KR100360036B1 - 스핀 밸브형 자기 저항 효과 박막 소자와 그 제조 방법 및그 소자를 구비하는 박막 자기 헤드 - Google Patents

스핀 밸브형 자기 저항 효과 박막 소자와 그 제조 방법 및그 소자를 구비하는 박막 자기 헤드 Download PDF

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Abstract

반강자성층 (122) 과, 고정 자성층 (123) 과, 비자성 도전층 (124) 과, 프리 자성층 (125) 을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층 (129) 과 상부 갭층 (127) 사이에 형성되는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 로서, 기판 측으로부터 프리 자성층 (125), 비자성 도전층 (124), 고정 자성층 (123), 반강자성층 (122) 의 순으로 적층되고, 상기 상부 갭층 (127) 과 상기 반강자성층 (122) 이 접하여 형성된 것이다.

Description

스핀 밸브형 자기 저항 효과 박막 소자와 그 제조 방법 및 그 소자를 구비하는 박막 자기 헤드{SPIN VALVE TYPE MAGNETORESISTIVE EFFECT THIN FILM ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND THIN FILM MAGNETIC HEAD COMPRISING THE ELEMENT}
본 발명은 고정 자성층의 고정 자화 방향과 외부 자계의 영향을 받는 프리 자성층의 자화 방향의 관계로 전기 저항이 변화하는 스핀 밸브형 박막 소자 및 이것을 구비한 박막 자기 헤드에 관한 것으로서, 특히 두께를 얇게 한 것 및 어닐링링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증대된 것이다. 그럼으로써, 내구성, 내열성이 뛰어나며, 교환 결합 자계가 크고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자 및 그 제조 방법과 그 스핀 밸브형 박막 소자를 구비한 박막 자기 헤드에 관한 것이다.
도 16 은 종래의 박막 자기 헤드의 1예를 나타내는 사시도이다.
이 박막 자기 헤드는 하드디스크 장치 등의 자기 기록 매체에 탑재되는 부상식의 것이다. 이 박막 자기 헤드의 슬라이더 (251) 는, 도 16 에 있어서 부호 235 로 나타내는 측이 디스크 면의 이동방향의 상류 측을 향하는 리딩측이고, 부호 236 으로 나타내는 측이 트레일링 측이다. 이 슬라이더 (251) 의 디스크에 대향하는 면에는 레일 형상의 ABS 면 (에어 베어링면 : 레일부의 부상면) (251a, 251a, 및 251b) 과 에어 그루브 (251c 및 251c) 가 형성되어 있다.
그리고, 이 슬라이더 (251) 의 트레일링 측 단면 (251d) 에는 자기 코어부 (250) 가 설치되어 있다.
이 예에서 나타내는 박막 자기 헤드의 자기 코어부 (250) 는, 도 17 및 도 18 에 나타내는 구조의 복합형 자기헤드로서, 슬라이더 (251) 의 트레일링 측 단면 (251b) 상에 MR 헤드 (판독헤드) (h1) 와 인덕티브 헤드 (기입헤드) (h2) 가 순서대로 적층되어 구성되어 있다.
이 예의 MR 헤드 (h1) 는 기판을 겸하는 슬라이더 (251) 의 트레일링 측 단부에 형성된 자성합금으로 이루어지는 하부 실드층 (253) 상에 하부 갭층 (254) 이형성되어 있다. 그리고, 하부 갭층 (254) 상에는 자기 저항 효과 소자층 (245) 이 적층되어 있다. 이 자기 저항 효과소자층 (245) 상에는 상부 갭층 (256) 이 형성되며, 그 위에 상부 실드층 (257) 이 형성되어 있다. 이 상부 실드층 (257) 은 그 위에 설치되는 인덕티브 헤드 (h2) 의 하부 코어층과 겸용으로 되어 있다.
이 MR 헤드 (h1) 는 하드디스크의 디스크 등의 자기 기록 매체로부터의 미소한 누설 자계의 유무에 의해 자기 저항 효과소자층 (245) 의 저항을 변화시키고, 이 저항 변화를 판독함으로써 기록 매체의 기록 내용을 판독하는 것이다.
또한, 인덕티브 헤드 (h2) 는 하부 코어층 (257) 상에 갭층 (264) 이 형성되며, 그 위에 평면적으로 나선상이 되도록 패턴화된 코일층 (266) 이 형성되어 있다. 상기 코일층 (266) 은 제 1 절연 재료층 (267A) 및 제 2 절연 재료층 (267B) 에 둘러싸여 있다. 제 2 절연 재료층 (267B) 상에 형성된 상부 코어층 (268) 은, ABS 면 (251b) 에서 그 자극단부 (268a) 를 하부 코어층 (257) 에 자기 갭 (G) 의 두께를 두어 대향시키고, 도 17 및 도 18 에 나타내는 바와 같이 그 기단부 (26b) 를 하부 코어층 (257) 과 자기적으로 접속시켜 형성되어 있다.
또한, 상부 코어층 (268) 상에는 알루미나 등으로 이루어지는 보호층 (269) 이 형성되어 있다.
이와 같은 인덕티브 헤드 (h2) 에서는 코일층 (266) 에 기록 전류가 부여되고, 코일층 (266) 으로부터 코어층에 기록 전류가 부여된다. 그리고, 상기 인덕티브 헤드 (h2) 는 자기 갭 (G) 부분에서의 하부 코어층 (257) 과 상부 코어층(268) 의 선단부로부터의 누설 자계에 의해 하드디스크 등의 자기 기록 매체에 자기신호를 기록하는 것이다.
상기 MR 헤드 (h1) 에 형성되어 있는 자기 저항 효과 소자층 (245) 에는 거대 자기 저항 효과를 나타내는 GMR, 즉 거대 자기 저항 (Giant Magnetoresistive) 소자 등이 구비되어 있다. 이 GMR 소자는 자기 저항 효과를 나타내는 복수의 재료를 조합하여 형성된 다층 구조의 것이다. 거대 자기 저항 효과를 만들어내는 구조에는 여러 종류가 있다. 그 중에서 비교적 구조가 간단하고, 외부 자계에 대하여 저항 변화율이 높은 것으로서 스핀 밸브 방식이 있다. 스핀 밸브 방식에는 싱글 스핀 밸브 방식과 듀얼 스핀 밸브 방식이 있다.
도 44 는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자를 구비한 박막 자기 헤드의 1예의 주요부를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 44 에 있어서, 부호 MR10 은 스핀 밸브형 박막 소자를 나타낸다. 이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 는 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층, 프리 자성층이 1 층씩 형성된, 소위 톱형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자이다.
도 44 에 있어서, 부호 201 은 예컨대 Ta (탄탈) 등으로 형성된 바탕층 (도전성 금속층) 을 나타낸다. 이 바탕층 (201) 상에는 프리 자성층 (205) 이 형성되고, 상기 프리 자성층 (205) 상에는 Cu 등으로 형성된 비자성 도전층 (204) 이 형성되며, 그리고 상기 비자성 도전층 (204) 상에는 고정 자성층 (203) 이 형성되어 있다. 그리고, 고정 자성층 (203) 상에는 IrMn 이나 FeMn 으로 이루어지는 반강자성층 (202) 이 형성되고, 상기 반강자성층 (202) 상에는 Ta 등으로 이루어지는 보호층 (207) 이 형성되어 있다.
상기 반강자성층 (202) 과 상부 갭층 (256) 사이에 형성되어 있는 도전성을 갖는 보호층 (207) 은, 반강자성층 (202) 을 형성하고 나서 절연층인 상부 갭층 (256) 을 형성할 때까지의 동안에 반강자성층 (202) 이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화를 방지함과 동시에 알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 상부 갭층 (256) 중의 산소가 반강자성층 (202) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화를 방지하기 위한 것이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 에 있어서, 상기 고정 자성층 (203) 은 상기 반강자성층 (202) 에 접하여 형성됨으로써, 상기 고정 자성층 (203) 과 반강자성층 (202) 의 계면에서 교환 결합 자계가 발생하며, 상기 고정 자성층 (203) 의 자화는, 예컨대 도시된 Y 방향으로 고정된다.
상기 프리 자성층 (205) 의 양측에는, 예컨대 Co-Pt 합금으로 형성된 하드 바이어스층 (206 및 206) 이 형성되어 있다. 상기 하드 바이어스층 (206 및 206) 이 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 자화되어 있음으로써, 상기 프리 자성층 (205) 의 자화가 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬되어 있다. 그럼으로써, 상기 프리 자성층 (205) 의 변동 자화와 상기 고정 자성층 (203) 의 고정 자화가 교차하는 관계로 되어 있다. 그리고, 부호 208 은 Cu 등으로 형성된 도전층을 나타낸다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 에서는, 하드디스크 등의 기록 매체로부터의 누설 자계에 의해 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬된 상기 프리 자성층(205) 의 자화가 변동하면, 도시된 Y1 방향으로 고정된 고정 자성층 (203) 의 자화와의 관계에서 전기 저항이 변화하며, 이 전기 저항치의 변화에 의거하는 전압 변화에 의해 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 는, 하드디스크의 기록 밀도의 향상에 수반하여 상부 실드층 (257) 과 하부 실드층 (253) 사이의 두께인 재생 실드 간격 (T) 을 좁게 할 필요가 있다. 예컨대, 기록 밀도가 3 GBit/inch2인 경우에서는 0.18 ㎛ 인데, 10 GBit/inch2인 경우에서는 0.1 ㎛ 정도이다.
또한 이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 에 있어서는, 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 와 상부 실드층 (257) 및 하부 실드층 (253) 의 절연을 확보하는 것도 중요하다.
또한 종래의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 에서는, 반강자성층 (202) 이 FeMn, NiMn 등으로 형성되어 있기 때문에, 산화로 인한 특성 열화가 일어나기 쉬워서 보호층 (207) 을 형성하는 것이 불가결했었다.
일본 특개평 9-35212 호에는 반강자성층 (202) 으로서 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금을 사용한 발명이 기재되고, 상기 각 금속원자의 함유율을 선택함으로써 내식성이 뛰어난 박막 자기 헤드로 됨이 기재되어 있다.
그러나, 이 발명에서는 반강자성층 (202) 을 형성하는 합금이 불규칙 결정 구조이기 때문에, 내식성이 뛰어난 것으로 되는 Mn 원자의 함유율이 낮은 합금으로형성한 경우, 높은 교환 결합 자계를 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.
또한 높은 교환 결합 자계가 얻어지는 것으로 할 경우에는, Mn 원자의 함유율이 높은 내식성이 불충분한 재질을 사용하여야만 하기 때문에, 반강자성층 (202) 의 특성 열화를 방지하는 보호층 (도전성 금속층) (207) 을 형성하는 것이 불가결했다.
그리고, 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금은, 도 44 에 나타내는 톱형 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 의 반강자성층 (202) 에 사용할 수는 있으나, 소위 보텀형 스핀 밸브형 박막 소자의 반강자성층에 사용한 경우, 충분한 교환 결합 자계를 얻을 수 없다는 결점도 있었다. 따라서, 듀얼형 스핀 밸브형 박막 소자의 반강자성층에 사용하는 것도 곤란했다.
도 45 는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자의 다른 예를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 45 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR11) 는 도 44 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 에 있어서의 프리 자성층 (205), 비자성 도전층 (204), 고정 자성층 (203), 반강자성층 (202) 의 막 구성을 반대로 하여 형성한, 소위 보텀형 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR11) 에 있어서, 반강자성층 (202) 을 FeMn 에 의해 형성하는 경우, 반강자성층 (202) 과 바탕층 (201) 의 결정 구조와 결정 배향을 이용하여 γ구조 (fcc 구조) 로 하여야만 충분한 교환 결합 자계를 얻을 수 있다.
FeMn 은 실온에서 수백 ℃ 의 온도에서는 α구조 (bcc 구조) 인 편이 에너지적으로 안정되기 때문에, α구조 (bcc 구조) 가 지배적으로 되었다. 또한 가열되면, 자기 확산과 FeMn 층과 이것과 접하는 층의 층간 확산으로 인해 에너지적으로 안정된 α구조 (bcc 구조) 로 되기 쉽다.
따라서, 반강자성층 (202) 으로서 FeMn 을 사용할 경우, Cu 등의 fcc 구조를 갖는 바탕층 (201) 을 FeMn 으로 이루어지는 반강자성층 (202) 과 접하도록 형성하여 FeMn 을구조 (fcc 구조) 로 할 필요가 있다. 따라서, 바탕층 (201) 을 형성하는 것이 불가결했다.
또한, 이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로서는 션트 (shunt) 손실이 적은 것일수록 뛰어나다. 즉, 스핀 밸브형 박막 소자에 부여되는 전류 중 고정 자성층 (3) 과 비자성 도전층 (4) 의 계면 및 비자성 도전층 (4) 과 프리 자성층 (5) 의 계면으로 흐르는 전류의 비율이 많은 것일수록 바람직하다. 따라서, 다른 부분의 비저항이 큰 것이 바람직하다.
또한 스핀 밸브형 박막 소자로서는, 기록 매체로부터의 누설 자계가 부여된 때에 저항 효과율 (ΔMR) 이 커지면 커질수록 이것을 구비한 박막 자기 헤드의 특성은 양호해지기 때문에, 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자가 요구되고 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 종래부터 상기 반강자성층 (2) 으로서 FeMn 합금, NiO 합금, IrMn 합금 등의 반강자성 재료가 사용되고 있다.
그러나, 상기 FeMn 합금은 부식되기 쉽고, 수분을 함유하는 공기 중에 노출시켜 두면 급속하게 녹을 발생시킨다는 결점이 있다.
또한, FeMn 합금이나 NiO 합금은 블로킹 온도가 약 200 ℃ 이하로서 열적 안정성이 결여된 재료라는 결점이 있다. 특히 최근에는 기록 매체의 회전수 또는 도전층 (8) 에서 흐르는 센스 전류량의 증대 등에 의해 장치내의 소자 온도가 예컨대 200 ℃ 이상으로 고온이 된다. 따라서, 스핀 밸브형 박막 소자의 반강자성층 (2) 으로서 블로킹 온도가 낮은 반강자성 재료를 사용하면, 상기 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 계면에 발생하는 교환 결합 자계가 작아져서 고정 자성층 (3) 의 자화를 적정하게 도시된 Y 방향으로 고정할 수 없으므로 저항 변화율 (ΔMR) 의 저하를 초래한다.
이 블로킹 온도는 반강자성층 (2) 에 사용되는 반강자성 재료만으로 결정되기 때문에, 스핀 밸브형 박막 소자의 구조를 개량하였다 하더라도 상기 블로킹 온도 그 자체를 상승시킬 수는 없다.
예컨대, 일본 특개평 9-16920 호에는 고정 자성층의 구조를 개량하여 교환 결합 자계를 향상시킬 수 있는 발명에 대하여 기재되어 있다. 그러나, 이 발명에서는 반강자성층으로서 NiO 를 사용하고 있기 때문에, 블로킹 온도는 200 도 정도로서, 비록 실온 정도일 때의 교환 결합 자계를 크게 할 수 있었다 하더라도 장치내 온도가 200 도 가깝게 또는 그 이상의 온도가 되면, 기록 매체 주행 중에서의 스핀 밸브형 박막 소자의 교환 결합 자계가 작아지거나 또는 0 으로 되어 ΔMR 을 얻는 것은 전혀 불가능했었다.
또한, IrMn 합금은 충분한 교환 결합 자계를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 이와 같은 문제를 해결하여 내식성이 뛰어나며 또한 높은 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 재료로 반강자성층을 형성함으로써, 상기 반강자성층과 접하는 도전성 금속층인 보호층이나 바탕층을 형성하지 않는 것으로 한 두께가 얇은 스핀 밸브형 박막 소자를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
또한 이 스핀 밸브형 박막 소자를 구비하고, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않으며, 상기 스핀 밸브형 박막 소자와 상부 실드층 및 상기 스핀 밸브형 박막 소자와 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 박막 자기 헤드를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한 본 발명은, 반강자성층의 재질을 개량함으로써 교환 결합 자계를 크게 할 수 있으며, 블로킹 온도가 높아 내구성, 내열성이 뛰어나고, 비저항이 커서 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자를 제공하는 것을 과제로 하고 있다. 또한, 이 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
그리고, 이 스핀 밸브형 박막 소자를 구비한 박막 자기 헤드를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
도 1 은 본 발명에 있어서의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 2 는 본 발명에 있어서의 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 3 은 본 발명에 있어서의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 4 는 본 발명에 있어서의 제 4 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 5 는 도 4 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 6 은 본 발명에 있어서의 제 5 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 7 은 도 6 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 8 은 본 발명에 있어서의 제 6 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 9 는 도 8 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 10 은 본 발명에 있어서의 제 7 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 11 은 도 10 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 12 는 본 발명에 있어서의 제 8 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 13 은 도 12 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 14 는 본 발명에 있어서의 제 9 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 15 는 도 14 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 16 은 박막 자기 헤드의 1예를 나타내는 사시도.
도 17 은 도 16 에 나타낸 박막 자기 헤드의 자기 코어부를 나타낸 단면도.
도 18 은 도 17 에 나타낸 박막 자기 헤드를 나타낸 개략 사시도.
도 19 는 시험예 1 내지 시험예 6 의 교환 결합 자계와 바탕층의 두께의 관계를 나타낸 그래프.
도 20 은 시험예 7 내지 시험예 12 의 교환 결합 자계와 보호층의 두께의 관계를 나타낸 그래프.
도 21 은 시험예 13 및 시험예 14 의 교환 결합 자계와 보호층 및 바탕층의 두께의 관계를 나타낸 그래프.
도 22 는 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자의 R-H 곡선을 나타낸 그래프.
도 23 은 본 발명에 있어서의 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 24 는 본 발명에 있어서의 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 25 는 본 발명에 있어서의 제 12 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 26 은 본 발명에 있어서의 제 13 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 27 은 도 26 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 28 은 본 발명에 있어서의 제 14 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 29 는 도 28 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 30 은 본 발명에 있어서의 제 15 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 31 은 도 30 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 32 는 본 발명에 있어서의 제 16 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 33 은 도 32 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 34 는 본 발명에 있어서의 제 17 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 35 는 도 34 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 36 은 본 발명에 있어서의 제 18 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도.
도 37 은 도 36 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 38 은 시험예 16 의 교환 결합 자계와 반강자성층 중의 Mn 의 농도의 관계를 나타낸 그래프.
도 39 는 시험예 17 의 교환 결합 자계와 반강자성층 중의 Mn 의 농도의 관계를 나타낸 그래프.
도 40 은 어닐링링 온도와 교환 결합 자계의 관계를 나타낸 그래프.
도 41 은 어닐링링 온도와 저항치의 관계를 나타낸 그래프.
도 42 는 저항치와 PtMn 층 중의 Mn 의 농도의 관계를 나타낸 그래프.
도 43 은 비저항과 ΔMR (저항 변화율) 의 관계를 나타낸 그래프.
도 44 는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자를 구비한 박막 자기 헤드의 1예의 주요부를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
도 45 는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자의 다른 예를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
122 반강자성층 123 고정 자성층
123a CO 층 124 비자성 도전층
125 프리 자성층 125a CO 층
126 하드 바이어스층 127 상부 갭층
128 도전층
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되는 스핀 밸브형 박막 소자로서, 기판 측으로부터 프리 자성층, 비자성 도전층, 고정 자성층, 반강자성층의 순으로 적층되고, 상기 상부 갭층과 상기 반강자성층이 접하여 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 상부 갭층과 상기 반강자성층이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 보호층, 예컨대 도전성 금속층이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되는 스핀 밸브형 박막 소자로서, 기판 측으로부터 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층, 프리 자성층의 순으로 적층되고, 상기 하부 갭층과 상기 반강자성층이 접하여 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 하부 갭층과 상기 반강자성층이접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 바탕층, 예컨대 도전성 금속층이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되며, 상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 상기 비자성 도전층과 상기 고정 자성층과 상기 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로서, 상기 상부 갭층과 상부측 반강자성층, 상기 하부 갭층과 하부측 반강자성층 중 적어도 일측이 접하여 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 상부 갭층과 상기 반강자성층, 상기 하부 갭층과 상기 반강자성층 중 적어도 일측이 접하여 형성된 것으로서, 바탕층 예컨대 도전성 금속층 또는 보호층 예컨대 도전성 금속층 또는 양측이 형성되어 있지 않기 때문에, 바탕층 또는 보호층 또는 양측의 두께만큼 두께가 얇은 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 바탕층 또는 보호층 또는 양측의 두께만큼 두께가 얇은 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 상부 실드층과 하부 실드층 사이의 두께를 두껍게 하지 않고, 바탕층 또는 보호층 또는 양측의 두께만큼 상부 갭층이나 하부 갭층의 두께를 두껍게 할 수 있게 되어 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한, 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합을 2 세트 갖는 것으로 되어 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율 (ΔMR) 을 얻을 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응하는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기한 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로 하여도 된다.
적어도 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하므로 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되므로 외부 자계에 대하여 감도 좋게 반전할 수 있는 것으로 된다.
또한 상기한 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 fct 구조를 갖는 것임이 바람직하다.
상기 반강자성층이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, NiMn 이나 FeMn 등으로 이루어지는 종래의 반강자성층과 비교하여 내식성이 뛰어난 반강자성층을 갖는 것으로 되며, 반강자성층이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 또는 하부 갭층중의 산소가 반강자성층으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 할 수 있다.
또한 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으므로 저항 변화율을 향상시킬 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 fcc 구조를 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금 등을 사용한 종래의 반강자성층과 비교하여 보다 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며 또한 내식성이 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
그리고 또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 X 또는 X'-Pt 가 37내지 63 원자% 범위인 것이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 내식성이 뛰어난 것을 얻을 수 있으며, 저항 변화율을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고, 양호한 내식성을 얻을 수 있는 X 또는 X'-Pt 의 함유율을 갖는 것으로 하고 또한 fct 구조로 된 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한, 상기 과제는 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드에 의해 해결할 수 있다.
이와 같은 박막 자기 헤드로 함으로써, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않으므로 스핀 밸브형 박막 소자와 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 박막 자기 헤드로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로서, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 반강자성층이 내열성이 뛰어난 것으로 형성됨으로써, 제조 공정에 있어서 고온으로 인한 악영향을 받기 어려운 것을 얻을 수 있음과 동시에 장치내의 소자 온도가 고온으로 되는 박막 자기 헤드 등의 장치에 구비된 경우의 내구성이 양호하여 온도변화로 인한 교환 결합 자계의 변동이 적은 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 반강자성층의 블로킹 온도가 높은 것으로 되기 때문에, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 상기 고정 자성층의 외부 신호 자계에 대한 자화의 회전을 양호하게 핀 고정할 수 있다.
그리고 또한 반강자성층의 비저항이 크기 때문에, 션트 손실을 감소시킬 수 있으며, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 비저항 및 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층이 NiO 합금, FeMn 합금, IrMn 합금 등으로 형성된 어닐링링을 실시하지 않는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 뛰어난 것으로 할 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위인 것이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 높은 비저항과 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으므로 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 Mn 이 44 내지 52 원자% 범위인 것이 보다 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 200 μΩ㎝ 이상의 높은 비저항을 갖는 것으로 할 수 있고, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으므로 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것임이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 반강자성층의 비저항이 200 μΩ㎝ 이상인 것이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 있으므로 고출력화에 유리한 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 더욱 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 비저항이 어닐링링을 실시함으로써 20 % 이상 증가된 것임이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우에도 션트 손실을 감소시킬 수 있으므로 큰 출력 전압이 얻어지는 것으로 할 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 비자성 도전층과 고정 자성층과 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 것으로 하여도 된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합을 2 세트 갖는 것으로 되어 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율 (ΔMR) 을 얻을 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응하는 것으로 할 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로 하여도 된다.
적어도 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측의 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하므로 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되므로 외부 자계에 대해 감도 좋게 반전할 수 있는것으로 된다.
또한 상기 과제는, 기판 상에 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 형성한 후에 어닐링링을 실시하여 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법으로서, 상기 반강자성층을 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성하고, 상기 어닐링링에 의해 반강자성을 나타내게 함과 동시에 비저항을 증가시키는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법으로 해결할 수 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법에 의하면, 상기 스핀 밸브형 박막 소자를 용이하게 얻을 수 있다.
그리고 또한 상기 과제는 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드에 의해 해결할 수 있다.
이와 같은 박막 자기 헤드로 함으로써, 교환 결합 자계를 크게 할 수 있고, 내열성이 뛰어나고, 양호한 저항 변화율을 갖는 박막 자기 헤드로 할 수 있다.
발명의 실시형태
이하, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자의 실시형태에 대해 도면을 참조하여상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (129) 과 상부 갭층 (127) 사이에 형성되어 있다.
알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 하부 갭층 (129) 상에는 바탕층 예컨대 도전성 금속층 (121) 이 형성되며, 상기 바탕층 예컨대 도전성 금속층 (121) 상에는 프리 자성층 (125) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 프리 자성층 (125) 상에는 비자성 도전층 (124) 이 형성되며, 이 비자성 도전층 (124) 상에는 고정 자성층 (123) 이 형성되며, 그리고 상기 고정 자성층 (123) 상에는 반강자성층 (122) 이 형성되어 있다. 그리고, 이 반강자성층 (122) 은 그 위에 형성된 알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 상부 갭층 (127) 과 접하도록 되어 있다.
또한, 도 1 에 있어서 부호 126 및 126 은 하드 바이어스층을, 부호 128 및 128 은 도전층을 나타낸다.
도 1 에 나타내는 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자가 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 다른 점은, 상부 갭층 (127) 과 반강자성층 (122) 가 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 도전성 금속층 등의 보호층 (207) 이 형성되어 있지 않은 것인 점이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자에서는 하드디스크 등의 자기 기록 매체의 이동방향은 도시된 Z 방향이고, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향은 Y 방향이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서, 반강자성층 (122) 은 PtMn 등으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. PtMn 은 종래부터 반강자성층으로 사용되고 있는 NiMn 이나 FeMn 등에 비하여 내식성이 뛰어나다. 따라서, 반강자성층 (122) 을 형성하고 나서 상부 갭층 (256) 을 형성할 때까지의 동안에 반강자성층 (122) 이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (127) 중의 산소가 반강자성층 (122) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어렵다. 그리고, PtMn 은 NiMn 이나 FeMn 등과 비교하여 블로킹 온도가 380 ℃ 로 높아 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계도 크다.
상기 PtMn 으로서는 Pt 가 37 내지 63 원자% 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 47 내지 57 원자% 범위이다. 상기 Pt 의 범위를 37 원자% 미만으로 한 경우 또는 63 원자% 를 넘는 범위로 한 경우, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 상기 Pt 의 범위를 37 원자% 미만으로 한 경우, 부식하기 쉬운 Mn 원자의 함유율이 높아 충분한 내식성을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 상기 PtMn 은 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
상기 조성 범위의 PtMn 은 스퍼터링 등의 막 형성법 등에 의해 형성된 상태에서는 Pt 원자 및 Mn 원자의 배열순서가 불규칙한 면심 입방 격자인 fcc 구조로 되어 있다. 따라서, 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 경계면에서 교환 이방성 자계 (Hex) 는 거의 발생하지 않는다. 그러나, 막 형성된 PtMn 은 자계 중에서 어닐링링 처리함으로써 규칙화되어 CuAuI 타입의 면심 입방 격자인 fct 구조로 구조 변경됨으로써, 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 경계면에서 800 Oe 를 넘는 큰 교환 이방성 자계를 발생시킬 수 있는 것으로 된다.
이 구조 변형은 Pt 와 Mn 의 자기 확산과 PtMn 으로 이루어지는 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 층간 확산에 의해 일어난다. 상기 PtMn 은 어닐링링에 의해 Pt 원자와 Mn 원자가 약간 이동하여 에너지안정상태인 fct 구조로 구조 변형된다. 따라서, fct 구조로 된 PtMn 으로 이루어지는 반강자성층 (122) 은 이것과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 이방성 자계가 의존되기 어려운 것으로 된다.
또한, PtMn 으로 이루어지는 반강자성층 (122) 은 예컨대 100 내지 300 Å 정도의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 100 Å 미만의 두께로 한 경우, 반강자성층 (122) 의 표면이 산화된 경우에 반강자성층 (122) 의 특성 열화로 인한 악영향을 받을 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 300 Å 을 넘는 두께로 한 경우, 스핀 밸브형 박막 소자 (MRI) 의 두께가 두꺼워져서 기록 밀도의 향상이 곤란해지기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 고정 자성층 (123) 은 강자성체의 박막으로 이루어지며, 예컨대 Co, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비자성 도전층 (124) 은 Cu, Cr, Au, Ag 등으로 대표되는 비자성체로 이루어지며, 통상 20 내지 40 Å 정도의 두께로 형성되어 있다.
상기 프리 자성층 (125) 은 상기 고정 자성층 (123) 과 동일한 재질 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
이것은, 비자성 도전층 (124) 을 고정 자성층 (123) 과 프리 자성층 (125) 으로 끼우는 구조인 거대 자기 저항 효과 발생 기구에 있어서는, 고정 자성층 (123) 과 프리 자성층 (125) 을 동종의 재질로 구성하는 것이 이종의 재질로 구성하는 것보다 전도 전자의 스핀 의존 산란 이외의 인자가 생길 가능성이 낮아 보다 높은 자기 저항 효과를 얻을 수 있음에 기인하고 있다.
상기 하드 바이어스층 (126 및 126) 은, 예컨대 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 도전층 (128) 은, 예컨대 Cu 나 Cr 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 1 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서 상기 반강자성층 (122) 은, 고정 자성층 (123) 에 접하여 형성되며, 어닐링링을 실시함으로써 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 계면에서 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계가 발생하며, 예컨대 도 1 에 나타내는 바와 같이 고정 자성층 (123) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정된다.
또한, 상기 하드 바이어스층 (126 및 126) 이 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 자화되어 있음으로써, 상기 프리 자성층 (125) 의 자화가 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬되어 있다. 그럼으로써, 상기 프리 자성층 (125) 의 변동 자화와 상기 고정 자성층 (123) 의 고정 자화가 교차하는 관계로 되어 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자에서는 상기 도전층 (128) 에서 프리 자성층 (125), 비자성 도전층 (124), 고정 자성층 (123) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록 매체에서 도 1 에 나타내는 도시된 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (125) 의 자화는 도시된 X1 방향과 반대 방향에서 Y 방향으로 변동한다. 이 때의 비자성 도전층 (124) 과 프리 자성층 (125) 의 계면 및 비자성 도전층 (124) 과 고정 자성층 (123) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도 전자의 산란이 일어남으로써 전기 저항이 변화하여 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자를 제조하기 위해서는, 우선 밑에서부터 바탕층 예컨대 도전성 금속층 (121), 프리 자성층 (125), 비자성 도전층 (124), 고정 자성층 (123), 반강자성층 (122) 을 막 형성하고, 막 형성 후의 공정에 있어서 어닐링링을 실시하는 방법 등에 의해 실시된다.
여기서 어닐링링은 210 내지 290 ℃ 정도의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 온도를 210 ℃ 미만으로 한 경우, 반강자성층 (122) 을 형성하는 PtMn 의 규칙화에 지장을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 290 ℃ 를 넘는 온도로 한 경우, 반강자성층 (122) 이외의 층에 악영향을 미칠 우려가 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 는 상기 상부 갭층 (127) 과 상기 반강자성층 (122) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 톱형 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 와 같이 도전성 금속층 등의 보호층 (207) 이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 보호층 (207) 의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 상기 반강자성층 (122) 을 PtMn 으로 이루어지는 것으로 함으로써, NiMn 이나 FeMn 등으로 이루어지는 종래의 반강자성층보다 내식성이 뛰어난 반강자성층(122) 을 갖는 것으로 되며, 반강자성층 (122) 이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (127) 중의 산소가 반강자성층 (122) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 발생하기 어려운 것으로 된다.
그리고, 이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 는 양호한 교환 결합 자계를 갖고, 저항 변화율을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, PtMn 이 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것이기 때문에, 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 경계면에 보다 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으므로 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금 등을 사용한 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 뛰어난 것으로 된다.
그리고 또한 상기 반강자성층 (122) 이 PtMn 으로 이루어지며 Pt 가 37 내지 63 원자% 범위인 것이므로, 보다 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있음과 동시에 양호한 내식성을 갖는 것으로 된다.
그리고, PtMn 이 양호한 내식성을 얻을 수 있는 Pt 원자농도를 갖는 것이며 또한 fct 구조로 된 것이기 때문에, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 한층 더 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 는, 상기 상부 갭층 (127) 과 상기 반강자성층 (122) 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR10) 처럼 보호층 (207) 을 형성할 필요가 없으므로 상기 보호층 (207) 의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
그 결과, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고, 상기 보호층 (207) 의 두께만큼 상부 갭층 (127) 이나 하부 갭층 (129) 의 두께를 두껍게 할 수 있게 되며, 상부 실드층 및 하부 실드층과의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 로 된다.
그리고, 반강자성층 (122) 의 두께를 100 내지 300 Å 정도의 두께로 형성한 것이기 때문에, 상기 반강자성층 (122) 의 표면이 산화된 경우에 반강자성층 (122) 의 특성 열화로 인한 악영향을 받기 어려운 것으로 되며 또한 고밀도 기록화에 대응할 수 있는 것으로 된다.
또한, 반강자성층 (122) 이 내열성이 뛰어난 것으로 형성됨으로써, 제조 공정에 있어서 고온으로 인한 악영향을 받기 어려운 것을 얻을 수 있음과 동시에 장치내의 온도가 고온으로 되는 박막 자기 헤드 등의 장치에 구비된 경우의 내구성이 양호하여 온도 변화로 인한 교환 결합 자계의 변동이 적은 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 반강자성층 (122) 의 블로킹 온도가 높은 것으로 되기 때문에, 반강자성층 (122) 과 고정 자성층 (123) 의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 상기 고정 자성층 (123) 의 외부 신호 자계에 대한 자화의 회전을 양호하게 핀 고정할 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 로 된다.
본 발명의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 에 있어서는, 반강자성층 (122) 을 상술한 바와 같이 PtMn 으로 형성되어 있는 것으로 하였으나, 상기 PtMn 대신에 PdMn, RuMn, IrMn, RhMn 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru,Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것으로 하여도 된다.
PdMn, RuMn, IrMn, RhMn 또는 상기 X'-Pt-Mn 식으로 나타내는 합금에 있어서도, 양호한 교환 결합 자계를 얻기 위해서는 Pd, Ru, Ir, Rh 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 47 내지 57 원자% 범위이다.
또한 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 경우, 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻기 위해서는 X' 가 0.2 내지 10 원자% 범위인 것이 바람직하다.
상기 반강자성층 (122) 이 PdMn, RuMn, IrMn, RhMn 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것인 경우에도, 막 형성 후에 자계 중에서 어닐링링처리를 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되어 고정 자성층 (123) 과의 경계면에서 큰 교환 이방성 자계를 발생시킬 수 있는 것으로 되며 또한 내식성이 뛰어난 것으로 된다.
또한, 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 에 있어서는, 상술한 바와 같이 비자성 도전층 (124) 의 두께 방향 상하에 고정 자성층 (123) 과 프리 자성층 (125) 을 각각 단독 구조로 형성하였으나, 이들을 복수 구조로 하여도 된다.
거대 자기 저항 효과를 나타내는 메커니즘은 비자성 도전층 (124) 과 고정 자성층 (123) 과 프리 자성층 (125) 의 계면에서 생기는 전도 전자의 스핀 의존 산란에 의한 것이다. Cu 등으로 이루어지는 상기 비자성 도전층 (124) 에 대하여스핀 의존 산란이 큰 조합으로서 Co 층을 예시할 수 있다. 따라서, 고정 자성층 (123) 을 Co 이외의 재료로 형성한 경우, 고정 자성층 (123) 의 바자성 도전층 (124) 측 부분을 도 1 의 이점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 얇은 Co 층 (123a) 으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 프리 자성층 (125) 을 Co 이외의 재료로 형성한 경우에도, 고정 자성층 (123) 의 경우와 마찬가지로, 프리 자성층 (125) 의 비자성 도전층 (124) 측 부분을 도 1 의 이점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 얇은 Co 층 (125a) 으로 형성하는 것이 바람직하다.
[제 2 실시형태]
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 는, 도 1 에 나타낸 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 의 막 구성을 반대로 하여 형성한 보텀형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (9) 과 상부 갭층 (1) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (9) 상에는 반강자성층 (2) 이 하부 갭층 (9) 과 접하여 형성되며, 그리고 상기 반강자성층 (2) 상에는 고정 자성층 (3) 이 형성되어 있다. 이 고정 자성층 (3) 상에는 비자성 도전층 (4) 이 형성되며, 그리고 상기 비자성 도전층 (4) 상에는 프리 자성층 (5) 이 형성되어 있다.
또한 부호 6 및 6 은 하드 바이어스층을, 부호 7 은 Ta 등의 도전성 금속층으로 형성된 보호층을, 부호 8 및 8 은 도전층을 나타낸다.
본 발명의 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에서는 상부 갭층 (1), 하부 갭층 (9), 프리 자성층 (5), 비자성 도전층 (4), 고정 자성층 (3), 하드 바이어스층 (6), 보호층, 예컨대 도전성 금속층 (7), 도전층 (8) 의 구성재료는 상술한 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등하다.
또한, 반강자성층 (2) 의 구성재료도 상술한 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등하지만, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 바람직한 조성 범위가 약간 다르다.
즉, 반강자성층 (2) 을 형성하는 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금에 있어서, X 또는 X'-Pt 는 37 내지 63 원자% 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 44 내지 57 원자% 범위이다.
그리고, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 경우에는, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 는 상기 하부 갭층 (9) 과 상기 반강자성층 (2) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 도 24 에 나타내는 종래의 보텀형 스핀 밸브형 박막 소자 (MR11) 와 같이 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (201) 이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 바탕층 (201) 의 두께만큼 두께가 얇은것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 에 있어서도, 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (2) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 반강자성층 (2) 과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합 자계가 의존되기 어려워서, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 로 할 수 있다.
따라서, 상기 하부 갭층 (9) 과 상기 반강자성층 (2) 사이에 바탕층 (201) 을 형성할 필요가 없으므로 상기 바탕층 (201) 의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있으며, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 바탕층 (201) 의 두께만큼 상부 갭층 (1) 이나 하부 갭층 (9) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 로 된다.
[제 3 실시형태]
도 3 은 본 발명의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 는 프리 자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층, 반강자성층이 1 층씩 형성된, 소위 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에서는 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합이 2 세트 존재하기 때문에, 도 1 및 도 2 에 나타낸 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율을 기대할 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (149) 과 상부 갭층 (141) 의 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (149) 상에는 반강자성층 (142) 이 하부 갭층 (149) 과 접하여 형성되며, 그리고 상기 반강자성층 (142) 상에는 하측 고정 자성층 (143), 비자성 도전층 (144), 프리 자성층 (145), 비자성 도전층 (146), 상측 고정 자성층 (147), 반강자성층 (148) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 이 반강자성층 (148) 은 그 위에 형성된 상부 갭층 (141) 과 접하도록 되어 있다.
그리고, 도 3 에 나타내는 바와 같이 반강자성층 (142) 에서 반강자성층 (148) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (132 및 132) 과 도전층 (133 및 133) 이 형성되어 있다.
본 발명의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 에서는 하부 갭층 (149), 상부 갭층 (141), 프리 자성층 (145), 비자성 도전층 (144 및 146), 고정 자성층 (143 및 147), 하드 바이어스층 (132), 도전층 (133) 의 구성재료는 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등하다. 또한, 반강자성층 (142,148) 의 구성재료도 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 는 상기 하부 갭층 (149) 과 상기반강자성층 (142), 상기 상부 갭층 (141) 과 상기 반강자성층 (148) 이 접하여 형성된 것으로서, 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 바탕층이나 보호층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (142 및 148) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층 (142 및 148) 이 대기 산화됨으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (141) 또는 하부 갭층 (149) 중의 산소가 반강자성층 (142 및 148) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 됨과 동시에 반강자성층 (142 및 148) 과 접하는 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합 자계가 의존되기 어려운 것으로 된다.
그 결과, 상기 하부 갭층 (149) 과 상기 반강자성층 (142) 사이 또는 상기 상부 갭층 (141) 과 상기 반강자성층 (148) 사이에 바탕층이나 보호층을 형성할 필요가 없으므로 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있고, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 상부 갭층 (141) 이나 하부 갭층 (149) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 로 된다.
본 발명의 제 3 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR3) 에서는 상술한 바와 같이 하부 갭층 (149) 과 반강자성층 (142), 상부 갭층 (141) 과 반강자성층 (148) 이 접하여 형성된 것으로 하였으나, 어느 일측만이 접하여 형성된 것으로 하여도 된다.
[제 4 실시형태]
도 4 는 본 발명의 제 4 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 5 는 도 4 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 는 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층 및 프리 자성층이 1 층씩 형성된, 소위 보텀형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자의 일종이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (10) 과 상부 갭층 (134) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (10) 상에는 반강자성층 (11) 이 하부 갭층 (10) 과 접하여 형성되며, 그리고 상기 반강자성층 (11) 상에는 제 1 고정 자성층 (12) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 상에는 비자성 중간층 (13) 이 형성되며, 상기 비자성 중간층 (13) 상에는 제 2 고정 자성층 (14) 이 형성되어 있다.
상기 제 1 고정 자성층 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 은, 예컨대 Co 막, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 형성되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에 있어서는, 상술한 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (11) 은 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 조성에 대해서도 상술한 제 2 실시형태와 동등한 것이 바람직하다.
그리고 또한 상술한 제 2 실시형태와 마찬가지로, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
그런데, 도 4 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 에 나타나고 있는 화살표는 각각의 자기 모멘트의 크기 및 그 방향을 나타내며, 상기 자기 모멘트의 크기는 포화 자화 (Ms) 와 막 두께 (t) 를 곱한 값으로 선정된다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14)은 동일한 재료로 형성되며, 또한 제 2 고정 자성층 (14) 의 막 두께 (tP2) 가 제 1 고정 자성층 (12) 의 막 두께 (tP1) 보다 크게 형성되어 있기 때문에, 제 2 고정 자성층 (14) 이 제 1 고정 자성층 (12) 에 비하여 자기 모멘트가 커져 있다.
또한, 제 1 고정 자성층 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 이 다른 자기 모멘트를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 제 1 고정 자성층 (12) 의 막 두께 (tP1) 가 제 2 고정 자성층 (14) 의 막 두께 (tP2) 보다 두껍게 형성되어 있어도 된다.
제 1 고정 자성층 (12) 은, 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이 도시된 Y 방향, 즉 기록 매체에서 떨어진 방향, 소위 높이 방향으로 자화되어 있고, 비자성 중간층 (13) 을 통해 대향하는 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화는 상기 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화 방향과 반평행, 소위 페리 상태로 자화되어 있다.
제 1 고정 자성층 (12) 은, 반강자성층 (11) 에 접하여 형성되며, 자기장 중 어닐링링을 실시함으로써 상기 제 1 고정 자성층 (12) 과 반강자성층 (11) 의 계면에서 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계가 발생하며, 예컨대 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이 상기 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정된다. 상기 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정되면, 비자성 중간층 (13) 을 통해 대향하는 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화는 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화와 반평행 상태로 고정된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에 있어서는, 교환 결합 자계가 클수록 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화를 안정되게반평행 상태로 유지할 수 있다. 이 예의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에서는, 반강자성층 (11) 으로서 블로킹 온도가 높고 또한 제 1 고정 자성층 (12) 과의 계면에서 큰 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계를 발생시키는 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 사용함으로써, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화 상태를 열적으로도 안정되게 유지할 수 있다.
이상과 같이 이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에서는, 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 의 막 두께비를 적정한 범위 내로 함으로써 교환 결합 자계 (Hex) 를 크게 할 수 있고, 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화를 열적으로도 안정된 반평행 상태 소위 페리 상태로 유지할 수 있으며 또한 양호한 저항 변화율 (ΔMR) 을 얻을 수 있다.
이어서, 도 4 및 도 5 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (13) 에 대하여 설명한다.
본 발명에서 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (13) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 제 2 고정 자성층 (14) 상에는 Cu 등으로 형성된 비자성 도전층 (15) 이 형성되며, 그리고 상기 비자성 도전층 (15) 상에는 프리 자성층 (16) 이 형성되어 있다. 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이 프리 자성층 (16) 은 2 층으로 형성되어 있으며, 상기 비자성 도전층 (15) 에접하는 측에 형성된 부호 17 의 층은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 다른 일측의 층 (18) 은 NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
그리고, 비자성 도전층 (15) 에 접하는 측에 Co 막의 층 (17) 을 형성하는 이유는, Cu 에 의해 형성된 상기 비자성 도전층 (15) 과의 계면에서의 금속 원소 등의 확산을 방지할 수 있고 또한 저항 변화율 (ΔMR) 을 크게 할 수 있기 때문이다. 그리고, 부호 19 는 Ta 등의 도전성 금속층으로 형성된 보호층이다.
또한, 도 4 및 도 5 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 의 지면 수직 방향에 있어서의 양측에는, 예컨대 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성된 하드 바이어스층 (130 및 130) 및 Cu 나 W 로 형성된 도전층 (131 및 131) 이 형성되어 있으며, 상기 하드 바이어스층 (130) 의 바이어스 자계의 영향을 받아 상기 프리 자성층 (16) 의 자화는 도시된 X1 방향으로 자화된 상태로 되어 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 는 상기 하부 갭층 (10) 과 상기 반강자성층 (11) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 바탕층이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 4 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (11) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 반강자성층 (11) 과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합성자계가 의존하기 어려워져서 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 로 할 수 있다.
따라서, 상기 하부 갭층 (10) 과 상기 반강자성층 (11) 사이에 바탕층을 형성할 필요가 없으므로 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있으며, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 바탕층의 두께만큼 상부 갭층 (134) 이나 하부 갭층 (10) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 로 된다.
도 4 및 도 5 에 있어서의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 에서는, 상기 도전층 (131 및 131) 에서 프리 자성층 (16), 비자성 도전층 (15) 및 제 2 고정 자성층 (14) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록 매체로부터 도 4 및 도 5 에 나타내는 도시된 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (16) 의 자화는 도시된 X1 방향에서 Y 방향으로 변동하며, 이 때의 비자성 도전층 (15) 과 프리 자성층 (16) 의 계면 및 비자성 도전층 (15) 과 제 2 고정 자성층 (14) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도 전자의 산란이 일어남으로써 전기 저항이 변화되어 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
그런데, 상기 센스 전류는 실제로는 제 1 고정 자성층 (12) 과 비자성 중간층 (13) 의 계면 등으로도 흐른다. 상기 제 1 고정 자성층 (12) 은 ΔMR 에 직접 관여시키지 않고, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 은 ΔMR 에 관여하는 제 2 고정 자성층 (14) 을 적정한 방향으로 고정하기 위한, 소위 보조적인 역할을 한 층으로 되어 있다.
따라서, 센스 전류가 제 1 고정 자성층 (12) 및 비자성 중간층 (13) 으로 흐르는 것은 션트 손실 또는 전류 손실로 되는데, 이 션트 손실의 양은 매우 적어서 제 4 실시형태에서는 종래와 거의 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
[제 5 실시형태]
도 6 은 본 발명의 제 5 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 7 은 도 6 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 예의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 는 도 4 및 도 5 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자 (MR4) 의 막 구성을 반대로 하여 형성한 톱형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (135) 과 상부 갭층 (29) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (135) 상에는 밑에서부터 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (20), NiFe 막 (22), Co 막 (23), 그리고 NiFe 막 (22) 과 Co 막 (23) 을 합하여 프리 자성층 (21) 으로 되는 비자성 도전층 (24), 제 2 고정 자성층 (25), 비자성 중간층 (26), 제 1 고정 자성층 (27), 반강자성층 (28) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 상기 반강자성층 (28) 은 그 위에 형성된 알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 상부 갭층 (29) 과 접하도록 되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 에 있어서는, 상술한 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR1) 와 마찬가지로, 반강자성층 (28) 은 X-Mn (단, X 는 Pt,Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 조성에 대해서도, 상술한 제 1 실시형태의 PtMn 과 동등한 것이 바람직하다.
그리고 또한, 상술한 제 1 실시형태와 마찬가지로 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
이어서, 도 6 및 도 7 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (27) 과 제 2 고정 자성층 (25) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (26) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 6 및 도 7 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 에서는, 제 1 고정 자성층 (27) 의 막 두께 (tP1) 는 제 2 고정 자성층 (25) 의 막 두께 (tP2) 와 다른 값으로 형성되며, 예컨대 상기 제 1 고정 자성층 (27) 의 막 두께 (tP1) 가 제 2 고정 자성층 (25) 의 막 두께 (tP2) 보다 두껍게 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1 고정 자성층 (27) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 자화되고, 상기 제 2 고정 자성층(25) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 자화되어 제 1 고정 자성층 (27) 과 제 2 고정 자성층 (25) 의 자화는 페리 상태로 되어 있다.
그리고, 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (20) 에서 반강자성층 (28) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (130 및 130) 과 도전층 (131 및 131) 이 형성되어 있고, 상기 하드 바이어스층 (130) 이 도시된 X1 방향으로 자화되어 있음으로써 프리 자성층 (21) 의 자화가 도시된 X1 방향으로 정렬되어 있다.
도 6 및 도 7 에 있어서의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 에서는 상기 도전층 (131) 에서 프리 자성층 (21), 비자성 도전층 (24) 및 고정 자성층 (25,27) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록 매체로부터 도 6 및 도 7 에 나타내는 도시된 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (21) 의 자화는 도시된 X1 방향으로부터 Y 방향으로 변동하며, 이 때의 비자성 도전층 (24) 과 프리 자성층 (21) 의 계면 및 비자성 도전층 (24) 과 제 2 고정 자성층 (25) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도 전자의 산란이 일어남으로써 전기 저항이 변화하여 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 는 상기 상부 갭층 (29) 과 상기 반강자성층 (28) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 보호층이 형성되어 있지 않기 때문에, 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 5 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 에 있어서도,상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (28) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층 (28) 이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (29) 중의 산소가 반강자성층 (28) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 되며, 상기 상부 갭층 (29) 과 상기 반강자성층 (28) 사이에 보호층을 형성할 필요가 없으므로 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
그 결과, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 보호층의 두께만큼 상부 갭층 (29) 이나 하부 갭층 (135) 의 두께를 두껍게 할 수 있게 되므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR5) 로 된다.
[제 6 실시형태]
도 8 은 본 발명의 제 6 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 9 는 도 8 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 예의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 는 프리 자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층 및 반강자성층이 1 층씩 형성된, 소위 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에서는 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합이 2 세트 존재하기 때문에, 싱글 스핀 밸브형 박막 소자에 비하여 큰 ΔMR 을 기대할 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (30) 과 상부 갭층 (45) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (149) 상에는 반강자성층 (31), 제 1 하측 고정 자성층 (32), 하측 비자성 중간층 (33), 제 2 하측 고정 자성층 (34), 비자성 도전층 (35), 프리 자성층 (36), 부호 37 및 39 는 Co 막, 부호 38 은 NiFe 합금막, 비자성 도전층 (40), 제 2 상측 고정 자성층 (41), 상측 비자성 중간층 (42), 제 1 상측 고정 자성층 (43), 반강자성층 (44) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 이 반강자성층 (44) 은 그 위에 형성된 상부 갭층 (45) 과 접하도록 되어 있다.
그리고, 도 9 에 나타내는 바와 같이 반강자성층 (31) 에서 반강자성층 (44) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (130) 과 도전층 (131) 이 형성되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 에 있어서는, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 반강자성층 (31 및 44) 은 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 또한 상술한 실시형태와 마찬가지로, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
또한, 도 8 및 도 9 에 나타내는 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 과 제 2 고정 자성층, 하측 고정 자성측 (34), 상측 고정 자성층 (41) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (33 및 42) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 프리 자성층 (36) 보다 하측에 형성된 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 막 두께 (tP1) 는 비자성 중간층 (33) 을 통해 형성된 제 2 하측 고정자성측 (34) 의 막 두께 (tP2) 에 비하여 얇게 형성되어 있다. 한편, 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성되어 있는 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 막 두께 (tP1) 는 비자성 중간층 (42) 을 통해 형성된 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 막 두께 (tP2) 에 비하여 두껍게 형성되어 있다. 그리고, 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화는 모두 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 자화되어 있고, 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 자화된 상태로 되어 있다.
도 4 내지 도 7 에 나타내는 본 발명의 제 4 실시형태 및 제 5 실시형태의싱글 스핀 밸브형 박막 소자의 경우에 있어서는, 제 1 고정 자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정 자성층의 Ms·tP2가 달라지도록 막 두께 등을 조절하여 제 1 고정 자성층의 자화의 방향은 도시된 Y 방향 또는 도시된 Y 방향과 반대 방향 중 어느 쪽이어도 된다.
그러나, 도 8 및 도 9 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 에 있어서는, 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화가 모두 동일한 방향을 향하도록 할 필요성이 있다. 따라서, 본 발명에서는 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자기 모멘트 (Ms·tP1) 와 제 2 하측 고정자성측 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자기 모멘트 (Ms·tP2) 의 조정 및 열처리 중에 인가하는 자기장의 방향 및 그 크기를 적정하게 조절함으로써 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자로서 만족하게 기능시킬 수 있다.
여기서, 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화를 모두 동일한 방향을 향하도록 해 두는 것은, 상기 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화와 반평행하게 되는 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자화를 모두 동일한 방향을 향하도록 해 두기 위해서이며, 그 이유에 대해서는 다음에 설명한다.
상술한 바와 같이 스핀 밸브형 박막 소자의 ΔMR 은 고정 자성층의 고정 자화와 프리 자성층의 변동 자화의 관계에 의해 얻어지는 것이다. 본 발명과 같이 고정 자성층이 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 2 층으로 분단된 경우에있어서는, 상기 ΔMR 에 직접 관여하는 고정 자성층의 층은 제 2 고정 자성층이며, 제 1 고정 자성층은 상기 제 2 고정 자성층의 자화를 일정 방향으로 고정해 두기 위한 소위 보조적인 역할을 하고 있다.
만약 도 8 및 도 9 에 나타내는 제 2 하측 고정 자성층 (34), 하측 고정 자성층 (41) 의 자화가 서로 반대 방향으로 고정되어 있다고 하면, 예컨대 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 고정 자화와 프리 자성층 (36) 의 변동 자화의 관계에서는 저항이 커져도, 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 고정 자화와 프리 자성층 (36) 의 변동 자화의 관계에서는 저항이 매우 작아져서, 결국 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서의 ΔMR 은 도 4 내지 도 7 에 나타내는 본 발명의 제 4 실시형태 및 제 5 실시형태의 싱글 스핀 밸브형 박막 소자의 ΔMR 보다 작아진다.
이 문제는 고정 자성층을 비자성 중간층을 통해 2 층으로 분단한 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에 한한 것은 아니며, 도 3 에 나타내는 제 3 실시형태의 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 등이어도 동일하며, 싱글 스핀 밸브형 박막 소자에 비하여 ΔMR 을 크게 할 수 있고 큰 출력을 얻을 수 있는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자의 특성을 발휘시키기 위해서는, 프리 자성층의 상하에 형성되는 고정 자성층을 모두 동일한 방향으로 고정해 둘 필요가 있다.
그런데, 본 발명에서는 도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같이 프리 자성층 (36) 보다 하측에 형성된 고정 자성층은, 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 Ms·tP2가 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 Ms·tP1에 비하여 커져 있으며, Ms·tP2가 큰제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정되어 있다. 그리고, 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 Ms·tP3와 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 Ms·tP1을 더한, 소위 합성 자기 모멘트는 Ms·tP2가 큰 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자기 모멘트에 지배되어 도시된 Y 방향을 향하고 있다.
한편, 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성된 고정 자성층은, 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 Ms·tP1이 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 Ms·tP2에 비하여 커져 있으며, Ms·tP1이 큰 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 자화가 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 고정되어 있다. 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 Ms·tP1과 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 Ms·tP2를 더한, 소위 합성 자기 모멘트는 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 Ms·tP1에 지배되어 도시된 Y 방향으로 반대 방향을 향하고 있다.
즉, 도 8 및 도 9 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 에서는, 프리 자성층 (36) 의 상하에서 제 1 고정 자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정 자성층의 Ms·tP2를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향이 반대 방향으로 되어 있는 것이다. 따라서, 프리 자성층 (36) 보다 하측에서 형성되는 도시된 Y 방향을 향한 합성 자기 모멘트와 상기 프리 자성층 (36) 보다 상측에서 형성되는 도시된 Y 방향과 반대 방향을 향한 합성 자기 모멘트가 도시된 좌측 둘레의 자계를 형성하고 있다.
따라서, 상기 합성 자기 모멘트에 의해 형성되는 자계에 의해 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화와 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자화가 더욱 안정된 페리 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 센스 전류 (114) 는 주로 비저항이 작은 비자성 도전층 (35 및 39) 을 중심으로 해서 흐르고, 센스 전류 (114) 를 흘려보냄으로써 오른 나사의 법칙에 의해 센스 전류 자계가 형성되는데, 센스 전류 (114) 를 도 3 방향으로 흘려보냄으로써 프리 자성층 (36) 의 하측에 형성된 제 1 하측 고정 자성층 (32) / 하측 비자성 중간층 (33) / 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 장소에 센스 전류가 만드는 센스 전류 자계의 방향을 상기 제 1 하측 고정 자성층 (32) / 하측 비자성 중간층 (33) / 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 합성 자기 모멘트의 방향과 일치시킬 수 있으며, 그리고 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성된 제 1 상측 고정 자성층 (43) / 상측 비자성 중간층 (42) / 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 장소에 센스 전류가 만드는 센스 전류 자계를 상기 제 1 상측 고정 자성층 (43) / 상측 비자성 중간층 (42) / 제 2 하측 고정 자성층 (41) 의 합성 자기 모멘트의 방향과 일치시킬 수 있다.
센스 전류 자계의 방향과 합성 자기 모멘트의 방향을 일치시키는 것의 장점에 관해서는 나중에 상세하게 설명하는데, 간단히 말하자면, 상기 고정 자성층의 열적 안정성을 높일 수 있는 점과, 큰 센스 전류를 흘려보낼 수 있으므로 재생 출력을 향상시킬 수 있다는 매우 큰 메리트가 있다.
센스 전류 자계와 합성 자기 모멘트의 방향에 관한 이러한 관계는 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성되는 고정 자성층의 합성 자기 모멘트가 도시된 좌측 둘레의 자계를 형성하고 있기 때문이다.
통상, 하드디스크 등의 장치내의 환경 온도는 약 200 ℃ 정도까지 상승하며, 그리고 금후 기록 매체의 회전수나 센스 전류의 증대 등으로 인해 환경 온도가 더욱 상승하는 경향에 있다. 이와 같이 환경 온도가 상승하면, 교환 결합 자계는 저하되는데, 본 발명에 의하면 합성 자기 모멘트로 형성되는 자계와 센스 전류 자계에 의해 열적으로도 안정되게 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화와 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자화를 페리 상태로 유지할 수 있다.
상술한 합성 자기 모멘트에 의한 자계의 형성 및 합성 자기 모멘트에 의한 자계와 센스 전류 자계의 방향 관계는, 본 발명 특유의 구성으로서, 프리 자성층의 상하에 단층으로 형성되며 또한 동일한 방향을 향하며 고정 자화된 고정 자성층을 갖는 종래의 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에서는 얻을 수 없는 것으로 되어 있다.
또한, 제 6 실시형태에서는 프리 자성층 (36) 보다 하측에 형성된 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 Ms·tP1을 제 2 고정 자성층 (34) 의 Ms·tP2보다 크게 하고 또한 상기 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성된 제 1 고정 자성층 (43) 의 Ms·tP1을 제 2 고정 자성층 (41) 의 Ms·tP2보다 작게 하여도 된다.
이 경우에 있어서도 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 자화를 얻고자 하는 방향, 즉 도시된 Y 방향 또는 도시된 Y 방향과 반대 방향으로5 k Oe 이상의 자계를 인가함으로써, 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성된 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 을 동일한 방향을 향해 고정할 수 있으며 또한 도시된 우측 둘레의 또는 좌측 둘레의 합성 자기 모멘트에 의한 자계를 형성할 수 있다.
이상, 도 4 내지 도 9 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자에 의하면, 고정 자성층을 비자성 중간층을 통해 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 2 층으로 분단하며, 이 2 종의 고정 자성층간에 발생하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호 작용에 의해 상기 2 층의 고정 자성층의 자화를 반평행 상태, 소위 페리 상태로 함으로써 종래에 비하여 열적으로도 안정된 고정 자성층의 자화 상태를 유지할 수 있다.
특히 본 실시형태에서는, 반강자성층으로서 블로킹 온도가 매우 높고 또한 제 1 고정 자성층과의 계면에서 큰 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계를 발생하는 PtMn 을 사용함으로써, 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 자화 상태를 보다 열적 안정성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는 제 1 고정 자성층의 Ms·tP1과 제 2 고정 자성층의 Ms·tP2를 다른 값으로 형성하며, 그리고 열처리 중의 인가 자기장의 크기 및 그 방향을 적정하게 조절함으로써, 상기 제 1 고정 자성층 및/또는 제 2 고정 자성층의 자화를 얻고자 하는 방향으로 자화시킬 수 있다.
특히 도 8 및 도 9 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 에 있어서는, 제 1 하측 고정 자성층 (32), 상측 고정 자성층 (43) 의 Ms·tP1과 제 2 하측 고정 자성층 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 Ms·tP2를 적정하게 조절하며 그리고 열처리 중의 인가 자기장의 크기 및 그 방향을 적정하게 조절함으로써, ΔMR 에 관여하는 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성된 2 개의 제 2 하측 고정자성측 (34), 상측 고정 자성층 (41) 의 자화를 모두 동일한 방향으로 고정할 수 있으며 또한 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성 자기 모멘트를 서로 반대 방향으로 형성할 수 있음으로써, 상기 합성 자기 모멘트에 의한 자계의 형성 및 상기 합성 자기 모멘트에 의한 자계와 센스 전류 자계의 방향 관계를 형성할 수 있으므로 고정 자성층의 자화의 열적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 는 상기 하부 갭층 (30) 과 상기 반강자성층 (31), 상기 상부 갭층 (45) 과 상기 반강자성층 (44) 가 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 바탕층이나 보호층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 6 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (31 및 44) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층 (31 및 44) 이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (45) 또는 하부 갭층 (30) 중의 산소가 반강자성층 (31 및 44) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 됨과 동시에 상기 반강자성층 (31 및 44) 과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합 자계가 의존되기 어려운 것으로 된다. 그 결과, 상기 하부 갭층 (30) 과 상기 반강자성층 (31) 사이 또는 상기 상부 갭층 (45) 과 상기 반강자성층 (44) 사이에 바탕층이나 보호층을 형성할 필요가 없으므로 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있으며, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 바탕층과 상기 보호층의 두께만큼 상부 갭층 (45) 이나 하부 갭층 (30) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR6) 로 된다.
[제 7 실시형태]
도 10 은 본 발명의 제 7 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 11 은 도 10 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 에 있어서도, 도 4 내지 도 9 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 하드디스크 장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링 측 단부 등에 설치되어 하드디스크 등의 기록 자계를 검출하는 것이다. 그리고, 하드디스크 등의 자기 기록 매체의 이동 방향은 도시된 Z 방향이고, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향은 Y 방향이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 는 고정 자성층뿐만 아니라 프리 자성층도 비자성 중간층을 통해 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 층으로 분단되어 있다.
또한, 이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (50) 과 상부 갭층 (136) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (50) 위에는 반강자성층 (51) 이 하부 갭층 (50) 과 접하여 형성되며, 그리고 상기 반강자성층 (51) 상에는 제 1 고정 자성층 (52), 비자성 중간층 (53), 제 2 고정 자성층 (54), 비자성 도전층 (55), 제 1 프리 자성층 (56), 비자성 중간층 (59), 제 2 프리 자성층 (60) 및 보호층, 예컨대 도전성 금속층 (61) 의 순으로 적층되어 있다.
본 발명의 제 7 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 에 있어서, 상기 반강자성층 (51) 은 상술한 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR2) 와 마찬가지로, X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 조성에 대해서도 상술한 제 2 실시형태와 동등한 것이 바람직하다.
그리고 또한 상술한 제 2 실시형태와 마찬가지로, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
제 1 고정 자성층 (52) 및 제 2 고정 자성층 (54) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
또한, 비자성 중간층 (53) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 비자성 도전층 (55) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
상기 제 1 고정 자성층 (52) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (54) 의 자화는 서로 반평행하게 자화된 페리 상태로 되어 있으며, 예컨대 제 1 고정 자성층 (52) 의 자화는 도시된 Y 방향으로 제 2 고정 자성층 (54) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 고정되어 있다. 이 페리 상태의 안정성을 유지하기 위해서는 큰 교환 결합 자계가 필요하다. 본 실시형태에서는 보다 큰 교환 결합 자계를 얻기 위하여 다음에 나타내는 여러 가지 적정화를 실시하고 있다.
도 10 및 도 11 에 나타내는 비자성 도전층 (55) 상에는 제 1 프리 자성층 (56) 이 형성되어 있다. 도 10 및 도 11 에 나타내는 바와 같이 상기 제 1 프리 자성층 (56) 은 2 층으로 형성되어 있으며, 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막 (57) 이 형성되어 있다. 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막 (57) 을 형성하는 것은, 첫째로 ΔMR 을 크게 할 수 있고, 둘째로 비자성 도전층 (55) 과의 확산을 방지하기 때문이다.
상기 Co 막 (57) 상에는 NiFe 합금막 (58) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 NiFe 합금막 (58) 상에는 비자성 중간층 (59) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 비자성 중간층 (59) 상에는 제 2 프리 자성층 (60) 이 형성되며, 그리고 상기 제 2 프리 자성층 (60) 상에는 Ta 등의 도전성 금속층으로 형성된 보호층 (도전성 금속층) (61) 이 형성되어 있다.
상기 제 2 프리 자성층 (60) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 10 및 도 11 에 나타내는 반강자성층 (51) 에서 보호층, 예컨대 도전성 금속층 (61) 까지의 스핀 밸브막은, 그 측면이 경사면으로 깍여서 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀 밸브막의 양측에는 하드 바이어스층 (62 및 62) 및 도전층 (63 및 63) 이 형성되어 있다. 상기 하드 바이어스층 (62) 은 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 상기 도전층 (63) 은 Cu 나 Cr 등으로 형성되어 있다.
도 10 및 도 11 에 나타내는 제 1 프리 자성층 (56) 과 제 2 프리 자성층 (60) 사이에는 비자성 중간층 (59) 이 개재하며, 상기 제 1 프리 자성층 (56) 과 제 2 프리 자성층 (60) 사이에 발생하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 상기 제 1 프리 자성층 (56) 의 자화와 제 2 프리 자성층 (60) 의 자화는 서로 반평행 상태, 즉 페리 상태로 되어 있다.
도 10 및 도 11 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 예컨대 제 1 프리 자성층 (56) 의 막 두께 (tF1) 는 제 2 프리 자성층 (60) 의 막 두께 (tF2) 보다 작게 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 프리 자성층 (56) 의 Ms·tF1은 제 2 프리 자성층 (60) 의 Ms·tF2보다 작게 설정되어 있으며, 하드 바이어스층 (62) 에서 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 바이어스 자계가 부여되면, Ms·tF2가 큰 제 2 프리 자성층 (60) 의 자화가 상기 바이어스 자계의 영향을 받아 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬되고, 상기 제 2 프리 자성층 (60) 과의 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호 작용에 의해 Ms·tF1이 작은 제 1 프리 자성층 (56) 의 자화는 도시된 X1 방향으로 정렬된다.
도시된 Y 방향에서 외부 자계가 침입해 오면, 상기 제 1 프리 자성층 (56) 과 제 2 프리 자성층 (60) 의 자화는 페리 상태를 유지하면서 상기 외부 자계의 영향을 받아 회전한다. 그리고, ΔMR 에 기여하는 제 1 프리 자성층 (56) 의 변동 자화와 제 2 고정 자성층 (54) 의 고정 자화 (예컨대, 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 자화되어 있음) 의 관계에 의해 전기 저항이 변화하여 외부 자계가 전기 저항 변화로서 검출된다.
또한, 본 실시형태에서는 제 1 프리 자성층 (56) 과 제 2 프리 자성층 (60) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (59) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 는 상기 하부 갭층 (50) 과 상기 반강자성층 (51) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 바탕층이 형성되어 있지 않으므로 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 7 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (51) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 반강자성층 (51) 과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합 자계가 의존되기 어려워서 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 로 할 수 있다.
따라서, 상기 하부 갭층 (50) 과 상기 반강자성층 (51) 의 사이에 바탕층을 형성할 필요가 없으므로 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있으며, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 바탕층의 두께만큼 상부 갭층 (136) 이나 하부 갭층 (50) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 로 된다.
[제 8 실시형태]
도 12 는 본 발명의 제 8 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도, 도 13 은 도 12 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면에서 본 경우의 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 는 도 10 및 도 11 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR7) 의 적층의 순번을 반대로 한 것이다.
그리고, 상기 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (137) 과 상부 갭층 (81) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (137) 상에는 밑에서부터 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (70), 제 2 프리 자성층 (71), 비자성 중간층 (72), 제 1 프리 자성층 (73), 비자성 도전층 (76), 제 2 고정 자성층 (77), 비자성 중간층 (78), 제 1 고정 자성층 (79), 반강자성층 (80) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 상기 반강자성층 (80) 은 그 위에 형성된 알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 상부 갭층 (81) 과 접하도록 되어 있다.
본 발명의 제 8 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 에 있어서, 상기 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (70) 은 예컨대 Ta 등으로 형성되어 있다.
상기 반강자성층 (80) 은 상술한 제 1 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 조성에 대해서도 상술한 제 1 실시형태와 동등한 것이 바람직하다.
그리고 또한 상술한 제 1 실시형태와 마찬가지로, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
제 1 고정 자성층 (79) 및 제 2 고정 자성층 (77) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 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.
그리고, 비자성 도전층 (76) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
도 12 및 도 13 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 프리 자성층이 2 층으로 분단되어 형성되어 있으며, 비자성 도전층 (76) 에 접하는 측에 제 1 프리 자성층 (73) 이 형성되며, 다른 일측의 프리 자성층이 제 2 프리 자성층 (71) 으로 되어 있다.
도 12 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 제 1 프리 자성층 (73) 은 2 층으로 형성되어 있으며, 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 페리 자성층 (71) 은, 예컨대 NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 12 및 도 13 에 나타내는 바탕층, 예컨대 도전성 금속층 (70) 에서 반강자성층 (80) 까지의 스핀 밸브막은 그 측면이 경사면으로 깍여서 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀 밸브막의 양측에는 하드 바이어스층 (82 및 82)및 도전층 (83 및 83) 이 형성되어 있다. 상기 하드 바이어스층 (82) 은 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 상기 도전층 (83) 은 Cu 나 W 등으로 형성되어 있다.
도 12 및 도 13 에 나타내는 제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 사이에는 비자성 중간층 (72) 이 개재하며, 상기 제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 사이에 발생하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 상기 제 1 프리 자성층 (73) 의 자화와 제 2 프리 자성층 (71) 의 자화는 서로 반평행상태, 즉 페리 상태로 되어 있다.
도 12 및 도 13 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 에서는, 예컨대 제 1 프리 자성층 (73) 의 막 두께 (tF1) 는 제 2 프리 자성층 (71) 의 막 두께 (tF2) 보다 크게 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 1 프리 자성층 (73) 의 Ms·tF1은 제 2 프리 자성층 (71) 의 Ms·tF2보다 작아지도록 설정되어 있으며, 하드 바이어스층 (82) 에서 도시된 X1 방향으로 바이어스 자계가 부여되면, Ms·tF1이 큰 제 1 프리 자성층 (73) 의 자화가 상기 바이어스 자계의 영향을 받아 도시된 X1 방향으로 정렬되고, 상기 제 1 프리 자성층 (73) 과의 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 Ms·tF1이 작은 제 2 프리 자성층 (71) 의 자화는 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬된다. 그리고, 본 발명에서는 제 1 프리 자성층 (73) 의 막 두께 (tF1) 가 제 2 프리 자성층 (71) 의 막 두께 (tF2) 보다 작게 형성되고, 상기 제 1 프리 자성층 (73) 의 MS·tF1이 제 2 프리 자성층 (71) 의 Ms·tF2보다 작게 설정되어 있어도 된다.
도시된 Y 방향에서 외부 자계가 침입해 오면, 상기 제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 의 자화는 페리 상태를 유지하면서 상기 외부 자계의 영향을 받아 회전한다. 그리고, ΔMR 에 기여하는 제 1 프리 자성층 (73) 의 자화 방향과 제 2 고정 자성층 (71) 의 고정 자화의 관계에 의해 전기 저항이 변화하여 외부 자계의 신호가 검출된다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (72) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 의 합성 자기 모멘트의 절대치를 제 1 고정 자성층 (79) 과 제 2 고정 자성층 (77) 의 합성 자기 모멘트의 절대치보다 크게 함으로써, 상기 제 1 프리 자성층 (79) 과 제 2 프리 자성층 (77) 의 자화가 제 1 고정 자성층 (79) 과 제 2 고정 자성층 (77) 의 합성 자기 모멘트의 영향을 받기 어려워지므로 상기 제 1 프리 자성층 (73) 및 제 2 프리 자성층 (71) 의 자화가 외부 자계에 대하여 감도좋게 회전하여 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 는 상기 하부 갭층 (81) 과 상기 반강자성층 (80) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막소자처럼 보호층이 형성되어 있지 않으므로 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 8 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (80) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하여 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층 (80) 이 대기 산화됨으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (81) 중의 산소가 반강자성층 (80) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 되며, 상기 상부 갭층 (81) 과 상기 반강자성층 (80) 사이에 보호층을 형성할 필요가 없으므로 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
그 결과, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 보호층의 두께만큼 상부 갭층 (81) 이나 하부 갭층 (137) 의 두께를 두껍게 할 수 있으므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR8) 로 된다.
[제 9 실시형태]
도 14 는 본 발명의 제 9 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자의 구조를 나타내는 횡단면도이고, 도 15 는 도 14 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 는 프리 자성층을 중심으로 해서 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층 및 반강자성층이 적층된 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자로서, 상기 프리 자성층 및 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 층으로 분단되어 형성되어 있다.
이 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 는 도시하지 않은 기판 상에 형성된 하부 갭층 (91) 과 상부 갭층 (109) 사이에 형성되어 있다.
상기 하부 갭층 (91) 상에는 반강자성층 (92) 이 하부 갭층 (91) 과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층 (92) 상에는 밑에서부터 제 1 하측 고정 자성층 (93), 하측 비자성 중간층 (94), 제 2 하측 고정 자성층 (95), 비자성 도전층 (96), 제 2 프리 자성층 (97), 비자성 중간층 (100), 제 1 프리 자성층 (101), 비자성 도전층 (104), 제 2 상측 고정 자성층 (105), 상측 비자성 중간층 (106), 상측 제 1 고정 자성층 (107), 반강자성층 (108) 의 순으로 형성되어 있다. 그리고, 상기 반강자성층 (108) 은 그 위에 형성된 알루미나 등의 산화물막으로 이루어지는 상부 갭층 (109) 과 접하도록 되어 있다.
우선, 각층의 재질에 대하여 설명한다.
상기 반강자성층 (92 및 108) 은, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 반강자성층 (31 및 44) 은 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되는 것이 바람직하다.
제 1 하측 고정 자성층 (93), 제 1 상측 고정 자성층 (107) 및 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
또한, 제 1 하측 고정 자성층 (93), 제 1 상측 고정 자성층 (107) 과 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 사이에 형성되어 있는 하측 비자성 중간층 (94), 상측 비자성 중간층 (106) 및 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 프리 자성층 (97) 사이에 형성되어 있는 비자성 중간층 (100) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 비자성 도전층 (96 및 104) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
도 14 및 도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 1 프리 자성층 (101) 및 제 2 프리 자성층 (97) 은 2 층으로 형성되어 있다. 비자성 도전층 (96 및 104) 에 접하는 측에 형성된 제 1 프리 자성층 (101) 의 층 (103) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 층 (98) 은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 중간층 (100) 을 통해 형성되어 있는 제 1 프리 자성층 (101) 의 층 (102) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 층 (99) 은, 예컨대 NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 비자성 도전층 (96 및 104) 측에 접하는 측 (98 및 103) 을 Co 막으로 형성함으로써, ΔMR 을 크게 할 수 있고 또한 비자성 도전층 (96 및 104) 과의 확산을 방지할 수 있다.
그런데, 본 실시형태에서는 상술한 바와 같이 반강자성층 (92 및 108) 으로서 제 1 하측 고정 자성층 (93), 제 1 상측 고정 자성층 (107) 의 계면에서 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계를 발생시키기 위하여 어닐링을 실시하는 반강자성 재료를 사용하고 있다.
그러나, 프리 자성층보다 하측에 형성되어 있는 반강자성층 (92) 과 제 1 하측 고정 자성층 (93) 의 경계에서는, 금속원소의 확산이 발생하기 쉬워서 열확산층이 형성되기 쉬워지기 때문에, 상기 제 1 하측 고정 자성층 (93) 으로 기능하는 자기적인 막 두께는 실제의 막 두께 (tP1) 보다 얇게 되어 있다.
따라서, 프리 자성층보다 상측의 적층막에서 발생하는 교환 결합 자계와 하측의 적층막에서 발생하는 교환 결합 자계를 거의 동일하게 하기 위해서는, 프리 자성층보다 하측에 형성되어 있지만 (제 1 하측 고정 자성층 (93) 의 막 두께 (tP1) / 제 2 하측 고정 자성층 (105) 의 막 두께 (tP2)), 보다 큰 편이 바람직하다. 프리 자성층보다 상측의 적층막에서 발생하는 교환 결합 자계와 하측의 적층막에서 발생하는 교환 결합 자계를 동일하게 함으로써, 상기 교환 결합 자계의 제조 프로세스 열화가 작아서 자기 헤드의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그런데, 도 14 및 도 15 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 에 있어서는, 프리 자성층의 상하에 형성되어 있는 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2상측 고정 자성층 (105) 의 자화를 서로 반대 방향을 향하도록 해 둘 필요가 있다. 이것은 프리 자성층이 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 프리 자성층 (97) 의 2 층으로 분단되어 형성되어 있으며, 상기 제 1 프리 자성층 (101) 의 자화와 제 2 프리 자성층 (97) 의 자화가 반평행하게 되어 있기 때문이다.
예컨대, 도 14 및 도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 1 프리 자성층 (101) 의 자화가 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 자화되어 있다고 하면, 상기 제 1 프리 자성층 (101) 과의 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 제 2 프리 자성층 (97) 의 자화는 도시된 X1 방향으로 자화된 상태가 된다. 상기 제 1 프리 자성층 (101) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 자화는 페리 상태를 유지하면서 외부 자계의 영향을 받아 반전하도록 되어 있다.
도 14 및 도 15 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 에 있어서는, 제 1 프리 자성층 (101) 의 자화 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 자화는 모두 ΔMR 에 관여하는 층으로 되어 있으며, 상기 제 1 프리 자성층 (101) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 변동 자화와 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 고정 자화의 관계에서 전기 저항이 변화한다. 싱글 스핀 밸브형 박막 소자에 비하여 큰 ΔMR 을 기대할 수 있는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자로서의 기능을 발생시키기 위해서는, 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 저항 변화 및 제 2 프리 자성층 (97) 과 제 2 하측 고정 자성층 (95) 의 저항 변화가 모두 동일한 변동을 보이도록 상기 제 2 하측 고정 자성층 (95) 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 자화 방향을 제어할 필요가 있다. 즉, 제 1 프리 자성층(101) 과 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 저항 변화가 최대로 될 때, 제 2 프리 자성층 (97) 과 제 2 하측 고정 자성층 (95) 의 저항 변화도 최대가 되도록 하고, 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 저항 변화가 최소로 될 때, 제 2 프리 자성층 (97) 과 제 2 하측 고정 자성층 (95) 의 저항 변화도 최소가 되도록 하면 되는 것이다.
따라서, 도 14 및 도 15 에 나타내는 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 에서는, 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 프리 자성층 (97) 의 자화가 반평행하게 자화되어 있기 때문에, 제 2 상측 고정 자성층 (105) 의 자화와 제 2 하측 고정 자성층 (95) 의 자화를 서로 반대 방향으로 자화할 필요성이 있다.
이상과 같이 하여 프리 자성층의 상하에 형성된 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 을 반대 방향으로 자화함으로써, 종래의 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자와 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 는 상기 하부 갭층 (91) 과 상기 반강자성층 (92), 상기 상부 갭층 (109) 과 상기 반강자성층 (108) 이 접하여 형성된 것으로서, 이들 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 바탕층이나 보호층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층이나 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제 9 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 에 있어서도, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (108 및 92) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 이루어지며, X 또는 X'-Pt 를 바람직한 범위로 하고 fct 구조를 갖는 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층 (108 및 92) 이 대기 산화됨으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 (109) 또는 하부 갭층 (91) 중의 산소가 반강자성층 (108 및 92) 으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 됨과 동시에 상기 반강자성층 (108 및 92) 과 접하는 층의 재료, 결정 구조, 결정 배향에 교환 결합 자계가 의존되기 어려운 것으로 된다.
그 결과, 상기 하부 갭층 (91) 과 상기 반강자성층 (92) 사이 또는 상기 상부 갭층 (109) 과 상기 반강자성층 (108) 사이에 종래의 스핀 밸브형 박막 소자처럼 도전성 금속층을 형성할 필요가 없으므로 상기 도전성 금속층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있으며, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고 상기 도전성 금속층의 두께만큼 상부 갭층 (109) 이나 하부 갭층 (91) 의 두께를 두껍게 할 수 있게 되므로 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자 (MR9) 로 된다.
이상, 도 10 내지 도 15 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 고정 자성층뿐만 아니라 프리 자성층도 비자성 중간층을 통해 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 층으로 분단하며, 이 2 층의 프리 자성층 사이에 발생하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 상기 2 층의 프리 자성층의 자화를 반평행 상태, 즉 페리 상태로 함으로써, 상기 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 자화를 외부 자계에 대하여 감도 좋게 반전할 수 있도록 하고 있다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 막 두께비나 상기 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층 사이에 개재하는 비자성 중간층의 막 두께 또는 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 막 두께비나 상기 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층 사이에 개재하는 비자성 중간층의 막 두께 및 반강자성층의 막 두께 등을 적정한 범위 내에서 형성함으로써, 교환 결합 자계를 크게 할 수 있으며, 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 자화 상태를 고정 자화로 하여 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 자화 상태를 변동 자화로 하여 열적으로도 안정된 페리 상태를 유지할 수 있고 또한 종래와 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
본 발명에서는 센스 전류의 방향을 조절함으로써 제 1 고정 자성층의 자화와 제 2 고정 자성층의 자화의 반평행상태, 즉 페리 상태를 보다 열적으로도 안정된 상태로 유지할 수 있게 되어 있다.
스핀 밸브형 박막 소자에서는 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층 및 프리 자성층으로 이루어지는 적층막의 양측에 도전층이 형성되어 있으며, 이 도전층에서 센스 전류가 흘러나온다. 상기 센스 전류는 비저항이 작은 상기 비자성 도전층과 상기 비자성 도전층과 고정 자성층의 계면 및 비자성 도전층과 프리 자성층의 계면으로 주로 흐른다. 본 발명에서는 상기 고정 자성층은 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층으로 분단되어 있으며, 상기 센스 전류는 주로 제 2 고정 자성층과 비자성 도전층의 계면으로 흐른다.
상기 센스 전류를 흘려보내면, 오른 나사의 법칙에 의해 센스 전류 자계가 형성된다. 본 발명에서는 상기 센스 전류 자계를 제 1 고정 자성층의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층의 자기 모멘트를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향과 동일한 방향이 되도록 상기 센스 전류가 흐르는 방향을 조절하고 있다.
[센스 전류 자계화의 작용]
이어서, 도 4 내지 도 15 에 나타내는 제 4 내지 제 9 실시형태의 구조에 있어서 센스 전류 자계화의 작용에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 비자성 도전층 (15) 의 하측에 제 2 고정 자성층 (14) 이 형성되어 있다. 이 경우에는 제 1 고정 자성층의 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 중 자기 모멘트가 큰 편의 고정 자성층의 자화 방향으로 센스 전류 자계의 방향을 맞춘다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 상기 제 2 고정 자성층 (14) 의 자기 모멘트는 제 1 고정 자성층 (12) 의 자기 모멘트에 비하여 크고, 상기 제 2 고정 자성층 (14) 의 자기 모멘트는 도시된 Y 방향과 반대 방향, 도시된 왼쪽 방향을 향하고 있다. 따라서, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층 (14) 의 자기 모멘트를 더한 합성 자기 모멘트는 도시된 Y 방향과 반대 방향, 도시된 왼쪽 방향을 향하고 있다.
상술한 바와 같이, 비자성 도전층 (15) 은 제 2 고정 자성층 (14) 및 제 1 고정 자성층 (12) 의 상측에 형성되어 있다. 따라서, 주로 상기 비자성 도전층 (15) 을 중심으로 해서 흐르는 센스 전류 (112) 에 의해 형성되는 센스 전류 자계는, 상기 비자성 도전층 (15) 보다 하측에서 도시된 왼쪽 방향을 향하도록 상기 센스 전류 (112) 가 흐르는 방향을 제어하면 된다. 이와 같이 하면, 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 의 합성 자기 모멘트의 방향과 상기 센스 전류 자계의 방향이 일치한다.
도 4 에 나타내는 바와 같이 상기 센스 전류 (112) 는 도시된 X1 방향으로 흐른다. 오른 나사의 법칙에 의해 센스 전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계는 지면에 대하여 우측 둘레에 형성된다. 따라서, 비자성 도전층 (15) 보다 하측의 층에는 도시된 방향, 도시된 Y 방향과 반대 방향의 센스 전류 자계가 인가되며, 이 센스 전류에 의해 제 1 합성 자기 모멘트를 보강하는 방향으로 작용하고, 제 1 고정 자성층 (12) 과 제 2 고정 자성층 (14) 사이에 작용하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용이 증폭되어, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화의 반평행 상태를 열적으로 보다 안정시킬 수 있게 된다.
특히, 센스 전류를 1 ㎃ 흘려보내면, 약 30 Oe 정도의 센스 전류 자계가 발생하고 또한 소자 온도가 약 15 ℃ 정도 상승함을 알 수 있다. 그리고, 기록 매체의 회전수는 1000 rpm 정도가지 빨라지며, 이 회전수의 상승에 의해 장치내온도는 약 100 ℃ 까지 상승한다. 따라서, 예컨대 센스 전류를 10 ㎃ 흘려보낸 경우, 스핀 밸브형 박막 소자의 소자 온도는 약 250 ℃ 정도까지 상승하며, 그리고 센스 전류 자계도 300 Oe 로 커진다.
이와 같은 매우 높은 환경 온도 하에서 또한 큰 센스 전류가 흐르는 경우에는, 제 1 고정 자성층 (12) 의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층 (14) 을 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향과 센스 전류 자계의 방향이 반대 방향이면, 제 1 고정 자성층 (12) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (14) 의 자화의 반평행 상태가 깨지기 쉬워진다.
또한, 높은 환경 온도 하에서도 견딜 수 있도록 하기 위해서는, 센스 전류 자계 방향의 조절 외에 높은 블로킹 온도를 갖는 반강자성 재료를 반강자성층 (11) 으로 사용할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 블로킹 온도가 높은 PtMn 을 사용하고 있다.
그리고, 도 4 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (12) 의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층 (14) 의 자기 모멘트로 형성되는 합성 자기 모멘트가 도시된 오른쪽 방향, 도시된 Y 방향을 향하고 있는 경우에는, 센스 전류를 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 흘려보내서 센스 전류 자계가 지면에 대하여 우측 둘레에 형성되도록 하면 된다.
이어서, 도 6 및 도 7 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자의 센스 전류방향에 대하여 설명한다.
도 6 및 도 7 에 나타내는 구조에서는, 비자성 도전층 (24) 의 상측에 제 2 고정 자성층 (25) 및 제 1 고정 자성층 (27) 이 형성되어 있다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 제 1 고정 자성층 (27) 의 자기 모멘트가 제 2 고정 자성층 (25) 의 자기 모멘트보다 커져 있다. 또한, 상기 제 1 고정 자성층 (27) 의 자기 모멘트는 도시된 Y 방향, 도시된 왼쪽 방향을 향하고 있다. 따라서, 상기 제 1고정 자성층 (27) 의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층 (25) 의 자기 모멘트를 더한 합성 자기 모멘트는 도시된 오른쪽 방향을 향하고 있다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, 센스 전류 (113) 는 도시된 X1 방향으로 흐른다. 오른 나사의 법칙에 의해 센스 전류 (113) 를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계는 지면에 대하여 우측 둘레에 형성된다. 비자성 도전층 (24) 보다 상측에 제 2 고정 자성층 (25) 및 제 1 고정 자성층 (27) 이 형성되어 있기 때문에, 상기 제 2 고정 자성층 (25) 및 제 1 고정 자성층 (27) 에는 도시된 오른쪽 방향, 도시된 Y 방향과 반대 방향의 센스 전류 자계가 침입해 오게 되어 합성 자기 모멘트의 방향과 일치하며, 따라서 제 1 고정 자성층 (27) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (25) 의 자화의 반평행 상태는 깨지기 어려워진다.
그리고, 상기 합성 자기 모멘트가 도시된 왼쪽 방향, 도시된 Y 방향과 반대 방향을 향하고 있는 경우에는, 센스 전류 (113) 를 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 흘려보내며, 상기 센스 전류 (113) 를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계를 지면에 대하여 우측 둘레에 발생시켜 제 1 고정 자성층 (27) 과 제 2 고정 자성층 (25) 의 합성 자기 모멘트의 방향과 상기 센스 전류 자계의 방향을 일치시킬 필요가 있다.
도 8 및 도 9 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자는, 프리 자성층 (36) 의 상하에 제 1 하측 고정 자성층 (32), 제 1 상측 고정 자성층 (43) 과 제 2 하측 고정 자성층 (34), 제 2 상측 고정 자성층 (41) 이 형성된 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성 자기 모멘트가 서로 반대 방향을 향하도록 상기 제 1 하측 고정 자성층 (32), 제 1 상측 고정 자성층 (41) 의 자기 모멘트의 방향 및 그 크기와 제 2 하측 고정 자성층 (34), 제 2 상측 고정 자성층의 방향 및 크기를 제어할 필요가 있다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 프리 자성층 (36) 보다 하측에 형성되어 있는 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자기 모멘트는 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 자기 모멘트보다 크고, 또한 상기 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자기 모멘트는 도시된 오른쪽 방향, 도시된 Y 방향을 향하고 있다. 따라서, 상기 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 자기 모멘트와 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자기 모멘트를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트는 도시된 오른쪽 방향, 도시된 Y 방향을 향하고 있다. 또한, 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성되어 있는 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 자기 모멘트는 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 자기 모멘트보다 크고, 또한 상기 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 자기 모멘트는 도시된 왼쪽 방향, 도시된 Y 방향과 반대 방향을 향하고 있다. 따라서, 상기 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 자기 모멘트와 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 자기 모멘트를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트는 도시된 왼쪽 방향, 도시된 Y 방향과 반대 방향을 향하고 있다. 이와 같이 본 발명에서는 프리 자성층 (36) 의 상하에 형성되는 합성 자기 모멘트가 서로 반대 방향을 향하고 있다.
본 실시형태에서는 도 8 에 나타내는 바와 같이 센스 전류 (114) 는 도시된 X1 방향과 180°반대 방향으로 흐른다. 그럼으로써, 상기 센스 전류 (114) 를흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계는 도 8 의 화살표로 나타내는 바와 같이 지면에 대하여 좌측둘레에 형성된다.
상기 프리 자성층 (36) 보다 하측에서 형성된 합성 자기 모멘트는 도시된 오른쪽 방향, 도시된 Y 방향을, 프리 자성층 (36) 보다 상측에서 형성된 합성 자기 모멘트는 도시된 왼쪽 방향 (도시된 Y 방향과 반대 방향) 을 향하고 있기 때문에, 상기 2 개의 합성 자기 모멘트의 방향은 센스 전류 자계의 방향과 일치하고 있으며 프리 자성층 (36) 의 하측에 형성된 제 1 하측 고정 자성층 (32) 의 자화와 제 2 하측 고정 자성층 (34) 의 자화의 반평행 상태 및 프리 자성층 (36) 의 상측에 형성된 제 1 상측 고정 자성층 (43) 의 자화와 제 2 상측 고정 자성층 (41) 의 자화의 반평행 상태를 열적으로도 안정된 상태로 유지할 수 있다.
그리고, 프리 자성층 (36) 보다 하측에 형성된 합성 자기 모멘트가 도시된 왼쪽 방향을 향하고 있고, 프리 자성층 (36) 보다 상측에 형성된 합성 자기 모멘트가 도시된 우측을 향하고 있는 경우에는, 센스 전류 (114) 를 도시된 X11 방향으로 흘려보내며, 상기 센스 전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 상기 합성 자기 모멘트의 방향을 일치시킬 필요가 있다.
또한, 도 10 및 도 11 은 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 층으로 분단되어 형성된 스핀 밸브형 박막 소자의 실시예인데, 도 10 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자처럼 비자성 도전층 (55) 보다 하측에 제 1 고정 자성층 (52) 및 제 2 고정 자성층 (54) 이 형성된 경우에는, 도 4 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자의 경우와 동일한 센스 전류방향의 제어를 실시하면 된다.
또한, 도 12 및 도 13 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자와 같이 비자성 도전층 (76) 보다 상측에 제 1 고정 자성층 (79) 과 제 2 고정 자성층 (77) 이 형성되어 있는 경우에는 도 6 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자의 경우와 동일한 센스 전류방향의 제어를 실시하면 된다.
이상과 같이 상술한 각 실시형태에 의하면, 센스 전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 제 1 고정 자성층의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층의 자기 모멘트를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향을 일치시킴으로써, 상기 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층간에 작용하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호 작용을 증폭시키고, 상기 제 1 고정 자성층의 자화와 제 2 고정 자성층의 자화의 반평행 상태, 소위 페리 상태를 열적으로 안정된 상태로 유지할 수 있다.
특히, 본 실시형태에서는 열적 안정성을 보다 향상시키기 위하여 반강자성층에 블로킹 온도가 높은 반강자성 재료를 사용하고 있으며, 그럼으로써 환경 온도가 종래에 비하여 대폭 상승하여도 상기 제 1 고정 자성층의 자화와 제 2 고정 자성층의 자화의 반평행 상태, 즉 페리 상태를 깨지기 어렵게 할 수 있다.
또한, 고기록 밀도화에 대응하기 위하여 센스 전류량을 크게 하여 재생출력을 크게 하고자 하면, 이에 따라 센스 전류 자계도 커지는데, 본 발명의 실시형태에서는 상기 센스 전류 자계가 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층 사이에 작용하는 교환 결합 자계를 증폭시키는 작용을 초래하고 있기 때문에, 센스 전류 자계의 증대에 의해 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 자화 상태는 보다 안정된 것으로 된다.
그리고, 이 센스 전류방향의 제어는 반강자성층에 어떠한 반강자성 재료를 사용한 경우에도 적용할 수 있으며, 예컨대 반강자성층과 고정 자성층의 계면에서 교환 결합 자계 또는 교환 이방성 자계를 발생시키기 위하여 열처리가 필요한지 또는 필요치 않은 지와는 무관하다.
그리고, 도 1 내지 도 3 에 나타내는 제 1 내지 제 3 실시형태와 같이 고정 자성층이 단층으로 형성되어 있던 싱글 스핀 밸브형 박막 소자의 경우라도, 상술한 센스 전류를 흘려보냄으로써 형성되는 센스 전류 자계의 방향과 고정 자성층의 자화 방향을 일치시킴으로써 상기 고정 자성층의 자화를 열적으로 안정화시킬 수 있다.
이어서, 본 발명의 박막 자기 헤드에 대하여 상세하게 설명한다.
도 17 은 본 발명의 박막 자기 헤드의 1예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 박막 자기 헤드가 종래의 박막 자기 헤드와 다른 점은, 자기 저항 효과 소자층 (245) 에 상술한 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 박막 자기 헤드인 점이다.
상기 스핀 밸브형 박막 소자는 박막 자기 헤드, 특히 재생용 헤드를 구성하는 가장 중요한 부분이다.
본 발명의 박막 자기 헤드를 제조하기 위해서는, 우선 도 17 에 나타내는 자성재료제 하부 실드층 (253) 상에 하부 갭층 (254) 을 형성한 후, 자기 저항 효과소자층 (245) 을 형성하는 상기 스핀 밸브형 박막 소자를 막 형성한다. 그 후, 상기 스핀 밸브형 박막 소자 상에 상부 갭층 (256) 을 통해 상부 실드층 (257) 을 형성하면, MR 헤드 (h1) 가 완성된다.
계속해서 상기 MR 헤드 (h1) 의 상부 실드층 (257) 과 겸용인 하부 코어층 (257) 상에 갭층 (264) 을 형성하고, 그 위에 나선상 코일층 (266) 을 제 1 절연 재료층 (267A) 및 제 2 절연 재료층 (267B) 으로 둘러싸도록 형성한다. 그리고, 제 2 절연 재료층 (267B) 상에 상부 코어층 (268) 을 형성하고, 상부 코어층 (268) 상에 보호층 (269) 을 형성함으로써 박막 자기 헤드로 된다.
이와 같은 박막 자기 헤드는 상술한 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 박막 자기 헤드이기 때문에, 재생 실드 간격 (T) 을 두껍게 하지 않고 상부 실드층 (257) 이나 하부 실드층 (253) 의 절연을 확보하기 쉬운 박막 자기 헤드로 된다.
그리고, 박막 자기 헤드의 슬라이더 부분의 구성 및 인덕티브 헤드의 구성은 도 16 내지 도 18 에 나타내는 것으로 한정되지 않으며, 그 외의 여러 구조의 슬라이더 및 인덕티브 헤드를 채택할 수 있음은 물론이다.
이하, 지금까지 설명한 본 발명을 실시예를 나타내어 상세하게 설명한다.
[시험예 1]
상면에 알루미나로 이루어지는 상부 갭층이 형성되어 있는 Si 로 이루어지는 기판 상에 스퍼터 장치를 사용하여 두께 200 Å 의 PtMn, (Pt50-Mn50 (원자%)) 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 10 Å 의 Co 막과 두께 50 Å 의 NiFe 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하며, 그리고 두께 50 Å 의 Ta 로 이루어지는 보호층을 형성하고, 그 위에 알루미나로 이루어지는 상부 갭층을 형성하여 적층제로 하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / PtMn 층 200 Å / Co 층 25 Å / Cu 층 25 Å / Co 층 10 Å / NiFe 층 50 Å / Ta 층 50 Å / Al2O3층) 으로 된다.
[시험예 2]
하부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10Å, 20Å, 30Å, 40Å, 50Å 의 바탕층을 갖는 적층체를 시험예 1 과 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 3]
하부 갭층과 반강자성층 사이에 Cu 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 바탕층을 갖는 적층체를 시험예 1 과 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 4]
시험예 1 과 동일한 방법으로 PtMn 막을 FeMn, Fe50-Mn50 (원자%) 막으로 한 적층체를 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 5]
하부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 바탕층을 갖는 적층체를 시험예 4 와 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 6]
하부 갭층과 반강자성층 사이에 Cu 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 바탕층을 갖는 적층체를 시험예 4 와 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 하여 얻어진 시험예 1 내지 시험예 6 의 시험체중 시험예 1 은 본 발명의 실시예이고, 시험예 2 내지 시험예 6 은 종래예이다.
이들 시험예 1 내지 시험예 6 의 시험체 각각에 250 ℃ 의 온도에서 4 시간 어닐링을 실시하여 그 교환 결합 자계를 조사한다.
결과를 도 19 에 나타낸다.
도 19 에서 반강자성층에 PtMn 을 사용한 시험예 1 에서는 바탕층을 형성하지 않아도 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
[시험예 7]
상면에 알루미나로 이루어지는 하부 갭층이 형성되어 있는 Si 로 이루어지는 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 50 Å 의 Ta 로 이루어지는 바탕층을 형성하고, 그 위에 두께 50 Å 의 NiFe 막과 두께 10 Å 의 Co 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하며, 그리고 두께 200 Å 의 PtMn, Pt50-Mn50 (원자%) 막으로 이루어지는 보호층을 형성하고, 그 위에 알루미나로 이루어지는 상부 갭층을 형성하여 적층제로 하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / Ta 층 50 Å / NiFe 층 50 Å / Co 층 10 Å / Cu 층 25 Å / Co 층 25 Å / PtMn 층 200 Å / Al2O3층) 으로 된다.
[시험예 8]
상부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 보호층을 갖는 적층체를 시험예 7 과 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 9]
시험예 7 과 동일한 방법으로 PtMn 막을 FeMn, Fe50-Mn50 (원자%) 막으로 한 적층체를 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 10]
상부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 보호층을 갖는 적층체를 시험예 9 와 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 11]
시험예 7 과 동일한 방법으로 PtMn 막을 IrMn, Ir20-Mn80 (원자%) 막으로 한 적층체를 형성하여 이것을 시험체로 한다.
[시험예 12]
상부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 보호층을 갖는 적층체를 시험예 11 과 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 하여 얻어진 시험예 7 내지 시험예 12 의 시험예 중 시험예 7 은 본 발명의 실시예이고, 시험예 8 내지 시험예 12 은 종래예이다.
이들 시험예 7 내지 시험예 12 의 시험체 각각에 250 ℃ 의 온도에서 4 시간 어닐링을 실시하여 그 교환 결합 자계를 조사한다.
결과를 도 20 에 나타낸다.
도 20 에서 반강자성층에 PtMn 을 사용한 시험예 7 에서는 바탕층을 형성하지 않아도 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
[시험예 13]
상면에 알루미나로 이루어지는 하부 갭층이 형성되어 있는 Si 로 이루어지는 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 200 Å 의 PtMn, Pt50-Mn50 (원자%) 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 50 Å 의 NiFe 막과 그 위에 각각 형성된 두께 10 Å 의 Co 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하며, 그리고 두께 200 Å 의 PtMn, Pt50-Mn50 (원자%) 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그 위에 알루미나로 이루어지는 상부 갭층을 형성하여 적층제로 하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / PtMn 층 200 Å / Co 층 25 Å / Cu 층 25 Å / Co 층 10 Å / NiFe 층 50 Å / Co 층 10 Å / Cu 층 25 Å/ Co 층 25 Å / PtMn 층 200 Å/ Al2O3층) 으로 된다.
[시험예 14]
하부 갭층과 반강자성층 사이 및 상부 갭층과 반강자성층 사이에 Ta 로 이루어지는 두께 10 Å, 20 Å, 30 Å, 40 Å, 50 Å 의 층 (바탕층 또는 보호층) 을 갖는 적층체를 시험예 13 과 동일한 방법으로 각각 형성하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 하여 얻어진 시험예 13 및 시험예 14 의 적층체 중 시험예 13 은 본 발명의 실시예이고, 시험예 14 는 종래예이다.
이들 시험예 13 및 시험예 14 의 시험체 각각에 250 ℃ 의 온도에서 4 시간 어닐링을 실시하여 그 교환 결합 자계를 조사한다.
결과를 도 21 에 나타낸다.
도 21 에서 반강자성층에 PtMn 을 사용한 시험예 13 은 바탕층을 형성하지않아도 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
[시험예 15]
상면에 알루미나로 이루어지는 하부 갭층이 형성되어 있는 Si 로 이루어지는 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 300 Å 의 PtMn 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 10 Å 의 Co 막과 두께 50 Å 의 NiFe 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하며, 그리고 두께 50 Å 의 Ta 막으로 이루어지는 보호층을 형성하여 적층체로 하여 이것을 시험체로 한다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / PtMn 층 300 Å / Co 층 25 Å / Cu 층 25 Å / Co 층 10 Å / NiFe 층 50 Å / Ta 층 50 Å) 로 된다.
이와 같이 하여 얻어진 시험체에 250 ℃ 의 온도, 1 kOe 의 조건하에서 4 시간 어닐링을 실시하여 그 R-H 곡선을 조사한다.
결과를 도 22 에 나타낸다.
도 22 에 있어서, A 는 외부 자계를 ±4000 Oe 의 범위로 하였을 때의 R-H 곡선과, 외부 자계가 0 Oe 인 때와 ±4000 Oe 인 때의 고정 자성층과 프리 자성층의 자화의 방향의 관계를 나타내고, B 는 외부 자계를 ±50 Oe 의 범위로 하였을 때의 R-H 곡선을 나타낸다. 그리고, 부호 Hex 는 교환 결합 자계를 나타내고,보호 Hbf 는 Cu 층을 통해 고정 자성층에서 프리 자성층으로 작용하는 강자성 층간 결합을 나타낸다.
도 22 에서 하부 갭층과 반강자성층 사이에 바탕층을 형성하여도 양호한 R-H 곡선을 얻을 수 있음이 밝혀졌다.
지금까지 설명한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 상부 갭층과 반강자성층이 접하여 형성된 톱형의 것이기 때문에, 상부 갭층과 반강자성층 사이에 보호층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 하부 갭층과 반강자성층이 접하여 형성된 보텀형의 것이기 때문에, 하부 갭층과 반강자성층 사이에 바탕층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 상부 갭층과 반강자성층, 하부 갭층과 반강자성층 중 적어도 일측이 접하여 형성된 듀얼형의 것이기 때문에, 바탕층 또는 보호층 또는 양측이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층 또는 상기 보호층 또는 양측의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 재생 실드 간격을 넓게 하지 않고 상기 바탕층 또는 상기 보호층 또는 양측의 두께만큼 상부 갭층이나 하부 갭층의 두께를 두껍게 할 수 있는 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이어도 된다.
적어도 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하여 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되며, 외부 자계에 대하여 감도 좋게 반전할 수 있는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, NiMn 이나 FeMn 등으로 이루어지는 종래의 반강자성층과 비교하여 내식성이 뛰어난 반강자성층을 갖는 것으로 되며, 반강자성층이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 또는 하부 갭층중의 산소가 반강자성층으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 할 수 있다.
그리고 또한 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 향상시킬 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 fct 구조를 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금 등을 사용한 종래의 반강자성층과 비교하여 보다 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며 또한 내식성이 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 X 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위인 것으로 함으로써, 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며, 뛰어난 내식성을 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고, 양호한 내식성을 얻을 수 있는 X 또는 X'-Pt 의 함유율을 갖는 것으로 하고 또한 fct 구조로 된 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 박막 자기 헤드는, 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것이기 때문에, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고, 스핀 밸브형 박막 소자와 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 박막 자기 헤드로 할 수 있다.
[제 10 실시예]
도 23 은 본 발명의 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자가 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 다른 점은, 상기 반강자성층 (2) 가 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가되는 것인 점이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자에서는 하드디스크 등의 자기 기록 매체의 이동방향은 도시된 Z 방향이고, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향은 Y 방향이다.
도 23 에 있어서, 부호 1S 는 도시하지 않은 기판 상에 형성되며, 예컨대 Ta 등으로 형성된 바탕층을 나타낸다. 이 바탕층 (1S) 상에는 반강자성층 (2) 이 형성되며, 그리고 상기 반강자성층 (2) 상에는 고정 자성층 (3) 이 형성되어 있다. 이 고정 자성층 (3) 상에는 비자성 도전층 (4) 이 형성되며, 그리고 상기 비자성 도전층 (4) 상에는 프리 자성층 (5) 이 형성되어 있다. 또한, 부호 6, 6 은 하드 바이어스층을, 부호 7 은 Ta 등으로 형성된 보호층을, 부호 8, 8 은 도전층을 나타낸다.
본 발명의 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서, 상기 반강자성층 (2) 에 사용되는 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것임이 바람직하다.
이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 44 내지 52 원자% 범위이고, 가장 바람직하게는 43 내지 49 원자% 이다. 상기 Mn 의 조성 범위를 40 원자% 미만으로 한 경우 또는 54 원자% 를 넘는 경우, 높은 비저항을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 못하다.
또한 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로서는, Mn 의 조성 범위는 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 37 내지 63 원자% 로 하는 것이 바람직하다. 500 Oe 이상의 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 보다 바람직한 Mn 의 조성 범위는 43 내지 49 원자% 이다.
상기 조성 범위의 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, 스퍼터링 등의 막 형성법 등에 의해 형성된 상태에서는 X 원자 및 Mn 원자의 배열순서가 불규칙한 면심입방격자로 되어 있다. 따라서, 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 경계면에서 교환 결합 자계 (Hex) 는 거의 발생하지 않는다. 그러나, 막 형성된 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금에 대하여 자계 중에서 어닐링 처리함으로써 규칙화되고, fct 구조로 함으로써 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 경계면에서 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 것으로 된다.
또한, 반강자성층 (2) 은 상기 X'-Pt-Mn 합금으로 형성된 것이어도 된다.
상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, X-Mn 의 식으로 나타내는 합금과 마찬가지로, 스퍼터링 등에 의해 막 형성된 후에 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것임이 바람직하다.
이 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, X-Mn 으로 나타나는 합금과 마찬가지로, Mn 이 40 내지 50 원자% 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 44 내지 52 원자% 범위이고, 가장 바람직하게는 43 내지 49 원자% 이다. 상기 Mn 의 조성 범위를 40 원자% 미만으로 한 경우 또는 54 원자% 를 넘는 경우, 높은 비저항을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 못하다.
또한 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로서는, Mn 의 조성 범위는 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 37 내지 63 원자% 로 하는 것이 바람직하다. 500 Oe 이상의 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 보다 바람직한 Mn 의 조성 범위는 43 내지 49 원자% 이다.
그리고 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로서는, X' 가 0.2 내지 10 원자% 범위인 것이 바람직하다.
상기 반강자성층 (2) 이 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것인 경우에도, 막 형성 후에 자계 중에서 어닐링처리를 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 되며, 고정 자성층 (3) 과의 경계면에서 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 것으로 된다.
또한, 상기 반강자성층 (2) 으로서는 비저항은 200 μΩ㎝ 이상인 것이 바람직하다. 상기 비저항이 200 μΩ㎝ 미만인 것으로 한 경우, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 없기 때문에 또한 상기 션트 손실이 저항 변화율 (ΔMR) 에 악영향을 미칠 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다.
또한 스핀 밸브형 박막 소자의 비저항은, 어닐링을 실시함으로써 20 % 이상 증가된 것임이 바람직하다. 스핀 밸브형 박막 소자의 비저항이 20 % 미만 증가된 것으로 한 경우, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 없는 것으로 되어 바람직하지 못하다.
상기 고정 자성층 (3) 은 강자성체의 박막으로 이루어지며, 예컨대 Co, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비자성 도전층 (4) 은 Cu, Cr, Au, Ag 등으로 대표되는 비자성체로 이루어지며, 통상 20 내지 40 Å 정도의 두께로 형성되어 있다.
상기 프리 자성층 (5) 은 상기 고정 자성층 (3) 과 동일한 재료 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
이것은, 비자성 도전층 (4) 을 고정 자성층 (3) 과 프리 자성층 (5) 으로 끼우는 구조의 거대 자기 저항 효과 발생기구에 있어서는, 고정 자성층 (3) 과 프리 자성층 (5) 을 동종의 재질로 구성하는 편이 이종의 재질로 구성하는 것보다 전도 전자의 스핀 의존 산란 이외의 인자가 발생할 가능성이 낮아 보다 높은 자기 저항 효과를 얻을 수 있음에 기인하고 있다.
상기 하드 바이어스층 (6 및 6) 은, 예컨대 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 도전층 (8) 은, 예컨대 Cr 이나 Cu 나 W 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 23 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서 상기 반강자성층 (2) 은, 고정 자성층 (3) 에 접하여 형성되며, 어닐링을 실시함으로써 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 계면에서 교환 결합 자계가 발생하며, 예컨대 도 23 에 나타내는 바와 같이 고정 자성층 (3) 의 자화가 도시된 Y 방향으로 고정된다.
또한, 상기 하드 바이어스층 (6 및 6) 이 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 자화되어 있음으로써, 상기 프리 자성층 (5) 의 자화가 도시된 X1 방향과 반대 방향으로 정렬되어 있다. 그럼으로써, 상기 프리 자성층 (5) 의 변동 자화와 상기 고정 자성층 (3) 의 고정 자화가 교차하는 관계로 되어 있다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자에서는 상기 도전층 (8) 에서 프리 자성층 (5), 비자성 도전층 (4), 고정 자성층 (3) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록 매체에서 도 23 에 나타내는 도시된 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (5) 의 자화는 도시된 X1 방향과 반대 방향에서 Y 방향으로 변동한다. 이 때의 비자성 도전층 (4) 과 프리 자성층 (5) 의 계면 및 비자성 도전층 (4) 과 고정 자성층 (3) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도 전자의 산란이 일어남으로써 전기 저항이 변화하여 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자를 제조하기 위해서는, 우선 밑에서부터 바탕층 (1), 반강자성층 (2), 고정 자성층 (3), 비자성 도전층 (4), 프리 자성층 (5), 보호층 (7) 을 막 형성하고, 막 형성 후의 공정에 있어서 어닐링을 실시하는 방법 등에 의해 실시된다.
여기서 어닐링은 200 내지 290 ℃ 정도의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 온도를 200 ℃ 미만으로 한 경우, 반강자성층 (2) 을 형성하는 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금의 규칙화에 지장을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 290 ℃ 를 넘는 온도로 한 경우, 반강자성층 (2) 이외의 층에 악영향을 미칠 우려가 있다.
또한, 어닐링 온도는 240 내지 290 ℃ 정도의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 어닐링 온도를 240 ℃ 이상으로 하면, 고정 자성층 (3) 이 반강자성층 (2) 의 상측 및/또는 하측에 배치되어 있어도 교환 결합 자계를 얻을 수 있기 때문이다. 어닐링 온도를 240 ℃ 미만으로 한 경우, 반강자성층 (2) 상에 고정 자성층 (3) 이 배치되어 있을 때에는 교환 결합을 얻을 수 있지만, 반강자성층 (2) 아래에 고정 자성층 (3) 이 배치되어 있을 때에는 교환 결합 자계를 얻기 어려운 것으로 된다.
이와 같은 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 반강자성층 (2) 이 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 반강자성층이 NiO 합금, FeMn 합금, IrMn 합금 등으로 형성된 어닐링을 실시하지 않은 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
즉, 반강자성층 (2) 이 내열성이 뛰어난 것으로 형성됨으로써, 제조 공정에 있어서 고온으로 인한 악영향을 받기 어려운 것을 얻을 수 있음과 동시에 장치내의 소자 온도가 고온으로 되는 박막 자기 헤드의 장치에 구비된 경우의 내구성이 양호하며, 온도 변화로 인한 교환 결합 자계의 변동이 적은 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 반강자성층 (2) 의 블로킹 온도가 높은 것으로 되기 때문에, 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 상기 고정 자성층 (3) 의 외부 신호 자계에 대한 자화의 회전을 양호하게 핀 고정할 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 반강자성층 (2) 의 비저항이 크기 때문에, 션트 손실을 감소시킬 수 있고, 큰 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 비저항 및 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
여기서, 반강자성층 (2) 의 비저항을 변화시킨 경우의 출력변화를 수식을 사용하여 상세하게 설명한다.
상기 저항 변화율 (ΔMR) 은 전압 변화율을 ΔV, 전압을 V 로 하였을 때, 다음 수식 (ⅰ) 로 표시된다.
ΔMR = ΔV / V …(ⅰ)
따라서, 전압 변화량 (ΔV) 은 다음 수식 (ⅱ) 로 표시된다.
ΔV = V ×ΔMR …(ⅱ)
그런데, 상기 전압 (V) 은 전류를 I, 저항을 R 로 하였을 때 V = IR 로 표시되기 때문에, 전압 변화량 (ΔV) 은 다음 수식 (ⅲ) 으로 표시된다.
ΔV = IR ×ΔMR …(ⅲ)
따라서, 어닐링을 실시하기 전후의 출력 전압의 비 (ΔV / ΔV0) 는 초기저항 변화율을 ΔMR0, 초기저항을 R0라 하면, 다음 수식 (ⅳ) 로 표시된다.
ΔV / ΔV0= (IR ×ΔMR) / (IR0×ΔMR0) …(ⅳ)
또한, 어닐링을 실시하기 전과 후에서의 전류 (I) 는 동등하기 때문에 전압의 비 (ΔV / ΔV0) 는 수식 (ⅴ) 로 표시된다.
ΔV / ΔV0= (R ×ΔMR) / (R0×ΔMR0) …(ⅴ)
상기 수식 (ⅴ) 를 다시 쓰면, 다음에 나타내는 수식 (ⅵ) 을 얻을 수 있다.
ΔV / ΔV0= (ΔMR / ΔMR0) × (R / R0) …(ⅵ)
실제로는 어닐링을 실시하고 나서야 ΔMR 은 측정할 수 있지만, 어닐링전후에서 ΔMR 이 불변이라 가정하면, 어닐링 후에 R 이 커지면 출력 전압 (ΔV) 도 커진다. 여기서, R1, R0는 스핀 밸브형 박막 소자 전체 저항치인데, 반강자성층 (2) 은 비교적 막 두께가 두껍기 때문에 어닐링 후 반강자성층 (2) 의 비저항이 증가하면 전체 저항치의 증가도 비교적 커진다.
즉, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에서는 반강자성층 (2) 의 비저항이 크기 때문에, 큰 출력 전압과 큰 저항 변화를 갖는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자를 얻을 수 있다.
또한, 상기 X-Mn 의 식 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위로 함으로써, 높은 비저항과 한층 더 양호한 교환 결합 자계를얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 Mn 이 44 내지 52 원자% 범위인 것으로 함으로써, 200 μΩ㎝ 이상의 높은 비저항을 갖는 것으로 할 수 있으며, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
또한, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것이기 때문에, 반강자성층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 반강자성층 (2) 의 비저항이 200 μΩ㎝ 이상인 것으로 함으로써, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 있고, 고출력화에 유리한 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 보다 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고, 비저항이 어닐링을 실시함으로써 20 % 이상 증가된 스핀 밸브형 박막 소자로 하였기 때문에, 션트 손실을 감소시킬 수 있고, 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 Mn 이 37 내지 63 원자% 범위인 것으로 함으로써, 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 Mn 이 43 내지 49 원자% 범위로 함으로써, 500 Oe 이상의 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 X' 가 0.2 내지 10 원자% 범위인 것으로 함으로써, X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 사용한 경우, 더욱 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법은, 기판 상에 반강자성층 (2) 과, 이 반강자성층 (2) 과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층 (2) 과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층 (3) 과, 상기 고정 자성층 (3) 에 비자성 도전층 (4) 을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층 (3) 의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층 (5) 를 형성한 후에 어닐링을 실시하여 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법으로서, 상기 반강자성층 (2) 을 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성하여 상기 어닐링에 의해 반강자성을 나타내게 함과 동시에 비저항을 증가시키는 제조 방법이기 때문에, 상술한 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자를 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상술한 바와 같이 비자성 도전층 (4) 의 두께 방향 상하에 고정 자성층 (3) 과 프리 자성층 (5) 을 각각 단층구조로서 형성하였으나, 이들을 복수구조로 하여도 된다.
거대 자기 저항 변화를 나타내는 메커니즘은, 비자성 도전층 (4) 과 고정 자성층 (3) 과 프리 자성층 (5) 의 계면에서 발생하는 전도 전자의 스핀 의존 산란에 의한 것이다. Cu 등으로 이루어지는 상기 비자성 도전층 (4) 에 대하여 스핀 의존 산란이 큰 조합으로서 Co 층을 예시할 수 있다. 따라서, 고정 자성층 (3) 을 Co 이외의 재료로 형성한 경우, 고정 자성층 (3) 의 비자성 도전층 (4) 측의 부분의 도 1 의 이점쇄선으로 나타내는 바와 같이 얇은 Co 층 (3a) 으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 프리 자성층 (5) 을 Co 이외의 재료로 형성한 경우에도 고정 자성층 (3) 의 경우와 마찬가지로 프리 자성층 (5) 의 비자성 도전층 (4) 측의 부분을 도 1 의 이점쇄선으로 나타내는 바와 같이 얇은 Co 층 (5a) 으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 2 와 같이 바탕층 (1S) 을 형성하지 않음으로써 상기한 바와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
[제 11 실시형태]
도 24 는 본 발명의 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자는, 도 23 에 나타낸 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자의 막 구성을 반대로 하여 형성한 톱형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자이다.
도 24 에 있어서, 부호 121 은 도시하지 않은 기판 상에 형성되어 있는 바탕층을 나타낸다. 이 바탕층 (121) 상에는 프리 자성층 (125) 이 형성되며, 그리고 상기 프리 자성층 (125) 상에는 비자성 도전층 (124) 이 형성되어 있다. 이 비자성 도전층 (124) 상에는 고정 자성층 (123) 이 형성되며, 그리고 상기 고정 자성층 (123) 상에는 반강자성층 (122) 이 형성되어 있다. 또한, 부호 126 및 126 은 하드 바이어스층을, 부호 127H 는 보호층을, 부호 128 및 128 은 도전층을 나타낸다.
본 발명의 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에서는 바탕층 (121), 프리 자성층 (125), 비자성 도전층 (124), 고정 자성층 (123), 하드 바이어스층 (126), 보호층 (127H), 도전층 (128) 의 구성재료는 상술한 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등해진다. 또한, 반강자성층 (122) 의 구성 재료도 상술한 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등해지는데, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 바람직한 조성 범위가 약간 다르다.
즉, 반강자성층 (122) 을 형성하는 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금에 있어서, Mn 은 37 내지 63 원자% 범위로 하는 것이 바람직하고, 500 Oe 이상의 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 42 내지 47 원자% 범위로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금에 있어서도, Mn 은 37 내지 63 원자% 범위로 하는 것이 바람직하고, 500 Oe 이상의 교환 결합 자계를 얻을 수 있는 42 내지 47 원자% 범위로 하는 것이 보다 바람직하다.
그리고 또한 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 으로 나타나는 합금은, 상술한 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것으로 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (122) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나며, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한, 비저항 및 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다. 그리고, 도 1 과 같이 보호층 (127H) 을 형성함으로써, 상기한 바와 같은 효과도 얻을 수 있다.
[제 12 실시형태]
도 25 는 본 발명의 제 12 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자의 기록 매체와의 대향면에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 제 12 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자는, 프리 자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층, 반강자성층이 1 층씩 형성된, 소위 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자이다. 이 듀얼 스핀 밸브형 박막구조에서는 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합이 2 조 존재하기 때문에, 도 23 및 도 24 에 나타낸 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율을 기대할 수 있고, 고밀도 기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
도 25 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자는 도시하지 않은 기판 상에 형성되며, 밑에서부터 바탕층 (141), 반강자성층 (142), 하측 고정 자성층 (143), 비자성 도전층 (144), 프리 자성층 (145), 비자성 도전층 (146), 상측 고정 자성층 (147) 반강자성층 (148), 보호층 (149H) 의 순으로 적층되어 있다. 그리고, 도 25 에 나타내는 바와 같이 바탕층 (141S) 에서 보호층 (149H) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (132 및 132) 과 도전층 (133 및 133) 이 형성되어 있다.
본 발명의 제 12 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에서는 바탕층 (141S), 프리 자성층 (145), 비자성 도전층 (144 및 146), 고정 자성층 (143 및 147), 하드 바이어스층 (132), 보호층 (149H), 도전층 (133) 의 구성재료는 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등해진다. 또한, 반강자성층 (142 및 148) 의 구성재료도 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 동등해진다.
본 발명의 제 12 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도 상기 반강자성층 (142 및 148) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 큰 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 반강자성층 (142 및 148) 의 비저항 및 저항 변화율이 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 된다. 그리고, 도 3 과 같이 바탕층 (141S) 과 보호층 (149H) 을 형성하지 않음으로써, 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 13 실시형태]
도 26 은 본 발명의 제 13 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 27 은 도 26 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 26 및 도 27 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자는 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층 및 프리 자성층이 1 층씩 형성된, 소위 보텀형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자의 일종이다.
도 26 및 도 27 에 있어서 도시하지 않은 기판 상에 형성된 가장 아래층은 Ta 등의 비자성재료로 형성된 바탕층 (10S) 이다. 상기 바탕층 (10S) 상에는 반강자성층 (11) 이 형성되며, 상기 반강자성층 (11) 상에는 제 1 고정 자성층 (12) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 상에는 비자성 중간층 (13) 이 형성되며, 상기 비자성 중간층 (13) 상에는 제 2 고정 자성층 (14) 이 형성되어 있다.
상기 제 1 고정 자성층 (12) 및 제 2 고정 자성층 (14) 은, 예컨대 Co 막, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 형성되어 있다.
본 발명의 제 13 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상술한 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 상기 반강자성층 (11) 이 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것임이 바람직하다.
또한 이들 각 합금의 조성에 대해서도, 상술한 제 1 실시형태의 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 및 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금과 동등하면 된다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 4 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 13 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (11) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
또한, 반강자성층 (11) 의 비저항 및 어닐링후의 저항 증가가 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 도 4 와 같이 바탕층 (10S) 이 형성되어 있지 않음으로써 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 26 및 도 27 에 있어서의 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 상기 도전층 (131 및 131) 에서 프리 자성층 (16), 비자성 도전층 (15) 및 제 2 고정 자성층 (14) 으로 센스 전류가 부여된다. 기록 매체로부터 도 26 및 도 27 에 나타내는 도시된 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (16) 의 자화는 도시된 X1 방향에서 Y 방향으로 변동하며, 이 때의 비자성 도전층 (15) 과 프리 자성층 (16) 의계면 및 비자성 도전층 (15) 과 제 2 고정 자성층 (14) 의 계면에서 스핀에 의존한 전도 전자의 산란이 일어남으로써 전기 저항이 변화하여 기록 매체로부터의 누설 자계가 검출된다.
그런데, 상기 센스 전류는 실제로는 제 1 고정 자성층 (12) 과 비자성 중간층 (13) 의 계면 및 제 2 고정 자성층 (14) 과 비자성 중간층 (13) 의 계면 등으로도 흐른다. 상기 제 1 고정 자성층 (12) 은 ΔMR 에 직접 관여하지 않으며, 상기 제 1 고정 자성층 (12) 은 ΔMR 에 관여하는 제 2 고정 자성층 (14) 을 적정한 방향으로 고정하기 위한, 소위 보조적인 역할을 한 층으로 되어 있다. 따라서, 센스 전류가 제 1 고정 자성층 (12) 및 비자성 중간층 (13) 으로 흐르는 것은, 션트 손실, 소위 전류 손실로 되는데, 이 션트 손실의 양은 매우 적어서 제 4 실시형태에서는 종래와 거의 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
[제 14 실시형태]
도 28 은 본 발명의 제 14 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 29 는 도 28 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 예의 스핀 밸브형 박막 소자는 도 26 및 도 27 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자의 막 구성을 반대로 하여 형성한 톱형 싱글 스핀 밸브형 박막 소자이다.
즉, 도 28 및 도 29 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 도시하지 않은 기판 상에 밑에서부터 바탕층 (10), NiFe 막 (22), Co 막 (23), 그리고 NiFe 막 (22) 과 Co 막 (23) 을 합하여 프리 자성층 (21), 비자성 도전층 (24), 제 2 고정자성층 (25), 비자성 중간층 (26), 제 1 고정 자성층 (27), 반강자성층 (28) 및 보호층 (29H) 의 순으로 적층되어 있다.
본 발명의 제 14 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상술한 제 2 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자의 반강자성층 (11) 과 마찬가지로, 상기 반강자성층 (28) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것으로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한 이들 각 합금의 조성에 대해서도, 상술한 제 11 실시형태의 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 및 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금과 동등하면 된다.
이어서, 도 28 및 도 29 에 나타내는 제 1 고정 자성층 (27) 과 제 2 고정 자성층 (25) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (26) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 5 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 14 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (28) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
또한 반강자성층 (28) 의 비저항 및 어닐링후의 저항증가가 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자이다.
그리고 또한 도 6 및 도 7 과 같이 보호층 (29H) 을 형성하고 있지 않음으로써 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 15 실시형태]
도 30 은 본 발명의 제 15 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 31 은 도 30 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 예의 스핀 밸브형 박막 소자는 프리 자성층을 중심으로 하여 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층 및 반강자성층이 1 층씩 형성된, 소위 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자이다.
이 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자에서는 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합이 2 세트 존재하기 때문에, 싱글 스핀 밸브형 박막 소자에 비하여 큰 ΔMR 을 기대할 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응할 수 있는 것으로 되어 있다.
도 30 및 도 31 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자는, 도시하지 않은 기판 상에 밑에서부터 바탕층 (30S), 반강자성층 (31), 제 1 하측 고정 자성층 (32), 하측 비자성 중간층 (33), 제 2 하측 고정 자성층 (34), 비자성 도전층 (35), 프리 자성층 (36), 부호 37, 39 는 Co 막, 부호 38 은 NiFe 합금막, 비자성 도전층 (40), 제 2 상측 고정 자성층 (41), 상측 비자성 중간층 (42), 제 1 상측 고정 자성층 (43), 반강자성층 (44) 및 보호층 (45H) 의 순으로 적층되어 있다.
그리고, 도 31 에 나타내는 바와 같이 바탕층 (30) 에서 보호층 (45) 까지의 적층체의 양측에는 하드 바이어스층 (130) 과 도전층 (131) 이 형성되어 있다.
본 발명의 제 15 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서, 상기 반강자성층 (31 및 44) 은 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것으로 되는 것이 바람직하다.
또한, 도 30 및 도 31 에 나타내는 제 1 하측 고정 자성층 (32), 제 1 상측 고정 자성층 (43) 과 제 2 하측 고정 자성층 (34), 제 2 상측 고정 자성층 (41) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (33,42) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 6 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 15 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (31 및 44) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자이다.
또한, 반강자성층 (31 및 44) 의 비저항 및 어닐링에 의한 저항 증대가 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 도 8 및 도 9 와 같이 바탕층 (30S) 및 보호층 (45H) 을 형성하지 않음으로써, 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 16 실시형태]
도 32 는 본 발명의 제 16 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도이고, 도 33 은 도 32 에 나타낸 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면 측에서 본 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 도 26 내지 도 31 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, 하드디스크 장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링 측 단부 등에 설치되어 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 그리고, 하드디스크 등의 자기 기록 매체의 이동방향은 도시된 Z 방향이고, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향은 Y 방향이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자는 고정 자성층뿐만 아니라 프리 자성층도 비자성 중간층을 통해 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 층으로 분단되어 있다.
본 발명의 제 16 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자는, 도 32 및 도 33 에 나타내는 바와 같이 도시하지 않은 기판 상에 밑에서부터 바탕층 (50S), 반강자성층 (51), 제 1 고정 자성층 (52), 비자성 중간층 (53), 제 2 고정 자성층 (54), 비자성 도전층 (55), 제 1 프리 자성층 (56), 비자성 중간층 (59), 제 2 프리 자성층 (60) 및 보호층 (61) 의 순으로 적층되어 있다.
본 발명의 제 16 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서, 상기 바탕층(50) 및 보호층 (61) 은 예컨대 Ta 등으로 형성되어 있다.
또한 상기 반강자성층 (51) 은, 상술한 제 10 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것으로 되는 것이 바람직하다.
제 1 고정 자성층 (52) 및 제 2 고정 자성층 (54) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
또한, 비자성 중간층 (53) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 비자성 도전층 (55) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
상기 제 1 고정 자성층 (52) 의 자화와 제 2 고정 자성층 (54) 의 자화는 서로 반평행하게 자화된 페리 상태로 되어 있으며, 예컨대 제 1 고정 자성층 (52) 의 자화는 Y 방향으로, 제 2 고정 자성층 (54) 의 자화는 도시된 Y 방향과 반대 방향으로 고정되어 있다. 이 페리 상태의 안정성을 유지하기 위해서는, 큰 교환 결합 자계가 필요하다. 본 실시형태에서는 보다 큰 교환 결합 자계를 얻기 위하여 다음에 나타내는 여러 적정화를 실시하고 있다.
도 32 및 도 33 에 나타내는 비자성 도전층 (55) 상에는 제 1 프리 자성층 (56) 이 형성되어 있다. 도 32 및 도 33 에 나타내는 바와 같이 상기 제 1 프리 자성층 (56) 은 2 층으로 형성되어 있으며, 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막 (57) 이 형성되어 있다. 비자성 도전층 (55) 에 접하는 측에 Co 막 (57)을 형성하는 것은, 첫째로 ΔMR 을 크게 할 수 있고, 둘째로 비자성 도전층 (55) 과의 확산을 방지하기 때문이다.
상기 Co 막 (57) 상에는 NiFe 합금막 (58) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 NiFe 합금막 (58) 상에는 비자성 중간층 (59) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 비자성 중간층 (59) 상에는 제 2 프리 자성층 (60) 이 형성되며, 그리고 상기 제 2 프리 자성층 (60) 상에는 Ta 등으로 형성된 보호층 (61) 이 형성되어 있다.
상기 제 2 프리 자성층 (60) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 제 1 프리 자성층 (58) 은 NiFe 합금 외에 CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있어도 된다.
도 32 및 도 33 에 나타내는 바탕층 (50S) 에서 보호층 (61) 까지의 스핀 밸브막은 그 측면이 경사면으로 깍여서 상기 스핀 밸브막은 사다리꼴형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀 밸브막의 양측에는 하드 바이어스층 (62 및 62) 및 도전층 (63 및 63) 이 형성되어 있다. 상기 하드 바이어스층 (62) 은 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 상기 도전층 (63) 은 Cu 나 Cr 등으로 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는 제 1 프리 자성층 (56) 과 제 2 프리 자성층 (60) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (59) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 7 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 6 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (51) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내열성, 내구성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있고, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자이다.
또한, 반강자성층 (51) 의 비저항 및 저항 변화율이 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 도 10 및 도 11 과 같이 바탕층 (50S) 을 형성하지 않음으로써, 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 17 실시형태]
도 34 는 본 발명의 제 8 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자를 모식적으로 나타낸 횡단면도, 도 35 는 도 34 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면에서 본 경우의 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자는 도 32 및 도 33 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자의 적층 순서를 반대로 한 것이다.
즉, 도시하지 않은 기판 상에 밑에서부터 바탕층 (70), 제 2 프리 자성층 (71), 비자성 중간층 (72), 제 1 프리 자성층 (73), 비자성 도전층 (76), 제 2 고정 자성층 (77), 비자성 중간층 (78), 제 1 고정 자성층 (79), 반강자성층 (80) 및 보호층 (81H) 의 순으로 적층되어 있다.
본 발명의 제 17 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서, 상기 바탕층(70) 및 보호층 (81H) 은 예컨대 Ta 등으로 형성되어 있다.
상기 반강자성층 (80) 은, 상술한 제 11 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것을 되는 것이 바람직하다.
제 1 고정 자성층 (79) 및 제 2 고정 자성층 (77) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 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.
그리고, 비자성 도전층 (76) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
도 34 및 도 35 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는, 프리 자성층이 2 층으로 분단되어 형성되어 있으며, 비자성 도전층 (76) 에 접하는 측에 제 1 프리 자성층 (73) 이 형성되고, 다른 일측의 프리 자성층이 제 2 프리 자성층 (71) 으로 되어 있다.
도 34 및 도 35 에 나타내는 바와 같이 제 1 프리 자성층 (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 프리 자성층 (7) 은, 예컨대 NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 34 및 도 35 에 나타내는 바탕층 (70) 에서 보호층 (81) 까지의 스핀 밸브막은 그 측면이 경사면으로 깍여서 상기 스핀 밸브막은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 스핀 밸브막의 양측에는 하드 바이어스층 (82 및 82) 및 도전층 (83 및 83) 이 형성되어 있다. 상기 하드 바이어스층 (82) 은 Co-Pt 합금이나 Co-Cr-Pt 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 상기 도전층 (83) 은 Cr 이나 Cu 나 W 등으로 형성되어 있다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리 자성층 (73) 과 제 2 프리 자성층 (71) 사이에 개재하는 비자성 중간층 (72) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 8 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 17 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (80) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내구성, 내열성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
또한, 반강자성층 (80) 의 비저항 및 어닐링 후의 저항 증가가 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 도 12 및 도 13 과 같이 보호층 (81H) 을 형성하지 않음으로써 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 18 실시형태]
도 36 은 본 발명의 제 18 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자의 구조를 나타내는 횡단면도이고, 도 37 은 도 36 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자를 기록 매체와의 대향면측에서 본 단면도이다.
이 스핀 밸브형 박막 소자는 프리 자성층을 중심으로 해서 그 상하에 비자성 도전층, 고정 자성층 및 반강자성층이 적층된 듀얼 스핀 밸브형 박막 소자로서, 상기 프리 자성층 및 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 층으로 분단되어 형성되어 있다.
도 36 및 도 37 에 나타내는 가장 하측에 형성되어 있는 층은 도시하지 않은 기판 상에 형성된 바탕층 (91S) 으로서, 이 바탕층 (91S) 상에 반강자성층 (92), 제 1 하측 고정 자성층 (93), 하측 비자성 중간층 (94), 제 2 하측 고정 자성층 (95), 비자성 도전층 (96), 제 2 프리 자성층 (97), 비자성 중간층 (100), 제 1 프리 자성층 (101), 비자성 도전층 (104), 제 2 상측 고정 자성층 (105), 상측 비자성 중간층 (106), 제 1 상측 고정 자성층 (107), 반강자성층 (108) 및 보호층 (109H) 이 형성되어 있다.
우선, 각층의 재질에 대하여 설명한다.
상기 반강자성층 (92 및 108) 은, 상술한 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자와 마찬가지로, X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것으로 되는 것이 바람직하다.
제 1 하측 고정 자성층 (93), 제 1 상측 고정 자성층 (107) 및 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 은 Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
또한, 제 1 하측 고정 자성층 (93), 제 1 상측 고정 자성층 (107) 과 제 2 하측 고정 자성층 (95), 제 2 상측 고정 자성층 (105) 사이에 형성되어 있는 하측 비자성 중간층 (94), 상측 비자성 중간층 (106) 및 제 1 프리 자성층 (101) 과 제 2 프리 자성층 (97) 사이에 형성되어 있는 비자성 중간층 (100) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 비자성 도전층 (96 및 104) 은 Cu 등으로 형성되어 있다.
도 36 및 도 37 에 나타내는 바와 같이, 제 1 프리 자성층 (101) 및 제 2 프리 자성층 (97) 은 2 층으로 형성되어 있다. 비자성 도전층 (96 및 104) 에 접하는 측에 형성된 제 1 프리 자성층 (101) 의 층 (103) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 층 (98) 은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 중간층 (100) 을 통해 형성되어 있는 제 1 프리 자성층 (101) 의 층 (102) 및 제 2 프리 자성층 (97) 의 층 (99) 은, 예컨대 NiFe 합금, CoFe 합금 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 비자성 도전층 (96 및 104) 측에 접하는 측 (98 및 103) 을 Co 막으로 형성함으로써, ΔMR 을 크게 할 수 있고 또한 비자성 도전층 (96 및 104) 과의 확산을 방지할 수 있다.
그리고 그 외의 구성에 대해서는, 제 9 실시형태와 동일한 것으로 되어 있다.
본 발명의 제 18 실시형태의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서도, 상기 반강자성층 (92 및 108) 이 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 내구성, 내열성이 뛰어나고, 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
또한, 반강자성층 (92 및 108) 의 비저항 및 어닐링후의 저항증가가 크기 때문에, 양호한 출력 전압을 얻을 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자로 된다.
그리고 또한 도 14 및 도 15 와 같이 바탕층 (91S) 및 보호층 (109H) 을 형성하지 않음으로써 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상, 도 32 내지 도 37 에 나타내는 스핀 밸브형 박막 소자에서는 고정 자성층뿐만 아니라 프리 자성층도 비자성 중간층을 통해 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 층으로 분단하고, 이 2 층의 프리 자성층 사이에 발생하는 교환 결합 자계, 소위 RKKY 상호작용에 의해 사기 2 층의 프리 자성층의 자화를 반평행 상태, 즉 페리 상태로 함으로써, 상기 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 자화를 외부 자계에 대하여 감도 좋게 반전할 수 있도록 하고 있다.
또한, 본 발명에서는 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 막 두께비나 상기 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층 사이에 개재하는 비자성 중간층의 막 두께 또는 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 막 두께비나 상기 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층 사이에 개재하는 비자성 중간층의 막 두께 및 반강자성층의 막 두께 등을 적정한 범위 내에서 형성함으로써, 교환 결합 자계를 크게 할 수 있고, 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 자화 상태를 고정 자화로 하여 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 자화 상태를 변동 자화로 하여 열적으로도 안정된 페리 상태로 유지할 수 있게 되고 또한 종래와 같은 정도의 ΔMR 을 얻을 수 있게 되어 있다.
본 발명에서는 센스 전류의 방향을 더욱 조절함으로써 제 1 고정 자성층의 자화와 제 2 고정 자성층의 자화의 반평행 상태, 즉 페리 상태를 열적으로도 보다 안정된 상태로 유지할 수 있게 되어 있다.
스핀 밸브형 박막 소자에서는 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층 및 프리 자성층으로 이루어지는 적층막의 양측에 도전층이 형성되어 있으며, 이 도전층으로부터 센스 전류가 흐른다. 상기 센스 전류는 비저항이 작은 상기 비자성 도전층과 상기 비자성 도전층과 고정 자성층의 계면 및 비자성 도전층과 프리 자성층의 계면으로 주로 흐른다. 본 발명에서는 상기 고정 자성층은 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층으로 분단되어 있으며, 상기 센스 전류는 주로 제 2 고정 자성층과 비자성 도전층의 계면으로 흐르고 있다.
상기 센스 전류를 흘려보내면, 오른 나사의 법칙에 의해 센스 전류 자계가 형성된다. 본 발명에서는 상기 센스 전류 자계를 제 1 고정 자성층의 자기 모멘트와 제 2 고정 자성층의 자기 모멘트를 더하여 구할 수 있는 합성 자기 모멘트의 방향과 동일한 방향이 되도록 상기 센스 전류가 흐르는 방향을 조절하고 있다.
[시험예 16]
Si 로 이루어지는 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 Al2O3로 이루어지는 두께 0.1 ㎛ 의 알루미나 층을 형성한 후, 스퍼터링 장치를 사용하여 Ta 로 이루어지는 두께 30 Å 의 바탕층을 형성하고, 이어서 두께 300 Å 의 PtMn 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 25 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하고, 그 위에 두께 10 Å 의 Co 막과 두께 70 Å 의 NiFe 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하며, 그리고 두께 50 의 Ta 로 이루어지는 보호층을 형성하여 적층체를 얻는다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / Ta 층 30 Å / PtMn 층 300 Å / Co 층 25 Å / Cu 층 25 Å / Co 층 10 Å/ NiFe 층 70 Å / Ta 층 50 Å) 로 나타나는 적층체구조로 된다.
[시험예 17]
실험예 16 과 동일한 알루미나 층을 형성한 Si 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 Ta 로 이루어지는 두께 50 Å 의 알루미나 층을 형성하고, 이어서 두께 70 Å 의 NiFe 막과 두께 10 Å 의 Co 막으로 이루어지는 프리 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 30 Å 의 Cu 막으로 이루어지는 비자성 도전층을 형성하며, 그리고 두께 25 Å 의 Co 막으로 이루어지는 고정 자성층을 형성하고, 그 위에 두께 300 Å 의 PtMn 막으로 이루어지는 반강자성층을 형성하며, 그리고 두께 50 Å 의 Ta 로 이루어지는 적층체를 형성하여 적층체를 얻는다.
이와 같이 형성된 적층체의 적층 구조를 간략히 기술하면, (Si 기판 / Al2O3층 / Ta 층 50 Å / NiFe 층 70 Å / Co 층 10 Å / Cu 층 30 Å / Co 층 25 Å/ PtMn 층 300 Å / Ta 층 50 Å) 로 나타나는 적층체 구조로 된다.
이와 같이 하여 얻어진 시험예 16 및 시험예 17 의 적층체 각각에 진공 중 245 ℃ 의 온도에서 4 시간 어닐링을 실시하며, 그 교환 결합 자계와 반강자성층 중의 Mn 농도의 관계를 조사한다.
시험예 16 의 적층체의 결과를 도 38 에 나타내고, 시험예 17 의 적층체의 결과를 도 39 에 나타낸다.
도 38 에서 교환 결합 자계가 500 Oe 이상의 바람직한 값으로 되는 반강자성층 중의 Mn 농도의 바람직한 범위는 43 내지 49 원자% 정도임을 확인할 수 있었다.
도 39 에서 교환 결합 자계가 500 Oe 이상의 바람직한 값으로 되는 반강자성층 중의 Mn 농도의 바람직한 범위는 42 내지 47 원자% 정도임을 확인할 수 있었다.
이어서, 시험예 16 및 시험예 17 의 적층체 각각에 대하여 어닐링 온도와 교환 결합 자계의 관계를 조사한다.
그 결과를 도 40 에 나타낸다.
도 40 에서 시험예 16 에서는 어닐링 온도의 상승과 함께 교환 결합 자계가 완만하게 증가하여, 비교적 낮은 어닐링 온도에서도 500 Oe 이상의 바람직한 교환 결합 자계를 얻을 수 있음이 확인되었다.
또한, 시험예 17 에서는 260 ℃ 이상의 어닐링 온도에서 500 Oe 이상의 바람직한 교환 결합 자계를 얻을 수 있음이 확인되었다.
이어서, 시험예 16 및 시험예 17 의 적층체 각각에 대하여 어닐링전의 저항치 및 어닐링 온도와 저항치의 관계를 조사한다.
그 결과를 도 41 에 나타낸다.
도 41 에서 시험예 16 및 시험예 17 에서는 어닐링을 실시함으로써 저항치가 증대함이 밝혀졌다.
또한, 어닐링 온도의 상승과 함께 저항치가 증감함이 확인되었다.
[실시예 18]
시험예 1 과 동일한 알루미나 층을 형성한 Si 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 1 ㎛ 의 PtMn 층을 형성한 시험체를 얻는다.
이와 같이 하여 얻어진 시험체의 비저항과 PtMn 층 중의 Mn 농도의 관계를 조사한다.
또한, 이 시험체에 진공 중 245 ℃ 의 온도에서 4 시간 어닐링을 실시한 경우의 비저항과 PtMn 층 중의 Mn 농도의 관계를 조사한다.
결과를 도 42 에 나타낸다.
도 43 에서 어닐링을 실시함으로써 비저항이 증대됨이 밝혀졌다.
또한, PtMn 층 중의 Mn 농도의 바람직한 범위는 40 내지 54 원자% 정도이고, 보다 바람직한 비저항이 200 μΩ·㎝ 이상으로 되는 범위는 44 내지 52 원자% 정도이고, 가장 바람직한 범위는 43 내지 49 원자% 정도임이 확인되었다.
[시험예 19]
시험예 16 과 동일한 적층체에 있어서, 반강자성층 이외의 저항치를 20 Ω으로 하였을 때의 비저항과 저항 변화율 (ΔMR) 의 관계를 조사한다.
결과를 도 43 에 나타낸다.
도 43 에서 비저항이 증대되면, 이에 따라 ΔMR 도 증대됨이 확인되었다. 이 점에서 반강자성층에 비저항이 큰 재료를 사용함으로써 ΔMR 이 큰 적층체를 얻을 수 있음이 밝혀졌다.
[시험예 20]
시험예 16 과 동일한 알루미나 층을 형성한 Si 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 30 Å 의 NiFe 막을 형성하고, 그 위에 두께 300 Å 의 PtMn 막으로 이루어지는 층을 형성하여 적층체를 얻는다.
또한, 시험예 16 과 동일한 알루미나 층을 형성한 Si 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 1000 Å 의 PtMn 막으로 이루어지는 층을 형성하여 시험체를 얻는다.
[시험예 21]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 NiMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 22]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 CrPtMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 23]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 PdPtMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 24]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 RhPtMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 25]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 IrMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 26]
시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막 대신에 FeMn 막으로 한 적층체 및 시험체를 얻는다.
[시험예 27]
시험예 16 과 동일한 알루미나 층을 형성한 Si 기판 상에 스퍼터링 장치를 사용하여 두께 300 Å 의 NiO 막으로 이루어지는 층을 형성하고, 그 위에 30 Å 의 NiFe 막을 형성하여 적층체를 얻는다.
또한, 시험예 20 과 동일한 방법으로 PtMn 막을 NiO 막으로 한 적층체를 얻는다.
[시험예 28]
시험예 27 과 동일한 방법으로 NiO 막 대신에- Fe2O3막으로 한 적층체및 시험체를 얻는다.
이와 같이 하여 얻어진 시험예 20 내지 시험예 28 의 적층체에 대하여 교환 결합 자계 및 블로킹 온도를 측정한다. 또한, 시험예 20 내지 시험예 28 의 시험체에 대하여 비저항을 측정한다.
각 항목의 측정 결과는 바람직한 범위를 ○, 사용 가능한 범위를 △, 바람직하지 못한 범위를 ×로서 평가한다. 각 항목에 있어서의 평가범위를 다음에 나타낸다.
[교환 결합 자계]
500 Oe 를 넘는 것을 ○, 200 내지 500 Oe 인 것을 △, 200 Oe 미만인 것을 ×로서 평가한다.
[블로킹 온도]
300 ℃ 를 넘는 것을 ○, 250 내지 300 ℃ 인 것을 △, 250 ℃ 미만인 것을 ×로서 평가한다.
[비저항]
200 μΩ·㎝ 이상인 것을 ○, 150 μΩ·㎝ 를 넘는 것으로 200 μΩ·㎝ 미만인 것을 △, 150 ℃ 이하인 것을 ×로서 평가한다.
결과를 표 1 에 나타낸다.
재료 Type 교환결합자계 블로킹온도 비저항
시험예 5 PtMn 어닐링규칙화 ○ ○ ○
시험예 6 NiMn 어닐링규칙화 ○ ○ △
시험예 7 CrPtMn 어닐링규칙화 △ ○ ○
시험예 8 PdPtMn 어닐링규칙화 △ △ ○
시험예 9 RhRuMn 어닐링규칙화 △ △ ○
시험예10 IrMn 어닐링불필요 △ × △
시험예11 FeMn 어닐링불필요 △ × ×
시험예12 NiO 어닐링불필요 △ × ○
시험예13 α- Fe2O3 산화물 × ○ ○
표 1 에서 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자의 반강자성층에 사용되는 합금을 사용한 시험예 20 내지 시험예 24 에서는 교환 결합 자계, 블로킹 온도, 비저항 모두 사용할 수 있다는 결과로 되었다. 특히, PtMn 을 사용한 시험예 20 은 모든 항목에 있어서 바람직한 결과로 되었다.
한편, 종래의 반강자성층에 사용되고 있는 합금을 사용한 시험예 25 내지 시험예 28 에서는 교환 결합 자계, 블로킹 온도, 비저항 중 어느 하나가 바람직하지 못하다는 결과로 되었다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 다음과 같은 뛰어난 효과를 갖는 것으로 할 수 있다.
즉, 반강자성층이 내열성이 뛰어난 것으로 형성됨으로써, 제조 공정에 있어서 고온으로 인한 악영향을 받기 어려운 것을 얻을 수 있음과 동시에 장치내의 소자 온도가 고온으로 되는 박막 자기 헤드 등의 장치에 구비된 경우의 내구성이 양호하고, 온도변화로 인한 교환 결합 자계의 변동이 적은 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 반강자성층의 블로킹 온도가 높은 것으로 되기 때문에, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 상기 고정 자성층의 외부 신호 자계에 대한 자화의 회전을 양호하게 핀 고정할 수 있다.
그리고 또한 반강자성층의 비저항이 크기 때문에, 션트 손실을 감소시킬 수 있으며, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 비저항 및 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 양호한 비전압이 얻어지는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층이 NiO 합금, FeMn 합금, IrMn 합금 등으로 형성된 어닐링을 실시하지 않는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위인 것으로 함으로써, 높은 비저항과 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이, Mn 이 44 내지 52 원자% 범위인 것으로 함으로써, 높은 비저항을 갖는 것으로 할 수 있고, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것으로 함으로써, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 200 μΩ㎝ 이상인 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 있고, 고출력화에 유리한 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 보다 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 상기 반강자성층의 비저항이 어닐링을 실시함으로써 20 % 이상 증가된 것으로 한 경우에는, 션트 손실을 감소시킬 수 있으므로 큰 출력 전압이 얻어지는 것으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 비자성 도전층과 고정 자성층과 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 것으로 함으로써, 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합을 2 세트 갖는 것으로 되며, 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율 (ΔMR) 을 얻을 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응하는 것으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로 하여도 된다.
적어도 고정 자성층 및 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측의 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하며, 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되므로 외부 자계에 대해 감도 좋게 반전할 수 있는 것으로 된다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법은, 반강자성층을 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성하고, 어닐링에 의해 반강자성을 나타내게 함과 동시에 비저항을 증가시키는 제조 방법이기 때문에, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자를 용이하게 얻을 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 박막 자기 헤드는, 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것이기 때문에, 교환 결합 자계를 크게 할 수 있고, 내구성, 내열성이 뛰어나고, 양호한 저항 변화율을 갖는 박막 자기 헤드로 할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 상부 갭층과 반강자성층이 접하여 형성된 톱형의 것이기 때문에, 상부 갭층과 반강자성층 사이에 보호층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 보호층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 하부 갭층과 반강자성층이 접하여 형성된 보텀형의 것이기 때문에, 하부 갭층과 반강자성층 사이에 바탕층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는 상부 갭층과 반강자성층, 하부 갭층과 반강자성층 중 적어도 일측이 접하여 형성된 듀얼형의 것이기 때문에, 바탕층 또는 보호층 또는 양측이 형성되어 있지 않다. 따라서, 상기 바탕층 또는 상기 보호층 또는 양측의 두께만큼 두께가 얇은 것으로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 재생 실드 간격을 넓게 하지 않고 상기 바탕층 또는 상기 보호층 또는 양측의 두께만큼 상부 갭층이나 하부 갭층의 두께를 두껍게 할 수 있는 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이어도 된다.
적어도 고정 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하여 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되며, 외부 자계에 대하여 감도 좋게 반전할 수 있는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, NiMn 이나 FeMn 등으로 이루어지는 종래의 반강자성층과 비교하여 내식성이 뛰어난 반강자성층을 갖는 것으로 되며, 반강자성층이 대기 산화함으로써 생기는 특성 열화나 상부 갭층 또는 하부 갭층중의 산소가 반강자성층으로 확산됨으로써 생기는 특성 열화가 일어나기 어려운 것으로 할 수 있다.
그리고 또한 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 향상시킬 수 있는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 fct 구조를 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 불규칙 결정 구조를 갖는 Ru-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pd-Mn, Pt-Mn 합금 등을 사용한 종래의 반강자성층과 비교하여 보다 큰 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며 또한 내식성이 뛰어난것을 얻을 수 있다.
또한 상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금을 X 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위인 것으로 함으로써, 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며, 뛰어난 내식성을 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고, 양호한 내식성을 얻을 수 있는 X 또는 X'-Pt 의 함유율을 갖는 것으로 하고 또한 fct 구조로 된 것으로 함으로써, 양호한 내식성과 큰 교환 결합 자계를 겸비하는 매우 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 박막 자기 헤드는, 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것이기 때문에, 재생 실드 간격을 두껍게 하지 않고, 스핀 밸브형 박막 소자와 상부 실드층 및 하부 실드층의 절연을 확보하기 쉬운 박막 자기 헤드로 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자는, 상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Ni, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 형성된 것으로서, 어닐링을 실시함으로써 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가된 것이기 때문에, 다음과 같은 뛰어난 효과를 갖는 것으로 할 수 있다.
즉, 반강자성층이 내열성이 뛰어난 것으로 형성됨으로써, 제조 공정에 있어서 고온으로 인한 악영향을 받기 어려운 것을 얻을 수 있음과 동시에 장치내의 소자 온도가 고온으로 되는 박막 자기 헤드 등의 장치에 구비된 경우의 내구성이 양호하고, 온도변화로 인한 교환 결합 자계의 변동이 적은 뛰어난 것을 얻을 수 있다.
또한 반강자성층의 블로킹 온도가 높은 것으로 되기 때문에, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있으며, 상기 고정 자성층의 외부 신호 자계에 대한 자화의 회전을 양호하게 핀 고정할 수 있다.
그리고 또한 반강자성층의 비저항이 크기 때문에, 션트 손실을 감소시킬 수 있으며, 양호한 저항 변화율을 갖는 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 비저항 및 저항 변화율이 큰 스핀 밸브형 박막 소자로 되기 때문에, 양호한 비전압이 얻어지는 고출력화에 유리한 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
따라서, 반강자성층이 NiO 합금, FeMn 합금, IrMn 합금 등으로 형성된 어닐링을 실시하지 않는 종래의 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위인 것으로 함으로써, 높은 비저항과 한층 더 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있고, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이, Mn 이 44 내지 52 원자% 범위인 것으로 함으로써, 높은 비저항을 갖는 것으로 할 수있고, 양호한 교환 결합 자계를 얻을 수 있으며, 저항 변화율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 어닐링을 실시함으로써 규칙화되어 fct 구조로 된 것으로 함으로써, 반강자성층과 고정 자성층의 경계면에 큰 교환 결합 자계를 발생시킬 수 있는 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고 또한 상기 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 200 μΩ㎝ 이상인 스핀 밸브형 박막 소자로 함으로써, 션트 손실을 충분히 감소시킬 수 있고, 고출력화에 유리한 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 보다 뛰어난 스핀 밸브형 박막 소자로 할 수 있다.
그리고, 상기 반강자성층의 비저항이 어닐링을 실시함으로써 20 % 이상 증가된 것으로 한 경우에는, 션트 손실을 감소시킬 수 있으므로 큰 출력 전압이 얻어지는 것으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 비자성 도전층과 고정 자성층과 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 것으로 함으로써, 프리 자성층 / 비자성 도전층 / 고정 자성층의 3 층의 조합을 2 세트 갖는 것으로 되며, 싱글 스핀 밸브형 박막 소자와 비교하여 큰 저항 변화율 (ΔMR) 을 얻을 수 있으므로 고밀도 기록화에 대응하는 것으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자에 있어서는, 상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 180°다른 페리 자성 상태로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로 하여도 된다.
적어도 고정 자성층 및 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 고정 자성층 중 일측이 타측의 고정 자성층을 적정한 방향으로 고정하는 역할을 하며, 고정 자성층의 상태를 매우 안정된 상태로 유지할 수 있게 된다.
한편, 적어도 프리 자성층이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단된 스핀 밸브형 박막 소자로 한 경우, 2 개로 분단된 프리 자성층끼리의 사이에 교환 결합 자계가 발생하여 페리 자성 상태로 되므로 외부 자계에 대해 감도 좋게 반전할 수 있는 것으로 된다.
또한 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자의 제조 방법은, 반강자성층을 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금으로 형성하고, 어닐링에 의해 반강자성을 나타내게 함과 동시에 비저항을 증가시키는 제조 방법이기 때문에, 본 발명의 스핀 밸브형 박막 소자를 용이하게 얻을 수 있다.
그리고 또한 본 발명의 박막 자기 헤드는, 상기 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것이기 때문에, 교환 결합 자계를 크게 할 수 있고, 내구성, 내열성이 뛰어나고, 양호한 저항 변화율을 갖는 박막 자기 헤드로 할 수 있다.

Claims (39)

  1. 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되는 스핀 밸브형 박막 소자로서,
    상기 기판 측으로부터 프리 자성층, 비자성 도전층, 고정 자성층, 반강자성층의 순으로 적층되고,
    상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 반평행인 페리 자성 상태로 되고,
    상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지고,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, X 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위이며,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 fct 구조를 가지며,
    상기 상부 갭층과 상기 반강자성층이 접하여 형성된 것임을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 기재된 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드.
  6. 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고, 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되는 스핀 밸브형 박막 소자로서,
    상기 기판 측으로부터 반강자성층, 고정 자성층, 비자성 도전층, 프리 자성층의 순으로 적층되고,
    상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 반평행인 페리 자성 상태로 되고,
    상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지고,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, X 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위이며,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 fct 구조를 가지며,
    상기 하부 갭층과 상기 반강자성층이 접하여 형성된 것임을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 기재된 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드.
  11. 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되며, 상기 반강자성층과의 교환 결합 자계에 의해 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통해 형성되며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 자화가 정렬되는 프리 자성층을 갖고,
    상기 기판 상에 형성된 하부 갭층과 상부 갭층 사이에 형성되고,
    상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 상기 비자성 도전층과 상기 고정 자성층과 상기 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 스핀 밸브형 박막 소자로서,
    상기 고정 자성층과 상기 프리 자성층 중 적어도 일측이 비자성 중간층을 통해 2 개로 분단되며, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 반평행인 페리 자성 상태로 되고,
    상기 반강자성층이 X-Mn (단, X 는 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn (단, X' 는 Pd, Cr, Ru, Ni, Ir, Rh, Au, Ag 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타냄) 식으로 나타내는 합금으로 이루어지고,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은, X 또는 X'-Pt 가 37 내지 63 원자% 범위이며,
    상기 X-Mn 의 식으로 나타내는 합금 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금이 fct 구조를 가지며,
    상기 상부 갭층과 상부측 반강자성층, 상기 하부 갭층과 하부측 반강자성층 중 적어도 일측이 접하여 형성된 것임을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
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  15. 제 11 항에 기재된 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드.
  16. 하측 반강자성층과, 하측 고정 자성층과, 하측 비자성 도전층과, 프리 자성층과, 상측 비자성 도전층과, 상층 고정 자성층과, 상측 반강자성층과, 상기 프리 자성층의 자화방향을 일정방향으로 정렬하기 위한 하드 바이어스층과, 상기 하측 고정 자성층과 하측 비자성 도전층과 프리 자성층과 상측 비자성 도전층과 상측 고정 자성층에 검출전류를 부여하는 도전층을 구비하며,
    상기 하측 고정 자성층은 상기 하측 반강자성층과의 교환결합에 의해 상기 프리 자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화방향이 고정되고, 상기 상측 고정자성층은 상기 상측 반강자성층과의 교환결합에 의해 상기 프리 자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화방향이 고정되고,
    상기 상측 고정 자성층과 하측 고정 자성층 각각은 비자성 중간층을 통하여 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 2 개로 분단되어 형성되고, 분단된 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층에서 자화방향이 서로 반평행인 페리 자성 상태로 되고,
    상기 상측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층이 상측 반강자성층에 접하여 형성되고, 상기 상측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층이 상측 비자성 도전층에 접하여 형성되며,
    상기 하측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층이 하측 반강자성층에 접하여 형성되고, 상기 하측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층이 하측 비자성 도전층에 접하여 형성되며,
    상기 상측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층과 하측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층의 자화방향은 모두 동일 방향이고,
    상기 상측 및 하측 반강자성층이, Pt-Mn 합금에 의해 형성된 것이며, 어닐링을 실시하는 것에 의하여 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가되는 것이며, 상기 반강자성층의 비저항이 200μΩㆍ㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 Mn 이 40 내지 54 원자% 범위인 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 X-Mn 의 식 또는 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 나타내는 합금은 Mn 이 44 내지 52 원자% 범위인 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
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  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 프리 자성층의 두께 방향 양측에 각각 비자성 도전층과 고정 자성층과 반강자성층이 형성된 듀얼형 구조로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막 소자.
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  24. 제 16 항에 기재된 스핀 밸브형 박막 소자가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 자기 헤드.
  25. 삭제
  26. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 고정 자성층이 비자성 중간층을 통하여 2 개로 분단되고, 분단된 층 상호간에 자화의 방향이 반평행인 페리 자성 상태로 되는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  27. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 프리 자성층이 비자성 중간층을 통하여 2 개로 분단되고, 분단된 층 상호간에 자화방향이 반평행인 페리 자성상태로 되는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  28. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 고정 자성층 및 프리 자성층이 비자성 중간층을 통하여 2 개로 분단되고, 분단된 층 상호간에 자화방향이 반평행인 페리 자성 상태로 되는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  29. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 비자성 중간층은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  30. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 X-Mn 의 식으로 표시된 합금 또는 X'-Pt-Mn 의 식으로 표시된 합금은, X 또는 X'-Pt 가 47 ~ 57 원자% 범위인 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  31. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 X'-Pt-Mn 의 식으로 표시된 합금은, X' 가 0.2 ~ 10 원자% 범위인 것을 특징으로 하는 스핀 밸브형 박막소자.
  32. 하측 반강자성층과, 하측 고정 자성층과, 하측 비자성 도전층과, 프리 자성층과, 상측 비자성 도전층과, 상측 고정 자성층과, 상측 반강자성층과, 상기 프리 자성층의 자화방향을 일정방향으로 정렬하기 위한 하드바이어스층과, 상기 하측 고정 자성층과 하측 비자성 도전층과 프리 자성층과 상측 비자성 도전층과 상측 고정 자성층에 검출전류를 부여하는 도전층을 구비하며, 상기 하측 고정 자성층은 상기 하측 반강자성층과의 교환결합에 의하여 상기 프리 자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화방향이 고정되고, 상기 상측 고정 자성층은 상기 상측 반강자성층과의 교환결합에 의하여 상기 프리 자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화방향이 고정되고, 상기 상측 고정 자성층과 하측 고정 자성층의 각각은 비자성 중간층을 통하여 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 2 개로 분단되어 형성되고, 분단된 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층에서 자화방향이 상호 반평행인 페리 자성 상태로 되고, 상기 상측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층이 상측 반강자성층에 접하여 형성되고, 상기 상측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층이 상측 비자성 도전층에 접하여 형성되고, 상기 하측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층이 하측 반강자성층에 접하여 형성되며, 상기 하측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층이 하측 비자성 도전층에 접하여 형성되고, 상기 상측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층과 하측 고정 자성층의 제 2 고정 자성층의 자화방향이 상호 반평행이고, 상기 프리 자성층이 비자성 중간층을 통하여 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층의 2 개로 분단되어 형성되고, 분단된 제 1 프리 자성층과 제 2 프리 자성층에서 자화방향이 상호 반평행인 페리 자성 상태가 되며, 상기 상측 및 하측 반강자성층이 Pt-Mn 합금에 의하여 형성된 것이고, 어닐링을 실행하는 것에 의하여 반강자성이 나타남과 동시에 비저항이 증가되는 것이며, 상기 반강자성층의 비저항이 200 μΩㆍ㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  33. 제 16 항에 있어서,
    상기 상측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층의 자기 모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값)와 제 2 고정 자성층의 자기 모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값)과의 합성 자기 모멘트와, 상기 하측 고정 자성층의 제 1 고정 자성층의 자기 모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값) 와 제 2 고정 자성층의 자화모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값)과 합성 자기 모멘트의 방향과는 상호 반평행인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  34. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 고정 자성층/비자성 중간층/제 2 고정 자성층의 부분에 형성된 센스전류자계의 방향이, 상기 프리자성층의 상하에 형성된 쌍방의 합성 자기 모멘트의 방향이 모두 동일방향이 되는 방향으로 상기 센스전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 프리자성층과 제 2 프리 자성층의 자기 모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값)의 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  36. 제 16 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 고정 자성층과 제 2 고정 자성층의 자기 모멘트(포화자화 Ms 와 막두께 t 의 곱의 값)의 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  37. 제 16 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 비자성 중간층은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  38. 제 16 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 Pt-Mn 합금은, 어닐링을 실시하는 것에 의하여, 규칙화된 fct 구조로 되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  39. 제 16 항 또는 제 32 항에 있어서,
    비저항이, 어닐링을 실시하는 것에 의하여, 20% 이상 증가된 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
KR1020000002852A 1999-01-27 2000-01-21 스핀 밸브형 자기 저항 효과 박막 소자와 그 제조 방법 및그 소자를 구비하는 박막 자기 헤드 KR100360036B1 (ko)

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