KR100631355B1

KR100631355B1 - 자기 센서, 자기 헤드, 하드 디스크 장치, 및 디스크 어레이 장치

Info

Publication number: KR100631355B1
Application number: KR1020007006051A
Authority: KR
Inventors: 사또마사시게; 기구찌히데유끼; 고바야시가즈오
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-10-09
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: US7199985B1; WO2000022612A1; CN1288558A; CN1259650C; CN1523574A; KR20010032759A; DE19982238T1; CN1160707C

Abstract

강자성 터널 접합을 갖는 자기 센서로서, 자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층(10)과, 자유층상에 형성되고, 제1 영역의 두께가 얇게 되어 있는 장벽층(11)을 갖고, 제1 영역에 대응하는 영역의 자유층이 외부 자계를 감지하는 센서부(13)로서 기능한다. 이에 따라서, 양호한 감도를 갖는 자기 센서, 자기 헤드 및 자기 인코더를 제공할 수 있다. 또, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있는 자기 헤드 및 그 자기 헤드를 사용한 기억 용량이 큰 하드 디스크 장치를 제공할 수 있다.

자기 센서, 강자성 터널 접합, 하드 디스크 장치

Description

자기 센서, 자기 헤드, 하드 디스크 장치, 및 디스크 어레이 장치{MAGNETIC SENSOR, MAGNETIC HEAD, HARD DISK DRIVE, AND DISK ARRAY DEVICE}

본 발명은 자기 센서, 자기 헤드, 하드 디스크 장치, 및 디스크 어레이 장치에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 강자성 터널 접합을 이용한 자기 센서, 자기 헤드, 하드 디스크 장치, 및 디스크 어레이 장치에 관한 것이다.

전자 소자 중에 터널 현상을 이용한 것이 있다. 이 터널 현상이란, 일반적으로, 포텐셜 장벽보다 작은 운동에너지를 가진 입자, 예를 들면 전자 등이 포텐셜 장벽을 통과하여 이동할 수 있는 현상을 말한다. 고전 역학에서는 설명이 불가능하지만, 양자 역학에서는 설명할 수 있는 특유한 현상이다. 입자의 파동 함수가 포텐셜 장벽의 내측을 감쇄하면서 장벽의 외측까지 진행하고, 외측에서도 파동 함수의 진폭이 제로가 아니면 진행파로서 진행하기 때문에, 장벽을 통과할 수 있다.

터널 현상의 예로서, α붕괴에 의해 원자핵으로부터 α입자가 방출되는 현상, 금속에 높은 전압을 인가하여 금속 표면에서 전자가 방출되는 현상(전계 방출), 반도체의 pn접합에 높은 역방향 바이어스를 걸면 공핍층(空乏層)을 전자가 관통하는 현상 등이 알려져 있다. 실용상, 매우 중요한 양자 역학적 효과이다.

전자 소자에서 이용되는 터널 현상으로서 전형적인 현상은 금속/절연체/금속 의 접합에서, 이 양측의 금속에 전압을 인가하면, 절연체가 충분히 얇을 때에 약간의 전류가 흐르는 현상이 있다. 이러한 현상은 통상, 절연체는 전류를 통과시키지 않지만, 절연체의 두께가 수 옹스트롱(Å)~수십 옹스트롱(Å)정도, 바람직하게는 수 Å~십수 Å정도로 매우 얇을 때에는 양자 역학적 효과에 의해서, 약간 전자가 이 절연체를 통과하는 확률을 갖기 때문에 발생하는 현상이다. 이 때의 전류를 터널 전류로 칭하고, 이러한 구조를 갖는 접합을 터널 접합이라 칭한다.

터널 접합을 실현하는 매우 얇은 절연층을 실현하기 위해서는, 통상, 금속층의 산화막을 절연 장벽으로서 이용하고 있다. 예를 들면, 알루미늄의 표면층을 자연 산화, 플라즈마 산화, 열산화 등의 적당한 산화 처리법으로 산화시켜 형성한다. 산화막의 막 두께의 제어는 사용된 산화 처리에 따라 산화 조건을 조절함으로써, 수 옹스트롱(Å)~수십 Å정도의 소망하는 막 두께의 산화막으로 할 수 있다. 이와 같이 형성된 산화 알루미늄은 매우 얇은 절연체이기 때문에, 터널 접합에서의 장벽층으로서 기능한다.

상술한 금속/산화막/금속의 터널 접합의 양측의 금속간에 전압을 인가하면, 인가 전압에 대한 전류는 통상의 저항체가 나타내는 선형성과 달리, 비선형성을 나타내는 특징이 있다. 따라서, 이러한 터널 접합을 갖는 전자 소자는 비선형의 소자로서 이용되고 있다.

다음에, 이 금속/산화막/ 금속의 구조에서, 산화막의 양측의 금속을 강자성 금속으로 치환한 구조 강자성 금속/산화막/강자성 금속은 강자성 터널 접합 이라고 불리고 있다. 강자성 터널 접합에서는 터널 확률(터널 저항)은 양측의 자성층의 자화 상태에 의존함이 알려져 있다. 환언하면, 터널 저항은 자장에 의해 양측의 자성층의 자화 상태를 변경함으로써 제어할 수 있다. 양측의 자성층의 자화 방향의 상대 각도를 θ라 했을 때, 터널 저항(R)은 다음식으로 표시할 수 있다.

R=Rs+0.5ΔR(1-cosθ) ------(1)

여기서, Rs는 포화 자장을 인가했을 때의 터널 저항을 나타내고, 이 때 양측 2개의 자화 방향은 자장 인가 방향을 향하고 있다. 또, ΔR은 터널 저항의 변화분을 나타낸다.

식(1)의 의미하는 바는 포화 자장 중에서 2개의 자성층의 자화를 같은 방향으로 했을 때, 자화 방향의 상대 각도는 θ=O°(cosθ=1)이 되고, 터널 저항은 R=Rs가 된다. 이에 비하여, 포화 자장 중에서 2개의 자성층의 자화를 반대 방향으로 했을 때, 자화 방향의 상대 각도는 θ=180°(cosθ=-1)이 되고, 터널 저항은 R=Rs + ΔR가 된다. 무자장 중에서는 후술하는 바와 같이 2개의 자성층 중, 한쪽 자성층은 고정측 자성층으로서 자화 방향이 고정되어 있고, 다른 쪽의 자성층은 자유측 자성층으로서 그 자계 방향은 고정측 자성층의 자화 방향에 대하여 직교하도록 약하게 자구(磁區) 제어되어 있다. 이 때, 2개의 자성층의 자화 방향의 상대 각도는 θ=90°(cosθ=0)이 되고, 터널 저항은 R=Rs+0.5ΔR가 된다.

즉, 양자성층의 자화 방향이 일치되었을 때(θ=0°), 터널 저항은 R=Rs의 최소치가 되고, 양자성층의 자화 방향이 반대시(θ=180°), 터널 저항은 R0=Rs + ΔR의 최대치가 된다. 따라서, 무자장시 양자성층의 자화 방향이 상대적으로 θ=90°가 되도록 설정하면, 저항치는 θ=90°의 경우를 중심으로하여, 선형으로 변화하 고, 이에 따라 선형의 출력이 얻어진다.

이러한 현상은 강자성체 내부의 전자가 분극되어 있는 것에 기인한다. 통상, 물질 중의 전자는 스핀 상태가 상향인 전자(up 전자)와 스핀 상태가 하향인 전자(down 전자)가 존재한다. 비자성 금속의 내부에는 up 전자와 down 전자가 동일한 수로 존재하기 때문에, 비자성 금속 전체로서 자성을 나타내지 않는다. 그러나, 자성 금속의 내부에는 up 전자수(Nup)와 down 전자수(Ndown)가 다르기 때문에, 자성 금속 전체로서 그 전자수가 많은 쪽의 자성(즉, up 자성 또는 down 자성)을 나타내게 된다.

전자가 양측의 자성층 중 어느 하나로부터 얇은 산화막을 통해 다른 쪽의 자성층으로 터널할 때, 이들 전자는 각각의 스핀 상태를 유지한 채로 터널함이 알려져 있다. 따라서, 터널 앞의 자성층의 전자 상태에 빈곳이 있으면, 터널은 가능하지만, 터널 앞의 자성층의 전자 상태에 빈곳이 없으면, 터널할 수 없다. 터널 저항의 변화율(ΔR/Rs)은 다음식과 같이, 전자원이 되는 자성층(원 터널)의 분극율(편자율이라고도 함)과 터널 앞의 분극율의 곱을 사용하여 표시된다.

ΔR/Rs= 2 ×P1 ×P2/(1-P1×P2) ----(2)

여기서, P1:한쪽 자성층의 분극율

P2:다른 쪽 자성층의 분극율

또한, 자성층의 분극율(P)은 다음식으로 표시된다.

P=2·(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown) ----(3)

여기서, Nup: 자성 금속 내부의 up 전자수

Ndown: 자성층 내부의 down 전자수

자성층의 분극율(P)은 강자성층 금속의 종류에 의존하지만, 종류에 따라서는 50% 근사값을 갖는 것도 있고, 이 경우 이론적으로는 터널 저항의 변화율(ΔR/Rs)은 수십%의 저항 변화율을 기대할 수 있게 된다.

종래 알려져 있는 자기 저항 효과(MR)로서, 이방성 자기 저항 효과(AMR)에서는 저항 변화율은 0.6% 정도이고, 또 거대 자기 저항 효과(GMR)에서는 저항 변화율은 수%~십수%이다. 따라서, 터널 저항의 변화율은 이들 AMR이나 GMR과 비교하여 현격하게 커서, 자기 헤드, 자기 센서 등으로의 응용이 기대된다.

자기 헤드로서, GMR를 이용한 전형예로서 스핀 밸브 구조가 알려져 있다. 본 출원인은 이 스핀 밸브 구조에 상술한 강자성 터널 접합을 응용한 TMR(tunnel-MR)헤드를 이미 제안하고 있다.

이 스핀 밸브 구조는 2개의 자성층 사이에 자성 금속층을 개재시키고, 한쪽 자성층의 자화 방향만을 고정하기 때문에, 그 자성층의 위를 반강자성층(反强磁性層)으로 덮는 구조를 채용한다. 또, 강자성 터널 접합으로서, 상술한 바와 같이, 2개의 강자성층 사이에 얇은 산화막을 개재시키는 구조를 채택한다.

도1a는 강자성 터널 구조를 설명하는 단면도이다. 강자성 터널 접합을 갖는 스핀 밸브 구조는 전형적으로는 예를 들면 도1a에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(1) 위에 형성된 하부 전극(2)과, 하부 전극 위에 형성된 자유측 자성층(3)과, 자유측 자성층 위에 형성된 제1 자성 금속층(4)과, 제1 자성 금속층 위에 형성된 절연층(5)과, 절연층 위에 형성된 제2 자성 금속층(6)과, 제2 자성 금속층 위에 형성된 고정측 자성층(7)과, 고정측 자성층 위에 형성된 반강자성층(8)과, 반강자성층(8) 위에 형성된 상부 전극(9)을 갖고 있다.

하부 전극(2), 자유측 자성층(3) 및 제1 자성 금속층(4)에 의해서, 하부층(10)이 구성되고, 제2 자성 금속층(6), 고정측 자성층(7), 반강자성층(8) 및 상부 전극(9)에 의해서, 상부층(12)이 구성된다. 하부층(10)과 상부층(12) 사이는 절연층(5)으로 되는 장벽층(11)이 개재 배치되어 분리되어 있다.

이 스핀 밸브 구조의 각 요소는 예를 들면, 다음과 같다. 기판(1)은 실리콘으로 된다. 하부 전극(2) 및 상부 전극(9)은 각각 Ta막으로 되고, 막 두께는 50nm정도이다. 자유측 자성층(3) 및 고정측 자성층(7)은 각각 NiFe막으로 되고, 막 두께는17nm정도이다. 제1 및 제2 자성 금속층(4,6)은 각각 Co막으로 되고, 막 두께는 3.3nm정도이다. 절연층(5)은 Al-Al₂O₃막으로 되고, 막 두께는 1.3nm정도이다. 반강자성층(8)은 FeMn막으로 되고, 막 두께는 45nm정도이다.

최초의 NiFe막은 2개의 강자성층 중의 한쪽이고, 자화 방향이 고정되어 있지 않으므로 자유측 자성층(프리층)(3)이라 칭한다. 양 Co막(4,6) 사이에 끼워진 Al-AlO막은 강자성 터널 접합을 형성하는 얇은 산화 알루미늄막(AlO막)으로 되는 장벽층(11)을 제공하는 것이다. 2번째의 NiFe막은 다른 쪽의 강자성층이고, 자화 방향이 고정되어 있기 때문에 고정측 자성층(핀층)(7)이라 칭한다. 제1 자성 금속층(4)은 자유측 자성층(3)과 동일하게 기능하고, 제2 자성 금속층(6)은 고정측 자성층(7)과 동일하게 기능한다. FeMn막은 고정측 자성층(7)과 교환 결합하여 고정측 자성층의 자화 방향을 고정하기 위한 것으로, 반강자성층(피닝층)(8)이라 호칭된다.

이러한 자유측 자성층/절연층/고정측 자성층/반강자성층의 구조에서는 외부로부터 자장(예를 들면, 기록 매체로부터의 신호 자계)을 인가하면, 자유측 자성층(3)과 제1 자성 금속층(4)만이 자화 회전한다. 이 결과, 주로, 제1 자성 금속층(4)의 자화 방향과 제2 자성 금속층(6)의 자화 방향의 상대 각도(θ)가 변화되기 때문에, 강자성 터널 접합의 저항 변화를 나타낸다. 즉, 이 TMR(tunnel MR)는 자장에 의존하여, 식(1)에 나타낸 바와 같이 터널 저항이 변화한다.

도1b는 도1a에 나타내는 강자성 터널 구조를 이용한 자기 센서의 저항 변화의 측정을 설명하는 모식도이다. 상부층(12)과 하부층(10) 사이에 전류원(39)이 접속되어, 일정 전류가 흘려진다. 마찬가지로, 상부층(12)과 하부층(10) 사이에 전압 검출기(40)가 접속되어, 양층간의 전압 변화가 검출된다. 외부로부터 자장(예를 들면, 신호 자계)을 인가하면, 도1a에 나타내는 강자성 터널 구조의 터널 저항이 변화하고, 이것이 전압 검출기(40)에 의해서 전압의 변화로서 검출된다.

도2는 이러한 스핀 밸브 구조를 이용한 터널 구조의 자기 저항 효과 곡선을 나타내고 있다. 도2에 의하면, 외부 자계가 -50에르스텟(Oe)->-10(Oe)-> 0(Oe)->+10(Oe) ->+50(Oe)로 변화함에 따라서, 약 0.0%->약 0.0%->약 10.0%->약 20.0%->약 20.0%의 가역적인 저항 변화율을 나타낸다. 도2와 같은 스핀 밸브 구조를 갖는 터널 구조는 외부 자계가 -10 ~ +10(Oe) 범위에서, 약 0~20%의 대략 직선적인 저항 변화율을 나타냄이 판명되었다. 또, -30 ~ +30(Oe)범위에서, 약 0%~20%의 저항 변화율을 나타낸다. 또, 이것을 논리 0, 1의 데이터로 변환 처리함으로써, 디지탈 논리 회로에도 이용할 수 있다.

그러나, 스핀 밸브 구조를 갖는 터널 구조를 자기 헤드, 자기 인코더 등의 자기 센서에 응용한 경우, 소자 높이(h)가 극단적으로 짧으면, 소자의 가장자리부근에서 자화의 회전이 곤란해지는 경우가 있다. 즉, 자기 센서의 소자 높이를 낮게 하면, 가장자리 부분의 영향이 커져, 자화의 회전이 곤란해지고, 그 결과, 자기 센서의 감도가 감소되는 문제가 있다.

실제로 사용되는 소자 치수가 수㎛ ×수㎛의 오더에서는 소자 높이(h)가 감소되었을 때, 고정측 자성층에서 자유측 자성층에 대한 정자기적인 결합이 상대적으로 강하게 되고, 자유측 자성층의 자화 방향은 고정측 자성층의 자화 방향에 대하여 반평행 상태가 되기 쉬워, 자화 방향의 용이한 자화 방향의 회전이 곤란해진다. 이 결과, 자기 저항 효과 소자의 감도가 감소하게 된다.

한편, 하드 디스크 장치는 데이터를 판독 기입하는 스피드가 빠르고, 기억 용량도 크기 때문에, 널리 전자 기기에 사용되고 있다.

최근의 하드 디스크 장치의 기억 용량의 증대는 눈부시지만, 정보화 사회의 진전에 수반해서, 더욱더 기억 용량의 증대가 요구되고 있다.

하드 디스크 장치의 기억 용량의 증대를 실현하기 위해서는 자기 기록 매체, 즉 자기 디스크의 기록 밀도를 높게 하는 것이 불가결한 과제이다.

자기 기록 매체의 기록 밀도의 증대에 의해서, 자기 기록 매체의 기록 비트의 크기도 작아지기 때문에, 이것에 대응하기 위하여 자기 헤드를 미세화 할 필요 가 있고, 또, 검출 감도를 높일 필요가 있다.

최근, 검출 감도의 높은 자기 헤드로서, GMR(Giant Magneto-Resistance effect)헤드가 제안되고 있다.

GMR 헤드는 자성층/비자성층/자성층의 구조를 갖는 적층막에 외부로부터 자계를 가하면, 2개의 자성층의 자화 각도의 차에 의해 적층막의 전기 저항이 변화되는 현상, 즉 GMR 효과를 이용한 자기 헤드이다.

GMR 효과에 대해서, 도3을 이용하여 설명한다. 도3은 GMR 효과를 나타내는 개념도이다.

도3에 나타내는 바와 같이, GMR 효과를 주는 적층막(310)은 자성층(314)과 자성층(318) 사이에 비자성층(316)이 사이에 끼워진 구조로 되어 있다. θ₁은 자성층(314)의 자화 각도를 나타내고, θ₂는 자성층(318)의 자화 각도를 나타낸다. 자성층(314)은 자화 벡터(M_l)로 자화되어 있고, 자성층(318)은 자화 벡터(M₂)로 자화되어 있다.

도3에 나타내는 바와 같은 적층막(310)에 외부로부터 자계를 가하면, 자성층(314)의 자화 각도는 예를 들면 θ₁이 되고, 자성층(318)의 자화 각도는 예를 들면 θ₂가 된다.

자화 각도(θ₁)와 자화 각도(θ₂)의 차를 θ라 하면, θ는

θ= θ₂ - θ₁

이 되고, 외부로부터 자계를 가하고 있지 않은 상태의 적층막(310)의 전기 저항을 Rs라 하면, 외부로부터 자계를 가했을 때의 전기 저항(R)은

R = Rs + 0.5 ×ΔR(1 - cosΔθ)

로 표시된다.

또한, ΔR은 적층막(310)의 재료에 따라 다른 정수이다. 또,

ΔR/Rs ×100(%)

로 정의되는 값은 MR비라고 불리우며, 자성층(314)에 예를 들면 Co층, 비자성층(316)에 예를 들면 Cu층, 자성층(318)에 예를 들면 Co층을 사용한 경우에는 MR비는 5~10% 정도가 된다.

이러한 GMR 효과를 주는 적층막을 자기 헤드에 사용하는 경우에는 일반적으로, 스핀 밸브라는 구조가 채용되고 있다. 또한, 스핀 밸브 구조는 특개평4-358310호 공보에 의해 공개되어 있다.

스핀 밸브 구조에 대해서, 도4를 사용하여 설명한다. 도4는 스핀 밸브 구조의 적층막을 나타내는 단면도이다.

도4에 나타내는 바와 같이, 스핀 밸브 구조의 적층막(410)은 자성층(414), 비자성층(416), 자성층(418) 및 반강자성층(420)에 의해 구성되어 있다.

단지 자성층(414), 비자성층(416) 및 자성층(418)의 3층 구조의 적층막에서는 외부로부터의 자계에 의해 자성층(414)의 자화 방향과 자성층(418)의 자화 방향이 거의 일치하여, 자성층(414)의 자화 각도와 자성층(418)의 자화 각도의 차는 아주 작다.

그래서, 스핀 밸브 구조의 적층막(410)에서는 자성층(418)상에 반강자성층(420)이 형성되어 있다. 이 반강자성층(420)에 의해서, 반강자성층(420)에 접한 자성층(418)의 자화 방향이 고정되게 된다. 그리고, 외부로부터 자계에 따라, 자성층(414)의 자화 방향만이 자유롭게 회전한다. 자성층(418)은 자화 방향이 고정되어 있으므로 고정층이라고 불리우며, 자성층(414)은 자화 방향이 자유롭게 회전하므로 자유층이라고 불리운다.

자성층(418)의 자화 방향은 일정하게 고정되고, 자성층(414)의 자화 방향은 외부로부터의 자계에 의해 자유롭게 회전하므로, 외부로부터의 자계에 따라 적층막(410)의 전기 저항(R)이 변화하게 된다.

다음에, 스핀 밸브 구조를 사용한 자기 헤드의 동작 원리에 대해서 도5를 사용하여 설명한다. 도5은 스핀 밸브 구조를 사용한 자기 헤드의 동작 원리를 나타내는 사시도이다.

도5에 나타내는 바와 같이, 자유층(414), 비자성층(416), 고정층(418) 및 반강자성층(420)으로 되는 스핀 밸브 구조의 적층막(410)이 코어(400)로서 사용되고 있고, 코어(400)의 양측에는 단자(402)가 형성되어 있다.

자기 기록 매체의 기록 비트(332)로부터의 자계(404)에 따라 자유층(414)의 자화 각도(θ₁)는 자유롭게 변화하지만, 고정층(418)의 자화 각도(θ₂)는 고정된 대로 된다. 이에 따라서, 자유층(414)의 자화 각도(θ₁)와 고정층의 자화 각도(θ₂)의 차인 θ을 크게 할 수 있으므로, 기록 비트(332)가 근접한 경우의 코어(400)의 전기 저항(R)의 변화를 크게 할 수 있다.

그렇지만, 자기 기록 매체의 기록 밀도가 더욱 높아져 가면, 트랙폭(d₁)도 그것에 따라 좁게 되고, 그 트랙폭(d₁)에 대응하기 위하여 자기 헤드의 코어폭(d₂)을 좁게 하지 않으면 안 된다. 그 때에 단순히 코어폭(d₂)을 좁게 하면, 코어(400)의 전기 저항이 작게 되어, 검출 감도가 낮아진다. 따라서, 코어폭(d₂)을 좁게 하는 경우에는 코어(400)의 높이(h)도 낮게 하지 않으면 안 된다.

그러나, 코어(400)의 높이(h)를 작게 하면, 도6에 나타내는 바와 같이 코어(400)의 신호 검출면(430)측과 코어(400)의 상부에서, 반자계의 영향에 의해 자화 방향이 변화하기 어렵게 되기 때문에, 코어(400)의 전기 저항의 변화가 작아진다. 도6은 코어의 높이(h)를 예를 들면 5㎛로 한 경우의 자유층(414)의 자화 방향을 화살 표시로 나타낸 것이다. 타원으로 둘러싸여 있는 영역은 자유층(414)의 자화 각도(θ₁)가 일정 각도 이상이 되는 영역이다. 도6에 나타내는 바와 같이 자유층(414)의 자화 각도(θ₁)가 일정 이상이 되는 영역은 작고, 또한 자화 각도(θ₁)는 작다.

이와 같이, 제안되어 있는 스핀 밸브 구조의 자기 헤드에서는 소형화하면 검출 감도가 극히 낮아지기 때문에, 더욱더 자기 기록 매체의 고밀도화에 대응하는 것은 곤란했다.

따라서, 상술한 문제점을 감안하여, 본 발명은 신규한 자기 센서, 자기 헤드 및 인코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 터널 접합을 갖고, 자유측 자성층의 자화의 회전을 충분히 확보하여, 양호한 감도를 갖는 자기 센서, 자기 헤드 및 인코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자기 기록 매체의 고밀도화에 대응할 수 있는 자기 헤드 및 그 자기 헤드를 사용한 기억 용량이 큰 하드 디스크 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

상기 목적은 강자성 터널 접합을 갖는 자기 센서로서, 자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과, 상기 자유층상에 형성되고, 제1 영역의 두께가 얇게 되어 있는 장벽층을 갖고, 상기 제1 영역에 대응하는 영역의 자유층이 외부 자계를 감지하는 센서부로서 기능하는 것을 특징으로 하는 자기 센서에 의해 달성된다. 이에 의해서, 제1 영역에 대응하는 영역에서 자유층의 자화의 회전을 충분히 확보할 수 있으므로, 양호한 감도를 갖는 자기 센서를 제공할 수 있다.

또, 상기의 자기 센서에 있어서, 상기 장벽층은 금속의 표면을 산화함으로써 형성되어도 좋다. 또, 상기의 자기 센서에 있어서, 상기 장벽층상에 형성된 고정층과, 상기 고정층상에 형성되고, 상기 고정층의 자화 방향을 고정하는 반강자성층을 더 갖고 있어도 좋다.

또, 상기의 자기 센서에 있어서, 위쪽에 상기 고정층이 형성되어 있지 않은 영역의 상기 자유층이 상기 고정층으로부터 멀어지도록 구불어져 있어도 좋다.

또, 상기 목적은 상기의 자기 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드에 의해 달성된다. 이에 의해서, 양호한 감도를 갖는 자기 헤드를 제공할 수 있다.

또, 상기 목적은 상기의 자기 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 인코더에 의해 달성된다. 이에 의해서, 양호한 감도를 갖는 자기 인코더를 제공할 수 있다.

또, 상기 목적은 자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과, 장벽층을 통하여 상기 자유층의 한쪽 면에 대향하고, 인접하는 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층을 갖는 강자성 터널 접합 소자를 갖고, 상기 자유층이 높은 투자율을 갖는 부재에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드에 의해 달성된다. 이것에 의해서, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있는 자기 헤드를 제공할 수 있다.

또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 자유층은 신호 검출면으로부터 사이가 떨어진 영역에 상기 높은 투자율(透磁率)을 갖는 부재에 접속되어도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 자유층은 상기 높은 투자율을 갖는 부재에 완만하게 근접하면서 접속되어 있어도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 높은 투자율을 갖는 부재는 상기 강자성 터널 접합 소자로부터 이간(離間)하여 형성된 실드층이어도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 고정층의 가장자리 근방의 상기 장벽층의 두께는 상기 고정층 중앙부 근방의 상기 장벽층의 두께보다 두꺼워도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 자유층은 신호 검출면으로부터 사이가 떨어진 영역에서 폭이 넓게 형성되어도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 고정층은 상기 신호 검출면에 노출되어 있지 않아도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 높은 투자율을 갖는 부재는 어스(earth)에 접속되어 있어도 좋다. 또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 고정층과 대향하고 있지 않은 영역의 상기 자유층은 상기 고정층으로부터 멀어지도록 구불어져 있어도 좋다.

또, 상기의 자기 헤드에 있어서, 상기 강자성 터널 접합 소자는 상기 자유층의 다른 쪽의 면측에 형성된 다른 장벽층을 통하여 상기 자유층에 대향하고, 인접하는 다른 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 다른 고정층을 더 갖고 있어도 좋다.

또, 상기 목적은 상기의 자기 헤드를 갖는 것을 특징으로 하는 하드 디스크 장치에 의해 달성된다. 이에 따라서, 기록 용량이 큰 하드 디스크 장치를 제공할 수 있다.

또, 상기 목적은 상기의 하드 디스크 장치를 복수개 갖는 것을 특징으로 하는 디스크 어레이 장치에 의해 달성된다. 이에 의해서, 기억 용량이 큰 디스크 어레이 장치를 제공할 수 있다.

도1은 강자성 터널 구조를 설명하는 도면이다. 여기서, 도1a는 강자성 터널 구조를 갖는 층구성을 나타내고, 도1b는 도1a의 강자성 터널 구조의 저항 변화의 측정을 설명하는 모식도이다.

도2는 도1의 터널 접합의 자계-저항 특성을 나타내는 그래프이다.

도3은 GMR 효과를 나타내는 개념도이다.

도4는 스핀 밸브 구조의 적층막을 나타내는 단면도이다.

도5는 스핀 밸브 구조를 사용한 자기 헤드의 동작 원리를 나타내는 사시도이다.

도6은 기록 비트가 근접한 경우의 자유층의 자화 방향을 가리키는 모식도이다.

도7은 스핀 밸브 구조에 터널 접합을 조립하여 넣은 스핀 밸브 소자의 구성을 설명하는 도면이다. 여기서, 도7a는 본 실시예에 관한 스핀 밸브 소자를 나타내고, 도7b는 비교예로서 앞서 제안한 스핀 밸브 소자를 나타낸다.

도8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 자기 센서의 구성을 나타내는 도면이다.

도9는 도8의 자기 센서의 제1 제조 방법을 설명하는 도면(그 1)이다.

도10은 도8의 자기 센서의 제1 제조 방법을 설명하는 도면(그 2)이다.

도11은 도8의 자기 센서의 제2 제조 방법을 설명하는 도면(그 1)이다.

도12는 도8의 자기 센서의 제2 제조 방법을 설명하는 도면(그 2)이다.

도13a는 자기 센서를 나타내는 도면이고, 도13b는 자기 센서의 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도13c는 자기 센서 제조시에 사용되는 마스크를 설명하는 도면이다.

도14a는 자기 센서의 출력 특성을 나타내는 도면이고, 도14b는 자기 센서의 동작 원리를 설명하는 도면이다.

도15a는 자기 센서의 동작 원리를 설명할 때에 사용되는 등가 회로이고, 도15b는 자기 센서의 출력 특성을 나타내는 도면이다.

도16a는 실제의 자기 인코더를 나타내는 도면이고, 도16b는 자기 인코더의 자기 센서의 확대도이다.

도17은 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다.

도18은 기록 비트가 근접한 경우의 자유층의 자화 방향을 가리키는 모식도이다.

도19는 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 1)를 나타내는 단면도이다.

도20은 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 2)를 나타내는 단면도이다.

도21은 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 3)를 나타내는 단면도이다.

도22는 본 발명의 제3 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다.

도23은 본 발명의 제4 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 측면도이다.

도24는 본 발명의 제5 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 평면도이다.

도25는 본 발명의 제5 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예를 나타내는 평면도이다.

(제1 실시예)

이하, 본 발명의 제1 실시예에 관한 자기 센서 및 그 제조 방법의 실시예에 관하여, 첨부의 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중, 같은 요소 에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 중복 기재를 생략한다.

(자기 센서)

여기서는 자기 센서의 전형예로서, 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서를 예를 들어 설명한다. 도7a는 본 실시예에 관한 스핀 밸브 구조를 갖는 터널 접합을 채용한 자기 센서의 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 도7b에, 비교예로서 앞서 제안한 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서의 구조를 나타낸다.

도7a에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 자기 센서는 하부 자극(2)과 상부 자극(9) 사이에, 스핀 밸브 구조를 갖는 터널 접합을 개재 배치하고 있다. 이 스핀 밸브 구조는 하부층(10)과 상부층(12) 사이에 장벽층(11)을 개재 배치한 층구성을 갖는다.

후에 도8에 관련하여 상세하게 설명하지만, 이 스핀 밸브 구조는 대체로, 하부층(10)으로서, 적어도, 자유측 자성층과 제1 자성 금속층을 갖고, 또, 상부층(12)으로서, 적어도, 제2 자성 금속층과 고정측 자성층과 반자성층을 갖고 있다. 이들 2개의 자성 금속층의 중간부에는 장벽층(11)으로서, 얇은 절연층이 개재 배치되어 있다. 도8에 나타내는 바와 같이, 스핀 밸브 구조의 중앙 부근의 영역에, 센서부(13)가 형성되어 있다.

외부 자계로서, 자기 디스크와 같은 기록 매체로부터의 신호 자계(Hsig)가 도면에서 보아 아래쪽으로부터 인가되어, 자유측 자성층의 자화를 회전시킨다.

본 실시예에 관한 자기 센서의 특징의 하나는 도7a에 나타내는 바와 같이, 신호 자계에 대한 센서부(13)가 스핀 밸브 구조를 갖는 터널 접합의 거의 중앙부의 일부 영역(자성층부의 일부 영역 L×hs)에 한정되어 있는 것이다.

그리고, 후술하는 바와 같이, 이 센서부(13)의 영역의 사이즈는 도7b에 관련하여 설명하는 자기 센서의 자성층의 영역 사이즈(h×L)와 대략 동일하게 되어 있다. 따라서, 본 실시예에 관한 자기 센서는 자성층이 센서부(13)를 일부에 갖고 있으므로, 자성층의 사이즈는 도7b의 종래의 자기 헤드의 자성층과 비교하여, 상대적으로 크게 되어 있다.

이에 비하여, 도7b에 나타내는 앞서 제안한 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서의 구조는 하부 자극(20)과 상부 자극(90) 사이에, 스핀 밸브 구조를 개재 배치하고 있다. 이 종래의 스핀 밸브 구조의 층구성에 관해서는 도7a에 나타내는 스핀 밸브 구조의 그것과 같고, 하부층(100)과 상부층(120) 사이에 장벽층(110)을 개재 배치한 층구성을 갖는다. 하부층(100) 및 상부층(120)은 도7a에서 설명한 것과 같은 층구성을 갖는다.

마찬가지로, 외부 자계로서, 자기 디스크 같은 기록 매체로부터의 신호 자계(Hsig)는 도면에서 보아 아래쪽으로부터 인가되어, 자유측 자성층의 자화를 회전시킨다. 종래의 스핀 밸브 구조를 갖는 자기 센서에서는 신호 자계(Hsig)에 대한 센서부(130)는 2개의 절연층(150-1,150-2)으로 끼워진 부분(자성층부 전체, 즉 h ×L)으로 되어 있다.

도7a의 본 실시예에 관한 자기 센서와 도7b의 앞서 제안한 자기 센서를 비교하면, 양자의 센서부(13,130)의 사이즈는 거의 같지만, 전자(본 실시예)의 센서부(13)는 자성층부의 일부 영역에 한정되어 있음에 비하여, 후자(비교예)의 센 서부(130)는 자성층부 전체로 되어 있는 점에서 다르다.

본 실시예에 관한 자기 센서(13)는 도7a에 나타내는 바와 같은 구조를 채택함으로써, 센서부(13)를 자성층의 범위내의 임의의 장소에 설정할 수 있다. 여기서는 센서부(13)를 자유측 자성층(하부층(10)의 한 층)의 자화가 가장 회전하기 쉬운 자성층의 대략 중앙부 부근에 설정하는 것이 바람직하다. 혹은 센서부(13)는 상기 자성층의 측정 신호 자계에 가능한 한 가까운 개소에 형성할 수 있다. 혹은 센서부(13)는 자성층의 자화 방향이 용이하게 회전할 수 있는 개소에 형성할 수 있다.

본 실시예에 관한 자기 센서에서는 센서부(13)가 자성층의 대략 중앙부의 일부분으로 되어 있기 때문에, 센서부(13) 각각의 자구의 자화 회전은 자성층의 소자 높이(h) 방향의 치수의 영향을 받지 않고 자유롭게 회전할 수 있다. 즉, 센서부(13)의 높이(hs)가 자성층의 높이(h)의 일부로 되어 있기 때문에, 센서부(13)의 가장자리 부근에서도 외부 신호 자계(Hsig)에 대응하여 자구가 자유롭게 회전할 수 있다. 또, 자성층이 센서부 사이즈에 관계없이 크게 되어 있기 때문에, 소자 형상에 의한 반자계 등의 영향을 감소할 수 있다.

이에 비하여, 앞서 제안한 자기 센서(도7b 참조)에서는 자유측 자성층의 전영역이 센서부(130)로 되어 있기 때문에, 자성층의 높이 방향의 치수(h(=hs))의 영향을 받아, 센서부(130) 각각의 자구의 자화 회전이 어렵게 되어 있다.

도8은 도7a에 나타내는 본 실시예의 자기 센서의 상세한 단면도이다. 이 자기 센서의 층구성은 기판(1)과, 이 기판 위에 형성된 하부층(10)과, 이 하부층의 위에 형성된 장벽층(11)과, 이 장벽층 위에 형성된 상부층(12)을 구비하고 있다.

하부층(10)은 하부전극(2)과, 자유측 자성층(하부층, 프리층(3))과, 이 자유측 자성층 위에 형성된 제1 자성 금속층(4)을 갖고 있다. 장벽층(11)은 절연층(5)을 갖는다. 상부층(12)은 이 절연층 위에 형성된 제2 자성 금속층(6)과, 이 제2 자성 금속층 위에 형성된 고정측 자성층(7)과, 이 고정측 자성층 위에 형성된 반강자성층(8)과, 이 반강자성층 위에 형성된 상부 전극(9)을 갖고 있다.

절연층(5)은 그 중앙부의 일부에 다른 부분과 비교하여 상대적으로 막 두께가 얇게 형성된 영역을 갖는다. 그 때문에, 절연층(5)의 윗쪽에 형성된 제2 자성 금속층(6)의 표면은 평탄하지만, 절연층(5)의 막 두께가 얇은 중앙부에 대응하는 제2 자성 금속층(6)의 중앙 부분은 다른 부분과 비교하여 두께를 늘려서 하향으로 볼록하게 되어 있다. 절연층(5)에 형성된 오목은 수 옹스트롱 정도가 된다. 이 중앙부의 오목부(오목 영역)(16)에 대응하는 영역이 도7a에 관련하여 설명한 바와 같이, 센서 부분(13)을 형성하고 있다.

이 자기 센서의 각요소에 대해서 설명한다.

기판(1)은 바람직하게는 자연 산화막이 형성된 Si 기판으로 된다.

하부 전극(2)은 바람직하게는 막 두께 약50nm의 Ta막으로 된다.

자유측 자성층(3)은 바람직하게는 막 두께 약17nm의 NiFe막으로 된다.

제1 자성 금속층(4)은 바람직하게는 막 두께 약3.3nm의 Co막으로 된다.

절연층(5)은 막 두께 수 옹스트롱(Å) ~ 수십 Å 정도의 산화Al막으로 되고, 본 실시예에서는 오목 부분(16)에서는 막 두께 약 1.3nm, 기타의 부분에서는 막 두 께 약3.3nm의 산화 알루미늄 피막으로 된다.

제2 자성 금속층(6)은 제1 자성 금속층(4)과 마찬가지로, 바람직하게는 막 두께 약3.3nm의 Co막으로 된다. 제1 및 제2 자성 금속층(4,6)은 Co막의 분극율이 인접되는 NiFe막(자유측 자성층(3) 또는 고정측 자성층(7))의 분극율보다 높기 때문에, 자유측 자성층(3) 또는 고정측 자성층(7)에 Co막을 중첩함으로써 높은 MR비를 달성하기 위해서 설치되어 있다.

고정측 자성층(7)은 바람직하게는 자유측 자성층(3)과 마찬가지로, 막 두께 약17nm의 NiFe막으로 된다.

반강자성층(8)은 바람직하게는 막 두께 약50nm의 FeMn막으로 된다. 상부 전극(9)는 하부 전극(2)과 같이 바람직하게는 막 두께 약50nm의 Ta막으로 된다.

이 자기 센서는 스핀 밸브 구조에 강자성 터널 접합을 응용한 TMR(tunnel MR)로 되어 있다. 스핀 밸브 구조로는 2개의 자성층(즉, 자유측 자성층(3) 및 고정측 자성층(7)) 사이에 자성 금속층인 Co층(4,6)을 개재 배치하고, 고정층 자성층(7) 및 제2 자성 금속층(6)의 자화 방향만을 고정하기 위하여, 그 자성층의 위를 반강자성층(8)으로 덮는 구조를 채택하고 있다. 또, 강자성 터널 접합은 2개의 강자성층(3,7) 사이에(더욱 구체적으로는 제1 및 제2 자성 금속층(4,6) 사이에), 얇은 산화막(5)을 장벽층(11)으로서 개재 배치시키는 구조를 채택하고 있다.

이 자기 센서의 작용에 대해서 설명한다. 절연층(5)의 센서 부분(13)의 막 두께는 다른 절연층 부분보다 상대적으로 얇게 되어 있다. 절연층(5)의 막 두께 방향의 터널 저항(R)은 다음식에 의해 표시되는 바와 같이, 절연층의 막 두께에 크 게 의존한다.

R∝t·exp[t] ------ (4)

여기서, t:절연층의 막 두께

따라서, 하부 전극(2)과 상부 전극(9) 사이에 직류 전류를 흘리면, 터널 전류(18)는 절연층(5)의 막 두께가 얇은 영역으로 집중적으로 흐른다. 즉, 직류 전류는 상부 전극(9)으로부터 하부 전극(2)까지를, 실질적으로, 절연층(5)의 막 두께가 얇은 영역(16)에 대응하는 반강자성층(8)으로부터 자유측 자성층(3)까지의 각층의 영역을 흐른다. 이 결과, 이 막 두께가 얇게 된 오목 영역(16)에 대응하는 영역만이 실질적으로 센서부(13)로서 기능한다.

상술한 바와 같이, 강자성 터널 접합에서는 양측 자성층의 자화 방향의 상대 각도를 θ로 했을 때, 터널 저항(R)은 식(1)으로 표시할 수 있다. 즉, 외부 신호 자계(Hsig)에 대응하여 자유측 자성층(3) 및 자성 금속층(4)의 자화는 회전하고 있어, 양측 자성 금속층(4,6)의 자화 방향의 상대 각도(θ)로 결정되는 터널 저항(R)이 변화한다. 도1b에 관련하여 설명한 바와 같이, 하부 전극(2)과 상부 전극(9) 사이에 일정한 직류 전류를 흘리면, 이 터널 저항(R)을 전압값으로서 검출할 수 있다. 그 결과, 자기 센서는 외부 신호 자계(Hsig)를 검출할 수 있다.

도8 및 도7a에 나타내는 바와 같이, 센서부(13)는 자성층의 일부 영역에 형성되어 있다. 바람직하게는 센서부(13)는 자성층의 중앙부 부근에 형성되어 있고, 그 치수는 앞서 제안한 자기 센서의 자성층 영역(즉, 도7b의 센서부(130))과 동일하게 형성되어 있다. 이 때문에, 센서부(13)를 자성층 영역내의 최적인 위치에 형 성할 수 있다. 혹은 센서부(13)는 자성층의 중앙부 부근에 형성할 수 있다. 혹은 센서부(13)는 측정 신호 자계에 가능한 한 가까운 위치에 형성할 수 있다. 이 결과, 자유측 자성층(3)에서는 자성층 단부의 영향을 받지 않고, 각각의 자구에서 용이하게 자화 회전을 할 수 있게 된다.

(자기 센서의 제조 방법)

도9~도12를 사용하여, 도7a 및 도8에서 설명한 자기 센서의 제조 방법에 대해서 설명한다. 여기서는 얇은 절연층 영역의 형성 방법의 차이에 의해서, 도9a~10c에 의하여 제1 제조 방법을 설명하고, 도1la~도12c에 의해 제2 제조 방법을 설명한다.

(제1 제조 방법)

도9a 내지 도10c는 연속하여, 제l 제조 방법을 설명하는 도면이다.

도9a에 나타내는 바와 같이, 자연 산화막이 붙은 Si 기판(1)을 준비한다. 이 기판(1) 위에, 스퍼터법을 사용하여, Ta막을 막 두께 약50nm 성막한다. 이 Ta막은 소자 완성후에, 하부 전극(2)으로서 기능한다. 하부 전극(2) 위에, 약 300(Oe)의 자장을 인가하면서, NiFe막을 막 두께 약17nm 성막하고, Co막을 막 두께 약3.3nm 더 성막한다. 소자 완성후에, NiFe막으로 되는 자유측 자성층(하부층, 프리층)(3)과 Co막으로 되는 제1 자성 금속층(4)은 프리층으로서 기능한다.

도9b에 나타내는 바와 같이, 센서부(13)에 레지스트(19)를 도포하고, 그 후, 이 레지스트(19) 및 제1 자성 금속층(4) 위에, 절연층(5)으로서 기능하는 Al막(5-0)을 막 두께 약2.0nm 성막한다.

도9c에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 산화법을 사용하여, Al막의 표면을 산화하여, 제1 산화 알루미늄막(5-1)으로 한다(즉, Al-Al₂O₃막). 그 후, 레지스트(19)를 제거한다. 산화 알루미늄막은 소자 완성후, 터널 장벽으로서 기능하는 얇은 절연막(5)으로서 기능한다.

도9d에 나타내는 바와 같이, 다시, Al막을 막 두께 약1.3nm 성막한다. 마찬가지로 플라즈마 산화법을 사용하여, Al막의 표면을 산화하여, 제2 산화 알루미늄막(5-2)으로 한다. 이 결과, 제1 산화 알루미늄막(5-1)과 제2 산화 알루미늄막(5-2)으로 형성된 절연층(5)은 센서부(13)에서는 막 두께 약1.3nm로 되고, 그 이외의 부분에서는 막 두께 약 3.3nm의 절연층이 형성된다. 이 절연층(5)의 부분적으로 얇게 된 영역(센서부)은 소자 완성후, 터널 장벽으로서 기능한다.

도10a에 나타내는 바와 같이, 얇은 절연막(5) 위에, Co막을 막 두께3.3nm 성막한다.

또한 Co막 위에, NiFe막을 막 두께 약17nm 성막한다. 또한 FeMn막을 막 두께 약50nm 성막한다. 소자 완성후, Co막으로 되는 제2 자성 금속층(6)과 NiFe막으로 되는 고정측 자성층(7)은 핀층(고정층)으로서, 또, FeMn막은 반강자성층(8)으로서 기능한다.

도10b에 나타내는 바와 같이, 소자부 이외의 부분을 이온 밀링법, RIE(reactive ion etching)법 등을 사용하여 제거하고, 이 제거한 부분에 절연층(15-1,15-2)을 성막한다. 그 후, 절연층(15-1,15-2) 및 반강자성층(8) 위에, Ta막을 막 두께 약50nm 성막한다. 이 Ta막은 소자 완성후, 상부 전극(9)으로서 기능한다. 절연층(15-1,15-2)은 상부 전극(9)과 하부 전극(2)이 직접적으로 또는 소자부의 가장자리면을 통하여 접촉하지 않도록 하기 위해 설치되어 있다.

도10c에 나타내는 바와 같이, 이와 같이 제조된 자기 센서는 상부 전극(9)으로부터 하부 전극(2)을 향해 센스 전류(일정한 직류 전류)(17)를 흘린 경우, 산화 알루미늄으로 되는 절연막(5)을 통과하는 터널 전류는 막 두께가 상대적으로 얇은 부분에 집중적으로 흐르고, 이 부분이 센서부(13)로서 기능하게 된다. 산화Al막이 얇은 부분은 임의의 개소에 형성할 수 있기 때문에, 센서부(13)를 자성층내의 임의의 개소, 바람직하게는 자유측 자성층(3)의 자구가 제일 회전하기 쉬운 중앙부 부근에 설치할 수 있어, 이 자구의 원활한 회전이 확보된다.

(제2 제조 방법)

도1la~도12c는 연속해서, 자기 센서의 제2 제조 방법을 설명하는 도면이다. 제2 제조 방법은 제1 제조 방법과 비교하면, 얇은 절연막을 형성하는 공정이 다르다는 점에서 차이가 있다.

도11a에 나타내는 바와 같이, 자연 산화막이 부착된 Si 기판(1)을 준비한다. 이 기판 위에, 스퍼터법을 사용하여, Ta막을 막 두께 약50nm 성막한다. 이 Ta막은 소자 완성후에, 하부 전극(2)으로서 기능한다. 이 하부 전극 위에, 약300(Oe)의 자장을 인가하면서, NiFe막을 막 두께 약17nm 성막하고, Co막을 막 두께 약3.3nm 더 성막한다. 소자 완성후에, NiFe막으로 되는 자유측 자성층(3)과 Co막으로 되는 제1 자성 금속층(4)은 프리층으로서 기능한다. 이 단계까지는 제1 제조 방법과 같 다.

도11b에 나타내는 바와 같이, 센서부(13)에 레지스트(21)를 도포하고, 그 후, 이 레지스트 및 제1 자성 금속층(4) 위에, 제1 Al₂O₃막(5-1)을 막 두께 약2.0nm 성막한다.

도11c에 나타내는 바와 같이, 레지스트(21)를 제거한 후, Al막을 막 두께 약1.3nm 성막하고, 플라즈마 산화법을 사용하여, Al막 표면을 산화하여, 산화 알루미늄막(제2 Al₂O₃막)(5-2)으로 한다. 이 결과, 제1 산화 알루미늄막(5-1)과 제2 산화 알루미늄막(5-2)으로 형성된 절연층(5)은 센서부(13)에서는 막 두께 약1.3nm로 되고, 그 이외의 부분에서는 막 두께 약3.3nm의 절연층이 형성된다. 이 절연층(5)이 부분적으로 얇게 된 영역(센서부)은 소자 완성후, 터널 장벽으로서 기능한다.

이하, 제1 제조 방법과 동일하게 제조된다. 즉, 도12a에 나타내는 바와 같이, 이 얇은 절연막(5) 위에, 제2 자성 금속층(6)으로서, Co막을 막 두께 약3.3nm 성막한다. 다음에, 제2 자성 금속층(6) 위에, 고정측 자성층(7)으로서, NiFe막(7)을 막 두께 약17nm 성막한다. 고정측 자성층(7) 위에, 반강자성층(8)으로서, FeMn막을 막 두께 약50nm 더 성막한다.

도12b에 나타내는 바와 같이, 소자 부위 이외의 부분을 이온 밀링법, RIE법 등을 사용하여 제거하고, 이 제거한 부분에 절연층(15-1,15-2)을 성막한다. 그 후, 절연층(15-1,15-2) 및 반강자성층(8) 위에, 상부 자극(9)으로서, Ta막을 막 두께 약50nm 성막한다.

이와 같이 제조된 자기 센서는 상부 전극(9)으로부터 하부 전극(2)을 향해 센스 전류(일정한 직류 전류)(17)를 흘린 경우, 산화 알루미늄으로 되는 절연막(5)을 통과하는 터널 전류는 막 두께가 상대적으로 얇은 센서부(13)로 집중적으로 흐르고, 이 부분이 센서부로서 기능하게 된다. 따라서, 막 두께가 상대적으로 얇은 부분을 자성층내의 임의의 개소, 바람직하게는 자유측 자성층의 자구가 제일 회전하기 쉬운 중앙부에 설치할 수 있어, 이 자구의 원활한 회전이 확보된다.

(자기 헤드로의 응용예)

상술한 바와 같은 자기 센서는 전형적으로는 자기 헤드로 응용할 수 있다. 현재 자기 헤드로서, 기록용으로는 유도형 헤드(inductive head)를 사용하고 재생용으로서 GMR 헤드를 사용하여, 양 헤드를 일체화한 복합형 자기 헤드가 개발되어, 실용화되고 있다.

GMR 헤드는 전형적으로는 스핀 밸브 구조(단, 터널 접합은 갖지 않음)를 채용하고 있다. 이러한 복합형 자기 헤드의 GMR 헤드 대신에, 상술한 터널 접합을 갖는 스핀 밸브 구조의 자기 센서를 그대로 채용할 수 있다.

(다른 응용예)

본 발명에 관한 자기 센서를 자기 인코더에 응용한 예를 설명한다.

도13a는 본 실시예에 관한 자기 인코더에 사용되는 자기 센서(50)를 나타내는 도면이다. 이 자기 센서(50)는 전원 단자(V)와, 접지 단자(GND)와, 출력A단자(A-OUT)와, 출력B단자(B-OUT)를 갖고 있다. 자기 센서(50)로서, 전원 단자(V)와 출력A단자(A-OUT) 사이에는 제1 강자성 터널 접합 소자(TMR(tunnel-MR)1) 가 접합되고, 전원단자(V)와 출력B단자(B-OUT) 사이에는 제2 강자성 터널 접합 소자(TMR2)가 접합되고, 접지 단자(GND)와 출력A단자(A-OUT) 사이에는 제3 강자성 터널 접합 소자(TMR3)가 접합되고, 접지 단자(GND)와 출력B단자(B-OUT) 사이에는 제4 강자성 터널 접합 소자(TMR4)가 접합되어 있다.

강자성 터널 접합 소자의 각각(즉, TMR1~TMR4)은 6개의 터널 접합부(51-1~51-6, 52-1~52-6, 53-1~53-6, 54-1~54-6)를 직렬 접속하여 갖고 있다. 터널 접합부(51-1~54-6) 각각의 접합 면적은 약50㎛×50㎛이다.

도13b는 도13a의 자기 센서(50)의 등가 회로를 나타내는 도면이다.

도l3a에 나타내는 자기 센서의 제조 방법을 간단하게 설명한다. 먼저, 도13c에 나타내는 바와 같은 마스크를 사용하여, 자유측 자성층으로서 NiFe막을 막 두께 약17nm로 성막하고, 연속하여 제1 자성 금속층으로서 Co막을 막 두께 약3.3nm 더 성막한다.

마스크를 교환한 후, 절연층으로서 Al을 막 두께 약1.3nm 성막하고, 표면에 대하여 산화 처리를 했다. 산화 처리는 제1 제조 방법 및 제2 제조 방법에서 설명한 플라즈마 산화법으로 행하여, 센서부에는 얇은 산화막을, 기타 영역에는 상대적으로 두꺼운 산화막을 형성했다. 또한, 기타의 산화 처리, 예를 들면 자연 산화법에 의해 행하여도 좋다.

산화막 형성후, 마스크를 교환하고, 제2 자성 금속막으로서 Co막을 막 두께 약3.3nm 성막하고, 고정측 자성층으로서 NiFe막을 막 두께 약17nm 성막하고, 반강자성층으로서 FeMn막을 막 두께 약45nm 성막했다. 또한 그 위에 상부 전극으로서 Ta막을 막 두께 약8nm 적층했다. 이상과 같이, 스핀 밸브형 자기 센서와 동일한 층구성 및 제조 공정에 의해서, 자기 인코더를 제조할 수 있다.

다음에, 자기 인코더의 동작에 대해서 설명한다.

도14a는 도13a에 나타내는 자기 인코더의 자기 저항 곡선을 개략적으로 나타내는 도면이다. 식(1)에 관련하여 설명한 바와 같이, 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 상부층(12)의 자화 방향(Mupper)은 하부층(10)의 자화 방향(Mlower)과 직교하도록 반강자성층(FeMn막)(8)에 고정되어 있다. 도14a에 나타내는 바와 같이, 강자성 터널 접합 소자(TMR)에 대하여 상부층(12)의 자화 방향(Mupper)과 같은 방향으로 외부 자계가 걸렸을 때(즉, 외부 자계-H), 상부층(12)의 자화 방향(Mupper)과 하부층(10)의 자화 방향(Mlower)은 같은 방향의 평행한 관계가 된다. 즉, 2개의 자화 방향의 상대 각도(θ)는 O°가 되기 때문에, 식(1)에 의해, 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 저항치는 최소치를 취하여, R=Rs가 된다. 이 때의 최소 저항치를 RL로 하자.

강자성 터널 접합 소자(TMR)에 대하여 외부 자계가 제로일 때, 하부층(10)의 자화 방향(Mlower)은 회전하고, 상부층(12)과 하부층(10)의 자화 방향의 상대 각도(θ)는 90°가 되어, 식(1)에 의해, 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 저항치는 R=Rs + 0.5ΔR로 된다. 이 외부 자계 제로일 때의 저항치를 R0로 한다.

강자성 터널 접합 소자(TMR)에 대하여 상부층(12)의 자화 방향(Mupper)과 반대 방향으로 외부 자계가 걸렸을 때(즉, 외부 자계H), 하부층(10)의 자화 방향(Mlower)은 회전하고, 상부층(12)의 자화 방향(Mupper)과 하부층(10)의 자화 방향(Mlower)은 반대 방향의 평행한 관계가 된다. 즉, 2개의 자화 방향의 상대 각도(θ)는 180°가 되기 때문에, 식(1)에 의해, 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 저항치는 최대치를 취하여, R = Rs + ΔR가 된다. 이 때의 최대 저항치를 RH로 한다.

이상에 의해서, 외부 자계가 -H, 0, +H 일 때의 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 저항치는 RL, R0, RH가 되고, 이들 관계는 RL<R0<RH가 된다. 이 관계를 도시한 것이 도14a이다.

도14b는 이 인코더의 동작 원리를 설명하는 도면이다. 피측정용의 자장 발생 마그네트(55)와 터널 접합 소자(TMR)로 되는 자기 센서(50)는 도면에 나타내는 바와 같은 위치 관계에 있다. 자장 발생 마그네트(55)는 가늘고 긴 착자체(着磁體)로서, N극과 S극이 교호적으로 착자되며, 1조의 SN극의 간격(착자 주기)를 λ로 한다. TMR1~TMR4는 자장 발생 마그네트(55)의 근방을 마그네트의 길이 방향으로 상대적으로 평행 이동하는 관계에 있다.

즉, 최초, 터널 접합 소자(TMR1~TMR4)로 되는 자기 센서(50)는 센서 위치(1)를 나타내는 위치에 있다. 각 강자성 터널 접합 소자(TMR)는 λ/4 간격으로 배치되어 있다. 이동 속도로 결정되는 일정 시간(t)후, 자기 센서(50)는 도면에서 보아 우측 방향으로 λ/4 평행 이동하여 센서 위치(2)를 나타내는 위치에 있다. 단, 센서 위치(2)를 센서 위치(1)에 중첩하여 도시하면 알기 어렵게 되기 때문에, 도면에서 보아 자장 발생 마그네트(55)로부터 떨어지는 방향으로 이동시켜서 도시하고 있지만, 실제는 자장 발생 마그네트(55)의 근방(즉, 센서 위치(1)의 개소)을 마그 네트의 길이 방향으로 상대적으로 평행 이동하고 있음에 주의해야 한다. 센서 위치(3) 및 (4)도 마찬가지이다.

센서 위치(2)에 있는 자기 센서(50)는 일정 시간(t) 더 지난후, 센서 위치(3)에 있고, 일정 시간(t) 더 지난후, 센서 위치(4),------, 로 평행 이동한다.

먼저, 도14b의 센서 위치(1)시, 자장 발생 마그네트(55)로부터의 외부 자계의 영향을 받아, 각 터널 접합 소자는

TMR1=RL, TMR2=R0, TMR3=RH, TMR4=R0

가 된다. 도15a는 도13b에 대응하는 도면이지만, 이 등가 회로로부터, 출력A단자와 출력B단자의 전압 출력(VA,VB)은 출력A단자는 전압(V)을 TMR1과 TMR3으로 분압하고 있고, 출력B단자는 전압(V)을 TMR2과 TMR4로 분압하고 있기 때문에, 다음과 같이 된다.

VA=V·TMR3/(TMR1+TMR3)=V·RH/(RL+RH) ---------(5)

VB=V·TMR4/(TMR2+TMR4)=V·R0/(R0+R0) -------(6)

여기서, 식(5) 및 (6) 결과로부터, 각각 다음과 같이 된다.

VA=V·RH/(RL+RH)=VH -----(7)

VB=V·R0/(R0+R0)=V/2=V0 --------(8)

다음에, 도14b의 센서 위치(2)시,

TMR1=R0, TMR2=RH, TMR3=R0, TMR4=RL

가 된다. 따라서, 출력A단자와 출력B단자의 전압 출력(VA,VB)은 다음과 같 이 된다.

VA=V·TMR3/(TMR1+TMR3)=V·R0/(R0+R0)=V/2=V0 ------(9)

VB=V·TMR4/(TMR2+TMR4)=V·RL/(RH+RL) -------(10)

여기서, 식(10)의 결과로부터, 다음과 같이 된다.

VB=V·RL/(RL+RH)=VL ------ (11)

마찬가지로, 도14b의 센서 위치(3)시,

TMR1=RH, TMR2=R0, TMR3=RL, TMR4=R0

가 된다. 따라서, 출력A단자와 출력B단자의 전압 출력(VA,VB)은 다음과 같이 된다.

VA=V·TMR3/(TMR1+TMR3)=V·RL/(RH+RL)=VL ------- (12)

VB=V·TMR4/(TMR2+TMR4)=V·R0/(R0+R0)=V/2=VO -------- (13)

마찬가지로, 도14b의 센서 위치(4)시,

TMR1=R0, TMR2=RL, TMR3=R0, TMR4=RH

VA=V·TMR3/(TMR1+TMR3)=V·R0/(R0+R0)=V/2=VO ---------(14)

VB=V·TMR4/(TMR2+TMR4)=V·RH/(RL+RH)=VH ------ (15)

이하, 자장 발생 마그네트(55)의 SN극에 대한 자기 센서부(50)의 상대적인 위치관계는 센서 위치(1~4)를 반복하게 된다. 도15b는 이 센서부의 출력 파형을 나타내는 도면이다.

도16은 도14에서 설명한 동작 원리를 이용한 실제의 자기 인코더를 나타내는 도면이다. 이 자기 인코더는 회전 착자체(56)와 그 근방에 배치된 자기 센서(50)를 갖는다. 자장 발생 마그네트(55)를 무한장으로 하는 대신에, 실제로는 회전 착자체(56)를 사용하고 있다.

회전 착자체(56)는 직경 10mm, 축의 직경 5mm이고, 그 원주상에, SN극의 조(組)가 16조 방사상으로 배열되어 있다. 이 때, 착자 주기(λ)는 약1.5mm가 된다. 자기 센서(50)는 센서의 중심이 회전 착자체(56)의 방사상 착자 부분의 중앙에 위치 마춤하여 위치 결정된다.

자기 센서(50)는 각 강자성 터널 접합 소자(TMR)를 회전 착자체(56)의 방사상으로 뻗은 자석과 평행하면서, 또한 각 소자 간격이 λ/4가 되도록 나란하게 할 필요가 있다. 이 때문에 각 소자(TMR)가 이루는 각을 약 5.6°로 하고, 인접하는 소자의 중심부에서의 간격을 0.37mm로 하고 있다. 이러한 자기 인코더는 회전 착자체(56)를 회전함으로써, 자기 센서(50)의 각 강자성 터널 저항 소자(TMR5)로부터 도15b에서 설명한 바와 같은 출력 파형을 얻을 수 있다. 즉, 자기 센서(50)가 회전 착자체(56)에 대하여 착자 주기(λ)만큼 상대적으로 이동했을 때, 1주기분의 출력 펄스가 발생한다.

스핀 밸브형 자기 센서에 관련하여 설명한 바와 같이, 각 강자성 터널 접합 소자(TMR)의 터널 접합부에 있어서, 센서부를 자성층 영역내의 최적인 위치에 형성할 수 있다. 이 결과, 자유측 자성층에서는 자성층 단부의 영향을 받지 않고, 각각의 자구에서 용이하게 자화 회전을 할 수 있게 된다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 신규한 자기 센서, 자기 헤드 및 자기 인코더를 제공할 수 있다.

또, 본 실시예에 의하면, 자유측 자성층의 자화 회전을 충분히 확보할 수 있으므로, 양호한 감도를 갖는 자기 센서, 자기 헤드 및 자기 인코더 등의 자기 센서 일반에 응용할 수 있다.

(제2 실시예)

본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드를 도17을 사용하여 설명한다. 도17은 본 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다. 또한, 도17b는 도17a의 강자성 터널 접합 소자를 확대한 단면도이다.

도17a에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 의한 자기헤드에는 외부로부터의 자계의 변화에 따라 전기 저항이 변화하는 강자성 터널 접합 소자(210)가 사용되어 있고, 강자성 터널 접합 소자(210)는 자유층(214), 장벽층(216), 고정층(218) 및 반강자성층(220)을 갖고 있다.

자유층(214)은 도17b에 나타내는 바와 같이, 막 두께3nm의 NiFe층(221) 및 막 두께3nm의 Co층(224)으로 된다. 그리고, 자유층(214)의 Co층(224)에 인접하여, 막 두께1nm의 Al₂O₃층으로 되는 장벽층(216)이 형성되어 있다.

그리고, 장벽층(216)에 인접하여, 막 두께3nm의 Co층(226) 및 막 두께3nm의 NiFe층(228)으로 되는 고정층(218)이 형성되어 있고, 고정층(218)에 인접하여 NiO층으로 되는 반강자성층(220)이 형성되어 있다.

또, 강자성 터널 접합 소자(210)로부터 이간하여, NiFe층으로 되는 실드층(212a,212b)이 형성되어 있고, 강자성 터널 접합 소자(2l0)와 실드층(212a,212b) 사이에는 Al₂O₃층으로 되는 비자성층(222)이 형성되어 있다. 또한, 지면 하측이 자기 헤드의 신호 검출면(230)이다.

이러한 구조의 강자성 터널 접합 소자(210)에서는 고정층(218)과 자유층(214) 사이에 전압을 가하면, 장벽층(216)을 통하여 전류가 흐르게 된다.

도17a는 자기 기록 매체의 기록 비트(232)가 강자성 터널 접합 소자(210)에 근접해 있는 상태를 나타내고 있다. 실제로는 기록 비트(232)는 자기 기록 매체에 다수 형성되어 있지만, 도17a에서는 생략되어 있다.

자기 기록 매체의 기록 비트(232)가 강자성 터널 접합 소자(210)에 근접하면, 자유층(214)의 자화 방향이 회전된다. 한편, 고정층(218)은 반강자성층(220)이 인접하여 형성되어 있으므로, 자화 방향은 고정된 채로 된다.

본 실시예에 의한 자기 헤드는 도17a에 나타내는 바와 같이, 자유층(214)이 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어지는 방향으로 뻗어있고, 뻗은 자유층(214)의 단부가 실드층(212a)에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에서는 자유층(214)이 투자율이 높은 NiFe층으로 되는 실드층(212a)에 접속되어 있기 때문에, 기록 비트(232)로부터의 자속은 자유층(214) 내를 용이하게 통과하게 된다. 또한 자유층(214)이 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어지는 방향으로 뻗어 있으므로, 자유층(214)에서의 반자계의 영향을 저감할 수 있 고, 이에 따라 자유층(214)의 자화 방향의 회전각을 크게 할 수 있게 된다. 또, 자유층(214)은 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어진 영역에서 완만하게 실드층(212a)에 접속되어 있으므로, 자유층(214)에서의 반자계의 영향을 더 저감할 수 있다.

본 실시예에 의한 자기 헤드의 자유층(214)의 자화 방향의 변화에 대해서, 도18을 사용하여 설명한다. 도18은 기록 비트가 근접한 때의 자유층의 자화 방향을 계산에 의해 구한 모식도이다. 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 또, 타원으로 둘러싸여 있는 영역은 자유층의 자화 각도가 일정 각도 이상이 되는 영역이다. 또한, 도18은 신호 검출면으로부터 약20㎛의 범위의 자유층의 자화 방향을 나타내고 있다.

스핀 밸브 구조를 사용한 자기 헤드에서는 코어를 미세화하면, 도6에 나타내는 바와 같이, 신호 검출면(430)의 근방과 코어(400)의 상부의 근방에 반자계의 영향이 생겼었다. 따라서, 기록 비트(332)가 근접한 경우의 자유층(414)의 자화 각도(θ₁)는 작고, 이 때문에 높은 출력을 얻는 것은 곤란했다.

이에 비하여, 본 실시예에서는 자유층(214)이 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어지는 방향으로 뻗어 있으므로, 고정층(218)과 자유층(214)의 접합 영역의 근방에서 반자계의 영향이 생기기 어렵다. 이 때문에, 도18에 나타내는 바와 같이, 기록 비트(232)가 근접한 경우의 자유층(214)의 자화 방향의 변화는 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어진 영역까지 생기고, 또한 자화 각도(θ₁)를 크게 할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 종래의 자기 헤드에 비해 기록 비트(232)가 근접한 경우의 강자성 터널 접합 소자(210)의 전기 저항의 변화를 크게 할 수 있고, 이에 따라 높은 검출 감도를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 자유층이 신호 검출면으로부터 사이가 떨어지는 방향으로 뻗어있고, 뻗은 자유층의 단부가 투자율이 높은 실드층에 접속되어 있으므로, 자유층에서 반자계의 영향을 저감할 수 있다. 이에 따라서, 자유층과 고정층의 접합 영역의 근방에서의 반자계의 영향을 저감할 수 있으므로, 접합 영역에서의 자화 방향의 회전각을 크게 할 수 있어, 기록 비트가 근접한 경우의 전기 저항의 변화를 크게 할 수 있다. 따라서, 접합 영역의 폭을 좁게 한 경우라도 충분히 검출 감도가 높은 자기 헤드를 제공할 수 있어, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

(다른 구체예 (그 1))

본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 1)를 도19를 사용하여 설명한다. 도19는 본 구체예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다. 또한, 도19b는 도19a의 강자성 터널 접합 소자를 확대한 단면도이다.

도19에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는 반자계의 영향이 적은 영역을 고정층(218)과 자유층(214)의 접합 영역(234)으로 하고 있다.

즉, 고정층(218)의 가장자리에서는 반자계의 영향이 생기기 때문에 자화 방향의 회전각이 작게 되지만, 본 구체예에서는 고정층(218)의 중앙 부분 근방 영역의 장벽층(216)의 두께를 터널 접합이 생길 정도로 얇게 하고, 고정층(218)의 가장자리 근방의 영역의 장벽층(216)을 두껍게 하고 있다. 이에 따라서, 고정층(218)의 가장자리를 제외한 영역, 즉 반자계의 영향이 적은 영역이 접합 영역(234)이 되므로, 기록 비트로부터의 자계에 의한 강자성 터널 접합 소자(210)의 전기 저항의 변화를 크게 할 수 있다.

이와 같이 본 구체예에서는 반자계의 영향이 작은 영역을 접합 영역으로 하고 있으므로, 높은 검출 감도를 갖는 자기 헤드를 제공할 수 있다.

(다른 구체예(그 2))

본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 2)를 도20을 사용하여 설명한다. 도20은 본 구체예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다.

도20에 나타내는 바와 같이, 본 구체예에서는 고정층(218a)이 막 두께2nm의 NiFe층(228), 막 두께2nm의 Co층(226), 막 두께1nm의 Ru층(236), 및 막 두께3nm의 Co층(240)으로 되는 것 외에는 도17에 나타내는 제2 실시예에 의한 자기 헤드와 동일하다.

본 구체예에서는 고정층(218a)이 NiFe층(228), Co층(226), Ru층(236), 및 Co층(240)의 적층막으로 되므로, Co층(226)과 Co층(240) 사이에서 반강자성 커플링이 구성된다. 이에 따라서, 고정층(218a)으로부터 자유층(214)에 자계가 미치는 것을 억제할 수 있으므로, 자유층(214)의 바이어스점이 시프트해 버리는 것을 억제할 수 있다.

이와 같이 본 구체예에서는 고정층이 NiFe층(228), Co층(226), Ru층(236), 및 Co층(240)의 적층막으로 되므로, Co층(226)과 Co층(240) 사이에서 반강자성 커플링을 구성할 수 있어서, 고정층에서 자유층에 자계가 미치는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 자유층의 바이어스점이 시프트하는 것을 억제할 수 있다.

(다른 구체예(그 3))

본 발명의 제2 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예(그 3)를 도21을 사용하여 설명한다. 도21은 본 구체예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다. 또한, 도21b는 도21a의 강자성 터널 접합 소자를 확대한 단면도이다.

도21a에 나타내는 바와 같이, 본 구체예에 의한 자기 헤드는 고정층(218)이 신호 검출면(230)에 노출되지 않고, 자유층(214)의 단부가 접속되어 있는 실드층(212a)이 어스에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 구체예에서는 고정층(218)이 신호 검출면(230)에 노출되어 있지 않으므로, 고정층(218)과 자기 기록 매체(도시하지 않음) 사이의 전위차가 생긴 경우라도 방전이 생기는 것을 방지할 수 있다.

또, 본 구체예에서는 신호 검출면(230)에 노출되어 있는 자유층(214)이 실드층(212a)을 통하여 어스에 접속되어 있으므로, 자기 기록 매체를 어스에 접속함으로써, 자유층(214)과 자기 기록 매체 사이의 전위를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 자유층(214)과 자기 기록 매체 사이에 전위차가 생기는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 자유층(214)으로부터 자기 기록 매체를 향해서 방전이 생기는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 구체예에서는 방전에 의해 기록 비트의 기록 정보가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

또, 본 구체예에서는 고정층(218)과 자유층(214)의 접합 영역(234)이 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어져 있으므로, 접합면(230)이 마모되어도 고정층(218)과 자유층(214)의 접합 영역(234)까지 마모하여 버리는 일은 드물다. 따라서, 고정층(218)과 자유층(214)의 접합 영역(234)이 감소하여 버리는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 구체예에 의하면, 자기 기록 매체에 신호 검출면(230)을 접촉시켜 사용하는 접촉형의 자기 헤드로서도 적용할 수 있다.

이와 같이 본 구체예에 의하면, 고정층이 신호 검출면에 노출되어 있지 않으므로, 고정층과 자기 기록 매체 사이의 전위차가 생긴 경우라도 방전이 생기는 것을 방지할 수 있다. 또 신호 검출면에 노출되어 있는 자유층이 실드층을 통하여 어스에 접속되어 있으므로, 자기 기록 매체를 어스에 접속함으로써, 자유층과 자기 기록 매체 사이의 전위를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 자유층과 자기 기록 매체 사이에 전위차가 생기는 것을 방지할 수 있고, 자유층에서 자기 기록 매체를 향해서 방전이 생기는 것을 방지할 수 있으므로, 자기 기록 매체의 기록 비트의 기록 정보가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

또, 본 구체예에서는 고정층과 자유층의 접합 영역이 신호 검출면으로부터 사이가 떨어져 있으므로, 신호 검출면이 마모되어도 고정층과 자유층의 접합 영역까지 마모하여 버리는 일은 드물다. 따라서, 고정층과 자유층의 접합 영역이 감소하여 버리는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라서, 자기 기록 매체에 신호 검출면을 접촉시켜 사용하는 접촉형의 자기 헤드로서도 적용할 수 있다.

(제3 실시예)

본 발명의 제3 실시예에 의한 자기 헤드를 도22를 사용하여 설명한다. 도22는 본 실시예에 의한 자기 헤드를 나타내는 단면도이다. 도l7 내지 도21에 나타내는 제2 실시예에 의한 자기 헤드와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략 또는 간결하게 한다.

도22에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 의한 자기 헤드는 강자성 터널 접합 소자(210a)가 2개의 강자성 터널 접합을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

즉, 장벽층(216)과 거의 같은 장벽층(216a)이 자유층(214)을 중심으로 하여 면대칭으로 형성되어 있고, 고정층(218)과 거의 같은 고정층(218b)이 자유층(214)을 중심으로 해서 면대칭으로 형성되어 있다.

또, 반강자성층(220)과 거의 같은 반강자성층(220a)이 자유층(214)을 중심으로 하여 면대칭으로 형성되어 있다.

기록 비트(도시하지 않음)가 강자성 터널 접합 소자(210a)에 근접하면, 고정층(218)의 자화 방향은 고정층(218b)의 자화 방향과 같게 된다.

강자성 터널 접합(210a)이 2개의 강자성 터널 접합을 가지므로, 이들 2개의 강자성 터널 접합의 출력을 가산함으로써 높은 검출 감도를 실현할 수 있다.

또, 강자성 터널 접합 소자(210a)의 2개의 강자성 터널 접합의 출력의 차이를 검출함으로써, 동위상의 노이즈를 캔설할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 자유층을 중심으로 하여 2개의 강자성 터널 접합이 면대칭으로 형성되어 있으므로, 이들 2개의 강자성 터널 접합의 출력을 가산 함으로써 높은 출력 감도를 실현할 수 있고, 또, 2개의 강자성 터널 접합의 출력의 차이를 검출함으로써 동위상의 노이즈를 캔설할 수 있다.

(제4 실시예)

본 발명의 제4 실시예에 의한 자기 헤드를 도23을 사용하여 설명한다. 도23은 본 실시예에 의한 자기 헤드의 측면도이다. 도l7 내지 도22에 나타내는 제2 또는 제3 실시예에 의한 자기 헤드와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략 또는 간결하게 한다.

도23에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 의한 자기 헤드는 자유층(214a)의 형상에 특징이 있다. 즉, 자유층(214a)의 폭은 신호 검출면(230)의 근방이나, 고정층(218)과 자유층(214a) 사이의 접합 영역(234)의 근방에서는 고정층(218)의 폭보다 약간 넓은 정도이지만, 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어짐에 따라 서서히 넓게 되어 있다. 그리고 또한 신호 검출면(230)으로부터 사이가 떨어지면, 자유층(214a)의 폭은 매우 넓게 되어 있다.

자유층을 단지 장방형으로 형성한 경우에는 외부로부터 자계가 가해지지 않는 상태에서도, 자유층의 자화 방향이 자유층의 길이 방향으로 기울어지게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 도23에 나타내는 바와 같은 형상으로 하고 있으므로, 외부로부터 자화를 가하고 있지 않은 상태에서 접합 영역(234)의 근방에서 자유층(214a)의 자화 방향이 기울어지는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라서, 외부로부터 자계가 가해졌을 때에, 접합 영역(234)의 근방에서 자유층(214a)의 자화 방향이 충분히 회전하므로, 검출 감도가 높은 자기 헤드를 제공할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 자유층의 폭이 신호 검출면으로부터 사이가 떨어짐에 따라 넓게 형성되고, 또한 신호 검출면으로부터 사이가 떨어진 영역에서 자유층의 폭이 매우 넓게 되어 있으므로, 외부로부터 자계가 가해지고 있지 않은 상태에서, 자유층의 자화 방향이 접합 영역의 근방에서 기울어지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 외부로부터 자계가 가해졌을 때에, 접합 영역의 근방에서의 자유층의 자화 방향의 회전각을 크게 할 수 있어서, 검출 감도가 높은 자기 헤드를 제공할 수 있다.

(제5 실시예)

본 발명의 제5 실시예에 의한 자기 헤드를 도24를 사용하여 설명한다. 도24는 본 실시예에 의한 자기 헤드를 신호 검출면측에서 본 평면도이다. 도17 내지 도23에 나타내는 제2 내지 제4 실시예에 의한 자기 헤드와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략 또는 간결하게 한다.

도24에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 의한 자기 헤드는 고정층(218)과 자유층(214b) 사이의 접합 영역(234)을 제외한 영역의 자유층(214b)이 고정층(218)으로부터 멀어지도록 구부러져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

고정층(218)과 자유층(214b)의 접합 영역(234)을 제외한 영역의 자유층(214b)이 고정층(218)으로부터 멀어지도록 구부러져 있으므로, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 의해 트랙간의 거리가 좁게 된 경우라도, 인접하는 트랙의 기록 비트로부터의 자계의 영향을 받기 어렵게 할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 고정층과 자유층의 접합 영역을 제외한 영역의 자 유층이 고정층으로부터 멀어지도록 구부러져 있으므로, 인접하는 트랙의 기록 비트로부터의 자계의 영향을 저감할 수 있다. 이에 따라 인접하는 트랙의 기록 비트로부터의 자계의 영향을 받기 어렵게 할 수 있으므로, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

(다른 구체예(그 1))

본 발명의 제5 실시예에 의한 자기 헤드의 다른 구체예를 도25를 사용하여 설명한다. 도25는 본 구체예에 의한 자기 헤드를 신호 검출면측에서 본 평면도이다.

도25에 나타내는 바와 같이, 본 구체예에서는 고정층(218)과 자유층(214c) 사이의 접합 영역(234)을 제외한 영역의 자유층(214c)이 고정층(218)으로부터 멀어지도록 구부러져 있고, 구부려져 있는 자유층(214c)이 실드층(212a)으로부터 더욱 멀어지도록 구부려져 있다. 이에 따라 실드층(212a)과 실드층(212b) 거리를 작게 할 수 있으므로, 신호를 검출하는 부분을 미세화 할 수 있어, 자기 기록 매체의 더욱 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

이와 같이 본 구체예에서는 고정층과 자유층 사이의 접합 영역을 제외한 영역의 자유층이 고정층으로부터 멀어지도록 구부러져 있고, 구부려져 있는 자유층이 더욱 실드층으로부터 멀어지도록 구부려져 있다. 이에 따라서, 실드층간의 거리를 작게 할 수 있으므로, 신호를 검출하는 부분을 미세화 할 수 있어, 자기 기록 매체의 더욱 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

(변형 실시예)

본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고 여러가지 변형이 가능하다.

예를 들면, 제1 실시예에서, 자유층으로서 기능하는 하부층(10)을 신호 검출면으로부터 사이가 떨어지는 방향으로 뻗게하고, 뻗은 하부층(10)의 단부를 투자율이 높은 실드층에 접속하여도 좋다. 이에 따라서, 센서부(13)에서의 반자계의 영향을 더욱 저감할 수 있으므로, 검출 감도를 더 향상할 수 있다.

또, 제1 실시예에 의한 하부층(10)을 도24에 나타내는 자유층(214b)과 같이 형성하여도 좋다. 즉, 센서부(13)를 제외한 영역에서, 하부층(10)을 상부층(12)으로부터 멀어지도록 구부려도 좋다. 이에 따라서, 인접하는 트랙의 기록 비트로부터의 자계의 영향을 저감할 수 있으므로, 자기 기록 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

또, 제1 실시예에 의한 자기 센서를 사용한 자기 헤드도, 하드 디스크 장치에 적용할 수 있다. 이러한 감도가 높은 자기 센서를 사용함으로써, 자기 기억 매체의 고기록 밀도화에 대응할 수 있다.

또, 제2 내지 제5 실시예에서는 자유층을 실드층에 접속했지만, 자유층은 실드층뿐만 아니고, 높은 투자율을 갖는 자성체에 적의 접속하면 좋다.

또, 제2 내지 제5 실시예에서는 자기 헤드에 대해서 설명했지만, 상기와 같은 자기 헤드를 사용하여 하드 디스크 장치를 제공할 수 있다. 또, 이러한 하드 디스크 장치를 복수 사용하여 디스크 어레이 장치를 제공할 수도 있다.

또, 제1 내지 제5 실시예에서는 자유층이나 고정층의 재료로서 NiFe층이나 Co층을 사용했지만, 자유층이나 고정층의 재료는 NiFe층이나 Co층에 한정되는 것은 아니고, 강자성 터널 접합을 실현할 수 있는 층이라면, 다른 모든 층을 자유층이나 고정층으로 사용할 수 있다.

본 발명은 자기 센서, 자기 헤드, 자기 인코더 및 하드 디스크 장치에 적합하고, 특히 양호한 감도를 실현할 수 있는 자기 센서, 자기 헤드, 자기 인코더 및, 자기 기록 매체의 고밀도화에 대응할 수 있는 자기 헤드 및 그 자기 헤드를 사용한 기억 용량이 큰 하드 디스크 장치에 유용하다.

Claims

강자성 터널 접합을 갖는 자기 센서로서,

자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과,

상기 자유층상에 형성되고, 다른 영역보다 얇은 두께로 되어 있는 오목 영역이 구비되어 있는 장벽층을 갖고,

상기 오목 영역에 대응하는 영역의 자유층이 외부 자계를 감지하는 센서부로서 기능하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
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자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과, 장벽층을 통하여 상기 자유층의 한쪽 면에 대향하고, 인접하는 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층을 갖는 강자성 터널 접합 소자를 갖고,

상기 자유층의 연재(延在)한 단부는 상기 강자성 터널 접합 소자로부터 이간(離間)하여 형성되어 있고 자속이 상기 자유층 내를 보다 용이하게 통과하도록 하기 위한 실드층에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
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제7항에 있어서,

상기 고정층의 가장자리 근방의 상기 장벽층의 두께는 상기 고정층의 중앙부 근방의 상기 장벽층의 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
제7항에 있어서,

상기 자유층은 상기 고정층과 상기 자유층 사이의 접합 영역으로부터 이간한 영역은 상기 접합 영역보다 폭이 더 넓게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
제7항에 있어서,

상기 고정층은 신호 검출면에 노출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
제7항에 있어서,

상기 실드층은 어스(earth)에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
제7항에 있어서,

상기 자유층의 적어도 일부가 상기 고정층과 상기 자유층 사이의 접합 영역을 제외한 영역에서 상기 고정층으로부터 멀어지도록 구부러져 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
제7항에 있어서,

상기 강자성 터널 접합 소자는 상기 자유층의 다른 쪽 면측에 형성된 다른 장벽층을 통하여 상기 자유층에 대향하고, 인접하는 다른 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 다른 고정층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과, 장벽층을 통하여 상기 자유층의 한쪽 면에 대향하고, 인접하는 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층을 갖는 강자성 터널 접합 소자를 갖고,

상기 자유층의 연재한 단부는 상기 강자성 터널 접합 소자로부터 이간하여 형성되어 있고 자속이 상기 자유층 내를 보다 용이하게 통과하도록 하기 위한 실드층에 접속되어 있는 자기 헤드를 갖는 것을 특징으로 하는 하드 디스크 장치.
자화 방향이 자유롭게 회전하는 자유층과, 장벽층을 통하여 상기 자유층의 한쪽 면에 대향하고, 인접하는 반강자성층에 의해 자화 방향이 고정된 고정층을 갖는 강자성 터널 접합 소자를 갖고,

상기 자유층의 연재한 단부는 상기 강자성 터널 접합 소자로부터 이간하여 형성되어 있고 자속이 상기 자유층 내를 보다 용이하게 통과하도록 하기 위한 실드층에 접속되어 있는 자기 헤드를 갖는 하드 디스크 장치를 복수개 갖는 것을 특징으로 하는 디스크 어레이 장치.