KR20030073600A

KR20030073600A - 스핀밸브형 자기저항소자

Info

Publication number: KR20030073600A
Application number: KR1020020013249A
Authority: KR
Inventors: 이성래; 조호건
Original assignee: 학교법인고려중앙학원
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-19
Also published as: US20030174447A1

Abstract

본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항소자는 기판과, 상기 기판위에 적층된 하지층과, 상기 하지층위에 배치된 센서부를 포함하며, 상기 센서부는, 자장의 인가에 의해 자화방향이 변경 가능한 제1강자성층과, 자화방향이 고정된 제2강자성층과, 상기 제1강자성층과 제2강자성층 사이에 배치된 비자성의 스페이서층과, 상기 제2강자성층에 인접되게 배치되어 상기 제2강자성층의 자화방향을 고정시키는 반강자성층을 포함하여 구성되며, 상기 하지층은 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어진 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항소자는, 고온으로 가열되는 경우에도 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성이 크게 저하되지 않음은 물론 오히려 그러한 주요특성이 향상될 수 있어서 우수한 열적 안정성을 가지게 된다는 효과가 있다.

Description

스핀밸브형 자기저항소자{Spin valve type magnetoresistive element}

본 발명은 스핀밸브형 자기저항소자에 관한 것으로서 특히, 고온으로 가열되는 경우에도 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성이 크게 저하되는 것이 효과적으로 억제될 수 있는 구조를 가지는 스핀밸브형 자기저항소자에 관한 것이다.

예컨대, 하드디스크 등의 자기기록매체에 저장된 자기정보를 읽어들이기 위한 자기센서에는 스핀밸브형 자기저항소자가 널리 채용되고 있다. 이 스핀밸브형 자기저항소자는, 잘 알려진 바와 같이, 인접된 강자성층들간의 상대적 자화방향의 차에 의한 전도전자의 산란의 차이로 인해 변화하는 자기저항을 이용하여 자기기록매체로부터 자기정보를 읽어들이는 것으로서, 이미 여러종류의 것들이 널리 알려져있다.

이러한 스핀밸브형 자기저항소자의 일례를 도 1에 개략적으로 도시하였다. 이 스핀밸브형 자기저항소자(9)는, 반도체웨이퍼 등의 기판(1) 위에 하지층(2), 제1강자성층(3), 스페이서층(4), 제2강자성층(5), 반강자성층(6), 상지층(7)이 순차적으로 형성되어 있는 구조를 가진다. 상기 하지층(2)은 탄탈륨(Ta)에 의해 이루어진 것이다. 상기 제1강자성층(3)은 CoFe합금 등의 강자성물질에 의해 형성된 층으로서, 자유층이라고도 불리우며, 인가되는 자장에 의해 자화방향이 변화될 수 있다. 상기 스페이서층(4)은 Cu 등의 비자성체에 의해 이루어지며 상기 제1강자성층(3)을 제2강자성층(5)과 분리시키는 기능을 행한다. 제2강자성층(5)은 CoFe합금 등의 강자성물질에 의해 형성되며 고정층이라고도 불리운다. 상기 반강자성층(6)은 주로, Mn을 포함하는 합금 예컨대 IrMn합금, FeMn합금, NiMn합금 등에 의해 이루어지는 것으로서, 상기 제2강자성층(5)의 자화방향을 고정시키는 기능을 행한다. 이 반강자성층(6)은, 상기 제1강자성층(3)과 스페이서층(4)과 제2강자성층(5)과 더불어, 자기정보를 읽어들이기 위한 센서부를 이룬다. 상기 상지층은 그 하측에 배치된 층들을 보호하는 기능을 행하는 층이며 Ta 소재에 의해 이루어져 있다.

이러한 구조의 스핀밸브형 자기저항소자(9)에 자장이 인가되면, 제2강자성층(5)의 자화방향에 대한 제1강자성층(3)의 자화방향이 변화된다. 그 결과, 제1강자성층(3)과 제2강자성층(5) 사이의 자기저항이 변화하게 되며, 그 자기저항의 변화를 통해, 자기기록매체에 저장되어 있는 자기정보가 감지될 수 있게 된다. 이처럼, 제1강자성층(3)과 제2강자성층(5) 사이의 자기저항의 변화에 의해 자기기록매체의 자기정보가 감지되도록 되어 있으므로, 자기저항소자의 사용시에 자기저항비(MR비; 최소자기저항에 대한 자기저항 변화량) 및 교환결합력(H_ex; 반강자성층이 제2강자성층의 자화방향을 고정시키는 힘)이 안정되게 유지될 필요가 있다.

한편 상기 자기저항소자에는, 하드디스크드라이브용 자기헤드 등과 같은 자기센서의 제조과정에서 그리고 그 사용중에, 고온의 열이 가해지게 된다. 예컨대, 사용중에는 사용전류에 의해 통상적으로 150℃ 정도까지 가열되게 되며 순간적으로 과열되는 경우에는 그 이상의 온도에 이르기도 한다. 또한, 상기 자기센서의 제조과정에서는 사용중에 가해지는 온도보다 더 높은 온도의 열이 가해지게 된다. 이처럼 자기저항소자가 가열되게 되면, 각 층의 원자들의 운동이 활발해지게 되어 인접된 층들 사이에서의 원자들의 상호확산(interdiffusion)이나 상호섞임(intermixing)이 발생하게 된다. 그러한 상호확산이나 상호섞임은, 잘 알려진 바와 같이, 자기저항소자의 상기 각 층의 계면의 거칠기와 결정립의 크기 등에 의해 크게 영향을 받게 되며, 그 상호확산이나 상호섞임에 의해 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성이 저하되게 된다.

그런데 상술한 바와 같은 종래 구성의 자기저항소자(9)는 고온으로 가열될 때 상술한 바와 같은 상호확산 및 상호섞임이 매우 활발하게 진행되어 상기 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성치의 감소량이 매우 커지게 되므로, 사용중에 자기정보를 정확하게 감지하지 못하는 경우가 발생된다. 특히, 고밀도의 자기기록매체의 경우에는 그 자기기록매체로부터 인가되는 자장이 작아지게 되므로, 상술한 바와 같은 문제점이 더욱 심해지게 된다.

따라서, 고온으로 가열되더라도 자기저항비나 교환결합력이 크게 저하되는 것이 방지될 수 있는 구조의 자기저항소자의 개발이 요구되며, 이와 관련된 연구가 계속적으로 활발하게 진행되고는 있으나, 현재까지는 그다지 만족할 만한 결과가 나오지 않고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 고온으로 가열되더라도 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성치이 크게 저하되는 것이 효과적으로 억제될 수 있도록 개선된 구조를 가지는 스핀밸브형 자기저항소자를 제공함에 목적이 있다.

도 1은 종래 스핀밸브형 자기저항소자의 일례의 개략적 구조도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀밸브형 자기저항소자의 개략적 구조도이다.

도 3a는 종래 구성의 자기저항소자에서의 하지층의 표면상태를 이미지화하여 나타낸 도면이다.

도 3b는 본 발명에 따른 자기저항소자에서의 하지층의 표면상태를 이미지화하여 나타낸 도면이다.

도 4a는 종래 구성의 자기저항소자에서의 각 층의 조직을 이미지화하여 나타낸 도면이다.

도 4b는 본 발명에 따른 자기저항소자에서의 각 층의 조직을 이미지화하여 나타낸 도면이다.

도 5는 종래 구성의 자기저항소자를 300℃로 열처리한 후 측정한 자기저항비와 교환결합력을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 자기저항소자를 300℃로 열처리한 후 측정한 자기저항비와 교환결합력을 나타낸 그래프이다.

도 7은 종래 구성의 자기저항소자 및 본 발명에 따른 구성의 자기저항소자각각에 있어서의 열처리 전의 자기저항비 및 교환결합력에 대한 다양한 열처리 후의 자기저항비 및 교환결합력의 증감비율을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 자기저항소자에서 다양한 두께의 상지층에 의한 효과를 설명하기 위한 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...기판 3...제1강자성층

4...스페이서층 5...제2강자성층

6...반강자성층 10...하지층

20...상지층 100...자기저항소자

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항소자는 기판과, 상기 기판위에 적층된 하지층과, 상기 하지층위에 배치된 센서부를 포함하며, 상기 센서부는, 자장의 인가에 의해 자화방향이 변경 가능한 제1강자성층과, 자화방향이 고정된 제2강자성층과, 상기 제1강자성층과 제2강자성층 사이에 배치된 비자성의 스페이서층과, 상기 제2강자성층에 인접되게 배치되어 상기 제2강자성층의 자화방향을 고정시키는 반강자성층을 포함하여 구성된 것에 있어서, 상기 하지층은 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어진 점에 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀밸브형 자기저항소자의 개략적 구조도이다. 도 2에 도시된 실시예의 자기저항소자(100)는, 도 1에 도시된 종래 자기저항소자(9)와 마찬가지로, 기판(1) 위에 순차적으로 증착된 하지층(10), 제1강자성층(3), 스페이서층(4), 제2강자성층(5), 반강자성층(6) 및 상지층(20)을 구비하고 있다. 상기 제1강자성층(3)과, 스페이서층(4)과, 제2강자성층(5)과, 반강자성층(6)은 자기기록매체로부터 자기정보를 읽어들이기 위한 센서부에 포함된다. 상기 각 층(10,3,4,5,6,20)의 기본적인 기능에 대해서는, 도 1을 참조하면서 설명한 종래 구성의 자기저항소자(9)에서의 각 층(2,3,4,5,6,7)의 기본적인 기능과 다를 바 없으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 1을 참조하면서 설명한 종래 자기저항소자(9)가 Ta 소재의 하지층(2)을 구비하고 있는 것과는 달리, 본 실시예의 자기저항소자(100)에 있어서는 하지층(10)이 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어져서 본 발명의 특징을 이루고 있다. 여기서, 상기 상지층(20)도 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어지며, 반강자성층(6)은 예컨대 IrMn합금 또는 FeMn합금 또는 NiMn합금 등과 같이 Mn을 포함하는 합금에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 가지는 자기저항소(100)자 있어서는, 상기 하지층(10)이 대략 500℃정도 이상의 매우 높은 온도에서 결정화되는 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어지므로, 하지층(10) 자체가 열적으로 안정되어 있을 뿐만 아니라, 그 하지층(10) 위에 순차적으로 증착되는 층들은 미세하고 치밀한 조직을 가지게 된다. 또한, 비정질 CoNbZr합금에 의해 형성된 하지층(10)은, Ta에 의해 형성된 하지층에 비하여, 매우 평활한 표면을 가지게 되므로 그 위에 증착되는 각 층의 계면도 평활한 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 자기저항소자(100)에 고온의 열이 가해지더라도 각 층의 계면에서의 원자들의 상호확산이나 상호섞임이 억제되게 된다. 그 결과, 각 층의 자기적 특성이 악하되는 것이 억제되게 되므로, 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성치가 크게 저하되지 않게 된다.

이러한 결과는 본 발명자에 의한 다양한 실험을 통해서도 확인되었는데, 이하 그 실험 결과를 기초로 하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하면서 설명한 바와 같은 Ta소재의 하지층(2)과 상지층(7)을 가지는 종래 구성의 자기저항소자(9)의 시편(이하 "제1시편"이라 함)과, 도 2를 참조하면서 설명한 바와 같은 비정질 CoNbZr합금 소재의 하지층(10)과 상지층(20)을 가지는 자기저항소자의 시편(이하, "제2시편"이라 함)을 각각 다수개씩 제작하였다.

상기 각 시편의 제작을 위한 스퍼터링 장치로서는 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하였으며, 상기 기판(1)으로는 표면에 대략 2000Å의 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 그리고, 상기 제1강자성층(3) 및 제2강자성층(5) 증착용의 타겟은 Co₉₀Fe₁₀, 상기 스페이서층(4) 증착용의 타겟은 Cu, 반강자성층(6) 증착용의 타겟은 Ir₂₁Mn₇₉을 사용하였다. 그리고, 상기 제1시편의 하지층(2) 및 상지층(7) 증착용 타겟은 Ta를 사용하였고, 제2시편의 하지층(10) 및 상지층(20) 증착용 타겟은 비정질 Co_85.5Nb₈Zr_6.5을 사용하였다. 상기 각 타겟의 순도는 모두 99.95% 이상으로 하였으며, 스퍼터링 가스로는 순도 99.9999% 이상의 Ar가스를 사용하였다. 그리고, 증착전의 초기 진공도는 5×10^-7Torr 이하, 증착용 전력은 50∼130W, 각 층들의 이방화를 위해 500 Oe 정도의 자계를 인가하였다. 상기 각 시편에서의 제1강자성체층(3)과 제2강자성층(5)의 두께는 3nm 정도, 스페이서층(4)의 두께는 2.5nm 정도, 반강자성층(6)의 두께는 7.5nm 정도로 하였다. 한편, 제1시편에서의 Ta소재의 하지층(2)과 상지층(7)의 두께는 각각 5nm 정도로 하였으며, 제2시편에서의 비정질 CoNbZr합금 소재의 하지층(10)과 상지층(20)의 두께는 각각 2nm 정도로 하였다.

상술한 바와 같이 하여 제작된 제1시편과 제2시편에 있어서, 각각의 하지층(2, 10)의 표면을 측정한 결과, 제1시편에서의 하지층(2)의 표면은 도 3a에 도시된 바와 같이 거칠고 조대하였으나, 제2시편에서의 하지층(10)의 표면은 도 3b에 도시된 바와 같이 제1시편의 하지층(2)의 표면보다 매끄럽고 평활하였다. 그 결과, 제2시편에서의 하지층(10) 위에 적층된 층들 각각의 표면거칠기(각 표면에서 가장 돌출되어 있는 부분과 가장 몰입되어 있는 부분 사이의 최대 높이차)는 제1시편에서의 하지층(2) 위에 적층된 층들 각각의 표면거칠기보다 현저히 작을 것이라는 점이 쉽게 예상되며, 이는 본 발명자에 의해 행해진 상기 제1,2시편의 각 층에 대한 표면거칠기 측정결과에 의해서도 확인되었으며, 그 측정결과를 아래의 표 1에 나타내었다. 아래의 표 1에서의 수치들의 단위는 Å이다.

	하지층	제1강자성층	스페이서층	제2강자성층	반강자성층	상지층
제1시편	0.432	0.226	0.227	0.250	0.264	0.251
제2시편	0.07	0.095	0.17	0.12	0.15	0.16

또한, 본 발명자는 상기 제1시편과 제2시편에서 각 층의 조직의 구조를 확인하였는데, 결정질의 Ta 소재의 하지층(2) 위에 적층된 층들은 도 4a에 도시된 바와 같이 원자들의 확산이동이 비교적 자유로운 주상정구조를 가지며, 비정질의 CoNbZr합금 소재의 하지층(10) 위에 적층된 층들은 도 4b에 도시된 바와 같이 원자들의 확산이동이 쉽지 않은 미세하고 치밀한 조직을 가짐을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 제1시편과 제2시편에 대하여 본 발명자는 다양한 열처리실험을 행하였다.

먼저, 여러개의 제1시편들 각각을 300℃의 온도로 서로 다른 시간동안 열처리를 행한 후 그 각각의 제1시편에 대해 상온에서 자기저항비와 교환결합력을 측정하였으며, 마찬가지로, 여러개의 제2시편들 각각을 300℃의 온도로 서로 다른 시간동안 열처리를 행한 후 그 각각의 제2시편에 대해 상온에서 자기저항비와 교환결합력을 측정하였다. 상기의 측정결과들 중 제1시편들에 대한 측정결과를 도 5에 나타내었으며, 제2시편들에 대한 측정결과를 도 6에 나타내었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1시편들 중 열처리가 행해지지 않은 제1시편의 경우(열처리시간이 0인 제1시편의 경우)는, 자기저항비가 대략 7% 정도이고 교환결합력이 대략 400 Oe 정도였다. 그리고, 10분간 열처리된 제1시편의 경우, 자기저항비는 열처리를 하지 않은 제1시편의 자기저항비보다 약간 큰 8% 정도였으며, 교환결합력은 열처리를 하지 않은 제1시편의 교환결합력보다 대폭 감소된 대략 260 Oe 정도였다. 그리고, 20분 이상 열처리된 제1시편들의 경우, 열처리시간이 긴 시편일수록 자기저항비가 감소하였으며 240분간 열처리된 제1시편의 자기저항비는 대략 2% 정도에 불과하였다. 이와 같이 자기저항비가 대폭 감소되는 이유는, 주로, 상기 각 층들 사이에서의 원자들의 상호확산 및 상호섞임 때문이며, 부가적으로 반강자성층(6)의 Mn이 제2강자성층(5)측으로 확산되어 계면의 자기특성을 악화시키기 때문이다. 또한, 20분 이상 열처리된 제1시편들 각각의 교환결합력은 모두 상기 10분간 열처리된 제1시편의 교환결합력보다 작았다. 한편, 도 5에서, 상기 10분간 열처리된 제1시편의 자기저항비가 열처리하지 않은 제1시편의 자기저항비보다 오히려 커진 현상은, 제1시편의 제조과정에서 그 제1시편의 각 층에 남아있던 스트레스나 결함이 짧은시간동안의 열처리를 통해 제거되어 각 층의 계면에서의 화학적 안정성이 향상됨에 따른 현상이다.

제2시편들의 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 열처리가 행해지지 않은 제2시편(열처리시간이 0인 제2시편)의 자기저항비와 교환결합력은, 각각 대략 3.7% 정도 및 , 300 Oe 정도로서, 열처리가 행해지지 않은 상태의 제1시편의 자기저항비나 교환결합력보다는 낮았다. 그러나, 열처리된 제2시편들은 상기 열처리되지 않은 제2시편에 비하여 오히려 대폭 향상된 자기저항비(대략 4.7% 이상, 240시간 열처리한 경우에는 5.6% 정도)와 교환결합력(대략 330 Oe 이상, 240시간 열처리한 경우 450 Oe 정도)을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 열처리된 제2시편들은 열처리된 제1시편들의 교환결합력보다 큰 교환결합력을 가질 뿐만 아니라, 전체적으로 볼 때 오랜시간 열처리된 것일수록 큰 교환결합력을 가지는 것으로 나타났다. 그리고, 자기저항비의 경우에는, 제1시편들이 오래 열처리될수록 자기저항비가 감소되던 것과는 달리, 제2시편들은 대략 60∼120분 정도 열처리된 경우를 제외하고는 모두 대략 5% 이상의 안정된 자기저항비를 가지는 것으로 나타났다. 도 6에서, 10분간 열처리된 제2시편의 자기저항비가 열처리하지 않은 제2시편의 자기저항비보다 커지는 현상이 나타나는 이유는, 10분간 열처리된 제1시편의 자기저항비가 열처리하지 않은 제1시편의 자기저항비보다 커지는 이유와 같다. 한편, 5분∼90분간 열처리된 제2시편들 각각의 자기저항비는 열처리시간이 길어질수록 감소되었는데, 이는 초기의 고온에 의해 각 층의 원자들의 운동에너지가 증대되어 각 층의 계면에서의 원자들의 상호확산 및 상호섞임에 의해 나타나는 일반적인 현상이다.

그러나, 열처리시간이 90분을 초과한 제2시편들은 그 열처리시간이 길어질수록 오히려 자기저항비가 증대되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 제2시편의 비정질 CoNbZr합금 소재의 상지층(20)에 의한 현상이다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 열처리가 행해지는 과정에서 높은 운동에너지를 갖게 되는 반강자성층(6)의 Mn원자들의 대부분은 상지층(20) 표면측의 산소 즉 대기중의 산소와의 결합력에 의해 상지층(20)의 표면측으로 확산되게 되며, 제2강자성층(5)으로 확산되는 양은 많지 않다. 따라서, 반강자성층(6)의 Mn원자들이 제2강자성층(5)으로 확산됨에 기인하는 자기적 특성의 저하가 현저하게 억제된다. 뿐만 아니라, 상술한 바와 같이 상지층(20)의 표면측으로 확산된 Mn원자들은 그 상지층(20)의 표면에서 산소와 결합하여 안정된 Mn산화물을 형성하게 되는데, 그 상지층(20)의 표면은 상술한 바와 같이 매우 평활하므로, 자기기록매체로부터의 자장의 인가시에 산란되는 스핀전도전자 중 상기 Mn산화물측으로 향하는 스핀전도전자가 상기 상지층(20)의 평활한 표면에서 다시 제2강자성층(5)측으로 반사되는 소위 스페큘러산란(specular scattering) 현상이 발생되며 그에 따라, 스핀전도전자의 평균자유행로가 증가되고 스핀의존산란(spin dependent scattering)이 증가되어 결국 자기저항비가 증가하게 된다.

이와 관련하여 제1시편의 경우에는, 표면에너지 및 표면거칠기가 큰 Ta소재에 의해 상지층(7)이 형성된 구성을 가지므로 상술한 바와 같은 스페큘러산란 현상은 발생하지 않게 되어, 제2시편의 경우에 비하여 자기저항비가 저하되게 된다. 또한, 제2시편에서의 비정질 CoNbZr합금과는 달리, 제1시편에서의 Ta는 산소와의 결합력이 강하므로 고온에 의해 Mn원자들이 확산되는 시점에서 Ta소재의 상지층(7)의 표면부에는 이미 안정된 Ta산화물이 형성되어 있게 되며, 그 안정된 Ta산화물에 의해서, Mn원자들이 상지층(7)의 표면측으로 확산되는 것이 저지되게 된다. 그 결과, 제1시편에서는 Mn원자들의 대부분이 제2강자성층(5)측으로 확산되어 자기저항비를 저하시키게 된다.

본 발명자는 또한, 상술한 바와 같은 제1시편과 제2시편에 각각에 대해 열처리온도를 175℃ 및 200℃로 하여 상술한 바와 마찬가지의 실험을 행하였으며, 그 각각의 열처리전의 자기저항비 및 교환결합력에 대한 열처리후의 자기저항비 및 교환결합력에 대한 증감비율을 도 7에 나타내었다.

도 7에 도시된 바와 같이 제1시편의 경우에는, 175℃ 및 200℃의 열처리후에 자기저항비가 증대되기는 하나 그 증대량은 미미하며 교환결합력은 대폭 감소됨을 알 수 있다. 특히, 300℃의 열처리과정에서는 자기저항비 및 교환결합력이 대폭감소됨을 알 수 있다. 예컨대, 240시간동안 300℃의 온도로 열처리된 제1시편의 자기저항비와 교환결합력은 열처리하기 전의 자기저항비와 교환결합력에 비해 각각 대략 0.5배로 감소하였다.

한편, 제2시편의 경우에는 상기 각 온도에서의 열처리과정에서 자기저항비나 교환결합력이 크게 증대되었다. 예컨대, 240시간동안 장시간 175℃이상의 온도로 열처리된 제2시편들의 경우, 자기저항비는 열처리하기 전의 자기저항비에 비해 대략 1.5배 증대되었으며, 교환결합력은 열처리하기 전의 자기저항비에 비하여 대략 1.3∼1.5배 증대되었다.

따라서, 비정질 CoNbZr합금 소재의 하지층(10)과 상지층(20)을 가지게 되면, 종래의 Ta소재의 하지층(2)과 상지층(7)을 가지는 구조에 비하여 매우 우수한 열적 안정성이 확보될 수 있다.

한편, 상기 상지층에 의한 영향에 대해 확인하기 위하여 본 발명자는, 다른 구성은 상기 제2시편과는 동일하며 단지 CoNbZr합금 소재의 상지층(20)의 두께를 1nm로 한 시편(CNZ 1nm)들과, 4nm로 한 시편(CNZ 4nm)들과, 5nm로 한 시편(CNZ 5nm)들과, 8nm로 한 시편(CNZ 8nm)들과, 10nm로 한 시편(CNZ 10nm)들과, 15nm로 한 시편(CNZ 15nm)들을 제작하였다. 그리고, 다른 구성은 상기 제2시편과 동일하며 단지 상지층을 형성하지 않은 시편(제3시편)을 제작하였다. 그리고, 그 각각의 시편에 대해 360분 이상의 장시간에 걸쳐 300℃의 열처리를 가한 후, 열처리 전의 자기저항비에 대한 열처리 후의 자기저항비의 증감비율을 도 8에 나타내었다.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이 비정질 CoNbZr합금 소재의 상지층(20)의 두께가 5nm 이하인 시편들(CNZ 1nm, 제2시편, CNZ 4nm, CNZ 5nm)의 경우에는 열처리후에 자기저항비가 증가되며, 상지층(20)의 두께가 8nm 이상인 시편들(CNZ 8nm, CNZ 10nm, CNZ 15nm)의 경우에는, 열처리 후에 자기저항비가 감소되기는 하나, 제1시편보다는 열적안정성이 우수함을 알 수 있다.

한편, CoNbZr합금 소재의 하지층(10)만 구비하고 상지층은 구비하고 있지 않은 제3시편의 경우에도, 열처리 후의 자기저항비가 대략 1,4배 정도 증가하였으며, Ta소재의 하지층(2) 및 상지층(7)을 가지는 제1시편보다 열적으로 매우 안정되어 있는 것으로 나타났다. 그 주된 이유는, 표면이 평활한 비정질 CoNbZr합금 소재의 하지층(10)에 의해 그 하지층(10) 위의 각 층들의 계면이 평활하게 형성되므로, 각 층의 원자들의 상호확산 및 상호섞임이 감소되었기 때문이다. 아울러, 열처리중에 반강자성층(6)의 Mn원자들의 대부분은 대기중의 산소와 결합하기 위해 그 반강자성층(6)의 표면측으로 확산되게 되므로 Mn원자가 제2강자성층(5)측으로 확산됨에 기인하는 자기특성의 저하가 효과적으로 억제되며 또한, 반강자성층(6)의 표면측으로 확산된 Mn은 대기중의 산소와 결합하여 반강자성층(6)의 표면에 Mn산화물을 형성하게 되므로 상술한 바와 같은 스핀의존산란이 증가되는 것도 자기저항비의 증가요인이 된다. 이처럼, 제3시편에 대한 실험을 통하여, 하지층(10)만 비정질 CoNbZr합금 소재로 사용하고 상지층은 마련하지 않더라도 우수한 열적 안정성이 얻어지게 됨을 알 수 있다.

이상, 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 상술한 실시예의 구성으로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 적층구조를 가지는 스핀밸브형 자기저항소자에도 본 발명이 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 센서부가 상기 하지층 위에 반강자성층, 제2강자성층, 스페이서층, 제1강자성층의 순서로 적층되어 있는 형태의 자기저항소자나, 상기 센서부가 상기 하지층 위에 반강자성층, 제2강자성층, 스페이서층, 제1강자성층, 스페이서층, 제2강자성층, 반강자성층의 순서로 적층됨으로써, 한 쌍의 반강자성층, 한 쌍의 제2강자성층, 한 쌍의 스페이서층을 구비하는 형태의 자기저항소자 등과 같이 다양한 형태의 스핀밸브형 자기저항소자에도 본 발명이 적용될 수 있다.

또한, 본 실시예의 자기저항소자에 있어서, 제1강자성층(3)과 제2자성층(5)은 CoFe합금에 의해 형성되고, 스페이서층(4)은 Cu에 의해 형성되며, 반강자성층(6)은 IrMn합금에 의해 형성된 것으로 설명하였으나, 제1강자성층(3)과 스페이서층(4)과 제2자성층(5)과 반강자성층(6)은 이미 알려져 있는 다른 재료들에 의해 형성될 수도 있음은 물론이다. 그리고, CoNbZr합금 소재의 상지층(20)을 구비하는 경우에는, 상술한 바와 같은 Mn산화물에 의한 스페큘러산란 효과가 얻어질 수 있도록, 반강자성체(6)를, 예컨대 IrMn합금, FeMn합금, NiMn합금 등과 같이, Mn을 포함하는 합금에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스핀밸브형 자기저항소자는, 센서부가 순차적으로 적층될 하지층을 비정질 CoNbZr합금으로 형성함으로써, 고온으로 가열되는 경우에도 자기저항비나 교환결합력 등의 주요특성이 크게 저하되지 않음은 물론 오히려 그러한 주요특성이 향상될 수 있어서 우수한 열적 안정성을 가지게 된다는 효과가 있다.

Claims

기판과, 상기 기판위에 적층된 하지층과, 상기 하지층위에 배치된 센서부를 포함하며, 상기 센서부는, 자장의 인가에 의해 자화방향이 변경 가능한 제1강자성층과, 자화방향이 고정된 제2강자성층과, 상기 제1강자성층과 제2강자성층 사이에 배치된 비자성의 스페이서층과, 상기 제2강자성층에 인접되게 배치되어 상기 제2강자성층의 자화방향을 고정시키는 반강자성층을 포함하여 구성된 스핀밸브형 자기저항소자에 있어서,

상기 하지층은 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 자기저항소자.
제1항에 있어서,

상기 반강자성층 위에 적층되며 비정질 CoNbZr합금에 의해 이루어진 상지층을 더 포함하며,

상기 반강자성층은 Mn을 포함하는 합금에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 자기저항소자.