KR20060048611A

KR20060048611A - 반강자성/강자성 교환 결합 구조체에 의해 수직 자기바이어싱되는 초거대 자기저항 센서

Info

Publication number: KR20060048611A
Application number: KR1020050056234A
Authority: KR
Inventors: 매슈 제이 케리; 브루스 에이 거니; 스테판 마트; 닐 스미스
Original assignee: 히다치 글로벌 스토리지 테크놀로지스 네덜란드 비.브이.
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2006-05-18
Also published as: EP1612775A2; CN1725519A; EP1612775A3; SG118382A1; US20060002030A1; US7167346B2; TW200608041A

Abstract

초거대 자기저항(EMR) 센서는 EMR 활성막의 상단에 반강자성/강자성 교환 결합 이중층 구조체를 갖는다. 이중층 구조체에서의 강자성 층은 수직 자기 이방성을 가지며 반강자성 층에 의해 교환-바이어싱된다. 반강자성/강자성 이중층 구조체는 EMR 활성막의 평면과 직교하는 자기장을 제공하여 EMR 센서의 자기저항 대 자기장 응답을 바이어싱한다. 강자성 층은 수직 자기 기록에 유용한 어떠한 강자성 재료로도 형성될 수 있으며 그 이방성 축이 현저하게 면에 수직인 방향(out-of-plane)에 있도록 하는 방식으로 제공된다. 반강자성 층은 PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, PdMn, PtPdMn 및 RhMn와 같은 잘 알려진 어떤 Mn 합금으로 형성되거나 코발트 산화물 및 니켈 산화물 반강자성 재료 계와 같은 어떤 절연성 반강자성 재료로 형성된다.

Description

반강자성/강자성 교환 결합 구조체에 의해 수직 자기 바이어싱되는 초거대 자기저항 센서{EXTRAORDINARY MAGNETORESISTANCE SENSOR WITH PERPENDICULAR MAGNETIC BIASING BY AN ANTIFERROMAGNETIC/FERROMAGNETIC EXCHANGE-COUPLED STRUCTURE}

도 1 은 종래 기술의 EMR 센서의 등축도.

도 2는 센서의 기본 동작을 설명하기 위한, EMR 활성막의 단면을 통한 도 1의 종래 기술의 EMR 센서의 개략 평면도.

도 3a는 대칭전류 및 전압 리드부(leads)를 가진 종래 기술의 EMR 센서에 대한 이론적인 자기저항 대 자기장 응답을 나타내는 도면.

도 3b는 비대칭 전압 리드부를 가진 종래 기술의 EMR 센서에 대한 이론적인 자기저항 대 자기장 응답을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 EMR 센서의 등축도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110: EMR 센서

112: 반도체 기판

122: 제 1 반도체 층

124: 제 3 반도체 층

126: 버퍼 층

140: 덮개 층

150, 152: 전류 리드부

160, 162: 전압 리드부

180: 강자성 층

190: 반강자성 층

본 발명은 일반적으로 자기저항 센서에 관한 것이고, 더욱 자세하게는, 초거대 자기저항(EMR) 특성에 기초한 자기저항 센서에 관한 것이다.

하드디스크 드라이브를 기록하기 위한 판독 헤드 센서로는, 초거대 자기저항(EMR; extraordinary magnetoresistance) 특성에 기초한 자기저항 센서가 제안되어 있다. EMR 센서에서의 활성 영역은 비자성 반도체 재료로 형성되기 때문에, EMR 센서는 모두 활성 영역에서의 자성막으로 이용되고 있는 거대 자기저항(GMR) 및 터널링 자기저항(TMR)에 기초한 판독 헤드 센서에서 발생하는 문제를 겪지 않는다.

EMR은 활성 영역의 일측과 접촉하는 한 쌍의 전압 리드부와 한 쌍의 전류 리드부, 및 활성 영역의 타측과 접촉하는 도전성 분로(shunt)를 포함한다. 자기장이 인가되지 않은 경우, 전류 리드부들을 통한 감지전류가 반도체 활성 영역으로 전달되어 분로에 의해 분로된다. 자기장이 인가되는 경우, 전류가 분로로부터 편향되 어 주로 반도체 활성 영역을 통과한다. 인가된 자기장에의한 전기저항에서의 변화를 전압 리드부를 따라 검출한다. T. Zhou 등의 "Extraordinary magnetoresistance in externally shunted van der Pauw plates"(2001년 1월 29일자 Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.　5, pp.　667)에는 EMR이 개시되어 있다. S. A. Solin 등의, "Nonmagnetic semiconductors as read-head sensors for ultra-high-density magnetic recording"(2002년 5월 27일자 Appl. Phys. Lett., Vol. 80, No. 21, pp. 4012-4014)에는, 판독 헤드 애플리케이션을 위한 EMR 센서가 개시되어 있다.

EMR 센서의 문제들 중 하나는, 그 센서의 자기저항이 인가 자기장의 대략 2차 함수라는 것이다. 따라서, 기록된 자기 매체로부터의 미소한 자기장의 존재하에서는 자기저항 응답이 작고 비선형 특성을 갖게 된다. 전압 리드부의 비대칭 위치결정에의한 EMR 센서의 바이어싱이 제안되어 있다. 또한, 미국 특허 제6,714,374호에는, 수직 자기장을 인가하는 단일 강자성 층을 이용한 EMR 센서의 바이어싱이 제안되어 있다.

그러나, 센서가 미소한 인가 자기장에는 더 높은 자기저항을 가지며 인가 자기장에 대하여 더 높은 선형 응답을 가지도록 향상된 자기장 바이어싱을 가진 EMR 센서가 요구된다.

[발명의 개요]

본 발명은 반강자성/강자성 교환 결합 이중층 구조체를 이용하여 센서에 수직 자기 바이어싱을 제공하는 것이다. 이중층 구조체에서의 강자성 층은 수직 자기 이방성을 가지며 반강자성 층에 의해 교환-바이어싱된다. 반강자성/강자성 이중층 구조체는 EMR 활성막의 상단에 위치되며 활성막의 평면에 대하여 직교하는 자기장을 제공하여 EMR 센서의 자기저항 대 자기장 응답을 바이어싱한다.

강자성 층은 그 자화가 층의 평면에 대하여 실질적으로 직교하는 방향으로 배향될 수 있도록 제공될 수 있는 어떠한 강자성 재료 또는 다층으로 형성될 수 있다. 평면에 실질적으로 직교하는 방향의 자화는 실질적으로 면에 수직인 방향(out-of-plane)에 있는 고유의 자기 이방성을 가진 강자성 재료를 선택하여 얻을 수 있다. 반강자성 층은 PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, PdMn, PtPdMn 및 RhMn와 같은 어떠한 알려진 Mn 합금으로 형성되거나 코발트 산화물 및 니켈 산화물 반강자성 재료계와 같은 어떠한 절연성 반강자성 재료로 형성된다. 강자성 층 또는 반강자성 층이 이중층 구조체에서의 하부 층으로 될 수 있다. EMR 활성막과 반강자성/강자성 교환 결합 이중층 간에는 확산 장벽이 위치될 수도 있다.

본 발명의 특성 및 이점들에 대한 완전한 이해를 위하여, 첨부도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 자세히 설명한다.

[상세한 설명]

종래 기술

도 1 은 종래 기술의 EMR 센서(10)의 등축도를 나타낸 것이다. EMR 센서(10)는 GaAs와 같은 반도체 기판(12)상에 형성된 III-V 이종 구조체인 구조체(20)를 포함한다. 그러나, 본 발명에서 설명되는 EMR 센서는 III-V 반도체 재료에만 한정되는 것이 아니다. 예를들면, 이 센서는 실리콘에 기초하여 형성될 수도 있다. 이종 구조체(20)는 제 1 대역 갭을 가진 반도체 재료로 된 제 1 층(22), 제 1 층(22)의 상단에 형성되며 제 1 대역 갭보다 작은 제 2 대역 갭을 가진 반도체 재료로 된 제 2 층(30), 제 2 층(30)의 상단에 형성되며 제 2 대역 갭보다 큰 제 3 대역 갭을 가진 반도체 재료로 된 제 3 층(24)을 포함한다. 제 1 및 제 3 층(22, 24)에서의 재료는 유사할 수도 있고 동일할 수도 있다. 상이한 재료들의 상이한 대역 갭들로 인하여 제 1, 제 2 및 제 3 반도체 재료 층에 의해 에너지 전위 우물(양자 우물)이 형성된다. 따라서, 센서(10)에서 EMR 활성막으로 고려되는 층(30)내부에, 캐리어들이 구속될 수 있다.

통상적으로, 제 1 층(22)은 하나 이상의 층일 수 있는 버퍼 층(26)의 상단에 형성된다. 버퍼 층(26)은 기판에 존재하는 불순물들이 기능성 층(22, 24 및 30)으로 이동하는 것을 방지하도록 기능하는 수개의 주기의 초격자 구조체를 포함한다. 또한, 버퍼 층(26)은 기판(12)과 이종 구조체(20)의 기능성 층의 통상적으로 상이한 격자 상수들을 수용하도록 선택되어, 기판과 기능성 층들 간의 응력 완화 층으로 기능한다.

하나 이상의 도핑 층들이 제 2 및 제 3 반도체 재료의 계면으로부터 이격된 상태에서 제 1 층(22), 제 3 층(24) 또는 이들 양쪽 층(22, 24)의 반도체 재료에 포함될 수 있다. 이 도핑 층들은 (n 형 도핑인 경우) 전자들을 제공하거나 (p 형 도핑인 경우)정공들을 양자 우물에 제공한다. 전자 또는 정공들은 2 차원 전자 가스 또는 정공 가스의 형태로 양자 우물에 각각 집중되어 있다.

상기 설명부에서 설명된 바와 같이, 층(22/30/24)은 그 사이에 버퍼 층(26)을 갖는 준절연성 GaAs 반도체 기판(12)상에 성장된 Al_0.09In_0.91Sb/InSb/Al_0.09In_0.91Sb 이종 구조체일 수도 있다. InSb는 협대역 갭 반도체이다. 통상적으로, 협대역 갭 반도체는 유효 전자 질량이 상당히 감소되기 때문에 높은 전자 이동도를 갖는다. 통상적인 협대역 갭 재료들로는 InSb와 InAs가 있다. 예를 들면, InSb와 InAs의 실온에서의 전자 이동도는 각각 70,000 cm²/Vs와 35,000　cm²/Vs이다.

버퍼 층(26)상에 형성된 Al_0.09In_0.91Sb 하부 층(22)은 대략 1 내지 3 미크론 범위의 두께를 가지며 Al_0.09In_0.91Sb 상부 층(24)은 대략 10 내지 1000 nm 범위의 두께, 통상적으로는 50nm의 두께를 가진다. 층(22 또는 24)내에 포함된 도핑 층은 하나의 단 층(델타 도핑 층)으로부터 최대 10 nm 까지의 두께를 가진다. 도핑 층은 제 1 및 제 2 또는 제 2 및 제 3 반도체 재료들의 InSb/Al_0.09In_0.91Sb 계면들로부터 10 내지 300Å 거리만큼 이격되어 있다. 통상적으로 전자의 이동도가 정공들의 이동도보다 더 높기 때문에 N 형 도핑이 바람직하다. 통상적인 N 형 도펀트는 1 내지 10¹⁹/cm³ 범위의 농도를 가진 실리콘이다. 이종 구조체(20)의 성막처리는 분자빔 에픽택시가 바람직하지만 그 외의 에피택셜 성장방법도 이용될 수 있다.

이종 구조체(20)상에는, 덮개 층(40; capping layer)을 형성하여 장치가 부식되는 것으로부터 보호한다. 덮개 층은 알루미늄 질화물 또는 실리콘의 산화물 또는 질화물(예를 들어, Si₃N₄, Al₂O₃₎과 같은 절연성 재료 또는 비부식성의 반절연성 반도체로 형성된다.

EMR 구조체(20)의 일측상에는 2개의 전류 리드부(50, 52)와 2 개의 전압 리드부(60, 62)가 패터닝되어 이들이 양자 우물과 전기적으로 접촉하게 된다. EMR 구조체(20)의 전류 및 전압 리드부의 대향측에는, 금속성 분로(70)가 패터닝되어 이 분로가 양자 우물과 전기적으로 접촉되게 된다. 인가 자기장(H), 즉, 감지될 자기장은 화살표로 도시된, EMR 구조체(20)에서의 막들의 평면과 법선 방향이다. 통상적으로, 이들 리드부는 장치 내에 확산되어 있는 금속성 접촉부, 예를들어, Au, AuGe, 또는 Ge를 포함한다. 통상적으로, 이들 리드부는 덮개 층(40)의 형성 이후에 형성되며, 가끔 덮개 층 재료가 일부분 제거된 후에 형성된다.

도 2는 센서의 기본 동작을 설명하기 위한, EMR 활성막(30)의 단면을 통한 종래 기술의 EMR 센서(10)의 개략 평면도이다. 자기장(H)이 인가되지 않은 경우, 리드부(50, 52)를 통한 감지 전류가 반도체 활성막(30)으로 전달되어, 선 80으로 도시한 바와 같이, 분로(70)를 통하여 분로된다. 인가 자기장(H)이 제공되는 경우, 도 2 에서의 지면으로의 화살표 꼬리에 의해 도시한 바와 같이, 분로(70)에 의해 전류가 편향된 다음, 선 82로 도시한 바와 같이, 반도체 활성막(30)을 주로 통과한다. 인가 자기장으로 인한 전기저항 변화가 전압 리드부(60, 62)에 걸쳐 검출 된다.

종래 기술의 EMR 센서(10)의 문제들 중 하나는 그 자기저항 [(R　-　R_min)/R_min] 이 인가 자기장의 대략 2 차 함수라는 점이다. 따라서, 관심 대상의 범위의 인가 자기장, 즉, 기록된 자기 매체로부터의 미소한 자기장에서는, 자기저항이 작고 비선형으로 된다. 이는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같은 대칭성의 전류 리드부 및 전압 리드부를 가진 EMR 센서에 대한 이론적인 자기저항 대 자기장 응답을 나타내는 것으로서 도 3a의 도면에 도시되어 있다.

도 3b의 도면에 도시한 바와 같이, 전압 리드부들의 비대칭 위치결정에의한 EMR 센서의 바이어싱이 제안되어 있다. 도 3b는 비대칭 전압 리드부들을 가진 EMR 센서에 대한 이론적인 자기저항 대 자기장 응답을 나타낸 것이다. 도 3b의 센서는 도 3a의 센서보다 더 높은 자기저항 특성 및 더 큰 비선형 응답 특성을 가진다.

또한, 미국 특허 제6,714,374호에는, 센서에 수직 자기장을 인가하는 단일 강자성 층을 이용한 EMR 센서의 바이어싱도 제안되어 있다.

본 발명

본 발명의 EMR 센서는 반강자성 층을 가진 층들의 평면에 대하여 직교하게 교환 바이어싱되고 EMR 막 구조체의 상단에 위치된 강자성 재료 층을 포함한다. 이 반강자성/강자성(AF/F) 이중층 구조체는 EMR 센서의 자기저항 대 자기장 응답을 바이어싱하는 자기장을 제공한다. 미국 특허 제6,650,513호에는, 강자성 층이 면에 수직한 방향으로 강자성 용이축을 갖는 AF/F 구조체에서 보자력 강화 및 이력 곡선 시프트를 갖는, 면에 수직한 교환바이어싱이 개시되어 있다. 수직 교환바이어싱 효과의 정도는 강자성 층이 층들의 면과 평행한 방향(in-plane)에서 교환 바이어싱되는 유사 AF/F 구조체에서 발견되는 정도와 동등하다.

도 4는 본 발명에 따른 EMR 센서의 등축도를 나타낸 것이다. EMR 센서　(110)는 제 1 반도체 층(122), 제 2 반도체 및 EMR 활성 층(130) 및 제 3 반도체 층(124)뿐만 아니라 버퍼 층(126)이 반도체 기판(112)상에 형성되어 있다는 점을 포함하여 양자 우물 막 구조체(120)를 가진다는 점에서 종래 기술의 센서(10)와 유사하다. 2 개의 전류 리드부(150, 152)와 2 개의 전압 리드부(160, 162)는 EMR 활성막(130)과 전기적으로 접촉하며 금속성 분로(170)는 전류 리드부와 전압 리드부의 반대측에서 EMR 활성막(130)과 전기적으로 접촉한다. 인가 자기장(H), 즉, 감지될 자기장은 화살표로 도시한 바와 같이 EMR 구조체(120)의 막들의 평면에 대하여 법선 방향에 있다. 센서(110)의 상단에는 덮개 층(140)이 있다.

EMR 센서(110)는 기판(112)상에 강자성 층(180)을 또한 포함한다. 도 4의 바람직한 실시형태에서, EMR 구조체(120)는 기판(112)과 강자성 층(180)간에 도시되어 있다. 강자성 층(180)은 수직 자기 이방성, 및 EMR 활성막(130)의 평면에 대하여 직교 방향으로 배향되는, 면에 수직한 방향의 자기 모멘트(181)를 가진다. 강자성 층(180)으로부터의 모멘트(181)는 EMR 활성막(130)에 노출되는 바이어싱 자기장이다. 이는 자기저항 대 자기장 응답 곡선을 시프트시켜, 제로 인가 자기장에서 센서(110)는 보다 높은 자기저항 특성 및 보다 큰 비선형 응답 특성을 가진다. 바이어싱 자기장을 제공하는 강자성 층(180)은 반강자성 층(190)에 의해 교환 바이 어싱된다.

자신의 평면에 대하여 직교하는 방향으로 자화된 강자성 층으로부터 생성되는 자기장(H)은 두께(t)와 길이(L)를 갖고 균일하게 자화된 정사각형 블록의 자기장에 의해 대략화될 수 있다. 원점이 정사각형 블록의 상단면에 있는 경우, 층에 대하여 직교 방향인 Y 축에 따른 자기장(H)은,

이며, 여기서,

이고,

이며,

y는 Y-축에 따른 거리이다. 일례로서, 자신의 평면과 직교 방향으로 자화되어 있고 약 1400 emu/cm³ 인 자화(M_s), L = 100 nm 인 길이 및 t　=10 nm 인 두께를 가진 Co 층에서는, y　=　10 nm 에서 자기장(H)이 대략 1400　Oe로 된다.

강자성 바이어싱 층(180)용 재료는 L1₀ 상(phase)으로 화학적으로 정렬된 FePt, CoPt 또는 (FeCo)Pt 합금, CoCrPt 합금, 및 Co/Pd, Co/Pt, Fe/Pd 및 Fe/Pt 다층을 포함한, 수직 자기 기록에 용이한 어떠한 강자성 재료들도 될 수 있다. 강자성 층은 이방성 축이 현저하게 면에 수직한 방향에 있도록 하는 방식으로 제조되기 때문에 "수직" 자기 이방성을 갖는 것으로 고려된다. 또한, 이들 합금 및 다층 은 추가 원소들로 도핑될 수도 있다. 예를 들면, 수직 자기 기록을 위하여 CoCrPtX 합금이 제안되어 있는데, 여기서, X=B, Nb 및 Ta는 통상적인 도펀트이다. 이와 유사하게, Co/Pd 및 Co/Pt 다층 중의 Co 층은 종종 원소 Y를 포함하여 Co 가 Co-Y 합금으로 되는데, 여기서, Y=B, Ta, Cr, O, Cu, Ag, Pt, Pd이다. 그 외의 적절한 강자성 재료들로는 Co-페라이트 또는 Ni-페라이트와 같은 페라이트가 있다. 이들 페라이트는 절연성이라는 이점을 가지기 때문에, EMR 이종 구조체와 강자성 바이어싱 층(180)을 절연시키는데 이용될 절연 층을 필요로 하지 않는다.

반강자성 층(190)은 상당히 두꺼운 Mn 합금 층(PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, PdMn, PtPdMn 또는 RhMn)일 수 있다. PtMn 층은 어닐링되는 경우, 화학적으로 정렬되고 반강자성으로 되기 때문에 대략 100Å보다 두꺼운 것이 필요하며, IrMn 층은 대략 40Å보다 두꺼울 경우 성막시 반강자성이 된다. 또한, 이들 반강자성 Mn 합금은 내부식성을 향상시키고 전기저항을 증가시키는데 통상적으로 추가되는 Cr, V, Pt, Pd 및 Ni와 같은 소량의 추가 원소를 포함할 수도 있다. 이들 반강자성 재료는 금속성이기 때문에, 코발트 산화물, 니켈 산화물 및 코발트와 니켈의 합금으로 된 산화물로 형성된 잘 알려진 반강자성 재료들과 같은 전기적으로 절연성인 재료로 반강자성 층(190)을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

강자성 층(180)은 H_C0인 고유 보자력을 갖는다. 반강자성 층(190)에 대하여 교환 결합되는 경우, 그 보자력은 H_C > H_C0으로 강화되며 M-H 루프는 교환 자기장 (H_E)만큼 시프트된다. 교환 자기장(H_E)는 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)간의 자기결합강도(J_A), 및 강자성 층(180)의 두께(t_F)와 자화(M_F)에 의해 다음과 같이 결정된다.

따라서, EMR 센서(110)를 자기 기록판독 헤드에 이용해야 할 경우, 값(H_E　+　H_C)은 자기 매체에 대한 자기 전이로부터의 자기장, 즉, 통상적으로 +/- 200 내지 +/-500 Oe의 범위에 있는 감지 자기장보다 커야 되며 자기 매체의 비트들을 반전시키는데 요구되는 자기장보다 낮아야 한다. 자기 전이로부터의 자기장보다 큰 값(H_E　+　H_{C)에 의해}, 강자성 층(180)의 모멘트(181)가 인가 자기장에 노출되는 경우 스위칭되지 않게 되는 것이 보장되게 된다. 따라서, 교환 바이어싱 자기장(H_E)가 상대적으로 높아질수록, 강자성 층(180)의 고유 보자력(H_C0)은 상대적으로 낮아 질 수 있다. 이에 의해, 강자성 층(180)에 대한 재료와 두께의 선택이 보다 넓어질 수 있다. 예를 들면, [Co(0.7　nm)/Pt(0.5 nm)]₃ 다층을 강자성 층(180)으로 이용하고 15 nm 두께의 PtMn 층을 반강자성 층(190)으로 이용하면, 대략 200 Oe의 H_E　와 대략 450　Oe의 H_C를 얻을 수 있다. [Co(0.7 nm)/Pt(0.5 nm)]₃ 다층은 대략 100 Oe의 비교적 낮은 고유 보자력(H_C0)을 가지는데, 이 보자력은 감지 자기장보다 매우 작은 것이다.

상술한 예에서의 [Co(0.7 nm)/Pt(0.5 nm)]₃ 다층은 면에 수직한 고유 자기 이방성을 가진 Co/Pt, Co/Pd, Fe/Pt, 및 Fe/Pd 다층을 포함한 군 중 하나이다. 이들 다층은 실온 또는 저온에서 성막되는 경우에도 넓은 범위의 보자력과 유효 자화 내에서 제조될 수 있기 때문에 본 발명에 특히 유용하다. 이들 다층의 높은 튜닝가능성은 Pt 또는 Pd 맞은편의 Fe 또는 Co 층들의 높은 강자성 결합 뿐만 아니라, Co 및 Fe의 큰 모멘트와 Pt 또는 Pd의 매우 소량의 유도 모멘트에 기인한다. 또한, 이들 다층은 높은 직각도(squareness)를 가진 M-H 루프를 갖는, 즉, 포화 모멘트에 대한 잔류 자기의 비가 거의 1에 근접하게 된다.

또한, EMR 센서(110)는 EMR 구조체(120)와 강자성 층(180)과의 사이에 확산 장벽(182)을 옵션적으로 포함할 수 있다. 이 확산 장벽(182)에 대한 적절한 재료는 알루미늄 및 실리콘의 산화물 및 질화물, 예를 들면, Al₂O₃, SiO₂ 및 Si₃N₄를 포함한다.

도　4에는, 반강자성/강자성 이중층(180/190)이 강자성 층(180)상부에 반강자성 층(190)으로 형성된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 반강자성 층(190)이 강자성 층(180) 아래에 위치될 수도 있다. 이러한 배열에서는, 반강자성 층(190)이 전기적으로 절연성인 경우, 확산 장벽(182)은 불필요할 수 있다.

EMR 센서(110)는 다음과 같은 방식으로 제조된다. 상술한 바와 같은 이종 구조체가 반절연성 기판 상에서 성장된다. 제조될 EMR 센서의 형상을 한정하는 메사는 리액티브 이온 에칭(RIE) 또는 이온-밀링에 의해 에칭된다. 이후, 리드부(150, 152, 160, 162) 및 분로(170)가 예를 들면, 쉐도우 마스크를 이용하여 성막 된다. 이후, 알루미나와 같은 절연성 재료가 메사, 리드부 및 분로 상에서 확산 장벽(182)으로서 성막된다. 이후, 이러한 구조체가 예를 들면, 화학 기계적 연마(CMP)에 의해 평탄화된다. 이후, 이 평탄화된 표면의 상단에, 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)이 스퍼터링, 이온 빔 성막, 증착, 분자 화학적 기상 증착(MOCVD) 또는 이들 기술의 조합에 의해 성막된다. 이후, 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)이 RIE 또는 이온 밀링에 의해 부분적으로 제거되어, EMR 메사 구조체의 바로 위, 특히, EMR 활성 영역 위에 있는 이들 층의 일부분만이 남겨진다. PtMn 또는 NiMn와 같이 화학적으로 정렬된 반강자성체가 층(190)용으로 이용되는 경우, 이 구조체는 층들의 평면에 대하여 직교하게 배향되는 자기장의 존재 하에서 어닐링되게 된다. 이 합금은 화학적으로 정렬되어, 상자성/반강자성 상전이를 진행한다. 반강자성의 블로킹 온도 미만으로의 냉각시, 즉, 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)간의 교환 결합이 전개되는 온도 미만으로의 냉각시, 강자성 층(180)의 자화 방향(181)이 반강자성 층(190)에 의해 설정되어 고정된다. 다른 방법으로, 반강자성 층(190)의 화학적 정렬성이 성막 동안에 이미 유도되어지도록, 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)을 상승하는 온도에서 성막할 수 있다. 이후, 구조체는 그 층들의 평면에 대하여 직교하게 배향되는 자기장 하에서 성막 온도로부터 블록킹 온도를 거쳐 냉각된다. IrMn 또는 FeMn과 같이 화학적으로 정렬되는 반강자성 층이 층(190)용으로 이용되는 경우, 어닐링이 불필요하게 된다. 이는 층들의 평면에 대하여 직교하게 배향되는 자기장 존재 하에서의 강자성 층(180)과 반강자성 층(190)의 성막을 매우 간단하게 만든다. 그러나, 층들의 평면에 대하여 직교하게 배향되는 자기장 하에서 사후 성막 어닐링은 바이어싱 자기장(H_E)을 증가시킬 수 있기 때문에, 이러한 사후 성막 어닐링을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시형태를 참조하여 자세히 나타내고 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위에 벗어남이 없이 실시형태와 세부사항에서의 여러 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 여기 개시된 발명은 단지 설명을 위한 것으로, 범위를 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구범위에 구체화되어 있다.

본 발명에 따르면, 센서가 미소한 인가 자기장에는 더 높은 자기저항을 가지며 인가 자기장에 대하여 더 높은 선형 응답을 가지도록 향상된 자기장 바이어싱을 가진 EMR 센서를 실현할 수 있다.

Claims

초거대 자기저항(EMR; extraordinary magnetoresistance) 센서로서,

반도체 기판과;

상기 기판 상에 형성되는 EMR 활성막으로서, 상기 활성막과 일반적으로 직교하는 자기장에 응답하는 비자성 반도체 재료를 포함하는 것인 EMR 활성막과;

상기 활성막과 접촉하는 도전성 분로와;

상기 활성막과 접촉하는 전류 리드부 쌍과;

상기 활성막과 접촉하는 전압 리드부 쌍과;

상기 기판 상에 형성되는 강자성 층으로서, 상기 강자성 층과 상기 활성막의 평면들과 일반적으로 직교하게 배향되는 자기 모멘트를 갖는 것인 강자성 층과;

상기 강자성 층과 접촉하는 반강자성 층을 포함하며,

상기 강자성 층의 자기 모멘트는 상기 반강자성 층에 의해 수직 방향으로 바이어싱되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 코발트-백금-크롬 합금, 철-백금 합금, 하나 이상의 코발트-백금 이중층, 하나 이상의 코발트-팔라듐 이중층, 하나 이상의 철-백금 이중층 및 하나 이상의 철-팔라듐 이중층으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 Co/Pt, Co/Pd, Fe/Pt 및 Fe/Pd 다층들로 구성된 군으로부터 선택되는 다층인 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 (a) Co-Y 합금과 Pt의 하나 이상의 이중층 및 (b) Co-Y 합금과 Pd의 하나 이상의 이중층으로 구성된 군으로부터 선택되며, 여기서, 상기 Y는 B, Ta, Cr, O, Cu, Ag, Pt 및 Pd로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 FePt, CoPt 및 (FeCo)Pt로 구성된 군으로부터 선택되는, 화학적으로 정렬된 L1₀ 상(phase)의 재료인 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 전기적으로 절연성인 페라이트인 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 상기 EMR 활성막과 상기 반강자성 층 사이에 위치되어 있는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성 층은 상기 EMR 활성막과 상기 강자성 층 사이에 위치되어 있는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 EMR 활성막은 상기 기판과 상기 강자성 층 사이에 위치되어 있는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성 층은 코발트 산화물, 니켈 산화물, 및 코발트와 니켈 합금의 산화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 반강자성 층은 Pt, Rh, Ni, Fe, Ir 및 Pd로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소와 Mn을 포함하는 합금인 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 EMR 활성막과 상기 강자성 층 사이에 확산 장벽을 더 포함하는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 확산 장벽은 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초거대 자기저항 센서.
초거대 자기저항(EMR) 센서로서,

반도체 기판과;

상기 기판 상에 형성되는 EMR 활성막으로서, 상기 활성막과 일반적으로 직교하는 자기장에 응답하는 비자성 반도체 재료를 포함하는 것인 EMR 활성막과;

상기 활성막과 접촉하는 도전성 분로와;

상기 활성막과 접촉하는 전류 리드부 쌍과;

상기 활성막과 접촉하는 전압 리드부 쌍과;

상기 활성막 상에 형성되어, 상기 활성막의 평면과 실질적으로 직교하는 바이어싱 자기장을 제공하는 반강자성/강자성 교환 결합 이중층을 포함하며,

상기 반강자성/강자성 교환 결합 이중층은 (a) 코발트-백금-크롬 합금, 철-백금 합금, 하나 이상의 코발트-백금 이중층 및 하나 이상의 코발트-팔라듐 이중층으로 구성된 군으로부터 선택되는 재료로 형성되는 강자성 층, 및 (b) 상기 강자성 층과 교환 결합되어 있고, 코발트 산화물, 니켈 산화물, 코발트와 니켈 합금의 산화물, 및 Pt, Ni, Fe, Ir 및 Pd로 구성된 군으로부터 선택되는 원소와 Mn을 포함하는 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 재료로 형성되는 반강자성 층을 포함하는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 코발트와 백금의 하나 이상의 이중층 또는 코발트와 팔라듐의 하나 이상의 이중층이며, 상기 이중층 내의 코발트 층들은 B, Ta, Cr, O, Cu, Ag, Pt 및 Pd로 구성된 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 강자성 층의 재료는 B, Nb 및 Ta로 구성된 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 코발트-백금-크롬 합금인 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 반강자성 층은 상기 강자성 층에 교환 자기장 (H_E)를 제공하며, 상기 강자성 층의 고유 보자력(H_C0)은 H_{E에 의해} 고유 보자력(H_C0) 보다 큰 보자력 H_C으로 강화되며, 상기 H_E와 상기 H_C의 합은 센서에 의해 감지되는 자기장 보다 큰 것인 초거대 자기저항 센서.
제 16 항에 있어서, 상기 강자성 층의 고유 보자력(H_C0)은 감지되는 자기장 보다 작은 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 강자성 층은 상기 EMR 활성막과 상기 반강자성 층 사이에 위치되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 반강자성 층은 상기 EMR 활성막과 상기 강자성 층 사이에 위치되는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 14 항에 있어서, 상기 EMR 활성막과 상기 반강자성/강자성 이중층 사이에 확산 장벽을 더 포함하는 것인 초거대 자기저항 센서.
제 21 항에 있어서, 상기 확산 장벽은 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 초거대 자기저항 센서.