KR100833923B1 - 자기저항 효과 소자 - Google Patents

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Abstract

확실하게 소자 출력을 향상시켜 고기록 밀도의 자기 기록 매체에 대응할 수 있는 CPP형의 자기저항 효과 소자를 제공한다. 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층, 반강자성층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서, 상기 복수층의 적어도 하나의 층간 MA에, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층이 설치되어 있다.
자기저항 효과 소자, 도전성 입자, 입자 구조층, 기초층

Description

자기저항 효과 소자{MAGNETO RESISTANCE EFFECT DEVICE}
도 1은 스핀 밸브막(spin valve layer)의 자유층(free layer) 상에 산화물막을 형성한 복수의 샘플(sample)의 저항값을 정리하여 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 자기저항 효과 소자에 삽입되는 입자 구조층의 개요를 모식적으로 나타낸 도이다.
도 3은 순방향으로 적층한(순적층형) 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막의 층간에 입자 구조층을 삽입하는 구조예를 나타낸 도이다.
도 4는 순방향으로 적층한(순적층형) 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막의 자유층을 2개로 분할하고, 그 사이에 입자(granular) 구조층을 삽입한 구조예를 나타낸 도이다.
도 5는 순방향으로 적층한(순적층형) 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막의 자유층 자체를 입자 구조층으로 한 구조예를 나타낸 도이다.
도 6은 이중형 스핀 밸브막의 구조예를 나타낸 도이다.
도 7은 페리핀형(ferrimagnetic pin type) 스핀 밸브막의 구조예를 나타낸 도이다.
도 8은 터널(tunnel) 접합막의 구조예를 나타낸 도이다.
도 9는 입자 구조막과 유사 구조막의 금속 미립자 지름과 막 조성, 열처리 온도와의 관계를 나타낸 도이다.
도 10은 자기저항 효과막의 외측에 전류경로 제어층을 입힌 종래의 소자 구조와 소자 특성과의 관계예를 나타낸 도이다.
도 11은 자기저항 효과막 내의 자유층과 기초층과의 사이 및 2개로 분할한 고정층의 사이의 각각에 전류경로 제어층으로서 입자 구조층을 삽입한 구체적인 예의 소자 구조와 소자 특성과의 관계예를 나타낸 도이다.
도 12는 자기 기록 장치의 주요부를 나타내는 도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10, 20, 30　: 자기저항 효과막
11　: 기초층
12, 21, 22, 31 : 자유층(free layer)
13　: 비자성층
14　: 고정층(pined layer)
15　: 반강자성층(pinning layer)
16　: 보호층
GR　: 입자 구조층
MAT : 절연성 매트릭스(matrix) 재료
PAR : 도전성 입자
MA1∼MA5 : 층간
본 발명은 자기 기록 매체에 기록되어 있는 자기 정보를 고감도로 재생하기 위한 자기저항 효과 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 센스(sense) 전류를 저항 효과 소자의 막 두께 방향으로 흘리는 구조, 소위 CPP(Current　Perpendicular to　Plane) 구조를 가지는 자기저항 소자에 관한 것이다. 센스 전류를 막 두께 방향으로 흘리는 CPP형의 자기저항 소자는, 그 치수가 작게 됨에 따라 소자 출력이 증대하는 특징을 가지고 있다. 따라서, 최근 급속히 고밀도화되고 있는 자기 기록 장치에 적절한 고감도 재생용 소자로서 유망하다.
스핀 밸브막이나 터널 접합막을 이용한 자기저항 효과 소자에서는, 자유층의 자화 방향이 자기 기록 매체로부터의 신호 자계에 의해 변화한다. 이와 같이 자유층의 자화 방향이 변화하면, 고정층의 고정된 자화 방향과의 사이의 상대각(相對角)에 변화가 생긴다. 자기저항 효과 소자에서는 이 상대각의 변화를 자기저항 변화로서 검출한다.
그리고, CPP형의 자기저항 효과 소자에서는 막의 상하면에 접해서 배치한 단자 전극에 의해 센스 전류를 막 두께 방향으로 흘리고, 상기의 자기저항 변화를 감지함으로써 자기 기록 매체로부터의 신호 자계를 고감도로 재생(판독)한다. 이 CPP형의 자기저항 효과 소자에서는, 센스 전류가 흐르는 막 두께 방향에 대해서 수직인 방향(면 수직방향)에서의 소자의 면적, 즉 센스 전류가 흐르는 면적(단면적이라 함)이 작을수록, 저항 변화가 커져서 출력이 증대하는 특징을 가지고 있다.
그렇지만, 종래의 포트리소그래피(photolithography) 기술을 이용한 드라이(dry) 에칭(etching)법에서는, 상기 단면적의 한 변의 치수를 100㎚ 정도까지 미세화하는 것이 한도로 되어 있다.
그래서, 상기 미세화의 한계에 대처하는 기술로서, 금속과 절연물의 혼합층을 자기저항 효과막의 외측에 입히고, 혼합층의 금속부에 센스 전류를 수속(收束)시키도록 한 구성의 자기저항 효과 소자에 대해서 제안이 있다. 이 자기저항 효과 소자는 금속 부분에서 센스 전류경로가 좁혀져 작아지므로, 자기저항 효과막 내에 흐르는 센스 전류경로를 물리적인 소자의 단면적보다 작게 하여 출력을 증대하려고 하는 구조이다.
그런데, 본 출원인은 CPP형의 자기저항 효과막 내의 저항 변화에 기여하는 부분에 전류경로 제어층으로서 산화물층을 삽입하고, 그 부분에서 센스 전류경로를 작게 함으로써, 자기저항 효과막에 흐르는 센스 전류를 작게 하는 기술의 검토를 해 왔다. 이 방법에 의하면 소자 출력의 증대와 함께 MR비도 증대시키는 효과를 기대할 수 있다.
상기 산화물층은 예를 들면 산화물을 스퍼터링법에 의해 성막(成膜)하거나, 또는 우선 금속을 성막하고 그 다음에 이 금속을 성막실 내 또는 대기 중에서의 산화 처리를 하여 형성할 수 있다. 이 산화물층은 불균일하게 형성되므로, 산화물층이 존재하지 않는 부분이 센스 전류경로로 된다. 즉, 이 기술은 산화물층의 다공질(porous)이나 막 두께가 불균일하게 형성된다고 하는 점을 이용하여, 센스 전류경로의 단면적의 제한을 하는 것이다. 그런데, 이 불균일성을 제어하여 소망한 센스 전류경로를 형성시키는 것은 곤란하다. 이 곤란성에 대해서 도 1을 이용하여 설명한다.
도 1은 스핀 밸브막의 자유층 상에 산화물막을 형성한 복수의 샘플의 저항값을 정리하여 나타낸 도이다. 도 1의 각 난은 역적층형의 스핀 밸브막의 자유층 상에 Cu(2㎚)/Ta(1㎚) 금속막을 적층하고, 스퍼터(sputter) 성막실 내에서 산소 플라스마에 의해 산화물층을 형성한 경우의 CPP형의 자기저항 효과 소자로서 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘렸을 때의 각 샘플에서의 소자 저항을 나타내고 있다. 또, 산화 처리는 350Pa·sec의 조건으로 행하였다. 동일한 조건으로 산화 처리를 하고 있음에도 불구하고, 소자 저항은 최대 1 자리수, 즉 10배 정도나 다른 값이 된다. 이는 각 샘플마다 산화물층을 한결같이 형성할 수 없기 때문으로 예상된다. 실제로 센스 전류경로의 제한층으로서 이용하는 경우에는, 제작한 산화물층의 불균일성(예를 들면, 막면내의 결함부 ： 다공질이나 산화막 두께)을 이용하게 된다. 그러나, 상기의 결과로부터도, 실제로 형성되는 산화물층의 불균일성을 제어하는 것이 곤란하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 이 수법을 이용할 경우의 소자 특성의 안정성, 결국은 적용 제품의 신뢰성을 확보하는 것은 새로운 검토를 필요로 하는 것으로 되었다.
그래서, CPP형의 자기저항 효과막 내에서 센스 전류를 제한하여 저항 변화에 기여하는 전류경로 제어층에 대해 더 검토를 하여 본 발명에 이른 것이다.
그러나, 상기 방법에서는 자기저항 효과막에 흐르는 센스 전류경로가 한결같 이 작아지기 때문에, 소자 자체의 출력은 증대하지만, 소자의 저항 변화비(MR비 : magneto resistance ratio)를 충분히 증대시킬 수 없다. 바꾸어 말하면, 이 구조에서는 소자 저항도 함께 증대해 버리기 때문에 소자의 발열에 의해 센스 전류값이 제한되어 버려, 더 출력 향상을 바랄 수가 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 불필요한 부분에서의 저항의 증가를 억제하고 확실하게 소자 출력을 향상시켜서 고기록 밀도의 자기 기록 매체에 대응할 수 있는 CPP형의 자기저항 효과 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 기재와 같이, 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층, 반강자성층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서, 상기 복수층의 적어도 하나의 층간에, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층을 설치한 자기저항 효과 소자에 의해 달성된다.
청구항 1 기재의 발명에 의하면, 자기저항 효과 소자 내의 층간에 센스 전류를 제한하도록 제어하는 전류경로 제어층으로서 도전성 입자를 포함한 입자 구조층이 삽입되어 있으므로, 효율적으로 소자 출력을 증대시킬 수 있다.
또, 청구항 2의 기재와 같이, 청구항 1의 기재의 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 입자 구조층을 상기 고정층과 반강자성층의 사이에 설치할 경우에는, 상기 도전성 입자를 자성 금속재료로 형성하는 것이 바람직하다.
청구항 2의 기재의 발명에 의하면, 고정층과 반강자성층의 교환 결합을 유지 하면서, 센스 전류경로를 좁혀서 확실하게 소자 출력을 증대시킬 수 있는 구조를 실현할 수 있다.
또, 상기 목적은 청구항 3의 기재와 같이, 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층, 반강자성층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서, 상기 자유층, 비자성층, 고정층 및 반강자성층의 적어도 한 층을 분할하여 형성하고, 이 분할한 층의 사이에, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층을 설치한 자기저항 효과 소자에 의해서도 달성된다.
청구항 3 기재의 발명에 의하면, 자기저항 효과 소자 내의 적어도 한 층을 분할하고, 그 사이에 센스 전류를 제한하도록 제어하는 전류경로 제어층으로서 입자 구조층이 삽입되어 있으므로, 효율적으로 소자 출력을 증대시킬 수 있다.
또, 청구항 4의 기재와 같이, 청구항 3의 기재의 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 입자 구조층은 상기 자유층, 고정층 및 반강자성층의 적어도 하나의 층내에 설치되고, 상기 도전성 입자를 자성 금속재료로 형성하는 것이 바람직하다.
또, 청구항 5의 기재와 같이, 청구항 3의 기재의 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 입자 구조층은 상기 비자성층 내에 설치되고, 상기 도전성 입자를 비자성 금속재료로 형성하는 것이 바람직하다.
청구항 4 및 5의 기재의 발명에 의하면, 자기저항 효과막을 구성하는 각 층의 본래의 기능을 유지하면서, 센스 전류경로를 좁혀서 확실하게 소자 출력을 증대 시킬 수 있는 구조를 실현할 수 있다.
또, 상기 목적은 청구항 6의 기재와 같이, 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서, 상기 자유층, 비자성층 및 고정층의 적어도 한 층을, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층으로 한 자기저항 효과 소자에 의해서도 달성된다.
청구항 6 기재의 발명에 의하면, 자기저항 효과막을 구성하는 적어도 하나의 층을, 센스 전류를 제어하는 기능을 갖춘 입자 구조층으로서 형성하므로, 종래와 같은 층 구성으로 소자 출력을 증대시킬 수 있다.
또, 청구항 7의 기재와 같이, 청구항 6의 기재의 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 자유층 및 고정층을 구성하는 입자 구조층의 상기 도전성 입자를 자성 금속재료로 형성할 수 있다.
또, 청구항 8의 기재와 같이, 청구항 6의 기재의 자기저항 효과 소자에 있어서, 상기 비자성층을 구성하는 입자 구조층의 상기 도전성 입자를 비자성 금속재료로 형성할 수 있다.
청구항 7 및 8의 기재의 발명에 의하면, 자기저항 효과막을 구성하는 각 층의 본래의 기능을 유지하면서, 센스 전류경로를 좁혀서 확실하게 소자 출력을 증대시킬 수 있는 구조를 실현할 수 있다.
그리고, 청구항 9의 기재와 같이, 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재의 자기저항 효과막 내에, 순적층형 스핀 밸브막, 역적층형 스핀 밸브막, 이중형 스핀 밸브막, 페리핀형 스핀 밸브막, 페리핀 이중형 스핀 밸브막, 및 터널 접합막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함하고 있는 구성으로 해도 좋다.
또한, 청구항 10의 기재와 같이, 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재의 자기저항 효과 소자를 자기 재생용의 자기 헤드로서 이용하는 자기 기록 장치도 본 발명의 범주에 들어가는 것이다.
청구항 10의 기재의 발명에 의하면, 고밀도 기록의 자기 기록 매체를 탑재하여 고감도로 자기 정보를 재생할 수 있는 자기 기록 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 CPP형의 자기저항 효과 소자는, 자기저항 효과막 내에 전류경로 제어층으로서 입자 구조층이 삽입되어 있다고 하는 기본 구성을 가지고 있다. 도 2는 이 입자 구조층 GR의 개요를 모식적으로 나타낸 도이고, 도 2의 (a)는 입자 구조층 GR의 전체 개요, 도 2의 (b)는 입자 구조층 GR가 상하의 층 1, 2에 끼워져 접하고 있는 모습을 일부 확대하여 나타낸 도이다. 도 2의 (a)에 나타내듯이, 입자 구조층 GR는 절연성 매트릭스 재료 MAT 내에 도전성 입자 PAR가 분산 상태로 포함되어 있다. 절연성 매트릭스 재료의 막 두께 th, 즉 입자 구조층의 막 두께는 도전성 입자의 입자 지름보다 작다(얇다)고 하는 특징을 가지고 있다. 이와 같은 구조로 함으로써, 입자 구조층 GR의 표면에 도전성 입자가 일부 돌출하므로, 도 2의 (b)에 나타내듯이 상하의 층 1, 2에 도전성 입자가 확실히 접하는 상태를 확보 가능하고, 막 두께 방향으로 확실히 센스 전류를 흘릴 수 있는 구성으로 된다. 따라 서, 도전성 입자의 상태를 적당히 조정함으로써 소망한 센스 전류경로를 설계할 수 있게 된다. 이 입자 구조층 GR의 구성에 대해서는 후에 한층 더 상술한다.
이하, 도면에 근거하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 실시예의 자기저항 효과막은, 각 층의 층간이나 특정한 층을 분할할 경우로, 그 사이에 입자 구조층을 삽입하는 경우, 또 특정한 층 자체를 입자 구조층으로서 구성하는 경우의 형태를 채용할 수 있다. 이하, 도 3으로부터 도 5를 이용하여 각 형태를 설명한다. 또, 도 3 내지 5는 자기저항 효과막에 소위 스핀 밸브막을 이용한 구성예이다.
도 3은 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막(10)의 층간에 입자 구조층을 삽입하는 구성예를 나타낸 도이다. 이 자기저항 효과막(10)은 도시하지 않는 기판측으로부터, 기초층(11), 자유층(12), 비자성층(13), 고정층(14), 반강자성층(15) 및 보호층(16)이 적층된 구조를 가지고 있다.
본 실시예의 자기저항 효과막(10)은, 이들 층간 MA1∼MA5에 상기 입자 구조층 GR를 적어도 하나 삽입한 구조로 할 수 있다. 센스 전류를 확실히 제한하는 구조로 하는데는, 삽입하는 입자 구조층 GR는 다른 층 사이에 2개 이상 삽입하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 자기저항 변화의 검출에 관련되는 부분에서 확실히 센스 전류의 제한을 실현시키는 구성예로서, 기초층(11)과 자유층(12)의 사이의 층간 MA1과, 고정층(14)과 반강자성층(15)의 사이의 층간 MA4에 각각 입자 구조층 GR를 설치한 구조가 있다.
상기 층간 MA1에 삽입하는 입자 구조층 GR는 도전성의 금속 입자가 함유되어 있는 이외에 성막시의 자유층(12)의 결정성 및 배향성을 향상시킬 수 있는 절연성 매트릭스 재료 MAT를 이용하는 것이 추천된다. 이 입자 구조층 GR는 성막 후에 자유층(12)과 일체로 기능하도록 도전성과 함께 또한 자성을 갖춘 금속 입자를 분산시킨 구성으로 되어도 좋다.
또, 층간 MA4에 삽입하는 입자 구조층 GR는 고정층(14)과 반강자성층(15)의 반강자성 결합을 유지할 수 있는 성질을 갖춘 층으로 할 필요가 있다. 이를 위해서는 상기 금속 입자로서 또한 자성을 갖는 재료를 선택하여 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 층간 MA4에 삽입되는 도전성 및 자성을 가지는 입자 구조층 GR은 실질적으로 고정층(14) 혹은 반강자성층(15)과 일체화하여 기능할 수 있는 층으로 되어도 좋다.
또, 자유층(12)과 비자성층(13)의 사이의 층간 MA2나, 고정층(14)과 비자성층(13)의 사이의 층간 MA3에 입자 구조층 GR를 설치해도 좋다. 층간 MA2에 설치하는 입자 구조층 GR는 자유층(12)과 일체화할 수 있는 자성 금속 입자를 포함하는 것으로 해도 좋고, 비자성층(13)과 일체화할 수 있는 비자성 금속 입자를 포함하는 것으로 해도 좋다. 층간 MA3에 설치하는 입자 구조층 GR도 동일하다. 즉, 도 3에 예시한 구조에서 입자 구조층 GR는 그 상하에 접하는 각 층의 관계가 삽입전과 동일하게 유지할 수 있도록 조정된다.
상기 도 3에 나타낸 자기저항 효과막(10)은 리소그래피(lithography) 기술을 이용하여 종래와 같이 제조할 수 있다. 이하에 설명하는 자기저항 효과막도 동일하다. 또한, 도 3에서는 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 예시했지만 자유층(11)이 상측으로 되는 역적층형의 스핀 밸브막에 대해서도 동일하다.
도 4는 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막(20)의 자유층을 2개로 분할하고, 그 사이에 입자 구조층을 삽입한 구성예를 나타낸 도이다. 또한, 도 3과 동일한 부위에는 동일한 부호를 부여하고 중복 설명은 생략하고, 특징 부분을 중심으로 설명을 한다.
이 자기저항 효과막(20)은 자유층이 분할되어, 제 1 자유층(22)과 제 2 자유층(21)으로 되어 있고, 이들 사이에 입자 구조층 GR이 삽입되어 있다. 이와 같이 자유층 내에 입자 구조층을 삽입해도, 센스 전류의 제한에 실효가 있는 전류경로 제어층을 실현할 수 있다. 확실히 센스 전류를 제한하는 구조로 하는 관점으로부터, 또한 고정층(14)에 대해서도 분할하여 입자 구조층 GR를 삽입해도 괜찮다.
상기와 같이, 프리 자성층, 고정층을 분할하고, 그 사이에 입자 구조층 GR를 삽입할 경우에는, 분할된 상하층이 본래의 기능을 유지할 수 있도록, 도 3의 경우와 동일하게 상기 금속 입자로서 도전성 및 자성을 갖추고 있는 재료를 선택하면 좋다. 또, 비자성층(15)을 분할하고, 그 사이에 입자 구조층 GR를 설치해도 좋다. 이 경우에는 상기의 경우와는 반대로 상기 금속 입자로서 비자성의 재료를 선택하여 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 4의 경우도 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 예시했지만, 자유층(11)이 상측으로 되는 역적층형의 스핀 밸브막으로 해도 동일하다.
도 5는 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 이용한 자기저항 효과막(30)의 자유층 자체를 입자 구조층으로 한 구성예를 나타낸 도이다. 앞의 도 3 및 도 4에 나 타낸 구성은, 새롭게 입자 구조층 GR를 삽입하는 것이었지만, 도 5에서는 입자 구조층 GR 자체를 자유층(31)으로 한 것이다. 따라서, 이 입자성의 자유층(31)은 본래의 자유층 및 전류경로 제어층으로 기능한다. 마찬가지로, 고정층(14) 자체도 입자 구조층 GR로 하면, 종래와 동일한 층 구성으로 2개의 전류경로 제어층을 포함하는 구성으로 되므로, 보다 확실하게 센스 전류를 제한할 수 있는 자기저항 효과막을 형성할 수 있다.
이 외에 비자성층(13) 자체를 입자 구조층 GR로 해도 좋다. 이 도 5의 경우에도, 자성을 갖는 층을 입자 구조층 GR로 하는 경우에는 그 자성층의 본래 기능을 완수하도록 자성 금속 입자를 이용하고, 비자성층을 입자 구조층 GR로 하는 경우에는 그 기능을 완수하도록 비자성의 금속 입자를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5에 나타내는 자기저항 효과막(30)의 경우도 순방향으로 적층한 스핀 밸브막을 예시했지만, 자유층(11)이 상측으로 되는 역적층형의 스핀 밸브막으로 해도 동일하다.
또한, 상기 도 3 내지 5에 나타낸 형태를 조합하여 이용해도 좋다. 즉, 예를 들면 분할한 2개의 자유층간에 입자 구조층을 삽입하고, 반강자성층과 고정층의 사이에 입자 구조층을 삽입한 구성으로 해도 좋다.
또한, 도 6 내지 8은 본 발명의 자기저항 효과막에 포함할 수 있은 다른 적층 구조예를 나타낸 도이다.
도 6은 자유층(41)을 중앙으로 하여 상하 대칭적으로 비자성층(42－1, 42－2), 고정층(43－1, 43－2) 및 반강자성층(44－1, 44－2)의 구조가 되도록 적층 한 이중형 스핀 밸브막을 나타내고 있다. 이러한 이중형 스핀 밸브막에 대해서도, 도 3 내지 5에 나타낸 형태를 동일하게 적용할 수 있다.
도 7은 자유층(51), 비자성층(52) 및 반강자성층(55)을 포함함과 동시에, 제 1 고정층(53－2)과 제 2 고정층(53－1)의 2개의 고정층을 반평행(反平行) 결합층(54)에서 반평행으로 결합한 페리핀 구조를 포함하는, 소위 페리핀형 스핀 밸브막을 나타내고 있다. 이러한 페리핀 구조를 포함하는 스핀 밸브막에 대해서도, 도 3 내지 5에 나타낸 형태를 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 도 8은 자유층(61), 절연층(62), 고정층(63) 및 반강자성층(64)을 포함하는, 소위 터널 접합막을 나타내고 있다. 이러한 터널 접합막에 대해서도 도 3∼5에 나타낸 형태를 동일하게 적용할 수 있다.
이하, 상기 입자 구조층에 대해서 더 설명한다. 이 입자 구조층은 비고용계(solid solution system)의 이종 재료를 혼합하고, 도전성의 미세 입자 금속재료가 다른 절연체 매트릭스 재료 내에 분산된 미립자를 함유한 구조로 되어 있다.
상기 절연체 매트릭스 재료로서는, 예를 들면 SiO, MgO, AlO 등의 산화물을 이용할 수 있다. 이 입자 구조층에서는, 절연체의 안에 도전성의 금속 기둥이 형성되고, 이것이 센스 전류경로로서 작용하게 된다. 각 재료나 성막법, 열처리법 등에 의해 이 금속 미립자의 직경을 조정할 수 있다. 본 실시예로 채용할 수 있는 도전성의 금속 미립자로서는, 예를 들면 Cu, Ag, Au 등을, 또한 자성도 갖춘 금속 미립자로서는, 예를 들면 Co, Ni, Fe 등을 이용할 수 있다.
예를 들면 M.Ohnuma, K.Hono, E.Abe, H.Onodera, S.Mitani and H.Fujimori : J. Appl. Phys., 82(11) 5646(1997)에 있듯이, Co－Al－O 재료에서는 수 ㎚의 치수로 형성할 수 있다. 종래의 포트리소그래피 기술을 이용한 드라이 에칭법에서는 센스 전류경로의 치수는 전술한 것처럼 한 변 100㎚ 정도까지의 미세화가 한도이다. 그러나, 이 입자 구조층을 전류경로 제어층으로서 이용함으로써, 센스 전류경로의 단면적을 400 분의 1 정도까지 제한하는 것이 가능하다.
또한, 예를 들면 D. J. Kubinski 및 H.Holloway : J. Appl. Phys., 77(6) 2508(1995)에서는, 본 실시예의 입자 구조막과 유사 구조막의 금속 미립자 지름과 막 조성, 열처리 온도의 관계를 개시하고 있다. 이 관계는 도 9에 나타나고 있다. 이 도 9로부터 Ag계 재료를 매트릭스 재료로 한 입자 구조층과 동일한 구조에 있어서는, 금속 미립자 재료(Fe, Co, Ni)의 조성비나 열처리 온도 등에 의해, 금속 미립자 지름이 계통적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이 도 9의 결과로부터도 본 실시예에서 이용하는 이종 재료를 혼합한 입자 구조층의 경우에는, 그 형성법에 의해 금속 미립자 지름을 제어할 수 있는 것이 명확하고, 전술한 산화물층을 이용하는 수법보다도 센스 전류경로의 제어성이 높은 것을 확인할 수 있다.
이하, 본 실시예의 바람직한 한 구체적인 예로서 자기저항 효과막 내의 자유층과 기초층의 사이 및 2개로 분할한 고정층의 사이의 각각에 입자 구조층을 전류경로 제어층으로서 삽입한 경우를, 종래예로서 자기저항 효과막 외측에 전류경로 제어층을 형성할 경우와 비교하여 더 설명한다.
도 10은 자기저항 효과막의 외측에 전류경로 제어층을 입힌 종래의 소자 구 조(70)와 소자 특성과의 관계예를 나타낸 도이다. 도 11은 자기저항 효과막 내의 자유층과 기초층의 사이 및 2개로 분할한 고정층의 사이의 각각에 각각 입자 구조층을 전류경로 제어층으로서 삽입한 구체적인 예의 소자 구조(80)와 소자 특성과의 관계예를 나타낸 도이다.
도 10 및 11은 자기저항 효과막 내의 전류경로 제어층의 위치 및 센스 전류경로의 제한에 의한 소자의 저항값(R), 저항 변화값(ΔR) 및 저항 변화비(MR비)를 비교하여 나타내고 있다. 도 10 및 11에서는 좌측에 소자의 층 구성, 우측에 저항값(R), 저항 변화값(ΔR) 및 저항 변화비(MR비)를 정리하여 나타내고 있다.
도 10 및 11의 자기저항 효과막은, 이하에 나타내는 구성의 표준적인 스핀 밸브막으로 했다. 기초층(버퍼층) 및 보호층(캡층)에는 Ta(면내 비저항：180μΩcm)를 5㎚로 했다. 반강자성층은 PdPtMn(비저항：200μΩcm)를 15㎚로 하고, 고정층은 CoFeB를 2㎚로 하고, 비자성층은 Cu를 3㎚로 하고, 자유층은 NiFe를 2㎚/CoFeB를 2.5㎚로 했다. 자유층/비자성층/고정층의 저항 변화와 관련되는 부분의 비저항은, CIP 모드로 측정한 막 전체의 비저항(60μΩcm)으로부터 상기의 기초층, 보호층, 반강자성층을 공제하고, 약 30μΩcm으로 산출했다.
이상의 구성에 있어서, 상기의 비저항이 막 두께 방향에 있어서도 성립하는 것으로 가정하고, 이 막의 단면적 1㎛2의 저항값을 산출하면 약 51mΩ㎛2이다. 또, 이 막구성의 스핀 밸브막을 이용하여 제작한 CPP 구조 소자의 저항 변화값은 0.5mΩ㎛2이다. 여기서, 도 10 및 도 11에 나타낸 전류경로 제어층의 배치 위치에 의한 소자의 저항값, 저항 변화값 및 저항 변화비를 산출한다. 전류경로 제어층에 의해 소자의 센스 전류경로는 10 분의 1로 되는 것으로 가정한다.
도 10에 나타낸 기초층으로부터 보호층까지의 자기저항 효과막의 외측에 전류경로 제어층이 배치된 종래 구조에서는, 자기저항 효과막 내의 저항 변화값은 10배로 되어 출력이 향상하지만, 저항값도 10배로 되고 있다. 따라서, 저항 변화비(MR비)는 1배로 되어 변화하지 않는다.
한편, 도 11에 나타낸 자기저항 효과막 내에 전류경로 제어층을 삽입하는 본 실시예의 구조예에서는, 실제의 자기저항 효과에 기여하는 고정층, 비자성층, 자유층의 근방에 전류경로 제어층이 배치되고, 저항 변화값은 전례와 거의 동일하게 증가한다. 또, 저항값에 관해서는 비교적 저항값이 작은 고정층, 비자성층 및 자유층부만의 저항이 증대하고, 다른 기초층, 반강자성층 및 보호층부는 증가하지 않는다.
따라서, 이 결과로부터 막 전체의 저항값은 센스 전류경로를 좁히지 않는 경우의 약 1.5배 정도가 된다. 즉, 본 구조의 자기저항 효과막의 저항 변화비(MR비)는 증가하고, 종래 구성과 비교하여 약 6.6배로도 된다. 또, 삽입하는 입자 구조층의 금속 미립자 지름, 그 존재 비율을 제어함으로써, 더 소자 출력의 향상이 가능하다. 이와 같이 실제로 막의 저항 변화에 기여하는 부분의 센스 전류경로를 제한하는 것에 의해, 막의 저항 변화값 및 저항 변화비를 증대시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 소자 출력은 센스 전류값에도 의존하지만, 소자의 발열에 의한 특성 열화를 고려하면, 그 저항값에 의해 센스 전류값은 결정된다. 이 점으로부터도 막의 저항값의 증대가 작아지는 이 자기저항 효과 소자의 구조 쪽이, 종래 구조와 비교하여 새로운 출력의 향상을 기대할 수 있다.
비교에 이용한 상기 소자 구조에서는, 표준적인 단일형의 스핀 밸브막을 이용하여 설명했지만, 앞서 나타낸 페리형(ferrimagnetic type)형의 고정층을 가지는 구조나, 이중형 스핀 밸브막에 있어서도 동일한 효과를 기대할 수 있다. 이 경우에는 상하의 고정층 내에 전류경로 제어층을 삽입하는 것이 유효하지만, 그 사이의 비자성층이나 자유층부에 삽입할 경우에도, 그 정도는 약간 저감하지만 이 순으로 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 구조에서는 전류경로 제어층을 2 층 삽입하는 경우에 대해서 설명했다. 그러나, 1 층의 전류경로 제어층을 이용할 경우에도, 그 근방에서 센스 전류경로의 제한이 생기고, 그 효과는 2 층보다 약간 감소하지만 소자 출력을 향상시키는데 충분한 효과가 있다. 이 경우도 전류경로 제어층은 자기저항 변화에 기여하는 고정층, 비자성층, 자유층 내, 혹은 그 근방에 삽입하는 것이 바람직하다.
다만, 분할한 고정층 내에 전류경로 제어층을 삽입할 경우에는, 고정층의 자화를 고정하는 피닝(pinning)력, 이른바 일방향 이방성 자계 Hua가 저하하는 것을 방지하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 일방향 이방성 자계 Hua의 균형으로 입자 재료 및 막 두께를 최적화하면 좋다.
또, 자유층을 분할하여 그 사이에 삽입할 때도 동일하게 자유층의 특성을 열화시키지 않는 것이 필요한다. 또, 자유층에 적층시키는 경우에는 자유층 특성에 영향이 있으면, 자유층과 전류경로 제어층의 사이에 비교적 저항이 높은 결합 차단층을 삽입함으로써 자유층으로의 영향을 회피하는 것도 할 수 있다.
또한, 비자성층을 분할하고 그 사이에 삽입하는 것에 관해서는, CIP 구조막에 비해, 전류의 션트(shunt) 효과가 없는 것이 특징인 CPP 구조 소자에서는 특히 문제는 없다.
이상에서는 CPP형의 자기저항 효과 소자의 구성을 상세하게 설명했다. 이러한 CPP형의 자기저항 효과 소자는 자기 기록 장치 내의 자기 헤드로서 채용되어 자기 기록 매체에 기재된 자기 정보를 고감도로 재생할 수 있다. 여기서, 실시예로 나타낸 자기저항 효과 소자를 자기 헤드로서 탑재한 자기 기록 장치에 대해서 간단하게 설명한다. 도 12는 자기 기록 장치의 주요부를 나타내는 도이다. 자기 기록 장치(100)에는 자기 기록 매체로서의 하드디스크(110)가 탑재되어 회전 구동되게 되어 있다. 이 하드디스크(110)의 표면에 대향하여 소정의 부상 양으로, 예를 들면 구체적인 예로 나타낸 도 11의 CPP형의 자기저항 효과 소자(80)를 자기 헤드로 하여 자기 재생동작이 이루어진다. 또한, 자기 헤드(80)는 암(120)의 선단(先端)에 있는 슬라이더(130)의 전단부(前端部)에 고정되어 있다. 자기 헤드(80)의 위치 결정은, 통상의 액츄에이터와 전자식 미동 액츄에이터를 조합한 2단식 액츄에이터를 채용할 수 있다.
또한, 여기에서는 자기 헤드(80)를 재생용으로서 설명했지만, 이 자기 헤드(80)와 종래의 유도형(inductive type)의 박막 헤드를 병설하면 기록·재생 헤드로 할 수 있는 것은 분명하다
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상술했지만, 본 발명은 관계되는 특정의 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서 여러 가지의 변형 및 변경이 가능하다.
이상 상술한 것으로부터 분명하듯이, 본 발명에 의하면 자기저항 효과 소자 내에 센스 전류를 제한하도록 제어하는 전류경로 제어층으로서 도전성 입자를 포함한 입자 구조층이 삽입되어 있으므로, 효율적으로 소자 출력의 향상을 꾀할 수 있다. 따라서, 이 자기저항 효과 소자를 이용한 자기 헤드에 의해 자기 기록 장치의 기록 밀도의 향상을 꾀할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층, 반강자성층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서,
    상기 복수층의 적어도 하나의 층간에, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층을 설치한 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자 구조층은 상기 고정층과 반강자성층의 사이에 설치되고, 상기 도전성 입자가 자성 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  3. 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층, 반강자성층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서,
    상기 자유층, 비자성층, 고정층 및 반강자성층의 적어도 한 층을 분할하여 형성하고, 이 분할한 층의 사이에, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층을 설치한 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입자 구조층은 상기 자유층, 고정층 및 반강자성층의 적어도 하나의 층 내에 설치되고, 상기 도전성 입자가 자성 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 입자 구조층은 상기 비자성층 내에 설치되고, 상기 도전성 입자가 비자성 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  6. 적어도 기초층, 자유층, 비자성층, 고정층 및 보호층을 포함한 자기저항 효과막의 막 두께 방향으로 센스 전류를 흘려 자기저항 변화를 검출하는 자기저항 효과 소자로서,
    상기 자유층, 비자성층 및 고정층의 적어도 한 층을, 도전성 입자와, 이 도전성 입자를 분산상태로 하여 포함하고 도전성 입자의 입자 지름보다 얇은 막 두께로 형성한 절연성 매트릭스 재료로 형성한 입자 구조층으로 한 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자유층 및 고정층을 구성하는 입자 구조층의 상기 도전성 입자는, 자성 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 비자성층을 구성하는 입자 구조층의 상기 도전성 입자는, 비자성 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 자기저항 효과막 내에, 순적층형 스핀 밸브막, 역적층형 스핀 밸브막, 이중형 스핀 밸브막, 페리핀형 스핀 밸브막, 페리핀 이중형 스핀 밸브막 및 터널 접합막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 효과 소자.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 자기저항 효과 소자를 자기 재생용의 자기 헤드로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
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