KR20050001361A - 반강자성 결합 막을 구비한 자기 소자 - Google Patents

반강자성 결합 막을 구비한 자기 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20050001361A
KR20050001361A KR1020040046920A KR20040046920A KR20050001361A KR 20050001361 A KR20050001361 A KR 20050001361A KR 1020040046920 A KR1020040046920 A KR 1020040046920A KR 20040046920 A KR20040046920 A KR 20040046920A KR 20050001361 A KR20050001361 A KR 20050001361A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ferromagnetic
layer
ferromagnetic layer
magnetic
fixed
Prior art date
Application number
KR1020040046920A
Other languages
English (en)
Inventor
도르너메리에프
풀러톤에릭에드워드
Original Assignee
히다치 글로벌 스토리지 테크놀로지스 네덜란드 비.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 히다치 글로벌 스토리지 테크놀로지스 네덜란드 비.브이. filed Critical 히다치 글로벌 스토리지 테크놀로지스 네덜란드 비.브이.
Publication of KR20050001361A publication Critical patent/KR20050001361A/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B2005/0002—Special dispositions or recording techniques
    • G11B2005/0005—Arrangements, methods or circuits
    • G11B2005/001—Controlling recording characteristics of record carriers or transducing characteristics of transducers by means not being part of their structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12875—Platinum group metal-base component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12931—Co-, Fe-, or Ni-base components, alternative to each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

본 발명은 자기 소자, 즉 개선된 반강자성 결합(AFC) 막과 함께 반강자성적으로 결합된 2층의 강자성층으로 이루어진 강자성 구조를 갖는 자기저항 센서 또는 자기 터널 접합 소자를 제공한다. AFC 막은 Ru100-xFex의 합금이며, 여기서 x는 약 10 원자%와 60 원자% 사이에 있다. 이 AFC 막은 교환 결합을 1배 또는 2배까지 증가시키며, 그 AFC 막을 Co 합금의 강자성층과 양립될 수 있게 하는 hcp 결정 구조를 갖는다.

Description

반강자성 결합 막을 구비한 자기 소자{MAGNETIC DEVICE WITH IMPROVED ANTIFERROMAGNETICALLY COUPLING FILM}
본 발명은 반강자성 결합(AFC) 막에 의해 반강자성적으로 교환 결합된 강자성층을 이용하는 자기 소자에 관한 것이다. 이들 소자로는 자기 기록 디스크, 거대 자기저항(GMR) 효과를 기초로 하는 자기저항 판독 헤드, 자기 메모리 셀 및 자기저항 판독 헤드로서 사용되는 자기 터널 접합(MTJ) 소자가 포함된다.
본 출원은 자기저항 판독 헤드 및 MTJ 소자로서의 자기 소자를 청구하고 있고, 본 출원과 동시 출원되어 공동 계류중인 출원은 자기 기록 디스크로서의 자기 소자를 청구하고 있다.
AFC 막에 의해 분리되는 적어도 2층의 강자성층을 사용하는 자기 기록 디스크가 본 명세서에 참고로 인용되는 미국 특허 제6,280,813호에 개시되어 있다. 강자성층의 코발트(Co) 합금 재료와 동일한 조밀 육방정(hcp) 결정 구조를 갖고, 보고된 가장 강한 교환 결합을 제공하기 때문에, 루테늄(Ru)이 AFC 막으로서 바람직한 재료이다.
스핀-밸브(SV) GMR 판독 헤드는, 비자기 금속의 전도성 스페이서층, 통상적으로 구리(Cu)에 의해 분리되는 2층의 비결합 강자성층으로 이루어지는 샌드위치 구조이며, 여기서 한 강자성층의 자화 방향(자기 모멘트)은 구속되거나 고정되어 있는 반면에, 자유 강자성층 또는 감지 강자성층의 자화 방향은 자유로이 회전한다. 기본 SV 자기저항 센서가 미국 특허 제5,206,590호에 개시되어 있다.
자기 터널 접합(MTJ) 소자는, 통상적으로 알루미나로 형성되며 터널 차폐층으로 지칭되는 비자성 전기 절연층에 의해 분리되는 2층의 강자성층을 구비한다. 강자성층 중 하나는, 자화 방향이 층의 평면에서 정향되어 있지만 인가 자기장의 존재하에 회전할 수 없도록 구속되거나 고정되어 있는 고정층이다. 고정 강자성층은 인접 반강자성층과의 계면 교환 바이어싱(interface exchange biasing)에 의해 고정될 수 있는 반면, 자유 강자성층은 상기 고정층의 자화 방향에 대하여 상대 회전할 수 있는 자화 방향을 갖는다. 절연 터널 차폐층을 통하여 수직으로 흐르는 터널링 전류(tunneling current)는 두 강자성층의 상대 자화 방향에 따라 좌우된다. MTJ 소자는 자기 메모리 어레이의 메모리 셀 및 자기 기록 소자의 자기저항 판독 헤드로서 사용되는 용례를 갖는다.
SV 자기저항 센서와 MTJ 소자는 자유 강자성층 및 고정 강자성층의 하나 또는 양자를, AFC 막에 의해 반평행 방위로 서로 반강자성적으로 교환 결합된 2개의 강자성 막을 포함하는 적층형 구조로 대체함으로써 개선되었다. 이러한 적층형 구조는 자기적으로 단단하므로, 자유 강자성층으로서 사용될 때 두 반평행 막이 함께회전한다. 이들 개선된 SV 센서는 본원 명세서에 참고로 인용되는 미국 특허 제5,408,377호 및 제5,465,185호에 개시되어 있다. MTJ 소자는, 본원 명세서에 참고로 인용되는 미국 특허 제5,841,692호 및 제5,966,012호에 개시된 바와 같이, 자유층 및 고정층을 상기 타입의 적층형 구조로 대체함으로써 또한 개선되었다.
또한, Ru은 SV 센서 및 MTJ 소자에 사용된 이들 적층형 구조의 AFC 막을 위한 바람직한 재료이다. Ru은 매우 얇은 AFC 막의 한계에서 강한 반강자성 결합과, 코발트(Co), 코발트-철(Co-Fe) 및 니켈-철(Ni-Fe) 강자성 막 사이에서 매우 강한 반강자성 결합을 나타내며, 상기 강자성 막은 상기 적층형 구조에 있어서 한 쌍의 반평행으로 정향된 강자성 막을 형성한다.
일부 자기 소자 용례에 있어서는, 반강자성 교환 결합 강도를 Ru에 의해 얻어지는 것 이상으로 증가시키는 것이 유리하다. 이는, 합금 강자성층의 모멘트가 클수록 더욱 강한 반강자성 교환 결합이 유도되는 것으로 알려져 있는 자기 기록 디스크 용례의 경우이다. 따라서, 자기 기록 디스크에서의 교환 결합을 증가시키는 한 가지 방법은 높은 모멘트의 강자성 재료를 강자성층과 AFC 막의 계면에 부가하는 것이다. 그러나, 이 방법은 디스크에 추가의 층을 필요로 하고, 고유의 매체 잡음을 또한 증가시킬 수 있다.
본 발명의 과제는 강자성층 사이의 반강자성 교환 결합을 증가시키는 AFC 막용의 재료를 제공하는 것이다.
도 1은 Ru AFC 막을 구비한 종래 기술의 AFC 자기 기록 디스크의 개략도이고,
도 2는 도 1과 유사한 AFC 자기 기록 디스크용 M-H 이력 곡선이고,
도 3은 적층형의 반강자성적으로 결합된 자유 강자성층 및 고정 강자성층을 구비한 종래 기술의 S-V 자기저항 센서의 개략도이고,
도 4는 적층형의 반강자성적으로 결합된 자유 강자성층 및 고정 강자성층을 구비한 종래 기술의 MTJ 소자의 개략도이고,
도 5는 종래 기술의 Ru AFC 막과, 다양한 원자%의 Fe를 포함한 본 발명의 Ru-Fe 합금의 AFC 막으로 제조된 AFC 자기 기록 디스크의 보자력을 비교하는 그래프이다.
〈도면의 주요 부분에 부호의 설명〉
61 : 기판
62 : 버퍼층
65 : Cu 스페이서층
70 : 고정 강자성층
72 : 제1 고정 강자성 막
73 : Ru AFC 막
74 : 제2 고정 강자성 막
90 : 자유 강자성층
92. 94 : 강자성 막
93 : Ru AFC 막
본 발명은 개선된 AFC 막과 함께 반강자성적으로 결합된 2층의 강자성층으로 이루어진 강자성 구조를 갖는 자기 소자를 제공한다. AFC 막은 Ru100-xFex의 조성을 갖는 합금이며, 여기서 x는 약 10 원자%와 60 원자% 사이에 있다. 이 AFC 막은 교환 결합을 1배 또는 2배까지(by up to a factor or two) 증가시키며, 그 AFC 막을 Co 합금의 강자성층과 양립될 수 있게 하는 hcp 결정 구조를 갖는다.
본 발명의 성질 및 이점을 보다 명확하게 이해하기 위하여, 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참고로 한다.
종래 기술의 반강자성적으로 결합된 자기 기록 디스크
도 1은 AFC 막(16)에 의해 분리된 2개의 강자성 막(12, 14)을 구비한 종래 기술의 반강자성적으로 결합된 자기 기록 디스크(10)를 도시하고 있다. 강자성 막(12, 14)은 통상적으로 CoPtCrB와 같은 Co 합금으로 형성되고, AFC 막은 통상적으로 Ru으로 형성된다. Ru AFC 막(16)의 두께는, 인접 막(12, 14)의 자기 모멘트(22, 24)가 각각 Ru 막(16)을 통하여 반강자성적으로 교환 결합되고, 제로 인가 자기장(zero applied field)에서 반평행으로 되도록 선택된다. 강자성 막(12, 14)의 각각의 자기 모멘트 값은 Mr1t1및 Mr2t2이며, 여기서 Mr은 잔류 자화이고, t는 층 두께이다. 인접 강자성 막(12, 14)의 자기 모멘트(22, 24)의 방위는 각각 반평행으로 정렬되므로, 복합 층(10)의 자기 모멘트를 파괴적으로 감소시키는 것을 돕는다. 화살표22및24는 AFC 막(16)을 가로질러 서로 직접적으로 상하 관계로 있는 개별 자기 도메인의 모멘트 방위를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 유사한 반강자성적으로 결합된 자기 기록 디스크의 주요 이력 곡선이다. 쌍을 이룬 수평 화살표는 이력 곡선의 다른 지점에서의 강자성 막(12, 14)의 방위를 표시한다. 인가 자기장은 양의 방향으로 증가한다(화살표 30, 32). 인가 자기장이 큰 경우에는, 반강자성 결합이 극복되고, 두 강자성 막(12, 14)의 모멘트는 모두 인가 자기장(화살표 42, 44)에 평행하다. 인가 자기장이 감소함에 따라(화살표 34), 보다 얇은 하측 강자성 막(14)의 모멘트는 역전되고, 보다 두꺼운 상측 강자성 막(12)의 모멘트(화살표 52, 54) 및 인가 자기장에 반평행으로 되어, 순 모멘트(net moment)의 강하를 야기한다. 이러한 전환은 대개, Ru AFC 막(16)을 가로지르는 결합으로 인해 야기되어 하측 강자성 막(14)이 느끼는 교환 자기장(Hex)에서 일어난다. 강자성 막(12, 14)의 반평행 정렬을 구현하기 위해서는, 교환 자기장이 하측 강자성 막(14)의 자화를 역전시키는 데 필요한 보자력 장(coercive field)을 초과할 필요가 있다.
AFC 막(16)에 의해 반강자성적으로 결합된 막(12, 14)은, 본 명세서에 참고로 인용되는 미국 특허 출원 공개 공보 2002/0098390 A1에 개시된 바와 같은 적층형의 반강자성적으로 결합된 자기 기록 디스크 내로 또한 통합될 수 있다. 이러한 적층형 디스크의 경우에는, 반강자성 결합을 제공하지 않는 비자성 스페이서 막이 상측 강자성 막(12)의 상부에 위치되어 있고, 제3의 강자성 막이 상기 스페이서 막의 상측에 위치되어 있다.
종래 기술의 스핀 밸브 자기저항 센서
자유 강자성층 및 고정 강자성층 양자로서 적층형의 반강자성적으로 결합된 강자성 막을 구비한 SV 자기저항 센서가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이 구조는 기판(61)상에 형성된 버퍼층(62)으로서 탄탈(Ta)의 막을 포함한다. 적층형의 자유 강자성층(90)은 Ru AFC 막(93)에 의해 분리된 강자성 NiFe(퍼멀로이) 막(92, 94)을 포함한다. 강자성 막(92, 94)은 각각 화살표 95(지면에 대해 내향) 및 화살표 96(지면에 대해 외향)으로 도시된 바와 같이 반평행으로 정렬된 자기 모멘트를 갖는다. Cu 층(65)이 자유층(90) 상에 증착되어 스핀 밸브 구조용 비강자성 금속 스페이서층으로서 작용한다. Cu가 도시되어 있지만, 은(Ag), 금(Au) 및 이들의 합금과 같이 전도성이 높은 다른 비강자성 금속 재료를 사용할 수도 있다. 또한, 고정 강자성층(70)은, 직접적으로 Cu 스페이서층(65)상에 있는 제1 강자성 막(72), 이 제1 강자성 막(72)상에 증착된 Ru AFC 막(73) 및 이 Ru AFC 막(73)상에 있는 제2 강자성 막(74)으로 이루어지는 적층형 구조이다. 2개의 고정 강자성 막(72, 74)은, 자유 강자성층(90)의 증착 중의 인가 자기장으로부터 90 °회전된 상태로 있는 인가 자기장의 존재하에 증착되어 있다. 반강자성 철-망간(Fe-Mn) 막(66)이 제2 강자성 막(74)과 교환 결합하도록 제2 강자성 막(74)에 증착되어 있다. 다른 적합한 반강자성층으로는 Ir-Mn, Pt-Mn, Pd-Mn 및 Ni-Mn이 포함된다. 마지막으로, Fe-Mn 막(66) 위에 덮개층(67)이 형성되어 있다. 적합한 덮개층 재료로는 Ta, Zr, Cu 및 Au의 합금 또는 각종 산화물 등과 같이 저항성이 높은 재료가 있다.
도 3은 센서를 자기 기록 시스템의 감지 회로에 연결하기 위한 수단을 또한 개략적으로 도시하고 있다. 센서, 전류원(82) 및 감지 수단(84) 사이의 회로 경로를 형성하도록 전기 리드(80)가 제공된다. 당업계에 잘 알려져 있듯이, 최적의 센서 응답 회로를 제공하도록 횡방향 및 종방향 바이어스층(도시 생략)과 같은 추가의 센서 소자가 필요할 수 있다. 기록 매체에서의 자기 신호는, 적층형의 자유 강자성층(90)의 자화 방향이 기록 매체로부터의 인가 자기 신호에 응답하여 적층형의 고정 강자성층(70)의 고정 자화 방향에 대해 상대 회전하는 때에 센서의 저항 변화를 검출하는 감지 수단(84)에 의해 감지된다.
적층형의 고정 강자성층(70)의 2개의 막(72, 74)은 각각 화살표 76 및 78로 지시되는 자화 방향을 갖는다. 2개의 막(72, 74)의 모멘트의 반평행 정렬은 Ru AFC 막(73)을 통한 반강자성 결합에 기인한 것이다. 이러한 반강자성 결합 때문에, 그리고 두 막(72, 74)이 실질적으로 동일한 두께를 갖기 때문에, 각 막의 자기 모멘트는 서로 상쇄되어, 적층형의 고정 강자성층(70)에서의 순 자기 모멘트는 본질적으로 없다. 따라서, 고정 강자성층(70)에 의해 자기 쌍극자 필드가 본질적으로 발생되지 않으므로, 자기장은 적층형의 자유 강자성층(90)의 순 자기 모멘트의 방향에 영향을 끼치지 않는다.
종래 기술의 자기 터널 접합 소자
MTJ 소자가 도 4에 도시되어 있다. 적층형의 고정 강자성층(118)은 2개의 강자성 막(200, 225)이 비강자성 Ru AFC 막(210)에 의해 분리되어 있는 샌드위치 구조로 이루어져 있으며, 상기 Ru AFC 막(210)은 상기 강자성 막(200, 225)의 자기 모멘트가 서로 반평행으로 배열되도록 상기 강자성 막(200, 225)을 반강자성적으로 결합한다. 적층형의 고정 강자성층(118)의 2개의 강자성 막(200, 225)은 반강자성결합 필름(210)을 통한 반강자성 교환 결합에 기인하여 반평행으로 되는 자기 모멘트를 갖는다. 이러한 반강자성 결합 때문에, 그리고 2개의 강자성 막(200, 225)이 실질적으로 동일한 두께를 갖도록 제조될 수 있기 때문에, 각 막의 자기 모멘트는 서로 본질적으로 상쇄되어, 고정 강자성층(118)에서의 순 자기 모멘트는 본질적으로 없다. 따라서, 고정 강자성층(118)에 의해 자기 쌍극자 필드가 본질적으로 발생되지 않으므로, 자기장은 자유 또는 감지 강자성층(132)의 자화 방향에 영향을 끼치지 않는다. 정확하게 동일한 두께를 갖도록 각각의 막을 정밀하게 형성하는 것이 불가능하기 때문에, 고정 강자성층(118)의 순 모멘트는 통상의 증착 공정의 자연적 결과로서 작지만 제로는 아니다. 하측 강자성층(200)이 반강자성 교환층(116)에 증착되어 있으며, 이는 강자성층(200)의 모멘트가 관심 범위의 자기장의 존재하에 회전하는 것이 방지되도록 교환 바이어싱을 제공한다. 막(225)이 막(200)에 반강자성적으로 결합되어 있기 때문에, 막(225)의 회전도 또한 방지된다.
마찬가지로, 자유 강자성층(132)은 2개의 강자성 막(245, 270)이 얇은 비강자성 AFC 막(260)에 의해 분리되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 AFC 막(260)은 상기 강자성 막(245, 270)의 자기 모멘트를 반강자성적으로 결합한다.
도 4의 MTJ 소자에 있어서, 적층형의 고정 강자성층(118)과 자유 강자성층(132)은 비자성 스페이서(120)에 의해 분리되어 있고, 이 스페이서는 통상적으로 알루미나로 형성되는 절연 터널 차폐층이다. MTJ 소자가 자기저항 기록 헤드로서 사용될 때, 고정 및 자유 강자성층을 이루는 강자성 막의 자기 모멘트는 SVGMR 헤드에 대하여 도 3에 도시된 바와 같은 방위를 가질 것이다. 그러나, MTJ 소자가 자기 메모리 셀로서 사용될 때는, 각 적층형 강자성층(118, 132)의 강자성 막의 모멘트가 서로 반평행으로 정렬되지만, 자유 강자성 막(245, 270)의 모멘트가 단단한 유닛으로서 함께 회전하여, 자유 강자성층(132)의 순 모멘트는 고정 강자성층(118)의 순 모멘트(화살표 282)에 대해 평행하거나(화살표 280) 반평행하게(화살표 281) 될 것이다.
바람직한 실시예
본 발명은 전술한 바와 같은 자기 소자를 제공하지만, AFC 막이 Ru-Fe 합금으로 형성되어 있다. AFC 자기 기록 디스크는 통상적으로 기판/시드층/하층/강자성층 1/AFC 막/강자성층 2/오버코트의 구조를 갖는다.
AFC 막으로서 Ru-Fe 합금을 사용하면, 두 강자성층 사이의 교환 결합 강도가 현저하게 증가된다.
AFC 막으로서 Ru65Fe35(아랫첨자는 원자%를 지시함)의 합금을 사용하는 경우, 하측 강자성층에 작용하는 교환 자기장(Hex)은, 강자성층 1 및 2에 대하여 동일한 강자성 합금 및 두께를 사용할 때에 순수 Ru AFC에 대해서는 1575 Oe인데 비하여 2750 Oe로 측정되었다. 도 2를 참조하면, Hex가 높다는 것이 하측 강자성층에 대하여 보다 두껍거나 및/또는 보다 큰 보자력의 재료를 사용할 수 있는 것을 의미한다는 것을 알 것이다. 또한, 결과적인 구조가 보다 안정적으로 될 것이다.
도 5는, 기판/CrTi50/RuAl/CrTi20/강자성층 CoCr10/Ru 또는 Ru65Fe35의 AFC 막/강자성층 CoPt12Cr16B9/오버코트 CNx로 이루어진 구조에 대한 보자력을 AFC 막 두께의 함수로서 도시하고 있다.
Ru-Fe 막에 의해 제공되는 결합 강도가 더 크기 때문에 Ru-Fe로 제조된 디스크의 보자력이 Ru로 제조된 디스크에 비하여 크다. 반강자성 교환 결합 강도가 큰 경우의 이점으로는, 하측 강자성층의 Mrt를 증가시킬 수 있는 잠재력과, AFC 막과의 접촉 상태에서 보다 낮은 모멘트의 강자성층을 이용할 수 있는 융통성의 증가가 포함된다.
개선된 AFC 막의 조성 범위는 Ru100-xFex이며, 여기서 x는 약 10 원자%와 60 원자% 사이에 있다. 이 합금의 중간층은 교환 결합을 1배 또는 2배까지 증가시키며, 기존의 디스크 구조와 양립될 수 있게 하는 hcp 결정 구조를 갖는다. 상기 범위의 하단은 증가된 교환 결합이 처음으로 뚜렷할 때의 Fe의 원자%이고, 상기 범위의 상단은 Ru-Fe 합금이 강자성으로 되거나 및/또는 hcp 결정 구조를 잃게 되는 때의 Fe의 원자%이다.
도 2 및 도 3은 자유 강자성층 및 고정 강자성층 모두가 본 발명에 따른 적층형 구조를 갖도록 제조될 수 있는 자기 소자를 도시하고 있다. 그러나, 자유 강자성층 및 고정 강자성층 중 하나 또는 다른 하나가 적층형 구조로 되는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 도시 및 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 개략 및 상세에 있어서 다양한 변형이 있을 수있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로 고려되며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 특정된 바에 의해서만 범위가 한정된다.
본 발명에 따르면, 자유 강자성층과 고정 강자성층 사이의 반강자성 교환 결합 강도가 크게 증가되어, 하측 강자성층의 자기 모멘트를 증가시킬 수 있는 잠재력과, AFC 막과의 접촉 상태에서 보다 낮은 모멘트의 강자성층을 이용할 수 있는 융통성이 증가되는 장점을 갖는 자기 소자를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 강자성 막과, 이들 제1 및 제2 강자성 막 사이에 위치된 반강자성 결합 막을 구비하며,
    상기 반강자성 결합 막은 Ru 및 Fe로 이루어지는 합금으로 형성되는 것인 자기 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 강자성 막 각각은 Co를 포함하는 합금으로 형성되는 것인 자기 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Ru 및 Fe로 이루어지는 합금은 본질적으로 Ru 및 Fe로 이루어지고, Ru100-xFex의 조성(여기서, x는 약 10 원자%와 약 60 원자% 사이에 있음)을 갖는 것인 자기 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    관심 범위의 자기장이 없으면 자기 모멘트가 우선 방향(preferred direction)으로 고정되어 있는 고정 강자성층과,
    관심 범위의 자기장이 있으면 자기 모멘트가 상기 고정 강자성층의 자기 모멘트에 대하여 자유로이 상대 회전하는 것인 자유 강자성층과,
    상기 고정 강자성층과 상기 자유 강자성층의 사이에 위치되어 이들 강자성층과 접촉 상태로 있는 비자성 스페이서층
    을 구비하며, 상기 고정 강자성층 및 자유 강자성층 중 적어도 하나는 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 강자성 막과 반강자성 결합 막으로 이루어지는 것인 자기 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 자기 소자는 스핀 밸브 자기저항 센서이고, 상기 비자성 스페이서층은 금속성의 전기 전도성 재료로 형성되는 것인 자기 소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 자기 소자는 자기 터널 접합 소자이고, 상기 비자성 스페이서층은 전기 절연 재료로 형성되는 것인 자기 소자.
  7. 기판과,
    상기 기판 상에 형성되어 있고, 인가 자기장이 없으면 자화 방향이 우선 방향으로 고정되어 있는 고정 강자성층과,
    상기 고정 강자성층과 접촉 상태로 있는 비자기 금속의 전기 전도성 스페이서층과,
    상기 스페이서층과 접촉 상태로 있고 자화 방향이 상기 고정 강자성층의 자화 방향에 대하여 자유로이 회전하는 것인 자유 강자성층
    을 구비하며,
    상기 고정 강자성층과 자유 강자성층 중 적어도 하나는 서로 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 강자성 막과, 이들 제1 및 제2 강자성 막 사이에 위치되고 이들 강자성 막과 접촉 상태로 있는 반강자성 결합 막으로 이루어지며, 상기 반강자성 결합 막은 서로에 대해 반평행으로 정향된 자기 모멘트에 의해 상기 제1 및 제2 강자성 막을 함께 결합시키기에 충분한 두께를 가지며, 상기 반강자성 결합 막은 주로 Ru 및 Fe로 이루어지는 재료로 형성되고, Ru100-xFex(x는 약 10 원자%와 약 60 원자% 사이에 있음)의 조성을 갖는 것인 자기저항 스핀 밸브 센서.
  8. 기판과,
    인가 자기장이 없으면 자화 방향이 우선 방향으로 고정되어 있는 고정 강자성층과,
    상기 고정 강자성층과 접촉 상태로 있는 절연 터널 차폐층과,
    자화 방향이 상기 고정 강자성층의 자화 방향에 대하여 자유로이 회전하고 상기 절연 터널 차폐층과 접촉 상태로 있는 감지 강자성층
    을 구비하며,
    상기 고정 강자성층과 감지 강자성층 중 적어도 하나는 서로 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 강자성 막과, 이들 제1 및 제2 강자성 막 사이에 위치되고 이들 강자성 막과 접촉 상태로 있는 반강자성 결합 막으로 이루어지며, 상기 반강자성 결합 막은 서로에 대해 반평행으로 정향된 자기 모멘트에 의해 상기 제1 및 제2 강자성 막을 함께 결합시키기에 충분한 두께를 가지며, 상기 반강자성 결합 막은 주로 Ru 및 Fe로 이루어지는 재료로 형성되고, Ru100-xFex(x는 약 10 원자%와 약 60 원자% 사이에 있음)의 조성을 갖는 것인 자기 터널 접합 소자.
KR1020040046920A 2003-06-24 2004-06-23 반강자성 결합 막을 구비한 자기 소자 KR20050001361A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/602,504 US6893741B2 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Magnetic device with improved antiferromagnetically coupling film
US10/602,504 2003-06-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20050001361A true KR20050001361A (ko) 2005-01-06

Family

ID=33418633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040046920A KR20050001361A (ko) 2003-06-24 2004-06-23 반강자성 결합 막을 구비한 자기 소자

Country Status (9)

Country Link
US (1) US6893741B2 (ko)
EP (1) EP1492134B1 (ko)
JP (1) JP2005019990A (ko)
KR (1) KR20050001361A (ko)
CN (1) CN1573946A (ko)
DE (1) DE602004007986T2 (ko)
MY (1) MY134560A (ko)
SG (1) SG117500A1 (ko)
TW (1) TW200501084A (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7323215B2 (en) * 2004-05-14 2008-01-29 Headway Technologies, Inc. Free layer design for CPP GMR enhancement
US7576956B2 (en) * 2004-07-26 2009-08-18 Grandis Inc. Magnetic tunnel junction having diffusion stop layer
US7390530B2 (en) * 2004-11-30 2008-06-24 Headway Technologies, Inc. Structure and process for composite free layer in CPP GMR device
US7382590B2 (en) * 2005-01-31 2008-06-03 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. MR sensor and thin film media having alloyed Ru antiparallel spacer layer for enhanced antiparallel exchange coupling
US7973349B2 (en) * 2005-09-20 2011-07-05 Grandis Inc. Magnetic device having multilayered free ferromagnetic layer
US7777261B2 (en) * 2005-09-20 2010-08-17 Grandis Inc. Magnetic device having stabilized free ferromagnetic layer
US7859034B2 (en) * 2005-09-20 2010-12-28 Grandis Inc. Magnetic devices having oxide antiferromagnetic layer next to free ferromagnetic layer
US7430135B2 (en) * 2005-12-23 2008-09-30 Grandis Inc. Current-switched spin-transfer magnetic devices with reduced spin-transfer switching current density
US20070246787A1 (en) * 2006-03-29 2007-10-25 Lien-Chang Wang On-plug magnetic tunnel junction devices based on spin torque transfer switching
US7851840B2 (en) * 2006-09-13 2010-12-14 Grandis Inc. Devices and circuits based on magnetic tunnel junctions utilizing a multilayer barrier
JP2008204539A (ja) * 2007-02-20 2008-09-04 Fujitsu Ltd 垂直磁気記録媒体およびその製造方法、磁気記録装置
US7957179B2 (en) * 2007-06-27 2011-06-07 Grandis Inc. Magnetic shielding in magnetic multilayer structures
US7982275B2 (en) 2007-08-22 2011-07-19 Grandis Inc. Magnetic element having low saturation magnetization
US7894248B2 (en) * 2008-09-12 2011-02-22 Grandis Inc. Programmable and redundant circuitry based on magnetic tunnel junction (MTJ)
KR20130017267A (ko) * 2011-08-10 2013-02-20 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 장치 및 그 제조 방법
US9406365B1 (en) * 2015-01-26 2016-08-02 International Business Machines Corporation Underlayers for textured films of Heusler compounds
CN104678332B (zh) * 2015-02-28 2018-03-27 三峡大学 一种基于2d人造磁振子晶体的弱磁探测器件
US10204671B2 (en) 2017-03-10 2019-02-12 Simon Fraser University Applications of non-collinearly coupled magnetic layers

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4814921A (en) * 1984-10-17 1989-03-21 Hitachi, Ltd. Multilayered magnetic films and thin-film magnetic heads using the same as a pole
US5287237A (en) * 1990-03-16 1994-02-15 Hitachi, Ltd. Antiferromagnetic film superior in corrosion resistance, magnetoresistance-effect element and magnetoresistance-effect head including such thin film
US5206590A (en) * 1990-12-11 1993-04-27 International Business Machines Corporation Magnetoresistive sensor based on the spin valve effect
US5408377A (en) * 1993-10-15 1995-04-18 International Business Machines Corporation Magnetoresistive sensor with improved ferromagnetic sensing layer and magnetic recording system using the sensor
US5465185A (en) * 1993-10-15 1995-11-07 International Business Machines Corporation Magnetoresistive spin valve sensor with improved pinned ferromagnetic layer and magnetic recording system using the sensor
US5650958A (en) * 1996-03-18 1997-07-22 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junctions with controlled magnetic response
US5958576A (en) * 1996-09-13 1999-09-28 Sony Corporation Magnetoresistance effect device and magnetic head
US5966012A (en) * 1997-10-07 1999-10-12 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction device with improved fixed and free ferromagnetic layers
US6197439B1 (en) * 1999-01-28 2001-03-06 International Business Machines Corporation Laminated magnetic structures with ultra-thin transition metal spacer layers
US6153320A (en) * 1999-05-05 2000-11-28 International Business Machines Corporation Magnetic devices with laminated ferromagnetic structures formed with improved antiferromagnetically coupling films
EP1302932B1 (en) * 1999-06-08 2004-10-13 Fujitsu Limited Magnetic recording medium
JP3476741B2 (ja) 1999-06-08 2003-12-10 富士通株式会社 磁気記録媒体及び磁気記憶装置
US6280813B1 (en) * 1999-10-08 2001-08-28 International Business Machines Corporation Magnetic recording media with antiferromagnetically coupled ferromagnetic films as the recording layer
US6773834B2 (en) * 1999-10-08 2004-08-10 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Laminated magnetic recording media with antiferromagnetically coupled layer as one of the individual magnetic layers in the laminate
JP2002117508A (ja) * 2000-10-06 2002-04-19 Hitachi Ltd 磁気ヘッドおよびその製造方法
US6737172B1 (en) * 2000-12-07 2004-05-18 Seagate Technology Llc Multi-layered anti-ferromagnetically coupled magnetic media
US6689497B1 (en) * 2001-01-08 2004-02-10 Seagate Technology Llc Stabilized AFC magnetic recording media with reduced lattice mismatch between spacer layer(s) and magnetic layers
JP2002299723A (ja) * 2001-03-28 2002-10-11 Alps Electric Co Ltd 磁気抵抗効果素子及びこの磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッド
JP2003168834A (ja) * 2001-11-30 2003-06-13 Sony Corp 磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置
JP4126276B2 (ja) * 2001-11-30 2008-07-30 シーゲイト テクノロジー エルエルシー 反強磁性結合された垂直磁気記録媒体
US6723450B2 (en) * 2002-03-19 2004-04-20 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Magnetic recording medium with antiparallel coupled ferromagnetic films as the recording layer
US6801415B2 (en) * 2002-08-30 2004-10-05 Freescale Semiconductor, Inc. Nanocrystalline layers for improved MRAM tunnel junctions

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005019990A (ja) 2005-01-20
US20040262627A1 (en) 2004-12-30
CN1573946A (zh) 2005-02-02
EP1492134B1 (en) 2007-08-08
SG117500A1 (en) 2005-12-29
DE602004007986D1 (de) 2007-09-20
MY134560A (en) 2007-12-31
US6893741B2 (en) 2005-05-17
EP1492134A3 (en) 2006-03-15
TW200501084A (en) 2005-01-01
DE602004007986T2 (de) 2008-04-30
EP1492134A2 (en) 2004-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR0139307B1 (ko) 고정 강자성체층을 갖는 스핀밸브 자기전기저항성 센서와 이 센서를 사용하는 자기기록시스템
EP0687917B1 (en) Spin valve magnetoresistive sensor with self-pinned laminated layer and magnetic recording system using the sensor.
US5966012A (en) Magnetic tunnel junction device with improved fixed and free ferromagnetic layers
US6137662A (en) Magnetoresistive sensor with pinned SAL
US8514525B2 (en) Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor with reference layer integrated in magnetic shield
US7116530B2 (en) Thin differential spin valve sensor having both pinned and self pinned structures for reduced difficulty in AFM layer polarity setting
US6674615B2 (en) Magneto-resistance effect head and magnetic storage device employing the head
US6133732A (en) Magnetoresistive effect element and shield magnetoresistive effect sensor
US20020167766A1 (en) Magnetoresistive element and device utilizing magnetoresistance effect
EP1492134B1 (en) Magnetic device with improved antiferromagnetically coupling film
US7872837B2 (en) Method and apparatus for providing a magnetic read sensor having a thin pinning layer and improved magnetoreistive coefficient
JP2009026400A (ja) 差動磁気抵抗効果型磁気ヘッド
JP2001014616A (ja) 磁気変換素子、薄膜磁気ヘッドおよびそれらの製造方法
JP4939050B2 (ja) 磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法ならびにトンネル接合型再生ヘッドおよびその製造方法
EP0560350B1 (en) Magneto-resistance effect element
JP2005328064A (ja) 磁気抵抗効果素子およびその形成方法、薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法
KR20050001359A (ko) 반강자성 결합 막을 구비한 자기 기록 디스크
US9099120B1 (en) Interlayer coupling field control in tunneling magnetoresistive read heads
JP2001101624A (ja) スピンバルブ型磁気抵抗効果型素子
JPH10294504A (ja) 磁気抵抗センサ
JP2000182224A (ja) 高い熱安定性を有するスピン・バルブ読取りセンサ及びその製造方法
JPH10294505A (ja) 磁気抵抗センサ
JP2000011334A (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型磁気ヘッド

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid