JPWO2004051629A1 - 磁気ディスク装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
現在、再生ヘッドの磁気抵抗効果素子には、一般に、スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜が用いられている。スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜は、自由磁性層/非磁性層/固定磁性層/反強磁性層の多層構造を基本構成とするものである。
このようなスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜の感度を高めて高記録密度化を図るために、例えば、日本国の特開平6−236527号公報には、自由磁性層の膜厚を薄くして自由磁性層の背面に隣接するように導電層を形成し、伝導電子の平均自由行程を伸ばす構造が開示されている。
また、『Kamiguchi et al「CoFe SPECULAR SPIN VALVES WITH A NANO OXIDE LAYER」Digests of Intermag 1999、DB−01、1999』には、NOL(Nano Oxide Layer)と呼ばれる極薄の酸化層を、自由磁性層もしくは固定磁性層中に挿入し、伝導電子を酸化層と金属層の界面で反射させて、いわゆる鏡面反射効果を得る手法が開示されている。このような構成によると、スピンバルブ膜が擬似的な人工格子膜のようになり、MR比を向上させることができる。
また、日本国の特開平7−262520号公報には、多層膜からなるGMR素子において、膜面に垂直に電流を流すCPP(currentperpendicular−to−the−plane)モードを適用すると、従来の膜面に平行に電流を流すCIP(current in−the−plane)モードに比べて抵抗変化が約2倍以上となることが報告されており、CPP−スピンバルブ膜への適応が盛んに行われている。
このように、今後さらに厳しく要望される磁気記録メディアへの高記録密度化に対して、再生ヘッドの磁気抵抗効果素子においては、磁気記録メディアに短波長で記録された信号を再生するために、磁気抵抗効果膜のさらなる高感度化が必要であるという課題がある。
この目的を達成するために、本発明の第1の態様における磁気ディスク装置は、磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられており、前記反強磁性層は酸素を含有する金属化合物にて形成されていることを特徴とする。
このような構成であると、磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を設けているため、電子を反強磁性反応層と金属層の界面で反射させることができ、電子の拡散度合いが増すことから高MR比が得られ、高記録密度化が実現できる。
また、木発明の第2の態様における磁気ディスク装置は、膜面に対して垂直な電流方向(CPPモード)で動作する磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられており、前記反強磁性層は酸素を含有する金属化合物からなることを特徴とする。
このような構成であると、CPPモード動作の磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置においても高MR比が得られ、高記録密度化が図れる。
本発明においては、上記第1,第2の態様において、反強磁性反応層が酸素を含有するMn系金属化合物にて形成されており、その膜厚が0.1〜2.5nmであることが好ましい。反強磁性反応層には、窒素、水素、H2Oから選ばれる少なくとも1種類以上が含まれていることが好ましい。さらに、反強磁性反応層が自然酸化あるいはプラズマ酸化にて形成されてなることが好ましい。
また、反強磁性層がMn系合金にて形成されるとともに、Pt、Ir、Ru、Rhから選ばれる少なくとも1種類以上が含まれていることが好ましい。また、この反強磁性層の下地層がNiFeまたはNiFeCrにて形成されていることが好ましい。
また、強磁性層ならびに前記自由磁性層は、Fe、Co、Niの少なくとも1種類以上を含む合金にて形成され、非磁性層はCuを含む合金にて形成されていることが好ましい。さらに、強磁性層が、第1の強磁性層/金属中間層/第2の強磁性層で構成された積層フェリ構造であり、前記金属中間層はRu、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも1種類以上を含む合金にて形成されることが好ましい。
また、本発明においては、上記第1,第2の態様における磁気ディスク装置を製造するに際し、第1の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第1のチャンバーに搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第2のチャンバーへ搬入して前記第1のチャンバーの真空度よりも低い真空度で真空放出を行って前記反強磁性層の形成面に反強磁性反応層を形成し、前記基板を第2のチャンバーから取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層の上に強磁性層を形成し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。
また、第2の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第1のチャンバーに搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第2のチャンバーへ搬入して、H2OまたはO2が1ppm以上含まれるガスにより表面処理を行って反強磁性反応層を形成し、この基板を第2のチャンバーから取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層の上に強磁性層を形成し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。
上記第1,第2の製造方法において、第1のチャンバーの真空度が1×10−6〜1×10−8Paの範囲であることが好ましい。
また、第3の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第1のチャンバーに搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第2のチャンバーへ搬入して、前記第1のチャンバー内よりもH2O濃度またはO2濃度が高い雰囲気下に曝して反強磁性反応層を形成し、この基板を第2のチャンバーから取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層の上に強磁性層し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。
また、上記第1〜第3の製造方法において、第2のチャンバー内の真空雰囲気中で基板を60秒以上曝すことが好ましい。また、第2のチャンバー内でのプロセスが終了した後に、基板を再び第1のチャンバーに搬送して、強磁性層以降の成膜プロセスを行なうことが好ましい。
さらに、上記第1〜第3の製造方法は、ヘリコンロングスロースパッタ装置を使用することにより容易に実現できる。
以上のように、本発明では、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層を備えたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜の反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を形成することで、磁気抵抗効果素子のMR比が増大してヘッド出力の高出力化が可能となる。このように高感度な再生ヘッドを有する磁気ディスク装置は、近年要望されている高密度記録化、高容量化が実現できる。
図2は同実施の形態における磁気抵抗効果膜の構成を示す模式図である。
図3は同実施の形態における磁気抵抗効果膜の下地材料への依存性を示すX線回折プロファイルである。
図4は同実施の形態におけるスピンバルブ膜のMR比の測定グラフである。
図5は同実施の形態におけるスピンバルブ膜の非磁性層の膜厚に対するMR比および層間結合磁界Hintの依存性を示すグラフである。
図6は本発明の実施の形態2における磁気ディスク装置の再生ヘッドを磁気記録メディアに対向するヘッド摺動面から見た要部の拡大断面模式図である。
図7は同実施の形態におけるGMR素子の接合面積と抵抗変化率との関係を示す図である。
図8は本発明の実施の形態3で用いたスパッタ装置の平面図である。
図9は同実施の形態における真空放置時間に対するMR比を示すグラフである。
図10は同実施の形態における真空放置条件に対するMR比を示すグラフである。
実施の形態1
図1〜図5は、木発明の実施の形態1を示す。
図1に示す磁気ディスク装置の再生ヘッドにおいて、パーマロイ、Co系アモルファス、Fe系微粒子等の軟磁性材料にて形成された磁性膜である下部シールド層1の上には、Al2O3、AlN、SiO2等の非磁性絶縁材料にて形成された下部ギャップ絶縁層2が配置されている。下部ギャップ絶縁層2の上には、GMR素子3が設けられている。GMR素子3の詳細は図示されていないが、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層などを備えた積層膜であり、その具体的な構成については後述する。GMR素子3を構成する積層膜の両側部はイオンミリング等のエッチング処理が施されて傾斜した側面を有する台形状となっている。この積層膜の両側には左右一対のハードバイアス層4が設けられている。ハードバイアス層4は、少なくともGMR素子3を構成する自由磁性層の両側面に接するようにして下部ギャップ絶縁層2の上に形成されたものであり、CoPt合金等の硬質磁性材料にて形成される。ハードバイアス層4の上には、GMR素子3に少なくとも線接触するようにして、Cu、Cr、Ta等の材料により左右一対の電極リード層5が形成されている。左右一対の電極リード層5とGMR素子3の上には、下部ギャップ絶縁部2と同様の絶縁材料により上部ギャップ絶縁層6が形成されている。上部ギャップ絶縁層6の上には、下部シールド層1と同様の軟磁性材料により上部シールド層7が形成されている。
図2a,2bに示すように、GMR素子3は、スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜にて構成されている。
図2aは、下地層11、反強磁性層12、反強磁性反応層13、強磁性層14、非磁性層15、自由磁性層16、保護層17で構成されたボトム型スピンバルブ構造のスピンバルブ膜である。
図2bは、下地層11、第1の反強磁性層12、反強磁性反応層13、第1の強磁性層14、第1の非磁性層15、自由磁性層16、第2の非磁性層18、第2の強磁性層19、第2の反強磁性層20、保護層17で構成されたデュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜である。
このように、反強磁性層12と強磁性層14との間に反強磁性反応層13を設けることで、スピンバルブ膜のMR比が増大し、ヘッド出力の高出力化が可能となる。
以下、スピンバルブ膜の詳細を説明する。
下地層11は、下部ギャップ層2とスピンバルブ膜との密着性を強化するとともにスピンバルブ膜の配向性を高めるために用いられるものであり、Ta膜にて形成されるのが一般的である。スピンバルブ膜の配向性をより一層高めるためには、下地層11を2層化、例えばTa層/NiFe系合金層の2層構造とすることが好ましい。
下地層11がスピンバルブ膜に与える影響を調べるために、ボトム型のスピンバルブ膜を各種材料からなる下地層11に形成して、X線回折を行った。なお、ここでのスピンバルブ膜は従来と同様のものである。
得られた測定結果を図3に示す。
図中、縦軸は強度であり、横軸は回折角である。また、(a)は下地層11がTaであるもの、(b)は下地層11がTa層/NiFe層の2層構造であるもの、(c)は下地層11がTa層/NiFeCr層の2層構造であるものである。
破線で囲んだSV(111)配向の拡大グラフを見ると、(a)に示すTa下地ではスピンバルブ膜の回折ピークは非常に弱いが、(b),(c)に示す2層構造の下地ではスピンバルブ膜の(111)回折ピークが非常に強くなっている。このように、下地層11を2層化することで、スピンバルブ膜の配向性が高まることが明らかである。
なお、ここではボトム型のスピンバルブ膜を例に挙げて説明したが、デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜など、その他の系のスピンバルブ膜においても同様のことが確認されている。また、上記説明では、下地層11としてTa単層構造のものと、Ta層/NiFe層およびTa層/NiFeCr層からなる2層構造のものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、別の材料からなるものであってもよく、または下地層11は特に用いなくても良い。
反強磁性層12は、強磁性層14との間に交換結合を持たせる役割を果たすものである。デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜においては、第1の反強磁性層12と第1の強磁性層14、第2の反強磁性層20と第2の強磁性層19との間に交換結合を持たせる役割を果たすものである。
反強磁性層12,20はMn系合金にて形成されることが好ましく、Pt、Ir、Ru、Rhから選ばれる少なくとも1種類以上を含むMn系合金を用いることがより好ましい。本発明においては、特に、IrMn膜を用いることが好ましい。IrMn膜は、20at%Ir−80at%Mnターゲットを用いて、スパッタアルゴンガス圧の制御下で所定の膜組成になるようにスパッタリングすることで形成できる。
本発明の特徴である反強磁性反応層13は、反強磁性層12と強磁性層14との層間結合磁界を強めて高MR比を得るためのものである。この反強磁性反応層13は、酸素を含有する金属化合物にて形成されることが好ましく、酸素を含有するMn系金属化合物にて形成されることがより好ましい。このような金属化合物からなる層は、自然酸化またはプラズマ酸化などの酸化プロセスにて得ることができる。
また、反強磁性反応層13には、添加元素として、窒素、水素、H2Oから選ばれる少なくとも1種類以上を含むことがより好ましい。
反強磁性反応層13の厚みは、0.1〜2.5nmの範囲にあることが好ましく、0.1〜2.0nmの範囲であることがより好ましく、0.15〜2.0nmの範囲であることが更に好ましい。反強磁性反応層13の厚みが2.5nmを超えると、反強磁性層12と強磁性層14との層間結合磁界が弱まってMR比を十分に高めることができず、反強磁性反応層13の厚みが0.1nm未満であると、十分なMR比を得ることができない。
反強磁性反応層13によるMR比の向上効果を確認するために、反強磁性反応層のない従来のスピンバルブ膜と、反強磁性反応層13を有する本発明のスピンバルブ膜のそれぞれについてMRカーブを測定した。
図4aは従来のスピンバルブ膜のMRカーブを示し、図4bは本発明のスピンバルブ膜のMRカーブを示す。図中、縦軸はMR比であり、横軸Hは印加磁場である。
ここで、スピンバルブ膜はいずれもデュアル型であり、その詳細は以下の通りである。
下地層11[Ta層(3nm)/NiFeCr層(3nm)]、反強磁性層12[IrMn層(5nm)]、反強磁性反応層13があるものは[MnO2(1nm)]、強磁性層14[CoFe層(2nm)]、非磁性層15[Cu層(2.3nm)]、自由磁性層16[CoFe層(3nm)]、非磁性層18[Cu層(2.3nm)]、強磁性層19[CoFe層(2nm)]、反強磁性層20[IrMn層(5nm)]、保護層17[Ta層(3nm)]とした。なお、()内の数値は各層の厚みである。
図4aに示すように、反強磁性反応層がない従来のスピンバルブ膜ではMR比が約14%であった。一方、本発明における反強磁性反応層13が設けられたスピンバルブ膜は、MR比が約17%であり、従来よりもMR比の高いものであった。
このように反強磁性層12と強磁性層14との間に反強磁性反応層13を形成することでMR比が増大することがわかる。
強磁性層14、19は、反強磁性層12と強磁性層14との間、ならびに反強磁性層20と強磁性層19との間を交換結合するものであり、交換結合により強磁性層14、19の磁化が一方向に固定される。
強磁性層14、19は、Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類以上を含有する合金にて形成されることが好ましく、本発明においては、CoFeを用いることがより好ましい。
また、スピンバルブ膜がデュアル型である場合には、強磁性層14、19と反強磁性層12,20との交換結合をより一層高めるために、積層フェリ固定磁性層としてもよい。積層フェリ固定磁性層とは、第1,第2の強磁性層14、19の間に、例えばRu層を設けて第1,第2の強磁性層14、19の磁化を反平行にさせ、人為的に積層フェリ構造を作りだすものである。実際、CoFe/Ru/CoFeの系において、Ru膜厚が0.5〜0.9nmの範囲であると、(膜全体の残留磁化Mr)/(飽和磁化Ms)の値がほぼ零となっており、第1,第2の強磁性層14、19の磁化がRu層を介して反平行状態になることが明らかとなっている。このような構成とする場合、Ru層の厚みは0.6〜0.8nmであることが好ましく、0.7nm付近、すなわち0.65〜0.75nmの範囲であることがより好ましい。強磁性層14,19に挿入する中間層はRu層に限定されるものではなく、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれるうちの少なくとも1つが用いられていれば良く、複数の成分を含有する合金にて形成されるものであってもよい。
また、第1,第2の強磁性層14、19は、同じ材料にて形成されていてもよく、それぞれ別の材料にて形成されていてもよい。
また、本発明においては、第1,第2の強磁性層14、19に膜厚差をもたせる、もしくは各強磁性層における飽和磁化Msと膜厚Tとの積(Ms×t)の値に差を持たせることで、第1,第2の強磁性層14、19と自由磁性層16との層関結合磁界Hintの調整を行うこともできる。
非磁性層15,18はCuにて形成されていることが好ましく、その膜厚を変化させることで上記した強磁性層14、19と自由磁性層16との層間結合磁界Hintを制御することが可能となる。
非磁性層15,18の膜厚が変化することによるスピンバルブ膜のMR特性の変化は顕著である。例えば、膜構成がTa層(3nm)/NiFeCr層(3nm)/IrMn層(5nm)/CoFe層(2nm)/Cu層(tnm)/CoFe層(3nm)/Ta層(3nm)であるボトム型のスピンバルブ膜において、Cu層の膜厚tを変化させた時のスピンバルブ膜のMR比の変化を図5aに、固定磁性層と自由磁性層16との層間結合磁界Hintの変化を図5bに、それぞれ示す。
図5a,5bから、Cu層の膜厚tの僅かな違いにより、MR比、層間結合磁界Hintともに大きな影響を受けることが明らかである。MR比はスピンバルブ膜の感度を決めるものであり、層間結合磁界Hintは自由磁性層16のバイアス点を決めるものであり、いずれも重要なパラメータである。
自由磁性層16は、Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類以上を含む合金にて形成されることが好ましい。自由磁性層16の磁化は外部磁界に対して比較的自由に回転できる必要があり、軟磁気特性が良いことが要求される。そのため、自由磁性層16には、非磁性層15,18との界面における散乱係数が高く、非磁性層15,18と固溶しにくいCo系合金がよく使用される。しかし、Co系合金にて形成された自由磁性層16は、若干、軟磁気特性が悪いことから、本発明においてはCoFe合金、より具体的にはCo90Fe10を用いることが好ましい。また、自由磁性層16は、単層構造のものだけでなく、散乱係数が高いCo系合金からなる磁性層と軟磁気特性に優れたNiFe合金からなる層との2層構造からなるものであってもよい。更に、自由磁性層16の薄膜化に対して比較的有利な積層フリー構造やスピンフィルター構造も適用できる。
保護膜17は、スピンバルブ膜が各プロセスによって酸化されるのを防ぐ役割を有するものであり、本発明においてはTaが好適に使用できる。実際、スピンバルブ膜に用いられる反強磁性層12,20(Mn系合金)は、高温での熱処理プロセスが施されたり、パターン形成のためにスピンバルブ膜を積層した後に一度大気中にさらされたりすることから、保護膜17を設けることでこのようなプロセスによる酸化を防ぐことができる。
実施の形態2
図6,図7は本発明の実施の形態2を示す。
この実施の形態2ではCPPモードのGMR素子3を用いた点で上記実施の形態1と異なる。
図6に示す磁気ディスク装置の再生ヘッドにおいて、パーマロイ、Co系アモルファス、Fe系微粒子等の軟磁性材料にて形成された磁性膜である下部シールド層1の上に、下部電極リード層21を介してGMR素子3が形成されている。ここでは下部電極リード層21として、Ta(3nm)/Cu(300nm)/Ta(50nm)を用いている。
GMR素子3を構成するスピンバルブ膜は、上記実施の形態1で説明したものと同様である。GMR素子3の上部には、下部電極リード層21と同様の導電材料にて形成された上部電極リード層22が設けられており、下部電極リード層21と上部電極リード層22とでGMR素子3をサンドイッチするような構造となっている。ここでは、上部電極リード層22として、Ta(3nm)/Cu(50nm)を用いている。
GMR素子3の前後両側端面は、イオンミリング等のエッチング方法により傾斜する面を有するように形成されている。そして、GMR素子3の両側における下部シールド層1の上には、Al2O3、AlN、SiO2等の非磁性絶縁材料にて形成されたギャップ絶縁層2が設けられている。
上部電極リード層22の上面およびギャップ絶縁層2を覆うように、下部シールド層1と同様の軟磁性材料にて形成された共通シールド層7が設けられ、再生ヘッドの素子部が形成されている。
上記のように構成された再生ヘッドの素子部では、下部電極リード層21から供給された電流は、GMR素子部3を通って上部電極リード層22を流れる。このように、供給された電流がGMR素子部3を膜に対して垂直方向に流れるものは、CPP構造と呼ばれている。
上記のように本発明のスピンバルブ膜にて構成されたCPP−GMR素子と、従来のスピンバルブ膜にて構成されたCPP−GMR素子とを用いて、GMR素子3と下部電極リード層21との接合面積Sと抵抗変化率ΔRとの関係を調べた。得られた測定結果を図7に示す。
図7において、丸で示すように、反強磁性層12と強磁性層14との間に反強磁性反応層13を形成した本発明のスピンバルブ膜を用いると、三角で示す従来のものにくらべて抵抗変化率ΔRが増大している。
従って、GMR素子がCPPモードで動作するものであり、かつ、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を設けたスピンバルブ膜を用いることで、抵抗変化率が増大してヘッド出力の高出力化が図れる。
実施の形態3
図8〜図10は、本発明の実施の形態3を示す。この実施の形態では、上記した各実施の形態における再生ヘッドのGMR素子部を構成するスピンバルブ膜の製造方法について説明する。
スピンバルブ膜の成膜装置としては、特に限定されるものではなく従来公知のものが使用できるが、ここでは、磁性膜の形成に適していることからヘリコンロングスロースパッタ装置を例に挙げて説明する。ヘリコンロングスロースパッタ装置の特徴は、より低いガス圧での放電が可能である点にあり、その結果、ターゲット表面からたたき出された微粒子の平均自由行程が大きくなり、ターゲットと基板との距離を長くしても充分な成膜速度が得られる。ターゲットと基板との間の距離を長くすることは、基板表面に飛来する微粒子の入射角をより垂直方向に揃えるという作用を有する。スピンバルブ膜を構成する磁性膜の成膜に際しては、基板表面に対して斜め方向から飛来する微粒子は磁気特性を損なうことがあるため、磁性膜の成膜に際しては、基板表面に対して垂直方向から飛来する微粒子を主体に成膜することが望ましい。
図8は、ヘリコンロングスロースパッタ装置を示す。
装置の中央には、基板を順次各チャンバーに送るための搬送アームなどの搬送装置(図示せず)が設けられた搬送チャンバー27が配置されている。搬送チャンバー27の周囲には、基板をスパッタ装置内に搬入搬出するためのロードロックチャンバー23、スパッタエッチング装置24、高真空度用チャンバー25、低真空度用チャンバー26が配置されている。そして、中央の搬送チャンバー27に設けられた搬送装置により基板を順次各チャンバーに送り、真空中で連続して多層膜を形成するよう構成されている。
高真空度用チャンバー25では、スパッタガスとしてAr等の不活性ガスのみが用いられており、到達真空度は1×10−7Pa程度である。低真空度用チャンバー26では、酸化物等の不純物を含むターゲット、またはスパッタガスとしてAr等の不活性ガス以外のガス(例えば、O2やN2等)を用いてスパッタ処理が施され、到達真空度は1×10−6Pa程度である。
上記のように構成されたスパッタ装置を用いた、スピンバルブ膜の具体的な製造方法を説明する。スピンバルブ膜としては、上記実施の形態1における図2bのデュアルスピンバルブ構造のものを製造した。その構成は、Ta層/NiFeCr層/IrMn層/反強磁性反応層/CoFe層/Cu層/CoFe層/Cu層/CoFe層/IrMn層/Ta層である。また、スパッタターゲットとしては直径5インチのものを使用した。
まず、基板をロードロックチャンバー23に配置し、所望の真空度になるまでロードロックチャンバー23内の真空排気を行った。この際の真空度は1.0×10−4Pa以下とした。所定の真空度に到達後、基板をロードロックチャンバー23から取り出してスパッタエッチング装置24に搬入し、基板表面の不純物に対する表面処理を施した。
表面処理が施された基板をスパッタエッチング装置24から取り出して、高真空度用チャンバー25に搬入し、下地層11を形成し、引き続きスピンバルブ膜の成膜を行った。
スピンバルブ膜の成膜は、具体的には、まず、高真空度用チャンバー25にて基板に第1の反強磁性層12を成膜した。
次いで、この基板を高真空度用チャンバー25から取り出して、別チャンバー、ここではロードロックチャンバー23に搬送し、高真空度用チャンバー25における成膜真空度よりも低い真空度で所望時間、真空放置を行い、反強磁性反応層13を成膜した。
高真空度用チャンバー25内の真空度は特に限定されるものではないが、1×10−6〜1×10−8Paの範囲にあることが好ましい。
反強磁性反応層13を成膜した後、この基板を再び高真空度用チャンバー25に搬送して、第1の強磁性層14、第1の非磁性層15、自由磁性層16、第2の非磁性層18、第2の強磁性層19、第2の反強磁性層20、保護層17を従来公知の手法により成膜して、デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜を作成した。なお、上記した一連のスピンバルブ膜の成膜プロセスは、真空雰囲気を一度も破ることなく行っている。
このように、反強磁性層12を成膜した基板を高真空度用チャンバー25から取り出して、低い真空度のロードロックチャンバー23内に放置することで、容易に反強磁性反応層13を容易に形成することができる。
図9は、反強磁性層12を成膜した後の基板をロードロックチャンバー23内に放置した時間と、得られたスピンバルブ膜のMR比との関係を示すグラフである。
図中、三角はスピンバルブ膜を成膜した直後の基板であり、丸はスピンバルブ膜の成膜が終了した基板をチャンバーから取り出し、従来公知のアニール装置を用いて、真空中、200℃、2.5時間、印加磁場240KA/mの条件下で熱処理プロセス(アニール処理)を施した基板のMR比である。
なお、測定に際し、高真空度用チャンバー25内の真空度を6.0×10−8Paとし、ロードロックチャンバー23内の真空度は3.0×10−6Paとした。
図9のデータを表1に示す。
従来の反強磁性反応層が設けられていなスピンバルブ膜は、図9において、放置時間0秒に相当する。反強磁性層12が形成された後にアニール処理が施されていないものは、MR比が約9.5%であり、アニール処理が施されているものは、MR比が約14%となっている。
これに対して、上記した本発明の製造方法に従い反強磁性反応層13が形成されたスピンバルブ膜では、成膜後のMR比が約15%、アニール処理後のMR比が約18%と増大している。
このように、本発明においては、真空放置処理によって反強磁性反応層13の形成が可能となり、その結果、高MR比を有するスピンバルブ膜が得られる。なお、反強磁性反応層13の膜厚は、放置する真空度と放置時間により制御することが可能である。
図10は、反強磁性層12を成膜した後に放置する真空度の違いと、スピンバルブ膜の規格化したMR比との関係を示すグラフである。横軸のA〜Eは、反強磁性層12を成膜した後の条件を示している。また、図中、三角はアニール処理が施されていないもの、丸はアニール処理が施されたものを示す。
A:従来の連続成膜法によってスピンバルブ膜を成膜した。
B:反強磁性層12を成膜した後、基板を大気中に一度曝し、その後、スピンバルブ膜を成膜した。
C:反強磁性層12を成膜した後、強磁性層14を形成するまでの間に、一旦、基板をチャンバーから取り出し、別のアニール装置にて真空中で熱処理プロセスを施し、再び前と同じ条件のチャンバーに戻し、引き続いてスピンバルブ膜を成膜した。
D:反強磁性層12を成膜した後、基板をロードロックチャンバー23に搬入して高真空度用チャンバー25よりも高い真空雰囲気下(8×10−8Pa)に曝した後、このプロセスを経てスピンバルブ膜を成膜した。
E:反強磁性層12を成膜した後、基板をロードロックチャンバー23に搬入して高真空度用チャンバー25よりも低い真空雰囲気下(3.0×10−6Pa)に曝した後、このプロセスを経てスピンバルブ膜を成膜した。
図10に示すように、条件Bのように基板を大気中に放置したスピンバルブ膜や、条件Cのように熱処理プロセスを施したスピンバルブ膜は、条件Aの従来のスピンバルブ膜よりもむしろMR比が低下している。また、条件Dのように基板を高い真空雰囲気下に曝したものは、多少のMR比の増大はあるがそれ程大きな効果は得られていない。
これに対して、木発明の製造方法を用いた条件Eのもの、すなわち基板を低い真空雰囲気下に曝したスピンバルブ膜は、条件Aの従来のスピンバルブ膜よりもMR比が約25〜50%程度増大している。
このように反強磁性反応層13の形成には、基板を、反強磁性層12を成膜する高真空度用チャンバー25よりも低い真空雰囲気下に曝すことが必要であり、好ましくは1×10−7Pa以上の真空雰囲気中に曝すことが必要である。
本発明においては、上記した方法のほかに、反強磁性反応層13を形成する有効な方法として、反強磁性層12を成膜した後、強磁性層14を成膜する前に、基板を成膜プロセスチャンバー(高真空度用チャンバー25)よりもH2O濃度またはO2濃度の高い別のチャンバーに搬送し、この雰囲気下に、例えば数10秒程度曝した後、基板を成膜プロセスチャンバーに戻して強磁性層14以降の層を成膜する方法もある。
また、反強磁性反応層13を形成する更に有効な別の方法として、反強磁性層12を成膜した後、H2OまたはO2が1ppm以上含まれるガスにより基板に表面処理を行い、その後スパッタ成膜チャンバーに戻し、強磁性層14以降の層を成膜する方法もある。このときの基板の表面処理時間は特に限定されるものではないが、図9,表1に示すように、表面処理時間とヘッド出力に比例するMR比(%)との関係から明らかなように、表面処理時間が60秒程度になると飽和領域に達していることから、表面処理時間を60秒以上とすることが好ましい。
なお、上記説明では、反強磁性反応層13が形成された基板を、再び高真空度用チャンバー25に戻してスピンバルブ膜を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高真空度用チャンバー25とは別のチャンバーで成膜することも可能である。
本発明においては、上記第1,第2の態様において、反強磁性反応層が酸素を含有するMn系金属化合物にて形成されており、その膜厚が0.1〜2.5nmであることが好ましい。反強磁性反応層には、窒素、水素、H2Oから選ばれる少なくとも1種類以上が含まれていることが好ましい。さらに、反強磁性反応層が自然酸化あるいはプラズマ酸化にて形成されてなることが好ましい。
また、第3の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第1のチャンバーに搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第2のチャンバーへ搬入して、前記第1のチャンバー内よりもH2O濃度またはO2濃度が高い雰囲気下に曝して反強磁性反応層を形成し、この基板を第2のチャンバーから取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層の上に強磁性層し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。
図1〜図5は、本発明の実施の形態1を示す。
図1に示す磁気ディスク装置の再生ヘッドにおいて、パーマロイ、Co系アモルファス、Fe系微粒子等の軟磁性材料にて形成された磁性膜である下部シールド層1の上には、Al2O3、AlN、SiO2等の非磁性絶縁材料にて形成された下部ギャップ絶縁層2が配置されている。下部ギャップ絶縁層2の上には、GMR素子3が設けられている。GMR素子3の詳細は図示されていないが、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層などを備えた積層膜であり、その具体的な構成については後述する。GMR素子3を構成する積層膜の両側部はイオンミリング等のエッチング処理が施されて傾斜した側面を有する台形状となっている。この積層膜の両側には左右一対のハードバイアス層4が設けられている。ハードバイアス層4は、少なくともGMR素子3を構成する自由磁性層の両側面に接するようにして下部ギャップ絶縁層2の上に形成されたものであり、CoPt合金等の硬質磁性材料にて形成される。ハードバイアス層4の上には、GMR素子3に少なくとも線接触するようにして、Cu、Cr、Ta等の材料により左右一対の電極リード層5が形成されている。左右一対の電極リード層5とGMR素子3の上には、下部ギャップ絶縁部2と同様の絶縁材料により上部ギャップ絶縁層6が形成されている。上部ギャップ絶縁層6の上には、下部シールド層1と同様の軟磁性材料により上部シールド層7が形成されている。
図2aは、下地層11、反強磁性層12、反強磁性反応層13、強磁性層14、非磁性層15、自由磁性層16、保護層17で構成されたボトム型スピンバルブ構造のスピンバルブ膜である。
以下、スピンバルブ膜の詳細を説明する。
図中、縦軸は強度であり、横軸は回折角である。また、(a)は下地層11がTaであるもの、(b)は下地層11がTa層/NiFe層の2層構造であるもの、(c)は下地層11がTa層/NiFeCr層の2層構造であるものである。
反強磁性反応層13の厚みは、0.1〜2.5nmの範囲にあることが好ましく、0.1〜2.0nmの範囲であることがより好ましく、0.15〜2.0nmの範囲であることが更に好ましい。反強磁性反応層13の厚みが2.5nmを超えると、反強磁性層12と強磁性層14との層間結合磁界が弱まってMR比を十分に高めることができず、反強磁性反応層13の厚みが0.1nm未満であると、十分なMR比を得ることができない。
ここで、スピンバルブ膜はいずれもデュアル型であり、その詳細は以下の通りである。
強磁性層14、19は、反強磁性層12と強磁性層14との間、ならびに反強磁性層20と強磁性層19との間を交換結合するものであり、交換結合により強磁性層14、19の磁化が一方向に固定される。
また、本発明においては、第1,第2の強磁性層14、19に膜厚差をもたせる、もしくは各強磁性層における飽和磁化Msと膜厚Tとの積(Ms×t)の値に差を持たせることで、第1,第2の強磁性層14、19と自由磁性層16との層関結合磁界Hintの調整を行うこともできる。
図6,図7は本発明の実施の形態2を示す。
この実施の形態2ではCPPモードのGMR素子3を用いた点で上記実施の形態1と異なる。
図8〜図10は、本発明の実施の形態3を示す。この実施の形態では、上記した各実施の形態における再生ヘッドのGMR素子部を構成するスピンバルブ膜の製造方法について説明する。
装置の中央には、基板を順次各チャンバーに送るための搬送アームなどの搬送装置(図示せず)が設けられた搬送チャンバー27が配置されている。搬送チャンバー27の周囲には、基板をスパッタ装置内に搬入搬出するためのロードロックチャンバー23、スパッタエッチング装置24、高真空度用チャンバー25、低真空度用チャンバー26が配置されている。そして、中央の搬送チャンバー27に設けられた搬送装置により基板を順次各チャンバーに送り、真空中で連続して多層膜を形成するよう構成されている。
スピンバルブ膜の成膜は、具体的には、まず、高真空度用チャンバー25にて基板に第1の反強磁性層12を成膜した。
反強磁性反応層13を成膜した後、この基板を再び高真空度用チャンバー25に搬送して、第1の強磁性層14、第1の非磁性層15、自由磁性層16、第2の非磁性層18、第2の強磁性層19、第2の反強磁性層20、保護層17を従来公知の手法により成膜して、デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜を作成した。なお、上記した一連のスピンバルブ膜の成膜プロセスは、真空雰囲気を一度も破ることなく行っている。
図中、三角はスピンバルブ膜を成膜した直後の基板であり、丸はスピンバルブ膜の成膜が終了した基板をチャンバーから取り出し、従来公知のアニール装置を用いて、真空中、200℃、2.5時間、印加磁場240KA/mの条件下で熱処理プロセス(アニール処理)を施した基板のMR比である。
図9のデータを表1に示す。
B:反強磁性層12を成膜した後、基板を大気中に一度曝し、その後、スピンバルブ膜を成膜した。
2 下部ギャップ絶縁層
3 GMR素子部
4 ハードバイアス層
5 電極リード層
6 上部ギャップ絶縁層
7 共通シールド層
11 下地層
12、20 反強磁性層
13 反強磁性反応層
14、19 強磁性層
15,18 非磁性層
16 自由磁性層
17 保護層
21 下部電極リード層
22 上部電極リード層
23 ロードロックチャンバー
25 高真空度用チャンバー
26 低真空度用チャンバー
Claims (15)
- 磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層(12)、強磁性層(14)、非磁性層(15)、自由磁性層(16)で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層(12)と強磁性層(14)との間に反強磁性反応層(13)が設けられており、前記反強磁性層(12)は酸素を含有する金属化合物にて形成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。
- 膜面に対して垂直な電流方向(CPPモード)で動作する磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層(12、20)、強磁性層(14、19)、非磁性層(15,18)、自由磁性層(16)で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層(12、20)と強磁性層(14、19)との間に反強磁性反応層(13)が設けられており、前記反強磁性層(12、20)は酸素を含有する金属化合物からなることを特徴とする磁気ディスク装置。
- 反強磁性反応層(13)が酸素を含有するMn系金属化合物にて形成されており、その膜厚が0.1〜2.5nmであることを特徴とする請求項1または請求項2記載の磁気ディスク装置。
- 反強磁性反応層(13)に窒素、水素、H2Oから選ばれる少なくとも1種類以上が含まれていることを特徴とする請求項3記載の磁気ディスク装置。
- 反強磁性反応層(13)が自然酸化あるいはプラズマ酸化にて形成されてなることを特徴とする請求項1または2記載の磁気ディスク装置。
- 反強磁性層(12、20)がMn系合金にて形成されるとともに、Pt、Ir、Ru、Rhから選ばれる少なくとも1種類以上が含まれており、前記反強磁性層(12)の下地層(11)がNiFeまたはNiFeCrにて形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の磁気ディスク装置。
- 強磁性層(14、19)ならびに自由磁性層(16)は、Fe、Co、Niの少なくとも1種類以上を含む合金にて形成され、非磁性層(15,18)はCuを含む合金にて形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の磁気ディスク装置。
- 強磁性層(14、19)が、第1の強磁性層(14)/金属中間層/第2の強磁性層(19)で構成された積層フェリ構造であり、前記金属中間層はRu、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも1種類以上を含む合金にて形成されることを特徴とする請求項1または2記載の磁気ディスク装置。
- 反強磁性層(12)、強磁性層(14)、非磁性層(15)、自由磁性層(16)の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、
前記磁気抵抗効果膜を、
基板を第1のチャンバー(25)に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層(12)を形成し、前記基板を第2のチャンバー(23)へ搬入して前記第1のチャンバーの真空度よりも低い真空度で真空放出を行って前記反強磁性層(12)の形成面に反強磁性反応層(13)を形成し、前記基板を第2のチャンバー(23)から取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層(13)の上に強磁性層(14)を形成し、反強磁性層(12)と強磁性層(14)との間に反強磁性反応層(13)が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法。 - 反強磁性層(12)、強磁性層(14)、非磁性層(15)、自由磁性層(16)の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、
前記磁気抵抗効果膜を、
基板を第1のチャンバー(25)に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層(12)を形成し、前記基板を第2のチャンバー(23)へ搬入して、H2OまたはO2が1ppm以上含まれるガスにより表面処理を行って反強磁性反応層(13)を形成し、この基板を第2のチャンバー(23)から取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層(13)の上に強磁性層(14)を形成し、反強磁性層(12)と強磁性層(14)との間に反強磁性反応層(13)が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法。 - 第1のチャンバー(25)の真空度が1×10−6〜1×10−8Paの範囲であることを特徴とする請求項9または10記載の磁気ディスク装置の製造方法。
- 反強磁性層(12)、強磁性層(14)、非磁性層(15)、自由磁性層(16)の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、
前記磁気抵抗効果膜を、
基板を第1のチャンバー(25)に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層(12)を形成し、前記基板を第2のチャンバー(23)へ搬入して、前記第1のチャンバー(25)内よりもH2O濃度またはO2濃度が高い雰囲気下に曝して反強磁性反応層(13)を形成し、この基板を第2のチャンバー(23)から取り出して別のチャンバーにて前記反強磁性反応層(13)の上に強磁性層(14)を形成し、反強磁性層(12)と強磁性層(14)との間に反強磁性反応層(13)が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法。 - 第2のチャンバー(23)内の真空雰囲気中に基板を60秒以上曝すことを特徴とする請求項9、10および12記載の磁気ディスク装置の製造方法。
- 第2のチャンバー(23)内でのプロセスが終了した後に、基板を再び第1のチャンバー(23)に搬送して、強磁性層(14)以降の成膜プロセスを行なうことを特徴とする請求項9、10および12記載の磁気ディスク装置の製造方法。
- ヘリコンロングスロースパッタ装置を使用することを特徴とする請求項9、10および12記載の磁気ディスク装置の製造方法。
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