KR20050116780A

KR20050116780A - 자기 저항 효과막 및 자기 저항 효과 헤드

Info

Publication number: KR20050116780A
Application number: KR1020040087317A
Authority: KR
Inventors: 스즈끼히데히꼬; 노마겐지
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2005-12-13
Also published as: US20050270704A1; CN1707616A; KR100635317B1; JP2005353671A

Abstract

본 발명은 고정 자성층의 자화 방향을 고정하기 위해서 산화물 자성층을 이용한 자기 저항 효과막에 있어서, 종래보다도 MR비가 큰 자기 저항 효과막을 제공하는 것을 목적으로 한다. 배향 제어층(2), 산화물 자성층(3), 고정 자성층(4), 비자성 중간층(5), 자유 자성층(6)이 이 순서로 적층된 적층 구조를 갖추는 자기 저항 효과막으로서, 상기 배향 제어층(2)이 염화나트륨(NaCl)형의 결정 구조를 가지며, 에너지 갭이 1 eV 이상이고, 또한 실온에서 비자성인 산화물, 또는 이 산화물을 포함하는 산화물층으로서, 상기 산화물 자성층(3)이 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층인 것을 특징으로 한다.

Description

자기 저항 효과막 및 자기 저항 효과 헤드{MAGNETORESISTANCE EFFECT FILM AND MAGNETORESISTANCE EFFECT HEAD}

본 발명은 높은 자기 저항비(MR비)를 갖는 자기 저항 효과막 및 이 자기 저항 효과막을 이용한 자기 저항 효과 헤드에 관한 것이다.

하드디스크 드라이브의 면기록 밀도는 현재도 높은 비율로 계속해서 증가하고 있다. 면기록 밀도를 증가시키면 비트당 기록 매체의 면적이 작아지기 때문에, 재생 헤드는 고감도의 것이 요구된다.

도 5는 자기 저항 효과막의 기본적인 구조를 도시한 것으로, 반강자성층(11), 고정 자성층(4), 비자성 중간층(5), 자유 자성층(6) 및 보호층(7)이 적층하여 형성되어 있는 것을 나타낸다. 고정 자성층(4)은 매체로부터의 자장이 인가되어도, 그 자화 방향이 변하지 않도록 고정되어 있어야 한다. 그 방법으로서, 많게는 고정 자성층(4)에 접하도록 백금-망간(PtMn) 등의 반강자성체로 이루어진 반강자성층(11)을 설치하고, 이들 층간에 생기는 교환 결합 자계에 의해 고정 자성층(4)의 자화 방향을 고정하고 있다.

또한, 자기 저항 효과는 전자가 고정 자성층(4), 비자성 중간층(5), 자유 자성층(6)의 각 계면을 통과함으로써 생기지만, 반강자성층(11)에는 일반적으로 합금이 사용되고 있기 때문에 이 부분에도 전류가 흘러 버린다. 이것은 션트 전류라고 불리며, MR비를 저하시키는 원인이 된다. 반강자성층(11)에 사용되는 합금은 고정 자성층(4)이나 자유 자성층(6) 등의 다른 층에 사용되고 있는 합금에 비하여 비저항은 크지만, 자기 저항 효과막 전체에 차지하는 두께의 비율이 크기 때문(통상 40% 정도) 그곳에 흐르는 션트 전류의 영향은 무시할 수 없다.

그래서 션트 전류를 감소시키기 위해서 반강자성층(11)을 절연체로 치환하는 방법이 알려져 있다. 비특허 문헌 1 및 비특허 문헌 2는 종래의 반강자성층(11)의 부분에 코발트 페라이트(CoFe₂O₄)를 이용한 방법이다. 코발트 페라이트는 절연체이며, 또한 보자력이 큰 페리 자성체이기 때문에, 션트 전류를 줄이면서 고정 자성층(4)의 자화 방향을 고정할 수 있다. 또한 비특허 문헌 2에서는, 코발트 페라이트의 하지층(배향 제어층)으로서 산화코발트(CoO, Co₃O₄)를 이용하고 있고, 하지층이 없는 경우에 비하여 MR비가 증가하고 있다.

도 6에 코발트 페라이트 등의 페리 자성체를 사용한 자기 저항 효과막의 ρ-H 특성의 예를 도시한다. 도 6에 정의한 결합 자계 Hc(pin)의 크기는 산화물 자성층과 고정 자성층 사이의 교환 결합 자계의 크기에 좌우된다. 이 Hc(pin)의 크기는 자기 저항 효과막의 장기 신뢰성 등에 영향을 주기 때문에, 고밀도 자기 기록을 실현하기 위해서는 Hc(pin)의 크기를 유지하면서 MR비를 증가시켜야 한다.

(비특허 문헌 1) M. J. Carey, S. Maat, R. Farrow, R. Marks, P. Nguyen, P. Rice, A. Kellock, B. A. Gurney, Digest Intermag Europe 2002, BP2

(비특허 문헌 2) S. Maat, M. J. Carey, Eric E. Fullerton, T. X. Le, P. M. Rice, and B. A. Gurney, Appl. Phys. Lett. 81, 520(2002)

본 발명은 고정 자성층의 자화 방향을 고정하기 위해서 산화물 자성층을 이용한 자기 저항 효과막에 있어서, 종래보다도 MR비가 큰 자기 저항 효과막을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서의 자기 저항 효과막은 산화물 자성층으로서 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물 층을 이용하고, 그 하층에 배치하는 배향 제어층으로서 특정한 결정 구조의 산화물 층을 이용하는 것을 특징으로 한다. 또, 배향 제어층은 자기 저항 효과 헤드의 절연 갭층으로서 이용하는 것도 가능하다.

상기 배향 제어층으로서는, 염화나트륨(NaCl)형의 결정 구조를 가지며, 에너지 갭이 1 eV 이상이고, 또한 실온에서 비자성인 산화물, 또는 이 산화물을 포함하는 산화물층, 또한, 격자 정수 중 적어도 하나가 0.406 ㎚∼0.432 ㎚의 범위에 있으며, 에너지 갭이 1 eV 이상으로 되어 있고, 실온에서 비자성인 금속 산화물, 또는 이 범위에 있는 금속 산화물을 포함하는 산화물층, 또한, 격자 정수 중 적어도 하나가 0.813 ㎚∼0.863 ㎚의 범위에 있으며, 에너지 갭이 1 eV 이상으로 되어 있고, 또한 실온에서 비자성인 금속 산화물, 또는 이 범위에 있는 금속 산화물을 포함하는 산화물층으로 한 것이 적합하게 이용된다.

본 발명에 따른 자기 저항 효과막에 의하면, 비특허 문헌 2와 같이 배향 제어층으로서 산화코발트를 이용한 경우와 비교하여 큰 MR비를 얻을 수 있다. 또한, 결합 자계 Hc(pin)는 산화코발트를 이용했을 때와 동일한 정도가 되어, 본 발명에 따른 자기 저항 효과막에 의하면, 결합 자계 Hc를 유지하면서 MR비를 증가시키는 것이 가능하게 되고, 고밀도 자기 기록에 적합하게 이용하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 자기 저항 효과막의 기본 구조를 도 1에 도시한다. 도면과 같이, 배향 제어층으로서의 산화마그네슘층(2) 위에 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층(3)이 적층되고, 이 산화물층(3) 위에 고정 자성층(4), 비자성 중간층(5), 자유 자성층(6) 및 보호층(7)이 이 순서로 적층되어 있다.

본 발명의 효과를 설명하기 위해서 이하의 실험 결과를 나타낸다.

실리콘 기판상에 다음 3종류의 자기 저항 효과막을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 성막하였다.

자기 저항 효과막 A: CoFe₂O₄10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[㎚]

자기 저항 효과막 B: (CoO_Co₃O₄) 10/CoFe₂O₄10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[nm]

자기 저항 효과막 C: MgO 10/CoFe₂O₄10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta[nm]

또, 상기 자기 저항 효과막의 구성 중, 하층측에서부터 CoFe가 고정 자성층(4), Cu가 비자성 중간층(5), Co/NiFe가 자유 자성층(6), Cu가 비자성층, Ta가 보호층(7)에 해당한다.

상기 샘플 중, 자기 저항 효과막 A는 배향 제어층을 설치하고 있지 않은 구조의 것이고, 자기 저항 효과막 B는 비특허 문헌 2에 대응하는 구조의 것이며, 자기 저항 효과막 C는 본 발명에서의 대표적인 막구성을 도시한다. 배향 제어층으로서 자기 저항 효과막 B에서는 산화코발트(CoO와 Co₃O₄의 고용체), 자기 저항 효과막 C에서는 염화나트륨형 결정 구조를 갖는 산화마그네슘을 이용하고 있다. 산화물 자성층은 A, B, C 모두 코발트 페라이트를 이용하고 있다. 그것보다 상부의 각 층의 막 두께와 조성은 전부 동일하다.

표 1에 이들 자기 저항 효과막 A, B, C의 특성에 대해서 조사한 결과를 나타낸다.

	MR 비[%]	Δρ/t [Ω]	ρ/t [Ω]	Hc(pin) [kA/m]
자기저항효과막 A	13.42	4.87	36.3	161
자기저항효과막 B	15.38	5.06	32.9	281
자기저항효과막 C	17.61	5.61	31.8	274

MR비는 자기 저항 효과막 A에서는 13.42%이지만, 자기 저항 효과막 B에서는 15.38%로 증가하고, 추가로 자기 저항 효과막 C에서는 17.61%보다 크게 증가하고 있다.

또한 Hc(pin)의 값은 자기 저항 효과막 A에서는 작고 자기 저항 효과막 B, 자기 저항 효과막 C에서는, 거의 같은 정도로 되어 있다.

또한, 시트 저항(ρ/t)이 자기 저항 효과막 A의 36.3 Ω으로부터 자기 저항 효과막 B에서는 32.9 Ω, 추가로 자기 저항 효과막 C에서는 31.8 Ω으로 크게 감소하고 있다. 이것은 자기 저항 효과막 전체의 결정성의 향상에 의해 결정 입계가 감소하고, 전자의 산란이 감소한 결과라고 생각된다. 이들로부터, 배향 제어층을 이용함으로써 자기 저항 효과막의 결정성을 향상시켜, MR비를 증가시키는 것이 가능하고, 배향 제어층으로서는 산화코발트보다도 산화마그네슘 쪽이 우수하다고 말할 수 있다.

배향 제어층을 절연 갭층으로 사용하는 것도 가능하다. 그 경우의 자기 저항 효과 헤드의 모식도를 도 2에 도시한다. 도 2에서는 하부 절연 갭층으로서 산화마그네슘층(2)을 하부 실드층(1)의 상층에 설치하고, 자기 저항 효과막으로서, 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층(3), 고정 자성층(4), 비자성 중간층(5), 자유 자성층(6) 및 보호층(7)을 이 순서로 적층하여 형성되어 있다. 자기 저항 효과막의 측면은 이온 밀링에 의해 에칭되어 경사면에 형성되고, 자기 저항 효과막의 양측에 자기 저항 효과막을 사이에 두는 배치로 자기 바이어스층 및 전류 단자층(8)이 설치되어 있다. 10은 상부 실드층이고, 9는 상부 실드층(10)과 전극 및 자기 저항 효과막 사이를 전기적으로 절연하는 상부 절연 갭층이다.

절연 갭층으로서는 알루미나 등이 일반적으로 사용되지만, 도 2에 도시하는 구성으로 함으로써, 전술한 산화마그네슘 등의 산화물은 절연 갭층으로서의 역할과 자기 저항 효과막의 배향 제어층으로서의 역할을 겸할 수 있다.

도 2는 절연 갭층 전체를 배향 제어층의 재료로 치환한 예이지만, 절연 갭층을 2층 이상의 층 구조로 한 경우에도, 그 최상부의 층이 배향 제어층의 재료이면 좋다. 이와 같이 배향 제어층이 절연 갭층을 겸하는 구조로 한 경우에는, 절연 갭층과 별도로 배향 제어층을 설치한 경우에 비하여 상부 자기 실드층(10)과 하부 자기 실드층(1)과의 거리(갭 길이)를 단축할 수 있다. 이것은 재생 헤드의 분해능 향상으로 이어져 고밀도 자기 기록을 실현하는 데에 있어서 유리해진다.

또한, 배향 제어층을 절연 갭층으로서 이용하는 경우, 그 재료는 절연성이 높고 실온에서 비자성인 것이 바람직하지만, 비특허 문헌 2와 같이 산화코발트를 이용하면 이들의 점에서 문제가 있다. 우선, 산화코발트의 에너지 갭은 0.6∼0.7 eV로 낮고 반도체적인 성질을 나타내기 때문에, 절연 불량의 발생 확률이 높아진다. 또한, 산화코발트는 네일 온도가 약 290K의 반강자성체로서, 온도에 따라서는 절연 갭 하부의 자기 실드층(1)과 교환 결합을 할 가능성이 있다. 이러한 결합이 발생하면 자기 실드층의 연자기 특성이 악화하여, 자기 실드 특성의 악화로 이어진다. 그러나, 산화마그네슘은 에너지 갭이 약 7.3 eV로서 비자성체이기 때문에, 이러한 문제는 발생하지 않는다. 따라서, 절연성, 비자성이라는 관점으로부터도 배향 제어층(또는 절연 갭층)으로서는 산화코발트보다도 산화마그네슘 쪽이 우수하다고 말할 수 있다.

또한, 이산화나트륨(NaO₂), 일산화마그네슘(MgO), 이산화칼륨(KO₂), 일산화칼슘(CaO), 일산화스칸듐(ScO), 일산화티탄(TiO), 일산화바나듐(VO), 일산화망간(MnO), 일산화철(FeO), 일산화스트론튬(SrO), 일산화카드뮴(CdO), 일산화바륨(BaO), 일산화탄탈(TaO), 일산화세륨(CeO), 일산화네오디뮴(NdO), 일산화사마륨(SmO), 일산화이테르븀(YbO)은 산화마그네슘과 같이 NaCl형의 결정 구조로서 절연성이 높고 실온에서 비자성이기 때문에, 이들 중 어느 하나 또는 어느 하나를 포함하는 고용체를 배향 제어층(또는 절연 갭층)으로서 이용하는 것도 가능하다.

배향 제어층(또는 절연 갭층)으로서 이용할 수 있는 다른 재료로서, 산화물층(3)으로서의 코발트 페라이트와 격자 정합을 하는 재료를 생각할 수 있다. 코발트 페라이트는 격자 정수가 0.838 ㎚의 입방정계로서, 4개의 부격자로 되어 있다. 따라서 격자 정수가 0.419 ㎚ 또는 0.838 ㎚ 부근의 재료와 격자 정합을 한다. 격자 부정합율이 3%이내이면 격자 정합할 가능성이 있다고 생각하면 , 0.406 ㎚∼0.432 ㎚ 또는 0.813 ㎚∼0.863 ㎚의 범위에 있으면 좋은 것이 된다.

이 격자 정수의 조건을 만족하고, 또한 절연성이 높고 실온에서 비자성의 산화물 재료로서는, 격자 정수가 0.406 ㎚∼0.432 ㎚의 재료로서 이산화나트륨(NaO₂),일산화마그네슘(MgO), 삼산화칼륨(KO₃), 일산화티탄(TiO), 일산화바나듐(VO), 일산화철(FeO), 일산화구리(Cu₂O), 이산화루비듐(Rb₂O₂), 일산화니오븀(NbO), 일산화세슘(Cs₂O), 이산화세슘(Cs₂O₂)이 있고, 또한 격자 정수가 0.813 ㎚∼0.863 ㎚의 재료로서는 삼산화크롬(CrO₃)이 있다.

본 발명에 있어서의 자기 저항 효과막의 발전형으로서 도 3 및 도 4의 예를 도시한다. 도 3은 도 1에 있어서의 고정 자성층(4)의 부분을, 제1 고정 자성층(4a), 결합 중간층(4c), 제2 고정 자성층(4b)의 삼층 구조로 한 것으로, 적층 페리 구조라고 불린다. 결합 중간층(4c)으로서는, 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 크롬(Cr) 등이 이용되고, 이 결합 중간층(4c)을 통해 제1 고정 자성층(4a)과 제2 고정 자성층(4b)이 반강자성적으로 결합하고 있다. 이러한 구조로 하면, 결합 자계 Hc(pin)의 값을 증가시킬 수 있어 장기 신뢰성의 향상으로 이어진다.

도 4는 배향 제어층으로서의 산화마그네슘층(2), 제1 산화물 자성층(3a), 제1 고정 자성층(4a), 제1 비자성 중간층(5a), 자유 자성층(6)의 상부에 추가로 제2 비자성 중간층(5b), 제2 고정 자성층(4b), 반강자성층(또는 제2 산화물 자성층; 3b)이 이 순서로 적층된 자기 저항 효과막이다. 이 구조는 자기 저항 효과가 생기는 고정 자성층, 비자성층, 자유자성층의 적층 구조가(순서가 반대로 적층된 부분도 포함시킴) 2 지점 존재함으로써 듀얼 구조라 불리고, 큰 MR비를 얻을 수 있다. 반강자성층(3b)으로서는, 백금-망간(PtMn), 팔라듐-백금-망간(PdPtMn), 이리듐-망간(IrMn) 등이 이용되지만, 이 부분에도 제2 산화물 자성층으로서 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 제1 고정 자성층(4a)과 제2 고정 자성층(4b)을 도 3과 동일하게 적층 페리 구조로 하는 것도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 저항 효과막의 구성을 도시한 설명도.

도 2는 자기 저항 효과 헤드의 구성을 도시한 설명도.

도 3은 적층 페리 구조에 의한 자기 저항 효과막의 구성을 도시한 설명도.

도 4는 듀얼 구조에 의한 자기 저항 효과막의 구성을 도시한 설명도.

도 5는 자기 저항 효과막의 기본 구조를 도시한 설명도.

도 6은 페리 자성체를 사용한 자기 저항 효과막의 저항율-외부 자장 의존성의 예 및 Hc(pin)의 정의를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 하부 자기 실드층

2: 하부 절연 갭층

3: 코발트 함유 페라이트를 포함한 산화물층

4: 고정 자성층

5: 비자성 중간층

6: 자유 자성층

7: 보호층

8: 자기 바이어스층 및 전류 차단층

9: 상부 절연 갭층

10: 상부 자기 실드층

Claims

배향 제어층, 산화물 자성층, 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층이 이 순서로 적층된 적층 구조를 구비한 자기 저항 효과막으로서,

상기 배향 제어층은 염화나트륨(NaCl)형의 결정 구조를 가지며, 에너지 갭이 1 eV 이상이고, 실온에서 비자성인 산화물, 또는 이 산화물을 포함하는 산화물층이며,

상기 산화물 자성층은 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제1항에 있어서, 상기 배향 제어층에 포함되는 염화나트륨형의 결정 구조를 갖는 산화물은,

이산화나트륨(NaO₂), 일산화마그네슘(MgO), 이산화칼륨(KO₂), 일산화칼슘(CaO), 일산화스칸듐(ScO), 일산화티탄(TiO), 일산화바나듐(VO), 일산화망간(MnO), 일산화철(FeO), 일산화스트론튬(SrO), 일산화카드뮴(CdO), 일산화바륨(BaO), 일산화탄탈(TaO), 일산화세륨(CeO), 일산화네오디뮴(NdO), 일산화사마륨(SmO), 일산화이테르븀(YbO) 중 어느 하나, 또는 어느 하나를 포함하는 고용체인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
배향 제어층, 산화물 자성층, 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층이 이 순서로 적층된 적층 구조를 구비한 자기 저항 효과막으로서,

상기 배향 제어층은, 격자 정수 중 적어도 하나가 0.406 ㎚∼0.432 ㎚의 범위에 있고, 에너지 갭이 1 eV 이상으로 되어 있으며, 실온에서 비자성인 금속 산화물, 또는 이 범위에 있는 금속 산화물을 포함하는 산화물층이고,

상기 산화물 자성층은 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제3항에 있어서, 상기 배향 제어층으로서,

이산화나트륨(NaO₂), 일산화마그네슘(MgO), 삼산화칼륨(KO₃), 일산화티탄(TiO), 일산화바나듐(VO), 일산화철(FeO), 일산화구리(Cu₂O), 이산화루비듐(Rb₂O₂), 일산화니오븀(NbO), 일산화세슘(Cs₂O), 이산화세슘(Cs₂O₂) 중 어느 하나, 또는 어느 하나를 포함하는 고용체를 이용하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
배향 제어층, 산화물 자성층, 고정 자성층, 비자성 중간층, 자유 자성층이 이 순서로 적층된 적층 구조를 구비한 자기 저항 효과막으로서,

상기 배향 제어층은, 격자 정수 중 적어도 하나가 0.813 ㎚∼0.863 ㎚의 범위에 있고, 에너지 갭이 1 eV 이상으로 되어 있으며, 실온에서 비자성인 금속 산화물, 또는 이 범위에 있는 금속 산화물을 포함하는 산화물층이고,

상기 산화물 자성층이 코발트 함유 페라이트를 포함하는 산화물층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제5항에 있어서, 상기 배향 제어층으로서, 삼산화크롬(CrO₃), 또는 삼산화크롬(CrO₃)을 포함하는 고용체를 이용하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배향 제어층을 절연 갭층 전체 또는 일부로서 이용하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정 자성층은 제1 고정 자성층, 결합 중간층, 제2 고정 자성층의 3층 구조로 이루어지고,

상기 제1 고정 자성층 및 상기 제2 고정 자성층은 교환 결합 자계에 의해 반강자성적으로 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제8항에 있어서, 상기 결합 중간층은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재한 자기 저항 효과막을 이용한 자기 저항 효과 헤드.