KR100326825B1 - 박막도체층과 그것을 이용한 자기저항효과소자 및 박막도체층의 제조방법 - Google Patents

박막도체층과 그것을 이용한 자기저항효과소자 및 박막도체층의 제조방법 Download PDF

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Abstract

자기저항효과소자의 도체층을 DC 마그네트론 스퍼터링 장치내에서 성막하면, 상기 도체층에 인장응력이 작용하여, 상기 도체층은 막 박리를 일으키기 쉽다는 문제점이 있었다.
도체층 (23) 은, 그 막면에 대한 수직방향에 있어서의 결정면 간격이, 벌크재인 경우에 있어서의 상기 결정면 간격보다 커지도록 형성되어 있다. 이에 따라, 상기 도체층 (23) 에는 압축응력이 작용하여, 상기 도체층 (23) 의 막 박리를 방지할 수 있다.

Description

박막도체층과 그것을 이용한 자기저항효과소자 및 박막도체층의 제조방법{THIN FILM CONDUCTIVE LAYER, MAGNETORESISTIVE ELEMENT USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD OF THIN FILM CONDUCTIVE LAYER}
본 발명은, 예컨대, 외부자계를 검출하기 위한 자기저항효과소자에 형성되어 있는 도체층에 관한 것으로, 특히, 상기 도체층의 박리를 방지할 수 있는 박막도체층 및 이 박막도체층을 이용한 자기저항효과소자 및 박막도체층의 제조방법에 관한 것이다.
자기저항효과소자에는 이방성 자기저항효과를 이용한 AMR (amisotropic ma- gnetoresistive) 소자와, 거대 자기저항효과를 이용한 GMR (giant magnetoresisti- ve) 소자가 있는데, GMR 소자 쪽이 AMR 소자에 비해 높은 저항변화율을 얻을 수 있다.
상기 GMR 소자 중에서도 비교적 구조가 단순하며, 게다가, 약한 외부자계로 저항이 변화되는 스핀밸브형 박막소자는, 가장 단순한 구조로 반강자성층, 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층의 4 층으로 이루어진다.
도 9 는, 종래에 있어서의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
부호 6 은 Ta 등으로 형성된 기초층이며, 이 기초층 (6) 위에 반강자성층(1), 고정자성층 (2), 비자성도전층 (3), 프리자성층 (4) 및 보호층 (7) 의 순으로 적층되어 있다. 도 9 에 나타낸 바와 같이, 반강자성층 (1) 과 고정자성층 (2) 은 접하여 형성되며, 상기 반강자성층 (1) 과 고정자성층 (2) 의 계면에서 발생되는 교환결합자계에 의해 상기 고정자성층 (2) 은, 예컨대 도시되어 있는 Y 방향으로 고정되어 있다.
도 9 에 나타낸 바와 같이, 기초층 (6) 으로부터 보호층 (7) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (5,5) 이 형성되어 있고, 이 하드 바이어스층 (5,5) 으로부터의 바이어스자계에 의해, 프리자성층 (4) 의 자화는, 예컨대 도시되어 있는 X 방향으로 갖추어져 있다.
또한, 상기 하드 바이어스층 (5,5) 위에는 밀착층 (8) 을 통해 주도체층 (9) 이 형성되어 있고, 상기 주도체층 (9) 위에 밀착층 (보호층 ; 10) 이 추가로 형성되어 있다. 그리고, 이하에서는 상기 밀착층 (8,10) 과 주도체층 (9) 을 종합하여 「도체층」이라고 기술하는 경우가 있다. 상기 밀착층 (8,10) 은, 예컨대 Cr, W, Nb 등으로 형성되어 있고, 또, 주도체층 (9) 은 α- Ta 나 Au, Ag, Cu 등으로 형성되어 있다.
그런데, 상술한 종래의 스핀밸브형 박막소자는 스퍼터링법이나 증착법 등으로 성막되고, 스퍼터링 장치로서는 기존의 것이 사용된다. 스퍼터링 장치 중에서도, 특히 막두께의 재현성이 우수한 DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하는 것이 바람직하다. DC 마그네트론 스퍼터링 장치는, 장치내에 기판과 전극부가 대향하여 배치되고, 상기 전극부내에는 자석이 설치되어 있다. 상기 전극부에는DC 전원이 장착되어 있고, 상기 DC 전원을 작동시킴으로써, 전장과 자장의 관계에 의해 마그네트론 방전이 발생되고, 상기 전극부에 설치된 타겟이 스퍼터링되어, 상기 타겟과 대향하는 기판상에 박막 (적층체) 이 형성되어 간다.
그런데, 이 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해, 스핀밸브형 박막소자의 도체층을 성막하면, 상기 도체층에는 막면과 평행한 방향으로 인장응력이 작용하여, 상기 도체층이 막 박리를 일으킨다는 문제점이 있다. 또, 상기 도체층에 인장응력이 가해짐으로써, 소정 막두께까지 상기 도체층의 막두께를 두껍게하는 것이 어려워진다.
또한 종래에는, 주도체층 (9) 은, 예컨대 Au 나 Ag 등으로 형성되어 있는데, 이 금속재료는 매우 부드럽기 때문에, 성막후, 기록매체와의 대향면을 드라이에칭에 의해 제거하여, 도 9 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 구조를 외부로 노출시키면, 상기 주도체층 (9) 의 부분이 우그러져서, 상기 주도체층 (9) 의 부분에 오목부 (리세스) 가 생긴다. 이와 같은 「우그러짐」이 생기면, 예컨대, 쇼트 등의 원인이 되어 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 특히, 도체층을 성막했을 때 상기 도체층에 대해 압축응력이 작용하도록 하여, 상기 도체층의 막 박리를 방지할 수 있는 박막도체층 및 이를 이용한 자기저항효과소자, 및 박막도체층의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 금속재료에 의해 박막형성된 도체층의, 그 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격이, 도체층과 같은 금속재료로 형성된 벌크재의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성되어 있는 것이다.
또, 본 발명에서 상기 금속재료는 bcc 구조의 Cr 이며, 상기 도체층의 막면에 대한 수직방향의 (110) 면 간격이 2.039 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
또, 상기 박막도체층의 하측에는 기초층이 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 기초층은 β상이며, 막면에 대한 수직방향의 결정면이 (002) 면인 Ta 에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명은 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되고, 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정된 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 통해 형성된 프리자성층을 갖는 적층체의 양측에, 상기 박막도체층이 형성되어 있는 자기저항효과소자를 제시할 수 있다.
또, 본 발명은 비자성층을 통해 겹쳐진 자기저항층과 연자성층을 갖는 적층체의 양측에, 상기 박막도체층이 형성되어 있는 자기저항효과소자를 제시할 수 있다.
또, 본 발명에서 상기 박막도체층은, 기록매체와의 대향면에 노출되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 있어서의 박막도체층의 제조방법은, 상기 박막도체층을 DC 마그네트론 스퍼터링 장치내에서 기판상에 성막할 때, 상기 기판측에 DC 바이어스를 공급하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는, 상기 박막도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격을,상기 DC 바이어스의 전압값에 의해 조정하고 있다.
종래에는, 예컨대, 자기저항효과소자에 형성된 도체층 (박막도체층) 에는 인장응력이 작용하고, 이 때문에, 상기 도체층은 막 박리를 일으키기 쉽게 되어 있었다. 그래서, 본 발명에서는 도체층의 결정면 간격을 적정하게 조정하여, 상기 도체층에 압축응력이 가해지도록 하고 있다.
본 발명자들은, 도체층에 사용되는 금속재료의 막면에 대한 수직방향의 결정면 면간격과 응력과의 관계에 대해 조사하여, 상기 결정면 간격이 커질수록, 상기 도체층에 가해지는 응력이 인장응력에서 압축응력으로 변화되어 가는 것을 발견하였다. 특히, 인장응력에서 압축응력으로 이행할 때의 결정면 간격은, 상기 금속재료를 벌크재로서 형성한 경우의 그 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격과 같다는 것을 실험에 의해 알 수 있다. 그래서, 본 발명에서는 박막형성된 도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격은, 벌크재로서 형성한 경우의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성된다.
또한, 종래에는 도 9 에 나타낸 주도체층 (9) 으로서 Au 등의 부드러운 금속재료를 사용하고 있으나, 이들 금속재료는 기록매체와의 대향면에 노출되면, 「우그러짐」등이 생기기 때문에, 쇼트의 위험성 등이 있었다. 그래서, 본 발명에서는 상기 Au 등의 부드러운 금속재료 대신에, Cr 등 단단한 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다고 하고 있으며, 이에 따라 「우그러짐」이 생길 위험성을 방지할 수 있다.
그런데, 본 발명과 같이, 박막형성된 도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격을, 벌크재인 경우의 결정면 간격 이상으로 형성하는 방법으로서는, DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용한 경우에, 기판측에도 DC 바이어스를 공급함으로써박막도체층의 결정면 간격을 크게하는 것이 가능하게 된다.
도 1 은 본 발명에 있어서의 제 1 실시형태의 자기저항효과소자 (스핀밸브형 박막소자) 를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도.
도 2 는 본 발명에 있어서의 제 2 실시형태의 자기저항효과소자 (스핀밸브형 박막소자) 를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도.
도 3 은 본 발명에 있어서의 제 3 실시형태의 자기저항효과소자 (스핀밸브형 박막소자) 를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도.
도 4 는 본 발명에 있어서의 제 4 실시형태의 자기저항효과소자 (AMR 소자) 를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도.
도 5 는 본 발명에서 사용되는 DC 마그네트론 스퍼터링 장치의 구성도.
도 6 은 DC 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판측에 공급되는 DC 바이어스의 강도와, 도체층 (Cr막) 에 가해지는 응력과의 관계를 나타낸 그래프.
도 7 은 DC 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판측에 공급되는 DC 바이어스의 강도와, 도체층 (Cr막) 의 (110) 면 간격과의 관계를 나타낸 그래프.
도 8 은 Cr 막의 (110) 면 간격과, 상기 Cr 막에 가해지는 막응력과의 관계를 나타낸 그래프.
도 9 는 종래에 있어서의 자기저항효과소자 (스핀밸브형 박막소자) 를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도.
도 1 은 본 발명에 있어서의 제 1 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 기록매체와의 대향면측에서 본 경우의 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는, 하드디스크 장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링측 단부 등에 설치되어 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 그리고, 하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 Z 방향이고, 자기기록매체로부터의 누출자계방향은 Y 방향이다.
도 1 의 가장 아래에 형성되어 있는 것은, Ta (탄탈) 등의 비자성재료로 형성된 기초층 (15) 이다. 이 기초층 (15) 위에 반강자성층 (16), 고정자성층 (17), 비자성도전층 (18) 및 프리자성층 (19) 이 적층되어 있다. 그리고, 상기 프리자성층 (19) 위에 Ta 등의 보호층 (20) 이 형성되어 있다.
상기 반강자성층 (16) 은, 종래부터 반강자성재료로서 사용되고 있는, 예컨대 NiMn 합금막 등으로 형성되어 있어도 되는데, 본 발명에서는, 특히 블록킹 온도(blocking temperature) 가 높으며, 또한 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계를 발생시키는 PtMn 합금막 등의 백금족계 원소를 사용한 반강자성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또, 고정자성층 (17) 및 프리자성층 (19) 은, 예컨대 NiFe 합금막, CoFe 합금막, Co 막 또는 CoNiFe 합금막, CoNi 합금막 등으로 형성되어 있다. 또한, 비자성도전층 (18) 은 Cu 막 등으로 형성되어 있다.
또, 상기 고정자성층 (17) 과 반강자성층 (16) 은 접하여 형성되며, 상기 고정자성층 (17) 은 반강자성층 (16) 과의 계면에서 발생되는 교환결합자계에 의해, 자화가, 예컨대 도시되어 있는 Y 방향으로 고정되어 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 기초층 (15) 에서 보호층 (20) 까지의 적층체의 양측에는 하드바이어스층 (21,21) 이 형성되어 있다. 상기 하드바이어스층 (21,21) 은, 예컨대 CoPt 합금이나 CoCrPt 합금 등으로 형성되어 있다. 상기 하드바이어스층 (21,21) 은 예컨대 도시되어 있는 X 방향으로 자화되고, 상기 하드바이어스층 (21) 으로부터의 바이어스 자계에 의해, 프리자성층 (19) 의 자화는 도시되어 있는 X 방향으로 갖추어져 있다.
본 발명에서는, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 하드바이어스층 (21,21) 위에 기초층 (22,22) 을 사이에 두고 도체층 (박막도체층 ; 23,23) 이 성막되어 있다. 상기 도체층 (23,23) 은 금속재료로 형성되며, 본 발명에서는 특히 Cr 막으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 1 에 나타내는 상기 도체층 (23,23) 은 막면에 대한 수직방향 (도시되어 있는 Z 방향) 의 결정면 간격이, 상기 도체층 (23,23) 을 구성하는 것과 동일한 금속재료에 의해 형성된 벌크재의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성되어 있다. 그리고, 결정면 간격의 조정방법에 대해서는 후술한다.
본 발명에서는, 상기 도체층 (23,23) 은, 그 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격이 수직방향에 연장되어 성막되기 때문에, 막면과 평행한 방향에 대해서는 압축응력이 가해져 성막된다. 이렇게 압축응력이 가해진 상태에서 도체층 (23,23) 이 성막되면, 성막된 상기 도체층 (23,23) 은 상기 압축응력에 반발하여 막면방향으로 넓어지려고 한다. 그런데, 상기 도체층 (23) 의 하층에서는, 막면방향으로 넓어지려고 하는 도체층 (23,23) 에 대해 압축응력이 작용한다. 상기 도체층 (23) 에 압축응력이 작용함으로써, 상기 도체층 (23) 은 하층에 밀착되고, 상기 도체층 (23) 의 막 박리를 방지할 수 있다. 또한, 상기 도체층 (23) 에 압축응력이 가해짐으로써, 소정 막두께까지 용이하게 상기 도체층 (23) 의 막두께를 두껍게 형성할 수 있으며, 직류저항 (DCR) 의 저하를 도모할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 도체층 (23,23) 은 Cr 막으로 형성되어 있는 것이 바람직한데, 통상, 상기 Cr 막은 성막되면 상기 Cr 막의 결정구조는 bcc 구조 (체심입방구조) 이고, 게다가, 막면에 대한 수직방향의 결정면은 (110) 면이 된다. 본 발명에서는, 상기 도체층 (23) 이 Cr 막으로 형성된 경우, 상기 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. Cr 의 벌크재에서는 (110) 면 간격이 2.039 옹스트롬이므로, 박막형성된 Cr 막의 (110) 면 간격을 2.039 옹스트롬 이상으로 함으로써, 상기 Cr 막에 압축응력이 가해지고, Cr 막의 막 박리를 방지하는 것이 가능하다. 또, 종래, 도체층 (23) 으로서 사용되던 Au 등에 비해 Cr 은 저가이다. 또한, 도체층 (23) 으로서 Au 등을 사용하면, 기록매체와의 대향면을 드라이에칭에 의해 제거하여, 도 1 에 나타낸 막구조를 외부에 노출시킨 경우에, 도체층이 우그러져서 리세스가 쉽게 발생되었는데, Cr 은 Au 에 비해 단단한 금속재료이기 때문에, 도체층 (23) 을 Cr 막으로 형성함으로써,상기 도체층 (23) 의 「우그러짐」을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에서는, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 하드바이어스층 (21,21) 과 도체층 (23,23) 의 사이에는 기초층 (22) 이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 상기 기초층 (22) 은 β상이며, 막면에 대한 수직방향의 결정면이 (002) 면인 Ta 막 (이하, β-Ta 막이라고 함) 으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 기초층 (22) 은, 예컨대, 50 옹스트롬 정도의 막두께로 형성되어 있다. β-Ta 막으로 형성된 기초층 (22) 이 도체층 (23) 의 아래에 배치됨으로써, 상기 도체층 (23) 의 배향성을 높이고, 상기 도체층 (23) 의 비저항을 저하시킬 수 있다. 예컨대, β-Ta 의 기초층 (22) 이 형성되지 않은 경우, Cr 막으로 형성된 도체층 (23) 의 비저항은 약 32 (μΩ㎝) 인데 반해, β-Ta 의 기초층 (22) 이 형성되면, Cr 막으로 형성된 도체층 (23) 의 비저항은 약 27 (μΩ㎝) 이 되어, 비저항을 저하시키는 것이 가능하게 된다. 또, β-Ta 막으로 형성된 기초층 (22) 은 내부식성도 우수하며, 또한 제조공정을 간략화할 수 있다. 종래, 도체층으로서 α-Ta 막을 사용하는 경우가 있었는데, 이 α-Ta 막을 성막하는 경우에는 장치내에 산소를 도입할 필요성이 있었다. 그러나, 본 발명과 같이 기초층 (22) 으로서 β-Ta 를 성막한 경우에는 산소의 도입이 필요 없어지고, 종래에 비해 제조공정의 간략화를 실현할 수 있다.
도 1 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는, 도체층 (23) 으로부터 프리자성층 (19), 비자성도전층 (18) 및 고정자성층 (17) 에 정상전류 (센스전류) 가 부여되며, 게다가 기록매체로부터 Y 방향으로 자계가 부여되면, 상기 프리자성층 (19)의 자화방향이 X 방향에서 Y 방향을 향해 변화된다. 이 때, 상기 프리자성층 (19) 과 고정자성층 (17) 중, 편방의 층에서 타방의 층으로 이동하려고 하는 전자가 비자성도전층 (18) 과 고정자성층 (17) 사이의 계면, 또는 비자성도전층 (18) 과 프리자성층 (19) 사이의 계면에서 산란을 일으켜 전기저항이 변화된다. 따라서, 전압이 변화되어 검출출력을 얻을 수 있다.
도 2 는, 본 발명에 있어서의 제 2 실시형태의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래서부터 기초층 (30), 프리자성층 (31), 비자성도전층 (32), 고정자성층 (33), 반강자성층 (34) 및 보호층 (35) 의 순으로 형성되며, 상기 기초층 (30) 에서 보호층 (35) 까지의 적층체 (이하, 스핀밸브막이라고 함) 의 양측에는, 하드바이어스층 (36), 기초층 (37) 및 도체층 (38) 이 적층되어 있다.
도 1 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자의 도체층 (23) 과 동일하게, 도 2 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 도체층 (38) 은, 그 막면에 대한 수직방향 (도시되어 있는 Z 방향) 의 결정면 간격이, 벌크재인 경우의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성되어 있고, 성막된 상기 도체층 (38) 에는 압축응력이 가해진 상태로 되어 있다. 이 때문에, 상기 도체층 (38) 은 하층에 밀착되며, 상기 도체층 (38) 의 막 박리를 방지할 수 있다.
또, 상기 도체층 (38) 은 Cr 막으로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 막면에 대한 수직방향의 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 하드바이어스층 (36) 과 도체층 (38) 사이에, β-Ta 막의 기초층 (37) 이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 도체층 (38) 아래에 기초층 (37) 이 배치됨으로 인해, 상기 도체층 (38) 의 대향성을 높이고, 상기 도체층 (38) 의 비저항을 저하시키는 것이 가능하다.
도 3 은, 본 발명에 있어서의 제 3 실시형태의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는 듀얼 스핀밸브형 박막소자라고 불리우는 것으로, 도 1,2 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자 (싱글 스핀밸브형 박막소자) 에 비해, 높은 저항변화율을 얻는 것이 가능하다.
도 3 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래서부터 기초층 (40), 반강자성층 (41), 고정자성층 (42), 비자성도전층 (43), 프리자성층 (44), 비자성도전층 (45), 고정자성층 (46), 반강자성층 (47) 및 보호층 (48) 의 순으로 적층되어 있다. 상기 기초층 (40) 에서 보호층 (48) 까지의 적층체의 양측에는 하드바이어스층 (49), 기초층 (50) 및 도체층 (51) 이 적층되어 있다.
도 3 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 도체층 (51) 은, 그 막면에 대한 수직방향 (도시되어 있는 Z 방향) 의 결정면 간격이, 상기 도체층 (51) 을 형성하는 금속재료가 벌크재인 경우에 있어서의, 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성되어 있으며, 성막된 상기 도체층 (51) 에는 압축응력이 가해진 상태로 되어 있다. 이 때문에, 상기 도체층 (51) 은 하층에 밀착되어 상기 도체층 (51) 의 막 박리를 방지할 수 있다.
또, 상기 도체층 (51) 은 Cr 막으로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 막면에 대한 수직방향의 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 도 3 에 나타낸 바와 같이 하드바이어스층 (49) 과 도체층 (51) 사이에 β-Ta 막의 기초층 (50) 이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 도체층 (51) 아래에 기초층 (50) 이 배치됨으로 인해, 상기 도체층 (51) 의 대향성을 높이고, 상기 도체층 (51) 의 비저항을 저하시키는 것이 가능하다.
도 4 는, 기록매체로부터의 기록자계를 검출하기 위한 AMR (amisotropic magnetoresistive) 소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
상기 AMR 소자는, 아래서부터 연자성층 (SAL층 ; 52), 비자성층 (SHUNT층 ; 53), 자기저항층 (MR층 ; 54) 및 보호층 (55) 의 순으로 적층되고, 이 적층체의 양측에는 하드바이어스층 (56,56) 이 형성되어 있다. 상기 연자성층 (52) 에는 NiFeNb 합금막, 비자성층 (53) 에는 Ta 막, 자기저항층 (54) 에는 NiFe 합금막, 하드바이어스층 (56) 에는 CoPt 합금막이 일반적으로 사용된다.
도 4 에 나타낸 AMR 소자에서는, 하드바이어스층 (56) 위에 기초층 (57) 을 통해 도체층 (58) 이 형성되어 있다. 이 도체층 (58) 도, 도 1 내지 도 3 에 나타낸 각 스핀밸브형 박막소자의 도체층과 동일하게, 막면에 대한 수직방향 (도시되어 있는 Z 방향) 의 결정면 간격이, 상기 도체층 (58) 을 형성하는 금속재료가 벌크재인 경우에 있어서의, 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성되어 있고, 성막된 상기 도체층 (58) 에는 압축응력이 가해진 상태로 되어 있다. 이 때문에, 상기 도체층 (58) 은 하층에 밀착되어 상기 도체층 (58) 의 막 박리를방지할 수 있다.
또, 상기 도체층 (58) 은 Cr 막으로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 막면에 대한 수직방향의 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 도 4 에 나타낸 바와 같이 하드바이어스층 (56) 과 도체층 (58) 사이에 β-Ta 막의 기초층 (57) 이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 도체층 (58) 아래에 기초층 (57) 이 배치됨으로 인해, 상기 도체층 (58) 의 대향성을 높이고, 상기 도체층 (58) 의 비저항을 저하시키는 것이 가능하다.
이 AMR 소자에서는, 하드바이어스층 (56) 이 도시되어 있는 X 방향으로 자화되어 있고, 이 하드바이어스층 (56) 에 의해, 자기저항층 (54) 에 X 방향의 바이어스 자계가 부여된다. 또한, 연자성층 (52) 내지 자기저항층 (54) 에 도시되어 있는 Y 방향의 바이어스 자계가 부여된다. 자기저항층 (54) 에 X 방향과 Y 방향의 바이어스 자계가 부여됨으로써, 자기저항층 (54) 의 자계변화에 대한 자화변화가 직선성을 갖는 상태로 설정된다.
도체층 (58) 으로부터의 검출전류 (센스전류) 는 자기저항층 (54) 에 부여된다.
기록매체의 주행방향은 Z 방향이고, 기록매체로부터의 누출자계가 Y 방향에 부여되면, 자기저항층 (54) 의 자화방향이 변화됨으로써 저항값이 변화되고, 이것이 전압변화로서 검출된다.
다음으로, 상술한 도 1 내지 도 3 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자 및 도 4 의 AMR 소자의 제조방법에 대해 설명한다.
도 1 내지 도 4 에 나타낸 자기저항효과소자는 스퍼터링법 또는 증착법에 의해 성막된다. 스퍼터링 장치로서는 기존의 것을 사용하면 되는데, 특히 본 발명에서는 DC 마그네트론 스퍼터링 장치가 사용된다. 이 DC 마그네트론 스퍼터링 장치는, 다른 스퍼터링 장치에 비해 상기 자기저항효과소자의 각층을 소정의 막두께로 형성하기 쉽고, 막두께의 재현성이 우수하다.
도 5 는, 본 발명에 있어서의 DC 마그네트론 스퍼터링 장치의 내부구조를 나타낸 구성도이다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 마그네트론 스퍼텅링 장치 (60) 의 챔버 (61) 내에는 타겟 (62) 을 장착하기 위한 전극부 (63) 와, 상기 타겟 (62) 과 대향하는 위치에 기판지지부 (64) 가 설치되어 있다. 상기 기판지지부 (64) 위에는 기판 (65) 이 놓여져 있다. 또, 전극부 (63) 내에는 자석 (66) 이 설치되어 있다. 또한, 상기 챔버 (61) 내에는 가스도입구 (67) 와 가스배기구 (68) 가 설치되어 있고, 상기 가스도입구 (67) 로부터 Ar 가스가 도입된다.
전술한 바와 같이, 종래에는 자기저항효과소자의 도체층으로서 α-Ta 막을 사용하는 경우가 있었는데, 이 경우, 가스 도입구 (67) 로부터는 Ar 가스뿐만아니라, O (산소) 의 양도 적정하게 조정하여 도입할 필요가 있었다. 이에 대해, 같은 Ta 라도, 본 발명에서는 도체층과 하드바이어스층 사이에 개재하는 기초층을 β-Ta 막으로 형성하고 있기 때문에, 상기 가스도입구 (67) 로부터는 Ar 가스만을 도입하면 되어 제조공정의 간략화를 실현할 수 있다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 전극부 (63) 에는 DC 전원 (69) 이 접속되어 있고, 상기 DC 전원 (69) 을 작동시킴으로써, 전장과 자장의 상호작용에 의해 마그네트론 방전이 발생되고 상기 타겟 (62) 이 스퍼터링되어, 상기 타겟 (62) 과 대향하는 위치에 배치된 기판 (65) 위에 적층체 (71) 가 성막된다.
본 발명에서는, 기판 (65) 측에도 DC 전원 (70) 이 추가로 접속되어 있다. 기판 (65) 위에 성막된 적층체 (71) 의 도체층을 성막할 때, 기판 (65) 측의 DC 전원 (70) 을 작동시킴으로써, 성막된 상기 도체층의 표면을 역스퍼터링에 의해 제거할 수 있다. 역스퍼터링에 의해 상기 도체층의 결정의 격자사이에 왜곡이 생기고, 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격은 커진다.
본 발명에서는 기판 (65) 측의 DC 전원 (70) 으로부터의 DC 바이어스를 강하게 함으로써, 상기 도체층의 결정면 간격을 크게 할 수 있다는 것을 실험에 의해 알 수 있다.
본 발명에서는, DC 바이어스의 강도를 조정하고, 상기 도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격이, 벌크재인 경우의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격보다 커지도록 할 필요성이 있다.
도 1 내지 도 4 에 나타낸 자기저항효과소자를 성막한 후, 기록매체와의 대향면을 드라이에칭에 의해 제거하여 상기 자기저항효과소자의 각층을 외부로 노출시킨다. 본 발명에서는, 예컨대 도체층을 Cr 막으로 형성하고 있기 때문에, 상기 도체층을 외부에 노출시켰을 때, Cr 막에 「우그러짐」이 생길 가능성은 없으며, 리세스의 발생을 방지할 수 있다.
이상 상술한 본 발명에 의하면, 하드바이어스층 위에 형성된 도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격을, 벌크재인 경우의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 형성함으로써, 상기 도체층에 대해 압축응력을 가할 수 있고, 상기 도체층의 막 박리를 방지할 수 있음과 동시에, 상기 도체층을 적정한 두께로 형성하는 것이 가능하게 된다.
특히, 본 발명에서는, 상기 하드바이어스층과 도체층 사이에 β-Ta 막의 기초층을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 도체층 아래에 기초층을 배치하는 것에 의해, 상기 도체층의 배향성을 높이고, 비저항을 저하시킬 수 있다.
또, 상술한 도체층의 결정면 간격의 조정은, 기존의 DC 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판측에도 DC 전원을 접속하고, 기판측에 DC 바이어스를 공급함으로써, 용이하게 도체층의 결정면 간격을 크게할 수 있다.
그리고, 본 발명에 있어서의 박막도체층은, 자기저항효과소자의 실시예를 들어 설명하였는데, 예컨대, 반도체의 DRAM 등의 도체층에도 본 발명을 적용할 수 있다.
실시예
본 발명에서는, 실제로 DC 마그네트론 스퍼터링 장치내의 기판상에 Cr 막을 성막하고, 기판측에 공급하는 DC 바이어스의 강도와, Cr 막에 가해진 응력과의 관계, 및 DC 바이어스의 강도와, Cr 막의 (110) 면 간격과의 관계에 대해 조사하였다.
그리고, 기판상에는, Cr 막을 성막하기 전에 β-Ta 막으로 형성된 기초층을 성막하고, 그 후, Cr 막을 성막하였다.
먼저, 기판측에 공급된 DC 바이어스의 강도와, 도체층 (Cr막) 에 가해지는 응력과의 관계에 대해 도 6 을 참조하면서 설명한다. 그리고, 종축의 「응력」이란, 상기 도체층의 막면과 평행한 방향에서 가해진 응력을 지칭하는 것이다.
도 6 에 나타낸 바와 같이, DC 바이어스를 강하게 해나가면, 도체층에 가해진 응력은 플러스 값에서 마이너스 값으로 변화된다는 것을 알 수 있다. 여기서 플러스측의 응력은 도체층에 인장응력이 가해지고, 마이너스측의 응력은 상기 도체층에 압축응력이 가해지는 것을 의미하므로, DC 바이어스를 강하게 함으로써 도체층에 압축응력을 가할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7 은, 기판측에 공급된 DC 바이어스의 강도와, Cr 막의 (110) 면 간격과의 관계를 나타낸 그래프이다. 그리고, Cr 막의 결정구조는 bcc 구조이고, 막면에 대한 수직방향의 결정면은 (110) 면으로 되어 있다.
도 7 에 나타낸 바와 같이 DC 바이어스를 강하게 해나가면, Cr 막의 (110) 면 간격을 서서히 크게할 수 있다는 것을 알 수 있다. 여기서 Cr 이 벌크재인 경우에 있어서의 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬이라는 것을 알 수 있다.
Cr 막의 (110) 면 간격을, 벌크재인 경우에 있어서의 (110) 면 간격 (=2.039 옹스트롬) 보다 크게하기 위해서는, 약 280 (V) 이상의 DC 바이어스를 공급하면 된다는 것을 알 수 있다.
도 6 과 도 7 을 참조하여, 횡축을 Cr 막의 (110) 면 간격, 종축을 막응력으로 하여 그래프를 작성하였다. 그 결과를 도 8 에 나타낸다.
도 8 에 나타낸 바와 같이, Cr 막의 (110) 면 간격을 크게 해나가면, 상기Cr 막에 가해지는 막응력은 플러스에서 마이너스로, 즉, 인장응력에서 압축응력으로 변화된다는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, Cr 이 벌크재인 경우에 있어서의 (110) 면 간격은 2.039 옹스트롬인데, 도 8 에 나타낸 바와 같이, Cr 막의 (110) 면 간격을 2.039 옹스트롬으로하면, 막응력을 거의 0 (GPa) 으로 할 수 있고, (110) 면 간격을 2.039 옹스트롬 이상으로 하면, 상기 Cr 막에 압축응력을 가하는 것이 가능하다.
그래서, 본 발명에서는 도체층을 형성하는 금속재료의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격을, 벌크재인 경우의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격 이상으로 함으로써, 상기 도체층에 압축응력을 가할 수 있고, 상기 도체층의 막 박리를 방지하는 것이 가능하다.
이상 상술한 본 발명에 의하면, 금속재료로 박막형성된 도체층의 막면에 대한 수직방향의 결정면 간격을, 벌크재인 경우에 있어서의 상기 결정면 간격 이상으로 형성함으로써, 상기 도체층에 대해 압축응력을 가하고, 상기 도체층의 막 박리를 방지할 수 있다. 또, 상기 도체층에 대해 압축응력을 가함으로써, 용이하게 상기 도체층의 막두께를 소정의 막두께로 형성하는 것이 가능하다.
특히, 본 발명에서는 상기 도체층을 Cr 막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 Cr 막의 결정구조는 bcc 구조이며, 또한, 막면에 대해 수직방향에 있어서의 결정면은 (110) 면으로 되어 있는데, 본 발명에서는 상기 (110) 면 간격을 2.039 옹스트롬 이상으로 형성함으로써, 상기 Cr 막에 압축응력을 가하여 상기 Cr 막의막 박리를 방지할 수 있다. 또, 도체층을 Cr 막으로 형성함으로써, 「우그러짐」을 방지할 수 있고, 리세스의 발생을 방지할 수 있다. 또, Cr 막은 종래 도체층으로서 사용되어 온 Au 등에 비해 저가이다.
또한, 본 발명에서는 상기 도체층 아래에 기초층을 배치하는 것이 바람직하며, 상기 기초층을 배치하는 것에 의해 상기 도체층의 배향성을 높이며, 상기 도체층의 비저항을 저하시킬 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 상기 기초층을 β-Ta 막으로 형성하는 것이 바람직하다. β-Ta 막은 내부식성이 우수하다. 또, 종래 도체층으로서 α-Ta 막을 사용한 경우에는, 스퍼터링장치내에 O (산소) 의 양을 적정하게 조절하는 공정을 필요로 하였는데, β-Ta 막을 성막하는 경우에는 O 를 필요로 하지 않아 종래에 비해 공정을 간략화할 수 있다.

Claims (10)

  1. 금속재료에 의해 박막형성된 도체층과,
    상기 도체층은 bcc 구조의 Cr 이며,
    상기 도체층의 막면에 대한 수직방향의 (110) 면의 결정명 간격이 2.039 옹스트롬보다 크게 형성되고,
    상기 박막도체층의 하측에는 β상의 Ta 로 이루어진 기초층이 형성되어 있는박막도체층.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 β상의 Ta 로 이루어진 기초층은 막면에 대한 수직방향의 결정면이 (002) 면인 박막도체층.
  3. 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정된 고정자성층과, 상기 고정자성층과 프리자성층 사이에 형성된 비자성도체층을 갖는 적층체의 막면과 평행인 방향의 양측에 박막도체층이 형성되고,
    상기 박막도체층은 bcc 구조의 Cr 이며,
    상기 도체층의 막면에 대한 수직방향의 (110) 면의 결정면 간격이 2.039 옹스트롬보다 크게 형성되고,
    상기 박막도체층의 하측에는 β상의 Ta 로 이루어진 기초층이 형성되어 있는 자기저항효과소자.
  4. 제 7 항에 있어서, 상기 β상의 Ta 로 이루어진 기초층은 막면에 대한 수직방향의 결정면이 (002) 면인 자기저항효과소자.
  5. 제 7 항에 있어서, 상기 박막도체층은 기록매체와의 대향면에 노출되어 형성되어 있는 자기저항효과소자.
  6. 비자성층을 사이에 두고 겹쳐진 자기저항층과 연자성층을 갖는 적층체의 막면과 평행인 방향의 양측에 박막도체층이 형성되고,
    상기 박막도체층은 bcc 구조의 Cr 이며,
    상기 도체층의 막면에 대한 수직방향의 (110) 면의 결정면 간격이 2.039 옹스트롬보다 크게 형성되고,
    상기 박막도체층의 하측에는 β상의 Ta 로 이루어진 기초층이 형성되어 있는 자기저항효과소자.
  7. 제 14 항에 있어서, 상기 β상의 Ta 로 이루어진 기초층은 막면에 대한 수직 방향의 결정면이 (002) 면인 자기저항효과소자.
  8. 제 14 항에 있어서, 상기 박막도체층은, 기록매체와의 대향면에 노출되어 형성되어 있는 자기저항효과소자.
  9. β상의 Ta 로 이루어진 기초층이 성막형성되는 공정과,
    상기 기초층의 위에 도체층을 DC 마그네트론 스퍼터장치내에서 성막할때, 금속재료제의 타겟에 작용하는 제 1 DC 전극을 작동시키고,
    기판지지체에 지지된 기판에 형성된 상기 기초막상에 스퍼터링하여 도체층을 성막할때, 상기 기판에 전기적으로 접속한 제 2 DC 전극의 제 2 DC 바이어스를 280 V 이상으로 작동시켜서, 상기 박막도체층의 표면을 역스퍼터링하여, bcc 구조의 Cr 로 이루어지고 또한 막면에 대한 수직방향의 (100) 면의 결정면 간격이 2.039 옹스트롬보다 큰 도체층을 제조하는 공정을 갖는 박막도체층의 제조방법.
  10. 제 21 항에 있어서, 상기 β상의 Ta 로 이루어진 기초층은 막면에 대한 수직 방향의 결정면이 (002) 면인 박막도체층의 제조방법.
KR1019990024433A 1998-06-30 1999-06-26 박막도체층과 그것을 이용한 자기저항효과소자 및 박막도체층의 제조방법 KR100326825B1 (ko)

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