KR100321956B1 - 자기저항효과막및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자기저항 효과막은 자기 박막, 비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치되는 반강자기 결합 자기 다층 박막을 포함하며, 본 발명에 따른 자기 저항 효과막 제조 방법은 상기 자기 다층 박막에서 단방향 비등방성이 발생되도록 200 내지 300℃의 온도에서 상기 반강자기 박막과 상기 자기 다층 박막을 열처리하는 단계, 또는 상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막의 자화용 이축들(easy magnetization axes)이 서로 직교하도록 상기 박막 형성 중에 인가된 자계를 90°회전시키는 단계를 포함한다.

Description

자기 저항 효과막 및 그 제조 방법{MAGNETORESISTANCE EFFECT FILM AND METHOD FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 자기 기록 매체로부터 어떤 자계 세기를 가진 신호를 독출하는데 이용되는 자기 저항 효과(magnetoresistance effect) 소자에 사용되는 자기 저항 효과막과 그 제조 방법에 관한 것이다.
자기 저항(MR) 센서 또는 헤드라고 불리우는 자기 독출 변환기는 종래에 잘 알려져 있으며, 높은 선형 밀도를 가진 데이타가 자기면으로부터 독출될 수 있다고 알려져 있다. 이와 같은 MR 센서에서는 독출 소자에 의해 감지된 자속의 세기와 방향의 함수인 저항 변화를 통해 자기 신호가 검출된다.
MR 센서는 독출 소자에서 저항의 일성분이 자화 방향과 독출 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 간에 형성된 각도의 코사인의 제곱에 비례하여 변화하는 비등방성 자기 저항(AMR) 효과에 따라서 작동된다. AMR 효과는 D. A. Thompson 등의 「"Thin Film Magnetoresistors in Memory, Storage, and Related Applications", IEEE Trans. on Mag., Vol. MAG-11, No.4, pp.1039 to 1050(1975)」에 상세히 기재되어 있다.
더욱이, 최근에 적층형 자기 센서의 저항 변화율이 비자기층을 통해 개재된 자기층들간의 도전 전자의 스핀 종속 전송(spin-dependent transmission)과 그에 따라 발생되는 경계면에서의 스핀 종속 산란(scattering)에 기여하는 중요한 자기 저항 효과에 대한 보고가 있었다. 이 자기 저항 효과는 '자이언트(giant) 자기 저항 효과', '스핀 밸브 효과' 등으로 불리우고 있다. 이와 같은 자기 저항 센서는 적당한 재료로 되어 있으며, AMR 효과를 이용한 센서에 비해 밀도가 향상되어 있고 저항 변화가 크다. 이런 종류의 MR 센서에서는 비자기층에 의해 분리된 한쌍의 강자기층 간의 동일 평면 저항이 2개 층의 자화 방향 간의 각도의 코사인에 비례하여 변화된다.
일본 특개평 2-61572(1990)에는 자기층들 간의 자화의 반평행(anti-parallel) 배열에 의해 큰 MR 변화가 주어지는 적층형 자기 구조에 대해 개시되어 있다. 여기에 개시된 적층형 구조에 유용한 재료는 강자기층으로 이용되는 전이 금속과 합금이다. 또한, 여기에는 중간층에 의해 분리되는 2개의 강자기층 중 적어도 어느 하나에 반강자기층이 부가된 구조가 적합하고 반강자기층은 FeMn으로 된 것이 적당하다고 기재되어 있다.
일본 특개평 4-358310(1992)에는 비자기 금속 박막층에 의해 분리될 2개의 강자기 박막층을 구비하되, 이 2개의 강자기 박막층의 자화 방향은 인가 자계가 0일때 서로 직교하고, 2개의 비결합 강자기층 간의 저항은 이 2개층의 자화 방향 간에 형성된 각도의 코사인에 비례하여 변화되고 센서를 통해 흐르는 전류의 방향과는 무관한 MR 센서에 대해 기재되어 있다.
일본 특개평 8-127864(1996)에서는 기판 상에 비자기층을 통해 적층된 몇개의 자기 박막으로 구성되어 있는 자기 저항 효과 소자로서, 비자기 박막을 통해 서로 인접해 있는 자기 유연(magnetically soft) 박막들 중 어느 하나의 다음에 반강자기 박막이 구비되고, Hc2< Hr(여기서, Hr은 반강자기 박막의 바이어스 자계, Hc2는 자기 유연 박막의 보자력임)이 성립하고, 반강자기층은 NiO, NixCo1-xO, CoO 중 적어도 2가지로 구성된 초격자로 된 자기 저항 효과 소자에 대해 기재하고 있다. 또한, 일본 특개평 9-50611(1997)에서는 동일 구조를 가진 자기 저항 효과막으로 구성된 자기 저항 효과 소자로서, 반강자기층이 CoO가 NiO 상에 10 내지 40Å 정도 적층되어 있는 2개층막으로 구성되어 있는 자기 저항 효과 소자에 대해 기재하고 있다.
그러나, 종래의 자기 저항 효과막에는 몇가지 문제가 있다.
먼저, 반강자기 박막 사용에 의해서 인접하는 자기 박막들에 단방향 비등방성이 주어지기 때문에 자기 저항 효과 소자의 제조 공정을 위해서는 자계속에서 열처리를 시행하는 자화 공정이 필요하다.
둘째, 비교적 낮은 닐(Neel) 온도에서 반강자기 박막을 사용함으로써 인접하는 자기 박막들에 단방향 비등방성이 주어지기 때문에 동작 온도에서의 단방향 비등방성의 열적 안정성이 좋지 못하다.
셋째, 강자기층들이 비자기층을 통해 서로 인접해 있는 다층 구조로 인해, 소자를 패턴화시킬 때에 강자기층들이 정자기적으로(magnetostatically) 결합될 수 있기 때문에 소자 감도와 소자의 대칭성이 나빠지게 된다.
넷째, 자기 박막/비자기 박막/자기 박막의 3개 층에서 도전 전자의 평균 자유 경로 길이 변화에 의해서 기본적으로 저항 변화가 주어지기 때문에, 저항 변화율이 다층 구조를 가진 소위 '결합형'이라 불리는 자기 저항 효과막의 저항 변화율보다 작다.
따라서, 본 발명의 목적은 제로 자계 부근에서의 선저항 변화가 크고, 열적안정성이 우수하고, 자계 감도가 양호한 자기 저항 효과막을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이와 같은 자기 저항 효과막을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 자기 저항 효과막은,
자기 박막; 및
비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치된 자기 다층 박막
을 포함하되, 상기 자기 다층 박막은 반강자기 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 자기 박막, 비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치되며 반강자기 결합된 자기 다층 박막, 및 상기 자기 다층 박막 상에 또는 상기 자기 다층 박막 하에 형성된 반강자기 박막을 포함하는 자기 저항 효과막 제조 방법은,
상기 자기 다층 박막에서 단방향 비등방성이 발생되도록 200 내지 300℃의 온도에서 상기 반강자기 박막과 상기 자기 다층 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 자기 박막, 비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치되며 반강자기 결합된 자기 다층 박막, 및 상기 자기 다층 박막 상에 또는 상기 자기 다층 박막 하에 형성된 반강자기 박막을 포함하는 자기 저항 효과막 제조 방법은,
상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막의 자화용 이축들(easy magnetization axes)이 서로 직교하도록 상기 박막 형성 중에 인가된 자계를 90°회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, HS1< HS2의 관계식이 얻어진다. 이 관계식에서 HS1와 HS2는 각각 상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막의 포화 자계이다. 그러므로, HS1< H < HS2의 관계식을 만족하는 자계(H)를 인가하면, 상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막 간의 자화 방향의 차이로 인해 저항값이 최대로 된다. 또한, H < HS1, 또는 HS2< H의 관계식을 만족하는 자계(H)를 인가하면, 상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막의 자화 방향의 평행으로 인해 저항값이 최소로 된다.
따라서, 외부 자계에 대한 자기 다층 박막의 자화 변화는 종래의 자기 저항 효과막의 경우에 비해 작다. 그러므로, 자기 저항 효과막의 동작 온도에서의 동작 안정성이 향상되고, 반강자기 박막에 대한 자계내 열처리도 필요치 않아 작업성이 좋아진다.
자기 다층 박막은 자기층과 비자기층이 교대로 적층된 적어도 3개층으로 구성된 구조를 갖고 있다. 자기 다층 박막내의 자기층은 주로 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, NiFeCo, 또는 이들 원소들이 임의로 조합된 합금으로 되어 있다. 자기 다층 박막내의 비자기층은 주로 V, Cu, Mo, Ru, Rh, Re, Ir, Cr, 또는 이들 원소들이 임의로 조합된 합금으로 되어 있다. 여기서, 비자기층이 4 내지 15Å의 두께를 가진다면, 자기층들 간에 큰 교환 상호 작용이 생겨 반자기 상호 작용이 나타나게 된다.
자기 박막은 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, NiFeCo, 또는 이들 원소들이 임의로 조합된 합금으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 비자기 박막/자기 박막의 경계면에서의 도전 전자의 산란 효과가 크게 나타나서 큰 저항 변화가 일어나게 된다.
더욱이, 이와 같은 자기 저항 효과막은 자기 박막의 자화용 이축이 인가 신호의 자계 방향에 직교하고, 이 인가 신호의 자계 방향에서의 보자력이 자기 박막의 보자력이 HC2< HK2의 관계식을 만족하도록 자계내에서 자기 박막을 형성하므로써 제조된다. 상세히 설명하면, 이것은 자기 다층 박막과 자기 박막의 자화용 이축들이 서로 직교하도록 박막 형성 중에 인가 자계를 90°회전시키거나 자계 내에서 기판을 90°회전시킴으로써 얻어진다.
자기 박막은 150Å 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 두께가 150Å 이상이 되면, 전자 산란에 기여하지 않는 영역이 박막 두께 증가에 따라 넓어지게 되어 자이언트 자기 저항 효과가 줄어들게 된다. 반면에, 자기 박막 두께의 하한치는 특별히 정해지지는 않으나 10Å 이하의 두께의 경우에는 도전 전자의 표면 산란 효과가 커지고, 자기 저항 변화는 감소된다. 또한, 10Å 이상의 두께의 경우에는 박막 두께는 쉽게 일정하게 유지될 수 있으므로 포화 자화가 너무 작게 되는 것을 방지하는 것은 물론 우수한 특성을 얻을 수가 있다.
더욱이, Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo를 자기 박막/비자기 박막의 경계면에 삽입함으로써 도전 전자의 경계 산란 확률이 증가하여 저항 변화가 크게 될 수가있다. 삽입될 박막 두께의 하한치는 3Å이다. 박막 두께가 3Å 이하인 경우에는 삽입 효과가 감소되어 박막 두께를 조절하기가 어렵다. 삽입될 박막 두께의 상한치는 특별히 정해지지는 않지만, 약 40Å인 것이 바람직하다. 박막 두께가 40Å 이상인 경우에는 자기 저항 효과 소자의 동작 범위에서 출력에 히스테리시스가 생긴다.
더욱이, 이와 같은 자기 저항 효과막에서 외부 자계를 검출하기 위하여 자기층 다음에 영구 자석 박막을 배치함으로써, 자기 도메인(magnetic domain)이 안정화될 수 있다. 이에 따라서, 바크하우젠 점프(Barkhausen jump)와 같은 비선형 출력을 피할 수가 있다. 영구 자석 박막은 CoCr, CoCrTa, CoCrTaPt, CoCrPt, CoNiPt, CoNiCr, CoCrPtSi, FeCoCr 등으로 된 것이 바람직하다. 또한, 영구 자석 박막의 기저층은 Cr 등으로 되어도 된다.
자기 박막과 자기 다층 박막 간의 자기 상호 작용을 약화시키는 작용을 하는 비자기 박막은 큰 자기 저항 변화와 우수한 열적 안정성을 얻기 위하여 Au, Ag, Cu, Ru, 또는 이들 원소들이 임의로 조합된 합금으로 된 것이 바람직하다. 실험 결과에 따르면, 비자기 박막의 두께는 20 내지 40Å인 것이 바람직하다. 일반적으로, 박막 두께가 40Å 이상이 되면, 저항은 비자기 박막에 의해서 결정되고, 스핀 종속 산란 효과가 상대적으로 줄어든다. 그 결과, 자기 저항 변화율이 감소된다. 반면에, 박막 두께가 20Å 이하가 되면, 자기 박막과 자기 다층 박막 간의 자기 상호 작용이 너무 크게 되고, 자기 직접 접촉 상태(핀홀)가 불가피하게 일어난다. 그러므로, 자기 박막과 자기 다층 박막의 자화 방향들 간의 차이를 발생시키기가어렵게 된다. 한편, 비자기 박막의 두께를 변화시킴으로써, 자기 박막과 자기 다층 박막 간의 자기 상호 작용이 변화될 수 있기 때문에 제조된 자기 저항 효과 소자에서 바이어스 포인트를 제어할 수도 있다.
반강자기적으로 결합될 자기 다층 박막에 반강자기 박막을 부가하고, 여기에 충분한 교환 결합 자계를 인가함으로써, 자기 박막과 자기 다층 박막의 포화 자계들(HS1, HS2) 간의 차가 증가한다. 그러므로, 제조된 자기 저항 효과 소자에서 동작 자계(선형 영역)가 증가한다. 반강자기 박막은 FeMn, IrMn, CrMn, CoMn, CuMn, PtMn, PdMn, RhMn, NiMn, 또는 이들 원소들 중 적어도 2가지로 된 합금으로 되어 있다. 반강자기 박막을 구성하는 층수는 하나 또는 그 이상이 될 수 있다.
또한, 반강자기 박막은 코발트 산화물, 니켈 산화물, 니켈-코발트 산화물, 및 α상 철 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 산화물 반강자기 물질로 구성될 수 있다. 이 경우, 실온에서 300℃ 까지의 기판 온도에서 박막을 형성함으로써, 결정질이 향상될 수 있고, 바이어스 자계가 증가될 수가 있다. 또한, 이 경우에, 반강자기 박막과 자기 박막 간에 3 내지 30Å 두께의 Fe를 삽입함으로써, 자기 박막의 산화를 억제할 수 있다. 그러므로, 열처리 시에 교환 결합 자계나 저항 변화율의 감소가 상당히 방지될 수 있다. 예컨대, 산화물 반강자기 물질로 구성된 반자기 박막의 표면 거칠기가 2 내지 15Å이 될 수 있어 반강자기적으로 결합될 자기 다층 박막의 포화 자계가 증가한다.
박막은 증착, 스퍼터링, 분자 빔 에피택시(MBE) 등으로 형성된다. 자기 저항 효과막이 위에 형성되는 기판은 유리, Si, MgO, Al2O3, GaAs, 페라이트, CaTi2O3, BaTi2O3, Al2O3-TiC 등으로 될 수 있다.
자기 박막 또는 비자기 박막의 두께는 전송 전자 현미경, 주사 전자 현미경, 오거(Auger) 전자 분광 분석 등을 이용하여 측정될 수 있다. 또한, 박막의 결정 구조는 X-선 회절법, 고에너지 전자 회절법 등을 이용하여 확인될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 저항 효과막으로 구성된 자기 저항 효과 소자에서는 인공 격자막의 반복층수 N은 특별히 제한되어 있는 것은 아니며, 목표 자기 저항 변화율 등에 따라서 적당히 선택될 수 있다.
더욱이, 상단층의 표면에는 Ta, Cu, Ru, Rh, Mo, Cr, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등으로 구성된 산화 방지막과 전극 인출용의 금속 도전층이 설치될 수 있다.
한편, 자기 저항 효과 소자에 존재하는 직접 측정할 수 없는 자기 박막의 자기 특성은 일반적으로 다음과 같이 측정된다. 측정을 위한 샘플을 제작하기 위하여, 피측정 자기 박막(즉, 자기층)과 비자기 박막(즉, 비자기층)을 자기 박막의 총두께가 대략 500 내지 1000Å가 될 때까지 서로 교대로 형성한다. 이 샘플에 대해 자기 특성을 측정한다. 이 경우, 자기 박막과 비자기 박막(즉, 자기층과 비자기층)의 두께와 조성은 자기 저항 효과 소자의 두께와 조성과 같게 되도록 조정된다.
이하, 첨부 도면을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서의 자기 저항 효과막을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 자기 저항 효과막을 이용한 자기 저항 센서를 도시한 도면.
도 3은 자기 저항 효과막의 B-H 곡선을 나타낸 그래프도.
도 4는 자기 저항 효과막의 R-H 곡선을 나타낸 그래프도.
도 5는 자기 저항 효과막의 자기 다층 박막에서의 포화 자계의 비자기층 두께 의존성을 나타낸 그래프도.
도 6은 자기 저항 효과막에서 저항 변화율의 비자기층 두께 의존성을 나타낸 그래프도.
도 7은 자기 저항 효과막에서 저항 변화율의 자기층 두께 의존성을 나타낸 그래프도.
도 8은 자기 저항 효과막에서 교환 결합 자계의 Fe 삽입층 두께 의존성을 나타낸 그래프도.
도 9는 자기 저항 효과막에서 Mn계 반강자기 박막을 사용한 경우의 교환 결합 자계를 나타낸 표.
도 10은 자기 저항 효과막에서 산화물 반강자기 박막을 사용한 경우의 교환 결합 자계를 나타낸 표.
도 11은 자기 저항 효과막의 B-H 곡선을 나타낸 그래프도.
도 12는 자기 저항 효과막의 MR 곡선을 나타낸 그래프도.
도 13은 자기 저항 효과막을 이용한 자기 저항 효과 소자의 MR 곡선을 나타낸 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 자기 박막
2 : 자기 다층 박막
3 : 비자기 박막
4 : 기판
5 : 반강자기 박막
6 : 영구 자석 박막 또는 반강자기 박막
7 : 인공 격자막
21 : 자기층
22 : 비자기층
23 : 자기층
이하, 바람직한 실시예에서 자기 저항 효과막에 대해 설명한다.
자기 저항 효과막에서, 반강자기적으로 결합될 자기 다층 박막은 비자기 박막을 통해 한 자기 박막 다음에 형성되고, HS1< HS2의 관계식이 얻어진다. 이 관계식에서, HS1는 자기 박막의 포화 자계이고, HS2는 자기 다층 박막의 포화 자계이다.
이러한 관계식이 얻어지는 이유는 본 발명이 자기 박막의 자화 방향과 반강자기적으로 결합된 자기 다층의 자화 방향이 서로 반대로 되어 있을 때에 저항이 최대로 된다는 사실에 근거를 두고 있기 때문이다. 즉, 본 발명에 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 외부 자계(H)가 자기 박막의 포화 자계(HS1)와 자기 다층 박막의 포화 자계(HS2) 사이에 있다면, 즉 HS1< H < HS2이면, 자기 박막과 자기 다층 박막의 자화 방향들은 서로 반대로 된다. 이에 따라, 저항이 증가한다.
도 2는 본 발명의 자기 저항 효과막을 이용한 MR(자기 저항) 센서를 도시한 전개 사시도이다.
MR 센서는 도 2에 도시된 바와 같이 기판(4) 상에 형성된 인공 격자막(artificial lattice film)(7)으로 구성되어 있다. 인공 격자막(7)에서, 자기 박막(1)은 비자기 박막(3)을 통해, 기판(4) 상에 반강자기적으로 결합된 자기 다층 박막(2) 다음에 형성된다. 여기서, 자기박막(1)과 자기 다층 박막(2)의 자화 용이 방향은 서로 직교하도록 설정되며, 자기 기록 매체(8)로부터 출력된 신호 자계는 자기 박막(1)의 자화 용이 방향에 수직하도록 설정된다. 이 경우, 반강자기 박막(5)에 의해서 자기 다층 박막(2)에 단방향 비등방성이 주어질 수 있다. 따라서, 자기 기록 매체(8)로부터의 신호 자계 강도에 따라서 자기 박막(1)의 자화 방향이 회전될 때에 저항이 변화된다. 이에 따라 자계가 검출된다.
이하, 외부 자계와 자화 방향 간의 관계에 대해서 설명한다. 도 3에 도시된바와 같이, 자기 박막(1)의 포화 자계는 HS1이고, 자기 다층 박막(2)의 포화 자계는 HS2이다. 초기에는 H < -HS2(영역(A))을 만족하는 외부 자계(H)가 인가된다. 이 때, 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2)의 자화 방향들은 H와 같이 -(부) 방향으로 향해있다. 외부 자계(H)가 약해짐에 따라서 자기 다층 박막(2)의 자화 방향은 -HS2< H < HS1(영역(B))의 경우에 +방향으로 역전된다. 따라서, 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2)의 자화 방향이 서로 반대가 된다. -HS1< H < HS1(영역(C))의 경우에는, 자기 박막(1)의 자화 방향은 +방향으로 회전되므로, 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2)의 자화 방향이 서로 동일하다. 외부 자계가 더 증가하는 HS1< H(영역(D)) 또는 HS2< H(영역(E))의 경우에는, 자기 다층 박막(2)의 자화 방향이 +방향으로 더 회전되므로, 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2)의 자화 방향이 +방향으로 정렬 배향된다.
자기 저항 효과막의 저항은 도 4에 도시된 바와 같이 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2) 간의 상대적인 자화 방향에 따라서 변화된다. 이 저항은 제로 자계 부근에서는 선형적으로 변하며, 영역(B)(또는 자계가 역으로 인가된 때에는 영역(D))에서 최대값(RMAX)이 얻어진다.
다음, 도 1을 참조로 본 실시예에서 자기 저항 효과막으로 구성된 자기 저항 효과 소자의 일례를 설명한다. 도 1은 본 실시예의 자기 저항 효과막으로 구성된 인공 격자막(7)을 도시한 단면도이다.
인공 격자막(7)은 자기 박막(1), 기판(4) 상에 형성된 반강자기 결합 자기 다층 박막(2), 및 자기 박막(1)과 자기 다층 박막(2) 간에 형성된 비자기 박막(3)으로 구성된다. 반강자기 박막(5)은 자기 다층 박막(2) 다음에 형성될 수 있다. 자기 다층 박막(2)은 자기층(21), 비자기층(22), 및 자기층(23)으로 구성된 3층 구조로 되어 있다. 또한, 자기 박막(1)의 반대쪽에는 반강자기 박막이나 영구 자석 박막(6)이 형성되어 있다. 이 인공 격자막(7)은 스핀 밸브막(spin valve film)으로 기능한다.
이하, 특정 실험 결과를 참조로, 첨부된 특허 청구의 범위에 기재된 재료들에 대해서 설명한다.
유리로 된 기판을 진공 장치내에 넣고 10-7토르 정도까지 배기시킨다.
반강자기 박막을 이용하지 않으면, 기판 온도를 실온으로 유지한 다음에 기저층(Ru 등)과 반강자기 결합 자기 다층 박막[(NiFe, Co, FeCo, NiCo, NiFeCo)/(V, Cu, Mo, Ru, Rh, Re, Ir, Cr)/(NiFe, Co, FeCo, NiCo, NiFeCo)]x를 형성한다. 산화물 반 강자기 물질을 반강자기 박막으로 사용할 때에는 기판 온도를 실온 내지 300℃로 유지한 다음에 100 내지 1000Å 두께의 NiO와 20 내지 100Å 두께의 Fe-O 박막을 형성하고, 이어서 자기 다층 박막[(NiFe, Co, FeCo, NiCo, NiFeCo)/(V, Cu,Mo, Ru, Rh, Re, Ir, Cr)/(NiFe, Co, FeCo, NiCo, NiFeCo)]x를 형성한다.
상술한 바와 같이, 자기 다층 박막을 형성한 후에, 기판 온도를 실온으로 설정하고 비자기 박막과 자기 박막을 형성한다. 이 경우, 박막 형성 중에 인가된 자계는 자기 다층 박막과 자기 박막의 자화 용이축들이 서로 직교하도록 90°회전된다. 또한, Mn계 반강자기 물질을 반강자기 박막으로 이용하는 경우에는 자기 다층 박막과 자기 박막의 형성 순서가 바뀐다.
반강자기 박막을 이용할 때에는 노(furnace)속에 넣고, 교환 결합층(반강자기 결합 자기 다층 박막)의 자화 용이 방향에서 300 내지 3k Oe DC 자계를 인가하면서 200 내지 300℃에서 열처리하여 자기 저항 효과막을 얻는다.
박막 형성은 NdFeB 자석을 유리 기판의 양면에 배치하고 300 Oe 정도의 외부 자계를 유리 기판에 평행하게 인가한 상태에서 시행된다. 이 샘플의 B-H 곡선을 측정함으로써, 박막 형성 중의 자계 인가 방향은 자기 박막의 자화 용이축임이 입증된다.
인공 격자막의 다음의 샘플들을 자기 박막과 비자기 박막(즉, 자기층과 비자기층)에 대해 약 0.8 내지 2.0 Å/초의 속도로 형성한다.
예컨대, Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(30)/NiFe(60)은 자기 다층 박막이 기판 상에 20Å 두께의 Ru 박막, 20Å 두께의 Co 박막, 4Å 두께의 Co 박막 및 20Å 두께의 Co 박막을 형성함으로써 얻어지고, 이어서 그 위에 비자기 박막과 자기 박막이 30Å 두께의 Cu 박막과 60Å 두께의 Ni 80%-Fe 20% 박막을 형성함으로써 얻어 진다는 것을 의미한다.
자화 측정은 진동 샘플형 자력계를 이용하여 시행된다. 저항 측정은 샘플로부터 1.0 × 10 mm2테스트 샘플을 제작하고, 외부 자계를 전류에 수직한 방향의 평면에 인가하면서 -1000 Oe에서 1000 Oe까지 변화시킬 때에 4단자법으로 저항값을 측정하여 시행된다. 그 다음, 이 저항값으로부터 자기 저항 변화율 ΔR/R을 구한다. 자기 저항 변화율(ΔR/R)은,
Figure pat00001
에 의해서 계산된다. 여기서, RMAX는 최대 저항값이고, RMIN는 최소 저항값이다.
얻어지는 스핀 밸브막들은 다음과 같다.
1. 비자기 박막 Cu
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
2. 자기 박막과 비자기 박막 간 경계로의 Co계 자기 물질의 삽입
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Cu(20 내지 40)/Co(3 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(b) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Cu(20 내지 40)/CoFe(3 내지 40)/NiFe(20 내지
150)40)/NiFe(20 내지 150)
(c) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFeCo(3 내지
40)/NiFe(20 내지 150)
3. 자기 박막 Co90Fe10
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/Co90Fe10(20 내지 150)
4. 비자기 박막 Au
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Au(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
5. 비자기 박막 Ag
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Ag(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
6. 비자기 박막 Ru
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Ru(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
7. 비자기 박막 Cu1-XAgX
(a) 유리/Ru(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu1-XAgX(20 내지 40)/NiFe(20 내지
150)
8. 반강자기 박막의 산화물 샘플
(a) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지
40)/NiFe(20 내지 150)
(b) 유리/NiCoO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지
40)/NiFe(20 내지 150)
(c) 유리/Fe-O(150 내지 500)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20
내지 150)
(d) 유리/NiO(150 내지 500)/Co-O(20)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지
40)/NiFe(20 내지 150)
9. 산화 방지막 두께 종속 샘플
(a) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Fe(3 내지
30)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(b) 유리/NiCoO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Fe(3 내지
30)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(c) 유리//Fe-O(150 내지 500)/Fe(3 내지
30)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(d) 유리/NiO(150 내지 500)/Co-O(10)/Fe(3 내지
30)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/Cu(20 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
10. 반강자기 박막의 Mn계 샘플
(a) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/FeMn(300)/Ta(50)
(b) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/NiMn(300)/Ta(50)
(c) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/PtMn(300)/Ta(50)
(d) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/PdMn(300)/Ta(50)
(e) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/PdPtMn(300)/Ta(50)
(f) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/CoMn(300)/Ta(50)
(g) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/CrMn(300)/Ta(50)
(h) 유리/Ta(50)/NiFe(20 내지 150)/Cu(20 내지
40)/Co(20)/Ru(4)/Co(20)/CuMn(300)/Ta(50)
도 5는 자기 다층 박막에서의 포화 자계의 비자기층 두께 종속성을 나타낸 그래프도이다. 반강자기 결합될 자기 다층 박막의 포화 자계는 Ru, Cr, Cu, Rh 비자기층에 대해 3 내지 8Å에서 최대값을 갖는다. 세기는 약 8 내지 12 kOe인데, 이것은 종래의 스핀 밸브막에서의 고정층의 포화 자계의 세기보다 휠씬 더 큰 것이다. 따라서, 이것은 외부 자계에 대한 안전성이 우수하다는 것을 입증하는 것이다.
도 6은 자기 저항 변화율의 비자기 박막 두께 종속성을 나타낸 그래프도이다. 자기 저항 변화율은 비자기 박막의 약 20 내지 40Å 두께에서 최대값을 갖는다. 얻어진 최대값은 약 2 내지 6%이다.
도 7은 자기 저항 변화율의 자기 박막 두께 종속성을 나타낸 그래프도이다. 자기 저항 변화율은 자기 박막의 약 60Å 두께에서 최대값을 갖는다. 즉, 이것은스핀 종속 산란에 기여하는 자기 저항 효과막 두께는 이 박막 두께 범위 내에 있음을 입증한다.
도 8은 산화물 반강자기 박막을 이용하는 경우에 교환 결합 자계의 Fe층(반강자기 박막과 자기층(자기 다층 박막) 간의 경계에 삽입됨) 두께 종속성을 나타낸 그래프도이다. 이들 샘플들은 260℃에서 열처리된다. Fe의 삽입에 의해서 교환 결합 자계의 감소가 억제될 수 있으며, 자기 저항 변화율의 열적 안정성도 향상될 수 있다.
도 9와 10은 Mn계 반강자기 박막과 산화물 반강자기 박막을 이용하는 경우의 교환 결합 자계를 나타낸 것이다. 실제의 자기 저항 효과 소자에서는 200 Oe 이상의 교환 결합 자계가 요구된다.
도 11과 12는 본 발명의 자기 저항 효과막에서의 전형적인 B-H 곡선 및 MR 곡선을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 자기 저항 효과막으로 구성된 스핀 밸브막과 이 스핀 밸브막 다음에 배치된 자기 도메인 안정화막인 CoCrPt 영구 자석 박막으로 이루어진 높이 1 μm, 폭 1.2 μm의 자기 저항 효과 소자에서의 MR 곡선을 나타낸 그래프도이다. 영구 자석 박막을 배치함으로써, 자기 도메인이 안정화될 수 있고, 따라서, 바크하우젠 점프와 같은 비선형 출력을 피할 수가 있다. 또한, 통상적인 비등방성 자기 저항 효과에서보다 6 내지 10배의 출력이 얻어질 수 있다.
한편, 본 발명의 자기 저항 효과막을 세밀하게 처리하여 소자 높이가 0.5 내지 1.5 μm로 주어지고, 자계 검출을 위한 검출 전류 밀도가 0.5 내지 5 × 107A/cm2으로 주어지는 자기 저항 효과 소자를 제조할 수 있다. 또한, 충분한 바이어스를 발생시켜 본 발명의 자기 저항 효과막의 자기 박막에 단일 자기 도메인을 줌으로써 자기 저항 효과막을 제조할 수 있다. 바이어스 발생 수단으로는 자기 박막 다음에 배치된 영구 자석 박막이나, 자기 박막 다음에 배치된 다른 반강자기 박막이 될 수 있다.
더욱이, 상기 자기 저항 효과 소자를 상하부 절연층들을 통해서 고투자율의 유연한 자기 물질들 사이에 개재시켜 차폐형 자기 저항 센서를 제조할 수 있다. 또한, 신호 자계가 상기 자기 저항 효과 소자로부터 고투자율의 유연한 자기 물질을 통해 유도되는 구조를 가진 요크형 자기 저항 센서를 제조할 수도 있다. 더욱이, 자기 저항 검출 시스템은 상기 자기 저항 효과 소자와 이 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율울 검출될 자계 함수로서 검출하기 위한 수단으로 구성될 수 있다.
지금까지 본 발명을 완벽하고 명료하게 하기 위해서 특정 실시예들을 통해 설명하였지만,첨부된 특허 청구의범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 본질과 범위를 벗어남이 없이 본 발명을 여러가지로 변경 또는 수정할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 자기 저항 효과막은 제로 자계 부근에서의 선저항 변화가 크고, 열적 안정성이 우수하고, 자계 감도가 양호한 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 자기 저항 효과막에 있어서,
    자기 박막;
    비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치된 자기 다층 박막; 및
    상기 자기 다층 박막 상에 또는 상기 자기 다층 박막 하에 형성된 반강자기 박막을 포함하되,
    상기 자기 다층 박막은 반강자기 결합되고, 상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막은 각각 HS1< HS2의 관계식을 만족하는 포화 자계들(HS1, HS2)을 가지며, 상기 비자기 박막은 두께가 20 내지 40Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 다층 박막은 자기층과 비자기층이 교대로 적층된 적어도 3개층으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기 다층 박막은 자기층과 비자기층이 교대로 적층된 적어도 3개층으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  4. 제2항에 있어서, 상기 자기층은 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, 및 NiFeCo로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  5. 제2항에 있어서, 상기 비자기층은 V, Cu, Mo, Ru, Rh, Re, Ir, 및 Cr로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반강자기 박막은 FeMn, IrMn, CrMn, CoMn, CuMn, PtMn, PdMn, RhMn, NiMn으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반강자기 박막은 코발트 산화물, 니켈 산화물, 니켈-코발트 산화물, 및 α상 철 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반강자기 박막은 표면 거칠기가 2.0 내지 15Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막은 Au, Ag, Cu, 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막은 Au, Ag, Cu, 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  11. 제1항에 있어서, 상기 자기 박막은 두께가 10 내지 150Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  12. 제1항에 있어서, 상기 자기 박막은 두께가 10 내지 150Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  13. 제1항에 있어서, 상기 자기 박막은 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, 및 NiFeCo로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  14. 제1항에 있어서, 상기 자기 박막은 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, 및 NiFeCo로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  15. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막과 상기 자기 박막 간의 경계에 삽입되며, 두께가 3 내지 40Å이고, Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo로 된 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  16. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막과 상기 자기 박막 간의 경계에 삽입되며, 두께가 3 내지 40Å이고, Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo로 된 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  17. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막과 상기 자기 다층 박막 간의 경계에 삽입되며, 두께가 3 내지 40Å이고, Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo로 된 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  18. 제1항에 있어서, 상기 비자기 박막과 상기 자기 다층 박막 간의 경계에 삽입되며, 두께가 3 내지 40Å이고, Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo로 된 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  19. 제7항에 있어서, 상기 반강자기 박막과 상기 자기 다층 박막 간의 경계에 삽입되는 두께 3 내지 30Å의 Fe층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  20. 자기 박막, 비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치되며 반강자기 결합된 자기 다층 박막, 및 상기 자기 다층 박막 상에 또는 상기 자기 다층 박막 하에 형성된 반강자기 박막을 포함하는 자기 저항 효과막 제조 방법에 있어서,
    상기 자기 다층 박막에서 단방향 이방성이 발생되도록 200 내지 300℃의 온도에서 상기 반강자기 박막과 상기 자기 다층 박막을 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막은 각각 HS1< HS2의 관계식을 만족하는 포화 자계들(HS1, HS2)을 가지며, 상기 비자기 박막은 두께가 20 내지 40Å인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
  21. 자기 박막, 비자기 박막을 통해 상기 자기 박막 다음에 배치되며 반강자기 결합된 자기 다층 박막을 포함하는 자기 저항 효과막 제조 방법에 있어서,
    상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막의 자화용 이축들(easy magnetization axes)이 서로 직교하도록 상기 박막 형성 중에 인가된 자계를 90°회전시키는 단계를 포함하되,
    상기 자기 박막과 상기 자기 다층 박막은 각각 HS1< HS2의 관계식을 만족하는 포화 자계들(HS1, HS2)을 가지며, 상기 비자기 박막은 두께가 20 내지 40Å인 것을 특징으로 자기 저항 효과막 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 자기 저항 효과막은 상기 자기 다층 박막 상에 또는 상기 자기 다층 박막 하에 형성된 반강자기 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
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