KR0136073B1 - 자기 저항 효과 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연자기 특성이 양호한 스핀 밸브 구조의 막 또는 인공격자막을 가지고, 고감도의 자기 헤드에 적용할 수 있는 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기판상에 Co, Fe, 및 Ni로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 2종류의 원소를 주성분으로 하는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막을 차례로 적층하여 구성되는 적층막을 구비하고, 2개의 상기 강자성막이 비결합이고, 상기 강자성막의 최치밀면이 막면 수직 방향으로 배향되어 있는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

또, 본 발명은 기판상에 형성되어 있고, 상기 강자성막과 비결합인 고저항성막과 상기 고저항성막상에 형성되어 있고, 5층 이하의 적층막으로 구성되는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어 구성되는 적층막을 구비하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

Description

자기 저항 효과 소자

제1도는 종래의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 사시도.

제2도는 종래의 자기 저항 효과 소자의 R-H커브.

제3도, 제10도 및 제 17도는 본 발명의 자기 저항 효과 소자(스핀 밸브 구조)를 도시하는 단면도.

제4도는 제3도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율의 외부 자계 의존성을 도시하는 그래프.

제5도는 제 3도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선을 도시하는 그래프.

제6도는 본 발명의 제 1의 발명의 자기 저항 효과 소자(인공격자막)의 한예를 도시하는 단면도.

제7도는 제6도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율의 외부 자계의존성을 도시하는 그래프.

제8도는 Co₉₀Fe₁₀막의 Cu하지막이 있는 경우의 보자력의 막두께 의존성을 도시하는 그래프.

제9도는 Co₉₀Fe₁₀막의 Cu하지막이 없는 경우의 보자력의 막두께 의존성을 도시하는 그래프.

제11(A)도는 사파이어 기판 C면에 있어서의 θ-2θ스캔 X선 회절 곡선.

제11(B)도는 사파이어 기판 R면에 있어서의 θ-2θ스캔 X선 회절 곡선.

제12도는 Co₉₀Fe₁₀막/ Cu막/사파이어 기판 C면에 있어서의 최밀면 피크에 관한 록킹 커브.

제13도는 Co₉₀Fe₁₀막에 있어서의 보자력의 최밀면 반사에서의 록킹 커브 반치폭 의존성을 도시하는 그래프.

제14도는 (Co₉₀Fe₁₀)_1-XAl_X막/Cu막에 있어서의 보자력의 Al농도 ×의존성을 도시하는 그래프.

제15도는 (Co₉₀Fe₁₀)막/Cu막에 있어서의 보자력의 최밀면 반사 강도 의존성을 도시하는 그래프.

제16도는 (Co₉₀Fe₁₀)_1-XTa_r막/Cu막에 있어서의 보자력의 Ta농도×의존성을 도시하는 그래프.

제18도 및 제24도는 본 발명의 제3의 발명의 자기 저항 효과 소자를 표시하는 단면도.

제19도는 제18도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 용이축 방향의 M-H커브.

제20도는 제18도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 곤란축 방향의 M-H커브.

제21도는 제18도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 R-H커브.

제22도는 고저항 아모퍼스층을 형성하지 아니한 자기 저항 효과 소자의 용이축 방향의 M-H커브.

제23도는 고저항 아포퍼스층을 형성하지 아니한 자기 저항 효과 소자의 곤란축 방향의 M-H커브.

제25(A)∼제25(C)도는 본 발명의 제3의 발명의 자기 저항 효과 소자의 다른 예의 제조과정을 도시하는 단면도.

제26도는 본 발명의 제3의 발명의 자기 저항 효과 소자의 다른예를 도시하는 사시도.

제27도, 제28도는 본 발명의 제4의 발명의 자기 저항 효과 소자의 예를 도시하는 단면도.

제29도는 제28도에 도시하는 자기 저항 효과 소자에 있어서 △ρ/ρ₀와 d_CoFe와의 관계를 표시하는 그래프.

제30도는 본 발명의 제5의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 단면도.

제31도는 본 발명의 제5의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 단면도.

제32도 및 제33도는 본 발명의 제6의 발명의 자기 저항 효과 소자에 있어서의 보자력의 강자성막의 막두께 의존성을 도시하는 그래프.

제34도는 본 발명의 제6의 발명의 자기 저항 효과 소자의 강자성막의 자화 곡선.

제35도는 본 발명의 제7의 발명의 적층 주기 의존성을 도시하는 그래프.

제36도는 본 발명의 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자의 강자성막에 있어서의 포화 자계 Hs와 Cu막두께와의 관계를 표시하는 그래프.

제37도는 본 발명의 제7의 발명의 자화곡선을 도시하는 도면.

제38도 및 제46도는 본 발명의 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 단면도.

제39도는 층상의 CoFe를 모식적으로 도시하는 구조도.

제40도는 제38도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선.

제41도는 제38도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제42도는 종래의 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선.

제43도는 종래의 자기 저항 효과 소자의 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제44도는 본 발명의 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자의 Cu하지막을 가지는 강자성막에 대한 자화 곡선.

제45도는 본 발명의 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자의 Cu하지막을 가지는 강자성막에 대한 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제47도는 제46도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선.

제48도는 제46도에 도시하는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제49도는 막내의 흔들림을 설명하는 개략도.

제50(A)도는 MgO110면 기판상 Co₉₀Fe₁₀/Cu 인공격자막의 소각 반사의 X선 회절 곡선.

제50(B)도는 MgO110면 기판상 Co₉₀Fe₁₀/Cu 인공격자막의 증각 반사의 X선 회절 곡선.

제51(A)도는 제50도에 있어서의 fcc(220)반사에 관한 110축방향으로부터 측정한 록킹 커브.

제51(B)도는 제50도에 있어서의 fcc(220)반사에 관한 110축방향으로부터 측정한 록킹 커브.

제52(A)도는 결정 배향면의 흔들림에 의한 결정 배향면의 법선의 면내 분포를 도시하는 개략도.

제52(B)도는 저항 변화율의 센스 전류 방향 의존성을 도시하는 개략도.

제53(A)도는 Cu5.5nm/(Cu1.1 nm/CoFe 1 nm)₁₆인공 격자막의 외부 자계[100]축방향의 자화 곡선.

제53(B)도는 Cu5.5nm/(Cu1.1 nm/CoFe 1 nm)₁₆인공 격자막의 외부 자계110축방향의 자화 곡선.

제54도는 MgO110면 기판상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀/Cu 적층막의 저항변화율의 바이어스 전압 의존성을 도시하는 그래프.

제55도는 fcc상{111}면 배향한 Co₉₀Fe₁₀/Cu 적층막에 적층 결함이 도입된 경우의 개념도.

제56도는 fcc상{111}면 배향한 Co₉₀Fe₁₀/Cu 적층막에 적층 결함이 도입된 경우의 원자배열을 도시하는 개념도.

제57도는 fcc상{111}면 배향한 Co₉₀Fe₁₀/Cu 적층막에 쌍정(雙晶) 결함이 도입된 경우의 원자 배열을 도시하는 개념도.

제58도는 제57도에 도시하는 상태에 있어서의 저항 변화율의 센스 전류 방향 의존성을 도시하는 개략도.

제59도는 유리기판상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀/Cu인공격자막의 저항 변화율의기판 바이어스 의존성을 도시하는 그래프.

제60도는 유리기판상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀/Cu인공격자막의 장주기 구조반사 강도의 바이어스 의존성을 도시하는 그래프.

제61도는 유리기판상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀/Cu인공격자막의 fcc상{111}면 반사 강도의 바이어스 의존성을 표시하는 그래프.

제62도는 유리기판상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀/Cu인공격자막의 보자력의 바이어스 의존성을 표시하는 그래프.

제63도 내지 제68도는 본 발명의 제8의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 사시도.

제 69도는 본 발명의 제8의 발명의 자기 저항 효과 소자의 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제70도 및 제71도는 본 발명의 제12의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 사시도.

제72도, 제73(A)도 ∼제73(C)도, 제74도는 본 발명의 제10의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 사시도.

제75도는 본 발명의 제10의 발명의 자기 저항 효과 소자의 적층막의 저항 변화 특성을 도시하는 그래프.

제76도는 본 발명의 제12의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 사시도.

제77도는 본 발명의 제12의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 단면도.

제78도, 제84도 및 제85도는 본 발명의 제13의 발명의 자기 저항 효과 소자를 도시하는 단면도.

제79도는 Co/Cr적층막의 X선 회절 패턴.

제80도는 기판 온도 약 100℃에서 성막한 본 발명의 제13의 발명의 적층막의 R-H커브.

제81도는 기판 온도 약 200℃에서 성막한 본 발명의 제13의 발명의 적층막의 R-H커브.

제82도는 패턴폭 방향을 용이축으로 한 경우의 본 발명의 제13의 발명의 적층막의 R-H커브.

제83도는 하지막을 형성하지 아니한 경우의 본 발명의 제13의 발명의 적층막의 R-H커브.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,20,50,90,100,101,120,130,160: 기판

11,21,71: Co₉₀Fe₁₀막12,22,23,70: Cu막

13: FeMn막14: Ti막

30,41: 지지기판

32,44,83,85,91,93,103,105,107,112,114,116,118,121,123,132,134,136,153,162,164: 강자성막

36,81,101,151,152: 하지막

52,84,87,88,92,104,122,133,135,154,161,163: 비자성막

53,82,94,102,107,108,111,119,124,131,137,156,165:반강자성막

55,62,86,96,109,125,138:전극단자

95: 경질자성막

97: 절연막

150,160,166: 열산화 Si기판

154, 157, 166: 보호막

159,168,170,171,173: 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자

161: 고저항 강자성막

169: 고저항 반강자성막

본 발명은 자기 헤드등에 사용되는 자기 저항 효과 소자에 관한 것이다.

대체로, 자기 기록 매체에 기록된 정보를 독출할 경우 코일을 지니는 판독용의 자기 헤드를 기록 매체에 대하여 상대적으로 이동시켜서 그때에 발생하는 전자 유도로 코일에 유기되는 전압을 검출하는 방법에 의하여 행하여진다. 또, 정보를 독출할 경우에 자기 저항 효과형 헤드를 사용하는 일도 알려져 있다(IEEE MAG-7,150(1971)). 이 자기 저항 효과형 헤드는 어떤 종류의 강자성체의전기저항이 외부자계의 강도에 따라서 변화한다는 현상을 이용한 것이고, 자기 기록 매체용의 고감도 헤드로 알려져 있다. 근래, 자기 기록 매체의 소형화·대용량화가 진행되고 정보 판독시의 판독용 자기 헤드와 자기 기록 매체와의 상대 속도가 작아지고 있으므로, 작은 상대 속도일지라도 큰 출력을 낼 수 있는 자기 저항 효과형 헤드에 기대가 높아지고 있다.

종래, 자기 저항 효과형 헤드에 있어서 외부 자계를 감지하여 저항이 변화하는 부분(이하 MR소자라 부른다)에는 NiFe합금(이하, 퍼멀로이라 칭한다)이 사용되고 있다. 퍼멀로이는 양호한 연자기 특성을 지니는 것이라도 자기 저항 변화율이 최대에서 3%정도이고 소형화·대용량화된 자기 기록 매체용의 MR소자에 사용될 경우에는 자기 저항 변화율이 불충분하다. 이 때문에 MR소자 재료로서 보다 고감도의 자기 저항 변화를 나타내는 것이 요망되고 있다.

근래, Fe/Cr이나 Co/Cu와 같이 강자성 금속막과 비자성 금속막을 어떤 조건으로 서로 적층하여 이루어지는 다층막, 이른바 인공격자막에는 인접하는 강자성막사이의 반강자성적 결합을 이용하여 거대한 자기저항 변화가 나타나는 것이 확인되고 있고 최대 100%를 초과하는 큰 자기 저항 변화율을 나타내는 것도 보고되고 있다(Phys. Rev, Lett., Vol.61, 2472(1998))(Phys. Rev, Lett, Vol. 64, 2304(1990)).

한편, 강자성막이 반강자성 결합을 하지 않을 경우에도 인접하는 강자성막간의 반강자성적 결합을 사용하지 않고 다른 수단으로 비자성막을 끼운 2개의 강자성막의 한쪽에 교환 바이어스를 미치고 자화를 고정해 두고 또 한쪽의 강자성막이 외부 자계에 의하여 자화 반전함으로써 비자성층을 끼고 서로 반평행의 상태를 만들어내고 큰 자기 저항 변화를 실현한 예도 보고되어 있다. 이러한 타입을 여기서는 스핀밸브 구조라 부른다(Phys. Rev, B., Vol. 45806(1990))(J. Appl, Phys, Vol, 69, 4774(1991)).

인공격자막, 스핀 밸브 구조의 막의 어느 것이나 강자성막의 종류에 따라서 다층막의 저항 변화 특성 및 자기 특성은 상당히 상이하다. 예컨대, 스핀밸브 구조로 Co를 사용하였을 경우, Co/Cu/Co/FeMn에서는 8%의 큰 저항 변화율이 발생하지만 보자력이 약 20에르스텟으로 높고 연자기 특성이 양호하지 않다. 반대로 퍼멀로이를 사용하였을 경우, NiFe/Cu/NiFe/FeMn에서는 보자력이 1에르스텟 이하의 양호한 값이 보고되고 있으나 저항 변화율이 4%정도로 크지는 않다(J, Al. Phys., Vol, 69, 4774(1991)). 이와 같이 적층막의 연자기 특성은 양호하나 저항 변화율이 저하한다. 따라서, 연자기 특성 및 저항 변화율의 양쪽을 만족시키는 적층막의 구성 원소 및 막구조가 아직 보고되어 있지 않다.

또, 2개의 타입 막에는 아래와 같은 문제점이 있다.

인공격자막에서 자계 렌즈를 무시한 저항 변화율 △R/R은 스핀 밸브형에 비해서 크지만 반강자성 결합이 크기 때문에 포화 자계 Hs가 커서 연자기성에 곤란한 점이 있고, 더욱이 이 RKKY적인 반강자성 결합은 계면 구조에 민감하므로 안정된 성막이 곤란하고, 또한 경시 변화가 생기기 쉽다.

스핀 밸브 구조의 막에서는 강자성막에 NiFe막을 사용하면 양호한 연자기 특성을 얻을 수 있으나 강자성막과 비자성막의 계면이 둘이므로 △R/R는 인공격자막에 비하여 작다. 이 계면의 수를 늘이기 위하여 강자성막, 비자성막, 반강자성막으로 이루어지는 적층막을 구성해도 이 적층막중에 저항이 높은 반강자성막이 존재하게 되므로 스핀의존 산란이 억제되고 결국△R/R의 증가는 기대할 수 없다.

또, 자기 헤드의 적합한 강자성막의 곤란축 방향으로 신호 자계를 가한 경우 한쪽측만의 강자성막이 자화가 회전하므로 제1도에 보이는 바와 같이 신호 자계에 의하여 반강자성막(1)상의 강자성막(2)과, 비자성막(3)위의 강자성막(4)의 자화가 이루는 각도를 약90°까지밖에 변화시키지 못한다. 도, 용이축방향에서는 180°까지의 각도 변화가 생긴다. 그결과, △R/R은 용이축 방향의 약 절반으로 감소한다. 여기서 설사 반강자성막(1)위의 강자성막(2)의 교환 바이어스 자계를 어떠한 방법으로 약하게 하여 양쪽의 강자성막(2), (4)의 자화 회전을 이용할 수 있도록 하였을 경우 비자성막(3)의 막두께를 얇게 하여 저항 변화율의 증대를 노리면 두개의 강자성막 사이에 페로적인 결합이 작용하므로 신호 자계 0의 상태에서는 강자성막 사이의 자화는 같은 방향을 향한다. 그 결과 신호자계에 의하여 자화 회전하여도 두개의 강자성막 사이에서의 자화의각도 변화가 근소하게 되어 저항 변화가 근소하게 된다.

또한, 이 비자성막의 막두께를 얇게한 경우에 작용하는 두개의 강자성막 사이의 페로 결합은 투자율의 열화를 생기게 하는 문제도 있다. 또 자기 특성이 양호한 NiFe막에서는 통상의 이방성 자기 저항 효과가 있으나 센스 전류를 신호 자계와 직행하는 방향으로 흘리는 방식에서는 제2도에 보이는 바와 같이 신호 자계 0에서 두개의 강자성막의 자화가 같은 방향으로 나란히 있는 상태에서 신호 자계에 의한 이방성 자기 저항 효과와 스핀 의존 산란에 의한 저항 변화가 서로 사라진다.

인공 격자막과 스핀 밸브 구조막의 공통적 문제로서는 첫째로 자기 헤드에 있어서 고감도를 얻기 위해서는 공급하는 전류를 가급적 증가시킬 필요가 있다. 이 경우 양자의 막 모두 일부의 강자성막이 이 전류가 만드는 자계에 의하여 자화의 방향이 흐트려져서 자계에 대한 고감도의 저항 변화를 방해한다. 구체적으로는 적층막의 최상층, 최하층 근방에서는 자화가 전류 자계 방향을 향하기 쉬우므로 전류 자계가 강하다.

둘째로, 벌크 하우젠 노이즈 억제나 동작점 바이어스등의 자기 헤드에 적용하는데 있어서 해결해야할 중요한 문제가 있다.

이상과 같이, 스핀 의존 산란을 이용한 인공격자막이나 스핀 밸브 구조의 막을 지니는 자기 저항 효과 소자로는 고감도에 불가결한 대전류 투입시에도 양호한 연자기 특성을 나타내며 서로 큰 저항 변화율 △R/R을 나타내지 못하는 것이 현재 상태이다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 연자기 특성이 양호한 스핀 밸브 구조의 막 또는 인공격자막을 가지고 고감도의 자기 헤드에 적용할 수 있는 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1의 발명은 기판상에 Co, Fe 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소를 주성분으로 하는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막을 차례로 적층하여 이루어지는 적층막을 구비하고, 2개의 상기 강자성막이 비결합이고, 상기 강자성막의 최치밀면(最緻密面)이 막면 수직 방향으로 배향하고 있는 자기 저항 효과 소자를 제공한다. 특히, Co_1-XFe_X(0x0.4)의 상기 강자성막이고 △R/R이고, 또한 Hc를 표시하는 것이 좋다.

제1의 발명에 있어서, 2개의 강자성막이 비결합이라는 것은 2개의 강자성막 사이에 반강자성적 교환 결합이 실질적으로 존재하지 않음을 의미한다. 최치밀면이란 fcc상의 경우는 {111}면을 hcp의 경우는 (001)면을 뜻한다.

제1의 발명에 있어서 상기 강자성막의 최치밀면을 막면 수직 방향으로 배향시키는 방법으로서는 상기 강자성막의 재료에 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au 및 Ag로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 첨가하는 방법(저항 변화율 저하가 거의 없는 Pd, Cu, Au, Ag가 특히 유망)과, 강자성막을 형성하는 기판으로서 사파이어 기판의 C면등을 사용하는 방법 및 기판과 강자성막과의 사이에, ①Cu, Ni, CoNi, NiFe, NiO, Ge, Si, GaAs등의 fcc격자를 갖는 재료, ②Ti, ③ CoZrNb, CoHfTa등의 자성 비정질 금속, ④비자성 비정질 재로로 구성되는 군에서 선택된 하지막을 형성하는 방법등을 들 수 있다. 다시 상세히 하지막의 구체적 예를 설명하면 예컨대, Co계 강자성막에 있어서 Co₉₀Fe₁₀막으로 대표되는 fcc상을 지니는 강자성막을 사용할 경우에는 Cu계, Au계, Pt계, Pd계, Ag계, Rh계, Mn계, Pb계 등의 fcc상을 지니는 금속계, 또는 이들 fcc상을 지니는 금속을 주성분으로 하는 합금계, Ge, Si, 다이아몬드등의 다이아몬드 구조를 지니는 재료와, GaAs, Ga-Al-As, Ga-P, In-P등의 섬(閃)아연광형 구조를 지니는 재료등이 거론되고 이들중에서 선택된 적어도 1종류를 주성분으로 하는 재료, 또는 거기에 다른 원소를 첨가한 재료등을 사용할 수 있다. 상기한 재료중 단원소 금속이외의 물질은 그 자신 이미 강자성막과 비교하여 충분히 비저항이 높기 때문에 션트 분류분의 전류를 억제하는 효과를 지니고 있다. 또 단원소 금속에의 타원소의 첨가에 의한 비저항의 증가는 여러가지 조합이 존재하나 Cu-Ni, Cu-Cr, Cu-Zr등으로 대표되는 Cu기 합금 Au-Cr, Fe-Mn, Pt-Mn, Ni-Mn등의 합금이 그중의 일예로 들 수 있다. 또 하지막을 2층이상의 적층 구조로서 사용할 경우에는 적층막의 막두께로서 100nm를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

여기서, fcc를 갖는 비자성 금속으로서는, Al-Cr, Al-Dy, Al-Ga-Mg, Al-Si등으로 대표되는 Al계 합금 Au-Dy, Au-Pb-Sb, Au-Pd-Si, Au-Yb등으로 대표되는 Au계 합금, Be-Ti, Be-Ti-Zr, Be-Zr등의 Be계 합금, Cu-Ge-Zr, Cu-P, Cu-P-Pd, Cu-Pd-Si, Cu-Si-Zr, Cu-Ti, Cu-Sn, Cu-Ti-Zr, Cu-Zr등으로 대표되는 Cu계 합금, Ge-Nb, Ge-Pd-Se등으로 대표되는 Ge계 합금, Pd-Si, Pd-Zr등으로 대표되는 Pd계 합금등을 들 수 있다.

비자성 비정질 재료로서는 비자성의 단원소 금속이나 합금 및 비금속을 첨가물로 함유하는 것 등의 비자성 금속 재료나 수소화 Si와 같은 비정질 Si, 수소화 카본, 유리모양 탄소, 흑연모양 탄소등의 비정질 카본 등의 비자성 비금속 재료등을 들 수 있다.

상술한 바와 같은 하지막의 막두께는 특히 한정되는 것은 아니지만 100nm이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은 하지막의 막두께를 너무 두겁게 해도 그 이상의 효과를 얻을 수 없을 뿐더러, 반대로 소자 전체에 있어서의 하지막에 흐르는 전류의 비율이 크고, 결과로서 저항 변화율이 작아지기 때문이다. 이와 같은 하지막은 기판 재료에 의하지 않고 층상 성장시킬 수 있으므로 안정하고 평활한 표면을 얻을 수 있다. 또 비자성이기 때문에 그 위에 형성되는 강자성막 사이에 비자성막을 개재시킨 적층막, 즉 MR소자에 대하여 악영향을 미치는 일도 없다.

또, 하지막을 형성할 경우, 결정 배향성이 개선되나 평활성이 저하되어 저항 변화율이 저하되는 경우가 있다. 그러므로 Cr나 Ta등으로 된 평활성을 개선하기 위한 제2의 하지막을 최치밀면의 배향을 촉지하기 위한 제1의 하지막과 기판과의 중간에 협지된 2층 구조로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써 최치밀면의 결정베향의 향상에 의하여 얻어지는 양호한 연자기 특성과 높은 자기 저항 변화율을 함께 갖는 자기 저항 효과 소자가 얻어진다. 또 2층 구조에 있어서 강자성막과 동일한 결정계를 지니고 또 비저항이 강자성막 재료보다도 큰 재료로 이루어지는 제2의 하지막을 사용함으로써 상기 효과에 더하여 소자내에 흐르는 전류에 있어서의 샤프트 전류분을 적게할 수 있다.

상술한 바와 같은 하지막의 제작방법으로서는 13.56MHz 또는 1000MHz이상의 고주파 방전을 사용한 2극 스퍼터링법, ECR이온원이나 카우프만형 이온원등의 여러가지 이온원을 사용한 이온빔 스퍼터링법, 전자빔 증발원이나 크누센셀을 사용한 진공증착법, 열 CVD법, 여러가지 플라즈마를 사용한 CVD법, 유기금속을 원료로 하는 MOCVD법이나 MOMBE법 등, 각종 성막 방법을 적용할 수 있다. 이들의 성막 방법에 공통되는 것으로서 초고진공까지의 배기나 원료 가스의 초고순도화를 통하여 물과 산소의 관리를 행하는 것이 중요하다. 보다 구체적으로는 H₂O 및 O₂의 함유량을 ppm이하로 바람직하기로는 ppb정도까지 낮추는 것이 바람직하다.

제1의 발명에 있어서 강자성막의 재료로서는 Co, Fe, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소를 주성분으로 한다. 특히, Co_100-XFe_X(5x40 at%)가 fcc상{111}면 고배향을 얻기 쉽고 바람직하다.

강자성막의 결정배향은 그 X선 회절 곡선에 있어서의 최고치밀도{111}면 반사피크의 록킹 커브의 반치폭이 20°미만, 특히 7°이하인 것이 바람직하다.

또 기판재료로서는 MgO, 사파이어, 다이아몬드, 그래파이트, 실리콘, 게르마늄, SiC, BN, SiN, AlN, BeO, GaAs, GaInP, GaAlAs, BP등으로 대표되는 단결정체 및 그들의 다결정체나 그것을 주성분으로 하는 소결체, 자성 또는 비자성 금속의 단결정체, 다결정체, 소결체등의 그의 대표예로 거론되지만, 강자성막의 종류 및 그 하지막 재료에 따라서 기판 재료를 선택한다. 특히, Co계 자성막과 양호한 격자 정합을 가지고, 또 평활한 면을 얻기 쉬운 특징을 갖는 사파이어 기판의 C면을 사용하는 것이 바람직하다. 사파이어 기판등의 단결정 기판을 사용할 경우에는 강자성막의 두께는 20nm이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은 강자성막의 두께가 20nm를 넘으면 {111} 배향이 열화하기 때문이다.

여기서, {111}배향한 상기 강자성막에서는 자화 방향이 {111}면 내에서 근소하게 기울면 Hc가 급증한다. 따라서 설사{111} 배향을 실현하여 자화 방향이 {111}면 내에서 벗어날 경우가 있으므로 기판면에 굴곡이 있으면 Hc는 저하하지 않는다. 이때문에 기판의 표면의 거칠기가 5nm미만인 것이 바람직하다.

또 제1의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 좋다.

본 발명의 제2의 발명은 기판상에 Co, Fe 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 주성분으로 하는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막을 차례로 적층하여 구성되는 적층막을 구비하고, 상기 강자성막의 재료는 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au 및 Ag로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

특히, 저항 변화율이 저하하지 않는 Pd, Cu, Au, Ag의 첨가가 바람직하다(첨가 원소의 농도 X는 0X40 at%). 이 저항 변화율이 저하되지 아니하므로 ①금속간 화합물이 생성되지 않고, ②격자 정수 증대에 의한 중간 비자성막(Cu등)과의 격자정합이 양호해지고, ③이른바, 벌크 산란에 의한 스핀 의존산란이 된다. 다시 Hc저감 효과가 현저한 Al의 첨가는 고 △R/R를 유지하기 위하여 6.5 at%미만이 바람직하다. 또, Hc저감 효과가 현저한 Zr, Hf, Nb의 첨가는 고 △R/R를 유지하기 위하여 10 at%미만이 바람직하다.

제2의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 좋다.

본 발명의 제3의 발명은 5층 이하의 적층막으로 구성되는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어서 구성되는 적층막에 있어서의 최상 또는 최하의 강자성막의 별도 고저항 자성막을 적층한 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제3의 발명에 있어서 강자성막과 비결합하는 고저항 자성막은 강자성막, 강자성막과 비결합인 반강자성막 또는 페리 자성을 지니는 자성막을 의미한다. 또, 강자성막을 5층 이하로 한 것은 강자성막/비자성막의 계면이 증가하면 고저항자성막/강자성막의 계면의 역할이 실질적으로 저하하여 △R/R의 증가가 발생되지 않기 때문이다.

이와 같이 강자성막에 고저항 자성막이 접하도록 적층함으로써 경계면에서의 매그논의 발생을 억제할 수 있다. 다만 이 고저항자성막 재료의 저항율이 50μΩ㎝미만이면 전류가 주로 이 고저항 자성막 사이를 흘러버리고, 반대로 저항 변화율일 감소해버리므로 바람직하지 않다. 환언하면 저항율이 50μΩ㎝이상의 강자성막, 페리자성을 지니는 자성막을 사용함으로써 이들 고저항자성막에 전류가 빼앗기는 것을 방지할 수 있다.

제3발명에 있어서 고저항 자성막은 고저항 연자성막인 것이 바람직하다. 고저항 연자성막으로서는 CoZrNb등으로 이루어지는 고저항 비정질막, FeZrN, CoZrN등으로 이루어진 작은 결정의 고저항 연자성막 혹은 NiFe에 Nb나 Mo등을 첨가하여 저항을 높게한 재료로 구성되는 막을 사용할 수 있다. 상기한 가운데서 비정질막이나 CoZrN, NiFeNb등으로 이루어지는 fcc상을 지니는 재료로 구성되는 막은 그위의 강자성막의 fcc{111} 배향을 촉진하므로 바람직하다. 또 고저항 연자성막의 재료로서는 NiFeX에 있어서 X가 Rh, Nb, Zr, Hf, Ta, Re, Ir, Pd, Pt, Cu, Mo, Mn, W, Ti, Cr, Au 및 Ag로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 원소인 재료를 사용할 수 있다.

고저항 자성막의 막두께는 0.5nm이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것은 막두께가 0.5nm미만이면 고저항 자성막 자체의 자성이 약해지고 매그논의 발생을 억제하기가 곤란해지기 때문이다. 한편, 고저항자성막의 연자성이 인접 강자성막의 연자성보다 떨어지는 경우에는 고저항자성 막두께가 10nm이하인 것이 좋다. 막두께가 10nm를 넘으면 강자성막의 자화 과정에 영향을 주어 연자기 특성을 얻기가 곤란해지기 때문이다.

제3의 발명에 있어서 강자성막의 재료로서는 Co, CoNi, CoFe, NiFe, NiFeCo등을 사용할 수 있다. 또 강자성막의 막두께는 1∼20nm의 범위로 하는 것이 바람직하다.

제3의 발명에 있어서 상기 고저항 자성막을 최상층에 형성해도 좋다.

또, 제3의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 된다. 또한, 제3의 발명의 자기 저항 효과 소자는 스핀 밸브 구조에 적합하다.

본 발명의 제4의 발명은 기판상에 형성되어 있고, 상기 강자성막의 2배이하의 저항율을 갖는 제1의 비자성막과, 상기 제1의 비자성막상에 형성되어 있고 5층 이하에서 두께 5nm이상인 적층막으로 이루어어지는 강자성막, 제2의 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비하는자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제4의 발명에 있어서 제1의 비자성막의 재료는 강자성막의 재료와 같은 결정 구조를 지니는 (예컨대, 강자성막이 fcc상을 지니는 재료로 이루어지는 경우, 제1의 비자성막도 fcc상을 지니는 재료로 이루어진다)것이 바람직하다. 이때 제1의 비자성막의 재료와 강자성막의 재료 사이의 격자정수의 상위가 5%이내인 것이 바람직하다. 이것은 강자성막과 제1의 비자성막과의 결정 정합성을 높임으로써 강자성막을 에피택셜 성장시킬 수 있고, 그러므로써 계면에 있어서의 전자의 산란을 억제할 수 있기 때문이다.

제4의 발명에 있어서 제1의 비자성막의 재료로서는 Mn, Fe, Ni, Cu, Al, Pd, Pt, Rh, Ir, Au및 Ag로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 주성분으로 한 것을 사용할 수 있다. 기판과 제1의 비자성막과의 사이에는 다른 제2의 하지막을 개재시켜도 좋다.

제4의 발명에 있어서, 강자성막의 두께는 5nm이상으로 하는 것이 좋다. 이것은 강자성막의 두께가 5nm를 넘으면 미세형상으로 가공했을 경우 반자계가 커지고 신호 자계 검출 감도가 저하되기 때문이다. 또 강자성막이 2층 이상 있을 경우, 각 강자성막에 있어서 결정 성장이 저해되지 않도록 강자성막을 구성하는 재료의 결정은 막두께 방향으로 결정 입자 지름이 큰 것이 바람직하다. 또 강자성막층이 5층을 초과하면 스핀 의존 산란계면이 증가하므로 본 발명의 효과는 실질적으로 소실된다.

제1의 비자성막의 막 두께는 0.2∼20nm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것은 제1의 비자성막의 막두께가 0.2nm미만이면, 제1의 비자성막내에 유입된 전자가 기판과의 계면에 있어서 비탄성 산란을 받을 수 있는 확률이 증가하고 평균 자유 행정을 유효하게 신장시키는 것이 곤란해지고 막두께가 20nm를 넘어도 그 이상의 효과를 얻을 수 없는 동시에 제1의 비자성막만을 흐르는 전류가 늘어서 큰 변화율을 얻는 것이 곤란해지기 때문이다.

제4의 발명에 있어서 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자에 대해서는 적어도 자화가 반강자성막에 의하여 고정되어 있지 않은 강자성막에 비자성막이 접하도록 적층하는 것으로 한다. 이와 같이 비자성막을 강자성막에 접하여 적층함으로써 강자성막의 두께를 5nm미만으로 얇게한 경우에 있어서도 전자는 비자성막에 유입되기 때문에 전자의 유효적인 평균 자유 행정을 길게 유지할 수 있다.

제4의 발명의 자기 저항 효과 소자를 센서에 적용할 경우 제1의 비자성막의 재료는 강자성막의 재료인 CoFe합금등의 2배이하 보다 바람직하기로는 강자성막보다 작은 고저항율을 지는 것이 바람직하다. 이것은 제1의 비자성막의 벌크에서의 저항율이 강자성막의 저항율보다 현저히 크면 비자성막에 유입된 전자가 산란을 받아 유효적인 평균 자유 행정을 길게 유지할 수 없게 되기 때문이다.

제1의 비자성막의 재료는 그 저항율이 강자성막의 저항율의 1/4 이상인 것이 바람직하다. 이것은 제2의 비자성막 재료의 저항율이 강자성막의 저항율의 1/4미만이면 제2의 비자성막에 전류가 흐르기 쉽게 되기 때문이다. 또 제2의 비자성막 재료로서는 CuPd, CuPt, CuAu, CuNi합금등을 들 수 있다. 제4의 발명에 있어서, 상기 제1의 비자성막을 최상층에 형성해도 된다.

또, 제4의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 제2의 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 된다. 또, 제4의 발명의 자기 저항 효과 소자는 스핀 밸브 구조와 인공격자막 구조중 어느 구조일지라도 좋다.

본 발명의 제5의 발명은 기판상에 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어서 이루어지는 적층막과 상기 적층막상에 형성되어 있고, 상기 강자성막보다도 큰 저항율 및 평균 자유 행정을 갖는 박막을 구비하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제5도의 발명에 있어서, 박막의 재료로서는 Bi, Sb탄소등의 반금속 고농도로 도핑을 행해서 축퇴한 반도체, SnO₂, TiO₂등의 산화물 반도체등을 들 수 있다. 또 박막의 막두께는 1∼50nm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것은 박막의 막두께가 1nm미만이면 전자의 평균 자유행정의 증대 효과를 충분히 얻을 수 없고, 막두께가 50nm를 넘어도 그 이상의 효과를 얻을 수 없는 동시에 박만만을 흐르는 전류가 증대해 큰 변화율을 얻기가 곤란해지기 때문이다.

제5의 발명에 있어서 평균 자유 행정이란 다른 것에 산란되지 않고 이동하는 평균의 거리를 의미한다.

제5의 발명에 있어서, 박막의 저항율이 강자성막의 저항율보다 작으면 전류가 주로 상기 박막 사이를 흘러버려 자기 저항 효과는 반대로 작아지므로 박막은 강자성막보다도 큰 저항율을 지니게 된다.

제5의 발명에 있어서, 강자성막의 막두께는 적층막 전체로서의 저항율을 증가사키기 위하여 한쪽은 5nm이하로 하는 것이 바람직하고 다른쪽은 평균 자유 행정을 확보하기 위하여 2∼20nm의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또 제5의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이라도 좋다.

본 발명의 제6의 발명은 기판상에 형성된 fcc상을 지니는 하지막과 상기 하지막상에 형성되어 있고 CoFe합금으로 이르어지는 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비하고, 상기 하지막은 상기 강자성막의 재료의 격자 정수보다도 큰 격자 정수를 지니는 재료로 구성되는 자기 저항 효과 소자를 제공한다. CoFe합금은 5%이상 40% 이하의 Fe농도인 것이 좋다.

제6의 발명에 있어서, 하지막은 강자성막을 구성하는 CoFe합금보다 큰 저항율을 지니는 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또 기판과 하지막과의 사이에는 평활성 개선을 위한 막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 평활 개선을 위한 막으로서는 Cr, Ta, Zr, Ti등으로 이루어지는 막을 사용할 수 있다.

또 제6의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이라도 좋다.

본 발명의 제6의 발명에 있어서, 신호 자계 0에서 서로 이웃하는 강자성막 사이에서의 자화가 안정하게 반평행 상태로 존재한다. 또 이 반평행으로 하기 위하여 필요한 반강자성막 등에서의 바이어스 자계는 벌크하이젠 노이즈 억제를 위하여 필요한 최소한으로 억제된다. 이때문에, 자기 헤드에 적합한 곤란 축방향으로 신호 자계를 가한 경우(고주파 특성이 양호한 등의 잇점을 지닌다)에도 양 강자성막의 자화 회전에 의하여 양강자성막 사이의 자화가 0∼180°까지 비교적 낮은 자계 범위에서 변화한다. 따라서 용이축방향과 같은 정도의 높은 저항 변화율을 비교적 낮은 자계 범위로 나타낸다.

또, 종래의 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자에서는 비자성층 두께가 얇아지면 저항 변화율이 지수관수적으로 증대하므로 가급적 비자성층 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 실제로 강자성막에 끼인 비자성막의 막두께가 2nm미만으로 되면 상하 자성층간의 강자성적 결합이 강해지고 반강자성적 자화 배열이 실현될 수 없게 되어 저항 변화율이 크게 저하하는 문제점이 있다. 그러나 양 강자성막에 바이어스 자계를 가하는 본 발명의 제6의 발명에 있어서, 비자성 두께가 2nm미만이 되어도 반평행 바이어스 자계강도의 조정에 의하여 반강자성적 자화 배열이 실현 가능하므로 저항 변화율의 비약적 증대를 기대할 수 있다.

또, 이웃하는 강자성막의 자화가 외부 자계 0에서 반평행으로 배열하기 위하여 모든 자성막에 바이어스 자계를 가하므로 모든 강자성막에서 자벽이 없어지고 벌크 하우젠 노이즈를 억제할 수 있다.

또한, 센스 전류를 신호 자계와 직행하는 방향으로 흘리는 방식에서는 NiFe막등을 사용한 경우에 무시할 수 없는 통상의 이방성 자기 저항 효과와 스핀 의존산란에 의한 저항 변화를 겸할 수 있으므로 △R/R가 증대한다.

본 발명의 제7의 발명은 기판상에 형성되고 강자성막과 제1의 비자성막으로 이루어지는 제1의 단위적층막(최소단위:강자성층/비자성층/강자성층의 3층)과, 상기 제1의 단위 적층막상에 상기 제1의 비자성막과 다른 두께를 지니는 제2의 비자성막(최소단위:제1적층/제2비자성층/제1적층의 3층, 또는 단층의 경우는 제1비자성층과 제2비자성층의 두께가 다르다)을 통하여 형성된 적어도 하나의 제2의 단위적층막을 구비하고 상기 제1의 단위적층막에서의 각 강자성막의 자화가 서로 강자성적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제7의 발명에 있어서, 단위적층막의 제1의 비자성막의 두께는 2nm이하이고 다시 RKKY적인 반강자성 결합을 하지 않는 정도의 두께인 것이 바람직하다. 이것은 단위적층막중에서의 각 강자성막의 자화를 페로적 결합 상태로 유지하기 때문이다. 예컨대 강자성막의 재료가 CoFe이고 제1의 비자성막의 재료가 Cu인 경우에는 제1의 비자성막의 두께는 1nm근방이 아니도록 설정한다.

또, 강자성막과 제1의 비자성막은 격자 정합을 유지하고 성장하는 일, 즉 강자성막과 비자성막이 격자 정합되어서 양지의 계면에 있어서의 여분의 산란이 없는 것이 바람직하다. 이것에 의하여 저항의 증가를 방지할 수 있다.

또, 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 좋다. 또 제7의 발명의 자기 저항 효과 소자는 스핀 밸브 구조, 인공격자막 구조에 적용된다.

본 발명의 제8의 발명은 기판상에 강자성막, 비자성막 및 상기 강자성막이 차례로 적층되어서 이루어지는 적층막이 형성되어 있고 두개의 상기 강자성막의 자화가 신호 자계에 의하여 서로 반대 방향으로 회전하도록 2개의 상기 자성 강자성막의 각각 방향이 다른 바이어스 자계를 가하고, 적어도 1개의 바이어스 자계의 부여 수단으로서 반강자성막에 의한 교손 결합 바이어스를 사용한 자기 저항 효과소자를 제공한다.

본 발명의 제7의 본 발명에 있어서, 최상층의 강자성막과 최하층의 강자성막은 저투자율, 즉 자화가 고착되어 있으므로 신호 자계에 대한 자화 변화는 근소하다. 한편, 중간의 강자성막은 투자율이 높기 때문에 근소한 자계에 의하여 큰 자화회전이 생긴다. 그 결과, 최상층의 강자성막과 최하층의 강자성막의 자화와 중간의 강자성막의 자화가 이루는 각도가 신호 자계에 의하여 예민하게 변화한다. 또, 종래의 스핀 밸브 구조의 막에 비하여 스핀의존 산란을 발생하는 계면수가 적어도 2배로 증가한다. 이때문에 근소한 자계로 큰 저항 변화를 얻을 수 있다.

또, 중간의 강자성막의 자화를 반강자성막에 의하여 고착하여 투자율을 저하시키면 반강자성막은 저항율이 높으므로 △R/R는 대폭 저하하나 최상층 및 최하층의 강자성막에서 자화 고착용 반강자성막은 스핀의존 산란 유닛의 밖에 배치할 수 있으므로 △R/R을 저하시키지 않고 자화 고착이 가능하다.

또, 고투자율의 강자성막은 스핀 밸브 구조의 적층막의 중앙 근방에 존재하므로 센스 전류로부터의 자계는 약해지고, 그 결과 센스 전류 자계에 의하여 강자성막의 자화 배열이 흐트러지는 문제도 회피할 수 있다.

제8의 발명에 있어서, 두개의 강자성막의자화가 서로 역회전하기 위한 바이어스 자계의 부여방법으로는 2개의 강자성막에 가하는 바이어스 수단으로서 반강자성막으로부터의 교환 결합을 사용하고 다시 경질자성막을 사용하는 방법, 전류에 의하여 발생하는 바이어스자계, 미세 패턴 가공시에 하는 발생하는 정자결합(반자계), 상기 스핀 의존 산란 능력을 지니는 강자성막에 새로운 강자성막을 적층하는 것에 의하여 생기는 교환 바이어스를 이용하는 방법 등을 사용할 수 잇다.

구체적으로는, 예컨대, 강자성막에 각각 반강자성막을 적층하고 이 반강자성막을 사용하여 서로 이웃하는 강자성막 사이에서 바이어스 자계의 방향이 180°다르도록 각각의 강자성막을 착자한다. 이 경우의 착자는 강자성막 및 반강자성막의 성막시에 정자계를 가하는 방향을 180°바꾸는 등의 방법에 의하여 달성할 수 있다. 여기서 이웃하는 강자성막에 가하는 바이어스 자계는 강자성막의 단자구화에 필요 최소한의 크기, 예컨대 5KA/m이하인 것이 바람직하다. 또, 양 반강자성막은 각각 다른 네일점을 지니는 것이 바람직하다.

혹은, 이하에 제시하는 방법도 있다. 한쪽의 강자성막에의 바이어스 자계부여에는 반강자성막과의 적층에 의한 교환 바이어스 자계를 사용한다. 별도의 강자성막에의 바이어스 자계 부여에는 반강자성막의 나머지의 막면에 새로운 강자성막을 적층하고 반강자성막에 의하여 자화 고착된 새로운 강자성막에서 미세 패턴에 가공한 때에 발생하는 정자 결합 자계(반자계)를 이용한다. 이 새로운 강자성막은 반강자성막과 접하는 측에서는 교환 바이어스가 가해지는데 적합한 강자성막 A(예컨대, NiFe나 CoFe등의 결정성이 좋은 막)와, 다시 이 강자성막에 정자 결합자계를 발생하는데 적합한 별도의 강자성막 B(예컨대 Co계의 비정질 강자성막이나 질화 또는 탄화 미결정 강자성막 등)를 강자성 교환 결합하도록 적층한 2층 구조가 바람직하다. 이 2층 구조에서는 강자성막 의 막두께, 조성조정, 제작 조건등에 의하여 강자성막의 Bs나 저항치(예컨대, Bs를 낮게, 저항치를 높게)를 조정하고, 정자 결합 바이어스 자계 강도나 강자성막 B를 센스 전류의 일부가 흐르는 것에 의하여 발생하는 이른바 션트바이어스(동작점 바이어스)를 조정할 수 있다.

반강자성막을 사용하여 강자성막에 바이어스 자계를 부여할 경우에는 그 바이어스 자계가 너무 크다는 것이 문제가 되는데 이 큰 바이어스 자계는 반강자성막과 강자성막과의 사이에 반강자성막측을 강자성막으로 한 강자성막과 비자성막의 적층막을 개재시키는 등에 의하여 저감할 수 있다.

종래의 스핀 밸브막에서는 비장성막을 2nm이하로 하면, 비자성막의 양측의 강자성막에 페로 결합이 강해지고 반평행적인 자화 배향이 실현되지 않지만 제8의 발명에 있어서, 비자성막의 막두께는 2nm이하로 해도 바이어스 자계를 상기한 페로 결합 자계보다도 강하게 할 수 있고, 그 결과 종래 스핀 밸브보다도 큰 △R/R이 얻어진다.

또, 제8의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 된다.

본 발명의 제8의 발명에 있어서, 신호 자계 0의 상태에서 이웃하는 강자성막 사이에서의 자화가 이루는 각도가 약 90°이고 예컨대 정(正)의 신호 자계의 방향으로 자화 고착막의 자화가 향하고 있을 경우에 정(正)의 신호자계에서는 이웃하는 강자성막 사이의 자화가 이루는 각도가 폐로적으로 되므로 저항이 저하하고, 반대로, 부(負)의 신호 자계에서는 이웃하는 강자성막 사이의 자화가 이루는 각도가 반강자성적으로 되므로 저항이 저하한다. 즉 동작점 바이어스가 필요없게 된다.

또, 신호 자계와 직교 방향으로 센스 전류를 흘리는 경우에는 페로 결합 자계의 방향과 전류 자계의 방향이 같은 축상에 있다. 그 결과, 투자율 저하를 가져오는 이웃하는 강자성막 사이의 페로 결합 방향을 이 전류 자계 방향과 중첩하도록 센스 전류를 흘리면, 이 경우에는 자화 고착되어 있지 않은 자성막의 자화 방향이 자화 고착되어 있는 자성막의 자화 방향으로 회전하므로 양자성막의 자화가 이루는 각도가 90°에서 감소한다. 그 결과 이방성 자기 저항 효과를 나타내는 재료를 사용하여도 이방성 자기 저항 효과와 스핀 의존 산란에 의한 저항 변화가 중첩되어서 감도가 증대하는 효과가 있다(다만, 신호 자계에 대하여 선형 응자계 범위가 좁아진다). 반대로, 페로 결합 방향을 전류 자계 방향이 반대 방향이 되도록 센스 전류를 흐르게 하면, 이 경우에는 신호 자계 0에서 양 자성층이 이루는 각도를 약 0으로 할 수 있으므로, 신호 자계에 대한 선형 응자계 범위를 확대할 수 있다(다만 이방성 자기 저항 효과가 존재하면 스핀 의존 산란에 의한 선형이 저항 변화를 방해한다).

제8의 발명에 의하면 센스 전류를 신호 자계의 방향으로 부여하여 그 방향으로 적어도 하나의 강자성막의 자화를 반강자성막 등에 의하여 고착하는 방식에서는, 자화 고착되어 있지 않은 다른 강자성막의 자화가 전류 자계에 의하여신호 자계와 직교하는방향을 향해서 기운다. 이 전류 자계때문에 벌크 하우젠 노이즈를억제할 수 있는 효과를 지닌다. 이 경우, 전류 자계가 있으므로 자화 고착되어 있지 않은 측의 강자성막에는 반드시 자화 용이축을 필요로 하는 것은 아니다.

본 발명의 제9의 발명은 기판상에 형성된 반강자성막고, 상기 반강자성막위에 형성되어 있어 자화 고착막으로서 기능하는 제1의 강자성막과, 상기 제1의 강자성막위에 형성된 비자성막과, 상기 비자성막 위에 형성되어 있어 자계 검출막으로서 기능하는 제2의 강자성막을 구비하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다,

제9의 발명에 있어서 자계 검출막의 자화 용이축방향과 바이어스 자계 방향이 거의 직교하도록 하는 것이 바람직하다. 즉 센스 전류를 신호 자계 방향으로 가하고, 전류 바이어스에 의하여 자화 검출막의 자화 방향을 규정한다.

또한, 제9의 발명의 자기 저항 효과 소자는 상기 구성에 더하여 비자성막과 강자성막을 교대로 복수회 적층한 것이어도 좋다.

본 발명의 제9의 발명에 있어서, 통상의 고보자력막이 막면 수직 방향의 결정 자기 이방성에 의한 강한 정자 결합으로 저보자력막을 고보자력화 해버리는 것을 억제할 수 있다. 이로 인하여, 고보자력막을 자기 저항 효과막과 중간막을 통하여 적어도 2층 이상 적층함으로써 자기 저항 효과 소자로 한 경우에는, 자화 응답에 대응하는 막의 연자기 특성을 열화시키는 일은 없다. 또, 자화의 평행 상태, 반평행 상태를 효율좋게 실현할 수 있고, 다시 중간막의 막두께를 현저하게 얇게 할 수 있기 때문에 저항 변화율을 증대시킬 수 있다.

또, 단결정 모양의 고보자력막은 전기 저항이 낮기 때문에 저보자력막과의 적층막으로한 경우에도 스핀 의존 산란에는 영향 받지 않고 출력을 증대시킬 수 있다. 또, 이 단결정 모양의 고보자력막은 높은 결정 자기 이방성을 가지므로, 고투자율(자화가 움직이기 곤란함)을 지니고 자화 고착의 효과가 크다.

또, 고보자력막을 바이어스막으로 사용한 경우에도 자화 응답에 대응하는 막의 연자기 특성을 열화시키는 일은 없다. 이 바이어스는 벌크 하우젠 노이즈 대책용의 바이어스막으로 사용할 수도 있고, 외부 자계가 없는 경우에 자화의 반결합 상태를 만드는 바이어스막으로 사용할 수 있어 동시에 양쪽의 효과를 지니게 할 수 있다.

본 발명의 제10의 발명은 기판상에 형성된 바이어스막과, 상기 바이어스막위에 형성되어 있어 자화 고착막으로 기능하는 제1의 강자성막과, 상기 제1의 강자성막 위에 형성된 비자성막과, 상기 비자성막 위에 형성되어 있어 자계 검출막으로서 기능하는 제2의 강자성막을 구비하고, 상기 제1의 강자성막의 자화가 고착되어 있고, 상기 제1의 강자성막의 자화의 방향과 상기 제2의 강자성막의 자화의 방향이 이루는 각θ가 30∼60°인 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

본 발명의 제11의 빌명은 기판상에 형성된 제1의 바이어스막과, 상기 제1의 바이어스막 위에 형성되어 있어 자화 고착막으로서 기능하는 제1의 강자성막과, 상기 제1의 강자성막위에 형성된 비자성막과, 상기 비자성막위에 형성되어 있어 자계 검출막으로서 기능하는 제2의 강자성막과, 상기 제2의 강자성막위에 형성된 제2의 바이어스막을 구비하고, 상기 제1 및 제2의 바이어스막의 바이어스 자계의 방향이 거의 직교하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제11의 발명에 있어서, 상기 특정한 강자성막에는 별도의 수단에 의한 바이어스 자계가 상기 바이어스 자계와 대략 직교 방향으로 부여되어도 좋다. 이 별도의 수단에 의한 바이어스 자계가 가해지는 강자성막에는 반드시 자화 용이축이 필요하지는 않다.

제11의 발명에 있어서, 바이어스 자계로서는 반강자성막으로부터의 교환 결합자계, 경질 강자성막으로부터의 교환 결합자계 또는 정자결합자계, 반자계 및 전류자계로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 일종의 바이어스 자계를 사용할 수 있다.

본 발명의 제12의 발명은 적어도 3층의 강자성막 및 적어도 2층의 비자성막이 교대로 형성되어서 이루어지는 적층막을 기판상에 구비하고 최상층 및 최하층의 자화 고착막으로서 기능하는 강자성막의 투자율이 자계 검출막으로서 기능하는 다른 층의 강자성막의 투자율보다도 낮은 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제12의 발명에 있어서, 최상층 및 최하층의 강자성막의 투자율을 저감시키기는 즉 자화를 고착하는 방법으로서는 제8의 발명과 같이 반강자성막을 사용하는 방법, 경질자성막을 사용하는 방법, 반자계를 이용하는 방법등을 사용할 수 있다.

본 발명의 제13의 발명은 기판상에 형성되고 막면내에 6방정 C축이 존재하는 고보자력막과, 상기 고보자력막 보다도 낮은 보자력을 지니는 강자성막을 구비하는 자기 저항 효과 소자 기판상에 형성되어 막면내에 6방정 C축이 존재하는 고보자력막과, 상기 고보자력막 보다도 낮은 보자력을 지니는 강자성막을 구비하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

제13의 발명에 있어서, 고보자력막은 바이어스 자계를 부여하기 위한 막으로 사용해도 된다. 또, 고보자력막 및 중간막은 교대로 복수회 적층해도 된다.

이하 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

기판으로서 0.2㎛의 촉침 선단 반경을 지니는 촉침식 표면 거칠기 측정계로 평균 표면 요철(凹凸)이 2nm정도가 될 때까지 사파이어 기판 C면(α-Al₂O₃기판의 (0001)면)을 메카코케미컬 폴리싱법에 의하여 연마하여 경면 상태로 한 것을 사용하였다.

이 사파이어 기판을 진공 챔버내에 넣고 진공 챔버 안을 5x10-7Torr이하로 까지 배기하였다. 그후, 진공 챔버내에 Ar가스를 도입하고 진공 챔버내를 약 3mTorr로 하여, 약 4000Å/m의 정자계중에서 스퍼터링을 행함으로써 제3도에 보이는 바와 같이 사파이어 기판(10)상에 강자성막인 Co₉₀Fe₁₀(11), 중간 비자성막인 Cu(12), 강자성막인 Co₉₀Fe₁₀(11), 반강자성막인 FeMn(13),보호막인 Ti(14)를 차례로 성막하여 Ti 5nm/ FeMn 8nm/ Co₉₀Fe₁₀8nm/ Cu 2.2nm/Co₉₀Fe₁₀8nm인 스핀 밸브 구조의 적층막을 제작하여 자기 저항 효과 소자를 얻었다. 또, 이 적층막위에 Cu리드(15)를 형성하였다. 또, CoFe계 합금막의 조성은 큰 저항 변화율을 나타내는 것(일본 응용 자기 학회지, 16, 313(1992))및 연자기 특성의 점에서 Co₉₀Fe₁₀으로 하였다.

여기서, 보호막의 재료로서는 Ti이외에 Cu, Cr, W, SiN TiN등의 비자성체를 사용할 수 있다. 또 FeMn의 산화를 방지하기 위하여 산화물 이외의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또 Ti막의 막두께는 보호 효과가 있으면 5nm가 아니라도 좋다. 센스 전류를 흘릴 때의 Ti막으로 분류에 의한 감도 저하를 막기 위하여, 또 Co₉₀Fe₁₀막에 비하여 높은 전기 저항을 지니는 것을 고려하여 막두께는 수십 nm 이하인 것이 바람직하다.

FeMn막(13)과 접하는 Co₉₀Fe₁₀막 (11)은 FeMn에 의하여 자화 고착되고, 또 한쪽의 Co₉₀Fe₁₀막(11)은 외부 자계에 따라서 자화 반전·회전한다. 강자성막인 Co₉₀Fe₁₀막(11)의 막두께는 2층 모두 8nm로 하여 형성하였으나 2층의 강자성막의 두께는 같아도 되고 달라도 된다. 강자성막의 그 막두께가 1원자층 (0.2nm)이상이면 원리적으로 사용이 가능하나 MR소자의 실용상 0.5∼20nm가 타당하다.

두개의 Co₉₀Fe₁₀막(11)의 사이에 형성된 Cu막(12)의 막두께는 본 실시예에서는 2.2nm로 형성하였으나 이 막두께 이외라도 좋고 실용상 0.5∼20nm가 바람직하다. 또, Cu이외의 재료로서는 Au, Ag, Ru, Cu합금등을 사용할 수 있다.

반강자성막인 FeMn막(13)은 직접 접하는 Co₉₀Fe₁₀막(11)의 자화 고착에 사용된다. 이 막두께는 약 1nm이상이면 사용이 가능하나 신뢰성 및 실용성에서 2nm∼50nm인 것이 바람직하다. 또 FeMn이외에 반강자성막의 재료로서 Ni 산화물도 사용할 수 있다. 반강자성막의 재료로서 Ni 산화물을 사용할 경우, Ar및 산소의 혼합가스 분위기중에서 스퍼터링을 행하든가 이온비임 스퍼터법, 듀얼 이온비임 스퍼터법 등을 적용함으로써 양호한 Ni산화물의 반강자성막을 형성할 수 있다. 또 Ni 산화물막은 사파이어 기판 C면상에 양호하게 형성할 수 있으므로 스핀 밸브 구조를 Ti 5nm/ Co₉₀Fe₁₀8nm/ Cu 2.2nm/ Co₉₀Fe₁₀8nm/ Ni 산화물 50nm 로 할수도 있다. 이 경우, Ni산화물막의 두께는 1nm이상이면 안정된 바이어스 자계를 Co₉₀Fe₁₀막에 부여할 수 있다.

자기 저항 효과 소자의 자기 특성, 저항 변화율 및 결정 구조를 조사하였다. 또 자기 특성은 진동형 자력계(VSM)로 최대 인가자계 1.2MA/m 로 측정하고 저항 변화율은 정자계중에서 4단자 저항 측정법에 의하여 측정하였다. 결정 구조는 θ-2θ 스캔 및 록킹 커브X 선 회절법으로 측정하였다. VSM 및 X 선 회절에서는 메탈마스크로 8mm 각으로 패터닝된 막에 대하여 저항 변화율은 메탈 마스크에 의하여 1mm×8mm 의 스트라이프 모양으로 패터닝된 막에 대하여 측정하였다. 자기 저항 효과 소자의 자계중에 있어서의 저항 변화는 4단자법으로 측정하였다.

자기 저항 효과 소자의 측정 결과를 제4도에 도시한다. 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, 자화 용이축 방향으로 외부 자계를 인가하면 최대 저항 변화율은 약10%이었다. 또, 이 자기 저항 효과 소자의 보자력은 160A/m이하였다. 이와같이, 이 자기 저항 효과 소자는 약 160A/m 의 약한 자계로 약 10%의 큰 저항변화가 얻어지고 있고 양호한 연자기 특성과 높은 저항 변화율이 얻어짐을 알았다. 또, 자화 곤란축 방향으로 외부 자계를 인가하면 저항 변화율은 약 4%였으나 보자력은 80A/m로 연자기 특성은 극히 양호하였다.

또, 이 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선을 제5A도 및 제5B도에 도시한다. 제 5A도에서 알 수 있는 바와 같이, 자화 용이축방향의 보자력은 약 160A/m, 자화 곤란축방향의 보자력은 약 80A/m인 것을 알 수 있다. 또, 제5B도에서 알 수 있는 바와 같이 자화 용이축방향에는 FeMn 에 접하는 Co₉₀Fe₁₀막에 약5.3KA/m의 교환 바이어스가 인가되고 있음을 알 수 있다.

또, 이 자기 저항 효과 소자의 결정 구조는 강한 fcc상{111}면 배향(최밀면 배향)을 나타내고 있다.

열산화 Si 기판상에 상기와 같이하여 Ti/FeMn/CoFe/Cu/CoFe 막을 형성하였다. 이에 대하여 상기와 같이해서 평가한 결과, X선 회절 피이크는 상기한 경우에 비하여 1/10 이하로 저하하고, Hc는 용이축방향에서 3000A/m이고 자기 저항 효과 소자에는 응용 곤란한 높은 값이고 저항 변화율도 상기 한{111}배향막보다도 작은 ∼8%의 값을 보였다.

다음에, MgO[100]기판상에 상기와 같이 하여 Ti/FeMn/CoFe/Cu/CoFe막을 제작하였다. 이에 대하여 상기와 같이하여 평가한 결과, X선 회절 피크는 고강도[100]피크만을, 즉 양호한[100]배향을 보였다. 이때 Hc는 용이축방향에서 1200A/m이고, 자기 저항 효과 소자에는 응용이 곤란한 높은 값을 나타내고 저항 변화율도 상기한 {111}배향막보다도 작은 ∼8%의 값을 보였다.

이상의 사실에서, {111}배향을 실현하면 낮은 Hc이고 동시에 고저항 변화율이 실현될 수 있음을 안다.

다음에, 강자성막으로서 Co막을 사용한 Ti 5nm/ FeMn 8nm/ Co 8nm/ Cu 2.2nm/Co 8nm인 스핀 밸브 구조의 자기 저항 효과 소자를 사파이어 C면 기판상에 제작하고 상기와 같이하여 자기 특성 및 저항 변화율을 측정하였는바, 동일한 fcc상{111}배향, 저항 변화율은 8%정도의 값을 나타내고 보자력은 800A/m정도였다. 또 열산화 Si기판에서는 △R/R=7%, Hc=4000A/m였다.

이들의 결과에서 강자성막의 재료로서 Co를 사용해도 저 Hc, 고 △R/R를 얻을 수 있으나 강자성막의 재료로서 Co에 Fe를 첨가한 합금을 사용함으로써 연자기 특성이 발생하기 쉽게 되어 있어 보다 바람직하다.

[실시예 2]

제 6도에 보이는 바와 같이, 사파이어 기판(20)의 C면상에 실시예 1과 동일한 성막 조건에서 Co₉₀Fe₁₀막(21)과 Cu막(22)을 교대로 16회 적층하고 다시 그 위에 Cu막(23)을 형성하고 Cu 5.5 nm/(Cu 2nm/ Co₉₀Fe₁₀1nm)×16의 구조를 지니는 인공격자막을 제작하여 자기 저항 효과 소자를 얻었다. 또, 이 적층막상에 Cu리드(24)를 형성하였다.

이 자기 저항 효과 소자에 대하여 저항 변화율의 자계 의존성을 조사하였다. 그 결과를 제7도에 도시한다. 제7도에서 알 수 있는 바와 같이, 최대 저항 변화율은 약 20%였다. 또, 포화자계는 약 2400A/m를 나타내고 보자력은 160A/m였다. 즉, 2400A/m의 비교적 약한 자계로 약 20%의 큰 자기 저항 변화가 얻어짐을 알 수 있다.

상기 구성에 있어서, Co₉₀Fe₁₀막의 막두께를 0.5∼3nm로 변화시켜도 저항 변화율 10%이상을 얻을 수 있었다. 또, Co₉₀Fe₁₀막(21)과 Cu막(22)의 적층 순서를 상기와 반대로 하여도, 즉 쳐 막(22), Co₉₀Fe₁₀막(21)의 순으로 하여도 결정 구조는 실시예 1에 있어서의 스핀 밸브 구조의 경우와 같이 강한 fcc상{111}면 배향을 보이고 있었다.

[실시예 3]

사파이어 기판의 C면상, 유리 기판(코닝사제 #0211)상, Si 기판의 {111}면상에 두께 10nm의 Cu하지막을 형성하고 다시 그 위에 각각 실시예 1과 같은 성막 조건에서 Co₉₀Fe₁₀막을 형성하였다. 또 Cu하지막은 바이어스 스퍼터링 법이나 이온어시스트한 이온 비임스퍼터링법·증착법 등으로 성막할 수 있다. 이 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력(Hc)을 측정하였다. 또, 상기 각각의 기판상에 Cu하지막을 통하여 Co₉₀Fe₁₀막의 막두께를 여러가지로 변경하여 형성하고 그 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력(Hc)을 측정하였다. 그 결과를 제8도에 도시한다. 또, 상기 기판상에 Cu하지막을 형성하지 않고 상기와 같이 해서 여러가지의 Co₉₀Fe₁₀막을 형성하고 각각 그 보자력(Hc)을 측정하였다. 그 결과를 제9도에 도시한다.

제8도 및 제9도에서 알 수 있는 바와 같이, 어떤 기판에 있어서도 Cu하지막이 형성되어 있을 경우(제8도)는 Cu 하지막이 없는 경우보다도 낮은 Hc 를 나타내고 있다. 또 Cu 하지막의 유무에 불구하고 사파이어 기판의 C면, Si기판의 {111}면, 유리기판의 순으로 Hc가 낮고 양호함을 알 수 있다. 특히, 사파이어 기판의 C면에 Cu하지막을 통하여 두께 8nm의 Co₉₀Fe₁₀막을 형성한 경우 80A/m 이하의 저 Hc를 나타냈다. 또 Cu하지막을 지니는 Co₉₀Fe₁₀막의 Hc는 Co₉₀Fe₁₀막의 막두께 증가에 따라서 근소하게 증가하는 경향을 나타내었다. 한편, Cu하지막이 없는 Co₉₀Fe₁₀막의 Hc는 먼저 막두께 증가에 수반하여 감소하고, 다시 막두께가 증가함에 따라서 증가하는 경향을 나타냈다. 예컨대, Co₉₀Fe₁₀막의 막두께가 약 8nm인 경우, 그 Hc의 극소치는 160A/m이하였다.

이와같이, 기판상에 강자성막을 형성할때에 양자사이에 하지막을 형성함으로써 양호한 연자기 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또, 사파이어 기판의 C면상 또는 Si기판상에 Co₉₀Fe₁₀막이나, Co막을 형성할 경우의 하지막으로서 CuNi합금막을 사용함으로써 양호한 연자기 특성이 얻어지는 것을 알았다. 또 유리 기판상 또는 세라믹 기판상에 Co₉₀Fe₁₀막이나 Co막을 형성할 경우의 하지막으로서 수∼100 nm의 Ge, Si또는 Ti막을 사용함으로써 최밀면 배향이 촉진되고, 그 결과 양호한 연자기 특성을 얻을 수 있음을 알았다.

또, Co₉₀Fe₁₀막이나 Co막보다 고저항인 재료를 하지막에 사용함으로써 MR센스 전류의 분류를 막을 수 있다. 예컨대, 실시예 1에 기술한 Ni산화물막은 고저항이고 사파이어 기판의 C면상에 에피택셜 성장시키는 것이 가능한 반강자성막이므로 하지막과 반강자성 바이어스 막을 겸할 수 있다. 제10도에 Ni산화물막(26)을 사용한 스핀 밸브 구조의 자기 저항 효과 소자를 도시한다.

[실시예 4]

Co₉₀Fe₁₀막이 제시하는 보자력에 미치는 사파이어 기판의 면방위의 영향을 조사하였다. 본 실시예에서는 C면 및 R면 (α-Al₂O₃기판의 (1012)면)으로 비교하였다.

막두께 10nm인 Co₉₀Fe₁₀막을 사파이어 기판ㅇ의 C면과 R면상에 각각 형성하였다. 이 면방위에 의한 결정 배향의 상위를 제11A도 및 제 11 도에 도시한다. 제11A도에서 알수 있는 바와 같이. C면상에서는 양호한 fcc{111}배향이 실현 가능하고, 그 결과 보자력이 160A/m이하로 양호한 연자기 특성을 지니는 CoFe합금막의 형성이 가능했다. 한편, 제 11B도에서 알 수 있는 바와 같이, R면상에서는 fcc{111}의 피크 이외에도 fcc(200)의 피크가 검출되고 fcc{111}배향이 그리 양호하지 않다. 이 때문에 보자력이 수백A/m이상이나 되고 양호한 연자기 특성을 얻을 수 없었다.

제11A도에 있어서, C면에서는 기판인 사파이어의 피크 이외에 2θ=43.5°부근에 fcc상{111}면에 대응하는 피크만이 (약간의 hcp상(001)면 배향을 함유할 수 있다)강하게 나타나 있다. 또 이 피크 강도가 강할수록 Co₉₀Fe₁₀막은 저보자력을 나타냈다. 한편, 제11B도에 있어서, R면에서는 사파이어의 피크 및 fcc상{111}면 피크 이외에 2θ=52.6°부근에 fcc상(200)면에 대응하는 피크가 나타나 있다. 이 fcc상[100]면 배향의 존재는 결정 자기 이방성 용이축이 면내에 나타나 있는 것을 의미하고 이것은 보자력을 상승시키는 원인이 된다.

다음에, 이 사파이어 기판의 C면상에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀막의 {111}면(최밀면)에 대응하는 피크에 관하여 록킹 커브를 특정하였다. 이 록킹 커브를 제12도에 도시한다. 제12도에서 알 수 있는 바와 같이, θ=21.8°부근을 피크로 하여 반치폭이 3°정도로 극히 강한 배향이 확인될 수 있다. 이 록킹 커브에는 사파이어 기판의 피크도 중복되어 있으나 Co₉₀Fe₁₀막의 양호한 결정 배향이 확인될 수 있다.

다음에, 제13도에 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력과, Co₉₀Fe₁₀막의 {111}면(최밀면)에 대응하는 피크의 록킹 커브에 있어서의 반치폭과의 상관을 도시한다. 제13도에서 알 수 있는 바와 같이, 유리 기판상에 Co₉₀Fe₁₀막을 형성하면, {111}피크가 미약한 경우가 많고, 록킹 커브 반치폭은 20°이상이고, Hc는 3000A/m이상이었다. 록킹 커브가 측정 가능한 정도로 피크 강도가 증가하는 때도 있으나 그래도 Ar압력, 기판 온도를 최적화하고 록킹 커브의 반치폭이 15°정도로 되면 Hc는 1000A/m정도로 감소한다. 이 Co₉₀Fe₁₀에 Al을 약 1% 첨가한 재료로 이루어지는 막을 유리기판상에 형성하면 반치폭은 8°정도로 감소하고, Hc는 350A/m정도가 된다. 또 사파이어 기판의 C면상에 Co₉₀Fe₁₀막을 형성함으로써 다시 반치폭은 3°정도로까지 감소하고 Hc는 약 160A/m정도로 된다. 따라서, 최치밀면(Co₉₀Fe₁₀막의 경우{111}면)에 대응하는 피크의 록킹 커브의 반치폭이 20°미만으로 감소함에 따라 급격히 보자력이 감소하는 경향이 있는 것을 확인 할 수 있다. 예컨대, 록킹 커브의 반치폭이 7°이하이고 보자력이 160A/m로 양호한 값에 가까워지는 것을 안다. 즉, Co₉₀Fe₁₀막막의 최밀면 배향이 강해짐에 따라 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력이 저하한다. 이와 같이 양호한 연자기 특성은 강자성막의 배향도와 강하게 상관이 있음을 알 수 있다.

Co₉₀Fe₁₀막의 최밀면 배향을 강하게 하는 방법으로서는 첫째로, 후술하는 각종 첨가 원소를 가하는 방법, 둘째로, 기판재료·방위를 선택하는 방법(예컨대 사파이어 기판의 C면을 선택한다). 셋째로, 기판과 Co₉₀Fe₁₀막과의 사이에 Ti, NiO, fcc구조의 금속 Si, Ge등의 다이아몬드 구조 금속, GaAs등의 섬아연 광구조 금속 또는 비정질 금속등으로 이루어지는 하지막을 설치하는 방법, 넷째로, MBE등의 초고진공성막 장치에 의하여 성막하는 방법 등 몇가지 방법을 들 수 있다. 또, 둘째 방법에 있어서, 기판에 사파이어 기판의 C면을 사용한 경우, 그 면을 메카노케미칼 폴리시, 플로트 폴리시 또는 이온 폴리시 등으로 연마하여 기판의 평균 표면 거칠기(Ra)를 2nm 이하로 함으로써 그 위에 형성한 Co₉₀Fe₁₀막이 다시 향호한 연자기 특성을 나타내는 것을 알았다. 그러나, 평균 표면 거칠기가 5nm이상에서는 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력은 1000A/m이상이었다.

[실시예 5]

실시예 4에 있어서, Co₉₀Fe₁₀막의 단층막에 대하여 제1 및 제2의 방법으로 최밀면 배향을 강하게 함으로써 보자력이 저하하는 것을 알았다. 다음에 Co₉₀Fe₁₀막을 함유하는 적층막에 대해서도 동일하다고 말할 수 있는지를 확인한다.

유리기판상에 Al함유 Co₉₀Fe₁₀10nm/Cu5nm/Al함유 Co₉₀Fe₁₀10nm의 적층막을 실시예 1과 같은 성막 조건으로 형성하였다. 이 경우의 Co₉₀Fe₁₀막 중의 Al원소 첨가량과 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력과의 관계를 제14도에 도시한다. 제14도에서 알 수 있는 바와 같이, 적층막에 있어서도 Al원소의 첨가에 의하여 보자력을 저하시킬 수 있음을 안다. 또, 실시예 4에 제시한 제2 내지 제4의 방법에서도 동일하게 적층막에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀막의 최밀면의 배향을 강하게 할 수 있었다.

다음에 적층막에 있어서의 Co₉₀Fe₁₀막의 보자력의 최밀면 피크 강도의존성을 제15도에 도시한다. 제15도로부터 알 수 있는 바와 같이, 단층막의 경우 동일하게 최밀면 피크 강도가 커질수록 보자력이 저하하고 있음을 확인할 수 있다. 상기 구조의 경우 피크 강도는 10²(a.u)로 약하고 보자력은 10³A/m정도이다. 이 경우에 있어서, Co₉₀Fe₁₀에 Al을 1%저도 가한 재료로 이루어지는 막을 사용함으로써 보자력은 수백 A/m정도로 저하하였다. 또, 유리 기판을 사파이어 기판의 C면으로 바꿈으로써 10³(a.u)이상의 피크 강도와 100A/m이하의 양호한 보자력을 얻을 수 있었다. 또, 이때의 반치폭은 7°이하였다.

[실시예 6]

이상은 CeFe막에 관하여{111}고배향을 실현한 실시예이다. CoFe막에 한하지 않고 CoFeNi막, CoNi막등을 사용해도 동일한 효과를 보았다. 그 실시예를 하기 표 1에 제시한다. 표 1은 (1)강자성막의 조성, (2) 기판의 종류, (3) 기판과 스핀 밸브막과의 사이에 하지막을 파라미터로서 제작한 제3도와 동일한 구조(FeMn막과 접하는 쪽은 CoFe막 그때로이다)를 지니는 스핀 밸브막에 있어서의{111} 피크의 록킹 커브 반치폭 △θ₅₀, 용이축 방향의 Hc, △R/R를 나타낸 것이다. 비교를 위하여, 표1과 동일한 조성의 강자성막의 스핀 밸브막을 하지막 없이 유리기판상에 제작한 경우의 결과를 표1에 병기한다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, CoFe막에 한하지 않고 CoFeNi막이나 CoNi막에서도 유리기판에의 직접성막에 비하여 사파이어 C면 기판상 혹은 Ti, Si, Ge등으로 이루어지는 하지막을 사용함으로써 △θ7°의 양호한 {111}배향막을 얻을 수 있고, 그 결과 Hc가 저하하여 높은 저항 변화율이 실현된다.

그러나, Ti등으로 이루어지는 하지막이나 사파이어 C면 기판에 의하여 {111} 고배향의 (M1 nm두께/Cu1 nm두께)인공격자막을 제작하였는바 (MiCoNi, CoFeNi), △R/R은 2%이하의 현저하게 작은 값을 나타내고 RKKY적 반강자성막 결합 특유의 높은 포화 자계가 소실하였다. {111}배향하면 RKKY적 반강자성막 결합이 얻어지지 않으므로 저항 변화율이 저하하였음을 안다. 따라서, 스핀 밸브막에 한하지 않고 RKKY적인 반강자성 결합을 사용하지 않는 타입(보자력의 차를 사용한 이른바 비결합형 인공격자막(제14회 일본 응용 자기학회 학술강연 개요집, 1990년 177면)등)으로 {111}고배향을 실현하면 높은 저향 변화율과 양호한 연자성이 양립하기 쉽다.

또, 여기에 더하여 FeMn에 접하는 강자성막도 하측 자성막과 같은 조성의 막에 치환해도 동일한 효과가 얻어짐을 확인하였다.

[실시예 8]

유리기판상(하지막 없음)에 Ti 5nm/FeMn 8nm/CoFe 8nm/Cu 2.2nm/자성막 8nm의 스핀 밸브막을 실시예 1과 같은 조건으로 성막하였다. 이때, 하부 자성막에 가하는 비자성 첨가 원소와 용이축 방향의 저항 변화율과 Hc의 관계를 하기 표 2에 제시한다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 유리기판에 성막한 비자성 원소를 첨가하지 않은 막에 비하여 Hc가 저하하였다. Al, Ta등의 첨가에서는 Hc의 저하가 현저하나 대량으로 첨가하면 저항 변화율이 대폭으로 저하하였다. Al로는 6.5원자%미만, Ta로는 10원자%미만에서 NiFe로 이루어지는 스핀 밸브막을 상회하는 5% 이상의 저항 변화율과 저 Hc를 양립할 수 있음을 안다. 또, CoFe에 Al또는 Ta를 첨가하면 X선 회절에 있어서 최밀면 피크 강도가 증가하였다. 한편, Cu, Au, Ag나 Pd등은 Hc저감 효과가 Al또는 Ta처럼 현저하지는 않으나 10원자 %이하의 대량의 첨가로도 저항 변화율의 저하를 볼 수 없다. CoFe에의 Cu, Au, Ag나 Pd의 첨가로도 X선 회절에 있어서의 최밀면 피크 강도가 증가하였다. 이들 Hc의 저하에는 X선 회절에 있어서의 최밀면 피크 강도가 첨가 원소에 의하여 향상됨으로써 전술한 결정 배향성의 향상이 기인하고 있는 것으로 생각된다. 이에 더하여 첨가 원소에 의한 결정 자기 이방성의 저감도 Hc의 저하에 기인하고 있을 가능성도 있다.

또, 65℃ 95% RH의 항온 항습조에 100시간 방치하여 단층의 각자성막(100nm두께)에 대하여 내식성을 조사하였는바 Pd를 7원자%이상 첨가한 막에서는 변색은 없었으나 비자성 원소를 첨가하지 않은 CoFe막, CoNi막, CoFeNi막이나 Al을 6.5원자%첨가한 막, Ta를 6원자%첨가한 막 등은 변색을 볼 수 있었다. 즉 Pd의 첨가는 내식성을 개선하는 효과를 발휘한다. Pd만의 첨가에서는 Hc의 저하가 너무 현저하지는 않으나 Pd를 예컨대 Cu와 함께 첨가하면 높은 저항 변화율과 내식성을 유지하여 연자성이 더욱 개선 가능해진다. 다시, 사파이어 기판이나 아모퍼스 금속 소재, fcc격자의 소재를 사용하면 Pd만으로도 Hc 80 A/m의 저하가 실현되고, 또 저항 변화율도 ∼10%의 높은 값을 40at%까지의 Pd농도 범위로 표시했다. 그러나, 같은 귀금속으로 내식성 개선에 효과적이라고 예상되는 Pt를 첨가하면 Hc가 Pt를 첨가하지 않은 막 이상으로 증가하였다. 이때문에 연자성의 관점에서 Pt의 첨가는 바람직하지 않다.

[실시예 9]

표면 거칠기가 R=2nm이하의 열산화 Si기판 표면을 SH(황산과 HO의 혼합액) 처리에 의하여 청정화한 뒤, 이 기판을 진공장치내에 넣고 1×10 Torr이하까지 배기하였다.진공 장치내의 물 및 산소는 질량 분석기 및 노점계에 의하여 관리하였다. 이상의 수순이 종료된 후 장치내에 초고순도 Ar가스를 도입하고 장치내의 진공도를 1×10 Torr로 하고, ECR이온원 내부에 있어서 2.45GHz의 마이크로파 방전을 발생시켜서 가속한 이온 비임에 의하여 스퍼터링을 행하고, 제17도에 보이는 바와 같이, 열산화 Si기판(150)위에 제1의 하지막 (151)으로 하여 비정질 Si막을 막두께 5nm로 성막하였다. 그후, 진공을 유지하면서 연속하여 제1의 하지막(151)위에 제2의 하지막(152)으로서 Cu-Ni합금을 막두께 2nm로 성막하였다.

그 표면에 제1의 강자성막(153)으로서 CoFe합금막을 두께 8nm로, 비자성막(154)으로서 Cu-Ni합금막을 두께 2.2nm로, 제2의 강자성막(155)으로서 CoFe합금막을 두께 8nm로, 반강자성막(156)으로서 Fe-Mn합금막을 두께 8nm로, 보호막(157)으로서 Ti막을 두께 5nm로 차례로 성막하고 스핀 밸브 구조의 적층막을 제작하였다. 이상의 박막은 모두 이온 비임 스퍼터링으로 형성하였다. 또 이 적층막상에 Cu전극(158a)(158b)을 형성함으로써 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자(159)를 얻었다.

또, 강자성막(153)(155)에 있어서의 Co-Fe계 합금막의 조성물로서는 큰 저항 변화율(일본 응용 자기 학회지:16, 313(1992))및 연자기 특성의 관점에서 CoFe로 하였다.

이와 같이 하여 얻은 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 결정성, 자기 특성 및 저항 변화율을 측정하였는바, Co-Fe합금막의 X선 회절에 의한 반치폭은 1°이고 연자기 특성을 나타내는 물성의 하나인 보자력은 0.10e였다. 또 이소자를 사용하여 측정한 자기 저항 변화율은 약 10% 란 높은 값을 나타냈다.

또, 본 발명과의 비교로서 같은 처리를 시행한 기판을 진공 장치내에 넣고 1×10 Torr 이하까지 배기한 후 통상의 Ar가스를 2×10 Torr 까지 도입하고 그 기판 표면에 비정질 Si막을 성막하는 일없이 Cu막을 하지막으로 하여 직접 성막하고 그 표면에 실시예 9와 동일 구성의 스핀 밸브 구조의 적층막을 제작하였다. 또, 이 적층막상에 Cu전극을 형성하여 자기 저항 효과 소자로 하였다. 이 적층막은 통상의 13.56MHz로 여기된 2극 스퍼터링법에 의하여 형성하였다.

이 비교예의 자기 저항 효과 소자의 결정성, 자기 특성 및 저항 변화율을 측정하였는바 Co-Fe 합금막의 X 선 회절에 의한 반치폭은 7°이고 연자기 특성을 나타내는 물성의 하나인 보자력은 1.50e였다. 또, 이 소자를 사용하여 측정한 자기 저항 변화율은 약 5% 였다.

[실시예 10]

표면 거칠기가 R=2nm 이하인 사파이어 기판을 표면 정화한 후 이 기판을 진공 장치내에 넣고 1×10 Torr 이하까지 배기하였다. 진공 장치내의 물과 산소는 질량 분석기와 노점계에 의하여 관리하였다. 이상의 수순이 종료한 후 전자 비임 증착원을 사용한 초고진공 증착법에 의하여, 제1의 하지막으로 하여 비정질 Cu-Ti 막을 막두께 3nm로 성막하였다. 그 후, 진공을 유지한 채 연속하여 여기 주파수 100MHz 의 초고진공 RF 스퍼터링을 이용하여 제2의 하지막으로서Fe-Mn합금막을 막두께 2nm 로 성막하였다.

다음, 상기 하지막상에 CoFePd8nm/Cu 2.2nm/ CoFePd8nm/FeMn 8nm/ Ti5nm 의 구성을 지니는 스핀 밸브 구조의 적층막을 모두 여기 주파수 100MHz의 초고진공 RF스퍼터링을 사용하여 형성하고 다시 이 적층막상에 Cu전극을 형성하여 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 제작하였다.

이와 같이 하여 얻은 스핀 밸브평 자기 저항 효과 소자의 결정성, 자기 특성 및 저항 변화율을 실시예 9와 같이 측정하였는바 Co-Fe 막의 X 선 회절에 의한 반치폭은 1.5°이고 연자기 특성을 나타내는 특성의 하나인 보자력은 10e 였다. 또, 동 소자를 사용하여 측정한 자기 저항 변화율은 약 12%란 높은 값을 나타냈다.

[실시예 11]

제18도에 도시한 바와 같이, 지지 기판(30)위에 CoZrNb등으로 이루어지는 고저항, 아모퍼스층 (31)을 형성하고 그위에 CoFe합금등으로 이루어지는 강자성막 (32), Cu 등으로 이루어지는 중간층(33), 강자성막 (32)및 FeMn 등으로 이루어지는 교환 바이어스 층(34)을 약 4KA/m의 정자계중에서 차례로 형성하고 교환 바이어스층 (34)상에 리드(35)를 형성하여 자기 저항 효과 소자를 제작하였다. 또 각층은 4원 스퍼터 장치로 하기 표3에 제시하는 성막 조건으로 성막하였다.

FeMn측의 CoFe의 막두께는 4.5nm 로 하였다.

이 자기 저항 효과 소자의 자기 특성을 조사하여, 제19도 및 제20도에 그 M-H 커브(자화-자계 커브)를 나타낸다. 그리고 제19도는 용이축 방향의 M-H커브, 제20도는 곤란축 방향의 M-H커브를 나타낸다.

제19도에서 알 수 있듯이 FeMn에 고착되어 있지 않은 쪽의 CoFe막의 보자력 Nc(도면중 a)는 약 500A/m로 되어 통상의 CoFe단층막의 Hc약 1600A/m에 비해 현저하게 낮은 값을 나타냈다. 또한 신호 자계 입력측인 곤란축 방향에 대해서도 제20도에서 알 수 있듯이 FeMn에 고착되어 있지 않은 쪽의 CoFe막의 보자력 Hc(도면중 b)가 약 600A/m 으로 되어 통상의 CoFe 단층막의 Hc 약 1600A/m 에 비해 현저하게 낮은 값을 나타냈다.

또, 이 자기 저항 효과 소자의 저항 변화 특성을 조사하여 제21도에 그 R-H 커브(저항-자계 커브)를 나타낸다. 제21도에서 알 수 있듯이, 저항 변화율△R/R은 종래의 Co 계 핀 밸브막과 같은 정도의 약9% 의 높은 저항 변화율로 되었다. 또, FeMn 에 고착되어 있지 않은 쪽의 CoFe 막의 보자력 Hc(도면중 c)는 제19도에서 예상되는 것처럼 약 500A/m의 낮은 값으로 되었다.

본 실시예에서는 교환 바이어스층으로서 FeMn막을 사용하고 있지만 NiO등의 반강자성막을 사용해도 되고, 또 (Co/Cu)n등의 구조를 갖는 인공격자막을 사용해도 양호한 특성이 얻어지는 것이 확인되었다. 또한 본 실시예에서는 고저항 하모퍼스층으로 CoZrNb막을 사용하고 있지만 그 밖에 미소한 결정의 FeZr막, FeZrn막, CoZrN 막, FeTac막 또는 NiFeX막( X,:Rh, Nb, Zr, Hf, Ta, Re, Ir, Pd, Cu, Mo, Mn, W, Ti, Cr, Au 또는 Ag)등을 사용해도 된다.

특히, fcc상의 미결정막(Co계 질화막, Co계 탄화막, NiFeX막)에서는 fcc상{111}배향을 촉진하는 결과도 상중(相重)하고, 또 Hc는 저하(용이축 방향에서 ∼ 250A/m), 저항 변화율도10%로 증가했다. 비교를 위해 고저항 아모퍼스층을 설치하지 않고 지지기판상에 후술하는 제25도와 같은 강자성막, 중간층, 강자성막, 교환 바이어스층을 순차적으로 적층해서 이루어진 자기 저항 효과 소자의 자기 특성을 조사하고, 그 M-H커브를 제22도 및 제23도에 도시한다. 그리고 제22도는 용이축 방향의 M-H커브, 제23도는 곤란축 방향의 M-H커브를 나타낸다. 또 성막조건은 상기 표3과 같이 했다.

제22도에서 알 수 있듯이 FeMn에 고착되어 있지 않은 쪽의 CoFe막의 보자력 Hc(도면중 d)는 약 2000A/m으로 되어 통상의 CoFe 단층막의 Hc 와 같이 높은 값을 나타냈다. 또한 곤란축 방향에 대해서도 제23도에 도시한 것처첨 FeMn 에 고착되어 있지 않은 쪽의 CoFe 막의 보자력 Hc(도면중 e) 는 약 1400A/m 으로 되어 통상의 CoFe단층막의 Hc와 같이 높은 값을 나타내며, 자기 저항 효과 소자로서는 불충분했었다.

[실시예 12]

제24도에 도시한 것처럼 지지기판(30)상에 Cu 등으로 이루어진 두께 약5nm 의 하지막(36)을 형성하고, 다시 그 위에 교환 바이어스층 (34), 강자성막 (32), 중간층 (33), 강자성막 (32) 및 고저항 아모퍼스층 (31)을 순차적으로 형성하고, 고저항 아모퍼스층 (31)상에 리드 (35)를 형성해서 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 그리고, 성막조건은 상기 표 3과 같이 했다.

제24도에 도시한 구조, 즉 고저항 아모퍼스층을 교환 바이어스층보다도 상층으로서 형성할 경우에 있어서도, 낮은 Hc를 얻을 수 있었다. 또 아모퍼스층이 고저항이기 때문에 이 층이 최상층으로 되어도 션트 효과에 의한 자기 저항 변화율의 저하는 없었다. 그리고, 이 경우에는 FeMn의 결정 배향 제어를 위해 하지막을 설치하는 것이 바람직하다.

[실시예 13]

지지기판 (41)상에 CoPtCr막 (42)을 두께 8nm으로 성막하고, 그 위에 레지스터 (43)를 도포한 다음, 소망의 패턴으로 레지스트 (43)를 패터닝하고, 제 25(A)도에 도시한 것처럼 이온밀링 등에 의해 에칭했다. 이때 CoPtCr의 테이퍼각 X 는 90°에 가까운 쪽이 바람직하다.

다음에 제25B 도에 도시한 것처럼 에칭후의 레지스트(43)는 제거하지 않고, 이 상태에서 CoFe합금으로 이루어진 강자성막 (44), Cu 등으로 이루어진 중간층(45), 강자성막(44), 및 고저항 아모퍼스층 (46)을 순차적으로 형성하여 스핀 밸브 구조의 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이때 레지스트 (43)의 테이퍼각 Y는 90°도에 가까운 쪽이 바람직하다.

다음에 레지스트(43)를 제거한 다음에 고저항 아모퍼스층 (46)상에 리드 (47)를 형성했다. 그리고, 이 리드 (47)는 레지스트 (43)를 제거하기 전에 형성해도 된다. 이처럼 제작함으로써, 제 25C 도에 도시한 것처럼, 계면 상태에 민감한 스핀밸브 구조를 트성 열화를 수반하지 않고 제작할 수 있다.

상기 구조와 같이, FeMn등으로 이루어진 교환 바이어스층을 자화 고착막으로써 사용함이 없이 고보자력막을 사용할 수 있다. 고보자력막의 재료로서는 하지막을 사용하지 않아도 적당한 면내 자기 이방성을 발휘할 수 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그래서 본 실시예에서는 이 특성을 만족하는 CoPtCr막을 고보자력막으로서 사용했다.

[실시예 14]

제26도에 도시한 것처럼 지지기판(30)상에 고저항 아모퍼스층(30), 강자성막(32), 중간층(33), 강자성막(32)및 고저항 아모퍼스층(31)을 순차적으로 적층하고, 최상층의 고저항 아모퍼스층(31)상에 리드(35)를 형성하여 자기 저항 효과소자를 제작했다.

제26도에 도시한 구조처럼, 자화 고착막인 FeMn으로 이루어진 교환 바이어스층을 사용하지 않고, 센스 전류에 의해 발생하는 자계 또는 형성에 의한 반자계의 효과에 의한 자기 바이어스 효과를 이용하여 강자성막 (32)간에서의 반강자성적 자화 배열을 실현해도 된다.

이경우, 센스 전류에 의해 발생하는 전계가 막폭방향(도면중 g방향)에 있어서, 강자성막 (32)을 기고 상하에서 반대 방향으로 되게 가해지도록 하고, 또한 막폭 방향의 반자계를 저감하기 위해 2개의 강자성막(32)은 서로 반강자성적으로 결합하게끔 한다. 그 결과, 교환 바이어스층이 없어도 2개의 강자성막(32)끼리가 반강자성적으,로 결합할 수 있다. 따라서 신호자계Hs 를 막의 긴쪽 방향 (도면중 f 방향)으로 가하면 2개의 강자성막(32)의 자화는 회전하여 막의 긴쪽 방향으로 정돈되어 강자성적인 결합으로 된다. 그 결과, 스핀 의존 산란에 기인한 커다란 △R/R 을 얻을 수 있다.

[실시예 15]

제27도에 도시한 것처럼 열산화 Si기판 (160)상에 고저항 강자성막(161)으로서 CoCr합금막을 이온빔 스퍼터법에 의해 막두께 1nm으로 성막했다. 다음에 고저항 자성막 (161)상에 제1의 강자성막(162)으로서 CoFe합금막을 두께 3nm으로, 비자성층 (163)으로서 Cu막을 두께 2nm으로, 제2의 강자성막(164)으로서 CoFe합금막을 두께 3nm으로 순차적으로 성막하고 스핀 밸브형의 적층막을 형성했다.

이다음, 상기 적층막상에 반강자성막(165)으로서 FeMn막을 두께 15nm으로 형성했다. 그위에 필요에 따라 보호막 (166)을 형성하고, 다시 전극 (167a, 167b)을 형성함으로써, 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자 (168)를 제작했다.

이와같이 해서 얻어진 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율을 측정했더니 실온에서 14%라고 하는 높은 값을 나타냈다.

[실시예 16]

제28도에 도시한 것처럼, 열산화 Si기판(160)상에 고저항 반강자성막(169)으로서 FeMn합금막을 이온빔 스퍼터법에 의해 막두께 1nm으로 성막했다. 다음에 고저항 반강자성막 (169)상에 제1의 강자성막(162)으로서 CoFe합금막을 두께 3nm으로, 비자성막 (163)으로서 Cu막을 두께 2nm으로, 제2의 강자성막 (164)으로서 CoFe합금막을 두께 3nm으로 순차적으로 성막하고, 스핀 밸브형의 적층막을 제작했다.

이 다음, 상기 적층막상에, 반강자성막 (165)으로서 FeMn막을 두께 15nm으로 형성했다. 그위에 필요에 따라 보호막 (166)을 형성하고, 다시 전극 (167a, 167b)을 형성함으로써 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자 (170)를 제작했다.

이와같이 해서 얻은 스핀 밸프형 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율을 측정했더니 실온에서 14%라고 하는 높은 값을 나타냈다.

비교로서 고저항 강자성막(161)을 형성하지 않는 이외는 실시예 15와 같이 해서 스핀밸브형 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이 스핀밸브형 자기 저항 효과 소자의 특성을 실시예 15와 같이 해서 평가했더니 실온에서의 저항 변화율은 12%였다.

[실시예 17]

사파이어 기판상에 제1의 강자성막으로서 CoFe합금막, 비자성막으로서Cu 막, 제2의 강자성막으로서CoFe합금막, 반강자성막으로서 FeMn막을 순서대로 형성했다. 이때, 제1 및 제2의 강자성막의 두께 (d)를 변화시켜, 저항 변화율(△ρ/ρ)을 측정했다. 그 결과를 제29도에 도시한다. 그리고 제1 및 제2의 강자성막의 두께는 동일하게 하고, Cu막의 막두께는 2.2nm, FeMn막의 막두께는 15nm으로 했다. 또, 상기 자기 저항 효과 소자에 있어서는 반강자성막상에 필요에 따라 내식성 등에 뛰어난 Ta, Ni, NiCr등의 보호막을 통해 전극을 형성한다. 제29도에서 알 수 있듯이 d가 5nm 이하에서 MR효과가 증대하고 있는 것을 알 수 있다. d=3nm부근에서 피크를 취하고, 2∼4nm 의 바람직한 범위로 된다.

강자성막/비자성막(금속박막)/강자성막의 샌드위치 구조의 두께가 얇아져 오면 금속 박막과 접속하고 있지 않은 면에서의 전자 산란이 커져서, 저항의 사이즈 효과가 나타난다. 샌드위치 구조의 비저항의 변동분(△ρ)은 샌드위치 구조의 전체 막두께는 t, 평균 자유 행정을 l로 하면, △ρ는 l/에 비례한다. 제조건으로 변화하지만, 제29도에서도 명백한 것처럼 Co 계 강자성층을 사용했을 경우, 강자성막 두께는 5nm이하로 하는 것이 양호한 MR효과를 얻는데 바람직하다.

즉, 강자성막의 금속박막과 접하고 있지 않는 쪽면에, 저저항 예를 들면 30μΩ㎝이하의 비저항을 가진 재료가 접하고 있는 경우, 전자는 그 계면을 빠져나가 30μΩ㎝이하의 비저항을 가진 재료중에 흘러버려, 유효한 표면 산란이 일어나기 어렵게 된다. 이때문에 유효한 표면 산란을 일으켜 사이즈 효과를 이용하기 위해서는 30μΩ㎝이상의 재료로 하던가 접하고 있는 재료의 두께를 5nm이하로 하는 것이 유효하다.

사이즈 효과를 이용하여, 커다란 MR효과를 얻기 위해서는 Co계 강자성막의 막두께는 5nm이하로 하는 것이 바람직하다. 이때, 중간 금속 박막으로서는 Cu, Ag, Au등의 비저항이 작은 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 중간 금속 박막의 막두께는 사이즈 효과를 이용하기 위해 5nm보다 얇은 것이 바람직하다. 또, 양 강자성막의 막두께가 크게 상이할 경우에는 양 강자성막에 있어서의 표면 산란의 효과가 다르기때문에, 자기 저항 변화율은 작아진다. 이때문에 양강자성막의 두께의 비는 1:1∼1:2의 사이에 있는 것이 바람직하다.

[실시예 18]

제30도에 도시한 것처럼 사파이어 기판(160)상에 비자성막(161)으로서 CuPd합금막을 RF스퍼터법에 의해 두께 2nm으로 성막했다. 다음에 비자성막(161)상에, 제1의 강자성막(162)으로서 CoFe합금마을 두께 1nml으로, 비자성막(163)으로서 Cu막을 두께 2nm으로, 제2의 강자성막(164)으로서 CoFe합금막을 두께 3nm으로 순차적으로 성막하여 스핀 밸브형의 적층막을 형성했다.

이 다음, 상기 적층막상에 반강자성막(165)으로서 FeMn막을 두께 15nm으로 형성했다. 그 위에 필요에 따라 보호막(166)을 형성하고, 다시 전극(167a, 167b)을 형성함으로써 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자(171)를 제작했다.

이 자기 저항 효과 소자에서는 반강자성막(165)에 의해 제2의 강자성막(164)에는 1방향 이방성이 주어지고 있기 때문에, 저자장중에서는 자화는 1방향으로 고정된 채 움직이지 않는다. 이것에 대해 제1의 강자성막(162)은 저자장중에서도 자장의 방향으로 자화를 향하게 한다. 따라서, 외부 자화를 변화시킴으로써, 2개의 강자성막의 자화가 이루는 각도를 자유롭게 제어할 수 있다. 그리고, 반강자성막(165)은 제2의 강자성막(164)에 유효한 1방향성 이방성을 부여하는데 1∼50nm정도의 두께로 하는 것이 바람직하다.

이와같이 해서 얻은 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자(171)의 저항 변화율을 측정했더니, 제1의 강자성막(162)의 두께를 1nm으로 얇게 하고 있음에도 불구하고, 실온에서 8%라고 하는 높은 값을 나타냈다. 또 상기 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자(171)를 폭 2㎛ ×길이 80㎛의 미세형상으로 가공하여 Cu리드간을 2㎛ 규정한 좁은 트랙폭의 고밀도 자기 기록의 재생에 사용했더니 벌크 하우젠 노이즈를 제거할 수 있었다.

비교로서 비자성막(161)을 형성하지 않는 이외는 실시예 18과 같이 해서 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 특성을 실시예 18과 같이 해서 평가했더니, 저항 변화율은 실온에서 3%로 작은 값밖에 얻어지지 않았다.

또, 제1의 강자성막(162)의 막두께를 3nm으로 하는 이외는 실시예 18과 같이 하여 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 특성을 실시예 18과 같이 해서 평가했더니 저항 변화율은 실온에서 6% 얻을 수 있었지만 실시예 18과 동일한 재생 미세 소자에 의하여 고밀도 기록(좁은 트랙폭)의 재생을 실시한 결과, 반자계에 의한 벌크 하우젠 노이즈가 관측되었다.

[실시예 19]

제31도에 도시한 바와 같이 열산화 Si 기판(166)상에 평균 자유 행정이 긴 박막(172)으로서, 캐리어 농도가 10 cm 가 되도록 Te를 도핑한 GaAs막을 MBE법에 의해 두께 10nm으로 성막했다. 다음에 Te도핑 GaAs막(172)상에 제1의 강자성막(162)으로서 CoFe합금막을 두께 1nm으로, 비자성막(163)으로서 Cu막을 두께 2nm으로, 제2의 강자성막(164)으로서 CoFe합금막을 두께 4nm로 순차적으로 성막하여 스핀 밸브형의 적층막을 형성했다.

이 다음, 상기 적층막상에 반강자성막(165)으로서 FeMn막을 두께 15nm으로 형성했다. 그 위에 필요에 따라 보호막(166)을 형성하고, 다시 전극(167a, 167b)을 형성함으로써 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자(173)를 제작했다.

이와 같이 해서 얻는 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율을 측정했더니, 실온에서 18%라고 하는 높은 값을 나타냈다. 또 상기 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 고밀도 자기기록의 재생에 사용하여, 10 A/CE라고 하는 전류밀도의 센스 전류에 있어서의 출력 신호 전압을 측정했더니 1mV p-p라고 하는 양호한 값이 얻어졌다.

비교로서, Te도핑 GaAs막(172)을 형성하지 않는 이외는 실시예 19와 같이 해서, 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자의 특성을 실시예 19와 같이 해서 평가했더니 저항 변화율은 실온에서 2%로 작은 값이 얻어졌다.

[실시예 20]

유리기판상에 두께 10nm의 Cu막을 하지막으로서 형성하고, 그위에 CoFe막을 형성했다.Cu막 및 CoFe막은 RF2극 스퍼터링법에 의해 성막했다. 그리고 스퍼터링은 성막중에 영구 자석에 의해 약 4000A/m의 1방향 자계를 기판 근방에 가하고, 다음에 나타낸 스퍼터링 조건에 의해 행했다.

예비 배기 1×10 Pa 이하

Ar스퍼터 가스압 0.4Pa

고주파 투입 전력 CoFe:300-500W

Cu:160W

스퍼터링 속도 CoFe:0.5-1nm/s

Cu:1nm/s

이와 같이 해서 제작한 CoFe막의 Hc (곤란축방향)와 CoFe막의막두께의 관계를 제32도에 도시한다. 또 제32도에는 비교를 위해 유리 기판상에 Cu하지막을 설치하지 않고 직접 CoFe막을 형성한 것도 도시했다. 그리고 보자력 Hc는 진동형 자력계에 의해 측정했다.

제32도에서 알 수 있듯이 Cu하지막을 설치하지 않는 통상의 CoFe막에서는 막두께 2nm이하에서는 2000A/m이상의 높은 Hc를 나타냈다. 한편, Cu하지막을 설치하면, 막두께 20nm의 CoFe막에서는 Hc의 저하는 약간 있었지만, 막두께 10nm이하에서는 400∼900A/m에 Hc가 큰폭으로 저하했다. 이처럼 유리기판과 CoFe막과의 사이에 Cu하지막을 설치함으로써 CoFe막의 Hc를 저감할 수 있음을 알았다. 특히, Cu하지막의 막두께는 1원자층 이상이면 상기 Hc저감의 효과를 볼 수 있었다. 저저항율의 Cu에서는 센스 전류가 Cu로 분류하기 쉬우므로, Cu하지막 두께를 두껍게 하면 저항 변화율이 저하한다. 이 저항 변화율의 감소를 방지하기 위해, Cu하지막의 막두께를 1nm이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 유리 기판상에 Cu하지막을 통해 Co막을 형성했을 경우에는 Hc의 저하는 볼 수 없었다. 따라서, 하지막을 이용한 연자성 개선에는 강자성막이 Co에의 Fe를 첨가한 합금으로 이루어진 막일때에 효과가 있음을 알 수 있었다.

특히, Co에 첨가하는 Fe농도를 5∼40%로 함으로써, 저 Hc가 실현되는 것을 알았다. 이것은 Fe농도가 5%미만이면 hcp상이 혼입되어 버려, Fe농도가 40%를 넘으면 bcc상이 혼입되기 쉽기 때문이다. 또 CoFe에 첨가하는 다른 원소로서는 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Zr, Nb, Hf, Mo, Ni, W, Re, Ru, Ir, Rh, Ga, Au, Ag를 들 수 있고, 이들 원소를 첨가했을 경우 동일한 Hc저감효과가 발휘되었다.

또 하지막으로서는 Cu이외에 fcc 상에서 격자정수가 CoFe보다도 큰 재료, 예를 들면 Cu기 합금, Pd, Al등으로 이루어진 막, 또는 fcc상을 갖는 자성막을 사용할 수 있다. 이 경우에도 역시 Hc저감 효과가 얻어지는 것을 알았다.

[실시예 21]

유리 기판상에 두께 5∼6nm의 Cu하지막을 형성하고, 다시 Cu하지막상에 CoFe막, 두께 2nm의 Cu중간층, 및 CoFe막을 순차적으로 형성했다, 그리고 이들 막의 성막 조건은 실시예 20과 같이 했다.

이 적층막(Cu/CoFe/Cu/CoFe)에 있어서의 Hc(곤란축방향)와 CoFe막의 막두께의 관계를 제33도에 도시한다. 또 제33도에는 제32도와 같이 유리기판상에 Cu하지막을 설치하지 않고 직접 CoFe막을 형성한 것도 도시했다.

제33도에서 알 수 있듯이 Cu하지막을 설치하지 않은 적층막에서는 단위 CoFe막의 막두께가 5nm이상에서 Hc는 급격하게 증가하지만 막두께 3nm이하에서 Hc는 800A/m이다, 이처럼 단지 Cu중간층을 설치하는 것만으로도 Hc를 저감시킬 수 있다. 또한, 이 적층막에 Cu하지막을 설치함으로써 Hc는 더욱 저하시킬 수 있고, 단위 CoFe막의 막두께가 7nm이하에서 220∼400A/m의 낮은 Hc가 얻어지는 것을 알 수 있다. 따라서, Cu하지막과 Cu중간층을 사용한 CoFe막적층막에서는 자화곡선(용이축방향)을 제34도에 도시한다. 제34도에서 알 수 있듯이, 자계가 0에서도 잔류 자화가 90%이상이며, 이 2개의 CoFe강자성막의 자화는 반강자성적이 아니라 강자성적인 자화거동을 나타내는 것을 알 수 있다.

[실시예 22]

CoFe막의 단위막 두께를 1.5nm으로 하고, Cu막의 단위막 두께를 1.5nm으로 하여, (CoFe/Cu)n막을 실시예 20에 나타낸 성막 조건으로 제작하고, 그 Hc와 적층회수 n과의 관계를 조사했다. 그 결과를 제 35도에 도시한다. 이 경우, 유리기판상에 CoFe막, Cu막의 순서로 적층한 것과, Cu막, CoFe막의 순서로 적층한 것(제1층의 Cu는 하지막에 해당하는 것으로 간주됨)에 대해 조사했다.

제35도에서 알 수 있듯이, 적층회수가 2일 경우에 있어서, CoFe막을 먼저 형성했을 때는 Hc는 65A/m으로 약간 높지만, 적층 회수가 4∼8의 경우에 있어서는 CoFe막이 먼저이거나 Cu막이 먼저이거나 간에 Hc는 100∼300A/m으로 낮다. 이것은 적층 회수가 증가함에 따라 Cu하지막의 효과가 저하되어, Cu하지막 (제1층의 Cu막)의 유무에 불구하고 Hc가 낮게 되기 때문이라고 생각된다. 그리고 이 경우의 자화곡선도 제 34도와 같이 강자성적인 결합을 나타내는 형상이었다.

그리고 이 적층막은 단면 투과 전자 현민경 관찰이나 X선 회절 곡선의 회절 피크 반치폭의 측정에서 결정 입자 지름이 큰, 즉 Cu막과 CoFe막과의 계면에서 연속한 에피택시적으로 결정이 성장하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 이 적층막은 비자성막과 강자성막과의 계면에서의 결정 성장 차단 효과를 이용한 미결정 효과에 의해 연자성을 발휘시키고 있는 종래의 Fe/C등의 다층막과는 달리, 여분의 저항 증대가 없으므로, 스핀 의존 산란을 이용한 자기 저항 효과막에의 응용이 가능하다. 또, Cu와 CoFe의 계면은 반드시 평평할 필요는 없고, 극단의 경우에는 제39도의 도시와 같이 층 형상의 Cu와 층 형상의 CoFe가 혼재하는 구조라도 좋다.

[실시예 23]

(CoFe/Cu)n막에서는 Cu막두께에 따라 Cu막에 인접하는 강자성막의 자화가 반강자성적으로 결합하거나 강자성적으로 결합하는 것이 알려져 있다. 제 36도에 (CoFe(1nm)/Cu)에 있어서의 곤란축 방향의 Hs (포화자계)와 단위 Cu막의 막두께와의 관계를 나타낸다. Cu막의 막두께를 1nm, 2nm근처로 설정하면, 인접하는 강자성막간의 반강자성 결합에 기인하는 큰 Hs(12∼240KA/m)를 나타낸다. 또 용이축 방향에서도 제37도에 도시한 바와 같은 잔류 자화가 대폭으로 저하된 반감자성적 결합을 나타내는 자화 곡선을 나타낸다. 한편, 그 이외의 막두께에서는 제34도에 도시한 자화 곡선과 같이 CoFe의 유도 자기 이방성에 해당하는 정도의 Hs(1000∼2000A/m)를 나타내며, 또 용이축 방향의 자화 곡선도 잔류 자화가 90%이상이며, 반강자성 결합이 없는 특성을 나타냈다.

또 제36도에서 알 수 있듯이, 막두께를 예를 들어 1.5nm정도의 중간치로 설정함으로써 강자성적 결합이 얻어지는 것을 알 수 있다. 강자성적 결합이라면 Hs가 낮기 때문에 자기 헤드 등의 자기 센서 응용상 중요한 곤란축 방향의 투자율을 높게 할 수 있다. 이처럼 본 실시예에 있어서 Cu막의 막두께는 종래의 거대 자기 저항 효과를 나타내는 인공격자와는 달리, 반강자성 결합을 하지 않는 중간치가 바람직하다.

[실시예 24]

기판(50)사에 실시예 20과 같이 하여 강자성 적층단위(51)를 형성했다. 여기서 강자성 즉층단위(51)는 실시예 20∼실시예 23에서 나타낸 비자성막인 Cu막과 강자성막인 CoFe막과의 적층막을 말한다. 이어서 강자성 적층단위(51)상에 강자성 적층단위중의 비자성막과 다른 두께를 갖는 비자성막(52)을 형성하고, 다시 그 위에 강자성 적층단위(51)를 형성했다. 이어서, 그위에 FeMn, MiO, NiCoO등으로 이루어진 반강자성막(53)을 형성하고, 다시 그 위에 보호막(54)을 형성했다. 이 보호막(54)은 필요에 따라 형성한다. 마지막에 에지부에 전류를 공급하기 위해 보호막(54)상에 전극 단자(55)를 형성하여 제38도에 도시한 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

여기서, 강자성적층단위(51) 및 반강자성막(53)의 성막을 1방향 자계 중에서 함으로써, 반강자성막(53)과 직접 접하는 강자성막적층단위(51)에 교환 바이어스를 부여할 수 있다. 그리고, 반강자성막(53)과 교환 결합하는 강자성 적층단위(51)중의 강자성막의 자화는 고착되므로, 강자성 적층단위(51) 대신에 연자성이 약간 낮은 CoFe단막층을 사용해도 된다. 또 페로 결합한 CoFe/Cu계면은 반드시 평탄할 필요는 없으며, 제39도에 도시한 것처럼 계면이 큰 폭으로 흐트러져 있어도 같은 효과를 발휘한다.

강자성 적층단위(51)를 (CoFe1nm/Cu1.2nm)막으로 하고, 비자성막(52)을 두께 2.5nm의 Cu막으로 하며, 반강자성막(53)을 두께 10nm의 FeMn막으로 하고, 보호막(54) 을 두께 6nm의 Cu막으로 한 자기 저항 효과 소자의 자화 곡선 및 저항 변화 특성(자계 방향은 용이축 방향)을 각기 제40도 및 제41도에 도시한다. 그리고 저항은 4단자법에 의해 측정했다.

제 40도 및 제41도에서 알 수 있듯이 H 800A/m으로 2개의 강자성 적층단위(51)의 사이에 있어서 자화가 반강자성적으로 결합되어 있으며, H 500A/m으로 2개의 강자성 적층단위(51)의 사이에 있어서 자화가 강자성적 결합에서 반강자성적 결합으로 변화되어 있는 것을 알 수 있다. 이 H=500∼800A/m의 약간의 자계 영역, 즉 약간의 히스테리시스로 저항이 크게 변화하고 있으며, 이때의 저항 변화율 △R/R은 8%이다.

비교를 위해, CoFe단층막으로 이루어지는 제38도에 도시한 스핀밸브 구조의 자기 저항 효과 소자(강자성 적층단위(51)를 CoFe단층막으로 치환한 것)의 자화 곡선 및 저항 변화 특성을 각기 제42도 및 제43도에 도시한다.

제42도 및 제43도에서 알 수 있듯이, 제41도의 저항 변화와 비교하여 자화 곡선에 히스테리시스가 크고, 그 결과 저항 변화 특성에도 커다란 히스테리시스가 존재한다. 또 △R/R은 약6.5%이며, 제40도의 저항 변화보다도 작은 값이다.

이상의 설명에서, 본 발명의 강자성 적층막을 사용한 스핀 밸브 구조의 자기 저항 효과 소자는 연자성이 양호하며, 약간의 자계로 커다란 저항 변화가 얻어지고, 또한 강자성 적층단위 내부에 CoFe/Cu 계면이 존재하므로 저항 변화율이 큰 것을 알 수 있다.

이상까지는 (CoFe/Cu)n적층막의 실시예에 대해 상세히 기술했지만, 이 스핀 밸브 구조는 다른 강자성막(예를 들면 NiFe, NiFe Co, Co 등)과 다른 비자성막(Cu기합금 등) 과의 적층에 있어서도 같은 효과가 기대된다. 다음에 제38도에 있어서의 스핀 밸브 구조에 있어서, 강자성 적층단위(51)를 여러가지의 강자성 결합 다층막으로 바꾸었을 경우의 용이축 방향의 저항 변화율과 Hc를 하기 표4에 나타낸다.

표 4에서 알 수 있듯이, CoFe/Cu이외의 조합의 강자성 다층막을 사용해도 단층자성막을 사용한 스핀 밸브막(표 1참조)에 비해 Hc를 저감시킬 수 있고, 또한 동등이상의 저항 변화율을 실현할 수 있음을 알 수 있다.

제38도에 있어서의 기판측의 강자성 적층단위(51)로서 두께 4nm의 Cu하지막과 두께 5nm의 CoFe을 사용하여 반강자성막(53)측의 강자성 적층 단위(51)에 두께 8nm의 CoFe단층막을 사용했을 경우의 자화 곡선 및 저항 변화 특성을 각기 제44A도, 제 44B도 및 제45도에 도시한다.

제44A도에서 알 수 있듯이 용이축 방향에서는 Hc가 800A/m이하로 비교적 큰 값을 나타내지만 제44B도에서 알 수 있듯이 곤란축 방향에서는 100A/m이하의 낮은 값을 나타낸다. 또한 제45도로부터 알 수 있듯이 저항 변화율 △R/R는 용이축 방향으로 7.2%, 곤란축 방향으로 2.8%이다. 이와 같이 곤란축 방향에서 저항 변화율이 낮은 것은 양강자성층간에서의 페로 결합때문에 반평행자화 배열이 불충분한 것으로 생각되며, 경질자성막 등에 의해 반평행 자화 배열을 촉진하는 바이어스 자계를 가함으로써 용이축 방향과 같은 정도의 △R/R을 얻을 수 있다. 즉, Cu하지막과 CoFe막의 적층막을 사용해도 양호한 연자성과 높은 △R/R의 양쪽이 얻어진다.

[실시예 26]

기판(50)상에 실시예 24에서 사용한 강자성막 적층단위(51)와, 강자성막 적층단위(51)중의 비자성층과 다른 두께를 갖는 비자성막(52)을 교대로 최소한 2회 이상 적층했다. 또한 최상층의 비자성막(52)상에 보호막(54)을 형성했다. 이 보호막(54)은 필요에 따라 형성한다. 마지막으로 에지부에 전류를 공급하기 위한 전극단자(55)를 성하여 제46도에 도시한 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

강자성 적층단위(51)를 (CoFe1nm/Cu0.6nm)막으로 하고 비자성층(52)을 두께 2.2nm의 Cu막으로 하고, 적층 회수 n을 8로 한 것의 곤란축 방향의 자화 곡선과 저항 변화 특성을 제47도 및 제48도에 도시한다.

제47도 및 제 48도에서 알 수 있듯이 포화자계 Hs는 6000A/m으로 비교적 작은 값을 나타내며, Hc는 240A/m으로 작은 값을 나타낸다. 이때, 저항 변화율은 12%이하이며, 저항 변화가 포화하는 자계는 자화곡선에 있어서의 포화자계 Hs와 대략 일치하며 또한 히스테리시스는 자화 곡선의 Hc와 대략 일치한다. 이것에 의해 약간의 자계로 커다란 저항 변화율을 나타내는 것을 알 수 있다.

[실시예 27]

경면 상태로 가공한 MgO기판(60)의 110면상에 (CoFe1nm/ Cu1.1nm)적층막(61)을 형성했다. 이 적층막(61)을 메탈 마스크를 사용하여 1×8mm 의 스트라이프 형상으로 패터닝했다. 이어서 적층막(61)상에 에지부에 전류를 공급하기 위한 전극 단자(62)를 형성하여 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 그리고 적층막(61)상에 보호막으로서 두께 5.5nm의 Cu막을 형성해도 된다. 또 CoFe계 합금막의 조성은 큰 저항 변화율을 나타내는 것(일본 응용 자기 학회지 16, 313(1992))및 연자기 특성의 점에서 CoFe으로 형성했다.

이 경우 MgO기판(60)의 110면상에는 CoFe막으로부터 형성했다. Cu막으로 형성하면, 10% 이상의 큰 저항 변화를 얻을 수 없기 때문이다. 제49도에 있어서, 적층막(61)에 표시되어 있는 파형선은 주성장면의 단면을 나타내고 있다. 이 주성장면이 흔들리고 있는 방향으로 MR센스 전류(Is)를 흐르게 한다.

여기서, 적층막(61)을 성막하는 성막 장치로서는 다원 동시 스퍼터링 장치를 사용했다. 이 스퍼터링 장치는 CoFe타겟을 RF스퍼터, Cu타겟을 DC스퍼터할 수 있는 구성으로 되어 있으며, 각각의 타겟상에 교대로 직류 바이어스를 인가한 기판을 통과시켜 성막하는 것이다. 그릭고 주배기 펌프에는 크라이오 펌프를 사용했다. 이 성막 장치를 사용하여 진공 챔버내를 5×10 Torr이하로까지 배기한 다음, 진공 챔버내에 Ar가스를 주입하고, 약 3mTorr로 하여 스퍼터링을 수행했다.

얻어진 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율 및 결정 구조를 조사했다. 그리고, 저항 변화율은 정자계 방향의 저항 변화를 4단자법으로 측정했다. 이때의 전류 밀도는 2.0∼2.5KA/cm 로 했다. 또, 결정구조는 다음의 측정 조건으로 X선 회절법에 의해 θ-2θ스캔 및 주회절면에 관한 록킹 커브를 측정함으로써 평가했다.

X선 회절 측정 조건

(1)θ-2θ스캔

Cu-Kα, 40KV, 200mA

스캔폭: 2θ=2∼100°

스텝폭:0.03°

계수시간:0.5초

(2) 록킹 커브

Cu-Kα, 40KV, 200mA

스캔폭: 2θ=20∼60°

스텝폭:0.04°

계수시간:0.5초

제 50A도 및 제 50B도에 자기 저항 효과 소자의 적층막의 θ-2θ스캔에 의한 X선 회절 곡선을 나타낸다. 제50B도에 도시한 것처럼, 2θ=75°부근에, fcc상(220)면 반사에 해당하는 강한 회절 피크를 확인할 수 있다. 이것에 의해 X선 회절 곡선에서 적층막의 주성장면은 1방향으로 변형이 있는 fcc상(22)면이라는 것을 알 수 있다. 그리고 제50A도에 있어서의 2θ=4°부근의 피크는 적층주기(∼2.1nm)에 의한 회절이다.

다음에 이 주성장면에 대해 [100]축방향 및 110축 방향에서 록킹 커브를 측정했다. 이 결과를 제51A도 및 제51B도에 도시한다. 제51A도에는 110축방향에서 측정한 록킹 커브를 나타낸다. 이것에서 θ=38°근방에 하나의 피크를 확인할 수 있다. 한편 제51B도에는 [100]축방향으로 부터의 록킹 커브를 나타낸다. 이것에서 θ=34°와 41°부근의 2개의 피크의 존재를 확인할 수 있다.

제52A도 및 제 52B도에 제 51도의 록킹 커브에서 판단되는 막구조의 개념도를 나타낸다. 제52A도에 있어서 요동한 층은 주성장면의 fcc상110면을 나타낸다. θ-2θ스캔 X 선 회절법으로 측정되는 평균적인 결정성장면은 110이지만, 이110면은 [100]축방향으로 요동하고 있다. 한편, 110축방향의 요동은 극히 작다. 이것은 제51B도에 도시한 록킹 커브의 2개의 피크([100]축방향 측정)와, 제51A도에 도시한 하나의 피크(110축방향 측정)에 대응한다.

제52B도에 이 성장면의 법선의 막면내 이방성은 [100]축방향의 커다란 요동에 의해, [100]축방향으로 크고, [100]축방향으로 작은 면내분포로 되어 있다. 후술하는 바와 같이, 110축방향으로 MR센스 전류를 흐르게 한 경우의 저항 변화율(△R/R)은 약 30%인데 대해 [100]축방향으로 흐르게 한 경우는 약 35%를 나타낸다.

다음에 이 적층막의 자기 특성을 측정했다. 그 결과에 의거한 자기 곡선을 제53A도 및 제 53B도에 도시한다. 제53A도는 외부 자계 H를 [100]축에 평행으로 인가했을 경우의 자화 곡선을 나타내며, 제 53B도는 외부 자계 H를 110축에 평행으로 인가했을 경우의 자화 곡선을 나타낸다. 그리고 자기 저항 효과 소자의 자기 특성은 진동형 자력계(VSM)로 최대인가자계 1.2MA/m으로 측정했다. 또 자화 곡선의 자화량 M은 포화자화 MS를 규격화해서 나타냈다.

제53A도 및 제 53B도에서 알 수 있듯이 [100]축이 자화용이축, 110축이 자화 곤란축이다. 이때 자화용이축의 포화자계는 약 240KA/m이며, 자화곤란축의 포화자계는 약 960A/m이다.

이처럼 본 실시예에서는 기판상에 강자성막과 비자성막을 순차적으로 최소한 1회씩 적층한 적층막을 구비하고, 센스 전류의 방향이 상기 적층막의 결정 배향면의 요동 방향에 따른 방향으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

본 실시예에 있어서, 적층막의 주결정 배향면의 법선은 결정 배향면의 요동에 의해 막면내에서 성분을 가지며, 그 막면내 성분은 이방성을 갖는다. 또는 결정성의 적층막에 발생하는 면결함의 법선은 막면내에의 요동을 가지며, 이 요동은 막면내에서 이방성을 갖는다. 그 이방성이 강한 방향은 막성장하는 원자면에 있어서 강자성 원자와 비자성 원자가 혼재하기 쉬운 방향이다.

그 방향에, 즉 막면내성분에 의한 이방성이 가장 커지는 방향으로 센스 전류를 흐르게 함으로써, 전자가 스핀 의존 산란하는 확률이 높아진다. 그 결과, 자기 저항 효과 소자는 더욱 높은 저항 변화율을 나타낸다.

[실시예 28]

기판에 인가하는 바이어스를변화시켜 실시예 27과 같은 적층막 구조를 갖는 여러가지 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 제54도에 저항 변화율의 바이어스 전압 의존성을 나타낸다. 그리고 MgO기판의 110면에 있어서 각기 직교하는 [100]축과 110축에 평행으로 전류를 흘려서 측정했다.

제54도에서 알 수 있듯이 각각의 축이 모두 저항 변화율의 바이어스 의존성이 약하며, [100]축에서 약 35%, 110축에서 약 30%의 값을 나타낸다. 즉, [100]축 쪽이 110축보다도 저항 변화율이 큰 것을 알 수 있다.

[실시예 29]

적층막을 (Cu2nm/ CoFe1nm)막으로 하는 것 이외는 실시예 D1과 동일하게 하여 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

이와 같이 Cu막의 막두께를 2nm으로 증가시켰을 경우, [100]축방향으로 전류를 흘렸을 때의 저항 변화율은 약 25%이며, 110축방향에서는 약 19%였다. 따라서 Cu막의 막두께를 증가시켜도 이 저항 변화율의 방향 의존성은 유지되고 있음을 알 수 있다. 이 경우 주성장면(fcc상(220)면)의 록킹 커브에는 제51B도에 도시한 바와 같이 [100]축에서 2개의 피크, 제 51A도에 도시한 것처럼 110축에서 하나의 피크가 확인되었다.

그리고 같은 구성으로 Cu막의 막두께 및 CoFe막의 막두께를 각기 0.3nm에서 10nm까지 변화시켜도, 록킹 커브의 경향은 상기와 바뀌지 않으며, [100]축쪽이 요동이 크다. 또, 저항 변화율도 [100]축쪽이 큰 경향을 나타냈다.

또 같은 구성으로 적층회수를 2에서 70까지 변화시켜도 록킹 커브 및 저항 변화율의 경향은 바뀌지 않으며, [100]축방향으로 센스 전류를 흘리는 쪽이 큰 저항 변화가 얻어졌ek.

[실시예 30]

적층막은 (Ru 1nm/ CoFe1nm)막으로 하는 것 이외는 실시예 27과 같이 해서 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

이 자기 저항 효과 소자의 △R/R은 [100]축방향으로 센스 전류를 흘리는 경우 쪽이 110축방향으로 센스 전류를 흘릴 경우보다 컸었다. 또, Ru막의 막두께를 변화시켜도 상기 경향을 볼 수 있었다.

이 현상은 CoFe막 대신에 Co막을 사용했을 경우에도 확인할 수 있었다. 또, Ru이외에 Ag, Au, Pd, Pt, Ir을 적층막의 재료로 사용해도, MgO기판의110면상에 있어서의 축방향에 의한 △R/R의 차를 확인할 수 있었다.

[실시예 31]

적층막을 (Cu1.1nm/NiFe1.5nm)막으로 하는 것 이외에는 실시예 27과 동일하게 하여 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

이 자기 저항 효과 소자의 적층막의 [100]축방향으로 센스 전류를 흘렸을 경우, 그 저항 변화율은 21%였다. 한편, 110축방향으로 센스 전류를 흘렸을 경우의 저항 변화율은 17%였다. 이 적층막도 CoFe/Cu적층막의 경우와 같이, 결정 성장면은 fcc상110면이며, 록킹 커브 측정에서 성장면은 [100]축방향으로 요동하고 있음을 알았다. 그리고, NiFe막의 막두께 및 Cu막의 막두께를 0.5nm∼50nm으로 변화시켜도 같은 경향을 나타냈다.

또, 강자성막의 재료로서, Co, CoFe합금, NiFe합금, Fe, FeCr합금 등을 사용해도 비자성막의 재료로서 Cu, Au, Ag, Cr, Ru, CiNi합금 등을 사용해도 적층막의 주성장면이 요동하고 있는 결정축방향과 센스 전류 방향에 평행이면 큰 저항 변화율을 나타내는 것을 알았다.

[실시예 32]

GaAs기판의 110면상에 두께 1.5nm의 Co막, 두께 50nm의 Ge막 및 두께 1.5nm의 Au막을 형성했다. 또한 그 위에 MBE법을 사용하여 제55도에 도시한 (Cu0.9nm/CoFe1nm)적층막을 형성했다. 도면중 70은 Cu막을 나타내며, 71은 CoFe막을 나타낸다. 또한 적층막상에 보호막으로서 두께 5nm의 Ge막을 형성하여 자기 저항 효과 소자를 제작했다. 이 적층막은 fcc상{111}면성장을 나타내고 있었다. 이때 센스 전류의 방향에 관계없이 저항 변화율은 약 15%를 나타냈다.

다음에 Au하지막의 두께를 0.8nm으로 하고, 그 이외의 구조를 상기와 같이해서 자기 저항 효과 소자를 제작했다.

얻어진 2개의 자기 저항효과 소자를 투과율 전자 현민경으로 관찰했던, Au소지층의 두께가 1.5nm인 것은 대략 격자 결함이 없고, 매우 양호한 결정성을 갖는 것이었다. 한편 Au하지막의 두께가 0.8nm의 것은 {111}면 배향을 나타내고 있었지만, [100]면이 110축방향으로 미끄러진 것에 의해 적층 결함이 관찰되었다. 또 이 자기 저항 효과 소자에 있어서의 211축 및 110축방향의 저항 변화율을 측정한 결과 110축방향에서는 약 15%이고, 211방향에서는 17%로 증가하고 있었다. 이 결과 방향성을 가지는 결함이 들어감으로써 저항 변화율의 센스 전류의 방향 의존성이 발생되는 것을 알 수 있다.

제56도에 제55도에 있어서의 적층막의 원자 배열도를 도시한다. [100]원자면이 110방향으로 어긋남으로써 전류가 211방향으로 흐르는 경우와 110방향으로 흐르는 경우에서 단위 길이당 조우되는 계면의 수가 상이하고, 211방향에서 많음을 알 수 있다. 이와 같은 방향성을 갖는 격자 결함으로 발생하는 전도전자의 스핀 의존 계면 산란 사이트수의 결정축방향 의존성은 상이한 적층 결함 이외에 쌍정(雙晶)결함에서도 발생되는 것을 알았다. 이하에 그예에 대하여 설명한다.

GaAs기판의 [100]면상에 두께 3nm의 Au하지막을 형성하고, 또 그 위에 (CoFe1nm/Cu1.1nm)적층막을 형성했다. 이 적층막은 fcc상[100]면 배향을 표시했다. 이때{111}축을 중심축으로 하여 쌍정이 발생되었다. 적층막 단면을 110방향에서 관찰했을 경우의 원자 배열을 제57도에 도시한다. 제57도에서 알 수 있는 바와 같이, {111}축주위에 쌍정이 발생함으로써 110방향으로 Cu와, Co또는 Fe원자와의 계면에 나타나는 것을 알 수 있다.

이 적층막의 저항 변화율의 센스 전류 방향 의존성을 110축 및 [100]축 방향에서 측정했다. 제58도에 [100]면 성장한 적층막의 쌍정면 및 전류 방향과 저항 변화율과의 상관을 나타낸다. 제58도와 같이 저항 변화율은 센스 전류를 110축방향으로 유입했을 때는 18%를 나타내고, [100]축방향으로 센스 전류를 유입했을 때는 16%의 값을 나타낸다. 이와같이 {111}면과 큰 각도로 교차하는 110축의 저항 변화율이 높게 나타났다. 한편 쌍정이 발생하지 않았을 때는 저항 변화율의 센스 전류 방향 의존성은 확인할 수 없었다.

[실시예 33]

유리 기판상에 (Cu1.1nm/CoFe1nm)인공격자막을 형성했다. 인공격자막의 성막은 기판에 직류 바이어스를 인가하면서 실시했다. 인가하는 직류 바이어스의 크기를 변경해서 저항 변화율을 측정하고, 기판에 인가하는 직류 바이어스의 의존성(바이어스 의존성)을 제59도에 도시한다.

제59도에서 알 수 있는 바와 같이 직류 바이어스를 증가시키는 것에 따라서 저항 변화율은 증가되고, 바이어스-50V에서는 약 28%의 극대치를 나타낸다. 또, 직류 바이어스를 크게 했을 경우에는 저항 변화율이 감소한다.

직류 바이어스를 변화시켜서 제작한 여러가지의 인공격자막의 결정성을 평가한 결과, 모든 인공격자막의 주성장면은 fcc상{111}면성장이었다. 여기에서 적층주기(2.1nm)에서 반사된 2θ=4°부근에 나타나는 장주기 구조 반사 강도 및 2θ=44°부근에 나타나는 fcc상{111}면에서 반사되는 주성장면의 피크 강도에 대하여 각각의 바이어스 의존성을 제60도 및 제61도에 도시한다.

제60도에서 알 수 있는 바와 같이 장주기 구조 반사 강도의 바이어스 의존성에 대해서는 바이어스 -20V정도로 약간의 극대를 나타내지만 특히 바이어스와 강한 상관이 있다고는 할 수 없다. 또 제61도에서 알 수 있듯이 fcc상{111}면 반사 강도의 바이어스 의존성에 대해서도 바이어스 -10V부근에 약간의 극대를 나타내지만 바이어스와 강한 상관이 있다고는 할 수 없다.

또, 강자성막으로서 CoFe막을 사용하고 있으므로 스핀 의존 산란의 벌크 산란이 커지고, 강자성막으로서 Co막을 사용하는 경우에 비해 계면의 구조는 민감성이 저하된다. 또 강자성막으로서 Co막을 사용할 경우 저항 변화율은 막구조에 크게 의존하는 것이 보고되고 있다.

다음에 보자력(Hc)의 바이어스 의존성을 제62도에 도시한다. 제62도에서 알 수 있듯이 바이어스 -50V정도까지는 200A/m 이하의 양호한 연자기 특성을 나타내지만 -60V정도로부터 보자력이 증가하기 시작한다. 따라서 인가하는 직류 바이어스의 크기를 선택함으로써 저항 변화율 및 보자력의 최적 조건을 선택할 수 있다. 또, 유리 기판 대신에 Si기판, 세라믹 기판, GaAs 기판, Ge기판을 사용했을 경우에도 마찬가지로 저항 변화율과 보자력의 최적점을 선출할 수가 있었다.

[실시예 34]

우선, 스핀 의존 산란 능력을 갖는 2개의 강자성막 양자의 자화 회전에 의하여 신호 자계를 검출하는 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

제63도에 도시하는 바와 같이 기판(80)상에 반강자성막의 배향 제어용의 하지막(81), 반강자성막(82), 스핀 의존 산란 능력을 갖는 강자성막(83), 비자성막(84), 강자성막(85) 및 반강자성막(82)을 차례로 형성했다. 또, 최상층의 반강자성막(82)상에 전극 단자 (86)을 형성했다. 이 반강자성막(82)상에 필요에 따라서 보호막을 형성해도 좋다. 또 하지막(81)의 재료는 반강자성막이 FeMn 으로 구성될 경우는 Cu, CuV, CuCr등의 Cu합금이나, Pd 등의비자성 fcc상 또는 NiFe나 CoFeTa등의 자성층을 갖는 금속이 바람직하다. 자성층쪽이 막두께가 얇아도(즉 션트 분류가 적다), 양호한 교환 바이어스가 부여된다. 반강자성막(82)은 FeMn, NiO, PtMn등으로 구성되고, 그 막두께는 5∼50nm이다. 강자성막(83, 85)은 NiFe, Co, CoFe, NiFeCo로 구성되고, 그 막두께는 0.5∼20nm이다. 비자성막(84)은 Cu, Au, Ag등으로 구성되고, 그 막두께는 0.5∼10nm이다. 또 반강자성막(82)은 강자성막(85)의 전면에 형성할 필요는 없고, 강자성막(83)의 양 사이드의 에지부(전극 단자(86)근방)에만 형성해도 좋다.

여기에서 적어도 강자성막(83)의 성막중에는 한쪽 방향의 정자계를 제63도중의 x방향(센스 전류 방향)에 가한다. 그 결과 강자성막(83)에 교환 결합 바이어스 자계가 그 정자계 방향에 가해진다. 한편, 적어도 반강자성막(82)의 성막중에는 강자성막(83)의 성막중에 가한 자계 방향과는 180°다른 방향(마이너스 X방향)으로 정자계를 가한다. 그 결과, 강자성막(83)과는 180°다른 방향으로 강자성막(85)에 교환 결합 바이어스 자계가 가해진다. 그 결과 2개의 강자성막(83, 85)의 자화가 이루는 각도는 신호 자계 0의 상태에서는 반평행을 이룬다. 또 신호 자계 Hs는 도면중의 y방향으로 가해진다.

반강자성(82)에 의하여 강자성막(83) 및 (85)에 반대 방향의 바이어스 자계를 부여하는 방법에는 다음에 표시하는 방법도 있다. 2개의 반강자성막(82)으로서 각각 상이한 네일 온도를 갖는 막을 사용하여 이들 네일 온도 이상에서 정자계 열처리를 하여 강온 중에 양 반강자성막의 네일 온도의 중간 온도로 정자계의 방향을 180°반전시킨다, 그 결과는 강자성막(83, 85)에는 반대 방향으로의 바이어스 자계를 부여할 수 있다.

본 실시예에서는 종래의 스핀 밸브 구조의 막과는 달리 반강자성막으로부터의 교환 바이어스가 가해진 강자성막의 자화 회전을 이용하고 있으므로 그 교환 바이어스 자계는 벌크 하우젠 노이즈를 억제하는 정도의 그다지 크지 않은 자계인 것이 좋다. 예를 들어 적용 헤드의 트랙폭 등에 따라서 상이하지만 최대 5KA/m이다. 그러나 현상의 스핀 밸브 구조의 막에 있어서는 FeMn으로 구성되는 반강자성막에 의한 교환 바이어스 자계를 사용하는 것이 일반적이나, 이 경우 FeMn막과 NiFe막등의 강자성막을 직접 적층하면 10KA/m이상의 교환 바이어스가 발생되고 만다. 그 교환 바이어스를 저감시키기 위해서는 반강자성막과 강자성막의 중간에 교환 바이어스 조정용의 막, 예를 들어 포화 자화가 낮은 강자성막이나 비자성막을 삽입하는 방법이나, 제64도에 나타낸 바와 같이 강자성막(83)과 (85)의 각각의 막중에 비자성막(87, 88)을 개재시키는, 즉 강자성막(83, 85)을 각각(83a)및 (83b), (85b)로 분리하는 방법이 있다.

강자성막중에 비자성막을 개재시키는 방법에 있어서는 반강자성막과 접촉하는 쪽의 강자성막 (83a, 85a)에는 강한 교환 바이어스가 가해지는데 반강자성막과 접촉이 안되는 쪽의 강자성막(83b, 85b)에는 약한 교환 바이어스가 가해진다. 비자성막(87,88)의 재료의 종류나 그 막두께에 의하여 반강자성막과 접촉이 안되는 쪽의 강자성막(83b, 85b)에의 교환 바이어스의 크기를 저감할 수 있다.

여기에서 강자성막(83a) 및 (83b)의 자화가 이루는 각도와, 강자성막(85a)및 (85b)의 자화가 이루는 각도는 신호 자계에 의한 자화 회전으로 페로적인 배열에서 반강자성적인 배열로 변화하지만 막중앙부에 있어서의 강자성막(83b)및 (85b)의 자화가 이루는 각도는 반대로 반강자성적인 배열에서 페로적인 배열로 변화한다. 따라서 전자와 후자의 스핀 의존 산란은 상쇄된다. 그러므로 강자성막(83a 85a)및 비자성막(87, 88)의 재료로서는 스핀 의존 산란 능력이 없고 고저항의 것이 바람직하다. 또 반강자성막과 접촉하는 측의 강자성막(83a, 85a)의 두께는 반강자성막과 접촉되지 않는 측의 강자성막 (83b, 85b)의 두께에 비해서 작게 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 함으로써 자계 0에서 강자성막(83) 및 (85)의 자화를 반평행으로 정돈할 수 있다. 그 결과 첫째로 자기 헤드에 적합한 곤란축방향(도면중 y방향)으로 신호 자계를 가했을 경우에도 양강자성층의 자화 회전에 의하여 양층간의 자화가 이루는 각도가 0∼180°까지 변화하는 상태를 실현할 수 있고, 용이축 방향과 같은 정도의 높은 저항 변화율을 실현할 수 있다. 둘째로, 2개의 강자성층에 바이어스 자계가 가해지므로 양강자성층으로부터 자벽을 없앨 수 있고, 벌크 하우젠 노이즈를 억제할 수 있다. 셋째로, 센스 전류와 신호 자계가 직행하는 방식으로는 종래 스핀 밸브 구조에서는 상쇄되던 NiFe막 등을 사용한 경우에 현저한 통상의 자기 저항 효과 소자와 스핀 의존 산란에 의한 저항 변화를 겸할 수가 있고, △R/R의 증대를 기대할 수 있다.

[실시예 35]

실시예 34에서는 2개의 반강자성막을 사용하여 양강자성층의 자화를 반평행으로 하는 방법을 표시했다. 그러나, 반드시 반강자성막만으로 바이어스 자계를 가할 필요는 없고, 경질 자성막으로부터의 누설 자계나 미세 형상으로 가공했을 경우에 발생하는 반자계를 이용해도 좋다. 다음에 그 한예에 대하여 설명한다.

제65도와 같이, 기판(90)상에 스핀 의존 산란 능력을 가지는 강자성막(91), 비자성막(92) 및 강자성막(93)을 형성했다. 강자성막(91, 93) 및 비자성막(92)의 막두께는 실시예 34와 동일하게 했다. 그 위에 두께 2∼50nm의 반강자성막(94)을 형성하고 강자성막(93)에 교환 바이어스를 인가했다. 또, 그위에 두께 10∼50nm의 CoPt, CoNi로 구성되는 경질자성막(95)을 형성했고, 경질자성막(95)의 위에 전극단자(96)를 형성했다. 성막은 모두 정자계(도면중 X방향)중에서 실시했다.

이어서, 반강자성막(94)에 의한 교환 바이어스 자계 방향과 동일 방향으로 400∼800KA/m의 자계를 가하여 경질자성막(95)을 X방향으로 착자했다. 그 결과 경질자성막(95)의 에지부로 부터의 누설 자계에 의하여 강자성막(91)에는 마이너스 X방향으로 바이어스 자계가 가해져서 강자성막(91)과 (93)의 자화는 반평행 상태가 되었다. 또 강자성막(93)에도 경질자성막(95)으로부터의 바이어스 자계가 가해지지만, 반강자성막(94)으로부터의교환 바이어스 자계 쪽이 강해지도록 교환 바이어스 력을 설정함으로써 상기한 반평행 자화 상태를 실현할 수 있다. 또한 경질자성막(95)과 반강자성막(94)을 강자성막(93)의 전면에 형성할 필요는 없고, 강자성막(93)의 에지부(전극 단자(96)근방)에만 형성해도 된다.

또, 제65도의 (95)에는 경질자성막 대신에 연자성에 가까운 강자성막을 사용할 수도 있다. 이경우 연자성에 가까운 강자성막은 반강자성막(94)으로부터 교환 바이어스가 가해지도록 적층할 필요가 있다. 강자성막(95)에 교환 바이어스가 가해지면 강자성막(95)의 자화를 한쪽 방향으로 고착시킬 수 있으므로 신호 자계등의 외부 자계가 가해져도 안정된 정자 결합 바이어스 자계를 강자성막(91)에 자기 저항 효과에 불가결의 미세 패턴 형상으로 가공함으로써 강자성막(93)에 가해지는 반강자성막(94)으로부터의 교환 바이어스 자계와 180°다른 방향으로 부여할 수 있다. 이때, 강자성막(95)의 막두께나 포화 자화를 조정함으로써 원하는강도의 바이어스 자계를 강자성막(91)에 부여할 수 있다.

또, 강자성막(95)의 저항율이나 막두께를 조정함으로써 소망의 션트 분류 동작점 바이어스를 부여할 수 있다. 여기에서 강자성막(95)에서는 반강자성막(94)과 교환 결합하기 위해 요구되는 특성(반강자성막(94)과 에피택셜 성장하기 위하여 반강자성막(94)과 결정 구조나 격자 정수가 동일한 결정성의 강자성막, 예를 들어 NiFe막, CoFe막, CoFeTa막, CoFePd막이 바람직하다)과 정자결합 바이어스나 동작점 바이어스에 요구되는 특성을 양립시키기가 곤란하다(상기 결정성의 막에 있어서는 저항율이 지나치게 낮다). 그러므로 강자성막(95)은 반강자성막(94)과 접촉하는 교환 결합용 자성막(NiFe나 CoFe계 강자성막 등)과 바이어스용의 강자성막(Co계 비정질막, FeTaN등의 질화미결정막, 또는 FeZrC등의 탄화미결정막등)이 계면에서 강자성 교환 결합하는 2층 구조인 것이 바람직하다.

제65도에 도시하는 구조의 경우 경질자성막(95)에 전극 단자(96로부터의 센스 전류가 분류되므로 △R/R가 어느정도 감소하는 것을 피할 수 없다. 이 문제는 제66도∼제68도에 도시하는 구조에 의하여 해소할 수 있다.

즉, 제66도에 나타낸 바와 같이 기판(90)위에 제65도와 동일하게 반강자성막(94)까지 성막하고 그 후 반강자성막(94)의 양사이드 근방에 경질 자성막(95)을 형성한다. 그 안쪽에 트랙폭에 상당하는 간격으로 전극 단자(96)를 형성한다. 그 결과 경질자성막(95)에 센스 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있고, △R/R의 저하를 억제할 수 있다.

한편, 제67도의 도시와 같이 기판(90)상에 먼저 경질자성막(95)을 형성하고, 그 위에 절연막(97)을 개재하여 강자성막(91), 비자성막(92), 강자성막(93) 및 반강자성막(94)을 차례로 형성하여 다시 전극 단자(96)를 형성한다. 이때, 성막중에 정자계를 가하여 반강자성막(94)으로부터 강자성막(93)에 소정의 교환 바이어스 자계를 가한다. 성막후에 이 교환 바이어스 방향과 동일한 방향으로 경질자성막(95)을 착자한다. 이 방법에서도 강자성막(91)과 (93)에 반대 방향의 바이어스 자계를 인가할 수 있고 또한 경질자성막(95)에 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또 절연막(97)은 경질자성막(95)과 강자성막(91)의 교환 결합에 의하여 과대한 바이어스 자계가 가해지는 것을 방지하는 효과도 있다.

또, 제68도의 도시와 같이 기판(90)상에 강자성막(91), 비자성막(92), 강자성막(93) 및 반강자성막(94)을 차례로 성막한다. 다음에, 이 적층막을 소정의 형상으로 미세가공한다. 이 미세가공은 레지스트 등을 사용하여 마스크를 형성하고, 이온밀링등으로실시한다. 그후, 이 남은 마스크를 사용하여 리프트 오프법으로 강자성막(91)의 사이드에 경질자성막(95)을 형성한다. 마지막으로 강자성막(93)에 가해지는 교환 바이어스와는 반대 방향으로 경질자성막(95)을 착자한다. 이 방법으로도 강자성막(91)과 (93)에 반대 방향의 바이어스 자계를 인가할 수 있고, 또한 경질자성막(95)에 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

[실시예 36]

제64도에 도시하는 스핀 밸브 구조에 있어서, 유리기판(80)위에 1at%의 Cr를 함유하는 두께 5nm의 Cu하지막, 반강자성막(82)으로서 두께 15nm의 FeMn막, 강자성막(83a)으로서 두께 1nm의 NiFe막, 비자성막(87)으로서 1at%의 Cr을 함유하는 두께 1.5nm의 Cu 막, 강자성막(83b)으로서 두께 6nm의 NiFe막, 비자성막(84)으로서 두께 2.5nm의 Cu막, 강자성막(85b)으로서 두께 6nm의 NiFe막, 비자성막(87)으로서 1at%의 Cr를 함유하는 두께 1.5nm의 Cu막, 강자성막(85a)으로서 두께 1nm의 NiFe막 및 반강자성막(82)으로서 두께 15nm의 FeMn막을 차례로 형성했다.

이들의 막의 성막은 영구 자석에 의한 정자계중에서 2극 스퍼터링법에 의하여 진공을 파괴하지 않고 일괄적으로 실행했다. 또 이 영구 자석은 기판 홀더에는 일체적으로 장착이 안되고 있다. 또, 이때 예비 배기압 1×10 Pa이하, Ar가스압 0.4Pa의 조건으로 실시하고, 강자성막(83)의 성막이 종류된 후에 기판 홀더를 180°회전시켜서 영구 자석에 의한 바이어스자계(약 4000A/m)의 방향을 180°반전했다. 이와같이 하여, 신호 자계 0에서 양 강자성막 자화의 반평행 상태를 실현할 수 있는 스핀 밸브 구조의 적층막을 제작했다.

얻은 적층막의 저항을 4단자법에 의하여 측정했다. 구체적으로는 강자성막(83) 및 (85)의 용이축 방향으로 1mA의 정전류를 가하고 곤란축 방향의 막의 폭을 1nm로 하여 4nm간의 전압을 측정했다. 자계는 헬름홀쓰 코일 (helmholtz coil)에 의하여 강자성막(83) 및 (85)의 곤란축 방향으로 가했다. 그 결과 얻은 저항-자계 특성을 제69도에 도시한다.

제69도에 있어서, 저항은 최대 자계(16KA/m)에서의 값을 1로 규격화해서 표시한다. 자계 0에서는 강자성막(83)과 (85)의 자화가 반평행 상태에 있으므로 저항이 최대치를 표시한다. 자계가 가해지면 급격히 저항은 저하한다. 특히 2000A/m이상의 자계에서는 저항은 대략 일정치를 보인다. 약 3.8% 이하의 저항 변화율이 2000A/m이하의 미세한 자계 범위에서 발생되는 것을 알 수 있다. 또, 이 저항-자계 특성에는 히스테리시스나 노이즈가 거의 나타나지 아니한다. 즉, 이 스핀 밸브 구조의 적층막을 사용하면 현저하게 고감도이고 노이즈가 적은 자기 헤드를 얻을 수 있다.

또, 제63도에 도시하는 스핀 밸브형 자기저항 효과 소자를 제작하여 비자성층(84)(Cu)의 두께와 저항 변화율과의 관계를 조사했다. 그 결과를 하기 표 5에 표시한다. 하지막에는 두께 5nm의 NiFe막을 사용하며 강자성막(83, 85)에는 두께 8nm의 NiFe막을 사용하고, 반강자성막(82)에는 두께 10nm FeMn막을 사용했다.

표 5와 같이 Cu두께가 얇아지면 급격히 저항 변화율이 증가하여 Cu두께가 1.2nm에서는 9%의 높은 저항 변화율이 얻어진다. 이것은 강자성막(83)과 강자성막(85)에는 50KA/m의 비교적 큰 반평행 바이어스 자계가 각각에 가해지고 있으므로 비자성막(84)의 두께를 얇게해도 안정된 반강자성 자화 배열을 실현할 수 있기 때문이다. 비자성층(Cu)두께를 2nm미만으로 얇게 할 경우 반평행 자화 배열이 붕괴되어 저항 변화율이 격감하는 종래의 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자와 달리 양쪽의 강자성막(83, 84)에 반대 방향의 바이어스 자곌르 가하고, 비자성막(84)의 두께를 얇게 함으로써 대폭적으로 저항 변화율을 증대할 수 있다.

[실시예 37]

이어서 스핀 의존 산란 능력을 가지는 강자성막의 수를 3층 이상으로 증가했을 경우에 대하여 설명한다.

제70도의 도시와 같이 기판[100]상에 반강자성막(102)의 배향을 제어하기 위한 하지막(101), FeMn, NiO, PtMn등으로 구성되는 두께 5∼50nm의 반강자성막(102), CoFe, Co, NiFe등으로 구성되는 두께 1∼20nm의 강자성막(103), Cu, Au등으로 구성되는 두께 1∼10nm의 비자성막(104), 두께 1∼20nm의 강자성막(107)및 두께 5∼50nm의 반강자성막(108)을 형성했다. 여기에서 강자성막(103, 105, 107)의 막두께는 모두 동일하거나 또는 서로 상이해도 좋다. 또, 그 위에 필요하면 보호막을 형성하여 전극 단자(109)를 형성했다. 또 성막은 정자계 중에서 실시했다.

반강자성막(102)과 (108)에서 각각 강자성막(103)과 (107)에 교환 바이어스를 한쪽 방향(도면중 X방향)으로 가했다. 그 결과 중간의 강자성막(105)만이 투자율이 높고, 강자성막(103)과 (107)은 낮은 투자율, 즉 자화 고착을 실현할 수 있었다. 이 자화의 고착에는 반강자성막이 아니고 제66도의 도시와 같은 경질자성막(95)을 사용해도 좋다. 또 반강자성막(102)및 (108)을 접촉하는 강자성막(103)및 (107)의 재료로서 연자성이 그다지 양호하지 아니하나 저항 변화율이 높은 Co나 CoFe를 사용하고, 중간의 강자성막(105)의 재료로서 저항 변화율은 그다지 높지는 아니하나 연자성이 양호한 NiFe를 사용함으로써 저자계이고 높은 저항 변화율을 실현할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여 중간의 강자성막(105)의 자화 회전이 저자계에서 용이하게 일어나고 또 비자성층을 통한 계면수가 종래의 스핀 밸브 구조의 막에 비해서 2배로 증가되므로 저자계에서 종래의 스핀 밸브 구조의 막을 상회하는 저항 변화율을 실현시킬 수 있다. 또, 이 적층막의 중앙에 신호 자계에서 자화 회전하는 강자성막이 위치하게 되므로 센스 전류 자계에 의한 강자성막의 자화의 흩어짐은 경미하고 안정된 신호 검출이 가능해진다. 또, 실시예 E2에서 설명한 바와 같은 경질자성막이나 반자계에 의한 바이어스법을 병용하면 강자성막(103) 및 (107)과 중간의 강자성막(105)의 자화가 이루는 각도를 신호 자계0에서 반평행으로 할 수가 있다.

그 결과가 실시예 34에서 설명한 여러가지의 효과 보다 더욱 고감도이고 저 노이즈의 자기 저항 효과 소자를 얻을 수 있다.

[실시예 38]

제71도는 스핀 의존 산란 능력을 가지는 강자성막의 수를 4층으로 증가한 적층막을 표시한다.

기판[100]위에 반강자성막{111}, 비자성층(113,115,117)을 통해 적층한 4층의 강자성막(112, 114, 116, 118), 반강자성막(119)을 차례로 형성하여 센스 전류가 신호자계와 같은 방향으로 흐르도록 전극 단자(109)를 그 위에 형성했다. 필요에 따라 반강자성막{111}의 아래에는 배향제어용의 하지막을 형성하고, 반강자성막(119)위에는 보호막을 형성한다. 각 막의 재료는 막두께가 제70도에 도시한 것과 동일하게 했다.

적어도 강자성막(112)의 성막중에는 정자계를 도면중 X방향(트랙폭 방향)으로 부여하고, 한편 그 후의 성막 도중에 정자계방향 180°반전하여 적어도 반강자성막(119)의 성막중에는 정자계를 도면중 마이너스 X방향에 부여했다. 이 성막중의 정자계에 의하여 강자성막(112)에는 X 방향으로 강자성막(118)에는 마이너스 X방향으로 교환 바이어스 자계에 의한 자화 고착이 발생한다. 또, 이구성에서는 트랙폭이 좁으면 강자성막(112, 114, 116, 118)의 폭도 동일하게 좁아지므로 그 방향에 강한 반자계가 발생한다. 이 반자계에 의하여 반강자성막과 접촉되지 않는 중간의 강자성막(114)과 (116)의 자화는 각각 강자성막(112)과 (118)의 자화와 반평행이 된다. 즉, 신호자계0에서는 4층의 강자성막이 인접하는 자화는 서로 반평행으로 향하게 된다.

또, 중간의 강자성막(114)과 (116)으로의 반자계가 불충분할 경우에는 센스 전류에 의하여 발생하는 자계가 강자성막(112)과 (114)에서는 마이너스 X방향으로 강자성막(116)과 (118)에서는 X방향으로 가해지도록 센스 전류를 도면중 y방향으로 가하는 것이 바람직하다. 여기에서 반강자성막으로부터의 교환 바이어스 자계를 센스 전류 자계보다도 커지도록 설정하면 강자성막(112)과 (118)의 자화를 전류 자계에 의하여 흐트러지는 일없이 반강자성막으로부터의 교환 바이어스 방향으로 고착할 수 있다.

이와 같이 구성함으로써 4층의 강자성막의 각 자화 방향은 신호 자계 0에선 반강자성막으로 배열할 수 있다. 따라서 계면수의 증가에 대응해서 △R/R가 증가한다. 또 신호 자계가 약간 가해짐으로써 각 층의 자화가 회전할 수 있으므로 고감도의 스핀 의존 산란을 사용한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.

[실시예 39]

다음에, 스핀 의존 산란 능력을 가지는 일부의 강자성막의 자화를 고착하여 나머지의 강자성막의 자화를 신호 자계 0에서 신호 자계 방향과 상이한 방향으로 배열할 경우에 대하여 설명한다.

제72도는 센스 전류와 신호 자계의 방향이 직교하는 적층막을 도시한다. 기판(120)상에는 비자성막(122)을 개재시킨 스핀 의존 산란 능력을 갖는 강자성막(121) 및 (123)의 적층막, 반강자성막(124)을 차례로 형성했다. 각 막의 재료, 두께는 제63도에 도시한 것과 동일하게 했다. 필요시에는 반강자성막(124)위에 보호막을 형성한 후에 전극 단자(125)를 형성했다.

여기에서, 적어도 강자성막(121)의 성막중에는 정자계를 도면중 X방향으로 정자계를 부여하고 한편, 적어도 반강자성막(124)의 성막중에는 그 정자계의 방향을 전자의 방향과 90°회전시켜서 부여했다(도면중 y방향). 그 결과, 강자성막(121)의 용이축은 X방향으로 부여되고, 강자성막(123)의 자화는 반강자성막(124)으로부터의 바이어스 자계에 의하여 신호 자계 방향으로 고착되었다. 이와 같은 구성에 의하면, 자계 0에서는 양강자성막의 자화가 형성하는 각도는 90°가 되고, 신호 자계가 강자성막(123)의 자화 고착 방향으로 가해지면 양강자성막의 자화가 페로적인 배열이 되기 때문에 저항이 감소하고, 반대로 자화 고착 방향과 180°상이한 방향으로 신호가 가해지면 양 강자성막의 자화가 반강자성적인 배열이 되기 때문에 저항이 증대한다. 따라서 종래의 자기 저항 효과 소자에 필요했던 동작점 바이어스가 불필요해진다. 또 이방법으로는 강자성막(121)과 (123)의 페로적인 결합에 의하여 강자성막(121)의 자화가 신호 자계 0에서 X방향에서 y방향을 향해서 경사되기 쉬우므로 다이나믹 렌지가 작아진다. 즉 큰 신호 자계가 가해지면 재생 신호가 변형되기 쉬운 문제가 있다. 이것은 센스 전류에 의하여 발생하는 자계가 강자성막(121)에서는 이 페로적인 자계 방향과 180°상이한 방향으로 가해지도록, 즉 이 페로적인 자계와 전류 자계가 상쇄되도록 센스 전류가 흐르는 방향을 결정함으로써 회피할 수 있다.

그러나, 강자성막(121)이나 (123)에 이 방향성 자기 저항 효과를 가지는 막을 사용할 경우에는 반대로 이 페로적 결합 자계에 의하여 강자성막(121)의 자화 M이 (123)의 자화 M방향으로 경사하면 자기 이방성과 스핀 의존 산란에 의한 저항 변화가 중승(重乘)하므로(전류 방향이 X방향이기 때문에)감도 향상을 기대할 수 있는 이점이 있다. 실제로 자기 저항 효과 소자가 사용되는 상황에 따라서 강자성막(121)의 자화 방향을 전류 방향등의 수단에 의하여 조정할 필요가 있다.

그런데, 실시예 39에서는 벌크 하우젠 노이즈 억제에 필요한 세로 바이어스 자화(도면중 X방향의 바이어스 자계)를 가할 필요가 있다. 이것을 위해서는 실시예 34와 같은 반강자성막을 강자성막(121)의 기판측에 배치하여 교환 결합시킨다. 또는 제73(A)도와 같이 반강자성막(124)상에 어느 정도 연자성이 우수한 (Hc가 교환 바이어스 자계 HVA보다 작은)강자성막(126)을 적층하여 적어도 이 강자성막(126)의 적층 중에는 성막중의 바이어스 자계 방향을 대충 90°반전하여 반강자성막(126)으로 부터의 교환 바이어스 자계를 도면 중 마이너스 X 방향으로 가하는 방법이 있다. 이 경우에는 스핀의존 산란 유닛인 막이 하지막의 역할도 하므로, 반강자성막(124)위에 성막한 강자성막(126)에 용이하게 교환 바이어스를 재생헤드에 적합한 미세패턴으로 가공했을 때 발생하는 정자 결합 자계(반자계)에 의하여 플러스 X방향의 세로 바이어스 자계를 강자성막(121)에 가할 수 있으므로 벌크 하우젠 노이즈를 억제할 수 있다.

제73(A)도의 실시예에서는 반강자성막(124)의 각면 양사이드에서 교환 바이어스 방향이 다르므로 바이어스 자계 방향이 불안해지는 경우도 있다. 이것은 제 73(B)도에 도시하는 바와같이 반강자성막(124)을 중간에 자기결합을 약화시키지만, 결정 성장을 저해하지 않는 극히 얇은 중간막(124b)(Cu등의 fcc상막)을 통해 반강자성막(124a)과 (1245c)로 분리함으로써 피할 수 있다. 반강자성막(124A)와 (124c)는 네일점 또는 블로킹 온도가 다른 재료로 구성되는 것이 좋다(실시예 E1에서 설명한 것과 같이 열처리로도 교환 바이어스 자계 방향을 제어할 수 있으므로).

또, 강자성막(126)이 두껍고, Bs가 높지 아니하면 소망의 세로 바이어스 자계가 강자성막(121)에 부여될 수 없으나, 이대 강자성막(126)에 센스전류가 분류하므로 강자성막의 저항률은 높은 것이 좋다. 구체적으로는, Co계나 Fe 계의 아모퍼스막이나 질화 또는 탄화미결정막을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이와같은 막은 FeMn등의 반강자성막과 교환 결합하기가 어려우므로 반강자성막(124a)과 접촉하는 부분에는 극히 얇은 NiFe나 CoFeTa등의 교환 결합이 용이한 강자성막(124b)을 적층하여 그 위에 고저항의 아모퍼스적인 고 Bs강자성막(126a)을 강자성 교환 결합하도록 적층하는 것이 좋다.

[실시예 40]

제73c도는 센스 전류와 신호자계의 방향이 평행인 적층막을 도시한다. 센스 전류가 흐르는 방향이 상이한 이외는 제 70도의 구성과 동일하다. 그 결과, 막의 긴쪽 방향이 90°회전한다. 이 구성에 있어서도 자계 0에서는 양강자성막의 자화가 이루는 각도는 90°가 되고, 신호자계가 강자성막(123)의 자화고착방향으로 가해지면 양강자성막의 자화가 페로적인 배열이 되기 때문에 저항이 감소하고, 반대로 자화 고착 방향과 180°상이한 방향으로 신호자계가 가해지면 양강자성막의 자화가 반강자성적인 배열이 되기 때문에 저항이 증대한다. 따라서 동작점 바이어스가 불필요하다. 이 구성에서는 센스 전류에 의한 자계가 강자성막(121)의 용이축 방향이고, 이 자계가 벌크하우젠 노이즈를 억제하는 효과가 있다.

또, 실시예 40에서는 강자성막(123)에서 발생되기 쉬운 페로결합자계 때문에 강자성막(121)에 자화가 y방향으로 경사되기 쉽다는 것을 부언해 둔다. 실시예 40의 상세한 설명과 같이 이 페로 결합자계는 신호자계 다이나믹 렌지가 축소하는데, 이방성 자기 저항 효과를 중승하는 이점이 있다. 또 전류 자계가 강자성막(121)에 가해지므로, 반드시 강자성막(121)의 용이축이 X방향에 있을 필요는 없다.

벌크 하우젠 노이즈 억제효과가 불충분할 때는 강자성막(123)의 자화고착 방향을 신호 자계 방향에서 다른 방향으로 향하도록 함으로써 도면 중 X방향으로 정자경합 자계가 발생하여 보다 강한 벌크 하우젠 노이즈 억제 자계를 부여할 수 있다.

[실시예 41]

제74도는 스핀 의존 산란 능력을 갖는 강자성막을 3층으로 했을 경우의 적층막을 표시한다. 제74도에서는 전류 센스와 신호자계가 직교되는 경우에 대하여 설명한다. 기판(130)위에 정자계 중에서 반강자성막(131), 비자성막(133) 및 (135)를 통한 스핀 의존 산란 능력을 가지는 강자성막(132, 134, 136)의 적층막, 반강자성막(137)을 차례로 형성했다. 그 위에 전극단자(138)를 형성했다.

여기에서, 정자계의 방향은 적어도 강자성막(132)과 반강자성막(137)의 성막중에는 동일한 방향으로 하고(도면중 y방향), 강자성막(134)의 성막중에는 그것과 직교되는 방향(도면중 x방향)으로 했다. 그 결과 강자성막(132)과 (136)의 자화는 도면중 y방향으로 고착되고, 강자성막(134)의 자화는 고투자율을 유지하고, 자계 0에서는 용이축인 도면중 x방향 근방으로 향한다. 따라서, 이 구성에서도 자계 0에서는 양강자성막의 자화가 이루는 각도는 대략 90°가 되고, 신호자계가 강자성막(136)의 자화 고착 방향에 가해지면 양강자성막의 자화가 페로적인 배열이 되기 때문에 저항이 감소되고, 반대로 자화 고착 방향과 180°다른 방향으로 신호 자계가 가해지면 양강자성막의 자화가 반강자성적인 배열이 되기 때문에 저항이 증대한다. 즉, 동작점 바이어스가 불필요해진다. 이 구성에서는 계면수가 2배로 증가하므로 감도도 향상된다.

[실시예 42]

실시예 39에서 설명한 방법의 자기 저항 효과 소자의 적층막의 저항-자계 특성을 설명한다.

제70도에 있어서, 기판(120)으로서 사파이어 C면 기판을 사용하여 강자성막(121)으로서 두께 5nm의 Pd하지막을 갖는 두께 6nm의 CoFe막을 사용하고, 비자성막(122)으로서 두께 3nm의 Cu막을 사용하고, 강자성막(123)으로는 두께 4nm의 CoFe막을 사용하고, 반강자성막 (124)으로서는 두께 15nm의 FeMn막을 사용하고, 또 그위에 보호막으로서 두께가 5nm의 Pd막을 형성했다.

이 적층막은 2극 스퍼터링법에 의하여 진공을 유지한 채로 일괄 성막했다. 또 성막중에는 영구자석에 의하여 정자계를 부여하고, 강자성막(121)의 성막을 끝낸 후에 정자계의 방향을 90°반전시켜서 강자성막(121)과 (123)의 용이축이 이루는 각도를 90°로 했다. 또 스퍼터링의 예비 배기는 1×10 Pa이하, 스퍼터 가스압은 0.4Pa로 했다.

이 적층막의 저항-자계 특성을 실시예 35와 동일하게 측정했다. 제75도에 곤란축 방향의 저항-자계 특성을 도시한다. 제75도에 있어서, 페로적인 자화배열에 있어서의 저항을 1로서 규격화한다. 제75도와 같이 자계 0에서 선형성이 좋은 저항의 자계 변화를 얻을 수 있다. 이것에 의하여 동작점 바이어스가 불필요한 것을 알 수 있다.

[실시예 43]

여기에서는 강자성막/비자성막/강자성막으로 구성되는 스핀 의존 산란 유닛의 양강자성막에 별도의 강자성막 또는 반강자성막을 적층하여 그때 발생하는 양 바이어스 자계를 대충 직교시킨 자기저항효과 소자의 실시예를 설명한다.

제76도는 기판(120)상에 CoPt등의 강자성막, 1축 자기 이방성 자계 Hk가 스핀 의존 산란 유닛의 강자성막 보다도 큰 고 Hk강자성막(예를 들어 Hk∼5KA/m의 CoFeRe막등)이나 NiO등의 반강자성막으로 구성되는 바이어스 자계를 부여하기 위한 제1의 바이어스 막(121a), 스핀 의존 산란 유닛(강자성막(121), 비자성막(122), 강자성막(123)), FeMn등의 반강자성막으로 구성되는 바이어스 자계를 부여하기 위한 제2의 바이어스막(124)을 차례로 적층한 다층막을 표시한다. 이 다층막의 제1 바이어스 막(121)으로부터 발생하는 바이어스 자계는 적층계면을 통한 교환 결합에 의하여 주로 강자성막(121)에 바이어스 자계가 가해진다. 한편 제2의 바이어스막(124)으로부터 발생하는 바이어스 자계는 적층계면을 통한 교환결합에 의하여 주로 강자성막(123)에 가해진다. 이 제1과 제2의 바이어스 자계는 대략 직교하는 방향 관계를 만족하도록 가해진다. 또, 제2의 바이어스 자계는 강자성막(123)의 자화가 신호자계로 실질적으로 움직이지 못할 정도의 강한 값으로 한다(10KA/m이상이 좋다). 한편 제1의 바이어스 자계 강도는 신호 자계에 의하여 강자성막(121)의 자화가 회전하고, 벌크하우젠 노이즈를 억제할 수 있는 정도의 자계로 한다. 구체적으로는 제1의 바이어스막에 반강자성막을 사용할 경우에는 바이어스막(121a)과 강자성막(121)의 바이어스 자계를 5KA/m이하로 하는 것이 좋다. 제1의 바이어스막에 강자성막을 사용할 경우에는 강자성막(121a)에 어떠한 수단에 의하여 자화방향을 일정방향으로 유지하여 단자구화하여 강자성막(121a)과 강자성막(121)을 강한 교환 결합으로 일체화하면 신호자계에 의하여 강자성막(121a)의 강자성막(121)을 대략 동일하게 회전할 수 있고, 강자성막(121a)이 단자구이무로 강자성막(121)도 단자구가 되고 벌크 하우젠 노이즈를 제거할 수 있다. 또는, 강자성막(121a)과 강자성막(121)의 교환 결합∼5KA/m이하로 약화(계면에 별도의 층을 삽입하는 등) 시켜서 강자성막(121a)의 투자율을 억제하여 자화를 잘 안움직이게 구성해도 좋다. 이 투자율억제수단으로는 Hk의 향상, 보자력의 향상 또는 어떠한 수단으로서 일방향성 바이어스자계를 강자성막(121a)에 가하는 등의 방법이 있다. 여기에서는, 강자성막(121a)을 단자구화하는 수단으로는 제77도에 나타낸 바와 같이 강자성막(121a)을 스핀 밸브 유닛보다도 길게 하여 강자성막(121a)의 에지부에 새로운 반강자성막이나 경질막(121b)을 적층할 수 있다.

이상의 구성의 자기 저항 효과 소자를 제작하면 강자성막(123)의 자화방향은 고정된 강자성막(121)의 자화가 신호자계에 따라서 변화함으로 제72도에 도시한 실시예와 같이 신호자계∼0에서 선형성이 양호한 고감도의 자기저항효과 소자를 얻을 수 있고 아울러 신호자계를 검출하는 자성막(121)의 자벽도 제거할 수 있으므로 동작점 바이어스가 불필요하고, 고감도의 노이즈 없는 신호자계 재생이 가능하다.

여기서, 강자성막(121)의 자화용이 축방향을 바이어스자계방향과 직교하는 방향으로 부여하는 것이, 특히, 자기 이방성이 큰 Co계의 강자성막을 (121)에 사용했을 경우에는 바람직하다. 그렇게 하면, 이방상 자계는 상당하는 포화자계와 바이어스 자계가 상쇄가능하므로 Hs가 대폭으로 저감할 수 있으므로 제72도에 도시한 포화자계-저항특성의 경사가 급준해지고, 통상의 바이어스 자계 방향과 강자성막(121)의 자화용이축이 같은 방향일 경우에 비해서 보다 고감도의 신호자계 검출이 가능해진다. 바이어스 자계와 강자성막의 용이축의 방향을 변경하기 위해서는 바이어스막(121a)의 성막중에 있어서의 자계부여방향과 강자성막(121)의 성막중에 있어서의 자계부여 방향을 변경하는 방법 등이 있다.

[실시예 44]

제78도의 도시와 같이 지지기판(140)위에 고보자력막의 배향을 제어하기 위한 두께 20nm의 Cr소지층(141), Co 등으로 구성되는 두께 8nm의 고보자력막(142), Cu등으로 구성되는 두께 3nm의 중간층(143), 및 두께 4.6nm의 NiFe등으로 구성되는 강자성막(144)을 차례로 형성하고, 또, 그위에 전극단자(145)를 형성하여 스핀밸브구조의자기저항효과 소자를 제작했다. 또 적층막의 성막을 초고진공 E건증착으로 실시했다. 이때의 기판온도는 약 100℃로 하고, 진공챔버내는 1×10 Pa이하로 배기했다.

기판온도를 약 100℃로 했을 경우의 Co/Cr막에 대하여 X선 회절패턴을 조사했다. 그 결과를 제79도에 도시한다. 제79도와 같이 이 막은 Cr(200)가 고배향이고, 이 Cr막을 하지막으로 한 Co막도 110이 고배향이었다. 또, Co110피크의 록킹커브반치폭은 약 3°였다.

다음에, 기판온도 약 100℃에서 성막한 제 78도에 도시하는 NiFe/Cu/Co/Cr/기판의 구조의 적층막의 곤란축 방향의 R-H커브를 제80도에 도시한다. R-H커브는 통상의 레지스트프로세스, 이온밀링을 사용하여 적층막을 2mm×6㎛의 패턴으로 가공하고, 4단자법에 의하여 측정한 값에 따라서 작성했다. 이때, 용이축은 패턴 길이 방향으로 하고, 자계는 패턴폭방향으로 가했다.

제80도의 도시와 같이 인가자계 ±800e의 경우 저항 변화율은 약 6.5 %가 되고 포화자계는 약 3.6KA/m가 되었다.

이 구조는 고보자력막의 Hc가 약 8KA/m이기 때문에 매체로부터의 자계가 8KA/m미만의 경우는 문제가 없으나 헤드와 매체 사이가 가까운 구조, 즉, 매체로부터의 자계가 8KA/m이상이 되는 구조에는 부적합하다. 여기에서 제 78도와 동일한 구조, 막두께로 기판온도를 약 200℃로 하고, 또 약 8KA/m의 자계중에서 적층막을 성막했다.

기판온도 약 200℃로 했을 경우의 Co/Cr의 X선 회절패턴은 제79도와 대략동일했다. 또, 이 적층막도 Co110피크의 록킹커브반치폭은 약 3°였다. 또 홀피규어로 측정한 결과 자계방향으로 6방정의 C축의 편의가 나타났다. 따라서 기판온도 100℃무자계중에 있어서 성막한 적층막에 비해서 단결정 모양의 Co를 얻을 수 있었다.

다음에 기판온도 약 200℃, 자계중에서 성막한 제78도와 동일한 구조의 적층막의 곤란축 방향의 R-H커브를 제81도에 도시한다. R-H커브는 상기와 같이 적층막을 2mm×6㎛의 패턴으로 가공하여 4단자법으로 측정한 값에 따라서 작성했다. 이때 용이축(C축의 방향)은 패턴 길이 방향으로 하고, 자계는 패턴 폭 방향으로 가했다.

제81도의 도시와 같이 외부자계 ±1.6KA/m의 경우에도 고보자력막의 자화는 인가자계에 의하여 거의 움직이는 일은 없고, 또 NiFe막의 포화자계도 약 2.8KA/m로 낮게 유지할 수 있다. 또, 저항 변화율도 약 7.5%가 되었다.

상기 구성의 적층막은 외부자계 1.6KA/m에서도 고보자력막의 자화가 안정되고 있으므로 NiFe막의 용이축을 폭방향으로 하여 Co의 C축을 대략 길이 방향으로 하는 패턴을 제작했다. 이 구성에 의하여 동작점 바이어스가 불필요하다. 이때, 자계를 패턴 길이 방향으로 가하고, 이때의 R-H커브를 측정했다. 또, 패턴 형상은 상기와 같이 2mm×6㎛로 했다. 그 결과를 제82도에 도시한다. 제82도로부터 알 수 있는 바와 같이 히스테리시스가 없는 양호한 R-H커브를 얻을 수 있고, Hk도 약 1.6KA/m로 낮은 값을 나타냈다.

또, 여기에서는 고보자력막으로써 Co막을 사용했으나, CoNi막, CoCr막을 사용해도 좋다. 또, 하지막으로서는 Cr막 이외에 W막 이외에 W막등을 사용해도 되고, 이들의 Cr, W를 베이스로 하여 그것에 첨가원소를 가해도 된다. 또, 이 하지막은 본 발명 전체에 걸쳐서 이른바 하드막의 하지막에 적용할 수 있다. 이것에 의하여 C축을 하드막의 막면내에 존재시킬 수 있다(특정방향으로 C축이 정돈된다). 따라서, 하드막을 고착했을 경우에 그 위에 형성한 강자성막까지 고착되는 것을 방지할 수 있다.

여기에서, 참고로 하지막이 없는 적층막의 M-H커브를 제83도에 도시한다. Co의 자화의 수직성분에서 누설자계가 발생하여 NiFe막의 연자기 특성을 열화시키고 있음을 알 수 있다. 이것은 일부의 NiFe와 Co의 자화가 일체화되는 것으로 생각된다.

[실시예 45]

실시예 44에서 설명한 바와 같이, 기판 온도 약 200℃로 성막한 고보자력막은 단결정 모양의 막으로 저저항이기 때문에 전자의 평균 자유 행정을 고보자력막의 두께보다도 충분히 길게 할 수 있다. 따라서, 제84도와 같이 고보자력 막(142)과 강자성막(144)을 중간층(143)을 통해 적층했다. 이 적층막의 저항 변화율은 약15%로 높은 값을 나타냈다. 또, 이와 같은 구조의 적층막을 제작하기 위해서는 제1층의 고보자력막(142)의 배향을 제어하기 위하여 하지막을 형성하는 것이 좋다. 본 실시예에서는, 하지막으로서 두께 20nm의 Cr막(141)을 사용했다.

다음에, 배향제어용 고보자력막을 예를 들어 실시예 35에서의 바이어스 막으로서 사용한 경우에 대하여 설명한다.

[실시예 46]

본 실시예에서는 제85도의 도시와 같이 배향제어용 고보자력막(142)상에 자기적 절연층(146)을 통해 스핀밸브 구조의 자기저항 효과 소자를 형성했다. 이와같이, 배향제어 고보자력막(142)을 사용함으로써 막단부에 있어서 고보자력막(142)과 NiFe막(144)이 정자결합하여 벌크 하우젠 노이즈의 원인이 되고 있는 NiFe막 단부의 자벽을 고착시킬 수 있다. 도, 배향제어 고보자력막을 사용하고 있으므로 고보자력막의 NiFe막의 연자기특성을 열화시키는 일없이 양호한 소자를 제작할 수 있다. 또, 여기에서는 스핀 밸브 구조의 교환 바이어스막으로서 반강자성막 등을 사용해도 좋다.

이상의 설명과 같이, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 스핀 밸브 구조의 막에 있어서도 인공격자막에 있어서도 높은 저항변화율 및 우수한 연자기특성을 발휘할 수 있다. 또, 본 발명의 자기 저항 효과 조사에 의하면 동작점 바이어스가 불필요해진다.

그리고 본원 청구 범위의 각 구성 요소에 병기한 도면 참조 번호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 도시한 실시예에 한정하는 의도로 병기한 것은 아니다.

Claims (27)

1. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어진 적층막을 구비한 자기저항 효과소자로서, 2개의 사익 강자성막은 각각 신호 자계가 인가되어도 그 자화방향이 실질적으로 유지되는 자화 고착막 및 신호 자계에 의해 그 자화방향이 변화하여 신호자계를 검출하는 자화 검출막으로 되고, 상기 자화 검출막은 fcc구조의 Co합금으로 이루어지며, {111}면이 막면 수직방향으로 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 자계 검출막은 5nm이하의 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 강자성막이 X선 회절곡선에 있어서의 최치밀면 반사 피크의 록킹 커브의 반치폭이 20°미만인 결정배향을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 강자성막이 형성되는 표면의 표면 거칠기가 5nm미만의 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 강자성막은 Co_100-XFe_X(x는 5이상, 40이하)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 강자성막은 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 강자성막이 형성되는 기판면이 사파이어 기판의 C면인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
8. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과소자로서, 2개의 상기 강자성막이 비결합이며, 적어도 한쪽의 강자성막은 Co, Fe및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 2종류의 원소를 주성분으로 하고, 그 최치밀면이 막면 수직방향으로 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
9. 제8항에 있어서, 상기 강자성막이 Co_100-XFe_X(x는 5이상, 40이하)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
10. 제8항에 있어서, 상기 강자성막이 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
11. 제8항에 있어서, 상기 강자성막이 형성되는 기판면이 사파이어 기판의 C면인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
12. 제8항에 있어서, 상기 강자성막은 fcc상{111}면이 막면 수직 방향으로 배향되고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
13. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 2개의 상기 강자성막은 각각 신호 자계가 인가되어도 그 자화방향이 실질적으로 유지되는 자화 고착막 및 신호 자계에 의해 그 자화방향이 변화하여 신호자계를 검출하는 자화 검출막으로 되고, 적어도 한쪽의 강자성막은 Co, Fe 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 2종류의 원소를 주성분으로 하고, 그 최치밀면이 막면 수직 방향으로 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
14. 제13항에 있어서, 상기 강자성막은 Co_100-XFe_X(x는 5이상, 40이하)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
15. 제13항에 있어서, 상기 강자성막이 Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
16. 제1항, 제5항, 또는 제6항에 있어서, 상기 강자성막이 형성되는 기판면이 사파이어 기판의 C면인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
17. 제13항에 있어서,상기 강자성막은 fcc상{111}면이 막면 수직 방향으로 배향되고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
18. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서 적어도 한쪽의 강자성막은 Co, Fe 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 2종류의 원소를 주성분으로 하고, Pd, Al, Cu, Ta, In, B, Nb, Hf, Mo, W, Re, Ru, Rh, Ga, Zr, Ir, Au, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류의 원소가 첨가 함유된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
19. 기판상에 (n+1)층의 강자성막과 n층의 비자성막이 교대로 형성되어 이루어지는 적층막(n은 1∼4의 정수)을 구비한 자기저항 효과소자로서, 상기 적층막의 최상층 및 최하층의 강자성막의 적어도 한쪽에 인접하여 저항율이 50μΩ㎝이상인 강자성막이 추가로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
20. 기판상에 (n+1)층의 강자성막과 n층의 비자성막이 교대로 형성되어 이루어지는 적층막(n은 1∼4의 정수)을 구비한 자기저항 효과소자로서, 상기 적층막의 최상층 및 최하층의 강자성막의 적어도 한쪽의 두께가 5nm이하이고, 이 두께가 5nm이하인 강자성막에 인접하며 저항율이 상기 강자성막의 2배 이상인 제2비자성막이 추가로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
21. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 상기 적층막의 최상층 및 최하층의 강자성막의 적어도 한쪽에 인접하여 이 강자성막보다도 큰 저항율 및 전자의 평균 자유 행정이 긴 박막이 추가로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
22. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서 상기 적층막의 최상층 및 최하층의 강자성막이 CoFe합금으로 이루어지고, 이 강자성막에 인접하게 CoFe합금보다도 격자 정수가 큰 fcc상을 갖는 하지막이 추가로 적층 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
23. 기판상에 적어도 강자성막, 제1비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서 적어도 한쪽의 강자성막의 상기 제1비자성막과 반대측의 주면에 인접하여 제1비자성막과는 상이한 두께를 갖는 제2비자성막과 강자성막이 교대로 형성되어 있고, 이들 강자성막과 제 2비자성막으로 이루어지는 단위 적층막 내에서의 각 자성막의 자화가 상호 강자성적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
24. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 적어도 한쪽의 강자성막으로의 바이어스 자계 인가 수단으로서 상기 적층막에 인접 또는 근접하게 형성된 바이어스막을 구비하고, 또한 2개의 상기 강자성막에 각각 트랙 폭 방향의 성분이 서로 반평행하게 되는 방향의 바이어스 자계가 인가되고, 2개의 상기 강자성막의 자화가 신호 자계에 의해 서로 역방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
25. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 2개의 상기 강자성막은 각각 신호 자계가 인가되어도 그 자화방향이 실질적으로 유지되는 자화고착막 및 신호자계에 의해 그 자화방향이 변화하여 신호자계를 검출하는 자계검출막이 되고, 신호 자계 제로의 경우에 있어서 2개의 상기 강자성막의 자화방향이 이루는 각 θ가 30°이상 60°이하인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
26. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 2개의 상기 강자성막으로의 바이어스 자계 인가 수단으로서 상기 적층막에 인접 또는 근접하게 적층 형성된 2층 이상의 바이어스막을 구비하고, 2개의 강자성막에 대해 각각 자화고착을 가능하게 하는 강한 바이어스 자계 및 벌크 하우젠 노이즈를 제거하기 위해 필요한 최소한의 약한 바이어스 자계가 인가되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
27. 기판상에 적어도 강자성막, 비자성막, 및 강자성막이 차례로 적층되어 이루어지는 적층막을 구비한 자기 저항 효과 소자로서, 2개의 상기 강자성막은 각각 신호 자계가 인가되어도 그 자화방향이 실질적으로 유지되는 자화 고착막, 및 신호 자계에 의해 자화가 변화되어 신호 자계를 검출하는 자계검출막이 되고, 신호 자계 제로의 경우에 2개의상기 강자성막의 자화방향이 서로 대략 직교하고, 신호 자계 방향에 감지전류를 통전시키는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.