KR20070098423A - 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기록 장치, 자기랜덤 액세스 메모리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 출력 ΔRA를 높이고, 보자력 Hc와 제로(zero) 자기장으로부터의 시프트량 Hin을 저하시켜 감도(感度)를 높이며, 저항 반감점(半減點)의 자기장 Hua를 크게 하여 핀 안정성을 높인 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
하지층, 고정 강자성층, 비자성 금속 중간층, 자유 강자성층을 포함하는 적층 페리핀드 스핀 밸브(ferri-pinned spin valve) 구조를 갖고, 자유 강자성층을 특정 조성의 CoFeAl 또는 CoMnAl로 한 CPP형 자기 저항 효과 소자로서, 하지층이 비정질 금속 하층과 비자성 금속 상층으로 이루어진다.
페리핀드 스핀 밸브, 하지층, 강자성층, 자기 저항 효과 소자
Description
도 1은 종래의 자기(磁氣) 재생 헤드로서 일반적으로 사용되고 있는 자기 저항 효과 소자의 층 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 자기 저항 효과 소자에 센스 전류를 흐르게 하여 외부 자기장을 변화시켰을 때의 소자의 저항 변화를 모식적으로 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 바람직한 형태에 의한 층 구성의 일례를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 자유 강자성층에 사용하는 CoFeAl 조성(組成)의 영역을 나타낸 조성도.
도 5는 본 발명의 자유 강자성층에 사용하는 CoMnAl 조성의 영역을 나타낸 조성도.
도 6은 도 3의 자기 저항 효과 소자의 비자성(非磁性) 금속 중간층을 비자성 절연 중간층으로 치환한 터널형 자기 저항 효과 소자의 구조 예를 나타낸 단면도.
도 7은 도 3의 자기 저항 효과 소자를 2층 구조로 한 듀얼(dual) 형식의 자기 저항 효과 소자의 구조 예를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 포함하는 재생 헤드를 구비한 자기 헤드의 구조 예를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 재생 헤드에 사용한 자기 헤드를 구비한 자기 기록 장치의 일례를 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 사용한 전류 자계형 랜덤 액세스 메모리를 모식적으로 나타낸 사시도.
도 11은 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 사용한 스핀 주입형 랜덤 액세스 메모리를 모식적으로 나타낸 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 종래의 자기 저항 효과 소자 11 : 하지층(下地層)
12 : 반강자성층(反强磁性層) 13 : 제 1 고정 강자성층
14 : 비자성(非磁性) 결합층 15 : 제 2 고정 강자성층
16 : 비자성 중간층(비자성 금속 중간층) 16X : 비자성 절연 중간층
17 : 자유 강자성층 18 : 보호층
P : 적층 페리핀드(ferri-pinned) 구조
100, 120, 130 : 본 발명의 자기 저항 효과 소자
101 : 2층 구조 하지층
101A : 하층의 비정질 금속 하지층
101B : 상층의 비자성 금속 하지층
200, 314 : 자기(磁氣) 헤드
210 : 알틱(AlTiC) 기판 220 : 재생 헤드
222 : 하부 전극층 224 : 본 발명의 자기 저항 효과 소자
226 : 상부 전극층 227 : 절연층
228 : 자구(磁區) 제한막 230 : 기입 헤드
232 : 상부 전극 234 : 기록 갭(gap)
236 : 하부 전극 300 : 자기 기록 장치
302 : 하우징(housing) 304 : 허브(hub)
306 : 자기 기록 매체 308 : 액추에이터(actuator) 유닛
310 : 암(arm) 312 : 서스펜션(suspension)
본 발명은 하드 디스크 장치로 대표되는 자기 기록 장치에서 자기 정보를 판독하는 재생 헤드에 사용되는 자기 저항 효과 소자, 재생 헤드를 구비한 자기 헤드, 자기 헤드를 구비한 자기 기록 장치, 자기 저항 효과 소자를 사용한 자기 랜덤 액세스 메모리에 관한 것으로서, 특히 자기 저항 효과 소자의 구성층의 적층 방향으로 센스 전류를 흐르게 하는 CPP형(Current-Perpendicular-to-Plane type) 자기 저항 효과 소자에 관한 것이다.
하드 디스크 장치에 사용되고 있는 자기 재생 헤드는, 디스크로부터 누설되는 자기장의 방향으로 감응(感應)하여 전기 저항이 변화되는 자기 저항 효과를 이 용하여 자기 기록 정보를 판독하고 있다.
도 1에 자기 재생 헤드로서 일반적으로 사용되고 있는 자기 저항 효과 소자의 층 구성을 나타낸다(예를 들어 특허문헌 1, 2 등). 이 자기 저항 효과 소자(10)는 적층 페리핀드 스핀 밸브막이라고 불리는 구조이며, 아래로부터 차례로 하지층(11), 반강자성층(12), 제 1 고정 강자성층(13), 비자성 결합층(14), 제 2 고정 강자성층(15), 비자성 중간층(16), 자유 강자성층(17), 보호층(18)으로 구성된다. 여기서, 제 1 고정 강자성층(13)/비자성 결합층(14)/제 2 고정 강자성층(15)으로 이루어지는 부분 P는 적층 페리핀드(ferri-pinned) 구조라고 불리며, 비자성 결합층(14)을 통한 반강자성 결합에 의해 제 1 고정 강자성층(13)의 자화(磁化) 방향과 제 2 고정 강자성층(15)의 자화 방향이 반대 방향으로 되어 서로 고정되고, 전체적으로 자기 모멘트가 작아진다. 이것에 의해, 적층 페리핀드층(P)의 반자계가 억제되고, 또한 반강자성층(12)과의 교환 결합으로부터 발생하는 이방성(異方性) 자계를 증대시키는 효과가 있다. 이 적층 페리핀드 구조(P)와의 사이에(직접적으로는 제 2 고정 강자성층(15)과의 사이에) 비자성 중간층(16)이 개재되는 자유 강자성층(17)은 기록 매체로부터 누설되는 자기장의 방향에 따라 자화 방향이 용이하게 변화된다. 적층 페리핀드 스핀 밸브막(10)은, 고정 강자성층(적층 페리핀드층(P))의 자화 방향과 자유 강자성층(17)의 자화 방향의 상대각도 변화에 따라 막의 전기 저항이 변화되는 자기 저항 효과를 이용하여 기록 매체로부터의 자기 신호를 판독하고 있다.
현재, 하드 디스크 장치의 재생 헤드 대부분은 저항 변화를 판독하기 위한 전류를 스핀 밸브 구조를 구성하는 적층막의 막면 방향으로 흐르게 하는 CIP(Current In Plane) 구조가 사용되고 있다. 한편, 금후의 하드 디스크 장치의 용량 증가에 따라, 1비트당의 기록 면적이 감소하고, 소자의 코어 폭이 좁아지는 상황 하에서, 센스 전류를 막면과 수직인 방향으로 흐르게 하는 구조 소위 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane) 구조가 제안되어, 이미 일부는 헤드로서 소량 생산되고 있다. 이 CPP 구조의 스핀 밸브막은 소자의 코어 폭이 좁아짐에 따라 출력이 증대한다는 특징을 갖고 있으며, 원리적으로 고밀도화에 적합하다.
CPP형 스핀 밸브 구조의 출력은 소자의 단위면적당 자기 저항 변화(ΔRA)에 의해 결정되고, 이 자기 저항 변화를 증가시키기 위해서는, 자기 저항 효과를 발생시키는 자유 강자성층 및 적층 페리핀드 구조에서의 고정 강자성층에 스핀 의존 산란(散亂)을 갖고 비저항이 높은 재료를 사용할 필요가 있다. 본 출원인은, 이러한 높은 비저항 재료로서, 일본국 특허출원2005-244507 및 일본국 특허출원2005-346065에 있어서, 조성 범위를 한정한 CoFeAl 및 CoMnAl을 제안하고 있으며, 본 발명에서도 이들 조성을 사용하고 있다.
그러나, 재생 헤드에 적용하기 위해서는, 자기 저항 효과 소자에는 자기 저항 변화 ΔRA 이외에 하기의 특성이 더 요구된다.
도 2에 자기 저항 효과 소자에 센스 전류를 흐르게 하여 외부 자기장을 변화시켰을 때의 소자의 저항 변화를 모식적으로 나타낸다.
도면 중의 곡선 X가 나타낸 바와 같이, 저항은 기록 매체로부터의 신호 자계(외부 자기장) 변화에 대하여 양호한 감도(感度)로 변화되어야만 하고, 그를 위해 서는 보자력(保磁力) Hc를 작게 할 필요가 있어, Hc≤5 Oe인 것이 바람직하다.
또한, 기록 매체로부터의 자계 방향이 변화되었을 때에 예민하게 변화하기 위해서는, 외부 자기장 제로(zero)로부터의 시프트량 Hin도 작게 할 필요가 있어, Hin≤20 Oe인 것이 바람직하다.
또한, 외부 자기장에 의해 고저항의 상태가 반전되지 않도록 적층 페리핀드 구조에 의한 핀의 안정성이 중요하다. 그 기준으로서, 저항이 반분(半分)으로 되는 점의 자기장 Hua를 크게 할 필요가 있어, Hua≥1400 Oe인 것이 바람직하다.
상기 본 출원인의 제안에 의한 고(高)비저항 재료를 자유 강자성층, 고정 강자성층에 사용함으로써, 종래에 비하여 높은 자기 저항 변화 ΔRA가 얻어진다. 그러나, 재생 헤드로서 실용화하기 위해서는, 자기 저항 변화 ΔRA를 더 높게 하는 동시에, 보자력 Hc를 저감할 필요가 있다.
종래의 하지층인 NiCr을 사용하면, 자기 저항 효과막의 자성층에 고(高)비저항막을 사용한 경우, 하부 전극의 NiFe층의 결정 구조를 받아 보자력 Hc가 커지는 경향이 있었다. 또한, Ru이나 Cu 등의 비자성 단체(單體) 금속을 하지층으로 한 경우에는, 보자력 Hc는 저하시킬 수 있어도, 동시에 제로 자기장으로부터의 시프트량 Hin도 매우 많아지게 되어, 외부 자기장의 방향이 변화되어도 예민하게 반응할 수 없게 된다.
또한, 기록 밀도가 증가함에 따라 리드 갭(Read-Gap), 즉, 상부 전극과 하부 전극 사이의 두께도 얇게 할 필요가 있어, 하부 전극 위에 설치하는 하지층의 박막화도 필요 불가결하다.
[특허문헌 1] 일본국 공개특허2005-191312호 공보
[특허문헌 2] 일본국 공개특허평11-126315호 공보
본 발명은 자기 저항 변화 ΔRA, 즉, 출력을 높이고, 보자력 Hc 및 제로 자기장으로부터의 시프트량 Hin을 함께 저하시켜 감도(感度)를 높이며, 저항 반감점(半減點)의 자기장 Hua를 크게 하여 핀 안정성을 높인 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 자기 저항 효과 소자를 사용한 자기 헤드, 자기 기록 장치, 및 자기 랜덤 액세스 메모리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 최하층의 하지층과, 그 상방(上方)의 고정 강자성층과, 비자성 금속 중간층과, 자유 강자성층을 포함하는 적층 페리핀드 스핀 밸브(ferri-pinned spin valve) 구조를 갖고, 상기 자유 강자성층이 하기 (1), (2):
(1) CoFeAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내면, 점 A(55, 10, 35), 점 B(50, 15, 35), 점 C(50, 20, 30), 점 D(55, 25, 20), 점 E(60, 25, 15), 점 F(70, 15, 15)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성, 또는 (2) CoMnAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Mn 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내 면, 점 A(44, 23, 33), 점 B(48, 25, 27), 점 C(60, 20, 20), 점 D(65, 15, 20), 점 E(65, 10, 25), 점 F(60, 10, 30)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성 중 어느 하나의 조성으로 이루어지는 CPP형 자기 저항 효과 소자로서, 상기 하지층이 하층의 비정질 금속 하지층과 상층의 비자성 금속 하지층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자가 제공된다.
[실시형태 1]
도 3을 참조하여 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 바람직한 형태를 설명한다.
본 발명의 자기 저항 효과 소자(100)는 도 1에 나타낸 종래의 자기 저항 효과 소자(10)에 대하여 하지층(11)을 2층 구조의 하지층(101)으로 바꾼 점만이 상이하며, 그 이외의 층 구성은 동일하다. 즉, 본 발명의 자기 저항 효과 소자(100)는 적층 페리핀드 스핀 밸브막이라고 불리는 구조이며, 아래로부터 차례로 하지층(101), 반강자성층(12), 제 1 고정 강자성층(13), 비자성 결합층(14), 제 2 고정 강자성층(15), 비자성 금속 중간층(16), 자유 강자성층(17), 보호층(18)으로 구성되고, 제 1 고정 강자성층(13)/비자성 결합층(14)/제 2 고정 강자성층(15)으로 적층 페리핀드 구조(P)를 구성한다.
이하, 본 발명의 각 구성요건을 설명한다.
<하지층>
본 발명의 특징인 하지층(101)은 하층의 비정질 금속 하지층(101A)과 상층의 비자성 금속 하지층(101B)의 2층으로 이루어지며, 하기 구성으로 하는 것이 바람직하다.
하지층의 하층(101A)을 이루는 비정질 금속은 하기 (a), (b), (c):
(a) Ta, Ti, Zr 중 어느 1종의 단체 금속,
(b) Fe, Co, Ni, Cu 중 어느 1종 이상의 성분과, P, C, B, Si, Al, Ge, Be, Sn, In, Mo, W, Ti, Mn, Cr, Zr, Hf, Nb 중 어느 1종 이상의 성분으로 이루어지는 비정질 합금,
(c) Ca, Mg, Al 중 어느 1종 이상의 성분과, Zn, Cd 중의 1종 이상으로 이루어지는 비정질 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.
이들은 Cu/NiFe 등의 하부 전극 위에 실온(室溫) 스퍼터링 등의 저온 성막법에 의해 비정질막으로서 용이하게 성막할 수 있어, 하부 전극의 NiFe 등의 결정 구조 영향을 차단한다.
하지층의 상층(101B)을 이루는 비자성 금속은 Ru, Cu, Au, Ag, Rh, Ir, Pt, Pd, Os, Al, W, Nb, Mo, Tc, Ti, V, Cr으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종인 것이 바람직하다.
이들은 상기 비정질 금속 하지층 위에 실온 스퍼터링 등의 저온 성막법에 의해 양호한 결정막으로서 용이하게 성막할 수 있어, 그 위에 형성하는 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조의 결정성을 높일 수 있다.
<자유 강자성층의 조성>
도 4 및 도 5에 본 발명의 자유 강자성층에 사용하는 (1) CoFeAl 조성의 영 역 및 (2) CoMnAl 조성의 영역을 각각 나타낸다. 이들은 상술한 바와 같이 본 출원인이 일본국 특허출원2005-244507 및 일본국 특허출원2005-346065에서 이미 개시한 것이다. 도면 중의 각 수치(數値)는 각 위치의 조성에 따른 보자력 Hc의 값을 나타낸다.
(1) CoFeAl의 조성 범위
도 4의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Al 함유량[모두 단위는 원자%])으로서 나타내면, 본 발명에 사용하는 CoFeAl의 조성은, 점 A(55, 10, 35), 점 B(50, 15, 35), 점 C(50, 20, 30), 점 D(55, 25, 20), 점 E(60, 25, 15), 점 F(70, 15, 15)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F, 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 ABCDEFA 내의 조성으로 한다. 이 조성 범위로 함으로써, 자유 자화층의 보자력을 30 Oe 이하로 할 수 있다. 이것에 의해, 자유 자화층은 호이슬러(Heusler) 합금 조성 Co50Fe25Al25의 보자력 30. 5 Oe(도 4 참조)보다도 보자력이 낮아, 신호 자계에 대한 높은 감도가 얻어진다.
또한, Al 함유량이 15원자%보다도 적은 범위에서도 보자력이 30 Oe 이하로 되지만, 본원 발명자의 검토에 의하면, ΔRA가 1mΩ㎛2 정도로 되어, 출력이 저하된다. 또한, Al 함유량이 35원자%보다도 많은 범위에서도 보자력이 30 Oe 이하로 되지만, 포화 자속(磁束) 밀도가 저하되는 경향이 있고, 자유 자화층의 원하는 포화 자속 밀도와 막 두께의 곱을 확보하기 위해 자유 자화층의 막 두께가 증대하는 경향으로 되며, 그 결과, 리드 갭 길이가 증대하여 높은 기록 밀도에서의 출력이 저 하된다.
또한, 자유 자화층의 CoFeAl의 바람직한 조성 범위는, 점 A(55, 10, 35), 점 B(50, 15, 35), 점 C(50, 20, 30), 점 G(65, 20, 15)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 G, 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 ABCGA의 범위 내이다. 이 조성 범위 내로 함으로써, 보자력을 20 Oe 이하로 더 저감할 수 있다. 영역 ABCGA 내의 조성은 영역 ABCDEFA 내의 조성보다도 보자력이 더 낮기 때문에 자기 저항 효과 소자의 감도가 더 향상된다.
또한, 도 4에 나타낸 보자력 Hc의 값은 종래의 NiCr 하지층을 사용한 하기 층 구성의 듀얼 스핀 밸브막에 대해서 측정한 것이다.
하지층 : NiCr(4㎚)
하부 반자성층 : IrMn(5㎚)
하부 제 1 고정 강자성층 : Co60Fe40(3.5㎚)
하부 비자성 결합층 : Ru(0.72㎚)
하부 제 2 고정 강자성층 : CoFeAl(5.0㎚)
하부 비자성 금속 중간층 : Cu(3.5㎚)
자유 강자성층 : CoFeAl(6.5㎚)
상부 비자성 금속 중간층 : Cu(3.5㎚)
상부 제 2 고정 강자성층 : CoFeAl(5.0㎚)
상부 비자성 결합층 : Ru(0.72㎚)
상부 제 1 고정 강자성층 : Co60Fe40(3.5㎚)
상부 반자성층 : IrMn(5㎚)
보호층 : Ru(5㎚)
상기와 같이 고정 강자성층으로서도 일부에 CoFeAl 조성을 사용한다.
(2) CoMnAl의 조성 범위
도 5의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Mn 함유량, Al 함유량[모두 단위는 원자%])으로서 나타내면, 본 발명에 사용하는 CoMnAl의 조성은, 점 A(44, 23, 33), 점 B(48, 25, 27), 점 C(60, 20, 20), 점 D(65, 15, 20), 점 E(65, 10, 25), 점 F(60, 10, 30)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 ABCDEFA 내의 조성으로 한다. 이 조성 범위로 함으로써, 자유 자화층의 보자력을 호이슬러 합금 조성 Co50Fe25Al25의 보자력 11.5 Oe(도 5 참조) 이하로 할 수 있어, 신호 자계에 대한 높은 감도가 얻어진다.
자유 자화층의 조성 범위는, Al 함유량이 20원자%보다도 적은 범위에서는 보자력이 증가하는 경향이 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 변 AF보다도 Al 함유량이 많은 조성에서는, 보자력은 낮아지지만 비자성 원소인 Al의 증가에 따른 포화 자속 밀도의 저하가 현저하게 나타난다. 자유 자화층은, 그 포화 자속 밀도와 막 두께의 곱이 소정값 이상인 것이 필요하기 때문에, 변 AF보다도 Al 함유량이 많은 조성에서는 막 두께가 두꺼워지고, 소위 리드 갭 길이가 과도하게 증가하여 바람직하지 않다.
또한, 도 5에 나타낸 보자력 Hc의 값은 종래의 NiCr 하지층을 사용한 하기 층 구성의 듀얼 스핀 밸브막에 대해서 측정한 것이다.
하지층 : NiCr(4㎚)
하부 반강자성층 : IrMn(5㎚)
하부 제 1 고정 강자성층 : Co60Fe40(3.5㎚)
하부 비자성 결합층 : Ru(0.7㎚)
하부 계면 자성층 : CoFe(0.5㎚)
하부 제 2 고정 강자성층 : Co100 -X- YMnXAlY
하부 제 2 확산 방지층 : CoFe(0.5㎚)
하부 비자성 금속 중간층 : Cu(3.5㎚)
하부 제 1 확산 방지층 : CoFe(0.5㎚)
자유 강자성층 : Co100 -X- YMnXAlY
상부 제 1 확산 방지층 : CoFe(0.5㎚)
상부 비자성 금속 중간층 : Cu(3.5㎚)
상부 제 2 확산 방지층 : CoFe(0.5㎚)
상부 제 2 고정 강자성층 : Co100 -X- YMnXAlY
상부 비자성 결합층 : Ru(0.7㎚)
상부 제 1 고정 강자성층 : Co60Fe40(3.5㎚)
상부 반강자성층 : IrMn(5㎚)
보호층 : Ru(5㎚)
상기와 같이 제 2 고정 강자성층으로서도 CoMnAl 조성을 사용한다. 또한, 자유 강자성층 및 제 2 고정 강자성층으로부터 비자성 금속 중간층으로의 Mn 확산을 방지하기 위해 각 확산 방지층을 개재시키고 있다. Mn이 비자성 금속 중간층으로 확산되면 제 2 고정 강자성층 자화층과 자유 자화층이 동일한 자화 방향을 가져 자기적으로 결합되고, 외부 자기장에 대하여 동일한 각도로 움직이게 되는 것에 따른 ΔRA를 열화(劣化)시키게 되기 때문이다. 또한, 자기 저항 변화 ΔRA를 증가시키기 위해, 스핀 의존 계면 산란이 CoMnAl보다 큰 CoFe의 계면 자성층도 설치되어 있다.
<고정 강자성층의 조성>
본 발명의 자기 저항 효과 소자의 고정 강자성층에는, 상기 자유 강자성층의 조성 (1)의 CoFeAl을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 하지층/반강자성층/제 1 고정 강자성층/비자성 결합층/제 2 고정 강자성층/비자성 금속 중간층(또는 비자성 절연 중간층)/자유 강자성층/보호층이라는 층 구성에서, 제 2 고정 강자성층의 조성으로서는, CoMnZ(단, Z는 Al, Si, Ga, Ge, Cu, Mg, V, Cr, In, Sn, B, Ni 중 어느 1종 이상)를 사용할 수 있다.
<<다른 구성층>>
<반강자성층>
도 3에 있어서, 하지층(101) 위에 형성하는 반강자성층(12)은 예를 들어 막 두께 4㎚∼30㎚(바람직하게는 4㎚∼10㎚)의 Mn-TM 합금(TM은 Pt, Pd, Ni, Ir 및 Rh 중 적어도 1종을 포함)으로 구성된다. Mn-TM 합금으로서는, 예를 들어 PtMn, PdMn, NiMn, IrMn, PtPdMn을 들 수 있다. 반강자성층(12)은 적층 페리핀드 구조(P)의 제 1 고정 강자성층(13)에 교환 상호작용을 미치게 하여 제 1 고정 강자성층(13)의 자화를 소정 방향에 고정시킨다.
<비자성 결합층>
도 3에 있어서, 비자성 결합층(14)은, 그 막 두께가 제 1 고정 강자성층(13)과 제 2 고정 강자성층(15)이 반강자성적으로 교환 결합되는 범위로 설정된다. 그 범위는 0.4㎚∼1.5㎚(바람직하게는 0.4㎚∼0.9㎚)이다. 비자성 결합층(14)은 Ru, Rh, Ir, Ru계 합금, Rh계 합금, Ir계 합금 등의 비자성 재료로 구성된다. Ru계 합금으로서는, Ru에 Co, Cr, Fe, Ni, 및 Mn 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 첨가한 비자성 재료가 적합하다.
<비자성 금속 중간층>
도 3에 있어서, 비자성 금속 중간층(16)은 예를 들어 막 두께 1.5㎚∼10㎚의 비자성 도전성 재료로 구성된다. 비자성 금속 중간층(16)에 적합한 도전성 재료로서는 Cu, Al 등을 들 수 있다.
[실시형태 2]
도 6에 도 3의 자기 저항 효과 소자(100)의 비자성 금속 중간층(16)을 비자성 절연 중간층(16X)으로 치환한 터널형 자기 저항 효과 소자(120)의 구조 예를 나타낸다. 다른 층 구성은 도 3에 나타낸 자기 저항 효과 소자(100)의 층 구성과 동 일하다.
비자성 절연 중간층(16X)은 예를 들어 두께가 0.2㎚∼2.0㎚로 이루어지고, Mg, Al, Ti, 및 Zr으로 이루어지는 그룹 중 어느 1종의 산화물로 이루어진다. 이러한 산화물로서는, MgO, AlOx, TiOx, ZrOx, VOx, LSMO(LaSrMnO3), SFMO(Sr2FeMoO6) 등을 들 수 있다. 여기서, x는 각각 재료의 화합물의 조성으로부터 벗어난 조성이어도 상관없음을 나타낸다. 특히 비자성 절연 중간층(16X)은 결정질 Mg0인 것이 바람직하고, 특히 센스 전류의 방향에 수직인 막면의 단위면적의 터널 저항 변화량이 증가하는 점에서 Mg0의 (001)면은 막면과 대략 평행한 것이 바람직하다. 또한, 비자성 절연 중간층(16X)은 Al, Ti, 및 Zr으로 이루어지는 그룹 중 어느 1종의 질화물, 또는 산질화물로 구성될 수도 있다. 이러한 질화물로서는, AlN, TiN, ZrN을 들 수 있다.
비자성 절연 중간층(16X)의 형성 방법은 스퍼터링법, CVD법, 증착법을 이용하여 상기 재료를 직접 형성할 수도 있고, 스퍼터링법, CVD법, 증착법을 이용하여 금속막을 형성한 후, 산화 처리나 질화 처리를 행하여 산화막이나 질화막으로 변환할 수도 있다.
[실시형태 3]
도 7에 도 3의 자기 저항 효과 소자(100)를 2층 구조로 한 듀얼 형식의 자기 저항 효과 소자의 구조 예를 나타낸다.
도시한 듀얼 형식의 자기 저항 효과 소자(130)는, 비정질 금속 하지층(101A) 과 비자성 금속 하지층(101B)의 2층으로 이루어지는 하지층(101) 위에 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조의 구성층 중 반강자성층(12)으로부터 제 1 고정 강자성층(13), 비자성 결합층(14), 제 2 고정 강자성층(15), 비자성 금속 중간층(16)을 거쳐 자유 강자성층(17)까지를 아래로부터 차례로 적층한 하부 적층 영역(S1) 위에 이것과는 역순(逆順)으로 자유 강자성층(17)으로부터 비자성 금속 중간층(16), 제 2 고정 강자성층(15), 비자성 결합층(14), 제 1 고정 강자성층(13)을 거쳐 반강자성층(12)까지를 아래로부터 차례로 적층한 상부 적층 영역(S2)을 양 적층 영역(S1, S2)의 자유 강자성층(17)을 공유층으로 하여 일체로 중첩시킨 듀얼 형식의 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조를 갖는다. 이렇게 듀얼 형식으로 함으로써, 출력 ΔRA를 2배로 증강(增强)시킬 수 있다.
[실시형태 4]
도 8에 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 포함하는 재생 헤드를 구비한 자기 헤드의 구조 예를 나타낸다.
도시한 자기 헤드(200)는 알틱 기판(210) 위에 형성된 본 발명의 자기 저항 효과 소자(224)(=100, 120, 130 등)를 포함하는 재생 헤드(220)와, 그 위에 형성된 유도형 기록 소자에 의한 기입 헤드(230)로 구성된다.
기입 헤드(230)는 매체 대향면에 자기 기록 매체의 트랙 폭에 상당하는 폭을 갖는 상부 자극(磁極)(232)과, 비자성 재료로 이루어지는 기록 갭층(234)을 사이에 두어 상부 자극(232)과 대향하는 하부 자극(236)과, 상부 자극(232)과 하부 자극(236)을 자기적으로 접속하는 요크(yoke)(도시 생략)와, 요크를 감고, 기록 전류에 의해 기록 자계를 유발하는 코일(도시 생략) 등으로 이루어진다. 상부 자극(232), 하부 자극(236), 및 요크는 연(軟)자성 재료로 구성된다. 이 연자성 재료로서는, 기록 자계를 확보하기 위해 포화 자속 밀도가 큰 재료 예를 들어 Ni80Fe20, CoZrNb, FeN, FeSiN, FeCo, CoNiFe 등을 들 수 있다. 또한, 기입 헤드(230)는 이것에 한정되지 않아, 공지 구조의 유도형 기록 소자를 사용할 수 있다.
재생 헤드(220)는 알틱 기판(210) 위에 하부 전극층(222)을 통하여 자기 저항 효과 소자(224)(=100, 120, 130 등)를 구비하고, 자기 저항 효과 소자(224)의 상부에는 상부 전극층(226)이 형성되어 있다. 자기 저항 효과 소자(224)의 주위는 알루미나 등의 절연층(227) 중에 매립된 자구(磁區) 제어층(226)이 둘러싸고 있다. 자구 제어막(228)은 예를 들어 Cr막과 강자성 CoCrPt막의 적층체로 이루어진다. 자구 제어막(228)은 자기 저항 효과 소자(224)를 구성하는 자유 자화층(도 3, 6, 7의 참조부호 17)의 단자구화(單磁區化)를 도모하여, 바르크하우젠(Barkhausen) 노이즈의 발생을 방지한다.
하부 전극(222) 및 상부 전극(226)은 센스 전류 Is의 유로(流路)로서의 기능에 더하여, 자기 실드(shield)로서의 기능도 겸한다. 따라서, 하부 전극(222) 및 상부 전극(226)은 연자성 합금 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 구성된다. 또한, 하부 전극(222)과 자기 저항 효과 소자(224)의 계면에 도전막 예를 들어 Cu막, Ta막, Ti막 등을 설치할 수도 있다.
일반적으로, 재생 헤드(220) 및 기입 헤드(230)는 부식 등을 방지하기 위해 알루미나막이나 수소화 카본막 등에 의해 덮인다.
센스 전류 Is는 예를 들어 상부 전극(226)으로부터 자기 저항 효과 소자(224)를 그 구성층의 막면과 대략 수직으로 흘러 하부 전극(222)에 도달한다. 자기 저항 효과 소자(224)는 자기 기록 매체로부터 누설되는 신호 자계의 강도 및 방향에 대응하여 전기 저항값 소위 자기 저항값이 변화된다. 자기 저항 효과 소자(20)는 GMR막(30)의 자기 저항값 변화를 소정 전류량의 센스 전류 Is를 흐르게 하여 전압 변화로서 검출한다. 이렇게 하여, 자기 저항 효과 소자(224)를 포함하는 재생 헤드(220)는 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생한다. 또한, 센스 전류 Is가 흐르는 방향은 도 1에 나타낸 방향에 한정되지 않아, 역방향일 수도 있다.
[실시형태 5]
도 9에 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 재생 헤드에 사용한 자기 헤드를 구비한 자기 기록 장치의 평면도를 나타낸다.
도시한 자기 기록 장치(300)는, 하우징(302) 내에 스핀들(spindle)(도시 생략)에 의해 구동되는 허브(hub)(304), 허브(304)에 고정되어 스핀들에 의해 회전되는 자기 기록 매체(306), 액추에이터 유닛(308), 액추에이터 유닛(308)에 의해 지지되어 자기 기록 매체(306)의 직경 방향으로 구동되는 암(arm)(310) 및 서스펜션(312), 서스펜션(312)에 의해 지지된 자기 헤드(314)가 설치되어 있다.
자기 기록 매체(306)는 면내 자기 기록 방식 또는 수직 자기 기록 방식 중 어느 하나의 자기 기록 매체일 수도 있고, 경사 이방성(異方性)을 갖는 기록 매체일 수도 있다. 자기 기록 매체(306)는 자기 디스크에 한정되지 않아, 자기 테이프 일 수도 있다.
자기 헤드(314)는 예를 들어 도 8의 자기 헤드(200)이며, 유도형 기록 소자(230)는 면내 기록용의 링형 기록 소자일 수도 있고, 수직 자기 기록용의 단자극형 기록 소자일 수도 있으며, 다른 공지의 기록 소자일 수도 있다. 자기 저항 효과 소자(220)는 본 발명의 자기 저항 효과 소자(=100, 120, 130 등)이며, 단위면적의 자기 저항 변화량 ΔRA, 또는 단위면적의 터널 저항 변화량이 크고, 고출력이다. 또한, 자유 자화층의 보자력이 저감되어 있기 때문에 감도가 높다. 따라서, 자기 기록 장치(300)는 높은 기록 밀도 기록에 적합하다.
본 발명의 CPP형 자기 저항 효과 소자는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM: Magnetoresistive RAM)로의 응용에도 효과적이다. MRAM은 하기와 같이 전류 자계형과 스핀 주입형으로 구분되지만, 모든 타입에서 본 발명의 자기 저항 효과 소자의 특징인 높은 출력(=보다 낮은 전류 밀도에서 기입 및 판독 가능)과 낮은 보자력(=자화 반전이 용이)이 달성되어, 고밀도의 MRAM을 실현할 수 있다.
[실시형태 6]
도 10에 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 사용한 전류 자계형 랜덤 액세스 메모리를 모식적으로 나타낸다.
도시한 전류 자계 기록형 MRAM(410)은, 본 발명의 자기 저항 효과 소자(412)(=100, 120, 130 등)를 복수의 비트선(리드선)(414)과 복수의 워드선(416)으로 구성한 매트릭스의 격자점에 배치하고, 비트선(414) 및 워드선(416)을 각각 자기 저항 효과 소자(412)의 상부 전극 및 하부 전극에 접속한 구조를 갖는다.
이 구조에 있어서, 비트선(412) 및 워드선(413)에 전류 Ix를 흐르게 하고, 발생한 전류 자계에 의해 자기 저항 효과 소자(412)의 자유 강자성층(17)(도 3, 6, 7)의 자화 반전을 일으킨다. 참조부호 418은 판독용의 한쪽 전극이다.
[실시형태 7]
도 11에 본 발명의 자기 저항 효과 소자를 사용한 스핀 주입형 랜덤 액세스 메모리를 모식적으로 나타낸다.
도시한 스핀 주입형 MRAM(420)은 본 발명의 자기 저항 효과 소자(422)를 사용하고, 복수의 비트선(리드선)(424)을 자기 저항 효과 소자(422)의 상부 전극에 접속한 구조를 갖는다.
이 구조에 있어서, 비트선(424)에 스핀 편극(偏極) 전류 Is를 흐르게 함으로써 자기 저항 효과 소자(422)의 자유 강자성층(17)(도 3, 6, 7)의 자화 반전을 일으킨다. 참조부호 426은 판독용의 한쪽 전극이다.
[실시예 1]
본 발명에 의한 자기 저항 효과 소자를 제조했다. 비교를 위해 종래예 및 비교예의 자기 저항 효과 소자도 제조했다. 본 발명예와 종래예 및 비교예는 하지층의 층 구성만이 상이하여 다른 층 구성은 동일하게 했다.
도 7에 나타낸 듀얼 스핀 밸브 구조의 자기 저항 효과 소자를 하기 조건 및 순서로 제조했다.
열산화막이 형성된 실리콘 기판 위에, 하부 전극으로서, 실리콘 기판 측으로부터 Cu(250㎚)/NiFe(50㎚)의 적층막을 형성했다.
이어서, 스퍼터링 장치를 사용하여, 초고진공(진공도: 2×10-6㎩ 이하) 중에서 상온(기판의 가열 없음)에서 표 1의 조성 및 두께의 하지막(101)(도 7)을 형성했다.
이어서, 동일한 조건 하에서 하기의 각층을 차례로 형성했다.
반강자성층(12) : IrMn(5㎚)
하부 제 1 고정 강자성층(13) : CoFe(3.5㎚)
비자성 결합층(14) : Ru(0.75㎚)
하부 제 2 고정 강자성층(15) : Co57 .5Fe20Al22 .5 또는 Co45Mn22 .5Al32 .5(3.8㎚)
비자성 금속 중간층(16) : Cu(3.5㎚)
자유 강자성층(17) : Co57 .5Fe20Al22 .5 또는 Co45Mn22 .5Al32 .5(3.8㎚)
비자성 금속 중간층(16) : Cu(3.5㎚)
상부 제 2 고정 강자성층(15) : Co57 .5Fe20Al22 .5 또는 Co45Mn22 .5Al32 .5(3.8㎚)
비자성 결합층(14) : Ru(0.75㎚)
상부 제 1 고정 강자성층(13) : CoFe(3.5㎚)
반강자성층(12) : IrMn(5㎚)
보호층(18) : Ru(5㎚)
이어서, 반강자성층(12)의 반강자성을 발현시키기 위한 열처리를 행하였다. 열처리의 조건은 가열 온도 300℃, 처리 시간 3시간, 인가 자계 1952㎄m로 했다.
이어서, 이렇게 하여 얻어진 적층체를 이온 밀링(ion milling)에 의해 연삭( 硏削)하고, 실제 헤드를 상정(想定)한 사이즈 0.1㎛2∼0.6㎛2의 각각의 소자로 되는 적층체를 제조했다.
마지막으로, 얻어진 적층체를 실리콘산화막으로 덮고, 이어서 건식 에칭에 의해 보호층을 노출시키며, 보호층과 접촉하도록 Au막으로 이루어지는 상부 전극을 형성하여, 각각의 자기 저항 효과 소자를 얻었다.
얻어진 소자 샘플에 대해서, 자기 저항 변화율(ΔRA), 보자력(Hc), 저항이 반분으로 되는 점의 자기장 Hua, 외부 자기장 제로로부터의 시프트량 Hin을 측정했다. 측정 조건은 다음과 같았다.
<특성의 측정 조건>
인가 자기장 : 1OOO Oe
센스 전류 : 2㎃
표 1에 측정 결과를 정리하여 나타낸다.
[표 1]
| 강자성층 | 구분 | 하지층 [수치는 두께(㎚)] | ΔRA (mΩ㎛2) | Hc (Oe) | Hua (Oe) | Hin (Oe) |
| Co-Fe-Al | 종래예 | NiCr 4 | 6.3 | 8.7 | 2028 | 8.4 |
| 비교예 | Ru 4 | 6.8 | 0.5 | 1135 | 54.5 | |
| 본발명 | Ta 4/Ru 4 | 7.4 | 3.8 | 1612 | 11.4 | |
| 비교예 | Ta 4/NiFe 4 | 6.6 | 6.5 | 1707 | 9.2 | |
| Co-Mn-Al | 종래예 | NiCr 4 | 4.2 | 3.9 | 1767 | 8.4 |
| 비교예 | Ru 4 | 4.8 | 1.4 | 975 | 82.1 | |
| 본발명 | Ta 4/Ru 4 | 5.0 | 0.4 | 1475 | 10.2 | |
| 비교예 | Ta 2/NiCr 4 | 3.3 | 1.2 | 1618 | 11.3 | |
| 비교예 | NiCr 4/Ta 1/Cu 1 | 2.7 | 0.3 | 1348 | 14.7 |
종래의 하지층인 NiCr층과 Ru 단독층을 비교하면 , CoFeAl 또는 CoMnAl 중 어느쪽 강자성층을 사용한 경우에도, ΔRA와 Hc는 개선되었지만, Hua는 반분까지 저하되고, Hin이 50 Oe 이상으로 격증(激增)했다.
이것에 대하여, 본 발명에 의한 비정질 금속 하지층/비자성 금속 하지층의 2층 구조를 적용하여 Ta(4㎚)/Ru(4㎚)의 2층 하지층을 사용하면, 종래의 NiCr 하지층과 비교하여 Hin은 동등하며 Hua는 3/4으로 저하되었지만, Hc가 CoFeAl 강자성층의 경우는 반감(半減)되고, CoMnAl 강자성층의 경우는 대략 제로까지 저하되었다. 또한, 출력 ΔRA는 어느쪽 강자성층을 사용한 경우에도 20% 정도 증가했다.
여기서, Ta/Ru 2층 구조 이외의 조합을 사용한 각 비교예(Ta/NiFe, Ta/NiCr, NiCr/Ta/Cu)의 조합에서는, 종래예의 NiCr 하지층과 비교하여 특히 ΔRA에 대해서는 우위성(優位性)이 적다. Hua는 제 1 고정 강자성층과 제 2 고정 강자성층의 자기 모멘트 비율로 증가시킬 수 있지만, Hc 및 Hin을 저하시키는 것은 일반적으로는 어려워, Hua가 3/4 정도까지 저하되는 것은 Hc가 반분으로 되는 것과 비교하여 큰 문제가 아니다. 이것으로부터, 본 발명에 의한 Ta/Ru의 조합의 2층 하지층은 종래의 하지층 NiCr과 비교하여 ΔRA가 대폭으로 증가하고, Hc가 현저하게 저하되었다. 동시에, 1400 이상의 큰 Hua와 20 Oe 이하의 작은 Hin을 확보할 수 있다.
[실시예 2]
CPP 구조에서는, 하지층으로부터 보호층까지의 막 두께가 그대로 리드 갭(read-gap)으로 되기 때문에, 높은 기록 밀도의 판독에서는 보호층의 막 두께를 가능한 한 얇게 할 필요가 있다.
실시예 1의 CoFeAl 강자성층과 Ta/Ru의 2층 하지층의 조합에 대해서, 비정질 금속 하지층인 Ta의 두께와, 비자성 금속 하지층인 Ru의 두께를 다양하게 변화시킨 자기 저항 효과 소자를 제조하여 각 특성을 평가했다. 제조 방법 및 평가 방법은 실시예 1과 동일했다. 평가 결과를 표 2에 정리하여 나타낸다.
[표 2]
| 강자성층 | 하지층 [수치는 두께(㎚)] | ΔRA (mΩ㎛2) | Hc (Oe) | Hua (Oe) | Hin (Oe) |
| Co-Fe-Al | Ta 3/Ru 4 | 7.3 | 2.3 | 1673 | 12.8 |
| Ta 2/Ru 4 | 7.1 | 2.7 | 1673 | 13.3 | |
| Ta 1/Ru 4 | 7.0 | 1.8 | 1632 | 13.9 | |
| Ta 4/Ru 4 | 7.3 | 2.9 | 1666 | 12.4 | |
| Ta 4/Ru 2 | 7.1 | 2.2 | 1612 | 13.4 | |
| Ta 4/Ru 1 | 7.3 | 2.2 | 1632 | 12.9 | |
| Ta 1/Ru 3 | 6.9 | 1.2 | 1632 | 17.7 | |
| Ta 1/Ru 2 | 7.9 | 1.4 | 1537 | 19.0 | |
| Ta 1/Ru 1 | 7.1 | 1.5 | 1585 | 16.3 | |
| Ta 0.5/Ru 4 | 6.7 | 0.2 | 1166 | 61.2 |
Ta층 및 Ru층의 두께를 각각 4㎚로부터 점차 얇게 한 결과, Ta층의 두께를 0.5㎚로 하면 Hin의 증가를 억제할 수 없지만, Ta층의 두께가 1㎚이면 Hin의 저감 효과를 얻기에는 충분하다. 한편, ΔRA, Hc, Hua, Hin은 Ta층 두께를 1㎚까지 얇게 하여도 거의 변화되지 않고, Ta 1㎚/Ru 1㎚(하지층 두께 : 2㎚)의 경우에도, 높은 ΔRA(≥6.3mΩ㎛2) 및 HuA(≥1400 Oe)와, 낮은 Hc(≤3 Oe) 및 Hin(≤20 Oe)이 달성되어 하지층으로서 충분하게 기능했다.
이것은 종래의 NiCr 하지층이 4㎚ 이상 필요했던 것과 비교하여 반분의 두께로 저감할 수 있음을 나타내고 있으며, 리드 갭 저감의 관점에서도 본 발명의 하지층은 매우 유리하다.
이상의 실시예에서는 비자성 금속 중간층(16)을 사용한 GMR(거대 자기 저항 소자)에 대해 설명했지만, 비자성 금속 중간층(16)을 비자성 절연 중간층(16X)으로 치환한 터널 자기 저항 효과 소자(TMR)에 대해서도 동일한 효과가 얻어진다. 비자 성 절연 중간층(16X)으로서는, 이미 설명한 바와 같이, MgO, AlOx, TiOx, ZrOx, VOx, LSMO(LaSrMnO3), SFMO(Sr2FeMoO6) 등을 들 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 각 형태를 하기에 부기로서 정리하여 기재한다.
(부기 1) 최하층의 하지층과, 그 상방의 고정 강자성층과, 비자성 금속 중간층과, 자유 강자성층을 포함하는 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조를 갖고, 상기 자유 강자성층이 하기 (1), (2):
(1) CoFeAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내면, 점 A(55, 10, 35), 점 B(50, 15, 35), 점 C(50, 20, 30), 점 D(55, 25, 20), 점 E(60, 25, 15), 점 F(70, 15, 15)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F, 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성, 또는 (2) CoMnAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Mn 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내면, 점 A(44, 23, 33), 점 B(48, 25, 27), 점 C(60, 20, 20), 점 D(65, 15, 20), 점 E(65, 10, 25), 점 F(60, 10, 30)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D ,점 E, 점 F 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성 중 어느 하나의 조성으로 이루어지는 CPP형 자기 저항 효과 소자로서, 상기 하지층이 하층의 비정질 금속 하지층과 상층의 비자성 금속 하지층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 2) 부기 1에 있어서, 상기 하지층의 하층을 이루는 비정질 금속은 하 기 (a), (b), (c):
(a) Ta, Ti, Zr 중 어느 1종의 단체 금속,
(b) Fe, Co, Ni, Cu 중 어느 1종 이상의 성분과, P, C, B, Si, Al, Ge, Be, Sn, In, Mo, W, Ti, Mn, Cr, Zr, Hf, Nb 중 어느 1종 이상의 성분으로 이루어지는 비정질 합금,
(c) Ca, Mg, Al 중 어느 1종 이상의 성분과, Zn, Cd 중 1종 이상으로 이루어지는 비정질 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종이며, 상기 하지층의 상층을 이루는 비자성 금속은 하기:
Ru, Cu, Au, Ag, Rh, Ir, Pt, Pd, Os, Al, W, Nb, Mo, Tc, Ti, V, Cr으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 3) 부기 1 또는 2에 있어서, 상기 고정 강자성층이 상기 (1)의 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 4) 부기 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조가 아래로부터 차례로 상기 하지층, 반강자성층, 제 1 고정 강자성층, 비자성 결합층, 제 2 고정 강자성층, 비자성 금속 중간층, 자유 강자성층, 보호층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 5) 부기 4에 있어서, 상기 제 2 고정 강자성층이 CoMnZ(단, Z는 Al, Si, Ga, Ge, Cu, Mg, V, Cr, In, Sn, B, Ni 중 어느 1종 이상)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 6) 부기 4 또는 5에 있어서, 상기 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조의 비 자성 금속 중간층 대신에 비자성 절연 중간층으로 한 터널형인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 7) 부기 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자를 포함하는 재생 헤드를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
(부기 8) 부기 7에 기재된 자기 헤드와 자기 기록 매체를 구비한 자기 기록 장치.
(부기 9) 부기 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자를 복수개 사용하여, 복수의 비트선과 복수의 워드선으로 구성한 매트릭스의 격자점에 배치하고, 상기 복수의 비트선 및 상기 복수의 워드선을 각각 상기 복수개의 자기 저항 효과 소자의 상부 전극 및 하부 전극에 접속한 구조를 구비하며, 상기 비트선 및 상기 워드선에 전류를 흐르게 하여 발생한 전류 자계에 의해 상기 자유 강자성층의 자화 반전을 일으키는 것을 특징으로 하는 전류 자계 기록형의 자기 랜덤 액세스 메모리.
(부기 10) 부기 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자를 복수개 사용하고, 복수의 비트선을 상기 복수개의 자기 저항 효과 소자의 상부 전극에 접속한 구조를 구비하며, 상기 비트선에 스핀 편극 전류를 흐르게 함으로써 상기 자유 강자성층의 자화 반전을 일으키는 것을 특징으로 하는 스핀 주입형의 자기 랜덤 액세스 메모리.
(부기 11) 부기 4 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 하지층 위에, 상기 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조의 구성층 중 반강자성층으로부터 자유 강자성층까지 를 아래로부터 차례로 적층한 하부 적층 영역 위에, 이것과는 역순으로 자유 강자성층으로부터 반강자성층까지를 아래로부터 차례로 적층한 상부 적층 영역을 양 적층 영역의 자유 강자성층을 공유층으로 하여 일체로 중첩시킨 듀얼 형식의 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 12) 상기 자유 강자성층이 부기 1에 기재된 (2)의 CoMnAl 조성 또는 부기 4에 기재된 CoMnZ 조성으로 이루어지고, 부기 4 또는 6에 기재된 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조를 구비하며, 상기 자유 강자성층과 상기 비자성 금속 중간층 또는 비자성 절연 중간층 사이에 상기 자유 강자성층으로부터 상기 비자성 금속 중간층 또는 비자성 절연 중간층으로의 Mn 확산을 방지하는 확산 방지층을 구비하고, 상기 확산 방지층은 하기 (A), (B):
(A) Co, Fe, Ni 중 1종 이상의 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지는 강자성 재료, 또는 (B) Ti, Ta, W, Au, Pt, Mo, Hf 중 1종 이상의 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지는 비자성 재료 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 13) 부기 1 내지 6, 11, 12 중 어느 하나에 있어서, 자기 저항 변화 ΔRA≥6.3mΩ㎛2, 보자력 Hc≤5 Oe, 저항이 반분으로 되는 점의 자기장 Hua≥1400 Oe, 외부 자기장 제로로부터의 시프트량 Hin≤20 Oe인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 14) 부기 1 내지 6, 11, 12, 13 중 어느 하나에 있어서, 하지층의 두 께가 비정질 금속 하지층≥1㎚, 또한 비자성 금속 하지층≥1㎚인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
본 발명은, 자유 강자성층은 상술한 출원에서 본 출원인이 제안한 조성을 사용함으로써 큰 ΔRA를 실현하면서, 하지층을 비정질 금속의 하층과 비자성 금속의 상층으로 이루어지는 2층 구조로 함으로써, Hc 및 Hin을 함께 저하시키면서 Hua를 크게 할 수 있다.
즉, 본 발명의 특징은, 하지층으로서, 종래의 NiCr, NiCrCu, Ta/NiFe 등의 결정층 대신에, 비정질 금속 하지층/비자성 금속 하지층의 2층 구조로 한 점에 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 하지층인 NiCr을 사용하면, 자기 저항 효과막의 자성층에 고(高)비저항막을 사용한 경우, 하부 전극의 NiFe층의 결정 구조를 받아 보자력 Hc가 커지는 경향이 있었다. 또한, Ru이나 Cu 등의 비자성 단체 금속을 하지층으로 한 경우에는, 보자력 Hc는 저하시킬 수 있어도, 동시에 제로 자기장으로부터의 시프트량 Hin도 매우 많아지게 되어, 외부 자기장의 방향이 변화되어도 예민하게 반응할 수 없게 된다는 문제가 있었다.
이것에 대하여 본 발명에서는, 하부 전극의 NiFe 위에 우선 비정질 금속을 성막함으로써, 하부 전극의 NiFe의 결정 구조 영향을 차단하고, 그 위에 스핀 밸브막의 결정성을 높이는 비자성 금속을 성막함으로써, 출력 ΔRA를 높이는 동시에, 보자력 Hc 및 제로 자기장으로부터의 시프트량 Hin을 저감하여 감도(感度)를 높이 고, 동시에 핀 안정성 Hua를 높이는데 성공했다.
Claims (10)
- 최하층의 하지층과, 그 상방(上方)의 고정 강자성층과, 비자성 금속 중간층과, 자유 강자성층을 포함하는 스핀 밸브(spin valve) 구조를 갖고, 상기 자유 강자성층이 하기 (1), (2):(1) CoFeAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성(組成)의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내면, 점 A(55, 10, 35), 점 B(50, 15, 35), 점 C(50, 20, 30), 점 D(55, 25, 20), 점 E(60, 25, 15), 점 F(70, 15, 15)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D ,점 E, 점 F, 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성,또는 (2) CoMnAl 삼원계의 조성도에서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Mn 함유량, Al 함유량[각 함유량의 단위는 원자%])으로서 나타내면, 점 A(44, 23, 33), 점 B(48, 25, 27), 점 C(60, 20, 20), 점 D(65, 15, 20), 점 E(65, 10, 25), 점 F(60, 10, 30)로서, 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 E, 점 F 및 점 A를 이 순서로 각각 직선으로 연결한 영역 내의 조성 중 어느 하나의 조성으로 이루어지는 CPP형 자기 저항 효과 소자로서,상기 하지층이 하층의 비정질 금속 하지층과 상층의 비자성 금속 하지층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 비정질 금속 하지층은 하기 (a), (b), (c):(a) Ta, Ti, Zr 중 어느 1종의 단체(單體) 금속,(b) Fe, Co, Ni, Cu 중 어느 1종 이상의 성분과, P, C, B, Si ,Al, Ge, Be, Sn, In, Mo, W, Ti, Mn, Cr, Zr, Hf, Nb 중 어느 1종 이상의 성분으로 이루어지는 비정질 합금,(c) Ca, Mg, Al 중 어느 1종 이상의 성분과, Zn, Cd 중 1종 이상으로 이루어지는 비정질 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종이며,상기 비자성 금속 하지층은 하기:Ru, Cu, Au, Ag, Rh, Ir, Pt, Pd, Os, Al, W, Nb, Mo, Tc, Ti, V, Cr으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 고정 강자성층이 상기 (1)의 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 스핀 밸브 구조가 아래로부터 차례로 상기 하지층, 반강자성층, 제 1 고정 강자성층, 비자성 결합층, 제 2 고정 강자성층, 비자성 금속 중간층, 자유 강자성층, 보호층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 소위 적층 페리핀드 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 2 고정 강자성층이 CoMnZ(단, Z는 Al, Si ,Ga, Ge, Cu, Mg, V, Cr, In, Sn, B, Ni 중 어느 1종 이상)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 적층 페리핀드 스핀 밸브 구조의 비자성 금속 중간층 대신에 비자성 절연 중간층으로 한 터널형인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 포함하는 재생 헤드를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
- 제 7 항에 기재된 자기 헤드와 자기 기록 매체를 구비한 자기 기록 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 복수개 사용하여, 복수의 비트선과 복수의 워드선으로 구성한 매트릭스의 격자점에 배치하고, 상기 복수의 비트선 및 상기 복수의 워드선을 각각 상기 복수개의 자기 저항 효과 소자의 상부 전극 및 하부 전극에 접속한 구조를 구비하며, 상기 비트선 및 상기 워드선에 전류를 흐르게 하여 발생한 전류 자계에 의해 상기 자유 강자성층의 자화 반전을 일으키는 것을 특징으로 하는 전류 자계 기록형의 자기 랜덤 액세스 메모리.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 복수개 사용하고, 복수의 비트선을 상기 복수개의 자기 저항 효과 소자의 상부 전극에 접속한 구조를 구비하며, 상기 비트선에 스핀 편극(偏極) 전류를 흐르게 함으로써 상기 자유 강자성층의 자화 반전을 일으키는 것을 특징으로 하는 스핀 주입형의 자기 랜덤 액세스 메모리.
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