KR20010030439A - 자기 센서, 자기 헤드 및 자기 디스크 장치 - Google Patents

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KR20010030439A
KR20010030439A KR1020000055029A KR20000055029A KR20010030439A KR 20010030439 A KR20010030439 A KR 20010030439A KR 1020000055029 A KR1020000055029 A KR 1020000055029A KR 20000055029 A KR20000055029 A KR 20000055029A KR 20010030439 A KR20010030439 A KR 20010030439A
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기구찌히데유끼
사또마사시게
고바야시가즈오
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아끼구사 나오유끼
후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 적어도 30%의 MR비를 구현시킬 수 있는 자기 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 제 1 강자성 금속층과, 절연장벽층을 통하여 그 위에 형성된 제 2 강자성 금속층을 포함한 강자성 터널 접합 단위를 구비한 자기 센서에 있어서, 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 적어도 한쪽이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 되도록 구성한다.

Description

자기 센서, 자기 헤드 및 자기 디스크 장치{MAGNETIC SENSOR, MAGNETIC HEAD AND MAGNETIC DISC APPARATUS}
본 발명은 자기 센서, 즉, 자계(磁界)의 변화를 전기저항의 변화로 변환시키는 자기 센서 및 그 자기 센서를 사용한 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 자기 센서를 자기저항 효과형 트랜스듀서(transducer)로서 장착한 자기 헤드 및 그 자기 헤드를 장착한 자기 디스크 장치 및 자기 센서를 장착한 디스크 어레이(array) 장치 및 인코더 장치에 관한 것이다.
최근, 자기 디스크 장치의 높은 기록밀도화나 소형화에 대응할 수 있는 박막 자기 헤드가 주목되어, 그 고성능화가 요구되고 있다. 자기저항 효과형 소자, 즉, MR 소자를 트랜스듀서로서 장착한 재생용 헤드(MR 헤드)에 있어서는, 이방성(異方性) 자기저항 효과를 이용한 AMR 소자, 자기 기록 매체의 이동 속도에 의존하지 않으며, 또한 높은 출력이 얻어지는 거대 자기저항 효과를 이용한 GMR 소자 등이 주목되고 있다. 그 중에서도, 특히 스핀 밸브 GMR 소자는 비교적 용이하게 제작할 수 있으며, 더우기 저(低)자장에서의 전기저항의 변화율도 다른 MR 소자에 비하여 크기 때문에, 최근 특별히 주목되고 있다.
주지하는 바와 같이, 현재, 스핀 밸브 소자보다도 높은 자기저항 변화율(이른바 MR비)이 얻어지는 여러 종류의 강자성 터널 접합 소자가 제안되어 있다. 최근에 공개된 특허출원의 일례를 나타내면, 예를 들어, 특개평10-4227호 공보 및 특개평10-162326호 공보에는 자기 센서 또는 자기 랜덤 액세스 메모리 어레이 내의 메모리 셀로서 사용가능한 강자성 터널 접합 소자가, 특개평10-162327호 공보에는 MR 헤드로서 기능할 수 있는 강자성 터널 접합 장치 및 이를 사용한 MR 헤드가, 특개평10-190090호 공보에는 강자성 터널 접합 소자 및 이를 사용한 접합 메모리 셀룰로오스 및 접합 자기 센서가 각각 개시되어 있다. 이들 공개특허공보에 기재된 모든 강자성 터널 접합 소자가 동일한 구성을 갖고 있어, 아래쪽의 강자성층(하부전극)과, 그 위에 차례로 형성된 터널·배리어 및 위쪽의 강자성층(상부전극)을 포함한 강자성 터널 접합 구조를 구비하고 있다. 이러한 스핀 밸브 구조의 강자성 터널 접합 소자는, 예를 들어, 특개평10-190090호 공보의 도 6에서 구체적으로 참조하고, 설명되어 있는 소자를 참조하면, 본원 명세서에 첨부된 도 1에 모식적으로 나타낸 바와 같은 층 구성을 갖고 있다. 도시한 강자성 터널 접합 소자는 기판(109) 상에 하부전극 스택(stack; 110), 터널·배리어(120), 상부전극 스택(130)을 구비하고 있다. 이 소자는 실리콘 기판(109) 상에 전기 리드층(111)으로서의 5㎚의 Ta층 + 10㎚의 Cu층(Cu층은 시드층(112)으로서도 작용한다) / 템플릿(template)층(114)으로서의 4㎚의 NiFe층 / 반(反)강자성층(116)으로서의 10㎚의 MnFe층 / 하부 강자성층(118)으로서의 6㎚의 NiFe층 + 2㎚의 Co층으로 구성되는 하부전극 스택(110)을 구비하고 있다. 전기 리드층(111)은 Ta층이 아닌 Au층 및 Al층 등일 수도 있다. 터널·배리어(120)는 플라즈마 산화한 막 두께 1.2㎚의 알루미늄(Al)층, 즉, 알루미나(Al2O3)층이다. 상부전극 스택(l30)은 상부 강자성층(132)으로서의 20㎚의 NiFe층과 전기 리드층(150)으로서의 20㎚의 Cu층으로 구성된다. 상부 강자성층(132)은 NiFe층 등이며, 터널·배리어(120)와 상부 강자성층(132) 사이에는 하부 강자성층(118)과 마찬가지로, Co층이 개재되어 있을 수도 있다. 전기 리드층(150)은 전기 리드층(111)과 마찬가지로, Cu층이 아닌 Au층 및 Al층 등일 수도 있다.
종래의 스핀 밸브 구조의 강자성 터널 접합 소자는, 상기한 바와 같이, 통상, 「…/ 반강자성층(핀층) / 하부 강자성층(핀드층) / 터널·배리어(절연장벽층) / 상부 강자성층(프리층) / …」과 같은 층 구성을 갖고 있다. 여기서, 예를 들어, 핀층이 IrMn층이고 핀드층이 Co층이라고 하면, Co층이 IrMn층과 교환결합하고, 핀드층의 자화(磁化)방향이 고정된다. 따라서, 외부로부터 소자에 대하여 자장을 인가할 경우, 프리층만이 자화회전된다. 그러면, 이하에 수식을 참조하여 설명하지만, 자장에 의존하여 터널 저항이 변화한다.
그렇지만, 강자성층에 NiFe층이나 Co층을 사용한 것에서는, 도 2에 자기저항 효과 곡선으로 나타낸 바와 같이, 충분히 높은 자기저항 변화율(MR비)을 달성할 수 없다. 도시한 예에서는 약 20%의 MR비밖에 얻을 수 없고, 통상, 최대값에서도 약 25%이다. 그러나, 이러한 터널 접합 소자를 상기한 바와 같은 자기 센서, 특히 초(超)고밀도 기록용 자기 헤드의 구성요소로서 사용할 경우에는, 더 큰 적어도 30%의 MR비를 구현시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 적어도 30%의 MR비를 구현시킬 수 있는 자기 센서를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 의해 제공되는 고성능 자기 센서를 사용한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 상기한 목적 및 그 밖의 목적은 이하의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 강자성(强磁性) 터널 접합을 구비한 자기 센서의 모식단면도.
도 2는 도 1의 자기 센서의 자기저항 변화율(MR비)을 보자력(保磁力) H(Oe)의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 3은 본 발명에 의한 강자성 터널 접합 구조를 구비한 자기 센서의 바람직한 일례를 나타낸 모식단면도.
도 4는 도 3의 자기 센서의 강자성 터널 접합 구조의 평면도.
도 5는 도 3의 자기 센서의 제조 순서를 순서에 따라 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 강자성 터널 접합 구조를 구비한 자기 센서의 다른 하나의 바람직한 예를 나타낸 모식단면도.
도 7은 본 발명에 의한 N개의 강자성 터널 접합 구조를 직렬로 나열한 센서 소자의 구조를 나타낸 모식단면도.
도 8은 본 발명에 의한 N층의 강자성 터널 접합 구조를 다단(多段)으로 적층시킨 센서 소자의 구조를 나타낸 모식단면도.
도 9는 본 발명에 의한 자기 센서를 구비한 자기 헤드의 구성을 설명하는 모식단면도.
도 10은 본 발명에 의한 도 9의 자기 센서를 구비한 자기 디스크 장치의 구성을 설명하는 평면도.
도 11은 도 10의 자기 디스크 장치의 내부 구조를 설명하는 사시도.
도 12는 본 발명에 의한 자기 센서를 구비한 무접점 인코더 장치의 구성을 설명하는 평면도.
도 13은 도 12의 인코더 장치에서 사용되고 있는 자기 센서의 제조 순서를 순서에 따라 나타낸 평면도.
도 14는 실시예에서 제작한 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서의 MR비를 Fe 조성비 x(CoFex의 Fe의 조성비, at%)의 함수로서 나타낸 그래프.
도 15는 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 26at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 16은 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 31at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 17은 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 35at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 18은 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 40at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 19는 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 51at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
도 20은 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서, 그 강자성 금속층을 구성하는 CoFex의 Fe의 조성비가 57at%인 MR비를 인가자장의 함수로서 나타낸 자기저항 효과 곡선.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 자기(磁氣) 센서
2 : 강자성(强磁性) 터널 접합 단위
6 : 기판
10 : 하부전극
11 : 제 1 강자성층
20 : 절연장벽층
30 : 상부전극
31 : 제 2 강자성층
본 발명은 그 하나의 면에 있어서, 제 l 강자성 금속층과, 절연장벽층을 통하여 그 위에 형성된 제 2 강자성 금속층을 포함한 강자성 터널 접합 단위를 구비한 자기 센서에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 적어도 한쪽이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 센서를 제공한다.
본 발명은 그 다른 하나의 면에 있어서, 본 발명의 자기 센서를 자기저항 효과형 트랜스듀서로서 장착한 것을 특징으로 하는 자기 헤드를 제공한다.
또한, 본 발명은 그 또 다른 하나의 면에 있어서, 본 발명의 자기 센서를 구비한 자기 헤드를 장착한 것을 특징으로 하는 자기 디스크 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 그 또 다른 하나의 면에 있어서, 본 발명의 자기 센서를 장착한 것을 특징으로 하는 디스크 어레이 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 그 또 다른 하나의 면에 있어서, 본 발명의 자기 센서를 장착한 것을 특징으로 하는 인코더 장치를 제공한다.
본 발명의 자기 센서를 사용하여 제공되는 상기 장치 및 그 밖의 장치는 모두 고성능이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 실시형태에서는 몇 개의 한정된 예를 참조하여 본 발명을 설명하지만, 자성층 재료로서 사용하는 CoFex합금에 대한 제한을 제외하고, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 개량을 실행할 수 있다는 것과, 자기 센서의 구성 일반에 관해서는 종래의 자기 센서의 그것을 적용시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다.
먼저, 본 발명의 보다 양호한 이해를 위해, 본 발명에서 채용되고 있는 강자성 터널 접합에 대해서 설명한다. 「금속 / 절연체 / 금속」과 같은 구조를 갖는 접합에 있어서, 양쪽의 금속 사이에 전압을 인가하면, 절연체가 충분히 얇을 경우, 약간의 전류가 흐른다. 통상, 절연체는 전류를 통과시키지 않지만, 절연체가 충분히 얇을 경우(수Å∼수십Å)에는, 양자역학적 효과에 의해 매우 적게 전자가 투과할 확률을 갖기 위해 전류가 흐른다. 이 전류를 「터널 전류」라고 하고, 이 구조를 갖는 접합을 「터널 접합」이라고 한다.
절연체의 층에는 금속의 산화막을 절연장벽으로서 사용하는 것이 통상적이다. 예를 들어, 알루미늄의 표면층을 자연 산화, 플라즈마 산화, 열 산화 등에 의해 산화시켜 산화막을 형성한다. 특히, 플라즈마 산화법에 의해 산화알루미늄의 막(알루미나막)을 형성하는 것이 유리하다. 또한, 산화 조건을 조절함으로써, 알루미늄 표면층의 수Å 내지 수십Å의 깊이를 산화막으로 할 수 있다. 형성되는 알루미나막은 절연체이기 때문에, 터널 접합의 절연장벽층으로서 사용할 수 있다. 이러한 접합의 특징으로서, 통상의 저항과 달리 인가전압에 대한 전류가 비선형성(非線形性)을 갖기 때문에, 비선형의 소자로서 사용되고 있었다.
상기와 같은 터널 접합의 양쪽 금속을 강자성 금속으로 치환시킨 구조가 본 발명에서 채용되고 있는 것으로, 강자성 터널 접합이라고 불린다. 강자성 터널 접합에 있어서는, 터널 확률(터널 저항)이 양쪽 자성층의 자화상태에 의존하는 것이 알려져 있다. 즉, 자장에 의해 터널 저항을 제어할 수 있다. 자화의 상대각도를 θ라고 하면, 터널 저항 R은 다음 식 (1)에 의해 나타낼 수 있다.
R = Rs + 0.5ΔR(1-cosθ) ---- (식 1)
즉, 양쪽 자성층의 자화의 각도가 일치할 때(θ=0°)는 터널 저항이 작고, 양쪽 자성층의 자화가 반대(θ=180°)일 때는 터널 저항이 커진다.
이것은 강자성체 내부의 전자가 분극(分極)하고 있는 것에 기인한다. 전자는, 통상, 상향의 스핀 상태의 것(업 전자)과 하향의 스핀 상태의 것(다운 전자)이 존재하지만, 통상의 비자성 금속 내부의 전자는 양쪽 전자가 동일한 수만큼 존재하기 때문에, 전체적으로 자성을 갖지 않는다. 한편, 강자성체 내부의 전자는 업 전자의 수(Nup)와 다운 전자의 수(Ndown)가 다르기 때문에, 전체적으로 업 또는 다운의 자성을 갖는다.
전자가 터널링할 경우, 이들 전자는 각각의 스핀 상태를 유지한 상태에서 터널링하는 것이 알려져 있다. 따라서, 터널 끝의 전자 상태에 틈이 있으면 터널링이 가능하지만, 터널 끝의 전자 상태에 틈이 없으면 전자가 터널링할 수 없다.
터널 저항의 변화율 ΔR은 전자원의 편극률과 터널 끝의 편극률의 곱에 의해 표시된다.
ΔR / Rs = 2×P1×P2 / (1-P1×P2) ----(식 2)
여기서, P1 및 P2는 양쪽 자성층의 분극률이고, 다음 식 (3)에 의해 표시된다.
P = 2(Nup-Ndown) / (Nup+Ndown) ----(식 3)
분극률 P에 대해서는 강자성 금속의 종류에 의존하지만, 본 발명에서 강자성 금속으로서 사용되는 CoFe의 분극률은 0.46이고, 이론적인 측면에서도 54% 또는 그 근방의 자기저항 변화율(MR비)을 기대할 수 있다. 이러한 MR비의 값은 이방성 자기저항 효과(AMR) 또는 거대 자기저항 효과(GMR)보다도 크기 때문에, 자기 센서 등으로의 응용이 가능해지는 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 자기 센서의 전형적인 예를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도시한 자기 센서(1)는 실리콘 기판(6)의 표면을 산화하여 형성된 실리콘 산화막(7) 상에 형성된 1개의 강자성 터널 접합 단위(2)를 장착하고 있다. 터널 접합 단위(2)는 하부전극(10), 절연장벽층(20), 상부전극(30)으로 구성된다. 하부전극(10)은 막 두께 24㎚의 NiFe층(제 1 강자성 금속층)(12)과 막 두께 10㎚의 CoFe층(11)으로 형성된다. 절연장벽층(20)은 막 두께 1.6㎚의 Al-Al2O3층으로 이루어진다. 즉, 이 층은 알루미늄(Al)층을 플라즈마 산화하여 얻은 알루미나(Al2O3)층이다. 상부전극(30)은 막 두께 10㎚의 CoFe층(31), 막 두께 50㎚의 IrMn층(32), 막 두께 l0㎚의 Al층(33)으로 구성된다.
도 4는 도 3에 나타낸 자기 센서(1)의 평면도이다. 도시한 바와 같이, 하부전극(10)에 직교하여, 그 위쪽에 상부전극(30)이 형성되고, 하부전극(10)과 상부전극(30) 사이에 전류원(I)과 전압 센서(V)가 접속된다. 전류원(I)에 의해 일정 전류를 자기 센서(1)에 흐르게 한 상태에서 자계가 변화할 경우, 저항값이 변화하여 양쪽 전극(10, 30) 사이에서 발현되는 전압이 변화한다. 이 전압의 변화는 전압 센서(V)에 의해 측정할 수 있다.
도 3에 나타낸 자기 센서(1)는, 예를 들어, 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.
먼저, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 화살표 방향으로 자장을 인가한 상태에서, 기판(6) 상에 스트라이프 형상의 패턴을 갖는 메탈 마스크(41)를 통하여, NiFe을 막 두께 24㎚로 성막하고, 그 위에 다시 CoFe을 막 두께 10㎚로 연속하여 성막한다. 이와 같이 하여 형성된 2층이 하부전극(10)을 구성하고, 자장에 대하여 자유롭게 자화회전되는 제 1 강자성 금속층으로 된다. 또한, CoFe은 NiFe보다 분극률이 크기 때문에, 강자성 터널 저항 변화를 크게 하는 기능도 갖고 있다.
그 후, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 원형의 패턴을 갖는 마스크(42)를 통하여, Al층(19)을 막 두께 1.6㎚로 성막한다. 이어서, Al층(19)의 표면을 도 5c에 나타낸 바와 같이 플라즈마 산화한다. Al-Al2O3로 이루어진 절연장벽층(20)이 얻어진다.
절연장벽층(20)의 형성이 완료된 후, 도 5d에 나타낸 바와 같이, 화살표 방향으로 자장을 인가한 상태에서, 마스크(43)를 통하여 상부전극(30)의 성막을 행한다. 여기서, 자장은 하부전극(10)의 형성 시의 자장의 방향에 직교하는 방향으로 걸린다. 또한, 마스크(43)는 하부전극(10)과 직교하는 방향의 스트라이프 형상의 패턴을 갖고 있다. 구체적으로는, 상부전극(30)은 CoFe을 막 두께 l0㎚, IrMn을 막 두께 50㎚로 차례로 적층시킴으로써 형성할 수 있다. 형성된 상부전극(30) 상에는 산화방지막으로서 막 두께 l0㎚의 Al을 적층시킨다.
도 6은 본 발명에 의한 자기 센서의 다른 하나의 전형적인 예를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도시한 자기 센서(1)는 실리콘 기판(6)의 표면을 산화하여 형성된 실리콘 산화막(7) 상에 형성된 1개의 강자성 터널 접합 단위(2)를 장착하고 있다. 터널 접합 단위(2)는 하부전극(10), 절연장벽층(20), 상부전극(30)으로 구성된다. 하부전극(10)은 막 두께 17.1㎚의 NiFe층(제 1 강자성 금속층)(12)과 막 두께 3.3㎚의 CoFe층(11)으로 형성된다. 절연장벽층(20)은 막 두께 1.6㎚의 Al-Al2O3층으로 이루어진다. 즉, 이 층은 Al층을 플라즈마 산화하여 얻은 Al2O3층이다. 상부전극(30)은 막 두께 3.3㎚의 CoFe층(31), 막 두께 17.1㎚의 NiFe층(34), 막 두께 45㎚의 FeMn층(35), 막 두께 8㎚의 Ta층(36)으로 구성된다.
본 발명의 자기 센서에서는, 강자성 금속층의 자성 재료로서 소정의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금을 사용함으로써, 적어도 30%의 자기저항 변화율(MR비)을 달성할 수 있고, 자기 센서의 용도를 광범위하게 확대하는 동시에, 모든 용도에서 만족할 수 있는 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 자기 센서에 있어서, 제 1 및 제 2 강자성 금속층은, 바람직하게는, 그 한쪽만이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어진다.
만약 이와 같이 제 1 또는 제 2 강자성 금속층을 CoFe 합금 이외의 금속으로 구성할 경우는, 본 발명의 작용 및 효과에 대하여 악영향을 미치지 않는 한에서 임의의 금속을 성막 재료로서 사용할 수 있다. 적당한 금속으로서는, 이하에 열거하는 것에 한정되지는 않지만, Co 및 NiFe 등을 들 수 있다.
또한, 다른 바람직한 형태에 따르면, 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 양쪽이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어진다. 이러한 경우, 각각의 금속층의 Fe 조성비는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에서와 같이, 스핀 밸브 구조를 갖는 강자성 터널 접합막을 자기 센서에 사용할 경우에는, 반강자성층(핀층)이 강자성층(핀드층)의 자화방향을 억제하는 힘(Hua, 도 2를 참조)은 보다 큰 것이 좋다. 이것을 고려하면, 핀드층으로서, 예를 들어, Hua이 큰 CoFe31층을 사용하고, 프리층에 높은 MR비를 나타내는 CoFe26을 사용하여 강자성 터널 접합막을 형성하는 것이 바람직하다. 이 사실은 각각 이하에 참조하여 설명하는 도 16 및 도 15로부터 명확하다. 이와 같이 하여 얻어지는 강자성 터널 접합막은 핀드층 및 프리층의 양쪽에 CoFe31층을 사용한 강자성 터널 접합막보다도 높은 MR비를 구현시킬 수 있으며, 또한 핀드층 및 프리층의 양쪽에 CoFe26층을 사용한 강자성 터널 접합막보다도 큰 Hua를 구현시킬 수 있다.
또한, 스핀 밸브 구조를 갖는 강자성 터널 접합막을 자기 센서에 사용할 경우에는, 보자력은 보다 작은 것이 좋다. 따라서, 프리층에, 예를 들어, 연자성 재료인 NiFe 등을 사용하는 한편, 핀드층에, 예를 들어, CoFe 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, MR비는 프리층에 CoFe을 사용한 강자성 터널 접합보다도 작아져, 보자력도 작아진다. 그러나, 이 강자성 터널 접합을 프리층 및 핀드층의 양쪽에 NiFe을 사용한 강자성 터널 접합막과 비교한 경우, 보다 큰 MR비를 구현시킬 수 있다.
본 발명의 자기 센서는 이를 인코더에 사용할 경우, 바람직하게는, 강자성 터널 접합 단위의 복수개가 직렬로 접속되어 있도록 하여 구성된다. 자기 센서의 강자성 터널 접합 단위를 이와 같이 구성할 경우, 직렬로 접속된 각 강자성 터널 접합 소자가 인가전압을 분압(分壓)하기 때문에, 각각의 강자성 터널 접합 소자에 인가되는 전압이 감소한다. 따라서, 자기저항 변화율이 높은 고성능 자기 센서를 얻을 수 있다. 또한, 자기 센서의 저항값이 고저항으로 되기 때문에, 자기 센서에 흐르는 전류가 작아져, 소비전력을 작게 할 수 있다.
강자성 터널 접합 단위의 직렬 접속은, 바람직하게는, 다음과 같은 2개의 방법에 의해 행할 수 있다.
제 1 직렬 접속 방법은 복수개의 강자성 터널 접합 단위를 기판 상에 나열하여 배치하며, 인접하는 강자성 터널 접합 단위에 있어서, 제 1 강자성 금속층끼리 또는 제 2 강자성 금속층끼리를 일체로 형성함으로써 상기의 직렬 접속을 행하는 방법이다. 이러한 방법에 의한 자기 센서에 따르면, 상부 금속층 및 하부 금속층의 성막 작업과 동시에 강자성 터널 접합 소자의 직렬 접속이 실행되므로, 제작을 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 이 자기 센서에서는, 센서 소자에 포함되는 강자성 터널 접합 소자의 수를 여분으로 제작해 두고, 상부 금속층과 하부 금속층을 단락시킴으로써 불필요한 접합을 제거하여, 저항값의 조정 등을 행할 수 있다. 이것에 의해, 자기 센서의 제작상의 제조수율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 따라 N개의 강자성 터널 접합 단위를 직렬로 나열한 자기 센서 소자를 단면으로 나타낸 것이다. 도면에 있어서, 참조번호 1이 자기 센서이고, 기판(6) 상에 N개의 강자성 터널 접합 단위(2)가 병렬로 나열하여 배치된다. 각각의 접합 단위(2)는 하부전극(10), 절연장벽층(20), 상부전극(30)으로 이루어진다. 2개의 인접하는 접합 구조(2)의 사이에서 하부전극(10)과 상부전극(30)이 일체적으로 형성되며, 접합 단위(2)는 각각 하부전극(10) 및 상부전극(30)에 의해 직렬로 접속된다.
이 자기 센서(1)에 따르면, 하부전극(10)의 성막 및 상부전극(30)의 성막과 동시에, 접합 단위(2)의 직렬 접속을 행할 수 있기 때문에, 자기 센서의 제작이 용이해진다. 또한, 강자성 터널 접합 구조(2)를 N개 나열한 이 자기 센서(1)에서는, 1개의 접합 구조(2)의 저항값을 R(Ω)이라고 하면, 자기 센서(l)의 전체 저항값은 N×R(Ω)로 된다.
제 2 직렬 접속 방법은, 복수개의 강자성 터널 접합 단위를 기판 상에 적층시켜 다단으로 형성하며, 상하로 인접하는 강자성 터널 접합 단위에 있어서, 하단 측의 터널 접합 단위의 제 2 강자성 금속층 상에 상단 측의 터널 접합 단위의 제 1 강자성 금속층을 형성함으로써, 상기의 직렬 접속을 행하는 방법이다. 이러한 방법에 의한 자기 센서에 따르면, 소면적의 자기 센서를 얻을 수 있다.
도 8은 N개의 강자성 터널 접합 단위를 상하로 인접하도록 중첩시켜 다층 구조로 한 자기 센서의 단면을 나타낸 것이다. 도면에 있어서, 참조번호 1이 자기 센서이고, 기판(6) 상에 강자성 터널 접합 단위(2)를 N층 중첩시킴으로써 각 접합(2)이 직렬 접속된다. 1개의 강자성 터널 접합 단위(2)는 각각 하부전극(10), 절연장벽층(20), 상부전극(30)으로 이루어진다. 각각의 접합 단위는 하단의 접합 단위(2)의 상부전극(30) 상에 상단의 접합 단위(2)의 하부전극(10)이 성막됨으로써 직렬 접속된다.
이 자기 센서(1)에 따르면, 막 두께 방향으로 전류가 흐르게 되므로, 1층의 접합 단위(2)의 저항값을 R이라고 하면, 자기 센서(1)의 전체의 저항값은 N×R(Ω)로 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 자기 센서는 그 우수한 특성을 살려, 다양한 장치에서 유리하게 이용할 수 있다.
하나의 바람직한 실시형태를 나타내면, 본 발명의 자기 센서는 자기저항 효과형 트랜스듀서로서 자기 헤드에서 이용할 수 있기 때문에, 이하에 구체적으로 설명하는 바와 같이, 본 발명의 자기 센서를 구비한 자기 헤드, 그러한 자기 헤드를 장착한 자기 디스크 장치가 제공된다. 또한, 이하에 기재하는 자기 헤드 및 자기 디스크 장치는 각각 본 발명의 실시에 있어서 바람직한 일례를 나타낸 것으로, 도시한 것 이외의 다양한 구성을 채용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 자기 센서를 구비한 자기 헤드의 구성을 설명하는 모식단면도이다. 도시한 바와 같이, 자기 헤드(50)는 알틱(Al2O3·TiC) 등의 세라믹 기판(51) 상에 형성된다. 세라믹 기판(5l) 상에는 그 기판(51)으로부터 차례로 하측 자기 실드(52), 비자성 절연막(53), 상측 자기 실드(54)가 형성되어 있다. 또한, 상하의 자기 실드(52, 54)에 의해, 자기 헤드(50)의 전단부에 형성된 판독 갭(55) 중에 본 발명의 자기 센서(56)가 설치되어 있다. 또한, 상측 자기 실드(54) 상에는 비자성 절연막(57)을 통하여 자극(磁極)(58)이 형성되어 있다. 자기 실드(54)와 자극(58)과의 사이에는 자기 헤드(50)의 전단부에 있어서 기록 갭(59)이 형성되며, 절연막(52) 중에는 기록 코일 패턴(49)이 소용돌이 형상으로 형성되어 있다.
도 10은 본 발명의 자기 헤드를 탑재한 자기 디스크 장치의 내부 구성을 나타낸 평면도이다. 도면에서는, 본 발명의 자기 디스크 장치(60)의 이해를 용이하게 하기 위해, 점선의 왼쪽에서 상부 커버를 제거한 상태를 나타내는 동시에, 점선의 오른쪽에서 다단 구성의 자기 디스크 조립체(70)의 일부를 구성하는 자기 디스크(71) 및 이것과 함께 작용하는 암(arm) 조립체(72)의 구성을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 각각의 자기 디스크(71)는 모터(도시 생략)에 의해 구동되는 허브(7la) 상에 고정되어 있다. 암 조립체(72)는 회전축(72a) 상에 회전가능하게 지지된 암(72b) 및 암(72b)의 자유단(自由端) 상에 설치된 자기 헤드(72c)를 포함한다. 또한, 암(72b) 상의 자기 헤드(72c)를 유지하는 자유단과 반대쪽 자유단에는 보이스 코일 모터(73)의 일부를 형성하는 코일(72d)이 암(72b)의 주사면에 평행하게 감겨져 있다. 또한, 코일(72d)의 상하에는 보이스 코일 모터(73)의 다른 부분을 구성하는 자석(73a, 73b)이 형성되고, 코일(72d)을 여기(勵起)함으로써 암(72)을 회전축(72a)의 둘레에서 자유롭게 회전시키는 것이 가능하다. 보이스 코일 모터(73)는 암(72b)에 유지된 자기 헤드(72c)가 자기 디스크(7l) 상의 실린더 내지 트럭(71b)에 추종(追從)하도록 서보(servo)제어된다.
도 11은 도 l0의 자기 디스크 장치(60)의 내부 구조를 나타낸 사시도이다.
도 11을 참조하면, 자기 디스크 조립체(70)는 회전 허브(71a)에 공통으로 유지된 복수의 자기 디스크(7l1, 712, …)를 포함하고, 이것에 대응하여 암 조립체(72)도 복수개의 암의 집합으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 각각의 암(72b)은 회전축(72a)의 둘레에서 회전가능하게 유지된 공통의 회동부재(72e) 상에 유지되어 있고, 회동부재(72e)의 회동(回動)에 따라 일제히 회전된다. 물론, 회동부재(72e)의 회동은 보이스 코일 모터(73)의 여기(勵起)에 대응하여 발생한다. 또한, 자기 디스크 장치의 전체는 기밀하게 밀봉된 바구니체(61) 중에 수용되어 있다.
본 발명의 자기 디스크 장치(60)에서는, 자기 헤드(72c) 중의 판독 헤드로서 상술한 본 발명의 강자성 터널 접합 자기 센서를 사용함으로써, 매우 고밀도한 자기 기록 재생이 가능해진다.
또한, 본 발명의 자기 센서는, 다른 하나의 바람직한 실시형태를 나타내면, 디스크 어레이 장치에서 활용할 수 있다. 디스크 어레이 장치는 기본적으로 종래의 장치와 동일하게 구성할 수 있다. 즉, 본 발명의 자기 센서를 탑재한 디스크(HDD)를 어레이 형태로 배열하는 동시에, 디스크끼리를 케이블 등의 접속수단에 의해 접속할 수 있다.
또한, 본 발명의 자기 센서는, 또 다른 하나의 바람직한 실시형태를 나타내면, 인코더 장치에서 이용할 수 있다. 여기서, 본 발명을 실시할 수 있는 인코더 장치는, 이 기술분야에서 공지의 다양한 인코더 장치를 포함할 수 있지만, 바람직하게는, 이하에 도 12를 참조하여 그 일례를 나타낸 무접점 인코더 장치이다.
도 12a에 있어서, 인코더 장치에서 사용되는 회전착자체(65)가 도시된다. 회전착자체(65)의 직경(D)은 10㎜이며, 그 중앙에 위치하는 축의 직경(d)은 5㎜이다. 축의 원주 상에는, 도시한 바와 같이, N극(62) 및 S극(63)이 번갈아 전체적으로 16세트 나열되어 있다. 자기 센서(1)는 그 중심이 회전착자체(65)의 중간 위치에 오도록 설치되어 있다. 또한, 도시한 예의 경우, 착자(着磁) 주기(λ)는 약 1.5㎜이다.
도 12b는 자기 센서(1)를 확대하여 나타낸 것이다. 4열의 센서 소자(22∼25)가 기판(6) 상에 회전착자체(65)의 마그넷의 직경방향으로 평행하게 직선상으로, 각각의 센서 소자(21)의 간격이 λ/4으로 되도록 배열된다. 도시한 예에서는, 센서 소자(22∼25)가 이루는 각이 약 5.6°, 중심부의 간격이 약 0.37㎜이다.
도 13은 도 12의 인코더 장치에서 사용되고 있는 자기 센서의 제조 순서를 순서에 따라 나타낸 평면도이다. 또한, 여기서 사용되고 있는 자기 센서는, 도 7을 참조하여 상술한 직렬 접속 구조의 것이다. 이러한 자기 센서는 터널 접합 구조를 하부전극 / 절연장벽층 / 상부전극의 3층만으로 형성할 수 있기 때문에, 제작이 용이하다. 또한, 각각의 센서 소자 열은 센서 소자(2l)를 6개의 직렬로 접합(접합 면적 : 50㎛×50㎛)하여 구성된다.
먼저, 마스크(도시 생략)를 사용하여 기판(6) 상에 스트라이프 형상으로 NiFe을 막 두께 l7.1㎚로 성막하며, 연속하여 CoFe을 막 두께 3.3㎚로 성막하여, 하부전극(l0)을 형성한다. 이 상태를 도 13a에 나타낸다.
이어서, 마스크를 교환한 후, 각각의 하부전극(10)마다 2개의 절연장벽층(20)을 성막한다. 이 절연장벽층(20)은 Al을 막 두께 1.3㎚로 성막한 후에 그 표면을 플라즈마 산화함으로써 형성한다.
Al의 플라즈마 산화가 종료된 후, 다시 마스크를 교환하여 상부전극(30)을 성막하는 동시에, 단자(26∼29)의 성막을 행한다. 이 성막은 CoFe을 막 두께 3.3㎚로, NiFe을 막 두께 17.1㎚로, FeMn을 막 두께 45㎚로 각각 성막하여 행한다. 이어서, 형성된 상부전극(30)의 상부에 막 두께 8㎚로 Ta을 성막한다. 이러한 일련의 성막 공정이 종료된 상태를 도 13b에 나타낸다.
상기와 같이 하여 제작한 인코더 장치의 자기 센서(1)에 전지를 사용하여 3.0V의 전압을 인가할 경우, 각 강자성 터널 접합 단위에 인가되는 전압은 0.50V로 되어, 자기저항 변화율(MR비)은 30%로 된다. 또한, 회전착확체(65)를 일주(一周)시키면, 합계 l6개의 출력 펄스를 얻을 수 있다.
[실시예]
이어서, 본 발명을 그 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명이 이하에 기재하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
마스크(도시 생략)를 사용하여 산화막이 마련된 실리콘 기판 상에 스트라이프 형상으로 NiFe을 막 두께 24㎚로 스퍼터링 성막하며, 연속하여 CoFe을 막 두께 10㎚로 스퍼터링 성막했다. 본 예에서는, CoFe 중에 있어서의 Fe의 조성비의 비율을 평가하기 위해, 이하에 도 14를 참조하여 설명하는 바와 같이, Fe의 조성비를 l2∼57at%의 범위에서 다양하게 변경시키며, 비교를 위해, Fe의 조성비가 0at%인, 즉, Co만으로 이루어진 막도 성막했다. 스퍼터링 성막 중은 스트라이프 형상의 NiFe막의 길이방향으로 자장을 인가했다. 이와 같이 하여 형성된 2층 구조는, 본 예의 자기 센서에 있어서, 자장에 대하여 자유롭게 자화가 회전되는 자성층으로 된다.
이어서, 마스크를 교환한 후, Al을 막 두께 1.6㎚로 스퍼터링 성막하며, 이어서 표면의 플라즈마 산화를 행하였다. Al의 플라즈마 산화가 종료된 후, 다시 마스크를 교환하여, 먼저 형성한 자성층에 직교하는 방향으로 자장을 인가하면서, 앞의 공정과 동일하게 CoFe 중에 있어서의 Fe의 조성비를 달리하는 CoFe을 스트라이프 형상으로 막 두께 10㎚로 스퍼터링 성막하고, 그 위에 다시 IrMn을 막 두께 50㎚로 스퍼터링 성막했다. 또한, IrMn막 상에 산화방지막으로서 A1을 막 두께 10㎚로 스퍼터링 성막했다. 마지막으로, 실리콘 기판을 가열로에 넣어, 진공 자장 중에서 225℃로 열처리를 행했다.
도 14는 상기와 같이 하여 제작한 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서의 자기저항 변화율(MR비)을 Fe 조성비 x(CoFex의 Fe의 조성비, at%)의 함수로서 나타낸 것이다. 도시한 그래프로부터 이해할 수 있듯이, CoFex을 사용한 강자성 터널 접합막의 MR비는 Fe 조성비 x의 대소에 관계없이, Co만으로 이루어진 터널 접합막과 비교하여 현저하게 크다. 특히, Fe 조성비 x가 26∼57at%의 범위일 때, 30% 이상의 상당히 양호한 MR비를 달성할 수 있고, 그 중에서도 특히, Fe 조성비 x가 26at%일 때, 42%라는 현저하게 우수한 MR비를 달성할 수 있다.
이어서, CoFex의 Fe의 조성비를 달리하는 다양한 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에 대해서, 자기저항 변화율(MR비)과 인가자장(Oe)과의 관계를 측정한 결과, 도 15 내지 도 20에 나타낸 바와 같은 자기저항 효과 곡선이 얻어졌다. 여기서, 도 15의 Fe의 조성비는 26at%, 도 16의 조성비는 31at%, 도 17의 조성비는 35at%, 도 18의 조성비는 40at%, 도 19의 조성비는 51at%, 도 20의 조성비는 57at%이다.
도 15 내지 도 20의 자기저항 효과 곡선으로부터 고찰하면, x=26∼40at%의 CoFex을 사용한 접합막의 자기저항 효과 곡선은 매우 양호한 프로파일을 갖고 있으나(도 l5∼도 l8을 참조), Fe의 조성비가 증가함에 따라 형태에 흐트러짐이 발생하게 된다. 예를 들어, x=5lat%의 CoFex을 사용한 경우(도 19) 및 x=57at%의 CoFex을 사용한 경우(도 20), 인가자장이 0Oe인 부근에서 형태의 흐트러짐이 현저하게 나타난다. 이러한 바람직하지 않은 현상은 핀층인 IrMn층이 핀드층인 CoFex층의 자화방향을 충분하게 고정시킬 수 없기 때문에 발생하고 있는 것으로 고찰된다.
또한, 자화방향의 불충분한 고정의 원인으로서는, 다음과 같은 것을 생각할 수 있다. 핀층인 IrMn층은 하지의 결정 구조가 fcc일 경우, 결정 구조가 γ 구조로 되고, 핀드층의 자화방향을 고정시키는 힘이 나타난다. 여기서, 핀드층으로서 CoFex층을 사용한 경우에, CoFex층 중의 Fe의 조성비 x가 5lat% 또는 그 이상에서는, CoFex층의 결정 구조는 bcc 구조가 지배적으로 되기 때문에, CoFex층 상에 성막된 IrMn층의 결정 구조(상기한 바와 같이, 원래 γ 구조이어야 한다)는 흐트러지고, 자화방향을 고정시키는 힘이 감소한다.
또한, 일반적으로 접합막의 자기저항 효과 곡선의 프로파일은 MR비가 본 발명에서 목표로 하고 있는 레벨에 도달하고 있지 않다는 문제점은 있으나, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같은 자기저항 효과 곡선의 프로파일에 가까운 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 사실을 종합하면, 본 발명의 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서를 제조함에 있어서는, CoFex의 Fe의 조성비는 26at% 이상 51at% 미만 범위에 있는 것이 가장 적합하다.
본 발명은, 상기한 상세한 설명으로부터 명확히 알 수 있듯이, 자기 센서, 자기 헤드, 자기 디스크 장치이다. 본 발명에 의한 자기 센서는 특허청구범위에 기재된 바와 같은 것이나, 다음과 같은 자기 센서도 포함한다.
1. 강자성 터널 접합 단위의 복수개가 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에 기재된 자기 센서.
2. 복수개의 강자성 터널 접합 단위가 기판 상에 나열하여 배치되어 있으며, 인접하는 강자성 터널 접합 단위에 있어서, 제 1 강자성 금속층끼리 또는 제 2 강자성 금속층끼리가 일체로 형성됨으로써 상기의 직렬 접속이 실행되고 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 항에 기재된 자기 센서.
3. 복수개의 강자성 터널 접합 단위가 기판 상에 적층하여 형성되어 있으며, 상하로 인접하는 강자성 터널 접합 단위에 있어서, 하단 측의 터널 접합 단위의 제 2 강자성 금속층 상에 상단 측의 터널 접합 단위의 제 1 강자성 금속층이 형성됨으로써, 상기의 직렬 접속이 실행되고 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 l 항에 기재된 자기 센서,
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적어도 30%의 자기저항 변화율(MR비)을 갖는 고성능 자기 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고성능 자기 센서를 사용함으로써, 각종 우수한 장치를 제공할 수 있다. 전형적인 장치로서는, 예를 들어, 자기 센서를 자기저항 효과형 트랜스듀서로서 장착한 자기 헤드 및 그 자기 헤드를 장착한 자기 디스크 장치, 자기 센서를 장착한 디스크 어레이 장치, 자기 센서를 장착한 인코더 장치, 특히 무접점 인코더 장치를 들 수 있다.

Claims (7)

  1. 제 l 강자성 금속층과, 절연장벽층을 통하여 그 위에 형성된 제 2 강자성 금속층을 포함한 강자성 터널 접합 단위를 구비한 자기 센서에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 적어도 한쪽이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 한쪽만이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 강자성 금속층의 양쪽이 25at% 이상 51at% 미만 범위의 조성비로 Fe을 함유한 CoFe 합금으로 이루어지고, 그때, 각각의 금속층의 Fe 조성비는 동일하거나 상이할 수 있는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
  4. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에 기재된 자기 센서를 자기저항 효과형 트랜스듀서로서 장착한 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 자기 센서를 구비한 자기 헤드를 장착한 것을 특징으로 하는 자기 디스크 장치.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 자기 센서를 장착한 것을 특징으로 하는 디스크 어레이 장치.
  7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 자기 센서를 장착한 것을 특징으로 하는 인코더 장치.
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