KR100849430B1

KR100849430B1 - 자기저항효과막

Info

Publication number: KR100849430B1
Application number: KR1020020083101A
Authority: KR
Inventors: 노마겐지
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2008-07-30
Also published as: EP1324356B1; DE60211109D1; EP1324356A1; CN1225725C; DE60211109T2; US20030128484A1; JP2003198002A; CN1430205A; US7292415B2; KR20030057336A

Abstract

본 발명은 막두께의 감소에도 불구하고 확실히 일축 자기 이방성을 확립할 수 있는 강자성 적층 구조체를 제공한다.

자기저항효과막(41)은 고정측 강자성층(53)과, 자유측 강자성층(57)과, 고정측 강자성층(53) 및 자유측 강자성층(57) 사이에 끼워 넣어지는 중간층(56)을 구비한다. 고정측 강자성층(53)의 자화방향은 반강자성층(52)의 작용으로 고정된다. 자유측 강자성층(57)은 CoFe 합금층(57a)과 CoNiFe 합금층(57b)으로 구성된다. 자유측 강자성층(57)의 막두께의 감소에도 불구하고 CoNiFe 합금층(57b)의 작용으로 자유측 강자성층(57)의 일축 자기 이방성은 확실히 확립된다. 자기저항효과막(41)의 저항 변화량은 증대한다. 이렇게 해서 자기저항효과 판독 소자에서는 재생 출력의 증대가 실현된다.

강자성 적층 구조체, 자기저항효과막, 일축 자기 이방성

Description

자기저항효과막{MAGNETORESISTIVE FILM}

도 1은 하드 디스크 구동장치(HDD)의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 평면도.

도 2는 부상 헤드 슬라이더의 하나의 구체적인 예를 나타내는 확대 사시도.

도 3은 부상면에서 관찰되는 판독 기입 헤드의 모습을 개략적으로 나타내는 정면도.

도 4는 자기저항효과(MR) 판독 소자의 확대 평면도.

도 5는 본 발명에 의한 스핀 밸브막의 구조를 개략적으로 나타내는 확대 정면도.

도 6의 (a)는 본 실시 형태의 제1 구체적인 예에 관한 스핀 밸브막, 및 도6의 (b)는 비교예에 의한 스핀 밸브막의 BH특성을 나타내는 그래프.

도 7은 CoNiFe 합금의 조성과 양호한 자기 특성과의 관계를 나타내는 그래프.

도 8은 CPP 구조 MR 판독 소자의 확대 평면도.

도 9는 터널접합 자기저항효과(TMR)막의 확대 평면도.

부호의 설명

41 자기저항효과막으로서의 스핀 밸브막, 41b 자기저항효과막으로서의 터널접합 자기저항효과(TMR)막, 52 자화방향 구속층, 53 고정측 강자성층, 56 도전체의 중간층, 57 자유측 강자성층, 57a 코발트철 합금층, 57b 코발트 니켈철 합금층, 61 절연체의 중간층.

본 발명은 고정측 강자성층과, 자유측 강자성층과, 고정측 강자성층 및 자유측 강자성층 사이에 끼워 넣어지는 중간층과, 고정측 강자성층에 접합되는 자화방향 구속층(예를 들어 반강자성층)을 구비하는 자기저항효과막에 관한 것이다.

근년, 예를 들어 하드 디스크 구동장치(HDD)라는 자기 기록 매체 구동장치에서는 자기 정보의 판독시에 자기저항효과 소자가 사용된다. 자기저항효과 소자에서는 예를 들어 스핀 밸브막이라고 하는 자기저항효과막이 이용된다. 스핀 밸브막에서는, 자유측 강자성층의 자화방향의 회전에 따라 전기 저항은 변화한다. 이러한 전기 저항의 변화에 의하여 자기 정보가 판독된다.

일반적으로, 스핀 밸브막의 자유측 강자성층은 니켈철(NiFe) 합금층과, 이 니켈철 합금층에 중첩되는 코발트철(CoFe) 합금층을 구비한다. 니켈철 합금층의 작용으로, 코발트철 합금층 중의 일축 자기 이방성이 확립된다고 생각된다. 이렇게 해서 일축 자기 이방성이 확립되는 결과, 자기 기록 매체로부터 작용하는 자계에 의하여 자유측 강자성층의 자화방향은 확실히 회전할 수 있다. 자기 정보는 에 러 없이 판독될 수 있다.

자기 정보의 고밀도화가 진행됨에 따라서, 자기저항효과 소자에서는 재생 출력의 증대가 요구된다. 재생 출력의 증대는 예를 들어 자유측 강자성층의 막두께의 감소에 의하여 실현될 수 있다. 그러나, 상술의 자유측 강자성층에서는 니켈철 합금층의 막두께가 감소함에 따라 자유측 강자성층의 일축 자기 이방성은 잃게 된다. 일축 자기 이방성이 잃게 되는 결과, 자기 정보는 정확하게 판독할 수 없게 된다.

본 발명은 상기의 실정을 감안하여 행하여진 것으로써, 막두께의 감소에도 불구하고 확실히 일축 자기 이방성을 확립할 수 있는 강자성 적층 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의하면, 코발트니켈철 합금층과, 코발트니켈철 합금층에 중첩되는 코발트철 합금층을 구비하는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체가 제공된다.

이러한 강자성 적층 구조체에서는, 코발트니켈철 합금층의 작용으로 확실히 코발트철 합금층 내에서도 일축 자기 이방성은 확립될 수 있음이 확인되었다. 또한 코발트니켈철 합금층이나 코발트철 합금층의 막두께가 축소되어도, 강자성 적층 구조체의 일축 자기 이방성은 확실히 유지됨이 확인되었다.

이러한 강자성 적층 구조체는, 예를 들어 하드 디스크 구동장치(HDD) 같은 자기 기록 매체 구동장치에서 자기 정보의 판독시에 이용되는 자기저항효과막의 자유측 강자성층에 이용될 수 있다. 이러한 자기저항효과막은 예를 들어, 고정측 강자성층과, 상술의 강자성 적층 구조체로 구성되는 자유측 강자성층과, 고정측 강자성층 및 자유측 강자성층 사이에 끼워 넣어지는 중간층과, 고정측 강자성층에 접합되는 자화방향 구속층을 구비한다. 중간층은 도전체라도 좋고 절연체라도 좋다. 자화방향 구속층은 반강자성층이라도 좋고 특정의 경자성 금속재료 층이라도 좋다.

여기서, 코발트니켈철 합금층은 예를 들어 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

41≤x≤72

z=y+10

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하면 좋다. 이러한 코발트니켈철 합금층에 의하면, 자유측 강자성층에서 막두께가 축소되어도, 자유측 강자성층에서 확실히 일축 자기 이방성은 확립될 수 있다. 마찬가지로, 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

40≤x≤50

35≤z≤36

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유해도 좋다. 이때, 코발트철 합금층의 막두께는 1.0nm 미만으로 설정하면 좋다.

특히, 코발트니켈철 합금층에서는, 자화용이 축방향의 보자력은 800A/m 이하 로 설정하는 것이 바람직한다. 또한, 코발트니켈철 합금층에서는, 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard))과 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))의 비 Hc_(hard) /Hc_(easy) 는 0.7이하로 설정되는 것이 바람직한다. 또한 코발트니켈철 합금층은 1.7T 이상의 포화 자속 밀도(Bs)를 갖는 것이 바람직한다. 이들 3조건이 만족되면, 코발트니켈철 합금층은 자유측 강자성층의 막두께의 감소에 크게 공헌할 수 있다.

또한, 상술의 강자성 적층 구조체는 반드시 자기저항효과막에 적용될 필요는 없다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 하나의 실시 형태를 설명한다.

도 1은 자기 기록 매체 구동장치의 하나의 구체예 즉 하드 디스크 구동장치(HDD)(11)의 내부 구조를 개략적으로 나타낸다. 이 HDD(11)는 예를 들어 평평한 직방체의 내부 공간을 구획하는 상자 형상의 케이스 본체(12)를 구비한다. 수용 공간에는 기록 매체로서의 1매 이상의 자기 디스크(13)가 수용된다. 자기 디스크(13)는 스핀들 모터(14)의 회전축에 장착된다. 스핀들 모터(14)는 예를 들어 4200rpm~7200rpm이나 10000rpm 같은 고속도로 자기 디스크(13)를 회전시킬 수 있다. 케이스 본체(12)에는 케이스 본체(12) 사이에서 수용 공간을 밀폐하는 덮개 즉 커버(도시되지 않음)가 결합된다.

수용 공간에는 수직 방향으로 뻗는 지축(15) 주위로 요동하는 캐리지(16)가 더 수용된다. 이 캐리지(16)는 지축(15)으로부터 수평 방향으로 뻗는 강체의 요동암(17)과, 이 요동암(17)의 선단에 장착되어 요동암(17)으로부터 전방으로 뻗는 탄성 서스펜션(18)을 구비한다. 주지된 바와 같이, 탄성 서스펜션(18)의 선단에서는, 소위 짐발 스프링(도시하지 않음)의 작용으로 부상 헤드 슬라이더(19)는 칸틸레버(cantillever) 지지된다. 부상 헤드 슬라이더(19)에는 자기 디스크(13)의 표면을 향해 탄성 서스펜션(18)으로부터 누르는 힘이 작용한다. 자기 디스크(13)의 회전에 의하여 자기 디스크(13)의 표면에서 생성되는 기류의 작용으로 부상 헤드 슬라이더(19)에는 부력이 작용한다. 탄성 서스펜션(18)의 누르는 힘과 부력과의 밸런스로 자기 디스크(13)의 회전중에 비교적 높은 강성으로 부상 헤드 슬라이더(19)는 계속해서 부상할 수 있다.

이러한 부상 헤드 슬라이더(19)의 부상 중에, 캐리지(16)가 지축(15) 주위로 요동하면, 부상 헤드 슬라이더(19)는 반경 방향으로 자기 디스크(13)의 표면을 횡단할 수 있다. 이러한 이동에 의하여 부상 헤드 슬라이더(19)는 자기 디스크(13)상의 소망한 기록 트럭에 위치 결정된다. 이때, 캐리지(16)의 요동은 예를 들어 음성 코일 모터(VCM) 같은 액츄에이터(21)의 작용을 통해서 실현되면 좋다. 주지된 바와 같이, 복수매의 자기 디스크(13)가 케이스 본체(12)내에 조입되는 경우에는, 인접하는 자기 디스크(13)끼리의 사이에 1개의 요동암(17)에 대해서 2개의 탄성 서스펜션(18)이 탑재된다.

도 2는 부상 헤드 슬라이더(19)의 하나의 구체적인 예를 나타낸다. 이 부상 헤드 슬라이더(19)는 평평한 직방체로 형성되는 Al₂O₃-TiC(알루틱)제의 슬라이더 본체(22)와, 이 슬라이더 본체(22)의 공기 유출단에 접합되고, 판독 기입 헤드(23)를 내장하는 Al₂O₃(알루미나)제의 헤드 소자 내장막(24)을 구비한다. 슬라이더 본체(22) 및 헤드 소자 내장막(24)에는, 자기 디스크(13)에 대향하는 매체 대향면 즉 부상면(25)이 규정된다. 자기 디스크(13)의 회전에 의하여 생성되는 기류(26)는 부상면(25)에 받아들여진다.

부상면(25)에는, 공기 유입단으로부터 공기 유출단으로 향해 뻗는 2줄의 레일(27)이 형성된다. 각 레일(27)의 정상면에는 소위 ABS(공기 베어링면)(28)이 규정된다. ABS(28)에서는 기류(26)의 작용에 따라 상술의 부력이 생성된다. 헤드 소자 내장막(24)에 매립된 판독 기입 헤드(23)는, 후술하는 바와 같이, ABS(28)에서 전단을 노출시킨다. 단, ABS(28)의 표면에는 판독 기입 헤드(23)의 전단에 피복되는 DLC(다이아몬드 라이크 카본)보호막이 형성되어도 좋다. 또한, 부상 헤드 슬라이더(19)의 형태는 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 부상면(25)의 모습을 상세하게 나타낸다. 판독 기입 헤드(23)는 소위 복합 박막 자기 헤드로서 구성된다. 즉, 판독 기입 헤드(23)는 자기저항효과(MR) 판독 소자(31)와 유도 기입 헤드 소자 즉 박막 자기 헤드(32)를 겸비한다. MR 판독 소자(31)는, 주지된 바와 같이, 자기 디스크(13)로부터 작용하는 자계에 따라 변화하는 저항에 의하여 2개 값의 정보를 검출할 수 있다. 유도 기입 헤드 소자(32)는 예를 들어 도전코일 패턴(도시하지 않음)에서 발생되는 자계를 이용하여 자기 디스크(13)에 2개 값의 정보를 기입할 수 있다.

MR 판독 소자(31)은 상하 1쌍의 비자성 갭층(33,34)에 끼워 넣어진다. 비자 성 갭층(33,34)는 예를 들어 Al₂O₃(알루미나)으로 구성되면 좋다. 이렇게 해서 비자성 갭층(33,34)에 끼워 넣어진 MR 판독 소자(31)는 상부 및 하부 실드층(35,36)에 끼워 넣어진다. 상부 및 하부 실드층(35,36)은 예를 들어 FeN이나 NiFe로 구성되면 좋다. 하부 실드층(36)은 상술의 헤드 소자 내장막(24)의 하측 반층 즉 언더 코트막을 구성하는 Al₂O₃(알루미나)(37)의 표면을 따라 펼쳐진다.

유도 기입 헤드 소자(32)는 상부 실드층(35)의 표면을 따라 펼쳐지는 비자성 갭층(38)을 구비한다. 비자성 갭층(38)은 예를 들어 Al₂O₃(알루미나)로 구성되면 좋다. 상부 실드층(35)에는, 이 비자성 갭층(38)을 끼워 상부 자극층(39)이 마주 본다. 상부 자극층(39)은 예를 들어 NiFe로 구성되면 좋다. 상부 자극층(39)은 비자성 갭층(38)의 표면을 따라 넓어지는 Al₂O₃(알루미나)막(40)으로 피복된다. Al₂O₃(알루미나)막(40)은 상술의 Al₂O₃(알루미나)막과의 사이에 MR 판독 소자(31) 및 유도 기입 헤드 소자(32)를 끼워 넣는다. 즉, 이 Al₂O₃(알루미나)막(40)은 헤드 소자 내장막(24)의 상측 반층 즉 오버 코트막을 구성한다.

상부 자극층(39) 및 상부 실드층(35)은 협동하여 유도 기입 헤드 소자(32)의 자성 코어를 구성한다. 즉, MR 판독 소자(31)의 상부 실드층(35)은 유도 기입 헤드 소자(32)의 하부 자극층으로서 기능한다. 도전코일 패턴에서 자계가 발생되면, 비자성 갭층(38)의 작용으로, 상부 자극층(39)과 상부 실드층(35)을 왕래하는 자속류는 부상면(25)으로부터 빠져 나온다. 이렇게 해서 빠져 나오는 자속류에 의하여 기입 자계(갭 자계)가 형성된다. 또한, MR 판독 소자(31)의 상부 실드층(35)과 유도 기입 헤드 소자(32)의 하부 자극층은 개별로 형성되어도 좋다.

도 4를 아울러 참조하면 명확히 알 수 있는 바와 같이, MR 판독 소자(31)는, 1 평면 즉 비자성 갭층(34)의 표면상에서 ABS(28)를 따라 뻗는 자기저항효과(MR)막 즉 스핀 밸브막(41)을 구비한다. 이 스핀 밸브막(41)에는 비자성 갭층(34)의 표면에 교차하는 구획면에서 나누어진 1쌍의 단면이 규정된다. 이들 단면은 비자성 갭층(34)의 표면에 대해서 테이퍼각θ으로 경사진다.

이와 마찬가지로, 상술의 1 평면 즉 비자성 갭층(34)의 표면에는 ABS(28)를 따라 뻗는 1쌍의 자구 제어 하드막(42)이 형성된다. 이들의 자구 제어 하드막(42)은 비자성 갭층(34)의 표면에서 ABS(28)를 따라 스핀 밸브막(41)을 끼워 넣는다. 각 자구 제어 하드막(42)의 선단은 스핀 밸브막(41)의 단면에 접속된다. 자구 제어 하드막(42)은 예를 들어 CoPt나 CoCrPt 같은 경자성 금속재료로 형성되면 좋다.

각 자구 제어 하드막(42)의 표면에는 인출 도전층 즉 리드층(43)이 펼쳐진다. 인출 도전층(43)은 자구 제어 하드막(42)과 상부 실드층(35) 사이에 끼워 넣어진다. 각 인출 도전층(43)의 전단은 자구 제어 하드막(42)의 개재를 통해서 스핀 밸브막(41)의 각 단면에 접속된다. 스핀 밸브막(41)에는 인출 도전층(43)으로부터 센스 전류가 공급된다. 인출 도전층(43)은 예를 들어 Cu 같은 도전율이 높은 재료로부터 형성되면 좋다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 인출 도전층(43)은 ABS(28)에서 노출하는 전단으로부터 비자성 갭층(34)의 표면을 따라 후방으로 펼쳐진다. 각 인출 도전층(43)의 후단에는 개별로 단자 패드(44)가 연결된다. 이러한 단자 패드(44)는 인출 도전층(43)의 표면을 따라 펼쳐지면 좋다. 이들의 단자 패드(44)는 부상 헤드 슬라이더(19)가 탄성 서스펜션(18)에 고정될 때에, 예를 들어 Au볼(도시하지 않음) 등을 통해서 탄성 서스펜션(18)측의 단자 패드(도시하지 않음)에 접속된다.

도 5는 본 실시 형태에 관한 스핀 밸브막(41)을 나타낸다. 이 스핀 밸브막(41)은 소위 역적층 구조로 구성된다. 즉, 스핀 밸브막(41)은 비자성 갭층(34)의 표면에 적층되는 하지층(51)을 구비한다. 이 하지층(51)은 예를 들어 니켈크롬 합금층(NiCr 층)으로 구성되면 좋다.

하지층(51)의 표면에는 자화방향 구속층(52)이 적층된다. 이 자화방향 구속층(52)은 예를 들어 PdPtMn이나 FeMn 같은 반강자성 합금 재료로 형성되어도 좋고, 임의의 경자성 재료로 형성되어도 좋다. 자화방향 구속층(52)의 표면에는 고정측 강자성층(53)이 적층된다. 고정측 강자성층(53)은 자화방향 구속층(52)의 표면을 따라 차례로 중첩되는 예를 들어 제1, 제2 및 제3 CoFe 합금 강자성층(53a, 53b, 53c)을 구비한다. 제1 및 제2 CoFe 합금 강자성층(53a,53b)의 사이에는 Ru 결합층(54)이 끼워 넣어진다. 제2 및 제3 CoFe 합금 강자성층(53b, 53c)의 사이에는 스페큐라막 즉 산화층(55)이 끼워 넣어진다. 단, 고정측 강자성층(53)의 구조는 이러한 구조로 한정되는 것은 아니다. 자화방향 구속층(52)의 작용에 따라 고정측 강자성층(53)의 자화방향이 고정된다.

고정측 강자성층(53)의 표면에는 비자성 중간층(56)이 적층된다. 비자성 중간층(56)은 예를 들어 Cu 같은 도전금속재료로 형성되면 좋다. 비자성 중간층(56) 의 표면에는 자유측 강자성층(57)이 적층된다. 자유측 강자성층(57)은 비자성 중간층(56)의 표면으로 펼쳐지는 CoFe 합금층(57a)과, 이 CoFe 합금층(57a)의 표면으로 펼쳐지는 CoNiFe 합금층(57b)으로 구성되면 좋다. 자유측 강자성층(57)의 표면은 보호층(58)으로 피복된다. 보호층(58)은 Cu층(58a)과, 이 Cu층(58a)상에 형성되는 캡층 즉 Ta층(58b)으로 구성되면 좋다.

자기 정보의 판독시에 MR 판독 소자(31)를 자기 디스크(13)의 표면과 마주 보게 하면, 스핀 밸브막(41)에서는 주지된 바와 같이, 자기 디스크(13)로부터 작용하는 자계의 방향에 따라 자유측 강자성층(57)의 자화방향은 회전한다. 이렇게 해서 자유측 강자성층(57)의 자화방향이 회전하면, 스핀 밸브막(41)의 전기 저항은 크게 변화한다. 따라서, 인출 도전층(43)으로부터 스핀 밸브막(41)에 센스 전류가 공급되면, 전기 저항의 변화에 따라서, 단자 패드(44)로부터 취출되는 전기 신호의 전압값은 변화한다. 이 전압값의 변화에 따라 2개 값 정보는 판독될 수 있다.

이때, 이상과 같은 스핀 밸브막(41)에서는 상술의 CoNiFe 합금층(57b)의 작용으로 자유측 강자성층(57)의 일축 자기 이방성은 확실히 확립된다. 이렇게 해서 일축 자기 이방성이 확립되는 결과, 자기 디스크(13)로부터 작용하는 자계에 의하여 자유측 강자성층(57)의 자화방향은 확실히 회전할 수 있다. 자기 정보는 에러 없이 판독될 수 있다. 또한 상술의 자유측 강자성층(57)에서는 CoFe 합금층(57a)이나 CoNiFe 합금층(57b)의 막두께가 감소해도, 자유측 강자성층(57)의 일축 자기 이방성은 확실히 유지될 수 있다. 스핀 밸브막(41)의 저항 변화량은 증대한다. 저항 변화량의 증대는 단자 패드(44)로부터 취출되는 전압값의 변화량 즉 진폭을 증대시킨다. 이렇게 해서 재생 출력은 증대한다.

본 발명자는 상술의 스핀 밸브막(41)의 특성을 검증했다. 이 검증시에 본 발명자는 진공 공간내에서 임의의 웨이퍼상에 차례로 막두께 6.0nm의 NiCr 층, 막두께 15.0nm의 PdPtMn 층과, 막두께 1.5nm의 제1 CoFe 합금 강자성층(53a)과, 막두께 0.85nm의 Ru 결합층(54)과, 막두께 1.0nm의 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)을 퇴적 시켰다. 퇴적시에 스퍼터링이 사용되었다. 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)의 퇴적후에 진공 공간내에는 70초간에 걸쳐서 산소가 도입되었다. 산소의 작용으로, 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)의 표면에는 산화층(55)이 형성되었다. 산화층(55)의 형성 후, 다시 진공 공간은 확립되었다. 그 후, 본 발명자는 웨이퍼상에 차례로 막두께 1.5nm의 제3 CoFe 합금 강자성층(53c), 막두께 2.1nm의 Cu층, 막두께 0.5nm의 CoFe 합금층(57a), 막두께 1.7nm의 CoNiFe 합금층(57b), 막두께 1.2nm의 Cu층 및 막두께 3.0nm의 Ta층을 퇴적 시켰다. 이들 퇴적시에 마찬가지로 스퍼터링을 사용하였다. 각 CoFe 합금층(53a, 53b, 53c, 57a)에는 Co₉₀Fe₁₀ 합금(원자％)을 사용하였다. CoNiFe 합금층(57b)에는 Co₄₁Fe₂₄Ni₃₅ 합금(원자％)를 사용하였다. 퇴적 완료 후, PdPtMn 층은 열처리에 의하여 규칙화되었다. 이렇게 해서 스핀 밸브막(41)의 제1 구체적인 예를 작성하였다. 작성된 스핀 밸브막(41)의 자기저항효과(MR) 비[％], 전기 저항값(소위 시트 저항)(ρ/t)[Ω], 저항 변화량(△ρ/t)[Ω], 자기 결합 자계(Hin)[A/m] 및 자기 결합 자계(소위 핀 멈춤 자계)(Hua)[kA/m]를 측정하였다.

본 발명자는 비교예에 의한 스핀 밸브막을 준비했다. 이 비교예에서는 상술한 것과 동일하게 스핀 밸브막을 적층 형성하였다. 단, 자유측 강자성층에는 상술의 CoFe 합금층(57a) 및 CoNiFe 합금층(57b) 대신에, 막두께 1.0nm의 CoFe 합금층 및 막두께 2.0nm의 NiFe 층을 사용하였다. PdPtMn 층의 열처리 후에, 비교예에 의한 스핀 밸브막에서, 마찬가지로, 자기저항효과(MR) 비[％], 전기 저항값(소위 시트 저항)(ρ/t)[Ω], 저항 변화량(△ρ/t)[Ω], 자기 결합 자계(Hin)[A/m] 및 자기 결합 자계(소위 핀 멈춤 자계)(Hua)[kA/m]를 측정하였다.

<표 1>

	MR비[%]	△ρ/t[Ω]	ρ/t[Ω]	Hin[A/m]	Hua[kA/m]
구체예 1	12.2	2.22	18.1	294.4	113.8
비교예 1	11.5	1.81	15.8	748.0	131.3

<표 1>로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제1 구체적인 예에 의한 스핀 밸브막(41)에서는, 비교예에 의한 스핀 밸브막에 비하여 MR비는 상당 정도로 개선되었다. 저항 변화량(△ρ/t)은 현저하게 증대했다. 또한 도 6의 (a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 구체적인 예에 의한 스핀 밸브막(41)에서는 막두께의 감소에도 불구하고 일축 자기 이방성의 확립이 확인되었다. 한편, 도 6의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예에 의한 스핀 밸브막에서는 일축 자기 이방성의 상실이 확인되었다.

이와 마찬가지로, 본 발명자는 제2 구체적인 예에 의한 스핀 밸브막(41)을 준비했다. 이 제2 구체적인 예의 형성시에, 본 발명자는 진공 공간내에 임의의 웨이퍼상에 차례로 막두께 6.0nm의 NiCr 층, 막두께 15.0nm의 PdPtMn 층과, 막두께 1.2nm의 제1 CoFe 합금 강자성층(53a)과, 막두께 0.85nm의 Ru 결합층(54)과, 막두께 1.2nm의 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)을 퇴적 시켰다. 퇴적시에 스퍼터링이 사용되었다. 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)의 퇴적후에 진공 공간내에는 90초간에 걸쳐서 산소가 도입되었다. 산소의 작용으로, 제2 CoFe 합금 강자성층(53b)의 표면에는 산화층(55)이 형성되었다. 산화층(55)의 형성 후, 다시 진공 공간이 확립되었다. 그 후, 본 발명자는 웨이퍼상에 차례로 막두께 1.7nm의 제3 CoFe 합금 강자성층(53c), 막두께 2.1nm의 Cu층, 막두께 0.5nm의 CoFe 합금층(57a), 막두께 1.7nm의 CoNiFe 합금층(57b), 막두께 0.6nm의 Au층을 퇴적 시켰다. 이들 퇴적시에 마찬가지로 스퍼터링이 사용되었다. 각 CoFe 합금층(53a, 53b, 53c, 57a)에는 Co₆₀Fe₄₀ 합금(원자％)을 사용하였다. CoNiFe 합금층(57b)에는 Co₄₁Fe₂₄Ni₃₅ 합금(원자％)를 사용하였다. 퇴적 완료 후, PdPtMn 층은 열처리에 의하여 규칙화되었다. 작성된 스핀 밸브막(41)의 자기저항효과(MR) 비[％], 전기 저항값(소위 시트 저항)(ρ/t)[Ω], 저항 변화량(△ρ/t)[Ω], 자기 결합 자계(Hin)[A/m] 및 자기 결합 자계(소위 핀 멈춤 자계)(Hua)[kA/m]를 측정하였다.

상술한 것과 마찬가지로, 본 발명자는 제2 구체적인 예에 대해서 비교예를 준비했다. 이 비교예에서는 자유측 강자성층으로, 상술한 CoFe 합금층(57a) 및 CoNiFe 합금층(57b) 대신에, 막두께 1.0nm의 CoFe 합금층 및 막두께 2.0nm의 NiFe 층을 사용하였다. PdPtMn 층의 열처리 후에, 비교예에 의한 스핀 밸브막에서, 마찬가지로, 자기저항효과(MR) 비[％], 전기 저항값(소위 시트 저항)(ρ/t)[Ω], 저 항 변화량(△ρ/t)[Ω], 자기 결합 자계(Hin)[A/m] 및 자기 결합 자계(소위 핀 멈춤 자계)(Hua)[kA/m]를 측정하였다.

<표 2>

	MR비[%]	△ρ/t[Ω]	ρ/t[Ω]	Hin[A/m]	Hua[kA/m]
구체예 2	15.5	2.60	16.7	262.6	98.7
비교예 2	14.4	2.32	16.2	803.7	81.2

<표 2>로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제2 구체적인 예에 의한 스핀 밸브막(41)에서는 비교예에 의한 스핀 밸브막에 비해서 MR비가 상당 정도로 개선되었다. 저항 변화량(△p/t)은 현저하게 증대했다. 또한 제2 구체적인 예에 의한 스핀 밸브막(41)에서는 막두께의 감소에도 불구하고 일축 자기 이방성의 확립이 확인되었다.

계속해서 본 발명자는 CoNiFe 합금층(57b)의 자기 특성을 검증했다. 본 발명자는 CoNiFe 합금층의 조성을 변화시키면서 포화 자속 밀도(Bs)[T], 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))[A/m] 및 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard))[A/m]를 측정했다. 그 결과, <표 3>으로부터 알 수 있는 바와 같이, 특정의 조성으로 구성되는 CoNiFe 합금층에서는 확실히 일축 자기 이방성이 확립됨이 확인되었다.

<표 3>

조성[원자%]	Bs[T]	Hc_(easy)[A/m]	Hc_(hard)/Hc_(easy)
Co₇₂Ni₉Fe₁₉	1.78	748.0	0.70
Co₆₃Ni₁₃Fe₂₄	1.81	843.5	0.74
Co₅₄Ni₁₈Fe₂₈	1.85	851.5	0.75
Co₄₈Ni₁₆Fe₃₆	1.75	819.6	0.72
Co₄₆Ni₁₉Fe₃₅	1.79	859.4	0.76
Co₄₂Ni₂₃Fe₃₅	1.72	756.0	0.68
Co₄₁Ni₂₄Fe₃₅	1.75	342.2	0.52

이러한 일축 자기 이방성의 확립시에, 예를 들어 도 7로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, CoNiFe 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

41≤x≤72

z=y+10

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하면 좋다. 그 외, CoNiFe 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

40≤x≤50

35≤z≤36

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유해도 좋다. 단, 이들 조성비에는 플러스 마이너스 2[원자％] 정도의 측정 오차가 예상된다. 특히, 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))이 800[A/m]이하, 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard)) 과 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))의 비(Hc_(hard) /Hc_(easy))가 0.7이하, 및, 포화 자속 밀도(Bs)가 1.7[T]이상의 특정 조건이 CoNiFe 합금층에서 확립되면, 자유측 강자성층(57)의 막두께의 축소에 크게 공헌함이 용이하게 상상된다.

이상과 같은 스핀 밸브막(41)은 예를 들어 도 8에 나타내는 바와 같이, 소위 CPP(Current-Perpendicular-to-the-Plane)구조 MR 판독 소자(31a)에 이용되어도 좋 다. 이 CPP 구조 MR 판독 소자(31a)에서는, 스핀 밸브막(41)은 상하의 전극층(43a,43b)에 끼워 넣어진다. 스핀 밸브막(41)은 상술의 적층 구조를 구비하면 좋다. 이때, 전극층(43a,43b)이 도전성의 자성체로 구성되면, 전극층(43a,43b)은 동시에 CPP 구조 MR 판독 소자(31a)의 상하 실드층으로서 기능할 수 있다. 기타, 상술의 MR 판독 소자(31)와 동일한 기능이나 작용을 발휘하는 구성에는 동일한 참조 부호가 부여된다. 이러한 CPP 구조 MR 판독 소자(31a)에서는, 자유측 강자성층(57)의 막두께의 감소에 따라 상하 실드층 끼리의 간격을 좁힐 수 있다. 기록 트럭의 선방향으로 자기 정보의 해상도를 높일 수 있다.

CPP 구조 MR 판독 소자(31a)에서는 상술의 스핀 밸브막(41) 대신에 소위 터널접합 자기저항효과(TMR)막이 사용되어도 좋다. 상술한 자유측 강자성층(57)은 예를 들어 도 9에 나타내는 바와 같이, TMR막(41b) 내에 조입되면 좋다. 이 TMR막(41b)에서는, 상술한 도전체의 비자성 중간층(56) 대신에 절연체의 비자성 중간층(61)이 사용된다. 기타, 상술한 스핀 밸브막(41)과 동일한 작용 기능을 발휘하는 구성에는 동일한 참조 부호가 부여된다. 이렇게 해서 상술한 자유측 강자성층(57)이 TMR막(41b)에 조입되면, 상술한 CPP 구조 MR 판독 소자(31a)와 마찬가지로 자유측 강자성층(57)의 막두께의 감소에 따라 상하 실드층 끼리의 간격을 좁힐 수 있다. 기록 트럭의 선방향으로 자기 정보의 해상도를 높일 수 있다.

또한, 상술한 스핀 밸브막(41)이나 TMR막(41b)은 소위 순(順)적층 구조로 구성되어도 좋다.

(부기 1)

고정측 강자성층과, 코발트니켈철 합금층 및 코발트철 합금층으로 구성되는 자유측 강자성층과, 고정측 강자성층 및 자유측 강자성층 사이에 끼워 넣어지는 중간층과, 고정측 강자성층에 접합되는 자화방향 구속층을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 2)

부기 1 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 중간층이 도전체인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 3)

부기 1 또는 2 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 자화방향 구속층은 반강자성층인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 4)

부기 1~3중 어느 하나 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층에서는 자화용이 축방향의 보자력이 800A/m 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 5)

부기 4 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층에서는 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard))과 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))의 비(Hc_(hard)/Hc_(easy))가 0.7이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 6)

부기 5 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층은 1.7T이상의 포화 자속 밀도(Bs)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 7)

부기 6 기재의 자기저항효과막에서, 상기 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

41≤x≤72

z=y+10

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 8)

부기 6 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층은, 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

40≤x≤50

35≤z≤36

(부기 9)

부기 7 또는 8 기재의 자기저항효과막에 있어서, 상기 코발트철 합금층의 막 두께는 1.0nm 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.

(부기 10)

코발트니켈철 합금층과, 코발트니켈철 합금층에 중첩되는 코발트철 합금층을 구비하는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

(부기 11)

부기 10 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층에서는 자화용이 축방향의 보자력이 800A/m이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

(부기 12)

부기 11 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층에서는 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard))과 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))의 비(Hc_(hard)/Hc_(easy))가 0.7이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

(부기 13)

부기 12 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층은 1.7T이상의 포화 자속 밀도(Bs)를 갖는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

(부기 14)

부기 13 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서,

상기 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

41≤x≤72

z=y+10

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

(부기 15)

부기 13 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서, 상기 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

40≤x≤50

35≤z≤36

(부기 16)

부기 14 또는 15 기재의 강자성 적층 구조체에 있어서, 상기 코발트철 합금층의 막두께는 1.0nm 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 강자성 적층 구조체.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 막두께의 감소에도 불구하고 확실히 일축 자기 이방성을 확립할 수 있는 강자성 적층 구조체가 제공된다.

Claims

고정측 강자성층과, 코발트니켈철 합금층 및 코발트철 합금층으로 구성되는 자유측 강자성층과, 고정측 강자성층 및 자유측 강자성층 사이에 끼워 넣어지는 중간층과, 고정측 강자성층에 접합되는 자화방향 구속층을 구비하고,

상기 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

41≤x≤72

z=y+10

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제1항에 있어서,

상기 중간층은 도전체인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
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고정측 강자성층과, 코발트니켈철 합금층 및 코발트철 합금층으로 구성되는 자유측 강자성층과, 고정측 강자성층 및 자유측 강자성층 사이에 끼워 넣어지는 중간층과, 고정측 강자성층에 접합되는 자화방향 구속층을 구비하고,

상기 코발트니켈철 합금층은 다음식에 의거하여,

100=x+y+z

40≤x≤50

35≤z≤36

x원자％의 코발트와, y원자％의 니켈과, z원자％의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제11항에 있어서,

상기 중간층은 도전체인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제2항 또는 제12항에 있어서,

상기 자화방향 구속층은 반강자성층인 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제1항 또는 제11항에 있어서,

상기 코발트니켈철 합금층에서는, 자화용이 축방향의 보자력은 800A/m이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제14항에 있어서,

상기 코발트니켈철 합금층에서는, 자화곤란 축방향의 보자력(Hc_(hard))과 자화용이 축방향의 보자력(Hc_(easy))의 비(Hc_(hard)/Hc_(easy))는 0.7이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제15항에 있어서,

상기 코발트니켈철 합금층은 1.7T이상의 포화 자속 밀도(Bs)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.
제1항 또는 제11항에 있어서,

상기 코발트철 합금층의 막두께는 1.0nm 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기저항효과막.