KR100690492B1 - 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치 - Google Patents

자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치 Download PDF

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Abstract

단위 면적당의 자기 저항 변화량이 크고, 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치를 제공한다. CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 자기 저항 효과 소자는, 하부 전극과 상부 전극 사이에, 기초층(31), 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 GMR막(30)을 형성한 구성으로 하고, 자유 자화층(36)의 양측에 형성된 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)이 CoNiFe를 주성분으로 하는 강자성 재료로 이루어진다. 스핀 의존 벌크 산란 및 스핀 의존 계면 산란이 큰 CoNiFe를 이용하여 단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA를 증가시킴과 함께, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 및 제2 계면 자성층(37)으로 이루어지는 적층체의 저보자력을 유지한다.
고정 자화층, 자유 자화층, 계면 자성층, 보자력, 비자성층

Description

자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치{MAGNETORESISTIVE ELEMENT, MAGNETIC HEAD, AND MAGNETIC MEMORY APPARATUS}
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 복합형 자기 헤드의 매체 대향면의 주요부를 도시하는 도면.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제1 예의 GMR막의 단면도.
도 3은 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제2 예의 GMR막의 단면도.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제3 예의 GMR막의 단면도.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제4 예의 GMR막의 단면도.
도 7은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제5 예의 GMR막의 단면도.
도 8은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제6 예의 GMR 막의 단면도.
도 9는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제7 예의 GMR막의 단면도.
도 10은 실시예 1∼실시예 9의 자기 저항 효과 소자의 자기 저항 변화량 및 자유 자화층의 보자력을 도시하는 도면.
도 11은 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 설명하기 위한 다른 도면.
도 12는 본 발명의 실시의 제2 실시 형태에 따른 자기 기억 장치의 주요부를 도시하는 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 복합형 자기 헤드 11 : 세라믹 기판
12, 25 : 알루미나막 13 : 유도형 기록 소자
14 : 상부 자극 15 : 기록 갭층
16 : 하부 자극 20 : 자기 저항 효과 소자
21 : 하부 전극 22 : 상부 전극
23 : 절연막 24 : 자구 제어막
30, 40, 45, 50, 60, 70, 80 : GMR막
31 : 기초층 32 : 반강자성층(하부 반강자성층)
33 : 고정 자화층(하부 고정 자화층)
34 : 비자성 중간층(하부 비자성 중간층)
35 : 제1 계면 자성층 36 : 자유 자화층
37 : 제2 계면 자성층 38 : 보호층
41, 46 : 자유 자화 적층체 47 : 강자성 접합층
51 : 제1 고정 자화층(하부 제1 고정 자화층)
52 : 비자성 결합층(하부 비자성 결합층)
53 : 제2 고정 자화층(하부 제2 고정 자화층)
54 : 고정 자화 적층체(하부 고정 자화 적층체)
62 : 상부 반강자성층 63 : 상부 고정 자화층
64 : 상부 비자성 중간층 81 : 상부 제1 고정 자화층
82 : 상부 비자성 결합층 83 : 상부 제2 고정 자화층
84 : 상부 고정 자화 적층체 90 : 자기 기억 장치
98 : 자기 헤드
[특허 문헌1] 일본공개특허 제2003-60263호 공보
본 발명은, 자기 기억 장치에서 정보를 재생하기 위한 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치에 관한 것으로, 특히, 소위 스핀 밸브막의 적층 방향으로 센스 전류를 흘리는 CPP(Current-Perpendicular-To-Plane) 구조를 갖는 자 기 저항 효과 소자에 관한 것이다.
최근, 자기 기억 장치의 자기 헤드에는, 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생하기 위한 재생용 소자로서 자기 저항 효과 소자가 이용된다. 자기 저항 효과 소자는 고기록 밀도화에 수반하여, 자계 감도가 높은 스핀 밸브막을 구비한 것이 주류로 되어 있다. 스핀 밸브막은 자화가 소정의 방향으로 고정된 고정 자화층과, 비자성층과, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향이나 강도에 따라 자화의 방향이 변화되는 자유 자화층이 적층되어 있다. 스핀 밸브막은, 고정 자화층의 자화와 자유 자화층의 자화가 이루는 각에 따라 전기 저항값이 변화된다. 스핀 밸브막에 일정값의 센스 전류를 흘려 전기 저항값의 변화를 전압 변화로서 검출함으로써, 자기 저항 효과 소자는 자기 기록 매체에 기록된 비트를 재생한다.
종래, 자기 저항 효과 소자는, 스핀 밸브막의 면내 방향으로 센스 전류를 흘리는 CIP(Current-In-Plane) 구조가 채용되었다. 그러나, 한층 더한 고기록 밀도화를 도모하기 위해서는, 자기 기록 매체의 선기록 밀도 및 트랙 밀도를 증가시킬 필요가 있다. 자기 저항 효과 소자에서는, 자기 기록 매체의 트랙 폭에 대응하는 소자 폭 및 소자 높이(소자의 깊이), 즉 소자 단면적을 저감할 필요가 있다. 이 경우, CIP 구조에서는, 센스 전류의 전류 밀도가 과도하게 커지게 되어, 스핀 밸브막을 구성하는 재료의 마이그레이션 등에 의한 성능 열화가 발생할 우려가 있다. 이러한 성능 열화를 회피하기 위해, 센스 전류를 저감할 필요가 있지만, 그렇게 하면, 자기 저항 변화에 대응하여 검출되는 전압 변화량, 즉 재생 출력이 감소하여, S/N비가 열화되게 된다.
따라서, 스핀 밸브막의 적층 방향으로 센스 전류를 흘리는 CPP(Current-Perpendicular-To-Plane) 구조가 제안되어, 차세대 재생용 소자로서 한창 연구가 행해지고 있다.
CPP 구조의 자기 저항 효과 소자의 경우, 스핀 밸브막의 막 두께가 얇기 때문에 소자 저항값이 저하된다. 그 때문에, CIP 구조의 자기 저항 효과 소자에 이용되는 재료를 그대로 채용해도, 자기 저항 변화량(ΔRA)이 작아, 충분한 재생 출력이 얻어지지 않는다. 그 때문에, CPP 구조에서 충분한 재생 출력을 얻기 위해서는, 단위 면적당의 자기 저항 변화량(ΔRA)이 큰 스핀 밸브막을 실현할 필요가 있다.
ΔRA를 증가시키기 위해, 자유 자화층과 비자성 중간층 사이에 Co-Fe 합금이나 Co-Ni 합금으로 이루어지는 박막 삽입층을 형성한 자기 저항 효과 소자가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌1 참조). 이 자기 저항 효과 소자는, 자유 자화층에 의한 스핀 의존 벌크 산란 외에, 박막 삽입층에 의한 스핀 의존 계면 산란을 발생시킴으로써, ΔRA의 증가가 기대되는 것이다.
그러나, 특허 문헌1의 박막 삽입층의 재료나 스핀 밸브막의 구성에서는, ΔRA의 충분한 증가를 도모할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 한층 더한 고기록 밀도화를 도모하기 위해서는, ΔRA의 증가와, 자유 자화층의 저보자력 특성의 양립이 충분하지 않다고 하는 문제가 있다. 자유 자화층의 보자력이 증대되면 자기 저항 효과 소자의 감도가 열화된다고 하는 문제가 발 생한다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA가 큰 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고, 또한 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치를 제공하는 것이다.
종래, CoNiFe막은 스핀 의존 벌크 산란 및 스핀 의존 계면 산란이 큰 것으로 알려져 있었지만, CoNiFe막 단체에서는 보자력이 크기 때문에 자기 저항 효과 소자의 자유 자화층으로서는 채용되지 않았다. 본원 발명자들은, 예의 검토한 결과, 이 CoNiFe막을, 자유 자화층을 사이에 두도록 형성함으로써, 단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고, 또한 CoNiFe막, 자유 자화층, 및 CoNiFe막으로 이루어지는 적층체의 보자력이 낮은 자기 저항 효과 소자를 실현하였다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서, 상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되고, 상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 자유 자화층의 한쪽의 측에 제1 계면 자성층, 다른쪽의 측에 제2 계면 자성층이 형성되고, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 구성된다. CoNiFe는 스핀 의존 벌크 산란이 크고, 제1 계면 자성층과 제2 계면 자성층의 2층으로 함으로써, 스핀 의존 벌크 산란을 증가할 수 있다. 또한, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 각각, 제1 비자성층, 제2 비자성층과 강자성-비자성의 계면을 형성하고, 그 계면이 2개 있기 때문에 스핀 의존 계면 산란이 발생하는 횟수가 증가한다. 또한, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 자유 자화층을 사이에 두도록 형성함으로써, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 각각의 보자력을 낮게 유지할 수 있다. 그 결과, 제1 계면 자성층, 자유 자화층, 및 제2 계면 자성층의 적층체의 보자력을 낮게 유지할 수 있어, 자기 기록 매체로부터의 자계에 대하여 감도가 양호하게 된다. 따라서, 단위 면적당의 자기 저항 변화량이 크고, 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서, 상기 자유 자화 적층체는, 2개의 강자성 적층체와, 그 강자성 적층체 사이에 끼워진 다른 비자성 결합층을 갖고, 그 2개의 강자성 적층체가 상호 강자성적으로 교환 결합하여 이루어지며, 상기 2개의 강자성 적층체의 각각이, 제1 계면 자성층, 자유 자화층 및 제2 계면 자성층으로 이루어지고, 상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 각각 2개의 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이, 제1 비자성층, 제2 비자성층, 혹은 비자성 결합층과 강자성-비자성의 계면을 형성하고 있기 때문에, 그 계면의 수가 증가하고, 즉 스핀 의존 계면 산란이 발생하는 횟수가 증가한다. 따라서, 단위 면적당의 자기 저항 변화량을 한층 더 증가할 수 있다. 또한, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 막 두께의 총계를 유지하면서, 이들 각각의 막 두께를 저감할 수 있기 때문에, 단위 면적당의 자기 저항 변화량에 악영향을 미치지 않고, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 각각의 보자력을 저감할 수 있다. 그 결과, 자유 자화 적층체의 보자력을 저감할 수 있다. 따라서, 단위 면적당의 자기 저항 변화량이 한층 더 크고, 감도가 한층 더 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 관점에 따르면, 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 다른 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서, 상기 다른 자유 자화 적층체는, 제1 계면 자성층과, 다른 강자성 적층체와, 제2 계면 자성층을 갖고, 그 다른 강자성 적층체가 자유 자화층과 강자성 접합층을 교대로 적층하여 이루어지며, 상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 다른 강자성 적층체는 자유 자화층과 강자성 접합층을 교대로 적층하여 이루어진다. 강자성 접합층에 의해 스핀 의존 벌크 산란을 증가할 수 있기 때문에, 단위 면적당의 자기 저항 변화량이 한층 더 크고, 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
또한, 상기 제2 비자성층 상에 다른 고정 자화층을 더 구비하는 구성으로 해도 된다. 이에 의해, 자기 저항 효과 소자는 소위 듀얼 스핀 밸브 구조를 갖는다. 따라서, 상기의 발명의 효과 외에, 상기의 발명의 단위 면적당의 자기 저항 변화량을 대략 배증할 수 있다.
또한, 상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 실질적으로 CoNiFe만으로 이루어지며, 상기 CoNiFe가, 삼원계의 상태도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Ni 함유량, Fe 함유량)으로서 나타내면, 점 A(10, 55, 35), 점 B(10, 5, 85), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5)로 하여, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역 ABCDA의 범위 내의 조성을 갖는 구성으로 해도 된다. 본원 명세서 및 특허 청구의 범위에서, CoNiFe의 조성을 설명의 편의상, (Co 함유량, Ni 함유량, Fe 함유량)을 이용하여 나타낸다. 여기서 각각 원소의 함유량의 단위는 원자%이고, 단위의 표기를 생략한다. 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 영역 ABCDA(도 3에 도시함)의 범위 내의 조성으로 함으로써, 단위 면적당의 자기 저항 변화량을 더욱 증가할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 관점에 따르면, 상기 어느 하나의 자기 저항 효과 소자와, 기록 소자를 구비하는 자기 헤드가 제공된다. 또한, 이러한 자기 헤드와, 자기 기록 매체를 구비하는 자기 기억 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 단위 면적당의 자기 저항 변화량이 크고, 감도가 양호한 자기 헤드 및 자기 기억 장치를 제공할 수 있다.
<실시예>
이하 도면을 참조하면서 실시 형태를 설명한다. 또한, 설명의 편의를 위해, 특별히 언급하지 않는 한, 「단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA」를 「자기 저항 변화량 ΔRA」 혹은 간단하게 「ΔRA」로 약칭한다.
(제1 실시 형태)
우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자와 유도형 기록 소자를 구비한 복합형 자기 헤드에 대하여 설명한다.
도 1은 복합형 자기 헤드의 매체 대향면의 주요부를 도시하는 도면이다. 도 1에서, 화살표 X의 방향은, 자기 기록 매체의 이동 방향을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 복합형 자기 헤드(10)는, 대략, 헤드 슬라이더의 기판이 되는 Al2O3-TiC 등으로 이루어지는 평탄한 세라믹 기판(11) 위에 형성된 자기 저항 효과 소자(20)와, 그 위에 형성된 유도형 기록 소자(13)로 구성된다.
유도형 기록 소자(13)는, 매체 대향면에 자기 기록 매체의 트랙 폭에 상당하는 폭을 갖는 상부 자극(14)과, 비자성 재료로 이루어지는 기록 갭층(15)을 사이에 두고 상부 자극(14)에 대향하는 하부 자극(16)과, 상부 자극(14)과 하부 자극(16)을 자기적으로 접속하는 요크(도시 생략)와, 요크를 감아, 기록 전류에 의해 기록 자계를 유발하는 코일(도시 생략) 등으로 이루어진다. 상부 자극(14), 하부 자극(16), 및 요크는, 연자성 재료로 구성되며, 기록 자계를 확보하기 위해 포화 자속 밀도가 큰 재료, 예를 들면, Ni80Fe20, CoZrNb, FeN, FeSiN, FeCo 합금 등으로 이루 어진다. 또한, 유도형 기록 소자(13)는 이것에 한정되는 것이 아니라, 공지의 구조의 유도형 기록 소자를 이용할 수 있다.
자기 저항 효과 소자(20)는, 세라믹 기판(11)의 표면에 형성된 알루미나막(12) 상에, 하부 전극(21), GMR막(30), 알루미나막(25), 상부 전극(22)이 적층되며, 상부 전극(22)이 GMR막(30)의 표면에 접한 구성으로 되어 있다. GMR막(30)의 양측에는, 절연막(23)을 개재하여 자구 제어막(24)이 형성되어 있다. 자구 제어막(24)은, 예를 들면, Cr막과 강자성의 CoCrPt막의 적층체로 이루어진다. 자구 제어막(24)은, GMR막(30)을 구성하는 고정 자화층 및 자유 자화층 등(도 2에 도시함)의 단자구화를 도모하여, 바크하우젠 노이즈의 발생을 방지한다.
하부 전극(21) 및 상부 전극(22)은 센스 전류 Is의 유로로서의 기능 외에, 자기 실드로서의 기능도 겸하고 있기 때문에, 연자성 합금, 예를 들면 NiFe, CoFe 등으로 구성된다. 또한 하부 전극(21)과 GMR막의 계면에 도전막, 예를 들면, Cu막, Ta막, Ti막 등을 형성해도 된다.
또한, 자기 저항 효과 소자(20) 및 유도형 기록 소자(13)는, 부식 등을 방지하기 위해 알루미나막이나 수소화 카본막 등에 의해 피복된다.
센스 전류 Is는, 예를 들면 상부 전극(22)으로부터, GMR막(30)의 막면에 대략 수직으로 흘러 하부 전극(21)에 도달한다. GMR막(30)은, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 강도 및 방향에 대응하여 전기 저항값, 소위 자기 저항값이 변화된다. 자기 저항 효과 소자(20)는, GMR막(30)의 자기 저항값의 변화를 전압 변화로서 검출한다. 이와 같이 하여, 자기 저항 효과 소자(20)는 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생한다. 또한, 센스 전류 Is가 흐르는 방향은 도 1에 도시한 방향에 한정되지 않고, 역 방향이어도 된다. 또한, 자기 기록 매체의 이동 방향도 역 방향이어도 된다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제1 예의 GMR막의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1 예의 GMR막(30)은, 싱글 스핀 밸브 구조를 갖고, 기초층(31), 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 구성으로 이루어진다.
기초층(31)은, 도 1에 도시한 하부 전극(21)의 표면에 스퍼터법 등에 의해 형성되며, 예를 들면, NiCr막이나, Ta막(예를 들면 막 두께 5㎚)과 NiFe막(예를 들면 막 두께 5㎚)의 적층체 등으로 구성된다. 이 NiFe막은, Fe의 함유량이 17원자%∼25원자%의 범위 내인 것이 바람직하다. 이러한 조성의 NiFe막을 이용함으로써, NiFe막의 결정 성장 방향인 (111) 결정면 및 이것에 결정학적으로 등가인 결정면의 표면에, 반강자성층(32)이 에피택셜 성장한다. 이에 의해, 반강자성층(32)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
반강자성층(32)은, 예를 들면 막 두께 5㎚∼30㎚(바람직하게는 10㎚∼20㎚)의 Mn-TM 합금(TM은 Pt, Pd, Ni, Ir 및 Rh 중 적어도 1종을 포함함)으로 구성된다. 반강자성층(32)은, 후술하는 열처리를 행함으로써, 규칙 합금화하여 반강자성이 출현하고, 고정 자화층(33)에 교환 상호 작용을 미쳐 고정 자화층(33)의 자화를 소정 의 방향으로 고정한다.
고정 자화층(33)은, 막 두께 1∼30㎚의 Co, Ni, Fe, 및 이들 원소를 포함하는 강자성 재료로 구성된다. 고정 자화층(33)에 적합한 강자성 재료로서는, 예를 들면, CoFe, CoFeB, NiFe, FeCoCu 등을 들 수 있다. 또한, 고정 자화층(33)은, 1층뿐만 아니라, 2층 이상의 적층체로 해도 된다. 이 적층체는, 그 각각의 층이 동일한 원소의 조합이며 또한 상호 다른 조성비의 재료를 이용해도 되며, 혹은, 상호 다른 원소를 조합한 재료를 이용해도 된다.
또한, 도시를 생략하지만, 고정 자화층(33)과 반강자성층(32) 사이에 고정 자화층(33)보다 포화 자속 밀도가 높은 강자성 재료로 이루어지는 강자성 접합층을 형성해도 된다. 이에 의해, 고정 자화층(33)과 반강자성층(32)의 교환 상호 작용을 증가시킬 수 있어, 고정 자화층(33)의 자화가 소정의 방향으로부터 변위되거나 반전하는 문제를 회피할 수 있다.
비자성 중간층(34)은, 예를 들면, 막 두께 1.5㎚∼10㎚의 비자성의 도전성 재료로 구성된다. 비자성 중간층(34)에 적합한 도전성 재료로서는 Cu, Al 등을 들 수 있다.
제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)은, CoNiFe를 주성분으로 하는 강자성 재료로 이루어진다. 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)은, CoNiFe만으로 구성되어도 되고, CoNiFe에 또한 V, B가 첨가되어 있어도 된다.
또한, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)의 막 두께는, 0.5㎚∼2.0㎚의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자 성층(37)의 막 두께는, 클수록 스핀 의존 벌크 산란이 증가하기 때문에 바람직하지만, 2.0㎚를 초과하면 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)의 보자력이 증가하여, 자유 자화층(36)과의 적층체 전체의 보자력이 증가하게 된다.
또한, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)은, 동일한 조성의 재료를 이용해도 되고, 혹은, 각각의 층이 동일한 원소의 조합이며 또한 상호 다른 조성비의 재료를 이용해도 되고, 혹은, 상호 다른 원소를 조합한 재료를 이용해도 된다.
도 3은 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 삼각 좌표이고, 3변에 Co, Ni, Fe 각각의 함유량(원자%)이 나타내어져 있다.
도 2와 함께 도 3을 참조하면, CoNiFe는, 그 조성에 따라 bcc(body-centered-cubic; 체심입방) 구조 혹은 fcc(face-centered-cubic; 면심입방) 구조를 갖는다. bcc 구조와 fcc 구조의 경계선 QR은, CoFe 측의 점 Q(77, 0, 23)과 NiFe측의 점 R(0, 35, 65)를 연결하는 대략 직선 형상의 곡선이다. CoNiFe는, 경계선 Q보다 고Ni 함유량 혹은 저Fe 함유량측에서 fcc 구조를 갖고, 경계선 Q보다 저Ni 함유량 혹은 고Fe 함유량측에서 bcc 구조를 갖는다. 이 CoNiFe의 실온에서의 등온 상태도는, Osaka 등에 의한 논문(Nature Vol.392(1998) pp.796-pp.798)으로부터 인용한 것이다. 이 등온 상태도는 전기 도금법에 의해 제작된 CoNiFe막에 대한 것이다. 그러나, 스퍼터법에 의해 형성된 CoNiFe막이라도, 대략 마찬가지의 조성에 경계선 QR이 위치한다고 추정되기 때문에 이 등온 상태도를 이용하여 설명한다.
제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)은, 도 3에 도시한 영역 ABCDA의 범위 내의 조성을 갖는 것이 보다 바람직하다. 영역 ABCDA는, 점 A(10, 55, 35), 점 B(10, 5, 85), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5)로 하여, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역이다. 영역 ABCDA는, bcc 구조와 fcc 구조의 경계선 QR을 대략 포함하고 있다.
본원 발명자들은, 다양한 검토에 의해, fcc 구조와 bcc 구조의 경계선 QR 부근의 조성을 갖는 CoNiFe막을 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)에 이용함으로써 자기 저항 변화량 ΔRA가 증가하는 것을 깨달았다. 본원 발명자 등은, CoNiFe막을 단체의 자유 자화층을 이용하고, 다른 구성은 제1 예의 GMR막과 마찬가지의 구성으로 하여 자기 저항 변화량 ΔRA를 검토한 결과, 도 3에 도시한 영역 ABCDA 내의 조성에서 큰 자기 저항 변화량 ΔRA가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 그 영역 ABCDA 내에서, 저Ni 함유량측(변 BC측)의 조성에서는, 그것보다 고Ni 함유량측(변 AD측)의 조성보다 높은 자기 저항 변화량 ΔRA를 나타내었다. 이것은, CoNiFe막의 결정 구조가 bcc 구조쪽이, fcc 구조보다 스핀 의존 벌크 산란이 커지게 되기 때문으로 추찰된다. 또한, 변 AD보다 고Ni 함유량의 조성에서는, 스핀 의존 벌크 산란의 저하 외에, 스핀 의존 계면 산란도 저하되게 된다.
또한, 본원 발명자들은, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36) 및 제2 계면 자성층(37)의 적층체로서, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)에 얇은 CoNeFe막을 이용함으로써, 이 적층체의 보자력을 낮게 유지할 수 있는 것을 깨달았다. CoNiFe막은, 저Ni 함유량측(변 BC측)에서는, 고Ni 함유량측(변 AD측)보다 보 자력이 높은 경향이 있다. CoNiFe막을 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)에 적용한 경우, CoNiFe막의 보자력은 각각의 막 두께에 의존한다. 막 두께가 얇을수록 보자력이 저하된다. 따라서, 저Ni 함유량의 조성에서는, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)의 막 두께를 예를 들면 0.5㎚ 정도로 함으로써, 이 적층체의 저보자력을 유지할 수 있다. 이 적층체는, 그 각각의 층이 동일한 원소의 조합이며 또한 상호 다른 조성비의 재료를 이용해도 되고, 혹은, 상호 다른 원소를 조합한 재료를 이용해도 된다.
자유 자화층(36)은, 제1 계면 자성층(35)의 표면에 형성되고, 막 두께가 1㎚∼30㎚인 Co, Ni, Fe, 및 이들 원소를 포함하는 강자성 재료, 예를 들면, NiFe, FeCo, FeCoB 등, 혹은, 이들 막의 적층체에 의해 구성된다.
자유 자화층(36)은, 상술한 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)의 적층체가 저보자력인 점에서 NiFe막이 특히 바람직하다. 또한, 자유 자화층(36)이 NiFe막으로 이루어지며, 비자성 중간층(34)이나 보호층(38)이 Cu막으로 이루어지는 경우에는, Cu가 NiFe막으로 확산되기 쉽다. 그 결과, NiFe막과 Cu막의 계면에 고용체가 형성된다. 고용체가 형성되면 계면의 스핀 의존 계면 산란과, NiFe막의 스핀 의존 벌크 산란이 저하된다고 하는 문제를 발생한다. NiFe막과 Cu막(비자성 중간층(34)이나 보호층(38)) 사이에 제1 계면 자성층(35) 혹은 제2 계면 자성층(37)을 형성함으로써, 이러한 Cu의 NiFe막으로의 확산을 회피하여, 자기 저항 변화량 ΔRA의 저하를 방지할 수 있다.
보호층(38)은 비자성의 도전성 재료로 이루어지며, 예를 들면 Ru, Cu, Ta, Au, Al, 및 W 중 어느 하나를 포함하는 금속막으로 구성된다. 보호층(38)은, 이들 금속막의 적층체로 해도 되고, 이 적층체는 제2 계면 자성층(37)측에 Cu막 혹은 Al막을 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제2 계면층(37)과 보호층(38) 사이의 스핀 의존 계면 산란이 증가할 수 있다.
또한, 보호층(38)은 스퍼터법 등에 의해 형성된다. 보호층(38)은, 이하에 설명하는 반강자성층(32)의 반강자성을 출현시키기 위한 열처리 시에 제2 계면 자성층(37)이나 자유 자화층(36)의 산화를 방지할 수 있다.
다음으로 제1 예의 GMR막(30)의 형성 방법을 설명한다. 우선, 스퍼터법, 증착법, CVD법 등에 의해, 기초층(31)으로부터 보호층(38)까지의 각각의 층을 상술한 재료를 이용하여 형성한다. 계속해서, 이와 같이 하여 얻어진 적층체를 자계 중에서 열처리한다. 열처리의 조건은, 진공 분위기에서, 예를 들면 가열 온도 250℃∼280℃, 가열 시간 약 3시간, 인가 자계 1592kA/m이다. 이 열처리에 의해, 반강자성층(32)의 Mn-TM 합금은, 규칙 합금화하여 반강자성이 출현한다. 또한, 열처리 시에 소정의 방향으로 자계를 인가함으로써, 반강자성층(32)과 고정 자화층(33)의 교환 상호 작용에 의해 고정 자화층(33)의 자화 방향을 소정의 방향으로 고정할 수 있다. 계속해서, 이 적층체를 도 1에 도시한 바와 같이 소정의 형상으로 패터닝하여 GMR막(30)을 얻는다. 또한, 하기에 설명하는 제2 예∼제7 예의 GMR막도 제1 예의 GMR막(30)과 대략 마찬가지로 하여 형성한다.
제1 예의 GMR막(30)은, CoNiFe를 주성분으로 하는 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)을, 자유 자화층(36)을 사이에 두도록 형성함으로써, 자기 저 항 변화량 ΔRA를 증가할 수 있어, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 및 제2 계면 자성층(37)의 적층체의 저보자력을 유지할 수 있다. 특히, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)을 박막화 혹은 CoNiFe의 조성을 선택함으로써, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 및 제2 계면 자성층(37)의 적층체를 저보자력화할 수 있다. 따라서, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고, 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제1 예의 GMR막(30) 대신에, 다음에 설명하는 제2 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제2 예의 GMR막의 단면도이다. 제2 예의 GMR막은, 제1 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 제2 예의 GMR막(40)은, 싱글 스핀 밸브 구조를 갖고, 기초층(31), 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 비자성 중간층(34), 자유 자화 적층체(41), 보호층(38)이 순서대로 적층된 구성으로 이루어진다. 자유 자화 적층체(41)는, 비자성 중간층(34)측으로부터, 제1 계면 자성층(35a), 자유 자화층(36a), 제2 계면 자성층(37a), 비자성 결합층(42), 제1 계면 자성층(35b), 자유 자화층(36b), 및 제2 계면 자성층(37b)이 순서대로 적층되어 이루어진다. GMR막(40)은, 제1 계면 자성층(35a), 자유 자화층(36a) 및 제2 계면 자성층(37a)으로 이루어지는 적층체와, 제1 계면 자성층(35b), 자유 자화층(36b) 및 제2 계면 자성층(37b)으로 이루어지는 적층체가, 비자성 결합층(42)을 개재하여 강자성적으로 교환 결합하고 있 다. GMR막(40)은, 자유 자화 적층체(41)가 상이한 것 이외에는, 제1 예의 GMR막과 마찬가지로 구성되어 있다.
제1 계면 자성층(35a, 35b) 및 제2 계면 자성층(37a, 37b)은, 도 2에 도시한 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)과 마찬가지의 재료를 이용할 수 있으며, 막 두께도 마찬가지의 범위로 설정된다. 또한 자유 자화층(36a, 36b)은, 도 2에 도시한 자유 자화층(36)과 마찬가지의 재료를 이용할 수 있으며, 막 두께도 마찬가지의 범위로 설정된다. 제1 계면 자성층(35a, 35b) 및 제2 계면 자성층(37a, 37b)의 막 두께는, 0.5㎚∼2.0㎚의 범위로 설정되는 것이 바람직하고, 자유 자화 적층체(41)의 저보자력화를 촉진할 수 있는 점에서, 0.5㎚∼1.0㎚의 범위로 설정되는 것이 보다 바람직하다.
비자성 결합층(42)은, 그 막 두께가 제1 계면 자성층(35a), 자유 자화층(36a) 및 제2 계면 자성층(37a)으로 이루어지는 적층체의 자화와 제1 계면 자성층(35b), 자유 자화층(36b) 및 제2 계면 자성층(37b)으로 이루어지는 적층체의 자화가 강자성적으로 결합하는 범위로 설정된다. 그 막 두께는 예를 들면 0.2㎚∼0.5㎚의 범위에서 선택된다. 비자성 결합층(42)은, Ru, Rh, Ir, Ru계 합금, Rh계 합금, Ir계 합금 등의 비자성 재료로 구성된다.
자유 자화 적층체(41)는, 그 전체의 막 두께가 8㎚ 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 막 두께가 8㎚를 초과하면, GMR막(40) 전체의 두께가 증가하여, 리드 갭 길이가 과도하게 증가하게 된다.
제2 예의 GMR막(40)은, 제1 예의 GMR막과 비교하여, 제2 계면 자성층(37a)과 비자성 결합층(42), 및 비자성 결합층(42)과 제1 계면 자성층(35b)의 각각에 강자성층-비자성층으로 이루어지는 계면이 또한 설치되어 있다. 따라서, 스핀 의존 계면 산란이 계면의 수만큼 증가하기 때문에, 제1 예의 GMR막보다 자기 저항 변화량 ΔRA가 더욱 증가할 수 있다.
또한, 제1 계면 자성층(35a, 35b) 및 제2 계면 자성층(37a, 37b)의 막 두께의 총계를 상술한 제1 예의 GMR막과 동일한 정도로 하여, 각각의 막 두께를 저감할 수 있기 때문에, 이들 각각의 층의 보자력을 저감할 수 있다. 그 결과, 자유 자화 적층체(41)의 보자력을 제1 예의 GMR막의 제1 계면 자성층, 자유 자화층, 및 제2 계면 자성층의 적층체의 보자력보다 낮게 할 수 있다.
따라서, 제2 예의 GMR막(40)은, 제1 예의 GMR막과 마찬가지의 효과를 가짐과 함께, 자기 저항 변화량 ΔRA를 더욱 증가시킬 수 있다. 또한, 자유 자화 적층체(41)의 보자력도, 제1 예의 GMR막보다 저감할 수 있다. 그 결과, 자기 저항 변화량 ΔRA가 한층 더 크고, 감도가 한층 더 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
또한, 자유 자화 적층체(41)는, 제1 계면 자성층, 자유 자화층, 및 제2 계면 자성층으로 이루어지는 적층체가 2개인 경우를 나타내었지만 3개 이상의 구성으로 해도 된다. 단, 그 수는 상기의 막 두께의 범위를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제2 예의 GMR막(40) 대신에, 다음에 설명하는 제3 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제3 예의 GMR 막의 단면도이다. 제3 예의 GMR막은, 제1 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 제3 예의 GMR막(45)은, 싱글 스핀 밸브 구조를 갖고, 기초층(31), 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 비자성 중간층(34), 자유 자화 적층체(46), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 구성으로 이루어진다. 자유 자화 적층체(46)는, 비자성 중간층(34)측으로부터, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36a), 강자성 접합층(47), 자유 자화층(36b), 및 제2 계면 자성층(37)이 순서대로 적층되어 이루어진다. 자유 자화 적층체(46)는, 강자성 접합층(47)을 개재하여 자유 자화층(36a)과 자유 자화층(36b)이 강자성적으로 교환 결합하고 있다. GMR막(45)은, 자유 자화 적층체(46)가 상이한 것 이외에는, 제1 예의 GMR막과 마찬가지로 구성되어 있다.
강자성 접합층(47)은, Co, Ni, Fe, 및 이들 합금 중 적어도 1종을 포함하는 강자성 재료로 이루어진다. 강자성 접합층(47)에 적합한 강자성 재료로서는, 스핀 의존 벌크 산란이 큰 점에서, CoFe, CoFeB, CoNiFe를 들 수 있다. 이에 의해, 자기 저항 변화량 ΔRA를 증가시킬 수 있다.
강자성 접합층(47)은, CoNiFe를 주성분으로 하는 강자성 재료로 이루어지는 것이 특히 바람직하고, 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)과 동일한 조성으로 하는 것이 특히 바람직하다. 자기 저항 변화량 ΔRA를 더 증가시킬 수 있다.
강자성 접합층(47)의 막 두께는, 0.5㎚∼2.0㎚의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 특히, 강자성 접합층(47)이 CoNiFe로 이루어지는 경우에는, 강자성 접합층(47)의 막 두께는, 0.5㎚∼1.0㎚의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 자유 자화 적층체(46)의 보자력을 낮게 유지할 수 있다.
제3 예의 GMR막(45)은, 강자성 접합층(47)을 또한 형성함으로써 스핀 의존 벌크 산란을 증가할 수 있다. 또한, 강자성 접합층(47)을 CoNiFe막으로 함으로써, 자기 저항 변화량 ΔRA를 저하시키지 않고 제1 계면 자성층(35) 및 제2 계면 자성층(37)을 박막화할 수 있기 때문에, 자유 자화 적층체(46)의 보자력을 제1 예의 GMR막보다 저감할 수 있다. 또한, 강자성 접합층(47)과 자유 자화층(36a, 36b)의 적층 수를 더 증가시켜도 된다. 이에 의해, 자기 저항 변화량 ΔRA를 더욱 증가시킬 수 있다. 그 결과, 자기 저항 변화량 ΔRA가 한층 더 크고, 감도가 한층 더 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제3 예의 GMR막(45) 대신에, 다음에 설명하는 제4 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제4 예의 GMR막의 단면도이다. 제4 예의 GMR막은, 제1 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 6을 참조하면, 제4 예의 GMR막(50)은, 싱글 스핀 밸브 구조를 갖고, 기초층(31), 반강자성층(32), 고정 자화 적층체(54), 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 보호층(38)이 순차적으로 적층 된 구성으로 이루어진다. 고정 자화 적층체(54)는, 반강자성층(32)측으로부터, 제1 고정 자화층(51), 비자성 결합층(52), 및 제2 고정 자화층(53)이 순서대로 적층되어 이루어진다. 고정 자화 적층체(54)는, 제1 고정 자화층(51)과 제2 고정 자화층(53)이 비자성 결합층(52)을 개재하여 반강자성적으로 교환 결합하는, 소위 적층 페리 구조를 갖는다. GMR막(50)은, 고정 자화 적층체(54)가 형성되어 있는 것 이외에는 제1 예의 GMR막과 마찬가지로 구성된다.
고정 자화 적층체(54)는, 제1 고정 자화층(51) 및 제2 고정 자화층(53)이, 도 2에 도시한 고정 자화층(33)과 마찬가지의 재료를 이용할 수 있으며, 막 두께도 마찬가지의 범위로 설정된다.
또한, 비자성 결합층(52)은, 그 막 두께가 제1 고정 자화층(51)과 제2 고정 자화층(53)이 반강자성적으로 결합하는 범위로 설정된다. 그 범위는, 0.4㎚∼1.5㎚(바람직하게는 0.4㎚∼0.9㎚)이다. 비자성 결합층(52)은, Ru, Rh, Ir, Ru계 합금, Rh계 합금, Ir계 합금 등의 비자성 재료로 구성된다. Ru계 합금으로서는 Ru에, Co, Cr, Fe, Ni, 및 Mn 중 어느 하나, 혹은 이들 합금과의 비자성 재료가 바람직하다.
제1 고정 자화층(51)의 자화와 제2 고정 자화층(53)의 자화는 반평행하게 되기 때문에, 고정 자화층(51) 및 제2 고정 자화층(53)으로부터의 누설 자계의 실질적인 자계 강도가 저하된다. 그 때문에, 이 누설 자계가 자유 자화층(36)의 자화의 방향을 변위시키게 된다고 하는 악영향이 억제된다. 그 때문에, 자유 자화층(36)의 자화가 자기 기록 매체로부터의 누설 자계에 정확하게 반응하기 때문에, 자 기 저항 효과 소자의 감도가 향상되고, 또한, 그 S/N비가 향상된다.
제4 예의 GMR막(50)은, 제1 예의 GMR막과 마찬가지의 효과를 가짐과 함께, 고정 자화 적층체(54)가 적층 페리 구조를 갖는다. 따라서, 감도가 한층 더 양호하고, S/N비가 보다 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제4 예의 GMR막(50) 대신에, 다음에 설명하는 제5 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 7은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제5 예의 GMR막의 단면도이다. 제5 예의 GMR막은, 제1 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 7을 참조하면, 제5 예의 GMR막(60)은, 기초층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화층(33), 하부 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(63), 상부 반강자성층(62), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 즉, GMR막(70)은, 도 2에 도시한 제1 예의 GMR막의 자유 자화층(36) 위에, 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(63) 및 상부 반강자성층(62)을 형성한 구성을 갖는다. 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(63) 및 상부 반강자성층(62)은, 각각, 하부 비자성 중간층(34), 하부 고정 자화층(33), 하부 반강자성층(32)과 마찬가지의 재료를 이용할 수 있으며, 막 두께도 마찬가지의 범위로 설정된다. 또한, 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화층(33), 및 하부 비자성 중간층(34)은, 각각, 도 2 에 도시한 제1 예의 GMR막의 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 및 비자성 중간층(34)과 마찬가지의 재료 및 막 두께를 갖기 때문에 동일한 부호를 이용하고 있다.
GMR막(70)은, 하부 고정 자화층(33), 하부 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 및 제2 계면 자성층(37)으로 이루어지는 스핀 밸브 구조와, 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(63)으로 이루어지는 스핀 밸브 구조의 듀얼 스핀 밸브 구조를 갖는다. 따라서, 자기 저항 변화량 ΔRA가 증가하여, 제1 예의 GMR막의 자기 저항 변화량 ΔRA에 대하여 대략 2배로 된다.
또한, 자유 자화층(36)이 NiFe막으로 이루어지며, 상부 비자성 중간층(64)이 Cu막인 경우에, 제2 계면 자성층(37)은, 자유 자화층(36)과 상부 비자성 중간층(64)이 직접 접촉하는 경우에 발생하는 Cu의 NiFe막으로의 확산에 의한 고용상의 형성을 방지한다. 이에 의해, 제2 계면 자성층(37)은, 자유 자화층(36)과 비상부 자성 중간층(64) 사이의 스핀 의존 계면 산란의 저하를 회피하고, 오히려 증가시킨다.
제5 예의 GMR막(60)은, 듀얼 스핀 밸브 구조로 함으로써, 제1 예의 GMR막과 마찬가지의 효과를 가짐과 함께, 자기 저항 변화량 ΔRA를 대략 배증할 수 있다. 따라서, 자기 저항 변화량 ΔRA가 한층 더 큰 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제5 예의 GMR막(60) 대신에, 다음에 설명하는 제6 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 8은 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제6 예의 GMR 막의 단면도이다. 제6 예의 GMR막은, 제5 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, GMR막(70)은, 기초층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화층(33), 하부 비자성 중간층(34), 자유 자화 적층체(41), 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(63), 상부 반강자성층(62), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 자유 자화 적층체(41)는, 도 4에 도시한 제2 예의 자유 자화 적층체와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 자유 자화 적층체(41)는, 비자성 중간층(34)측으로부터, 제1 계면 자성층(35a), 자유 자화층(36a), 제2 계면 자성층(37a), 비자성 결합층(42), 제1 계면 자성층(35b), 자유 자화층(36b), 및 제2 계면 자성층(37b)이 순서대로 적층되어 이루어진다. 즉, GMR막(70)은, 제5 예의 GMR막에 제2 예의 자유 자화 적층체를 적용한 것이다.
따라서, 제6 예의 GMR막(70)은, 제5 예의 GMR막의 효과를 갖고, 또한, 제2 예의 GMR막과 마찬가지의 효과, 즉, 스핀 의존 계면 산란의 증가 및 자유 자화 적층체(41)의 저보자력화를 갖는다. 그 결과, 자기 저항 변화량 ΔRA가 한층 더 크고, 감도가 한층 더 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다. 또한, 자기 저항 효과 소자는, 제6 예의 GMR막(70) 대신에, 다음에 설명하는 제8 예의 GMR막을 이용해도 된다.
도 9는 제1 실시 형태에 따른 자기 저항 효과 소자를 구성하는 제7 예의 GMR막의 단면도이다. 제7 예의 GMR막은, 제5 예의 GMR막의 변형예이다. 도면에서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면, 제7 예의 GMR막(80)은, 기초층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(54), 하부 비자성 중간층(34), 제1 계면 자성층(35), 자유 자화층(36), 제2 계면 자성층(37), 상부 비자성 중간층(64), 상부 고정 자화층(84), 상부 반강자성층(62), 보호층(38)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다.
하부 고정 자화 적층체(54)는, 하부 반강자성층(32)측으로부터, 하부 제1 고정 자화층(51), 하부 비자성 결합층(52), 및 하부 제2 고정 자화층(53)이 순서대로 적층된 적층 페리 구조를 갖는다. 또한, 상부 고정 자화 적층체(84)는, 상부 비자성 중간층(64)측으로부터 상부 제2 고정 자화층(83), 상부 비자성 결합층(82), 및 상부 제1 고정 자화층(81)이 순서대로 적층된 적층 페리 구조를 갖는다. GMR막(80)은, 제5 예의 GMR막의 하부 고정 자화층 및 상부 고정 자화층 대신에, 각각, 하부 고정 자화 적층체(54), 상부 고정 자화 적층체(84)로 한 것 이외에는 제5 예의 GMR막과 마찬가지로 구성된다.
상부 제1 고정 자화층(81), 상부 비자성 결합층(82), 및 상부 제2 고정 자화층(83)은, 각각, 하부 제1 고정 자화층(51), 하부 비자성 결합층(52) 및 하부 제2 고정 자화층(53)과 마찬가지의 재료를 이용할 수 있으며, 막 두께도 마찬가지의 범위로 설정된다. 또한, 하부 제1 고정 자화층(51), 하부 비자성 결합층(52) 및 하부 제2 고정 자화층(53)은, 각각, 도 6에 도시한 제4 예의 GMR막(50)의 제1 고정 자화층(51), 비자성 결합층(52) 및 제2 고정 자화층(53)과 마찬가지의 재료 및 막 두께를 갖기 때문에 동일한 부호를 이용하고 있다.
제7 예의 GMR막(80)은, 제5 예의 GMR막의 효과를 갖고, 또한 하부 고정 자화 적층체(54) 및 상부 고정 자화 적층체(84)가 적층 페리 구조를 갖고 있기 때문에, 제4 예의 GMR막과 마찬가지의 효과, 즉, 고정 자화 적층체(54, 84)로부터의 누설 자계 강도가 저하되어, 자유 자화층(36)에의 악영향을 억제할 수 있다. 따라서, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고, 감도가 한층 더 양호하며, S/N비가 보다 양호한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
또한, 도시는 생략하지만, 하부 반강자성층(32)과 하부 고정 자화 적층체(54) 사이나, 상부 고정 자화 적층체(84)와 상부 반강자성층(62) 사이에 강자성 접합층을 형성해도 된다. 다음으로, 본 실시 형태에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예]
본 실시예는, 본 실시 형태의 제7 예의 GMR막의 구성을 갖는 자기 저항 효과 소자를 제작한 것이다. 실시예1∼실시예7은, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 다르게 하여 GMR막을 제작하였다(도 10에 도시한 실시예1∼7). 자기 저항 효과 소자의 각 층을 기판측으로부터 이하와 같이 형성하였다.
실리콘 기판 상에, 하부 전극으로서, 실리콘 기판측으로부터 Cu(250㎚)/Ti(30㎚)/Ta(10㎚)/NiFe(10㎚)의 적층막을 형성하고, 계속해서 하기의 조성 및 막 두께를 갖는 기초층∼보호층까지의 적층체의 각 층을 스퍼터 장치를 이용하여 형성하였다. 또한, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe막의 조성은 도 10에 도시하고 있다.
계속해서, 반강자성층의 반강자성을 출현시키기 위한 열처리를 행하였다. 열처리의 조건은, 가열 온도 280℃, 처리 시간 3시간, 인가 자계 1952kA/m로 하였다.
계속해서, 이와 같이 하여 얻어진 적층체를 이온 밀링에 의해 연삭하여, 길이 0.2㎛×폭 0.2㎛∼길이 1.0㎛×폭 1.0㎛의 범위의 9종류의 접합 면적을 갖는 적층체를 제작하였다. 또한, 각 접합 면적마다 20개의 적층체를 얻었다.
계속해서, 이와 같이 하여 얻어진 적층체를 실리콘 산화막으로 피복하고, 계속해서 드라이 에칭에 의해 보호층을 노출시켜, 보호층에 접촉하도록 Au로 이루어지는 상부 전극을 형성하였다. 또한, 괄호 내의 수치는 막 두께를 나타내며, 이하의 실시예 및 비교예에서 마찬가지이다. 또한, 적층체의 표시는, 막마다 「/」로 구획하여 나타내고, 좌측의 막쪽이 하측에 형성된 것이다.
기초층 : NiCr(4㎚)
하부 반강자성층 : IrMn(5㎚)
하부 제1 고정 자화층 : Co60Fe40(2.24㎚)/Co81Fe9Ru10(2.5㎚)/Co60Fe40(1㎚)
하부 비자성 결합층 : Ru(0.70㎚)
하부 제2 고정 자화층 : Fe45Co45Cu10(3.75㎚)/Fe60Co40(0.5㎚)
하부 비자성 중간층 : Cu(3.5㎚)
제1 계면 자성층: CoNiFe(1.25㎚)
자유 자화층 : Ni80Fe20(2.5㎚)
제2 계면 자성층 : CoNiFe(1.25㎚)
상부 비자성 중간층 : Cu(3.5㎚)
상부 제2 고정 자화층 : Fe60Co40(0.5㎚)/Fe45Co45Cu10(3.75㎚)
상부 비자성 결합층 : Ru(0.70㎚)
상부 제1 고정 자화층 : Co60Fe40(1㎚)/Co81Fe9Ru10(2.5㎚)/Co60Fe40(2.24㎚)
상부 반강자성층 : IrMn(5㎚)
보호층 : Ru(5㎚)
실시예1∼실시예7의 자기 저항 효과 소자에 대하여, 자기 저항 변화량 ΔR값을 측정하고, 동일한 정도의 접합 면적 A를 갖는 자기 저항 효과 소자마다 자기 저항 변화량 ΔR값의 평균값을 구하였다. 그리고 자기 저항 변화량 ΔR값의 평균값과 접합 면적 A로부터 단위 면적당의 자기 저항 변화량 ΔRA값을 구하였다. 또한 접합 면적 A가, 서로 다른 9종류의 자기 저항 효과 소자가 상호 대략 마찬가지의 ΔRA값을 갖는 것을 확인하고, 이들 ΔRA값의 평균값을 최종적인 ΔRA값으로 하였다.
또한, 자기 저항 변화량 ΔR의 측정은, 센스 전류의 전류값을 2㎃로 설정하며, 외부 자계를 하부 및 상부 제2 고정 자화층의 자화 방향으로 평행하게 -79kA/m∼79kA/m의 범위에서 소인하고, 하부 전극과 상부 전극 사이의 전압을 디지털 전압계에 의해 측정하였다.
도 10은 실시예1∼실시예7의 자기 저항 효과 소자의 자기 저항 변화량 ΔR 및 보자력을 도시하는 도면이다. 보자력은, 자유 자화층(제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 포함함)의 보자력이다.
도 10을 참조하면, 실시예1∼실시예5는, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층 각각의 Ni 함유량이 20원자% 혹은 30원자%로 자기 저항 변화량이 크다. 본원 발명자의 검토에 따르면, 제1 계면 자성층과 제2 계면 자성층을 형성하지 않고, 막 두께 5㎚의 Ni80Fe20막을 자유 자화층으로 하고, 그 이외는 실시예와 거의 마찬가지의 구성으로 제작한 자기 저항 효과 소자(이하, 「참고예」라고 함)는, 자기 저항 변화량이 1mΩ·㎛2 정도 혹은 그 이하인 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 실시예1∼실시예5는, 자기 저항 변화량이 2.4∼2.8로, 배 이상의 크기를 갖는다. 또한, 실시예1∼실시예5는, 그 보자력이, 실용상 바람직한 범위인 10 Oe 이하에 대하여 충분히 낮게 되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예6 및 실시예7은, 실시예1∼실시예5와 동일한 정도의 자기 저항 변화량을 갖는다. 그러나, 실시예6은, 보자력이 150 Oe로, 실용상 바람직한 범위인 10 Oe 이하에 대하여 매우 크게 되어 있다. 단, 실시예6의 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 막 두께는 1.25㎚이고, 이것보다 박막화하면, 예를 들면 0.5㎚ 정도로 하면 보자력이 10 Oe 이하로 되는 것을 충분히 기대할 수 있다.
도 11은 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 CoNiFe의 조성을 설명하기 위한 다른 도면이다. 도 11은 실시예1∼실시예7의 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 조성을 「○」로 나타내고 있다. 또한, P1∼P7의 부호는, 각각, 실시예1∼실시예7에 대응시키고 있다. 또한, 도 11은 앞서 도 3에 도시한 조성 범위를 합쳐 나타내고 있다.
도 11을 참조하면, 상술한 바와 같이, 실시예1∼실시예5 및 실시예7은, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고 또한 저보자력이다. 따라서, 도 11에 도시한 바와 같이, 점 P1(30, 30, 40), 점 P3(30, 20, 50), 점 P7(50, 10, 40), 점 P5(50, 20, 30), 점 P2(40, 30, 30), 및 점 P1을 이 순서로 직선으로 연결한 영역 P1P3P7P5P2P1의 범위 내의 조성에서는, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고 또한 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 포함한 자유 자화층은 저보자력이다.
또한, 본원 발명자 등의 지견에 따르면, CoNiFe의 bcc 구조와 fcc 구조의 경계선 QR을 따른 방향에는 보자력이 거의 변화되지 않는다. 이 점을 고려하면, 경계선과 거의 평행으로 실시예6의 점 P6(40, 10, 50)을 범위 밖으로 하는 점 E(10, 27.5, 62.5)와 점 F(50, 5, 45)를 연결한 직선으로부터, 고Ni 함유량이며 또한 저Fe 함유량측에서는, 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 포함한 자유 자화층이 저보자력인 것이 충분히 추찰된다. 즉, 도 11에 도시한 점 A(10, 55, 35), 점 E(10, 27.5, 62.5), 점 F(50, 5, 45), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5), 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역 AEFCDA의 범위 내의 조성은, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고 또한 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 포함한 자유 자화층은 저보자력이다. 따라서, 이 범위 내의 조성의 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층을 이용함으로써, 자기 저항 효과 소자는, 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고 또한 감도가 양호하게 된다.
(제2 실시 형태)
도 12는 본 발명의 실시의 제2 실시 형태에 따른 자기 기억 장치의 주요부를 도시하는 평면도이다. 도 12를 참조하면, 자기 기억 장치(90)는 대략 하우징(91)으로 이루어진다. 하우징(91) 내에는, 스핀들(도시 생략)에 의해 구동되는 허브(92), 허브(92)에 고정되어 회전되는 자기 기록 매체(93), 액튜에이터 유닛(94), 액튜에이터 유닛(94)에 부착되어 자기 기록 매체(93)의 반경 방향으로 이동되는 아암(95) 및 서스펜션(96), 서스펜션(96)에 지지된 자기 헤드(98)가 설치되어 있다.
자기 기록 매체(93)는 면내 자기 기록 방식 혹은 수직 자기 기록 방식 중 어느 것의 자기 기록 매체이어도 되고, 경사 이방성을 갖는 기록 매체이어도 된다. 자기 기록 매체(93)는 자기 디스크에 한정되지 않고, 자기 테이프이어도 된다.
자기 헤드(98)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 세라믹 기판 위에 형성된 자기 저항 효과 소자와, 그 위에 형성된 유도형 기록 소자로 구성된다. 유도형 기록 소자는 면내 기록용의 링형의 기록 소자이어도 되고, 수직 자기 기록용의 단자극형의 기록 소자이어도 되며, 다른 공지의 기록 소자이어도 된다. 자기 저항 효과 소자는, 제1 실시 형태의 제1 예∼제7 예 중 어느 하나의 GMR막을 구비한다. 따라서, 자기 저항 효과 소자는 자기 저항 변화량 ΔRA가 크고, 감도가 높다. 따라서, 자기 기억 장치는 S/N비가 양호하여 고기록 밀도화가 가능하다. 또한, 본 실시 형태에 따른 자기 기억 장치(90)의 기본 구성은, 도 12에 도시한 것에 한정되는 것은 아니다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상술하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위 내에서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
또한, 이상의 설명에 관하여 또한 이하의 부기를 개시한다.
(부기 1)
고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되고,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 2)
고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 자유 자화 적층체는, 2개의 강자성 적층체와, 그 강자성 적층체 사이에 끼워진 다른 비자성 결합층을 갖고, 그 2개의 강자성 적층체가 상호 강자성적으로 교환 결합하여 이루어지며,
상기 2개의 강자성 적층체의 각각이, 제1 계면 자성층, 자유 자화층 및 제2 계면 자성층으로 이루어지고,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 3)
고정 자화층과, 제1 비자성층과, 다른 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 다른 자유 자화 적층체는, 제1 계면 자성층과, 다른 강자성 적층체와, 제2 계면 자성층을 갖고, 그 다른 강자성 적층체가 자유 자화층과 강자성 접합층을 교대로 적층하여 이루어지며,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 4)
상기 강자성 접합층이 Co, Ni, Fe, 및 이들 합금으로 이루어지는 군 중 적어도 1종을 포함하는 강자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 3에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 5)
상기 강자성 접합층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 4에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 6)
상기 고정 자화층은, 제1 고정 자화층, 비자성 결합층, 및 제2 고정 자화층으로 이루어지며, 그 제1 고정 자화층과 제2 고정 자화층이 반강자성적으로 교환 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 1∼5 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 7)
상기 제2 비자성층 상에 다른 고정 자화층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부기 1∼6 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 8)
상기 다른 고정 자화층은, 다른 제1 고정 자화층, 다른 비자성 결합층, 및 다른 제2 고정 자화층으로 이루어지며, 그 다른 제1 고정 자화층과 다른 제2 고정 자화층이 반강자성적으로 교환 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 1∼7 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 9)
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 막 두께는, 0.5㎚ 이상이며 또한 2.0㎚ 이하의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 부기 1∼8 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 10)
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 실질적으로 CoNiFe만으로 이루어지며,
상기 CoNiFe가, 삼원계의 상태도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Ni 함유량, Fe 함유량)으로서 나타내면, 점 A(10, 55, 35), 점 B(10, 5, 85), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5)로 하여, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역 ABCDA의 범위 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 부기 1∼9 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자(단, 조성값은 원자%로 나타냄).
(부기 11)
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 실질적으로 CoNiFe만으로 이루어지며,
상기 CoNiFe가, 삼원계의 상태도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Ni 함유량, Fe 함유량)으로서 나타내면, 점 A(10, 55, 35), 점 E(10, 27.5, 62.5), 점 F(50, 5, 45), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5)로 하여, 점 A, 점 E, 점 F, 점 C, 점 D, 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역 AEFCDA의 범위 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 부기 1∼10 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자(단, 조성값은 원자%로 나타냄).
(부기 12)
상기 자유 자화층은, Co, Fe, 및 Ni로 이루어지는 군 중 적어도 1종을 포함하는 강자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 1∼11 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 13)
상기 자유 자화층은, NiFe를 주성분으로 하는 강자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 12에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 14)
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 대략 동일한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 부기 1∼13 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 15)
반강자성층과, 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층을 적층하여 이루어지는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되고,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 16)
반강자성층과, 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층과, 다른 고정 자화층과, 다른 반강자성층을 적층하여 이루어지는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되고,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 17)
반강자성층과, 제1 고정 자화층과, 비자성 결합층과, 제2 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층과, 다른 제2 고정 자화층과, 다른 비자성 결합층과, 다른 제1 고정 자화층과, 다른 반강자성층을 적층하여 이루어지는 CPP형의 자기 저항 효과 소자로서,
상기 제1 고정 자화층과 제2 고정 자화층이 반강자성적으로 교환 결합하여 이루어짐과 함께, 상기 다른 제1 고정 자화층과 다른 제2 고정 자화층이 반강자성적으로 교환 결합하여 이루어지고,
상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되며,
상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 18)
부기 1∼17 중, 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자와, 기록 소자를 구비하는 자기 헤드.
(부기 19)
부기 18에 기재된 자기 헤드와, 자기 기록 매체를 구비하는 자기 기억 장치.
본 발명에 따르면, 단위 면적당의 자기 저항 변화량이 크고, 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화층과, 제2 비자성층을 구비하는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 자기 저항 효과 소자로서,
    상기 자유 자화층은, 그 제1 비자성층측에 제1 계면 자성층과, 그 제2 비자성층측에 제2 계면 자성층이 형성되고,
    상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 자기 저항 효과 소자로서,
    상기 자유 자화 적층체는, 2개의 강자성 적층체와, 그 강자성 적층체 사이에 끼워진 다른 비자성 결합층을 갖고, 그 2개의 강자성 적층체가 상호 강자성적으로 교환 결합하여 이루어지며,
    상기 2개의 강자성 적층체의 각각이, 제1 계면 자성층, 자유 자화층 및 제2 계면 자성층으로 이루어지고,
    상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  3. 고정 자화층과, 제1 비자성층과, 자유 자화 적층체와, 제2 비자성층을 구비하는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 자기 저항 효과 소자로서,
    상기 자유 자화 적층체는, 제1 계면 자성층과, 강자성 적층체와, 제2 계면 자성층을 갖고, 그 강자성 적층체가 자유 자화층과 강자성 접합층을 교대로 적층하여 이루어지며,
    상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층이 CoNiFe를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 자화층은, 제1 고정 자화층, 비자성 결합층, 및 제2 고정 자화층으로 이루어지며, 그 제1 고정 자화층과 제2 고정 자화층이 반강자성적으로 교환 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 비자성층 상에 다른 고정 자화층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층의 막 두께는, 0.5㎚ 이상이며 또한 2.0㎚ 이하의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 계면 자성층 및 제2 계면 자성층은 CoNiFe만으로 이루어지며,
    상기 CoNiFe가, 삼원계의 상태도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Ni 함유량, Fe 함유량)으로서 나타내면, 점 A(10, 55, 35), 점 B(10, 5, 85), 점 C(80, 5, 15), 점 D(80, 15, 5)로 하여, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 및 점 A를 이 순서로 직선으로 연결한 영역 ABCDA의 범위 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자(단, 조성값은 원자%로 나타냄).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자유 자화층은, Co, Fe, 및 Ni로 이루어지는 군 중 적어도 1종을 포함하는 강자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 자유 자화 적층체는, Co, Fe, 및 Ni로 이루어지는 군 중 적어도 1종을 포함하는 강자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 자기 저항 효과 소자와 기록 소자를 구비하고, 상기 기록 소자는, 링형 또는 단자극형의 기록 소자로 이루어진 자기 헤드.
  11. 제10항의 자기 헤드와 자기 기록 매체를 구비하는 자기 기억 장치.
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