JP4908685B2

JP4908685B2 - スピンバルブ構造の製造方法

Info

Publication number: JP4908685B2
Application number: JP2001075102A
Authority: JP
Inventors: 洪成宗; 陳茂民; 朱克▲強▼; 李民; 廖 ▲煥▼中; 童茹瑛
Original assignee: ヘッドウェイテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: US6396671B1; JP2001313430A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果を利用した薄膜磁気ヘッドを備えた磁気ディスクシステムに係り、特に、薄膜磁気ヘッドの再生ヘッドに用いられるスピンバルブ構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、磁気ディスクシステムに搭載される一般的な薄膜磁気ヘッドの構成の一例を模式的に表すものである。なお、図２では、薄膜磁気ヘッドのうち、記録媒体１５に対向する側と反対側の部分の図示を省略している。
【０００３】
この薄膜磁気ヘッドは、例えば、主に、再生用の磁気抵抗効果（ＭＲ；magneto-resistive ）素子２０と、このＭＲ素子２０を周囲から磁気的に分離する下部シールド層１１および上部シールド層兼下部磁極（以下、単に「下部磁極」という）１２とを含んで構成された「再生ヘッド部」と、下部磁極１２と、この下部磁極１２に対向配置された上部磁極１３と、下部磁極１２と上部磁極１３との間に図示しない絶縁層を介して埋設され、平面内において渦巻状の巻線構造を有するコイル１４とを含んで構成された「記録ヘッド部」とを備えている。なお、図２では、コイル１４のうち、２個の巻線のみを図示している。下部磁極１２および上部磁極１３のうち、記録媒体１５に対向する側におけるそれぞれの一端部は小さなギャップ１６を介して隔てられ、互いに同一の微小幅を有し、一方、記録媒体１５に対向する側と反対側におけるそれぞれの他端部（図示せず）は互いに連結されている。コイル１４により発生した磁束は、下部磁極１２および上部磁極１３の内部を伝播して記録媒体１５に近い側に到達し、ギャップ１６近傍において漏れ磁束として外部に放出される。この漏れ磁束により、記録媒体１５の表面が磁化され、情報が記録される。
【０００４】
ＭＲ素子２０は、例えば、複数の薄膜が積層された構造を有するものであり、以下のような原理により再生機能を実行する。すなわち、磁界中の物質（以下、単に「磁化物質」という）は異方性を示し、外部磁界により容易に磁化可能な所定の方向性（容易軸）を有している。この磁化物質では、容易軸に対して直交する方向に磁化されると抵抗が増加し、一方、容易軸と平行に磁化されると抵抗が０になる。磁気ディスクなどの記録媒体に記録された磁気信号により生じた磁界が磁化物質の抵抗変化として検出されることにより、情報が再生される。外部磁界の強度に応じて磁化物質の抵抗が変化する現象は、磁気抵抗効果と呼ばれている。
【０００５】
磁気抵抗効果に係る抵抗変化率は、例えば、「スピンバルブ構造」と呼ばれる構造様式を適用してＭＲ素子２０を構成することにより顕著に増加する。スピンバルブ構造では、磁化物質全体の磁化方向に対して、その磁化物質中の電子自身のスピンに起因する磁気ベクトルが平行（方向が反対の場合を除く）になると、結晶格子により電子が極めて散乱されにくくなるという現象を利用している。スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０における磁気抵抗効果は、特に、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto-Resistance）と呼ばれている。
【０００６】
図３は、スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０における要部の断面構成の一例を表すものである。このＭＲ素子２０は、基体２１と、シード層２２と、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層２３と、フリー層２３を周辺から磁気的に分離するスペーサ層２４と、磁化方向が固定されたピンド層２５と、ピンド層２５の磁化方向を固定するピンニング層２６と、保護層２７とをこの順に積層した構造をなしている。フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６は、例えば、それぞれ磁性材料，非磁性材料，磁性材料および反強磁性材料（ＡＦＭ；Antiferromagnetic Material）により構成されている。一般に、スピンバルブ構造とは、例えば、上記したＭＲ素子２０における一連の構成要素のうち、フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６により構成された積層部分を指す。スペーサ層２４の厚みは、例えば、フリー層２３とピンド層２５とを互いに交換結合が生じない程度（原子レベルにおいて互いの磁気特性に影響を及ぼし合わない程度）に離間させ、かつフリー層２３とピンド層２５との間の距離が伝導電子の平均自由行程以内となるような厚みになっている。例えば、磁化方向（図中の横方向）が互いに反対になるようにフリー層２３およびピンド層２５がそれぞれ磁化された状態において、フリー層２３およびピンド層２５の内部を磁化方向に沿って図中の矢印２８の方向に電流が流れると、フリー層２３およびピンド層２５のそれぞれ内部を流れる電子のうちの半数の電子が散乱現象に寄与し、残りの半数の電子は散乱現象に寄与しない。そして、散乱現象に寄与しない電子のみが、フリー層２３からピンド層２５（またはピンド層２５からフリー層２３）へ高い確率で移行することとなるのに十分な長さの平均自由行程を有することとなる。しかしながら、これらの電子は、一旦移動方向を変えると直ちに散乱現象に寄与し、移動方向が元の方向に戻らなくなってしまい、結果として全体の抵抗が大きく増加することとなる。
【０００７】
スピンバルブ構造では、例えば、ピンド層２５の磁化方向が固定される。ピンド層２５の磁化方向を固定する際には、例えば、まず、磁界中において成膜処理を行うことによりピンド層２５を形成する。このとき、必要に応じて、ピンド層２５に対してアニーリング処理が施される。続いて、ピンド層２５を覆うように、反強磁性層（ＡＦＭ）よりなるピンニング層２６を形成する。これにより、ピンド層２５の磁化方向が所定の方向に固定される。なお、ピンド層２５の磁化方向が固定されるのに対して、フリー層２３の磁化方向は、例えば磁気ディスクなどの記録媒体１５の表面のビットに起因して生じる磁界により容易に変化可能になっている。
【０００８】
ところで、再生処理の信頼性を向上させるためには、例えば、再生時に生じる磁気的なノイズの発生を最小限に抑える必要がある。この磁気的なノイズは、磁壁の可逆的な破壊に応じて鉄の磁化状態が不規則になる現象について１９１９年にバルクハウゼンにより紹介され、一般に「バルクハウゼンノイズ（Barkhausen Noise）」と呼ばれている。ＭＲ素子２０の長さを長くすると、記録トラック幅が比較的大きい場合にはノイズの発生を極めて減少させることが可能となるが、記録トラック幅が小さい場合には電気信号スパイクが発生したり、記録／再生サイクルを繰り返した際の出力波形の再現性が不安定になる問題が生じる。これらの問題を解決するためには、単磁区膜にとって好ましい動作条件をＭＲセンサに与えるようにしたり、製造プロセスによってドメイン構造が乱されることがないようにする必要がある。
【０００９】
上記の問題を解決する第１の手法としては、例えば、バルクハウゼンノイズの発生を軽減または排除すべく、上記したように、ＭＲ素子２０の長さを長くし、その実効磁界長を大きくすることが挙げられる。ＭＲ素子２０の長さが長くなると、その端部において消磁が解消されるため、ＭＲ素子２０中に単磁区が保持され易くなる。また、第２の手法としては、例えば、ＭＲ素子２０の容易軸方向に弱い磁界を与えることにより、単磁区を維持する手法が挙げられる。この手法は、例えば、縦方向（ＭＲ素子２０に流れる電流方向）交換バイアス層をスピンバルブ構造に隣接して配設するようにしたもので、これによりバルクハウゼンノイズの発生を抑制することができる。
【００１０】
しかしながら、上記第２の手法を用いて構成したＭＲ素子２０では、バルクハウゼンノイズの発生を抑制することが可能な一方、縦方向におけるバイアス電圧の印加位置（以下、単に「バイアス印加位置」という）の制御が十分でないため、縦方向交換バイアス層によって生じた磁界の影響により、ＭＲ素子２０において、横方向の磁界に対するセンサ感度が低下し、信号出力が低下してしまう。
【００１１】
図４は、上記第２の手法に関する問題を解決する手法の一例を説明するものであり、ＭＲ素子３０およびその周辺の要部の構成を表すものである。この手法では、図４に示したように、ＭＲ素子３０の長さ方向における両端近傍のみに、２つの縦方向バイアスエッジ領域３８を配設する。接触リード３９は、ＭＲ素子３０等を通電させるための電極端子である。この例では、ＭＲ素子３０のうち、縦方向バイアスエッジ領域３８との接触部分にのみバイアス電圧が選択的に印加される。つまり、ＭＲ素子３０に対するバイアス印加位置が制御可能である。この縦方向バイアスエッジ領域３８は、交換結合を形成可能な例えばマンガン鉄（ＭｎＦｅ）などにより構成される。ＭＲ素子３０のうち、縦方向バイアスエッジ領域３８と接触した両端部および縦方向バイアスエッジ領域３８と接触していない中央部においてそれぞれ単磁区が維持されるため、信号感度を確保しつつ、バルクハウゼンノイズの発生が抑制される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、縦方向バイアスエッジ領域３８が設けられたＭＲ素子３０では、縦方向、すなわちＭＲ素子３０の長さ方向におけるバイアス印加位置は制御可能であるが、必ずしも十分とは言えず、改善の余地がある。
【００１３】
なお、上記問題を解決可能なＭＲ素子の構造またはその製造方法については、具体的な解決技術は開示されておらず、本願発明の技術分野に関連するいくつかの技術のみが開示されている。例えば、米国特許第５９２０４４６号では、Gillにより、銅により構成された層を挟んで互いに離間された２つのフリー層を有するスピンバルブ構造について開示されている。このスピンバルブ構造では、これらのフリー層は、それぞれ自身が、ルテニウムにより構成された層と、この層を挟んで互いに離間された２つの強磁性層とにより構成された積層構造となっている。このルテニウム層は、反平行結合層（ＡＰＣ（Antiparallel Coupling））である。これにより、ピンニング層を設けなくても磁化方向を固定させることが可能となるため、スピンバルブ構造全体の厚みを薄くすることができる。
【００１４】
また、米国特許第５９９８０１６号では、佐々木により、タンタルやルテニウムにより構成された反拡散層を有するスピンバルブ構造について開示されている。さらに、米国特許第５７０１２２２（Gill等）や米国特許第５７０１２２３号（Fontana,Jr）では、一般的な基本構造を有するスピンバルブ構造に関する変形例が開示されている。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、バイアス印加位置を厳密に制御し、バルクハウゼンノイズの発生の抑制と高出力特性の確保とを両立させることが可能なスピンバルブ構造の製造方法を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の第２の目的は、上記した高出力特性を確保しつつ、フリー層の構成およびその厚みを多様に変化させて設定することが可能なスピンバルブ構造の製造方法を提供することにある。
【００１７】
さらに、本発明の第３の目的は、上記した高出力特性を確保しつつ、約４０ｎｍ以下の極めて薄い厚みを有するスピンバルブ構造の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスピンバルブ構造の製造方法は、誘電性を有する下地層上に、ニッケルクロムを用いてシード層を形成する第１の工程と、このシード層上に、ルテニウムを用いて六方最密結晶構造を有する挿入層を形成する第２の工程と、この挿入層上に、その挿入層との界面において電子が鏡面反射されるように、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を用いて六方最密結晶構造を有するフリー層を形成する第３の工程と、このフリー層上に、非磁性を有する銅を用いてスペーサ層を形成する第４の工程と、このスペーサ層上に、磁化方向が固定された被固定層を形成する第５の工程と、この被固定層上に保護層を形成する第６の工程と、全体にアニーリング処理を施す第７の工程とを含み、第７の工程におけるアニーリング処理が、処理時間が１２０分以上３００分以下の範囲内、処理温度が２５０°Ｃ以上２８０°Ｃ以下の範囲内、磁界の強度が３９５０００Ａ／ｍ以上７９００００Ａ／ｍ以下の範囲内の条件下における第１のアニーリング処理と、処理時間が６０分以上１２０分以下の範囲内、処理温度が２８０°Ｃ以上２９０°Ｃ以下の範囲内、磁界の強度が３９５０Ａ／ｍ以上７９００Ａ／ｍ以下の範囲内の条件下における第２のアニーリング処理とを含むようにしたものである。
【００２０】
本発明のスピンバルブ構造の製造方法では、ニッケルクロムよりなるシード層とフリー層との間に、ルテニウムよりなる挿入層が配設される。シード層と挿入層との界面において電子が鏡面反射することにより、バイアス印加位置がシフトすることが抑制され、バイアス印加位置が厳密に制御される。つまり、センス電流の流路の中心がフリー層に近い側にシフトするため、フリー層以外の層を流れるセンス電流磁界によって生じる有害な磁界が減少する。また、フリー層と挿入層との界面において電子が鏡面反射することにより、巨大磁気抵抗比が改善される。
【００２１】
本発明のスピンバルブ構造の製造方法では、４．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにシード層を形成し、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように挿入層を形成し、２ｎｍの厚みを有するようにスペーサ層を形成し、１．８ｎｍ以上２．３ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１のコバルト鉄，０．６ｎｍ以上０．９ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するルテニウムおよび１．８ｎｍ以上２．３ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２のコバルト鉄をこの順に積層した積層体を含むように被固定層を形成し、ニッケルクロムを用いて２．０ｎｍ以上５．０以下の範囲内の厚みを有するように保護層を形成し、さらに、被固定層と保護層との間に、マンガン白金を用いて１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層を形成するようにしてもよい。
【００２２】
また、本発明のスピンバルブ構造の製造方法では、第２の工程において、成膜出力が毎秒２０Ｊ，ガス圧が０．２６６Ｐａ，ターゲット／基板間隔が０．０５０８ｍ，成膜速度が毎秒０．０３ｎｍの条件下における直流マグネトロンスパッタリングを用いて挿入層を形成するようにしてもよい。
【００２４】
また、本発明のスピンバルブ構造の製造方法では、フリー層を、コバルト鉄を用いて１．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように形成するようにしてもよいし、コバルトを用いて１．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにフリー層を形成するようにしてもよいし、３．２ｎｍ以上７．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するニッケル鉄および０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するコバルト鉄をこの順に積層した積層体を含むように形成するようにしてもよい。
【００２６】
また、本発明のスピンバルブ構造の製造方法では、下地層として、酸化アルミニウムまたは酸化珪素のいずれかを含んで構成されたものを用いるようにしてもよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
＜スピンバルブ構造の構成＞
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係るスピンバルブ構造の概略構成例について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るスピンバルブ構造の構成を示している。このスピンバルブ構造は、記録媒体に記録された信号磁界を検出することにより情報の再生を行う各種の磁気ヘッド、例えば薄膜磁気ヘッドに搭載されるＭＲ素子に適用可能である。なお、本実施の形態に係るスピンバルブ構造を適用したＭＲ素子について、スピンバルブ構造の構成以外の構成は、例えば、上記「従来の技術」において説明した場合（図２参照）と同様である。
【００３１】
このスピンバルブ構造は、基体（下地層）４１と、シード層４２と、ルテニウム（Ｒｕ）により構成された挿入層４８と、磁性材料により構成され、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層４３と、非磁性材料により構成され、フリー層４３を周辺から磁気的に分離するスペーサ層４４と、磁性材料により構成され、磁化方向が固定されたピンド層（被固定層）４５と、反強磁性材料により構成され、ピンド層４５の磁化方向を固定するためのピンニング層４６と、保護層４７とをこの順に積層した積層体を含んで構成されている。このスピンバルブ構造において、上記「従来の技術」の項において説明した従来のスピンバルブ構造（図３参照）と異なる点は、シード層４２とフリー層４３との間に挿入層４８が挿入されている点である。
【００３２】
基体４１は、誘電性を有する材料、例えば酸化アルミニウム（以下、単に「アルミナ」という。）または酸化珪素のいずれかを含んで構成されている。
【００３３】
シード層４２は、例えば、約４．０ｎｍ〜７．０ｎｍの厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）により構成されている。
【００３４】
挿入層４８は、主に、スピンバルブ構造にバイアスが印加された際のバイアス印加位置を制御するバイアス制御層として機能するものである。この挿入層４８は、六方最密結晶構造を有するルテニウムにより構成されており、その厚みは約１．５ｎｍ〜３．０ｎｍである。シード層４２とフリー層４３と間に挿入層４８が配設されることにより、シード層４２と挿入層４８との界面において電子が鏡面反射すると共に、フリー層４３と挿入層４８との界面においても電子が鏡面反射する。特に、挿入層４８は、例えば、フリー層４３の下地として配設されているため、フリー層４３と挿入層４８との界面において電子が確実に鏡面反射することとなる。
【００３５】
フリー層４３は、例えば、約１．５ｎｍ〜４．０ｎｍの厚みを有するコバルト鉄（ＣｏＦｅ），約１．５ｎｍ〜４．０ｎｍの厚みを有するコバルト（Ｃｏ）または約３．２ｎｍ〜７．５ｎｍ，より好ましくは３．４ｎｍ〜７．５ｎｍの厚みを有するニッケル鉄（ＮｉＦｅ）と約０．２ｎｍ〜０．５ｎｍの厚みを有するコバルト鉄とをこの順に積層した積層体のうちのいずれかにより構成されている。このフリー層４３は、例えば、挿入層４８の表面全体を覆うように配設されている。
【００３６】
スペーサ層４４は、例えば、約２．０ｎｍの厚みを有する銅（Ｃｕ）により構成されている。
【００３７】
ピンド層４５は、例えば、約１．８ｎｍ〜２．３ｎｍの厚みを有する第１のコバルト鉄と，約０．６ｎｍ〜０．９ｎｍの厚みを有するルテニウムと，約１．８ｎｍ〜２．３ｎｍの厚みを有する第２のコバルト鉄層とをこの順に積層した積層体により構成されている。この３層構成よりなるピンド層４５は、一般に「シンセティックピンド層」と呼ばれている。
【００３８】
ピンニング層４６は、例えば、約１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍの厚みを有するマンガン白金（ＭｎＰｔ）により構成されている。
【００３９】
保護層４７は、例えば、約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍの厚みを有するニッケルクロムにより構成されている。
【００４０】
＜スピンバルブ構造の製造方法＞
次に、図１を参照して、本実施の形態に係るスピンバルブ構造の製造方法の一例について説明する。
【００４１】
本実施の形態に係るスピンバルブ構造を製造する際には、まず、アルミナまたは酸化ケイ素などの誘電性材料により構成された基体４１上に、ニッケルクロムよりなるシード層４２を約４．０ｎｍ〜７．０ｎｍの範囲内，例えば約５．５ｎｍの厚みで形成する。
【００４２】
続いて、例えば直流マグネトロンスパッタリング法により、シード層４２を覆うように、ルテニウムよりなる挿入層４８を約１．５ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲内，例えば約１．５ｎｍの厚みで形成する。スピンバルブ構造の完成後、シード層４２と挿入層４８との界面において電子が鏡面反射することにより、センス電流磁界に応じてバイアス印加位置が僅かしかシフトしなくなる。直流マグネトロンスパッタリング法を行う際には、例えば、成膜出力を毎秒約２０Ｊ（約２０Ｗ），ガス圧を約０．２６６Ｐａ（約２ｍｔｏｒｒ），ターゲット／基板間隔を約０．０５０８ｍ（約２ｉｎｃｈ），成膜速度を毎秒約０．０３ｎｍとする。なお、挿入層４８の形成方法としては、必ずしも直流マグネトロンスパッタリング法に限らず、これ以外の方法を用いるようにしてもよい。
【００４３】
続いて、挿入層４８上に、例えば、コバルト鉄よりなるフリー層４３を約１．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲内，例えば約２．０ｎｍの厚みで形成する。なお、フリー層４３の構成材料および厚みは、必ずしも上記した条件に限らず、各種要請等に応じて任意に変更可能である。具体的には、例えば、約１．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲内，例えば約２．０ｎｍの厚みを有するコバルトや、約３．２ｎｍ〜７．５ｎｍの範囲内，例えば約３．２ｎｍの厚みを有するニッケル鉄と約０．２ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲内，例えば約０．３ｎｍの厚みを有するコバルト鉄をこの順に積層した積層体などによりフリー層４３を形成するようにしてもよい。
【００４４】
続いて、フリー層４３上に、銅などの非磁性材料よりなるスペーサ層４４を約２．０ｎｍの厚みで形成する。
【００４５】
続いて、スペーサ層４４上に、ピンド層４５を形成する。ピンド層４５を形成する際には、例えば、約１．８ｎｍ〜２．３ｎｍの範囲内，例えば約１．９ｎｍの厚みを有する第１のコバルト鉄と、約０．６ｎｍ〜０．９ｎｍの範囲内，例えば約０．７５ｎｍの厚みを有するルテニウムと、約１．８ｎｍ〜２．３ｎｍの範囲内，例えば約２．１ｎｍの厚みを有する第２のコバルト鉄をこの順に積層した積層体により構成されるようにする。
【００４６】
続いて、ピンド層４５上に、マンガン白金よりなるピンニング層４６を約１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍの範囲内，例えば約１２．０ｎｍの厚みで形成する。
【００４７】
続いて、ピンニング層４６上に、ニッケルクロムよりなる保護層４７を約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍの範囲内，例えば約５．０ｎｍの厚みで形成する。
【００４８】
最後に、上記した一連の工程を経て構成されたスピンバルブ構造に対して、例えば、２段階のアニ−リング処理（第１のアニーリング処理，第２のアニーリング処理）を施す。すなわち、まず、第１のアニーリング処理として、処理時間を約１２０分〜３００分，より好ましくは約１５０分〜３００分，処理温度を約２５０°Ｃ〜２８０°Ｃ、磁界を約３９５０００Ａ／ｍ（約５０００Ｏｅ）〜７９００００Ａ／ｍ（約１００００Ｏｅ）とした条件下でスピンバルブ構造に対して熱処理を施す。この第１のアニーリング処理により、ピンド層４５の磁化方向が固定される。続いて、第２のアニーリング処理として、処理時間を６０分〜１２０分，処理温度を２８０°Ｃ〜２９０°Ｃ、磁界を３９５０Ａ／ｍ（約５０Ｏｅ）〜７９００Ａ／ｍ（約１００Ｏｅ）とした条件下でスピンバルブ構造に対して再度熱処理を施す。これにより、フリー層４３の磁化方向が自由になる。これにより、スピンバルブ構造が完成する。なお、第２のアニーリング処理を行う際の処理時間および処理温度は、必ずしも上記した条件に限られるものではなく、処理時間については約３０分〜１２０分の範囲内，処理温度については２３０°Ｃ〜２９０°Ｃの範囲内で自由に設定可能である。
【００４９】
＜本実施の形態に係るスピンバルブ構造の作用および効果＞
本実施の形態に係るスピンバルブ構造またはその製造方法によれば、シード層４２とフリー層４３との間に、ルテニウムにより構成され、バイアス制御層として機能する挿入層４８を配設するようにしたので、以下のような理由により、バイアス印加位置が厳密に制御され、バルクハウゼンノイズの発生を抑制しつつ高出力特性を確保することができる。
【００５０】
すなわち、上記「従来の技術」の項において例示したスピンバルブ構造（図２〜図４参照）では、上記したように、縦方向、すなわちＭＲ素子の長さ方向におけるバイアス印加位置は制御可能であるが、必ずしも十分とは言えず、改善の余地がある。なぜなら、例えば、３０ギガビット／（インチ）²を超える高密度記録が可能な高出力型スピンバルブ構造を形成するためには、フリー層を極めて薄くし、高ＧＭＲ比を確保する必要があるが、フリー層の厚みを薄くすると、高ＧＭＲ比が確保される一方、図４に示した縦方向バイアスエッジ領域３８により予め設定されたバイアス印加位置がシフトしてしまうからである。
【００５１】
これに対して、本実施の形態に係るスピンバルブ構造（スピンフィルタスピンバルブ（ＳＦＳＶ；Spin Filter Spin Valve））では、銅などの非磁性材料よりなるスペーサ層４４と、ルテニウムなどの高導電性材料よりなる挿入層４８との間に、フリー層４３が配設されている。このような場合には、シード層４２と挿入層４８との界面において電子が鏡面反射するため、センス電流の流路の中心がフリー層４３に近い側にシフトする。これにより、フリー層４３以外の層を流れるセンス電流磁界によって生じる有害な磁界が減少する。このため、この有害なセンス電流磁界に起因し、既に設定されているバイアス印加位置がシフトすることが抑制されることとなる。つまり、バイアス印加位置が厳密に制御される。また、フリー層４３と挿入層４８との界面においても電子が鏡面反射するため、スピンアップ電子とスピンダウン電子との間の平均自由行程差が維持されつつ、挿入層４３によりスピンアップ電子の平均自由行程が改善される。これにより、フリー層４３が極めて薄い場合においても高ＧＭＲ比が確保される。これらのことから、本実施の形態に係るスピンバルブ構造では、バイアス印加位置が厳密に制御され、センス電流磁界によって生じる有害な磁界が減少すると共に、高ＧＭＲ比が確保されるため、バルクハウゼンノイズの発生を抑制しつつ高出力特性を確保することが可能となる。
【００５２】
なお、本発明の発明者のうちの１人であるHorng 等により、先の出願（ＨＴ９９−０２８，出願番号０９／４８３９３７，出願日２０００年１月１８日）において、本発明において解決すべき課題と同様の課題を解決する手法について開示されている。この先の出願では、低抵抗性を有するニッケルクロム／ルテニウム／ニッケルクロムにより構成された導電リード構造が紹介されている。この導電リード構造では、ニッケルクロム層とルテニウム層との界面において伝導電子が鏡面反射されることにより導電性の改善がなされる。ルテニウムは、コバルト鉄と同様の六方最密結晶構造を有するため、コバルト鉄を含むスピンバルブ構造において、ルテニウム層（ニッケルクロム層とルテニウム層との界面）が効果的なバイアス制御層として機能すると考えられる。
【００５３】
さらに、本実施の形態では、フリー層４３が極めて薄い場合においても高ＧＭＲ比が確保可能ため、フリー層４３を極薄化することにより、高ＧＭＲ比を確保しつつスピンバルブ構造全体の厚みを薄くすることができる。具体的には、例えば、約４０ｎｍ以下の極めて薄い厚みを有するスピンバルブ構造を形成することが可能となる。
【００５４】
また、上記した本実施の形態に係る一連の効果は、上記「スピンバルブ構造の構成」や「スピンバルブ構造の製造方法」において説明したように、フリー層４３の構成，材質，厚み等を各種変更した場合においても同様に得られる。これにより、主に、各種要請等に応じてフリー層４３の構成等を多様に変化させて設定することができる。
【００５５】
＜スピンバルブ構造に関する実験結果＞
本実施の形態に係るスピンバルブ構造における高出力特性の確保は、以下で説明する各実験結果から明らかである。
【００５６】
まず、表１は、各種スピンバルブ構造（Ｓ１〜Ｓ６）の出力特性の比較結果を表すものである。なお、表中における「Ｂｓ」は磁気モーメント，「Ｈｃ（Ａ／ｍ）」はフリー層４３の保持力，「Ｈｋ（Ａ／ｍ）」は異方性磁界，「Ｒｓ（Ω／□）」はシート抵抗，「ＨＡ近傍の磁界（Ａ／ｍ）」の「ＨＡ」は困難軸（Hard Axis ）をそれぞれ示している。
【００５７】
スピンバルブ構造の構成とその出力特性との相関を調査すべく、ＣＶＣＧＭＲパッタリングシステムを用いて、表１に示したように、主に、シード層４２（ニッケルクロム（ＮｉＣｒ），５．５ｎｍ厚）／挿入層４８／フリー層４３／スペーサ層４４（銅（Ｃｕ），２．０ｎｍ厚）／ピンド層４５（第１のコバルト鉄，１．９ｎｍ厚／ルテニウム，０．７５ｎｍ厚／第２のコバルト鉄，２．１ｎｍ厚）／ピンニング層（マンガン白金（ＭＰ；ＭｎＰｔ），１２．０ｎｍ厚）／保護層４７（ニッケルクロム，５．０ｎｍ）をこの順に有する積層体を含むように、図１に示した構成を有する複数のスピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ３および比較例としてのスピンバルブ構造Ｓ４〜Ｓ６を作製した。スピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ３では、挿入層４８の構成材料をそれぞれルテニウム（Ｒｕ；Ｓ１〜Ｓ３），銅（Ｓ４，Ｓ５），ニッケル銅（ＣｕＮｉ；Ｓ６）とし、その厚みをそれぞれ１．５ｎｍ（Ｓ１，Ｓ３〜Ｓ６），２．０ｎｍ（Ｓ２）とした。また、フリー層４３の構成材料および厚みをそれぞれコバルト鉄（ＣｏＦｅ，２．０ｎｍ厚；Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６），ニッケル鉄（ＮｉＦｅ，３．４ｎｍ厚）／コバルト鉄（０．２ｎｍ；Ｓ３，Ｓ４）とした。これらのスピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ６について、上記「スピンバルブ構造の製造方法」において説明した２段階のアニーリング処理（第１のアニーリング処理，第２のアニーリング処理）を施したのち、Ｂ−Ｈルーパおよびフェイズマトリックステスタを用いて、各スピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ６の出力特性を測定したところ、表１に示した結果が得られた。
【００５８】
【表１】

【００５９】
表１に示したように、スピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ６について、主に、フリー層４３の保持力Ｈｃは順に約４８４Ａ／ｍ（６．１３Ｏｅ），約５４９Ａ／ｍ（６．９６Ｏｅ），約５０７Ａ／ｍ（６．４２Ｏｅ），約６３５Ａ／ｍ（８．０４Ｏｅ），約８１４Ａ／ｍ（１０．３１Ｏｅ），約８１７Ａ／ｍ（１０．３５Ｏｅ），異方性磁界Ｈｋは順に約６７７Ａ／ｍ（８．５７Ｏｅ），約７２２Ａ／ｍ（９．１５Ｏｅ），約６１６Ａ／ｍ（７．８０Ｏｅ），約９８９Ａ／ｍ（１２．５２Ｏｅ），約１２７０Ａ／ｍ（１６．０８Ｏｅ），約１３０７Ａ／ｍ（１６．５５Ｏｅ），困難軸（ＨＡ）近傍の磁界は順に約２３７Ａ／ｍ（３Ｏｅ），約２３７Ａ／ｍ（３Ｏｅ），約１１８Ａ／ｍ（１．５Ｏｅ），約６３２Ａ／ｍ（８Ｏｅ），約１５８０Ａ／ｍ（２０Ｏｅ），約１５８０Ａ／ｍ（２０Ｏｅ）であった。表１の結果から判るように、アニーリング処理が施された各スピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ６では、挿入層４８の構成材料として銅やニッケル銅を用いたスピンバルブ構造Ｓ４〜Ｓ６は等方性を示し、一方、挿入層４８の構成材料としてルテニウムを用いたスピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ３は異方性を示し、保持力Ｈｃおよび異方性磁界Ｈｋが低下した。また、困難軸（ＨＡ）近傍の磁界も同様に、スピンバルブ構造Ｓ１〜Ｓ３について、スピンバルブ構造Ｓ４〜Ｓ６の場合よりも低くなった。
【００６０】
次に、表２は、スピンバルブ構造Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７に関する出力特性の比較結果を表すものである。スピンバルブ構造Ｓ７の構成は、シード層４２の構成材料として特定のニッケルクロム（Ｎｉ₆₀Ｃｒ₄₀）を使用したことを除き、スピンバルブ構造Ｓ１の構成と同様である。表中における「Ｈｅ（Ａ／ｍ）」は層間結合磁界，「Ｄｒ／ｒ」はＧＭＲ比，「Ｄｒ」はＧＭＲ効果に基づく抵抗変化をそれぞれ示している。表２に示した構成を有する各スピンバルブ構造を作製したのち、上記表１に示した実験の場合と同様に、各スピンバルブ構造について出力特性を測定したところ、表２に示した結果が得られた。なお、表２において、スピンバルブ構造Ｓ３〜Ｓ５については、上記表１に示した実験時とは別に再度出力特性を測定した結果を示している。
【００６１】
【表２】

【００６２】
表２に示したように、スピンバルブ構造Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５．Ｓ７について、主に、フリー層４３の保持力Ｈｃは順に約３３６Ａ／ｍ（４．２６Ｏｅ），約９．３５Ａ／ｍ（１１．８４Ｏｅ），約５２４Ａ／ｍ（６．６４Ｏｅ），約４４９Ａ／ｍ（５．６９Ｏｅ），層間結合磁界Ｈｅは順に約２１４Ａ／ｍ（２．７１Ｏｅ），約−４７７Ａ／ｍ（−６．０４Ｏｅ），約−１０２４Ａ／ｍ（−１２．９７Ｏｅ），約３８９Ａ／ｍ（４．９３Ｏｅ），異方性磁界Ｈｋは順に約２０１Ａ／ｍ（２．５５Ｏｅ），約５８６Ａ／ｍ（７．４２Ｏｅ），約９２５Ａ／ｍ（１１．７１Ｏｅ），約４９５Ａ／ｍ（６．２７Ｏｅ）であった。表２の結果から判るように、フリー層４３がコバルト鉄により構成されてなるスピンバルブ構造Ｓ５，Ｓ７において異方性が改善され、さらに、挿入層４８がルテニウムにより構成されてなるスピンバルブ構造Ｓ７において、挿入層４８が銅により構成されてなるスピンバルブ構造Ｓ５よりもＧＭＲ比Ｄｒ／ｒが高くなる。挿入層４８がルテニウムにより構成されてなるスピンバルブ構造Ｓ３，Ｓ７の異方性磁界Ｈｋは、挿入層４８が銅により構成されてなるスピンバルブ構造Ｓ４，Ｓ５の異方性磁界Ｈｋよりも極めて小さくなるため、スピンバルブ構造Ｓ３，Ｓ７は高感度なセンサとして機能し、これにより高出力特性が得られる。具体的には、フリー層４３がニッケル鉄（３．４ｎｍ厚）／コバルト鉄（０．２ｎｍ厚）により構成されてなるスピンバルブ構造では、フリー層４３がコバルト鉄により構成されてなる場合よりも、信号振幅が約３０％増加した。ところが、コバルト鉄よりなるフリー層４３は、銅よりなる挿入層４８上に配設されると異方性を劣化させてしまうため、スピンバルブ構造の構成要素として適切であるとは言えない。
【００６３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、上記実施の形態において説明したスピンバルブ構造の構成およびその製造方法は、シード層４２とフリー層４３との間にルテニウムよりなる挿入層４８を配設し、高出力特性を確保可能なスピンバルブ構造を構成することが可能な限り、自由に変更可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピンバルブ構造の製造方法によれば、ニッケルクロムよりなるシード層と、コバルト鉄またはコバルトよりなると共に六方最密結晶構造を有するフリー層との間に、ルテニウムよりなると共に六方最密結晶構造を有する挿入層を配設するようにしている。また、シード層、挿入層およびフリー層を含む全体に施すアニーリング処理は、処理時間＝１２０分〜３００分、処理温度＝２５０°Ｃ〜２８０°Ｃ、磁界の強度＝３９５０００Ａ／ｍ〜７９００００Ａ／ｍの条件下における第１のアニーリング処理と、処理時間＝６０分〜１２０分、処理温度＝２８０°Ｃ〜２９０°Ｃ、磁界の強度＝３９５０Ａ／ｍ〜７９００Ａ／ｍの条件下における第２のアニーリング処理とを含んでいる。このような場合には、シード層と挿入層との界面において電子が鏡面反射することにより、既に設定されているバイアス印加位置がシフトすることが抑制され、バイアス印加位置が厳密に制御される。つまり、センス電流の流路の中心がフリー層に近い側にシフトするため、フリー層以外の層を流れるセンス電流磁界によって生じる有害な磁界が減少する。また、フリー層と挿入層との界面において電子が鏡面反射することにより、フリー層が極めて薄い場合においても高ＧＭＲ比が確保される。したがって、バイアス印加位置を厳密に制御し、バルクハウゼンノイズの発生の抑制と高出力特性の確保とを両立させることができる。しかも、このスピンバルブ構造またはその製造方法では、上記した高出力特性等の利点を確保しつつ、主にフリー層の構成等を多様に変化させて設定することができると共に、約４０ｎｍ以下の極めて薄い厚みを有する構成を実現することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスピンバルブ構造の断面構成を表す断面図である。
【図２】一般的な薄膜磁気ヘッドにおける要部の概略構成を表す図である。
【図３】従来のＭＲ素子の要部の断面構成を表す断面図である。
【図４】バルクハウゼンノイズの発生に係る問題を解決するための従来の手法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１…下部シールド層、１２…下部磁極、１３…上部磁極、１４…コイル、１５…記録媒体、１６…ギャップ、２０…ＭＲ素子、４１…基体、４２…シード層、４３…フリー層、４４…スペーサ層、４５…ピンド層、４６…ピンニング層、４７…保護層、４８…挿入層。

Claims

誘電性を有する下地層上に、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）を用いてシード層を形成する第１の工程と、
このシード層上に、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて六方最密結晶構造を有する挿入層を形成する第２の工程と、
この挿入層上に、その挿入層との界面において電子が鏡面反射されるように、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を用いて六方最密結晶構造を有するフリー層を形成する第３の工程と、
このフリー層上に、非磁性を有する銅（Ｃｕ）を用いてスペーサ層を形成する第４の工程と、
このスペーサ層上に、磁化方向が固定された被固定層を形成する第５の工程と、
この被固定層上に保護層を形成する第６の工程と、
全体にアニーリング処理を施す第７の工程と
を含み、
前記第７の工程におけるアニーリング処理は、
処理時間が１２０分以上３００分以下の範囲内、処理温度が２５０°Ｃ以上２８０°Ｃ以下の範囲内、磁界の強度が３９５０００Ａ／ｍ以上７９００００Ａ／ｍ以下の範囲内の条件下における第１のアニーリング処理と、
処理時間が６０分以上１２０分以下の範囲内、処理温度が２８０°Ｃ以上２９０°Ｃ以下の範囲内、磁界の強度が３９５０Ａ／ｍ以上７９００Ａ／ｍ以下の範囲内の条件下における第２のアニーリング処理と
を含むことを特徴とするスピンバルブ構造の製造方法。
前記第１の工程において、４．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように前記シード層を形成し、
前記第２の工程において、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように前記挿入層を形成し、
前記第４の工程において、２．０ｎｍの厚みを有するように前記スペーサ層を形成し、
前記第５の工程において、１．８ｎｍ以上２．３ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１のコバルト鉄、０．６ｎｍ以上０．９ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するルテニウムおよび１．８ｎｍ以上２．３ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２のコバルト鉄をこの順に積層した積層体を含むように前記被固定層を形成し、
前記第６の工程において、ニッケルクロムを用いて、２．０ｎｍ以上５．０以下の範囲内の厚みを有するように前記保護層を形成し、
さらに、
前記第５の工程と前記第６の工程との間に、
前記被固定層上に、マンガン白金（ＭｎＰｔ）を用いて、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように、前記被固定層の磁化方向を固定する固定作用層を形成する第８の工程
を含む
ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
前記第２の工程において、
成膜出力が毎秒２０Ｊ，ガス圧が０．２６６Ｐａ，ターゲット／基板間隔が０．０５０８ｍ，成膜速度が毎秒０．０３ｎｍの条件下における直流マグネトロンスパッタリングを用いて前記挿入層を形成する
ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
前記第３の工程において、
コバルト鉄を用いて、１．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように、前記フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ構造の製造方法。
前記第３の工程において、
コバルトを用いて、１．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するように、前記フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ構造の製造方法。
前記第３の工程において、
３．２ｎｍ以上７．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するニッケル鉄（ＮｉＦｅ）および０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するコバルト鉄をこの順に積層した積層体を含むように、前記フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ構造の製造方法。
前記第１の工程において、
前記下地層として、酸化アルミニウムまたは酸化珪素のいずれかを含んで構成されたものを用いる
ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造の製造方法。