JP3706793B2 - スピンバルブ型薄膜磁気素子及びその製造方法並びにこのスピンバルブ型薄膜磁気素子を備えた薄膜磁気ヘッド - Google Patents
スピンバルブ型薄膜磁気素子及びその製造方法並びにこのスピンバルブ型薄膜磁気素子を備えた薄膜磁気ヘッド Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定磁性層(ピン(Pinned)磁性層)の固定磁化方向と外部磁界の影響を受けるフリー(Free)磁性層の磁化方向との関係で電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜磁気素子およびその製造方法並びにこのスピンバルブ型薄膜磁気素子を備えた薄膜磁気ヘッドに関し、特に、バルクハウゼンノイズ発生の低減等、素子の安定性を向上させることができるスピンバルブ型薄膜磁気素子に用いて好適な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜磁気素子は、巨大磁気抵抗効果を示すGMR(Giant Magnetoresistive)素子の一種であり、ハードディスクなどの記録媒体から記録磁界を検出するものである。
前記スピンバルブ型薄膜磁気素子は、GMR素子の中で比較的構造が単純で、しかも、外部磁界に対して抵抗変化率が高く、弱い磁界で抵抗が変化するなどの優れた点を有している。
【0003】
図15は、従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子の一例を記録媒体との対向面(ABS面)側から見た場合の構造を示した断面図である。
図15に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板上に下地層106、反強磁性層101、固定磁性層102、非磁性導電層103、フリー磁性層104、保護層107が一層ずつ形成された、いわゆるボトム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は、図示Z方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向は、Y方向である。
【0004】
図15における従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板上に、下から下地層106、反強磁性層101、固定磁性層(ピン(Pinned)磁性層)102、非磁性導電層103、フリー(Free)磁性層104、および保護層107で構成された積層体109と、この積層体109の両側にバイアス下地層110を介して形成された一対のバイアス層105,105と、このバイアス層105,105の上に形成された一対の電極層108,108とで構成されている。
【0005】
下地層106は、Ta(タンタル)等からなり、反強磁性層101はNi−O合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金等から形成されている。さらに、前記固定磁性層102およびフリー磁性層104は、Co、Co−Fe合金、Fe−Ni合金等から形成され、非磁性導電層103はCu(銅)等から形成され、また、バイアス層105は、Co−Pt(コバルトー白金)合金等から形成され、バイアス下地層110はCr等から形成され、電極層108はCu等で形成されている。
前記固定磁性層102は、前記反強磁性層101に接して形成されているので、前記固定磁性層102と反強磁性層101との界面にて交換結合磁界(交換異方性磁界)が発生し、前記固定磁性層102の固定磁化は、例えば、図示Y方向に固定されている。
前記バイアス層105,105が図示X1方向に磁化されているので、前記フリー磁性層104の変動磁化は図示X1方向に揃えられている。これにより、前記フリー磁性層104の変動磁化と前記固定磁性層102の固定磁化とが交差する関係となっている。
【0006】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では電極層108,108は前記バイアス層105,105の上に形成されており、バイアス層105の上に形成された電極層108から、フリー(Free)磁性層104、非磁性導電層103、固定磁性層102に検出電流(センス電流)が与えられる。ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は、図示Z方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界がY方向に与えられると、フリー磁性層104の磁化がX1方向からY方向へ向けて変化する。このフリー磁性層104内での磁化の方向の変動と、固定磁性層102の固定磁化方向との関係で電気抵抗値が変化し、(これを磁気抵抗(MR)効果という)、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁気記録媒体からの漏れ磁界が検出される。
ここで、積層体109のうち電極層108に挟まれた中央部分が、実質的に磁気記録媒体からの記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域104aであり、検出トラック幅Twを規定している。そして、フリー磁性層104の両側部分は、実質的に磁気記録媒体からの記録磁界の再生に寄与しない不感領域104bとなっている。
【0007】
図16は、従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子の他の例を記録媒体との対向面(ABS面)側から見た場合の構造を示した断面図である。
図16に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子は、上述したボトム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子と同様に、保護層117、反強磁性層111、固定磁性層112、非磁性導電層113、フリー磁性層114、下地層116が一層ずつ形成されているが、積層順序が逆になった、いわゆるトップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は、図示Z方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向は、Y方向である。
【0008】
図16において、符号116は、基板上に設けられている下地層を示している。この下地層116の上には、フリー磁性層114が形成され、さらに前記フリー磁性層114の上には、非磁性導電層113が形成されている。この非磁性導電層113の上には、固定磁性層112が形成され、前記固定磁性層112の上には、反強磁性層111が形成されている。さらに、前記反強磁性層111の上には、保護層117が形成されている。
また、符号120,120はバイアス下地層を、符号115,115は、バイアス層を、符号118,118は、電極層を、符号119は積層体を示している。
さらに、このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、固定磁性層112の磁化方向は、Y方向と反対方向に固定されている。
【0009】
下地層116は、Ta(タンタル)などからなり、反強磁性層111は、Ni−O合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金等から形成されている。さらに、前記固定磁性層112およびフリー磁性層114は、Co、Co−Fe合金、Fe−Ni合金等から形成され、非磁性導電層113はCu(銅)等から形成され、また、バイアス層115,115はCo−Pt合金等から形成され、バイアス下地層120,120はCr等から形成され、電極層118,118はCu等で形成されている。
【0010】
また、電極層118,118はバイアス層115,115の上に形成され、この電極層118,118に挟まれた中央部分が、実質的に磁気記録媒体からの記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域114aであり、検出トラック幅Twを規定している。そして、電極層118,118に挟まれた中央部分以外の積層体119の両側部分は、実質的に磁気記録媒体からの記録磁界の再生に寄与しない不感領域114bとなっている。
【0011】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、上述した図15に示す例と同様に、電極層118,118は、積層体119の固定磁性層112、非磁性導電層113、フリー磁性層114付近に検出電流(センス電流)を流入させることを目的としている。
ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は、図示Z方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界がY方向に与えられると、フリー磁性層114の磁化がX1方向からY方向へ向けて変化する。このフリー磁性層114内での磁化の方向の変動と、固定磁性層112の固定磁化方向との関係で電気抵抗値が変化し、(MR効果)、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁気記録媒体からの漏れ磁界が検出される。
【0012】
近年、磁気記録媒体における記録密度の高密度化にともない、磁気記録媒体における記録トラック幅および記録トラック間隔を減少させる試みがなされている。記録トラック幅を狭くして狭トラック化を図った場合、本来感度領域で読み出すべき磁気記録トラックに対して、隣接する磁気記録トラックの情報を、前記不感領域104b,114bにおいて読み出してしまうというサイドリーディングが発生し、これが出力信号に対してノイズとなりエラーを招く結果となる。
【0013】
図15又は図16のバイアス層105,115は、その保磁力(Hc)によりX1方向に磁化されている層であるが、積層体109,119の近傍ではバイアス層105,115の厚さが薄いため、フリー磁性層104,114のX1方向に十分なバイアス磁界を与えることが難しい。従って、フリー磁性層104,114の磁化方向がX1方向に安定し難く、その結果バルクハウゼンノイズが発生し易くなる。
【0014】
この対策として、図15又は図16に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子においては、図示しない基板とバイアス層105,115との間に、体心立方(bcc)構造のCr膜からなるバイアス下地層110,120を設けてある。このバイアス下地層110,120は緩衝膜及び配向膜として作用する。緩衝膜としては、後工程のインダクティブヘッド(書込ヘッド)の製造プロセスで行う、絶縁レジストの硬化工程(UVキュアまたはハードベーク)等で基板が高温に曝される場合に拡散バリアーとして機能し、バイアス層105,115と周辺層との間で熱拡散が起こってバイアス層105,115の磁気特性が劣化することを防止する働きをする。一方配向膜としては、Cr結晶構造は(bcc)構造である。ここで、バイアス層105,115を形成するCo−Pt合金の結晶構造は、面心立方(fcc)構造と稠密六方(hcp)構造の混晶となっていて、格子定数がCrの格子定数と近似している。このためCo−Pt合金は面心立方構造を形成し難く、稠密六方構造で形成され易くなっている。その結果、(hcp)構造のc軸はCo−Pt合金とCrの境界面内に優先配向されて成長する。
【0015】
(hcp)構造は(fcc)構造に比べてc軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、バイアス層105,115に磁界を与えたときの保磁力(Hc)はより大きくなる。さらに、(hcp)構造のc軸は、Co−Pt合金とCrの境界面内で優先配向となっているため、残留磁化(Br)は増大し、残留磁化(Br)/飽和磁束密度(Bs)で与えられる角形比Sも大きな値となる。その結果、バイアス層105,115から発生するバイアス磁界を増大させることが可能となり、フリー磁性層104,114を単磁区化し易くなる。
バイアス層105,115から発生する強いX1方向のバイアス磁界がフリー磁性層104,114に与えられて、フリー磁性層104,114の磁化方向がX1方向に単磁区化されることにより、バルクハウゼンノイズは発生し難くなる。
このような薄膜磁気素子を具備した磁気ヘッドは、微小な磁力の変化を検出することが可能となり、記録媒体への録音・再生の精度を向上させることができるようになる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
近年、記録密度のさらなる向上に伴い再生素子のトラック幅は益々狭くする必要が生じてきた。狭トラック化が進むとスピンバルブ積層体内のフリー磁性層内の反磁界が大きくなり、バイアス層からのバイアス磁界が有効にフリー磁性層内に効かなくなってくる。このため磁区制御が不完全となり、バルクハウゼンノイズを引き起こす。このように記録密度の増大に伴い、トラック幅方向の反磁界増大が起こり、バルクハウゼンノイズを除去するための磁区制御は益々困難さを増している。ここで反磁界とは、強磁性膜であるフリー磁性層の磁化方向のエッジ部に蓄積された磁化による磁化方向とは逆向きに働く磁界である。
【0017】
従って、記録密度の向上に対応するには、反磁界を小さくすることが必要となり、反磁界を小さくするには、トラック幅方向に磁化したフリー磁性層のエッジ部に、磁化が出現し難いようにすることが肝要である。それにはフリー磁性層の飽和磁化よりも大きな飽和磁化を有するバイアス層を使用すればよく、バイアス層の磁界がフリー磁性層に有効に加わり、フリー磁性層のエッジ部の磁化を有効に除去することができれば良い。しかし、一般にバイアス層に使用する金属層の飽和磁化は小さい。小さい飽和磁化を有するバイアス層を用いて、層厚を厚くして飽和磁化を増大させることも考えられるが、素子の微小化に逆行するので得策ではない。
【0018】
本発明の目的は、飽和磁化の小さい材料を使用したバイアス層でも高保磁力(Hc)を確保し、フリー磁性層の感磁領域の安定性を確保できるスピンバルブ型薄膜磁気素子を提供することを目的とする。
また、そのようなフリー磁性層の感磁領域の安定性にすぐれたスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらには、フリー磁性層の感磁領域の安定性にすぐれたスピンバルブ型薄膜磁気素子を使用した、バルクハウゼンノイズが少なく、動作の安定した薄膜磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明ではバイアス下地層としてFe−Co合金を用い、その厚さを1.8〜2.5nmとすることによりバイアス層の保磁力を高め、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加して、フリー磁性層に生じる反磁界を抑制して感磁部の安定を図る手段を採用した。
【0020】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板上に形成された少なくとも反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成されたフリー磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されており、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体の側面以外の周辺部分に延出してこれらに接するように形成され、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)が、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)よりも厚いか又は等しくされ、その関係がb/a=1〜1 . 25の範囲とされてなることを特徴とする。
【0021】
また、本発明の他の一つは、少なくとも基板上に接して形成された非磁性の下地層と、この下地層と接して形成されたフリー磁性層と、このフリー磁性層の上に非磁性導電層を介して形成された固定磁性層と、この固定磁性層上に形成された反強磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されており、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体の側面以外の周辺部分に延出してこれらに接するように形成され、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)が、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)よりも厚いか又は等しくされ、その関係がb/a=1〜1 . 25の範囲とされてなることを特徴とするスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【0022】
バイアス下地層として(bcc)構造の高飽和磁化のFe又はFe−Co合金等を使用することにより、Pt−Co合金からなるバイアス層の高い保磁力(Hc)を引き出すことが可能となる。しかも、バイアス下地層となるFe又はFe−Co合金等の膜厚を特定の範囲内に限定することにより、バイアス層の保磁力(Hc)を最大限に高めることが可能となる。
これにより磁気素子のトラック幅方向の反磁界の増大を抑え、磁区制御を容易にしてバルクハウゼンノイズの発生を抑制し、ヘッドの安定性を確保することが可能となる。
【0023】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の構造について順を追って説明する。
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の感磁部領域を構成する積層構造の一つは、基板上に少なくとも反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成した固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成したフリー磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に1対のバイアス層と、前記バイアス層上に1対の電極層を形成した構造のものである。このように積層順序をボトム型の積層体とすることで、比抵抗の高い反強磁性層を介さずに、積層体に与えるセンス電流の割合を向上させることができる。このため、サイドリーディングを防止することができ、磁気記録密度の一層の高密度化に対応することが可能となる。
【0024】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の感磁部領域を構成する積層構造の他の一つは、基板上に少なくと非磁性の下地層と、この下地層と接して形成したフリー磁性層と、このフリー磁性層の上に非磁性導電層を介して形成した固定磁性層と、この固定磁性層上に形成された反強磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に1対のバイアス層と、前記バイアス層上に1対の電極層を形成した構造のものである。このように積層順序をトップ型の積層体とすることで、バイアス層を経由して反強磁性層の下側に位置する固定磁性層、非磁性導電層及びフリー磁性層に直接流れ込むセンス電流の割合を大きくすることができる。
【0025】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子における反強磁性層は、Pt−Mn合金で構成することが好ましい。また、反強磁性層はPt−Mn合金の代えて一般式がX−Mn又はPt−Mn−X’(ただし前記組成式において、XはPd,Ir,Rh,Ru、Osの中から選択される1種を示し、X’はPd、Cr、Ru、Ni、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Ne、Ar、Xe、Krの中から選択される1種または2種以上を示す)で示される合金のいずれかであっても良い。さらに、Ni−O合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金等も使用できる。
反強磁性層に、X−Mnの式で示される合金またはX’−Pt−Mnの式で示される合金を用いたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることで、反強磁性層により大きな交換結合磁界を与えることができ、またブロッキング温度が高く、さらに耐食性に優れているなどの優れた特性を有するものとすることができる。
【0026】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子における固定磁性層は、前記反強磁性層に接して形成されているので、固定磁性層と反強磁性層との界面で交換結合磁界(交換異方性磁界)が発生し、固定磁化は特定方向に固定される。
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子における固定磁性層は、強磁性体である例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で構成する。厚さは通常2〜4nm程度が好ましい。
【0027】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子における非磁性導電層は、例えば、Cu、Cr、Au、Ag、Rh、Ir等の非磁性金属からなり、通常、厚さは2〜4nm程度である。この非磁性導電層は、強磁性体である固定磁性層とフリー磁性層との界面で伝導電子のスピンに依存した散乱を生じ、磁気抵抗効果(GMR効果)を発生させる。
【0028】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子におけるフリー磁性層は、前記固定磁性層と同様に強磁性体であるCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で構成する。
記録媒体からフリー磁性層に漏れ磁界が与えられると、フリー磁性層の磁界は変動し、非磁性導電層との界面及び、非磁性導電層と固定磁性層との界面で、スピンに依存した電導電子の散乱が起こることにより電気抵抗が変化し、記録媒体からの洩れ磁界が検知される。
【0029】
以上の順序で基板上に反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、フリー磁性層を載置し、最後にTa等の非磁性金属からなる保護層を設けて、感磁部領域を構成する積層体とする。
【0030】
上記の積層体を後述するイオンミリング等の手段を利用してほぼ台形状に加工し、台形状積層体の側面にバイアス層を設け、さらにバイアス層の上に導電層を設ける。
バイアス層は、バイアス磁界をフリー磁性層内に有効に作用させ、フリー磁性層内の反磁界を抑えてフリー磁性層の単磁区制御を行い、バルクハウゼンノイズを抑制して感磁部が安定して作動をするようにするものである。そのために、バイアス層はなるべく飽和磁化の大きな層とすることが好ましい。
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子におけるバイアス層は、例えばCo−Pt合金やCo−Cr−Pt合金あるいはCo−Cr−Ta合金等で形成することが好ましい。バイアス層の厚さは、通常20〜50nm程度が適する。
バイアス層は少なくとも前記台形積層体の両側斜面に一対形成し、積層体側面からバイアス磁界を印加するように構成する。バイアス層は上記台形積層体のトラック幅方向の両側斜面の他に、積層体の周辺部分にも延出して設ける。
【0031】
本発明では、バイアス層の保磁力を高めてバイアス磁界をフリー磁性層に効果的に作用させるために、バイアス下地層として従来から使用されているCrに代えて強磁性のFe−Co合金を用い、その厚さも1.8〜2.5nmとする。
バイアス層として使用するCo−Pt合金は、面心立方(fcc)構造と稠密立方(hcp)構造の混相で体心立方(bcc)構造に近い。一方、バイアス下地層として使用するFe−Co合金は、結晶構造が体心立方(bcc)構造であって、格子定数もCo−Pt合金等の格子定数に近い。また、Fe−Co合金の飽和磁化は、バイアス層のCo−Pt合金よりも飽和磁化が高い。このためバイアス下地層としてFe−Co合金を使用してCo−Pt合金を積層することにより、バイアス層の保磁力を高めることができる。ちなみに、Co含有量の異なるFe−Co合金の保磁力Hc(Oe)と飽和磁化Ms(emu/cc)を例示すると、Fe50−Co50合金ではHc=30(Oe),Ms=1,875(emu/cc)、Fe85 −Co15合金ではHc=19(Oe),Ms=1,600(emu/cc)、Fe95-Co5 合金ではHc=20(Oe),Ms=1,425(emu/cc)である。
【0032】
ここで、バイアス下地層として使用するFe又はFe−Co合金等の厚さとバイアス層であるCo−Pt合金の保磁力との間には、Fe又はFe−Co合金等の厚さが2.0nmの時に保磁力が最高値を採ることが判明した。図1は、Co−Pt合金の保磁力のFe−Co合金下地膜の膜厚依存性を測定した結果を示す図である。図1は、Fe−Co合金膜の上にCo−Pt合金を載置した場合に、Fe−Co合金の配向方向に沿ってCo−Pt合金が堆積していく場合の保磁力(Hc)の変化を示している。Fe−Co/Co−Pt合金積層体の保磁力はFe−Co合金の膜厚が1.0nmぐらいから急速に高まり、Fe−Co合金の膜厚が2.0nmの時に最も高くなり、その値は1,000(Oe)を越えるようになる。その後Fe−Co合金の膜厚を増していくと、保磁力は徐々に低下していく。
【0033】
バイアス層として好ましいCo−Pt合金の保磁力は750(Oe)以上であるから、バイアス下地層の厚さは1.6〜4.3nmということになる。図1に示すとおり、Fe−Co/Co−Pt合金積層体の保磁力はFe−Co合金の膜厚が2.0nm以下では急速に低下するので、Fe−Co合金バイアス下地層を形成する場合には、厚さが2.0nmを大幅に下回らないように制御する必要がある。たとえば、Fe−Co合金バイアス下地層の厚さを1.7〜3.5nmとすれば、Fe−Co/Co−Pt合金積層体バイアス層の保磁力は750(Oe)以上確保することが可能となり、Fe−Co合金バイアス下地層の厚さを1.8〜2.5nmとすれば、Fe−Co/Co−Pt合金積層体バイアス層の保磁力は850(Oe)以上とすることが可能となる。
【0034】
上述の通り、Fe−Co/Co−Pt積層体バイアス層の保磁力は、Fe−Co合金バイアス下地層の厚さが2.0nmを境に大きく変化する。しかもFe−Co合金バイアス下地層の厚さが2.0nm以下になると急激に低下する。いま、フリー磁性層に効果的にバイアス磁界を印加するのが目的であることから、フリー磁性層に近接した積層体のトラック幅方向の両側面のバイアス下地層の厚さは、積層体のトラック幅方向の側面以外の積層体周辺部に延出した部分のバイアス下地層の厚さよりも厚いか又は等しいことが好ましい。また、バイアス下地層は殆どの部分が積層体周辺部に延出した部分に載置されるので、積層体周辺部に延出した部分のバイアス下地層の保磁力を高めることも重要である。従って、バイアス下地層の厚さは1.8〜2.5nmの範囲内において、積層体のトラック幅方向の両側面のバイアス下地層の厚さが、積層体周辺部に延出した部分のバイアス下地層の厚さよりも厚いか又は等しく構成する。
更に、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)を、その関係がb/a=1〜1 . 25の範囲とする必要がある。
【0035】
このように厚さを制御されたバイアス下地層は、たとえばイオンビームスパッタ法や、ロングスロースパッタ法あるいはコリメーションスパッタ法のいずれか又はこれらを組み合わせた方法により得ることが可能であるが、詳細については後述する。
上記のようなバイアス層の上に載置された導電層は、フリー磁性層、非磁性導電層及び固定磁性層にセンス電流を印加するためのものである。導電層は、例えばCr、TaあるいはAu等の高導電性の金属で構成する。
【0036】
また、本発明では固定磁性層を、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される第1の固定磁性層と、前記第1の固定磁性層に非磁性中間層を介して形成され、前記第1の固定磁性層の磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2の固定磁性層とからなるものとしても良い。
このスピンバルブ型薄膜磁気素子の固定磁性層の第1固定磁性層は、非磁性中間層より反強磁性層側に設けられ、第2の固定磁性層は、非磁性中間層より非磁性導電層側に設ける。
第1の固定磁性層及び第2の固定磁性層は、Co、Ni−FeやFe−Co合金等の強磁性体により形成する。また、非磁性中間層はRu等の非磁性材料より形成する。
【0037】
第1の固定磁性層と反強磁性層との界面では交換結合磁界(交換異方性磁界)が発生して特定方向に固定され、第2の固定磁性層は第1の固定磁性層と反強磁性的に結合してその磁化方向が反対方向側に固定される。
第1の固定磁性層と第2の固定磁性層の磁化方向が互いに反平行になっているので、第1の固定磁性層と第2の固定磁性層の磁気モーメントが相互に打ち消し合う関係にあるが、第1の固定磁性層の厚さが第2の固定磁性層の厚さよりも厚い場合は、この第1の固定磁性層に起因する自発磁化が僅かに残る結果となり、固定磁性層がフェリ磁性状態となっている。そしてこの見かけ上の小さな自発磁化によって反強磁性層との交換結合磁界が更に増幅され、固定磁性層の磁化方向が固定される。
【0038】
本発明においては、前記フリー磁性層も非磁性中間層によって分断されていて、前記非磁性保護層又は非磁性下地層側に配置された第1のフリー磁性層と、前記非磁性導電層側に配置された第2のフリー磁性層とからなるものとしても良い。
このスピンバルブ型薄膜磁気素子のフリー磁性層は、例えば、第1のフリー磁性層は、非磁性中間層より保護層側に設けられ、第2のフリー磁性層は、非磁性中間層より非磁性導電層側に設けられる。
また、第1のフリー磁性層及び第2のフリー磁性層は、Ni−Fe合金等の強磁性材料により形成され、非磁性中間層はRu等の非磁性材料により形成する。
【0039】
第1のフリー磁性層の厚さt1は、第2のフリー磁性層の厚さt2よりも薄く形成する。
また、第1のフリー磁性層及び第2のフリー磁性層の飽和磁化をそれぞれM1、M2としたとき、第1のフリー磁性層及び第2のフリー磁性層の磁気的膜厚はそれぞれM1・t1、M2・t2となり、第1のフリー磁性層と第2のフリー磁性層との磁気的膜厚の関係を、M2・t2>M1・t1とするように構成する。また、第1のフリー磁性層及び第2のフリー磁性層は、相互に反強磁性的に結合自在とされている。即ち、第1フリー磁性層の磁化方向がバイアス層により決められた場合、第2フリー磁性層の磁化方向は第1フリー磁性層の反対方向に揃えられる。また、第1、第2のフリー磁性層の磁気的膜厚の関係がM2・t2<M1・t1であることから、第1のフリー磁性層の磁化が残存した状態となり、フリー磁性層全体の磁化方向は磁気的膜厚の大きな方向に揃えられる。このときのフリー磁性層の実効膜厚は、(M1・t2−M2・t1)となる。
このように、第1のフリー磁性層と第2のフリー磁性層は、それぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合され、かつ磁気的膜厚の関係がM2・t2>M1・t1であるので、人工的なフェリ磁性状態となっている。またこれによりフリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とが交差する関係となる。
【0040】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、ハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界により、フリー磁性層の磁化方向が変動すると、固定磁性層の磁化との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検知される。
またフリー磁性層は、相互に反強磁性的に結合した第1、第2のフリー磁性層から構成されているので、フリー磁性層全体の磁化方向が僅かの大きさの外部磁界によって変動し、スピンバルブ型薄膜磁気素子の感度が高くなる効果を有している。
【0041】
上記に詳説したような本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子を磁気ヘッドに使用すれば、バイアス磁界が有効にフリー磁性層内に作用し、スピンバルブ積層体内のフリー磁性層内の反磁界の増大を抑制し、フリー磁性層のエッジ部の磁化を有効に除去することができるので単磁区化制御が完全となり、記録密度の一層の向上に伴う再生素子のトラック幅の狭幅化に十分対応できる、バルクハウゼンノイズが少なく、動作の安定した薄膜磁気ヘッドを提供することが可能となる。
【0042】
次に、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法について説明する。
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法は、基板上に、少なくとも反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成した固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成したフリー磁性層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の上にリフトオフ用レジストを形成する工程と、前記リフトオフ用レジストに覆われていない部分をイオンミリングにより除去し、断面略台形状の積層体を形成する工程と、前記台形積層体の両側斜面に、バイアス下地層用のFe−Co合金のスパッタターゲットを、基板との角度を傾斜させた状態で対向させて、スパッタ法により厚さ1.8〜2.5nmのバイアス下地層を前記台形積層体の両側斜面及び積層体の周辺部分に延出させて、積層体の斜面上のバイアス下地層を積層体の周辺部分のバイアス下地層以上の厚さであって、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)との関係をb/a=1〜1 . 25の範囲となるように形成する工程と、スパッタ法によりバイアス層を前記バイアス下地層上に形成する工程と、前記バイアス層上にスパッタ法により前記電極層を形成する工程とからなるものである。なお、積層体を形成する順序は上記の順序に限られず、基板側から少なくともフリー磁性層と、このフリー磁性層に接して非磁性導電層を介して形成された固定磁性層と、この固定磁性層に接して形成された反強磁性層の順に載置したものであっても良い。
【0043】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法においては、上記積層体を形成する工程において、前記固定磁性層を第1の固定磁性層と、該第1の固定磁性層の上に非磁性中間層を介して形成した第2の固定磁性層とからなる、いわゆるシンセティックフェリピンド型に形成したものであっても良い。
あるいはまた、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法は、上記積層体を形成する工程において、前記フリー磁性層を非磁性中間層によって分断された、前記非磁性保護層又は非磁性下地層側に配置された第1のフリー磁性層と、前記非磁性導電層側に配置された第2のフリー磁性層とからなる、いわゆるシンセティックフェリフリー型に形成したものであっても良い。
これらの積層体の形成工程は、スパッタ法により基板表面あるいは基板表面に設けた下地層上に、順次所定の厚さに形成する。
【0044】
次いで上記のようにして形成した積層体の表面に、所定寸法のリフトオフ用レジストパターンを形成する。レジストパターンを形成した積層体をイオンミリング等のエッチング手段によりエッチングすると、レジストパターンの陰影部分を除いた部分が除去され、ほぼ台形形状の積層体が得られる。
【0045】
次に、イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、コリメーションスパッタ法のいずれかまたはそれらを組み合わせたスパッタ法を使用して、バイアス下地層を形成する。本発明では、Fe又はFe−Co合金等からなるバイアス下地層の厚さを正確に制御することが重要である。この観点からスパッタ粒子の照射方向が狭い範囲に絞れる上記イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、コリメーションスパッタ法のいずれかの方法を使用するのがよい。これらの手段を使用して、バイアス下地層用のFe又はFe−Co合金等からなるスパッタターゲットと台形形状の積層体を形成した基板との角度を傾斜させた状態で対向させ、かつこの傾斜角度を適宜選択し、目標とする部位に正確にスパッタ粒子を堆積させることにより、所望の厚さのバイアス下地層を得ることができる。しかも、前記積層体のトラック幅方向の側面のバイアス下地層の厚さを、前記積層体の周辺部分に延出して形成するバイアス下地層の厚さよりも厚くすることも可能となる。
バイアス下地層の堆積に際しては、基板を回転させてバイアス下地層を均一に堆積させるのが好ましい。
【0046】
基板に対してスッパタ粒子が入射する角度すなわち成膜角度(θ)を適当に選択することにより、バイアス下地層の厚さを正確にしかも任意の厚さに制御することが可能となる。従って、成膜角度(θ)の選択は重要である。
通常、基板と積層体斜面とのなす角度(α)は、15度〜60度程度の形成し、より好ましくは20度〜50度に形成している。
今、積層体斜面に形成するバイアス下地層の厚さ(b)を2.0nmとすることを目標に、基板と積層体斜面とのなす角度(α)を20度〜60度に変化させた場合に、積層体斜面に形成されるバイアス下地層の厚さ(b)と、積層体周辺部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)との比(b/a)を調べたところ、図2に示すようになった。
図2によれば、積層体斜面の底部から基板と平行に延出して形成されるバイアス下地層の厚さ(a)と、積層体斜面に形成されるバイアス下地層の厚さ(b)とが共に2.0nmで、b/a=1となるのは、成膜角度(θ)が7度以上であることが判る。
【0047】
前述の通り、バイアス下地層の厚さが2.0nmより小さいとバイアス層の保磁力は急激に低下するので好ましくない。従って、積層体周辺部に延出して形成されるバイアス下地層の厚さ(a)と、積層体斜面に形成されるバイアス下地層の厚さ(b)とが共に2.0nmよりも大きくて、しかも限りなく2.0nmに近いのが好ましい。この時(b/a)の値は1よりも大きく、しかも限りなく1に近いのが好ましい。バイアス層の保磁力の観点からバイアス下地層の厚さa,bは共に1.6nm〜4.3nm程度まで許容され、bは2.0nmであるのが望ましいことから、(b/a)の値の上限は2.15となる。また、a,bが共に等しく2.0nm(b/a)の値が1となるのが最も好ましい。
従って、図2から(b/a)の値が1.0〜2.15となるのは成膜角度(θ)が19度から70度とするのが適することが判る。なお、基板と積層体斜面とのなす角度(α)が60度の場合には成膜角度(θ)が30度以上にならないと(b/a)の値は1以上とならない。また、b/aが確実に1以上となるのはb/a=1〜1.75程度であるから、成膜角度(θ)のより好ましい範囲は、基板と積層体斜面とのなす角度(α)を20度から45度として、(θ)を19度から48度の範囲とする場合となる。
これらに鑑み、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)を、その関係がb/a=1〜1 . 25の範囲とするように形成する。
【0048】
所定の厚さのバイアス下地層を形成した基板は、再び通常のスパッタ成膜手段を用いてバイアス層、導電層を形成してスピンバルブ型薄膜磁気素子を完成させる。この時は基板とスパッタターゲットは平行に対向させても良い。
以上のようにして得られたスピンバルブ型薄膜磁気素子を使用して磁気ヘッドを構成すれば、高記録密度に対応したトラック幅の狭いヘッドとしても、高性能を発揮するヘッドとすることができる。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスピンバルブ型薄膜磁気素子の実施形態を、図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図3は、本発明の第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を記録媒体との対向面側から見た場合の構造を示した断面図である。
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したGMR(giant magnetoresitive )素子の一種である。このスピンバルブ型薄膜磁気素子は、後述するように、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダーのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は図においてZ方向であり、磁気記録媒体からの漏れ磁界方向はY方向である。
本発明の第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板100側から下地層6、反強磁性層1、固定磁性層2、非磁性導電層3、フリー磁性層4、保護層7が形成された、いわゆるボトム型(Bottom type )である。
【0050】
図3において、符号1は、基板100上にTa等の下地層6を介して設けられた反強磁性層である。この反強磁性層1の上には固定磁性層2が形成されている。 この固定磁性層2の上にはCu(銅)等からなる非磁性導電層3が形成され、さらに、前記非磁性導電層3の上にはフリー磁性層4が形成されている。
図3に示すように、これら下地層6の一部から保護層7までの各層により、略台形状の断面形状を有する積層体9が構成されている。
また、符号5,5はバイアス層を、符号8,8は電極層を示している。 これら、バイアス層5,5の主要部分は積層体9の周辺の両側の位置に張り出した反強磁性層1上に、バイアス下地層10を介して形成されており、バイアス層5,5の一部分は台形積層体9のトラック幅方向の両側面に接合して設けられている。
このような順序で各層を積層したボトムタイプ(Bottom type )とすることにより、比抵抗の高い反強磁性層1を介さずに、積層体9に与えるセンス電流の割合を向上させることができる。このため、サイドリーディングを防止することができる。
【0051】
ここで、バイアス下地層10はFe又はFe−Co合金等の強磁性体で構成し、その厚さは1.6〜4.3nmとする。好ましくは1.8〜2.5nm、さらに好ましくは1.7〜3.5nmとするのがよい。また、台形の積層体9の両側面に位置したバイアス下地層10の厚さ(b)は、台形の積層体9の両側位置に張り出して位置した、基板100に平行な部分にある反強磁性層1上に延出したバイアス下地層10の厚さ(a)よりも厚いか又は等しくする。前記厚さ(a)及び厚さ(b)がともに2.0nmであるのが最も好ましいが、膜厚制御を容易にするため、厚さ(a)及び厚さ(b)とも1.6〜4.3nmの範囲とした上で、厚さ(b)の方が厚くなるように管理して形成する。例えば、b/a=1〜1.25の範囲とするのが好ましい。b/aを1以上とすることにより、バイアス層5,5のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層4に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0052】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子についてさらに詳細に説明すると、本発明の第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、前記反強磁性層1は、積層体9の中央部分において、8〜11nm程度の厚さに形成され、Pt−Mn合金で形成することが好ましい。Pt−Mn合金は、従来から反強磁性層として使用されているNi−Mn合金やFe−Mn合金などに比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温度が高く、交換結合磁界(交換異方性磁界)も大きいからである。
また、前記Pt−Mn合金に代えて、X−Mn(ただし、Xは、Pd、Ru、Ir、Rh、Osのうちから選択される1種の元素を示す。)の式で示される合金、あるいは、X’−Pt−Mn(ただし、X’は、Pd、Ru、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Cr、Ni、Ar、Ne、Xe、Krのうちから選択される1種または2種以上の元素を示す。)の式で示される合金で反強磁性層1を形成してもよい。
【0053】
また、前記Pt−Mn合金および前記X−Mnの式で示される合金において、PtあるいはXが37〜63原子%の範囲であることが望ましい。より好ましくは、47〜57原子%の範囲である。
さらにまた、X’−Pt−Mnの式で示される合金において、X’が37〜63原子%の範囲であることが望ましい。より好ましくは、47〜57原子%の範囲である。さらに、前記X’−Pt−Mnの式で示される合金としては、X’が0.2〜10原子%の範囲であることが望ましい。
ただし、X’がPd、Ru、Ir、Rh、Osの1種以上の場合は、X’は0.2〜40原子%の範囲であることが望ましい。
前記反強磁性層1として、上記の組成範囲の合金を使用し、これをアニール処理することで、大きな交換結合磁界を発生する反強磁性層1を得ることができる。とくに、Pt−Mn合金であれば、800(Oe)を越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が380℃と極めて高い優れた反強磁性層1を得ることができる。
【0054】
固定磁性層2は強磁性体の薄膜からなり、例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で形成し、4nm程度の厚さとすることが好ましい。
この固定磁性層2は、反強磁性層1に接して形成され、磁場中アニール(熱処理)を施すことにより、前記固定磁性層2と反強磁性層1との界面にて交換結合磁界(交換異方性磁界)が発生し、例えば図3に示すように、前記固定磁性層2の磁化方向は図示Y方向と反対の方向に固定される。
非磁性導電層3は、Cu(銅)等からなり、その膜厚は、2.0〜2.5nmに設定される。
【0055】
フリー磁性層4は、例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等の強磁性体で形成する。また、通常、フリー磁性層の厚さは2〜5nm程度の厚さが適当である。フリー磁性層4の磁化方向はバイアス層5,5の磁束によって図示X1方向に固定されている。
また、フリー磁性層4の磁化方向と固定磁性層2の磁化方向とが交差する関係となっている。
フリー磁性層4の上には、Taなどで形成された保護層7が形成される。
図3に示すように、上記下地層6の一部から保護層7までの各層により、略台形状の断面形状を有する積層体9が構成されている。
【0056】
台形状の積層体9の底辺近傍の反強磁性層1の上には、Fe又はFe−Co合金等からなるバイアス下地層10,10を介して、バイアス層5,5が形成されている。
前記バイアス層5,5は、好ましくはCo−Pt合金で形成する。通常、厚さは20〜50nm程度とするのが良い。Co−Pt合金に代えて例えばCo−Cr−Pt合金あるいはCo−Cr−Ta合金等でバイアス層5,5を形成することもできる。
また、前記バイアス層5,5が、図示X1方向に磁化されていることで、前記フリー磁性層4の磁化が、図示X1方向に揃えられている。これにより、前記フリー磁性層4の変動磁化と前記固定磁性層2の固定磁化とが90度で交差する関係となっている。
【0057】
バイアス層5,5の上には、電極層8,8が形成されている。バイアス層5,5と電極層8,8の間には、図示しない非磁性の中間層を介在させても良い。中間層は緩衝膜および配向膜の役割をするものであり、Cr又はTa等で形成されることが好ましく、例えば、2〜5nm程度、好ましくは3.5nm程度の厚が良い。
非磁性の中間層により、後工程のインダクティブヘッド(書込ヘッド)の製造プロセスでおこなう絶縁レジストの硬化工程(UVキュアまたはハードベーク)等で高温に曝される場合に、拡散バリアーとして機能し、バイアス層5,5と周辺層の間で熱拡散が起こった場合に、バイアス層5,5の磁気特性が劣化するのを防止することができる。
電極層8,8は、Cr、Au、Ta、Wから選択される1種またはそれ以上からなる単層膜もしくはその多層膜で形成することが好ましい。これにより抵抗値を低減することができる。
バイアス層5,5と電極層8,8との間にTaからなる中間層を介在させた場合は、Taからなる中間層の上にCrからなる電極層をエピタキシャル成長させて形成することにより、電気抵抗値をさらに低減させることができる。
【0058】
図3に示す構造のスピンバルブ型薄膜磁気素子においては、電極層8,8から積層体9にセンス電流が与えられる。磁気記録媒体から図3に示す図示Y方向に磁界が与えられると、フリー磁性層4の磁化方向は、図示X1方向からY方向に変動する。このときの非磁性導電層3とフリー磁性層4との界面で、いわゆるGMR効果によってスピンに依存した伝導電子の散乱が起こることにより、電気抵抗が変化し、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【0059】
以上説明したように、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、強磁性のFe又はFe−Co合金等からなる厚さ1.6〜4.3nmのバイアス下地層10,10の上に、強磁性のCo−Pt合金からなるバイアス層5,5を形成してあるので、バイアス層5,5の保磁力(Hc)を極めて高く維持することができ、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0060】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を記録媒体との対向面側から見た場合の構造を示した断面図である。
本発明の第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板100側から下地層6、反強磁性層1、固定磁性層2、非磁性導電層3、フリー磁性層4、保護層7が形成された、いわゆるボトム型(Bottom type )であり、さらに、フリー磁性層4が、第1のフリー磁性層4Aと、前記第1のフリー磁性層4Aに非磁性中間層4Bを介して形成され、前記第1のフリー磁性層4Aの磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2のフリー磁性層4Cとを有し、フリー磁性層が合成フェリ磁性状態となっている、いわゆるシンセティックフェリフリー型(synthetic-ferri-free type )のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子の一種である。
【0061】
図4において、符号1は、基板100上に設けられた反強磁性層である。この反強磁性層1の上には、固定磁性層2が形成されている。
この固定磁性層2の上には、Cu(銅)等からなる非磁性導電層3が形成され、さらに、前記非磁性導電層3の上には、フリー磁性層4が形成されている。
フリー磁性層4は、非磁性中間層4Bを介して2つに分断された第1、第2のフリー磁性層4A,4Cから形成されており、分断されたフリー磁性層4A,4C同士で磁化の向きが180゜異なるフェリ磁性状態になっている。
前記第1のフリー磁性層4Aの上には、Taなどで形成された保護層7が形成されている。
このように下地層6の一部から保護層7までの各層により、略台形状の断面形状を有する積層体9が構成されている。
【0062】
また、符号5,5はバイアス層を、符号8,8は電極層を示している。 これら、バイアス層5,5の主要部分は積層体9のトラック幅方向の両側の位置に張り出した反強磁性層1上に、バイアス下地層10を介して形成されており、バイアス層5,5の一部分は台形積層体9の両側面に接合して設けられている。
このような順序で各層を積層し、第1の実施例と同様のボトムタイプとすることにより、比抵抗の高い反強磁性層1を介さずに、積層体9に与えるセンス電流の割合を向上させることができる。このため、サイドリーディングを防止することを可能としている。
【0063】
さらに詳細に説明すると、本発明の第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子が、前記第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子と異なる点は、フリー磁性層4の構造である。その他の下地層6、反強磁性層1、固定磁性層2、非磁性導電層3及び保護層7については、第1の実施形態と同様に構成したものであって良い。従って、ここではフリー磁性層4について重点的に説明する。
【0064】
本発明の第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子におけるフリー磁性層4は、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cが非磁性中間層4Bを介して2つに分断されており、分断された第1のフリー磁性層4A,第2のフリー磁性4C同士で磁化の向きが180゜異なるフェリ磁性状態に形成されている。第1のフリー磁性層4Aは、保護層7側に設けられ、第2のフリー磁性層4Cは非磁性導電層3側に設けられている。
第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cは、例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で形成するのが好ましい。非磁性中間層4Bは、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金で形成することが好ましい。
ここで、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの厚さは異なって形成されている。
【0065】
フリー磁性層4においては、第2のフリー磁性層4Cの磁化方向がバイアス層5,5の磁束によって図示X1方向に固定され、第1のフリー磁性層4Aの磁化方向が図示X1方向と反対方向に固定されている。第1のフリー磁性層4Aは、交換結合磁界(RKKY相互作用)によって第2のフリー磁性層4Cと磁気的に結合されて、図示X1方向の反対方向に磁化された状態となっている。第1のフリー磁性層4Aおよび第2のフリー磁性層4Cの磁化方向は、フェリ状態を保ちながら、外部磁界の影響を受けて反転自在とされてる。即ち、第2のフリー磁性層4Cの磁化方向がバイアス層5,5により図示X1 方向に揃えられると、第1のフリー磁性層4Aの磁化方向が図示X1方向と反対方向に揃えられる。
【0066】
また、通常第1フリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの厚さは、共に2〜5nm程度の厚さが適当で、第2のフリー磁性層4Cの厚さt2は、第1のフリー磁性層4Aの厚さt1よりも厚く形成する。
また、第1のフリー磁性層4A及び第2のフリー磁性層4Cの飽和磁化をそれぞれM1、M2としたとき、第1のフリー磁性層4A及び第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚はそれぞれM1・t1、M2・t2となる。
そしてフリー磁性層4は、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cとの磁気的膜厚の関係を、M2・t2>M1・t1とするように構成する。第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚の関係がM2・t2>M1・t1とされていることから、第2のフリー磁性層4Cの磁化が残存した状態となり、フリー磁性層4全体の磁化方向が図示X1方向に揃えられる。このときのフリー磁性層4の実効膜厚は、(M2・t2−M1・t1)となる。
【0067】
また、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cは、それぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合され、かつ磁気的膜厚の関係がM2・t2>M1・t1とされていることから、人工的なフェリ磁性状態となっている。
またこれにより、フリー磁性層4の磁化方向と固定磁性層2の磁化方向とが交差する関係となっている。
本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、第1のフリー磁性層4Aの磁気的膜厚を、第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚よりも小さくすることにより、これら第1のフリー磁性層と第2のフリー磁性層の磁気的膜厚の差分がフリー磁性層の磁気的な実効膜厚となる。従って、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの膜厚を適宜調整してフリー磁性層4の実効膜厚を薄くすることにより、フリー磁性層4の磁化方向を僅かな大きさの外部磁界により変動させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子(スピンバルブ型薄膜磁気素子)の感度を高くすることが可能となる。また、フリー磁性層4全体の厚さをある程度厚くできるので、抵抗変化率が極端に小さくなることがなく、スピンバルブ型薄膜磁気素子の感度を高くすることが可能となる。
【0068】
以上説明したとおり、第2の実施形態では台形の積層体9を構成するフリー磁性層4が、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cに分割されている以外は、第1の実施形態と同様である。バイアス下地層10、バイアス層5、電極層8の構成も第1の実施形態と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
第2の実施形態でも、b/aを1以上とすることにより、バイアス層5,5のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層4に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0069】
次に、図5〜図8を参照して、図4に示す第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法の一例を詳しく説明する。
まず、図5に示すように、基板100上に下地層となるTa膜6aを介して反強磁性層となるPt−Mn合金膜1a、固定磁性層となるCo−Fe合金膜2a、非磁性導電層となるCu膜3a、第1のフリー磁性層4Aと非磁性中間層4Bと第2のフリー磁性層4CとなるCo−Fe合金/Ru/Co−Fe合金の積層膜4a並びに保護層7となるTa膜7aを順次成膜して積層体9aを形成した後、上記積層体9a上にリフトオフ用レジスト370を形成する。リフトオフ用レジスト370の幅R1は、形成すべきスピンバルブ型薄膜磁気素子の積層体9の部分と同等の幅に設定しておく。また、リフトオフ用レジスト370の積層体9aの上面と接する部分の幅R2は、R1よりも若干狭くしてリフトオフが容易に行えるようにしておく。
次いで、図6に示すように上記リフトオフ用レジスト370に覆われていない部分を、イオンミリングにより反強磁性層1の中程迄除去して、図4に示すスピンバルブ薄膜磁気素子の側面となる傾斜面を形成して等脚台形状の積層体9を形成する。この時、基板100上面と積層体9の両側の斜面とのなす角度(α)を45度にして形成することが好ましい。
【0070】
次いで、図7に示すように上記積層体9の両側のリフトオフ用レジスト370に覆われていない部分及び積層体9の両側の張り出した反強磁性層1の平坦部分に、バイアス下地層10,10を形成する。
この際、バイアス下地層用のFe又はFe−Co合金等からなるスパッタターゲット373と基板100とのなす角度を傾斜させた状態で対向させて、イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、コリメーションスパッタ法のいずれかまたはそれらを組み合わせたスパッタ法などによって成膜する。
スパッタ粒子の入射方向と基板100の法線とのなす角度(θ)を、19度の角度でスパッタ成膜すれば、積層体9の斜面と反強磁性層1の平坦部分に、厚さ約2nmでほぼ同じ厚さのバイアス下地膜を形成することができる。
このように、スパッタ粒子の入射方向と基板100の法線との角度(θ)を最適に選択し、イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、コリメーションスパッタ法等のスパッタ粒子の指向性に優れた手段でスパッタ成膜すれば、得られるスパッタ膜の膜厚を正確に制御することが可能となる。
【0071】
ついで、図8に示すように上記バイアス下地層10、10の上に、バイアス層5,5を形成する。バイアス層5,5は、バイアス層形成用の、例えばCo−Pt合金からなるスパッタターゲット374を基板面と傾斜させて、あるいはスパッタターゲットと基板面とが平行になるように対向させて配置してスパッタ成膜を行う。この時、スパッタされた粒子のうちリフトオフ用レジスト370の近傍では、リフトオフ用レジスト370によってスパッタ粒子が遮られるので、成膜厚さは薄くなる。スパッタターゲットと基板面との傾斜角度を適宜選択することのより、各部位に堆積するバイアス層の厚さを調節することができる。
バイアス層5,5を形成した後、その上に電極層8,8を形成する。電極層8,8も、図8に示すようにバイアス層形成用のスパッタターゲット374を電極用スパッタターゲット375と交換して、バイアス層5,5と同様にして形成すれば良い。
【0072】
以上のようにして図4に示す、厚さの制御されたFe又はFe−Co合金からなるバイアス下地層を具備した、シンセティックフェリフリー型(synthetic-ferri-free type )のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子を得る。
【0073】
(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子構造を示す断面図である。
この第3のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、前記第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子において、固定磁性層2が前記反強磁性層1との交換異方性磁界により磁化方向が固定される第1の固定磁性層2Aと、前記第1の固定磁性層2Aに非磁性中間層2Bを介して形成され、前記第1の固定磁性層2Aの磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2の固定磁性層2Cとからなる、いわゆるシンセティックフェリピンド型構造としたものである。
【0074】
この構造は固定磁性層1の固定磁化による反磁界(双極子磁界)を、第1の固定磁性層2Aの静磁結合磁界と第2の固定磁性層2Cの静磁結合磁界とにより、相互に打ち消してキャンセルすることができる。これにより、フリー磁性層4の変動磁化の方向に影響を与える固定磁性層の固定磁化による反磁界(双極子磁界)からのフリー磁性層4の変動磁化への寄与を減少することができる。
また、このように、固定磁性層2が非磁性中間層2Bを介して2つに分断されたスピンバルブ型薄膜磁気素子とした場合、2つに分断された固定磁性層のうち一方が他方の固定磁性層を適正な方向に固定する役割を担い、固定磁性層の状態を非常に安定した状態に保つことが可能となる。
【0075】
この第3の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、Co−Pt合金からなるバイアス層5,5のバイアス下地層10,10として、厚さ1.6〜4.3nmのFe又はFe−Co合金等からなる薄膜を備えている。また、積層体斜面に形成されたバイアス下地層の厚さbと、積層体周辺部に延出して形成されたバイアス下地層の厚さaとの比b/aを1.00〜2.15、より好ましくはb/aを1.00〜1.75となるように形成する。その結果、バイアス層5,5を構成するCo−Pt合金の保磁力を高く維持することができ、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することが可能となる。また、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができる安定性に優れ、バルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0076】
本発明の第3の実施形態のシンセティックフェリピンド型構造のスピンバルブ型薄膜磁気素子を製造するには、積層体9を形成する際に、前記固定磁性層2を第1の固定磁性層2Aと、前記第1の固定磁性層2A上の非磁性中間層2Bと、前記非磁性中間層2B上の第2の固定磁性層2Cとからなる3層構造に形成すれば良い。他の工程は前記第2の実施形態の製造方法で述べたとおりで良いので、ここでは詳しい説明は省略する。
この第3の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、b/aを1以上とすることにより、バイアス層5,5のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層4に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0077】
(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を記録媒体との対向面側から見た場合の構造を示した断面図である。
第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子が前記の各実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子と異なる点は、固定磁性層2が非磁性中間層を介して2分された、いわゆるシンセティックフェリピンド型( synthetic-ferri-pinned spin-valves )となっている点、及びフリー磁性層4が、第1のフリー磁性層4Aと、前記第1のフリー磁性層4Aに非磁性中間層4Bを介して形成され、前記第1のフリー磁性層4Aの磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2のフリー磁性層4Cとを有する、フリー磁性層が合成フェリ磁性状態となっている、いわゆるシンセティックフェリフリー型(synthetic-ferri-free type )となっている点である。
【0078】
図10において、符号1は、基板100上に下地層6を介して設けられた反強磁性層である。この反強磁性層1の上には、固定磁性層2が形成されている。
この固定磁性層2は、第1の固定磁性層2Aと、第1の固定磁性層2Aの上に非磁性中間層2Bを介して形成され、第1の固定磁性層2Aの磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2の固定磁性層2Cとからなっている。
この固定磁性層2の上には、Cu(銅)等からなる非磁性導電層3が形成され、さらに、前記非磁性導電層3の上には、フリー磁性層4が形成されている。
フリー磁性層4は、非磁性中間層4Bを介して2つに分断された第1及び第2のフリー磁性層4A,4Cから形成されており、分断されたフリー磁性層4A,4C同士で磁化の向きが180゜異なるフェリ磁性状態になっている。
前記第1のフリー磁性層4Aの上には、Taなどで形成された保護層7が形成されている。
図10に示すように、これら反強磁性層1の一部から保護層7までの各層により、略台形状の断面形状を有する積層体9が構成されている。
【0079】
また、符号10,10はバイアス下地層を、符号5,5はバイアス層を、符号8,8は電極層を示している。
これら、バイアス層5,5の主要部分は、積層体9周辺の両側の位置に張り出して形成されている反強磁性層1上に、バイアス下地層10,10介して形成されており、かつ、台形の積層体9のトラック幅方向の両側面に接合して設けられている。このバイアス層5,5上には電極層8,8が形成されている。
このような順序で各層を積層したボトムタイプ(Bottom type )とすることにより、比抵抗の高い反強磁性層1を介さずに積層体9に与えるセンス電流の割合を向上させることができる。このため、サイドリーディングを防止することができ、磁気記録密度の高密度化により一層対応することが可能となる。
【0080】
さらに詳細に説明すると、本発明の第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、前記反強磁性層1は積層体9の中央部分に、8〜11nm程度の厚さに形成され、Pt−Mn合金で形成することが好ましい。、Ptを37〜63原子%の範囲で含有するPt−Mn合金は、耐食性に優れしかもブロッキング温度が高く、交換結合磁界(交換異方性磁界)も大きいからである。その他にNi−Mn合金やFe−Mn合金なども使用できる。
【0081】
前記反強磁性層1として、上記の組成範囲の合金を使用し、これをアニール処理することで、大きな交換結合磁界を発生する反強磁性層1を得ることができる。とくに、Pt−Mn合金では800(Oe)を越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が380℃と極めて高い優れた反強磁性層1を得ることができる。
【0082】
第1および第2の固定磁性層2A,2Cは強磁性体の薄膜からなり、例えば、Co、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で形成する。第1の固定磁性層2Aは、例えばCoからなりその膜厚を1.3〜1.5nmとし、第2の固定磁性層2Cは、例えばCoからなりその膜厚を2〜2.5nmとし、固定磁性層全体で4.0nm程度の厚さにするのがが好ましい。
また、非磁性中間層2Bは、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金で形成し、通常、0.8nm程度の厚さに形成することが好ましい。
【0083】
この第1の固定磁性層2Aは、反強磁性層1に接して形成され、磁場中アニール(熱処理)を施すことにより、第1の固定磁性層2Aと反強磁性層1との界面にて交換結合磁界(交換異方性磁界)が発生し、例えば図10に示すように、第1の固定磁性層2Aの磁化方向が、図示Y方向に固定される。また、第1の固定磁性層2Aの磁化方向が、図示Y方向に固定されると、非磁性中間層2Bを介して対向する第2の固定磁性層2Cの磁化方向は、第1の固定磁性層2Aの磁化と反平行の状態、つまり、図示Y方向と逆の方向に固定される。
【0084】
交換結合磁界が大きいほど、第1の固定磁性層2Aの磁化方向と第2の固定磁性層2Cの磁化方向を安定して反平行状態に保つことが可能となり、特に、反強磁性層1としてブロッキング温度が高く、しかも第1の固定磁性層2Aとの界面で大きい交換結合磁界(交換異方性磁界)を発生させるPt−Mn合金を使用することで、第1の固定磁性層2Aおよび第2の固定磁性層2Cの磁化状態を熱的にも安定して保つことができる。
【0085】
本実施形態では、第1の固定磁性層2Aと第2の固定磁性層2Cとの膜厚比を適正な範囲内に収めることによって、交換結合磁界(Hex)を大きくすることができ、第1の固定磁性層2Aと第2の固定磁性層2Cとの磁化方向を、熱的にも安定した反平行状態(フェリ状態)に保つことができ、しかも、△R/R(抵抗変化率)を従来と同程度に確保することが可能である。さらに熱処理中の磁場の大きさおよびその方向を適正に制御することによって、第1の固定磁性層2Aおよび第2の固定磁性層2Cの磁化方向を、所望の方向に制御することが可能になる。
【0086】
フリー磁性層4は、第1及び第2のフリー磁性層4A,4Cが非磁性中間層4Bを介して2つに分断されており、分断された層4A,4C同士で磁化の向きが180゜異なるフェリ磁性状態に形成されている。第1のフリー磁性層4Aは、保護層7側に設けられ、第2のフリー磁性層4Cは非磁性導電層3側に設けられている。
第1及び第2のフリー磁性層4A,4Cは、例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で形成するのが好ましい。非磁性中間層4Bは、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金で形成することが好ましい。
【0087】
通常、第1,第2のフリー磁性層の厚さはそれぞれ2〜5nm程度の厚さが適当で、第1のフリー磁性層4Aの厚さt1は、第2のフリー磁性層4Cの厚さt2よりも薄く形成されている。
また、第1のフリー磁性層4A及び第2のフリー磁性層4Cの飽和磁化をそれぞれM1、M2としたとき、第1のフリー磁性層4A及び第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚はそれぞれM1・t1、M2・t2となる。
そしてフリー磁性層4は、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cとの磁気的膜厚の関係を、M2・t2>M1・t1とするように構成されている。第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚の関係がM2・t2<M1・t1となっていることから、第2のフリー磁性層4Cの磁化が残存した状態となり、フリー磁性層4全体の磁化方向が図示X1の方向に揃えられる。このときのフリー磁性層4の実効膜厚は、(M2・t2−M1・t1)となる。
【0088】
フリー磁性層4においては、第2のフリー磁性層4Cの磁化方向はバイアス層5,5の磁束によって図示X1方向に固定され、第1のフリー磁性層4Aの磁化方向は、交換結合磁界(RKKY相互作用)によって第2のフリー磁性層4Cと磁気的に結合されて、図示X1方向の反対方向に磁化された状態となっている。すなわち、第2のフリー磁性層4Cの磁化方向がバイアス層5,5により図示X1方向に揃えられると、第1のフリー磁性層4Aの磁化方向が図示X1方向の反対方向に揃えられる。第1のフリー磁性層4Aおよび第2のフリー磁性層4Cの磁化方向は、フェリ状態を保ちながら外部磁界の影響を受けて反転自在となっている。
【0089】
また、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cは、それぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合され、かつ磁気的膜厚の関係がM2・t2>M1・t1とされていることから、人工的なフェリ磁性状態となっている。
これにより、フリー磁性層4の磁化方向と固定磁性層2の磁化方向とが交差する関係となっている。
本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、第1のフリー磁性層4Aの磁気的膜厚を、第2のフリー磁性層4Cの磁気的膜厚よりも小さくすることにより、これら第1のフリー磁性層と第2のフリー磁性層との磁気的膜厚の差分がフリー磁性層の磁気的な実効膜厚となる。従って、第1のフリー磁性層4Aと第2のフリー磁性層4Cの膜厚を適宜調整してフリー磁性層4の実効膜厚を薄くすることにより、フリー磁性層4の磁化方向を僅かな大きさの外部磁界により変動させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の感度を高くすることが可能となる。
また、フリー磁性層4全体の厚さをある程度厚くできるので、抵抗変化率が極端に小さくなることがなく、スピンバルブ型薄膜磁気素子の感度を高くすることが可能となる。
【0090】
フリー磁性層4の上には、Taなどで形成された保護層7が形成される。
保護層7は緩衝膜および配向膜の役割をするものであり、Taの他Cr等でも形成することができる。保護層7の厚さは、例えば、2〜5nm程度、好ましくは3.5nm程度の厚さが良い。
保護層7により、後工程のインダクティブヘッド(書込ヘッド)の製造プロセスでおこなう絶縁レジストの硬化工程(UVキュアまたはハードベーク)等で高温に曝される場合に拡散バリアーとして機能し、ギャップ膜とフリー磁性層の間で熱拡散が起ってフリー磁性層4の磁気特性が劣化するのを防止することができる。
【0091】
この第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、Co−Pt合金からなるバイアス層5,5のバイアス下地層10,10として、厚さ1.6〜4.3nmのFe又はFe−Co合金等からなる薄膜を備えている。また、この第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、b/aを1以上とすることにより、バイアス層5,5のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層4に印加することが可能となる。
その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0092】
前記バイアス層5,5は、通常、20〜50nm程度の厚さが好ましく、Co−Pt合金で形成するのが好ましい。Co−Pt合金で形成する場合には、厚さ1.6〜4.3nmのFe又はFe−Co合金等からなるバイアス下地層10,10の効果によって、Co−Pt合金の高い保磁力を引き出すことが可能となる。
【0093】
バイアス層5,5は、Co−Pt合金の他にCo−Cr−Pt合金あるいはCo−Cr−Ta合金などで形成されることができる。
また、前記バイアス層5,5が、図示X1方向に磁化されていることで、前記第2のフリー磁性層4Cの磁化方向が、図示X1方向に揃えられている。これにより、前記フリー磁性層4の変動磁化と前記固定磁性層2の固定磁化とが90度で交差する関係となっている。
【0094】
電極層8,8は、Cr、Au、Ta、Wから選択される1種またはそれ以上からなる単層膜もしくはその多層膜で形成することが好ましい。これにより抵抗値を低減することができる。ここでは、電極層8,8としてCrを選択して、バイアス層5,5と電極層8,8の間にTaからなる中間層(図示省略)を介在させることにより、電気抵抗値をさらに低減させることができる。
【0095】
図10に示す構造のスピンバルブ型薄膜磁気素子においては、電極層8,8から積層体9にセンス電流が与えられる。磁気記録媒体から図10に示す図示Y方向に磁界が与えられると、フリー磁性層4の磁化方向は、図示X1方向からY方向に変動する。このときの非磁性導電層3とフリー磁性層4との界面で、いわゆるGMR効果によってスピンに依存した伝導電子の散乱が起こることにより、電気抵抗が変化し、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【0096】
以上説明したように、本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、バイアス層5,5が、フリー磁性層4に対して強いバイアス磁界を与え易くなり、フリー磁性層4を単磁区化制御することが容易となり、バルクハウゼンノイズの発生を低減させることができ、安定性に優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0097】
このような第4の実施の形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法は、積層体9を形成する際に、前記固定磁性層2を第1の固定磁性層2Aと、前記第1の固定磁性層2A上の非磁性中間層2Bと、前記非磁性中間層2B上の第2の固定磁性層2Cとからなる、3層構造に形成するとともに、前記フリー磁性層4を第2のフリー磁性層4Cと、この第2のフリー磁性層4C上の非磁性中間層4Bと、非磁性中間層4B上の第1のフリー磁性層4Aとからなる、3層構造に形成する。
他の工程は前記第2の実施形態の製造方法で詳しく述べたとおりで良いので、ここでは詳細説明は省略する。
【0098】
(第5の実施形態)
図11は、本発明の第5の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を記録媒体との対向面側から見た場合の構造を示した断面図である。
図11に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子は、第1の実施形態として図2に示したスピンバルブ型薄膜磁気素子と同様に、反強磁性層1、固定磁性層2、非磁性導電層3、フリー磁性層4が各1層ずつ形成されているが、積層順序が第1の実施形態とは逆になっており、いわゆるトップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は、図示Z方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向は、Y方向である。
また、このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、固定磁性層2の磁化方向は、Y方向と反対方向に固定されている。
【0099】
図11において、符号6は基板100上に設けられている下地層を示している。この下地層6の上にはフリー磁性層4が形成され、さらに前記フリー磁性層4の上には、非磁性導電層3が形成されている。この非磁性導電層3の上には、固定磁性層2が形成され、前記固定磁性層2の上には、反強磁性層1が形成されている。さらに、前記反強磁性層1の上には、保護層7が形成されている。
また、符号10、10はバイアス下地層を、符号5,5はバイアス層を、符号8,8は電極層を示している。これら下地層6から保護層7までで積層体9を構成している。
下地層6はTa等からなり、基板100の上に載置して積層体9を構成するフリー磁性層を形成しやすくするものである。
【0100】
フリー磁性層4は、例えばCo、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等の強磁性体薄膜で形成するのが好ましい。フリー磁性層4の厚さは2〜5nm程度の厚さが適当である。
非磁性導電層3は、例えば、Cu、Cr、Au、Ag、Rh、Ir等の非磁性金属等からなり、通常、厚さは2〜4nm程度である。この非磁性導電層3は、強磁性体である固定磁性層2とフリー磁性層4との界面で伝導電子のスピンに依存した散乱を生じ、磁気抵抗効果(GMR効果)を発揮させる。
【0101】
固定磁性層2も強磁性体の薄膜からなり、例えば、Co、Ni−Fe合金、Co−Ni−Fe合金、Co−Fe合金、Co−Ni合金等で形成する。固定磁性層2の厚さは4.0nm程度の厚さにするのがが好ましい。
反強磁性層1には、比抵抗の高いIr−Mn合金、Pt−Mn合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金等が用いられる。例えば、これらIr−Mn合金、Pt−Mn合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金の比抵抗は、いずれも200μΩcm-1程度であり、これは、10μΩcm-1オーダー程度である固定磁性層2およびフリー磁性層4を構成するNi−Fe合金等の比抵抗に比べて一桁大きく、また、1μΩcm-1オーダー程度である非磁性導電層3を構成するCuの比抵抗に比べてさらに一桁大きい。
反強磁性層1の比抵抗が大きいため、センス電流が大きな抵抗を受ける。従って、電極層8からのセンス電流はバイアス層5を経由して固定磁性層2及びフリー磁性層4へ流入するようになる。
【0102】
この第5の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、バイアス下地層10,10として厚さ1.6〜4.3nmのFe又はFe−Co合金からなる薄膜を備えている。また、この第5の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、b/aを1以上とすることにより、バイアス層5,5のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層4に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
前記Co−Pt合金からなるバイアス層5,5は、20〜50nm程度の厚さが好ましく、その場合には厚さ1.6〜4.3nmのFe又はFe−Co合金からなるバイアス下地層10,10の効果によって高い保磁力を引き出すことが可能となる。バイアス層5,5は、Co−Pt合金の他にCo−Cr−Pt合金あるいはCo−Cr−Ta合金などで形成されることもできる。
また、前記バイアス層5,5が、図示X1方向に磁化されていることで、前記フリー磁性層4の磁化方向は、図示X1方向に揃えられている。これにより、前記フリー磁性層4の変動磁化と前記固定磁性層2の固定磁化とが90度で交差する関係となっている。
【0103】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、電極層8,8から固定磁性層2、非磁性導電層3、フリー磁性層4にセンス電流が与えられる。記録媒体から図示Y方向に磁界が与えられると、フリー磁性層4の磁化方向は図示X1方向からY方向に変動する。この時非磁性導電層3とフリー磁性層4との界面及び非磁性導電層3と固定磁性層2との界面において、スピンに依存した電導電子の散乱が起こり、電気抵抗が変化するので、記録媒体からの洩れ磁界が検知される。
【0104】
以上説明したように、本発明の第5の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、バイアス層5,5が、フリー磁性層4に対して強いバイアス磁界を与え易くなり、フリー磁性層4を単磁区化制御することが容易となり、バルクハウゼンノイズの発生を低減させることができるので安定性に優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0105】
このような第5の実施の形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法は、積層体9を形成する際に、各層の積載順序を基板100側から下地層6、フリー磁性層4、非磁性導電層3、固定磁性層2、反強磁性層1及び保護層7として積層体を形成すればよい。
他の工程は前記第2の実施形態の製造方法で詳しく述べたとおりで良いので、ここでは詳細説明は省略する。
【0106】
最後に、本発明の薄膜磁気ヘッドについて説明する。
基本的には薄膜磁気ヘッドの構造は従来通りの構造で良く、スピンバルブ型薄膜磁気素子を本発明に係わる高性能のものに変更すれば良い。図12に示す磁気コア部250に、図13、図14に示すような取付方法で本発明になる磁気抵抗効果素子層245を形成すれば良い。図に従ってさらに具体的に詳細説明する。
図12は、本発明の薄膜磁気ヘッドの一例を示した斜視図である。
この薄膜磁気ヘッドは、ハードディスク装置などの磁気記録媒体に搭載される浮上式のものである。この薄膜磁気ヘッドのスライダ251は、図12において符号235で示す側がディスク面の移動方向の上流側に向くリーディング側で、符号236で示す側がトレーリング側である。このスライダ251のディスクに対向する面では、レール状のABS面(エアーベアリング面:レール部の浮上面)251a、251bと、エアーグルーブ251cとが形成されている。
そして、このスライダ251のトレーリング側の端面251dには、磁気コア部250が設けられている。
【0107】
この例で示す薄膜磁気ヘッドの磁気コア部250は、図13および図14に示す構造の複合型磁気ヘッドであり、スライダ251のトレーリング側端面251d上に、MRヘッド(読出ヘッド)h1と、インダクティブヘッド(書込ヘッド)h2とが順に積層されて構成されている。
図13に示すように、この例のMRヘッドh1は、基板を兼ねるスライダ251のトレーリング側端部に形成された磁性合金からなる下部シールド層253上に、下部ギャップ層254が設けられている。そして、下部ギャップ層254上には、磁気抵抗効果素子層245が積層されている。この磁気抵抗効果素子層245上には、上部ギャップ層256が形成され、その上に上部シールド層257が形成されている。この上部シールド層257は、その上に設けられるインダクティブヘッドh2の下部コア層と兼用にされている。
このMRヘッドh1は、ハードディスクのディスクなどの磁気記録媒体からの微小の漏れ磁界の有無により、磁気抵抗効果素子層245の抵抗を変化させ、この抵抗変化を読み取ることで記録媒体の記録内容を読み取るものである。
【0108】
前記MRヘッドh1に設けられている磁気抵抗効果素子層245には、前述した本発明になるスピンバルブ型薄膜磁気素子が備えられている。
前述のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、薄膜磁気へッド(再生用ヘッド)を構成する最も重要なものである。
また、インダクティブヘッドh2は、下部コア層257の上に、ギャップ層264が形成され、その上に平面的に螺旋状となるようにパターン化されたコイル層266が形成されている。前記コイル層266は、第1の絶縁材料層267Aおよび第2の絶縁材料層267Bに囲まれている。第2絶縁材料層267Bの上に形成された上部コア層268は、ABS面251bにて、その磁極端部268aを下部コア層257に、磁気ギャップGの厚みをあけて対向させ、図13及び図14に示すように、その基端部268bを下部コア層257と磁気的に接続させて設けられている。
また、上部コア層268の上には、アルミナなどからなる保護層269が設けられている。
【0109】
このようなインダクティブヘッドh2では、コイル層266に記録電流が与えられ、コイル層266からコア層に記録磁束が与えられる。そして、前記インダクティブヘッドh2は、磁気ギャップGの部分での下部コア層257と上部コア層268の先端部からの漏れ磁界により、ハードディスクなどの磁気記録媒体に磁気信号を記録するものである。
【0110】
このような薄膜磁気へッドを製造するには、まず、図13に示す磁性材料製の下部シールド層253上に下部ギャップ層254を形成した後、磁気抵抗効果素子層254を構成する前記スピンバルブ型薄膜磁気素子を形成する。その後、前記スピンバルブ型薄膜磁気素子の上に、上部ギヤップ層256を介して上部シールド層257を形成すると、MRヘッド(読出ヘッド)h1が完成する。
続いて、前記MRヘッドh1の上部シールド層257と兼用である下部コア層257の上に、ギャップ層264を形成し、その上に螺旋状のコイル層266を、第1の絶縁材料層267Aおよび第2の絶縁材料層267Bで囲むように形成する。さらに、第2絶縁材料層267Bの上に上部コア層268を形成し、上部コア層268の上に、保護層269を設けることによって薄膜磁気へッドが完成する。
【0111】
このような薄膜磁気へッドは、前述した本発明になるスピンバルブ型薄膜磁気素子が備えられた薄膜磁気へッドであるので、フリー磁性層の磁区制御を良好に行うことができ、アシンメトリーやバルクハウゼンノイズの低減した、安定性に優れ高感度の薄膜磁気へッドとすることができる。
本発明の薄膜磁気へッドは先に説明した実施形態の図3、図4、図9、図10のいずれかのGMRを有するので、記録密度の向上に伴う狭トラック化に十分対応することが可能である。
【0112】
【実施例】
本実施例では、狭トラック幅化したスピンバルブ型薄膜磁気素子において、バイアス下地層としてFe−Co強磁性層を形成したことによる、バルクハウゼンノイズの低減効果について測定した。
測定に使用したスピンバルブ型薄膜磁気素子は、図9に示す第3実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
ここで、図9におけるトラック幅寸法O−Twを0.3μmとして形成し、図9のY方向の素子高さ(h)を0.4μmとした場合、及び素子高さ(h)を0.2μm(つまり、トラック幅/素子高さ=1.5となるように)とした場合について素子を形成した。
【0113】
積層体9における各層の膜厚は、下からTa3/Pt−Mn15/Co2/Ru/Co2.5/Cu2.7/Co5/Ta2(各数字はそれぞれの膜厚のnm単位に対応する)とした。
バイアス下地層にはFe−Co合金膜を使用し、成膜角度(θ)を45度として、積層体斜面の底部から基板と平行に延出して形成したバイアス下地層の厚さ(a)を2.0nm、積層体斜面に形成したバイアス下地層の厚さ(b)を2.5nmとして、b/a=1.25としてバイアス下地層を形成した。
次いで、このバイアス下地層の上に、厚さ3nmのCo−Pt合金からなるバイアス層を形成した。
【0114】
まず、このスピンバルブ型薄膜磁気素子において、電極層から電流を流し、磁界が変化する信号を与えバルクハウゼンジャンプ及びヒステリシスを測定した。比較のため従来のバイアス下地層にクロム(Cr)膜を使用し、本実施例と同様な積層構造に構成したスピンバルブ型薄膜磁気素子についても同様の測定をした。その結果を、図17と図18に示す。
図17と図18において、白丸印は、本発明の実施例で素子高さ(h)を0.4μmとした場合、白角印は素子高さ(h)を0.2μm(つまり、トラック幅/素子高さ=1.5となるように)とした場合のバルクハウゼンジャンプとヒステリシスをそれぞれ示している。
一方、黒丸印で示す曲線Aは、光学的トラック幅を0.3μmから1μmまで変化させ、かつ素子高さも変えて(トラック幅/素子高さ)=1.5となるようにした場合のバルクハウゼンジャンプとヒステリシスをそれぞれ示している。また、黒角印で示した曲線Bは、光学的トラック幅を0.3μmから1μmまで変化させ、かつ素子高さを0.4μmの一定値にした場合のバルクハウゼンジャンプとヒステリシスをそれぞれ示している。
【0115】
図17に示すように、光学的トラック幅を0.3μmと狭くしたスピンバルブ型薄膜磁気素子にあっては、本発明のバイアス下地層にFe−Co合金膜を使用した場合には、従来のバイアス下地層にクロム(Cr)膜を使用した場合と比較して、バルクハウゼンジャンプは(トラック幅/素子高さ)=1.5の場合には13%以上から5%以下に大幅に低減し、素子高さを0.4μmの一定値にした場合でも約9%から5%以下に低減しているのが認められた。
また、図18に示すように、光学的トラック幅を0.3μmと狭くしたスピンバルブ型薄膜磁気素子にあっては、本発明のバイアス下地層にFe−Co合金膜を使用した場合には、従来のバイアス下地層にクロム(Cr)膜を使用した場合と比較して、ヒステリシスは(トラック幅/素子高さ)=1.5の場合には4.5%から0.5%以下に大幅に低減し、素子高さを0.4μmの一定値にした場合でも約0.5%から僅かに低減しているのが認められた。
このようにバイアス下地層にFe−Co合金膜を使用することにより、バルクハウゼンノイズを抑制したスピンバルブ型薄膜磁気素子が得られることが判る。
【0116】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板上に形成された反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層の表面に接して形成された非磁性保護層とからなる積層体を有し、この積層体の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されたボトム型のシングルスピンバルブ薄膜磁気素子であって、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体側面以外の部分に延出して接するように形成されている厚さ2nm前後のFe−Co合金のバイアス下地層上に、Co−Pt合金からなるバイアス層が形成されているので、Co−Pt合金バイアス層の保磁力を最も高いレベルに維持することができる。そのため、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することができるので、フリー磁性層に反磁界ができるのを抑制し、単磁区化制御を容易にする。その結果、高記録密度化に伴ってトラック幅が狭幅化しても、バルクハウゼンノイズの少ない、安定した動作を示す薄膜磁気ヘッドとすることができる。
更に、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)を、その関係をb/a=1〜1 . 25の範囲とすることにより、バイアス層のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0117】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、基板上に形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層に非磁性導電層を介して形成された固定磁性層と、前記固定磁性層にの表面に接して形成された反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された非磁性保護層とからなる積層体を有し、この積層体の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されたトップ型のシングルスピンバルブ薄膜磁気素子であって、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体以外の部分に延出して接するように形成されている。
更に、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)を、その関係をb/a=1〜1 . 25の範囲とすることにより、バイアス層のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0118】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、バイアス層がフリー磁性層に対して強いバイアス磁界を与え易くなり、フリー磁性層を単磁区化制御することが容易となり、バルクハウゼンノイズの発生を低減させることができるので安定性に優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。このスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、厚さ2nm前後のFe−Co合金薄膜からなるバイアス下地層上に、Co−Pt合金からなるバイアス層が形成されているので、Co−Pt合金バイアス層の保磁力を最も高いレベルに維持することができる。そのため、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することができるので、フリー磁性層に反磁界ができるのを抑制し、単磁区化制御を容易にする。その結果、高記録密度化に伴ってトラック幅が狭幅化しても、バルクハウゼンノイズの少ない、安定した動作を示す薄膜磁気ヘッドとすることができる。
【0119】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、前記固定磁性層を前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される第1の固定磁性層と、前記第1の固定磁性層に非磁性中間層を介して形成され、前記第1の固定磁性層の磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2の固定磁性層とからなるシンセティックフェリピンド型構造としたものであっても良い。この場合には、固定磁性層の固定磁化による反磁界(双極子磁界)を、第1の固定磁性層の静磁結合磁界と第2の固定磁性層の静磁結合磁界とにより、相互に打ち消してキャンセルすることができる。これにより、フリー磁性層の変動磁化の方向に影響を与える固定磁性層の固定磁化による反磁界(双極子)磁界からの、フリー磁性層の変動磁化への寄与を減少することができる。
【0120】
また、このように、固定磁性層が非磁性中間層を介して2つに分断されたスピンバルブ型薄膜磁気素子とした場合、2つに分断された固定磁性層のうち一方が他方の固定磁性層を適正な方向に固定する役割を担い、固定磁性層の状態を非常に安定した状態に保つことが可能となる。
【0121】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、厚さ2nm前後のFe又はFe−Co合金薄膜からなるバイアス下地層上に、Co−Pt合金からなるバイアス層が形成されているので、Co−Pt合金バイアス層の保磁力を最も高いレベルに維持することができる。そのため、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することができるので、フリー磁性層に反磁界ができるのを抑制し、単磁区化制御を容易にする。その結果、高記録密度化に伴ってトラック幅が狭幅化しても、バルクハウゼンノイズの少ない、安定した動作を示す薄膜磁気ヘッドとすることができる。
【0122】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子では、フリー磁性層は非磁性中間層によって分断されていて、前記非磁性保護層側に配置された第1のフリー磁性層と前記非磁性導電層側に配置された第2のフリー磁性層とからなるように構成しても良い。
フリー磁性層が非磁性中間層を介して2つに分断された構造としたので、2つに分断されたフリー磁性層同士の間に交換結合磁界が発生し、フェリ磁性状態となり、磁気的な膜厚が減少するので外部磁界に対して感度よく反転できるものとなる。
【0123】
このようなフリー磁性層の構造を採用することにより、第1、第2のフリー磁性層の反強磁的な結合を安定して維持させてフリー磁性層のフェリ磁性状態を保つことができる。従って、フリー磁性層の物理的な膜厚の減少による抵抗変化率△R/Rの低下を招くことなしに、スピンバルブ型薄膜磁気素子の感度を向上させることができる。
【0124】
また、前記バイアス層の主要部分が、前記積層体の側面と接合されていることにより、バイアス層からの漏れ磁束が、積層体上部に位置する層、例えば、上部シールド層等に吸われることによるフリー磁性層に加わる有効磁界の減少が起こりにくいものとなり、フリー磁性層が単磁区化されやすくなるため、前記フリー磁性層の磁区制御を良好に行うことができる安定性に優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
また、フリー磁性層に対して、強いバイアス磁界を与えやすくなり、フリー磁性層を単磁区化しやすく、バルクハウゼンノイズの発生を低減させることができる。
【0125】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子においても、厚さ2nm前後のFe又はFe−Co合金薄膜からなるバイアス下地層上に、Co−Pt合金からなるバイアス層が形成されているので、Co−Pt合金バイアス層の保磁力を最も高いレベルに維持することができる。そのため、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することができるのと、フリー磁性層/バイアス下地層/バイアス層が交換相互作用により直接磁気的につながっているので、フリー磁性層の端部に反磁界ができるのを抑制し、単磁区化制御を容易にする。その結果、高記録密度化に伴ってトラック幅が狭幅化しても、バルクハウゼンノイズの少ない、安定した動作を示す薄膜磁気ヘッドとすることができる。
【0126】
また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子において、前記電極層とバイアス層の間にCr、Ta、Wから選択される1種以上の金属層を挿入した場合には、後工程のレジスト硬化などの熱プロセスに対して拡散バリアーとして機能し、バイアス層の磁気特性の劣化を防ぐことができる。また、電極層としてTaを用いる場合は、Crの上に堆積するTaの結晶をより低抵抗の体心立方構造としやすくする効果がある。
【0127】
また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、前記反強磁性層を、X−Mn合金又はPt−Mn−X’合金のいずれかとすることで、上記反強磁性層に従来から使用されているNiO合金、FeMn合金、NiMn合金などを用いたものと比較して、交換結合磁界が大きく、またブロッキング温度が高く、さらに耐食性に優れているなどの優れた特性を有するスピンバルブ型薄膜磁気素子とすることができる。
【0128】
次に、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法は、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子を製造するに当たり、基板上に、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成した固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成したフリー磁性層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体上に前記積層体に対向する下面に切り込み部の形成されたリフトオフ用レジストを形成する工程と、前記リフトオフ用レジストに覆われていない部分をイオンミリングにより除去し、台形状の積層体を形成する工程と、バイアス下地層用のスパッタターゲットと前記基板との角度を傾斜させた状態で対向させて、前記台形積層体の両側斜面及び積層体の周辺部分に延出させて、積層体の斜面上の厚さ1.8〜2.5nmのバイアス下地層を周辺部分のバイアス下地層以上の厚さであって、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)との関係をb/a=1〜1.25の範囲となるように形成する工程と、前記バイアス下地層上に前記バイアス層をスパッタ法により形成する工程と、電極層用のスパッタターゲットと前記基板とを傾斜させないか又は傾斜させて対向させて、前記バイアス層上に前記電極層をスパッタ法により形成する工程とを有する製造方法とすることにより、バイアス下地層の厚さを任意の厚さに精度良く制御することができ、高性能のスピンバルブ型薄膜磁気素子を容易に製造することを可能にしたものである。
【0129】
本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法によれば、バイアス下地層用のFe−Co合金からなるスパッタターゲットと台形形状の積層体を形成した基板との角度を傾斜させた状態で対向させ、かつこの傾斜角度を適宜選択し、目標とする部位に正確にスパッタ粒子を堆積させることにより、厚さ1.8〜2.5nmのバイアス下地層を得ることができる。しかも、前記積層体側面のバイアス下地層の厚さを、前記積層体側面以外の基板と平行な部分に延出した部分のバイアス下地層の厚さよりも厚くすることも可能となる。基板とスッパタターゲットとの傾斜角度を適当に選択することにより、バイアス下地層の厚さを正確に、しかも任意の厚さに制御することが可能となる。
これにより、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)を、その関係をb/a=1〜1.25の範囲とすることができるようになり、バイアス層のCo−Pt合金の保磁力を750(Oe)以上に高くすることが可能となり、バイアス磁界を効果的にフリー磁性層に印加することが可能となる。その結果、上記フリー磁性層の単磁区化制御を良好に行うことができ、安定性に優れバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜磁気素子を提供することができる。
【0130】
さらにまた、本発明の薄膜磁気ヘッドは、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子が備えられているので、フリー磁性層の磁区制御を良好に行うことができ、バルクハウゼンノイズの低減した、安定性に優れた薄膜磁気へッドとなり、記録密度の向上に伴うトラック幅の狭幅化に対応できる高性能な磁気ヘッドが実現できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 FeCo膜厚とCoPt合金の保磁力との関係を示す図である。
【図2】 成膜角度と膜厚比の関係を示す図である。
【図3】 本発明の第1の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図4】 本発明の第2の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図5】 本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法の一例を説明する図である。
【図6】 図4に続く、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法を説明する図である。
【図7】 図5に続く、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法を説明する図である。
【図8】 図6に続く、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法を説明する図である。
【図9】 本発明の第3の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図10】 本発明の第4の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図11】 本発明の第5の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図12】 本発明の薄膜磁気ヘッドの一例を示す斜視図である。
【図13】 図11の薄膜磁気ヘッドの磁気コア部を示した断面図である。
【図14】 図11に示す薄膜磁気ヘッドを示した概略斜視図である。
【図15】 従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図16】 従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子の他の例を、記録媒体の対向面から見た場合の断面構造を示す図である。
【図17】 光学トラック幅とバルクハウゼンジャンプの関係を示す図である。
【図18】 光学トラック幅とヒステリシスの関係を示す図である。
【符号の説明】
1,101,111・・・反強磁性層
2,102,112・・・固定磁性層
2A・・・第1の固定磁性層
2B・・・非磁性中間層
2C・・・第2の固定磁性層
3,103,113・・・非磁性導電層
4,104,114・・・フリー磁性層
4A・・・第1のフリー磁性層
4B・・・非磁性中間層
4C・・・第2のフリー磁性層
5,105,115・・・バイアス層
6,106,116・・・下地層
7,107,117・・・保護層
8,108,118・・・電極層
9,109,119・・・積層体
10,110,120・・・バイアス下地層
100・・・基板
245・・・磁気抵抗効果素子層
250・・・磁気コア部
251・・・スライダ
370・・・リフトオフ用レジスト
373,374,375・・・スパッタターゲット
Claims (13)
- 基板上に形成された少なくとも反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成されたフリー磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されており、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体の側面以外の周辺部分に延出してこれらに接するように形成され、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)が、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)よりも厚いか又は等しくされ、その関係がb/a=1〜1.25の範囲とされてなることを特徴とするスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 少なくとも基板上に接して形成された非磁性の下地層と、この下地層と接して形成されたフリー磁性層と、このフリー磁性層の上に非磁性導電層を介して形成された固定磁性層と、この固定磁性層上に形成された反強磁性層とを具備してなる積層体を有し、この積層体のトラック幅方向の両側に形成された1対のバイアス層と、前記バイアス層上に形成された1対の電極層から構成されており、前記バイアス層は、厚さ1.8〜2.5nmのFe−Co合金のバイアス下地層を介して前記積層体の側面及び積層体の側面以外の周辺部分に延出してこれらに接するように形成され、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)が、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)よりも厚いか又は等しくされ、その関係がb/a=1〜1.25の範囲とされてなることを特徴とするスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 前記バイアス層がCoPt合金からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 前記積層体が断面台形状に形成され、前記基板と前記積層体両側の個々の斜面とのなす角度が20度〜60度の範囲とされてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 前記フリー磁性層が非磁性中間層によって分断されていて、前記非磁性保護層又は非磁性下地層側に配置された第1のフリー磁性層と、前記非磁性導電層側に配置された第2のフリー磁性層とからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 前記固定磁性層が、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される第1の固定磁性層と、前記第1の固定磁性層に非磁性中間層を介して形成され、前記第1の固定磁性層の磁化方向と反平行に磁化方向が揃えられた第2の固定磁性層とからなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 前記バイアス下地層を構成するFe−Co合金の組成が、Feを20at%以上含み残部がCoと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
- 基板上に、少なくとも反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成した固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成したフリー磁性層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の上にリフトオフ用レジストを形成する工程と、前記リフトオフ用レジストに覆われていない部分をイオンミリングにより除去し、断面略台形状の積層体を形成する工程と、前記台形積層体の両側斜面に、バイアス下地層用のFe−Co合金のスパッタターゲットを、基板との角度を傾斜させた状態で対向させて、スパッタ法により厚さ1.8〜2.5nmのバイアス下地層を前記台形積層体の両側斜面及び積層体の周辺部分に延出させて、積層体の斜面上のバイアス下地層を積層体の周辺部分のバイアス下地層以上の厚さであって、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)との関係をb/a=1〜1.25の範囲となるように形成する工程と、スパッタ法によりバイアス層を前記バイアス下地層上に形成する工程と、前記バイアス層上にスパッタ法により前記電極層を形成する工程とを有することを特徴とするスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法。
- 基板上に、少なくともフリー磁性層と、このフリー磁性層に接して非磁性導電層を介して形成された固定磁性層と、この固定磁性層に接して形成された反強磁性層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体の上にリフトオフ用レジストを形成する工程と、前記リフトオフ用レジストに覆われていない部分をイオンミリングにより除去し、断面略台形状の積層体を形成する工程と、バイアス下地層用のFe−Co合金のスパッタターゲットを基板との角度を傾斜させた状態で対向させて、スパッタ法により厚さ1.8〜2.5nmのバイアス下地層を前記台形積層体の両側斜面及び積層体の周辺部分に延出させて、積層体の斜面上のバイアス下地層を周辺部分のバイアス下地層以上の厚さであって、前記積層体側面上のバイアス下地層の厚さ(b)と、前記積層体側面側以外の基板に平行な部分に延出して形成されたバイアス下地層の厚さ(a)との関係をb/a=1〜1.25の範囲となるように形成する工程と、スパッタ法によりバイアス層を前記バイアス下地層上に形成する工程と、前記バイアス層上にスパッタ法により前記電極層を形成する工程とを有することを特徴とするスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法。
- 前記スパッタ法がイオンビームスパッタ法であることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法。
- 前記バイアス下地層用のスパッタ粒子の入射方向と、基板面の法線とのなす角度が19度以上70度以下であることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法。
- 前記基板と積層体斜面とのなす角度が20度から60度であり、かつ前記バイアス下地層用のスパッタ粒子の入射方向と、基板面の法線とのなす角度が30度以上60度以下であることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法。
- 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子が備えられてなることを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
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