KR20000053639A - 스핀밸브형 자기저항 효과소자와 그 제조방법 - Google Patents

스핀밸브형 자기저항 효과소자와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은, 매우 우수한 교환 이방성 자계를 인가할 수 있고, 선형응답성이 우수하고, 바크하우젠 노이즈를 억제할 수 있고, 센스전류의 분류가 적고, 저항변화율도 우수한 소자와 박막자기헤드를 제공하는 것이다.
본 발명은, 제 1 반강자성체로 이루어진 보자력증대층 (1) 과, 이 보자력증대층에 의해 보자력이 커져 자화방향이 고정된 고정자성층 (2) 과, 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 갖추어진 프리자성층 (4) 을 구비하고, 고정자성층의 고정된 자화방향과 교차하는 방향으로 센스전류가 흐르게 되며, 고정자성층과 프리자성층의 자화가 이루는 각도관계에 의해 전기저항변화가 검출되고, 상기 고정자성층이 비자성중간층 (10) 을 개재시켜 보자력증대층에 가까운 측의 제 1 부고정자성층 (11) 과 비자성 도전층에 가까운 측의 제 2 부고정자성층의 2 층으로 분리된 것이다.

Description

스핀밸브형 자기저항 효과소자와 그 제조방법 {SPIN VALVE TYPE MAGNETORESISTIVE EFFECT ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 자기헤드, 위치센서, 회전센서 등에 사용되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자와 그 제조방법 및 그 소자를 구비한 박막자기헤드에 관한 것이다.
종래, 자기저항 효과형 판독헤드 (MR 헤드) 로서, 이방성 자기저항 효과현상을 이용한 AMR (Anisotropic Magnetoresistance) 헤드와 전도전자의 스핀의존 산란현상을 이용한 GMR (Giant Magnetoresistance : 거대자기저항 효과) 헤드가 알려져 있으며, GMR 헤드의 하나의 구체예로서 저외부자계에서 고자기저항 효과를 나타낸 스핀밸브 (Spin-Valve) 헤드가 미국특허 제 5159513 호 명세서에 나타나 있다.
또한, 본 발명자들은 스핀밸브헤드의 응용기술의 일례로서 미국특허 제 5910344 호 명세서에 있어서, 매우 높은 자기저항 효과를 발휘할 수 있는 자기저항 효과소자를 특허출원하고 있다.
도 16 은 미국특허 제 5910344 호 명세서에 있어서 본 발명자들이 제공한 자기저항 효과소자 구조의 일례를 나타낸 것이다. 이 예의 구조에 있어서는, 기판 (200) 상에 보자력(保磁力)증대층 (201) 과 핀고정자성층 (202) 과 비자성 도전층 (203) 과 프리자성층 (204) 이 순서대로 적층됨과 동시에, 프리자성층 (204) 의 양단측상에 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 간격을 두어 반강자성층 (205, 205) 이 적층되고, 각 반강자성층 (205) 상에 전류리드층 (206) 이 적층되고, 전류리드층 (206, 206) 과 프리자성층 (204) 의 중앙부를 덮도록 상부절연층 (207) 이 형성되어 있다.
도 16 에 나타낸 소자 구조에 있어서, 예를 들면 보자력증대층 (201) 은 α-Fe2O3로 이루어지고, 핀고정자성층 (202) 은 Co 또는 Ni-Fe 합금으로 이루어지고, 비자성 도전층 (203) 은 Cu 로 이루어지고, 프리자성층 (204) 은 Co 또는 Ni-Fe 합금으로 이루어지고, 반강자성층 (205) 은 불규칙 구조의 PtMn 합금으로 이루어지고, 전류리드층 (206) 은 Cu 로 이루어지고, 보호층 (207) 은 Al2O3로 이루어진다.
상기 보자력증대층 (201) 은 거기에 접하는 핀고정자성층 (202) 의 보자력을 증대시켜 자화의 방향을 일방향으로 갖추는 것으로, 예를 들면 도 16 에 나타낸 구조에 있어서, 핀고정자성층 (202) 의 자화의 방향이 도 16 의 화살표 (b) 로 나타낸 바와 같이 Y 방향으로 핀고정되어 있다. 또한, 반강자성층 (205) 은 자신에에 접하는 프리자성층 (204) 의 부분에 일방향 이방성을 부여하고, 이에 유발되어 트랙폭에 상당하는 영역도 단일자성구획(magnetic domain)화되어 자화의 방향이 갖추어지고, 종바이어스가 부여되고, 외부자계가 작용하지 않는 상태에서는 프리자성층 (204) 의 자화의 방향이 화살표 (a) 로 나타낸 바와 같이 X’방향으로 갖추어지는 효과를 나타낸다.
이상의 소자구조에 의해 핀고정자성층 (202) 의 자화의 방향이 Y 방향으로 고정된 상태에서 하드디스크 등의 자기기록매체로부터의 누출자계가 작용하면, 프리자성층 (204) 의 자화의 방향이 핀고정자성층 (202) 의 자화의 방향에 대해 회전하고, 전도전자의 스핀의존산란에 기인하는 저항변화를 발생시키기 때문에, 도 16 에 나타낸 구조의 전류리드층 (206, 206) 에 정상전류 (센스전류) 를 흘려보냄으로써 저항변화를 판독할 수 있으며 자기기록매체의 자기정보를 판독할 수 있다.
그러나, 전술한 소자구조에 있어서의 종바이어스는, 도 16 의 X’방향으로 인가되어 프리자성층 (204) 이 다수의 자성구획(magnetic domain)을 형성함으로써 발생하는 바크하우젠 (Barkhausen) 노이즈를 억제하는 것으로서, 즉 자기매체로부터의 자속에 대해 노이즈가 적은 원활한 저항변화로 하기 위한 바이어스이다.
이런 종류의 스핀밸브형의 자기저항 효과소자에서는, 자기저항 효과에 기여하는 프리자성층 (204) 과 비자성 도전층 (203) 과 핀고정자성층 (202) 으로 충분한 전류가 흐를 필요가 있으며 다른 부분에 전류가 분류하는 것을 가능한 한 방지하는 것이 바람직하다.
이 점에 있어서, 도 16 에 나타낸 구조와 같이 α-Fe2O3의 산화물 반강자성체를 이용한 스핀밸브형의 자기저항 효과소자에 있어서는, α-Fe2O3자체가 절연체이기 때문에, 센스전류의 분류를 적게할 수 있고, 높은 자기저항 효과를 얻을 수 있으며 고출력인 이점이 있다.
또한, α-Fe2O3의 산화물 반강자성체의 블로킹온도는 320 ℃ 이상으로, 다른 산화물 반강자성체로서 알려진 NiO 의 블로킹온도인 230 ℃ 보다도 높고, 또한 반강자성체로서 널리 공지된 FeMn 합금의 블로킹온도인 150 ℃ 보다도 훨씬 높기 때문에 열안정성이 우수한 특징을 갖는다. 또한, 반강자성체로서 널리 공지된 FeMn 합금은 내식성이 떨어지는 합금인데 반해, α-Fe2O3은 원래 산화물이기 때문에 내식성 면에서 문제를 발생시키지 않는 특징도 갖는다.
그러나, 도 16 에 나타낸 구조의 자기저항 효과소자에 있어서는, 전술한 각종의 특징을 갖기는 하지만, α-Fe2O3의 산화물 반강자성체가 핀고정자성층 (202) 의 자화를 핀고정시키기 위한 교환 이방성 자계 (Hex) 를 크게 할 수 없다는 문제가 있었다. 이 때문에, 종바이어스로 인한 자계에 의해 핀고정자성층 (202) 의 자화의 방향이 경사지기 쉬우며 자기저항 효과소자로서의 안정성이 결여되는 문제가 있었다.
또한, 상기 α-Fe2O3의 산화물 반강자성체를 이용하여 구성된 스핀밸브형의 자기저항 효과소자에 있어서는, 교환 이방성 자계로서 600 Oe 정도를 얻을 수 있고, 현재 통상의 스핀밸브형의 자기저항 효과에 있어서는 400 Oe 이상의 교환 이방성 자계가 바람직한 것으로 알려져 있으므로, 일단은 필요조건을 충족시키고는 있지만, 더욱 큰 교환 이방성 자계를 발휘할 수 있는 것이 요구되고 있다.
다음으로, 스핀밸브형의 자기저항 효과소자에 있어서, 종바이어스를 부가하는 구조의 다른 예로서는, 도 17 에 나타낸 바와 같이 반강자성층 (210) 과 핀고정자성층 (211) 과 비자성 도전층 (212) 과 프리자성층 (213) 과의 적층체 (215) 를 기판상에 형성하고, 이 적층체 (215) 의 좌우양측에 경(硬)자성재료로 이루어진 하드바이어스층 (216) 과 전류리드층 (217) 을 적층하여 이루어진 구성을 고려할 수 있다.
도 17 에 나타낸 소자구조에 있어서도 반강자성층 (210) 을 α-Fe2O3로부터 형성하고, 스핀밸브소자로서 동작시킬 수 있지만, 도 17 에 나타낸 소자구조를 실현시키기 위해서는 제조단계에서 매우 번잡한 2 단계 착자(着磁)를 실시해야 하는 문제가 있었다.
즉, 도 17 에 나나낸 소자구조를 제조하기 위해서는, α-Fe2O3의 반강자성층 (210) 의 착자방향과 하드바이어스층 (216) 의 착자방향이 90 °차이가 있으므로, 반강자성층 (210) 의 착자를 실시한 후에 실시하는 하드디스크층 (216) 의 착자를 할 때에 최초로 착자한 반강자성층 (210) 의 자화방향을 흐트리지 않고 하드디스크층 (216) 에 착자하는 것이 매우 어려운 문제가 있었다.
도 1 은 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 1 실시형태를 나타낸 모식적 단면도.
도 2 는 도 1 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 자기기록매체의 대향면으로부터 본 경우의 단면구조를 나타낸 도면.
도 3 은 제 1 실시형태인 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 구비한 박막자기헤드의 사시도.
도 4 는 도 3 에 나타낸 박막자기헤드의 요부의 단면도.
도 5 는 도 3 에 나타낸 박막자기헤드의 일부를 단면으로 한 사시도.
도 6 은 일방향 이방성을 이용하여 고정자성층의 자화를 핀고정하는 기구의 반강자성층 + 고정자성층의 자화곡선을 나타낸 도면.
도 7 은 보자력차를 이용하여 고정자성층의 자화를 핀고정하는 기구의 보자력증대층 + 고정자성층의 자화곡선을 나타낸 도면.
도 8 은 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 2 실시형태를 나타낸 모식적 단면도.
도 9 는 도 8 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 자기기록매체의 대향면으로부터 본 경우의 단면구조를 나타낸 도면.
도 10 은 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 3 실시형태를 자기기록매체의 대향면으로부터 본 경우의 단면구조를 나타낸 도면.
도 11 은 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 4 실시형태를 자기기록매체의 대향면으로부터 본 경우의 단면구조를 나타낸 도면.
도 12 는 실시예에서 얻어진 다결정 α-Fe2O3의 보자력증대층을 이용한 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항변화율을 나타낸 도면.
도 13 은 실시예에서 얻어진 단결정 α-Fe2O3의 보자력증대층을 이용한 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항변화율을 나타낸 도면.
도 14 는 비교예에서 얻어진 다결정 α-Fe2O3의 보자력증대층을 이용한 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항변화율을 나타낸 도면.
도 15 는 비교예에서 얻어진 다결정 α-Fe2O3의 보자력증대층을 이용한 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항변화율을 나타낸 도면.
도 16 은 종래의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제 1 예를 나타낸 단면도.
도 17 은 종래의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제 2 예를 나타낸 단면도.
도 18 은 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 5 실시형태를 자기기록매체의 대향면으로부터 본 경우의 단면구조를 나타낸 도면.
본 발명은 상기 사정을 고려한 것으로, 내식성이 우수하고, 매우 우수한 교환 이방성 자계를 인가할 수 있음과 동시에, 선형응답성이 우수하고, 바크하우젠 노이즈를 억제할 수 있고, 센스전류의 분류도 적고, 저항변화율도 우수한 스핀밸브형의 자기저항 효과소자와 그것을 구비한 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 블로킹온도가 높은 반강자성층을 제공함으로써 선형응답성이 우수하며 온도변화에 강하고, 바크하우젠 노이즈를 억제한 스핀밸브형의 자기저항 효과소자와 그것을 구비한 박막자기헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명방법은, 전술한 우수한 특성을 갖는 자기저항 효과소자를 제조함에 있어서 특별한 열처리를 필요로 하지 않고, 자화방향이 다른 반강자성층과 하드바이어스층의 착자를 용이하고 확실하게 실시할 수 있도록 하여 스핀밸브형의 자기저항 효과소자를 제조할 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 제 1 반강자성체로 이루어진 보자력증대층과, 이 보자력증대층으로 인한 교환결합자계에 의해 보자력이 커져 자화방향이 고정된 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성 도전층을 개재시켜 형성되어 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 갖추어진 프리자성층을 구비하고, 상기 고정자성층의 고정된 자화방향과 교차하는 방향으로 센스전류가 흐르게 되며, 고정자성층과 프리자성층의 자화가 이루는 각도관계에 의해 전기저항변화가 검출되고, 상기 고정자성층이 비자성중간층을 개재시켜 보자력증대층에 가까운 측의 제 1 부고정자성층과 비자성 도전층에 가까운 측의 제 2 부고정자성층의 2 층으로 분리된 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 부고정자성층의 자화의 방향과 제 2 부고정자성층의 자화의 방향이 180 ° 다른 반평행방향으로 된 페리자성(ferrimagnetic) 상태로 되게 되는 것을 특징으로 할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 부고정자성층의 포화자화와 두께의 적산치로 나타나는 자기모멘트와, 상기 제 2 부고정자성층의 포화자화와 두께의 적산치로 나타나는 자기모멘트가 다른 값이 되고, 이 상태의 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층으로 이루어진 고정자성층에 대해 보자력증대층이 자기적 교환결합을 작용시켜 교환결합자계가 증대되게 되는 것을 특징으로 할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층의 두께방향에 직교하는 방향의 양측에 설치된 경질자성재료로 이루어진 하드바이어스층으로 형성할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층에 인접하여 배치된 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층으로 이루어지고, 상기 종바이어스층에 의해 프리자성층에 일방향성인 교환바이어스 자계가 작용되어 자기이방성이 유기되고, 프리자성층의 자성구획이 안정화되게 되는 것을 특징으로 할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층에 인접한 강자성층과 상기 강자성층에 적층된 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층으로 이루어지고, 상기 종바이어스층에 의해 상기 강강자성층에 일방향성인 교환바이어스 자계가 작용되어 자기이방성이 유기되고, 프리자성층과 강자성층간의 강자성결합에 의해 프리자성층의 자성구획이 안정화되게 되는 것일 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 보자력증대층이 산화물 반강자성체로 이루어지고, 이 보자력증대층에 자화를 핀고정된 고정자성층의 보자력이 상기 반강자성층에 의해 고정자성층에 유기되는 일방향성인 교환바이어스 자계보다도 커져서 이루어진 것일 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 구조에 있어서, 상기 보자력증대층이 α-Fe2O3로 이루어진 것이 바람직하다. 본 발명의 박막자기헤드는, 앞의 기재 중 어느 한 곳에 기재된 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 자기정보의 판독소자로서 구비하여 이루어진다.
다음으로, 본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 이 보자력증대층에 인접하는 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층에 더하여 상기 프리자성층에 종바이어스를 인가하기 위한 바이어스층과 전류리드층을 기판상에 구비하고, 상기 고정자성층을 비자성중간층을 개재시켜 2 층으로 분리시킨 구조를 갖는 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조할 때에, 이들 각층을 기판상에 막형성시킨 후, 상기 고정자성층에 트랙폭과 수직방향의 자장 중에서 착자 또는 제 1 온도에 의해 자장 중에서 어닐링하여 고정자성층의 보자력을 증대시켜 고정자성층의 자화를 핀고정하는 공정과, 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하여 어닐링하고 바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 것이다.
또한, 본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 갖고, 트랙폭에 상당하는 폭을 갖는 적층체를 기판상에 형성하는 공정과, 상기 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 경질자성체로 이루어진 하드바이어스층을 형성하는 공정과, 상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 실온에서 또는 어닐링을 실시하면서 자계를 작용시키고, 보자력증대층의 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과, 상기 보자력증대층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하고, 하드바이어스층을 착자하여 종바이어스 자계를 프리자성층에 작용시키는 것이다.
본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층과 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층을 기판상에 형성하는 공정과, 상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자 또는 제 1 열처리 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과, 상기 종바이어스층을 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 어닐링하여 일방향성인 교화결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정과, 트랙폭의 방향에 상당하는 폭의 상기 반강자성층을 제거하는 공정을 구비하는 것이다.
상기 트랙폭의 방향의 어닐링은 제 1 열처리 온도보다도 높은 제 2 열처리 온도로 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 기판상에 연속형성하는 공정과, 상기 프리자성층상에 소정의 트랙폭을 두어 강자성층을 형성하고, 또한 강자성층상에 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층을 형성하는 공정과, 상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자처리 또는 제 1 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과, 상기 반강자성층을 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 실온 또는 어닐링하여 일방향성인 교화결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 것이다.
본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 갖고, 트랙폭에 상당하는 폭을 갖는 적층체를 기판상에 형성하는 공정과, 상기 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 강자성층을 형성하여 그 강자성층상에 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층을 형성하는 공정과, 상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자처리 또는 제 1 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과, 상기 반강자성층과 강자성층에 상기 보자력증대층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 어닐링하여 일방향성인 교환결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시형태에 관하여 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1 과 도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태인 박막자기헤드에 구비되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 1 에 나타난 구조는, 예를 들면 도 3 내지 도 5 에 예시하는 부상주행식의 박막자기헤드에 설치되는 구조이고, 이 예의 박막자기헤드 (150) 는 하드디스크장치 등에 탑재된 것이다.
이 예의 박막자기헤드 (150) 의 슬라이더 (151) 는, 도 3 에 있어서 부호 155 로 나타낸 측이 디스크면의 이동방향의 상류측을 향하는 리딩측이고, 부호 156 으로 나타낸 측이 하류측을 향하는 트레일링측이다. 이 슬라이더 (151) 의 자기디스크에 대향하는 면에서는, 레일형상의 ABS 면 (에어베어링면 : 레일부의 부상면 ; 151a, 151a, 151b) 과 홈형의 에어그루브 (151c, 151c) 가 형성되어 있다. 또한, 이 예의 슬라이더 (151) 는 Al2O3-TiC (상품명 : 알틱) 등의 세라믹 등이다.
그리고, 이 슬라이더 (151) 의 트레일링측의 단면 (151d) 에는 자기코어부 (157) 가 설치되어 있다.
이 예에 있어서 나타낸 박막자기헤드의 자기코어부 (157) 는, 도 4 및 도 5 에 나타낸 단면구조의 복합형 자기코어구조이고, 슬라이더 (151) 의 트레일링측 단면 (151d) 상에 판독헤드 (스핀밸브형 자기저항 효과소자를 이용한 GMR 헤드 ; h1) 와 기입헤드 (인덕티브헤드 ; h2) 가 적층되어 구성되어 있다.
이 예의 GMR 헤드 (h1) 는, 슬라이더 (151) 의 트레일링측 단부에 형성된 알루미나 (Al2O3) 등의 절연체로 이루어진 보호층 (162) 상의 자성합금으로 이루어진 하부실드층 (163) 상에 알루미나 (Al2O3) 등의 절연체로 이루어진 하부갭층 (164) 가 설치되어 있다.
그리고, 하부갭층 (164) 상에는, 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 가 적층되어 있다. 이 자기저항 효과소자 (GMR 1) 상에는, 상부갭층 (166) 이 형성되고, 그 위에 상부실드층 (167) 이 형성되어 있다. 이 상부실드층 (167) 은, 그 위에 설치되는 인덕티브헤드 (h2) 의 하부코어층과 겸용으로 되어 있다.
다음으로, 인덕티브헤드 (h2) 는, 상기 상부실드층 (167) 과 겸용으로 된 하부코어층상에 갭층 (174) 이 형성되고, 그 위에 평면적으로 나선형상이 되도록 패턴화된 코일 (176) 이 형성되어 있다. 상기 코일 (176) 은 절연재료층으로 둘러싸여 있다. 절연재료층 (177) 상에 형성된 상부코어층 (178) 은, 그 선단부 (178a) 를 ABS 면 (151b) 에서 하부코어층 (167) 에 미소간격을 두어 대향시키고, 그 기단부 (178b) 를 하부코어층 (167) 과 자기적으로 접촉시켜 설치되어 있다.
또한, 상부코어층 (178) 상에는, 알루미나 등으로 이루어진 보호층 (179) 이 설치되어 있다.
전술한 구조의 GMR 헤드 (h1) 는, 하드디스크의 디스크 등의 자기기록매체로부터의 미소한 누출자계의 유무에 의해 스핀밸브형의 자기저항 효과소자 (GMR 1) 의 저항을 변화시키고, 이 저항변화를 판독함으로써 자기기록매체의 기록내용을 판독하는 것이다.
다음으로, 전술한 구조의 인덕티브헤드 (h2) 에서는, 코일 (176) 에 기록전류가 부여되고, 코일 (176) 에서 코어층으로 기록전류가 부여된다. 그리고, 인덕티브헤드 (h2) 는, 자기갭 (G) 의 부분에서의 하부코어층 (167) 과 상부코어층 (178) 의 선단부로부터의 누출자계에 의해 하드디스크 등의 자기기록매체에 자기신호를 기록하는 것이다.
지금까지, 박막자기헤드 (150) 의 전체구조에 관하여 설명하였지만, 다음은 본 발명의 주요부인 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 에 관하여 도 1 과 도 2 를 기초로 상세히 설명한다.
하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 도 1, 도 2 의 Z 방향이고, 자기기록매체로부터의 누출자계의 방향은 도 1, 도 2 의 Y 방향이다.
이 실시형태의 구조에 있어서, 슬라이더 (151) 상의 하부갭층 (164) 상에 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 가 형성되어 있다.
도 1 과 도 2 는 본 발명에 따른 스핀밸브형의 자기저항 효과소자의 일 실시형태를 나타낸 것이고, 하부갭층 (164) 상에 트랙폭 (Tw) 에 근사한 폭으로 보자력증대층 (1) 과 고정자성층 (2) 과 비자성 도전층 (3) 과 프리자성층 (4) 과 보호층 (5) 이 순서대로 적층되고, 이들에 의해 단면대칭 사다리꼴 형상의 적층체 (6) 가 형성되고, 적층체 (6) 의 트랙폭의 방향 양측에 적층체 (6) 의 양 경사면에 접하는 형상의 경자성재료로 이루어진 하드바이어스층 (7) 이 형성되고, 각 하드바이어스층 (7) 상에 전류리드층 (8) 이 적층되어 있다. 또한, 이 형태의 구조에 있어서는, 고정자성층 (2) 이 비자성중간층 (10) 을 개재시켜 보자력증대층 (1) 측의 제 1 부고정자성층 (11) 과 비자성 도전층 (3) 측의 제 2 부고정자성층 (12) 으로 분리되어 있다. 또한, 이 형태의 구조에 있어서는, 프리자성층 (4) 이 비자성 도전층 (3) 측의 제 1 프리층 (13) 과 제 2 프리층 (14) 으로 구성되어 있다.
상기 보자력증대층 (1) 은, 그 위에 형성되는 고정자성층 (2) 에 교환결합자계를 작용시켜 고정자성층 (2) 의 보자력을 증대시키고, 고정자성층 (2) 의 자화의 방향을 핀고정하기 위한 것으로서, 이 보자력증대층 (1) 은 반강자성체, 특히 산화물 반강자성체로 구성되는 것이 바람직하며, 구체예로서 α-Fe2O3, NiO, CoO 를 예시할 수 있지만, α-Fe2O3가 가장 바람직하다.
상기 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 은, 예를 들면 Co, NiFe 합금, CoNiFe 합금, CoFe 합금 등으로 구성되어 있다.
다음으로, 도 1, 2 에 나타낸 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 간에 개재하는 비자성중간층 (10) 은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 1, 2 에 나타낸 바와 같이 프리자성층 (4) 은, 2 층으로 형성되어 있고, 상기 비자성 도전층 (3) 에 접하는 측에 형성된 제 1 프리층 (13) 은 Co 막으로 형성되어 있다. 또한, 제 2 프리층 (14) 은, NiFe 합금 및 CoFe 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 비자성 도전층 (3) 에 접하는 측에 Co 인 제 1 프리층 (13) 을 형성하는 이유는, Cu 에 의해 형성된 상기 비자성 도전층 (3) 과의 계면에서의 금속원소 등의 확산을 방지할 수 있고, 또한 △MR (저항변화율) 을 크게 할 수 있기 때문이다.
이것은, 비자성 도전층 (3) 을 강자성의 고정자성층 (2) 과 프리자성층 (4) 의 사이에 끼우는 구조의 거대자기저항 효과 발생기구에 있어서는, Co 와 Cu 의 계면에서 전도전자의 스핀의존산란의 효과가 큰 것, 및 고정자성층 (2) 과 프리자성층 (4) 을 같은 종류의 재료로 구성하는 편이 다른 종류의 재료로 구성하는 것보다도, 전도전자의 스핀의존산란 이외의 인자가 발생할 가능성이 낮고, 보다 높은 자기저항 효과를 얻을 수 있음에 기인하고 있다. 이와 같은 이유로, 제 2 부고정자성층 (12) 을 Co 로부터 구성한 경우는, 프리자성층 (4) 에 있어서 비자성 도전층 (3) 측의 제 1 프리층 (13) 을 소정의 두께의 Co 층으로 한 구조가 바람직하다. 또한, 본 실시형태와 같이 Co 층을 특별히 구별하여 설치하지 않아도 프리자성층 (4) 을 단층구조로서, 그 비자성 도전층 (3) 측을 Co 를 많이 포함시킨 합금상태로 하고, 보호층 (5) 측을 향함에 따라 서서히 Co 농도가 엷어지는 농도구배의 합금층으로 할 수도 있다.
또한, 상기 보호층 (5) 은 Ta 등의 고온에서 안정적인 내산화성이 우수한 금속재료로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 도 2 에 나타낸 하드바이어스층 (7) 은, Co-Pt 합금 또는 Co-Cr-Pt 합금 등의 경자성재료로 이루어지고, 전류리드층 (8) 은 Au, Ta, W 또는 Cr 등의 도전재료로 이루어진다. 상기 하드바이어스층 (7) 은 상기 프리자성층 (4) 에 바이어스 자계를 작용시켜 프리자성층 (4) 의 자화의 방향을 도 2 의 화살표로 나타낸 바와 같이 X1 방향으로 갖추어 프리자성층 (4) 을 단일자성구획화하기 위한 것이다.
그러나, 도 1 에 나타낸 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 에 나타난 화살표는 각각의 자기모멘트의 크기 및 그 방향을 나타내고 있고, 자기모멘트의 크기는 포화자기 (Ms) 와 막두께 (t) 를 곱한 값으로 선정된다.
도 2 에 나타낸 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 은 동일한 재질, 예를 들면 Co 막으로 형성되고, 게다가 제 2 부고정자성층 (12) 의 막두께 (tP2) 가 제 1 부고정자성층 (11) 의 막두께 (tP1) 보다도 크게 형성되어 있기 때문에, 제 2 부고정자성층 (12) 쪽이 제 1 부고정자성층 (11) 에 비해 자기모멘트가 크게 되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 이 서로 다른 자기모멘트를 가질 것을 필요가 있으므로, 제 1 부고정자성층 (11) 의 막두께 (tP1) 가 제 2 부고정자성층 (12) 의 막두께 (tP2) 보다 두껍게 형성될 수도 있다.
이와 같은 배경에서, 제 1 부고정자성층 (11) 의 두께는 1 내지 7 ㎚ 의 범위가 바람직하고, 제 2 부고정자성층 (12) 의 두께는 1 내지 7 ㎚ 의 범위가 바람직하고, 양자의 막두께차는 0.2 ㎚ 정도 이상인 것이 바람직하다. 또한, 비자성중간층 (10) 의 두께는 0.5 내지 1 ㎚ 의 범위가 바람직하다.
상기 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 의 두께가 상기의 범위를 초과하면 자기저항 효과에 기여하지 않는 전도전자의 분류가 많아지고, 저항변화율이 저하되기 때문에 바람직하지 않고, 상기의 범위보다 낮으면 소자저항이 지나치게 커짐과 동시에 저항변화율이 현저하게 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
도 2 에 나타낸 바와 같이 제 1 부고정자성층 (11) 은 도시 Y 방향, 즉 기록매체로부터 분리되는 방향 (소자높이방향) 으로 자화되고, 비자성중간층 (10) 을 개재시켜 대향하는 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화는 상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화방향과 반평행 (페리상태) 으로 자화된다.
제 1 부고정자성층 (11) 은, 보자력증대층 (1) 에 접하여 형성되고, 보자력증대층 (1) 이 작용시키는 교환결합자계에 의해 자화의 방향이 Y 방향으로 핀고정된다. 또한, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 이 비자성중간층 (10) 을 개재시켜 대치함으로 인한 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해, 자기모멘트가 큰 제 2 부고정자성층 (12) 의 보자력이 증대되고, 착자처리 또는 자장 중에서 어닐링처리를 실시한 결과, 그 자화의 방향이 도 1 의 Y 방향과 180 ° 다른 방향으로 핀고정된다.
교환결합자계가 클수록 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화를 안정되게 반평행상태로 유지할 수 있고, 특히 본 실시형태에서는 보자력증대층 (1) 으로서 블로킹온도가 높은 α-Fe2O3를 사용함으로써 상기 제 1 부고정자성층 (11) 및제 2 부고정자성층 (12) 의 자화상태를 열적으로도 안정되게 유지할 수 있다. 또한, α-Fe2O3인 보자력증대층의 내열성이 우수한 것은, 본 발명자들이 이미 일본 공개특허공보 평 10-112562 호 명세서에 기재된 바와 같이, α-Fe2O3의 네일온도는 677 ℃, 블로킹온도는 320 ℃ 로서, FeMn (블로킹온도 150 ℃), NiO (블로킹온도 230 ℃) 등의 반강자성체에 비교하여 훨씬 내열성이 우수하다.
여기서, 고정자성층 (2) 의 자화를 핀고정하기 위한 반강자성층으로서, 종래 반강자성체의 일방향 이방성을 이용한 것이 알려져 있고, 구체적으로는 Fe-Mn 합금층, Ni-Mn 합금층, Fe-Pt-Mn 합금층 등이 알려져 있다.
이들의 일방향 이방성을 갖는 합금은, 도 6 에 나타낸 바와 같이 세로로 가늘면서 긴 히스테리시스의 MH 커브를 나타내는 것들이고, 히스테리시스의 중심이 횡축인 자계 0 의 위치에서 밀린 형태로 나타나는 일방향 이방성을 이용하여 고정자성층의 자화의 핀고정을 실시하는 것이다.
이에 대해 본 발명에서 이용하는 보자력차형(保磁力差型)인 보자력증대층 (1) + 고정자성층의 적층체가 나타낸 MH 루프는, 도 7 에 나타낸 바와 같이 좌우대칭으로 옆으로 퍼진 각형비(角形比)가 큰 MH 루프를 나타낸다. 도 6 에 나타낸 일방향 이방성을 이용한 핀고정기구에서는 교환결합자계 (Hex) 를 초과하지 않으면 자화는 변화되지 않지만, 도 7 에 나타낸 고보자력을 이용한 핀고정기구에서는 보자력 이내의 자계이면 자화는 일정하게 된다. 도 6 에 나타낸 경우와 도 7 에 나타낸 경우는 모두 도 6 과 도 7 의 화살표로 나타낸 바와 같이, 예를 들면 위를 향하는 (↑) 자화를 얻을 수 있는 것이고, 어느 경우에 있어서도 고정자성층에 대해 핀고정력을 얻을 수 있다.
도 6 과 도 7 에 나타낸 MH 커브를 참조하면, 종래의 반강자성재료의 일방향 이방성을 이용하여 고정자성층의 자화의 핀고정을 실시하는 경우의 자화기구와 본원발명의 보자력증대층을 이용하는 경우의 자화기구의 차이를 이해할 수 있다.
이상과 같이 본 실시형태에서는, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 과의 막두께비를 적정한 범위 내로 조절하고, α-Fe2O3등의 산화물 반강자성체의 보자력증대층 (1) 을 이용함으로써 교환결합자계에 기초한 보자력 (Hcp) 을 크게 할 수 있고, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화를 열적으로도 안정된 반평행상태 (페리상태) 로 유지할 수 있다.
다음으로, α-Fe2O3의 보자력증대층 (1) 이 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 으로 이루어진 고정자성층 (2) 의 자화를 핀고정할 때의 핀고정력인 교환결합자계에 기초한 보자력 (Hcp) 의 크기는, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화의 방향이 반평행인 관계로 양 고정자성층 (11, 12) 의 자기모멘트인 합성모멘트로 좌우된다.
즉, Hcp = E/(Msㆍt) 의 관계 (단, E 는 에너지로 정수, Ms 는 고정자성층 전체의 포화자화, t 는 고정자성층 전체의 두께) 가 성립하는 것이 알려져 있기 때문에, 교환결합에 기초한 보자력 (Hcp) 의 값을 크게 하기 위해서는 고정자성층 전체의 Msㆍt 의 값을 작게 하는 것이 필요해진다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 이 실시형태의 구조에 있어서는, 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트 (MsㆍtP2) 가 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트 (MsㆍtP1) 보다도 크기 때문에, 합성 자기모멘트는 (MsㆍtP2) - (MsㆍtP1) 로 나타나는 결과, 이 합성 자기모멘트에 대해 보자력증대층 (1) 이 핀고정하게 되기 때문에, 고정자성층이 단층구조인 경우보다도 유효하게 교환결합을 작용시킬 수 있는 결과, 교환결합에 기초한 보자력은 큰 값을 나타내게 된다.
따라서, 도 1 과 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태의 구조에 있어서는, 단층구조의 고정자성층을 설치한 구조보다도 훨씬 높은 핀고정력을 얻을 수 있는 효과가 있다. 구체적으로는, 후술하는 실시예에서 나타내는 바와 같이 2000 내지 5000 Oe 의 매우 큰 고정자성층 (2) 의 보자력 (Hcp) 을 얻을 수 있다.
여기서 고정자성층 (2) 의 보자력 (Hcp) 이란, 보자력증대층 (1) 의 교환결합을 받아 보자력이 증대된 결과로서 고정자성층 (2) 이 발휘하는 보자력을 말하고, 이 보자력보다도 큰 외부자계를 인가하지 않으면 핀고정된 고정자성층 (2) 의 자화는 변화되지 않는 것을 의미한다. 따라서 고정자성층 (2) 이 자기기록매체로부터의 누출자계를 받을 정도로 자화의 핀고정력에 전혀 영향을 받지 않는 것은 물론, 하드바이어스층 (7) 이 발생시키는 자계에 의해서도 핀고정력에 전혀 영향을 받지 않는 특징을 갖는다.
도 1, 2 에 나타낸 구조라면, 소자에 센스전류가 흐른 상태에서 자기기록매체로부터의 누출자속이 작용한 경우, 보자력증대층 (1) 의 존재에 의해 고정자성층 (2) 이 자기적 교환결합을 받아 보자력이 증대되어 그 자화의 방향이 핀고정되어 있고, 프리자성층 (4) 의 자화의 방향이 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 영역에 있어서 자유롭게 되는 결과 거대자기저항 효과가 얻어진다. 즉, 자화의 회전이 자유롭게 된 프리자성층 (4) 에 자기기록매체로부터의 누출자계 등과 같은 외부자계가 작용하면 프리자성층 (4) 의 자화의 방향이 용이하게 회전되지만, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화의 방향은 변화되지 않기 때문에, 프리자성층 (4) 의 자화의 회전에 따라 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 에 저항변화가 발생하며 이 저항변화를 측정함으로써 자기기록매체의 자기정보를 판독할 수 있다.
또한, 이 저항변화시에 프리자성층 (4) 은 하드바이어스층 (7) 에 의해 종바이어스가 인가되어 단일자성구획화되고 자성구획의 구조가 안정화되어 있기 때문에, 바크하우젠 노이즈를 발생시키지 않는 원활한 저항변화가 얻어진다.
다음으로, 도 1 과 도 2 에 나타낸 소자구조에 있어서의 센스전류자계에 관하여 설명한다.
도 1, 2 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자에서는, 비자성 도전층 (3) 의 하측에 제 2 부고정자성층 (12) 이 형성되어 있다. 이 경우에 있어서는, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 중에서 자기모멘트가 큰 쪽의 고정자성층의 자화방향으로 센스전류자계의 방향을 맞춘다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 상기 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트는 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트에 비해 크고, 상기 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트는 도시 Y 방향과 반대방향 (도시 왼쪽방향) 을 향하고 있다. 이 때문에, 상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트를 합친 합성 자기모멘트는 도시 Y 방향과 반대방향 (도시 왼쪽방향) 을 향하고 있다.
전술한 바와 같이, 비자성 도전층 (3) 은 제 2 부고정자성층 (12) 및 제 1 부고정자성층 (11) 의 상측에 형성되어 있다. 이 때문에, 주로 상기 비자성 도전층 (3) 을 중심으로 하여 흐르는 센스전류 (112) 에 의해 형성되는 센스전류자계는, 상기 비자성 도전층 (3) 보다도 하측에서 도시 왼쪽방향을 향하도록 상기 센스전류 (112) 를 흘리는 방향을 제어하면 된다. 이와 같이 하면, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 과의 합성 자기모멘트의 방향과 상기 센스전류자계의 방향이 일치한다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 상기 센스전류 (112) 는 도시 X1 방향으로 흐른다. 오른쪽나사의 법칙에 의해, 센스전류를 흘림으로써 형성되는 센스전류자계는, 지면에 대해 도 1 의 화살표로 나타낸 바와 같이 오른쪽방향 (시계방향) 으로 형성된다. 따라서, 비자성 도전층 (3) 보다도 하측의 층에는 도시방향 (도시 Y 방향과 반대방향) 의 센스전류자계가 인가되게 되고, 이 센스전류자계에 의해 고정자성층 (2) 의 합성 자기모멘트를 보강하는 방향으로 작용하고, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 간에 작용하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 가 증폭되고, 상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화의 반평행상태를 보다 열적으로 안정시킬 수 있게 된다.
특히 센스전류를 1 ㎃ 흘리면 약 30 Oe 정도의 센스전류자계가 발생하고, 또한 소자온도가 약 10 ℃ 정도 상승함이 판명되었다. 또한, 기록매체의 회전수는 10000 rpm 정도까지 빨라져 이 회전수의 상승에 의해 장치 내의 온도는 약 100 ℃ 까지 상승한다. 이 때문에, 예를 들면 센스전류를 10 ㎃ 흘린 경우, 스핀밸브형 박막자기소자의 소자온도는 약 200 ℃ 정도까지 용이하게 상승하고, 또한 센스전류자계도 300 Oe 로 커진다.
이와 같은 매우 높은 환경온도 하에서, 게다가 큰 센스전류가 흐르는 경우에 있어서는, 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트와 제 2 부고정자성층 (12) 을 합쳐서 구할 수 있는 합성 자기모멘트의 방향과 센스전류자계의 방향이 반대방향이면, 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화와의 반평행상태가 깨지기 쉬워진다.
또한, 높은 환경온도 하에서도 견딜 수 있도록 하기 위해서는, 센스전류자계의 방향조절 외에 높은 블로킹온도를 갖는 재료를 보자력증대층 (1) 으로서 사용할 필요가 있고, 그 때문에 본 실시형태에서는 블로킹온도가 약 320 ℃ 정도인 α-Fe2O3을 사용하고 있다.
또한, 도 1 에 나타낸 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트로 형성되는 합성 자기모멘트가 도시와는 반대로 오른쪽방향 (도시 Y 방향) 을 향하고 있는 경우에는, 센스전류를 도시 X1 방향과 반대방향으로 흘리고, 센스전류자계가 지면에 대해 왼쪽방향 (시계반대방향) 으로 형성되도록 하면 된다.
그러나, 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 의 주위에 절연층을 설치하여 이루어진 도 4 에 나타낸 자기헤드구조를 채용할 경우, 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 의 부분은 가능한 한 얇은 것이 바람직하고, 종래에는 절연성의 확보를 위해 절연층을 어느 정도 두껍게 하여 박막자기헤드 (150) 의 설계를 실시하였지만, 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 에 있어서 두께비율이 큰 보자력증대층 (1) 의 부분을 절연체인 α-Fe2O3로 형성함으로써 절연성를 향상시킬 수 있다. 또한, 보자력증대층 (1) 의 부분을 절연체인 α-Fe2O3로 형성함으로써 절연성를 향상시킬 수 있는 결과로서, 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 1) 의 주위에 설치하는 절연층에 대한 절연성의 요구가 완화되는 결과 이 절연층, 즉 갭막을 종래보다도 박형화한다면 박막자기헤드의 판독시의 분해능력향상, 즉 높은 선기록밀도로 대응이 가능하게 되는 효과가 있다.
[제 2 실시형태]
도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 모식적구조단면도, 도 9 는 도 8 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 자기기록매체의 대향면에서 본 경우의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
이 실시형태의 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 2) 에 있어서도, 도 1, 도 2 에 나타낸 각 스핀밸브형 자기저항 효과소자와 동일하게 하드디스크장치에 설치된 부상식 슬라이더의 트레일링측 단부 등에 설치되어 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 또한, 하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 도시 Z 방향이고, 자기기록매체로부터의 누출자계의 방향은 Y 방향이다.
이 제 2 실시형태의 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 2) 는, 고정자성층뿐 아니라 프리자성층도 비자성중간층을 개재시켜 제 1 프리자성층과 제 2 프리자성층의 2 층으로 분리되어 있다.
도 8 과 도 9 에 나타낸 구조에 있어서, 도 1 과 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태의 구조와 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 그들 부분의 상세한 설명은 생략한다.
이 제 2 실시형태의 구조에 있어서는, 보자력증대층 (1) 의 위에 제 1 부고정자성층 (11) 과 비자성중간층 (10) 과 제 2 부고정자성층 (12) 과 비자성 도전층 (3) 이 적층되어 있는 구조에 관해서는 전술한 제 1 실시형태와 동일하지만, 비자성 도전층 (3) 상에 제 1 프리자성층 (20), 비자성중간층 (21), 제 2 프리자성층 (22), 보호층 (5) 의 순으로 적층되어 적층체 (9) 가 구성되어 있다. 상기 각층을 구성하는 재료는 전술한 실시형태의 것과 동일한 것으로 된다.
제 1 부고정자성층 (11) 및 제 2 부고정자성층 (12) 은, Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 비자성중간층 (10) 은 Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중에서 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 비자성 도전층 (3) 은 Cu, Cr 등으로 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 프리자성층 (20) 과 제 2 프리자성층 (22) 간에 개재하는 비자성중간층 (21) 은, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu 중에서 1 종 또는 2 종 이상의 합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화는, 서로 반평행하게 자화된 페리상태로 되어 있고, 예를 들면 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화는 도시 Y 방향으로, 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화는 도시 Y 방향과 반대방향으로 고정되어 있다. 이 페리상태의 안정성을 유지하기 위해서는 큰 교환결합자계가 필요하고, 본 실시형태에서는 보다 큰 교환결합자계를 얻기 위해 이하에 나타낸 여러 가지 적정화를 실시하고 있다.
도 8 과 도 9 에 나타낸 비자성 도전층 (3) 의 위에는, 제 1 프리자성층 (20) 이 형성되어 있다. 도 8, 도 9 에 나타낸 바와 같이 상기 제 1 프리자성층 (20) 은 2 층으로 형성되어 있고, 비자성 도전층 (3) 에 접하는 측에 Co 로 이루어진 제 1 프리층 (27) 이 형성되어 있다. 비자성 도전층 (3) 에 접하는 측에 Co 로 이루어진 제 1 프리층 (27) 을 형성하는 것은, 첫째 △MR 을 크게 할 수 있는 것과, 둘째 비자성 도전층 (3) 과의 원소확산을 방지하기 위한 것이다.
상기 제 1 프리층 (27) 의 위에는 NiFe 합금 등으로 이루어진 제 2 프리층 (28) 이 형성되어 있다. 또한, 제 2 프리층 (28) 상에는 비자성중간층 (21) 이 형성되어 있다. 그리고, 상기 비자성중간층 (21) 의 위에는, 제 2 프리자성층 (22) 이 형성되고, 또한 상기 제 2 프리자성층 (22) 상에는 보호층 (5) 이 형성되어 있다.
상기 제 2 프리자성층 (22) 은, Co 막, NiFe 합금, CoFe 합금, 또는 CoNiFe 합금 등으로 형성되어 있다.
도 8, 도 9 에 나타낸 보자력증대층 (1) 에서 보호층 (5) 까지의 적층체 (9) 는, 그 측면이 경사면으로 깎이고, 상기 적층체 (9) 는 단면대칭 사다리꼴형상으로 형성되어 있다. 상기 적층체 (9) 의 양측에는, 전술한 실시형태의 구조와 동일하게 하드바이어스층 (7) 과 전류리드층 (8) 이 적층되어 있다. 상기 하드바이어스층 (7) 이 도시 X1 방향으로 자화되어 있음으로써 종바이어스 자계가 프리자성층 (20) 에 인가되고, 프리자성층 (20) 의 자화가 X1 방향으로 갖추어져 있다.
도 8, 도 9 에 나타낸 제 1 프리자성층 (20) 과 제 2 프리자성층 (22) 의 사이에는 비자성중간층 (21) 이 개재되고, 상기 제 1 프리자성층 (20) 과 제 2 프리자성층 (22) 간에 발생하는 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 상기 제 1 프리자성층 (20) 의 자화와 제 2 프리자성층 (22) 의 자화는 서로 반평행상태 (페리상태) 로 되어 있다.
도 8, 도 9 에 나타낸 스핀밸브형 박막자기소자에서는, 예를 들면 제 1 프리자성층 (20) 의 막두께 (tF1) 는 제 2 프리자성층 (22) 의 막두께 (tF2) 보다도 작게 형성되어 있다.
그리고 상기 제 1 프리자성층 (20) 의 MsㆍtF1은, 제 2 프리자성층 (22) 의 MsㆍtF2보다도 작게 설정되어 있고, 하드바이어스층 (7) 로부터 도시 X1 방향으로 바이어스 자계가 부여되면, MsㆍtF2가 큰 제 2 프리자성층 (22) 의 자화가 상기 바이어스 자계의 영향을 받아 도시 X1 방향으로 갖추어짐과 동시에 상기 제 2 프리자성층 (22) 과의 교환결합자계 (RKKY 상호작용) 에 의해 MsㆍtF1이 작은 제 1 프리자성층 (20) 의 자화는 도시 X1 방향과 반평행으로 갖추어진다.
도 8 과 도 9 의 Y 방향으로부터 외부자계가 침입해 오면, 상기 제 1 프리자성층 (20) 과 제 2 프리자성층 (22) 의 자화는 페리상태를 유지하면서 상기 외부자계의 영향을 받아 회전한다. 그리고, △MR 에 기여하는 제 1 프리자성층 (20) 의 변동자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 고정자화 (예를 들면 도시 Y 방향과 반대방향으로 자화되고 있다.) 와의 관계에 의해 전기저항이 변화되고 외부자계가 전기저항변화로서 검출된다.
그때, 하드바이어스층 (7) 의 자화에 의해 프리자성층 (20, 22) 에 종바이어스 자계가 인가되고 있기 때문에, 바크하우젠 노이즈를 발생시키지 않는 원활한 저항변화를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 8 과 도 9 에 나타낸 소자구조에 있어서의 센스전류자계에 관하여 설명한다.
도 8, 9 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자에서는, 비자성 도전층 (3) 의 하측에 전술한 제 1 실시형태의 경우와 동일하게 제 2 부고정자성층 (12) 이 형성되어 있다. 이 경우에 있어서는, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 중에서 자기모멘트가 큰 쪽의 고정자성층의 자화방향으로 센스전류자계의 방향을 맞춘다.
도 9 에 나타낸 바와 같이, 상기 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트는 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트에 비해 크고, 상기 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트는 도시 Y 방향과 반대방향 (도시 왼쪽방향) 을 향하고 있다. 이 때문에, 상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트를 합친 합성 자기모멘트는 도시 Y 방향과 반대방향 (도시 왼쪽방향) 을 향하고 있다.
전술한 바와 같이, 비자성 도전층 (3) 은 제 2 부고정자성층 (12) 및 제 1 부고정자성층 (11) 의 상측에 형성되어 있다. 이 때문에, 주로 상기 비자성 도전층 (3) 을 중심으로 하여 흐르는 센스전류 (112) 에 의해 형성되는 센스전류자계는, 상기 비자성 도전층 (3) 보다도 하측에서 도시 왼쪽방향을 향하도록 상기 센스전류 (112) 를 흘리는 방향을 제어하면 된다. 이와 같이 하면, 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 과의 합성 자기모멘트의 방향과 상기 센스전류자계의 방향이 일치한다. 따라서, 도 8 과 도 9 에 나타낸 실시형태의 경우에 있어서도 전술한 제 1 실시형태의 경우와 동일하게 상기 제 1 부고정자성층 (11) 의 자화와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자화의 반평행상태를 보다 열적으로 안정시킬 수 있게 된다.
또한, 도 8 에 나타낸 제 1 부고정자성층 (11) 의 자기모멘트와 제 2 부고정자성층 (12) 의 자기모멘트로 형성되는 합성 자기모멘트가 도시와는 반대로 오른쪽방향 (도시 Y 방향) 을 향하고 있는 경우에는, 센스전류를 도시 X1 방향과 반대방향으로 흘리고, 센스전류자계가 지면에 대해 왼쪽방향 (시계반대방향) 으로 형성되도록 하면 된다.
또한, 도 8 과 도 9 에 나타낸 구조에 있어서도 보자력증대층 (1) 을 설치함으로 인한 핀고정효과에 관해서는 전술한 제 1 실시형태의 구조와 동일하기 때문에, 전술한 제 1 실시형태의 경우와 동일하게 열적으로 안정된 우수한 핀고정효과를 얻을 수 있다.
[제 3 실시형태]
도 10 은, 본 발명의 제 3 실시형태의 박막자기헤드에 구비되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 10 에 나타난 구조는, 예를 들면 도 3 내지 도 5 에 예시하는 부상주행식의 박막자기헤드에 설치되는 구조이고, 이 예의 박막자기헤드는 하드디스크장치 등에 탑재되는 것이다.
도 10 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 3) 는, 보자력증대층 (31) 상에 고정자성층 (32) 과 비자성 도전층 (33) 과 프리자성층 (34) 이 순서대로 적층되고, 프리자성층 (34) 의 양단부상에 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 간격을 상호간에 두어 반강자성층 (35, 35) 이 적층되고, 각 반강자성층 (35) 상에 전류리드층 (36) 이 적층됨과 동시에 전류리드층 (36, 36) 과 프리자성층 (34) 을 덮도록 상부절연층 (37) 이 적층되어 있다. 또한, 이 형태의 구조에 있어서는, 보자력증대층 (31) 과 고정자성층 (32) 과 비자성 도전층 (33) 과 프리자성층 (34) 과 반강자성층 (35) 과 전류리드층 (36) 에 의해 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 3) 가 구성되어 있다.
이 제 3 실시형태의 구조에 있어서는, 고정자성층 (32) 이 보자력증대층 (31) 의 위에 순서대로 형성된 제 1 부고정자성층 (40) 과 비자성중간층 (41) 과 제 2 부고정자성층 (42) 으로 이루어진다. 상기 각층을 구성하는 재료는 전술한 실시형태의 것과 동일한 것으로 된다.
상기 반강자성층 (35) 은, 예를 들면 불규칙구조를 갖는 X-Mn 합금으로 이루어진 것이 바람직하다. 여기서 상기 조성식에 있어서 X 는, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기의 Mn 계합금은 불규칙결정구조를 갖는 것이지만, 이 불규칙결정구조란, 면심정방정(面心正方晶) (fct 규칙격자 ; CuAuI 구조 등) 과 같은 규칙적인 결정구조가 아닌 상태를 의미하고 있다. 즉, 이 실시형태에 있어서의 X-Mn 합금은, 스퍼터링 등의 막형성법에 의해 막형성된 후에 상기 면심정방정 등의 규칙적인 결정구조 (CuAuI 구조 등) 로 하기 위한 고온이며 장시간의 가열처리를 실시하지 않는 것이고, 불규칙결정구조란, 스퍼터링 등의 막형성법에 의해 형성된 채의 상태 또는 여기에 규칙적인 결정구조로 하기 위함이 아닌 통상의 어닐링처리가 실시된 상태의 것이다.
상기 X-Mn 합금의 X 가 단일의 금속원자인 경우의 X 의 함유율이 바람직한 범위는, Ru 는 10 내지 45 원자 %, Rh 는 10 내지 40 원자 %, Ir 은 10 내지 40 원자 %, Pd 는 10 내지 25 원자 %, Pt 는 10 내지 25 원자 % 이다. 또한 이상의 기재에 있어서 10 내지 45 원자 % 란, 10 원자 % 이상이며 45 원자 % 이하를 의미하고, [내지] 로 표시하는 수치범위의 상한하한은 특별히 기재하지 않는 한 모두 [이상] 및 [이하] 로 규정되는 것으로 한다.
상기 불규칙결정구조인 X-Mn 계합금의 반강자성층 (35) 이라면 프리자성층 (34) 에 일방향 이방성을 부여함으로써 도 10 의 화살표 (a) 방향으로 자화의 방향을 갖추어 종바이어스를 인가할 수 있고, 반강자성층 (35) 에 접하는 프리자성층 (34) 의 양단부의 자화의 방향을 화살표 (a) 방향으로 갖출 수 있음과 동시에, 반강자성층 (35, 35) 의 사이에 위치하는 부분의 프리자성층 (34 : 프리자성층 (34) 의 중앙부분에서 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 감자부분) 의 부분도 자기적유발에 의해 자화의 방향을 화살표 (a) 방향으로 갖출 수 있다.
또한, 상기 X-Mn 계합금의 반강자성체 (35) 라면 종래의 반강자성층의 Fe-Mn 에 비해 내식성이 우수하다. 따라서 반강자성층 (35) 을 이용함으로써 내환경성이 강하고, 자기매체로부터의 누출자계 검출시에 노이즈가 발생하기 어렵고, 고품위의 자기검출이 가능하게 된다. 또한, X-Mn 합금의 반강자성층 (35) 이라면 고온과 장시간의 가열처리가 불필요하기 때문에, 가열에 따른 각 자성층간의 원소확산도 발생할 가능성이 낮고, 자기특성의 변화 및 열화 또는 절연성의 파괴 등의 문제는 발생하지 않는다.
다음으로, 반강자성층 (35) 으로서 어닐링이 필요한 CuAuI 구조의 fct 규칙결정구조의 X-Mn 합금, Pt-Mn-X’합금을 이용하는 구조에 관하여 추가설명한다.
규칙구조의 Pt-Mn 합금은, 종래부터 반강자성층에 이용되고 있는 NiMn 합금 및 FeMn 합금 등에 비해 내식성이 우수하며 또한, 블로킹온도가 높아 교환결합자계도 크다.
또한, 상기 Pt-Mn 합금 대신에, X-Mn (단, X 는 Pd, Ru, Ir, Rh, Os 중에서 선택되는 1 종의 원소를 나타낸다.) 의 식으로 나타나는 합금 또는 X’-Pt-Mn (단, X’는 Pd, Ru, Ir, Rh, Os, Au, Ag, Ne, Ar, Xe, Kr 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 나타낸다.) 의 식으로 나타나는 합금으로 형성되어 있어도 된다.
또한, 상기 Pt-Mn 및 X-Mn 으로 나타나는 합금에 있어서, Pt 또는 X 가 37 내지 63 원자 % 의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 47 내지 57 원자 % 의 범위이다. 그리고 또한, X’-Pt-Mn 의 식으로 나타나는 합금에 있어서, X’-Pt 가 37 내지 63 원자 % 의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 47 내지 57 원자 % 이다. 또한, X’-Pt-Mn 의 식으로 나타나는 합금으로서는, X’가 Au, Ag, Ne, Ar, Xe, Kr 의 경우는 X’가 0.2 내지 10 원자 %, X’가 Pd, Ru, Ir, Rh, Os 의 경우는 0.2 내지 40 원자 % 가 바람직하다.
상기 반강자성층 (35) 으로서, 상기한 적정한 조성범위의 합금을 사용하고, 이것을 어닐링처리함으로써 큰 교환결합자계를 발생시키는 규칙결정구조의 반강자성층 (35) 을 얻을 수 있다. 특히, 규칙결정구조의 PtMn 합금이라면 800 (Oe) 을 초과하는 교환결합자계를 갖고, 상기 교환결합자계를 상실하는 블로킹온도가 380 ℃ 로 매우 높은 우수한 반강자성층 (35) 을 얻을 수 있다. 여기서 프리자성층의 종바이어스를 위해서는 100 내지 200 Oe 있으면 되기 때문에, 규칙구조의 상기 조성계의 합금이라면 충분히 우수한 교환결합자계를 얻을 수 있다.
도 10 에 나타낸 구조에 있어서 정상전류는, 전류리드층 (36) 으로부터 스핀밸브형의 자기저항 효과소자 (GMR 3) 로 부여된다.
도 10 에 나타낸 구조라면, 보자력증대층 (31) 의 존재에 의해 고정자성층 (32) 이 자기적 교환결합을 받아 보자력이 증대되어 그 자화의 방향이 핀고정됨과 동시에, 프리자성층 (34) 의 자화의 방향이 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 영역에 있어서 자유롭게 되는 결과, 고정자성층 (32) 과 프리자성층 (34) 과의 사이에 보자력차가 발생하고 이것에 기인하여 거대자기저항 효과가 얻어진다. 즉, 자화의 회전이 자유롭게 된 프리자성층 (34) 의 중앙부의 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 부분에, 자기기록매체로부터의 누출자계 등과 같은 외부자계가 작용하면 프리자성층 (34) 의 자화의 방향이 용이하게 회전하기 때문에, 회전에 따라 스핀밸브형의 자기저항 효과소자 (GMR 3) 에 저항변화가 발생하고, 이 저항변화를 측정함으로써 자기기록매체의 자기정보를 판독할 수 있다.
이 저항변화시에 프리자성층 (34) 은 단일자성구획화되어 있고 게다가 종바이어스가 인가되어 있기 때문에, 바크하우젠 노이즈를 발생시키지 않고 양호한 선형응답성에서 저항변화가 얻어진다.
또한, 이 제 3 실시형태에 있어서도, 전술한 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태의 경우와 동일하게 제 2 부고정자성층 (42) 의 막두께 (tP2) 가 제 1 부고정자성층 (40) 의 막두께 (tP1) 보다도 크게 형성되어 있기 때문에, 제 2 부고정자성층 (42) 쪽이 제 1 부고정자성층 (40) 에 비해 자기모멘트가 크게 되어 있다.
따라서, 도 10 에 나타낸 바와 같이 이 실시형태의 구조에 있어서는, 제 2 부고정자성층 (42) 의 자기모멘트 (MsㆍtP2) 가 제 1 부고정자성층 (40) 의 자기모멘트 (MsㆍtP1) 보다도 크기 때문에, 합성 자기모멘트는 (MsㆍtP2) - (MsㆍtP1) 로 나타나는 결과, 이 합성 자기모멘트에 대해 보자력증대층 (31) 이 핀고정되게 되기 때문에, 고정자성층이 단층구조인 경우보다도 유효하게 교환결합을 작용시킬 수 있는 결과, 교환결합자계는 큰 값을 나타내게 된다.
제 3 실시형태의 구조에 있어서도, 앞에서 설명한 제 1 실시형태와 동일한 우수한 핀고정효과, 즉 단층구조의 고정자성층을 설치한 구조보다도 훨씬 높은 열적으로도 안정된 핀고정력을 얻을 수 있는 효과가 있다.
[제 4 실시형태]
도 11 은, 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제 4 실시형태를 나타낸 것이고, 이 실시형태의 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 4) 는, 제 1 실시형태의 적층체 (6) 와 동일한 구조의 적층체 (6) 에 대해 적층체 (6) 의 양측에 반강자성체로 이루어진 반강자성층 (46, 46) 을 설치하고, 각 반강자성층 (46) 상에 강자성체로 이루어진 강자성층 (47) 과 비자성도전체로 이루어진 전류리드층 (48) 을 적층하여 구성되어 있다.
이 제 4 실시형태에 있어서 반강자성층 (46) 은, 그 단부 (46a) 에 있어서 적층체 (6) 의 측부를 덮도록 되어 있으며, 프리자성층 (4) 의 측부를 덮지 않도록 또는 두께의 반 정도를 덮도록 설치되고, 반강자성층 (46) 상의 강자성층 (47) 은 그 단부 (46a) 에서 프리자성층 (4) 의 측부를 두께의 반 이상 덮도록 설치되어 있지만, 각 층의 두께관계는 도면에 나타낸 것에 한정하지 않는다.
또한, 반강자성층 (46) 과 강자성층 (47) 의 상하의 위치관계를 반대로 한 것, 또는 반강자성층 (46) 과 강자성층 (47) 의 적층체를 다단중첩구조로 한 것이라도 된다.
상기의 구조에 있어서, 보자력증대층 (1) 과 고정자성층 (2) 과 비자성중간층 (3) 과 프리자성층 (4) 은 전술한 제 1 실시형태에서 이용한 것과 동일한 것이고, 반강자성층 (46) 은 전술한 제 3 실시형태에서 이용한 반강자성층 (35) 과 동일한 것으로 이루어지고, 강자성층 (47) 은 비정질의 CoNbZr, CoFeB, CoFeZr 등의 강자성막 및 그들과 NiFe 의 합금 등의 결정질막과의 적층막으로 이루어진 것이 바람직하다.
도 11 에 나타낸 구조에 있어서는, 반강자성층 (46) 의 일방향 이방성에 의해 강자성층 (47) 의 자화의 방향을 도 11 의 X1 방향으로 핀고정함과 동시에, 강자성층 (47) 의 자화의 방향에 맞춰 프리자성층 (4) 의 자화의 방향을 X1 방향으로 유도하여 프리자성층 (4) 을 단일자성구획화하는 종바이어스를 인가할 수 있다. 또한, 보자력증대층 (1) 에 의해 고정자성층 (2) 의 자화의 방향을 도 10 의 지면수직방향으로 핀고정할 수 있다.
이상과 같이, 프리자성층 (4) 을 단일자성구획화함과 동시에 프리자성층 (4) 의 자화의 방향을 고정자성층 (2) 의 자화의 방향에 대해 직교시킬 수 있다.
다음으로, 강자성층 (47) 을 비정질의 강자성체로 구성하면 비정질의 강자성층은 MR 효과가 작기 때문에, 사이드리딩 (트랙부 이외에서 자기매체의 자계를 습득하는 것) 이 적고, 또한 일방향 이방성도 분산이 적은 것을 도입할 수 있는 이점이 있다.
이 제 4 실시형태의 구조에 있어서는, 전술한 제 1 내지 제 3 실시형태의 구조와 동일하게 프리자성층 (4) 을 단일자성구획화할 수 있음과 동시에 종바이어스를 인가할 수 있기 때문에, 바크하우젠 노이즈를 발생시키지 않고 양호한 선형응답성에서 저항변화가 얻어진다. 또한, 도 11 에 나타낸 구조에 있어서도, 보자력증대층 (1) 을 설치함으로 인한 핀고정효과에 관해서는 전술한 제 1 실시형태의 구조와 동일하기 때문에, 전술한 제 1 실시형태의 경우와 동일한 효과, 열적으로도 안정된 우수한 핀고정효과를 얻을 수 있다.
[제 5 실시형태]
도 18 은, 본 발명의 스핀밸브형 자기저항 효과소자인 제 5 실시형태의 구조를 나타낸 것이고, 이 제 5 실시형태의 구조에 있어서는, 보자력증대층 (1) 의 위에 제 1 부고정자성층 (11) 과 비자성중간층 (10) 과 제 2 부고정자성층 (12) 이 적층되고, 제 1 부고정자성층 (11) 과 비자성중간층 (10) 과 제 2 부고정자성층 (12) 에 의해 고정자성층이 구성됨과 동시에, 이들 위에 비자성 도전층 (15) 을 개재시켜 제 1 프리층 (17) 과 제 2 프리층 (18) 으로 이루어진 프리자성층 (16) 이 적층되어 있다. 또한, 제 2 프리자성층 (18) 의 위에는 트랙폭 (Tw) 에 상당하는 폭을 두어 강자성층 (19) 과 반강자성층 (130) 과 전류리드층 (131) 이 적층되어 스핀밸브형 자기저항 효과소자 (GMR 5) 가 구성되어 있다.
도 18 에 나타낸 구조에 있어서도, 도 10 을 참조하여 전술한 제 3 실시형태의 구조와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제조방법]
도 1 에 나타낸 제 1 실시형태의 구조인 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조하기 위해서는, Al2O3-TiC (알틱) 등의 기판을 고주파마그네트론 스퍼터장치 또는 이온빔 스퍼터장치의 챔버 내에 설치하고, 챔버 내를 Ar 가스 등의 불활성가스 분위기로 한 후에 순서대로 필요한 층을 퇴적시키고, 포토리소그래피 공정과 이온밀링에 의해 트랙폭에 상당하는 부분을 남기고 다른 부분을 제거하여 단면대칭 사다리꼴형상의 적층체로 가공하고, 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 경질자성층과 전류리드층을 적층함과 동시에, 나중에 상술하는 자장 중의 어닐링처리를 실시함으로써 제조할 수 있다. 상기 각 층의 막형성에 필요한 타겟은, α-Fe2O3타겟, Co 타겟, Ni-Fe 합금타겟, Cu 타겟 등이다.
도 1 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조하기 위해서는, 보자력증대층 (1) 이 고정자성층 (2) 의 보자력을 증대시켜 자화의 방향 (실제로는 제 1 부고정자성층 (11) 과 제 2 부고정자성층 (12) 의 합성 자기모멘트로 나타나는 합성된 자화의 방향) 을 핀고정할 때의 자화의 방향과, 하드바이어스층 (7) 이 프리자성층 (4) 으로 종바이어스를 작용시켜 프리자성층 (4) 을 단일자성구획화한 경우의 자화의 방향을 90 ° 다른 방향으로 향하도록 해야 한다. 그러기 위해서는, 2 단계의 착자처리를 실시한다. 본 발명에서는 제 1 단계의 자장 중의 어닐링처리 또는 실온에서의 착자처리로 보자력증대층 (1) 의 착자를 실시하고, 이어서 제 2 단계의 착자처리로 하드바이어스층 (7) 의 착자를 실시한다.
α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층 (1) 이 고정자성층 (2) 에 교환결합을 작용시켜 그 보자력을 증대시키는 결과로서 얻어지는 고정자성층 (2) 의 보자력은, Co-Pt 합금 또는 Co-Cr 합금 등의 경자성재료로 이루어진 하드바이어스층 (7) 의 보자력보다도 커지기 때문에, 제 1 단계의 착자처리는 고정자성층 (2) 이 발생시키는 보자력보다도 큰 자장 (바람직하게는 3 k 내지 15 k Oe) 을 도 2 의 지면에 수직일방향에 인가하고, 실온에서 착자 또는 150 내지 250 ℃ 의 제 1 온도로 어닐링처리하여 착자한다.
다음으로, 제 2 단계의 착자처리에서는, 전술한 제 1 단계의 착자처리와는 90 ° 다른 방향으로의 착자처리를 하드바이어스층 (7) 을 착자가능한 자장으로, 게다가 보자력증대층 (1) 이 착자되지 않을 정도의 강도인 자장 (바람직하게는 1 k 내지 3 k Oe) 을 트랙폭의 방향 (도 2 의 좌우방향) 으로 인가하여 실시한다.
여기서, α-Fe2O3의 보자력증대층 (1) 이 고정자성층 (2) 의 보자력을 증대시킨 결과로서 나타나는 고정자성층 (2) 의 보자력 (Hcp) 은, 하드바이어스층 (7) 이 본래 갖는 1000 내지 1400 Oe 를 훨씬 초과하는 2000 내지 5000 Oe 가 되기 때문에, 2 단계의 방향이 다른 착자처리를 실시해도 제 1 단계에서 실시한 고정자성층 (2) 의 자화를 흐트리지 않고 바이어스층 (7) 의 착자처리를 할 수 있다.
이상의 처리에 의해 고정자성층 (2) 의 자화의 방향과 프리자성층 (4) 의 자화의 방향이 90 ° 직교한 도 1 과 도 2 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 10 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법에 관하여 설명한다.
도 10 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조할 경우에 있어서도, 고정자성층 (32) 의 자화의 방향과 반강자성층 (35) 이 프리자성층 (34) 에 작용시키는 종바이어스에 의한 자화의 방향을 90 ° 다른 방향으로 향하게 해야한다.
그러기 위해서는, 제 1 단계의 실온에 있어서의 착자 또는 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리와 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리를 실시한다.
반강자성층 (35) 에 규칙결정구조인 X-Mn 합금, Pt-Mn-X’합금을 사용할 경우에서는, 제 1 단계의 실온 또는 제 1 온도의 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리로 보자력증대층 (31) 에 적층된 고정자성층 (32) 의 착자를 실시하고, 이어서 제 2 단계인 제 2 온도의 자장 중의 어닐링처리로 반강자성층 (35) 이 프리자성층 (34) 에 작용시키는 자화의 방향을 갖추는 처리를 실시한다. 이 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 경우에 이용하는 자장의 강도는, 제 1 단계의 고정자성층 (32) 을 착자할 경우에 이용하는 자장보다도 작기 때문에, 제 1 단계의 착자처리로 착자한 고정자성층 (32) 의 자화의 방향을 흐트리지 않고 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 수 있다.
다음으로, 도 10 에 나타낸 구조의 반강자성층 (35) 으로서 불규칙구조인 X-Mn 합금을 사용할 경우의 제조방법에 관하여 설명한다.
이 경우는, 제 1 단계의 실온 또는 제 1 온도의 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리로 보자력증대층 (31) 에 적층된 고정자성층 (32) 의 착자를 실시하고, 이어서 제 2 단계의 프리자성층상에 불규칙구조를 갖는 X-Mn 합금을 자계 중에서 스퍼터 등의 막형성법으로 형성함으로써 프리자성층 (34) 의 자화의 방향을 갖추는 종바이어스용의 반강자성층 (35) 을 형성할 수 있다.
상기 제 1 단계의 자장 중의 어닐링처리할 경우의 온도는, 보자력증대층으로서 α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층을 이용하고, 고정자성층 (40, 42) 에 Co 또는 Co-Fe 합금을 이용한 경우, 150 내지 250 ℃ 의 범위가 바람직하고, 자장의 강도는 3 k 내지 15 k Oe 의 범위가 바람직하다. 상기 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 경우의 온도는 200 내지 270 ℃ 의 범위가 바람직하고, 자장의 강도는 30 내지 500 Oe 의 범위가 바람직하다.
이상의 처리에 의해 고정자성층 (32) 의 자화의 방향과 프리자성층 (34) 의 자화의 방향이 90 ° 직교한 도 10 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 11 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법에 관하여 설명한다.
도 11 에 나타낸 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조할 경우에 있어서도, 고정자성층 (2) 의 자화의 방향과 반강자성층 (46) 을 개재시켜 강자성층 (47) 이 프리자성층 (4) 에 작용시키는 종바이어스에 의한 자화의 방향을 90 ° 다른 방향으로 향하게 해야한다.
반강자성층 (46) 에 규칙구조인 X-Mn 합금 또는 Pt-Mn-X’합금을 이용할 경우에는, 제 1 단계의 실온에서의 착자처리 또는 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리와 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리를 실시한다.
이 예에서는 제 1 단계의 실온 또는 제 1 온도의 자장 중의 어닐링처리에 의한 착자처리로 보자력증대층 (31) 에 적층된 고정자성층 (32) 의 착자를 실시하고, 이어서 제 2 단계의인 제 2 온도의 자장 중의 어닐링처리로 반강자성층 (46) 이 강자성층 (47) 을 개재시켜 프리자성층 (4) 에 작용시키는 자화의 방향을 갖추는 처리를 실시한다. 이 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 경우에 이용하는 자장의 강도는, 고정자성층 (2) 을 착자하는 제 1 단계의 경우에 이용하는 자장보다도 작기 때문에 제 1 단계의 착자처리로 착자한 고정자성층 (2) 의 자화의 방향을 흐트리지 않고 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 수 있다.
상기 제 1 단계의 자장 중의 어닐링처리할 경우의 온도는, 보자력증대층으로서 α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층을 이용하고, 고정자성층 (11, 12) 으로서 Co 또는 Co-Fe 합금을 이용한 경우, 150 내지 250 ℃ 의 범위가 바람직하고, 자장의 강도는 3 k 내지 15 k Oe 의 범위가 바람직하다. 상기 제 2 단계의 자장 중의 어닐링처리를 실시할 경우의 온도는 200 내지 270 ℃ 의 범위가 바람직하고, 자장의 강도는 30 내지 500 Oe 의 범위가 바람직하다.
이상의 처리에 의해 고정자성층 (32) 의 자화의 방향과 프리자성층 (34) 의 자화의 방향이 90 ° 직교한 도 10 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
[실시예]
고주파마그네트론 스퍼터장치를 이용하고, Al2O3막을 피복한 Si 기판 또는 사파이어기판상에 복수의 타겟을 이용하여 이하에 나타낸 구조가 되도록 스퍼터하여 도 11 에 나타낸 구조의 적층체를 작성하였다.
이 때, Si 기판상에 형성한 α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층은 다결정막이 되고, 그 막두께를 66 ㎚, Co 로 이루어진 제 1 부고정자성층의 막두께를 2 ㎚, Ru 로 이루어진 비자성중간층의 막두께를 0.7 ㎚, Co 로 이루어진 제 2 부고정자성층의 막두께를 2.5 ㎚, Cu 로 이루어진 비자성 도전층의 막두께를 2.2 ㎚, Co 로 이루어진 프리자성층의 막두께를 1.1 ㎚, Ni80Fe20합금으로 이루어진 프리자성층의 막두께를 7.7 ㎚, Ta 로 이루어진 보호층의 막두께를 3 ㎚ 으로 하였다. 이 예의 적층구조는 Si 기판/ Al2O3막/ α-Fe2O3막/ Co 막/ Ru 막/ Co 막/ Cu 막/ Co 막/ NiFe 막/ Ta 막으로 표기할 수 있다.
얻어진 적층체에 대해, 포토그래피프로세스와 이온밀링에 의해 트랙폭 (감자부분의 폭) 2 ㎛ 의 부분을 남기고 적층체의 양단부를 제거하고, 이 남은 감자부분의 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 두께 30 ㎚ 의 제 2 반강자성층 (Pt50Mn50) 과 두께 20 ㎚ 의 비정질인 반강자성층 (Co88Nb8Zr4) 과 두께 70 ㎚ 의 전극리드층 (Cu) 을 형성하였다.
다음으로, 도 11 에 나타낸 Y 방향 (높이방향) 으로 10 k Oe 의 자장을 부여하여 보자력증대층을 착자하고, 이어서 도 2 의 X1 방향 (트랙폭의 방향) 으로 100 Oe 의 자장을 인가하면서 250 ℃ 에서 4 시간 어닐링하고, 반강자성층에 적층된 강자성층에 일방향 이방성을 부여하고, 도 11 에 나타낸 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻었다.
이 예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 저항변화곡선을 측정한 결과를 도 12 에 나타낸다. 도 12 에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자는 Hcp = 2410 Oe 의 매우 우수한 값을 나타내고, 14.9 % 의 우수한 저항변화율을 나타내었다.
여기서, Hcp 란 보자력증대층의 자기적 교환결합을 받아 향상된 고정자성층의 보자력을 말하고, 이 값이 클수록 자화의 핀고정력이 강한 것을 의미한다. 이 Hcp 의 값이 2410 Oe 인 것에 의해, 도 2 와 같은 종바이어스를 인가하기 위한 하드바이어스층의 경질자성재료의 보자력이 1400 Oe 정도이기 때문에, 고정자성층의 보자력 쪽이 큰 것을 알 수 있다. 이 때문에 본 실시예의 제조방법에서는 제 1 단계의 착자처리로 보자력증대층의 착자를 실시하고, 제 2 단계의 착자처리로 하드바이어스층의 착자처리를 실시하는 제조방법을 채용할 수 있다.
다음으로, 도 13 에 나타낸 면지수의 사파이어 기판을 사용하고, 이 사파이어기판상에 단결정인 α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층의 막두께를 60 ㎚, Co 로 이루어진 제 1 부고정자성층의 막두께를 1.5 ㎚, Ru 로 이루어진 비자성중간층의 막두께를 0.7 ㎚, Co 로 이루어진 제 2 부고정자성층의 막두께를 2 ㎚, Cu 로 이루어진 비자성 도전층의 막두께를 2.2 ㎚, Ni80Fe20합금으로 이루어진 프리자성층의 막두께를 8.7 ㎚ 으로 한 적층체를 얻었다. 이 예의 적층구조는 사파이어기판/ α-Fe2O3막/ Co 막/ Ru 막/ Co 막/ Cu 막/ NiFe 막/ Ta 막으로 표기할 수 있다. 다음으로, 전술한 예와 동일하게 적층체의 양측에 제 2 반강자성층과 강자성층과 전류리드층을 형성하고, 동일한 2 단계 착자처리를 실시하여 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻었다.
이 예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항곡선을 측정한 결과를 도 13 에 나타낸다. 도 13 에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자는 Hcp = 4650 Oe 의 우수한 값을 나타내고, 7.7 % 의 우수한 저항변화율을 나타내었다.
[비교예]
전술한 실시예에서 얻어진 구조에 있어서 고정자성층을 단층구조로하고, 2 단계 착자공정을 다른 방법으로 하여 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제작하였다.
적층체의 적층구조는, Si 기판/ Al2O3막/ α-Fe2O3막 (66 ㎚ 두께)/ Co 막 (3 ㎚ 두께)/ Cu 막 (2.2 ㎚ 두께)/ Co 막 (1.1 ㎚ 두께)/ NiFe 막 (7.7 ㎚ 두께)/ Ta 막 (3 ㎚ 두께) 으로 하였다. 또한, 바이어스층과 전류리드층은 전술한 실시예와 동일한 것을 채용하였다.
또한, 이 비교예의 구조에서는, Hcp 의 값이 낮아지는 것을 본 발명자들은 일본 공개특허공보 평 10-112562 호로부터 이미 알고 있기 때문에, 비교예의 구조에 있어서는, 제 1 단계의 착자처리로 250 ℃ 에서 트랙폭의 방향으로 100 Oe 의 자계를 작용시키면서 4 시간 어닐링한 후에 Y 방향 (높이방향) 으로 1 k Oe 의 자계를 인가하면서 보자력증대층에 적층된 고정자성층을 착자하여 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻었다.
얻어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항곡선을 측정한 결과를 도 14 에 나타낸다. 도 14 에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자는 Hcp = 804 Oe 의 값을 나타내고, 14.6 % 의 저항변화율을 나타내었다. 이 비교예에 있어서는 저항변화율은 높지만, Hcp 의 값은 실시예보다도 낮은 값이었다.
다음으로, 비교예 2 로서, 적층체의 적층구조를 도 15 에 나타낸 면지수의 사파이어기판상에 α-Fe2O3막 (66 ㎚ 두께)/ NiFe 막 (5.8 ㎚ 두께)/ Cu 막 (2.2 ㎚ 두께)/ NiFe 막 (8.7 ㎚ 두께) 으로 한 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제작하였다. 또한, 바이어스층과 전류리드층은 전술한 실시예와 동일한 것을 채용하였다.
얻어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 자기저항곡선을 측정한 결과를 도 15 에 나타낸다. 도 15 에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 스핀밸브형 자기저항 효과소자는 Hcp = 871 Oe 의 값을 나타내고, 5.0 % 의 저항변화율을 나타내었다. 이 비교예에 있어서는 Hcp 의 값은 실시예보다도 낮은 값이었다.
이상의 실시예와 비교에에서 얻어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 특성비교로부터, Si 기판상에 형성한 다결정 α-Fe2O3막을 이용한 것에서는, 높은 저항변화율을 얻을 수 있고, 종래에는 얻을 수 없던 2000 Oe 를 초과하는 매우 높은 보자력을 얻을 수 있었다. 또한, 사파이어기판을 이용하여 단결정화한 다결정 α-Fe2O3막을 이용한 것에서는, 프리자성층에 Co 를 사용하지 않는 관계로 저항변화율은 다결정 α-Fe2O3막을 이용한 스핀밸브형 자기저항 효과소자보다도 낮아지지만, 종래의 FeMn 을 이용한 일반적으로 널리 공지된 스핀밸브형의 자기저항 효과소자로 얻어지는 저항변화율과 동일한 정도이다. 그러나, 고정자성층의 보자력 (Hcp) 은 5000 Oe 를 초과하는 현저하게 큰 값을 나타내었다.
또한, 이들 보자력 (Hcp) 의 값은, 일방향성의 교환결합자계를 이용하여 고정자성층의 핀고정을 실시하는 본 발명 이외의 형식인 핀고정기구에 있어서 공지된 교환결합자계 (Hex), 예를 들면 FeMn 에서는 330 Oe, NiO 에서는 330 Oe, IrMn 에서는 270 Oe, PtMn 에서는 700 Oe, PdPtMn 에서는 480 Oe 에 비해 훨씬 큰 값이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 보자력증대층에 의한 교환결합자계를 받아 보자력이 크게 되어 자화가 핀고정된 고정자성층과, 이 고정자성층의 자화의 방향에 대해 직교하는 자화를 갖고, 외부자계에 의해 자화의 방향이 용이하게 변화되는 프리자성층을 구비함과 동시에, 고정자성층이 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층에 비자성중간층을 개재시켜 2 층으로 분리된 구조를 갖기 때문에, 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층의 합성 자기모멘트에 대해 보자력증대층이 교환결합자계를 작용시켜 고정자성층의 자화의 방향을 핀고정하기 때문에, 고정자성층의 자화의 방향을 단층구조의 고정자성층보다도 훨씬 강하게 핀고정할 수 있는 결과, 고정자성층의 핀고정력을 높인 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
상기 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층으로 이루어진 고정자성층에 있어서, 양 부고정자성층의 자화의 방향이 180 ° 다른 반평행의 페리상태라면 페리상태를 유지한 채 자화를 핀고정할 수 있기 때문에, 자화의 핀고정을 용이하게 할 수 있다. 또한, 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층의 포화자화와 두께의 적산치가 다른 값이면, 그 차의 값에 반비례하여 보자력증대층이 핀고정력을 발휘하기 때문에, 고정자성층이 단층구조인 경우보다도 훨씬 강대한 핀고정력을 얻을 수 있다.
상기 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자에 있어서, 프리자성층을 단일자성구획화하기 위한 종바이어스의 인가구조로서, 하드바이어스층을 이용한 구조와, 프리자성층에 인접시킨 제 2 반강자성체로 이루어진 반강자성층을 종바이어스층으로서 이용한 구조와, 프리자성층에 인접한 강자성층과 제 2 반강자성체의 반강자성층을 종바이어스층으로서 이용한 구조 중의 어느 구조라도 채용할 수 있다.
이들 종바이어스층으로부터 프리자성층으로 종바이어스를 인가하여 프리자성층을 단일자성구획화함으로써, 바크하우젠 노이즈가 없는 원활한 저항변화를 가지면서 자기정보의 판독을 실시할 수 있는 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
또한, 하드바이어스층이 아니라 제 2 반강자성체의 종바이어스층 또는 강자성층과 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층에서 프리자성층으로 종바이어스를 인가하여 단일자성구획화하는 구조이면, 프리자성층에 외부자계가 작용한 경우에 프리자성층의 자화가 움직이기 어려운 부분, 즉 불감영역을 발생시키기 어렵기 때문에, 규정하는 트랙폭에 상당하는 부분의 전영역에서 자화의 변화를 확실하게 감지할 수 있는 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
다음으로, α-Fe2O3로 이루어진 보자력증대층을 이용한 구조에서는, α-Fe2O3의 블로킹온도가 320 ℃ 이고, FeMn 등의 종래재료에 비해 블로킹온도가 높기 때문에, 내열성이 우수하고, 자기헤드장치 등에 적용한 경우에 장치의 발열로 200 ℃ 이상의 온도로 가열된 경우라도 안정된 핀고정력을 얻을 수 있고, 안정된 저항변화를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, α-Fe2O3가 본래 절연체로 전기저항이 높기 때문에 센스전류의 분류손실을 적게 할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 상기 구조의 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 구비한 자기헤드라면, 자기기록매체로부터의 미소한 자계에 선형응답하여 저항변화를 일으키고, 이로 인해 검출감도가 우수하고 바크하우젠 노이즈가 없는 자기정보의 판독을 실시할 수 있음과 동시에, 장치자체의 발열로 200 ℃ 이상으로 가열된 경우라도 안정된 저항변화를 나타내는 내열성이 우수한 자기헤드를 제공할 수 있다.
또한, 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 주위에 절연층을 설치하여 이루어진 자기헤드구조를 채용할 경우, 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 부분은 가능한 한 얇은 것이 바람직하고, 종래에는 절연성의 확보를 위해 절연층을 어느 정도 두껍게 하여 자기헤드의 설계를 실시하였지만, 스핀밸브형 자기저항 효과소자에 있어서 두께비율이 큰 보자력증대층 부분을 절연체인 α-Fe2O3로 형성함으로써 절연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 보자력증대층 부분을 절연체인 α-Fe2O3로 형성함으로써 절연성을 향상시킬 수 있는 결과로서, 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 주위에 설치한 절연층, 즉 갭층을 종래보다도 박형화한다면 자기헤드의 판독시의 분해능력향상, 즉 높은 선기록밀도로 대응이 가능하게 되는 효과가 있다.
다음으로 본 발명의 제조방법은, 보자력증대층과 2 층 분리형의 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층과 종바이어스층을 갖는 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조할 경우에, 이들을 기판상에 막형성한 후, 고정자성층에 트랙폭과 수직방향인 자장 중에서 실온에서의 착자 또는 제 1 온도에 의해 어닐링하여 고정자성층의 보자력을 증대시켜 고정자성층의 자화를 핀고정하는 공정과, 상기 바이어스층에 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하여 바이어스 자계를 생성시키는 공정을 구비하기 때문에, 먼저 착자한 고정자성층의 자화를 흐트리지 않고 나중공정에 있어서 바이어스층을 착자할 수 있다.
따라서, 프리자성층의 자화의 방향과 고정자성층의 자화의 방향이 90 ° 다른 구조라도 먼저 착자한 고정자성층의 자화에 흐트러짐을 발생시키지 않고 프리자성층에 종바이어스 자계를 작용시키는 공정을 실시할 수 있고, 고정자성층의 핀고정력이 높은 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 종바이어스의 인가수단으로서 하드바이어스를 이용한 구조, 제 2 반강자성체로 이루어진 바이어스층과 강자성층을 이용한 구조, 프리자성층의 트랙폭의 방향 양측에 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층을 배치한 구조 중 어느 구조에 있어서도, 앞에서 기재한 제조방법과 동일하게 고정자성층에 트랙폭과 수직방향인 자장 중에서 실온으로 착자처리, 또는 제 1 온도에 의해 어닐링하여 고정자성층의 보자력을 증대시켜 고정자성층의 자화를 핀고정하는 공정과, 상기 바이어스층에 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하여 바이어스 자계를 생성시키는 공정을 실시함으로써, 먼저 착자한 고정자성층의 자화를 흐트리지 않고 다음의 공정에 있어서 바이어스층을 착자할 수 있다.

Claims (14)

  1. 제 1 반강자성체로 이루어진 보자력증대층과, 이 보자력증대층으로 인한 교환결합자계에 의해 보자력이 커져 자화방향이 고정된 고정자성층과, 상기 고정자성층에 비자성 도전층을 사이에 두고 형성되며 상기 고정자성층의 자화방향과 교차하는 방향으로 자화가 갖추어진 프리자성층을 구비하고, 상기 고정자성층의 고정된 자화방향과 교차하는 방향으로 센스전류가 흐르며, 고정자성층과 프리자성층의 자화가 이루는 각도관계에 의해 전기저항변화가 검출되고, 상기 고정자성층이 비자성중간층을 개재시켜 보자력증대층에 가까운 측의 제 1 부고정자성층과 비자성 도전층에 가까운 측의 제 2 부고정자성층의 2 층으로 분리된 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부고정자성층의 자화의 방향과 제 2 부고정자성층의 자화의 방향이 180 ° 다른 반평행방향으로 된 페리자성상태로 이루어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부고정자성층의 포화자화와 두께의 적산치로 나타나는 자기모멘트와, 상기 제 2 부고정자성층의 포화자화와 두께의 적산치로 나타나는 자기모멘트가 다른 값으로 되고, 이 상태의 제 1 부고정자성층과 제 2 부고정자성층으로 이루어진 고정자성층에 대해 보자력증대층이 자기적 교환결합을 작용시켜 교환결합자계가 증대되게 되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층의 두께방향에 직교하는 방향의 양측에 설치된 경질자성재료로 이루어진 하드바이어스층으로 이루어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층에 인접하여 배치된 제 2 반강자성체로 이루어진 반강자성층으로 이루어지고, 상기 반강자성층에 의해 프리자성층에 일방향성인 교환바이어스 자계가 작용되어 자기이방성이 유기되고, 프리자성층의 자성구획이 안정화되게 되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리자성층의 자화방향을 갖추기 위한 종바이어스의 인가수단이 프리자성층에 인접한 강자성층과 상기 강자성층에 적층된 제 2 반강자성체로 이루어진 반강자성층으로 이루어지고, 상기 반강자성층에 의해 상기 강자성층에 일방향성인 교환바이어스 자계가 작용되어 자기이방성이 유기되고, 프리자성층과 강자성층간의 강자성결합에 의해 프리자성층의 자성구획이 안정화되게 되는 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보자력증대층이 산화물 반강자성체로 이루어지고, 이 보자력증대층에 자화를 핀고정된 고정자성층의 보자력이 상기 반강자성층에 의해 고정자성층에 유기되는 일방향성인 교환바이어스 자계보다도 커져서 이루어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 보자력증대층이 α-Fe2O3로 이루어진 스핀밸브형 자기저항 효과소자.
  9. 보자력증대층과 이 보자력증대층에 인접하는 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층에 더하여 상기 프리자성층에 종바이어스를 인가하기 위한 바이어스층과 전류리드층을 기판상에 구비하고, 상기 고정자성층을 비자성중간층을 개재시켜 2 층으로 분리시킨 구조를 갖는 스핀밸브형 자기저항 효과소자를 제조할 때에,
    이들 각층을 기판상에 막형성시킨 후, 상기 고정자성층에 트랙폭과 수직방향의 자장 중에서 착자 또는 제 1 온도에 의해 자장 중에서 어닐링하여 고정자성층의 보자력을 증대시켜 고정자성층의 자화를 핀고정하는 공정과,
    상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하여 어닐링하여 바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
  10. 보자력증대층과 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 갖고, 트랙폭에 근사하는 폭을 갖고, 상기 고정자성층을 비자성중간층을 개재시켜 2 층으로 분리시킨 구조를 갖는 적층체를 기판상에 형성하는 공정과,
    상기 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 경질자성재료로 이루어진 하드바이어스층을 형성하는 공정과,
    상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 실온에서 또는 어닐링을 실시하면서 자계를 작용시키고, 보자력증대층의 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 고정자성층의 자화방향을 고정하는 공정과,
    상기 보자력증대층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하고, 하드바이어스층을 착자하여 종바이어스 자계를 프리자성층에 작용시키는 공정을 구비하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
  11. 보자력증대층과 이 보자력증대층에 적층되어 비자성중간층을 개재시킨 2 층 분리형으로 된 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층과 제 2 반강자성체로 이루어진 종바이어스층을 기판상에 형성하는 공정과,
    상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자처리 또는 제 1 열처리 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과,
    상기 종바이어스층을 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 어닐링하여 일방향성인 교화결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정과,
    트랙폭의 방향에 상당하는 폭의 상기 반강자성층을 제거하는 공정을 구비하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
  12. 보자력증대층과 이 보자력증대층에 적층되어 비자성중간층을 개재시킨 2 층 분리형으로 된 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 기판상에 연속형성하는 공정과,
    상기 프리자성층상에 트랙폭에 상당하는 간격을 두어 강자성층을 형성하고, 또한 강자성층상에 제 2 반강자성체로 이루어진 반강자성층을 형성하는 공정과,
    상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자처리 또는 제 1 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과,
    상기 반강자성층을 상기 고정자성층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 어닐링하여 일방향성인 교화결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
  13. 보자력증대층과 이 보자력증대층에 적층되어 비자성중간층을 개재시킨 2 층 분리형으로 된 고정자성층과 비자성 도전층과 프리자성층을 갖고, 트랙폭에 상당하는 폭을 갖는 적층체를 기판상에 형성하는 공정과,
    상기 적층체의 트랙폭의 방향 양측에 강자성층을 형성하여 그 강자성층상에 제 2 반강자성체로 이루어진 반강자성층을 형성하는 공정과,
    상기 보자력증대층에 인접하는 고정자성층에 트랙폭의 방향과 수직방향으로 자계를 작용시키면서 실온에서 착자처리 또는 제 1 온도로 어닐링하여 교환결합자계에 의해 고정자성층의 보자력을 크게 하여 자화방향을 고정하는 공정과,
    상기 반강자성층과 강자성층에 상기 보자력증대층의 보자력보다도 작은 자계를 트랙폭의 방향으로 인가하면서 어닐링하여 일방향성인 교화결합자계에 의해 종바이어스 자계를 발생시키는 공정을 구비하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 트랙폭의 방향의 어닐링은 제 1 열처리 온도보다도 높은 제 2 열처리 온도로 실시하는 스핀밸브형 자기저항 효과소자의 제조방법.
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