JP2000251223A - スピンバルブ磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド - Google Patents

スピンバルブ磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド

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JP2000251223A
JP2000251223A JP11045077A JP4507799A JP2000251223A JP 2000251223 A JP2000251223 A JP 2000251223A JP 11045077 A JP11045077 A JP 11045077A JP 4507799 A JP4507799 A JP 4507799A JP 2000251223 A JP2000251223 A JP 2000251223A
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antiferromagnetic layer
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Tomoki Fukagawa
智機 深川
Hiroshi Nishida
宏 西田
Masateru Nose
正照 野瀬
Fuminori Higami
文範 樋上
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 基板上に非磁性導電層８を挟む一対の強
性磁性層７、９と反強磁性層６とを積層したスピンバル
ブ磁気抵抗センサにおいて、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｉｒ
−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｈ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｕ−Ｍｎ−Ｘ
合金及びＰｄ−Ｍｎ−Ｘ合金のいずれか（Ｘは周期律表
のIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、IIIｂ族及びIVｂ族の元素
から選択される１種又は２種以上の元素）を用い、かつ
Ｘを０．１ａｔ％乃至１５ａｔ％の範囲で含む反強磁性
材料を用いて反強磁性層を形成する。 【効果】 反強磁性層は、膜厚を薄くしても、高い（１
１１）配向性及び良好な結晶性を確保し、それにより、
交換結合磁場Ｈexを高くでき、ＭＲ比が向上する。また
ピン磁性層・フリー磁性層間の相互作用磁場Ｈintを低
くでき、アシンメトリーを小さくできる。更に、ブロッ
キング温度ＴBを従来の反強磁性層に比較して高くで
き、熱的安定性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録装置に使
用される磁気抵抗型センサに関し、特にスピンバルブ磁
気抵抗効果を利用した磁気センサ及び薄膜磁気ヘッドに
関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、再生用磁気ヘッドにおいて飽和磁
界を小さくして磁界感度を高めるために、基板上に非磁
性層を挟んで１対の磁性層を積層したサンドイッチ構造
のスピンバルブ膜からなる磁気抵抗（ＭＲ）センサが開
発されている。スピンバルブ膜は、一方の磁性層（ピン
磁性層）の磁化が、それに隣接する反強磁性層との交換
結合磁界により素子高さ方向に固定されるのに対し、他
方の磁性層（フリー磁性層）の磁化は、一般に永久磁石
の磁界を利用したハードバイアス法により、素子のトラ
ック幅方向に単磁区化され、外部磁界により自由に回転
する。
【０００３】反強磁性層による一方向異方性磁場が大き
いほど、ピン磁性層を良好に単磁区化することができ、
またその磁化が十分に固定されるほど、外部磁場に対す
る磁気応答の線形性が確保され、磁気センサの磁気特性
が向上する。反強磁性材料としては、例えば特開平９−
３５２１２号公報に記載されるように、大きな交換結合
磁場が得られ、ブロッキング温度を高くでき、耐食性に
優れ、熱処理（アニール）温度が低いこと、及び膜厚を
薄くできることなどの特性が要求され、従来から様々な
材料が提案されている。
【０００４】一方、上記反強磁性層は、磁気センサの薄
型化、消費電力の低減、高記録密度化などの点から可能
な限りその膜厚を薄くすることが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら反強磁性材料として一般に使用されているＦｅＭｎ合
金は腐食しやすいという問題がある。また、ＩｒＭｎ合
金、ＲｈＭｎ合金、ＦｅＭｎ合金などは下地層の影響を
受け易いので、特に基板側に反強磁性層を配置しかつそ
の上にピン磁性層を積層する所謂ボトムタイプのスピン
バルブ構造では、（１１１）結晶配向性の高い下地膜を
設けたり、膜厚を厚くする必要がある。また、ＮｉＭｎ
合金では、ピン磁性層との交換結合を十分に確保するた
めに、２５０℃以上の高温で熱処理（アニール）する必
要があり、そのためにピン層／非磁性層／フリー層間に
金属元素の拡散が生じてＭＲ比を低下させる虞がある。
【０００６】特開平１０−９１９２１号公報に記載され
るスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドでは、かかる問題点を
解消するために、反強磁性層がＰｔＭｎ合金またはＰｄ
Ｍｎ合金により形成されている。同公報によれば、Ｐｔ
Ｍｎ合金及びＰｄＭｎ合金は耐食性が良好で、２３０℃
以下の低い温度での熱処理により有効な交換結合磁場を
発揮し、ブロッキング温度が高いので、熱的安定性に優
れた良好な薄膜磁気ヘッドが得られる。
【０００７】ところが、これらの合金を反強磁性層に用
いた場合にも、安定した十分な値の交換結合磁場を確保
するためには、その膜厚を例えば２５０Å以上に厚くし
て、ピン磁性層との界面における（１１１）結晶配向性
を上げる必要がある。反強磁性層の膜厚を大きくし過ぎ
ると、センス電流の反強磁性層への分流が増大して、Ｍ
Ｒ比が低下するという問題が生じる。また、高磁気記録
密度、装置の小型化に伴う磁気ヘッドの小型化の観点か
ら磁気センサの薄型化を図ることが望ましい。
【０００８】本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、
磁気抵抗効果膜の反強磁性層を薄く形成しても良好な
（１１１）結晶配向性が得られ、それにより高い交換結
合磁気実現でき、かつ相互作用磁場を低減して再生出力
のアシンメトリーを小さくし得るスピンバルブ磁気抵抗
センサを提供することを目的とする。
【０００９】また、本発明の別の目的は、かかるスピン
バルブ磁気抵抗センサを備えることにより、より高記録
密度化及び小型化を達成可能な高性能の薄膜磁気ヘッド
を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した目的は、本発明
によれば、基板上に非磁性層を挟んで配置された１対の
磁性層と、一方の前記磁性層に隣接する反強磁性層とを
積層した磁気抵抗効果膜を備えるスピンバルブ磁気抵抗
センサであって、前記反強磁性層が、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ合
金、Ｉｒ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｈ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｕ−
Ｍｎ−Ｘ合金及びＰｄ−Ｍｎ−Ｘ合金のいずれかであ
り、前記Ｘが周期律表のIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、III
ｂ族及びIVｂ族の元素から選択される１種又は２種以上
の元素からなり、かつ前記Ｘを０．１ａｔ％乃至１５ａ
ｔ％の範囲で含む反強磁性材料からなることを特徴とす
るスピンバルブ磁気抵抗センサを提供することにより達
成される。
【００１１】上述した合金に第３元素Ｘを添加した反強
磁性材料を用いることにより、反強磁性層は、その下地
の膜層の結晶配向性に依らず、その初期成膜層部分から
結晶性及び（１１１）配向性が向上するので、その膜厚
を薄くしても十分な交換結合磁場が得られ、かつ相互作
用磁場を低減できる。
【００１２】特に反強磁性材料がＰｔ−Ｍｎ−Ｘ合金か
らなり、その組成が（Ｐｔx−Ｍｎ1 -x）1-y−Ｘyであ
り、かつｘ及びｙがそれぞれ５≦ｘ≦２０及び０．１≦
ｙ≦１５の範囲内、又は３６≦ｘ≦５4及び０．１≦ｙ
≦１５の範囲内にあると、反強磁性層が良好な結晶性及
び（１１１）配向性を示すので好都合である。この場
合、反強磁性層は、２００℃乃至３５０℃の温度で熱処
理（アニール）することにより、ピン磁性層と有効に交
換結合させることができる。
【００１３】また、反強磁性材料がＩｒ−Ｍｎ−Ｘ合金
からなり、前記ＸがＴａ、Ｚｒ及びＮｂから選択される
１種又は２種以上の元素からなり、かつＸを０．１ａｔ
％乃至１５ａｔ％の範囲で含むと、同様に良好な結晶性
及び（１１１）配向性が得られるので、好ましい。
【００１４】更に本発明の別の側面によれば、上述した
スピンバルブ磁気抵抗センサを備えることにより、磁気
的に優れた特性を有し、かつ高記録密度化が可能な薄膜
磁気ヘッドが提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施の形
態について添付の図面を参照して詳細に説明する。図１
は、本発明を適用したボトムスピンバルブ磁気抵抗セン
サをＡＢＳ（空気ベアリング面）側から見た断面図であ
る。このスピンバルブ磁気抵抗センサは、ガラスやシリ
コン、Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＣなどのセラミック材料からなる
基板上に設けたアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）絶縁層１の上に厚
さ３０ÅのＴａ膜からなる下地層２が形成され、その上
にボトムスピンバルブ構造の磁気抵抗（ＭＲ）膜３が積
層されている。
【００１６】ＭＲ膜３は、下地層２の上に積層したＰｔ
−Ｍｎ−Ｘ合金からなる反強磁性層４と、厚さ２０Åの
Ｃｏ90Ｆｅ10膜からなるピン磁性層５と、厚さ２５Åの
Ｃｕ膜からなる非磁性導電層６と、厚さ１０ÅのＣｏ90
Ｆｅ10膜７及び厚さ５０ÅのＮｉ80Ｆｅ20膜８からなる
フリー磁性層９とを有する。ＭＲ膜３は、成膜後に真空
磁場中で後述する所定の熱処理を行うことにより、反強
磁性層４を規則化させ、かつピン磁性層５に一方向異方
性を与えて、その磁化配向を固定する。このＭＲ膜３の
上には、厚さ３０ÅのＴａからなる保護膜１０が成膜さ
れている。
【００１７】反強磁性層４はｆｃｃ結晶構造を有し、か
つそのＰｔ−Ｍｎ−Ｘ合金中に含まれるＸは、周期律表
のIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、IIIｂ族及びIVｂ族の元素
から選択される１種又は２種以上の元素であり、その含
有量は０．１ａｔ％〜１５ａｔ％の範囲内である。この
ような膜組成として、特に（Ｐｔ5 〜 20−Ｍｎ80 〜 95）
85 〜 99.9−Ｘ0.1 〜 15、又は（Ｐｔ36 〜 54−Ｍ
ｎ46 〜 64）85 〜 99.9−Ｘ0.1 〜 15が好ましい。このＭＲ
膜は、２００℃乃至３５０℃の温度で所定時間、例えば
１０時間熱処理されている。
【００１８】このような膜組成を用いることにより、反
強磁性層４は、基板との間に（１１１）結晶配向性の高
い特別な下地層を設けなくても、その成膜初期層部分か
ら良好な（１１１）結晶配向性を示す。従って、反強磁
性層の膜厚を従来より薄くしても、ピン磁性層５との十
分な交換結合を得ることができる。また、反強磁性層の
上に形成するピン磁性層５の（１１１）配向性も向上す
る。
【００１９】ＭＲ膜３の両側は、所定のトラック幅に合
わせてエッチングにより除去され、ハードバイアス層及
びセンス電流を流すための電極としての導電リード（共
に図示せず）等が形成される。この積層構造全体を更に
アルミナ絶縁層で被覆して、本発明のスピンバルブＭＲ
センサが完成する。
【００２０】図１のボトムスピンバルブ構造の磁気抵抗
センサにおいて、前記Ｘに周期律表IVａ族のＴｉを選択
し、（ＰｔＭｎ）1-y−Ｔｉy組成の合金として反強磁性
層４を形成した。このＴｉの含有量に対する反強磁性層
の（１１１）配向の強さを図２に示す。同図から分かる
ように、０．１ａｔ％〜１５ａｔ％のＴｉ量で強い（１
１１）配向性が得られた。
【００２１】更に、この場合における反強磁性層の膜厚
と交換結合磁場Ｈexとの関係を図３に示す。比較例とし
て、図１と同様の構造のスピンバルブ磁気抵抗センサに
ついて、従来のＰｔＭｎ合金を用いて反強磁性層を形成
した。この場合の反強磁性層の膜厚と交換結合磁場Ｈex
との関係を併せて図３に示す。尚、これらの反強磁性層
は、２３０℃及び２５０℃で１０時間熱処理した。同図
から、従来のＰｔＭｎ合金の反強磁性層が膜厚２００Å
以上で所望の交換結合磁場Ｈexが得られるのに比して、
本発明による反強磁性層は厚さ１００Å以下でも十分な
交換結合磁場Ｈexが得られることが分かる。
【００２２】また、同じくＸをＴｉとしてＰｔＭｎＴｉ
合金で形成した反強磁性層の膜厚と相互作用磁場Ｈint
との関係を図４に示す。比較例として、同じく従来のＰ
ｔＭｎ合金で形成した反強磁性層の膜厚とピン磁性層・
フリー磁性層間の相互作用磁場Ｈintとの関係を併せて
図４に示す。尚、これらの反強磁性層は、２５０℃及び
２７０℃で１０時間熱処理した。同図から、従来のＰｔ
Ｍｎ合金の反強磁性層では、ピン磁性層・フリー磁性層
間の相互作用磁場Ｈintが全体として高い値を示すのに
比較して、本発明による反強磁性層では、ピン磁性層・
フリー磁性層間の相互作用磁場Ｈintが全体的に低く、
特に膜厚が２５０Å以下の薄い範囲で０（Ｏｅ）に近付
いており、優れた磁気特性を発揮し得ることが分かる。
【００２３】更に本願発明者によれば、交換結合磁場Ｈ
uaが０となるブロッキング温度ＴBも、従来のＰｔＭｎ
合金からなる反強磁性層に比較して、本発明による反強
磁性層を用いた場合に高くなっており、熱的にも安定し
ていることが判明した。
【００２４】尚、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ合金のＸは、Ｔｉ
以外に周期律表のIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、IIIｂ族及
びIVｂ族の他の元素又はそのＴｉを含む２種以上の組合
わせを選択することができ、同様の作用が期待できる。
【００２５】別の実施例では、図１における反強磁性層
４を、上述したＰｔ−Ｍｎ−Ｘ合金以外に、Ｉｒ−Ｍｎ
−Ｘ合金、Ｒｈ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｕ−Ｍｎ−Ｘ合金及
びＰｄ−Ｍｎ−Ｘを用いて形成することができる。この
場合にも、前記Ｘは、周期律表のIIａ族、IVａ族、Ｖａ
族、IIIｂ族及びIVｂ族の元素から選択される１種又は
２種以上の元素であり、同様の作用効果が得られる。
【００２６】図５は、図１のスピンバルブ構造におい
て、ＸをＺｒとするＩｒＭｎＺｒ合金で反強磁性層４を
形成した場合に、反強磁性層の膜厚と交換結合磁場Ｈex
との関係を示している。比較例として、従来のＩｒＭｎ
合金で形成した反強磁性層の膜厚と交換結合磁場Ｈexと
の関係を併せて図５に示す。同図から従来のＩｒＭｎ合
金の反強磁性層に比較して、本発明による反強磁性層
は、その膜厚が４０Å以下に薄くても十分な交換結合磁
場Ｈexが得られるのが分かる。
【００２７】また、前記Ｉｒ−Ｍｎ−Ｘ合金の場合に
は、ＸとしてＺｒ以外に特にＴａ又はＮｂ、若しくはＺ
ｒを含むそれらの組み合わせによっても同様に優れた作
用効果が期待できる。
【００２８】また、本発明は、反強磁性層を基板と反対
側に、ピン磁性層の上に積層する所謂トップスピンバル
ブ構造についても、同様に適用することができる。上述
したように本発明による反強磁性層は、その下地層に依
存することなく、良好な（１１１）結晶配向性が得られ
るので、膜厚を薄くしてもピン磁性層との間に十分な交
換結合磁場が発揮される。更に本発明は、全ゆるタイプ
のスピンバルブ構造に適用することができ、同様の作用
効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明の反強磁性材料を用いて形成したスピンバルブ膜の反
強磁性層は、その膜厚を薄くしても下地層に依存するこ
となく高い（１１１）配向性及び良好な結晶性を確保で
きるので、交換結合磁場Ｈexが高くなってＭＲ比を向上
させることができ、相互作用磁場Ｈintが低くなってア
シンメトリーを小さくでき、ブロッキング温度ＴBも従
来に比較して高くできるので、熱的安定性が得られる。
そして、これにより高性能で信頼性が高く高記録密度化
可能な磁気ヘッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したボトムスピンバルブ磁気抵抗
センサの要部をＡＢＳ側から見た模式的断面図。
【図２】（ＰｔＭｎ）1-yＴｉyの組成の合金を反強磁性
層としたときのＴｉの含有率（ａｔ％）と（１１１）配
向の強さとの関係を示す線図。
【図３】ＰｔＭｎＴｉ合金からなる反強磁性層の膜厚と
交換結合磁場Ｈexとの関係を示す線図。
【図４】ＰｔＭｎＴｉ合金からなる反強磁性層の膜厚と
ピン磁性層・フリー磁性層間の相互作用磁場Ｈintとの
関係を示す線図。
【図５】ＩｒＭｎＺｒ合金からなる反強磁性層の膜厚と
交換結合磁場Ｈexとの関係を示す線図。
【符号の説明】
１ 絶縁層 ２ 下地層 ３ ＭＲ膜 ４ 反強磁性層 ５ ピン磁性層 ６ 非磁性導電層 ７ ＣｏＦｅ膜 ８ ＮｉＦｅ膜 ９ フリー磁性層 １０ 保護膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野瀬 正照 富山県高岡市二上町180番地 国立高岡短 期大学内 (72)発明者 樋上 文範 大阪府三島郡島本町江川２丁目15番17号 リードライト・エスエムアイ株式会社内 Ｆターム(参考） 5D034 BA05 CA08 DA07

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に非磁性層を挟んで配置された１
    対の磁性層と、一方の前記磁性層に隣接する反強磁性層
    とを積層した磁気抵抗効果膜を備えるスピンバルブ磁気
    抵抗センサであって、 前記反強磁性層が、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｉｒ−Ｍｎ−
    Ｘ合金、Ｒｈ−Ｍｎ−Ｘ合金、Ｒｕ−Ｍｎ−Ｘ合金及び
    Ｐｄ−Ｍｎ−Ｘ合金のいずれかであり、前記Ｘが周期律
    表のIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、IIIｂ族及びIVｂ族の元
    素から選択される１種又は２種以上の元素からなり、か
    つ前記Ｘを０．１ａｔ％乃至１５ａｔ％の範囲で含む反
    強磁性材料からなることを特徴とするスピンバルブ磁気
    抵抗センサ。
  2. 【請求項２】 前記反強磁性材料がＰｔ−Ｍｎ−Ｘ合金
    からなり、その組成が（Ｐｔx−Ｍｎ1-x）1-y−Ｘyであ
    り、かつｘ及びｙがそれぞれ５≦ｘ≦２０、０．１≦ｙ
    ≦２０、０．１≦ｙ≦１５の範囲内にあることを特著後
    する請求工１に記載のスピンバルブ磁気抵抗センサ。
  3. 【請求項３】 前記反強磁性層が、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ合金
    からなり、その組成が（Ｐｔx−Ｍｎ1-x）1-y−Ｘyであ
    り、かつｘ及びｙがそれぞれ３６≦ｘ≦５４、０．１≦
    ｙ≦１５の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記
    載のスピンバルブ磁気抵抗センサ。
  4. 【請求項４】 前記反強磁性材料が磁場中で２００℃乃
    至３５０℃の温度で熱処理されていることを特徴とする
    請求項２又は３に記載のスピンバルブ磁気抵抗センサ。
  5. 【請求項５】 前記反強磁性材料がＩｒ−Ｍｎ−Ｘ合金
    からなり、前記ＸがＴａ、Ｚｒ及びＮｂから選択される
    １種又は２種以上の元素からなり、かつ前記Ｘを０．１
    ａｔ％乃至１５ａｔ％の範囲で含むことを特徴とする請
    求項１に記載のスピンバルブ磁気抵抗センサ。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載のスピ
    ンバルブ磁気抵抗センサを有することを特徴とする薄膜
    磁気ヘッド。
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