KR20090054907A - 자기 저항 소자 - Google Patents

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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명의 자기 저항 소자는 강자성 영역(5), 비강자성 영역(6), 절연 영역(7) 및 도전성 영역(8)을 포함한다. 절연 영역은 터널 장벽을 제공하기 위해 강자성 영역과 도전성 영역 사이에 배열된다. 비강자성 영역은 절연 영역과 강자성 영역을 분리한다.
자기 저항 소자, 강자성 영역, 비강자성 영역, 절연 영역, 도전성 영역, 터널 장벽

Description

자기 저항 소자{MAGNETORESISTIVE DEVICE}
본 출원은 2007년 11월 27일자로 출원된, 유럽특허출원 EP07121701호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 참고로서 본원에 포함된다.
본 발명은 자기 저항 소자에 관한 것이다.
이방성 자기 저항(AMR) 센서들은 스핀트로닉스 시대를 여는 하드 드라이브 판독 헤드들에서 전통적인 자기 유도 코일들을 대체하였다. 그러나, 이들의 사용은 제한되고 있는데, 이는 일부는 이러한 강자성 저항들의 자화 방향의 변화에 대한 응답이 일반적으로 포착하기 어려운 스핀-궤도(SO) 상호작용 효과들로부터 발생하기 때문이다.
현재, SO 결합을 수반하지 않는 캐리어 대역들의 강자성 교환 분할에 자기 저항 응답을 직접 결부시키는 상당히 우수한 방법을 제공하는 적어도 2개의 자기적으로 분리된 강자성 층을 갖는 거대 자기 저항(GMR) 및 터널링 자기 저항(TMR) 소자들이 사용된다. 이러한 타입의 소자들의 큰 자기 저항은 통상적으로, 독립적이고 상이한 자화 스위칭 특성들 및 강자성 층들 간의 수송의 스핀-응집성을 제공하기 위해 상당히 증가된 구조 복잡성의 대가로서 얻어진다.
강자성 반도체 터널링 소자들의 AMR 효과들에 대한 연구들은, AMR 응답이 원칙적으로 TMR보다 크고 풍부할 수 있고, 자기 저항의 크기 및 사인이 자기장 방향 및 전기장들에 의존함을 보여준다. "Tunneling Anisotropic Magnetoresistance: A Spin-Valve-Like Tunnel Magnetoresistance Using a Single Magnetic Layer" by C. Gould et al., Physical Review Letters, volume 93, page 117203 (2004) 및 "Very Large Tunneling Anisotropic Magnetoresistance of a (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As Stack" by C. Ruster, C. Gould, T. Jungwirth, J. Sinova, G. M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt, and L. W. Molenkamp, Physical Review Letters, volume 94, page 027203 (2005)를 참조한다.
강자성 금속 전극과의 터널 접합에서의 터널링 이방성 자기 저항(TAMR)의 실험적 증명은 최근에 에피텍셜 Fe/GaAs/Au 스택에 대해 보고되었으며, "Tunneling Anisotropic Magnetoresistance and Spin-Orbit Coupling in Fe/GaAs/Au Tunnel Junctions" by J. Moser, A. Matos-Abiague, D. Schuh, W. Wegscheider, J. Fabian, and D. Weiss, Physical Review Letters, volume 99, page 056601 (2007)을 참조한다. 이 구조에서 관측되는 TAMR은 0.5% 이하로 비교적 작으며, Fe에서의 약한 SO 결합과 일치한다.
본 발명은 개량된 자기 저항 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 터널 장벽을 제공하기 위해 강자성 영역과 도전성 영역 사이에 배열된 절연 영역을 포함하고, 절연 영역과 강자성 영역을 분리하는 비강자성 영역을 더 포함하는 자기 저항 소자가 제공된다.
비강자성 영역을 이용하여 절연 영역과 강자성 영역을 분리하는 것은 비강자성 영역이 없는 유사한 소자에 비해 터널링 이방성 자기 저항의 증가를 도울 수 있다.
비강자성 영역은 강자성 영역이 비강자성 영역에 자기 모멘트를 유도하도록 구성될 수 있다.
비강자성 영역은 금속 비강자성 재료를 포함할 수 있다. 비강자성 영역은 백금, 팔라듐 및/또는 이리듐 등의 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
비강자성 영역은 반강자성일 수 있다.
비강자성 영역은 단일 층을 포함할 수 있으며, 하나, 둘 또는 세 개 단층(monolayer)의 두께(절연층과 강자성체를 분리함)를 가질 수 있다.
비강자성 영역은 반강자성 재료를 포함할 수 있다.
반강자성 재료는 희토류 원소 또는 희토류 원소를 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 반강자성 재료는 반강자성 디스프로슘, 반강자성 에르븀을 포함하거나, 가돌리늄(Gd) 및 유로퓸(Eu)을 바람직하게는 GdEuS의 형태로 포함할 수 있다.
반강자성 재료는 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 반강자성 재료는 백금 및/또는 망간을 포함할 수 있다.
반강자성 재료는 α-철(III) 산화물(Fe2O3) 등의 반강자성 산화물을 포함할 수 있다.
비강자성 영역은 적어도 2개의 층을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 층을 포함할 수 있다. 제1 층은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 가질 수 있다. 제2 층은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 가질 수 있다.
제1 층은 제1 전이 금속 또는 제1 전이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있고, 제2 층은 제2의 상이한 전이 금속 또는 제2 전이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 제1 층은 크롬을 포함할 수 있다. 제1 층은 강자성 재료를 포함할 수 있고, 재료가 반강자성으로 거동하도록 구성될 수 있다. 제1 층은 망간, 철 및/또는 코발트를 포함할 수 있다. 제2 층은 텅스텐, 팔라듐, 백금 및/또는 이리듐을 포함할 수 있다.
비강자성 영역은 페리 자성일 수 있다.
강자성 영역은 코발트, 니켈 또는 철 또는 코발트, 니켈 및/또는 철을 포함하는 합금과 같은 금속 강자성 재료를 포함할 수 있다. 강자성 영역은 비강자성에 의해 분리되는 적어도 2개의 강자성 영역을 포함할 수 있다. 비강자성 영역은 백금과 같은 금속 비강자성 재료를 포함할 수 있다.
절연 영역은 알루미늄 산화물 또는 마그네슘 산화물 등의 산화물을 포함할 수 있다. 절연 영역은 적어도 약 2nm의 도전성 영역과 비강자성 영역을 분리하는 두께를 가질 수 있다. 절연 영역의 두께는 약 10nm 이하일 수 있다.
도전성 영역은 비강자성 재료를 포함할 수 있다. 도전성 영역은 백금과 같은 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
도전성 영역은 강자성 재료를 포함할 수 있다.
소자는 강자성 영역, 비강자성 영역, 절연 영역 및 도전성 영역을 포함하는 다층 스택으로서 배열될 수 있다. 소자는 기판으로부터 직립한 기둥으로서 배열될 수 있다. 기둥은 약 10 μm 이하, 약 1 μm 이하 또는 약 100nm 이하의 폭을 가질 수 있다. 기둥은 10 또는 100nm 정도의 직경을 가질 수 있다.
도전성 영역은 전하 캐리어들을 필터링하기 위한 공진 터널링 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 자기 저항 소자를 포함하는 자기장 센서가 제공된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 자기 저항 소자를 포함하는 하드 디스크 드라이브용 판독 헤드가 제공된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 자기 저항 소자를 포함하는 스위칭 소자가 제공된다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 자기 저항 소자를 동작시키는 방법으로서, 자기 저항 소자에 자기장을 인가하는 단계; 및 자기 저항을 결정하기 위해 강자성 영역과 도전성 영역 사이에 바이어스를 인가하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 자기 저항 소자를 제조하는 방법으로서, 강자성 영역을 형성하는 단계; 강자성 영역에 인접하는 비강자성 영역을 형성하는 단 계; 비강자성 영역에 인접하는 절연 영역을 형성하는 단계; 및 절연 영역에 인접하는 도전성 영역을 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
방법은 기둥을 형성하기 위해 층들을 에칭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은 예를 들어 층들, 예를 들어 강자성 영역, 비강자성 영역, 절연 영역 및 도전성 영역을 형성하는 층들을 피착하는 동안에 자기장을 인가함으로써 스트레스를 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 이루어지는 아래의 본 발명의 실시예들의 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자기 저항 소자(1)의 일 실시예가 도시되어 있다.
특히, 도 1을 참조하면, 소자(1)는 기판(3) 상에 형성된 기둥(2)을 포함하는 수직 터널 소자의 형태를 갖는다. 소자(1)는 제1 콘택 영역(4)(이 예에서는 하부 콘택), 강자성체(5), 터널 장벽을 제공하는 절연 영역(7)으로부터 강자성체(5)를 분리하는 비강자성 영역(6) 및 제2 콘택 영역(8)(이 예에서는 상부 콘택 영역)을 포함한다. 강자성체(5)와 제2 콘택(8) 간의 캐리어 수송은 비강자성 영역(6) 및 절연 영역(7)을 통해 그리고 그 반대로 순차적으로 발생한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소자(1)는 다층 스택으로부터 형성되며, 강자성체(5)가 제1 콘택 영역(4)의 상부에 위치하고, 비강자성 영역(6)이 강자성체(5)의 상부에 위치하고, 절연 영역(7)이 비강자성 영역(6)의 상부에 위치하며, 제2 콘택 영역(8)이 절연 영역(7)의 상부에 위치하도록 배열된다. 그러나, 층 구조는 반전될 수 있다. 반전된 구조는 이중(또는 다중) 장벽 이종 구조가 반도체 기판 상에 형성되고, 비강자성 영역이 이종 구조 상에 형성되며, 강자성체가 비강자성 영역 상에 형성될 수 있게 한다. 따라서, 이종 구조는 예를 들어 P. Bruno et al., Journal of Applied Physics, volume 84, p 978 (1998)에 설명된 바와 같은 에너지 필터로서 사용될 수 있는 공진 터널링 구조를 제공할 수 있다.
기둥(2)은 약 10 μm의 직경(d)을 갖는다. 기둥(2)은 10 μm 미만, 예를 들어 약 1 μm 또는 1 μm 미만의 직경을 가질 수도 있다. 기둥(2)은 10 또는 100nm 정도, 통상적으로는 약 100nm인 하드 디스크의 트랙 폭에 대응하는 직경을 가질 수 있다.
하부 콘택 영역(4)의 하부(9)의 측면 넓이는 기둥(2)의 폭보다 크며, 전기적 접속(도시되지 않음)이 이루어질 수 있는 패드를 형성한다. 명료화를 위해, 하부 콘택 영역(4)의 하부(9)의 일부는 하부 기판(3)을 보이기 위해 제거된 채로 도시되어 있다.
하부 콘택 영역(4)은 트랙 및/또는 패드(도시되지 않음)를 형성하기 위해, 그리고 기판(3)의 부분들을 노출시켜 소자(1)를 동일 기판(3) 상의 다른 소자들(도시되지 않음)로부터 전기적으로 격리하기 위해 패터닝될 수 있다. 소정 실시예들에서는, 도전성 기판이 사용될 수 있으며, 기판의 배면에 대해 전기적 접속(도시되지 않음)이 행해질 수 있다.
이 예에서, 기판(3)은 실리콘 이산화물(SiO2)을 포함한다. 그러나, 다른 전기 절연 재료들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3)이 사용될 수 있다. 알루미늄 산화물은 (0001) 결정 방향을 갖는 결정일 수 있으며, 이것은 (111) 방향의 백금과 같이 정렬되거나 부분적으로 정렬된 결정 층들을 그의 상부에 성장시키는 데 사용될 수 있다.
특히, 도 2를 참조하면, 하부 콘택 영역(4)은 5nm의 두께를 갖는 탄탈륨(Ta)의 층(10) 및 그 위에 10nm의 두께를 갖는 백금(Pt)의 층(11)을 포함한다. 평탄한 표면을 제공하기 위해 탄탈륨 대신에 다른 재료들이 사용될 수 있다. 탄탈륨 층은 생략될 수 있다. 금(Au) 또는 팔라듐(Pd)이 백금 대신에 사용될 수 있다. 또한, 하부 콘택 층들(10, 11)은 더 두껍거나 더 얇을 수 있다.
강자성체(5)는 코발트(Co) 및 백금(Pt)의 교대 박막 층들(12, 13)을 포함한다. 코발트(Co) 층(12)이 스택(12, 13)의 상부에 있고, 코발트 층(12)이 스택(12, 13)의 하부에 있다. 코발트 층들(12)은 약 1nm의 두께를 가지며, 백금 층(들)(13)은 약 1nm의 두께를 갖는다. 층들(12, 13)은 예를 들어 약 1 내지 약 5nm로 더 두꺼울 수 있으며, 모두 동일한 두께를 가질 필요는 없다. 코발트 대신에 니켈(Ni) 또는 철(Fe) 및 코발트 및/또는 니켈 및/또는 철의 합금들과 같은 다른 강자성 재료들이 사용될 수 있으며, 백금 대신에 금(Au) 또는 팔라듐(Pd) 또는 비자성 합금들과 같은 다른 중간 층들이 사용될 수 있다. 또한, 다층 강자성체가 사용될 필요는 없다. 예를 들어, 코발트 또는 니켈 철과 같은 하나의 강자성 금속 또는 합금 만으로 형성되고 예를 들어 약 2nm의 두께를 갖는 강자성체가 사용될 수 있다.
이 예에서, 비강자성 영역(6)은 백금(Pt)을 포함하며, 약 0.5nm인 2개 단층의 두께를 갖는다. 비강자성이고 반강자성도 아니고 페리 자성도 아닌 재료(이러한 재료는 이하 "비자성" 재료로 참조된다)의 경우, 인접 강자성체(5)와 결합할 수 있는 고유 자기 모멘트가 존재하지 않는다. 대신에, 강자성체(5)는 비자성 재료의 얇은 층 내에 자기 모멘트를 유도할 수 있다. 이 경우, 터널 장벽과의 계면에 가장 가까이 위치하는 영역의 일부에 자기 모멘트를 유도하는 것을 돕기 위해 가능한 한 얇은 비자성 재료의 층을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 비강자성 층(6)은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 소정 실시예들에서는, 비강자성 영역(6)이 더 두꺼워서, 4 또는 5개 단층의 두께 또는 6 내지 10개 단층의 두께를 가질 수 있다.
다른 재료들이 사용될 수 있으며, 따라서 재료의 얇은 층이 강자성체에 의해 분극 가능하고(즉, 자기 모멘트가 재료 내에 유도될 수 있다), 분극시에 재료는 자화가 결정 방향 및/또는 전류 방향과 정렬되는지에 따라 상태 밀도의 이방성을 나타내며, 이방성은 (자화의 방향 변화로부터 발생하는) 상태 밀도의 피크의 임의의 시프트가 kbT 이상 정도가 될 만큼 충분히 크며, 여기서 T는 절대 온도 단위에서의 동작 온도, 예를 들어 실온이다. 분극된 캐리어들(이 경우에는 전자들)의 스핀-궤도 결합으로부터 발생하는 비강자성 재료 층 내의 계면에서의 국지적 상태 밀도의 이방성은 강자성체만이 사용되는 경우의 국지적 상태 밀도의 이방성보다 훨씬 크 다. 백금 대신에 다른 재료들, 예를 들어 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 또는 텅스텐(W)과 같은 다른 전이 금속들이 사용될 수 있다.
비강자성 영역 및 강자성체의 자기 이방성 에너지는 강자성체에 의해 좌우된다. 그러나, 자기 이방성 에너지는 예를 들어 수 mT 정도로 작으며, 따라서 약한 외부 자기장이 자화 곤란축(hard axis)을 갖는 층 내의 자기 모멘트들을 정렬할 수 있다. 보다 낮은 값의 자기 이방성 에너지는 보다 큰 감도로 이어진다. 자기장에 대한 보다 큰 감도는 하드 드라이브 판독 헤드에 유용하다.
후술하는 바와 같이, 비강자성 영역(6)은 비자성일 필요는 없으며, 높은 값의 TAMR을 산출할 수 있는 반강자성일 수 있다. 반강자성인 비강자성 영역(6)은 예를 들어 망간(Mn) 및 이리듐(Ir) 또는 망간 및 백금(Pt)의 합금을 포함하는 단일 층으로 형성될 수 있다. 대안으로, 반강자성인 비강자성 영역(6)은 백금(Pt) 상의 망간(Mn)과 같은 다층으로 형성될 수 있다. 반강자성인 비강자성 영역(6)은 디스프로슘(반강자성체 형태)과 같은 희토류 원소들 또는 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu) 및 황(S)의 합금을 포함할 수 있다.
소정 실시예들에서, 비강자성 영역(6)은 페리 자성일 수 있으며, 갈륨 도핑된 이트륨-철-가닛(YIG)을 포함할 수 있다.
비강자성 영역(6)이 반강자성 또는 페리 자성인 경우에, 비강자성 영역(6) 내의 국지적 모멘트들은 인접 강자성체(5)에 교환 결합된다.
절연 영역(7)은 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하며, 약 2nm의 두께를 갖는 다. 마그네슘 산화물(MgO), 실리콘 이산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SixNy)과 같이 산화물, 질화물 또는 산질화물일 수 있는 다른 절연 재료들이 사용될 수도 있다. 절연 층(7)은 사용되는 재료 및 필요한 터널 전류에 따라 더 두껍거나 더 얇을 수 있다.
상부 콘택(8)은 약 5nm의 두께를 갖는 백금 층을 포함한다. 다른 도전성 재료들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같은 비강자성 재료가 사용될 수 있다. 대안으로, 강자성 재료가 사용될 수 있다. 콘택이 예를 들어 하드 디스크 드라이브 판독 헤드에 사용되는 바와 같이 자기 차폐물로도 기능하는 경우에 강자성 재료가 사용될 수 있다. 또한, 상부 콘택 층은 더 두껍거나 더 얇을 수 있다. 콘택(8)은 터널 장벽에 대한 전극으로 기능한다.
강자성체(5) 및 절연층(7)에 인접하는 비강자성 영역(6)은 터널 장벽에 대한 다른 전극으로 기능한다.
후술하는 바와 같이, 강자성체 및 인접하는 전이 금속의 박층을 포함하는 다층 구조를 사용하여, 유도 모멘트들 및 강한 스핀-궤도 결합의 결합된 효과들에 의해 계면들에서 크고 조정 가능한 자기 이방성들을 생성할 수 있다. 이러한 계면들을 터널 장벽에 인접 배치하는 것은 높은 TAMR을 나타내는 구조들을 제공할 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 강자성체 및 얇은 교환 결합 반강자성 또는 페리 자성 영역을 포함하는 다층 구조의 사용은 또한 높은 값의 TAMR로 이어질 수 있다.
이제, 도 3 (a) 내지 (g)를 참조하여, 도 1에 도시된 자기 저항 소자(1)를 제조하는 방법이 설명된다.
도 3 (a) 내지 (c)를 참조하면, 탄탈륨, 백금, 코발트, 백금, 코발트 및 백금의 연속 층들(10', 11', 12', 13', 6')이 마그네트론 스퍼터링에 의해 열 산화 Si 웨이퍼(3') 상에 형성된다.
마그네트론 스퍼터링은 실온에서 약 2-5 x 10-3 Torr의 아르곤 분위기에서 약 1-5 x 10-7 Torr의 기저 압력을 갖는 챔버(도시되지 않음)에서 수행된다. 박막들(10', 11', 12', 13', 6')은 약 1-5 Å/초의 속도로 형성된다.
약 50 Å의 두께를 갖는 Ta 층(10'), 이어서 100 Å의 두께를 갖는 Pt 층(11')을 형성하여, 강한 면외 자기 결정 이방성을 갖는 텍스처 Pt(111)/Co 강자성 막(12', 13')의 성장을 개시하기 위한 시드 층을 제공한다.
옵션으로, 웨이퍼(3')의 쪼개지는 방향들 중 하나를 따라, 막 성장 동안, 예를 들어 모든 막이 성장하는 동안, 0.1T 정도의 일정한 면내 자기장(14)을 인가함으로써 추가적인 면내 자기 이방성이 도입될 수 있다. 자기장의 인가는 막들 내의 스트레스의 도입을 도울 수 있으며, 따라서 스트레스 필드를 따라 격자 상수를 변화시킬 수 있다. 압전 스트레서와 같이, 성장 동안 스트레스를 도입하기 위한 다른 수단들이 사용될 수 있다.
도 3 (d)를 참조하면, 약 1.5nm의 두께를 갖는 알루미늄 층(15)을 스퍼터링함으로써 터널 장벽이 형성된다. 알루미늄 층(15)은 산소 및 아르곤의 혼합물을 공급 가스로 사용하는 플라즈마 산화에 의해 산화된다.
도 3 (e)를 참조하면, 플라즈마 산화는 알루미늄 산화물 층(7')을 남긴다.
도 3 (f)를 참조하면, 백금 층(8')을 스퍼터링하여 샘플(15)을 형성함으로써 층들의 성장이 완료된다.
샘플(15)은 성장 챔버(도시되지 않음)로부터 제거되어 가공된다.
포토레지스트 층(도시되지 않음)이 샘플(15)의 (상부) 표면(16)에 도포되고, 통상의 포토리소그라피 기술을 이용하여 패터닝된다. 전자 빔 리소그라피와 같은 다른 리소그라피 기술들이 이용될 수도 있다.
도 3 (g)를 참조하면, 레지스트 마스크(17)가 샘플(15)의 표면(16) 상에 남겨지고, 이온 에칭(18)을 이용하여 샘플(15)의 부분들(19)을 제거한다. 에칭은 강자성 막(12', 13')을 통과하면 중지된다. 이것은 에칭 속도를 결정하기 위해 에칭을 특성화함으로써 그리고/또는 에칭 동안 에칭 산물들을 샘플링함으로써 달성될 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 이온 에칭은 강자성체(5), 얇은 비강자성 층(6), 절연층(7) 및 상부 콘택 영역(8)의 기둥(2) 및 측면 넓이를 정의한다.
추가적인 포토리소그라피 및 에칭 단계들을 이용하여 하부 콘택 영역(4)의 추가 영역들을 제거함으로써, 예를 들어 트랙들을 형성하고, 그리고/또는 소자(3)를 다른 소자들로부터 전기적으로 격리할 수 있다.
이제, 소자들의 측정 및 (비제한적인) 소자들의 거동의 설명들이 기술된다.
소자(1) 및 유사한 타입의 소자들(도시되지 않음), 즉 0.5nm(즉, 2개 단층) Pt 막(6)에 의해 마무리되는 AlOx 장벽(7) 아래에 Pt 및 Co 층들(12, 13)의 교대 시퀀스를 갖는 소자들의 측정 및 거동이 상이한 타입의 소자들(20)(도 4), 즉 샘플 A와 유사하지만 Pt 막이 생략된 소자들과 비교된다. 두 타입의 소자들(1, 20)은 여기서 각각 "타입 A 샘플"(또는 "샘플 A" 또는 "소자 A") 및 "타입 B 샘플"(또는 "샘플 B" 또는 "소자 B")로 참조된다.
소자들은 10-100 μm의 기둥 직경을 가지며, ~10-100kΩ 정도의 대응하는 저항을 갖는다.
도 4를 참조하면, 소자들(1, 20)은 다양한 면내 및 면외 각도에서 최대 10T의 자기장(22)의 인가를 허가하는 회전 샘플 홀더(21) 상에 장착된다.
도 5를 참조하면, 전압원(23), 전압계(24) 및 전류계(25)를 사용하는 4점 이송 측정을 이용하여, 각 소자(1, 20)의 터널링 이방성 자기 저항(TAMR)의 값들을 결정할 수 있다.
도 6 (a) 및 (b)는 소자(1)(즉, "소자 A") 및 소자(20)(즉, "소자 B")의 개략적인 층 구조를 나타낸다. 도 6 (c) 및 (d)는 각각 소자 A 및 소자 B에 대해 -5mV 바이어스 및 4K에서 (R(θ)-R(0도))/R(0도)로서 정의되는 TAMR 트레이스들이다. 도 6 (e) 및 (f)는 면외 자기장들에 대한 SQUID 자화 측정치들이다. 도 6 (g)는 샘플(1, 20)에 대한 자기장의 방향을 나타낸다.
도 6 (c) 및 (d)는 샘플들 A 및 B(도 6 (a) 및 (b))에서 측정된 특성 자화 및 자기 수송 이방성 데이터의 차이들을 나타낸다. 도 6 (e) 및 (f)에 도시된 수 직 자기장들에서의 넓고 정사각인 히스테리시스 루프들은 양 소자에서의 면외 자화 용이축(out-of-plane easy axis)을 갖는 강한 자기 이방성의 존재를 확인시켜 준다. 그러나, 두 타입의 소자들(도 6 (a) 및 (b))에서의 이방성 자기 수송은 상이하다.
도 6 (c)에 도시된 TAMR 트레이스들은 (R(θ)-R(0도))/R(0도)로서 정의되며, 수직(θ=0도)에서 면내(θ=90도) 방향으로 회전하는 10T 자기장에서 취해진다. 양 샘플에서, TAMR은 단일 축방향 대칭을 나타내지만, 효과의 크기는 샘플 A(도 6 (a))에서 두 자리수 만큼 높아진다.
샘플 A(도 6 (a))에서, 큰 TAMR 신호는 Co와 터널 장벽 사이에 삽입된 2개 단층 Pt 막 내의 유도 모멘트 및 강한 SO 결합에 기인한다. 샘플 B(도 6 (b))에서, 장벽에 가장 가까운 Pt/Co 계면들은 1nm(5개 단층) Co 막에 의해 커버되며, 따라서 이 터널링 소자는 자기 수송 이방성이 비교적 약한 Co/장벽/일반 금속 스택으로서 유효하게 거동한다.
샘플들 A 및 B(도 6 (a) 및 (b))의 다른 현상학들이 또한 도 7 및 8에 도시되어 있다.
도 7 (a)는 3개의 다른 바이어스 전압에서 θ=0도 및 θ=90도에 대해 샘플 A(도 6 (a))에서의 필드-스위프 자기 저항 측정치들을 나타낸다. 도 7 (b)는 3개의 상이한 바이어스 전압에서의 대응 TAMR 곡선들의 플롯들이다. 도 7 (c)는 -5mV 바이어스 및 10T 자기장에 대해 TAMR의 온도 의존성을 나타낸다.
10mV 바이어스 측정(27)에서 명확히 보여지고, 면내 필드 스위프에서 면외 자화 용이축 방향으로부터의 자화의 회전과 연관된 TAMR의 최초 발생(26)에 이어서, 10T의 최대 측정 자기장까지 포화의 사인 없이, TAMR은 보다 높은 자기장들에서 자기장 세기에 더 의존하게 된다. 분명한 자기 저항이 면내 및 면외 필드 스위프들 양자에서 관측되고, 자기 저항의 사인이 상이한 바이어스 전압들에 대해 양에서 음으로 변하므로, 얇은 터널 장벽 소자들에서 로렌쯔 힘은 TAMR의 기원으로서 배제될 수 있다. 강한 자기장 및 바이어스 의존성과 별개로, 도 8 (c)에 도시된 바와 같이, 온도에 따른 TAMR 크기의 커다란 변화가 관측된다. 이러한 관측들은 타입 A의 샘플들(도 6 (a))에 고유하다. 도 8에 도시된 바와 같이, 타입 B의 샘플들(도 6 (b))은 자기장 세기, 바이어스 및 온도에 대한 그들의 TAMR의 약한 의존성만을 보인다.
두 타입의 Co/Pt 터널링 소자들의 거동은 자기 모멘트의 방향에 대한 강자성 전극에서의 상태 밀도(DOS) 이방성들을 계산함으로써 모델링될 수 있다. 모델은 DOS 및 미분 터널링 컨덕턴스 이방성들 간의 비례를 가정한다.
스핀-궤도 결합("SO 결합") 대역 구조들은 SO 상호작용이 자체 모순 없는 제2 변화 절차에 포함되는 풀 포텐셜 선형화 증대 평면파 방법(FP-LAPW)의 상대론적 버전을 이용하는 국지적 스핀 밀도 근사화 내에서 얻어진다. "Prospect for room temperature tunneling anisotropic magnetoresistance effect: Density of states anisotropies in CoPt systems" by A. B. Shick, F. Maca, J. Masek, and T. Jungwirth, Physical Review B, volume 73, page 024418 (2006) 및 "Relativistic spin-polarized theory of magnetoelastic coupling and magnetic anisotropy strain dependence: Application to Co/Cu(001)" by A. B. Shick, D. L. Novikov, and A. J. Freeman, Physical Review B, volume 56, page R14259 (1997)을 참조한다.
자기력 이론을 이용하여 DOS 이방성을 평가하며, "Local spin density functional approach to the theory of exchange interactions in ferromagnetic metals and alloys" by A. I. Liechtenstein, M. I. Katsnelson, V. P. Antropov, and V. A. Gubanov, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, volume 67, page 65 (1987)을 참조한다. 주축들 중 하나를 따라 정렬된 자기 모멘트에 대해 계산된 자체 모순 없는 전하 및 스핀 밀도들로부터 시작하여, 모멘트가 회전되고, 새로운 자화 방향에 대해 단일 에너지 대역 계산이 수행된다. DOS 이방성들은 스핀-궤도 결합("SO 결합")에 의해 유도되는 대역 고유값들의 변화로부터 발생한다. DOS 평가의 정확도를 향상시키기 위하여, "Smooth Fourier interpolation of periodic functions" by W. E. Pickett, H. Krakauer, and P. B. Allen, Physical Review B, volume 38, page 2721 (1988)에 기술된 유연한 푸리에 보간 방식이 선형 사면체 방법과 함께 이용된다.
샘플 A(도 6 (a))를 모델링하기 위하여, 2개 단층 Pt 막들 사이에 삽입된 5개 단층 Co에 대해 박판(thin-slab) 계산들이 수행된다. 샘플 B(도 6 (B))는 얇은 Co 막만을 고려하여 모델링된다.
도 9 (a)를 참조하면, 면내 및 면외 자화 방향들에 대해 페르미 레벨로부터 측정된 에너지의 함수로서 계산된 DOS가 도시되어 있다. Co/Pt 모델 시스템에 대 해, 2개의 자화 방향 곡선들을 비교할 때 수십 meV 만큼 시프트된 주요 특징들을 갖는 복잡한 구조의 DOS가 페르미 레벨 근처에서 발견된다. 한편, Co 막은 자화 방향에 매우 약하게 의존하는 페르미 레벨 근처에서의 거의 특징 없는 DOS를 갖는다. 터널링 컨덕턴스 이방성과 관련되는 면내 및 면외 자화들에 대한 DOS들 간의 상대적 차이는 최대 ~20%의 크기를 갖는 Co/Pt 판에 대한 에너지의 함수인 발진 거동을 나타낸다. Co 막에 대해, 이방성의 크기 및 에너지 의존성은 훨씬 더 약하다. 이러한 이론적 결과들은 전술한 샘플들 A 및 B(도 6 (a) 및 (b))의 측정들과 정량적으로 일치한다.
도 9 (c) 및 (d)를 참조하면, 이론과 실험 간의 보다 직접적인 비교를 쉽게 하기 위하여, 샘플 A에서 바이어스 전압의 함수로서 측정된 미분 컨덕턴스들 및 대응 컨덕턴스 이방성들이 도시되어 있다. 2개의 자화 방향에 대한 미분 컨덕턴스들의 상대적 시프트 및 바이어스 변화에 따른 컨덕턴스 이방성의 발진 거동 양자는 이론 곡선들에서 보여지는 Co/Pt 시스템의 이방성 DOS 거동을 정량적으로 반영하는 것으로 보인다.
도 9에 도시된 계산들에서, 스택 내의 완화된 Co-Co 및 Co-Pt 간격이 가정된다. TAMR에 대한 격자 파라미터 변화의 효과를 추정하기 위하여, 벌크 hcp(hexagonal close packed) Co에 대응하는 막 내의 Co-Co 간격에 대해 추가 계산들이 행해진다(도 10 (a)에 도시됨). 정량적으로, 2개의 자화 방향에 대한 복잡한 DOS 패턴들의 유사한 시프트들 및 필적하는 전체 크기의 DOS 이방성들이 얻어지지만, 에너지에 대한 발진 의존성의 상세는 도 9에 도시된 계산들과 현저히 다르다.
격자 변형이 TAMR 응답을 크게 변화시킬 수 있다는 이론적 예측은, TAMR이 타입 A 및 B의 샘플들(도 6 (a) 및 (b))에서 면내 각도의 함수로서 연구되는 도 10 (b)에 도시된 보조 실험들에 반영된 것으로 보인다. 이러한 샘플들에서는 성장 동안 면내 자기장을 인가함으로써 단일 축 면내 자기 결정 이방성이 생성된다. 이것은 전이 금속 구조들에서 자기 이방성들을 제어하는 데 이용될 수 있으며, Co/Pt 시스템들에서는 Co/Pt 계면에서의 이방성 본딩 효과들에 기인하였다. 따라서, 유도 면내 자화 이방성은 Pt/Co 인터페이스가 터널 장벽과 접촉하는 샘플 A(도 6 (a))에 대해서만 TAMR 특성들에 반영될 것으로 예상된다. 사실상, 도 9는 자화가 면외 방향으로부터 회전하는 면내 각도(ψ)에 대한 TAMR의 샘플 B(도 6 (b))에서의 무시 가능한 의존성을 나타낸다. 한편, 샘플 A(도 6 (a))에서는, ψ에 대한 의존성은 유도 면내 자기 결정 이방성과 일치하는 단일 축 특성을 가지며, 특히 ψ에 따른 변화의 크기는 도 6에 도시된 θ 종속 TAMR의 크기에 필적한다. 이러한 결과는 격자 구조 엔지니어링에 의해 매우 민감한 TAMR 소자들의 특성들을 제어하기 위한 가능성을 나타낸다. 소자들 내의 큰 면내 TAMR 신호의 관측은 측정된 터널링 이방성 효과들의 SO 결합 기원을 확인시켜 준다.
이제, 샘플 A(도 6 (a))에서 관측된 TAMR의 자기장 및 온도 의존성, 및 최적화된 감도 및 자기장 및 열 안정성을 갖는 추가 TAMR 구조들의 실현을 제안하는 암시들에 대한 간단하고 비제한적인 설명이 제공된다. 중원소 전이 금속들의 벌크 시스템들에 비해 향상되고 온도 종속적인 자화율이 이웃 강자성 층들에 교환 결합된 박막들에서 또는 희석 강자성 합금들에서 연구되었다. Z. Celinski et al., Phys. Rev. Lett 65, 1156 (1990) 및 J. Crangle and W. R. Scott, J. Appl. Phys. 36, 921 (1965)를 참조한다. T. Moriya, in Spin Fluctuations in Itinerant Electron Magnetism (Springer, Berlin, Heidelberg, 1985)에 기술된 바와 같이, 막의 두께 또는 희석 합금들 내의 강자성 원소들의 농도에 따라, 시스템들은 중원소 전이 금속들 내의 변동하는 모멘트들의 존재에 기인할 수 있는 초상자성 거동을 보일 수 있다. 실험적으로, 이러한 시스템에서의 자화는 B/T를 갖는 퀴리-바이스 형태의 스케일링을 나타내며, 큰 자기장 및 낮은 온도에서 불포화 상태로 유지될 수 있다. 이웃하는 Co 층 또는 Pt 내에 혼합된 Co 원자들에 결합된 본 2개 단층 Pt 막에 대해 유사한 물리학이 적용된다는 것을 추론될 수 있다. 이어서, 도 7에 암시적으로 도시된 B/T를 갖는 TAMR의 관측된 근사 스케일링은 터널 장벽에 인접한 Pt 층의 TAMR과 불포화 분극 간의 비례에 부분적으로 기인할 수 있다.
온도와 함께 타입 A 소자들(도 6 (a))에서의 TAMR의 억제에 기여하는 것으로 보이는 또 하나의 효과는 아마도 AlOx 장벽에서 또는 장벽과 Pt 박막 간의 계면에서의 임의의 포획된 전하들과 연관된 전송 잡음이다. 낮은 온도에서, 상이한 저항 상태들 간의 결과적인 점프들은 도 10 (c)에 도시된 바와 같이 대응하는 미분 컨덕턴스의 발진 바이어스 의존성의 시프트들과 함께 명확히 식별될 수 있다. 이러한 점프들은 온도의 증가에 따라 더 빈번하게 되어, TAMR 신호의 평균에 이르게 된다.
이 거동은 전이 금속 구조들에서 매우 민감한 TAMR 소자들을 구현하기 위한 가능성을 나타낸다.
터널 장벽에 인접한 층들의 SO 결합 및 교환 분할을 최적화하기 위해 일상적인 실험을 이용하여 막들의 다른 전이 금속들, 다른 두께 및 조성이 사용될 수 있다. 장벽 및 장벽/전극 계면들의 결정 품질의 향상은 TAMR 효과의 향상된 크기 및 안정성을 제공할 수 있다.
전술한 예들에서, 비강자성 층(6)은 강자성 층과 상호작용하는 백금(Pt) 또는 다른 유사한 전이 금속을 포함하며, 소자는 TAMR 효과를 나타낸다.
그러나, 간단히 전술한 바와 같이, 소정 실시예들에서는, 비강자성 층이 반강자성 층이거나, 반강자성 다층일 수 있으며, 소자는 또한 TAMR 효과를 나타낼 수 있다.
도 11 및 12를 참조하면, 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 다른 실시예들(101, 201)이 도시되어 있다. 소자들(101, 201)은 비강자성 층(6; 도 1)이 반강자성 층(106) 또는 반강자성 다층(206)이라는 것을 제외하고는 전술한 소자(1; 도 1)와 동일하다. 전술한 동일한 특징들을 지칭하기 위해 동일 참조 번호들이 사용된다.
도 11을 참조하면, 반강자성 층(106)은 텅스텐과 망간의 합금(WMn)을 포함한다. 철과 망간(FeMn), 이리듐과 망간(IrMn) 및 백금과 망간(PtMn)과 같은 다른 반강자성 합금들이 사용될 수 있으며, 1개 단층의 두께를 가질 수 있다. 반강자성 층(106)은 2 또는 3개 단층의 두께를 갖는다. 그러나, 소정 실시예들에서는, 비강자성 층(6) 더 두꺼워서, 4 또는 5개 단층, 또는 6 내지 10개 단층의 두께를 가질 수 있다.
도 12 및 12a를 참조하면, 반강자성 층(206)은 망간(Mn) 층(206a) 및 백금(Pt) 층(206b)을 포함한다. 망간 층(206a)은 단층 두께이다. 백금 층(206b)은 1, 2 또는 3개 단층을 포함할 수 있다. 그러나, 소정 실시예들에서는, 망간 층(206a)이 더 두꺼워서, 4 또는 5개 단층, 또는 6 내지 10개 단층의 두께를 가질 수 있다. 텅스텐(W) 상의 크롬(Cr) 또는 망간(Mn), 또는 팔라듐(Pd) 상의 철(Fe) 또는 코발트(Co), 또는 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt) 상의 코발트(Co) 또는 철(Fe)과 같은 다른 재료 조합들이 사용될 수 있으며, 각각의 상부 층, 예를 들어 Cr, Mn, Fe, Co는 단층 두께를 가질 수 있다. 백금 층(206b)은 1, 2 또는 3개 단층을 포함한다. 그러나, 소정 실시예들에서는, 백금 층(206b)이 더 두꺼워서, 4 또는 5개 단층, 또는 6 내지 10개 단층의 두께를 가질 수 있다.
반강자성 층(106) 또는 반강자성 다층(206)이 얇아서, 예를 들어 1 또는 수개 단층의 두께인 경우, 하부 강자성체(5)와의 교환 결합 에너지는 반강자성 층 또는 다층의 이방성 에너지를 좌우하며, 따라서 반강자성 층 또는 다층 내의 모멘트들은 강자성체(5) 내의 모멘트들과 결합된다.
강자성체(5)의 이방성 에너지는 스위칭을 위해 사용되고 수 mT 정도로 낮을 수 있는 외부 자기장의 크기를 정의하며, 반강자성 층 또는 다층에서의 상태 밀도 이방성은 백금, 이리듐 또는 팔라듐과 같은 비반강자성, 비강자성 층에 대한 TAMR 효과보다 클 수 있는 TAMR 효과의 크기를 정의한다.
소자들(101, 201)은 비강자성 재료의 상이한 층 또는 층들이 피착된다는 점 외에는 소자(1; 도 1)와 실질적으로 동일한 방식으로 제조된다.
도 13을 참조하면, 회전 가능 디스크(301) 및 슬라이더(302)를 포함하는 하드 디스크 드라이브(300)가 도시되어 있다.
도 13a를 참조하면, 슬라이더(302)는 CPP(current perpendicular-to-plane) 구조로 배열된 판독 헤드(303)를 지지한다.
판독 헤드(303)는 제1 콘택(304), 강자성체(305), 터널 장벽을 제공하는 절연 영역(307)으로부터 강자성체(305)를 분리하는 비강자성 영역(306) 및 제2 콘택 영역(308)을 포함한다.
명료화를 위해, 판독 헤드의 상부 및 하부 차폐물 및 다른 부분들은 도시되지 않는다. 대안으로, 콘택들(304, 308)이 차폐물로서 기능할 수 있다.
전술한 실시예들과 동일한 재료들, 예를 들어 강자성체(305)에 대해 Co/Pt/Co, 비강자성 영역(306)에 대해 Pt 또는 Mn-Pt 또는 Mn-W 및 절연 영역(307)에 대해 AlOx 또는 MgO가 사용될 수 있고, 동일한 층 두께들이 사용될 수 있다. 강자성체(305), 비강자성 영역(306) 및 절연 영역(307)은 디스크(301)의 트랙 폭에 대응하는 10 또는 100nm 정도의 직경을 갖는 기둥을 형성한다.
전술한 실시예들에 대해 많은 변경이 이루어질 수 있음을 알 것이다.
예를 들어, 기둥 구조가 사용되는 경우, 기둥은 평면이 원형일 필요는 없으며, 타원형, 정사각형과 같은 규칙적인 다각형, 또는 직사각형과 같은 불규칙적인 다각형일 수 있다.
소자는 수직 구조일 필요는 없으며, 층들이 측방으로 배치되고 그리고/또는 기판 상에 오버랩되는 평면 구조일 수 있다.
층 구조는 비강자성 영역, 예를 들어 전이 금속 층 및/또는 반강자성 영역이 절연층 위에 위치하고, 강자성체가 비강자성 영역 위에 위치하도록 반전될 수 있다.
다층 강자성체가 사용되는 경우, 다층은 둘보다 많은 강자성 재료 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층은 백금과 같은 2개의 비강자성 재료 층에 의해 분리된 3개의 강자성 재료 층을 포함할 수 있다.
위의 설명은 본 발명의 실시예들에 대해 이루어졌지만, 본 발명은 그것으로 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이 분야의 전문가들은 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 일 실시예의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 자기 저항 소자의 단면도.
도 3 (a) 내지 (g)는 도 1에 도시된 자기 저항 소자의 제조 단계들을 나타내는 도면.
도 4는 실험 측정을 위한 소자의 장착을 설명하는 도면.
도 5는 소자의 4 단자 측정을 설명하는 도면.
도 6 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 소자("소자 A") 및 비교예에 따른 소자("소자 B")의 개략적인 층 구조들을 나타내는 도면.
도 6 (c) 및 (d)는 도 6 (a) 및 (b)에 도시된 소자들(A, B)에 대한 TAMR 트레이스들을 나타내는 도면.
도 6 (e) 및 (f)는 도 6 (a) 및 (b)에 도시된 소자들(A, B)에 대한 면외(out-of-plane) 자기장들의 SQUID 자화 측정치들을 나타내는 도면.
도 6 (g)는 소자에 대한 자기장의 방향을 나타내는 도면.
도 7 (a)는 3개의 상이한 바이어스 전압에서 θ=0 및 90도에 대해 도 6 (a)에 도시된 소자 A의 필드-스위프 자기 저항 측정치들을 나타내는 도면.
도 7 (b)는 도 6 (a)에 도시된 소자 A에 대해 3개의 상이한 바이어스 전압에서 대응하는 TAMR 곡선들의 플롯들을 나타내는 도면.
도 7 (c)는 -5mV 바이어스 및 10T 자기장에 대해 도 6 (a)에 도시된 소자 A에 대한 TAMR의 온도 의존성을 나타내는 도면.
도 8 (a)는 10mV 바이어스 및 4K에서 소자 B의 (R(90도)-R(O도))/R(O도)로서 정의되는 저항 및 TAMR(삽입도)을 나타내는 도면.
도 8 (b)는 10T 자기장에서 소자 B의 TAMR의 온도 및 바이어스 의존성을 나타내는 도면.
도 9 (a)는 2개의 단층 Pt 막에 삽입된 5개 Co 단층("Pt/Co 모델 시스템")에 대해 그리고 Co 박층만("Co 모델 시스템")에 대해 θ=0도 및 90도에서의 이론적인 상태 밀도를 나타내는 도면.
도 9 (b)는 Pt/Co 모델 시스템 및 Co 모델 시스템에 대한 페르미 에너지로부터 측정된 에너지의 함수인 (DOS(90도)-DOS(0도))/DOS(O도)로서 정의되는 상대적 상태 밀도 이방성을 나타내는 도면.
도 9 (c)는 자화 방향들 θ=0도 및 90도에 대해 Pt/Co 모델 시스템에 대응하는 구조들을 갖는 소자들에 대한 실험적인 미분 컨덕턴스들을 나타내는 도면.
도 9 (d)는 바이어스의 함수인 상대적 미분 컨덕턴스 이방성들을 나타내는 도면.
도 10 (a)는 완화되지 않은 Pt/Co 모델 시스템에 대해 θ=0도 및 90도에서의 이론적 상태 밀도를 나타내는 도면.
도 10 (b)는 소자들 A 및 B에 대해 (R(θ=90도,ψ)-R(θ=0도))/R(θ=0도)로서 정의되는 실험적 TAMR을 나타내는 도면.
도 10 (c)는 이산 저항 단차를 나타내는 2개의 독립적인 바이어스 스위프에서의 저항 측정치들을 나타내는 도면.
도 10 (d)는 2개의 측정에 대한 발진 바이어스 의존성의 상대적 시프트를 보이는 대응하는 미분 컨덕턴스들을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따라 자기 저항 소자의 다른 실시예의 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 또 다른 실시예의 사시도.
도 12a는 도 12에 도시된 소자에서 사용되는 다층을 나타내는 도면.
도 13은 본 발명에 따른 자기 저항 소자를 포함하는 하드 디스크 드라이브의 개략도.
도 13a는 도 13에 도시된 자기 저항 소자를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 자기 저항 소자
3: 기판
5: 강자성체
7: 절연층

Claims (58)

  1. 터널 장벽을 제공하기 위해 강자성 영역과 도전성 영역 사이에 배열된 절연 영역을 포함하고, 상기 절연 영역과 상기 강자성 영역을 분리하는 비강자성 영역을 더 포함하는 자기 저항 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 상기 강자성 영역이 상기 비강자성 영역에 자기 모멘트를 유도하도록 구성되는 자기 저항 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 금속 비강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전이 금속 또는 합금은 백금을 포함하는 자기 저항 소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전이 금속 또는 합금은 팔라듐을 포함하는 자기 저항 소자.
  7. 제4항에 있어서, 상기 전이 금속 또는 합금은 이리듐을 포함하는 자기 저항 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 반강자성인 자기 저항 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 단일 층을 포함하는 자기 저항 소자.
  10. 제8항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 반강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  11. 제8항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 희토류 원소 또는 희토류 원소를 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 반강자성 디스프로슘을 포함하는 자기 저항 소자.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 반강자성 에르븀을 포함하는 자기 저항 소자.
  14. 제11항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 가돌리늄 및 유로퓸, 바람직하게는 GdEuS를 포함하는 자기 저항 소자.
  15. 제8항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 백금을 포함하는 자기 저항 소자.
  17. 제15항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 망간을 포함하는 자기 저항 소자.
  18. 제8항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 반강자성 산화물을 포함하는 자기 저항 소자.
  19. 제18항에 있어서, 상기 반강자성 재료는 α-철(III) 산화물(Fe2O3)을 포함하는 자기 저항 소자.
  20. 제9항에 있어서, 상기 층은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 갖는 자기 저항 소자.
  21. 제9항에 있어서, 상기 층은 4개 이상의 단층의 두께를 갖는 자기 저항 소자.
  22. 제8항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 적어도 2개의 층을 포함하는 자기 저항 소자.
  23. 제22항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 제1 층 및 제2 층을 포함하는 자기 저항 소자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 층은 제1 전이 금속 또는 상기 제1 전이 금속을 포함하는 합금을 포함하고, 상기 제2 층은 제2의 상이한 전이 금속 또는 상기 제2 전이 금속을 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 층은 크롬을 포함하는 자기 저항 소자.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제1 층은 강자성 재료를 포함하고, 상기 재료가 반강자성으로 거동하도록 구성되는 자기 저항 소자.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제1 층은 망간, 철 및/또는 코발트를 포함하는 자기 저항 소자.
  28. 제23항에 있어서, 상기 제2 층은 텅스텐, 팔라듐, 백금 및/또는 이리듐을 포함하는 자기 저항 소자.
  29. 제23항에 있어서, 상기 제1 층은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 갖는 자기 저항 소자.
  30. 제23항에 있어서, 상기 제2 층은 1, 2 또는 3개 단층의 두께를 갖는 자기 저항 소자.
  31. 제1항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 페리 자성인 자기 저항 소자.
  32. 제1항에 있어서, 상기 강자성 영역은 금속 강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  33. 제32항에 있어서, 상기 금속 강자성 재료는 코발트, 니켈 또는 철, 또는 코발트, 니켈 및/또는 철을 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  34. 제1항에 있어서, 상기 강자성 영역은 비강자성 영역에 의해 분리된 적어도 2개의 강자성 영역을 포함하는 자기 저항 소자.
  35. 제34항에 있어서, 상기 비강자성 영역은 금속 비강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  36. 제35항에 있어서, 상기 금속 비강자성 재료는 백금을 포함하는 자기 저항 소자.
  37. 제1항에 있어서, 상기 절연 영역은 산화물을 포함하는 자기 저항 소자.
  38. 제37항에 있어서, 상기 절연 영역은 알루미늄 산화물을 포함하는 자기 저항 소자.
  39. 제37항에 있어서, 상기 절연 영역은 마그네슘 산화물을 포함하는 자기 저항 소자.
  40. 제1항에 있어서, 상기 절연 영역은 적어도 약 2nm의 상기 도전성 영역 및 상기 비강자성 영역을 분리하는 두께를 갖는 자기 저항 소자.
  41. 제40항에 있어서, 상기 절연 영역의 두께는 약 10nm 이하인 자기 저항 소자.
  42. 제1항에 있어서, 상기 도전성 영역은 비강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  43. 제42항에 있어서, 상기 도전성 영역은 전이 금속 또는 전이 금속을 포함하는 합금을 포함하는 자기 저항 소자.
  44. 제43항에 있어서, 상기 도전성 영역은 백금을 포함하는 자기 저항 소자.
  45. 제1항에 있어서, 상기 도전성 영역은 강자성 재료를 포함하는 자기 저항 소자.
  46. 제1항에 있어서, 상기 강자성 영역, 상기 비강자성 영역, 상기 절연 영역 및 상기 도전성 영역을 포함하는 다층 스택으로서 배열되는 자기 저항 소자.
  47. 제1항에 있어서, 기판으로부터 직립한 기둥으로서 배열되는 자기 저항 소자.
  48. 제47항에 있어서, 상기 기둥은 약 10 μm 이하의 폭 또는 약 1 μm 이하의 폭을 갖는 자기 저항 소자.
  49. 제47항에 있어서, 상기 기둥은 10nm 또는 100nm 정도의 폭을 갖는 자기 저항 소자.
  50. 제1항에 있어서, 상기 도전성 영역은 전하 캐리어들을 필터링하기 위한 공진 터널링 구조를 포함하는 자기 저항 소자.
  51. 제1항에 따른 소자를 포함하는 자기장 센서.
  52. 제1항에 따른 소자를 포함하는 하드 디스크 드라이브용 판독 헤드.
  53. 제1항에 따른 소자를 포함하는 스위칭 소자.
  54. 제1항에 따른 자기 저항 소자를 동작시키는 방법으로서,
    상기 자기 저항 소자에 자기장을 인가하는 단계; 및
    자기 저항을 결정하기 위해 상기 강자성 영역과 상기 도전성 영역 사이에 바이어스를 인가하는 단계
    를 포함하는 방법.
  55. 자기 저항 소자를 제조하는 방법으로서,
    강자성 영역을 형성하는 단계;
    상기 강자성 영역에 인접하는 비강자성 영역을 형성하는 단계;
    상기 비강자성 영역에 인접하는 절연 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 절연 영역에 인접하는 도전성 영역을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  56. 제55항에 있어서, 기둥을 형성하기 위해 상기 영역들을 에칭하는 단계를 더 포함하는 방법.
  57. 제55항에 있어서, 층들을 피착하는 동안에 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  58. 제55항에 있어서, 층들을 피착하는 동안에 스트레스를 가하는 단계를 포함하는 방법.
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