KR20030011361A - 자기 저항 효과 소자와 이것을 이용한 자기 저항 효과형헤드 및 자기 기록 재생 장치 - Google Patents

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스기타야스나리
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Abstract

본 발명에서는, 이른바 CPP-GMR 소자의 비자성층으로서, 비저항이 4μΩ·㎝ 이상 200μΩ·㎝ 이하인 금속을 주성분으로 하는 박막을 이용한다. 이 소자는 소자 면적이 제한되어도 소자의 저항이 너무 높아지지 않는다. 따라서, 좁은 자기 갭에서도 큰 출력을 얻을 수 있다.

Description

자기 저항 효과 소자와 이것을 이용한 자기 저항 효과형 헤드 및 자기 기록 재생 장치{MAGNETORESISTANCE EFFECT DEVICE AND MAGNETORESISTANCE EFFECT HEAD COMPRISING THE SAME, AND MAGNETIC RECORDING/REPRODUCING APPARATUS}
최근, 하드 디스크 드라이브에서의 자기 기록의 고밀도화는 현저하고, 이것에 대응하여 재생 자기 헤드도 현저하게 진보하고 있다. 특히, 거대 자기 저항 효과(GMR)를 이용한 스핀 밸브형의 자기 저항 효과 소자(MR 소자)를 이용하면, 자기 저항 효과형 헤드(MR 헤드)의 감도는 대폭 향상한다.
스핀 밸브형의 MR 소자에서는 비자성층을 통해서 2개의 강자성층이 배치되어 있고, 한쪽의 강자성층(고정층)의 자화 방향은 자화 회전 억제층(피닝층)에 의한 교환 바이어스 자계로 고정되어 있다(이 강자성층과 자화 회전 억제층을 교환 결합막이라고 부름). 그리고, 다른쪽의 강자성층(자유층)의 자화 방향이 외부 자계에 따라서 변화함으로써, 고정층과 자유층에서의 자화 방향의 상대 각도가 변화한다. 이 상대 각도의 변화가 전기 저항의 변화로서 검출된다.
스핀 밸브형의 MR 소자에는, 예를 들면, 자성층으로서 Ni-Fe막, 비자성층으로서 Cu막, 자화 회전 억제층으로서 Fe-Mn막을 이용한 것이 알려져 있다. 이들 재료를 이용한 경우의 자화 저항 변화율(MR비)은 약 2%이다(Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, p101, 1991). 자화 회전 억제층으로서 FeMn을 이용한 것은 MR비가 작고, FeMn 자체도 내식성이 부족하기 때문에, PtMn, NiMn계의 재료가 하드 디스크용 재생 자기 헤드에서 이용되고 있다. 또, NiO나 α-Fe2O3등의 산화물을 자화 회전 억제층으로서 이용한 소자로부터는 15% 이상의 MR비도 얻어지고 있다.
또한 자기 기록의 고밀도화를 고려하면, 현재의 GMR 소자는 한계에 도달하여, 출력이 부족하다고 예상된다. 이 때문에, GMR 소자보다도 저항 변화가 크고, 저항 자체도 대폭으로 높은 TMR(Tunnel Magnetoresistance) 소자가 활발히 연구되고 있다. 이 소자는, 비자성층으로서 Al2O3등의 절연막을 이용하며, 막면에 수직으로 흐르는 터널 전류를 센싱에 이용한다.
그러나, TMR 소자에는 자기 기록의 고밀도화의 진전에 따라서 소자 면적이 극도로 제한되면, 소자의 저항이 너무 높아진다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 자기 저항 효과 소자와, 이것을 이용한 자기 저항 효과형 헤드 및 자기 기록 재생 장치, 예를 들면 하드 디스크 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 한 형태를 도시하는 단면도,
도 2는 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 다른 한 형태를 도시하는 단면도,
도 3은 비자성층의 막 두께의 증가에 따른 자성층 사이의 교환 상호 작용의변화의 일례를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 자기 저항 효과형 헤드의 한 형태를 도시하는 사시도,
도 5는 종래의 MR 소자를 이용한 자기 저항 효과형 헤드를 도시하는 사시도,
도 6은 본 발명의 자기 정보 기록 재생 장치의 한 형태의 평면도,
도 7은 본 발명의 자기 정보 기록 재생 장치의 한 형태의 단면도,
도 8은 실시예 1에서 제작한 소자의 단면도,
도 9는 실시예 2에서 제작한 소자의 단면도이다.
그래서, 본 발명은, 이른바 CPP-GMR(Current Perpendicular to the Plane) 소자를 이용하여, 자기 기록 밀도의 초고밀도화에 더욱 대응할 것을 제안한다. CPP-GMR 소자는, 종래의 GMR 소자가 막면 내에 전류를 흐르게 하는(CIP, Current in Plane) 것에 대해서, 막면 수직 방향으로 전류를 흐르게 하는 소자이다.
즉, 본 발명의 MR 소자는, 제1 자성층(자유층)과, 비자성층과, 상기 비자성층을 통해서 상기 제1 자성층에 적층된 제2 자성층(고정층)과, 상기 제2 자성층의 자화 회전을 억제하기 위한 자화 회전 억제층을 포함하고, 외부 자계에 의해서 상기 제1 자성층이 상기 제2 자성층보다도 용이하게 자화 회전하고, 센싱하기 위한 전류를 막면과 수직 방향으로 흐르게 하여 이용하는 자기 저항 효과 소자로, 상기 비자성층으로서 비저항이 4μΩ·㎝ 이상 200μΩ·㎝ 이하인 금속을 주성분으로 하는 박막을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 MR 소자는 소자 면적이 제한되어도 소자의 저항이 너무 높아지지 않는다. 따라서, 좁은 자기 갭에서도 큰 출력을 얻을 수 있다.
본 명세서에서, 「주성분」이란 80atom% 이상을 차지하는 성분을 말한다. 비저항이 상기 범위 내에 있는 금속은 비자성층의 95atom% 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 MR 소자와, 자기 실드를 갖는 MR 헤드도 제공한다. 이 자기 실드는 자기 기록 매체 이외로부터 MR 소자로 유입하는 외부 자계를 차폐하기 위해서 설치된다. 또한 본 발명은, 상기 MR 헤드와, MR 헤드에 의해 정보를 기록 또는 재생하기 위한 자기 기록 매체를 갖는 자기 기록 재생 장치도 제공한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 형태에서, MR 소자는, 하부 전극(5), 자화 회전 억제층(4), 고정층(3), 비자성층(2), 자유층(1), 상부 전극(6)이 순서대로 적층된 다층막을 갖는다. 이 소자에서는, 고정층(3)의 자화가 자화 회전 억제층(4)에 의한 교환 바이어스 자계에 의해 핀 고정되어 있다. 다른 한쪽의 강자성체인 자유층(1)은 비자성층(2)에 의해 고정층(3)으로부터 자기적으로 분리되어 있다. 이 때문에, 외부로부터의 자계에 의해서, 자유층의 자화는 고정층의 자화보다도 용이하게 회전한다.
일반적으로, 2개의 자성층의 자화 방향이 반평행인 경우는, 자성층/비자성층의 자계에서 전자가 산란되기 때문에, 소자의 저항은 높아진다. 이것에 대해서, 자화 방향이 맞추어져 있는 경우에는, 자계에서의 전자의 산란이 적기 때문에, 소자의 저항은 낮아진다. 따라서, 외부 자계에 따라 변화하는 고정층(3)과 자유층(1)에서의 자화의 각도의 상대적인 변화에 따라서, 막면에 수직인 방향에 대한 소자의 전기 저항이 변화한다. 이 전기 저항의 변화는, 전극(5, 6)의 사이에 전류를 흐르게 하면, 전기 신호의 변화로서 독취할 수 있다. 이와 같이, CPP-GMR 소자는 막면에 수직 방향으로 센싱을 위한 전류를 흐르게 하여 사용된다.
종래, CPP-GMR 소자에서의 비자성층으로서는, Cu, Ag 등이 검토되어져 왔다. 그러나, Cu, Ag 등 종래로부터 이용되어 왔던 금속 재료의 비저항은 2μΩ·㎝ 이하로, 수직으로 전류를 흐르게 하는 소자의 비자성층용 재료로서는 너무 작다. 막면에 수직으로 전류를 흐르게 하는 소자의 비자성층에 이용하는 재료는 4μΩ·㎝ 이상의 비저항을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 소자로부터 높은 MR비를 얻기 위해서는, 비자성층용 재료의 비저항은 어느 정도 낮은 것이 바람직하다. 비저항은, 구체적으로는 200μΩ·㎝ 이하, 더욱이 100μΩ·㎝ 이하가 바람직하다. 자성층용 재료로서 이용되는 Co, Fe의 비저항은 각각 5.6, 10.7μΩ·㎝ 정도이다. 비자성층용 재료는, 이 2배 정도까지, 즉 20μΩ·㎝ 이하의 비저항을 갖는 것이 특히 적합하다.
상기 수치로부터도 명확하지만, 본 명세서에서는, 비자성층에 이용하는 금속의 비저항을 벌크의 상태에 기초하여 기술한다. 자기 저항 효과 소자에 이용될 정도로 얇은 금속 박막은, 통상 동일 재료로 이루어지는 금속 벌크의 2배∼수배의 비저항을 갖지만, 이 값은 막 두께 등의 조건에 좌우된다. 따라서, 적절한 금속 재료를 명확하게 특정하기 위해서, 여기에서는 비저항을 벌크의 상태에 기초하여 기술한다.
비자성층(2)의 막 두께는, 비자성층을 통한 자유층(1)과 고정층(3) 사이의교환 상호 작용이 약해지는 범위, 특히 거의 0이 되는 범위가 바람직하다. 이 때문에, 비자성층의 막 두께는, 1.2㎚ 이상, 특히 2㎚ 이상이 적합하다. 한편, 전자의 스핀 확산 길이를 고려하면, MR비를 저하시키지 않기 위해서는, 비자성층의 막 두께는 20㎚ 이하, 특히 10㎚ 이하가 적합하다.
자성층 사이의 교환 상호 작용은, 비자성층의 막 두께의 증가와 함께, 강자성(자화가 평행하게 됨)과 반강자성(자화가 반평행하게 됨)의 사이를 왕복하면서 감쇠해 가는 경우가 있다. 전형적으로는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 교환 상호 작용에 의한 자성층 사이의 자기적 결합력(H coupling)은 비자성층의 막 두께(T)의 증가에 따라, 강자성적 결합과 반강자성적 결합의 사이를 변화하면서 서서히 감쇠해 간다. 이 경우는, 예를 들면, 비자성층의 막 두께가 상기 범위(1.2∼20㎚)에 있어도 자성층 사이의 교환 상호 작용이 너무 강해지는 경우가 있다. 따라서, 비자성층의 막 두께는, 간단히 상기 범위로 하지 않고, 요동하는 결합력 곡선이 도 3의 횡축(H coupling=0)과 교차하는 점 또는 그 근방으로 정하면 좋다.
구체적으로는, 자유층과 고정층 사이의 자기적 결합력(H coupling)이, 가장 반강자성적일 때의 자기적 결합력의 절대값의 20% 이하(｜H coupling｜≤0.2 ×｜-p｜), 바람직하게는 10% 이하의 절대값을 갖도록 비자성층의 막 두께를 정하는 것이 바람직하다. 이 막 두께는, 최대의 반강자성적 결합력의 절대값의 20%를 a로 하면 (0.2 ×｜-p｜=a), 도 3에 도시하는 바와 같이, 자기적 결합력이 -a 와 a 사이가 되는 범위이다. 또한, 여기에서는 편의상, 도 3에 도시한 바와 같이, 자기적 결합력을 강자성을 양, 반강자성을 음으로서 표시하고 있다.
실제의 인공 격자막에서는, 간접적인 교환 상호 작용뿐만 아니라, 거칠기에 의해 일어나는 강자성적인 결합(오렌지 필 효과 ; orange peel coupling)도 함께 고려하지 않으면 안된다. 따라서, 간접적인 교환 상호 작용은 0이거나 혹은 상기 조건을 만족하는 범위 내에서 반강자성적인 것이 보다 바람직하다.
비자성층의 면적은 0.01㎛2이하가 적합하다. 여기에서는, 센싱을 위한 전류(센스 전류)가 통과하는 면의 면적을 비자성층의 면적으로 한다. TMR에서는, 이 정도로 막의 면적이 제한되면 저항값이 너무 높아진다. 비자성층의 면적은, 보다 바람직하게는 0.008㎛2이하, 특히 바람직하게는 0.005㎛2이하이다. 면적의 하한에 특별히 제한은 없지만, 비자성층의 면적은 0.0001㎛2이상이 적합하다.
비자성층의 주성분을 구성하는 금속은, 금속 단체(單體)이어도 합금이어도 상관없다. 비자성층은, Be, Bi, Cr, Hf, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Os, Pd, Pt, Re, Ru, Rh, Sb, Se, Ta, Th, Ti, Tl, V, W, Y 및 Zr로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하고 있어도 좋다. 또, 여기에 예시한 금속간의, 혹은 예시한 금속과 그외의 금속의 합금을 이용해도 좋다.
특히 바람직한 비자성용의 금속 재료는 Cr이다. Cr은, 비저항이 12.8μΩ·㎝로 높고, Fe/Cr 다층막은 큰 자기 저항 변화를 나타낸다. 따라서, 비자성층이 Cr을 주성분으로 하는 경우, 자성층은 Fe를 포함하는 것이 바람직하다. Cr을 주성분으로 하는 비자성층을 이용하는 경우에는, 자유층 및 고정층으로부터 선택되는 적어도 한쪽이 1층 또는 2층 이상의 자성막으로 이루어지고, 적어도 비자성층과 접하는 자성막이 Fe를 주성분으로 하면 더욱 좋다.
도 1에 도시한 소자에서는 2층 구조의 자성층을 이용하고 있다. 다수층의 자성층을 이용하면, 비자성층의 재료와의 바람직한 조합을 실현하면서 다른 특성, 예를 들면 자성층의 연자성도 배려한 구성이 가능하게 된다.
비자성층(2)이 Cr을 주성분으로 하는 경우, 자유층(1)에서는, 계면 자성층(102)으로서 Fe막을 이용하고, 자성층(101)으로서, Fe보다도 연자성인 재료로 이루어지는 막, 예를 들면 Ni-Fe막, Ni-Fe-Co막을 이용하면 좋다. 또, 고정층(3)도, 계면 자성층(301)으로서 Fe막을 이용하고, 자화 회전 억제층(4)에 의한 자화 회전 억제 효과를 보강하기 위해서, 자성층(302)으로서, Co, Co-Fe, Ni-Fe, Ni-Fe-Co막 등의 자성막을 이용해도 좋다.
바람직한 비자성층용 금속 재료의 다른 예는 Ir, Ru 및 Rh이다. 비자성층이 Ir, Ru 및 Rh로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 경우, 자성층은 Fe, Co 및 Ni 또는 이들의 합금을 포함하는 것이 바람직하다. Ir, Ru 및 Rh로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 비자성층을 이용하는 경우에는, 자유층 및 고정층으로부터 선택되는 적어도 한쪽이 1층 또는 2층 이상의 자성막으로 이루어지고, 적어도 비자성층과 접하는 자성막이 Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하면 더욱 좋다.
고정층(3)으로서, 비자성층을 통해서 반강자성적으로 결합한 1쌍의 강자성막, 이른바 적층 페리형의 고정층을 이용해도 좋다. 이것에 의해, 고정층의 자화의 핀 고정 효과가 증가한다. 또, 고정층의 자화가 일부 캔슬되어 고정층으로부터자유층으로 누설되는 자속이 작아지기 때문에, 누설 자계를 조정할 수 있다. 이 경우, 각 강자성층의 막 두께는 1∼3㎚이 적당하다. 강자성층 사이에 개재되는 비자성층으로서는 Ru, Ir 등이 적당하다. 이 비자성층의 막 두께는 0.3∼1.2㎚이 좋다.
자화 회전 억제층(4)으로서는, PtMn, NiMn, PdPtMn, CrMn, FeMn 등을 이용할 수 있다. 전극(5, 6)의 재료에도 특별히 제한은 없고, 종래로부터 이용되고 있는 Cu 등을 이용하면 좋다.
도 1에서는 도시를 생략하였지만, 상기 각 박막을 형성하기 위한 기판으로서는, 글라스, MgO, Si, Al2O3-TiC 기판 등 표면이 평활한 것을 이용하면 좋다. MR 헤드를 제작하는 경우에는 Al2O3-TiC 기판이 적합하다.
기판과 상기 각 박막의 사이에는, 용도에 따라서 또한 자기 실드 등이 적절히 형성된다. 또, 자화 회전 억제층의 특성을 개선하는 등의 목적으로 기판과 자기 회전 억제층의 사이에 하지층을 개재하여도 된다. 하지층으로서는, Ta, NiFe, NiFeCr 합금 또는 이들의 적층막 등을 사용할 수 있다. 하지층의 막 두께는 1∼10㎚ 정도가 적당하다.
도 1에 도시한 다층막은, 도시 아래쪽으로부터 적층하는 것이 아니라, 상하를 역으로 하여 도시 위쪽으로부터(자유층(1)측으로부터) 순서대로 적층해도 좋다. 각 층의 막 형성 방법은 특별히 제한되지 않지만, 스퍼터링법이 적합하다. 스퍼터링법으로서는, DC 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, 이온빔 스퍼터링법 등 중 어느 하나의 방법을 이용해도 좋다.
고정층을 자유층의 양측에 이용한 구성을 채용한 소자에도 본 발명은 적용할 수 있다. 이 소자는, 예를 들면 도 2에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(5), 자화 회전 억제층(4), 고정층(3), 비자성층(2), 자유층(1), 비자성층(2), 고정층(3), 자화 회전 억제층(4), 상부 전극(6)을 이 순서대로 적층함으로써 형성할 수 있다. 이 경우에도, 비자성층(2)에 접하는 자유층(1)(고정층(3))에 계면 자성층(102)(301)을 설치해도 좋다.
이상 설명한 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 이용한 MR 헤드의 예를 도 4에 도시한다.
MR 소자(100)는 상부 자기 실드(공통 실드)(13) 및 하부 자기 실드(16)에 의해서 끼워져 있다. 이들 자기 실드는 매체 이외로부터의 외부 자계가 소자에 영향을 주지 않도록 설치되어 있다. 실드 재료로서는, Ni-Fe, Fe-Al-Si, Co-Nb-Zr 합금 등의 연자성막이 적합하다. 이 헤드에서는 자기 실드(13, 16)가 소자에 전류를 흐르게 하기 위한 전극으로서도 기능한다. 양 전극 사이에는 MR 소자부를 제외하고 절연막(18)이 배치되어 있다. 도시한 바와 같이, MR 소자와 실드의 사이에는 도전성 스페이서(20)를 개재하여도 된다. 이 헤드에서는, MR 소자(100)와 도전성 스페이서(20)가 재생 갭(17)을 구성한다.
공통 실드(13) 상에는 또한 기록 갭을 구성하는 비자성층(14)과 상부 코어(12)가 순서대로 적층된다. 이들 부재는 코일(11)과 함께 기록 헤드를 구성한다.
CIP-GMR 소자를 이용한 자기 헤드에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, MR 소자(200)와 자기 실드(13, 16)의 사이에 절연막(18)이 실드 갭재로서 개재된다. 이 MR 소자에는, 전극(19)의 사이를 흐르는 센스 전류가 막면 방향으로 흐르기 때문에, 절연막(18)에 의해 실드 부재와의 사이를 전기적으로 절연할 필요가 있다.
도 4에 도시한 MR 헤드에서는, 도전성 스페이서(20)는 필수가 아니다. 이 때문에, 재생 갭(17)을 더욱 협소화할 필요가 있으면, 스페이서를 박막화하거나 제거하면 된다. 그러나, 도 5에 도시한 MR 헤드에서는 전기적 절연을 확보하기 위해서 절연막(18)에는 일정 이상의 막 두께가 요구된다. 이 때문에, 재생 갭(17)의 협소화에는 한계가 있다. 이와 같이, 본 발명의 MR 헤드는 자기 갭 협소화의 점에서 유리하다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 이 MR 헤드를 이용한 하드 디스크 장치(110)는, MR 헤드를 유지하는 슬라이더(120), 슬라이더를 지지하는 헤드 지지 기구(130), 헤드 지지 기구를 통해서 MR 헤드를 트랙킹하는 액츄에이터(114), 디스크(116)를 회전 구동하는 디스크 구동 모터(112)를 구비하고 있다. 헤드 지지 기구(130)는 아암(122)과 서스펜션(124)을 갖는다.
디스크 구동 모터(112)는 디스크(116)를 소정의 속도로 회전 구동한다. 액츄에이터(114)는, MR 헤드가 디스크(116)의 소정의 데이터 트랙에 액세스할 수 있도록, MR 헤드를 유지하는 슬라이더(120)를 디스크(116)의 직경 방향으로 이동시킨다. 액츄에이터(114)는 예를 들면 직선식 또는 회전식의 보이스 코일 모터이다.
MR 헤드를 유지하는 슬라이더(120)는 예를 들면 공기 베어링 슬라이더이다.이 경우, 슬라이더(120)는 하드 디스크 장치(110)의 기동 ·정지 동작시에는 디스크(116)의 표면과 접촉한다. 하드 디스크 장치(110)의 기록 재생 동작시에는 슬라이더(120)는 회전하는 디스크(116)와 슬라이더(120) 사이에서 형성되는 공기 베어링에 의해 디스크(116)의 표면 상에 유지된다. 슬라이더(120)에 유지된 MR 헤드는 디스크(116)에 정보를 기록 재생한다.
실시예
(실시예 1)
다원 스퍼터링 장치를 이용하여 도 8에 도시한 구성의 자기 저항 효과 소자를 제작하였다. 기판(7)에는 Si를 이용하고, 하부 전극(5)(하지층을 겸함)으로서 Cu막, 자화 회전 억제층(4)으로서 Pt-Mn막, 고정 자성층(302)으로서 Co-Fe막, 계면 자성층(301, 102)으로서 Fe막, 비자성층(2)으로서 Cr막, 연자성층(101)으로서 Ni-Fe막, 상부 전극(6)으로서 Cu막을 형성하였다. 스퍼터링법은, 진공 챔버 내를 1×10-8Torr 이하까지 배기한 후, Ar 가스를 약 0.8mTorr가 되도록 흐르게 하면서 행하였다.
이렇게 해서 제작한 소자의 막 구성을 막 두께와 함께 이하에 도시한다(막 두께의 단위는 ㎚ ; 이하, 동일)
·소자 A : 기판/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/Fe(2)/
Cr(2)/Fe(1)/NiFe(10)/Cu
또한, 비자성층으로서 Cr을 이용한 경우의 교환 상호 작용에 의한 자기적 결합은 도 3에 예시한 바와 같이 강자성적 결합과 반강자성적 결합의 사이를 요동하면서 감쇠해 가는 것이 알려져 있다. Cr막의 막 두께가 2㎚일 때에는 자기적 결합은 0에 가깝게 된다.
비교를 위해서, 비자성층으로서 Cu를 이용하여 상기와 동일한 방법에 의해 소자를 제작하였다. 단, 이 경우, 계면에 Fe층을 삽입하면 MR비가 크게 저하하기 때문에, 계면 자성층을 삽입하지 않고, 그 대신에 고정층 및 자유층을 두껍게 하였다. 이 소자의 막 구성을 이하에 나타낸다.
·소자 B : 기판/Cu(500)/Pt0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2)/NiFe(11)/Cu
이들 MR 소자를 막 형성 장치로부터 취출하여, 1 ×10-5Torr 이하의 진공 중에서, 5kOe의 자계를 인가하면서, 250℃의 온도로 5시간 유지하는 열처리를 실시하였다. 이어서, 전자선 노광기를 이용하여, 소자 부분이 0.1 ×0.1㎛2가 되도록 패터닝하여, 전극을 취출하도록 가공하였다. 계속해서, 소자의 MR 특성을, 실온에서 최고 400㎄/m의 자계를 인가하고, 동일 크기의 전류를 흐르게 하여 직류 4단자법으로 평가하였다. 결과를 이하에 나타낸다. 또한, 저항 변화량은 시료 B를 기준으로 하여 상대값으로 나타낸다.
(표 1)
소자 MR비(%) 저항 변화
A 55 10
B 48 1
소자 A는, 종래의 소자 B와 비교하여, MR비에서는 큰 차이는 없지만, 출력에 직결하는 저항 변화량에서는 큰 차이가 있다.
다음에, 소자 A, B를 이용하여, 도 4에 도시한 MR 헤드를 구성하여, 특성을 평가하였다. 기판으로서는 Al2O3-TiC 기판을, 자기 실드에는 Ni0.8Fe0.2합금을, 절연막에는 Al2O3를 각각 이용하였다.
이 헤드의 전극(자기 실드) 사이에, 센스 전류로서 직류 전류를 흐르게 하면서, 약 3㎄/m의 교류 신호 자계를 인가하여 양 헤드의 출력을 평가하였다. 결과를 이하에 나타낸다. 여기에서도, 소자 B를 이용한 MR 헤드의 출력을 기준으로 하였다.
(표 2)
소자 상대 출력
A +6
B 0
소자 A를 이용한 MR 헤드에서는 종래의 소자 B를 이용한 MR 헤드에서보다도큰 출력이 얻어졌다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하게 하여, 도 9에 도시한 구조의 MR 소자를 제작하였다. 단, 고정층(3)은 1층으로서 나타내고 있지만, CoFe/Ru/CoFe의 적층 페리형의 고정층을 이용하였다. 기판(7)으로서는 글라스 기판, 하부 전극(5) 및 상부 전극(6)으로서 Cu막, 자화 회전 억제층(4)으로서 Ni-Mn 합금막, 비자성층(2)으로서는 Ru막, 자유층(1)으로서 Co0.9Fe0.1합금을 각각 이용하였다. 계면 자성층은 형성하고 있지 않다. 이 소자의 막구성을 이하에 나타낸다.
·소자 C : 기판/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ru(2.5)/
Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
또한, Ta막은 자화 회전 억제층의 특성을 개선하기 위한 하지막이다. 동일하게 하여, 비자성층으로서 Ir 및 Rh를 이용한 막도 제작하였다.
·소자 D : 기판/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Ir(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Ir(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
·소자 E : 기판/Cu(500)/Ta(3)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/
Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(3)/Rh(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Rh(2.5)/
Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
또한, 비자성층으로서 Ru, Rh 또는 Ir을 이용한 경우의 교환 상호 작용에 의한 자기적 결합도, Cr과 동일하게, 비자성막의 증가에 따라, 강자성적 결합과 반강자성적 결합의 사이를 요동하면서 감쇠해 간다. 이 자기적 결합은, 상기 Ru 등의 막 두께가 2.5㎚일 때에는, 교환 상호 작용의 충분한 감쇠에 의해, Cr막을 이용한 경우(실시예 1)와 동일하게, ｜H coupling｜≤0.2 ×｜p｜의 관계가 만족되고 있다.
비교를 위해서 비자성층에 Cu를 이용한 막도 동일하게 제작하였다.
·소자 F : 기판/Cu(500)/Ni0.5Mn0.5(30)/Co0.9Fe0.1(2)/ Ru(0.7)/
Co0.9Fe0.1(3)/Cu(2.5)/Co0.9Fe0.1(2)/Cu(2.5)/Co0.9Fe0.1(3)/Ru(0.7)
/Co0.9Fe0.1(2)/Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
이렇게 해서 제작한 MR 소자를 열처리하고, 패터닝한 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 막면 수직 방향으로 전류를 흐르게 하여 MR 효과를 측정하였다. 결과를 표 3에 나타낸다. 저항 변화량은 소자 F를 기준으로 한 상대값으로 나타낸다.
(표 3)
소자 MR비(%) 저항 변화
C 41 4
D 55 7
E 39 5
F 58 1
표 3으로부터, 소자 D∼E에 의하면, 종래의 소자 F에 비해서 저항 변화량이 크고, 큰 출력이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 MR 소자에 의하면, 좁은 갭에 대응하면서도 큰 출력을 확보할 수 있다. 따라서, 이 MR 소자를 이용한 자기 저항 헤드나 자기 정보 기록 재생 장치는 고밀도 기록에 대응할 수 있는 기기가 된다.

Claims (12)

  1. 제1 자성층과, 비자성층과, 상기 비자성층을 통해서 상기 제1 자성층에 적층된 제2 자성층과, 상기 제2 자성층의 자화 회전을 억제하기 위한 자화 회전 억제층을 포함하고, 외부 자계에 의해서 상기 제1 자성층이 상기 제2 자성층보다도 용이하게 자화 회전하고, 센싱하기 위한 전류를 막면과 수직 방향으로 흐르게 하여 이용하는 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 비자성층으로서, 비저항이 4μΩ·㎝ 이상 200μΩ·㎝ 이하인 금속을 주성분으로 하는 박막을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서, 비자성층이, Be, Bi, Cr, Hf, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Os, Pd, Pt, Re, Ru, Rh, Sb, Se, Ta, Th, Ti, Tl, V, W, Y 및 Zr로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것인 자기 저항 효과 소자.
  3. 제1항에 있어서, 비자성층이 1.2㎚ 이상의 막 두께를 갖는 것인 자기 저항 효과 소자.
  4. 제3항에 있어서, 비자성층이 20㎚ 이하의 막 두께를 갖는 것인 자기 저항 효과 소자.
  5. 제1항에 있어서, 비자성층의 막 두께의 증가에 따라 강자성적 결합과 반강자성적 결합의 사이를 변화하면서 감쇠하는 제1 자성층과 제2 자성층 사이의 자기적 결합이, 가장 반강자성적일 때의 자기적 결합력의 절대값의 20% 이하의 절대값을 갖도록, 비자성층의 막 두께를 정한 것인 자기 저항 효과 소자.
  6. 제1항에 있어서, 비자성층의 면적이 0.01㎛2이하인 것인 자기 저항 효과 소자.
  7. 제1항에 있어서, 비자성층이 Cr을 주성분으로 하는 것인 자기 저항 효과 소자.
  8. 제7항에 있어서, 제1 자성층 및 제2 자성층으로부터 선택되는 적어도 한쪽이 1층 또는 2층 이상의 자성막으로 이루어지고, 적어도 비자성층과 접하는 자성막이 Fe를 주성분으로 하는 것인 자기 저항 효과 소자.
  9. 제1항에 있어서, 비자성층이, Ir, Ru 및 Rh로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 것인 자기 저항 효과 소자.
  10. 제9항에 있어서, 제1 자성층 및 제2 자성층으로부터 선택되는 적어도 한쪽이 1층 또는 2층 이상의 자성막으로 이루어지고, 적어도 비자성층과 접하는 자성막이Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 것인 자기 저항 효과 소자.
  11. 제1항에 기재된 자기 저항 효과 소자와, 자기 실드를 갖는 것인 자기 저항 효과형 헤드.
  12. 제11항에 기재된 자기 저항 효과형 헤드와, 상기 자기 저항 효과형 헤드에 의해 정보를 기록 또는 재생하기 위한 자기 기록 매체를 갖는 것인 자기 기록 재생 장치.
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