JP2000500292A - 磁界センサ及び磁界センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基板（１）、酸化ニッケルを含む交換バイアシング層（２）、交換バイアシング層（２）で交換バイアスした磁気層（３）の積み重ね構造を有し、少なくとも交換バイアシング層（２）をＮｅ及び／又はＨｅを含むスパッターガスを用いてスパッター堆積により設けることを特徴とする磁界センサの製造方法。磁気層（３）はパーマロイを含むのが好ましい。特定例において、磁気層（３）を第２の磁気層（５）から中間の非磁気層（４）により分離して、スピンバルブ三重層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 磁界センサ及び磁界センサの製造方法 本発明は、 基板、 酸化ニッケルを含む交換バイアシング層、 交換バイアシング層で交換バイアスした磁気層 の積み重ね構造を有し、少なくとも交換バイアシング層をスパッター堆積により 設ける磁界センサの製造方法に関する。 この種類の磁界センサは、特に、 磁気テープ、ディスク又はカードの形態の記録媒体から発出する磁束を解読す るのに用いることができる磁気ヘッドとして、 例えば自動車、航空、海上又はパーソナルナビゲーションシステムにおいて、 地球の磁場を検出するための羅針盤として、 医学的スキャナにおける磁界センサとして及び種々の他の用途におけるホール 型プローブの代用品として、 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭｓ）におけるメモリセルとして、 用いることができる。 本明細書中で用いられる用語「酸化ニッケル」は、すべてのニッケルと酸素と の化学量論的又は非化学量論的化合物を意味するものと解釈されたい。これに関 連して記号「ＮｉＯ」をしばしば用いるが、この記号は、ＮiＯ_{1 ±δ} （ここで δは正の有理数である）の形態の化合物を含むものと解釈されたい。用語「基板 」は、交換バイアシング層を上に設けることができる材料製の全ての物体を意味 するものと解釈されたい。従ってこのような物体は、複合物（例えばガラス板上 に他の材料層を塗布した場合）とすることができる。明白に、磁気層は交換バイ アシング層の上又は下に配置することができることに注意されたい。さらに、用 語「交換バイアシング」は、水平交換バイアシング（長手方向バイアシングとも 云う）及び鉛直交換バイアシング（また垂直又は横方向バイアシングとも云う） を 含むものと解釈されたい。 最初のパラグラフで述べた方法は、記載されている交換バイアシング層が酸化 ニッケルではなく鉄−マンガン合金（ＦｅＭｎ）から構成されていること以外は 、欧州特許出願第ＥＰ ５９４ ２４３号明細書から知られている。いわゆるス ピンバルブ磁気抵抗効果を利用する記載されているセンサにおいて、パーマロイ の第１の及び第２の層をＣｕの中間層を介して磁気的に結合させ、第１のパーマ ロイ層を隣接するＦｅＭｎ層で交換バイアスする。この交換バイアシングの結果 、第１のパーマロイ層の磁化は適正な位置に「ピン留め」され、従って外部磁界 を用いて、第２のパーマロイ層の（自由）磁化を第１のパーマロイ層の（固定） 磁化に対して操作することができる。このセンサの電気抵抗が２つのパーマロイ 層における磁化の相対的配向に依存するため、このようにしてセンサを用いて、 変動する外部磁束を対応して変動する電流に転写することができる。 前述したようなセンサにおいて、ＦｅＭｎを交換バイアシング材料として用い ると、若干の欠点が付随する。特に、ＦｅＭｎは酸化及び他の腐食を高度に受け やすく、これによりその交換バイアシング特性が損なわれるか又は少なくともこ の材料が根本的に劣化する。このことは特に、ハードディスクメモリに用いられ るいわゆる「センサインギャップ」磁気ヘッドの場合である。ＦｅＭｎ層を酸化 バリヤー（例えばＴａ層）を用いて保護することを試行できるが、このようなバ リヤーはセンサの磁気感受性を低下させる傾向があり、長期間にわたり完全に有 効であるのは稀である。 ＦｅＭｎの代用として、酸化ニッケルを含む交換バイアシング層を用いること が、M.J．Carey及びA.E．Berkowitz，Appl．Phys．Lett．60(1992)，pp 3060-30 62.に掲載された論文において検討された。このような交換バイアシング材料の 大きな利点は、これが既に酸化されているため、さらに酸化され難いことである 。しかし、酸化ニッケルはこの最大交換バイアシング磁界Ｈ_ebがＦｅＭｎのＨ_eb より顕著に小さい欠点がある。このことは望ましくない。何となれば、小型化傾 向を継続するとさらに小さい磁界センサが常に要求されるので、このような小型 化されたセンサの消磁効果が次第に顕著になり、従って十分な補償の為には交換 バイアシング磁界Ｈ_ebを増大する必要があるからである。Ｈ_ebはここでは、交換 バ イアスした磁気層のヒステリシスループの（零磁界線からの）磁界−軸移動とし て定義されることに注意されたい。例えばJ．Appl．Phys. 75 (1994)，pp 6659- 6664．に掲載されたR．Jungblut等の論文参照。 前述のCarayとBerkowitzの論文と欧州特許出願第ＥＰ ５９４ ２４３号明細 書との双方においては、Ａｒガス雰囲気中でスパッター堆積を用いて交換バイア シング層を設ける。スパッター堆積の利点は、これが、分子ビームエピタキシー 等の手法とは対照的に、大規模、低価格の工業的生産に高度に適することである 。 本発明の目的は、ＦｅＭｎ交換バイアシング層を用いた従来のセンサよりも酸 化され難い磁界センサを提供することにある。本発明の他の目的は、新規なセン サが酸化ニッケルを含む交換バイアシング層を用いた従来のセンサよりも大きい 最大交換バイアシング磁界（Ｈ_eb）を有しなければならないことである。さらに 、本発明の目的は、少なくとも交換バイアシング層をスパッター堆積を用いて堆 積させる新規なセンサの製造方法を提供することにある。 これらの目的と他の目的は、本発明においては、最初のパラグラフに述べた方 法において、前述のスパッター堆積を、Ｎｅ及び／又はＨｅを含むスパッターガ スを用いて実施することを特徴とする方法により達成される。 本発明者等は本発明に至る実験において、選択されたＮｉＯ／パーマロイ二重 層をガラス基板上に、種々のＡｒ圧力を用いたＡｒ雰囲気中でスパッター堆積さ せ、その後各ＮｉＯ層について交換バイアシング磁界Ｈ_ebを測定した。Ｈ_ebの値 はＡｒ圧力の増大と共に減少したことが明らかになった。本発明者等はこの挙動 を、基板／ＮｉＯ界面でＡｒ原子により生じたＮｉＯ中の格子歪みが、顕著な程 度にＮｉＯにおける交換バイアシング効果の原因となり、これにより、比較的低 いＡｒ圧力では、比較的多いＡｒ原子が最初のＮｉＯ格子中の前述の界面におけ る位置に降下する機会を有することを示すものと解釈する。この界面におけるス パッターガスの降下の程度を増大させる試行において、本発明者等はＡｒより小 さい原子を有するスパッターガスについて実験を行うことを決定し、このような 原子が生成するＮｉＯ格子中に一層容易に導入されるであろうことを見出した。 スパッターガスをＡｒではなくＮｅとして次にスパッター堆積したガラス／Ｎｉ Ｏ／パーマロイ試料において、本発明者等はＡｒスパッターガスを用いて得られ るＨ_eb値よりも驚異的に高いＨ_eb値を得た。用いるスパッターガスがＨｅを含む と、同様に有利な結果が得られた。例えば図４参照。 本発明に至るのに本発明者等が用いた理由づけは、在来の意見の変更であるこ とに注意すべきである。例えば、J．Appl．Phys. 79 (1996)，pp 5008-5010に掲 載されたJ.X．Shen及びM.T．Kiefの論文においては、ＮｉＯ中の交換バイアシン グ機構が界面粗さ効果に関連し、低い粗さレベルのときに最も強いことが予測さ れ、格子歪みとの仮定された関連は存在しない。さらに、所定のスパッターガス 圧力において、Ａｒでスパッターした膜の粗さが一般的にＮｅでスパッターした 膜の粗さよりも低いことが観察されたため、前述の論文における理由づけは、実 際に本発明の方法から逸脱する。 また本発明者等は、本発明に従って製造したセンサにおいて、Ａｒをスパッタ ガスに用いると、磁気層の磁気保磁力Ｈ_cが低いことを観察した。例えば図５参 照。このようなセンサは大きい力学的範囲、即ち磁気層中の磁化が交換バイアシ ング層に「ピン留め」されたままである外部磁界強度の大きい範囲を有利に有す る。 本発明の方法の他の利点は、スパッターガスとしてＮｅ（例えばＡｒの代わり に）を用いて交換バイアシング層を堆積させると、交換バイアシング磁界Ｈ_ebは （外部の）反対の消磁磁界に対して比較的感受性が低いことである。このことは 、例えば、（強く）反対に配向した磁界を磁界冷却センサ構造に用い、この逆の 磁界を長時間ｔ（例えば約１００時間）に亘り維持し、ケル(Kerr)磁気計を用い てヒステリシスループをｔの関数として（ループあたり約１０秒のみ継続する迅 速測定）測定することにより、示すことができる。このようなループからはＨ_eb を測定することができ、Ｎｅでスパッターした交換バイアシング層の場合には、 Ａｒでスパッターした交換バイアシング層の場合よりも、遙かに変化が少ない（ ｔに関して）ことが見出された。 本発明はスパッターガスを完全にＮｅ又はＨｅから構成する必要はなく、例え ばＮｅ＋Ａｒ又はＨｅ＋Ａｒ等の混合物によっても、純粋Ａｒよりも良好な結果 が得られる（例えば図４参照）。同様に、本発明は交換バイアシング層を完全に 酸化ニッケルから構成する必要はなく、例えば本発明のセンサの特定の例におい ては、交換バイアシング層を酸化ニッケルと酸化コバルトとの混合物から構成す ることができる。 磁気層の材料は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらの合金の１種とするこ とができ、特に、パーマロイが好適であり、広範囲に用いられる選択である。 本発明の方法の特定の例において、１つの磁気層のみを設け、得られたセンサ はいわゆる非等方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を用い、これにより磁気層の電気抵 抗は磁気層を通る電流の方向に対するその磁化の向きに依存する。このようなセ ンサの例を、以下の図１及び例１に示す。 本発明の方法の他の例において、磁気層を第２の磁気層から中間の非磁気層に より分離して三重層を形成する。このような非磁気層は、例えばＣｕ又はＣｒか ら構成することができ、代表的には約１〜５ｎｍの厚さを有する。得られたセン サはいわゆる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を用い、これによりセンサの電気抵抗 は２つの磁気層における磁化の相対的向きに依存する。このようなセンサの例を 以下の図２及び例２に示す。 本発明の方法の他の例は、センサに少なくとも１つの磁束ガイドを設けて、外 部源からの磁束を磁気層の付近に集中させることを特徴とする。 本発明のセンサは、所要に応じて、既に記載した層に加えて種々の他の層を有 することができる。このような層は例えば追加の磁気層及び非磁気層（スピンバ ルブ多層構造中に配置する）、追加の交換バイアシング層、付着促進層（例えば Ｔａを含む）、酸化防止層（例えばＳｉＯ₂又はＳｉ₃Ｎ₄を含む）又は耐磨耗性 層（例えばＣｒ₂Ｏ₃を含む）とすることができる。 本発明により製造したセンサにおいて、代表的に基板／ＮｉＯ界面に導入され るＮｅ又はＨｅの量は１０¹²原子／ｃｍ²を超え、一般的には約１０¹³原子／ｃ ｍ²である。このようなＮｅ又はＨｅの存在を例えば熱ガス脱着等の分析手法を 用いて（定量的に）証明することができる（例えば図６参照）。既に記載したよ うに、本発明の方法に関連する利点は（少なくとも顕著な程度に）Ｎｅ及び／又 はＨｅ原子が基板／ＮｉＯ界面に存在することに由来すると確信されているため 、本発明者等は、請求の範囲４及び５に特定するセンサをも請求の範囲とする。 請 求の範囲１記載の方法を用いることに加えて、このようなセンサを例えばＮｅイ オン注入及び／又はＨｅイオン注入を蒸着又はレーザーアブレーション堆積と共 に用いて製造することができ、或いは又このような堆積を部分的Ｎｅ及び／又は Ｈｅ雰囲気中で実施することができる。 本発明と本発明に付随する利点を、実施例及び添付した図面を参照してさらに 詳細に説明する。 図１は本発明の特定例の磁界センサ（ＡＭＲセンサ）の一部分の斜視図である 。 図２は本発明の他の例の磁界センサ（ＧＭＲセンサ）の一部分の断面図である 。 図３は磁束ガイド及び電気的接続を有する本発明の磁気読み取りヘッド（磁界 センサ）の斜視図である。 図４は種々のスパッターガスを用いてスパッター堆積したガラス／ＮｉＯ／パ ーマロイ試料に関する交換バイアシング磁界Ｈ_eb（ｋＡ／ｍ）のスパッターガス 圧力ｐ_s（Ｐａ）への依存性を示すグラフである。 図５は図４と同一の試料に関する保磁磁界Ｈ_c（ｋＡ／ｍ）のスパッターガス 圧力ｐ_s（Ｐａ）への依存性を示すグラフである。 図６はＮｅ原子が本発明の磁界センサ中に存在することを明らかにする本発明 の磁界センサにより実施した熱ガス脱着実験の結果を示すグラフである。 種々の図面において相応する要素を同一の参照符号により示す。例１ 図１は本発明の磁界センサの一部分の斜視図である。このようなセンサを以下 のようにして製造することができる。 スパッター堆積等の無電解手法を用いて、非磁気基板１（例えばＳｉ製）の一 方の側の上に柔軟な磁気材料（例えばＣｏＺｒＮｂ合金）の均一層を形成する。 その後業界において周知の選択的マスキング及びエッチング手法により（例えば Philips Technical Review 44 (1988)，pp 169-178，及び特にpp 174-177に掲載 されたM.G.J．Heijman等の論文参照）、この層を互いに中間間隙１２を介して対 面する２つの条片１０に形成する。このようにして、２つの磁束ガイド１０を基 板１上に形成する。 同様の方式により、基板１に磁束ガイド１０を跨ぐＮｉＯ製の２つの「ブロッ ク」２を設ける。このＮｉＯはＨＶマグネトロン装置中で、スパッターガスとし てＮｅを用いて、及び例えば以下のスパッターパラメータを用いてスパッター堆 積させた。 背景圧力 2.66×10^-5Pa(0.2マイクロトル) スパッターガス圧力 0.8Pa（６ミリトル） 基板保持器温度 200℃ その後ブロック２間の領域を電気絶縁材料（例えばＳｉＯ₂）の物体１１で充填 し、ブロック２の上面と同じ高さにする。次に磁気抵抗材料（例えばパーマロイ ）の条片状「ブリッジ」３をブロック３の上及び物体１１を横断して設ける。 従って、このようにして形成した装置は、基板１、交換バイアシング層２及び 層２に対して交換バイアスされ、ＡＭＲセンサとして作用する磁気層３を連続的 に有する層状構造を有する。条片状層３を２つの末端において交換バイアスする ことにより、これに単一ドメイン構造が付与される（例えばMagneto-Resistive Heads: Fundamentals and Applications，J.C．Mallinson，Academic Press Inc .(1996)，ISBN 0-1246630-2:第６章参照）。この装置はさらに磁束ガイド１０及 び中間間隙１２を有し、これらを、磁束ガイド１０により輸送された集中した磁 束が中間間隙１２から出現し、磁気層３を遮断するように配置する。例２ 図２は本発明の磁界センサの特定例の一部分の断面を示す。このセンサは、基 板１、ＮｉＯを含む交換バイアシング層２、層２に対して交換バイアスされた第 １の磁気層３、非磁気層４及び第２の磁気層５を連続的に有する層状構造を有す る。これ等の層３、４、５はスピンバルブ三重層を形成する。本発明において、 層２は、スパッターガスとしてＮｅを用いたＨＶマグネトロンスパッター堆積に より設けた。この場合の特定のスパッターパラメータは以下の通りであった。 背景圧力 2.66×10^-5Pa(0.2マイクロトル) スパッターガス圧力 1.06Pa（８ミリトル） 基板保持器温度 200℃ この特定例において、基板１はガラス板である。磁気層３、５は例えばＦｅ、 Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金の１種（例えばパーマロイ）を含むことができる。 非磁気層４は例えばＣｕを含むことができる。これ等の種々の層の例示的な厚さ は以下の通りである。 ２：５０ｎｍ； ３： ６ｎｍ； ４： ３ｎｍ； ５： ８ｎｍ． 特定例において、磁気層３、５を互いに中間層４を横切って強磁的に結合させ る。従って、外部磁界がないと、層３、５の磁化は相互に平行である。 他の代案的例において、いわゆる磁気アニーリングを磁気層３、５の成長中に 用いて、これらの磁化が外部磁界がない場合にはほぼ相互に垂直となるような状 況を得る。このようなセンサは、例えばＥＰ ５９４ ２４３に記載されている （但し用いられる交換バイアシング材料はＮｉＯではなくＦｅＭｎである）。例３ 図３は、本発明の磁気抵抗磁気読み取りヘッド（磁界センサ）の一部分の線図 的斜視図である。このヘッドは電気的接続６５を有する変換器Ｓ（例えば例１に 記載したＡＭＲセンサ又は例２に記載したＧＭＲセンサ）を備える。このヘッド はさらに、磁束ガイド５９、５９’を備え、これらは変換器に対して磁気回路を 形成するように配置されている。端面６１、６１’はヘッドのポール面の一部を 形成し、磁気間隙６３は前述の側面６１、６１’の間に位置する。 磁気媒体、例えば磁気テープ、ディスク又はカードが面６１、６１’の前をこ れに近接して通過すると、該媒体に磁気的に蓄積された情報は変化する磁束を前 述の磁気回路中に発生し、この磁束は変換器Ｓにも供給される。変換器Ｓはこの 変化する磁束を電気抵抗の変化に書き換え、これを電気的接続６５を介して測定 することができる。 また、ヘッドは電気的コイルを備えることができ、このコイルを磁気媒体上の 磁気情報の記録に用いることができる。例４ 図４は種々のスパッターガス（Ａｒ、Ａｒ＋Ｎｅ、Ａｒ＋Ｈｅ、Ｎｅ）を用い てスパッター堆積したガラス／ＮｉＯ／パーマロイ試料に関する交換バイアシン グ磁界Ｈ_eb（ｋＡ／ｍ）のスパッターガス圧力ｐ_s（Ｐａ）への依存性を示すグ ラフである。スパッターした試料はすべて次の組成 ガラス／５０ｎｍＮｉＯ／６ｎｍＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀／６ｎｍＣｕ を有しており、Ｃｕ層の目的はパーマロイ層を酸化から保護することであった。 グラフ中の線は目に対する案内として作用する。 Ｈ_eb測定はすべて室温（２９０Ｋ）でＳＱＵＩＤ磁気計を用いて実施した。「 Ａｒ＋Ｎｅ」に関するデータは分圧比が１：１のＡｒとＮｅとの混合物に関し、 一方「Ａｒ＋Ｈｅ」に関するデータは分圧比が３：１のＡｒとＨｅとの混合物に 関する。他方、「Ａｒ」及び「Ｎｅ」に関するデータはそれぞれ純粋なＡｒ及び Ｎｅに関する。 グラフからは、すべての与えられたｐ_sの値について、Ｈ_ebの相応する値はＡ ｒについて最低であり、Ｎｅについて最高であり、混合物Ａｒ＋Ｈｅ及びＡｒ＋ Ｎｅについては中間的な値であることが明らかである。 図５は、前述したと同一のガラス／ＮｉＯ／パーマロイ試料に関する保磁磁界 Ｈ_c（ｋＡ／ｍ）のスパッターガス圧力ｐ_s（Ｐａ）への依存性を示すグラフであ る。グラフからは、すべての与えられたｐ_sの値について、Ｈ_cの相応する値はＡ ｒについて最高であり、用いたスパッターガスがＮｅ又はＨｅを含むと顕著に低 いことが明らかである。例５ 図６はＮｅ原子が本発明の磁界センサ中に存在することを明らかにする本発明 の磁界センサにより実施した熱ガス脱着実験の結果を示すグラフである。 これらの実験の各々において、例１に記載した磁界センサを、Ｚｒ−Ｃゲッタ を備えた真空室中に配置した。各試料を石英管中に配置し、室中を排気して所定 背景圧力とした後に約５００℃の温度に加熱した。この温度を長時間ｔに亘り維 持し、Ｎｅガスを「不所望」ガス、例えばＨ₂Ｏ、ＣＯ₂、Ｃ_xＨ_y等と共に試料か ら逃散させた。ゲッタを約４００℃の温度に維持し、ゲッタにこれらの不所望ガ ス原子を吸収させた。しかしＮｅはゲッタにより吸収されず、逃散したＮｅ原子 の量Ｑ_Neを質量分析法を用いて測定することができた。 図６にＱ_Ne（Ｐａ．ｌ／ｍ²）をｔ（時間）の関数として種々のセンサについ てプロットし、各センサは交換バイアシング層を設けている間の種々のＮｅスパ ッターガス圧力（即ち６ミリトル（▲）、８ミリトル（○）及び１１ミリトル（ ■））を用いて製造した。グラフから、Ｎｅ原子が全てのセンサに存在するのが 明らかである。例６ 例１及び２において、ＮｉＯ交換バイアシング層を基板と接触させた。他の代 案的実験において、本発明者等は次の組成を有する若干の「逆」センサを製造し た。 Ｓｉ（基板）／６ｎｍＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀／５０ｎｍＮｉＯ これ等のセンサ全てにおいて、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀層を５ミリトルの圧力のＡｒ中で、 １５ｋＡ／ｍの磁界中でスパッターした。しかし、種々のセンサにおけるＮｉＯ 交換バイアシング層は、次の表に示すように、異なるスパッターガス及び種々の スパッターガス圧力を用いてスパッターした。（スパッター）ガス圧力はミリトルで表した。Ｈ_eb及びＨ_cをＯｅで表し、これ はＳＱＵＩＤ磁気計を用いて（２９０Ｋで）測定した。全ての堆積は室温で進行 させた。 表から、純粋なＡｒをスパッターガスとして用いると（センサ１及び２）、Ｈ_c ＞Ｈ_ebであるために実際に使用できないセンサが得られたことが直ちに明らか である。一方、Ｎｅをスパッターガス中に導入すると（センサ３〜５）、Ｈ_eb＞ Ｈ_cである状況が得られ、またＨ_ebの数値は遙かに大きかった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板、 酸化ニッケルを含む交換バイアシング層、 交換バイアシング層で交換バイアスした磁気層 の積み重ね構造を有し、少なくとも交換バイアシング層をスパッター堆積によ り設ける磁界センサの製造方法において、 前記スパッター堆積を、Ｎｅ及び／又はＨｅを含むスパッターガスを用いて 実施することを特徴とする磁界センサの製造方法。 ２．磁気層を第２の磁気層から中間の非磁気層により分離して三重層を形成する 請求の範囲１記載の方法。 ３．センサに少なくとも１つの磁束ガイドを設ける請求の範囲１又は２記載の方 法。 ４．基板、 酸化ニッケルを含む交換バイアシング層、 交換バイアシング層で交換バイアスした磁気層 の積み重ね構造を有する磁界センサにおいて、 基板と交換バイアシング層との界面にＮｅ及び／又はＨｅ原子が存在するこ とを特徴とする磁界センサ。 ５．前記界面におけるＮｅ及び／又はＨｅ原子の量が少なくとも１０¹²原子／ｃ ｍ²である請求の範囲４記載の磁界センサ。