KR100304024B1 - 종방향 및 횡방향 바이어스를 가지는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 자기 터널 접합 자기저항 판독 헤드는 터널 장벽층의 대향 측면 상에 형성된 하나의 고정 강자성층 및 대체로 직사각형 형태를 갖는 하나의 감지 강자성층, 및 감지 강자성층의 측면 에지(edge) 및 후방 에지 주위에 위치한 바이어스 강자성층을 갖는다. 전기 절연층은 바이어스층을 감지층의 에지와 분리한다. 바이어스층은 감지층의 3개의 에지 주위를 둘러싸는 측면 영역과 후방 영역을 갖는 연속 경계 바이어스층이다. 바이어스층이 인접 측면 영역과 후방 영역을 갖는 단일층인 경우, 단일층의 자기 모멘트는 감지층의 긴 에지와 소정 각도를 형성하도록 선택될 수 있다. 이러한 방법으로 바이어스층은 감지층 상에서 작용하는 횡방향 강자성 결합 필드 및 정자기 결합 필드를 보상하여 헤드의 선형 응답을 제공하기 위한 횡방향 바이어스 필드 및 헤드를 안정화하기 위한 종방향 바이어스 필드를 제공한다. 또한 바이어스층은 불연속 측면 영역과 후방 영역으로 구성될 수 있다. 불연속 측면 영역은 횡방향 및 종방향 바이어스 필드를 정확하게 결합하기 위해 후방 영역의 모멘트와는 다른 방향으로 배향된 자기 모멘트를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction; MTJ) 소자에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 종방향 및 횡방향 바이어스를 가지며 자기적으로 기록된 데이터를 판독하기 위한 자기 저항(magnetoresistive; MR) 헤드용 MTJ 소자에 관한 것이다.
자기 터널 접합부(MTJ) 소자는 박막 절연 터널 장벽층(thin insulatingtunnel barrier)에 의해 분리되는 2개의 강자성층으로 구성되며, 스핀 분극된 전자 터널링 현상(phenomenon of spin-polarized electron tunneling)을 기초로 한다. 강자성층의 하나는 일반적으로 다른 강자성층보다 강한 보자력을 갖기 때문에 인가된 자기장의 한 방향으로 더 높은 포화 필드를 가진다. 절연 터널 장벽층은 매우 얇기 때문에 강자성층 사이에는 양자 역학적 터널링이 발생한다. 터널링 현상은 전자 스핀(electron-spin)에 대해 종속관계를 가지므로 MTJ의 자기 응답(magnetic response)이 두 개의 강자성층의 상대적 배향과 스핀 극성의 함수가 되도록 한다.
MTJ 소자는 원래 고체 상태 메모리용 메모리 셀로서 제안되었다. MTJ 메모리 셀의 상태는 감지 전류가 하나의 강자성층으로부터 다른 강자성층으로 MTJ를 통과하여 수직으로 흐를 때 MTJ의 저항을 측정함으로써 결정된다. 절연 터널 장벽층 양단의 전하 캐리어에 터널링이 발생할 확률은 두 개의 강자성층의 자기 모멘트(자화 방향)의 상대적 배열에 의해 좌우된다. 터널링 전류는 스핀 분극 상태가 되는데, 이는 예를 들어 자기 모멘트가 고정되거나 회전이 금지된 층인 하나의 강자성층으로부터 통과되어 나오는 전류가 주로 하나의 스핀 형태(강자성층의 자기 모멘트의 방향에 따라 스핀-업 또는 스핀-다운)의 전자들로 이루어져 있음을 의미한다. 터널링 전류의 스핀이 분극되는 정도는 강자성층(강자성층은 자신의 인터페이스 영역(interface)에서 터널 장벽층을 가짐)을 포함하는 자성 재료의 전자 밴드 구조에 의해 결정된다. 따라서 제1 강자성층은 스핀 필터의 기능을 수행한다. 전하 캐리어에 터널링이 발생할 확률은 제2 강자성층에서의 전류의 스핀 분극과 동일한 스핀 분극을 갖는 전자 상태의 이용가능성에 따라 달라진다. 일반적으로 제2 강자성층의 자기 모멘트가 제1 강자성층의 자기 모멘트와 평행과 반대로 평행한 방향(antiparallel; 이하 '반대 평행 방향'이라 함)으로 배열된 경우에 비해, 제2 강자성층의 자기 모멘트가 제1 강자성층의 자기 모멘트와 평행한 경우가 전자 상태의 이용가능성이 더 높다. 따라서, 전하 캐리어의 터널링 확률은 두 강자성층의 자기 모멘트가 평행일 때 최고가 되고, 두 강자성층의 자기 모멘트가 반대 평행 방향인 경우 최소가 된다. 자기 모멘트가 평행 방향으로도 반대 평행 방향으로도 배열되지 않은 경우, 터널링 확률은 중간 값을 갖는다. 따라서 MTJ 메모리 셀의 전기 저항은 전류의 스핀 분극과 두 강자성층에서의 전자 상태 양자 모두에 따라 달라진다. 결과적으로, 자화 방향이 특정 방향으로(uniquely) 고정되지 않는 강자성층은 두 개의 자화 방향이 가능하므로 메모리 셀의 2개의 가능한 비트 상태(0 또는 1)를 정의한다.
자기 저항(MR) 센서는 자성체로 만들어진 감지 소자의 저항 변화를 통해 자기장 신호를 검출하는데, 이때 저항 변화는 감지 소자에 의해 감지되는 자속 밀도와 방향의 함수이다. 자기 기록 디스크 드라이브에서 데이터 판독용 MR 판독 헤드로서 사용되는 종래의 MR 센서는 일반적으로 퍼멀로이(permalloy; Ni81Fe19)로 이루어진 벌크 자성 재료의 이방성 자기 저항(anisotropic magnetoresistive; AMR) 효과를 기초로 하여 동작된다. 판독 소자의 저항 성분의 변화는 판독 소자에서의 자화 방향과 판독 소자를 통해 흐르는 감지 전류 방향이 이루는 각도의 코사인 값의 제곱에 비례한다. 기록된 데이터는 디스크 드라이브 내의 디스크와 같은 자기 매체로부터 판독될 수 있는데, 이는 기록된 자기 매체로부터 나오는 외부 자기장(신호 필드)이 판독 소자 내의 자화 방향을 변화시키고, 이는 다시 판독 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지된 전류 또는 전압의 변화를 일으키기 때문이다. MTJ 소자와는 달리 종래의 MR 판독 헤드의 감지 전류는 판독 소자의 강자성층과 평행한 방향이다.
자기 기록(magnetic recording)용 자기 저항(MR) 판독 헤드로서 MTJ 소자를 사용하는 것은 미국 특허 제 5,390,061호에 개시되어 있다. 그러나 이러한 MR 헤드에 있어서의 하나의 문제점은 소자의 출력 신호가 기록된 자기 매체로부터 나오는 자기장의 세기와 선형 관계를 가지며 또한 자기적으로 안정한 적당한 구조를 갖는 자기 헤드를 개발해야 하는데 있다. MTJ 소자에서 선형 응답성을 구현하는 것은 특히 어려운데, 이는 AMR 센서와 달리 MTJ 소자에서는 전류가 강자성층 및 터널 장벽층을 통과하여 수직으로 통과함으로써 강자성 감지층에 횡방향 바이어스를 제공하지 않기 때문이다. 따라서 강자성 감지층에 적당한 횡방향 바이어스를 제공하는 추가 수단을 MTJ 센서에 제공하여 감지 필드에 선형 응답성을 부여해야 한다. 또한 자성 감지층을 거의 단일 자구(magnetic domain) 상태로 유지하기 위한 수단이 제공되어야 한다. 이러한 수단이 제공되지 않으면, 강자성 감지층 내에 다중 자구 상태가 형성될 수 있으며, 이는 노이즈를 발생시켜 결과적으로 소자의 신호대 잡음 특성을 감소시키고 또한 감지 필드에 대한 소자의 응답을 재생불가능(irreproducible)하게 한다. 종방향 바이어스 필드를 제공함으로써, 이러한 소자를 거의 단일 자구 상태로 안정화시킬 수 있다. IBM사의 미국 특허 제5,729,410호는 감지 강자성층을 종방향으로 안정화시키거나 바이어싱하는 강자성 재료를 가지는 MTJ MR 판독 헤드에 대해 개시하고 있는데, 여기서 바이어스 재료는 MTJ 스택의 외부에 위치하며, 전기적 절연 재료에 의해 스택과 분리되어 있다.
따라서, 횡방향 바이어스 필드를 제어함으로써 선형 출력 신호를 제공하도록 소자의 성능을 최적화하며, 종방향 바이어스 필드가 안정된 출력 신호를 제공하는 MTJ MR 판독 헤드가 필요하다.
본 발명은 터널 장벽층의 대향 측면 상에 형성된 하나의 고정 강자성층 및 대체로 직사각형 형태를 갖는 하나의 감지 강자성층, 및 감지 강자성층의 측면 에지와 후방 에지 주위에 위치하는 바이어스 강자성층을 가지는 MTJ MR 판독 헤드에 관한 것이다. 전기 절연층은 바이어스층을 감지층의 에지와 분리한다. 바이어스층은 연속 경계 바이어스(continuous boundary bias; CBB)층이며, 이 층은 감지층의 3개의 에지를 둘러싸는 측면 영역과 후방 영역을 가진다. 바이어스층이 인접 측면 영역과 후방 영역을 가지는 단일층인 경우, 단일층의 자기 모멘트는 감지층의 긴 에지와 소정의 각도를 형성하도록 선택될 수 있다. 이러한 방식으로 바이어스층은 감지층 상에 작용하는 횡방향 강자성 결합 및 정자기 결합(magnetostatic coupling) 필드를 보상하여 MTJ MR 판독 헤드의 선형 응답을 제공하기 위한 횡방향 바이어스 필드, 및 헤드를 안정화하기 위한 종방향 바이어스 필드를 제공한다. 또한 바이어스층은 개별(discrete) 측면 영역과 후방 영역으로 구성될 수 있다. 불연속 측면 영역은 횡방향 바이어스 필드와 종방향 바이어스 필드를 정확하게 결합하기 위해 후방 영역의 모멘트와 상이한 방향으로 배향되는 자기 모멘트를 가질 수 있다.
본 발명의 특징과 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 터널 접합부 자기 저항(magnetic tunnel junction magnetoresistive; MTJ MR) 판독 헤드와 함께 사용하기 위한 종래의 자기 기록 디스크 드라이브의 단순화된 블록도.
도 2는 덮개가 제거된 도 1의 디스크 드라이브의 평면도.
도 3은 실드 사이에 위치하며 유도 기록 헤드에 인접하여 위치한 MR 판독 헤드를 갖는 종래의 일체형 유도 기록 헤드/MR 판독 헤드를 수직으로 절단한 단면도.
도 4는 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드에서 사용되는 자기 터널 접합층 및 도전 리드의 단면도.
도 5a 내지 도 5b는 MTJ 소자의 좌측 및 우측에 위치하며, 전기적으로 절연된 종방향 바이어스 영역을 가지는 종래 기술의 MTJ 판독 헤드의 평면도 및 단면도.
도 6은 공기 베어링 표면(air bearing surface; ABS)에 적층된 MTJ 판독 헤드를 예시하는 도 5의 종래 기술의 MTJ 판독 헤드에 대한 평면도.
도 7은 MTJ 감지층 상에서 작용하는 고정 강자성층(ferromagnetic layer)으로부터의 강자성 결합 필드 및 정자기 결합 필드를 예시하는 도면.
도 8은 종방향 및 횡방향 바이어스 필드 모두를 제공하는 터널 접합의 3개의 측면 주위의 강자성 바이어스 영역을 가지는 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 평면도.
도 9는 터널 접합의 3개의 측면 주위에 개별적인 강자성 바이어스 영역을 가지는 본 발명에 의한 MTJ MR 판독 헤드의 평면도―여기서 터널 접합의 후방 에지 위치의 하나의 바이어스 영역은 횡방향 바이어스 필드를 제공하며 터널 접합의 측면 상의 개별 영역은 종방향 바이어스 필드를 제공함―.
도 10a 내지 도 10e는 도 8에 따른 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 제조 단계를 예시하는 도면.
도 11a 내지 도 11e는 도 9에 따른 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 제조 단계를 예시하는 도면.
종래 기술
도 1을 참조하여 설명하면, MR 센서를 사용하는 종래 기술에 의한 디스크 드라이브 형태의 개략적인 단면도가 예시되어 있다. 디스크 드라이브는 디스크 구동 모터(12)와 액츄에이터(14)가 고정된 기부(base; 10) 및 커버(11)를 포함한다. 기부(10)와 커버(11)는 실질적으로 밀봉된 디스크 드라이브용 하우징을 제공한다. 통상적으로 기부(10) 및 커버(11) 사이에 가스켓(gasket; 13) 또는 디스크 드라이브의 내부 및 외부 환경 간의 압력을 동일하게 하기 위한 소형 흡입 포트(breather port)(도시되지 않음)가 제공된다. 자기 기록 디스크(magnetic recording disk; 16)는 허브(hub; 18)에 의해 구동 모터(12)에 결합되며, 허브(18)는 구동 모터(12)에 부착되어 회전한다. 윤활용 박막(thin lubricant film; 50)이 디스크(16)의 표면 상에서 유지된다. 판독/기록 헤드 또는 트랜스듀서(25)는 공기 베어링 슬라이더(20)와 같은 캐리어의 후행 에지(trailing end) 상에 형성되어 있다. 트랜스듀서(25)는 도 3과 관련하여 아래에서 기술되는 바와 같이 유도 기록 헤드 부분(inductive write head portion) 및 MR 판독 헤드 부분을 포함하는 판독/기록 헤드이다. 슬라이더(20)는 강체 암(rigid arm; 22) 및 서스펜션(suspension; 24)에 의해 액츄에이터(14)에 연결된다. 서스펜션(24)은 슬라이더(20)가 기록 디스크(16)의 표면 상에 위치하도록 하는 바이어싱력(biasing force)을 제공한다. 디스크 드라이브가 동작하는 동안, 구동 모터(12)는 일정한 속도로 디스크(16)를 회전시키며, 통상적으로 선형 또는 회전형 음성 코일 모터(voice coil motor; VCM)인 액츄에이터(14)는 디스크(16)의 표면을 대체로 방사상으로 가로질러 슬라이더(20)를 이동시켜 판독/기록 헤드(25)가 디스크(16) 상의 여러 데이터 트랙을 액세스할 수 있도록 한다.
도 2는 커버(11)가 제거된 디스크 드라이브 내부의 평면도로서 슬라이더(20)가 디스크(16) 방향으로 향하도록 슬라이더(20)에 힘을 가하는 서스펜션(24)을 더욱 상세하게 예시한다. IBM사의 미국 특허 제 4,167,765호에 개시되어 있는 바와 같이, 서스펜션은 공지된 와트러스(Watrous) 서스펜션과 같은 종래 형태의 서스펜션일 수 있다. 또한, 이러한 형태의 서스펜션은 슬라이더가 공기 베어링 상에서 주행할 때 피칭 및 롤링될 수 있도록 하는 슬라이더의 짐벌형 부착 장치(gimbaled attachment)를 제공한다. 트랜스듀서(25)에 의해 디스크(16)로부터 검출되는 데이터는 암(22) 상에 위치하는 집적 회로 칩(integrated circuit chip; 15) 내의 신호 증폭 및 처리 회로에 의해 데이터 복귀 신호로 처리된다. 트랜스듀서(25)로부터의 신호는 가요성 케이블(17)을 통해 칩(15)으로 전송되며, 칩(15)은 출력 신호를 케이블(19)을 통해 디스크 드라이브 전자 장치(도시되지 않음)로 전송한다.
도 3은 MR 판독 헤드부 및 유도 기록 헤드부를 포함하는 일체형 판독/기록 헤드(25)의 단면도이다. 헤드(25)는 공기 베어링 표면(air-bearing surface; ABS)을 형성하도록 래핑(lapping)되며, 여기서 ABS는 전술한 바와 같이 공기 베어링에 의해 회전 디스크(16)(도 1에 도시됨)의 표면으로부터 이격되어 있다. 판독 헤드는 제1 및 제2 갭층(gap layers; G1, G2) 사이에 삽입되는 MR 센서(40)를 포함하는데, 이 때 제1 및 제2 갭층은 제1 및 제2 자기 실드층(magnetic shield layers; S1, S2) 사이에 삽입된다. 통상적인 디스크 드라이브에서, MR 센서(40)는 AMR 센서이다. 기록 헤드는 절연층(I1, I3) 사이에 삽입되는 코일층(C) 및 절연층(I2)을 포함하는데, 절연층(I1, I3)은 제1 및 제2 극편(pole pieces; P1, P2) 사이에 차례로 삽입된다. 자기 갭(magnetic gap)을 제공하기 위한 갭층(G3)은 ABS에 인접한 극팁(pole tips)에서 제1 및 제2 극편(P1, P2) 사이에 삽입된다. 기록 동작 중에, 신호 전류가 코일층(C)을 통해 통전되고 자속이 제1 및 제2 극층(P1, P2) 내로 유도되어 ABS에서 극팁 양단에 자속의 프린지(fringe)가 생기도록 한다. 이러한 자속은 기록 동작 중에 회전 디스크(16) 상의 원형 트랙을 자화시킨다. 판독 동작 중에, 회전 디스크(16) 상의 자화된 영역은 판독 헤드의 MR 센서(40) 내로 자속을 입사(inject)시켜 MR 센서(40) 내의 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 MR 센서(40) 양단의 전압 변화를 검출함으로써 검출된다. 전압 변화는 (도 2에 도시된) 칩(15)과 디스크 드라이브의 전자 장치에 의해 처리되어 사용자 데이터로 변환된다. 도 3에 도시된 결합 헤드(25)는 판독 헤드의 제2 실드층(S2)이 기록 헤드용 제1 극편(P1)으로 사용되는 '통합형(merged)' 헤드이다. 피기백(piggyback) 헤드(도시되지 않음)에서, 제2 실드층(S2) 및 제1 극편(P1)은 별개의 층으로 되어 있다.
AMR 판독 헤드를 갖는 통상적인 자기 기록 디스크 드라이브에 대한 상기 기술 내용 및 첨부된 도 1 내지 도 3은 단지 설명하기 위한 것이다. 디스크 드라이브는 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 각각의 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지한다. 또한, 헤드 캐리어는 공기 베어링 슬라이더 대신 액체 베어링 및 기타 접촉식(contact) 및 근접(near-contact) 접촉식 기록 디스크 드라이브와 같이 디스크와 접촉하거나 근접 접촉하도록 헤드를 유지할 수도 있다.
도 4는 도 3의 판독/기록 헤드(25) 내의 MR 센서(40) 대신에 사용되는 MTJ 센서를 갖는 종래 기술의 MTJ MR 판독 헤드를 도시한다. 하부 전기 리드(102)가 적당한 기판(9) 상에 형성된다. 기판은 갭층(G1)일 수 있으며, 대안적으로 자기 실드(S1) 상에 리드를 직접 형성할 수도 있다. MTJ(100)는 하부 전기 리드(102)와 상부 전기 리드(104) 사이의 스택 층으로 형성될 수 있다. 상부 전기 리드는 실드(S2)와 전기적으로 절연되거나, 실드(S2)에 직접 연결되어 그 자체가 MTJ 소자의 전기 회로의 일부를 형성할 수 있다.
MTJ(100)은 제1 또는 하부 전극 다층 스택(110), 절연 터널 장벽층(120), 및 제2 또는 상부 전극 스택(130)을 포함한다. 각 전극은 터널 장벽층(120)과 직접 접촉하는 소정의 강자성층인 강자성층(118, 132)을 포함한다.
전기 리드(102) 상에 형성되는 전극층 스택(110)은 리드(102) 상의 시드(seed)층 또는 '템플릿(template)'층(112), 템플릿층(112) 상의 반강자성 재료층(116), 및 반강자성층(116) 상에 형성되고 반강자성층과 교환 결합(exchange coupled)되는 '고정' 강자성층(118)을 포함한다. 강자성층(118)은 고정층이라 지칭되는데, 그 이유는 소정의 관심 범위 내에서는 자기 모멘트 또는 자화 방향이 자기장이 인가되는 경우에도 회전하지 않기 때문이다. 상부 전극 스택(130)은 '자유(free)' 또는 '감지(sensing)' 강자성층(132), 및 감지 강자성층(132) 상에 형성된 보호층 또는 캡층(capping layer; 134)을 포함한다. 감지 강자성층(132)이 반강자성층과 교환 결합되지 않으므로, 그 자화 방향은 관심 범위 내에서 자기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전된다. 감지 강자성층(132)은 자기장이 인가되지 않는 상태에서 자기 모멘트 또는 자화 방향(화살표 133으로 도시됨)이 일반적으로 ABS(ABS는 도 4의 지면과 평행한 면임, 도 3 참조)에 대해 평행을 이루고 일반적으로 고정 강자성층(118)의 자화 방향에 대해 수직하게 배향되도록 제조된다. 터널 장벽층(120)의 바로 아래에 위치하는 전극 스택(110) 내의 고정 강자성층(118)은 그 아래에 놓인 반강자성층(116)과의 직접 계면 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 고정되는 자화 방향을 갖는데, 이들의 결합은 또한 하부 전극 스택(110)의 일부를 형성한다. 고정 강자성층(118)의 자화 방향은 일반적으로 ABS에 대해 수직하게, 즉 도 4의 지면 밖으로 나오거나 지면 내로 들어가는 방향(화살표 꼬리(119)로 도시됨)으로 배향된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4의 MTJ MR 판독 헤드의 단면도 및 평면도를 도시하는데, MTJ MR 판독 헤드는 감지 강자성층(132)의 자화를 종방향으로 바이어스시키는 바이어스 강자성층(150), 및 이러한 바이어스층(150)을 감지 강자성층(132) 및 MTJ(100)의 다른 층들로부터 분리하고 절연시키는 절연층(160)을 추가로 포함한다. 도 5a-5b의 소자는 IBM사의 미국 특허 번호 제 5,729,410호에 보다 상세하게 기술되어 있다. 바이어스 강자성층(150)은 CoPtCr 합금과 같은 자화시키기 어려운자성 재료(hard magnetic material)로 구성되며, 자기장이 인가되지 않는 상태에서 감지 강자성층(132)의 자기 모멘트(133)와 동일한 방향(화살표 151로 도시됨)으로 정렬되는 자기 모멘트를 갖는다. 절연층(160)은 바람직하게는 알루미나(Al2O3) 또는 실리카(SiO2)이며, 바이어스 강자성층(150)을 MTJ(100) 및 전기 리드(102, 104)와 전기적으로 절연시키기에 충분한 두께를 갖지만, 감지 강자성층(132)과 정자기 결합(magnetostatic coupling)할 수 있을 만큼 충분히 얇다. 안정적인 종방향 바이어스를 보장하기 위해 바이어스 강자성층(150)의 적(積; product) M*t(여기서 M은 강자성층 재료의 단위 면적 당 자기 모멘트이고 t는 강자성층의 두께임)는 감지 강자성층(132)의 적 M*t보다 크거나 또는 같아야 한다. 통상적으로 감지 강자성층(132)에서 사용되는 Ni(100-X)-Fe(x)(x는 대략 19임)의 자기 모멘트가 바이어스 강자성층(150)으로 적합한 Co75Pt13Cr12와 같은 일반적으로 자화시키기 어려운 자성 재료의 자기 모멘트의 2배 정도이므로, 바이어스 강자성층(150)의 두께는 감지 강자성층(132) 두께의 적어도 2배 정도이다.
도 6은 도 5b에 도시된 MTJ MR 헤드의 평면도와 유사한 도면이며, ABS에 대한 MTJ 헤드의 위치를 나타낸다. 여기서 일점 쇄선(161)은 ABS를 나타내고, 여러 층들은 MTJ MR 헤드가 제조된 후 다시 이 쇄선까지 래핑(lapping)된다. MTJ(100)는 디스크 상에 기록된 데이터의 트랙 폭에 적합한 폭 TW와 래핑 후의 최종 스트라이프(stripe) 높이 SH를 갖는 것으로 도시되어 있다. 통상적으로 기록된 데이터 트랙의 폭은 TW보다 더 넓다. 설명을 명확하게 하기 위해, 본 명세서에서는 종방향 바이어스 영역(150)이 배치된 MTJ 센서의 에지를 좌측 및 우측 에지(180)로 부른다는 것에 주의해야 한다.
감지 전류(I)는 제1 전기 리드(102)로부터 반강자성층(116), 고정 강자성층(118), 터널 장벽층(120), 및 감지 강자성층(132)을 통과하여 수직으로 흐른 다음, 제2 전기 리드(104)를 통과하여 외부로 흐른다. 전술한 바와 같이, 터널 장벽층(120)을 통과하여 흐르는 터널링 전류의 양(amount of tunneling current)은 터널 장벽층(120)에 인접하여 접촉하는 고정 및 감지 강자성층(118, 132)의 상대적인 자화 방향의 함수이다. 기록된 데이터로부터 나오는 자기장은 감지 강자성층(132)의 자화 방향을 일정 방향(133), 즉 도 4의 지면을 향하거나 지면으로부터 벗어나는 방향으로 회전시킨다. 이것은 강자성층(118, 132)의 자기 모멘트의 상대적인 배향과 그에 따른 터널링 전류의 양을 변화시키는데, 이러한 변화는 결과적으로 MTJ(100)의 전기 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 디스크 드라이브 전자장치에 의해 검출되고 디스크로부터 판독되는 데이터로 처리된다. 감지 전류는 전기 절연층(160) 때문에 바이어스 강자성층(150)으로 흐르지 못하며, 이러한 전기 절연층(160)은 또한 바이어스 강자성층(150)을 전기 리드(102, 104)로부터 절연시킨다.
도 5a-5b 및 도 6의 종방향 바이어스 영역(150)은 MTJ 강자성 감지층을 거의 단일 자구 상태로 안정화시킨다. 바이어스 영역(150)이 존재하지 않는 경우, 감지층(132)의 에지(180)에 존재할 자극(magnetic pole)은 이들 에지에서 폐쇄 자구들(closure domains)을 형성할 가능성이 많다. 감지층의 다중 자구 상태는 소음을 발생시키거나, 또는 동일한 감지 필드에 대하여 재생불가능한 신호를 발생시킨다.
바람직한 실시예
종방향 바이어스 영역이 MTJ 판독 헤드의 적절한 동작을 위하여 폐쇄 자구들을 제거하지만, 인가된 감지 필드에서 헤드의 응답은 여전히 선형성을 가져야 한다. 이는 감지층(132)의 자기 모멘트를 적절하게 횡방향으로 바이어싱함으로써 구현된다. 감지 필드가 전혀 인가되지 않는 정지 상태에서, MTJ 판독 헤드의 최적 조건의 구성은 감지층(132)의 자기 모멘트가 ABS(161)와 대략 평행을 이루고 고정 강자성층(118)의 자기 모멘트와 대략 수직으로 배향되는 구성이다. 고정 강자성층(118)의 모멘트는 ABS와 거의 수직으로 배향된다. 이 경우 감지층의 자기 모멘트는 MTJ 소자가 감지 필드에 대해 최대 감도를 가지도록 배열되며, 이는 MTJ 소자의 터널링 도전성이 감지층(132) 및 고정층(118)의 자기 모멘트의 방향 사이의 각도의 코사인 값에 따라 변동하기 때문이다. 또한 소자의 터널링 컨덕턴스가 포화되기 전에 감지 필드가 인가되는 경우에 야기되는 감지층의 자기 모멘트의 최대 각변위(angular excursion)는 일반적으로 감지 필드가 ABS의 법선(normal)과 평행을 이루거나 반대 평행 방향을 이루는 방향 중의 하나이다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 감지층(132)은 ABS를 마주보는 전방 에지(182), 후방 에지(190) 및 측면 에지(180)를 가진다. 감지 필드가 전혀 인가되지 않는 경우, 감지층(132)의 자기 모멘트의 배향은 감지 강자성층 상에서 작용하는 순 유효 자기장(net effective magnetic field)에 의해 결정된다. 도 7에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 이는 주로 감지층(132)과 고정 강자성층(118) 사이의 모든 강자성 결합 필드 HF와, 고정 강자성층의 에지(185)의 자극으로부터 생성되는 감지층 상의 정자기 결합 필드 HD가 균형을 이룬 결과이다. 또한 감지층(132)은 자기 이방성을 표시할 수 있으며, 이는 감지층의 자기 모멘트 배향이 감지층 평면의 특정 방향과 일치하는 경향이 있다는 것을 의미한다. 자기 이방성은 감지층을 포함하는 강자성 재료의 고유 자기결정체 이방성(magnetocrystalline anisotropy)에 의해 야기될 수 있거나 MTJ 소자의 제조 공정 중에, 예를 들어 감지 강자성층이 자기장 내에 증착되거나 또는 감지층의 응력(stress)에 의해 감지층이 자기변형(magnetostriction)을 거치는 동안 유도될 수 있다. 또한 몇 가지 자기 형태의 이방성은 감지층의 정자기 필드 자체로부터 파생될 수 있다.
현재 출원 진행 중인 IBM사의 미국 특허 출원번호 제 08/895,118호(출원일: 1997년 7월 16일)에 개시되어 있는 바와 같이, 고정 강자성층의 두께 및 자기 모멘트를 변동시킴으로써 또는 박막 반강자성 결합층에 의해 분리되며 반강자성적으로 결합된 샌드위치형으로 된 2개의 강자성층으로부터 고정 강자성층을 형성함으로써 정자기 결합 필드 HD를 변화시킬 수 있다. 현재 출원 진행 중인 IBM사의 미국 특허 출원 번호 제 08/758,614호(출원일: 1996년 11월 27일)에 개시된 바와 같이, 터널 장벽층(120)과 강자성 감지층(132) 사이에 박막 비강자성층(non-ferromagnetic layer)을 도입함으로써 강자성 결합 필드 HF를 변화시킬 수 있다. 그러나 비강자성층을 추가로 사용하면 MTJ 소자의 자기 터널링 응답(magneto-tunnelling response)의 크기가 감소된다. 또한 이들 방법은 제조하기가 더 어려우며 사용되지 않을 수도 있는 추가 층을 추가로 적층하기 위한 소스가 필요할 수도 있는 보다 복잡한 구조의 MTJ 소자(100)를 요구한다. 또한 감지층의 자기 모멘트(그에 따른 두께)는 자기 기록 판독 헤드의 최적 성능을 위해 기록된 자기 비트의 밀도(density)에 의해 고정될 수 있다.
종래의 MR 장치에서는 강자성 감지층 상에서 작용하며 자기 소자의 층들과 평행하게 흐르는 전류로부터 자기장이 추가적으로 발생한다. 이와 대조적으로, MTJ 소자에서는 강자성층과 수직으로 전류가 흐르며, 결과적으로 감지층 상에서 발생하는 횡방향 자기장은 무시할 수 있을 만큼 작다. 따라서 MTJ 소자를 최적으로 바이어싱하기 위해서는, MTJ 소자에 추가 횡방향 자기 바이어스 필드를 제공하기 위한 메커니즘이 요구된다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 횡방향 바이어스 필드는 감지층(132)의 좌측 및 우측 에지 근처의 종방향 바이어스 영역(322)(도 7에 도시됨) 및 ABS 표면과 떨어져 위치하는 후방 에지(190)를 따라 형성되어 있는 횡방향 바이어스 영역(324)을 가지는 강자성 바이어스층(320)에 의해 제공된다. 바이어스층(320)은 연속 경계 바이어스(CBB) 층으로 지칭될 수 있다. MTJ 센서(100)의 감지층의 전방 에지(182), 즉 ABS의 에지가 덮이지 않은 상태로 남아 있기 때문에, 감지층에 의해 자기 매체 내에 기록된 비트로부터의 자속을 검출할 수 있다. MTJ 센서의 전방 에지는 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 ABS에 직접 위치할 수 있거나, 또는 ABS로부터 리세스될 수 있어서, 자속은 자속 가이드 수단에 의해 리세스된 센서의 전방 에지로 전달될 수 있다. 후방 에지(190)에서 추가 바이어스 영역(324)을 사용함으로써 (도 8의 화살표(382)에 의해 표시된 방향을 따라) 적당한 크기의 횡방향 바이어스 필드를 허용한다. 또한 도 8의 화살표(380)에 의해 표시되어 있는 바와 같이, 박막 평면에 있는 ABS로부터 떨어져 위치하는 CBB층(320)의 자기 모멘트의 방향을 기울임으로써, MTJ(100)에 종방향 바이어스 필드(도 8의 화살표(384)의 방향을 따라)를 인가할 수 있다. 경사각(canting angle) θ를 적당하게 조정함으로써, CBB층(320)으로부터의 횡방향 바이어스 필드의 크기를 일정 범위 내에서 임의로 변경하여, MTJ 강자성 감지층 상의 횡방향 필드 HD및 HF를 보다 완전하게 보상할 수 있다. 동시에 CBB층(320)은 MTJ 센서의 안정화를 위해 충분한 종방향 바이어스 필드를 제공한다. 자기 모멘트는 +/-90°사이의 방향(380)을 가질 수 있으며, 여기서 0°는 직사각형 형태의 감지층(132)의 길이가 긴 에지와 평행을 이루며 자기장이 인가되지 않는 경우의 감지층의 모멘트와 동일한 방향인 종방향과 완전히 일치한다. 각도 θ를 적당하게 선택함으로써, 횡방향 필드를 보상하여 선형 응답을 제공하기 위한 횡방향 바이어스 및 안정화를 위한 종방향 바이어스의 양자 모두를 보장한다.
도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 실시예에 의한 CBB층(425)은 3개의 상이한 지점―MTJ(100)의 감지 강자성층의 측면 에지에 위치하는 2개의 종방향 바이어스 영역(420) 및 후방 횡방향 바이어스 영역(425)―으로 구성된다. MTJ(100)의 좌측 및 우측 에지(180)의 바이어스부(420)에 의해 종방향 바이어스 필드가 제공되지만, 본 발명에 의한 실시예에서는 후방 에지(190)의 바이어스부가 개별적인 영역(425)으로 제조된다. 따라서 2개의 바이어스 영역(420, 425)의 자기 모멘트는 적당한 세기와 방향을 가지는 종방향 및 횡방향 바이어스 필드를 제공하도록 독립적으로 설계되어 있다. 본 발명의 가장 간단한 실시예에서, 횡방향 및 종방향 바이어스 영역(420, 425)의 자기 모멘트의 방향은 도 9의 화살표(480)에 의해 표시된 방향으로 형성된 공통 경사각을 따라 배향된다. 따라서 종방향 및 횡방향 바이어스 필드는 도 9의 화살표(484, 482)에 의해 표시된 방향을 따라 형성된다. 횡방향 바이어스 영역(425)과 종방향 바이어스 영역(420)이 자화시키기 어려운 재료 또는 보자력이 강한 강자성 재료로 구성되는 다른 실시예에서, 횡방향 바이어스 영역(425)의 경사각 θT및 종방향 바이어스 영역(420)의 경사각 θL을 서로 다른 경사각으로 설정할 수 있다.
이제 MTJ(100)(도 4에 도시됨)에 사용되는 대표적인 재료에 대해 설명한다. MTJ(100)의 모든 층은 자기장이 기판 표면과 평행하게 인가되는 상태에서 성장한다. 자기장은 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis)을 배향시키는 역할을 한다. 먼저 5 nm 두께의 Ta 시드층(도시되지 않음)이 전기 리드(102)로 사용되는 10-50 nm 두께의 Au층 상에 형성된다. 시드층은 면심 입방(face-centered cubic; fcc) Ni81Fe19로 된 템플릿층(112)이 방향(111)으로 성장되는 것을 촉진하는 재료로 구성된다. 템플릿 강자성층(112)은 반강자성층(116)의 성장을 촉진한다. 적당한 시드층 재료는 Ta 뿐 아니라 Cu 또는 3-5 nm 두께의 Ta/3-5 nm 두께의 Cu와 같이두 층이 결합된 것과 같은 fcc 금속을 포함한다. MTJ 베이스 전극 스택(110)은 10-20 nm 두께의 Au층(102) 상의 Ta 시드층 상에 성장되는 4 nm 두께의 Ni81Fe19(층 112)/10 nm 두께의 Fe50Mn50(층 116)/8 nm 두께의 Ni81Fe19(층 118)로 이루어진 스택을 포함한다. Au 리드층(102)은 기판으로 사용되는 알루미나 갭 재료(G1) 상에 형성된다. 다음에 터널 장벽층(120)은 0.5-2 nm 두께의 Al층을 증착한 후 플라즈마 산화시킴으로써 형성된다. 이렇게 하면 Al2O3으로 구성된 절연 터널 장벽층(120)이 만들어진다. 상부 전극 스택(130)은 5 nm 두께의 Ni-Fe(층 132)/10 nm 두께의 Ta(층 134) 스택이다. Ta층(134)은 보호용 캡층의 기능을 한다. 상부 전극 스택(130)은 전기 리드(104)의 기능을 하는 20 nm 두께의 Au층과 접촉된다.
전류가 MTJ 소자의 층과 수직으로 흐르기 때문에, MTJ 소자의 저항은 주로 터널 장벽층(120)의 저항에 의해 좌우된다는 사실에 유의해야 한다. 따라서 도전 리드(102, 104)의 단위 면적 당 저항은 전류가 층들과 평행으로 흐르는 종래의 MR 판독 헤드에 비해 훨씬 높을 수 있다. 따라서 리드(102, 104)는 종래의 MR 헤드 구조에 비해 얇거나 좁게 형성될 수 있으며, 본질적으로 합금 또는 원소의 조합과 같이 보다 저항이 높은 재료로 구성될 수 있다.
하부 전극 스택(110) 내의 층들은 매끄럽고, Al2O3터널 장벽층(120)에는 접합부를 전기적으로 단락시킬수 있는 핀홀(pinhole)이 없다는 점이 중요하다. 예를 들어, 금속 다층 스택 내에서 양호한 거대 자기저항 효과를 생성하는 것으로 알려진 스퍼터링 기술에 의한 성장으로 충분히 사용될 수 있다.
대안적으로, 감지 강자성층(132)과 터널 장벽층(120) 간의 인터페이스 영역에 위치하는 감지 강자성층(132)은 Co 또는 Co(100-x)Fe(x)또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 구성된 박막층으로 구성될 수 있으며, 감지 강자성층(132)의 벌크 상태는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 19임)와 같은 낮은 자기변형성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. Co 또는 Co(100-x)Fe(x)또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 된 박막 인터페이스층을 갖는 이러한 종류의 감지층에 대한 총 자기변형(net magnetostriction)은 감지 강자성층(132)의 벌크 상태의 조성을 약간만 변화시켜 거의 0에 근접하는 값을 갖도록 배열된다. 대안적으로, 고정 강자성층(118)의 터널 장벽층(120)과의 인터페이스 영역은 주로 Co 또는 Co(100-x)Fe(x)또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 구성된 박막층을 갖는 벌크 상태의 Ni(100-x)Fex층으로 구성될 수 있다. Co 또는 최대 분극 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임) 또는 Co(100-x)Fe(x)합금(x는 대략 70임)을 사용하여 최대 신호를 얻는다. 인터페이스층의 두께는 약 1-2 nm인 것이 가장 적합하다. 결합층들의 순 자기 변형은 조합된 성분을 약간 변화시켜 거의 0에 근접하도록 배열된다. 고정 강자성층(118)의 벌크 상태가 Ni-Fe인 경우, 조성은 Ni81Fe19이며, 이는 Ni-Fe의 자기 변형이 0인 벌크 상태 경우의 조성에 해당한다.
Fe-Mn 반강자성층(116)은 Al2O3장벽층(120)의 저항보다 상당히 작은 저항을 갖는 Ni-Mn층 또는 Ir-Mn층 또는 다른 적합한 반강자성층으로 교체될 수 있으며 이러한 층의 교환은 고정층(118) 내의 강자성 재료를 바이어싱한다. 예를 들어 충분한 도전성을 갖는 산화 반강자성층(antiferromagnetic oxide layer)을 사용할 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에서 고정 강자성층이 반강자성층과 계면 교환 결합에 의해 고정된 자기 모멘트를 갖는데 반해, 고정 강자성층은 자기적으로 '자화시키기 어려운' 보자력이 강한 재료로 형성될 수 있기 때문에, 반강자성층이 필요 없게 된다. 따라서 자화시키기 어려운 고정 강자성층은 Co-Pt-Cr 합금, Co-Cr-Ta 합금, Co-Cr 합금, Co-Sm 합금, Co-Re 합금, Co-Ru 합금, 및 Co-Ni-X 합금(X = Pt, Pd, 또는 Cr)뿐만 아니라 Co-Ni-Cr-Pt 및 Co-Pt-Cr-B와 같은 다양한 4원소 합금을 포함하는 Co와 기타 하나 이상의 원소와의 합금과 같은 다양한 강자성 재료로 형성될 수 있다.
도 4에 도시되고 전술한 MTJ 소자가 MTJ(100)의 하부에 고정 강자성층을 갖지만, 또한 MTJ 소자는 먼저 감지 강자성층을 증착한 후 터널 장벽층, 고정 강자성층 및 반강자성층을 증착하여 형성될 수 있다. 따라서 이러한 MTJ 소자는 도 4에 도시된 MTJ(100)와 완전히 방향이 역전되어 형성된 층들을 가질 수 있다.
본 발명의 MTJ MR 판독 헤드를 제조하기 위한 공정
이하에서는, 도 10a 내지 도 10e의 공정 흐름도를 참조하여 본 발명에 의한 CBB 층(320)을 갖는 MTJ MR 판독 헤드를 형성하기 위한 공정에 대하여 먼저 기술한다. 이들 일련의 도면에 있어서, 소자의 평면도는 단지 도 8에 도시된 MTJ MR 판독 헤드를 만들어내는데 필요한 기본적인 리소그래픽 패턴닝 단계를 설명하기 위한 평면도이다.
공정을 용이하게 설명하기 위해, MTJ(100)을 구성하는 개별 층들을 도 10a내지 도 10e에 도시하지 않았으며, 이들 일련의 층들을 각각 개별적으로 MTJ로 지칭한다. 층들이 증착되는 기판(도시하지 않음)은 알루미나 갭층(G1) 또는 실드(S1) 중의 하나이다. 실온 상태의 기판에 아르곤(Ar) 가스를 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)함으로써 막의 성장이 이루어진다. 스퍼터링 성장 시에 매우 평탄한 막이 생성되도록 주의해야 한다. 기판의 평면 내에서의 자기장 방향을 가지며 20-100 Oe의 크기로 인가된 자기장은 자성층들이 성장함에 따라 그 자성층 내로 자기 이방성을 유도하는데 사용될 수 있다. MTJ(100) 구조의 일부로서, 터널 장벽층(120)이 되는 알루미늄층이 증착되고, 이어서 100 mTorr의 산소압 및 25 W/cm2의 전력 밀도로 30 내지 240초 동안 플라즈마 산화된다. 그리하여 알루미나로 구성된 절연 터널 장벽층(120)이 형성된다. 공정 중에 알루미늄층의 플라즈마 산화는 공정 중 진공 상태를 파괴하지 않고 행해진다.
MTJ 소자의 동작에 필수적인 것은 아니지만, 거의 수직한 자기장 내에 이들 MTJ 층들을 증착함으로써 고정 강자성층 및 감지 강자성층 내에 적절한 자기 이방성을 유도하는 것이 효과적일 수 있다. MTJ(100) 내에 알루미나 터널 장벽층(120)을 형성하고 감지 강자성층(132)을 증착하기 전에, 기판을 기판의 평면 내에서 대략 90도 회전시켜 일반적으로 인가된 자기장에 대해 횡방향이 되도록 한다. 또 다른 방법으로는 외부에서 인가된 자기장을 회전시킬 수 있다.
하부 리드(102) 및 MTJ(100)(상부 캡층(134)을 포함함)을 순차적으로 증착하는 공정이 시작된다. 그 후 이들 층들은 도 10a에 도시된 소자의 일부인 하부 전기 리드(102)의 형태로 패턴닝된다. 다음 단계인 도 10b에서는 리소그래피 방법을 사용하여 연속 경계 바이어스 영역에 해당하는 개방 영역(325)을 형성한다. 이는 개방 영역(325)을 형성하기 위해 순차적으로 노광(exposed)되고 패턴화된 포토레지스트층(310)을 MTJ(100) 상에 증착함으로써 구현된다. 이러한 단계는 개구부(325)의 내부 치수가 형성될 때 MTJ(100)의 유효 트랙 폭 TW를 정의한다. 도 10b에 도시한 바와 같이, 트랙 폭을 정의하기 위해 포지티브 포토레지스트(310)를 리드(102) 및 MTJ(100)에 도포한 후 이를 현상한다. 이어서, 전기 리드층(102)까지 아래 방향으로 이온 밀링(ion milling)하여 MTJ(100)로부터 형상(325) 형태의 물질을 제거한다. 캡층(134) (도 4 참조) 재료를 적절하게 선택하면, 나머지 MTJ층을 이온 밀링하기 전에 캡층(134)을 응답성 이온 에칭하는 것도 가능하다.
다음 도 10c에 있어서, 제1 알루미나 절연체층(330), CoPtCr로 구성된 자화시키기 어려운 강자성 CBB층(320), 및 제2 알루미나 절연체층(330)이 포토레지스트(310) 내의 개구부(325)를 통해 증착되고, CBB층(320)을 형성하는 전기적으로 절연된 바이어스 재료로 구성된 영역이 남는다.
3번의 증착을 개별적으로 수행하여 절연층(330) 및 자화시키기 어려운 층(320)을 형성한다. 일차적으로 제1 알루미나 증착은 하부층(330)을 형성하고, 이온 밀링된 영역(325)의 깊이에 따라 MTJ(100)의 측벽 및 후방 벽 또는 MTJ(100)(도 4에 도시됨)의 상부 또는 상부층의 형태와 합치된다. RF 스퍼터링 증착 기술을 사용하여 절연층을 증착하는 경우, 절연층의 측벽 두께는 평탄한 면의 두께보다 얇다. 측벽 상의 일반적인 스퍼터링 효율은 평탄한 면 표면 상의 스퍼터링 효율의1/2 내지 3/4가 된다. 이차적으로 이온 빔(ion beam) 증착과 같은 방향성 증착 기술(directional deposition technique)을 사용하여 자화시키기 어려운 바이어스층(320)을 증착한다. MTJ(100)의 측벽 및 후방벽의 형태와 합치하는 제1 절연층 증착으로부터의 알루미나는 CBB층(320)을 MTJ(100)와 절연시키는 역할을 한다. 삼차적으로 최종 절연층 증착은 상부 영역층(330) 및 캡층을 형성하고 CBB층(320)의 상부 표면을 밀봉(seal)한다.
제1 알루미나층(330) 및 제2 알루미나층(330)은 RF 스퍼터링에 의해 형성되어 MTJ(100)의 에지의 전기 리드(102)를 완전히 덮는 것이 바람직하며, 이들 각각의 알루미나층은 100-500 Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 공정에 의해 완전성이 높은 절연체가 형성되는데, 이는 감지 전류가 CBB층(320)을 통해 분류(shunt)되지 않도록 하는 것이 중요하기 때문이다. 바람직하게는 CoPtCr 합금으로 형성되는 CBB층(320)은 에지 겹침(edge overlap)이 발생하지 않도록 이온 빔 스퍼터링 증착과 같은 방향성 증착 공정에 의해 형성되고, 감지층(132) 두께의 대략 2배의 두께로 증착되는 것이 바람직하다. 그 후 박리(lift-off) 공정에서 포토레지스트(310), 및 그 포토레지스트 상부의 알루미나층 및 자화시키기 어려운 바이어스층을 제거하면, 결과적으로 MTJ(100)의 좌측, 후방 및 우측 에지에 위치하며 전기적으로 절연된 자화시키기 어려운 강자성 바이어스층(320)의 연속 경계 바이어스 영역이 형성된다. 도 10c는 이러한 공정의 최종적인 결과를 도시하며, 명확한 설명을 위해 절연체 절연 에지를 도시한다. 다음 리소그래피 방법을 사용하여 포토레지스트(340)(도 10d에 도시됨)를 증착하고 패턴닝함으로써 MTJ(100)의 (래핑 전의) 초기 스트라이프 높이를 형성한다. 마지막으로 전기 도체(102)까지 아래 방향으로 이온 밀링 공정을 수행하여 과도한 터널 접합 물질을 제거하여, 도 10e에 도시된 바와 같이 MTJ 판독 헤드의 구성을 완료한다. 그 후, 마지막으로 소자 내에 전기 리드를 형성하면 MTJ MR 헤드 구조의 제조가 완전히 완료된다.
도 10a-10e에 기술된 공정 흐름의 순서에서, 제1 리소그래피 단계(도 10b에 도시됨)는 센서의 폭 및 센서의 후방 에지의 폭을 정의한다. 그러나 리소그래피를 사용하여 마이크론 이하(sub-micron) 크기의 좁은 후방 영역을 구성하는 것이 어려우며, 이는 리소그래피 공정의 노광 단계에서 형상(325) 형태의 내부 코너에 위치하는 레지스트를 적절하게 제거할 수 없기 때문이다. 또한 이러한 공정 순서는 단일 연속 경계 바이어스 영역(320)을 제공하며, 이는 횡방향 바이어스 필드와 종방향 바이어스 필드의 세기가 독립적으로 변화할 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 두 가지 문제점을 해결하기 위해, 공정 순서를 도 11a 내지 도 11e에 도시된 바와 같이 변경하여, 도 9에 도시된 MTJ MR 판독 헤드의 실시예를 구현할 수 있다.
도 9의 MTJ 판독 헤드를 제조하기 위해 필요한 공정 순서 순서를 도 11a 내지 도 11e에 도시한다. 이러한 공정은 횡방향 바이어스 영역(425)의 개별적인 후방 에지를 구성하기 위한 리소그래피 단계를 추가로 요구한다. 하부 리드(102) 및 MTJ(100)(상부 캡층(134)을 포함함)를 순차적으로 증착함으로써 공정이 다시 시작된다. 그 후 이들 층들은 도 11a에 의해 도시된 바와 같이 하부 전기 리드(102)의 형태로 패턴화된다. 다음 도 11b에서 리소그래피 방법을 사용하여 MTJ 센서(100)의 좌측 및 우측 에지의 종방향 바이어어스 영역이 증착될 2개의 개방 영역(421)을형성한다. 또한 이러한 단계는 MTJ(100)의 유효 트랙 폭(TW)을 정의한다. 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이, 포지티브 포토레지스트(410)를 전기 리드(102) 및 MTJ(100)에 도포한 다음 이를 현상하여 트랙 폭(TW)을 정의한다. 이어서, 전기 리드층(102)까지 아래 방향으로 이온 밀링(ion milling)하여 MTJ(100)로부터 두 가지 형상(421) 형태의 재료를 제거한다.
다음 도 11c에 있어서, 제1 알루미나 절연체층(430), CoPtCr로 구성된 자화시키기 어려운 바이어스층(420), 및 제2 알루미나 절연체층(430)이 포토레지스트(410) 내의 개구부(421)를 통해 증착되고, 종방향 바이어스 강자성층(420)을 형성하는 전기적으로 절연된 바이어스 물질 영역이 남는다. 제1 알루미나층(430) 및 제2 알루미나층(430)은 RF 스퍼터링 기술에 의해 형성되어 MTJ(100)의 에지의 전기 리드(102)를 완전히 덮는 것이 바람직하며 여기서 각각의 알루미나층은 100-500 Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 공정에 의해 높은 집적도를 갖는 절연체가 형성되는데, 이는 감지 전류가 자화시키기 어려운 종방향 바이어스 영역(420)을 통해 분류되지 않도록 하는 것이 중요하기 때문이다. 바람직하게는 CoPtCr 합금으로 형성되는 자화시키기 어려운 바이어스층(420)은 에지 겹침이 발생하지 않도록 이온 빔 스퍼터링 증착과 같은 방향성 증착 공정에 의해 일정 방향으로 형성되고, 감지층(132) 두께의 대략 2배의 두께로 증착되는 것이 바람직하다. 그 후 박리 공정에서 포토레지스트(410), 및 그 포토레지스트 상부의 알루미나층 및 자화시키기 어려운 바이어스층을 제거하고, 그 결과 MTJ(100)의 좌측, 및 우측 에지에 위치하며 전기적으로 절연된 종방향 바이어스 영역(420)이 형성된다. 도 11c는 이러한 공정의 최종적인 결과를 도시하며, 명확한 설명을 위해 절연체 절연 에지를 도시한다. 다음 11d에 도시되어 있는 바와 같이 포토레지스트(440)를 사용하여 추가 리소그래피 단계를 수행하여 후방 횡방향 바이어스 영역(425)을 위해 강자성 재료가 증착되어 있는 개구부(445)를 형성한다. 이러한 리소그래피 단계는 또한 MTJ 센서(100)의 후방 에지를 구성한다. 이온 밀링, 알루미나 절연체(460)와 자화시키기 어려운 재료의 증착, 및 박리 단계를 연속적으로 수행하여, 자화시키기 어려운 바이어스 영역(420)의 좌측 및 우측 에지를 형성하기 위해 전술한 바와 유사한 후방 영역(425)을 형성하도록 하여, 도 11e에 도시된 구조를 만든다. 그후, 리소그래피를 사용하여 포토레지스트(470)(도 11f에 도시됨)를 증착하고 패턴닝함으로써 MTJ(100)의 (래핑 전) 초기 스트라이프 높이를 형성한다. 마지막으로 전기 도체(102)까지 아래 방향으로 이온 밀링을 수행하여 과도한 터널 접합 재료를 제거하여, 도 11g에 도시된 MTJ 판독 헤드의 구성을 완료한다. 그 후, 마지막으로 소자 내에 전기 리드를 구성하면 MTJ MR 헤드 구조의 제조가 완전히 완료된다.
MTJ 소자에 대해 대칭인 출력 특성을 얻기 위해서는 강자성 감지층(132)의 자화 방향(133)이 도 4에 도시된 방향으로, 즉 횡방향 성분이 없는 종방향 방향을 따라 유지되도록 해야 한다. 이것은 기록된 매체로부터 나오는 어떠한 감지 필드도 없는 경우 강자성 감지층이 영향을 받는 여러 가지 유효 횡방향 자기장을 균형시킴으로써 구현된다. 따라서 주로 감지층과 고정 강자성층 사이의 강자성 결합필드 HF와, 고정 강자성층으로부터 나오는 감자 필드(demagnetization field) HD와, 연속 경계 바이어스층(320) 또는 횡방향 바이어스층(420) 중의 하나로부터 유발되는 횡방향 바이어스 필드 사이의 균형이 유지된다. 전술한 바와 같이 MTJ 소자에서는 터널링 전류가 상기 구조를 갖는 층들과 수직하게 흐르므로, 박막에 흐르는 전류로부터 유도되는 필드가 작다는 점에 유의해야 한다. HF는 결정적으로 강자성박막들과 실제 접합부 사이의 인터페이스 영역의 특성 및 접합부의 두께에 의해 좌우된다. HF는 수 에르스텟(Oe)에서 20-50 Oe까지 변할 수 있다. HD는 센서의 형상, 즉 최종 스트라이프 높이 SH 및 고정 강자성층 두께 t와 고정 강자성 자화도 M에 따라 좌우되며, [4π×(t/SH)×M]으로 가변한다. 따라서, t=50 Å, SH=10,000 Å, M=800 emu/㎤일 때, HD는 40 Oe 범위 내에 있다. 센서의 형상 및 인터페이스 영역의 특성을 변화시킴으로써, HD및 HF를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 전술한 IBM사의 미국 특허 제 5,465,185호에 기술된 바와 같이 고정층을 반대 평행 방향으로 적층함으로써 HD를 최소화할 수 있다. 이러한 층의 총 자기 모멘트는 두 개의 고정된 박막 사이의 간격에 상당하고, 이 간격은 대략 5 Å이므로, HD는 대략 4 Oe로 감소된다. 따라서 인터페이스 영역의 특성을 변화시킴으로써 HF를 변동시킬 수 있다.
리드(104)가 패턴닝되어 MTJ MR 헤드 구조가 완전히 완성된 후에도 고정 강자성층(118)의 자화를 적절한 방향으로 정렬시킬 필요가 있다. 고정강자성층(118)과 교환 결합되어 증착된 Fe-Mn층(116)은 반강자성을 갖는다. 그러나 Fe-Mn층의 자화는 적절한 배향으로 고정 강자성층(118)과 교환 결합할 수 있도록 재정렬되어야 한다. 상기 구조가 어닐링 오븐(annealing oven)에 놓여지면, Fe-Mn의 블로킹 온도(blocking temperature)보다 더 높은 온도인 대략 180 ℃까지 상승된다. 이 온도에서, Fe-Mn층은 고정 강자성층(118)과의 교환 이방성을 더 이상 일으키지 않는다. 자기장 내에서 한 쌍의 층(116, 118)을 냉각시키면 강자성층(118)의 교환 이방성이 발생한다. 고정 강자성층(118)의 자화 배향은 자기장이 인가되는 방향을 따라 형성된다. 따라서, 어닐링 오븐 내에서 인가된 자기장은 고정 강자성층(118)의 모멘트가 도 4에서 화살표(184)로 도시된 바와 같이 ABS와 원하는 수직한 방향을 따라 고정되도록 한다. 이것은 원하는 방향으로 인가된 자기장에 의해 자화된 강자성층(118)이 있는 상태에서 Fe-Mn층을 냉각시킨 결과이다. 따라서 기록 매체로부터 자기장이 인가되는 경우, Fe-Mn의 블로킹 온도보다 낮은 온도에서, 고정 강자성층(118)의 자화는 실질적으로 회전하지 않는다.
리소그래피를 이용하여 형성된 전방 감지 에지를 라인(161)까지 다시 최종 치수로 래핑하면 본 발명 소자에서 MTJ(100)의 최종 스트라이프 높이 SH가 형성되어 도 8 및 도 9에 도시된 구조가 완성된다.
바이어스 강자성층(320, 420, 425)은 Co-Pt 2원소 합금 또는 Co-Pt-Cr 3원소 합금(예를 들어 Co75Pt12Cr13) 또는 Co-Pt-Ni 3원소 합금 또는 Co-Cr-Ta 3원소 합금과 같은 Co와 다른 하나 이상의 원소의 합금과 같은 보자력이 강한 재료로 구성된 단일층으로부터 형성될 수 있다. 보자력이 강한 재료로 구성된 단일층을 사용하는 것 이외에도, 바이어스 강자성층은 제1 강자성박막 및 제1 강자성박막과 접촉하여 계면 교환 결합된 반강자성박막을 포함하는 이중 막(dual-film) 구조로 구성될 수 있다. 반강자성박막은 제1 강자성박막의 자기 모멘트를 원하는 방향으로 유지한다. 강자성박막은 Ni-Fe로 구성될 수 있으며, 반강자성박막은 Ni-Mn으로 구성될 수 있다. 이러한 이중 막의 실시예에 있어서, 반강자성박막은 반강자성층(116)용으로 사용되는 재료의 블로킹 온도와는 블로킹 온도가 상당히 다른 재료로 구성되어야 한다. Ni-Mn은 약 450℃보다 높은 블로킹 온도를 가지며, Fe-Mn은 약 200℃의 블로킹 온도를 가진다. 따라서 소자의 온도를 블로킹 온도 이상으로 가열하고 강자성층(150 또는 118 중의 하나)이 블로킹 온도가 높은 반강자성층과 교환 결합되는 방향을 따라 배향된 자기장 내에서 냉각시킴으로써, 블로킹 온도가 높은 반강자성층에 의해 제공되는 교환 바이어스 필드를 형성한다. 그후 제2 단계에서, 다른 강자성층의 블로킹 온도보다 약간 높은 온도까지 냉각시킨 후에, 자기장 배향(또는 대안적으로 소자의 배향)을 90도 회전시킨 다음, 소자를 더 냉각시킨다.
MR 판독 헤드로 사용되는 MTJ 소자에 대하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명은 예를 들어 자동차 바퀴 또는 기어와 같은 장치의 회전을 측정하기 위해 설계된 센서 또는 선형 위치를 측정하기 위해 설계된 센서와 같은 MR 센서에도 충분히 적용가능하다.
본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드는 횡방향 바이어스 필드를 제어하여 선형출력 신호를 제공하도록 소자의 성능을 최적화하며, 종방향 바이어스 필드가 안정된 출력 신호를 제공한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 본 발명 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 내용에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 본 발명은 단순히 예시하기 위한 것으로 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 간주되어야 한다.
Claims (19)
- 내부 전기 저항 변화를 검출하기 위한 감지 회로 접속용 자기 터널 접합 소자에 있어서,a) 기판;b) 상기 기판 상에 형성된 제1 전기 도전성 리드;c) 상기 제1 리드 상에 형성되어 있으며,i) 자기장이 인가되지 않는 경우 고정된 자기 모멘트를 가지는 고정 강자성층,ⅱ) 상기 고정 강자성층과 접촉하는 절연 터널 장벽층, 및ⅲ) 상기 절연 터널 장벽층과 접촉하는 감지 강자성층―여기서 감지 강자성층은 대체로 직사각형 형태이고 길이가 긴 후방 에지 및 길이가 짧은 2개의 대향하는 측면 에지를 가짐―을 포함하는 자기 터널 접합 스택;d) 상기 자기 터널 접합 스택 상에서 형성되고 자기 터널 접합 스택과 접촉하는 제2 전기 도전성 리드;e) 상기 감지 강자성층의 후방 에지 및 측면 에지 주위의 기판 상에 형성되고, 상기 후방 에지 및 측면 에지들로부터 이격되어 있는 바이어스 강자성층―여기서 바이어스 강자성층은 자기장이 인가되지 않는 경우 감지 강자성층의 자기 모멘트를 소정의 방향으로 바이어싱하는 자기 모멘트를 가짐―; 및f) 상기 바이어스 강자성층과 감지 강자성층이 상기 감지 강자성층의 후방 에지 및 측면 에지에서 서로 접촉하지 못하도록 분리하는 전기적 절연층을 포함하고,상기 전기 리드들이 감지 회로에 연결되는 경우, 상기 스택 내에 있는 층들을 통하여 수직으로 흐르는 전류에 대한 전기 저항은 고정 강자성층 및 감지 강자성층의 상대적인 자기 모멘트 배향에 의해 정해지고, 감지 전류는 상기 바이어스 강자성층으로 분류(shunting)되는 것을 방지하는자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,바이어스 강자성층이 -90°보다 크고 +90°보다 작은 각도 범위―여기서 각도 범위 중 0°는 대체로 직사각형 형태의 감지 강자성층의 후방 에지와 대체로 평행인 세로 방향과 일치하며, 자기장이 인가되지 않는 경우의 감지층의 자기 모멘트 방향과 동일함―로 배향된 평면 내의 자기 모멘트를 가지는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 고정 강자성층 및 감지 강자성층의 자기 모멘트는 자기장이 인가되지 않는 경우 대체로 서로 수직하게 배향되는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 절연층이 바이어스 강자성층을 상기 리드들 중 적어도 하나의 리드와 전기적으로 절연시키는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전기 리드는 하부 리드이고, 상기 자기 터널 접합 스택은 상기 고정 강자성층이 제1 전기 리드와 전기적으로 접속하도록 기판 상에 형성되며,상기 제2 전기 리드는 상부 리드이고, 상기 감지 강자성층과 전기적으로 접촉하는자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전기 리드는 하부 리드이고, 상기 자기 터널 접합 스택은 상기 감지 강자성층이 제1 전기 리드와 전기적으로 접속하도록 기판 상에 형성되며,상기 제2 전기 리드는 상부 리드이고, 고정 강자성층과 전기적으로 접속하는자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 스택 내의 모든 층들이 인접 측면 에지를 갖는 대체로 동일한 직사각형 형태를 갖는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 자기 터널 접합 스택이 고정 강자성층의 자기 모멘트를 상기 소정의 방향으로 고정하기 위해 계면 교환 결합에 의해 고정 강자성층과 접촉하는 반강자성층을 추가로 포함하는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 바이어스 강자성층이 Co, Pt 및 Cr을 포함하는 합금으로 형성되는 자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 바이어스 강자성층이 강자성박막, 및 상기 강자성박막과 접촉하여 계면 교환 결합된 반강자성박막을 포함하는 자기 터널 접합 소자.
- 제10항에 있어서,상기 강자성박막은 Ni 및 Fe의 합금을 포함하며,상기 반강자성박막은 Ni 및 Mn 합금을 포함하는자기 터널 접합 소자.
- 제1항에 있어서,상기 바이어스 강자성층은 감지 강자성층의 각각의 측면 에지 근처에 위치하는 2개의 측면부 및 상기 감지 강자성층의 후방 에지 근처에 위치하는 후방부를 포함하며,상기 절연층은 2개의 측면부를 상기 후방부와 분리하는자기 터널 접합 소자.
- 제12항에 있어서,상기 측면부가 상기 후방부의 자기 모멘트와 다른 방향으로 배향된 자기 모멘트를 가지는 자기 터널 접합 소자.
- 매체 상에 자기적으로 기록된 데이터를 감지하고, 상기 매체와 대향하는 감지 표면을 가지는 자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드에 있어서,a) 기판;b) 상기 기판 상에 형성된 고정 강자성층―여기서 고정 강자성층의 자화 방향은 감지 표면과 대체로 수직인 방향을 따라 고정되어 매체로부터 자기장이 인가되는 경우 회전하는 것을 실질적으로 방지함―;c) 상기 고정 강자성층 상에 위치하고 고정 강자성층과 접촉하는 절연 터널링 장벽층;d) 상기 터널링 장벽층 상에 위치하고 터널링 장벽층과 접촉하며, 자기장이 인가되지 않는 경우 그 자화가 감지 표면과 대체로 평행하고 고정 강자성층의 자화 방향과는 대체로 수직한 소정의 방향으로 배향되고 매체로부터 자기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전할 수 있는 감지 강자성층―여기서 감지 강자성층은 대체로 직사각형 형태를 가지며 감지 표면과 평행인 길이가 긴 감지 에지, 감지 에지와 평행인 길이가 긴 후방 에지, 길이가 짧은 2개의 대향하는 측면 에지를 가짐―;e) 상기 감지 강자성층의 후방 에지 및 측면 에지 주위의 기판 상에 형성되어 있고 상기 후방 에지 및 측면 에지로부터 이격되어 있고, 자기장이 인가되지 않는 경우 감지 강자성층의 자화 방향을 상기 소정의 방향으로 바이어싱하는 바이어스 강자성층;f) 상기 바이어스층 및 감지 강자성층 사이에 위치하고 바이어스층을 감지층과 전기적으로 절연시키는 전기적 절연층; 및g) 한 쌍의 전기 리드―여기서 각 리드는 고정층 및 감지층 중의 하나와 각각 연결되고 절연층에 의해 바이어스층과 전기적으로 절연되어, 감지 전류가 상기 리드들 사이를 통과하면 전류는 바이어스층을 통과하지 않고 절연 터널링 장벽층을 통하여 대체로 수직하게 흐름―를 포함하는 자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
- 제14항에 있어서,계면 교환 결합에 의해 상기 고정 강자성층과 접촉하고 고정 강자성층의 자화 방향을 고정시키는 반강자성층을 추가로 포함하는 자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
- 제14항에 있어서,상기 전기 리드 중의 제1 리드는 상기 기판 상에 형성되고,상기 반강자성층은 기판 상에 형성되어 기판과 고정 강자성층 사이에 위치하며,상기 고정 강자성층은 반강자성층 상에 형성되어 반강자성층과 접촉하고, 그 결과 고정 강자성층의 자화 방향은 반강자성층과의 계면 교환 결합에 의해 고정되는자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
- 제14항에 있어서,상기 전기 리드 중의 제1 리드는 기판 상에 형성되며,상기 감지층은 상기 제1 리드와 절연 터널링 장벽층 사이에 위치하는자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
- 제14항에 있어서,상기 고정 강자성층, 터널 장벽층, 및 감지 강자성층은 상기 감지 강자성층의 직사각형 에지와 대체로 동일 평면을 이루는 에지를 가지는 고정 강자성층과 터널 장벽층을 구비하는 층들로 이루어진 스택으로 구성되며,상기 절연층은 상기 스택을 바이어스 강자성층 및 전기 리드와 전기적으로절연시키는자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
- 제14항에 있어서,바이어스 강자성층이 -90°보다 크고 +90°보다 작은 각도 범위―여기서 각도 범위 중 0°는 대체로 직사각형 형태의 감지 강자성층의 후방 에지와 대체로 평행인 세로 방향과 일치하며, 자기장이 인가되지 않는 경우의 감지층의 자기 모멘트 방향과 동일함―로 배향된 평면 내의 자기 모멘트를 가지는 자기 터널 접합 자기 저항 판독 헤드.
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