KR20000016943A - 자기터널접합센서용저모멘트/고보자력고정층 - Google Patents

자기터널접합센서용저모멘트/고보자력고정층 Download PDF

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Abstract

자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 소자는 자기 디스크 드라이브에서 자계 센서(magnetic field sensor)로 사용되거나 자기 임의 접근(magnetic random access; MRAM) 배열에서 메모리 셀로 사용될 수 있다. MTJ 소자는 제1 강자성층, 제2 강자성층 및 제1 강자성과 제2 강자성층 사이에 배치된 반평행 결합(antiparallel coupling; APC)층을 포함하는 강자성 반평행(antiparallel coupling; AP)-고정층, 자유 강자성층 및 AP-고정층의 제1 강자성층과 자유 강자성층 사이에 배치된 절연 터널 장벽층을 가진다. AP-고정층은 층의 평면과 동일한 방향으로 자화되지만, 자화 방향이 고정되어 있으므로 자계가 인가되는 경우 인가된 자계의 영향력 범위 내에 있는 자화 방향은 회전할 수 없다. 자유 강자성층의 자화는 강자성 AP-고정층의 고정 자화에 대하여 층의 평면에서 회전할 수 있다. AP-고정층의 제2 강자성층은 AP-고정층의 자화 방향을 공기 베어링 표면과 수직인 방향으로 고정시키는 보자력이 높은 자성 재료로 구성된다. AP-고정층의 순 자기 모멘트(net magnetic moment)가 거의 0으로 설정되므로, AP-고정층과 자유층 사이의 자기저항 상호작용은 최소화된다.

Description

자기 터널 접합 센서용 저 모멘트/고 보자력 고정층 {LOW MOMENT/HIGH COERCIVITY PINNED LAYER FOR MAGNETIC TUNNEL JUNCTION SENSORS}
본 발명은 일반적으로 자기 매체(magnetic medium)로부터 정보 신호를 판독하기 위한 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 자기저항 센서에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 저 모멘트, 고 보자력 고정층을 가지는 자기 터널 접합 센서 및 이러한 센서를 일체로 구성하는 자기 저장 시스템에 관한 것이다.
대부분의 컴퓨터는 이후에 사용하기 위해 데이터를 기록하고 판독할 수 있는 매체를 구비하는 보조 메모리 저장 장치를 포함한다. 통상적으로 회전 자기 디스크를 일체로 구성하는 직접 액세스 저장 장치(direct access storage device; DASD)는 자기 형태로 데이터를 디스크 표면 상에 저장한다. 데이터는 디스크 표면 상에서 동심(concentric)을 그리며 방사상으로 이격된 트랙 상에 기록된다. 그후 판독 센서를 포함하는 자기 헤드를 사용하여 디스크 표면 상의 트랙으로부터 데이터를 판독한다.
고용량 디스크 드라이브에서는 통상적으로 자기저항(magnetoresistive; MR) 센서라고 지칭되는 MR 판독 센서가 널리 사용되는데, 그 이유는 MR 판독 센서가 박막 유도 헤드(thin film inductive head)에 비해 큰 트랙으로 그리고 큰 선형 밀도(linear density)로 디스크 표면으로부터 데이터를 판독할 수 있는 능력이 있기 때문이다. MR 센서는 MR층에 의해 감지되는 자속의 세기 및 방향의 함수로서 MR 감지층(또는 "MR"소자라고도 함)의 저항 변화를 통해 자계를 검출한다.
종래의 MR 센서는 MR 소자의 저항이 MR 소자의 자화(magnetization)와 MR 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각도의 코사인 제곱값에 따라 달라지는 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive; AMR) 효과에 기초하여 동작한다. 기록된 데이터를 자기 매체로부터 판독할 수 있는데, 이는 기록된 자기 매체(신호 필드)로부터의 외부 자계가 MR 소자의 자화 방향을 변화시키고 따라서 MR 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지 전류 또는 전압의 변화를 발생시키기 때문이다.
MR 센서의 다른 형태는 거대 자기저항(giant magnetoresistance; GMR) 효과를 사용하는 GMR 센서이다. GMR 센서에서 MR 감지층의 저항은 비자성층(스페이서)에 의해 분리되는 자성층간의 전도 전자의 스핀-의존 전도(spin-dependent transmission) 및 자성층과 비자성층 사이의 인터페이스 영역과 자성층 내에서 이에 수반하여 발생하는 스핀-의존 산란(spin-dependent scattering)을 함수로 하여 변화한다.
비자성 재료(예를 들어 구리)층에 의해 분리되는 강자성 재료(예를 들어 Ni-Fe)층 중 단지 2개의 층만을 사용하는 GMR 센서는 일반적으로 스핀 밸브(spin valve; SV) 효과를 사용하는 SV 센서로 지칭된다.
도 1은 중앙 영역(102)에 의해 분리된 단부 영역(104, 106)을 포함하는 종래 기술에 의한 SV 센서(100)를 도시한다. 고정층(120)으로 지칭되는 제1 강자성층은 통상적으로 반강자성(antiferromagnetic; AFM)층(125)과의 교환 결합(exchange coupling)에 의해 고정된 자화를 가진다. 자유층(110)으로 지칭되는 제2 강자성층의 자화는 고정되지 않으며, 기록된 자기 매체(신호 필드)로부터의 자계에 응답하여 자유로이 회전한다. 자유층(110)은 비자성적(non-magnetic)이며 전기적 도전성을 갖는 스페이서층(115)에 의해 고정층(120)과 분리된다. 단부 영역(104, 106)에 형성된 바이어스시키기 어려운 층(hard bias layers; 130, 135)은 각각 자유층(110)에 대한 종방향 바이어스를 제공한다. 바이어스시키기 어려운 층(130, 135) 상에 형성된 리드(140, 145)는 각각 SV 센서(100)의 저항을 감지하기 위한 전기적 연결을 제공한다. 본 발명에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는 Dieny 등에게 특허 허여된 IBM사의 미합중국 특허 번호 제 5,206,590호는 SV 효과에 기초하여 동작하는 GMR 센서에 대하여 개시하고 있다.
현재 개발 중인 자기 소자의 다른 형태는 자기 터널 접합(MTJ) 소자이다. MTJ 소자는 메모리 셀 및 자계 센서에 적용 가능하다. MTJ 소자는 박막이며 전기적으로 절연된 터널 장벽층에 의해 분리된 2개의 강자성층을 포함한다. 터널 장벽층은 강자성층들 사이에서 전하 캐리어의 양자 역학(quantum-mechanical)적 터널링을 발생시키기에 충분히 얇은 박막이다. 터널링 공정은 전자 스핀에 종속적이며, 이는 접합 양단의 터널링 전류가 강자성 재료의 스핀 의존(spin-dependent)적인 전자 특성에 의존하고 2개의 강자성층의 자기 모멘트의 상대적 방향 또는 자화 방향의 함수라는 것을 의미한다. MTJ 센서에서, 하나의 강자성층은 고정된 자기 모멘트를 가지며, 다른 강자성층은 기록 매체(신호 필드)로부터의 외부 자계에 응답하여 회전할 수 있는 자기 모멘트를 가진다. 2개의 강자성층들 사이에 전위가 인가되는 경우, 센서 저항은 강자성층들 사이의 절연층 양단의 터널링 전류의 함수이다. 터널 장벽층을 수직으로 통과하여 흐르는 터널링 전류가 2개의 강자성층들의 상대적 자화 방향에 의존하기 때문에, 기록된 데이터를 자기 매체로부터 판독할 수 있으며, 이는 신호 필드가 자유층의 자화 방향을 변경하고, 따라서 MTJ 센서의 저항 변화 및 이에 따른 감지된 전류 또는 전압의 변화를 발생시키기 때문이다. 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는 Gallagher 등에게 특허 허여된 IBM사의 미합중국 특허 번호 제 5,650,958호는 자기 터널 접합 효과에 기초하여 동작하는 MTJ 센서에 대하여 개시하고 있다.
도 2는 제1 전극층(204), 제2 전극층(202), 및 터널 장벽층(215)을 포함하는 종래 기술에 의한 MTJ 센서(200)를 도시한다. 제1 전극층(204)은 고정층(고정 강자성층; 220), 반강자성층(AFM layer; 230), 및 시드층(seed layer; 240)을 포함한다. 고정층(220)의 자화는 AFM층(230)과의 교환 결합을 통해 고정된다. 제2 전극층(202)은 자유층(자유 강자성층; 210) 및 캡층(cap layer; 205)을 포함한다. 자유층(210)은 비자성적이며 전기적 절연성을 가지는 터널 장벽층(215)에 의해 고정층(220)과 분리된다. 외부 자계가 인가되지 않는 경우, 자유층(210)은 화살표(212)에 의해 표시되는 방향, 즉 화살표(222)(지면의 평면을 향하는 화살표의 후미)에 의해 표시된 고정층(220)의 자화 방향과 일반적으로 수직을 이루는 자화 방향을 가진다. 제1 전극층(204) 및 제2 전극층(202)과 접촉하여 형성된 제1 리드(260) 및 제2 리드(265)는 각각 전원(270)으로부터 MTJ 센서(200)로 흐르는 감지 전류 Is의 흐름을 위한 전기적 연결을 제공한다. 통상적으로 제1 리드(260) 및 제2 리드(265)와 연결된 부분-응답 최대-가능성(partial-response maximum-likelihood; PRML) 채널과 같은 기록 채널을 포함하는 신호 검출기(280)는 외부 자계에 의해 자유층(210)에 유도된 변화에 기인하는 저항 변화를 감지한다.
MTJ 센서의 고정층의 자화 방향은 고정층과 교환 결합된 반강자성(AFM)층을 사용하여 고정될 수 있다. 고정층 자화를 고정시키기 위해 AFM층을 사용하는 경우의 이점은 고정층과 자유층 사이의 정자기(magnetostatic)적 작용을 작게 하며, 이는 남아있는 자유층의 자화를 용이하게 한다는 것이다. 교환 결합된 AFM층을 사용하는 경우의 문제점은 비교적 낮은 블로킹 온도에서의 AFM 재료의 교환 결합이 0이 된다는 것이다. 바람직한 높은 부식 저항 특성(corrosion resistance properties)을 가지는 AFM 재료의 블로킹 온도는 약 200 ℃이다. 블로킹 온도가 이와 같이 낮은 경우, 이들 AFM 재료는 다수의 MR 센서의 120 ℃ 범위의 동작 온도에서 200 Oe(에르스텟)보다 작은 크기를 가지는 고정 필드를 가진다. 이렇게 작은 고정 필드는 상승된 온도에서 동작하는 MR 센서의 열적 안정성(thermal stability)을 열화시킨다.
높은 보자력을 가지는(자화시키기 어려운) 자성 재료를 사용하여 고정층을 구성함으로써 열적 안정성을 상당히 많이 개선시킬 수 있다. 이러한 재료를 사용하는 경우, 높은 고정 필드는 거의 퀴리 온도(Curie temperature)까지 유지되며, 이 온도는 약 700 ℃가 될 수 있다. 그러나 높은 보자력을 가지는 재료로 구성된 고정층은 자유층과 정자기적으로 결합하며, 이는 외부 자계에 대한 민감도(sensitivity)가 감소된 자화시키기 어려운 자유층을 야기한다.
따라서 높은 보자력을 자기는 고정층을 사용하여 고정층 및 자유층의 정자기적 상호작용에 의해 센서의 민감도를 열화시키지 않고 열적 안정성을 개선시키는 MTJ 센서가 필요하다.
본 발명의 목적은 높은 보자력을 가지는 자성 재료를 사용하여 반평행(antiparallel; AP) 고정 MTJ 센서의 자화 방향을 고정시키는 개선된 자기저항 터널 접합(MTJ) 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 보자력을 가지는 자성 재료를 사용하여 고정층의 자화 방향을 고정시키는 높은 열적 안정성을 가지는 MTJ 센서 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 보자력을 가지는 고정층과 자유층의 정자기적 결합을 감소시킨 MTJ 센서 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 원리에 따라, 퍼멀로이의 자화(약 800 emu/cc)보다 큰 포화 자화를 가지는 재료로 구성된 제1 강자성층, 높은 보자력(여기서 보자력이 높다는 것은 보자력이 150 Oe보다 크다는 것을 의미한다)을 가지는 강자성 재료로 구성된 제2 강자성층, 및 제1 강자성층과 제2 강자성층 사이에 배치된 반평행 결합(antiparallel coupling; APC)층을 포함하는 적층된 반평행(AP) 고정층을 가지는 MTJ 센서가 개시되어 있다. 자기변형 계수(magnetostriction coefficient)가 거의 0인 자화하기 쉬운(soft) 강자성 재료로 구성된 제1 서브층과 제2 서브층의 인터페이싱을 포함하는 강자성 자유층은 자유층의 제1 서브층과 인접한 절연 재료로 구성된 터널 장벽층에 의해 AP-고정층의 제1 강자성층과 분리된다. AP-고정층의 제1 강자성층과 제2 강자성층을 분리하는 APC층은 반평행 결합을 강하게 촉진시키며, 이는 높은 보자력을 가지는 제2 강자성층의 자화를 제1 강자성층의 자화와 반평행 방향으로 고정한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 거의 0에 가까운 순 자기 모멘트(net magnetic moment)를 가지는 AP-고정층 구조를 제공함으로써 AP-고정층과 자유층 사이의 정자기적 상호작용을 최소화시킨다. 제1 및 제2 강자성층들의 자기 모멘트의 크기가 거의 동등하게 되도록 AP-고정층을 형성하는 층들의 두께를 선택한다. 제1 및 제2 강자성층들의 자화가 이들 사이의 APC층에 기인하여 반평행 방향을 가지기 때문에, AP-고정층의 순 모멘트는 거의 0이 된다. 이러한 방법으로 AP-고정층과 자유층 사이의 정자기 상호작용을 최소화함으로써, 자유층의 자화는 인가된 자계에 응답하여 자유로이 회전할 수 있으며, 이는 높은 민감도를 가지는 MTJ 센서를 야기한다.
본 발명의 전술한 목적, 특징, 이점 및 추가 목적, 특징, 이점은 다음의 상세하게 기술된 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 SV 센서의 공기 베어링 표면 도면(일정한 비례는 아님).
도 2는 종래 기술에 의한 자기 터널 접합 센서의 공기 베어링 표면 도면(일정한 비례는 아님).
도 3은 자기 기록 디스크 드라이브 시스템의 단순화된 도면.
도 4는 본 발명에 의한 MTJ 센서 실시예의 공기 베어링 표면 도면(일정한 비례는 아님).
본 발명의 특성 및 이점에 대한 완전한 이해를 위해, 바람직한 사용 모드뿐만 아니라 다음의 도면과 결합된 다음의 상세한 설명을 참조하여 설명한다. 다음의 도면에서 동일한 도면 번호는 도면 전체를 통틀어 동일하거나 유사한 부품을 지칭한다.
다음의 설명은 본 발명을 구현하기 위해 현재 검토된 최적의 실시예에 관한 것이다. 이러한 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서에서 특허청구된 독창적인 개념을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명을 구현화하는 디스크 드라이브(300)가 예시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 회전가능한 자기 디스크(312)가 스핀들(314) 상에서 지지되며, 디스크 드라이브 모터(318)에 의해 회전한다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크(312) 상의 환상 패턴(annular pattern)의 동심원 데이터 트랙(도시되지 않음) 형태를 가진다.
적어도 하나의 슬라이더(313)가 디스크(312) 상에 위치하며, 각 슬라이더(313)는 하나 이상의 자기 판독/기록 헤드(magnetic read/write heads; 321)를 지지하며, 여기서 헤드(321)는 본 발명의 MTJ 센서와 일체로 구성된다. 디스크가 회전함에 따라, 슬라이더(313)가 디스크 표면(322) 상에서 방사상 내부 또는 외부로 이동하기 때문에, 헤드(321)는 원하는 데이터가 기록된 디스크의 서로 다른 부분을 액세스할 수 있다. 서스펜션(315)에 의해 각 슬라이더(313)가 액츄에이터 암(actuator arm; 319)에 부착된다. 서스펜션(315)은 디스크 표면(322)에 대하여 슬라이더(313)를 바이어싱시키는 작은 스프링력을 제공한다. 각 액츄에이터 암(319)이 액츄에이터(327)에 부착된다. 도 3에 도시된 액츄에이터는 보이스 코일 모터(voice coil motor; VCM)가 될 수 있다. VCM은 고정 자계 내에서 이동가능한 코일을 포함하며, 코일 움직임의 방향 및 속도는 제어장치(329)에 의해 공급된 모터 전류 신호에 의해 제어된다.
디스크 저장 시스템이 동작하는 동안, 디스크(312)의 회전은 슬라이더(313)와 디스크 표면(322) 사이에서 슬라이더 상에서 상승력을 발휘하는 공기 베어링을 생성한다(헤드(321)를 포함하고 디스크(312) 표면을 접하는 슬라이더(313) 표면을 공기 베어링 표면(air bearing surface; ABS)이라 지칭함). 따라서 공기 베어링은 슬라이더 서스펜션(315)의 작은 스프링력을 상쇄(counter-balance)시키고, 정상적인 동작이 진행되는 동안 디스크 표면을 벗어나 작지만 실질적으로 일정한 공간만큼 디스크 표면의 약간 위에서 슬라이더(313)를 지지한다.
디스크 저장 시스템의 여러 가지 구성 요소는 동작 시에 액세스 제어 신호 및 내부 클록 신호와 같은 제어 유닛(329)에 의해 생성된 제어 신호에 의해 제어된다. 통상적으로 제어 유닛(329)은 논리 제어 회로, 저장 칩 및 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 유닛(329)은 라인(323) 및 헤드 위치 상에서 드라이브 모터 제어 신호와 같은 여러 가지 시스템 동작을 제어하고 라인(328) 상에서 제어 신호를 구하기 위한 제어 신호를 생성한다. 라인(328) 상의 제어 신호는 슬라이더(313)를 최적으로 이동시켜 디스크(312) 상의 바람직한 데이터 트랙으로 위치시키기 위한 전류 프로파일(current profiles)을 제공한다. 판독 및 기록 신호는 기록 채널(recording channel; 325)에 의해 판독/기록 헤드(321)로부터 판독되거나 판독/기록 헤드(321)에 기록된다.
통상적인 자기 디스크 저장 시스템에 대한 전술한 설명 및 이에 수반되는 도 3의 예시는 단지 설명하기 위한 것이다. 디스크 저장 시스템은 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 각 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지원할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MTJ 센서(400)의 공기 베어링 표면(ABS)을 도시한다. MTJ 센서(400)는 제1 전극(404), 제2 전극(402) 및 제1 전극(404)과 제2 전극(402) 사이에 배치된 터널 장벽층(415)을 포함한다. 제1 전극(404)은 적층된 AP-고정층(420) 및 시드층(440)을 포함하며, 여기서 적층된 AP-고정층(420)은 시드층(440)과 터널 장벽층(415) 사이에 배치된다. 제2 전극(402)은 자유층(410) 및 캡층(405)을 포함하며, 여기서 자유층(410)은 캡층(405)과 터널 장벽층(415) 사이에 배치된다.
적층된 AP-고정층(420)은 제1 인터페이스층(426)과 인접해 있는 제1 강자성층(428), 제2 인터페이스층(422)과 인접해 있는 제2 강자성층(430), 및 제1 인터페이스층(426)과 제2 인터페이스층(422) 사이에 배치되어 있으며 제1 강자성층(428)과 제2 강자성층(430)을 반평행 결합하는 APC층(424)을 포함하는 AP-결합 다중층 구조이다. 제1 인터페이스층(426)과 제2 인터페이스층(422)을 사용하지 않는 경우도 있다. 제1 강자성층(428)은 제1 보자력을 가지는 재료로 구성되며, 제2 강자성층(430)은 제2 보자력을 가지는 재료로 구성되는데, 여기서 제2 보자력은 제1 보자력보다 크다. 제2 강자성층(430)은 높은 보자력(150 Oe보다 높음)을 가지기 때문에, AP-고정층(420)의 자화 방향을 ABS와 수직으로 고정시키는 고정 자계(pinning field)를 제공한다. 시드층(440)은 그 다음 층들의 결정학적 구조 또는 결정립 크기(grain size)를 변경하도록 증착(deposition)된 층이며, 반드시 필요한 것은 아니다.
자유층(410)은 제1 서브층(412) 및 제2 서브층(414)을 포함하며, 여기서 제1 서브층(412)은 제2 서브층(414)과 터널 장벽층(415) 사이에 배치된다. 자유층(410)의 자화는 ABS와 평행한 방향으로 이루어지며, 신호 자계가 인가되는 경우 자유로이 회전한다.
제1 전극(404) 및 제2 전극(402)과 각각 인접한 리드층(460, 465)은 전원(470)으로부터 MTJ 센서(400)로 흐르는 감지 전류 Is의 흐름을 위한 전기적 연결을 제공한다. 리드(460, 465)와 전기적으로 연결된 신호 검출기(480)는 신호 자계(예를 들어, 디스크 상에 저장된 데이터 비트에 의해 생성된 자계)에 의해 유도된 변화에 기인하는 터널링 전류의 변화를 감지한다. 외부 자계에 의해 자유층(410)의 자화 방향은 바람직하게 ABS와 수직으로 고정된 고정층(420)의 자화 방향에 대해 회전한다. 신호 검출기(480)는 당업자에게 공지된 PRML 채널과 같은 디지털 기록 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 신호 검출기(480)는 당업자에게 공지된 감지된 저항 변화를 조절하기 위한 프리앰프(preamplifier)(전기적으로 센서와 채널 사이에 위치함)와 같은 다른 지지 회로(supporting circuitries)를 포함한다.
도 4에 예시되어 있는 바와 같이, MTJ 센서(400)는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 또는 이온 빔 스퍼터링(ion beam sputtering) 시스템 내에서 다층 구조를 순차적으로 증착하여 제조된다. 약 40 Oe의 종방향 또는 횡방향 자계가 인가되는 경우, 스퍼터링 증착을 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis) 방향으로 수행한다. 약 100-500 Å 두께를 가지는 금(Au)으로 구성된 하부 리드층(460)이 바람직하게는 Al2O3으로 구성된 기판(450) 상에 증착된다. 두께가 약 50 Å인 Cr로 형성된 시드층(440)이 리드(460) 상에 증착된다. 제2 강자성층(430), 제2 인터페이스층(422), APC층(424), 제1 인터페이스층(426), 및 제1 강자성층(428)을 포함하는 AP-고정층(420)이 시드층(440) 상에 순차적으로 증착된다.
두께가 약 50 Å인 제2 강자성층(430)은 자화시키기 어려운 영구 자석(hard permanent magnet)의 특성을 부여하는 높은 보자력을 가지는 강자성 재료인 Co80-Pt12-Cr8로 구성된다. 제2 인터페이스층(422)은 두께가 약 5 Å인 코발트(Co)로 구성된다. APC층(424)은 두께가 약 6Å인 루테늄(Ru)으로 구성된다. 제1 인터페이스층(426)은 두께가 약 5 Å인 Co로 구성되며, 두께가 약 25 Å인 제1 강자성층(428)은 높은 자화성을 가지는 따라서 높은 터널 자기저항 계수(tunnel magnetoresistive coefficient)를 가지는 것으로 예상되는 강자성 재료인 Co30-Fe70으로 구성된다.
제1 강자성층(428) 상에서 8-20 Å 두께의 알루미늄(Al)층을 증착한 후 플라즈마 산화함으로써 Al2O3으로 터널 장벽층(415)을 형성한다.
제1 서브층(412) 및 제2 서브층(414)을 포함하는 자유층(410)이 터널 장벽층(415) 상에 증착된다. 두께가 약 10 Å이며 Co90-Fe10으로 구성된 제1 서브층(412)이 터널 장벽층(415) 상에 증착된다. Co90-Fe10은 거의 0에 가까운 자기저항 계수를 가지는 강자성 재료이다. 두께가 약 20 Å이며 Ni-Fe(퍼멀로이)로 구성된 제2 서브층(414)이 제1 서브층(412) 상에 증착된다. 두께가 약 50 Å이며 Ta로 구성된 캡층(405)이 제2 서브층 상에 증착되며, 따라서 MTJ 센서(400)의 활성 부분이 완성된다.
두께가 100-500 Å인 금(Au)으로 구성된 상부 리드(465)가 캡층(405) 상에 증착된다. 하부 리드(460)와 상부 리드(465) 사이에 증착된 Al2O3으로 구성된 절연층(490)은 리드들 사이에 전기적 절연을 제공하며, 감지 전류가 MTJ 센서(400) 주위로 분류(shunt)되는 것을 방지한다.
보자력이 높은 강자성 재료를 사용하여 제2 강자성층(430)을 구성함으로써, 적층된 AP-고정층(420)의 자화를 ABS와 수직으로 고정시키기 위한 고정 자계를 제공한다. 고정층을 자화시키기 위해, ABS와 수직인 방향의 고 자계(5000-15000 Oe의 범위) 내에 MTJ 센서를 위치시킨다. Co80-Pt12-Cr8의 높은 보자력 및 500 ℃ 범위의 퀴리 온도는 동작 온도가 약 120-140℃까지 범위인 경우 우수한 열적 안정성으로 500 Oe를 초과하는 고정 자계를 발생시킨다.
보자력이 높은 제2 강자성층(430)과 자유층(410)의 정자기적 결합이 신호 자계에 응답하여 회전하는 자유층 자화의 자유로운 회전을 방해하는 것을 방지하기 위해, AP-결합 구조를 형성하는 층들의 두께를 적당하게 선택함으로써 적층된 AP-고정층(420)의 순 자기 모멘트를 거의 0 가까이로 감소시켜야 한다. 상기 구조에서의 각 강자성층의 자기 모멘트는 층 재료의 자화 및 층 두께의 곱(product)과 동일하다. APC층(424) 때문에 제1 강자성층(428) 및 제1 인터페이스층(426)의 자화 방향이 제2 강자성층(430) 및 제2 인터페이스층(422)의 자화 방향과 반평행 방향이 되므로, 적층된 AP-고정층(420)은 APC층(424)의 각 측면 상에서 거의 동일한 전체 자기 모멘트를 가짐으로써 거의 0에 가까운 순 자기 모멘트를 가질 수 있다.
Co80-Pt12-Cr8은 제2 강자성층(430)의 바람직한 합성물이며, 여기서 합성 범위를 Cox-Pty-Crz로 표현하면, 68%≤x≤88%, 8%≤y≤16%, 4%≤z≤16%이며, x + y + z = 100%이다.
또한 Co30-Fe70은 제1 강자성층(428)의 바람직한 합성물이며, 여기서 합성 범위를 Coa-Feb로 표현하면, 20%≤a≤50%, 50%≤b≤80%이며, a + b = 100%이다.
터널 자기저항 계수는 자유층 및 고정층의 자속(magnetic flux) 밀도의 곱에 비례한다. 따라서 높은 자속 밀도(높은 자화)를 가지는 재료를 MTJ 센서의 자유층 및 고정층으로 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서 제1 강자성층(428)의 재료로 사용되는 Co30-Fe70은 24000 가우스의 아주 높은 포화 자속 밀도를 가지며, 이는 MTJ 센서(400)의 높은 터널 자기저항 계수를 발생시킨다.
또한 Co-Ni, Co-Pt, 및 Co-Sm과 같은 재료를 사용하여 제1 강자성층(430)을 구성하여 본 발명에 따른 MTJ 센서를 제조할 수 있다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 예시되고 설명하였지만, 당업자는 본 발명의 원리, 범위, 개시를 벗어나지 않고 형식 및 상세한 설명에 대하여 여러 가지 변화를 실시할 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 발명은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 단지 다음의 특허청구범위에 의해서만 제한될 수 있다.
본 발명에 의하면, 높은 보자력을 가지는 자성 재료를 사용하여 반평행(antiparallel; AP) 고정 MTJ 센서의 자화 방향을 고정시키는 개선된 자기저항 터널 접합(MTJ) 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면 높은 보자력을 가지는 자성 재료를 사용하여 고정층의 자화 방향을 고정시키는 높은 열적 안정성을 가지는 MTJ 센서 구조를 제공한다.
또한 본 발명에 의하면 높은 보자력을 가지는 고정층과 자유층의 정자기적 결합을 감소시킨 MTJ 센서 구조를 제공한다.

Claims (21)

  1. 자기 터널 접합(MTJ) 센서에 있어서,
    a) 반평행(antiparallel; AP)-고정층―여기서 AP-고정층은
    ⅰ) 제1 보자력을 가지는 자성 재료로 구성된 제1 강자성층;
    ⅱ) 상기 제1 보자력보다 큰 크기를 구비하는 제2 보자력을 가지는 자성 재료로 구성되며, 상기 AP-고정층의 자화 방향을 고정시키는 제2 강자성층; 및
    ⅲ) 상기 제1 강자성층과 제2 강자성층 사이에 배치된 반평행 결합(antiparallel coupling; APC)층
    을 포함함―;
    b) 강자성 재료로 구성된 자유층; 및
    c) 상기 제1 강자성층과 상기 자유층 사이에 배치된 터널 장벽층
    을 포함하는 자기 터널 접합 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 Co30-Fe70으로 구성되고,
    상기 제2 강자성층은 Co80-Pt12-Cr8로 구성되는
    자기 터널 접합 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 강자성층의 두께가 상기 제1 강자성층 두께의 2배인 자기 터널 접합 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강자성층이 Coa-Feb로 구성되며, 여기서 20%≤a≤50%, 50%≤b≤80%이며, a + b = 100%인 자기 터널 접합 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 강자성층이 Cox-Pty-Crz로 구성되며, 여기서 68%≤x≤88%, 8%≤y≤16%, 4%≤z≤16%이며, x + y + z = 100%인 자기 터널 접합 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 강자성층이 Co-Ni, Co-Pt, 및 Co-Sm을 포함하는 재료의 군으로부터 선택되는 자기 터널 접합 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 강자성층의 제2 보자력이 150 Oe보다 큰 자기 터널 접합 센서.
  8. 자기 터널 접합(MTJ) 센서에 있어서,
    a) 반평행(AP)-고정층―여기서 AP-고정층은
    ⅰ) 제1 보자력을 가지는 자성 재료로 구성된 제1 강자성층;
    ⅱ) 상기 제1 강자성층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제1 인터페이스층;
    ⅲ) 상기 제1 보자력보다 큰 크기를 구비하는 제2 보자력을 가지는 자성 재료로 구성되며, 상기 AP-고정층의 자화 방향을 고정시키는 제2 강자성층;
    ⅳ) 상기 제2 강자성층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제2 인터페이스층; 및
    ⅴ) 상기 제1 인터페이스층과 제2 인터페이스층 사이에 배치된 반평행 결합(APC)층
    을 포함함―;
    b) 자유층―여기서 자유층은
    ⅰ) 강자성 재료로 구성된 제1 서브층; 및
    ⅱ) 상기 제1 서브층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제2 서브층
    을 포함함―; 및
    c) 상기 제1 강자성층과 상기 자유층의 제1 서브층 사이에 배치된 터널 장벽층
    을 포함하는 자기 터널 접합 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 강자성층은 Co30-Fe70으로 구성되고,
    상기 제2 강자성층은 Co80-Pt12-Cr8로 구성되는
    자기 터널 접합 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 강자성층의 두께가 상기 제1 강자성층의 두께의 2배인
    자기 터널 접합 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 강자성층이 Coa-Feb로 구성되며, 여기서 20%≤a≤50%, 50%≤b≤80%이며, a + b = 100%인 자기 터널 접합 센서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 강자성층이 Cox-Pty-Crz로 구성되며, 여기서 68%≤x≤88%, 8%≤y≤16%, 4%≤z≤16%이며, x + y + z = 100%인 자기 터널 접합 센서.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 강자성층이 Co-Ni, Co-Pt, 및 Co-Sm을 포함하는 재료의 군으로부터 선택되는 자기 터널 접합 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 인터페이스층 및 상기 제2 인터페이스층이 코발트로 구성되는 자기 터널 접합 센서.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1 서브층이 Co90-Fe10으로 구성되는 자기 터널 접합 센서.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 제2 서브층이 Ni-Fe(퍼멀로이)로 구성되는 자기 터널 접합 센서.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 APC층이 루테늄(ruthenium), 인듐(indium), 로듐(rhodium)을 포함하는 재료의 군으로부터 선택되는 자기 터널 접합 센서.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 터널 장벽층이 Al2O3로 구성되는 자기 터널 접합 센서.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 제2 강자성층의 제2 보자력이 150 Oe보다 큰 자기 터널 접합 센서.
  20. 디스크 드라이브 시스템에 있어서,
    a) 자기 기록 디스크;
    b) 상기 자기 기록 디스크 상에 자기적으로 기록된 데이터를 감지하는 자기 터널 접합(MTJ) 자기저항 센서―여기서 자기 터널 접합 센서는
    Ⅰ) ⅰ) 제1 보자력을 가지는 자성 재료로 구성된 제1 강자성층;
    ⅱ) 제2 보자력―상기 제2 보자력은 상기 제1 보자력보다 큰 크기를 가짐―을 가지는 자성 재료로 구성되며, 상기 AP-고정층의 자화 방향을 고정시키는 제2 강자성층; 및
    ⅲ) 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 사이에 배치된 반평행 결합(APC) 층
    을 포함하는 반평행(AP) 고정층;
    Ⅱ) 강자성 재료로 구성된 자유층; 및
    Ⅲ) 상기 제1 강자성층과 상기 자유층 사이에 배치된 터널 장벽층
    을 포함함―;
    c) 상기 자기 터널 접합 센서가 자기 기록 디스크 상의 자기적으로 기록된 데이터의 서로 다른 영역을 액세스할 수 있도록 상기 자기 터널 접합 센서를 자기 기록 디스크 상에서 이동시키는 액츄에이터; 및
    d) 자기 터널 접합 센서와 전기적으로 결합되며, 자기적으로 기록된 데이터로부터의 자계에 응답하여 고정층의 고정된 자화에 대하여 회전하는 자유 강자성층의 자화축 회전에 의해 발생하는 자기 터널 접합 센서의 저항 변화를 검출하는 기록 채널
    을 포함하는 디스크 드라이브 시스템.
  21. 디스크 드라이브 시스템에 있어서,
    a) 자기 기록 디스크;
    b) 상기 자기 기록 디스크 상에 자기적으로 기록된 데이터를 감지하는 자기 터널 접합(MTJ) 자기저항 센서―여기서 자기 터널 접합 센서는
    Ⅰ) ⅰ) 제1 보자력을 가지는 자성 재료로 구성된 제1 강자성층;
    ⅱ) 상기 제1 강자성층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제1 인터페이스층;
    ⅲ) 상기 제1 보자력보다 큰 크기를 구비하는 제2 보자력을 가지는 자성 재료로 구성되며, 상기 AP-고정층의 자화 방향을 고정시키는 제2 강자성층;
    ⅳ) 상기 제2 강자성층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제2 인터페이스층; 및
    ⅴ) 상기 제1 인터페이스층과 상기 제2 인터페이스층 사이에 배치된 반평행 결합(APC)층
    을 포함하는 반평행(AP) 고정층;
    Ⅱ) ⅰ) 강자성 재료로 구성된 제1 서브층; 및
    ⅱ) 상기 제1 서브층과 접촉하며, 강자성 재료로 구성된 제2 서브층
    을 포함하는 자유층; 및
    Ⅲ) 상기 제1 강자성층과 상기 자유층의 제1 서브층 사이에 배치된 터널 장벽층
    을 포함함―;
    c) 상기 자기 터널 접합 센서가 자기 기록 디스크 상의 자기적으로 기록된 데이터의 서로 다른 영역을 액세스할 수 있도록 상기 자기 터널 접합 센서를 자기 기록 디스크 상에서 이동시키는 액츄에이터; 및
    d) 자기 터널 접합 센서와 전기적으로 결합되어 있으며, 자기적으로 기록된 데이터로부터의 자계에 응답하여 고정층의 고정된 자화에 대하여 회전하는 자유 강자성층의 자화축 회전에 의해 발생하는 자기 터널 접합 센서의 저항 변화를 검출하는 기록 채널
    을 포함하는 디스크 드라이브 시스템.
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