KR100334837B1 - 스핀밸브형 박막소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

반강자성층 (11) 에, 블로킹온도가 높고, 또한 제 1 고정자성층 (52) 과의 사이에서 큰 교환결합자계를 발생하는 PtMn 합금을 사용한다. 또한, 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께비. 비자성도전층이나 반강자성층의 막두께 등을 적절하게 조절함으로써, 적어도 500 (Oe) 이상, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.

Description

스핀밸브형 박막소자 및 그 제조 방법{SPIN-VALVE MAGNETORESISTIVE THIN FILM ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고정자성층(pinned magnetic layer)의 고정자화방향과 외부자계의 영향을 받는 프리자성층(free magnetic layer)의 자화방향과의 관계에서 전기저항이 변화하는 스핀밸브형 박막소자에 관한 것으로, 특히, 고정자성층을 2 층으로 분리하여, 상기 2 층의 고정자성층의 자화 (페리상태; ferri-state) 를 열적으로 안정된 상태로 유지할 수 있는 스핀밸브형 박막소자 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드에 관한 것이다.
또, 본 발명은, 고정자성층의 고정자화방향과 외부자계의 영향을 받는 프리자성층의 자화방향과의 관계에서 전기저항이 변화하는 스핀밸브형 박막소자에 관한 것으로, 특히, 센스전류(sensing current)를 적정한 방향으로 흐르게함으로써, 고정자성층의 자화를 보다 안정된 상태로 유지할 수 있는 스핀밸브형 박막소자 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드에 관한 것이다.
또, 본 발명은, 고정자성층의 고정자화방향과 외부자계의 영향을 받는 프리자성층의 자화방향과의 관계에서 전기저항이 변화하는 스핀밸브형 박막소자에 관한 것으로, 특히, 고정자성층의 자기모멘트의 조정 및 열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적절하게 조절함으로써, 적절하게 상기 고정자성층의 자화억제를실시할 수 있는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드의 제조방법에 관한 것이다.
스핀밸브형 박막소자는 거대자기저항효과(giant magneto resistance effect)를 이용한 GMR(Giant MagnetoResistive) 소자의 일종으로, 하드디스크 등의 기록매체로부터의 기록자계를 검출하는 것이다.
상기 스핀밸브형 박막소자는, GMR 소자 중에서도, 비교적 구조가 단순하고, 또한 약한 자계에서 저항이 변화하는 등의 우수한 점을 갖고 있다.
상기 스핀밸브형 박막소자는, 가장 단순한 구조로, 반강자성층(antiferro-magnetic layer), 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층으로 이루어진다. 도 28 은, 종래의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
또, 도 29 는, 도 28 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
부호 (1) 은 예를 들면 Ta (탄탈) 등으로 형성된 기초층으로, 상기 기초층 (1) 상에 반강자성층 (2) 이 형성되고, 또한 상기 반강자성층 (2) 상에 고정자성층 (3) 이 형성되어 있다.
상기 고정자성층 (3) 은 상기 반강자성층 (2) 에 접하여 형성됨으로써, 상기 고정자성층 (3) 과 반강자성층 (2) 과의 계면에서 교환결합자계(exchange coupling magnetic field) (교환이방성자계; exchange anisotropic magnetic field) 가 발생하고, 상기 고정자성층의 자화는, 예를 들면 도시한 Y 방향으로 고정된다.
상기 고정자성층 (3) 상에는, Cu 등으로 형성된 비자성도전층 (4) 이 형성되고, 또한 상기 비자성도전층(nonmagnetic electrically conductive layer) (4) 상에는, 프리자성층 (5) 이 형성되어 있다. 상기 프리자성층 (5) 의 양측에는, 예를 들면 Co-Pt (코발트-백금) 합금으로 형성된 하드바이어스층(hard magnetic bias layer) (6, 6) 이 형성되어 있고, 상기 하드바이어스층 (6, 6) 이 도시의 X 방향으로 자화되어 있음으로써, 상기 프리자성층 (5) 의 자화가 도시의 X 방향으로 정렬되어 있다. 이로써, 상기 프리자성층 (5) 의 변동자화와 상기 고정자성층 (3) 의 고정자화가 교차하는 관계로 되어 있다. 또한 부호 (7) 는, Ta 등으로 형성된 보호층, 부호 (8) 는 Cu 등으로 형성된 도전층(lead layer)이다.
상기 스핀밸브형 박막소자에서는, 상기 도전층 (8) 으로부터, 센스전류가, 도시의 X 방향 또는 도시의 X 방향과 역방향으로, 주로 비자성도전층 (4) 을 중심으로 흐른다. 그리고, 하드디스크 등의 기록매체로부터의 누설자계에 의해, 도시의 X 방향으로 정렬된 상기 프리자성층 (5) 의 자화가 변동하면, 도시의 Y 방향으로 고정된 고정자성층 (3) 의 고정자화와의 관계에서 전기저항이 변화하고, 상기 전기저항값의 변화에 근거하는 전압변화에 의해, 기록매체로부터의 누설자계가 검출된다.
또, 종래에서는, 상기 반강자성층 (2) 에는, FeMn 합금이나 NiO, 또는 NiMn 합금 등이 사용되고 있다. 이 중, FeMn 합금이나 NiO 를 반강자성재료로 사용한 경우에는, 고정자성층 (3) 과의 계면에서 교환결합자계를 발생시키는데 열처리를 필요로 하지 않는 것에 대하여, NiMn 합금을 반강자성재료로 사용한 경우에는열처리를 필요로 한다.
그러나, 종래에서는, 상기 반강자성층 (2) 으로서, NiMn 합금, FeMn 합금, 또는 NiO 등의 반강자성재료가 사용되고 있다.
그러나 이들의 재료중 특히, FeMn 합금이나 NiO 합금은 블로킹온도가 약 200 ℃ 이하이고, 열적안정성이 부족한 재료이다. 특히 최근에는, 기록매체의 회전수, 또는 도전층 (8) 으로부터 흐르는 센스전류량의 증대 등에 의해, 장치내의 환경온도가 예를 들면 200 ℃ 이상으로 고온이 된다. 이 때문에, 스핀밸브형 박막소자의 반강자성층 (2) 으로서 블로킹온도(blocking temperature)가 낮은 반강자성재료를 사용하면, 상기 반강자성층 (2) 과 고정자성층 (3) 과의 계면에 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 작아져, 고정자성층 (3) 의 자화를 적절하게 도시의 Y 방향으로 고정할 수 없고, △MR (저항변화율) 의 저하를 초래한다.
블로킹온도는, 반강자성층 (2) 에 사용되는 반강자성층 재료만으로 결정되기 때문에, 스핀밸브형 박막소자의 구조를 개량하였다고 하여도, 상기 블로킹온도 그 자체를 상승시킬 수는 없다.
예를 들면 USP 5,701,223 호에는, 고정자성층의 구조를 개량하여, 교환결합자계를 향상시킬 수 있는 발명에 대하여 기재되어 있다. 그러나, 본 발명에서는, 반강자성층으로 NiO 를 사용하고 있기 때문에, 블로킹온도는 200 정도이고, 가령 실온정도일 때의 교환결합자계를 크게 할 수 있었다고 하여도, 장치내온도는 200 도 가깝게, 또는 그 이상의 환경온도가 되면, 기록매체 주행중에서의 스핀밸브형 박막소자의 교환결합자계는 작아지거나, 또는 0 이 되어, △MR 을 얻는 것이 완전히 불가능해진다.
이에 대하여, NiMn 합금은, NiO 나 FeMn 합금에 대하여 블로킹온도가 높지만 내식성 등의 특성이 나쁘기 때문에, 반강자성층으로서 사용되는 반강자성재료에는, 더욱 블로킹온도가 높고, 또한 내식성 등의 특성이 우수한 반강자성재료가 요구된다.
또, 전술한 바와 같이 센스전류는, 도전층 (8) 으로부터 주로 비저항이 작은 비자성도전층 (4) 을 중심으로 하여 흐르지만, 센스전류를 흘려보냄으로써, 오른쪽나사의 법칙에 따라 센스전류효과가 형성되고, 상기 센스전류자계가, 상기 고정자성층 (3) 의 고정자화에 영향을 준다는 문제가 있다.
예를 들면 도 29 에 나타낸 바와 같이, 고정자성층 (3) 의 자화는 도시의 Y 방향으로 향해져 있지만, 센스전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스전류자계는, 상기 고정자성층 (3) 의 부분에서, 도시의 Y 방향과 역방향으로 향해져 있었던 경우, 상기 고정자성층 (3) 의 고정자화방향과 센스전류자계의 방향이 일치하지 않기 때문에, 상기 고정자화가 센스전류자계의 영향을 받아 흔들려, 자화상태가 불안정화된다는 문제가 있다.
특히, 상기 반강자성층 (2) 에, NiO 나 FeMn 합금 등, 고정자성층 (3) 과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 작고, 또한 블로킹온도가 낮은 반강자성재료를 사용한 경우에 있어서는, 고정자성층 (3) 의 고정자화방향과 센스전류자계방향이 역방향의 관계로 되어 있으면, 상기 고정자성층 (3) 의 고정자화의 열화가 심하고, 나아가서는, 상기 고정자화가 반전되어 버리는 등의 파괴에 이어진다.
최근에는, 고기록밀도화에 대응하기 위해 센스전류를 많이 흘려보내는 경향이 있는데, 1 ㎃ 의 센스전류를 흘려보냄으로써 약 30 (Oe) 의 센스전류자계가 발생하고, 또한 소자온도가 약 15 ℃ 상승되기 때문에 상기 센스전류를 수십 ㎃ 흘려보낸 경우에 있어서는, 급격한 소자온도상승과, 방대한 센스전류자계가 발생하게 된다.
따라서 고정자성층 (3) 의 고정자화의 열적안정성을 향상시키기 위해, 블로킹온도가 높고, 또한 고정자성층 (3) 과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생하는 반강자성재료를 선택하는 것과, 상기 센스전류를 적정한 방향으로 흘려보내, 센스전류자계에 의해, 고정자성층 (3) 의 자화가 파괴되지 않도록 할 필요성이 있다.
또, USP 5,701,223 호 공보에는, 고정자성층을 2 층으로 분리하여, 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 반평행상태로 함으로써, 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 발명에 대하여 개시되어 있다.
그러나 상기 공보에서 사용되고 있는 반강자성층은 NiO 이고, 상기 NiO 는 블로킹온도가 약 200 ℃ 정도로 낮고, 또한 고정자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 도 작다.
특히 최근에는, 고기록밀도화에 대응하기 위해, 기록매체의 회전수나 센스전류량의 증가에 의해, 장치내의 환경온도는 상승하는 경향에 있고, 반강자성층에NiO 를 사용한 경우에는, 상기 교환결합자계가 작아져, 고정자성층의 자화제어를 적절하게 실시하는 것이 곤란해진다.
또한, NiMn 합금은, 상기 NiO 에 비하여, 블로킹온도도 높고, 또한 교환결합자계 (교환이방성자계) 도 크다. 또, NiMn 합금과 같은 정도의 블로킹온도와, 큰 교환결합자계를 갖고, 또한 NiMn 합금보다도 비약적으로 내식성이 우수한 반강자성재료로서, 백금족원소를 이용한 X-Mn 합금 (X = Pt, Pd, Ir, Rh, Ru) 이 주목을 받고 있다.
이와 같은 백금족원소를 이용한 X-Mn 합금 등을, 반강자성층으로서 사용하고, 또한 고정자성층을 2 층으로 분리하여 형성하면, 반강자성층으로서 NiO 를 사용한 경우에 비하여, 보다 큰 교환결합자계가 얻어지는 것을 기대할 수 있다.
그러나, 백금족원소를 이용한 X-Mn 합금은, NiMn 합금과 마찬가지로, 막형성후, 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시키기 때문에, 자장중 어닐링 (열처리) 을 필요로 하고 있다.
그러나, 열처리중에 인가하는 자장의 크기나 그 방향 및 2 층으로 분리된 각 고정자성층의 자기코멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를 적절하게 조절하지 않으면, 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 반평행상태로 안정적으로 고정할 수 없다. 또, 특히, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 고정자성층이 형성되어 있는, 소위 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 상기 프리자성층의 상하에 형성되는 2 층씩의 고정자성층의 자화방향을 적절하게 제어하지 않으면, △MR (저항변화율) 이 저하되어, 작은 재생출력밖에 얻을 수 없다는 문제도 발생한다.
제 1 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 고정자성층의 구조 및 반강자성층의 재질을 개량하고, 또한 상기 고정자성층의 막두께 등을 적절하게 조절함으로써, 교환결합자계를 크게 할 수 있고, 열적안정성이 우수한 스핀밸브형 박막소자 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
제 2 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 고정자성층의 구조 및 반강자성층의 재질을 개량하고, 또한, 센스전류를 흘려보내는 방향을 적절한 방향으로 제어함으로써, 상기 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정된 상태로 유지할 수 있는 스핀밸브형 박막소자 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
제 3 본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2 층으로 분리된 각 고정자성층의 자기모멘트와, 열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적절하게 제어함으로써, 상기 2 층의 고정자성층의 자화를, 반평행상태로 안정적으로 유지할 수 있고, 또한 종래와 동일한 정도의 높은 △MR 을 얻을 수 있는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법 및 상기 스핀밸브형 박막소자를 이용한 박막자기헤드의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 3 은 본 발명에서의 제 2 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 4 는 도 3 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 5 는 본 발명에서의 제 3 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 6 은 도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 7 은 본 발명에서의 제 4 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 8 은 도 7 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 9 는 본 발명에서의 제 5 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 10 은 도 9 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 11 은 본 발명에서의 제 6 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
도 12 는 도 11 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
도 13 은 판독헤드 (재생헤드) 를 기록매체와의 대향면에서 본 단면도이다.
도 14 는 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께를 20, 또는 40 옹스트롬(Å)으로 고정한 경우의, 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께와, 교환결합자계와의 관계 및 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 와, 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15 는 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께를 20, 또는 40 옹스트롬으로 고정한 경우의, 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께와, △MR(%) 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16 은 제 2 고정자성층 (P2) 을 30 옹스트롬으로 고정한 경우의, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께와, 교환결합자계와의 관계 및 (제 1 고정자성층 (P1)) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17 은 제 2 고정자성층 (P2) 을 30 옹스트롬으로 고정한 경우의, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께와, △MR(%) 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 18 은 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 제 1 고정자성층 (상) 의 막두께 및 제 1 고정자성층 (하) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계, 또한 (제 1 고정자성층 (P1;상) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2;상) 의 막두께) 및 (제 1 고정자성층 (P1;하) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2;하) 의 막두께) 와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 19 는 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 개재하는 Ru (비자성중간층) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 20 은 4 종류의 스핀밸브형 박막소자를 사용하고, 각 스핀밸브형 박막소자의 PtMn (반강자성층) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21 은 2 종류의 듀얼 스핀밸브형 박막소자를 사용하고, 각 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 PtMn (반강자성층) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 22 는 2 종류의 듀얼 스핀밸브형 박막소자를 사용하고, 각 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 PtMn (반강자성층) 의 막두께와, △MR(%) 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 23 은 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께를 50 옹스트롬으로 고정한 경우, 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계 및 (제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께) / (제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 24 는 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께를 20 옹스트롬으로 고정한 경우, 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께와 △MR (%) 과의 관계 및 (제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께) / (제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 와 △MR(%) 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 25 는 제 1 프리자성층 (F1) 과 제 2 프리자성층 (F2) 의 사이에 개재하는 Ru (비자성중간층) 의 막두께와, 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 26 은 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자 및 종래에서의 스핀밸브형 박막소자에서의 히스테리시스루프이다.
도 27 은 반강자성층을 PtMn 으로 형성한 경우, NiO 로 형성한 경우 및 FeMn 으로 형성한 경우의 각 스핀밸브형 박막소자에서의 환경온도 (℃) 와 교환결합자계 (Hex) 와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 28 은 종래에서의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면에서 본 단면도이다.
도 29 는 도 28 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 횡단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기초층 11 : 반강자성층
12 : 제 1 고정자성층 13 : 비자성중간층
14 : 제 2 고정자성층 15 : 비자성도전층
16 : 프리자성층 19 : 보호층
제 1 본 발명은, 반강자성층과, 상기 반강자성층과 접하여 형성되어, 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정되는 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 통하여 형성되어, 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 갖고, 상기 고정자성층이, 비자성중간층을 통하여 2 층으로 분리되어 형성되어 있고, 반강자성층에 접하는 상기 고정자성층을 제 1 고정자성층, 비자성도전층에 접하는 상기 고정자성층을 제 2 고정자성층으로 한 경우에, (제 1 고정자성층의 막두께) / (제 2 고정자성층의 막두께) 가 0.33 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자를 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 상기 (제 1 고정자성층의 막두께) / (제 2 고정자성층의 막두께) 는 0.53 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층의 막두께 및 제 2 고정자성층의 막두께는, 모두 10 ∼ 70 옹스트롬의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 막두께 - 제 2 고정자성층의 막두께│≥2 옹스트롬인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층의 막두께 및 제 2 고정자성층의 막두께는, 모두 10 ∼ 50 옹스트롬의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 막두께 - 제 2 고정자성층의 막두께│≥2 옹스트롬인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 프리자성층은, 비자성중간층을 통하여 2 층으로 분리되어 형성되어도 된다.
본 발명에서는, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층, 제 1 고정자성층, 비자성중간층, 제 2 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분리된 프리자성층 중, 비자성도전층에 접하는 측에 형성된 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을제 2 프리자성층으로 한 경우 및 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분리된 프리자성층 중, 일측의 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우, (제 1 프리자성층의 막두께 / 제 2 프리자성층의 막두께) 는 0.56 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 5 의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.61 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 2.1 의 범위내이다.
또한 본 발명은, 반강자성층과, 상기 반강자성층과 접하여 형성되어, 자장 중 열처리에 의해, 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정되는 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 통하여 형성되어, 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 갖고, 상기 고정자성층이, 비자성중간층을 통하여 2 층으로 분리되어 형성되어 있고, 반강자성층에 접하는 상기 고정자성층을 제 1 고정자성층, 비자성도전층에 접하는 상기 고정자성층을 제 2 고정자성층으로 하고, 포화자화 (Ms) 와 막두께 (t) 와의 곱을 자기적 막두께 (자기모멘트) 로 한 경우에, (제 1 고정자성층의 자기적 막두께) / (제 2 고정자성층의 자기적 막두께) 가 0.33 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자를 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 상기 (제 1 고정자성층의 자기적 막두께) / (제 2 고정자성층의 자기적 막두께) 는 0.53 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층의 자기적 막두께 및 제 2 고정자성층의 자기적 막두께는, 모두 10 ∼ 70 (옹스트롬·테슬라) 의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 자기적 막두께 - 제 2 고정자성층의 자기적 막두께│≥2 (옹스트롬·테슬라) 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층의 막두께 및 제 2 고정자성층의 막두께는, 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬·테슬라) 의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 자기적 막두께 - 제 2 고정자성층의 자기적 막두께│≥2 (옹스트롬·테슬라) 인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 프리자성층은, 비자성중간층을 통하여 2 층으로 분리되어 형성되어도 된다.
본 발명에서는, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층, 제 1 고정자성층, 비자성중간층, 제 2 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분리된 프리자성층 중, 비자성도전층에 접하는 측에 형성된 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우 및 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성도전층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분리된 프리자성층 중, 일측의 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우, (제 1 프리자성층의 자기적 막두께 / 제 2 프리자성층의 자기적 막두께) 는 0.56 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 5 의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.61 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 2.1 의 범위내이다.
또한 본 발명에서 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 개재하는 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 하측에 반강자성층을 갖고, 상기 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 비자성도전층과 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께는, 3.6 ∼ 9.6 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4.0 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내이다.
또는, 프리자성층보다도 상측에 반강자성층을 갖고, 상기 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 비자성도전층에 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께는, 2.5 ∼ 6.4 옹스트롬, 또는 6.6 ∼ 10.7 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬의 범위내이다.
또한 본 발명에서는, 상기 반강자성층은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 반강자성층은, X-Mn (단 X 는, Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), 또는, Pt-Mn-X' (단, X' 은 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어 있어도 된다.
본 발명에서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층, 제 1 고정자성층, 비자성중간층, 제 2 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 90 ∼ 200 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 상기 반강자성층의 막두께는, 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내이다.
또는, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 110 ∼ 200 옹스트롬의 범위내이다.
또한 전술한 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 비자성중간층의 막두께는, 5.5 ∼ 10.0 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5.9 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내이다.
또한 본 발명에서의 박막자기헤드는, 상술한 스핀밸브형 박막소자의 상하에, 갭층(gap layer)을 통하여 실드층(shield layer)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 스핀밸브형 박막소자를 구성하는 고정자성층이, 2 층으로 분리되어 있고, 2 층으로 분리된 고정자성층의 사이에 비자성중간층이 형성되어 있다.
상기 분리된 2 층의 고정자성층의 자화는, 반평행상태로 자화되어 있고, 또한 일측의 고정자성층의 자기모멘트 (자기적 막두께) 의 크기와, 타측의 고정자성층의 자기모멘트의 크기가 다른, 소위 페리상태로 되어 있다. 2 층의 고정자성층간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 는, 1000 (Oe) 내지 5000 (Oe) 으로 매우 크기 때문에, 2 층의 고정자성층은 매우 안정된 상태에서 반평행으로 자화된 상태로 되어 있다.
그러나 반평행 (페리상태) 으로 자화된 일측의 고정자성층은, 반강자성층에 접하여 형성되어 있고, 상기 반강자성층에 접하는 측의 고정자성층 (이하, 제 1 고정자성층이라 함) 은, 상기 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해, 예를 들면 기록매체와의 대향면으로부터 떨어지는 방향 (높이방향) 으로 자화가 고정된다. 이로써, 상기 제 1 고정자성층과 비자성중간층을 통하여 대향하는 고정자성층 (이하, 제 2 고정자성층이라 함) 의 자화는, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 반평행의 상태로 고정된다.
종래에서는, 반강자성층과 고정자성층과의 2 층으로 형성되었던 부분이, 본발명에서는, 반강자성층 / 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층의 4 층으로 형성됨으로써, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 외부자계에 대하여 매우 안정된 상태로 유지하는 것이 가능해지지만, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화의 안정성을 보다 향상시키기 위해서는, 여러가지의 조건을 필요로 한다.
먼저 첫번째로, 반강자성층과 제 1 고정자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 크게 하는 것이다. 상술한 바와 같이, 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 제 1 고정자성층의 자화는, 어느 일정방향으로 고정되지만, 상기 교환결합자계가 약하면, 제 1 고정자성층의 고정자화가 안정되지 않고, 외부자계 등에 의해 변동되기 쉬워진다. 이 때문에 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 는 큰 것이 바람직하고, 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 반강자성층으로서 PtMn 합금을 제시할 수 있다. 또한, PtMn 합금 대신에, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소) 합금이나 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소) 합금을 사용하여도 된다.
이들 반강자성재료는, 종래부터 반강자성재료로서 사용되고 있는 NiO, FeMn 합금이나 NiMn 합금 등에 비하여, 교환결합자계가 크고, 또한 블로킹온도가 높고, 또한 내식성이 우수한 것 등, 반강자성재료로서 우수한 특성을 갖고 있다.
도 26 은, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리된 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자와, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래에서의 스핀밸브형 박막소자와의 R-H 곡선이다.
본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래부터, Si 기판 / 알루미나(Al2O3) / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta(30) 로 되고, 종래에서의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (300) / 제 1 고정자성층; Co(25) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta(30) 이다. 또한 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명 및 종래에서의 스핀밸브형 박막소자 모두, 막형성 후, 200(Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 하였다.
도 26 에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 스핀밸브형 박막소자의 △MR (저항변화율) 은, 최대값으로 7 ∼ 8% 의 사이이고, 음의 외부자계를 부여함으로써, 상기 △MR 은 저하되어 가지만, 종래에서의 스핀밸브형 박막소자의 △MR 의 저하방법에 비하여, 본 발명에서의 △MR 의 저하방법은 완만한 것을 알 수 있다.
여기에서 본 발명에서는, △MR 의 최대값의 절반값이 되는 때의 외부자계의 크기를 스핀밸브형 박막소자가 발생하는 교환결합자계 (Hex) 로 결정한다.
도 26 에 나타낸 바와 같이, 종래의 스핀밸브형 박막소자에서는, 최대 △MR이, 약 8% 이고, 상기 △MR 이 절반이 될 때의 외부자계 (교환결합자계 (Hex)) 는, 절대값으로 약 900 (Oe) 인 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에서는, 최대 △MR 이 약 7.5% 로 종래에 비하여 약간 저하되지만, 상기 △MR 이 절반이 될 때의 외부자계 (교환결합자계 (Hex)) 는, 절대값으로 약 2800 (Oe) 이며, 종래에 비하여 매우 커지는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 고정자성층을 1 층으로 형성한 종래의 스핀밸브형 박막소자에 비하여, 교환결합자계 (Hex) 를 비약적으로 크게 할 수 있어, 고정자성층의 자화의 안정성을 종래에 비하여 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 △MR 에 대해서도 본 발명에서는 종래에 비하여 그다지 저하되지 않고, 높은 △MR 을 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음으로 도 27 은, 4 종류의 스핀밸브형 박막소자를 사용하여, 환경온도와 교환결합자계와의 관계를 나타낸 그래프이다.
먼저 사용하는 1 종째의 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
2 종류째는, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (300) / 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
3 종류째는, 반강자성층에 NiO 를 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 2 로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / 반강자성층; NiO (500) / 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
4 종류째는, 반강자성층에 FeMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 3 으로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / NiFe(70) / Co(10) / Cu(25) / 고정자성층; Co(25) / 반강자성층; FeMn (150) / Ta(30) 이다. 또한, 상술한 4 종류 전부의 막구성의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고 단위는 옹스트롬이다.
또한 반강자성층에 PtMn 을 사용한 본 발명 및 종래예 1 에서는, 막형성후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 행하고 있다. 또, 반강자성층에 NiO, FeMn 을 사용한 종래예 2, 3 에서는 막형성후, 열처리를 실시하지 않았다.
도 27 에 나타낸 바와 같이 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에서는, 환경온도가 약 20 ℃ 일 때 교환결합자계 (Hex) 는 약 2500 (Oe) 으로 매우 높아져 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 반강자성층에 NiO 를 사용한 종래예 2 및 반강자성층에 FeMn 을 사용한 종래예 3 에서는, 환경온도가 약 20 ℃ 에서도 교환결합자계 (Hex) 가약 500(Oe) 이하로 낮아지고 있다. 또한 반강자성층에 PtMn 을 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 에 있어서는, 환경온도가 약 20 ℃에서 1000 (Oe) 정도의 교환결합자계를 발생하고 있어, 반강자성층에 NiO (종래예 2), FeMn (종래예 3) 을 사용하는 것보다도, 보다 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
USP 5,701,223 에서는, 반강자성층에 NiO 를 사용하고, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 2 층으로 형성한 스핀밸브형 박막소자의 R-H 곡선이 도 8 에 나타나 있다. 공보의 도 8 에 의하면, 600(Oe) 의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다고 되어 있는데, 상기 수치는 반강자성층에 PtMn 을 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 경우의 교환결합자계 (약 1000 (Oe); 종래예 1) 에 비해 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 반강자성층에 NiO 를 사용한 경우에서는, 고정자성층을 2 층으로 분리하고 상기 2 층 고정자성층의 자화를 페리 상태로 해도 반강자성층에 PtMn 을 사용하고 고정자성층을 단독으로 형성하는 경우보다도 교환결합자계는 낮아지기 때문에, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하는 것이 더 큰 교환결합자계를 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다는 것을 알 수 있다.
또, 도 27 에 나타낸 바와 같이 반강자성층에 NiO 또는 FeMn 합금을 사용한 경우, 환경 온도가 약 200 ℃ 가 되면 교환결합자계는 0 (Oe) 이 된다는 것을 알 수 있다. 이는, 상기 NiO 및 FeMn 의 블로킹 온도가 약 200 ℃ 정도로 낮기 때문이다.
이에 대하여 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 종래예 1 에서는 환경 온도가 약 400 ℃ 가 되고 교환결합자계가 0 (Oe) 이 되어 있어, 상기 PtMn 합금을 사용하면 고정자계층의 자화상태를 열적으로 매우 안정적인 상태로 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
블로킹 온도는 반강자성층으로 사용되는 재질에 지배되기 때문에, 도 27 에 나타내는 본 발명의 스핀밸브형 박막소자에서도 약 400 ℃ 가 되면 교환결합자계는 0 (Oe) 이 된다고 생각되지만, 본 발명과 같이 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 경우에는 NiO 등에 비해 높은 블로킹 온도를 얻을 수 있고 게다가 고정자성층을 2 층으로 분리하여 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 페리 상태로 하면 블로킹 온도에 도달할 때까지 매우 큰 교환결합자계를 얻을 수 있어, 상기 2 층의 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정적인 상태로 유지할 수 있게 된다.
또, 본 발명에서는 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 형성되어 있는 비자성중간층으로서 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상을 사용하여, 상기 비자성중간층의 막두께를 반강자성층이 페리자성층보다도 하측에 형성되는 경우와 상측에 형성되는 경우로 변화시키고 있고, 적절한 범위내의 막두께로 상기 비자성중간층을 형성함으로써 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있다. 또한 상기 비자성중간층의 적절한 막두께값에 대해서는 뒤에 그래프를 참조하면서 상술한다.
또한 본 발명에 의하면 고정자성층을 2 층으로 분리하여 형성하면 PtMn 합금 등으로 형성되는 반강자성층의 막두께를 얇게 해도 큰 교환결합자계 (Hex) 를 얻을수 있게 되고, 스핀밸브형 박막소자의 막구성 중에서 가장 두꺼운 막두께를 가지고 있는 반강자성층을 얇게 할 수 있기 때문에, 상기 스핀밸브형 박막소자 전체의 종합 막두께를 얇게 할 수 있다. 반강자성층을 얇게 형성할 수 있기 때문에 상기 스핀밸브형 박막소자의 상하에 형성되는 갭층의 막두께를, 절연성을 충분히 유지할 수 있을 정도로 두껍게 해도 스핀 밸브형 박막소자의 하측에 형성된 갭층에서 스핀 밸브형 박막소자의 상측에 형성된 갭층까지의 거리, 즉 갭길이를 짧게 할 수 있어 갭 협소화에 대응하는 것이 가능해진다.
그런데 본 발명과 같이 고정자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 2 층으로 분리한 경우, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께를 동일한 값으로 형성하면 교환결합자계 (Hex), 및 △MR (저항변화율) 이 극단적으로 저하한다는 것을 실험으로 알 수 있었다. 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께를 동일한 막두께로 형성하면 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태가 반평행 (페리 상태) 이 되기 어렵기 때문이라고 추측되며, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화 상태가 반평행 상태가 아니기 때문에 페리 자성층의 변동자화와의 상대각도를 적절하게 제어할 수 없게 된다.
그래서 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층을 동일한 막두께로 형성하지 않고 다른 막두께로 형성함으로써 큰 교환결합자계를 얻을 수 있고, 동시에 △MR 을 종래와 같은 정도까지 높일 수 있게 된다. 또, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비에 대해서는 뒤에 그래프를 참조하여 상술한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 고정자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 2 층으로 분리하고 다시 반강자성층으로서 PtMn 합금 등 상기 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성 자계) 를 발휘하는 반강자성 재료를 사용함으로써 스핀밸브형 박막소자 전체의 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있고, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화를 열적으로 안정적인 반평행 상태 (페리 상태) 로 유지할 수 있게 된다.
본 발명에서는, 2 층으로 분리된 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비, 비자성중간층의 재질, 및 그 막두께 또는 반강자성층의 막두께 등을 적정화함으로써 스핀밸브형 박막소자 전체의 교환결합자계를 더 크게 할 수 있고, 또한 높은 △MR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
본 발명을 적용할 수 있는 스핀 밸브형 박막소자는, 반강자성층, 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층이 1 층씩 형성된 소위 싱글 스핀밸브형 박막소자이어도 되고, 또는 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성도전층, 고정자성층, 및 반강자성층이 형성된 소위 듀얼 스핀밸브형 박막소자이어도 된다.
또한 본 발명에서는, 프리자성층이 고정자성층과 마찬가지로 비자성중간층을 사이에 두고 2 층으로 분리되어 형성될 수도 있다. 비자성중간층을 사이에 두고 형성된 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 자화는 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층 간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반평행하게 자화되고, 게다가 고정자성층 (제 1 고정자성층 및 제 2 고정자성층) 의 자화에 대하여 교차하는 방향으로 정렬되어 있다.
고정자성층 (제 1 고정자성층 및 제 2 고정자성층) 의 경우에는 반강자성층과의 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 어떤 일정방향으로 자화가 고정된 상태로 되어 있지만, 프리자성층의 자화는 외부자계에 의해 자유롭게 변동하도록 되어 있고, 프리자성층의 자화 변동이 상기 고정자성층의 고정자화 방향과의 관계에 의해 전기저항이 변화하여 외부자계의 신호를 검출할 수 있도록 되어 있다.
본 발명에서는, 비자성중간층을 사이에 두고 분리된 제 1 프리자성층 막두께와 제 2 프리자성층 막두께와의 비, 및 상기 비자성중간층의 막두께를 적정화함으로써 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 반평행 상태 (페리 상태) 를 열적으로도 안정적인 상태로 유지하여 종래와 같은 정도로 높은 △MR 을 얻을 수 있게 하고 있다. 또한 상기 제 1 프리자성층 및 제 2 프리자성층의 막두께비, 및 비자성 중간층의 막두께값에 대해서는 뒤에 그래프를 참조하면서 상술한다.
제 2 의 본 발명은, 반강자성층, 이 반강자성층과 접하여 형성되고 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정되는 고정자성층, 및 상기 고정자성층에 비자성중간층을 사이에 두고 형성되고 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 구비하고, 상기 고정자성층의 고정자화와 교차하는 방향으로 센스전류가 흘러감으로써 고정자성층의 고정자화와 프리 자성층의 변동자화의 관계에 따라 변화하는 전기저항이 검출되며, 상기 고정자성층은 비자성중간층을 사이에 두고 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층 2 층으로 분리되어 형성되고 있고, 상기 센스 전류는 상기 센스 전류를 흘려보냄으로써 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층의 부분에 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트 (포화자화 Ms·막두께 t) 와, 제 2 고정자성층의 자기 모멘트를 서로 더하여 형성되는 합성 자기 모멘트의 방향이 동일 방향이 되는 방향으로 흐르는 스핀밸브형 박막소자를 제공하는 것이다.
또한 본 발명에서는, 상기 스핀밸브형 박막소자는 반강자성층, 제 1 고정자성층, 비자성중간층, 제 2 고정자성층, 비자성도전층, 및 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로서, 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트가 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 큰 경우, 상기 센스 전류는 상기 센스 전류를 흘려보냄으로써 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층의 부분에 형성되는 센스 자계의 방향이 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트 방향과 동일해지는 방향으로 흐를 필요가 있다.
또한 본 발명에서는, 상기 프리자성층은 비자성중간층을 사이에 두고 2 층으로 분리되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 층으로 분리된 프리자성층 사이에 형성되어 있는 비자성중간층은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 스핀밸브형 박막소자는 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층 위 및 타측의 비자성도전층 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층 3층과, 일측의 제 1 고정자성층 위 및 타측의 제 1 고정자성층 아래에 적층된 반강자성층을 구비한 듀얼 스핀 밸브형 박막소자로서, 상기 프리 자성층의 상측에 적층된 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 합성 자기 모멘트와 프리자성층의 하측에 적층된 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 합성자기 모멘트가 서로 반대방향을 향하고 있고, 상기 센스 전류는 상기 센스 전류를 흘려보냄으로써 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층 부분에 형성되는 센스 전류 자계의 방향이 프리 자성층의 상하에 형성된 합성 자기 모멘트의 방향과 동일해지는 방향으로 흐를 필요가 있다.
상술한 듀얼 스핀 밸브형 박막소자에 있어서, 구체적인 제 1 고정자성층 및 제 2 고정자성층의 자기 모멘트 크기 등에 대해서는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트는 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 크고, 또한 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트는 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 작게 되어 있으며, 게다가 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 고정자화는 동일 방향을 향하고 있을 필요가 있다.
또는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트는 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 작고, 또한 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트는 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 크게 되어 있으며, 게다가 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 고정자화는 모두 동일 방향을 향하고 있을 필요가 있다.
본 발명에서는 상기 반강자성층은 PtMn 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 또는, 상기 반강자성층은 X-Mn (단 X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 중 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), 또는 Pt-Mn-X' (단 X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 중 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 형성되는 비자성중간층은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서의 박막자기헤드는 상술한 스핀밸브형 박막소자의 상하에 갭층을 사이에 두고 실드층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 스핀밸브형 박막소자를 구성하는 고정자성층이 2 층으로 분리되어 있고, 2 층으로 분리된 고정자성층 사이에 비자성중간층이 형성되어 있다.
이 분리된 2 층의 고정자성층의 자화는 반평행 상태로 자화되어 있고, 게다가 일측의 고정자성층의 자기 모멘트 크기와 타측의 고정자성층의 자기 모멘트 크기가 다른, 소위 페리 상태로 되어 있다. 2 층의 고정자성층 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 는 1000 (Oe) 에서 5000 (Oe) 로 매우 크기 때문에, 2 층의 고정자성층은 매우 안정적인 상태로 반평행하게 자화된 상태가 된다.
그런데 반평행 (페리 상태) 으로 자화된 일측의 고정자성층은 반강자성층에 접하여 형성되어 있고, 이 반강자성층에 접하는 측의 고정자성층 (이하, 제 1 고정자성층이라 한다) 은 상기 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성 자계) 에 의해 예를 들면 기록매체와의 대향면에서 떨어지는 방향 (높이 방향) 으로 자화가 고정된다. 이로써 상기 제 1 고정자성층과 비자성 중간층을 사이에 두고 대향하는 고정자성층 (이하, 제 2 고정자성층이라 한다) 의 자화는 상기 제 1 고정자성층의 자화와 반평행한 상태로 고정된다.
종래에는 반강자성층과 고정자성층 2 층으로 형성되어 있던 부분을 본 발명에서는 반강자성층 / 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층 4 층으로 형성함으로써 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 외부자계에 대하여 매우 안정적인 상태로 유지할 수 있다.
그런데 최근에는 고기록밀도화와 함께 기록매체의 회전수 증가에 의한 장치내 온도의 상승이나 센스 전류량 증가에 의한 온도상승 및 센스 전류 자계의 증대에 따라 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태가 불안정화될 우려가 있다.
상기 센스 전류는 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화방향이 교차하는 방향 (프리 자성층의 자화방향과 동일한 방향, 또는 반대 방향) 으로 흘러가지만, 상기 센스 전류를 흘려보냄으로써 오른 나사 법칙에 의해 센스 전류 자계가 발생하고, 이 센스 전류 자계는 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층의 부분에서 상기 제 1 고정자성층 (또는 제 2 고정자성층) 의 자화방향과 동일한 방향이나 반대 방향으로 침입해 간다.
상기한 바와 같이 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트와 제 2 고정자성층의 자기 모멘트는 다른 값으로 형성되어 있고, 이 때문에 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화는 반평행 상태로 자화된 상태이지만, 본 발명에서는 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자기 모멘트 크기의 차이를 이용하여 센스 전류를 적절한 방향으로 흘려보내어 센스 전류 자계에 의해 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정적인 상태로 할 수 있게 되어 있다.
구체적으로는 싱글 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 제 1 고정자성층의 자기 모멘트가 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 큰 경우, 제 1 고정자성층의 자기 모멘트와 제 2 자기 모멘트를 서로 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트는 제 1 고정자성층의 자기 모멘트와 동일한 방향을 향하고 있다.
그리고 본 발명에서는 센스 전류를 흘려보냄으로써 제 1 고정자성층 / 비자성 중간층 / 제 2 고정자성층의 부분에 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 상기 합성 자기 모멘트의 방향이 일치하도록 센스 전류를 흘리는 방향을 조정하여, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정적인 상태로 유지할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 프리자성층의 상하에 형성되는 합성 자기 모멘트를 서로 반대 방향이 되도록 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자기 모멘트 등을 조정하여 센스 전류를 흘려 보냄으로써, 프리자성층 상하에서의 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층 부분에 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 상기 합성 자기 모멘트를 일치시킴으로써 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정적인 상태로 유지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에서는, 센스 전류를 흘려보내는 방향의 제어 외에 여러 가지 조건에 의해 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태의 안정성을 향상시키고 있다.
먼저 제 1 반강자성층과 제 1 고정자성층의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 크게 하는 것이다. 상술한 바와 같이 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 제 1 고정자성층의 자화는 어느 일정 방향으로 고정되지만, 이 교환결합자계가 약하면 제 1 고정자성층의 고정자화가 안정되지 않아 외부 자계 등에 의해 변동하기 쉽다. 따라서 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 는 큰 것이 바람직하고, 본 발명에서는 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 반강자성층으로 PtMn 합금을 제시할 수 있다. 또한 PtMn 합금 대신에 X-Mn (X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 중 1 종 또는 2 종 이상의 원소) 합금이나 Pt-Mn-X' (X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 중 1 종 또는 2 종 이상의 원소) 합금을 사용할 수도 있다.
이들 반강자성 재료는 종래부터 반강자성 재료로서 사용되고 있는 NiO, FeMn 합금이나 NiMn 합금 등에 비해 교환결합자계가 크고 또한 블로킹 온도가 높으며 내식성도 우수하여, 반강자성 재료로서 우수한 특성을 갖고 있다.
도 26 은 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하고 고정자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리한 본 발명에서의스핀밸브형 박막소자와 고정자성층을 단층으로 형성한 종래 스핀밸브형 박막소자와의 R-H 곡선이다.
본 발명에서의 스핀 밸브형 박막소자의 막구성은, 아래로부터 Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비강자성 중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta(30) 이며, 종래의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은 아래로부터 Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (300) / 고정자성층; Co (25) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta (30) 이다. 또한 괄호 안의 수치는 막두께를 나타내고 있고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명 및 종래의 스핀밸브형 박막소자 모두에 막형성후 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간 열처리하였다.
도 26 에 나타낸 바와 같이 본 발명에서 스핀밸브형 박막소자의 △MR (저항변화율) 은 최대값으로 7 ~ 8 % 사이이고, 음의 외부자계를 부여함으로써 상기 △MR 은 저하해가지만, 종래 스핀밸브형 박막소자의 △MR 저하방법에 비해 본 발명 △MR 의 저하방법은 완만한 것을 알 수 있다.그래서 본 발명에서는 ΔMR 최대값의 반 값이 될 때의 외부자계 크기를 스핀 밸브형 박막소자가 발생하는 교환결합자계 (Hex) 로 정한다.
도 26 에 나타낸 바와 같이, 종래 스핀 밸브형 박막소자에서는 최대 ΔMR 이 약 8 % 이고, 상기 ΔMR 이 1/2 이 될 때의 외부자계 (교환결합자계 (Hex)) 는 절대값으로 약 900 (Oe) 인 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 발명에서의 스핀 밸브형 박막소자에서는 최대 ΔMR 이 약 7.5 % 으로 종래에 비해 약간 저하하지만, 상기 ΔMR 가 1/2 이 될 때의 외부 자계 (교환결합자계 (Hex)) 는 절대값으로 약 2800 (Oe) 이며 종래에 비해 매우 커진다느 것을 알 수 있다.
이처럼 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명에서의 스핀 밸브형 박막소자에서는, 고정자성층을 1 층으로 형성한 종래의 스핀 밸브형 박막소자에 비해 교환결합자계 (Hex) 를 비약적으로 크게 할 수 있고 고정자성층의 자화 안정성을 종래에 비해 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 △MR 에 대해서도 본 발명에서는 종래에 비해 그다지 저하하지는 않아 높은 △MR 을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로 도 27 은 4 종류의 스핀 밸브형 박막소자를 사용하여 환경 온도와 교환결합자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
먼저 사용하는 1 종째의 스핀 밸브형 박막소자는 반강자성층에 PtMn 합금을 이용하고 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명의 스핀 밸브형 박막소자이며, 막구성으로는, 아래에서
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성 중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
2 종류째는 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하고 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 이며, 막구성으로는, 아래에서
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(300) / 제 1 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe (70) / Ta(30) 이다.
3 종류째는 반강자성층에 NiO 를 사용하고 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 2 이며, 막구성으로는, 아래에서
Si 기판 / 알루미나 / 반강자성층; NiO(500) / 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe (70) / Ta(30) 이다.
4 종류째는 반강자성층에 FeMn 합금을 사용하고 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 3 이며, 막구성으로는 아래에서
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / NiFe (70) / Co(10) / Cu(25) / 고정자성층; Co(25) / 반강자성층; FeMn (150) / Ta (30) 이다. 또한 상술한 4 종류 막구성 전부의 괄호 안 수치는 막두께를 나타내고 있고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 반강자성층에 PtMn 을 이용한 본 발명 및 종래예 1 에서는 막형성후 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간 열처리하였다. 또한 반강자성층에 NiO, FeMn 을 사용한 종래예 2, 3 에서는 막형성후 열처리하지 않았다.
도 27 에 나타낸 바와 같이 본 발명의 스핀 밸브형 박막소자에서는 환경 온도가 약 20 ℃ 일 때 교환결합자계 (Hex) 는 약 2500 (Oe) 로 매우 높아지고 있다는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 반강자성층에 NiO 를 이용한 종래예 2, 및 반강자성층에 FeMn 을 이용한 종래예 3 에서는 환경 온도가 약 20 ℃ 일 때에도 교환결합자계 (Hex) 가 약 500 (Oe) 이하로 낮아지고 있다. 또한 반강자성층에 PtMn 을 이용하여고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 에서는 환경 온도가 약 20 ℃ 일 때 1000 (Oe) 정도의 교환결합자계를 발생시키고 있고, 반강자성층에 NiO (종래예 2), FeMn (종래예 3) 을 이용하는 것보다 더 큰 교환결합자계을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
USP 5,701,223 에서는 반강자성층에 NiO 를 사용하고 고정자성층을 비자성 중간층을 사이에 두고 2 층으로 형성한 스핀 밸브형 박막소자의 R-H 곡선이 도 8 에 나타나 있다. 공보의 도 8 에 의하면, 600 (Oe) 의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있게 되어 있지만, 이 수치는 반강자성층에 PtMn 을 사용하고 고정자성층을 단층으로 형성한 경우의 교환결합자계 (약 1000 (Oe); 종래예 1) 에 비해 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 반강자성층에 NiO 를 사용한 경우에서는, 고정자성층을 2 층으로 분리하고 상기 2 층 고정자성층의 자화를 페리 상태로 해도 반강자성층에 PtMn 을 사용하고 고정자성층을 단독으로 형성하는 경우보다도 교환결합자계는 낮아지기 때문에, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하는 것이 더 큰 교환결합자계를 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다는 것을 알 수 있다.
또, 도 27 에 나타낸 바와 같이 반강자성층에 NiO 또는 FeMn 합금을 사용한 경우, 환경 온도가 약 200 ℃ 가 되면 교환결합자계는 0 (Oe) 가 된다는 것을 알 수 있다. 이는, 상기 NiO 및 FeMn 의 블로킹 온도가 약 200 ℃ 정도로 낮기 때문이다.
이에 대하여 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 종래예 1 에서는 환경 온도가약 400 ℃ 가 되고 교환결합자계가 0 (Oe) 이 되어 있어, 상기 PtMn 합금을 사용하면 고정자계층의 자화상태를 열적으로 매우 안정적인 상태로 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
블로킹 온도는 반강자성층으로 사용되는 재질에 지배되기 때문에, 도 27 에 나타내는 본 발명의 스핀 밸브형 박막소자에서도 약 400 ℃ 가 되면 교환결합자계는 0 (Oe) 가 된다고 생각되지만, 본 발명과 같이 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 경우에는 NiO 등에 비해 높은 블로킹 온도를 얻을 수 있고 게다가 고정자성층을 2 층으로 분리하여 상기 2 층 고정자성층의 자화를 페리 상태로 하면 블로킹 온도에 도달할 때까지 매우 큰 교환결합자계를 얻을 수 있어, 상기 2 층 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정적인 상태로 유지할 수 있게 된다.
또, 본 발명에서는 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 형성되어 있는 비자성 중간층으로서 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상을 사용하여, 상기 비자성 중간층의 막두께를 반강자성층이 페리자성층보다도 하측에 형성되는 경우와 상측에 형성되는 경우로 변화시키고 있고, 적절한 범위내의 막두께로 상기 비자성 중간층을 형성함으로써 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있다. 또한 상기 비자성 중간층의 적절한 막두께값에 대해서는 뒤에 그래프를 참조하면서 상술한다.
또한 본 발명에 의하면 고정자성층을 2 층으로 분리하여 형성하면 PtMn 합금 등으로 형성되는 반강자성층의 막두께를 얇게 해도 큰 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있게 되고, 스핀밸브형 박막소자의 막구성 중에서 가장 두꺼운 막두께를 가지고있는 반강자성층을 얇게 할 수 있기 때문에, 상기 스핀밸브형 박막소자 전체의 종합 막두께를 얇게 할 수 있다. 반강자성층을 얇게 형성할 수 있기 때문에 상기 스핀밸브형 박막소자의 상하에 형성되는 갭층의 막두께를 절연성을 충분히 유지할 수 있을 정도로 두껍게 해도 스핀 밸브형 박막소자의 하측에 형성된 갭층에서 스핀 밸브형 박막소자의 상측에 형성된 갭층까지의 거리, 즉 갭길이를 짧게 할 수 있어 갭 협소화에 대응하는 것이 가능해진다.
그런데 본 발명과 같이 고정자성층을 비자성 중간층을 사이에 두고 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리한 경우, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께를 동일한 값으로 형성하면 교환결합자계 (Hex), 및 △MR (저항변화율) 이 극단적으로 저하한다는 것을 실험으로 알 수 있었다. 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께를 동일한 막두께로 형성하면 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태가 반평행 (페리 상태) 이 되기 어렵기 때문이라고 추측되며, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화 상태가 반평행 상태가 아니기 때문에 페리 자성층의 변동자화와의 상대각도를 적절하게 제어할 수 없게 된다.
그래서 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층을 동일한 막두께로 형성하지 않고 다른 막두께로 형성함으로써 큰 교환결합자계를 얻을 수 있고, 동시에 △MR 을 종래와 같은 정도까지 높일 수 있게 된다. 또, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비에 대해서는 뒤에 그래프를 참조하여 상술한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 고정자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하고 다시 반강자성으로서 PtMn 합금 등 상기 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발휘하는 반강자성 재료를 사용함으로써 스핀밸브형 박막소자 전체의 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있고, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화를 열적으로 안정적인 반평행상태 (페리 상태) 로 유지할 수 있게 된다.
특히 본 발명에서는, 센스 전류를 흘려보내는 방향을 적절한 방향으로 제어함으로써 센스 전류를 흘려보내어 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 제 1 고정자성층의 자기 모멘트와 제 2 고정자성층의 자기 모멘트를 서로 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향을 일치시켜 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화 상태를 더 열적으로 안정적인 상태로 유지할 수 있게 된다.
제 3 의 본 발명은, 반강자성층, 이 반강자성층과 접하여 형성되어 자장 중 열처리에 의해 상기 반강자성층과의 계면에 발생하는 교환결합자계에 의해 일정 방향으로 자화가고정되는 고정자성층, 및 상기 고정자성층에 비자성 도전층을 사이에 두고 형성되어 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 구비하고, 반강자성층, 고정자성층, 비자성 도전층, 및 프리 자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀 밸브형 박막소자의 제조방법에 있어서,
상기 고정자성층을, 비자성중간층을 사이에 두고 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성할 때에 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트 (포화자화 Ms·막두께 t) 와 제 2 고정자성층의 자기 모멘트를 다른 크기로 형성하는 공정,
싱글 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후 자장 중 열처리할 때에 상기 제 1 고정자성층의 자기 모멘트가 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 큰 경우, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 보내고자 하는 방향으로 100 ~ 1000 (Oe), 또는 5 (kOe) 이상의 자장을 인가하거나, 또는 제 1 고정자성층의 자기 모멘트가 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 작은 경우, 제 1 고정자성층의 자화를 보내고자 하는 방향과 반대 방향으로 100 ~ 1000 (Oe), 또는 상기 제 1 고정자성층의 자화를 보내고자 하는 방향으로 5 (kOe) 이상의 자장을 인가하는 공정을 구비한 것이다.
또한 본 발명에서는, 상기 싱글 스핀밸브형 박막소자를 아래에서부터 반강자성층, 제 1 고정자성층, 비자성중간층, 제 2 고정자성층, 비자성도전층, 및 프리 자성층 순으로 적층해도 되고, 또는 아래에서부터 프리자성층, 비자성도전층, 제 2 고정자성층, 비자성중간층, 제 1 고정자성층, 및 반강자성층 순으로 적층해도 된다.
또한 본 발명에서는, 상기 프리자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 2 층으로 분리하여 형성해도 된다.
또한 본 발명은, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층 위, 및 타측의 비자성도전층 아래에 형성되며 자화가 어느 일정 방향으로 고정된 고정자성층과, 일측의 고정자성층 위, 및 타측의 고정자성층 아래에 형성된 반강자성층으로 이루어지는 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 제조방법에 있어서,
상기 프리자성층의 상하에 형성된 고정자성층을 비자성중간층을 사이에 두고 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성할 때에, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트 (포화자화 Ms·막두께 t) 를 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 커지도록 형성하고, 또한 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트를 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기 모멘트보다도 작아지도록 형성하거나, 또는 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기 모멘트를 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 프리자성층의 자기 모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 또한 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하는 공정과,
듀얼 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 자장 중 열처리를 실시함으로써, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층과 반강자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시킬 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고자하는 방향으로, 5 (kOe) 이상의 자장을 인가하여, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 모두 동일한 방향으로 고정하는 공정을 갖는 것이다.
또한, 본 발명에서는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하며, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고자하는 방향으로 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 5 (kOe) 이상의 자장을 인가하거나, 또는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하며, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고자하는 방향과 역방향으로 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고자하는 방향으로 5 (kOe) 이상의 자장을 인가하여, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 자화를 모두 동일한 방향으로 고정하여도 된다.
또한 본 발명은, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 형성되고, 자화가 어느 일정방향으로 고정된 고정자성층과, 일측의 고정자성층의 위 및 타측의 고정자성층의 아래에 형성된 반강자성층으로 이루어지는 듀얼 스핀밸브형 박막소자박막소자의 제조방법에 있어서,
상기 프리자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리하여 형성하고, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 정렬하는 공정과,
상기 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성할 때에, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 Ms·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하며, 또는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 프리자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하면서 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하는 공정과,
듀얼 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 자장 중 열처리를 실시함으로써, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층과 반강자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시킬 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고자하는 방향으로, 100 ∼ 1000 (Oe) 의 자장을 인가하여, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 자화를 서로 반대방향으로 고정하는 공정을 갖는 것이다.
또, 본 발명에서는, 상기 반강자성층을 PtMn 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. PtMn 합금 대신에, 상기 반강자성층을, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성하여도 된다.
또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 비자성중간층, 및 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 사이에 형성되는 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은, 박막자기헤드의 제조방법에 있어서, 하부 실드층의 위에 갭층을 통하여 상술한 스핀밸브형 박막소자를 형성하고, 또한 상기 스핀밸브형 박막소자의 위에 갭층을 통하여 상부 실드층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 스핀밸브형 박막소자를 구성하는 고정자성층이, 2 층으로 분리되어 있고, 2 층으로 분리된 고정자성층의 사이에 비자성중간층이 형성되어 있다.
상기 분리된 2 층의 고정자성층의 자화는, 반평행상태로 자화되어 있고, 또한 일측의 고정자성층의 자기모멘트의 크기와, 타측의 고정자성층의 자기모멘트의 크기가 다른, 소위 페리 상태로 되어 있다. 2 층의 고정자성층간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 는, 1000 (Oe) 내지 5000 (Oe) 으로 매우 크기때문에, 2 층의 고정자성층은 매우 안정된 상태에서 반평행으로 자화된 상태로 되어 있다.
그런데 반평행 (페리상태) 으로 자화된 일측의 고정자성층은, 반강자성층에 접하여 형성되어 있고, 상기 반강자성층에 접하는 측의 고정자성층 (이하, 제 1 고정자성층이라 함) 은, 상기 반강자성층과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해, 예를 들면, 기록매체와의 대향면으로부터 떨어지는 방향 (높이방향) 으로 자화가 고정된다. 이로써, 상기 제 1 고정자성층과 비자성중간층을 통하여 대향하는 고정자성층 (이하, 제 2 고정자성층이라 함) 의 자화는, 상기제 1 고정자성층의 자화와 반평행의 상태로 고정된다.
종래에서는, 반강자성층과 고정자성층과의 2 층으로 형성되었던 부분을, 본 발명에서는, 반강자성층 / 제 1 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 2 고정자성층의 4 층으로 형성함으로써, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 외부자계에 대하여 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 되지만, 특히 본 발명과 같이, 자장중 열처리를 실시함으로써, 제 1 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키는 반강자성재료를 사용한 경우에 있어서는, 열처리 중의 자장의 방향 및 그 크기를 적절하게 제어하지 않으면, 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 유지하는 것이 불가능해진다.
또한 특히 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화제어에 있어서 문제가 되는 것은, 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 경우에, 프리자성층의 변동자화와, 상기 프리자성층의 상하에 형성된 제 2 고정자성층의 고정자화와의 관계이다.
듀얼 스핀밸브형 박막소자에서는, 프리자성층의 상하에 비자성도전층과 고정자성층이 형성되어 있기 때문에, 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우에 비하여 큰 △MR (저항변화율) 을 기대할 수 있는데, 프리자성층의 변동자화와, 상기 프리자성층의 상측에 비자성도전층을 통하여 형성된 제 2 고정자성층과의 관계에 의한 저항변화율 및 프리자성층의 변동자화와, 상기 프리자성층의 하측에 비자성도전층을 통하여 형성된 제 2 고정자성층과의 관계에 의한 저항변화율이 모두 동일한 변동을 보이도록, 상기 제 2 고정자성층의 고정자화방향을 적절하게 제어하지 않으면 안된다.
즉, 프리자성층의 상측에서의 저항변화율이 최대가 되는 경우에는, 프리자성층의 하측에서의 저항변화율도 최대가 되도록 하고, 프리자성층의 상측에서의 저항변화율이 최소가 되는 경우에는, 프리자성층의 하측에서의 저항변화율도 최소가 되도록, 상기 제 2 고정자성층의 고정자화방향을 적절하게 제어할 필요성이 있다.
이 때문에, 본 발명에서는, 열처리중에 인가하는 자장의 크기 및 그 방향과 함께, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층에서의 자기모멘트 값의 대소를 적절하게 조절하여, 제 1 고정자성층의 고정자화방향과 제 2 고정자성층의 고정자화방향을 적절하게 제어하고 있다.
다음으로 본 발명과 같이, 고정자성층이 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리되어 형성된 경우의 스핀밸브형 박막소자와, 종래와 같이, 고정자성층이 단층으로 형성된 경우의 히스테리시스 루프의 상이에 대하여 도 21 을 참조하면서 설명한다.
도 26 은, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리된 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자와, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래에서의 스핀밸브형 박막소자와의 R-H 곡선이다.
본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta(30) 이고, 종래에서의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래부터, Si 기판 / 알루미나/ Ta(30) / 반강자성층; PtMn(300) / 고정자성층; Co(25) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(40) / Ta(30) 이다. 또한 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명 및 종래에서의 스핀밸브형 박막소자 모두 막형성후, 200(Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 행하였다.
도 26 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자의 △MR (저항변화율) 은, 최대값으로 7 ∼ 8% 의 사이이고, 음의 외부자계를 부여함으로써, 상기 △MR 은 저하되어 가지만, 종래에서의 스핀밸브형 박막소자의 △MR 의 저하방법에 비하여, 본 발명에서의 △MR 의 저하방법은 완만한 것을 알 수 있다.
여기에서 본 발명에서는, △MR 의 최대값의 절반값이 될 때의 외부자계의 크기를 스핀밸브형 박막소자가 발생하는 교환결합자계 (Hex) 로 결정한다.
도 26 에 나타낸 바와 같이, 종래에서의 스핀밸브형 박막소자에서는, 최대 △MR 이 약 8% 이고, 상기 △MR 이 절반이 될 때의 외부자계 (교환결합자계 (Hex)) 는, 절대값으로 약 900(Oe) 인 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에서는, 최대 △MR 이 약 7.5% 로 종래에 비하여 약간 저하되지만, 상기 △MR 이 절반이 될 때의 외부자계 (교환결합자계 (Hex)) 는, 절대값으로 약 2800 (Oe) 으로 종래에 비하여 매우 커지는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 고정자성층을 1 층으로 형성한 종래의 스핀밸브형 박막소자에 비하여, 교환결합자계 (Hex) 를 비약적으로 크게 할 수 있어, 고정자성층의 자화의 안정성을 종래에 비하여 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또, △MR 에 대해서도 본 발명에서는 종래에 비하여 그다지 저하되지 않고, 높은 △MR 을 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한 본 발명에서는 제 1 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키는데 열처리를 필요로 하는 반강자성재료를 사용하지만, 본 발명에서는 특히, 열처리를 필요로 하는 반강자성재료 중에서도 PtMn 합금을 사용하는 것이 바람직하다고 되어 있다.
도 27 은, 반강자성층을 PtMn, NiO 또는 FeMn 으로 형성한 경우에서의 환경온도와 교환결합자계와의 관계를 나타낸 그래프이다.
먼저 사용하는 1 종류째의 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층에 PtMn 합금을 이용하여, 고정자성층을 2 층으로 분리한 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(200) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(7) / 제 2 고정자성층; Co(20) / Cu(20) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
2 종류째는, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(300) / 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
3 종류째는, 반강자성층에 NiO 를 사용하고, 고정자성층을 단층으로 형성한종래예 9 로, 막구성으로서는 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / 반강자성층; NiO(500) / 고정자성층; Co(25) / Cu(25) / Co(10) / NiFe(70) / Ta(30) 이다.
4 종류째는, 반강자성층에 FeMn 합금을 사용하고, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 3 으로, 막구성으로서는, 아래부터, Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / NiFe(70) / Co(10) / Cu(25) / 고정자성층; Co(25) / 반강자성층; FeMn (150) / Ta(30) 이다. 또한, 상술한 4 종류의 모든 막구성의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내며, 단위는 옹스트롬이다.
또한 반강자성층에 PtMn 을 사용한 본 발명 및 종래예 1 에서는, 막형성후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다. 또, 반강자성층에 NiO, FeMn 을 사용한 종래예 2, 3 에서는 막형성후, 열처리를 행하고 있지 않다.
도 27 에 나타낸 바와 같이 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에서는, 환경온도가 약 20 ℃ 일 때 교환결합자계 (Hex) 는 약 2500 (Oe) 으로 매우 높아져 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 반강자성층에 NiO 를 사용한 종래예 2 및 반강자성층에 FeMn 을 이용한 종래예 3 에서는, 환경온도가 약 20 ℃ 에서도 교환결합자계 (Hex) 가 약 500(Oe) 이하로 낮아지고 있다. 또한 반강자성층에 PtMn 을 이용하여, 고정자성층을 단층으로 형성한 종래예 1 에 있어서는, 환경온도가 약 20 ℃ 에서 1000 (Oe) 정도의 교환결합자계를 발생하고 있어, 반강자성층에 NiO (종래예), FeMn ( 종래예 3) 을 사용하는 것보다도, 보다 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 것을 알수 있다.
USP 5,701,223 호에서는, 반강자성층에 NiO 를 사용하고, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 2 층으로 형성한 스핀밸브형 박막소자의 R-H 곡선이 도 8 에 나타나 있다. 공보의 도 8 에 의하면, 600 (Oe) 의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다고 되어 있지만, 상기 수치는, 반강자성층에 PtMn 을 사용하고, 고정자성층을 단층으로 형성한 경우의 교환결합자계 (약 1000 (Oe); 종래예 1) 에 비하여 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 반강자성층에 NiO 를 사용한 경우에 있어서는, 고정자성층을 2 층으로 분리하고, 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 페리 상태로 하여도, 반강자성층에 PtMn 을 사용하면서 고정자성층을 단층으로 형성하는 경우보다도, 교환결합자계는 낮아져버리기 때문에, 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하는 것이, 보다 큰 교환결합자계를 얻을 수 있는 점에서 바람직한 것을 알 수 있다.
또한 도 27 에 나타낸 바와 같이, 반강자성층에 NiO 또는 FeMn 합금을 사용한 경우, 환경온도가 약 200 ℃ 가 되면, 교환결합자계는 0 (Oe) 으로 되어버리는 것을 알 수 있다. 이것은, 상기 NiO 및 FeMn 의 블로킹온도가 약 200 ℃ 정도로 낮기 때문이다.
이에 대하여 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 종래예 1 에서는, 환경온도가 약 400 ℃ 로 되고, 교환결합자계가 0 (Oe) 으로 되어 있어, 상기 PtMn 합금을 사용하면 고정자성층의 자화상태를 열적으로 매우 안정된 상태로 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
블로킹온도는 반강자성층으로서 사용되는 재질에 지배되므로, 도 27 에 나타낸 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자에 있어서도, 약 400 ℃ 가 되면, 교환결합자계는 0 (Oe) 이 되는 것으로 생각되지만, 본 발명과 같이 반강자성층에 PtMn 합금을 사용한 경우에서는, NiO 등에 비하여 높은 블로킹온도를 얻는 것이 가능하고, 또한, 고정자성층을 2 층으로 분리하여 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 페리 상태로 하면, 블로킹온도에 도달하기 까지의 사이에 매우 큰 교환결합자계를 얻을 수 있어, 상기 2 층의 고정자성층의 자화상태를 열적으로 안정된 상태로 유지할 수 있게된다.
또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시키는데, 열처리를 필요로 하는 반강자성재료로서 PtMn 합금 외에, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 를 제시할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하고, 또한 반강자성층으로서 PtMn 합금 등, 상기 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발휘하는 반강자성재료를 사용함으로써, 스핀밸브형 박막소자 전체의 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있어, 제 1 고정자성층과, 제 2 고정자성층의 자화를 열적으로 안정된 반평행상태 (페리상태) 로 유지하는 것이 가능해지고 있다.
특히 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트의 대소를 적절하게 제어하면서 열처리중에 인가하는 자장의 크기 및 그 방향을 적절하게 제어하여, 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 안정적으로 유지할 수 있고, 또한, 용이하게 상기 제 1 고정자성층의 자화 및 제 2 고정자성층의 자화를 얻고싶은 방향으로 향하게 할 수 있다.
(발명의 실시의 형태)
도 1 은 본 발명에서의 제 1 실시형태의 스핀밸브형 박막소자를 개략적으로 나타낸 횡단면도, 도 2 는 도 1 의 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
상기 스핀밸브형 박막소자의 상하에는, 갭층을 통하여 실드층이 형성되어 있고, 상기 스핀밸브형 박막소자, 갭층 및 실드층으로, 재생용의 박막자기헤드 (MR 헤드) 가 구성되어 있다. 또한, 상기 재생용의 박막자기헤드 상에, 기록용의 인덕티브헤드가 적층되어도 된다.
상기 박막자기헤드는, 하드디스크장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링측단부 등에 설치되어, 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 또한, 하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 도시의 Z 방향으로, 자기기록매체로부터의 누설자계의 방향은 Y 방향이다.
도 1, 2 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자는, 반강자성층, 고정자성층, 비자성도전층 및 프리자성층이 1 층씩 형성된, 소위 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 가장 아래에 형성된 층은, Ta 등의 비자성재료로 형성된 기초층 (10) 이다. 도 1, 2 에서는 상기 기초층 (10) 위에, 반강자성층 (11) 이 형성되고, 상기 반강자성층(11) 위에, 제 1 고정자성층 (12) 이 형성되어 있다. 그리고 도 1 에 나타낸 바와 같이 상기 제 1 고정자성층 (12) 위에는 비자성중간층 (13) 이 형성되며, 또한, 상기 비자성중간층 (13) 의 위에 제 2 고정자성층 (14) 이 형성되어 있다.
상기 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 은, 예를 들면 Co 막, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 형성되어 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 반강자성층 (11) 은, PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. PtMn 합금은, 종래부터 반강자성층으로서 사용되고 있는 NiMn 합금이나 FeMn 합금 등에 비하여 내식성이 우수하고, 또한 블로킹 온도가 높아, 교환결합자계 (교환이방성자계) 도 크다. 또한 본 발명에서는, 상기 PtMn 합금 대신에 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 합금, 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 합금으로 형성되어 있어도 된다.
그러나 도 1 에 나타낸 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 에 나타나 있는 화살표는, 각각의 자기 모멘트의 크기 및 그 방향을 나타내고 있고, 상기 자기 모멘트의 크기는, 포화자화 (Ms) 와 막두께 (t) 를 곱한 값으로 결정된다.
도 1 에 나타낸 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 과는 동일한 재질, 예를 들면, Co 막으로 형성되고, 또한 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 가, 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 보다도 크게 형성되어 있기 때문에, 제2 고정자성층 (14) 의 것이 제 1 고정자성층 (12) 에 비하여 자기 모멘트가 커져 있다. 또한, 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 이 다른 자기모멘트를 갖는 것을 필요로 하고 있고, 따라서, 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 가 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 보다 두껍게 형성되어 있어도 된다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (12) 은 도시의 Y 방향, 즉 기록매체로부터 떨어지는 방향 (높이방향) 으로 자화되어 있고, 비자성중간층 (13) 을 통하여 대향하는 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화방향과 반평행으로 자화되어 있다.
제 1 고정자성층 (12) 은, 반강자성층 (11) 에 접하여 형성되고, 자장 중 어닐링 (열처리) 을 실시함으로써, 상기 제 1 고정자성층 (12) 과 반강자성층 (11) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 발생하여, 예를 들면, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가, 도시의 Y 방향으로 고정된다. 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가, 도시의 Y 방향으로 고정되면, 비자성중간층 (12) 을 통하여 대향하는 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는, 제 1 고정자성층 (12) 의 자화와 반평행의 상태로 고정된다.
본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 와, 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께비 (tP2) 를 적정화하고 있고, (제 1 고정자성층의 막두께 (tP1) / (제 2 고정자성층의 막두께(tP2)) 는 0.33 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인것이 바람직하다. 상기 범위내이면 교환결합자계를 크게 할 수 있지만, 상기 범위내에서도 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 과의 막두께 자체가 두꺼워지면, 교환결합자계는 저하되는 경향에 있기 때문에, 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께를 적정화하고 있다.
본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 가 10 ∼ 70 옹스트롬의 범위내에서, 또한 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값이 2 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
상기 범위내에서 적절하게 막두께비 및 막두께를 조절하면, 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다. 여기서 교환결합자계란, 최대 △MR (저항변화율) 의 절반인 △MR 로 될 때의 외부자계의 크기로서, 상기 교환결합자계 (Hex) 는 반강자성층 (11) 과 제 1 고정자성층 (12) 의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 나 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 사이에서 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 등의 모든 자계를 포함한 종합적인 것이다.
또한, 본 발명에서는 상기 (제 1 고정자성층의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층의 막두께 (tP2)) 는 0.53 ∼0.95 혹은 1.05 ∼ 1.8 범위내인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 범위내에서 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 와 제 2고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 는 모두 10 ∼ 50 옹스트롬 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값은 2 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. 상기 범위내에서 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께비 및 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 를 적절하게 조절하면, 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 상기 범위내의 막두께비 및 막두께라면, 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있음과 동시에 △MR (저항변화율) 도 종래와 같은 정도로 높일 수 있다.
교환결합자계가 클수록 제 1 고정자성층 (12) 의 자화와 제 2 고정자성층 (14) 의 자화를 안정되게 반평행상태로 유지할 수 있으며, 특히 본 발명에서는 반강자성층 (11) 으로서 블로킹온도가 높고 또한 제 1 고정자성층 (12) 과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키는 PtMn 합금을 사용함으로써, 상기 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화상태를 열적으로도 안정되게 유지할 수 있다.
그런데, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 이 같은 재질로 형성되고 또한 상기 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께가 같은 값이면, 교환결합자계 (Hex) 및 △MR 은 극단적으로 저하됨이 실험에 의해 확인되었다.
이것은 제 1 고정자성층 (12) 의 Ms·tP1(자기모멘트) 과 제 2 고정자성층(14) 의 Ms·tP2(자기모멘트) 가 동일한 값인 경우, 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화와 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 반평행상태로 되지 않고 상기 자화의 방향분산량 (여러 방향을 향하고 있는 자기모멘트량) 이 많아짐으로써, 후술하는 프리자성층 (16) 의 자화와의 상대각도를 적절하게 제어할 수 있기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는, 첫째 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 Ms·t 를 다른 값으로 할 것, 즉 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 이 같은 재질로 형성되는 경우에는, 상기 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 을 다른 막두께로 형성할 필요가 있다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께비를 적정화하고 있으나, 그 막두께비 중에서 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 가 거의 동일한 값으로 될 경우, 구체적으로는 0.95 ∼ 1.05 범위내의 막두께비를 적정한 범위에서 제외하고 있다.
이어서, 본 발명과 같이 반강자성층 (11) 에 PtMn 합금 등, 막형성후에 자장중 어닐링 (열처리) 을 실시함으로써 제 1 고정자성층 (12) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성 자계) 를 발생시키는 반강자성 재료를 사용한 경우에는, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 Ms·t 를 다른 값으로 설정하여도 열처리중의 인가자장의 방향 및 그 크기를 적절하게 제어하지 않으면, 제 1 고정자성층 (12) 의 자화 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화에 방향분산량이 많아지거나 혹은 상기 자화를 향하게하고자하는 방향으로 적절하게 제어할 수 없다.
제 1 고정자성층 Ms·tP1＞ 제 2 고정자성층 Ms·tP2
열처리중의자계방향 (1)좌측으로 100∼1 KOe (2)우측으로 100∼1 KOe (3)우측으로 5 KOe이상 (4)좌측으로 5 KOe이상
제 1 고정자성층의 방향
제 2 고정자성층의 방향
표 1 에서는 제 1 고정자성층 (12) 의 Ms·tP1이 제 2 고정자성층의 Ms·tP2보다 큰 경우에, 열처리 중의 자장의 크기 및 그 방향을 변경함으로써 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 어느 방향으로 향하는지를 나타내고 있다.
표 1 의 (1) 에서는 열처리 중의 자장의 방향을 도시의 좌측으로 100 ∼ 1 k(Oe) 부여하고 있다. 이 경우, 제 1 고정자성층 (12) 의 Ms·tP1측이 제 2 고정자성층 (14) 의 Ms·tP2보다 크기 때문에, 지배적인 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 인가자장방향을 따라 도시의 좌방향을 향하고, 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 제 1 고정자성층 (12) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반평행상태로 되려고 한다.
표 1 의 (2) 에서는 우방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) 의 자장을 인가하면, 지배적인 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 인가자장방향을 따라 우방향을 향하고, 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 제 1 고정자성층 (12) 의 자화에 대하여 반평행하게 된다.
표 1 의 (3) 에서는 우방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 부여하면, 우선 지배적인 제 1 고정자성층 (12) 의 자화는 인가자장방향을 따라 우방향을 향한다. 그런데, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 는 1 k(Oe) ∼ 5 k(Oe) 정도이므로, 5 k(Oe) 이상의 자장이 인가되면, 제 2 고정자성층 (14) 도 그 인가자장방향, 즉 도시의 우방향을 향한다. 마찬가지로 표 1 의 (4) 에서는 좌측방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 인가하면, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 모두 도시의 좌방향을 향한다.
제 1 고정자성층 Ms·tP1＜ 제 2 고정자성층 Ms·tP2
열처리중의자계방향 (1)좌측으로 100∼1 KOe (2)우측으로 100∼1 KOe (3)우측으로 5 KOe이상 (4)좌측으로 5 KOe이상
제 1 고정자성층의 방향
제 2 고정자성층의 방향
표 2 에서는 제 1 고정자성층 (12) 의 Ms·tP1이 제 2 고정자성층의 Ms·tP2보다 작은 경우에, 열처리 중의 인가자장의 크기 및 그 방향을 변경함으로써 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 어느 방향으로 향하는지를 나타내고 있다.
표 2 의 (1) 에서는 도시의 좌방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) 의 자장을 부여하면,Ms·tP2가 큰 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 지배적으로 되며, 상기 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 인가자장방향을 따라 도시의 좌방향을 향한다. 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 사이의 교환결합 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화는 상기 제 2 고정자성층 (14) 의 자화에 대하여 반평행하게 된다. 마찬가지로 표 2 의 (2) 에서는 도시의 좌방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) 의 자장을 부여하면, 지배적인 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 도시의 우방향을 향하고, 제 1 고정자성층 (12) 의 자화는 도시의 좌방향을 향한다.
표 2 의 (3) 에서는 도시의 우방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 부여하면, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 사이의 교환결합 (RKKK 상호작용) 이상의 자장이 인가됨으로써, 상기 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 모두 도시의 우방향을 향한다. 표 2 의 (4) 에서는 도시의 좌방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장이 인가되면, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 모두 도시의 좌방향을 향한다.
여기서, 예컨대 제 1 고정자성층 (12) 의 자화를 도시의 우방향을 향하도록 할 경우에 적정한 열처리 중의 자장방향 및 그 크기는 표 1 에 있어서의 (2), (3) 및 표 2 에 있어서의 (1), (3) 이다.
표 1 의 (2), (3) 에서는 모두 Ms·tP1이 큰 제 1 고정자성층 (12) 의 자화는 열처리 중에 있어서 우방향의 인가자장의 영향을 받아 우방향을 향하고, 이 때 열처리에 의해 발생하는 반강자성층 (11) 과의 계면에서의 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 우방향으로 고정된다. 표 1 의 (3) 에서는 5 k(Oe) 이상의 자장을 제거하면, 제 2 고정자성층 (14) 은 제 1 고정자성층 (12) 과의 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 반전되어 좌방향을 향한다.
마찬가지로 표 2 의 (1), (3) 에서는 우방향으로 향해진 제 1 고정자성층 (12) 의 자화는 반강자성층 (11) 과의 계면에서의 교환결합자계 (교환이방성 자계) 에 의해 우방향으로 고정된다. 표 2 의 (3) 에서는 5 k(Oe) 이상의 자장을 제거하면, 제 2 고정자성층 (14) 은 제 1 고정자성층 (12) 과의 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 반전되어 좌방향으로 고정된다.
그런데, 표 1 및 표 2 에 나타내는 바와 같이 열처리 중에 인가되는 자장의 크기는 100 ∼ 1 k(Oe) 혹은 5 k(Oe) 이상이며, 1 k(Oe) ∼ 5 k(Oe) 범위의 자장의 크기를 적정한 범위에서 벗어나 있다. 이것은 다음 이유에 의거한다.
자장을 부여함으로써 Ms·t 가 큰 고정자성층의 자화는 그 자장방향을 향하려고 한다. 그런데, 열처리 중의 자장의 크기가 1 k(Oe) ∼ 5 k(Oe) 사이이면, Ms·t 가 작은 고정자성층의 자화까지가 자장의 영향을 강하게 받아 그 자장방향을 향하려고 한다. 따라서, 고정자성층간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반평행해지려고 하는 2 층의 고정자성층의 자화가 강한 자장의 영향을 받아 반평행해지지 않고, 상기 고정자성층의 자화가 여러 방향을 향하려고 하는, 소위 자화분산량이 많아져서 2 층의 고정자성층의 자화를 적절하게 반평행상태로자화할 수 없게 한다. 따라서, 본 발명에서는 1 k(Oe) ∼ 5 k(Oe) 의 자장의 크기를 적정한 범위에서 벗어나 있다. 그리고, 열처리중의 자장의 크기를 100 (Oe) 이상으로 한 것은, 이 정도의 자장을 부여하지 않으면 Ms·t 가 큰 고정자성층의 자화를 그 인가자장방향을 향하도록 할 수 없기 때문이다.
그리고, 상술한 열처리중의 자장의 크기 및 그 방향의 제어방법은, 열처리를 필요로 하는 반강자성층 (11) 을 사용한 경우라면, 어떠한 반강자성 재료를 사용한 경우라도 적용할 수 있으며, 예컨대 종래부터 반강자성층 (11) 으로 사용되고 있는 NiMn 합금 등을 사용한 경우에도 적용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께비를 적정한 범위내에 있게 함으로써, 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있고, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 자화를 열적으로도 안정된 반평행상태 (페리상태) 로 유지할 수 있으며, 또한 △MR (저항변화율) 을 종래와 동일한 정도로 확보할 수 있다.
그리고, 열처리중의 자장의 크기 및 그 방향을 적절하게 제어함으로써, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화방향을 얻고자 하는 방향으로 제어할 수 있게 된다.
그런데, 상술한 바와 같이 자기 모멘트 (자기적 막두께) 는 포화자화 (Ms) 와 막두께 (t) 의 곱에 의해 구할 수 있으며, 예컨대 벌크고체가 NiFe 이면 포화자화 (Ms) 는 약 1.0 T (테슬라) 이고, 벌크고체가 Co 이면 포화자화 (Ms) 는 약 1.7 T 임이 알려져 있다. 따라서, 상기 NiFe 막의 막두께가 30 옹스트롬인 경우,상기 NiFe 막의 자기적 막두께는 30 옹스트롬·테슬라가 된다. 외부에서 자계를 가하였을 때의 강자성막의 정자에너지는 자기적 막두께와 외부자계의 곱에 비례하기 때문에, 자기적 막두께가 큰 강자성막과 자기적 막두께가 작은 강자성막이 비자성 중간층을 통해 RKKY 상호작용에 의해 페리상태로 되어 있는 경우, 자기적 막두께가 큰 편의 강자성막이 외부자계의 방향을 향하기 쉬워지는 것이다.
그러나, 탄탈 (Ta) 이나 루테늄 (Ru), 동 (Cu) 등의 비자성막과 적층접촉한 강자성막의 경우나 PtMn 막 등의 반강자성층과 적층접촉한 강자성막의 경우, 비자성막 원자나 반강자성막 원자와 강자성막 원자 (Ni, Fe, Co) 가 직접 접촉하기 때문에, 비자성막이나 반강자성막의 계면 부근의 강자성막의 포화자화 (Ms) 가 벌크고체의 포화자화 (Ms) 보다 작아짐이 알려져 있다. 그리고, 강자성막과 비자성막, 반강자성층의 적층다층막에 열처리가 실시되면, 상기 열처리에 의해 계면확산이 진행되어 강자성막의 포화자화 (Ms) 에 막두께방향의 분포가 생김이 알려져 있다. 즉, 비자성막이나 반강자성층에 가까운 장소의 포화자화 (Ms) 는 작고, 비자성막이나 반강자성막의 계면에서 멀어짐에 따라 포화자화 (Ms) 가 벌크고체의 포화자화 (Ms) 에 가까워지는 현상이다.
비자성막이나 반강자성층에 가까운 장소의 강자성막의 포화자화 (Ms) 의 감소는 비자성막의 재료, 반강자성층의 재료, 강자성막의 재료나 적층순서, 열처리온도 등에 의존하기 때문에, 정확하게는 각각의 특정된 조건에서 구해야만 하게 된다. 본 발명에 있어서의 자기적 막두께란, 비자성막이나 반강자성층과의 열확산에 의해 발생한 포화자화 (Ms) 의 감소량도 고려하여 산출한 값이다.
PtMn 막과 강자성막의 계면에서 교환결합자계를 얻기 위해서는 열처리에 의해 PtMn 막과 강자성막의 계면에서 확산층을 형성할 필요가 있는데, 확산층의 형성에 따른 강자성막의 포화자화 (Ms) 의 감소는 PtMn 막과 강자성막의 적층순서에 의존하게 된다.
특히, 도 1 에 나타내는 바와 같이 반강자성층 (11) 이 프리자성층 (16) 보다 하측에 형성되어 있는 경우에 있어서는, 상기 반강자성층 (11) 과 제 1 고정자성층 (12) 의 계면에 열확산층이 발생하기 쉽고, 따라서 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적인 막두께는 실제 막두께 (tP1) 에 비하여 작아진다. 그러나, 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적인 막두께가 너무 작아지면, 제 2 고정자성층 (14) 과의 자기적 막두께 (자기 모멘트) 차가 너무 커지고, 상기 제 1 고정자성층 (12) 에서 차지하는 열확산층의 비율이 증가함으로써 교환결합자계의 저하로 이어진다는 문제가 있다.
즉, 본 발명과 같이 제 1 고정자성층 (12) 과의 계면에서 교환결합자계가 발생되기 때문에 열처리를 필요로 하는 반강자성층 (11) 을 사용하고, 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 자화상태를 페리 상태로 하기 위해서는, 상기 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께의 적정화 뿐만 아니라 상기 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께의 적정화를 실시하지 않으면 안정된 자화상태를 유지할 수 없다.
상술한 바와 같이 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적막두께에 어느 정도 차가 없으면, 자화상태는 페리 상태로 되기 어렵고, 또한 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께의 차가 너무 커져도 교환결합자계의 저하로 이어져서 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께비와 동일하도록 (제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께) / (제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께) 는 0.33 ∼ 0.95 혹은 1.05 ∼ 4 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께가 10 ∼ 70 (옹스트롬·테슬라) 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께에서 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께를 뺀 절대값이 2 (옹스트롬·테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한, (제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께) / (제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께) 가 0.53 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 1.8 범위내인 것이 보다 바람직하다. 또한 상기 범위내에서 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께와 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께는 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬·테슬라) 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (12) 의 자기적 막두께에서 제 2 고정자성층 (14) 의 자기적 막두께를 뺀 절대값은 2 (옹스트롬·테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
이어서, 도 1 에 나타내는 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 사이에 개재되는 비자성중간층 (13) 에 관하여 설명한다.
본 발명에서는 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 사이에 개재되는 비자성중간층 (13) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 혹은 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 반강자성층 (11) 이 후술하는 프리자성층 (16) 보다 하측에 형성되어 있는지 아니면 상측에 형성되어 있는지로 적정한 상기 비자성중간층 (13) 의 막두께 값을 변경한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이 프리자성층 (16) 보다 하측에 반강자성층 (11) 이 형성되어 있는 경우의 상기 비자성중간층 (13) 의 막두께는 3.6 ∼ 9.6 옹스트롬 범위내에서 형성되는 것이 바람직하다. 이 범위내이면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다.
또한, 상기 비자성중간층 (13) 의 막두께는 4 ∼ 9.4 옹스트롬 범위내에서 형성되면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있으므로 보다 바람직하다.
비자성중간층 (13) 의 막두께가 상술한 치수 이외의 치수로 형성되면, 교환결합자계가 극단적으로 저하됨이 실험에 의해 확인되었다. 즉, 상기 치수 이외의 치수에 의해 상기 비자성중간층 (13) 이 형성되면, 상기 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 반평행상태 (페리 상태) 로 되기 어려워 상기 자화상태가 불안정해진다는 문제가 있다.
도 1 에 나타내는 바와 같이 제 2 고정자성층 (14) 상에는 Cu 등으로 형성된 비자성도전층 (15) 이 형성되며, 그리고 상기 비자성도전층 (15) 상에 프리자성층 (16) 이 형성되어 있다. 도 1 에 나타내는 바와 같이 프리자성층 (16) 은 2 층으로 형성되어 있으며, 상기 비자성도전층 (15) 에 접하는 측에 형성된 부호 17 의 층은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한 다른 일측의 층 (18) 은 NiFe 합금이나CoFe 합금, CoNi 합금 혹은 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 그리고, 비자성 도전층 (15) 에 접하는 측에 Co 막의 층 (17) 을 형성하는 이유는, Cu 로 형성된 상기 비자성 도전층 (15) 과의 계면에서의 금속원소 등의 확산을 방지할 수 있으며, 또한 △MR (저항변화율) 을 크게 할 수 있기 때문이다. 그리고, 부호 19 는 Ta 등으로 형성된 보호층이다.
또한, 도 2 에 나타내는 바와 같이 기초층 (10) 에서 보호층 (19) 까지의 적층체의 양측에는, 예컨대 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성된 하드바이어스층 (130) 및 Cu 나 Cr 로 형성된 도전층 (131) 이 형성되어 있으며, 상기 하드바이어스층의 바이어스자계의 영향을 받아 상기 프리자성층 (16) 의 자화는 도시의 X 방향으로 자화된 상태로 되어 있다.
도 1 에 있어서의 스핀밸브형 박막소자에서는 상기 도전층에서 프리자성층 (16), 비자성도전층 (15) 및 제 2 고정자성층 (14) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록매체에서 도 1 에 나타내는 도시의 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리자성층 (16) 의 자화는 도시의 X 방향에서 Y 방향으로 변동하고, 이때의 비자성도전층 (15) 과 프리자성층 (16) 의 계면 및 비자성도전층 (15) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도전자의 산란이 일어남으로써 전기저항이 변화되어 기록매체로부터의 누설자계가 검출된다.
그런데, 상기 센스전류는 실제로 제 1 고정자성층 (12) 과 비자성중간층 (13) 의 계면 등으로도 흐른다. 상기 제 1 고정자성층 (12) 은 △MR 에 직접 관여하지 않으며, 상기 제 1 고정자성층 (12) 은 △MR 에 관여하는 제 2 고정자성층 (14) 을 적절한 방향으로 고정하기 위한, 소위 보조적인 역할을 하는 층으로 되어 있다. 따라서, 센스전류가 제 1 고정자성층 (12) 및 비자성중간층 (13) 으로 흐르는 것은 션트로스(shunt loss) (전류로스) 로 되는데, 이 션트로스의 양은 매우 적어서 본 발명에서는 종래와 거의 동일한 정도의 △MR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
그런데, 본 발명에서는 고정자성층을 비자성중간층 (13) 을 통해 제 1 고정자성층 (12) 과 제 2 고정자성층 (14) 의 2 층으로 분리함으로써, 반강자성층 (11) 의 막두께를 얇게 하여도 큰 교환결합자계 (Hex), 구체적으로는 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있음을 실험으로 알 수 있었다.
종래, 싱글 스핀밸브형 박막소자의 반강자성층 (11) 으로서 PtMn 합금을 사용한 경우에 적어도 200 옹스트롬 이상의 막두께를 확보하여야만, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있었으나, 본 발명에서는 상기 반강자성층 (11) 을 적어도 90 옹스트롬 이상으로 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 또한, 상기 막두께를 100 옹스트롬 이상으로 하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 그리고, 상기 반강자성층 (11) 의 막두께의 수치범위는 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우이며, 반강자성층이 프리자성층의 상하에 형성되는, 소위 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 경우에는 적정한 박막범위가 약간 달라진다. 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 경우에 대해서는 후술한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 스핀밸브형 박막소자 중에서 가장 큰 막두께를 갖고 있던 반강자성층 (11) 을 종래에 비하여 절반 이하의 막두께로 형성함으로써스핀밸브형 박막소자 전체의 막두께를 얇게 할 수 있다.
도 13 은 스핀밸브형 박막소자가 형성된 판독헤드의 구조를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
부호 120 은, 예컨대 NiFe 합금 등으로 형성된 하부 실드층으로서, 이 하부 실드층 (120) 상에 하부 갭층 (121) 이 형성되어 있다. 또한, 상기 하부 갭층 (121) 상에는 본 발명에 있어서의 스핀밸브형 박막소자 (122) 가 형성되어 있고, 상기 스핀밸브형 박막소자 (122) 의 양측에 하드바이어스층 (123) 및 도전층 (124) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 도전층 (124) 상에는 상부 갭층 (125) 이 형성되고, 상기 상부 갭층 (125) 상에는 NiFe 합금 등으로 형성된 상부 실드층 (126) 이 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (123) 및 상부 갭층 (125) 은, 예컨대 SiO2나 Al2O3(알루미나) 등의 절연재료로 형성되어 있다. 도 13 에 나타내는 바와 같이 하부 갭층 (121) 에서 상부 갭층 (125) 까지의 길이가 갭길이 (Gl) 이고, 이 갭길이 (Gl) 가 작을수록 고기록밀도화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같이 반강자성층 (11) 의 막두께를 얇게 함으로써 스핀밸브형 박막소자 (122) 전체의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 상기 갭길이 (Gl) 를 짧게 할 수 있다. 또한, 하부 갭층 (121) 및 상부 갭층 (125) 의 막두께를 비교적 두껍게 하여도 갭길이 (Gl) 를 종래에 비하여 작게 할 수 있으며, 또한 하부 갭층 (121) 및 상부 갭층 (125) 을 두껍게 형성함으로써 절연성을 충분히 확보할 수 있다.
도 1 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자는, 우선 아래부터 기초층 (10), 반강자성층 (11), 제 1 고정자성층 (12), 비자성중간층 (13), 제 2 고정자성층 (14), 비자성도전층 (15), 프리자성층 (16) 및 보호층 (19) 을 막형성하고, 막형성후의 공정에 있어서 자장 중 어닐링 (열처리) 을 실시한다.
도 1 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자에서는, 제 1 고정자성층 (12) 의 막두께 (tP1) 가 제 2 고정자성층 (14) 의 막두께 (tP2) 에 비하여 얇게 형성되어 있으며, 제 1 고정자성층 (12) 의 자기 모멘트 (Ms·tP1) 측이 제 2 고정자성층 (14) 의 자기모멘트 (Ms·tP2) 에 비하여 작게 설정되어 있다.
이 경우, 상기 제 1 고정자성층 (14) 의 자화를 향하게하고자하는 방향과 반대방향으로 100 ∼ 1000 (Oe) 의 자장을 인가하거나 혹은 자화를 향하게하고자하는 방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 인가한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이 제 1 고정자성층 (12) 의 자화를 도시의 Y 방향으로 고정하고자 할 경우에는, 상술한 표 2 를 참조함으로써, 도시의 Y 방향과 반대방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) (표 2 의 (1) 참조) 의 자장을 인가하거나 혹은 Y 방향 (표 2 의 (3) 참조) 으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 인가하면 됨을 알 수 있다.
Y 방향과 반대방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) 의 자장을 부여함으로써, 자기모멘트 (Ms·tP2) 가 큰 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 Y 방향과 반대방향으로 자화되고, 상기 제 2 고정자성층과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반평행하게 자화되도록 하는 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 도시의 Y 방향을 향하며, 상기 반강자성층 (11) 과의 계면에 발생하는 교환결합자계 (교환이방성 자계) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 도시의 Y 방향으로 고정된다. 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 도시의 Y 방향으로 고정됨으로써, 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 제 1 고정자성층 (12) 의 자화와 반평행하게 고정된다.
또는 도시의 Y 방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 부여하면, 제 1 고정자성층 (12) 및 제 2 고정자성층 (14) 의 자화가 모두 도시의 Y 방향으로 자화되며, 제 1 고정자성층 (12) 의 자화가 반강자성층 (11) 과의 계면에 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 도시의 Y 방향으로 고정된다. 5 k(Oe) 이상의 인가자장을 제거하면, 제 2 고정자성층 (14) 의 자화는 제 1 고정자성층 (12) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반전되어 도시의 Y 방향과 반대방향으로 고정된다.
또는 제 1 고정자성층 (12) 의 자기모멘트가 제 2 고정자성층 (14) 의 자기모멘트보다 큰 경우에는, 상기 제 1 고정자성층 (12) 의 자화를 향하게하고자하는 방향으로 100 ∼ 1000 (Oe) 또는 5 k(Oe) 이상의 자장을 인가한다.
그리고, 도 1 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자는 재생용 헤드 (박막자기헤드) 를 구성하는 가장 중요한 부분으로서, 우선 자성재료제의 하부 실드층상에 갭층을 형성한 후, 상기 스핀밸브형 박막소자를 막형성한다. 그 후, 상기 스핀밸브형 박막소자상에 갭층을 통해 상부 실드층을 형성하면, 재생용 헤드 (MR 헤드) 가 완성된다. 그리고, 상기 재생용 헤드상에 자성재료제의 코어와 코일을 갖는기록용 인덕티브헤드를 적층해도 된다. 이 경우, 상기 상부 실드층을 인덕티브헤드의 하부코어층으로서 겸용하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 3 이후의 스핀밸브형 박막소자는 도 1 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자와 마찬가지로 그 상하에 실드층이 형성되어 있다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 개략적으로 나타낸 횡단면도, 도 4 는 도 3 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는 도 1 의 스핀밸브형 박막소자의 막구성을 반대로 형성한 싱글 스핀밸브형 박막소자이다.
즉, 도 3 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자에서는, 아래부터 기초층 (10), NiFe 막 (22), Co 막 (23) (NiFe 막 (22) 과 Co 막 (23) 을 합쳐 프리자성층 (21)), 비자성도전층 (24), 제 2 고정자성층 (25), 비자성중간층 (26), 제 1 고정자성층 (27), 반강자성층 (28) 및 보호층 (29) 순으로 적층되어 있다.
그리고, 상기 반강자성층 (28) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 혹은 PtMn 합금 대신에 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 합금, 혹은 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 합금으로 형성되어 있어도 된다.
이 스핀밸브형 박막소자에 있어서도, 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 비는, (제 1 고정자성층의 막두께(tP1)) / (제 2 고정자성층의 막두께 (tP2)) 는 0.33 ∼ 0.95 혹은 1.05 ∼ 4 범위내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.53 ∼ 0.95 혹은 1.05 ∼ 1.8 범위내이다. 또한, 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 가 10 ∼ 70 옹스트롬 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값이 2 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 가 10 ∼ 50 옹스트롬 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값이 2 옹스트롬 이상이다.
상술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께에 어느 정도 차가 없으면 자화상태는 페리 상태로 되기 어렵고, 또한 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께의 차가 너무 커져도 교환결합자계의 저하로 이어져서 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께와 동일하도록 (제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1)) / (제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2)) 는 0.33 ∼ 0.95 혹은 1.05 ∼ 4 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 및 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 가 10 ∼ 70 (옹스트롬·테슬라) 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값이 2 (옹스트롬·테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한, (제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1)) / (제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2)) 가 0.53 ∼ 0.95 혹은 1.05 ∼ 1.8 범위내인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 범위내에서 제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 는 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬·테슬라) 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (27) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (25) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값은 2 (옹스트롬·테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
이어서, 도 3 에 나타내는 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 사이에 개재되는 비자성중간층 (26) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 혹은 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 도 3 에 나타내는 바와 같이 프리자성층 (21) 보다 상측에 반강자성층 (28) 이 형성되어 있는 경우, 상기 비자성중간층 (26) 의 막두께는 2.5 ∼ 6.4 옹스트롬 혹은 6.6 ∼ 10.7 옹스트롬 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 비자성중간층 (26) 의 막두께는 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬 혹은 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬 범위내인 것이 보다 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한, 상기 반강자성층 (28) 을 적어도 90 옹스트롬 이상으로 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 또한, 상기 막두께를 100 옹스트롬 이상으로 하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
도 3 에 나타내는 스핀밸브형 박막소자에서는, 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 는 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 와 다른 값으로 형성되며, 예컨대 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 막두께 (tP1) 측이 제 2 고정자성층 (25) 의 막두께 (tP2) 보다 두껍게 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자화가 도시의 Y 방향으로 자화되고, 상기 제 2 고정자성층 (25) 의 자화는 도시의 Y 방향과 반대방향으로 자화되어 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 자화는 페리 상태로 되어 있다. 이하, 도 3 에 나타내는 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 자화방향의 제어방법에 대하여 설명한다.
우선, 도 3 에 나타내는 각 층을 스패터법 등에 의해 막형성하고, 막형성후의 공정에 있어서 자장 중 어닐링 (열처리) 을 실시한다.
제 1 고정자성층 (27) 의 Ms·tP1(자기모멘트) 이 제 2 고정자성층 (25) 의 Ms·tP2(자기모멘트) 보다 큰 경우에는 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자화를 향하게하고자하는 방향으로 100 ∼ 1000 (Oe) 또는 5 k(Oe) 의 자장을 인가하면 된다.
도 3 에 나타내는 바와 같이 Ms·tP1이 큰 제 1 고정자성층 (27) 을 도시의 Y 방향으로 향하도록 하면, 상술한 표 1 을 참조함으로써 도시의 Y 방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) (표 1 의 (2) 참조), 또는 도시의 Y 방향으로 5 k(Oe) 이상 (표 1 의 (3) 참조) 의 자장을 열처리 중에 인가한다.
도시의 Y 방향으로 100 ∼ 1 k(Oe) 의 자장을 부여함으로써, Ms·tP1이 큰 제 1 고정자성층 (27) 의 자화는 도시의 Y 방향을 향하고, 제 2 고정자성층 (25) 의 자화는 반평행상태가 되려고 한다. 그리고, 상기 제 1 고정자성층 (27) 과 반강자성층 (28) 의 계면에 발생하는 교환결합자계 (교환이방성 자계) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자화는 도시의 Y 방향으로 고정되며, 그럼으로써 제 2 고정자성층 (25) 의 자화가 도시의 Y 방향과 반대방향으로 고정되는 것이다.
또는 도시의 Y 방향으로 5 k(Oe) 이상의 자장을 부여하면, 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 보다 큰 자장이 인가됨으로써, 제 1 고정자성층 (27) 및 제 2 고정자성층 (25) 의 자화가 모두 도시의 Y 방향으로 자화되며, 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자화는 반강자성층 (28) 과의 계면에 발생하는 교환결합자계 (교환이방성 자계) 에 의해 도시의 Y 방향으로 고정된다. 한편, 제 2 고정자성층 (25) 의 자화는 인가자장을 제거함으로써 제 1 고정자성층 (27) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 반전되고, 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자화와 반평행상태가 되어 고정된다.
또는, 제 1 고정자성층 (27) 의 자기모멘트가 제 2 고정자성층 (25) 의 자기모멘트보다 작은 경우에는, 제 1 고정자성층 (27) 의 자화를 향하게하고자하는 방향과 역방향으로 100 ∼ 1000 (Oe) 의 자장을 인가하거나, 자화를 향하게하고자하는 방향으로 5k (Oe) 이상의 자장을 인가한다.
그리고, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 기초층 (10) 부터 보호층 (29) 까지의 적층체의 양측에는 하드바이어스층 (130) 과 도전층 (131) 이 형성되어 있으며, 상기 하드바이어스층 (130) 이 도시하는 X 방향에 자화되어 있음으로 인해, 프리자성층 (21) 의 자화가 도시하는 X 방향으로 갖추어져 있다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 개략적으로 나타낸 횡단면도, 도 6 은 도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층을 중심으로하여 그 상하에 비자성층 도전층, 고정자성층 및 반강자성층이 1 층씩 형성된, 소위 듀얼 스핀밸브형 박막소자이다. 이 듀얼 스핀밸브형 박막소자에서는, 프리자성층 / 비자성도전층 / 고정자성층의 세층의 조합이 2 쌍 존재하기 때문에, 싱글 스핀밸브형 박막소자에 비해 큰 △MR 을 기대할 수 있으며, 고밀도기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자는, 아래부터 기초층 (30), 반강자성층 (31), 제 1 고정자성층 (하; 32), 비자성 중간층 (하; 33), 제 2 고정자성층 (하; 34), 비자성도전층 (35), 프리자성층 (36) (부호 37,39 는 Co 막, 부호 38 은 NiFe합금막), 비자성도전층 (40), 제 2 고정자성층 (상;41), 비자성 중간층 (상;42), 제 1 고정자성층 (상;43), 반강자성층 (44) 및 보호층 (45) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 도 6 에 나타낸 바와 같이, 기초층 (30) 부터 보호층 (45) 까지의 적층체의 양측에는 하드바이어스층 (130) 과 도전층 (131) 이 형성되어 있다.
도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 반강자성층 (31,44) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하며, 또는 PtMn 합금 대신에 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 중 어느 1 종 또는 2 종이상의 원소이다) 합금 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 중 어느 1 종 또는 2 종이상의 원소이다) 합금으로 형성되어 있어도 된다.
이 스핀밸브형 박막소자에 있어서도, 상기 제 1 고정자성층 (하;32) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;34) 의 막두께 (tP2) 와의 막두께비, 및 제 1 고정자성층 (상;43) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (41;상) 의 막두께 (tP2) 와의 막두께비 (제 1 고정자성층의 막두께 tP1) / (제 2 고정자성층의 막두께 tP2) 는, 0.33 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인 것이 바람직하다. 나아가서는, 막두께비가 상기 범위내에서, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 막두께 (tP2) 가 10 ∼ 70 옹스트롬의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (32,43) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (34,41) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값이 2 옹스트롬 이상이면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또, 본 발명에서 (제 1 고정자성층의 막두께 tP1) / (제 2 고정자성층의 막두께 tP2) 는 0.53 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 것이 바람직하고, 나아가서는, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 막두께 (tP2) 가 10 ∼ 50 옹스트롬의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (32, 43) 의 막두께 (tP1) 에서 제 2 고정자성층 (34, 41) 의 막두께 (tP2) 를 뺀 절대값이 2 옹스트롬 이상이면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
그런데, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하;32) 의 막두께 (tP1) 를 제 2 고정자성층 (하;34) 의 막두께 (tP2) 보다 크게 하여도, 상기 제 1 고정자성층 (하;32) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;34) 의 막두께차가 약 6 옹스트롬 이하이면, 교환결합자계가 쉽게 저하되는 경향이 있다는 것이 실험에 의해 확인되었다.
이 현상은 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 위해 열처리를 필요로 하는, 예컨대, PtMn 합금으로 형성된 반강자성층 (31,44) 을 사용한 경우로 보여진다.
교환결합자계의 저하는, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성되어 있는 반강자성층 (31) 과 제 1 고정자성층 (하;32) 과의 열확산에 의해, 상기 제 1 고정자성층 (하;32) 의 자기적인 막두께가 감소되고, 상기 제 1 고정자성층 (하;32) 의 자기적인 막두께와 제 2 고정자성층 (34) 의 막두께 (tP2) 가 거의 같은 두께가 되기 때문이다. 이를 위해, 본 발명에서는, (제 1 고정자성층 (위; 43) 의 막두께 tP1/ 제 2 고정자성층 (상;41) 의 막두께 tP2) 보다 (제 1 고정자성층 (하;32) 의 막두께 tP1/ 제 2 고정자성층 (하;34) 의 막두께 tP2) 쪽을 크게하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 열확산층의 발생은, 도 5 에 나타낸 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 한하지 않고, 프리자성층 (16) 보다 반강자성층 (11) 이 하측에 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자 (도 1 참조) 에도 동일하게 일어나는 현상이다.
전술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 에 어느 정도 차가 없으면 자화상태는 페리 상태가 되지 않고, 또, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 의 차가 너무 커져도, 교환결합자계의 저하로 이어져 바람직하지 않다. 그래서, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 막두께 (tP2) 의 막두께비와 동일하도록, (제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 Ms·tP1) / (제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 Ms·tP2) 는 0.33 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인 것이 바람직하다. 또, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (하;32,상;43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 및 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 가 10 ∼ 70 (옹스트롬·테슬러) 의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값이 2 (옹스트롬·테슬러) 이상인 것이 바람직하다.
또, (제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 Ms·tP1) / (제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 Ms·tP2) 가 0.53 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 것이 더욱 바람직하다. 또, 상기 범위내로써, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (하;32, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 는 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬·테슬러) 의 범위내이고, 게다가, 제 1 고정자성층 (아래; 32, 위; 43) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값은 2 (옹스트롬·테슬러) 이상인 것이 바람직하다.
다음으로, 도 5 에 나타낸 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 과 제 2 고정자성층 (하;34, 상; 41) 과의 사이에 개재하는 비자성중간층 (33,42) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성된 상기 비자성중간층 (하;33) 의 막두께는 3.6 ∼ 9.6 옹스트롬의 범위내에서 형성되는 것이 바람직하다. 이 범위내이면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계 (Hex) 를 얻는 것이 가능하다.
또, 상기 비자성 중간층 (하;33) 의 막두께는 4 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내에서 형성되면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있으므로 더욱 바람직하다.
또, 본 발명에서는, 도 5 에 나타낸 바와 같이 프리자성층 (36) 보다 상측에서 형성된 비자성중간층 (상;42) 의 막두께는, 2.5 ∼ 6.4 옹스트롬 또는 6.8 ∼ 10.7 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면, 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계 (Hex) 를 얻을 수 있다.
또, 본 발명에서는, 상기 비자성 중간층 (상;42) 의 막두께는 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬 또는 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬의 범위내인 것이 더욱 바람직하다. 이 범위내이면, 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또, 상기 반강자성층 (31, 44) 을 적어도 100 옹스트롬 이상으로 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또, 상기 막두께를 110 옹스트롬 이상으로 하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
종래에는 상기 반강자성층 (31, 44) 의 막두께는 약 200 옹스트롬 이상으로 형성되어 있었으므로, 본 발명에 의하면, 약 반정도의 막두께로 상기 반강자성층 (31,44) 을 형성하는 것이 가능하며, 특히 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 경우에는, 반강자성층 (31, 44) 이 2 층으로 형성되므로, 종래에 비해 스핀밸브형 박막소자전체의 막두께를 약 200 옹스트롬 이상 얇게할 수 있다. 이와 같이 얇게 형성된 스핀밸브형 박막소자에서는, 도 13 에 나타낸 바와 같이 하부 갭층 (121) 및 상부 갭층 (125) 을, 절연성을 충분히 유지할 정도로 두껍게 하여도 갭길이 (G1) 를 얇게 할 수 있고, 고밀도기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
그리고, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 과 제 2 고정자성층 (하;34, 상;41) 과의 막두께비나 막두께, 비자성 중간층 (하;33, 상;42) 의 막두께 및 반강자성층 (31, 44) 의 막두께를, 상술한 범위내에서 적절하게 조절함으로써, 종래와 같은 정도의 △MR 을 유지할 수 있고, 구체적으로는 약 10 % 이상의 △MR 을 얻는 것이 가능하다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하;32) 의 막두께 (tP1) 는, 비자성중간층 (33) 을 통해 형성된 제 2 고정자성층 (하;34) 의 막두께 (tP2) 에 비해 얇게 형성되어 있다. 한편, 프리자성층 (36) 보다 상측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 막두께 (tP1) 는 비자성 중간층 (42) 을 통해 형성된 제 2 고정자성층 (41;상) 의 막두께 (tP2) 에 비해 두껍게 형성되어 있다. 그리고, 제 1 고정자성층 (하;32, 상;43) 의 자화는 모두 도시하는 Y 방향과 반대방향으로 자화되어 있고, 제 2 고정자성층 (하;34, 상; 41) 의 자화는 도시하는 Y 방향에 자화된 상태로 되어 있다.
도 1 및 도 3 에 나타낸 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우에 있어서는, 제 1고정자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정자성층의 Ms·tP2가 다르도록 막두께 등을 조절하고, 제 1 고정자성층의 자화의 방향은 도시된 Y 방향 또는 도시된 Y 방향과 반대방향의 어느쪽이어도 된다.
그러나, 도 5 에 나타낸 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화가 모두 같은 방향으로 향하게 할 필요성이 있고, 그를 위해, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자기모멘트 (Ms·tP1) 와, 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자기모멘트 (Ms·tP2) 의 조정 및 열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적정하게 조절하고 있다.
여기서, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화를 모두 같은 방향으로 향하게 해 두는 것은, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 반평행하게 되는 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 모두 같은 방향으로 향하도록 해 두기 위함이며, 그 이유에 대해 이하에 설명한다.
전술한 바와 같이, 스핀밸브형 박막소자의 △MR 은 고정자성층의 고정자화와 프리자성층의 변동자화의 관계에 의해 얻어지는 것인데, 본 발명과 같이 고정자성층이 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리된 경우에 있어서는, 상기 △MR 에 직접 관여하는 고정자성층의 층은 제 2 고정자성층이고, 제 1 고정자성층은 상기 제 2 고정자성층의 자화를 일정방향으로 고정해 두기 위한, 소위 보조적인 역할을 담당하고 있다.
가령, 도 5 에 나타낸 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화가 서로 반대방향으로 고정되어 있다고 하면, 예컨대, 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 고정자화와 프리자성층 (36) 의 변동자화의 관계에서는 저항이 커져도, 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 고정자화와, 프리자성층 (36) 의 변동자화의 관계에서는 저항이 매우 작아지고, 결국, 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서의 △MR 은, 도 1 이나 도 3 에 나타낸 싱글 스핀밸브형 박막소자의 △MR 보다 작아진다.
이 문제는, 본 발명과 같이 고정자성층을 비자성 중간층을 통해 2 층으로 분단된 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 한정되는 것은 아니고, 종래의 듀얼 스핀밸브형 박막소자도 마찬가지이며, 싱글 스핀밸브형 박막소자에 비해 △MR 을 크게 할 수 있고, 큰 출력을 얻을 수 있는 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 특성을 발휘시키기 위해서는, 프리자성층의 상하에 형성된 고정자성층을 모두 같은 방향으로 고정시켜 둘 필요가 있다.
그런데, 본 발명에서는 도 5 에 나타낸 바와 같이, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성된 고정자성층은, 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 Ms·tP2쪽이 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 Ms·tP1에 비해 커져 있고, Ms·tP2가 큰 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정되어 있다. 여기에서, 제 2 고정자성층 (34) 의 Ms·tP2와 제 1 고정자성층 (32) 의 Ms·tP1을 서로 더한, 소위 합성자기모멘트는, Ms·tP2가 큰 제 2 고정자성층 (34) 의 자기모멘트에 지배되어 도시된 Y 방향으로 향해있다.
한편, 프리자성층 (36) 보다 상측에 형성된 고정자성층은, 제 1 고정자성층(상; 43) 의 Ms·tP1쪽이 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 Ms·tP2에 비해 커져 있고, Ms·tP1가 큰 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 자화가 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되어 있다. 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 Ms·tP1과 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 Ms·tP2를 더한, 소위 합성자기모멘트는 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 Ms·tP1에 지배되어 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향해있다.
즉, 도 5 에 나타낸 듀얼 스핀밸브형 박막소자에서는, 프리자성층 (36) 의 상하에서, 제 1 고정자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정자성층의 Ms·tP2를 더하여 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향이 반대방향으로 되어 있는 것이다. 이 때문에, 프리자성층 (36) 보다 하측에서 형성된 도시된 Y 방향을 향하는 합성자기모멘트와, 상기 프리자성층 (36) 보다 상측에서 형성된 도시된 Y 방향과 반대방향을 향하는 합성자기모멘트가, 도시된 좌측둘레의 자계를 형성하고 있다.
따라서, 상기 합성자기모멘트에 의해 형성된 자계에 의해, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화가 더욱 안정된 페리상태를 유지하는 것이 가능하다.
또한, 센스전류 (114) 는 주로 비저항이 작은 비자성 도전층 (35, 39) 을 중심으로 하여 흐르며, 센스전류 (114) 를 흐르게 함으로써, 우나사의 법칙에 의해 센스전류 자계가 형성되는데, 센스전류 (114) 를 도 5 의 방향으로 흐르게 함으로써, 프리자성층 (36) 의 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) / 비자성 중간층(하; 33) / 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 장소에 센스전류가 만드는 센스전류자계의 방향을, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32) / 비자성 중간층 (하; 33) / 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 합성자기모멘트의 방향과 일치시킬 수 있으며, 또한, 프리자성층 (36) 보다 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 43) / 비자성 중간층 (상; 42) / 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 장소에 센스전류가 만드는 센스전류자계를, 상기 제 1 고정자성층 (상; 43) / 비자성 중간층 (상; 42) / 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 합성자기모멘트의 방향과 일치시킬 수 있다.
센스전류자계의 방향과 합성자기모멘트의 방향을 일치시키는 것의 장점에 관해서는 나중에 상세하게 설명하지만, 간단하게 말하면, 상기 고정자성층의 열적안정성을 향상시킬 수 있고, 큰 센스전류를 흐르게 할 수 있으므로, 재생출력을 향상시킬 수 있다는 매우 큰 장점이 있다. 센스전류자계와 합성자기모멘트의 방향에 관한 이들의 관계는, 프리자성층 (36) 의 상하에 형성되는 고정자성층의 합성자기모멘트가 도시된 좌둘레의 자계를 형성하고 있기 때문이다.
장치내의 환경온도는 약 200 ℃ 정도까지 상승하고, 또한 이후 기록매체의 회전수나 센스전류의 증대 등에 따라 환경온도가 더욱 상승하는 경향이 있다. 이와 같이, 환경온도가 상승하면 교환결합자계는 저하되지만, 본 발명에 의하면, 합성자기모멘트에서 형성되는 자계와 센스전류자계에 의해 열적으로도 안정되어, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 페리상태로 유지할 수 있다.
전술한 합성자기모멘트에 의한 자계의 형성 및 합성자기모멘트에 의한 자계와 센스전류자계와의 방향관계는 본 발명 특유의 구성이며, 프리자성층의 상하에 단층으로 형성되며, 게다가, 같은 방향을 향해 고정자화된 고정자성층을 갖는 종래의 듀얼 스핀밸브형 박막소자에서는 얻을 수 없는 것으로 되어 있다.
다음으로, 열처리중에 부여된 자계의 방향 및 크기에 대해 이하 설명한다.
도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는, 반강자성층 (31, 44) 에 PtMn 합금 등 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 위해, 열처리가 필요한 반강자성재료를 사용하고 있으므로, 열처리중에 인가된 자장의 방향 및 그 크기를 적정하게 제어하지 않으면, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 과의 자화의 방향을 도 5 에 나타낸 것과 같은 방향으로 얻을 수 없다.
먼저, 성막하는 단계에서, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 Ms·tP1을 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 Ms·tP2보다 작게하고, 또한 상기 프리자성층 (36) 보다 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 Ms·tP1을 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 Ms·tP2보다 크게한다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 을 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향하게 하고자 하는 경우에는, 전술한 표 1, 2 를 참조함으로써, 도시된 Y 방향과 역방향으로 5k (Oe) 이상 (표 1(4) 및 표 2(4) 참조) 의 자계를 부여할 필요가 있다.
도시된 Y 방향과 반대방향으로 5k (Oe) 이상의 자계를 인가함으로써, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화 및 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화가 모두, 일단 도시된 Y 방향과 반대방향을 향한다. 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 은 반강자성층 (31,44) 과의 계면에서의 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되며, 5k (Oe) 이상의 자계를 제거함으로써, 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화는 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 도시된 Y 방향으로 반전되어 도시된 Y 방향으로 고정되는 것이다.
또는, 5k (Oe) 이상의 자계를 도시된 Y 방향으로 부여해도 된다. 이 경우에는, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화가 도 5 에 나타낸 자화방향과 반대방향으로 자화되어 우둘레의 합성자기모멘트에 의한 자계가 형성된다.
또, 본 발명에서는, 프리자성층 (36) 보다 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 Ms·tP1을 제 2 고정자성층 (34) 의 Ms·tP2보다 크게하고, 또한, 상기 프리자성층 (36) 보다 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (43) 의 Ms·tP1을 제 2 고정자성층 (41) 의 Ms·tP2보다 작게하여도 된다. 이 경우에 있어서도, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화를 얻고자 하는 방향, 즉 도시된 Y 방향 또는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 5k (Oe) 이상의 자계를 인가함으로써, 프리자성층 (36) 의 상하에 형성된 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 을 같은 방향을 향해 고정할 수 있고, 게다가 도시된 우둘레 또는 좌둘레의 합성자기모멘트에 의한 자계를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 방법이외의 방법으로, 프리자성층 (36) 의 상하에 형성된 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 서로 같은 방향으로 향하게 하고, 게다가, 합성자기모멘트에 의한 자계의 형성 및 합성자기모멘트에 의한 자계와 센스전류자계와의 방향관계의 형성을 실행할 수는 없다.
또, 본 발명에서는, 이하에 나타낸 방법에 의해 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 서로 같은 방향으로 향하게 하는 것이 가능하지만, 프리자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성자기모멘트는 서로 같은 방향을 향하기 때문에, 상기 합성자기모멘트에 의한 자계를 형성할 수는 없다. 그러나, 본 발명의 듀얼 스핀밸브형 박막소자이면, 이하의 열처리방법에 의해서도 종래의 듀얼 스핀밸브형 박막소자와 같은 정도의 △MR 을 얻을 수 있으며, 게다가 종래의 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 비해, 고정자성층 (제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층) 의 자화상태를 열적으로 안정된 상태로 유지하는 것이 가능하다.
먼저, 프리자성층 (36) 의 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 Ms·tP1과 상기 프리자성층 (36) 의 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 Ms·tP1을 모두, 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 Ms·tP2보다 크게한 경우에는, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화를 향하게 하고자 하는 방향으로 100 ∼ 1k (Oe) 또는 5k (Oe) 이상의 자계를 부여함으로써, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 을 모두 같은 방향으로 향하게 하고, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 반평행하게 자화된 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 모두 같은 방향을 향해 고정할 수 있다.
또는, 프리자성층 (36) 의 하측에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 Ms·tP1과 상기 프리자성층 (36) 의 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 Ms·tP1을 모두, 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 Ms·tP2보다 작게한 경우에는, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화를 향하게 하고자 하는 방향과 반대방향으로 100 ∼ 1k (Oe), 또는 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화를 향하게 하고자 하는 방향으로 5k (Oe) 이상의 자계를 부여함으로써, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 을 모두 같은 방향을 향하게 하고, 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자화와 반평행하게 자화된 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 모두 같은 방향을 향해 고정할 수 있다.
이상, 도 1 내지 도 6 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에 의하면, 고정자성층을 비자성 중간층을 통해 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리되고, 이 2 층의 고정자성층간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 2 층의 고정자성층의 자화를 반평행상태 (페리상태) 로 함으로써, 종래에 비해 열적으로도 안정된 고정자성층의 자화상태를 유지할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 반강자성층으로서 블록킹온도가 매우 높고, 또 제 1 고정자성층과의 계면에서 큰 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키는 PtMn 합금을 사용함으로써, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 자화상태를 더욱 열적안정성이 우수한 것으로 할 수 있다.
또, 본 발명에서는 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비나, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성 중간층의 막두께, 및 반강자성층의 막두께를 적정한 범위내에서 형성함으로써, 교환결합자계 (Hex) 를 크게 할 수 있으며, 따라서, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 고정자화의 열적안정성을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
그리고, 제 1 고정자성층의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층의 막두께 (tP2) 와의 막두께비, 나아가서는, 상기 제 1 고정자성층, 제 2 고정자성층, 비자성 중간층 및 반강자성층의 막두께를 적정한 범위내에서 형성함으로써, 종래와 거의같은 정도의 △MR 을 얻는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에서는 반강자성층으로서 PtMn 합금 등, 제 1 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 위해 열처리를 필요로 하는 반강자성재료를 사용한 경우에, 제 1 고정자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정자성층의 Ms·tP2를 다른 값으로 형성하고, 또한 열처리중의 인가자장의 크기 및 그 방향을 적정하게 조절함으로써, 상기 제 1 고정자성층 (및 제 2 고정자성층) 의 자화를 얻고자하는 방향으로 자화시키는 것이 가능하다.
특히, 도 5 에 나타낸 듀얼 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 Ms·tP1과 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 Ms·tP2를 적정하게 조절하고, 또한 열처리중의 인가자장의 크기 및 그 방향을 적정하게 조절함으로써, △MR 에 관여하는 프리자성층 (36) 의 상하에 형성된 두개의 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자화를 모두 같은 방향으로 고정할 수 있고, 또한 프리자성층 (36) 의 상하에 형성된 합성자기모멘트를 상호 반대방향으로 형성할 수 있음으로 인해, 상기 합성자기모멘트에 의한 자계의 형성 및 상기 합성자기모멘트에 의한 자계와 센스전류자계와의 방향관계를 형성 할 수 있고, 고정자성층의 자화의 열적안정성을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
도 7 은, 본 발명의 제 4 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 8 은 도 7 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면에서 본 경우의 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자에 있어서도, 도 1 ∼ 도 6 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자와 동일하게, 하드디스크장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링측 단부 등에 설치되어 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 그리고, 하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 도시된 Z 방향이고, 자기기록매체로부터의 누출자계의 방향은 Y 방향이다.
이 스핀밸브형 박막소자는, 고정자성층뿐만아니라 프리자성층도 비자성 중간층을 통해 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리되어 있다.
도 7, 8 에 나타낸 바와 같이, 아래부터 기초층 (50), 반강자성층 (51), 제 1 고정자성층 (52), 비자성 중간층 (53), 제 2 고정자성층 (54), 비자성 도전층 (55), 제 1 프리자성층 (56), 비자성 중간층 (59), 제 2 프리자성층 (60) 및 보호층 (61) 의 순으로 적층되어 있다.
상기 기초층 (50) 및 보호층 (61) 은, 예컨대 Ta 등으로 형성되어 있다. 또, 상기 반강자성층 (51) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. PtMn 합금은 종래부터 반강자성층으로서 사용되고 있는 NiMn 합금이나 FeMn 합금등에 비해 내부식성이 우수하며, 게다가 블로킹온도가 높고 교화결합자계도 크다. 또, 본 발명에서는, 상기 PtMn 합금 대신에 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 중 어느 1 종 또는 2 종이상의 원소이다.) 합금 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 중 어느 1 종 또는 2 종이상의 원소이다.) 합금을 사용해도 된다.
제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 고정자성층 (54) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금, CoNi 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또, 비자성 중간층 (53) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 비자성 도전층 (55) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화와 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는, 서로 반평행하게 자화된 페리상태로 되어 있고, 예컨대, 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 도시된 Y 방향으로, 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되어 있다. 이 페리상태의 안정성을 유지하기 위해서는 큰 교환결합자계가 필요하고, 본 발명에서는 더욱 큰 교환결합자계를 얻기 위해, 이하에 나타낸 여러가지 적정화를 실시하고 있다.
도 7, 8 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는, (제 1 고정자성층 (52) 의 막두께 tP1) / (제 2 고정자성층 (54) 의 막두께 tP2) 는 0.33 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인것이 바람직하며, 0.53 ∼ 0.95 또는 1.08 ∼ 1.8 의 범위내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또, 제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께는 모두 10 ∼ 70 옹스트롬이며, 또한 │제 1 고정자성층 (52) 의 막두께 tP1－ 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께 tP2│≥2 옹스트롬인 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 것은, 10 ∼ 50 옹스트롬이며, 또한 │제 1 고정자성층 (52) 의 막두께 tP1－ 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께 tP2│≥2 옹스트롬 이다.
전술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 에 어느정도 차가 없으면 자화상태는 페리상태가 되지 않으며, 또 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 의 차가 너무 커져도, 교환결합자계의 저하로 이어져 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (52) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께 (tP2) 와의 막두께비와 동일하게, (제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 Ms·tP1) / (제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 Ms·tP2) 는 0.33 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 4 의 범위내인 것이 바람직하다. 또, 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 및 제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 가 10 ∼ 70 (옹스트롬·테슬러) 의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값이 2 (옹스트롬 / 테슬러) 이상인 것이 바람직하다.
또, (제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 Ms·tP1) / (제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 Ms·tP2) 가 0.53 ∼ 0.95 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 것이 더욱 바람직하다. 또, 상기 범위내로써, 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 와 제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 는 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬 / 테슬러) 의 범위내이며, 게다가 제 1 고정자성층 (52) 의 자기적 막두께 (Ms·tP1) 에서 제 2 고정자성층 (54) 의 자기적 막두께 (Ms·tP2) 를 뺀 절대값은 2 (옹스트롬 / 테슬러) 이상인 것이 바람직하다.
또, 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 에 개재된 비자성 중간층 (53) 의 막두께는 3.6 ∼ 9.6 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 더욱 바람직한 것은 4 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내이며, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를얻는 것이 가능하다.
또한, 반강자성층 (51) 의 막두께는 90 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 더욱 바람직한 것은 100 옹스트롬 이상이고, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
도 7, 8 에 나타낸 비자성 도전층 (55) 위에는, 제 1 프리자성층 (56) 이 형성되어 있다. 도 7, 8 에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 프리자성층 (56) 은 2 층으로 형성되어 있고, 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막 (57) 이 형성되어 있다. 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막을 형성하는 것은, 첫째 △MR 을 크게 할 수 있는 것, 둘째 비자성 도전층 (55) 과의 확산을 방지하기 위함이다.
상기 Co 막 (57) 위에는 NiFe 합금막 (58) 이 형성되어 있다. 또한, 상기 NiFe 합금막 (58) 위에는 비자성 중간층 (59) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 비자성 중간층 (59) 위에는 제 2 프리자성층 (60) 이 형성되며, 또한 상기 제 2 프리자성층 (60) 위에는 Ta 등으로 형성된 보호층 (61) 이 형성되어 있다.
상기 제 2 프리자성층 (60) 은, Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 8 에 나타낸 기초층 (50) 부터 보호층 (61) 까지의 스핀밸브막은, 그 측면이 경사면으로 깎여지고, 상기 스핀밸브막은 사다리꼴형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀밸브막의 양측에는 하드바이어스층 (62,62) 및 도전층 (63,63) 이 형성되어 있다. 상기 하드바이어스층 (62) 은 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있고, 또 상기 도전층 (63) 은 Cu 나 Cr 등으로 형성되어 있다.
도 7, 8 에 나타낸 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 사이에는 비자성 중간층 (59) 이 개재되며, 상기 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 상기 제 1 프리자성층 (56) 의 자화와 제 2 프리자성층 (60) 의 자화는 서로 반평행상태 (페리상태) 로 되어 있다.
도 8 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는, 예컨대, 제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) 는 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2) 보다 작게 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 프리자성층 (56) 의 Ms·tF1은 제 2 프리자성층 (60) 의 Ms·tF2보다 작게 설정되어 있으며, 하드바이어스층 (62) 으로부터 도시된 X 방향으로 바이어스 자계가 부여되면, Ms·tF2가 큰 제 2 프리자성층 (60) 의 자화가 상기 바이어스 자계의 영향을 받아 도시된 X 방향으로 갖추어지고, 상기 제 2 프리자성층 (60) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, Ms·tF1이 작은 제 1 프리자성층 (56) 의 자화는 도시된 X 방향과 반대방향으로 갖추어진다.
도시된 Y 방향으로부터 외부자계가 침입해오면, 상기 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 의 자화는 페리상태를 유지하면서, 상기 외부자계의 영향을 받아 회전한다. 그리고, △MR 에 기여하는 제 1 프리자성층 (56) 의 변동자화와, 제 2 고정자성층 (54) 의 고정자화 (예를 들어 도시된 Y 방향과 반대방향으로 자화되어 있음) 와의 관계에 의하여 전기저항이 변화되어 외부자계의 신호가 검출된다.
본 발명에서는, 제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) 와, 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2) 의 막두께 비를 적정화하여 보다 큰 교환결합자계를 얻을 수 있으며, 동시에 종래와 거의 동일한 정도의 △MR 을 얻는 것을 가능하다.
본 발명에서는 (제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) / 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2)) 가 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한 본 발명에서는 상기 (제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) / 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2)) 는 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 보다 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, (제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) / 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2)) 중에서, 0.83 ~ 1.25 의 범위를 제외한 것은, 상기 제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) 와 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2) 가 거의 동일한 값으로 형성되고, 상기 제 1 프리자성층 (56) 의 MsㆍtF2와 제 2 프리자성층 (60) 의 MsㆍtF2가 거의 동일한 값으로 설정되면, 하드바이어스층 (62) 으로부터의 바이어스자계의 영향을 받아, 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 의 어느 한 쪽의 자화도 상기 바이어스자계 방향으로 향하게 되므로, 상기 제 1 프리자성층 (56) 의 자화와 제 2 프리자성층 (60) 의 자화는 반평행상태가 되지 못하고, 안정된 자화상태를 유지하기가 불가능해진다.
또한, 제 1 프리자성층 (56) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (60) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 에 어느 정도의 차이가 없으면, 자화상태는 페리상태로는 되기 어렵고, 또한 제 1 프리자성층 (56) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (60) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 의 차이가 너무 커도 교환결합자계의 저하로 연결되어 바람직하지 못하다. 그래서 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (56) 의 막두께 (tF1) 와 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 (tF2) 의 막두께 비와 동일하도록, (제 1 프리자성층 (56) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층 (60) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 가 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 (제 1 프리자성층 (56) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층 (60) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 가 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 간에 개재된 비자성 중간층 (59) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중에서 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 비자성 중간층 (59) 이 막두께는 5.5 ~ 10.0 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한, 상기 비자성 중간층 (59) 의 막두께는 5.9 ~ 9.4 옹스트롬의 범위내인 것이 보다 바람직하다. 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한, 상기 수치범위내에서 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 막두께 비, 비자성 중간층 (53) 및 반강자성층 (51) 의 막두께 비, 또한 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 의 막두께 비, 및 비자성 중간층 (59) 의 막두께를 조정함으로써 종래와 동일한 정도의 △MR (저항변화율) 을 얻는 것이 가능하다.
이어서, 열처리 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 7, 8 에 나타낸 TM핀밸브형 박막소자에 있어서는 반강자성층 (51) 에 PtMn 합금 등의 열처리를 행함으로써, 제 1 고정자성층 (52) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 발생되는 반강자성재료를 사용하고 있다. 이 때문에 상기 열처리 중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적정하게 제어하여 제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 이 고정자성층 (54) 의 자화방향을 조정할 필요성이 있다.
만일, 제 1 고정자성층 (52) 의 MsㆍtP1쪽이 제 2 고정자성층 (54) 의MsㆍtP2보다도 큰 경우에는 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화를 향하게 하려는 방향으로 100 ~ 1 k (Oe), 또는 5 k (Oe) 의 자장을 인가하면 된다. 예를 들어, 상기 제 1 고정자성층 (52) 을 도시된 Y 방향으로 향하게 하려면, 도시된 Y 방향으로 100 ~ 1 k (Oe) 의 자계를 부여한다. MsㆍtP1이 큰 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 자장방향, 즉 도시된 Y 방향으로 향하고, 반강자성층 (51) 과의 계면에서 발생되는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의하여 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정된다. 한편, 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 제 1 고정자성층 (52) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향하여 고정된다. 또는 도시된 Y 방향으로 5 k (Oe) 이상의 자계를 부여한다. 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 는 1 k (Oe) ~ 5 k (Oe) 정도이므로 5 k (Oe) 이상의 자장이 인가됨으로서, 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화 및 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 모두 도시된 Y 방향으로 향한다. 이 때, 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 반강자성층 (51) 과의 계면에서 발생되는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의하여 도시된 Y 방향으로 고정된다. 한편, 5 k (Oe) 이상의 자장이 제거되면 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 상기 제 1 고정자성층 (52) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향하여 고정된다.
또한, 제 1 고정자성층 (52) 의 MsㆍtP1쪽이 제 2 고정자성층 (54) 의MsㆍtP2보다도 작은 경우, 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화를 향하게 하려는 방향과 반대방향으로 100 ~ 1 k (Oe), 또는 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화를 향하게 하려는 방향으로 5 k (Oe) 이상의 자장을 인가하면 된다. 예를 들어 제 1 고정자성층 (52) 을 도시된 Y 방향으로 향하게 하려면 도시된 Y된 방향과 반대방향으로 100 ~ 1k (Oe) 의 자장을 부여한다. 이로써, MsㆍtP2가 큰 제 2 고정자성층 (52) 의 자화는 상기 자장방향, 즉 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향하고, 상기 제 2 고정자성층 (54) 과 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의하여 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정된다. 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 반강자성층 (51) 과의 계면에 발생되는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의하여 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되고, 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정된다. 또는 도시된 Y 방향으로 5 k (Oe) 이상의 자계를 부여하지 않으면 안된다. 5 k (Oe) 이상의 자계를 부여함으로써, 제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 모두 도시된 Y 방향으로 향하게 되고, 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화는 반강자성층 (51) 과의 계면에서 발생되는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의하여 도시된 Y 방향으로 고정된다. 5 k (Oe) 이상의 자장이 제거되면 도시된 Y 방향으로 향해져 있던 제 2 고정자성층 (54) 의 자화는 상기 제 1 고정자성층 (52) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여 도시된 Y 방향과 반대방향으로 향하여 고정된다.
또한, 본 발명에서는 도시된 X 방향 및 도시된 Y 방향을 정의 방향, 도시된X 방향과 반대방향 및 도시된 Y 방향과 반대방향을 부의 방향으로 할 경우, 제 1 프리자성층 (56) 의 MsㆍtF1과 제 2 프리자성층 (60) 의 MsㆍtF2를 더한, 이른바 합성자기 모멘트의 절대치는 제 1 고정자성층 (52) 의 MsㆍtP1과 제 2 고정자성층 (54) 의 MsㆍtP2를 더한 합성자기 모멘트의 절대치보다도 큰 쪽이 바람직하다. 즉, ｜(MsㆍtF1+ MsㆍtF2) / (MsㆍtP1+ MsㆍtP2)｜＞ 1 인 것이 바람직하다.
제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 과의 합성자기 모멘트의 절대치를, 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 합성자기 모멘트의 절대치보다도 크게 함으로써, 상기 제 1 프리자성층 (56) 과 제 2 프리자성층 (60) 의 자화가, 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 합성자기 모멘트의 영향을 받기 어려워지고, 상기 제 1 프리자성층 (56) 및 제 2 프리자성층 (60) 의 자화가 외부자계에 대하여 감도 좋게 회전하여 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 9 는 본 발명의 제 5 의 실시형태의 스핀밸브형 박막소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 10 은 도 9 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면에서 바라 본 경우의 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는 도 7, 8 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 적층 순서를 역으로 한 것이다.
즉, 아래에서부터 기초층 (70), 제 2 프리자성층 (71), 비자성 중간층 (72), 제 1 프리자성층 (73), 비자성 도전층 (76), 제 2 고정자성층 (77), 비자성 중간층(78), 제 1 고정자성층 (79), 반강자성층 (80) 및 보호층 (81) 의 순으로 적층되어 있다.
상기 기초층 (70) 및 보호층 (81) 은 예를 들어 Ta 로 형성되어 있다. 상기 반강자성층 (80) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. PtMn 합금은 종래부터 반강자성층으로 사용되고 있는 NiMn 합금이나 FeMn 합금 등에 비하여 내부식성이 우수하고, 또한 블로킹온도가 높으며 교환결합자계도 크다. 또한, 본 발명에서는 상기 PtMn 합금을 대신하여 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 한가지의 1 종 또는 2 종 이상의 원소임) 합금, 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 한가지의 1 종 또는 2 종 이상의 원소임) 합금을 사용할 수도 있다.
제 1 고정자성층 (79) 및 제 2 고정자성층 (77) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금, CoNi 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 중간층 (78) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 비자성 도전층 (76) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
또한, 도 9, 10 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는 (제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2)) 는 0.33 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 4 의 범위내인 것이 바람직하고, 또한 제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2) 는 모두 10 ~ 70 옹스트롬의 범위내이고, 또한 ｜제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1)－제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2)｜≥2 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. 상기 범위내에서 적정하게 조절하면 500 (Oe) 이상인 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
나아가 본 발명에서는, (제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2)) 는 0.53 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 1.8 의 범위내인 것이 보다 바람직하고, 또한 제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1) 및 제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2) 는 모두 10 ~ 50 옹스트롬의 범위내이고, 또한 ｜제 1 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1)－제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2)｜≥2 옹스트롬 이상인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위내에서 적정하게 조절하면 1000 (Oe) 이상인 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 에 어느 정도의 차이가 없으면, 자화상태는 페리상태로는 되기 어렵고, 또한 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 의 차이가 너무 커도 교환결합자계의 저하로 연결되어 바람직하지 못하다. 따라서 본 발명에서는 제 1 이 고정자성층 (79) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 (tP2)의 막두께 비와 동일하게, (제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1)) / (제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2)) 는 0.33 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 4 의 범위내인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 및 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 가 10 ~ 70 (옹스트롬ㆍ테슬라) 의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 에서 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 를 뺀 절대치가 2 (옹스트롬ㆍ테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한, (제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1)) / (제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2)) 가 0.53 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 1.8 의 범위내인 것이 보다 바람직하다. 또한 상기 범위에 있어서는, 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 는 모두 10 ~ 50 (옹스트롬ㆍ테슬라) 의 범위내이고, 또한 제 1 고정자성층 (79) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 에서 제 2 고정자성층 (77) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 를 뺀 절대치는 2 (옹스트롬ㆍ테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한, 제 1 고정자성층 (79) 과 제 2 고정자성층 (77) 간에 개재된 비자성 중간층 (78) 의 막두께는 2.5 ~ 6.4, 또는 6.6 ~ 10.7 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는 2.8 ~ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ~ 10.3 옹스트롬의 범위내로서,이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, 반강자성층 (80) 의 막두께는 90 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 보다 바람직하게는 100 옹스트롬 이상으로서, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
도 10 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는 프리자성층이 2 층으로 분리되어 형성되어 있고, 비자성 도전층 (76) 에 접하는 측에 제 1 프리자성층 (73) 이 형성되고, 또 다른 일방의 프리자성층이 제 2 프리자성층 (71) 으로 되어 있다. 도 10 에 나타낸 바와 같이 제 1 프리자성층 (73) 은 2 층으로 형성되어 있고, 비자성 도전층 (76) 에 접하는 측에 형성된 층 (75) 은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 중간층 (72) 에 접하는 측에 형성된 층 (74) 과, 제 2 프리자성층 (71) 은 예를 들어 NiFe 합금, CoFe 합금, CoNi 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 10 에 나타낸 기초층 (70) 에서 보호층 (81) 까지의 스핀밸브막은 그 측면이 경사면으로 깎이고, 상기 스핀밸브막은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀밸브막의 양측에는 하드바이어스층 (82, 82) 및 도전층 (83, 83) 이 형성되어 있다. 상기 하드바이어스층 (82) 은 Co-Pt 합금 또는 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있고, 또한 상기 도전층 (83) 은 Cu 또는 Cr 등으로 형성되어 있다.
도 10 에 나타낸 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 간에는 비자성 중간층 (72) 이 개재되고, 상기 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층(71) 간에 발생되는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여 상기 제 1 프리자성층 (73) 의 자화와 제 2 프리자성층 (71) 의 자화는 반평행상태 (페리상태) 로 되어 있다. 도 10 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는, 예를 들어 제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (TF1) 는, 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 (TP2) 보다 크게 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 1 프리자성층 (73) 의 MsㆍtF1은 제 2 프리자성층 (71) 의 MsㆍtF2보다도 크게 설정되어 있고, 하드바이어스층 (82) 에서 도시된 X 방향으로 바이어스자계가 부여되면, MsㆍtF1이 큰 제 1 프리자성층 (73) 의 자화가 상기 바이어스자계의 영향을 받아, 도시된 X 방향으로 정렬되고, 상기 제 1 프리자성층 (73) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여 MsㆍtF2가 작은 제 2 프리자성층 (71) 의 자화는 도시된 X 방향과 반대방향으로 정렬된다. 또한, 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (tF1) 가 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 (tF2) 보다도 작게 형성되고, 상기 제 1 프리자성층 (73) 의 MsㆍtF1이 제 2 프리자성층 (71) 의 MsㆍtF2보다도 작게 설정되어 있어도 된다.
도시된 Y 방향에서 외부자계가 침입하게 되면, 상기 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 의 자화는 페리상태를 유지하면서 상기 외부자계의 영향을 받아 회전한다. 그리고 △MR 에 기여하는 제 1 프리자성층 (73) 의 자화방향과, 제 2 고정자성층 (71) 의 고정자화와의 관계에 의하여 전기저항이 변화되어 외부자계의 신호가 검출된다.
본 발명에서는 제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (TF1) 와, 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 (TF2) 의 막두께 비를 적정화하여 보다 큰 교환결합자계를 얻을 수 있음과 동시에, 종래와 거의 동일한 정도의 △MR 을 얻는 것을 가능하게 하고 있다.
본 발명에서는 (제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (tF1) / 제 2 프리자성층 (71)) 가 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한 본 발명에서는 상기 (제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (tF1) / 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 (tF2)) 는 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, 제 1 프리자성층 (73) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (71) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 에 어느 정도 차이가 없으면 자화상태는 페리상태로는 되기 어렵고, 또한 제 1 프리자성층 (73) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (71) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 의 차이가 너무 커도 교환결합자계의 저하로 연결되어 바람직하지 못하다. 따라서 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (73) 의 막두께 (tF1) 와 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 (tF2) 의 막두께 비와 동일하도록, (제 1 프리자성층 (73) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층(71) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 는 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 (제 1 프리자성층 (73) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층 (71) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 가 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 간에 개재된 비자성 중간층 (72) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중에서 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 비자성 중간층 (72) 이 막두께는 5.5 ~ 10.0 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한, 상기 비자성 중간층 (72) 의 막두께는 5.9 ~ 9.4 옹스트롬의 범위내인 것이 보다 바람직하다. 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한, 제 1 고정자성층 (79) 과 제 2 고정자성층 (77) 의 막두께 비, 비자성 중간층 (78) 및 반강자성층 (80) 의 막두께, 또는 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 의 막두께 비, 및 비자성 중간층 (72) 의 막두께를, 전술한 범위내에서 적정하게 조절하면 종래와 동일한 정도의 △MR (저항변화율) 을 얻는 것이 가능하다.
이어서, 열처리 방법에 대하여 설명하기로 한다. 만일, 제 1 고정자성층 (79) 의 MsㆍtP1쪽이 제 2 고정자성층 (77) 의 MsㆍtP2보다도 큰 경우에는 상기 제 1 고정자성층 (79) 의 자화를 향하게 하려는 방향으로 100 ~ 1 k (Oe), 또는 5 k(Oe) 의 자장을 인가하면 된다. 또는, 제 1 고정자성층 (79) 의 MsㆍtP1쪽이 제 2 고정자성층 (77) 의 MsㆍtP2보다도 작은 경우, 상기 제 1 고정자성층 (79) 의 자화를 향하게 하려는 방향과 반대방향으로 100 ~ 1 k (Oe), 또는 상기 제 1 고정자성층 (79) 의 자화를 향하게 하려는 방향으로 5 k (Oe) 이상의 자계를 부여하면 된다. 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층 (79) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정되고, 상기 제 2 고정자성층 (77) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되어 있다. 또는 상기 제 1 고정자성층 (79) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되고, 상기 제 2 고정자성층 (77) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정되어 있다.
또한, 본 발명에서는 도시된 X 방향 및 도시된 Y 방향을 정의 방향, 도시된 X 방향의 반대방향 및 도시된 Y 방향의 반대방향을 부의 방향으로 할 경우, 제 1 프리자성층 (73) 의 MsㆍtF1과 제 2 프리자성층 (71) 의 MsㆍtF2를 더한, 이른바 합성자기 모멘트의 절대치는 제 1 고정자성층 (79) 의 MsㆍtP1과 제 2 고정자성층 (77) 의 MsㆍtP2를 더한 합성자기 모멘트의 절대치보다도 큰 쪽이 바람직하다. 즉, ｜(MsㆍtF1+ MsㆍtF2) / (MsㆍtP1+ MsㆍtP2)｜＞ 1 인 것이 바람직하다.
제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 의 합성자기 모멘트의 절대치를, 제 1 고정자성층 (79) 과 제 2 고정자성층 (77) 의 합성자기 모멘트의 절대치보다도 크게 함으로써, 상기 제 1 프리자성층 (73) 과 제 2 프리자성층 (71) 의자화가 제 1 고정자성층 (79) 과 제 2 고정자성층 (77) 의 합성자기 모멘트의 영향을 받기 어려워지고, 상기 제 1 프리자성층 (73) 및 제 2 프리자성층 (71) 의 자화가 외부자계에 대하여 감도 좋게 회전하여 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 11 은 본 발명의 제 6 의 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 나타낸 횡단면도이고, 도 12 는 도 11 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자를 기록매체와의 대향면측에서 바라 본 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성 도전층, 고정자성층, 및 반강자성층이 적층된 듀얼스핀밸브형 박막소자이고, 상기 프리자성층, 및 고정자성층이 비자성 중간층을 통하여 2 층으로 분리되어 형성되어 있다.
도 11, 12 에 나타낸 가장 하측에 형성되어 있는 층은 기초층 (91) 이고, 이 기초층 (91) 위에는 반강자성층 (92), 제 1 고정자성층 (하 93), 비자성 중간층 (94 하), 제 2 고정자성층 (하 95), 비자성 도전층 (96), 제 2 프리자성층 (97), 비자성 중간층 (100), 제 1 프리자성층 (101), 비자성 도전층 (104), 제 2 고정자성층 (상 105), 비자성 중간층 (상 106), 제 1 고정자성층 (상 107), 반강자성층 (108), 및 보호층 (109) 이 형성되어 있다.
먼저, 재질에 대하여 설명하기로 한다. 반강자성층 (92,108) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. PtMn 합금은 종래부터 반강자성층으로 사용되고 있는 NiMn 합금이나 FeMn 합금 등에 비하여 내부식성이 우수하고, 또한 블로킹온도가 높으며 교환결합자계 (교환이방성자계) 도 크다. 또한, 본 발명에서는 상기 PtMn 합금을 대신하여 X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 한가지의 1 종 또는 2 종 이상의 원소임) 합금, 또는 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 한가지의 1 종 또는 2 종 이상의 원소임) 합금을 사용할 수도 있다.
제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107), 및 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금, CoNi 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 과 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 간에 형성되어 있는 비자성 중간층 (하; 94, 상; 106) 및 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 프리자성층 (97) 간에 형성되어 있는 비자성 중간층 (100) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 비자성 도전층 (96, 104) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
도 11 에 나타낸 바와 같이 제 1 프리자성층 (101) 및 제 2 프리자성층 (97) 은 2 층으로 형성되어 있다. 비자성 도전층 (96, 104) 에 접하는 측에 형성된 제 1 프리자성층 (101) 의 층 (103) 및 제 2 프리자성층 (97) 의 층 (98) 은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 중간층 (100) 을 통하여 형성되어 있는 제 1 프리자성층 (101) 의 층 (102) 및 제 2 프리자성층 (97) 의 층 (99) 은 예를 들어 NiFe 합금, CoFe 합금, CoNi 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
비자성 도전층 (96, 104) 측에 접하는 층 (98, 103) 을 Co 막으로 형성함으로써 △MR 을 크게 할 수 있고, 또한 비자성 도전층 (96, 104) 과의 확산을 방지할 수 있다.
다음으로, 각층의 막두께의 적정 범위에 대하여 설명하기로 한다. 먼저, 프리자성층의 하측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 막두께 (tP1) 와, 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 막두께 (tP2) 의 막두께 비, 및 프리자성층의 상측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 막두께 (tP2) 의 막두께 비 (제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 (tP2)) 는 0.33 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 4 의 범위내인 것이 바람직하고, 또한 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 및 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께는 모두 10 ~ 70 옹스트롬의 범위내에서 형성되고, 또한 ｜제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 막두께 (tP1)－제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 (tP2)｜≥ 2 옹스트롬으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 (제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 (tP2)) 는 0.53 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 1.8 의 범위내인 것이 바람직하고, 또한 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 및 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께는 모두 10 ~ 50 옹스트롬의 범위내에서 형성되고, 또한 ｜제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 막두께 (tP1)－제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 (tP2)｜≥ 2 옹스트롬으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
그런데, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 반강자성층 (92, 108) 으로서 PtMn 합금 등, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 위하여 열처리를 필요로 하는 반강자성재료를 사용하고 있다.
그러나, 프리자성층보다도 하측에 형성되어 있는 반강자성층 (92) 과 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 계면에서는 금속원소의 확산이 발생되기 쉽고 열확산층이 형성되기 쉽도록 되어 있으므로, 상기 제 1 고정자성층 (하; 93) 으로 기능하는 자기적인 막두께는 실제의 막두께 (tP1) 보다도 얇게 되어 있다. 따라서, 프리자성층보다도 상측의 적층막에서 발생되는 교환결합자계와, 하측의 적층막에서 발생되는 교환결합자계를 거의 비슷하게 하기 위해서는 프리자성층보다도 하측에 형성되어 있는 (제 1 고정자성층 (하; 93) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (하; 95) 의 막두께 (tP2)) 가 프리자성층보다도 상측에 형성되어 있는 (제 1 고정자성층 (상; 107) 의 막두께 (tP1)) / (제 2 고정자성층 (상; 105) 의 막두께 (tP2)) 보다도 큰 쪽이 바람직하다. 프리자성층보다도 상측의 적층막에서 발생되는 교환결합자계와, 하측의 적층막에서 발생되는 교환결합자계를 비슷하게 함으로써 상기 교환결합자계의 제조과정 열화가 적고 자기헤드의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 에 어느 정도의 차이가 없으면, 자화상태는 페리상태로는 되기 어렵고, 또한 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 의 차이가 너무 커도 교환결합자계의 저하로 연결되어 바람직하지 못하다. 따라서 본 발명에서는 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 막두께 (tP1) 와 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 (tP2) 의 막두께 비와 동일하게, (제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1)) / (제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2)) 는 0.33 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 4 의 범위내인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 및 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 가 10 ~ 70 (옹스트롬ㆍ테슬라) 의 범위내이고, 그리고 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 에서 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 를 뺀 절대치가 2 (옹스트롬ㆍ테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한, (제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1)) / (제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2)) 가 0.53 ~ 0.95, 또는 1.05 ~ 1.8 의 범위내인 것이 보다 바람직하다. 또한 상기 범위내에서, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 와 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 가 모두 10 ~ 50 (옹스트롬ㆍ테슬라) 의 범위내이고, 그리고 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP1) 에서 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자기적 막두께 (MsㆍtP2) 를 뺀 절대치는 2 (옹스트롬ㆍ테슬라) 이상인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 프리자성층보다도 하측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 과 제 2 고정자성층 (하; 95) 간에 개재된 비자성 중간층 (하; 94) 의 막두께는 3.6 ~ 9.6 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는 4 ~ 9.4 옹스트롬의 범위내이고, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, 프리자성층보다도 하측에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 과 제 2 고정자성층 (상; 105) 간에 개재된 비자성 중간층 (상; 106) 의 막두께는 2.5 ~ 6.4 옹스트롬, 또는 6.6 ~ 10.7 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 또한2.8 ~ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ~ 10.3 옹스트롬의 범위내인 것이 바람직하고, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 반강자성층 (92. 108) 의 막두께는 100 옹스트롬 이상인 것이 바람직하고, 상기 반강자성층 (92, 108) 을 100 옹스트롬 이상으로 형성함으로써 적어도 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다. 또한 본 발명에서는, 상기 반강자성층 (92, 108) 의 막두께를 110 옹스트롬으로 형성하면 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 제 1 프리자성층 (101) 의 막두께를 tF1으로 하고, 제 2 프리자성층 (97) 의 막두께를 tF2로 할 경우, (제 1 프리자성층 (101) 의 막두께 (tF1)) / (제 2 프리자성층 (97) 의 막두께 (tF2)) 는 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한 상기 (제 1 프리자성층의 막두께 / 제 2 프리자성층의 막두께) 는 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 바람직하고, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한, 제 1 프리자성층 (101) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (97) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 에 어느 정도 차이가 없으면 자화상태는 페리상태로는 되기 어렵고, 또한 제 1 프리자성층 (101) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1) 와 제 2 프리자성층 (97) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2) 의 차이가 너무 커도 교환결합자계의 저하로 연결되어 바람직하지 못하다. 그래서 본 발명에서는 제 1 프리자성층 (101) 의 막두께 (tF1) 와 제 2 프리자성층 (97) 의 막두께 (tF2) 의 막두께 비와 동일하도록, (제 1 프리자성층 (101) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층 (97) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 는 0.56 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 5 의 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 (제 1 프리자성층 (101) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF1)) / (제 2 프리자성층 (97) 의 자기적 막두께 (MsㆍtF2)) 가 0.61 ~ 0.83, 또는 1.25 ~ 2.1 의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 프리자성층 (97) 간에 개재된 비자성 중간층 (100) 은 그 두께가 5.5 ~ 10.0 옹스트롬의 범위내에서 형성되어 있는 것이 바람직하고, 이 범위내이면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다. 또한, 상기 비자성 중간층 (100) 의 막두께는 5.9 ~ 9.4 옹스트롬의 범위내인 것이 보다 바람직하고, 이 범위내이면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 과 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 막두께 비, 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 과 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105), 비자성 중간층 (하; 94, 상; 106) 및 반강자성층 (92, 108) 의 막두께, 또한 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 프리자성층 (97) 의 막두께 비, 및 비자성 중간층 (100) 의 막두께를 상기 범위내에서 적정하게 조절하면 종래와 동일한 정도의 △MR 을 얻는 것이 가능하다.
그런데, 도 11, 12 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 프리자성층의 상하에 형성되어 있는 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 자화를 서로 반대방향으로 향하게 해놓을 필요가 있다. 이것은 프리자성층이 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 프리자성층 (97) 의 2 층으로 분리되어 형성되어 있고, 상기 제 1 프리자성층 (101) 의 자화와 제 2 프리자성층 (97) 의 자화가 반평행으로 되어 있기 때문이다.
예를 들어, 도 11, 12 에 나타낸 바와 같이, 제 1 프리자성층 (101) 의 자화가 도시된 X 방향과 반대방향으로 자화되어 있으면, 상기 제 1 프리자성층 (101) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의하여, 제 2 프리자성층 (97) 의 자화는 도시된 X 방향으로 자화된 상태로 된다. 상기 제 1 프리자성층 (101) 및 제 2 프리자성층 (97) 의 자화는 페리상태를 유지하면서, 외부자계의 영향을 받아 반전되도록 되어 있다.
도 11, 12 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 제 1 프리자성층 (101) 의 자화 및 제 2 프리자성층 (97) 의 자화는 모두 △MR 에 관여하는 층으로 되어 있고, 상기 제 1 프리자성층 (101) 및 제 2 프리자성층 (97) 의 변동자화와, 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 의 고정자화와의 관계로 전기저항이 변화된다. 싱글스핀밸브형 박막소자에 비하여 큰 △MR 을 기대할 수 있는 듀얼스핀밸브형 박막소자로서의 기능을 발휘시키기 위해서는 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 저항변화 및, 제 2 프리자성층 (97) 과 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 저항변화가 모두 동일한 변동을 보이도록, 상기 제 2 고정자성층 (하; 하; 상; 105) 의 자화방향을 제어할 필요성이 있다. 즉, 제 1 프리자성층 (101)과 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 저항변화가 최대로 될 때, 제 2 프리자성층 (97) 과 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 저항변화도 최대로 되도록 하고, 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 저항변화가 최소로 될 때, 제 2 프리자성층 (97) 과 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 저항변화도 최소로 되도록 하면 된다.
따라서 도 11, 12 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막소자에서는 제 1 프리자성층 (101) 과 제 2 프리자성층 (97) 의 자화가 반평행하게 자화되어 있기 때문에 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자화와 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 자화를 서로 반대방향으로 자화시킬 필요성이 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 이유로부터, 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 자화와 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자화를 반대방향으로 향해 고정시키고 있는데, 이와 같이 자화방향을 제어하기 위해서는 각 고정자성층의 Ms·t 와 열처리중에 부여하는 자장의 방향 및 크기를 적정하게 조절할 필요가 있다.
먼저 각 고정자성층의 Ms·t 에 대해서는 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 Ms·tp1를 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 Ms·tp2보다 크게 하고, 또한 프리자성층 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 Ms·tp2보다 작게하거나, 혹은 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 Ms·tp2보다 작게 하고, 또한 프리자성층보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 Ms·tp2보다 크게 할 필요가 있다.
본 발명에서는 반강자성층 (92,108) 으로서 PtMn 합금 등의, 자장중에 어니일 (열처리) 을 실시함으로써 제 1 고정자성층 (하; 93, 상; 107) 과의 계면에서 교환결합자계를 발생하는 반강자성재료를 사용하고 있기 때문에, 열처리중에 인가하는 자장의 방향과 그 크기를 적정하게 조절해야만 한다. 본 발명에서는 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 Ms·tp2보다 크게 하고, 또한 프리자성층 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 Ms·tp2보다 작게 할 경우에는 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 자화를 향하게 하고자 하는 방향으로 100 내지 1 k (Oe) 의 자계를 부여한다.
예컨대 도 11 에 나타낸 바와 같이 상기 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 자화를 도시된 Y 방향으로 향하게 하고자 하는 경우에는 도시된 Y 방향으로 100 내지 1 k (Oe) 의 자계를 부여한다. 여기에서 Ms·tp1이 큰 상기 제 1 고정자성층 (상; 107) 과 프리자성층 보다 아래쪽에 형성된 제 2 고정자성층 (하; 95) 이 모두 상기 인가 자장의 방향, 즉 도시된 Y 방향으로 향한다. 한편, 프리자성층 보다 위쪽에 형성된 Ms·tp2가 작은 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자화는 제 1 고정자성층 (상; 107) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 1 고정자성층 (상; 197) 의 자화방향과 반평행하게 자화된다. 마찬가지로 프리자성층 보다 아래쪽에 형성된 Ms·tp1이 작은 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 자화는 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 자화와 페리상태로 되고자 하여 도시된 Y 방향과 반대방향으로 자화된다. 열처리에 의해 반강자성층 (108) 과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 프리자성층 보다 위쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정되고, 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정된다. 마찬가지로, 교환결합자계 (교환이방성자계) 에 의해 프리자성층 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대방향으로 고정되고, 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 고정된다.
또한 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 Ms·tp2보다 작게 하고, 또한 프리자성층 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 Ms·tp1을 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 Ms·tp2보다 크게 할 경우에는 프리자성층 보다 아래쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 자화를 향하게 하고자 하는 방향으로 자계를 100 내지 1 k (Oe) 부여한다.
이상과 같은 방법으로 프리자성층의 상하에 형성된 제 2 고정자성층 (하; 95, 상; 105) 을 반대방향으로 자화시킴으로써 종래의 듀얼스핀밸브형 박막소자와같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는 페리상태의 제 1 프리자성층 (101) 의 자화와 제 2 프리자성층 (97) 의 자화를 외부자계에 대해 보다 감도 좋게 반전시킬 수 있도록 하기 위해 제 1 프리자성층 (101) 의 자기모멘트와 제 2 프리자성층 (97) 의 자기모멘트를 더하여 합친 합성자기모멘트가 상기 프리자성층 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (하; 93) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (하; 95) 의 자기모멘트를 더하여 합친 합성자기모멘트, 및 프리자성층 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 107) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자기모멘트를 더하여 합친 합성자기모멘트 보다 커지도록 하면 된다. 즉, 예컨대 도시된 X 방향 및 도시된 Y 방향의 자기모멘트를 정의 값, 도시된 X 방향과 반대방향 및 도시된 Y 방향과 반대방향의 자기모멘트를 부의 값으로 할 경우, 합성자기모멘트｜Ms·tF1＋Ms·tF2｜가, 제 1 고정자성층 (상; 107) 과 제 2 고정자성층 (상; 105) 의 자기모멘트로 형성되는 합성자기모멘트｜Ms·tP1＋Ms·tP2｜및 제 1 고정자성층 (하; 93) 및 제 2 고정자성층 (하; 95) 과의 합성자기모멘트｜Ms·tP1＋Ms·tP2｜보다 크게 되어 있는 것이 바람직하다.
이상, 도 7 에서 도 12 에 나타낸 스핀밸브형 박막에서는 고정자성층 뿐 아니라 프리자성층도 비자성중간층을 통해 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리되고, 이 2 층의 프리자성층 사이에 발생되는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 2 층의 프리자성층의 자화를 반평행상태 (페리상태) 로 함으로써, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 자화를 외부자계에 대해 감도 좋게 반전시킬 수 있도록 하고 있다.
또한 본 발명에서는 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 막두께비 및 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층 사이에 개재된 비자성중간층의 막두께, 혹은 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비 및 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께, 및 반강자성층의 막두께 등을 적정한 범위내로 형성함으로써, 교환결합자계를 크게 할 수 있고, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 고정자화로 하여, 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 자화상태를 변동자화로 하여, 열적으로도 안정된 페리상태로 유지할 수 있으며 종래와 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
본 발명에서는 또한 센스전류의 방향을 조절함으로써, 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화의 반평행상태 (페리상태) 를 보다 열적으로도 안정된 상태로 유지할 수 있게 되어 있다.
스핀밸브형 박막소자에서는 반강자성층, 고정자성층, 비자성도전층, 및 페리자성층으로 이루어지는 적층막의 양측에 도전층이 형성되어 있으며 이 도전층에서 센스전류가 흘러나간다. 상기 센스전류는 비저항이 작은 상기 비자성도전층과, 상기 비자성도전층과 고정자성층의 계면, 및 비자성도전층과 프리자성층의 계면으로 주로 흐른다. 본 발명에서는 상기 고정자성층은 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층으로 분리되어 있고, 상기 센스전류는 주로 제 2 고정자성층과 비자성도전층의 계면으로 흐르고 있다.
상기 센스전류를 흐르게 하면 오른나사의 법칙에 따라 센스전류자계가 형성된다. 본 발명에서는 상기 센스전류자계를 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트를 더하여 합쳐 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향과 같은 방향으로 되도록 상기 센스전류 흐르는 방향을 조절하고 있다.
도 1 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자에서는 비자성도전층 (15) 의 아래쪽에 제 2 고정자성층 (54) 이 형성되어 있다. 이 경우에는 제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 고정자성층 (54) 중, 자기모멘트가 큰 쪽의 고정자성층의 자화방향으로 센스전류자계의 방향을 맞춘다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 상기 제 2 고정자성층 (54) 의 자기모멘트는 제 1 고정자성층 (52) 의 자기모멘트에 비해 크며, 상기 제 2 고정자성층 (54) 의 자기모멘트는 도시된 Y 방향의 반대방향 (도시된 왼쪽방향) 으로 향하고 있다. 따라서 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (54) 의 자기모멘트를 더하여 합친 합성자기모멘트는 도시된 Y 방향과 반대방향 (도시된 왼쪽방향) 으로 향하고 있다.
상술한 바와 같이 비자성도전층 (15) 은 제 2 고정자성층 (54) 및 제 1 고정자성층 (52) 의 위쪽에 형성되어 있다. 따라서, 주로 상기 비자성도전층 (15) 을 중심으로 하여 흐르는 센스전류 (112) 에 의해 형성되는 센스전류자계는 상기 비자성도전층 (15) 보다 아래쪽에서 도시된 왼쪽방향으로 향하도록, 상기 센스전류 (112) 의 흐르는 방향을 제어하면 된다. 이와 같이 하면 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 의 합성자기모멘트의 방향과, 상기 센스전류자계의 방향이 일치한다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 상기 센스전류 (112) 는 도시된 X 방향으로 흐른다. 오른나사의 법칙에 의해, 센스전류를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계는 지면에 대해 오른쪽으로 회전하도록 형성된다. 따라서 비자성도전층 (15) 보다 아래쪽의 층에는 도시된 왼쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 의 센스전류자계가 인가됨으로써, 그 센스전류자계에 의해 합성자기모멘트를 보강하는 방향으로 작용하고, 제 1 고정자성층 (52) 과 제 2 고정자성층 (54) 사이에 작용하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 증폭되고, 상기 제 1 고정자성층 (52) 의 자화와 제 2 고정자성층 (54) 의 자화의 반평행상태를 보다 열적으로 안정시킬 수 있게 된다.
특히 센스전류를 1 mA 흐르게 하면 약 30 (Oe) 정도의 센스전류자계가 발생하고, 또한 소자온도가 약 15 ℃ 정도 상승한다는 것이 알려져 있다. 또한 기록매체의 회전수는 1000 rpm 정도까지 빨라지고, 이 회전수의 상승에 의해 장치내온도는 약 100 ℃ 까지 상승한다. 그러므로, 예컨대 센스전류를 10 mA 흐르게 한 경우, 스핀밸브형 박막소자의 소자온도는 약 250 ℃ 정도까지 상승하고, 또한 센스전류자계도 300 (Oe) 으로 커진다.
이와 같은 매우 높은 환경온도하에서 더욱이 큰 센스전류가 흐르는 경우에는, 제 1 고정자성층 (52) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (54) 자기모멘트를 더하여 합쳐 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향과 센스전류자계의 방향이 역방향이면, 제 1 고정자성층 (52) 의 자화와 제 2 고정자성층 (54) 의 자화의 반평행상태가 깨지기 쉽게 된다.
또한 높은 환경온도에서도 견딜 수 있도록 하기 위해서는 센스전류자계의 방향을 조절하는 것 외에 높은 블로킹온도를 갖는 반강자성재료를 반강자성층 (11) 으로 사용할 필요가 있으며, 따라서 본 발명에서는 블로킹온도가 약 400 ℃ 정도인 PtMn 합금을 사용하고 있다.
또한, 도 1 에 나타낸 제 1 고정자성층 (52) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (54) 의 자기모멘트에 의해 형성되는 합성자기모멘트가 도시된 오른쪽방향 (도시된 Y 방향) 으로 향하고 있는 경우에는 센스전류를 도시된 X 방향과 반대방향으로 흐르게 하고, 센스전류자계가 지면에 대해 왼쪽으로 회전하도록 형성하면 된다.
이어서 도 3 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 센스전류방향에 대해 설명한다.
도 3 에서는 비자성도전층 (24) 의 위쪽에 제 2 고정자성층 (25) 및 제 1 고정자성층 (27) 이 형성되어 있다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 제 1 고정자성층 (27) 의 자기모멘트 쪽이 제 2 고정자성층 (25) 의 자기모멘트 보다 크게 되어 있고, 또한 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자기모멘트의 방향은 도시된 Y 방향 (도시된 오른쪽방향) 을 향하고 있다. 따라서 상기 제 1 고정자성층 (27) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (25) 의 자기모멘트를 더하여 합친 합성자기모멘트는 도시된 오른쪽방향을 향하고 있다.
도 3 에 나타낸 바와 같이, 센스전류 (113) 는 도시된 X 방향으로 흐른다.오른나사의 법칙에 의해 센스전류 (113) 를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계는 지면에 대해 오른쪽으로 회전하도록 형성된다. 비자성도전층 (24) 보다 위쪽에 제 2 고정자성층 (25) 및 제 1 고정자성층 (27) 이 형성되어 있으므로, 상기 제 2 고정자성층 (25) 및 제 1 고정자성층 (27) 에는 도시된 오른쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 의 센스전류자계가 침입하게 되어 합성자기모멘트의 방향과 일치하고, 따라서 제 1 고정자성층 (27) 의 자화와 제 2 고정자성층 (25) 의 자화의 반평행상태는 깨지기 어렵게 되어 있다.
그리고, 상기 합성자기모멘트가 도시된 왼쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 을 향하고 있는 경우에는 센스전류 (113) 를 도시된 X 방향과 반대방향으로 흐르게 하고, 상기 센스전류 (113) 를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계를 지면에 대해 왼쪽으로 회전하도록 발생시켜, 제 1 고정자성층 (27) 과 제 2 고정자성층 (25) 의 합성자기모멘트의 방향과 상기 센스전류자계의 방향을 일치시킬 필요가 있다.
도 5 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층 (36) 의 상하에 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 과 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 이 형성된 듀얼스핀밸브형 박막소자이다.
이 듀얼스핀밸브형 박막소자에서는 프리자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성자기모멘트가 서로 반대방향을 향하도록 상기 제 1 고정자성층 (하; 32, 상; 43) 의 자기모멘트의 방향 및 그 크기와 제 2 고정자성층 (하; 34, 상; 41) 의 자기모멘트의 방향 및 그 크기를 제어할 필요가 있다.
도 5 에 나타낸 바와 같이 프리자성층 (36) 보다 아래쪽에 형성되어 있는 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 자기모멘트는 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 자기모멘트 보다 크고, 또한 상기 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 자기모멘트는 도시된 오른쪽방향 (도시된 Y 방향) 을 향하고 있다. 따라서 상기 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 자기모멘트를 더하여 합쳐 구할 수 있는 합성자기모멘트는 도시된 오른쪽방향 (도시된 Y 방향) 을 향하고 있다. 또한 프리자성층 (36) 보다 위쪽에 형성되어 있는 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 자기모멘트는 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 자기모멘트 보다 크고, 또한 상기 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 자기모멘트는 도시된 왼쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 을 향하고 있다. 따라서 상기 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 자기모멘트를 더하여 합쳐 구할 수 있는 합성자기모멘트는 도시된 왼쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 을 향하고 있다. 이와 같이 본 발명에서는 프리자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성자기모멘트가 서로 반대방향을 향하고 있다.
본 발명에서는 도 5 에 나타낸 바와 같이 센스전류 (114) 는 도시된 X 방향과 반대방향으로 흐른다. 상기 센스전류 (114) 를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계는 지면에 대해 왼쪽으로 회전하도록 형성된다.
상기 프리자성층 (36) 보다 아래쪽으로 형성된 합성자기모멘트는 도시된 오른쪽방향 (도시된 Y 방향) 으로, 프리자성층 (36) 보다 위쪽으로 형성된 합성자기모멘트는 도시된 왼쪽방향 (도시된 Y 방향과 반대방향) 을 향하고 있으므로, 상기2 개의 합성자기모멘트의 방향은 센스전류자계의 방향과 일치하고 있으며, 프리자성층 (36) 의 아래쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (하; 32) 의 자화와 제 2 고정자성층 (하; 34) 의 자화의 반평행상태, 및 프리자성층 (36) 의 위쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (상; 43) 의 자화와 제 2 고정자성층 (상; 41) 의 자화의 반평행상태를 열적으로도 안정된 상태로 유지할 수 있다.
그리고, 프리자성층 (36) 보다 아래쪽에 형성된 합성자기모멘트가 도시된 왼쪽방향을 향하고 있고, 프리자성층 (36) 보다 위쪽에 형성된 합성자기모멘트가 도시된 오른쪽을 향하고 있는 경우에는 센스전류 (114) 를 도시된 X 방향으로 흐르게 하여, 상기 센스전류를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 상기 합성자기모멘트의 방향을 일치시킬 필요가 있다.
또한 도 7 및 도 9 는 프리자성층이 비자성중간층을 통해 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리되어 형성된 스핀밸브형 박막소자의 실시예이며, 도 7 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자와 같이 비자성도전층 (55) 보다 아래쪽에 제 1 고정자성층 (52) 및 제 2 고정자성층 (54) 이 형성된 경우에는, 도 1 에 나타낸 바와 같이 스핀밸브형 박막소자의 경우와 동일하게 센스전류방향을 제어하면 된다.
또한 도 9 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자와 같이 비자성도전층 (76) 보다 위쪽에 제 1 고정자성층 (79) 과 제 2 고정자성층 (77) 이 형성되어 있는 경우에는, 도 3 에 나타낸 바와 같이 스핀밸브형 박막소자의 경우와 동일하게 센스전류방향을 제어하면 된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 센스전류를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트를 더하여 합침으로써 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향을 일치시킴으로써, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 작용하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 를 증폭시키고, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화의 반평행상태 (페리상태) 를 열적으로 안정된 상태로 유지할 수 있다.
특히 본 발명에서는 보다 열적안정성을 향상시키기 위해 반강자성층에 PtMn 합금 등과 같은 블로킹온도가 높은 반강자성재료를 사용하고 있으므로, 환경온도가 종래에 비해 대폭 상승하여도 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화의 반평행상태 (페리상태) 를 깨뜨리기 어렵게 할 수 있다.
또한 고기록밀도화에 대응하기 위해 센스전류량을 크게 하여 재생출력을 크게 하고자 하면 그에 따라 센스전류자계도 커지지만, 본 발명에서는 상기 센스전류자계가 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층 사이에 작용하는 교환결합자계를 증폭시키는 작용을 하고 있으므로, 센스전류자계의 증대에 따라 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태는 보다 안정된 것으로 된다.
그리고, 이 센스전류방향의 제어는 반강자성층에 어떤 반강자성재료를 사용하는 경우라도 적용할 수 있으며, 예컨대 반강자성층과 고정자성층 (제 1 고정자성층) 의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 위해 열처리가 필요한지의 여부를 묻지않는다.
또한 종래와 같이 고정자성층이 단층으로 형성되어 있는 싱글스핀밸브형 박막소자의 경우라도 상술한 센스전류를 흐르게 함으로써 형성되는 센스전류자계의방향과 고정자성층의 자화방향을 일치시킴으로써 상기 고정자성층의 자화를 열적으로 안정화시킬 수 있다.
실시예
본 발명에서는 먼저 고정자성층을 비자성중간층을 통해 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성한 스핀밸브형 박막소자를 사용하여, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 막두께비와, 교환결합자계 (Hex) 및 ΔMR (저항변화율) 의 관계에 대해 측정한다.
먼저 제 1 고정자성층 (반강자성층에 접하는 쪽의 고정자성층) 을 20 옹스트롬 또는 40 옹스트롬으로 고정하고, 제 2 고정자성층의 막두께를 변화시켜, 상기 제 2 고정자성층의 막두께와, 교환결합자계 및 ΔMR 의 관계에 대해 조사한다. 실험에 사용한 막구성은 다음과 같다.
Si 기판 / 알루미나 / Ta (30) / 반강자성층; PtMn (150) / 제 1 고정자성층; Co (20 또는 40) / 비자성중간층; Ru (7) / 제 2 고정자성층; Co (X) / 비자성도전층; Cu (25) / 프리자성층; Co (10) ＋ NiFe (40) / Ta (30)
그리고, 각 층에 있어서의 괄호안의 수치는 막두께를 나타내며 단위는 옹스트롬이다.
또한 본발명에서는 상기 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간 열처리한다. 그 실험결과를 도 14 및 도 15 에 나타낸다.
도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tP1) 를 20 옹스트롬으로 고정한 경우, 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tP2) 를 20 옹스트롬으로 하면 급격하게 교환결합자계 (Hex) 는 저하되고, 또한 상기 막두께 (tp2) 를 두껍게 함으로써 상기 교환결합자계는 서서히 저하되어 감을 알 수 있다. 또한 상기 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tp1) 를 40 옹스트롬으로 고정한 경우, 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tp2) 를 40 옹스트롬으로 하면 급격하게 교환결합자계는 저하되고, 또한 상기 막두께 (tp2) 를 40 옹스트롬 보다 크게 하면 서서히 교환결합자계는 저하되어 감을 알 수 있다. 또한 상기 막두께 (tp2) 를 40 옹스트롬 보다 작게 하면 약 26 옹스트롬까지는 교환결합자계는 커지지만 상기 막두께 (tp2) 를 26 옹스트롬 보다 작게 하면 교환결합자계는 작아지는 것을 알 수 있다.
그런데, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tp1) 와 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tp2) 가 거의 동일한 막두께로 형성되면 급격하게 교환결합자계가 저하되는 이유는, 상기 제 1 고정자성층 (P1) 의 자화와 제 2 고정자성층 (P2) 의 자화가 서로 반평행하게 자화되지 않는, 이른바 페리상태로 되기 어렵기 때문인 것으로 추측된다.
상술한 막구성에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 은 모두 Co 막으로 형성되어 있으므로 동일한 포화자화 (Ms) 를 갖고 있다. 또한 거의 동일한 막두께로 형성됨으로써 제 1 고정자성층 (P1) 의 자기모멘트 (Ms·tp1) 와 제 2 고정자성층 (P2) 의 자기모멘트 (Ms·tp2) 는 거의 동일한 값으로 설정되어 있다.
본 발명에서는 반강자성층에 PtMn 합금을 사용하고 있으므로 막형성후 자장중 어닐링을 실시함으로써 제 1 고정자성층 (P1) 과의 계면에서 교환결합자계를 발생시켜, 상기 제 1 고정자성층 (P1) 을 어떤 일정방향으로 고정시키고자 하고 있다.
그러나, 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 자기모멘트가 거의 동일한 값이면,자장을 인가하여 열처리를 실시하였을 때에 상기 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 이 모두 자장방향으로 향하려고 한다. 본래, 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 사이에는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 발생되어 상기 제 1 고정자성층 (P1) 의 자화와 제 2 고정자성층 (P2) 의 자화는 반평행상태 (페리상태) 로 자화되려고 하지만, 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 자화가 서로 자장방향으로 향하려고 하기 때문에 반평행상태로 자화되기 어렵고, 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 자화상태는 외부자계 등에 대해 매우 불안정한 상태로 되어 있다.
따라서, 제 1 고정자성층 (P1) 의 자기모멘트와 제 2 고정자성층 (P2) 의 자기모멘트의 차를 어느 정도 두는 것이 바람직하지만, 도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tp1) 와 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tp2) 의차가 너무 커져서 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 자기모멘트이 차가 너무 심하면 교환결합자계가 저하되고, 반평행상태가 깨지기 쉽다는 문제가 있다.
도 16, 17 은 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tp2) 를 30 옹스트롬으로 고정하고, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께를 변화시켰을 때의 상기 제 1 고정자성층의 막두께 (tp1) 와 교환결합자계 (Hex) 및 ΔMR 의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서 사용한 스핀밸브형 박막소자의 막구성은 다음과 같다.
Si 기판 / 알루미나 / Ta (30) / PtMn (150) / 제 1 고정자성층; Co (X) / 비자성중간층; Ru (7) / 제 2 고정자성층; Co (30) / 비자성도전층; Cu (25) / 프리자성층; Co (10) ＋ NiFe (40) / Ta (30)
그리고 각 층에 있어서의 괄호안의 수치는 막두께를 나타내며 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명에서는 상기 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간 열처리한다.
도 16 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tp1) 를 30 옹스트롬으로 한 경우, 즉 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께 (tp2) 와 동일한 막두께로 형성한 경우, 교화결합자계 (Hex) 는 급격하게 저하됨을 알 수 있다. 이는 상술한 이유에 의한 것이다.
또한 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 (tp1) 가 약 32 옹스트롬일 때에도 교환결합자계는 작아져 있음을 알 수 있다. 이는 열확산층의 발생에 의해 제 1 고정자성층의 자기적인 막두께가 실제의 막두께 (tp1) 보다 작아져서 제 2 고정자성층의 막두께 (tp2) (＝ 30 옹스트롬) 에 근접하기 때문이다.
상기 열확산층은 반강자성층과 제 1 고정자성층의 계면에 있어서, 금속원소가 확산함으로써 형성되는데, 상기 열확산층은 이 실험에서 사용한 막구성에 나타낸 바와 같이 프리자성층 보다 아래쪽에 반강자성층 및 고정자성층을 형성한 경우에 발생하기 쉬워진다.
도 18 은 듀얼스핀밸브형 박막소자를 제작하여, 상기 듀얼스핀밸브형 박막소자의 2 개의 제 2 고정자성층을 모두 20 옹스트롬으로 고정하고, 2 개의 제 1 고정자성층의 각각의 막두께를 변화시킨 경우에 있어서의 상기 제 1 고정자성층의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서 사용한 스핀밸브형 박막소자의 막구성은 다음과 같다.
Si 기판 / 알루미나 / Ta (30) / 반강자성층; PtMn (150) / 제 1 고정자성층 (P1 하); Co (X) / 비자성중간층; Ru (6) / 제 2 고정자성층 (P2 하); Co (20) / 비자성도전층; Cu (20) / 프리자성층; Co (10) ＋ NiFe (40) ＋ Co (10) / 비자성도전층; Cu (20) / 제 2 고정자성층 (P2 상); Co (20) / 비자성중간층; Ru (8) / 제 1 고정자성층 (P1 상); Co (X) / 반강자성층; PtMn (150) / 보호층; Ta (30)
그리고, 각 층에서의 괄호안의 수치는 막두께를 나타내며 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명에서는 상기 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간 열처리한다.
그리고, 실험에서는 프리자성층 보다 아래쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (P1 하) 을 25 옹스트롬으로 고정하고, 프리자성층 보다 위쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께를 변화시켜, 상기 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께와 교환결합자계 (Hex) 의 관계에 대해 조사한다.
또한 프리자성층 보다 위쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (P1 상) 을 25 옹스트롬으로 고정하고, 프리자성층 보다 아래쪽에 형성된 제 1 고정자성층 (P1 하) 의 막두께를 변화시켜, 상기 제 1 고정자성층 (P1 하) 의 막두께와 교환결합자계의 관계에 대해 조사한다.
도 18 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1 하) 을 25 옹스트롬으로 고정하고, 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께를 20 옹스트롬으로 근접시켜 가면 서서히 교환결합자계는 커지지만, 상기 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께가 약 18 내지 22 옹스트롬이 되면 제 2 고정자성층 (P1 상) 의 막두께와 거의 동일한 막두께로 되기 때문에 상술한 이유에 의해 급격하게 교환결합자계는 저하된다. 또한 상기 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께를 22 옹스트롬에서 30 옹스트롬까지 서서히 크게 해 나가면 서서히 교환결합자계는 저하되어 감을 알 수 있다.
또한 도 18 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1 상) 을 25 옹스트롬 (7) 으로 고정하고, 제 1 고정자성층 (P1 하) 의 막두께를 20 옹스트롬으로 근접시키면 서서히 교환결합자계는 커지지만, 상기 제 1 고정자성층 (P1 하) 의 막두께가 약 18 내지 22 옹스트롬이 되면 급격하게 교환결합자계는 저하된다. 또한 상기 제 1 고정자성층 (P1 하) 의 막두께를 22 옹스트롬 보다 크게 하면 상기 막두께가 약 26 옹스트롬까지 교환결합자계는 커지지만, 상기 막두께를 26 옹스트롬 이상으로 하면 교환결합자계는 저하됨을 알 수 있다.
여기에서, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께를 약 22 옹스트롬 정도로 한 경우의 제 1 고정자성층 (P1 상) 에 있어서의 교환결합자계와, 제 1 고정자성층 (P1 하) 에 있어서의 교환결합자계를 비교하면, 제 1 고정자성층 (P1 상) 의 막두께를 약 22 옹스트롬 정도로 하는 편이 제 1 고정자성층 (P1 하) 을 약 22 옹스트롬 정도로 한 경우에 비해 교환결합자계를 크게 할 수 있음을 알 수 있다. 이것은 상술한 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1 하) 과, 반강자성층의 계면에는 열확산층이 형성되기 쉬우므로, 상기 제 1 고정자성층의 자기적인 막두께는 실질적으로 작아지고, 제 2 고정자성층 (P2 하) 의 막두께와 거의 같은 정도로 되기 때문이다.
이상, 도 14, 도 16 및 도 18 에 나타낸 실험결과에 의해 본 발명에서는 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 조사하였다.
먼저 도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 을 20 옹스트롬으로 고정한 경우, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기 위해서는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.33 이상 0.91 이하, 혹은 1.1 이상으로 하여야만 하는 것을 알 수 있다. 또한 이 때의 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께는 10 내지 60 옹스트롬 (18 내지 22 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
이어서 도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 을 40 옹스트롬으로 고정한 경우, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기 위해서는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.57 이상 0.95 이하, 1.05 이상 4 이하로 하여야만 하는 것을 알 수 있다. 또한 이 때의 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께는 10 내지 60 옹스트롬 (38 내지 42 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
이어서 도 16 에 나타낸 바와 같이 제 2 고정자성층 (P2) 을 30 옹스트롬으로 고정한 경우, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기 위해서는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.33 이상 0.93 이하, 혹은 1.06 이상 2.33 이하로 하여야만 하는 것을 알 수 있다. 그리고 이 때의 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께는 10 내지 70 옹스트롬 (28 내지 32 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
또한 도 18 에 나타낸 바와 같이 듀얼스핀밸브형 박막소자의 경우에는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 의 범위 중, 0.9 이상 1.1 이하의 범위를 제외하면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
여기에서 500 (Oe) 이상의 교환결합을 얻을 수 있는 가장 넓은 막두께비의 범위를 고르면 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 는 0.33 내지 0.95, 혹은 1.05 내지 4 의 범위내가 된다.
단, 교환결합자계는 막두께비 뿐아니라 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께도 중요한 요소 중 하나이므로, 나아가 상술한 막두께비의 범위내에서 또한 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께 및 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께를 10 내지 70 옹스트롬의 범위내로 하고, 또한 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께에서 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께를 뺀 절대치를 2 옹스트롬 이상으로 하면 500 (Oe) 이상의 교활결합자계를 얻을 수 있게 된다.
이어서 본 발명에서는 1000 (Oe) 이상의 교활결합자계를 얻을 수 있는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 조사한다.
먼저 도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 을 20 옹스트롬으로 한 경우, (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.53 내지 0.91, 혹은 1.1 이상으로 하면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있게 된다. 또한 이 때의 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께는 10 내지 38 옹스트롬 (18 내지 22 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
또한 도 14 에 나타낸 바와 같이 제 1 고정자성층 (P1) 을 40 옹스트롬으로 한 경우, (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.88 내지 0.95, 혹은 1.05 내지 1.8 의 범위내로 하면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있게 된다. 그리고 이 때의 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께는 22 내지 45 옹스트롬 (38 내지 42 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
그리고, 도 16 에 나타낸 바와 같이 제 2 고정자성층 (P2) 을 30 옹스트롬으로 고정한 경우, (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.56 내지 0.93, 혹은 1.06 내지 1.6 의 범위로 하면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있게 된다. 또한 이 때의 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께는 10 내지 50 옹스트롬 (28 내지 32 옹스트롬은 제외) 의 범위내이다.
또한 도 18 에 나타낸 바와 같이 듀얼스핀밸브형 박막소자의 경우에는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.5 내지 0.9, 혹은 1.1 내지 1.5 정도의 범위내로 하면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있게 되어 있다.
따라서, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기 위해서는 (제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께) / (제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께) 를 0.53 내지 0.95, 혹은 1.05 내지 1.8 의 범위내로 하고, 나아가 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께와 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께를 10 내지 50 옹스트롬의 범위내로 하고, 또한 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께에서 제 2 고정자성층 (P2) 의 막두께를 뺀 절대치가 2 옹스트롬 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 도 15 및 도 17 에 나타낸 바와 같이 상술한 막두께비 및 막두께의 범위내라면 ΔMR 도 그다지 저하되지 않고, 약 6 % 이상의 ΔMR 을 얻을 수 있다. 이 ΔMR 의 값은 종래의 스핀밸브형 박막소자 (싱글스핀밸브형 박막소자에 한정한다) 의 △MR 과 동일한 정도이거나 약간 낮은 값이다.
또 도 15 에 나타낸 바와 같이, 제 1 고정자성층 (P1) 을 40 옹스트롬으로 한 경우, 제 2 고정자성층 (P1) 을 20 옹스트롬으로 한 경우에 비하여, 약간 △MR은 작아지는 것을 알 수 있다.
상기 제 1 고정자성층 (P1) 은, 실제로는 △MR 에 관여하지 않는 층으로, 상기 △MR 은, 제 2 고정자성층 (P2) 의 고정자화와, 프리자성층의 변동자화와의 관계로 결정된다. 그러나, 센스전류는, △MR 에 관여하지 않는 제 1 고정자성층 (P1) 에도 흐르기 때문에, 소위 샨트로스 (분류로스) 가 발생하고, 상기 샨트로스는 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께가 두꺼워질수록 커진다. 이상과 같은 이유로 부터, 제 1 고정자성층 (P1) 의 막두께가 두꺼워질수록 △MR 은 저하되기 쉬운 경향에 있다.
다음으로, 제 1 고정자성층 (P1) 과 제 2 고정자성층 (P2) 의 사이에 형성된 비자성중간층의 적정한 막두께에 대하여 측정하였다. 또한, 실험에는, 프리자성층보다도 하측에 반강자성층이 형성된 보톰형과, 프리자성층보다도 상측에 반강자성층이 형성된 톱형의 2 종류의 스핀밸브형 박막소자를 제작하여, 상기 비자성중간층의 막두께와 교환결합자계와의 관계에 대하여 조사하였다. 실험에 사용한 보톰형의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은, 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn (200) / 제 1 고정자성층; Co(20) / 비자성중간층; Ru (X) / 제 2 고정자성층; Co (25) / 비자성도전층; Co(10) / 프리자성층; Co(10)＋ NiFe(40) / Ta(30) 으로, 톱형의 스핀밸브형 박막소자의 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 프리자성층; NiFe(40) ＋ Co(10) / 비자성도전층; Cu (25) / 제 2 고정자성층; Co (25) / 비자성중간층; Ru(X) / 제 1 고정자성층; Co(20) / 반강자성층; PtMn(200) / Ta(30) 이다. 또한 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고 있고, 단위는 옹스트롬이다.
또 각 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다. 그 실험결과를 도 19 에 나타낸다.
도 19 에 나타낸 바와 같이, 톱형과 보톰형에서는, Ru 막 (비자성중간층) 의 막두께에 대한 교환결합자계의 거동이 크게 달라 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 500 (Oe) 이상의 교관결합자계를 얻을 수 있는 범위를 바람직하다고 하고 있으므로, 톱형의 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능한 Ru 막의 막두께는, 2.5 ∼ 6.4 옹스트롬, 또는 6.6 ∼ 10.7 옹스트롬의 범위내인 것을 알 수 있다. 더욱 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계가 얻어지는 범위내이고, 상기 Ru 막의 두께를, 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬의 범위내로 하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계가 얻어지는 것을 알 수 있다.
다음으로 보톰형의 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능한 Ru 막의 두께는, 3.6 ∼ 9.6 옹스트롬의 범위내인 것을 알 수 있다. 또한, 4.0 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내로 하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능해진다.
그러나, 톱형의 스핀밸브형 박막소자와, 보톰형의 스핀밸브형 박막소자에서, 비자성중간층의 적정한 막두께의 범위가 다른 것은, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 작용하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가, 기초막의 격자정수와의 관계나, 또는, 자성층의 전도전자의 에너지 밴드값의 변화에 매우 민감하게 반응하기 때문이라고 추측된다.
다음으로 본 발명에서는, 4 종류의 스핀밸브형 박막소자 (싱글 스핀밸브형 박막소자) 를 제작하여, 각 스핀밸브형 박막소자의 반강자성층 (PtMn 합금) 의 막두께와, 교환결합자계와의 관계에 대하여 측정하였다.
실시예 1, 2 는, 고정자성층이 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리된 스핀밸브형 박막소자, 비교예 1, 2 는 고정자성층이 단층으로 형성된 종래형의 스핀밸브형 박막소자이다.
먼저 실시예 1 의 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 반강자성층이 상측에 형성된 톱형으로, 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 프리자성층; NiFe(40)＋Co(10) / 비자성도전층; Cu(25) / 제 2 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(4) / 제 1 고정자성층; Co(20) / 반강자성층; PtMn(X) / Ta(30) 이고, 또 실시예 2 의 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 하측에 반강자성층이 형성된 보톰형으로, 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(X) / 제 1 고정자성층; Co(20) / 비자성중간층; Ru(8) / 제 2 고정자성층; Co(25) / 비자성도전층; Cu(25) / 프리자성층; Co(10)＋NiFe(40) / Ta(30) 이다.
또 비교예 1 의 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 반강자성층이 상측에 형성된 톱형으로, 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 프리자성층; NiFe(40)＋Co(10) / 비자성도전층; Cu(25) / 고정자성층; Co(40) / 반강자성층; PtMn(X) / Ta(30) 이고, 또 비교예 2 의 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 반강자성층이 하측에 형성된 보톰형으로, 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(X) / 고정자성층; Co(40) / 비자성도전층; Cu(25) / 프리자성층; Co(10)＋NiFe(40) / Ta(30)이다.
또한 각 스핀밸브형 박막소자의 막구성에 있어서 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명에 스핀밸브형 박막소자의 막형성후, 실시예 1 , 2 에 있어서는, 200(Oe) 의 자장, 비교예 1, 2 에 있어서는 2k(Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다. 그 실험결과를 도 20 에 나타냈다.
도 20 에 나타낸 바와 같이, 4 종류의 스핀밸브형 박막소자는 모두, PtMn 합금의 막두께를 두껍게 함으로써, 교환결합자계를 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
여기에서 본 발명은, 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있는 범위를 바람직한 범위로 하고 있는 것으로 보아, 비교예 1, 2 에서는, 모두 PtMn 합금의 막두께를 적어도 200 옹스트롬 이상으로 형성하지 않으면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 1, 2 에서는, PtMn 합금의 막두께를 90 옹스트롬 이상으로 하면 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는, PtMn 합금의 바람직한 막두께의 범위를 90 ∼ 200 옹스트롬의 범위내로 설정하고 있다.
또한 도 20 에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 2 의 PtMn 합금의 막두께를 100 옹스트롬 이상으로 하면, 적어도 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 보다 바람직한 PtMn 합금의 막두께를 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내에 설정하고 있다.
다음으로 본 발명에서는, 2 종류의 듀얼 스핀밸브형 박막소자를 제작하여, 각 스핀밸브형 박막소자에서의 반강자성층 (PtMn 합금) 의 막두께와, 교환결합자계와의 관계에 대하여 측정하였다.
실시예는, 고정자성층이 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리되어 형성된 본 발명의 듀얼 스핀밸브형 박막소자, 비교예는, 고정자성층이 단층으로 형성된 종래의 듀얼 스핀밸브형 박막소자이다.
먼저 실시예의 스핀밸브형 박막소자에서의 막구성은, 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(x) / 제 1 고정자성층; Co(20) / 비자성중간층; Ru(6) / 제 2 고정자성층; Co(25) / 비자성도전층; Cu(20) / 프리자성층; Co(10)＋NiFe(40)＋Co(10) / 비자성도전층; Cu(20) / 제 2 고정자성층; Co(20) / 비자성중간층; Ru(8) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 반강자성층; PtMn(X) / Ta(30) 으로, 비교예의 스핀밸브형 박막소자에서의 막구성은, 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(X) / 고정자성층; Co(30)/ 비자성도전층; Cu(20) / 프리자성층; Co(10)＋NiFe(40)＋Co(10) / 비자성도전층; Cu(20) / 고정자성층; Co(30) / 반강자성층; PtMn(X) / Ta(30) 이다.
또한 각 스핀밸브형 박막소자의 막구성에서의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또 각 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 실시예에서는, 200(Oe) 의 자장을, 비교예에서는 2k(Oe) 의 자장을 인가하면서 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다. 그 실험결과를 도 21 에 나타낸다.
도 21 에 나타낸 바와 같이, 비교예에서는 PtMn 합금의 막두께를 약 200 옹스트롬 이상에서 형성하지 않으면, 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 실시예에서는, PtMn 합금의 막두께를, 100 옹스트롬 이상에서 형성하면 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는, 바람직한 반강자성층의 막두께를 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내에 설정하고 있다. 또한 실시예에서는, PtMn 합금의 막두께를 110 옹스트롬 이상에서 형성하면, 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하기 때문에, 본 발명에서는, 보다 바람직한 반강자성층의 막두께를 110 ∼ 200 옹스트롬의 범위내에 설정하고 있다.
또 도 22 는, PtMn 합금의 막두께와, △MR 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 22 에 나타낸 바와 같이, 비교예에서는, PtMn 합금의 막두께를 200 옹스트롬 이상에서 형성하면, 약 10% 이상의 △MR 를 얻는 것이 가능해지고 있지만, 실시예에서는, PtMn 합금의 막두께를 100 옹스트롬정도로 얇게 하여도 종래와 대략 동일한 정도의 △MR 를 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.
그러나. 스핀밸브형 박막소자에서의 적층막 중, 가장 막두께가 두꺼운 것은 반강자성층이다. 이 때문에 본 발명에 의하면, 도 20 및 도 21 에 나타낸 바와 같이, 상기 반강자성층의 막두께를 얇게 하여도, 구체적으로는 종래의 스핀밸브형 박막소자의 반강자성층의 막두께의 절반이하로 형성하여도, 큰 교환결합자계를 얻는 것이 가능해지고 있다. 따라서 본 발명에서는, 스핀밸브형 박막소자 전체의 막두께를 얇게 할 수 있고, 도 13 에 나타낸 바와 같이, 상기 스핀밸브형 박막소자 (122) 의 상하에 형성되는 갭층 (121, 125) 의 막두께를 절연성을 확보할 수 있는 정도로 충분히 두껍게 하여도, 갭길이 (G1) 를 작게 할 수 있어 좁은 갭화를 실현할 수 있다.
다음으로, 프리자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층으 2 층으로 분리되어 형성된 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자를 제작하여, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 막두께비와, 교환결합자계와의 관계에 대하여 측정하였다. 먼저, 제 1 프리자성층 (비자성도전층에 접하여, △MR 에 직접 관여하는 측의 프리자성층) 의 막두께를 50 옹스트롬으로 고정하고, 제 2 프리자성층 (△MR 에 직접 관여하지 않는 측의 프리자성층) 의 막두께를 변화시켰다. 막구성은 아래부터.
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 제 2 프리자성층 (F2); NiFe (X) / 비자성중간층; Ru(8) / 제 1 프리자성층 (F1); NiFe (40) ＋ Co(10) / 비자성도전층;Cu(20) / Ru(8) / 반강자성층; PtMn (150) / Ta(30) 으로, 각 층에서의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 200(Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다.
도 23 에 나타난 바와 같이, 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께가 40 옹스트롬정도까지 커지면, 교환결합자계는 커지는 것을 알 수 있다. 또, 상기 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께가 60 옹스트롬 이상이 되면, 서서히 교환결합자계는 저하되어 가는 것을 알 수 있다.
상기 제 2 프리자성층 (F2)의 막두께가 40 ∼ 60 옹스트롬의 범위내이면, 교환결합자계는 급격하게 작아져 측정불가능하였다. 그 원인은 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께 (=50 옹스트롬) 와, 제 2 프리자성층의 막두께가 대략 동일한 값이 되기 때문에, 상기 제 1 프리자성층 (F1) 및 제 2 프리자성층 (F2) 의 자기모멘트가 대략 동일하게 되어, 인가자장에 대하여, 상기 제 1 프리자성층 (F1) 의 자화 및 제 2 프리자성층 (F2) 의 자화가 모두 인가자장방향으로 향하려고 한다. 자기모멘트의 값이 다르면, 제 1 프리자성층 (F1) 과 제 2 프리자성층 (F2) 과의 사이에는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 발생하고, 상기 제 1 프리자성층 (F1) 의 자화와 제 2 프리자성층 (F2) 의 자화가 반평행의 상태로 되려고 하지만, 상술한 바와 같이, 상기 제 1 프리자성층 (F1) 의 자화 및 제 2 프리자성층 (F2) 의 자화가 양쪽모두 동일한 방향으로 향하려고 하기 때문에, 상기 제 1 프리자성층 (F1) 과 제 2 프리자성층 (F2) 의 자화상태는 불안정화되어, 후술하는 바와 같이, 상기제 2 프리자성층 (F2) 의 변동자화와, 고정자성층 (제 1 고정자성층) 의 고정자화와의 상대각도를 제어할 수 없게 되어, △MR 은 급격하게 저하된다.
본 발명에서는 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있는 범위를 바람직한 범위로 설정하고 있으므로, 도 23 에 나타낸 바와 같이, (제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께) / (제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 를 0.56 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 5 의 범위내에서 형성하면, 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
또한 상기 (제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께 / 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 를, 0.61 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 2.1 의 범위내에서 형성하면 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있어 보다 바람직하다.
다음으로 본 발명에서는, 프리자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리하여 형성한 본 발명에서의 스핀밸브형 박막소자를 제작하여, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 막두께비와, △MR 와의 관계에 대하여 측정하였다. 먼저, 제 2 프리자성층 (△MR 에 직접 관여하지 않는 측의 프리자성층) 을 20 옹스트롬으로 고정하고, 제 1 프리자성층 (비자성도전층에 접하여, △MR 에 직접 관여하는 측의 프리자성층) 의 막두께를 변화시켰다. 막구성은, 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 제 2 프리자성층; NiFe (20) / 비자성중간층; Ru(8) / 제 1 프리자성층; NiFe (X) ＋ Co (10) / 비자성도전층; Cu(20) / 제 1 고정자성층; Co(25) / 비자성중간층; Ru(8) / 제 2 고정자성층; Co(20) / 반강자성층; PtMn (15) / Ta(30) 으로, 각 층에서의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명에서는, 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 200(Oe) 의 자장을 인가하여 260 ℃ 에서 4 시간의 열처리를 실시하고 있다. 또 상기 막구성을 보아 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 제 1 프리자성층은 2 층으로 형성되어 있고, NiFe 막의 막두께를 변화시키고 있다. 그 실험결과를 도 24 에 나타내는데, 도 24 에 나타낸 횡축은, NiFe 합금이 막두께와, Co 막의 막두께 (= 10 옹스트롬) 을 합한 제 1 프리자성층 총합의 막두께이다.
도 24 에 나타낸 바와 같이, 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께가, 20 옹스트롬에 가까우면, 제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께와 대략 동일한 정도로 되기 때문에, △MR 은 급격하게 저하되는 것을 알 수 있다. 또, 도 2 4 에 나타낸 바와 같이 , 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께가 약 30 옹스트롬 이상이 되면, △MR 은 상승하고, 종래의 스핀밸브형 박막소자 (싱글 스핀밸브형 박막소자) 와 동일한 정도의 △MR 을 얻는 것이 가능하다.
그러나, 도 23 으로부터 도출된 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능한 (제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께) / (제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 의 범위를, 도 24 상에 나타내 보면, 제 1 프리자성층 (F1) 의 막두께) / (제 2 프리자성층 (F2) 의 막두께) 를 1.25 ∼ 5 의 범위내로 하면, 높은 △MR 을 얻는 것이 가능해지고 있다.
다음으로 본 발명에서는, 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께를 변화시켜, 상기 비자성중간층의 막두께와 교환결합자계와의 관계에 대하여 측정하였다. 실험에 사용한 스핀밸브형 박막소자 (듀얼 스핀밸브형 박막소자) 의 막구성은 아래부터,
Si 기판 / 알루미나 / Ta(30) / 반강자성층; PtMn(150) / Ru(6) / 비자성도전층; Cu(20) / 제 1 프리자성층; Co(10)＋NiFe(50) / 비자성중간층; Ru(X) / 제 1 프리자성층; NiFe(30)＋Co(10) / 비자성도전층; Cu(20) / Ru(8) / 반강자성층; PtMn(150) / Ta(30) 으로, 각 층에서의 괄호내의 수치는 막두께를 나타내고, 단위는 옹스트롬이다.
또한 본 발명에서는 스핀밸브형 박막소자를 막형성후, 200 (Oe) 의 자장을 인가하면서, 260 ℃ 에서 4 시간 열처리를 실시하고 있다. 그 실험결과를 도 20 에 나타낸다.
도 20 에 나타낸 바와 같이, 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기위해서는, Ru막의 막두께를 5.5 ∼ 10.0 옹스트롬의 범위내에서 형성하면 되는 것을 알 수 있다. 또 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻기위해서는, Ru 막의 막두께를 5.9 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내에서 형성하면 되는 것을 알 수 있다.
이상 상술한 본 발명에 의하면, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성하고, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 하면,상기 고정자성층의 자화상태를 매우 안정된 상태로 유지하는 것이 가능하다.
특히 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 막두께비 및 막두께를 적절한 범위내에서 조절함으로써, 500(Oe) 이상의 교환결합자계, 더욱 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또 본 발명에서는 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 등으로 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 상측에 상기 비자성중간층이 형성되는 경우와, 하측에 비자성중간층이 형성되는 경우에서, 상기 비자성중간층의 막두께를 적절한 범위내에서 조절함으로써, 500(Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 반강자성층으로서, 블로킹온도가 높고, 또 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 크고, 또한 내식성이 우수한 반강자성재료로서, PtMn 합금을 사용하고 있다. 또는 X-Mn (단, X 는, Pd, Ir, Rh, Ru, Os 등의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어도 된다.
본 발명과 같이, 고정자성층을 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리한 경우에서는, 상기 반강자성층의 막두께를, 종래의 반강자성층의 절반정도의 막두께로 형성하여도, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 프리자성층이 고정자성층과 마찬가지로, 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층으로 분단되어 형성되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 발생하여, 상기 제 1 프리자성층의 자화와 제 2 프리자성층의 자화가 반평행상태로 자화되어, 외부자계에 대하여 적절하게 반전할 수 있게 된다.
또 본 발명에서는, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 막두께비를 적정한 범위내에서 형성하고, 또한 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을 Ru 막 등으로 형성하고, 상기 비자성중간층의 막두께를 적정한 범위내에서 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제 1 고정자성층과의 계면에서 열처리를 필요로 하는 반강자성층을 사용한 경우에, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트의 대소를 적정하게 조절하고, 또한, 상기 열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적정하게 조절함으로써, 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로 향하게 할 수 있고, 또한, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 적정하게 제어하는 것이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 센스전류를 흐르게함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트를 서로 합하여 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향을 일치시킴으로써, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 더욱 열적으로 안정시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 센스전류방향의 제어는, 반강자성층에 어떤 반강자성재료를 사용한 경우이더라도 적용할 수 있고, 예를 들면 반강자성층과 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 때문에, 열처리의 필요유무에는 상관없다.
또한, 종래와 같이, 고정자성층이 단층으로 형성되었던 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우이더라도, 상술한 센스전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 고정자성층의 자화방향을 일치시킴으로써, 상기 고정자성층의 자화를 열적으로 안정화시키는 것이 가능해진다.
또 본 발명에 의하면, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성하고, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 하면, 상기 고정자성층의 자화상태를 매우 안정된 상태로 유지하는 것이 가능하다.
특히 본 발명에서는, 센스전류를 흐르게함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트를 합하여 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향을 일치시킴으로써, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 자화상태를 더욱 열적으로 안정시키는 것이 가능하다.
또한 상기 센스전류방향의 제어는, 반강자성층에 어떠한 반강자성재료를 사용한 경우이더라도 적용할 수 있고, 예를 들면 반강자성층과 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 때문에,열처리의 필요유무에 상관없다.
또한, 종래와 같이, 고정자성층이 단층으로 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우이더라도, 상술한 센스전류를 흐르게함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 고정자성층의 자화방향을 일치시킴으로써, 상기 고정자성층의 자화를 열적으로 안정화시키는 것이 가능하다.
또 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 막두께비 및 막두께를 적절한 범위내에서 조절함으로써, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계, 더욱 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또, 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 등을 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 상측에 상기 비자성중간층이 형성되는 경우와, 하측에 비자성중간층이 형성되는 경우에서, 상기 비자성중간층의 막두께를 적절한 범위내에서 조절함으로써, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 반강자성층으로서, 블로킹온도가 높고, 또 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 크고, 또한, 내식성이 우수한 반강자성재료로서, PtMn 합금을 사용하고 있다. 또는 X-Mn (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성하여도 된다.
본 발명과 같이, 고정자성층을 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리한 경우에서는, 상기 반강자성층의 막두께를, 종래의 반강자성층의 절반정도의 막두께로 형성하여도, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 프리자성층이 고정자성층과 마찬가지로, 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층으로 분단되어 형성되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 사이에는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 발생하고, 상기 제 1 프리자성층의 자화와 제 2 프리자성층의 자화가 바평행상태로 자화되어, 외부자계에 대하여 적절하게 반전할 수 있게 된다.
또 본 발명에서는, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 막두께비를 적정한 범위내에서 형성하고, 또한, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을 Ru 막 등으로 형성하고, 상기 비자성중간층의 막두께를 적정한 범위내에서 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제 1 고정자성층과의 계면에서 열처리를 필요로 하는 반강자성층을 사용한 경우에, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트의 대소를 적정하게 조절하고, 또한 상기 열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 크기를 적정하게 조절함으로써, 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고싶은 방향으로 향하게 할 수 있고, 또한, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 적정하게 제어하는 것이 가능하다.
또 본 발명에 의하면, 고정자성층을 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리하여 형성하고, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 하면, 상기 고정자성층의 자화상태를 매우 안정된 상태로 유지하는 것이 가능하다.
특히 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과의 계면에서 열처리를 필요로 하는 반강자성층을 사용한 경우에, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트의 대소를적정하게 조절하고, 또한 상기,열처리중에 인가하는 자장의 방향 및 그 대소를 적정하게 조절함으로써, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 적정하게 제어할 수 있고, 또한, 제 1 고정자성층의 자화 및 제 2 고정자성층의 자화를 얻고싶은 방향으로 향하여 고정할 수 있다.
또 본 발명에서는, 제 1 고정자성층과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시킬 때에 열처리를 필요로 하는 반강자성재료로서, 블로킹온도가 높고, 또 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 발생하는 교환결합자계 (교환이방성자계) 가 크고, 또한 내식성이 우수한 PtMn 합금을 제시할 수 있다. 또는 X-Mn (단, X 는, Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다), Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성하여도 된다.
또한 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 막두께비 및 막두께를 적정한 범위내에서 조절함으로써, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계, 더욱 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이 가능하다.
또 본 발명에서는, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 등으로 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 상측에 상기 비자성중간층이 형성되는 경우와, 하측에 비자성중간층이 형성되는 경우에서, 상기 비자성중간층의 막두께를 적정한 범위내에서 조절함으로써, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
본 발명과 같이, 고정자성층을 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분리한 경우에서는, 상기 반강자성층의 막두께를, 종래의 반강자성층의 절반정도의 막두께로 형성하여도, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 프리자성층이 고정자성층과 마찬가지로, 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층으로 분단되어 형성되어 있는 것이 바람직하다. 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 이 발생하고, 상기 제 1 프리자성층의 자화와 제 2 프리자성층의 자화가 반평행상태로 자화되어, 외부자계에 대하여 적절하게 반전할 수 있게 된다.
또 본 발명에서는, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 막두께비를 적정한 범위내에서 형성하고, 또한 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층을 Ru 막 등으로 형성하여, 상기 비자성중간층의 막두께를 적정한 범위내에서 형성하면, 500 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻는 것이가능하고, 보다 바람직하게는 1000 (Oe) 이상의 교환결합자계를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 센스전류를 흐르게함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 제 1 고정자성층의 자기모멘트와 제 2 고정자성층의 자기모멘트를 서로 더하여 구할 수 있는 합성자기모멘트의 방향을 일치시킴으로써, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층과의 자화상태를 더욱 열적으로 안정시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 센스전류방향의 제어는, 반강자성층에 어떠한 반강자성재료를 사용한 경우이더라도 적용할 수 있고, 예를 들면 반강자성층과 고정자성층 (제 1 고정자성층) 과의 계면에서 교환결합자계 (교환이방성자계) 를 발생시키기 때문에, 열처리의 필요유무에는 상관없다.
또한, 종래와 같이, 고정자성층이 단층으로 형성되었던 싱글 스핀밸브형 박막소자의 경우이더라도, 상술한 센스전류를 흐르게함으로써 형성되는 센스전류자계의 방향과, 고정자성층의 자화방향을 일치시킴으로써, 상기 고정자성층의 자화를 열적으로 안정화시키는 것이 가능하다.

Claims (74)

  1. 반강자성층과, 상기 반강자성층과 접하여 형성되어 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정되는 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 사이에 두고 형성되어 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서,
    상기 고정자성층은, 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과, 상기 제 1 의 고정자성층과 비자성중간층을 사이에 두고 중첩되어 있는 제 2 의 고정자성층의 2 층으로 형성되고, 상기 제 1 의 고정자성층과 제 2 의 고정자성층은 상이한 막두께로 형성되어 있고,
    상기 반강자성층은, PtMn 금속으로 형성되고,
    상기 교환결합자계는, 1kOe 이상인 스핀밸브형 박막소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (제 1 고정자성층의 막두께) / (제 2 고정자성층의 막두께) 는 0.53 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  3. 청구항3는 삭제 되었습니다.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층의 막두께 및 제 2 고정자성층의 막두께는, 모두 10 ∼ 50 옹스트롬의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 막두께 - 제 2 고정자성층의 막두께│≥2 옹스트롬인 스핀밸브형 박막소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프리자성층은, 상기 비자성중간층을 사이에 두고 제 1 층의 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 형성되고, 상기 제 1 의 프리자성층과 제 2 의 프리자성층은, 상이한 막두께로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 반강자성층, 상기 제 1 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분단된 프리자성층 중, 상기 비자성도전층에 접하는 측에 형성된 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우 및 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분단된 프리자성층 중, 일측의 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우, (제 1 프리자성층의 막두께 / 제 2 프리자성층의 막두께) 는 0.56 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 5 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 (제 1 프리자성층의 막두께 / 제 2 프리자성층의 막두께) 는 0.61 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 2.1 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  8. 반강자성층과, 상기 반강자성층과 접하여 형성되어 상기 반강자성층과의 교환결합자계에 의해 자화방향이 고정되는 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 사이에 두고 형성되어 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서,
    상기 고정자성층은, 상기 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과, 상기 제 1 의 고정자성층과 비자성중간층을 사이에 두고 중첩되어 있는 제 2 고정자성층의 2 층으로 형성되고, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층은 상이한 자기적 막두께 (포화자화 (Ms) 와 막두께 (t) 의 곱) 으로 형성되고,
    상기 반강자성층은, PtMn 합금으로 형성되고,
    상기 교환결합자계는, 1kOe 이상인 스핀밸브형 박막소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 (제 1 고정자성층의 자기적 막두께) / (제 2 고정자성층의 자기적 막두께) 는 0.53 ∼ 0.95, 또는 1.05 ∼ 1.8 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  10. 청구항10는 삭제 되었습니다.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층의 자기적 막두께 및 제 2 고정자성층의 자기적 막두께는, 모두 10 ∼ 50 (옹스트롬) 의 범위내이고, 또한 │제 1 고정자성층의 자기적 막두께 - 제 2 고정자성층의 자기적 막두께│≥2 (옹스트롬·태슬라) 인 스핀밸브형 박막소자.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 프리자성층은, 상기 비자성중간층을 사이에 두고, 제 1 의 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 형성되고, 상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층은, 상이한 자기적 막두께(포화자화(Ms) 와 막두께(t) 의 곱) 으로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 반강자성층, 상기 제 1 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분단된 프리자성층 중, 상기 비자성도전층에 접하는 측에 형성된 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우 및 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 2 층으로 분단된 프리자성층 중, 일측의 프리자성층을 제 1 프리자성층으로 하고, 타측의 프리자성층을 제 2 프리자성층으로 한 경우, (제 1 프리자성층의 자기적 막두께 / 제 2 프리자성층의 자기적 막두께) 는 0.56 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 5 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 (제 1 프리자성층의 자기적 막두께 / 제 2 프리자성층의 자기적 막두께) 는 0.61 ∼ 0.83, 또는 1.25 ∼ 2.1 의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  15. 제 1 항에 있어서, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 개재하는 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  16. 청구항16는 삭제 되었습니다.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다 하측에 반상자성층을 갖고, 그 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 비자성도전층과 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 상기 비자성중간층의 막두께가 4.0 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 프리자성층보다도 상측에 반강자성층을 갖고, 상기 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 상기 비자성도전층에 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께는, 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  19. 청구항19는 삭제 되었습니다.
  20. 청구항20는 삭제 되었습니다.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 PtMn 대신에, 상기 반강자성층은, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 PtMn 대신에, 상기 반강자성층은 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 반강자성층, 상기 제 1 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  24. 청구항24는 삭제 되었습니다.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 110 ∼ 200 롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  26. 청구항26는 삭제 되었습니다.
  27. 제 5 항에 있어서, 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 비자성중간층의 막두께는 5.5 ∼ 10.0 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 비자성중간층의 막두께는 5.9 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  30. 제 1 항 기재의 스핀밸브형 박막소자의 상하의 갭층을 통하여 실드층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드.
  31. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 개재하는 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층보다도 하측에 반강자성층을 갖고, 상기 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 비자성도전층과 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께는, 4.0 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  33. 청구항33는 삭제 되었습니다.
  34. 제 31 항에 있어서, 프리자성층보다도 상측에 반강자성층을 갖고, 상기 반강자성층과 접하여 형성된 제 1 고정자성층과, 비자성도전층에 접하여 형성된 제 2 고정자성층과의 사이에 개재하는 비자성중간층의 막두께는, 2.8 ∼ 6.2 옹스트롬, 또는 6.8 ∼ 10.3 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  35. 청구항35는 삭제 되었습니다.
  36. 청구항36는 삭제 되었습니다.
  37. 제 8 항에 있어서, 상기 PtMn 에 대신하여, 상기 반강자성층은, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  38. 제 8 항에 있어서, 상기 PtMn 에 대신하여, 상기 반강자성층은 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  39. 제 8 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 상기 반강자성층, 상기 제 1 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 100 ∼ 200 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  40. 청구항40는 삭제 되었습니다.
  41. 제 8 항에 있어서, 상기 스핀밸브형 박막소자는, 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 적층된 제 2 고정자성층 / 비자성중간층 / 제 1 고정자성층의 3 층과, 일측의 제 1 고정자성층의 위 및 타측의 제 1 고정자성층의 아래에 적층된 반강자성층을 갖는 듀얼 스핀밸브형 박막소자로, 상기 반강자성층의 막두께는, 110 ∼ 200 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  42. 청구항42는 삭제 되었습니다.
  43. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 프리자성층과 상기 제 2 프리자성층과의 사이에 개재하는 상기 비자성중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 비자성중간층의 막두께는 5.5 ∼ 10.0 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  45. 제 43 항에 있어서, 상기 비자성중간층의 막두께는 5.9 ∼ 9.4 옹스트롬의 범위내인 스핀밸브형 박막소자.
  46. 제 8 항 기재의 스핀밸브형 박막소자의 상하에 갭층을 사이에 두고 실드층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드.
  47. 반강자성층과, 상기 반장자성층과 접하여 형성되어 자장중 열처리에 의해 상기 반강자성층과의 계면에 발생하는 교환결합자계에 의해 일정 방향으로 자화가 고정되는 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성도전층을 사이에 두고 형성되어 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리자성층을 갖고, 상기 반강자성층, 상기 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층이 1 층씩 형성된 싱글 스핀밸브형 박막소자의 제조방법에 있어서,
    상기 고정자성층을, 비자성중간층을 통하여 상기 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과, 상기 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층의 2 층으로 분단하여 형성할 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께(t)) 와, 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께(t)) 를 다른 크기로 형성하는 공정과,
    싱글 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 자장중 열처리를 할 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자기모멘트가, 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 큰 경우, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로, 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 5 kOe 이상의 자장을 인가하고, 또는 제 1 고정자성층의 자기모멘트가 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작은 경우, 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향과 역방향으로 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로 5 kOe 이상의 자화를 인가하는 공정을 갖는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 싱글 스핀밸브형 박막소자를, 아래로부터 상기 반강자성층, 상기 제 1 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성도전층 및 상기 프리자성층의 순서로 적층하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  49. 제 47 항에 있어서, 상기 싱글 스핀밸브형 박막소자를, 아래로부터 상기 프리자성층, 상기 비자성도전층, 상기 제 2 고정자성층, 상기 비자성중간층, 상기제 1 고정자성층 및 상기 반강자성층의 순서로 적층하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  50. 제 47 항에 있어서, 상기 프리자성층을, 상기 비자성중간층을 통하여 2 층으로 분단하여 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  51. 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 형성되어 자화가 어느 일정 방향으로 고정된 고정자성층과, 일측의 고정자성층의 위 및 타측의 고정자성층의 아래에 형성된 반강자성층으로 이루어지는 듀얼 스핀밸브형 박막소자박막소자의 제조방법에 있어서,
    상기 프리자성층의 상하에 형성된 상기 고정자성층을, 비자성중간층을 통하여 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과, 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층의 2 층으로 분단하여 형성할 때에, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 보다도 커지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 보다도 작아지도록 형성하고, 또는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 프리자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하는 공정과,
    듀얼 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 자장중 열처리를 실시함으로써, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층과 반강자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시킬 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로, 5 kOe 이상의 자장을 인가하여, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 모두 동일한 방향으로 고정하는 공정을 갖는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  52. 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 형성되어 자화가 어느 일정 방향으로 고정된 고정자성층과, 일측의 고정자성층의 위 및 타측의 고정자성층의 아래에 형성된 반강자성층으로 이루어지는 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 제조방법에 있어서,
    상기 프리자성층의 상하에 형성된 상기 고정자성층을, 비자성중간층을 통하여 반강자성층에 접하는 제 1 고정자성층과, 비자성도전층에 접하는 제 2 고정자성층의 2 층으로 분단하여 형성할 때에, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 보다도 커지도록 형성하고, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고싶은 방향으로 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 5 kOe 이상의 자장을 인가하거나 또는 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향과 역방향으로 100 ∼ 1000 (Oe), 또는 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로 5 kOe 이상의 자장을 인가하여, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 자화를 모두 동일한 방향으로 고정하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  53. 프리자성층을 중심으로 하여 그 상하에 적층된 비자성도전층과, 일측의 상기 비자성도전층의 위 및 타측의 비자성도전층의 아래에 형성되어 자화가 어느 일정 방향으로 고정된 고정자성층과, 일측의 고정자성층의 위 및 타측의 고정자성층의 아래에 형성된 반강자성층으로 이루어지는 듀얼 스핀밸브형 박막소자의 제조방법에 있어서,
    상기 프리자성층을, 비자성중간층을 통하여 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분단하여 형성하고, 상기 제 1 고정자성층의 자화와 제 2 고정자성층의 자화를 반평행상태로 정렬하는 공정과,
    상기 고정자성층을, 비자성중간층을 통하여 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 2 층으로 분단하여 형성할 때에, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 보다도 커지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트 (포화자화 (Ms)·막두께 (t)) 보다도 작아지도록 형성하고, 또는, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 상측에 형성된 제 2 프리자성층의 자기모멘트보다도 작아지도록 형성하고, 또한, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 1 고정자성층의 자기모멘트를, 프리자성층보다도 하측에 형성된 제 2 고정자성층의 자기모멘트보다도 커지도록 형성하는 공정과,
    듀얼 스핀밸브형 박막소자를 막형성한 후, 자장중 열처리를 실시함으로써, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층과 반강자성층과의 계면에서 교환결합자계를 발생시킬 때에, 상기 제 1 고정자성층의 자화를 향하게하고 싶은 방향으로, 100 ∼ 1000 (Oe) 의 자장을 인가하여, 프리자성층의 상하에 형성된 제 1 고정자성층의 자화를 서로 반대방향으로 고정하는 공정을 갖는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  54. 제 47 항에 있어서, 상기 반강자성층을 PtMn 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  55. 제 47 항에 있어서, 상기 반강자성층을, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  56. 제 47 항에 있어서, 상기 반강자성층을 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  57. 제 47 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층과 상기 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  58. 하부 실드층의 위에 갭층을 통하여 제 47 항에 기재된 스핀밸브형 박막소자를 형성하고, 또한 상기 스핀밸브형 박막소자의 위에 갭층을 통하여 상부 실드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드의 제조방법.
  59. 제 50 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층과 상기 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층, 및 상기 제 1 프리자성층과 상기 제 2 프리자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  60. 제 51 항에 있어서, 상기 반강자성층을 PtMn 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  61. 제 51 항에 있어서, 상기 반강자성층을, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  62. 제 51 항에 있어서, 상기 반강자성층을 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  63. 제 51 항에 있어서, 제 1 고정자성층과 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  64. 하부 실드층의 위에 갭층을 통하여 제 51 항에 기재된 스핀밸브형 박막소자를 형성하고, 또한 상기 스핀밸브형 박막소자의 위에 갭층을 통하여 상부 실드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드의 제조방법.
  65. 제 52 항에 있어서, 상기 반강자성층을 PtMn 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  66. 제 52 항에 있어서, 상기 반강자성층을, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  67. 제 52 항에 있어서, 상기 반강자성층을 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  68. 제 52 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층과 상기 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층을, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  69. 하부 실드층의 위에 갭층을 통하여 제 52 항 기재의 스핀밸브형 박막소자를형성하고, 또한 상기 스핀밸브형 박막소자의 위에 갭층을 통하여 상부 실드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드의 제조방법.
  70. 제 53 항에 있어서, 상기 반강자성층을 PtMn 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  71. 제 53 항에 있어서, 상기 반강자성층을, X-Mn (단, X 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  72. 제 53 항에 있어서, 상기 반강자성층을 Pt-Mn-X' (단, X' 는 Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Au, Ag 의 어느 하나의 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다) 으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  73. 제 53 항에 있어서, 상기 제 1 고정자성층과 상기 제 2 고정자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층, 및 상기 제 1 프리자성층과 상기 제 2 프리자성층의 사이에 형성되는 상기 비자성중간층을 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성하는 스핀밸브형 박막소자의 제조방법.
  74. 하부 실드층의 위에 갭층을 통하여 제 53 항 기재의 스핀밸브형 박막소자를형성하고, 또한 상기 스핀밸브형 박막소자의 위에 갭층을 통하여 상부 실드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드의 제조방법.
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