KR19980081243A

KR19980081243A - 자기저항효과소자

Info

Publication number: KR19980081243A
Application number: KR1019980012614A
Authority: KR
Inventors: 우메쓰에이지; 하세가와나오야; 마끼노아끼히로
Original assignee: 가따오까마사따까; 알프스덴끼가부시끼가이샤
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1998-11-25
Also published as: EP0871231A3; JPH10284768A; KR100306312B1; EP0871231A2; JP3198265B2

Abstract

자화반전이 핀고정된 적어도 일층의 핀고정 강자성층과, 자화가 외부의 자계에 대하여 자유롭게 반전하는 적어도 일층의 프리 강자성층과, 프리 강자성층에 인접 혹은 근방에 위치하여 프리 강자성층의 자화반전을 보조하고, 연자기특성을 갖는 보조 자화반전층을 가지며 프리 강자성층의 보자력을 낮게 할 수 있는 자기저항효과소자.

Description

자기저항효과소자

본 발명은 자기헤드, 위치센서, 회전센서 등에 적용되는 자기저항효과소자를 구성하는 자기저항효과소자에 관한 것이다.

종래, 자기저항효과형 판독헤드 (MR 헤드) 로서 이방성 자기저항효과 현상을 이용한 AMR (Anisotropic Magnetoresistance) 헤드와 전도전자의 스핀의존 산란현상을 이용한 GMR (Giant Magnetoresistance : 거대자기저항효과) 헤드가 알려져 있고, GMR 헤드의 하나의 구체예로서 저외부자계에서 고자기저항효과를 나타내는 스핀 밸브 (Spin-Valve) 헤드가 미국특허 제 5159513 호 명세서에 나타나 있다.

도 9 는 종래 알려져 있는 스핀 밸브 구조의 일례를 나타내는 것으로써, 본 예의 구조는 프리 강자성층 (1) 과 비자성중간층 (2) 과 핀고정 강자성층 (pinned ferromagnetic layer) (3) 과 반강자성층 (4) 을 기판위에 적층하여 이 적층체의 양측에 적층체를 사이에 끼우도록 Co-Pt 등으로 이루어지는 자석층 (5) 을 형성하고, 그 위에 전극층 (6) 을 형성하여 구성된다.

또 도 9 에 나타내는 종래구조에 있어서 핀고정 강자성층 (3) 의 자화방향을 도 9 의 Z 방향으로 고정시키기 위해서는 비교적 큰 바이어스 자계가 필요하고, 이 바이어스 자계는 크면 클수록 좋다. 도 9 의 Z 방향의 반자계에 대항하여 자기매체로부터의 자속에 의해 자화방향이 흔들리지 않기 위해서는 적어도 100 Oe 의 바이어스자계가 필요하다. 이 바이어스자계를 얻기 위하여 도 9 에 나타내는 종래구조에서는 핀고정 강자성층 (3) 에 교환결합층 (4) 을 접촉시켜 형성함으로써 발생하는 교환이방성자계를 이용하고 있다.

도 9 에 나타내는 구조는 프리 강자성층 (1) 에는 자석층 (5) 에 의해 막면에 대하여 평행 (도 4 의 X 방향 : 트랙방향) 인 종바이어스를 인가하여 단자구화한 상태에서 트랙방향으로 자화를 향하게 함과 동시에 핀고정 강자성층 (3) 의 자화방향을 도 9 중의 Z 방향, 즉 프리 강자성층 (1) 의 자화방향과 직교하는 방향으로 바이어스를 인가하여 단자구화한 상태에서 도면 중 Z 방향으로 향하게 해둘 필요가 있다. 상기 종바이어스 인가의 목적은 프리 강자성층 (1) 이 다수의 자구를 형성함으로써 발생하는 발크하우젠 노이즈를 억제하는 것, 즉 자기매체에서 이 자속에 대하여 노이즈가 적은 원활한 저항변화로 하기 위함이다.

또 자기매체로부터의 자속 (도 9 의 Z 방향) 에 의해 상기 핀고정 강자성층 (3) 의 자화방향은 변화해서는 않되며, 프리 강자성층 (1) 의 방향이 핀고정 강자성층 (3) 의 자화방향에 대하여 90 ± θ° 의 범위로 변화함으로써 자기저항효과의 선형 응답성이 얻어진다.

이상과 같이, 스핀 밸브 헤드시의 핀고정 강자성층의 바이어스, 프리 강자성층의 종바이어스에 반강자성층과의 접촉계면에서 발생하는 교환이방성자계를 이용함으로써 선형 응답성이 우수하고 발크 하우젠 노이즈를 억제한 자기저항효과형 헤드가 실현된다.

그런데, 상기 교환이방성자계는 강자성층과 교환결합층의 접촉계면에서의 쌍방의 자기 모멘트간 교환상호작용에 기인하는 현상으로 강자성층, 예컨대 NiFe 층과의 교환이방성자계를 발생하는 반강자성층으로는 FeMn 층이 잘 알려져 있다. 그러나, FeMn 층은 내식성이 현저하게 나쁘기 때문에 자기헤드의 제조공정 및 자기헤드 작동중에 부식이 진행되어 교환이방성자계가 크게 열화하는 문제가 있다. 또한, 자기헤드 작동 중의 FeMn 층 근방의 온도는 정상검출전류에 의한 발열로 120 ℃ 정도까지 용이하게 상승하는 것이 알려져 있는데, FeMn 층에 의한 교환이방성자계는 온도변화에 대하여 매우 민감하여 약 150 ℃ 의 온도에서 소실 (블록킹 온도 : Tb) 하기 까지 온도에 대하여 거의 직선적으로 교환이방성자계가 감소하기 때문에 안정된 교환이방성 자계를 얻을 수 없는 문제가 있다.

그래서, 본원 발명자들은 먼저 미국특허 5,688,380 호에 거대자기저항효과를 얻을 수 있음은 물론 상술한 FeMn 보다 내식성과 온도특성이 뛰어나며 인접하는 강자성층의 보자력(保磁力)을 증대시킴으로써 자화의 회전의 핀고정을 행할 수 있는 기구를 이용한 자기저항효과소자로서 α-Fe₂O₃의 보자력 증대층을 형성한 구조의 자기저항효과소자를 특허츨원하였다.

이 특허출원에 의하면 비자성층을 통하여 적층되는 2 개의 강자성층의 일방에 α-Fe₂O₃의 보자력 증대층을 인접배치하여 그 강자성층의 자화의 회전을 핀고정하여 핀고정 강자성층으로 하고, 타방의 강자성층의 자화의 회전을 자유롭게 하여 프리 자성층으로 구성하고, 외부자계의 인가에 의해 프리 강자성층의 자화의 회전을 행하게 하도록 하여 저항변화가 일어나도록 한 구조이다. 그리고, α-Fe₂O₃의 블록킹 온도는 FeMn 에 비하여 매우 높은 온도이므로 상기 구조의 자기저항효과소자는 온도변화에 의해 자기특성이 열화되기 어려운 이점을 가지며, α- Fe₂O₃는 그 자체가 산화물이기 때문에 내식성면에서는 전혀 문제가 없는 특징을 갖는다.

그런데, 상술한 FeMn 을 사용한 스핀 밸브구조의 자기저항효과소자, 혹은 α-Fe₂O₃의 보자력 증대층을 형성한 자기저항효과소자는 비자성층 (2) 을 사이에 두고 형성되는 프리 강자성층 (1) 과 핀고정 강자성층 (3) 중에서 프리 강자성층 (1) 의 자화의 방향은 외부자장에 따라 민감하게 반응하여 회전할 필요가 있으므로 프리 강자성층 (1) 의 보자력은 적은 편이 바람직하며, 반대로 핀고정 강자성층 (3) 의 자화의 방향은 외부자장에 의해 움직이면 않된다.

그렇지만, 프리 강자성층 (1) 과 핀고정 강자성층 (3) 을 비자성층 (2) 을 통하여 적층한 구조이면 핀고정 강자성층 (3) 이 생성시키는 자장의 영향으로 프리 강자성층 (1) 의 보자력이 재료 본래의 값보다 상승되기 때문에 프리 강자성층 (1) 의 자화의 원활한 회전이 이루어지기 어렵게 되어 자기저항효과소자로서의 R-H 커브의 특성이 열화할 우려가 있다.

도 1 은 본 발명에 관한 자기저항효과 다층막의 제 1 형태를 도시한 단면도.

도 2 는 본 발명에 관한 자기저항효과 다층막의 제 2 형태를 도시한 단면도.

도 3 은 본 발명에 관한 자기저항효과 다층막의 제 3 형태를 도시한 단면도.

도 4 는 본 발명에 관한 자기저항효과 다층막의 제 4 형태를 도시한 단면도.

도 5 는 Al₂O₃층을 피복한 Si 기판위에 형성한 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층으로 이루어지는 연자성층 시료의 M-H 커브를 도시한 도면.

도 6 은 Si 기판/Al₂O₃층/α-Fe₂O₃층/NiFe 층/Cu 층/NiFe 층/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층으로 이루어지는 적층구조와, 이 적층구조에서 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층을 생략한 구조의 각각의 자기저항효과 다층막의 프리 강자성층의 M-H 커브를 도시한 도면.

도 7 은 Si 기판/Al₂O₃층/α-Fe₂O₃층/NiFe 층/Co 층/Cu 층/Co 층/NiFe 층/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층으로 이루어지는 적층구조와, 이 적층구조에서 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층을 생략한 구조의 각각의 자기저항효과 다층막의 프리 강자성층의 M-H 커브를 도시한 도면.

도 8 은 Si 기판/Al₂O₃층/α-Fe₂O₃층/NiFe 층/CoFe 층/Cu 층/CoFe 층/NiFe 층/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층인 적층구조와, 이 적층구조에서 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층을 생략한 구조의 각각의 자기저항효과 다층막의 프리 강자성층의 M-H 커브를 도시한 도면.

도 9 는 종래의 자기저항효과형 센서의 제 1 예를 도시한 단면도.

본 발명은 상기 사정을 감안한 것으로서 보조 자화반전층을 형성함으로써 프리 강자성층의 보자력을 낮게 하여 자화반전을 용이하게 할 수 있으며, 외부자장에 민감하게 반응하여 자기저항효과를 나타냄과 동시에 보조 자화반전층을 높은 비저항인 재료로 구성함으로써 보조 자화반전층으로 분류하고자 하는 전류를 억제하여 자기저항효과의 감소를 방지할 수 있는 자기저항효과소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 자화반전이 핀고정된 적어도 일층의 핀고정 강자성층과, 자화가 외부의 자계에 대하여 자유롭게 반전하는 적어도 일층의 프리 강자성층과, 프리 강자성층에 인접 혹은 근방에 위치하여 프리 강자성층의 자화반전을 보조하고, 연자기특성을 갖는 보조 자화반전층을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 보조 자화반전층으로서는 bcc Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 M 과 O (산소) 를 포함한 비정질상을 주체로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 보조 자화반전층으로서는 bcc Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 M 의 탄화물, 질화물을 포함한 비정질상을 주체로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 핀고정 강자성층을 교환결합층에 인접하여 형성하고, 핀고정 강자성층의 자화반전을 상기 교환결합층에 의한 자기적 교환결합을 받아 핀고정하여 이루어지는 구조로 할 수 있다.

그리고, 상기 교환결합층을 α-Fe₂O₃를 주체로 구성하여도 되고, 상기 교환결합층을 X-Mn 합금을 주체로 구성하여도 된다. 단, 조성식 X-Mn 에 있어서 X 는 백금족 원소에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타낸다.

이어서, 상기 각 구조의 보조 자화반전층의 층두께는 50 ∼ 300 Å 의 범위, 상기 각 구조의 보조 자화반전층의 비저항은 200 ∼ 2 × 10⁵μΩ㎝ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 한 형태에 대하여 설명한다.

도 1 은 본 발명에 관한 자기저항효과소자에 형성되는 자기저항효과 다층막의 한 형태를 나타내는 것으로써, 이 형태의 자기저항효과 다층막 (A) 은 비자성체의 기판 (10) 과 그 위에 순차적으로 적층된 핀고정용 박막층 (11) 과 핀고정 강자성층 (12) 과 비자성층 (13) 과 프리 강자성층 (14) 과 보조 자화반전층 (15) 과 보호층 (16) 을 주체로 구성된다.

그리고, 도 1 에 있어서는 도 9 에 나타내는 바와 같은 구조로 사용되는 전극층과 자석층은 생략하여 기재하였으나, 종바이어스를 인가함으로써 발크하우젠 노이즈를 없애 원활한 저항변화로 하기 위해서는 물론 도 1 의 구조를 도 9 의 구조에 적용하는 것이 바람직하다. 상기 기판 (10) 은 유리, Si, Al₂O₃, TiC, SiC, Al₂O₃와 TiC 의 소결체, 페라이트 등으로 대표되는 비자성재료로 구성된다. 그리고, 기판 (10) 의 상면에는 기판상면의 요철이나 기복을 제거할 목적으로 혹은 그 위에 적층되는 층의 결정정합성을 양호하게 하는 등의 목적으로 피복층이나 버퍼층이 적절히 형성되어도 된다.

교환결합층 (11) 은 그 위에 형성되는 핀고정 강자성층 (12) 에 자기적 교환결합력을 작용시켜 핀고정 강자성층 (12) 의 보자력을 증대시키는 것으로서, 이 교환결합층 (11) 은 반강자성체, 특히 산화물 반강자성체로 구성되는 것이 바람직하며 하나의 구체예로서는 α-Fe₂O₃로 형성된다. 그리고, 이 교환결합층 (11) 으로서 경질자성재료를 사용할 수도 있고, 구체적으로는 Co-Pt 합금 등으로 구성할 수도 있다.

그리고, α-Fe₂O₃로 이루어지는 교환결합층 (11) 은 α-Fe₂O₃자체의 모린점이 높고, 블록킹 온도가 높으므로 선형 응답성이 뛰어남은 물론 온도변화에 강하며 발크하우젠 노이즈를 확실하게 억제할 수 있는 자기저항효과 다층막을 제공할 수 있다.

또한, 교환결합층 (11) 을 X-Mn (단 X 는 Pt, Pd, Ir, Ru, Rh 등의 백금족원소 중 1 종 또는 2 종 이상을 나타낸다.) 계 합금박막으로 구성할 수도 있다.

상기 핀고정 강자성층 (12), 프리 강자성층 (14) 은 모두 강자성체의 박막으로 이루어지는데 구체적으로는 NiFe 합금, NiCo 합금, Co, NiFeCo 합금 등으로 이루어진다. 또한, 프리 강자성층 (14) 을 NiFe 합금층으로, 핀고정 강자성층 (12) 을 NiFe 합금층으로, 혹은 프리 강자성층 (14) 을 Co 층과 NiFe 합금층의 적층구조, CoFe 합금층과 NiFe 합금층의 적층구조로 구성할 수도 있다.

그리고, 프리 강자성층 (14) 을 적층구조로 할 경우, 도 2 에 도시한 구조와 같이 비자성층 (13) 측에 얇은 Co 층 혹은 CoFe 합금 (Co₉₀Fe₁₀) 층 등의 금속층 (17) 을 배치한 자기저항효과 다층막 (B) 으로 하는 것이 바람직하다.

이는 비자성층 (13) 을 강자성층 (12,14) 으로 사이에 끼우는 구조의 거대자기저항효과 발생기구에 있어서는 강자성층 (12,14) 을 동종의 재료로 구성하는 편이 이종의 재료로 구성하는 것 보다 전도전자의 스핀의존착란(spin depending scattering) 이외의 인자가 발생할 가능성이 낮고, 보다 높은 자기저항효과를 얻을 수 있기 때문이다. 이와 같은 점에서 핀고정 강자성층 (12) 을 Co 로 구성한 경우에는 강자성층 (14) 의 비자성층 (13) 측을 소정이 두께로 Co 층으로 치환한 도 2 에 나타내는 구조가 바람직하다. 또한, Co 층을 특별히 구별하여 형성하지 않고 프리 강자성층 (14) 의 비자성층 (13) 측에 Co 를 많이 함유시킨 합금상태로 하여 보조 자화반전층 (15) 측으로 향함에 따라 서서히 Co 농도가 묽어지는 농도구배층으로 하여도 된다.

상기 비자성층 (13) 은 Cu, Cr, Au, Ag 등으로 대표되는 비자성체로 이루어지며 20 ∼ 40 Å 의 두께로 형성된다. 여기에서 비자성막 (13) 의 두께가 20 Å 보다 얇으면 핀고정 강자성층 (12) 과 프리 강자성층 (14) 사이에서 자기적 결합이 일어나기 쉽게 된다. 또한, 비자성재료막 (13) 이 40 Å 보다 두꺼우면 자기저항효과를 일으키는 요인인 비자성층 (13) 과 강자성층 (12,14) 의 계면을 통과하는 전도전자의 효율이 저하므로, 즉 전류의 분류효과에 의해 자기저항효과가 저감되므로 바람직하지 않다.

상기, 보조 자화반전층 (15) 은 보자력이 작고, 포화자화가 크고, 투자율이 크고, 비저항도 큰 연자성재료로 이루어지며 두께 100 ∼ 300 Å 정도의 것이 바람직하고, 보다 구체적으로는 이하의 각 조성예에 나타내는 것이 사용된다.

본 발명에 있어서, 보조 자화반전층으로서는 bcc-Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과, 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 M 과 O (산소) 를 포함한 비정질상을 주체로 하여 이루어지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조 자화반전층으로서 bcc Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과, 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 (M) 의 탄화물, 질화물을 포함하는 결정상을 주체로 하여 이루어지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이어서, 이들 보조 자화반전층 (15) 의 구체적인 조성예는 다음과 같다.

조성예 1

조성식으로서 Fe_aM_bO_c로 나타내며, M 은 희토류원소 (주기표의 3A 족에 속하는 Sc, Y 혹은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Td, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등의 란타노이드) 중 적어도 1 종의 원소 또는 그들의 혼합물을 나타내고, 조성비 a, b, c 는 바람직하게는 원자% 로, 50 ≤ a ≤ 70, 5 ≤ b ≤ 30, 10 ≤ c ≤ 30, a + b + c = 100 인 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 연자성합금을 적용할 수 있다. 그리고, 이 조성의 연자성합금이라면 앞서 본 발명자들이 미국특허 5,573,863 호 명세서에 개시한 바와 같이 비저항으로서 400 ∼ 1000 μΩ·㎝ 정도의 높은 비저항을 나타내므로 본원발명의 목적달성을 위하여 사용할 수 있다.

조성예 2

조성식으로서 Fe_dM′_eO_f로 나타내며, M′ 은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 의 군에서 선택된 적어도 1 종의 원소 또는 그들의 혼합물을 나타내고, 조성식 d, e, f 는 바람직하게는 원자% 로, 45 ≤ d ≤ 70, 5 ≤ e ≤ 30, 10 ≤ f ≤ 40, d + e + f = 100 인 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 연자성합금을 적용할 수 있다. 그리고, 이 조성의 연자성합금이라면 앞서 본 발명자들이 미국특허 5,573,863 호 명세서에 개시한 바와 같이 비저항으로서 400 ∼ 2.0 × 10⁵μΩ·㎝ 정도의 높은 비저항을 나타내므로 본원발명의 목적달성을 위하여 사용할 수 있다.

조성예 3

조성식으로서 T_{100-a′-b′-c′-d′}-X_a′-M′_b′-Z_c′-Q_d′로 나타내며, T 는 Fe 와 Co 중 어느 한쪽 또는 양쪽, X 는 Si 와 Al 중 어느 한쪽 또는 양쪽, M′는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W 의 금속원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소, Z 는 C 와 N 중 어느 한쪽 또는 양쪽, Q 는 Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, Au 의 금속원소군에서 선택된 적어도 1 종의 원소를 나타낸다.

또한, 상기 조성에 있어서, 다음의 조성비 (원자%) 를 만족시키는 것이 바람직하다. 0 ≤ a′ ≤ 25, 1 ≤ b′ ≤ 7, 0.5 ≤ c′ ≤ 10, 0 ≤ d′ ≤ 10

이 예의 조성이라면 1 T 를 넘는 높은 포화자속밀도를 나타내므로 본원발명의 목적달성을 위하여 사용할 수 있다.

조성예 4

조성식으로서 T_{100-e′-f′-b′-c′-d′}-Si_e′-Al_f′-M′_b′-Z_c′-Q_d′로 나타내며, 단 T 는 Fe 와 Co 중 어느 한쪽 또는 양쪽, M′는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W 의 금속원소군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소, Z 는 C 와 N 중 어느 한쪽 또는 양쪽, Q 는 Cr, Re, Ru, Rh, Ni, Pd, Pt, Au 의 금속원소군에서 선택된 적어도 1 종의 원소를 나타낸다. 또한, 다음의 조성비 (원자%) 를 만족시키는 것이 바람직하다. 8 ≤ e′ ≤ 15, 0.5 ≤ f′ ≤ 10, 1 ≤ b′ ≤ 7, 0.5 ≤ c′ ≤ 10, 0 ≤ d′ ≤ 10

조성예 5

조성식으로서 (Co_1-gT_g)_xM_yQ_zX_wY_s로 나타내며, 단 T 는 Fe, Ni, Pd, Mn, Al 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소이고, M 은 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Y 와 희토류원소에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소이고, Q 는 O, N, C, B 에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소이고, X 는 Si 혹은 Cr 중 1 종 또는 2 종의 원소, Y 는 Au, Ag 와 백금족 원소 중 1 종 또는 2 종 이상의 원소이고, 조성비를 나타내는 g 는 0.05 ≤ g ≤ 0.5, y, z, w, a 는 at%, 3 ≤ y ≤ 30, 7 ≤ z ≤ 40, 0 ≤ w ≤ 20, 0 ≤ s ≤ 20 의 관계를 만족시키는 것으로서 잔부는 불가피 불순물이다.

상기 보호층 (16) 은 보조 자화반전층 (15) 을 보호하기 위하여 형성하는 층인데 생략할 수도 있다. 또 이 보호층 (16) 위에 절연성 오버 코트층을 더 형성할 수도 있다. 이 경우에 형성하는 오버 코트층은 Al₂O₃, 석영 등의 절연재료로 구성하는 것이 바람직하다.

도 1 에 나타내는 구조에 있어서 정상전류는 자기저항효과 다층막 (A) 에 부여된다. 도 1 에 나타내는 구조라면 핀고정 강자성층 (12) 의 자화의 방향이 핀고정되며, 프리 강자성층 (14) 의 자화의 방향이 트랙폭에 상당하는 영역에서 자유롭게 되는 결과 강자성층 (12 와 14) 사이에 보자력차가 발생하므로 이에 기인하여 거대자기저항효과를 얻을 수 있다. 즉, 자화의 회전이 자유롭게 된 프리 강자성층 (14) 에 자기기록매체로부터의 누설자계등과 같은 외부자계가 작용하면 프리 강자성층 (14) 의 자화의 방향이 용이하게 회전되므로 회전에 따라 자기저항효과 다층막에 저항변화가 발생하며, 이 저항변화를 측정함으로써 자기기록매체의 자기정보를 판독할 수 있다.

그리고, 상기 구조에 있어서는 프리 강자성층 (14) 위에 포화자화와 비저항이 큰 보자력이 작은 보조 자화반전층 (15) 을 형성하고 있으므로 프리 강자성층 (14) 과 보조 자화반전층 (15) 을 강자성결합시킬 수 있으며 이에 따라 프리 강자성층 (14) 의 보자력을 낮출 수 있다. 또한, 보조 자화반전층 (15) 은 보자력이 작으므로 외부자장에 대하여 감도가 양호하게 반응하고, 또한 포화자화가 크기 때문에 보조자화 반전층 (15) 에 접하는 프리 강자성층 (14) 의 자화도 용이하게 회전되는 결과 높은 선형성으로 자기저항효과가 발휘된다. 또한, 보조 자화반전층 (15) 은 그 자신이 높은 비저항이어서 보조 자화반전층 (15) 으로 흐르려는 전류의 분류만큼 적게 할 수 있으므로 자기저항효과를 발휘하는 비자성층 (13) 과 강자성층 (12,14) 의 계면부분에 흐르는 전류만큼 크게 할 수 있으며 자기저항효과의 감소분을 적게 할 수 있다.

그리고, Cu 의 비자성층 (13) 위에 Ni-Fe 합금 (퍼멀로이) 의 프리 강자성층 (14) 을 바로 적층한 구조는 열처리 등에 의해 계면에 Cu 와 Ni-Fe 합금이 원소확산하기 쉽기 때문에 도 2 에 나타내는 바와 같이 Co 혹은 CoFe 의 금속층 (17) 을 형성함으로써 내열성을 향상시킬 수 있다. 또한, Cu 의 비자성층을 강자성층으로 샌드위치하는 자기저항효과 발생기구에서 Co 를 비자성층과 접하게 한 구조가 큰 자기저항효과를 발휘하므로 도 2 에 나타내는 구조가 바람직한데, 도 2 에 나타내는 구조에서는 금속층 (17) 이 프리 강자성층 (14) 의 보자력을 증가시키기 때문에, 프리 강자성층 (14) 위에 형성한 보조 자화반전층 (15) 이 프리 강자성층 (14) 의 보자력 상승을 억제하므로 유효하다. 따라서, 도 2 에 나타내는 구조라면 내열성이 뛰어나고 자기저항효과가 크며 외부자계에 민감하게 반응하여 저항이 변화하는 자기저항효과 다층막을 얻을 수 있다.

또한, 도 1 에 나타내는 구조에 있어서 교환결합층 (11) 을 α-Fe₂O₃로 구성하면 α-Fe₂O₃는 본래 산화물로서, 종래의 스핀 밸브구조에 사용되는 FeMn 에 비하여 내식성이 우수하고, 또한 네일온도가 높으므로 온도변동에 강한 특징이 있다.

이어서, 도 1 에 나타내는 자기저항효과 다층막 (A) 에 있어서, 기판상에 두께 1000 Å 인 α-Fe₂O₃보자력 증대층과 두께 58 Å 인 NiFe 합금의 핀고정 강자성층과 두께 22 Å 인 Cu 의 비자성층과 두께 87 Å 인 NiFe 합금의 프리 강자성층을 적층하여 그 위에 두께 50 Å 와 100 Å 와 200 Å 인 각각의 막두께의 FeHfO 막을 형성한 구조를 상정하고, 이 자기저항효과 다층막의 보조 자화반전층에 흐르는 전류의 분류만큼, 즉 센스전류를 계산한 결과를 이하에 나타낸다.

자기저항효과 다층막 전체에 전류 (i) 를 흘려보낼 경우 핀고정 강자성층과 비자성층과 프리 강자성층으로 이루어지는 스핀 밸브 구조 부분의 저항을 R_sv, 그곳에 흐르는 전류를 i_sv, 보조 자화반전층의 저항을 R_OL, 그곳에 흐르는 전류를 i_OL이라고 가정하여 보조 자화반전층을 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀인 조성의 막 (포화자화 (Is) = 1.4 T, 비저항 (ρ) = 380 μΩ㎝, 보자력 (Hc) = 0.4 Oe, 100 ㎒ 의 투과율 (μ′) = 1500) 을 사용하면 보조 자화반전층의 층두께가 50 Å 인 경우, i_OL= 0.0089i, 보조 자화반전층의 층두께가 100 Å 인 경우 i_OL= 0.0177i, 보조 자화반전층의 층두께가 200 Å 인 경우 i_OL= 0.0348i, 보조 자화 반전층의 두께가 300 Å 인 경우, i_OL= 0.0514i 로 계산할 수 있다.

도 3 은 대략적으로 도시한 자기헤드 등을 구성하는 기판위에 형성된 핀고정용 박막층 (pinning thin layer) (31) 위에 핀고정 강자성층 (32) 과 비자성층 (33) 과 프리 강자성층 (34) 과 보조 자화반전층 (35) 과 보호층 (36) 이 순차적으로 적층되어 예컨대 단면대 형상의 자기저항효과 다층막 (C) 이 형성되고, 자기저항효과 다층막 (C) 의 양단부측에 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 간격을 서로의 사이에 두고 자기저항효과 다층막 (C) 을 그 양측에서 사이에 끼우는 전극층 (39) 과 프리 강자성층의 자화 (도 3 의 화살표방향) 를 X 방향으로 단자구화하는 자석층 (40) 이 형성된다.

상기 구조는 프리 강자성층 (34) 의 자화의 방향을 도 3 의 화살표 (a) 방향을 향하게 하고 핀고정 강자성층 (32) 의 자화의 방향을 Z 방향으로 향하게 함으로써 양자를 거의 90° 로 직교시켜 정렬할 수 있다.

이어서, 도 3 에 나타내는 구조의 자기저항효과 다층막 (C) 을 얻기위해서는 예컨대 Al₂O₃-TiC (알틱) 등의 비자성 세라믹 기판을 고주파 마그네트론 스패터 장치 혹은 이온 비임 스패터 장치의 챔버내에 설치하고, 챔버안을 Ar 가스 등의 불활성 가스 분위기로 한 다음 순차적으로 필요한 층을 막형성함으로써 작성할 수 있다. 막형성에 필요한 타깃은 예컨대 α-Fe₂O₃타깃, Ni-Fe 합금 타깃, Cu 타깃 등이다.

도 3 에 나타내는 자기저항효과 다층막 (C) 을 제조하기 위해서는 Ar 가스압 3 mTorr 이하 등의 감압분위기 중에 있어서 도 1 의 Z 방향으로 자계를 인가하면서 스패터에 의해 기판위에 α-Fe₂O₃로 이루어지는 핀고정용 박막층 (31) 을 형성하고, 이 핀고정용 박막층 (31) 위에 비자성층 (33) 을 사이에 두고 2 층의 강자성층 (32,34) 을 형성하고, 이어서 보조 자화반전층 (35) 과 보호층 (36) 을 순차적으로 적층한다. 이어서, 포토리소그래피 프로세스와 이온 밀링에 의해 트랙폭에 상당하는 부분을 남기고 다른 부분을 제거하여 자기저항효과 다층막 (C) 으로 한다. 자기저항효과 다층막 (C) 을 형성했다면 적층체의 양측을 사이에 끼우도록 자석층 (40) 과 전극층 (39) 을 형성한다.

이어서, 도 3 의 Z 방향으로 자계를 인가하여 핀고정용 박막층 (31) 을 착자(着磁)하여 자화의 방향을 고정함으로써 핀고정 강자성층 (32) 의 자화의 방향을 핀고정한다.

이상의 처리로 핀고정 강자성층 (32) 의 자화의 방향과 프리 강자성층 (34) 의 자화의 방향이 90° 직교한 도 3 에 나타내는 구조의 자기저항효과형 센서를 얻을 수 있다. 그리고, 핀고정용 박막층 (31) 을 Fe-Mn, Pt-Mn, Ir-Mn 등의 반강자성체로 제조할 때에는 상술한 바와 같은 착자는 필요없으며, 이 경우에는 교환결합에 의해 핀고정 강자성층 (32) 의 자화방향을 핀고정한다.

본 발명에 있어서는 도 4 의 자기저항효과 다층막 (D) 에 나타내는 바와 같이 도 1 의 자기저항효과 다층막 (A) 에서의 보조 자화반전층 (15) 을 기판 (10) 위에 형성하여, 그 위에 프리 강자성층 (14) 을 형성하고 그리고 핀 고정 강자성층 (12) 을 비자성층 (13) 을 통하여 형성하여도 된다. 또 이때 기판 (10) 과 보조 자화반전층 (15) 사이에 필요에 따라 하지층을 형성하여 보조 자화반전층 (15) 의 결정배향성을 조절하여도 된다.

도 5 는 도 1 에 도시한 구조의 보조 자화반전층으로서 Fe₆₀Hf₁₀O₃₀인 조성의 연자성막을 사용한 M-H 커브를 나타낸다. 이 보조 자화반전층은 Si 기판위에 Al₂O₃의 보호막을 형성한 기판위에 두께 300 Å 의 막두께로 형성한 것에 대하여 측정한 결과를 나타낸다. 도 5(a) 는 자화곤란축방향에서의 M-H 커브를 나타내고, 도 5(b) 는 자화용이축방향에서의 M-H 커브를 나타낸다. 이 조성의 연자성막은 연자성막으로서 우수한 M-H 커브를 나타낸다.

도 6 (a) 는 Si 기판/Al₂O₃층의 기판위에 α-Fe₂O₃층 (보자력 증대층 (핀고정용 박막층), 두께 1000 Å)/NiFe 층 (핀고정 강자성층, 두께 58 Å)/Cu 층 (비자성층, 두께 22 Å)/NiFe 층 (프리 강자성층, 두께 87 Å)/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀(보조 자화반전층, 두께 300 Å) 의 적층구조로 한 시료의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타내고, 도 6(b) 은 상기 적층구조에서 보조 자화반전층을 생략한 구조의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타낸다.

도 7(a) 는 Si 기판/Al₂O₃층의 기판위에 α-Fe₂O₃층 (1000 Å)/NiFe 층 (48 Å)/Co 층 (10 Å)/ Cu 층 (22 Å)/Co 층 (10 Å)/NiFe 층 (77 Å)/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층 (300 Å) 의 적층구조로 한 시료의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타내고, 도 7(b) 는 상기 적층구조에서 보조 자화반전층을 생략한 구조의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타낸다. 도면 중 Hcf 는 프리 강자성층의 보자력을 나타낸다.

도 8(a) 는 Si 기판/Al₂O₃층의 기판위에 α-Fe₂O₃층 (1000 Å)/NiFe 층 (48 Å)/CoFe 층 (10 Å)/ Cu 층 (22 Å)/CoFe 층 (10 Å)/NiFe 층 (77 Å)/Fe₆₀Hf₁₀O₃₀층 (300 Å) 의 적층구조로 한 시료의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타내고, 도 8(b) 는 상기 적층구조에서 보조 자화반전층을 생략한 구조의 프리 강자성층의 R-H 커브를 나타낸다. 도 7 과 마찬가지로 Hcf 는 프리 강자성층 보자력을 나타낸다.

도 6 과 도 7 과 도 8 에 나타내는 결과로부터 어떤 적층구조의 시료라도 보조 자화반전층을 형성한 시료쪽이 프리 강자성층의 보자력 (Hcf) 이 작은 것이 명백하다. 따라서, 보조 자화반전층을 형성한 자기저항효과 다층막에서는 작은 외부자장으로 자화반전을 용이하게 할 수 있으며 외부자장에 민감하게 반응할 수 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명은 보조 자화반전층을 형성함으로써 프리 강자성층의 보자력을 낮게 하여 자화반전을 용이하게 할 수 있으며, 외부자장에 민감하게 반응하여 자기저항효과를 나타냄과 동시에 보조 자화반전층을 높은 비저항인 재료로 구성함으로써 보조 자화반전층으로 분류하고자 하는 전류를 억제하여 자기저항효과의 감소를 방지할 수 있는 자기저항효과소자를 제공한다.

Claims

자화반전이 핀고정된 적어도 일층의 핀고정 강자성층과, 자화가 외부의 자계에 대하여 자유롭게 반전하는 적어도 일층의 프리 강자성층과, 프리 강자성층에 인접 혹은 근방에 위치하여 프리 강자성층의 자화반전을 보조하고, 연자기특성을 갖는 보조 자화반전층을 갖는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 1 항에 있어서, 상기 보조 자화반전층이 bcc-Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 M 과 O (산소) 를 포함한 비정질상을 주체로 이루어지는 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 1 항에 있어서, 상기 보조 자화반전층으로서는 bcc-Fe 를 주성분으로 하는 미세결정상과 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, 희토류원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어지는 원소 M 의 탄화물, 질화물을 포함한 결정상을 주체로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 1 항에 있어서, 상기 핀고정 강자성층이 교환결합층에 인접하여 형성되고, 핀고정 강자성층의 자화반전이 상기 교환결합층에 의한 자기적 교환결합을 받아 핀고정 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 4 항에 있어서, 상기 교환결합층이 α-Fe₂O₃를 주체로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 4 항에 있어서, 상기 교환결합층이 X-Mn 합금(단, 조성식 X-Mn 에 있어서 X 는 백금족 원소에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타낸다) 을 주체로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 1 항에 있어서, 상기 보조 자화반전층의 층두께가 50 ∼ 300 Å 의 범위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.
제 1 항에 있어서, 상기 보조 자화반전층의 비저항이 200 ∼ 2 × 10⁵μΩ㎝ 의 범위인 것을 특징으로 하는 자기저항효과소자.