KR19990036568A - 터널 접합구조와 그 제조방법 및 자기 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터널 접합의 자성층과 절연층과의 계면에 비자성층이 형성되는 것을 억제하여, 저항 변형률이 큰 터널 접합구조를 제공한다.
지지기판상에 제 1 자성층이 형성되어 있다. 제 1 자성층상에 터널 절연층이 배치되어 있다. 터널 절연층은 구성원소로서 금속원소를 포함한다. 터널 절연층상에 제 2 자성층이 배치되어 있다. 제 1 자성층과 터널 절연층 사이에 확산 방지층이 삽입되어 있다. 확산 방지층은 제 1 자성층내의 금속원자와 터널 절연층내의 금속원자의 상호 확산을 억제한다. 터널 절연층 및 확산 방지층은 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이에 터널 전류가 흐르는 두께로 되어 있다.

Description

터널 접합구조와 그 제조방법 및 자기 센서
본 발명은 터널 접합구조와 그 제조방법 및 터널 접합을 갖는 자기 센서에 관한 것이다.
금속층/절연층/금속층이 이 순서로 적층된 적층구조에서, 절연층의 두께가 충분히 얇을(수Å ~ 수천Å 정도)경우에, 양쪽의 금속층간에 전압을 인가하면 터널 전류가 흐른다. 이와 같은 접합을 터널 접합이라고 한다. 절연층으로는, 통상 금속산화막이 사용된다. 예를 들면 알루미늄층의 표면층을 자연산화, 플라즈마 산화 또는 열산화등으로 산화하여 산화알루미늄의 박층을 형성한다. 산화조건을 제어함으로써, 이 산화알루미늄 박층의 두께를 수Å ~ 수천Å 정도로 할 수가 있다.
터널 접합 양쪽의 금속층을 강자성 재료로 형성한 접합은 강자성 터널 접합이라고 불리운다. 강자성 터널 접합에서는 터널 확률(터널 저항)이 양쪽의 자성층의 자화상태에 의존한다. 이 때문에 외부 자장을 인가하여 자성층의 자화상태를 변화시킴으로써, 터널 저항을 제어할 수가 있다. 바꾸어 말하면 터널 저항의 변화에 의해 외부 자장의 변화를 검출할 수가 있다.
양 자성층간의 자화의 상대각도를 θ라고 하면, 터널 저항 R은
R=RS+ (1/2)△R(1-cosθ)
로 표시된다. 여기에서 Rs는 상대각도(θ)가 0°, 즉 양 자성층의 자화의 방향이 평행일 경우의 터널 저항이며, △R은 양 자성층의 자화의 방향이 평행일 때와 반 평행일 때의 터널 저항의 차이다. 또 △R은 일반적으로 정이다.
수학식1에서 알 수 있는 바와 같이, 양 자성층의 자화의 방향이 평행일 때에 터널 저항(R)이 최소로 되며, 반 평행일 때에 터널 저항(R)이 최대로 된다. 이것은 강자성체내의 전자가 스핀 편극하고 있는 것에 기인한다. 전자는 통상 상향의 스핀상태와 하향의 스핀상태중의 어느 하나의 상태를 취한다. 상향 스핀 상태의 전자를 업 스핀 전자, 하향 스핀 상태의 전자를 다운 스핀 전자라고 부른다.
비자성체에서는, 통상 업 스핀 전자와 다운 스핀 전자의 수가 같다. 이 때문에 전체적으로 자성을 나타내지 않는다. 한 편 강자성체내에서는 업 스핀 전자수와 다운 스핀 전자수가 다르다. 이 때문에 전체적으로 상향 또는 하향의 자화를 지닌다.
전자가 터널링 할 경우에, 각 전자는 스핀 상태를 유지한 채로 터널하는 것이 알려져 있다. 터널선의 자성층에, 상기 전자의 스핀 상태에 대응한 빈 에너지 준위가 있으면 터널 가능하지만, 빈 에너지 준위가 없으면 터널할 수 없다.
터널 저항의 변화율 △R/RS는 전자원의 분극률과 터널선의 빈 에너지 준위의 분극률의 곱으로 표시되며,
△R/RS= 2P1P2/(1-P1P2)
가 된다. 여기에서, P1은 전자원의 전자의 스핀 분극률을 표시하며, P2는 터널선의 자성층의 빈 준위의 스핀 분극률을 표시한다. 또 P1및 P2는
P1, P2= 2(Nup- Ndown)/(Nup+ Ndown)
으로 표시된다. 여기에서, Nup은 업 스핀 전자수 또는 업 스핀 전자에 대한 준위수를 표시하며, Ndown은 다운 스핀 전자수 또는 다운 스핀 전자에 대한 준위수를 표시한다.
분극률(P1, P2)은 강자성 재료의 종류에 의존하며, 분극률이 50%에 가까운 값을 나타내는 것도 있다. 이 경우에, 이방성 자기저항효과나 거대 자기저항효과에 의한 저항 변화율보다도 큰 수십% 정도의 저항 변화율을 기대할 수 있다.
강자성 터널 접합구조의 절연층으로는 통상 산화금속이 사용된다. 이 산화금속은 금속층을 퇴적한 후에, 그 표면을 자연산화, 열산화, 플라즈마 산화등에 의해 형성한다. 이 방법으로 절연층을 형성하면, 금속층 중에서 표면층만이 산화되어, 심층부에 미산화 금속층이 남는 경우가 있다.
미산화의 금속층은 그 후의 고온 처리시에 자성층과 반응하여 고용체를 형성하는 경우가 있다. 즉 자성층/고용체층/절연층/자성층의 4 층 구조 또는 자성층/고용체층/금속층/절연층/자성층의 5 층 구조가 된다. 고용체는 비자성체이기 때문에, 그 내부의 전자는 스핀 편극하고 있지 않다. 이 때문에, 자성층간을 터널하는 전자의 분극률이 고용체내에서 감쇠하고, 그 결과 수학식2에 나타낸 저항 변화율이 저하해 버린다.
본 발명의 목적은 터널 접합의 자성층과 절연층과의 계면에 비자성층이 형성되는 것을 억제하여, 저항 변화율이 큰 터널 접합구조와 그 제조방법 및 자기 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 터널 접합의 금속층과 절연층과의 상호 반응을 억제하여, 양호한 전기적 특성을 갖는 터널 접합구조를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 강자성 터널 접합구조의 평면도 및 단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 강자성 터널 접합구조의 MR비의 외부 자장 의존성을 나타낸 그래프.
도 3은 도 1에 나타낸 강자성 터널 접합구조의 MR비의 열처리 온도 의존성을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예의 제 1 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예의 제 2 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예의 제 3 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예 또는 그 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조를 사용한 자기 헤드의 상면도 및 정면도.
도 8은 Co/Al 적층구조 및 Co/CoO/Al 적층구조의 포화자화의 열처리 온도 의존성을 나타낸 그래프.
※ 부호의 설명
1 기판
2 전류계
3 전압계
10 하부 자성층
11 NiFe층
12 Co층
13 CoO층
20 중간층
21 Al층
22 AlO 터널 절연층
30 상부 자성층
31 Co층
32 NiFe층
33 FeMn층
34 NiFe층
50 하부 보호층
51 하부 갭 층
52 하부 자성층
53A, 53B CoCrPt층
54A, 54B 하부전극
55 중간층
56 상부 자성층
57 상부 전극
58 상부 갭 층
59 상부 보호층
60 자기 디스크
70 지지기판
본 발명의 한 관점에 의하면, 지지기판상에 형성된 제 1 자성체와, 상기 제 1 자성층상에 배치되어, 구성원소로서 금속원소를 함유한 터널 절연층과, 상기 터널 절연층상에 배치된 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 제 1 자성층내의 금속원자와 상기 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하는 재료로 된 확산 방지층을 가지며, 상기 터널 절연층 및 확산방지층이 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이에 터널 전류가 흐르는 두께로 되어 있는 터널 접합구조가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 하지 기판의 표면상에 제 1 자성층을 퇴적하는 공정과, 상기 제 1 자성층의 표면을 산화 또는 질화하여 전자가 터널할 수 있는 두께의 확산 방지층을 형성하는 공정과, 상기 확산 방지층의 표면상에 산화 또는 질화에 의해 절연체가 되는 금속으로 된 금속층을 퇴적하는 공정과, 상기 금속층의 적어도 표면층을 산화 또는 질화하여 터널 절연층을 형성하는 공정과, 상기 터널 절연층의 표면상에 제 2 자성층을 퇴적하는 공정을 갖는 터널 접합구조의 제조방법이 제공된다.
확산 방지층이 배치되어 있기 때문에, 제 1 자성층내의 금속원자와 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하여, 양 금속의 고용체 형성을 방지할 수가 있다. 자성층과 터널 절연층 사이에 고용체가 형성되면, 자성층간에 터널하는 전자의 스핀 분극률이 저하해 버린다. 고용체의 형성을 방지할 수 있기 때문에, 전자의 스핀 분극률의 저하를 방지하여 큰 터널 저항 변화율을 얻을 수가 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 제 1 금속층, 터널 절연층, 제 2 금속층이 이 순서로 적층된 터널 접합구조이며, 상기 제 1 및 제 2 금속층 중의 적어도 한 쪽의 금속층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 한 쪽 금속층내에 금속원자와 상기 터널 절연층의 구성원자와의 상호 확산을 방지하기 위한 확산 방지층을 갖는 터널 접합구조가 제공된다.
금속층내의 금속원자와 터널 절연층의 구성원자와의 상호 확산을 방지할 수 있기 때문에, 고온하에서도 초기의 전기적 특성을 유지할 수가 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 지지기판상에 형성된 제 1 자성층과, 상기 제 1 자성층상에 배치되어, 구성원소로서 금속원소를 함유한 터널 절연층과, 상기 터널 절연층상에 배치된 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 제 1 자성층내의 금속원자와 상기 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하는 재료로 된 확산 방지층과, 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이의 터널 저항의 변화를 검출하는 검출수단을 가지며, 상기 터널 절연층 및 확산 방지층이 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이에 터널 전류가 흐르는 두께로 되어 있는 자기 센서가 제공된다.
제 1 자성층내의 금속원자와 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하여, 양 금속의 고용체의 형성을 방지할 수가 있다. 고용체의 형성을 방지함으로써, 자성층간을 터널하는 전자의 스핀 분극률의 저하 및 터널 저항 변화율의 저하를 방지하여, 고 감도의 자기 센서를 얻을 수가 있다.
(발명의 실시 형태)
본 발명의 실시예를 설명하기 전에, Co층과 Al층의 2층 구조의 계면에서의 Co와 Al의 반응의 모양을 평가하기 위하여 행한 평가실험에 대해서 설명한다.
도 8a는 두께 3.0㎛의 Co층상에 두께 10 ㎚의 Al층을 퇴적하고, 그 후 이 2층 구조를 열처리한 경우의, 열처리후의 포화자화를 열처리 온도의 함수로서 나타낸다. 가로축은 열처리 온도를 단위 ℃로 표시하고, 세로축은 포화자화를 단위 emu로 표시한다. 또 동일 조건에서 복수의 시료를 제작하여, 각 시료의 포화자화를 플롯하였다. 200 ℃ 이상의 온도에서 열처리를 행하면, 포화자화가 급격히 저하한다. 이것은 열처리에 의해 Co층과 Al층과의 계면에서 Co와 Al이 상호 확산하여 고용체가 형성된 때문으로 생각된다.
도 8b는 Co층을 퇴적한 후, Al층을 퇴적하기 전에, Co층을 2 시간 대기에 쪼여, 그 표면에 자연산화막(CoO층)을 형성한 경우의 열처리 후의 포화자화를 열처리 온도의 함수로서 나타낸다. 또 동일 조건에서 복수의 시료를 제작하여, 각 시료의 포화자화를 플롯하였다. Co층 및 Al층의 두께는 도 8a의 경우와 동일하다. 350 ℃에서 열처리하여도 포화자화의 감소는 거의 없다. 이것은 Co층과 Al층과의 계면에 형성된 CoO층이 확산 방지층으로서 작용한 때문으로 생각된다.
다음에, 도 1a ~ 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1a는 실시예에 의한 강자성 터널 접합구조의 평면도를 나타낸다. Si 기판의 표면상에 도면의 세로 방향으로 연장하는 하부 자성층(10)이 형성되며, 그 거의 그 중앙부에 하부 자성층(10)을 덮어서 터널 절연층을 포함한 중간층(20)이 형성되어 있다. 중간층(20)이 형성되어 있는 영역에서, 하부 자성층(10)과 교차하도록 도면의 가로 방향으로 연장하는 상부 자성층(30)이 형성되어 있다. 각 층은 예를 들어 그 층의 형상에 대응한 개구를 갖는 메탈 마스크를 배치한 스퍼터링에 의해 형성된다.
하부 자성층(20)과 상부 자성층(30) 사이에는 전압계(3) 및 전류계(2)가 접속되어 있다. 양자간의 전류 및 전압을 측정함으로써 터널 저항을 구할 수가 있다.
도 1b는 도 1a의 일점쇄선 B1 - B1의 단면도를 나타낸다. Si기판(1)의 표면상에 형성된 하부 자성층(10)은 NiFe층(11), Co층(12) 및 CoO층(13)의 적층으로 구성되어 있다. 또 본 명세서에서 화합물의 조성비를 명기하지 않은 경우에는, 그 조성비는 하나에 한정되지 않는다. 예를 들어 CoO는 Co와 O의 조성비가 1:1인 경우에만 한정되지 않는다. NiFe층(11) 및 Co층(12)의 퇴적은 기판면에 평행, 또한 하부 자성층(10)이 연장하는 방향으로 직교하는 방향의 자장중에서 행한다. NiFe층(11) 및 Co층(12)이 도 1b의 지면에 직교하는 방향으로 자화된다. NiFe층(11) 및 Co층(12)의 두께는 예를 들면 각각 17㎚ 및 3.2 ㎚이다. CoO층(13)은 Co층(12)을 1 시간 산소에 쬐여서 형성된 자연산화막이다. 또한 플라즈마 산화, 열산화등을 사용해도 좋다.
하부 자성층(10)상에 형성된 중간층(20)은 Al층(21)과 AlO로 된 터널 절연층(22)과의 적층으로 구성되어 있다. 중간층(20)은 예를 들면 두께 1.3 ㎚의 Al층을 퇴적한 후에, 대기중에 500 시간 방치해서 그 표면을 자연산화하여 형성된다. 또한 플라즈마산화, 열산화등을 사용해도 좋다.
중간층(20)상에 형성된 상부 자성층(30)은 두께 3.3 ㎚ 의 Co층(31), 두께 17 ㎚의 NiFe층(32), 두께 45 ㎚의 FeMn층(33) 및 두께 8 ㎚의 NiFe층(34)의 적층으로 구성되어 있다. 상부 자성층(30)의 각 층의 퇴적은 기판면에 평행이며, 또한 상부 자성층(30)이 연장하는 방향으로 직교하는 방향의 자장중에서 행한다, 상부 자성층(30)의 각 층이 도 1b의 가로 방향으로 자화된다.
Co의 분극률은 NiFe의 분극률보다도 크다. 이 때문에, NiFe층(11)과 중간층(20) 사이 및 NiFe층(32)과 중간층(20) 사이에, 각각 Co층(12) 및 Co층(31)을 삽입함으로써, 수학식2에 나타낸 터널 저항의 변화율 △R/Rs를 크게 할 수가 있다. FeMn층(33)상의 NiFe층(34)은 FeMn층(33)의 산화를 방지한다.
CoO층(13)은 Al층(21)과 하부 Co층(12) 사이의 상호확산을 방지하여, Al과 Co의 고용체의 형성을 방지한다. 또한 하부 Co층(12)과 상부 Co층(31) 사이에, 비자성체의 Al층(21)이 삽입되어 있기 때문에, 상하의 Co층(12, 31) 사이를 터널하는 전자의 스핀 분극률이 저하하여, 터널 저항의 변화율이 감소해 버리는 것이 우려된다. 그러나 Al층(21)과 AlO층(22)의 합계의 두께가 1.3 ㎚ 정도로서 대단히 얇기 때문에, 전자의 스핀 분극률의 저하는 근소하다. 이 때문에 실용상은 문제가 없는 것으로 생각된다.
또한 퇴적한 Al층의 전 두께 영역을 산화하면, 중간층(20)을 AlO층(22)만으로 구성할 수가 있다. 이 경우에는 전자의 스핀 분극률의 저하는 생기지 않는다.
NiFe는 강자성체이며, FeMn은 반강자성체이다. 상부 자성층(30)의 FeMn층(33)과 NiFe층(32)이 자기적으로 교환 상호작용을 일으켜서, 강자성체인 NiFe층(32)의 자화방향이 외부 자장의 방향에 의존하지 않고 고정된다. 마찬가지로 상부 자성층(30)의 Co층(31)의 자화방향도 고정된다. 이에 대해서 하부 자성층(10)의 NiFe층(11) 및 Co층(12)의 자화방향은 외부 자장의 영향을 받아서 변화한다.
따라서 하부 자성층(10)에 외부로부터 자장을 인가하면, 하부 Co층(12)과 상부 Co층(31) 사이의 자화의 상대각도가 변화한다. 양자의 자화의 상대각도가 변화하면, 수학식1로 나타낸 바와 같이, 터널 저항이 변화한다. 이 터널 저항을 전압계(3) 및 전류계(2)로 측정함으로써, 외부 자장의 변화를 검출할 수가 있다.
도 2는 도 1a 및 1b에 나타낸 강자성 터널 접합구조의 터널 저항 변화율(MR비)의 자장 의존성을 나타낸다. 가로축은 외부 자장을 단위 Oe로 표시하고, 세로축은 MR비를 단위 %로 표시한다. 또한 2 개의 곡선이 나타나 있는 것은 자장을 - 100e에서 + 100 Oe까지 변화시키는 경우와, + 100 Oe에서 - 100 Oe까지 변화시키는 경우에 있어서, MR비의 변화의 모양이 다르기 때문이다. 도 1b의 지면에 수직한 방향의 자장을 인가하여 하부 NiFe층(11) 및 하부 Co층(12)의 자화방향을 회전시켜서, 상부 Co층(31)의 자화의 방향과 평행 또는 반 평행으로 한다. 양자가 평행일 때 터널 저항이 최소치를 나타내고, 반 평행일 때 최대치를 나타낸다. MR비는
MR비 = (ρMAX-ρMIN)/ρMIN
로 정의된다. 여기에서, ρMAX및ρMIN은 각각 터널 저항률의 최대치 및 최소치를 표시한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 자장 -20 ~ 20 Oe 사이에서, 약 10%의 MR비가 얻어지고 있다.
다음에 도 1a 및 1b에 나타낸 강자성 터널 접합구조를 압력 1 ×10-5Torr의 진공중에서 1 시간 열처리한 후의, MR비의 변화에 대해서 설명한다.
도 3은 열처리 후의 MR비의 열처리온도 의존성을 나타낸다. 가로축은 열처리 온도를 단위 ℃로 표시하며, 세로축은 MR비를 단위 %로 표시한다. 온도 200 ~ 300 ℃의 열처리를 하여도, MR비의 저하는 거의 보이지 않는다. 이는 도 1b에서 CoO층(13)이 확산 방지층으로 작용하여, 하부 Co층(12)과 Al층(21) 사이의 상호 확산을 방지하여, Al과 Co의 고융체의 형성이 방지되기 때문으로 생각된다.
온도 300 ℃에서 열처리한 경우에 MR비가 증가하고 있는 것은 CoO층(13)내의 산소원자가 Al층(21)내에 확산하여 AlO층을 형성하여, 비자성체의 Al층(21)이 소실되거나, 또는 얇아졌기 때문으로 생각된다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 중간층(20)을 구성하는 금속원소(이 경우는 Al)와 산소의 결합 에너지가 하부 자성층(10)의 중간층(20)측의 층(이 경우는 Co층(12))을 구성하는 금속원소(이 경우는 Co)와 산소와의 결합 에너지보다도 커지도록 각 층의 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
상기 실시예에서는 확산 방지층으로서 Co의 산화막을 사용하고, 터널 절연층으로서 Al의 산화막을 사용하였지만, 이들 금속과 반응하여 절연체를 형성하는 원소이면, 산소 이외의 원소와 반응시켜서 확산 방지층, 터널 절연층을 형성하여도 좋다. 예를 들면 질소등과 반응시켜 질화물을 형성하는 방법을 생각할 수 있다.
도 4는 상기 실시예의 제 1 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도를 나타낸다. 도 1b의 경우에는 터널 절연층(22)을 Al층을 자연산화시켜서 형성하였다. 이 때문에, Al층의 전 두께 영역을 산화하기가 곤란하며, 당초의 Al층의 심층부에 산화되지 않은 채의 Al층(21)이 남는 경우가 있다.
제 1 변형례의 경우에는 Al층의 퇴적과 그 자연 산화처리를 복수회로 나누어서 행한다. 이 때문에, 중간층(20A)이 복수의 AlO 박층(20a ~ 20c)으로 구성된다. 예를 들면 각 AlO박층(20a ~ 20c)의 두께를 0.4 ㎚로 한다. 그 이외의 구성은 도 1a 및 1b에 나타낸 실시예의 경우와 동일하다.
터널 절연층(20A)을 복수회로 나누어서 형성하기 때문에, 1 회의 산화처리에 의해 산화할 Al층이 얇아져서, 비교적 용이하게 Al층의 전 두께 영역을 산화할 수가 있다. 또 3 층 이외의, 예를 들어 2 층 또는 4 층 이상의 층으로 구성하여도 좋다.
하부 자성층(10)과 상부 자성층(30) 사이에 비자성재료인 Al층이 남지 않거나, 또는 남았다하더라도 극히 근소하기 때문에, 큰 MR비를 얻는 것이 기대된다. 또한 중간층(20A)을 구성하는 각 층을 서로 다른 금속원소의 산화물로 구성하여도 좋다. 예를 들면 박층(20a 및 20c)을 AlO로 형성하고, 박층(20b)을 NbO로 형성하여도 좋다.
도 5는 상기 실시예의 제 2 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도를 나타낸다. 제 2 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조는 도 1b에 나타낸 하부 NiFe층(11) 및 상부 NiFe층(32) 대신에, 각각 NiFe 박층과 Fe박층을 교대로 배치한 적층구조(11A, 32A)가 사용되고 있다. 예를 들면 두께 2 ㎚의 NiFe층과 두께 2 ㎚의 Fe층을 교대로 5 층씩 적층하여 구성한다. 그 이외의 구성은 도 1a 및 도 1b에 나타낸 실시예의 경우와 동일하다.
이와 같이, 다층구조로 함으로써 열처리에 의한 입자성장을 억제할 수가 있다. 열처리시에 입자성장이 발생하면, 터널 접합구조가 파괴되는 경우가 있다. 입자성장의 발생을 억제함으로써 내열성을 높일 수가 있다.
도 6은 상기 실시예의 제 3 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조의 단면도를 나타낸다. 제 3 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조는 도 1b에 나타낸 하부 NiFe층(11) 대신에, 제 2 실시예의 경우와 동일한 NiFe 박층(32)과 Fe층을 교대로 배치한 적층구조(11A)가 사용되며, 상부 NiFe층(32) 대신에 Co 박층과 Cu 박층을 교대로 배치한 적층구조(32B)가 사용되고 있다. 예를 들면 두께 1.5 ㎚의 Co층과 두께 1 ㎚의 Cu층을 교대로 5 층씩 적층하여 구성한다. 그 이외의 구성은 도 1a 및 1b에 나타낸 실시예의 경우와 동일하다.
강자성 박층과 비자성 박층을 교대로 배치한 다층막에서는 비자성 박층의 두께를 조절함으로써, 강자성 박층간에 강자성적 또는 반 강자성적인 교환 상호작용을 일으켜서 교환 결합된다. 제 3 변형례의 경우에는 Co박층간에 반강자성적인 교환 상호작용을 일으킨다. 이 적층구조(32B)가 반강자성체의 FeMn층(33)에 접하면, 적층구조(32B)의 강자성 박층내의 자화의 방향이 고정된다. 이 때문에, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 실시예의 경우와 동일한 기능을 수행한다.
또한 적층구조(32B)의 비자성 박층의 두께를 변경함으로써, 강자성적인 교환 상호작용을 일으키지 않을 수도 있다. 이 경우에도, 적층구조(32B)내의 자화방향이 고정되어, 자화 고정층으로서 작용한다. 또 도 5에서 설명한 입자성장의 발생을 억제하는 작용도 발휘한다.
도 7a는 상기 실시예 또는 제 1 ~ 제 3 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조를 사용한 하드 디스크 장치용 자기 헤드의 상면도를 나타내고, 도 7b는 도 7a의 자기 헤드를 화살표(AR) 방향에서 본 정면도(자기 디스크에 대향하는 면)를 나타낸다. 이하, 도 7a 및 7b를 참조하면서 자기 헤드의 구성 및 동작을 설명한다.
지지기판(70)상에 NiFe 또는 FeN 등으로 된 하부 보호층(50)이 형성되어 있다. Al2O3- TiC 하지 기판상에 알루미나(Al2O3)층을 형성한 것이다. 하지 보호층(50)상에 Al2O3로 된 하부 갭층(51)이 형성되어 있다. 하부 갭층(51)의 일부 영역상에 하부 자성층(52)이 형성되어 있다. 하부 자성층(52)의 폭(WL)은 예를 들면 0.8 ㎛이다. 하부 자성층(52)의 양측에 그 단면에 접하도록 각각 CoCrPt층(53A, 53B)이 형성되어 있다. CoCrPt층(53A, 53B)은 하부 자성층(52)에 전기적으로 접속되어 있다.
CoCrPt층(53A, 53B)상에, 각각 Ta, Ti, Cu, W등으로 된 전극(54A, 54B)이 형성되어 있다. 전극(54A, 54B)은 각각 CoCrPt층(53A, 53B)에 전기적으로 접속되어 있다. CoCrPt층(53A, 53B)은 착자화되어 있고, 하부 자성층(52)을 단자구화(單磁區化)하여 자벽의 돌발적인 변화를 억제하여, 동작의 불안정성을 해소한다. 하부 자성층(52), 전극(54A, 54B)을 덮어서 중간층(55)이 형성되어 있다.
중간층(55)의 상면 중에서 하부 자성층(52)에 대응하는 영역상에 상부 자성층(56)이 형성되며, 그 위에 Ta, Ti, Cu, W 등으로 된 상부 전극(57)이 형성되어 있다. 상부 자성층(56)의 폭(WH)은 예를 들면 0.5 ㎛이다. 상부 전극(57) 및 터널 절연층(55)을 덮어서 Al2O3로 된 상부 갭층(58)이 형성되며, 그 위에 NiFe등으로 된 상부 보호층(59)이 형성되어 있다.
하부 자성층(52), 중간층(55) 및 상부 자성층(56)으로 강자성 터널 접합구조가 형성된다. 이 강자성 터널 접합구조는 상기 실시예 또는 제 1 ~ 제 3 변형례에 의한 강자성 터널 접합구조와 동일한 구성을 갖는다.
도 7a에 나타낸 바와 같이, 도 7b에 나타낸 단면에 대향하도록, 자기 디스크(60)가 배치된다. 자기 디스크(60)는 도 7b에 나타낸 단면과의 간극을 유지한 채로 하부 자성층(52)의 면 법선 방향으로 이동한다. 자기 디스크(60)의 자화상태에 따라 하부 자성층(52)내에 발생하는 자장의 방향 및 크기가 변화한다.
하부 보호층(50) 및 상부 보호층(59)은 자기 디스크(60)에 기록된 자화 정보로부터 목적하는 자화 정보만을 빼내어, 그 주위의 자화 정보로부터의 영향을 배제한다. 하부 보호층(50)과 상부 보호층(59)의 간극이 자기 디스크(60)의 트랙 방향의 기록 밀도(선 기록 밀도)를 규정한다.
자화 정보의 판독 출력시에는, 왼쪽의 하부 전극(54A)과 상부 전극(57) 사이에 일정한 전류를 흐르게 해두고, 양 전극간의 전압을 검출한다. 또 오른쪽의 하부 전극(54B)과 상부 전극(57) 사이에 일정한 전류를 흐르게 해두고, 왼쪽의 하부 전극(54A)과 상부 전극(57) 사이의 전압을 검출하여도 좋다. 또 이 반대이어도 좋다.
상기 실시예 및 변형례에서는 강자성 재료로서 Co, FeNi, 반강자성 재료로서 FeMn을 사용한 경우를 설명하였지만, 그 이외의 재료를 사용하여도 좋다. 또 터널 절연층으로서 Al을 구성원소로 하는 절연재료를 사용한 경우를 설명하였지만, 구성원소로서 그 이외의 금속원소를 함유한 절연재료를 사용하여도 좋다.
또 상기 실시예에서는 자성층/절연층/자성층의 적층구조를 갖는 강자성 터널 접합에 대해서 설명하였지만, 금속층/절연층/금속층의 적층구조를 갖는 통상의 터널 접합에도 적용가능하다. 금속층과 절연층 사이에 확산 방지층을 삽입함으로써, 고온하에서 고용체가 형성되는 것을 방지하여, 내열성을 높일 수가 있다.
이상 실시예에 의해 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이들에 제한되지는 않는다. 예를 들면 여러 가지의 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 자성층을 구성하는 금속원소와 터널 절연층을 구성하는 금속원소와의 상호 확산을 억제하여, 내열성이 높은 강자성 터널 접합구조를 얻을 수가 있다. 이 강자성 터널 접합구조를 사용하여 내열성이 높은 자기 센서, 자기 헤드를 제작할 수가 있다.

Claims (14)

  1. 지지 기판상에 형성된 제 1 자성층과,
    상기 제 1 자성층상에 배치되어, 구성원소로서 금속원소를 함유한 터널 절연층과,
    상기 터널 절연층상에 배치된 제 2 자성층과,
    상기 제 1 자성층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 제 1 자성층내의 금속원자와 상기 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하는 재료로 되는 확산 방지층
    을 가지며, 상기 터널 절연층 및 확산 방지층이 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이에 터널 전류가 흐르는 두께로 되어 있는 터널 접합구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지층과 터널 절연층 사이에 상기 터널 절연층을 구성하는 금속원소를 구성원소로 하는 금속층이 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 확산 방지층이 상기 제 1 자성층의 표면을 산화함으로써 형성된 절연층인 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 절연층을 구성하는 금속원소와 산소와 결합 에너지가 상기 제 1 및 제 2 자성층을 구성하는 금속원소와 산소와의 결합 에너지보다도 큰 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 절연층이 복수의 절연박층으로 구성된 적층구조를 가지며, 이 적층구조를 구성하는 각 절연박층 중 인접하는 층이 서로 다른 금속원소를 구성원소로 하는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성층 중 한 쪽 자성층이 강자성체로 형성되며, 다른 쪽 자성층이 상기 터널 절연층측에 배치된 강자성체로 된 박층과, 이것에 인접하여 배치된 반강자성체로 된 박층을 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성층 중 적어도 한 쪽 자성층이 복수의 박층을 적층해서 구성되고, 서로 인접하는 박층이 다른 자성재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성층 중 적어도 한 쪽 자성층이 자성체로 되는 박층과 비자성체로 되는 박층을 교대로 적층하고, 각 자성체로 되는 박층이 서로 자기적 교환 상호작용을 일으키는 다층막인 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  9. 하지 기판의 표면상에 제 1 자성층을 퇴적하는 공정과,
    상기 제 1 자성층의 표면을 산화 또는 질화하여 전자가 터널할 수 있는 두께의 확산 방지층을 형성하는 공정과,
    상기 확산 방지층의 표면상에 산화 또는 질화에 의해 절연체가 된 금속으로 되는 금속층을 퇴적하는 공정과,
    상기 금속층의 적어도 표면층을 산화 또는 질화하여 터널 절연층을 형성하는 공정과,
    상기 터널 절연층의 표면상에 제 2 자성층을 퇴적하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 자성층을 퇴적하는 공정 후에, 또한 상기 확산 방지층내의 산소 또는 질소 원자가 상기 금속층과 반응하여, 상기 금속층과 상기 확산 방지층과의 계면에, 상기 금속층을 구성하는 금속원소의 산화물 또는 질화물로 되는 층이 형성되는 온도에서 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 금속층을 퇴적하는 공정과, 상기 터널 절연층을 형성하는 공정을 교대로 복수회 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조의 제조방법.
  12. 제 1 금속층, 터널 절연층, 제 2 금속층이 이 순서대로 적층된 터널 접합구조이며, 상기 제 1 및 제 2 금속층 중 적어도 한 쪽 금속층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 한 쪽의 금속층내에 금속원자와 상기 터널 절연층의 구성원자와의 상호 확산을 방지하기 위한 확산 방지층을 갖는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 터널 절연층이 금속원소를 하나의 구성원소로 하고, 상기 확산 방지층이 상기 터널 절연층내의 금속원소와 상기 한 쪽 금속층내의 금속원소와의 고용체의 형성을 방지하는 것을 특징으로 하는 터널 접합구조.
  14. 지지기판상에 형성된 제 1 자성층과, 상기 제 1 자성층상에 배치되어, 구성원소로서 금속원소를 함유한 터널 절연층과,
    상기 터널 절연층상에 배치된 제 2 자성층과,
    상기 제 1 자성층과 상기 터널 절연층 사이에 배치되어, 상기 제 1 자성층내의 금속원자와 상기 터널 절연층내의 금속원자와의 상호 확산을 억제하는 재료로 되는 확산 방지층과,
    상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이의 터널 저항의 변화를 검출하는 검출 수단을 가지며, 상기 터널 절연층 및 확산 방지층이 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층 사이에 터널 전류가 흐르는 두께로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
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