JP2001291915A - 磁気抵抗センサ素子およびその製造方法 - Google Patents

磁気抵抗センサ素子およびその製造方法

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JP2001291915A JP2001035864A JP2001035864A JP2001291915A JP 2001291915 A JP2001291915 A JP 2001291915A JP 2001035864 A JP2001035864 A JP 2001035864A JP 2001035864 A JP2001035864 A JP 2001035864A JP 2001291915 A JP2001291915 A JP 2001291915A
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洪 成宗
Ri Min
李 民
廖 ▲煥▼中
Churyo Kan
Eido Nyo
童 茹瑛
Kyodo Zen
童 全鉅
Fukusho Ei
▲蕭▼ 榮福
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２０Ｇｂ／ｉｎ2 以上の超高密度の磁気記録
情報の読み取りを可能とするスピンバルブ型の磁気抵抗
センサ素子およびその製造方法を提供する。 【課題手段】 下部シールド４０上に、下部基体層４
２、シード層４３、反強磁性磁化方向固定作用層４４、
強磁性磁化方向被固定層４５、反磁性スペーサ層４６、
超薄膜層（ＣｏＦｅ）およびＮｉＦｅ層からなる強磁性
フリー層４７、ＴａＯ層４８、第１の保護層４９（Ｎｉ
Ｃｒ）が積層されている。硬質磁性材料により形成され
た一対の縦バイアス層７６が、強磁性フリー層４７の表
面から側面にかけて、更にＴａＯ層４８および第１の保
護層４９それぞれの側面に接するように設けられてい
る。これら縦バイアス層７６上にはそれぞれ導電性のリ
ード層７８が形成されている。ＴａＯ層４８および第１
の保護層４９が伝導電子の鏡面反射層として機能する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気読取ヘッドに
用いられる巨大磁気抵抗（giant-magnetoresistivity;
ＧＭＲ）センサなどの磁気抵抗センサ素子およびその製
造方法に係り、特に、鏡面反射層を備えた下部スピンバ
ルブ（specular electron scattering bottom spin val
ve) 型の磁気抵抗センサ素子およびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】初期の磁気読取ヘッドは、パーマロイと
いった磁性材料の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用
して、ディスクやテープといった媒体上に磁気的に記録
されたデータを解読するものであった。ここに、異方性
磁気抵抗効果とは、磁化方向と磁性材料を流れる電流の
方向の角度に比例した、特定の磁性素材における電気抵
抗ｒの変化をいう。移動する磁化媒体、例えば磁気的に
符号化されたテープやディスクの磁界変化は読取ヘッド
の磁化方向を変化させるので、その抵抗変化（ＡＭＲ効
果）を媒体上の記録情報として回路装置で読み取ること
ができる。
【０００３】ところで、このＡＭＲ効果の欠点の１つと
して、抵抗変化率Ｄｒ／ｒが極めて小さい、ということ
が挙げられる。ここで、Ｄｒは磁性材料の異方性磁界
（Ｈk）での抵抗値とゼロ磁場での抵抗値の変化量（最
大値) を表すもので、わずか数％程度である。ＡＭＲ素
子では、このＤｒ／ｒが小さいことにより、正確な値を
読み取ることが困難とされていた。
【０００４】その後、１９８０年代後半から１９９０年
代の初期にかけて、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）の現象が発
見され、読取ヘッド技術に応用されるようになった。こ
のＧＭＲ効果は、強磁性材料でなる膜厚２ｎｍの薄膜
が、伝導性を有するが非磁性材料でなる均一な薄膜層
（膜厚１ｎｍ）で分離されている場合に、伝導電子のス
ピン間の交換結合により強磁性もしくは反強磁性の状態
を得ることができるという事象から派生したものであ
る。そして、電子が層間を横切る際のスピン依存散乱に
起因して、層構造での磁気抵抗が、強磁性の状態よりも
反強磁性の状態においてかなり大きいこと、また、Ｄｒ
／ｒが各磁性層のＡＭＲよりも高い状態であることが見
いだされた。
【０００５】その後、ＧＭＲ効果の１つとして、スピン
バルブ磁気抵抗（ＳＶＭＲ）が発見され実用化された。
このスピンバルブ構造のＧＭＲでは、２層の強磁性層、
例えばＣｏＦｅ（コバルト・鉄）やＮｉＦｅ（ニッケル
・鉄）からなる層が、薄膜のスペーサ層（中間層）によ
り分離されている。このスペーサ層は、電気的に導電性
を有する非磁性材料、例えばＣｕ（銅）により構成され
ている。２層の強磁性層のうち一層（ピン層）は、その
上に直接積層された反強磁性層（バイアス層）との間の
交換結合磁界によって磁化方向が空間的に固定される。
もう一方の強磁性層（フリー層）は、磁気媒体の移動等
によって磁化方向が回転することにより生じる外部磁界
の些細な変化に応答し、その磁化方向が自由に動く。な
お、磁気媒体の移動はピン層の磁化方向には影響を与え
ない。このようなピン層とフリー層との間の磁化方向の
相対的な変化によって、強磁性層、スペーサ層および強
磁性層からなる３層構造の磁気抵抗の変化が生ずる。
【０００６】このようなＳＶＭＲセンサが、現在、磁気
読取ヘッドに適用され、実用化されている。最近の技術
の傾向は、様々な強磁性および反強磁性層を形成する材
料の新規選択や、層の数と方向の変化、スピンバルブを
外部の回路装置に接続させるリードの構造と構成の選択
により、これらスピンバルブの感度と安定性を向上させ
る方向にある。これに関連して、米国特許番号５，８９
６，２５２（カナイ(kanai）) は、フリー磁性層がＣｏ
Ｆｅ層およびＮｉＦｅ層からなる２層構造で形成された
ＳＶＭＲヘッド素子の製造方法を開示している。また、
米国特許番号５，９１９，５８０（バーナード(Barnar
d) ら）では、反強磁性磁化方向固定作用層がクロム(
Ｃｒ）を豊富に含有しており、ネール(Neel)温度と異方
性定数を調整可能なＳＶＭＲヘッド素子の製造方法を開
示している。更に、米国特許番号５，７０１，２２３
（フォンタナ・ジュニア(Fantana, Jr.)ら）には、改良
された反強磁性（ＡＦ）層と組み合わせて、積層された
非平行（ＡＰ）磁化方向被固定層を使用したＳＶＭＲセ
ンサの製造方法が開示されている。また、米国特許番号
５，８８３，７６４（ピナバシ(Pinarbasi) ）には、極
めて薄く高い導電性のリード構造を使用したＳＶＭＲ構
造の製造方法が開示されている。なお、Kamiguchi は、
その研究報告"CoFe Specular Spin Valves With A Nano
Oxide Layer" （１９９９年Intermag Conference ）の
なかで、ＧＭＲ比の向上したスピンバルブ構造の製造方
法を概説しているが、その構造は、ＣｏＦｅＯ／ＴａＯ
の積層構造でなる鏡面反射層、ＣｏＦｅからなるフリー
層、およびＩｒＭｎからなる反強磁性層を利用したもの
である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のＳＶＭＲ構造の読取ヘッドは、磁気情報の密度が
２０Ｇビット／インチ2 （２０Ｇｂ／ｉｎ2 ）程度のハ
ードディスクを読み取ることができるように設計し、構
造が改良されたものである。しかし、現在、製造されて
いるＳＶＭＲセンサでは、数ギガビットの読み取りには
十分な密度であるが、更に２０Ｇｂ／ｉｎ2 以上の超高
密度の磁気情報を精確に読み取るには物理的特性が十分
ではないという問題があった。すなわち、フリー層に対
して磁区制御用の縦バイアス磁界を加えるための縦バイ
アス層と積層構造との接合部分で、接合端に平行に磁化
が生ずる領域（デッドゾーン）が生じ、これが従来の上
部ＳＶＭＲセンサ素子において超高密度の磁気記録情報
の読み取りを妨げる要因となっていた。
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、縦バイアス層と積層構造との接合部
分でのデッドゾーンの発生を解消して、２０Ｇｂ／ｉｎ
2 以上の超高密度の磁気記録情報の読み取りを可能とす
るスピンバルブ型の磁気抵抗センサ素子およびその製造
方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗センサ
素子は、下部基体層と、下部基体層の一面に形成された
シード層と、シード層の下部基体層とは反対側の面に形
成された反強磁性磁化方向固定作用層と、反磁性磁化方
向固定作用層のシード層とは反対側の面に形成された強
磁性磁化方向被固定層と、強磁性磁化方向被固定層の反
磁性磁化方向固定作用層とは反対側の面に形成された非
磁性スペーサ層と、非磁性スペーサ層の前記強磁性磁化
方向被固定層とは反対側の面に形成された強磁性フリー
層と、強磁性フリー層の非磁性スペーサ層とは反対側の
面に形成された酸化タンタル（ＴａＯ）層と、酸化タン
タル層の強磁性フリー層とは反対側の面に形成された第
１の第１の保護層と、第１の保護層、前記酸化タンタル
層、および強磁性フリー層の一部を選択的に除去した
後、強磁性材料により再充填されたエッチング領域と、
このエッチング領域に設けられ、側面が強磁性フリー層
の一部、酸化タンタル層および第１の保護層それぞれに
接する縦バイアス層と、縦バイアス層に接して設けられ
た導電性リード層と、導電性リード層上に第１の保護層
に達する第２の保護層を形成する工程と、第１の保護層
および第２の保護層を覆うように設けられた上部基体層
とを備えた構成を有している。
【００１０】本発明の磁気抵抗センサ素子は、酸化タン
タル層および第１の保護層により伝導電子の鏡面反射層
が構成されており、この鏡面反射層を備えた下部スピン
バルブ構造である。この鏡面反射層による伝導電子の鏡
面反射は、ＧＭＲ効果のスピン依存散乱とともに、更な
る磁気抵抗変化率（Ｄｒ／ｒ）の向上をもたらす。
【００１１】なお、この磁気抵抗センサ素子では、特
に、強磁性フリー層をＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの積層構造に
より構成し、また、鏡面反射層を、酸化タンタル層（Ｔ
ａＯ）およびＮｉＣｒからなる第１の保護層により構成
することによって、高い出力電圧を得ることができると
共に、例えばＣｏＦｅといった他の強磁性材料より優れ
たフリー層異方性特性が得られ、熱的により安定したセ
ンサ素子を実現することができる。また、この磁気抵抗
センサ素子では、鏡面反射層を備えた下部スピンバルブ
構造を採用すると共に、縦バイアス層が強磁性フリー層
の表面から側面部分にかけて連続的にかつ直接に接した
バイアス構造を有しているため、強磁性フリー層の磁化
方向を適切に保持することができ、それにより従来の上
部スピンバルブ構造に生じていたデッドゾーンの発生を
防止でき、超高密度の狭いトラックの磁気情報を読み取
ることができる。
【００１２】なお、本発明の磁気抵抗センサ素子では、
各層の順序および構成材料並びに膜厚を適切に選択する
と、伝導電子の鏡面反射によって磁気抵抗変化率が更に
向上する。
【００１３】また、本発明の磁気抵抗センサ素子の製造
方法は、下部基体層上にシード層を形成する工程と、シ
ード層上に反強磁性磁化方向固定作用層を形成する工程
と、反強磁性磁化方向固定作用層上に強磁性磁化方向被
固定層を形成する工程と、強磁性磁化方向被固定層上に
非磁性スペーサ層を形成する工程と、非磁性スペーサ層
上に強磁性フリー層を形成する工程と、強磁性フリー層
上にタンタル（Ｔａ）層を形成する工程と、タンタル層
を酸化して酸化タンタル層とする工程と、酸化タンタル
層上に第１の保護層を形成する工程と、第１の保護層上
にレジストパターンを形成する工程と、レジストパター
ンをマスクとして第１の保護層、酸化タンタル層、およ
び強磁性フリー層の一部分を選択的に除去する工程と、
除去された領域に強磁性材料を再充填する工程と、再充
填された強磁性材料層上に酸化タンタル層および前記第
１の保護層に接する縦バイアス層を形成する工程と、縦
バイアス層上に導電性リード層を形成する工程と、導電
性リード層上に第１の保護層に達する第２の保護層を形
成する工程と、第１の保護層および第２の保護層上に上
部基体層を形成する工程とを含むものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明するが、それに先立ち、図３を参
照して従来の技術に従って作製できる比較例について説
明する。
【００１５】この比較例は、上部ＳＶＭＲ構造のセンサ
素子であり、図３はそのエアベアリング面（ＡＢＳ）の
構成を表している。この上部ＳＶＭＲセンサ素子は、読
み取り／書き込みヘッドの下部シールド１０と上部シー
ルド３０の間に位置し、その領域がヘッドのリードギャ
ップを決定する。上部ＳＶＭＲセンサ素子は、下部基体
層１２と上部基体層２４との間に積層構造２０を有して
いる。この積層構造２０の膜厚の合計は約４０ｎｍであ
る。なお、下部基体層１２は、例えば酸化アルミニウム
で形成され、その膜厚は例えば約５７ｎｍである。上部
基体層２４もまた酸化アルミニウムで形成され、その膜
厚は例えば約３３ｎｍである。
【００１６】積層構造２０は、最下層に第１の材料層と
してタンタル（Ｔａ）からなるシード層１３を含んで構
成されている。このシード層１３上には、第２の材料層
としてＮｉＦｅ・ＣｏＦｅ（ニッケル・鉄・コバルト・
鉄）からなる強磁性フリー層１４が形成されている。強
磁性フリー層１４上には第３の材料層としてＣｕ（銅）
からなる非磁性スペーサ層１５が形成されている。この
非磁性スペーサ層１５上には第４の材料層としてＣｏＦ
ｅ（コバルト・鉄）からなる強磁性磁化方向被固定層
（以下、強磁性被固定層と称する）１６が形成されてい
る。強磁性被固定層１６上には第５の材料層として反強
磁性（ＡＦＭ）磁化方向固定作用層（以下、反強磁性固
定作用層と称する）１７が形成されている。反強磁性固
定作用層１７は、反強磁性材料のうち１種類を使用した
層でよく、そのような材料のうち、ＭｎＰｔ（白金・マ
ンガン）は、熱安定性に優れているので、特に好まし
い。反強磁性固定作用層１７上には第６の材料層として
タンタルからなる第１の保護層１８が形成されている。
上部ＳＶＭＲセンサ素子の積層構造２０は、以上の順で
形成されたシード層１３、強磁性フリー層１４、非磁性
スペーサ層１５、強磁性被固定層１６、反強磁性固定作
用層１７および第１の保護層１８により構成されてい
る。
【００１７】ところで、図３からも分かるように、この
上部ＳＶＭＲセンサ素子では、強磁性被固定層１６が積
層構造２０のなかで上部に位置し、一方、強磁性フリー
層１４は下部に位置している。強磁性フリー層１４は、
下部シールド１０と上部シールド３０との間のリードギ
ャップの中間に位置する。下部シールド１０から上部シ
ールド３０までのリードギャップの膜厚の合計は、例え
ば０．１３μｍである。また、積層構造２０の厚みは４
０ｎｍであり、基体下部１２は５７ｎｍ、上部基体層２
４は３３ｎｍである。
【００１８】この上部ＳＶＭＲセンサ素子のトラック幅
は、素子トポグラフィとバイアス点を考慮して、積層構
造２０に隣接してパターニング形成された一対の縦バイ
アス層２５により決定される。縦バイアス層２５は、Ｃ
ｏＰｔＣｒ（コバルト・白金・クロム）などの硬質強磁
性材料（永久磁石）により形成されている。一対の縦バ
イアス層２５上には導電性の一対のリード層２６が形成
されている。
【００１９】この上部ＳＶＭＲセンサ素子においては、
シード層１３を鏡面反射層として利用することにより磁
気抵抗変化率（Ｄｒ／ｒ）と信号増幅量（Ｄｒ）が向上
する。シード層１３の構成材料としては、Ｔａ（タンタ
ル）よりもＮｉＦｅＣｒ（ニッケル・鉄・クロム）若し
くはＮｉＣｒ（ニッケル・クロム）が用いられる。Ｎｉ
ＦｅＣｒ若しくはＮｉＣｒでなるシード層１３を使用す
ることで、このシード層１３が鏡面反射層として機能
し、これにより伝導電子の鏡面反射が生じ、Ｄｒ／ｒお
よびＤｒが向上する。なお、このＳＶＭＲ構造では、シ
ード層としてＮｉＦｅＣｒもしくはＮｉＣｒを用いた方
が、Ｔａを用いる場合よりも熱安定性（つまり、信用
性）に優れている。
【００２０】しかしながら、上述のように縦バイアス層
２５によりトラック幅が決定される上部ＳＶＭＲ構造の
センサ素子では、前述のような「デッドゾーン」の存在
が問題になる。ここに、「デッドゾーン」とは、縦バイ
アス層と積層構造との接合部分で、接合端に平行に磁化
が生ずる領域のことであり、これが従来の上部ＳＶＭＲ
センサ素子において超高密度の磁気記録情報の読み取り
を妨げる要因となっていた。
【００２１】本実施の形態では、後述の実験結果に基づ
いて、図１に示した下部ＳＶＭＲ構造を採用し、このよ
うなデッドゾーンの問題を解消して、上部スピンバルブ
構造を越える超高密度の磁気記録情報の読み取りを可能
としたものである。
【００２２】以下、図１を参照してこの下部ＳＶＭＲセ
ンサ素子について説明する。なお、図１はそのエアベア
リング面（ＡＢＳ）の概略図を表すものである。この下
部ＳＶＭＲセンサ素子は、伝導電子の鏡面反射層とスピ
ンバルブ膜との位置関係を、図３の上部ＳＶＭＲとは逆
にして、伝導電子の鏡面反射層を上、スピンバルブ膜が
下になるような構造としたものである。更に、この下部
ＳＶＭＲセンサ素子は、このような鏡面反射層を備えた
下部スピンバルブ構造を採用すると共に、縦バイアス層
が強磁性フリー層の表面から側面部分にかけて連続的に
かつ直接に接したバイアス構造を採用している。
【００２３】この下部ＳＶＭＲセンサ素子は、読み込み
／書き込みヘッドの下部シールド４０と上部シールド６
０の間に配置されている。これら下部シールド４０およ
び上部シールド６０がヘッドのリードギャップを決定す
る。このＳＶＭＲは、膜厚の合計が例えば３８ｎｍの積
層構造５０を備えている。積層構造５０は下部基体層４
２と上部基体層５２との間に挟まれている。下部基体層
４２は例えば酸化アルミニウムで形成され、その膜厚は
３３ｎｍである。上部基体層５２は例えば同じく酸化ア
ルミニウムで形成され、その膜厚は５９ｎｍである。
【００２４】積層構造５０は、最下層に第１の材料層と
して、例えばＮｉＣｒまたはＮｉＦｅＣｒからなるシー
ド層４３である。このシード層４３の膜厚は４．５ｎｍ
〜６．５ｎｍが好ましく、ここでは例えば５．５ｎｍで
ある。シード層４３上には、第２の材料層として、例え
ばＭｎＰｔ（白金・マンガン）でなる反強磁性磁化方向
固定作用層４４が形成されている。この反強磁性磁化方
向固定作用層４４の膜厚は１５ｎｍ〜２５ｎｍであり、
ここでは例えば２０ｎｍである。反強磁性磁化方向固定
作用層４４上には、第３の材料層として、例えばＣｏＦ
ｅからなる強磁性磁化方向被固定層４５が形成されてい
る。強磁性磁化方向被固定層４５の膜厚は１．５ｎｍ〜
２．５ｎｍであり、ここでは例えば２ｎｍである。
【００２５】強磁性磁化方向被固定層４５上には、第４
の材料層として、例えばＣｕ（銅）からなる反磁性スペ
ーサ層４６が形成されている。この反磁性スペーサ層４
６の膜厚は２．０ｎｍ〜２．２ｎｍであり、ここでは例
えば２．０ｎｍである。反磁性スペーサ層４６の上に
は、第５の材料層として強磁性フリー層４７が形成され
ている。この強磁性フリー層４７は、膜厚は０．５ｎｍ
未満の超薄膜層（ＣｏＦｅ層）の上に、膜厚が例えば３
ｎｍ〜６ｎｍで、ＣｏＦｅ層と強磁性的に結合されたＮ
ｉＦｅ層を形成したものである。
【００２６】この強磁性フリー層４７上には、第６の材
料層として、膜厚例えば０．５ｎｍのＴａＯ（酸化タン
タル）層４８が形成されている。このＴａＯ層４８は、
例えば基板クリーニング装置のプラズマアッシングを使
用してＴａ（タンタル）を酸化することにより形成され
る。ＴａＯ層４８上には、第７の材料として、例えばＮ
ｉＣｒからなる第１の保護層４９が形成されている。第
１の第１の保護層４９の膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍであり、
本実施の形態では例えば２ｎｍである。
【００２７】第１の保護層４９は、ＴａよりはＮｉＣｒ
により形成することが好ましい。その理由は、ＮｉＣｒ
は被磁化方向固定層（ピンド層）の磁化を横方向に設定
するための高温磁界アニール中（２８０℃で５時間）に
おいて積層構造５０の酸化を防止することができるから
である。すなわち、ＮｉＣｒからなる第１の保護層４９
は酸化防止バリヤとして十分な機能を備えている。Ｔａ
Ｏ層４８および第１の第１の保護層４９は伝導電子の鏡
面反射層として機能し、これにより下部ＳＶＭＲのＤｒ
／ｒが向上する。
【００２８】積層構造５０の両側には、強磁性フリー層
４７の表面から側面にかけて、更にＴａＯ層４８および
第１の保護層４９それぞれの側面に接するように一対の
縦バイアス層７６が設けられ、これら縦バイアス層７６
上にはそれぞれ導電性のリード層７８が形成されてい
る。縦バイアス層７６は、エアベアリング面（ＡＢＳ）
の平面と平行に強磁性フリー層４７の磁化方向のバイア
ス（縦バイアス）を供給するものである。リード層７８
はＳＶＭＲセンサを外部の回路装置に接続させるもの
で、これによりＳＶＭＲセンサの抵抗変化が電気信号に
変換される。リード層７８上には、端部が第１の保護層
４９に達する第２の保護層８０が形成されている。
【００２９】この下部ＳＶＭＲセンサ素子のトラック幅
は、積層構造５０の幅、すなわち一対の縦バイアス層７
６（あるいはリード層７８）間の大きさによって決ま
る。なお、図２は積層構造５０と縦バイアス層７６等と
の２つの接合部分の一方の領域Ａを拡大したものであ
る。
【００３０】本実施の形態の下部ＳＶＭＲセンサ素子で
は、酸化タンタル層４８およびＮｉＣｒからなる第１の
保護層４９により伝導電子の鏡面反射層が構成されてお
り、この鏡面反射層による伝導電子の鏡面反射がＧＭＲ
効果のスピン依存散乱とともに磁気抵抗変化率（Ｄｒ／
ｒ）を向上させる。
【００３１】また、この下部ＳＶＭＲセンサ素子では、
特に、強磁性フリー層４７をＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの積層
構造により構成し、また、鏡面反射層を、酸化タンタル
層４８およびＮｉＣｒからなる第１の保護層４９により
構成することによって、高い出力電圧を得ることができ
ると共に、例えばＣｏＦｅといった他の強磁性材料より
優れたフリー層異方性特性が得られ、熱的により安定し
たセンサ素子を実現することができる。また、この下部
ＳＶＭＲセンサ素子では、更に、縦バイアス層７６が強
磁性フリー層４７の表面から側面部分にかけて連続的に
かつ直接に接したバイアス構造を有しているため、強磁
性フリー層の磁化方向を適切に保持することができ、そ
れにより従来の上部スピンバルブ構造に生じていたデッ
ドゾーンの発生を防止でき、超高密度の狭いトラックの
磁気情報を読み取ることができる。
【００３２】本実施の形態のＳＶＭＲセンサ素子は以下
の方法により製造することができる。すなわち、下部シ
ールド４０上に下部基体層４２を形成し、この下部基体
層４２上にＮｉＣｒからなるシード層４３、ＭｎＰｔか
らなる反強磁性磁化方向固定作用層４４、ＣｏＦｅから
なる強磁性磁化方向被固定層４５、Ｃｕからなる反磁性
スペーサ層４６を形成する。更に、この反磁性スペーサ
層４６上に、ＣｏＦｅの超薄膜層、このＣｏＦｅ層に磁
気結合したＮｉＦｅ層からなる強磁性フリー層４７を形
成する。続いて、強磁性フリー層４７上にＴａ層を形成
した後、このＴａ層を酸化してＴａＯ層４８とする。次
いで、このＴａＯ層４８上にＮｉＣｒからなる第１の保
護層４９を形成して、積層構造５０を完成する。以上の
各層は、公知のスパッタリング法等により形成すること
ができる。
【００３３】次に、積層構造５０上に図示しないがレジ
ストパターンを形成し、このパターンをマスクとしたＩ
ＢＥ（イオン・ビーム・エッチング）またはスパッタエ
ッチングにより第１の保護層４９およびＴａＯ層４８、
更にＮｉＦｅからなる強磁性フリー層４７の一部まで選
択的に除去する。続いて、第１の保護層４９およびＴａ
Ｏ層４８のエッチング領域に、ＮｉＦｅを堆積（再充
填）する。
【００３４】次いで、スパッタリング法により、ＮｉＦ
ｅ層上に反強磁性材料（例えばＭｎＮｉ（マンガン・ニ
ッケル）、ＭｎＰｔ（マンガン・白金）、ＩｒＭｎ（イ
リジウム・マンガン））、若しくは硬質磁性材料（例え
ばＣｏＰｔ（コバルト・白金）、ＣｏＰｔＣｒ（コバル
ト・白金・クロム））を堆積させて一対の縦バイアス層
７６を形成する。この縦バイアス層７６の膜厚は、強磁
性フリー層４７の磁気モーメントによって決定される。
続いて、同じくスパッタリング法により、縦バイアス層
７６上に、例えばＴａ（５〜１０ｎｍ）、Ａｕ（金）
（４０〜５０ｎｍ）、Ｔａ（５〜１０ｎｍ）の順で堆積
することにより導電性の一対のリード層７８を（一直線
に整列して）形成する。最後に、ＮｉＣｒからなる第２
の保護層８０を形成して、本実施の形態のＳＶＭＲセン
サ素子が完成する。
【００３５】さて、一連の実験を行って、本発明のＳＶ
ＭＲセンサ素子形成のために最適な材料と膜厚を調べ
た。その結果を表１に示す。ここでは、５つのＳＶＭＲ
積層構造を形成し、各種磁気特性、すなわち、飽和磁束
（Ｂs ）、フリー層保磁力（Ｈ c ）、交換結合磁界（Ｈ
e ）、異方性磁界（Ｈk ）、シート抵抗（Ｒs ）、磁気
抵抗変化率（Ｄｒ／ｒ）および出力振幅（Ｄｒ）を調べ
た。堆積工程での強磁性フリー層の磁気モーメントは、
膜厚３．８ｎｍのＮｉＦｅ層に相当する。
【００３６】
【表１】
【００３７】上記の表において、例えばＭＰ２００は、
膜厚２０ｎｍ（２００Å）のＭｎＰｔ層を表している。
また、ＯＬは下地層（表では左横に記載した層）をプラ
ズマアッシングにより酸化した層（例えばＣｏＦｅＯ層
またはＴａＯ）、ＣＺＢはＮｉＣｒ層をそれぞれ表して
おり、５５等の数値は膜厚（ここではÅ）を示してい
る。なお、Ｈc ，Ｈe ，Ｈk の単位はエルステッド（Ｏ
ｅ）である。Ｂs の単位はｎＷｂ（ナノウェーバ）／ｃ
ｍ2 、Ｒs の単位はΩ（オーム）／ｃｍ2 である。
【００３８】ここで、構造１は、比較例としての基本的
な構成の下部ＳＶＭＲ構造である。構造２は、構造１の
ＣｏＦｅ層（強磁性フリー層）をプラズマアッシングに
より酸化してＣｏＦｅＯ層（ＯＬ）を含ませるようにし
たものである。ＣｏＦｅＯ層は鏡面反射を促進するもの
で、これはＤｒ／ｒの値が増加していることにより証明
される。交換結合磁界（Ｈe ）に関しては、構造１，２
とも高い値を示している。構造３では、膜厚０．５ｎｍ
（５Å）のＴａＯ層がプラズマアッシングの前に堆積さ
れており、ＣｏＦｅの酸化を減少させている。この構造
３では、ＣｏＦｅ層およびＴａＯ層が鏡面反射を促進す
る。構造５では、ＮｉＦｅからなるフリー層上にＴａＯ
層が形成されており、Ｄｒ／ｒとＤｒが最も高いことが
分かる。また、このＮｉＦｅおよびＴａＯの積層を含む
構造５では、Ｈe ，Ｈk が低い値であり、軟質フリー層
の磁気特性を示している。
【００３９】構造４のスピンバルブ構造では、鏡面反射
の影響がＴａＯ層のみによるものか、あるいはＴａＯ層
およびＮｉＣｒ層の組み合わせによるものかを調べるた
めに作製されたものである。なお、この構造４では、最
終第１の保護層がＮｉＣｒではなく膜厚４ｎｍのＡｌ2
Ｏ3 （酸化アルミニウム）である。構造４では、Ｄｒ／
ｒは８．４３％であり、構造５の９．３２％と比較する
と約１％低い値となっている。構造５のＨe と等しい値
を得るためは、構造５のＣｕ層（スペーサ層）が２ｎｍ
（２０Å）であるのに対して、構造３，４のＣｕ層（ス
ペーサ層）では、膜厚を３ｎｍ（３０Å）とする必要が
ある。
【００４０】以上の結果から、本発明者は、ＮｉＦｅス
ピンバルブ構造については、積層構造５のように、Ｔａ
Ｏ層とＮｉＣｒ層との組み合わせが鏡面反射を生じさせ
る層として最も適していると結論づけた。なお、すべて
の積層構造において、ＭｎＰｔ（ＭＰ）を反強磁性材料
として選択しているが、これは熱安定性（信用性）が、
前述した参照文献（Kamiguchi ら）に記載されているＩ
ｒＭｎより優れていることによる。
【００４１】加えて、本実施の形態のスピンバルブ構造
は、前述の参照文献（Kamiguchi ら）に記載されている
ようなＣｏＦｅのみをフリー層の材料として使用してい
る構造と比べ、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの２層構造を強磁性
フリー層の材料として使用しているため、優れた異方性
特性を有している。なお、ＣｏＦｅのみを利用した層は
センサの安定性に問題がみられる。従って、一連の積層
構造１〜５のうちでは、積層構造５（すなわち、図１に
示した実施の形態）が好適であることが分かる。
【００４２】以上実施の形態および実施例を挙げて本発
明を説明したが、本発明は上記実施の形態または実施例
に限定されるものではなく、種々変形可能である。例え
ばＳＶＭＲセンサの構成材料、厚みなどは上記実施の形
態のものに限定されるものではない。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように本発明の磁気抵抗セ
ンサ素子によれば、伝導電子の鏡面反射層を備えた下部
スピンバルブ構造を採用すると共に、縦バイアス層が強
磁性フリー層の表面から側面部分にかけて連続的にかつ
直接に接したバイアス構造を有するようにしたので、磁
気抵抗変化率が向上し、かつ積層構造と縦バイアス層と
の接合部において、デッドゾーンの発生を防止すること
ができ、よって超高密度度に記録された磁気情報の読み
取りが可能になる。
【００４４】また、本発明の磁気抵抗センサ素子の製造
方法によれば、本発明の磁気抵抗センサ素子を容易に作
製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る下部スピンバルブ
型の磁気抵抗センサ（ＳＶＭＲ）のエアベアリング面
（ＡＢＳ）の断面構成図である。
【図２】図１に示したＳＶＭＲの要部領域の拡大図であ
る。
【図３】比較例としての上部スピンバルブ型の磁気抵抗
センサのエアベアリング面（ＡＢＳ）の断面構成図であ
る。
【符号の説明】
４０…下部シールド、４２…下部基体層、４３…シード
層、４４…反強磁性磁化方向固定作用層、４５…強磁性
磁化方向被固定層、４６…非磁性スペーサ層、４７…強
磁性フリー層、４８…ＴａＯ層、４９…第１の保護層、
５０…積層構造、７６…縦バイアス層、７８…リード
層、８０…第２の保護層（キャップ層）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ (72)発明者 民 李 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94538 フレモント レスリー ストリー ト 39663 アパート 408 (72)発明者 ▲煥▼中 廖 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94539 フレモント ベナベンテ アベニ ュー 39757 (72)発明者 茹瑛 童 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95130 サンジョセ レバイン ドライブ 2433 (72)発明者 全鉅 童 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94566 プリーザントン カミノデルラゴ 6234 (72)発明者 榮福 ▲蕭▼ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94539 フレモント リバーモア コム 43305

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スピンバルブ構造を有する磁気抵抗セン
    サ素子の製造方法であって、 下部基体層上にシード層を形成する工程と、 前記シード層上に反強磁性磁化方向固定作用層を形成す
    る工程と、 前記反強磁性磁化方向固定作用層上に強磁性磁化方向被
    固定層を形成する工程と、 前記強磁性磁化方向被固定層上に非磁性スペーサ層を形
    成する工程と、 前記非磁性スペーサ層上に強磁性フリー層を形成する工
    程と、 前記強磁性フリー層上にタンタル（Ｔａ）層を形成する
    工程と、 前記タンタル層を酸化して酸化タンタル層とする工程
    と、 前記酸化タンタル層上に第１の保護層を形成する工程
    と、 前記第１の保護層上にレジストパターンを形成する工程
    と、 前記レジストパターンをマスクとして前記第１の保護
    層、前記酸化タンタル層、および前記強磁性フリー層の
    一部分を選択的に除去する工程と、 前記除去された領域に強磁性材料を再充填する工程と、 前記再充填された強磁性材料層上に前記酸化タンタル層
    および前記第１の保護層に接する縦バイアス層を形成す
    る工程と、 前記縦バイアス層上に導電性リード層を形成する工程
    と、 前記導電性リード層上に前記第１の保護層に達する第２
    の保護層を形成する工程と、 前記第１の保護層および前記第２の保護層上に上部基体
    層を形成する工程とを含むことを特徴とする磁気抵抗セ
    ンサ素子の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記下部基体層として、膜厚２５ｎｍ〜
    ３５ｎｍの酸化アルミニウムで構成されたものを用いる
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサ素子
    の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記シード層を、膜厚４．５ｎｍ〜６．
    ５ｎｍのＮｉＣｒ（ニッケル・クロム）層とすることを
    特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造
    方法。
  4. 【請求項４】 前記反強磁性磁化方向固定作用層を、膜
    厚１５ｎｍ〜２５ｎｍのＭｎＰｔ（白金・マンガン）層
    とすることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗セン
    サ素子の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記強磁性磁化方向被固定層を、膜厚
    １．５ｎｍ〜２．５ｎｍのＣｏＦｅ（コバルト・鉄）層
    とすることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗セン
    サ素子の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記非磁性スペーサ層を、膜厚１．８ｎ
    ｍから２．５ｎｍのＣｕ（銅）層とすることを特徴とす
    る請求項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記強磁性フリー層として、膜厚０．５
    ｎｍ未満のＣｏＦｅ層上に膜厚３〜６ｎｍのＮｉＦｅ層
    を形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗
    センサ素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記タンタル層を、膜厚０．５ｎｍ未満
    とすることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗セン
    サ素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記タンタル層をプラズマアッシング工
    程により酸化タンタル層とすることを特徴とする請求項
    １に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記プラズマアッシング工程を、基板
    のクリーニング装置内で実施することを特徴とする請求
    項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１の保護層として、膜厚１ｎｍ
    〜３ｎｍのＮｉＣｒ層を形成することを特徴とする請求
    項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記第１の保護層、酸化タンタル層、
    および前記強磁性フリー層の一部分の選択的除去を、Ｉ
    ＢＥ（イオンビームエッチング）もしくはスパッタエッ
    チングにより行うことを特徴とする請求項１に記載の磁
    気抵抗センサ素子の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記再充填する強磁性材料としてＮｉ
    Ｆｅを用いることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵
    抗センサ素子の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記縦バイアス層を、反強磁性材料に
    より形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵
    抗センサ素子の製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記反強磁性材料として、ＭｎＮｉ
    （マンガン・ニッケル）またはＭｎＰｔ（白金・マンガ
    ン）を用いることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵
    抗センサ素子の製造方法。
  16. 【請求項１６】 前記反強磁性材料として、ＩｒＭｎ
    （イリジウム・マンガン）を用いることを特徴とする請
    求項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記縦バイアス層を、硬質磁性材料に
    より形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵
    抗センサ素子の製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記硬質強磁性材料として、ＣｏＰｔ
    （コバルト・白金）またはＣｏＰｔＣｒ（コバルト・白
    金・クロム）を用いることを特徴とする請求項１に記載
    の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  19. 【請求項１９】 前記導電性リード層として、前記縦バ
    イアス層上に膜厚５ｎｍ〜１０ｎｍのＴａ層、膜厚４０
    ｎｍ〜５０ｎｍのＡｕ層、および膜厚５ｎｍ〜１０ｎｍ
    のＴａ層をこの順番で堆積させることを特徴とする請求
    項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方法。
  20. 【請求項２０】 前記上部基体層として、膜厚３５ｎｍ
    〜５０ｎｍの酸化アルミニウム層を形成することを特徴
    とする請求項１に記載の磁気抵抗センサ素子の製造方
    法。
  21. 【請求項２１】 スピンバルブ構造の磁気抵抗センサ素
    子であって、 下部基体層と、 前記下部基体層の一面に形成されたシード層と、 前記シード層の前記下部基体層とは反対側の面に形成さ
    れた反強磁性磁化方向固定作用層と、 前記反磁性磁化方向固定作用層の前記シード層とは反対
    側の面に形成された強磁性磁化方向被固定層と、 前記強磁性磁化方向被固定層の前記反磁性磁化方向固定
    作用層とは反対側の面に形成された非磁性スペーサ層
    と、 前記非磁性スペーサ層の前記強磁性磁化方向被固定層と
    は反対側の面に形成された強磁性フリー層と、 前記強磁性フリー層の前記非磁性スペーサ層とは反対側
    の面に形成された酸化タンタル（ＴａＯ）層と、 前記酸化タンタル層の前記強磁性フリー層とは反対側の
    面に形成された第１の第１の保護層と、 前記第１の保護層、前記酸化タンタル層、および前記強
    磁性フリー層の一部を選択的に除去した後、強磁性材料
    により再充填されたエッチング領域と、 前記エッチング領域に設けられ、側面が前記強磁性フリ
    ー層の一部、前記酸化タンタル層および前記第１の保護
    層それぞれに接する縦バイアス層と、 前記縦バイアス層に接して設けられた導電性リード層
    と、 前記導電性リード層上に前記第１の保護層に達する第２
    の保護層を形成する工程と、 前記第１の保護層および前記第２の保護層を覆うように
    設けられた上部基体層とを備えたことを特徴とする磁気
    抵抗センサ素子。
  22. 【請求項２２】 前記下部基体層は、膜厚２５ｎｍ〜３
    ５ｎｍの酸化アルミニウムで構成されたものであること
    を特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗センサ素子。
  23. 【請求項２３】 前記シード層は、膜厚４．５ｎｍ〜
    ６．５ｎｍのＮｉＣｒ（ニッケル・クロム）層であるこ
    とを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗センサ素
    子。
  24. 【請求項２４】 前記反強磁性磁化方向固定作用層は、
    膜厚１５ｎｍ〜２５ｎｍのＭｎＰｔ（白金・マンガン）
    層であることを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗
    センサ素子。
  25. 【請求項２５】 前記強磁性磁化方向被固定層は、膜厚
    １．５ｎｍ〜２．５ｎｍのＣｏＦｅ（コバルト・鉄）層
    であることを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗セ
    ンサ素子。
  26. 【請求項２６】 前記非磁性スペーサ層は、膜厚１．８
    ｎｍから２．５ｎｍのＣｕ（銅）層であることを特徴と
    する請求項２１に記載の磁気抵抗センサ素子。
  27. 【請求項２７】 前記強磁性フリー層は、膜厚０．５ｎ
    ｍ未満のＣｏＦｅ層上に膜厚３〜６ｎｍのＮｉＦｅ層を
    形成した領域を含むことを特徴とする請求項２１に記載
    の磁気抵抗センサ素子。
  28. 【請求項２８】 前記酸化タンタル層の膜厚は、１ｎｍ
    未満であることを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵
    抗センサ素子。
  29. 【請求項２９】 前記第１の保護層は、膜厚１ｎｍ〜３
    ｎｍのＮｉＣｒ層であることを特徴とする請求項２１に
    記載の磁気抵抗センサ素子。
  30. 【請求項３０】 前記エッチング領域に再充填された強
    磁性材料はＮｉＦｅであることを特徴とする請求項２１
    に記載の磁気抵抗センサ素子。
  31. 【請求項３１】 前記縦バイアス層は反強磁性材料によ
    り形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の
    磁気抵抗センサ素子。
  32. 【請求項３２】 前記反強磁性材料は、ＭｎＮｉ（マン
    ガン・ニッケル）またはＭｎＰｔ（白金・マンガン）で
    あることを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗セン
    サ素子。
  33. 【請求項３３】 前記反強磁性材料は、ＩｒＭｎ（イリ
    ジウム・マンガン）であることを特徴とする請求項２１
    に記載の磁気抵抗センサ素子。
  34. 【請求項３４】 前記縦バイアス層は硬質磁性材料によ
    り形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の
    磁気抵抗センサ素子。
  35. 【請求項３５】 前記硬質強磁性材料は、ＣｏＰｔ（コ
    バルト・白金）またはＣｏＰｔＣｒ（コバルト・白金・
    クロム）であることを特徴とする請求項２１に記載の磁
    気抵抗センサ素子。
  36. 【請求項３６】 前記導電性リード層は、前記縦バイア
    ス層上に形成された膜厚５ｎｍ〜１０ｎｍのＴａ層、膜
    厚４０ｎｍ〜５０ｎｍのＡｕ層、および膜厚５ｎｍ〜１
    ０ｎｍのＴａ層の積層構造であることを特徴とする請求
    項２１に記載の磁気抵抗センサ素子。
  37. 【請求項３７】 前記上部基体層は、膜厚３５ｎｍ〜５
    ０ｎｍの酸化アルミニウム層であることを特徴とする請
    求項２１に記載の磁気抵抗センサ素子。
JP2001035864A 2000-02-11 2001-02-13 磁気抵抗センサ素子およびその製造方法 Pending JP2001291915A (ja)

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