JP2000348935A - ２重層構造、スピンバルブセンサ、及びその製造方法 - Google Patents

２重層構造、スピンバルブセンサ、及びその製造方法

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JP2000348935A JP2000013578A JP2000013578A JP2000348935A JP 2000348935 A JP2000348935 A JP 2000348935A JP 2000013578 A JP2000013578 A JP 2000013578A JP 2000013578 A JP2000013578 A JP 2000013578A JP 2000348935 A JP2000348935 A JP 2000348935A
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ツーペイ・シィ
Mao Min
ミン・マオ
Ren Ounwen
オゥンウェン・レン
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 強磁性（ＦＭ）層、酸化物薄層、及び反
強磁性（ＡＦＭ）層を有する構造が提供される。 【効果】 厚さ１〜１０酸素原子の酸化物薄層により、
ＦＭ層と反強磁性層間の層間原子拡散が最小になる。好
適実施例では、ＦＭ層とＡＦＭ層間に酸化物薄層を有す
ることにより、熱的安定性を改善したスピンバルブセン
サが提供される。また、酸化物薄層の存在により、交換
ピン止め磁場を増大させたスピンバルブセンサの改善が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に強磁性材料
及び反強磁性材料で形成される２重層構造に関し、より
詳細には、磁気媒体に記録された情報信号を読取るため
の磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】今日のコンピュータにおけるデータ記憶
の大部分は、磁気ディスクのような磁気媒体上で行われ
ている。データは、膨大なビット量（１と０の集合）に
よりコンピュータに提示され、かつ各ビットが誘導磁場
で表わされる磁気ディスク上に記憶される。与えられた
全ビットの値を読取るために、磁場の変化を検知し得る
センサが要求される。
【０００３】この目的のため、磁場に応答して電気抵抗
を変化させる、磁気抵抗（ＭＲ）センサと呼ばれるセン
サが使用される。大部分のセンサは、異方性磁気抵抗
（ＡＭＲ）効果を利用しており、読取り素子の抵抗が、
該読取り素子の磁化と読取り素子を流れるセンス電流の
向きとの角度のコサインの二乗に比例して変化する。デ
ータは、媒体に記録されている磁気遷移からセンサが読
取る。遷移の結果生じる磁場が、読取りセンサにおける
磁化の向きに変化を生じさせる。新たな磁化の向きが、
読取りセンサの抵抗を変化させ、対応する変化がセンス
電流又は電圧に生じる。
【０００４】より高密度媒体上のより小さい記録遷移に
対してより高感度の新しいセンサがより一般に使用され
るようになり始めている。これらのセンサは、巨大磁気
抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれるより大きな形の磁気抵抗
を用いる。ＧＭＲ効果は、選択した組合せの材料につい
て、ＡＭＲ効果よりも大きな値の磁気抵抗を生じる。Ｇ
ＭＲ効果は、強磁性金属と非強磁性金属とが交互に積層
された多層薄膜で発生する。ＧＭＲ膜の抵抗は、強磁性
（ＦＭ）層間の磁化の角度のコサインに従って変化す
る。
【０００５】ＧＭＲデバイスを構成する一部が、ピー・
ディエニ（Ｂ. Ｄｉｅｎｙ）らの論文「Giant Magnetor
esistance in Soft Ferromagnetic Multilayers」、Phy
sical Review B, Vol.43, No.1、1991年１月１日、第12
97〜1300頁、及びディエニらの米国特許第５、２０６、
５９０号明細書に説明されているように、「フリー」層
と「ピン」層との２つの強磁性層を用いたスピンバルブ
である。前記２層における磁化が整合した時、抵抗は最
小になる。前記磁化が不整合の場合に、抵抗は最大であ
る。この抵抗は、前記磁化間の角度のコサインとして変
化し、電流の向きと無関係である。ピン層の磁化は、そ
れを反強磁性（ＡＦＭ）材料の層の隣に配置して、その
結果得られる両層の交換結合により適当に保持される。
フリー層の磁化は、ディスクからの磁場に応答して自由
に回転する。このように、ヘッドがディスク上の記録さ
れた磁気遷移の上を飛行している間、磁化の向きが平行
である状態（低抵抗状態）と非平行（高抵抗状態）との
間で回転する。その結果ＧＭＲ効果により生じる電気抵
抗の変化が感知され、ディスク上の磁気情報が電気信号
に変換される。一般に使用されている金属ＡＦＭ材料
は、プラチナマンガン（ＰｔＭｎ）、鉄マンガン（Ｆｅ
Ｍｎ）、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）、ニッケルマ
ンガン（ＮｉＭｎ）、及び酸化ニッケル（ＮｉＯ）であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】残念ながら、スピンバ
ルブ効果を用いた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサを現在
実現することには、ＧＭＲセンサのＦＭ／ＡＦＭ（即ち
ピン／ピン止め）２重層に直接関連する重大な問題があ
る。高温度のアニーリングに晒され又は長期間に亘る高
電流密度で動作させると、２重層の界面において層間原
子拡散が起こり、２重層のピン止め磁場及びピン止め角
度双方の劣化によるＧＭＲセンサの動作不安定を生じさ
せる。この熱的劣化は、２５０℃の高熱によるアニーリ
ングが、ＧＭＲセンサの金属面を被覆する有機絶縁材を
硬化させるためにデバイスの製造工程上必要であること
から、重大な問題である。その上、ＧＭＲセンサ自体
が、高電流密度下での長期間の動作に耐え得ることが期
待される。熱的安定性を改善したＧＭＲセンサのＦＭ／
ＡＦＭ２重層を形成することができる解決策が、当業者
において長い間求められていたが、分からないままであ
った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、強磁性
（ＦＭ）層と反強磁性（ＡＦＭ）層とを有し、熱的安定
性を改善した２重層構造が提供される。
【０００８】また、本発明によれば、ＦＭ層とＡＦＭ層
間に酸化物薄層を設けることにより熱的安定性を改善し
たスピンバルブセンサが提供される。
【０００９】更に本発明によれば、交換ピン止め磁場を
増大させて改善したスピンバルブセンサが提供される。
【００１０】本発明によれば、スピンバルブセンサにお
いてＦＭ層を形成する前にＡＦＭ層上に酸化物薄層を形
成し、ＡＦＭ層とＦＭ層間の層間原子拡散を最小にする
方法が提供される。
【００１１】本発明の上記利点及びその他の利点につい
ては、当業者であれば、添付図面に関連して以下に記載
される詳細な説明から明らかである。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１Ａ（従来技術）を参照する
と、磁気記録ディスクドライブシステム１００が示され
ている。システム１００は、その上にディスクドライブ
モータ１０４を装着したハウジング１０２を有する。デ
ィスクドライブモータ１０４は、その上に１個又はそれ
以上の磁気記録ディスク１０８のような磁気記録ディス
クを取り付けたハブ１０６を有する高速モータである。
【００１３】磁気記録ディスク１０８は、一般に始動状
態における摩擦を最小にする潤滑剤で被覆されている。
動作中は、回転する磁気記録ディスク１０８上の空気の
膜が空気ベアリングスライダ１１０をディスク１０８の
表面から持ち上げる。読取り／書込み変換器１１２は空
気ベアリングスライダ１１０に装着されている。
【００１４】読取り／書込み変換器１１２は、従来の巨
大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はスピンバルブセンサを備え
る。
【００１５】空気ベアリングスライダ及び読取り／書込
み変換器１１２は、ディスク１０８の表面から特定の距
離の範囲内に空気ベアリングスライダ１１０を保持する
ばね作用を提供するサスペンションアーム１１４により
保持されている。サスペンションアーム１１４は、アク
チュエータ１１８により回転するアーム１１６により支
持されている。ディスクドライブモータ１０８がディス
ク１０８を回転させると、アクチュエータ１１８が読取
り／書込み変換器１１２をディスク１０８の表面に関し
て放射方向に移動させ、その上の各データトラックにア
クセスさせる。
【００１６】次に図１Ｂ（従来技術）を参照すると、変
換器１１２がサスペンションアーム１１４の端部に設け
られ、かつワイヤ１２０により読取り／書込み回路（図
示せず）に接続されたシステムの上面が示されている。
枢軸１２２により、アーム１１６はディスク１０８上の
各トラックに読取り／書込みするために回転することが
できる。
【００１７】図２（従来技術）を参照すると、従来の単
一スピンバルブセンサ２００の断面が示されている。ス
ピンバルブセンサ２００は、反強磁性（ＡＦＭ）材料で
形成されたピン止め層２０２を有する。ピン止め層２０
２の上面には、強磁性（ＦＭ）材料で形成されたピン
（固定）層２０４が設けられている。銅のような非磁性
材料で形成された非磁性スペーサ層２０６が、ピン層２
０４の上に配置されている。非磁性スペーサ層２０６の
上面には、強磁性材料で形成されたフリー層２０８が設
けられている。
【００１８】次に図３を参照すると、本発明により形成
された単一スピンバルブセンサ３００の断面が示されて
いる。スピンバルブセンサ３００は、反強磁性（ＡＦ
Ｍ）材料で形成されたピン止め層３０２を有する。ピン
止め層３０２は、周期表のVIII族の材料、その組合せ、
その化合物、及びその合金からなる群から選択される材
料からなる。好適実施例においてＡＦＭ層３０２は、Ｆ
ｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＭｎＰｔ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭ
ｎ、ＴｂＣｏ、ＦｅＲｈ−Ｉｒ、それらの組合せ、その
化合物、及びその合金からなる群から選択される材料か
らなる。酸化物薄層３０３が、ＡＦＭ層３０２の上に配
置されている。酸化物薄層３０３の上には、磁性（Ｆ
Ｍ）材料で形成されたピン層３０４が設けられている。
ピン（ＦＭ）層３０４は、周期表のVIII族の材料、その
組合せ、その化合物、及びその合金からなる群から選択
される材料からなる。好適実施例では、ＦＭ層３０４
は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、その組合せ、そ
の化合物、及びその合金からなる群から選択される材料
からなる。
【００１９】銅のような非磁性材料で形成された非磁性
スペーサ層３０６が、ピン層３０４の上に設けられてい
る。非磁性スペーサ層３０６の上には、強磁性材料で形
成されたフリー層３０８が設けられている。フリー層３
０８は、周期表のVIII族の材料、その組合せ、その化合
物、及びその合金からなる群から選択される材料からな
る。
【００２０】従来技術に関連して上述したように、従来
のＭＲセンサ又はスピンバルブセンサに関連する問題の
１つは、ＡＦＭ／ＦＭ界面が熱的劣化を非常に受け易い
ことである。高温でのアニーリング又は長期間に亘る高
電流密度での動作に晒されると、ＡＦＭ層２０２とＦＭ
層２０４（図２（従来技術））間の層間原子拡散が生じ
る。このような拡散により起こり得る結果には、交換ピ
ン止め磁場強度の低下及びピン止め角度の所望の角度か
らの変化が含まれ、それらは双方とも読取り／書込み変
換器１１２の好ましくない動作不安定を生じさせる虞が
ある。デバイスの製造には高温でのアニーリングが要求
されるので、全てのスピンバルブセンサは非常に層間拡
散を受け易い状態にある。更に、センサ自体が、通常の
デバイスの使用において高電流密度に耐えることが期待
されているので、層間拡散はより一層起こり易い。従っ
て、熱的劣化は、デバイスの歩留まり及び性能において
重大な問題である。
【００２１】本発明は、ＡＦＭ層３０２とＦＭ層３０４
（図３）間に酸化物薄層３０３を設けることにより、ス
ピンバルブセンサ３００の熱的劣化を最小にする。酸化
物薄層３０３は、約１〜５単原子層の厚さを有する。好
適実施例では、酸化物薄層３０３は、酸素原子の直径の
約１〜５倍の厚さを有する。酸化物薄層３０３は、ＡＦ
Ｍ層３０２とＦＭ層３０４間の層間原子拡散を最小にす
る物理的障壁として機能する。酸化物薄層３０３が、酸
素原子の直径の１０倍以上の厚さを有する場合には、Ａ
ＦＭ層３０２とＦＭ層３０４との相互作用即ち結合を分
離させる虞があることに注意すべきである。この結合分
離は、スピンバルブセンサ３００の重大な性能低下をも
たらす虞がある。
【００２２】更に、酸化物薄層３０３は、３ｄ遷移金属
間の磁気的相互作用を仲介する役目を果たす。ＡＦＭ層
３０２及びＦＭ層３０４の双方が一般に３ｄ遷移金属で
形成されるので、酸化物薄層３０３の酸素原子は、ＡＦ
Ｍ層とＦＭ層間の結合を強化し、その結果交換ピン止め
磁場が改善される。交換ピン止め磁場の改善は、スピン
バルブセンサ３００の性能を改善する。
【００２３】酸化物薄層３０３を有するスピンバルブセ
ンサ３００は、従来のスピンバルブセンサの利点を保持
しつつ、交換ピン止め磁場を強くすること、及び層間原
子拡散に関連する問題を解消することの双方により、熱
的劣化に関する心配を大幅に緩和する。
【００２４】本発明によるスピンバルブセンサ３００の
製造において、ＡＦＭ層３０２は真空環境内で従来技術
を用いて形成される。この真空環境は、約１．３３×１
０-7Ｐａ（１×１０-9Ｔｏｒｒ）〜約１．３３×１０-6
Ｐａ（１×１０-8Ｔｏｒｒ）間の圧力である。その後、
ＡＦＭ層３０２は所定の時間真空環境内に保持して、Ａ
ＦＭ層３０２の上に酸化物薄層３０３が形成されるよう
にする。好適実施例では、酸化物薄層３０３を所望の厚
さに形成するのに必要な時間は、約１．３３×１０-7Ｐ
ａ（１×１０-9Ｔｏｒｒ）〜約１．３３×１０-6Ｐａ
（１×１０-8Ｔｏｒｒ）間の圧力で約２０〜４０秒の間
である。
【００２５】次に、従来技術を用いて酸化物薄層３０３
の上にＦＭ層３０４を形成する。その後、従来技術を用
いてＦＭ層３０４の上に非磁性層３０６及びフリー層３
０８を連続して形成し、それによりスピンバルブセンサ
３００の形成が完了する。
【００２６】スピンバルブセンサにおいてＡＦＭ層とＦ
Ｍ層間に酸化物薄層を設けることにより、本発明によれ
ば、スピンバルブセンサの熱的劣化が最小になる。さら
に、酸化物薄層は、ＡＦＭ層とＦＭ層間の結合を強化
し、その結果交換ピン止め磁場が改善され、かつ従って
スピンバルブセンサの性能が改善される。
【００２７】以上、本発明についてその特定の実施態様
に関連して詳細に説明したが、当業者であれば、上述し
た開示事項に基づいて様々な変形や変更が可能であるこ
とは明らかである。本発明は、ＦＭ／ＡＦＭ２重層界面
に関連するものを有する、単一及びデュアルスピンバル
ブセンサ、シンセティックピン層を有する又は有しない
スピンバルブセンサを含むあらゆるデバイスについて適
用可能である。例えば、本発明は、磁気ディスクに加え
てテープ、フロッピー（登録商標）ディスク及び他の磁
気媒体を用いたシステムにおいて用いることができる。
従って、本発明は、このような本発明の技術的範囲に含
まれる全ての変形・変更を包含するものである。また、
本明細書中及び添付図面に記載される全ての事項は例示
的なものであり、本発明の技術的範囲を制限するもので
はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａ（従来技術）は、磁気記録ディスクドラ
イブの側面図、図１Ｂ（従来技術）は、図１Ａ（従来技
術）に示すシステムの単純化した上面図である。
【図２】従来技術のスピンバルブセンサの各層を示す断
面図である。
【図３】本発明により形成されたスピンバルブセンサの
各層を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 磁気記録ディスクドライブシステム １０２ ハウジング １０４ ディスクドライブモータ １０６ ハブ １０８ 磁気記録ディスク １１０ 空気ベアリングスライダ １１２ 読取り／書込み変換器 １１４ サスペンションアーム １１６ アーム １１８ アクチュエータ １２０ ワイヤ １２２ 枢軸 ２００ スピンバルブセンサ ２０２ ピン止め層 ２０４ ピン（固定）層 ２０６ 非磁性スペーサ層 ２０８ フリー層 ３００ 単一スピンバルブセンサ ３０２ ピン止め層 ３０３ 酸化物薄層 ３０４ ピン層 ３０６ 非磁性スペーサ層 ３０８ フリー層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 10/32 Ｈ０１Ｆ 10/32 41/32 41/32 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｚ (72)発明者 ミン・マオ アメリカ合衆国カリフォルニア州94588, プレザントン，コロナ・コート・5136 (72)発明者 オゥンウェン・レン アメリカ合衆国カリフォルニア州95148, サンノゼ，ルビー・ビュー・2859

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強磁性層、反強磁性層、及び前記強磁性
    層と前記反強磁性層間に配置された酸化物薄層を備える
    ことを特徴とする２重層構造。
  2. 【請求項２】 前記強磁性層が、周期表のVIII族の材
    料、その組合せ、その化合物、及びその合金からなる群
    から選択される材料からなることを特徴とする請求項１
    に記載の２重層構造。
  3. 【請求項３】 前記強磁性層が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、
    Ｃｏ、Ｆｅ、その組合せ、その化合物、及びその合金か
    らなる群から選択される材料からなることを特徴とする
    請求項１に記載の２重層構造。
  4. 【請求項４】 前記反強磁性層が、周期表のVIII族の材
    料、その組合せ、その化合物、及びその合金からなる群
    から選択される材料からなることを特徴とする請求項１
    に記載の２重層構造。
  5. 【請求項５】 前記反強磁性層が、ＦｅＭｎ、ＩｒＭ
    ｎ、ＭｎＰｔ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＴｂＣｏ、Ｆ
    ｅＲｈ−Ｉｒ、その組合せ、その化合物、及びその合金
    からなる群から選択される材料からなることを特徴とす
    る請求項１に記載の２重層構造。
  6. 【請求項６】 前記強磁性層が磁化を有し、前記反強磁
    性層が前記磁化を予め決められた向きにピン止めするこ
    とができることを特徴とする請求項１に記載の２重層構
    造。
  7. 【請求項７】 前記酸化物薄層が、酸素原子の直径の約
    １〜１０倍の厚さを有することを特徴とする請求項１に
    記載の２重層構造。
  8. 【請求項８】 磁化を有する第１強磁性層と、 前記磁化を予め決められた向きにピン止めすることがで
    きる反強磁性層と、 前記第１強磁性層と前記反強磁性層間に配置された酸化
    物薄層とを備えることを特徴とするスピンバルブセン
    サ。
  9. 【請求項９】 前記第１強磁性層が、周期表のVIII族の
    材料、その組合せ、その化合物、及びその合金からなる
    群から選択される材料からなることを特徴とする請求項
    ８に記載のスピンバルブセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記第１強磁性層が、ＮｉＦｅ、Ｃｏ
    Ｆｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、その組合せ、その化合物、及びその
    合金からなる群から選択される材料からなることを特徴
    とする請求項８に記載のスピンバルブセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記反強磁性層が、周期表のVIII族の
    材料、その組合せ、その化合物、及びその合金からなる
    群から選択される材料からなることを特徴とする請求項
    ８に記載のスピンバルブセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記反強磁性層が、ＦｅＭｎ、ＩｒＭ
    ｎ、ＭｎＰｔ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＴｂＣｏ、Ｆ
    ｅＲｈ−Ｉｒ、その組合せ、その化合物、及びその合金
    からなる群から選択される材料からなることを特徴とす
    る請求項８に記載のスピンバルブセンサ。
  13. 【請求項１３】 前記酸化物薄層が、酸素原子の直径の
    約１〜１０倍の厚さを有することを特徴とする請求項８
    に記載のスピンバルブセンサ。
  14. 【請求項１４】 前記第１強磁性層の上に形成された非
    磁性スペーサ層と、前記非磁性スペーサ層の上に形成さ
    れた第２強磁性層とを更に備えることを特徴とする請求
    項８に記載のスピンバルブセンサ。
  15. 【請求項１５】 前記非磁性スペーサ層が銅からなり、
    かつ前記第２強磁性層が、周期表のVIII族の材料、その
    組合せ、その化合物、及びその合金からなる群から選択
    される材料からなることを特徴とする請求項１０に記載
    のスピンバルブセンサ。
  16. 【請求項１６】 周期表のVIII族の材料、その組合せ、
    その化合物、及びその合金からなる群から選択される材
    料からなり、磁化を有する第１強磁性層と、 周期表のVIII族の材料、その組合せ、その化合物、及び
    その合金からなる群から選択される材料からなり、前記
    磁化を予め決められた向きにピン止めすることができる
    反強磁性層と、 酸素原子の直径の約１〜１０倍の厚さを有し、前記第１
    強磁性層と前記反強磁性層との間に配置された酸化物薄
    層とを備えることを特徴とするスピンバルブセンサ。
  17. 【請求項１７】 銅からなり、前記第１強磁性層の上に
    形成された非磁性スペーサ層と、 周期表のVIII族の材料、その組合せ、その化合物、及び
    その合金からなる群から選択される材料からなり、前記
    非磁性スペーサ層の上に形成された第２強磁性層とを更
    に備えることを特徴とする請求項１６に記載のスピンバ
    ルブセンサ。
  18. 【請求項１８】 磁化を有する反強磁性層を設ける過程
    と、前記反強磁性層の上に酸化物薄層を形成する過程
    と、前記酸化物薄層の上に、磁化を有する強磁性層を形
    成する過程とからなり、前記反強磁性層が前記磁化を予
    め決められた向きにピン止めすることができることを特
    徴とするスピンバルブセンサの製造方法。
  19. 【請求項１９】 前記酸化物薄層が、酸素原子の直径の
    約１〜１０倍の厚さを有することを特徴とする請求項１
    ８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記酸化物薄層を形成する過程が、約
    １．３３×１０-7Ｐａ（１×１０-9Ｔｏｒｒ）〜約１．
    ３３×１０-6Ｐａ（１×１０-8Ｔｏｒｒ）間の圧力で行
    われることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
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