KR100315556B1 - 스퍼터링타겟,그를이용하여형성한반강자성체막및자기저항효과소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 타겟, 그를 이용하여 형성한 반강자성체막 및 자기저항 효과소자에 관한 것으로서, 실질적으로 Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 적어도 1종의 R원소와, Mn으로 이루어지는 스퍼터링 타겟으로서, 스퍼터링 타겟은 타겟조직의 적어도 일부로서 R원소와 Mn과의 합금상 및 화합물상에서 선택되는 적어도 1종을 갖고 있고, 또한 타겟 속의 산소함유량이 1중량%이하(0을 포함함)이며, 이러한 스퍼터링 타겟을 이용함으로써 내식성이나 열특성이 뛰어난 RMn합금으로 이루어지는 반강자성체막의 막 조성이나 막 질의 안정화를 도모할 수 있고, 이 반강자성체막에 의하면 그것과 강자성체막과 적층하여 교환 결합막으로 한 때에 충분한 교환 결합력을 안정하게 얻을 수 있으며, 이러한 교환 결합막은 자기저항 효과소자 등에 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼터링 타겟, 그를 이용하여 형성한 반강자성체막 및 자기저항 효과소자{SPUTTERING TARGET, ANTI-FERROMAGNETIC MATERIAL FILM FORMED USING THEREOF AND MAGNETO-RESISTANCE EFFECT ELEMENT FORMED USING THE SAME}
종래부터 고밀도 자기기록에 있어서 재생용 헤드로서, 자기저항 효과소자(이하, MR소자라고 기록함)를 이용한 자기헤드(MR헤드)의 연구가 진행되고 있다. 현재, 자기저항 효과막(MR막)으로서는 이방성 자기저항효과(AMR)를 나타내는 Ni80Fe20(at%)합금(퍼멀로이) 등이 일반적으로 사용되고 있다. AMR막은 자기저항 변화율(MR변화율)이 3% 정도로 작기 때문에, 이를 대신하는 자기저항 효과막 재료로서 거대 자기저항효과(GMR)를 나타내는 (Co/Cu)n등의 인공격자막이나 스핀밸브막이 주목받고 있다.
AMR막을 이용한 MR소자에 있어서는 AMR막이 자구를 갖기 때문에 이 자구에기인하는 바르크하우젠(Barkhausen) 노이즈가 실용화 상에서 큰 과제가 되고 있다. 이 때문에 AMR막을 단자구화하는 방법이 다양하게 검토되고 있다. 그 하나로서, 강자성체인 AMR막과 반강자성체막과의 교환 결합을 이용하여 AMR막의 자구를 특정방향으로 제어하는 방법이 적용되고 있다. 여기에서의 반강자성체로서는 종래부터 γ-FeMn합금이 널리 알려져 있다(예를 들면, 미국 특허제 4,103,315호 명세서, 미국 특허제 5,014,147호 명세서, 미국 특허제 5,315,468호 명세서 등 참조).
한편, 스핀밸브막은 강자성층/비자성층/강자성층의 적층구조로 이루어지는 샌드위치막을 갖고, 한쪽의 강자성층의 자화를 핀고정하는 것에 의해 GMR을 얻고 있다. 스핀밸브막의 한쪽의 강자성층의 자화의 핀고정에도 반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합을 이용하는 기술이 보급되고 있다. 이 때 반강자성체막의 구성재료로서도 γ-FeMn합금이 널리 사용되고 있다.
그러나, γ-FeMn합금은 내식성이 낮고, 특히 물에 의해 부식되기 쉬운 결점을 갖고 있다. 이 때문에 γ-FeMn합금으로 이루어지는 반강자성체막을 이용한 MR소자는 소자형상이나 헤드형상으로의 가공공정에서 부식, 특히 대기중의 수분에 의해 부식이 생기기 쉽고, 이 부식에 기초하여 시간이 경과함에 따라서 MR막과의 교환 결합력이 악화되기 쉬운 문제가 있다.
반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합막에는 신뢰성이라는 관점에서 예컨데, 393K에서 200 Oe이상의 교환 결합력이 요구되고 있다. 393K에서 200 Oe이상의 교환 결합력을 얻기 위해서는 실온에서의 교환 결합력에 더하여, 교환 결합력의 온도특성이 양호할 필요가 있다. 이 점이 요구된다. 교환 결합력의 온도 특성에관해서는 강자성체막과 반강자성체막과의 교환 결합력을 잃는 온도인 블로킹 온도가 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 그러나 γ-FeMn합금은 블로킹 온도가 443K이하로 낮고, 또 교환 결합력의 온도 특성도 상당히 나쁘다.
한편, 예를 들면 미국 특허제 5,315,468호에는 면심정방정계의 결정구조를 갖는 NiMn합금 등의 θ-Mn합금을 반강자성막으로서 사용하는 것이 기재되어 있다. θ-Mn합금으로 이루어지는 반강자성체막을 이용하면, 고온역에서도 반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합력이 저하하지 않는 것이 나타나 있다.
또한, 블로킹온도가 높고, 교환 결합력이 크고, 동시에 내식성이 뛰어난 반강자성체막으로서 면심입방정계의 결정구조를 갖는 IrMn합금이 제안되고 있다. 동일한 결정구조를 갖는 반강자성체막으로서는 PtMn합금이나 RhMn합금 등의 γ-FeMn합금이외의 γ-Mn합금이 알려져 있다(미국 특허제 4,103,315호, 제 5,315,468호 등 참조).
상술한 바와 같이, IrMn합금, PtMn합금, RhMn합금, NiMn합금, PdMn합금, CrMn합금 등의 Mn합금은 내식성이 뛰어나고, 또한 교환 결합막의 블로킹 온도를 높일 수 있다. 따라서, MR소자의 장기적인 신뢰성을 높이는 반강자성체로서는 주목받고 있다.
그런데, 반강자성체막의 형성에는 일반적으로 스퍼터법이 채용되고 있다. 상기와 같은 Mn합금을 구성하는 각 원소로 이루어지는 스퍼터링 타겟을 이용하여 반강자성체막을 스퍼터 성막(成膜)하고 있다. 그러나, 종래의 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막은 면 속의 막 조성이 불균일하게 되기 쉽다. 이러한반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합막은 충분한 교환 결합력을 얻을 수 없는 문제가 있었다. 또, 그와 같은 교환 결합막을 이용한 MR소자나 MR헤드는 그들을 구성하는 이외의 층에서 반강자성체막이 악영향을 받아, 교환 결합특성이 악화되기 쉽다는 등의 문제를 갖고 있다.
또한, 종래의 스퍼터링 타겟은 스퍼터 초기와 라이프 엔드 가까이에서 성막된 막 조성에 큰 조성의 편차가 생기기 쉽다는 문제를 갖고 있다. 이러한 반강자성체막의 막 조성이 시간의 경과함에 따라 변화하는 것도 교환 결합특성의 악화를 야기하는 원인이 되고 있다.
본 발명의 목적은 내식성이나 열특성이 뛰어난 Mn합금으로 이루어지는 반강자성체막의 막 조성이나 막 질의 안정화를 도모함과 동시에, 라이프 엔드까지 조성 편차가 적은 스퍼터링 타겟을 제공하는 데에 있다. 그리고, 실온 및 고온역에서 충분한 교환 결합력을 안정하게 얻을 수 있는 반강자성체막을 재현성 좋게 형성하는 것을 가능하게 한 스퍼터링 타겟 및 그러한 특성을 갖는 반강자성체막을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 발명의 다른 목적은 그러한 특성이 뛰어난 반강자성체막을 사용함으로써, 안정된 특성이나 출력을 재현성 좋게 얻는 것을 가능하게 한 자기저항 효과소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 스퍼터링 타겟, 그를 이용하여 형성한 반강자성체막 및 자기저항 효과소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 반강자성체막을 사용한 교환 결합막의 한 실시형태의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 자기저항 효과소자의 한 실시형태의 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 도 2에 나타나는 자기저항 효과소자의 변형예를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 자기저항 효과소자의 다른 실시형태의 구성을 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명의 자기저항 효과소자를 사용한 자기헤드의 한 실시형태의 구성을 나타내는 단면도,
도 6은 도 5에 나타나는 자기헤드의 변형예를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예 3에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막의 교환 결합력의 조성 의존성을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 7에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 교환 결합막 시료의 내식성 시험의 결과를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예 7에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 교환 결합막 시료의 교환 바이어스력의 측정결과를 나타내는 도면, 및
도 10은 본 발명의 실시예 7에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 교환 결합막 시료의 블로킹 온도의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명에 있어서 제 1 스퍼터링 타겟은 실질적으로 Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 적어도 1종의R원소와, Mn으로 이루어지는 스퍼터링 타겟이고, 타겟조직의 적어도 일부로서 상기 R원소와 Mn과의 합금상 및 화합물상에서 선택되는 적어도 1종을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 제 2 스퍼터링 타겟은 실질적으로 Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 적어도 1종의 R원소와, Mn으로 이루어지는 스퍼터링 타겟이고, 타겟조직의 적어도 일부로서 상기 R원소와 Mn의 합금상 및 화합물상에서 선택되는 적어도 1종을 갖고 동시에 산소함유량이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하고 있다.
제 1 및 제 2 스퍼터링 타겟은 또한 상기 합금상 및 화합물상을 구성하는 Mn을 제외하는 잔여 Mn의 입자직경이 50㎛이하인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 제 3 스퍼터링 타겟은 실질적으로 Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 적어도 1종의 R원소와, Mn으로 이루어지는 스퍼터링 타겟이고, 산소함유량이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 스퍼터링 타겟은 또한 탄소함유량이 0.3중량%이하, 상대밀도가 90%이상인 것이 바람직하다. 본 발명의 스퍼터링 타겟은 예를 들면 Mn을 30원자%이상 함유한다. 본 발명의 스퍼터링 타겟은 예를 들면, Mn을 30원자%이상 함유한다. 본 발명의 스퍼터링 타겟은 또한 Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn 및 N에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하고 있어도 좋다.
본 발명의 반강자성체막은 상기한 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터 성막하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 자기저항 효과소자는 상기한 본 발명의 반강자성체막을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명의 자기저항 효과소자는 예를 들면 상기한 본 발명의 반강자성체막과 상기 반강자성체막과 교환 결합된 강자성체막을 구비하고 있다. 또한 상기한 본 발명의 반강자성체막과 상기 반강자성체막과 교환 결합된 제 1 강자성층과, 상기 제 1 강자성층과 비자성층을 통해서 적층된 제 2 강자성층을 구비하고 있다. 본 발명의 자기저항 효과소자는 예를 들면 자기헤드에 이용된다. 본 발명의 자기저항 효과소자는 MRAM과 같은 자기기억장치, 자기센서 등에 사용할 수도 있다.
본 발명에서는 R원소를 Mn과의 합금상이나 화합물상으로서 스퍼터링 타겟 속에 분포시키고 있다. R원소와 Mn과의 화합물상이나 합금상으로서 R원소를 타겟조직 속에 분포시킴으로써, 타겟 속의 조성을 균일화할 수 있다. 또한, 타겟조직으로서도 균일한 상태에 근접한다. 특히, 타겟의 전체 조성에 있어서 Mn가 풍부한 경우, R원소를 Mn과 합금상이나 화합물상으로서 분포시킴으로써, 조성이나 조직의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 스퍼터링 타겟 속의 산소함유량은 1중량% 이하로 함으로써, Mn이 풍부한 타겟조성을 갖는 스퍼터링 타겟이라도 용이하게 고밀도화할 수 있다. 스퍼터링 타겟의 저산소 농도화나 고밀도화는 그것을 이용하여 성막한 반강자성체막의 고순도화 및 저산소 농도화에 크게 기여한다. 또한 반강자성체막의 막 질이나 막 조성(타겟 조성에서 편차) 등의 개선에도 기여한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 반강자성체막을 스퍼터 성막함으로써, 면 속의 막 조성의 균일성이 뛰어난 반강자성체막을 안정하게 얻을 수 있다. 또한, 스퍼터링 타겟의 조성이나 조직의 균일화는 스퍼터 초기로부터 타겟의 라이프 엔드까지의 조성 편차의 억제에 효과를 발휘한다. 스퍼터링 타겟의 저산소 농도화나 고밀도화도 동일하다.
이렇게 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용함으로써, 막 조성의 안정성 및 면 속의 막 조성의 균일성이 뛰어난 반강자성체막을 재현성 좋게 얻을 수 있다. 이러한 반강자성체막을 예를 들면 강자성체막과 적층하여 교환 결합막을 구성함으로써, 충분한 교환 결합력, 양호한 내식성이나 내열성 등의 우수한 특성을 안정하게 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다.
본 발명의 스퍼터링 타겟으로서는 우선 실질적으로 Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 적어도 1종의 R원소와, Mn으로 이루어지는 것을 들 수 있다. 이러한 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 RMn합금으로 이루어지는 반강자성체막은 다양한 강자성체막과 적층함으로써, 예를 들면 교환 결합막으로서 사용된다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에 있어서, Mn함유량은 R원소와의 조합에 기초하여 적정하게 설정되지만, 적어도 Mn함유량은 10원자%이상으로 하는 것이 바람직하다.Mn함유량이 너무 지나치게 적다면, 양호한 교환 결합력을 얻을 수 없다. 한편, R원소의 함유량이 지나치게 적다면 내식성이 저하하는 경향이 있다. 이러한 것 때문에, Mn함유량은 10 내지 98원자%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 본 발명은 Mn함유량이 30원자% 이상이라고 하는 것과 같이, Mn이 풍부한 조성을 갖는 스퍼터링 타겟에 대하여 특히 효과적이다.
Mn함유량의 보다 바람직한 범위는 선택한 R원소에 기초하여 설정된다. 예를 들면, R원소가 Ir, Rh, Au, Ag, Co, Ru, Re인 경우, Mn함유량은 40 내지 98원자%의 범위로 하는 것이 바람직하고, 60 내지 95원자%의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다. 상기한 R원소를 함유하는 RMn합금은 일반적으로 상기한 바와 같은 조성범위에서 면심입방정계의 결정구조가 안정하게 된다. 결정구조의 적어도 일부가 면심입방정 구조인 RMn합금은 특히 높은 네일(Neel)온도(반강자성체가 반강자성을 잃는 온도)를 갖기 때문에, 교환 결합막의 블로킹온도를 보다 한층 향상시킬 수 있다.
또, R원소가 Ni, Pd인 경우에는, 결정구조가 면심정방정계일 때 열안정성이 향상한다. 따라서, 이러한 결정구조가 안정하게 되는 조성범위, 즉 Mn함유량을 30 내지 70원자%의 범위로 하는 것이 바람직하다. R원소가 Cr인 경우에는 RMn합금은 체심입방정 구조나 체심정방정 구조를 취하고, Mn함유량은 30 내지 70원자%의 범위로 하는 것이 바람직하다. R원소가 Pt인 경우에는 면심입방정 및 면심정방정 모두 열안정성이 우수하다. 이 때의 Mn함유량은 30 내지 98원자%의 범위, 특히 60 내지 95원자%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에는 상기한 R원소 외에, Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd,Al, Ga, In, Si, Ge, Sn 및 N에서 선택되는 적어도 1종의 원소(A원소)를 함유시켜도 좋다. RMn합금으로 이루어지는 반강자성체막은 상술한 조성범위나 결정구조 등에 기초하여, 종래의 FeMn합금에 비하여 양호한 내식성을 얻을 수 있지만, 이러한 첨가성분을 함유시키는 것으로 한층 더 내식성을 향상시킬 수 있다. 다만, A원소를 너무 다량으로 함유하면, 교환 결합력이 저하할 우려가 있다. A원소의 배합량은 40원자% 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 30원자% 이하이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟은 타겟조직의 적어도 일부로서 R원소와 Mn과의 합금상 및 R원소와 Mn과의 화합물상에서 선택되는 적어도 1종을 갖고 있다. R원소와 Mn을 조합시킨 스퍼터링 타겟은 일반적으로 분말소결법 등으로 고밀도화하기 어렵고, 또한 Mn에 대하여 R원소를 균일하게 분포시키는 것이 곤란하다. Mn이 풍부한 조성범위를 적용한 경우, 특히 R원소의 분포가 불균일하게 되기 쉽다.
이러한 R원소와 Mn과의 조합에 있어서, 본 발명에서는 R원소를 Mn과의 합금상이나 화합물상으로서 스퍼터링 타겟 속에 분포시키고 있다. 예를 들면, R원소로서 Ir을 이용한 경우, 이들 화합물상으로서는 IrMn3를 들 수 있다. 이러한 Mn이 풍부한 화합물상이나 합금상으로서 R원소를 타겟조직 속에 분포시키고, 단상으로서 존재하는 R원소량을 극히 감소시킴으로써, 타겟 속의 조성을 균일화할 수 있다. 또한 타겟조직(금속조직)으로서도 균일한 상태에 근접한다. 특히, 타겟의 전체조성에 있어서 Mn이 풍부한 경우, R원소를 Mn과의 합금상이나 화합물상으로서 분포시킴으로써, 조성이나 조직의 균일성을 향상시킬 수 있다.
여기에서, R원소로서 2종류 이상의 원소를 사용하는 경우, R원소와 Mn과의 합금상이나 화합물상은 각 R원소와 Mn과의 합금이나 화합물이라도 좋고, 또 2종이상의 R원소와 Mn과의 합금이나 화합물이라도 좋다. 예를 들면, R원소로서 Ir과 Rh를 선택한 경우, Ir과 Mn의 2원계의 합금이나 화합물, Rh와 Mn의 2원계의 합금이나 화합물 및 Ir과 Rh와 Mn의 3원계의 합금이나 화합물의 어느 1종이상이 존재하고 있다면 좋다.
또한, 상기한 합금상이나 화합물상을 구성하는 Mn이외는 Mn단상으로서 존재할 수 있다. 본 발명에 있어서는 R원소의 일부도 단상으로서 존재하는 것이 허용되지만, 그 비율은 상기한 바와 같은 이유에서 극격히 감소시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 합금상이나 화합물상을 구성하는 Mn을 제외하는 잔여 Mn의 입자직경은 50㎛이하인 것이 바람직하다. 단상으로서 잔재하는 Mn의 입자직경이 크다면, 미시적으로 보면 Mn이 편석(偏析)하고 있게 된다. 이러한 Mn의 편석에 기인하는 조성이나 조직의 불균일을 해소한 후에 단상으로서의 Mn의 최대 입자직경은 50㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 그 Mn의 평균 입자직경은 10 내지 40㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
Mn입자직경의 미세화는 특히 Mn이 풍부한 타겟조성에 대해서 효과를 나타낸다. 그러나, 그 평균 입자직경이 너무 작다면 산소함유량의 증대 원인이 되기 때문에, 10㎛이상으로 하는 것이 바람직하다. Mn의 최대 입자직경은 30㎛이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 여기에서 Mn의 입자직경은 Mn입자를 둘러싸는 최소원의직경을 말한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 반강자성체막을 스퍼터 성막함으로써, 면 속의 막 조성의 균일성이 뛰어난 반강자성체막을 안정하게 얻을 수 있다. 스퍼터링 타겟의 조성이나 조직의 균일화는 스퍼터 초기로부터 타겟의 라이프 엔드까지의 조성 편차의 억제에도 효과를 발휘한다. 이렇게 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용함으로써, 막 조성의 안정성이 우수한 반강자성체막을 재현성 좋게 얻을 수 있다. 얻어지는 반강자성체막은 또한 면 속의 막 조성의 균일성에도 뛰어난 것이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟은 또한 타겟 속의 산소함유량을 1중량%이하로 하는 것이 바람직하다. 타겟 속의 산소함유량이 너무 많으면, 특히 소결시 Mn의 조성제어가 어려워짐과 동시에, 스퍼터 성막하여 얻어지는 반강자성체막 속의 산소량이 증대한다. 이것은 반강자성체막의 특성 악화의 요인이 될 우려가 있다. 또한 타겟 속의 산소함유량이 많으면, 타겟을 고밀도화하는 것이 곤란해진다. 또, 가공성이 나빠짐과 더불어 스퍼터링 중 타겟에 균열이 생기기 쉬워지는 등의 문제가 발생한다. 보다 바람직한 산소함유량은 0.7중량%이하이고, 더욱 바람직한 것은 0.1중량%이하이다.
또한, 타겟 속의 탄소함유량이 너무 많은 경우에도, 소결시나 소성가공시에 균열 등의 결함이 생기기 쉬워진다. 또한 얻어지는 반강자성체막의 교환 결합 자계나 블로킹 온도 등의 특성도 저하한다. 따라서, 타겟 속의 탄소 함유량은 0.3중량%이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 탄소함유량은 0.2중량%이하이고,더욱 바람직한 것은 0.01중량%이하이다.
특히, 스퍼터링 타겟 속의 산소함유량이나 탄소함유량을 저감함으로써, Mn이 풍부한 타겟조성을 갖는 스퍼터링 타겟이라도, 용이하게 고밀도화할 수 있다. 또한, 스퍼터링 타겟의 저산소 농도화나 저탄소 농도화는 그것을 이용하여 성막한 반강자성체막의 고순도화, 막 질이나 막 조성(타겟 조성으로부터의 편차)의 개선 등에 기여한다. 이것은 반강자성체막이 교환 결합자계나 블로킹온도 등의 특성을 향상시킨다.
본 발명의 스퍼터링 타겟의 밀도는 상대밀도로, 90%이상으로 하는 것이 바람직하다. 스퍼터링 타겟의 밀도가 너무 낮으면, 스퍼터시에 타겟의 결함부분에서의 이상방전에 의해 입자가 발생하기 쉬워진다. 입자가 반강자성체막 속에 분산하면, 특성이 악화함과 동시에, 생산성의 저하 요인이 된다. 보다 바람직한 상대밀도는 95%이상이다.
또한, 본 발명의 스퍼터링 타겟에 있어서는 타겟조직의 일부를 합금상이나 화합물상으로 하는 구성 및 산소함유량을 1중량%이하로 하는 구성의 한쪽을 만족시킴으로써, 적어도 원하는 효과를 얻을 수 있다. 다만, 이들 구성은 모두 만족시키는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 스퍼터링 타겟의 제조에는 소결법 및 용융법의 어느것을 적용하여도 좋다. 다만 제조비용이나 원료 생산성 등을 고려한 경우, 소결법을 적용하는 것이 바람직하다.
소결법을 적용하여 본 발명의 스퍼터링 타겟을 제조하는 경우, 우선 상기한바와 같은 타겟조직(합금상이나 화합물상을 포함하는 금속조직)을 얻은 후에 극히 미세한 원료분말(R원소 및 Mn의 각 원료분말)을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 미세한 Ir분말 등의 R원소분말과 미세한 Mn분말을 이용함으로써, 소결의 전단계에서 균일한 혼합상태가 얻어짐과 동시에, R원소와 Mn과의 사이의 반응을 촉진할 수 있다. 이들은 소결시에 R원소와 Mn과의 합금상이나 화합물상의 생성량의 증대에 기여한다. 또한 단상으로서 잔존하는 Mn입자직경의 미세화에 대해서도 효과를 발휘한다.
다만, R원소 및 Mn의 각 원료분말의 입자직경이 너무 작으면, 원료 단계에서의 산소함유량이 증대하고, 이것이 타겟 속의 산소량의 증대원인이 된다. 특히, Mn은 산소를 흡착하기 쉽기 때문에, 그것을 고려하여 입자직경을 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 것 때문에 R원소의 원료분말의 평균 입자직경은 20 내지 50㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다. Mn의 원료분말의 평균 입자직경은 100㎛이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 40 내지 50㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
다음에 상기한 바와 같은 R원소의 원료분말과 Mn의 원료분말을 소정의 비율로 배합하여 충분히 혼합한다. 원료분말의 혼합에는 볼밀, V믹서 등, 각종 공지된 혼합방식을 적용할 수 있다. 이 때, 금속불순물의 혼입이나 산소량의 증가 등이 생기지 않도록 혼합조건을 설정하는 것이 중요하다. 원료분말 속의 산소에 대해서는, 더욱 적극적으로 감소시키기 위해서, 탈산제로서 미량의 탄소를 첨가하여도 좋다. 다만 탄소자체도 성막된 반강자성체막의 특성 저하 요인이 되기 때문에, 상술한 바와 같이 타겟 속의 탄소량이 0.3중량% 이하가 되도록 조건 설정하는 것이 바람직하다.
예컨데, 볼밀 혼합을 적용하는 경우, 금속불순물의 혼입을 방지하기 위해서, 수지(예를 들면 나일론)제용기나 볼, 또는 원료분말과 동질의 재료를 내장한 용기나 볼을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 원료분말과 동질의 재료를 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합공정 속에 용기속에 가둔 가스성분이 원료분말에 흡착 또는 흡수되는 것을 방지하기 위해서, 혼합용기 속은 진공분위기 또는 불활성 가스로 치환한 분위기로 하는 것이 바람직하다. 볼밀혼합 이외의 혼합방식을 적용하는 경우에 있어서도, 동일한 불순물의 혼입 방지책을 실시하는 것이 바람직하다.
혼합시간은 혼합방법, 투입하는 분말량, 혼합용기의 크기 등에 의해 적정 설정하는 것으로 한다. 혼합시간이 지나치게 짧으면, 균일한 혼합분말이 얻어지지 않을 우려가 있다. 한편, 혼합시간이 지나치게 길어지면, 불순물량이 증대할 우려가 커진다. 혼합시간은 이것을 고려하여 적정 설정한다. 예를 들면 10리터의 혼합용기를 이용하여 분말 5kg투입하여 볼밀혼합하는 경우, 혼합시간은 48시간정도로 하는 것이 적당하다.
다음에, 상기한 바와 같은 R원소의 원료분말과 Mn의 원료분말과의 혼합분말을 소결시키고, 타겟소재를 제작한다. 소결은 고밀도의 소결체가 얻어지는 고온 프레스법이나 HIP법을 적용하여 실시하는 것이 바람직하다. 소결온도는 원료분말의 종류에 따라서 설정하는 것으로 하지만, 특히 R원소와 Mn과의 반응을 촉진하도록 Mn의 융점(1244℃) 바로 아래의 1150 내지 1200℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이러한 고온에서 혼합분말을 소결시키는 것에 의해, 스퍼터링 타겟 속의 R원소와 Mn과의 합금상이나 화합물상의 양을 증가시킬 수 있다. 바꿔말하면, 단상으로서 존재하는 R원소량을 저감하는 것이 가능해진다. 고온 프레스나 HIP시의 압력은 고밀도화가 가능한 20MPa이상으로 하는 것이 바람직하다.
얻어진 타겟소재는 소정의 타겟형상으로 기계 가공된다. 이것을 뒷받침판에 예를 들면 납땜 접합함으로써, 본 발명의 스퍼터링 타겟이 얻어진다.
상술한 바와 같은 조건을 만족하는 소결방법을 적용함으로써, 후술하는 용해법보다 제조비용이 염가인 소결법으로, R원소를 Mn과의 합금상이나 화합물상으로서 존재시킴과 동시에 산소함유량이나 탄소함유량을 저감한 스퍼터링 타겟을 안정하게 제조할 수 있다. 또한 소결법은 후술하는 용해법에 대하여 사용하는 희소금속원료의 생산성이 높은 이점도 갖고 있다.
용해법을 적용하여 본 발명의 스퍼터링 타겟을 제조하는 경우에는, 우선 소정의 비율로 배합한 R원소의 원료와 Mn의 원료를 용해한다. 용해에는 일반적인 유도식 전기로를 적용할 수 있다. 유도식으로 용해하는 경우에는 불순물의 휘발을 촉진하기 위해서 저압하(진공속)에서 용해하는 것이 바람직하다. 다만, Mn 등의 휘발에 의한 조성변동을 억제하고자 하는 경우에는 불활성 가스 속에서 실시하여도 좋다. 또, 원료의 형상에 따라서는 아크용해나 전자빔용해를 적용하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 용해방법에 의해 얻어진 잉곳(ingot)은 예를 들면, 소성가공한 후 소정의 타겟형상으로 기계가공된다. 이것을 뒷받침판에 예를 들면 납땜 접합함으로써, 본 발명의 스퍼터링 타겟이 얻어진다. 용해법에 의해서도 상술한소결법과 동일하게 R원소를 Mn과의 합금상이나 화합물상으로서 존재시킴과 동시에 산소함유량이나 탄소함유량을 저감한 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다.
본 발명의 반강자성체막은 상술한 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 종래의 방법에 의해 스퍼터 성막하여 얻어진다. 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 형성한 반강자성체막은 상술한 바와 같이 막 조성의 안정성 및 면 속의 막 조성의 균일성이 우수한 것이다. 이러한 반강자성체막은 강자성체막과 적층하여 교환 결합막으로서 이용할 때에, 충분한 교환 결합력, 양호한 내식성이나 내열성 등의 우수한 특성을 안정하게 얻을 수 있다.
본 발명의 반강자성체막은 예를 들면 강자성체막과 적층하여 교환 결합막으로서 사용된다. 도 1은 본 발명의 반강자성체막을 이용한 교환 결합막의 한 실시형태의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 기판(1) 위에 형성된 교환 결합막(2)은 적층된 반강자성체막(3)과 강자성체막(4)을 갖고 있다. 반강자성막체(3)와 강자성체막(4)과는 이들 사이에서 교환 결합이 생기도록 적어도 일부를 적층시켜 형성하면 좋다.
또한 교환 결합이 생기는 조건 하에 있다면, 반강자성막체(3)와 강자성체막(4)과의 사이에 다른 층을 개존시키는 것도 가능하다. 또, 반강자성체막(3)과 강자성체막(4)과의 적층순서는 용도에 따라서 설정되고, 반강자성체막(3)을 상측에 배치하여도 좋다. 반강자성체막(3)과 강자성체막(4)을 다중 적층한 적층막에서 교환 결합막을 구성하는 것도 가능하다.
RMn합금(또는 RMnA합금)으로 이루어지는 반강자성체막(3)의 막두께는 반강자성을 발현하는 범위내에 있다면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 큰 교환 결합력을 얻기 위해서는 반강자성체막(3)의 막두께를 강자성체막(4)의 막두께보다 두껍게 하는 것이 바람직하다. 반강자성체막(3)을 강자성체막(4)의 상측에 적층하는 경우에는 열처리 후의 교환 결합력의 안정성 등의 관점에서 3 내지 15nm정도로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 10nm이하이다. 또, 강자성체막(4)의 막두께도 동일한 관점에서 1 내지 3nm정도로 하는 것이 바람직하다. 한편, 반강자성체막(3)을 강자성체막(4)의 하측에 적층하는 경우에는 3 내지 50nm정도로 하는 것이 바람직하고, 강자성체막(4)의 막두께도 1 내지 7nm로 하는 것이 바람직하다.
강자성체막(4)에는 Fe, Co, Ni나 이것의 합금으로 이루어지는 각종 단층구조의 강자성층 또는 강자성적인 성질을 나타내는 자성다층막이나 그래뉼러(granular)막 등을 이용할 수 있고, 구체적으로는 이방성 자기저항 효과막(AMR막)이나 스핀밸브막, 인공격자막, 그래뉼러막 등의 거대 자기저항 효과막(GMR막) 등이 예시된다. 이들 강자성체 중, 특히 Co 또는 Co합금은 RMn합금으로 이루어지는 반강자성체막(3)과 적층형성하는 것으로, 블로킹온도가 상당히 높은 교환 결합막(2)이 얻어지기 때문에 바람직하게 이용된다.
상술한 실시형태의 교환 결합막(2)은 자기저항 효과소자(MR소자)에 있어서 강자성체막의 바르크하우젠 노이즈의 제거 또는 인공격자막이나 스핀밸브막에서 강자성체막의 자화 고착 등에 유효하게 사용되는 것이다. 다만, 반강자성체막 및 그를 이용한 교환 결합막(2)의 용도는 MR소자에 한정되는 것이 아니며 예를 들면, 강자성체막으로 이루어지는 자기 요크와 같은 각종 자기로의 자기 이방성 제어 등,각종 용도로 사용할 수 있는 것이다.
다음에, 상술한 바와 같은 교환 결합막을 사용한 자기저항 효과소자(MR소자)의 실시형태에 대해서 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다. MR소자는 예를 들면 HDD와 같은 자기기록장치용의 자기헤드의 재생소자나 자계검출용 센서 등으로서 유효하지만, 이 이외에 자기저항효과 메모리(MRAM(Magnetoresistive randomaccess memory))와 같은 자지기록장치에도 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 교환 결합막을 이방성 자기저항 효과막(AMR막)의 바르크하우젠 노이즈의 게거 등에 사용한 AMR소자(5)의 한 구성예를 도시하고 있다. AMR소자(5)는 강자성체막으로서 전류의 방향과 자성막의 자화 모멘트가 이루는 각도에 의존하여 전기저항이 변화하는 Ni80Fe20등의 강자성체로 이루어지는 AMR막(6)을 갖고 있다. AMG막(6)의 양단부상에는 반강자성체막(3)이 각각 적층형성되어 있다. 이들 AMR막(6)과 반강자성체막(3)이 교환 결합막을 구성하고 있고, AMR막(6)에는 반강자성체막(3)에서 자기 바이어스가 부여되고 있다.
또, AMG막(6)의 양단부에는 반강자성체막(3)을 통해서 전기적으로 접속된 Cu, Ag, Au, Al, 이들의 합금으로 이루어지는 한쌍의 전극(7)이 형성되어 있고, 이 한쌍의 전극(7)에 의해 AMR막(6)에 전류(센스전류)가 공급된다. 이들 AMR막(6), 반강자성체막(3) 및 한쌍의 전극(7)에 의해 AMR소자(5)가 구성되어 있다. 또한, 전극(7)은 AMR막(6)에 직접 접촉하는 형태로 하여도 좋다. 또, 이들 각 구성요소는 예를 들면, Al2O3·TiC 등으로 이루어지는 기판(1)의 주표면 위에 형성되어 있다.
상술한 AMR소자(5)에 있어서는 AMR막(6)과 반강자성막(3)과의 교환 결합을 이용하여, AMR막(6)에 자기 바이어스를 부여하고 자구 제어하고 있고, 이 AMR막(6)의 자구 제어에 의해 바르크하우젠 노이즈의 발생을 억제하고 있다. 반강자성체막(3)에 의한 AMR막(6)으로의 자기 바이어스의 부여는, 도 3에 도시한 바와 같이 AMR막(6)위에 교환 바이어스 자계조정막(8)을 통하여 반강자성체막(3)을 적층 형성하고, 이들 AMR막(6)과 반강자성체막(3)과의 교환 바이어스 자계조정막(8)을 통한 교환 결합에 의해 실시하여도 좋다. 이 경우, 한쌍의 전극(7)은 반강자성체막(3)의 양단부와 일부 적층하도록 형성된다.
AMR소자(5)에 있어서 AMR막(6)으로의 자기 바이어스의 부여에 본 발명의 반강자성체막을 사용한 경우에는 상술한 바와 같이 RMn합금 등으로 이루어지는 반강자성체막(3)의 기본 특성을 충분하고 또한 안정하게 발휘시키고, 실온 및 고온역에서 충분한 교환 결합력을 안정하게 얻을 수 있기 때문에, 바르크하우젠 노이즈의 발생을 각종 조건하에서 재현성 좋게 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 반강자성체막을 거대 자기저항 효과막(GMR막)의 강자성측의 자화 고착에 적용한 GMR소자(9)의 한 구성예를 나타내고 있다. GMR소자(9)는 강자성체막으로서 강자성층/비자성층/강자성층의 샌드위치구조의 자성다층막을 갖고, 이 강자성층간의 자화가 이루어지는 각도에 의존하여 전기저항이 변화하는 스핀밸브막 또는 강자성층과 비자성층과의 다층적층막을 갖고, GMR을 나타내는 인공격자막 등으로 이루어지는 GMR막(10)을 갖고 있다.
도 4에 나타나는 GMR소자(9)는 스핀밸브막으로 이루어지는 GMR막(스핀밸브 GMR막)(10)을 갖고 있다. 이 스핀밸브 GMR막(10)은 강자성층(11)/비자성층(12)/강자성층(13)의 샌드위치막을 갖고, 이 중 상측의 강자성층(13) 위에 반강자성체막(3)이 적층 형성되어 있다. 강자성층(13)과 반강자성체막(3)과는 교환 결합막을 구성하고 있다. 상측의 강자성층(13)은 반강자성체막(3)과의 교환 결합력에 의해 자화 고착된 이른바 핀층이다. 한편, 하측의 강자성층(11)은 자기기록매체 등으로부터의 신호자계(외부자계)에 의해 자화방향이 변화하는 이른바 프리층이다. 또한, 스핀밸브 GMR막(10)에 있어서 핀층과 프리층의 위치는 상하반대라도 좋다.
강자성층(11)은 필요에 따라서 자성하지층(또는 비자성하지층)(14)위에 형성된다. 자성하지층(14)은 1종류의 자성막으로 구성하여도 좋고, 다른 종류의 자성막의 적층막이라도 좋다. 구체적으로는 자성하지층(14)으로서는 비결정성계 연자성체나 면심입방정 구조를 갖는 연자성체, 예를 들면 NiFe합금, NiFeCo합금, 이것에 각종 첨가원소를 첨가한 자성합금 등이 이용된다. 또한 도면 중 "15"는 Ta 등으로 이루어지는 보호막이고 필요에 따라서 형성된다.
스핀밸브 GMR막(10)의 양단부에는 Cu, Ag, Au, Al, 이것의 합금 등으로 이루어지는 한쌍의 전극(7)이 형성되어 있고, 이 한쌍의 전극(7)에 의해 스핀밸브 GMR막(10)에 전류(센스전류)가 공급된다. 이들 스핀밸브 GMR막(10) 및 한쌍의 전극(7)에 의해 GMR소자(9)가 구성되어 있다. 또한 전극(7)은 스핀밸브 GMR막(10)의 하측에 형성하는 형태로 하여도 좋다.
스핀밸브형의 GMR소자(9)에 있어서 한쪽의 강자성층의 자화 고착에 본 발명의 반강자성체막을 사용한 경우, 상술한 바와 같이 RMn합금 등으로 이루어지는 반강자성체막(3)의 기본 특성을 충분하고 동시에 안정하게 발휘시켜, 실온 및 고온역에서 충분한 교환 결합력을 안정하게 얻을 수 있기 때문에, 핀층의 자화 고착상태가 안정하고 동시에 견고하게 되며, 따라서 양호한 GMR 특성을 안정하게 얻는 것이 가능해진다.
다음에, 상술한 실시형태의 MR소자(예를 들면 GMR소자)를 재생용 MR헤드 및 그것을 이용한 기록·재생 일체형 자기헤드에 적용하는 경우의 실시형태에 대해서, 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명하다.
도 5에 도시한 바와 같이 Al2O3·TiC 등으로 이루어지는 기판(21)의 주표면 위에는 Al2O3등으로 이루어지는 절연층(22)을 통해서 연자성재료로 이루어지는 하측 자기실드층(23)이 형성되어 있다. 하측 자기실드층(23) 위에는 Al2O3등의 비자성 절연막으로 이루어지는 하측 재생자기갭(24)을 통해서 예를 들면, 도 4에 도시한 GMR소자(9)가 형성되어 있다.
도면 중 "25"는 스핀밸브 GMR막(10)에 바이어스 자계를 부여하는 CoPt합금으로 이루어지는 경질 자성막(하드바이어스막)이다. 바이어스막은 반강자성체막으로 구성하는 것도 가능하다. 한쌍의 전극(7)은 경질 자성막(25) 위에 형성되어 있고, 스핀밸브 GMR막(10)과 한쌍의 전극(7)과는 경질 자성막(25)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 스핀밸브 GMR막(10)에 바이어스 자계를 부여하는 경질 자성막(35)은 도 6에 도시한 바와 같이 미리 하측 재생자기갭(24) 위에 형성해 두어도 좋다. 이 경우, 한쌍의 경질 자성막(25) 위를 포함하여 하측 재생자기갭(24) 위에 스핀밸브 GMR막(10)을 형성하고 그 위에 한쌍의 전극(7)이 형성된다.
GMR소자(9) 위에는 Al2O3등의 비자성 절연막으로 이루어지는 상측 재생자기갭(26)이 형성되어 있다. 또한 그 위에는 연자성재료로 이루어지는 상측 자기실드층(27)이 형성되어 있고, 이에 의해 재생헤드로서 기능하는 실드형 GMR헤드(28)가 구성되어 있다.
실드형 GMR헤드(28)로 이루어지는 재생헤드 위에는 유도형 박막 자기헤드(29)로 이루어지는 기록헤드가 형성되어 있다. 실드형 GMR헤드(29)의 상측 자기실드층(27)은 유도형 박막 자기헤드(29)의 하부 기록자극을 겸하고 있다. 이 상측 자기 실드층을 겸하는 하부 기록자극(27) 위에는 Al2O3등의 비자성절연막으로 이루어지는 기록자기갭(30)을 통하여 소정 형상으로 패터닝된 상부 기록자극(31)이 형성되어 있다.
이러한 실드형 GMR헤드(28)로 이루어지는 재생헤드와 유도형 박막 자기헤드(29)로 이루어지는 기록헤드에 의해서, 기록·재생일체형 자기헤드(32)가 구성되어 있다. 또한, 상부 기록자극(31)은 기록자기갭 위에 형성된 SiO2등으로 이루어지는 절연층에 트렌치를 설치하고, 이 트렌치 속에 매입 형성한 것이라도 좋고, 이에 의해 좁은 트랙을 재현성 좋게 실현하는 것이 가능해진다. 기록·재생일체형 자기헤드(32)는 예를 들면, 반도체 프로세스를 이용하여 형상 형성이나 분할등을 실시함으로써 제작된다.
상기한 실시형태의 기록·재생일체형 자기헤드(32)에 있어서 실드형 GMR헤드(28)에서는 RMn합금으로 이루어지는 반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합막이 갖는 큰 교환 결합력 및 높은 블로킹 온도를 충분히 생기게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 AMR소자를 재생용 자기헤드에 적용하는 경우에 있어서도 동일하게 기록·재생일체형 자기헤드를 구성할 수 있다.
다음에 본 발명의 구체적인 실시예 및 그 평가결과에 대하여 설명한다.
실시예 1, 2
R원소의 원료분말로서, 평균 입자직경이 20㎛의 Ir분말, Pt분말, Rh분말, Ni분말, Pd분말, Ru분말, Au분말을 준비하였다. 한편, Mn의 원료분말로서 평균 입자직경이 40㎛의 Mn분말을 준비하였다. 이들 각 원료분말을 표 1에 각각 나타내는 배합비(원료조성)로 배합한 후, 금속불순물에 의해 오염을 방지하게 위해서 나일론제의 볼밀을 이용하여 혼합하였다. 혼합은 각각 감압하에서 48시간 실시하였다. 이들 각 혼합분말을 진공 고온 프레스에 의해 25MPa의 압력으로 소결시켰다. 고온 프레스는 Mn의 융점 바로 아래인 1150℃에서 실시하였다.
얻어진 각 타겟소재의 구성상을 XRD와 EPMA에 의한 면분석에 의해 조사하였다. 그 결과, 어떠한 소재도 R원소와 Mn의 합금상 및 화합물상을 갖고 있는 것이 확인되었다. 각 타겟소재의 주요 합금상 및 주요 화합물상을 표 1에 나타낸다. 또, SEM에 의해 단상으로서 존재하는 Mn의 입자직경을 조사하였다. Mn입자직경은 어떠한 타겟소재도 최대인 30㎛, 평균에서 20㎛이었다.
다음에 상술한 각 타겟소재를 타겟형상으로 가공하고, 이것을 뒷받침판에 납땜 접합하여 스퍼터링 타겟을 각각 제작하였다. 이들 각 스퍼터링 타겟을 고주파 마그네트론 스퍼터장치에 세트하고, 기판 가열하지 않은 상태에서 반강자성체막을 자계 중 성막하였다. 반강자성체막은 교환 결합막을 형성하도록 성막하였다.
구체적으로는 열산화막을 피복한 Si(100)기판위에 두께 5nm의 Ta하지막, 두께 5nm의 Co계 강자성체막, 두께 15nm의 각 조성의 반강자성체막을 차례로 형성하였다. 이렇게 하여 각각 교환 결합막을 제작하였다. 이 단계에서 교환 바이어스력을 측정하였다. 다만, Ni50Mn50막 및 Pd50Mn50막에 관해서는 열처리를 실시하지 않으면 교환 결합력을 얻을 수 없기 때문에 270℃에서 5시간의 열처리를 실시한 후에 교환 바이어스력을 측정하였다. 이 값을 표 1(실시예 1)에 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예(실시예 2)로서 평균 입자직경이 150㎛의 Mn분말을 이용하는 이외는 동일한 공정에 의해, 각각 동일 조성의 스퍼터링 타겟을 제작하였다. 이 실시예 2에 의한 각 스퍼터링 타겟에 대해서도 실시예 1과 동일한 평가를 실시하였다. 그 결과를 표 1(실시예 2)에 함께 나타낸다.
또한 실시예 2에 의한 각 스퍼터링 타겟의 구성상을 XRD와 EPMA에 의한 면분석에 의해 조사한 결과, 동일한 합금상이나 화합물상을 갖고 있지만, SEM에서 Mn의 입자직경을 조사한 결과, 최대 100㎛, 최소 40㎛, 평균 80㎛이었다.
또, 본 발명과의 비교예 1로서, 실시예 1 및 실시예 2에서 사용한 각 원료분말을 이용하여 고온 프레스의 온도 조건을 합금상이나 화합물상이 형성되지 않는 온도 조건(1000℃미만)으로 하는 이외는 동일한 공정에 의해, 각각 동일 조성의 스퍼터링 타겟을 제작하였다. 비교예 1에 의한 각 스퍼터링 타겟의 구성상을 XRD와 EPMA에 의한 면분석에 의해 조사한 결과, 합금상이나 화합물상은 존재하고 있지 않았다.
시료No 원료조성(at.%) 타겟조성(at.%) 주요합금상 주요화합물상 교환바이어스력(×80A/m)
실시예1 실시예2 비교예1
1 Ir22,Mn78 Ir22Mn78 IrMn합금 IrMn3 250 180 170
2 Pt18,Mn82 Pt18Mn82 PtMn합금 PtMn3 190 140 140
3 Rh20,Mn80 Rh20Mn80 RhMn합금 RhMn3 210 150 140
4 Ir20,Mn80 Ir20Mn80 IrMn합금 IrMn3 260 180 170
5 Ni40,Mn60 Ni40Mn60 NiMn합금 NiMn 250 180 180
6 Pd40,Mn60 Pd40Mn60 PdMn합금 PdMn 180 130 120
7 Pt20,Pd20,Mn60 Pt20Pd20Mn60 PtPdMn합금 (Pt,Pd)Mn화합물 250 220 210
8 Pt20,Ru20,Mn60 Pt20Ru20Mn60 PtRuMn합금 (Pt,Ru)Mn화합물 230 200 180
9 Pd20,Ru20,Mn80 Pd20Ru20Mn60 PdRuMn합금 (Pd,Ru)Mn화합물 200 170 160
10 Au10,Pt10,Mn80 Au10Pt10Mn80 AuPtMn합금 (Au,Pt)Mn화합물 180 160 160
11 Rh10,Ru10,Mn80 Rh10Ru10Mn80 RhRuMn합금 (Rh,Ru)Mn화합물 240 210 200
12 Rh10,Pt10,Mn80 Rh10Pt10Mn80 RhPtMn합금 (Rh,Pt)Mn화합물 240 200 210
표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막을 포함하는 교환 결합막은 모두 큰 교환 결합력이 얻어지고 있어, 우수한 특성을 나타내고 있는 것에 대하여, 비교예의 각 스퍼터링 타겟을 이용한 교환 결합막은 작은 교환 결합력밖에 얻어지지 않았다.
다음에 상기한 실시예 1에 의한 각 반강자성체막의 스퍼터 시간의 경과에 따른 조성변동을 조사하였다. 조성변동은 스퍼터초기(1시간후)의 반강자성체막과 20시간 스퍼터를 실시한 후에 형성한 반강성체막의 조성을 형광 X선분석에 의해 측정하는 것에 의해 조사하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
시료No 타겟조성(at.%) 막조성의 편차(at.%)
1시간후 20시간후
실시예 1 1 Ir22Mn78 Ir22Mn78 Ir21.8Mn78.2
2 Pt18Mn82 Pt18Mn82 Pt18,3Mn81.7
3 Rh20Mn80 Rh20Mn80 Rh19.5Mn80.5
4 Ir20Mn80 Ir20Mn80 Ir20.3Mn79.7
5 Ni40Mn60 Ni50Mn50 Ni49.5Mn50.5
6 Pd40Mn60 Pd50Mn50 Pd49.5Mn50.5
실시예 2 1 Ir22Mn78 Ir25Mn75 Ir30Mn70
비교예 1 1 Ir22Mn78 Ir21Mn79 Ir27Mn73
또한 실시예 1의 시료 1에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막(IrMn합금막)과, 비교예 1에 의한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막(IrMn합금막)을 이용하여, 막면 속의 조성분포를 조사하였다. 측정점은 Si기판의 중심점(A점)과 외부둘레측으로 사방 3㎝ 떨어진 4개의 점(B, C, D, E점)으로 하였다. 측정결과를 표 3에 나타낸다.
타겟조성(at.%) 기판내의 각 위치의 Ir조성(at.%)
A점 B점 C점 D점 E점
실시예 1 Ir22Mn78 22.0 21.8 21.7 21.6 21.5
비교예 1 Ir22Mn78 25.0 23.8 23.5 24.1 23.4
표 2 및 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 형성한 반강자성체막은 스퍼터 시간의 경과에 따른 조성 편차가 작고, 또 기판면 속의 조성분포의 균일성에도 뛰어난 것을 알 수 있다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방법으로 각종 조성의 IrMn 타겟, RhMn 타겟, PtMn 타겟을 각각 제작하였다. 이들 다양한 조성의 IrMn 타겟, RhMn 타겟, PtMn 타겟을 각각 이용하여 실시예 1과 동일하게 교환 결합막을 제작하였다. 이들 각 교환 결합막의 교환 결합력을 측정하여, 교환 결합력의 조성 의존성을 조사하였다.
그 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막을 갖는 교환 결합막은 넓은 조성범위에서 충분한 교환 결합력이 얻어지는 것을 이해할 수 있다.
실시예 4
표 4에 기재된 평균 입자직경을 갖는 Mn분말을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 동일한 공정에 의해 표 4에 나타나는 Mn의 입자직경이 각각 다른 스퍼터링 타겟을 제작하였다.
얻어진 각 스퍼터링 타겟의 산소함유량을 측정함과 동시에, 실시예 1과 동일한 막을 성막하여, 교환 바이어스력을 측정하였다. 또한, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 막면 속의 조성분포를 조사하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
시료No 타겟조성(at.%) 원료Mn분 평균입자직경(㎛) 타겟Mn입자직경(㎛) 기판내의 각 위치의 Ir조성(at.%) 교환바이어스력(×80A/m)
평균 최대 A점 B점 C점 D점 E점
1 Ir22Mn78 10 <10 <10 22.0 21.7 21.6 21.7 21.5 200
2 40 20 30 22.0 21.8 21.6 21.5 21.6 250
3 80 30 40 22.3 22.0 22.2 21.8 22.0 250
4 150 80 130 25.0 23.8 23.5 24.1 23.4 240
표 4에서 알 수 있듯이, Mn입자의 최대입자직경 및 평균입자직경이 큰 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 막의 조성은, 기판면 속에서의 불균일이 크고, 양산성의 관점에서 문제가 있는 것을 이해할 수 있다. 한편, Mn입자의 최대입자직경 및 평균입자직경이 작은 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 막은 기판면 속에서 조성의 불균일 면에서는 문제가 없지만, 교환 바이어스력이 저하하는 경향이 있다.
실시예 5
표 5에 나타나는 스퍼터링 타겟을 실시예 1과 동일한 소결법과 그와는 별도로 용해법을 적용하여 각각 제작하였다. 이들 각 스퍼터링 타겟의 가공성과 가스 성분농도(산소함유 농도 및 탄소함유 농도)를 조사하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 교환 결합막을 제작하고, 그것을 각 교환 결합막의 교환 바이어스력과 블로킹 온도를 측정하였다. 이 결과를 표 5에 나타낸다. 또한, 이 실시예 3에 의한 각 스퍼터링 타겟 속에 구성상은 실시예 1과 동일하였다.
한편, 본 발명과의 비교예 2로서, 탄소 불순물량이 비교적 많은 원료분말을 이용함과 동시에 혼합을 대기 속에서 실시하는 이외는 상기 실시예와 동일한 소결법으로 스퍼터링 타겟을 제작하였다. 또, 탄소 불순물량이 비교적 많은 원료분말을 이용함과 동시에 용해시의 탈가스 시간을 실시예보다 짧게 설정하는 이외는 상기 실시예와 동일한 용해법에서 스퍼터링 타겟을 제작하였다. 이 비교예에 의한 각 스퍼터링 타겟에 대해서도, 가공성과 가스 성분농도, 교환 결합막의 교환 바이어스력과 블로킹 온도를 측정하였다. 이 결과를 표 5에 함께 나타낸다.
타겟조성(at.%) 제법 가스성분농도(wt%) 교환바이어스력(×80A/m) 블로킹온도(℃)
산소 탄소
실시예 5 Ir22Mn78 소결법 0.600 0.200 250 290
Ir22Mn78 용해법 0.028 0.005 250 280
Pt18Mn82 소결법 0.580 0.160 180 390
Pt18Mn82 용해법 0.025 0.005 180 400
비교예 2 Ir22Mn78 소결법 3.120 1.010 180 210
Ir22Mn78 용해법 1.580 0.980 180 200
Pt18Mn82 소결법 2.140 1.220 130 350
Pt18Mn82 용해법 1.760 0.790 130 360
표 5에서 알 수 있듯이, 산소함유량 및 탄소함유량을 감소시킨 본 발명의 스퍼터링 타겟에 의하면, 그것을 이용하여 형성한 반강자성체막을 갖는 교환 결합막의 특성을 향상시킬 수 있다.
실시예 6
이 실시예에서는 실시예 1과 동일한 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막한 반강자성체막과 강자성체막과의 교환 결합막을 사용하여 도 4 및 도 6에 도시한 스핀밸브막을 갖는 GMR소자 및 그것을 이용한 자기헤드를 제작하였다.
스핀밸브 GMR막(10)에 있어서, 강자성층(11, 13)으로서는 각각 두께가 3nm, 2nm의 Co90Fe10막을, 비자성층(12)으로서는 두께 3nm의 Cu막을 각각 이용하였다. 여기에서 성막한 Co90Fe10막은 모두 면심입정방계의 결정구조를 갖고 있었다. 반강자성체막(3)에는 상기 실시예 1 및 실시예 3에서 제작한 각 반강자성체막(막두께 8nm)을 사용하였다.
또, 자성하지층(14)에는 두께 10nm의 Co88Zr5Nb7막과 두께 2nm의 Ni80Fe20막의 적층막, 전극(7)에는 두께 0.1㎛의 Cu막, 보호막(15)에는 두께 20nm의 Ta막을 사용하였다. 또한 경질 자성막(25)에는 두께 40 nm의 Co83Pt17막을 이용하였다.
강자성층(11, 13), 비자성층(12) 및 반강자성체막(3)의 성막은 자계 속에서 실시되고, 또한 자계 속에서 열처리를 실시하여 강자성층(13)과 반강자성체막(3)과의 교환 결합에 한방향 이방성을 부여하였다. 또, 자성하지층(14)에 대해서도 자계 속에서 성막한 후에 열처리를 실시하여, 한축 자기 이방성을 부여함과 동시에, 경질 자성막(25)을 자화하는 것으로 그 한축 자기 이방성을 한층 더 강하게 하였다. 최후에 통상의 반도체 프로세스에 준하여 소자가공을 실시하고 GMR소자 및 그를 이용한 자기헤드를 제작하였다.
이 실시예에서는 형성한 GMR소자에 외부로부터 자계를 인가하여, 그 자계 응답성을 조사한 결과, 반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 GMR소자와 동일 이상의안정된 출력이 얻어졌다. 또, 자벽 이동에 따른 바르크하우젠 노이즈의 발생도 발견되지 않았다. 또한, 반강자성체막에 γ-FeMn합금을 이용한 GMR소자에 비해, 반강자성체막의 내식성이 양호한 것, 또한 교환 결합막의 블로킹 온도가 높고, 동시에 교환 결합력이 크다는 것에 기인하여, 안정된 출력이 얻어지는 고감도의 GMR소자를 생산성 좋게 얻을 수 있었다.
또한, 그러한 GMR소자를 갖는 자기헤드에 있어서, 특히 내식성이 높은 IrMn계 반강자성체막을 이용한 헤드에 의하면, 부식에 의해 FeMn은 가공 불가능한 0.1㎛깊이가 가능하게 되고 큰 재생출력을 얻을 수 있었다.
실시예 7
IrMn합금 및 Ni, Cu, Ta, Hf, Pb, Ti, Nb, Cr을 첨가한 IrMn합금을 이용하여 실시예 1과 동일한 공정에 의해 스퍼터링 타겟을 각각 제작하였다.
이 각 스퍼터링 타겟을 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 교환 결합막 시료를 각각 제작하고, 이들 시료에 대하여 내식성 시험을 실시하였다. 내식성 시험은 상기 각 시료를 수중에 1일주야 침지한 후의 부식피트 발생율을 조사하였다. 그 결과를 도 8에 나타낸다.
또, 본 발명과의 비교예로서 IrMn합금에 대하여 (Fe0.5Mn0.5)89.5Ir10.5합금 및 Fe50Mn50합금으로 이루어지는 반강자성체막을 이용한 시료에 대해서도 동일한 내식성 시험을 실시하였다. 그 결과를 도 8에 함께 나타낸다.
도 8의 내식성 시험의 결과에서 알 수 있듯이, IrMn합금에 첨가원소를 함유시킴으로써 부식 피트의 발생율이 저하하고 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 9 및 도 10에 각 시료의 교환 바이어스 자계와 블로킹온도의 측정 결과를 나타낸다. 도 9 및 도 10에서 알 수 있듯이, 교환 바이어스 자계와 블로킹온도가 향상하고 있다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에 의하면, 내식성이나 열특성이 뛰어난 Mn합금으로 이루어지는 반강자성체막의 막 조성이나 막 질의 안정화를 도모할 수 있다. 따라서 충분한 교환 결합력이 안정하게 얻어지는 반강자성체막을 재현성 좋게 제공하는 것이 가능해진다. 이러한 본 발명의 반강자성체막은 자기저항 효과소자 등에 유효하게 사용되는 것이다. 또, 본 발명의 반강자성체막을 이용한 자기저항 효과소자에 의하면, 안정된 특성이나 출력을 재현성 좋게 얻을 수 있다.

Claims (32)

  1. Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 1종류 또는 2종류 이상의 R원소와 Mn으로 이루어진 스퍼터링 타겟에 있어서,
    상기 타겟을 구성하는 금속 조직은 상기 R원소와 Mn의 합금상 및 화합물상에서 선택되는 1종류 또는 2종류 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 산소 함유량이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 산소 함유량이 0.7중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 산소함유량이 0.1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 산소함유량이 0.025중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금상 및 화합물상을 구성하는 Mn을 제외한 잔여 Mn의 최대 입자직경이 50㎛이하이고, 또 평균 입자직경이 10~40㎛인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  7. Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W 및 Re에서 선택되는 1종류 또는 2종류 이상의 R원소와 Mn으로 이루어진 스퍼터링 타겟에 있어서,
    산소 함유량이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소함유량은 0.7중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소함유량은 0.1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소함유량은 0.025중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟은 탄소 함유량이 0.3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소함유량은 0.2중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소함유량은 0.01중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소함유량은 0.005중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  15. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 R원소는 Ir, Pt 또는 Pd중 어느 한종류인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  16. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상대 밀도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 타겟은 소결법에 의해 얻어지는 타겟재로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 타겟은 용해법에 의해 얻어진 타겟재로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  19. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    Mn을 30원자%이상 함유하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  20. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 R원소 이외에, Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn 및 N에서 선택되는 1종류 또는 2종류 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
  21. 제 2 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터 성막하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반강자성체막.
  22. 제 21 항에 기재된 반강자성체막, 상기 반강자성체막과 교환 결합된 강자성체막, 및 상기 강자성체막에 센스 전류를 공급하는 한쌍의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
  23. 제 21 항에 기재된 반강자성체막, 상기 반강자성체막과 교환 결합된 제 1 강자성층, 상기 제 1 강자성층과 비자성층을 사이에 두고 적층된 제 2 강자성층을 갖는 자성다층막, 및 상기 자성다층막에 센스 전류를 공급하는 한쌍의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 반강자성체막은 3~15nm의 범위의 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
  25. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 반강자성체막은 10nm이하의 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
  26. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 반강자성체막과 교환 결합된 반강자성체막은 1~3nm의 범위의 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
  27. 제 22 항 내지 제 26 항중 어느 한 항에 기재된 자기저항효과소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기헤드.
  28. 제 27 항에 기재된 자기헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기기록장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 자기기록장치는 HDD(하드디스크 드라이브)인 것을 특징으로 하는 자기기록장치.
  30. 제 22 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 기재된 자기저항효과소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기기억장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 자기기억장치는 자기저항효과 메모리인 것을 특징으로 하는 자기기억장치.
  32. 제 22 항 내지 제 26 항중 어느 한 항에 기재된 자기저항효과소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기센서.
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