KR0172018B1 - 자기 저항 효과 소자 - Google Patents

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노부유끼 이시와따
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가네꼬 히사시
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Abstract

자기 디스크 매체의 판독 트랙 이외의 트랙으로부터 생기는 자속의 영향을 쉽게 받지 않고, 출력이 큰 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
외부 자계를 감지하는 감자 영역과 이 감자 영역을 끼우고, 동시에 양단에 위치하는 단부 영역을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 감자 영역에만 존재하는 자기 저항 효과막(14)와, 단부 영역에 존재하고 한 방향으로 자계를 인가하여 자기 저항 효과막(14)의 자구 제어를 행하는 경질 자성체막(17)과, 자기 저항 효과막(14) 위의 전면에 형성된 절연막(15)를 구비하고 있다. 또, 절연막(15)가 자기 저항 효과막 위의 적어도 자기 디스크 매체와 대향하는 단면에서 보이는 부분에 형성되어도 좋다.

Description

자기 저항 효과 소자
제1도는 본 발명의 일실시예를 실현하기 위한 형성 공정을 설명하는 단면도.
제2도는 제1도의 실시예에서 일부의 형성 공정을 변경한 경우의 단면도.
제3도는 본 실시예와 종래의 저가 저항 효과 소자에서의 저항과 외부 인가 자계의 관계를 도시한 도면.
제4도는 본 발명의 다른 실시예를 실현하기 위한 형성 공정을 설명하는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 21, 41 : 기판 12, 14, 24, 44 : 자기 저항 효과막
13, 23, 43 : 자기 분리막 15, 45 : 절연막
16, 46 : 포토레지스트 마스크 17, 25 : 경질 자성체막
18, 26, 49 : 전극막 22, 42, 47 : 연(軟) 자성막
31 : 저항-자계 곡선(본 발명의 자기 저항 효과 소자)
32 : 저항-자계 곡선(종래형의 자기 저항 효과 소자)
48 : 반강(反强) 자성막
본 발명은 자기 기록 기기에 사용되는 자기 저항 효과 소자에 관한 것으로, 특히 자기 저항 효과를 이용한 자기 변환기에 관한 것이다.
자기 기록 기기의 소형 대용량화에 따라, 자기 기록 기술의 고밀도화가 급속하게 진전되고 있다. 자기 저항 효과(MR 효과)를 이용한 자기 변환기(이하, MR 헤드라 함)은 큰 재생 출력을 얻을 수 있기 때문에, 자기 기록의 고밀도화를 추진하는 주요한 기술의 하나이다. 상기 MR 헤드에 관해서는 아이-이-이-이-트랜젝션 온 마그네틱스(IEEE Trans. Magn). MAG-7(1971)150에서, 알. 피. 헌트(R.P. Hunt)에 의해 「마그네트레지스티브 리드아웃 트랜스듀서」(A Magnetoresistive Readout Transducer)로서 기재되어 있다.
그런데, MR 헤드에서는 바르크하우젠 노이즈(Barkhausen noise)를 방지하기 위해 외부 자계에 대한 감자부인 자기 저항 효과막(주로 Ni-Fe막)에 자구 제어용의 일방향성(一方向性) 자계를 인가할 필요가 있다. 이 중에서, 자기 저항 효과막인 Ni-Fe막의 감자부 양단에 Fe-Mn막 등의 반강 자성막을 적층하고, Ni-Fe막과 반강 자성막의 계면에서의 교환 결합에 의한 일방향 자계에 의해 감자부에 자계를 인가하는 방법이 미국 특허 제4103315호 공보에 개시되어 있다.
상기 미국 특허 제4103315호 공보에 개시된 구조에 따르면, Ni-Fe막은 감자부와 함께 반강 자성막이 형성되는 자구 제어용 일방향 자계 발생부까지 연속적으로 형성되어 있다. 따라서, 반강 자성막이 형성되고 감자부에 일방향성 자계가 인가되면 감자부의 Ni-Fe막은 반강 자성막에 의해 자화되는 부분의 Ni-Fe막과 연속적이므로, 감자부 양단의 자화가 교환 결합에 의해 고정되고, 외부 자계에 대하여 감도가 저하한다는 결점이 있었다. 또, 감자부의 외측에 존재하는 Ni-Fe막이나 바이어스용 연 자성막이 판독 트랙 이외의 트랙으로부터의 자속의 영향을 받아 노이즈가 발생한다는 결점이 있었다.
그리고, 이들 결점을 해결하기 위해, 감자부에만 Ni-Fe막을 형성하고, 상기 Ni-Fe막의 양단에 경질 자성체막을 형성하며, 이것을 자화함으로써 발생하는 일방향 자계에 의해 감자부에 자계를 인가하는 방법이 일본국 특허 공개(평) 3-125311호 공보에 개시되어 있다.
그러나, 일본국 특허 공개(평) 3-125311호 공보에 개시되어 있는 구조에 따르면, 자기 저항 효과막이나 바이어스용 연 자성막이 감자부에만 존재하므로, 판독하고자 하는 트랙 이외의 트랙으로부터의 자속의 영향을 받지 않고 끝나지만, 자기 헤드(MR 헤드)의 가공 공정에서의 위치 맞추기 정밀도의 한계에서 자기 저항 효과막을 끼우는 것과 같이 형성되는 전극막이 자기 저항 효과막에 놓인 경우, 트랙 폭이 설계치보다 좁아지고, 소자의 출력이 저하한다는 결점이 있다.
본 발명은 외부 자계를 감지하는 감자 영역과 이 감자 영역을 끼우고 동시에 양단에 위치하는 단부 영역을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 감자 영역에만 존재하는 자기 저항 효과막과, 상기 단부 영역에 존재하고 상기 자기 저항 효과막의 자구 제어를 행하는 자계 인가막과, 상기 자기 저항 효과막 위의 전면에 형성된 절연막을 구비하고 있고, 상기 절연막이 상기 자기 저항 효과막 위의 적어도 자기 디스크 매체와 대향하는 단면에서 보이는 부분에 형성해도 좋다.
또, 상기 자계 인가막이 경질 자성체 또는 연 자성막과 반강 자성막의 적층 구조체로 이루어져도 좋고, 상기 연 자성막이 Ni-Fe를 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 상기 반강 자성막이 Mn 또는 Ni, Co, Fe 중 어느 하나를 포함하는 산화물 또는 희토류 금속을 포함해도 좋다.
또한, 상기 절연막이 막 두께 3nm 이상, 50nm 이하의 산화물로 이루어져도 좋고, 상기 산화물이 AlOx 또는 TaOx라도 좋다.
다음으로, 본 발명에 관한 도면을 참조하여 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예는 외부 자계를 감지하는 감자 영역과 이 감자 영역을 끼우고 도시에 양단에 위치하는 단부 영역을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 감자 영역에만 존재하는 자기 저항 효과막과, 단부 영역에 존재하고 자기 저항 효과막의 자구 제어를 행하는 자계 인가막과, 자기 저항 효과막 위의 전면에 형성된 절연체막을 포함하여 구성되어 있고, 제1도를 참조하여 그 구성을 상세하게 설명한다.
제1도는 본 발명의 일실시예를 실현하기 위한 형성 공정을 설명하는 단면도이다. 우선, 본 실시예는 제1(a)도에 도시한 바와 같이 세라믹재로 이루어진 기판(11) 위에 연 자성막(12), 자기 분리막(13), 자기 저항 효과막(14) 및 절연막(15)를 순차 형성한다. 상기 연 자성막(12)는 Co-Zr-Mo 아몰퍼스막(막 두께 35nm)이고, 자기 분리막(13)은 Ta막(막 두께 20nm)이며, 자기 저항 효과막(14)는 Ni-Fe막(막 두께 20nm)이다. 이상의 3층 구조막 위에 절연막(15)로서 비저항이 큰 박막을 형성한다. 본 실시예에서는 절연막(15)에는 AlOx막(막 두께 10nm)를 형성했다.
다음으로, 절연막(15) 위에 제1(b)도에 도시한 바와 같은 포토레지스트 마스크(16; 도면 중 대략 T자형 형상으로 도시)을 형성하지만, 상기 포토레지스트 마스크(16)은 하층과 결상부인 상층으로 이루어진 2층 구조이고, 언더 커트상으로 형성되어 있다. 그리고, 제1(a)도에 도시한 적층 구조체를 이온미링법으로 미링 가공을 행하고, 마스크 폭보다 외측에 존재하는 3층 구조막을 제거한다. 이 때, 이온 빔의 입사 각도를 수직 방향에서 경사 방향으로 함으로써, 제1(c)도에 도시한 바와 같이 미링 가공에 의해 나머지 부분의 측벽에 경사를 설치한다. 이 측벽의 경사는 다음 공정에서 형성되는 막과의 전기적 접합을 양호하게 하기 위한 것이다.
또한, 제1(c)도에 도시한 구조체에 대하여 스퍼터법에 의해 제1(d)도에 도시한 바와 같이, 한쪽 방향으로 자계를 인가하기 위한 경질 자성체막(17)과 전극막(18)을 형성한다. 상기 경질 자성체막(17)로서는 Co-Cr-Pt막(막 두께 40nm), 전극막(18)로서는 W막(막 두께 100nm)을 각각 형성하고, 최후에 제1(e)도에 도시한 바와 같이 절연막(15) 위의 포토레지스트 마스크(16)을 제거하여 원하는 자기 저항 효과 소자를 얻었다.
여기서, 비교하기 위해 자기 저항 효과막(14) 위에 절연막(15)가 형성되어 있지 않은, 이른바 종래형의 자기 저항 효과 소자를 아울러 제작했다. 상기 종래형의 자기 저항 효과 소자는 제2도에 도시한 구성에서 세라믹재로 이루어진 기판(21) 위에 연 자성막(22), 자기 분리막(23), 자기 저항 효과막(24)를 순차 형성하고, 제1(b)도, 제1(c)도에 도시한 경우와 같이 미링 가공을 행하여 나머지 부분의 측벽에 경사를 설치한 후에, 스퍼터법에 의해 경질 자성체막(25), 전극막(26)을 형성한 것이다. 상기 연 자성막(22)는 Co-Zr-Mo 아몰퍼스막(막 두께 35nm)이고, 자기 분리막(23)은 Ta막(막 두께 20nm)이며, 자기 저항 효과막(24)는 Ni-Fe막(막 두께 20nm)이며, 경질 자성체막(25)는 Co-Cr-Pt막(막 두께 40nm)이고, 전극막(26)은 W막(막 두께 100nm)이다.
이상의 공정에 의해 형성된 본 실시예와 종래형의 자기 저항 효과 소자의 특성 비교를 제3도에 도시한다.
제3도는 본 실시예와 종래형의 자기 저항 효과 소자에서의 저항과 인가 외부 자계의 관계를 도시한 도면으로서, 횡축은 인가 외부 자계의 강도 H, 종축은 저항치의 크기 R을 도시하고 있다. 여기서, 참조 부호(31)의 곡선(실선)은 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 저항-자계 특성을 도시하고, 참조 부호(32)의 곡선(실선)은 종래형의 자기 저항 효과 소자의 저항-자계 특성을 도시하고 있다.
제3도에 따르면, 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 저항 변화는 종래형의 자기 저항 효과 소자에 비교해서 큰 것을 알 수 있다. 이것은 본 실시예의 경질 자성체막(17) 및 전극막(18)이 스퍼터 성막시에 회전하여 들어감에 따라 감자부인 자기 저항 효과막(14) 위에 놓아 피착해도 제1(d)도에 도시한 바와 같이 감자부인 자기 저항 효과막(14) 위에는 절연막(15)가 형성되어 있기 때문에, 자기 저항 효과막(14)가 전부 감자부로서 기능한다.
한편, 종래형의 자기 저항 효과 소자에서는 제2도에 도시한 바와 같이, 자기 저항 효과막(24) 위에는 직접 경질 자성체막(25) 및 전극막(26)이 걸려 피착하고 있는 부분이 있고, 그 부분에서는 자기 저항 효과막(24)가 감자부로서 기능하지 않게 된다. 즉, 감자부의 실효적인 폭(영역)이 감소한다.
스퍼터 성막시에 전극막 등이 감자부에 걸리는 폭을 제어하는 것은 걸리는 폭이 스퍼터 입자가 회전하여 들어가는 것에 의존하기 때문에, 실제상으로는 제어가 불가능하다. 즉, 원하는 트랙 폭을 얻는 것은 예를 들면 감자부에만 자기 저항 효과막이 존재하는 구조의 자기 저항형 헤드에 있어서도 종래형의 자기 저항 효과 소자의 구조에서는 불가능하다.
또한, 본 실시예에서 연 자성막(12)는 Co-Zr-Mo 이외에 Co를 주성분으로 한 아몰퍼스막 또는 Ni-Fe-M(M은 Rh, Pd, Nb, Zr, Ta, Hf, Al, Pt, Au, Cr, Mo, W, Si) 중에서 선택되는 적어도 하나의 원소라도 좋고, 자기 스페이서막(13)은 Ta 이외에 Ti, Zr, W, Nb 등의 단체(單體) 또는 2원 이상의 합금이라도 좋으며, 자기 저항 효과막(14)는 Ni-Fe 이외에 Ni-Fe-Co에서도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 절연막(15)는 AlOx 이외에 TaOx막 그 외의 산화물막이라도 좋고, 경질 자성체막(17)은 Co-Cr-Pt 이외에 Co-Cr, Co-Cr-Ta, Co-Cr-Pt-Ta라도 좋으며, 전극막(18)은 W 이외에 Ta, Au, Cu라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
[실시예 2]
본 실시예는 외부 자계를 감지하는 감자 영역과 이 감자 영역을 양단에서 끼우는 것과 같이 위치하는 단부 영역을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 감자 영역에만 존재하는 자기 저항 효과막과, 단부 영역에 존재하고 자기 저항 효과막의 자구 제어를 행하는 자계 인가막과, 자기 저항 효과막 위의 적어도 자기 디스크 매체와 대향하는 단면에서 보이는 부분에 형성된 절연막을 포함하여 구성되어 있고, 제4도를 참조하여 그 구성을 상세히 설명한다.
제4도는 본 발명의 일실시예를 실현하기 위한 형성 공정을 설명하는 단면도이다. 우선, 본 실시예는 제4(a)도에 도시한 바와 같이 세라믹재로 이루어진 기판(41) 위에 연 자성막(42), 자기 분리막(43), 자기 저항 효과막(44) 및 절연막(45)를 순차 형성한다. 상기 연 자성막(12)는 Co-Zr-Mo 아몰퍼스막(막 두께 35nm)이고, 자기 분리막(13)은 Ta막(막 두께 20nm)이며, 자기 저항 효과막(14)는 Ni-Fe막(막 두께 20nm)이고, 제1도에 도시한 제1실시예의 경우와 동일하다. 이상의 3층 구조막 위에 절연막(45)로서 비저항이 큰 박막을 형성하지만, 본 실시예에서는 절연막(45)에는 TaOx막(막 두께 5nm)를 형성했다. 또한, 상기 절연막(45)를 형성하는 영역은 디스크 매체의 대향면에서 본 범위에서의 자기 저항 효과막 위의 전면에 있어서 반드시 제4도에서 보이지 않는 자기 저항 효과막 위에는 형성되어 있지 않아도 된다.
다음으로, 절연막(45) 위에 제4(b)도에 도시한 바와 같은 포토레지스트 마스크(46; 도면 중 대략 T자형 형상으로 도시)를 형성하지만, 상기 포토레지스트 마스크(46)은 제1실시예의 경우와 같이 하층과 결상부인 상층으로 이루어진 2층 구조이고, 언더 커트상으로 형성되어 있다. 그리고, 제4(a)도에 도시한 적층 구조체를 이온미링법으로 미링 가공을 행하고, 마스크 폭보다 외측에 존재하는 3층 구조막을 제거한다. 이 때, 이온빔의 입사 각도를 수직 방향에서 경사 방향으로 함으로써, 제4(c)도에 도시한 바와 같이 미링 가공에 의해 나머지 부분의 측벽에 경사를 설치한다. 이 측벽의 경사는 다음 가공에서 형성되는 막과의 전기적 접합을 양호하게 하기 위한 것이다.
또한, 제4(c)도에 도시한 구조체에 대하여 스퍼터법에 의해 제4(d)도에 도시한 바와 같이, 연 자성막(47)과 반강 자성막(48)의 적층막 및 전극막(49)를 형성한다. 상기 연 자성막(47)로서는 Ni-Fe막(막 두께 20nm), 반강 자성막(48)로서는, Ni-Fe막(막 두께 15nm), 전극막(49)로서는 Ta막(막 두께 100nm)를 각각 형성하고, 최후에 제4(e)도에 도시한 바와 같이 절연막(45) 위의 포토레지스트 마스크(46)을 제거하여 원하는 자기 저항 효과 소자를 얻었다.
이상의 공정에 따라 형성된 본 실시예에 관해서도 종래형의 자기 저항 효과 소자와의 비교를 행하고, 저항과 인가 외부 자계의 관계를 평가한 결과, 본 실시예가 종래형과 비교하여 저항 변화가 큰 것이 판명되었다. 이것은 반강 자성막(48) 및 전극막(49)가 자기 저항 효과막(44)에 걸려도 절연막(45)인 TaOx막이 존재함에 따라 감자부 폭이 감소하지 않기 때문이다. 또한, 반강 자성막(48)은 Fe-Mn 이외에 Ni-Mn, Ni-O, Co-O, Tb-Fe라도 같은 결과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 전극막이 스퍼터 성막시에 회전하여 들어감으로써 감자부인 자기 저항 효과막 위에 놓아 피착해도 감자부인 자기 저항 효과막 위에는 절연막이 형성되어 있기 때문에, 자기 저항 효과막이 모두 감자부로서 기능한다. 따라서, 감자부를 끼우는 전극의 위치 정밀도가 비교적 낮고, 트랙 폭이 설계치보다 좁아져도 소자의 출력이 저하하지 않고 트랙 폭의 결정이 용이해진다는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 적어도 전극막 및 상기 전극막 아래에 배치되어 감자부(magnetosensitive portion)에 일 방향 자계를 인가하기 위한 자성막을 포함하는 주변부에 의해 둘러싸인 상기 감자부에 수반되는 자기 저항 효과막의 표면 구조로서, 상기 자기 저항 효과막 측단부는 상기 자성막에 의해 덮여 상기 전극막으로부터 분리되는 자기 저항 효과막의 표면 구조에 있어서, 상기 자기 저항 효과막의 상부 표면의 적어도 주변 영역에 절연막이 형성되어, 상기 전극막의 일부가 상기 절연막 위로 연장됨으로써 상기 자기 저항 효과막의 상기 상부 표면이 상기 절연막에 의해 상기 전극막으로부터 분리되어 상기 자기 저항 효과막의 유효 영역이 상기 자기 저항 효과막의 실제 영역으로 유지되는 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연막은 상기 자기 저항 효과막의 상기 상부 표면의 전면에 형성되는 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연막은 산화물막을 포함하는 구조.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산화물막은 AlOx로 만들어지는 구조.
  5. 제3항에 있어서, 상기 산화물막은 TaOx로 만들어지는 구조.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 상기 전극막은 스퍼터링에 의해 형성되는 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전극막은 W, Ta, Au 및 Cu로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 자기 저항 효과막은 Ni-Fe 및 Ni-Fe-Co로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 Co-Cr-Pt, Co-Cr, Co-Cr-Ta 및 Co-Cr-Pt-Ta로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 경질 자성막을 포함하는 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 Ni-Fe로 만들어지는 연자성막 및 상기 전극막과 상기 연자성막간에 개재되는 반 강자성막을 포함하며, 상기 반 강자성막은 Fe-Mn, Ni-Mn, Ni-O, Co-O 및 Tb-Fe로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 구조.
  11. 자기 저항 효과 소자에 있어서, 기판, 상기 기판의 소정 영역 위에 선택적으로 형성되고 사다리꼴 단면 형상과 경사진 측벽을 갖는 감자부로서, 상기 기판의 상기 소정 영역 위에 선택적으로 형성되는 연 자성막, 상기 연 자성막 위에 형성되는 자기 분리막, 상기 자기 분리막 위에 형성되는 자기 저항 효과막 및 상기 자기 저항 효과막 위에 형성되는 절연막을 포함하는 감자부 및 상기 감자부를 둘러싸도록 상기 소정 영역 이외의 상기 기판 위에 제공되는 주변부로서, 상기 소정 영역 이외의 상기 기판 위에 형성되며 상기 감자부의 상기 경사진 측벽 위로 연장되는 자성층 및 상기 자성층 위에 서퍼터링에 의해 형성되며 그 일부가 상기 절연막의 상부 표면의 주변부 위로 연장되는 전극층을 포함하는 주변부를 포함하며, 상기 자기 저항 효과막의 상기 상부 표면은 상기 절연막에 의해 상기 전극층으로부터 분리되어 상기 자기 저항 효과막의 유효 영역을 상기 자기 저항 효과막의 실제 영역으로 유지하는 자기 저항 효과 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 절연막은 산화물막을 포함하는 자기 저항 효과 소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 산화물막은 AlOx로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  14. 제12항에 있어서, 상기 산화물막은 TaOx로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  15. 제11항에 있어서, 상기 전극층은 W, Ta, Au 및 Cu로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  16. 제11항에 있어서, 상기 자기 저항 효과막은 Ni-Fe 및 Ni-Fe-Co로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  17. 제11항에 있어서, 상기 자성층은 Co-Cr-Pt, Co-Cr, Co-Cr-Ta 및 Co-Cr-Pt-Ta로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 경질 자성층을 포함하는 자기 저항 효과 소자.
  18. 제11항에 있어서, 상기 자성층은 Ni-Fe로 만들어지는 연자성층 및 상기 전극층과 상기 연자성층간에 개재되는 반 강자성막을 포함하며, 상기 반 강자성층은 Fe-Mn, Ni-Mn, Ni-O, Co-O 및 Tb-Fe로 이루어지는 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  19. 제11항에 있어서, 상기 연자성막은 주성분으로서 Co를 포함하는 비정질막을 포함하는 자기 저항 효과 소자.
  20. 제11항에 있어서, 상기 연자성막은 Co-Zr-Mo로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
  21. 제11항에 있어서, 상기 연자성막은 Ni-Fe-M으로 만들어지며, 여기서 M은 Rh, Pd, Nb, Zr, Ta, Hf, Al, Pt, Au, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 물질인 자기 저항 효과 소자.
  22. 제11항에 있어서, 상기 자기 분리막은 Ta, Ti, Zr, W 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 또는 합금으로 만들어지는 자기 저항 효과 소자.
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