고정 강자성층 및 자유 강자성층이 개선된 자기 터널 접합 소자

본 발명은 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction)(MTJ) 소자에 관한 것으로, 구체적으로는 비휘발성 자기 메모리 소자 내에서 자기적으로 기록된 데이터를 판독하기 위한 자기 저항 헤드(magnetoresistive(MR) head) 또는 자기 저장 셀(magnetic storage cell)로 사용하기 위한 MTJ 소자(device)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 강자성층이 개선된 MTJ 소자에 관한 것이다.

자기 터널 접합(MTJ) 소자는 박막 절연 터널 장벽층에 의해 분리되는 2개의 강자성층으로 구성되며, 스핀이 분극된 전자 터널링 현상(Phenomenon of spin-polarized electron tunneling)을 기초로 한다. 강자성층의 하나는 일반적으로 다른 강자성 층보다 강한 보자력을 갖기 때문에 인가된 자기장의 한 방향으로 더 높은 포화 필드를 가진다. 절연 터널 장벽층은 매우 얇아서 강자성 층 사이에서 양자 역학적 터널링이 발생한다. 터널링 현상은 전자 스핀(electron-spin)에 관계되기 때문에 MTJ의 자기 반응(magnetic response)은 두 개의 강자성 층의 상대적 배향과 스핀 극성의 함수이다.

MTJ 소자는 원래 고체 상태 메모리용 메모리 셀로서 제안되었다. MTJ 메모리 셀의 상태는 감지 전류가 강자성층 중 하나로부터 나머지 강자성층으로 MTJ를 수직으로 흐를 때 MTJ의 저항을 측정함으로써 결정된다. 절연 터널 장벽층을 가로질러 전하 캐리어의 터널링이 발생할 확률은 두 개의 강자성 층의 자기 모멘트(자화 방향)의 상대적 배열에 달려있다. 터널링 전류는 스핀이 분극되는데, 이는 강자성 층 중의 하나, 예를 들어, 자기 모멘트가 고정되거나 회전이 방지된 층으로부터 통과되어 나오는 전류가 주로 한 종류의 스핀(강자성 층의 자기 모멘트의 방향에 따라 스핀-업 또는 스핀 다운)을 가진 전자들로 이루어져 있음을 의미한다. 터널링 전류의 스핀이 분극된 정도는 강자성층과 터널 장벽층의 인터페이스에서 강자성 층을 포함하는 자성 재료의 전자 밴드 구조에 의해 결정된다. 따라서, 제 1 강자성층은 스핀 필터로서 작용한다. 전하 캐리어의 터널링이 발생할 확률은 제 2 강자성층에서의 전류의 스핀 분극과 동일한 스핀 분극을 갖는 전자 상태를 이용할 수 있는지에 달려있다. 일반적으로, 제 2 강자성 층의 자기 모멘트가 제 1 강자성 층의 자기 모멘트와 평행할 경우가 제 2 강자성 층의 자기 모멘트가 제 1 강자성 층의 자기 모멘트와 반평행하게(antiparallel) 배열된 경우에 비해 전자 상태를 더 이용할 수 있다. 따라서, 전하 캐리어의 터널링 확률은 두 강자성 층의 자기 모멘트가 평행할 때 최고가 되고, 두 강자성 층의 자기 모멘트가 반대로 평행할 경우 최소가 된다. 자기 모멘트가 평행하지도 수직하지도 않게 배열된 경우 터널링 확률은 중간 값을 갖는다. 따라서, MTJ 메모리 셀의 전기 저항은 전류의 스핀 분극과 두 강자성층에서의 전자 상태 모두에 따라 좌우된다. 결과적으로, 자화 방향이 특정 방향으로(uniquely) 고정되지 않은 강자성 층에서 존재할 수 있는 두 개의 자화 방향은 메모리 셀에서 존재할 수 있는 2개의 비트 상태 (0 또는 1)를 고유하게 정의한다. MTJ 메모리 셀의 가능성이 한동안 알려져 왔지만, 실질적인 구조와 극저온 상태에서 예측되는 반응의 크기를 얻기가 어려워서 크게 관심이 줄었다.

자기 저항 (MR) 센서는 자성체로 만들어진 감지 소자의 저항 변화를 통해 자기장 신호를 검출하는데, 이때 저항 변화는 감지 소자에 의해 감지되는 자속의 세기와 방향의 함수이다. 자기 기록 디스크 드라이브에서 데이터 판독용 MR 판독 헤드로서 사용되던 것과 같은 종래의 MR 센서의 동작을 일반적으로 퍼멀로이(permalloy, Mi ₈₁ Fe ₁₉ )로 이루어진 벌크 자성 재료의 이방성 자기 저항(anisotropic magnetoresistive : AMR) 효과를 기초로 하여 이루어진다. 판독 소자의 저항 성분의 변화는 판독 소자에서의 자화 방향과 판독 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각도의 코사인 값의 제곱에 비례한다. 기록된 데이터는 디스크 드라이브 내의 디스크와 같은 자기 매체로부터 판독될 수 있다. 기록된 자기 매체로부터의 외부 자기장(신호 필드)이 판독 소자 내의 자화 방향 변화를 유발시키고, 이는 다시 판독 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지된 전류 또는 전압 변화를 일으킨다.

미국 특허 제 5,640,343호 및 IBM사의 미국 특허 제 5,650,958호에 기술된 바와 같이, 메모리에 적용하기 위해 MTJ 소자를 사용하는 것이 제안되어 왔다. MR 판독 헤드로서의 MTJ 소자를 사용하는 것은 미국 특허 제 5,390,061호에 기술된 바와 같이 제안되어 왔다. 이러한 MTJ 소자를 사용하는 문제 중의 하나는 강자성층의 자화가 자기 쌍극자장(magnetic dipolar field)을 생성한다는 것이다. 이것은 특정 소자 내의 강자성층 간의 정자기적(靜磁氣的)인 상호작용(magnetostatic interaction)을 일으키고, 비휘발성 자기 메모리 어레이(nonvolatile magnetic memory array)용으로 제안되는 MTJ 메모리 셀의 어레이와 같은 MTJ 소자의 한 어레이에서 MTJ 소자 간의 정자기적 상호작용을 일으킨다. 정자기적 상호작용은 MTJ 소자의 단면적이 감소될수록 더 중요해진다. 메모리 응용시에, 이웃하는 MTJ 메모리 셀 간의 정자기적 상호작용은, 각각의 MTJ 메모리 소자의 특성이 이웃하는 MTJ 메모리 요소의 상태에 영향을 받게된다는 것을 의미한다. 이것은 그렇지 않을 때 요구되는 것보다 이웃하는 MTJ 메모리요소가 훨씬 떨어져서 이격되어야 하므로 하나의 어레이 에서의 MTJ 메모리 소자의 기록 밀도(packing density)를 제한할 것이다. MTJ 판독 헤드 응용에 있어서, MTJ 소자 내의 강자성층 간의 정자기적 상호작용은 소자의 성능을 제한한다. 또한 최고의 성능을 얻기 위해 자기 기록 시스템의 데이터 저장 능력이 증가됨에 따라 MR 판독 헤드 내의 자속 감지층(flux sensing layer)의 자화는 단계적으로 감소되어야 한다.

대형 자기저항 (giant magnetoresistance : GMR) 소자의 자기 메모리 어레이 에서, 소자 간의 정자기적 상호작용을 감소시키기 위해서는, 공동원주(空洞圓柱)(hollow cylinders) 또는 공동와셔(hollow washer) 형상의 GMR 소자가 사용되어야 한다는 것이 미국 특허 제 5,477,482호 및 제 5,541,868호에서 제안되었다. MR 판독 헤드에 이러한 방법을 적용하는 것은 불편하다. 더욱이 이 방법은 각각의 자기 소자를 제작하는 것이 상당히 복잡하다. 또한 이러한 소자들은 상당히 대형화되어야 하는데, 이는 공동의 내부를 갖는 소자를 생성하기 위하여 소자가 다수의 최소 면적 리소그래피 스퀘어(lithography squares)를 포함할 것이기 때문이다. 이러한 소자들은 고밀도 메모리 응용에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 소자를 간단히 제조할 수 있는 제어 방법을 사용하여, 강자성층이 순 자기 모멘트를 감소시켜서 MR 판독 헤드 응용시 단일 소자 내의 강자성층들 간 또는 메모리 응용시 MTJ 소자 간의 정자기적 상호작용이 감소될 수 있는 소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 개선된 MTJ 소자로서 특히 자기 기록 시스템 내의 자기 기록 판독 헤드 또는 비휘발성 자기 메모리의 자기 메모리 저장 셀에서 사용하기 위한 것이다. MTJ 소자는 근본적으로 두 개의 강자성층으로 이루어지는데, 하나는 "자화되기 어려운(hard)" 또는 "고정(fixed)" 강자성층이고 다른 하나는 "감지(sensing)" 또는 "자유(free)" 강자성층으로서 이 두개의 층은 얇은 절연 터널링 층에 의해 분리된다. 개선된 MTJ 소자는 적층된 강자성층을 사용하여 얻어지는데, 고정 강자성층과 자유 강자성층 각각은 얇은 비강자성 스페이서 층(spacer layer)을 사이에 두고 서로 반강자성적으로 결합되는 적어도 두 개의 더 얇은 강자성 필름으로 형성된다. 스페이스 층 또는 반강자성 결합층은 재료의 조성과 두께를 고려하여 선택되어, 외부 자기장이 인가되지 않는 경우에 자신을 샌드위치하는 두 개의 강자성 층의 자기 모멘트가 서로에 대해 반평행으로 배열되도록 한다. 고정 강자성 다중층 및 자유 강자성층의 자기 모멘트는 이들 각각을 포함하는 두 개의 강자성 층이 대체로 동일한 자기 모멘트를 가지도록 함으로써 임의로 작은 값이 되도록 선택할 수 있다. 다라서 고정된 강자성 다중층과 자유 강자성 다중층의 각각으로부터의 자기 쌍극자 장(dipole field)이 최소화될 수 있으며, 이에 의해 고정 강자성 다중층 및 자유 강자성 다중층 간의 자기적 상호작용을 감소시킨다. 자기 기록 판독 헤드에 응용하기 위해, 개선된 MTJ 소자는 자기장에 대한 감도를 개선해 왔다. 더욱이, 고정 강자성층은 자기장과 온도변화 모두를 포함하는 외부 교란(perturbation)에 대해서도 더욱 안정성이 있다.그럼으로써, 개선된 MTJ 소자는 자기 기록 시스템이 자기 비트(magnetic bits)를 더 높은 기록 밀도로 저장할 수 있게 한다. 자기 메모리에 응용하기 위하여, 개선된 MTJ 메모리 소자는 이웃하는 소자와의 상호작용을 감소시킴으로써 이러한 소자들의 저장 밀도를 증대시켜 메모리 용량을 증가시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드를 사용하는 종래의 자기 기록 디스크 드라이브의 단순화 블록도.

도 2는 덮개가 개방된 도 1의 디스크 드라이브의 평면도.

도 3은 차폐층과 유도 기록 헤드 간에 위치되는 MR 판독 헤드를 갖는 종래의 유도 기록 헤드 / MR 판독 헤드의 수직 단면도.

도 4a는 본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드의 단면도.

도 4b는 도 4a에 도시되는 MTJ MR 판독 헤드를 구성하는 MTJ 요소의 단면도.

도 5a 내지 도 5c는 세 개의 MTJ 소자에 대한 자기저항 대 자기장의 곡선을 나타내는 도면으로써, 제한된 자기장 범위에 대하여 도 5a는 반평행 결합 고정 강자성층 및 반평행 결합 감지 강자성층이 없는 경우, 도 5b는 반평행 결합 고정 강자성 다중층이 있는 경우, 도 5c는 반평행 결합 고정 강자성 다중층 및 반평행 결합 감지 강자성 다중층이 모두 있는 경우를 각각 도시함.

도 6은 동일한 구조의 자기 저항 대 자기장 곡선을 나타내는 도면으로써 도 5a에 동일한 구조의 반응이 도시되어 있지만 자기장의 범위를 넘어 고정 강자성층을 완전히 재배향(reorient)하기에 충분히 크다는 것을 보여줌.

도 7a는 확장된 자기장의 범위를 넘어 반평행 결합 고정 강자성층을 갖는 MTJ 소자의 자기저항 대 자기장 곡선을 도시함.

도 7b는 제한된 자기장의 범위를 넘어 반평행 결합 고정 강자성층을 갖는 MTJ 소자의 자기저항 대 자기장 곡선을 도시함.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

40 : 자기저항(MR) 센서

100 : MTJ 소자

102,104 : 전기 리드

110 : 제1 전극 다중층 스택

116 : 반강자성층

118 : 고정 강자성 다중층

120 : 절연 터널 장벽층

132 : 자유 강자성 다중층

본 발명의 특징과 이점은 첨부되는 도면을 고려하여 다음의 상세한 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 수 있다.

종래의 기술

본 발명의 MTJ 소자가 자기 기록 디스크 드라이브에서의 MR 센서와 같은 실시예로써 후술되겠지만, 본 발명은 또한 메모리 셀과 같은 기타의 MTJ 응용 및 자기 테이프 기록 시스템과 같은 기타 자기 기록 시스템에도 적용할 수 있다.

도 1을 참조하면, MR 센서를 사용하는 종래 기술 형태의 디스크 드라이브 단면도가 예시되어 있다. 디스크 드라이브는 디스크 드라이브 모터(12) 및 액츄에이터(14)가 장착되는 베이스(10)와 커버(11)를 포함한다. 베이스(10)와 커버(11)는 실질적으로 밀봉된 디스크 드라이브용 하우징을 제공한다. 통상, 베이스(10) 및 커버(11) 사이에 가스켓(13)이 위치하며, 디스크 드라이브의 내부 및 외부 환경 간의 압력을 동일하게 하기 위한 작은 흡입 포트(breather port)(도시되지 않음)가 마련된다. 자기 기록 디스크(16)는 허브(18)에 의해 드라이브 모터(12)에 연결되며, 허브(18)는 드라이브 모터(12)에 의해 부착되어 회전한다. 윤활용 박막(thin lubricant film)(50)이 디스크(16) 상에 마련된다. 판독/기록 헤드 또는 변환기(25)는 공기 베어링 슬라이더(20)와 같은 헤드 캐리어의 후행 단부(trailing end) 상에 형성되어 있다. 변환기(25)는 도 3과 관련하여 기술되는 바와 같이 유도 기록 헤드 부분 및 MR 판독 헤드 부분을 포함하는 판독/기록 헤드이다. 슬라이더(20)는 강체 암(22) 및 서스펜션(24)에 의해 액츄에이터(14)에 연결된다. 서스펜션(24)은 슬라이더(20)가 기록 디스크(16)의 표면 상에 위치하도록 슬라이더(20)를 가해지는 바이어스력(biasing force)을 제공한다. 디스크 드라이브가 동작하는 동안, 드라이브 모터(12)는 일정한 속도로 디스크(16)를 회전시키며, 통상 선형 또는 회전형 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)인 액츄에이터(14)는 대체로 디스크(16)의 표면을 방사상으로 가로질러 슬라이더(20)를 이동시켜 판독/기록 헤드(25)가 디스크(16) 상의 상이한 데이터 트랙을 액세스할 수 있다.

도 2는 커버(11)가 제거된 디스크 드라이브 내부의 평면도로서 슬라이더(20)가 디스크(16) 방향으로 향하도록 슬라이더(20)에 가해지는 힘을 제공하는 서스펜션(24)을 더욱 상세히 예시한다. 서스펜션은 IBM사에 허여된 미국 특허 제 4,167,765호에 개시되어 있는 바와 같이 공지된 와트러스(Watrous) 서스펜션과 같은 통상적인 서스펜션일 수 있다. 또한, 이러한 종류의 서스펜션은 슬라이더가 공기 베어링 상에서 주행할 때 피칭 및 롤링될 수 있도록 해주는 슬라이더의 짐벌형 연결 장치(gimbaled attachment)를 제공한다. 변환기(25)에 의해 디스크(16)로부터 검출되는 데이터는 암(22) 위에 위치하는 집적 회로 칩(integrated circuit chip)(15) 내의 신호 증폭 및 처리 회로에 의해 데이터 복귀 신호로 처리된다. 변환기(25)로부터의 신호는 가요성 케이블(17)을 통해 칩(15)으로 전송되며, 칩(15)은 케이블(19)을 통해 디스크 드라이브 전자 회로(도시되지 않음)로 출력 신호를 전송한다.

도 3은 MR 판독 헤드부 및 유도 기록 헤드부를 포함하는 일체형 판독/기록 헤드(25)의 단면도이다. 헤드(25)는 공기 베어링 표면(air-bearing surface: ABS)과 같은 헤드 캐리어의 감지 표면을 형성하도록 래핑(lapping)된다. 감지 표면 또는 ABS는 위에서 설명한 공기 베어링에 의해 회전 디스크(16)(도 1에 도시됨)의 표면으로부터 이격되어 있다. 판독 헤드는 제 1 및 제 2 갭층(gap layers: G1, G2) 사이에 삽입되는 MR 센서(40)를 포함하는데, 제 1 및 제 2 갭층은 제 1 및 제 2 자기 실드층(magnetic shield layers: S1, S2) 사이에 삽입된다. 전기적 도체(도시되지 않음)가 MR 센서(40)로부터 뻗어 나와(lead out) 칩(도 2의 도면 부호 15)의 감지회로와 연결되며, MR 센서(40)와 갭층(G1, G2) 사이에 위치한다. 따라서, 갭층(G1, G2)은 실드(S1, S2)로부터 전기 리드를 전기적으로 절연시킨다. 통상적인 디스크 드라이브에서, MR 센서(40)는 AMR 센서이다. 기록 헤드는 절연층(I1, I3) 사이에 삽입되는 코일층(C) 및 절연층(I2)을 포함하는데, 절연층(I1, I3)은 제 1 및 제 2 극편 (pole pieces: P1, P2) 사이에 차례로 삽입된다. 갭층(G3)은 자기 갭을 제공하기 위해 ABS에 인접한 극팁(pole tips)에서 제 1 및 제 2 극편(P1, P2) 사이에 삽입된다. 기록 동작 중에, 신호 전류는 코일층(C)을 통해 전도되고 자속은 제 1 및 제 2 극편(P1, P2) 내로 유도되어 ABS에서 극팁을 가로질러 자속의 프린지(fringe)가 생기도록 한다. 이러한 자속은 기록 동작 중에 회전 디스크(16) 상의 원형 트랙을 자화시킨다. 판독 동작 중에, 회전 디스크(16) 상의 자화된 영역은 판독 헤드의 MR 센서(40) 내로 자속을 입사시켜 MR 센서(40) 내의 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 MR 센서(40) 양단의 전압 변화를 검출함으로써 검출된다. 전압 변화는 (도 2에 도시된) 칩(15)과 디스크 드라이브의 전자 회로에 의해 처리되어 사용자 데이터로 변환된다. 도 3에 도시된 결합 헤드(25)는 판독 헤드의 제 2실드층(S2)이 기록 헤드용 제 1 극편(P1)으로 사용되는 "통합형(merged)" 헤드이다. 피기백(piggyback) 헤드(도시되지 않음)에서, 제 2 실드층(S2) 및 제 1 극편(P1)은 별개의 층으로 되어 있다.

AMR 판독 헤드를 갖는 통상적인 자기 기록 헤드에 대한 상기 기술 내용 및 첨부된 도 1 내지 도 3은 단지 설명하기 위한 것이다. 디스크 드라이브는 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며 각각의 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지한다. 또한, 헤드 캐리어는 공기 베어링 슬라이더 대신 액체 베어링 및 기타 접촉식 및 근사 접촉식 기록 디스크 드라이브와 같이 디스크와 접촉 또는 근사 접촉하도록 헤드를 유지할 수도 있다.

바람직한 실시예

본 발명은 고정 및 자유 강자성층으로서의 기능을 갖는 반강자성적으로 결합된 다중층을 갖는 MTJ 소자이다. 하나의 실시예에서, MTJ 소자는 MR 판독 헤드 에 있는 센서이고, 도 3의 판독/기록 헤드의 MR센서(40)를 대신하여 사용된다.

도 4a는 에지가 도 3의 선(42)으로 도시되고 디스크 표면으로부터 바라보는평면을 취한 경우에 나타나는 본 발명의 일실시예에 따른 MTJ MR의 단면도이다. 따라서, 도 4a가 도시된 종이면은 헤드를 구성하는 층들이 보이도록, ABS에 평행하고 MTJ MR 판독 헤드의 실질적인 활동 감지 영역(active sensing region), 즉 터널 접합부를 관통한다. MTJ MR 판독 헤드는 갭층(gap layer) (G1)의 기판(substrate) 상에 형성되는 하부 전기 리드(electrical lead)(102), 갭층 (G2) 아래에 형성되는 상부 전기 리드(104) 및 상하부 전기 리드 사이에 여러층의 스택으로 형성(formed as a stack of layers)되는 MTJ 소자(100)를 포함한다.

MTJ 소자(100)는 제 1 전극 다중층 스택(first electrode multilayer stack)(110), 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier layer)(120), 및 상부 전극 스택(top electrode stack)(130)을 포함한다. 각 전극은 터널 장벽층(120)에 직접 접촉하는 강자성 다중층, 즉 고정 강자성 다중층(118) 및 자유 강자성 다중층(132)을 포함한다.

전기 리드(102) 상에 형성되는 베이스 전극층 스택(110)은 리드(102)상에 시드(seed) 층 또는 템플릿(template) 층(112), 템플릿 층(112) 상의 반강자성 물질층(116), 및 하부(underlying) 반강자성층(116) 상에 형성되고 반강자성층과 교환 결합되는 고정 강자성 다중층(118)을 포함한다. 강자성층(118)은 순 자기 모멘트(net magnetic moment) 또는 자화 방향이 관심 대상이 원하는 범위 내에 자기장이 인가되는 경우에 회전하지 않으므로 고정층이라고 불리운다. 상부 전극 스택(130)은 감지 강자성 다중층(132) 및 다중층(132) 상에 형성되는 보호층(protective layer) 또는 캡층(capping layer)(134)을 포함한다. 감지 강자성 다중층(132)은 반강자성층과 교환결합(exchange coupled)되지 않고, 따라서 순 자기 모멘트 또는 자화 방향은 관심 대상이 원하는 범위 내에 자기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전한다. 감지 강자성 다중층(132)은 자기장이 인가되지 않는 상태에서의 순 자기 모멘트 또는 자화 방향(화살표(133)로 도시됨)이 일반적으로 ABS에 평행하고 고정 강자성 다중층(118)의 자화 방향에 수직하게 배향되도록 제작된다. 터널 장벽층(120)의 바로 아래에 있는 전극 스택(110) 내의 고정 강자성 다중층(118)은 하부 반강자성층(116)과 직접적으로 계면 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 고정되는 자화 방향을 갖는데, 하부 반강자성층(116)은 또한 하부 전극 스택(110)의 일부를 형성한다. 고정 강자성 다중층(118)의 자화 방향은 일반적으로 ABS에 대해 수직하게 즉 도 4a의 종이면 밖으로 나오거나 또는 종이면의 안으로 들어가는 방향으로 배향된다(화살 꼬리(119)로 도시되어 있음). (MTJ 소자의 자기 메모리 응용에 있어서, 고정 강자성층(118) 및 자유 강자성 다중층(132)의 자화 방향은 자기장이 인가되지 않을 경우에 서로에 대하여 평행하거나 반평행하게 배열되고, 자유 강자성 다중층(132)의 자화 방향은 메모리 소자로 가는 기록전류에 의해 자기장이 인가되는 경우에 평행하거나 반평행하게 된다).

도 4b에 도시되는 바와 같이, 강자성 필름(200,225)을 반강자성적으로 결합하여 필름(200,225)의 자기 모멘트가 다른 하나에 대하여 반평행으로 배열되도록 하기 위해, 고정 강자성 다중층(118)은 비강자성(nonferromagnetic) 필름에 의해 분리되는 두 개의 강자성 필름(200,225)의 샌드위치로 구성되어 있다. 적층된 고정 강자성 다중층(118)에 있는 두 개의 강자성 필름(200,225)은 반강자성 결합 필름(210)을 통하여 반강자성 교환 결합하기 때문에 반평행인 자기 모멘트를 갖는다. 두 개의 강자성 필름(200,225)이 반강자성 교환 결합하고 또한 대체로 동일한 두께를 갖도록 만들 수 있으므로, 상기 필름 각각의 자기 모멘트는 서로 상쇄되어 실질적으로 고정 강자성 다중층(118)에는 어떤 순 자기 모멘트가 없게 된다. 따라서 고정 강자성 다중층(118)에 의해 생성되는 자기 쌍극장은 실질적으로 없으므로 감지 강자성층(132)의 자화 방향에 영향을 미치는 자기장도 전혀 없다. 일반적인 증착 공정에서, 각각의 필름을 정확하게 동일한 두께로 정밀하게 형성하는 것은 매우 어렵기 때문에 고정 강자성 다중층(118)의 순 모멘트는 영의 값이 아닌 작은 값이 된다. 그러나 고정 강자성 필름(200,225) 중의 한 필름의 두께를 다른 필름보다 약간 두껍게 증착하여 고정 강자성 다중층(118)에 영이 아닌 작은 값을 가지는 순 자기모멘트가 생기게 하는 것이 바람직하다. 이것은 고정 강자성 다중층(118)의 자화가, 약한 자기장이 인가되는 경우 안정되어 반강자성 교환층(116)의 가열 고정(thermal setting) 중에 고정 강자성 다중층의 자화 방향을 확실하게 예측할 수 있다.

이와 마찬가지로, 강자성층(132)은 얇은 비강자성 필름(260)에 의해 분리되는 두 개의 강자성 필름(245,270)으로 구성되어 있으며, 필름(260)은 두 개의 필름(245,270)의 모멘트를 반강자성적으로 결합한다. 고정 강자성층(118) 내의 필름(200,225) 및 자유 강자성층(132) 내의 필름(245,270)은 적어도 하나의 필름으로 구성될 수 있지만 인접하는 강자성 필름들이 다른 하나에 대하여 강자성적으로 결합될 것이기 때문에 이들 서브필름의 자기 모멘트는 서로 평행하게 정렬되어 있다. 예를 들어, 도 4b에는 강자성 필름(245)이 2개의 서브필름(subfilm)(240,250)으로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 필름(245)의 순 자기 모멘트는 서브필름(240,250)의 자기 모멘트의 합이다. 반대로, 감지 강자성층(132)의 자기 모멘트는 필름(245,270)의 모멘트 차이로 될 것이며, 이것은 필름(245,270)의 자기 모멘트가 반평행(antiparallel) 결합층(260)의 존재로 인하여 서로 반평행하게 정렬되기 때문이다. 각각의 서브필름 i가 두께 t _i 를 갖고 이러한 필름들이 도 4a의 종이면에 대하여 수직한 방향으로 단위 두께를 갖는다고 정의되는 경우, 서브필름 i의 자기 모멘트는 M _i *t _i 이며, 여기서 M _i 는 그 층의 단위 면적 당의 모멘트이다. M _i 는 ABS와 평행하게 배향되는(도 4a의 화살표(133)의 방향) 서브필름의 모멘트의 방향에 따라 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있다. 따라서, 감지 강자성층(132)의 순 모멘트는 M _i 의 부호를 고려한 각 서브필름 또는 필름의 모멘트의 합이 되며, 즉 감지 강자성층의 순 모멘트는 Σ _i M _i *t _i 이다. 자유 강자성층(132)의 순 모멘트는, 반평행 결합층(260)의 존재로 인해 각각의 필름들 또는 서브필름들의 모멘트 계수(modulus)의 합(즉, Σ _i |M _i |*t _i )보다 작다. 이러한 층의 유효 두께는 감지 강자성층의 자기 모멘트와 동일한 자기 모멘트를 가지는 특정 자성 재료의 등가 두께(equivalent thickness)로서 정의될 수 있다. 예를 들어, 퍼멀로이(permalloy)의 등가적인 두께 t ^Py _eff 는 t ^Py _eff =(Σ _i M _i *t _i )/M _Py 로 주어진다. 강자성층(132) 내의 필름(270,245)의 모멘트가 거의 평행하게 정렬된 경우, t ^Py _eff 는 매우 작아질 수 있다.

또한 도 4a에는 감지 강자성 다중층(132)의 자화를 길이방향으로 바이어스시키는 바이어스 강자성층(150), 및 이러한 바이어스 층(150)을 감지 강자성층(132) 및 MTJ 소자(100)의 다른 층들로부터 분리하고 절연시키는 절연층(160)이 도시되어 있다. 바이어스 강자성층(150)은, 자기장이 인가되지 않은 상태에서 감지 강자성 다중층(132)의 자기 모멘트(133)와 동일한 방향으로 정렬되는 자기 모멘트(화살표 151로 도시됨)를 갖는 CoPtCr과 같은 자화시키기 어려운 자성 재료이다. 절연층(160)은 바람직하게는 알루미나(Al ₂ O ₃ ) 또는 실리카(SiO ₂ )이며 바이어스 강자성층(150)을 MTJ(100) 및 전기 리드(102,104)와 전기적으로 절연시키기에 충분한 두께를 갖지만, 감지 강자성 다중층(132)과 정자기적으로 결합(magnetostatic coupling)(점선 화살표 153으로 도시됨)할 수 있을 만큼 충분히 얇다. 감지 강자성 다중층(132) 내의 각각의 자기층은 두께 t _i 및 단위 면적 당 자기 모멘트 M _i 를 갖는다(여기서 상기 면적은 도 4a의 종이면, 즉 ABS에 대해 수직한 면에 있기 때문에, 도 4a의 화살표 133의 방향은 이 평면과 수직임). 따라서 적(product) M _i *t _i 의 합(즉, Σ _i M _i *t _i )으로 정의되는 단위 길이(도 4a의 종이면과 수직함) 당 감지 강자성 다중층의 순 모멘트(M _i 의 방향을 고려함)는 안정된 길이방향 바이어스를 보장하기 위해 바이어스 강자성층(150)의 M _i *t _i 보다 작거나 같아야 한다. 예를 들어, 감지 강자성 다중층(132) 내의 필름들이 자유 강자성 다중층에 사용되는 통상적인 강자성 재료인 퍼멀로이 Ni _(100-x) -Fe _(x) (x는 대략 19임)를 포함하고, 및 바이어스 강자성층(150)이 통상적이고 적합한 자화시키기 어려운 자성 재료인 Co ₇₅ Pt ₁₃ Cr ₁₂ 를 포함하는 경우, 각 퍼멀로이 필름의 단위 면적 당 모멘트는 바이어스 강자성층의 모멘트의 거의 2배이다. 그러므로 바이어스 강자성층(150)의 두께는 최소한 감지 강자성 다중층(132)의 유효 두께 t _eff 의 대략 2배이어야 하며, 여기서 이 경우 t _eff 는 단순히 |t ₂₄₅ -t ₂₇₀ |이다.

감지 전류 I는 하부 전기 리드(102)으로부터 반강자성층(116), 고정 강자성 다중층(118), 터널 장벽층(120), 및 감지 강자성 다중층(132)을 통하여 수직으로 흐르는 상부 전기 리드(104)를 통과하여 흐른다. 상술한 바와 같이, 터널 장벽층(120)을 통하여 흐르는 터널링 전류의 양은 터널 장벽층(120)에 인접하여 접촉하는 고정 강자성 다중층(118) 및 감지 강자성 다중층(132)의 상대적인 자화 배향에 대한 함수이다. 기록된 데이터로부터 나오는 자기장은 감지 강자성 다중층(132)의 자화 방향을 방향(133)에서 멀어지도록, 즉 도 4의 종이면을 향하거나 종이면으로부터 나오는 방향을 향하도록 회전시킨다. 이것은 강자성층(118,132)의 자기 모멘트의 상대적인 배향과 변화에 따른 터널링 전류의 양을 변화시키는데, 이러한 변화의 결과로 MTJ(100)의 전기 저항이 변화한다. 이러한 저항의 변화는 디스크 드라이브 전자 회로에 의해 검출되고 디스크로부터 판독되는 데이터로 처리된다. 전기 절연층(160)은 감지 전류가 바이어스 강자성층(150)에 도달하지 못하도록 하며 바이어스 강자성층(150)을 전기 리드(102,104)로부터 절연시킨다.

이제 MTJ 소자(100)(도 4a 도 4b 참조)에 사용되는 대표적인 재료를 설명한다. MTJ 소자(100)의 모든 층은 자기장이 기판(substrate)의 표면에 평행하게 인가되는 상태에서 성장된다. 자기장은 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis)으로 배향시키는데 사용된다. 먼저 5 nm 두께의 Ta 시드층(seed layer)(도시되지 않음)이 하부 전기 리드(102)로 사용되는 10-50 nm 두께의 Au층 상에 형성된다. 시드층은 면심입방(fcc) Ni ₈₁ Fe ₁₉ 템플릿층(template layer)(112)을 [111] 방향으로 성장을 촉진시키는 재료로 구성된다. 템플릿 강자성층(112)은 반강자성층(116)을 성장시킨다. 적당한 시드층 재료는 Ta 또는 3-5 nm 두께의 Ta/ 3-5 nm 두께의 Al과 같은 층들의 조합뿐만 아니라 Pt, Al, Cu와 같은 fcc 금속들을 포함한다. MTJ 하부 전극 스택(110)은, 10-20 nm 두께의 Au층(102) 상의 Ta시드층 상에 성장되는 4 nm 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 10 nm 두께의 Mn ₅₀ Fe ₅₀ / 3 nm 두께의 Co/0.5 nm 두께의 Ru/ 2 nm 두께의 Co(각각 층(112), (116), 및 층(200), (210), 및 (225)을 포함하는 다중층(118)임)으로 된 스택을 포함한다. Au층(102)은 기판이 되는 알루미나 갭 재료 G1 상에 형성된다. 다음에, 터널 장벽층(102)은 0.5-2 nm 두께의 Al층을 증착시키고 플라즈마 산화시켜 형성되고, 이것은 Al ₂ O ₃ 절연 터널 장벽층(120)을 생성한다. 상부 전극 스택(130)은 4 nm 두께의 Ni-Fe/ 0.5 nm 두께의 Ru/ 3 nm 두께의 Ni-Fe/ 10 nm 두께의 Ta 스택(각각 층(245), (260), 및 (270)을 포함하는 다중층(132), 및 층(134)임)이다. Ta층(134)은 보호 캡층(protective capping layer)으로 제공된다. 상부 전극 스택(130)은 상부 전기 리드(104)인 20 nm 두께의 Au층에 접촉된다.

강자성 필름(200,225,245 및 270) 및 상기 강자성 필름의 반강자성 결합 필름(210,260)용으로 선택되는 재료에 따라서, 강자성 필름들이 반강자성적으로 강력하게 결합되는 바람직한 반강자성적 결합 필름의 두께가 있다. 바람직한 Co/Ru/Co 및 Ni-Fe/Ru/Ni-Fe 조합의 경우에, Ru 반강자성적 결합 필름의 두께는 Parkin 등에 의해 1990년에 Phys. Rev. Lett., Vol. 64, p. 2034에서 기술된 공지의 진동적 결합 관계(oscillatory coupling relationship)로부터 선택될 수 있다. 이러한 진동 관계의 피크들은, 두 개의 Co 또는 Ni-Fe 필름의 반강자성적 결합이 발생하는 두께이며, 2개의 Ni-Fe 필름 내의 자기 모멘트가 바람직하게 반평행으로 정렬되도록 한다. Ni-Fe/Ru/Ni-Fe 조성에 있어서, 최대 반강자성 교환 결합력(greatest antiferromagnetic exchange coupling strength)은 약 10Å보다 작은 두께에서 일어난다. Co/Ru/Co 조합에 있어서, 최대 반강자성 교환 결합력은 약 10 Å보다 작은 두께에서 일어난다. 그러나 반강자성적 결합 필름 두께가 너무 얇아서 필름 내에서 상당히 많은 수의 핀홀이 발생해서는 안되며, 너무 얇은 필름은 자신의 반강자성적 결합력에 영향을 줄 수 있다. 따라서, Ru의 경우에 있어서, 바람직한 두께는 4-8Å 범위 내이다.

전류가 MTJ 소자(100) 내의 층들과 수직하게 흐르기 때문에, MTJ 소자의 저항은 터널 장벽층(120)의 저항에 따라 좌우된다. 따라서, 전도성 리드(102,104)의 단위 면적 당 저항은, 전류가 층과 평행하게 흐르는 종래의 MR 판독 헤드보다 매우 큰 값을 갖는다. 따라서, 리드(102,104)는 종래의 MR 헤드 구조에서 보다 얇고 좁게 또는 얇거나 좁게 만들어질 수 있으며, 합금 또는 원소들의 조합과 같이, 보다 큰 고유 저항을 갖는 재료로 만들어질 수 있다.

중요한 것은 하부 전극 스택(110) 내의 층들이 평탄해야(smooth) 하고, Al ₂ O ₃ 터널 장벽층(120)에는 접합부를 전기적으로 단락시킬 수 있는 핀홀이 없어야 한다는 것이다. 예를 들어, 금속성 다중층 스택에서 매우 높은 자기저항 효과를 생성하는 것으로 알려진 스퍼터링 기술에 의해 성장시키는 것으로 충분하다. MTJ 소자(100)에 있어서, 자기장이 인가되지 않은 상태에서 고정 강자성 다중층(118) 및 감지 강자성 다중층(132)의 자기 모멘트의 방향은 서로 거의 직각을 이룬다. 고정 다중층(118)의 모멘트의 방향은 반강자성층(116)의 교환 이방성 필드(exchange anisotropy field)의 방향에 의해 대부분 결정된다. 감지 다중층(132)의 모멘트의 배향은, 강자성 다중층의 고유 이방성 그 자체와 이층의 형상을 포함하는 다수의 인자에 영향을 받는다. 고정층(118)의 자화 방향에 대해 수직으로 약한 자기장을 인가한 상태에서 감지 다중층을 증착시킴으로써 자유 다중층(132) 내에서 고유 자기 이방성이 유도될 수 있다. 감지 강자성 다중층(132)의 모멘트는 길이방향의 바이어스 강자성층(150)에 의해 적당하게 배향된다. 감지 강자성 다중층(132)의 자기변형(magnetostriction)은 (Ni-Fe 합금층(245,270) 조성을 선택함으로써) 0에 가깝게 되어 제조 공정에서 생기는 다중층 내의 응력이 어떠한 자기 이방성도 유발하지 못하도록 한다.

대안적인 감지 강자성 다중층(132)에 있어서, 강자성 필름(245)은 Ni _(100-x) Fe _x (x는 대략 19임)와 같은 저자기변형 재료로부터 형성되는 강자성 필름(245,270)의 나머지(서브필름(250))와 함께, 필름(245) 및 터널 장벽층(120) 간의 경계면에서 Co 또는 Co _(100-x) Fe _x 또는 Ni _(100-x) Fe _x (x는 대략 60임)로 된 얇은 서브필름(240)을 포함할 수 있다. 얇은 Co 또는 Co _(100-x) Fe _x (x는 20-70의 범위임) 또는Ni _(100-x) Fe _x (x는 대략 60임) 경계면 필름을 갖는 자유 다중층의 이러한 유형의 순 자기변형은, 다중층(132)을 포함하는 강자성 필름의 벌크 조성에 대한 약간의 변화에 의해 0에 접근하도록 배열된다. 대안적인 고정 강자성 다중층(118)의 강자성 필름(225)은, 터널 장벽층(120)을 갖는 경계면에서 Co 또는 Co _(100-x) Fe _x (x는 20-70의 범위 내임) 또는 Ni _(100-x) Fe _x (x는 거의 60임)층으로 된 얇은 서브필름(230)을 갖는 벌크 Ni _(100-x) Fe _x 서브필름(220)으로 주로 구성될 수 있다. Co로, 또는 최대 분극 Ni _(100-x) Fe _x (x는 대략 60임)로 또는 Co _(100-x) Fe _x 합금(x는 거의 50임)을 사용하여 최대 신호를 얻는다. 경계면 층은 약 1-2 nm 두께인 것이 가장 적합하다. 조합된 필름의 순 자기변형은 약간의 조성 변화에 의해 0으로 근접하도록 배열된다. 다중층(118)을 포함하는 필름의 벌크상태가 Ni-Fe인 경우, 벌크상태의 Ni-Fe가 자기변형을 갖지 않기 위한 조성은 Ni ₈₁ Fe ₁₉ 이다.

Fe-Mn 반강자성층(116)은, 고정 강자성층(118) 내의 강자성 재료를 교환 바이어스시키고 Al ₂ O ₃ 장벽층의 저항보다 대체로 작은 저항을 갖는 Ni-Mn층 또는 다른 적절한 반강자성층으로 대체될 수 있다. Ni-Mn에 대한 적당한 시드층(112)은 Ti, W, 또는 Ti-W를 포함한다.

도 5a 내지 도 5c는 반강자성적으로 결합된 고정 및 자유 강자성층을 포함하지 않는 MTJ 소자와 본 발명에 따른 MTJ 소자의 자기저항 응답을 비교한다. 강자성층이 교환 바이어스층(exchange bias layer)과의 상호작용에 의해 고정되는 제한된 범위의 자기장에 대한 데이터만이 표시되어 있다. 도 5a는 Si/ 50Å 두께의 Ta/ 150Å 두께의 Al/ 40Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 100Å 두께의 Mn ₄₆ Fe ₅₄ / 36Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 15Å 두께의 Co/ 120초동안 산화시킨 12Å 두께의 Al/ 100Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 200Å 두께의 Al 형태의 구조에 대한 저항 대 자기장 곡선을 도시하는데, 여기서 고정 강자성층은 단일 강자성층(알루미나 터널 장벽에서 Co 인터페이스층을 포함함)이고 자유 강자성층은 단일 강자성층이다.

도 5b는 단지 고정 강자성층이 30Å 두께의 Co/ 7Å 두께의 Ru/ 25Å 두께의 Co로된 반강자성적으로 결합된 다중층인 것을 제외하고는 도 5a와 유사한 MTJ 소자의 자기저항 응답을 도시한다. 고정 강자성층의 유효 자기 모멘트는, 도 5a 내의 구조의 고정 강자성층의 모멘트의 7분의 1정도로 작은 단지 약 5Å 두께의 코발트의 자기 모멘트와 동일하다. 도 5a에 있어서 MTJ 소자의 저항이 양의(positive) 약한 자기장과 비교하면 음의(negative) 약한 자기장에서 보다 높은 반면, 도 5b에 있어서 자기저항 응답은 이와 반대이며 저항은 양의 약한 자기장에서 보다 높다. 이러한 결과는 고정 강자성층이 실제로 반강자성적으로 결합되는 Co/Ru/Co 샌드위치로 형성된다는 것을 나타낸다. 설계상 하부 Co 필름(200)이 조금 더 두꺼운 두께(25Å에 대해 30Å)로 인하여 상부 Co 필름보다 조금 더 큰 자기 모멘트를 갖고, 하부 Co 필름이 MnFe 교환 바이어스층(116)과 접하기 때문에, 하부 Co 필름(200)의 모멘트는 MnFe층(116)의 교환 바이어스 자기장의 방향으로 고정된다(도 5a의 양의 자기장 방향). 따라서, 상부 Co 필름(225)의 모멘트는 음의 자기장 방향으로 고정되는데, 상부 Co 필름(225)이 Ru 스페이서 층(spacer layer)(215)을 경유하여 교환 결합에 의해 하부 Co 필름(200)과 반강자성적으로 결합되기 때문이다. 따라서 양의 약한 자기장에 있어서, 회전이 자유롭고 인가되는 자기장의 방향을 따르는, 자유 강자성층(132)의 모멘트는 양의 자기장 방향을 따라 배향되고, 따라서 고정 강자성층(118)의 상부 Co 필름(225)의 모멘트에 반대 방향이다. 따라서 MTJ 소자의 저항은 높다. 인가되는 자기장의 방향이 전도되어 약간 음의 값이 되면, 감지 강자성층(132)의 모멘트는 음의 자기장 방향을 따라 배향되고 상부 Co 필름(225)의 모멘트에 대해 평행하게 된다. 따라서 MTJ 소자의 저항은 감소된다.

도 5c는 본 발명에 따른 구조의 자기저항 응답을 도시하며, 자유 강자성층이 반강자성적으로 결합된 40Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 7Å 두께의 Ru/ 30Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ 샌드위치로 구성되는 것을 제외하고는 도 5b에 도시된 구조의 응답과 유사한 구조의 자기저항 응답을 도시한다. 자기저항 응답 곡선은 도 5b의 자기저항 응답 곡선과 유사하다. 특히 MTJ의 저항은 양의(positive) 약한 자기장에서 높다. 그러나, 자기저항 응답 곡선의 형태는 도 5b와는 명확하게 구별될 수 있다. 특히 곡선이 더 이상 대략 0인 자기장을 중심으로 위치하지 않지만 양의 약한 자기장 쪽으로 전위(shift)된다. 이러한 전위는, 감지 강자성층(132) 및 고정 강자성 다중층(118) 간의 반강자성 결합이 감소된 것과 일치하며, 또한 이는 이들 층 간의 정자기적 결합이 감소하는 것과 일치한다. 도 5c에 있어서 자유 강자성층의 유효 두께는 퍼멀로이와 거의 같은 10Å인데, 이러한 유효 두께는 MTJ 소자의 자기저항의 크기에 실질적인 영향이 없는 도 5a 및 도 5b의 자유 강자성층의 두께의 10분의 1 정도로 작은 것이다. 고정 강자성층 및 자유 강자성층 간의 정자기적 결합은 이러한 층들의 자기 모멘트에 직접 비례하므로, 고정 및/또는 자유 강자성층에서 반평행 결합층을 사용하는 것은 이러한 층들 간의 정자기적 결합을 대체로 감소시킨다.

반평행 결합된 고정 강자성층(118)의 다른 장점은 반강자성층(116)에 의해 제공되는 교환 바이어스 자기장의 크기가 효과적으로 증가하는 것이다. 이것이 하나의 반평행 결합된 고정 강자성층만을 갖는 구조의 단순한 경우에 대하여, 도 6 및 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 도 6은 고정 강자성층을 완전히 재배향시킬 수 있을 만큼 충분히 큰 범위의 자기장에 대해 도시된 것을 제외하면 도 5a와 동일한 실시예에 대한 자기저항 대 자기장의 곡선을 도시한다. 이러한 데이터는 증착 후 후속 어닐링 열처리가 없는 증착(as-deposited) 구조에 대한 것이다. 고정 강자성층의 교환 바이어스 자기장은 대략 130 Oe이고 상당한 보자력(약 70 Oe)을 갖는다. 도 7a는 Si/ 200Å 두께의 Al/ 40Å 두께의 Ni ₈₁ Fe ₁₉ / 100Å 두께의 Mn ₄₆ Fe ₅₄ / 30Å 두께의 Co/ 7Å 두께의 Ru/ 25Å 두께의 Co/ 120초 동안 산화된 12Å 두께의 Al/ 100Å 두께의 Ni ₄₀ Fe ₆₀ / 200Å 두께의 Al의 형태로 된 구조를 갖는 반강자성적으로 결합된 고정 강자성 다중층(118)을 포함하는 MTJ의 자기저항 대 자기장 곡선을 도시한다. 도 5b 및 도 5c에 도시된 응답을 갖는 구조의 반평행 결합 다중층에 유사한 반평행 결합 다중층 30Å 두께의 Co/ 7Å 두께의 Ru/ 25Å 두께의 Co를 포함하는 고정 강자성 다중층을 완전히 재배향시키는 데 약 6,000 Oe이상의 매우 큰 자기장이 필요하다. 이러한 자기장이 도 5a의 구조의 고정 강자성층을 재배향시키는 데 필요한 자기장보다 훨씬 크다는 것이 명백하다. 이것이 반강자성적으로 결합된 다중층(118)을 사용하는 중요한 장점이다. 반강자성층(116)에 의해 제공되는 유효 교환 바이어스 자기장이 인자 {t ₂₂₅ +t ₂₀₀ }/｜t ₂₂₅ -t ₂₀₀ ｜에 의해 상당히 강화되는데, 여기서 t ₂₂₅ 및 t ₂₀₀ 은 다중층(118)의 각 필름의 두께를 나타낸다. 이것은 또한 도 7b에 도시된 바와 같이, 도 7a의 MTJ 소자의 응답을 보다 제한된 자기장 범위에 걸쳐서 점검하여 도시된다. 도 7b는 7a의 소자와 동일한 소자의 저항 대 자기장 곡선을 +/-200 Oe의 범위에 걸쳐서 도시한 것이다. MTJ 소자는 고정 강자성층의 어떠한 재배향에 대해서도 증거가 없다는 것에 대항하는 매우 명백한 단계를 제시한다. 반평행 결합 고정 강자성층 및 자유 강자성층 내에서 필름의 자기 모멘트에 대한 상태가 도 7a 내지 도 7b에서 화살표에 의해 개략적으로 표시되어 있다.

자유 강자성층이 반평행방식의 다중층인 구조에 대해서도 반평행 결합 고정 강자성 다중층을 사용하여 고정 강자성층의 교환 바이어스과 유사하게 개선시킬 수 있다.

본 발명에서 반평행 결합 고정 강자성 다중층(118)은 반강자성층(116)의 표면 상에 직접 증착된다. 층(116)은 결정학적으로 일치하는 템플릿층(crystallographically conforming template layer) 상에 스스로 성장한다. 이와는 대조적으로, 필름(245)(또는 서브필름(240))은, 비결정질(amorphous)이면서도 양호하게 정의되는 어떤 결정학적 구조도 갖고 있지 않은 터널 장벽층(120) 상에 성장된다. 그러므로 층(245)의 결정질은 터널 장벽층(120)의 반대측 상의 고정 강자성 다중층(118) 내부에 있는 상기 층의 결정질과는 관계가 없다. 이와 유사하게 비결정질이고 절연성인 터널 장벽층(120)의 평평성은 MTJ 소자의 나머지 부분이 형성되는 박막 금속성 층과는 매우 상이하다. 그러므로 본 발명 이전에는, 반평행 결합 자유 강자성 다중층을 성장시키는 것이 극단적으로 얇고 평평한 반강자성적 결합 필름(260)의 성장을 요구하기 때문에 가능한지 여부가 불분명하였다.

다중층을 포함하는 필름이 비교적 두껍다면, 터널링 장벽층(120)의 표면 상에 반평행 결합 자유 강자성 다중층을 성장시키는 것이 강화될 수 있다고 여긴다. 이것은 스퍼터링으로 증착되는 얇은 금속성 필름은 일반적으로 대략 얇은 필름 두께의 결정 입자 크기를 갖는 다결정질이다. 반강자성 결합 필름의 사용은 고정 및 자유 강자성 다중층에 필름의 사용을 가능하게 해주는데, 이 다중층은 동일한 응용에 대해, 반자성적 결합 필름이 없는 단일 고정 또는 단일 자유 강자성 필름의 두께가 더 두껍다. 그러므로 반강자성 결합 방식 필름의 사용은 다중층에 필름 두께의 선택에 있어 상당한 유연성을 부여하여 필름의 물리적 성질을 부가적으로 제어하는 것을 가능하게 해준다. 특히 비교적 두꺼운 고정 강자성층이 사용되어 교환 바이어스 층이 증착될 수 있는 적절하게 일치하는 층을 성장시킬 수 있도록 해주지 않으면 먼저 증착되는 감지 강자성층 및 터널 장벽층의 표면에 증착되는 교환 바이어스된 고정 자성층을 가지는 전도된 자기 터널 접합 구조(inverted magnetic tunnel junction structure)를 성장시키기 어렵다. 50Å 두께의 퍼말로이와 같은 얇은 고정 강자성층으로써, 예를 들면 MnFe 층을 갖는 매우 작은 교환 바이어스(exchange bias)가 얻어진다. 그러나 반강자성적 결합 필름은 다중층에서 매우 두꺼운 필름을 사용할 수 있게 하는데, 이 필름은 적당한 콘포밍 템플릿 층이 되며 교환 바이어스 자기장이 합리적인 값으로 생기게 한다. 이러한 이유로 도 4b에서 도시되고 기술되는 MTJ 소자는 MTJ 소자의 하부 상에 고정 강자성 다중층(118)을 갖는데 반해, 본 발명의 소자는 자유 강자성 다중층(132)을 먼저 증착하고 다음으로 터널 장벽층(120), 고정 강자성 다중층(118) 및 반강자성 교환 바이어스층(116)을 증착하여 또한 형성할 수도 있다. 다음으로 이러한 MTJ 소자는 도 4b에 도시되는 MTJ 소자로부터 본질적으로 전도되는(inverted) 층을 갖는다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부 사항을 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명은 단지 예시에 불과하고 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한된다.

본 발명의 고정 강자성층 및 자유 강자성층이 개선되는 자기 터널 접합 소자는 메모리 소자 간의 정자기적 상호작용을 감소시킴으로써 저장 밀도의 증대가 가능하게 되어 메모리 용량을 증가시킬 수 있다.