, 터널전류I를 고정시켜 두고 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이에 발생하는 전압V를 감시하는 것에 의해서도 자기센서로서 동작시킬 수 있다. 단, 발생하는 전압V가 차단영역내에 있도록 전류바이어스I를 설정할 필요가 있다. 또, 이와 같은 자기센서를 자기기록센서 헤드에 사용하는 것도 가능하다. 어쨌든 자장의 변화는 연자성체층(210)과 연자성체층(211) 사이의 단자간 저항R의 변화로서 검출된다. 발명자들의 실험에 의하면, 도 1에 도시한 터널 자기저항효과 소자에 있어서 관측되는 단자간 저항값R은 수백kΩ정도였다. 또, 단자간 저항R은 100 Oe정도의 외부자장에 있어서 최대로 되고, 단자간 저항값R과 1k Oe이상의 외부자장에서 얻어지는 최소 단자간 저항Rm과의 차 ΔR(=R-Rm)은 100kΩ정도로 되고, 차 ΔR의 최소 단자간 저항Rm에 대한 비(ΔR/Rm)는 40%에 도달하였다. 이것을 단자간 전압V의 변화로서 관측하면 20μV정도였다.
다음에, 도 1, 도 7에 도시한 터널 자기저항효과 소자를 갖는 자기센서에 차단영역의 외측의 보다 큰 전압V를 인가하고 외부자장의 변화를 터널전류I의 변화로서 관측하는 것을 고려한다. 상기 식 3에서 명확한 바와 같이, 이 터널전류I는 전압V에 비례하는 성분과 전압V의 3승에 비례하는 성분의 2종류를 포함하고 있다. 그리고, 고전적 터널전류 및 열적여기에 의해 터널 배리어층을 넘어서 소자를 통과해 온 전자에 의한 전류 등은 모두 전압V에 비례하는 성분만으로 이루어져 있다. 이 때문에 차단영역의 외측의 보다 큰 전압V를 인가해도 전압V의 3승에 비례하는 성분만을 검출할 수 있으면 터널 자기저항효과가 증강되어 있는 공동터널링효과에 의한 성분만을 검출할 수 있고, 그밖의 증강이 없는 전류성분을 제거할 수 있다.
도 11은 본 발명에 관한 자기센서의 검출회로계를 도시한 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이 연자성체층(211)에 주파수f, 전압V(f)의 교류전압원(500)이 접속되고, 연자성체층(210)에 전류검출앰프(510)이 접속되고, 전류검출앰프(510)에 고역필터(520)이 접속되어 있다.
이 자기센서의 검출회로계에 있어서는 외부자계H가 변화하면 터널전류I(f, 3f)(소자전류)가 변화한다. 그리고, 터널전류I(f, 3f)는 전압V의 3승에 비례하는 항에서 발생하는 주파수3f의 성분과 주파수f의 성분을 포함하고 있다. 그러나, 전류검출앰프(510)의 출력은 고역필터(520)에 입력되고, 주파수 변별에 의해 주파수3f의 성분만을 갖는 신호V0(3f)를 추출하므로 터널 자기저항효과가 증강되어 있지 않은 신호성분을 포함하는 주파수f의 성분이 제거된다. 그리고, 주파수3f의 성분의 외부자계H의 변화에 대한 응답을 센서신호로서 처리하면, 전압V의 3승에 비례하는 성분은 전압V의 상승과 함께 급격히 증가하므로 차단영역의 외측의 보다 큰 전압V에 있어서 보다 큰 신호성분을 발생한다. 따라서, 연자성체층(210)과 연자성체층(211)에 인가하는 전압V를 차단영역내에 한정하지 않고 3자리수 정도 높은 S/N비에 의해서 외부자계H의 변화를 관측할 수 있다. 또한, 이와 같은 자기센서를 자기기록센서 헤드에 사용할 수도 있다.
또한, 상술한 실시예에 있어서는 제1 및 제2 자성체층으로서 연자성체재료로 이루어지는 연자성체층(210), (211)을 사용하고, 자성체 미립자로서 강자성체재료로 이루어지는 강자성체 미립자(110)을 사용했지만, 제1 및 제2 자성체층으로서 강자성체재료로 이루어지는 제1 및 제2 강자성체층을 사용하고, 자성체 미립자로서 연자성체재료로 이루어지는 연자성체 미립자를 사용해도 좋다. 이 경우, 연자성체 미립자가 외부자계에 추종하고, 제1 및 제2 강자성체층이 결정구조에 대해서 고정된 자화를 갖는다. 또, 상술한 실시예에 있어서는 강자성체 미립자(110)의 자기용량을 1aF정도로 했지만, 자성체 미립자의 자기용량을 10aF 이하로 하면 좋다.
본 발명에 관한 다중터널접합, 터널 자기저항효과 소자에 있어서는 실온에 있어서 쿨롱차단효과를 얻을 수 있기 때문에 실온에 있어서 차단영역내의 전압을 인가하면 공동터널링효과에 의한 터널전류를 관측하는 것에 의해 터널저항을 검출할 수 있으므로, 실온동작이 가능하다.
또, 제1 및 제2 터널 배리어층 및 자성체 미립자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성했을 때에는 제1 및 제2 터널 배리어층 및 자성체 미립자를 용이하게 형성할 수 있다.
또, 자성체 미립자를 여러개 마련했을 때에는 제1 및 제2 자성체층 사이의 저항값을 저감할 수 있다.
또, 자기센서, 자기기록센서 헤드에 있어서 다중터널접합의 차단영역내의 바이어스전압을 인가했을 때에는 실온동작이 가능하다.
또, 자기센서, 자기기록센서 헤드에 있어서 제1 및 제2 자성체층 사이에 고류전압을 인가하는 교류전압원을 마련하고, 교류전압의 전류응답중의 제2 고조파 이상의 주파수를 갖는 고조파 신호성분만을 추출하는 고역필터를 마련했을 때에는 자장에 의한 터널전류의 변화를 높은 S/N비로 검출할 수 있다.

Claims (24)

  1. 평면기판상에 연자성체 재료로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 상기 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 강자성체 재료로 이루어지는 자성체입자를 마련하고, 상기 제2 터널 배리어층상에 연자성체재료로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한 터널접합을 갖는 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성체입자의 자기용량을 10aF 이하로 한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성체입자를 콜로이드입자로 한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 배리어층 및 상기 자성체입자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성체입자를 여러개 마련한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  6. 평면기판상에 강자성체 재료로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 상기 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 연자성체 재료로 이루어지는 자성체입자를 마련하고, 상기 제2 터널 배리어층상에 강자성체재료로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한 터널접합을 갖는 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자성체입자의 자기용량을 10aF 이하로 한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 자성체입자를 콜로이드입자로 한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 배리어층 및 상기 자성체입자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 자성체입자를 여러개 마련한 것을 특징으로 하는 터널 자기저항효과 소자.
  11. 평면기판상에 연자성체 재료로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 상기 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 강자성체 재료로 이루어지는 자성체입자를 마련하고, 상기 제2 터널 배리어층상에 연자성체재료로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한 터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 사용한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자성체입자의 자기용량을 10aF 이하로 한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 자성체입자를 콜로이드입자로 한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 배리어층 및 상기 자성체입자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 자성체입자를 여러개 마련한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 터널접합의 차단영역내의 바이어스전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기센서.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자성체층 사이에 교류전압을 인가하는 교류전압원을 마련하고, 상기 교류전압의 전류응답중의 제2 고조파 이상의 주파수를 갖는 고조파 신호성분만을 추출하는 고역필터를 마련한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  18. 평면기판상에 강자성체 재료로 이루어지는 제1 자성체층을 형성하고, 상기 제1 자성체층상에 제1 및 제2 터널 배리어층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 터널 배리어층 사이에 연자성체 재료로 이루어지는 자성체입자를 마련하고, 상기 제2 터널 배리어층상에 강자성체재료로 이루어지는 제2 자성체층을 형성한 터널접합을 갖는 터널 자기저항효과 소자를 사용한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 자성체입자의 자기용량을 10aF 이하로 한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 자성체입자를 콜로이드입자로 한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 배리어층 및 상기 자성체입자를 유전체재료와 강자성체재료를 타겟으로 한 동시 스퍼터링에 의해 퇴적시킨 복합막을 가열처리하는 것에 의해서 형성한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 자성체입자를 여러개 마련한 것을 특징으로 하는 자기센서.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 터널접합의 차단영역내의 바이어스전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기센서.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자성체층 사이에 교류전압을 인가하는 교류전압원을 마련하고, 상기 교류전압의 전류응답중의 제2 고조파 이상의 주파수를 갖는 고조파 신호성분만을 추출하는 고역필터를 마련한 것을 특징으로 하는 자기센서.
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