JP2004538591A

JP2004538591A - ナノ酸化物交換結合自由層を有するｇｍｒ磁気変換器

Info

Publication number: JP2004538591A
Application number: JP2003519638A
Authority: JP
Inventors: ハーダヤル、シン、ギル
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-12-24
Also published as: US20030026049A1; WO2003014758A1; US6636389B2; GB2389448A; GB0318492D0; KR20040008234A; MY122945A; GB2389448B

Abstract

【課題】ナノ酸化物交換結合自由層を有するＧＭＲ磁気変換器を提供すること。
【解決手段】本発明に基づく磁気変換器（ヘッド）は、強磁性ナノ酸化層（ＮＯＬ）によって分離された非磁性材料の２層のスペーサ層を備えた薄いスペーサ構造を横切って交換結合された２層の自由層を備えた自由層構造を含む。スペーサ層は、ＮＯＬによって自由層が必要以上に硬質化することを防ぐ。スペーサ層は銅または酸化銅であることが好ましい。スペーサ層は、ＮＯＬが持つ、伝導電子の鏡面散乱特性を保護する。伝導電子の鏡面散乱は磁気抵抗応答を増大させる傾向がある。本発明の交換結合スペーサ構造を含む自由層構造は、デュアル・スピン・バルブ構成で使用することができるが、シングル・スピン・バルブ構成でも有用である。本発明の自由層は、コンダクション・インプレーン（conduction in-plane：ＣＩＰ）装置、ならびにコンダクション・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（conductionperpendicular to the plane：ＣＰＰ）装置において有用である。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗変換器（ヘッド）の分野に関し、詳細にはデータ記憶システムで使用される磁気抵抗ヘッド、より詳細には巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の一般的なヘッド／ディスク・システムを図１に示す。動作時、ヘッド１０は、サスペンション１３によって支持されてディスク１６の上を飛行する。通常は「ヘッド」と呼ばれる磁気変換器は、磁気転移を書き込む作業を実行する部品（書込みヘッド２３）と磁気転移を読み取る作業を実行する部品（読取りヘッド１２）とからなる。読取りおよび書込みヘッド１２、２３から／への電気信号は、サスペンション１３に取り付けられまたは埋め込まれた導電性経路（リード）１４上を伝わる。一般に、読取りおよび書込みヘッド１２、２３に対してそれぞれ２つの電気接触パッド（図示せず）がある。これらのパッドにはワイヤまたはリード１４が接続され、これらは、サスペンション１３の中をアームの電子回路（図示せず）まで延ばされる。ディスク１６はスピンドル１８に取り付けられており、スピンドル１８はスピンドル・モータ２４によって駆動されてディスク１６を回転させる。ディスク１６は、その上に数層の薄膜２１が付着した基板２６を含む。薄膜２１は強磁性材料を含み、この中に、情報が符号化された磁気転移が書込みヘッド２３によって記録される。読取りヘッド１２は、ヘッド１０の空気軸受面の下でディスクが回転しているときに磁気転移を読み取る。読取りヘッド１２にはいくつかのタイプがあり、これにはスピン・バルブおよびトンネル・ジャンクションを使用したものが含まれる。スピン・バルブは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサよりもはるかに大きな磁気抵抗効果を示し、そのため、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサと呼ばれている。スピン・バルブを使用したヘッドはしたがってＧＭＲヘッドと呼ばれる。
【０００３】
スピン・バルブ・センサ（図示せず）の基本構造は、反強磁性層、ピンド層（pinnedlayer）および自由層を含む。スピン・バルブの効果は、非磁性スペーサ層、例えば銅層によって分離された弱く結合した２層の強磁性層の差動スイッチングの結果である。反強磁性層は、ピンド層の磁気モーメントを空気軸受面（ＡＢＳ）に対して９０度に固定する。ＡＢＳは、磁気媒体と向かい合うセンサの露出面である。零入力位置（quiescentposition）は、回転している磁気ディスクからの磁界信号のないセンサにセンス電流を流したときの自由層の磁気モーメントの位置である。自由層の磁気モーメントの零入力位置はＡＢＳに対して平行であることが好ましい。動いている磁気媒体からの正負の信号磁界に応答して、自由層の磁気モーメントは、零入力位置ないしゼロ・バイアス点位置から正負の方向に自由に回転する。
【０００４】
スペーサ層の厚さは、センサの中を移動する電子の平均自由行程よりも小さくなるように選択される。この配置では、スペーサ層とピンド層およびスペーサ層と自由層との界面または境界によって一部の伝導電子が散乱する。ピンド層の磁気モーメントと自由層の磁気モーメントが互いに平行であるときに散乱は最小となり、磁気モーメントが逆平行であるときに散乱は最大となる。伝導電子の散乱が増大するとスピン・バルブ・センサの抵抗は大きくなり、伝導電子の散乱が低減するとスピン・バルブ・センサの抵抗は小さくなる。スピン・バルブ・センサの抵抗の変化は、ピンド層の磁気モーメントと自由層の磁気モーメントの間の角度の余弦の関数である。当技術分野ではこの抵抗を磁気抵抗（ＭＲ）と呼んでいる。
【０００５】
一変形形態では、このピンド層の機能が、ナノ酸化層（ＮＯＬ）を含む多層構造によって実行される。自由層も、ＮＯＬを含む多層構造とすることができる。自由層またはピンド層構造中にＮＯＬを使用すると、伝導電子の鏡面散乱効果によってＭＲ比が向上すると報告されている。ＮＯＬをデュアル・スピン・バルブに使用することも提案されている（エイチ・サカキマ（H. Sakakima）他、「ＰｔＭｎ中の薄い酸化層およびａ−Ｆｅ_２Ｏ_３ベースのスピン・バルブを使用したＭＲ比の向上（Enhancementof MR ratios using thin oxide layers in PtMn and a-Fe₂O₃-basedspin valves）」、磁気および磁性材料（J. Magnetism and Magnetic Materials）、２１０（２０００）、Ｌ２０−２４を参照されたい）。
【０００６】
米国特許第５９６６２７２号の中で、ダブリュー・シー・ケイン（W.C. Cain）は、磁気抵抗ヘッドで使用する「トライレイヤ（trilayer）」構造を記述している。この構造は、ＭＲ層、スペーサ層、交換層および軟質隣接層（softadjacent layer：ＳＡＬ）からなる。ＭＲ層は、ＭＲ層の両端の硬質磁性材料によって縦にバイアスされている。ＳＡＬは、トライレイヤ構造中をセンス電流が流れているときに横バイアスを生み出す。交換層も横バイアスを生み出し、これによって零電流または小電流でＳＡＬを飽和させることができる。米国特許第５９６６２７２号のヘッドにおける必要なセンス電流の低減は、従来技術の改良となると述べられている。交換層は、厚さ１５から３０ｎｍのＮｉＯ／ＣｏＯまたはＦｅＭｎからなる。
【０００７】
米国特許第６２１９２０８号の中で、本出願の出願人は、自己ピンド層（self-pinnedlayer）を有するデュアル・スピン・バルブ・センサの使用を記述している。自己ピンド層は、デュアル・スピン・バルブ・センサにセンス電流を流したときにその導電層からのセンス電流場によって空気軸受面に対して垂直に固定される磁気モーメントを有する。この方式は、デュアル・スピン・バルブ・センサで一般に使用される反強磁性ピンニング層の１つを排除する。自己ピンド層は薄く、その減磁場が、その上に作用するセンス電流場よりも大きくなることはない。自己ピンド層の薄層化のため、自己ピンド層の境界での伝導電子の散乱によってスピン・バルブ・センサのスピン・バルブ効果は低下する。この問題を克服するため、伝導電子を反射させて伝導電子の平均自由行程に戻す、自己ピンド層と接触した鏡面反射層を使用する。これによって、スピン・バルブ・センサの自己ピンド層側に対するスピン・バルブ効果を、自由層構造のもう一方の側に対する別のスピン・バルブ効果に追加して、従来技術のデュアル・スピン・バルブ・センサに比べて改良された読取りギャップを有する二重のスピン・バルブ効果を提供することができる。鏡面反射層には銅、金および銀が提案されている。
【０００８】
従来技術のＧＭＲセンサではＮＯＬが使用されているが、従来技術の実施形態では、ＮＯＬ材料が一部の自由層を固定し、したがって保磁力を増大させる、すなわち自由層を硬質化する。
【特許文献１】
米国特許第５９６６２７２号
【特許文献２】
米国特許第６２１９２０８号
【特許文献３】
米国特許第５６６８６８８号
【非特許文献１】
エイチ・サカキマ（H. Sakakima）他、「ＰｔＭｎ中の薄い酸化層およびａ−Ｆｅ２Ｏ３ベースのスピン・バルブを使用したＭＲ比の向上（Enhancementof MR ratios using thin oxide layers in PtMn and a-Fe2O3-basedspin valves）」、磁気および磁性材料（J. Magnetism and Magnetic Materials）、２１０（２０００）、Ｌ２０−２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがってＮＯＬの利益を保持し、同時に望ましくない二次的効果を低減するセンサ設計が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に基づくヘッドは、強磁性ナノ酸化層（ＮＯＬ）によって分離された非磁性材料の２層のスペーサ層を備えた薄いスペーサ構造を横切って交換結合された２層の自由層を備えた自由層構造を含む。スペーサ層は、ＮＯＬによって自由層が必要以上に硬質化することを防ぐ。スペーサ層は銅または酸化銅であることが好ましい。スペーサ層は、ＮＯＬが持つ、伝導電子の鏡面散乱特性を保護する。伝導電子の鏡面散乱は磁気抵抗応答を増大させる傾向がある。本発明の交換結合スペーサ構造を含む自由層構造は、デュアル・スピン・バルブ構成で使用することができるが、シングル・スピン・バルブ構成でも有用である。本発明の自由層は、コンダクション・インプレーン（conduction in-plane：ＣＩＰ）装置、ならびにコンダクション・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（conductionperpendicular to the plane：ＣＰＰ）装置において有用である。従来技術の多くのＣＰＰ装置はその低い抵抗のため非実用的であった。本発明の自由層構造は、ＮＯＬの抵抗特性によって抵抗を大きくすることにより、ＣＰＰ装置に追加の利益を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を具体化した読取りヘッド３０の断面を示す図２を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。右側も全く同じなので、空気軸受面から見た断面の左側だけを示した。リード・パッド３２は、読取りヘッド３０への電気接続を提供する。典型的な一配置では、リード・パッド３２が、硬いバイアス材料３４と接触する。このリード配置の結果、センス電流は、この薄膜層群の平面に沿って流れ、したがって読取りヘッド３０はＣＩＰ装置となる。種々の層３７は基板、ギャップ、シールドなどを含む。スピン・バルブ３９は、以下に説明する多重構造からなる。スピン・バルブ３９の両面にはピンド層３６Ａ、３６Ｂが配置されている。当技術分野では知られているとおり、ピンド層自体も多層構造とすることができる。ピンド層３６Ａと３６Ｂの間には自由層構造４０が配置されている。自由層構造４０は、交換結合スペーサ構造（exchange coupling spacer structure：ＥＣＳ）４２によって分離された２つの自由層３８Ａ、３８Ｂからなる。交換結合スペーサ構造４２は、２つの外側非磁性スペーサ層４１Ａ、４１Ｂを含む。これらは導電性または電気絶縁性とすることができる。２つの外層４１Ａと４１Ｂの間には強磁性ナノ酸化層４３が配置されている。強磁性ナノ酸化層４３は、２つの自由層３８Ａと３８Ｂの間の交換結合を提供する。スペーサ層４１Ａ、４１Ｂは、自由層３８Ａ、３８Ｂを磁気的に軟質に保つ。スペーサ層４１Ａ、４１Ｂは銅（Ｃｕ）または酸化銅（ＣｕＯ）であることが好ましく、その厚さは約０．５から１．０ｎｍである。ＮＯＬは、酸化コバルト鉄、酸化ニッケルまたは酸化鉄など、任意の強磁性酸化物とすることができ、その厚さは約０．５から１．５ｎｍである。
【００１２】
自由層３８Ａ、３８Ｂは、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）および他の適当な元素の強磁性合金（ＣｏＦｅＸ）であることが好ましい。ピンド層構造３６Ａ、３６Ｂは従来技術に基づく代替物とすることができるが、好ましい構造は以下のとおりである。
ＡＦＭ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ
ただし、反強磁性（antiferromagnetic：ＡＦＭ）構造は自由層３８Ａ、３８Ｂから最も離れている。本発明のこの実施形態は２つのピンド層構造３８Ａ、３８Ｂを有するが、本発明は、単一のピンド層構造を有する実施形態においても有用である。
【００１３】
上で説明した実施形態では、スピン・バルブ構造の両端にリードを接続する。これは、センス電流が層の平面に沿って流れ、センサがカレント・インプレーン（current-in-plane）：ＣＩＰ）装置であることを意味している。本発明の交換結合スペーサ構造４２は、センス電流が平面に対して垂直に流れる（current-perpendicular-to-plane：ＣＰＰ）スピン・バルブでも使用することができる。従来技術のＣＰＰスピン・バルブの一例が、ダイクス（Dykes）他の米国特許第５６６８６８８号に記載されている。図３に、その空気軸受面に対して平行にとった、本発明に基づくＣＰＰ読取りヘッド５０の部分断面を示す。両側とも同じなので図２と同様に片側だけを示した。スピン・バルブ層スタック３９の両端は誘電材料５４に接している。導電性リード５２Ａ、５２Ｂはそれぞれピンド層３６Ａ、３６Ｂと接触している。この設計のセンス電流は、導電性リード５２Ａと５２Ｂの間を、スピン・バルブ３９の層の平面に対して垂直に流れる。ＣＰＰ法は、スピン依存電子散乱を低減する分路電流を減らし、したがって磁気抵抗効果を増大させると考えられる。センス電流は、スピン・バルブ３９の層の中を直列に流れるので、ナノ酸化層（ＮＯＬ）４３の抵抗が全抵抗に加わる。従来技術のＣＰＰ設計はミリオーム程度の望ましくない低い抵抗しか持たないので、ＮＯＬの追加の抵抗は従来技術の設計を改良する。
【００１４】
以上に明示した厚さ値を除いて、本発明を具体化するヘッドの層、構造および材料は従来技術に基づくものとし、従来技術に従って製造する。
【００１５】
本発明に基づく変換器は、図２および３に示した多層構造を順に付着させるマグネトロン・スパッタリングまたはイオン・ビーム・スパッタリング・システムで製造することができる。本発明に基づく変換器の製造方法は、以下の点を除いて従来技術に基づく。本発明の自由層構造は、第１の自由層の材料を付着させ、非磁性材料の第１のスペーサ層を付着させ、ＮＯＬを付着させ、非磁性材料の第２のスペーサ層を付着させ、第２の自由層の材料を付着させることによって形成する。
【００１６】
本明細書に示した組成は、実際の実施においては不可避的に存在する当業者には周知の少量の不純物を無視して記載した。
【００１７】
本発明の実施形態を、特定のスピン・バルブ・ヘッド環境について説明したが、本明細書に記載した交換結合自由層構造はこの応用に限定されない。本発明は他の磁気変換器に使用できることを当業者は理解しよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術を示す図であって、ディスク・ドライブ内のヘッドと関連構成部品の関係を示す図である。
【図２】カレント・インプレーン（current in-plane）センサ中に具体化された本発明の層構造を示す、空気軸受面に平行にとった変換器の部分断面図である。
【図３】カレント・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（currentperpendicular to the plane sensor）センサ中に具体化された本発明の層構造を示す、空気軸受面に対して平行にとった変換器の部分断面図である。

Claims

外部磁界をセンスするための変換器であって、
第１の磁化を有する第１のピンド層構造と、
前記第１のピンド層構造に隣接した第１の非磁性スペーサ層と、
強磁性材料を含み、前記第１の非磁性スペーサ層に隣接して配置され、外部磁界のない状況では前記第１の磁化に対して垂直な第２の磁化を有する第１の自由層と、
強磁性ナノ酸化層を含み、前記強磁性ナノ酸化層の両面に配置された第２および第３の非磁性スペーサ層を含む交換結合スペーサ構造と、
強磁性材料を含み、前記第１の自由層に対して平行に配置され、前記交換結合スペーサ構造によって前記第１の自由層から分離された第２の自由層と
を備え、
前記第１の自由層と前記第２の自由層が、前記強磁性ナノ酸化層を介して交換結合されており、外部磁界のない状況では前記ピンド層の磁化に対して垂直な自由層の磁化を有し、
さらに、
第４の非磁性スペーサ層と、
前記第２の自由層の前記交換結合スペーサ構造から最も離れた側の前記第４の非磁性スペーサ層に隣接して配置され、前記第１の磁化を有する第２のピンド層構造と
を備えた変換器。
前記強磁性ナノ酸化層の厚さが約０．５から１．５ｎｍある、請求項１に記載の変換器。
前記第２および第３の非磁性スペーサ層が導電性である、請求項１に記載の変換器。
前記第２および第３の非磁性スペーサ層が電気絶縁性である、請求項１に記載の変換器。
前記第１および第２の自由層がコバルトと鉄の合金である、請求項１に記載の変換器。
前記第１のピンド層構造が、ＡＦＭ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ／Ｃｕである、請求項１に記載の変換器。
前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に沿って電流が流れるように配置された第１および第２のリード・パッドをさらに備え、これによってコンダンクション・インプレーン（conduction in-plane）装置となった、請求項１に記載の変換器。
前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に対して垂直に電流が流れるように配置された第１および第２のリード・パッドをさらに備え、これによってコンダクション・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（conduction perpendicular to the plane）装置となった、請求項１に記載の変換器。
前記第１および第２のリード・パッドがそれぞれ、前記第１および第２のピンド層構造と電気的に接触している、請求項８に記載の変換器。
前記強磁性ナノ酸化層が電気抵抗性である、請求項９に記載の変換器。
前記強磁性ナノ酸化層が、酸化コバルト鉄、酸化ニッケルまたは酸化鉄である、請求項１に記載の変換器。
強磁性材料の薄膜をその平らな表面に有するディスクと、
前記ディスクを回転可能に支持したスピンドルと、
前記ディスクの前記平らな表面の上に支持された空気軸受面を有する磁気変換器と
を備え、前記磁気変換器が、
第１の磁化を有する第１のピンド層構造と、
前記第１のピンド層構造に隣接した第１の非磁性スペーサ層と、
強磁性材料を含み、前記第１の非磁性スペーサ層に隣接して配置され、外部磁界のない状況では前記第１の磁化に対して垂直な第２の磁化を有する第１の自由層と、
強磁性ナノ酸化層を含み、前記強磁性ナノ酸化層の両面に配置された第２および第３の非磁性スペーサ層を含む交換結合スペーサ構造と、
強磁性材料を含み、前記第１の自由層に対して平行に配置され、前記交換結合スペーサ構造によって前記第１の自由層から分離された第２の自由層と
を備え、
前記第１の自由層と前記第２の自由層が、前記強磁性ナノ酸化層を介して交換結合されており、外部磁界のない状況では前記ピンド層の磁化に対して垂直な自由層の磁化を有し、
前記磁気変換器がさらに、
第４の非磁性スペーサ層と、
前記第２の自由層の前記交換結合スペーサ構造から最も離れた側の前記第４の非磁性スペーサ層に隣接して配置され、前記第１の磁化を有する第２のピンド層構造と
を備えたディスク・ドライブ。
前記強磁性ナノ酸化層の厚さが約０．５から１．５ｎｍである、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第２および第３の非磁性スペーサ層が導電性である、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第２および第３の非磁性スペーサ層が電気絶縁性である、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第１および第２の自由層がコバルトと鉄の合金である、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第１のピンド層構造が、ＡＦＭ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ／Ｃｕである、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に沿って電流が流れるように配置された第１および第２のリード・パッドをさらに備え、これによって前記変換器がコンダンクション・インプレーン（conduction in-plane）装置となった、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に対して垂直に電流が流れるように配置された第１および第２のリード・パッドをさらに備え、これによって前記変換器がコンダクション・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（conduction perpendicular to the plane）装置となった、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
前記第１および第２のリード・パッドがそれぞれ、前記第１および第２のピンド層構造と電気的に接触している、請求項１９に記載のディスク・ドライブ。
前記強磁性ナノ酸化層が電気抵抗性である、請求項２０に記載のディスク・ドライブ。
前記強磁性ナノ酸化層が、酸化コバルト鉄、酸化ニッケルまたは酸化鉄である、請求項１２に記載のディスク・ドライブ。
動いている磁性材料から磁気転移を読み取る薄膜変換器を製造する方法であって、
第１のピンド層構造を付着させる段階と、
非磁性材料の第１のスペーサ層を付着させる段階と、
第１の自由層を付着させる段階と、
非磁性材料の第２のスペーサ層を付着させる段階と、
ナノ酸化層を付着させる段階と、
非磁性材料の第３のスペーサ層を付着させる段階と、
第２の自由層を付着させる段階と、
非磁性材料の第４のスペーサ層を付着させる段階と、
第２のピンド層構造を付着させる段階と
を含む方法。
前記第３および第４のスペーサ層が導電性である、請求項２３に記載の方法。
前記第３および第４のスペーサ層が電気絶縁性である、請求項２３に記載の方法。
前記ナノ酸化層の厚さが約０．５から１．５ｎｍであり、前記ナノ酸化層が、酸化コバルト鉄、酸化ニッケルまたは酸化鉄である、請求項２３に記載の方法。
前記第１のピンド層構造が、ＡＦＭ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ／Ｃｕである、請求項２３に記載の方法。
前記自由層の両端と電気的に接触し、前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に沿って電流が流れるように配置された第１および第２のリード・パッドを付着させ、これによって前記変換器をコンダンクション・インプレーン（conduction in-plane）装置とする段階をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
導電性材料の第１のリード・パッドを付着させる段階をさらに含み、第１のピン構造を付着させる前記段階がさらに、前記第１のリード・パッドと電気的に接触し、前記第１および第２の自由層の中を、前記第１および第２の自由層の平面に対して垂直に電流が流れるように配置された第１のピン構造を付着させ、これによって前記変換器をコンダクション・パーペンディキュラー・ツー・ザ・プレーン（conduction perpendicular to the plane）装置とすることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。