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KR19980032686A - 자기저항 효과 막 및 그의 제조 방법 - Google Patents

자기저항 효과 막 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR19980032686A
KR19980032686A KR1019970051763A KR19970051763A KR19980032686A KR 19980032686 A KR19980032686 A KR 19980032686A KR 1019970051763 A KR1019970051763 A KR 1019970051763A KR 19970051763 A KR19970051763 A KR 19970051763A KR 19980032686 A KR19980032686 A KR 19980032686A
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film
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antiferromagnetic
magnetoresistive
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마사후미 나까다
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가네꼬히사시
닛본덴기가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 자기저항 효과 막은 반강자성 박막, 반강자성 박막과 접촉하는 자성 박막, 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 비자성 박막과 접촉하는 다른 자성 박막의 적층물이다. 반강자성 박막의 바이어스 자기장 Hr 및 다른 자성 박막의 보자력 Hc2는 조건 Hc2 Hr을 충족한다. 반강자성 박막은 두께 20 내지 100 Å의 산화니켈 막 및 산화철 막의 적층물이다.

Description

자기저항 효과 막 및 그의 제조 방법
본 발명은 신호로서 자기 기록 매체 등으로부터 자기장 강도를 판독하는 자기저항 효과 소자에 사용되는 자기저항 효과 막, 및 보다 구체적으로, 작은 외부 자기장에서 큰 저항 변화율을 갖는 자기저항 효과 막에 관한 것이다.
최근에, 높은 선밀도를 갖는 자성 표면으로부터 데이터를 판독하는 MR(자기저항) 센서(또는 MR 헤드)로 공지된 변환기가 개발되었다.
판독 소자에 의해, MR 센서는 자속의 강도 및 방향의 함수인 저항의 변화를 통해 자기장 신호를 탐지한다.
과거에는 이와 같은 MR 센서에서, 판독 소자의 저항의 한 성분은 이방성 자기저항(AMR) 효과로 공지된 작동 원리에 따라, 자화의 방향 및 소자 내에 흐르는 탐지 전류 사이에 형성된 각의 코사인의 제곱에 비례하여 변하였다. AMR 효과는 문헌 [D.A. Thompson 등, Memory, Storage, and Related Applications IEEE Transactions of Magnetics. MAG-11, p. 1039 (1975)]에서 상세히 논의되었다.
부가적으로, 최근에, 그에 의해 적층된 자기 센서내의 저항의 변화가 사이에 낀 비자성층을 갖는 자성층 사이의 스핀 의존 전도, 및 층 경계에서 동반하는 스핀 의존 분산에 기여하는, 더 현저한 자기저항 효과가 보고되었다.
이러한 자기저항 효과는 거대 자기저항 효과 및 스핀 밸브 효과를 포함하여 다양한 명칭으로 공지되었다.
이와 같은 자기저항 센서는 적합한 물질로 제조되고, AMR 효과를 사용하는 센서에서 관찰되는 것과 비교할 때, 밀도를 개선하고, 저항 변화를 증가시킨다. 이러한 유형의 MR 센서를 사용하여, 비자성층에 의해 분리된 한 쌍의 반강자성층 사이의 내부 평면 저항은 2층 내의 자화 방향 사이에 형성된 각의 코사인에 비례하여 변한다.
일본 특허 공개 제2-61572호에는 자성층 사이의 역평행 방향의 자화에 의해 발생하는 큰 MR 효과를 일으키는 적층된 자성 구조물이 기재되어 있다.
상기 일본 특허 공개에서는, 전이 금속 및 그의 합금을 이러한 적층 구조물에서 자성층에 사용될 수 있는 물질로 언급하였다. 이 특허에서는 FeMn이 중심층에 의해 분리된 2개의 자성층 중 적어도 한 층에 사용하기에 적합한 것으로 개시하였다.
일본 특허 공개 제4-358310호에는 비자성 금속의 박막으로 분리된 박막의 강유전성 물질의 2개의 층을 갖는 MR 센서가 개시되어 있고, 여기에서, 적용된 자기장이 0일 때, 2개의 강자성 박막에서 자화 방향은 서로 수직이고, 2개의 커플링되지 않은 강자성층 사이의 저항은 2층 내의 자화 방향 사이에 형성된 각의 코사인에 비례하여 변하고, 이는 센서 내 전류 흐름의 방향에 독립적이다.
일본 특허 공개 제6-214837호에는 사이에 낀 비자성층을 통하여 다수의 자성 박막이 지지체 상에 적층된 자기저항 효과 소자가 개시되어 있으며, 여기에서, 사이에 낀 비자성 박막을 통하여 서로 인접하게 배열된 1개의 연성 자성 박막이 반강자성 박막과 함께 제공되고, 추가로 여기에서, 이러한 반강자성 박막 상의 바이어스 자기장은 Hr이고, 연성 자성 박막의 보자력(coercivity)은 Hc2 (Hr)인 자기저항 효과 막에서, 상기 기술된 반강자성 박막은 NiO, NixCo1-xO, 및 CoO로 이루어진 군 중 적어도 2가지 유형으로서 선택된 초격자 구조(super lattice)이다.
부가적으로, 일본 특허 공개 제7-136670호에는 일본 특허 공개 제6-214837호에서와 동일한 구조를 갖는 자기저항 효과 막에서, NiO의 반강자성 박막 상에, CoO 층이 10 내지 40 Å의 두께로 적층된 2-층 막인 자기저항 효과 소자가 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술한 바와 같은 과거의 자기저항 효과 소자는 하기와 같은 문제점을 갖는다.
(1) 작동이 작은 외부 자기장에 의한 것이더라도, 실제적으로 사용가능한 센서 또는 자기 헤드는 그의 용이한 축의 방향으로 적용된 신호 자기장을 가져야 하며, 이로 인해, 센서로서의 용도에 대해, 제로 자기장의 영역에서 나타나는 저항에 변화가 없고, 바크하우젠 점프(Barkhausen jump)와 같은 효과로 인해 발생하는 비선형성이 존재하는 문제가 생긴다.
(2) 사이에 낀 비자성층을 통하여 서로 이웃하는 자성층 사이에 강자성 상호작용이 존재하며, 이는 MR 곡선의 선형 부분을 제로 자기장으로부터 멀리 이동시키는 문제를 일으킨다.
(3) 반강자성 박막으로서, 부식하기 쉬운 FeMn과 같은 물질을 사용하여야 하므로, 실제적으로 사용가능한 장치에서, 첨가물을 사용하거나 보호막을 적용하는 것과 같은 대책이 필요하게 된다.
(4) 반강자성 박막으로서 우수한 내부식성을 갖는 산화니켈 막을 사용하는 경우, 바이어스 자기장은 작고, 이웃하는 연성 자성 막의 보자력은 커지며, 이는 자성층 사이에 자화의 역평행성을 성취하기 어렵게 한다.
(5) 산화니켈 막을 사용하는 경우, 블로킹 온도(바이어스 자기장이 효력을 잃는 온도)가 낮아서, 가열 처리가 250℃ 이상에서 행해지면, 바이어스 자기장이 감소한다.
(6) 반강자성 막으로서 산화물 반강자성 막을 사용하는 경우, 열 처리를 수행할 때, 인접하는 연성 자성 막의 산화가 발생하여, 자기저항 효과 막에서 저항 변화율을 감소시킨다.
(7) 자성 박막, 비자성 박막 및 다른 자성 박막의 3층 구조 내의 전도 전자의 평균 자유 통로의 변화를 이용함으로써, 구조에서 기본적으로 저항의 변화가 수득되므로, 다중층 구조를 갖는, 커플링 유형으로 공지된 자기저항 효과 막과 비교할 때, 저항 변화율이 작다.
본 발명의 목적은 자기장이 0인 영역에서 큰 선형 저항 변화를 나타내고, 부식 및 열 모두에 대해 우수한 면역성을 갖는 자기저항 효과 막을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항 효과 막의 한 실시태양을 도시하는 부분 간이 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에 의해 형성된 자기저항 센서의 분해 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 B-H 곡선을 도시하는 그래프.
도 4는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 R-H 곡선을 도시하는 그래프.
도 5는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 B-H 곡선을 도시하는 그래프.
도 6은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 B-H 곡선을 도시하는 그래프.
도 7은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 MR 곡선을 도시하는 그래프.
도 8은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 MR 곡선을 도시하는 그래프.
도 9는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 Fe-O층 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시하는 그래프.
도 10은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 Fe-O층에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하는 그래프.
도 11은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 Fe-O층 두께에 대한 교환 커플링 자기장 및 보자력의 의존성을 도시하는 그래프.
도 12는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 NiO층의 두께에 대한 저항 변화율과 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하는 그래프.
도 13은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 O/Ni 비율에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하는 그래프.
도 14는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 O/Fe 비율에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하는 그래프.
도 15는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 반강자성 박막의 표면 거칠기(roughness)에 대한 교환 커플링층 교환 커플링 자기장과 보자력의 의존성을 도시하는 그래프.
도 16은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 열 처리 온도에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시하는 그래프.
도 17은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막의 반강자성 박막의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시하는 그래프.
도 18은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 자성층의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시하는 그래프.
도 19는 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 삽입된 코발트 합금층의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시하는 그래프.
도 20은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막에서의 열 처리 온도에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하는 그래프.
도 21은 도 1에 도시된 자기저항 효과 막으로부터 형성되는 자기저항 효과 소자의 MR 곡선을 도시하는 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 비자성 박막
2, 3 : 자성 박막
4 : 지지체
5, 6 : 반강자성 박막
7 : 인공 격자 막
8 : 자기 기록 매체
본 발명에 따른 자기저항 효과 막은 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막(연성 자성 박막), 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막(연성 자성 박막)의 적층물을 포함하고, 여기에서, 상기 반강자성 박막의 바이어스 자기장이 Hr이고, 상기 제2 자성 박막의 보자력이 Hc2이면, Hc2 Hr의 조건이 성립되어야 한다.
반강자성 박막, 제1 자성 박막, 비자성 박막, 및 제2 자성 박막은 지지체 상에, 반강자성 박막으로 시작하여 이러한 순서로 적층될 수 있고, 또한 지지체 상에, 제2 자성 박막으로 시작하여 역순으로 적층될 수 있다. 상기 반강자성 박막은 두께가 20 내지 100 Å 범위인 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물이다.
상기 구조에 의해, 이전에 사용된 구조와 비교할 때, 교환 커플링 막에 있어서 단방향 이방성이 현저하게 개선되고, 열 안정성이 현저하게 개선되어, 자기저항 효과 소자의 안정한 작동을 성취할 수 있다.
산화니켈 막의 두께가 1000 Å 이하인 것이 바람직하다. 더 큰 두께가 효과의 저하를 일으키지는 않지만, 자기저항 효과 소자에서의 판독 정확도의 관점에서, 막 두께가 증가하는 것에 동반하여 정확도가 감소하므로, 그러한 두께가 바람직하다.
산화니켈 막의 두께의 하한은 반강자성 박막에서 인접하는 결정 구조를 갖는 자성 박막에 적용된 교환 커플링 자기장의 크기에 의해 크게 영향을 받으므로, 하한은 100 Å 이상이 되는 것이 바람직하며, 이 두께에서, 우수한 결정화가 존재한다. 막을 실온 내지 300℃로 가열하여 지지체 상에 막을 형성함으로써, 결정화가 개선되고 바이어스 자기장이 증가한다.
증착, 스퍼터링, 분자 빔 에피택시(epitaxy)(MBE) 등과 같은 방법에 의해 막을 성장시킨다. 지지체로서, 수정 유리, Si, MgO, Al2O3, GaAs, 페라이트, CaTi2O3, BaTi2O3, 및 Al2O3-TiC와 같은 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 니켈, 철 및 코발트로 이루어진 군 중 1종 이상의 금속으로 선택된 금속을 3 내지 30 Å의 두께로 반강자성 박막 및 자성 박막 사이에 삽입함으로써, 자성 박막의 산화를 억제하고, 또한 열 처리시 교환 커플링 자기장에서의 감소, 및 저항 변화율에서의 감소를 상당하게 개선시킨다.
본 발명에서, 반강자성 박막의 표면 거칠기를 2 내지 15 Å으로 제조함으로써, 그 상에 적층된 자성 박막내 자성 도메인 구조에서 변화가 존재하여, 이로 인해 교환 커플링 막의 보자력이 감소한다.
본 발명에서 자성 박막으로 사용되는 물질이 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, 및 NiFeCo로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 금속인 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 비자성 박막 및 자성 박막 사이의 경계에서 전도 전자의 분산을 크게 하여 큰 저항 변화를 성취한다.
본 발명에서, 자성 박막을 상기 자성 물질로 형성한다. 특히, 반강자성 박막에 인접하지 않은 자성 막의 이방성 자기장 Hk2가 보자력 Hc2 보다 큰 물질을 선택함으로써 본 발명의 수행할 수 있다.
막 두께를 작게 함으로써 이방성 자기장을 또한 크게 만들 수 있다. 예를 들면, NiFe 막을 약 10°의 두께로 만들면, 이방성 자기장 Hk2가 보자력 Hc2 보다 크게 할 수 있다.
부가적으로, 자성 박막을 자기장 내에 형성함으로써, 자성 박막의 용이한 자화 축이 적용된 신호 자기장의 방향에 대해 수직이 되고, 신호 자기장의 방향에서 자성 박막의 보자력이 Hc2 Hk2 Hr이 되도록, 상기 자기저항 효과 소자를 제작할 수 있다.
구체적으로, 적용된 자기장을 막 형성 동안 90° 회전시킴으로써, 반강자성 박막에 인접한 자성 박막의 용이한 축이 사이에 낀 비자성 막을 통하여 그에 이웃하는 자성 박막의 용이한 자화 방향에 수직이 될 수 있거나, 대안적으로 자기장 내에서 지지체를 90° 회전시킨다.
각각의 자성 박막의 두께는 150 Å 이하인 것이 바람직하다. 막 두께가 150 Å 보다 크면, 막 두께의 증가에 동반하여, 전자 분산에 기여하지 않는 영역이 증가하여, 거대 자기저항 효과가 감소한다.
자성 박막의 두께에 특정한 하한은 없지만, 10 Å 미만의 두께에서, 전도 전자의 표면 분산이 커지고, 따라서, 자기저항 변화가 감소한다.
두께가 10 Å 또는 그 이상이면, 균일한 막 두께를 유지하기가 쉽고, 우수한 특성이 성취된다. 부가적으로, 포화 자화가 작아지는 문제가 생기지 않는다.
반강자성 박막에 인접하는 자성 박막의 보자력은 지지체 온도를 실온에서 300℃로 상승시키고, 반강자성 박막과 연속적으로 연속 형성함으로써 작아질 수 있다.
추가로, 자성 박막 및 비자성 박막 사이의 경계에 Co, FeCo, NiCo, 또는 NiFeCo를 삽입함으로써, 전도 전자 경계 분산의 가능성을 증가시키고, 그에 의해 큰 저항 변화를 성취할 수 있다.
삽입된 박막의 하한은 3 Å이다. 이 두께 미만에서, 삽입의 효과가 감소할 뿐만 아니라, 막의 성장을 조절하기 어렵게 된다.
삽입된 막의 두께에 대한 특정한 상한은 없지만, 약 40 Å인 것이 바람직하다.
이 두께보다 크면, 자기저항 효과 소자의 작동 범위내 출력에서 히스테리시스가 발생한다.
부가적으로, 이와 같은 자기저항 효과 소자에서, 외부 자기장, 즉, 반강자성 박막에 인접하지 않는 자기장을 탐지하는 자성 박막의 용이한 자화 방향에 근접하게 영구 자석 박막을 놓음으로써, 자성 도메인의 안정화를 성취하고, 바크하우젠 점프에 의해 유발되는 것과 같은 비선형 출력을 피할 수 있다. 영구 자석 박막용 물질로서 CoCr, CoCrTa, CoCrTaPt, CoCrPt, CoNiPt, CoNiCr, CoCrPtSi, 또는 FeCoCr과 같은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이들 영구 자석 박막용 베이스층으로서 Cr 등을 사용할 수 있다.
비자성 박막은 자성 박막 사이의 자기적 커플링을 약화시키는 목적을 수행하는 물질이며, 높은 저항 변화 및 열에 대한 면역성을 성취하기 위해, 바람직하게는 Cu, Au, Ag 및 Ru로 이루어지는 군 중 1종 이상의 금속으로 제조되는 것이 바람직하다.
실험으로부터, 비자성 박막의 두께가 20 내지 35 Å 범위인 것이 바람직하다.
일반적으로, 막 두께가 40 Å을 초과하면, 저항은 비자성 박막에 의해 확립되고, 스핀에 의존하는 분산 효과가 비교적 작아지고, 이로 인해 자기 저항 변화율이 작아진다.
막 두께가 20 Å 이상이면, 자성 박막 사이의 자기 상호작용이 과도하게 커지고, 직접적인 자기 접촉 상태(핀홀)의 발생을 피할 수 없게 되어, 자성 박막의 자화 방향이 상이하게 되는 상태가 된다.
본 발명에서와 같은 산화물 반강자성 박막을 사용하는 스핀 밸브 막에서, 비자성 박막의 두께가 8 내지 12 Å 범위인 영역에서 비자성 박막의 두께에 대하여 자성 박막 사이에 상호작용이 존재하므로, 2개의 자성 박막은 반강자성적으로 커플링하여, 0에 근접한 자기장 영역에서 저항 변화를 크게 한다.
자성 박막 또는 비자성 박막의 두께를 예를 들면, 투과형 전자 현미경, 주사형 전자 현미경, 또는 오오제(Auger) 전자 분광법에 의해 측정할 수 있다.
박막의 결정화 구조는 x-선 회절 또는 고속 전자 비임 회절과 같은 수단에 의해 입증할 수 있다.
자기저항 효과 소자를 구성할 때, 인공 매트릭스 막의 적층 반복수 N에 대한 특별한 제한은 없으며, 목적하는 자기저항 변화율에 따라 이를 정할 수 있다.
그러나, 적층 효과의 손실에 이르게 되는 반강자성 박막 비저항이 크기 때문에, 상기 구조물을 반강자성층/자성층/비자성층/자성층/비자성층/자성층/반강자성층 구조물로 대체하는 것이 바람직하다.
최외각 자성 박막의 표면에 질화실리콘, 산화실리콘, 알루미나 등의 산화 방지막을 제공할 필요는 없으며, 전극에 배선 접속을 할 목적으로 금속 전도층을 제공할 수 있다.
자기저항 효과 소자 내에 존재하는 자성 박막의 자성 특성을 직접 측정할 수 없기 때문에, 측정은 하기와 같이 통상 행해진다.
측정하고자 하는 자성 박막은 전체 두께가 500 내지 1000 Å이 되도록 성장시킨 상기 막과 비자성 박막의 교대의 막을 갖는 측정 시료로 형성시키며, 그 후 상기 적층물의 자기 특성을 측정한다. 이 경우에, 자성 박막의 두께, 비자성 박막의 두께, 및 비자성 박막의 조성물은 자기저항 효과 소자에서 사용된 바와 동일한 것이다.
본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하여, 반강자성 박막을 교환 바이어스가 불가피하게 작동되도록 제1 자성 박막에 인접하게 형성시킨다.
이 이유는 본 발명의 원리가, 사이에 낀 비자성 박막을 통하여 인접한 자성 박막의 자화 방향이 서로 반대일때 최대 저항이 나타난다는 사실에 기초한다는 점이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 외부 자기장 H는 제2 자성 박막의 이방성 자기장 Hk2 및 제1 자성 박막의 반자기력, 즉 바이어스 자기력 Hr 사이에 있는 크기를 가질 때, 즉 Hk2 H Hr 조건이 충족될 때 인접한 자성 박막에서의 자화 방향이 서로 반대이며, 이로 인해 저항이 증가한다.
도 2는 본 발명에 따른 자기저항 효과 소자를 사용하는 MR 센서의 한 예를 도시하는 분해 사시도이다.
도 2에 도시된 상기 MR 센서는 지지체 (4) 상에 형성되는 인공 격자 막으로부터 형성되며, 지지체 (4) 상에 형성되는 반강자성 박막 (5)의 상부에는 사이에 낀 비자성 박막 (1)과 함께 자성 박막 (3, 2)가 형성되며, 이 자성 박막 (2, 3)은 서로 수직의 용이한 자화 방향을 갖고, 자기 기록 매체 (3)으로부터 방출되는 신호 자기장은 자성 박막 (2)의 용이한 자화 방향에 수직이 되도록 설계된다.
상기 배열에서, 자성 박막 (3)은 그에 인접한 반강자성 박막 (5)에 의해 단방향 이방성을 배열에 부여하였다.
자성 박막 (2)의 자화 방향은 자기 기록 매체 (8)로부터의 신호 자기장의 크기에 반응하여 회전하기 때문에, 저항 변화 및 자기장은 이로 인하여 감지된다.
그 다음, 외부 자기장, 보자력 및 자화 방향간의 관계를 기술하고자 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 바이어스적으로 교환되는 자성 박막 (3)의 반자기력, 즉 바이어스 자기장은 Hr이고, 자성 박막 (2)의 보자력은 Hc2이고, 이방성 자기장은 Hk2이다 (이때, o Hk2 Hr임).
먼저, H -HK2가 되도록 (영역 (A)) 외부 자기장 H를 인가한다. 이 조건하에서, 자성 박막 (2)와 (3)의 자화 방향은 H와 동일하다 (음의 방향).
그 다음, Hk2 H Hk2의 조건 (영역 (B))하에서 외부 자기장이 약화됨에 따라, 자성 박막 (2)의 자화는 양의 방향에 역이 되도록 회전하며, Hk2 H Hr (영역 (C))일때 자성 박막 (2)와 (3)의 자화 방향은 서로 반대이다.
외부 자기장 H가 Hr H (영역 (D))이 되도록 추가로 증가할때, 자성 박막 (3)의 자화 방향은 또한 자성 박막 (2) 및 자성 박막 (3)의 자화 방향이 양의 방향이 되도록 역전된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 막의 저항은 자성 박막 (2)와 (3)의 상대적인 자화 방향에 반응하여 변화하고, 이것은 0 자기장 영역에서 선형으로 변화하며, 최대값 R최대는 영역 (C)에서 나타난다.
도 1은 본 발명의 한 실시태양을 도시하는 도면으로서 막 두께 방향으로 확대하여 도시되어 있으며, 인공 격자 막 (7)을 자기저항 효과 막에서 처럼 이 경우에 사용한다.
인공 격자 (7)은 바람직하게는 산화철 막 및 산화니켈 막을 포함하는 반강자성 박막 (5) 상에 형성된 자성 박막 (2, 3)을 갖고, 비자성 박막 (1)을 인접한 자성 박막 (2, 3) 간에 배치한다. 자성 박막 (2)는 반강자성 박막 (또는 영구 자석 박막) (6) 상에 형성시킨다. 청구범위에 기재된 재료 및 다른 자세한 내용은 실험의 결과를 기초로 하기에서 상세히 설명하고자 한다.
지지체 (4)로서 작용하는 유리판을 진공 장치에 놓고, 10-7 Torr의 상태로 진공시킨다. 지지체 온도를 실온 내지 300 ℃로 유지시키고, 지지체 상에 두께 100 내지 1000 Å의 NiO 막, 두께 10 내지 100 Å의 FeO 박막 및 이어 (NiFe, Co, FeCo, NiCo 또는 NiFeCo)의 자성 박막을 성장시킨다.
실온 내지 300 ℃의 온도에서 상기 지시된 바와 같이 교환 커플링 막을 형성시킨 후, 지지체 온도를 실온으로 되돌리고, 비자성층과 자성층을 형성시킨다.
상기 과정을 할때, 막 성장 동안 인가된 자기장을 90° 정도 회전시켜 교환 커플링 막의 용이한 자화 축 및 사이에 낀 비자성층을 통하여 그에 인접한 자성층의 용이한 자화 축이 서로 수직이 되도록 한다.
그 후, 상기 인공 격자 막을 가열 오븐에 넣고, 교환 커플링 막의 용이한 자화 방향으로 300 내지 3000 Oe의 DC 자기장을 인가하는 동안 200 내지 300 ℃의 온도에서 열 처리하여 자기저항 효과 막을 형성시킨다.
보다 구체적으로는, 유기 지지체의 양 말단에 NdFeB 자석을 놓고 유리 지지체에 평행으로 대략 3000 Oe의 외부 자기장을 인가함으로써 막을 성장시킨다.
상기 시료의 B-H 곡선의 측정치는 막 성장 동안 자기장의 인가 방향이 자성 박막의 용이한 자화 축이라는 것을 나타낸다.
이어서, 하기에 나타낸 인공 매트릭스 막을 산화물 반강자성 박막의 경우 2.2 내지 3.5 Å/초의 속도로, 자성 박막 및 비자성 박막의 경우 대략 0.8 내지 2.0 Å/초의 속도로 형성시켰다.
하기에서, 표기 NiO(500)/Fe-O(20)/NiFe(60)/Cu(25)/NiFe(60)은 반강자성 막을 형성하기 위하여 두께 500 Å의 NiO 박막과 두께 20 Å의 Fe-O 박막의 지지체 상의 순차적인 적층을 의미하며, 후에 두께 60 Å의 Ni80%-Fe20% 합금 박막, 두께 25 Å의 Cu 박막 및 두께 60 Å의 Ni80%-Fe20% 박막을 순차로 성장시킴을 의미한다.
발진 자화 측정기 (oscillating magnetization meter)를 사용하여 자화를 측정하였다. 1.0 x 10 ㎟의 측정 시료를 제작하고 표면 안의 장이 그 안을 흐르는 전류에 수직이 되도록 -500 부터 500 Oe까지 외부 자기장을 변화시키는 동안 측정을 수행하기 위하여 4개의 배선 저항 측정치를 사용하여 저항을 측정하였으며, 자성 저항 변화율 △R/R을 결정하였다. 저항 변화율 △R/R의 최대 및 최소값 각각은 R최대및 R최소로 표시하였으며, 이 변화율은 식 △R/R = (R최대- R최소)/R최소x 100 %로 계산하였다.
제작된 스핀 밸브 막은 하기에서 지시된 바와 같이 구성되었다.
1 비자성층 Cu
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/Co90Fe10(20 내지 150)/Cu(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
2 자성 고정층 Co90Fe10
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/Co90Fe10(20 내지 150)/Cu(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
3 비자성층 Au
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/NiFe(20 내지 150)/Au(8 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
4 비자성층 Ag
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/NiFe(20 내지 150)/Au(8 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
5 비자성층 Ru
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/NiFe(20 내지 150)/Au(8 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
6 비자성층 Cu1-xAgx
유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20 내지 100)/NiFe(20 내지 150)/Cu1-xAgx(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
7 산화 방지층 두께 저장 시료
(a) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Fe(3 내지 30)/NiFe(20 내지 150)/Cu(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(b) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Ni(3 내지 30)/NiFe(20 내지 150)/Cu(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(c) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/Co(3 내지 30)/NiFe(20 내지 150)/Cu(8내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(d) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/FeCo(3 내지 30)/NiFe(20 내지 150)/Cu(8 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
(e) 유리/NiO(150 내지 500)/Fe-O(20)/NiCo(3 내지 30)/NiFe(20 내지 150)/Cu(8 내지 40)/NiFe(20 내지 150)
도 9는 Fe-O층의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 도시된다.
이로부터 산화니켈 막 상에 두께 20 내지 100 Å으로 Fe-O의 박막 층을 적층시킴으로써 저항 변화율이 점차로 증가함을 볼 수 있다.
도 10은 Fe-O층의 두께 및 열 처리 온도에 대한 NiO (500Å)/Fe-O/Ni-Fe (60Å)의 경우 교환 커플링 막 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시된다. 교환 커플링 자기장은 대략 250 ℃의 온도에서 열 처리에 의해 증가하며, 두께 10 내지 30 Å에서 최대이다.
따라서, 산화니켈 막 상에 산화철 층을 적층시킴에 의해 교환 커플링 막의 열에 대한 면역성이 현저히 개선되며, 또한 교환 커플링 자기장에서 커다란 증가가 있다.
산화철 막의 결정질 구조가 주성분으로서 α-Fe2O3를 가질때, 교환 커플링층의 블로킹 온도는 고온에서 안정한 자기저항 효과 막의 작동의 감소에 의해 증가할 것이다.
반면에, 상기 산화철 막의 결정질 구조가 주성분으로서 FeO를 가질때, 반강자성 박막의 이방성이 증가할 것이며, 따라서 상대적으로 대량의 교환 커플링층의 교환 커플링 자기장을 얻을 수 있다.
도 11은 Fe-O층의 두께에 대한, 2 시간 동안 250 ℃로 열적으로 처리한 교환 커플링 막 교환 커플링 자기장 막과 보자력의 의존성을 도시하며, 이로부터 양 시료의 경우 보자력은 교환 커플링 자기장의 대략 1/2이고, 자기저항 효과 소자의 작동시 히스테리시스가 나타나지 않는다는 것을 볼 수 있다.
도 12는 NiO층의 두께에 대한 저항 변화율과 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시된다. NiO층 두께에 의해 저항 변화율에 대한 영향이 거의 없는 반면, 교환 커플링 자기장은 NiO층 두께에 의해 크게 영향을 받는다. 즉, NiO층 두께가 최소 150 Å이 되는 것이 필수적이다.
도 13은 O/Ni 비율에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하며, 이로부터 도시된 Fe-O층 두께의 양자의 경우 O/Ni 비가 0.9 내지 1.1일때 교환 커플링 자기장이 피크 값을 취한다는 것을 볼 수 있다.
도 14는 O/Fe 비율에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 도시하며, 이로부터 O/Fe 비율이 0.8 내지 2.0일때 교환 커플링 자기장이 피크 값을 취한다는 것을 볼 수 있다.
도 15는 반강자성 박막의 표면 거칠기의 면에서, 교환 커플링층의 교환 커플링 자기장 및 보자력을 도시된다.
교환 커플링층의 자기 특성은 반강자성 박막의 표면 성분과 표면 거칠기에 관련되어 있으며, 교환 커플링 자기장이 표면 거칠기에 의해 상당히 영향을 받지 않는 반면, 보자력은 표면 거칠기가 2 내지 15 Å가 되게 함에 의해 작게 만들 수 있다,.
이것은 상기 언급된 적층된 자성 막의 자성 도메인 구조가 표면 거칠기에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, 스핀 밸브로서 행동하는 MR 특성은 거칠기 2 내지 15 Å에서 얻어진다.
도 16은 각종 비자성 물질을 사용할 경우 열 처리 온도에 대한 저항 변화율의 의존성을 나타내는 도면이다. 비자성 물질로서 CuAg 합금 또는 Ag를 사용함으로써 저항 변화율은 열 처리 온도가 높을 경우에도 유지될 수 있음을 알 수 있다.
이는 니켈과 구리의 합금화가 결정립 경계에서 Ag의 석출에 의해 억제되기 때문이다.
도 17은 비자성층의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 스핀 밸브 막은 그래프에 나타난 바와 같이 비자성층의 두께와 관련하여 저항 변화율에 2개의 피크가 존재한다.
이는 자성층들 사이에 반강자성 상호작용의 발생에 기인한다. 비자성층 두께가 20 내지 30 Å일 경우 저항 변화율은 6.5 %이고, 두께가 10 Å일 경우 저항 변화율은 약 10 %이다.
도 18은 자성층의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 나타내는 도면이다. 자성층 두께가 40 내지 70 Å일 경우 저항 변화율은 피크 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
코발트 기재의 물질과 같은 강자성 물질을 사용하는 경우, 자성층과 비자성층 사이의 경계에서 전자 분산 가능성이 증가하고 (12 %의) 양호한 저항 변화율을 달성할 수 있다.
도 19는 코발트 기재의 합금(Co, FeCo, NiCo, NiFeCo)의 층이 자성층과 비자성층 사이의 경계에 삽입되는 경우 상기와 같은 합금의 두께에 대한 저항 변화율의 의존성을 나타내는 도면이다.
수 옹스트롬 두께의 합금이 삽일 될 경우 효과를 볼 수 있고, 10 Å 이상에서 저항 변화율에 점차적인 증가가 존재함을 알 수 있다.
이러한 상황하에서, 자기장을 감지하는 자성층의 보자력은 30 Å 두께로 삽입된 코발트에 대하여 약 15 Oe이고, 그 결과 스핀 밸브 막의 MR 특성에 히스테리시스가 발생하는 경향이 생긴다.
도 20은 철, 니켈, 코발트 또는 그의 합금이 반강자성 박막과 자성 막 사이의 경계에 삽입되는 경우 열 처리 온도에 대한 교환 커플링 자기장의 의존성을 나타내는 도면이다.
산화 방지막을 옥사이드 반강자성 박막과 자성 막 사이에 삽입함으로써, 자성층의 산화에 의해 유발되는 교환 커플링 자기장의 크기의 감소가 억제되고, 열 처리 온도가 300 ℃일 때에도 교환 커플링 자기장이 400 Oe로 유지된다.
도 21은 부재의 MR 곡선을 나타내는 도면이다. 여기서, 본 발명의 스핀 밸브 막 부재의 높이는 1 ㎛이고, 부재의 폭은 1.2 ㎛이고, CoCrPt 영구 자석 막은 인접 자성 도메인 안정화막으로서 사용된다. 이로부터 영구 자석 막을 사용함으로써 자성 도메인을 안정화할 수 있음을 알 수 있고, 바크하우젠 점프로 인한 비선형 출력을 피할 뿐만 아니라 정상의 이방성 자기저항 효과에 비해 6 내지 10배까지 증가한 출력을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 스핀 밸브에 대한 전형적인 B-H 곡선 및 MR 곡선이 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 자기저항 효과 막을 사용함으로써 다음의 자기저항 효과 소자를 구성하는 것이 가능하다.
(a) 마이크로프로세싱으로 본 발명에 따른 자기저항 효과 막이 되는 자기저항 효과 막. 이 효과 막은 부재 높이가 0.5 내지 1.5 ㎛이고, 자기장이 검출될 경우 검출되는 전류 밀도는 0.5 × 107∼ 5 × 107A/㎠이다.
(b) (a)의 자기저항 효과 막의 상부 및 하부가 절연층을 통하여 고투과성의 연성 자성 물질을 사용하여 샌드위칭된 구조를 갖는 차폐된 자기저항 효과 센서.
(c) 신호 자기장이 (a)의 자기저항 효과 소자에 고투과성의 연성 자성 물질에 의해 가이딩되는 요크형 자기저항 센서.
(d) (a)의 자기저항 효과 소자 및 검출된 자기장의 함수로서 상기한 자기저항 효과 소자의 저항 변화율을 검출하기 위한 수단 모두를 포함하는 자기저항 검출 시스템.
본 발명에 따른 자기저항 효과 막 및 그의 제조 방법에 따라 자기장이 0인 영역에서 큰 선형 저항 변화를 나타내는 특성을 얻을 수 있고, 또한 부식 및 열에 대한 면역성을 개선시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 적층 부재로서 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막을 포함하고, 상기 반강자성 박막의 바이어스 자기장 Hr 및 상기 제2 자성 박막의 보자력 Hc2가 조건 Hc2 Hr을 충족하고, 상기 반강자성 박막은 두께 20 내지 100 Å의 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 것인 자기저항 효과 막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화니켈 막의 두께가 150 내지 500 Å인 자기저항 효과 막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화니켈 막 중 니켈에 대한 산소의 조성비가 0.9 내지 1.1인 자기저항 효과 막.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화철 막 중 철에 대한 산소의 조성비가 0.8 내지 2.0인 자기저항 효과 막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화철 막의 결정질 구조가 그의 주성분으로서 α-Fe2O3을 갖는 것인 자기저항 효과 막.
  6. 제1항에 있어서, 상기 산화철 막의 결정질 구조가 그의 주성분으로서 FeO를 갖는 것인 자기저항 효과 막.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반강자성 박막의 표면 거칠기(roughness)가 2.0 내지 15 Å인 자기저항 효과 막.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비자성 박막의 물질이 Au, Ag, Cu 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 자기저항 효과 막.
  9. 적층 부재로서 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막을 포함하고, 상기 반강자성 박막의 바이어스 자기장 Hr 및 상기 제2 자성 박막의 보자력 Hc2가 조건 Hc2 Hr을 충족하고, 상기 반강자성 박막은 두께 20 내지 35 Å의 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 것인 자기저항 효과 막.
  10. 적층 부재로서 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막을 포함하고, 상기 반강자성 박막의 바이어스 자기장 Hr 및 상기 제2 자성 박막의 보자력 Hc2가 조건 Hc2 Hr을 충족하고, 상기 반강자성 박막은 두께 8 내지 12 Å의 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 것인 자기저항 효과 막.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반강자성 박막의 바이어스 자기장 Hr, 상기 제2 자성 박막의 보자력 Hc2 및 이방성의 자기장 Hk2가 조건 Hc2 Hk2 Hr을 충족하는 것인 자기저항 효과 막.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 자성 박막의 물질이 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe 및 NiFeCo로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질인 자기저항 효과 막.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 자성 박막의 두께가 10 내지 150 Å인 자기저항 효과 막.
  14. 제1항에 있어서, Co, FeCo, NiCo 또는 NiFeCo가 상기 비자성 박막과 상기 제1 또는 제2 자성 박막 사이의 경계에 3 내지 40 Å의 두께로 삽입되는 것인 자기저항 효과 막.
  15. 제1항에 있어서, Fe, Ni 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질이 상기 반강자성 박막과 상기 제1 자성 박막 사이의 경계에 3 내지 30 Å의 두께로 삽입되는 것인 자기저항 효과 막.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제2 자성 박막이 단일 자성 도메인을 포함하는 것인 자기저항 효과 막.
  17. 제16항에 있어서, 상기 자기저항 효과 막에 바이어스 자기장 발생 수단이 제공되는 것인 자기저항 효과 막.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반강자성 박막에 대해 인접하게 결합되지 않은 상기 자성 박막 중 하나 이상이 바이어스 자기장을 충분히 발생시킬 수 있는 것인 자기저항 효과 막.
  19. 제17항에 있어서, 상기 바이어스 자기장 발생 수단이 상기 제2 자성 박막에 대해 인접하도록 배치된 영구 자석 또는 상기 제2 자성 박막에 대해 인접하도록 배치된 반강자성 박막 중 하나인 자기저항 효과 막.
  20. 반강자성 박막과 제1 자성 박막을 실온 내지 300 ℃로 가열한 지지체 상으로 성장시킴을 특징으로 하는, 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막이 순서대로 지지체 상에 적층되어 있고, 상기 반강자성 박막은 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 자기저항 효과 막의 제조 방법.
  21. 반강자성 박막과 제1 자성 박막을 자기장하에 200 내지 300 ℃로 가열하여 상기 제1 자성 박막에 단방향 이방성(unidirectional anisotropy)을 유도함을 특징으로 하는, 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막이 순서대로 지지체 상에 적층되어 있고, 상기 반강자성 박막은 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 자기저항 효과 막의 제조 방법.
  22. 제1 및 제2 자성 박막을 성장시키는 동안 인가된 자기장이 90° 회전을 유발하여 상기 제1 및 제2 자성 박막의 용이한 자화 축 방향이 서로 수직임을 특징으로 하는, 적어도 반강자성 박막, 상기 반강자성 박막과 접촉하는 제1 자성 박막, 상기 제1 자성 박막과 접촉하는 비자성 박막, 및 상기 비자성 박막과 접촉하는 제2 자성 박막이 순서대로 지지체 상에 적층되어 있고, 상기 반강자성 박막은 산화니켈 막과 산화철 막의 적층물에 의해 형성되는 자기저항 효과 막의 제조 방법.
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