KR20010081971A - 자기 저항 효과막, 자기 저항 효과형 헤드, 정보 재생장치, 및 자기 저항 효과막 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중간층 두께의 저감에 따른 결합 자계의 증대가 억제된 자기 저항 효과막을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 방향이 고정된 자화를 갖는 핀층(3)과, 상기 핀층 상에 형성된 비자성 중간층(4)과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 프리층(5)을 포함하는 다층막이며, 상기 핀층의 자화 방향과 상기 프리층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막으로서, 상기 프리층 상에 직접적으로, 또는 상기 프리층과의 사이에 상기 프리층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화막(6)을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층(7)이 형성되었다.
Description
본 발명은 자계의 강도에 따라 저항이 변화하는 자기 저항 효과막, 자기 저항 효과막의 저항 변화에 의해 자계의 강도를 검지하는 자기 저항 효과형 헤드, 기록 매체에 기록된 정보를 재생하는 정보 재생 장치, 및 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터의 보급에 따라, 일상적으로 다량의 정보가 취급되게 되었다. 이러한 정보는 다수의 물리적인 마크에 의해 기록 매체에 기록되고, 그 기록 매체 상의 마크를 판독하여 전기적인 재생 신호를 생성하는 정보 재생 장치에 의해 재생된다.
하드 디스크 장치(HDD:Hard Disk Drive)는 그러한 정보 재생 장치의 하나로서, 기억 용량이 크고 정보에 대한 액세스 속도가 빠르다는 특징을 갖는다. 이 HDD는 일반적으로 표면이 자성 재료로 이루어진 기록 매체인 자기 디스크, 및 이 자기 디스크에 기록된 정보를 재생하는 재생 헤드를 구비하고 있다. 자기 디스크는 표면이 미소(微小) 영역(1비트 영역)마다 자화(磁化)되어 있고, 1비트의 정보가 상기 1비트 영역의 자화 방향의 형태로 기록된다. 재생 헤드는 상기 자기 디스크에 근접하여 배치되고, 자기 디스크의 1비트 영역의 자화로부터 발생하는 신호 자계(Hsig)에 따른 전기적인 재생 신호를 출력함으로써, 자기 디스크에 기록된 정보를 재생한다.
현재, HDD에 탑재되어 있는 재생 헤드의 대부분에는 외부로부터의 자계에 따라 저항이 변화하는 자기 저항 효과막을 갖는 자기 저항 효과형 헤드(MR 헤드)가 사용되고 있다. 이 MR 헤드에서는 자기 저항 효과막에 한쌍의 전극 단자가 배치되어, 동작 시에는 상기 한쌍의 전극 단자로부터 자기 저항 효과막에 센스 전류가 흐르게 된다. 이와 같이 센스 전류가 흐르게 된 상태에서, 상기 MR 헤드를 자기 디스크에 근접시켜 상대적으로 이동시키면, 자기 디스크로부터의 신호 자계(Hsig)에 따라 상기 자기 저항 효과막의 전기 저항값이 차례로 변화하고, 이 전기 저항값과 상기 센스 전류값과의 곱으로 표시되는 값의 전압을 가진 고출력의 재생 신호가 출력된다.
그러나, 자기 디스크의 기록 밀도는 매년 계속하여 향상되고 있고, 그 기록 밀도의 향상에 따라 1비트 영역의 면적이 감소하며, 그 1비트 영역으로부터 발생하는 신호 자계(Hsig)가 약해지기 때문에, 이와 같이 약한 신호 자계(Hsig)에 대해서도 큰 재생 신호를 출력하는 재생 헤드가 필요로 된다. 이와 같이 큰 재생 신호를 출력하는 재생 헤드로서, 거대 자기 저항(GMR) 효과를 이용한 자기 저항 효과형 헤드인 스핀 밸브 자기 저항 효과형 헤드(Spin Valve Magnetoresistive Head)가 일본 특개평4-358310호 공보에 의해 개시되어 있으며, 그의 실용화가 본격적으로 시작되고 있다.
이 스핀 밸브 자기 저항 효과형 헤드는 외부 자계에 따라 자화 방향이 변화하는 자유 자성층(프리층)과, 이 프리층에 인접하여 형성된 비자성 금속으로 이루어진 중간층과, 이 중간층에 인접하여 형성되고 자화 방향이 소정 방향으로 고정된 고정 자성층(핀층)과, 이 핀층에 인접하여 형성되고, 이 핀층의 자화 방향을 고정시키는 반강자성 재료로 이루어진 반강자성층을 포함하는 다층막인 스핀 밸브 타입의 자기 저항 효과막을 갖는다. 이 자기 저항 효과막은 외부 자계가 변화하면, 이 자기 저항 효과막의 프리층의 자화 방향이 변화하여, 상기 핀층의 자화 방향과 프리층의 자화 방향의 상대적인 각도 변화에 따른 저항 변화를 발생시킨다.
자기 저항 효과막을 구비한 자기 저항 효과형 헤드의 재생 신호의 출력은, 외부 자계의 변화에 따라 변화하는 시트 저항의 최대값과 최소값의 차 Δρ/t에 대략 비례하기 때문에, 자기 저항 효과막에 관하여 자기 저항 효과막의 능력은 상기 차 Δρ/t에 의해 평가되는 경우가 많다. 이하에서는 이 변화하는 시트 저항의 최대값과 최소값의 차 Δρ/t를 저항 변화 Δρ/t라고 칭한다. 상기 스핀 밸브 타입의 자기 저항 효과막은 이 저항 변화 Δρ/t가 크기 때문에, 이 자기 저항 효과막을 구비한 자기 저항 효과형 헤드로부터는 고출력의 재생 신호를 얻을 수 있다.
이 스핀 밸브 자기 저항 효과형 헤드는 이와 같이 고출력의 재생 신호를 출력하는 것이지만, 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t를 한층 더 증대시킴으로써, 보다 고출력화하는 것이 요망되고 있다. 저항 변화 Δρ/t를 한층 더 증대시키는 방책의 하나로서 상기 중간층 두께의 저감이 있다. 중간층의 두께가 너무 크면, 이 중간층에 자기 저항 효과에 기여하지 않는 불필요한 시트 전류가 흐르게 되어상기 저항 변화 Δρ/t가 감소하나, 이 중간층을 박층화함으로써 그의 저항 변화 Δρ/t의 감소가 억제된다.
그러나, 종래의 자기 저항 효과막에는 프리층의 자화와 핀층의 자화와의 사이에, 통상, 이들 자화 방향을 서로 동일한 방향으로 향하게 하도록 결합 자계(InterLayer Coupling Field) (Hin)가 작용하고 있어, 중간층의 박층화를 진행시키면, 이 결합 자계(Hin)가 증대된다. 이하에서는 결합 자계(Hin)는 상기 자화 방향을 서로 동일한 방향으로 향하게 할 경우에 그 값이 플러스로 되고, 서로 반대 방향으로 향하게 할 경우에 그의 값이 마이너스로 되는 것으로 한다. 이 결합 자계(Hin)에 의해, 프리층의 자화 방향과 핀층의 자화 방향이 이루는 각도에 차이가 발생한다.
일반적으로, 자기 저항 효과막의 저항값은 자기 디스크로부터의 신호 자계(Hsig)의 변화에 대하여 선형으로 변화하는 것이 바람직하고, 이러한 선형의 변화를 실현시키기 위해서는 신호 자계(Hsig)가 존재하지 않는 상태에서 핀층의 자화 방향과 프리층의 자화 방향이 서로 90°의 각도를 이루는 것이 이상적이다. 그러나, 상기 결합 자계(Hin)에 의해 이 각도가 90°로부터 어긋난 상태에서는 스핀 밸브 자기 저항 효과형 헤드의 출력 전압은 신호 자계(Hsig)의 입력에 대하여 선형 응답하지 않고, 이 출력 전압의 재생 파형이 변형되는 등의 장해가 발생한다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여, 중간층 두께의 저감에 따른 결합 자계의 증대가 억제된 자기 저항 효과막, 그러한 자기 저항 효과막을 구비한 자기 저항 효과형 헤드, 그러한 자기 저항 효과형 헤드를 구비한 정보 재생 장치, 및 그러한 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 실시예의 하드 디스크 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 실시예의 자기 헤드의 요부 단면도.
도 3은 본 실시예의 자기 저항 효과막의 일례를 나타내는 단면도.
도 4는 본 실시예의 자기 저항 효과막의 일례를 나타내는 단면도.
도 5는 종래의 자기 저항 효과막의 단면도.
도 6은 본 실시예의 자기 저항 효과막 성막 장치를 나타내는 도면.
도 7은 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t에서 중간층의 두께 의존성을 나타내는 그래프.
도 8은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)에서 중간층의 두께 의존성을 나타내는 그래프.
도 9는 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t에서 구리 산화물층의 두께 의존성을 나타내는 그래프.
도 10은 자기 저항 효과막의 보자력 Hc에서 구리 산화물층의 두께 의존성을나타내는 그래프.
도 11은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)에서 구리 산화물층의 두께 의존성을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 하지층 1_1: 제 1 하지층
1_2: 제 2 하지층 2: 반강자성층(反强磁性層)
3: 핀층 3_1: 제 1 연자성층
3_2: 핀 결합층 3_3: 제 2 연자성층
4: 중간층 5, 5', 15: 프리층
6: 산화층 7: 구리 산화물층
8, 18: 보호막 10: 자기 저항 효과막
21: 기판 22: 하부 실드층
23: 하부 절연층 24: 자구(磁區) 제어층
25: 전극 26: 상부 절연층
27: 상부 실드층 30: 자기 헤드
31: 메인 쳄버 32: 절연체 쳄버
33: 밸브 40: 자기 저항 효과막 성막 장치
100: HDD 101: 하우징
102: 회전축 103: 자기 디스크
104: 부상(浮上) 헤드 슬라이더 105: 암축(arm軸)
106: 캐리지(carridge) 암 107: 액츄에이터
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과막 중의 제 1 자기 저항 효과막은, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막으로서, 상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 그 자유 자성층과의 사이에 그 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 구리 산화물층은 상기 자유 자성층 상에 인접하여 형성된 것일 수도 있으며, 상기 자유 자성층 상에 소정의 층을 사이에 두고 형성된 것일 수도 있다.
이 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막과 같이, 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 그 자유 자성층과의 사이에 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 있을 경우, 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 상술한 결합 자계(Hin)의 값이 감소하고, 상기 중간층 두께의 저감에 따른 결합 자계(Hin)의 증대가 억제된다.
일반적으로, 자기 저항 효과에서의 자기 저항 효과막의 저항 변화는 자기 저항 효과막 중에서 전도(傳導) 전자의 스핀 의존 산란에 의한 평균 자유 행정의 크기의 외부 자계에 따른 변화에 의해 발생하고, 이 평균 자유 행정의 크기 변화는 상기 경면(鏡面) 반사에 의해 증대된다.
이 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막에서는 자유 자성층 상에 직접적으로 상기 구리 산화물층이 형성되어 있을 경우에는 이 자유 자성층과 구리 산화물층 사이의 계면에서 전도 전자가 스핀 상태를 유지한 채로 반사되는 경면 반사가 발생하고, 자유 자성층 상에 산화층을 사이에 두고 구리 산화물층이 형성되어 있을 경우에는 이 자유 자성층과 산화층 사이의 계면과, 이 산화층과 상기 구리 산화물층 사이의 계면에서 경면 반사가 발생한다. 따라서, 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막은 이들 계면에서 경면 반사가 발생함으로써, 큰 저항 변화 Δρ/t를 나타낸다.
상기 본 발명의 자기 저항 효과막은, 상기 구리 산화물층이 10Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 구리 산화물층이 이와 같이 10Å 이상의 두께를 가질 경우, 상기 결합 자계(Hin)의 증대 억제가 효과적으로 실행된다.
또한, 상기 본 발명의 자기 저항 효과막이 산화층을 갖는 것일 경우, 그 산화층은 5Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이 제 1 자기 저항 효과막은 산화층의 두께가 5Å 이상인 것에 의해, 실시예에서 후술하는 바와 같이, 상기 결합 자계(Hin)가 작으며, 자유 자성층과 산화층 사이의 계면에서 전도 전자의 경면 반사가 양호하게 실행된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막은, 상기 구리 산화물층 상에 그 구리 산화물층을 보호하는 보호층이 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 보호층을 갖는 제 1 자기 저항 효과막은, 상기 보호층이 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 보호층이 산화물로 이루어진 제 1 자기 저항 효과막은, 상기 보호층이 Al2O3으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 구리 산화물층은 상기 보호층에 의해 물리적으로 보호되는 동시에, 산화의 방지 등과 같이 화학적으로도 보호된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막은, 상기 자유 자성층이 30Å 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
자기 저항 효과막 중의 전도 전자에서 스핀에 의존하지 않는 통상의 산란에 의한 평균 자유 행정은 대략 60Å이다. 자유 자성층의 두께가 30Å 이상일 경우에는 그의 전도 전자는 자유 자성층과 상기 구리 산화물층 등과의 계면에서 경면 반사되기 전에 산란하게 되기 쉽기 때문에, 상기 경면 반사에 의한 저항 변화 Δρ/t의 증대는 작다. 이에 대하여, 자유 자성층의 두께가 30Å 이하인 자기 저항 효과막에서는 상기 경면 반사에 의한 저항 변화 Δρ/t의 증대가 크다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과막 중의 제 2 자기 저항 효과막은, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막으로서, 상기 중간층이 34Å 이하의 두께를 갖는 것이고, 상기 고정 자성층의 자화와 상기 자유 자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계를 그들 자화의 사이에 작용시키는 결합층이 상기 자유 자성층 상에 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서 말하는 결합층은, 예를 들어 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막에서는 구리 산화물층, 또는 구리 산화물층과 산화층과의 복합층에 상당하나, 이 결합층은 이들 층에 한정되는 것이 아니라, 상기 고정 자성층의 자화와 상기 자유 자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계를 그들 자화의 사이에 작용시키는 층인 것이 좋다.
종래, 실용화되어 있는 자기 저항 효과막은 상기 중간층의 두께가 34Å 이하이고, 이 제 1 자기 저항 효과막에는 상기 자화끼리를 서로 동일한 방향으로 향하게 하는 것과 같은 결합 자계(Hin)가 작용하고, 상기 중간층의 두께를 저감시킴으로써, 그의 결합 자계(Hin)는 증대하게 된다. 이에 대하여, 이 제 2 자기 저항 효과막은 상기 결합층을 갖기 때문에, 상기 중간층의 두께가 34Å 이하인 경우에도 상기결합 자계의 값이 마이너스로 되므로, 그 중간층의 두께를 저감시킴으로써 결합 자계(Hin)의 값을 제로(0)에 근접시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과형 헤드 중의 제 1 자기 저항 효과형 헤드는 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 그 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과형 헤드로서, 상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 그 자유 자성층과의 사이에 그 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 자기 저항 효과형 헤드에서 사용되는 고정측 자성층의 자화 방향과 자유측 자성층의 자화 방향은, 신호 자계(Hsig)가 존재하지 않는 상태에서 서로 90°의 각도를 이루는 것이 이상적이다. 그러나, 상기 결합 자계(Hin)등의 불필요한 자계가 존재할 경우, 이 각도가 90°로부터 어긋나고, 이 각도가 90°로부터 어긋난 상태에서는 자기 저항 효과형 헤드로부터 출력되는 재생 신호의 재생 파형이 변형된다.
이 제 1 자기 저항 효과형 헤드는 자기 저항 효과막으로서 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막을 채용한 것으로서, 불필요한 결합 자계(Hin)에서 상기 중간층 두께의 감소에 따른 증대가 억제되고 있기 때문에, 이 제 1 자기 저항 효과형 헤드는 재생 파형의 변형이 억제된 것으로 되어 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과형 헤드 중의 제 2 자기 저항 효과형 헤드는 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 그 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과형 헤드로서, 상기 중간층이 34Å 이하의 두께를 갖는 것이고, 상기 고정 자성층의 자화와 상기 자유 자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계를 그들 자화의 사이에 작용시키는 결합층이 상기 자유 자성층 상에 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 제 2 자기 저항 효과형 헤드는 자기 저항 효과막으로서 상기 본 발명의 제 2 자기 저항 효과막을 채용한 것으로서, 상기 중간층의 두께를 한층 더 저감시키면 결합 자계(Hin)의 값을 제로에 근접시킬 수 있기 때문에, 이 제 2 자기 저항 효과형 헤드에서는 재생 파형의 변형을 억제할 수 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 정보 재생 장치 중의 제 1 정보 재생 장치는 자화의 방향에 의해 정보가 기록된 자기 기록 매체에 근접 또는 접촉하여 배치되어 그 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 자기 헤드를 구비하고, 그 자기 헤드에 의해 검출된 상기 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향에 따른 정보를 재생하는 정보 재생 장치로서, 상기 자기 헤드가, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 그 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것으로서, 상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 그 자유 자성층과의 사이에 그 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 제 1 정보 재생 장치는 자기 헤드에 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과형 헤드를 채용한 것이다. 이 자기 헤드는 상기 제 1 자기 저항 효과형 헤드와 동일하게, 재생 파형의 변형이 억제된 것이기 때문에, 이 제 1 정보 재생 장치는 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 감도가 높아, 자기 기록 매체에 고밀도로 기록된 정보의 재생에 적합하다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 정보 재생 장치 중의 제 2 정보 재생 장치는 자화의 방향에 의해 정보가 기록된 자기 기록 매체에 근접 또는 접촉하여 배치되어 그 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 자기 헤드를 구비하고, 그 자기 헤드에 의해 검출된 상기 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향에 따른 정보를 재생하는 정보 재생 장치로서, 상기 자기 헤드가, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 그 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것으로서, 상기 중간층이 34Å 이하의 두께를 갖는 것이며, 상기 고정 자성층의 자화와 상기 자유 자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계를 그들 자화의 사이에 작용시키는 결합층이 상기 자유 자성층 상에 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 제 2 정보 재생 장치는 자기 헤드에 상기 본 발명의 제 2 자기 저항 효과형 헤드를 채용한 것이다. 이 자기 헤드는 상기 제 2 자기 저항 효과형 헤드와 동일하게, 재생 파형의 변형이 억제된 것이기 때문에, 이 제 2 정보 재생 장치는 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 감도가 높아, 자기 기록 매체에 고밀도로 기록된 정보의 재생에 적합하다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과막 제조 방법 중의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법으로서, 상기 중간층을 적층시킨 후, 그 중간층 상에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료로 이루어진 자유 자성 재료층을 적층시키는 자유 자성 재료층 적층 공정과, 상기 자유 자성 재료층 적층 공정에서 적층된 자유 자성 재료층 상에 금속으로 이루어진 금속층을 적층시키는 금속층 적층 공정과, 상기 금속층 적층 공정에 의해 적층된 금속층을 플라즈마 상태의 산소에 노출시킴으로써 그 금속층을 산화시키는 플라즈마 산화 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
이들 각 공정을 거쳐 최종적으로 형성되는 자기 저항 효과막에서는 상기 자유 자성 재료층 그 자체, 또는 상기 자유 자성 재료층 내의 두께방향의 일부 층이 상기 자유 자성층으로 된다.
이 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법에 의하면, 실시예에서 후술하는 바와 같이, 상기 자유 자성 재료층 상에 적층된 상기 금속층을 상기 플라즈마 산화 공정에 의해 산화시킴으로써, 상기 결합 자계(Hin)가 감소하고, 상기 중간층의 두께 감소에 따른 결합 자계(Hin)의 증대가 억제된 자기 저항 효과막이 제조된다.
상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 플라즈마 산화 공정이, 상기 금속층과, 상기 자유 자성 재료층의 상기 금속층 측의 일부를 산화시키는 공정인 것이 바람직하다.
종래, 자유 자성층 상에 자연 산화에 의해 산화막이 형성되는 경우가 있더라도, 이 자연 산화에 의해서는 원하는 두께로 제어된 산화막을 형성하는 것이 곤란하다. 또한, 자유 자성층 상에 직접적으로 플라즈마 산화를 행함으로써 산화막을 형성하는 것은 가능하지만, 이러한 직접적인 플라즈마 산화에서는 너무 강하게 산화되어 역시 원하는 두께로 제어된 산화막을 형성하는 것이 곤란하다.
이에 대하여, 이 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 자유 자성층을 구성하는 재료로 이루어진 자유 자성 재료층 상에 상기 금속층을 형성하고, 플라즈마 산화 공정에 의해 상기 금속층을 통하여 상기 자유 자성 재료층의 일부를 산화시키는 것이기 때문에, 상기 자유 자성 재료층이 산화되어 이루어진 산화층을 원하는 두께로 되도록 제어하면서 형성할 수 있다. 그리고, 이러한 두께가 제어된 산화층을 형성함으로써, 상기 결합 자계(Hin)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 금속층 적층 공정에서 적층된 금속층이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 금속층에서는 상기 결합 자계(Hin)의 제어가 효과적으로 실행된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 플라즈마 산화 공정이 상기 금속층 상으로의 새로운 층의 적층과 동시에 실행되는 공정인 것이 바람직하다.
상기 새로운 층의 적층을 포함하는 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 새로운 층이 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 산화물로 이루어진 새로운 층의 적층을 포함하는 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 새로운 층이 A12O3으로 이루어지는 것이 있다.
이와 같이, 산화물 등을 상기 금속층 상에 스퍼터링 등에 의해 적층시킴으로써, 예를 들어 이 금속층을 보호하는 것과 같은 작용을 하는 상기 새로운 층의 형성을 겸하여, 상기 금속층의 산화를 행할 수 있다.
상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 플라즈마 산화 공정이 적어도 Ar 및 산소 중의 어느 하나를 포함하는 분위기 중에서 실행되는 공정인 것이 바람직하다.
이 플라즈마 산화 공정이, 예를 들어 스퍼터링 등에 의해 상기 금속층 상에 대한 산화물로 이루어진 새로운 층의 적층을 행하는 공정일 경우, 그 스퍼터링이 Ar을 포함하고 산소를 포함하지 않는 분위기 중에서 실행되어도, 그 금속층은 플라즈마 산화된다.
또한, 상기 플라즈마 산화 공정이 상기 새로운 층의 적층을 수반하지 않는 공정일 경우에는 산소를 포함하는 분위기로 함으로써 플라즈마 산화가 실행된다.
또한, Ar과 산소를 혼합한 분위기일 경우, 그 혼합비를 바꾸거나 하여, 상기 산화층의 두께를 제어할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 산화 공정이 산화물의 적층과 동시에 실행되는 공정일경우에도, 산소를 포함하는 분위기 중에서 실행되는 것이, 이 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법에 의해 제조된 자기 저항 효과막의 상기 결합 자계(Hin)가 저감되는 경향이 있다.
상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 금속층 적층 공정에서는 상기 금속층을 10Å 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 금속층이 10Å 이상의 두께로 형성되어 제조된 자기 저항 효과막에서는 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 결합 자계(Hin)의 저감이 효과적으로 실행된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 플라즈마 산화 공정에서는 상기 자유 자성 재료층이 상기 금속층 측으로부터 두께방향으로 5Å 이상의 깊이까지 산화되는 것이 바람직하다.
이와 같이 상기 자유 자성 재료층이 5Å 이상의 깊이까지 산화됨으로써, 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 상기 결합 자계(Hin)가 작으며, 상기 자유 자성 재료층에서의 산화된 부분과 산화되지 않고 남은 부분과의 계면에서 전도 전자의 경면 반사가 양호하게 실행된다.
또한, 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법은, 상기 자유 자성 재료층의 전체 두께 중에서, 상기 플라즈마 산화 공정에서 산화되지 않은 부분의 두께가 30Å 이하인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 자유 자성층의 두께, 즉, 상기 자유 자성 재료층의 전체두께 중에서 산화되지 않은 부분의 두께가 30Å 이하인 자기 저항 효과막에서는 그 자유 자성 재료층에서의 산화된 부분과 산화되지 않고 남은 부분과의 계면에서 전도 전자의 경면 반사가 저항 변화 Δρ/t의 증대에 크게 기여한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자기 저항 효과막 제조 방법 중의 제 2 자기 저항 효과막 제조 방법은, 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 그 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 그 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 그 고정 자성층의 자화 방향과 그 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법으로서, 상기 중간층 상에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료로 이루어진 자유 자성 재료층을 적층시키는 자유 자성 재료층 적층 공정과, 상기 자유 자성 재료층 적층 공정에서 적층된 자유 자성 재료층 상에 소정의 산화 제어층을 적층시키는 산화 제어층 적층 공정과, 상기 산화 제어층 적층 공정에서 적층된 산화 제어층을 플라즈마 상태의 산소에 노출시킴으로써, 그 산화 제어층을 통하여 상기 자유 자성 재료층이 상기 산화 제어층 측으로부터 두께방향으로 소정 깊이까지 산화되는 플라즈마 산화 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 산화 제어층은, 예를 들어 상기 본 발명의 제 1 자기 저항 효과막 제조 방법에서는 금속층 적층 공정에서 적층되는 금속층에 상당하는 것이나, 이것에 한정되지 않으며, 플라즈마 상태의 산소에 노출시킴으로써, 그 산화 제어층을 통하여 상기 자유 자성 재료층이 상기 산화 제어층 측으로부터 두께방향으로 소정 깊이까지 산화되는 것이면 된다. 이 제 2 자기 저항 효과막 제조 방법에서는 이러한 산화 제어층에 의해 상기 자유 자성 재료층이 산화되는 두께가 제어되기 때문에, 작은 결합 자계(Hin)를 갖도록 제어된 자기 저항 효과막이 제조된다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 본 실시예의 하드 디스크 장치의 개략 구성도이다.
도 1에 나타낸 하드 디스크 장치(HDD)는 본 발명의 정보 재생 장치에 상당하는 것이다. 도 1에 나타낸 HDD(100)의 하우징(101)에는 회전축(102), 회전축(102)에 장착되는 자기 디스크(103), 자기 디스크(103)의 표면에 근접하여 대향하는 부상 헤드 슬라이더(104), 암축(105), 부상 헤드 슬라이더(104)를 선단에 고착하여 암축(105)을 중심으로 자기 디스크(103) 상을 수평 이동하는 캐리지 암(106), 및 캐리지 암(106)의 수평 이동을 구동시키는 액츄에이터(107)가 수용된다.
이 HDD(l00)에서는 자기 디스크(103)에 대한 정보의 기록 및 자기 디스크(103)에 기록된 정보의 재생이 실행된다. 이들 정보의 기록 및 재생에 있어서는 먼저, 자기 회로로 구성된 액츄에이터(107)에 의해 캐리어 암(106)이 구동되고, 부상 헤드 슬라이더(104)가 회전되는 자기 디스크(103) 상의 원하는 트랙에 위치 결정된다. 부상 헤드 슬라이더(104)의 선단에는 도 1에는 도시하지 않은 본 실시예의 자기 헤드가 설치되어 있다. 이 자기 헤드는 본 발명의 자기 저항 효과형 헤드에 상당하는 것이다. 이 자기 헤드는 자기 디스크(103)의 회전에 의해, 자기 디스크(103)의 각 트랙에 나열되는 각 1비트 영역에 차례로 근접한다. 정보의 기록시에는 이와 같이 자기 디스크(103)에 근접한 자기 헤드에 전기적인 기록 신호가 입력되고, 이 자기 헤드에 의해, 그 기록 신호에 따라 그들 각 1비트 영역에 자계가 인가되어, 그 기록 신호에 담지(擔持)된 정보가 그들 각 1비트 영역의 자화 방향의 형태로 기록된다. 또한, 정보의 재생 시에는 그들 각 1비트 영역의 자화 방향의 형태로 기록된 정보가 자기 헤드에 의해, 그들의 자화 각각으로부터 발생하는 자계에 따라 생성되는 전기적인 재생 신호로서 출력된다. 하우징(101)의 내부 공간은 커버(도시 생략)에 의해 폐쇄된다.
다음으로, 본 실시예의 자기 헤드에 대해서 설명한다.
도 2는 본 실시예의 자기 헤드의 요부 단면도이다.
본 실시예의 자기 헤드(30)는 자기 디스크(103)에 정보를 기록하는 기록부와 정보를 재생하는 재생부로 이루어진 복합형 자기 헤드이고, 도 2에는 재생부만이 도시된다. 도 2는 이 자기 헤드의 재생부를 도 1에 나타낸 자기 디스크(103)의 면에 평행한 면으로 절단한 단면도이다.
자기 헤드(30)는 비자성 기판(21), 이 비자성 기판(21) 상에 형성된 하부 실드층(22), 이 하부 실드층(22) 상에 형성된 하부 절연층(23), 이 하부 절연층(23) 상에 형성된 자기 저항 효과막(10), 상기 하부 절연층(23) 상에, 이 자기 저항 효과막(10)을 양측으로부터 끼우도록 형성된 좌우 한쌍의 자구 제어층(24), 이 좌우 한쌍의 자구 제어층(24) 상에 형성된 좌우 한쌍의 전극(25), 이 좌우 한쌍의 전극(25)과 상기 자기 저항 효과막(10) 상에 형성된 상부 절연층(26), 및 이 상부 절연층(26) 상에 형성된 상부 실드층(27)을 갖는다. 이 상부 실드층(27) 상에는 상기 기록 헤드가 형성되어 있다.
기판(21)은, 예를 들어 알루미나 티타늄 카바이드(Al2O3-TiC)로 이루어진 기판 상에 Si막 또는 SiO2막이 형성된 것이다.
하부 실드층(22) 및 상부 실드층(27)은 각각, 예를 들어 FeN 등의 연자성 재료로 이루어진 두께 1.6㎛의 층이고, 상기 자기 저항 효과막(10)에 불필요한 외부 자계가 인가되지 않도록 그 자기 저항 효과막(10)을 자기 차폐하는 것이다.
하부 절연층(23) 및 상부 절연층(26)은 각각, 예를 들어 두께 50㎚의 알루미나(Al2O3) 등의 절연 재료로 이루어진 층이고, 상기 자기 저항 효과막(10), 상기 자구 제어층(24), 및 상기 한쌍의 전극(25)으로부터의 전류 누설을 방지하는 것이다.
자구 제어층(24)은, 예를 들어 Co-Pt 합금, Co-Cr-Pt 합금 등의 경자성을 나타내는 재료로 이루어진 층이고, 상기 자기 저항 효과막(10)에 정자계(靜磁界) 및 교환 상호작용 등에 의한 바이어스 자계를 인가하는 것이다. 여기서는 이 자구 제어층(24)은 자기 저항 효과막(10)과 동일한 높이까지 적층되어 있다.
전극(25)은, 예를 들어 Ta/(Ti-W)/Ta과 같은 2개의 Ta층과 이들 Ta 사이에 삽입된 Ti-W 합금과의 다층막 등의 도전성 재료로 이루어진 것이고, 상기 자구 제어층(24)을 통하여 상기 자기 저항 효과막(10)에 센스 전류를 인가하는 것이다. 이 한쌍의 전극(25)으로부터 재생 신호가 출력된다.
자기 저항 효과막(10)은 이 자기 헤드(30)의 정보 재생 기능을 담당하는 부분이다. 즉, 자기 저항 효과막(10)은 상기 자기 디스크(103)의 각 1비트 영역의 자화로부터 발생하는 자계에 따라 저항이 변화하는 것이고, 상술한 바와 같이 자기 저항 효과막(10)에는 상기 전극(25)에 의해 센스 전류가 인가되어 있기 때문에, 상기 저항의 변화에 의해, 상기 각 1비트 영역의 자화 방향에 의해 담지된 정보가 전기적인 재생 신호로서 출력된다.
본 발명의 특색은 이 자기 저항 효과막(10)의 구조에 있다. 다음으로, 이 자기 저항 효과막(10)의 구조에 대해서 설명한다.
도 3은 본 실시예의 자기 저항 효과막의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3에 나타낸 자기 저항 효과막(10)은 스핀 밸브 타입의 자기 저항 효과막이고, 도 2 및 도 3에 나타낸 하부 절연층(23) 상에 형성된 하지층(1), 이 하지층(1) 상에 형성된 반강자성층(2), 이 반강자성층(2) 상에 형성된 핀층(3), 이 핀층(3) 상에 형성된 중간층(4), 이 중간층(4) 상에 형성된 프리층(5), 이 프리층(5) 상에 형성된 산화층(6), 이 산화층(6) 상에 형성된 구리 산화물층(7), 및 이 구리 산화물층(7) 상에 형성된 보호층(8)에 의해 구성되어 있다.
하지층(1)은, 예를 들어 Ta로 이루어진 두께 50Å의 제 1 하지층(1_1) 상에 Ni-Fe 합금으로 이루어진 두께 16Å의 제 2 하지층(1_2)이 형성된 것이다. 이 제 2 하지층(1_2)은 Ta로 이루어진 제 1 하지층(1_1) 상에 형성됨으로써, FCC 구조를 갖고, (111) 방향으로 배향되고 있다.
반강자성층(2)은, 예를 들어 Pd-Pt-Mn 합금 등의 반강자성 재료로 이루어진 두께 150Å의 층이다. 이 반강자성층(2)은 상기 핀층(3)에 교환 결합에 따른 교환 바이어스 자계를 인가한다.
핀층(3)은, 여기서는 연자성을 나타내는 제 1 연자성층(3_1) 및 제 2 연자성층(3_3)과, 이들 연자성층에 막 두께방향으로 삽입되어 이루어지고, 그들 연자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 결합하는 핀 결합층(3_2)으로 구성된다.
제 1 연자성층(3_1)은, 예를 들어 Co-Fe-B 합금으로 이루어진 두께 15Å의 층이고, 제 2 연자성층(3_3)은, 예를 들어 Co-Fe-B 합금으로 이루어진 두께 25Å의 층이다. 또한, 핀 결합층(3_2)은, 예를 들어 Ru으로 이루어진 두께 7.5Å의 층이다.
핀층(3)의 제 1 연자성층(3_1)은, 자화가 상기 반강자성층(2)에 의해 인가된 교환 바이어스 자계에 의해 도 3의 지면 수직 방향으로, 즉, 도 2에 도시되는 한쌍의 전극(25)을 서로 결합하고, 자기 저항 효과막의 길이 방향과는 수직인 동시에, 핀층 등의 각층에 평행한 자기 저항 효과막의 높이 방향에 고정된다.
한편, 핀층(3)의 제 2 연자성층(3_3)은, 자화가 상기 핀 결합층(3_2)에 의해, 상기 제 1 연자성층(3_1)의 자화와는 반대 방향으로 향하도록 고정된다. 이와 같이, 제 1 연자성층(3_1)의 자화와 제 2 연자성층(3)의 자화가 서로 반대 방향으로 향하여 고정되기 때문에, 핀층(3) 전체에서는 자화의 크기가 작다. 상기와 같이 자화가 작기 때문에, 핀층(3)의 자화는 외부로부터의 자계에 의해 영향을 받기 어렵고, 자화가 안정되어 핀 고정되며, 자기 디스크(103)로부터의 신호 자계(Hsig)를 혼란시키는 반자계가 작게 억제된다.
중간층(4)은, 예를 들어 Cu 등의 비자성 금속으로 이루어진 두께 22Å의 층이고, 상기 핀층(3)과 프리층(5)을 격리시키는 스페이서로 되어 있다.
프리층(5)은, 예를 들어 Co-Fe-B 합금 등의 연자성 재료로 이루어진 두께 15Å의 층이다. 이 Co-Fe-B 합금은 중간층(4)을 구성하는 Cu와 상호 확산되기 어렵기 때문에, 중간층(4) 상에 형성되는 프리층(5)의 재료로서 바람직하다.
이 프리층(5)은 이와 같이 연자성 재료로 이루어지고, 자화가 핀 고정되어 있지 않다. 따라서, 그 자화는 자기 디스크(103)의 각 1비트 영역의 자화로부터의 자계에 따라 그 층의 면내에서 회전된다. 제 1 자기 저항 효과막(10_1)의 시트 저항은 이른바 거대 자기 저항 효과에 의해, 이 프리층(5)의 자화와 상기 핀층(3)의 고정된 자화가 이루는 각도에 따라 크게 변화한다. 예를 들면, 이 저항은 이들 자화가 동일한 방향을 향할 경우에 최소값을 취하고, 이들 자화가 서로 반대 방향을 향할 경우에 최대값을 취한다. 이 최대값과 최소값의 차가 상기 저항 변화 Δρ/t이고, 이 저항 변화 Δρ/t에 의해 상술한 센스 전류를 통하여 재생 신호가 출력된다.
일반적으로, 자기 저항 효과막 중의 전도 전자에서 스핀에 의존하지 않는 통상의 산란에 의한 평균 자유 행정은 대략 60Å이고, 프리층(5)의 두께가 30Å 이상일 경우에는 전도 전자가 프리층(5)과 상기 구리 산화물층(7) 등과의 계면에서 경면 반사되기 전에 산란하게 되기 쉽기 때문에, 경면 반사 효과가 효과적으로 생기지 않는다. 이에 대하여, 프리층(5)의 두께가 30Å 이하인 자기 저항 효과막(10)에서는 자기 저항 효과가 효과적으로 생긴다. 따라서, 프리층(5)은 30Å 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 프리층(5)은 상기 자구 제어층(24)에 의해 인가된 바이어스 자계에 의해 단자구화되어 있다. 따라서, 이 프리층(5)을 포함하는 자기 헤드(30)에서는 자벽(磁壁)의 이동에 따라 재생 신호에 발생하는 바크하우젠(barkhausen) 노이즈의 발생이 억제되고 있다.
산화층(6)은 상기 프리층(5)을 구성하는 재료로 이루어진 층이 산화되어 이루어진 것이고, 예를 들어 두께 20Å의 Co-Fe-B 합금으로 이루어진 층이 산화된 층으로 되어 있다.
구리 산화물층(7)은 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 층이고, 예를 들어 Cu1-XOX(0＜x＜1)로 이루어진 두께 15Å의 층이다.
보호층(8)은 내식성이 높아 상기 구리 산화물층(7)을 물리적 및 화학적으로 보호하는 층이고, 여기서는 두께 30Å의 Al2O3으로 이루어진 층이다. 이 보호층은 상기 구리 산화물층(7)에 산소가 들어가는 것을 방지하기 위해 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 Al2O3은 내석성이 높고, 산소와의 결합이 강하기 때문에, 이 보호층(8)의 재료로서 바람직하다.
또한, 상술한 각층은 본 명세서 중에 예시한 두께를 갖고, 본 명세서 중에 예시한 재료로 이루어지는 것이 바람직하나, 반드시 그 두께에 한정되는 것은 아니며, 그 재료에 한정되지도 않는다.
이 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)을 구성하는 각층 중에서, 상기 산화층(6) 및 상기 구리 산화물층(7)이 본 실시예에서 특징적인 층이다. 또한, 이자기 저항 효과막(10)과는 달리, 이들 산화층(6) 및 구리 산화물층(7) 중의 산화층(6)을 갖지 않는 새로운 본 실시예의 자기 저항 효과막(10')도, 후술하는 바와 같이, 자기 저항 효과막(10)과 동일한 작용 효과를 나타내는 것이다. 다음으로, 이 자기 저항 효과막(10')의 구성에 대해서 설명한다. 그리고, 이들 자기 저항 효과막(10, 10')과 비교하기 위해, 종래의 자기 저항 효과막에 대해서 도 5와 함께 설명한 후, 이들 산화막(6) 및 구리 산화물층(7)의 역할에 대해서 설명한다.
도 4는 본 실시예의 자기 저항 효과막의 일례의 단면도이다.
도 4에 나타낸 자기 저항 효과막(10')은, 상기 산화층(6)이 존재하지 않고, 상기 프리층(5)과 동일한 재료로 이루어진 프리층(5') 상에 직접적으로 구리의 산화물로 이루어진 상기 구리 산화물층(7)이 형성되어 있는 점에서 도 3에 나타낸 자기 저항 효과막(10)과 상이하다. 여기서는 프리층(5')의 두께는 상기 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)에서의 프리층(5) 두께와 산화층(6) 두께의 합과 동일한 35Å으로 되어 있다. 또한, 이 자기 저항 효과막(10')을 구성하는 각층은, 상기 자기 저항 효과막(10)을 구성하는 동일한 명칭의 각층과 동일한 역할을 수행하며, 동일한 작용 효과를 나타낸다.
도 5는 종래의 자기 저항 효과막의 단면도이다.
도 5에 나타낸 종래의 자기 저항 효과막(20)은 스핀 밸브 타입의 자기 저항 효과막이고, 상기 프리층(5')과 동일한 재료로 이루어진 프리층(15) 상에 직접적으로 Ta로 이루어진 보호층(18)이 형성되어 있는 점에서 도 4에 나타낸 본 실시예의 자기 저항 효과막(10')과 상이하다. 여기서는 프리층(15)의 두께는 상기 자기 저항효과막(10')에서의 프리층(5')과 동일한 35Å으로 되어 있다. 상기 보호층(18)의 두께는 50Å이다.
또한, 종래의 자기 저항 효과막(20) 및 본 실시예의 자기 저항 효과막(10, 10')을 포함하는 일반적인 자기 저항 효과막은, 중간층(4)에 흐르는 자기 저항 효과에 기여하지 않는 불필요한 병렬(shunt) 전류를 저감시켜 저항 변화 Δρ/t를 높이기 위해, 상술한 바와 같이, 중간층(4)을 박층화하는 것이 요망되고 있다. 그러나, 종래의 자기 저항 효과막(20)에서는 중간층(4)의 두께를 저감시키면, 결합 자계(Hin)가 증대되고, 이 결합 자계(Hin)에 의해 프리층의 자화와 핀층의 자화가 이루는 각도에 불필요한 차이가 발생한다.
일반적으로, 자기 저항 효과막의 저항값은 자기 디스크로부터의 신호 자계(Hsig)의 변화에 대하여 선형으로 변화하는 것이 바람직하고, 이러한 선형의 변화를 실현시키기 위해서는 자기 저항 효과막에 신호 자계(Hsig)가 인가되지 않는 상태에서 핀층의 자화 방향과 프리층의 자화 방향이 서로 90°의 각도를 이루는 것이 이상적이다. 그러나, 종래의 자기 저항 효과막(20)에서는 상기 결합 자계(Hin)가 크기 때문에 이 각도가 90°로부터 어긋난 상태로 되기 쉽고, 이와 같이 이 각도가 90°로부터 어긋나면, 이 자기 저항 효과막(20)을 사용한 자기 저항 효과형 헤드의 출력 전압은 신호 자계(Hsig)의 입력에 대하여 선형 응답하지 않고, 이 출력 전압의 재생 파형이 변형되는 등의 장해가 발생하기 쉽다.
이에 대하여, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10')은 상기 프리층(5') 상에 구리 산화물층(7)이 형성되어 있고, 이 구리 산화물층(7)이 프리층(5')의 자화와 핀층(3)의 자화 사이의 결합에 영향을 주고 있다. 따라서, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10')에서는 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 결합 자계(Hin)가 작고, 중간층(4)의 두께 감소에 따른 결합 자계(Hin)의 증대가 억제되고 있다.
또한, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10')은 구리 산화물층(7)의 존재에 의해, 프리층(5')과 구리 산화물층(7) 사이의 계면에서 경면 반사가 발생하고, 실시예에서 후술하는 바와 같이, 큰 저항 변화 Δρ/t를 발생시킨다.
또한, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)은, 상기 프리층(5) 상에 상기 산화층(6)을 사이에 두고 구리 산화물층(7)이 형성되어 있고, 이 산화층(6) 및 구리 산화물층(7)이 프리층(5)의 자화와 핀층(3)의 자화 사이의 결합에 영향을 주고 있다. 따라서, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)에서는 실시예에서 후술하는 바와 같이, 결합 자계(Hin)가 작고, 중간층(4)의 두께 감소에 따른 결합 자계(Hin)의 증대가 억제되고 있다.
또한, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)은, 산화층(6) 및 구리 산화물층(7)의 존재에 의해, 프리층(5)과 산화층(6) 사이의 계면 및 산화층(6)과 구리 산화물층(7) 사이의 계면에서 경면 반사가 발생하고, 실시예에서 후술하는 바와 같이, 큰 저항 변화 Δρ/t를 발생시킨다.
여기서, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10, 10')에는 상기 산화층(6) 또는상기 구리 산화물층(7)에 의해, 상기 핀층(3)의 자화와 상기 프리층(5, 5')의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계(Hin), 즉, 마이너스 값의 결합 자계(Hin)가 그들 자화의 사이에 작용하는 경우가 있다. 이 경우에는 산화층(6) 및 구리 산화물층(7)이 본 발명의 결합층에 상당한다.
종래의 자기 저항 효과막일지라도, 상기 중간층(4)의 두께가 충분히 두꺼운 경우에는 결합 자계(Hin)의 값이 마이너스로 되기도 한다. 그러나, 종래, 실용화되어 있는 자기 저항 효과막은 상기 중간층의 두께가 34Å 이하이고, 이와 같이 중간층(4)의 두께가 34Å 이하일 경우에는 자기 저항 효과막에 플러스 값의 결합 자계(Hin)가 작용한다. 이러한 두께의 범위에서는 중간층의 두께를 저감시킴으로써, 그 결합 자계(Hin)는 증대하게 된다. 이에 대하여, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10, 10')은, 중간층(4)의 두께가 34Å 이하인 경우에도 결합 자계(Hin)의 값이 마이너스로 되기 때문에, 그 중간층(4)의 두께를 저감시킴으로써 결합 자계(Hin)의 값을 제로에 근접시킬 수 있다.
상술한 본 실시예의 자기 저항 효과막(10, 10')이 채용된 자기 저항 효과형 헤드(30)는 큰 저항 변화 Δρ/t를 갖고, 불필요한 결합 자계(Hin)에서 중간층(4)의 두께 감소에 따른 증대가 억제되고 있으며, 경우에 따라서는 결합 자계(Hin)의 값을 제로에 근접시킬 수 있기 때문에, 재생 파형의 변형이 억제된 고출력의 자기 헤드로 되고 있다.
또한, 이와 같이 재생 파형의 변형이 억제된 고출력의 자기 저항 효과형 헤드(30)가 채용된 HDD(100)는 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 감도가 높아, 자기 기록 매체에 고밀도로 기록된 정보의 재생에 적합하다.
다음으로, 이들 본 실시예의 자기 저항 효과막(10, 10')을 제조하는 본 실시예의 자기 저항 효과막 제조 방법에 대해서 도 6과 함께 설명한다.
도 6은 본 실시예의 자기 저항 효과막 성막 장치를 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 자기 저항 효과막 성막 장치(40)는 메인 쳄버(31)와 절연체 쳄버(32)와 밸브(33)를 갖고, 그들 쳄버 내에서 스퍼터링에 의해 자기 저항 효과막을 성막하는 장치이다. 여기서는 메인 쳄버(31) 내에는 예를 들어 Ar 가스가 도입되어 있고, 절연체 쳄버(32)에는 순수한 산소 가스가 도입되어 있는 것으로 한다. 이 산소 가스 이외에는 이 절연체 쳄버(32)에는 예를 들어 Ar 가스 또는 Ar 가스와 산소 가스의 혼합 가스가 도입된다. 이들 메인 쳄버(31)와 절연체 쳄버(32) 사이에는 그들 쳄버를 연결하는 통로가 있고, 그 통로에 개폐 가능한 밸브(33)가 구비되어 있다.
이하, 이 자기 저항 효과막(10, 10')의 성막 과정에 대해서 설명한다.
먼저, 메인 쳄버(31)에는 기판(도시 생략)이 준비된다. 자기 저항 효과막을 실험적으로 성막할 경우에는 이 기판은, 예를 들어 Si/SiO2기판이며, 상기 자기 헤드(30)를 구성하는 자기 저항 효과막을 성막할 경우에는 이 기판은 상술한 비자성기판(21)/하부 실드층(22)/하부 절연층(23)으로 이루어진 다층막이다.
이 기판(도시 생략) 상에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링에 의해 Ar 가스 중에서, 먼저, 상기 자기 저항 효과막(10, 10')을 구성하는 하지층(1), 반강자성층(2), 핀층(3), 중간층(4)의 순서로, 이들 각층의 예시한 재료를 사용하여 예시한 두께로 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 연속적으로 적층시켜 이들 각층을 성막한다.
다음으로, 상기와 동일하게 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해, 이와 같이 적층된 중간층(4) 상에 Co-Fe-B 합금으로 이루어진 두께 35Å의 도 4에 나타낸 자기 저항 효과막의 프리층(5')과 동등한 층을 성막하며, 이 프리층(5')과 동등한 층 상에 Cu로 이루어진 두께 15Å의 Cu층(7')을 성막한다. 이 프리층(5')과 동등한 층은 이대로 산화되지 않으면 프리층(5')으로 되는 층이고, 본 발명의 자유 자성 재료층에 상당한다. 이하, 이 프리층(5')과 동등한 층을 단순히 프리층(5')이라고 칭한다. 또한, Cu층(7')은 본 발명의 금속층 및 산화 제어층에 상당한다.
이와 같이 기판 상에 Cu층(7')까지 성막된 다층막을 상기 밸브(33)를 개방하여 메인 쳄버(31)로부터 절연체 쳄버(32)로 옮기고, 다시 밸브(33)를 폐쇄한다. 그리고, 절연체 쳄버(32) 내에서, 이 다층막의 Cu층(7') 상에 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 Al2O3의 적층을 30Å 행함으로써, 상기 자기 저항 효과막(10, 10')의 보호층(8)이 성막된다.
이 Al2O3의 적층 과정에 있어서, Cu층(7')은 플라즈마 상태의 산소에 노출되어 플라즈마 산화되고, 산소가 상기 Cu층(7')에 들어가, 이 Cu층(7')이 산화 구리로 이루어진 상기 구리 산화물층(7)으로 변화한다. 이와 같이 구리 산화물층(7)까지 형성되어 이루어진 다층막을 소정의 소자 형상으로 패터닝함으로써, 도 4에 나타낸 자기 저항 효과막(10')이 형성된다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 이 Al2O3의 적층 과정에서 Cu층(7')이 강하게 산화됨으로써, Cu층(7') 전체가 산화되어 구리 산화물층(7)으로 변화하는 것과 더불어 프리층(5')이 두께방향으로 일부만 층 형상으로 플라즈마 산화된다. 즉, 산소가 상기 Cu층(7')을 통과하여, 산소가 상기 프리층(5')의 일부에 들어간다. 그리고, 이 프리층(5')의 상기 Cu층(7')에 접하는 계면 측으로부터 소정 두께까지 산화되어 상기 산화층(6)이 형성된다. 프리층(5') 중의 산화되지 않고 남은 부분이 상기 프리층(5)으로 된다. 이와 같이 산화층(6) 및 구리 산화물층(7)이 형성된 다층막을 소정의 소자 형상으로 패터닝함으로써, 도 3에 나타낸 자기 저항 효과막(10)이 형성된다.
종래, 프리층 상에 자연 산화에 의해 산화막이 형성되는 경우가 있더라도, 이 자연 산화에 의해서는 원하는 두께로 제어된 산화막을 형성하는 것이 곤란하다. 또한, 프리층 상에 직접적으로 플라즈마 산화를 행함으로써 산화막을 형성하는 것은 가능하지만, 이러한 직접적인 플라즈마 산화에서는 너무 강하게 산화되어 역시 원하는 두께로 제어된 산화막을 형성하는 것이 곤란하며, 산화막의 계면 상태가 불량해질 가능성이 있다.
이에 대하여, 이 자기 저항 효과막 성막 장치(40)에 의한 자기 저항 효과막의 성막에서는 프리층(5') 상에 Cu층(7')을 형성하고, 플라즈마 산화 공정에 의해 이 Cu층(7')을 통하여 프리층(5')의 일부를 산화하는 것이기 때문에, 프리층(5')의 일부가 산화되어 이루어진 산화층(6)을 원하는 두께로 되도록 제어하면서 형성할 수 있다. 그리고, 이와 같이 두께를 제어하면서 산화층(6)을 형성함으로써, 상기 결합 자계(Hin)를 제어할 수 있다. 또한, 이러한 산화에서는 산화가 느리게 실행되기 때문에, 산화층(6)과 프리층(5) 사이의 계면이 양호할 것으로 생각할 수 있다.
Cu층(7')은 상술한 바와 같이 프리층(5')의 산화 정도를 제어하는 기능을 갖는 것이기 때문에, 어느 정도 이상의 두께가 필요하다. 환언하면, 이 산화의 정도가 적절하게 제어되어, 이 자기 저항 효과막(10, 10')에서 결합 자계(Hin)의 저감이 효과적으로 실행되기 위해서는 이 Cu층(7')이 산화되어 이루어진 구리 산화물층(7)은 어느 정도 이상의 두께를 갖는 것으로 되는 것이 필요하다. 후술하는 실시예로부터 알 수 있듯이, 이 구리 산화물층(7)은 10Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 상기와 동일하게 Cu층(7')도 10Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프리층(5')의 산화는 5Å 이상의 깊이까지 실행되고, 산화층(6)이 5Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 통상, 프리층(5')과 구리 산화물층(7) 사이의 계면, 즉, 산화층(6)과 구리 산화물층(7)과의 계면과 같이, 적층에 의해 형성된 2층의 계면은 통상 5Å 정도의 거칠기를 가지나, 산화층(6)과 산화되지 않고 남은 프리층(5) 사이의 계면과 같이, 산화됨으로써 형성된 계면은 매끄럽고 평탄한 계면으로 될 것으로 생각할 수 있다.
상기 자기 저항 효과막(10)은 산화층(6)의 두께가 5Å 이상인 것에 의해, 산화층(6)과 프리층(5) 사이의 계면의 대략 전체가 매끄럽고 평탄하게 되고, 상기 결합 자계(Hin)가 감소하여, 이 계면에서 전도 전자의 경면 반사가 양호하게 실행될 것으로 생각할 수 있다. 실시예에서 후술하는 바와 같이, 실제로 산화층(6)이 이와 같이 5Å 이상의 두께를 갖는 것일 경우에, 결합 자계(Hin)의 증대 억제가 효과적으로 실행되며, 저항 변화 Δρ/t가 더 큰 값을 나타낸다.
또한, 상술한 자기 저항 효과막 제조 방법에서는 절연체 쳄버(32) 안을 순수한 산소 분위기로 했으나, 절연체 쳄버(32) 중에서 Al2O3등의 산화물을 적층시킬 경우에는 Ar 가스 분위기 중일 수도 있고, Al2O3의 스퍼터링에 의해 발생하는 산소의 일부가 상기 Cu층(7') 또는 상기 프리층(5')을 플라즈마 산화한다.
또한, 절연체 쳄버(32) 중은 산소와 Ar의 혼합 가스 분위기일 수도 있고, 이 경우, 그의 혼합비를 변화시키거나 하여, 상기 Cu층(7') 산화의 정도, 더 나아가서는 상기 산화층(6)의 두께 등을 제어할 수 있다.
상기 플라즈마 산화가 절연체 쳄버(32) 중에서 Al2O3등의 산화물의 적층과 동시에 실행될 경우에도, 이 절연체 쳄버(32) 중이 산소를 포함하는 분위기 중인 것이 순수한 Ar 가스 분위기 중인 것보다도 최종적으로 형성된 자기 저항 효과막의결합 자계(Hin)가 저감되는 경향이 있다.
또한, Al2O3등의 산화물의 적층이 실행되지 않을 경우에도, 절연체 쳄버(32) 중을 산소를 포함하는 분위기로 함으로써, Cu층(7') 및 프리층(5')의 플라즈마 산화가 실행된다.
또한, Cu층(7') 또는 프리층(5')의 산화의 상태는 스퍼터링 시의 투입 전력 이외에, 가스 압력 또는 가스의 혼합비, 보호층(8)의 재료 또는 두께, 구리 산화물층(7)의 재료 및 두께 등의 조건에 의해 좌우된다. 산화층(6)의 두께도 이들 조건을 조정함으로써 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 프리층(5') 상에는 Cu층(7') 대신에 Cu 이외의 금속으로 이루어진 층이 적층되어 있을 수도 있다. Cu 이외의 금속으로 이루어진 층이 프리층(5') 상에 적층된 경우에도, 그 금속으로 이루어진 층에 의해 프리층(5')의 산화가 적절하게 제어될 것으로 생각할 수 있다. 다만, 실시예에 나타낸 바와 같이 프리층(5') 상에 Cu로 이루어진 층이 형성된 경우에 상기 결합 자계(Hin)를 작게 억제하는 결과가 실제로 얻어지고 있고, 상기 프리층(5') 상에는 Cu 또는 Cu를 포함하는 합금으로 이루어진 층이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 이 보호층(8)의 성막은, 금속 타겟을 Ar과 산소의 혼합 가스 중에서 반응성 스퍼터링을 행함으로써 실행할 수도 있다.
또한, 성막 방법은 스퍼터링에 한정되는 것이 아니라, 프리층(5') 상에 적층된 금속으로 이루어진 층의 산화를 통하여, 그 프리층(5')의 산화를 제어할 수 있는 수단인 것이 좋다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
<중간층의 두께 의존성>
이하, 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t의 측정 결과와, 결합 자계(Hin)에서의 중간층의 두께에 대한 변화의 측정 결과에 대해서 설명한다.
이 측정은 도 3에 나타낸 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)의 7개의 시료에 대하여 행하였다. 여기서, 이들 7개의 시료 각각은 Cu로 이루어진 18Å∼30Å 사이의 각각 상이한 두께의 중간층(4)을 갖는 것이고, 이들 시료를 구성하는 중간층(4) 이외의 각층은 모든 시료에 대하여 본 실시예의 저기 저항 효과막(10)의 예시한 두께를 가져 예시한 재료로 이루어진다.
이들 시료는 도 6에 나타낸 자기 저항 효과막 성막 장치(40)에 의해, 실시예에서 설명하는 방법에 의해 성막되었다. 여기서, 자기 저항 효과막을 성막하는 기판으로서는 Si/SiO2기판을 사용하고, 스퍼터링에 사용하는 각 타겟은 모두 5㎝ 직경의 것을 사용했다. 또한, 메인 쳄버(31)에서의 타겟에 대한 DC 마그네트론 스퍼터링의 투입 전력을 50W로 하고, 절연체 쳄버(32)에서의 타겟에 대한 RF 마그네트론 스퍼터링의 투입 전력을 150W로 했다. 또한, 메인 쳄버(31) 내는 0.7 Pa의 Ar 분위기로 하고, 절연체 쳄버(32) 내는 0.06 Pa의 산소 분위기로 했다.
또한, 이 측정은 비교를 위해 도 5에 나타낸 종래의 자기 저항 효과막(20)의 5개의 시료에 대해서도 행하였다. 여기서, 이들 5개의 시료 각각은 Cu로 이루어진24Å∼32Å 사이의 각각 상이한 두께의 중간층(4)을 갖는 것이고, 이들 시료를 구성하는 중간층(4) 이외의 각층은 모든 시료에 대하여 종래의 저기 저항 효과막(20)의 예시한 두께를 가져 예시한 재료로 이루어진다.
이들 5개의 시료 각각을 구성하는 각층은, 도 6에 나타낸 자기 저항 효과막 성막 장치(40)에 의해, 상기 7개의 시료에서의 본 실시예의 자기 저항 효과막의 성막과 동일하게 성막했다. 다만, 이들 5개의 시료를 구성하는 각층은 모두 도전성 재료로 이루어지기 때문에, 상기 자기 저항 효과막 성막 장치(40) 중의 메인 쳄버(31) 내에서 모든 층을 성막했다.
도 7은 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t에서의 중간층의 두께 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)에서의 중간층의 두께 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8의 횡축은 모두 자기 저항 효과막의 Cu로 이루어진 스페이서인 중간층(4)의 두께를 나타내고, 도 7의 종축은 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t를 나타내며, 도 8의 종축은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)를 나타낸다. 도 7 및 도 8에는 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)의 7개의 시료에 대한 측정 결과가 도면 중의 흑색 원형에 의해 표시되며, 종래의 자기 저항 효과막(20)의 5개의 시료에 대한 측정 결과가 도면 중의 흑색 삼각형에 의해 표시된다. 이들 흑색 원형끼리는 가이드를 위해 실선으로 연결되어 있고, 흑색 삼각형끼리는 가이드를 위해점선으로 연결되어 있다.
도 7의 복수의 흑색 삼각형으로 나타낸 바와 같이, 종래의 자기 저항 효과막(20)은, 중간층(4)의 두께가 32Å으로부터 28Å까지 저감되면, 저항 변화 Δρ/t는 증대되었다. 그러나, 이 저항 변화 Δρ/t는 두께 28Å에서 정점을 나타내고, 두께 28Å으로부터 24Å까지 저감되면 오히려 감소되었다. 또한, 이 종래의 자기 저항 효과막(20)은, 중간층(4)의 두께가 24Å 내지 32Å의 사이에서 저항 변화 Δρ/t가 1.05Ω 내지 1.25Ω 사이에 있고, 중간층(4)의 두께에 의한 변화는 그다지 없었다.
이에 대하여, 도 7의 복수의 흑색 원형으로 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)은 중간층(4)의 두께가 30Å으로부터 22Å까지 저감되면, 저항 변화 Δρ/t의 값은 1.4Ω 이하로부터 1.9Ω 이상까지 단조 증가하고, 중간층(4)의 두께가 24Å 내지 20Å의 사이에서 그 1.9Ω 이상의 값이 유지되었다.
이와 같이, 프리층(5) 상에 산화층(6)을 사이에 두고 구리 산화물층(7)이 형성된 것인 자기 저항 효과막(10)의 시료는 중간층(4)의 어느쪽 두께에 대해서도 종래의 자기 저항 효과막(20)보다도 큰 저항 변화 Δρ/t를 나타냈다. 이 큰 저항 변화 Δρ/t는 프리층(5)과 산화층(6) 사이의 계면, 및 산화층(6)과 구리 산화물층(7) 사이의 계면에서의 전도 전자의 경면 반사에 의한 것으로 생각할 수 있다.
또한, 도 8의 복수의 흑색 삼각형으로 나타낸 바와 같이, 종래의 자기 저항 효과막(20)은, 중간층(4)의 두께가 32Å으로부터 24Å까지 저감되면, 결합자계(Hin)가 0.5 ㎄/m로부터 5.3 ㎄/m까지 단조롭게 증대되었다. 이에 대하여 도 8의 복수의 흑색 원형으로 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)은, 중간층(4)의 두께가 30Å 내지 22Å 사이에서 결합 자계(Hin)는 -0.5 ㎄/m로부터 -1.5 ㎄/m의 사이에 머물러 마이너스의 값을 취하였다. 이 자기 저항 효과막(10)의 결합 자계(Hin)는 중간층(4)의 두께가 22Å으로부터 18Å까지 저감되면 단조롭게 증대되고, 20Å에서 플러스로 전환되어, 18Å에서는 6㎄/m를 초과하는 값으로 되었다.
이와 같이, 프리층(5) 상에 산화층(6)을 사이에 두고 구리 산화물층(7)이 형성된 것인 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)의 시료의 일부에서는 마이너스의 결합 자계(Hin)가 실현되었다. 또한, 이 자기 저항 효과막(10)에서는 결합 자계(Hin)의 크기를 작게 유지한 상태에서, 종래의 자기 저항 효과막(20)과 비교하여, 중간층(4)의 두께를 보다 작은 두께까지 감소시킬 수 있다.
<구리 산화물층의 두께 의존성>
이하, 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t, 보자력 Hc, 및 결합 자계(Hin)의 구리 산화물층(7)의 두께에 대한 변화의 측정 결과에 대해서 설명한다.
이들 측정은 도 3에 나타낸 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)의 6개의 시료를 포함하는 8개의 시료에 대하여 행하였다. 이들 8개 시료는 도 6에 나타낸 자기 저항 효과막 성막 장치(40)에 의해, 상기 중간층의 두께 의존의 측정에서 사용한 7개의 시료를 성막할 때, 각 쳄버 내에서의 기판, 타겟의 직경, 투입 전력, 분위기의 조건과 동일한 조건에서, 실시예에 설명하는 방법에 의해 성막되었다. 상세하게 설명하면, 이들 8개의 시료는 모두 기판 상에 프리층(5')까지 형성하고, 그 프리층(5') 상에 Cu층(7')을 형성하며, 그 Cu층(7') 상에 A12O3을 적층시킴으로써 그 Cu층(7')을 플라즈마 산화하여 구리 산화물층(7)을 형성하고, 프리층(5')을 그 Cu층(7') 측으로부터 산화시켜, 산화하지 않고 남은 프리층(5) 상에 산화층(6)을 형성한 것이다. 다만, 여기서 Cu층(7')의 두께는 각 시료마다 0Å 내지 35Å의 사이에서 상이하고, 이 Cu층(7')의 두께가 상기 구리 산화물층(7)의 두께로 된다. 또한, 프리층(5')의 두께는 35Å이고, Cu층(7')의 두께에 따라 프리층(5')에 산소가 들어가는 막 두께방향의 깊이가 상이하기 때문에, Cu층(7')의 두께에 따라 산화되지 않고 남은 프리층(5) 및 산화되어 이루어진 산화층(6)의 두께도 상이하다. 이와 같이, 이들 시료를 구성하는 구리 산화물층(7), 산화층(6), 및 프리층(5) 이외의 각층은, 시료에 관계없이 모두 본 실시예의 자기 저항 효과막(10)의 예시한 두께를 가져 예시한 재료로 이루어진다. 또한, 이들 8개의 시료 중에서 구리 산화물층(7)의 두께가 0Å인 것, 즉, 구리 산화물층(7)을 갖지 않는 시료에서는 상기 산화층(6)의 두께는 20Å이고, 구리 산화물층(7)의 두께가 25Å인 시료에서는 상기 산화층(6)의 두께는 5Å이었다. 또한, 구리 산화물층(7)의 두께가 35Å인 시료에서는 상기 산화층(6)의 두께는 0Å, 즉, 산화층(6)을 갖지 않는 도 4에 나타낸 자기 저항 효과막(10')과 같이, 프리층(5) 상에 직접적으로 구리 산화물층(7)이 형성된것으로 되어 있었다. 이들 산화층(6)의 두께는 시료를 깍으면서 XPS에 의해 깍인 면의 조성을 평가함으로써 실행되었다.
도 9는 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t에서의 구리 산화물층의 두께 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 자기 저항 효과막의 보자력 Hc에서의 구리 산화물층의 두께 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)에서의 구리 산화물층의 두께 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 9, 도 10, 도 11의 횡축은 모두 자기 저항 효과막의 Cu1-XOX로 이루어진 구리 산화물층(7)의 두께를 나타낸다. 도 9의 종축은 자기 저항 효과막의 저항 변화 Δρ/t를 나타내고, 도 10의 종축은 자기 저항 효과막의 저항 변화 보자력 Hc를 나타내며, 도 11의 종축은 자기 저항 효과막의 결합 자계(Hin)를 나타낸다. 이들 도면에는 상기 8개의 시료에 대한 측정 결과가 도면 중의 흑색 원형에 의해 표시되고, 이들 흑색 원형끼리는 가이드를 위해 실선으로 연결되어 있다.
먼저, 결합 자계(Hin)의 측정 결과에 주목한다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 결합 자계(Hin)는 구리 산화물층(7)의 두께가 0Å일 경우에, 2.9 ㎄/m로 크지만, 이 구리 산화물층(7)의 두께가 증대됨에 따라 단조롭게 감소하고, 구리 산화물층(7)의 두께가 10Å에서 0.8 ㎄/m, 15Å에서 -1.2㎄/m까지 감소했다. 그리고, 구리 산화물층(7)의 두께가 20Å 내지 35Å에서는 결합 자계(Hin)는 -0.5 ㎄/m 내지 0.3 ㎄/m의 범위 내에 머무르는 작은 값으로 되었다.
자기 저항 효과막의 자기 헤드에 대해서는 통상, 0.8 ㎄/m 이하의 결합 자계(Hin)가 요구되기 때문에, 이상의 결합 자계(Hin)의 측정 결과로부터, 구리 산화물층(7)의 두께는 10Å 이상이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 구리 산화물층(7)의 두께는 10Å 내지 35Å의 범위에 있으면 한층 더 바람직하다.
다음으로, 저항 변화 Δρ/t, 보자력 Hc, 및 결합 자계(Hin)의 측정 결과를 종합적으로 판단한다.
이들 도 9, 도 10, 도 11에 나타낸 바와 같이, 구리 산화물층(7)의 두께가 0Å이고, 산화층(6)의 두께가 20Å인 시료는 저항 변화 Δρ/t는 1.3Ω로 낮으며, 결합 자계(Hin)는 2.9 ㎄/m로 크기 때문에, 이 시료는 자기 저항 효과막으로서 그다지 바람직한 것은 아니었다. 또한, 이 경우에는 시료의 보자력 Hc는 3.5 ㎄/m로 되고 있었다.
시료의 구리 산화물층(7)의 두께가 0Å으로부터 10Å으로 증대된 경우에는 저항 변화 Δρ/t는 1.75Ω까지 상승하고, 결합 자계(Hin)는 0.8 ㎄/m까지 감소했기 때문에, 자기 저항 효과막으로서 바람직한 것으로 되었다.
시료의 구리 산화물층(7)의 두께가 15Å로 증대된 경우에는 저항 변화Δρ/t는 2Ω의 최고값을 취하고, 결합 자계(Hin)는 -1.2 ㎄/m까지 감소하여 최저값을 취하며, 보자력 Hc가 1.2 ㎄/m까지 감소한 것으로 되고 있어, 자기 저항 효과막으로서 바람직하다.
또한, 시료의 구리 산화물층(7)의 두께가 15Å으로부터 35Å까지 증대된 경우에는 결합 자계(Hin)가 -0.5 ㎄/m 내지 0.3 ㎄/m의 범위 내에 머무르는 양호한 값을 나타냈으나, 저항 변화 Δρ/t는 2.0Ω로부터 1.4Ω까지 감소했다. 이러한 저항 변화 Δρ/t의 감소는 35Å 부근에서의 산화층(6)의 박층화에 의한 것으로 생각할 수 있다.
여기서, 구리 산화물층(7)의 두께가 25Å 이하이면, 산화층(6)의 두께는 5Å 이상이고, 산화층(6)이 이와 같이 5Å 이상의 두께를 가질 경우에는 결합 자계(Hin)는 -1.2 ㎄/m까지 감소하고, 저항 변화 Δρ/t가 1.7 ㎄/m 이상으로 증대하며, 보자력 Hc가 2.2 ㎄/m 이하로 감소한다는 바람직한 성질을 나타냈다. 따라서, 산화층(6)의 두께는 5Å 이상인 것이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 산화층(6)의 두께를 증대시키면, 즉, 구리 산화물층(7)의 두께를 감소시키면, 그들 각 특성은 악화되나, 그와 같이 악화되는 원인은 산화층(6)의 두께 이외에 구리 산화물층(7)의 두께 감소 등에 있다고 생각할 수 있다.
시료의 구리 산화물층(7)의 두께가 35Å인 경우는 산화층(6)의 두께가 0Å이기 때문에, 이 시료는 본 실시형태의 자기 저항 효과막(10')의 하나로 된다. 이1.4Ω이라는 저항 변화 Δρ/t의 값은, 도 7에 나타낸 결과로부터, 이 시료에 대응하는 중간층(4)의 두께가 22Å으로 되는 종래의 자기 저항 효과막(20)에서 예상되는 저항 변화 Δρ/t의 값보다 크며, 이 시료의 -0.5 ㎄/m라는 결합 자계(Hin)의 값은, 도 8에 나타낸 중간층(4)의 두께가 22Å으로 되는 결합 자계(Hin)의 값보다 낮다. 이 결과로부터, 자기 저항 효과막(10')은 종래의 자기 저항 효과막(20)보다도 큰 저항 변화를 나타내고, 낮은 결합 자계(Hin)를 나타내는 것임을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 중간층의 두께의 저감에 따른 결합 자계의 증대가 억제된 자기 저항 효과막, 그러한 자기 저항 효과막을 구비한 자기 저항 효과형 헤드, 그러한 자기 저항 효과형 헤드를 구비한 정보 재생 장치, 및 그러한 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법이 제공된다.
Claims (14)
- 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막으로서, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막에 있어서,상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 상기 자유 자성층과의 사이에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리 산화물층이 10Å 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화층이 5Å 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리 산화물층 상에, 상기 구리 산화물층을 보호하는 보호층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 4 항에 있어서,상기 보호층이 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 5 항에 있어서,상기 보호층이 Al2O3으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 제 1 항에 있어서,상기 자유 자성층이 30Å 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막으로서, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막에 있어서,상기 중간층이 34Å 이하의 두께를 갖는 것으로서,상기 고정 자성층의 자화와 상기 자유 자성층의 자화를 서로 반대 방향으로 향하게 하는 결합 자계를 그들 자화의 사이에 작용시키는 결합층이, 상기 자유 자성층 상에 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막.
- 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 상기 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과형 헤드에 있어서,상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 상기 자유 자성층과의 사이에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과형 헤드.
- 자화의 방향에 의해 정보가 기록된 자기 기록 매체에 근접 또는 접촉하여 배치되어 상기 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향을 검출하는 자기 헤드를 구비하고, 상기 자기 헤드에 의해 검출된 상기 자기 기록 매체 각 점의 자화 방향에 따른 정보를 재생하는 정보 재생 장치에 있어서,상기 자기 헤드가,방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 구비하고, 상기 자기 저항 효과막의 저항 크기를 검지함으로써 상기 외부 자계의 강도를 검지하는 것으로서,상기 자유 자성층 상에 직접적으로, 또는 상기 자유 자성층과의 사이에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료가 산화된 재료로 이루어진 산화층을 끼워, 구리 원소를 포함하는 산화물로 이루어진 구리 산화물층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 정보 재생 장치.
- 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법에 있어서,상기 중간층을 적층시킨 후, 상기 중간층 상에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료로 이루어진 자유 자성 재료층을 적층시키는 자유 자성 재료층 적층 공정과,상기 자유 자성 재료층 적층 공정에서 적층된 자유 자성 재료층 상에 금속으로 이루어진 금속층을 적층시키는 금속층 적층 공정과,상기 금속층 적층 공정에 의해 적층된 금속층을 플라즈마 상태의 산소에 노출시킴으로써 상기 금속층을 산화시키는 플라즈마 산화 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 플라즈마 산화 공정이, 상기 금속층과, 상기 자유 자성 재료층의 상기 금속층 측의 일부를 산화시키는 공정인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 플라즈마 산화 공정이, 상기 금속층 상으로의 새로운 층의 적층과 동시에 실행되는 공정인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
- 방향이 고정된 자화를 갖는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층 상에 형성된 비자성 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, 외부 자계에 따라 방향이 변화하는 자화를 갖는 자유 자성층을 포함하는 다층막이며, 상기 고정 자성층의 자화 방향과 상기 자유 자성층의 자화 방향이 이루는 각도에 따른 저항의 크기를 나타내는 자기 저항 효과막을 제조하는 자기 저항 효과막 제조 방법에 있어서,상기 중간층 상에 상기 자유 자성층을 구성하는 재료로 이루어진 자유 자성 재료층을 적층시키는 자유 자성 재료층 적층 공정과,상기 자유 자성 재료층 적층 공정에서 적층된 자유 자성 재료층 상에 소정의 산화 제어층을 적층시키는 산화 제어층 적층 공정과,상기 산화 제어층 적층 공정에서 적층된 산화 제어층을 플라즈마 상태의 산소에 노출시킴으로써, 상기 산화 제어층을 통하여 상기 자유 자성 재료층이 상기 산화 제어층 측으로부터 두께방향으로 소정 깊이까지 산화되는 플라즈마 산화 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과막 제조 방법.
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