KR100298818B1 - 향상된자기검출감도를갖는거대자기-저항성자기센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 거대 자기-저항성(GMR) 자기 센서는 하부 전극과, 하부 전극 상에 형성되고 강자성 영역들을 포함하는 제 1 비자성 금속층과, 제 1 비자성 금속층 상의 제 2 비자성 금속층과; 제 2 비자성 금속층 상에 형성되고 강자성 영역들을 포함하는 제 3 비자성 금속층과; 제 3 비자성 금속층 상에 형성된 상부 전극을 포함하되, 제 1 비자성 금속층과 제 3 비자성 금속층 사이에는 터널링 절연막이 더 배치된다.

Description

향상된 자기 검출 감도를 갖는 거대 자기-저항성 자기 센서{GMR MAGNETIC SENSOR HAVING AN IMPROVED SENSITIVITY OF MAGNETIC DETECTION}
본 발명은 일반적으로 자기 헤드(magnetic heads)에 관한 것이고, 더 구체적으로는 소위 GMR 효과(giant magneto-resistive effect, 거대 자기-저항성 효과)를 이용한 고-감도 자기 헤드(high-sensitivity magnetic head)에 관한 것이다.
자기 헤드는 테잎 리코더나 비디오 리코더와 같은 오디오-비디오 장치들에서부터 컴퓨터와 같은 정보 처리 장치들에까지 광범위하게 사용된다. 특히, 정보 처리 장치들에서는, 영상 데이터나 오디오 데이터의 처리와 관련해서 많은 양의 정보 신호들을 기록하는 것에 대한 지속적인 요구가 있다. 이와 관련하여, 매우 큰 기억 용량과 그리고 그에 따른 매우 큰 기록 밀도를 가지는 고속 자기 기억 장치가 필요하다. 그와 같이 큰 용량의 자기 기억 장치는 그에 대응하는 높은 기록 밀도로 정보의 판독과 기록을 수행할 수 있는 자기 헤드를 필요로 한다.
자기 헤드의 분해능은 자기 헤드가 수행할 수 있는 최대 기록 밀도인데, 일차적으로는 자기 헤드의 갭 너비(gap width)와 기록 매체로부터 갭까지의 거리에 의해 결정된다. 코일이 자기 코어 주위에 감겨지는 유도 자기 헤드에서는 약 65Mbits/inch2의 기록 밀도가 얻어진다. 그러나 앞으로 매우 작은 기록점(recording dot)을 사용할 자기 기억 장치에 요구될 것으로 기대되는 20Gbits/inch2또는 그 이상의 기록 밀도라는 관점에서 보면, 이 기록 밀도는 실질적으로 불충분하다.
상술한 20Gbits/inch2또는 그 이상의 기록 밀도를 얻기 위해서는, 매우 약한 자기 신호를 매우 빠른 속도로 검출할 수 있는 매우 고-감도의 자기 헤드를 제공하는 것이 필요하다. 그와 같이 약한 자기 신호를 고속으로 검출하는 것은, 그에 요구되는 분해능, 감도 그리고 응답의 관점에서 볼 때, 전자기 유도 원리에 기초한 유도 자기 헤드(induction magnetic head)에 의해서는 불가능하다.
매우 조그만 기록점들에 의해 형성된 그러한 매우 약한 자기 신호들을 검출할 수 있는 고-감도 자기 헤드로서, 자기-저항성의 자기 센서(magneto-resistive magnetic sensor)가 구비된 자기 헤드가 제안되어 있다. 1990년 Elsevier Publication 사가 발행한 P. Ciureanu와 Gavrila 저작의 Studies in Electrical and Electronic Engineering 39, "Magnetic Heads for Digital Recording", 7장을 예로 들 수 있다.
도 1은 소위 GMR 센서(giant magneto-resistive sensor)를 포함하는 자기 헤드(10)의 단면을 나타내는데, 여기서 GMR 센서는 극도로 약한 자기 신호를 검출하기에 가장 적합한 자기-저항성의 자기 센서이다. 또한, 도 2a와 2b는 자기 헤드(10)에 사용된 GMR 센서의 구조를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 자기 헤드(10)은 Al2O3-TiC의 세라믹 기판(11) 상에 형성되고, 기판(11) 상에 형성된 하부 자기 실드(12)와 하부 자기 실드(12) 상에 비자성 절연막(13)을 사이에 두고 형성된 상부 자기 실드(14)를 포함한다. 하부 및 상부 자기 실드들(12와 14)은 자기 헤드(10)의 선단부에 판독용 갭(read gap, 15)을 형성하고, 갭(15)은 그 내부에 GMR 자기 센서(16)를 포함한다.
상부 자기 실드(14) 상에는, 비자성 절연막(17)을 사이에 두고 자극(magnetic pole, 18)이 제공되고, 기록용 갭(write gap, 19)이 자기 헤드(10)의 선단부에서 자극(18)과 상부 자기 실드(14) 사이에 형성된다. 기록용 코일(20)이 절연막(17) 내에 배치됨을 주시해야 할 것이다.
도 2a와 도 2b는 각각 외부 자기장이 없는 상태와 외부 자기장(H)이 인가된 상태에서의 도 1의 GMR 자기 센서(16)를 나타낸다.
도 2a와 도 2b를 참조하면, GMR 자기 센서(16)는 Cu나 Ag와 같은 도전성 비자성 물질로 된 비자성 본체(16A)와 수십 나노미터(nm)의 직경과 2-4nm의 두께를 가지고 본체(16A) 내에 형성된 복수개의 일반적으로 납작한 강자성 영역들(ferromagnetic regions, 16B)을 포함한다. 강자성 영역들(16B)은 교환 상호 작용을 위한 최적의 거리로 서로 분리되어 있다. 교환 상호 작용의 결과, 외부 자기장이 자기 센서(16)로 인가되지 않은 경우, 인접한 강자성 영역들(16B) 사이에 정-자기 결합(magneto-static coupling)이 나타나게 되고, 정-자기 결합의 결과, 도 2a에 도시된 바와 같이 강자성 영역들(16B)내의 자화 방향에 반-평행관계(anti-parallel relationship)가 나타나게 된다.
도 2a의 상태에서 전자 전류가 본체(16A)의 최상부 표면에 제공된 전극 A로부터 본체(16A) 내부로 주입되면, 그 전자 전류 내의 위쪽 방향 스핀 상태를 갖는 전자들이 제 1 자화 방향을 갖는 강자성 영역(16B)에 의해 산란(scattering)을 겪게 된다. 반면에, 전자 흐름 내의 아래쪽 방향의 스핀 상태를 갖는 전자들은 제 2의, 반대의 자화 방향을 갖는 다른 강자성 영역(16B)에 의해 역시 산란을 겪는다. 그럼으로써, 본체(16A)의 최상부 표면에 역시 제공된 전극 B에 도달하는 전자의 개수가 줄어들고, 자기 센서(16)는 고-저항을 나타낸다.
반면에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 외부 자기장 H가 GMR 센서(16)로 인가되면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 모든 강자성 영역들(16B)에 대한 자화 방향이 한 방향으로 정렬되고, 인접한 강자성 영역들(16B) 사이의 정-자기 결합의 효력이 없어지게 된다. 그러한 상태에서, 전극 A로부터 주입된 전자 전류 내의 위쪽이나 아래쪽 방향의 스핀 상태 중 하나의 스핀 상태를 갖는 전자들은, 비록 다른 스핀 상태를 갖는 전자들이 도 2b의 경우와 유사하게 산란되더라도, 본체(16A)를 통과한 다음 전극 B에 성공적으로 도달한다. 그리하여, 자기 센서(16)는 외부 자기장 H의 인가에 응답하여 그의 저항을 줄인다.
하지만, 그러한 GMR 센서(16)에서, 본체(16A) 상의 전극들 A와 B 간에 전압을 인가함으로써 전자 전류가 본체(16A)를 통해 흐르게 될 때, 전자 전류 내의 일부 전자들이 본체(16A) 내부로 깊게 관통하는 예정대로의 경로 P1을 따르지 않고 본체(16A)의 표면에 있는 단락(short-circuit)된 경로 P2를 지나게 되는 문제점이 야기된다. 도 3을 참조한다. 그러한 전자 전류의 우회가 전류 경로 P2를 따라 발생하면, 전극들 A와 B 사이에 검출되는 GMR 센서(16)의 저항 변화가 전류 경로 P2를 따라 흐르는 전자 전류에 의해 매스킹된다(masked). 그러한 매스킹(masking)의 결과, 자기 검출의 감도가 불가피하게 나빠지게 된다.
상술한 우회 전류 경로 P2의 문제점은 도 3에 도시된 바와 같이 또 다른 전극 C를 본체(16A)의 최하부에 제공하고 전극 A와 C 사이의 저항을 검출함으로써 제거할 수도 있다. 그러나, 그러한 시도는 기껏해야 50nm인 본체(16A)의 작은 두께 때문에 성공적이지 않다. 본체(16A)의 극히 작은 두께 때문에, 전극 A와 C 간의 저항이 실질적으로 영(zero)이 된다. 그것에 의하여, 신뢰할 수 있는 저항 강하의 검출이 불가능하다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 상술한 문제점들이 없는 신규하고 유0용한 GMR 자기 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 더 구체적인 목적은 자기-저항 변화에 대하여 분명하고 신뢰할 수 있는 검출이 가능한 GMR 자기 센서를 포함하는 자기 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은
제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과;
상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과;
상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과;
상기 제 2 도전성 비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과;
상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과;
상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하되;
상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고;
상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 GMR 자기 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은
제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과;
상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과; 상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과; 상기 제 2 도전성 비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과; 상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과; 상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하되; 상기 제 1 도전성 비자성층과상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고; 상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 GMR 자기 센서를 제조하는 방법으로서,
상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 1 강자성 영역들을
상기 제 1 도전성 비자성층을 구성하는 금속 원소와 상기 제 1 강자성 영역들을 구성하는 금속 원소를 포함하는 제 1 금속막을 형성하는 단계 및 상기 제 1 강자성 영역들과 상기 제 1 도전성 비자성층이 상기 제 1 금속막 내에서 서로 분리되는 온도로 상기 제 1 금속막을 어닐링(annealing)하는 단계에 의하여 형성하고,
상기 제 3 도전성 비자성층과 상기 제 2 강자성 영역들을
상기 제 3 도전성 비자성층을 구성하는 금속 원소와 제 2 강자성 영역들을 구성하는 금속 원소를 포함하는 제 2 금속막을 형성하는 단계 및 상기 제 2 강자성 영역들과 상기 제 3 도전성 비자성층이 상기 제 2 금속막 내에서 서로 분리되는 온도로 상기 제 2 금속막을 어닐링하는 단계에 의하여 형성하고,
상기 터널링 절연막을
상기 제 2 도전성 비자성층을 형성하는 단계 및 상기 도전성 비자성층의 표면을 처리하는 단계에 의하여 형성하는 단계를 포함하는 GMR 자기 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은
제 1 자기 실드와;
상기 제 1 자기 실드 상에 판독용 갭을 사이에 두고 형성된 제 2 자기 실드와;
상기 판독용 갭 내에 배치된 GMR 자기 센서를 포함하되, 상기 GMR 자기 센서는:
제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과;
상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과;
상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과;
상기 제 2 도전성 비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과;
상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과;
상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하되;
상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고;
상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 자기 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 도전성 비자성층과 제 3 도전성 비자성층 사이에 그리고 결과적으로 제 1 강자성 영역들과 제 2 강자성 영역들 사이에 있는 터널링 절연막의 사용에 기인하여, 외부 자기장이 없는 경우에 GMR 자기 센서의 저항이 증가된다. 자기 센서의 증가된 저항의 결과, 외부 자기장의 인가에 응답하여 야기되는 저항 강하의 검출이 높은 정확성과 향상된 신뢰도를 가지고 이루어진다. 제 1 그리고 제 2 강자성 영역들이 각각의 비자성층들 내에 작은 섬 모양의 고립된 형태로 분산되어 있기 때문에, GMR 자기 센서에 인가된 외부 자기장이 매우 작은 세기를 가진 때에도 자화 방향이 쉽게 변화한다. 그리하여, 본 발명의 GMR 자기 센서를 사용하는 자기 헤드는 초고밀도 자기 기록의 경우에서와 같이 극도로 약한 자기장의 검출에 적합하다.
본 발명의 다른 목적들과 특징들은 첨부된 도면들과 연결해서 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백하게 될 것이다.
도 1은 GMR 자기 센서를 사용한 종래의 자기 헤드의 구조를 나타낸 도면.
도 2a와 2b는 종래의 GMR 자기 센서의 원리를 나타낸 도면.
도 3은 종래의 GMR 자기 센서의 문제점을 설명하는 도면.
도 4a와 4b는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 GMR 자기 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 GMR 자기 센서의 일부를 확대하여 나타낸 도면.
도 7은 도 5의 GMR 자기 센서의 자기-저항성을 나타낸 도면.
도 8a와 8b는 도 5의 자기 센서의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 9는 도 5의 GMR 자기 센서의 변형을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
31 : 제 1 전극
32 : 제 1 도전성 비자성층
32A : 제 1 강자성 영역들
33 : 제 2 도전성 비자성층
34, 34' : 터널링 절연막
35 : 제 3 도전성 비자성층
35A : 제 2 강자성 영역들
36 : 제 2 전극
도 4a는 본 발명의 GMR 자기 센서(30)의 기본적인 구조를 나타낸다. 또한, 도 4b는 외부 자기장 H가 인가된 상태에서의 GMR 자기 센서(30)를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, GMR 자기 센서(30)는 제 1 전극(31) 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층(32)과; 제 1 도전성 비자성층(32) 내에 서로 상호 분리된 채 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들(32A); 제 1 도전성 비자성층(32) 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층(33); 제 2 도전성 비자성층(33) 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층(35); 제 3 도전성 비자성층(35) 내에 서로 상호 분리된 채 형성된 복수개의 제 2 강자성 역역들(35A); 제 3 도전성 비자성층(35) 상에 제공된 제 2 전극(36); 그리고 제 1 도전성 비자성층(32)과 제 3 도전성 비자성층(35) 사이에 배치된 터널링절연막(tunneling insulating film, 34)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 터널링 절연막(34)을 제 1 강자성 영역(32A)과 제 2 강자성 영역(35A) 사이에 배치함으로써, 전자 전류가 자기 센서를 형성하는 적층 구조에서 수직으로 흐르게 되는 경우에도, 자기 센서의 저항 강하를 검출하기에 자기 센서의 저항이 너무 작다는 문제점이 성공적으로 제거된다. 전자 전류가 상술한 적층 구조로 수직적으로 흐르게 됨에 따라, 도 3을 참조하여 설명된 바와 같은 적층 구조의 표면 부분에 전자 전류가 흐른다는 문제점이 본 발명의 GMR 자기 센서에서는 발생하지 않는다.
터널링 절연막(34)을 제 1 강자성 영역들(32A)과 제 2 강자성 영역들(35A) 사이에 형성함으로써, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 외부 자기장 H의 인가의 결과로서 강자성 영역들(32A과 35A) 내에 자화 방향이 정렬되면 강자기 터널링 효과의 결과로서 흐르게 되는 터널링 전류가 실질적으로 증가하게 된다. 그것에 의해, 상술한 제 1 그리고 제 2 강자성 영역들(32A와 35A)을 상호 고립된 영역들의 형태로 비자성층들(32와 35) 각각 내에 형성함으로써, 자화의 반전이 실질적으로 용이하게 된다.
도 4a와 4b의 예에서, 상술한 제 2 비자성층(33)과 제 3 비자성층(35) 사이에 터널링 절연막(34)이 형성된다. 하지만, 본 발명은 그러한 특정한 구조에 한정되지 않는다. 예를 들면, 터널링 절연막(34)은 제 1 비자성층(32)과 제 2 비자성층(33) 사이에 제공될 수 있다. 다른 방법으로서, 도 4a와 4b에 나타낸 바와 같이 또 하나의 터널링 절연막(34')이 비자성층(33) 내부에 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 GMR 자기 센서(40)의 구조를 나타낸다.
도 5를 참조하면, GMR 자기 센서(40)는 Si 기판(41) 상에 만들어지고 기판(41) 상에 약 200nm의 두께로 형성된 Cu로 된 하부 전극(42)과 하부 전극(42) 상에 형성된 자기적 적층 구조(43)을 포함한다. 자기적 적층 구조(43) 상에는, 약 200 nm 두께로 Cu로 된 상부 전극(44)이 형성되고, 자기적 적층 구조(43)의 측벽들을 덮기 위하여 절연막(45)이 제공된다. 또한, 도시되지 않은 Al2O3층이 기판(41)과 하부 전극(42) 사이에 제공된다.
도 6은 도 5의 자기적 적층 구조(43)의 일부를 상세히 나타낸다.
도 6을 참조하면, Ag로 된 비자성층(43A)이 약 1.5nm의 두께로 하부 전극(42) 상에 형성되고, Co-Fe 합금으로 된 수많은 강자성 영역들(43B)이 전형적으로 2-4nm의 두께와 수십 nm의 직경을 가진 납작한 디스크 같은 형태로 상술한 Ag 층(43A)에 형성된다. 비자성층(43A)은 약 4nm의 두께를 갖는 Cu로 된 또 다른 비자성층(43C)에 의해 덮혀지고, Al2O3로 된 얇은 터널링 절연막(43D)이 비자성층(43C) 상에 약 0.5nm의 두께로 형성된다.
또한, 43A층의 것과 동일한 구조를 갖는 비자성층(43E)이 터널링 절연막(43D) 상에 형성되고, 43C - 43E층들이 43E층 상에 복수번 반복된다. 43E 층은 그 내부에 강자성 영역들(43F)을 포함하고 있음을 주시해야 할 것이다.
43A나 43E 층에서, 외부 자기장이 자기 센서(40)로 인가되지 않는 경우 강자성 영역들(43B나 43F)은 교환 상호 작용의 결과로서 반-평행 관계로 자화됨을 주시해야 한다. 더우기, 반-평행 관계는 비자성층(43A) 내의 강자성 영역들(43B)의 자화와 비자성층(43E) 내의 대응하는 강자성 영역들(43F)의 자화 사이에서도 교환 상호 작용 결과로 또한 나타난다.
그와 같은 구조에서, 외부 자기장이 자기 센서(40)에 인가되면, 강자성 영역들(43B)과 강자성 영역들(43F) 모두의 자화 방향이 외부 자기장 방향과 반대로 정렬된다. 그 결과, 터널링 절연막(43D)을 통해 수직적으로 흐르는 전기 전류가 실질적으로 증가되고 자기 센서(40)의 저항이 감소된다.
도 5 또는 6의 GMR 자기 센서(40)에서, 터널링 절연막(43D)이 복수번 반복적으로 형성된다. 그것에 의해, 외부 자기장이 없는 상태에서 높은 저항이 얻어진다. 더우기 자기 센서(40)는 도 3을 참조하여 설명된 우회 또는 단락 회로 전류 경로의 문제점을 원천적으로 갖지 않는다. 그것에 의해, 자기 센서(40)는 매우 높은 자기 검출 감도를 나타낸다.
도 7은 자기 센서(40)의 저항 변화를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 자기 센서(40)의 상호 고립된 강자성 영역들(43B나 43F)은 자화의 반전을 쉽게 야기하고, 단지 약 50 Oe의 외부 자기장이 자기 센서(40)에 인가되어도 강자성 영역들(43B)과 강자성 영역들(43F) 내에 자화의 정렬이 일어난다. 강자성 영역들(43B와 43F)의 그와 같은 자화의 정렬에 응답하여, 자기 센서(40)의 저항이 실질적으로 감소된다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 자기 센서(40)의 저항은 외부 자기장이 +8 Oe나 -8 Oe의 값을 가질 때 최대값이 된다. 외부 자기장의 크기가 상술한 값을 넘어서면, 자기 센서(40)의 저항이 급속히 감소한다. 그것에 의해, 저항 강하의 크기가 0.5Ω 정도에 달한다.
다음으로, 도 6의 구조의 제조 공정이 도 8a와 도 8b를 참조하여 설명될 것이다.
도 8a를 참조하면, 도시되지 않은 Si 기판의 표면 상에 약 200nm의 두께로 Cu를 스퍼터링(sputtering)함으로써 하부 전극(42)이 형성된다. 다음, Co-Fe-Ag 시스템의 금속막(43A')이 43A층에 대응하여 하부 전극(42) 상에 약 1.5nm의 두께로 스퍼터링 공정에 의해 형성된다. 또한, Cu로 된 비자성층(43C)이 43A'층 상에 약 4nm의 두께로 스퍼터링 공정에 의해 형성된다. 43C 층이 형성된 다음, Al2O3막(43D)이 도 8b의 단계에서 43C 층 상에 약 0.5nm 두께로 스퍼터링 공정에 의해 형성된다.
43A' - 43D 층들을 형성하기 위한 스퍼터링 공정들은 2 × 10-5Pa 압력하의 Ar 분위기 내에서 타겟(target)과 기판 사이의 거리를 180mm로 지정하고 RF 파워를 0.7W/㎠로 지정함으로써 수행된다. 예를 들어, 스퍼터링 공정들이 5회 반복되어 상술한 자기적 적층 구조(43)를 형성한다.
자기적 적층 구조(43)의 형성 후에, 상부 전극(44)이 약 200nm의 두께로 Cu의 스퍼터링 공정에 의해 형성되고, 그렇게 형성된 구조가 약 280℃의 온도에서 약 1 시간 동안 수행되는 열적 어닐링 공정(thermal annealing process)을 받게 된다. 그러한 열적 어닐링 공정의 결과로서, Ag 층(43A 또는 43E)을 남기면서 43A'층 내의 Co-Fe 합금의 강자성 영역들(43B와 43F)의 분리가 일어나서, 도 6에 설명된 구조가 얻어진다.
도 6의 구조를 형성하는 공정에 있어서, 43A', 43C 그리고 43D 층들의 피착은 위에서 설명된 바와 같은 스퍼터링 공정에 의한 것으로 제한되지 않고, 이온 빔 스퍼터링, 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy), 또는 진공 증착과 같은 다른 피착 공정들이 사용될 수도 있다. 더우기, 터널링 절연막(43D)은 금속층의 산화(oxidation), 질화(nitridation), 또는 붕화(boridation)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 비자성층(43)을 Al에 의해 형성하고 터널링 절연막(43D)을 Al층(43)의 산화, 질화, 또는 붕화에 의해 형성하는 것이 가능하다. 더우기, 그러한 산화, 질화, 또는 붕화 공정은 플라즈마 분위기에서 수행될 수 있다.
도 9는 도 6의 구조의 변형을 나타내는데, 앞서 설명된 부분들에 해당하는 부분들은 동일한 참조 번호에 의해 표기되고 그것의 설명은 생략할 것이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예는 비자성층(43A) 또는 비자성층(43E) 내에 과립형의 강자성 영역들(43B' 또는 43F')을 사용하는데, 여기서 과립형의 강자성 영역들(43B' 또는 43F')은 약 1-10 nm의 직경을 갖는다. 과립형 구조의 결과로, 강자성 영역들(43B' 또는 43F')이 쉽게 열적 요동(thermal agitation)을 겪게 되고, 정-자기 결합(magneto-static coupling)에 의하여 강자성 영역들(43B' 또는 43F')의 자화에 있어서 반-평행 정렬을 야기시키기가 어렵다. 반면에, 이들 미세한 강자성 영역들의 자화는 매우 약한 외부 자기장에 의해서 쉽게 변화한다.
도 9의 실시예에서도 또한, 터널링 절연막(43D)을 사이에 놓고 강자성 영역들(43B')과 강자성 영역들(43F') 사이에 그 터널링 절연막(43D)을 통해 강자기 터널링 효과를 사용함으로써 자기 센서의 저항을 증가시키는 것이 가능하다. 자기 센서의 증가된 저항은 매우 작은 외부 자기장이 인가되어도 쉽게 그리고 급격히 감소한다. 그러한 과립형의 강자성 영역들의 형성은 일본 공개 특허 공보 제 09-050614 호에 설명되어 있다.
도 1의 자기 헤드 내에서 종래의 GMR 자기 센서(16) 대신 도 5와 6의 GMR 자기 센서 또는 도 9의 GMR 자기 센서를 사용함으로써, 초-고밀도 자기 기록에 적합한 고-감도 자기 헤드가 얻어진다.
본 발명은 지금까지 설명된 실시예들로 한정되지 않고, 다양한 변화와 변형들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 만들어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제 1 도전성 비자성층과 제 3 도전성 비자성층 사이에 있고 그 결과 제 1 강자성 영역들과 제 2 강자성 영역들 사이에 있는 터널링 절연막의 사용에 기인하여, 외부 자기장이 없는 경우 GMR 자기 센서의 저항이 증가된다. 자기 센서의 증가된 저항의 결과, 외부 자기장의 인가에 응답하여 야기되는 저항 강하의 검출이 높은 정확성과 향상된 신뢰도를 가지고 이루어진다. 제 1 그리고 제 2 강자성 영역들이 각기의 비자성층들 내에 작은 섬 모양의 고립된 형태로 분산되어 있기 때문에, GMR 자기 센서에 인가된 외부 자기장이 매우 작은 세기를 가진 경우에도 자화 방향이 쉽게 변화한다. 그리하여, 본 발명의 GMR 자기 센서를 사용하는 자기 헤드는 초고밀도 자기 기록의 경우에서와 같이 극도로 약한 자기장의 검출에 적합하다.

Claims (14)

  1. 거대 자기-저항성 자기 센서(giant magneto-resistive magnetic sensor, GMR 자기 센서)에 있어서,
    제 1 전극과;
    상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과;
    상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과;
    상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과;
    상기 제 2 도전성 비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과;
    상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과;
    상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하되;
    상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고;
    상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널링 절연막은 상기 제 2 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도전성 비자성층은 비자성 금속으로 형성되고, 상기 터널링 절연막은 상기 비자성 금속의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널링 절연막은 상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 2 도전성 비자성층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도전성 비자성층은 상기 제 1 도전성 비자성층의 조성과 다른 조성을 갖고, 상기 제 3 도전성 비자성층은 상기 제 2 도전성 비자성층의 상기 조성과 다른 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 강자성 영역들 각각과 상기 제 2 강자성 영역들 각각은 그 두께가 약 2-4 nm이고 그 직경이 수십 nm인 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 도전성 비자성층들 각각은 그 두께가 약 0.1-3 nm이고, 상기 터널링 절연막은 그 두께가 약 0.1-0.5 nm인 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 강자성 영역들 각각은 Co, Fe, Ni, 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 형성되고, 상기 제 1 내지 제 3 도전성 비자성층들 각각은 Ag, Cu, Au, 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널링 절연막은 산화물(oxide), 질화물(nitride), 붕화물(boride) 중의 임의의 것으로 형성되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서.
  10. 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과; 상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과; 상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과; 상기 제 2 도전성비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과; 상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과; 상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하되; 상기 제 1 도전성비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고; 상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 거대 자기-저항성 자기 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 1 강자성 영역들을
    상기 제 1 도전성 비자성층을 구성하는 금속 원소와 상기 제 1 강자성 영역들을 구성하는 금속 원소를 포함하는 제 1 금속막을 형성하는 단계 및 상기 제 1 강자성 영역들과 상기 제 1 도전성 비자성층이 상기 제 1 금속막 내에서 서로 분리되는 온도로 상기 제 1 금속막을 어닐링(annealing)하는 단계에 의하여 형성하고,
    상기 제 3 도전성 비자성층과 상기 제 2 강자성 영역들을
    상기 제 3 도전성 비자성층을 구성하는 금속 원소와 제 2 강자성 영역들을 구성하는 금속 원소를 포함하는 제 2 금속막을 형성하는 단계 및 상기 제 2 강자성 영역들과 상기 제 3 도전성 비자성층이 상기 제 2 금속막 내에서 서로 분리되는 온도로 상기 제 2 금속막을 어닐링하는 단계에 의하여 형성하고,
    상기 터널링 절연막을
    상기 제 2 도전성 비자성층을 형성하는 단계 및 상기 도전성 비자성층의 표면을 처리하는 단계에 의하여 형성하는
    것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 금속막을 어닐링하는 상기 단계와 상기 제 2 금속막을 어닐링하는 상기 단계는 약 200℃ 내지 약 400℃의 범위의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 터널링 절연막을 형성하는 상기 단계는 상기 제 2 도전성 비자성층의 표면을 반응 가스 분위기 내에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 터널링 절연막을 형성하는 상기 단계는 상기 제 2 도전성 비자성층의 표면을 반응성 플라즈마 분위기 내에서 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기-저항성 자기 센서의 제조 방법.
  14. 자기 헤드(magnetic head)에 있어서,
    제 1 자기 실드와;
    상기 제 1 자기 실드 상에 판독용 갭(gap)을 사이에 두고 형성된 제 2 자기실드와;
    상기 판독용 갭 내에 배치된 거대 자기-저항성 자기 센서를 포함하되, 상기 거대 자기-저항성 자기 센서는
    제 1 전극과;
    상기 제 1 전극 상에 제공된 제 1 도전성 비자성층과;
    상기 제 1 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 1 강자성 영역들과;
    상기 제 1 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 도전성 비자성층과;
    상기 제 2 도전성 비자성층 상에 제공된 제 3 도전성 비자성층과;
    상기 제 3 도전성 비자성층 내에 상호 분리되어 형성된 복수개의 제 2 강자성 영역들과;
    상기 제 3 도전성 비자성층 상에 제공된 제 2 전극을 포함하며;
    상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층은 제 1 강자성 영역과 제 2 강자성 영역 사이의 교환 상호 작용을 야기시키는 거리만큼 서로 분리되고;
    상기 제 1 도전성 비자성층과 상기 제 3 도전성 비자성층 사이에는 터널링 절연막이 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
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