KR19980024628A - 듀얼스핀밸브형 박막소자 - Google Patents

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Abstract

듀얼스핀밸브형 박막자기헤드의 반강자성 (反强磁性) 층 (4, 4) 에 PtMn 막을 사용한다. 상기 PtMn 막은 핀 자성층 (3, 3) 상하 어느쪽에 형성되어도 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다. 또한 비교적 저온 열처리에서 유효한 교환 이방성 자계를 발생시킬 수 있다.
또한, 스핀밸브막의 반강자성층 (4) 에 PtMn 막을 사용한다. 이것에 의해 비교적 낮은 열처리 온도에서, 더구나 상기 반강자성층 (4) 의 막두께를 작게 해도 충분한 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다. 따라서, 스핀밸브막 층의 총수를 늘려 저항변화율은 크게 할 수 있음과 동시에, 스핀밸브막의 총합 막두께 (h3) 를 비교적 작게 할 수 있다.

Description

듀얼스핀밸브형 박막소자
본 발명은, 고정 자성층 (핀 자성층) 의 자화 (磁化) 방향과 외부 자계의 영향을 받는 프리 자성층의 자화 방향의 관계에서 전기저항이 변화하는 스핀밸브형 박막소자에 관한 것으로, 스핀밸브막 구조 및 재질을 개량하여 검출감도을 높이면서 고밀도화 기록에 대응할 수 있도록 한 스핀밸브형 박막소자 및 그것을 사용한 스핀밸브형 박막자기헤드에 관한 것이다.
거대 자기 저항 (GMR : Giant magnetoresistive) 효과를 발휘시키는 다층구조에는 스핀밸브 방식이나 멀티레이어 (Multilayer) GMR 방식 등이 있다.
도 12 는 멀티레이어 GMR 소자를 나타내는 단면도이다.
멀티레이어 GMR 소자는, 아래부터 강자성 재료층 (9) 과 비자성 도전층 (2) 이 어느 층에나 반복해서 적층된 구조로 되어 있다.
또한, 상기 강자성 재료층 (9) 에는 NiFe (니켈-철) 합금이나 CoFe (코발트-철) 합금 등이 사용되고, 비자성 도전층 (2) 에는 Cu (구리) 가 일반적으로 사용된다.
비자성 도전층 (2) 을 사이에 두고 상하에 강자성 재료층 (9) 이 적층되고, 특히 상기 비자성 도전층 (2) 의 막두께가 10 ∼ 20 옹스트롬 정도로 형성되면, RKKY 상호작용에 의해 상하 강자성 재료층 (9) 의 자화 방향은 정반대 방향으로 단자구화 (單磁區化) 되어 정돈되어 있다.
이 멀티레이어 GMR 소자에서는 하드디스크 등의 기록매체로부터 누설 자계가 부여되면, 상기 강자성 재료층 (9) 의 자화가 누설 자계와 동일한 방향으로 변화된다. 상기 강자성 재료층 (9) 의 자화 방향의 변동에 따라 전기저항이 변화되고, 이 전기저항치의 변화에 의거한 전압변화에 따라 자기 기록매체로부터 누설 자계가 검출된다.
그런데, 이 멀티레이어 GMR 소자의 저항변화율은 외부 자계가 수십 Oe 에서 수천 Oe 이면 약 10 ∼ 30 % 정도가 된다. 저항변화율이 매우 높아지는 것은 전자산란을 일으키는 장소가 매우 많기 때문이다. 또한 이 저항변화율을 인출하기 위해서 매우 큰 외부 자계가 필요해지지만, 그것은 강자성 재료층 (9) 의 자화 방향이 RKKY 상호작용에 의해 정반대 방향이 되어 강고히 고정되어 있기 때문이다. 또한, 이 저항변화율에서 면 기록밀도를 계산해 본바, 100 (Gb/in2) 정도까지의 면 기록밀도 대응이 가능하다는 것을 알 수 있다. 단, 수 Oe 의 비교적 약한 외부 자계가 부여된 경우에는, 멀티레이어 GMR 소자의 저항변화율은 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율보다도 작아지는 것이 확인되었다.
도 13 은 싱글스핀밸브형 박막소자를 나타내는 것으로, 위부터 프리 (free) 자성층 (1), 비자성 도전층 (2), 핀 (Pinned) 자성층 (3) 및 반강자성층 (4) 4 층으로 구성되어 있다. 또한, 양측에 위치한 부호 (5, 5) 는 하드바이어스층이다. 부호 (6, 7) 는 Ta (탄탈) 등의 비자성재료로 형성된 하지층 및 보호층이고, 부호 (8) 는 도전층이다. 상기 핀 자성층 (3) 의 보자력은 프리 자성층 (1) 의 보자력에 비해 높이 설정되어 있다.
핀 자성층 (3) 과 반강자성층 (4) 은 접해서 형성되고, 상기 핀 자성층 (3) 은, 상기 반강자성층 (4) 과의 계면에서의 교환 결합에 의한 교환 이방성 자계에 의해 Y 방향으로 단자구화되고 자화 방향이 Y 방향으로 고정된다. 상기 교환 이방성 자계는 자계를 부여하면서 열처리를 실시함으로써 상기 반강자성층 (4) 과 상기 핀 자성층 (3) 의 계면에서 발생한다.
또한, X 방향으로 자화된 하드바이어스층 (5) 의 영향을 받아 상기 프리 자성층 (1) 의 자화 방향은 X 방향으로 정돈되어 있다. 하드바이어스층 (5) 에 의해 프리 자성층 (1) 이 소정 방향으로 단자구화됨으로써, 바크 하우젠 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
이 싱글스핀밸브형 박막소자에서는, 도전층 (8) 부터 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 핀 자성층 (3) 에 정상전류가 부여된다. 하드디스크 등 자기 기록매체의 주행방향은 Z 방향으로, 상기 자기 기록매체로부터 누설 자계가 Y 방향으로 부여되면, 프리 자성층 (1) 의 자화 방향이 X 방향에서 Y 방향쪽으로 변화된다. 이 프리 자성층 (1) 내에서의 자화 방향의 변동과 핀 자성층 (3) 의 고정 자화 방향의 관계에서 전기저항이 변화하고, 이 전기저항치의 변화에 의거한 전압변화에 따라 자기 기록배체로부터 누설 자계가 검출된다.
이어서, 도 14 는 듀얼스핀밸브형 박막소자를 나타내는 단면도이다. 듀얼스핀밸브형에서는 프리 자성층 (1) 을 중심으로 상하 대상에, 비자성 도전층 (2, 2), 핀 자성층 (3, 3) 및 반강자성층 (4, 4) 이 적층되어 있다. 상기 프리 자성층 (1) 의 자화 방향은, 하드바이어스층 (5) 에 의해 X 방향으로 정돈되어 있고, 상기 핀 자성층 (3) 의 자화 방향은, 상기 핀 자성층 (3, 3) 과 반강자성층 (4, 4) 의 계면에서의 교환 결합에 의한 교환 이방성 자계로 Y 방향으로 단자구화되어 고정되어 있다.
상기 기록매체로부터 Y 방향의 누설 자계에 의해, 상기 프리 자성층 (1) 의 자화 방향이 X 방향에서 Y 방향쪽으로 변화함으로써 전기저항치가 변화한다.
스핀밸브형 박막소자에서는, 프리 자성층 (1) 의 자화 방향이 X 방향에서 Y 방향쪽으로 변화하면, 프리 자성층 (1) 과 핀 자성층 (3) 사이에서 한쪽 층에서 다른쪽 층으로 이동하려고 하는 전자가, 비자성 도전층 (2) 과 프리 자성층 (1) 의 계면, 또는 비자성 도전층 (2) 과 핀 자성층 (3) 의 계면에서 산란을 일으킴으로써 전기저항이 변화하고, 이 전기저항치의 변화에 의거한 전압변화에 의해 자기 기록매체로부터 누설 자계가 검출된다.
프리 자성층 (1) 의 자화 방향과 핀 자성층 (3) 의 자화 방향의 각도가 매우 커졌을 때에, 즉 정반대 방향으로 되었을 때에 상기 전기저항은 최대치를 나타내고, 상기 프리 자성층 (1) 의 자화 방향과 상기 핀 자성층 (3) 의 자화 방향이 동일해졌을 때에 상기 전기저항은 최소치를 나타낸다. 기록매체로부터 누설 자계가 부여되었을 때에, 저항변화율 {(최대 전압치 - 최소 전압치) / 최소 전압치} 이 커지면 커질수록, 스핀밸브형 박막소자 및 스핀밸브형 박막자기헤드의 특성은 양호해진다.
또한, 상기 검출출력은 정상전류 (센스 전류) 의 크기에도 의존하고, 상기 정상전류가 커지면 커질수록 상기 검출출력은 커진다. 단, 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 고정 자성층 (3) 을 흐르는 전류밀도가 너무 크면 줄열 (Joule heat) 에 의한 검출출력의 저하나 신뢰성 및 내구성 등에 문제가 생겨 스핀밸브형 박막소자의 특성은 저하된다. 스핀밸브형 박막소자의 특성을 양호하게 유지할 수 있는 정상전류의 상한선치는 3×107(A/㎠) 로 되어 있다. 또한, 스핀밸브막 층의 총수를 늘림으로써 정상전류의 상한선치를 올릴 수 있다.
도 13 에 나타내는 싱글스핀밸브형 박막소자에서는, 전자산란이 일어나는 장소가 비자성 도전층 (2) 과 프리 자성층 (1) 의 계면 및 비자성 도전층 (2) 과 핀 자성층 (3) 의 계면 두군데인 것에 대해, 도 14 에 나타내는 듀얼스핀밸브형 박막소자에서는, 전자산란이 일어나는 장소가 비자성 도전층 (2) 과 프리 자성층 (1) 두군데의 계면과, 비자성 도전층 (2) 과 핀 자성층 (3) 두군데의 계면 총 4 군데이기 때문에, 듀얼스핀밸브형 박막소자 쪽이 싱글스핀밸브형 박막소자에 비해 저항변화율이 커진다.
고밀도화 기록에 대응하는 데에는, 면 기록밀도를 향상시키는 것이 중요하다. 상기 면 기록밀도를 향상시키는 데에는, 재생출력을 높일 필요가 있으며, 또한 상기 재생출력을 높이는 데에는, 상기 재생출력과 비례 관계에 있는 저항변화율을 높일 필요가 있다.
도 12 에 나타내는 멀티레이어 GMR 소자의 경우, 상술한 바와 같이 수천 Oe 의 외부 자계를 부여해 주면, 저항변화율을 최고치로 약 30 % 로 할 수 있지만, 외부 자계가 매우 작으면, 멀티레이어 GMR 소자의 저항변화율은 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율보다도 작아진다.
또한, 멀티레이어 GMR 소자의 경우, 스핀밸브형 박막소자와 같이 하드바이어스층을 형성할 수 없어 바크 하우젠 노이즈의 발생을 저감시킬 수는 없다.
그것은 만일 하드바이어스층을 형성하면, 상기 하드바이어스층의 자화 방향에 모든 강자성 재료층의 자화 방향이 정돈되어 있고, 따라서 멀티레이어 GMR 소자에 외부 자계를 부여해도 전기저항이 변화하지 않아 기록매체의 누설 자계가 검출할 수 없게 되기 때문이다.
이어서 종래의 스핀밸브형 박막소자에 있어서는, 상기 프리 자성층 (1) 및 핀 자성층 (3) 으로는 예컨대 FeNi (철-니켈) 계 합금막, 비자성 도전층 (2) 으로는 Cu (구리) 막이 일반적으로 사용된다. 또한, 도 13 에 나타내는 종래의 싱글스핀밸브형 박막소자에서는, 반강자성층 (4) 을 구성하는 반강자성 재료로 FeMn (철-망간) 합금막이 일반적으로 사용되어 왔다.
그러나, 상기 FeMn 막은 잘 부식해서 수분을 함유한 공기중에 비치해 두면 급속히 녹을 발생시키는 결점이 있다. 또한, 반강자성 재료의 FeMn 합금막과 핀 자성층인 FeNi 합금막의 교환 결합에서의 블록킹 온도는 약 150 ℃ 정도로 낮은 것으로, 박막자기헤드 동작중에 자기발열이나 환경온도에 의해 헤드의 온도가 높아지면, 교환 이방성 자계가 약해져 검출출력에서의 노이즈가 커지는 결점이 있다.
또한, 상기 FeMn 합금을 대신하는 반강자 재료로 IrMn (이리듐-망간) 합금막, RhMn (로듐-망간) 합금막 등이 있다.
그러나, 상기 FeMn (철-망간) 합금막, IrMn (이리듐-망간) 합금막, RhMn (로듐-망간) 합금막 등은, 핀 자성층 (3)을 구성하는 FeNi 합금 등의 강자성 재료 위에 겹쳐서 성막되었을 때에는 핀 자성층 (3) 과의 계면에서 교환 결합을 발휘할 수 있지만, 이들 반강자성 재료는 하지층의 영향을 받기 쉽고, 또한 반강성 재료의 윗면 부근이 반강자성 성질을 잘 발휘하지 못하는 특징를 갖고 있기 때문에, 반강자성 재료 위에 핀 자성층 (3) 이 겹쳐져 성막된 경우에는 교환 결합을 발휘하지 못하는 성질을 갖고 있다.
또, CoO (산화코발트) 합금막, NiO (산화니켈) 합금막 등의 반강자성 재료는 핀 자성층 (3) 을 구성하는 강자성 재료 아래에 겹쳐서 성막되었을 때에는 핀 자성층과의 계면에서 교환 결합을 발휘할 수 있지만, 상기 CoO 합금막, NiO 합금막의 반강자성 재료는 그 결정화도에 의존성이 있고, 스퍼터법 등의 진공 성막 개시시, 하지막과의 계면 부근에서는 결정성이 잘 얻어지지 않고, 하지막에서 멀어질수록 결정이 성장함으로써 반강자성 재료의 하면 부근이 반강자성 성질을 잘 발휘하지 못하는 특징을 갖고 있기 때문에, 반강자성 재료 아래에 핀 자성층이 겹쳐져 성막된 경우에는 교환 결합이 잘 얻어지지 않는 성질을 갖고 있다.
이와 같이 상기에 열기된 반강자성 재료는, 핀 자성층 (3) 에 대해 위나 아래 한쪽에 적층되었을 때밖에 유효한 교환 결합을 발휘할 수 없다. 따라서, 도 14 에 나타내는 듀얼스핀밸브형과 같이 반강자성층 (4, 4) 이 핀 자성층 (3, 3) 상하 쌍방에 성막된 구조에서는, 상기 반강자성 재료를 사용할 수 없다.
또한, 핀 자성층 (3) 에 대해 상하 어느쪽에 형성되어도 교환 이방성 자계를 수득할 수 있는 재료로, NiMn (니켈-망간) 합금이 있다. 이 반강자성 재료는, 핀 자성층 (3) 상하 쌍방에 성막할 수 있기 때문에, 도 1 에 나타내는 듀얼스핀밸브형 박막소자에 사용할 수 있다.
그런데, 이 NiMn 합금막과 FeNi 계 합금막 (핀 자성층 (3)) 사이에서 유효한 교환 결합을 발휘시키기 위해서는, 비교적 높은 온도에서의 가열처리 (아닐) 이 필요해진다. 즉, 교환 이방성 자계를 발생시키기 위해서는, 반강자성층 (4) 및 핀 자성층 (3) 을 접합해서 성막하였을 때에, 자계를 부여하면서 열처리를 행할 필요가 있지만, 반강자성층 (4) 이 NiMn 합금막이고, 핀 자성층 (3) 이 FeNi 계 합금인 경우, 유효한 교환 이방성 결합을 발휘시키기 위한 열처리 온도는 약 250 ℃ 이상 가장 높은 온도가 필요하다.
그러나, 250 ℃ 이상의 고온 열처리를 행하면, FeNi 합금막으로 형성되어 있는 프리 자성층 (1) 및 핀 자성층 (3) 과, Cu 로 형성되어 있는 비자성 도전층 (2) 의 계면에서 금속 원소의 확산이 발생하고, 프리 자성층 (1) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면 및 핀 자성층 (3) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면에서의 전자확산에 의한 자기저항 효과에 영향이 미쳐 외부 자계에 대한 저항변화율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 고밀도화 기록에 대응하는 데에는, 면 기록밀도를 향상시킴과 동시에 자기 갭 길이 (G1) 를 작게 하는 것도 중요하지만, NiMn 계 합금막으로 반강자성층을 형성하면, 상기 반강자성층의 막두께를 수백 옹스트롬 정도로 하지않으면 양호한 교환 이방성 자계를 수득할 수 없다. 따라서, 도 14 에 나타내는 다층막 두께 치수 (h') 가 커지는 것을 피할 수 없어 자기 갭 길이 (G1) 을 작게 할 수 없다. 덧붙여서 말하면, 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 고정 자성층 (3) 의 막두께는 각각 수십 옹스트롬 정도이다.
상기 싱글스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은 3 ∼ 9 % 정도가 된다. 또한, 상기 저항변화율에서 면 기록밀도를 계산해보면, 싱글스핀밸브형에서는 10(Gb/in2) 정도까지의 면 기록밀도 대응이 가능하다.
본 발명은 종래의 멀티레이어 GMR 소자 및 종래의 싱글스핀밸브형 박막소자, 듀얼스핀밸브형 박막소자의 문제점을 해결하는 것으로, 멀티레이어 GMR 소자에 비해 작은 외부 자계에서도 충분한 저항변화율이 수득되도록 하고, 추가로 싱글스핀밸브형 박막소자보다도 큰 저항변화율을 수득하도록 하여 작은 외부 자계에 대해 고밀도이면서 높은 검출출력을 수득할 수 있는 스핀밸브형 박막소자 및 그것을 사용한 스핀밸브형 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또한 본 발명은, 반강자성막에 의한 교환 결합을 발휘시키기 위한 열처리 온도를 낮게 할 수 있도록 하여 프리 자성층 및 핀 자성층과, 비자성 도전층의 계면에서의 확산을 방지할 수 있으며, 높은 저항변화율을 수득할 수 있는 스핀밸브형 박막소자 및 그것을 사용한 스핀밸브형 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위한 것으로, 반강자성층을 PtMn (백금-망간) 합금 등으로 형성함으로써, 상기 반강자성층이 핀 자성층의 상하 어느쪽에 형성되어도, 유효한 교환 이방성 자계를 수득할 수 있는 듀얼스핀밸브형 박막소자 및 그것을 사용한 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 듀얼스핀밸브형 박막소자는, 프리 자성층 상하에 적층된 비자성 도전층과, 한쪽 상기 비자성 도전층 위 및 다른쪽 비자성 도전층 아래에 위치한 핀 자성층과, 한쪽 상기 핀 자성층 위 및 다른쪽 핀 자성층의 아래에 위치해서 교환 이방성 자계에 의해 각각 핀 자성층의 자화 방향을 일정한 방향으로 고정하는 반강자성층과, 상기 프리 자성층의 자화 방향을 상기 핀 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층을 갖고 있으며, 상기 반강자성층이 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 2 본 발명은, 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정되는 고정 자성층과 자기 기록매체로부터 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동하는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에서 프리 자성층 위에 비자성 도전층, 고정 자성층이 연속해서 적층된 제 1 다층막과 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층이 연속해서 적층된 제 2 다층막을 갖고 있으며, 상기 제 1 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 2 다층막이 적층되어 있고, 상기 제 1 다층막과 제 2 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 2 발명은, 도 5 에 나타낸 것이다. 이 스핀밸브형 박막소자는, 싱글형 스핀밸브막 (다) 위에 반강자성층을 공유하고 싱글형 스핀밸브막 (나) 이 적층된 구조가 된다. 이를 위한 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은 싱글스핀밸브형 박막소자 (도 13) 의 저항변화율 (3 ∼ 9 %) 보다도 높아진다. 또한 정상전류의 상한선치를 올릴 수 있기 때문에, 싱글스핀밸브형 박막소자 및 듀얼스핀밸브형 박막소자보다도 높은 자기 검출출력을 기대할 수 있다.
제 3 본 발명은, 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정되는 고정 자성층과 자기 기록매체로부터 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동하는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에서, 프리 자성층 위에 비자성 도전층, 고정 자성층이 연속해서 적층된 제 1 다층막과, 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층이 연속해서 적층된 제 2 다층막과, 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층, 비자성 도전층 및 고정 자성층이 적층된 5 층으로 이루어진 제 3 다층막을 갖고 있고, 상기 제 1 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 3 다층막이 적층되어 있으며, 이 제 3 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 2 자성층이 적층되어 있고, 상기 제 1 다층막과 제 2 다층막 및 제 3 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 발명은 도 6 에 나타낸 것이다. 이 스핀밸브막은, 싱글형 스핀밸브막 (다) 위에 반강자성층을 공유하고 듀얼형 스핀밸브막 (가) 이 적층되어 있으며, 추가로 상기 스핀밸브막 (가) 위에 반강자성층을 공유하고 싱글형 스핀밸브막 (나) 이 적층된 구조로 되어 있다. 따라서, 이 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은 듀얼형 스핀밸브 소자보다도 높아진다. 또한, 이 스핀밸브형 박막소자의 재생출력은, 저항변화율이 높아져 정상전류의 상한선치가 올라감으로써, 싱글스핀밸브형 박막소자의 재생출력의 약 3 배 정도 또는 그 이상을 기대할 수 있다.
제 4 본 발명은, 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정되는 고정 자성층과 자기 기록매체로부터 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동하는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층, 비자성 도전층 및 고정 자성층이 적층된 5 층으로 이루어진 다층막 (제 3 다층막) 을 갖고 있으며, 상기 다층이 반강자성층을 사이에 두고 복수개 단으로 적층되면서 최하단의 다층막의 최하층이 되는 고정 자성층의 하측과 최상단의 다층막의 최상층이 되는 고정 자성층의 위쪽에 반강자성층이 적층되어 있고, 상기 각 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 발명은 도 7 에 나타낸 것이다. 그것은 듀얼형 스핀밸브막 (가) 을 복수개 단 겹쳐, 각각 듀얼형 스핀밸브막 사이에서 반강자성층을 공유한 형상이다. 그 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은, 듀얼형 스핀밸브 박막소자의 저항변화율보다도 높아지고, 또한 그 스핀밸브형 박막소자의 재생출력은, 저항변화율이 높아져 정상전류의 상한선치를 올리는 것에서 듀얼형 스핀밸브 박막소자의 재생출력의 2 배 이상을 기대할 수 있다.
또한, 제 1 내지 제 4 발명에서는, 모두 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 고정 자성층의 자화가 고정되고, 자기 기록매체로부터 누설 자계와 같은 외부 자계에 의해 프리 자성층의 자화 방향이 변화되어 저항변화율이 수득되기 때문에, 종래의 싱글스핀밸브형과 동일하게 수 Oe 의 자계에 의해 저항변화를 일으킬 수 있어 수십 ∼ 수청 Oe 의 외부 자계를 부여하지 않으면, 저항변화를 수득할 수 없는 멀티레이어 GMR 소자보다도 실용성이 있다.
또한, 상술한 본 발명의 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층을 스핀밸브막의 다층막의 양쪽부에 형성하는 것이 바람직하다. 하드바이어스층이 형성되었으므로 바크 하우젠 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 바이어스층을 형성해서 바크 하우젠 노이즈를 저감시킨 박막소자는, 하드디스크 등 자기 기록매체로부터 누설 자계를 검출하는 자기헤드에 사용할 수 있다. 또한 본 발명에서는 반드시 바이어스층을 형성할 필요없이 바이어스층이 없는 것는 바크 하우젠 노이즈의 영향을 개의치 않는 자기 센서 등으로 사용할 수 있다.
또한, 반강자성층은 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성되는 것이 바람직하지만, 상기 PtMn 합금을 대신해서 Pt-Mn-X (단, X 는 Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co 중 하나) 합금 또는 PdMn 합금으로 형성해도 된다.
또한, 상기 PtMn 합금의 막 조성은 Pt 가 44 ∼ 51 원자 % 이고, Mn 이 49 ∼ 56 원자 % 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 반강자성층을 구성하는 반강자성 재료로 PtMn 합금막 또는 그것과 동등한 성질의 PdMn 합금막을 사용하고 있다. 이들 반강자성 재료는 핀 자성층을 구성하는 강자성 재료 상하 어느쪽에 겹쳐져도, 핀 자성층과의 계면에서 유효한 교환 이방성 자계를 발휘할 수 있다. 따라서, 프리 자성층 상하 대칭 위치에 핀 자성층이 형성되고, 한쪽 핀 자성층 위와 다른쪽 핀 자성층 아래에 반강자성층이 형성되는 듀얼스핀밸브형 박막소자 및 상기 제 2 ∼ 4 본 발명의 적층 구조의 스핀밸브형 박막소자를 상기 반강자성 재료를 사용하여 구성한 경우에, 충분한 자기 저항효과를 수득할 수 있다.
또한 상기 반강자성층으로 PtMn 합금막 또는 PdMn 합금막을 사용하면, 성막 후의 열처리 온도가 230 ℃ 이하에서도 충분한 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다. 그 때문에 상기 열처리에 있어서, 비자성 도전층과 핀 자성층 및 프리 자성층의 계면에서의 확산을 방지할 수 있으며, 외부 자계에 대해 높은 저항변화율을 수득할 수 있다.
또한, 상기 재료로 형성된 반강자성층은, 막두께가 100 옹스트롬 정도로 매우 작아도, 300 Oe (에르스테드) 정도의 교환 이방성 자계를 수득할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 다층 구조의 스핀밸브막을 박형화시킬 수 있다.
또, PtMn 합금막은 FeMn 합금막이나 NiMn 합금막에 비해 내식성이 우수하고, 스핀밸브형 박막소자 및 박막자기헤드의 제조공정에 있어서의 각종 용제나 세정제에서도, 부식이 거의 진행되지 않고 과혹한 환경하에서의 박막자기헤드의 동작에서도 화학적으로 안정적이다.
더구나, PtMn 합금막과 고정 자성층이 접함으로써 수득된 교환 이방성 자계는 열적으로 매우 안정적이며 블록킹 온도가 380 ℃ 정도로 높아, 따라서 박막자기헤드의 동작시의 온도가 높아도 안정된 교환 이방성 자계를 발생시킬 수 있어 판독 정도가 안정적이다.
본 발명에서는 반강자성층에서의 반강자성 재료에 PtMn 합금막을 사용함으로써, 반강자성층의 막두께를 종래보다 작게 할 수 있다. 따라서, 스핀밸브막 층의 총수를 늘려도, 상기 스핀밸브막의 총합 막두께가 극단적으로 커지는 일 없이 자기 갭 길이 (G1) 의 협소화를 실현할 수 있다.
상기에서 상기 프리 자성층 및 상기 핀 자성층은 예컨대 FeNi (철-니켈) 계 합금으로 형성된다.
또한, 상기 프리 자성층 및 상기 핀 자성층을 Co (코발트), Fe-Co (철-코발트) 합금, Fe-Co-Ni (철-코발트-니켈) 합금으로 형성된다.
도 1 은 본 발명의 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드의 구조를 나타내는 확대 단면도.
도 2 는 듀얼스핀밸브막에 있어서의 외부 자계와 저항변화율의 관계를 나타내는 선도로, (A) 는 메이저 루프, (B) 는 마이너 루프.
도 3 은 싱글스핀밸브막 및 듀얼스핀밸브막에 있어서의 정상전류 (定常電流) 와 저항변화율의 관계를 나타내는 선도.
도 4 는 싱글스핀밸브 소자와 듀얼스핀밸브 소자에 있어서의 정상전류와 어심메트리 (asymmetry) 의 관계를 나타내는 선도.
도 5 는 본 발명의 제 1 형태에 의한 스핀밸브형 박막소자의 단면도.
도 6 은 본 발명의 제 2 형태에 의한 스핀밸브막의 정면도.
도 7 은 본 발명의 제 3 형태에 의한 스핀밸브막의 정면도.
도 8 은 PtMn 막의 막두께 또는 NiMn 막의 막두께와 교환 이방성 자계의 관계를 나타내는 그래프.
도 9 는 PtMn 막의 막 조성과 교환 이방성 자계의 관계를 나타내는 선도.
도 10 은 열처리 온도 및 핀 자성층 (FeNi) 의 막두께와 교환 이방성 자계의 관계를 나타내는 선도.
도 11 은 핀 자성층에 FeNi 막과 Co 막을 사용한 경우의 환경온도와 교환 이방성 자계의 관계를 나타내는 선도.
도 12 는 멀티레이어 GMR 소자의 단면도.
도 13 은 싱글스핀밸브형 박막소자의 단면도.
도 14 는 듀얼스핀밸브형 박막소자의 단면도.
도 1 은 본 발명의 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드의 구조를 나타내는 단면도이다.
이 박막자기헤드는, 하드디스크장치에 설치된 부상식 슬라이더 트레일링측 단부 등에 설치된 것으로, 하드디스크 등 자기 기록매체의 이동방향은 Z 방향이고, 자기 기록매체로부터의 누설 자계 방향은 Y 방향이다.
도 1 의 가장 아래에 형성되어 있는 것은 Ta (탄탈) 등 비자성 재료로 형성된 하지층 (6) 이다. 이 하지층 (6) 위에 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성된 반강자성층 (4), FeNi (철-니켈) 계 합금으로 형성된 핀 자성층 (3) 이 적층되어 있다. 상기 핀 자성층 (3) 위에, Cu (구리) 등의 비자성 도전층 (2) 이 형성되고, 상기 비자성 도전층 (2) 위에 FeNi 계 합금인 프리 자성층 (1) 이 형성된다. 또한, 상기 프리 자성층 (1) 위에, 비자성 도전층 (2), 핀 자성층 (3) 및 반강자성층 (4) 이 연속해서 적층되고, 추가로 Ta 등의 보호층 (7) 이 형성되어 있다.
상기 반강자성층 (4) 과 핀 자성층 (3) 이 적층된 상태에서, 소정의 크기 자계 중에 열처리를 실시함으로써, 상기 양쪽층 계면에서 교환 이방성 자계가 수득되고, 상기 핀 자성층의 자화 방향이 Y 방향으로 단자구화되어 고정된다. 반강자성층 (4) 을 PtMn 합금으로 형성하고, 핀 자성층 (3) 을 FeNi 계 합금으로 형성한 경우, 반강자성층 (4) 이 핀 자성층 (3) 아래에 형성되었을 때와 반강자성층 (4) 위에 형성되었을 때 쌍방에서 교환 결합이 가능해진다.
또한, 상기 핀 자성층 (3) 을 Co (코발트), Fe-Co (철-코발트) 합금, Fe-Co-Ni (철-코발트-니켈) 합금으로 형성해도, 반강자성층 (4) 과의 계면에서 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다.
하지층 (6) 부터 보호층 (7) 까지 다층막이 스퍼터에 의해 구성되고, 소정 단면 형상으로 에칭된 후에, 상기 프리 자성층 (1) 에 바이어스 자계를 부여하는 하드바이어스층 (5) 이 형성되어 있다. 상기 하드바이어스층 (5) 은 X 방향으로 자화되고, 프리 자성층 (1) 의 자화가 X 방향으로 정돈된다. 또한, 하드바이어스층 (5, 5) 위에 W (텅스텐), Cu (구리) 등에 의해 형성된 도전층 (8, 8) 이 형성된다.
이와 같이 해서 형성된 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드에서는, 도전층 (8) 부터 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 핀 자성층 (3) 에 정상전류가 부여되고, 더구나 기록매체에서 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (1) 의 자화 방향이 X 방향에서 Y 방향쪽으로 변화한다. 이때, 프리 자성층 (1) 과 핀 자성층 (3) 중 어느 한층에서 다른쪽으로 이동하려고 하는 전자가 비자성 도전층 (2) 과 프리 자성층 (1) 의 계면, 또는 비자성 도전층 (2) 과 핀 자성층 (3) 의 계면에서 산란을 일으켜 전기저항이 변화한다. 따라서, 정상전류가 변화하여 검출출력을 수득할 수 있다.
본 발명에서 반강자성층 (4) 을 사용한 PtMn 합금은, FeMn (철-망간) 합금이나 NiMn (니켈-망간) 합금에 비해 내식성이 우수하다. 따라서 부식에 의한 헤드 특성의 열화를 방지할 수 있다.
실시예
이하 반강자성층으로 PtMn 합금막을 사용한 다층막 및 이 다층막을 사용한 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드의 실시예를 설명한다.
X 방향의 소자 폭 (트랙 폭) 이 2.2 ㎛, Y 방향의 소자 길이 (MR 높이) 가 1.5 ㎛ 인 듀얼스핀밸브형 박막소자 (도 1) 및 싱글스핀밸브형 박막소자 (도 13)를 성막하였다.
듀얼스핀밸브형 박막소자의 막 구성은, 실리콘 (Si) 기판상에 비자성 재료로 산화알루미늄 (Al2O3) 을 성막하고, 그 위에 도 1 과 동일하게 하지층 (6) 부터 보호층 (7) 순으로 성막된 것으로, 그 구성막 재료는 Ta (3 nm) / PtMn (20 nm) / NiFe (4nm) / Cu (2.5 nm) / NiFe (7 nm) / Cu (2.5 nm) / NiFe (4 nm) / PtMn (20 nm) / Ta (5 nm) 이다. 또한 괄호 내는 막두께이다.
싱글스핀밸브형 박막소자의 막 구성은, 실리콘 기판상에 산화알루미늄 막을 형성하고, 그 위에 도 13 와 같이 아래부터 하지층 / 반강자성층 / 핀 자성층 / 비자성 도전층 / 프리 자성층 / 보호층의 순으로, 구체적인 재료로는 아래부터 Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / NiFe (4nm) / Cu (2.5 nm) / NiFe (8 nm) / Ta (5 nm) 로 하였다.
또한, 듀얼스핀밸브형 박막소자와 싱글스핀밸브형 박막소자 쌍방에 있어서, 반강자성층이 되는 PtMn 막의 막 조성을 Pt 가 48 원자 % (at %), Mn 이 52 원자 % (at %) 의 것으로 하였다 (Pt48Mn52).
상기 성막은 합금 타겟을 사용하여 DC 마그네트론 스퍼터에 의해 행하였다.
상기 듀얼스핀밸브형 박막소자에 있어서, 230 ℃ 의 열처리를 실시함으로써, 반강자성층 (4) 인 PtMn 합금막에서 핀 자성층 (3) 의 FeNi 합금막에 부여된 교환 이방성 자계 (Hex) 가 470 (Oe), 핀 자성층 (3) 의 보자력 (Hc) 이 240 (Oe) 이였다.
또한, 도 1 및 도 13 에 나타낸 바와 같이, 상기 듀얼스핀밸브 소자 양쪽에는 두께 30 nm 인 CoPt 합금막을 하드바이어스층 (5) 으로 성막하고, 싱글스핀밸브형 소자 양쪽에는 상기 CoPt 합금막을 하드바이어스층 (5) 으로 두께 20 nm 으로 성막하였다. 또한, 하드바이어스층 (5) 은 잔류 자기 (Mr) 가 0.9 T (테스라) 이고, 보자력이 1300 (Oe) 였다.
또, 5 mm × 25 mm 인 실리콘 기판상에 상기 다층막을 형성한 경우, 상기 듀얼스핀밸브 소자에서는 저항변화율이 6.2 %, 시트 저항이 10.8 Ω/㎡, 상기 싱글스핀밸브 소자에서는 저항변화율이 3.9 %, 시트 저항이 16.3 Ω/㎡ 였다.
상기와 같이 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율이 싱글스핀밸브형 박막소자의 저항변화율에 비해 높아지고 있다. 그것은 프리 자성층 (1) 위쪽과 아래쪽 쌍방에 형성되어 있는 핀 자성층 (3, 3) 이 둘다 Y 방향으로 자화가 고정되어 있는 것을 의미하고, 그것은 핀 자성층 (3) 아래쪽에 형성된 PtMn 합금의 반강자성층 (4) 과 핀 자성층 (3) 위쪽에 형성된 PtMn 합금의 반강자성층 (4) 의 쌍방이 핀 자성층 (3, 3) 과의 계면에서 교환 결합을 발휘하고 있는 것을 의미한다.
도 14 에 나타낸 바와 같이, 듀얼스핀밸브형에 있어서 전자 착란이 일어나는 장소는, 프리 자성층 (1) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면 (B) 및 계면 (C), 고정 자성층 (3) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면 (A) 및 계면 (D) 합계 4 군데에 존재한다. 그것에 대해 도 13 에 나타낸 바와 같이, 싱글스핀밸브형에 있어서 전자산란이 일어나는 장소는 계면 (A) 와 계면 (B) 두군데뿐이다. 그러나 듀얼스핀밸브형 계면 (B) 에서 일어나는 전자산란은 싱글스핀밸브형 계면 (B)에서 일어나는 전자산란보다 약해진다고 생각된다. 그것은 듀얼스핀밸브형의 경우, 1 층인 상기 프리 자성층 (1) 이 계면 (B) 와 계면 (C) 쌍방에서 전자산란을 일으키기 때문이다. 따라서 듀얼스핀밸브형 저항변화율은, 싱글스핀밸브형 저항변화율보다 커지는 것이 기대된다.
이어서 소자 폭 (트랙 폭 (Tw)) 이 2.2 ㎛, 소자 길이 (MR 높이 (h)) 가 1.5 ㎛ 듀얼스핀밸브형 박막소자 및 싱글스핀밸브형 박막소자에 대해 5mA 의 정상전류 (Is) 를 부여하여 Y 방향에서 외부 자계를 부여하고, 이 외부 자계를 변화시켜 정상전류 (Is) 에서 전압 변화 (저항변화에 비례한다) 를 측정하였다.
도 2 는 횡축에 외부 자계의 크기를 취하고, 종축에 듀얼스핀밸브형 박막소자에 부여된 정상전류를 기본으로 한 전압 변화 (△V) 를 취한 것으로, 부호 (A) 는 외부 자계의 ±2 (Oe) 범위에서의 변화를 횡축에 취한 메이저 루프이고, 부호 (B) 는 외부 자계의 ±200 (Oe) 범위에서의 변화를 종축에 취한 마이너 루프이다.
도 2 (A) 의 메이저 루프에서 듀얼스핀밸브형 박막소자의 전압변화는 4.4 mV 이고, 저항변화율은 3.5 % 였다. 또한, 메이저 루프는 완만한 곡선을 그리고 2 단계 변화가 되지 않는다. 그것은 2 층인 핀 자성층 (3, 3) 이 거의 동일한 크기의 교환 이방성 자계에서 단자구화되고, 거의 동등한 보자력을 갖고 있는 것을 나타내고 있다.
또한 마이너 루프에는 히스테리시스가 없이 외부 자계를 0 (Oe) 로 복귀시키더라도, 상기 프리 자성층의 보자력이 거의 제로가 되는 것을 알 수 있다.요컨대 하드바이어스층 (5) 에 의해 프리 자성층 (1) 의 X 방향으로의 단자구화가 되어 있는 것을 나타내고, 바크 하우젠 노이즈를 저감할 수 있게 되어 있다.
도 3 은 정상전류 (Is) 를 ±10 mA 의 범위에서 변화시켰을 때의 전압변화율 (저항변화율) (△V/V) 의 변동을 싱글스핀밸브형 박막소자와 듀얼스핀밸브형 박막소자 쌍방에 관해 측정한 결과이다.
상기 정상전류는 싱글스핀밸브형 박막소자에 있어서 이 정상전류에 의한 자계가 핀 자성층의 교환 이방성 자계를 약화시키는 방향을 플라스로 한다.
도 3 에서는 정상전류의 변화에 불구하고, 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율이 싱글스핀밸브형 박막소자의 저항변화율보다도 커지고 있다. 추가로 정상전류가 10 mA 일 때의 변화율 (△V/V) 이, 1 mA 에서의 값 (△V/V) 에 대해 듀얼스핀밸브 소자에서는 8.8 % 감소하고, 싱글스핀밸브 소자에서는 16.2 % 감소하게 된다. 도 3 에서 본 발명의 듀얼스핀밸브 소자에서의 저항변화율이 정상전류 변화에 대해 안정적인 것을 알 수 있다.
도 4 는 정상전류의 변화와 어심메트리의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4 에서는 마이너 루프에서 구한 것으로, 하드디스크 등 자기 기록매체로부터의 누설 자계의 크기에 상당하는 ±40 (Oe) 에서의 전압변화 (저항변화) 의 대칭성을 비교한 것이다.
횡축은 정상전류의 변화를 나타내고, 종축은 듀얼스핀밸브형 박막소자와 싱글스핀밸브형 박막소자 쌍방의 어심메트리를 (△V(-40 Oe) - △V(+40 Oe)) / (△V(-40 Oe) + △V(+40 Oe)) 로 나타내고 있다.
도 4 에서는 듀얼스핀밸브 소자의 어심메트리가 약 -10 % 로, 정상전류에 대한 의존성이 거의 없는 것을 알 수 있다. 이것에 대해 싱글스핀밸브 소자에서는 약 -32 % 에서 +1 % 까지 변화하고 정상전류에 강하게 의존하고 있는 것을 알 수 있다.
그것은 듀얼스핀밸브형 박막소자는 상하 대상의 막 구성으로 이루어지고, 프리 자성층의 상하를 흐르는 정상전류가 만드는 정상전류 자계가 프리 자성층 내에서 서로 없애, 프리 자성층에는 정상전류 자계가 작용하지 않기 때문이다.
이상과 같이 PtMn 합금을 반강자성층 (4) 으로 사용한 듀얼스핀밸브형 박막소자는, 외부 자계에 대해 큰 저항변화율을 수득할 수 있으며, 더구나 그 저항변화율에 히스테리시스가 없어 또한 정상전류 변화의 영향을 잘 받지 않게 된다. 따라서, PtMn 합금을 반강자성층으로 한 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드는 우수한 특성을 얻게 된다.
도 5 는 본 발명의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
이 박막소자는 하드디스크 장치에 설치된 슬라이더 트레일링측 단부 등에 설치된 것으로, 하드디스크 등 자기 기록매체의 이동방향은 Z 방향이고, 자기 기록매체로부터의 누설 자계 방향은 Y 방향이다.
도 1 의 가장 아래에 형성되어 있는 것은 Ta (탄탈) 등 비자성 재료로 형성된 하지층 (6) 이다. 이 하지층 (6) 위에 일곱 개 층으로 구성된 스핀밸브막이 적층되어 있다. 또한 부호 (7) 는 Ta 로 형성된 보호층이다.
상기 스핀밸브막은 아래부터 NiFe (니켈-철) 계 합금으로 형성된 프리 자성층 (1), Cu (구리) 등으로 형성된 비자성 도전층 (2), NiFe 계 합금으로 형성된 고정 자성층 (3) 및 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성된 반강자성층 (4) 이 연속해서 적층되고, 그 위에 고정 자성층 (3), 비자성 도전층 (2) 및 프리 자성층 (1) 이 연속해서 적층되어 구성되어 있다.
상기에서 프리 자성층 (1) 위에 비자성 도전층 (2) 및 고정 자성층 (3) 이 연속해서 적층되어 3 층을 제 1 다층막 (a), 고정 자성층 (3) 위에 비자성 도전층 (2) 및 프리 자성층 (1) 이 연속해서 적층된 3 층을 제 2 다층막 (b) 으로 하면, 상기 스핀밸브막은 제 1 다층막 (a) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 제 2 다층막 (b) 이 적층된 구조가 된다.
또한 실제적으로 박막자기헤드가 구성되었을 때에는, 고투자율의 자성재료인 하부 실드층 (도시되지 않음) 위에 비자성 재료인 하부 갭층 (도시되지 않음) 이 형성되고, 그 하부 갭층 위에 도 5 에 나타낸 각층이 형성되고, 추가로 그 위에 비자성 재료인 상부 갭층 (도시되지 않음) 및 고투자율의 자성재료로 상부 실드층 (도시되지 않음) 이 형성된다. 그리고, 상기 하부 실드층과 상기 상부 실드층 간격에 의해 자기 갭 길이 (G1) 가 결정된다.
상기 반강자성층 (4) 과 고정 자성층 (3) 이 적층된 후에, Y 방향으로 자계중에 열처리 (아닐 처리) 를 실시함으로써, 상기 양쪽층 계면에서 교환 이방성 자계가 수득되고, 상기 고정 자성층의 자화 방향이 y 방향으로 단자구화되어 고정된다.
또한, 상기 고정 자성층 (3) 을 Co (코발트), Fe-Co (철-코발트) 합금, Fe-Co-Ni (철-코발트-니켈) 합금으로 형성해도 된다.
하지층 (6) 부터 보호층 (7) 까지의 다층막이 스퍼터에 의해 성막되고, 소정 단면 형상으로 에칭된 후에, 상기 프리 자성층 (1) 에 X 방향인 세로 바이어스 자계를 부여한 하드바이어스층 (5) 이 형성된다. 상기 하드바이어스층 (5) 은 X 방향으로 자화되고, 그 하드바이어스층 (5) 으로부터 부여된 자계에 의해 프리 자성층 (1) 의 자화가 X 방향으로 정돈된다. 이 하드바이어스층 (5) 을 형성함으로써 바크 하우젠 노이즈의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 하드바이어스층 (5, 5) 위에 W (텅스텐), Cu (구리) 등으로 형성된 도전층 (8, 8) 이 형성된다.
이와 같이 해서 형성된 스핀밸브형 박막소자에서는, 도전층 (8) 으로부터 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 고정 자성층 (3) 에 정상전류 (센스 전류) 가 부여되고, 더구나 기록매체로부터 Y 방향으로 자계가 부여되면, 프리 자성층 (1) 의 자화 방향이 X 방향에서 Y 방향쪽으로 변화한다. 이 때, 프리 자성층 (1) 과 고정 자성층 (3) 중 한쪽 층에서 다른쪽으로 이동하고자 하는 전자가 비자성 도전층 (2) 과 프리 자성층 (1) 의 계면, 또는 비자성 도전층 (2) 과 고정 자성층 (3) 의 계면에서 산란을 일으켜 전기저항이 변화한다. 따라서 정상전류가 변화하고, 검출출력을 수득할 수 있다.
상술한 바와 같이 도 5 에서의 스핀밸브막은 7 층으로 구성되어 있고, 그것은 도 1 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막소자에 있어서의 스핀밸브막 층의 총수와 동일하다. 그러나 도 5 에 나타낸 7 층 스핀밸브막의 총합 막두께 (h1) 는 도 1 의 7 층 스핀밸브막의 총합 막두께 (h′) 보다도 작아지고 있다. 그것은 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2) 및 고정 자성층 (3) 의 막두께에 비해, 막두께가 두꺼운 반강자성층 (4) 이 도 1 에서는 2 층 형성되어 있는 것에 대해 도 5 에서는 1 층밖에 형성되어 있지 않기 때문이다. 총합 막두께 (h1) 가 작아짐으로써 자기 갭 길이 (G1) 의 협소화를 실현시킬 수 있다.
또한, 도 5 의 스핀밸브막은 싱글형 스핀밸브막 (나) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 또 하나의 싱글형 스핀밸브막 (다) 이 적층된 구조로 되어 있기 때문에, 도 5 의 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력은 싱글스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 (3 ∼ 9 %) 및 재생출력보다도 충분히 커지고, 또한 도 1 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 (5 ∼ 13 %) 보다도 큰 저항변화율 및 재생출력을 기대할 수 있다.
도 5 에서의 스핀밸브막에서는 프리 자성층 (1) 이 2 층으로 형성되어 있고, 각각 프리 자성층 (1) 이 비자성 도전층 (2) 과 계면 (B) (C) 를 형성하고 있다. 그것에 대해 도 1 의 스핀밸브막에서는 프리 자성층 (1) 이 비자성 도전층 (2) 과 계면 (B) (C) 를 형성하고, 1 층 프리 자성층 (1) 이 계면 (B) (C) 에서 쌍방의 전자산란에 관여하고 있다. 이 때문에 도 5 의 계면 (B) (C) 에서 일어나는 전자산란은, 도 1 의 계면 (B) (C) 에서 일어나는 전자산란에 비해 강하지 않고, 따라서 도 1 에서의 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은, 도 1 의 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율에 비해 커지는 것을 예측할 수 있다.
또한, 저항변화율과 정상전류의 상한선치로부터 면 기록밀도를 계산해보면, 도 5 에서의 스핀밸브형 박막소자의 면 기록밀도는 20 (Gb/in2) 이상을 기대할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시 형태에 의한 스핀밸브막의 구조를 나타내는 정면도이다. 또한 도 6 은 성막 후의 스핀밸브막을 나타내고 있으며, 도 5에서 설명한 바와 같이 그 후에 상기 스핀밸브막이 소정 형상으로 에칭되고, 하드바이어스층 (5) 이나 도전층 (8) 이 형성된다. 또 도 6 에서는 하지막 (도 5 의 부호 (6)) 및 보호막 (도 5 의 부호 (7)) 도 생략하고 있다.
도 6 에 나타낸 스핀밸브막은 13 층으로 구성되어 있다. 하부에는 도 5 에서 설명한 제 1 다층막 (a) 이 상부에는 제 2 다층막 (b) 이 형성되어 있다. 또한, 아래부터 고정 자성층 (3), 비자성 도전층 (2), 프리 자성층 (1), 비자성 도전층 (2), 고정 자성층 (3) 이 적층된 5 층 구조의 제 3 다층막 (c) 이 형성되어 있다. 그리고, 제 1 다층막 (a) 위에 반강자성층 (4) 을 사이에 두고 제 3 다층막 (c) 이 적층되어 있고, 추가로 그 위에 반강자성층 (4) 을 사이에 두고 제 2 다층막 (b) 이 적층되어 있다.
각 다층막 (a) (b) (c) 의 고정 자성층 (3) 은, 반드시 반강자성층 (4) 윗면 또는 아랫면에 접해서 형성되고, 상기 고정 자성층 (3) 의 자화는 상기 반강자성층 (4) 과의 계면에서 발생하는 교환 이방성 자계에 의해 Y 방향으로 단자구화되어 있다. 또한, 프리 자성층 (1) 의 자화는 하드바이어스층 (5) 의 바이어스 자계에 의해 상기 고정 자성층 (3) 의 자화 방향과 교차하는 X 방향으로 정돈되어 있다.
반강자성층 (4) 을 구성하는 반강자성 재료에는 PtMn 합금막이 사용된다. 반강자성층 (4) 으로 PtMn 합금막을 사용함으로써, 성막 후의 열처리 온도가 230℃ 이하에서도 충분한 교환 이방성 자계를 수득할 수 있으면서 상기 반강자성층 (4) 의 막두께를 100 옹스트롬 정도로 해도, 300 Oe (에르스테드) 정도의 교환 이방성 자계를 수득할 수 있게 된다. 반강자성층 (4) 의 막두께를 100 옹스트롬 정도로 할 수 있기 때문에, 스핀밸브막의 총합 막두께 (h2) 가 극단적으로 커지는 일은 없다. 또한, 도 5 에 나타낸 반강자성층 (4) 도 PtMn 합금막으로 형성되는 것이 바람직하고, 이 반강자성 재료를 사용함으로써 도 5 에 나타낸 막두께 (h1) 도 작게 할 수 있다.
도 6 의 스핀밸브막은 싱글형 스핀밸브막 (나) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 듀얼형 스핀밸브막 (가) 이 적층되고, 추가로 상기 스핀밸브막 (가) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 싱글형 스핀밸브막 (다) 이 적층된 구조가 된다.
요컨대 프리 자성층 (1) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면 및 고정 자성층 (3) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면은 각각 4 군데이고, 전자산란이 일어나는 장소는 합계 8 군데이다.
이 때문에 도 6 에서의 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력은, 종래의 싱글스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력의 약 4 배정도, 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력의 약 2 배정도를 기대할 수 있다. 또한 저항변화율 및 정상전류의 상한선치에서 가능한 면 기록밀도를 계산해보면, 도 6 에서의 스핀밸브막을 사용한 스핀밸브형 박막소자의 면 기록밀도는 최고치로 50 (Gb/in2) 정도를 기대할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제 4 실시 형태에 의한 스핀밸브막의 구조를 나타내는 정면도이다. 또한 도 7 은 성막 후의 스핀밸브막을 나타내고, 도 5 에서 설명한 바와 같이 그 후에 상기 스핀밸브막이 소정 형상으로 에칭되고, 하드바이어스층 (5) 이나 도전층 (8) 이 형성된다. 또한 도 7 에서는 하지층 (6) 과 보호층 (7) 도 생략하고 있다.
도 7 에 나타낸 스핀밸브막은 도 6 에서 설명한 5 층 구조인 제 3 다층막 (c) 이 복수개 형성되어 있다. 각각 다층막 (c) 사이에는 반강자성층 (4) 이 좁혀져 상하 다층막의 고정 자성층 (3) 윗면 및 아랫면에는 각각 반강자성층 (4) 이 형성되고, 전체로는 상기 반강자성층 (4) 이 4 회, 다층막 (c) 이 3 회 연속해서 적층된 구조로 되어 있다.
반강자성층 (4) 은 PtMn 합금으로 형성되어 있고, 상기 반강자성층 (4) 의 막두께는 100 옹스트롬 정도로 되어 있다. 이 때문에 스핀밸브막의 총합 막두께 (h3) 는 극단적으로 커지지 않는다.
또한, 상기 스핀밸브막은 듀얼형 스핀밸브막 (가) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 듀얼형 스핀밸브막 (가) 이 적층되어 있고, 추가로 상기 스핀밸브막 (가) 위에 반강자성층 (4) 을 공유하여 듀얼형 스핀밸브막 (가) 이 적층되어 있다. 요컨대 세가지 듀얼형 스핀밸브막 (가) 이 연속해서 적층된 구조로 되어 있다.
따라서 프리 자성층 (1) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면 및 고정 자성층 (3) 과 비자성 도전층 (2) 의 계면은 각각 6 군데이고, 전자산란이 일어나는 장소는 합계 12 군데이다. 이 때문에 도 7 에서의 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력은 종래의 싱글스핀밸브형 박막소자 및 상기 듀얼스핀밸브형 박막소자의 저항변화율 및 재생출력보다도 더 높아진다.
또한, 도 7 에 나타낸 스핀밸브형 박막소자의 저항변화율은, 멀티레이어 GMR 소자의 저항변화율보다 낮아지기 때문에, 멀티레이어 GMR 소자의 경우, 높은 저항변화율을 인출하는 데에는 수천 Oe 정도의 외부 자계가 필요한 것에 대해, 도 7 에 나타낸 스핀밸브막이라면 매우 작은 외부 자계에서 비교적 높은 저항변화율을 인출할 수 있다.
매우 작은 외부 자계에서 높은 저항변화율을 수득할 수 있는 이유는, 프리 자성층 (1) 의 자화가 강고하게 고정되어 있지 않기 때문이고, 따라서 작은 외부 자계에서도 프리 자성층 (1) 의 자화 방향은 변동하고, 이 프리 자성층 (1) 내의 자화 변동과 고정 자성층 (3) 의 고정 자화 방향과의 관계에서 전기저항치가 변화하고, 이 전기저항치를 기본으로 한 전압변화에 따라 자기 기록매체로부터 누설 자계가 검출된다.
또한 멀티레이어 GMR 소자의 경우 하드바이어스층을 형성할 수 없었지만, 도 7 에 나타낸 스핀밸브막에는 상기 하드바이어스층을 형성할 수 있으며, 바크 하우젠 노이즈의 발생을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 추가로 저항변화율 및 재생출력을 향상시키기 위해서, 도 7 에 나타낸 스핀밸브막 위에 추가로 듀얼형 스핀밸브막 (가) 을 몇층이나 적층해 나갈수 있다.
단, 상기 스핀밸브막의 총합 막두께 (h3) 에는 상한선치가 있으며, 그것은 이미 결절된 하부 실드층 (도시되지 않음) 과 상부 실드 (도시되지 않음) 사이의 간격에 따라 결정된다. 그래서, 하부 실드와 상부 실드 간격의 상한선치까지 도 7 에 나타낸 스핀밸브막에 추가로 듀얼형 스핀밸브막 (가) 을 적층해 나가면, 상기 스핀밸브막의 저항변화율 및 재생출력을 한층 높일 수 있다.
또한, 저항변화율과 정상전류의 상한선치로부터 가능한 면 기록밀도를 계산해보면, 도 7 에서의 스핀밸브막을 사용한 스핀밸브형 박막소자의 면 기록밀도는 50 (Gb/in2) 에서 100 (Gb/in2) 정도가 되고, 멀티레이어 GMR 소자와 동일한 정도의 면 기록밀도를 기대할 수 있다.
이하에 반강자성층 (4) 을 형성하는 반강자성 재료와 고정 자성층 (3) 을 형성하는 강자성 재료의 교환 결합에 대한 실시예를 설명한다.
우선 이하에 기재된 구조의 다층막을 DC 마그네트론 스퍼터 및 RF 콘벤셔널 스퍼터에 의해 실리콘 (Si) / 산화알루미늄 (Al2O3) 기판상에 형성하였다.
반강자성층에는 조성비가 Pt 50 원자 % (at %), Mn 50 원자 % (at %) 가 되는 PtMn 막을 사용하고,
① 아래부터 Ta / Co (30 옹스트롬) / PtMn (X) / Ta 순으로 성막되고, PtMn 의 막두께 (X) 는 100, 150, 200, 300, 500 (옹스트롬) 으로 구성되는 5 종류의 다층막.
② 아래부터 Ta / PtMn (X) / Co (30 옹스트롬) / Ta 순으로 성막되고, PtMn 의 막두께 (X) 는 100, 150, 200, 300, 500 (옹스트롬) 으로 구성되는 5 종류의 다층막.
이어서 반강자성층에는 조성비가 Ni 50 원자 (), Mn 50 원자 % (at %) 가 되는 NiMn 막을 사용하고,
③ 아래부터 Ta / Co (30 옹스트롬) / NiMn (X) / Ta 순으로 성막되고, NiMn 의 막두께 (X) 는 100, 150, 200, 300, 500 (옹스트롬) 으로 구성되는 5 종류의 다층막.
④ 아래부터 Ta / NiMn (X) / Co (30 옹스트롬) / Ta 순으로 성막되고, NiMn 의 막두께 (X) 는 100, 150, 200, 300, 500 (옹스트롬) 으로 구성되는 5 종류의 다층막.
상기 다층막에서 반강자성 재료와 강자성 재료인 Co 막 사이의 교환 결합을 수득하기 위해서, 230 ℃ 온도에서 4 시간 열처리를 행하였다. 교환 이방성 자계 (Hex) 의 측정은 진공가열 기구가 부착된 VSM 에 의해 행하였다.
또한, 반강자성 재료로 사용된 PtMn 막 및 NiMn 막의 비저항치는 모두 200 (μΩ·㎝) 정도였다.
도 8 은 PtMn 막 및 NiMn 막의 막두께와 교환 이방성 자계 (Hex) 의 관계를 나타내는 그래프이다.
도에 나타낸 바와 같이 PtMn 막의 막두께가 커지면, 교환 이방성 자계 (Hex) 도 커지는 것을 알 수 있다. 또한, PtMn 막을 Co 막 아래에 형성한 경우 쪽이 PtMn 막을 Co 막 위에 형성한 경우에 비해 교환 이방성 자계가 약간 커지고 있다.
또한, PtMn 막의 막두께가 100 옹스트롬 정도라도, 약 300 Oe (에르스테드) 로 비교적 큰 교환 이방성 자계를 수득할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, NiMn 막의 경우 막두께를 크게 하더라도, 교환 이방성 자계 (Hex) 는 매우 작은 상태이고, 230 ℃ 열처리 온도에서는 NiMn 막을 사용할 수 없는 것을 알 수 있다.
NiMn 막을 사용한 경우, 열처리 온도가 250 ℃ 이상이면, 도 8 에 나타낸 PtMn 막의 곡선과 동일한 거동을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나, 250 ℃ 이상이 되면, 비자성 도전층 (2) 과 고정 자성층 (3) 및 프리 자성층 (1) 의 계면에서 금속 원소가 확산된다는 문제가 생기기 때문에, 열처리 온도를 230 ℃ 정도로 할 필요가 있다.
또한, 본 실험에서는 고정 자성층 (3) 에 Co 막을 사용하였지만, Co 막을 대신해서 NiFe 막을 사용해도 본 실험과 동일한 결과를 수득할 수 있다.
이상에서 반강자성층으로 PtMn 막을 사용하면, 230 ℃ 정도의 열처리 온도로도 교환 이방성 자계를 수득할 수 있으며, 특히 막두께를 100 옹스트롬 정도로 해도 약 300 Oe 의 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다.
이어서 반강자성층 (4) 을 형성하는 PtMn 합금과 핀 자성층 (3) 을 형성하는 강자성 재료의 교환 결합에 대한 실험결과를 설명한다.
먼저 DC 마그네트론 스퍼터 및 RF 콘벤셔널 스퍼터에 의해 실리콘 (Si) 기판 표면에 산화알루미늄을 성막하고, 추가로 아래부터 순서대로 Ta (3 nm) / FeNi (5 nm) / PtMn (20 nm) / Ta (5 nm) 를 성막하고, 그리고 산화알루미늄으로 피복하였다. 상기 괄호 내는 막두께이다.
PtMn 막의 성막은 Mn 타겟에 Pt 칩을 설치한 복합 타겟 및 합금 타겟을 사용하여 행하고, 성막시, PtMn 의 조성을 바꿀 수 있도록 하였다. 상기 구성의 다층막에서는 PtMn 막의 조성을 변화시키지만, 상기 다층막과 동시에 Si 기판상에 막두께 1 ㎛ 인 PtMn 막을 형성하고, XMA (X선 마이크로 어널라이저) 로 PtMn 의 막 조성은 분석할 수 있도록 하였다.
상기 다층막에서 반강자성 재료의 PtMn 합금과 강자성 재료의 FeNi 합금 사이의 교환 결합을 수득하기 위한 열처리는 5×10-6Torr 이하의 진공도에서 2000 (Oe) 자계중에 270 ℃ 온도로 행하였다. 교환 이방성 자계 (Hex) 의 측정은 진공가열 기구가 부착된 VSM 에 의해 행하였다.
도 9 는 PtMn 막의 막 조성을 Pt 가 0 ∼ 60 at % 범위가 되도록 변화시켰을 때의 성막 직후의 상태 (as depo.) 와 상기와 같이 270 ℃ 에서 열처리한 후의 교환 이방성 자계 (Hex) 의 측정치를 나타내고 있다.
도 9 에 나타낸 바와 같이 열처리를 했을 때 와 하지 않았을 때 쌍방에 있어서, Pt 가 0 ∼ 250 at % 범위에서 Hex 가 발생하지만, 이 교환 결합은 PtMn 막을 NiFe 막 위에 적층했을 때만 발생하고, PtMn 막이 FeNi 막 아래에 형성되었을 때에는 교환 결합은 발생하지 않는다.
열처리는 Pt 가 42 at % 부터 55 at % 범위에서 교환 결합을 발생시키고, 이 경우 PtMn 막이 FeNi 막 위에 성막되었을 때와 아래에 성막되었을 때 쌍방에 있어서 교환 결합을 발생시킨다. 그리고 Pt 이 44 ∼ 51 at % 범위에서 교환 이방성 자계 (Hex) 가 130 (Oe) 을 초과하고, Pt 이 46 ∼ 49 at % 범위에서 상기 Hex 가 240 (Oe) 를 초과한다.
따라서, 도 1 에 나타낸 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드에서는 열처리로 교환 이방성 자계를 발생시키고, 반강자성층을 구성하는 PtMn 합금의 조성은 Pt 이 44 ∼ 51 at % 범위이고, Mn 이 49 ∼ 56 at % 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 Pt 가 46 ∼ 49 at % 이고, Mn 이 51 ∼ 54 at % 이다.
도 10 은 반강자성 재료인 PtMn 막과 핀 자성층이 되는 FeNi 막의 교환 결합과 열처리 온도의 관계를 측정한 것이다.
막 조성은 실리콘 기판상에 산화알루미늄층을 형성하고, 그 위에 Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / FeNi / Ta (5 nm) / 산화알루미늄 순서대로 성막하였다. 막은 합금 타겟을 사용하고 DC 마그네트론 스퍼터에 의해 행하였다. 또한 PtMn 막의 조성은 Pt 가 48 at % 이고, Mn 이 52 at % 로 하였다. 또한 FeNi 막의 막두께는 2 nm, 3 nm, 4 nm, 10 nm, 20 nm 5 종류로 하였다.
상기 각각 다층막에 대해 5×10-6Torr 이하의 진공도에서 2000 (Oe) 의 자계중에 교환 이방성 자계 (Hex) 를 발생시켰다. 상기 진공중의 가열처리를 0 ℃, 190 ℃, 210 ℃, 230 ℃, 250 ℃ 로 하였다.
각 온도에서 열처리하는 다층막에 대해 교환 이방성 자계를 USM 에 의해 측정하였다. 도 10 에서는 횡축에 FeNi 막의 막두께의 변화를 취하고, 종축에 교환 이방성 자계 (Hex) 를 취하고 있다.
도 10 에 의하면 핀 자성층이 되는 FeNi 막의 막두께가 5 nm 이하이면, 210 ℃ 의 열처리로 200 (Oe) 이상의 교환 이방성 자계 (Hex) 를 수득할 수 있으며, FeNi 막의 막두께가 10 nm 이하이면 열처리 온도가 230 ℃ 정도의 비교적 저온에서 교환 이방성 자계를 200 (Oe) 이상으로 할 수 있다.
즉, PtMn 을 반강자성층 (4) 으로 사용하면, 비교적 낮은 온도에서의 열처리로 교환 이방성 자계를 발생시킬 수 있고, 고온 열처리로 문제가 되는 비자성 도전층으로서의 Cu 막과 핀 자성층 또는 프리 자성층으로서의 NiFe 막의 확산을 방지할 수 있게 되며, 항상 양호한 박막자기헤드로서의 특성을 수득할 수 있다.
도 11 은 핀 자성층 (3) 을 구성하는 강자성 재료로 FeNi 합금을 사용한 경우와 Co 를 사용한 경우에서의 동작 환경온도의 영향에 대해 조사한 것이다.
막 조성은 실리콘 기판상에 산화알루미늄 / Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) /FeNi (3 nm) / Ta (5 nm) / 산화알루미늄을 성막한 것과 실리콘 기판상에 산화알루미늄 / Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) /Co (4 nm) / Ta (5 nm) / 산화알루미늄을 성막한 것을 2 종류로 제조하였다.
성막은 합금 타겟을 사용하고 DC 마그네트론 스퍼터에 의해 행하고, PtMn 막의 조성은 Pt 가 48 at % 이고, Mn 이 52 at % 로 하였다.
상기 2 종류의 다층막에 대해 5×10-6Torr 이하의 진공도에서 2000 (Oe) 의 자계중에 230 ℃ 로 열처리하고, 교환 이방성 자계 (Hex) 를 발생시키도록 하였다. 열처리 후에 실온으로까지 냉각시켰다.
냉각 후에 상기 각 다층막의 환경온도를 상승시켜, 이때 교환 이방성 자계를 측정하였다.
도 11 은 횡축에 환경온도, 종축에 교환 이방성 자계 (Hex) 를 나타내고 있다.
핀 자성층이 되는 강자성 재료로 FeNi 막을 사용한 경우, Hex 는 실온에서 약 200 ℃ 까지 상승시켜도 그다지 저하되지 않고, 약 240 ℃ 에서 내리기 시작하여 약 380 ℃에서 소실된다 (블록킹 온도). 핀 자성층에 Co 를 사용한 경우, Hex 는 실온에서 약 120 ℃ 까지는 그다지 변화가 보이지 않고, 약 120 ℃ 이후부터 서서히 내리기 시작하여 FeNi 막의 경우와 동일하게 약 380 ℃ 에서 블록킹 온도가 된다.
이와 같이 Hex 가 소실되는 온도 (블록킹 온도) 는 FeNi 막, Co 막과 함께 380 ℃ 로 매우 높은 값을 나타내고, 특히 자기저항 효과 막 주변의 실용온도로써 상승할 수 있는 실온부터 약 120 ℃ 범위에서 FeNi 막 및 Co 막에 의한 Hex 는 거의 플래트한 값을 나타내고 있기 때문에, 항상 안정된 교환 이방성 자계를 수득할 수 있게 된다.
이상 상술한 본 발명에 의하면, 반강자성층이 PtMn 합금 또는 그것과 동종인 성질을 갖는 PdMn 합금 또는 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금으로 형성됨으로써, 상기 반강자성층이 핀 자성층 상하 어느쪽에 형성되어도 교환 이방성 자계를 수득할 수 있게 되며, 더구나 비교적 낮은 온도의 열처리로도 효과적인 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다. 또한 PtMn 합금은 열적 안정성이 높고, 내부식성도 우수하다. 그 때문에 양호한 박막자기헤드로서의 특성을 갖는 듀얼스핀밸브형 박막소자 및 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드의 제작이 가능해진다.
또, 반강자성층이 PtMn 합금 또는 PdMn 합금 또는 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금으로 형성된 듀얼스핀밸브형 박막자기헤드는, 싱글스핀밸브형 박막자기헤드에 비해 저항변화율이 높고, 또한 어심메트리도 비약적으로 향상된다.
또한, 반강자성층이 PtMn 합금 또는 PdMn 합금 또는 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금으로 형성됨으로써, 핀 자성층 상하의 상기 반강자성층의 재료를 공통화시킬 수 있기 때문에, 성막시, 스퍼터링 타겟의 수를 줄일 수 있어 제조가 용이해진다.
이상 상술한 본 발명에 의하면, 반강자성층이 PtMn 합금 또는 그것과 동종인 성질을 갖는 PdMn 합금 또는 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co 중 하나) 합금으로 형성됨으로써, 비교적 낮은 열처리 온도로 더구나 비교적 막두께를 작게 해도 효과적인 교환 이방성 자계를 수득할 수 있다.
종래의 싱글스핀밸브형 박막소자, 듀얼스핀밸브형 박막소자 및 멀티레이어 GMR 소자의 구조를 개량하여 거대 자기 효과를 발휘하는 스핀밸브막 층의 총수를 종래보다도 많게 해도 반강자성층에 PtMn 막을 사용하면, 상기 스핀밸블막의 총합 막두께를 작게 할 수 있으며, 따라서 자기 갭 길이 (G1) 의 협소화를 실현할 수 있다.
또한, 스핀밸브막 층의 총수를 늘려서 전자산란이 일어나는 장소를 늘리면, 저항변화율 및 재생출력을 크게 할 수 있으며, 따라서 면 기록밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (26)

  1. 프리 자성층 상하에 적층된 비자성 도전층과, 한쪽의 상기 비자성 도전층 위 및 다른쪽의 비자성 도전층 아래에 위치한 핀 자성층과, 한쪽의 상기 핀 자성층 위 및 다른쪽의 핀 자성층의 아래에 위치해서 교환 이방성 자계에 의해 각각 핀 자성층의 자화 방향을 일정한 방향으로 고정하는 반강자성층과, 상기 프리 자성층의 자화 방향을 상기 핀 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층을 갖고 있으며, 상기 반강자성층이 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성되어 있는 듀얼스핀밸브형 박막소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PtMn 합금의 막 조성은 Pt 가 44 ∼ 51 원자 % 이고, Mn 이 49 ∼ 56 원자 % 범위인 듀얼스핀밸브형 박막소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 반강자성층이 PtMn 합금을 대신해서 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금 또는 PdMn 합금에 의해 형성된 듀얼스핀밸브형 박막소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 반강자성층은 PdMn (파라듐-망간) 합금으로 형성된 듀얼스핀밸브형 박막소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프리 자성층 및 상기 핀 자성층이 FeNi (철-니켈) 합금 또는 Co (코발트), Fe-Co 합금, Fe-Co-Ni 합금으로 형성되어 있는 듀얼스핀밸브형 박막소자.
  6. 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정되는 고정 자성층과, 자기 기록매체로부터의 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동되는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 프리 자성층 위에 비자성 도전층, 고정 자성층이 연속해서 적층된 제 1 다층막과 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층이 연속해서 적층된 제 2 다층막을 갖고 있으며, 상기 제 1 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 2 다층막이 적층되어 있고, 상기 제 1 다층막과 제 2 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층이 다층막의 양쪽부에 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  8. 제 6 항에 있어서, 반강자성층은 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 PtMn 합금의 막 조성은, Pt 가 44 ∼ 51 원자 % 이고, Mn 이 49 ∼ 56 원자 % 범위인 스핀밸브형 박막소자.
  10. 제 6 항에 있어서, 반강자성층은 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co 중 하나) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  11. 제 6 항에 있어서, 반강자성층은 PdMn (파라듐-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  12. 제 6 항에 있어서, 반강자성층이 PtMn 합금을 대신해서 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금 또는 PdMn 합금에 의해 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  13. 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정되는 고정 자성층과, 자기 기록매체로부터의 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동되는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 프리 자성층 위에 비자성 도전층, 고정 자성층이 연속해서 적층된 제 1 다층막과, 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층이 연속해서 적층된 제 2 다층막과, 고정 자성층 위에 비자성 도전층, 프리 자성층, 비자성 도전층 및 고정 자성층이 적층된 5 층으로 이루어진 제 3 다층막을 갖고 있으며, 상기 제 1 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 3 다층막이 적층되어 있으며, 이 제 3 다층막 위에 반강자성층을 사이에 두고 상기 제 2 자성층이 적층되어 있고, 상기 제 1 다층막과 제 2 다층막 및 제 3 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층이 다층막의 양쪽부에 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  15. 제 13 항에 있어서, 반강자성층은 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 PtMn 합금의 막 조성은, Pt 가 44 ∼ 51 원자 % 이고, Mn 이 49 ∼ 56 원자 % 범위인 스핀밸브형 박막소자.
  17. 제 13 항에 있어서, 반강자성층은 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  18. 제 13 항에 있어서, 반강자성층은 PdMn (파라듐-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  19. 제 13 항에 있어서, 반강자성층이 PtMn 합금을 대신해서 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금 또는 PdMn 합금에 의해 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  20. 반강자성층과의 교환 이방성 결합에 의해 자화가 일정한 방향으로 고정된 고정 자성층과, 자기 기록매체로부터의 누설 자계에 의해 자화 방향이 변동되는 프리 자성층을 갖는 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 고정 자성층 위에, 비자성 도전층, 프리 자성층, 비자성층 도전층 및 고정 자성층이 적층된 5 층으로 이루어진 다층막을 갖고 있으며, 상기 다층막이 반강자성층을 사이에 두고 복수개 단으로 적층되면서 최하단 다층막의 최하층이 되는 고정 자성층의 아랫쪽과, 최상단다층막의 최상층이 되는 고정 자성층의 윗쪽에 반강자성층이 적층되어 있고, 상기 각 다층막에 정상전류를 부여하는 도전층이 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  21. 제 20 항에 있어서, 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차하는 방향으로 정돈된 바이어스층이 다층막의 양쪽부에 형성되어 있는 스핀밸브형 박막소자.
  22. 제 20 항에 있어서, 반강자성층은 PtMn (백금-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 PtMn 합금의 막 조성은, Pt 가 44 ∼ 51 원자 % 이고, Mn 이 49 ∼ 56 원자 % 범위인 스핀밸브형 박막소자.
  24. 제 20 항에 있어서, 반강자성층은 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  25. 제 20 항에 있어서, 반강자성층은 PdMn (파라듐-망간) 합금으로 형성된 스핀밸브형 박막소자.
  26. 제 20 항에 있어서, 반강자성층이 PtMn 합금을 대신해서 Pt-Mn-X (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Fe, Co) 합금 또는 PdMn 합금에 의해 형성된 스핀밸브형 박막소자.
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