KR20110038616A - 스핀 밸브 기록 소자 및 기억 장치 - Google Patents

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Abstract

절연체층 또는 비자성층을 사이에 두고, 보자력(保磁力)이 서로 상이한 한 쌍의 강자성층을 갖는 스핀 밸브 소자로서, 스핀 밸브 소자의 면내 형상을 대략 원형으로 하고 둘레 가장자리부에 복수의 노치(NS, NW, NE, NN)를 형성한다. 바람직하게는 적어도 하나의 노치의 형상을 다른 것과는 상이하게 한다. 또, 그러한 스핀 밸브 소자를 이용하는 기억 장치를 제공한다.

Description

스핀 밸브 기록 소자 및 기억 장치{SPIN VALVE RECORDING ELEMENT AND STORAGE DEVICE}
본 발명은 스핀 밸브 구조를 갖는 기록 소자 및 기억 장치에 관한 것이며, 더 상세하게는, 자화(磁化)된 강자성층의 자화 벡터의 방향을 제어함으로써, 정보를 기록, 독출할 수 있는 스핀 밸브 기록 셀 구조 및 그것을 이용하는 기억 장치에 관한 것이다.
최근, 나노일렉트로닉스(nano-electronics)의 진전에 따라, 미소 사이즈의 자성 재료 고유의 물리 현상을 응용하는 분야에 있어서 제품의 개발이 진행되고 있다. 이들 분야 중, 특히, 자성 재료의 자유 전자가 갖는 스핀을 이용하는 분야[이하, 「스핀 일렉트로닉스(spin electronics)」라고 함]가 급속히 발전하고 있다.
이 스핀 일렉트로닉스 중에서, 현재 가장 실용 가능성이 높다고 생각되고 있는 것은 강자성층/절연층/강자성층을 포함하는 적층 구조에서 발생하는 터널 자기 저항(TMR: Tunnel Magnetic Resistance) 효과, 또는, 강자성층/비자성층(도전층)/강자성층을 포함하는 적층 구조에서 발생하는 거대 자기 저항(GMR: Giant Magnetic Resistance) 효과를 응용한 스핀 밸브 소자이다. 또, 층 사이에 기재한 사선(/) 기호는 그 전후의 층이 그 순서로 적층되어 있는 것을 나타낸다.
도 1과 도 2에 스핀 밸브 소자의 종래의 구성예를 도시한다. 이 중 도 1에는 TMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 도시한다. 스핀 밸브 소자는 기판(5) 위에 구성된, 1층의 절연체층(24)과, 그 절연체층을 사이에 두는 한 쌍의 강자성층[23(고정층) 및 25(자유층)]과, 전극층(21 및 27)을 포함하고, 필요에 따라, 반강자성층[핀 고정층(pinning layer)](22), 캡핑층(capping layer; 26) 등이 부가된다. 고정층(23)의 자화는 반강자성층(22)과의 자기 결합 등에 의해 고정되어 있다. 자유층(25)의 자화는 외부 자계, 또는 편극 전류에 의한 스핀 주입에 의해 제어된다.
이 중 스핀 주입에 의한 제어에서는, 이 소자에 고정층(23)으로부터 전자를 흘리면, 자유층(25)의 스핀에는 고정층(23)과 평행이 되는 토크가 작용한다. 또한, 반대로 자유층(25)으로부터 고정층(23)을 향해 전자를 흘리면 자유층(25)의 스핀에는 고정층(23)과 반(反)평행이 되는 토크가 작용한다. 이 작용에 의해, 자유층(25)의 자화 방향을 전류의 방향에 의해 제어하는 것이 가능해진다(스핀 주입 자화 반전).
이렇게 하여, 자유층과 고정층의 자화 방향이 외부 자계 또는 편극 전류에 의한 스핀 주입에 따라 회전 또는 반전함으로써, 양쪽의 자화 방향에 따라, 소자의 저항이 크게 변화한다. 즉, 양쪽의 자화 벡터가 서로 반평행일 때에, 가장 높은 저항값이 얻어지고, 양쪽의 자화 벡터가 평행일 때에, 가장 낮은 저항값이 얻어지도록 소자가 구성되어 있다.
도 2에는 GMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 도시한다. 도 1의 TMR을 이용한 소자와의 차이는 절연체층(24)이 비자성층(51)으로 치환되었다는 점이고, 그 이외의 기능은 기본적으로 동일하다.
이들 소자를 이용하여, 1 소자당 1 비트의 정보를 기록하는 고체 자기 메모리가 제안되어 있고, 또한, 1 소자당 2 비트의 정보를 기록할 수 있는 다치(多値) 기록 기술도 제안되어 있다. 또, 1 비트로는 2개의 상태(2치)를 기록할 수 있고, 2 비트로는 4개의 상태(4치)를 기록할 수 있다.
일본 특허 공개 평성 제10-91925호 공보 일본 특허 공개 제2003-31771호 공보 일본 특허 공개 제2007-317895호 공보 일본 특허 공표 제2005-535111호 공보
비특허문헌 1: B.A. Ivanov et.al., "Excitation of Spin Dynamics by Spin-Polarized Current in Vortex State Magnetic Disks" Phys. Rev. Lett. No.99, 247208, The American Physical Society, December 14, 2007 비특허문헌 2: J. Shibata et.al., "Current induced magnetic vortex motion by spin-transfer torque" Phys. Rev. B., No.73, 020403, The American Physical Society, January 4, 2006
그러나, 종래의 다치 기록 기술은 여러 가지 과제로 실현에는 이르지 못하였다.
예컨대, 특허문헌 1(일본 특허 공개 평성 제10-91925호 공보)에는, 강자성층/제1 절연층(또는 제1 비자성층)/강자성층/제2 절연층(또는 제2 비자성층)/강자성층을 포함하는 적층 구조를 갖는 이중 터널 접합 소자를 형성함으로써, 1 소자당 2 비트의 정보를 기록할 수 있는 다치 기록 기술에 의한 고체 자기 메모리를 제안하고 있다. 이 고체 자기 메모리에서는, 소자의 구조에 다중 구조가 필요하게 되고, 강자성층/제1 비자성층/강자성층을 포함하는 적층 구성과 강자성층/제2 비자성층/강자성층을 포함하는 적층 구성 간에, 각 강자성층 사이에서 검출되는 출력 전압의 레벨을 구분하여 검지한다. 이 때문에, 특허문헌 1의 고체 자기 메모리에는, 그 고체 자기 메모리에 포함되는 2개의 적층 구성 중 적어도 한쪽이 나타내는 자기 저항비를, 강자성층/비자성층/강자성층을 포함하는 단일 터널(single tunnel) 접합의 TMR 소자가 나타내는 자기 저항비(다른쪽의 TMR 소자)보다 크게 하지 않으면, 충분한 S/N비를 확보할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제2003-31771호 공보)에는, 비자성층을 사이에 두고 2개의 강자성층을 적층하고, 각각의 강자성층의 자화 방향이 서로 직교하도록 형성하며, 이들의 조합에 의해, 각 강자성층에 1 비트, 양쪽으로 합계 2 비트 4 상태를 서로 독립적으로 기억시키는 방법이 개시되어 있다. 이 수법에서는, 다중 구조가 필요하고, 또한, 각각의 강자성층에 대해 순방향과 역방향의 2 방향, 합해서 4 방향의 자계를 생성함으로써 외부 자계에 의한 스위칭을 수행할 필요가 있다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 3(일본 특허 공개 제2007-317895호 공보)에는, 자유층에 2개의 대기부를 인접시키고, 각각의 대기부에 대응하여 자벽(磁壁)을 핀 고정하는 노치를 갖는 구조가 개시되어 있다. 이 수법에서는, 대기 부분만큼 가로 방향의 면적이 커지기 때문에, 다치 기록을 실현해도 기록 밀도가 향상되지 않는다는 문제가 있다.
그리고, 특허문헌 4(일본 특허 공표 제2005-535111호 공보)에는, 자유층의 형상 이방성에 의해 복수의 안정 위치를 갖는 자유층이 개시되어 있으나, 형상 이방성을 도출하기 위해 형상이 일그러져(변형) 반전 자계가 커진다는 문제를 갖고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 어느 하나의 과제를 해소하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 절연체층 또는 비자성층을 포함하는 중간층과, 그 중간층을 사이에 두는 한 쌍의 강자성층을 구비하고, 그 한 쌍의 강자성층의 보자력이 서로 상이한 스핀 밸브 소자로서, 적어도 보자력이 작은 강자성층의 면내 형상이 둘레 가장자리부에 복수의 노치가 형성된 대략 원형인 스핀 밸브 소자가 제공된다.
본 발명의 스핀 밸브 소자에서는, 상기 복수의 노치 중 하나 이상의 형상이 다른 노치의 형상과 합동(合同)이 아닌 것이 적합하다.
또한, 본 발명의 스핀 밸브 소자에서는, 면내 형상을 장축:단축의 애스펙트비가 1 대 1 이상 102 대 98 이하인 대략 원형으로 하는 것이 적합하다.
덧붙여, 본 발명의 스핀 밸브 소자에서는, 노치의 길이의 최소값(X)을 X≥0.4R로 하는 것이 적합하다. 여기서, R은 스핀 밸브 소자의 유효 반경이고, 그 유효 반경은 스핀 밸브 소자의 면적을 S로 하여 (S/π)0.5로 정의된다.
그리고, 본 발명의 스핀 밸브 소자에서는, 상기 노치의 폭(Y)을 모두 L≤Y≤5.5L로 하는 것이 적합하다. 여기서, L은 L=(μoA/Ms2)0.5로 정의되고, 그 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층의 재료의 교환 상호 작용 거리이며, A는 교환 스티프니스 상수(단위: J/m)이고, Ms는 보자력이 작은 강자성층의 재료의 포화 자화(단위: T)이며, μo는 진공 투자율(透磁率)로서 1.257×10-6(단위: H/m)이다.
본 발명은 기억 장치로서 실시될 수도 있다. 즉, 본 발명에서는 상기한 것 중 어느 하나의 스핀 밸브 소자를 기억 소자로서 이용하는 기억 장치가 제공된다.
본 발명의 어느 하나의 실시형태에 따르면, 다중 구조 등 복잡한 구조를 이용하지 않고, 높은 기록 밀도가 가능하며, 스핀 주입 자화 반전을 이용하는 스핀 밸브 소자에서의 자화 반전 전류를 저감하고, 자화 반전의 고속화를 실현한다는 적어도 어느 하나의 효과를 나타내는 다치 기록 가능한 스핀 밸브 소자를 제공할 수 있고, 또한 이러한 스핀 밸브 소자를 이용하는 기억 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 TMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 도시하는 단면도.
도 2는 GMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 도시하는 단면도.
도 3은 원형 박막 자화 거동의 거시적 스핀 모델 해석예(원형, 외부 자계 피크값 5 ㎄/m).
도 4는 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례(비교예 1)를 도시하는 설명도.
도 5는 타원 형상에서의 애스펙트비와 반전 자계의 관계를 도시하는 설명도.
도 6은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 있어서 면내 형상의 일례를 도시하는 설명도.
도 7은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례(해석예 1)를 도시하는 설명도.
도 8은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례(해석예 2)를 도시하는 설명도.
도 9는 소용돌이 형상 자화 구조의 설명도로서, (a)는 입체도, (b)는 자화를 화살표로 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명에서 얻어진 노치 주변의 자화 분포의 설명도로서, (a)는 입체도, (b)는 자화를 화살표로 나타낸 평면도.
도 11은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 있어서 외부 자계와 자화 분포의 안정점의 관계의 일례를 도시하는 설명도.
도 12는 본 발명에서의 스핀 밸브 소자의 자화 분포의 설명도로서, (a) 자유층, (b) 수직 자화 이방성을 갖는 핀층, (c) 면내 자화 이방성을 갖는 핀층.
도 13은 본 발명에 있어서 스핀 주입형 스핀 밸브 소자의 구조예를 도시하는 설명도로서, (a) 수직 자화 기록용 핀층과 면내 자화 독출용 핀층을 갖는 구조예, (b) 면내 스핀 주입용 전극과 면내 자화 핀층을 갖는 구조예.
도 14는 본 발명의 스핀 밸브 소자에 있어서 노치폭과 자화 분포의 관계예를 도시하는 설명도.
도 15는 본 발명의 스핀 밸브 소자에 있어서 노치 길이와 자화 분포의 관계예를 도시하는 설명도.
도 16은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례(해석예 3)를 도시하는 설명도.
도 17은 본 발명의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례(해석예 4)를 도시하는 설명도.
도 18은 본 발명의 스핀 밸브 소자를 이용하는 기억 장치의 구성을 도시하는 설명도.
본 발명의 실시형태에서의 스핀 밸브 소자에서는, 스핀 밸브 소자의 면내 형상을, 대략 원형으로 하여 그 둘레 가장자리부, 즉 원형의 외측 가장자리에 복수의 노치가 형성된 형상으로 한다. 이렇게 하여, 스핀 밸브 소자의 형상 이방성을 작게 하여 기록에 필요한 자계를 저감하고, 어느 하나의 노치의 작용에 의해 자유층 면내의 자화 패턴이 고정된 상태를 실현한다. 이러한 구성에 따르면, 자유층의 자화 분포에는, 형성된 노치 수만큼 안정 상태가 존재하게 되어, 다치 기록 소자를 간단한 구성으로 실현할 수 있다.
특히, 복수의 노치 중 하나 이상의 형상을 다른 노치의 형상과는 합동이 아니도록 구성함으로써, 자유층의 자화에 소용돌이(vortex)를 유발하여 소용돌이 형상 자화를 실현하는 것이 가능하다. 즉, 소용돌이 형상 자화는 자성막의 자기 특성, 형상, 크기의 작용에 의해 노치가 없는 경우라도 실현되는 경우가 있으나, 본원 발명자는 초기의 자화 상태가 안정 상태인 평행 자화이며, 상기한 바와 같이 노치의 형상을 불균일하게 함으로써, 자화에 소용돌이를 유발시키는 것이 가능한 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자는 특정한 조건에서, 그 소용돌이가 각 노치에 고정화되는 특유의 자화 패턴을 형성할 수 있는 것도 발견하였다. 소용돌이가 어떤 노치에 고정화되는지는, 외부 자계 또는 스핀 주입 등에 의해 자화를 제어함으로써 선택할 수 있다.
자유층의 면내 형상을 대상성이 좋은 형상으로부터 일그러지게 함으로써(변형) 형상 이방성을 유발하여 복수의 안정 위치를 제작하는 것은 전술한 바와 같이 특허문헌 4(일본 특허 공표 제2005-535111호 공보)에 개시되어 있다. 그러나, 형상 이방성을 유발할 정도까지 면내 형상을 일그러지게 한 경우에는, 기록을 위한 자계를 크게 해야 하므로 실용상 큰 문제가 된다.
상기에 대해 더 상세히 설명한다. 박막의 자화 반전 거동은 일반적으로 (1) 식의 란다우 리프시츠 길버트(Landau-Lifshitz-Gilbert) 방정식(LLG 방정식)으로 표현된다.
dm/dt = γm×Heff + αm×dm/dt (1)
단, m은 박막 자화의 방향을 나타내는 단위 벡터, γ는 자기 자이로 상수, Heff는 유효 자계 벡터, α는 길버트의 댐핑 상수이다.
이 식을 이용하여, 박막의 자화 반전 거동을 박막 전체를 하나의 스핀으로 근사하는 거시적 스핀 모델로 해석한 예를 도 3에 도시한다. 여기서는 표 1의 재료 1의 물성값의 박막을 상정하고, 초기 상태의 자화 단위 벡터를 (mx, my, mz)=(0.99, 0.1, 0.0)으로 하며, -x 방향으로 외부 자계 펄스 5 ㎄/m를 인가했을 때의 자화의 반전 거동을 해석한다. 외부 자계의 펄스 파형으로는 상승 1.0 ns, 유지 0 ns, 하강 1.0 ns의 삼각 파형을 사용하였다. 또한, 도 3의 (a)에 있어서, 시간 단위는 (γMs)- 1(Ms는 포화 자화)으로 규격화하여 30 단위 시간은 1 ns에 상당한다.
Figure pct00001
도 3에서, 자유층의 자화는 외부 자계 펄스가 인가되는 0 ns∼2.0 ns(0∼60 단위 시간) 동안, 외부 자계 방향인 x축을 중심으로 한 세차(歲差) 운동을 하나, 자계 펄스 종료 후에는, 세차 운동의 회전 중심이 박막에 수직인 z축(반자계 방향)이 되어 그 세차 운동이 계속된다. 도 4는 동일한 조건에서의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동이 있는 예를 도시하는 설명도이고, 마이크로 마그네틱스 해석에 의해 얻어진 결과이다. 도 4에도 도 3과 동일한 계속되는 진동이 확인된다. 이와 같이 단순한 원형 박막에서는, 외부 자계에 의해 박막 자화를 반전시켜도 자화는 용이하게 고정화되지 않아, 실용적인 기록 소자로서는 기능하지 않는다.
현재 이용되고 있는 대부분의 스핀 밸브 소자에서는, 이 문제를 해결하기 위해, 면내 형상을 타원형으로 해서 형상 이방성을 부여하여 자화 방향을 장축으로 안정화시키고 있다. 이에 따라, 2 방향의 안정 상태가 얻어지지만 형상 이방성으로 인해 기록 자계는 커진다. 도 5는 타원의 애스펙트비와 반전 자계의 관계를 계산한 것인데, 단축 대 장축의 애스펙트비가 98 대 102 이상(장축 대 단축의 애스펙트비가 102 대 98 이하)으로 자화를 반전시키기 위해 필요한 자계(반전 자계, 도면의 경계선)가 급격히 증대하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 스핀 밸브 소자의 실시형태의 면내 형상의 예를 도 6에 도시한다. 면내 형상은 기본적으로 원형이고, 그 원의 둘레 가장자리부로부터 중심을 향해 직사각형의 노치(NS, NW, NN, NE)가 4개 형성된다. 이하의 설명에서는, 박막 치수는 직경 100 ㎚, 두께 20 ㎚로 하고, 노치 치수는 폭 12.5 ㎚, 길이 25 ㎚로 한다. 또한, 설명에 있어서 노치를 특정하는 편의상, 도 6의 우측과 같은 방위의 표시로 노치를 표기한다.
[기록 동작]
먼저, 도 6과 같이, 동일한 형상의 노치를 4개 형성하고, 초기의 자화 상태를 도면에서의 상측 방향(N 방향)으로 설정하여, 도면에서의 하측 방향(S 방향)의 외부 자계를 인가하면, 박막 내의 자화 분포는 도 7과 같이 변화한다. 도 7은 본 실시예의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가한 경우의 자화 거동의 일례를 도시하는 설명도이다. 박막의 형상 이방성에 의해 자화에 안정점이 발생하여, 자화 분포는 안정된다. 이 경우의 자화 분포는 박막 내의 자화가 거의 평행하고, 자화 방향이 노치의 중간이 되는 안정 상태가 얻어진다. 도 7에서는 자화가 SW 방향(S 방향과 W 방향)의 중간을 향하는 안정 상태가 얻어진다.
또한, 4개의 노치 중, S 방향의 노치 길이를 다른 3개보다 약간 길게(28 ㎚) 설정하고, 상기와 동일한 자계를 부여함으로써, 소용돌이 형상의 자화 분포를 얻을 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시형태에서의 스핀 밸브 소자에 외부 자계를 인가했을 때의 자화 거동의 예를 도시하는 설명도이다. 초기 상태는 N 방향으로 향한 평행 자화의 상태이다. S 방향으로 향하는 외부 자화를, 슬로프의 상승 기간을 1 ns로 하고, 하강 기간을 1 ns로 하여 인가한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 외부 자계를 인가한 후, S 방향에 있는 노치에 자화의 소용돌이가 고정된다. 즉, 박막 내의 자화 분포는 자계를 인가하기 전에는 평행 자화이지만, 자계 인가에 의해 도 8과 같이 변화하고, 외부 자계 종료 후에는, 노치 주변에서 자화 벡터가 원호를 그리는 소용돌이 형상의 자화 분포가 얻어지며, 그 상태로 안정화된다. 이와 같이, 본 발명의 실시형태에서는, 기본적인 면내 형상을 원형으로 유지함으로써 반전 자계를 억제하면서, 노치에 의해 외부 자계 종료 후의 자화를 안정시키는 기능을 실현한다.
또한, 이렇게 하여 얻어진 노치 주변의 자화 분포는 소용돌이 중심이 노치에 위치하는 소용돌이 형상 자화가 되고, 노치에 소용돌이가 고정된 듯한 자화 상태에 상당한다. 즉, 자성막의 단일 자구(磁區) 내에서의 자화 분포는 일반적으로 평행 자화와 소용돌이 형상 자화로 크게 나뉜다. 도 9는 소용돌이 형상 자화의 자화 분포를 도시한 것인데, 소용돌이 형상 자화 구조의 중심에서는, 면내에서의 자화 분포는 서로 반(反)평행하기 때문에, 교환 에너지를 작게 하기 위해, 도 9의 (a)에 도시하는 바와 같이 자화는 수직 방향으로 일어선다. 한편, 본 발명의 실시형태에서 얻어진 노치 주변의 자화 분포의 상세를 도 10에 도시하는데, 면내에서의 자화 분포는 자화가 노치 주변에서 원호를 그리고, 소용돌이가 잡아 늘려진 형상으로 되어 있다. 주의해야 할 것은 소용돌이 중심이 노치의 중공 부분에 위치하며 도 9에 보여진 중심의 수직 배향 자화부가 해소되는 점이다. 전술한 바와 같이, 소용돌이의 중심에서는, 교환 에너지를 보상하기 위해 정자기 에너지(magnetostatic energy)가 커지는 것으로 추정되지만, 본 소자에서는 그 부분이 해소되기 때문에, 에너지적으로 낮아지는 것으로 추정되며, 그것이 소용돌이를 노치에 안정화시키는 요인이 되는 것으로 추정된다.
또한, 이와 같이 외부 자계에 의해 자유층의 자화 분포를 변화시켜도, 고정층은 보자력이 높기 때문에, 그 자화 분포는 변화하지 않게 하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 자유층과 고정층의 자화 분포를 개별적으로 제어함으로써, 스핀 밸브 소자의 전기 저항을 제어하는 것이 가능하고, 기록 소자로서의 동작이 실현된다.
또한, 상기에서는 외부 자계에 의한 기록 과정을 예로서 나타내었으나, 스핀 주입에 의해서도 소용돌이의 이동이 가능하고, 동일한 면내 형상을 이용하여 소용돌이의 이동을 실현할 수 있다.
특히, 수직 자화 이방성을 갖는 고정층으로부터의 스핀 주입(비특허문헌 1)이나, 자유층 면내 전류에서의 스핀 주입(비특허문헌 2)에 의해 자유층의 소용돌이의 위치를 회전하도록 이동시키는 것이 가능한 것이 알려져 있다. 이러한 회전 이동에 의한 노치 사이에서의 소용돌이의 이동은 소용돌이가 인접한 노치에 순차 이동하게 되어, 고정되는 노치의 지정이 용이하기 때문에 적합하다. 도 11은 본 발명의 실시형태의 스핀 밸브 소자에 있어서 외부 자계와 자화 분포의 안정점의 관계의 일례를 도시한다. 이 예에서의 노치는 원형 박막의 N/E/S/W 방향에 형성하고, S 방향에 있는 노치가 다른 3 방향의 것보다 약간 길게 형성한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 예컨대 외부 자계의 피크값(도 7 등에서의 1.0 nsec에서의 외부 자계의 값)을 6.5 ㎄/m로부터 7.5 ㎄/m로 증가시킴으로써, 소용돌이가 고정되는 노치의 위치를 반시계 방향으로 회전하도록 순차 이동시킬 수 있고, 반대로 이 범위로 감소시키면 시계 방향으로 회전하도록 순차 이동시킬 수 있다. 외부 자화의 피크값이 6.5 ㎄/m 부근 및 7.5 ㎄/m 부근에서는, 약간 긴 S 방향의 노치가 소용돌이의 안정적인 위치가 된다.
[독출 동작]
한편, 자유층의 소용돌이 위치의 차이를 판독하기 위해서는, 면내 자화 이방성을 갖는 고정층과 자유층 간의 전기 저항을 검출하는 것이 필요하다. 도 12에, 독출 동작을 설명하기 위한 자화의 배치를 도시한다. 자유층은, 도 12의 (a)에 도시하는 바와 같이 소용돌이가 있는 자화 배치를 갖는 경우에, 만일 고정층이 도 12의 (b)와 같은 수직 자화 이방성을 갖고 수직으로 자화되어 있다면, 자유층의 소용돌이가 어떤 노치에 고정되어도 전기 저항이 달라지지 않지만, 고정층이 도 12의 (c)와 같은 면내 자화 이방성을 갖고 면내에 자화되어 있다면, 소용돌이가 고정되는 노치에 따라 전기 저항이 상이하여, 그 전기 저항값으로부터 소용돌이의 위치를 검출하는 것이 가능하다. 단, 이때에 고정층의 자화 방향이 도 12의 (c)에서의 일점 쇄선 M1으로 나타내는 대칭축과 일치하면, 자유층의 자화 소용돌이 위치가 4개의 노치 중 E와 S 노치에 있을 때의 전기 저항이 동일해지고, 또한, N과 W 노치에 있을 때의 전기 저항이 동일해진다. 이 때문에, 4개의 소용돌이 위치를 판별할 수 없고, 기록 가능한 값은 2치가 된다. 또한, 고정층의 자화 방향이 도 12의 (c)에서의 일점 쇄선 M2로 나타내는 대칭축과 일치하면, 자유층의 자화 소용돌이 위치가 4개의 노치 중 N과 S 노치에 있을 때의 전기 저항이 동일해진다. 이 때문에, 4개의 소용돌이 위치를 판별할 수 없고, 기록 가능한 값은 3치가 된다. 이 경우도 본 발명의 실시형태의 효과는 유지되지만, 보다 많은 값을 기록하기 위해서는 고정층의 자화 방향을 고정층 면내 형상의 대칭축과 일치시키지 않는 구성이 바람직하다. 또, 상기 일점 쇄선 M1 및 M2에 등가인 대칭축은 일점 쇄선 M1 및 M2 외에 각 3개 있다.
또한, 스핀 주입을 도 12의 (b)에 도시한 자화 배치의 고정층에 의해 수행하는 것만으로는 판독을 할 수 없다. 이 때문에, 수직 자화 이방성을 갖는 고정층을 이용하는 경우에는 자유층의 소용돌이가 어떤 노치 위치에 있어도 동일한 전기 저항만 나타내고, 판독을 위해서는 면내 자화 이방성을 갖는 판독용 고정층을 형성할 필요가 있다. 도 13은 본 발명의 실시형태에 있어서 스핀 주입형 스핀 밸브 소자의 구조예를 도시한다. 이 중 도 13의 (a)는 수직 자화 기록용 핀층과 면내 자화 독출용 핀층을 갖는 구조예이고, 도 13의 (b)는 면내 스핀 주입용 전극과 면내 자화 핀층을 갖는 구조예이다. 도 13의 (a)에 도시하는 바와 같이, 수직 자화 이방성을 갖는 기록용 고정층(수직 자화 고정층)(23A)과 면내 자화 이방성을 갖는 판독용 고정층(면내 자화 독출용 고정층)(29) 사이에 면내 자화 자유층(25A)을 개재한 직렬 구조를 이용할 수 있다. 또한, 자유층의 면내 전류로부터 스핀 주입에 의한 소용돌이의 회전 이동을 이용하는 경우에는, 도 13의 (b)에 도시하는 바와 같이, 자유층 면내 전류용 단자로서의 기록용 전극(면내 전류용 전극)(32A, 32B)을 갖는 구조가 고려된다.
특히, 소용돌이가 고정화되는 노치에 대해서는, 인가되는 외부 자계의 강도나 시간에 의해 제어하는 것이 가능하다. 이에 따라, 노치의 수와 동일한 수의 안정 상태가 실현되어, 다치 기록 소자를 실현할 수 있다. 더 중요한 특징은 상기한 스핀 주입에 의한 회전 운동을 이용하면, 한 방향의 전류로 어떤 노치에도 고정화가 가능한 점이다. 즉, 종래의 스핀 밸브 소자에서는 플러스와 마이너스의 양극 전류가 필요하였으나, 본 발명의 실시형태의 소자에 따르면, 기록 시에 단극의 전류만으로도 소자 구동 제어가 가능하다.
[소자 제작 순서]
TMR 방식의 스핀 밸브 소자의 제작 순서예를 이하에 나타낸다. 이하에 기재하는 각 층에 이용하는 재료나 막 두께는 일례이다. 이 스핀 밸브 소자는 면에 수직인 단면 구조가 도 1의 스핀 밸브 소자와 동일하기 때문에, 도 1의 부호로써 설명한다. 먼저, 산화막을 갖는 실리콘 웨이퍼 등의 기판(5) 상에, 전극층(21)으로서 Cu 박막(30 ㎚)을 형성하고, 그 후, 강자성층(23)(이하, 「고정층(23)」이라고 함)으로서 CoFeB(35 ㎚), 절연체층(24)으로서 MgO(0.6 ㎚), 강자성층(25)(이하, 「자유층(25)」이라고 함)으로서 CoFeB(20 ㎚), 캡핑층(26)으로서 Cu(2 ㎚)를 순차 적층한다. 또한, 네거티브 레지스트를 도포하고, 전자선 노광 등에 의해 패터닝을 실시하며, 이온 밀링 또는 드라이 에칭에 의해 노치를 갖는 원형 형상의 스핀 밸브 소자를 형성한다. 특히 미세한 노치의 가공에서 전자선 노광으로는 해상도가 불충분한 경우에는, 극단 자외선(EUV) 노광에 의한 패터닝도 이용할 수 있다. 또한 CVD법 등으로 SiO2막을 형성하여 원형 형상의 스핀 밸브 소자의 측면을 피복한 후, 스핀 밸브 소자 상의 레지스트를 리프트오프에 의해 제거하여, 상부 전극을 형성한다. 그 후, 수kOe 정도의 자계 하에, 350℃∼500℃에서 어닐링을 수행함으로써 고정층의 자화 용이축을 결정한다.
또한 특히, 도 13의 (a)에 도시한 바와 같은 판독용 고정층(29)을 형성하는 경우에는, 고정층(23)으로서 수직 자화 배향이 유도되기 쉬운 TbFeCo를 이용하여, 자유층(25)을 성막한 후, 또한 MgO층과 판독용 고정층(29)으로서 CoFeB(20 ㎚)를 형성하는 것 외에는 동일한 프로세스를 수행할 수 있다. 또한 GMR 방식의 스핀 밸브 소자의 경우에는, 절연체층(24) 대신에, Cu 등의 비자성층(51)을 이용하는 것 외에는, 기본적으로는 동일한 제작 순서를 이용한다.
본 발명의 실시형태의 스핀 밸브 소자를 구성하는 재료로서는, 기판(5)으로서는 실리콘 기판, 유리 기판을 이용할 수 있다. 이 외에도, 히트 싱크로서의 기능이 높은 구리 기판도 이용할 수 있고, 그 경우에는, 필요에 따라 구리 기판을 수랭 등의 방법으로 냉각하는 것도 가능하다. 전극층(21, 27, 31)으로서는, Ta, Pt, Cu, Au, Ag, Al, Mo를 이용할 수 있고, 반강자성층(22)으로서는 IrMn, PtMn을 이용할 수 있으며, 고정층(23)으로서는 CoFe, CoFeB나, 수직 이방성을 얻기 쉬운 TbFe, TbFeCo, GdFe, GdFeCo, FePt, Co/Pt 다층 적층 구조, Co/Pd 다층 적층 구조 등이 적합하고, 판독용 고정층으로서는 CoFe, CoFeB, 절연체층(24)으로서는 MgO, Al 산화물을 이용할 수 있으며, 비자성층(51)으로서는 Cu, 자유층(25)으로서는 일반적으로 이용되는 CoFe, CoFeB 외에, 결정 이방성이 작은 NiFe가 적합하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 캡핑층(26)으로서 Cu, Pd를 대표예로서 들 수 있으나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
스핀 밸브 소자로서 기능을 발현하기 위해서는, 고정층(23)의 보자력을 자유층(25)보다 크게 하는 것이 필요하다. 이 방법으로서는, 고정층(23)과 자유층(25)의 재질을 동일하게 하여, 전자의 막 두께를 후자의 막 두께보다 크게 함으로써 보자력 차를 생성하는 것이 실시된다. 또한, 반강자성층(핀 고정층)(22)을 형성하고, 그것과의 반강자성 결합으로 고정층(23)의 보자력을 높게 하는 것도 실시된다. 또한, 필요에 따라, 예컨대 CoFeB/Ru/CoFeB 등의 반강자성 결합막으로 하는 것도 가능하다. 고정층을 포함하는 각 층의 결정성이나 자화 용이축 방향은 이들을 적층한 후, 자계 하에서 어닐링을 실시함으로써 제어된다.
[소자의 해석예]
이하에, 상기한 소용돌이의 생성과 노치에의 고정화 조건을 검토한 결과를 나타낸다. 여기서는, 표 1의 자기 특성을 갖는 자성 재료를 강자성 재료로서 가정한다. 여기에 나타낸 것과 상이한 자기 특성을 갖는 재료를 이용한 경우에는 개개의 특성값은 상이하지만, 본래의 기능은 동일하게 얻어진다.
도 14는 직경 100 ㎚φ, 두께 20 ㎚의 자유층을 갖는 스핀 밸브 소자에 있어서, 노치 형상을 직사각형한 경우, 그 노치폭과 반전 자계 및 자화 분포의 관계를 도시한 것이다. 이때, 노치에는 비대칭성을 부여하고, 자화 분포는 노치 원호를 그리는 소용돌이 형상의 자화를 갖는다. 도 14에 도시한 바와 같이, 노치 형상이 직사각형인 경우에는, 노치폭이 20 ㎚를 초과하면 반전 자계가 급격히 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14는 노치 형상을, 외주측의 노치폭이 중심측의 노치폭보다 큰 형상(부채형)으로 한 경우에 있어서, 그 외주측의 노치폭에의 의존성도 나타내고 있다. 직사각형의 경우와 마찬가지로, 부채형의 경우도 외주측의 노치폭이 20 ㎚를 초과하면 반전 자계가 급격히 커지는 것을 알 수 있다.
노치폭에 대해 반전 자계가 이와 같이 거동하는 이유에 대해, 본원의 발명자는 노치의 최대폭이 20 ㎚를 초과하면 노치를 사이에 둔 자성막의 교환 상호 작용이 작아지고, 형상 이방성의 효과가 커져 반전 자계가 커지는 것으로 추정하고 있다. 이 생각에 기초하여, 상기한 원리를 실현하기 위해 노치의 형상을 특정하기 위해서, 자유층의 강자성 재료의 자기적 성질에 주목하였다. 즉, 하기 식으로 표현되는 교환 상호 작용의 유효 거리의 척도인 교환 상호 작용 거리(L)
L=(μoA/Ms2)0.5
에 의해, 상기한 노치의 형상을 특징화할 수 있는 것을 발견하였다. 여기서, A는 교환 스티프니스 상수(J/m), Ms는 포화 자화(T), μo는 진공 투자율(=1.257×10-6 H/m)이다.
교환 상호 작용 거리(L)를 표 1에 나타낸 재료로부터 산출하면, 본 검토에 이용한 「재료 1」의 교환 상호 작용 거리(L)는 약 3.74 ㎚가 된다. 이것을 상기한 검토 결과로부터 얻어진 20 ㎚의 노치의 최대폭과 대비시킴으로써, 노치의 최대폭(Y)은, Y≤5.5L인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 검토한 범위에서는, 노치폭이 상기한 L보다 작을 때에는, 소용돌이가 노치에 고정되는 현상이 확인되지 않았다. 이러한 점들로부터, 노치폭(Y)이 모두 하기 식을 만족하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.
L≤Y≤5.5L
또한, 도 15에는 노치 길이의 효과를 나타낸다. 노치 길이(X)가 20 ㎚ 이하인 경우에는 노치에서의 자화 안정성이 낮아, 회전 자화는 용이하게 고정되지 않는다. 이 때문에, 외부 자계를 변화시켜도, 면내에서의 자화가 변화하지 않거나, 평행 자화가 될 뿐이다. 이에 비해, 노치 길이(X)가 20 ㎚를 초과하면 회전 자화에 안정 상태가 얻어진다. 본원 발명자는 이 거동이 자성막 전체의 형상에 의존한 이방성 정자기 에너지와, 소용돌이의 회전 이동의 궤적 크기(반경)에 관련한다고 추측하고 있으나, 이들 양이 모두 자성막 반경(R)(=50 ㎚)과의 상대값에 의존하는 양이기 때문에, 노치 길이(X)가 다음 식을 만족하는 것이 더 바람직하다.
X≥0.4R
자유층의 자성막이 완전히 원형이 아닌 경우에는, R은 스핀 밸브 소자의 면적을 S로 하여 다음 식에 의해 계산되는 유효 반경으로 할 수 있다.
R=(S/π)0.5
상기에 나타낸 예를 포함한 해석예 및 비교예를 표 2에 나타낸다. 여기서, 해석예 4의 "노치 형상"은 부채형이고, 이 경우, 표 2에 나타낸 "노치폭"은 각각 중심측과 외주측의 값을 나타낸다. 또한, 표 2의 "비대칭성"은 모든 노치가 합동인 경우를 (×), 노치 모두가 합동이 아닌 경우를 (○)로 나타낸다. 또한, (○)의 경우에는, S 위치의 노치에 대해, 다른 3개(N, E, W)의 노치와 길이 또는 폭을 다르게 한다. 몇 개의 해석예에 대한 자화 거동을 도 4(비교예 1), 도 7(해석예 1), 도 8(해석예 2)에 이미 나타내었다. 그것에 추가하여, 도 16(해석예 3), 도 17(비교예 4)에도 자화 거동을 나타낸다.
해석예 1∼9에서는, 모두, 외부 자계 펄스의 종료 후에는 자화 벡터가 안정화되어, 양호하게 기록되는 것을 알 수 있다. 한편, 노치가 없는 경우(비교예 1)에는 자화 벡터가 안정되지 않아 양호한 기록 상태는 얻어지지 않았다. 또한, 노치 길이가 20 ㎚보다 작은 경우(비교예 2)나, 노치폭이 20 ㎚보다 큰 경우(비교예 3)에는, 인가한 외부 자계로는 기록 동작을 할 수 없었다.
Figure pct00002
[기억 장치의 구성]
도 18은 본 발명의 스핀 밸브 소자를 이용한 경우의 기억 장치의 구성을 도시한다. 스핀 밸브 소자(1)는 도 6에 기재한 바와 같은 면내 형상을 가지며, 도 1에 도시한 바와 같은 층 구조를 갖는다. 도 18에는 고정층(23), 절연체층(24), 자유층(25)만 나타내고 이들에 어드레스하기 위한 전기적 배선의 구성 이외의 세부는 생략한다. 또한, 실시하는 기억 장치에서는, 다수의 스핀 밸브 소자(1)가 어레이 형상으로 배열되어 있으나, 도 18은 그 중 하나의 스핀 밸브 소자만 도시한 것이다.
기억 장치(10)의 스핀 밸브 소자(1)에는, 자유층(25)에 인가할 외부 자계를 발생시키는 전류가 흐르는 자계 발생 워드 배선(102) 및 자계 발생 비트 배선(104)이 매트릭스 형상으로 배치되고, 이들 배선 각각에는 전류 구동 회로(112 및 114)가 접속된다. 각 전류 구동 회로는 워드 라인 디코더(122) 및 비트 라인 디코더(124)에 접속된다. 전류 구동 회로(112, 114)에는, 전류값을 각각에 접속된 디코더(122, 124)로부터의 지령값에 의해 제어하기 위한 전류 증폭단(도시하지 않음)이 포함되어 있다.
전류 증폭단은, 재기록이 필요한 스핀 밸브 소자에만 기록에 필요한 외부 자계를 미치게 하고, 그 이외의 스핀 밸브 소자에는 기록이 이루어지지 않는 외부 자계를 미치게 하는 전류(Iw, Ib)를 인가하기 위해, 워드 라인 디코더(122) 및 비트 라인 디코더(124)로부터의 지령에 의해 배선(102, 104)에 흐르는 전류 파형을 제어한다. 이 전류 파형의 제어에 관해서, 본 실시형태에서는, 도 8 등에 도시한 바와 같은 상승과 하강이 있는 삼각 파형을 인가하여, 그 피크값에 의해 상태의 재기록을 수행한다. 이 때문에, 전류 증폭단은, 접속된 각 워드 및 각 비트에 필요한 전류 파형이 되도록 삼각파 발생 회로(도시하지 않음)로부터의 삼각 파형을 증폭시킨다. 전류(Iw, Ib) 각각이 자유층(25)에 만드는 자계(Hw, Hb)의 합성 자계(H)가 각 스핀 밸브 소자의 외부 자계가 된다.
기억 장치(10)의 스핀 밸브 소자(1)에는, 자유층(25)과 고정층(23) 사이에 전류를 흐르게 하여 그 저항값을 검출하기 위한 배선(132) 및 배선(134)도 접속된다. 고정층(23)의 기능은 이 데이터의 독출 시에 자유층(25)과의 사이에서 흐르는 전류에 의한 저항값을 구별할 수 있도록 하는 것이며, 그 때문에, 고정층(23)의 자화는 도 12의 (c)에 관해 설명한 바와 같이 대칭축 이외의 방향의 면내 자화로 이루어진다. 배선(132) 및 배선(134)은 검출용 워드 라인 디코더(142) 및 비트 라인 디코더(144)에 접속되고, 비트 라인 디코더(144)는 검출용 전류를 발생시키는 전류원(도시하지 않음) 및 전류 검출부(154)에 접속되며, 워드 라인 디코더(142)는 선택 트랜지스터를 포함하는 전환부(152)를 워드 라인마다 포함한다.
또, 전술한 설명은 상승과 하강이 있는 가변성 삼각파 형상을 갖는 외부 자계에 의한 기록 동작을 기재하였으나, 동일한 토크를 인가하는 스핀 주입 전류에 의해서도 동일한 기록 동작을 실현할 수도 있다. 이 경우에는, 도 18에 도시한 자계 발생 워드 배선(102), 전류 구동 회로(112), 디코더(122), 및 자계 발생 비트 배선(104), 전류 구동 회로(114), 디코더(124)는 이용하지 않으나, 트랜지스터 등의 스위칭 소자 스핀 밸브 소자에 직렬로 접속되어, 배선(132) 및 배선(134)을 통해 기록용 스핀 주입 전류를 흐르게 한다.
독출 동작에 대해서는, 독출 지령을 수신하면, 먼저 워드 라인 디코더(142)는 선택 트랜지스터에 의해 독출할 워드의 워드 라인을 전원 또는 어스 등에 접속시키고, 그 이외의 워드에서는 접속을 해제한다. 독출할 워드에서는, 워드 라인이 전원 또는 어스에 접속되기 때문에, 비트 라인 디코더(144)로부터의 전류 또는 전압을 타깃 스핀 밸브 소자에 인가하고, 그때의 전류 또는 전압을 검출할 수 있다.
이상, 본 발명에 의해, 스핀 주입 자화 반전 스핀 밸브 소자에서의 자화 반전 전류의 저감과 자화 반전의 고속화를 실현하는 수단을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 대해 서술하였으나, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 각종의 변형, 변경 및 조합이 가능하다.
5: 기판 21: 전극층
22: 반강자성층(핀 고정층) 23: 강자성층(고정층)
24: 절연체층 25: 강자성층(자유층)
26: 캡핑층 27: 전극층
30: 절연층 31: 배선
51: 비자성층

Claims (6)

  1. 절연체층 또는 비자성층을 포함하는 중간층과, 그 중간층을 사이에 두는 한 쌍의 강자성층을 구비하고, 그 한 쌍의 강자성층의 보자력(保磁力)이 서로 상이한 스핀 밸브 소자에 있어서,
    적어도 보자력이 작은 강자성층의 면내 형상은 둘레 가장자리부에 복수의 노치가 형성된 대략 원형인 것인 스핀 밸브 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 노치 중 하나 이상의 형상은 다른 노치의 형상과 합동(合同)이 아닌 것인 스핀 밸브 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자의 면내 형상은 장축:단축의 애스펙트비가 1 대 1 이상 102 대 98 이하인 대략 원형인 것인 스핀 밸브 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노치의 길이의 최소값(X)은 하기 식,
    X≥0.4R
    을 만족하고, 여기서, R은 스핀 밸브 소자의 유효 반경이고, 상기 유효 반경은 스핀 밸브 소자의 면적을 S로 하여 (S/π)0.5로 정의되는 것인 스핀 밸브 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노치의 폭(Y)은 모두 하기 식,
    L≤Y≤5.5L
    을 만족하고, 여기서, L은 L=(μoA/Ms2)0.5로 정의되고, 그 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층의 재료의 교환 상호 작용 거리이며, A는 교환 스티프니스 상수(단위: J/m)이고, Ms는 보자력이 작은 강자성층의 재료의 포화 자화(단위: T)이며, μo는 진공 투자율(透磁率)로서 1.257×10-6(단위: H/m)인 것인 스핀 밸브 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재한 스핀 밸브 소자를 기억 소자로서 이용하는 기억 장치.
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