JP2002198585A - 反強磁性層の改質方法及び交換結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い一方向異方性定数Ｊkを有し、かつ高い
ブロッキング温度ＴBを有し、膜厚が薄い交換結合素子
及び反強磁性層の改質方法を提供する。 【解決手段】 基体上に反強磁性層を形成し、該反強磁
性層を初期真空度が１０ ^-9Torr以下の真空雰囲気中で熱
処理することを特徴とする反強磁性層の改質方法を採用
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、交換結合素子の改
質方法、交換結合素子及びスピンバルブ型磁気抵抗素子
並びに磁気ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ハードディスクドライブの再生ヘッドと
して用いられるスピンバルブ型磁気抵抗素子には、外乱
磁界に対する信頼性、特に高温での動作特性、耐ESD、
固定磁化層の磁化の反転防止のため、高いブロッキング
温度ＴBと交換結合磁界Ｈexが要求されている。また、
記録密度向上とともにスピンバルブ型磁気抵抗素子の厚
みを低減することが必要となり、極薄化と耐熱性の向上
がともに要求されている。特に40 Gbit/in²超の記録密
度に対応するには、ＴBとして300℃以上が必要とされて
いる。

【０００３】上記の要求に対して従来は、反強磁性層材
料の検討、あるいは反強磁性層の膜厚を厚くすることに
より対処してきた。たとえば、ＴBが３００数十度と高
いPt-Mn合金を用いることなどが挙げられる。しかし、P
t-Mn合金からなる反強磁性層は、反強磁性層としての機
能を発現するために必要な厚さが厚いという問題があ
る。すなわち反強磁性層には、固定磁化層に一方向異方
性定数Ｊkを誘導するために必要な最低厚み（臨界厚）
があり、この臨界厚は材料によって異なるがPt-Mn合金
の場合はこれが厚いことが知られている。たとえば、Ｊ
kの飽和値を得るためには２０ｎｍ以上が必要とされて
いる。しかし、記録密度の高密度化に対応するため再生
ヘッドの狭ギャップ化が進められており、４０Gbit/in²
の場合、０．１μｍ以下のギャップ長が要求されてい
る。この場合、スピンバルブ型磁気抵抗素子の厚みは３
０ｎｍ以下にする必要があり、反強磁性層の厚みとして
は１５ｎｍ以下にする必要がある。従って、Pt-Mn合金
では、将来の極薄化に対応できない。

【０００４】一方、Mn-Ir合金は各種反強磁性層の構成
材料の中で最も臨界厚が小さい材料である。このMn-Ir
合金によれば、製法にもよるが５ｎｍ以上あればＪkの
飽和値を得ることができ、Ｊkの絶対値も、Ｐｔ-Ｍｎ合
金に匹敵する。しかし、ＴBが２５０℃以下と低いのが
致命的と言われてきた。これに対し、厚みを厚くして反
強磁性層中の結晶粒の持つ磁気異方性エネルギーを増加
することで、ＴBを高めることはできる。たとえば、Mn-
Ir膜においても膜厚を２０ｎｍとすれば３００℃を越え
るＴBが得られる。しかしながら、先に述べた狭ギャッ
プ化のためには、反強磁性層を１５ｎｍ以下とすること
が必要であり、膜厚増加によるＴBの向上は現実的な手
段ではない。また、反強磁性層の膜厚増加とともに、Ｊ
kの減少、ΔＲの減少、Ｒsの増加、結果として磁気抵抗
変化率（ＭＲ比）の低下、といった問題が発生する。こ
のため、Mn-Ir膜厚として適当な値で妥協しなければな
らず、通常、７〜１０ｎｍで使用される。このため、Mn
-Ir合金でＴBを３００℃以上とするのは困難であった。

【０００５】また、スピンバルブ型磁気抵抗素子におけ
るＪkについてみると、反強磁性層の材質の検討、反強
磁性層の膜厚の検討、反強磁性層／固定磁化層（強磁性
層）の積層順序（top型かbottom型か）、固定磁化層で
ある強磁性層の材質の検討、成膜後の磁場中アニール方
法の検討等がなされ、Ｊkの向上が図られてきた。しか
し、どのような方法によっても、反強磁性層と固定磁化
層の界面に誘導されるＪkの値は要求値には不十分であ
った。これに対し、固定磁化層を適当厚のRuを介して２
つの強磁性膜を積層させる積層フェリ構造とすることが
提案されている。この積層フェリ構造によれば、反強磁
性層と固定磁化層の界面におけるＪkが小さくても、２
つの強磁性膜間に働く反強磁性的結合により固定磁化層
の磁化方向が固定されるため、ＴBまでは大きな磁気異
方性を維持することが可能となる。しかしながら、固定
磁化層の磁化固定に本質的に重要な因子は反強磁性層／
固定磁化層間の交換結合であり、この点については何ら
改善されていない。また、ＴBの値も変わらない。

【０００６】以上の問題に対し、本発明者らは超高真空
プロセス(XC-process)を提案し、このXC-processが反強
磁性層の極薄化と耐熱性向上の両立に効果があることを
示してきた。すなわち、反強磁性層を形成する際に、初
期真空度を１０^-11Torr台とし、純度９Ｎ（ナイン）の
高純度Ａｒを成膜ガスに使用するなどの工夫により、反
強磁性層の表面を清浄化し、更に、反強磁性層中の不純
物を極力低減することにより結晶粒の成長を促進して高
い結晶配向性を発現させることによりＪk及びＴBを向上
させた。さらに、反強磁性層の下地膜材及び下地膜構成
を工夫することによってもＪkを向上させた。この結
果、たとえば、厚さ７ｎｍのMn-Ir合金膜と２ｎｍのCo-
Fe合金膜からなる交換結合素子を備えたbottom型のスピ
ンバルブ型磁気抵抗素子において、Ｊkを０．３０ｅｒ
ｇ／ｃｍ²以上とし（Ｈexにして例えば１ｋＯｅ以
上）、ＴBを２８０〜２９０℃とすることが可能になっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のXC-pro
cessによってもＴBの値としては不足であり、さらに耐
ＥＳＤ等を考えるとＪkのさらなる向上が求められる。
また、反強磁性層の下地膜の変更によるＪkの向上は、
しばしばＭＲ特性を低下させるという問題が生じてい
た。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、高い一方向異方性定数Ｊkを有し、かつ高い
ブロッキング温度ＴBを有し、膜厚が薄い交換結合素子
及びスピンバルブ型磁気抵抗素子及び磁気ヘッド並びに
反強磁性層の改質方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明の反強磁
性層の改質方法は、基体上に反強磁性層を形成し、該反
強磁性層を初期真空度が１０^-9Torr以下の真空雰囲気中
で熱処理することを特徴とする。また本発明の反強磁性
層の改質方法においては、前記反強磁性層を初期真空度
が１０^-10Torr以下の真空雰囲気中で熱処理することが
好ましい。

【００１０】係る反強磁性層の改質方法によれば、初期
真空度が１０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Torr以下
の高真空中で熱処理するので、反強磁性層の表面の酸化
や表面への気体状の不純物元素の吸着を防止することが
でき、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層の表面
を改質させることができ、この改質された表面に強磁性
層を積層した場合に、反強磁性層と強磁性層との間で交
換結合磁界を発現させ、同時に高い一方向異方性定数Ｊ
k及び高いブロッキング温度ＴBを発現させることが可能
になる。

【００１１】また本発明の反強磁性層の改質方法は、先
に記載の反強磁性層の改質方法であって、前記反強磁性
層がMn-Ir合金であってIrの組成比が８原子％以上４０
原子％以下のものであることを特徴とする。

【００１２】更に本発明の反強磁性層の改質方法は、前
記反強磁性層を赤外光照射により加熱処理することを特
徴とする。また本発明の反強磁性層の改質方法は、赤外
光を透過させる透過窓を備えたチャンバ内に、前記反強
磁性層を形成した基体を配置し、該チャンバ内を１０^-9
Torr以下の真空雰囲気とした後に、前記チャンバの外側
に配置された赤外光源から赤外光を照射し、この赤外光
を前記透過窓を介して前記基体に照射することにより、
前記反強磁性層を熱処理することを特徴とする。また、
本発明の反強磁性層を改質する別の方法として、反強磁
性層を形成した基体をチャンバ内の試料ステージに設置
し、該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空雰囲気とした
後に、前記試料ステージに備えられたヒータによって前
記試料ステージを介して前記反強磁性層を加熱すること
により行っても良い。

【００１３】係る反強磁性層の改質方法によれば、赤外
光を透過する透過窓を備えたチャンバ内に、反強磁性層
を形成した基体を配置し、チャンバ内を１０^-9Torr以下
の真空雰囲気とした後に、赤外光を前記透過窓に透過さ
せて前記反強磁性層に照射して熱処理するので、高真空
状態を保ったまま熱処理することができ、反強磁性層の
表面の酸化や表面への気体原子の吸着を防止することが
可能になり、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロッ
キング温度ＴBを発現させることが可能になる。

【００１４】次に本発明の熱処理装置は、赤外光を透過
させる透過窓を備えたチャンバと、該チャンバ内を１０
^-9Torr以下の真空雰囲気とする排気機構と、赤外光を前
記チャンバの外側より前記透過窓を介して前記チャンバ
内部に照射する赤外光源とを具備してなることを特徴と
する。

【００１５】係る熱処理装置によれば、赤外光を透過す
る透過窓を備えたチャンバ内に、反強磁性層を形成した
基体を配置し、チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空雰囲
気とした後に、赤外光を前記透過窓に透過させて前記反
強磁性層に照射して熱処理するので、高真空状態を保っ
たまま熱処理することができ、反強磁性層の表面の酸化
や表面への気体状の不純物元素の吸着を防止することが
可能になり、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロッ
キング温度ＴBを有する交換結合素子を製造することが
できる。

【００１６】また本発明の交換結合素子の製造装置は、
基体上に反強磁性層を形成する第１成膜装置と、前記反
強磁性層を熱処理する熱処理装置と、熱処理後の反強磁
性層に強磁性層を形成する第２成膜装置とを具備してな
り、前記熱処理装置は、赤外光を透過させる透過窓を備
えたチャンバと、該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空
雰囲気とする排気機構と、赤外光を前記チャンバの外側
より前記透過窓を介して前記チャンバ内部に照射する赤
外光源とを具備してなることを特徴とする。

【００１７】係る交換結合素子の製造装置によれば、反
強磁性層を形成した後に、真空を破ることなく反強磁性
層を熱処理し、続いて真空を破らずに反強磁性層上に強
磁性層を形成できるので、反強磁性層と強磁性層との界
面を不純物元素や気体状の不純物元素等により汚染させ
ることがなく、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロ
ッキング温度ＴBを有する交換結合素子を製造すること
が可能になる。

【００１８】次に本発明の交換結合素子は、基体上に、
反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合する強磁性層と
が順次積層されてなり、前記反強磁性層は、強磁性層の
積層前に初期真空度が１０^-9Torr以下の真空雰囲気中で
熱処理されて表面が改質されたものであり、前記強磁性
層はこの改質面上に積層されたものであることを特徴と
する。

【００１９】係る交換結合素子によれば、初期真空度が
１０^-9Torr以下、好ましくは１０^{-1 0}Torr以下の高真空
中で反強磁性層が熱処理されるので、反強磁性層の表面
の酸化や表面への気体状の不純物元素の吸着を防止する
ことができ、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層
の表面を改質させることができ、この改質された表面に
強磁性層を積層した場合、反強磁性層と強磁性層との間
で交換結合磁界を発現させ、同時に高い一方向異方性定
数Ｊk及び高いブロッキング温度ＴBを発現させることが
可能になる。

【００２０】また本発明の交換結合素子は、先に記載の
交換結合素子であって、前記反強磁性層がMn-Ir合金で
あってIrの組成比が８原子％以上４０原子％以下のもの
であることを特徴とする。また本発明の交換結合素子
は、先に記載の交換結合素子であって、前記強磁性層が
Co-Fe合金であってFeの組成比が５原子％以上５０原子
％以下のものであることを特徴とする。

【００２１】係る交換結合素子によれば、極薄で高い交
換結合磁界Ｈex及びブロッキング温度ＴBを導出するこ
とが可能になる。またCo-Fe合金からなる強磁性層を備
えるので、反強磁性層／強磁性層間に大きな一方向異方
性定数Ｊkを誘導することができ、同時に高い抵抗変化
率を得ることができる。

【００２２】次に本発明のスピンバルブ型磁気抵抗素子
は、先のいずれかに記載の交換結合素子を備えたことを
特徴とする。即ち、本発明のスピンバルブ型磁気抵抗素
子は、基体上に、反強磁性層と、該反強磁性層と交換結
合する強磁性層とが順次積層されてなり、前記反強磁性
層が強磁性層の積層前に初期真空度が１０^-9Torr以下の
真空雰囲気中で熱処理されて表面が改質され、前記強磁
性層がこの改質面上に積層されてなる交換結合素子を具
備することを特徴とする。特に前記反強磁性層がMn-Ir
合金であってIrの組成比が８原子％以上４０原子％以下
のものであることが好ましい。また前記強磁性層がCo-F
e合金であってFeの組成比が５原子％以上５０原子％以
下のものであることが好ましい。上記のスピンバルブ型
磁気抵抗素子の具体例として、上記の交換結合素子の強
磁性層上に、非磁性高電導層と別の強磁性層を積層した
ものを例示できる。

【００２３】次に、本発明の交換結合素子をトンネル型
磁気抵抗素子に適用しても良い。即ち、このトンネル型
磁気抵抗素子は、基体上に、反強磁性層と、該反強磁性
層と交換結合する強磁性層とが順次積層されてなり、前
記反強磁性層が強磁性層の積層前に初期真空度が１０^-9
Torr以下の真空雰囲気中で熱処理されて表面が改質さ
れ、前記強磁性層がこの改質面上に積層されてなる交換
結合素子を具備することを特徴とする。特に前記反強磁
性層がMn-Ir合金であってIrの組成比が８原子％以上４
０原子％以下のものであることが好ましい。また前記強
磁性層がCo-Fe合金であってFeの組成比が５原子％以上
５０原子％以下のものであることが好ましい。上記トン
ネル型磁気抵抗素子の具体例として、上記の交換結合素
子の強磁性層上に、絶縁膜と別の強磁性層を積層したも
のを例示できる。

【００２４】次に、本発明の交換結合素子を磁気式メモ
リに適用しても良い。即ち、この磁気式メモリは、基体
上に、反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合する強磁
性層とが順次積層されてなり、前記反強磁性層が強磁性
層の積層前に初期真空度が１０^-9Torr以下の真空雰囲気
中で熱処理されて表面が改質され、前記強磁性層がこの
改質面上に積層されてなる交換結合素子を具備すること
を特徴とする。特に前記反強磁性層がMn-Ir合金であっ
てIrの組成比が８原子％以上４０原子％以下のものであ
ることが好ましい。また前記強磁性層がCo-Fe合金であ
ってFeの組成比が５原子％以上５０原子％以下のもので
あることが好ましい。

【００２５】次に本発明の磁気ヘッドは、先のいずれか
に記載の交換結合素子を備えたことを特徴とする。即
ち、本発明の磁気ヘッドは、基体上に、反強磁性層と、
該反強磁性層と交換結合する強磁性層とが順次積層され
てなり、前記反強磁性層が強磁性層の積層前に初期真空
度が１０^-9Torr以下の真空雰囲気中で熱処理されて表面
が改質され、前記強磁性層がこの改質面上に積層されて
なる交換結合素子を具備することを特徴とする。特に前
記反強磁性層がMn-Ir合金であり、Irの組成比が８原子
％以上４０原子％以下であることが好ましい。また前記
強磁性層がCo-Fe合金であり、Feの組成比が５原子％以
上５０原子％以下であることが好ましい。上記の磁気ヘ
ッドの具体例として、上記の交換結合素子の強磁性層上
に非磁性高電導層と別の強磁性層を積層してスピンバル
ブ型磁気抵抗素子を形成し、このスピンバルブ型磁気抵
抗素子を一対の絶縁膜で挟み、更にこれらのスピンバル
ブ型磁気抵抗素子及び絶縁膜をシールド層で挟んだもの
を例示できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以
後の明細書において、圧力をTorrの単位で表記するが、
これをＳＩ単位であるＰａ(パスカル)に変換する場合に
は、１Torr＝１３３Ｐａにより換算すればよい。また、
膜厚をÅの単位で表記する場合があるが、これをＳＩ単
位であるｎｍ(ナノメートル)に変換する場合には、１Å
＝０．１ｎｍにより換算すればよい。更に磁界をＯｅ
（エルステッド）の単位で表記する場合があるが、これ
をＳＩ単位であるＡ／ｍ(アンペア毎メートル)に変換す
る場合には、１ Ｏｅ＝７９．５８Ａ／ｍにより換算す
ればよい。

【００２７】図１には、本発明の実施形態である交換結
合素子１を示す。この交換結合素子１は、基体２上に積
層された反強磁性層４と、反強磁性層４上に形成された
強磁性層５と、保護層６とから構成されている。上記基
体２は、例えば少なくとも表面に０．５〜１０ｎｍ程度
のTaからなる層を備えているものが好ましい。なお、基
体２は、Taからなる層に代えてTa-Ni-Fe系合金からなる
層を表面に形成してなるものであってもよい。

【００２８】また反強磁性層４は例えば膜厚が５〜２０
ｎｍのMn-Ir合金からなる層であり、強磁性層５と交換
結合して強磁性層５の磁化を一方向に固定する。Mn-Ir
合金は、Irの組成比が８原子％以上４０原子％以下のも
のが好ましい。なお、反強磁性層４はMn-Ir合金に限ら
れず、既報のいかなる反強磁性層でもよい。この反強磁
性層４は、強磁性層５の積層前に初期真空度が１０^-9To
rr以下、好ましくは１０^-10Torr以下の真空雰囲気中で
熱処理されて表面が改質されたものが好ましい。反強磁
性層４が初期真空度１０^-9Torr以下の高真空中で熱処理
されると、反強磁性層４の表面の酸化や表面への気体状
の不純物の吸着を防止しつつ熱処理がなされ、表面の原
子配列等を変化させて反強磁性層の表面を改質させるこ
とができる。この改質された表面に強磁性層５を積層し
た場合、反強磁性層４と強磁性層５との間の交換結合磁
界が増強され、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロ
ッキング温度ＴBを発現させることが可能になる。

【００２９】高真空雰囲気中で熱処理されたMn-Ir合金
からなる反強磁性層４について、Ｘ線回折等で構造解析
を行うと、低角入射反射率の測定や、θ-2θ法による測
定によっても熱処理の有無による明確な相違は見られ
ず、結晶構造の違いは認められない。また断面を電子顕
微鏡等で観察しても明確な変化が見られない。またMn-I
r合金は不規則相を有しているが、熱処理による規則化
もみられない。以上から、高真空中における熱処理によ
る構造変化は、Ｘ線回折で検出される程度の変化ではな
く、Ｘ線回折ではわからない膜表面数原子層程度の変化
と考えられる。たとえば、真空中での加熱による少量の
Mn原子の蒸発による組成変化などが考えられる。あるい
は表面エネルギー低減のため原子の入れ替えが生じると
いったことも考えられる。また、反強磁性層表面の歪み
緩和、最表面のみの規則化なども考えられる。

【００３０】強磁性層５は、反強磁性層４の改質された
表面上に積層される。これにより、反強磁性層４と強磁
性層５との間の交換結合磁界が増強され、高い一方向異
方性定数Ｊk及び高いブロッキング温度ＴBを発現させる
ことが可能になる。強磁性層５は、例えば膜厚が１〜５
ｎｍのNi-Fe合金またはCo-Fe合金、あるいはCo、または
それらの積層膜からなる層であり、特にFeの組成比が５
原子％以上５０原子％以下のCo-Fe合金が好ましい。ま
た、Ni-Fe合金、Co-Fe合金のいずれも、他の添加元素が
添加されていても良い。更に強磁性層５は、適当厚のRu
膜を介して２つの強磁性膜を積層させて積層フェリ構造
としてもよい。この積層フェリ構造によれば、２つの強
磁性膜間に働く反強磁性的結合により強磁性層の磁化方
向が固定されるため、ブロッキング温度ＴBまで加熱さ
れても大きな磁気異方性を維持することが可能となる。
保護層６は例えば膜厚が０．５〜５ｎｍのTaからなる層
であり、強磁性層５の表面の酸化を防止する。

【００３１】また、基体２と反強磁性層４との間に下地
層を設けても良い。下地層は、下地膜単体か、２以上の
下地膜の積層構造のいずれかであってもよい。下地膜単
体の場合、Cu膜、Ni-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜のいず
れかであることが好ましい。この場合の下地層の厚さは
１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲が好ましい。また積層構造
の下地層の場合は、２つの下地膜のうちいずれか１つが
Cu膜とするとともに他の１つがNi-Fe合金膜またはCo-Fe
合金膜とすることが好ましい。この場合、下地層の全層
厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲が好ましく、また各下
地膜の各膜厚はそれぞれ０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下
が好ましい。

【００３２】下地層の全層厚が１ｎｍ以上であれば、下
地層の（１１１）配向した結晶性を維持することが可能
になり、また層厚が５ｎｍ以下であれば、交換結合素子
１を磁気抵抗効果素子等に用いた場合に、検出電流の分
流が抑制されてシャントロスを低減することが可能にな
る。更に、下地層が積層構造の場合、各下地膜の各膜厚
が０．５ｎｍ以上であれば、各下地膜の結晶性を維持す
ることが可能になり、また各膜厚が１．５ｎｍ以下であ
れば上記と同様に検出電流のシャントロスを低減するこ
とが可能になる。

【００３３】下地層を構成するCu、Ni-Fe合金、Co-Fe合
金はいずれもｆｃｃ結晶構造(面心立方構造)を有する材
料であり、これらの材料はスパッタリング等によって
（１１１）面を優先配向しつつ成膜されるため、膜表面
での（１１１）面の露出確率が高くなる。従って、この
下地層上に反強磁性層４及び強磁性層５をエピタキシャ
ル成長させつつ成膜すると、反強磁性層４及び強磁性層
５が（１１１）面配向された状態で形成され、この結
果、反強磁性層４と強磁性層５との界面で誘導される一
方向異方性定数Ｊkを高くし、交換結合磁界Ｈexを向上
できる。

【００３４】尚、下地層による一方向異方性定数Ｊk及
び交換結合磁界Ｈexの向上の効果は、反強磁性層４を真
空中での加熱処理により改質することによって得られる
効果にそのまま上乗せできる。即ち、反強磁性層４の改
質と下地層の形成を同時に行うことにより、反強磁性層
４の改質による一方向異方性定数Ｊkの増加分に、下地
層の形成によるＪkの増加分を足し合わせた分のＪkの増
加を見込むことができる。

【００３５】次に、上記の交換結合素子１の製造方法を
説明する。図２には、上記の交換結合素子１を製造する
際に用いる熱処理装置５０の要部を示す。この熱処理装
置５０は、赤外光を透過する透過窓５１を備えたチャン
バ５２と、チャンバ５２内を１０^-9Torr以下の真空雰囲
気とする図示しない排気機構と、赤外光をチャンバ５２
の外側から透過窓５１に透過させてチャンバ５２内に照
射する赤外光源５３を主体として構成されている。

【００３６】チャンバ５２は、図示しない排気機構に接
続されていて、内部を１０^-9Torr以下、好ましくは１０
^-10Torr以下の真空雰囲気にできるようになっている。
また、チャンバ５２内には試料ステージ５４が備えられ
ていて、試料ホルダー５５を介して基体２を固定できる
ようになっている。また、試料ステージ５４には熱電対
等の温度センサ５６が取り付けられている。また、試料
ステージ５４は、図２における上下方向に駆動できるよ
うに構成されていて、赤外光源５３と基体２との照射距
離を調整できるように構成されている。

【００３７】また、チャンバ５２の上部には赤外光を透
過する透過窓５１が備えられている。透過窓５１は、赤
外光に対して高い透過率を有するとともに、チャンバ５
２内を高真空に保つためにガスバリア性に優れた材料か
らなるものが好ましく、例えばα-Ａｌ₂Ｏ₃等が好まし
い。

【００３８】赤外光源５３は、電源５７に接続されたフ
ィラメント５８と、開口部６０を有する反射板５９とか
ら構成されている。電源５７からフィラメント５８に通
電することにより発した赤外光は、反射板５９の集光効
果により赤外光源５３内に位置する焦点に一旦集光さ
れ、開口部６０からチャンバ５２の透過窓５１に向けて
放射状に照射される。更に赤外光は透過窓５１を透過し
てチャンバ５２内の試料ステージ近傍まで届くように構
成されている。尚、開口部６０には図示しない絞りが取
り付けられていて、赤外光の照射範囲を調整できるよう
に構成されている。また、赤外光源５３も試料ステージ
５４と同様に、図２における上下方向に駆動できるよう
に構成されていて、基体２との照射距離を調整できるよ
うに構成されている。

【００３９】上記の熱処理装置５０は、交換結合素子の
製造装置に組み込んで用いることが好ましい。即ち、基
体２上に反強磁性層４を形成する第１成膜装置と、上記
の熱処理装置５０と、熱処理後の反強磁性層４に強磁性
層５を形成する第２成膜装置とを具備してなる交換結合
素子の製造装置を構成することが好ましい。前記第１成
膜装置は熱処理装置５０の上流側に、前記第２成膜装置
は熱処理装置の下流側に配置することが好ましい。

【００４０】第１，第２成膜装置の具体例としては、ス
パッタリング装置、真空蒸着装置等を適用することがで
きるが、１０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Torr以下
の背圧で成膜可能なものが好ましい。更にこれら第１，
第２成膜装置が、熱処理装置５０のチャンバ５２に直接
に接続されていることが好ましい。各成膜装置がチャン
バ５２に接続されていれば、例えば第１成膜装置で基体
２上に反強磁性層４を形成した後に、大気に曝すことな
く基体２上の反強磁性層４をチャンバ５２に移動させて
熱処理することができ、更に熱処理後の反強磁性層４を
第２成膜装置に移動させて強磁性層５を成膜することが
でき、高真空下で成膜と熱処理とを連続して行うことが
できる。

【００４１】上記の交換結合素子の製造装置を用いて交
換結合素子を製造するには、まず第１成膜装置内で基体
２上にMn-Ir合金からなる反強磁性層４を形成する。反
強磁性層４は、１０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Tor
r以下の背圧下で、純度が９ナインのアルゴンガスを導
入しつつ行うスパッタリング法若しくは真空蒸着法によ
り形成することが好ましい。

【００４２】次に、反強磁性層４が形成された基体２を
図２に示す熱処理装置５０に搬送し、反強磁性層４の改
質を行う。搬送された基体２は試料ホルダ５５上に載置
されるが、基体２の赤外光の透過率が高い場合には、図
２に示すように、反強磁性層４が透過窓５１の反対側に
向くように基体２を試料ホルダ５５に載置してもよい。
なお、基体２が赤外光を透過しない場合には、反強磁性
層４を透過窓５１側に向けて配置する。

【００４３】そして、赤外光源５３から赤外光を照射
し、この赤外光を透過窓５１に透過させつつ基体２に照
射する。基体２自体は図３（ａ）に示すように赤外光
（ＩＲ）をほとんど透過する。基体２に反強磁性層４が
形成された場合は、図３（ｂ）に示すように赤外光が基
体２を透過して反強磁性層４まで照射され、反強磁性層
４が熱処理される。

【００４４】反強磁性層４の熱処理温度は、赤外光源５
３のフィラメント５８への通電量により調節される。反
強磁性層４は、例えば１５０〜３００℃に加熱される。
反強磁性層４の実際の温度は、試料ステージ５４に接続
された温度センサ５６により間接的に測定される。反強
磁性層４の熱処理温度が１５０℃以下では反強磁性層４
の表面を十分に改質させることができないので好ましく
なく、熱処理温度が３００℃以上では増強効果が飽和
し、また、下地層と反強磁性層間の拡散が懸念されるの
で好ましくない。

【００４５】図４には、フィラメント５８への通電量を
一定にした場合の反強磁性層４の温度変化を示す。所定
時間経過後に反強磁性層４の温度が一定になり、温度が
一定になった時間から赤外光源（ＩＲランプ）５３への
通電を切るまでの時間が保持時間となる。また、赤外光
源５３若しくは試料ステージ５４のいずれか一方または
両方を上下させて照射距離を調整するか、あるいは赤外
光源５３の開口部６０の大きさを調整することにより、
赤外光の照射範囲を調整することができる。

【００４６】熱処理前の雰囲気は、１０^-9Torr以下、好
ましくは１０^-10Torr以下の真空雰囲気とするのが好ま
しい。真空度が１０^-9Torrより低下すると、チャンバ５
２内部に残留した酸素、水等が反強磁性層４の表面に吸
着し、場合によっては反強磁性層４の表面が酸化された
り変質されてしまい、一方向異方性定数Ｊk及びブロッ
キング温度ＴBを低下させてしまうので好ましくない。
上記のような高真空中で反強磁性層４を熱処理すること
により、反強磁性層４の表面の酸化や表面への気体原子
の吸着を防止することができ、表面の原子配列等を変化
させて反強磁性層４の表面を改質させることができ、こ
の改質された表面に強磁性層５を積層すれば、反強磁性
層４と強磁性層５との間で交換結合磁界を発現させ、高
い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロッキング温度ＴBを
発現させることができる。

【００４７】次に、熱処理されて改質された反強磁性層
４に強磁性層５を積層する。熱処理後の基体２を例えば
チャンバ５２に連結された第２成膜装置まで搬送し、１
０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Torr以下の背圧とし
た状態で、スパッタ法もしくは真空蒸着法により、改質
後の反強磁性層４の表面上に強磁性層５を形成する。更
に、強磁性層５上に保護層６を形成した後、磁場中でア
ニール処理を施すことで、反強磁性層４と強磁性層５と
の界面にて交換結合磁界を発現させることにより、交換
結合素子１が得られる。

【００４８】上記の熱処理装置５０による反強磁性層４
の改質方法によれば、赤外光を透過する透過窓５１を備
えたチャンバ５２内に、反強磁性層４を形成した基体２
を配置し、チャンバ５２内を１０^-9Torr以下の真空雰囲
気とした後に、赤外光を透過窓５１に透過させて反強磁
性層４に照射して熱処理するので、高真空状態を保った
まま熱処理することができ、反強磁性層４の表面の酸化
や表面への気体原子の吸着を防止することが可能にな
り、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロッキング温
度ＴBを発現させることができる。

【００４９】また上記の交換結合素子の製造装置によれ
ば、反強磁性層４を形成した後に、真空を破ることなく
反強磁性層４を熱処理し、続いて真空を破らずに反強磁
性層４上に強磁性層５を形成できるので、反強磁性層４
と強磁性層５との界面を不純物元素や気体元素等により
汚染させることがなく、高い一方向異方性定数Ｊk及び
高いブロッキング温度ＴBを有する交換結合素子１を製
造することができる。

【００５０】尚、上記の反強磁性層を改質する別の方法
として、反強磁性層を形成した基体をチャンバ内の試料
ステージに設置し、該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真
空雰囲気とした後に、試料ステージに備えられたヒータ
によって試料ステージを介して反強磁性層を加熱するこ
とにより行っても良い。

【００５１】（第２の実施形態）図５には、本発明の第
２の実施形態であるスピンバルブ型磁気抵抗素子１０を
示す。このスピンバルブ型磁気抵抗素子１０は、基体１
２上に積層された本発明に係る交換結合素子１１と、交
換結合素子１１上に形成された非磁性高導電層１６と、
非磁性高導電層１６上に形成された別の強磁性層１７
と、保護層１８とから構成されている。

【００５２】交換結合素子１１は、第１の実施形態にて
説明した交換結合素子１とほぼ同様のものであり、基体
１２上に積層された下地層１３と、下地層１３上に形成
された反強磁性層１４と、反強磁性層１４上に形成され
た強磁性層１５とから構成されている。下地層１３は、
例えばNi-Fe合金からなる層である。上記の基体１２、
反強磁性層１４及び強磁性層１５は、第１の実施形態に
て説明した基体２、反強磁性層４及び強磁性層５の構
成、材質、膜厚等と同様であるので、その説明を省略す
る。

【００５３】下地層１３はNi-Fe合金からなる層であ
り、厚さが１．５〜３ｎｍの膜である。この下地層１３
の効果は第１の実施形態で説明した効果と同じである。
強磁性層１５は、例えば厚さ２ｎｍのCo~Fe、Ni~Feある
いはCo、またはそれらの膜をそれぞれ適当な厚みで積層
した膜からなるが、その他に、適当な厚みのRuを介して
２つの強磁性体膜を対向させ、両膜の磁化を反強磁性的
に交換結合させた、いわゆる積層フェリあるいは積層反
強磁性膜構造としてもよい。非磁性高導電層１６は例え
ば膜厚が２〜２．５ｎｍのCuからなる層であり、強磁性
層１５、１７の間に位置して両強磁性層１５，１７の磁
化方向に依存した電子のスピン依存伝導を生じさせる。
また強磁性層１７は例えば膜厚が１〜５ｎｍのNi-Fe合
金またはCo-Fe合金またはCoまたはそれらの積層膜から
なる層であり、非磁性高導電層１６に隣接している。上
記の積層構造では、強磁性層１５が磁化固定層を構成
し、別の強磁性層１７が磁化自由層を構成する。また保
護膜１８は、例えば膜厚が２ｎｍのTaからなる膜であ
る。強磁性膜１７とTa保護膜との界面反応を嫌う場合
は、両膜間に厚さ１nm程度の反応防止層としてのCu膜を
挿入しても良い。

【００５４】上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子１０に
よれば、交換結合磁界Ｈex及びＪkが高い本発明に係る
交換結合素子１１を備えているので、外部磁界によって
強磁性層１５（磁化固定層）の磁化方向が変動すること
がなく、高いＭＲ比を発現することができる。また交換
結合素子１１のブロッキング温度ＴBが高いので、スピ
ンバルブ型磁気抵抗素子１０の耐熱性を向上させること
ができる。更に、反強磁性層１４の改質処理を行った場
合でも、ＭＲ比が低下することがないので、ＭＲ比を維
持したままでＪk及びＴBを改善することができる。更
に、上記の強磁性層１７と保護層１８との間に、電子を
弾性散乱させる金属酸化物からなる鏡面反射層を形成し
ても良い。鏡面反射層を形成した場合には、ＭＲ比を更
に向上させることができる。反強磁性層１４の改質処理
によるＪk及びＴBの向上効果は、この際、何ら影響を受
けない。

【００５５】また、上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子
１０によれば、下地層１３の層厚を２ｎｍ程度にするこ
とができるので、スピンバルブ型磁気抵抗素子１０の全
厚をに低減することができ、ギャップ長を短縮して高記
録密度化に対応させることができる。

【００５６】上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子１０に
よれば、例えば、ブロッキング温度ＴBを３００℃以上
とし、反強磁性層１4の膜厚を１５ｎｍ以下とし、スピ
ンバルブ型磁気抵抗素子１０全体の厚さを３０ｎｍ以下
とし、交換結合磁界Ｈexを１ｋＯｅとすることができ
る。

【００５７】（第３の実施形態）図６には、本発明の第
４の実施形態であるＧＭＲ型再生ヘッド及びこの再生ヘ
ッドと誘導型記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型
磁気ヘッドを示し、図７には、ＧＭＲ型再生ヘッドの要
部を示す。図６及び図７において、符号８００は本発明
に係るスピンバルブ型磁気抵抗素子、８０１は本発明に
係る交換結合素子、８０２は下地層、８０３は高真空下
で熱処理されて改質された反強磁性層、８０４は固定磁
化層として機能する強磁性層、８０５は非磁性高導電
層、８０６は磁化自由層として機能する強磁性層、８０
７はＭＲ電極、８０８はハード膜、８１１はＧＭＲ型再
生ヘッド、８１２は記録ヘッドの下部磁極（８２４）を
兼ねるＧＭＲ型再生ヘッド８１１の上部シールド層、８
１３、８１４は非磁性絶縁膜、８１５はＧＭＲ型再生ヘ
ッド８１１の下部シールド、８２１は記録ヘッド、８２
２は記録ヘッド８２１の上部ポール、８２３は導電体か
らなるコイル、８２４はＧＭＲ型再生ヘッド８１１の上
部シールド（８１２）を兼ねる記録ヘッドの下部磁極で
ある。

【００５８】本発明に係る交換結合素子８０１を含むス
ピンバルブ型磁気抵抗素子８００を上部シールド層８１
２と下部シールド層８１５で挟んだ部分が再生ヘッドと
して機能し、薄膜Cuからなるコイル８２３を上部磁極８
２２と下部磁極８２４で挟んだ部分が記録ヘッドとして
機能する。この記録再生分離型磁気ヘッドは、ＧＭＲ型
再生ヘッド８１１の上部シールド層８１２が、記録ヘッ
ド８２１の下部磁極８２４を兼ねる構成とした場合であ
るが、上部シールド層と下部磁極に別材料を用いて別構
成としたり、あるいは両者の間に他の構成物を配置して
も本発明の作用、効果は失われるものではない。

【００５９】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。熱酸化により表面にSiO₂膜が形成されたSi基板
（基体）上に、５ｎｍのTa層、Ni-Fe合金からなる２ｎ
ｍの下地層及びMn-Ir合金からなる６．８ｎｍの反強磁
性層を順次積層して膜付き基板を形成した。成膜は、反
強磁性層の表面の清浄性及び反強磁性層中の不純物の低
減による結晶粒成長及び高い結晶配向性を得るために超
高真空プロセス(XC-process)で行った。即ち、成膜装置
内の初期真空度を１０^-11 Torr台とした後に純度９ナイ
ンの高純度アルゴンガスを導入し、マグネトロンスパッ
タ法により行った。また、成膜は膜面内平行に約３０
Ｏｅの磁界を印加しつつ行った。

【００６０】次に、この膜付き基板を、図２に示す加熱
装置のチャンバ内に搬送し、反強磁性層が透過窓の反対
側に向くように配置した後に、チャンバ内の真空度を１
０^{-1 1} Torr台とし、赤外光源から透過窓を介してチャン
バ内の膜付き基板に赤外光を照射することにより、反強
磁性層の熱処理を行った。赤外光は基板であるSiをほと
んど透過するため、反強磁性層を主に加熱することがで
きる。反強磁性層の熱処理温度は、赤外光源の通電量を
変化させて調整した。また熱処理中における反強磁性層
の実際の温度は、試料ステージの温度を温度センサで検
出することにより間接的に測定した。反強磁性層の温度
が一定になってから更に２０〜３６０分加熱して熱処理
した。尚、表１に、赤外光源に通電した電流値Ｉと試料
ステージ(stage)及び基板(wafer)の温度との関係を示
す。電流値Ｉを例えば６〜１２Ａの範囲とした場合、試
料ステージ温度が８０〜２５０℃の範囲となり、反強磁
性層の温度は６０〜２３０℃の範囲となる。

【００６１】

【表１】

【００６２】尚、熱処理前の真空度は10^-11 Torr台で酸
素、水がない雰囲気とすることが好ましい。酸素が残留
している雰囲気では熱処理により反強磁性層が酸化する
おそれがあるので好ましくない。また真空度が低い場合
には、雰囲気中に残留する不純物の種類によっては熱処
理中にMn-Ir膜面に不純物が付着し、ＪkやＴBを低下さ
せるおそれがあり、好ましくない。熱処理により試料ス
テージ等からガス状の不純物が放出されて真空度が若干
低下するが、不純物は炭素系ガスによるものであり表面
酸化の問題はない。尚、表１に、赤外光源に通電した電
流値Ｉと、熱処理によって一時的に低下する真空度との
関係を示す。電流値Ｉが上昇すると、試料ステージ等の
温度が上昇し、それに伴って真空度が低下するのがわか
る。

【００６３】次に、熱処理後の膜付き基板を別の成膜装
置に搬送し、基板の温度が４０℃以下に低下した後、反
強磁性層上に強磁性層（固定磁化層）としてのCo-Fe合
金層、非磁性導電層としてのCu層、別の強磁性層（磁化
自由層）Co-Fe合金層、反応防止層としてのCu層及び保
護層としてのTa層を順次積層した。成膜は、成膜装置内
の初期真空度を１０^-11 Torr台とした後に純度９ナイン
の高純度アルゴンガスを導入し、マグネトロンスパッタ
法により行った。また、成膜は膜面内平行に約３０ Ｏ
ｅの磁界を印加しつつ行った。成膜後、２８０〜３２０
℃にて３０〜６０分、印加磁界０．７ｋＯｅの条件で磁
場中アニールを行い、反強磁性層と固定磁化層の界面に
て交換結合磁界を発現させた。このようにして、本発明
に係る交換結合素子を備えたスピンバルブ型磁気抵抗素
子を得た。スピンバルブ型磁気抵抗素子の構成は、熱酸
化Si基板/Ta(５nm)/Ni-Fe(２nm)(下地層)/Mn-Ir(６．８
nm)(反強磁性層)/Co-Fe(２nm)(固定磁化層)/Cu(２．５n
m)(非磁性導電層)/Co-Fe(２nm)(磁化自由層)/Cu(１nm)
（反応防止層）/Ta(２nm)(保護層)であり、いわゆるbot
tom型のスピンバルブ型磁気抵抗素子である。これは、
反強磁性層を改質した後に強磁性層を成膜することから
必然的である。Mn-Ir合金のIrは２６原子％、Co-Fe合金
のFeは１０原子％とした。

【００６４】得られたスピンバルブ型磁気抵抗素子につ
いて、磁気抵抗変化を直流４端子法にて測定し、交換結
合磁界Ｈex、ブロッキング温度ＴB等を求めた。また一
方向異方性定数Ｊkは、Ｊk＝Ｍ_PＨexｄ_Pの式より算出し
た。ここで、Ｍ_Pは固定磁化層たる強磁性層の飽和磁
化、ｄ_Pはその厚み、Ｈexは交換結合磁界である。結果
を表１〜６及び図８〜図１２に示す。

【００６５】（交換結合磁界Ｈexの向上について)表２
及び図８〜図１０に結果を示す。表２には、熱処理条件
（IR加熱処理条件）と、Ｈex、Ｊk、抵抗変化量ΔＲ、
シート抵抗Ｒs、ＭＲ比及び磁化固定層-自由磁化層間の
強磁性的結合磁界Ｈinとの関係を示す。また図８（ａ）
に、反強磁性層の改質なしの場合(試料No.１）のＭＲ曲
線を示し、図８（ｂ）に、反強磁性層の改質有りの場合
(試料No.６）のＭＲ曲線を示す。また図９（ａ）に、反
強磁性層の改質なしの場合(試料No.１）のＭＨ曲線を示
し、図９（ｂ）に、反強磁性層の改質有りの場合(試料N
o.６）のＭＨ曲線を示す。

【００６６】表２中、No.１は改質なしのスピンバルブ
型磁気抵抗素子であり、Ｊ_K＝０．２４〜０．２５ｅｒ
ｇ／ｃｍ²、Ｈex＝０．８ｋＯｅ程度である。一方、１
０Ａ、２０ｍｉｎ（分）の条件で反強磁性層を改質した
No.６の試料でＪkが０．３２〜０．３５ｅｒｇ／ｃ
ｍ²、Ｈexが１．１７ｋＯｅとなり、改質処理によりＪk
及びＨexが向上していることがわかる。また、試料２〜
５及び試料７〜８についても同様に、Ｊk及びＨexがＮ
ｏ．１よりも向上していることがわかる。また、図８及
び図９からも改質処理によるＨexの向上が明らかにわか
る。

【００６７】

【表２】

【００６８】次に図１０には、表２におけるＨexと赤外
光の照射時間との関係を、電流値ごとにプロットしたグ
ラフで示す。尚、図中、ref.は試料No.１の値であり、
曲線の添え字は電流値である。電流値が６Ａから１０Ａ
に向上するとともに曲線の傾きが大きくなり、Ｈexが向
上していることがわかる。

【００６９】しかし、赤外光源への通電量が１０Ａを越
え、試料ステージ温度から推測される反強磁性層の温度
が２００数十℃となると、Ｈexの向上は飽和する傾向に
ある。即ち図１１に示すように、たとえば、電流値が１
０Ａと１２Ａの場合を比較すると、Ｈexの値に大きな差
がないことからも明らかである。また照射時間について
も、図１１に示すように１０Ａの電流値で照射時間を２
０ｍｉｎ（分）と１ｈ（時間）とした場合（表２中、N
o.６及びNo.７）ではＨexに大きな差が見られない。同
様に、電流値が８Ａのときに照射時間を１ｈ〜６ｈとし
た場合（表２中、No.３、４、５）にもＨexに大きな変
化がない。よって、昇温時間を除いた照射時間は６０分
以下とすることができる。

【００７０】また、表２に示すように、ΔＲ、Ｒs、Ｍ
Ｒ比等のＭＲ特性については、本発明の改質処理によっ
ても顕著な変化はなく、従って本発明に係る改質処理に
よりＭＲ特性に影響せずＨex及びＪkの向上が可能であ
ることがわかる。また、Ｈinの変化がないことから、反
強磁性層/固定磁化層間の界面形態の変化も起きていな
いことがわかる。

【００７１】（反強磁性層の改質処理及び下地層の変更
によるＨexの向上の効果）表３に、No.１の下地層をTa/
Cu/Co-Fe合金の積層構造とした場合（No.９）、及び下
地層をTa/Cu/Co-Fe合金の積層とし、反強磁性層を改質
処理した場合（No.１０）のＨex、Ｊk、ΔＲ、Ｒs、Ｍ
Ｒ比及びＨinを示す。なお、No.９及びNo.１０におい
て、下地層の詳細な構成は、Ta(５nm)/Cu(１nm)/Co-Fe
合金(１nm)である。なお、いずれの場合もスピンバルブ
型磁気抵抗素子の成膜後に、真空中、２８０℃で１時間
の磁場中アニールを行ったものである。

【００７２】

【表３】

【００７３】表３から明らかなように、下地層をTa/Ni-
Fe合金からTa/Cu/Co-Fe合金の３層構造とした場合（No.
１及びNo.９）、Ｈex及びＪkの値が２割ほど上昇する。
ただし、ΔＲ、Ｒs及びＭＲ比といったＭＲ特性は低下
する。次に、下地層をTa/Cu/Co-Fe合金の３層とし、更
に反強磁性層を改質処理した場合（No.１０）にはNo.１
に対してＨexがさらに向上し、具体的には１．０４ｋＯ
ｅから１．２９ｋＯｅに向上する。このときのＨexの増
加率は２３％である。一方、下地層がTa/Ni-Fe合金の場
合における反強磁性層の改質処理によるＨexの増加率
は、No.１及びNo.３の結果から約２４％となり、No.１
及びNo.１０の場合とほぼ同じである。尚、図１０に、N
o.９及びNo.１０の結果を併せて示す。図１０から明ら
かなように、下地層を３層構造とした場合でも照射時間
の向上によるＨexの向上が見られる。

【００７４】以上のことから、本発明に係る反強磁性層
の改質処理によるＨexの向上効果は、下地層の変更によ
るＨex向上の効果と独立に作用し、両効果の足し合わせ
が可能であることがわかる。

【００７５】（ブロッキング温度TBの向上）表４に、N
o.１，５，６，９及び１０のブロッキング温度ＴBを示
す。下地層がTa/Ni-Fe合金の場合、反強磁性層の改質処
理なしのNo.１に対して、改質を行ったNo.５及び６のＴ
Bが向上していることがわかる。特に電流１０Ａ、照射
時間を２０min（分）の条件で改質処理を行った場合(N
o.６)は、改質なし（No.１）の場合よりＴBが３０℃以
上も向上していることがわかる。また、下地層がTa/Cu/
Co-Fe合金の場合も上記と同様に、反強磁性層の改質処
理なしのNo.９に対して、改質を行ったNo.１０のＴBが
１５℃程度向上していることがわかる。これはNo.１か
らNo.５の場合と同程度である。

【００７６】

【表４】

【００７７】図１２には、ＴBと反強磁性層の厚さｄAF
との関係を示す。尚図１２中、白抜き四角形のプロット
は表４におけるNo.６の試料である。また、図中白丸の
プロットは、Ta(５nm)/Ni-Fe(５nm)/Mn₇₄Ir₂₉(ｄAF)/Ta
(５nm)なる構成であって反強磁性層の改質処理なしの交
換結合素子であり、図中白丸のプロットは、Ta(５nm)/N
i-Fe(５nm)/Mn₇₄Ir₂₉(ｄAF)/Co-Fe(２nm)/Cu(２．５nm)
/Co-Fe(２nm)/Cu(１nm)/Ta(５nm)なる構成であって反強
磁性層の改質処理なしのスピンバルブ型磁気抵抗素子で
ある。図１２から明らかなように、改質処理を行わずに
No.６と同程度までＴBを向上するには、反強磁性層の厚
さｄAFを１５nm（１５０Å）程度にする必要がある。し
かるに、本発明の係るスピンバルブ型磁気抵抗素子によ
れば、反強磁性層を改質することにより、6.8nm（６８
Å）の厚さの反強磁性層でも３２０℃以上のＴBが得ら
れ、本発明に係る反強磁性層の改質処理が、スピンバル
ブ型磁気抵抗素子の薄膜化に有効であることがわかる。

【００７８】（磁場中アニール時のアニール温度の向
上）反強磁性層の改質によるブロッキング温度ＴBの向
上に伴い、交換結合磁界を発現させるための磁場中アニ
ールのアニール温度を従来の２８０℃からＴB以上の３
２０〜３３０℃に上げることによりＨexはさらに向上す
る。即ち表５に示すように、例えばＩＲ加熱処理を１０
Ａ、２０ｍｉｎの条件で行った場合(No.６及びNo.６-
２)、アニール温度が２８０℃ではＪkが０．３５ｅｒｇ
／ｃｍ²であるが、３２０℃でアニールするとＪkが０．
３９ｅｒｇ／ｃｍ²に向上する。ＩＲ加熱処理を８Ａ、
６ｈの条件で行った場合(No.５及びNo.５-２)における
Ｊkの向上も同様である。図１３には、No.６及びNo.６-
２について、Ｈexの温度特性を示す。No.１についても
参考に示す。図１３から明らかなように、反強磁性層の
改質(No.１からNo.６、６-２)によってＴBが向上し、更
にアニール温度の向上(No.６からNo.６-２)によってＨe
xが向上していることがわかる。

【００７９】

【表５】

【００８０】（反強磁性層の改質処理と鏡面反射層によ
るＭＲ比向上効果）ここでは、反強磁性層の改質による
Ｈex及びＴBの向上に加え、磁化自由層の外側、即ち反
強磁性層の反対側に鏡面反射層を設けてＭＲ比を高めた
例について説明する。鏡面反射層は、保護層として設け
ているTa膜を適当な方法で酸化膜とすることによって得
た。なお、鏡面反射層としては、酸化Taに限らず、Fe-
Ｏ、Co-Fe-Ｏ等、各種酸化物膜が適宜使用できる。これ
によりΔＲの向上、及びＲsの減少が起き、ＭＲ比が向
上する。

【００８１】具体例を表６に示す。No.１は、鏡面反射
層の形成も反強磁性層の改質も行わない参考例である。
No.６は、反強磁性層の改質処理のみの例であり、No.１
に対しＭＲ特性（ΔＲ、Ｒs、ＭＲ比）は同等である
が、Ｈex及びＪkが向上していることは先に述べたとお
りである。次にNo.６-３は、No.６に対して鏡面反射層
を設けた例であり、No.６に対しΔＲが１．８から２．
１Ω／□に向上している。次にNo.６-４は、No.６-３に
対してアニール温度を３２０℃に向上したもので、高い
ＭＲ特性を維持しつつＨex及びＪkがさらに向上してい
る。４０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²の記録密度に対して必要とさ
れるΔＲ＝１．６〜１．９Ω／□に対して、No.１では
ΔＲ＝１．７〜１．９Ω／□であり十分とは言えない
が、No.６-３及びNo.６-４ではΔＲが２．１〜２．２Ω
／□に増加していることがわかる。

【００８２】

【表６】

【００８３】以上により、本発明に係る反強磁性層の改
質処理に加えて、下地層の改良、鏡面反射層の形成等を
行うことにより、極薄のスピンバルブ型磁気抵抗素子で
Ｈex、Ｊk、ＴB及びＭＲ特性を同時に向上することがで
きた。すなわち、６．８nm（６８Å）のMn-Ir合金から
なる反強磁性膜を含む全厚２３．３ｎｍ（２３３Å）の
スピンバルブ型磁気抵抗素子にて、Ｊk＝０．３９ｅｒ
ｇ／ｃｍ²（Ｈexにして１．３ｋＯｅ）、ＴB＝３２０〜
３２５℃、ΔＲ＝２．２Ω／□（ＭＲ比で８．５％）の
特性値を得ることができた。

【００８４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
反強磁性層の改質方法によれば、反強磁性層を初期真空
度が１０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Torr以下の高
真空中で熱処理するので、反強磁性層の表面の酸化や表
面への気体状の不純物元素の吸着を防止することがで
き、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層の表面を
改質させることができ、この改質された表面に強磁性層
を積層した場合に、反強磁性層と強磁性層との間の交換
結合を増強し、高い一方向異方性定数Ｊk及び高いブロ
ッキング温度ＴBを発現させることができる。

【００８５】また本発明の反強磁性層の改質方法によれ
ば、赤外光を透過する透過窓を備えたチャンバ内に、反
強磁性層を形成した基体を配置し、チャンバ内を１０^-9
Torr以下の真空雰囲気とした後に、赤外光を前記透過窓
に透過させて前記反強磁性層に照射して熱処理するの
で、高真空状態を保ったまま熱処理することができ、反
強磁性層の表面の酸化や表面への気体原子の吸着を防止
することが可能になり、高い一方向異方性定数Ｊk及び
高いブロッキング温度ＴBを発現させることができる。

【００８６】また本発明の熱処理装置によれば、赤外光
を透過する透過窓を備えたチャンバ内に、反強磁性層を
形成した基体を配置し、チャンバ内を１０^-9Torr以下の
真空雰囲気とした後に、赤外光を前記透過窓に透過させ
て前記反強磁性層に照射して熱処理するので、高真空状
態を保ったまま熱処理することができ、反強磁性層の表
面の酸化や表面への気体状の不純物元素の吸着を防止す
ることが可能になり、高い一方向異方性定数Ｊk及び高
いブロッキング温度ＴBを有する交換結合素子を製造す
ることができる。

【００８７】また本発明の交換結合素子の製造装置によ
れば、反強磁性層を形成した後に、真空を破ることなく
反強磁性層を熱処理し、続いて真空を破らずに反強磁性
層上に強磁性層を形成できるので、反強磁性層と強磁性
層との界面を不純物元素や気体状の不純物元素等により
汚染させることがなく、高い一方向異方性定数Ｊk及び
高いブロッキング温度ＴBを有する交換結合素子を製造
できる。

【００８８】次に本発明の交換結合素子によれば、初期
真空度を１０^-9Torr以下、好ましくは１０^-10Torr以下
の高真空とした上で反強磁性層が熱処理されるので、反
強磁性層の表面の酸化や表面への気体状の不純物元素の
吸着を防止することができ、表面の原子配列等を変化さ
せて反強磁性層の表面を改質させることができ、この改
質された表面に強磁性層を積層した場合、反強磁性層と
強磁性層との間の交換結合が増強され、高い一方向異方
性定数Ｊk及び高いブロッキング温度ＴBを発現させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態である交換結合素
子の断面模式図である。

【図２】 図１に示す交換結合素子を製造する際に用
いる加熱装置を示す模式図である。

【図３】 基体に赤外光を照射させた場合の模式図で
あって、（ａ）は基体のみに赤外光を照射させた場合の
模式図であり、（ｂ）は反強磁性層を形成した基体に赤
外光を照射させた場合の模式図である。

【図４】 赤外光の照射時間と反強磁性層の温度との
関係を示すグラフである。

【図５】 本発明の第２の実施形態であるスピンバル
ブ型磁気抵抗素子の断面模式図である。

【図６】 本発明の第３の実施形態である記録再生分
離型磁気ヘッドを示す斜視図である。

【図７】 図６に示す記録再生分離型磁気ヘッドに備
えられたＧＭＲ型再生ヘッドの要部を示す断面模式図で
ある。

【図８】 スピンバルブ型磁気抵抗素子のＭＲ曲線を
示す図であって、（ａ）は試料No.１のＭＲ曲線であ
り、（ｂ）は試料No.６のＭＲ曲線である。

【図９】 スピンバルブ型磁気抵抗素子のＭＨ曲線を
示す図であって、（ａ）は試料No.１のＭＨ曲線であ
り、（ｂ）は試料No.６のＭＨ曲線である。

【図１０】 赤外光の照射時間と交換結合磁界Ｈexと
の関係を示すグラフである。

【図１１】 赤外光の照射時間と交換結合磁界Ｈexと
の関係を示すグラフである。

【図１２】 反強磁性層の膜厚ｄAFとブロッキング温
度ＴBとの関係を示すグラフである。

【図１３】 試料No.１、No.６及びNo.６-２の交換結
合磁界Ｈexの温度特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 交換結合素子 ２ 基体（基板） ４ 反強磁性層 ５ 強磁性層

───────────────────────────────────────────────────── 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 43/08 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ (72)発明者 屋上 公二郎 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉05 東北大 学大学院工学研究科電子工学専攻内 (72)発明者 角田 匡清 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉05 東北大 学大学院工学研究科電子工学専攻内 (72)発明者 高橋 研 宮城県仙台市太白区人来田２丁目20−２ Ｆターム(参考） 2G017 AD55 AD63 AD65 5D034 BA04 DA04 DA07 5E049 AA04 AA10 AC05 BA12 BA16 EB06

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に反強磁性層を形成し、該反強
   磁性層を初期真空度が１０^-9Torr以下の真空雰囲気中で
   熱処理することを特徴とする反強磁性層の改質方法。
2. 【請求項２】 前記反強磁性層を初期真空度が１０^-10
   Torr以下の真空雰囲気中で熱処理することを特徴とする
   請求項１に記載の反強磁性層の改質方法。
3. 【請求項３】 前記反強磁性層がMn-Ir合金であってIr
   の組成比が８原子％以上４０原子％以下のものであるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反強磁
   性層の改質方法。
4. 【請求項４】 前記反強磁性層を赤外光照射により加
   熱処理することを特徴とする請求項１ないし請求項３の
   いずれかに記載の反強磁性層の改質方法。
5. 【請求項５】 赤外光を透過させる透過窓を備えたチ
   ャンバ内に、前記反強磁性層を形成した基体を配置し、
   該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空雰囲気とした後
   に、前記チャンバの外側に配置された赤外光源から赤外
   光を照射し、この赤外光を前記透過窓を介して前記基体
   に照射することにより、前記反強磁性層を熱処理するこ
   とを特徴とする請求項４に記載の反強磁性層の改質方
   法。
6. 【請求項６】 赤外光を透過させる透過窓を備えたチ
   ャンバと、該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空雰囲気
   とする排気機構と、赤外光を前記チャンバの外側より前
   記透過窓を介して前記チャンバ内部に照射する赤外光源
   とを具備してなることを特徴とする熱処理装置。
7. 【請求項７】 基体上に反強磁性層を形成する第１成
   膜装置と、前記反強磁性層を熱処理する熱処理装置と、
   熱処理後の反強磁性層に強磁性層を形成する第２成膜装
   置とを具備してなり、 前記熱処理装置は、赤外光を透過させる透過窓を備えた
   チャンバと、該チャンバ内を１０^-9Torr以下の真空雰囲
   気とする排気機構と、赤外光を前記チャンバの外側より
   前記透過窓を介して前記チャンバ内部に照射する赤外光
   源とを具備してなることを特徴とする交換結合素子の製
   造装置。
8. 【請求項８】 基体上に、反強磁性層と、該反強磁性
   層と交換結合する強磁性層とが順次積層されてなり、 前記反強磁性層は、強磁性層の積層前に初期真空度が１
   ０^-9Torr以下の真空雰囲気中で熱処理されて表面が改質
   されたものであり、前記強磁性層はこの改質面上に積層
   されたものであることを特徴とする交換結合素子。
9. 【請求項９】 前記反強磁性層がMn-Ir合金であってIr
   の組成比が８原子％以上４０原子％以下のものであるこ
   とを特徴とする請求項８に記載の交換結合素子。
10. 【請求項１０】 前記強磁性層がCo-Fe合金であってFe
    の組成比が５原子％以上５０原子％以下のものであるこ
    とを特徴とする請求項８または請求項９に記載の交換結
    合素子。
11. 【請求項１１】 請求項８ないし請求項１０のいずれ
    かに記載の交換結合素子を備えたことを特徴とするスピ
    ンバルブ型磁気抵抗素子。
12. 【請求項１２】 請求項８ないし請求項１０のいずれ
    かに記載の交換結合素子を備えたことを特徴とする磁気
    ヘッド。