KR100635316B1 - 자기 저항 효과막과 이것을 이용한 자기 저항 효과 헤드 - Google Patents

자기 저항 효과막과 이것을 이용한 자기 저항 효과 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반강자성층을 사용하지 않고 필요한 기능을 구비한 자기 저항 효과막을 형성할 수 있으며, 이것에 의해 분해능이 높고, 코어 폭이 좁은 자기 저항 효과 헤드를 제작 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
자화 고정층, 제1 고정 자성층, 반평행 결합 중간층, 제2 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층, 보호층이 이 순으로 적층되어 이루어지는 자기 저항 효과막에 있어서, 상기 제1 고정 자성층의 자화 방향을 고정하는 자화 고정층으로서, 상기 제1 고정 자성층과의 사이에 교환 결합 작용을 일으키지 않는 재료로 이루어지고, 상기 제2 고정 자성층의 자화 방향을 한 방향으로 고정하는 배향 제어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
자기 저항 효과막, 자성층, 보호층, 배향 제어층, 자기 저항 효과 헤드

Description

자기 저항 효과막과 이것을 이용한 자기 저항 효과 헤드{MAGNETORESISTANCE EFFECT FILM AND MAGNETORESISTANCE EFFECT HEAD}
도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 효과막의 구성을 모식적으로 도시한 설명도.
도 2는 배향 제어층이 없는 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 3은 배향 제어층을 Cu로 한 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 4는 배향 제어층을 Ru으로 한 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 5는 배향 제어층을 Ta로 한 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 6은 배향 제어층을 NiCr으로 한 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 7은 배향 제어층을 NiCr/Ta로 한 경우의 MR비의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 8은 배향 제어층의 NiCr중의 Ni 농도를 변화시켜 ρ-H 특성을 측정한 결과를 도시한 그래프.
도 9는 고정 자성층 1에 이용하는 CoFe의 Co 농도를 변화시켜 자기 저항의 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프.
도 10은 CIP형 자기 저항 효과막의 구성을 도시한 설명도.
도 11은 CPP형 자기 저항 효과막의 구성을 도시한 설명도.
도 12는 CIP형 자기 저항 효과막의 제조 방법을 도시한 설명도.
도 13은 자기 저항 효과막의 막 두께를 얇게 한 경우를 도시한 설명도.
도 14는 듀얼 스핀 밸브막의 ρ-H 특성을 도시한 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 자기 저항 효과막
12 : 하부 절연층
14 : 상부 절연층
16 : 하부 실드층
18 : 상부 실드층
30 : 자기 저항 효과막
32 : 레지스트 패턴
34 : 스퍼터 성막
하드디스크 드라이브의 면기록 밀도는 현재도 연율 100%의 증가를 계속하고 있다. 이 경향을 금후도 유지해 나가기 위해서는 드라이브에 탑재되어 있는 재생 헤드의 선밀도 방향의 분해능의 향상 및 트랙 밀도 방향의 소자 폭의 협소화가 필수이다. 현재, 재생 헤드로서 실용되고 있는 자기 저항 효과 헤드에 있어서는, 전 자는 갭 길이를 축소하는 것, 후자는 자기 저항 효과 소자의 소자 폭을 감소하는 것이 중요하다.
도 10, 도 11에 이러한 자기 저항 효과 헤드의 구조를 도시한다. 하드디스크 등의 기록 매체의 재생 헤드에 이용되는 자기 저항 효과 소자에는 현재 2종류의 타입이 있고, 센스 전류를 막 면내 방향으로 흐르게 하는 CIP(Current In-Plane)형(도 10)과, 막 면에 수직 방향으로 흐르게 하는 CPP(Current Perpendicular to Plane)형(도 11)이 있다.
도 10에 도시된 자기 저항 효과 헤드에서는, 자기 저항 효과막(10)이 하부 절연층(12) 및 상부 절연층(14)을 통해 하부 실드층(16)과 상부 실드층(18)에 의해끼워진 배치로 되어 있다. 22는 바이어스 인가층, 24는 전류 단자층이다.
또한, 도 11에 도시된 자기 저항 효과 헤드에서는, 자기 저항 효과막(10)이 하부 실드층(16)과 상부 실드층(18)에 의해 끼워진 배치로 되어 있다. 도 11에서는, 20이 절연층, 22가 바이어스 인가층이다.
자기 저항 효과 헤드의 재생 분해능을 결정하는 갭 길이는 자기 저항 효과 소자의 부분을 상하에서 끼우고 있는 하부 실드층과 상부 실드층 사이의 간격 중, 가장 좁은 부분의 간격으로 정의되지만, CIP 헤드에 있어서는 이 간격은 (하부 절연층의 두께)+(자기 저항 효과막의 두께)+(상부 절연층의 두께)의 합계인데 대하여, CPP 헤드에 있어서는 (전극막을 포함하는)자기 저항 효과막의 두께 그 자체에 해당한다. 이 갭 길이는 작으면 작을수록 재생 헤드의 분해능이 높아진다. 이것으로부터, 자기 저항 효과막을 얇게 함으로써 재생 헤드의 분해능이 향상된다.
자기 저항 효과막을 얇게 하는 것은 자기 저항 효과 소자의 소자 폭의 감소에도 효과적이다. 그 이유를 이하에 기술한다.
도 12는 CIP형 자기 저항 효과 헤드의 제작법을 도시한 것이다. CPP형도 기본적으로 제작법은 동일하다. 우선, 하부 실드층(16) 및 하부 절연층(12)을 형성한 후, 자기 저항 효과막(30)을 스퍼터법으로 성막한다(도 12(a)). 그 다음, 소자 폭을 규정하기 위한 레지스트 패턴(32)이 포토리소그래피법으로 형성된다(도 12(b)). 현재 시점에서, 이 레지스트 패턴(32)의 폭은 0.05∼0.2 ㎛이다.
계속해서, 레지스트 패턴(32)을 마스크로하여 이온 빔에 의해 자기 저항 효과막(30)을 에칭한다(도 12(c)). 자기 저항 효과막(30) 중, 레지스트 패턴(32)에 의해 보호되어 있지 않은 부분은 이온 빔에 의해 스퍼터 에칭되지만, 스퍼터된 원자의 일부는 상기 레지스트 패턴(32)의 측벽에 부착된다.
예로서, 자기 저항 효과막(30)의 유효 막 두께가 38 ㎚이었을 경우, 이 부착량은 16∼28 ㎚ 정도에 이른다. 부착량은 에칭량이 많을수록 두꺼워지기 때문에, 에칭전의 자기 저항 효과막(30)이 얇을수록 부착량이 적어진다.
에칭한 후, 자기 저항 효과막(30)의 자구(磁區) 제어를 행하기 위한 하드막과, 자기 저항 효과 소자에 센스 전류를 흐르게 하기 위한 단자가 스퍼터 성막(34)되어 (도 12(d)) 불필요 부분을 레지스트마다 리프트 오프하고(도 12(e)), 상부 절연층(14) 및 상부 실드층(18)을 형성하여 완성한다. 도 12(d)에 도시하는 하드막/단자 성막시에, 스퍼터 성막(34)의 부착량이 많으면 하드막과 단자는 자기 저항 효과 소자로부터 떨어진 위치에 성막되기 때문에, 소자 폭은 넓어지게 된다.
상기한 예로 말하면, 스퍼터 성막시의 부착량이 레지스트 패턴(32)의 한 쪽에서 16∼28 ㎚이기 때문에, 소자 폭은 0.032∼0.056 ㎛ 넓어지게 된다. 현상의 소자 폭이 0.1∼0.2 ㎛인 것을 생각하면, 이 넓어진 분량은 매우 크다. 따라서 이 넓어지는 것을 막기 위해서, 상기 자기 저항 효과막의 총 막 두께를 얇게 하는 것은 매우 유효한 수단이다.
도 13은 도 12에 비하여 총 막 두께가 얇은 자기 저항 효과막에 의해 도 12와 동일한 프로세스로 CIP형 자기 저항 효과 헤드를 제작한 경우에 소자의 형상이 어떻게 변하는지를 모식적으로 도시한 것이다.
자기 저항 효과막의 총 막 두께가 얇은 경우, 도 13(c)의 에칭 프로세스에서 발생하는 재부착막의 두께는 자기 저항 효과막(10)의 총 막 두께에 거의 비례하기 때문에, 예컨대 자기 저항 효과막(10)을 34.6 ㎚→19.6 ㎚로 얇게 하면 재부착의 두께도 16∼28 ㎚→9∼16 ㎚까지 얇게 할 수 있다. 이것은 직접적으로는 도 13(e)에 도시되는 코어 폭을 최대로 38 ㎚ 좁힐 수 있는 것을 의미한다. 레지스트 패턴 폭이 50∼200 ㎚인 것을 생각하면 이 크기는 레지스트 패턴 폭에 필적하는 양이며, 자기 저항 효과막의 박층화가 코어 폭을 좁게 하는 것을 실현하는 데에 있어서 중요한 요소라고 할 수 있다. 또한, 갭 길이는 자기 저항 효과막을 얇게 한만큼 짧아진다. 하부 절연층(12)과 상부 절연층(14)의 두께가 모두 18 ㎚인 경우, 도 12(f)에 있어서의 갭 길이는 70.6 ㎚인 데 대하여, 도 13(f)에 있어서의 갭 길이는 55.6 ㎚로, 박층화에 의해 22% 짧아진다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제11-185219호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제07-169026호 공보
이상과 같이, 자기 저항 효과막의 박층화는 코어 폭의 협소화와 갭의 협소화를 동시에 실현할 수 있는 유효한 수단이지만, 현재 사용되고 있는 자기 저항 효과막에 있어서는 고정 자성층을 한 방향으로 고정하기 위해서 반강자성막을 사용하고 있기 때문에, 이 자기 저항 효과막의 총 막 두께를 30 ㎚ 이하로 하기가 어렵다. CIP 헤드에 이용되는 일반적인 자기 저항 효과막의 구성은, 예컨대,
NiCr 5.0 ㎚/PtMn 13.0 ㎚/CoFe 1.5 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 2.3 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/NiFe 3.0 ㎚/Ru 1.0 ㎚/Ta 5.0 ㎚이며, 총 막 두께는 34.6 ㎚이다. 또한, CPP 헤드의 경우는, 예컨대,
NiCr 5.0 ㎚/PtMn 13.0 ㎚/CoFe 1.5 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 2.3 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/NiFe 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 2.3 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 2.0 ㎚/PtMn 13.0 ㎚/Ta 5.0 ㎚와 같은 구성이며, 총 막 두께는 53.7 ㎚가 된다.
CIP 헤드의 자기 저항 효과막의 총 막 두께 중 38%(CPP 헤드에서는 48%)를 차지하고 있는 것이 PtMn이지만, PtMn이 반강자성을 나타내기 위해서는 최저 13 ㎚의 두께가 필요하기 때문에, PtMn을 사용하고 있는 한은 상기 총 막 두께를 얇게 하기는 어렵다.
본 발명은, 이와 같이, 종래의 반강자성층을 구비한 자기 저항 효과막에 있어서는, 반강자성층이 자기 저항 효과막의 총 막 두께의 50% 가까이를 차지하고 있고, 그 기능상, 반강자성층의 두께를 일정한 두께 이하로 할 수 없기 때문에, 자기 저항 효과막의 총 막 두께를 얇게 하는 것이 한계로 되어 있는 것을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 강한 한 방향 이방성을 나타내는 막구조를 이용함으로써, 반강자성층을 사용하지 않고 소요의 기능을 구비한 자기 저항 효과막을 형성할 수 있으며, 이것에 의해 분해능이 높고, 코어 폭이 좁은 자기 저항 효과 헤드를 제작 가능하게 하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 다음 구성을 구비한다.
즉, 자화 고정층, 제1 고정 자성층, 반평행 결합 중간층, 제2 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층, 보호층이 이 순으로 적층되어 이루어지는 자기 저항 효과막에 있어서, 상기 제1 고정 자성층의 자화 방향을 고정하는 자화 고정층으로서, 상기 제1 고정 자성층과의 사이에 교환 결합 작용을 일으키지 않는 재료로 이루어지고, 상기 제2 고정 자성층의 자화 방향을 한 방향으로 고정하는 배향 제어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 배향 제어층으로서는, 탄탈(Ta) 또는 탄탈 합금이 이용되고, 제1 고정 자성층의 총 자기 모멘트와, 제2 고정 자성층의 총 자기 모멘트의 차분의 크기가 0.7∼1.4 T·㎚인 것, 또한, 상기 배향 제어층으로서는, 탄탈(Ta) 또는 탄탈 합금이 이용되고, 제1 고정 자성층의 총 자기 모멘트를 제2 고정 자성층의 총 자기 모멘트로 나눈 비의 크기가 1.15 내지 1.45인 것이 적합하게 이용된다.
또한, 상기 배향 제어층으로서, 니켈-크롬(NiCr) 또는 니켈-철-크롬(NiFeCr)이 이용되고, 상기 NiCr 또는 NiFeCr 중의 Ni 농도가 55∼65 몰%이며, 제1 고정 자 성층의 총 자기 모멘트에서 상기 제2 고정 자성층의 총 자기 모멘트를 뺀 차분의 크기가 0.7∼1.4 T·㎚인 것, 또한, 상기 배향 제어층으로서, 니켈-크롬(NiCr) 또는 니켈-철-크롬(NiFeCr)이 이용되고 있고, 상기 NiCr 또는 NiFeCr 중의 Ni 농도가 55∼65 몰%이며, 상기 제1 고정 자성층의 총 자기 모멘트를 상기 제2 고정 자성층의 총 자기 모멘트로 나눈 비의 크기가 1.15∼1.45인 것이 적합하게 이용된다.
또한, 상기 배향 제어층의 면들 중, 제1 고정 자성층이 접하고 있는 면과 반대 면측에는 강자성층, 반강자성층 또는 페리자성층이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 고정 자성층은 코발트 농도가 35∼71 몰%의 범위인 코발트-철(CoFe) 2원 합금, 또는 코발트 농도가 35∼71 몰%의 범위인 코발트-철에 제3 원소를 첨가하여 이루어지는 3원 합금으로 이루어지고, 이 고정 자성층의 포화 자화와 층 두께와의 곱이 3 T·㎚∼7 T·㎚의 범위에 있는 것이 적합하게 이용된다.
또한, 상기 반평행 결합 중간층이 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 크롬(Cr) 및 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 고정 자성층의 보자력이 50 Oe 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 자기 저항 효과막을 두께 방향으로 끼우는 배치로 하부 실드층과 상부 실드층이 설치되고, 자기 저항 효과막에 바이어스 인가층과 전류 단자층이 설치된 자기 저항 효과 헤드로로서, 상기 자기 저항 효과막으로서 전술한 자기 저항 효과막이 이용되고 있는 것이 적합하게 이용된다.
또한, 전술한 자기 저항 효과막은 고체 메모리로서도 적합하게 이용할 수 있 다.
본 발명에 따른 자기 저항 효과막은 고정 자성층을 한 방향으로 고정하기 위한 반강자성층을 설치하는 대신에, 고정 자성층의 하지층으로서 배향 제어층을 설치한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 자기 저항 효과막의 막 구성은 이하와 같은 기본 구조로 이루어지는 것이다.
배향 제어층/고정 자성층 1/반평행 결합 중간층/고정 자성층 2/비자성층/자유 자성층/보호층.
배향 제어층에는 Ta 또는 Ta 합금, NiCr 합금, NiFeCr 합금을 적합하게 이용할 수 있다. 이하에, 배향 제어층으로서 이들의 재료를 이용하는 것이 유효한 이유를 나타낸다. 도 2∼7은, 배향 제어층 5.0 ㎚/Co65Fe35 2.0 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 1.9 ㎚/Cu 1.9 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/NiFe 2.0 ㎚/Ta 5.0 ㎚의 구조에 있어서, 고정 자성층 1(Co65Fe35)을 성막할 때의 하지인 배향 제어층의 재료를 바꾸어 자기 저항(ρ-H) 특성을 측정한 결과를 나타낸다. 또, 본 실시 형태에서, Co65Fe35 2.0 ㎚가 제1 고정 자성층, Ru 0.8 ㎚가 반평행 결합 중간층, CoFe 1.9 ㎚가 제2 고정 자성층, Cu 1.9 ㎚가 비자성층, CoFe 1.0 ㎚/NiFe 2.0 ㎚가 자유 자성층, Ta 5.0 ㎚가 보호층이다.
도 2는 고정 자성층 1의 하지층으로서 아무것도 설치하지 않은 경우, 도 3은 하지층으로서 Cu를 사용한 경우, 도 4는 하지층으로서 Ru을 사용한 경우, 도 5는 하지층으로서 Ta를 사용한 경우, 도 6은 하지층으로서 NiCr을 사용한 경우, 도 7은 하지층을 NiCr과 Ta의 2층 구조로 한 경우에, NiCr 위에 Ta를 두께 5.0 ㎚ 설치한 경우이다.
이들 측정 결과로부터, 다른 재료와 비교하여, Ta 또는 NiCr을 배향 제어층의 재료로 한 경우에, ρ-H 특성에 한 방향의 이방성이 있는 것을 알 수 있다. 그 경우의 저항 변화율이 11% 이상 얻어지고 있다. 이때의 자기 저항 효과막의 총 막 두께는 19.6 ㎚가 되고, 종래의 막에 비하여 15 ㎚나 얇다.
또한, 상기 배향 제어층 밑에 다른 재료의 하지층이 삽입되어 있어도 좋다. 도 7에 도시한 바와 같이, NiCr/Ta 배향 제어층에 있어서도 ρ-H 특성을 얻을 수 있기 때문에, 상기 고정 자성층 1과 접하고 있는 층이 Ta라면, 배향 제어층 Ta의 밑에 추가로 하지(도 7의 경우는 NiCr)가 있었다고 해도 한 방향의 이방성을 얻을 수 있다고 생각되기 때문이다. NiCr을 배향 제어층으로 한 경우에 대해서도 동일하다.
도 8에는 NiCr을 배향 제어층으로 이용한 경우에, NiCr 중의 Ni 농도를 변화시켜 제작한 상기 자기 저항 효과막의 ρ-H 특성을 도시한다. 여기서 Ni 농도가 55∼65 몰%의 범위에 있어서, 높은 MR비를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 배향 제어층으로서 NiCr을 사용하는 경우에, Ni 농도가 55∼65 몰%의 범위의 NiCr을 사용하는 것이 유효하다. 이 Ni 농도에 대해서는 NiFeCr을 배향 제어층에 이용한 경우도 동일하다.
그 다음, 고정 자성층 1에는 Co 농도가 35∼71 몰%인 것을 이용하는 것이 좋다. 또한, 상기 조성의 고정 자성층 1에, 자기 저항 효과를 향상시키기 위한 제3 원소, 예컨대 B, C, N, O, Si, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W, Ir, Pt 등을 첨가한 3원 이상의 합금을 이용할 수도 있다.
또, 고정 자성층 2에는 Co 농도가 90 몰% 정도인 것을 이용하면 자기 저항 효과가 높아지기 때문에 바람직하다. 또한, 고정 자성층 1, 고정 자성층 2의 각 층은 자기 저항 효과를 향상시키기 위해, 조성이 다른 CoFe층의 다층막이나, CoFe를 기로 하는 3원 합금 등으로 이루어진 다층막으로 구성하여도 좋다
고정 자성층 1에 상기 Co 농도가 35∼71 몰%인 것을 이용하는 것이 좋은 이유를 그 다음 나타낸다.
도 9는 고정 자성층 1에 이용하는 CoFe의 Co 농도를 변화시킨 경우의 자기 저항의 변화를 나타낸 것이다. Co 농도가 35∼71 몰%에 있어서, MR비가 높아지는 것을 알 수 있다. 이것은, 이 Co 농도의 범위에 있어서, 한 방향의 이방성이 강해지기 때문이다.
그 다음, 고정 자성층 1과 고정 자성층 2의 총 자기 모멘트에 대해서 기술한다.
자기 모멘트는 엄밀하게는 하기의 식으로 부여된다. 식 중의 tmag는 자성층의 물리적 층 두께인데 대하여, tdead는 자성층의 위 또는 밑에 비자성층이 적층된 경우에, 계면에서 자기적 질서를 잃어 자성을 나타내지 않게되는 0∼2 ㎚ 정도의 영역인 것을 가리킨다.
자기 모멘트=자성층의 포화 자화(Bs)×(자성층의 층 두께(tmag)-자기적 데드 레이어 두께(tdead))
총 자기 모멘트는 자성층이 다층막으로 이루어진 경우는 그 각 층의 자기 모 멘트의 합으로 부여된다.
본 발명에 있어서의 자기 저항 효과막에서는, 고정 자성층 1의 총 자기 모멘트에서 고정 자성층 2의 총 자기 모멘트를 뺀 차분의 크기가 0.7∼1.4 T·㎚가 되도록 설정되어 있거나 또는 고정 자성층 1의 총 자기 모멘트를 고정 자성층 2의 총 자기 모멘트로 나눈 비의 크기가 1.15∼1.45가 되도록 설정되어 있을 필요가 있다.
표 1은 상기 총 자기 모멘트를 바꾼 경우의 특성을 나타낸 것이다. 상기 총 자기 모멘트는 고정 자성층 1 또는 고정 자성층 2의 자성층의 층 두께를 바꿈으로써 조정하고 있다.
[표 1]
총자기 모멘트[Tnm] 모멘트비 MR비 한방향이방성
고정자성층1 고정자성층2 차분
4.40 3.23 1.17 1.362 9.47 있음
3.96 3.23 0.73 1.226 3.04 있음
4.40 3.57 0.83 1.232 4.70 있음
3.96 2.89 1.07 1.370 9.12 있음
4.84 3.57 1.27 1.356 9.13 있음
5.28 3.91 1.37 1.350 9.00 있음
4.84 3.23 1.61 1.498 9.66 없음
5.28 3.23 2.05 1.653 9.65 없음
5.72 3.23 2.49 1.771 9.60 없음
6.16 3.23 2.93 1.907 9.30 없음
2.64 3.23 -0.59 0.817 0.00 없음
3.08 3.23 -0.15 0.954 0.00 없음
3.52 3.23 0.29 1.090 0.00 없음
4.40 3.91 0.49 1.125 3.26 없음
4.40 4.25 0.15 1.035 4.88 없음
4.40 4.59 -0.19 0.959 6.34 없음
4.40 2.89 1.51 1.522 9.81 없음
4.40 2.55 1.85 1.725 9.87 없음
4.40 2.21 2.19 1.991 9.73 없음
총 자기 모멘트의 차분이 0.73∼1.37 T·㎚, 총 자기 모멘트비가 1.15∼1.45가 되는 시료에 대해서, 한 방향 이방성이 발생하고 있다. 차분 또는 비가 이 범위 가 되는 근거에 대해서 이하에 설명한다.
본 발명의 자기 저항 효과막에서는, 한 방향 이방성은 배향 제어층과 고정 자성층 1 사이의 교환 결합에 기인하여 발생하고 있다. 그 때문에, 상기 차분이 플러스로 큰 경우(고정 자성층 1의 총 자기 모멘트가 큰 경우 등), 상기 교환 결합이 일정하다고 하면, 상기 고정 자성층 1에 작용하는 핀 고정 자계는 고정 자성층 1의 총 자기 모멘트에 반비례하기 때문에, 한 방향 이방성이 약해진다.
반대로 상기 차분이 0.7 이하로 작은 경우에는, 상기 고정 자성층 2는 반평행 결합 중간층을 통해 고정 자성층 1과 교환 결합함으로써 자화 방향이 고정되어 있다. 이 때문에 상기 차분이 작아지면(고정 자성층 2의 자기 모멘트가 큰 경우 등), 고정 자성층 1로부터 받는 핀 고정 자계는 고정 자성층 1의 총 자기 모멘트에 반비례하기 때문에, 마찬가지로 한 방향 이방성이 약해진다. 이들로부터, 상기 차분에는 최적 범위가 존재하게 되고, 그것은 실험적으로 0.7∼1.4 T·㎚의 범위가 된다.
또한, 상기 최적 범위는 상기 고정 자성층 1의 총 자기 모멘트와 상기 고정 자성층 2의 총 자기 모멘트와의 비로도 나타낼 수 있고, 그 값은 실험적으로 1.15∼1.45의 범위가 된다.
그 다음, 본 발명에 있어서의 자기 저항 효과막으로, 고정 자성층 1을 CoFeRu 합금으로 한 경우의 Ru 조성에 대한 ρ-H 특성을 표 2에 나타낸다. 또, 표 2는 상기 자기 모멘트의 차분이 0.9∼1.2 T·㎚가 되도록 고정 자성층 2의 층 두께를 조정하여 시험한 결과이다.
[표 2]
몰비[at%] MR비[%] ΔRs [Ω]
Cco CFe CRu
63.2 36.8 0.0 10.99 2.745
62.5 36.5 1.0 11.68 2.738
61.9 36.1 2.0 11.86 2.804
60.7 35.4 3.9 12.39 2.958
58.4 34.1 7.6 13.02 3.133
56.3 32.8 10.9 13.54 3.271
54.3 31.7 14.1 13.77 3.338
52.4 30.6 17.0 14.00 3.450
50.7 29.6 19.7 14.21 3.505
49.1 28.6 22.3 14.45 3.482
47.6 27.8 24.7 14.41 3.496
46.2 26.9 26.9 14.07 3.389
44.8 26.1 29.0 13.66 3.303
표 2로부터, 고정 자성층 1에 Ru을 첨가함으로써, MR비와 저항 변화 ΔRs가 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 CoFe 합금의 저항율이 20 μΩ㎝로 작기 때문에 센스 전류의 일부가 자기 저항 효과에 기여하지 않는 고정 자성층 1에 흘러 버리는 소위 션트 효과에 따른 손실이 발생하고 있는 데 대하여, Ru을 첨가하여 고정 자성층 1의 저항율을 50 μΩ㎝까지 높임으로써 션트 효과가 억제되어, 자기 저항 효과가 높아지고 있기 때문이다.
동일한 효과는 Ru 이외에도, 예컨대 B, C, N, O, Si, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Nb, Mo, Rh, Pd, Ta, W, Ir, Pt 등을 CoFe 합금에 첨가함으로써 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 구조를 이용함으로써 CPP형의 자기 저항 효과막에 있어서도 반강자성층이 불필요해지고, CIP형과 동일한 코어 폭의 협소화와 갭의 협소화가 실현된다.
또한, MRAM 등의 고체 메모리에, 본 발명에서 개시된 고정 자성층을 갖는 자 기 저항 효과막이나 터널 자기 저항 효과막을 이용함으로써 헤드 소자와 마찬가지로, 메모리 소자를 0.1 ㎛ 이하의 사이즈로도 불균일하지 않게 미세 가공하는 것이 용이해지고, 고체 메모리의 기억 용량의 증대가 가능해진다.
또한, 본 발명의 구조는 자기 저항 효과를 향상시킬 목적 때문에, 소위 듀얼 스핀 밸브막으로 이용할 수도 있다. 일반적인 듀얼 스핀 밸브막의 구조는 에컨대 하기와 같은 것으로, 총 막 두께는 53.7 ㎚가 된다.
NiCr 5.0 ㎚/PtMn 13.0/CoFe 1.5 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 2.3 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/NiFe 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 2.3 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 2.0 ㎚/PtMn 13.0 ㎚/Ta 5.0 ㎚
이것에 본 발명의 구조를 적용한 경우, 예를 들면 하기와 같은 막구조가 된다. 총 막 두께는 35.3 ㎚로, -35% 얇게 할 수 있다. 도 14에 이 막의 ρ-H 특성을 도시한다. MR비는 듀얼 스핀 밸브로 하지 않은 경우에 비하여, 12%→15%로 증대하여 20%의 출력 상승을 얻을 수 있다.
Ta 5.0 ㎚/Co65Fe35 2.0 ㎚/Ru 0.8 ㎚/CoFe 1.9 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/NiFe 2.0 ㎚/CoFe 1.0 ㎚/Cu 2.0 ㎚/CoFe 1.9 ㎚/Ru 0.8 ㎚/Co65Fe35 2.0 ㎚//Ta 5.0 ㎚.
본 발명에 따른 자기 저항 효과막은 고정 자성층의 자화 방향을 고정하는 반강자성층으로 바꾸어 배향 제어층을 설치한 것으로, 종래의 자기 저항 효과막에 있 어서 막 두께의 큰 부분을 차지하고 있었던 반강자성층을, 반강자성층보다도 훨씬 얇게 형성할 수 있는 배향 제어층에 의해 치환함으로써, 효과적으로 박막화를 도모할 수 있게 된다. 이것에 의해, 자기 저항 효과막의 코어 폭의 협소화와 갭의 협소화가 가능해지고, 기록 매체의 기록 밀도의 향상에 대응할 수 있는 자기 저항 효과 헤드 등으로서 이용하는 것이 가능해진다.

Claims (5)

  1. 자화 고정층, 제1 고정 자성층, 반평행 결합 중간층, 제2 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층, 보호층이 이 순으로 적층되어 이루어지는 자기 저항 효과막에 있어서,
    상기 자화 고정층으로서, 상기 제1 고정 자성층과의 사이에 교환 결합 작용을 일으키지 않는 재료로 이루어지고, 상기 제1 고정 자성층의 자화 방향을 한 방향으로 고정하는 배향 제어층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  2. 제1항에 있어서, 배향 제어층의 면들중, 제1 고정 자성층이 접하고 있는 면과 반대 면측에는 강자성층, 반강자성층 또는 페리자성층이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  3. 제2항에 있어서, 제1 고정 자성층이 코발트 농도가 35∼71 몰%의 범위인 코발트-철(CoFe) 2원 합금, 또는 코발트 농도가 35∼71 몰%의 범위인 코발트-철에 제3 원소를 첨가하여 이루어지는 3원 합금으로 이루어지고, 이 고정 자성층의 포화 자화와 층 두께와의 곱이 3T·㎚∼7 T·㎚의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  4. 제2항에 있어서, 반평행 결합 중간층이 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 크롬(Cr) 및 이들 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
  5. 자기 저항 효과막을 두께 방향으로 끼우는 배치로 하부 실드층과 상부 실드층이 설치되고, 자기 저항 효과막에 바이어스 인가층과 전류 단자층이 설치된 자기 저항 효과 헤드로서, 상기 자기 저항 효과막으로서 제1항에 기재한 자기 저항 효과막이 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 헤드.
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