KR100451003B1 - 스핀 밸브, 스핀 밸브 제조 방법, 거대 자기저항 판독 및 기록 헤드 및, 이들을 포함하는 디스크 드라이브 시스템 - Google Patents

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KR100451003B1 KR10-2001-0040421A KR20010040421A KR100451003B1 KR 100451003 B1 KR100451003 B1 KR 100451003B1 KR 20010040421 A KR20010040421 A KR 20010040421A KR 100451003 B1 KR100451003 B1 KR 100451003B1
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Abstract

본 발명은 낮고 안정한 결합장을 갖는 스핀 밸브를 제조하는 방법으로서, 이 방법은 복수 개의 산소 노출 단계를 포함한다. 이 방법에서, 제1 강자성층은 이온 빔 스퍼터링 공정을 이용하여 기판 위에 증착된다. 제1 강자성층의 제1 면은 산소 부분압이 약 5 ×10-6Torr인 산소 농후 분위기에 노출된다. 산소는 이 제1 면 위에서 물리적으로 흡수된다. 약 20 Å 두께의 스페이서층이 제1 산소 처리면 위로 증착되기 전에, 산소 부분압은 급속히 감소한다. 스페이서층은 제2 면을 갖고, 이 제2 면은 제1 면을 처리하기 위한 공정과 유사한 공정에 의해 산소로 처리된다. 제2 강자성층이 제2 산소 처리면 위로 증착되기 전에, 산소 부분압은 급속히 감소한다. 산소의 표면 흡수는 층들간의 혼합을 제한시키고, 이들 표면들의 표면 거칠기를 감소시킨다. 그 결과, 스핀 밸브의 결합장이 감소된다. 결합장은 하드 베이크 어닐링 시에 극히 안정하다. 또한, 자기저항 비율도 상당히 향상된다. 이 방법은 상측의 단순형 스핀 밸브 및 하측의 단순형 스핀 밸브, 상측 반평행(AP)피(被)고정 스핀 밸브 및 하측 AP피고정 스핀 밸브, 이중 스핀 밸브에 적용될 수 있다.

Description

스핀 밸브, 스핀 밸브 제조 방법, 거대 자기저항 판독 및 기록 헤드 및, 이들을 포함하는 디스크 드라이브 시스템{METHOD TO ACHIEVE LOW AND STABLE FERROMAGNETIC COUPLING FIELD}
본 발명은 일반적으로 스핀 밸브에 관한 것으로서, 특히, 스핀 밸브의 결합장(結合場)(coupling field)에 관한 것이다.
스핀 밸브 또는 자기저항(MR: MagnetoResistive) 센서는 자기 재료로서 제조된 판독 소자의 저항 변화를 통해 자장을, 판독 소자가 감지하는 자기 선속의 강도와 방향의 함수로서 검출한다. 종래의 MR 센서는 비등방성 자기저항(AMR: Anisotropic MagnetoResistive) 효과를 기초로 하여 동작한다. 이 효과에서, 판독 소자의 저항 성분은 판독 소자의 자화와 판독 소자를 통한 감지 전류의 흐름 방향 사이의 각도의 코사인의 제곱으로서 변한다. 이러한 MR 센서는 자기 매체의 데이터를 판독하는 데 이용된다. 자기 매체로부터의 외부 자장(신호장)은 판독 소자의 자화 방향에 변경을 일으켜서, 판독 소자의 저항 변화(ΔR/R)와 그에 대응하는 감지 전류 또는 전압의 변화를 일으킨다.
이미 알려진 스핀 밸브에서는, 결합되지 않은 두 개의 강자성층간의 저항은 그 두개 층의 자화들간의 각도의 코사인으로서 변하고 전류 흐름의 방향과는 무관하다.
스핀 밸브 내의 인근 강자성층들의 자화의 상대적 배열은 외부 자장에 의해 변한다. 이어서, 이로 인해, 전도 전자의 스핀 독립 스캐터링, 즉 스핀 밸브의 전기 저항이 변경되게 된다. 따라서, 스핀 밸브의 저항은 강자성층들의 자화의 상대적 배열이 변경됨에 따라서 변경된다.
통상, 종래의 단순형 스핀 밸브는 강자성층, 스페이서층, 단층의 피(被)고정 강자성층(pinned ferromagnetic layer)을 포함하며, 상기 피고정 강자성층은 반강자성(AF)층과 교체 결합된다. 반평행(反平行)(AP: Anti-Parallel) 피고정 스핀 밸브에서, 단층의 피고정 강자성층은 하나 또는 그 이상의 얇은 비(非)강자성 반결합(反結合) 부층(副層)(non-ferromagnetic anti-coupling sublayer)들에 의해 분리된 적어도 두 개의 강자성 피고정 부층을 포함하는 적층 구조로 대체된다.
일반적으로, ΔR/R의 값이 크면 클수록, 그리고 결합장(Hf)을 적게 결합할 수록, 스핀 밸브의 성능은 좋아진다. 스핀 밸브의 ΔR/R 값은 일반적으로, 스페이서층의 두께가 스핀 밸브의 스페이서층의 감지 전류의 감소된 분기로 인해 감소함에 따라 증가한다. 예컨대, 동 스페이서층의 두께가 28 Å인 스핀 밸브는 ΔR/R가 약 5%로 될 것이다. 만일 동 스페이서층의 두께가 20 Å까지 얇아지면, 8 %의 ΔR/R을 얻을 것이다. 그러나, 스페이서층의 두께가 감소됨에 따라 강자성 결합장(Hf)도 증가한다. 더욱이, 종래의 스핀 밸브의 강자성 결합장은 어닐링 사이클 시에 불안정하다. 예컨대, 스핀 밸브의 강자성 결합장은 어닐링 공정의 개시시의 약 +5 Oe에서부터 어닐링 사이클 후의 +20 Oe까지 변화한다.
1997년 12월 15일, Jounal of Applied Physic에 공표된 Egelhoff 등의 논문, 「Oxygen as a Surfactant in the Growth of Giant Magnetoresistance Spin Valve」에서는 산소를 이용하여 Co/Cu 스핀 밸브의 거대 자기저항(ΔR/R)을 증가시키기 위한 방법을 공개하고 있다. 이 방법에서는, 스핀 밸브의 층들의 증착 도중에 산소 부분압이 5 ×10-9Torr인 초고진공 증착실 안으로 산소가 도입되거나, 산소 유효 영역(커버리지)을 달성하도록 상측의 동(Cu) 표면이 산소에 노출되어, 그 후 표본의 성장이 완료된다. 산소 유효 영역은 자기층들간의 강자성 결합을 감소시키고, 스핀 밸브의 시트 저항을 감소시킨다.
불행하게도, 이 기술은 5 × 10-9Torr 정도의 매우 작은 산소 부분압 윈도우를 필요로 한다. 그 이유는, 산소 부분압이 10-8Torr까지만 증가되면, 산소로 인한 모든 거대 자기저항(GMR)(ΔR/R) 이득은 유실되고, 산소압이 이것보다 높을 때, GMR의 강하는 급속하다. 대규모 제조 시스템에서는 이러한 매우 작은 산소 부분압을 달성하거나 유지하기가 매우 어렵다. 또한, 동 스페이서층의 한 쪽 면만을 노출시키는 산소 노출로는 강자성 결합장을 최적화시키지 못한다. 더욱이, 모든 스핀 밸브의 층 증착들에 산소를 이용하면, FeMn, PtMn, IrMn, PbPtMn, NiMn 등의 반강자성 물질 내의 Mn이 산화되게 되고, 따라서 스핀 밸브 효과를 망실할 수도 있다. 따라서, 이 기술은 스핀 밸브 증착에 적용할 수 없다.
더욱이, 산소를 동 표면에서만 흡수하면, GMR을 개선하지 못하고, 정결합장(正結合場)(positive coupling field)만을 생성한다. 더욱이, 이 기술로 인해, 시트 저항이 감소되게 되어, 신호 전체를 감소시킨다. 끝으로, 종래 기술의 산소 처리법에서는 하드 베이크 어닐링 사이클 시에 강자성 결합장의 안정화를 구현하지 못한다.
따라서, 전술한 어려움들을 극복하는 개선된 스핀 밸브 제조 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명의 주목적은 낮고 안정한 결합장(Hf)을 갖는 스핀 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 자기저항 비율(ΔR/R)이 높은 스핀 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조 시스템에 이용될 수 있는 산소 부분압 수준을 갖는 스핀 밸브를 제조하는 공정을 개발하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생산 공정 중에 부결합장(負結合場)(negative coupling field)을 달성하는 스핀 밸브 제조 공정을 개발하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시트 저항이 감소되지 않는 스핀 밸브 제조 공정을 개발하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속성 반강자성 물질 또는 그에 더하여 산화성 반강자성 물질과 함께 이용될 수 있는 스핀 밸브 제조 공정을 개발하는 것이다.
본 발명의 부가 목적은 하측 스핀 밸브와 상측 스핀 밸브에 적용할 수 있는, 전술한 특징을 갖는 스핀 밸브 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 상측의 단순형 스핀 밸브의 단면 개략도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 하측의 반평행(AP: Anti-Parallel)피(被)고정 스핀 밸브의 단면 개략도.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제3 실시예에 의한 낮고 안정한 결합장을 스핀 밸브 제조 공정의 단계들을 도시하는 단면 개략도.
도 4는 AP피고정 스핀 밸브에 대해서 동(Cu) 스페이서 두께가 20 Å인 산소 유량의 함수로서 거칠기의 도표를 도시하는 그래프.
도 5는 AP피고정 스핀 밸브에 대해서 동(Cu) 스페이서 두께가 20 Å인 산소 유량의 함수로서 시트 저항의 도표를 도시하는 그래프.
도 6은 AP피고정 스핀 밸브에 대해서 동(Cu) 스페이서 두께가 20 Å인 산소 유량의 함수로서 자기저항 비율(ΔR/R)의 도표를 도시하는 그래프.
도 7은 AP피고정 스핀 밸브에 대해서 동(Cu) 스페이서 두께가 20 Å인 산소 유량의 함수로서 결합장의 도표를 도시하는 그래프.
도 8은 AP피고정 스핀 밸브에 대해서 동(Cu) 스페이서 두께가 20 Å인 산소 유량의 함수로서 보자력장의 도표를 도시하는 그래프.
도 9는 2 sccm의 상수 산소 유량을 갖는 동 스페이서층 증착 시간의 함수로서 AP피고정 스핀 밸브의 특성을 나타내는 도표를 도시하는 그래프.
도 10은 도 9에서 도시한 동 스페이서층 증착 시간의 함수로서 자기저항 비율(ΔR/R)과 결합장(Hf)의 두 도표만을 도시하는 그래프.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 의한 거대 자기저항(GMR) 판독/기록 헤드의 개략도.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 의한 디스크 드라이브 시스템의 개략도.
<도면에 사용된 부호의 설명>
100: 스핀 밸브
104: 산화물 시드층
106, 206: 강자성층
108, 208: 나노층
110: 스페이서층
112: 강자성 피고정층(ferromagnetic pinned layer)
114: 반강자성(AF)층(Anti-Ferromagnetic layer)
116, 218: 캡층(cap layer)
200: AP피고정 스핀 밸브(AP-pinned spin valve)
205: 강자성 자유층
212: AP 강자성 피고정층
216: 금속 시드층
이들 목적과 이점은 하나의 강자성층의 제1 면과 스페이서층의 제2 면을 갖는 스핀 밸브를 산소로 처리함으로써 얻는다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 단순형 스핀 밸브는 강자성 자유층 등의 제1 면을 갖는 강자성층과 제2 면을 갖는 스페이서층을 포함하고 있다. 제1 면과 제2 면 중 하나 또는 그 이상에 상응하는 층을 증착한 후에 해당 층이 산소로 처리되고, 산소 처리는 후속 층을 증착하기 전에 종료된다. 본 발명에서의 산소에 의한 처리는 소정의 물질층의 표면을 산소에 노출시키기 전에 그 층을 증착하는 것에 관한 것이다. 이들 표면 상에서 물리적으로 흡수된 산소는 그들 층간의 혼합을 제한시키고, 이들 표면의 표면 거칠기를 감소시킨다. 그 결과, 결합장은 감소된다. 그렇게 하여 얻은 결합장은 약 20 Å의 동인 경우에 -10 Oe 정도이고, 그 결합장은 하드 베이크 어닐링 사이클 시에 232 ℃에서 11 시간 동안 또는 270 ℃에서 6 시간 동안 안정하다. 더욱이, 자기저항 비율(ΔR/R)은 약 6 %에서부터 9 %까지 향상된다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 하측 AP피고정 스핀 밸브(AP-pinned spin layer)는 산소로 처리되는, AP피고정 부층인 강자성층의 제1 면과 스페이서층의 제2 면을 포함하고 있다. AP피고정 스핀 밸브에서의 산소 표면 처리법의 효과는 제1 실시예에서 설명한 단순형 스핀 밸브에서의 산소 표면 처리법의 효과와 유사하다.
표면들이 산소로 처리되는 스핀 밸브 제조 방법에 대해서는 본 발명의 제3 실시예에서 설명한다. 스핀 밸브의 제조에는 이온 빔 스퍼터링 기술이 이용될 수 있다. 먼저, 진공실 안에 기판이 배치된다. 상측 스핀 밸브의 자유층일 수도 있고 또는 하측 스핀 밸브의 피고정층일 수도 있는 제1 강자성층은 그 기판 위로 증착된다. 제1 강자성층의 제1 면은, 산소 버스트를 진공실 안으로 약 30 초 동안 도입함으로써 산소 부분압이 약 1 ×10-7과 약 5 ×10-5의 사이에 있는 산소 농후 분위기에 노출된다. 산소 분자는 기판을 향해 지향되고, 기판 셔터는 기판을 산소 빔에 직접 노출하도록 충분히 개방된다. 산소는 제1 면 위에서 물리적으로 흡수된다. 약 30 초 후에, 산소는 종료되고, 스핀 밸브의 제조에 관한 통상의 공정이 계속된다. 산소로 처리된 표면 위에는 약 20 Å 두께의 스페이서층이 증착된다. 스페이서층의 제2 면을 처리하기 위해, 제2 산소 버스트는 산소 부분압이 약 5 ×10-6Torr인 진공실 안으로 도입된다. 이 제2 면을 처리하는 공정은 전술한 제1 면을 처리하는 공정과 유사하다. 산소는 다시 종료되고, 그 후, 상측 스핀 밸브의 피고정층일 수도 있고 또는 하측 스핀 밸브의 자유층일 수도 있는 제2 강자성층이 후속하여 증착된다.
제3 실시예에서 설명한 방법은 상측 스핀 밸브 및 하측 스핀 밸브, 상측 AP피고정 스핀 밸브 및 하측 AP피고정 스핀 밸브, 이중 스핀 밸브에 대해서 이용될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 제3 실시예에서 설명한 방법으로 제조되는 제1 실시예와 제2 실시예의 형태의 스핀 밸브는 GMR 판독/기록 헤드에 편입된다. GMR 판독/기록 헤드는 스핀 밸브를 사이에 두는 하부 차폐층과 상부 차폐층, 하부 차폐층과 스핀 밸브 사이에 배치된 하부 갭, 상부 차폐층과 스핀 밸브 사이에 배치된 상부 갭을 포함하고 있다. 스핀 밸브는 강자성 자유층과 강자성 피고정층의 자화 방향들 사이의 상대 각도에 의해 발생된 자기저항 효과를 이용하여 자기 신호를 전기 신호로 변환한다.
제4 실시예의 형태의 GMR 판독/기록 헤드는 본 발명의 제4 실시예에 따라서, 자기 기록 디스크, 그 자기 기록 디스크를 회전(스핀)시키기 위한 모터, 판독/기록 헤드, 자기 기록 디스크를 가로질러서 판독/기록 헤드를 이동시키기 위한 액튜에이터를 포함하는 디스크 드라이브 시스템에 편입된다.
다음의 상세한 설명은 예시의 목적상 다수의 세부를 언급하고 있지만, 당해 기술 분야의 숙련자들 중 누구라도 다음의 세부에 대한 많은 변화와 대체가 본 발명의 범주 내에 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 다음의 양호한 실시예는 특허 청구의 범위에 통칙의 어떠한 손실 없이 그리고 그 특허 청구의 범위에 관한 제한을 부과하지 않고 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 상측의 단순형 스핀 밸브(100)의 층 구조를 나타내는 단면 개략도이다. 스핀 밸브(100)는 제1 면(109)을 갖는 나노층(108)에 접촉하는 강자성층(106)을 포함하는 강자성 자유층(105), 강자성 피고정층(112), 제2 면(111)을 가지며 강자성 자유층(105)과 강자성 피고정층(112) 사이에 배치된 스페이서층(110)을 포함하고 있다. 스핀 밸브(100)는 강자성 피고정층(112)과 캡층(116) 사이에 배치된 반강자성(AF)층(114)과, 강자성 자유층(105)에 근접한 산화물 시드층(104)을 더 포함할 수 있다. 나노층(108)은 스핀 밸브(100)의 자기저항 비율(ΔR/R)을 향상시킨다.
강자성층(106)은 통상, NiFe, NiCo, FeCo 등의 Ni, Fe, Co로 된 합급 또는 Ni, Fe, Co를 함유하는 물질을 포함하고 있다. 강자성 피고정층(112)은 통상 Co 또는 CoFe로 형성된다. 스페이서층(110)은 통상 Cu, Ag, Au 또는 그들의 합금으로 형성된다. 반강자성(AF)층(114)은 통상 FeMn, PtMn, IrMn, PdPtMn, NiMn 등의 Mn을 함유하는 물질로 형성된다. 나노층(108)은 통상 CoFe로 형성되고, 캡층(116)은 통상 Ta를 포함한다. 산화물 시드층(104)은 통상 NiMnO로 형성된다.
제1 면(109)과 제2 면(111)은 스핀 밸브(100)를 제조하는 이온 빔 스퍼터링 공정 중에 산소에 의해 처리될 수 있다. 제1 면(109) 또는 제2 면(111)의 산소 처리는 상응하는 층(108 또는 110)의 증착 후에 행한다. 제1 면(109)은 나노층(108)이 증착된 후 산소에 노출될 수 있다. 마찬가지로, 제2 면(111)은 스페이서층(110)이 증착된 후 산소에 노출될 수 있다. 나노층(108)과 스페이서층(110)의 증착 중에는 산소 노출이 한정될 수 있다. 산소로 처리된 표면(109 및 111)은 각각, 나노층(108)과 스페이서층(110)간의 혼합 그리고 스페이서층(110)과 강자성 피고정층(112)간의 혼합을 제한한다. 상응하는 층들의 증착 후에 그들 표면을 산소로 처리함으로써, 증착 중에 산소로 층들을 처리할 때 이전에 이용된 산소 부분압에 비해 보다 높은 산소 부분압이 이용될 수 있다. 그 결과, 스핀 밸브(100) 등의 스핀 밸브는 현존하는 제조 형태의 증착 장비에 의해 제조될 수 있다. 더욱이, 증착 후에 산소 노출이 제약받는다면, Mn 함유층 등의 산소 감응층이 원치않게 산화의 위험에 노출되는 일은 없을 것이다.
이들 산소 처리면들(109 및 111)은 표면의 거칠기를 감소시키고, 따라서 스핀 밸브(100)의 강자성 결합(Hf)은 감소된다. 그렇게 하여 얻은 스핀 밸브(100)의 결합장(Hf)은 약 -10 Oe와 약 +10 Oe 사이에 있고, 이것은 하드 베이크 어닐링 사이클 시에 232 ℃에서 11 시간 동안 또는 270 ℃에서 6 시간 동안 안정하다. 더욱이, 스핀 밸브(100)의 자기저항 비율(ΔR/R)도 약 6 %에서부터 약 9 %까지 향상된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 하측 AP피고정 스핀 밸브(200)의 층 구조를 나타내는 단면 개략도이다. AP피고정 스핀 밸브(200)는 나노층(208)을 접촉하는 강자성층(206)을 포함하는 강자성 자유층(205), AP 강자성 피고정층(212), 강자성 자유층(205)과 AP 강자성 피고정층(212) 사이에 배치된 스페이서층(210)을 포함하고 있다. AP피고정 스핀 밸브(200)는, AP 강자성 피고정층(212)과 금속 시드층(216) 사이에 배치된 AF층(214), 금속 시드층(216) 아래에 있는 두 개의 산화물 시드층(202 및 204), 강자성층(206)의 상측에 배치된 캡층(218)을 더 포함한다. AP 강자성 피고정층(212)과 산화물 시드층(202)을 제외한 AP피고정 스핀 밸브(200)의 각 층의 물질은 도 1에서 설명한 단순형 스핀 밸브(100)의 상응하는 층들의 물질과 유사하다. 산화물 시드층(202)은 통상 Al2O3로 형성된다.
AP 강자성 피고정층(212)은 제1 강자성 피고정 부층(220), 제2 강자성 피고정 부층(224), 제1 강자성 피고정 부층(220)과 제2 강자성 피고정 부층(224) 사이의 반평행(AP)피고정 스페이서 부층(222)을 포함하고 있다. 두 개의 강자성 피고정 부층(220 및 224)은 통상 CoFe로 형성된다. AP피고정 스페이서 부층(222)은 통상 Ru, Cr, Rh 또는 Cu, 또는 그들의 합금으로 형성된다.
제2 강자성 피고정 부층(224)은 제1 면(211)을 포함하고 있고, 스페이서층(210)은 제2 면(209)을 갖는다. 이 실시예에서, 제1 면(211)은 강자성 피고정 부층(224)에 상응하고, 제2 면(209)은 스페이서층(210)에 상응한다. 제1 및 제2 면(211 및 209)은 상응하는 층들(224 및 210)을 증착한 후에 산소로 처리된다. 산소 처리는 대개, AP피고정 스핀 밸브(200)의 제조 중에 발생한다. AP피고정 스핀 밸브(200)의 거칠기와 결합장(Hf)에 관해 나타나는 산소 처리면(209 및 211)의 효과는 도 1에서 설명한 단순형 스핀 밸브(100)의 산소 처리면(109 및 111)의 효과와 유사하다. AP피고정 스핀 밸브(200)의 결합장(Hf)은 -10 Oe 정도이고, AP피고정 스핀 밸브(200)의 자기저항 비율(ΔR/R)은 약 5.5 %에서부터 7.7 %까지 향상된다.
웨이퍼와 웨이퍼 사이 또는 한 웨이퍼의 내부에 대한 증착을 용이하게 제어하기 위해서, 도 1과 도 2에서 도시한 형태의 스핀 밸브를 제조하는 데 이온 빔 스퍼터링법을 이용할 수 있다. 예시적인 스퍼터링법에 관해서는 본 발명의 발명자의 1999년 2월 16일자로 공표된 미국 특허 번호 제5,871,622호와 1996년 2월 20일자로 공표된 미국 특허 번호 제5,492,605호에 개시되어 있다. 도 3a 내지 도 3f는 도 1 및 도 2에서 도시한 형태의 스핀 밸브를 제조하는 단계를 나타내는 단면 개략도이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 강자성층(304)은 진공실 안에 있는 기판(302) 위에 증착된다. 제1 강자성층(304)은 상측 스핀 밸브의 경우에는 자유층 또는 하측 스핀 밸브의 경우에는 피고정층일 수 있다. 제1 산소 버스트는 산소 부분압이 약 5 ×10-6Torr인 진공실 안으로 도입된다. 제1 강자성층(304)의 제1 면(305)은 이 산소 농후 분위기에 노출된다. 산소 분자는 기판(302)을 향해 지향하고, 도 3a에 도시하지 않은 기판 셔터는 제1 면(305)을 산소에 직접 노출시키기 위해 충분히 개방된다. 그 결과, 산소는 제1 면(305) 위에서 물리적으로 흡수되어, 제1 산소 처리면(306)을 생성한다.
이어서, 진공실로 흐르는 산소의 유량을 제어하는 산소 밸브가 닫혀서 산소 부분압을 감소시킨다. 산소 밸브가 닫힌 후, 증착 공정은 계속된다. 스페이서층(308)은 도 3b에 도시한 제1 산소 처리면(306) 위에 증착된다. 스페이서층(308)은 대략 30 초 동안 산소 처리면(306) 위에서 증착되고 약 20 Å의 두께를 갖는다. 스페이서층(308)은 제2 면(309)을 갖는다. 그 제2 면(309)은 도 3a에서 설명한 바와 같은 제1 면(305)을 산소로 처리하는 방법과 유사한 방법을 이용하여 산소로 처리된다. 도 3c에서 도시한 바와 같이, 제2 면(309)은 약 5 ×10-6Torr의 산소 부분압에 노출되고, 산소는 제2 면(309) 위에서 물리적으로 흡수되어 제2 산소 처리면(310)을 생성한다. 표면들(305 및 309)의 산소 처리는 상응하는 층들(304 및 308)의 증착 후에 발생한다. 산소 밸브가 다시 닫힌 후, 제2 강자성층(312), 예컨대 상측 스핀 밸브의 경우의 강자성 피고정층 또는 하측 스핀 밸브의 경우의 강자성 자유층은 도 3d에 도시하는 바와 같이 잇달아서 제2 산소 처리면(310) 위로 증착된다.
도 3a 내지 도 3d에서 설명한 스핀 밸브(300)의 제조 공정은 산소 버스트를 종래 기술의 표준 스핀 밸브 안으로 편입시키는 부가 단계들을 필요로 하지 않는다. 이 공정은 상측의 단순형 스핀 밸브 및 하측의 단순형 스핀 밸브, 상측의 AP피고정 스핀 밸브 및 하측의 AP피고정 스핀 밸브, 이중 스핀 밸브에 이용될 수 있다.
실험 결과
이하에서는 상이한 표면들의 산소 노출을 보여 주고 그것이 단순형 스핀 밸브에 어떻게 영향을 미치는지에 관한 예를 제시한다. 단순형 스핀 밸브는 대개, NiMnO 30 Å 두께의 산화물 시드층, NiFe 45 Å 두께의 강자성층 및 CoFe 15 Å 두께의 나노층을 포함하는 자유층, Cu 20 Å 두께의 스페이서층, CoFe 24 Å 두께의 피고정층, IrMn 80 Å 두께의 AF층, Ta 50 Å 두께의 캡층을 포함하고 있다. 아래의 표 1은 단순형 스핀 밸브 A와 단순형 스핀 밸브 B의 특성을 나타낸다. 이들 스핀 밸브는 산소 노출면을 제외하고 전술한 구조와 동일하다. 스핀 밸브 A의 경우에는 도 1의 층(111)에 상응하는 Cu 스페이서층의 표면만이 전술한 바와 같이 산소에 노출되었다. 스핀 밸브 B의 경우에는 도 1의 표면들(109 및 111)에 상응하는 CoFe 층과 Cu 스페이서층의 표면들이 산소로 처리되었다.
스핀 밸브 A 스핀 밸브 B
ΔR/R (%) 8.32 8.35
R (Oh/sq) 20 20
Hf(Oe) 16 6.5
Hf(Oe) 4 5
표 1의 데이터는, Cu 표면만이 산소에 노출되었을 때에 비해서 스핀 밸브의 Cu 면과 CoFe 면 모두가 산소에 노출되었을 때가 결합장(Hf)이 약 2.5배 작음을 보여 주고 있다. 단순형 스핀 밸브 B의 결합장(Hf)은 232 ℃의 하드 베이크 어닐링 시에 악화하지 않는다. 실제로, 232 ℃에서 11 시간 동안 또는 270 ℃에서 6 시간 동안 어닐링된 스핀 밸브 B는 8 Oe 정도의 결합장을 유지하였다.
도 4 내지 도 9는, 도 2 및 도 3에서 설명한, 하측 AP피고정 PtMn 스핀 밸브의 특성에 관한 산소 표면 처리법의 효과를 도시하고 있다. 하측 AP피고정 PtMn 스핀 밸브는 대개, Al2O330 Å 두께의 제1 산화물 시드층, NiMnO 30 Å 두께의 제2 산화물 시드층, Ta 35 Å 두께의 금속 시드층, PtMn 250 Å 두께의 AF층, CoFe 17 Å 두께의 제1 피고정 부층, Ru 8 Å AP피고정 스페이서 부층, CoFe 26 Å 두께의 제2 피고정 부층, Cu 20 Å 두께의 스페이서층, NiFe 45 Å 두께의 강자성층 및 CoFe 15 Å 두께의 나노층을 포함하는 자유층, Ta 50 Å 두께의 캡층을 포함하고 있다. 도 4 내지 도 8은 표면 거칠기(Ra), 결합장(Hf), 시트 저항(R), 자기저항 비율(ΔR/R), 보자력장(Hc)을 도 2의 형태의 AP피고정 스핀 밸브에 대한 산소 유량의 함수로서 나타내는 도표이다. 도 4 내지 도 8의 스핀 밸브는 약 20 Å 두께의 스페이스층을 갖는다. 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 면과 제2 면이 산소로 처리되지 않았을 때에는 표면 거칠기(Ra)는 통상 약 2.9 Å이다. 산소의 유량이 0에서부터 약 1.75 sccm까지 상승함에 따라 표면 거칠기(Ra)는 약 2.9 Å에서부터 최소값인 약 1.75 Å까지 감소한다. 이 시점 이후에는 산소의 유량이 증가함에 따라 표면 거칠기(Ra)도 증가한다. 따라서, 이 예에서, 표면 거칠기는 산소의 유량이 약 2sccm(예컨대, 5 ×10-6Torr의 산소 부분압)일 때 최소가 되었다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 산소 표면 처리법을 이용하지 않은 AP피고정 스핀 밸브의 시트 저항은 통상 19 오옴/sq이며, 이것은 산소의 유량이 증가해도 크게 변하지 않는다. 산소의 유량이 약 1.5 sccm에서부터 약 3 sccm까지의 범위 안에 있는 경우에는, 시트 저항은 통상 일정하게 유지된다. 시트 저항(R)은 통상 산소의 유량이 약 2 sccm인 경우에 약 19 오옴/sq이다.
도 6과 도 7은 각각, AP피고정 스핀 밸브의 자기저항 비율(ΔR/R)과 결합장(Hf)의 개선을 도시하고 있다. AP 스핀 밸브가 산소로 처리되지 않을 때, 결합장(Hf)이 약 56 Oe이면 자기저항 비율(ΔR/R)은 통상 약 6 %이다. 산소의 유량이 통상 약 0.5 sccm일 때, ΔR/R은 약 7.6 %까지 증가하고 결합장(Hf)은 약 17 Oe까지 급속히 감소한다. 산소의 유량이 약 0.5 sccm에서부터 약 2.5 sccm까지 증가할 때 약 7.6 %의 ΔR/R은 변하지 않지만, 결합장은 약 17 Oe에서부터 약 -11 Oe까지 감소한다. 이 시점 이후, 산소의 유량이 증가하면, ΔR/R는 통상 감소하고 결합장(Hf)은 통상 증가한다. 산소의 유량이 약 2 sccm인 경우에 결합장(Hf)은 약 -9 Oe이다.
도 8에서, 산소의 유량이 0에서부터 약 0.5 sccm까지 증가하면, 보자력장(Hc)은 약 6 Oe에서부터 약 5 Oe까지 감소한다. 그 후, 산소의 유량이 증가하면, 보자력장은 완만하게 증가한다. Hc의 최대값은 통상, 산소의 유량이 약 3.5 sccm일 때 얻어지는 약 7 Oe이다. 보자력장(Hc)은 산소의 유량이 3.5 sccm 이상일 때 약 2 Oe까지 급속히 하강한다.
도 9는 자기저항 비율(ΔR/R), 시트 저항(R), 결합장(Hf), 보자력장(Hc)을 산소의 유량이 약 2 sccm일 때의 스페이서층 증착 시간의 함수로서 나타내는 도표이다. 이 경우, 스페이서층은 동으로 형성된다. 도 9에 도시한 바와 같이, 동 증착 시간이 약 25 초에서부터 약 30 초까지 증가하면 결합장(Hf)은 약 39 Oe에서부터 약 -5 Oe까지 급속히 감소한다. 동 증착 속도는 통상 약 0.65 Å/초이다. 약 30 초 이후, 동 증착 시간이 증가하면 결합장(Hf)은 통상 증가한다. 통상 약 -5 Oe인 Hf의 최소값은 동이 약 30 초 동안 증착된 후에 얻는다. 동 스페이서층의 증착이 약 25 초에서 34 초 사이에 있을 때에는 약 19 오옴/sq의 시트 저항(R), 약 7.6 %의 자기저항 비율(ΔR/R), 6 Oe의 보자력장(Hc)을 얻는다. 도 10은 간략히 하기 위해 도 9에 도시되어 있는 보자력장(Hc)과 자기저항 비율(ΔR/R)의 도표를 나타내는 그래프이다.
도 1과 도 2에 대해서 전술한 형태의 스핀 밸브는 도 11에 도시한 GMR 판독/기록 헤드(404) 안에 편입될 수 있다. GMR 판독/기록 헤드(404)는 스핀 밸브(401)를 사이에 두는 제1 차폐부(403)와 제2 차폐부(409)를 포함하고 있다. GMR 판독/기록 헤드(404)는 제1 차폐부(403)와 스핀 밸브(401) 사이의 제1 갭(405)과, 제2 차폐부(409)와 스핀 밸브(401) 사이의 제2 갭(407)을 더 포함하고 있다. 스핀 밸브(401)는 스핀 밸브(401)의 적어도 두 개의 강자성층들의 자화 방향간의 상대 각도에 의해 발생된 자기저항 효과를 이용함으로써 자기 신호를 전기 신호로 변환시킨다.
도 11에 묘사한 GMR 판독/기록 헤드는 도 12에 도시한 디스크 드라이브 시스템(400) 안에 편입될 수 있다. 디스크 드라이브 시스템(400)은 대개, 자기 기록 디스크(402), 스핀 밸브(401)를 포함하는 GMR 판독/기록 헤드(404), GMR 판독/기록 헤드(404)에 연결된 액튜에이터(406), 자기 기록 디스크(402)에 연결된 모터(408)를 포함하고 있다. 액튜에이터(406)는 자기 기록 디스크(402) 위에서 GMR 판독/기록 헤드(404)를 이동시키고, 따라서 GMR 판독/기록 헤드(404)는 자기 기록 디스크(402) 상의 자기 기록 데이터의 상이한 영역들을 액세스할 수 있다.
당해 기술 분야의 숙련자에게는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 전술한 실시예를 여러 가지 방법으로 변경시킬 수 있음이 분명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 특허 청구의 범위와 그 범위의 법적 등가물에 의해 결정되어야 한다.
본 발명은 낮고 안정한 결합장을 갖는 스핀 밸브를 제조하는 방법으로서, 이 방법은 복수 개의 산소 노출 단계를 포함한다. 이 방법에서, 제1 강자성층은 이온 빔 스퍼터링 공정을 이용하여 기판 위에 증착된다. 제1 강자성층의 제1 면은 산소 부분압이 약 5 ×10-6Torr인 산소 농후 분위기에 노출된다. 산소는 이 제1 면 위에서 물리적으로 흡수된다. 약 20 Å 두께의 스페이서층이 제1 산소 처리면 위로 증착되기 전에, 산소 부분압은 급속히 감소한다. 스페이서층은 제2 면을 갖고, 이 제2 면은 제1 면을 처리하기 위한 공정과 유사한 공정에 의해 산소로 처리된다. 제2 강자성층이 제2 산소 처리면 위로 증착되기 전에, 산소 부분압은 급속히 감소한다. 산소의 표면 흡수는 층들간의 혼합을 제한시키고, 이들 표면들의 표면 거칠기를 감소시킨다. 그 결과, 스핀 밸브의 결합장이 감소된다. 결합장은 하드 베이크 어닐링 시에 극히 안정하다. 또한, 자기저항 비율도 상당히 향상된다. 이 방법은 상측의 단순형 스핀 밸브 및 하측의 단순형 스핀 밸브, 상측 AP피고정 스핀 밸브 및 하측 AP피고정 스핀 밸브, 이중 스핀 밸브에 적용될 수 있다.

Claims (29)

  1. 스핀 밸브로서,
    a) 제1 면을 갖는 제1 강자성층과,
    b) 상기 제1 강자성층의 제1 면이 향하도록 배치된 제2 강자성층과,
    c) 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 사이에 배치되고, 상기 제2 강자성층을 향하도록 제2 면을 갖는 스페이서층을 포함하며,
    상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상에 상응하는 층을 증착한 후에 해당 면이 산소로 처리되고 이 산소 처리가 종료된 후에 후속 층을 증착하며, 상기 스핀 밸브는 하나의 스핀 밸브로서 작동 가능한 것인 스핀 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 강자성층은 강자성 자유층인 것인 스핀 밸브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 강자성 자유층은 Co, CoFe, CoFeB 합금, Co 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 물질에 의해 나노층화된 것인 스핀 밸브.
  4. 제2항에 있어서, 상기 강자성 자유층에 접촉하는 시드층을 더 포함하는 것인 스핀 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 강자성층은 강자성 피고정층인 것인 스핀 밸브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 강자성 피고정층은 반평행(AP; Anti-Parallel) 피고정층을 포함하는 것인 스핀 밸브.
  7. 제5항에 있어서, 상기 피고정층에 근접하게 반강자성층을 더 포함하는 것인 스핀 밸브.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반강자성층에 근접하게 캡층을 더 포함하는 것인 스핀 밸브.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 강자성층은 강자성 피고정층인 것인 스핀 밸브.
  10. 제9항에 있어서, 상기 강자성 피고정층은 반평행(AP) 피고정층을 포함하는 것인 스핀 밸브.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2 강자성층은 강자성 자유층인 것인 스핀 밸브.
  12. 제1항에 있어서, 상기 스페이서층은 Cu, Au, Cu 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 물질을 포함하는 것인 스핀 밸브.
  13. 제12항에 있어서, 상기 동(Cu) 스페이서층의 두께는 약 20 Å인 것인 스핀 밸브.
  14. 제1항에 있어서, 상기 산소는 상기 제1 면과 상기 제2 면 상에서 물리적으로 흡수되는 것인 스핀 밸브.
  15. 제14항에 있어서, 상기 산소는 상기 층들간의 혼합을 제한시키는 것인 스핀 밸브.
  16. 제14항에 있어서, 상기 산소의 표면 흡수는 상기 제1 면과 상기 제2 면의 표면 거칠기를 감소시키는 것인 스핀 밸브.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 중 하나 또는 그 이상은 부결합장(負結合場)을 생성하는 것인 스핀 밸브.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 중 하나 또는 그 이상은 정결합장(正結合場)을 생성하는 것인 스핀 밸브.
  19. 제18항에 있어서, 상기 정결합장은 어닐링시에 안정한 것인 스핀 밸브.
  20. 제1항에 있어서, 자기저항 비율(ΔR/R)은 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상을 산소로 처리함으로써 증가되는 것인 스핀 밸브.
  21. a) 기판을 제공하는 단계와,
    b) 상기 기판 상에 제1 면을 갖는 제1 강자성층을 증착시키는 단계와,
    c) 상기 제1 강자성층의 상기 제1 면 상에, 제2 면을 갖는 스페이서층을 증착시키는 단계와,
    d) 상기 스페이서층의 상기 제2 면 상에 상기 제2 강자성층을 증착시키는 단계와,
    e) 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상에 상응하는 층을 증착시킨 후에 해당 면을 산소에 노출시키는 단계와,
    f) 산소에 대한 노출을 종료한 후에 후속 층을 증착시키는 단계를 포함하는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상은 약 1 ×10-7Torr와 약 5 ×10-5Torr 사이의 산소 부분압에 노출되는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 산소 부분압은 상기 스페이서층과 상기 제2 강자성층의 증착 전에 상기 제1 면과 상기 제2 면을 노출시키는데 이용된 산소 부분압 수준 이하로 감소하는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 면은 상기 스페이서층을 증착하기 전에 상기 산소 부분압에 노출되는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제2 면은 상기 제2 강자성층을 증착하기 전에 상기 산소에 노출되는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 제1 강자성층, 상기 제2 강자성층, 상기 스페이서층을 증착시키는데 이온 빔 스퍼터링 공정이 이용되는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  27. 제21항에 있어서, 산소 분자가 상기 기판을 향해 산소 빔을 형성하고 있고, 상기 제1 면과 상기 제2 면이 상기 산소 빔에 직접 노출되도록, 기판 셔터가 충분히 개방되는 것인 스핀 밸브 제조 방법.
  28. a) 제1 갭을 접촉하는 제1 차폐층과,
    b) 제2 갭을 접촉하는 제2 차폐층과,
    c) 상기 제1 갭과 상기 제2 갭 사이에 배치되는 스핀 밸브를 포함하고, 상기 스핀 밸브는,
    ⅰ) 제1 면을 갖는 제1 강자성층과,
    ⅱ) 상기 제1 강자성층의 제1 면이 향하도록 배치된 제2 강자성층과,
    ⅲ) 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 사이에 배치되고, 제2 강자성층을 향하도록 제2 면을 갖는 스페이서층을 포함하며,
    상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상에 상응하는 층을 증착한 후에 해당 면이 산소로 처리되고, 이 산소 처리가 종료된 후에 후속 층을 증착하는 것인 거대 자기저항(GMR) 판독 및 기록 헤드.
  29. a) 자기 기록 디스크와,
    b) 스핀 밸브를 포함하는 판독 및 기록 헤드와,
    c) 상기 자기 기록 디스크를 가로질러서 상기 판독 및 기록 헤드를 이동시키기 위한 액튜에이터와,
    d) 상기 판독 및 기록 헤드에 대해 상기 자기 기록 디스크를 회전시키기 위한 모터를 포함하는 디스크 드라이브 시스템으로서, 상기 스핀 밸브는,
    ⅰ) 제1 면을 갖는 제1 강자성층과,
    ⅱ) 제1 강자성층의 제1 면이 향하도록 배치된 제2 강자성층과,
    ⅲ) 상기 제1 강자성층과 상기 제2 강자성층 사이에 배치되고, 상기 제2 강자성층을 향하도록 제2 면을 갖는 스페이서층을 포함하며,
    상기 제1 면과 상기 제2 면 중 하나 또는 그 이상에 상응하는 층을 증착한 후에 해당 면이 산소로 처리되고, 이 산소 처리가 종료된 후에 후속 층을 증착하는 것인 디스크 드라이브 시스템.
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