KR100262282B1 - 자기 저항 효과 소자 - Google Patents

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Abstract

금속 버퍼층상에 형성된 제 1 자성층, 이 제 1 자성층상에 형성된 비자성 중간층, 및 이 비자성 중간층상에 형성된 제 2 자성층으로 이루어지는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자가 상기 금속 버퍼층과 제 1 자성층과의 계면에, 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되어 있다. 또는 자성 기초층과 강자성체층과의 적층막으로 이루어지는 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층상에 형성된 비자성 중간층, 및 이 비자성 중간층상에 형성된 제 2 자성층으로 이루어지는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자가 상기 자성 기초층과 강자성체층과의 계면에, 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되어 있다.

Description

자기 저항 효과 소자
본 발명은 스핀 밸브막을 이용한 자기 저항 효과 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 자기 기록 매체에 기록된 정보의 독출은 코일을 지니는 재생용 자기 헤드를 기록 매체에 대해서 상대적으로 이동시켜, 이때 발생하는 자기 유도에 의해 코일에 유기되는 전압을 검출하는 방법에 의해 행해져 왔다. 한편, 정보를 독출하는 경우에, 자기 저항 효과 소자(이하, MR 소자)를 이용하는 것도 알려져 있다(IEEE MAG-7,150(1971)등 참조). MR 소자를 이용한 자기 헤드(이하, MR 헤드라 한다)는 어떤 종류의 강자성체의 전기 저항은 외부 자계의 세기에 따라서 변화한다고 하는 현상을 이용한 것이다.
근래, 자기 기록 매체의 소형·대용량화가 진전되어, 정보 독출시의 재생용 자기 헤드와 자기 기록 매체와의 상대 속도가 작아져가고 있기 때문에, 작은 상대 속도라도 큰 출력이 취출되는 MR 헤드에 대한 기대가 높아지고 있다.
그래서, MR 헤드의 외부 자계를 감지하여 저항이 변화하는 부분(이하, MR 소자라 부른다)에는 Ni-Fe 합금 소위 퍼멀로이계 합금이 사용되어 왔다. 그러나, 퍼멀로이계 합금은 양호한 연자기 특성을 지니는 것이라도 자기 저항 변화율이 최대 3% 정도여서, 소형·대용량화된 자기 기록 매체용의 MR 소자로서는 자기 저항 변화율이 불충분하다. 이 때문에, MR 소자의 재료로서는 보다 고감도의 자기 저항 효과를 보이는 것이 요구되고 있다.
이러한 요구에 대해서, Fe/Cr이나 Co/Cu와 같이, 강자성 금속막과 비자성 금속막을 어떠한 조건으로 교대로 적층하여, 근접하는 강자성 금속막 사이를 반강자성 결합시킨 다층막, 소위 인공 격자막이 거대한 자기 저항 효과를 보이는 것이 확인되고 있다. 인공 격자막에 의하면, 최대 100%를 넘는 커다란 자기 저항 변화율을 보인다는 것이 보고되고 있다(Phys. Rev.Lett., Vol.61,2474(1988), Phys.Rev. Lett.,Vol.64,2304(1990)등 참조). 그러나, 인공 격자막은 포화 자계가 높기 때문에 MR 소자에는 부적합하다.
한편, 강자성층/비자성층/강자성층의 샌드위치 구조의 다층막에서, 강자성층이 반강자성 결합하지 않는 경우라도 커다란 자기 저항 효과를 실현한 예가 보고되고 있다. 즉, 비자성층을 사이에 둔 2개의 강자성층의 한쪽에, 교환 바이어스를 미치게하여 자화를 고정시켜 두고, 다른쪽의 강자성층을 외부 자계(신호 자계등)에 의해 자화 반전시킨다. 이에 의해, 비자성층을 사이에 두고 배치된 2개의 강자성층의 자화 방향의 상대적인 각도를 변화시킴으로써, 큰 자기 저항 효과를 얻을 수 있다. 이러한 타입의 다층막은 스핀 밸브막이라 불리고 있다(Phys.Rev.B., Vol. 45,806(1992), J.Appl.Phys., Vol.69,4774(1991)등 참조). 스핀 밸브막의 자기 저항 변화율은 인공 격자막에 비하면 작지만, 저자장에서 자화를 포화시킬 수 있기 때문에 MR 소자에 적합하다. 이러한 스핀 밸브막을 이용한 MR 헤드에는 실용상 커다란 기대가 모아지고 있다.
그런데, 상술한 스핀 밸브막을 이용한 MR 소자에 있어서는 강자성층의 결정 배향성 등을 높여서 연자기 특성을 향상시키는 것이 중요하게 여겨지고 있다. 예컨대, 강자성층에 Co나 Co계 합금과 같은 Co계 강자성체를 이용한 스핀 밸브막에서는 비정질계 재료상에 직접 Co계 강자성체층을 성막하면 결정 배향성이 저하되어 연자기 특성이 열화되어 버린다. 그래서, fcc 결정 구조를 지니는 금속막을 버퍼층으로서 형성하여, 이 금속 버퍼층상에 Co계 강자성체층을 성막함으로써 결정 배향성을 높이는 것이 검토되고 있다.
그러나, 상기한 금속 버퍼층으로서 NiFe 합금등의 연자성 재료를 이용한 경우에는 Co계 강자성체와의 사이에서 열확산이 쉽게 일어나, 자기 저항 효과가 열화되어 버린다. 또, 스핀 밸브막의 연자기 특성을 높여서 소자 감도를 향상시키기 위해서, 외부 자계에 의해 자화 반전시키는 강자성층을 여러 종류의 연자성 재료로 이루어지는 연성 기초층상에 형성하는 것도 검토되고 있는데, 이러한 경우에도 강자성층과 자성 기초층과의 사이에서 열확산이 일어나, 자기 저항 효과가 열화되어 버린다.
스핀 밸브막을 이용한 MR 소자의 제조 프로세스에 있어서는 열처리가 필수이므로, 상술한 열확산에 의한 자기 저항 효과의 열화는 중대한 문제이다. 이와 같이, 종래의 스핀 밸브막을 이용한 MR 소자는 열안정성(내열성)이 낮다고 하는 문제를 지니고 있어서, 열확산의 억제에 의한 열안정성의 향상이 커다란 과제로 되고 있다.
본 발명은 이러한 과제에 대처하기 위해서 이루어진 것으로, 열확산을 억제함으로써, 열안정성이 우수한 고성능의 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 자기 저항 효과 소자의 한 실시 형태의 주요부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 자기 저항 효과 소자의 한 실시 형태의 주요부 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 있어서의 제 1 자기 저항 효과 소자는 금속 버퍼층상에 형성된 제 1 자성층과, 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층과의 사이에 배치된 비자성 중간층을 지니는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 금속 버퍼층과 제 1 자성층과의 계면에, 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
제 1 자기 저항 효과 소자는 또한, fcc 결정 구조를 지니는 금속 버퍼층상에 형성된 Co를 함유하는 강자성체로 이루어지는 제 1 자성층과, 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층과의 사이에 배치된 비자성 중간층을 지니는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 금속 버퍼층과 제 1 자성층과의 계면에 산화물, 질화물 탄화물, 붕소화물, 및 플루오르화물중에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 원자 확산 배리어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또 본 발명에 있어서의 제 2 자기 저항 효과 소자는 자성 기초층과 강자성체층과의 적층막으로 이루어지는 제 1 자성층과, 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층과의 사이에 배치된 비자성 중간층을 지니는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 자성 기초층과 강자성체층과의 계면에 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
제 2 자기 저항 효과 소자는 또한, 자성 기초층과 Co를 함유하는 강자성체층과의 적층막으로 이루어지는 제 1 자성층과, 제 2 자성층과, 상기 제 1 자성층과 제 2 자성층과의 사이에 배치된 비자성 중간층을 지니는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 자성 기초층과 강자성체층과의 계면에 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물, 및 플루오르화물중에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 원자 확산 배리어층을 설치하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
제 1 자기 저항 효과 소자에 있어서는 금속 버퍼층과 제 1 자성층과의 계면에, 상술한 것과 같은 원자 확산 배리어층을 설치하고 있기 때문에, 열처리시에 있어서의 금속 버퍼층과 제 1 자성층 사이의 원자 상호 확산을 양호하게 억제할 수 있는 동시에, 금속 버퍼층에 의한 제 1 자성층의 막질 개선 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 열처리후에 양호한 자기 저항 효과를 안정되게 얻을 수 있고, 동시에 양호한 연자기 특성을 얻을 수 있게 된다.
또, 제 2 자기 저항 효과 소자에 있어서는 자성 기초층과 강자성체층과의 계면에, 상술한 것과 같은 원자 확산 배리어층을 설치하고 있기 때문에, 마찬가지로 열처리시에 있어서의 자성 기초층과 강자성체층 사이의 원자 상호 확산을 양호하게 억제할 수 있다. 따라서, 열처리후에 양호한 자기 저항 효과를 안정되게 얻을 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다.
우선, 본 발명의 제 1 자기 저항 효과 소자(MR 소자)를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다.
도 1은 제 1 MR 소자의 한 실시 형태의 주요부 구성을 나타내는 단면도이다. 동 도면에 있어서, 1은 제 1 자성층, 2는 제 2 자성층이며, 이들 제 1 및 제 2 자성층(1, 2) 사이에는 비자성 중간층(3)이 개재되어 있다. 이들 자성층(1, 2) 사이는 반강자성 결합을 하지 않고, 비결합형 적층막을 구성하고 있다.
제 1 및 제 2 자성층(1, 2)은 예컨대 Co 단일체나 Co계 자성 합금과 같은 Co를 함유하는 강자성체, 혹은 NiFe 합금과 같은 강자성체 등에 의해 구성되고 있다. 이들 중, Co를 함유하는 강자성체로서는 특히 MR 변화량에 영향을 미치는 벌크 효과와 계면 효과를 함께 크게 할 수 있고, 이로써 큰 MR 변화량을 얻을 수 있는 Co계 자성 합금을 이용하는 것이 바람직하다.
상술한 것과 같은 Co계 자성 합금으로는 Co에 Fe, Ni, Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ir, Rh, Os, Hf 등의 1종 또는 2종 이상을 첨가한 합금을 들 수 있다. 첨가 원소량은 5∼50원자%의 범위로 하는 것이 바람직하며, 나가서는 8∼20원자%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것은 첨가 원소량이 지나치게 적으면 벌크 효과가 충분히 증가하지 않고, 반대로 첨가 원소량이 지나치게 많으면 이번에는 계면 효과가 크게 감소할 우려가 있기 때문이다. 첨가 원소는 큰 MR 변화량을 얻음에 있어서, 특히 Fe를 이용하는 것이 바람직하다.
또, 제 1 및 제 2 자성층(1, 2)의 막두께는 큰 MR 변화량을 얻을 수 있고, 또한 벌크 하우젠 노이즈의 발생을 억제할 수 있는 1∼30㎚ 범위로 하는 것이 바람직하다.
상술한 자성층(1, 2)중, 제 1 자성층(1)은 금속 버퍼층(4)상에 형성되어 있으며, 이에 의해 제 1 자성층(1)의 결정 배향성의 향상에 의한 막질 개선이 도모되고 있다. 제 1 자성층(1)에 상기한 것과 같은 Co를 함유하는 자성체층을 이용하는 경우, 금속 버퍼층(4)으로는 fcc 결정 구조를 지니는 금속 재료, 예컨대 NiFe 합금, NiFeCo 합금, 이들 fcc 결정 구조의 합금에 Ti, V, Cr, Mn, Zn, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re 등의 첨가 원소를 첨가하여 고저항화한 합금 등을 예시할 수 있다. 이들 중, NiFe 합금이나 NiFeCo 합금등은 후술하는 자성 기초층으로서도 기능하는 것이다. 또, 제 1 자성층(1)에 NiFe 합금등의 강자성체를 이용하는 경우에는 Ta, Ti, Cr, Cu, Au, Ag 및 이들의 합금등을 금속 버퍼층(4)으로서 이용할 수 있다. 제 1 자성층(1)은 신호 자계등의 외부 자계에 의해 자화 반전하는 자성층, 소위 프리 자성층이다.
그리고, 제 1 자성층(1)과 금속 버퍼층(4)과의 계면에는 원자 확산 배리어층(5)이 형성되어 있으며, 이에 의해 열처리시에 있어서의 제 1 자성층(1)과 금속 버퍼층(4) 사이의 원자의 열확산을 억제하고 있다. 즉, 원자 확산 배리어층(5)을 형성함으로써, 열확산에 의한 자기 저항 효과의 열화를 억제할 수 있게 되어, MR 소자의 열안정성이 향상한다. 원자 확산 배리어층(5)은 열적으로 안정되며, 제 1 자성층(1)과 금속 버퍼층(4) 사이의 원자 상호 확산을 억제할 필요가 있지만, 너무 두꺼우면 금속 버퍼층(4)에 의한 막질 개선 효과를 얻을 수 없게 되므로, 원자의 상호 확산 억제 효과에 악영향을 미치지 않는 범위에서 얇게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 원자 확산 배리어층(5)의 두께는 평균 두께가 2㎚ 이하로 되어 있다. 단, 너무 얇으면 원자 확산 배리어로서의 기능이 손상되기 때문에, 평균 두께로 0.5㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
원자 확산 배리어층(5)의 구성 재료로서는 열적으로 안정된 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물, 및 플루오르화물등을 사용할 수 있고, 이들은 단일체로서 사용하는 경우에 한하지 않고, 혼합물이나 복합 화합물등의 형태로 사용하여도 좋다. 이들 중, 특히 형성이 용이하고 또한 원자의 확산 억제 기능이 우수한 자기 산화막, 표면 산화막, 부동태막등이 바람직하게 이용된다. 이들 화합물로 이루어지는 원자 확산 배리어층(5)은 금속 버퍼층(4)을 형성한 후에, 그 표면을 일단 대기에 쐬거나 혹은 산소, 질소, 탄소, 붕소 및 불소를 함유하는 분위기중에 쐬임으로써 형성할 수 있다. 또, 이온 주입법을 이용하거나, 플라즈마에 쐬이는 등의 방법에 의해서도 형성할 수 있다.
또, 원자 확산 배리어층(5)을 구성하는 화합물은 화학 양론적으로 정확한 조성이 아니라도 좋으며, 깨끗한 결정 격자를 이루고 있을 필요도 없고, 또 비정질 상태라도 좋다. 더욱이, 원자 확산 배리어층(5)의 형태는 한결같이 금속 버퍼층(4)의 표면을 덮고 있어야만 하는 것은 아니며, 예컨대 핀 홀이 형성된 상태, 상기한 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 및 플루오르화물등이 얼룩 형상으로 존재한 상태 등, 비연속 상태로 형성되어 있어도 좋다. 원자의 상호 확산 억제 효과에 악영향을 미치지 않을 정도로, 핀 홀등이 있는 편이 보다 바람직하다. 이것은 막질 개선 효과나 자기적 결합이 저감될 우려가 있기 때문이다. 이상과 같은 점을 고려하면, 핀 홀의 평균 사이즈는 서로 인접하는 핀 홀 사이의 거리와 같은 정도거나, 그보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 제 2 자성층(2)은 그 위에 형성된 IrMn막, FeMn막, NiO막등으로 이루어지는 반강자성층(6), 혹은 CoPt막등으로 이루어지는 도시하지 않은 경자성층에 의해, 종횡 바이어스 자계가 부여되어 자화 고착되고 있으며, 소위 핀 자성층이다. 또한, 이 핀 자성층으로서의 제 2 자성층(2)은 상기한 것과 같이 강자성체층의 자화를 반강자성층(6)등으로 자화 고착한 것에 한하지 않고, 예컨대 경자성층 등을 직접 사용할 수도 있다.
여기서, 제 1 자성층(1) 및 제 2 자성층(2)의 자화 방향은 MR 소자의 선형 응답성을 향상시킴에 있어서, 외부 자계가 0의 상태에서 예컨대 직교시켜 두는 것이 바람직하다. 이러한 자화 상태는 예컨대 이하에 나타내는 것과 같은 어닐 처리를 행함으로써 얻을 수 있다. 즉, (1) 1kOe 정도의 자장을 인가하면서 523K 정도의 온도에서 1시간 정도 유지한 후, (2) 그대로 1kOe 정도의 자장중에서 483K 정도의 온도까지 냉각하고, (3) 483K 정도의 온도가 된 곳에서 자장의 인가 방향을 90도 회전시켜 실온까지 냉각한다. 이러한 어닐 처리(이하, 직교 어닐이라 부른다)에 의해, 직교시킨 자화 상태를 안정적으로 얻을 수 있다. 구체적인 자화 방향은 제 1 자성층(1)의 자화 방향을 트랙 폭 방향으로 하고, 제 2 자성층(2)의 자화 방향을 제 1 자성층(1)의 자화 방향과 직교하는 매체 대향면에 대해서 수직인 방향으로 하는 것이 바람직하다.
또, 제 1 및 제 2 자성층(1, 2)에 대한 어닐 처리는 상기한 직교 어닐에 한하지 않고, 제 1 및 제 2 자성층(1, 2)의 결정성을 향상시키기 위해서도 실시된다. 이 경우에는 100∼400K 정도의 온도에서 1분∼10시간 정도의 조건으로 어닐 처리를 행한다.
상술한 자성층(1, 2) 사이에 배치되는 비자성 중간층(3)은 상자성 재료, 반자성 재료, 반강자성 재료, 스핀 글래스등에 의해 구성되는 것이다. 구체적으로는 Cu, Au, Ag, 혹은 이들과 자성 원소를 함유하는 상자성 합금, Pd, Pt 및 이들을 주성분으로 하는 합금등을 예시할 수 있다. 여기서, 비자성 중간층(3)의 막두께는 2∼5㎚ 정도의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 비자성 중간층(3)의 막두께가 2㎚를 넘으면 저항 변화 감도를 충분히 얻을 수 없고, 또 5㎚ 미만이면 자성층(1, 2) 사이의 교환 결합을 충분히 작게 하는 것이 곤란하게 된다.
상술한 각 층에 의해 스핀 밸브 적층막(7)이 구성되어 있고, 이러한 스핀 밸브 적층막(7)을 구비하는 MR 소자에 있어서는, 제 2 자성층(2)은 자화 고착되어 있는 데에 대해, 제 1 자성층(1)은 외부 자계에 의해 자화 반전하기 때문에, 비자성 중간층(3)을 사이에 두고 배치된 2개의 자성층(1, 2)의 자화 방향의 상대적인 각도가 변화하여 자기 저항 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태의 MR 소자에 있어서는 제 1 자성층(1)과 금속 버퍼층(4)과의 계면에 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 및 플루오르화물등으로 이루어지는 원자 확산 배리어층(5)을 형성하고 있기 때문에, 상술한 것과 같은 직교 어닐이나 결정성 향상을 위한 어닐 처리를 베풀었을 때에, 제 1 자성층(1)과 금속 버퍼층(4) 사이의 원자 상호 확산을 안정되게 억제할 수 있다. 또, 원자 확산 배리어층(5)의 평균 두께를 2㎚ 이하로 함으로써, 금속 버퍼층(4)에 의한 막질 개선 효과도 충분히 얻을 수 있다. 이와 같이, 상기 실시 형태의 MR 소자에 의하면, 금속 버퍼층(4)에 의한 막질 개선 효과를 충분히 얻을 수 있는 동시에, 열확산에 의한 자기 저항 효과의 열화가 억제되므로, 고성능화를 달성함에 있어서 열안정성의 향상을 도모할 수 있게 된다. 이어서, 본 발명의 제 2 자기 저항 효과 소자(MR 소자)를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다.
도 2는 제 2 MR 소자의 한 실시 형태의 요부 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2에 있어서, 1은 제 1 자성층, 2는 제 2 자성층이며, 이들 제 1 및 제 2 자성층(1, 2) 사이에는 비자성 중간층(3)이 개재되어 있다. 이들 자성층(1, 2) 사이는 반강자성 결합하지 않고, 비결합형의 적층막을 구성하고 있다.
이들 자성층(1, 2) 중, 제 1 자성층(1)은 제 1 실시 형태에서 설명한 것과 같은 강자성체로 이루어지는 강자성체층(11)과 각종 연자성 재료로 이루어지는 자성 기초층(12)과의 적층막에 의해 구성되어 있다. 이들 중, 강자성체층(11)은 자기 저항 효과에 기여하는 층이며, 자성 기초층(12)은 강자성체층(11)의 연자기 특성을 향상시키는 층이다. 여기서, 전술한 강자성체 중, 특히 Co나 Co계 자성 합금과 같은 Co를 함유하는 강자성체는 그들 단일체로는 양호한 연자기 특성을 실현하는 것이 어려우므로, 자성 기초층(12)을 형성하는 것이 특히 바람직한 재료이다.
자성 기초층(12)은 1종의 연자성 재료로 이루어지는 연자성 재료막으로 구성하여도 좋고, 또 2종 이상의 연자성 재료막으로 이루어지는 연자성 재료 적층막으로 구성하여도 좋다. 또, 자성 기초층(12)의 구성 재료로서는 NiFe 합금, NiFeCo 합금, 이들 연자성 합금에 Ti, V, Cr, Mn, Zn, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re 등의 첨가 원소를 첨가하여 고저항화한 합금, Co에 같은 첨가 원소를 첨가하여 비정질화한 합금, 예컨대 비정질 CoNbZr 합금 등을 들 수 있다.
강자성체층(11)과 자성 기초층(12)과의 적층막으로 이루어지는 제 1 자성층(1)은 강자성체층(11)이 비자성 중간층(3)과 접하도록 배치되어 있다. 한편, 반드시 이러한 배치로 한정되는 것은 아니지만, 큰 MR 변화량을 얻기 위해서는 상기한 것과 같은 배치로 하는 것이 바람직하다. 또, 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이는 직접 자기적으로 교환 결합시켜, 막두께 방향에서 보면 자화가 일체로 진행되는 것이 바람직하다. 이 제 1 자성층(1)은 신호 자계 등의 외부 자계에 의해 자화 반전하는 자성층, 소위 프리 자성층이다.
그리고, 제 1 자성층(1)에 있어서의 강자성체층(11)과 자성 기초층(12)과의 계면에는 원자 확산 배리어층(5)이 형성되어 있고, 이에 의해 열처리시에 있어서의 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이의 열확산을 억제하고 있다. 즉, 원자 확산 배리어층(5)을 형성함으로써, 열확산에 의한 자기 저항 효과의 열화를 억제할 수 있게 되어, MR 소자의 열안정성이 향상된다. 원자 확산 배리어층(5)은 열적으로 안정되며, 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이의 원자 상호 확산을 억제할 필요가 있지만, 너무 두꺼우면 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이의 자기적 결합이 끊겨 버리기 때문에, 원자의 상호 확산 억제 효과에 악영향을 미치지 않는 범위에서 얇게 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 원자 확산 배리어층(5)의 두께는 평균적으로 두께 2㎚ 이하로 되고 있다. 단, 너무 얇으면 원자 확산 배리어로서의 기능이 손상되기 때문에, 평균 두께 0.5㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
원자 확산 배리어층(5)의 구성 재료는 제 1 실시 형태에서 설명한 대로이며, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 특히 형성이 용이하고 또한 원자의 확산 억제 기능이 우수한 자기 산화막, 표면 산화막, 부동태막등이 바람직하게 이용된다. 이러한 원자 확산 배리어층(5)의 형성 방법에 대해서도 제 1 실시 형태에서 설명한 대로이다.
또, 원자 확산 배리어층(5)을 구성하는 화합물은 화학 양론적으로 정확한 조성이 아니라도 좋으며, 깨끗한 결정 격자를 이루고 있을 필요도 없고, 또 비정질 상태라도 좋다. 더욱이, 원자 확산 배리어층(5)의 형태는 한결같이 금속 버퍼층(4)의 표면을 덮고 있어야만 하는 것은 아니며, 예컨대 핀 홀이 형성된 상태, 상기한 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 및 플루오르화물등이 얼룩 형상으로 존재한 상태 등, 비연속 상태로 형성되어 있어도 좋다. 비연속 상태로 형성함으로써, 강자성체층(11)의 막질 개선 효과나 제 1 자성층(1)의 자기적 결합을 연속하여 형성하는 것보다도 양호하게 얻을 수 있다.
특히, 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이의 자기적 결합을 충분히 유지함에 있어, 적극적으로 전술한 것과 같은 화합물에 의한 피복 면적을 저하시켜, 원자 확산 배리어층(5)을 비연속 상태에서 형성하는 것이 바람직하다. 또, 강자성체층(11)과 자성 기초층(12) 사이의 자기적 결합을 충분히 유지함에 있어, 원자 확산 배리어층(5)을 강자성체나 반강자성체로 형성하는 것도 바람직하다. 원자 확산 배리어층(5)을 구성하는 강자성체로서는 스피넬 페라이트, FexN 등이 또, 반강자성체로는 NiO, MnxN, CoO 등을 예시할 수 있다.
한편, 제 2 자성층(2)은 전술한 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 반강자성층(6) 혹은 도시하지 않은 경자성층에 의해 횡(막면과 수직 방향) 바이어스 자계가 부여되어 자화 고착된 소위 핀 자성층이다. 이들 제 2 자성층(2) 및 반강자성층(6)의 구성은 전술한 제 1 실시 형태와 같으며, 또 비자성 중간층(3)에 대해서도 마찬가지이다.
또, 제 1 자성층(1) 및 제 2 자성층(2)에는 전술한 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 직교 어닐이나 결정성 향상을 위한 어닐 처리 등이 행해진다. 이들 어닐의 처리 조건은 제 1 실시 형태에서 설명한 대로이다.
상술한 각층에 의해 스핀 밸브 적층막(13)이 구성되어 있고, 이러한 스핀 밸브 적층막(13)을 구비하는 MR 소자에 있어서는, 제 2 자성층(2)은 자화 고착되어 있는 데에 대해, 제 1 자성층(1)은 외부 자계에 의해 자화 반전하기 때문에, 비자성 중간층(3)을 사이에 두고 배치된 2개의 자성층(1, 2)의 자화 방향의 상대적인 각도가 변화하여 자기 저항 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태의 MR 소자에 있어서는 강자성체층(11)과 자성 기초층(12)과의 계면에 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 플루오르화물 등으로 이루어지는 원자 확산 배리어층(5)을 형성하고 있기 때문에, 상술한 것과 같은 직교 어닐이나 결정성 향상을 위한 어닐 처리를 베풀었을 때, 강자성체(11)와 자성 기초층(12) 사이의 원자 상호 확산을 안정되게 억제할 수 있다. 또, 원자 확산 배리어층(5)의 평균 두께를 2㎚ 이하로 함으로써, 강자성체층(11)과 자성 기초층(12)과의 자기적 결합을 손상시키지도 않기 때문에, 자성 기초층(12)에 의한 강자성체층(11)의 연자성화 효과등을 양호하게 얻을 수 있다. 이와 같이, 상기 실시 형태의 MR 소자에 의하면, 자성 기초층(12)에 의한 강자성체층(11)의 연자성 효과 등을 충분히 얻을 수 있는 동시에, 열확산에 의한 자기 저항 효과의 열화가 억제되므로, 고성능화를 달성한 위에 열안정성의 향상을 도모할 수 있게 된다.
실시예
이어서, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다.
실시예 1
열산화 Si 기판상에 스퍼터법에 의해, 우선 자성 기초층(12)으로서 막두께 10㎚의 비정질 CoNbZr 합금막과 막두께 2㎚의 NiFe 합금막을 순서대로 성막하였다. 여기서, NiFe 합금막은 금속 버퍼층(4)을 겸하는 것이다.
상기 NiFe 합금막을 형성한 후에, 일단 그 표면을 대기에 쐬이고, NiFe 합금막상에 부동태막을 원자 확산 배리어층으로서 형성하였다. 이 부동태막의 상태를 단면 TEM으로 조사한 바, 평균 두께는 약 1㎚이고, 또 형성 상태는 얼룩 형상으로 불연속이었다.
이어서, 표면에 부동태막을 형성한 NiFe 합금막상에 강자성체층(11)으로서 막두께 3㎚의 Co90Fe10합금막, 비자성 중간층(3)으로서 막두께 3㎚의 Cu막, 제 2 자성층(2)으로서 막두께 3㎚의 Co90Fe10합금막, 반강자성층(6)으로서 막두께 10㎚의 IrMn 합금막, 보호층으로서 막두께 5㎚의 Ta막을 순서대로 적층하여, 스핀 밸브 적층막(13)(7)을 제작하였다.
한편, 본 발명과 비교예로서, NiFe 합금막을 형성한 후에 그 표면을 대기에 쐬이지 않고서, 전체 층을 진공 챔버내에서 연속하여 성막하는 이외에는 상기 실시예와 같은 식으로하여 스핀 밸브 적층막을 제작하였다. 이 비교예의 스핀 밸브 적층막에서는 NiFe 합금막과 Co90Fe10합금막과의 계면에 원자 확산 배리어층은 형성되어 있지 않다.
상기한 실시예 및 비교예에 의한 각 스핀 밸브 적층막을 패터닝한 후, 각각 523K에서 어닐 처리하였다. 이렇게하여 얻은 각 MR 소자의 MR 변화율을 측정하였다. MR 변화율은 2시간의 어닐후, 10시간의 어닐후, 50시간의 어닐후, 및 100시간의 어닐후에 각각 측정하여, 이들 측정 결과에서 실시예에 의한 MR 소자와 비교예에 의한 MR 소자의 열안정성을 비교하였다. 각 어닐 시간 경과후의 MR 변화율의 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
MR 변화율(%)
어닐시간(hours) 0시간(as depo) 2시간 10시간 50시간 100시간
실시예1 6.2% 8.0% 8.0% 8.0% 8.0%
비교예1 6.9% 6.1% 5.9% 5.4% 4.9%
표 1에서 알 수 있는 것과 같이, 일괄 성막하여 NiFe 합금막/Co90Fe10합금막 계면에 원자 확산 배리어층을 형성하지 않은 비교예 1에서는, 성막 직후의 MR 변화율은 6.9%로 비교적 양호하지만, 2시간 어닐후에 MR 변화율이 급격히 감소하고 있다. 그리고, 그 후에도 어닐 시간이 경과함에 따라서, MR 변화율이 계속해서 감소하여, 100시간 어닐후에는 MR 변화율이 4.9%까지 감소하였다. 이것은 NiFe 합금막/Co90Fe10합금막 계면에 원자 확산을 억제하는 배리어층이 존재하지 않기 때문에, 어닐에 의해 층간의 원자 상호 확산이 진행되어, 이에 의해 MR 변화율이 감소한 것이라 생각된다. 이와 같이, 비교예 1의 MR 소자는 열안정성(내열성)이 낮은 것이었다.
한편, NiFe 합금막의 형성후에 일단 대기에 쐬여서 NiFe 합금막/Co90Fe10합금막 계면에 원자 확산 배리어층을 형성한 실시예 1에서는 성막 직후의 특성은 비교예 1보다 낮지만, 2시간 어닐후에는 MR 변화율이 8.0%까지 상승하였다. 이것은 2시간 어닐 처리에 의해 각 층의 결정성등이 향상하는 동시에, NiFe 합금막/Co90Fe10합금막 계면의 원자 확산이 원자 확산 배리어층에 의해 억제되었기 때문이라고 생각된다. 더욱이, 장시간의 어닐을 실행하여도, MR 변화율은 8.0%에서 감소하지 않고, NiFe 합금막/Co90Fe10합금막 계면의 원자 확산이 억제되고 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 실시예 1의 MR 소자는 열안정성(내열성)이 우수한 것이었다.
실시예 2
열산화 Si 기판상에 플라즈마법에 의해서, 우선 자성 기초층(12)으로서 막두께 10㎚의 비정질 CoNbZr 합금막과 막두께 2㎚의 NiFe 합금막을 순서대로 성막하였다. 여기서, NiFe 합금막은 금속 버퍼층(4)을 겸하는 것이다.
상기 NiFe 합금막을 형성한 후에 일단 플라즈마를 끄고, 진공 챔버내에 산소를 20% 혼합한 아르곤 가스를 도입하여, NiFe 합금막의 표면에 산화막을 원자 확산 배리어층으로서 형성하였다. 이 때, 산소와 아르곤과의 혼합 가스의 도입 압력이나 시간을 제어함으로써, 표면 산화막의 두께를 여러 종류로 변화시켰다. 얻어진 표면 산화막의 평균 두께는 이하의 표 2에 나타내는 대로이다. 한편, 표안의 비교예 2는 표면 산화막의 두께를 본 발명의 범위밖으로 한 것이다.
시료 No 표면 산화막의 평균 두께 (㎚)
실시예 2 1 0.3
2 0.5
3 1.0
비교예 1 4 3.0
한편, 도 2에 나타낸 표면 산화막의 두께는 평균 두께이며, 그 두께의 산화막이 균질하게 형성되어 있다고는 할 수 없다. 이 때문에, 표면 산화막의 평균 두께가 0.3㎚인 실시예 2의 No 1의 시료에서는 표면 산화막에 비교적 다수의 핀 홀이 존재하고 있었다.
이어서, 표면 산화막을 형성한 각 NiFe 합금막상에, 각각 강자성체층(11)으로서 막두께 3㎚의 Co90Fe10합금막, 비자성 중간층(3)으로서 막두께 3㎚의 Cu막, 제 2 자성층(2)으로서 막두께 2㎚의 Co90Fe10합금막, 반강자성층(6)으로서 막두께 8㎚의 IrMn 합금막, 보호층으로서 막두께 5㎚의 Ta막을 순서대로 적층하여, 각각 스핀 밸브 적층막(13)(7)을 제작하였다.
상기한 실시예 2 및 비교예 2에 의한 각 스핀 밸브 적층막을 패터닝한 후, 각각 523K에서 2시간 어닐 처리하였다. 이렇게하여 얻은 각 MR 소자의 MR 변화율을 성막 직후 및 2시간 어닐후에 각각 측정하였다. 이들의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
시료No 표면 산화막의평균 두께(㎚) MR 변화율(%)
성막 직후 2시간 어닐후
실시예 2 1 0.3 5.8 6.2
2 0.5 6.1 7.0
3 1.0 6.0 8.2
비교예 2 4 3.0 5.0 5.2
실시예 2에 의한 MR 소자는 모두 2시간의 어닐후에 MR 변화율이 상승하고 있으며, 표면 산화막으로 이루어지는 원자 확산 배리어층의 효과가 확인되었다. 단, 표면 산화막의 두께가 얇은 재료에서는 MR 변화율의 상승이 그다지 크지는 않으며, 약간 원자 상호 확산이 일어나고 있었다고 추정되는데, 표면 산화막의 두께를 1㎚로 한 시료에서는 양호한 MR 변화율을 얻고 있다.
한편, 비교예 2에 의한 MR 소자는 2시간 어닐후에 약간 MR 변화율이 상승하고 있지만, 당초(성막 직후)의 MR 변화율이 작기 때문에, 결과적으로 충분한 MR 변화율을 얻고 있지 못하다. 이것은 표면 산화막의 두께를 지나치게 두껍게 했기 때문에, 자성 기초층 및 금속 버퍼층의 효과를 얻을 수 없게 되었기 때문이라고 생각된다. 또, fcc 배향성을 충분히 얻을 수 없고, 또한 자성 기초층과의 자기적 결합이 끊겨 있기 때문에, 연자기 특성이 열화되어 보자력(Hc)이 3Oe였다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 금속 버퍼층과 자성층, 혹은 자성 기초층과 강자성체층 사이의 열확산을 억제할 수 있기 때문에, 고성능이고 열안정성이 우수한 자기 저항 효과 소자를 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 자기 저항 효과 소자에는 이 소자에 센스 전류를 공급하기 위한 한쌍의 리드 전극이 접속되어 형성된다. 이 리드 전극의 구조 및 자기 저항 효과 소자로의 접속 방법은 이용하는 자기 저항 효과에 따라서, 다수의 공지 기술에서 어느 것을 이용함으로써 실현할 수 있다. 예컨대, 핀 자성층 및 프리 자성층과 이에 협지되는 비자성 중간층과의 계면에 있어서의 스핀 의존 산란을 주로 이용한 스핀 밸브 GMR 소자에서는 한쌍의 리드 전극은 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 양옆단에 전기적으로 접속 형성된다. 센스 전류는 비자성 중간층 등의 막면에 대해 수직 방향으로 흐른다. 또, 예컨대 강자성 터널 접합에 의한 자기 저항 효과를 이용하려면, 이 막면 방향과 평행하게 터널 전류를 흘려, 이 터널 전류량, 전압 변동등을 검지한다. 따라서, 막면 방향으로 센스 전류를 흘리도록 한쌍의 리드 전극을접속 형성한다. 예컨대, 한쌍의 리드 전극을 자기 저항 효과 소자의 각각 하면에 접속 형성한다. 혹은 리드 전극의 하나를 자기 저항 효과 소자의 상면 및 하면의 어딘가에 접속 형성하고, 다른쪽을 자기 저항 효과 소자의 단부에 접속 형성할 수도 있다.
더욱이, 리드 전극과 경질 자성막을 적층 형성하여 이용하는 것도 가능하다. 이 경질 자성막은 프리층의 자구 발생을 억제하기 위해서, 프리층에 종 바이어스를 부여하는 것이다. 따라서, 경질 자성막은 적어도 프리층의 양옆단에 인접 형성되는 abutt 방식이나 프리층의 단부를 경질 자성막에 적층하여 형성하는 방식이 가능하다.
또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 GMR 재생 헤드에 이용하여, 자기 기록 헤드와 일체로 형성하는 것도 가능하다. 자기 기록 헤드는 적어도, 한쌍의 자극과, 매체 대향면에 있어서, 한쌍의 자극에 협지되는 자기갭과, 한쌍의 자극에 전류 자계를 공급하는 기록 코일을 지닌다. GMR 헤드와 자기 기록 헤드는 순차로 기판상에 적층 형성된다. 기록 재생 분리형 헤드에서는 자기 기록 헤드의 적어도 어느 한 자극을 재생 헤드의 시일드층으로서 이용할 수 있다. 또, 기록 재생 일체형 헤드에서는 기록 헤드의 자극을 본 발명의 자기 저항 효과 소자에 매체 자계를 유도하는 재생 요크로서 이용할 수 있다. 이 때, 자기 저항 효과 소자와, 재생 요크는 자기적으로 결합시킬 수 있다. 이들의 헤드 구조는 공지한 기술을 이용하여 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 자기 기억 장치의 기억셀로서 이용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 금속 버퍼층상에 형성된 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층상에 형성된 비자성 중간층, 및 이 비자층 중간층상에 형성된 제 2 자성층으로 이루어지는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서,
    상기 금속 버퍼층과 제 1 자성층의 계면에는 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 버퍼층은 fcc 결정 구조를 지니는 금속으로 이루어지며, 또한 상기 제 1 자성층은 Co를 함유하는 강자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 및 플루오르화물중에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 핀 홀이 형성되어 있는 것을 특징을 하는 자기 저항 효과 소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 평균 두께가 0.5㎚ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 얼룩 형상으로 불연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 금속 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 강자성체 또는 반강자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  9. 자성 기초층과 강자성체층과의 적층막으로 이루어지는 제 1 자성층과, 이 제 1 자성층상에 형성된 비자성 중간층, 및 이 비자성 중간층상에 형성된 제 2 자성층으로 이루어지는 스핀 밸브막을 구비하는 자기 저항 효과 소자에 있어서,
    상기 자성 기초층과 강자성체층과의 계면에는 평균 두께가 2㎚ 이하인 원자 확산 배리어층이 설치되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 자성층을 구성하는 강자성체층은 Co를 함유하는 강자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 및 플루오르화물중에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층의 평균 두께는 0.5㎚ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층에는 핀 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 원자 확산 배리어층은 강자성체 또는 반강자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
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