KR100456197B1 - 자기저항 효과 센서, 자기저항 효과 센서의 제조 방법,자기저항 검출 시스템 및 자기 저장 시스템 - Google Patents

자기저항 효과 센서, 자기저항 효과 센서의 제조 방법,자기저항 검출 시스템 및 자기 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

자기저항 효과 센서는, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어 층 상에 형성된 고정층의 적층체를 기본 구성으로 형성된 자기저항 효과 막을 사용하고, 센싱 전류가 자기저항 효과막에 거의 수직으로 흐르며, 하부 실드로 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료가 사용되는, 실드형의 자기저항 효과 소자를 사용한다.

Description

자기저항 효과 센서, 자기저항 효과 센서의 제조 방법, 자기저항 검출 시스템 및 자기 저장 시스템{MAGNETORESISTIVE EFFECT SENSOR, METHOD FOR MANUFACTURING A MAGNETORESISTIVE EFFECT SENSOR, MAGNETORESISTIVE DETECTION SYSTEM, AND MAGNETIC STORAGE SYSTEM}
본 발명은 자기 매체 상에 기록된 정보 신호를 판독하기 위한 자기 센서에관한 것이다.
종래 기술에서, 자기저항(MR) 센서 또는 헤드라 불리는 자기 판독 변환기가 개시되어 있고, 이것은 높은 선밀도를 가진 자기 표면으로부터 데이터를 판독할 수 있다고 알려져 있다.
MR 센서는 판독 소자에 의해 자속의 강도 및 방향의 함수로서 저항의 변화를 통하여 자기장 신호를 검출한다. 종래 기술에 의한 이러한 MR 센서는 이방성 자기저항(AMR) 효과에 기초하여 작동하므로, 이로 인해 판독 소자의 저항의 1 성분은 자화의 방향과 소자 내를 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각의 코사인값에 비례한다.
AMR 효과의 자세한 설명은 1975년 출간된 IEEE Trans. on Mag. MAG-11의 1039 쪽에 기재된 D. A. Thompson 등의 "Memory Stroage and Related Applications" 에서 볼 수 있다.
AMR 효과를 사용하는 자기 헤드에서, 바크하우젠(Barkhousen) 노이즈를 감소시키기 위해서 수직 바이어스가 종종 인가되며, FeMn, NiMn 또는 니켈 산화물 등이 바이어스 인가 재료로서 사용되는 경우가 있다.
또한, 더욱 현저한 자기저항 효과의 예가 있는 데, 이는 적층된 자기 센서의 저항 변화는 비자성층을 통한 자성층들 사이에서 전도 전자들의 스핀-의존성 전송 및 층간 경계면에서의 스핀-의존성 산란에 의한 것이다.
이러한 자기저항 효과는 "거대 자기저항 효과" 또는 "스핀 밸브 효과"로서 다양하게 알려져 있다. 그러한 자기저항 센서는 적절한 재료로 제조되며, AMR효과를 사용하는 센서에서 보여지는 것보다 더 양호한 민감도 및 더 큰 저항성을 나타낸다.
이러한 종류의 MR 센서에서, 비자성층에 의해 분리된 한쌍의 강자성체층들 사이의 내부 면저항이 2층들의 자화방향 사이의 각의 코사인값에 비례하여 변한다.
1998년 6월이 우선일인 일본특허공개(KOKAI) 제2-61572호에는 자기층 내에서 자화의 반평행 정렬에 의해 발생하는 큰 MR 효과를 생성하는 적층 구조가 설명되어 있다. 이러한 적층 구조에서 사용될 수 있는 재료들은 강자성 전이 금속들 및 그 합금들로 상기 명세서에 기재되어 있다.
또한, 중간층에 의해 분리된 강자성체층들의 적어도 1 개를 고정하는 층을 추가하는 구조 및 그러한 층으로 FeMn 이 적합하다는 것이 개시되어 있다.
1990년 12월 11일이 우선일인 일본특허공개 제4-358310호에는, 비자성 금속 박막층에 의해 나눠진 2개의 박막 강자성체층들을 갖는 MR 센서가 개시되어 있다. 여기서, 인가된 자기장이 0 일 때 2개의 강자성 박막층들의 자화 방향이 직교하며, 2개의 결합되지 않은 강자성체층들 사이의 저항은 2층들의 자화 방향 사이의 각의 코사인값에 비례하여 변화하고, 이것은 센서 내에서 전류 흐름의 방향과 무관하다.
1990년 8월 22일이 우선일인 일본특허공개 제4-103010호에는, 다층막으로 된 강자성 터널 접합 소자에서, 강자성체층들 사이에 중간막이 놓이고, 바이어스 자기장이 반강자성 재료로부터 적어도 1개의 강자성체막에 인가되는 강자성 터널 효과 막이 설명되어 있다.
1996년 11월 27일이 우선일인 일본특허공개 제10-162327호에는, 자기 센서부 내에서 강자성 터널 접합을 사용하는 자기저항 효과 헤드 구조가 설명되어 있다.
종래에는, 강자성 터널 접합을 사용하는 재생 헤드의 하부 실드로 NiFe 합금이 사용되었지만, 스퍼터링을 사용하여 제조된 약 1 ㎛ 의 NiFe막의 경우에도, 결정 입자들은 20㎛ 이상이었다. 결과적으로, 표면 거칠기가 커져 AFM(atomic force microscope)을 사용하여 측정된 평균 표면 거칠기의 값인 Ra 가 3 ㎚ 이상이었다.
도금법을 사용하여 NiFe를 제조하는 경우는 스퍼터링을 사용하는 경우에 비해 Ra의 값이 두배 이상이다. 강자성 터널 접합 헤드(이후, TMR 헤드라 함)의 경우에, TMR막의 배리어막 부분에서의 거칠기는 바로 아래 층의 거칠기에 크게 영향을 받게 된다.
TMR 헤드에서, TMR막은 하부 실드 상에 직접 형성되거나 하부 실드 상에 형성된 갭 절연층 또는 하부 도전층 상에 형성된다. 그리고, 하부 실드의 거칠기가 크다면, 갭 절연층의 표면 또는 그 위에 형성된 하부 도전층도 이러한 거칠기의 영향을 받게 될 것이다.
또 다른 경우에, 이것은 배리어층의 거칠기를 증가시키게 된다.
그러나, 하부 실드의 거칠기가 작은 경우에도, 갭 절연체층의 거칠기 또는 그 위에 형성된 하부 도전층의 거칠기가 크다면, 이것은 또한 TMR 막에서 배리어막의 거칠기를 증가시키게 된다. 종래에, 하부 도전층으로 알루미늄이 사용되었던 경우, 알루미늄과 같은 저용융점을 갖는 금속의 경우, 결정 입자의 직경이 20 ㎚ 이상이므로, 표면 거칠기를 나타내는 Ra의 값은 3 ㎚ 이상이다.
배리어층의 거칠기가 커지면, TMR 재료에서 배리어층 내의 유효 두께가 더 작아진다는 문제가 발생한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배리어층을 통과하는 TMR막 내에서의 전자의 터널 전이 확률은 배리어층의 막두께의 작은 변화에도 크게 의존하며, 배리어층의 유효 막두께의 편차가 있는 경우, 전자들이 미세하게 더 작은 유효 막두께를 갖는 위치에 집중하게 되는 경향이 있다.
상술한 바와 같이, 접합 저항이 감소할 뿐만 아니라 유효 막두께가 작은 위치에서 전류가 집중되므로, 결과적으로 배리어층에 인가되는 전압이 국부적으로 증가하여, 센싱 전류에 대한 저항 변화의 의존성이 증가하고, 센싱 전류가 상수인 경우에 비하여 저항의 변화량이 감소하게 된다.
또한, 저항 변화량의 감소는 배리어층의 유효 두께를 얇아지게 한다. 이러한 유효 막두께의 감소는 배리어층을 통해 고정층에서 프리층까지 통과하는 강자성 커플링을 증가시키게 된다.
강자성 커플링은 자기저항 효과 소자의 동작 지점을 확립하는 데 중요한 인자이므로, 이것이 지나치게 클 경우 적당한 동작 지점을 확립할 수 없고, 결과적으로 파형의 비대칭성을 악화시키고 재생시의 출력을 감소시키는 문제가 발생한다.
상술한 것에 더하여, 일본특허공보(KOKOKU) 제8-21166호, 일본특허공개 제5-217123호 및 일본특허번호 2651015에는, 자기 헤드들의 구성이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 헤드들의 구조는 설명되어 있는 반면에, 복합형 자기저항 효과 소자에서 배리어층 바로 아래의 막의 표면을 평탄하게 하는 기술적인 구성이 개시되어 있는 경우는 없다.
일본특허공개 제9-270321호에는, 연자성 실드층의 표면을 평탄화하기 위해 비정질 성분을 사용하여, 그로 인해 절연막의 절연성을 향상시키는 방법이 개시되어 있는 반면에, 복합형 자기저항 효과 소자의 배리어막 내에서 강자성 커플링의 문제를 해결하는 기술에 관한 것은 없다.
일본특허공개 제11-316919호에는, 복합형 자기저항 효과 소자를 사용하는 자기 헤드 내의 하부 실드층 내에서 비정질 합금을 사용하는 방법이 있지만, 단지 사용 가능성만이 제시되어 있으며, 배리어층의 거칠기를 작게 하는 기술은 개시되어 있지 않다.
따라서, 종래 기술의 상술한 제반 문제들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, TMR막에서 배리어막의 표면 거칠기를 감소시켜, 출력의 감소를 방지하면서 재생 파형의 대칭성은 유지할 수 있는 자기저항 효과 센서 및 자기저항 효과 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 1 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 2는 종래의 자기저항 효과 센서의 문제점을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 2 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 3 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 4 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 5 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 6 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 7 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 제 8 실시예의 구성을 나타내는 ABS 표면의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 제조하는 방법의 실시예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 11은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 제조하는 방법의 실시예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 12는 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 제조하는 방법의 실시예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 13은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 제조하는 방법의 실시예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 14는 본 발명이 적용된 기록 및 재생 헤드의 개념도이다.
도 15는 본 발명에 의한 자기저항 효과 소자를 사용하는 자기 기록 및 재생 장치의 개념도이다.
도 16은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 사용하는 자기 디스크의 구성의 실시예를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 하부 실드층 2 : 하부 갭층
3 : 프리층 4 : 배리어층
5 : 고정층 6 : 고정용층
7 : 보호층 9 : 수직 바이어스층
19 : 상부 실드층 17 : 상부 전극층
18 : 상부 갭층 20 : 자기저항 효과 막
22 : 하부 도전층 25 : 실드형 자기저항 효과 소자
30 : 자기저항 효과 센서 40, 42 : 기판
41 : 코일 43 : 자극
44 : 상부 자극 45, 51 : 재생 헤드
50, 55 : 기록 헤드 52 : 헤드 슬라이더로 작용하는 기판
53 : 기록 매체 60 : 하부 전극용 홀
61 : 자기 헤드 70 : 전극 단자
72 : 베이스 73 : 헤드 구동 회로
74 : 신호 처리 회로 75 : 입출력 인터페이스
76 : 버스 라인 77 : 로터리 액추에이터
78 : 스핀들 디렉트 구동 모터 80 : 자기 디스크
100 : 디스크 장치
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음의 기본적인 기술적 구성을 채택한다.
구체적으로 본 발명의 제 1 양태는, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층, 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막을 사용하는 실드형 자기저항 효과 소자를 사용하는 자기저항 효과 센서이다. 여기서, 센싱 전류는 자기저항 효과 막에 대해 거의 수직으로 흐르고, 하부 실드층으로 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료가 사용된다.
본 발명의 제 2 양태는, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막의 바닥부에 도전층이 베이스층을 사이에 두고 접촉하거나 직접 접촉하도록 배치된 자기저항 효과 소자이다. 여기서, 하부 도전층은 자기저항 효과 막 내에 센싱 전류가 흐르도록 하는 하부 전극으로서 기능하고, 하부 도전체는 비정질 재료 및 마이크로결정으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된다.
본 발명의 제 3 양태는, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막을 사용하여 실드형의 자기저항 효과 소자가 형성된 자기저항 효과 센서이다. 여기서, 센싱 전류는 자기저항 효과 막에 대해 거의 수직으로 흐르고, 하부 실드층은 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료로 사용된다.
본 발명의 제 4 양태는, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막이 하부 도전층 상에 베이스층을 통해 접촉하거나 베이스층을 사이에 두지 않고 도전층과 직접 접촉하도록 형성되는 자기저항 효과 센서의 제조 방법이다. 여기서, 하부 도전층은 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료로 제조된다.
상술한 구성을 채택함으로써, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서 및 자기저항 효과 센서의 제조 방법은, 종래 기술과 비교하여 재생 출력, S/N 및 비트 에러 비율의 향상된 값들을 갖는 자기저항 효과 센서를 얻을 수 있게 한다. 그리고, 이러한 자기저항 효과 센서를 사용하여 재생 출력, S/N 비 및 비트 에러 비율의 향상된 값들을 갖는 재생 헤드, 기록 및 재생 시스템을 얻을 수 있게 한다.
특히, 본 발명의 구성은 배리어막 바로 아래의 층을 가능한 한 평탄하게 형성하는 것이 중요하다는 인식에서 채택된 것이다.
본 발명에 의한 자기저항 효과 센서 및 그 제조 방법의 구성은, 상술한 바와 같이, 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료를 하부 실드로 사용한다는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서, 하부 실드의 마이크로결정의 결정 입자 직경은 5.4 ㎚ 이하이고, 하부 실드는 스퍼터링에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
자기저항 효과 소자가 하부 실드와 베이스층을 통해 접촉하거나 직접 접촉하도록, 하부 실드 상에 형성되어 자기저항 효과 막 패턴이 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명의 또 다른 형태에서, 자기저항 효과 막의 베이스층 아래에 도전층 패턴이 배치되어 도전층 패턴의 바닥부가 하부 실드와 접촉하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 하부 도전층은 하부 전극으로 기능하여 자기저항 효과 막 내에서 센싱 전류가 흐르도록 하며, 하부 도전층은 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료로 형성된다. 하부 도전층을 형성하는 마이크로결정 내의 결정 입자 직경은 5.4 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 하부 도전층은 스퍼터링에 의해 형성된다.
상술한 바와 같이, 하부 실드 또는 하부 도전체의 표면 거칠기가 큰 경우, 그 위에 형성되는 TMR막의 배리어층의 거칠기를 악화시키게 되고, 그로 인해 자기저항 특성, 저항 특성 및 자기 특성이 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 하부 실드층 및 하부 도전층 표면의 거칠기를 가능한 한 작게 만드는 것이 효과적이다.
이를 위해, 하부 실드층 및 하부 도전층으로 사용되는 재료 내에서 결정 입자 직경을 작게 만드는 것이 표면의 거칠기를 감소시킨다. 결정 입자 직경이 큰 경우에는, 인접하는 결정 입자들의 방향의 차이가 크므로, 입자의 경계에 저장된 에너지도 그에 비례하여 증가하는 것으로 여겨진다. 결정 입자의 직경이 최대로 작게 되는 경우가 비정질 재료이므로, 이 경우에 표면 거칠기도 마이크로결정질 재료의 경우에 비해 더 작아지게 된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서 및 자기저항 효과 센서의 제조 방법의 실시예들을 상세히 설명한다.
구체적으로, 도 1은 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 실시예의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1은 프리층(3), 프리층(3) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 고정층(5)의 적층체를 기본 구성으로 하는 자기저항 효과 막(20)을 사용하는 실드형의 자기저항 효과 소자(25)를 사용하는 자기저항 효과 센서(30)를 나타낸다. 여기서, 센싱 전류는 자기저항 효과 막에 대해 거의 수직으로 흐르고, 하부 실드(1)에는 비정질 재료 또는 마이크로결정 재료가 사용된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 구성을 나타낸다. 도 3은 고정층(5), 고정층(5) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 프리층(3)의 적층체를 기본 구성으로 하는 자기저항 효과 막(20)을 사용하는 실드형 자기저항 효과 소자(25)를 사용하는 실드형 자기저항 효과 센서(30)를 나타낸다. 여기서, 센싱 전류는 자기저항 효과 막에 대해 거의 수직으로 흐르고, 하부 실드(1)에는 비정질 재료 또는 마이크로결정 재료가 사용된다.
본 발명의 상술한 실시예들에서, 하부 실드(1)로 사용되는 마이크로결정 내에서 결정 입자의 직경은 6.2 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 실시예들에서, 하부 실드(1)는 스퍼터링에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 실시예들을 좀더 구체적으로 설명하면, 도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 대표적인 실드형 센서의 개념도이며, ABS면에 평행하게 절단된 면을 보여준다.
이러한 구성에서, 기판(40) 상에 하부 실드(1), 하부 갭층(2) 및 하부 도전층(22)이 적층되어 있다. 이 위에 베이스층(8), 프리층(3), 및 배리어층(4)이 순차적으로 적층되어 있다.
배리어층(4)의 좌측 및 우측에 있는 수직 바이어스 층들(9) 사이의 부분에 고정층(5)/고정용층(6)/상부층(7)이 형성되어 있고, 이것들은 도면에 도시된 대로 패터닝되어 있다.
패터닝된 배리어층(4)/고정층(5)/고정용층(6)/상부층(7)을 둘러싸는 영역에 절연층이 배치된다. 또한, 그 위에 상부 전극층(17), 상부 갭층(18) 및 상부 실드층(19)이 적층된다.
이러한 구성에서, 베이스층(8)/프리층(3)/배리어층(4)/고정층(5)/ 고정용층(6)/상부층(7)은 자기저항 효과 막(20)을 구성한다.
이러한 구조에서, 도면에 도시된 바와 같이, 상부 전극(17)으로부터 하부 전극(22)으로 전류가 흐른다면, 전류는 상부 전극(17)으로부터 상부층(7), 고정용층(6), 고정층(5), 배리어층(4), 프리층(3) 및 베이스층(8)을 순차적으로 통과하여, 마지막으로 하부 전극층(22)으로 흐를 것이다.
이것이 발생할 때, 수직 바이어스층(9)은 전류가 흐르는 방식에 영향을 주지 않는다. 프리층 패턴과 접촉하도록 수직 바이어스 패턴이 배치되므로, 바이어스층의 수직 바이어스는 프리층에 대부분 인가된다. 따라서, 이러한 구조를 사용함으로써, 자기저항 효과 막 부분을 통하여 센싱 전류가 적절히 흐르게 하고, 프리층에 수직 바이어스가 적절히 인가되게 할 수 있다.
이러한 실시예가 상부 갭(18) 및 하부 갭(2)이 모두 제공되는 예를 나타내고 있지만, 이러한 갭 층들 중 하나를 생략할 수도 있다.
또한, 하부 전극층(22) 및 프리층(3) 사이에 분리된 베이스층이 추가적으로 형성되는 구조를 사용할 수도 있지만, 하부 베이스층이 생략되는 경우들도 있다.
다음에 설명되는 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 하부 도전층(22)은 생략된다.
본 발명의 이번 실시예는 자기저항 효과 막(20)에 대한 패터닝이 수행될 때 배리어층(4)의 하단까지 패터닝이 수행된 것을 보여주지만, 배리어층(4)의 상단부터 패터닝이 수행될 프리층(3)의 하단상의 지점까지 패터닝이 수행되는 것을 적절히 선택할 수도 있다. 또한, 수직 바이어스층 상에 하부 베이스층 및 프리층을 형성하는 것이 필수적인 것은 아니다.
다음, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서(30)의 또 다른 실시예를 설명하면, 도 3에 도시된 구조에서, 하부 도전층(22)은 기판(40) 상에 형성된 하부 실드(1) 상에 형성되고, 하부 도전층 상에 자기저항 효과 막(20)의 패턴이 형성된다.
즉, 자기저항 효과 막(20)은 베이스층(14)/고정용층(6), 및 고정층(5)/ 배리어층(4)/프리층(3)/상부 보호층(7) 구조에 의해 형성된다. 이 경우에서 나타낸 예는 자기저항 효과 막(20)의 최하층까지 패터닝이 수행된 것이지만, 패터닝을 수행할 범위는 자유롭게 선택할 수 있다.
절연체는 자기저항 효과 막 패턴 주위에 형성되어 있고, 절연체 상에 수직 바이어스 패턴(9)이 형성되어 있다. 또한, 수직 바이어스 패턴(9) 상에 상부 전극으로 작용하는 상부 실드(12)가 형성되어 있다. 여기에서 보여진 구조는 자기저항 효과 막 패턴의 단부와 수직 바이어스 패턴 부분이 접촉하는 것이지만, 이러한 소자들이 서로 근접하다면, 직접 접촉할 필요는 없다.
이러한 실시예에서, 수직 바이어스층(9)은 전류가 흐르는 방식에는 영향을 주지 않는다. 또한, 수직 바이어스 패턴(9)이 프리층 패턴(3)에 근접하게 배치되므로, 수직 바이어스는 대부분 프리층(3)에 인가된다.
따라서, 이러한 구조를 사용하여, 센싱 전류의 적절한 흐름을 획득하고 수직 바이어스의 적절한 인가를 달성할 수 있다.
또한, 이러한 실시예가 하부 실드(1) 및 하부 도전층(22)이 접촉하는 구조를 보여주지만, 하부 도전층(22)을 생략할 수 있으며, 이러한 두 층들 사이에 하부 갭층(2)을 제공할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 막(20) 상의 상부 실드(12) 와 상부 보호막(7) 사이에 상부 전극층(17)을 제공할 수 있으며, 상부 전극층(17) 과 상부 실드(12) 사이에 상부 갭층(18)을 더 제공할 수도 있다.
또한, 자기저항 효과 막(20) 중에서 베이스층(14)을 생략할 수도 있다.
이 실시예에서, 자기저항 효과 막(20)의 또 다른 구성은 베이스층(14)/프리층(8)/배리어층(4)/고정층(5)/고정용층(6)/상부층(7)에 의해 형성된다.
그러나, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서(30)의 또 다른 실시예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 1의 구조로부터 상부 및 하부 갭층들(2, 18)이 제거된 구조 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 전극층으로 작용하는 상부 실드층(19)이 더생략된 구조이다.
도 6은 도 5를 변형시킨 것으로, 수직 바이어스 패턴(9) 단부의 경사면 상에도 베이스층(8) 및 프리층(3)이 형성되어 있다는 점이 다르다.
도 7은 도 6을 변형시킨 것으로, 수직 바이어스 패턴(9) 상에서 베이스층(8) 및 프리층(3)이 패터닝되어 있다.
도 8은 도 6을 변형시킨 것으로, TMR막 패턴(20) 내에서, 프리층(3)의 최하단까지 완전하게 패터닝이 수행되므로, 프리층(3) 및 수직 바이어스층(9)이 접촉하지 않는다는 점이 상술한 실시예들과는 다르다.
베이스층(8) 및 프리층(3) 중에서 베이스층의 좌측은 패터닝되지 않을 수도 있다. 이러한 구조에서, 프리층(3) 및 수직 바이어스층(9) 패턴은 접촉하지 않지만, 프리층 패턴의 단부 및 수직 바이어스층 패턴의 단부가 근접하다면, 수직 바이어스가 충분히 인가될 수 있다.
다음, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서(30)의 또 다른 실시예의 구성에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 전극층(22)이 하부 실드(1) 상에 제공되며, 하부 전극층(22) 상에 자기저항 효과 막 패턴(20)이 형성된다. 자기저항 효과 막(20)은 베이스층(14)/고정용층(6)/고정층(5)/배리어층(4)/프리층(3)/상부층(7) 구조로 형성된다.
본 발명의 이번 실시예에서, 도시된 예는 패터닝이 자기저항 효과 막(20)의 최저층까지 수행된 것이지만, 패터닝이 수행될 범위를 선택적으로 지정할 수도 있다. 절연체(11)는 자기저항 효과 막 패턴의 주위에 형성되고, 절연체 위에 수직 바이어스 패턴(9)이 형성된다.
또한, 상부 전극으로 작용하는 상부 실드(12)가 상술한 구조 상에 형성된다. 이러한 실시예는 수직 바이어스 패턴의 단부 및 자기저항 효과 막 패턴의 단부가 접촉하는 구조를 보여주지만, 서로 근접하다면 서로 분리될 수도 있다.
상술한 구조에서, 수직 바이어스층(9)은 전류가 흐르는 방식에 영향을 주지 않는다. 수직 바이어스 패턴이 프리층 패턴과 근접하게 제공되므로, 수직 바이어스는 프리층에 충분히 인가된다.
따라서, 이러한 구조를 사용함으로써, 자기저항 효과 막 부분에서 센싱 전류가 적절히 흐를 수 있을 뿐만 아니라 프리층에 수직 바이어스가 적절히 인가될 수 있다.
또한, 이러한 실시예에서, 하부 실드 및 하부 도전층이 서로 접촉하는 구조를 보여주지만, 하부 도전층(22)을 생략할 수 있으며, 또한, 이러한 두 층들 사이에 하부 갭층을 제공할 수도 있다.
자기저항 효과 막(20)의 상부층(7) 및 상부 실드(12) 사이에 상부 전극층을 제공할 수도 있으며, 상부 전극층 및 상부 실드 사이에 상부 갭층을 더 제공할 수도 있다.
또한, 이러한 실시예에서 자기저항 효과 막의 베이스층을 생략할 수도 있다.
이러한 실시예에서, 상술한 자기저항 효과 막(20)을 대신하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스층(8)/프리층(3)/배리어층(4)/고정층(5)/고정용층(6)/ 상부층(7) 구조로 형성된 자기저항 효과 막(20)을 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서(30)를 체계적으로 요약하면, 도 5 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 센서(30)에서, 프리층(3), 프리층 상에 형성된 배리어층(4), 배리어층(4) 상에 형성된 고정층(5)의 적층체, 또는 고정층(5), 고정층(5) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 프리층(3)의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막(20)이 베이스층들(8, 14)을 통해 하부 실드(1)와 접촉하도록 또는 하부 실드(1) 상에 직접 형성된다.
본 발명에 의한 자기저항 효과 센서의 또 다른 실시예의 구성에서, 도 5 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 센서(30)에서, 프리층(3), 프리층(3) 상에 형성된 배리어층(4), 배리어층(4) 상에 형성된 고정층(5)의 적층체 또는 고정층(5), 고정층(5) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 프리층(3)의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막(20)의 베이스 층들(8, 14)의 바닥부에 하부 전극층(22)이 배치되고, 이러한 하부 전극층(22)의 바닥부가 하부 실드(1)와 접촉하고 있다.
본 발명의 자기저항 효과 센서(30)의 또 다른 실시예의 구성에서는, 도 1 및 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 소자(25)에서, 프리층(3), 프리층(3) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 고정층(5)의 적층체 또는 고정층(5), 고정층(5) 상에 형성된 배리어층(4) 및 배리어층(4) 상에 형성된 프리층(3)의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과 막(20)의 바닥부에 도전층(22)이 베이스층들(8, 14)을 통하여 접촉하거나 또는 직접 접촉하도록 배치된다. 여기서, 하부 전극층(22)은 자기저항 효과 막(20)으로 센싱 전류가 흐르게 하는 하부 전극으로 기능하고, 하부 도전체(22) 또는 하부 실드(1)는 비정질 재료 또는 마이크로결정으로 제조된다.
즉, 본 발명의 이러한 실시예에서, 하부 실드(1) 자체는 전극으로서 기능할 수 있도록 도전성 부재로 제조된다.
상술한 실시예에서, 하부 전극층(1)으로 형성된 마이크로결정의 결정 입자 직경은 5.4 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 하부 전극층(1)은 스퍼터링에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 실시예에서, 필요한 경우, 고정층(5)의 자화를 고정시키는 자화-고정용층(6)이 고정층(5)과 접촉하도록 제공된다.
본 발명의 상술한 실시예에서, 하부 실드(1)로 사용된 마이크로 결정의 결정 입자 직경은 6.2 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 실시예에서, 하부 실드층을 형성할 때, 스퍼터링으로 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 자기저항 효과 막(20)을 제조하는데 있어서, 다양한 막들을 위해 사용되는 재료들을 설명한다.
이하에 기재된 바와 같이, 다음의 원소들은 각각의 막으로 사용하기 위한 원소들 중 일차적인 후보들이다.
베이스
알루미나-TiC, SiC, 알루미나, 알루미나-TiC/알루미나, SiC/알루미나
하부 실드층
CoZr, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, FeAlSi 또는 금속 질화물로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
특히, 하부 실드층은 CoZrTa 및 CoZrTaCr 합금에 기초한 재료로 제조하는 것이 바람직하다.
하부 전극층
Au, Ag, Cu, Mo, W, Y, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mn, Nb, Tc, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Ta 및 Pt로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
상부 전극층
Au, Ag, Cu, Mo, W, Y, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mn, Nb, Tc, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Ta 및 Pt로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
상부 실드층
NiFe, CoZr, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb, CoZrMoNi 합금, FeAlSi, 금속 질화물, MiZn 페라이트, NiZn 페라이트 또는 MgZn 페라이트로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
절연층
산화 알루미늄, 산화 규소, 질화 알루미늄, 질화 규소 및 DLC(diamond-like carbon)로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
하부 갭층
산화 알루미늄, 산화 규소, 질화 알루미늄, 질화 규소 및 DLC(diamond-like carbon) 로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
상부 갭층
산화 알루미늄, 산화 규소, 질화 알루미늄, 질화 규소 및 DLC(diamond-like carbon) 로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
상부층
Au, Ag, Cu, Mo, W, Y, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mn, Nb, Tc, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Ta 및 Pt로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
수직 바이이어스층
CoCrPt, CoCr, CoPt, CoCrTa, FeMn, NiMn, Ni 산화물, NiCo 산화물, Fe 산화물, NiFe 산화물, IrMn, PtMn, PtPdMn, ReMn, Co 페라이트 및 Ba 페라이트로 된 단일, 다층막 또는 혼합물
다음의 구성이 자기저항 효과 막으로서 사용될 수 있다.
- 베이스/베이스층/프리층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/고정층/고정용층/보호층/
- 베이스/베이스층/고정용층/고정층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/프리층/보호층
- 베이스/(베이스층/프리층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/ 고정층/고정용층/보호층)이 N 회 반복된 적층막
- 베이스/(베이스층/고정용층/고정층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/프리층/보호층)이 N 회 반복된 적층막
- 베이스/베이스층/제 1 고정용층/제 1 고정층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/프리층/제 3 MR 강화층/배리어층/제 4 MR 강화층/제 2 고정층/제 2 고정용층/보호층
- 베이스/베이스층/(고정층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/ 프리층/배리어층)이 N(N은 1이상임)회 반복된 적층막/고정층/보호층
- 베이스/베이스층/(프리층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/ 고정층/배리어층)이 N(N은 1이상임)회 반복된 적층막/프리층/보호층
- 베이스/베이스층/고정층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/프리층/보호층
- 베이스/베이스층/프리층/제 1 MR 강화층/배리어층/제 2 MR 강화층/고정층/보호층
베이스층으로 Ta, Hf, Zr, W, Cr, Ti, Mo, Pt, Ni, Ir, Cu, Ag, Co, Zn, Ru, Rh, Re, Au, Os, Pd, Nb 및 V 로 제조된 단일층막, 혼합물막 또는 다층막이 사용된다. 첨가 원소로서, Ta, Hf, Zr, W, Cr, Ti, Mo, Pt, Ni, Ir, Cu, Ag, Co, Zn, Ru, Rh, Re, Au, Os, Pd, Nb 및 V를 사용할 수도 있다.
베이스층이 사용되지 않는 경우들도 있다.
프리층으로서 NiFe, CoFe, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTahf, CoNbHf, CoHfPd, CoTaZr, Nb, CoZrMoNi 합금 또는 비정질 자성 재료를 사용할 수 있다.
배리어층 재료를 위한 후보들은 자기저항 효과 막이 강자성 터널 접합 막인 경우와 배리어막으로 도전성 배리어막을 사용하는 자기저항 효과 막인 경우에 달라질 것이다.
강자성 터널 접합막을 사용하는 경우의 배리어층 재료로는 산화물, 질화물 또는 산화물 및 질화물의 혼합물, 또는 금속/산화물의 2층막, 금속/질화물의 2층막, 또는 금속/(질화물과 산화물의 혼합물)의 2층막 등을 사용할 수 있다.
일차적인 후보들은 Ti, Vi, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 로 된 단일, 다층막 또는 혼합물이거나 Ti, Vi, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V의 산화물들과 질화물들로 된 단일, 다층막 또는 혼합물들로 된 적층막이다.
자기저항 효과 막이 배리어막으로 도전성 배리어막을 사용하는 경우에서, 일차적인 후보들은 Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 로 된 단일, 다층막 또는 혼합물이거나 Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 로 된 단일, 다층막 또는 혼합물로 된 적층막이다.
제 1 및 제 2 MR 강화막들은 프리층과 배리어층 사이 그리고 고정층과 배리어층 사이에 배치되고, 자기저항 변화율의 값을 증가시키기 위한 층들이다.
이러한 자화의 움직임은 프리층과 배리어층 사이에 배치하는 경우 프리층의일부에서 존재하고, 고정층및 배리어층 사이에 배치하는 경우 고정층의 일부에서 존재한다.
1차적인 후보들은 Co, NiFeCo, 또는 FeCo 등이거나 CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb 및 CoZrMoNi 합금 또는 비정질 재료이다.
MR 강화막이 사용되지 않은 경우, 사용되는 경우에 비하여 MR비가 감소하지만, 그에 따라 제조 공정의 수도 감소하게 된다.
고정층으로는 NiFe, CoFe, NiFeCo, FeCo, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CaTaZrNb 및 CoZrMoNi 합금 또는 비정질 재료가 사용될 수 있다.
또한, Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 에 기초한 그룹의 단일 부재, 합금 또는 적층막과 상기한 재료를 혼합하여 사용할 수도 있다.
적층막들 중에서, 일차적인 후보들은 Co/Ru/Co, CoFe/Ru/CoFe, CoFeNi/Ru/CoFeNi, Co/Cr/Co, CoFe/Cr/CoFe 및 CoFeNi/Cr/CoFeNi 등이다.
고정용층으로는 FeMn, NiMn, IrMn, RhMn, PtPdMn, ReMn, PtMn, PtCrMn, CrMn, CrAl, TbCo, CoCr, CoCrPt, CoCrTa, PtCo 등을 사용할 수 있다.
고정용층의 다른 일차적인 후보들은 PtMn 또는 Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti 또는 Ta 가 PtMn 에 첨가된 재료들이다.
보호층으로는 Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 의 단일 또는 다층막 또는 혼합물이 사용되거나 Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Si, Al, Ti, Ta, Pt, Ni, Co, Re 및 V 의 단일 또는 다층막 또는 혼합물로 된 적층막이 사용될 수 있다
도 10 내지 도 13은 도 6에 도시된 구조를 제조하는 공정의 대표적인 예를 나타낸다.
특히, 우선, 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 하부 실드층(1) 및 하부 도전층인 하부 전극층(22)을 기판(40) 상에 형성한 후 소정의 구성으로 패터닝을 수행한다. 그리고, 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 수직 바이어스 베이스층 및 수직 바이어스층(9)이 형성되고, 소정 구성(도면에 도시하지 않음)으로 패터닝된다.
다음, 도 11(a)에 도시된 바와 같이, 자기저항 효과 막(20)이 순차적으로 층들로 형성되고, 스텐슬(stencil) PR 을 형성한 후 밀링을 수행하여 패터닝을 형성한다. 이러한 밀링 공정 후에, 절연막(11)을 형성하고 리프트-오프를 수행한다. 이후, 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 상부 실드(19)를 형성한 후 PR을 형성하고, 도면에 도시된 바와 같이 패터닝한 후 PR을 제거한다.
다음, 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 하부 전극이 노출될 때까지 절연체층 내에 홀(60)을 형성하여 전극 단자(70)를 형성한다. 이후, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 기록 헤드부를 형성하고, 도 13에 도시된 바와 같이, 최종적으로 적당한 소자 높이에 도달할 때까지 단자부를 연마하여, ABS표면을 노출시키면, 헤드의제조가 완료된다.
이하, 기록 및 재생 헤드, 기록 및 재생 시스템에 관한 본 발명의 응용예를 설명한다.
도 14는 본 발명이 적용된 기록 및 재생 헤드(50)의 개념도이다. 헤드(50)는, 베이스(42) 상에 형성된, 재생 헤드(45), 자기극(43), 코일(41) 및 상부 자기극(44)으로 형성된다.
이러한 헤드를 형성하는 데, 상부 실드막 및 하부 자기막은 1 개 또는 동일한 것일 수도 있고 또는 개별적으로 제공될 수도 있다. 이러한 헤드는 자기 매체 상에 신호를 기록하고, 자기 매체에서 신호를 판독한다.
재생 헤드의 감지 부분 및 기록 헤드의 자기 갭을 어느 하나 상에 또는 동일한 슬라이더 상에 서로 겹쳐지게 형성함으로써, 동시에 랙(rack) 위치시킬 수 있다. 이러한 헤드는 슬라이더 상에서 연마되고, 자기 기록 및 재생 장치 내에 장착된다.
도 15는 본 발명에 의한 자기저항 효과 소자(30)를 사용하는 자기 기록 및 재생 장치(60)의 개념도이다. 재생 헤드(51) 및 기록 헤드(55)가 헤드 슬라이더로서 작용하는 기판(52) 상에 형성되고, 재생을 수행하도록 기록 매체(53) 상에 위치된다.
기록 매체(53)는 회전하고, 헤드 슬라이더는, 0.2 ㎛ 이하의 높이에서 또는 기록 매체와 직접 접촉하여, 기록 매체에 대해 상대적으로 그리고 반대로 움직인다. 이러한 구성에 의하면, 재생 헤드(51)는 해당 누설 자속(54)에 의해 기록 매체(53) 상에 기록된 자기 신호를 판독할 수 있도록 하는 위치에 설정된다.
이하, 도 16을 참조하여, 본 발명이 적용된 디스크 장치를 설명한다.
구체적으로, 본 발명에 의한 자기 디스크 장치(100)는, 적당한 베이스(72) 위의, 예를 들어, 3 개의 자기 디스크들을 구비하고, 베이스(72)의 이면 측에 헤드 구동 회로(73)와 신호 처리 회로(74) 및 입력/출력 인터페이스(75)를 구비한다.
외부와의 접속은 32-비트의 버스 라인(76)을 통하여 이루어진다. 1 개의 헤드가 자기 디스크(80)의 각 측면 상에 배치되어 총 6 개의 헤드들(61)이 존재한다.
로터리 액추에이터(77), 그와 연결된 구동 및 제어 회로(74) 및 헤드를 구동시키기 위한 스핀들 디렉트 구동 모터(78)가 제공된다.
디스크(80)의 직경은 46 ㎜ 이고, 데이터 표면의 직경은 10 ㎜ 내지 40 ㎜ 정도이다. 매설 서보(servo) 시스템을 사용하여 전용 서보 표면이 없도록 함으로서 고밀도를 달성할 수 있다.
본 장치(100)는 소형 컴퓨터의 외부 저장 장치로 사용하기 위해 소형 컴퓨터에 직접 연결될 수도 있다. 입력/출력 인터페이스(75)은 캐시 메모리를 구비하며, 초당 5 내지 20 MB의 전송 속도를 갖는 버스 라인에 대응할 수 있다.
외부 제어기를 제공하고 다수의 이러한 장치들을 연결하여 대용량의 자기 디스크 저장 장치를 구성할 수도 있다.
이하, 다양한 조건 하에서 관련된 특성값들을 비교하여 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서를 사용하는 자기 헤드의 제조 결과를 설명한다.
구체적으로, 도 6에 도시된 구성을 갖는 자기 헤드(30)는 다음에 기재된 다양한 하부 실드 재료를 사용하여 제조되었다.
이 경우에, 터널 접합막으로 Ta (3 nm)/Ni82Fe18 (5 nm)/Co90Fe10 (1 nm)/산화 알루미늄 (0.7 nm) Co90Fe10 (3 nm)/Ru (0.75 nm)/Co90Fe10 (3 nm)/Pt46Mn54 (20 nm)/Ta (3 nm)이 사용되었다.
막을 형성한 후에, 필름 형성시의 자기장의 방향과 수직 방향으로 500 Oe의 자기장 하에서 270 ℃의 온도로 5 시간 동안 열처리를 수행하였다. 헤드의 다양한 소자들로는 다음과 같은 것들이 사용되었다.
베이스
3 ㎛ 두께의 알루미나가 적층되는 2 ㎚ 두께의 알루미나-TiC
하부 실드층
1 ㎛ 두께의 NiFe, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoZrTaCr, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb 및 CoZrMoNi
하부 도전층
Au (15 nm), Ag (15 nm), Cu (15 nm), Mo (15 nm), W (15 nm), Y (15 nm), Ti (15 nm), Zr (15 nm), Hf (15 nm), V (15nm), Cr (15 nm), Mn (15 nm), Nb (15nm), Tc (15 nm), Ru (15 nm), Rh (15 nm), Pd (15 nm), Re (15 nm), Os (15 nm), Ir (15 nm), Ta (15 nm), Pt (15 nm), Ta (5 nm)/Ti (5 nm)/Ta (5 nm), Ta (5 nm)/Zr (5 nm)/Ta (5 nm), Ta (5 nm)/Hf (5 nm)/Ta (5 nm), Zr (5 nm)/Ta (5 nm)/Zr (5 nm), Zr (5 nm)/Hf (5 nm)/Zr (5 nm), Ti (5 nm)/Zr (5 nm)/ Ta (5 nm)
상부 실드층
1 ㎛ 두께의 Co89Zr4Ta4Cr3
절연층
30 ㎚ 두께의 알루미나
수직 바이어스층
Cr (10 ㎚)/Co74, 5Cr10, 5Pt15 (25 ㎚)
하부 갭층 없음
상부 갭층 없음
상부층 없음
이후, 기록/재생 일체형 헤드를 제조하기 위한 공정 및 슬라이더 가공이 진행된 이러한 헤드들이 CoCrTa 매체 상에서 데이터를 기록하고 재생하기 위해 사용되었다. 이때, 쓰기 트랙의 폭은 3 ㎛, 쓰기 갭은 0.2 ㎛ 그리고 쓰기 트랙의 폭은 2 ㎛ 였다. IR 및 밀링을 사용하는 PR 공정이 TMR 소자부를 형성하기 위해 사용되었다. 기록 헤드의 코일부의 제조시에, PR 경화 공정이 250 ℃ 에서 2 시간 동안 수행되었다.
이러한 공정에서, 일반적으로 소자 높이 방향을 향해야 하는 고정층 및 고정용층의 자화 방향이 회전하여, 자기저항 효과 소자로서 적당한 작동을 할 수 없게 되므로, 재생 헤드 및 기록 헤드의 제조를 완료한 후에, 자화 열처리가 500 Oe의 자기장 하에서 200 ℃로 수행된다.
이와 같은 자화 열처리로 인해, 프리층의 자화 용이축이 자화 방향으로 회전하는 것이 거의 관찰되지 않았다.
매체의 보자력은 3.0 kOe 이며, MRT는 0.35 emu/cm2이었다.
상술한 헤드들은 재생 출력, S/N 비, 재생 출력이 반감되는 주파수 및 비트 에러 비율을 측정하기 위해 사용되었다.
이러한 측정의 결과들을 표 1에 나타낸다.
구체적으로, 표 1은 다양한 하부 실드 재료들을 사용하는 경우의 재생 출력, S/N 비, 재생 출력이 반감되는 주파수 및 비트 에러 비율값들의 변화를 나타낸다.
이러한 측정에서 사용된 하부 실드들은 X-선 및 투과 SEM에 의해 조사되었고, 결정 입자들이 20 내지 40 ㎚ 인 NiFe의 경우와 비교하여, CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa, CoZrTaCr, CoHf, CoTa, CoTaHf, CoNbHf, CoZrNb, CoHfPd, CoTaZrNb 및 CoZrMoNi의 경우에서, 구조는 결정질이 아닌 비정질 또는 결정 입자 직경이 5 ㎚ 이하인 마이크로결정질인 것으로 관찰되었다.
NiFe의 경우가 종래의 경우이며, 모든 다른 경우들은 본 발명이 적용된 경우이다. Ta (5 ㎚)/Ti (5 ㎚)/Ta (5 ㎚)가 하부 도전층으로서 사용되었다.
종래에 하부 전도체 층으로 NiFe를 사용한 경우에 비하여, 본 발명의 경우에 하부 실드로서 표에 기재된 어떤 재료를 사용하든지 결과적으로 재생 출력, S/N 비 및 비트 에러 비율이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
그러나, 본 발명이 적용된 경우 중에서, 재료 종류에 따라 재생 특성에서 차이가 관찰되며, CoZrTa 및 CoZrTaCr이 하부 실드 재료로 사용된 경우, 다른 재료들이 사용된 경우에 비하여, 재생 출력, S/N 비 및 비트 에러 비율이 향상된다.
CoZrTa 및 CoZrTaCr의 경우에, 양호한 비정질 재료를 얻을 수 있으며, 자성 재료 Co에 대해 비자성 재료 Zr, Ta 및 Cr의 첨가량이 작은 경우에도, 결과적으로 다른 비정질 재료들에 의한 경우보다 하부 실드 재료 내에서 더 큰 포화 자화를 얻을 수 있다.
재생 출력이 반감되는 주파수가 다른 비정질 재료에 비하여 더 양호한 경우에는, 포화 자화가 더 크기 때문에 하부 실드가 실드로서 작용할 때 여분의 자계를 흡수하는 성능을 향상시킬 수 있으므로, 결과적으로 재생 헤드의 분해 능력을 향상시킬 수 있다.
CoZrTa 및 CoZrTaCr의 재생 출력, S/N 비 및 비트 에러가 다른 비정질 재료들에 비해 더 양호하다는 사실은 이러한 재료들이 비정질 재료로 더 양호하여 평탄한 표면을 갖기 때문인 것으로 여겨진다.
표 2는 하부 실드를 모두 CoZrTaCr로 제조하고 결정 입자 직경만을 변화시킨 경우의 재생 출력, S/N 비, 재생 출력이 반감되는 주파수 및 비트 에러 비율의 특성값들을 나타낸다.
결정 입자의 직경은 Ta 조성을 변화시켜 조절하였다. Ta (5 ㎚)/Ti (5 ㎚)/Ta (5 ㎚)가 하부 도전층으로 사용되었다.
표 2의 결과로부터 명확하듯이, 하부 실드 내의 결정 입자 직경이 증가함에 따라, 재생 출력이 반감되는 주파수는 변화가 없는 반면에, 재생 출력, S/N비 및 비트 에러 비율은 감소하고, 이러한 감소는 결정 입자의 크기가 6.2 ㎚ 를 넘을 때 현저해짐을 알 수 있다.
표 3은 하부 실드를 모두 모두 비정질 CoZrTaCr(1 ㎛)로 제조하고 하부 도전층의 결정 입자 직경만을 변화시킨 경우의 재생 출력, S/N 비, 재생 출력이 반감되는 주파수 및 비트 에러 비율의 특성값들을 나타낸다.
하부 도전층의 결정 입자 직경은 하부 도전층을 형성하는 재료의 종류를 변화시키고, 스퍼터링이 수행될 때의 아르곤 기체 압력 및 타겟 입력 전력을 변화시킴으로써 조절되었다.
표 3으로부터 명확하듯이, 하부 도전층 내의 결정 입자 직경이 6.2 ㎚ 를 초과할 때, 재생 출력이 반감되는 주파수의 변화는 없지만, 재생 출력, S/N비 및 비트 에러 비율은 현저히 감소한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 자기 저항 효과 센서(30) 및 그 제조 방법이 일반적으로 설명되어 있지만, 자기 저항 효과 센서의 제조 방법은 다시 다음과 같이 요약될 수 있다. 즉, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기 저항 효과 막을 사용하여, 센싱 전류가 자기 저항 효과 막에 거의 수직으로 흐르는 실드형 자기 저항 효과 소자를 형성하고, 하부 실드층으로 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료를 사용하는 자기저항 효과 센서를 제조하는 방법에 있어서, 하부 실드로 사용되는 마이크로결정질 재료의 결정 입자 직경은 6.2 ㎚ 이하인 것이 바람직하며, 하부 실드는 스퍼터링에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
더우기, 본 발명에서, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기 저항 효과 막이 하부 실드층 상에 직접 형성되거나 베이스 층을 사이에 두고 형성된다.
또한, 본 발명에서, 하부 실드가 형성되고 하부 실드층 상에 하부 도전층이 형성되고, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기 저항 효과 막이 베이스층을 사이에 두고 하부 도전층 상에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서, 프리층, 프리층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체 또는 고정층, 고정층 상에 형성된 배리어층 및 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체 중 어느 하나로 된 기본 구성을 갖는 자기 저항 효과 막이 하부 도전층 상에 직접 형성되거나 베이스 층을 사이에 두고 형성되는 것이 바람직하며, 하부 도전층은 비정질 재료 또는 마이크로결정질 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 하부 도전층의 결정 입자 직경은 5.4 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 또한, 고정층의 자화를 고정시키는 층을 고정층과 접촉하도록 형성할 수 있다.
상술한 기술적인 구성을 채택함으로써, 종래의 구조에 비하여, 본 발명에 의한 자기저항 효과 센서 및 자기저항 효과 센서의 제조 방법에 의하여, 개선된 재생 출력, S/N 비, 및 비트 에러 비율을 갖는 자기저항 효과 센서, 재생 헤드와 기록 및 재생 장치를 얻을 수 있다.

Claims (25)

  1. 실드형 자기저항 효과소자를 사용하는 자기저항 효과센서로서,
    프리층, 상기 프리층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체로 된 기본 구성을 포함하는 자기저항 효과막을 구비하되,
    상기 자기저항 효과막에 대해 거의 수직으로 센싱 전류가 흐르고,
    상기 자기저항 효과막 아래에 위치하는 하부 실드층에, 결정입자직경이 6.2 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  2. 실드형 자기저항 효과소자를 사용하는 자기저항 효과센서로서,
    고정층, 상기 고정층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체로 된 기본 구성을 포함하는 자기저항 효과막을 구비하되,
    상기 자기저항 효과막에 대해 거의 수직으로 센싱 전류가 흐르고,
    상기 자기저항 효과막 아래에 위치하는 하부 실드층에, 결정입자직경이 6.2 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 실드층은 CoZrTa 및 CoZrTaCr 합금 재료를 기본으로 하여 만들어진 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 실드층은 스퍼터링에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자기저항 효과막이 상기 하부 실드층 상에 직접 형성되거나 베이스층을 사이에 두고 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자기저항 효과막의 바닥부에 하부 도전층이 배치되고, 상기 하부 도전층의 바닥부가 하부 실드층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  7. 프리층, 상기 프리층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막의 바닥부에 하부 도전층이 베이스층을 사이에 두고 접촉하거나 직접 접촉하도록 배치되고,
    상기 하부 도전층은 상기 자기저항 효과막에 센싱 전류를 흐르게 하는 하부 전극으로서 기능하고,
    상기 하부 도전층을 형성하는 마이크로결정질 재료의 결정입자직경이 5.4 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  8. 고정층, 상기 고정층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막의 바닥부에 하부 도전층이 베이스층을 사이에 두고 접촉하거나 직접 접촉하도록 배치되고,
    상기 하부 도전층은 상기 자기저항 효과막에 센싱 전류를 흐르게 하는 하부 전극으로서 기능하고,
    상기 하부 도전층을 형성하는 마이크로결정질 재료의 결정입자직경이 5.4 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 하부 도전층은 스퍼터링에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 센서.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정층과 접촉하여 상기 고정층의 자화를 고정시키는 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 센서.
  11. 프리층, 상기 프리층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막을 사용하여, 센싱 전류가 자기저항 효과막에 대해 거의 수직으로 흐르는 실드형의 자기저항 효과소자를 형성하고, 하부 실드층에 결정입자직경이 6.2 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  12. 고정층, 상기 고정층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막을 사용하여, 센싱 전류가 자기저항 효과막에 대해 거의 수직으로 흐르는 실드형의 자기저항 효과소자를 형성하고, 하부 실드층에 결정입자직경이 6.2 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 하부 실드층은 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 자기저항 효과막이 상기 하부 실드층 상에 직접 형성되거나 베이스 층을 사이에 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    하부 실드층이 형성되고 상기 하부 실드층 상에 하부 도전층이 형성되어, 상기 자기저항 효과막이 상기 하부 도전층 상에 직접 형성되거나 베이스층을 사이에 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 센서의 제조 방법.
  16. 프리층, 상기 프리층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 고정층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막이 하부 도전층 상에 직접 형성되거나 베이스층을 사이에 두고 형성되고,
    상기 하부 도전층은, 결정입자직경이 5.4 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  17. 고정층, 상기 고정층 상에 형성된 배리어층, 및 상기 배리어층 상에 형성된 프리층의 적층체로 된 기본 구성을 갖는 자기저항 효과막이 하부 도전층 상에 직접 형성되거나 베이스층을 사이에 두고 형성되고,
    상기 하부 도전층은, 결정 입자 직경이 5.4 ㎚ 이하인 마이크로결정질 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과센서의 제조방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 하부 도전층은 스퍼터링으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 센서의 제조 방법.
  19. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 고정층과 접촉하여 상기 고정층의 자화를 고정시키는 층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 센서의 제조 방법.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자기저항 효과센서;
    상기 자기저항 효과센서를 통하여 전류를 발생시키는 수단; 및
    상기 자기저항 효과센서의 자기저항의 변화를 검출 자기장의 함수로서 검출하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저항 검출시스템.
  21. 데이터 기록을 위한 복수 개의 트랙을 구비하는 자기저장매체;
    상기 자기저장매체 상에 데이터를 저장하기 위한 자기기록시스템;
    제 20 항에 기재된 자기저항 검출시스템; 및
    상기 자기기록시스템 및 상기 자기저항 검출시스템이 상기 자기저장매체의 선택된 트랙으로 움직이게 하기 위해 상기 자기기록시스템 및 자기저항 전환시스템에 연결된 구동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저장시스템.
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