JP5820102B2 - ハードバイアス構造およびその形成方法、ならびに磁気再生ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、隣接接合型の再生センサ素子に適用され、フリー層を含むセンサ積層体の側壁に隣接されると共にそのフリー層に長手バイアスを印加するハードバイアス構造およびその形成方法、ならびにハードバイアス構造を備えた磁気再生ヘッドに関する。
スピンバルブ磁気抵抗（ＳＶＭＲ：spin valve magnetoresistance）効果または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magnetoresistance ）効果を利用する磁気再生ヘッドを搭載した磁気記録デバイスでは、記録密度を増加させるために磁気再生ヘッドを安定に作動させる必要がある。この目的を達成するための１つの方法は、磁気ディスクからエアベアリング面（ＡＢＳ：air bearing surface ）を浮上させる磁気再生ヘッド（再生センサ素子）のサイズを減少させることである。再生センサ素子は、磁気再生ヘッドにおいて再生処理を担う重要なデバイスであり、その再生センサ素子では、センス電流を流しながら抵抗変化をモニタすることにより、磁気ディスクの磁気信号（異なる磁化状態）が検出される。
ＧＭＲ効果を利用する一般的な再生センサ素子において、スピンバルブ構造を有するセンサ積層体では、２つの強磁性層が非磁性導電層を介して分離されている。一方の強磁性層は、いわゆるピンド層である。このピンド層には、反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）ピンニング層が隣接されており、そのピンド層の磁化方向は、交換結合により所定の方向に固定されている。これに対して、他方の強磁性層は、いわゆるフリー層である。このフリー層の磁化方向（磁気モーメント）は、外部磁界に応じて回転可能である。外部磁界がない状態では、フリー層の磁化方向は、センサ積層体の両側に配置されたハードバイアス層の影響により、ピンド層の磁化方向に対して垂直な方向に向いている。磁気ディスクからＡＢＳを浮上させながら再生センサ素子が通過すると、フリー層の磁化方向は、外部磁界（磁気ディスクからの信号磁界）に応じて、ピンド層の磁化方向と平行な方向に回転する。なお、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance ）効果を利用する再生センサ素子では、２つの強磁性層が薄い非磁性絶縁層を介して分離されている。
センス電流は、センサ積層体の抵抗を検出するために用いられ、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向とが平行である場合に低くなる。膜面直交電流（ＣＰＰ：current-perpendicular-to-the-plane）型の再生センサ素子において、センス電流は、センサ積層体における各層の膜面と直交する方向に流れる。一方、面内電流（ＣＩＰ：current-in-plane）型の再生センサ素子において、センス電流は、膜面と平行な方向に流れる。
１００ギガビット／インチ2 を超える超高密度の記録用途では、高感度な磁気再生ヘッドが必要であり、その磁気再生ヘッドに搭載される再生センサ素子のＡＢＳにおける端面の面積は、０．１μｍ×０．１μｍよりも小さくなる。電流記録型の磁気再生ヘッドでは、一般的に、隣接接合型の再生センサ素子が用いられている。隣接接合型の再生センサ素子では、フリー層を含むセンサ積層体の両側に隣接するようにハードバイアス層が配置される。記録密度は益々増加し、それに応じてトラック幅は益々減少する傾向にあるため、フリー層のエッジ近傍（センサ積層体とハードバイアス層との隣接面近傍）において、そのフリー層の磁化状態を安定化させることが重要である。言い替えれば、外部要因に対してフリー層の磁化状態（単磁区構造）を安定化させると共に、外部磁界に対して再生センサ素子を高感度化するためには、そのフリー層に水平方向のバイアス（長手バイアス）を印加する必要がある。
長手バイアスを印加することが可能な磁気再生ヘッドのヘッドデザインでは、センサ積層体の側面（フリー層のエッジ）に隣接するように高保持力の膜（ハードバイアス層）が配置される。この場合には、フリー層とハードバイアス層との間に薄いシード層が介在する場合もある。このヘッドデザインでは、磁束の流れが等しくなるようにフリー層にハードバイアス層を隣接させることにより、エッジ近傍に磁極が生じないため、フリー層はエッジ近傍において消磁しなくなる。高記録密度化の要求に応じて再生センサ素子の限界寸法は急速に減少する傾向にあるが、その厚さは穏やかに薄くなる傾向にあるため、フリー層の磁化状態を安定化させるために必要な長手バイアスの強度は増加することになる。
フリー層などの硬質磁性薄膜の磁化状態が不完全であると、再生センサ素子の応答特性にヒステリシスまたは非線形応答が生じるため、ノイズが生じてしまう。一般的に、記録済みの磁気メディアから生じた漂遊磁界によりフリー層の磁化状態が乱されないようにするために、ハードバイアス層の保持力を増加させることが望ましい。ハードバイアス層では、長手バイアスを安定に印加するために、面内方向において高保持力が必要である。この長手バイアスにより、フリー層の磁化状態が維持されると共に、それに応じてバルクハウゼンノイズの発生も抑制される。この場合の条件は、ハードバイアス層の面内における残留磁化（Ｍｒ）により表され、特に、長手バイアスの強度はハードバイアス層の厚さ（ｔ）に依存するため、ＭｒＴにより表されてもよい。ＭｒＴは、長手バイアスを印加してフリー層の磁化状態を安定化させるために十分に大きくなければならないが、外部磁界の影響を受けてフリー層の磁化方向が回転することを防止するために大きすぎてはならない。この他、ハードバイアス層の形成材料としては、角型比（Ｓ）が大きな材料が望ましい。言い替えれば、Ｓ＝Ｍｒ／Ｍｓ（Ｍｓはハードバイアス層の形成材料の飽和磁化）は、できるだけ１に近い必要がある。
磁気再生ヘッドの性能を安定化させるために、長手バイアスを印可するハードバイアス層の形成材料としては、一般的に、ＣｏＰｔまたはそれを含む合金（ＣｏＰｔＸ：ＸはＣｒ、ＢまたはＴａなど）が用いられている。しかしながら、高記録密度化の要求に応じてトラック幅は益々減少しているため、ハードバイアス層によるバイアス効率は低下する傾向にある。バイアス効率が低下する理由の１つは、狭いエッジ近傍の領域においてＣｏＰｔ粒子の容易軸がランダムに配向するからである。我々は、以前に、垂直磁気異方性（ＰＭＡ：perpendicular magnetic anisotropy ）を有するＣｏＣｒＰｔまたはそれを含む合金（ＣｏＣｒＰｔＸ：ＸはＢまたはＯなど）などの磁性材料（ＰＭＡ材料）を紹介した（例えば、特許文献１参照。）。このＰＭＡ材料は、容易軸が垂直に配向することを助けるため、ＣＰＰ−ＧＭＲ型またはＴＭＲ型の再生センサ素子では、良好な長手バイアスが得られる。この他、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔ−ＳｉＯ2 、Ｔｂ（Ｆｅ）ＣｏまたはＦｅＰｔなどのＰＭＡ材料がいくつかの文献において報告されている。
しかしながら、ＰＭＡ材料を用いる場合には、１つの大きな問題が生じる。スピンバルブ構造を有するセンサ積層体を備えた再生センサ素子にＰＭＡ材料を適用する場合には、激しいアニール（加熱処理）を行わないことが好ましい。残念ながら、ＦｅＰｔまたはＴｂ（Ｆｅ）Ｃｏを用いる場合には、大きなＰＭＡを得るために、高温でのアニールを必要としてしまう。この場合には、高温下において再生センサ素子がダメージを受けるため、その高温に起因する問題は、デバイスの集積化などを考えると見逃すことができない大きな問題である。隣接接合型の再生センサ素子では、フリー層の磁化状態を安定化させるためにＰＭＡを十分に大きくしなければならず、そのようにＰＭＡを大きくするために厚いシード層が必要になるため、ＣｏＰｔまたはそれを含む合金（ＣｏＣｒＰｔまたはＣｏＰｔ−ＳｉＯ2 など）を用いることは望ましくない。Ｃｏ／Ｘ（ＸはＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、ＮｉまたはＩｒなど）で表される新規な多層構造から外れてしまうからである。Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／ＰｄまたはＣｏ／Ｉｒなどの多層構造は、ＰＭＡを得るための望ましい構造であるとは言えない。Ｐｔ、ＰｄまたはＩｒなどの厚い高価なシード層が必要になるからである。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／ＰｄまたはＣｏ／Ｉｒなどの多層構造では、一般的に、非磁性元素であるＰｔ、ＰｄまたはＩｒを用いているため、磁気モーメントが小さくなる。Ａｕは、高コストであると共に、隣接する他の層と容易に相互拡散しやすいため、Ｃｏ／Ａｕは、ＰＭＡを得るための多層構造としては実用性に乏しい。これに対して、Ｃｏ／Ｎｉは、いくつかの利点を有するため、ＰＭＡを得るための多層構造の候補として有力である。この利点とは、（ａ）Ｃｏ層、Ｎｉ層およびＣｏ／Ｎｉ界面においてスピン偏極が著しく高くなり、（ｂ）Ｎｉ層により良好なロバスト性（構造安定性）が得られ、（ｃ）飽和磁化が著しく高くなり、その飽和磁化は１テスラまたは他のＣｏ／Ｍ（Ｍは金属）の２倍程度に達し、（ｄ）低コストになることである。
Ｃｏ／Ｎｉで表される多層構造を用いて大きなＰＭＡを得るために、いくつかの文献においてさまざまな検討がなされているが、いずれの場合においても、厚いシード層が必要である。例えば、G.Daalderop 等およびF.den Broeder 等は、シード層としてＡｕ層（２００ｎｍ厚）を用いている（例えば、非特許文献１，２参照。）。V.Naik等およびY.Zhang 等は、複合シード層としてＡｕ（５０ｎｍ厚）／Ａｇ（５０ｎｍ厚）を用いている（例えば、非特許文献３，４参照。）。Jaeyong Lee 等は、シード層としてＣｕ層（１００ｎｍ厚）を用いている（例えば、非特許文献５参照。）。P.Bloemen 等は、シード層としてＴｉ層（５０ｎｍ厚）またはＣｕ層（５０ｎｍ厚）を用いていると共に、１５０℃でアニールしている（例えば、非特許文献６参照。）。W.Chen等は、複合シード層としてＣｕ（１００ｎｍ厚）／Ｐｔ（２０ｎｍ厚）／Ｃｕ（１０ｎｍ厚）を用いている（例えば、非特許文献７参照。）。
この他、シード層を用いずに、ハードバイアス層としてＣｏＮｉ層が用いられている（例えば、特許文献２参照。）。シード層であるＣｒ層またはＮｉＡｌ層の上に、ハードバイアス層であるＣｏＮｉ層が形成されているが（例えば、特許文献３参照。）、ＰＭＡについては言及されていない。シード層であるＣｒ層、Ｔｉ層、Ｍｏ層またはＷＭｏ層と、ハードバイアス層であるＣｏＰｔ層またはＣｏＣｒＰｔ層とを含むハードバイアス構造が用いられていると共に、そのハードバイアス構造の上に中間層としてＴａ層が形成されている（例えば、特許文献４参照。）。
米国特許出願公開２００８／０１１７５５２ 米国特許出願公開２００７／００２６５３８ 米国特許第７１３４１８５号明細書 米国特許第７４３３１６１号明細書
スピントロニクス用のデバイスにおいて、ＰＭＡを得るためにＣｏ／Ｎｉで表される多層構造と一緒に厚いシード層を用いることは、実用的でない。一般的に、性能が適正化されたデバイスでは、スピンバルブ構造を有するセンサ積層体における各層の膜面に垂直な方向に空間的な制限がある。また、基板とセンサ積層体の上面との間の距離は、高記録密度用途では小さくなる傾向にあり、空間的な制限もあることから、センサ積層体に隣接するハードバイアス構造の厚さは薄くなければならない。シード層の厚さが１０ｎｍよりも大きくなると、ハードバイアス構造の総厚を維持するために、ハードバイアス層を薄くせざるを得ない。しかしながら、ハードバイアス層を薄くすると、ＭｒＴとの関係からＰＭＡおよび長手バイアスの強度が減少してしまう。よって、長手バイアスの強度を確保するためには、ハードバイアス層の厚さを維持しつつ、シード層を薄くする必要がある。このため、上記した問題を解消できる新たなシード層が望まれている。この新たなシード層は、高記録密度化の要求に対応するために十分に薄く、かつ、薄いにもかかわらずにＣｏ／Ｎｉで表される多層構造において大きなＰＭＡが得られるようにするものでなければならない。
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目的は、隣接接合型の再生センサ素子に悪影響を与える可能性があるアニールを必要とせずに、薄いシード層によりハードバイアス層に大きな垂直磁気異方性を付与することが可能なハードバイアス構造およびその形成方法、ならびに磁気再生ヘッドを提供することにある。
また、本発明の第２目的は、１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝１５０００Ｏｅ）を超える異方性磁界Ｈｋと、１に近い角型比と、同等の厚さを有するＣｏＰｔ層よりも大きなＭｒＴ値を得ることが可能なハードバイアス構造およびその形成方法、ならびに磁気再生ヘッドを提供することにある。
さらに、本発明の第３目的は、ハードバイアス層において面心立方（１１１）結晶構造を得ることが可能なハードバイアス構造およびその形成方法、ならびに磁気再生ヘッドを提供することにある。
本発明のハードバイアス構造は、フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有するセンサ積層体に隣接され、そのフリー層に長手バイアスを印加するものである。このハードバイアス構造は、（ａ）基体の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）とを含む複合シード層と、（ｂ）複合シード層の上に形成され、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層と、（ｃ）ハードバイアス層の上に形成されると共にＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層とを備えている。複合シード層は、センサ積層体における複数の層の膜面に平行な方向に延在する第１部分と、そのセンサ積層体の側壁に沿う方向に延在すると共に第１部分に連結された第２部分とを有している。ハードバイアス層において、Ｒ１層はＣｏまたはＣｏＦｅ、Ｒ２層はＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、ｘは整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２は各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きい。センサ積層体の上面と複合シード層の上面とハードバイアス層の上面と保護層の上面とは、同一面内に位置する。複合シード層は、金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有している。金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、金属層（Ｍ１）と金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である。
本発明の磁気再生ヘッドは、（ａ）上面を有する下部シールドと、（ｂ）下部シールドの上面に形成され、フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有するセンサ積層体と、（ｃ）下部シールドの上面およびセンサ積層体の側壁に沿うように形成され、金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物のうちの少なくとも１種である絶縁層と、（ｄ）絶縁層の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）とを含む複合シード層と、（ｅ）複合シード層の上に形成され、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層と、（ｆ）ハードバイアス層の上に形成されると共にＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層と、（ｇ）保護層の上に形成され、センサ積層体の上面に隣接するように延在する非磁性分離層と、（ｈ）非磁性分離層の上に形成され、その非磁性分離層およびセンサ積層体を介して下部シールドと電気的に接続された上部シールドとを備えている。複合シード層は、センサ積層体における複数の層の膜面に平行な方向に延在する第１部分と、そのセンサ積層体の側壁に沿う方向に延在すると共に第１部分に連結された第２部分とを有している。ハードバイアス層において、Ｒ１層はＣｏまたはＣｏＦｅ、Ｒ２層はＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、ｘは整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２は各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きい。センサ積層体の上面と複合シード層の上面とハードバイアス層の上面と保護層の上面とは、同一面内に位置する。複合シード層は、金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有している。金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、金属層（Ｍ１）と金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である。
本発明のハードバイアス構造の形成方法は、フリー層を含むスピンバルブ構造を有するセンサ積層体に隣接され、そのフリー層に長手バイアスを印加するハードバイアス構造を形成する方法である。このハードバイアス構造の形成方法は、（ａ）基体の上に、フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有するセンサ積層体を形成する工程と、（ｂ）基体およびセンサ積層体の側壁に沿うように、金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物のうちの少なくとも１種である絶縁層を形成する工程と、（ｃ）絶縁層の上に、その絶縁層の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）とを含む複合シード層を形成する工程と、（ｄ）複合シード層の上に、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層を形成し、そのハードバイアス層において、Ｒ１層がＣｏまたはＣｏＦｅ、Ｒ２層がＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、ｘが整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２が各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きくなるようにする工程と、（ｅ）ハードバイアス層の上に、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層を形成する工程と、（ｆ）センサ積層体の上面と複合シード層の上面とハードバイアス層の上面と保護層の上面とが同一面内に位置するように、化学機械研磨法を用いてセンサ積層体、複合シード層、ハードバイアス層および保護層を研磨する工程とを含む。複合シード層は、金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有している。金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、金属層（Ｍ１）と金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である。
本発明のハードバイアス構造またはその形成方法、あるいは磁気再生ヘッドでは、ハードバイアス構造は、複合シード層の上に、垂直磁気異方性を有するハードバイアス層を有していると共に、そのハードバイアス層の上に、保護層を有している。複合シード層は、Ｔａ層の上に金属層（Ｍ１）が形成されると共に金属層（Ｍ１）の上に金属層（Ｍ２）が形成された多層構造（Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２）を有している。金属層（Ｍ１）は、Ｒｕ、ＣｕまたはＡｕを含んでいる。金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、金属層（Ｍ１）と金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である。ハードバイアス層は、（Ｒ１／Ｒ２）x （Ｒ１＝ＣｏまたはＣｏＦｅ、Ｒ２層＝Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、ｘ＝整数、各Ｒ２層の厚さｔ２＞各Ｒ１層の厚さｔ１）で表される多層構造を有している。保護層は、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含んでいる。センサ積層体の上面と複合シード層の上面とハードバイアス層の上面と保護層の上面とは、同一面内に位置している。
この場合には、ハードバイアス層において大きな垂直磁気異方性が安定に得られると共に、そのハードバイアス層によりフリー層に印加される長手バイアスの強度が増加する。よって、隣接接合型の再生センサ素子に悪影響を与える可能性があるアニール処理を必要とせずに、薄いシード層（複合シード層）によりハードバイアス層に大きな垂直磁気異方性を付与することができる。これにより、１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍを超える異方性磁界Ｈｋと、１に近い角型比と、同等の厚さを有するＣｏＰｔ層よりも大きなＭｒＴ値を得ることができる。
本発明の一実施形態の磁気再生ヘッドの構成（ハードバイアス構造を省略）を表す図である。 本発明の一実施形態の磁気再生ヘッドの初期化前における構成（ハードバイアス構造を含む）を表す図である。 本発明の一実施形態の磁気再生ヘッドの初期化後における構成（ハードバイアス構造を含む）を表す図である。 単層シード層を用いたハードバイアス構造に関するＭＨ曲線である。 複合シード層を用いたハードバイアス構造に関するＭＨ曲線である。 複合シード層を用いたハードバイアス構造に関する他のＭＨ曲線である。 複合シード層を用いたハードバイアス構造に関するさらに他のＭＨ曲線である。 複合シード層を用いたハードバイアス構造に関するアニール前後のＭＨ曲線である。 複合シード層を用いたハードバイアス構造に関するさらに他のＭＨ曲線である。
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。
［磁気再生ヘッドの構成］
まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態の磁気再生ヘッドの構成について説明する。なお、本発明のハードバイアス構造は磁気再生ヘッドに適用されるものであるため、そのハードバイアス構造については以下で併せて説明する。
図１〜図３は、エアベアリング面（ＡＢＳ）側から見た磁気再生ヘッドの構成を表している。図１ではハードバイアス構造の図示を省略しているのに対して、図２および図３ではハードバイアス構造を図示している。図２は初期化前の状態、図３は初期化後の状態をそれぞれ示している。なお、図１〜図３に示したヘッド構成はあくまで一例であり、図示した態様だけに本発明を限定しているわけではない。
この磁気再生ヘッドは、図１〜図３に示したように、下部シールド１と非磁性分離層１１および上部シールド２との間に再生センサ素子１００が設けられたものである。
下部シールド１は、上面１ａを有しており、下部リードとしての役割を果たす。この下部シールド１は、例えば、ニッケル鉄合金（商品名：パーマロイ）などを含んでいると共に、セラミックなどの基板（図示せず）の上に形成されている、
再生センサ素子１００は、隣接接合構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲ型またはＴＭＲ型のＭＲデバイスであり、スピンバルブ構造を有するセンサ積層体３０の両側（側壁２０，２１）に絶縁層３を介してハードバイアス構造５０が隣接されたものである。
センサ積層体３０は、下部シールド１と非磁性分離層１１との間に形成されており、いわゆるスピンバルブ構造を有している。このセンサ積層体３０は、例えば、図１に示したように、ＴＭＲ型であり、下部シールド１に近い側から順に、下部層６と、リファレンス層（ピンド層）７と、トンネルバリア層８と、フリー層９と、保護層１０とが積層された多層構造を有している。
下部層６は、いわゆるピンニング層であり、例えば、下部シールド１の上面１ａに形成されたシード層と、その上に形成された反強磁性（ＡＦＭ）層とを含む多層構造を有している。リファレンス層７は、いわゆるピンド層であり、例えば、ＣｏＦｅなどのＣｏ合金を含んでいる。トンネルバリア層８は、例えば、酸化アルミニウムなどの絶縁材料を含んでいる。フリー層９は、例えば、リファレンス層７と同様の材料を含んでいる。保護層１０は、上面１０ａを有しており、例えば、単層構造を有していてもよいし、多層構造を有していてもよい。具体的には、保護層１０は、例えば、Ｔａを含む単層であり、その厚さは、例えば、４ｎｍ〜８ｎｍである。または、保護層１０は、例えば、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなどのように、Ｔａ層と少なくとも１つのＲｕ層とを含む多層構造を有している。Ｒｕ層は、酸化抵抗が高いことから好ましいと共に、Ｔａ層は、化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polishing ）工程またはイオンビームエッチング（ＩＢＥ：ion beam etching）工程などにおいてウェットエッチャントまたはドライエッチャントに対する耐性を有することから好ましい。この他、保護層１０は、公知の材料および構成（層構造）でもよい。なお、保護層１０の上に、センサ積層体３０を形成する場合に用いられるパターニング用のハードマスクが上部層（図示せず）として形成されていてもよい。
このセンサ積層体３０は、全体として、上面１０ａと、互いに対向する２つの側壁２０，２１とを有している。センサ積層体３０の断面形状は、特に限定されないが、例えば、台形である。また、センサ積層体３０の上面１０ａの平面形状は、ここでは図示していないが、特に限定されず、例えば、円形、楕円形または多角形などである。
なお、センサ積層体３０は、ＴＭＲ型に代えてＣＰＰ−ＧＭＲ型でもよい。この場合には、トンネルバリア層８に代えて非磁性スペーサ層が用いられる。この非磁性スペーサ層は、例えば、Ｒｕなどの非磁性導電材料を含む。この他、センサ積層体３０は、当業者により既に知られているように、トップスピンバルブ型またはデュアルスピンバルブ型などの他の構造を有していてもよい。
絶縁層３は、トラック幅方向（図１〜図３における左右方向）におけるセンサ積層体３０の一方側において、下部シールド１の上面１ａおよびセンサ積層体３０の側面２０に沿って形成されている。また、絶縁層３は、トラック幅方向におけるセンサ積層体３０の他方側において、下部シールド１の上面１ａおよびセンサ積層体３０の側面２１に沿って形成されている。このため、絶縁層３は、上面１ａに沿って形成された部分３ａと、側壁２０，２１に形成された部分３ｂとを含んでいる。この絶縁層３は、例えば、金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物などの絶縁材料の１種類または２種類以上を含んでいる。一例を挙げると、絶縁層３の形成材料は、アルミニウムの酸化物、窒化物または酸窒化物である。
ハードバイアス構造５０は、センサ積層体３０（特にフリー層９）に長手バイアスを印加するものであり、複合シード層２２と、その上に形成されたハードバイアス層２５とを含む多層構造を有している。このハードバイアス層２５は、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有している。
複合シード層２２は、基体である絶縁層３の上に形成されたＴａ層と、その上に形成された金属層（Ｍ１）とを含む多層構造を有している。この金属層（Ｍ１）は、ハードバイアス層２５の結晶性を向上させる（面心立方（１１１）結晶構造が得られる）ようにするために、面心立方（１１１）結晶構造または六方最密（００１）結晶構造を有している。以下では、前者の結晶構造をｆｃｃ（face centered cubic ）（１１１）結晶構造、後者の結晶構造をｈｃｐ（hexagonal close-packed）（００１）結晶構造とそれぞれ呼称する。なお、複合シード層２２は、センサ積層体３０を構成する複数の層の膜面に平行な方向に延在する部分２２ａ（第１部分）と、そのセンサ積層体３０の側壁２０，２１に沿う方向に延在すると共に部分２２ａに連結された部分２２ｂ（第２部分）とを有している。
この複合シード層２２は、例えば、Ｔａ／Ｍ１で表される多層構造を有している。Ｍ１は、上記したように、ｆｃｃ（１１１）結晶構造またはｈｃｐ（００１）結晶構造を有する金属層であり、例えば、Ｒｕ、ＣｕまたはＡｕなどを含んでいる。ただし、Ｍ１は、１層でもよいし、２層以上でもよい。この場合において、例えば、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍである。この複合シード層２２により、上記したように、ハードバイアス層２５の結晶性が向上するため、そのハードバイアス層２５のＰＭＡも向上する。
具体的には、複合シード層２２は、例えば、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕで表される３層構造を有している。この場合において、例えば、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｃｕ層の厚さは０．１ｎｍ〜１０ｎｍである。
または、複合シード層２２は、例えば、Ｔａ／Ｒｕで表される２層構造を有している。この場合において、例えば、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍである。なお、Ｒｕ層は、ｆｃｃ（１１１）結晶構造またはｈｃｐ（００１）の結晶構造を有する他の金属層に置き換えられてもよい。
なお、複合シード層２２は、金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／金属層（Ｍ１）／金属層（Ｍ２）で表される多層構造を有していてもよい。この場合において、Ｍ２は、例えば、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇを含んでおり、そのＭ２の厚さは、例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍである。Ｍ１の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍである。ただし、Ｍ１とＭ２とは異なる種類である。なお、Ｍ２がＰｄ、ＡｕまたはＡｇである場合には、コストを抑えるために、Ｍ２の厚さはできるだけ薄いことが好ましい。
この他、複合シード層２２は、例えば、ＮｉＣｒと、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方とを含んでいてもよい。
ハードバイアス層２５は、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有しており、上面２５ｓを有している。なお、絶縁層３、複合シード層２２およびハードバイアス層２５のそれぞれの一端面（上面２５ｓを含む一連の端面）は、例えば、センサ積層体３０の上面１０ａと同一面内にある。このハードバイアス層２５のＰＭＡは、上記したように、薄い複合シード層２２の上にハードバイアス層２５が形成されており、それに応じてハードバイアス層２５の結晶性が向上することにより得られる。なお、ハードバイアス構造２５は、さらに、ハードバイアス層２５の上に形成された保護層２６を含んでいてもよい。
この（Ｒ１／Ｒ２）x で表されるハードバイアス層２５において、Ｒ１層はＣｏまたはＣｏＦｅを含むと共に、Ｒ２層はＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏを含む。また、ｘは整数であり、その値は要求されるＭｓＴ値などの条件に応じて決定されるが、例えば、１０〜７０である。各Ｒ１層の厚さは、例えば、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍ、好ましくは０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍである。各Ｒ２層の厚さは、例えば、０．２ｎｍ〜１ｎｍ、好ましくは０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍである。ただし、各Ｒ２層の厚さｔ２は、各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きくなっている。中でも、隣接し合うＲ１層とＲ２層との界面におけるスピン相互作用を適正化するために、厚さｔ２は厚さｔ１の２倍以下であることが好ましい。なお、厚さＴ１が０．２ｎｍである場合、Ｒ１層は”最密”層であると考えられてもよいが、必ずしも（１１１）結晶構造を有している必要はない。
ＣｏＦｅは、例えば、Ｃｏ(100-w) Ｆｅw で表される組成を有しており、そのｗは、０原子％＜ｗ≦９０原子％、好ましくは０原子％＜ｗ＜９０原子％である。ＮｉＦｅは、例えば、Ｎｉ(100-y) Ｆｅy で表される組成を有しており、そのｙは、０原子％＜ｙ≦５０原子％、好ましくは０原子％＜ｙ＜５０原子％である。ＮｉＣｏは、例えば、Ｎｉ(100-z) Ｃｏz で表される組成を有しており、そのｚは、０原子％＜ｚ≦５０原子％、好ましくは０原子％＜ｚ＜５０原子％である。
（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有するハードバイアス層２５は、その多層構造中においてＲ１／Ｒ２界面が安定に維持されると共に、所望の結晶構造（ｆｃｃ（１１１）結晶構造）を得られるようにするために、複合シード層２２が薄くても済むような方法により形成されていることが好ましい。
（Ｒ１／Ｒ２）x の具体的な層構造は、上記した条件を満たしていれば特に限定されないが、例えば、（Ｃｏ／Ｎｉ）x などである。この場合において、ハードバイアス層２５のＰＭＡは、Ｃｏ原子およびＮｉ原子における３ｄ電子および４ｓ電子のスピン軌道相互作用に起因して生じ、そのスピン軌道相互作用は、軌道モーメントを生じさせる。この軌道モーメントは、（１１１）結晶構造における結晶軸に対して異方性を示すと共に、その軌道モーメントに応じて、スピンモーメントが配列される。（Ｃｏ／Ｎｉ）x で表される多層構造では、ＰＭＡを得るためにｆｃｃ（１１１）結晶構造を有することが不可欠である。
背景技術として説明したように、従来は、（Ｃｏ／Ｎｉ）x で表される多層構造においてＰＭＡを得るために、完全なｆｃｃ結晶構造を有するＡｕ、Ａｕ／Ａｇ、Ｔｉ、ＣｕまたはＡｕ／Ｃｕなどの厚いシード層を必要とする。G.Daalderop 等およびF.den Broeder 等によれば、Ｃｏ原子およびＮｉ原子が最密充填された超薄層の界面の存在によりＰＭＡが得られると信じられている。ＣｏとＮｉとでは価電子の数が１つだけ異なるため、Ｃｏ／Ｎｉ界面の存在は大きな磁気異方性を生じさせる。
本発明では、Ｒ１層およびＲ２層を堆積させる適切な方法を見出した。この方法では、Ｒ１層およびＲ２層が交互に堆積された多層構造においてＲ１／Ｒ２界面が得られると共に安定に維持されるため、ハードバイアス構造５０が大きなＰＭＡを得るために必要なシード層（複合シード層２２）が薄くて済む。この場合には、例えば（Ｃｏ／Ｎｉ）x などである（Ｒ１／Ｒ２）x の積層数ｘが１０〜７０まで十分に大きくなると、Ｃｏ原子およびＮｉ原子における価電子の数が十分に多くなるため、スピン軌道相互作用により得られるＰＭＡが大きくなる。これにより、ハードバイアス層５０において大きなＰＭＡが得られるだけでなく、そのハードバイアス層５０により印可される長手バイアスの強度も増加するため、フリー層９の磁化状態が安定化する。
図２では、ハードバイアス層２５中における磁性粒子の容易軸を表しており、矢印４０ａは絶縁層３（部分３ａ）の上に形成されたハードバイアス層２５における容易軸、矢印４０ｂは絶縁層３（部分３ｂ）の上に形成されたハードバイアス層２５における容易軸をそれぞれ示している。
複合シード層２２の上にハードバイアス層２５が形成される場合には、そのハードバイアス層２５において、複合シード層２２の膜面に対して垂直になるように容易軸４０ａ，４０ｂが配向する。このため、容易軸４０ａ，４０ｂは、いずれも複合シード層２２の膜面に対して垂直な方向を向いている。ハードバイアス層２５による初期化は、ハードバイアス層２５の形成材料の異方性磁界を超える面内磁界がｘ軸方向（左から右へ向かう方向）に印加されることにより行われ、その磁界に応じてハードバイアス層２５の磁化も配向される。このハードバイアス層２５は、初期化により、センサ積層体３０近傍では容易軸４０ａ，４０ｂに沿う（側壁２０，２１に対して垂直になる）ように磁化されるため、フリー層９に限りなく近い場所において表面チャージが生じる。重要なことは、ハードバイアス層２５のうち、絶縁層３（部分３ａ）の上に形成された部分における磁性粒子のチャージではなく、絶縁層３（部分３ｂ）の上に形成された部分における磁性粒子のチャージであり、後者のチャージにより磁界（長手バイアス）が生じる。この磁界が取り去られると、ハードバイアス層２５中における磁性粒子の磁化は、長手方向に対して小さな角度で傾斜した方向に容易軸を向けるように緩和される。ハードバイアス層２５の磁化は、上部シールド２の形成後に行われることが好ましい。ハードバイアス層２５では、側壁２０に沿って磁性粒子が成長するため、それによる磁化は、容易軸の方向に向くが、側壁２０の方向に向く。このため、ハードバイアス層２５からのチャージは、主に、エッジ近傍の領域２３において磁性粒子による表面チャージとなる。このようなチャージ状態は、センサ積層体３０（フリー層９）において強い長手バイアイスを生じさせるために最適な状態である。なぜなら、センサ積層体３０の近傍（側壁２０）においてチャージが生じ、そのチャージの立体角が最大になるからである。
絶縁層３（部分３ａ）の上において磁性粒子が成長すると、ハードバイアス層２５における容易軸４０ａの向きは下部シールド２の上面１ａに対して垂直となり、その磁化の向きは、理論上は、初期化後においてランダムになる。チャージは、絶縁層３（部分３ａ）の上の領域において、複合シード層２２との界面および非磁性分離層１１との界面の近傍に生じる。しかしながら、磁性粒子により決定されるフリー層９に対する立体角は、側壁２０近傍において絶縁層３（部分３ｂ）の上において磁性粒子が成長した場合よりも小さくなるため、それらの領域にはランダム磁化が影響しない。これにより、絶縁層３（部分３ａ）の上のハードバイアス層２５におけるチャージは、領域２３における表面チャージよりも著しく小さくなる。
ランダム磁化に関する他の検討事項は、センサ積層体３０（フリー層９）がハードバイアス層２５の面中央近傍に位置すると、絶縁層３（部分３ａ）の上のハードバイアス層２５において、もしも存在するならば、そのハードバイアス層２５の上面および下面におけるネットチャージからの磁界の強度は同等で反対符号になるため、互いに打ち消し合うことである。
なお、センサ積層体３０の反対側（側壁２１側）におけるハードバイアス層２５では、図３に示したように、側壁２１に沿った磁化が生じる。この側壁２１近傍の磁化状態は、側壁２０近傍の磁化状態と同様であるが、その磁化は、側壁２１から離れる方向に向く。
このように側壁２０，２１近傍において２種類の異なる磁化状態が生じるハードバイアス層２５では、アモルファス相が生じると共に長手バイアスに変化が生じると考えられる。しかしながら、そのバイアスメカニズムは、フリー層９において長手バイアスを生じさせるチャージに依存しない。また、ハードバイアス層２５の厚さは、容易軸４０ａ，４０ｂが交わる領域において、アモルファス相の効果を最小にするために小さくなる。
詳細には、図３に示したように、ハードバイアス層２５のうち、側壁２０に近い部分の磁化は矢印２４ｂで表されると共に、側壁２１に近い部分の磁化は矢印２４ｃで表され、ハードバイアス層２５による初期化は、（＋）ｘ軸方向に行われる。磁化２４ｂは、側壁２０に垂直であると共に、その側壁２０に近づく側を向く。磁化２４ｃは、側壁２１に垂直であると共に、その側壁２１から離れる側を向く。なお、ハードバイアス層２５のうち、側壁２０，２１から遠い部分、すなわち絶縁層３（部分３ａ）の上に位置する部分の磁化２４ａは、ランダムに配向する。この場合には、磁化２４ｂ，２４ｃにより、フリー層９に長手バイアスが印加される。ただし、磁化２４ａは、フリー層９の安定化には寄与しない。
保護層２６は、例えば、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも１種、好ましくはＴａを含んでおり、その厚さは、例えば、４ｎｍ〜８ｎｍである。
非磁性分離層１１は、再生センサ素子１００と上部シールド２との間に形成されており、より具体的には、センサ積層体３０（上面１０ａ）、絶縁層３（部分３ｂ）、ハードバイアス層２５（上面２５ｓ）および保護層２６と上部シールド２との間に介在している。この非磁性分離層１１は、特に、ハードバイアス層２５と上部シールド２との間における磁気的相互作用を防止する役割を果たす。このため、非磁性分離層１１は、例えば、センサ積層体３０（保護層１０）と上部シールド２とを電気的に接続させることが可能なＲｕなどの非磁性導電材料を含んでおり、その厚さは、例えば、１．５ｎｍ〜１０ｎｍである。なお、非磁性分離層１１は、センサ積層体３０およびハードバイアス層２５などの上において、必ずしも水平に延在している必要はない。例えば、非磁性分離層１１のうち、センサ積層体３０の上に形成された部分は、ハードバイアス層２５の上に形成された部分よりも下部シールド１から遠い側に位置していてもよい。この場合には、後者の部分と下部シールド１との間の距離が前者の部分と下部シールド１との間の距離よりも大きくなる。
上部シールド２は、非磁性分離層１１の上に形成されており、上部リードとしての役割を果たす。この上部シールド２は、例えば、下部シールド１と同様の材料を含んでいる。
［磁気再生ヘッドの製造方法］
次に、上記した磁気再生ヘッドの製造方法について説明する。なお、本発明のハードバイアス構造の形成方法は磁気再生ヘッドの製造方法に適用されるものであるため、そのハードバイアス構造の形成方法については以下で併せて説明する。ただし、以下では、磁気再生ヘッドに関する一連の構成要素の材質および寸法などについて既に詳細に説明したので、それらの説明を随時省略する。
最初に、電気鍍金法などを用いて、下部シールド１を形成する。続いて、スパッタ堆積法などを用いて、基体である下部シールド１の上面１ａを被覆するように、センサ積層体３０を構成するフリー層９などの一連の層を順に堆積させることにより、下部層６から保護層１０までが積層された積層構造体を形成する。
続いて、積層構造体の上にフォトレジスト層（図示せず）を形成したのち、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト層をパターニングすることにより、フォトレジストマスク（図示せず）を形成する。
続いて、既存のエッチング法を用いて、フォトレジストマスクをエッチング用のマスクとして積層構造体をパターニングすることにより、上面１０ａおよび側壁２０，２０を有するセンサ積層体３０を形成する。この場合には、１回に限らず、２回以上のパターニング工程を行ってもよい。
続いて、下部シールド１の上面１ａおよびセンサ積層体２０，２１に沿うように絶縁層３を形成したのち、その絶縁層３の上にハードバイアス構造５０を形成する。この場合には、例えば、上記したフォトレジストマスクをリフトオフ用のマスクとして用いることにより、センサ積層体３０により互いに分離されるように絶縁層３およびハードバイアス構造５０を形成してもよい。このフォトレジストマスクは、ハードバイアス構造５０を形成したのちに除去される。
ハードバイアス構造５０を形成する場合には、絶縁層３の上に、Ｔａ／Ｍ１を含む多層構造を有する複合シード層２２と、（Ｒ１／Ｒ２）x を含む多層構造を有するハードバイアス層２５と、保護層２６とをこの順に形成して積層させる。
絶縁層３およびハードバイアス構造５０の各層を形成する場合には、例えば、単ポンプ工程（single pump down step）ののち、スパッタ堆積法などを用いる。この場合には、例えば、薄膜スパッタリングシステム（Anelva製C-7100）を用いてもよい。このシステムは、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）チャンバ、酸化チャンバおよびスパッタエッチングチャンバなどを備えている。スパッタ堆積工程では、例えば、スパッタガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスを用いた超高真空条件が採用されると共に、堆積させる材料（例えば金属または合金など）により形成されたターゲットが用いられる。
なお、ハードバイアス層２５などの厚い層を形成する場合には、スパッタ堆積工程を２回以上行ってもよい。この場合には、最初の堆積工程においてスパッタ角度（または蒸着角度）を相対的に小さくすると共に、それ以降の堆積工程においてスパッタ角度を相対的に大きくすることが好ましい。これにより、上面１ａおよび側壁２０，２１に沿うようにハードバイアス層２５などを厚く形成できる。なお、重ね合わせ（overspray）を最小にするために、イオンビーム堆積（ＩＢＤ：ion beam deposition）における形削り盤（shaper）を用いてもよい。
上記したスパッタ堆積法を用いることにより、いくつかの利点が得られる。第１に、低ＲＦパワーおよび高圧力の条件下において堆積プロセスが行われるため、既に形成済みであるセンサ積層体３０などにダメージが及ぶことを防止できる。第２に、ハードバイアス層２５において、ＰＭＡが損なわれないようにＲ１層およびＲ２層が堆積されると共に、Ｒ１／Ｒ２界面が安定に維持される。より具体的には、Ｒ１層およびＲ２層の堆積時に、Ｒ１／Ｒ２界面においてイオンエネルギー衝突が抑制されるため、その界面がイオン衝撃に起因してダメージを受けにくくなる。このようにＲ１／Ｒ２界面が維持されることにより、複合シード層２２が薄くても、ハードバイアス層２５において大きなＰＭＡが得られる。
一例を挙げると、ハードバイアス層２５として（Ｃｏ／Ｎｉ）x を形成する場合には、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタ堆積チャンバを用いると共に、ＲＦパワー＝２００Ｗ未満、ガス流量＝１５×６×１０-5ｍ3 ／ｈ（＝１５ｓｃｃｍ）とする。この場合には、Ｃｏ層またはＮｉ層の堆積に要する時間が約１分未満になると共に、（Ｃｏ／Ｎｉ）20を形成するために要する時間が約１時間未満になる。
なお、絶縁層３の形成方法としては、スパッタ堆積法に代えて、上記したシステムとは別個の堆積ツールによるＰＶＤ法または化学蒸着法などを用いてもよい。
必要に応じて、イオンビームエッチング法などを用いて、ハードバイアス層２５および保護層２６などの一部を除去してもよい。詳細には、図２に示したように、センサ積層体３０およびハードバイアス構造５０を形成する場合において、絶縁層３（部分３ａ）の上に形成されているハードバイアス構造５０（容易軸４０ａを有する部分）の厚さは、センサ積層体３０の側壁２０に沿って形成されているハードバイアス構造５０（容易軸４０ｂを有する部分）の厚さよりも大きくなる。よって、そのような厚さの違いを生じさせるために、必要に応じてハードバイアス層２５および保護層２６などの一部を除去してもよい。
続いて、必要に応じて、ＣＭＰ法などを用いて、ハードバイアス構造５０（上面２５ｓなど）がセンサ積層体３０（上面１０ａ）と同一面内になるように、センサ積層体３０およびハードバイアス構造５０を研磨してもよい。
続いて、ハードバイアス構造５０をアニールする。このアニール条件は、例えば、温度＝２００℃〜２８０℃、時間＝０．５時間〜１０時間である。ただし、アニール時に磁界印加は不要である。ハードバイアス層２５のＰＭＡは、上記したように、複合シード層２２の結晶構造と、ハードバイアス層２５におけるＲ１／Ｒ２界面のスピン軌道相互作用とに由来して得られるからである。
続いて、センサ積層体３０およびハードバイアス構造５０の上に非磁性分離層１１を形成する。この場合には、例えば、スパッタ堆積法を用いると共に、センサ積層体３０、絶縁層３およびハードバイアス構造５０（複合シード層２２、ハードバイアス層２５および保護層２６）のそれぞれに非磁性分離層１１を隣接させる。
最後に、下部シールド１と同様の形成方法により、非磁性分離層１１の上に上部シールド２を形成する。これにより、図２および図３に示したように、隣接接合型の再生センサ素子１００を備えた磁気再生ヘッドが完成する。
［磁気再生ヘッドおよびその製造方法の作用および効果］
本実施形態の磁気再生ヘッドおよびその製造方法では、隣接接合型の再生センサ素子１００において、センサ積層体３０の側壁２０，２１にハードバイアス構造５０が隣接されている。このハードバイアス構造５０は、複合シード層２２の上に、ＰＭＡを有するハードバイアス層２５が形成された多層構造を有している。複合シード層２２は、Ｔａ層の上に金属層（Ｍ１）が形成された多層構造を有しており、その金属層（Ｍ１）は、ｆｃｃ（１１１）結晶構造またはｈｃｐ（００１）結晶構造を有している。ハードバイアス層２５は、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造（Ｒ１＝ＣｏまたはＣｏＦｅ、Ｒ２層＝Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、ｘ＝整数、各Ｒ２層の厚さｔ２＞各Ｒ１層の厚さｔ１）を有している。
この場合には、複合シード層２２によりハードバイアス層２５の結晶性が向上するため、そのハードバイアス層２５において大きなＰＭＡが得られると共に長手バイアスの強度が増加する。このため、複合シード層２２は薄くて済む。また、長手バイアスの強度は、同等の厚さを有するＣｏＰｔ層またはそれを含む合金よりも大きくなり、ハードバイアス層２５の積層数ｘに応じて容易に調整可能である。しかも、ハードバイアス層２５の形成工程では、Ｃｏ／Ｎｉ界面などのＲ１／Ｍ２界面が安定に維持されるため、ＰＭＡも安定に維持される。
よって、隣接接合型の再生センサ素子３０に悪影響を与える可能性があるアニールを必要とせずに、薄いシード層（複合シード層２２）によりハードバイアス層２５に大きなＰＭＡを付与することができる。これにより、１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍを超える異方性磁界Ｈｋと、１に近い角型比と、同等の厚さを有するＣｏＰｔ層よりも大きなＭｒＴ値を得ることができる。さらに、ハードバイアス層２５の結晶性を向上させるために、そのハードバイアス層２５においてｆｃｃ（１１１）結晶構造を得ることができる。
次に、本発明の実施例について詳細に説明する。
以下の実験により、ハードバイアス構造に適用されるシード層の厚さを薄くすることに関して、（Ｃｏ／Ｎｉ）x で表される多層構造を有するハードバイアス層の有効性を調べた。
（実験例１）
単層のシード層（Ｃｕ）、ハードバイアス層として［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．４ｎｍ厚）］20、保護層としてＲｕ（１ｎｍ厚）／Ｔａ（４ｎｍ厚）／Ｒｕ（３ｎｍ厚）を用いてハードバイアス構造を形成したのち、振動試料磁力計（ＶＳＭ：vibrating sample magnometer ）を用いてＭＨ曲線（図４）を測定してＰＭＡを調べた。この場合には、シード層の厚さを１００ｎｍ（図４（Ａ））、５０ｎｍ（図４（Ｂ））、２０ｎｍ（図４（Ｃ））または１０ｎｍ（図４（Ｄ））とした。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）において、上段のヒステリシス曲線は膜面と平行な方向における磁界成分、下段のヒステリシス曲線は膜面に垂直な方向における磁界成分（ＰＭＡ）をそれぞれ示している。
図４に示したように、下段のヒステリシス曲線において距離Ｓ１〜Ｓ４が生じていることは、ハードバイアス層においてＰＭＡが得られていることを表しており、その距離Ｓ1 〜Ｓ4 の大きさは、ＰＭＡの大きさに比例している。単層のシード層（Ｃｕ）を用いた場合には、十分なＰＭＡが得られず、そのＰＭＡは、シード層の厚さが小さくなると著しく減少してしまった。ただし、シード層の厚さが極薄（＝１０ｎｍ）になっても、ＰＭＡはかろうじて得られている。
なお、トルク測定（torque measurement）から、シード層＝Ｃｕ（１０ｎｍ厚）およびハードバイアス層＝（Ｃｏ／Ｎｉ）20である場合の異方性磁界Ｈｋは、１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍよりも大きくなると推定された。
（実験例２）
複合シード層の有効性を確認するために、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２（Ｍ１≠Ｍ２）で表される複合シード層としてＴａ（３ｎｍ厚）／Ｒｕ（２ｎｍ厚）／Ｃｕを用いたことを除き、実験例１と同様の多層構造を有するハードバイアス層を形成すると共に、ＭＨ曲線（図５）を測定してＰＭＡを調べた。この場合には、複合シード層におけるＣｕ層の厚さを２００ｎｍ（図５（Ａ））、２０ｎｍ（図５（Ｂ））、１０ｎｍ（図５（Ｃ））または５ｎｍ（図５（Ｄ））とした。
図５に示したように、複合シード層を用いた場合には、単層のシード層を用いた場合（図４）よりもＰＭＡが改善された。このようにＰＭＡが改善されたことは、Ｃｕ層の厚さが同じ（＝１０ｎｍ）である場合において、距離Ｓ5 （図５（Ｃ））が距離Ｓ4 （図４（Ｄ））よりも大幅に大きくなっていることから、明らかである。この結果は、Ｃｕ層が薄い場合には、複合シード層（Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ）を用いると、単層のシード層（Ｃｕ）を用いる場合よりもハードバイアス層においてＰＭＡが大きくなることを表している。しかも、複合シード層を用いた場合には、単層のシード層を用いた場合よりも、ヒステリシス曲線の中央部における傾斜が急になった（より垂直に近くなった）ため、垂直磁気特性も改善された。特に、複合シード層を用いた場合には、Ｃｕ層の厚さが極薄である場合（＝５ｎｍ：図５（Ｄ））でさえ、単層のシード層（Ｃｕ）を用いると共にその厚さを大きくした場合（＝１００ｎｍ：図４（Ａ））よりもＰＭＡが大きくなった。
なお、トルク測定から、シード層＝Ｔａ（３ｎｍ厚）／Ｒｕ（２ｎｍ厚）／Ｃｕ（５ｎｍ厚）およびハードバイアス層＝（Ｃｏ／Ｎｉ）20である場合の異方性磁界Ｈｋは、１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍよりも大きくなると推定された。
（実験例３）
実験例２で用いた複合シード層に関して、Ｃｕ層の厚さをさらに薄くした場合の効果を確認するために、複合シード層としてＴａ（３ｎｍ厚）／Ｒｕ（５ｎｍ厚）／Ｃｕ、ハードバイアス層として［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．５ｎｍ厚）］20を用いると共に、複合シード層におけるＣｕ層の厚さを変更したことを除き、実験例２と同様の多層構造を有するハードバイアス層を形成すると共に、ＭＨ曲線（図６）を測定してＰＭＡを調べた。この場合には、複合シード層におけるＣｕ層の厚さを５ｎｍ（図６（Ａ））、３ｎｍ（図６（Ｂ））または０ｎｍ（図６（Ｃ））とした。
図６に示したように、複合シード層を用いた場合には、Ｃｕ層の厚さを薄くし、さらにＣｕ層を除去しても、大きなＰＭＡが得られた。
（実験例４）
絶縁層（酸化アルミニウム）の上に、複合シード層としてＴａ（１ｎｍ厚）／Ｒｕ（２ｎｍ厚）／Ｃｕ（１ｎｍ厚）、ハードバイアス層として［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．４ｎｍ厚）］30、保護層としてＴａ（６ｎｍ厚）を用いてハードバイアス構造を形成すると共に、ＭＨ曲線（図７）を測定してＰＭＡを調べた。
図７に示したように、ハードバイアス層の積層数ｘを増加させた場合（ｘ＝３０）においても、［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．４ｎｍ厚）］20と同等のＰＭＡが得られた。この場合には、優れたバイアス効果により、異方性磁界Ｈｋ＞１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ、ＭｒＴ＞２ｍｅｍｕ／ｃｍ2 、角型比≒１であった。このため、上記した複合シード層およびハードバイアス層をＣＰＰ−ＧＭＲ型またはＴＭＲ型の再生センサ素子に適用すると、良好なバイアス効果が得られるため、フリー層の磁化状態が安定化される。もちろん、ハードバイアス層の積層数ｘは、ここでは３０としたが、それに限られずに任意に増減されてもよい。
（実験例５）
複合シード層としてＴａ（３ｎｍ厚）／Ｒｕ（５ｎｍ厚）／Ｃｕ（１０ｎｍ厚）、ハードバイアス層として［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．５ｎｍ厚）］20、保護層としてＲｕ（１ｎｍ厚）／Ｔａ（４ｎｍ厚）／Ｒｕ（３ｎｍ厚）を用いてハードバイアス構造を形成したのち、そのハードバイアス構造をアニールすると共に、ＭＨ曲線（図８）を測定してＰＭＡを調べた。図８において、左側はアニール前、右側はアニール後のＭＨ曲線である。アニール条件は、温度＝２２０℃および時間＝２時間とし、アニール時には磁界を印加しなかった。
図８に示したように、複合シード層を用いた場合には、アニールせず、またはアニール時に磁界を印加しなくても、大きなＰＭＡが得られた。この場合には、特に、アニールすると、ＰＭＡがより大きくなった。アニールにより得られた結晶磁気異方性定数Ｋｕおよび異方性磁界Ｈｋは、それぞれ５．６４×１０6 ×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝５．６４×１０6 Ｏｅ）および１７１６１×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝１７１６１Ｏｅ）であった。
（実験例６）
絶縁層（酸化アルミニウム）の上に、複合シード層としてＴａ（１ｎｍ厚）／Ｒｕ（２ｎｍ厚）／Ｃｕ（１ｎｍ厚）、ハードバイアス層として［Ｃｏ（ｔ１＝０．２ｎｍ厚）／Ｎｉ（ｔ２＝０．４ｎｍ厚）］30、保護層としてＴａ（６ｎｍ厚）を用いてハードバイアス構造を形成すると共に、ＭＨ曲線（図９）を測定してＰＭＡを調べた。この場合には、複合シード層をより薄くした。ハードバイアス層では、図２を参照して説明したように、複合シード層の膜面に垂直な方向に容易軸が配向する。
図９に示したように、やはり大きなＰＭＡが得られると共に、優れたバイアス効果により異方性磁界Ｈｋ＞１５０００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ、ＭｒＴ＞２ｍｅｍｕ／ｃｍ2 、角型比≒１であった。この場合には、２０ｎｍ厚のＣｏＰｔ層と同等のＭｒＴ値を得るためには、（Ｃｏ／Ｎｉ）30の厚さは１８ｎｍで済む。なお、長手バイアスの強度を増加させるためには、ハードバイアス層の積層数ｘを大きくしたり、Ｃｏ層の厚さｔ１およびＮｉ層の厚さｔ２を大きくすればよい。
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施形態で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、磁気ヘッドにおける一連の構成要素の材質、寸法および形成方法などは、適宜変更可能である。
１…下部シールド、２…上部シールド、３…絶縁層、１１…非磁性分離層、２２…複合シード層、２５…ハードバイアス層、２６…保護層、３０…センサ積層体、５０…ハードバイアス構造、１００…再生センサ素子。

Claims (23)

  1. フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有するセンサ積層体に隣接され、前記フリー層に長手バイアスを印加するハードバイアス構造であって、
    （ａ）基体の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）と、を含む複合シード層と、
    （ｂ）前記複合シード層の上に形成され、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層と、
    （ｃ）前記ハードバイアス層の上に形成されると共にＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層と
    を備え、
    前記複合シード層は、前記センサ積層体における複数の層の膜面に平行な方向に延在する第１部分と、前記センサ積層体の側壁に沿う方向に延在すると共に前記第１部分に連結された第２部分とを有し、
    前記ハードバイアス層において、前記Ｒ１層はＣｏまたはＣｏＦｅ、前記Ｒ２層はＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、前記ｘは整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２は各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きく、
    前記センサ積層体の上面と前記複合シード層の上面と前記ハードバイアス層の上面と前記保護層の上面とは、同一面内に位置し、
    前記複合シード層は、前記金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有し、
    前記金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、
    前記金属層（Ｍ１）と前記金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である
    ことを特徴とするハードバイアス構造。
  2. 前記保護層は、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕで表される多層構造を有する
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  3. 前記ｘは１０以上７０以下、前記厚さｔ１は０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、前記厚さｔ２は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  4. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  5. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ２）の厚さは０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  6. 前記基体は、下部シールドの上に形成された絶縁層であり、
    前記絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物のうちの少なくとも１種である
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  7. 前記ＣｏＦｅはＣｏ(100-w) Ｆｅw （０原子％＜ｗ≦９０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＦｅはＮｉ(100-y) Ｆｅy （０原子％＜ｙ≦５０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＣｏはＮｉ(100-z) Ｃｏz （０原子％＜ｚ≦５０原子％）で表される組成を有する
    ことを特徴とする請求項１記載のハードバイアス構造。
  8. （ａ）上面を有する下部シールドと、
    （ｂ）前記下部シールドの上面に形成され、フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有するセンサ積層体と、
    （ｃ）前記下部シールドの上面および前記センサ積層体の側壁に沿うように形成され、金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物のうちの少なくとも１種である絶縁層と、
    （ｄ）前記絶縁層の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）と、を含む複合シード層と、
    （ｅ）前記複合シード層の上に形成され、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層と、
    （ｆ）前記ハードバイアス層の上に形成されると共にＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層と、
    （ｇ）前記保護層の上に形成され、前記センサ積層体の上面に隣接するように延在する非磁性分離層と、
    （ｈ）前記非磁性分離層の上に形成され、その非磁性分離層および前記センサ積層体を介して前記下部シールドと電気的に接続された上部シールドとを備え、
    前記複合シード層は、前記センサ積層体における複数の層の膜面に平行な方向に延在する第１部分と、前記センサ積層体の側壁に沿う方向に延在すると共に前記第１部分に連結された第２部分とを有し、
    前記ハードバイアス層において、前記Ｒ１層はＣｏまたはＣｏＦｅ、前記Ｒ２層はＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、前記ｘは整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２は各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きく、
    前記センサ積層体の上面と前記複合シード層の上面と前記ハードバイアス層の上面と前記保護層の上面とは、同一面内に位置し、
    前記複合シード層は、前記金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有し、
    前記金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、
    前記金属層（Ｍ１）と前記金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である
    ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
  9. 前記前記ｘは１０以上７０以下、前記厚さｔ１は０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、前記厚さｔ２は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  10. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
    前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  11. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ２）の厚さは０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  12. 前記非磁性分離層はＲｕであり、その厚さは１．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  13. 前記保護層は、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕで表される多層構造を有する
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  14. 前記ＣｏＦｅはＣｏ(100-w) Ｆｅw （０原子％＜ｗ≦９０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＦｅはＮｉ(100-y) Ｆｅy （０原子％＜ｙ≦５０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＣｏはＮｉ(100-z) Ｃｏz （０原子％＜ｚ≦５０原子％）で表される組成を有する
    ことを特徴とする請求項８記載の磁気再生ヘッド。
  15. フリー層を含むスピンバルブ構造を有するセンサ積層体に隣接され、前記フリー層に長手バイアスを印加するハードバイアス構造の形成方法であって、
    （ａ）基体の上に、前記フリー層を含む複数の層を有すると共に上面および側壁を有する前記センサ積層体を形成する工程と、
    （ｂ）前記基体および前記センサ積層体の側壁に沿うように、金属酸化物、金属窒化物および金属酸窒化物のうちの少なくとも１種である絶縁層を形成する工程と、
    （ｃ）前記絶縁層の上に、その絶縁層の上に形成されたＴａ層と、そのＴａ層の上に形成されると共にＲｕ、ＣｕまたはＡｕを含む金属層（Ｍ１）と、を含む複合シード層を形成する工程と、
    （ｄ）前記複合シード層の上に、（Ｒ１／Ｒ２）x で表される多層構造を有すると共に垂直磁気異方性を有するハードバイアス層を形成し、そのハードバイアス層において、前記Ｒ１層がＣｏまたはＣｏＦｅ、前記Ｒ２層がＮｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ、前記ｘが整数であると共に、各Ｒ２層の厚さｔ２が各Ｒ１層の厚さｔ１よりも大きくなるようにする工程と、
    （ｅ）前記ハードバイアス層の上に、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方を含む保護層を形成する工程と、
    （ｆ）前記センサ積層体の上面と前記複合シード層の上面と前記ハードバイアス層の上面と前記保護層の上面とが同一面内に位置するように、化学機械研磨法を用いて前記センサ積層体、前記複合シード層、前記ハードバイアス層および前記保護層を研磨する工程と
    を含み、
    前記複合シード層は、前記金属層（Ｍ１）の上に形成された金属層（Ｍ２）を含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２で表される多層構造を有し、
    前記金属層（Ｍ２）は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇであり、
    前記金属層（Ｍ１）と前記金属層（Ｍ２）とは、異なる種類である
    ことを特徴とするハードバイアス構造の形成方法。
  16. ０．５時間以上１０時間以下の時間および２００℃以上２８０℃以下の温度の条件で、前記ハードバイアス構造をアニールする工程を含む
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  17. 前記ハードバイアス層を形成する工程において、２００Ｗ未満のＲＦパワーおよび１５ｃｍ3 ／分よりも大きなアルゴンガス流量を含む条件で、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて前記Ｒ１層および前記Ｒ２層を形成する
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  18. 前記基体は下部シールドである
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  19. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
    前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  20. 前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ１）の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記金属層（Ｍ２）の厚さは０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  21. 前記ｘは１０以上７０以下、前記厚さｔ１は０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、前記厚さｔ２は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  22. Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕで表される多層構造を有するように前記保護層を形成する
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
  23. 前記ＣｏＦｅはＣｏ(100-w) Ｆｅw （０原子％＜ｗ≦９０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＦｅはＮｉ(100-y) Ｆｅy （０原子％＜ｙ≦５０原子％）で表される組成を有し、
    前記ＮｉＣｏはＮｉ(100-z) Ｃｏz （０原子％＜ｚ≦５０原子％）で表される組成を有する
    ことを特徴とする請求項１５記載のハードバイアス構造の形成方法。
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