KR100397094B1 - 자기저항효과소자와이를이용한자기저항효과센서및자기정보기록및재생시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자는 하지층 상에 연속적으로 적층된 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층을 포함한다. 반강자성층은 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로서 포함하는 단층막 또는 다층막, 또는 이들의 혼합물이다. 통전시에 발생하는 열로 인한 박리를 방지하기 위한 부착층이 하지층과 반강자성층 사이에 제공된다.
이와 같이, 하지층과 반강자성 사이에 부착층이 제공됨으로써, 하지층과 반강자성층 사이의 응력(adhesive force)이 증가하므로, 자기 저항 효과 소자에서 온도 변화가 발생하더라도 박리 등은 증가하지 않는다.

Description

자기 저항 효과 소자와 이를 이용한 자기 저항 효과 센서 및 자기 정보 기록 및 재생 시스템{MAGNETORESISTANCE EFFECT ELEMENT, AND MAGNETORESISTANCE EFFECT SENSOR AND MAGNETIC INFORMATION RECORDING AND PLAYBACK SYSTEM USING SAME}
본 발명은 자기 저항 효과 소자와 이를 이용한 자기 저항 효과 센서 및 자기 정보 검출 시스템에 관한 것으로, 특히 자기 기록 매체 상에 기록된 자기 정보를 판독하기 위한 자기 저항 효과 소자 및 이를 이용한 자기 저항 효과 센서 및 자기 정보 검출 시스템에 관한 것이다.
종래 기술에서, 자기 저항(MR) 센서 또는 MR 헤드로 칭하는 자기 판독 변환기가 공지된다. 이들은 높은 선형 밀도에서 자기 기록 매체의 표면으로부터 데이타를 판독한다. MR 센서 등은 주변 자계에 따라 판독 소자에 의해 생성된 저항의 변화를 검출하고, 이러한 변화를 자계 신호로 변환함으로써 자계를 검출한다. 이에 있어서, 판독 소자에 의해 검출된 자기 신호는 자속의 강도 및 방향의 함수로서 검출된다. 이러한 종류의 종래의 MR 센서에 있어서, 판독 소자의 저항의 한 성분은 자화 방향과 센서 전류가 소자를 통과하는 방향 사이의 각의 코사인의 제곱(cos2)에 비례한다. 이는 "이방성 자기 저항"(AMR) 효과로 칭한다.
이러한 AMR 효과는 통상적으로 공지되므로, 본 명세서에서는 기술되지 않으나, 그 상세한 설명은 예를 들면 D. A. Thompson 등에 의한 IEEE Trans. Mag. MAG-11, p1039(1975)의 "메모리, 기억 장치 및 관련 응용물"에서 개재된 바 있다. AMR 효과를 사용하는 자기 헤드에 있어서, 종종 종방향 바이어스는 바크하우젠(Barkhausen) 잡음을 억제하기 위해 응용되며, 일부 경우에서는 FeMn, NiMn, 니켈 산화물 등과 같은 반강자성체가 이러한 종방향 바이어스를 공급하기 위한 재료로서 사용된다.
또한, 최근에는, 적층된 자기 센서에서의 저항값의 변화에서, 비자성층의 어느 한 층에 위치한 자성층들 사이의 전자들의 도전의 스핀-의존성 투과율 및 수반된 층 계면에서의 스핀-의존성 산란(scattering)에 의해 현저한 자기 저항 효과가 발견되었다. 이러한 자기 저항 효과는 "대량 자기 저항 효과" 또는 "스핀 밸브 효과" 등을 포함하는 다양한 이름으로 공지된다. 이러한 유형의 자기 저항 센서는 적절한 재료로부터 제조되고, 이들은 개선된 감도를 가지며 AMR 효과를 사용하는 센서에 비해 자계에 대해서 큰 저항 변화를 나타낸다. 이러한 종류의 MR 센서에서, 비자성층에 의해 이격된 강자성층들 사이의 평면에서의 내부 저항은 두 층들의 자화 방향 사이의 각의 코사인에 비례한다.
1988년 6월 16일의 출원을 기초하여 우선권 주장하는 일본 특개평 2-61572호는 자성층의 자화의 비-평행 정렬(non-parallel arrangement)에 의해 야기된 고 MR 효과를 생성하는 적층된 자기 구조가 개재된다. 상술한 공보에서, 강자성 천이 금속 및 합금이 이러한 적층된 자기 구조에서 사용될 수 있는 재료로서 기재되었다. 또한, 공보는 중간층에 의해 이격된 적어도 2개의 자성층 중의 하나로서 반강자성층을 추가하는 것이 적절하며, FeMn은 이러한 반강자성 층으로 적절하다고 개재한다. 또한, MR 센서는 1990년 12월 11월 출원을 기초로 우선권을 주장하는 일본 특개평 4-358310호에 개재된다. 이러한 MR 센서는 비자기 금속 재료의 박막층에 의해 분할된 강자성체의 2개의 박막층을 포함한다. 인가된 자계가 0인 경우, 2개의 강자성 박막층의 자화 방향은 직교이며, 두 비결합 강자성층간의 저항값은 2층의자화 방향들 사이의 각의 코사인에 비례하여 변하여, MR 센서를 통해 흐르는 전류의 방향에 의존하지 않는 MR 센서를 생성하게 된다.
1992년 11월 17일 출원을 기초로 우선권을 주장하는 일본국 특개평 6-203340호는 비자기 금속 재료의 박막층에 의해 분리되는 강자성체의 2개의 박막층을 포함하는 MR 센서가 개재된다. 이러한 MR 센서는 인가된 외부 자계가 0인 경우, 인접 강자성층의 자화는 다른 강자성층에 대해서 직교를 유지하는 효과를 기초로 한다.
또한, 일본 특개평 7-262529호(1994년 3월 24일 출원)는 제1 자성층/비자성층/제2 자성층/반강자성층을 포함하는 스핀 밸브로서, 특히 제1 및 제2 자성층에 CoZrNb, CoZrMo, FeSiAl, FeSi, 또는 NiFe 사용하거나 또는 이것에 Cr, Mn, Pt, Ni, Cu, Ag, Al, Ti, Fe, Co, Zn가 첨가된 재료를 사용하는 자기 저항 효과 소자를 개재한다.
또한, 일본국 특개평 7-202292호(1993년 12월 27일 출원)는 기판 상에 비자성층 사이에 적층된 복수의 자성박막으로 이뤄지며, 비자성박막을 통해 서로 인접한 일방에 연자성박막에 반강자성박막이 인접하여 설치되어 있으며, 이 반강자성 박막의 바이어스 전계를 Hr, 타방의 강자성 박막의 보자력(coercive force)을 Hc2로 할 때, Hc2 < Hr인 자기 저항 효과막에 있어서, 상기 반강자성체가 NiO, CoO, FeO, Fe2O3, MnO, Cr의 적어도 하나 또는 이들의 혼합물로 이루지는 것을 특징으로 하는 전기 저항 효과막을 개재한다.
또한, 상술한 자기 저항 효과막에 있어서, 상기 반강자성체가 NiO, NiXCo1-XO, CoO에서 선택된 적어도 두 종류로 이뤄진 초격자(superlattice)인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막이 일본 특허 출원 6-21487호(1994년 9월 8일 출원) 및 일본 특허 출원 6-269524호(1994년 11월 2일 출원)에 개재된다. 또한, 일본 특허 출원 7-11354호(1995년 1월 27일 출원)에 있어서, 상술한 자기 저항 효과막에서, 상기 반강자성체가 NiO, NiXCo1-XO(X=0.1 내지 0.9), CoO로부터 선택된 적어도 2종류로 이뤄진 초격자이며, 이러한 초격자 중에 Co에 대한 Ni의 원자수비가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막이 제안된다. 일본 특허 출원 7-136670호(1995년 6월 2일 출원)에 있어서, 상술한 전기 저항 효과막에 있어서, 상기 반강자성체가 NiO위에 CoO를 10 내지 40Å 적층한 2층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막을 제안한다. 그러나, 상기의 각 공보 및 각 특허 출원에 기재된 산화물을 반강자성층에 사용하는 자기 저항 효과막은 산화물 반강자성층의 응력(stress)이 크기 때문에, 소자에 센스 전류를 흘리는 경우에, 국부 전류 가열 효과에 의해 반강자성막이 하지층으로부터 박리(peel away)되어, 소자 파괴(break down)가 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 특히 본 발명의 목적은 하지층과 반강자성층 사이에 충분한 응력(adhesive force)이 제공되는 구성을 채택하며, 센서 전류가 흐를 때 박리로 인한 소자 파괴가 발생하지 않는 우수한 내전류(current tolerance) 특성을 갖는 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 자기 저항 효과 센서 및 우수한 내전류 특성을 갖는 이러한 자기 저항 효과 소자를 사용하는 자기 정보 검출 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층이 하지층 상에 순차적으로 적층된 자기 저항 효과 소자에 있어서, 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자는 하지층과 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물 또는 이들의 혼합물을 주성분으로 포함하는 단일층 또는 다층으로 형성된 반강자성층 사이에 위치하여 전류가 통할 때 박리를 방지하는 부착층을 포함한다.
또한, 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층이 하지층 상에 연속적으로 적층되고, 인핸스층(enhancing layer)이 고정 자성층과 비자성층 사이 및/또는 비자성층과 자유 자성층 사이에서 형성된 자기 저항 효과 소자에 있어서, 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자는, 하지층과 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물 또는 이들의 혼합물을 주성분으로 하는 단층 또는 다층에 의해 형성된 반강자성층 사이에 위치하여 전류가 통할 때 박리를 방지하는 부착층을 포함한다.
도 7은 알루미나 또는 SiO2가 상술한 하지층으로 사용되며, Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물이 반강자성층으로 사용되는 경우의 응력을 도시한다. 이와 대조적으로, 본 발명은 하지층과 산화물 반강자성층 사이에 부착층을 구비한다. 도 8은 상기에서와 마찬가지로 알루미나 또는 SiO2가 하지층으로 사용되고, 도표에 기재된 상이한 재료들의 박막이 부착층으로서 그 위에 형성되는 경우들의 두 계면에서의 부착력(Gpa)을 도시한다.
또한, 도 9는 도표에 기재된 재료들 중의 하나가 부착층으로서 사용되고, Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물이 반강자성층으로서 그 위에 형성되는 경우의 두 계면에서의 부착력(Gpa)을 도시한다.
도 8에 주어진 다양한 박막 재료들과 알루미나 또는 SiO2막 사이의 응력 및 도 9에 주어진 다양한 박막 재료들과 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물 사이의 응력은, 전체 경우에서 도 7에 도시된 알루미나 또는 SiO2와 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물 사이의 접합력보다 크다. 이는 알루미나 또는 SiO2의 하지층과 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물의 반강자성층 사이의 접착층으로서 도 8 및 도 9에 주어진 박막 재료 중의 하나를 삽입함으로써 알루미나 또는 SiO2와 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물 사이의 접합력이 증가되었음을 의미한다.
또한, 본 발명은 하위 쉴드층, 하위 갭층 및 패턴화된 자기 저항 효과 소자가 연속적으로 기판 상에 적층되고, 종방향 바이어스층 및 하위 전극층이 그 위에 연속적으로 적층되어 이들이 자기 저항 효과 소자의 단부에 접촉하거나 부분적으로 중첩하며, 상위 갭층 및 하위 쉴드층이 자기 저항 효과 소자, 종방향 바이어스층 및 하위 전극층 상에 연속적으로 적층되는 구조를 갖는 쉴드형 자기 저항 효과 센서에 있어서 상술한 자기 저항 효과 소자로서 부착층을 갖는 자기 저항 효과 소자를 사용한다.
또한, 본 발명은 자기 저항 효과 소자, 자기 저항 효과 소자를 통하는 전류를 생성하기 위한 수단, 및 검출된 자계의 함수로서 자기 저항 효과 소자의 저항의 변화를 검출하기 위한 수단을 포함하는 자기 정보 검출 시스템에 있어서 상술한 자기 저항 효과 소자로서 부착층을 갖는 자기 저항 효과 소자를 사용한다. 본 발명에 따른 자기 기록 장치는 또한 이러한 자기 정보 검출 시스템을 사용하여 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자의 제1 실시예를 도시하는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자의 제2 실시예를 도시하는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서의 제1 실시예를 도시하는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서의 제2 실시예를 도시하는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 기록 및 재생 헤드의 일례의 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서를 사용하는 자기 기록 및 재생 장치의 일례의 개념도.
도 7은 알루미나 또는 SiO2가 상술한 하지층에 사용되고, Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물이 상술한 반강자성층에서 사용되는 경우의 응력을 도시하는표.
도 8은 알루미나 또는 SiO2가 하지층에 사용되고 다양한 재료 중의 하나의 박막이 그 위에 형성되는 경우의 두 계면에서의 응력을 도시하는 표.
도 9는 다양한 박막 재료 중의 하나가 부착층으로 사용되고, Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물이 반강자성층으로서 그 위에 형성되는 경우의 두 계면에서의 응력을 도시하는 표.
도 10은 상이한 하지층을 갖는 자기 저항 효과 소자가 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 11은 자기 저항 효과 소자가 부착층으로서 상이한 재료를 포함하는 자기 저항 효과 소자에 대해 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 12는 자기 저항 효과 소자가 부착층을 갖지 않는 자기 저항 효과 소자에 대해 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 13은 자기 저항 효과 소자가 부착층으로서 Ta 등을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 대해 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 14는 자기 저항 효과 소자가 부착층을 갖지 않는 자기 저항 효과 소자에 대해 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 15는 자기 저항 효과 소자가 부착층을 포함하는 자기 저항 효과 소자에 대해 120℃의 환경 온도 및 3×107A/㎠의 전류 밀도에서 수행되는 고온 통전 검사에서 단선되는 시간을 도시하는 표.
도 16은 적층 동안의 자계에 평행한 방향으로 자계가 인가되고, 그 자계가 M-H 곡선을 따르는 경우의 자기 저항 효과에 대한 저항의 변화율, 비저항 및 비저항의 변화량을 도시하는 표.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 하지층
101: 부착층
102: 반강자성층
103: 고정 자성층
105: 비자성층
107: 자유 자성층
108: 보호층
다음으로, 본 발명의 실시예가 도면을 참조로 설명된다. 도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자의 제1 실시예를 도시하는 개념도이다. 제1 실시예에 따른 자기 저항 효과는 부착층(101), 반강자성층(102), 고정 자성층(103), 비자성층(105), 자유 자성층(107) 및 보호층(108)이 하지층(100) 상에 연속적으로 적층되는 구조를 가진다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자의 제2 실시예의 개념도이다. 제2 실시예에 따른 자기 저항 효과 소자는 부착층(102), 고정 자성층(103), 제1 MR 인핸스층(104), 비자성층(105), 제2 MR 인핸스층(106), 자유 자성층(107) 및 보호층(108)이 하지층(100) 상에 연속적으로 적층된다.
여기서, 도 1 및 도 2의 부착층(101)은 단층막 또는 Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, 또는 W의 다층막, 또는 이들 중 복수개를 포함하는 다층막으로 구성된다. 반강자성층(102)은 단층막, 다층막, 또는 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물에 의해 구성될 수 있다. 고정 자성층(103)은 Co, Ni 및 Fe계 그룹으로부터의 순수 금속, 합금 또는 다층막으로구성될 수 있다. 바람직하게는, 박막 두께는 1-50nm 정도이다. 제1 MR 인핸스층(104)은 Co, NiFeCo, FeCo 등 또는 CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, 또는 CoZrMoNi와 같은 합금, 또는 비정질 자성체로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 박막 두께는 0.5 내지 5nm 정도이다. 도 1의 예에서, 제1 MR 인핸스층(104)이 사용되지 않고, MR 비는 인핸스층이 사용되는 도 2의 예와 비교해서 약간 감소되나, 제조에 필요한 단계의 수는 따라서 감소된다.
비자성층(105)은 Cu에 약 1-20at%의 Ag를 첨가한 재료, Cu에 1-20at%의 Re를 첨가한 재료, 또는 Cu-Au의 합금으로 구성된다. 바람직하게는, 박막 두께는 2-4nm이다. 제2 MR 인핸스층(106)은 Co, NiFeCo, FeCo 등, 또는 CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, 또는 CoZrMoNi와 같은 합금, 또는 비정질 자성체로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 박막 두께는 0.5-3nm 정도이다. 도 1의 예에서는 제2 MR 인핸스층(106)이 형성되지 않고, MR비는 이러한 제2 MR 인핸스층(106)이 사용되는 도 2의 예와 비교해서 약간 감소한다. 그러나, 제2 MR 인핸스층(106)이 형성되지 않으므로, 제조에 필요한 단계의 수는 따라서 감소한다.
자유 자성층(107)은 Co, NiFeCo, FeCo 등, 또는 CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, 또는 CoZrMoNi, 또는 NiFe, NiFeCo, 샌더스트(sendust), 질화 철계 재료, FeCo, 등과 같은 합금 또는 비정질 자성체의 단층, 혼합 또는 다층막으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 막 두께는 1-6nm 정도이다. 자유 자성층(107)이 NiFe, NiFeCo 또는 FeCo계 재료인 경우, 자유 자성층(107) 및 비자성층(105)의 결정성은 개선될 수 있고, 하지층(100)으로 Ta, Hf, Zr, W 등을 사용하면 MR 비가 향상될 수 있다.
보호층(108)은 Al, Si, Ta 및 Ti를 포함하는 그룹으로부터의 산화물 또는 질화물 또는 Cu, Au, Ag, Ta, Hf, Zr, Ir, Si, Pt, Ti, Cr, Al 및 C를 포함하는 그룹 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 보호층(108)을 사용하면 내식성이 향상되지만, 반대로 보호층이 사용되지 않는 경우, 제조 단계의 수는 감소되고 생산성은 향상된다.
다음으로, 본 발명에 따른 자기 저항 센서가 설명된다. 도 3은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서의 제1 실시예의 구성예를 도시한다. 도 3의 실시예에서, 하위 쉴드층(2), 하위 갭층(3) 및 자기 저항 효과 소자(6)는 기판(1) 상에 적층되고, 종방향 바이어스층(4) 및 하위 전극층(5)은 그 위에 연속적으로 적층되어, 이들은 자기 저항 효과 소자(6)의 단부와 접촉하며, 상위 갭층(8) 및 상위 쉴드층(9)은 그 위에 연속적으로 적층된다. 이러한 실시예는 도 1 또는 도 2에 도시된 구조의 자기 저항 효과 소자를 자기 저항 효과 소자(6)로서 사용하는 것을 특징으로 한다.
갭 규정 절연층(gap regulation insulation layer: 7)이 또한 자기 저항 효과 소자(6) 상에 적층된다. 많은 경우에, 하위 쉴드층(2)은 포토레지스트(PR) 공정에 의해 적절한 크기로 패턴화된다. 자기 저항 효과 소자(6)는 (PR) 공정에 의해 적절한 크기 및 형태로 패턴화된다. 이러한 자기 저항 효과 센서는 자기 센서부를 형성하는 자기 저항 효과 소자(6)의 어느 한측 상에 외부 자계의 진입을 방지하기 위해 하위 쉴드층(2) 및 상위 쉴드층(8)을 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서의 제2 실시예의 구성예를 도시한다. 이 실시예는 하위 쉴드층(2), 하위 갭층(3) 및 자기 저항 효과 소자(6)가 기판(1) 상에 적층되고, 많은 경우에, 하위 쉴드층(2)이 PR 공정에 의해 적절한 크기로 패턴화되며, 자기 저항 효과 소자(6)가 PR 공정에 의해 적절한 크기 및 형태로 패턴화된다는 점에서 제1 실시예와 유사하지만, 이 실시예는 종방향 바이어스층(10) 및 하위 전극층(11)이 그 위에 연속적으로 적층되어 이들이 자기 저항 효과 소자(6)의 상부와 부분적으로 중첩된다는 점을 특징으로 한다. 이러한 자기 저항 효과 센서는 또한 쉴드 소자이다. 실시예는 또한 도 1 또는 도 2에 도시된 것과 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자를 자기 저항 효과 소자(6)으로서 사용하는 점을 특징으로 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 자기 저항 효과 센서의 하위 쉴드층(2)은 NiFe, CoZr, 또는 CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb 및 CoZrMoNi과 같은 합금, 또는 FeAlSi, 질화 철계 재료 등으로 구성될 수 있다. 막 두께는 0.5-10㎛이다. 하위 갭층(3)에 대해서 알루미나 외에도 SiO2, 알루미나 질화물, 실리콘 질화물, 다이아몬드형 탄소 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 층 두께는 0.01-0.20㎛ 범위이다.
종방향 바이어스층(4, 10)은 CoCrPt, CoCr, CoPt, CoCrTa, FeMn, NiMn, Ni 산화물, NiCo 산화물, IrMn, PtPdMn, ReMn 등으로 구성될 수 있다. 하위 전극층(5, 11)은 바람직하게는 순수 Zr, Ta 또는 Mo, 또는 그 합금 또는 혼합물에 의해 형성된다. 막 두께는 0.01-0.10㎛이다. 갭 규정 절연층(7)은 알루미나, SiO2, 알루미나 질화물, 실리콘 질화물, 다이아몬드형 탄소 등으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 0.005-0.05㎛ 범위의 두께로 형성되어야 한다.
상위 갭층(8)은 알루미나, SiO2, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 다이아몬드형 탄소 등으로부터 형성될 수 있고, 바람직하게는 막 두께는 0.01-0.20㎛ 범위가 되어야 한다. 상위 쉴드층(9)은 NiFe, CoZr, CoFeB, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, 또는 CoZrMoNi 합금, FeAlSi, 질화 철계 재료 등으로 구성될 수 있다. 0.5-10㎛ 범위의 막 두께가 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 쉴드형 소자를 형성하는 자기 저항 효과 센서가 유도 코일을 이용하여 기록 헤드 섹션을 형성함에 의해 일체형 기록 및 재생 헤드로서 사용될 수 있다.
도 5는 일체형 기록 및 재생 헤드의 일례의 개념도를 도시한다. 일체형 기록 및 재생 헤드는 본 발명에 따른 자기 저항 효과 소자를 사용하는 재생 헤드 및 유도형 기록 헤드를 포함한다.
특히, 이러한 일체형 기록 및 재생 헤드는 베이스(20) 상에 연속적으로 형성된 상위 쉴드막(21), 자기 저항 효과막(22), 전극막(23) 및 상위 쉴드막(24)을 포함하는 재생 헤드 및 상위 쉴드막(24) 위에 제공된 하위 자성막(25), 코일(26), 및 상위 자성막(27)을 포함하는 기록 헤드로 구성된다. 상위 쉴드막(24) 및 하위 자성막(25)은 공통층으로 형성될 수 있다. 하위 자성막(25) 및 상위 자성막(27)의 단부는 근소하게 이격되어 위치하여, 자기 갭을 형성하며, 코일(26)은 하위 자성막(25)과 상위 자성막(27)의 중간 부분들 사이에 위치하여, 유도성 기록 헤드를 구성한다. 이러한 구조를 갖는 헤드를 사용하여, 신호는 기록 매체 상에 기록되고, 신호들은 기록 매체로부터 판독된다.
하위 쉴드막(21), 자기 저항 효과막(22), 전극막(23) 및 상위 쉴드막(24)을 포함하는 재생 헤드는 도 3 및 도 4에 도시된 자기 저항 효과 센서에 의해 형성된다. 이러한 재생 헤드의 센서 영역 및 기록 헤드내의 자기 갭을 형성하는 자기 저항 효과막(22)이 동일 슬라이더 상의 중첩 위치에 형성되어, 이들을 동일 트랙위로 동시에 위치되도록 한다. 이러한 헤드는 슬라이더 상에 형성되며, 자기 기록 및 재생 장치 내에 장착된다. 여기서, 종방향 자기 기록을 위한 기록 헤드의 설치예가 도시되지만, 본 발명의 자기 저항 효과 소자는 수직 자기 기록 헤드를 포함할 수 있으며, 수직 기록을 위해 사용된다.
도 6은 본 발명에 따른 자기 저항 효과 센서를 사용하는 자기 기록 및 재생 장치의 일례의 개념도를 도시한다. 기판 상에 형성된 하나의 자기 저항 효과막(32)을 포함하고, 헤드 슬라이더(30) 및 그 위에 형성된 2개의 전극막(33)을 또한 포함하여 이들이 종방향으로 상호 평행인 헤드는 기록 매체(35) 위에 위치하고 재생 동작을 수행한다. 이 동안, 2개의 전극막(33)의 내부 측벽은 자기 저항 효과 소자 폭(40)을 형성한다. 자기 저항 효과막(32)내의 고정 자성층의 자화의 방향(51)은 자유 자성층의 자화의 방향(52)과 대략 직교이다.
자기 저항 효과 소자의 ABS 표면(53)은 기록 매체(35)의 표면 방향을 향하도록 설치된다. 자기 기록 마크는 기록 트랙 폭(42)에서 기록 매체(35) 상에 기록된다. 기록 매체(35)는 회전하고, 헤드 슬라이더(30)는 기록 매체(35) 위 0.2㎛ 이하의 높이에서 이동하거나, 그와 접촉된 상태에 있다. 이러한 구조로서, 자기 저항 효과막(32)은 그로부터의 누설 자계(63)를 이용하여 기록 매체(35) 상에 기록된 자기 신호를 판독할 수 있는 위치에 설치된다. 실제에 있어서는, 자기 저항 효과 소자의 비저항의 변화량은 도 6의 비저항 검출기(60)에 의해 검출된다.
다음으로, 본 발명에 관련된 자기 저항 효과 소자의 특정예가 설명된다.
(1) Ni 산화물 반강자성층 사용
도 2의 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 1nm 두께의 Co90Fe10막, 자유 자성층(107)을 형성하는 5nm 두께의 Ni80Fe20막을 글래스 기판 상에 순차적으로 적층한 구조 (즉, 글래스 기판/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm)/ Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 구조)의 자기 저항 효과 소자가 제조된다. 다시 말하면, 이러한 자기 저항 효과 소자는 도 2에 도시된 구조이며, 제1 MR 인핸스층(104)이 없다.
막 적층은 500(Oe)의 인가 자계에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행된다. 자기 저항 효과 소자에 적층 공정동안의 자계에 평행한 방향으로 자계를 인가하고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 했을 때, 저항 변화율은 7%가 되었다. 소자의 비저항은 인가 전계가 0일 때 25μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 1.75μΩ㎝였다.
다음으로, 본 발명과 비교하기 위해서, 부착층없는 소자가 시범 제조되었고, 그 내전류 특성이 조사되었다. 하지층을 포함하지 않는 소자와 함께, 글래스 기판 상에 각각 1㎛ 두께인 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물막들 이 하지층으로서 적층되어 있는 소자들을 준비했고, Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 개별적으로 적층되었으며, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링(milling)에 의해 2×50㎛ 크기로 가공되었고, 그 단부는 Au 전극부로 형성되었다. 따라서, 이러한 소자들은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 부착층(101)을 포함하지 않는다.
이러한 소자들에 대해서, 환경 온도 120℃ 및 전류 밀도 3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 일정 시간에 도달하면, NiO막과 하지층(100) 사이에 박리(peeling)가 발생하고, 소자는 단선(burn out)된다. 이와 같은 박리와 소자 단선이 발생한 시간이 도 10에 나타나 있다.
다음으로, 하지층을 포함하지 않는 소자와 함께, 글래스 기판 상에 각각 1㎛ 두께인 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물막들 이 하지층으로서 적층되어 있는 소자들을 준비했고, 부착층/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 개별적으로 적층되었으며, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링에 의해 2×50㎛ 크기로 가공되었고, 그 단부는 Au 전극부로 형성되었다.
부착층(101)으로는, Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf 및 W가 사용되었다. 이러한 소자들에 대해서, 환경 온도 120℃ 전류 밀도 및 3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 이러한 경우에서 박리가 발생하고 소자가 단선되는 시간이 도 11에 나타나 있다.
부착층(101)이 사용되는 경우에 얻어진 도 11에 나타난 특성과, 부착층(101)이 사용되지 않은 경우에 얻어진 도 12에 나타난 특성을 비교할 때, 모든 경우에서 부착층(101)을 포함하는 본 발명에 관련된 소자에서 내전류 특정이 개선되었음을 알 수 있다.
(2) Ni 산화물/Fe 산화물 이중층 반강자성층 사용
글래스 기판 상에, 도 2의 반강자성층(102)을 형성하는 2nm 두께의 Fe 산화물막과 50nm 두께의 Ni 산화물층막의 적층물, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR인핸스층(106)을 형성하는 1nm 두께의 Co90Fe10막, 자유 자성층(107)을 형성하는 5nm 두께의 Ni80Fe20막을 순차적으로 적층한 구조 (즉, 글래스 기판/ Ni 산화물(50nm)/ Fe 산화물(2nm)/ Co90Fe10(3nm)/ Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm) 구조)의 자기 저항 효과 소자가 제조되었다. 다시 말하면, 자기 저항 효과 소자는 도 2의 구성에 제1 MR 인핸스층(104)이 생략된 구조이다.
막 적층은 인가된 500(Oe)의 자계에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행된다. 적층 공정동안, 자계에 수평한 방향으로 이러한 자기 저항 효과 소자에 자계를 인가하고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 했을 때, 6.3%의 저항 변화율이 얻어졌다. 소자의 비저항은 0 인가 자계에서 24μΩ㎝이고, 비저항 변화량은 1.51μΩ㎝이다.
다음으로, 본 발명과 비교하기 위해, 부착층이 없는 소자가 제조되었고, 그 내전류 특성이 시험되었다. 하지층을 포함하지 않는 소자와 함께, 글래스 기판 상에 각각 1㎛ 두께인 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물막들이 하지층으로서 적층되어 있는 소자들을 준비했고, Ni 산화물(50nm)/ Fe 산화물(2㎚)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 개별적으로 적층되었으며, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링(milling)에 의해 2×50㎛ 크기로 가공되었고, 그 단부는 Au 전극부로 형성되었다.
이와 같이 부착층(101)이 없는 소자들에 대하여, 120℃의 환경 온도 및3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 일정 시간에 도달하면, NiO막과 하지층 사이에 박리가 발생하고, 소자는 단선된다. 이와 같이 박리가 발생하고 소자가 단선되는 시간이 도 12에 나타나 있다.
다음으로, 글래스 기판 상에 적층된 하지층(100)으로서 각각 1㎛ 두께의 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물의 막들 또는 하지층이 없는 소자를 준비하고, 부착층 / Ni 산화물(50nm) / Fe 산화물(2nm) / Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm) / Co90Fe10(1nm) / Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 적층되고, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링에 의해 2×50㎛ 크기로 처리되고, 그 단부는 Au 전극부로 형성된다.
부착층(101)으로 Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, 또는 W이 사용된다. 부착층(101)을 포함하는 소자에 대하여, 환경 온도 120℃ 및 전류 밀도 3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 박리가 발생하는 시간(단위: 시간) 및 이 경우의 단선이 도 13에 도시된다.
도 12와 도 13을 비교해 보면, 모든 경우에서 부착층(101)을 포함하는 도 13에 도시된 소자에서 내전류 특성이 개선되었음을 알 수 있다.
(3) Fe 산화물 반강자성층 사용
도 2의 반강자성층(102)을 형성하는 40nm 두께의 Fe 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 1nm 두께의 Co90Fe10막, 자유 자성층(107)을 형성하는 5nm 두께의 Ni80Fe20막을 글래스 기판 상에 순차적으로 적층한 구조 (즉, 글래스 기판/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm)/ Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 구조)의 자기 저항 효과 소자가 제조된다. 다시 말하면, 이러한 자기 저항 효과 소자는 도 2에 도시된 구조이며, 제1 MR 인핸스층(104)이 없다.
막 적층은 500(Oe)의 인가 자계에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행된다. 자기 저항 효과 소자에 적층공정 동안의 자계에 평행한 방향으로 자계를 인가하고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 했을 때, 저항 변화율은 6.3%가 되었다. 소자의 비저항은 인가 전계가 0일 때 24μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 1.51μΩ㎝였다.
다음으로, 본 발명과 비교하기 위해서, 부착층없는 소자가 시범 제조되었고, 그 내전류 특성이 조사되었다. 하지층을 포함하지 않는 소자와 함께, 글래스 기판 상에 각각 1㎛ 두께인 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물막들 이 하지층으로서 적층되어 있는 소자들을 준비했고, Fe 산화물(40nm)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 개별적으로 적층되었으며, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링에 의해 2×50㎛ 크기로 가공되었고, 그 단부는 Au 전극부로 형성되었다. 따라서, 이러한 소자들은 도1 및 도 2에 도시된 것과 같은 부착층(101)을 포함하지 않는다.
이러한 부착층을 포함하지 않는 소자들에 대해서, 환경 온도 120℃ 및 전류 밀도 3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 일정 시간에 도달하면, NiO막과 하지층(100) 사이에 박리가 발생하고, 소자는 단선된다. 이와 같은 박리와 소자 단선이 발생한 시간이 도 12에 나타나 있다.
다음으로, 하지층을 포함하지 않는 소자와 함께, 글래스 기판 상에 각각 1㎛ 두께인 알루미나, 알루미나 질화물, Si 질화물, 및 Si 산화물막들 이 하지층으로서 적층되어 있는 소자들을 준비했고, 부착층/ Fe 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ Co90Fe10(1nm)/ Ni80Fe20(5nm)의 막들이 그 위에 개별적으로 적층되었으며, 소자들은 마스크를 사용하는 포토레지스트 처리 및 밀링에 의해 2×50㎛ 크기로 가공되었고, 그 단부는 Au 전극부로 형성되었다. 부착층(101)으로는, Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf 및 W가 사용되었다.
이러한 부착층(101)을 포함하는 소자들에 대해서, 환경 온도 120℃ 전류 밀도 및 3×107A/㎠에서 고온 통전 검사를 행하였다. 이러한 경우에서 박리가 발생하고 소자가 단선되는 시간(단위: 시)이 도 15에 나타나 있다.
부착층(101)이 사용되는 경우에 얻어진 도 14에 나타난 특성과, 부착층(101)이 사용되지 않은 경우에 나타난 특성을 비교할 때, 모든 경우에서 부착층(101)을포함하는 소자에서 내전류 특정이 개선되었음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 적용될 수 있는 자기 저항 효과 소자(10)의 실시예로서 다양한 자성층을 사용하여 자기 저항 효과막이 시험 제조되었고, 저항의 변화율, 비저항, 및 비저항의 변화량이 측정되었다.
먼저, 글래스 기판 상에 도 2의 부착층(101)을 형성하는 10nm 두께의 Ta막, 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni막, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 1nm 두께의 Co90Fe10막, 및 6nm 두께의 고정 자성층이 글래스 기판 상에 적층한 구조 (즉, 글래스 기판/ Ta(10nm)/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm)/ 고정 자성층(6nm)의 구조)를 갖는 자기 저항 효과막이 제조되었고, 다양한 합금이 고정 자성층으로서 사용되었다. 막 적층은 500(Oe)의 인가 자계 내에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다.
도 16은, 이러한 자기 저항 효과 소자에, 적층 동안의 자계에 수평한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 되었을 때의 저항의 변화율, 비저항 및 비저항의 변화량을 도시한다.
또한, 글래스 기판 상에, 도 2의 부착층(101)을 형성하는 10nm 두께의 Ta 산화물막, 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 1.5nm 두께의 Co90Fe10막, 제1 MR 인핸스층(104)을 형성하는 1.5nm 두께의 Co74Zr6Mo20막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 6nm 두께의 Co74Zr6Mo20막을 순차적으로 적층한 구조(즉, 글래스 기판/ Ta 산화물(10nm)/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(1.5nm)/ Co74Zr6Mo20(1.5nm)/ Cu(2.5nm)/ Co74Zr6Mo20(6nm)의 구조)를 갖는 자기 저항 효과 소자가 제조되었다.
막 적층은 500(Oe)의 인가 자계에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다. 이러한 자기 저항 효과막에 적층 동안의 자계에 수평한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 된 경우, 6.0%의 저항 변화율이 얻어졌다. 소자의 비저항은 인가 자계 0에서 65μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 3.9μΩ㎝였다.
또한, 글래스 기판 상에 도 2의 부착층(101)을 형성하는 10nm 두께의 Zr 산화물막, 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 1.5nm 두께의 Co90Fe10막, 제1 MR 인핸스층(104)을 형성하는 1.5nm 두께의 Co74Zr6Mo20막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 3nm 두께의 Co74Zr6Mo20막 및 자유 자성층(107)을 형성하는 Ni80Fe20막을 순차적으로 적층한 구조(즉, 글래스 기판/ Zr 산화물(10nm)/ Ni 산화물(50nm) / Co90Fe10(1.5nm)/ Co74Zr6Mo20(1.5nm)/ Cu(2.5nm)/ Co74Zr6Mo20(3nm)/Ni80Fe20의 구조)를 갖는 자기 저항 효과 소자가 제조되었다.
막 적층은 인가 자계 500(Oe)의 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다. 이러한 자기 저항 효과막에 적층 동안의 자계에 수평한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 된 경우, 5.0%의 저항 변화율이 얻어졌다. 소자의 비저항은 인가 자계 0에서 45μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 2.25μΩ㎝였다.
또한, 글래스 기판 상에 도 2의 부착층(101)을 형성하는 10nm 두께의 Ti 산화물막, 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 제1 MR 인핸스층(104)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 비자성층(105)을 형성하는 3nm 두께의 Co92Zr3Nb5막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 0.4nm 두께의 Ru막 및 자유 자성층(107)을 형성하는 3nm 두께의 Co92Zr3Nb5막을 순차적으로 적층한 구조(즉, 글래스 기판/ Ti 산화물(10nm)/ Ni 산화물(50nm) / Co90Fe10(3.0nm)/ Cu(2.5nm)/ Co92Zr3Nb5(3nm)/ Ru(0.4nm)/ Co92Zr3Nb3(3nm)의 구조)를 갖는 자기 저항 효과 소자가 제조되었다.
막 적층은 인가 자계 500(Oe)의 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다. 이러한 자기 저항 효과막에 적층 동안의 자계에 수평한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 된 경우, 4.8%의 저항 변화율이 얻어졌다. 이러한 구조의 자기 저항 효과 소자는 1㎛ 폭으로 패턴화된 경우에서도만족할 만한 자계 감도를 가졌다. 이는 Co92Zr3Nb5(3nm) / Ru(0.4nm) / Co92Zr3Nb5(3nm) 부분에서 Ru층을 통한 2개의 Co92Zr3Nb5층의 반강자성 커플링(coupling)으로 인해 자유 자성층의 유효 자화가 극도로 작아져서, 고정 자성층과 자유 자성층 사이의 정자결합(magnetostatic bonding)도 작아지기 때문인 것으로 생각된다. 소자의 비저항은 인가 자계 0에서 43μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 2.1μΩ㎝였다.
다음으로, 도 2에 도시된 자기 저항 효과 소자가 글래스 기판/ W(10nm)/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(2nm)/ Ru(0.4nm)/ Co90Fe10(2nm)/ Cu(2.5nm)/ Co92Zr3Nb5(3nm)의 구조를 갖도록 제조되었다. 막 적층은 인가 자계 500(Oe)에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다. 이러한 자기 저항 효과막에 적층 동안의 자계에 수평한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 되는 경우, 4,9%의 저항 변화율이 얻어졌다. 이러한 구조의 자기 저항 효과 소자는 1㎛ 폭으로 패턴화된 경우에서도 만족할 만한 자계 감도를 가졌다. 이는 고정 자성층(103)을 구성하는 Co90Fe10(2nm) / Ru(0.4nm) / Co90Fe10(2nm) 부분(즉, 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막)에서 Ru층을 통한 2개의 Co90Fe10층의 반강자성 커플링으로 인해 자유 자성층의 유효 자화가 극도로 작아져서, 고정 자성층과 자유 자성층 사이의 정자 결합도 작아지기 때문인 것으로 생각된다. 소자의 비저항은 인가 자계 0에서 41μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 2.0μΩ㎝였다.
다음으로, 글래스 기판 상에, 도 2에 도시된 자기 저항 효과 소자는 도 1의 부착층(101)을 형성하는 10nm 두께의 Cr막, 반강자성층(102)을 형성하는 50nm 두께의 Ni 산화물막, 고정 자성층(103)을 형성하는 3nm 두께의 Co90Fe10막, 0.4nm 두께의 Ru막 및 3nm 두께의 Co90Fe10막을 포함하는 다층막, 비자성층(105)을 형성하는 2.5nm 두께의 Cu막, 제2 MR 인핸스층(106)을 형성하는 0.4nm 두께의 Ru막 및 자유 자성층(107)을 형성하는 3nm 두께의 Co92Zr3Nb5막, 0.4nm 두께의 Ru막 및 3nm 두께의 Co92Zr3Nb5막을 포함하는 다층막을 순차적으로 적층한 구조(즉, 글래스 기판/ Cr(10nm)/ Ni 산화물(50nm)/ Co90Fe10(3nm)/ Ru(0.4nm)/ Co90Fe10(3nm)/ Cu(2.5nm)/ Co92Zr3Nb5(3nm)/ Ru(0.4nm)/ Co92Zr3Nb5(3nm) 구조)를 갖는 자기 저항 효과 소자가 제조되었다. 막 적층은 500(Oe)의 인가 자계에서 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 수행되었다.
이러한 자기 저항 효과막에 적층 동안의 자계에 평행한 방향으로 자계가 인가되고, 이러한 자계가 M-H 곡선을 따르도록 되는 경우, 4.5%의 저항 변화율이 얻어졌다.
이러한 구조의 자기 저항 효과 소자는 1㎛ 폭으로 패턴화된 경우에서도 만족할 만한 자계 감도를 가졌다. 이는 고정 자성층(103)(즉, 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막에서의 2개의 고정 자성층)을 구성하는 Co90Fe10(3nm)/ Ru(0.4nm)/ Co90Fe10(3nm)을 포함하는 다층막에서 Ru층을 통한 2개의 CoFe층의 반강자성 커플링과, 자유 자성층(즉, 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막에서의 2개의 자성층)을 구성하는 Co92Zr3Nb5(3nm) / Ru(0.4nm) / Co92Zr3Nb5(3nm)을 포함하는 다층에서 Ru층을 통한 2개의 Co92Zr3Nb5층의 반강자성 커플링으로 인해 자유 자성층의 유효 자화가 극도로 작아져서, 고정 자성층과 자유 자성층 사이의 정자 결합도 작아지기 때문인 것으로 생각된다. 소자의 비저항은 인가 자계 0에서 38μΩ㎝였고, 비저항 변화량은 1.7μΩ㎝였다.
다음으로, 이러한 자기 저항 효과 소자가 쉴드형 소자에 적용되는 예가 설명된다.
먼저, 도 3에 도시된 유형의 쉴드형 소자 내의 자기 저항 효과 센서에서 사용하기 위한 소자를 제조했다. 이때, NiFe는 하위 쉴드층(2)으로서 사용되며, 알루미나는 하위 갭층(3)으로서 사용된다. 자기 저항 효과 소자(6)는 부착층(101)인 Ta(5nm)를, 반강자성층(102)인 Ni 산화물(50nm), 고정 자성층(103)인 Fe 산화물(2nm), 제1 MR 인핸스층(104)인 Co90Fe10(3nm), 비자성층(105)인 Cd(2.5㎚), 자유 자성층(107)인 Co92Zr3Nb5(6nm)를 사용하여 제조되며, 소자는 PR 처리에 의해 1×1㎛로 가공된다. CoCrPt 및 Mo 하위 전극층(5)은 자기 저항 효과 소자(6)의 단부와 접촉하도록 형성된다. 알루미나는 상위 갭 층(8)으로서 사용되며, NiFe는 상위 쉴드층(9)으로 사용된다.
이러한 구조의 자기 저항 효과 센서를 도 5에 도시된 일체형 기록 및 재생 헤드로 가공하고, 슬라이드 가공하며, CoCrTa형 매체 상에서 데이타를 기록 및 재생하였다. 이때, 기록 트랙 폭은 1.5㎛였고, 기록 갭은 0.2㎛, 판독 트랙 폭은 1.0㎛, 판독 갭은 0.21㎛였다. 매체의 보자력(coercive force) 2.5k(Oe)였다. 상이한 기록 마크 길이들에서 재생 출력을 측정하면, 재생 출력이 절반이 되는 마크 길이에서 주파수는 155kFCI가 된다. 재생 출력이 2.7mV 피크-대-피크이고, 양호한 대칭성을 갖는 비잡음 파형이 수용된다. S/N 비는 26.6dB이며, 에러율은 10-6이하였다.
이러한 헤드에 대하여, 80℃ 및 500(Oe)에서의 환경 검사를 행했을 때, 에러율은 2500 시간까지 변화가 전혀 없었다. 또한, 이러한 헤드에 대하여, 전류 밀도 2×107A/㎠ 및 환경 온도 80℃ 의 조건에서 내전류 검사를 행했을 때, 저항값 및 저항은 둘 다 1000시간까지 변하지 않았다.
다음으로, 도 4에 도시된 유형의 쉴드형 소자에서 본 발명에 따른 반강자성 재료를 사용하여 소자를 제조했다. 이러한 소자는 하위 쉴드층(2)인 FeTaN, 하위갭층(3)인 비정질 탄소, 및 자기 저항 효과 소자(6)인 Ti(5nm) / Ni 산화물(50nm) / Fe 산화물(2nm) / Co90Fe10(3nm) / Cu(2.5nm) / Co92Zr3Nb5(6nm)의 구조를 포함하며, PR 처리에 의해 1×1㎛ 크기로 가공된다. CoCrPt 및 Mo 하위 전극층(11)은 이러한 소자부 상에 적층되어, 그 일부와 중첩된다. 알루미나는 상위 갭층(8)으로서 사용되며, NiFe는 상위 쉴드층(9)으로 사용된다.
이러한 헤드는 도 5에 도시된 것처럼 일체형 기록 및 재생 헤드로 가공되고 슬라이더 가공되며, CoCrTa형 매체 상에서 데이타가 기록 및 재생되었다. 이때, 기록 트랙폭은 1.5㎛, 기록 갭은 0.2㎛, 판독 트랙폭은 1.0㎛, 판독 갭은 0.21㎛였다. 매체의 보자력은 2.5k(Oe)였다. 상이한 기록 마크 길이들에서 재생 출력을 측정했을 때, 재생 출력의 절반이 되는 마크 길이에서 주파수는 1100kFCI가 되었다. 재생 출력은 2.5mV 피크-대-피크였고, 양호한 대칭형의 비잡음 파형이 수용되었다. S/N비는 26.8dB이었으며, 에러율은 10-6미만이었다.
이러한 헤드에 대하여, 80℃ 및 500(Oe)에서 환경 검사를 행했을 때, 에러비는 2500시간까지 전혀 변화를 보이지 않았다. 또한, 이러한 헤드에 대해, 전류 밀도 2×107A/㎠ 및 환경 온도 80℃의 조건 하에서 내전류 검사를 행했을 때, 저항값 및 저항의 변화율은 둘 다 1000시간까지 변화하지 않았다.
다음으로, 본 발명을 적용하여 시험 제조되는 자기 디스크 장치가 설명된다. 자기 디스크 장치는 베이스 상의 3개의 자기 디스크를 구비하고, 헤드 드라이브 회로, 신호 처리 회로 및 입력/출력 인터페이스가 베이스의 후면 상에 제공된다. 장치는 32-비트 버스 라인을 이용하여 외부적으로 접속된다. 총 6헤드가 자기 디스크의 한 측 상에 개별적으로 위치한다. 헤드를 구동하기 위한 회전식 액츄에이터, 액츄에이터를 위한 구동 및 제어 회로, 및 디스크를 회전하기 위한 스핀들-결합 모터가 디스크 장치 내에 제공된다.
자기 디스크는 직경이 46mm이고, 이 직경 중에서, 10mm 내지 40mm의 영역이데이타 기록 및 재생용으로 사용된다. 매립 서보 시스템을 사용하여, 서보 면을 갖지 않기 위한 높은 밀도가 얻어질 수 있다. 장치는 소형 컴퓨터의 외부 기록 장치로서 직접 연결될 수 있다. 캐시 메모리는 초당 5 내지 20Mb의 영역의 전송율을 갖는 버스 라인에 대응하는 입력/출력 인터페이스 내에 제공된다. 외부 제어기를 제공하고 본 발명과 같이 복수의 장치를 연결함에 의해, 고용량의 자기 디스크 장치가 설치될 수 있다.
상술한 것처럼, 본 발명에 따르면, 우수한 신뢰도를 가지며, 산화물 반강자성 박막과 하지층 사이의 부착력이 증가되고, 고온 통전 시험을 행하더라도 산화물 반강자성 박막의 하지층으로부터 박리가 발생하지 않는, 신뢰성이 우수한 자기 저항 효과 소자와, 이를 적용한 자기 저항 효과 센서, 쉴드형 자기 저항 효과 소자, 기록 및 재생 헤드, 및 기록 및 재생 시스템이 얻어진다.
본 발명은 그 기술 사상 또는 필수 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 개략적인 것으로 간주되며 제한적이진 않고, 본 발명의 범위는 상세한 설명에 의해서 보다는 첨부된 청구 범위에 해 지시되며, 청구 범위의 동일물의 취지 및 범위내의 모든 변경은 그 모두를 포괄하는 것으로 의도된다.
명세서, 청구 범위, 도면 및 요약서를 포함하는 일본 특허 출원 제9-064,265(1997년 3월 18일 출원)의 전 공보는 그 전체가 본 명세서에서 참조로 포함된다.

Claims (22)

  1. 자기 저항 효과 소자에 있어서,
    (a) 하지층(base layer) 상에 순차적으로 적층된, Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로 포함하거나 상기 산화물들의 혼합물을 포함하는 단층막 또는 다층막을 포함하는 반강자성층(anti-ferromagnetic layer), 고정 자성층(fixed magnetic layer), 비자성층(non-magnetic layer) 및 자유 자성층(free magnetic layer); 및
    (b) 상기 하지층과 상기 반강자성층 사이에 적층되어 통전시에 발생하는 열로 인한 박리(peeling)를 방지하기 위한 부착층(adhesive layer)
    을 포함하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정 자성층과 상기 비자성층 사이 및/또는 상기 비자성층과 상기 자유 자성층 사이에 인핸스층(enhancing layer)이 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부착층은 Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, V 산화물, Fe, Co, Ni, Zr, Zr 산화물, Nb, Nb 산화물, Mo, Mo 산화물, Hf, Hf 산화물, W 또는 W 산화물을 포함하는 단층막 또는 다층막, 또는 이들 재료의 혼합물을 포함하는 다층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 부착층은 Ta, Ta 산화물, Ti, Ti 산화물, Cr, Cr 산화물, V, V 산화물, Fe, Co, Ni, Zr, Zr 산화물, Nb, Nb 산화물, Mo, Mo 산화물, Hf, Hf 산화물, W 또는 W 산화물을 포함하는 단층막 또는 다층막, 또는 이들 재료의 혼합물을 포함하는 다층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    (a) 상기 고정 자성층은 순수 Co, Ni, Fe이거나, 이러한 재료들을 주성분으로 포함하는 합금 또는 다층막이고,
    (b) 상기 자유 자성층은 Co, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, NiFe, NiFeCo, 센더스트(sendust), 질화 철계 재료(iron nitride material), FeCo 또는 비정질 자성체를 포함하는 단층막, 또는 이러한 재료들의 혼합물 또는 다층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고정 자성층은 순수 Co, Ni, Fe이거나, 이러한 재료들을 주성분으로 포함하는 합금 또는 다층막이고,
    상기 자유 자성층은 Co, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, NiFe,NiFeCo, 센더스트, 질화 철계 재료, FeCo 또는 비정질 자성체를 포함하는 단층막, 또는 이러한 재료들의 혼합물 또는 다층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 고정 자성층은 순수 Co, Ni, Fe이거나 이러한 재료들을 주성분으로 포함하는 합금 또는 다층막이고,
    상기 자유 자성층은 Co, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, NiFe, NiFeCo, 센더스트, 질화 철계 재료, FeCo 또는 비정질 자성체를 포함하는 단층막, 또는 이러한 재료들의 혼합물 또는 다층막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  8. 제2항에 있어서, 상기 인핸스층은 Co, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, 또는 비정질 자성체인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 자유 자성층은 순차적으로 적층된 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막(sandwich film)인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  10. 제2항에 있어서, 상기 자유 자성층은 순차적으로 적층된 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  11. 제3항에 있어서, 상기 자유 자성층은 순차적으로 적층된 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  12. 제4항에 있어서, 상기 자유 자성층은 순차적으로 적층된 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  13. 제5항에 있어서, 상기 자유 자성층은 순차적으로 적층된 제1 자성층, 비자성층 및 제2 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 고정 자성층은 순차적으로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  15. 제2항에 있어서, 상기 고정 자성층은 순차적으로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  16. 제3항에 있어서, 상기 고정 자성층은 순차적으로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  17. 제4항에 있어서, 상기 고정 자성층은 순차적으로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  18. 제5항에 있어서, 상기 고정 자성층은 순차적으로 적층된 제1 고정 자성층, 비자성층 및 제2 고정 자성층을 포함하는 샌드위치막인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  19. 쉴드형 자기 저항 효과 센서에 있어서,
    (a) 기판 상에 순차적으로 적층된 하위 쉴드층(lower shield layer), 하위 갭층(lower gap layer) 및 패턴화된 자기 저항 효과 소자(magnetoresistanceeffect element),
    - 상기 자기 저항 효과 소자는 미리 지정된 하지층 상에 순차적으로 적층된 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층을 포함하며,
    상기 반강자성층은 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로 포함하거나 상기 산화물들의 혼합물을 포함하는 단층막 또는 다층막이고,
    상기 하지층과 상기 반강자성층 사이에는 통전시에 발생하는 열로 인한 박리를 방지하기 위한 부착층이 설치됨-;
    (b) 상기 자기 저항 효과 소자 상에 순차적으로 적층되어 단부(terminal section)와 접촉하는 종방향 바이어스층(longitudinal bias layer)과 하위 전극층; 및
    (c) 상기 자기 저항 효과 소자 상에 순차적으로 적층된 상위 갭층 및 상위 쉴드층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드형 자기 저항 효과 센서.
  20. 쉴드형 자기 저항 효과 센서에 있어서,
    (a) 기판 상에 순차적으로 적층된 하위 쉴드층, 하위 갭층 및 패턴화된 자기 저항 효과 소자로서,
    - 상기 자기 저항 효과 소자는 하지층 상에 순차적으로 적층된 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층을 포함하며,
    상기 반강자성층은 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로 포함하거나 상기 산화물들의 혼합물을 포함하는 단층막 또는 다층막이며,
    상기 하지층과 상기 반강자성층 사이에는 통전시에 발생하는 열로 인한 박리를 방지하기 위한 부착층이 설치됨-;
    (b) 상기 자기 저항 효과 소자 상에 순차적으로 적층되어 그 상위 부분과 부분적으로 중첩되는 종방향 바이어스층 및 하위 전극층; 및
    (c) 상기 자기 저항 효과 소자 상에 순차적으로 적층된 상위 갭층 및 상위 쉴드층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드형 자기 저항 효과 센서.
  21. 자기 정보 기록 및 재생 시스템에 있어서,
    (a) 자계를 검출하기 위한 자기 저항 효과 소자
    - 상기 자기 저항 효과 소자는 하지층 상에 순차적으로 적층된 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층을 포함하며,
    상기 반강자성층은 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로 포함하거나 상기 산화물들의 혼합물을 포함하는 단층막 또는 다층막이고,
    상기 하지층과 상기 반강자성층 사이에는 통전시에 발생하는 열로 인한 박리를 방지하기 위한 부착층이 설치됨-;
    (b) 상기 자기 저항 효과 소자에 센서 전류를 공급하기 위한 전극; 및
    (c) 상기 자기 저항 효과 소자의 비저항(resistivity)의 변화량을 검출된 자계의 함수로서 검출하기 위한 저항 검출기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 정보 기록 및 재생 시스템.
  22. 자기 정보 기록 및 재생 시스템에 있어서,
    (a) 데이타를 기록하기 위한 복수의 트랙(track)을 갖는 자기 기록 매체;
    (b) 상기 자기 기록 매체 상에 데이타를 기록하기 위한 자기 기록 헤드; 및
    (c) 상기 자기 기록 매체 상의 데이타를 재생하기 위한 자기 저항 효과 소자
    - 상기 자기 저항 효과 소자는 하지층 상에 순차적으로 적층된 반강자성층, 고정 자성층, 비자성층 및 자유 자성층을 포함하며,
    상기 반강자성층은 Ni 산화물, Co 산화물 또는 Fe 산화물을 주성분으로 포함하거나 상기 산화물들의 혼합물을 포함하는 단층막 또는 다층막이며,
    상기 하지층과 상기 반강자성층 사이에는 통전시에 발생하는 열로 인한 박리를 방지하기 위한 부착층이 설치됨-
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 정보 기록 및 재생 시스템.
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