KR100769501B1 - Ｃｐｐ 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, 자기 헤드, 자기 기억 장치 - Google Patents

Ｃｐｐ 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, 자기 헤드, 자기 기억 장치 Download PDF

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Abstract

CPP 자기 저항 효과 소자에 있어서, 고정 자화층(28)의 자화를 고정하는 반강자성층(26)을 Pd, Pt, Ni, Ir 및 Rh로 이루어지는 군 중 적어도 1 종의 원소와 Mn과의 합금으로 형성하고, 반강자성층의 300 K에서의 비저항을 10 μΩ·cm 내지 150 μΩ·cm의 범위로 한다. 반강자성층의 재료는 Pd, Pt, Ni 및 Ir 중 적어도 1 종의 원소와 Mn과의 합금은 Mn 함유량이 45 원자% 내지 52 원자%의 범위, MnRh 합금은 Rh 함유량이 15 원자% 내지 30 원자%의 범위, 또는 MnIr 합금은 20 원자% 내지 35 원자%의 범위로 설정하더라도 좋다. 기생 저항분의 저항치를 저감하여 저항 변화율을 향상시키고, 고감도로 고밀도 기록에 적합한 CPP 자기 저항 효과 소자를 제공한다.

Description

ＣＰＰ 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, 자기 헤드, 자기 기억 장치{CPP MAGNETORESISTANCE ELEMENT, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, MAGNETIC HEAD AND MAGNETIC STORAGE}
본 발명은 자기 센서, 예컨대 자기 기억 장치에서 정보를 재생하기 위한 자기 저항 효과 소자에 관한 것이며, 특히 이른바 스핀 밸브막이나 자기 터널 접합막을 이용하여 적층 방향으로 감지 전류를 흐르게 하는 CPP(Current Perpendicular to Plane) 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자에 관한 것이다.
인터넷 등의 정보 통신망의 급속한 보급에 따라, 기억 장치의 대용량화에 대한 필요성이 급속히 높아짐에 따라, 대용량 기억 장치, 예컨대 하드디스크 장치에서는 기록 밀도의 향상이 현저하고, 연율 60 내지 100 %의 신장을 기록하고 있다. 최근 기술적 진보의 하나로서, 자기 헤드의 재생용 자기 감지 소자(magnetic sensing element)로서 고감도인 스핀 밸브 자기 저항 효과 소자가 개발된 것을 들 수 있다.
지금까지의 스핀 밸브 자기 저항 효과 소자는 CIP(Current In-Plane) 구조, 즉 자기 기록 매체로부터 누설되는 자장에 따라서 자화의 방향이 변화되는 자유 자화층과 비자성층을 사이에 두고 형성된 고정 자화층으로 이루어지는 스핀 밸브막의 막 면내 방향으로 감지 전류를 흐르게 하는 구조를 갖고 있다. 자유 자화층 및 고정 자화층의 자화가 이루는 각도에 대응하여 전자의 산란이 변화되고, 그 결과 스핀 밸브막의 저항치가 변화된다. 현시점에서 CIP 구조의 스핀 밸브 자기 저항 효과 소자에서는 저항 변화율[= 저항치의 변화분/스핀 밸브 자기 저항 효과 소자의 모든 저항치]이 약 5 %, 기록 밀도는 약 50 Gbit/in2이 달성되고 있다.
그러나, 차세대의 100 Gbit/in2 대의 기록 밀도 달성을 위해서는 트랙 밀도 및 선 기록 밀도를 향상시킬 필요가 있다. CIP 구조의 스핀 밸브 자기 저항 효과 소자에서는, 트랙 밀도를 향상시키기 위해 코어 폭을 협소화하면 코어 폭에 비례하여 재생 출력이 저하된다. 또한, 선 기록 밀도를 향상시키기 위해 리드 갭 길이를 저감하기 위해서는 리드 갭을 구성하는 스핀 밸브 자기 저항 효과 소자와 상하로 형성된 절연막을 박막화해야 하지만, 절연막을 박막화하면 누설되기 쉬워지고, 충분한 감지 전류를 흘리지 않게 되기 때문에, 재생 출력이 저하되어 버린다고 하는 장해가 생긴다.
그래서, 스핀 밸브막의 막면에 수직으로 감지 전류를 흘리는 CPP(Current Perpendicular to Plane) 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자는 상기한 기록 밀도 향상에 대응한 장해를 방지할 수 있기 때문에, 활발한 검토가 진행되고 있다. CPP 구조의 자기 저항 효과 소자에서는, 저항 변화율을 증가시켜 출력을 향상시키는 것이 가장 중요한 테마로 되어 있다.
이러한 테마에 대하여, 소자의 단면적이 작아짐에 따라서 저항 변화가 커진 다고 하는 특징을 이용하여 소자 치수의 미소화의 검토가 진행되고 있다. 또한, 저항치의 변화분을 증가시키는 시도로서는, 스핀 밸브막을 이중으로 형성하여 2 배의 저항치의 변화분을 얻는 구조나, 자유 자화층을 구성하는 강자성층에 극박의 Cu막이 삽입되는 구조가 제안되고 있다.
그러나, 상기한 구조로는, 예컨대 스핀 밸브막이 1 개인 경우, 도 1에 도시한 바와 같이, CPP 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율(= ΔRA/RAT0TAL)은 약 1 %에 머물고 있다. 또한, 여기서 RA는 비저항으로 막 두께를 곱한 것으로 단위 단면적 당의 저항치를 나타내고, RATOTAL은 자기 저항 효과 소자의 전 저항치, ΔRA는 스핀 밸브막의 저항치의 변화분을 나타내고 있다. 전 저항치 RATOTAL은 스핀 밸브막의 저항치 외에 버퍼층, 반강자성층 및 캡층의 저항치의 합이며, 특히 반강자성층은 비저항이 200 μΩ·cm로 크면서 막 두께가 15 nm로 두껍기 때문에, 전저항치 RATOTAL에 대하여 58 %를 점하고 있다. 반강자성층의 저항치는 저항치의 변화분에 기여하지 않는 이른바 기생 저항이기 때문에, 반강자성층의 저항치가 증가할수록 저항 변화율을 감소시켜 버린다고 하는 문제가 있다.
[특허 문헌 1] 특허 공개 2002-176211호 공보
발명의 개시
그래서, 본 발명은 상기한 과제를 해결한 신규이면서 유용한 CPP 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, CPP 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 헤드 및 자기 기억 장치를 제공하는 것을 개괄적인 과제로 한다.
본 발명의 보다 구체적인 과제는, 기생 저항분의 저항치를 저감하여 저항 변화율을 향상시키고, 고감도로 고밀도 기록에 적합한 CPP 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, CPP 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 헤드 및 자기 기억 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일관점에 의하면, 기판과, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 갖는 CPP 자기 저항 효과 소자로서, 상기 반강자성층은 Pd, Pt, Ni, Ir 및 Rh로 이루어지는 군 중 적어도 1 종의 원소와 Mn과의 합금으로 이루어지고, 상기 반강자성층의 300 K에서의 비저항이 10 μΩ·cm 내지 150 μΩ·cm의 범위인 CPP 자기 저항 효과 소자가 제공된다.
본 발명에 의하면, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 적층 방향으로 감지 전류가 흐르는 CPP(Current Perpendicular to Plane) 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자의 반강자성층이 Pd, Pt, Ni, Ir 및 Rh로 이루어지는 군 중 적어도 1 종의 원소와 Mn과의 합금으로부터 선택되고, 비저항이 10 μΩ·cm 내지 150 μΩ·cm의 범위로 설정된다. 다른 층에 비해 막 두께가 두꺼워지는 반강자성층의 비저항을 저감함으로써, CPP 자기 저항 효과 소자의 저항치를 저감하여 저항 변화율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반강자성층은 CuAu-I형 규칙 격자의 결정 구조를 갖더라도 좋다. 반강자성층의 규칙도가 향상되어 원자 배치가 고도로 균일화됨으로써 비저항이 더욱 저감된다. 여기서 CuAu-I형 규칙 격자는 fct(면심 정방 격자) 구조를 가지며, 도 2에 도시한 바와 같이, ○로 나타내는 Mn 원자와, ●로 나타내는 Pd, Pt, Ni 또는 Ir 원자 중 어느 한쪽이 예컨대, 면심 위치에도 격자점을 가지고 (O01)면을 점하고, 다른 쪽의 원자가 마찬가지로 (002)면을 점하는 구성으로 되어 있다. 그리고 Mn 원자의 자화는 화살표로 도시한 바와 같이 면심 위치의 Mn 원자의 자화가 반 평행하게 향하는 구성으로 되어 있다.
상기 반강자성층은 Pd, Pt, Ni 및 Ir로 이루어지는 군 중 적어도 1 종의 원소와 Mn과의 합금으로 이루어지고, 상기 반강자성층의 Mn 함유량이 45 원자% 내지 52 원자%의 범위라도 좋다. CuAu-I형 규칙 격자를 갖는 Mn기 합금은 Mn 함유량이 45 원자% 내지 52 원자%의 범위에서 가장 비저항을 낮게 할 수 있다.
상기 반강자성층은 MnRh로 이루어지고, Rh 함유량이 15 원자% 내지 30 원자%의 범위라도 좋다. MnRh 합금은 이 범위에서 낮은 비저항을 나타내기 때문에, 낮은 저항화를 도모할 수 있다. MnRh 합금은 Mn3Rh, 즉 Rh 함유량이 25 원자%의 조성을 중심으로 하여 15 원자% 내지 30 원자% Rh의 조성으로 CuAu-II형 규칙 격자를 갖는 규칙 합금을 형성한다. CuAu-II형 규칙 격자는 fcc(면심 입방 격자) 구조를 가지며, 도 3에 도시한 바와 같이 ○: Mn, ●: Rh로 나타내는 이원계 합금을 이루는 원자가, 서로 면심 위치를 점하는 구성으로 되어 있다. 그리고 Mn 원자의 자화는 (111)면 내에 있는 Rh 함유량이 15 원자% 내지 30 원자%의 범위에서 규칙화가 진행되고 원자 배치가 고도로 균일화됨으로써 비저항이 저감된다.
상기 반강자성층은 MnIr로 이루어지고, Ir 함유량이 20 원자% 내지 35 원자%의 범위라도 좋다. MnIr 합금은 이 범위에서도 낮은 비저항을 나타내기 때문에, 낮은 저항화를 도모할 수 있다. MnIr 합금은 Mn3Ir, 즉 Ir 함유량이 25 원자%를 중심으로 하는 조성으로 규칙 합금을 형성하기 때문에, 규칙화가 진행하여 원자 배치가 고도로 균일화됨으로써 비저항이 저감된다.
상기 반강자성층과 고정 자화층 사이에 다른 반강자성층을 더 포함하며, 상기 다른 반강자성층은 상기 반강자성층과 동일한 재료로 이루어지는 동시에, 비저항이 상기 반강자성층의 비저항보다 높은 구성으로 하여도 좋다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 상기 어느 하나의 CPP 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 헤드 및 그 자기 헤드와 자기 기록 매체를 구비한 자기 기억 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 상기 어느 하나에 CPP 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율이 높기 때문에, 고감도로 고밀도 기록이 가능한 자기 헤드 및 자기 기억 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 관점에 의하면, 기판과, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 갖는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법으로서, 상기 기판상에 반강자성층을 형성하는 공정과 상기 반강자성층상에 고정 자화층을 형성하는 공정 사이에, 상기 반강자성층을 가열하여 규칙화시키는 규칙화 열처리 공정을 구비한 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 반강자성층을 형성하고, 반강자성층상에 고정 자화층을 형성하기 전에 가열 처리하여 반강자성층을 구성하는 원자의 균일화, 규칙화를 도모한다. 따라서, 반강자성층의 규칙도가 향상되고, 그 규칙성에 기인하면 추찰되는 비저항의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 규칙화 열처리 후에 형성되는 고정 자화층/비자성 중간층/자유 자화층으로 이루어지는 접합부가 규칙화 열처리에 의한 열의 영향을 받는 경우가 없기 때문에, 인가되는 자장에 대응하여 변화되는 저항 변화분이 열화되는 등의 문제가 없다. 그 결과, 모든 저항이 저감되고, 저항 변화분이 일정하기 때문에 저항 변화율을 향상시킬 수 있다.
상기 규칙화 열처리 공정과 고정 자화층을 형성하는 공정 사이에, 상기 반강자성층의 표면을 에칭하는 공정을 더 포함하더라도 좋다. 규칙화 열처리에 의해 반강자성층 표면이 산화 등의 변화를 일으킬 우려가 있고, 반강자성층 표면을 에칭함으로써 활성화되며, 그 위에 형성하는 고정 자화층과의 결정 정합성을 높이고, 고정 자화층의 초기 성장층의 결정성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 반강자성층이 고정 자화층에 미치는 상호 교환 작용에 의해, 고정 자화층의 자화를 충분히 고정할 수 있다.
상기 에칭 공정 후에, 상기 반강자성층상에 상기 반강자성층과 동일한 재료를 이용하여 다른 반강자성층을 형성하더라도 좋다. 반강자성층과 동일한 재료의 다른 반강자성층을 형성함으로써, 반강자성층과 다른 반강자성층 및 다른 반강자성층과 고정 자화층과의 결정 정합성이 향상되고, 반강자성층이 고정 자화층에 미치는 상호 교환 작용을 한층 더 높일 수 있다.
도 1은 종래의 CPP 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자의 비저항 및 저항 변화율을 도시한 도면.
도 2는 CuAu-I형 규칙 격자의 결정 구조를 도시한 도면.
도 3은 CuAu-II형 규칙 격자의 결정 구조를 도시한 도면.
도 4는 복합형 자기 헤드의 매체 대향면의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막을 도시한 도면.
도 6은 Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 특성을 도시한 도면.
도 7은 MnPt 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 8은 300 K에서의 MnPt 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 MnPd 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 10은 300 K에서의 MnPd 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면.
도 11a 및 도 11b는 MnNi 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 12는 300 K에서의 MnNi 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면.
도 13은 MnIr 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 14는 300 K에서의 MnIr 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면.
도 15는 Rh량이 25 원자% 부근의 MnRh 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 16은 300 K에서의 MnRh 합금 및 MnIr 합금(Rh량, Ir량: 25 원자% 부근)의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면.
도 17은 Ir량이 25 원자% 부근의 MnIr 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면.
도 18의 a 내지 f는 300 K에서의 Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 조성과 비저항의 관계를 수치에 의해 도시한 도면.
도 19는 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제1 제조 공정을 도시한 도면.
도 20은 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제2 제조 공정을 도시한 도면.
도 21은 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제3 제조 공정을 도시한 도면.
도 22는 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제4 제조 공정을 도시한 도면.
도 23은 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제5 제조 공정을 도시한 도면.
도 24는 제1 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제6 제조 공정을 도시한 도면.
도 25는 제1 실시예의 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막을 도시한 도면.
도 26은 제1 실시예의 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제조 공정의 제 1 일부를 도시한 도면.
도 27은 제1 실시예의 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제조 공정의 제 2 일부를 도시한 도면.
도 28은 본 발명의 제2 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막을 도시한 도면.
도 29는 본발명의 제3 실시예에 관한 자기 기억 장치의 주요부를 도시한 단면도.
도 30은 도 29에 도시한 자기 기억 장치의 주요부를 도시한 평면도.
부호의 설명
10, 67 : 복합형 자기 헤드
11, 67A : 유도형 기록 소자
12, 67B : 자기 저항 효과 소자
20, 40 : GMR막
25 : 기초층
26 : 반강자성층, 제1 반강자성층
28 : 고정 자화층
29 : 비자성 중간층
30 : 자유 자화층
31 : 보호층
33 : 성막된 상태의 반강자성층
41 : 제2 반강자성층
50 : TMR막
51 : 비자성 절연층
60 : 자기 기억 장치
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
도 4는 복합형 자기 헤드를 기록 및 재생하는 유도형 기록 소자 및 자기 저항 효과 소자의 매체 대향면의 구조를 도시한 도면이다. 도 4 중, 매체의 회전 방향은 화살표(X)로 나타내는 방향이다.
도 4를 참조하면, 복합형 자기 헤드(10)는 자기 저항 효과 소자(12)가 헤드 슬라이더의 기체가 되는 Al2O3-TiC(알틱)으로 이루어지는 평탄한 세라믹 기판(15)상에 형성되어, 알루미나막을 통해 유도형 기록 소자(11)가 형성된 구성으로 되어 있고, 이들 알루미나 등의 절연체에 의해 덮여있다.
복합형 자기 헤드(10)는 매체의 회전 방향의 하류측에 위치하는 기록을 행하는 유도형 기록 소자(11)와, 상류측에 위치하는 CPP형 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자(12)에 의해 구성되어 있다. 복합형 자기 헤드(10)는 유도형 기록 소자(11)의 상부 자극(13A)과 하부 자극(13B) 사이로부터 누설되는 자장에 의해 대향하는 자기 기록 매체(도시 생략)에 정보가 기록되고, 자기 기록 매체에 기록된 정보에 대응하 는 누설하는 자장을, 자기 저항 효과 소자(12)가 저항 변화로서 검지한다.
유도형 기록 소자(11)는 매체 대향면에 자기 기록 매체의 트랙 폭에 상당하는 폭을 갖는 상부 자극(13A)과, 기록 갭층(14)을 사이에 두고 대향하는 하부 자극(13B)과, 상부 자극(13A)과 하부 자극(13B)을 접속하는 요크(도시 생략)와, 요크를 권회하는 코일(도시 생략) 등에 의해 이루어진다. 상부 자극(13A), 하부 자극(13B) 및 요크는 연자성 재료로 구성되고, 기록 자계를 확보하기 위해 포화 자속 밀도의 큰 재료, 예컨대 Ni80Fe20, CoZrNb, FeN, FeSiN, FeCo 합금 등이 이용된다.
자기 저항 효과 소자(12)는 세라믹 기판(15) 표면에 형성된 알루미나막(16)상에 하부 전극(18), GMR막(20) 및 알루미나막(19)에 의해 협착되어 이루어지는 상부 전극(21)이 순차 적층된 구성으로 되어 있고, GMR막(20)의 양측에는 약 10 nm 이하의 막 두께의 절연막(23)을 통해 자구 제어막(22)이 형성되어 있다. 저항 변화를 검지하는 감지 전류는 예컨대 상부 전극(21)으로부터 GMR막(20)을 통하여 하부 전극(18)에 흐른다. GMR막(20)의 양측에는 자구 제어막(22)이 배치된다. GMR막(20)을 구성하는 연자성층인 고정 자화층, 자유 자화층(도 5에 도시)의 단자구화를 도모하고, 바크하우젠 노이즈(Barkhausen Noise)의 발생을 방지한다. 또한, 하부 전극(18) 및 상부 전극(21)은 감지 전류의 유로로서의 기능에 추가하여 자기 차폐로서의 기능도 겸하기 때문에, 연자성 합금, 예컨대 NiFe, CoFe 등에 의해 구성된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면 GMR막(20)은 싱글즈 핀 밸브 구조를 가지며, 기 초층(25), 반강자성층(26), 고정 자화층(28), 비자성 중간층(29), 자유 자화층(30), 보호층(31)이 순차 적층된 구조로 되어 있다.
기초층(25)은 도 4에 도시하는 하부 전극(18)상에 스퍼터법 등에 의해 형성되고, 예컨대 두께 5 nm의 Ta막 및 두께 5 nm의 NiFe막이 이 순서대로 형성된다. NiFe막은 Fe의 함유량이 17 원자% 내지 25 원자%의 범위 내인 것이 바람직하다. NiFe막의 결정 성장 방향인 (111)결정면 및 그에 등가인 결정면의 표면에 형성되는 반강자성층(26)이 에피텍셜 성장하기 쉽게 할 수 있다.
반강자성층(26)은 나중에 자세히 설명하겠지만, 기초층(25)의 표면에 스퍼터법, 증착법, CVD법 등에 의해 형성되고, 예컨대 두께 5 nm 내지 30 nm(바람직하게는 10 nm 내지 20 nm)의 Mn-TM 합금(TM = Pt, Pd, Ni 및 Ir 중 적어도 1 종) 또는 MnRh 합금에 의해 구성된다. 이들 합금은 스퍼터법 등에 의해 성막된 후, 종래부터 고온으로 장시간 열처리(이하, 「규칙화 열처리」라고 칭한다), 예컨대 800 ℃에서 3 일간 열처리함으로써, 규칙 합금화하여 반강자성이 출현하는 동시에 비저항을 현저히 저감할 수 있고, 예컨대 150 μΩ cm 이하로 할 수 있다.
또한, 반강자성층(26)은 규칙화 열처리하여 보호층(31)까지 형성한 후, 자장을 인가하면서 규칙화 열처리의 온도보다 낮은 열처리 온도(예컨대 260 ℃)로의 가열 처리에 의해 일축 이방성을 유도하고, 그 위에 형성되는 고정 자화층(28)과의 상호 교환 작용에 의해 고정 자화층(28)의 자화 방향을 고정시킬 수 있다.
고정 자화층(28)은 두께 1 내지 30 nm의 Co, Fe, Ni 및 이들 원소를 함유하 는 연자성 강자성 재료, 예컨대 Ni80Fe20, Co90Fe10 등의 재료를 이용할 수 있다. 또는 이들 적층체에 의해 구성되더라도 좋다. 고정 자화층(28)은 기초층에 설치되는 반강자성층(26)의 상호 교환 작용에 의해 자화 방향이 고정된다.
비자성 중간층(29)은 스퍼터법에 의해 형성된 두께 1.5 nm 내지 4.0 nm의 도전성 재료로 구성되고, 예컨대 Cu막, Al막에 의해 구성되어 있다.
자유 자화층(30)은 비자성 중간층(29)의 표면에 스퍼터법 등에 의해 형성되고, 두께가 1 nm 내지 30 nm의 Co, Fe, Ni 및 이들 원소를 함유하는 연자성 강자성 재료, 예컨대 Ni80Fe20, Co90Fe10, Co78Fe20B2 등, 또는 이들 막의 적층체에 의해 구성된다. 자유 자화층(30)의 자화는 면 내 방향을 향해 있고, 자기 기록 매체로부터 누설되는 자장의 방향을 따라 자화 방향이 변한다. 그 결과, 자유 자화층(30)의 자화와 고정 자화층(28)의 자화가 이루는 각에 대응하여 고정 자화층(28)/비자성 중간층(29)/자유 자화층(30)의 적층체의 저항치가 변화된다.
보호층(31)은 자유 자화층(30)의 표면에 스퍼터법 등에 의해 형성되고, 예컨대 각각 두께 약 5 nm의 Ta층과 Ru층 또는 Cu층과 Ru층이 순차 적층된 구성으로 되어 있다. 구체적으로는, 보호층(31)은 Cu층이 두께 1 nm 내지 5 nm이다. Cu층은 GMR막(20)의 열처리시에 자유 자화층(30)의 산화를 방지하는 동시에, 상기 자유 자화층(30)과 자성/비자성 계면을 형성하여 저항 변화율을 향상시키는 작용도 갖는다. 또한, Ru층은 두께가 5 nm 내지 30 nm이며, 비자성금속 예컨대 Au, Al, W 등이라도 좋다. 반강자성층이 열처리될 때에 GMR막(20)이 산화되는 것을 방지할 수 있 다. 이상에 의해 GMR막(20)이 구성된다.
이하, 반강자성층(26)을 자세히 설명한다. 반강자성층(26)은 Mn-TM 합금(TM = Pt, Pd, Ni 및 Ir 중 적어도 1 종) 또는 MnRh 합금에 의해 구성된다. 이들 중, Mn-TM 합금(TM = Pt, Pd, Ni 및 Ir 중 적어도 1 종)은 TM 합금량이 50 원자% 부근에서, 또한 MnRh 및 MnIr는 Rh량 및 Ir량이 25 원자% 부근에서, 후술하는 열처리 조건에 의해 비저항이 현저히 저하되는 것을 본원 발명자는 발견한 것이다. Mn-TM 합금은 평형 상태에서는 50 원자% Mn-50 원자% TM의 조성에서 CuAu-I형 규칙 격자의 결정 구조를 형성하고, 또한 MnRh 합금 및 MnIr 합금은 75 원자% Mn-25 원자% Rh 또는 Ir의 조성에서 CuAu-II형 등의 규칙 격자의 결정 구조를 형성하는 것이 알려져 있으며, 규칙 격자를 형성함으로써, 종래의 반강자성층에서는 저감할 수 없는 비저항치를 나타내는 반강자성층을 형성할 수 있었던 것이다.
도 6은 Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 특성을 도시한 도면이다. 또한, 도 6 내지 도 17에 도시하는 각 합금의 특성은 각 합금의 다결정 잉곳(치수 3 mm × 3 mm × 10 mm)을 석영 유리관에 진공 밀봉(진공도 10-4 Pa 내지 10-3 Pa)하고, 800 ℃에서 3 일간의 규칙화 가열 처리한 것이다. 또한, 강온은 로 안에서 자연 냉각하였다. 또한, 본 명세서 중의 비저항의 측정은 진공 장치 내에서 진공도 10-4 Pa 내지 10-3 Pa의 진공 중에서 사단자법을 이용하여 행하고, 실온으로부터 1100 K까지 승온할 때, 및 강온할 때의 비저항치의 변화를 측정하였다. 또한, MnPd 합금 및 MnNi 합금에 관해서는 4.2 K까지의 온도로 측정하였다.
도 6을 참조하면, Mn-TM 합금은 비저항이 300 K에서 50 원자% Mn-50 원자% TM의 조성 부근에서 극소치를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 비저항의 극소치는 TM의 원소에 따라 다르지만, 22 μΩ·cm 내지 60μΩ·cm인 것을 알 수 있다. 또한, 50 원자% Mn-50 원자% TM 부근의 조성으로는 비저항이 현저히 감소하고 있기 때문에, 조성을 엄밀히 선택함으로써, 비저항을 10 μΩ·cm까지 저감할 수 있다고 생각된다.
MnRh 합금 및 MnIr 합금은 75 원자% Mn-25 원자% Rh 또는 Ir의 조성에서 극소치를 도시하는 것을 알 수 있다. 비저항의 극소치는 MnRh 합금이 58 μΩ·cm 및 MnIr 합금이 40 μΩ·cm인 것을 알 수 있다.
또한, Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 네일 온도에 관해서는 모두 실제 사용 온도보다 훨씬 고온이기 때문에, 실제 사용시에 안정적으로 고정 자화층에 상호 교환 작용을 미칠 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 17를 참조하면서, Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 각 합금에 관해서 자세히 설명한다. 또한, 비저항의 온도 변화 그래프는 승온 및 강온될 때의 비저항을 도시하고, 화살표는 각 조성의 네일 온도(TN)를 나타내고 있다. 여기서 네일 온도(TN)는 비저항의 온도 변화로부터 CuAu-I형 합금의 경우에는 비저항의 온도 미분치가 최소로 되는 온도, CuAu-II형 합금의 경우에는 비저항의 온도 경사가 갑자기 변화되는 온도로 하였다.
도 7은 MnPt 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 도 8은 300 K에 서의 MnPt 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면이다. 도 7 및 도 8 중 MnPt 합금의 Pt량을 40.7 원자% 내지 56.1 원자%의 범위에서 조성을 바꾼 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, MnPt 합금의 비저항은 극소치 22 μΩ·cm를 도시하고, 종래의 반강자성층의 비저항 200 μΩ·cm과 비교하여, 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 규칙화 가열 처리된 MnPt 합금을 1100 K까지 승온시키더라도, 강온시와 승온시의 비저항 그래프가 겹쳐져 있다. 즉, 열 안정성에 우수하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 규칙화 가열 처리 후에 265 ℃(538 K) 정도의 자장 중 가열 처리를 행하더라도, 낮은 비저항의 특성이 변화되지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 300 K에서의 MnPt 합금의 비저항이 150 μΩ·cm 이하로 되는 조성 범위는 Pt량이 46.7 원자% 내지 56.4 원자%이며, 75 μΩ·cm 이하로 되는 조성 범위는 48.7 원자% 내지 52.2 원자%인 것을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 MnPd 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 도 10은 300 K에서의 MnPd 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면이다. 도 9a, 도 9b 및 도 10 중, MnPd 합금의 Pd량을 46.7 원자% 내지 58.9 원자%의 범위에서 조성을 바꾼 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 규칙화 가열 처리를 행한 MnPd 합금의 비저항은 전술한 MnPt 합금과 마찬가지로 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 4.2 K 내지 1100 K의 승강온에 의한 비저항치의 그래프가 겹쳐져 있는 것에 의해 MnPt 합금과 같이, 열 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 300 K에서의 MnPd 합금의 비저항은 실시한 범위의 조성인 Pd량이 46.7 원자% 내지 58.9 원자%의 범위에서 모두 150 μΩ·cm 이하로 되고, 또한 Pd량을 저감하거나 또는 증가시키더라도 150 μΩ·cm 이하로 할 수 있다. 또한, 75 μΩ·cm 이하로 되는 조성 범위는 49.2 원자% 내지 58.4 원자%인 것을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 MnNi 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 도 12는 300 K에서의 MnNi 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면이다. 도 11a, 도 11b 및 도 12 중, MnNi 합금의 Ni량을 43.3 원자% 내지 54.5 원자%의 범위에서 조성을 바꾼 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 규칙화 가열 처리를 행한 MnNi 합금의 비저항은 전술한 MnPt 합금과 마찬가지로 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 4.2 K 내지 1100 K의 승강온에 의한 비저항치의 그래프가 겹쳐져 있는 것에 의해 MnPt 합금과 같이, 열 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면 300 K에서의 MnNi 합금의 비저항은 실시한 범위의 조성인 Ni량이 43.3 원자% 내지 54.5 원자%의 범위에서 모두 150 μΩ·cm 이하로 되고, 또한 Ni량을 저감하거나 또는 증가시키더라도 150 μΩ·cm 이하로 할 수 있다. 또한, 75 μΩ·cm 이하로 되는 조성 범위는 46.9 원자% 내지 53.7 원자%인 것을 알 수 있다.
도 13은 MnIr 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 도 14는 300 K에서의 MnIr 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면이다. 도 13 및 도 14 중, MnIr 합금의 Ir량을 40.2 원자% 내지 51.8 원자%의 범위에서 조성을 바꾼 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다. 도 13을 참조하면, 상기 규칙화 가열 처리한 MnIr 합금의 비저항은 전술한 MnPt 합금과 마찬가지로 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 300 K 내지 1100 K의 승강온에 의한 비저항치의 그래프가 겹쳐져 있는 것에 의해 MnPt 합금과 같이, 열 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 300 K에서의 MnIr 합금의 비저항은 실시한 범위의 조성인 Ir량이 40.2 원자% 내지 51.8 원자%의 범위에서 모두 150 μΩ·cm 이하로 되고, 또한 Ir량을 저감하거나 또는 증가시키더라도 150 μΩ·cm 이하로 되는 것을 알 수 있다. 또한, 75 μΩ·cm 이하로 되는 조성 범위는 46.5 원자% 이상이며, 실시한 51.8 원자%보다 증가하더라도 75 μΩ·cm 이하로 되는 것을 알 수 있다.
도 15는 MnRh 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 도 16은 300 K에서의 MnRh 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한 도면이다(MnIr 합금에 관해서도 합쳐서 도시한다). 도 15 및 도 16 중, MnRh 합금의 Rh량을 17 원자% 내지 30 원자%의 범위에서 조성을 바꾼 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다.
도 15를 참조하면, 상기 규칙화 가열 처리한 MnRh 합금의 비저항은 전술한 MnPt 합금과 마찬가지로 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 300 K 내지 1100 K의 승강온에 의한 비저항치의 그래프가 겹쳐져 있는 것에 의해 MnPt 합금과 같이, 열 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 300 K에서의 MnRh 합금의 비저항은 실시한 범위의 조성인 Rh량이 17 원자% 내지 30 원자%의 범위에서 모두 150μΩ·cm 이하로 되고, 또한 Rh량을 17 원자% 보다 저감하거나 또는 30 원자%보다 증가시키더라도 150 μΩ·cm 이하로 할 수 있는 것을 충분히 예측할 수 있다.
도 17은 Ir량이 25 원자% 부근의 MnIr 합금의 비저항의 온도 변화를 도시한 도면이다. 또한, 도 16에 300 K에서의 MnIr 합금의 비저항과 조성의 관계를 도시한다. 도 16 및 도 17 중, MnIr 합금의 Ir량을 25 원자% 및 30 원자%, 조성의 다결정 잉곳을 준비하여 상기 규칙화 가열 처리한 것이다.
도 17을 참조하면, 상기 규칙화 가열 처리한 MnIr 합금의 비저항은 전술한 MnPt 합금과 마찬가지로 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 300 K 내지 1100 K의 승강온에 의한 비저항치의 그래프가 겹쳐져 있는 것에 의해 MnPt 합금과 같이, 열 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 300 K에서의 MnIr 합금의 비저항은 실시한 범위의 조성인 Ir량이 25 원자% 및 30 원자%와 함께 75 μΩ·cm 이하로 되고, 또한 Ir량을 25 원자%보다 저감시켜 20 원자%, 또는 30 원자%보다 증가시켜 35 원자%로서도 비저항을 75 μΩ·cm 이하 또는 150 μΩ·cm 이하로 할 수 있는 것을 충분히 예측할 수 있다.
이상 진술한 바와 같이, Mn-TM 합금 및 MnRh 합금의 각 합금의 다결정 잉곳을 규칙화 가열 처리한 것은, 낮은 비저항 및 그 열 안정성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 18의 a 내지 f는 전술한 300 K에서의 Mn-TM 합금 및 MnRh 합금 의 조성과 비저항 관계를 수치에 의해 도시한 것이다.
이하, 이들 Mn-TM 합금 및 MnRh 합금을 반강자성층으로서 규칙화 가열 처리를 적용한 본 실시예에 관한 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법에 관해서 설명한다.
도 19 내지 도 24는 본 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제조 공정을 도시한 도면이다. 자기 저항 효과 소자는 반도체 집적 장치의 앞의 공정과 거의 같은 방법에 의해 제조된다. 각 층의 형성 및 열처리에 이용하는 진공조는 기초 압력이 1×10-8 Pa보다 높은 진공으로 하는 것이 가능한 것을 사용하고, 진공 배기 장치로서, 터보 펌프 등의 높은 진공 또한 청정한 분위기를 유지할 수 있는 것을 사용한다. 또한, 성막할 때의 기판 온도는 특별히 다르지 않는 한 실온으로 설정한다.
우선, 도 19의 공정에서는 알틱의 세라믹 기판(15)상에 스퍼터법 등에 의해 알루미나막(16), 스퍼터법이나 도금법 등에 의해 NiFe막으로 이루어지는 하부 전극(18)을 순차 형성한다.
도 19의 공정에서는 하부 전극(18)상에 스퍼터법 등에 의해 Ta막(두께 5 nm), NiFe막(두께 5 nm)을 순차 적층한 기초층(25)을 추가로 형성한다. 기초층(25)은 이들 재료에 한정되지 않지만, 이 위에 형성되는 반강자성층의 결정 성장 방향 제어의 관점에서는 기초층(25) 중의 상측의 층은 NiFe막이 바람직하다.
도 19의 공정에서는 기초층(25)상에 스퍼터법, 증착법, CVD법 등에 의해 Mn-TM 합금(TM = Pt, Pd, Ni 및 Ir 중 적어도 1 종) 또는 MnRh 합금의 전술한 조성으 로 이루어지는 반강자성층(33)을 5 nm 내지 30 nm(바람직하게는 10 nm 내지 20 nm)의 두께로 추가로 형성한다. 또한, 성막한 상태에서는 각 합금을 구성하는 원자의 배열은 규칙화되어 있지 않고, 반강자성도 출현하지 않는다.
계속해서 도 20의 공정에서는 도 19의 구조체를 규칙화 열처리한다. 규칙화 열처리는 성막한 진공조로부터 높은 진공으로 유지한 상태에서 도 19의 구조체가 형성된 기판을 열처리 진공조에 반송하고, 퍼니스, RTP(Rapid Thermal Process) 등을 이용하여 행한다. 반강자성층(33)의 표면에 파티클이나 유기물의 부착을 방지하고, 규칙화 열처리 후의 에칭을 용이화한다. 열처리 진공조는 성막하는 진공조와 동등한 높은 진공을 유지할 수 있는 것을 사용한다. 또한, 성막하는 진공조 내에서 규칙 가열 처리를 행하더라도 좋다.
규칙화 열처리는 진공도 10-5 Pa 내지 10-3 Pa, 가열 온도 400 ℃ 내지 800 ℃, 처리 시간 24 시간 내지 240 시간으로 설정하여 행하고, 예컨대 진공도 10-5 Pa에서, 예컨대 800 ℃(1073 K), 72 시간 행한다. 또한, 승온 속도는 예컨대 5 ℃/분, 강온 속도는 진공조 내에서 자연 방냉으로 하였다(강온 속도는 온도에 따라 다르지만 강온 시간은 8 시간이다). 규칙화 열처리는 무 자장 중에서 행하더라도 좋고, 뒤의 공정에서 행하는 자장 중 가열 처리할 때의 자장(크기 및 방향도 마찬가지로 하여)을 인가하더라도 좋다. 이 규칙 가열 처리에 의해 반강자성층(33)을 구성하는 원자의 배열이 규칙화되는 동시에 원자가 한층 더 균일하게 분포되기 때문에, 보다 높은 규칙도를 갖게 된다. 그 결과, 성막한 상태로부터 전술한 비저항치 를 갖는 규칙화한 반강자성층(26)으로 변환된다.
도 20의 공정에서는 높은 진공으로 유지한 상태에서 성막하는 진공조로 추가로 반송하고, 반강자성층(26)의 표면을 드라이 에칭하여 최외측 표면을 활성화시킨다. 상기 규칙화 열처리에 의해 반강자성층(26)의 최외측 표면이 약간 산화 등을 하고, 이 위에 형성되는 고정 자화층과의 상호 교환 작용이 저해되는 것을 방지한다. 구체적으로는, 드라이 에칭은 Ar 이온, Xe 이온 등을 반강자성층(26)의 표면에 입사시키고, 1 내지 수 원자층을 제거한다. 이들 이온 입사 에너지는 예컨대, 50 eV 내지 300 eV의 범위인 것이 바람직하다. 반강자성층(26)에 부여하는 손상을 저감할 수 있다. 또한, 드라이 에칭은 드라이 에칭 전용의 진공조 내에서 행하더라도 좋다. 또한, 드라이 에칭은 행하지 않더라도 좋다.
계속해서 도 21의 공정에서는, 활성화된 반강자성층(26)상에 스퍼터법 등을 이용하고 고정 자화층(28)[Co90Fe10막(두께 3.0 nm)], 비자성 중간층(29)[Cu막(두께 3.0 nm)], 자유 자화층(30)[Co90 Fe10막(두께 1.5 nm)], [Ni8O Fe20막(두께 2.1 nm)], 보호층(31)[Ta막(두께 5 nm)]을 순차 적층한다.
도 21의 공정에서는 자장 중 가열 처리를 추가로 행하고, 반강자성층(26)의 일축 이방성 방향 즉 고정 자화층의 자화 방향을 설정한다. 구체적으로는, 소정의 방향으로 자양의 크기를 10 kOe 내지 20 kOe, 온도 250℃ 내지 300 ℃의 범위로 설정하여 10 시간 행한다.
계속해서 도 22의 공정에서는 도 21의 구조체의 GMR막(20)을 원하는 폭(재생 트랙 폭에 상당한다)으로 연삭한다. 구체적으로는, 레지스트막을 패터닝하여 드라이 에칭에 의해 하부 전극(18)에 도달할 때까지 연삭한다.
도 22의 공정에서는 GMR막(20)의 양측 및 하부 전극(18)의 표면에 알루미나막으로 이루어지는 절연막(23)에 의해 표면을 덮고, 계속해서, 예컨대 CoCrPt로 이루어지는 자구 제어막(22)을 형성한다. 구체적으로는, 레지스트를 패터닝하여 자구 제어막(22)이 형성되는 부분에 개구를 마련하여 스퍼터법 등에 의해 성막한다. 이 때, 자구 제어막(22)과 GMR막(20)과의 계면에 알루미나막 등의 절연층(23)을 마련한다.
계속해서 도 23의 공정에서는 도 22의 구조체의 표면을 덮는 알루미나막(19)을 형성하고, 계속해서 GMR막(20)의 위쪽의 알루미나막(19)을 두텁게 남기는 에칭을 행한다. 계속해서, 알루미나막(19)상에 레지스트막(34)을 형성하고, 패터닝하여 GMR막(20)의 위쪽에 개구부(34-1)를 형성한다. 계속해서 RIE(반응성 이온 에칭)에 의해 레지스트막(34)의 개구부(34-1)를 통하여 GMR막(20)이 노출할 때까지 연삭한다.
계속해서 도 24의 공정에서는 도 23의 레지스트막(34)을 제거하고, 도금법이나 스퍼터법에 의해 예컨대 NiFe막으로 이루어지는 상부 전극(21)을 형성한다. 이상으로부터 자기 저항 효과 소자(12)가 형성된다. 또한, 유도형 기록 소자(11)는 도 24의 구조체 위에 공지한 방법에 의해 형성된다.
또한, 도 20의 공정에서의 규칙화 열처리에서는 반강자성층(26)의 표면에, 예컨대 Ta로 이루어지는 열처리용 보호층을 마련하더라도 좋다. 반강자성층(26) 표 면의 산화 등을 방지하는 동시에, 열처리용 진공조의 진공도를 비교적 낮은 진공도로 할 수 있기 때문에 규칙화 열처리에 관한 장치 비용을 저감할 수 있다. 규칙 가열 처리 후는 열처리용 보호층을 SF6, CF4 등의 에칭 가스에 의해 드라이 에칭하여 제거한다.
본 실시예에 의하면, 반강자성층(33)을 형성하고 고정 자화층(28)을 형성하기 전에 규칙 가열 처리함으로써, 규칙화되고, 낮게 저항화된 반강자성층(26)으로 변환할 수 있다. 따라서, GMR막(20)의 전 저항치를 저감할 수 있고, 그 결과, 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 반강자성층(26)에 두께 15 nm의 50.0 원자% Mn-50.0 원자% Pt를 이용하여 800 ℃에서 3 일간의 규칙화 열처리를 행하고, 보호층(31)까지 형성 후, 자장 10 kOe, 265 ℃, 3 시간의 자장 중 가열 처리를 행함으로써, 300 K에서의 반강자성층(26)의 비저항은 22 μΩ·cm로 되고, 반강자성층 이외를 도 1에 도시하는 종래의 GMR막의 특성을 갖는다고 한 경우, 전 저항치(RATOTAL)가 24.8 mΩ·μm2로 되고, 저항 변화율은 2.4 %로 향상되어 도 1에 도시하는 종래의 GMR막의 1.1 %에 대하여 2.2 배로 할 수 있다.
다음에, 제1 실시예의 변형예에 관해서 설명한다. 본 변형예는 GMR 막(20)의 반강자성층(26)의 표면에 박층의 제2 반강자성층을 마련한 것 이외에는 제1 실시예와 동일한 구성이다.
도 25는 제1 실시예의 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막을 도시한 도면이다. 도면 중, 먼저 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 25를 참조하면, GMR막(40)은 싱글즈 핀 밸브 구조를 가지며, 기초층(25), 제1 반강자성층(26), 제2 반강자성층(41), 고정 자화층(28), 비자성 중간층(29), 자유 자화층(30), 보호층(31)이 순차 적층된 구조로 되어 있다. 또한, 이하 제1 실시예에서의 반강자성층(26)을 제1 반강자성층(26)이라 칭한다.
제2 반강자성층(41)은 제1 반강자성층(26)상에 형성되고, 1 nm 내지 5 nm의 제1 반강자성층(26)과 동일한 조성의 재료로 구성된다.
이하에, 본 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제조 방법에 관해서 설명한다.
도 26 및 도 27은 본 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자의 제조 공정의 일부를 도시한 도면이다.
우선 제1 실시예에서 설명한 도 19의 공정 및 도 20의 공정에서의 규칙화 열처리 및 에칭을 마찬가지로 행한다.
계속해서 도 26의 공정에서는 에칭되어 활성으로 된 제1 반강자성층(26)의 표면에 스퍼터법에 의해 제1 반강자성층(26)과 동일한 재료를 이용하여 1 nm 내지 5 nm의 제2 반강자성층(41)을 형성한다. 제1 반강자성층(26)상에 제2 반강자성층(41)을 에피텍셜 성장시킬 수 있기 때문에, 제2 반강자성층(41)의 결정성을 향상시킬 수 있고, 이 위에 형성되는 고정 자화층(28)과의 상호 교환 작용을 향상시킬 수 있다.
계속해서, 도 27의 공정에서는 제2 반강자성층(41)상에 제1 실시예와 마찬가 지로, 고정 자화층(28)으로부터 보호층(31)까지를 형성한다.
도 27의 공정에서는 또한 자장 중 가열 처리를 행하고, 제2 반강자성층(41)의 반강자성을 출현시키는 동시에 제1 및 제2 반강자성층(26, 41)의 일축 이방성 방향, 즉 제1 및 제2 반강자성층(26, 41)의 상호 교환 작용에 의해 고정되는 고정 자화층(28)의 자화 방향을 설정하여 고정 자화층(28)의 자화 방향을 고정한다. 구체적으로는, 소정의 방향으로 자장의 크기를 10 kOe 내지 20 kOe, 온도 250 ℃ 내지 300 ℃의 범위로 설정하여 10 시간 행한다. 또한 도 22 내지 도 24의 공정을 행하여 본 변형예에 관한 자기 저항 효과 소자가 형성된다.
본 변형예에 의하면, 에칭된 제1 반강자성층(26)상에 동일한 조성의 제2 반강자성층(41)을 형성함으로써, 제1 반강자성층(26)과 제2 반강자성층(41), 제2 반강자성층(41)과 고정 자화층(28)의 결정 정합성이 향상되고, 제1 및 제2 반강자성층(26, 41)이 미치는 고정 자화층(28)으로의 상호 교환 작용을 높일 수 있다. 또한, 제2 반강자성층(41)에 관해서는 규칙화 열처리가 실시되고 있지 않기 때문에, 비저항은 종래의 반강자성층과 유사하지만, 박층이기 때문에 저항치의 증가는 작고, 예컨대 제2 반강자성층(41)의 비저항 200 μΩ·cm, 두께 2 nm의 경우, 4 mΩ·μm2으로 작기 때문에 영향은 적다.
또한, 상기 고정 자화층(28)은 적층 페리 구조를 갖고 있더라도 좋다. 적층 페리 구조의 고정 자화층은 하측 강자성층/비자성 결합층/상측 강자성층을 순차 적층한 구성으로 되어 있다. 구체적으로는, 이들 하측 및 상측 강자성층의 자성 재료 의 조성을 유사하게 하고, 두께 1 내지 30 nm의 고정 자화층과 같은 연자성 재료를 이용할 수 있다. 비자성 결합층은 예컨대 두께 0.4 nm 내지 2.0 nm(바람직하게는 0.6 nm 내지 1.0 nm)로부터 선택되고, 예컨대 Ru, Cr, Ru 합금, Cr 합금에 의해 구성된다. 이러한 구성에 의해, 하측 강자성막은 하측에 마련되어 있는 반강자성층(26)의 상호 교환 작용에 의해 자화 방향이 고정되고, 하측 강자성막이 상측 강자성막과 반강자성적으로 결합하기 때문에, 상측 강자성막의 자화가 하측 강자성막의 자화와 반평행하게 고정된다. 적층 페리 구조로 함으로써 고정 자화층의 순 자화량을 저감할 수 있고, 고정 자화층의 자화가 자유 자화층에 자기적으로 부여하는 영향을 저감할 수 있다. 그 결과, 자유 자화층의 자화가 외부, 예컨대 자기 기록 매체로부터의 자화에 의해 정확하게 응할 수 있고, 재생 감도를 향상시킬 수 있다.
(제2 실시예)
본 발명에 의한 제2 실시예에 관한 CPP형 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자는, 제1 실시예의 GMR막을 대신하여 TMR(Ferromagnetic Tunnel Junction Magneto Resistive, 강자성 자기 터널 접합형 자기 저항)막을 이용한 것이다. 구체적으로는 제1 실시예의 GMR막의 도전성의 비자성 중간층를 대신하여 절연성의 비자성 중간층을 이용한 것이다. 절연성의 비자성 중간층을 비자성 절연층이라 칭한다.
도 28은 제2 실시예에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막을 도시한 도면이다. 또한, 먼저 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 28을 참조하면, TMR막의 구성은 도 5에 도시하는 GMR막과 대략 동일한 구 성이며, 기초층(25), 반강자성층(26), 고정 자화층(28), 비자성 절연층(51), 자유 자화층(30), 보호층(31)이 순차 적층된 구조로 되어 있다.
비자성 절연층(51)은 예컨대 스퍼터법에 의해 형성되고, 0.5 nm 내지 1.5 nm 두께의 알루미나막, 질화알루미늄막, 또는 산화탄탈막 등으로 구성되어 있다. 이들 재료를 직접 퇴적하더라도 좋고, 알루미늄막 등의 금속막을 형성하고, 그 후 자연 산화, 플라즈마 산화 또는 라디칼 산화법 또는 이들 질화법을 이용하여 변환하더라도 좋다.
반강자성층(26)은 제1 실시예의 반강자성층 또는 그 변형예인 제1 및 제2 반강자성층의 적층체로 구성되어 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 비저항이 저감되고, 그 결과 저항치가 저감되어 있다.
TMR막(50)은 고정 자화층(28)/비자성 절연층(51)/자유 자화층(30)으로 구성되는 강자성 터널 접합부의 저항치가 높기 때문에, 반강자성층(26)의 저항치가 점하는 비율이 GMR막과 비교하면 적지만, 반강자성층(26)의 저항은 기생 저항인 것은 마찬가지이며, 반강자성층(26)의 비저항을 저감함으로써 TMR막(50)의 저항 변화율을 향상시킬 수 있고, 고감도로 고밀도 기록에 적합한 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
(제3 실시예)
다음에, 본 발명의 제3 실시예에 관한 자기 기억 장치를 도시한 도 29 및 도 30과 함께 설명한다. 도 29는 자기 기억 장치의 주요부를 도시하는 단면도이다. 도 30은 도 29에 도시하는 자기 기억 장치의 주요부를 도시하는 평면도이다.
도 29 및 도 30을 참조하면, 자기 기억 장치(60)는 대략 하우징(63)으로 이루어진다. 하우징(63) 내에는 모터(64), 허브(65), 복수의 자기 기록 매체(66), 복수의 복합형 자기 헤드(67), 복수의 서스펜션(68), 복수의 아암(69) 및 액추에이터 유닛(61)이 설치되어 있다. 자기 기록 매체(66)는 모터(64)에 의해 회전되는 허브(65)에 부착되어 있다. 복합형 자기 헤드(67)는 유도형 기록 소자(67A)와 자기 저항 효과 소자(67B)(미소하기 때문에 도시 생략)로 구성된다. 각 복합형 자기 헤드(67)는 대응하는 아암(69)의 선단에 서스펜션(68)을 통해 부착되어 있다. 아암(69)은 액추에이터(61)에 의해 구동된다. 이 자기 기억 장치의 기본 구성 자체는 주지되어 있고, 그 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략한다.
자기 기억 장치(60)의 본 실시예는 자기 저항 효과 소자(67B)에 특징이 있다. 자기 저항 효과 소자(67B)는 제1 실시예, 그 변형예, 제2 실시예의 자기 저항 효과 소자가 이용되고 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 자기 저항 효과 소자는 저항 변화율이 높고, 즉 자장의 검출 감도가 높다. 따라서, 재생 능력이 높고, 정보의 1 비트에 대응하는 1 자기 반전의 자기 반전 영역으로부터 누설되는 자장이 미소해지더라도, 판독 가능하여 고밀도 기록에 적합하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 범위 내에서, 여러 가지의 변형·변경이 가능하다.
예컨대, 상기 실시예에서는 적층 페리 구조를 고정 자화층에 설치한 예에 관해서 설명하였지만, 자유 자화층에 적층 페리 구조를 설치하더라도 좋고, 또한 고 정 자화층 및 자유 자화층의 양쪽에 설치하더라도 좋다.
상기 실시예에서는 자기 기억 장치에 관해서 하드디스크 장치를 예로 설명하였지만, 본 발명은 하드디스크 장치에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명은 자기 테이프 장치, 예컨대 나선형 주사 방식(helical scanning type)의 비디오 테이프 장치에 이용되는 자기 헤드나, 자기 테이프의 폭 방향에 걸쳐 다수의 트랙이 형성된 컴퓨터용 자기 테이프에 이용되는 복합형 자기 헤드에 적용할 수 있다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명에 의하면, 반강자성층의 비저항을 저감함으로써, 기생 저항분의 저항치를 저감하여 저항 변화율을 향상시키고, 고감도로 고밀도 기록에 적합한 CPP 자기 저항 효과 소자 및 그 제조 방법, CPP 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 헤드 및 자기 기억 장치를 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판과, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 갖는 CPP 자기 저항 효과 소자로서,
    상기 반강자성층은 MnRh로 이루어지고, Rh 함유량이 15 원자% 내지 30 원자%의 범위이며,
    상기 반강자성층의 300 K에서의 비저항이 10 μΩ·cm 내지 150 μΩ·cm의 범위인 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반강자성층의 300 K에서의 비저항이 10 μΩ·cm 내지 75 μΩ·cm의 범위인 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반강자성층은 CuAu-I형 규칙 격자의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 MnRh는 CuAu-II형 규칙 격자의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반강자성층은 Rh 함유량이 23 원자% 내지 27 원자%의 범위인 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  9. 기판과, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 갖는 CPP 자기 저항 효과 소자로서,
    상기 반강자성층은 MnIr로 이루어지고, Ir 함유량이 20 원자% 내지 35 원자%의 범위이며,
    상기 반강자성층의 300 K에서의 비저항이 10 μΩ·cm 내지 150 μΩ·cm의 범위이고, 상기 MnIr은 CuAu-II형 규칙 격자의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 반강자성층과 고정 자화층 사이에 다른 반강자성층을 더 포함하며,
    상기 다른 반강자성층은 상기 반강자성층과 동일한 재료로 이루어지는 동시에, 비저항이 상기 반강자성층의 비저항보다 높은 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비자성 중간층은 도전성 재료 또는 절연성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 자유 자화층 및 고정 자화층 중 적어도 어느 하나는 2 개의 강자성층과 이 강자성층들 사이에 끼워진 비자성 결합층으로 이루어지는 적층 페리 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자.
  14. 청구항 제1항에 기재된 CPP 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 헤드.
  15. 청구항 제14항에 기재된 자기 헤드와 자기 기록 매체를 구비한 자기 기억 장치.
  16. 기판과, 기판상에 순차 형성된 반강자성층, 고정 자화층, 비자성 중간층 및 자유 자화층을 갖는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법으로서,
    상기 기판상에 반강자성층을 형성하는 공정과 상기 반강자성층상에 고정 자화층을 형성하는 공정 사이에, 상기 반강자성층을 가열하여 규칙화시키는 규칙화 열처리 공정을 포함하고,
    상기 규칙화 열처리 공정은 가열 온도가 400 ℃ 내지 800 ℃의 범위 내이면서, 가열 시간이 24 시간 내지 240 시간의 범위 내인 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서, 상기 규칙화 열처리 공정과 고정 자화층을 형성하는 공정 사이에, 상기 반강자성층의 표면을 에칭하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 에칭 공정 후에, 상기 반강자성층상에 상기 반강자성층과 동일한 재료를 이용하여 다른 반강자성층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 반강자성층을 형성하는 공정과 상기 규칙화 열처리 공정 사이에, 상기 반강자성층을 덮는 규칙화 열처리용 보호층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CPP 자기 저항 효과 소자의 제조 방법.
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