KR20010110774A - ＣｒＭｎＰｔ 피닝층과 ＮｉＦｅＣｒ 시드층을 갖는 거대자기저항 센서 - Google Patents

ＣｒＭｎＰｔ 피닝층과 ＮｉＦｅＣｒ 시드층을 갖는 거대자기저항 센서 Download PDF

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Abstract

자기 판독 헤드에 사용하기 위한 거대 자기저항 스택(10)은 NiFeCr 시드층(12), 강자성체 프리층(14), 비자성체 스페이서층(16), 강자성체 핀드층(18), 그리고 CrMnPt 피닝층(20)을 포함한다. 강자성체 프리층(14)은 회전가능한 자기 모멘트를 가지며 NiFeCr 시드층(12)에 인접하여 위치한다. 강자성체 핀드층(18)은 고정된 자기 모멘트를 가지며 CrMnPt 피닝층(20)에 인접하여 위치한다. 비자기 스페이서층(16)은 프리층(14)과 핀드층(18) 사이에 위치한다.

Description

ＣｒＭｎＰｔ 피닝층과 ＮｉＦｅＣｒ 시드층을 갖는 거대 자기저항 센서{GIANT MAGNETORESISTIVE SENSOR WITH A CrMnPt PINNING LAYER AND A NiFeCr SEED LAYER}
거대 자기저항(GMR) 판독 센서는 자기 디스크와 같은 자기 데이터 저장 매체 상에 저장된 자기-코드화 정보를 검출하도록 자기 데이터 저장 시스템에 사용된다. 자기 매체의 시간-의존형 자기장은 직접 GMR 판독 센서의 저항률을 직접적으로 변조시킨다. GMR 판독 센서 저항의 변화는 GMR 판독 센서에 감지 전류를 통과시키고 GMR 판독 센서에 걸리는 전압을 측정함으로써 검출될 수 있다. 결과 신호는 자기 매체의 코드화 정보를 복구하기 위해 사용된다.
통상적인 GMR 판독 센서 구성은 GMR 스핀 밸브이고, 여기서 GMR 판독 센서는 강자성체 핀드층(ferromagnetic pinned layer)과 강자성체 프리층(ferromagnetic free layer) 사이에 위치한 비자성체 스페이서층(nonmagnetic spacer layer)으로 형성된 복수층 구조를 갖는다. 핀드층의 자화는 미리결정된 방향으로, 통상적으로GMR 판독 센서의 공기 베어링 표면에 수직으로 고정되고, 반면에 프리층의 자화는 외부 자기장에 응답하여 자유롭게 회전한다. GMR 판독 센서의 저항은 프리층의 자화 방향과 핀드층의 자화 방향 사이에서 형성된 각 함수로서 가변한다. 이러한 복수층 스핀 밸브 구조는, 일반적으로 단일 강자성체층으로 구성된, 이방성 자기저항(AMR) 판독 센서로 구현할 수 있는 것보다, 더 현저한 자기저항 효과, 즉 큰 감도와 더 높은 전체 저항의 변화를 가능하게 한다.
통상적으로 피닝층(pinning layer)은 미리 결정된 방향으로 핀드층의 자화를 고정하도록 핀드층에 교환 결합된다. 통상적으로 피닝층은 반강자성체(antiferromagnetic material)로 형성된다. 반강자성체에서, 인접한 원자들의 자기 모멘트는 반대 방향으로 향하고, 따라서 반강자성체의 총 자기 모멘트는 0 이다. 피닝층 재료는, 교환 결합이 소멸하는 온도인, 높은 방해 온도(blocking tempeature)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 피닝층 재료는, 자기 행동을 조절하고 GMR 스핀 밸브의 얇은 층들 사이의 확산을 방지하도록, 피닝층과 핀드층이 제조동안 교환 결합되는 온도인, 낮은 어닐링 온도를 갖는 것이 바람직하다.
통상적으로 시드층(seed layer)은 프리층의 텍스처를 촉진하고 따라서 시드층의 상부 상에서 성장하는 프리층의 입자성장을 향상시킨다. 시드층 재료는 시드층의 원자구조 또는 배치가 프리층 재료 자기의 우선 결정 방향(preferred crystallographic direction)에 일치하도록 선택된다.
GMR 판독 센서 성능에서의 주요 관심사는, GMR 비율에 직접 영향을 미치는,GMR 판독 센서 저항 변화의 최대값이다. GMR 비율(GMR 판독 센서 저항 변화의 최대값을 GMR 판독 센서 저항으로 나누고 100% 곱함)은 GMR 판독 센서의 자기저항 효과를 결정한다. 결과로, GMR 비율이 높을수록 GMR 판독 센서가 데이터의 더 높은 선형밀도를 갖는 자기 매체로부터 정보를 검출할 수 있는 더 큰 자기저항 효과를 갖게 한다.
GMR 비율의 중요한 결정 요인들은 GMR 판독 센서의 피닝층과 시드층으로써 사용되는 재료이다. 낮은 어닐링 온도를 갖는 피닝층 재료는 GMR 판독 센서 저항을 감소시키고, 이는 다시 GMR 비율을 높이는 더 얇은 프리층의 사용을 가능하게 한다. 또한, 시드층과 프리층 경계면에서 경면 산란(specular scatering)과 스핀 여과 효과를 유발하는 시드층 재료는 GMR 비율을 높이는 GMR 판독 센서 저항의 변화를 증가시킨다.
따라서, 더 높은 GMR 비율을 갖는 GMR 판독 센서와 피닝층으로서 사용하기 위한 높은 방해온도 및 낮은 어닐링 온도를 갖는 반강자성체가 필요하다.
본 발명은 통상적으로 자기 판독 헤드에 사용하기 위한 거대 자기저항 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개량된 거대 자기저항 응답과 개선된 자기 안정성을 갖는 거대 자기저항 판독 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 거대 자기저항 스택의 제 1 실시예의 층구조를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 거대 자기저항 스택의 제 1 실시예의 GMR 응답 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 거대 자기저항 스택의 제 2 실시예의 층구조를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 거대 자기저항 스택의 제 2 실시예의 GMR 응답 그래프이다.
도 5는 CrMnPt 피닝층의 방해 온도를 측정한 그래프이다.
본 발명은 자기 판독 헤드에 사용하기 위한 거대 자기저항 센서에 관한 것이다. 거대 자기저항 스택은 NiFeCr 시드층, 강자성체 프리층, 비자성체 스페이서층, 강자성체 핀드층, 그리고 CrMnPt 피닝층을 포함한다. 프리층은 회전가능한 자기모멘트를 가지며 NiFeCr 시드층에 인접하여 위치한다. 핀드층은 고정된 자기 모멘트를 가지며 CrMnPt 피닝층에 인접하여 위치한다. 스페이서층은 프리층과 핀드층 사이에 위치한다. 바람직한 제 1 실시예에서, 프리층은 NiFe/CoFe 이중층이고,스페이서층은 구리로 형성되며, 핀드층은 CoFe로 형성된다. 바람직한 제 2 실시예에서, 프리층은 NiFe/CoFe 이중층이고, 스페이서층은 구리로 형성되며, 핀드층은 CoFe/루테늄(Ru)/CoFe 합성 반강자성체이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 거대 자기저항(GMR) 스택(10)의 층구조를 도시한다. GMR 스택(10)은 시드층(12), 프리층(14), 스페이서층(16), 핀드층(18), 그리고 피닝층(20)을 포함한다. 시드층(12)은 NiFeCr이다. 프리층(14)은 제 1 강자성체(22), 바람직하게는 NiFe, 바람직하게는 CoFe인 제 2 강자성체(24)를 포함하고, 제 1 강자성체층(22)이 시드층(12)에 인접하도록 위치한다. 핀드층(18)은 바람직하게는 CoFe인 강자성체이고, 피닝층(20)에 인접하여 위치한다. 피닝층(20)은CrMnPt이다. 스페이서층(16)은 바람직하게는 구리인 비자성체이며, 프리층(14)과 핀드층(18) 사이에 위치한다.
핀드층(18)의 자화는 미리 결정된 방향으로 고정되는 반면에 프리층(14)의 자화는 자기 매체로부터 발산되는 외부 자기장에 응답하여 자유롭게 회전한다. 핀드층(18)의 자화는 피닝층(20)과 핀드층(18)을 교환 결합함으로써 고정(pinned)된다. 피닝층(20)은 대략 340 ℃의 방해 온도와 대략 230 ℃의 어닐링 온도를 갖는다. 시드층(12)의 원자구조는 [111] 결정 구조를 촉진하고 프리층(14)의 입자성장을 향상시키는 면심입방(fcc) 구조이다. GMR 스택(10)의 저항은 프리층(14)의 자화와 핀드층(18)의 자화 사이에 형성된 각 함수로서 가변한다.
시드층(12)의 성분비는 바람직하게 대략 Ni(60)Fe(15)Cr(25)내지 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)인데, 여기서 괄호 안의 숫자는 원자 백분율을 나타낸다. 시드층(12)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 60 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 45 Å내지 대략 50 Å의 범위이다.
프리층(14)의 제 1 강자성체층(22)의 성분비는 바람직하게 대략 Ni(85)Fe(15)내지 대략 Ni(80.5)Fe(19.5)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Ni(82)Fe(18)이다. 프리층(14)의 제 1 강자성체층(22)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 대략 100 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 30 Å이다. 프리층(14)의 제 2 강자성체층(24)의 성분비는 바람직하게 대략 Co(90)Fe(10)이다. 프리층(14)의 제 2 강자성체층(24)의 두께는 바람직하게 대략 5 Å내지 대략 25 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 13 Å이다.
스페이서층(16)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 대략 35 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 24 Å이다.
핀드층(18)의 성분비는 바람직하게 대략 Co(90)Fe(10)이다. 핀드층(18)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 대략 30 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 25 Å이다.
핀드층(20)의 성분비는 바람직하게 대략 Cr(30)Mn(67)Pt(3)내지 Cr(50)Mn(35)Pt(15)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Cr(43)Mn(50)Pt(7)이다. 피닝층(20)의 두께는 바람직하게 대략 250 Å이다.
도 2는 본 발명의 GMR 스택(10)의 GMR 응답 그래프이다. 이 그래프는 GMR 비율과 인가된 자기장(Oe)의 함수로서 GMR 스택(10)의 저항(Ω)을 도시한다. GMR 스택(10)의 GMR 비율은 12.9%이다. GMR 스택(10) 시트 저항(sheet resistance) 변화의 최대값은 2.35 Ω/sq.이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 GMR 스택(30)의 층구조를 도시한다. GMR 스택(30)은 시드층(32), 프리층(34), 스페이서층(36), 핀드층(38), 그리고 피닝층(40)을 포함한다. 시드층(32)은 NiFeCr이다. 프리층(34)은 바람직하게는 NiFe인 제 1 강자성체(42), 바람직하게는 CoFe인 제 2 강자성체(44)를 포함하고, 제 1 강자성체층(42)이 시드층(32)에 인접하도록 위치한다. 핀드층(38)은 조합된 반강자성체층이며, 모두 바람직하게는 CoFe인 제 1 및 제 2 강자성체층(46,50)과, 바람직하게는 루테늄이며 제 1 및 제 2 강자성체층(46,50) 사이에 위치한결합층(48)을 포함하고, 제 2 강자성체층(50)이 피닝층(40)에 인접하도록 위치한다. 피닝층(40)은 CrMnPt이다. 스페이서층(36)은 비자성체, 바람직하게는 구리이며, 프리층(34)과 핀드층(38) 사이에 위치한다.
핀드층(38)의 자화는 미리결정된 방향으로 고정되는 반면에 프리층(34)의 자화는 자기 매체로부터 발산되는 외부 자기장에 응답하여 자유롭게 회전한다. 핀드층(38)의 자화는 피닝층(40)과 핀드층(38)을 교환 결합함으로써 고정된다. 피닝층(40)은 대략 340 ℃의 방해 온도와 대략 230 ℃의 어닐링 온도를 갖는다. 시드층(32)의 원자구조는 [111] 결정 구조를 촉진하고 프리층(34)의 입자성장을 향상시키는 면심입방(fcc) 구조이다. GMR 스택(30)의 저항은 프리층(34)의 자화와 핀드층(38)의 자화 사이에 형성된 각 함수로서 가변한다.
시드층(32)의 성분비는 바람직하게 대략 Ni(60)Fe(15)Cr(25)내지 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)이다. 시드층(32)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 60 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 45 Å내지 대략 50 Å의 범위이다.
프리층(34)의 제 1 강자성체층(42)의 성분비는 바람직하게 대략 Ni(85)Fe(15)내지 대략 Ni(80.5)Fe(19.5)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Ni(82)Fe(18)이다. 프리층(34)의 제 1 강자성체층(42)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 대략 100 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 30 Å이다. 프리층(34)의 제 2 강자성체층(44)의 성분비는 바람직하게 대략 Co(90)Fe(10)이다. 프리층(34)의 제 2 강자성체층(44)의 두께는 바람직하게 대략 5 Å내지 대략 25 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 13 Å이다.
스페이서층(36)의 두께는 바람직하게 대략 20 Å내지 대략 35 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 24 Å이다.
핀드층(38)의 제 1 및 제 2 강자성체층(46,50)의 성분비는 모두 바람직하게 대략 Co(90)Fe(10)이다. 핀드층(38)의 제 1 및 제 2 강자성체층(46,50)의 두께는 모두 바람직하게 대략 150 Å내지 대략 40 Å의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 25 Å내지 대략 30 Å이다. 핀드층(38)의 결합층(48) 두께는 바람직하게 대략 8 Å내지 대략 12 Å이다.
피닝층(40)의 성분비는 바람직하게 대략 Cr(30)Mn(67)Pt(3)내지 Cr(50)Mn(35)Pt(15)의 범위이며, 더 바람직하게는 대략 Cr(43)Mn(50)Pt(7)이다. 피닝층(40)의 두께는 바람직하게 대략 150 Å이다.
도 4는 본 발명의 GMR 스택(30)의 GMR 응답 그래프이다. 이 그래프는 GMR 비율과 인가된 자기장(Oe)의 함수로서 GMR 스택(30)의 저항(Ω)을 도시한다. GMR 스택(10)의 GMR 비율은 12.0%이다. GMR 스택(30) 시트 저항 변화의 최대값은 1.9 Ω/sq.이다.
도 5는 CrMnPt 피닝층의 방해 온도를 측정한 그래프이다. 이 그래프는 온도(℃)의 함수로서 교환 결합(Oe)의 강도를 도시한다. 340 ℃에서, 교환 결합의 강도는 0(Oe)이다.
요약하면, 본 발명은 CrMnPt 피닝층과 NiFeCr 시드층을 갖는 GMR 판독 센서에 관한 것이다. 이러한 구성은, 지금까지 간단한 상부 스핀 밸브(top spinvalve)에서 가장 높게 기록된, 적어도 12%의 GMR 비율을 나타낸다. 게다가, CrMnPt 피닝층은 교환 결합의 소멸을 방지하도록 대략 340 ℃의 높은 방해 온도를 갖는다. 또한, CrMnPt 피닝층은 자기 행동을 조정하고 제조동안 GMR 판독 센서의 얇은 층들 사이에서 확산을 방지하도록 대략 230 ℃의 낮은 어닐링 온도를 갖는다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 구조와 실시를 변화시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 자기 판독 헤드에 사용하기 위한 판독 센서에 있어서,
    거대 자기저항 스택; 및
    상기 거대 자기저항 스택이 적어도 12%의 GMR 비율을 나타내도록 유발하는 장치를 포함하는 판독 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기저항 스택은
    회전 가능한 자기 모멘트를 갖는 강자성체 프리층; 및
    고정된 자기 모멘트를 갖는 강자성체 핀드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 판독 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스택이 적어도 12%의 GMR 비율을 나타내도록 유발하는 장치는 NiFeCr 시드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 판독 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스택이 적어도 12%의 GMR 비율을 나타내도록 유발하는 장치는 CrMnPt 피닝층을 포함하는 것을 특징으로 하는 판독 센서.
  5. 자기 판독 헤드에 사용하기 위한 거대 자기저항 스택에 있어서,
    NiFeCr 시드층;
    상기 시드층에 인접하여 위치하는 회전가능한 자기 모멘트를 갖는 강자성체 프리층;
    고정된 자기 모멘트를 갖는 강자성체 핀드층;
    상기 핀드층에 인접하여 위치하는 CrMnPt 피닝층; 및
    상기 프리층과 상기 핀드층 사이에 위치하는 비자성체 스페이서층을 포함하는 거대 자기저항 스택.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 핀드층은 CoFe인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 핀드층은 합성된 반강자성체인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 합성된 반강자성체는
    상기 스페이서층에 인접하여 위치하는 제 1 CoFe 층;
    상기 피닝층에 인접하여 위치하는 제 2 CoFe 층; 및
    상기 제 1 및 제 2 CoFe 층 사이에 위치하는 루테늄 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 CoFe 층은 대략 15 Å내지 대략 40 Å의 두께를 가지며; 및
    상기 루테늄 층은 대략 8 Å내지 대략 12 Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 프리층은 이중층인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 이중층은
    상기 시드층에 인접하여 위치하는 NiFe 층; 및
    상기 스페이서층에 인접하여 위치하는 CoFe 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 NiFe 층은 대략 20 Å내지 대략 100 Å 범위의 두께를 가지며; 및
    상기 CoFe 층은 대략 5 Å내지 대략 25 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 시드층은 대략 20 Å내지 대략 60 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 시드층의 두께는 대략 45 Å내지 대략 50 Å 범위인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  15. 제 5 항에 있어서, 상기 시드층은 대략 25 내지 대략 40 사이의 Cr원자 백분율을 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  16. 제 5 항에 있어서, 상기 핀드층은 대략 20 Å내지 대략 30 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  17. 제 5 항에 있어서, 상기 피닝층은 대략 150 Å내지 대략 250 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 피닝층은 대략 3 내지 대략 15 사이의 Pt원자 백분율을 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  19. 자기 판독 헤드에 사용하기 위한 거대 자기저항 스택을 형성하는 방법에 있어서,
    NiFeCr 시드층을 증착하는 단계;
    상기 시드층 상에 자기 모멘트를 갖는 강자성체 프리층을 증착하는 단계;
    상기 프리층 상에 비자성체 스페이서층을 증착하는 단계;
    상기 스페이서층 상에 자기 모멘트를 갖는 강자성체 핀드층을 증착하는 단계; 및
    상기 핀드층 상에 CrMnPt 피닝층을 증착하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 시드층은 대략 20 Å내지 대략 60 Å 범위의 두께를 가지며; 및
    상기 피닝층은 대략 150 Å내지 대략 250 Å 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택을 형성하는 방법.
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