KR100833260B1 - 스핀 밸브 구조의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, GMR 형태의 스핀 밸브 구조(1)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이와 같은 구조는, 자기층(11a, 11b), 비자기층(15) 및 강자성 물질의 감지층(17)으로 구성된 적층체를 구비한다. 매우 양호한 GMR 효과를 갖는 스핀 밸브 구조를 얻기 위해, 이 방법은, 감지층의 강자성 물질의 산화, 산화된 강자성 물질 위에의 알루미늄의 적층과, 산화된 강자성 물질로부터의 산소를 이용한 적층된 알루미늄의 산화를 포함하는 특정한 단계를 포함한다.
스핀 밸브, 거대 자기저항, 강자성, 경면 반사, 판독 헤드, 자기 센서

Description

스핀 밸브 구조의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING A SPIN VALVE STRUCTURE}
본 발명은, 거대 자기저항(giant magnetoresistive: GMR) 형태를 가지며, 자기층, 비자기층 및 강자성 물질의 감지층으로 구성된 적층체를 구비한 스핀 밸브 구조를 제조하는 방법에 관한 것이다.
스핀 밸브 구조는 자기저항 효과를 갖는 자기 다층 구조이다. 이것은, 외부 자기장의 영향하에서 이와 같은 구조의 저항이 변한다는 것을 의미한다. 스핀 밸브 구조의 경우에, 자기저항 효과는 주로 거대 자기저항(GMR) 효과로 불린다. 현재의 자기 디스크의 대부분은 감지소자로서 스핀밸브 구조를 사용한다. 또한, 이들 구조는 차량용 센서와 자기 RAM 등의 다른 기술분야의 장치에도 적용된다.
스핀 밸브 구조 중에서 자기층/비자기층/감지층 부분만이 GMR 효과에 기여를 하므로, 상기한 구조의 활성영역이 된다. 이 스핀 밸브 구조의 다른 영역인 비활성 영역은 상기한 활성영역으로부터의 전류를 다른 곳으로 흐르게 할 수 있다. 이 구조에 존재하는 일부 계면층은 비경면 반사(non-specular reflection)를 도입함으로써 GMR 효과를 줄일 수 있는데, 즉 전자들이 분산되어 그들의 스핀 정보의 손실을 초래한다.
C-7803-5555-5/99; IEEE, page DB-01; Y. Kamiguchi et al의 논문 "CoFe specular spin valves with nano oxide layer"에는 거대 자기저항 형태를 갖는 스핀 밸브 구조가 개시되어 있다. 이 논문에는 다음과 같은 샘플이 개시되어 있다: SiO 기판/Ta 5 nm/NiFe 2nm/IrMn 7 nm/NOL을 갖는 고정층(pinned layer)/Cu 2 nm/CoFe 2 nm/CoFeO 4 nm/TaO 0.4 nm. 이 샘플에서, 스핀 밸브 구조는 스핀 밸브 구조는 교환 바이어싱(exchange biasing)을 위해 금속제의 반강자성 물질을 갖는 CoFe 경면(specular) 구조이다. 이와 같은 구조는, 경면 전자 분산을 증진시키기 위해 나모 산화층(nano oxide layer: NOL)을 포함하는 고정층을 갖는다. 이 샘플은 마그네트론 스퍼터링에 의해 적층되었다.
상기한 IEEE 논문에 개시된 스핀 밸브 구조에서는, 활성 영역이 NOL을 갖는 고정층, Cu 층과 CoFe 층을 구비하고, NOL은 전자를 반사시키는 역할을 한다.
본 발명의 목적은, 감지층의 위치에서 전자들을 경면 반사시키는 효과적인 수단을 갖는 스핀 밸브 구조를 구현할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적은, 청구항 1에 기재된 것과 같은 본 발명에 따른 방법, 즉
기판상에 배치된 적층체를 포함하는 거대 자기저항 형태의 스핀 밸브 구조를 제조하는 방법으로서, 상기 적층체는 자기층, 상기 기판으로부터 멀리 떨어져 있는 상기 자기층의 한쪽 면에 배치된 비자기층, 상기 기판으로부터 멀리 떨어져 있는 상기 비자기층의 한쪽 면에 배치된 강자성 물질의 감지층, 및 상기 감지층 상에 배치된 알루미늄 산화막을 구비하고, 상기 제조방법은, 상기 감지층을 형성한 후에, 상기 감지층의 상기 강자성 물질의 막을 산화시키는 단계와, 상기 감지층의 상기 산화된 강자성 물질 위에 금속 알루미늄을 적층하는 단계와, 상기 감지층의 상기 산화된 강자성 물질로부터의 산소를 이용하여, 상기 적층된 금속 알루미늄을 산화시켜 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀밸브 구조의 제조방법에 의해 달성된다. 이에 따르면, 감지층 위에 예비 산화막을 연속적으로 형성하고, 이 예비 산화막 위에 금속 Al 층을 형성한 후, 예비 산화막으로부터의 산소를 이용하여 이 Al 층의 알루미늄을 산화시킴으로써, Al 산화막이 형성된다. 일반적으로, 상기한 층들은 박막층이다. 각각의 층은 단일층이거나, 다층 구조를 가질 수 있다. 자기층은 당업계에 공지된 다양한 수단에 의해 정착되거나 고정된 자화를 가질 수 있다. 자기층을 형성하기 위한 적합한 물질로는, 예를 들면 CoFe의 합금을 들 수 있다. 비자기층은 Cu로부터 형성될 수 있다. 감지층의 자화는 가해진 외부 자기장에 의해 영향을 받지 않는다. 바람직하게는, 금속 Co, CoFe의 합금 또는 NiFe의 합금이 감지층을 형성하기 위한 강자성 물질로서 선택된다. 알루미늄이 Co 또는 Fe에 비해 더 큰 전기음성도를 갖기 때문에, Al의 산화중에 예비 산화막이 각각 금속 Co, CoFe 및 NiFe로 환원되어, Al 산화막이 형성된다.
상기한 방식으로 형성된 산화 알루미늄은 폐쇄 산화물(closed oxide)로서, 가파른 계면을 제공하여, 경면 반사를 제공하고, 이에 따라 이 구조의 활성 영역의 전자 스핀 메카니즘을 교란시키지 않으므로, 상당히 향상된 MR 신호를 발생한다는 것이 밝혀졌다. 약 2 nm의 Al 산화물 층은 감지층의 산화를 방지하는데 우수한 것으로 밝혀져, 초박형(ultra thin)의 감지층이 사용될 수 있다. 이와 같은 감지층들은 높은 감도의 필요성으로 인해 고밀도 자기 기록에 필요하다. 실험에 따르면, 얻어진 이 구조의 보자력은 15 Oe의 차수를 갖는 비교적 낮은 값이며, 거의 온도 의존성을 나타내지 않는다. 본 발명에 따른 방법은 공지된 박막 기술을 이용할 수 있다.
한편, O-7803-5943-7 4/00; IEEE, page FA-07; Y. Shimizu et al의 논문 "Enhancement of GMR properties of bottom type spin valve films with ultra thin free layer covered with specular oxide capping layer"에는, Al2O3 타겟의 순수한 Ar 가스의 스퍼터링에 의해 형성된 Al 산화물 캡층(capping layer)으로 덮인 CoFeB 자유층이 개시되어 있다는 점에 주목하기 바란다. Al 산화물을 형성하기 위한 산소 발생원으로서 어떠한 예비 산화물도 형성되어 있지 않기 때문에, 이 본문에 기재된 방법은 본 특허 명세서에 개시된 방법과 전혀 다르다. 예비 산화물로부터의 산화가 이 공지된 방법에서 만들어진 장치에서는 일어나지 않아, 계면 혼합이 발생할 가능성이 있기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 효과는 이와 같은 종래의 방법에 의해서는 얻어지지 않는다.
더구나, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 35, no. 5, September 1999, pages 2946-2948; Masashige Sato et al의 논문 "Effects of interface oxidation in ferromagnetic tunnel junctions"에는, 산화된 Al 장벽을 갖는 터널 접합에 대해 개시되어 있다는 점에 주목하기 바란다. 개시된 샘플에서는, 터널 접합 자기저항(tunnel junction magnetoresistive: TMR) 소자의 기저 Co 층의 표면이 Al의 증착 이전에 공기에 노출된 후, 형성된 Al이 RF 산소 플라즈마에서 산화되었다. 상기한 논문에서는, 산화된 Co 표면이 확산방지층으로서의 역할을 하고, 산화되지 않은 Al 층이 어닐링에 의해 산화된 Al과 산화된 Co로부터의 산소 원자들로 산화되는 것으로 가정하였다. 상기한 논문에 기재된 방법, 장치 및 효과에 관한 모든 내용은 TMR 구조로 제한되며, GMR 구조와 관련된 어떤 정보도 이 논문으로부터 추론할 수 없다.
더구나, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 스핀 밸브 구조에 관한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 스핀 밸브 구조는 감지층의 위치에 계면 산화를 갖는다. 일반적으로, 이 구조는 첫 번째 언급한 IEEE 논문에 제시된 것과 같은 NOL을 갖는 고정층을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지거나 얻어질 수 있는 거대 자기저항 형태의 스핀 밸브 구조를 각각 구비한, 판독 헤드, 자기 센서 및 자기 메모리에 관한 것이다.
더구나, 본 발명은, 자기 저장매체로부터 정보를 판독하고, 본 발명에 따른 판독 헤드를 구비한 판독장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 자기 메모리를 구비한 전자회로에 관한 것이다.
첨부된 청구항들을 참조하여, 이들 청구항 집합에 기재된 다수의 특징부의 조합이 이루어질 수 있다는 점에 주목하기 바란다.
본 발명의 상기한 발명내용과 또 다른 발명내용은 이하에서 설명되는 실시예를 참조하여 명백해질 것이다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 스핀 밸브 구조의 일 실시예의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 판독 헤드의 일 실시예의 개략적인 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 자기 메모리의 일 실시예의 개략적인 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따른 전자회로의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 개략적으로 도시된 스핀 밸브 구조(1)는 기판(3)에 의해 지지된 거의 평행한 복수의 층으로 구성된 적층체를 구비한다. 기판은, Si 등의 비자성 및 비도전성 물질로 구성되거나, 웨이퍼의 일부일 수 있다. 이 적층체는, 다수의 층을 구비하며, 이들 중에서 Ta 및 NiFe의 2개의 층 5 및 7은 각각 씨앗층으로서의 역할을 하며, 적층체의 IrMn의 층(9)에 대해 정확한 결정 구조를 제공한다. IrMn의 층 9는 이 구조의 고정층인 적층체의 CoFe로 이루어진 다층의 자기층 11a 및 11b의 자화를 고정시키기 위한 피닝층(pinning layer)인 반강자성체이다. 이 구조의 활성층들에 전자를 구속하기 위해, NOL로도 불리는 CoFeOx의 반사층(13)이 이 자기층 11a 및 11b 사이에 존재한다. 반사층은 CoFe의 산화에 의해 형성된다. 이와 달리, 강자성 성분 또는 전기음성도가 더 큰 성분을 포함하는 합금이 사용될 수도 있다. 이 적층체의 Cu 층(15)은, 고정층과, 본 실시예에서는 CoFe의 강자성 층이며 적층체의 일부를 이루는 감지층(17) 사이의 교환 결합을 깨뜨리는 역할을 한다. 감지층(17) 위에는, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 특수한 산화물 층(19)이 형성된다. 본 발명에 따르면, 감지층(17)이 형성된 후, 이 층의 강자성 물질의 막이 산화물, 본 실시예에 있어서는 CoFe 산화물로 산화된 후, 스퍼터링을 사용하여 산화된 층(17) 위에 Al이 적층되어 이 층 위에 Al 막을 형성한 다음, 적층된 Al의 산화공정이 뒤따르는데, 이 공정 중에, 산화된 층(17)으로부터 나온 산소를 이용하여 산화물 층(19), 본 실시예에 있어서는 폐쇄 구조를 가지며 감지층(17)과 가파른 계면을 형성하는 Al 산화물 층을 형성한다.
도 1에 도시되고 필요한 접속 패드를 구비한 스핀 밸브 구조(1)는 자기 센서, 특히 GMR 센서로서 사용될 수 있다. 이와 같은 종류의 센서는 차량 및 산업용으로의 적용에 매우 적합하다. 예를 들면, 디지털 위치 센서와 아날로그 각도 센서에 사용될 수 있다.
도 2는 자기 판독 헤드의 일부를 나타낸 것이다. 이 판독 헤드는 전기 접속부(100)를 갖는 트랜스듀서 T를 구비한다. 트랜스듀서 T는 본 발명에 따른 스핀 밸브 구조의 실시예, 예를 들면 도 1에 도시된 것과 같은 실시예를 구비한다. 판독 헤드는, 트랜스듀서 T에 대해 자기회로를 구성하도록 배치된 자속 가이드(102, 14)를 구비한다. 이 자속 가이드(102, 104)는 헤드의 자극면을 구성하는 단부면(102a, 104a)을 가지며, 상기한 단부면 사이에 자기 갭(106)이 놓인다. 자기 테이프, 디스크 또는 카드 등의 자기매체가 이 단부면(102a, 104)을 매우 근접하여 통과하는 경우에, 이 매체 상의 자기적으로 저장된 정보가 전술한 자기회로 내부에 변화하는 자속을 발생하며, 이 자속은 트랜스듀서 T로도 공급된다. 트랜스듀서 T는 변화하는 자속을 전기 저항 변동으로 변환하며, 이 전기 저항 변동은 전기 접속부(100)에 접속된 적절한 측정 장치를 사용하여 측정될 수 있다. 또한, 이와 같은 자기 헤드는, 자기매체 상의 자기 정보를 기록하는데 사용될 수 있는 유도 코일을 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 도 3에 도시하였다. 이 장치는, 프레임(200)과, 이 프레임(200) 내부에 회전가능하게 장착되고, 하드 디스크 또는 광자기 디스크 등의 디스크 형태의 정보매체(204)를 지지하는 스핀들(202)을 구비한다. 이 정보매체(204)는 일체화된 매체 또는 착탈가능한 매체일 수 있다. 이 장치는, 굴곡부(206a)를 통해, 본 도면에서는 참조번호 208로 나타낸 본 발명에 따른 판독 헤드의 일 실시예를 갖는 스윙 아암(206)을 더 구비한다. 이 스핀들(202)과 스윙 아암(206)을 구동하는 구동장치가 설치된다. 동작 상태에서, 헤드(208)는 회전하는 정보매체(204)를 주사하는데, 이 헤드는 정보매체(204)와 대향하여 배치되며, 이 정보매체(204)에 대해 거의 방사상으로 움직인다. 도시된 장치는, 데이터 저장 시스템, 오디오 시스템 또는 비디오 시스템의 일부일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 테이프 또는 카드로부터 정보를 판독하는 장치일 수 있다.
본 발명에 따른 자기 메모리의 일 실시예를 도 4에 도시하였다. 이 메모리는, 메모리 소자(302)와, 특정한 메모리 소자를 선택하기 위한 워드 라인(304) 및 비트 라인(306)을 구비한다. 각각의 메모리 소자(302)는, 본 도면에서는 참조번호 300으로 나타낸 본 발명에 따른 스핀 밸브 구조의 일 실시예를 구비한다. 비트 라인(306)에 있는 메모리 소자(302)는 저 저항을 갖는 비자기 금속(308), 예를 들면 Cu에 의해 서로 분리될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명이 예시하고 설명하였지만, 본 명세서에 개시된 것과 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 형태, 상세내용 및/또는 물질에 있어서의 다양한 변형 또는 변화가 이루어질 수 있다는 것은 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서 자명하다. 특히, 전술한 것 이외의 강자성 물질이 감지층으로 적절할 수도 있다. 더구나, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 스핀 밸브 구조의 다양한 응용분야가 존재할 수 있는데, 이 방법은 공지된 박막 기술을 포함할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판상에 배치된 적층체를 포함하는 거대 자기저항 형태의 스핀 밸브 구조를 제조하는 방법으로서, 상기 적층체는
    자기층, 상기 기판으로부터 멀리 떨어져 있는 상기 자기층의 한쪽 면에 배치된 비자기층, 상기 기판으로부터 멀리 떨어져 있는 상기 비자기층의 한쪽 면에 배치된 강자성 물질의 감지층, 및 상기 감지층 상에 배치된 알루미늄 산화막을 구비하고,
    상기 제조방법은,
    상기 감지층을 형성한 후에, 상기 감지층의 상기 강자성 물질의 막을 산화시키는 단계와,
    상기 감지층의 상기 산화된 강자성 물질 위에 금속 알루미늄을 적층하는 단계와,
    상기 감지층의 상기 산화된 강자성 물질로부터의 산소를 이용하여, 상기 적층된 금속 알루미늄을 산화시켜 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀밸브 구조의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지층을 형성하기 위한 강자성 물질로서 금속 Co, CoFe의 합금 또는 NiFe의 합금이 선택되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브 구조의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 의해 얻어진 거대 자기저항 형태의 스핀 밸브 구조.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 의해 얻어지는 스핀 밸브 구조를 구비한 판독 헤드.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 의해 얻어진 스핀 밸브 구조를 구비한 자기 센서.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 의해 얻어진 스핀 밸브 구조를 구비한 자기 메모리.
  7. 자기 저장매체로부터 정보를 판독하고, 제 4항에 기재된 판독 헤드를 구비한 것을 특징으로 하는 판독장치.
  8. 제 6항에 기재된 자기 메모리를 구비한 전자회로.
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