KR100307777B1

KR100307777B1 - 자기저항효과막및자기저항효과형헤드

Info

Publication number: KR100307777B1
Application number: KR1019980002807A
Authority: KR
Inventors: 사토루 아라키; 기요시 노구치
Original assignee: 사토 히로시; 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2001-10-19
Also published as: KR19990006334A; EP0883196A2; DE69825219T2; JPH10340813A; US5968676A; EP0883196A3; DE69825219D1; EP0883196B1; JP3225496B2

Abstract

본 발명은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막으로서,

상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm이 되도록 구성된다.

이러한 구성으로 함으로써 열안정성이 우수하고, 블로킹온도가 충분히 높으며, 핀멈춤 효과에 극히 우수한 양질의 반강자성층을 구비하는 자기저항효과막을 제공할 수 있다. 또한, 열안정성이 우수하고, 자장감도가 높으며, MR 변화율이 큰 자기저항효과형 헤드를 제공할 수 있다.

Description

자기저항효과막 및 자기저항효과형 헤드{MAGNETORESISTANCE EFFECT FILM AND MAGNETORESISTANCE EFFECT TYPE HEAD}

발명의 분야

본 발명은, 자기기록매체 등의 자계강도를 신호로서 판독하기 위한 자기저항효과막중, 특히 작은 자장변화를 큰 전기저항변화신호로서 판독할 수 있는 자기저항효과막 및 그것을 사용한 자기저항효과형 헤드에 관한 것이다.

종래기술의 설명

최근, 자기센서의 고감도화나 자기기록에서의 고밀도화가 진행되고 있고, 이것에 따라 자기저항변화를 사용한 자기저항효과형 자기센서 (이하, MR 센서라고 한다)나, 자기저항효과형 자기헤드(이하, MR 헤드라고 한다)의 개발이 활발히 진행되고 있다. MR 센서 및 MR 헤드는 어느것이나 자성재료를 사용한 판독 센서부의 저항변화에 의해 외부자계신호를 판독하는 것이다. 이와 같은 MR 센서 및 MR 헤드는 신호판독시, 기록매체와의 상대속도가 재생출력에 의존하지않기때문에 MR 센서에서는 고감도, MR 헤드에서는 고밀도자기기록의 신호판독시에서도, 높은 출력을 얻을 수 있다는 특징이 있다.

그렇지만, 종래 사용하고 있는 Ni₈₀Fe₂₀(파마로이)나 NiCo 등의 자성체를 이용한 MR 센서에서는, 저항변화율인 △R/R의 값이 겨우 1-3%정도로 작고, 수 GBPSI (Giga Bits Per Square Inches)이상의 초고밀도기록의 판독용 MR 헤드재료로서는 감도가 부족하다.

그런데, 금속의 원자지름 오더의 두께의 박막이 주기적으로 적층된 구조를 갖는 인공격자는, 벌크상의 금속과는 다른 특성을 나타내기때문에 최근 주목받고 있다. 이러한 인공격자의 한종류로서, 기판상에 강자성금속박막과 비자성금속박막을 교대로 적층한 자성다층막이 있는데, 지금까지는 철-크롬형, 코발트-구리형등의 자성다층막이 알려져 있다. 그러나, 이 인공격자막에서는 최대저항변화가 일어나는 외부자장 (작동자계강도)이 수십 kOe로 큰데 이대로는 실용성이 없다.

그래서, 이러한 사정에서 스핀밸브라는 새로운 구조가 제안되고 있다. 이것은, 비자성금속층을 사이에 두고 NiFe 층이 2층으로 형성되어 있고, 한 쪽의 NiFe 층에 인접하여 FeMn 층이 배치되어 있는 구성을 갖는다.

여기서는, FeMn 층과 인접하고 있는 NiFe 층이 직접교환결합력으로 결합하고 있기 때문에, 이 NiFe 층의 자기스핀은 수10∼수100 Oe의 자장강도까지, 그 방향으로 고착된다. 한 쪽의 NiFe 층의 스핀은 외부자장에 의해서 자유롭게 그 방향을 바꿀 수 있다. 그 결과, NiFe 층의 보자력정도라는, 작은 자장범위에서 2∼5%의 자기저항변화율 (MR 변화율)이 실현된다.

스핀밸브에서는 2개의 자성층에서의 스핀의 상대각도의 차이를 실현시킴으로써 종래의 이방성자기저항(AMR)효과와는 다른 큰 MR 변화를 실현하고 있다. 이것은 한 쪽의 자성층과 반강자성의 직접교환결합력에 의한 자성층스핀의 핀닝에 의해 실현되어 있다. 이 교환결합이 스핀밸브의 본질이라고 할 수 있다.

스핀밸브의 실용화에 대해서는, 이하에 서술하듯이 여러가지 문제가 있다. 자성층을 핀닝하고 있는 교환결합의 강함을, 그 시프트하는 일방향이방성자장 Hua의 크기로 나타낸다. 또한, 그 온도안정성으로서 Hua가 소실하는 온도를 블로킹온도 Tb 로 한다. 일반적으로 사용하고 있는 FeMn 층이나 그 밖의 반강자성층에서의 교환결합에서는 이하의 문제가 있다.

1) 블로킹온도 Tb가 150∼170℃로 낮다. 벌크의 상태와 비교하여, 블로킹온도 Tb가 낮아, 원래의 핀닝효과를 충분히 발휘하는 양호한 박막을 얻을 수 없다.

2) 블로킹온도 Tb의 분산이 생기고 있는 것이 문제이다. 즉, 박막이기 때문에, FeMn 층내의 막면은, 여러가지의 결정립으로 구성되어 있고, 개개의 결정립은 독자의 블로킹온도 Tb를 가지고 있다. 결국, 모든 결정립이 모두 동일한 블로킹온도 Tb를 가지고 있으면 문제는 없지만, 실제는, 낮은 블로킹온도 Tb를 가지는 결정립이나, 높은 블로킹온도 Tb를 가지는 결정립 등 여러가지이다. 그 결과, 응용상의 동작온도영역인 80∼120℃에서, 강자성층의 스핀을 반전시켜 버리는 약한 교환결합을 갖는 결정립이 일부존재하는 일이 있다 (낮은 블로킹온도 Tb를 가지는 결정립의 존재가 원인). 그러면, 핀 멈춤되어 있는 강자성층의 스핀방향이 전체로서 기울어버리고, 출력전압이 저하하여 버리는 일이 있다. 따라서, 될 수 있는 한 모든 결정립이 모두 균일하고, 높은 블로킹온도 Tb를 가지는 것 같은 양질의 반강자성박막의 제공이 요망된다.

본 발명은 이러한 실상의 것으로 창안된 것이며, 그 목적은, 열안정성이 우수하고, Hua의 열화가 없고, 블로킹온도가 충분히 높고, 블로킹온도의 분산도가 작은 양질의 반강자성박막 (반강자성층)의 제공과, 열안정성이 우수하고, 자장감도가 높고, MR 변화율이 큰 자성다층막을 구비하여 구성되는 자기저항효과형 헤드를 제공함에 있다. 또, 본 발명에 유사한 기술로서 특개평8-63715호에는 , 반강자성층중의 산소농도를 10원자% 이하로 하는 취지가 개시되고, 실시예의 그래프에 의하면 산소농도 6원자% 정도의 것까지를 표시되어 있는 바와같이 판독할 수 있다. 그렇지만, 이와 같이 높은 산소농도범위에서는 본 발명의 작용효과는 발현하지 않고, 본 발명과 특개평8-63715호 개시의 기술과는 차별화할 수 있는 것이다. 특히, 특개평8-63715호의 기술은, 반강자성층이 산화됨으로써 Hua가 극단적으로 감소한다고 하고 있다. 본 발명은 ppm, ppb 레벨에서의 불순물이 층의 미시적인 구조변화, 및 결정성의 변화를 야기하는 것을 찾아낸 것이며, % 레벨에서의 논의가 아니고 ppm, ppb 레벨에서의 불순물에 주목하고 있다. 또한, 특개평8-63715호의 것은 스핀밸브막이 아니고, 본 발명의 기본구성과는 다르다.

도 1은 본 발명의 자기저항효과막의 단면도이고,

도 2는 본 발명의 작용을 설명하기 위한 자기저항효과막, 특히 자성다층막 구조의 모식도이고,

도 3은 본 발명의 작용을 설명하기 위한 자화곡선과 MR 곡선의 모식도이고,

도 4는 반강자성층에 함유되는 불순물로서의 산소농도가 교환결합에너지 J에 초래하는 영향을 조사한 그래프이고,

도 5는 블로킹온도 분산도를 나타내는 구체적 일례의 그래프이고,

도 6은 블로킹온도 분포곡선을 나타내는 구체적 일례의 그래프이고,

도 7은 반강자성층에 함유되는 불순물로서의 탄소 및 유황농도가 교환결합에너지 J에 미치는 영향을 조사한 그래프이고,

도 8은 반강자성층에 함유되는 불순물로서의 염소농도가 교환결합에너지 J에 미치는 영향을 조사한 그래프이고,

도 9는 진공성막장치내의 도달압력이 교환결합에너지 J에 미치는 영향을 조사한 그래프이고,

도 10은 본 발명의 자기저항효과형 헤드의 일례를 나타내는 개략 사시도이고,

도 11은 본 발명의 자기저항효과형 헤드의 자기저항효과막과 전극부의 양호한 접속상태를 나타내는 개략 사시도이고,

도 12는 본 발명의 자기저항효과소자(자성다층막)를 요크형 MR 헤드에 응용한 일례를 나타내는 일부생략단면도이고,

도 13은 본 발명의 자기저항효과소자(자성다층막)를 플럭스가이드형 MR 헤드에 응용한 일례를 나타내는 일부생략단면도이고,

도 14는 본 발명의 M-H 루프를 도시한 도면이다.

발명의 개요

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위 (비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막으로서, 상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1-2000원자 ppm 이도록 구성된다.

또한, 본 발명은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위 (비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막으로서, 상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1-2000원자 ppm이며, 상기 연자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1-800원자 ppm 이도록 구성된다.

또한, 본 발명은 자기저항효과막과, 도체막과, 전극부를 포함하는 자기저항효과형 헤드로서, 상기 도체막은 상기 전극부를 통해 상기 자기저항효과막과 도통하고 있고, 상기 자기저항효과막은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위 (비자성금속층과 접하는면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막이고, 상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm 이도록 구성된다.

또한, 본 발명은 자기저항효과막과, 도체막과 , 전극부를 포함하는 자기저항효과형 헤드로서, 상기 도체막은 상기 전극부를 통해 상기 자기저항효과막과 도통하고 있고, 상기 자기저항효과막은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막이고, 상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm이고, 상기 연자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼800원자 ppm 이도록 구성된다.

또한, 상기 반강자성층중에는 또 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm 이도록 구성된다.

또한, 상기 반강자성층중에는 또 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 l∼1000원자 ppm이고, 상기 연자성층중에는 또 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 연자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm 이도록 구성된다.

발명의 상세한 설명

이하, 본 발명의 구체적 실시의 양태에 관하여 상세히 설명한다. 본 명세서중, 농도를 나타내는 단위인 ppm 및 ppb는 모두 원자 ppm 및 원자 ppb를 나타낸다.

도 1은, 본 발명의 자기저항효과막(3)의 양호한 일례를 나타내는 단면도이다. 이 실시의 양태에서, 자기저항효과막(3)은 거대자기저항효과를 나타내는 스핀밸브막으로서의 자성다층막(1)을 구비하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자성다층막(1)은 비자성금속층(30)과, 이 비자성금속층(30)의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층(40)과, 비자성금속층(30)의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층(20)과, 강자성층(40)의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층(40)의 위(여기서 말하는『위』는 비자성금속층(30)과 접하는 면과 반대측의 면을 의미한다)에 형성된 반강자성층(50)을 가지는 적층체구조를 이루고 있다.

이들 적층체는, 도1에 도시된 바와 같이 통상 기판(5)의 위에 형성되고, 이들이 기판(5)측으로부터 하지층(7)을 통해 연자성층(20), 비자성금속층(30), 강자성층(40), 반강자성층(50)의 순서로 적층되어 있다. 이 반강자성층(50)의 위에는, 도시와 같이 통상 산화방지를 위한 보호층(80)이 형성된다.

이 실시 양태에서의 자성다층막(1) (스핀밸브막)에서는, 외부에서 가해지는 신호자계의 방향에 따라서 비자성금속층(30)을 사이에 두고, 그 양측에 인접하여 형성된 연자성층(20)과 강자성층(40)과의 서로의 자화의 방향이 실질적으로 다른 것이 필요하다. 그 이유는, 본 발명의 원리가 비자성금속층(30)을 사이에 두고 형성된 연자성층(20)과 강자성층(40)의 자화의 방향이 어긋나고 있을 때, 전도전자가스핀에 의존한 산란을 받아 저항이 증가하고, 자화의 방향이 서로 역방향으로 향하였을 때, 최대의 저항을 나타내기 때문이다. 즉, 본 발명에서는, 도2에 도시된 바와 같이 외부로부터의 신호자장이 플러스(기록매체(90)의 기록면(93)으로부터 향해서 상향(부호 92로 나타낸다))일 때, 이웃한 자성층의 자화의 방향이 서로 역방향의 성분이 생겨, 저항이 증대하는 것이다.

여기서, 본 발명의 자기저항효과막에 사용되는 (스핀밸브)자성다층막에서의, 자기기록매체로부터의 외부신호자장과, 연자성층(20)과 강자성층(40)의 서로의 자화의 방향 및 전기저항의 변화의 관계를 설명한다.

이제, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, 도 1에 표시되는 것같이, 하나의 비자성금속층(30)을 사이에 두고 1 조의 연자성층(20)과 강자성층(40)이 존재하는 가장 심플한 자성다층막의 경우에 관하여 도2를 참조하면서 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 강자성층(40)은 후에 서술하는 방법에 의해서 매체면에 향해서 하향방향으로 그 자화가 핀멈춤되어 있다(부호41). 연자성층(20)은, 비자성금속층(30)을 통해 형성되어 있기때문에, 그 자화방향은 외부로부터의 신호자계에 의해서 방향을 바꾼다 (부호21). 이 때, 연자성층(20)과 강자성층(40)의 자화의 상대각도는 자기기록매체(90)로부터의 신호자계의 방향에 의해서 크게 변화한다. 그 결과, 자성층내에 흐르는 전도전자가 산란되는 정도가 변화하여, 전기저항이 크게 변화한다.

이것에 의해서 파마로이의 이방성자기저항효과는 메카니즘이 본질적으로 다른 큰 MR(Magneto - Resistance)효과를 얻을 수 있다. 이것은 특히 GMR(Giant -Magneto - Resistance)효과로 불린다.

연자성층(20), 강자성층(40)과, 핀멈춤 효과를 나타내는 반강자성층(50)의 자화의 방향이 외부자장에 대하여 상대적으로 변화한다. 그들 자화의 방향 변화가 자화곡선과 MR 곡선으로 대응시켜 도3에 표시된다. 여기서는, 반강자성층(50)에 의해, 강자성층(40)의 자화는 모두 마이너스방향(기록매체(90)의 기록면으로 향해서 하향)에 고정되어 있다. 외부신호자장이 마이너스일 때는 연자성층(20)의 자화도 마이너스방향을 향한다. 이제, 설명을 간단히 하기 위해서 연자성층(20), 강자성층(40)의 보자력을 0에 가까운 값으로 한다. 신호자장 H가 H く 0의 영역(I)에서는, 아직 연자성층(20) 및 강자성층(40)양자성층의 자화방향은 한방향을 향하고 있다.

외부자장을 올려 H가 연자성층(20)의 보자력을 넘으면 연자성층의 자화방향은 신호자장의 방향으로 회전하고, 연자성층(20) 및 강자성층(40)의 각각의 자화 방향이 반평행이 됨에 따라 자화와 전기저항이 증가한다. 그리고 일정한 값이 된다(영역(Ⅱ)의 상태). 이 때 반강자성층(50)에 의해, 어떤 핀멈춤 자장 Hua가 작용하고 있다. 신호자장이 이 Hua를 넘으면 강자성층(40)의 자화도 신호자장의 방향에 회전하고, 영역(Ⅲ)에서 연자성층(20) 및 강자성층(40)의 각각의 자화방향은 한방향으로 다 같이 향한다. 이 때, 자화는 어떤 일정한 값으로, MR 곡선은 0이 된다.

반대로 신호자장 H가 감소할 때는 이제까지와 같이 연자성층(20) 및 강자성층(40)의 자화반전에 따라, 영역(Ⅲ)에서 (Ⅱ), (I)로 순차변화한다. 여기서영역(Ⅱ)의 처음 부분에서, 전도전자가 스핀에 의존한 산란을 받고 저항은 커진다. 영역(Ⅱ)중, 강자성층(40)은 핀멈춤 되어 있기 때문에 거의 자화반전은 하지않지만, 연자성층(20)은 직선적으로 그 자화를 증가시키기 때문에, 연자성층(20)의 자화변화에 대응하여, 스핀에 의존한 산란을 받는 전도전자의 비율이 서서히 커진다. 즉, 연자성층(20)에 예컨대 Hc의 작은 Ni_0.8Fe_0.2를 선택하고 적당한 일방향이방성자장 Hk를 부여함으로써, Hk 부근이하의 수 Oe∼수10 Oe의 범위의 소외부자장에서 저항변화가 직선적, 그리고 큰 저항변화율을 나타내는 자성다층막을 얻을 수 있다.

이하, 상술해 온 자기저항효과막(3)의 각 구성에 관하여 상세히 설명한다. 이 자기저항효과막에서의 제1특징점은, 반강자성층(50)중의 산소농도 등의 규정에 있다.

본 발명에서, 반강자성층(50)중에 함유되는 산소의 농도는 1∼2000원자 ppm, 바람직하게는 1∼1000원자 ppm, 더욱 바람직하게는1∼600원자 ppm으로 규제된다. 이 값이 2000원자 ppm을 넘으면, 반강자성층(50)과 강자성층(40)의 교환결합에너지 J의 큰 값을 얻을 수 없게 된다는 불편함이 생긴다. 또한, 블로킹온도 Tb의 분산이 커져, 핀닝효과가 우수한 양호한 박막을 얻을 수 없다. 도 4에는 반강자성층(50)중에 함유되는 불순물로서의 산소농도가 교환결합에너지 J에 초래하는 영향을 조사한 그래프의 일례가 표시된다. 이 그래프는 본 출원에 관한 발명자들이 실험에 의해 얻은 것이고, 이 그래프에서도 명백하듯이 교환결합에너지 J = 0.1 erg/cm²이상을 얻고자 하려면 반강자성층(50)중에 함유되는 산소의 농도는2000원자 ppm 이하로 할 필요가 있다. 산소농도의 하한치는 끝없이 제로에 가까운 것이 바람직하지만, 현실적으로 제로로 하는 것은 불가능에 가깝고 일단 한계의 목표로서 1원자 ppm으로 규정하고 있다.

반강자성층(50)이 핀닝효과가 우수한 양호한 박막이기 위해서는, 자성다층막의 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭이 80℃ 이하 그리고 상기 자성다층막의 120。 C 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10이하의 특성을 얻는 것이 필요하다. 이러한 특성은, 상술하였듯이 반강자성층(50)중에 함유되는 산소농도를 1-2000원자 ppm으로 하여 최초로 얻을 수 있는 것이다.

블로킹온도 분산도는, 반강자성층(50)을 구성하는 결정입자군중, 블로킹온도 Tb에 도달하기까지의 각 소정온도에서, 어느 정도의 비율의 결정립이 자화반전해버리는지를 나타내는 분산곡선이다. 블로킹온도 분산도를 나타내는 구체적 일례의 그래프가 도5에 표시된다. 도 5에서, 횡축이 온도, 종축이 블로킹온도 분산도를 나타내고, 본 발명의 자기저항효과막에서는, 120℃ 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10이하, 바람직하게는 0.08이하의 특성을 구비하는 것이 필요하다. 블로킹온도 분산도를 나타내는 그래프를 구하는 방법은, 예컨대, IBM J. Research and Deve1opment, Vol. 34, Page 884, 1990년의 문헌에 상세히 기재되어 있고, 구체적 측정방법은 그 문헌 등에 따라서 행하면 된다. 도5에서, 예컨대 블로킹온도 분산도가 특정한 온도에서 0.1이라는 것은, 반강자성층(50)을 구성하는 결정입자군중 10%의 것이 특정한 온도에서 강자성층과의 교환결합이 충분하지않기때문에, 강자성층의 자화가 자화반전하고 있는 것을 나타내고, 블로킹온도 분산도가 1.0이라는 것은, 반강자성층(50)을 구성하는 결정립군중 100%의 것이 특정한 온도에서 강자성층과의 교환결합이 충분하지않기때문에, 강자성층의 자화가 자화반전하고 있는 것을 나타내고 있다. 120℃ 에서 이 분산도가 0.1을 넘으면 , 핀닝의 방향이 하드디스크 속의 상용온도로 서서히 그 원래의 방향에서 구부러져버리고 출력이 열화해 버린다.

도 5에 표시되는 블로킹온도 분산도의 그래프를 미분하여, 그 미분치(종축)를 온도(횡축)에 대하여 플롯함으로써 블로킹온도 분포곡선을 얻을 수 있다. 이블로킹온도 분포곡선을 나타내는 구체적 일례의 그래프가 도6에 표시된다. 본 발명의 자기저항효과막에서는, 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭, 즉 피크높이(H)의 1/2의 높이에서의 그래프의 온도폭(W)이 80℃ 이하, 바람직하게는 60℃ 이하, 더욱 바람직하게는 50℃ 이하의 특성을 구비하는 것이 필요하다. 그래프의 온도폭 (W)이 작아지면 질수록, 특성이 균일한 입자가 모여 있는 것을 나타낸다. 이 반값의 폭의 값이 80℃를 넘으면 , 핀닝의 방향이 하드디스크 속의 상용온도에서 서서히 그 원래의 방향으로 구부러져 버리고 출력이 열화해 버린다.

또, 이미 서술한 본 발명에서의 특성평가항목의 하나인, 상기 반강자성층과 강자성층의 교환결합에너지 J는, J = Ms·Hua·d로 정의된다. Ms는 강자성층의 포화자화, Hua는 교환결합에 의한 시프트자장, d는 강자성층의 층두께를 나타낸다. 핀닝되는 강자성층에 같은 재료와 같은 층두께를 사용한 경우, J의 값이 클 수록 시프트하는 자장 Hua가 커져, MR 헤드로서의 동작이 안정하게 된다. 10 Gbit/

inch²을 넘도록 하는 기록밀도의 MR 헤드로서 사용하기 위해서는, 이 J의 값은0.1 erg/cm²이상이 필요하고, 특히 바람직하게는 0.2 erg/cm²이상, 또는 0.25 erg/cm²이상이다. 이 값이 0.1 erg/cm²미만으로 되면 시프트자장이 작아져버리고, 강자성층(40)에 대한 스핀의 안정된 핀닝효과가 없어져 스핀밸브로서의 안정된 동작을 나타내지 않는 일이 있다.

본 발명에서, 상기 반강자성층(50)중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상을 포함하고, 반강자성층(50)중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상의 불순물의 농도의 총화가 l-1000원자 ppm, 바람직하게는 1∼900원자 ppm, 보다 바람직하게는 1∼800원자 ppm으로 설정하는 것이 좋다. 이들 불순물 농도의 총화가 1000원자 ppm을 넘으면, 반강자성층과 강자성층의 교환결합에너지 J의 큰 값을 얻을 수 없게 된다는 불편함이 생긴다. 또한, 블로킹온도 Tb의 분산이 커지고, 핀닝효과가 우수하고 양호한 박막을 얻을 수 없다. 도7에는 반강자성층(50)중에 함유되는 불순물로서의 탄소농도, 유황농도가 교환결합에너지 J에 미치는 영향을 조사한 그래프의 일례가 표시된다. 도8에는 반강자성층(50)중에 함유되는 불순물로서의 염소농도가 교환결합에너지 J에 미치는 영향을 조사한 그래프의 일례가 표시된다.

또 상기 불순물 농도의 하한치는, 끝없이 제로에 가까운 것이 바람직하지만, 현실적으로 제로로 하는 것은 불가능에 가깝고, 일단 한계의 목표로서 1원자 ppm으로 규정하고 있다.

이러한 반강자성층(50)은, 양호한 조성으로서 ① 망간(Mn)을 필수로 하여,M_XMn_100-X로 표시되는 2성분계나, ② 망간(Mn)을 필수로 하여, M¹ _pM² _qMn_r로 표시되는 3성분계로 하는 것이 좋다. ① M_XMn_100-X2성분계에서, M은 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 이들 중에서도 특히 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Ni 및 Cr이 바람직하다. x (단위는 원자%)의 범위는 15≤ x≤58, 바람직하게는 16 ≤ x ≤ 55, 보다 바람직하게는 18 ≤ x ≤ 53으로 하는 것이 좋다. x의 범위가 15원자% 미만이 되면, 교환결합이 극단적으로 작아지고, 그 결과 강자성층의 충분한 핀멈춤 효과를 얻을 수 없고, 스핀밸브로서의 동작이 생기지 않는다는 불편함이 생긴다. 또한, x의 범위가 58원자%를 넘은 경우도 15원자% 미만의 경우와 마찬가지인 불편함이 생긴다. ② M¹ _pM² _qMn_r3성분계에서 M¹및 M²는 각각 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 이들 중에서도 특히 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Ni 및 Cr이 바람직하다. p(단위는 원자%)의 범위는 1 ≤ p ≤ 54, 바람직하게는 1 ≤ p ≤ 45 ; q (단위는 원자%)의 범위는 1 ≤ q ≤ 54, 바람직하게는 1 ≤ q ≤ 45 ; r (단위는 원자%)의 범위는 45 ≤ r ≤ 85, 바람직하게는 48 ≤ r ≤ 83 ; p + q의 범위는 15 ≤ p + q ≤ 55, 보다 바람직하게는 17 ≤ p + q ≤ 52로 하는 것이 좋다. 이들 범위를 벗어나면 교환결합이 극단적으로 작아지고, 그 결과 강자성층이 충분한 핀멈춤 효과를 얻을 수 없고, 스핀밸브로서의 동작이 생기지 않는다는 불편함이 생긴다.

상술해 온 반강자성층(50)의 블로킹온도 Tb는 200℃ 이상, 특히 200-400℃이고, 극히 높은 열안정성을 나타낸다.

또한, 본 발명에서 사용되는 반강자성층(50)과 상기 강자성층(40)의 교환결합에너지 Jk는 0.10 erg/cm²이상, 특히 0.10∼0.40 erg/cm²이라는 극히 높은 값을 나타낸다. 이 교환결합에너지 Jk는, 상술하였듯이 강자성층(40)의 자화를 고정하는 (핀멈춤하는) 강도를 나타내고 있고, 교환결합에너지 Jk는 (강자성층포화자화) × (Hua) × (막두께)로 구할 수 있다.

반강자성층(50)의 두께는 5∼100 nm, 바람직하게는 5-80 nm, 보다 바람직하게는 5∼50 nm ,더욱 바람직하게는 5∼30 nm의 범위로 하는 것이 좋다. 반강자성층(50)의 두께가 5 nm보다 얇게 되면 교환결합자계 Hua나 블로킹온도 Tb가 급격히 작아져 버린다. 반대로 두꺼운 부분은 별로 문제가 없지만, 너무 지나치게 두꺼우면 MR 헤드로서의 갭길이(시일드사이의 길이)가 커져 버리고, 초고밀도자기기록에 알맞지 않게 되어 버린다. 따라서 100 nm보다 작은 쪽이 좋다.

강자성층(40)은 Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Dy, Er, Nd, Tb, Tm, Ce, Gd 등이나 이들 원소를 함유하는 합금이나 화합물로부터 구성되지만, 특히 (Co_ZNi_1-Z)_wFe_1-w(단, 중량으로 0.4≤ z≤ 1.0, 0.5≤ w≤ 1.0이다)로 나타내는 조성으로 구성하는 것이 바람직하다. 이들 조성범위를 벗어나면 , 큰 전기저항의 변화를 얻을 수 없게 된다는 불편함이 생긴다.

이러한 강자성층(40)의 두께는 1.6∼10 nm, 보다 바람직하게는 2-6 nm 으로 된다. 이 값이 1 .6 nm 미만이 되면, 자성층으로서의 특성이 없어진다. 한편, 이값이 10 nm을 넘으면 , 상기 반강자성층(50)으로부터의 핀멈춤력이 작아지고, 이 강자성층의 스핀의 핀멈춤 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다.

이러한 강자성층(40)은 상술과 같이 반강자성층(50)과 직접 접하고 있기 때문에, 양자에 바로 접한 층간의 상호작용이 작용하고, 강자성층(40)의 자화회전이 저지된다. 한편, 후에 상술하는 연자성층(20)은, 외부로부터의 신호자장에 의해 자유롭게 그 자화를 회전시킬 수 있다. 그 결과, 연자성층(20)과 강자성층(40)의 양자의 자화에 상대적인 각도가 생기고, 이 자화 방향의 차이에 기인한 큰 MR 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서, 연자성층(20)중에 불순물로서 함유되는 산소농도는 1-800원자 ppm, 바람직하게는 1∼500원자 ppm, 더욱 바람직하게는 1∼300원자 ppm으로 규제된다. 이 값이 800원자 ppm을 넘으면 , 외부자화에 대하여, 이상적이라고 생각될 정도의 하이 레벨인 응답성이 좋은 막을 얻을 수 없다.

이와 같이 연자성층(20)중에 함유되는 산소농도를 규제함으로써, 연자성층(20)의 구조인자 S가 30 × 10^-3erg/cm²이하, 특히, 1 × 10^-3- 20 × 10^-3erg/cm²; 또한 스큐각도분산의 절대치가 2 deg 이하, 특히 0.1 - 1.0 deg의 물성을 구비하는 연자성층을 얻을 수 있다. 이에 따라 출력레벨의 향상이 도모된다. 연자성층(20)의 구조인자 S는, 연자성층(20)이 미시적인 균질성을 나타내는 파라미터이고, 작은 값을 취할수록 좋다. 스큐각도분산은, 연자성층(20)의 미시적인 자화의 흔들림을 나타내고, 작은 값을 취할수록 좋다. 구조인자 S 및 스큐각도분산은, 각각 동적미분자화율측정장치를 사용하여 측정된다.

상기 연자성층(20)중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm, 바람직하게는, 1-400원자 ppm, 보다 바람직하게는1∼300원자 ppm 으로 설정된다. 이들 불순물 농도의 총화가 500원자 ppm을 넘으면, 외부자장에 대하여 응답성이 좋은 막을 얻을 수 없고, 출력레벨의 향상에 기여하지 않는다.

또 상기불순물 농도의 하한치는, 끝없이 제로에 가까운 것이 바람직하지만, 현실적으로 제로로 하는 것은 불가능에 가깝고, 일단 한계의 목표로서 1원자 ppm으로 규정하고 있다.

연자성층(20)은, 연자성 특성을 나타내는 Fe, Ni, Co 등이나 이들 원소를 함유하는 합금이나 화합물로 구성되지만, 보자력 Hc이 작은 자성층을 사용한 쪽이 MR 곡선의 상승이 급격하게 되어, 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 연자성층(20)을 하기에 나타내는 바와 같이 2층구조로 하는 것은 특히 바람직한 양태이다. 즉, 비자성금속층(30)측으로부터 Co (코발트)단체 또는 Co를 80중량% 이상 함유하는 합금으로 구성된 제1의 연자성층과, (Ni_xFe_1-x)_yCo_l-y(단, 중량으로 0.7≤ x≤ 0.9,0.5≤ y≤ 0.8)로 나타내는 조성인 제2의 연자성층과의 2층적층체로서 구성한다. 이러한 구성으로 함으로써, Co가 농후한 제1의 연자성층이 확산블로킹층으로서 작용하고, 제2의 연자성층측으로부터 비자성금속층(30)측으로 Ni의 확산을 방지할 수 있다. 또한, Co가 농후한 제1의 연자성층은 전자의 산란능력을 증대시키기 때문에, MR 변화율이 향상한다는 효과도 발현한다. 또, 제2의 연자성층은, 소프트자성을 유지시키기 위해서 상기 조성범위내에서 형성된다.

이러한 연자성층(20)의 두께는 2∼15 nm, 바람직하게는 3∼15 nm, 더욱 바람직하게는 5∼15 nm 로 된다. 이 값을 2 nm 미만으로 하면, 양호한 연자성층으로서의 특성을 얻을 수 없다. 한편, 이 값이 15 nm을 넘으면 , 다층막 전체의 두께가 두껍게 되고 자성다층막 전체의 저항이 커지고 MR 효과가 감소해 버린다. 또, 연자성층(20)을 상기한 바와 같이 2층적층체로 한 경우에는, Co가 농후한 제1의 연자성층의 두께를, 0.4 nm 이상 확보하면 좋다.

이러한 연자성층(20)과 상기 강자성층(40)의 사이에 개재되는 비자성금속층(30)은, 효율적으로 전자를 이끌기 위해서 전도성이 있는 금속이 바람직하다. 보다 구체적으로는 Au, Ag, 및 Cu 중에서 선택된 적어도 한 종류, 또는 이들 적어도 한 종류 이상을 60 w t% 이상 함유하는 합금 등을 들 수 있다.

이러한 비자성금속층(30)의 두께는, 1.5∼4 nm인 것이 바람직하다. 이 값이 1.5 nm 이하가 되면, 이것을 사이에 두고 배치되어 있는 연자성층(20)과 강자성층(40)이 교환결합하여 버리고, 연자성층(20)과 강자성층(40)의 스핀이 각각 독립적으로 기능하지않게 되어 버리는 불편함이 생긴다. 이 값이 4 nm을 넘으면 , 상하에 위치하는 연자성층(20)과 강자성층(40)의 계면에서 산란되는 전자의 비율이 감소해 버리고, MR 변화율의 감소가 발생해 버린다는 불편함이 생긴다.

보호층(80)은 성막 프로세스 과정에서의 자성다층막표면의 산화를 방지하여,그 상부에 형성되는전극재료와의 젖음성이나 밀착강도의 향상이라는 목적을 위해 형성되고, 이것은 Ti, Ta, W, Cr, Hf, Zr, Zn 등의 재료로 형성된다. 두께는 통상 3∼30 nm 정도로 된다.

기판(5)은 글래스, 규소, MgO, GaAs, 페라이트, 알티크, CaTiO₃등의 재료에 의해 형성된다. 두께는 통상 0.5-10 mm 정도로 된다.

각 층의 재질 및 층두께를 상기한 바와 같이 규정하고, 또한 적어도 연자성층(20)의 성막시에, 후술하는 막면내의 한방향에 외부자장을 인가하고, 이방성자계 Hk를 2-20 Oe, 보다 바람직하게는 2-16 Oe, 특히 2∼10 Oe 부여하는 것이 바람직하다.

연자성층의 이방성자계 Hk가 2 Oe 미만이 되면, 보자력과 같은 정도가 되어 버리고, 0자장을 중심으로 한 직선적인 MR 변화곡선을 실질적으로 얻을 수 없게 되기때문에, MR 소자로서의 특성이 열화한다. 또한 20 Oe보다 크면, 이 막을 MR 헤드 등에 적용한 경우, 출력이 저하하기 쉽고, 또한 분해능이 저하한다. 여기서 이들 Hk는, 외부자장으로서 성막시에 10-300 Oe의 자장을 인가함으로써 얻을 수 있다. 외부자장이 10 Oe 이하에서는 Hk을 유도하는 데 충분하지 않고, 또한, 300 Oe를 넘어도 효과는 변하지 않지만, 자장발생을 위한 코일이 커져 버리고 비용도 많아져 비효율적이다.

상술해온 자성다층막(1)을 각각 반복적층한 것을, 자기저항효과막으로 할 수도 있다. 자성다층막의 반복적층회수 n에 특별한 제한은 없고, 목적으로 하는 자기저항변화율 등에 따라서 적당히 선택하면 좋다. 최근의 자기기록의 초고밀도화에 대응하기 위해서는, 자성다층막의 전층두께가 얇을 수록 좋다. 그러나 얇게 되면 통상 MR 효과는 동시에 작아져 버리지만, 본 발명에 사용되는 자성다층막은, 반복적층회수 n이 1인 경우에도 충분히 실용에 견딜 수 있는 다층막을 얻을 수 있다. 또한, 적층수를 증가함에 따라서 저항변화율도 증가하지만, 생산성이 나쁘게 되고, 또한 n이 지나치게 크면 소자전체의 저항이 낮게 되어 실용상의 불편함이 생기기때문에, 통상 n을 10이하로 하는 것이 바람직하다. n의 바람직한 범위는 1-5이다.

상기 자성다층막(1)의 각층의 성막은, 스패터법으로써 행해진다. 자성다층막(1)의 성막, 특히 반강자성층(50) 및 연자성층(20)의 성막시, 진공성막장치내의 도달압력은 2 × 10^-9Torr 이하, 바람직하게는 8 × 10^-10Torr 이하, 더욱 바람직하게는 2 × 10¹⁰Torr 이하로 설정된다. 도달압력이란, 성막개시전의 성막장치내의 압력으로서 정의되고, 성막시의 압력과는 다르다.

이 도달압력의 값이 2 × 10^-9Torr를 넘으면 , 본 발명의 원하는 특성을 구비하는 반강자성층(50)이나 연자성층(20)을 형성할 수 없다. 도9에는, 진공성막장치내의 도달압력이 교환결합에너지 J에 미치는 관계를 나타내는 그래프가 표시된다. 이 그래프는 실험에 의해 얻을 수 있는 것이고, 도9에서 교환결합에너지 0.1 erg/cm²이상을 얻고자 하면, 진공성막장치내의 도달압력은 2×10^-9Torr 이하로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

도달압력 2×10^-9Torr 이하라는 범위는, 막질의 향상이라는 관점에서, 종래부터 제안되지 않는 범위의 것이다. 도달압력 2×10^-9Torr 이하의 조건을 달성하기 위해서는, 일반적으로는 행해지고 있지 않는 스패터장치의 구성이 필요해진다. 즉, 진공시 일부분을 모두 금속 개스킷으로 하는 것, 장치를 모두 스테인레스 또는 Al로 형성하는 것, 장치를 만들때 진공중 고온으로 가스를 방출하는 것, 및 배기동작중에서 진공조 전체를 고온에서 베이킹하여 잔류가스, H₂O분을 철저히 강제배기하는 것, 및 2×10^-9Torr 이하에서의 동작이 가능한 특수한 배기펌프를 사용하는 것이 필요하다.

또, 스패터법에서 사용되는 타깃(target)에 함유되는 산소농도는, 반강자성층(50)의 형성의 경우 1-600 ppm, 바람직하게는 1-500 ppm, 보다 바람직하게는 1-300 ppm 로 설정된다. 또한, 연자성층(20)의 형성의 경우, 타깃에 함유되는 산소농도는 1∼100 ppm, 바람직하게는 1∼80 ppm 로 설정된다. 타깃에 함유되는 산소농도가 각각 상기한 한계범위를 넘으면, 본 발명의 원하는 특성을 구비하는 반강자성층(50) 및 연자성층(20)을 형성하는 것이 곤란하게 된다. 여기서, 타깃에 함유되는 산소농도는, 타깃의 일부를 사용하여 연소시켜 생성한 CO₂가스량을 사용하여 분석된다. 또한, 스패터시에 도입되는 스패터가스중의 불순물(예컨대, H₂O, CO₂, He 등)의 농도의 합계는 0. l∼100 ppb, 바람직하게는 0.1-50 ppb, 더욱 바람직하게는 0.1∼10 ppb, 또한 더욱 바람직하게는 0.1-5 ppb 로 설정된다. 스패터가스중의 불순물 농도가 100 ppb를 넘으면, 본 발명의 원하는 특성을 구비하는 반강자성층(50) 및 연자성층(20)을 형성할 수 없다. 특히, 스패터가스중의 H₂O불순물 농도는, 막질에 영향을 미치기 쉽게 40 ppb이하, 바람직하게는 10 ppb이하, 더욱 바람직하게는 5 ppb 이하로 설정할 필요가 있다.

또, 실제의 성막이 행해지고 있는 동안의 진공성막장치내의 운전압력은, 통상 1× 10^-4- 1 × 10^-2Torr 로 설정된다.

본 발명에서의 자성다층막(1)의 각층의 성막은 각각 상기한 성막조건에 따라서 행하는 것이 자기저항효과막의 특성을 더욱 향상시키기 위해서 바람직하다.

기판(5)에서는, 상술한 바와 같이 글래스, 규소, MgO, GaAs, 페라이트, 알티크, CaTiO₃등을 사용할 수 있다. 성막에서는, 상술한 바와 같이 연자성층(20) 성막시에, 막면내의 한방향에 10-300 Oe의 외부자장을 인가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 연자성층(20)에 이방성자장 Hk을 부여할 수 있다. 또, 외부자장의 인가방법은, 연자성층(20) 성막시만, 자장의 인가시기를 용이하게 제어할 수 있다. 예컨대 전자석 등을 구비한 장치를 사용하여 인가하고, 반강자성층(50) 성막시는 인가하지않는 방법이더라도 좋다. 또는, 성막시 내내 항상 일정한 자장을 인가하는 방법이더라도 좋다.

또한, 상술한 바와 같이, 적어도 연자성층(20)의 성막시에 막면내의 한방향에 외부자장을 인가하여 이방성자장 Hk를 유도함으로써, 고주파특성을 우수한 것으로 할 수 있다.

또한, 반강자성층(50)을 성막할 때는, 연자성층(20)을 성막할 때의 인가자장의 방향과 수직방향으로 자장을 인가하면 좋다. 결국 자성다층막의 막면내이면서, 측정전류와 직각방향이 된다. 여기서 인가하는 자장의 크기는 10-300 Oe의 범위에 있으면 좋다. 이에 따라, 반강자성층(50)에 의해 강자성층(40)의 자화의 방향이 확실하게 인가자장방향 (측정전류와 직각방향)에 고착되어, 신호자장에 의해서 그 방향을 용이하게 바꿀 수 있는 연자성층(20)의 자화와 가장 합리적으로 반평행상태를 만들어낼 수 있다. 다만 이것은 필요조건이 아니고, 반강자성층을 성막할 때 및 연자성층을 성막할 때에 인가하는 자장의 방향이 같은 방향이더라도 좋다. 이때는 자성다층막의 성막후, 공정중에 200℃ 정도의 열처리를 행할 때에, 단책단변방향(연자성층(20)을 성막할 때의 인가자장의 방향과 수직방향)에 자장을 인가하면서 온도를 내리면 좋다.

상기한 실시의 양태에서 설명한, 자성다층막(1)을 구비하는 자기저항효과막(3)은 자기저항효과형 헤드(MR 헤드), MR 센서, 강자성 메모리소자, 각도 센서 등에 응용된다.

이하, 자기저항효과막(3)을 자기저항효과형 헤드에 응용한 예를 들어 설명한다. 본 발명에서의 자기저항효과형 헤드(MR 헤드)에서는, 거대자기저항효과(GMR)를 나타내는 자성다층막을 구비하는 스핀 밸브 헤드를 적합한 예로서 들 수 있다.

이하, 자기저항효과형 헤드(MR 헤드)로서 스핀 밸브 헤드를 채용하여 설명한다.

도 10에 도시된 바와 같이 자기저항효과형 헤드(MR 헤드)(150)는, 신호자장을 감자(感磁)하기 위한 감자부분으로서의 자기저항효과막(200)과, 이 자기저항효과막(200)의 양단부(200a, 200a)에 형성된 전극부(100,100)를 가지고 있다. 그리고, 감자부분으로서의 자기저항효과막(200)의 단부(200a, 200a)는, 그 양단부 전체가 전극부(100,100)에 접하는 상태로 접속되어 있는 것이 바람직하다. 또, 도체막(120,120)은, 상기 전극부(100,100)를 통해 자기저항효과막(200)과 도통하고 있다. 본 발명에서는, 뒤의 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상 도체막(120)과 전극부(100)로 나누고 있지만, 도체막(120)과 전극부(100)는 원래 일체적으로 박막형성법에 의해 형성되어 있는 경우가 많고, 이것들은 하나의 부재로 생각해도 좋은 것이다.

MR 헤드에서의 감자부분으로서의 자기저항효과막(200)은, 상기 도면1에 표시되는 자성다층막(1)을 가지는 자기저항효과막(3)과 실질적으로 같은 적층구조의 것이 사용된다. 즉, 자기저항효과막(200)은, 도1에 표시되는 자성다층막을 가지는 자기저항효과막(3)으로 치환되고, 그 결과 자기저항효과막(200)은, 비자성금속층(30)과, 비자성금속층(30)의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층(40)과, 비자성금속층(30)의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층(20)과, 상기 강자성층(40)의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층(40)의 위 (비자성금속층(30)과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층(50)을 가지고 있다.

여기서 중요한 점은, 이상과 같이 하여 형성한 자기저항효과막(200)은, 이른바 스핀밸브형의 자기저항변화를 나타낸다는 점이다. 스핀밸브형의 자기저항변화란, 비자성금속층(30)과, 비자성금속층(30)의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층(40)과, 비자성금속층(30)의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층(20)과, 상기 강자성층(40)의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위에 형성된 반강자성층(50)을 가지는 자성다층막에서, 외부의 신호자계가 0일 때에 연자성층(20)과 핀멈춤 되는 강자성층(40)의 스핀이 이루는 각도가, 예각방향에서 봐서 거의 90도에 가깝게 설정되어 있는 것을 말한다. 실제는 45∼90도의 각도인 것이 많지만, 특히 바람직하게는 90도 (자화의 직교화)에 설정하는 것이 좋다. 자기저항효과곡선(MR 곡선)이, 외부자장이 0일 때를 중심으로서 플러스, 마이너스의 외부자장에 대하여, 좌우비대칭이 되도록 하기 위해서이다.

이 자화의 직교화를 꾀하기 위해서, 자성다층막(1)을 반강자성층(50)의 블로킹온도 Tb 이상으로 자장속에서 진공열처리를 행할 필요가 있다. 이 처리를 직교화 열처리라고 하고 , 이 때의 온도를 직교화온도라고 부른다. 성막중에 인가하는 자장에서 미리 직교화시켜 놓음으로써 실현가능하다. 그렇지만, 그 후 헤드제조 프로세스에서 받는 불가피한 열에 의해서, 그 직교상태가 흐트러져 버린다. 따라서, 바람직하게는 헤드제조 프로세스의 최후에 직교화 열처리를 행하는 것이 좋다. 이 직교화 열처리 때, 반강자성층(50)의 자화방향만 변화시키는 것이 바람직하다. 이 직교화온도는 블로킹온도 Tb보다도 높고, 연자성층(20)의 유도자기이방향성이 소실하는 온도보다도 낮은 것이 바람직하다. 따라서, 블로킹온도 Tb가, 연자성층(20)의 유도자기이방향성이 소실하는 온도보다도 높은 경우에, 직교화 열처리를 행하면 , 연자성층(20)의 자화방향이 외부자계에 대하여 자화용역축방향으로 되고, 외부자계에 대한 자기저항효과곡선에 히스테리시스를 가져 버려 선형성에 문제가 생긴다.동시에 출력이 저하해 버린다. 또한, 블로킹온도 Tb가 연자성층(20)의 유도자기이방향성을 소실하는 온도보다도 지나치게 낮은 경우에는, 자기기록시스템내의 MR 센서동작중, 그리고 스핀 밸브 헤드 제작 프로세스시에 가해지는 온도에 의해 교환결합자계 Hua의 열화가 생겨, 스핀밸브막으로서 기능할 수 없다는 문제가 있다. 결국, 연자성층(20)의 유도자기이방향성이 소실하는 온도보다도 약간 낮은 온도로 블로킹온도 Tb를 갖는 반강자성층(50)을 형성하여, 직교화 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 반강자성층(50)의 조성을 상술한 범위내에서 적당히 설정함으로써, 160-400℃ 범위의 블로킹온도 Tb가 선정가능해진다. 직교화 열처리는, 150∼410℃ 정도의 범위에서 행해진다.

도 10에 도시된 바와 같이 자기저항효과형 헤드(MR 헤드)(150)에는, 자기저항효과막(200) 및 전극부(100,100)를 상하에 끼도록 시일드층(300,300)이 형성됨과 동시에, 자기저항효과막(200)과 시일드층(300, 300)과의 사이의 부분에는 비자성절연층(400)이 형성된다.

여기서 감자부분으로서의 자기저항효과막(200)에 사용되는 강자성층(40), 비자성금속층(30), 연자성층(20) 및 반강자성층(50)은 각각 상기 자성다층막의 실시예에서 서술한 것과 같은 재질, 두께의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

도 10에 도시한 바와 같이, 전류를 흘리는 전극부(100)를 자기저항효과막(200)의 적층방향에 그 단부(200a, 200a) 전체가 접하는 구조로 한다. 그러면, 전자는 연자성층(20)과 강자성층(40)에 끼워진 부분을 중심으로 흐르면서, 연자성층(20)과 강자성층(40)의 스핀의 방향에 의해서 자기산란되어, 소자의저항이 크게 변화한다. 따라서 미소한 외부자장의 변화를 큰 전기저항의 변화로서 검출할 수 있는 것이다.

또한, 본원 발명의 스핀밸브막을 구비하는 MR 헤드는, 도11에 표시되는 것 같은 헤드구조로 하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 감자부분인 자기저항효과막(200)과 측정전류를 흘리기 위한 전극부(100)와의 사이에, 도시와 같이 자기저항효과막(200)측으로부터 연결용 연자성층(520) 및 반강자성층(800)(내지는 경자성층(800))을 순차 개재시킨다. 더구나, 연결용 연자성층(520) 및 반강자성층(800)(내지는 경자성층(800))의 한 쪽 단측은, 자기저항효과막(200)의 상부(200a)(연자성층에 가까운 방향)의 일부분을 덮도록, 또한 다른 쪽 단측은 도시와 같이 전극부(100) 밑면 (101)까지 잠입하여 형성된다. 또한,전극부(100)의 헤드중앙측에 위치하는 단부(102)는, 자기저항효과막(200)의 상부(200a) (연자성층에 가까운 방향)의 일부분을 덮고, 또한 연결용 연자성층(520) 및 반강자성층(800)의 상부단부(520a, 800a)를 각각 덮도록 형성된다. 또, 연결용 연자성층(520)으로서는, 예컨대 NiFe, NiFeCr, NiFeRh, NiFeRu, CoZrNb, FeAlSi, FeZrN 등 (두께 10 nm 정도)이 사용되고, 반강자성층(800)으로서는 Ru₅Rh₁₅M_n, NiMn, FeMn, PtMn, α- Fe₂0₃등 (두께 50 nm 정도)이 사용되고, 경자성층(800)으로서는 CoPt, CoPtCr 등 (두께 50 nm 정도)이 사용된다.

이러한 구성으로 함으로써, 자기저항효과막(200)에 형성되는 연결용 연자성층(520) 및 반강자성층(800)의 양쪽의 효과에 의해서 극히 효율적으로 종 바이어스를 부여할 수 있어, 벌크 하우젠노이즈를 억제한 MR 헤드 특성을 얻을 수 있다. 또한, 전극부(100)의 단부(102)가, 전술과 같이 자기저항효과막(200)을 덮도록 형성되어 있음으로써, 소자단부에서의 신호자장의 저하가 없고, 더구나 1μm 이하와 같은 좁은 트랙폭의 형성이 용이한 MR 헤드를 제공할 수 있다.

이들 MR 헤드를 제조하는 경우, 그 제조공정중에서 패터닝, 평탄화 등으로 베이킹, 어닐링, 레지스트 큐어 등의 열처리가 불가피하다.

일반적으로, 상술한 자성다층막을 가지는 자기저항효과막에서는, 구성하는 각 층의 두께때문에, 내열성이 문제가 되는 경우가 많았다. 본 발명에 의한 자기저항효과막(자성다층막)에서는 자장을 인가하고, 자성층에 이방성자장을 부여함으로써, 제막후 300℃ 이하, 일반적으로 100-300℃, 1시간정도의 열처리에 충분히 대응할 수 있다. 열처리는 통상 진공중, 불활성가스분위기중, 대기중 등에서 행하면 좋지만, 특히 10^-7Torr 이하의 진공(감압하)속에서 함으로써 특성열화가 극히 적은 자기저항효과막(자성다층막)을 얻을 수 있다. 또한, 가공공정에서의 래핑이나 폴리싱에서도 MR 특성이 열화하는 일은 거의 없다.

상술해 온 자기저항효과막의 발명, 및 이들을 사용한 자기저항효과쪽 헤드의 발명을, 이하에 나타내는 구체적 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.

(실시예1)

우선, 최초로 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도가, 반강자성층과 강자성층의 교환결합에너지 J(erg/cm²), 및 블로킹온도 Tb에 미치는 영향을 조사하는 실험을 행하였다. 시작샘플로서, 글래스 기판의 위에 하지층(Ta; 두께 5 nm), 반강자성층(50)(두께10-15 nm), 강자성층(40)(NiFe ; 두께 10 nm), 보호층(80) (Ta ; 두께 5 nm)을 기판측으로부터 순차 적층한 샘플을 제작하였다.

샘플의 제작에서는, 반강자성층(50)의 재료 및 조성비를 하기 표1에 도시한 바와 같이여러가지 바꿔서, 복수의 샘플을 제작하였다. 또, 표1에서, Ru_xlM_ylMn_z1에 대응하는 재료원소를 (m1, m2, m3), 조성비율을 (xl, y1, zl)로서 표시하였다.

하기 표 1에 표시되는 본 발명의 샘플 No. 1-1 ∼ l-11에서는, 진공성막장치내의 도달압력을 8 × 10^-10Torr ; 타깃의 산소함유량 200-500 ppm ; 스패터가스중의 불순물 농도 30 ppb (그 중에서, H₂O 농도는 8 ppb)가 되도록 설정하였다. 또한, 하기 표 1에 표시되는 비교예 샘플 No. 1-12∼1-17에 대해서는, 진공성막장치내의 도달압력을 3×10^-7Torr ; 타깃의 산소함유량 5800 ppm ; 스패터가스중의 불순물 농도 300 ppb(그 중에서, H₂0 농도는 140 ppb)가 되도록 설정하였다.

또, 반강자성층내에 포함되는 불순물 농도 (산소농도, 탄소농도, 유황농도, 염소농도), 교환결합에너지 J (erg/cm²), 및 블로킹온도 Tb는 하기 요령으로 측정하였다. 또한, 각 샘플의 막특성을 자세히 조사하기 위해서, 하기 요령으로 120℃에서 Tb 분산도, 및 Tb 분산도반값의 폭(℃)을 측정하였다.

반강자성층내에 포함되는 불순물 농도의 측정방법

원래는 실제의 헤드상태로서 사용되는 층두께로 평가해야 하지만, 해석의 한계를 넘고 있으므로, 실제의 자기저항효과막을 성막하는 것과 완전히 같은 성막장치, 및 성막조건에 의해서 두께 1∼3μ m 정도의 반강자성층을 형성한다. 이 때, 기판측부터의 영향을 막기 위해서, 금속의 적당한 버퍼층을 설치하고, 또한 산화를 막기 위해서 최상층에 다른 금속의 보호층을 형성한다. 그 후, 2차이온질량분석장치(SlMS : Secondary Ion mass Spectroscopy)에 의해서, 정량분석을 행한다.

교환결합에너지 J (erg/cm²)의 측정방법

진동시료형자력계(VSM)를 사용하여 1 KOe의 자장에서 자화곡선을 그리고, 이 자화곡선에서 교환결합자계 Hua 를 구한다. 진동시료형자력계(VSM)를 사용하여 측정한 자화곡선의 대표예가 도14에 표시되어 있고, 이 도면에서, 자화곡선(A)은 자화용이축방향 (성막시에 자장을 인가한 방향), 자화곡선(B)은 자화곤란축방향을 나타내고 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 교환결합자계 Hua에 의해서 자화용이축방향의 자화곡선이 원점 0으로부터 시프트하고 있고, 원점(F)에서 시프트한 점(E)(C 점과 D 점의 중간)의 자계를 Hua로 정의한다. 이 교환결합자계 Hua의 값을 다음에 기록된 수학식1을 사용하여 교환결합에너지 J의 값으로 환산한다.

J = Ms · Hua · d

Ms는 강자성층의 포화자화, d는 강자성층의 층두께를 나타낸다.

블로킹온도 Tb의 측정방법

온도를 올려 가고, 교환결합의 강함의 표시인 Hua가 소실하는 온도를 블로킹온도 Tb 로 한다.

120℃에서의 Tb 분산도

예상되는 블로킹온도 Tb보다 높은 온도까지 승온하고, 어떤 일정방향으로

0.2∼5 kOe 정도의 자장을 인가하면서 1-10℃/min 정도로 실온까지 서서히 냉각한다. 그 결과, 인가자장방향에 Hua가 생긴다. 그 후, Hua의 방향에 자장을 인가하면서 다시 가열하여, 블로킹온도 Tb보다 높은 온도까지 승온시킨다. 그 후, 계속해서 같은 방향으로 자장을 인가시키면서 반대로 냉각하여, Tb 분산을 측정하는 온도 T(실온으로부터 10∼30℃ 걸러서 300℃까지)에 샘플의 온도가 냉각된 순간에 자장의 방향을 180도 반전시킨다. 이럼으로써, 그 설정온도이하의 국소적 Tb를 갖는 입자의 자화가 반전하여, 그 결과 Hua의 값은, + Hua에서 설정온도를 올려 갈 때마다 감소하여, - Hua까지 변화한다. 이 때 설정온도로의 Hua 측정치를 Hua(T)로 하면 , 반전율 R을 R(T) = 1.0-(Hua- Hua(T))/2 Hua로 정의한다(더욱 상세한 측정방법은, 문헌 : IBM J. Research and Deve1opment, Vol. 34, Page 884,1990년; J. App1. Phys. , Vol. 76, Page 5356, 1994년에 기재되어 있다).

120℃를 기준으로 한 것은, 실제의 헤드조작이 100∼120。 C까지의 온도조건으로 되어 있고, 이 온도영역(120℃)에서 Tb 분산의 비율이 낮아서는 안된다. 이 값은 0에 가깝게 될수록 좋다고 할 수 있다.

또한, Tb 분산도의 별도의 측정방법으로서는, Hua가 생기고 있는 샘플의 Hua 방향에 자장을 인가하면서 다시 가열하여, Tb 분산도를 측정하는 온도 T(실온으로부터 10∼30℃ 걸러서 300℃까지, 낮은 온도로부터의 순번)에 샘플의 온도가 승온된 순간에 자장의 방향을 180도 반전시킨다. 그 후, 즉시 냉각을 시작하여, 샘플의 온도가 실온에까지 냉각된 후, Hua를 측정한다. 다음 측정시에는, 다시 당초의 Hua의 방향에 자장을 인가하여, 지난번의 측정온도보다도 높은 다음 측정온도 T에서 자장반전, 냉각한다. 후의 해석은 전술의 경우와 같다.

Tb 분산도반값의 폭(℃)

상기 Tb 분산도에서의 반전율을 온도로 미분한 값, 즉 d R(T)/d T의 값을, 온도에 대하여 플롯함으로써 소정의 피크를 가지는 분포곡선을 얻을 수 있어, 이 피크의 반값의 폭을 구한다. 분포곡선은 어떤 Tb를 갖는 입자의 비율이 어느 정도인가를 나타내고 있다. 따라서 이 분포곡선이 좁게 되면 매우 이상적인 박막이 형성되어 있다고 할 수 있다. 이 분산의 정도를, Tb 분포곡선의 반값의 폭으로 표시하여, Tb 분산반값의 폭으로 하고 있다.

표 1에 표시되는 실험결과에서, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도가 2000원자 ppm 이하이면, 극히 양호한 교환결합에너지 J (예컨대 0.1 erg/cm²이상), 및 극히 양호한 블로킹온도 Tb(예컨대, 200℃ 이상)을 얻을 수 있다. 종래에 제안되어 있는 100000 ppm이하, 특히 60000 ppm 정도(선행기술에 해당하는 특개평8-63715호, 샘플 No. 1-14)에서는 이러한 우수한 특성은 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.

또한 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도가 2000원자 ppm 이하의 경우에서는, 120℃에서의 Tb 분산도가 작고, 이 온도근처에서의 반강자성층중의 부분적 자화반전이 극히 적은 양호한 막으로 되어 있다. Tb 분산도반값의 폭도 작고, 반강자성층이 극히 균일한 특성을 구비하는 미립자군으로 형성되어 있는 것을알 수 있다.

또한, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도를 2000원자 ppm 이하로 하기 위한 필요조건으로서, 진공성막장치내의 도달압력을 2×10^-9Torr 이하로 해야만 하는 것이 중요한 요소인 것을 확인할 수 있었다. 이를테면, 하기 표 1에 표시되는 본 발명의 샘플 No. 1-1의 제작에서, 진공성막장치내의 도달압력을 1× 10^-8Torr로 바꾸면, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도는 급격히 많아져 2000원자 ppm을 넘어 버리는 것이 확인되었다.

또한, 하기 표 1에 표시되는 본 발명의 샘플 No. l-1의 제작에서, 산소함유량600 ppm을 넘은 타깃을 사용한 경우, 또는 성막중에 도입되는 스패터가스중의 불순물 농도의 총화가 100 ppb를 넘은 경우에는, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도는 급격히 많아져 2000원자 ppm을 넘어 버리는 것이 확인되었다. 또한, 스패터가스중의 H₂O농도가 40 ppb를 넘은 경우에도 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도는 급격히 많아져 2000원자 ppm을 넘어 버리는 것이 확인되었다.

(실시예2)

이어서, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도가 반강자성층과 강자성층의 교환결합에너지 J(erg/cm²), 및 블로킹온도 Tb에 미치는 영향을 조사하는 실험을 행하였다.

상기 실시예1의 샘플 No. 1-1에서, 반강자성층중의 탄소농도, 유황농도, 염소농도를 바꿔 하기 표 2에 나타낸 바와같이 여러가지의 샘플을 제작했다 (샘플No. 2-1∼2-6).

이것의 각 샘플에 관한 상기 실시예1와 같은 평가를 행하였다. 결과를 하기 표 2에 나타낸다.

표 2에 표시되는 실험결과에서, 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도의 총화가 1000원자 ppm 이하이면, 극히 양호한 교환결합에너지 J(예컨대 0. l erg/cm²이상),및 극히 양호한 블로킹온도 Tb(예컨대, 200℃ 이상)를 얻을 수 있다.

또한 반강자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도의 총화가 1000원자 ppm 이하의 경우(No. 1-1 및 No. 2-1∼No. 2-3)에서는, 120℃로의 Tb 분산도가 작고, 이 온도근처에서의 반강자성층중의 부분적자화반전이 극히 적은 양호한 막으로 되어 있다. Tb 분산도반값의 폭도 작고, 반강자성층이 극히 균일한 특성을 구비하는 미립자군으로 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

(실시예3)

프리층인 연자성층에 함유되는 불순물로서의 산소농도의 영향을 조사하는 실험을 행하였다.

실리콘 기판의 위에, Ta 로 이루어지는 하지층(두께10 nm), 파마로이연자성층(NiFe ; 두께10 nm), Ta 로 이루어지는 산화방지층(두께10 nm)을 스패터법에 의해 순차 성막하여 적층하고, 하기 표 3에 나타내는 것 같은 샘플을 제작하였다.

샘플의 제작에서는, 파마로이 연자성층 형성시의 스패터조건을 여러가지 바꾸었다. 다음에 기록된 표3에 표시되는 본 발명의 샘플 No. 3-1∼3-6에서는, 진공성막장치내의 도달압력을 8×10^-10Torr ; 타깃의 산소함유량 50원자 ppm ; 스패터가스중의 불순물 농도 20 ppb(그 중에서, H₂O 농도는 8 ppb)가 되도록 설정하였다. 또한, 하기 표 3에 표시되는 비교예 샘플 No. 3-7∼3-10에 대해서는, 진공성막장치내의 도달압력을 3×10^-7Torr ; 타깃의 산소함유량 5800 ppm ; 스패터가스중의 불순물 농도300 ppb(그 중에서, H₂O농도는 170 ppb)가 되도록 설정하였다.

제작한 각 샘플에 관하여, 아래에 나타내는 요령으로 연자성층내에 포함되는 불순물 농도, 보자력 Hc, 일방향이방성자계 Hk, 연자성층의 스큐각도분산 Skew, 및 연자성층의 구조인자 S를 조사하였다.

연자성층내의 불순물농도

상기 반강자성층내에 포함되는 불순물 농도의 측정방법과 같은 방법으로 행하였다.

Hc 및 Hk

진동형자속계(VSM)를 사용하여 측정하였다. Hc는 작을수록 좋지만, Hk는 어떤 값의 범위로 되는 것이 소프트재료의 특징이다.

스큐각도분산 Skew 및 연자성층의 구조인자 S

동적미분자화율 측정장치에 의해 평가하였다. 이 장치는 레이저 빔을 샘플에 대어 그 카 회전각도변화에 의해 미시적인 자화의 흔들림을 해석하는 장치이다. 스큐각도는 미시적인 자화의 흔들림이고, 작을수록 특성이 갖춰져 있어 좋다고 할 수 있다. 구조인자 S는 미시적인 균질성을 나타내는 파라미터이고, 작을수록 좋다.

결과를 하기 표 3에 나타낸다.

표 3에 표시되는 실험결과에서, 연자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도가 800원자 ppm 이하이면, 극히 양호한 Hc 및 Hk 를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또한 연자성층내에 불순물로서 함유되는 산소농도가 800원자 ppm 이하의 경우에서는, 스큐 각도분산 Skew 및 연자성층의 구조인자 S의 값이 어느것이나 극히 작아지고 있고, 특성이 갖추어져, 균질성이 있는 극히 양호한 소프트막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

(실시예4)

이어서, 연자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도가 막질에 초래하는 영향을 조사하는 실험을 행하였다.

상기 실시예3의 샘플 No. 3-1에서, 반강자성층중의 탄소농도, 유황농도, 염소농도를 바꿔 하기 표 4에 나타내듯이 여러가지의 샘플을 제작했다 (샘플 No. 4-1∼4-5).

이들 각 샘플에 관하여 상기 실시예3와 같은 평가를 행하였다. 결과를 하기 표 4에 나타낸다.

표 4에 표시되는 실험결과에서, 연자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도의 총화가 500원자 ppm 이하(샘플 No. 4-1∼4-3)이면, 극히양호한 Hc 및 Hk 를 얻을 수 있다.

또한 연자성층내에 불순물로서 함유되는 탄소농도, 유황농도, 염소농도의 총화가 500원자 ppm 이하(샘플 No. 4-1∼4-3)인 경우에서는, 스큐각도분산 Skew 및 연자성층의 구조인자 S의 값이 어느것이나 극히 작아져 있고, 특성이 갖추어져 균질성이 있는 극히 양호한 소프트막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

(실시예5)

이하의 요령으로 실제로, 도11에 표시되는 것 같은 스핀밸브(SV) 타입의 자기저항효과형 헤드를 제작하였다.

우선, 최초에 스핀밸브형의 자기저항효과막을 제작하였다. 즉, 기판(5)(Al₂0₃첨부 AlTiC)의 위에, 하지층(7)(Ta; 두께 5 nm), 연자성층(20)(NiFe; 두께 7 nm), 비자성금속층(30)(Cu; 두께 2.5 nm), 강자성층(40)(Co; 두께 3 nm), 반강자성층(50)(Ru₃Rh_l5Mn₈₂; 두께10 nm), 및 보호층(80)(Ta; 두께5 nm)을 순차 적층하여 자기저항효과형 헤드를 제작하였다.

또, 반강자성층(50)의 불순물 농도는, 산소농도: 280 ppm, 탄소농도: 210 ppm, 유황농도: 78 ppm, 염소농도: 390 ppm; 연자성층(20)중의 불순물 농도는, 산소농도: 120 ppm, 탄소농도: 35 ppm, 유황농도: 20 ppm, 염소농도: 150 ppm 이었다.

이 자기저항효과형 헤드에는, Al₂0₃갭막을 통해 상부시일드층과 하부시일드층이 형성되어 있다.

이 자기저항효과형 헤드에는, 도11에 표시되는 것 같은 감응성 헤드부를 형성하였다. 즉, 연결용 연자성층(520)으로서 NiFe를 두께 10 nm로 형성하고, 이 연결용 연자성층(520)의 위에, 반강자성층(800)으로서 Ru₅Rh_l5Mn₂₀를 두께 10 nm로 형성하며, 이 위에 또한 Ta 로 이루어지는 전극부(100)를 형성하여 도11에 표시되는 구성의 스핀밸브(SV) 타입의 자기저항효과형 헤드를 제작하였다. 그 후, 10^-7Torr의 진공속에서, 측정전류방향과 직각이면서 면내방향으로 200 Oe의 자계를 인가하면서 200℃에서 냉각하여, 강자성층의 핀멈춤 효과를 유도하였다. 자기저항효과형 헤드의 트랙폭은 2μm로 하였다. 이 때의 MR 소자높이는 1μm, 감지전류는 4 mA 로 하였다.

이 자기저항효과형 헤드를 사용하여, 인가자장과 출력전압의 관계를 확인한 바, 3.6 mV의 출력전압이 확인되었다. 이것은, 통상의 스핀 밸브 헤드의 약 2배라는 극히 큰 값이다.

(실시예6)

도 12에는, 본 발명의 자기저항효과소자를 요크형 MR 헤드에 응용한 예가 표시된다. 여기서는, 자속을 이끄는 요크(600,600)의 일부에 잘려진 부분을 설치하고, 그 사이에 자기저항효과막(200)이 얇은 절연막(400)을 개재하여 형성되어 있다. 이 자기저항효과막(200)에는, 요크(600,600)로 형성되는 자로의 방향과 평행 또는 직각방향에 전류를 흘리기 위한 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다.

(실시예7)

도 13에는, 본 발명에서의 자기저항효과소자를 플럭스가이드형 MR 헤드에 응용한 일례가 표시된다. 자기저항효과막(200)은, 고비저항, 고투자율인 플럭스가이드층(700,710)과 자기적으로 결합하여 형성되어 있다. 이 플럭스가이드층(700,710)이 간접적으로 신호자계를 자기저항효과막(200)에 전도한다. 또한, 비자성절연층(400)을 통해, 플럭스백가이드층(600)(자기저항효과막(200)을 통하여 자속의 도망갈 길)이 형성된다. 또한, 플럭스백가이드층(600)은, 비자성절연층(400)을 통해 자기저항효과막(200)의 양측에 설치되더라도 좋다. 이 헤드의 특징은, 기록매체에 자계검출부를, 거의 접촉에 가까운 레벨까지 접근시킬 수 있어, 높은 출력을 얻을 수 있는 점에 있다.

상기한 결과에서 본발명의 효과는 분명하다. 즉, 본발명은 반강자성층에 함유되는 불순물을 규정하고 있기때문에, 열안정성이 우수하고 블로킹온도가 충분히 높고, 핀멈춤 효과에 극히 우수한 양질의 반강자성층을 구비하는 자기저항효과막을 얻을 수 있다. 또한, 열안정성이 우수하며, 자장감도가 높고, MR 변화율이 큰 자기저항효과형 헤드를 얻을 수 있다. 또한, 본발명은, 연자성층에 함유되는 불순물을 규정하고 있기때문에, 연자성특성이 우수하고 자장감도가 높은 자기저항효과막 및 자기저항효과형 헤드를 얻을 수 있다.

Claims

비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막으로서,

상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 반강자성층중에는 또 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층이 M_xMn_l00-x(M은 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 15≤ x ≤ 58(x의 단위는 원자%))로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층이 M^l _pM² _qMn_r(M^l및 M²은 각각 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 1≤ p ≤54,1≤ q ≤54,45≤ r ≤85,15≤ p + q ≤ 55(p, q 및 r의 단위는 원자%))로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭이 80℃ 이하 그리고 상기 자성다층막의 120℃ 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도가 200℃ 이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층과 상기 강자성층의 교환결합에너지가 0.10 erg/cm²이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층은, 도달압력2×10^-9Torr 이하에 배기된 진공성막장치내로, 산소함유량 600 ppm 이하의 타깃을 사용하고, 성막시에 도입되는 스패터가스중의 불순물 농도의 총화를 100 ppb 이하, 그리고 스패터가스중의 H₂O 농도가 40 ppb 이하에서의 스패터가스분위기중, 스패터법으로써 성막되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막으로서,

상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm이고,

상기 연자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼800원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm이고,

상기 연자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 연자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm이고,

상기 연자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 연자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 반강자성층이 M_xMn_l00x(M은 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 15≤ x ≤ 58 (x의 단위는 원자%))로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 반강자성층이 M^l _pM² _qMn_r(M¹및 M²은 각각 Ru, Rh, Re, Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Ni 및 Cr에서 선택된 한 종류이고, 1≤ p ≤54,1≤ q ≤54,45≤ r ≤85,15≤ p + q ≤ 55 (p, q 및 r의 단위는 원자%))로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭이 80℃ 이하 그리고 상기 자성다층막의 120℃ 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도가 200℃ 이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 반강자성층과 상기 강자성층의 교환결합에너가 0.10 erg/cm²이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 자성다층막의 연자성층의 구조인자 S가 30×10^-3erg/cm²이하, 그리고 연자성층의 스큐각도분산이 2 deg 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제 10 항에 있어서, 상기 연자성층은, 도달압력 2×10^-9Torr 이하에 배기된 진공성막장치내로, 산소함유량100 ppm 이하의 타깃을 사용하고, 성막시에 도입되는 스패터가스중의 불순물 농도의 총화를 100 ppb이하, 그리고 스패터가스중의 H₂O 농도가 40 ppb 이하에서의 스패터가스분위기중, 스패터법으로써 성막되어 이루어지는것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
자기저항효과막과, 도체막과, 전극부를 함유하는 자기저항효과형 헤드로서,

상기 도체막은, 상기 전극부를 통해 상기 자기저항효과막과 도통하고 있고,

상기 자기저항효과막은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 이루어지는 스핀밸브형의 자기저항효과막이고,

상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 20 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 l∼1000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 20 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 20 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭이 80℃ 이하 그리고 상기 자성다층막의 120℃ 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 20 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도가 200℃ 이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 20 항에 있어서, 상기 반강자성층과 상기 강자성층의 교환결합에너지가 0.10 erg/cm²이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
자기저항효과막과, 도체막과, 전극부를 함유하는 자기저항효과형 헤드로서,

상기 도체막은, 상기 전극부를 통해 상기 자기저항효과막과 도통하고 있고,

상기 자기저항효과막은 비자성금속층과, 비자성금속층의 한 쪽의 면에 형성된 강자성층과, 비자성금속층의 다른 쪽의 면에 형성된 연자성층과, 상기 강자성층의 자화의 방향을 핀멈춤하기 위해서 강자성층의 위(비자성금속층과 접하는 면과 반대측의 면)에 형성된 반강자성층을 가지는 자성다층막을 구비하여 구성되는 스핀밸브형의 자기저항효과막이고,

상기 반강자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼2000원자 ppm이고, 상기 연자성층중에는 불순물로서의 산소를 함유하고, 그 산소농도가 1∼800원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상을 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한 종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm이고,

상기 연자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상을 포함하고, 연자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 적어도 한종류 이상의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 반강자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 반강자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼1000원자 ppm이고,

상기 연자성층중에는 또한 불순물로서의 탄소, 유황, 염소를 포함하고, 연자성층중에 함유되는 탄소, 유황, 염소의 불순물 농도의 총화가 1∼500원자 ppm 인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도 분포곡선의 반값의 폭이 80℃ 이하 그리고 상기 자성다층막의 120℃ 에서의 블로킹온도 분산도가 0.10 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 자성다층막의 블로킹온도가 200℃ 이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 반강자성층과 상기 강자성층의 교환결합에너지가 0.10 erg/cm²이상인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 자성다층막의 연자성층의 구조인자 S가 30 × 10^-3erg/cm²이하, 그리고 연자성층의 스큐각도분산이 2 deg 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항효과형 헤드.