KR20000062717A

KR20000062717A - 자기 장치용 고정층

Info

Publication number: KR20000062717A
Application number: KR1020000010407A
Authority: KR
Inventors: 알렌스파크롤프; 폼페이린진; 풀러톤에릭; 로퀘트진피에르; 모란티모씨; 세오마리아
Original assignee: 포만 제프리 엘; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2000-10-25
Also published as: DE69932701D1; US6631057B1; JP2000307171A; EP1039490B1; JP3344712B2; SG97144A1; EP1039490A1; DE69932701T2; KR100358452B1

Abstract

자기 장치는 강자성층과 직접 접촉하여, 이 강자성층에 교환 바이어스를 유도하는 반강자성층을 포함한다. 따라서, 이 강자성층은 반강자성층에 의해 고정된다. 상기 반강자성층은 높은 동작 온도에서 사용할 수 있는 화합물을 포함한다.

Description

자기 장치용 고정층{PINNING LAYER FOR MAGNETIC DEVICES}

본 발명은 고정층(pinning layer)을 갖는 자기 장치(magnetic device)에 관한 것으로서, 특히 소위 "스핀-밸브(spin-valve)"또는 "거대 자기 저항(GMR:giant magnetoresistive)"에 근거한 자기 메모리(MRAM)와 자기 저항 센서에 관한 것이다.

본 발명은 다양한 자기 응용 장치에 적용될 수 있지만, 예컨대 GMR 센서와 같은 자기 저항 센서에 초점을 맞추어 본 발명을 설명한다.

자계에 반응하여 일어나는 물질의 전기 저항 변화를 자기 저항이라 부르고, 이로 인하여 컴퓨터 하드 디스크 등의 자기 매체로부터 정보를 판독할 수 있다.

종래 기술은 큰 선형 밀도로 자기 표면으로부터 데이터를 판독할 수 있는 자기 저항(MR) 센서 또는 헤드라 부르는 자기 판독 변환기에 대해 개시하고 있다. MR 센서는 자성체로 만들어진 판독 소자의 저항 변화를 통해 상기 판독 소자에 의해 감지되는 자속의 크기 및 방향의 함수로서 자계 신호를 검출한다. 이러한 종래의 MR 센서는 이방성 자기 저항(AMR) 효과에 근거하여 동작되는데, 여기에서는 상기 판독 소자에 흐르는 감지 전류의 방향과 자화(磁化) 사이의 각도에 대한 코사인 값의 제곱 값에 따라 판독 소자의 저항 성분이 변화한다. 상기 AMR 효과의 상세한 설명은 디.에이.톰슨(D.A. Thomson) 등의 논문[Memory, Storage, and Related Applications; IEEE Trans. Mag. MAG-11, p.1039(1975)]에서 찾아볼 수 있다.

더 최근에는 이와 다른 더욱 현저한 자기 저항 효과가 설명되어 있는데, 여기에서는 층상 자기 센서의 저항 변화는 자성층 사이에 있는 전도 전자의 비자성층을 통한 스핀 의존성 전송과, 이에 수반하는 층 인터페이스 및 강자성층 내에서의 전자의 스핀 의존성 분산에 기인한다. 이러한 자기 저항 효과는 "거대 자기 저항(GMR)"효과 또는 "스핀 밸브"효과로 다양하게 불리운다. 전술한 효과에 근거한 자기 저항 센서는 상기 AMR 효과를 사용한 센서에서 측정되는 것보다 감도가 향상되고 저항 변화가 더욱 크다. 신호를 의미하는 판독된 전기 저항은 그러한 GMR 센서에서 훨씬 강하다. 상기 GMR 센서에서의 신호 증가는 더 많은 정보가 하드 디스크에 저장되게 한다. GMR 센서하에서 상기 강자성층을 평행하게 배열하면, 저항은 감소하고, 전자들은 그다지 분산되지 않으며, 전류의 흐름은 증가한다. 이와 같은 센서는 종래의 단일층의 피고정층 대신에 다중막의 적층된 고정 강자성층을 역시 사용할 수 있다.

그륀베르그(Gruenberg)에게 허여된 미국 특허 제4,949,039호는 층상 자기 구조를 개시하고 있는데, 이러한 자기 구조에서는 자성층 내의 자화가 역평행(反平行)하게 배열됨으로써 MR 효과가 증대되는 결과가 생긴다. 그륀베르그는 Cr 또는 Y로 된 얇은 중간층에 의해 강자성재로 된 인접층이 격리되게 되는 역평행 구조를 얻기 위해 반강자성형 교환 결합(antiferromagnetic-type exchange coupling)의 사용에 대하여 기술하고 있다.

다이애니(Dieny) 등에게 허여된 미국 특허 제5,206,590호는 2개의 비결합 강자성층 사이의 저항이 그 2개의 층에 대한 자화 사이의 각도에 코사인을 취한 값에 따라 변화되는 것으로 나타나는 MR 센서를 개시하고 있다. 이러한 장치는 상기 스핀 밸브 효과에 기초한 자기 저항을 나타내게 되고, 선택된 재료의 조합의 경우 상기 AMR보다 더욱 큰 자기 저항을 나타내게 된다.

다이애니(Dieny) 등에게 허여된 미국 특허 제5,159,513호는 전술한 효과에 근거하여, 비자성 금속재의 박막층에 의해 격리된 2개의 강자성재 박막층을 포함하고, 상기 강자성층 중 적어도 1개의 층이 코발트 또는 코발트 합금으로 되어 있는 MR 센서에 대해 기술하고 있다. 1개의 강자성층의 자화는 반강자성층으로의 교환 결합에 의해 외부에서 인가된 자계가 0일 때의 다른 1개의 강자성층의 자화에 대해 수직하게 유지된다.

유럽 공개 특허 출원 제A-0585009호는 반강자성층과 이에 인접한 자기적 연성층(soft layer)이 협동하여 강자성층의 자화를 고정시키는 스핀 밸브 효과 센서에 대해 기술하고 있다. 상기 자기적 연층은 반강자성층에 의해 제공되는 교환 결합을 증대시킨다.

전술한 미국 특허와 유럽 특허 출원에 기술된 스핀 밸브 구조에서는 2개의 강자성층 중 1개 층에서의 자화 방향이 선택된 방향으로 고정되어야 한다고 요구하고 있으며, 이로 인하여 신호가 없는 경우 다른 강자성층, 즉 "자유층(free layer)"의 자화 방향이 상기 피고정층의 자화 방향과 직각(즉, 90°)을 이루거나, 역평행(즉, 180°)이 된다고 한다. 외부 자기 신호가 상기 센서에 인가되면, 비고정층, 즉 "자유"층의 자화 방향이 피고정층에서의 자화 방향에 대하여 회전한다. 상기 센서의 출력은 이러한 회전량에 의존한다. 피고정층에서의 자화 방향을 유지하기 위해서는 상기 자화의 방향을 고정시키는 고정 수단이 필요하다. 예컨대, 전술한 종래 기술의 문헌에서와 같이, 교환 결합식 자계 및 이로 인한 고정 효과(pinning)를 제공하기 위해서 추가적인 반강자성재층이 피고정 강자성층에 근접하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 피고정층에 대해 강한 바이어스를 제공하기 위해서 자기적으로 경성(hard) 인접층이 사용될 수 있다.

또 하나의 자기 장치로는 비휘발성 메모리인 자기 램(MRAM)을 들 수 있다. 기본적으로, 이러한 램은 GMR 셀과, 감지 라인 및 워드 라인을 포함한다. 이 MRAM은 GMR 효과를 이용하여 메모리의 상태를 기억한다. 자계가 어떤 임계 값을 통과하여 상기 GMR 셀에 인가되는 경우, 1개 또는 모든 GMR 재료층에서의 자기 벡터는 한쪽 방향에서 반대쪽 방향으로 매우 빠르게 전환된다. 이 GMR 셀의 자기 벡터의 방향에 따라 상태가 기억되고, 상기 GMR 셀은 자계가 인가되지 않은 경우에도 이들 상태를 유지한다. 1개 또는 2개의 자기 벡터가 전환되는 경우 감지 전류가 감지 라인에 있는 셀을 통과하고, 저항들 사이의 차이(GMR 비율)를 감지함으로써 상기 GMR 셀에 기억된 상태가 판독 될 수 있다. 문제는 대부분의 GMR 셀에 있어서, 이와 같은 GMR 비율이 10％ 이하일 정도로 비교적 작고, 이로 인해 GMR 셀에 기억된 상태를 판독하고 감지하기가 어렵게 될 수 있다는 것이다.

통상, 자기 장치는 연속적으로 쌓이는 강자성층의 자기 모멘트를 고정하는 데에 반강자성층을 사용하는 경우도 가끔 있다. FeMN, NiMn, CoO, NiO 및 TbCoFe와 같은 것들이 전형적으로 사용되는 재료이다. 교환 바이어스를 사용하는 주요 장점은 장치가 유효하게 동작하는 동안 바이어스계가 리셋되거나 급변할 수 없다는 것이다. 상기 반강자성체를 리셋시키려면, 자계의 존재하에 그 반강자성체를 그의 니일(Neel)온도 이상으로부터 냉각시킬 필요가 있다. FeMn의 결점은 이 재료가 금속이고 전류를 흐르게 한다는 것이다. 따라서, FeMn은 고정용 재료로는 적절하지 않다. NiO는 고정 강도, 즉 교환 바이어스가 원하는 만큼 강하지 못하다는 결점을 보여주는 절연체이다.

기억시켜야 할 데이터량이 급격하게 증가하기 때문에, 판독 동작은 더욱 빠르게 이루어져야 하고, 기록의 동작은 더욱 고밀도로 행해질 필요가 있다. 따라서, 데이터 기억 장치의 동작 온도는 증가하고 있다. 오늘날의 센서들은 몇 가지 결점들을 나타내고 있기 때문에, 새로운 세대의 센서로는 적절하지 못하다. 예컨대, 현재 GMR 센서에 사용되는 반강자성체는 약 450 K의 니일 온도를 갖는 NiO인 반면에, 헤드의 동작 온도는 약 400 K이다. 상기 2개의 온도 차이는 미미한 것이다. 동작 온도가 상기 니일 온도에 이르게 되면, 상기 반강자성재가 상자성(常磁性)을 띠기 때문에, 교환 바이어스 및 이로 인한 강자성층의 고정 효과가 사라진다. 종래 기술이 갖는 또 다른 결점은 고정재, 즉 반강자성재의 교환 바이어스 효율이 열충전이나 정전 스파이크로 인해 떨어진다고 하는 것이다. 따라서, 몇 가지 스핀이 상기 교환 바이어스의 안정성에 영향을 미치도록 그들의 방향을 변경시킨다. 또한, 어떤 반강자성재는 노화로 인해 스핀 방향을 상실하는 결점이 있다. 통상 사용되는 금속성 반강자성체는 산화되고 부식되는 경향이 있다. 또 다른 결점으로는 약 50 nm 이상의 다소 두꺼운 반강자성층이 교환 바이어스로 사용된다는 것이다.

교환 바이어스는 단축 이방성(uniaxial anisotropy)으로 인해 히스테리시스 M(H)를 이동시킨다. 교환 바이어스를 정확하게 제어하는 것은 어려운 재료 과학적 문제로서, 이는 재료의 성질상 측정이 곤란한 경계면의 원자적 미세 성질에 의존하기 때문이다. 원자쌍 사이의 교환 결합의 크기와 부호는 급격히 변화하는 원자 대 원자 간격의 함수이다.

본 명세서에서 반강자성으로 언급하고 있는 모든 재료가 대부분의 형태에 있어서 높은 니일 온도로 동작하는 것은 아니다. 예컨대, Fe₃Al은 지. 래스만(G.Rassman)과 에이치. 위크(H. Wick)에 의한 논문[Arch. Eisenhuttenw.,33,115(1963)]에서 750 K의 높은 니일 온도를 갖는 강자성체라고 보고되었지만, Fe₃Al 의 조성물 및 이에 근접한 조성물에서의 철-알루미늄막을 시험하였으나 단방향 이방성을 제공하지 못하였다. 다른 합금들도 높은 T_N값을 갖는다고 보고되었지만, 실험 결과 성공적이지 못했다. 이들은 AlCr₂조성에 가까운 AlCr 합금과 MnPd 조성에 가까운 MnPd 합금 및 약 1％ 내지 90％의 CrMn 합금을 포함한다. CrMn 이나 MnPd 중 어느 것도 실온에서 안정된 감마_Mn(gamma_Mn) 상태를 갖지 않는다.

종래 기술은 단방향 이방성(unidirectional anisotropy)을 만들기 위해 향상된 특성을 갖는 안정된 반강자성재를 찾는 데 오히려 어려움이 있다는 것을 보여주고 있다. 더욱이, 니일 온도가 450 K 이상인 실질적인 반강자성재가 요구된다.

예컨대, 자기 저항 센서의 일부로 현재 사용되고 있는 자기 장치는 동작 온도가 더 높은 새로운 세대의 장치에는 적절하지 못하기 때문에, 향상된 구조의 자기 장치가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 단점들을 극복하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 동작 온도에서 강력한 고정 효과를 갖는 자기 저항 구조를 구현하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기 저항 구조의 특성을 최적화하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 니일 온도 T_N이 높은 자기 장치에 대한 별도의 고정층을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 GMR 장치 등에서 얇은 고정층의 사용을 허용하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 향상된 자기 저항 구조의 제작을 가능하게 하는 것이다.

도 1a는 자기 저항 센서의 개략도.

도 1b는 도 1a의 센서 구조와 반대 구조를 갖는 자기 저항 센서의 개략도.

도 2는 LaFeO₃층의 X선 회절 패턴 그래프.

도 3은 약 50 Oe의 교환 바이어스(exchange bias)를 나타내는 LaFeO₃/Fe 이중층에서 얻은 히스테리시스 루프.

도 4a는 [100] 방향을 따라 측정된 것으로서, 교환 바이어스를 Fe 두께의 함수로 나타낸 도면.

도 4b는 [110] 방향을 따라 측정된 것으로서, 교환 바이어스를 Fe 두께의 함수로 나타낸 도면.

도 5는 자기 기억 장치의 개략도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 거대 자기 저항(GMR) 센서

11 : 기판

12 : 연성 강자성재층

14 : 비자성 금속재층

16, 28 : 강자성재층

18, 30 : 반강자성재층

20 : 자기 램(MRAM)

본 발명의 목적들은 첨부된 도면의 구성에 의해 달성된다.

본 발명의 근본적인 사상은 적어도 강자성층과 직접 접촉하여 이 강자성층에 교환 바이어스를 유도하는 반강자성층에 관한 것이다. 따라서, 상기 강자성층은 반강자성층, 또는 고정층이라 부르는 층에 의해 고정된다. 이 반강자성층 또는 고정층은 다양한 장점이 있는 오소페라이트류(orthoferrites)로 이루어진 군(群)으로부터 선택되는 화합물을 포함한다. 예컨대, 이러한 반강자성체는 화합물에 따라 최소 623 K 에서 740 K의 범위의 니일 온도 T_N을 가질 수 있으며, 약한 강자성 모멘트를 나타낸다. 따라서, 전술한 구조를 포함하는 자기 장치는 높은 동작 온도의 환경에서 적절하게 사용될 수 있다.

이와 같은 화합물은 RFeO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨을 의미한다)의 화학식으로 나타낼 수 있다. 상기 희토류 원소는 대체될 수 있는 것이기 때문에, 상기 반강자성층의 기본 특성, 예컨대 T_N이 필수 적용 요건에 따라 조정될 수 있다는 장점이 있다. 이러한 구조에서 각 원소는 부분적으로 합금되거나 R_1-XR^* _XFeO₃(여기서, R^*은 희토류 원소이고, 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다)에 대한 것과 동일한 원자가를 갖는 다른 물질로 대체될 수 있다. 상기 화합물은 RFe_1-XTM_XO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨을 의미하고, TM은 1B 내지 8족 그룹의 원소들 중 하나인 전이 금속이다)의 화학식으로 나타낼 수 있다. 이로 인하여 가능한 조합이 광범위하게 되고, 특정 조건에 따라 상기 고정층의 특성이 조정될 수 있다.

상기 화합물은 역시 원소 S에 의해 도핑될 수 있는데, 이 원소 S는 R_1-XS_XFeO₃화합물에서 바륨, 스트론튬, 칼슘, 칼륨, 리튬 또는 나트륨 등과 같이 또 다른 원자가를 갖는 원소이다. 상기 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다. 적절한 도판트[dopant; 불순물]을 사용하여 상기 반강자성층의 니일 온도를 약 450 K 내지 760 K 사이에서 조정할 수 있다는 장점이 있다. 더욱이, RFeO_{3 ±y}에서 y를 0에 가깝에 하는 것과 같이 산소의 화학량은 변경될 수 있다.

상기 반강자성층을 예컨대 50 nm 이하와 같이 매우 얇게 제작할 수 있는 경우, 하드 디스크상의 자성부(magnetic bit)와 센서의 강자성층 사이의 거리를 감소시킬수 있다는 장점이 있다. 통상, 상기 센서는 디스크에 더욱 근접될 수 있으며, 이로 인하여 밀도, 감도 및 동작 속도가 향상될 수 있다.

상기 반강자성층이 적절한 응력(strain)을 받을 수 있게 되면, 그 반강자성층의 특성을 조정할 수 있다는 장점이 생긴다. 더욱이, 그 반강자성층의 구조를 변형하여 이 반강자성층의 특성을 변경 또는 조정시킬 수도 있다.

본 발명에 따른 자기 장치는 자기 판독 헤드 또는 GMR 센서와 같은 자기 기록 센서, 자기 램(MRAM), 자기 기록 매체 등의 일부일 수 있다. 통상, 본 발명은 자화 루프를 이동시키거나 고정층을 조정할 필요가 있는 경우에는 언제든지 사용될 수 있는 것이다.

본 명세서에 있어서, 모든 도면은 설명의 명확을 기하기 위하여 실제 치수로 도시하지 않았으며, 또 실제 규격으로 나타낸 치수간에 관계도 없다.

이하에서는 도면, 특히 도 1a와 도 1b를 참고로 하여, 소위 "스핀-밸브"또는 "거대 자기 저항(GMR)"효과에 기초한 자기 저항 센서의 일부로서의 자기 장치의 필수 구조를 설명한다.

우선, 오소페라이트에 대해 자세히 설명한다. 이 오소페라이트의 화학식은 RFeO₃(여기서, R은 희토류 또는 Y이다)이고, 이들의 구조는 Pbnm 스페이스 그룹이 있는 변형된 회티탄석(perovskite)의 구조로서, LaFeO₃의 경우 격자 상수 a는 5.5553 Å이고, b는 5.5663 Å이며, c는 7.8545 Å이다. a축 방향에서의 자기 모멘트는 Fe 부격자(sublattice) 내에서 6개의 가장 가까운 인접 이온과 반강자성적으로 결합되어 있는 각각의 양이온을 가리킨다. 이러한 물질의 T_N은 La의 경우는 740 K에서부터 Lu의 경우 623 K까지의 범위에 있으며, 희토류의 크기에 따라 Fe-O 팔면체가 약간 경사져 있기 때문에( 0.6°), 약한 강자성 모멘트를 나타낸다. LaFeO₃의 경우에는 Fe⁺³이온에 의해 자기 특성이 정해진다. 기타 다른 화합물의 경우, 상기 희토류 이온(Ho, Gd, ...)의 자기적 상태도 어떤 역할을 한다. 더욱이, 이들 화합물에서의 자화는 고압을 사용하여 강력하게 억제시킬 수 있다. 예컨대, 뫼스바우어(Moessbauer) 분광법에 의하면, LaFeO₃의 경우 300 K 및 45-55 GPa의 정수압하에서 비자기적 상태만이 관찰된다.

현재의 GMR 판독 헤드에서는 2개의 강자성층 중 1개의 층이 반강자성층 또는 고정층이라 부르는 층에 의해 고정된다. 상기 강자성층과 반강자성층은 각각의 층 위에 적층되고, 상기 반강자성층의 스핀을 자계 방향으로 배열시킴으로써 그의 구조가 정해진다. 종래에 2개의 경쟁적인 기술이 있는데, 여기에서는 금속성 반강자성층 또는 산화 반강자성층이 사용된다. 상기 GMR 센서는 반강자성층이 평행한 구조로 연결되어 있는 저항 센서이다. 따라서, 산화층을 사용하면 저항 감도가 향상되는 반면에, 금속성 반강자성층은 저항 감도를 감소시킨 결점을 드러낸다. 그럼에도 불구하고, 이러한 금속성 반강자성층은 결정 경계부를 통해 산화되거나 부식되려는 경향이 있고, 이로 인하여 경계부 면적이 증가된다. NiO와 같은 산화 반강자성층은 현재의 헤드의 동작 온도에 가까운 니일 온도 T_N을 가지고 있기 때문에 동작 온도가 증가된 새로운 고속 세대의 센서 헤드에는 적절하지 못하다. 이하의 장치 및 이 장치의 제조 방법은 종래 기술의 단점들을 극복한 것이다.

통상의 GMR 센서(10)는 층상 구조를 전개시켜 나타낸 3차원적 도면으로 도시되어 있다. 도 1a에 도시한 바와 같이, GMR 센서(10)는 유리, 세라믹 또는 반도체 등의 적절한 기판(11)을 포함하고 있으며, 그 위에는 예컨대 연성 강자성재로 된 제1층(12), 비자성 금속재로 된 제2층(14), 자화의 위치를 고정시키기 위한 강자기 특성이 있는 강자성재로 된 제3층(16) 및 반강자성재, 또는 고정층이라 부르는 제4층(18)이 적층되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 강자성층(12, 16) 중 1개의 층 또는 양쪽 층은 Co₈₀Fe₂₀, CoZr, CoMoNb 또는 NiFeCo, Fe, Ni₈₀Fe₂₀과 같은 Co, NiCo, 코발트 합금이거나, 기타 적절한 강자성재이다. 스페이서층(spacer layer)(14)이라고도 부르는 비자성 금속성재의 제2층(14)은 Cu이거나, 기타 은(Ag) 및 금(Au) 등의 새로운 금속일 수 있다. 상기 제3층(16)은 고정층(18)에 의해 고정된다. 이러한 층들은 박막층의 형태로 적층된다. 자계가 인가되지 않은 경우, 강자성재로 된 2개의 층(12, 16)에 대한 자화는 서로에 대해 약 90°를 이루려는 경향이 있다. 그 밖에, 제3층(16)의 자화는 제1 화살표(17)에 의해 도시된 바와 같이 적소(適所)에 고정된다. 자계가 인가되지 않는 경우, 제1층(12)의 자화는 제2 화살표(19)로 나타나 있다. 상기 제1층(12)에 대한 자화의 변화는 자기장 H 등의 인가 자계에 대한 반응으로, 도 1a의 제1층(12)에서 제2 화살표(19)의 점선에 의해 나타난 바와 같은 회전에 의한 것이다.

도 1a에 도시한 실시예에 있어서, 고정용층(18)은 오소페라이트류의 군으로부터 선택한 화합물을 포함하는 것으로서, 이 도면에서는 LaFeO₃이다. 이 오소페라이트는 저항이 큰 교환 바이어스용 재료로서, 니일 온도가 약 740 K이고 상기 제3층(16)과 직접 접촉되게 적층됨으로써 종래 기술에 알려진 바와 같은 교환 결합에 의해 바이어스용 자계가 생성될 수 있다. 도 1a의 구조는 도 1b에 도시한 바와 같이 반전되어서, 처음에는 고정용층(18)이 적층되고, 그 다음에 층들(16, 14, 12)이 적층될 수 있다.

도 1b에는 기판(11)상에 시험적으로 적층되어 있는 반강자성층(18) 및 다른 층들이 자세하게 도시되어 있다. 도 1b는 도 1a에 대한 반전된 구조를 보여주고 있다. 따라서, 동일한 구조의 층에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 있다. 상기 기판(11)의 위에는 반강자성층(18)이 적층되어 있다. 이 위에 강자성층(16), 비자성층(14) 및 다른 강자성층(12)이 적층된다.

원자 산소 비임하에서 Fe 단일층에 이어서 La 단일층의 연속적인 분자 비임 적층(MBE)에 의해 STO라고 부르는 SrTiO₃(001) 기판(11) 위에 반강자성층(18)이 성장된다. 그 밖의 적층 기술, 즉 스퍼터링법, 레이저 애블레이션법(laser ablation), 유기 금속 CVD법(MOCVD) 등이 사용될 수 있다. 배경 산소압은 약 3 ×10^-6Torr이고, 기판의 온도는 약 720 K의 조건이다. 1020 K의 고온에서도 적층 과정이 수행된다. 2 가지 온도에 대한 X선 회절의 결과를 보면, 상기 층들은 결정질층 및 에피택셜층임을 알 수 있다. 상기 반강자성층(18)은 두께가 약 20 nm이고, [001] 배향의 LaFeO₃를 포함한다. 이 LaFeO₃층(18) 위에는 두께가 3 nm인 강자성층, 여기서는 Fe이 연속적으로 적층된다. 이러한 구조의 LaFeO₃/Fe 이중층(18, 16)은 자계 내에서 380 K로 가열시켰다가 냉각시켜 반강자성층(18)을 고정시킨다. 이러한 가열, 냉각 및 자계 조건은 소망하는 특성과 강한 고정 효과를 얻기 위해서 변화시킬 수 있다. 또한, 상기 반강자성층(18)은 바륨, 스트론튬, 칼슘, 칼륨, 리튬 또는 나트륨 등의 적절한 도핑 재료에 의해 도핑시킬 수 있다. 반강자성층과 특수한 용도와 규정된 온도용의 자기 장치가 제조될 수 있는 장점을 나타내는 상기 니일 온도는 약 450 K와 760 K 사이에서 조정될 수 있다.

상기 LaFeO₃/Fe 구조에 대한 자화의 측정을 행하였는데, 이에 대해서는 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 지금까지는 STO(001) 위에 적층된 구조에서 가장 큰 교환 바이어스를 얻었다. 반강자성층(18)은 니일 온도보다 상당히 낮은 온도, 즉 T=T_N/2에 두었음에도 불구하고, 자화 측정의 결과를 보면 LaFeO₃로 이루어진 두께 20 nm의 반강자성층(18)에 대해서만은 교환 바이어스가 약 50 Oe이었다. 그 다음, 비자성층(14)과 다른 강자성층(12)은 상기 적층 기술들 중의 한 가지 방법에 의하여 적층시킬 수 있다.

도 2는 STO[100] 기판(11) 위에 성장된 LaFeO₃층(18)의 X선 회절 패턴을 보여주고 있다. 도 2에 나타난 각 피크(peak)는 결정질 구조의 특정 표면으로부터의 반사에 해당한다. S로 표시된 기판 피크 이외에, LaFeO₃의 [001] 회절선과 관련된 피크만이 보이는데, 이는 에피택셜층임을 암시하는 것이다. 상기 층의 피크 주의에는 작은 피크, 소위 유한 크기의 진동이 관찰되는데, 다만 상기 층의 거칠기는 한 단위의 셀 정도이다. 상기 피크의 위치들을 자세히 분석해 보면, 이 LaFeO₃층(18)은 STO 입방체와의 격자 오정합으로 인한 압축력을 받게 되고, 이에 의하여 a가 3.905 Å으로 되어 3.954 Å의 큰 c축 격자 변수를 일으킨다는 것을 알 수 있다.

도 3은 STO(001) 기판(11) 위에서 성장한 LaFeO₃/Fe의 이중층(18, 16)에서 얻은 M(H) 루프라고도 부르는 전형적인 히스테리시스 루프를 도시하고 있다. 여기서, 두께가 25 nm인 LaFeO₃층은 1020 K에서 적층시킨 반면에, 두께가 3 nm인 Fe층은 300 K에서 적층시켰다. 상기 LaFeO₃층을 380 K에 둔 다음, 스퀴드(SQUID: super conducting quantum interference device) 자력계를 사용하여 300 K에서 측정을 행하였다. 측정 결과, 교환 바이어스 H_ex는 50 Oe이었다. 교환 결합의 단순한 형태는 상기 LaFeO₃층(18) 위에 있는 층들에 대한 Fe 스핀의 평행 배열을 암시한다. 이를 확인하기 위해서, 상기 STO(001) 기판(11) 위에서 성장한 또 다른 LaFeO₃/Fe 이중층(18, 16)에 대해 Kerr 측정을 행하였다. 이 경우, 서로 다른 방위각 방향을 따라 상기 반강자성층을 400 K에 둔 다음, 두께가 40 nm인 LaFeO₃층은 720 K에서 적층시킨 반면, 두께가 8 nm인 Fe층은 370 K에서 적층시켰다.

도 4a와 도 4b는 교환 바이어스를 두께의 함수로 나타낸 것이다. 교환 바이어스의 특정의 표시는 막의 두께에 대한 종속성을 나타낸다. STO(001) 위에서 성장한 LaFeO₃/Fe 구조의 경우, 강자성 Fe막의 두께에 대한 H_ex의 종속성이 도 4a와 도 4b에 도시되어 있다. 도 4a는 [100] 방향을 따라 측정한 결과인 반면에, 도 4b는 [110] 방향을 따라 측정한 결과이다. 교환 바이어스의 피크가 일정한 Fe 두께, 통상 8 내지 12 nm 근처에서 나타나는 것이 분명하다. 기본적인 에너지학적 이유 때문에 Fe 두께가 더욱 큰 경우, 교한 바이어스의 크기가 감소하는 것은 예측 가능한 것이지만, Fe 두께가 작은 경우, 교환 바이어스의 크기가 감소하는 것은 아직도 설명되지 않는 부분이다.

도 5는 자기 램(MRAM)이라 부르는 자기 기억 소자(20)를 3차원적으로 나타낸 것으로서, 전개된 층상 구조를 보여주고 있는 또 다른 실시예에 관한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기억 소자(20)는 유리, 세라믹 또는 반도체 등의 적절한 기판(22) 위에 연성 강자성재로 된 제1 박막층(24), 비자성의 금속성 전도 재료로 된 제2 박막층(26) 및 강자성재로 된 제3 박막층(28)이 적층되어 있다. 이 위에 고정층(30)이라 부르는 반강자성층(30)이 적층된다. 상기 기억 소자(20)의 단면은 사각형이고, 자화 용이축은 기억 소자의 길이 방향을 따르는 것이다. 제3 박막층(28)의 자화 방향은 제1 자화 화살표(29)로 표시한 것처럼 반강자성층(30)과의 교환 결합 등에 의해 기억 소자(20)의 길이 차원과 평행하다. 상기 반강자성층(30)은 오소페라이트류의 군으로부터 선택된 화합물, 여기서는 LaFeO₃을 포함한다. 이러한 구조의 장치가 갖는 이점은 고온의 환경하에서도 사용이 가능하다는 것이다. 오소페라이트의 높은 니일 온도 T_N으로 인하여, 이와 같은 자기 기억 소자(20)가 사용될 수 있고, T_N에 근접한 온도에서도 동작이 가능하다.

제1 박막층(24)의 자화는 단축 이방성과 형상 구조에 의한 제한을 받게 되어, 제2 자화 화살표(33)로 표시한 것과 같이 소자(20)의 종방향에서 제3 박막층(28)의 고정된 자화 방향에 대하여 평행하거나 역평행이 되도록 놓인다. 소자(20)에 횡방향 자계와 종방향 자계를 동시에 인가함으로써 기억 소자(20)의 상태를 "1"과 "0"사이에서 전환시킬 수 있다. 이 종방향 자계는 기억 소자(20)의 길이까지 수직 연장되어 있는 도체에 의해 공급되는 종방향 기록 전류(32)에 의해 기록 라인(34)에서 유도된다. 횡방향 자계는 소자(20)를 통해 종방향으로 흐르는 횡방향 기록/감지 전류(36)에 의해 유도된다. 이 횡방향 자계를 증대시켜 안정도를 증가시키기를 원할 경우, 기억 소자의 종방향으로 연장되어 있고 제1 박막층(24)에 접촉된 절연층과 기판(22) 사이에 끼워진 별도의 도체를 통해 추가적인 횡방향 기록/감지 전류가 공급될 수 있다.

전기 저항은 상기 제1 박막층(24)의 자화가 고정된 제3 박막층(28)의 자화에 대하여 평행한 경우 최소가 되고, 제1 박막층(24)의 자화가 고정된 제3 박막층(28)의 자화에 대하여 역평행한 경우 최대가 된다.

본 발명에 따른 반강자성층을 포함하는 자기 장치는 높은 동작 온도에서도 강력한 고정 효과를 갖는다.

Claims

강자성층(16, 28)과 접촉하여 이 강자성층(16, 28)에 교환 바이어스(exchange bias)를 유도하는 적어도 한 개의 반강자성층(18, 30)을 구비한 자기 장치로서, 상기 반강자성층(18, 30)은 오소페라이트류로 된 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 RFeO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 RFeO_{3 ±y}(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이고, 지수 y는 y ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 R_1-xS_xFeO₃(여기서, S는 바륨, 스트론튬, 칼슘, 칼륨, 리튬 또는 나트륨 등의 도판트이며, 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 R_1-xR^* _xFeO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이고, R^*는 다른 희토류 원소 또는 이트륨이며, 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 RFe_1-xTM_xO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이며, TM은 전이 금속이고, 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 화합물은 합금을 포함하는 것인 자기 장치.
제1항 내지 7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반강자성층(18, 30)의 니일 온도 T_N은 450 K보다 큰 것인 자기 장치.
제8항에 있어서, 니일 온도 T_N은 제4항 기재의 도판트를 사용하여 조정될 수 있는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 반강자성층(18, 30)의 두께 t는 50 nm보다 작은 것인 자기 장치
제1항에 있어서, 상기 반강자성층(18, 30)은 응력(strain)을 받는 것인 자기 장치.
제1항에 있어서, 상기 반강자성층(18, 30)은 변형된 구조를 갖는 것인 자기 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항 기재의 자기 장치를 구비한 자기 기록 센서.
제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항 기재의 자기 장치를 구비한 자기 램(MRAM)(20).
기판(11)과 이 위에 형성된 층상 구조를 포함하는 자기 저항 센서(10)로서, 상기 층상 구조는 적어도 강자성재로 된 제1층(12)과 제3층(16)을 포함하고, 이 2개의 층은 비자성재로 된 제2층(14)에 의해 격리되어 있으며, 상기 제3층의 자화 방향이 반강자성재인 제4층(18)의 영향에 의해 고정되고, 상기 제4층은 오소페라이트류로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 포함하고 상기 제3층(16) 위에 형성되는 것인 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 RFeO_{3 ±y}(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이고, 지수 y는 y ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 R_1-xS_xFeO₃(여기서, S는 바륨, 스트론튬, 칼슘, 칼륨, 리튬 또는 나트륨 등의 도판트이고, 지수 x는 x ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 R_1-xR^* _xFeO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이며, R^*는 다른 희토류 원소 또는 이트륨이고, 지수 x는 ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 화합물은 화학식 RFe_1-xTM_xO₃(여기서, R은 희토류 원소 또는 이트륨이며, TM은 전이 금속이고, 지수 x는 ∈ {0,...,1}로 정의된다)으로 나타낼 수 있는 것인 자기 저항 센서.
제15항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 화합물은 합금을 포함하는 것이 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 동작 온도는 450 K보다 높게 설계되는 것인 자기 저항 센서.
제15항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반강자성층(18)의 니일 온도 T_N은 상기 센서의 동작 온도보다 크고, 이 니일 온도 T_N은 적절한 도판트를 사용하여 조정될 수 있는 것인 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 반강자성층(18)의 두께 t는 50 nm보다 작은 것인 자기 저항 센서.
(a) 오소페라이트류의 화합물을 포함한 반강자성층(18, 30)을 기판(11, 22)상에 적층시키는 단계와,

(b) 상기 반강자성층(18, 30)의 구조를 자계 방향으로 정렬시키는 단계와,

(c) 상기 반강자성층 위에 강자성층(16, 28)을 적층시키는 단계

를 포함하는 자성층 구조의 형성 방법.
제24항에 있어서, 상기 반강자성층(18, 30)은 분자 비임 적층법, 스퍼터링법, 이온 빔 스퍼터링법, 레이저 애블레이션법(laser ablation), 유기 금속 CVD법(MOCVD) 등의 기술 중 어느 하나의 기술에 의해 적층되는 것인 자성층 구조의 형성 방법.
제24항에 있어서, 적어도 1개의 층(16, 18, 28, 30) 또는 전체 층구조가 가열되는 것인 자성층 구조의 형성 방법.
제24항에 있어서, 냉각 단계 도중에 단방향 자계가 적어도 반강자성층(18, 30) 또는 전체 층구조에 인가되는 것인 자성층 구조의 형성 방법.