KR20020011946A - 자기저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및메모리 소자 - Google Patents

자기저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및메모리 소자 Download PDF

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Abstract

자기저항 효과 소자는 자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되는 자유층, 비자화층, 및 자화방향이 외부 자계에 의하여 용이하게 회전되지 않고 상기 자유층이 형성되는 면에 대향하는 상기 비자화층의 면상에 제공되는 고정층을 포함하며, 상기 고정층은, 교환 결합용 제 1 비자성막, 및 상기 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며, 상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함한다.

Description

자기저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및 메모리 소자{Magnetoresistnace effect device, magnetic head, magnetic recording apparatus, and memory device}
본 발명은 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자, 및 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자를 사용하는 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및 자기저항 효과 메모리 소자에 관한 것이다.
최근 강자성층(자유층)/비자성층/강자성층(고정층)의 적층 구조를 포함하는 자기저항 효과 소자에서, 비자성층에 Cu 등 같은 금속 막을 사용하는 GMR(자이언트 자기저항) 연구, 및 비자성층에 Al2O3같은 절연막을 사용하는 소위 TMR 장치라 불리는 터널형 자기저항 효과 소자의 연구가 주요 현안으로 부상하였다(자기 및 자성 재료의 저널 139 (1995), L231). GMR 장치 및 TMR 장치를 자기 헤드 및 메모리 소자에 응용하는 것은 연구되어 왔다(2000 IEES ISSCC TA7.2, TA7.3). 이미 GMR 장치를 자기 헤드에 응용하였었다. TMR 장치는 실온에서 약 40%의 자기저항 변화속도를 나타내고 고출력을 달성할 것으로 기대고 있다.
그러나, 상기 자기저항 효과 소자는 수 나노미터의 두께를 가지는 적층막이다. 250℃-300℃ 또는 그 이상의 온도에서, 계면 사이의 확산은 자기저항 효과 소자에서 발생되고, 자기저항 효과 소자 특성의 품질을 저하시킨다. 특히, 평면층이 FeMn, IrMn 같은 Mn과, 250℃ 또는 그 이상의 온도에서 반강자성 층을 통해 교환 결합된 강자성 층을 포함하는 반강자성 층을 포함하는 자기저항 효과 소자에서, Mn은 확산되고, 그 결과 자기저항 효과 소자의 특성은 품질이 하락된다.
상기 문제를 제거하기 위하여, 교환 결합/강자성 층에 대한 구조적인 강자성 층/비자성층을 가지도록 평면 층을 형성하기 위한 시도가 있었고, 두 개의 강자성 층은 Ru, Ir, Rh 등을 포함하는 교환 결합용 비자성층을 통해 반강자성적으로 교환결합된다.
상기 Mn의 구조적 확산은 Ru, Ir, Rh 등에 의해 방지된다.
그러나, 이 경우 교환 결합용 비자성층의 두께는 0.6-0.8mm이고 따라서 300℃ 또는 그 이상의 온도에서, 확산은 교환 결합용 비자성층의 계면에서 발생되어 상기 자기저항 효과 소자의 특성은 품질이 하락된다. 즉, 상기 문제는 제거될 수 없다.
본 발명의 일 관점에 따라 자기저항 효과 소자는 자기화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되는 자유층; 비자성층; 및 자기화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되지 않는 고정층을 포함하며, 상기 고정층은 자유층이 형성된 면에 대향하는 비자기화 층의 면상에 제공되고, 여기서 상기 고정층은 교환 결합용 제 1 비자성막; 및 제 1 비자성막을 통하여 서로 반강자성적으로 교환 결합된 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며, 상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re 산화물 중 하나를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 자기저항 효과 소자는 터널형 자기저항 효과 소자이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기저항 효과 소자는 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성막을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자유층은 교환 결합용 제 2 비자성층, 및 제 2 비자성막을 통하여 서로 결합된 비자기적 교환 결합된 제 3 및 제 4 자성막을 포함하고; 상기 교환 결합용 제 2 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하고; 상기 제 3 자성막은 자화 세기 M1 및 두께(t1)를 가지며 상기 제 4 자성막은 자화 세기 M2 및 두께(t2)를 가지며, 적(M1×t1)은 실질적으로 적(M2×t2)과는 실질적으로 다르다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 내지 제 4 자성막 중 적어도 하나는 주로 코발트(Co)를 포함하고 붕소(B)도 또한 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 제 1 및 제 2 자성막은 주로 코발트(Co)를 포함하고 붕소(B)도 또한 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기저항 효과 소자는 : 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성 층; 및 NiFeCr을 주로 포함하는 하부 층을 포함하고, 상기 하부 층은 고정층이 형성된 면에 대향하는 반강자성 층의 면상에 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 자기저항 효과 소자는 자기화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되는 자유층; 비자성층; 및 자화방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되지 않는 고정층을 포함하고, 상기 고정층은 자유층이 형성된 면에 대향하는 비자화 층의 면상에 제공되고, 상기 자유층은 교환 결합용 제 1 비자성층; 및 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 제 1 및 제 2 자성막을 포함하고, 상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir Rh, 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하고, 상기 제 1 자성막은 자기 세기 M1 및 두께(t1)를 가지며 제 2 자성막은 자기 세기 M2 및 두께(t2)를 가지며, 적 (M1×t1)은 적 (M2×t2)과는 실질적으로 다르다.
본 발명의 일실시예에서, 자기저항 효과 소자는 터널링형 자기저항 효과 소자이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기저항 효과 소자는 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성층; 및 NiFeCr을 주로 포함하는 하부층을 포함하고, 상기 하부층은 고정층이 형성된 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 기록 매체로부터 신호 자계를 검출하기 위한 자기 헤드는 자기 물질을 포함하는 두 개의 시일드부, 및 두 개의 시일드부 사이의 갭에 제공된 본 발명의 자기저항 효과 소자를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 자기 헤드는 자기 물질을 포함하는 자속 안내부 및 자속 안내부에 의해 유도된 신호 자속을 검출하기 위한 본 발명의 자기저항 효과 소자를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 자기 기록 매체는 기록 매체에 신호를 기록하기 위한 본 발명의 자기 헤드; 자기 헤드가 장착된 아암; 상기 아암을 구동하기 위한 구동부; 및 신호를 처리하고 처리된 신호를 자기 헤드에 공급하기 위한 신호 처리부를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 자기저항 효과 메모리 소자는 자기화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되는 자유층, 비자성층, 자화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되지 않는 고정층을 포함하는 자기저항 효과 소자; 자유층의 자기화 방향을 반전시키기 위하여 자계를 생성하기 위한 워드 라인; 및 자기저항 효과 소자의 저항 변화를 검출하기 위한 감지 라인을 포함하며, 상기 고정층은 자유층이 형성된 면에 대향하는 비자성층의 면상에 제공되고, 상기 고정층은 교환 결합용 비자성막;및 비자성막을 통하여 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하고, 상기 교환 결합용 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 자기저항 효과 소자는 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성막을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자유층은 교환 결합용 제 2 비자성층; 및 제 2 비자성막을 통하여 서로 결합된 반강자성적으로 교환 결합된 제 3 및 제 4 자성막을 포함하고, 교환 결합용 상기 제 2 비자성막은 Ru, Ir, Rh, 및 Re의 산화물중 하나를 포함하고, 상기 제 3 자성막은 자기 세기 M1 및 두께 t1를 가지며 제 4 자성막은 자기 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1×t1)은 적 (M2×t2)과 실질적으로 다르다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 내지 제 4 자성막의 적어도 하나는 코발트(Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 제 1 및 제 2 자성막은 코발트(Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기저항 효과 소자는 고정층에 자기적으로 교환 결합된 강자성층; 및 NiFeCr을 주로 포함하는 하부층을 포함하고, 상기 하부층은 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 자기저항 효과 메모리 소자는 자기 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되는 자유층, 비자성층, 자화 방향이 외부 자계에 의해쉽게 회전되지 않는 고정층을 포함하는 자기저항 효과 소자; 자유층의 자화 방향을 반전시키기 위하여 자계를 생성하기 위한 워드 라인; 및 자기저항 효과 소자의 저항 변화를 검출하기 위한 감지 라인을 포함하며, 상기 고정층은 자유층이 형성된 면상에 대향하는 비자성층의 면상에 제공되고, 상기 자유층은 교환 결합용 제 1 비자성층; 및 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 제 1 및 제 2 자성막을 포함하고, 상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하고, 상기 제 1 자성막은 자기 세기 M1 및 두께 t1 가지며 제 2 자성막은 자기 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1×t1)은 적 (M1×t1)과는 실질적으로 다르다.
본 발명의 일실시예에서, 자기저항 효과 소자는 : 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성층; 및 NiFeCr을 주로 포함하는 하부층을 포함하고, 상기 하부층은 고정층이 형성된 면상에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 본 발명의 자기저항 효과 소자들에 의해 형성된 메모리 소자는 매트릭스형으로 배열되어 있다.
본 발명의 일실시예에서, 각각의 자기저항 효과 소자는 : 고정층에 자기적으로 교환 결합된 반강자성층; 및 NiFeCr을 주로 포함하는 하부층을 포함하고, 상기 하부층은 고정층이 형성된 면상에 대향하는 반강자성층의 면 상에 제공된다.
본 발명의 자기저항 효과 소자에 따라, Ru, Ir, Rh 또는 Re의 산화물 막은 교환 결합용 비자성층에 사용된다. 상기 구조에서, 교환 결합용 비자성층의 계면에 Ru, Ir, Rh, 또는 Re의 확산은 억제되고, 결과적으로, 상기 장치의 열저항 특성은 상당히 개선된다. 단단한 자성막은 자기저항 효과 소자에서 고정층으로서 사용될 수 있다. 그러나, 상기 경우 장치의 크기가 작을 때, 고정층의 자계는 자유층에 영향을 미친다. 그래서, 고정층은 반강자성막에 자기적으로 교환 결합된 적층 반강자성 결합 막으로 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 자성층이 자기화(M1) 세기 및 두께(t1)를 가지며 제 2 자성층이 자기 세기 M2 및 두께 t2를 가지는 경우에 적층 반강자성 결합 막에서, 제 1 및 제 2 자성막은 적(M1×t1)이 외부에 인가된 자계의 방향으로 자유층의 자화 방향을 회전시키기 위하여 적(M2×t2)과 다르도록 형성되어야 한다. 이것은 (M1×t1)=(M2×t2)인 경우, 비록 자계가 인가될지라도, 자유층의 자기화 방향이 인가된 자계의 방향으로 회전하는 것을 방지하기 때문이다. 고정층이 반강자성막에 자기적으로 교환 결합된 상기 적층 반강자성 결합 막으로 형성되는 것이 바람직하다.
코발트(Co)를 주로 포함하고 붕소(B)도 또한 포함하는 자성막은 고정층 또는 자유층의 자성막의 일부에, 또는 본 발명의 자기저항 효과 고정층 및 자유층 양쪽에 사용될 수 있다. 상기 구조를 이용하여, 자유층의 소프트-자기 특성은 개선되고, 결과적으로 개선된 감도를 가진 장치가 얻어질 수 있다.
상기 자기저항 효과 소자는 자기 재료로 만들어진 두 개의 시일드 사이의 갭에 제공된다. 따라서, 신호 자계를 검출하기 위한 열적으로 안정된 재생 헤드를 포함하는 자기 헤드가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따라, 자기 재료로 만들어진 자속 안내(요크)부를 가지며 자속 안내부를 따라 유도된 신호 자계를 검출하기 위한 상기 자기저항 효과 소자를 사용하는 열적으로 안정된 재생 헤드를 포함하는 자기 헤드가 얻어질 수 있다.
보다 우수한 열적 안정성을 가진 자기 기록 장치는 상기 자기 헤드, 자기 헤드용 구동부, 정보를 기록하기 위한 자기 기록 매체부, 및 신호 처리부에 의해 형성될 수 있다.
보다 우수한 열적 안정성을 가진 자기저항 효과 메모리 소자는 상기 자기저항 효과 소자, 자기저항 효과 소자에서 자유층의 자계를 반전시키는 자계를 생성하기 위한 도전 라인(워드 라인), 및 자기저항 효과 소자의 저항 변화를 검출하기 위한 도전 라인(감지 라인)에 의해 형성될 수 있다.
게다가, 상기 메모리 소자들은 매트릭스로 배열되고, 구동 회로는 거기에 제공되어, 보다 우수한 열적 안정성을 가진 (랜덤 액세스) 메모리 소자가 얻어질 수 있다.
따라서, 여기에 기술된 본 발명은, (1) 400℃에서 조차 안정된 특성을 나타내는 개선된 열적 안정성을 가진 자기저항 효과 소자를 제공하고; 및 (2) 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및 상기 자기저항 효과 소자를 사용하는 메모리 소자를 제공하는 장점을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 장점은 첨부 도면을 참조하여 다음에 기술된 상세한 설명을 읽고 이해함으로써 당업자에게 명백하게 될 것이다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자의 실시예를 도시한다.
도 4는 외부 자계에 의해 유발된 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자에서 자유층의 자기 방향 회전을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하여 제조된 시일드를 가지는 예시적인 자기 헤드를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하여 형성된 요크를 가지는 예시적인 자기 헤드를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 자기저항 효과를 사용하여 제조된 자기 기록 재생 장치의 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 GMR 막을 사용하여 제조된 메모리 소자의 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 TMR 막을 사용하여 제조된 메모리 소자의 실시예를 도시한다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 자기저항 효과 소자 101 : 자유층
103 : 비자성층 105 : 자성막
104 : 교환 결합용 비자성층 106 : 자성막
102 : 고정층 201: 반강자성층
201A: 하부층 301: 자유층
303: 자성막 302: 교환 결합용 비자성층
304: 자성막 508: 기록 갭
503: 재생 갭 504: 자기저항 효과 소자
507: 기록 폴 506: 코일부
501: 상부 시일드 502: 하부 시일드
602: 상부 시일드 504: 자기저항 효과 소자
601: 요크/하부시일드/하부 리드 803: 워드라인
804: 워드라인 802: 감지라인
801: 자기저항 효과 소자 903: 워드라인
902: 감지라인 901: 자기저항 효과 소자
904: 워드라인/감지라인
도 1은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자의 실시예를 도시한다. 자기저항 효과 소자(100)는 자기 방향이 회부 자계에 의해 쉽게 회전되는 자유층(101); 자기방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되지 않는 고정층(102); 및 그 사이에 끼어진 비자성층(103)을 포함한다. 고정층(102)은 교환 결합용 비자성층(104), 및 비자성층(104)을 통하여 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(105 및 106)을 포함한다. 교환 결합용 비자성층(104)은 Ru, Ir, Rh 및 Re 중 임의의 산화물을 포함한다.
자유층(101) 및 고정층(102)은 비자성층(103)에 의해 서로 자기적으로 분리된다. 자유층(101)의 자기 방향은 외부적으로 인가된 자계에 응답하여 자유롭게 회전하는 반면, 고정층(102)의 자기화 방향은 외부적으로 인가된 자계에 응답하여 쉽게 회전되지 않는다.
상기된 바와 같이, 고정층(102)은 비자성층(104)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(105 및 106)을 포함한다. 본 발명의 특징은 반강자성 교환 결합을 실현하는 비자성층(104)을 위해 Ru, Ir, Rh 및 Re 중 임의의 것을 사용하는 것이다.
Ag, Cr, Ru, Ir, 같은 다양한 금속은 두 개의 자성층을 반강자성적으로 교환 결합하는 비자성막에 사용된 재료로서 공지된다. 그러나, 상기 금속의 산화 막 또는 질화 막으로 형성되고 반강자성 교환 결합을 달성하는 비자성막은 공지되지 않았다. 당업자에게 공통적인 지식에 따라, 금속 산화물 막은 두 개의 자성층을 반강자성 교환 결합하기 위한 응력을 가지지 못한다. 즉, 당업자에게 두 개의 금속 층의 반강자성 교환 결합을 달성하는 비자성막으로서 금속 산화물 막을 사용하는 조리에 맞지 않는다.
예를 들어, Cu, Ag, Cr 등의 산화물 막은 두 개의 자성층의 반강자성 교환 결합을 달성할 수 없다. 그 이유는 하기에 기술된다.
두 개의 자성막의 전자를 "d-전자"라 칭한다. d-전자는 국부적인 작용을 나타낸다. 따라서, 두 개의 자성막이 몇몇 원자층에 의해 분리될 때, 두 개의 자성막 사이의 자성 상호작용은 갑자기 약해진다. Cu, Ag, Cr, Ru, Ir 등의 비자성 금속 막의 전자를 "s-전자"라 칭한다. Cu, Ag, Cr, Ru, Ir 등의 비자성 금속 막이 두 개의 자성막 사이에 삽입될 때, s 전자는 순회 작용을 나타낸다. 두 개의 자성막 사이의 d 전자의 자성 상호작용은 순회 작용을 나타내는 s 전자를 방해함으로써 강해진다. 결과적으로, 두 개의 자성막은 두 개의 자성막 사이의 거리(즉, 비자성 금속 막의 두께)에 따라 반강자성적으로 또는 강자성적으로 교환 결합된다. 이 효과가 "RKKY 상호작용"으로 공지되어 있다.
그러나, 비자성 금속 막으로서 산화물 막을 사용할 때, 산화물 막의 전자는 순회적인 작용을 나타내는 것이 아니라 국부적인 작용을 나타낸다. 따라서, 두 개의 금속 막을 반강자성적으로 교환 결합하는 것은 어렵다.
따라서, 교환 결합용 비자성막으로서 산화물 막을 사용하는 것은 당업자에게 불합리하다. 실제적으로, 산화물 막은 교환 결합용 비자성막으로서 사용되지 않는다. Al2O3, SiO2같은 통상적인 산화물 막이 교환 결합용 비자성막으로서 두 개의 자성막 사이에 사용될 때조차 두 개의 자성막은 전혀 교환 결합되지 않는다는 것이 공지되었다. 이것은 Cu 및 Cr의 산화물 막으로서 불린다. 즉, 두 개의 자성막의 반강자성 교환 결합은 Cu 또는 Cr을 통해 달성될 수 있지만, Cu 또는 Cr의 산화물층을 통해 달성될 수 없다.
본 발명은 약 1nm의 두께를 가진 매우 얇은 산화물 막이 고정층에 포함된 강자성층 사이에 삽입될 때, 전자가 매우 얇은 삽입된 산화물 막에 의해 미러 반사되고, 그 결과 자기저항 효과가 상당히 개선된다(자기화 및 자성 재료, 210(2000), L20-24의 저널).
상기 사실을 고려하여, 본 발명자는 전자의 미러 반사 효과를 달성하고 두 개의 금속 막의 반강자성 교환 결합을 달성하는 산화물 막을 찾고 개발하였다. 탐색 및 개발의 결과, 본 발명자는 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물이 두 개의 자성막의 반강자성 교환 결합을 달성할 수 있다는 것을 발견하였다. 게다가, 본 발명자는 Ru, Ir, Rh 및 Re가 하기에 목표된 바와 같은 산화물이 하기에 기술되었다는 것을 발견하였다.
Ru, Ir, Rh, 및 Re의 금속 산화물 막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 금속 막과 비교하여 보다 적게 확산된다. 특히, Ru, Ir, Rh 및 Re의 금속 산화물에서, Ru, Ir, Rh 및 Re의 확산은 400℃ 이상에서조차 비자성층(104)의 계면에서 발생되지 않는다. 그러므로, 상기 산화물 막을 포함하는 자기저항 효과 소자의 특성은 저하되지 않는다. 게다가, Ru, Ir, Rh 및 Re의 임의의 산화물 막에 의해, 두 개의 자성막(105 및 106)은 산화물 막을 통하여 서로 반강자성적으로 교환 결합될 수 있다. 따라서, 비자성층(104)으로서 Ru, Ir, Rh, 및 Re의 임의의 산화물 막을 사용할 때, Ru, Ir, Rh 및 Re의 확산은 400℃ 또는 그 이상의 온도에서조차 비자성층(104)의 계면에서 발생되지 않는다. 결과적으로, 특성이 저하되지 않은,즉 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자(100)인 자기 저항 효과 소자가 얻어질 수 있다.
Cu 또는 그와 같은 금속 막이 비자성층(103)으로서 사용될 때, 자기저항 효과 소자(100)는 GMR 장치가된다. 이런 GMR 장치에서, 전극은 자기저항 효과 소자를 완성하도록 도 1의 적층 막의 대향하는 측면 상에 제공된다. Al 등의 산화물 막이 비자성층(103)으로서 사용될 때, 자기저항 효과 소자(100)는 TMR 장치가된다. 이런 TMR 장치에서, 전극은 자기저항 효과 소자를 완료하도록 도 1의 적층 막의 상부 및 하부 면상에 제공된다.
GMR 장치 및 TMR 장치 어느 하나에서, 자유층(101)의 자기화 방향은 고정층(102)에 포함된 자성막(105)과 평행하고, 이런 자기저항 효과 소자의 저항은 높다. 자유층(101)의 자기화 방향이 고정층(102)에 포함된 자성막(105)과 평행할 때, 이런 자기저항 효과 소자의 저항은 낮다. 이들 GMR 및 TMR 장치 각각에서, 자기저항 변화 속도(이후, "MR 속도"라 함)는 NiFe 또는 그와 같은 것을 사용하는 종래의 자기저항 효과 소자보다 높다.
도 2는 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자의 다른 실시예인 자기저항 효과 소자(200)의 구조를 도시한다. 도 2에서, 유사한 성분들은 도 1의 자기저항 효과 소자(100)에 사용된 유사한 참조 번호에 의해 지시되고, 그것의 상세한 설명은 생략된다.
도 2의 구조에서 도 1의 자기저항 효과 소자(100)의 구조와 유사한 고정층(102)은 비자성층(104)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(105및 106)을 포함한다. 본 발명의 특징은 반강자성 교환 결합을 실현하는 비자성층(104)을 위하여 Ru, Ir, Rh 및 Re의 임의의 산화물 막을 사용하는 것이다. 비자성층(104)으로서 Ru, Ir, Rh 및 Re의 임의의 산화물 막을 사용할 때, Ru, Ir, Rh 및 Re의 확산은 400℃ 또는 그 이상의 온도에서조차 비자성 층(104)의 계면에 발생되지 않는다. 결과적으로, 특성이 저하되지 않는 즉, 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자(200)인 자기저항 효과 소자는 얻어질 수 있다.
자기저항 효과 소자(200)는 고정층(102)에 자기적으로 교환 결합된 반강자성 층(201), 및 고정층(102)이 형성된 면에 대향하는 반강자성 층(201)의 면(하부면)상에 형성된 NiFeCr을 얻는 하부 층(201A)을 더 포함한다.
도 2에서, 고정층(102)은 반강자성 층(201)에 교환 결합된다. 상기 구조를 이용하여, 고정층(102)의 자기 방향은 도 1에 도시된 구조와 비교하여 보다 강하게 고정된다. 특히 이런 경우, NiFeCr을 주로 포함하는 막이 하부층(201A)으로서 사용될 때, 강자성층(201)의 교환 결합 특성은 개선된다. 이런 구조에서, 고정층(102)상에만 반강자성 층(201)의 교환 결합 전력의 효과를 제한하기 위하여, NiFeCr 하부층(201A)이 비자성막인 것이 바람직하다.
도 2에서, 단단한 자성막은 반강자성층(201)의 적소에 사용된다. 그러나, 상기 경우, 자기저항 효과 소자가 미세한 모양으로 패턴화 될 때, 단단한 자성막으로부터의 자계는 자유층(101)에 영향을 미친다. 따라서, 자기 헤드 또는 메모리 소자에 응용할 때, 자계로 인한 영향을 받지 않는 반강자성층(201)을 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자의 다른 실시예인 자기저항 효과 소자의 구조를 도시한다. 도 3에서, 유사한 성분은 도 2의 자기저항 효과 소자(200)에 사용된 유사 참조 번호에 의해 지시되고, 그것의 상세한 설명은 생략된다.
도 3의 구조에서 도 1의 자기저항 효과 소자(100)의 구조와 유사한 고정층(102)은 비자성층(104)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(105)을 포함한다. 본 발명의 특징은 반강자성 교환 결합을 실현하는 비자성층(104)을 위해 Ru, Ir, Rh 및 Re의 임의의 산화물 막을 사용하는 것이다. 비자성층(104)으로서 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 막중 임의의 것을 사용할 때, Ru, Ir, Rh 및 Re의 확산은 400℃ 또는 그 이상에서조차 비자성층(104)의 계면에 발생되지 않는다. 결과적으로, 특성이 저하되지 않는 자기저항 효과 소자, 즉 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자(300)는 얻어질 수 있다.
자기저항 효과 소자(300)는 자유층(101)의 적소에 자유층(301)이 사용되는 도 2의 자기저항 효과 소자(200)와는 다르다. 자유층(301)은 교환 결합용 비자성막(302), 및 비자성막(302)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(303 및 304)을 포함한다. 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 막중 임의의 것을 사용한다. 자성막(303)이 자기화(M1) 세기 및 두께(t1)를 가지며 자성막(304)이 자기화 세기(M2) 및 두께(t2)를 가지는 경우, M1 및 t1의 적, 즉 M1×t1은 M2 및 t2의 적, 즉 M2×t2의 적과 실질적으로 다르도록 설정된다.
도 3에 도시된 구조는 (M1×t1 - M2×t2)가 영이 아니도록 구성되어야 한다.이런 목적을 위하여, 만약 동일한 조성을 가지는 두 개의 막이 사용되면, 두 개의 막은 다른 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 선택적으로, 두 개의 막이 동일한 두께를 가질 때조차, 자기화 세기가 두 개의 막사이에서 다르도록 두 개의 막을 형성하는 것이 필요하다.
도 1 및 2에 도시된 자기저항 효과 소자(100 및 200)의 경우, 만약 상기 장치의 폭이 감소되고 그 두께가 일정하게 유지되면, 즉 장치의 크기가 감소되면, 반전된 자계는 장치의 폭에 역비례하여 증가한다. 만약 반전된 자계가 커지면, 자기저항 효과 소자의 감도는 품질을 떨어뜨린다. 결과적으로, 자기저항 효과 소자를 사용하는 메모리 소자에서, 워드 라인의 기록 전류는 증가된다. 그러나, 본 발명에 따라, (M1×t1)의 값 및 (M2×t2)의 값 사이의 차이가 전체 자유층(301)의 자성 특성에 영향을 가지기 때문에, 상기 문제, 즉 장치 크기의 감소로 인한 기록 전류의 증가 및 감도의 저하는 (M1×t1)의 값 및 (M2×t2) 사이의 차이를 조절함으로써 제거될 수 있다.
게다가, 자기저항 효과 소자의 크기가 감소될 때, 자기저항 효과 소자를 사용하여 형성된 메모리 소자의 자유층에 기록된 정보는 열적 파동에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 만약 자기저항 효과 소자는 도 3에 도시된 구조를 가지도록 형성된다. 즉 두 개의 자성막(303 및 304)이 비자성막(302)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 경우 자유층(301)을 포함하도록 형성되고, 열적 파동에 저항하는 열적으로 안정된 메모리 소자는 자기저항 효과 소자를 바탕으로 달성될 수 있다. 이 경우, 두 개의 자성막(303 및 304) 사이의 자기화 세기 및 두께의 적의 차이를 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 영보다 크고 2T(테슬러(tesla)) nm와 같거나 작은 값으로 (M1×T1)의 값 및 (M2×t2)의 값 사이의 차이를 설정하는 것이 바람직하다.
따라서, 비자성막(302)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 자성막(303 및 304)을 포함하는 자유층(301)의 방향은 자유층(301)의 (M1×t1-M2×t2)에 의해 표현된 자기화 방향이 도 4에 도시된 바와 같이 반강자성 교환 결합을 유지하는 동안 외부 자계의 방향과 평행하도록 회전된다. 비록 자유층(301)이 비자성막(302)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 두 개의 자성막(303 및 304)을 포함하도록 구성되더라도, 자기저항 효과 소자의 감도는 도 4에 도시된 바와 같이 장치가 동작하지 않으면 작다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 동작하도록 장치를 설계하는 것이 중요하다.
게다가, 고정층(102)이 도 3에 도시된 바와 같이 비자성막(104)을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합된 두 개의 자성막(105 및 106)을 포함할 때, 자기화 방향이 외부 자계에 의해 쉽게 회전되지 않는 열적으로 안정된 자기저항 효과 소자가 얻어질 수 있다. 자유층(301)이 아닌 고정층(102)에서, 두 개의 자성막(105 및 106)은 동일한 자기화 세기 및 동일한 두께를 가질 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 반강자성 층(201)은 고정층(102)상에 형성된다. 그러나, 본 발명에 따라 반강자성 층(201)은 제공되지 않는다.
도 1 및 2에 도시된 자기저항 효과 소자(100 및 200)에서, 고정층(102)에 포함된 하나의 자성막(105 및 106)은 코발트(Co)를 주로 포함하고 5%-30%의 붕소도 또한 포함하는 CoFeB, CoNbB, CoFeNbB 등의 자성막으로 형성된다. 상기 구조를 사용하여, 자유층(101 또는 201)의 소프트 자성 특성이 개선되고, 결과적으로 개선된 감도를 가진 장치가 얻어질 수 있다.
유사하게, 도 3에 도시된 자기저항 효과 소자(300)에서, 고정층(102)에 포함된 적어도 하나의 자성막(105 및 106) 및 자유층(301)에 포함된 자성막(303 및 304)은 코발트(Co)를 주로 포함하고 5%-30%의 붕소(B)도 또한 포함하는 CoFeB, CoNbB, CoFeNbB 등의 자성막으로 형성될 수 있다. 상기 구조를 사용하여, 자유층(301)의 소프트 자기 특성은 개선되고, 결과적으로 개선됨 감도를 가진 장치가 얻어질 수 있다.
도 1 내지 3에서, 고정층(102)에 포함된 자성막(105 및 106) 및 자유층(301)에 포함된 자성막(303 및 304)으로서 Co, Fe, Co-Fe, Ni-Fe, Ni-Fe-Co 등의 합금 막을 사용하는 것이 바람직하다. 게다가, 자성막(303 및 304)이 소프트 자기 특성을 나타내는 막으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, Ni-Fe 바탕 자성막 또는 Ni-Fe-Co 바탕 자성막의 자성막(303 및 304)을 형성하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 3에서, 고정층(102)에 포함된 자성막(105 및 106)은 단단한 자성막으로 형성될 수 있다. 단단한 자성막의 예는 CoPt 바탕 막이다. 게다가, 자성막(105 및 106)은 단단한 자성막 및 자성막을 포함하는 적층 막에 의해 형성될 수 있다. 게다가, 고정층(102)은 반강자성 층(201)에 교환 결합된 자성막(105 및 106)을 포함할 수 있다.
도 2 및 3에서, 반강자성 층(201)이 T-Mn 바탕 합금 막(여기에서, "T"는 Ni, Pt, Ir, Pd, Rh, Ru 및 Cr로부터 선택된 하나 이상의 성분을 나타낸다)으로 형성된다. T-Mn 바탕 합금의 특정 실시예는 PtMn, RdPtMn, NiMn, IrMn, CrPtMn, RuRhMn 등을 포함한다. 게다가, 반강자성 층(201) 아래에 제공된 하부 층(201A)이 NiFeCr을 주로 포함하는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, NiFeCr 재료가 비자성인 것이 바람직하다. 만약 NiFeCr 재료의 조성물이 20 원자 퍼센트 또는 그이상의 Cr을 포함하면, NiFeCr 재료는 실온에서 비자성이다. 게다가, 자유층(301)의 구조와 유사한 하부 층(201A)은 비자성막 및 상기 비자성막을 통하여 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 두 개의 자성층으로 형성된다.
TMR 장치를 얻기 위하여, 자유층 및 고정층을 자기적으로 분리하는 비자성층(103)이 AlO, AlN, AlNO, BN 등의 절연 막으로 형성된다. GMR 장치를 얻기 위하여, 비자성층(103)은 Cu, Au, Ag, Cr, Ru 등의 금속 막(비자성 전도 막)에 의해 형성된다. 큰 스핀 극성을 가지는 반쪽의 금속 막은 비자성층(103) 및 자유층(101) 사이 또는 비자성층(103) 및 고정층(102) 사이에 제공될 때, 보다 큰 MR 속도비가 얻어질 수 있다. 큰 스핀 극성을 가지는 반쪽 금속 막의 실시예는 Fe3O4막을 사용할 때 Fe3O4막이고, 그것의 목표된 크기는 1nm 또는 그 이하이다.
본 발명에 따른 상기된 자기저항 효과 소자를 사용함으로써, 우수한 열적 안정성을 가진 자기 헤드가 제조될 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하여 형성된 자기헤드(500)의 구조를 도시한다. 자기 헤드(500)는 재생 헤드부(505)에 포함된다. 재생 헤드부(505)는 상부 시일드(501), 하부 시일드(502) 및 상기 상부 시일드(501) 및 하부 시일드(502) 사이의 재생 갭(503)에 제공된 본 발명의 자기저항 효과 소자(504)를 포함한다. 각각의 상부 시일드(501) 및 하부 시일드(502)는 자기 재료로 만들어진다.
전기 회로가 코일부(506)를 통해 흐를 때, 신호는 상부 시일드(501) 및 기록 폴(507) 사이 기록 갭(508)으로부터 누설된 자계 부분에 의해 기록 매체(도시되지 않음)에 기록된다. 재생 갭(503)(시일드 갭)에 제공된 자기저항 효과 소자(504)는 기록 매체 상에 기록된 신호를 재생하기 위하여 기록 매체(도시되지 않음)로부터 신호 자계를 판독한다.
자기저항 효과 소자(504)는 도선 라인(도시되지 않음)에 접속된다. 자기 저항자기저항 효과 소자(504)가 GMR 장치인 경우, 도선 라인은 자기저항 효과 소자(504)의 좌측 및 우측에 접속되고 두 개의 시일드(501 및 502)로부터 절연된다. 자기저항 효과 소자(504)가 TMR 장치인 경우, 도선 라인은 자기저항 효과 소자(504)의 상부 및 하부 측면에 접속된다. 자기저항 효과 소자(504)가 TMR 장치인 경우, 상기 장치(504)는 그것의 상부 및 하부측에 접속된 도선 라인이 각각 상부 및 하부 시일드(501 및 502)에 접속되고, 상부 및 하부 시일드(501 및 502)가 도선 라인의 일부로서 기능하도록 구성될 수 있다. 상기 구조를 이용하여, 재생 갭(503)은 보다 좁게 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라, 보다 우수한 열적 안정성을 가진 자기저항 효과 소자(504)를 포함하는 재생 헤드부(505)를 가지는 자기 헤드(500)는 얻어질 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하여 형성된 다른 자기 헤드(600)의 구조를 도시한다. 자기 헤드(600)는 상부 시일드(602), 하부시일드(601) 및 상기 상부 시일드(602) 및 하부 시일드(601) 사이에 제공된 자기저항 효과 소자(504)를 포함한다. 하부 시일드(601)는 자기 재료로 만들어지고 요크부(자속 안내부)로서 기능한다. 도 6에 도시된 실시예는 자기저항 효과 소자(504)가 TMR 장치일 때 자기 헤드의 예시적 구조이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기록 매체(도시되지 않음)로부터의 신호 자계는 상부 시일드(602) 및 하부 시일드(601) 사이의 재생 갭으로 진입하고 요크부로서 기능하는 하부 시일드(601)를 따라 자기저항 효과 소자(504)로 진행한다. 그 다음, 요크부(601)에 접속된 자기저항 효과 소자(504)는 기록 매체로부터 신호 자계를 판독한다. 자기저항 효과(TMR) 장치(504)는 상부 도선에 접속된다. 하부 시일드(601)는 자기저항 효과 소자(504)에 접속된 하부 도선으로서 기능한다. 자기저항 효과 소자(504)에 포함된 자유층의 일부 또는 전체는 하부 시일드(601)로서 기능할 수 있다. 만약 자기저항 효과 소자(504)가 GMR 장치이면, 자기저항 효과 소자(504)는 요크(601)로부터 절연되어야 한다.
따라서, 본 발명에 따라, 우수한 열적 안정성을 가진 자기저항 효과 소자(504)를 포함하는 요크를 가지는 자기 헤드(600)는 얻어질 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 포함하는 자기 헤드를 사용하는 자기 기록/재생 장치(700)를 도시하는 투시도이다. 본 발명에 따른 재생 헤드를 포함하는 자기 헤드를 이용하여, 하드디스크 드라이브(HDD) 같은 자기 기록/재생 장치는 생산될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 자기 기록/재생 장치(700)는 자기 기록 매체(703)에 정보를 기록 또는 재생하기 위한 자기 헤드(701); 자기헤드(701)가 장착되는 아암(705); 아암(705)을 구동하기 위한 구동부(702); 및 자기 헤드(701)에 의해 자기 기록 매체(703)로부터 재생된 신호 또는 자기 헤드(701)에 의해 자기 기록 매체(703)에 기록될 신호를 처리하기 위한 신호 처리부(704)를 포함한다.
구동부(702)는 자기 기록매체(703)위의 소정 위치에서 자기 헤드(701)를 배치시키기 위하여 아암(705)을 구동시킨다. 재생동작 시, 자기헤드(701)는 자기 기록매체(703)에 기록된 신호를 판독한다. 신호처리부(704)는 자기 기록매체(703)로부터 자기헤드(701)에 의해 판독된 신호를 재생 처리한다. 기록동작 시, 신호 처리부(704)는 자기기록매체(703)에 기록되도록 신호를 기록 처리한다. 자기헤드(701)는 자기 기록매체(703)의 신호처리부(704)에 의해 처리된 신호를 기록한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 우수한 열 안정성을 가진 재생헤드를 포함하는 자기헤드를 사용하는 자기 기록/재생 장치가 제조될 수 있다.
더욱이, 메모리 소자는 자기 자기저항 효과 소자가 자계를 발생시키는 워드라인과 도 8 및 도 9에 도시된 자기저항 효과 소자의 저장을 판독하는 감지라인을 가진 본 발명에 따른 자기저항 효과장치를 사용함으로써 제조될 수 있다.
도 8은 본 발명의 자기저항 효과 소자(801)를 GMR 장치로서 사용하여 제조된 메모리 소자(800)의 구조를 도시한다. 메모리 소자(800)는 GMR 장치로서 자기저항 효과 소자(801)를 포함한다. 자기저항 효과 소자(801)의 좌측 및 우측에서, 자기저항 효과장치(801)에 기록된 정보를 판독하기 위한 감지라인(802)이 접속된다. 메모리 소자(800)는 자기저항 효과장치(801)에 정보를 기록하기 위한 두 개의 워드라인(803, 804)을 가진다.
이러한 구조를 가진 다수의 메모리 소자(800)가 매트릭스로 배열되는 경우에, 정보는 두 개의 워드라인(803, 804)으로부터 합성 자계에 의해 다수의 자기저항 효과 소자(801)중 하나에 선택적으로 기록될 수 있다. 워드라인(803)에서의 전류흐름의 방향은 도 8에 도시된 메모리 소자(800)의 단면에 수직하다. 워드라인(804)에서의 전류흐름의 방향은 도 8에 도시된 메모리 소자(800)의 단면에 대해 수평 방향을 따른다.
도 9는 TMR 장치로써 본 발명의 자기저항 효과 소자(901)를 사용하여 제조된 메모리 소자(900)의 구조를 도시한다. 메모리 소자(900)는 TMR 장치로써 자기저항 효과 소자(901)를 포함한다. 메모리 소자(900)는 자기저항 효과 소자(901)에 정보를 기록하기 위한 워드라인(903)을 포함한다. 자기저항 효과 소자(901)의 상부 및 하부 측면에서, 감지라인으로써 기능을 하는 감지라인(902) 및 워드라인(904)은 각각 접속된다.
이러한 구조를 가진 다수의 메모리 소자(900)가 매트릭스로 배열되는 경우에, 정보는 두 개의 워드라인(04)으로부터 합성 자계에 의하여 다수의 자기저항 효과 소자(901)중 하나에 선택적으로 기록될 수 있다. 워드라인(900)에서의 전류흐름의 방향은 도 9에 도시된 메모리 소자(900)의 단면에 수직하다. 워드라인(904)에서의 전류흐름의 방향은 도 9에 도시된 메모리 소자(900)의 단면에 수평하다.
도 8의 메모리 소자(800) 및 도 9의 메모리 소자(900)사이의 차이는 다수의 메모리 소자가 매트릭스로 배열될 때 메모리 소자(800)의 메모리 소자가감지라인(802)에 직렬로 접속되고 메모리 소자(900)의 메모리 소자가 감지라인(902)에 병렬로 접속된다는 점이다.
각각의 메모리 소자(800, 900)에서, 워드라인(803, 804) 또는 워드라인(903) 및 워드라인/감지라인(904)에서 흐르는 전류는 자계를 발생시키며, 발생된 자계는 자기저항 효과 소자(801, 901)에 포함된 자유층의 자화 방향을 전환시키며, 그 결과 정보가 기록된다.
정보의 판독은 감지라인(802) 또는 감지라인(902) 및 감지라인/워드라인(904)을 사용함으로써 자기저항 효과 소자의 메모리상태(저항)를 판독함으로써 실현된다. 자유층의 자화방향이 자기저항 효과 소자(801 또는 901)에 포함된 고정층의 자화방향에 평행할 때, 장치의 저항은 낮다. 자유층의 자화방향이 고정층의 자화방향에 평행하지 않을 때, 장치의 저항은 높다.
메모리 소자(800, 900)는 자기 메모리, 즉 비휘발성 메모리이며, 이에 따라 휘발성 메모리인 DRAM과 다르다. 게다가, 메모리 소자(800, 900)는 메모리 소자(800, 900)로의 정보의 저장 및 판독이 제한적인 횟수로 수행되며 정보를 기록/삭제하는데 필요한 시간이 나노초보다 짧으며 비저항 판독이 가능하다는 점에서 반도체 플래시 메모리와 다르다.
1비트 메모리 소자의 동작원리는 앞서 기술되었다. 그러나, 실제 메모리 소자를 재생할 때, 이러한 1비트 메모리 소자가 매트릭스로 배열된다. 이러한 경우에, 매트릭스의 어드레스(N,M)에서 메모리 소자에 정보를 기록할 때, 자계는 어드레스(N,M)에서 메모리 소자를 교차하는 두 개의 워드라인에 의해 발생되며, 정보는발생된 자계의 합성 자계에 의해 기록된다. 정보의 판독은 메모리 소자에 접속된 감지라인을 통해 메모리 소자의 저장 크기를 어드레스(N,M)에서 판독함으로써 실현된다.
(실시예들)
(실시예 1)
도 1에 도시된 자기저항 효과 소자(100)는 기판용으로 Si을 사용하고 타깃용으로 Cr, pt, CoPt, Ir, CoFe, Al, Cu, 및 NiFe를 사용하여 스퍼터링함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, 50nm의 두께를 가진 Cu/Pt/Cr 막은 낮은 전극으로써 Si 기판 상에 형성된다. 그 다음에, Cu/Pt/Cr 막 상에는 다름과 같은 구조를 가진 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 1:
CoPt(25)/CoFe(3)/IrO(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.4)/CoFe(1)/NiFe(3)
여기서, 괄호 안의 숫자는 막의 두께(nm)를 나타낸다. Iro 및 Alo 막은 Ir 및 Al 막의 형성 후에 자연 산화물에 의해 형성된다.
실시예 샘플1에서, CoPt 및 CoFe는 도 1에 도시된 자성막(016)에 대응한다. IrO는 교환 결합을 위하여 비자성층(104)에 대응한다. CoFe는 자성막(105)에 대응한다. AlO는 비자성막(103)에 대응한다. CoFe 및 NiFe는 자유층(101)에 대응한다.
1㎛×1㎛의 자기저항 효과장치는 포토리소그라피에 의해 실시예 샘플 1의 막으로부터 형성된다. 자기저항 효과 소자의 주변은 AlO에 의해 절연되며, 관통 홀이 만들어진다. 결과적인 구조 위에는 Cu/Pt 막이 상부 전극으로써 50nm의 두께를 가지도록 형성된다. 이와 같이 제조된 자기저항 효과장치는 400℃까지 가열된다. 그 다음에, 500 Oe의 자계는 실온에서 자기저항 효과장치에 공급되며, 자기저항 교환비(MR 비)가 측정된다. 측정의 결과는 테이블 1에 도시되어 있다.
(테이블 1)
열 처리 온도 ℃ 300 320 340 360 380 400
실시예 샘플 1(%)의 MR 비 31 31 31 31 31 28
테이블 1에 도시된 바와 같이, MR 비는 온도의 증가에도 불구하고 거의 일정하게 유지된다. 따라서, 자기저항 효과 소자(100)는 우수한 열 안정성을 갖는다.
(실시예 2)
도 2에 도시된 자기저항 효과 소자(200)는 기판용으로 Si를 사용하고 타깃용으로 Pt, Ru, PtMn, CoFe, Cu, Al, NiFe, NiFeCr를 사용하여 스퍼터링함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, 50nm의 두께를 가진 Cu/Pt 막은 낮은 전극으로써 Si 기판 상에 형성된다. 그 다음에, Cu/Pt 막 상에는 다름과 같은 구조를 가진 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 2:
PtMn(25)/CoFe(3)/RuO(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.4)/CoFe(1)/NiFe(4)
게다가, PtMn층에 대한 NiFeCr의 하부층을 포함하는 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예샘플2A:
NiFeCr(4)/PtMn(25)/CoFe(3)/RuO(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.4)/CoFe(1)/NiFe(4)
비교를 위하여, 이하에 도시된 종래의 구조를 가진 샘플이 제조된다.
종래의 샘플 A:
PtMn(25)/CoFe(6)/AlO(1.2)/CoFe(1)/NiFe(4)
실시예 샘플 2에서, PtMn은 도 2에 도시된 반강자성층(201)에 대응한다. CoFe는 자성막(106)에 대응한다. RuO는 교환 결합을 위하여 비자성층(104)에 대응한다. CoFe는 자성층(105)에 대응한다. AlO는 비자성막(103)에 대응한다. CoFe 및 NiFe는 자유층(101)에 대응한다. 실시예 샘플 2A에서, NiFeCr은 하부층(201A)에 대응한다. 다른 성분은 실시예 샘플 2의 성분과 동일하다.
RuO 및 AlO막은 Ru 및 Al 막의 형성 후에 자연 산화물에 의해 형성된다. 이들 샘플이 두시간 동안 자계에서 280℃에서 열처리된 후에, 1㎛×1㎛의 자기저항 효과 소자는 실시예 샘플 2, 실시예 샘플 2A 및 종래의 샘플의 막으로부터 포토리소그라피에 의해 형성된다. 결과적인 자기저항 효과 소자의 각각의 주변은 AlO에 의해 형성되며, 관통 홀이 만들어진다. 결과적인 구조 위에는 Cu/Pt 막이 상부 전극으로써 50nm의 두께를 가지도록 형성된다. 이와 같이 제조된 자기저항 효과 소자는 400℃까지 열처리된다. 그 다음에, 500 Oe의 자계는 자기저항 효고 장치에 공급되며, MR 비가 측정된다. 측정의 결과는 테이블 2에 도시되어 있다.
(테이블 2)
열처리 온도 (℃) 300 320 340 360 380 400
실시예 샘플 2 의 MR 비(%) 45 45 45 45 43 43
실시예 샘플 2A의 MR 비(%) 46 46 46 46 44 39
종래 샘플 A의 MR 비(%) 42 40 18 2 0 0
테이블 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 자기저항 효과 소자(200)가 종래의장치와 비교하여 우수한 열 안정성을 갖는 다는 것을 알았다.
(실시예 3)
도 2에 도시된 자기저항 효과 소자(200)는 기판용으로 Si를 사용하고 타깃용으로 Ta, NiFeCr, RuO2, PtMn, CoFe, Cu, CoFeB를 사용하여 스퍼터링함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, Ta/NiFeCr 막은 6nm의 두께를 가지도록 Si 기판 상에 형성된다. 그 다음에, Ta/NiFeCr 막 상에는 다음과 같은 구조를 가진 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 3:
PtMn(15)/CoFe(2)/RuO(0.8)/CoFe(2)/Cu(2.4)/CoFe(2)/Cu(1)/Ta(3)
실시예 샘플 3A:
PtMn(15)/CoFeB(1)/CoFe(1.5)/RuO(0.8)/CoFe(2)/Cu(2.4)/CoFe(2)/Cu(1)/Ta(3)
여기서, "RuO" 막은 Ru의 산화물 막이나 Ru 및 O사이의 비가 1:1인 것을 의미하지 않는다. 이는 IrO 및 AlO에 대해 동일하다.
비교를 위하여, 이하에 도시된 종래의 구조를 가진 샘플이 제조된다.
종래의 샘플 B:
PtMn(15)/CoFe(4)/Cu(2.4)/CoFe(2)/Cu(1)/Ta(3)
실시예 3에서, PtMn은 도 2에 도시된 반강자성층(201)에 대응한다. CoFe는 자성막(106)에 대응한다. RuO는 교환 결합을 위하여 비자성층(104)에 대응한다. CoFe는 자성층(105)에 대응한다. Cu는 비자성막(103)에 대응한다. CoFe는 자유층(101)에 대응한다. Cu 및 Ta는 캡 층(도시 안됨)에 대응한다. 실시예 샘플3A에서, CoFeB 및 CoFe는 자성막(106)에 대응한다. 다른 성분은 실시예 샘플 3의 성분과 동일하다.
이들 샘플이 2시간동안 자계에서 280℃에서 열처리된다. 실시예 샘플 3, 실시예 샘플 3A 및 종래의 샘플 B의 막은 포토리소그라피에 의하여 0.5㎛×1㎛의 구조로 형성되며, 전극은 자기저항 효과 소자를 제조하기 위하여 그 위에 형성된다. 각각의 자기저항 효과 소자의 MR 비는 실온에서 측정되며, 각각의 자기저항 효과 소자의 자유층의 항자력(coercive force) HC가 검사된다. 검사의 결과는 이하에 도시된다.
샘플 3 샘플 3A 샘플 B
Hc 6 1 9
결과로부터 알 수 있는 바와 같이, CoFeB가 고정층(102)의 자성막(106)에 사용되는 자기저항 효과 소자에서, 자유층(101)의 소프트 자기특성이 약간 개선된다는 것을 알았다. 그 다음에, 자기저항 효과 소자는 400℃까지 열처리된다. 그 다음에, 500 Oe의 자계는 실온에서 자기저항 효과 소자에 공급되며, MR 비가 측정된다. 측정의 결과는 테이블 3에 도시되어 있다.
(테이블3)
열처리 온도 (℃) 300 320 340 360 380 400
실시예 샘플 3 의 MR 비(%) 11 11 11 11 9 1
실시예 샘플 3A의 MR 비(%) 10 10 10 10 8 1
종래 샘플 B의 MR 비(%) 9 9 9 0 0 0
테이블 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 자기저항 효과 소자가 종래의 장치와 비교하여 우수한 열 안정성을 가진다는 것을 알았다.
(실시예 4)
도 3에 도시된 자기저항 효과 소자는 기판용으로 Si를 사용하고 타깃용으로 Pt, PtMn, CoFe, Ru, Al, Cu, NiFe, NiFeCr를 사용하여 스퍼터링함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, 50nm의 두께를 가진 Cu/Pt 막은 Si 기판 상에서 하부 전극으로써 형성된다. 그 다음에, 다른 Cu/Pt 막 상에는 다음과 같은 구조를 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 4:
PtMn(25)/CoFe(3)/RuO(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.4)/NiFe(3)/RuO(0.8)/NiFe(2)
게다가, NiFeCr의 하부층을 포함하는 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 4A:
NiFeCr(4)/PtMn(25)/CoFe(3)/RuO(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.4)/NiFe(3)/RuO(0.8)/NiFe(2)
비교를 위하여, 종래의 구조를 가진 샘플이 제조된다.
종래의 샘플 C:
PtMn(25)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/AlO(1.4)/NiFe(5)
실시예 샘플 4에서, PtMn은 도 3에 도시된 반강자성층(201)에 대응한다. CoFe는 자성막(106)에 대응한다. RuO는 교환 결합을 위하여 비자성층(104)에 대응한다. CoFe는 자성막(304)에 대응한다. AlO는 비자성막(304)에 대응한다. NiFe는 자성막(304)에 대응한다. RuO는 교환 결합을 위하여 비자성층(302)에 대응한다. NiFe는 자성막(303)에 대응한다. 실시예 샘플 4A에서, NiFeCr은 하부 막(201A)에 대응하며, 다른 성분은 실시예 샘플 4의 성분과 동일하다.
이들 샘플이 두 시간동안 자계에서 280℃에서 열처리된 후에, 실시예 샘플 4, 실시예 샘플 4A 및 종래의 샘플 C의 막이 포토리소그라피에 의하여 0.2㎛×0.3㎛의 구조로 형성된다. 각각의 결과적인 구조의 주변은 AlO에 의하여 절연되며, 관통 홀이 만들어진다. 결과적인 구조는 상부 전극으로써 50nm의 두께를 가지도록 형성된다. 이와 같이 제조된 자기저항 효과 소자는 400℃까지 가열된다. 그 다음에, 500 Oe의 자계는 자기저항 효과 소자에 공급되며, MR 비가 측정된다. 측정의 결과는 테이블 4에 도시되어 있다.
(테이블4)
열처리 온도 (℃) 300 320 340 360 380 400
실시예 샘플 4 의 MR 비(%) 41 41 41 41 40 37
실시예 샘플 4A의 MR 비(%) 42 42 42 42 42 39
종래 샘플 C의 MR 비(%) 41 41 28 2 0 0
테이블 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 자기저항 효과 소자가 종래의 장치에 비교하여 우수한 열 안정성을 갖는다는 것을 알았다. 측정된 자계 H에 대한 MR 비의 종속상태가 검사된다. 검사 결과는 다음과 같다.
H=40 Oe H=80 Oe H=120 Oe
실시예 샘플 4 MR=39% MR=40% MR=41%
실시예 샘플 4A MR=39% MR=41% MR=42
종래의 샘플 C MR=4% MR=28% MR=39%
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 자기저항 효과 소자(300)는 공급된 자계가 약할 때조차 충분히 큰 MR 비를 발생시킨다. 이는 자유층(301)이 비자성층(302)을 통해 반강자성적으로 교환 결합되는 자성막(303, 304)에 의해 형성되며, 이에 따라 외부 자계에 대한 자유층(301)의 NiFe 막의 유효 두께는 약 1nm로 고려된다. 다른 한편으로, 종래의 샘플 C에서 상부 NiFe 층의 두께는 5nm이다.따라서, 만일 장치의 크기가 샘플 C의 크기보다 작은 경우, 반전된 자계는 크게된다. 더욱이, 자계가 작기 때문에, 자유층의 자화 방향의 회전은 더 곤란하게 된다. 따라서, 큰 MR 비가 전술한 이유로 인하여 약한 자계로 얻을 수 없다. 게다가, 각각의 자기저항 효과 소자의 MR 곡선의 비대칭이 검사된다. 실시예 샘플 4 및 4A에서는 비대칭이 발견되지 않으며, 임의의 비대칭은 종래의 샘플 C에서 발견된다.
(실시예 5)
도 3에 도시된 자기저항 효과 소자(300)는 기판용으로 Si를 사용하고 타깃용으로 Ta, NiFeCr, RuO2, PtMn, CoFe, Cu 및 NiFe를 사용하여 스퍼터링함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, Ta/NiFeCr 막은 6nm의 두께를 가지도록 Si 기판 상에 형성된다. 그 다음에, Ta/NiFeCr 막 상에서는 다음과 같은 구조를 가진 자기저항 효과 소자가 제조된다.
실시예 샘플 5:
PtMn(15)/CoFe(2)/RuO(0.8)/CoFe(2)/Cu(2.4)/CoFe(1)/NiFe(1)/RuO(0.8)/NiFe(1.5)/Ta(3)
비교를 위하여, 이하에 도시된 종래의 구조를 가진 샘플이 제조된다.
종래의 샘플 D:
PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Cu(2.4)/CoFe(1)/NiFe(2.5)/Ta(3)
실시예 샘플 5에서, PtMn은 도 3에 도시된 반강자성층(201)에 대응한다. CoFe는 자성막(106)에 대응한다. RuO는 교환결합을 위하여 비자성층(104)에 대응한다. CoFe는 자성막(015)에 대응한다. Cu는 비자성막(103)에 대응한다. CoFe 및 NiFe는 자성막(304)에 대응한다. RuO는 교환 결합을 위하여 비자성층(302)에 대응한다. NiFe는 자성막(303)에 대응한다. Ta는 캡층(도시 안됨)에 대응한다.
이들 샘플이 두시간 동안 자계에서 280℃에서 열처리된 후에, 실시예 샘플 5 및 종래의 샘플 D의 막은 포토리소그라피에 의하여 0.2㎛×0.3㎛의 구조로 형성되며, 전극은 자기저항 효과 소자를 제조하기 위하여 그 위에 형성된다. 이와 같이 제조된 자기저항 효과 소자는 400℃까지 가열된다. 그 다음에, 500 Oe의 자계는 자기저항 효과 소자에 공급되며, MR 비가 측정된다. 측정의 결과는 테이블 5에 도시되어 있다.
(테이블 5)
열처리 온도(℃) 300 320 340 360 380 400
실시예 샘플 5의 MR 비(%) 9 9 9 9 8 1
종래의 샘플 D의 MR 비(%) 9 9 4 0 0 0
테이블 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 자기저항 효과 소자(300)가 종래의 장치에 비교하여 우수한 열 안정성을 갖는다는 것을 알았다. 측정된 자계 H에 대한 MR 비의 종속상태가 검사된다. 검사 결과는 다음과 같다.
H=40 Oe H=80 Oe H=120 Oe
실시예 샘플 5 MR=8% MR=9% MR=9%
종래의 샘플 D MR=2% MR=6% MR=8%
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 자기저항 효과 소자(300)는 장치가 작은 크기를 가지도록 형성될 때 종래의 장치와 비교하여 자계에 대해 우수한 민감도를 가진다는 것을 알았다.
(실시예 6)
도 5에 도시된 구조를 가진 자기헤드(500)는 실시예 샘플 3의 GMR 막 및 실시예 3으로써 제조되는 종래 샘플 B의 GMR을 자기저항 효과 소자(504)로써 사용함으로써 제조된다. 자기헤드(500)의 시일드(501, 502) 및 기록 폴(507)은 NiFe 도금 막으로 만들어진다. 재생 헤드부(505)의 GMR 장치(504)의 트랙 폭은 0.3㎛이며, MR 높이는 0.3㎛이다. 재생 헤드(500)의 열 안정성을 검사하기 위하여, 헤드(500)는 150℃에서조차 자동온도 조절로 저장되며, 5mA의 전류는 5일 동안 헤드(500)에 공급되며, 이러한 열 검사가 비교되기 전 및 후에 헤드(500)의 값을 출력한다. 결과적으로, 실시예 샘플 3으로 제조된 헤드(500)의 출력값은 약 1%만큼 감소되며, 종래의 샘플 B로 제조된 헤드의 출력값은 약 33%만큼 감소된다. 따라서, 본 발명에 따른 헤드(500)의 열 안정성은 종래 헤드의 열 안정성에 비교하여 상당히 개선된다. 본 발명의 헤드(500)를 사용함으로써, 헤드(500)에 대한 드라이버, 자기 기록 매체 디스크 및 신호 처리부를 포함하는 20개의 자기 기록/재생 장치(700)는 도 7에 도시된 바와 같이 재생된다. 재생된 자기 기록/재생 장치(700)는 130℃에서조차 자동 열 조절에서 가열 테스트에서 영향을 받는다. 20개의 장치(700)는 저하되지 않는다.
(실시예 7)
도 6에 도시된 구조를 가진 자기 헤드(600)는 자기저항 효과 소자(504)로써 실시예 2에서처럼 발생된 실시예 샘플 2 및 2A의 TMR 막, 실시예 4에서 발생된 실시예 샘플 4의 TMR 막 및 종래의 샘플 A 및 B의 TMR 막을 사용함으로써 제조된다. 자기헤드(600)의 시일드(601, 602)는 NiFe 도금 막으로 만들어진다. 그러나, 실시예 7에서, 시일드(601)의 NiFe 도금 막이 CMP 폴리싱된 후, TMR 막은 실시예 2 및 4에서 기술된 막과 반대 순서로 형성된다. 즉 TMR 막의 형성은 NiFe 막에서 시작되며 PtMn 막에서 종료된다. 그 다음에, 전극 막은 결과적인 구조상에 형성된다. 재생 헤드부의 TMR 장치는 0.5㎛×0.5㎛ 형상으로 형성된다. 재생 헤드(600)의 열 안정성을 검사하기 위하여, 헤드(600)는 150℃에서조차 자동온도 조절로 저장되며, 0.2V의 전압은 5일 동안 헤드(600)에 공급되며, 열 검사전 및 후의 헤드(600)의 출력값은 비교된다. 결과로써, 실시예 샘플 2, 2A 및 4에서 제조된 헤드(600)의 출력값은 약 4%만큼 감소되며, 종래의 샘플 A 및 B로 제조된 헤드의 출력전압은 약 21%만큼 감소된다. 따라서, 본 발명에 따른 헤드(600)의 열 안정성은 종래의 헤드의 열 안정성에 비교하여 상당히 개선된다.
(실시예 8)
도 8에 도시된 자기저항 효과 메모리 소자(800)는 자기저항 효과 소자(801)로서 실시예 5 및 실시예 5에서 발생된 종래의 샘플 D를 사용함으로써 제조된다. 제 1 단계에서, 감지라인(602)은 실시예 샘플 5 및 종래 샘플 D의 양 측면에 접속되며, AlO 막은 각각의 결과적인 구조 위에 절연을 위하여 형성된다. 그 다음에, Cu의 워드라인(804)은 AlO 막 상에 형성되며, 다른 AlO 막은 절연을 위하여 워드라인(804)상에 형성된다. 결과적인 구조에서, Cu의 워드라인(803)이 형성되며, 이에 따라 자기저항 효과 메모리 소자(800)는 도 8에 도시된 바와 같이 제조된다. 재생 메모리 소자(800)는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 견본제품을 얻기 위하여 64x64 매트릭스로 배열된다. MRAM의 이러한 견본 제품은 380℃에서 수소를 침전시킴으로써 처리되며, 이러한 처리된 견본 제품에서, 기록 및 판독 동작은 워드라인(803, 804)을 사용하여 수행된다. 결과로서, 본 발명의 실시예 샘플 5를 사용하여 제조된 MRAM에서, 재생신호는 식별되며, 종래의 샘플 D를 사용하여 제조된 MRAM에서 재생 신호는 식별되지 않는다.
(실시예 9)
도 9의 구조를 가진 자기저항 효과 메모리 소자(900)는 자기저항 효과 소자(910)로써 실시예 샘플 4 및 4A와 실시예 4에서 발생된 종래의 샘플 C를 사용함으로서 제조된다. 각각의 자기저항 효과 메모리 소자에서, 장치(901)에 대한 하부 전극은 워드라인/감지라인(904)으로서 사용되며, 장치(901)에 대한 상부 전극은 감지라인(902)로써 사용된다. 이러한 구조에서, AlO 막은 절연을 위하여 형성되며, Cu의 워드라인(903)은 AlO 막 상에 형성되며, 이에 따라 도 9에 도시된 구조를 가진 자기저항 효과 메모리 소자(900)는 제조된다. 제조된 메모리 소자(900)의 저항은 약 10kΩ이다. 전류는 자계를 발생시키기 위하여 워드라인(903, 904)을 통해 흐른다. 이러한 자계에 대하여, 자유층의 자화방향은 반전되며, 이에 따라 정보 "1"을 기록한다. 그 후에, 전류는 자유층의 자화방향이 반전되도록 반대방향으로 워드라인(903, 904)을 통해 흐르며, 이에 따라 정보 "2"를 기록한다. 이들 두 상태의 각각에서, 감지라인(902, 904)은 0.05mA의 전류가 그사이에 흐르도록 하며, 이에 따라 장치의 출력값은 정보 "1"에 대해 측정되며 정보 "2"에 대해 측정된다. 실시예 샘플 4 및 4A로 제조된 장치 및 종래의 샘플 C로 제조된 장치에서, 약 150mV의 높은 출력값이 얻어진다.
다음에, 이러한 구조를 가진 메모리 소자는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)의 견본 제품을 얻기 위하여 64x64 매트릭스로 배열된다. 제 1단계에서, 스위칭 트랜지스터(SW-Tr)로써 각각 작용하는 CMOS는 CMP 폴리싱에 의해 평탄화되며, 앞의 구조를 가진 자기저항 효과 메모리 소자는 일대일 방식으로 CMOS에 대응하도록 매트릭스로 배열된다. 최종 단계에서, 결과적인 구조는 380℃에서 수호 침전에 의해 처리된다.
매트릭스에서 어드레스(N,M)에서 메모리 소자의 기록동작 시, 전류는 어드레스(N,M)위를 교차하는 워드라인을 통해 흐르며, 합성 자계는 이들 전류에 의해 발생된다. 발생된 합성 자계에 의하여, 정보는 어드레스(N,M)에 메모리 소자에 기록된다. 판독 동작 시, 적정 메모리 소자는 CMOS 스위칭 트랜지스터에 의해 선택되며, 선택된 장치의 저항값 및 기준 저항값은 비교되며, 이에 따라 정보가 각각의 메모리 소자로부터 판독된다. 이들 동작에서, 실시예 샘플 4 또는 4A로 제조된 MRAM에서, 실시예 샘플 4 또는 4A로 제조된 단일 메모리 소자에서 얻어진 출력보다 큰 출력이 얻어진다. 그러나, 종래 샘플 C로 제조된 MRAM에서는 출력이 얻어지지 않는다. 이는 본 발명의 메모리 소자가 종래의 메모리 소자에 비해 380℃에서 수소 침전처리에 견딘다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 400℃의 열처리 후에조차 안정하게 동작하는 개선된 열 안정성을 가진 자기저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기록 매체 및 본 발명의 열 안정 자기저항 효과 소자를 사용함으로써 제조되는 메모리 소자가 제조될 수 있다.
본 발명의 범위 및 사상에 벗어남이 없이 다양한 다른 변형이 당업자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 청구 범위에 의하여 제한된다.
본원 발명은 확산이 교환 결합용 비자성층의 계면에서 발생되지 않도록 자기저항 효과 소자를 구성함으로써 상기 장치의 특성이 저하되지 않는 효과를 가진다.

Claims (28)

  1. 자기저항 효과 소자에 있어서,
    자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되는 자유층;
    비자화층; 및
    자화방향이 외부 자계에 의하여 용이하게 회전되지 않으며, 상기 자유층이 형성되는 면에 대향하는 상기 비자화층의 면상에 제공되는 고정층을 포함하며,
    상기 고정층은,
    교환결합용 제 1 비자성막; 및
    상기 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며;
    상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하는, 자기저항 효과 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자기저항 효과 소자는 터널링형 자기저항 효과 소자인, 자기저항 효과 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성 막을 더 포함하는 자기저항 효과 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 자유층은,
    교환 결합용 제 2 비자성층; 및
    상기 제 2 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 3 및 제 4 자성막을 포함하며;
    상기 교환 결합용 상기 제 2 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re 중 하나를 포함하며;
    상기 제 3 자성막은 자화 세기 M1 및 두께 t1을 가지며, 상기 제 4 자성막은 자화 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1xt1)은 적 (M2xt2)과는 실질적으로 다른, 자기저항 효과 소자.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 자성막 중 적어도 하나는 코발트(Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함하는, 자기저항 효과 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성막 중 적어도 하나는 코발트(Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함하는, 자기저항 효과 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성층; 및
    NiFeCr를 주로 포함하는 하부층을 더 포함하며;
    상기 하부층은 상기 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에제공되는, 자기저항 효과 소자.
  8. 자기저항 효과 소자에 있어서,
    자화방향이 외부 자계에 의하여 용이하게 회전되는 자유층;
    비자화층; 및
    자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되지 않으며 상기 자유층이 형성되는 면에 대향하는 상기 비자화층의 면상에 제공되는 고정층을 포함하며,
    상기 자유층은,
    교환 결합용 제 1 비자성막; 및
    상기 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며;
    상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하며;
    상기 제 1 자성막은 자화 세기 M1 및 두께 t1을 가지며, 상기 제 2자성막은 자화 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1xt1)은 적 (M2xt2)과는 실질적으로 다른, 자기저항 효과 소자.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 자기저항 효과 소자는 터널링형 자기저항 효과 소자인, 자기저항 효과 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성층; 및
    NiFeCr를 주로 포함하는 하부층을 포함하며;
    상기 하부층은 상기 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공되는, 자기저항 효과 소자로서,
  11. 기록매체로부터 신호 자계를 검출하기 위한 자기헤드에 있어서,
    자기 물질을 각각 포함하는 두 개의 시일드부들; 및
    상기 두 개의 시일드부들사이의 갭에 제공된 청구항 제1항의 자기저항 효과 소자를 포함하는 자기헤드.
  12. 기록매체로부터 신호 자계를 검출하기 위한 자기헤드에 있어서,
    자기 물질을 각각 포함하는 두 개의 시일드부; 및
    상기 두 개의 시일드부들사이의 갭에 제공된 청구항 제8항의 자기저항 효과 소자를 포함하는 자기헤드.
  13. 자기헤드에 있어서,
    자기 물질을 포함하는 자속 안내부; 및
    상기 자속 안내부에 의해 안내되는 신호 자계를 검출하기 위한 청구항 제1항의 자기저항 효과 소자를 포함하는 자기헤드.
  14. 자기헤드에 있어서,
    자기 물질을 포함하는 자속 안내부; 및
    상기 자속 안내부에 의해 안내되는 신호 자계를 검출하기 위한 청구항 제8 의 자기저항 효과 소자를 포함하는 자기헤드.
  15. 자기 기록 매체에 있어서,
    기록매체에 신호를 기록하는 청구항 제11항의 자기헤드;
    상기 자기헤드가 장착되는 아암;
    상기 아암을 구동하는 구동부; 및
    상기 신호를 처리하고 상기 처리된 신호를 상기 자기헤드에 공급하는 신호 처리부를 포함하는 자기 기록매체.
  16. 자기 기록 매체에 있어서,
    기록매체에 신호를 기록하는 청구항 제12항의 자기헤드;
    상기 자기헤드가 장착되는 아암;
    상기 아암을 구동하는 구동부; 및
    상기 신호를 처리하고 상기 처리된 신호를 상기 자기헤드에 공급하는 신호처리부를 포함하는 자기 기록매체.
  17. 자기 기록 매체에 있어서,
    기록매체에 신호를 기록하는 청구항 제13항의 자기헤드와;
    상기 자기헤드가 장착되는 아암과;
    상기 아암을 구동하는 구동부와;
    상기 신호를 처리하고 상기 처리된 신호를 상기 자기헤드에 공급하는 신호 처리부를 포함하는 자기 기록매체.
  18. 자기 기록 매체에 있어서,
    기록매체에 신호를 기록하는 청구항 제14항의 자기헤드;
    상기 자기헤드가 장착되는 아암;
    상기 아암을 구동하는 구동부; 및
    상기 신호를 처리하고 상기 처리된 신호를 상기 자기헤드에 공급하는 신호 처리부를 포함하는 자기 기록매체.
  19. 자기저항 효과 메모리 소자에 있어서,
    자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되는 자유층, 비자화층, 및
    자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되지 않으며 상기 자유층이 형성되는 면에 대향하는 상기 비자화층의 면상에 제공되는 고정층을 포함하는 자기저항 효과 소자;
    상기 자유층의 자화방향을 반전시키기 위하여 자계를 발생시키는 워드라인; 및
    상기 자기저항 효과 소자의 저항의 변화를 검출하는 감지라인을 포함하며,
    상기 고정층은,
    교환 결합용 비자성막; 및
    상기 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며,
    상기 교환 결합용 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하는 자기저항 효과 메모리 소자.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 자기저항 효과 소자는 상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성 막을 더 포함하는, 자기저항 효과 메모리 소자.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 자유층은,
    교환 결합용 제 2 비자성층; 및
    상기 제 2 비자성막을 통해 서로에 반강자성적으로 교환 결합되는 제 3 및 제 4 자성막을 포함하며;
    상기 교환 결합용 제 2 비자성막은 Ru, Ir, Rh, 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하며;
    상기 제 3 자성막은 자화 세기 M1 및 두께 t1을 가지며, 상기 제 4자성막은 자화 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1xt1)은 적 (M2xt2)과 실질적으로 다른, 자기저항 효과 메모리 소자.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 자성막 중 적어도 하나는 코발트(Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함하는, 자기저항 효과 메모리 소자.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성막 중 적어도 하나는 코발트 (Co)를 주로 포함하며 붕소(B)도 또한 포함하는, 자기저항 효과 메모리 소자.
  24. 제 19항에 있어서, 상기 자기저항 효과 소자는,
    상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성층; 및
    NiFeCr를 주로 포함하는 하부층을 더 포함하며;
    상기 하부층은 상기 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공되는, 자기저항 효과 메모리 소자.
  25. 자기저항 효과 메모리 소자에 있어서,
    자화방향이 외부 자계에 의하여 용이하게 회전되는 자유층, 비자화층, 및 자화방향이 외부 자계에 의해 용이하게 회전되지 않으며 상기 자유층이 형성되는 면에 대향하는 상기 비자화층의 면상에 제공되는 고정층을 구비하는 자기저항 효과 소자;
    상기 자유층의 자화방향을 반전시키기 위하여 자계를 발생시키는 워드라인;및
    상기 자기저항 효과장치의 저항의 변화를 검출시키는 감지라인을 포함하며,
    상기 자유층은,
    교환 결합용 제 1 비자성막; 및
    상기 제 1 비자성막을 통해 서로 반강자성적으로 교환 결합되는 제 1 및 제 2 자성막을 포함하며,
    상기 제 1 비자성막은 Ru, Ir, Rh 및 Re의 산화물 중 하나를 포함하며;
    상기 제 1 자성막은 자화 세기 M1 및 두께 t1을 가지며, 상기 제 2자성막은 자화 세기 M2 및 두께 t2를 가지며, 적 (M1xt1)은 적 (M2xt2)과 실질적으로 다른, 자기저항 효과 메모리 소자.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 자기저항 효과 소자는,
    상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성층; 및
    NiFeCr를 주로 포함하는 하부층을 더 포함하며;
    상기 하부층은 상기 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공되는, 자기저항 효과 메모리 소자.
  27. 매트릭스로 배열되는 청구항 제19항의 자기저항 효과 소자에 의해 형성되는 메모리 소자.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 각각의 자기저항 효과 소자는,
    상기 고정층에 자기적으로 교환 결합되는 반강자성층; 및
    NiFeCr를 주로 포함하는 하부층을 더 포함하며;
    상기 하부층은 상기 고정층이 형성되는 면에 대향하는 반강자성층의 면상에 제공되는 메모리 소자.
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