KR100232667B1

KR100232667B1 - 교환결합막과 자기저항효과소자

Info

Publication number: KR100232667B1
Application number: KR1019950049155A
Authority: KR
Inventors: 히로미 후케; 유우조 가미구치; 스스무 하시모토; 도모미 후나야마; 가즈히로 사이토; 히토시 이와사키; 마사시 사하시
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시키가이샤 도시바
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1999-12-01
Also published as: DE69522304T2; DE69522304D1; US6455178B1; KR960025372A; US6057049A; EP0717422B1; EP0717422A1

Abstract

본 발명에 있어서, 교환결합막은 적어도 일부가 면심입방정계의 결정구조를 가지면서 조성이 Ir_xMn_100-x(_X는 2≤_X≤80의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과, 이 반강자성체막과 적층형성된 강자성체막을 구비하여 이루어진다.

Description

교환결합막과 자기저항효과소자

제1도는 본 발명의 실시예 1에서의 교환결합막의 종단면도.

제2도는 교환결합막의 자화(磁化)곡선을 나타낸 특성도.

제3도는 실시예 1에 있어서 교환결합막의 교환바이어스자계(Hua)의 IrMn 합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제4도는 실시예 1에 있어서 교환결합막의 블로킹(blacking)온도의 InMn합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제5도는 실시예 2에 있어서 교환결합막의 교환바이어스자계(Hua)의 IrMn합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제6도는 실시예 2에 있어서 교환결합막의 블로킹온도의 IrMn합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제7도는 본 발명의 실시예 3에 있어서 교환결합막의 부식피트(pit) 발생률을 나타낸 도면.

제8도는 실시예 3에 있어서 교환결합막의 교환바이어스자계(Hua)의 IrMn합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제9도는 실시예 3에 있어서 교환결합막의 블로킹온도의 IrMn합금조성 의존성을 나타낸 도면.

제10도는 본 발명의 실시예 5에서의 자기저항효과소자의 종단면도.

제11도는 실시예 5에 있어서 자기저항효과소자의 확산개시온도와 저항변화율(감도)을 나타낸 도면.

제12도는 제6도에 도시된 교환결합막의 교환바이어스자계(Hua)와 IrMn합금의 Fe함유량과의 관계를 나타낸 도면.

제13도는 제6도에 도시된 교환결합막의 블로킹온도와 IrMn합금의 Fe함유량과의 관계를 나타낸 도면.

제14도는 제6도에 도시된 교환결합막의 부식피트 발생률과 IrMn합금의 Fe함유량과의 관계를 나타낸 도면.

제15도는 본 발명의 실시예 7과 실시예 8에서의 교환결합막의 종단면도.

제16도는 본 발명의 실시예 9에서의 교환결합막의 종단면도.

제17도는 본 발명의 실시예 13에서의 자기저항효과소자의 종단면도.

제18도는 본 발명의 실시예 14에서의 자기저항효과소자의 종단면도이다.

[산업상의 이용분야]

본 발명은, 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합을 이용한 교환결합막과, 이 교환결합막을 구비하여 이루어진 자계센서나 재생용 자기헤드 등의 자기저항효과소자에 관한 것이다.

[종래의 기술 및 그 문제점]

이전부터, 고밀도 자기기록에서의 재생용 헤드로서 자기저항효과소자를 이용한 자기헤드에 관한 연구가 진행되고 있다. 현재, 자기저항효과소자의 재료로서는 80원자% Ni-20원자% Fe합금(소위, “퍼멀로이(Permalloy)”)의 박막이 일반적으로 이용되고 있다. 최근, 이 재료를 대신하는 재료로서 거대한 자기저항효과를 나타내는 (Co/Cu)n 등의 인공격자막과 스핀밸브막(spin valve film)이 주목되고 있다.

그런데, 이들 재료를 이용한 자기저항효과막은 자기영역(magnetic domain)을 갖기 때문에, 다중영역의 활성화에 기인하는 바크하우젠(Barkhausen) 노이즈가 막의 실용화면에서 중대한 문제로 되고 있다. 따라서, 자기저항효과막을 단일영역으로 하기 위한 방법이 다각적으로 연구되고 있다. 그 중의 하나로서, 강자성체막인 자기저항효과막과 반강자성체막의 교환결합을 이용하여 자기저항효과막의 영역을 특정방향으로 제어하는 방법이 있다. 교환결합에 이용된 반강자성체 재료로서는, γ-FeMn합금이 종래부터 널리 알려져 있다(예컨대, 미합중국 특허 제4,103,315호와 미합중국 특허 제5,014,147호에 개시되어 있음).

더욱이, 최근에는 스핀밸브막의 자성막의 자화를 검사하기 위해 강자성체막과 반강자성체막의 교환결합을 이용하는 기술도 보급되고 있고, 이를 위해서도 반강자성체 재료로서 γ-FeMn합금이 사용되고 있다.

그러나,γ-FeMn합금은 내식성, 특히 물에 대한 부식이 문제로 되어 자기저항효과소자의 가공공정에서 부식, 또 대기중의 수분에 의한 부식에 의해 시간이 경과함에 따라 자기저항효과소자의 교환결합력이 열화되고, 소자의 제조수율이 현저하게 저하된다는 문제가 있다.

또, γ-FeMn합금으로 이루어진 반강자성체막에 있어서는, 온도환경에 의한 강자성체막과의 교환결합력의 변화가 크다는 문제도 있다. 즉, 자기헤드의 소자부의 온도가 자기헤드의 동작시에는 80℃ 전후까지 상승하기 때문에, 강자성체막과 반강자성체막의 교환결합력이 완전히 상실되는 온도인 블로킹온도는 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 그렇지만, γ-FeMn합금계의 블로킹온도가 200℃ 이하이기 때문에, 이러한 반강자성체막은 장기적인 신뢰성면에서 불충분하다.

예컨대, 미합중국 특허 제4,103,315호에는, γ-FeMn합금 이외의 PtMn, PhMn합금 등의 γ-Mn합금으로 이루어진 반강자성체막을 사용한 예나, NiO 등의 산화물로 이루어진 반강자성체막을 사용한 예가 개시되어 있다. 그러나, PtMn, RhMn합금 등의 γ-Mn합금으로 이루어진 반강자성체막에서는 강자성체막과의 교환결합력이 충분하지 않다. 한편, NiO 등의 산화물로 이루어진 반강자성체막은 열안정성이 떨어지기 때문에, 100℃를 넘는 고온하에서 강자성체막과의 교환결합력이 불안정하게 된다. 더욱이, NiO 등의 전기저항이 높은 산화물계에서는, 이 부분으로부터 직접 전극을 취출할 수 없기 때문에, 소자의 구조가 복잡해진다는 문제도 있다.

미합중국 특허 제5,315,468호에는, 반강자성체막을 면심정방정계(fct)의 결정구조를 갖는 NiMn 등의 θ-Mn합금으로 형성하면, 고온영역에서도 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합력이 저하되지 않는다는 것이 개시되어 있다.

이러한 반강자성체막은 성막한 상태에서는 강자성체막과의 교환결합력이 매우 작으므로, 충분한 결합력을 얻기 위해서는 250℃정도의 고온에서의 열처리가 불가결하게 된다. 이 때문에, 이들 반강자성체막을 이용한 경우에는, 소자의 제조공정이 번잡화되고, 나아가서는 제조수율이나 신뢰성의 저하를 초래하게 된다.

상술한 바와 같이, 반강자성체막은 자기저항효과소자의 바크하우젠 노이즈를 줄임으로써 강자성체막과의 교환결합을 얻기 위해 사용되어 왔다. 그렇지만, 종래의 반강자성체막은 신뢰성이 양호한 교환결합막을 수율좋게 제조하는데 어려움이 있고, 특히 고온영역에 있어서 내식성이나 강자성체막과의 교환결합력에 문제가 있다.

[발명의 목적]

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 고온영역에서도 강자성체막과의 교환결합력을 충분히 얻을 수 있고, 또 내식성이 우수한 반강자성체막을 구비하며, 제조공정이 간단함과 더불어 신뢰성이 양호한 교환결합막 및 이 교환결합막을 구비하여 장기적으로 안정한 출력을 얻을 수 있는 자기저항효과소자를 제공함에 그 목적이 있다.

[발명의 구성]

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 제1교환결합막은, 적어도 일부가 면심입방정계의 결정구조를 갖고, 또한 조성이 Ir_xMn_100-x(x는 2≤x≤80의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과, 이 반강자성체막의 적층형성된 강자성체막을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 제2교환결합막은, 조성이 Ir_xMn_100-x(x는 2≤x≤35, 60≤x≤80의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과, 이 반강자성체막과 적층형성된 강자성체막을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 제3교환결합막은, 조성이 (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y(x′는 0.02≤x′≤0.08의 범위를 만족하는 원자%, y는 0＜y＜30의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMnFe합금으로 이루어진 반강자성체막과, 이 반강자성체막과 적층형성된 강자성체막을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명이 자기저항효과소자는, 상술한 교환결합막과, 이 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 교환결합막에서의 반강자성체막에 특정의 결정구조나 조성을 갖는 IrMn합금을 이용한 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 제1교환결합막은, IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과 강자성체막이 적층형성된 기본구조를 갖는 것이다.

이 제1교환결합막은, 특히 적어도 일부가 면심입방정계의 결정구조를 갖고, 또한 조성이 Ir_xMn_100-x(x는 2≤x≤80)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막을 강자성체막과 적층형성함으로써, 고온영역에서도 충분히 큰 교환결합력을 얻을 수 있다.

면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금은 높은 닐(Neel)온도를 갖는다. 이 때문에, 상술한 바와 같은 기본구조를 갖는 교환결합막에 적용한 경우의 블로킹온도도 높고, 결과적으로 얻어지는 교환결합막의 신뢰성이 향상되면서 강자성체막과의 충분한 교환결합력을 가진다.

더욱이, 특히 자기저항효과막으로서의 강자성체막의 자기영역 제어와 스핀밸브막 등의 핀고정층을 자기적으로 핀고정하기 위해 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합을 이용하는 경우, 면심입방정계 결정구조를 갖는 IrMn합금은 면심입방정계의 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 형성하는 강자성체막과의 격자정합성의 점에서도 바람직하다.

반대로, 면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금은 a축과 c축의 격자상수의 비(c/a)가 1.355로 매우 크고, a축 방향의 격자상수가 0.3㎚ 미만이다. 따라서 IrMn합금은 일반적으로 격자상수가 0.35㎚정도인 면심입방정계의 결정구조를 형성하는 강자성체막과는 격자정합성이 낮아 충분한 교환결합력을 얻기 어렵다.

본 발명에 따른 제1교환결합막에서는, 상술한 바와 같은 면심입방정계의 결정구조를 갖고, 일반식 Ir_xMn_100-x(2≤x≤80)로 표시되는 조성을 갖는 IrMn합금이 반강자성체막에 이용된다. 왜냐하면, IrMn합금중의 Ir량이 적은 조성에서는 IrMn합금의 내식성이 저하하는 경향이 있고, Ir량이 많으면 반강자성이 약해지기 때문이다. 본 발명에 있어서, 더욱 바람직한 IrMn합금의 Ir량의 범위는 5≤x≤40이다.

또, 본 발명에 따른 제2교환결합막은, Ir량(x)이 2 내지 35원자%, 60 내지 80원자%의 범위를 갖고 조성이 Ir_xMn_100-x로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과 강자성체막을 적층형성함으로써 얻어지는 교환결합막이다.

일반적으로, IrMn합금은 Ir량(x)이 35＜x＜60의 범위일 때 안정한 면심정방정계의 결정구조를 갖는다.

본 발명에 따른 제2교환결합막에 있어서는, 조성이 Ir_xMn_100-x(2≤x≤35, 60≤x≤80), 더 나아가서는 Ir_xMn_100-x(5≤x≤35)로 표시되는 IrMn합금을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

그렇지만, 결정구조가 면심입방정계 결정구조인 Cu 등의 막이나 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금 등을 주체로 하는 자기저항효과막 위에, IrMn합금을 에피택셜적으로 성장시키는 경우 등은, 35＜x＜60의 조성범위에서도 면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막을 형성할 수 있다.

본 발명에서는, 반강자성체막이 면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금으로 형성되는 것이면, IrMn합금이 본 발명에 따른 제1교환결합막과 같은 35＜x＜60의 조성범위이어도 특별히 지장은 없다.

본 발명에 따른 제3교환결합막에서의 반강자성체막은, 일반식 (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y로 표시되는 조성을 갖는다(여기에서, x′는 0.02≤x′≤0.80를 만족하는 원자%, y는 0≤y≤30를 만족하는 원자%이다).

본 발명에 따른 제3교환결합막에서의 반강자성체막은, 본 발명에 따른 제1교환결합막에서의 반강자성체막을 형성하는 IrMn합금에 Fe를 첨가한 합금조성으로 이루어진다.

x′의 값을 0.02 미만으로 정의한 이유는, Ir량이 0.02 미만으로 적어지면 반강자성체막의 내식성이 저하하고, Ir량이 0.8 초과하면 반강자성체막의 불로킹온도가 저하하기 때문이다. 보다 바람직한 X′의 범위는 0.05≤x′≤0.70이다.

또, Fe는 반강자성체막과 강자성체막의 격자정합성을 양호하게 하여 교환결합력을 크게 하는 작용을 가진다. 다만, y의 값이 30 이상이면 내식성이 크게 저하하기 때문에, y의 값은 30 미만으로 한다. 보다 바람직한 y의 범위는 0.01≤y≤25이다.

본 발명에 따른 제3교환결합막에서는, 교환결합막을 구성하는 반강자성체막과 강자성체막이 모두 면심입방정계(fcc) 결정구조를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 제1, 제2교환결합막에 관하여 상술한 바와 같이, Ir_x′Mn_1-x′계 합금은 벌크(bulk)에서는 합금의 조성이 0.35＜x′＜0.60의 범위에서 Ir량(x′)을 가질 때, 면심정방정계(fct) 결정구조를 갖는다. 면심정방정계 결정구조를 갖는 IrMn계 합금은 0.273㎚의 작은 격자상수(a)와 1.355의 매우 큰 c/a비를 갖는다. 한편, 면심입방정계(fcc) 결정구조를 갖는 강자성체막은 0.35㎚정도의 격자상수를 갖는다. 이 때문에, (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y(0.35＜x/＜0.60)계 합금을 반강자성체막에 이용하면, 강자성체막과의 격자정합성이 나빠져서 충분한 교환결합력을 얻는 것이 곤란하게 되리라고 예상된다.

그렇지만, Ir량(x′)이 0.35＜x′＜0.60의 범위에 있는 조성을 갖는 (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y형 합금의 경우에는, 면심입방정계 결정구조를 갖는 Cu 등의 막이나 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금을 주체로 하는 자기저항효과막 위에 에피택셜적으로 성장시키면, 면심입방정계 결정구조를 갖는 반강자성체막을 형성할 수 있다.

제3교환결합막에 있어서, (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y형 합금으로 이루어진 반강자성체막의 막두께방향에 따른 Fe농도분포는 균일해도 좋고, 분균일(조성변조막)해도 좋다. 예컨대, Fe농도는 반강자성체막의 표면 또는 강자성체막과의 경계 또는 반강자성체막의 두께방향의 중앙부에 있어서 높게 되어 있어도 좋다.

그렇지만, 내식성과 교환결합력의 관점으로부터는 반강자성체막과 강자성체막의 경계 부근에서 높은 것이 바람직하다. 또, 반강자성체막중에서의 Fe농도의 변화의 방법도 연속적인 변화이어도 좋고 단계적인 변화이어도 좋다.

더욱이, 본 발명에 따른 제1, 제2, 제3교환결합막에 있어서는, 반강자성체막에 이용되는 IrMn합금에 대해 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr, Si, Al, W, Zr, Ga, Be, In, Sn, V, Mo, Re, Co, Ru, Rh , Pt, Ge, Os, Ag, Cd, Zn, Au, N 등의 첨가성분을 첨가함유시켜도 좋다.

즉, 본 발명에서의 강자성체막은, 상술한 바와 같은 결정구조와 조성을 갖는 IrMn합금을 이용함으로써 이미 양호한 내식성이 얻어지고 있지만, 이와 같은 첨가성분을 첨가함유시킴으로써 그 내식성은 한층 더 향상된다.

다만, 첨가성분이 지나치게 다량으로 첨가함유되면, 교환결합막의 교환결합력이 저하될 우려가 있다. 이 때문에, 이들의 배합량은 Ir_xMn_100-x(2≤x≤80)로 표시되는 조성에 대해 50원자% 이하로 설정하는 것이 바람직하다. Cu, Ta, Hf, Ti, Nb, Cr, Si, Al, W, Zr, Mo의 경우, 이 양은 30원자% 이하가 바람직하다. N의 경우에는 20원자% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

제3교환결합막에서의 IrMnFe합금에 대해서도 상기와 마찬가지이다. 배합량이 50원자% 이상이면, 교환결합막의 교환결합력은 현저히 저하한다.

더욱이, 본 발명의 교환결합막에서는, IrMn합금(IrMnFe합금을 포함함)으로 이루어진 반강자성체막의 적어도 일부가 규칙상(規則相)을 갖는 것이 바람직하다. 이는, IrMn합금(IrMnFe합금을 포함함)으로 이루어진 반강자성체막의 원자배열을 규칙화함으로써 닐점(Neel point)이 상승하고, 나아가서는 교환결합막의 블로킹온도가 높아져도 그 신뢰성이 향상됨과 더불어 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합력을 증대시키는 것이 가능하게 되기 때문이다.

본 발명과 같이, 면심입방정계 결정구조를 갖는 IrMn합금으로 반강자성체막을 형성하는 경우는, 반강자성체막을 형성한 직후의 성막상태는 통상 불규칙상이 지배적이지만, 약 100∼300℃의 범위의 온도에서 열처리를 실시함으로써 규칙상, 구체적으로는 Cu₃Au형의 규칙상을 생성할 수 있다. 여기에서, 이와 같은 규칙상의 생성은 열처리막의 X선회절 분석에 의해 용이하게 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에서의 강자성체막은 특별히 한정되지 않는다. 그렇지만, 반강자성체막과의 격자정합성의 점에서, 면심입방정계 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 형성하는 자기저항효과막이 바람직하다. 이 설명을 위해, 자기저항효과막은 예컨대 이방성 자기저항효과막이나 인공격자막, 스핀밸브막, 과립모양의 막이라는 거대한 자기저항효과막을 포함한다. Fe, Co 및 Ni중 적어도 1종을 함유하는 합금을 주체로 한 자기저항효과막이 예시된다. 본 발명에 있어서, 강자성체막은 Fe를 함유하는 것이 바람직하다. 즉, 강자성체막에 함유된 Fe는 강자성체막과 반강자성체막의 교환결합력을 크게 하는데 유리하다.

특히, Co 또는 Co계 합금을 주체로 한 자기저항효과막에 대해서는, 면심입방정계 결정구조를 갖는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과 적층형성함으로써, 자기헤드로의 응용을 위해 블로킹온도가 대단히 높은 교환결합막을 얻을 수 있다.

인공격자막이나 스핀밸브막을 자기저항효과막으로 하는 경우는, Cu비자성막과 Co계 합금자성막 등의 조합을 함유하는 다층구조는 저항변화율이 크면서 열안정성도 양호하여 자기헤드 등으로 응용하는데에도 대단히 적당하다.

이제, 상술한 다층구조를 갖는 자기저항효과막의 열안정성에 대해 설명한다.

예컨대, NiFe자성막과 Cu비자성막과의 다층구조에 있어서는, Ni와 Cu가 모든 조성범위에서 솔리드용액을 형성한다. 따라서, 자기저항효과소자의 가공공정 등에서 이 다층구조가 약 200℃의 온도에 노출되면, NiFe자성막과 Cu비자성막 사이에서 확산이 생겨 자기저항효과막의 저항변화율이 저하해 버린다. 이에 대해, Co계 합금자성막과 Cu비자성막과의 다층구조는 Co와 Cu가 솔리드용액 영역을 강하게 형성한다. 따라서, 자기저항효과막이 자기저항효과소자의 가공공정 등에서 350℃ 정도까지 가열되어도 그 저항변화율은 거의 저하하지 않는다.

또한, 본 발명에서는 Co를 함유하지 않은 강자성체막과 반강자성체막의 경계에 Co 또는 Co계 합금으로 이루어진 강자성체막을 개재시켜 얻어지는 교환결합막의 블로킹온도를 높이는 것도 가능하다.

이때, Co 또는 Co계 합금으로 이루어진 강자성체막과 Co를 함유하지 않는 강자성체막을 반강자성체막의 반대측의 주면상에 적층형성해도 좋다.

더욱이, 본 발명에 있어서는 강자성체막의 자기특성이나 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과의 격자정합성을 향상시키는 관점으로부터, 강자성체막에 첨가성분을 첨가함유시키는 것도 가능하다.

마찬가지의 관점으로부터, NiFe계 합금으로 이루어진 강자성체막은 첨가성분을 배합시키는 것이 가능하다. 이 경우, 반강자성체막과의 격자정합성을 향상시키기 위해서는, 첨가성분을 강자성체막의 전체에 걸쳐 배합시킬 필요는 없지만, 적어도 반강자성체막과의 경계 근방에 배합시키면 좋다.

본 발명에서의 반강자성체막의 막두께는, 반강자성이 발현되는 범위이면 특별히 한정되지 않는다. 그렇지만, 큰 교환결합력을 얻기 위해서는, 반강자성체막의 막두께가 강자성체막의 막두께보다도 두꺼운 것이 바람직하다. 열처리 후의 교환결합력의 안정성을 보장하기 위한 관점으로부터, 이 두께는 적당하게는 15㎚ 이하, 바람직하게는 10㎚ 이하이다. 더욱이, 강자성체막 두께도 마찬가지의 관점으로부터 3㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이들 반강자성체막과 강자성체막은 적어도 일부가 적층형성되어 교환결합하고 있으면 좋다.

더욱이, 본 발명에서의 교환결합막의 반강자성체막은, 3㎚ 이상의 막두께인 것이 바람직하고, 핀고정되는 강자성체막의 막두께는 1㎚ 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 교환결합막은, 예컨대, MBE법, 스퍼터법, 증착법 등 공지의 성막방법을 이용하여 기판상에 형성된다. 이 때, 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합에 1방향 이방성을 부여하기 위해, 자계중에서 성막하거나, 자계중 열처리를 행해도 좋다. 이러한 열처리는 상술한 바와 같은 규칙상을 생성시키는 데에도 유효하다.

이 경우, 강자성체막에 Fe가 함유되어 있으면, 열처리시에 강자성체막으로 부터 반강자성체막으로 향해 Fe가 확산되어 양자의 경계에 확산층이 생겨 경계에서의 Fe농도가 높아지고, 이에 따라 교환결합력을 더 높일 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 강자성체막으로부터 반강자성체막으로의 Fe의 확산을 이용하여 강자성체막과 Fe를 함유하지 않는 IrMn막을 적층한 후에 어닐(anneal)함으로써, 본 발명에 따른 제3교환결합막의 IrMnFe 반강자성체막을 형성해도 좋다. 또, Fe를 함유하지 않는 강자성체막을 이용하는 경우, Fe를 함유하지 않는 IrMn 반강자성체막과 Fe를 함유하지 않는 IrMn 반강자성체막 사이에 Fe를 주성분으로 하는 층을 개재시키고, 성막후에 어닐함으로써 IrMnFe 반강자성체막을 형성해도 좋다. 이와 같이, 경계에 개재시키는 Fe를 주성분으로 하는 층의 막두께는 5㎚ 이하, 나아가서는 2㎚ 이하인 것이 바람직하다. Fe를 함유하지 않는 IrMn막과 Fe를 함유하지 않은 강자성체막의 경계에 1원자층 이상의 두께를 갖는 Fe층을 개재시킴으로써, 교환결합력을 높일 수 있다.

마찬가지로, IrMnFe에 대해서도 강자성체막이 Fe를 함유하지 않거나 또는 Fe의 함유량이 적은 경우에 있어서도, 경계에 Fe층을 개재시킴으로써 교환결합력을 높일 수 있다. 이 경우의 Fe층은 1원자층 이상이면 효과를 발휘하지만, Fe층이 5㎚를 넘으면 교환결합력은 약해져 버린다.

본 발명의 교환결합막을 형성할 수 있는 기판으로서는, 유리, 수지 등의 비정질기판이나, Si, MgO, Al₂O₃, 각종 페라이트 등의 단결정기판, 배향기판, 소결(燒結)기판 등을 이용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또, 반강자성체막이나 강자성체막의 결정성을 향상시키기 위해 기판상에 1∼100㎚의 두께의 하지층(下地層)을 설치해도 좋다. 이 하지층은, 반자성체막이나 강자성체막의 결정성을 향상시키는 것이면, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 Pd나 Pt 등의 귀금속이나 CoZrNb 등의 비정질금속, 또는 면심입방정계의 결정구조를 갖는 금속, 합금을 이용할 수 있다.

본 발명의 자기저항효과소자는, 상술한 교환결합막에 대해 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 설치한 것이다. 이 전극의 재료로서는, Cu, Ag, Al이나 이들의 합금이 이용된다. 전극은 강자성체막에 직접 접촉하여 형성해도 좋고, 반강자성체막을 매개로 형성해도 좋다.

본 발명의 자기저항효과소자는 상술한 바와 같이 큰 교환결합력이 얻어지는 교환결합막을 구비하고 있다. 이 때문에, 재생용 자기헤드, 자계센서 등의 자기저항효과소자를 이용한 여러 장치에 응용할 수 있다.

본 발명의 자기저항효과소자에 있어서, 강자성체막과 반강자성체막의 교환결합력은 강자성체막인 자기저항효과막에서의 자기영역의 제어, 즉 자기저항효과소자에서의 바크하우젠 노이즈의 제거뿐만 아니라, 자기저항효과막으로서의 인공격자막이나 스핀밸브막에 대한 자화고착 등에도 이용할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 반강자성체막과 강자성체막으로 이루어진 본 발명의 교환결합막을 제조했다. 이러한 본 발명의 교환결합막의 종단면도를 제1도에 나타낸다. 구체적으로는, 표면이 C면인 사파이어기판(1)상에, 먼저 Co₈₁Fe₉Pd₁₀의 조성의 강자성체막(2)을 5㎚의 두께로, 이어서 일반식 Ir_xMn_100-x(x=1, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85)로 표시되는 변화하는 조성이 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막(3)을 각각 15㎚의 두께로 자계중에서 성막하여 9종류의 시료를 얻었다. 이 때, 기판의 가열은 특별히 행하지 않았다. 이들 교환결합막에 대해 X선 회절로 결정구조와 그 배향방위를 조사한 바, 강자성체막(2)과 반강자성체막(3) 모두 면심입방정계의 결정구조를 형성하고, 또한 (111)배향하고 있는 것이 관측되었다.

얻어진 교환결합막의 용이축방향(a; 성막시의 자계방향)과 곤란축방향(b)의 곡선을 제2도에 나타낸다. 도면중 c의 값이 교환바이어스자계(Hua)에 상당한다. 이 Hua의 IrMn합금조성 의존성을 제3도에 나타낸다. 제3도로부터 명확해진 바와 같이, 여기에서 얻은 시료중, 2≤x≤80의 조성범위를 만족하는 Ir량을 갖는 IrMn합금의 반강자성체막을 이용하는 교환결합막은 모두 충분한 교환바이어스자계를 가짐을 알 수 있다.

한편, 반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 것을 제외하고는 마찬가지의 교환결합막에 있어서, FeMn계에서 가장 높은 Hua를 나타내는 Fe₅₀Mn₅₀의 Hua는 14㎄/m이었다. 이 데이터는, 본 발명의 교환결합막에 있어서 γ-FeMn합금의 반강자성체막을 포함하는 막보다 더 큰 교환결합력이 얻어짐을 나타낸다.

또, 이들 교환결합막의 블로킹온도를 측정했다. 그 결과를 제3도의 데이터와 마찬가지로 IrMn합금조성 의존성으로서 제4도에 나타냈다. 제4도에 나타낸 바와 같이, 제3도중에서 충분한 교환바이어스자계를 갖고 있는 본 발명의 교환결합막은, 블로킹온도가 200℃를 넘고 신뢰성도 양호하다. 이에 대해, 반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 것을 제외하고는 완전히 마찬가지의 교환결합막에 있어서는, 190℃의 블로킹온도와 장기적인 신뢰성을 얻는데에는 불충분한 값이었다.

[실시예 2]

열산화 SiO₂막으로 표면이 피복된 (100) Si기판상에, 조성이 Ir_xMn_100-x(x=15, 25, 35, 45, 50, 55, 65, 75, 85)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 15㎚ 두께의 반강자성체막과 Co₈₁Fe₉Pd₁₀의 조성으로 5㎚ 두께의 강자성체막을 이 순서로 성막하는 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 교환결합막의 시료를 제조했다.

이들 교환결합막의 결정구조를 X선회절로 조사했다. 그 결과, Ir비율(x)이 45, 50, 55인 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막은 면심정방정계 결정구조, 그 외의 반강자성체막은 면심입방정계 결정구조를 형성하고 있음이 관측되었다.

얻어진 교환결합막에 대해, 실시예 1과 마찬가지로 교환바이어스자계(Hua)와 블로킹온도의 IrMn합금조성 의존성을 측정했다. 그 결과를 제5도와 제6도에 나타냈다. 이들 도면으로부터 명확해진 바와 같이, 여기에서는 반강자성체막에 이용된 IrMn합금이 2≤x≤80의 조성범위내에서도, 면심입방정계 결정구조가 형성된 IrMn합금중의 Ir비율이(x)d 45, 50, 55인 시료에 대해서는 교환바이어스자계, 블로킹온도 모두 현저하게 저하되었다.

따라서, 특히 Ir_xMn_100-x(2≤x≤35, 60≤x≤80)로 표시되는 조성을 갖는 IrMn합금은, Ir비율(x)이 35≤x≤60인 경우보다도 면심입방정계 결정구조가 형성되기 쉽다. 이 데이터는, 본 발명의 교환결합막에 있어서 이들 IrMn합금이 반강자성체막에 적당하게 이용될 수 있다는 것을 나타낸다.

[실시예 3]

면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막에 있어서, Ir₂₅Mn₇₅의 조성에 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr의 첨가성분을 각각 10원자% 첨가함유시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지로하여 8종류의 교환결합막의 시료를 제조했다.

이어서, 이들 교환결합막에 대해 내식성 시험을 행했다. 이 시험은 교환결합막을 수중에 하루동안 방치한 후의 부식피트의 발생률을 관찰하는 내식성 시험을 함으로써 행했다.

그 시험결과를 제7도에 나타냈다. 제7도는 실시예 1에서 제조한 교환결합막중 반강자성체막에 Ir₂₅Mn₇₅, Ir₇₀Mn₃₀, Ir₅₀Mn₅₀의 조성의 IrMn합금이 이용된 각 시료 및, 반강자성체막에 IrMn합금 대신에 Fe₅₀Mn₅₀및 (Fe_0.5Mn_0.5)_89.5Ir_10.5의 조성의 합금이 이용된 비교시료에 대해 상술한 바와 같은 내식성 시험을 행한 결과도 부가적으로 나타내고 있다.

제7도로부터 명확해진 바와 같이, IrMn합금을 주체로 한 반강자성체막을 구비한 시료는, 반강자성체막에 FeMn계 합금을 이용한 경우에 비해 부식피트의 발생률이 극히 낮고, 특히 IrMn합금에 대해 상기 첨가성분이 첨가함유되면, 부식피트의 발생률이 한층 더 저감됨을 알 수 있다.

반강자성체막에 상술한 Ir₂₅Mn₇₅의 조성의 IrMn합금을 이용한 교환결합막과 반강자성체막에 Ir₂₅Mn₇₅의 동일조성을 가지며 각각 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr의 첨가성분이 10원자%의 비율로 첨가함유된 IrMn합금을 이용한 교환결합막에 대해 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 성막한 상태의 교환바이어스자계(Hua)와 블로킹온도를 측정했다.

그 측정결과를 제8도와 제9도에 나타낸다. 이들 도면으로 명확해진 바와 같이, 이들 시료는 모두 충분한 교환바이어스자계를 가짐과 더불어, 블로킹온도가 높아 신뢰성도 양호했다. 즉, 실시예 1의 교환결합막에서는 반강자성체막에 이용되는 IrMn합금에 대해 첨가성분을 첨가함유시킴으로써 내식성이 향상되는 한편, 교환결합력이나 신뢰성의 저하는 확인되지 않았다.

더욱이, 이들 교환결합막에 있어서, 진공에서 200℃, 3시간의 자장중 열처리를 실시한 후의 교환바이어스자계(Hua)를 제8도에 부가적으로 나타냈다. 제8도로부터 명확해진 바와 같이, 열처리를 실시함으로써 모든 시료의 교환바이어스자계가 성막한 상태보다도 크게 상승했다.

X선회절에 의한 분석결과, 열처리후의 교환결합막에서는 면심입방정계 결정구조를 나타내는 반강자성체막의 X선회절 피크중에 규칙상에 의한 피크가 나타나고 있다. 이 사실은, 열처리에 의해 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막에 있어서 규칙상이 생성되어 교환결합력이 증대된다는 것을 나타낸다.

[실시예 4]

실시예 1과 완전히 마찬가지의 방법으로 (Co_0.9Fe_0.1)_100-xPd_x의 조성의 강자성체막과 Ir₂₅Mn₇₅의 조성의 반강자성체막을 적층형성하여 교환결합막을 제조했다.

이 교환결합막의 교환바이어스자계(Hua)를 구한 바, 약 15㎄/m의 Hua를 갖는다.

이들 교환결합막의 강자성체막은 0 내지 20원자%의 범위에서 변화하는 Pd의 배합량(x)을 갖는다. 이들 강자성체막에 대해 교환결합력을 평가했다. 그 결과, Pd의 배합량에 거의 비례한 교환바이어스자계의 증가가 확인되었다.

[실시예 5]

면심입방정계 결정구조를 갖는 Ir₂₅Mn₇₅의 조성의 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막과 강자성체막의 교환결합막을 이용하여, 본 발명에 따른 자기저항효과소자를 제작했다. 제10도는 이 자기저항효과소자의 종단면도이다.

구체적으로, 기판(4)으로는 표면이 열산화된 Si웨이퍼를 이용하고, 강자성체막(5, 7)으로서 두께가 3㎚와 2㎚의 Co₉₀Fe₁₀막, 반강자성체막(8)으로서 두께가 8㎚의 Ir₂₅Mn₇₅막, 비자성체막(6)으로서 두께가 3㎚의 Cu막을 각각 성막했다. 도면중, 고저항연자성막(9, 10)은 각각 두께 10㎚의 Co₈₈Zr₅Nb₇막과 두께 2㎚의 Ni₈₀Fe₂₀막, 전극(11)은 두께 0.1㎛의 Cu막, 경막(12)은 두께 40㎚의 Co₈₃Pt₁₇막, 보호막(8′)은 두께 20㎚의 Ti막으로 이루어진다.

여기에서, Co₉₀Fe₁₀막은 실시예 1의 교환결합막에서의 Co₈₁Fe₉Pd₁₀의 조성의 강자성체막과 마찬가지로 면심입방정계의 결정구조를 형성하고 있었다.

또, 자기저항효과소자의 제작에 있어서는, 강자성체막(5, 7), 비자성체막(6) 및 반강자성체(8)의 성막을 자계중에서 행하고, 더욱이 자계중에서의 열처리를 실시하여 반강자성체막(8)과 강자성체막(7)의 교환결합에 1방향 이방성을 부여했다.

또, 고저항연자성막(9)에 대해서도, 자계중에서 성막한 후에 열처리를 실시하여 1축 자기이방성을 부여함과 더불어 경막(12)을 착자(着磁)함으로써 그 1축 자기이방성을 한층 강하게 하였다. 그 어닐조건은, 하부자성층의 자화용 이축방향으로 자계를 건 정자계중에서 250℃까지 온도를 높여 1시간 유지한 다음 노냉(爐冷)한다. 그 노냉중의 210℃의 온도에서 자계방향을 용이축과 직간방향으로 회전시킨다. 최후로, 적층형성된 막에 대해 통상의 반도체공정에 준하여 가공을 행하여 본 발명의 자기저항효과소자를 얻었다.

이러한 자기저항효과소자에 외부로부터 자계를 인가하여 그 자계응답성을 조사한 바, 반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 자기저항효과소자보다 더 안정한 출력이 얻어지고, 자벽이동에 따른 바크하우젠 노이즈의 발생도 발견되지 않았다.

반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 경우보다도 반강자성체막의 내열성이 양호하다는 사실, 교환결합막에서의 블로킹온도가 높으면서 교환결합력이 크다는 사실에 기인하여, 상술한 바와 같이 안정한 출력이 얻어지는 고감도의 자기저항효과소자를 매우 수율좋게 제작할 수 있었다.

[실시예 6]

강자성체막과 면심입방정계 결정구조를 갖는 Ir₂₀Mn₈₀의 조성의 IrMn합금으로 형성된 반강자성체막으로 이루어진 교환결합막을 이용하여, 본 발명에 따른 자기저항효과소자를 제작했다. 제10도는 이 자기저항효과소자의 종단면도이다.

구체적으로, 기판(4)으로는 표면이 열산화된 Si웨이퍼를 이용하고, 강자성체막(5,7)으로서 두께가 3㎚와 2㎚의 Co₉₀Fe₁₀막, 반강자성체막(8)으로서 두께가 8㎚의 Ir₂₀Mn₈₀막, 비자성체막(6)으로서 두께가 3㎚의 Cu막을 각각 성막했다. 도면중, 고저항연자성막(9,10)은 각각 두께 10㎚의 Co₈₈Zr₅Nb₇막과 두께 2㎚의 Ni₈₀Fe₂₀막, 전극(11)은 두께 0.1㎛의 Cu막, 경막(12)은 두께 40㎚의 Co₈₃Pt₁₇막, 보호막(8′)은 두께 20㎚의 Ta막으로 이루어진다.

여기에서, Co₉₀Fe₁₀막은 실시예 1의 교환결합막에서의 Co₈₁Fe₉Pd₁₀의 조성이 강자성체막과 마찬가지로 면심입방정계의 결정구조를 형성하고 있다.

또, 자기저항효과소자의 제작에 있어서는, 강자성체막(5, 7), 비자성체막(6) 및 반강자성체막(8)의 성막을 자계중에서 행하고, 더욱이 자계중에서의 열처리를 실시하여 반강자성체막(8)과 강자성체막(7)의 교환결합에 1방향 이방성을 부여했다.

또, 고저항연자성막(9)에 대해서도, 자계중에서 성막한 후에 열처리를 실시하여 1축 자기이방성을 부여함과 더불어 경막(12)을 착자함으로써 그 1축 자기이방성을 한층 강하게 하였다. 여기에서, 어닐조건은 상술한 실시예 5와 마찬가지이다. 최후로, 적층형성된 막에 대해 통상의 반도체공정에 준하여 소자가공을 행해 본 발명의 자기저항효과소자를 얻었다.

반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 경우보다도 반강자성체막의 내열성이 양호하다는 사실을 , 교환결합막에서의 블로킹온도가 높으면서 교환결합력이 크다는 사실에 기인하여, 상술한 바와 같이 안정한 출력이 얻어지는 고감도의 자기저항효과소자를 아주 수율좋게 제작할 수 있었다.

더욱이, 상술한 공정을 충실하게 따름으로써 자기저항효과소자를 제작하고 그 감도와 신뢰성을 평가하였다. 특히, 강자성체막(5,7)이 모두 Co₉₀Fe₁₀막으로 이루어진 자기저항효과소자, 강자성체막(5,7)이 모두 Ni₈₀Fe₂₀막으로 이루어진 자기저항효과소자 및 강자성체막(5, 7)이 각각 Ni₈₀Fe₂₀막과 Co₉₀Fe₁₀막으로 이루어진 자기저항효과소자의 3종류를 준비하고, 단위자계당 저항변화율, 즉 감도와 가열하에서 강자성체막(5,7)과 비자성체막(6) 사이에서 확산이 생기기 시작하는 내열온도를 측정했다.

그 결과를 제11도에 나타낸다.

제11도로부터 명확해진 바와 같이, 강자성체막(7)에 CoFe합금을 이용함으로써 내열온도와 저항변화율(감도)을 모두 향상시킬 수 있다. 또, CoFe합금으로 이루어진 강자성체막(7)과 적층형성된 교환결합막에서는, 블로킹온도도 강자성체막(7)에 NiFe합금을 이용한 경우보다 약 40 내지 50℃정도 높다. 이 사실은, 본 발명에 있어서는 강자성체막에 면심입방정계 결정구조를 갖는 Co계 합금을 이용하면, 감도, 장기적인 신뢰성, 제조수율 등이 특히 우수한 자기저항효과소자를 얻을 수 있음을 나타낸다.

또, 강자성체막(5)에 NiFe를 이용한 경우는, 소자로서 필요한 직교화 어닐시의 어닐온도를 높게 설정할 수 있어 블로킹온도가 높은 IrMn계 막의 특성을 충분히 이끌어낼 수 있다.

[실시예 7]

RF마그네트론 스퍼터장치를 이용하여 기판을 가열하고 있지 않은 상태에서 자계중 성막함으로써, 제1도에 도시된 구조를 갖는 반강자성체막과 강자성체막으로 이루어진 교환결합막을 제작했다. 구체적으로는, 표면이 C면인 사파이어 기판(1)상에 막두께 5㎚의 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(2)과, 막두께 25㎚의 (Ir_0.25Mn_0.75)_100-yFe_y반강자성체막(3)을 순차적으로 형성했다. 본 실시예에 있어서는, 반강자성체막(3)중의 Fe의 함유량을 원자%로 나타내는 y의 값을 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 또는 70으로 설정했다.

얻어진 각 교환결합막에 대해 결정구조와 그 배향방위를 X선회절에 의해 조사했다. 그 결과, 반강자성체막과 강자성체막은 모두 결정구조가 면심입방정계 결정구조이고, (111)배향하고 있음이 확인되었다.

다음으로, 각 교환결합막에 대해 교환결합력을 나타내는 교환바이어스자계, 블로킹온도 및 내식성으로서 교환결합막을 수중에 하루동안 방치시켰을 때의 부식피트의 발생률을 조사했다.

제12도는 (Ir_0.25Mn_0.75)_100-yFe_y반강자성체막(3)의 Fe함유량(g)과 교환바이어스자계와의 관계를 나타내고, 제13도는 Fe함유량(y)과 블로킹온도의 관계를 나타내며, 제14도는 Fe함유량(y)과 부식피트의 발생률의 관계를 나타낸다. 또한, 각 도면에는 비교예로서 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 교환결합막에서 얻어진 값을 나타낸다.

제12도에 나타낸 바와 같이, 교환바이어스자계는 y=20원자%일 때에 피크치를 나타내고, Fe함유량(y)이 0＜y＜40의 범위일 때 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 경우보다도 커지고 있다.

제13도에 나타낸 바와 같이, 블로킹온도는 Fe함유량(y)이 작아짐에 따라 상승하고, Fe함유량이 30 미만의 범위에 있어서 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 경우보다 높아지고 있다.

제14도에 나타낸 바와 같이, 내식성은 Fe함유량(y)이 작을수록 양호하고, Fe함유량(y)에 관계없이 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 경우보다도 양호하다.

이상의 결과로부터, 반강자성체막의 Fe함유량(y)이 0＜y＜30의 범위에 있어서는 내식성, 블로킹온도, 교환결합력의 모든 특성이 우수한 교환결합막이 얻어짐을 알 수 있다.

한편, (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y의 x′의 값이 0.25 이외인 반강자성체막을 이용한 교환결합막에서도 마찬가지의 결과가 얻어진다.

[실시예 8]

RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 기판을 가열하고 있지 않은 상태에서 자계중 성막함으로써, 제15도에 나타낸 구조를 갖는 교환결합막을 제작했다. 구체적으로는, 표면이 C면인 사파이어기판(11)상에 막두께 5㎚이 Co강자성체막(12), 막두께 1㎚의 Fe층(13), 막두께 15㎚의 Ir₂₅Mn₇₅반강자성체막(14)을 순차적으로 형성했다.

이 성막의 과정에서, 블로킹온도와 교환바이어스자계를 측정했다. 다음으로, 시료를 진공중에 있어서 290℃로, 5시간동안 자계중 열처리했다. 이 단계에서, 블로킹온도와 교환바이어스자계를 재차 측정했다.

얻어진 교환결합막에 대해, 오거분광법(Auger spectrometric method)으로 막두께방향의 조성분포를 조사했다. 반강자성체막(14)의 Fe층(13)과의 경계측에서 Fe농도가 높아지고 있고 Fe층(13)으로부터 반강자성체막(14)으로 Fe가 확산되고 있음이 확인되었다. 그 결과, 얻어진 반강자성체막(14)의 조성은 (Ir_0.25Mn_0.75)₉₂Fe₈로 되었다.

표 1은 열처리 전후에 측정한 블로킹온도와 교환바이어스자계를 나타낸 것이다. 이 표 1에는 γ-FeMn 반강자성체막과 Co 강자성체막을 적층한 교환결합막에 대한 결과도 부가적으로 나타내고 있다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 열처리 후의 교환결합막에서는 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 교환결합과 비교하여 교환바이어스자계가 크고 블로킹온도가 훨씬 높다. 또한, Ir_x′Mn_1-x′합금의 x′의 값이 0.25 이외인 반강자성체막을 이용한 교환결합막에서도 마찬가지로 결과가 얻어졌다.

[표 1]

[실시예 9]

RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 기판을 가열하지 않은 상태에서 자계중 성막함으로써, 제15도에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 교환결합막을 제작했다. 구체적으로는, 표면이 C면인 사파이어기판(11′)상에 막두께 5㎚의 Co 강자성체막(12′), 막두께 1㎚의 Fe층(13), 막두께 15㎚의 (Ir_0.25Mn_0.75)₈₀Fe₂₀반강자성체막을 순차적으로 형성했다. 그리고, 얻어진 교환결합막의 교환바이어스자계 및 블로킹온도를 측정했다.

표 2는 Fe층(13)을 개재시킨 경우와 개재시키지 않은 경우의 교환바이어스자계 및 블로킹온도를 나타낸 것이다. 이 표에는 Co 강자성체막과 γ-FeMn 반강자성체막을 적층한 교환결합막에 대한 결과도 나타낸다.

표 2로부터 알 수 있은 바와 같이, 교환결합력은 열처리전에 Fe층(13)을 개재시킴으로써 증대되고, 열처리후에 더 증대되고 있다. 더욱이, γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 교환결합막과 비교하여 교환바이어스자계가 크고 블로킹온도가 훨씬 높다.

또한, Ir_x′Mn_1-x′합금의 x′의 값이 0.25 이외인 반강자성체막을 이용한 교환결합막에서도 마찬가지의 결과가 얻어졌다.

[표 2]

[실시예 10]

RF마그네트론 스퍼터장치를 이용하여 기판을 가열하고 있지 않은 상태에서 자계중 성막함으로써, 제16도에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 교환결합막을 제작했다. 구체적으로는, 표면이 C면인 사파이어기판(21)상에 막두께 5㎚의 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(22), 막두께 15㎚의 Ir₂₅Mn₇₅반강자성체막(23)을 순차적으로 형성했다. 이 성막의 과정에서, 블로킹온도와 교환바이어스자계를 측정했다. 다음으로, 시료를 진공중에 있어서 290℃로 5시간동안 열처리했다. 이 단계에서, 블로킹온도와 교환바이어스자계를 재차 측정했다.

얻어진 교환결합막에 대해, 오거분광법으로 막두께방향의 조성분포를 조사했다. 그 결과, 반강자성체막(23)의 강자성체막(22)과의 경계측에서 Fe농도가 높아지고 있고 강자성체막(22)으로부터 Ir₂₅Mn₇₅반강자성체막(23)으로 Fe가 확산되고 있음이 확인되었다. 그 결과, 얻어진 반강자성체막(23)의 조성은 (Ir_0.25Mn_0.75)_99.5Fe_0.5로 되었다.

표 3은 열처리 전후에 측정한 블로킹온도와 교환바이어스자계를 나타낸 것이다. 이 표 3에는 γ-FeMn 반강자성체막과 Co₈₁Fe₉Pd₁₀강자성체막을 적층한 교환결합막에 대한 결과도 부가적으로 나타내고 있다.

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 , 열처리후의 교환결합막에서는 γ-FeMn 반강자성체막을 이용한 교환결합막과 비교하여 교환바이어스자계가 크고 블로킹온도가 훨씬 높다. 또한, Ir_x′Mn_1-x′합금의 x′의 값이 0.25 이외인 반강자성체막을 이용한 교환결합막에서도 마찬가지의 결과가 얻어졌다.

[표 3]

[실시예 11]

실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 (Ir_0.25Mn_0.75)₈₀Fe₂₀에 각각 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr를 10원자%의 비율로 첨가한 반강자성체막을 이용하여 교환결합막을 제작했다. 얻어진 각 교환결합막을 수중에 하루동안 방치하고 부식피트의 발생률을 조사했다. 이 결과를 표 4에 나타낸다.

[표 4]

표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기의 각 원소를 첨가한 반강자성체막을 이용한 교환결합막은, 첨가물을 첨가하지 않은 반강자성체막을 이용한 교환결합막보다도 더 부식성이 향상되고 있음을 알 수 있다.

[실시예 12]

본 실시예에서는 제17도에 나타낸 자기저항효과소자를 제작했다. 구체적으로는, 실리콘기판(31)의 표면에 형성된 열산화층(32)상에 막두께 40㎚의 Co₈₃Pt₁₇경막(33)을 성막한 후, 경막(33)의 일부를 선택적으로 제거하여 하지의 열산화막(32)을 부분적으로 노출시켰다. 그 위에 10㎚의 두께를 갖는 Co₈₈Zr₅Nb₇막(34), 2㎚의 두께를 갖는 Ni₈₀Fe₂₀막(35), 4㎚의 두께를 갖는 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(36), 3㎚의 두께를 갖는 Cu막(37), 3㎚의 두께를 갖는 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(38), 15㎚의 두께를 갖는 (Ir_0.25Mn_0.75)₈₀Fe₂₀반강자성체막(39), 20㎚의 두께를 갖는 Ti보호막(40)을 순차적으로 성막했다. 더욱이, 0.1㎛의 두께를 갖는 Cu전극(40′)을 성막하여 가공했다.

적층막을 자계중에서 열처리한 후, 경막(33)을 착자했다. 자계중 열처리에 의해 강자성체막(38)과 반강자성체막(39)의 결합에 1방향 이방성을 부여하고, Co₈₈Zr₅Nb막(34), Ni₈₀Fe₂₀막(35) 및 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(36)에 1축 이방성을 부여했다.

얻어진 자기저항효과소자에 외부로부터 자계를 인가하여 그 자계응답성을 조사했다. 그 결과, 반강자성체막으로서 γ-FeMn 합금막을 이용한 자기저항효과소자와 동등 이상의 안정한 출력이 얻어지고, 자벽 이동에 따른 바크하우젠 노이즈의 발생은 확인되지 않았다.

더욱이, (Ir_0.25Mn_0.75)₈₀Fe₂₀반강자성체막(39)은 γ-FeMn합금을 이용하는 반강자성체막보다도 내식성이 높고 블로킹온도도 높다. 따라서, 자기저항효과소자는 대폭적으로 향상된 수율로 제작된다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 교환결합막은 양호한 교환결합력을 가지면서 열안정성과 내식성도 우수하다.

더욱이, 이러한 교환결합막을 구비한 본 발명의 자기저항효과소자는 안정한 출력을 장기간에 걸쳐 얻을 수 있어 그 공업적 가치가 크다.

[실시예 13]

본 실시예에서는 제17도에 나타낸 자기저항효과소자를 제작했다. 구체적으로는, 실리콘기판(31)의 표면에 형성된 열산화층(32)상에 막두께 40㎚의 Co₈₈Pt₁₇경막(33)을 성막한 후, 경막(33)의 일부를 선택적으로 제거하여 하지의 열산화막(32)을 부분적으로 노출시켰다. 그 위에 10㎚의 두께를 갖는 Co₈₈Zr₅Nb막(34), 2㎚의 두께를 갖는 Ni₈₀Fe₂₀막(35), 4㎚의 두께를 갖는 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(36), 3㎚의 두께를 갖는 Cu막(37), 2㎚의 두께를 갖는 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(38), 8㎚의 두께를 갖는 (Ir_0.20Mn_0.80)₈₀Fe₂₀반강자성체막(39), 20㎚의 두께를 갖는 Ta보호막(40)을 순차적으로 성막했다. 더욱이, 0.1㎛의 두께를 갖는 Cu전극(40′)을 성막하여 가공했다.

적층막을 자계중에서 열처리한 후, 경막(33)을 착자했다. 자계중 열처리에 의해 강자성체막(38)과 반강자성체막(39)의 결합에 1방향 이방성을 부여하고, Co₈₈Zr₅Nb₇막(34), Ni₈₀Fe₂₀막(35) 및 Co₉₀Fe₁₀강자성체막(36)에 1축 이방성을 부여했다. 여기에서, 어닐조건은 전술한 실시예 5와 마찬가지이다.

얻어진 자기저항효과소자에 외부로부터 자계를 인가하여 그 자계응답성을 조사했다. 그 결과, 반강자성체막으로서 γ-FeMn합금을 이용한 자기저항효과소자와 동등 이상의 안정한 출력이 얻어지고, 자벽이동에 따른 바크하우젠 노이즈의 발생은 확인되지 않았다.

더욱이, (Ir_0.20Mn_0.80)₈₀Fe₂₀반강자성체막(39)은 γ-FeMn합금을 이용하는 반강자성체막보다도 내식성이 높고 블로킹온도도 높다. 따라서, 자기저항효과소자는 대폭적으로 향상된 수율로 제작된다.

[실시예 14]

실시예 4, 실시예 5, 실시예 11 및 실시예 12에서 제작한 것과 구조면에서 유사한 자기저항효과소자가, 제18도에 나타낸 바와 같이 Al₂O₃-TiC기판(41′), 하부 쉴드막(43), 하부 갭막(42), 상부 갭막(43) 및 상부 쉴드막(44)으로 이루어진 적층체상에 따로 따로 적층형성되고, 그 위에 보호막(45)이 더 적층형성된다. 이렇게 해서, 재생용 자기헤드가 제작된다. 여기에서, 어닐조건은 전술한 실시예 5와 마찬가지이다. IrMn계 합금을 사용하여 높은 내식성을 갖는 헤드는, 본래부터 부식에 취약한 FeMn계 합금에 의해 달성되지 않았던 0.1㎛의 양호한 가공심도와 큰 재생출력을 실현할 수 있다.

Claims

면심입방정계 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 갖는 강자성체막과, 상기 강자성체막상에 적층형성되고, 면심입방정계의 결정구조를 가지면서 조성이 Ir_xMn_100-x(_X는 2≤_X≤80의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMn합금으로 이루어진 반강자성체막을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, x가 5≤x≤40 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 반강자성체막이 IrMn합금에 대해 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr, Si, Al, W, Zr, Ga, Be, In, Sn, V, Mo, Re, Co, Ru, Rh, Pt, Ge, Os, Ag, Cd, Zn, Au, N으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 50원자% 이하의 비율로 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 반강자성체막의 적어도 일부가 규칙상을 갖는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 강자성체막이 Fe를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 강자성체막이 면심입방정계 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 갖는 Co 또는 Co합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제6항에 있어서, Co합금이 Pd를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 반강자성체막이 Fe 또는 Fe합금으로 이루어진 경계를 매개로하여 강자성체막상에 적층형성되어 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
조성이 (Ir_x′Mn_1-x′)_100-yFe_y(x′는 0.02≤x′≤0.8의 범위를 만족하는 원자%, y는 0＜y＜30의 범위를 만족하는 원자%)로 표시되는 IrMnFe합금으로 이루어진 반강자성체막과, 이 반강자성체막과 적층형성된 강자성체막을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 반강자성체막의 적어도 일부가 면심입방정계 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, x′가 0.05≤x′≤0.40의 범위를 만족하는 값인 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 반강자성체막이 IrMn합금에 대해 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr, Si, Al, W, Zr, Ga, Be, In, Sn, V, Mo, Re, Co, Ru, Rh, Pt, Ge, Os, Ag, Cd, Zn, Au, N으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 50원자% 이하의 비율로 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제10항에 있어서, 상기 반강자성체막의 적어도 일부가 규칙상을 갖는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 강자성체막이 Fe를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 강자성체막이 면심입방정계 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 갖는 Co 또는 Co합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제15항에 있어서, Co합금이 Pd를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 강자성체막이 Fe 또는 Fe합금으로 이루어진 경계를 매개로하여 반강자성체막상에 적층형성되어 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 있어서, 상기 강자성체막은, 제1강자성체층과 중간층으로서의 비자성층 및 제2강자성체층으로 이루어진 적층막인 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제9항에 있어서, 상기 반강자성체막상에 적층형성된 강자성체막은, 제1강자성체층과 중간층으로서의 비자성층 및 제2강자성체층으로 이루어진 적층막인 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제1항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제9항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제18항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제19항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제1항에 있어서, x가 2≤x≤35와 60≤x≤80의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 반강자성체막의 적어도 일부가 면심입방정계 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, x가 5≤x≤35의 범위를 만족하는 값인 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 반강자성체막이 IrMn합금에 대해 Ni, Cu, Ta, Hf, Pd, Ti, Nb, Cr, Si, Al, W, Zr, Ga, Be, In, Sn, V, Mo, Re, Co, Ru, Rh, Pt, Ge, Os, Ag, Cd, Zn, Au, N으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 50원자% 이하의 비율로 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 반강자성체막의 적어도 일부가 규칙상을 갖는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 강자성체막이 Fe를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 강자성체막이 면심입방정계 결정구조 또는 육방밀집 결정구조를 갖는 Co 또는 Co합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제30항에 있어서, Co합금이 Pd를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 반강자성체막이 Fe 또는 Fe합금으로 이루어진 경계를 매개로하여 강자성체막상에 적층형성되어 있는 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 있어서, 상기 강자성체막은, 제1강자성체층과 중간층으로서의 비자성층 및 제2강자성체층으로 이루어진 적층막인 것을 특징으로 하는 교환결합막.
제24항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제33항에 기재된 교환결합막과, 상기 교환결합막의 적어도 강자성체막에 전류를 통전하기 위한 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.