KR20070106433A - 자기-저항 소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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KR20070106433A
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히데아끼 후꾸자와
요시히꼬 후지
히로미 유아사
히또시 이와사끼
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Abstract

본 발명의 자기-저항 소자는 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제1 자성 층과; 제1 자성 층 상에 배치되고 산화물, 질화물, 산질화물 및 금속 중 적어도 1개를 갖는 박막 층과; 박막 층 상에 배치되고 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제2 자성 층을 포함한다.
자기-저항 소자, 제1 자성 층, 박막 층, 제2 자성 층, 자화 방향

Description

자기-저항 소자 및 이를 제조하는 방법 {MAGNETO-RESISTIVE ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기-저항 소자를 도시하는 사시도.
도2는 본 발명에 따른 자기-저항 피막의 기본 구조를 도시하는 사시도.
도3은 종래의 스핀-밸브 피막의 기본 구조를 도시하는 사시도.
도4a는 자기-저항 효과의 발생의 기구를 도시하는 개략도.
도4b는 자기-저항 효과의 발생의 기구를 도시하는 개략도.
도5는 자기-저항 소자를 제조하는 절차의 일례를 도시하는 흐름도.
도6은 자기-저항 소자를 제조하는 데 사용되는 피막 형성 장치의 개관을 도시하는 개략도.
도7은 일례에 따른 자기-저항 피막의 단면 TEM 사진.
도8은 자기-저항 피막을 형성할 때 산소 유동 속도와 자기-저항 비율 사이의 상호 관계를 도시하는 그래프.
도9는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도10은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도11은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도12는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도13은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도14는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도15는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도16은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도17은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도18은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도19는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도20은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도21은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도22는 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도23은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도24는 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도25는 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도26은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도27은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사 시도.
도28은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도29는 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도30은 상부 및 하부 핀 고정될 층들 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도31은 단지 1개의 핀 고정할 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도32는 단지 1개의 핀 고정할 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도33은 단지 1개의 핀 고정할 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도34는 단지 1개의 핀 고정할 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도35는 복수개의 외부 자기장 감지 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도36은 복수개의 외부 자기장 감지 층을 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도.
도37은 이 실시예에 따른 자기-저항 피막이 합체되는 자기 헤드를 도시하는 도면.
도38은 이 실시예에 따른 자기-저항 피막이 합체되는 자기 헤드를 도시하는 도면.
도39는 자기 기록/재생 장치의 필수 부분의 대략적 구조를 도시하는 사시도.
도40은 디스크측으로부터 관찰되는 헤드 짐발 조립체의 작동기 암 앞의 부분을 도시하는 확대 사시도.
도41은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리의 행렬 구조의 예를 도시하는 도면.
도42는 이 실시예에 따른 자기 메모리의 행렬 구조의 또 다른 예를 도시하는 도면.
도43은 이 실시예에 따른 자기 메모리의 필수 부분을 도시하는 단면도.
도44는 도18에서의 A-A' 선을 따라 취해진 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 자기-저항 피막
11, 20: 하부 및 상부 전극
12: 기부 층
13, 17: 핀 고정할 층
14, 16: 핀 고정될 층
15: 외부 자기장 감지 층
18: 캡 층
본원은 2006년 4월 28일자로 출원된 선행의 일본 특허 출원 제2006-125856호를 기초로 하고 그 우선권의 이익을 향유하며; 그 전체 내용은 참조로 여기에 합체되어 있다.
본 발명은 자기-저항 피막에 감지 전류를 공급함으로써 자력(magnetism)을 감지하는 자기-저항 소자에 관한 것이다.
자기 장치 특히 자기 헤드는 거대 자기-저항 효과(GMR: giant magneto-resistive effect)를 사용함으로써 그 성능 면에서 현저한 개선을 성취하였다. 자기 헤드, 자기 RAM(MRAM: Magnetic Random Access Memory) 등으로의 스핀-밸브 피막(SV 피막: spin-valve film)의 적용은 자기 장치 분야에서 큰 기술적 진보를 유도하였다.
"스핀-밸브 피막(spin-valve film)"은 비자성 스페이서가 2개의 강자성 층들 사이에 개재되는 구조를 포함하는 다층 피막이며, 저항 변화가 일어나는 다층 피막 구조의 일부가 스핀-의존 산란 유닛(spin-dependent scattering unit)으로서 호칭된다. 2개의 강자성 층들 중 하나의 강자성 층["핀 고정될 층(pinned layer)", " 자화 고정 층(magnetization fixed layer)" 등으로서 호칭됨]의 자화는 반강자성 층 등에 의해 고정되며, 반면에 다른 강자성 층["자유 층(free layer)", "자화 자유 층(magnetization free layer)" 등으로서 호칭됨]의 자화 방향은 외부 자기장에 따라 회전 가능하다. 스핀-밸브 피막에서, 핀 고정될 층 및 자유 층의 자화 방향의 상대 각도의 변화가 거대 자기-저항을 생성시킨다. 여기에서, 스페이서 층은 핀 고정될 층 및 자유 층의 자화 방향이 독립적으로 이동하게 하기 위해 서로로부터 이들 층을 자기적으로 분리시킨다.
스핀 밸브 피막을 사용하는 자기-저항 효과 소자는 평면-평행-전류(CIP: Current-In-Plane)-GMR 소자, 평면-직각-전류(CPP: Current-Perpendicular-to-Plane)-GMR 소자 및 터널링 자기 저항(TMR: Tunneling Magneto Resistance) 소자를 포함한다. CIP-GMR 소자에서, 감지 전류가 스핀 밸브 피막의 평면에 평행으로 공급되며, 반면에 CPP-GMR 소자 및 TMR 소자에서, 감지 전류가 스핀 밸브 피막의 평면에 실질적으로 직각으로 공급된다.
평면-직각-전류 방식에서, TMR 소자 내의 스페이서 층이 절연 층이며, 통상의 CPP-GMR 소자 내의 스페이서 층이 금속 층이다. 발달된 형태의 CPP-GMR 소자로서, 스페이서 층이 두께 방향으로 관통하는 나노-크기의 금속 전류 경로를 포함하는 산화물 층[나노-산화물 층(NOL: nano-oxide layer)]이 또한 제안되었다. 이러한 스페이서 층은 NOL의 일부에서 금속 전도를 유발시키는 전류-집속-경로(CCP: current-confined-path)를 갖는다[제JP-A 2002-208744(공개)].
본 발명의 일 실시예에 따른 자기-저항 소자는 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제1 자성 층과; 제1 자성 층 상에 배치되고 산화물, 질화물, 산질화물 및 금속 중 적어도 1개를 갖는 박막 층과; 박막 층 상에 배치되고 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제2 자성 층을 포함한다.
이후, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 아래의 실시예에서, 합금의 조성은 원자%로 표현된다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기-저항 소자를 도시하는 사시도이다. 도1 및 다른 도면은 모두 개략도이며, 도면에서의 두께 비율이 실제의 두께 비율과 반드시 동일한 것은 아니다.
도1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 자기-저항 소자는 자기-저항 피막(10) 그리고 위 및 아래로부터 자기-저항 피막(10)을 개재하는 하부 및 상부 전극(11, 20)을 갖고, 도시되지 않은 기판 상에 형성된다. 자기-저항 피막(10)은 기부 층(12), 핀 고정할 층(13), 핀 고정될 층(14), 외부 자기장 감지 층(15), 핀 고정될 층(16), 핀 고정할 층(17) 및 캡 층(cap layer)(18)으로 구성되며, 이들은 이러한 순서로 적층된다. 이들 층 중에서, 핀 고정될 층(14), 외부 자기장 감지 층(15) 및 핀 고정될 층(16)이 자기-저항 효과를 나타내는 기본 피막 구조 즉 스핀-의존 산란 유닛에 해당한다.
[자기-저항 피막(10)의 기본 구조]
도2에 도시된 자기-저항 피막(10)은 도3에 도시된 종래의 스핀-밸브 피 막(90)과 구조 면에서 크게 상이하다.
도2 및 도3은 이 실시예에 따른 자기-저항 피막의 기본 구조를 도시하는 사시도이다. 전술된 바와 같이, 자기-저항 피막(10) 내에, 핀 고정할 층(13), 핀 고정될 층(14), 외부 자기장 감지 층(15), 핀 고정될 층(16) 및 핀 고정할 층(17)이 적층된다. 반면에, 스핀-밸브 피막(90) 내에, 핀 고정할 층(93), 핀 고정될 층(94), 스페이서 층(95) 및 자유 층(96)이 적층된다.
스핀 밸브 피막(90)에서, 자기-저항 효과를 나타내는 스핀-의존 산란 유닛이 핀 고정될 층(94), 스페이서 층(95) 및 자유 층(96)의 3층 구조를 갖는다. 핀 고정될 층(94)의 자화 방향이 고정되며, 반면에 자유 층(96)의 자화 방향이 외부 자기장에 따라 변한다. 스페이서 층(95)은 핀 고정될 층(94)과 자유 층(96) 사이의 자기 결합을 분리시키며, 그 결과 핀 고정될 층(94) 및 자유 층(96)의 자화 방향은 서로 독립적 상태로 유지된다. 외부 자기장에 따라, 핀 고정될 층(94) 및 자유 층(96)의 자화 방향의 상대 각도가 변화되며, 그로 인한 자기-저항을 기초로 하여, 자력이 감지될 수 있다.
반면에, 자기-저항 피막(10)에서, 핀 고정될 층(14), 외부 자기장 감지 층(15) 및 핀 고정될 층(16)이 자기-저항 효과를 나타내는 스핀-의존 산란 유닛의 3층 구조를 구성한다. 즉, 자기-저항 피막(10)에서, 자기 결합을 명확하게 분리시키는 스페이서 층(95) 등의 어떠한 기구도 없지만, 핀 고정될 층(16) 및 외부 자기장 감지 층(15)이 서로에 직접적으로 근접한다.
종래의 스핀-밸브 피막(90)에서, 스페이서 층(95)은 비자성 층이다. 그러 나, 스페이서 층(95) 내에서 전도되는 전자가 자성 층[핀 고정될 층(94) 및 자유 층(96)]으로부터 유동하므로, 스핀 정보를 갖는다. 큰 저항 변동을 구현하기 위해, 전도 전자의 스핀 정보가 스페이서 층(95) 내에서 손실되는 것을 방지하는 것이 중요하다. 그러나, 실제로 제조된 스페이서 층(95)에서, 완전히 이상적인 상태가 구현될 수 없으며, 결정 결함, 불순물 원소 등의 영향이 스핀-반전 현상(spin-flip phenomenon)을 유발시킨다. 이것은 저항 변동 면에서의 감소의 원인일 것이다.
반면에, 자기-저항 피막(10)은 스페이서 층을 갖지 않고, 이러한 전도 전자의 스핀 반전에 의한 영향으로부터 자유롭다. 이것은 더 큰 저항 변동을 성취할 수 있다. 자기-저항 피막(10)은 스페이서 층을 갖지 않는 상태에서도 스핀-밸브 피막으로서 기능할 수 있다. 자기-저항 피막(10)의 동작 기구가 후술될 것이다.
자기-저항 피막(10)의 스핀-의존 유닛 내의 층의 개수는 스핀-밸브 층(90)의 개수와 동일하다. 그러나, 스페이서 층(자기 결합을 명확하게 분리시키는 기구)을 갖지 않기 때문에, 자기-저항 피막(10)은 핀 고정될 층(14, 16)에 의해 실질적으로 이중 스핀-밸브 피막으로서 기능할 수 있다.
전형적인 이중 스핀-밸브 피막은 핀 고정될 층/스페이서 층/자유 층/스페이서 층/핀 고정될 층의 5층 구조를 갖는다. 3개의 층에 의해 이중 스핀-밸브 층으로서 기능할 수 있기 때문에(비교적 얇기 때문에), 자기-저항 피막(10)은 자기-저항 비율을 용이하게 증가시킬 수 있다.
스페이서 층을 갖지 않는 자기-저항 피막(10)이 자기-저항 효과를 나타내게 하기 위해, 외부 자기장 감지 층(15)의 재료가 적절하게 선택될 것이 필요하다. 외부 자기장 감지 층(15)으로서, 극박의 산화물 층, 질화물 층, 산질화물 층 또는 금속 층이 사용된다. Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Pd, Nb, W, Mo, Ta 등이 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화물 층의 기본 재료로서 사용된다. 금속 층에 대해, Ti, V, Cr 또는 Mn 등의 원소를 함유하는 금속 재료가 사용된다.
이 때, 산화물 층, 질화물 층, 산질화물 등으로서, 약 0.5 내지 3 ㎚의 극박의 층(박막 층)이 사용된다. 이것은 어떠한 저항 증가도 유발시키지 않는 상태에서 큰 자기-저항 비율을 구현할 수 있다. 금속 재료가 사용되는 경우에, 3 ㎚ 초과의 피막의 사용이라도 낮은 수치로 저항을 제어할 수 있다. 그러므로, 금속 재료가 사용되는 경우에, 허용 가능한 두께 범위는 0.5 내지 3 ㎚를 포함하여 최대 약 5 ㎚이다.
(자기-저항 소자의 세부 사항)
이후, 이러한 실시예의 자기-저항 소자가 상세하게 설명될 것이다.
하부 전극(11)은 스핀-밸브 피막의 평면에 직각인 방향으로 전류를 공급한다. 하부 전극(11)과 상부 전극(20) 사이에 전압을 인가하는 것은 전류가 평면에 직각으로 스핀-밸브 피막 내에서 유동하게 한다. 이러한 전류를 기초로 하여 자기-저항 효과에 의해 유발되는 저항 변동을 검출함으로써, 자력을 감지하는 것이 가능하다. 하부 전극(11)으로서, 전기 저항 면에서 비교적 낮은 금속 층이 자기-저항 소자에 전류를 공급하는 데 사용된다.
기부 층(12)은 예컨대 버퍼 층(buffer layer)(12a) 및 시드 층(seed layer)(12b)으로 분할될 수 있다. 버퍼 층(12a)은 하부 전극(11)의 표면의 거칠기를 완충한다. 시드 층(12b)은 그 상에 형성된 스핀-밸브 피막의 결정 방위 및 결정 입자 크기를 제어한다.
버퍼 층(12a)의 재료로서, Ta, Ti, W, Zr, Hf, Cr 또는 이들 원소 중 임의의 원소의 합금이 사용 가능하다. 버퍼 층(12a)의 바람직한 두께 범위는 약 1 내지 약 10 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 약 2 내지 약 5 ㎚이다. 버퍼 층(12a)은 과도하게 얇으면 버퍼 효과를 나타낼 수 없다. 반면에, 버퍼 층(12a)은 과도하게 두꺼우면 자기-저항 비율에 기여하지 않는 직렬 저항 면에서의 증가를 유도한다. 부수적으로, 버퍼 층(12a) 상에 형성된 시드 층(12b)이 버퍼 효과를 가지면, 버퍼 층(12a)의 형성은 필수적이지 않다. 위의 조건을 충족시키는 바람직한 예로서, Ta [3 ㎚]가 버퍼 층(12a)으로서 사용 가능하다.
시드 층(12b)은 그 상에 형성된 층의 결정 방위를 제어할 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 시트 층(12b)으로서, 면심 입방 구조(fcc 구조: face-centered cubic structure), 조밀 육방 구조(hcp 구조: hexagonal close-packed structure) 또는 체심 입방 구조(bcc 구조: body-centered cubic structure)를 갖는 금속 층 등이 바람직하다.
예컨대, hcp-Ru 또는 fcc-NiFe로 제조된 시드 층(12b)이 사용되면, 그 상에 형성된 스핀-밸브 피막은 fcc (111) 결정 방위를 가질 수 있다. 나아가, 핀 고정할 층(13)(예컨대, IrMn)은 fcc(face-centered cubic) 결정 방위를 가질 수 있다.
시드 층(12b)이 결정 방위를 개선시키는 그 기능을 완전히 나타내게 하기 위 해, 시드 층(12b)의 두께 범위는 바람직하게는 1 내지 5 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 1.5 내지 3 ㎚이다. Ru [2 ㎚]가 전술된 조건을 충족시키는 시드 층(12b)의 재료의 바람직한 예이다.
스핀-밸브 피막 및 핀 고정할 층(13)의 결정 방위는 X-선 회절에 의해 측정될 수 있다. 스핀-밸브 피막의 fcc (111) 피크 그리고 핀 고정할 층(13)(PtMn)의 fct (111) 피크 또는 bcc (110) 피크에서 요동 곡선(rocking curve)의 반치폭(full-width at half-maximum)이 3.5 내지 6˚일 때, 양호한 방위를 달성하는 것이 가능하다. 이러한 방위의 분산 각도(dispersion angle)는 단면 TEM을 사용하여 회절 지점으로부터 또한 구해질 수 있다.
또한, Ru 대신에 시드 층(12b)으로서 NiFe계 합금[예컨대, NixFe100-x(x=90 내지 50% 그리고 바람직하게는 75 내지 85%) 또는 (NixFe100-x)100-yZy(Z=Cr, V, Nb, Hf, Zr, Mo)]이 사용 가능하며, 여기에서 NiFe는 그에 제3 원소 Z를 첨가함으로써 비자성 상태로 제조된다. NiFe계 시드 층(12b)으로써, 양호한 결정 방위가 비교적 용이하게 얻어질 수 있으며, 3 내지 5˚가 위와 동일한 방식으로 측정되는 요동 곡선의 반치폭으로서 얻어질 수 있다.
결정 방위를 개선시키는 기능에 추가하여, 시드 층(12b)은 스핀-밸브 피막의 결정 입자 크기를 제어하는 기능을 갖는다. 구체적으로, 시드 층(12b)은 5 내지 20 ㎚로 스핀-밸브 피막의 결정 입자 크기를 제어할 수 있다. 결과적으로, 자기-저항 소자가 크기 면에서 작더라도, 특성 변동이 방지될 수 있다. 나아가, 결정 입자를 갖는 스핀-밸브 피막뿐만 아니라 또한 비정질 구조를 갖는 스핀-밸브 피막(그 결정 입자 크기가 극단 상태로서 생각될 정도로 작음)이 사용 가능하다.
스핀-밸브 피막의 결정 입자 크기는 시드 층(12b) 상에 형성된 핀 고정할 층(13) 및 핀 고정될 층(14) 내에서의 결정 입자의 입자 크기로부터 구해질 수 있다. 입자 크기는 예컨대 단면 TEM 등에 의해 측정될 수 있다.
고밀도 기록에 적합한 재생 헤드에서, 소자 크기는 예컨대 50 ㎚ 이하이다. 소자 크기에 대한 결정 입자 크기의 큰 비율이 소자의 특성 변동의 원인일 것이다. 소자 면적당 소수의 결정 입자가 소수의 결정에 기인 가능한 특성 변동의 원인일 것이므로, 결정 입자 크기를 증가시키는 것은 매우 바람직하지 않을 것이다. 스핀-밸브 피막 내에서 20 ㎚를 초과하는 결정 입자 크기는 바람직하지 않다.
반면에, 극히 작은 입자 크기는 일반적으로 양호한 결정 방위를 유지하기 어렵게 한다. 구체적으로, 결정 입자 크기의 바람직한 범위는 3 내지 20 ㎚이다.
3 내지 20 ㎚의 위의 결정 입자 크기를 얻기 위해, Ru [2 ㎚]가 바람직하게는 시드 층(12b)으로서 사용되거나, (NixFe100-x)100-yZy(Z=Cr, V, Nb, Hf, Zr, Mo) 층이 시드 층(12b)으로서 사용되면, 제3 원소 Z의 조성 y는 바람직하게는 약 0 내지 30%(0%를 포함)이다.
전술된 바와 같이, 시드 층(12b)은 두께 면에서 바람직하게는 약 1 내지 5 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 1.5 내지 3 ㎚이다. 시드 층(12b)은 과도하게 얇으면 결정 방위 등을 제어하는 효과를 나타내지 못한다. 시드 층(12b)은 과도하게 두꺼 우면 직렬 저항 면에서의 증가를 유도하고, 종종 스핀-밸브 피막의 인터페이스의 불규칙 표면의 원인이 된다.
핀 고정할 층(13)은 자화를 고정하기 위해 핀 고정할 층(13) 상에 형성된 핀 고정될 층(14)이어야 하는 강자성 층에 일방향 이방성(unidirectional anisotropy)을 제공하는 기능을 갖는다. 핀 고정할 층(13)의 재료로서, IrMn, PtMn, PdPtMn, RuRhMn 등의 반강자성 재료가 사용 가능하다. 이들 중에서, IrMn이 고밀도 기록에 적합한 헤드의 재료로서 유리하다. 더 작은 두께의 IrMn이 PtMn보다 일방향 이방성을 제공할 수 있으므로, 고밀도 기록을 위해 필요한 간극의 협소화에 적절하다.
충분히 강력한 단일 방향 이방성을 제공하기 위해, 핀 고정할 층(13)의 두께는 적절하게 설정된다. PtMn 또는 PdPtMn으로 제조된 핀 고정할 층(13)의 두께는 바람직하게는 약 8 내지 20 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 10 내지 15 ㎚이다. 더 작은 두께의 IrMn으로 제조된 핀 고정할 층(13)은 PtMn 등으로 제조된 핀 고정할 층(13)보다 일방향 이방성을 제공할 수 있으므로, 그 두께의 바람직한 범위는 4 내지 18 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 5 내지 15 ㎚이다. 전술된 조건을 충족시키는 바람직한 예로서, IrMn [6 ㎚]가 핀 고정할 층(13)으로서 사용 가능하다.
핀 고정할 층(13)으로서, 경질 자성 층이 반강자성 층 대신에 사용 가능하다. 경질 자성 층의 재료로서 사용 가능한 예는 Co, Co 합금, CoPt(Co=50 내지 85%), (CoxPt100-x)100-yCry(x=50 내지 85%, y=0 내지 40%), FePt(Pt=40 내지 60%) 등을 포함한다. 경질 자성 층은 반강자성 층보다 비저항 면에서 비교적 작으므로, 직렬 저항 및 면적 저항 RA 면에서의 증가를 억제할 수 있는 장점을 갖는다.
핀 고정될 층(14)은 바람직하게는 예컨대 핀 고정될 층(141)(예컨대, Co90Fe10 [2 ㎚]), 자기 결합 층(142)(예컨대, Ru [0.9 ㎚]) 및 핀 고정될 층(143)(예컨대, Co90Fe10 [2 ㎚])으로 구성된 합성 핀 고정 층이다. 핀 고정할 층(13)(예컨대, IrMn) 그리고 바로 그 상의 핀 고정될 층(141)은 일방향 이방성을 갖도록 교환 자기 결합 상태(exchange magnetic coupling)에 있다. 자기 결합 층(142) 위 및 아래의 핀 고정될 층(141, 143)은 역평행 자화 방향(antiparallel magnetization direction)을 갖도록 강력한 자기 결합 상태에 있다.
핀 고정될 층(141)의 재료로서 사용 가능한 예는 CoxFe100-x 합금(x=0 내지 100%) 및 NixFe100-x 합금(x=0 내지 100%)을 포함하며, 비자성 원소를 갖는 이들 합금 중 어느 하나가 첨가된다. 핀 고정될 층(142)의 재료로서, Co, Fe 또는 Ni 등의 단일 원소, 또는 그 합금이 또한 사용 가능하다.
바람직하게는, 핀 고정될 층(141)의 자기 두께[포화 자화도 Bs×두께 t(곱 Bs·t)]는 핀 고정될 층(143)의 자기 두께와 실질적으로 동일하다. 즉, 핀 고정될 층(143)의 자기 두께 그리고 핀 고정될 층(141)의 자기 두께는 바람직하게는 서로 조화된다. 예컨대, 핀 고정될 층(141, 143)이 동일한 재료로 제조되면, 핀 고정될 층(141, 143)이 두께 면에서 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또 다른 예로서, bcc 구조를 갖는 Fe50Co50 [2.5 ㎚]가 핀 고정될 층(143)의 재료로서 사용되면, 핀 고정될 층(143)의 자기 두께는 2.2 T×2.5 ㎚=5.5 T㎚이며, 이것은 박막 내에서의 FeCo의 포화 자화도가 2.2 T이기 때문이다. 핀 고정될 층(143)의 자기 두께와 동일한 자기 두께를 제공하는 핀 고정될 층(141)의 두께 t는 5.5 T㎚/1.8 T=3.0 ㎚이며, 이것은 Co90Fe10의 포화 자화도가 1.8 T이기 때문이다. 그러므로, 약 3.0 ㎚ 두께를 갖는 Co90Fe10이 바람직하게는 핀 고정될 층(141)의 재료로서 사용된다.
핀 고정될 층(141)으로서 사용되는 자성 층은 바람직하게는 두께 면에서 약 1.5 내지 약 5 ㎚이다. 이러한 두께 범위는 핀 고정할 층(13)(예컨대, IrMn)에 의해 제공되는 일방향 이방성 자기장의 강도 그리고 자기 결합 층(142)(예컨대, Ru)을 통해 반강자성적으로 결합되는 핀 고정될 층(141) 및 핀 고정될 층(143)의 자기장의 강도의 관점에서 바람직할 것으로 생각된다.
핀 고정할 층(13)은 경질 자성 층으로 제조되면 핀 고정될 층(141)의 기능을 또한 수행할 수 있다. 즉, 핀 고정할 층(13) 및 핀 고정될 층(141)은 조합되며, 조합된 층으로서, 약 2 내지 약 5 ㎚의 두께를 갖는 CoPt 등의 경질 자성 층이 사용 가능하다.
자기 결합 층(142)(예컨대, Ru)은 상부 및 하부 자성 층[핀 고정될 층(141, 143)]을 반강자성적으로 결합시킴으로써 합성 핀 고정 구조를 형성하는 기능을 갖는다. 자기 결합 층(142)으로서의 Ru 층은 바람직하게는 두께 면에서 0.8 내지 1 ㎚이다. 상부 및 하부 자성 층들 사이에 충분한 반강자성 결합을 유발시킬 수 있는 임의의 재료가 Ru 대신에 사용될 수 있다. 러더만-키텔-가스야-요시다(RKKY: Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida) 결합의 제2 피크에 대응하는 두께 0.8 내지 1 ㎚ 대신에, RKKY 결합의 제1 피크에 대응하는 두께 0.3 내지 0.6 ㎚가 사용 가능하다. 여기에서의 자기 결합 층(142)의 재료의 가능한 예가 고신뢰성 결합을 안정적으로 성취할 수 있는 0.9 ㎚ Ru이다.
핀 고정될 층(143)의 예로서, 2 ㎚ 두께를 갖는 Co90Fe10 등의 자성 층이 사용 가능하다. 핀 고정될 층(143)은 스핀-의존 산란 유닛의 일부를 구성한다. 핀 고정될 층(143)은 자기-저항 효과에 기여하는 자성 층이며, 높은 자기-저항 비율을 얻기 위해, 그 구성 재료 및 두께는 양쪽 모두 중요하다. 특히, 외부 자기장 감지 층(15)과의 인터페이스 상에 위치되는 자성 재료가 스핀-의존 인터페이스 산란에 대한 그 기여 때문에 특별히 중요하다.
여기에서 사용된 종래의 fcc-Co90Fe10 대신에, bcc-FeCo가 또한 핀 고정될 층(143)의 재료로서 사용 가능하다. bcc-FeCo 합금의 예는 FexCo100-x(x=30 내지 100%) 그리고 첨가 원소가 첨가되는 FexCo100-x를 포함한다. hcp-코발트 합금이 또한 사용 가능하다. 나아가, 핀 고정될 층(143)의 재료로서, Co, Fe 또는 Ni 등의 원소 금속이 사용 가능하며, 이들 원소 중 적어도 1개를 함유하는 합금 재료가 또한 사용 가능하다.
바람직하게는, 핀 고정될 층(143)의 총 두께는 1.5 ㎚ 이상이다. 핀 고정될 층(143)이 bcc-자성 층이면, 스핀-밸브 피막을 위해 사용되는 금속 재료가 종종 fcc 구조 또는 fct 구조를 갖는다. 그러므로, 핀 고정될 층(143)만이 bcc 구조를 갖는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우에, 핀 고정될 층(143)이 과도하게 얇으면, bcc 구조를 안정적으로 유지하기 어려우며, 이것은 특성 불안정성을 유발시킬 수 있다. 그러므로, 핀 고정될 층(143)은 바람직하게는 두께 면에서 1.5 ㎚ 이상이다.
그러나, 핀 고정될 층(143)이 Co, fcc-CoFe 합금 등으로 제조되면, 핀 고정될 층(143)의 두께는 약 1 ㎚로 감소될 수 있다. 이러한 경우에, 스핀-밸브 피막의 총 두께는 감소될 수 있으며, 이것은 간극의 협소화에 대한 적합성을 위해 유리하다. 후술되는 바와 같이, 자기-저항 효과의 물리적 기원이 종래의 스핀-밸브 피막에서 사용되는 GMR[CIP-GMR 및 CPP-GMR의 양쪽 모두를 포함함, 평면-평행-전류(CIP: Current-in-plane), 평면-직각-전류(CPP: Current-perpendicular-plane), 거대 자기-저항(GMR: Giant magneto-resistance)] 및 터널 자기-저항(TMR: tunneling magneto-resistance)] 효과와 상이하다. 그러므로, 핀 고정될 층(143)은 1 ㎚ 등의 극박이더라도 종종 사용될 수 있다.
바람직하게는, 핀 고정될 층(143)은 두께 면에서 5 ㎚ 이하이다. 이것은 큰 핀 고정될/고정될 자기장을 얻도록 의도된다.
핀 고정될 층(143)으로서, 자성 층(FeCo 층) 및 비자성 층(극박의 Cu 층)이 교대로 적층되는 다층이 또한 사용 가능하다.
바람직하게는, 극박의 Cu 층은 두께 면에서 0.1 내지 0.6 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 0.2 내지 0.5 ㎚이다. 과도하게 큰 Cu 층의 두께가 종종 벌크 산란 효과를 감소시키고, 추가로 비자성 Cu 층을 통한 상부 및 하부 자성 층의 자기 결합을 약화시키며, 그 결과 핀 고정될 층(143)은 불충분한 특성만을 나타낼 수 있다. 극박의 Cu 층의 바람직한 두께는 예컨대 0.25 ㎚이다.
자성 층들 사이의 비자성 층의 재료로서, Hf, Zr, Ti 등이 또한 Cu 대신에 사용 가능하다. 이들 극박의 비자성 층들 중 임의의 층이 삽입되는 경우에, FeCo 등의 1개의 자성 층당 두께는 바람직하게는 0.5 내지 2 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 약 1 내지 약 1.5 ㎚이다.
핀 고정될 층(143)으로서, FeCo 층 및 Cu 층이 교대로 적층되는 다층 대신에 FeCo 및 Cu의 합금의 층이 사용될 수 있다. 이러한 FeCoCu 합금의 예가 (FexCo100-x)100-yCuy(x=30 내지 100%, y=약 3 내지 약 15%)이지만, 다른 조성 범위가 사용될 수 있다. 여기에서, FeCo에 첨가되는 원소로서, Hf, Zr 또는 Ti 등의 다른 원소가 Cu 대신에 사용될 수 있다.
핀 고정될 층(14)으로서, 비정질 금속 층이 결정 재료 대신에 사용될 수 있다. 구체적으로, CoFeB, CoZrNb, FeZrN, FeAlSi 등이 사용 가능하다. 비정질 합금 층을 사용하는 장점들 중 하나는 더 작은 특성 변동이 다음의 이유 (1) 및 (2) 때문에 원소들 사이에서 일어나는 경향이 있다는 것이다.
(1) 어떠한 불규칙성도 결정 입자의 표면 불규칙성으로 인해 일어나지 않는다.
(2) 원소 크기가 작더라도, 하나의 원소 내에서의 결정 입자의 개수 면에서의 변동이 고려될 것이 필요하지 않다.
경질 자성 층이 핀 고정할 층(13)으로서 사용되면, 경질 자성 층은 종종 핀 고정할 층(13)/핀 고정될 층(141)/자기 결합 층(142)/핀 고정될 층(143)의 모든 4개의 층으로서 역할할 수 있다. CoPt 등의 경질 자성 층이 이러한 경우에 핀 고정할 층(13)으로서 사용되면, 이들 4개의 층으로서 역할하는 경질 자성 층은 2 내지 4 ㎚ 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 그 결과 총 피막 두께는 크게 감소될 수 있다.
외부 자기장 감지 층(15)은 핀 고정될 층(14) 상에 배치된다. 외부 자기장 감지 층(15)은 스핀-밸브 피막(90)의 자유 층(96)의 기능에 대응하는 기능을 갖는다. 종래의 스핀-밸브 피막(90)에서, 핀 고정될 층(94) 및 자유 층(96)은 어떠한 스페이서 층(95)도 그 사이에 개재되지 않는 상태에서 결코 적층될 수 없을 것이다. 자기-저항 피막(10)은 스페이서 층(95)을 사용하지 않는 상태에서 자기-저항 효과를 나타낼 수 있다.
어떠한 스페이서 층도 사용하지 않는 구조의 장점들 중 하나는 전술된 바와 같이 스페이서 층 내에서의 전도 전자의 스핀 반전의 어떠한 영향도 없다는 것이다. 스핀-반전 현상은 고려될 것이 필요하지 않으므로, 큰 수치가 저항 변동 및 MR 비율에 대해 용이하게 얻어질 수 있으며, 그에 의해 더 높은 밀도에 대한 적합성을 용이하게 구현할 수 있다.
더욱이, 스페이서 층(95)은 필요하지 않으므로, 자기-저항 피막(10)의 총 두께는 감소될 수 있다. 더 좁은 간극에 적합할 정도로 충분히 작은 두께를 갖는 자기-저항 소자를 형성하는 것이 가능하다.
외부 자기장 감지 층(15)으로서, 극박의 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화 물 층을 포함하는 구조가 사용 가능하다. 산화물, 질화물, 산질화물 등을 형성하는 기본 재료로서, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, W, Ta 등이 사용 가능하다.
자기-저항 피막(10)은 임의의 스페이서 층이 그 사이에 있지 않는 상태에서 외부 자기장 감지 층(15)이 핀 고정될 층(14) 상에 직접적으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상세하게 후술되는 바와 같이, 외부 자기장을 감지하기 위해, 외부 자기장 감지 층(15)은 외부 자기장과 상호 작용할 것이 필요하다[예컨대, 외부 자기장 감지 층(15)은 약한 자력을 가짐]. 이러한 목적을 위해, 예컨대 Pd 또는 Ti, V, Cr 또는 Mn 등의 제3 비자성 전이 원소를 주요 성분으로서 함유하는 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화물 층이 바람직하게는 외부 자기장 감지 층(15)으로서 사용된다. 나아가, 자력을 나타낼 수 있는 단일 원소인 Fe, Co 또는 Ni 등의 원소를 함유하는 이들 산화물 층, 질화물 층 및 산질화물 층 중 임의의 층이 또한 외부 자기장 감지 층(15)으로서 바람직하다. 나아가, 외부 자기장 감지 층(15)으로서, Zr, Mo, Ru, Rh, W, Ta, Fe, Co, Ni, Cu, Nb 또는 Pd의 극박의 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화물 층이 사용 가능하며, 대체예에서, Fe, Co 또는 Ni을 함유하는 이러한 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화물 층이 또한 사용 가능하다.
바람직하게는, 외부 자기장 감지 층(15)의 두께 범위는 0.5 내지 3 ㎚ 그리고 더 바람직하게는 1 내지 2.5 ㎚이다. 외부 자기장 감지 층(15)은 과도하게 얇으면 외부 자기장 감지 기능을 나타내기 어렵다. 반면에, 외부 자기장 감지 층(15)은 과도하게 두꺼우면 종종 약화된 외부 자기장 감지 기능을 나타내며, 이것 은 바람직하지 않다.
외부 자기장 감지 층(15)은 수십 내지 수백 [Oe]의 정도로 외부 자기장을 감지할 수 있다. 즉, 외부 자기장의 방향에 따라, 자기-저항 피막(10)은 더 높은 저항 또는 더 낮은 저항을 갖게 된다. 외부 자기장 감지 층(15)의 하나의 바람직한 예가 TiOx-Co 또는 -Fe 층이며, 여기에서 TiOx는 기본 재료이며, Fe 또는 Co 원소가 함유된다. 후술되는 바와 같이, 이러한 구조를 갖는 자기-저항 피막(10)은 양의 자기장이 인가될 때 더 낮은 저항을 갖게 되며, 반면에 약 100 [Oe]의 음의 자기장이 인가될 때 더 높은 저항을 갖게 된다.
외부 자기장 감지 층(15)은 첨가 원소로서 Fe, Co, Ni, Ti, Hf, Mg, Zr, V, Mo, Si, Cr, Nb, Ta, W, B, C, V 등을 함유할 수 있다. 이들 첨가 원소 중 임의의 원소의 첨가량은 0 내지 50%의 범위 내에서 적절하게 변화될 수 있다.
전술된 산화물, 질화물 또는 산질화물 외에도, Ti, V, Cr, Mn 또는 Pd을 주요 성분으로서 함유하는 금속 재료가 외부 자기장 감지 층(15)의 재료로서 사용 가능하거나, 위의 원소들 중 임의의 원소에 추가하여 Fe, Co, Ni 등의 원소를 함유하는 재료가 사용될 수 있다. 이들 재료는 약한 자력을 용이하게 나타낸다. 특히, 극박의 피막이 이러한 실시예에서와 같이 상부 및 하부 강자성 재료에 의해 개재되는 구조에서, 자력이 용이하게 나타난다. 이러한 금속 재료는 산화물, 질화물 또는 산질화물일 것이 필요하지 않고, 그대로 사용될 수 있다.
핀 고정될 층(16)은 외부 자기장 감지 층(15) 상에 배치된다. 핀 고정될 층(16)의 자화 방향은 고정되고, 외부 자기장에 따라 실질적으로 변하지 않는다. 핀 고정될 층(16)의 자화 방향을 고정하기 위해, 핀 고정될 층(16)은 바람직하게는 핀 고정될 층(14)과 유사하게 그 상에 핀 고정할 층(17)을 갖는다.
그러나, 자기-저항 효과는 종종 핀 고정할 층(17)이 핀 고정될 층(16) 상에 형성되지 않더라도 나타난다. 예컨대, 외부 자기장 감지 층(15)이 약 1.5 내지 약 2 ㎚ 이하 정도로 얇으면, 핀 고정될 층(16)의 자화 방향은 핀 고정할 층(17)이 없는 상태에서도 고정될 수 있다. 즉, 그 자화가 핀 고정할 층(13)에 의해 고정되는 핀 고정될 층(14)은 종종 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 핀 고정될 층(16)에 자기적으로 결합되며, 그에 의해 핀 고정될 층(16)의 자화 방향의 고정을 초래한다. 외부 자기장 감지 층(15)이 외부 자기장을 감지할 때 어떤 기구에 의해 핀 고정될 층(14, 16)이 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 강력한 자기 결합 상태로 되는지가 상세하게 알려져 있지 않았다.
핀 고정될 층(14)의 재료 및 두께와 동일한 재료 및 두께가 핀 고정될 층(16)에 대해 사용 가능하다. 예컨대, Co, Fe 또는 Ni의 단일 원소; CoFe 합금; NiFe 합금; NiCo 합금; 또는 Co, Fe 또는 Ni을 함유하는 합금 재료가 사용 가능하다. fcc-CoFe 합금, bcc-FeCo 합금 등이 또한 핀 고정될 층(16)의 재료로서 바람직하다. 핀 고정될 층(16)으로서, 2 ㎚의 Co90Fe10 층이 사용 가능하다.
핀 고정될 층(16)은 핀 고정될 층(14)과 유사하게 결정 재료 층 대신에 비정질 금속 층일 수 있다. 구체적으로, CoFeB, CoZrNb, FeZrN, FeAlSi 등이 사용 가 능하다. 비정질 합금 층을 사용하는 장점들 중 하나는 원소들 사이의 특성 변동이 다음의 이유 (1) 및 (2) 때문에 일어나지 않는 경향이 있다는 것이다.
(1) 결정 입자의 표면 불규칙성에 기인 가능한 불규칙성이 일어나지 않는다.
(2) 원소 크기가 작더라도, 하나의 원소 내에서의 결정 입자의 개수 면에서의 변동의 문제가 고려될 것이 필요하지 않다.
전술된 바와 같이, 바람직하게는, 핀 고정할 층(17)은 충분한 핀 고정 기능을 나타내기 위해 핀 고정될 층(16) 상에 배치된다. 이러한 경우에, 핀 고정될 층(16)은 핀 고정될 층(14)의 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 핀 고정될 층(16)은 Ru 등을 사용하는 합성 핀 고정 구조를 가질 수 있다. 나아가, 핀 고정될 층(16)을 핀 고정하기 위해, IrMn, PtMn 등의 반강자성 층 그리고 CoPt, CoPtCr 등의 경질 층이 사용 가능하다. 구체적으로, 핀 고정될 층(16)은 다음의 구조 (1) 및 (2) 중 어느 하나를 가질 수 있다.
(1) CoFe [2 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoFe [2 ㎚]/IrMn [6 ㎚]
(2) bcc-FeCo [2.5 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoFe [3.0 ㎚]/IrMn [6 ㎚]
핀 고정될 층(16)을 핀 고정하기 위해, 핀 고정될 층(14)을 핀 고정하기 위해 사용되는 것과 같은 경질 자성 층이 또한 핀 고정 층(17)으로서 사용 가능하다. 이러한 경우에, 핀 고정될 층(16)은 핀 고정될 층(161)/자기 결합 층(162)/핀 고정될 층(163)의 다층일 수 있고, CoFe [2 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoPt [3.2 ㎚] 등의 구조를 가질 수 있다. 이 때, CoPt의 경질 자성 층이 반강자성 층[핀 고정할 층(17)] 그리고 반강자성 층과 접촉하는 자성 층[핀 고정될 층(163)] 대신에 사용 가능하 다. 나아가, 자기 결합 층(162)[Ru [0.9 ㎚]]을 배치하지 않는 것 그리고 핀 고정될 층(16)의 재료로서 CoFe [2 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoPt [3.2 ㎚] 대신에 CoPt [3 ㎚]을 사용하는 것이 또한 가능하다.
캡 층(18)은 핀 고정할 층(17) 상에 또는 핀 고정될 층(16) 상에 배치된다. 캡 층(18)으로서, Cu/Ta 층, Ru/Ta 층, Ta 층 등이 사용 가능하다. 캡 층(18)이 핀 고정할 층(17)을 제공하지 않는 상태에서 핀 고정될 층(16) 상에 직접적으로 배치되는 경우에, Cu 층 또는 Ru 층이 바람직하게는 자성 층[핀 고정될 층(16)] 상에 제공된다. 이 때의 Cu 또는 Ru의 두께는 바람직하게는 약 0 내지 약 2 ㎚이다. 캡 층(18)의 재료로서, Ta, Ti, Zr, W, Nb, Cr, Mo, V 또는 Hf, 또는 이들 원소 중 임의의 원소를 함유하는 합금 재료, 또는 이들 원소 중 임의의 원소를 함유하는 전도성 산화물 또는 질화물 층이 사용 가능하다. 그 두께는 바람직하게는 약 1 내지 약 5 ㎚이다.
A. 자기-저항 효과의 발생의 기구 (1)
자기-저항 효과가 자기-저항 피막(10)에서 일어나는 방식의 물리적 기구가 설명될 것이다. 그러나, 현재, 자기-저항 효과가 일어나는 방식의 물리적 기구의 일부 부분이 완전히 알려져 있지 않다.
R-H(저항-자기장) 루프 및 M-H(자화도-자기장) 루프의 측정에 따르면, 핀 고정될 층(16)의 자화 방향은 자기-저항 효과가 일어날 때 핀 고정할 층(17)이 없는 상태에서도 실질적으로 고정된다. 즉, 상부 자성 층[핀 고정될 층(16)]의 자화 방향은 핀 고정할 층(13), 핀 고정될 층(14) 및 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 고 정된다.
외부 자기장 감지 층(15)은 TiOx 등의 비자성인 것으로 일반적으로 생각되는 재료를 사용한다. 그러나, 다음의 이유 1) 내지 3) 때문에, 외부 자기장 감지 층(15)이 약한 자력을 나타낼 가능성이 있다.
- 이유 1) 외부 자기장 감지 층(15)은 1.2 ㎚의 매우 작은 두께를 가지며, 그 상부 및 하부측 상에 배치된 핀 고정될 층(14, 16)은 자성 층이다. 그러므로, 외부 자기장 감지 층(15)은 교환 길이(exchange length) 때문에 핀 고정될 층(14, 16)에 의해 영향을 받으므로, 자력을 나타낼 수 있다.
- 이유 2) 외부 자기장 감지 층(15) 내에 함유된 Ti 등의 제3 전이 금속 원소는 외부 자기장 감지 층(15)이 자력을 나타내게 할 수 있다.
- 이유 3) 외부 자기장 감지 층(15)은 자성 원소를 함유할 수 있으며, 이것은 어떤 양의 Co 또는 Fe 등의 자성 원소가 핀 고정될 층(14, 16)으로부터 확산되기 때문이다.
자력을 나타낼 때, 외부 자기장 감지 층(15)은 그 자화 방향이 외부 자기장에 따라 변하는 자유 층으로서 기능한다. 자기-저항 피막(10)은 외부 자기장 감지 층(15)이 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향에 평행한 자화 방향을 가질 때 더 낮은 저항을 가지며 반면에 외부 자기장 감지 층(15)이 역평행 자화 방향을 가질 때 더 높은 저항을 가질 것으로 생각된다. 예컨대, 외부 자기장 감지 층(15)의 자화 방향은 어떠한 자기장의 인가도 없을 때 핀 고정될 층(14, 16)의 자 화 방향에 실질적으로 직각이다.
그러나, 진동 샘플 자력계(VSM: vibrating sample magnetometer)에 의해 기존에 성취되는 자화도 측정 정확성으로써, TiOx의 자화는 관찰되지 않았다. TiOx의 자화는 있다면 매우 작을 것으로 생각된다.
전술된 산화물, 질화물 또는 산질화물 층 외에도, 약한 자력을 용이하게 나타내는 Ti, V, Cr, Mn 또는 Pd을 주요 성분으로서 함유하는 금속 재료가 사용될 수 있다. 다른 원소가 주요 성분으로서 이들 원소 중 임의의 원소를 함유하는 금속 재료에 첨가될 수 있다. 주요 성분은 여기에서 그 함량이 50 원자% 이상인 성분을 말한다. 이러한 정의는 다른 설명에 또한 적용된다. 이들 원소 중 임의의 원소가 사용될 때, 약한 자력 즉 자화가 또한 상부 및 하부 강자성 재료[핀 고정될 층(14, 16)]로부터의 영향으로 인해 일어날 수 있다.
B. 자기-저항 효과의 발생의 기구 (2)
자기-저항 효과 (2)의 발생의 기구로서, 외부 자기장 감지 층(15)이 어떠한 자화도 없지만(그러므로, 외부 자기장에 따른 자화 면에서의 어떠한 변화도 존재하지 않음) 외부 자기장을 감지하는 경우가 생각될 수 있다. 이러한 경우에서의 물리적 기구가 설명될 것이다.
주요 성분으로서 TiOx 등을 함유하는 외부 자기장 감지 층(15)이 외부 자화를 유도하는 순 모멘트(net moment) 자체를 갖지 않는 상태에서 외부 자기장을 감지하는 경우가 있을 수 있다. 전도 전자는 핀 고정될 층(14, 16)들 사이에서 그에 대해 유동한다. 전도 전자가 외부 자기장 감지 층(15)을 통과할 때, 전도 전자의 스핀 반전이 동시에 유발되고, 외부 자기장에 의해 어떤 다른 시간에 유발되지 않는다. 이 때의 스핀의 방향에 따라, 전도 전자가 유동하는 핀 고정될 층(14, 16)들 중 어느 하나와 외부 자기장 감지 층(15) 사이의 인터페이스에서의 저항이 변한다.
도4a 및 도4b는 자기-저항 효과의 발생의 기구 (2)를 도시하고 있다.
전도 전자가 핀 고정될 층(16)으로부터 핀 고정될 층(14)으로 유동하고 있다. 도4a에서, 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향에 평행한 양의 방향으로의 외부 자기장 H+가 인가되며, 전도 전자의 스핀은 반전되지 않는다. 이러한 상태에서, 자기-저항 피막은 더 낮은 저항을 갖는다. 반면에, 도4b에서, 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향에 역평행한 음의 방향으로의 외부 자기장 H-가 인가되며, 전도 전자의 스핀은 외부 자기장 감지 층(15) 내에서 반전된다. 이러한 상태에서, 자기-저항 피막은 더 높은 저항을 갖는다.
여기에서, 자기-저항 피막은 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향에 평행한 자기장 H+가 인가될 때 더 낮은 저항을 갖고, 역평행 자기장 H-가 인가될 때 더 높은 저항을 갖는다. 그러나, 외부 자기장 감지 층(15) 및 핀 고정될 층(14, 16)의 재료의 선택에 따라, 이러한 관계는 역전될 수 있다. 즉, 어떤 경우에, 저항은 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향에 평행한 자기장 H+가 인가될 때 더 높아지고, 역평행 자기장 H-가 인가될 때 더 낮아진다.
보통, 전도 전자의 스핀은 외부 자기장에 의해 직접적으로 반전되지 않는다. 외부 자기장 감지 층(15)의 내부측은 전도 전자의 스핀의 직접 반전이 외부 자기장에 의해 용이하게 유발되는 상태에 있는 것으로 생각된다. 이러한 마이크로 기구의 세부 사항이 알려져 있지 않지만, 외부 자기장 감지 층(15)은 바람직하게는 순 모멘트를 갖는 상태와 순 모멘트를 갖지 않는 상태 사이의 경계 상에 있는 것으로 생각된다. 이러한 관점으로부터, 외부 자기장 감지 층(15)으로서, 자력을 용이하게 나타내는 제3 전이 금속의 산화물, 질화물 또는 산질화물 층을 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 자력을 용이하게 나타내는 Ti, Cr, V, Mn 또는 Pd의 원소 금속을 주요 성분으로서 함유하는 금속 재료가 외부 자기장 감지 층(15)의 재료로서 사용 가능하다.
C. 자기-저항 효과의 발생의 기구 (3)
외부 자기장 감지 층(15) 자체가 자화를 갖지 않더라도, 상부 및 하부 자성 층[핀 고정될 층(14, 16)]은 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 강력한 자기 결합 상태(자체-결합 상태)에 있는 것으로 생각된다. 이러한 현상이 일어날 수 있는 가능성이 있으며, 이것은 자기 결합에 기여하는 외부 자기장 감지 층(15) 내의 편재된 전자가 외부 자기장에 의한 스핀-반전을 유발시키는 전도 전자와 개별적으로 존재하기 때문이다.
이러한 경우에, 핀 고정될 층(14, 16)에 대응하는 핀 고정할 층(13, 17)들 중 하나만이 배치될 것이 필요하며, 핀 고정할 층(13, 17)들 중 다른 하나는 생략될 수 있다. 어떠한 핀 고정할 층도 그 상에 배치되지 않은 상태에서의 핀 고정될 층(14, 16)들 중 하나는 외부 자기장 감지 층(15)을 통한 자기 결합으로 인해 핀 고정될 층(14, 16)들 중 다른 하나에 자체-결합된다.
핀 고정할 층(13, 17)들 중 하나가 생략될 수 있기 때문에, 자기-저항 피막(10)의 총 두께는 감소될 수 있다.
나아가, 자체-결합 효과는 핀 고정 층(13, 17)들 중 하나만이 배치될 때에도 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)이 이용될 수 있다는 장점을 생성시킨다. 구체적으로, 복수개의 자성 층은 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 자기적으로 결합되며, 모든 이들 자성 층은 핀 고정될 층으로서 이용될 수 있다. 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)의 사용성은 복수개의 스핀-의존 산란 유닛이 존재한다는 것을 의미하며, 그 결과 더 높은 자기-저항 비율이 기대될 수 있다.
(자기-저항 소자를 제조하는 방법)
자기-저항 소자를 제조하는 방법이 설명될 것이다.
도5에서의 흐름도에 도시된 바와 같이, 기부 층(12) 내지 캡 층(18)이 기판 상에 순서대로 적층된다. 이들 층이 적층된 후, 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향이 고정된다. 자화 방향은 예컨대 열 처리 동안에 자기장의 인가에 의해 고정될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 경질 자성 층이 핀 고정할 층(13, 17)으로서 사용될 때, 수십 초 내지 수 분 동안 약 10 내지 약 15 kOe의 정도로 자기장을 인가함으로써 핀 고정될 층(14, 16)의 자화를 고정하는 것이 가능하다.
외부 자기장 감지 층(15)을 형성하기 위해, 다음의 2개 종류의 방법 (1) 및 (2)가 적용 가능하다.
(1) 산화, 질화 또는 산질화가 아직 적용되지 않은 기본 재료인 금속 재료의 피막이 형성된 후, 금속 재료의 표면이 산화된다. 금속 재료의 피막을 형성하기 위해, 스퍼터링, 증착, MBE, 이온 빔 스퍼터링, CVD 등이 사용 가능하다.
(2) 산화물 층, 질화물 층 또는 산질화물 층이 직접적으로 형성된다. 이러한 층을 형성하기 위해, 스퍼터링, 증착, MBE, 이온 빔 스퍼터링, CVD 등이 사용 가능하다.
여기에서, (1)에서의 표면 산화로서, 자연 산화 또는 에너지-보조 산화(energy-assisted oxidation)가 사용 가능하다.
1) 자연 산화에서, 기본 재료 금속의 피막이 형성된 후, 피막의 표면은 산소- 또는 질소-함유 가스에 노출된다. 산소- 또는 질소-함유 가스의 예가 산소 가스, 질소 가스, 산소 및 질소의 혼합 가스, 산소 및 희유 가스의 혼합 가스, 질소 및 희유 가스의 혼합 가스 그리고 산소, 질소 및 희유 가스의 혼합 가스이다.
2) 에너지-보조 산화에서, 금속 재료는 산소- 또는 질소-함유 가스로 산화, 질화 또는 산질화되며, 그 동안 피막 표면에는 이온 빔, 플라즈마 등이 조사된다. 에너지-보조 산화는 기판을 가열함으로써 열 에너지를 사용하는 열 산화 방법을 또한 포함한다. 나아가, 이온 빔 또는 플라즈마 그리고 가열의 조합이 사용될 수 있다.
다음에, 자기-저항 소자를 제조하는 데 사용되는 피막 형성 장치가 설명될 것이다.
도6에 도시된 바와 같이, 피막 형성 장치는 로드 락 챔버(load lock chamber)(51), 예비-세척 챔버(52), 제1 금속 증착 챔버(MC1)(53), 제2 금속 증착 챔버(MC2)(54) 및 산화물/질화물 층 형성 챔버(OC)(60)를 포함하며, 이들은 각각 게이트 밸브를 통해 이송 챔버(TC)(50) 주위에 배치된다. 이러한 피막 형성 장치에서, 기판은 게이트 밸브를 통해 연결된 챔버들 사이에서 진공 분위기 내에서 이송될 수 있으며, 그 결과 기판의 표면이 청결 상태로 유지된다. 각각의 챔버의 최종의 진공 정도는 바람직하게는 10-8 내지 10-10 Torr의 정도로 되어 있다. 바람직한 진공 정도는 전형적으로 실용적 관점으로부터 10-9의 정도로 되어 있다.
금속 증착 챔버(53, 54)는 다중-타겟(5 내지 10개)을 갖는다. 피막 형성 방법의 예가 DC 마그네트론 스퍼터링 또는 RF 마그네트론 스퍼터링 등의 스퍼터링 방법, 이온 빔 스퍼터링 방법, 증착 방법, 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 방법, 분자 빔 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 방법 등이다.
외부 자기장 감지 층(15)은 산화물 층, 질화물 층 및 산질화물 층 중 하나로 형성되므로, 산화물/질화물 층 형성 챔버(60) 내에 형성된다. 전술된 바와 같이, 외부 자기장 감지 층(15)은 표면 산화 방법에 의해 형성될 수 있거나, 산화물 층/질화물 층/산질화물 층은 직접적으로 형성될 수 있다.
(예)
이후, 본 발명의 예가 설명될 것이다. 예에 따른 자기-저항 피막(10)의 구조는 다음의 구조를 갖는다.
- 하부 전극(11)
- 기부 층(12)[버퍼 층(12a)/시드 층(21b): Ta [5 ㎚]/Ru [2 ㎚]
- 핀 고정할 층(13): PtMn [15 ㎚]
- 핀 고정될 층(14)[핀 고정될 층(141)/자기 결합 층(142)/핀 고정될 층(143)]: CoFe [3 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoFe [3 ㎚]
- 외부 자기장 감지 층(15): TiOx [2 ㎚]
- 핀 고정될 층(16)[핀 고정될 층(161)/자기 결합 층(162)/핀 고정될 층(163)]: CoFe [3 ㎚]/Ru [0.9 ㎚]/CoFe [3 ㎚]
- 핀 고정할 층(17): PtMn [15 ㎚]
- 캡 층(18): Ta [5 ㎚]
스핀-밸브 피막이 형성된 후, 290℃ 열 처리가 개선된 결정성 및 규칙적 PtMn을 구현하기 위해 4 시간 동안 10 kOe 자기장 내에서 수행되었다. 그 후, 스핀-밸브 피막의 소자 크기가 사진 및 식각 공정(lithography process)에 의해 한정되었으며, 상부 전극(20)이 형성되었다.
TiOx[외부 자기장 감지 층(15)]와 접촉하는 상부 및 하부 CoFe 층[핀 고정될 층(143) 및 핀 고정될 층(161)]의 자화 방향은 동일한 방향으로 고정된다. 나아가, 이들 CoFe 층[핀 고정될 층(143) 및 핀 고정될 층(161)]은 CoFe 층[핀 고정될 층(141) 및 핀 고정될 층(163)]에 강력한 자기 결합 상태에 있으며, 이것은 반강자성(역평행) 방식으로 Ru[자기 결합 층(142, 162)]을 통해 그 상부 및 하부 외부측 상에 배치된다.
이들 CoFe 층[핀 고정될 층(141) 및 핀 고정될 층(163)]은 그 외부측 상에 배치된 IrMn 층[핀 고정할 층(13, 17)]에 의해 핀 고정된다. 핀 고정 방향은 자기 열 처리 동안에 인가된 전술된 자기장의 수치에 의해 조절된다.
여기에서, 핀 고정할 층(13)으로서, 반강자성 층이 사용된다. 대신에, 경질 자성 층이 핀 고정할 층(13)으로서 사용 가능하다. 이러한 경우에, 열 처리 동안에 자기장을 인가하지 않고 실온에서 약 10 내지 약 15 [kOe]의 강자성 자기장을 인가함으로써 핀 고정할 층(13)을 자화시키는 것이 가능하다. 경질 자성 층이 핀 고정을 위해 사용되는 경우에, 결정성을 개선시키는 열 처리는 바람직하게는 스핀-밸브 피막이 형성된 후 수행된다.
후술되는 바와 같이, 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)을 개별적으로 핀 고정하기 위해 반강자성 층 및 경질 자성 층의 양쪽 모두를 사용하는 것이 또한 가능하다. 이러한 경우에, 반강자성 층 및 경질 자성 층은 개별적으로 자화될 수 있다. 반강자성 층에 의한 핀 고정에서, 자화 방향은 자기 열 처리 동안에 인가된 자기장의 방향에 의해 조절된다. 반면에, 경질 자성 층에 의한 핀 고정에서, 핀 고정될 층은 반강자성 층에 의해 고정된 자화 방향과 무관하게 자기 열 처리 후의 10 내지 15 kOe의 자화 공정에 의해 임의의 방향으로 자화될 수 있다. 일례로서, 반강자성 층에 의해 고정된 자화 방향에 역평행한 방향으로 경질 자성 층의 자화를 고정하는 것이 가능하다.
이러한 예의 자기-저항 피막(10)은 양의 방향[핀 고정될 층(161, 143)의 자화 방향에 평행한 자화 방향]으로 자기장이 인가될 때 더 낮은 저항을 가졌고, 음의 방향[핀 고정될 층(161, 143)의 자화 방향에 역평행한 자화 방향]으로 약 100 [Oe]의자기장이 인가될 때 더 높은 저항을 가졌다. 이러한 예의 자기-저항 피막(10)에서, 면적 저항 RA는 4000 [mΩ㎛2]이었으며, 자기-저항 비율 MR은 16%이었다. 이러한 수치의 면적 저항 RA는 약간 크지만, 재료 및 공정 최적화에 의해 감소될 수 있다.
도7은 일례에 따른 자기-저항 피막의 단면 TEM 사진이다. 도7에서 보이는 바와 같이, TiOx 층[외부 자기장 감지 층(15)]은 CoFe 층[핀 고정될 층(143)]의 결정 입자를 따라 형성된다. 이러한 TiOx 층은 연속이고, 어떠한 핀홀도 갖지 않는다. 외부 자기장 감지 층(15)은 이처럼 연속이므로, 각각의 소자 내에서의 변동은 소자 크기가 50 ㎚ 이하 정도로 극히 미세하더라도 감소된다.
자기-저항 피막(10)의 특성이 제조 조건에 따라 변하는 방식이 설명될 것이다.
도8은 자기-저항 피막(10) 내의 TiOx 층[외부 자기장 감지 층(15)]이 형성될 때의 산소 유동 속도와 자기-저항 비율 MR 사이의 상호 관계를 도시하는 그래프이다. 이 때의 피막 구조는 전술된 예의 피막 구조와 동일하다.
도8로부터 보이는 바와 같이, 산소 공급량이 작을 때(산화가 불충분할 때), 자기-저항 비율 면에서의 어떠한 증가도 관찰되지 않는다. 산소 공급량이 어떤 수치에 도달할 때, 자기-저항 비율은 극적으로 증가한다. 나아가, 산소 공급량이 과도하게 커질 때, 자기-저항 비율 MR은 극적으로 떨어진다. 즉, 자기-저항 피막(10)의 더 양호한 특성을 위해, 외부 자기장 감지 층(15)이 형성되는 산화 조건 을 적절하게 선택할 것이 필요하다.
(자기-저항 피막의 다층 구조)
이후, 자기-저항 피막의 다층 구조가 설명될 것이다. 전술된 바와 같이, 핀 고정될 층(14)/외부 자기장 감지 층(15)/핀 고정될 층(16)의 3개의 층이 자기-저항 피막(10)의 기본 구조를 구성하지만, 다층 구조는 변할 수 있다.
- 다층 피막 구조 A: 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 경우
도9 내지 도14는 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막(10AA 내지 10AF)의 구조 예를 도시하는 사시도이다. 도9 내지 도14의 구조는 도2에 도시된 구조와 기본적으로 동일하다. 핀 고정할 층(13, 17)으로서, 반강자성 층(131, 171) 및 경질 자성 층(132, 172)이 가변적으로 조합된다.
자기-저항 피막(10AA)에서, 반강자성 층(131, 171)은 상부 및 하부 핀 고정할 층(13, 17)으로서 사용된다. 그러므로, 상부 및 하부 반강자성 층[핀 고정될 층(14, 16)]의 핀 고정은 자기 어닐링 동안에 인가된 자기장의 방향에 의해 결정된다. 그러므로, 핀 고정될 층(141, 163)은 동일한 자화 방향을 갖는다. 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향은 핀 고정될 층(141, 163)의 자화 방향과 역평행이고, 실질적으로 동일하다. 반강자성 층(131, 171)으로서, IrMn, PtMn, PdPtMn, NiMn, RuMn, RhMn, RuRhMn 등의 금속 반강자성 층 등의 금속이 사용 가능하다.
자기-저항 피막(10AB)에서, 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)은 경질 자성 층(132, 172)에 의해 핀 고정된다. 경질 자성 층(132, 172)으로서 사용 가능한 재료는 그 주요 성분이 hcp-Co인 Co, Co 합금, CoPt, CoPrCr 합금, FePt 그리고 첨가 원소가 첨가되는 이들 재료 중 임의의 재료를 포함한다.
자기-저항 피막(10AC)에서, 반강자성 층(131)은 핀 고정할 층(13)으로서 사용되며, 경질 자성 층(172)은 핀 고정할 층(17)으로서 사용된다. 전술된 재료는 반강자성 층(131) 및 경질 자성 층(172)에 대해 사용 가능하다. 여기에서, 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향은 자기-저항 피막(10AB) 내에서의 자화 방향과 동일하다. 경질 자성 층(172)의 자화는 이러한 자화 배열 상태를 구현하도록 고정된다. 여기에서, 경질 자성 층(172) 및 핀 고정될 층(163)은 개별의 자성 층일 수 있거나 1층 재료가 양쪽 모두의 기능을 수행할 수 있다. 이들이 2개의 개별의 층이면, 경질 자성 성질을 갖는 자성 층[경질 자성 층(172)] 그리고 자기-저항 비율을 개선시키는 데 유리한 자성 층[핀 고정될 층(163)]이 독립적으로 설계될 수 있다.
자기-저항 피막(10AD)은 자기-저항 피막(10AC)의 구조와 실질적으로 동일한 구조를 갖지만, 경질 자성 층(172)의 자화 고정 방향은 자기-저항 피막(10AC) 내에서의 자화 고정 방향에 역전된다. 즉, 경질 자성 층(172)의 자화는 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향이 서로에 역평행하도록 고정된다. 자기-저항 피막(10AA)에서와 같이 각각의 핀 고정할 층(13, 17)으로서의 반강자성 층(131, 171)의 사용은 핀 고정될 층(143, 161)이 동일한 자화 방향 을 갖게 한다. 반면에, 경질 자성 층(172)이 사용될 때, 자기 열 처리 후 큰 자기장을 인가함으로써 임의의 방향으로 자화를 고정하는 것이 가능하다. 이것은 자기-저항 피막(10AC, 10AD) 등의 구조적 변동을 구현할 수 있다.
자기-저항 피막(10AE, 10AF)의 구조에서, 자기-저항 피막(10AC, 10AD)의 상부 핀 고정할 층 및 하부 핀 고정할 층은 서로에 의해 교체된다. 경질 자성 층(132)은 외부 자기장 감지 층(15)의 하부측 상에 배치된다. 자기-저항 피막(10AC, 10AD)에서와 같이, 자기-저항 피막(10AE, 10AF) 내에서의 경질 자성 층(132)의 자화 고정 방향은 서로에 역전된다.
자기-저항 피막(10AE, 10AF)의 구조는 다음의 관점에서 자기-저항 피막(10AC, 10AD)의 구조와 상이하다. 즉, 자기-저항 피막(10AE, 10AF)의 구조에서, 경질 자성 층(132)은 기부 층측 상에 배치된다. 그러므로, 경질 자성 층(132) 아래의 기부 층(12)에 대해, 경자성체(hard magnetism)를 강화시키는 기부 재료가 선택될 수 있다. 예컨대, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층의 평면-평행 자화 방향을 구현하기 위해 bcc 구조를 갖는 Cr, W, V 등을 함유하는 금속 층을 선택하는 것이 가능하다. 나아가, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층(132)을 평면-직각 자화 방향을 갖는 직각 자화 피막으로 되게 하는 데 적절한 재료를 사용하는 것이 가능하다. 직각 자화 피막의 재료로서, Co-함유 합금 구체적으로 CoCr 또는 CoCrPt; 첨가 원소를 갖는 이들 중 어느 하나; FePt; 등이 사용 가능하다.
- 다층 피막 구조 B: 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)이 단일층 핀 고정 구조를 갖는 경우
도15 내지 도20은 상부 및 하부 핀 고정될 층이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막(10BA 내지 10BF)의 구조 예를 도시하는 사시도이다. 자기-저항 피막(10BA 내지 10BF)은 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)이 양쪽 모두 단일층 핀 고정 구조를 갖는다는 점을 제외하면 자기-저항 피막(10AA 내지 10AF)과 기본적으로 동일하다.
합성 핀 고정 구조 대신에 단일층 핀 고정 구조의 사용은 스핀-밸브 피막의 총 두께를 감소시킬 수 있다. 그러나, 합성 구조의 비사용은 합성 핀 고정 구조가 사용되는 경우에서의 핀 고정/고정 자기장보다 핀 고정/고정 자기장이 약화될 가능성을 포함한다. 필요한 세부 사항에 따라, 자기-저항 피막(10AA 내지 10AF)의 구조 그리고 자기-저항 피막(10BA 내지 10BF)의 구조는 선택적으로 채택된다.
자기-저항 피막(10BA)에서, 반강자성 층(131, 171)은 각각 상부 및 하부 핀 고정할 층(13, 17)으로서 사용된다. 상부 및 하부 반강자성 층(131, 171)의 핀 고정은 자기 어닐링 동안에 인가된 자기장의 방향에 의해 결정된다. 그러므로, 핀 고정될 층(14, 16)의 자화 방향은 동일하다. 여기에서, 반강자성 층(131, 171)의 재료로서 사용 가능한 예가 IrMn, PtMn, PdPtMn, NiMn, RuMn, RhMn 또는 RuRhMn의 금속 반강자성 층이다.
자기-저항 피막(10BB)에서, 상부 및 하부 핀 고정될 층(14, 16)은 각각 경질 자성 층(132, 172)에 의해 핀 고정된다. 이 때, 경질 자성 층(132, 172)은 핀 고정될 층으로서 또한 기능할 수 있다. 경질 자성 층(132, 172)에 대해, 그 주요 성분이 hcp-Co인 Co, Co 합금, CoPt, CoPrCr 합금 또는 FePt가 사용 가능하거나, 첨 가 원소가 첨가된 상태에서의 이들 재료 중 임의의 재료가 또한 사용 가능하다.
자기-저항 피막(10BC)에서, 반강자성 층(131)은 핀 고정할 층(13)으로서 사용되며, 경질 자성 층(172)은 핀 고정할 층(17)으로서 사용된다. 반강자성 층(131) 및 경질 자성 층(172)은 전술된 재료로 제조될 수 있다. 여기에서, 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향은 서로에 대해 역평행하다. 경질 자성 층(172)의 자화는 이러한 자화 배열 방향을 구현하도록 고정된다. 여기에서, 경질 자성 층(172) 및 핀 고정될 층(161)은 개별의 자성 층일 수 있거나, 1층 재료가 양쪽 모두의 기능을 수행할 수 있다. 경질 자성 층(172) 및 핀 고정될 층(161)이 2개의 개별의 층이면, 경질 자성 성질을 갖는 자성 층[경질 자성 층(172)] 그리고 자기-저항 비율을 개선시키는 데 유리한 자성 층[핀 고정될 층(163)]이 독립적으로 설계될 수 있다.
자기-저항 피막(10BD)은 자기-저항 피막(10BC)의 구조와 실질적으로 동일한 구조를 갖지만, 경질 자성 층(172)의 자화 고정 방향은 자기-저항 피막(10BC) 내에서의 자화 고정 방향에 역전된다. 즉, 경질 자성 층(172)의 자화는 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향이 서로에 평행하도록 고정된다. 자기-저항 피막(10BA)에서와 같이 핀 고정할 층(13, 17)의 양쪽 모두로서의 반강자성 층(131, 171)에 의한 합성 핀 고정 구조의 채택은 핀 고정될 층(143, 161)이 동일한 자화 방향을 갖게 한다. 반면에, 경질 자성 층(172)이 사용될 때, 자기 열 처리 후 큰 자기장을 인가함으로써 임의의 방향으로 자화를 고정하는 것이 가능하다. 이것은 자기-저항 피막(10BC, 10BD) 등의 구조적 변동을 구 현할 수 있다.
자기-저항 피막(10BE, 10BF)의 구조에서, 자기-저항 피막(10BC, 10BD)의 상부 층 및 하부 층은 서로에 의해 교체된다. 경질 자성 층(132)은 외부 자기장 감지 층(15)의 하부측 상에 배치된다. 자기-저항 피막(10BC, 10BD)에서와 같이, 자기-저항 피막(10BE, 10BF) 내에서의 경질 자성 층(132)의 자화 고정 방향은 서로에 역전된다.
자기-저항 피막(10BE, 10BF)의 구조는 다음의 관점에서 자기-저항 피막(10BC, 10BD)의 구조와 상이하다. 즉, 자기-저항 피막(10BE, 10BF)의 구조에서, 경질 자성 층(132)은 기부 층(12)측 상에 배치된다. 그러므로, 경질 자성 층(132) 아래의 기부 층(12)에 대해, 경자성체를 강화시키는 기부 재료가 선택될 수 있다. 예컨대, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층(132)의 평면-평행 자화 방향을 구현하기 위해 bcc 구조를 갖는 Cr, W, V 등을 함유하는 금속 층을 선택하는 것이 가능하다. 나아가, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층(132)을 평면-직각 자화 방향을 갖는 직각 자화 피막으로 되게 하는 데 적절한 재료를 사용하는 것이 가능하다. 전술된 경우와 유사하게, 직각 자화 피막의 재료로서, Co-함유 합금 구체적으로 CoCr 또는 CoCrPt; 첨가 원소를 갖는 이들 중 어느 하나; FePt; 등이 사용 가능하다.
- 다층 피막 구조 C: 핀 고정될 층(14)이 합성 핀 고정 구조를 가지며 핀 고정될 층(16)이 단일층 핀 고정 구조를 갖는 경우
도21 내지 도25는 상부 및 하부 핀 고정될 층 중 하나가 합성 핀 고정 구조를 가지며 다른 하나가 단일층 핀 고정 구조를 갖는 자기-저항 피막의 구조 예를 도시하는 사시도이다. 도21 내지 도25에 도시된 자기-저항 피막(10CA 내지 10CE)에서, 핀 고정될 층(14)은 합성 핀 고정 구조를 가지며, 핀 고정될 층(16)은 단일층 핀 고정 구조를 갖는다.
자기-저항 피막(10CA)에서, 반강자성 층(131, 171)은 상부 및 하부 핀 고정할 층(13, 17)으로서 사용된다. 상부 및 하부 반강자성 층(131, 171)에 의한 핀 고정 방향은 자기 어닐링 동안에 인가된 자기장의 방향에 의해 결정된다. 그러므로, 핀 고정될 층(141, 161)의 자화 방향은 동일하다.
그러나, 자기-저항 피막(10AA 내지 10AF)의 경우와 달리, 핀 고정될 층(16)은 합성 핀 고정 구조를 갖지 않는다. 결국, 반강자성 층(131, 171)에 의해 고정된 자화 방향이 동일하더라도, 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화 방향은 서로에 역평행하다. 반강자성 층(131, 171)으로서 사용 가능한 예가 IrMn, PtMn, PdPtMn, NiMn, RuMn, RhMn 또는 RuRhMn 등의 금속 반강자성 층이다.
자기-저항 피막(10CB)에서, 반강자성 층(131)은 핀 고정할 층(13)으로서 사용되며, 경질 자성 층(172)은 핀 고정할 층(17)으로서 사용된다. 경질 자성 층(172)의 재료로서 사용 가능한 예는 그 주요 성분이 hcp-Co인 Co, Co 합금, CoPt, CoPrCr 합금 또는 FePt 그리고 첨가 원소가 첨가된 상태에서의 이들 재료 중 임의의 재료를 포함한다.
자기-저항 피막(10CC)에서, 자기-저항 피막(10CB)에서와 같이, 반강자성 층(131)은 핀 고정할 층(13)으로서 사용되며, 경질 자성 층(172)은 핀 고정할 층(17)으로서 사용된다. 반강자성 층(131) 및 경질 자성 층(172)은 전술된 재료로 제조될 수 있다. 여기에서, 외부 자기장 감지 층(15)과 접촉하는 핀 고정될 층(143, 161)의 자화는 서로에 평행하도록 경질 자성 층(172)에 의해 고정된다. 여기에서, 경질 자성 층(172) 및 핀 고정될 층(161)은 개별의 자성 층일 수 있거나, 1층 재료가 양쪽 모두의 기능을 수행할 수 있다. 경질 자성 층(172) 및 핀 고정될 층(161)이 2개의 개별의 층이면, 경질 자성 성질을 갖는 자성 층[경질 자성 층(172)] 그리고 자기-저항 비율을 개선시키는 데 유리한 자성 층[핀 고정될 층(161)]이 독립적으로 설계될 수 있다.
자기-저항 피막(10CD)의 구조에서, 자기-저항 피막(10CB)의 상부측 및 하부측은 서로에 의해 교체된다. 즉, 경질 자성 층(132)은 핀 고정할 층(13)으로서 사용되며, 반강자성 층(171)은 핀 고정할 층(17)으로서 사용된다. 경질 자성 층(132)은 기부 층(12)측 상에 배치되므로, 경질 자성 층(132) 아래의 기부 층(12)에 대해, 경자성체를 강화시키는 기부 재료가 선택될 수 있다. 예컨대, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층(132)의 평면-평행 자화 방향을 구현하기 위해 예컨대 bcc 구조를 갖는 Cr, W, V 등을 함유하는 금속 층을 선택하는 것이 가능하다. 나아가, 기부 층(12)으로서, 경질 자성 층(132)이 직각 자화 방향을 갖게 하는 데 적절한 재료를 사용하는 것이 가능하다.
자기-저항 피막(10CE)에서, 경질 자성 층(132)에 의해 고정된 자화 방향은 자기-저항 피막(10CD) 내에서의 자화 방향에 역전된다. 자기-저항 피막(10CE)은 외부 자기장 감지 층(15)의 상부 및 하부측 상에서의 핀 고정될 층(143, 161)의 자 화 고정 방향 면에서 자기-저항 피막(10CD)과 상이하다.
- 다층 피막 구조 D: 핀 고정될 층(14)이 단일층 핀 고정 구조를 가지며 핀 고정될 층(16)이 합성 핀 고정 구조를 갖는 경우
도30 내지 도34는 핀 고정될 층(14)이 단일층 핀 고정 구조를 가지며 핀 고정될 층(16)이 합성 핀 고정 구조를 갖는다는 점을 제외하면 자기-저항 피막(10CA 내지 10CF)과 동일한 자기-저항 피막(10DA 내지 10DE)의 구조 예를 도시하는 사시도이다.
- 다층 피막 구조 E: 1개의 핀 고정할 층이 존재하는 경우
도31 내지 도34는 자기-저항 효과가 기구 (3)에 의해 일어나는 자기-저항 피막(10EA 내지 10ED)의 구조 예를 도시하는 사시도이다. 자기-저항 피막(10EA 내지 10ED)에서, 외부 자기장 감지 층(15)의 상부 및 하부측 상의 자성 층[핀 고정될 층(143, 161)]은 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 서로에 강력한 자기 결합 상태에 있다. 이러한 경우에, 외부 자기장 감지 층(15)을 통한 핀 고정될 층(143, 161)의 강력한 자기 결합으로 인해, 핀 고정할 층(13, 17)들 중 하나가 생략될 수 있다.
자기-저항 피막(10EA, 10EB)에서, 핀 고정할 층(13)은 핀 고정될 층(14)측 상에만 배치되며, 핀 고정될 층(14)은 자기적으로 고정된다. 자기-저항 피막(10EA)은 핀 고정할 층(13)으로서 반강자성 층(131)을 사용하고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다. 자기-저항 피막(10EB)은 핀 고정할 층(13)으로서 경질 자성 층(132)을 사용하고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다. 핀 고정될 층(161)의 자화는 핀 고정될 층(143)으로의 자기 결합으로 인해 고정된다. 결과적으로, 핀 고정할 층(13)은 핀 고정될 층(14, 16)에 의해 공유된다.
자기-저항 피막(10EC, 10ED)에서, 핀 고정할 층(17)은 핀 고정될 층(16) 상에만 배치되며, 핀 고정될 층(16)은 자기적으로 고정된다. 자기-저항 피막(10EC)은 핀 고정할 층(17)으로서 반강자성 층(171)을 사용하고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다. 자기-저항 피막(10ED)은 핀 고정할 층(17)으로서 경질 자성 층(172)을 사용하고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다.
자기-저항 피막(10EA 내지 10ED)은 모두 합성 핀 고정 구조를 갖는 예이다. 합성 핀 고정 구조 대신에, 단일층 핀 고정 구조가 또한 사용 가능하다.
- 다층 피막 구조 F: 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)이 배치되는 경우
도35 및 도36에 도시된 자기-저항 효과 피막(10FA, 10FB)은 각각 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)을 갖는다.
이러한 구조는 자기-저항 효과가 기구 (3)에 의해 일어나는 경우에 효과적이다. 복수개의 외부 자기장 감지 층(15)이 배치되는 경우에, 핀 고정될 층들 중 일부가 다층 피막 구조 때문에 핀 고정할 층(13)과 직접적으로 접촉하지 않는다. 그러나, 자기-저항 효과가 기구 (3)에 의해 일어나면, 상부 및 하부 자성 층(핀 고정될 층)은 외부 자기장 감지 층(15)을 통해 자기적으로 결합된다. 이것은 이러한 구조를 가능케 한다. 이러한 구조에서, 자기-저항이 일어나는 중요한 층인 외부 자기장 감지 층(15)은 복수개로 배치되며, 이것은 층의 개수에 따라 자기-저항 비율을 증가시키는 것을 가능케 한다.
자기-저항 피막(10FA)은 핀 고정할 층(13)으로서 반강자성 층(131)을 사용하 고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다. 그러나, 반강자성 층(131) 대신에, 경질 자성 층(132)이 핀 고정할 층(13)으로서 사용될 수 있다.
외부 자기장 감지 층(15a)이 합성 핀 고정 구조를 갖는 핀 고정될 층(14) 상에 배치되며, 핀 고정될 층(161a)이 그 상에 배치된다. 핀 고정될 층(143) 및 핀 고정될 층(161a)은 외부 자기장 감지 층(15a)을 통해 강력한 자기 결합 상태에 있다.
외부 자기장 감지 층(15b) 및 핀 고정될 층(161b)이 핀 고정될 층(161a) 상에 제공된다. 핀 고정될 층(161a, 161b)은 외부 자기장 감지 층(15b)을 통해 핀 고정할 층(13)에 의해 핀 고정된다.
즉, 단일의 핀 고정할 층(13)만으로, 복수개의 핀 고정될 층(161a, 161b)의 자화는 복수개의 외부 자기장 감지 층(15a, 15b)을 통해 고정될 수 있다. 복수개의 외부 자기장 감지 층(15a, 15b)이 존재하므로, 자기-저항 비율이 외부 자기장 감지 층의 개수에 비례하여 증가될 수 있다.
자기-저항 피막(10FB)은 자기-저항 피막(10FA)과 유사하게 하부 층측 상에 단일의 핀 고정할 층(13)을 갖고, 합성 핀 고정 구조를 갖는다. 자기-저항 피막(10FB)은 핀 고정할 층(13)으로서 반강자성 층(131)을 사용한다. 그러나, 반강자성 층(131) 대신에, 경질 자성 층(132)이 사용될 수 있다.
자기-저항 피막(10FB)에서, 외부 자기장 감지 층(15)의 개수는 자기-저항 피막(10FA)에서의 개수보다 1만큼 크며, 그 결과 그 총 개수는 3이다. 외부 자기장 감지 층(15)의 개수 면에서의 증가로 인해, 자기-저항 비율은 더 큰 수치를 가질 수 있다. 핀 고정될 층(161a 내지 161c)은 복수개의 외부 자기장 감지 층(15a, 15b, 15c)을 통해 핀 고정할 층(13)에 의해 핀 고정된다.
(자기-저항 소자의 적용)
이후, 본 발명의 실시예에 따른 자기-저항 소자(스페이서-층-없는 스핀-밸브 소자)가 설명될 것이다.
이 실시예에서, 스페이서-층-없는 스핀-밸브 소자의 소자 저항 RA는 고밀도에 대한 적합성의 관점으로부터 바람직하게는 2000 mΩ㎛2 이하 그리고 더 바람직하게는 1000 mΩ㎛2 이하이다. 소자 저항 RA를 계산하기 위해, CPP 소자의 저항 R이 스핀-밸브 피막의 전류 통과 부분의 유효 면적 A에 의해 승산된다. 여기에서, 소자 저항 R은 직접적으로 측정될 수 있다. 반면에, 스핀-밸브 피막의 전류 통과 부분의 유효 면적 A는 소자 구조에 의존하는 수치이므로, 유효 면적 A의 수치는 신중하게 결정되어야 한다.
예컨대, 전체 스핀-밸브 피막이 유효 감지를 위한 면적으로서 패터닝되는 경우에, 전체 스핀-밸브 피막의 면적이 유효 면적 A이다. 이러한 경우에, 소자 저항의 적절한 설정의 관점으로부터, 스핀-밸브 피막의 면적은 최대 0.04 ㎛2 이하로 설정되며, 200 Gbpsi 이상의 기록 밀도에 대해, 0.02 ㎛2 이하로 설정된다.
그러나, 스핀-밸브 피막보다 면적 면에서 작은 하부 전극(11) 또는 상부 전극(20)이 스핀-밸브 피막과 접촉한 상태로 형성되면, 하부 전극(11) 또는 상부 전 극(20)의 면적은 스핀-밸브 피막의 유효 면적 A이다. 하부 전극(11) 및 상부 전극(20)이 면적 면에서 상이하면, 더 작은 전극의 면적이 스핀-밸브 피막의 유효 면적 A이다. 이러한 경우에, 소자 저항의 적절한 설정의 관점으로부터, 더 작은 전극의 면적은 최대 0.04 ㎛2 이하로 설정된다.
상세하게 후술될 도37 및 도38에 도시된 예에서, 도37에서의 스핀-밸브 피막 내에 최소 면적을 갖는 부분이 상부 전극(20)과 접촉하는 부분이므로, 이러한 부분의 폭이 트랙 폭 Tw로서 정의된다. 높이 방향에 대해, 도38에서의 상부 전극(20)과 접촉하는 부분이 또한 최소이므로, 이러한 부분의 폭이 높이 길이 D로서 정의된다. 스핀-밸브 피막의 유효 면적 A는 A=Tw×D로서 정의된다.
이 실시예에 따른 자기-저항 소자에서, 전극들 사이의 저항 R은 100 Ω 이하로 설정된다. 이러한 저항 R은 예컨대 헤드 짐발 조립체(HGA: head gimbal assembly)의 팁에 부착되는 재생 헤드의 2개의 전극 패드들 사이에서 측정되는 저항 수치이다.
이 실시예에 따른 자기-저항 소자는 핀 고정될 층(14, 16)이 fcc 구조를 가질 때 바람직하게는 fcc (111) 방위를 갖는다. 핀 고정될 층(14, 16)이 bcc 구조를 가지면, bcc (110) 방위가 바람직하다. 핀 고정될 층(14, 16)이 hcp 구조를 가지면, hcp (001) 방위 또는 hcp (110) 방위가 바람직하다.
이 실시예에 따른 자기-저항 소자의 결정 방위에 대해, 방위의 분산 각도는 바람직하게는 5.0˚, 더 바람직하게는, 3.5˚ 그리고 더욱 바람직하게는 3.0˚ 내 에 있다. 이러한 수치는 피크 위치에서 요동 곡선의 반치폭으로서 구해질 수 있으며, 이것은 X-선 회절의 θ-2θ 측정에 의해 얻어진다. 이러한 수치는 또한 소자 단면으로부터 나노-회절 지점 내의 어떤 지점의 분산 각도로서 구해질 수 있다.
반강자성 층이 핀 고정할 층(13)으로서 사용되면, 반강자성 피막 내에서의 방위 분산 각도 그리고 핀 고정될 층 내에서의 방위 분산 각도는 개별적으로 계산될 수 있으며, 이것은 반강자성 피막 및 핀 고정될 층이 강자성 피막의 재료에 의존하기는 하지만 격자 간격 면에서 대체로 상이하기 때문이다. 예컨대, 이리듐 망간(IrMn) 및 핀 고정될 층은 종종 격자 간격 면에서 상이하다. 비교적 두꺼운 피막이기 때문에, 이리듐 망간(IrMn)은 결정 방위의 분산 각도의 측정에 적절한 재료이다.
(자기 헤드)
도37 및 도38은 이 실시예에 따른 자기-저항 소자가 자기 헤드 내에 조립된 상태를 도시하고 있다. 도37은 자기-저항 소자가 자기 기록 매체(도시되지 않음)를 향하는 공기 베어링 표면(ABS: air bearing surface)에 실질적으로 평행한 방향을 따라 절단된 상태에서의 단면도이다. 도38은 자기-저항 소자가 공기 베어링 표면(ABS)에 실질적으로 직각인 방향을 따라 절단된 상태에서의 단면도이다.
일례로서 도37 및 도38에 도시된 자기 헤드는 소위 하드 인접 구조(hard abutted structure)를 갖는다. 자기-저항 피막(10)은 전술된 스페이서-층-없는 스핀-밸브 피막이다. 하부 전극(11) 및 상부 전극(20)은 각각 자기-저항 피막(10)의 상부 및 하부측 상에 제공된다. 도37에서, 바이어스 자기장 인가 피막(41) 및 절 연 피막(42)이 각각 자기-저항 피막(10)의 양쪽 측면 상에 적층된다. 도38에 도시된 바와 같이, 보호 층(43)이 자기-저항 피막(10)의 공기 베어링 표면(ABS) 상에 형성된다.
자기-저항 피막(10)으로의 감지 전류가 화살표 A에 의해 도시된 바와 같이 피막 평면에 실질적으로 직각 방향으로 그 상부 및 하부측 상에 배치된 하부 전극(11) 및 상부 전극(20)에 의해 공급된다. 나아가, 우측 및 좌측 상에 배치된 바이어스 자기장 인가 피막(41, 41)의 쌍에 의해 자기-저항 피막(10)으로 바이어스 자기장을 인가하는 것이 또한 바람직한 예이다. 이러한 바이어스 자기장에 의해, 단일의 자기 영역이 자기-저항 피막(10)의 외부 자기장 감지 층(15) 내에 형성된다. 결과적으로, 외부 자기장 감지 층(15)의 자기 영역 구조가 안정화되며, 자기 영역의 이동을 동반하는 바크하우젠 노이즈가 감소될 수 있다. 그러나, 외부 자기장 감지 층(15)이 어떠한 자화도 갖지 않으면[자기-저항 효과가 기구 (1) 및 (2)에 의해 일어나는 경우에], 바이어스 자기장 인가 피막은 종종 필요하지 않다.
자기-저항 피막(10)은 자기 헤드에 적용될 때 그 개선된 S/N 비율 때문에 상당히 민감한 자기 재생을 가능케 한다.
(하드 디스크 및 헤드 짐발 조립체)
도37 및 도38에 도시된 자기 헤드는 기록/재생 일체화 방식의 자기 헤드 조립체 내에 조립될 수 있으며, 이것은 그 다음에 자기 기록/재생 장치 내에 장착될 수 있다.
도39에 도시된 이러한 실시예의 자기 기록/재생 장치(150)는 로터리 작동기 를 사용한다. 도39에서, 자기 디스크(200)가 스핀들(152)로 적재되고, 도시되지 않은 구동기 제어 부분으로부터의 제어 신호에 응답하는 도시되지 않은 모터에 의해 화살표 A 방향으로 회전한다. 이러한 실시예의 자기 기록/재생 장치(150)는 복수개의 자기 디스크(200)를 포함할 수 있다.
자기 디스크(200)에 대해 정보를 기록/재생하는 헤드 슬라이더(153)가 박막 서스펜션(154)의 팁에 부착된다. 헤드 슬라이더(153)는 전술된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자를 포함하는 자기 헤드를 그 팁의 부근에 갖는다.
자기 디스크(200)가 회전할 때, 헤드 슬라이더(153)의 공기 베어링 표면(ABS)이 소정 높이만큼 자기 디스크(200)의 표면으로부터 부유된 상태로 유지된다. 대체예에서, 헤드 슬라이더(153)는 자기 디스크(200)와 접촉하는 소위 "접촉-상태(in-contact)" 슬라이더일 수 있다.
서스펜션(154)은 작동기 암(155)의 일단부에 연결된다. 일종의 선형 모터인 음성 코일 모터(156)가 작동기 암(155)의 타단부에 제공된다. 음성 코일 모터(156)는 보빈 주위에 권취되는 도시되지 않은 구동 코일; 그리고 구동 코일을 개재하기 위해 서로를 향하는 영구 자석 및 카운터 요크를 포함하는 자기 회로로 구성된다.
작동기 암(155)은 2개의 장소 즉 스핀들(157)의 상부 및 하부측에 제공되는 도시되지 않은 볼 베어링 등에 의해 유지되고, 음성 코일 모터(156)에 의해 회전 가능/활주 가능하다.
도40에 도시된 바와 같이, 조립체(160)는 작동기 암(155)을 가지며, 서스펜 션(154)은 작동기 암(155)의 일단부에 연결된다. 서스펜션(154)의 팁에, 전술된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자를 포함하는 자기 헤드가 제공된 헤드 슬라이드(153)가 부착된다. 서스펜션(154)은 기록 및 독취를 신호하는 리드(164)를 가지며, 헤드 슬라이더(153) 내에 조립된 자기 헤드의 리드(164) 및 전극은 전기적으로 연결된다. 도40에서의 도면 부호 165는 조립체(160)의 전극 패드를 표시한다.
전술된 자기-저항 소자를 포함하는 자기 헤드를 갖기 때문에, 이러한 실시예에 따른 자기 기록/재생 장치는 높은 기록 밀도로 자기 디스크(200) 상에 자기적으로 기록된 정보를 확실하게 독취할 수 있다.
(자기 메모리)
다음에, 전술된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자를 포함하는 자기-저항 소자에 대한 설명이 주어질 것이다. 즉, 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자의 사용은 예컨대 메모리 셀이 행렬로 배열되는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM: magnetic random access memory) 등의 자기 메모리를 구현할 수 있다.
도41에 도시된 이러한 실시예에 따른 자기 메모리는 메모리 셀이 배열되는 회로 구성을 갖는다. 열 디코더(350) 및 행 디코더(351)가 어레이 내에서 1개의 비트를 선택하도록 제공되며, 특정 비트 라인(334) 및 특정 워드 라인(332)을 선택함으로써, 스위칭 트랜지스터(330)가 온 상태로 전환되고, 유일하게 선택된다. 감지 증폭기(352)가 이러한 선택을 검출하고, 그에 의해 자기-저항 피막(10) 내의 자 기 기록 층(자유 층) 상에 기록된 비트 정보를 독취할 수 있다. 비트 정보를 기록하기 위해, 기록 전류가 특정 독취 워드 라인(323) 및 비트 라인(322)에 통과되며, 발생된 자기장이 인가된다.
도42에 도시된 이러한 실시예에 따른 또 다른 예로서의 자기 메모리에서, 비트 라인(322)들 중 특정 비트 라인 그리고 워드 라인(334)들 중 특정 워드 라인이 각각 디코더(360, 361)에 의해 선택되며, 여기에서 비트 라인(322) 및 워드 라인(334)은 행렬로 배열되어 있다. 결국, 특정 메모리 셀이 어레이로부터 선택된다. 각각의 메모리 셀은 자기-저항 소자(10) 및 다이오드 D가 직렬로 연결되는 구조를 갖는다. 여기에서, 다이오드 D는 감지 전류가 선택된 자기-저항 소자(10)에 대응하는 메모리 셀 이외의 메모리 셀로 유동하는 것을 방지하도록 기능한다. 정보를 기록하기 위해, 기록 전류가 특정 비트 라인(322) 및 워드 라인(323)에 통과되며, 발생된 자기장이 인가된다.
도43 및 도44에 도시된 구조는 도41 및 도42에 도시된 자기 메모리 내에 포함되는 1개의 비트의 메모리 셀에 대응한다. 이러한 메모리 셀은 저장 소자 부분(311) 및 주조 선택 트랜지스터 부분(312)을 갖는다.
저장 소자 부분(311)은 자기-저항 소자(10) 그리고 그에 연결되는 한 쌍의 와이어(322, 324)를 갖는다. 자기-저항 소자(10)는 전술된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자이다.
주소 선택 트랜지스터 부분(312)에서, 비아(326) 및 매립 와이어(328)를 통해 자기-저항 소자(10)에 연결되는 트랜지스터(330)가 제공된다. 트랜지스터(330) 는 자기-저항 소자(10)와 와이어(334) 사이의 전류 경로의 개방/폐쇄를 제어하기 위해 게이트(332)에 인가되는 전압에 따라 스위칭 동작을 수행한다.
나아가, 와이어(322)가 연장하는 방향에 실질적으로 직각인 방향으로 기록 와이어(323)가 연장하도록 자기-저항 소자(10) 아래에 배치된다. 이들 기록 와이어(322, 323)는 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W) 또는 탄탈(Ta), 또는 이들 원소 중 하나의 원소를 함유하는 합금으로 형성될 수 있다.
위와 같이 구성된 메모리 셀에서, 자기-저항 소자(10)에 비트 정보를 기록하기 위해, 기록 펄스 전류가 와이어(322, 323)에 통과되며, 이들 전류에 의해 유도되는 합성 자기장이 인가되며, 그에 의해 자기-저항 소자의 기록 층의 자화가 적절하게 역전된다.
비트 정보를 독취하기 위해, 감지 전류가 와이어(322), 자기 기록 층을 포함하는 자기-저항 소자(10) 그리고 하부 전극(324)에 통과되며, 그 다음에 자기-저항 소자(10)의 저항 수치 또는 저항 수치의 변화가 측정된다.
전술된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 자기-저항 소자를 사용하기 때문에, 이러한 실시예에 따른 자기 메모리는 소형화된 셀 크기를 갖더라도 기록 층의 자기 영역을 확실하게 제어함으로써 기록 및 독취를 보증할 수 있다.
(다른 실시예)
본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않으며, 확장 및 변형이 그 내에서 수행될 수 있다. 확장 및 변형 실시예는 또한 본 발명의 기술적 범주 내에 포함된다.
자기-저항 피막의 특정 구조 그리고 전극, 바이어스 인가 피막, 절연 피막 등의 특정 형상 및 재료에 대해, 당업자라면 주지된 범위로부터 적절한 선택을 수행함으로써 유사한 효과를 생성시키기 위해 본 발명을 유사하게 실시할 수 있다. 예컨대, 자기-저항 소자가 자기 재생 헤드에 적용될 때, 자기 헤드의 검출 해상력이 소자의 상부 및 하부측 상에 자기 차폐부를 제공함으로써 한정될 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예는 길이 방향 자기 기록 방식의 자기 헤드 또는 자기 재생 장치뿐만 아니라 또한 직각 자기 기록 방식의 자기 헤드 또는 자기 재생 장치에 적용 가능하다.
더욱이, 본 발명의 자기 재생 장치는 특정 기록 매체가 일정하게 제공되는 소위 고정(fixed) 방식일 수 있거나, 기록 매체가 변화 가능한 소위 "제거 가능한(removable)" 방식일 수 있다.
게다가, 본 발명의 범주는 당업자라면 본 발명의 실시예로서 전술된 자기 헤드 및 자기 기록/재생 장치를 기초로 하여 설계를 적절하게 변화시킴으로써 실시할 수 있는 모든 자기-저항 소자, 자기 헤드, 자기 기록/재생 장치 및 자기 메모리를 포함한다.
본 발명에 따르면, 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제1 자성 층과; 제1 자성 층 상에 배치되고 산화물, 질화물, 산질화물 및 금속 중 적어도 1개를 갖는 박막 층과; 박막 층 상에 배치되고 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제2 자성 층을 포함하는 자기-저항 소자가 제공된다.

Claims (20)

  1. 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제1 자성 층과;
    제1 자성 층 상에 배치되고 산화물, 질화물, 산질화물 및 금속 중 적어도 1개를 갖는 박막 층과;
    박막 층 상에 배치되고 실질적으로 고정된 자화 방향을 갖는 제2 자성 층을 포함하는 자기-저항 소자.
  2. 제1항에 있어서, 박막 층은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)으로부터 선택된 적어도 1개의 원소를 함유하는 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함하는 자기-저항 소자.
  3. 제1항에 있어서, 박막 층은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1개의 원소를 함유하는 금속을 포함하는 자기-저항 소자.
  4. 제1항에 있어서, 박막 층은 0.5 ㎚ 이상 그리고 3 ㎚ 이하의 두께를 갖는 자기-저항 소자.
  5. 제1항에 있어서, 박막 층은 외부 자기장에 따라 변하는 자화 방향을 갖는 자기-저항 소자.
  6. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층의 자화 방향은 어떠한 외부 자기장도 인가되지 않을 때 박막 층의 자화 방향에 실질적으로 직각인 자기-저항 소자.
  7. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층들 중 적어도 1개가 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로부터 선택된 적어도 1개의 원소를 주요 성분으로서 함유하는 자기-저항 소자.
  8. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층들 중 적어도 1개가 코발트 및 철의 면심 입방 합금(fcc-CoFe 합금), 철 및 코발트의 체심 입방 합금(bcc-FeCo 합금), 니켈 및 철의 면심 입방 합금(fcc-NiFe 합금) 그리고 코발트의 조밀 육방 합금(hcp-Co 합금)으로부터 선택된 적어도 1개의 합금을 함유하는 자기-저항 소자.
  9. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층들 중 적어도 1개가 비정질 합금 재료를 포함하는 자기-저항 소자.
  10. 제9항에 있어서, 비정질 합금 재료는 코발트-철-붕소(CoFeB) 합금, 코발트-지르코늄-니오브(CoZrNb) 합금, 철-지르코늄-질소(FeZrN) 합금 및 철-알루미늄-규 소(FeAlSi) 합금으로부터 선택된 1개의 합금을 주요 성분으로서 함유하는 자기-저항 소자.
  11. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층들 중 적어도 1개의 자화를 고정하는 반강자성 층 또는 경질 자성 층을 추가로 포함하는 자기-저항 소자.
  12. 제11항에 있어서, 반강자성 층은 망간(Mn) 합금을 포함하는 자기-저항 소자.
  13. 제12항에 있어서, 망간(Mn) 합금은 이리듐-망간(IrMn) 및 백금-망간(PtMn) 중 1개를 주요 성분으로서 함유하는 자기-저항 소자.
  14. 제11항에 있어서, 경질 자성 층은 코발트(Co), 코발트-백금(CoPt), 코발트-크롬-백금(CoCrPt) 및 철-백금(FePt)으로부터 선택된 적어도 1개의 금속을 주요 성분으로서 함유하는 자기-저항 소자.
  15. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 자성 층의 피막 평면에 직각인 방향으로 전류를 공급하는 전류 공급기를 추가로 포함하는 자기-저항 소자.
  16. 제15항에 있어서, 전류 공급기는 한 쌍의 전극을 갖는 자기-저항 소자.
  17. 제1항에 따른 자기-저항 소자를 포함하는 자기 헤드.
  18. 제17항에 따른 자기 헤드를 포함하는 자기 기록 장치.
  19. 제1항에 따른 자기-저항 소자를 포함하는 자기 메모리.
  20. 자기-저항 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    제1 자성 층을 형성하는 단계와;
    제1 자성 층 상에 금속 층을 형성하는 단계와;
    금속 층을 산화시킴으로써 박막 층을 형성하는 단계와;
    박막 층 상에 제2 자성 층을 형성하는 단계와;
    제1 및 제2 자성 층의 자화 방향을 고정하는 단계를 포함하는 방법.
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