KR20020021089A - 핀층을 가지는 거대 자기저항 센서 - Google Patents

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Abstract

자기 판독 헤드에 사용되는 거대 자기저항 스택 10은 NiFeCr 시드 층 12, 강자성 자유층 14, 비자성 스페이서 층 16, 강자성 고정층 18, 및 PtMnX 핀층 20을 포함하는 데, 여기서 X는 Cr 또는 Pd이다. 강자성 자유층 14는 회전가능한 자기 모멘트를 가지고, NiFeCr 시드층 12에 인접하여 위치한다. 강자성 고정층 18은 고정된 자기 모멘트를 가지고, PtMnX 핀층 20에 인접하여 위치한다. 비자성 스페이서 층 16은 자유층 14 및 고정층 18 사이에 위치한다.

Description

핀층을 가지는 거대 자기저항 센서{GIANT MAGNETORESISTIVE SENSOR WITH PINNING LAYER}
거대 자기저항(GMR) 판독 헤드는 자기 디스크와 같은 자기 데이타 저장 매체에 저장된 자기적으로-인코딩된 정보를 감지하기 위해서 자기 데이타 저장 시스템에서 사용된다. 자기 매체에서의 시간에 의존하는 자계는 직접적으로 GMR 판독 센서의 고유저항을 조절한다. GMR 판독 헤드의 저항의 변화는 센서 전류를 GMR 판독 헤드를 통해 흐르게 하고 GMR 판독 센서 양단의 전압을 측정함으로써 감지된다. 결과 신호는 자기 매체로부터 인코딩된 정보를 판독하는 데 사용된다.
일반적인 GMR 판독 센서 구조는 GMR 스핀 밸브인데, 이 GMR 스핀 밸브에서의 GMR 판독 센서는 강자성 고정층 및 강자성 자유층 사이에 위치한 비자성 스페이서 층의 다층 구조이다. 고정층의 자화는 미리 설정된 방향으로 고정되며, 특히 GMR 판독 센서의 에어 베어링 표면 방향으로 고정되는 반면, 자유층의 자화방향은 외부 자계에 대응하여 자유로이 회전한다. GMR 판독 센서의 저항은 자유층의 자화 방향및 고정층의 자화 방향 사이의 각도에 대한 함수로서 변화한다. 이 다층 스핀 밸브 구조는 보다 명백한 자기저항 효과를 나타내는데, 즉, 단일 강자성 층을 일반적으로 포함하는 이방성 자기저항(AMR) 판독 센서에서 가능한 것보다 보다 높은 민감도 및 보다 높은 전체 저항의 변화를 나타낸다.
핀 층은 일반적으로 미리 설정된 방향으로 고정층의 자화방향을 고정하기 위해서 고정층에 서로 커플링된다. 핀 층은 일반적으로 반강자성 물질로 이루어진다. 반강자성 물질에서, 인접한 원자의 자기 모멘트는 반대 방향을 가리키고, 따라서 물질 내에 자기 모멘트는 없다.
시드 층은 일반적으로 조직을 향상시키고, 그 위에 형성된 자유층의 성장을 향상시킨다. 시드 층 물질은 원자의 구조 또는 정렬이 자유층 물질의 자화에 대한 바람직한 결정 방향에 대응하도록 선택된다.
GMR 판독 센서의 실행에서 중요한 관심은 GMR 판독 센서의 열적 및 자기적 안정성이다. 핀층이 제조공정동안에 고정층과 서로 커플링될 때, GMR 판독 센서는 GMR 판독 센서내의 얇은 층 사이를 확산하지 않아야 한다. 미리 정해진 방향으로 고정층의 자화방향을 고정하기 위해서 핀층이 고정층에 서로 커플링될 때, 충분한 교환 커플링 필드 또는 핀닝 필드(pinning field)는 GMR 판독 센서의 동작동안에 변화되지 않는 고정층의 자화방향을 유지하도록 요구된다.
GMR 판독 센서의 열적 자기적 안정성에 대한 중요 결정사항은 GMR 판독 센서내의 핀층 및 시드 층으로 사용되는 물질이다. 핀층 물질의 어닐링 온도는 제조공정동안에 핀층 및 고정층이 서로 커플링되는 온도이다. 자기를 조절하고, GMR 스핀 밸브내의 얇은 층 사이로의 확산을 막기 위해서, 핀층 물질은 낮은 어닐링 온도를 가지는 것이 바람직하다. 핀층 물질의 블락킹 온도는 서로 커플링이 없어지는 온도이다. GMR 판독 센서의 동작동안에, 고정층의 자화가 변화되는 것을 막기 위해서 핀층 물질은 높은 블락킹 온도를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 시드 층 물질은 교환 커플링 필드 강도 또는 핀닝 강도(pinning strength)에 영향을 미친다. 변화되지 않는 고정층의 자화를 유지하기 위해서 시드층 물질/핀층 물질의 혼합이 높은 핀닝 강도를 가지는 것이 바람직하다.
따라서, 높은 블락킹 온도 및 낮은 어닐링 온도를 가지는 핀층 물질 및 시드 물질층이 핀층물질과 함께 사용될 때 높은 핀닝 강도를 가지는 것이 필요하다.
본 발명은 일반적으로 자기 판독 헤드에 사용되는 거대 자기저항 센서와 관련된다. 특히, 본 발명은 향상된 열적 자기적 안정성을 가지는 거대 자기저항 판독 헤드에 관련된다.
도 1은 본 발명의 거대 자기저항 스택의 제 1 실시예의 층 구조이다.
도 2는 본 발명의 거대 자기저항 스택의 제 2 실시예의 층 구조이다.
도 3은 PtMnX 핀층의 블락킹 온도를 측정한 그래프인데, 여기서, X는 Cr 또는 Pd이다.
도 4는 본 발명의 거대 자기저항의 제 1 실시예의 핀닝 강도에 대해 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 거대 자기저항의 제 2 실시예에 대응하는 GMR 그래프이다.
본 발명은 자기 판독 헤드에서 사용되는 거대 자기저항 스택이다. 거대 자기저항 스택은 NiFe 시드 층, 강자성 자유층, 비자성 스페이서 층, 강자성 고정층 및 PtMtX 핀층(여기서, X는 Cr 또는 Pd임)을 포함한다. 자유층은 회전가능한 자기 모멘트를 가지고, PtMnX 핀층에 인접하여 위치한다. 스페이서 층은 자유층 및 핀층 사이에 위치한다. 바람직한 제 1 실시예에서, 자유층은 NiFe/CoFe의 이중층이고, 스페이서 층은 구리로 제조되고, 고정층은 CoFe로 제조된다. 바람직한 제 2 실시예에서, 자유층은 NiFe/CoFe 이중층이고, 스페이서 층은 구리로 제조되고, 고정층은 CoFe/Ru/CoFe 인조 반강자성체 자석이다.
도 1은 본 발명의 거대 자기저항(GMR) 스택의 제 1 실시예의 층 다이어그램이다. GMR 스택 10은 시드 층 12, 자유층 14, 스페이서 층 16, 고정층 18, 핀층 20을 포함한다. 시드 층 12는 NiFeCr이다. 자유층 14는 제 1 강자성 층 22, 바람직하게는 NiFe, 및 제 2 강자성 층 24, 바람직하게는 CoFe을 포함하고, 제 1 강자성 층 22가 시드 층 12에 인접하도록 위치한다. 고정층 18은 강자성 물질, 바람직하게는 CoFe이고, 핀층 20에 인접한다. 핀층 20은 PtMnX이고, 여기서 X는 Cr 또는 Pd이다. 스페이서 층 16은 비자성 물질, 바람직하게는 구리이고, 자유층 14 및 고정층 18 사이에 위치한다.
고정층 18의 자화는 미리 설정된 방향으로 고정되는 데 반하여, 자유층 14의 자화는 자기 매체에서의 외부 자계에 대응하여 자유로이 회전한다. 고정층 18의 자화방향은 고정층 18과 서로 커플링되는 핀층 20에 의해서 고정된다. 핀층 20은 약 380℃의 블락킹 온도를 가지고 약 270℃의 어닐링 온도를 가진다. 시드 층 120의 원자 구조는 [111] 결정구조를 향상시키고, 자유층 14의 성장을 향상시키는 면심입방격자(FCC)이다. GMR 스택 10의 저항은 자유층 14의 자화방향 및 고정층 18의 자화방향 사이에 형성된 각도에 대한 함수로서 변화된다.
시드 층 12의 조성은 바람직하게는 약 Ni(60)Fe(15)Cr(25)에서 약 Ni(48)Fe(12)Cr(40)의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)이며, 여기서 괄호 안의 숫자는 원자의 퍼셋트를 나타낸다. 시드 층 12의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 60Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 45Å에서 약 50Å의 범위이다.
자유층 14의 제 1 강자성 층 22의 조성은 바람직하게는 약 Ni(85)Fe(15)에서 약 Ni(80.5)Fe(19.5)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 Ni(82)Fe(18)의 범위이다. 자유층 14의 제 1 강자성 층 22의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 100Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 30Å이다. 자유층 14의 제 2 강자성 층 24의 조성은 바람직하게는 대략 Co(90)Fe(10)이다. 자유층 14의 제 2 강자성 층 24의 두께는 바람직하게는 5Å에서 약 25Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 13Å이다.
스페이서 층 16의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 35Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 24Å이다.
고정층 18의 조성은 바람직하게는 대략 Co(90)Fe(10)이다. 고정층 18의 두께는 바람직하게는 약 18Å에서 약 30Å까지의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 25Å이다.
PtMnCr이 사용될 때, 핀층 20의 조성은 바람직하게는 약 Pt(36)Mn(64)Cr(>0)에서 약 Pt(48)Mn(51)Cr(1)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략Pt(44)Mn(55.5)Cr(0.5)의 범위이다. 이 경우에 있어서 핀층 20의 두께는 바람직하게는 약 100Å에서 약 300Å까지의 범위이고, 보다 바람직하게는 200Å이다. PtMnPd가 사용될 때, 핀층 20의 조성은 약 Pt(15)Mn(50)Pd(35)에서 약 Pt(25)Mn(50)Pd(25)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 Pt(20)Mn(50)Pd(30)의 범위이다. 이 경우에 핀층 20의 두께는 바람직하게는 약 150Å에서 약 300Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 250Å의 범위이다.
도 2는 본 발명의 GMR 스택 30의 제 2 실시예의 층 다이어그램이다. GMR 스택 30은 시드 층 32, 자유층 34, 스페이서 층 36, 고정층 38, 및 핀층 40을 포함한다. 시드 층 32는 NiFeCr이다. 자유층 34는 제 1 강자성 층 42, 바람직하게는 NiFe, 제 2 강자성 층 44, 바람직하게는 CoFe을 포함하고, 제 1 강자성 층 42가 시드 층 32에 인접하도록 위치한다. 고정층 38은 인조 반강자성 자석이고, 둘 다 바람직하게는 CoFe인 제 1 및 제 2 강자성 층 46 및 50, 제 1 강자성 및 제 2 강자성 층 46, 50 사이에 위치하는 바람직하게는 루테늄인 커플링 층 48을 포함하고, 핀층 40에 인접한다. 핀층 40은 PtMnX이고, 여기서 X는 Cr 또는 Pd이다. 스페이서 층 36은 비자성 물질, 바람직하게는 구리이고, 자유층 34 및 고정층 38 사이에 위치한다.
고정층 38의 자화방향은 미리 설정된 방향으로 고정된 데 반하여, 자유층 34의 자화방향은 자기 매체로부터 방사되는 외부 자계에 대응하여 자유로이 회전한다. 고정층 38의 자화방향은 고정층 38과 서로 커플링하는 핀층 40에 의해서 고정된다. 핀층 40은 약 380℃의 블락킹 온도를 가지고, 약 270℃의 어닐링 온도를 가진다. 시드 층 32의 원자 구조는 [111]결정구조를 향상시키고, 자유층 34의 성장을 향상시키는 면방입체격자(FCC)구조이다. GMR 스택 30의 저항은 자유층 34의 자화방향 및 고정층 38의 자화방향 사이의 각도에 대한 함수로서 변화된다.
시드 층 32의 조성은 바람직하게는 약 Ni(60)Fe(15)Cr(25)에서 약 Ni(48)Fe(12)Cr(40)의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 대략 Ni(48)Fe(12)Cr(40)이 바람직하다. 시드 층 32의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 60Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 45Å에서 약 50Å의 범위이다.
자유층 34의 제 1 강자성 층 42의 조성은 바람직하게는 약 Ni(85)Fe(15)에서 약 Ni(80.5)Fe(19.5)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 Ni(82)Fe(18)의 범위이다. 자유층 34의 제 1 강자성 층 42의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 100Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 30Å이다. 자유층 34의 제 2 강자성 층 44의 조성은 바람직하게는 대략 Co(90)Fe(10)이다. 자유층 34의 제 2 강자성 층 44의 두께는 바람직하게는 5Å에서 약 25Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 13Å이다.
스페이서 층 36의 두께는 바람직하게는 약 20Å에서 약 35Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 24Å이다.
고정층 38의 제 1 및 제 2 강자성 층 46, 50은 모두 바람직하게는 대략 Co(90)Fe(10)이다. 고정층 38의 제 1 및 제 2 강자성 층 46, 48의 두께는 바람직하게는 약 18Å에서 약 40Å까지의 범위이고, 보다 바람직하게는 약 25Å에서 약 30Å의 범위이다. 고정층 38의 커플링 층 48의 두께는 바람직하게는 약 8Å에서 약 12Å의 범위이다.
PtMnCr이 사용될 때, 핀층 40의 조성은 바람직하게는 약 Pt(36)Mn(64)Cr(>0)에서 약 Pt(48)Mn(51)Cr(1)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 Pt(44)Mn(55.5)Cr(0.5)의 범위이다. 이 경우에 있어서, 핀층 40의 두께는 바람직하게는 약 100Å에서 약 300Å까지의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 200Å이다. PtMnPd가 사용될 때, 핀층 40의 조성은 약 Pt(15)Mn(50)Pd(35)에서 약 Pt(25)Mn(50)Pd(25)의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 Pt(20)Mn(50)Pd(30)의 범위이다. 이 경우에 핀층 40의 두께는 바람직하게는 약 150Å에서 약 300Å의 범위이고, 보다 바람직하게는 대략 250Å의 범위이다.
도 3은 PtMnX 핀층의 블락킹 온도에 대해 측정한 그래프인데, 여기서 X는 Cr 또는 Pd이다. 이 그래프는 온도(℃)의 함수로서 교환 커플링(Oe)의 강도를 나타낸다. 380℃에서, 교환 커플링 강도는 0 Oe이다.
도 4는 본 발명의 GMR 스택 10의 핀닝 강도를 측정한 그래프이다. 그래프는 270℃의 온도에서 핀층의 두께(Å)에 대한 함수로서 교환 커플링(Oe)의 강도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 GMR 스택 30의 GMR 반응에 대한 그래프이다. 이 그래프는 적용된 자계(Oe)의 함수로서 스택 30의 GMR 비율(100%로 비율로서 GMR 판독 센서의 저항에 의해 분할된 GMR 판독 센서 저항의 절대값의 최대 변화)을 나타낸다. GMR 스택 30의 GMR 비율은 약 10.3%이다.
요약하면, 본 발명은 PtMnX 핀층 및 NiFeCr 시드층을 가지는 GMR 판독 센서를 기술하는 데, 여기서, X는 Cr 또는 Pd이다. 핀층은 교환 커플링이 사라지지 않도록 약 380℃의 높은 블락킹 온도를 가진다. 또한, 핀층은 자계를 조절하고, 제조공정동안에 GMR 판독 센서내의 얇은 막 사이로 확산되는 것을 막기 위해서 약 270℃의 낮은 어닐링 온도를 가진다. 또한, 시드층/핀층 결합은 높은 핀닝 강도를 생성한다. 결과적으로 GMR 판독 센서는 약 10.3%의 높은 GMR 비율을 생성한다.
본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 기술되어졌으나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 변화가 이루어 질 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 자기 판독 헤드에서 사용되는 판독 센서로서,
    판독 센서는
    강자성 고정층을 가지는 거대 자기저항 스택; 및
    높은 블락킹 온도를 갖고 낮은 어닐링 온도를 가지며, 고정층을 고정시키기 위해 높은 핀닝 강도의 커플링 필드를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 판독 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 높은 블락킹 온도를 갖고 낮은 어닐링 온도를 가지며, 고정층을 고정시키기 위해 높은 핀닝 강도의 커플링 필드를 제공하는 수단은 NiFeCr 시드 층 및 PtMnX 핀층을 포함하는 데, 여기서 X는 Cr 또는 Pd인 것을 특징으로 하는 판독 센서.
  3. 자기 판독 헤드에서 사용되는 거대 자기저항 스택은
    NiFeCr 시드 층;
    시드 층에 인접하고, 회전가능한 자기 모멘트를 가지는 강자성 자유층;
    고정된 자기 모멘트를 가지는 강자성 고정층;
    고정층에 인접하여 위치하고, PtMnX(여기서, X는 Cr, Pd, Nb, Re, Rh 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택됨)의 핀층; 및
    자유층 및 고정층 사이에 위치하는 비자성 스페이서 층을 포함하는 거대 자기저항 스택.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 자유층은
    상기 시드층에 인접하여 위치하는 NiFe 층; 및
    상기 스페이서 층에 인접하여 위치하는 CoFe 층을 포함하는 이층 구조인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 NiFe 층은 약 20Å 내지 100Å 범위의 두께를 가지며,
    상기 CoFe 층은 약 5Å 내지 25Å 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 고정층은 인조 반강자성 자석인 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 인조 반강자성 자석은
    상기 스페이서 층에 인접하여 위치하는 제 1 CoFe 층;
    상기 핀층에 인접하여 위치하는 제 2 CoFe 층; 및
    제 1 및 제 2 CoFe층 사이에 위치하는 루테늄 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 CoFe 층은 약 15Å 내지 약 40Å의 두께를 가지고,
    상기 루테늄 층은 약 8Å 내지 약 12Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 시드 층은 약 20Å 내지 약 60Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 시드 층은 약 45Å 내지 약 50Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 시드 층은 약 25 내지 약 40 퍼센트의 Cr 원자비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 고정 층은 약 20Å 내지 약 30Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  13. 제 3항에 있어서,
    상기 핀 층은 약 100Å 내지 약 300Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  14. 제 3항에 있어서,
    상기 X는 Cr이고, 약 0 내지 약 1 퍼센트의 Cr 원자비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  15. 제 3항에 있어서,
    상기 X는 Pd이고, 약 25 내지 약 35 퍼센트의 원자비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택.
  16. 자기 판독 헤드에 사용되는 거대 자기저항 스택을 형성하는 방법으로서,
    NiFeCr의 시드 층을 증착하는 단계;
    상기 시드층 상에 자기 모멘트를 가지는 강자성 물질의 자유층을 증착하는 단계;
    상기 자유층 상에 비자성 물질의 스페이서 층을 증착하는 단계;
    상기 스페이서 층 상에 자기 모멘트를 가지는 강자성 물질의 고정층을 증착하는 단계; 및
    상기 고정층 상에 PtMnX(여기서, X는 Cr 또는 Pd임)의 핀층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택 형성방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 시드 층은 약 20Å 내지 약 60Å 범위의 두께를 가지며,
    상기 핀 층은 약 100Å 내지 약 300Å 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택 형성방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 시드 층은 약 25 내지 약 40 퍼센트의 Cr 원자 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택 형성방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 X는 Cr이며, 약 1 내지 약 1 퍼센트의 원자 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택 형성방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 X는 Pd이며 약 25 내지 약 35 퍼센트의 원자 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 스택 형성방법.
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