JP2002314171A - 被固定層およびその形成方法、ならびにスピンバルブ構造およびその形成方法 - Google Patents

被固定層およびその形成方法、ならびにスピンバルブ構造およびその形成方法

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李 民
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洪 成宗
Eido Nyo
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廖 ▲煥▼中
Churyo Kan
Kyoshu Koku
朱 克▲強▼
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒステリシス曲線の開きが抑えられ、ソフト
ＥＳＤによる破壊を受けない安定した被固定層を備える
スピンバルブ構造を、ＥＳＤ現象の影響を受けることな
く低磁場中において形成するための実用的な方法を提供
する。 【解決手段】 第１の磁性層と、０．６ｎｍ以下の厚み
を有するスペーサ層と、第２の磁性層とを順に形成する
工程と、全体を４．０×１０5 Ａ／ｍ以下という非常に
低い磁場中において、２８０℃以下の温度でアニールす
る工程とを含むようにしたので、形成過程においてＥＳ
Ｄ現象の影響を受けずに、ソフトＥＳＤによる破壊を受
けない安定した被固定層およびそれを含むスピンバルブ
構造を、実際の製造工程に適用可能な条件で形成するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気的に磁化方向
が固定される被固定層を含むスピンバルブ構造およびそ
れらの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＨＤＤ（Hard Disk Drive ）等に搭載さ
れる磁気再生ヘッドの動作は、磁界中に置かれた物質
（以下、単に「磁化物質」という）の抵抗変化によって
規定される。多くの磁化物質は、外部磁界により容易に
磁化可能な所定の方向性（容易軸）を有しており、異方
性を示す。容易軸に対して直交する方向に磁化物質が磁
化されると、磁気抵抗効果により抵抗が増加し、一方、
容易軸に対して平行な方向に磁化物質が磁化されると抵
抗が０になる。したがって、磁化物質中の磁化方向を変
化させる磁場はすべて抵抗変化として検知することがで
きる。
【０００３】この磁気抵抗効果は、スピンバルブ構造を
磁気ヘッドに適用することによって著しく増加する。こ
のように増加した抵抗は、特に巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：
Giant Magnetoresistance ）と呼ばれている。このスピ
ンバルブ構造では、磁化物質全体の磁化方向に対して電
子スピンによる磁化方向ベクトルが平行（反平行を除
く）になると、結晶格子により電子が極めて散乱されに
くくなるという現象を利用している。
【０００４】図１６は、上記のような従来のスピンバル
ブ構造の主要部構成を表す断面図である。この従来型ス
ピンバルブ構造の主要部は、基体１１０の上に、シード
層１２０と、下部磁性層１３０と、非磁性層１４０と、
上部磁性層１５０と、反強磁性層１６０と、保護層１７
０とが順に積層されてなるものである。この主要部構成
における特徴は、下部磁性層１３０と上部磁性層１５０
とが非磁性層１４０によって隔てられている点にある。
非磁性層１４０の層厚は、例えば、交換相互作用を無視
できる程度、すなわち、原子レベルにおいて互いの磁気
特性に影響を及ぼしあわない程度に上部磁性層１３０と
下部磁性層１５０とを引き離し、かつ、上部磁性層１３
０と下部磁性層１５０との距離が伝導電子の平均自由行
程以内の距離とするような層厚となっているのである。
【０００５】磁化方向が互いに反対になるように磁化さ
れた下部磁性層１３０および上部１５０の内部を、図１
６の矢印１８０で示した磁化方向に沿って電流が流れる
とすると、下部磁性層１３０および上部磁性層１５０を
流れる電子のうちの半数の電子が散乱現象に寄与し、残
りの半数の電子は散乱現象に（一次近似的に）寄与しな
いこととなる。このとき、散乱現象に寄与しない半数の
電子のみが高い確率で非磁性層１４０を通過し、下部磁
性層１３０と上部磁性層１５０との間を移行可能な平均
自由行程を有することとなる。しかしながら、これらの
電子は、一旦移動方向を変えると直ちに散乱現象に寄与
してしまい、移動方向が元の方向に戻らなくなるため、
結果としてスピンバルブ構造全体の抵抗が極めて増加す
ることとなる。
【０００６】ＧＭＲ効果を利用するためには、下部磁性
層１３０および上部磁性層１５０のうち、いずれか一方
の磁化方向を永久に固定（ピンニング）し、被固定層
（ピンド層）とする必要がある。図１６では、上部磁性
層１５０が被固定層である。磁化方向の固定（ピンニン
グ）は、主に、以下のような手順により行われる。すな
わち、ある磁場中において、成膜およびアニール処理に
よって上部磁性層１５０を形成したのち、上部磁性層１
５０上に反強磁性材料（ＡＦＭ：antiferromagnetic ma
terial）を用いて反強磁性層（すなわち、ピンニング
層）１６０を形成するのである。この反強磁性層１６０
によって、上部磁性層１５０の磁化方向が固定（ピンニ
ング）される。一方、上部磁性層１５０とは対照的に、
下部磁性層１３０の磁化方向は固定されず、例えば、磁
気ディスク等の記録媒体表面のビットに起因して生じる
信号磁界により容易に変化可能になっている。この場
合、下部磁性層１３０はフリー層となっている。
【０００７】図１６に示したようなスピンバルブ構造、
すなわち、ピンド層としての上部磁性層１５０がフリー
層としての下部磁性層１３０よりも基体１１０から遠い
側に位置するものは「トップスピンバルブ構造」と呼ば
れる。一方、ピンド層がフリー層よりも基体１１０に近
い側に位置するものは「ボトムスピンバルブ構造」と呼
ばれ、その場合、当然、保護層がフリー層上に積層され
ることとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、スピ
ンバルブ構造に含まれる被固定層は、反強磁性層による
バイアス交換を必要とする。この被固定層は、一般的
に、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金あるいはこれと同様の
強磁性材料を用いて形成されるものである。さらに、こ
の被固定層は、ブロッキング温度の高い反強磁性材料で
あるマンガン白金（ＭｎＰｔ）合金あるいはニッケルマ
ンガン（ＮｉＭｎ）合金よりなる反強磁性層によって磁
化方向が固定され、通常、大きな磁気異方性を示す。し
かしながら、図１６示したような従来のスピンバルブ構
造の被固定層について、外部磁場を印加した際の抵抗変
化を示すヒステリシス曲線（Ｒ−Ｈ曲線：Ｒはデバイス
の抵抗値を表す）を調べると、ヒステリシスのループが
開いてしまい、被固定層の磁化方向が安定しないという
問題があった。また、異方性磁場Ｈｃｋはピンニング磁
場Ｈｐｉｎに匹敵する大きさであるが、ヒステリシス曲
線の開きと被固定層の不安定性とが原因で両パラメータ
（異方性磁場Ｈｃｋおよびピンニング磁場Ｈｐｉｎ）は
様々な値をとり、大きく広がった分布となるという問題
もあった。これらの問題は、タンタル（Ｔａ）をシード
層とするスピンバルブ構造の場合よりも、ニッケルクロ
ム（ＮｉＣｒ）合金またはニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅ
Ｃｒ）合金をシード層とするスピンバルブ構造におい
て、より深刻となっていた。
【０００９】この問題に対し、シンセティック反平行被
固定層（以下、ＳｙＡＰ：synthetic anti-parallel pi
nned layer層と呼ぶ。）を備えるスピンバルブ構造によ
れば、被固定層のヒステリシス曲線の開きを著しく抑え
ることが可能であることはわかっている。ＳｙＡＰ層を
備えたスピンバルブ構造における固定作用の強さは、従
来の単一層よりなる被固定層を有するスピンバルブ構造
よりはるかに強い。一般的に、このスピンバルブ構造に
は、ＡＰ１層およびＡＰ２層という二つの反平行層が含
まれる（反強磁性層に近い層をＡＰ２とする）。これら
ＡＰ１層とＡＰ２層とが０．７５ｎｍ程度の厚みを有す
るルテニウム（Ｒｕ）層を介して互いに結合し、磁化方
向が整然と回転する。このため、ＡＰ２からの磁気異方
性効果は非常に弱くなる。従来は、このようなＳｙＡＰ
層を備えたスピンバルブ構造が、ヒステリシス曲線の開
きを抑える最も確実な方法であるとみなされていた。し
かしながら、このようなＳｙＡＰ層を備えたスピンバル
ブ構造であってもヒステリシス曲線が開いてしまう傾向
が見られ、さらに、ソフトなＥＳＤ（electrostatic di
scharges，静電放電）による破壊を受けやすいという問
題が生じていた。
【００１０】また、スピンバルブ構造は、製造段階にお
いてＥＳＤ現象の影響を受ける可能性もある。ＥＳＤ現
象が発生すると、その間、スピンバルブ構造の温度は上
昇し、被固定層に誘導磁場が生じる。これはＥＳＤ現象
による電流が大きいためであり、その値はしばしば１０
ｍＡから５０ｍＡの範囲にまで到達する。ＥＳＤ現象に
よる破壊形態については、次のように分類することがで
きる。
【００１１】第１の形態は、ＥＳＤ現象が発生すると、
スピンバルブ構造の温度が過度に上昇することにより磁
気ヘッド抵抗が増加し、さらには内部拡散により破壊が
決定的なものとなって、回復不可能となるような形態。
以下、この形態を「ハードＥＳＤ」と呼ぶこととする。
【００１２】第２の形態は、ＥＳＤ現象が起きたときの
温度上昇の程度がそれほど高くない場合である。この場
合、第１の形態のような重大な内部拡散は生じず、磁気
ヘッド抵抗も増加しないものの、ＥＳＤ現象による誘導
磁場によって、磁化方向が固定されていたピンド層の磁
化が回転する逆ピンニングが発生してしまい、結果、信
号やデバイス特性の劣化を引き起こす可能性がある。こ
の第２の形態では、ほとんどの場合、ピンド層の磁化方
向を復元することが可能であるので、以下、この状態を
「ソフトＥＳＤ」と呼ぶことにする。Ｒ−Ｈ曲線のルー
プが開くほど、「ソフトＥＳＤ」によるヘッド破壊がす
すむ。
【００１３】ＳｙＡＰ層を備えたスピンバルブ構造で
は、特にＡＦＭ材料がニッケルマンガン（ＮｉＭｎ）合
金、マンガンパラジウム白金（ＭｎＰｄＰｔ）合金ある
いはマンガン白金（ＭｎＰｔ）合金である場合、Ｒ−Ｈ
ループのループが開きやすくなることがわかっている。
つまり、Ｒ−Ｈループが開くほど、励起された磁場下で
のセンサの不安定と「ソフト」ＥＳＤ破壊とがすすむの
である。
【００１４】さらに、ＳｙＡＰ層を備えたスピンバルブ
構造では、ＡＰ１層およびＡＰ２層を互いに反平行状態
に固定するために、非常に高い磁場におけるアニール処
理が必要であるとされてきた。しかしながら、上記のよ
うな高磁場を必要とする工程を実際のスピンバルブ構造
の製造工程に適用することは現実的でないという問題も
あった。
【００１５】なお、本発明の目的と同様の目的に係る文
献を調査したところ、いくつかの興味深い文献が発見さ
れた。
【００１６】例えば、S. Mao等による「高ピンニング磁
場下において、イオンビーム蒸着によって形成されたＮ
ｉＭｎ合金のピンド層を備えたスピンバルブ構造」（"N
iMnpinned spin valves with high pinning field made
by ion beam deposition,Appl.Phys.Letters,69(23),1
996,3593 ）がある。その他にも、H. Kishi等による
「ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金／パラジウム白金マンガ
ン（ＰｄＰｔＭｎ）合金薄膜における交換結合バイアス
磁場に関する研究）」("Study of exchange-coupled bi
as field in NiFe/PdPtMn thin films,IEEE Trans.Magn
etics.V32(５),1996,3380)、M.Saito 等による「シンセ
ティック・フェリ磁性ピンド層を備えた白金マンガン
（ＰｔＭｎ）合金のシングルスピンバルブ構造およびデ
ュアルスピンバルブ構造」("PtMn single and dual spi
n valves with synthetic ferrimagnet pinned layers,
J.Appl.Phys.V85(8),1999,4928) 、M.Saito 等による
「シンセティック・フェリ磁性のフリー層およびピンド
層を備えたＰｔＭｎ合金スピンバルブ構造」("PtMn spi
n valve with synthetic ferrimagnet free and pinned
layers,J.Appl.Phys.87,2000,6974) 、あるいは、C.Ho
rng 等による「シンセティック反強磁性材料によってバ
イアスされたスピンバルブ構造の低磁場アニール処理」
("Low field annealing for the spin valves biased b
y synthetic antiferromagnets, 米国特許出願第０９／
４５８，７２７号などがある。
【００１７】さらに、関連する特許として以下のものが
ある。
【００１８】Gill等による米国特許第５７５１５２１号
では、例えば、ルテニウムを含むスペーサ層を備えたシ
ンセティックフェリ磁性層について開示されている。一
方、Mauri 等による米国特許第５８５６８９７号では、
ルテニウムを含むスペーサ層を備えたデュアルスピンバ
ルブセンサについて開示されている。さらに、Gurney等
による米国特許第５４０８３７７号およびMao 等による
米国特許第６１３４０９０号では、スピンバルブ構造に
関連するセンサについて開示されている。
【００１９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の目的は、ヒステリシス曲線の開きが抑
えられ、ソフトＥＳＤによる破壊を受けない安定した被
固定層を提供することにある。
【００２０】本発明の第２の目的は、ＥＳＤ現象の影響
を受けることなく低磁場中において被固定層を形成する
ための実用的な方法を提供することにある。
【００２１】本発明の第３の目的は、ヒステリシス曲線
の開きが抑えられ、ソフトＥＳＤによる破壊を受けない
安定した被固定層を備えたスピンバルブ構造を提供する
ことにある。
【００２２】本発明の第４の目的は、ＥＳＤ現象の影響
を受けることなく低磁場中においてスピンバルブ構造を
形成するための実用的な方法を提供することにある。
【００２３】本発明の第５の目的は、ヒステリシス曲線
の開きが抑えられ、ソフトＥＳＤによる破壊を受けない
安定した被固定層を備えるスピンバルブ構造を提供する
ことにある。
【００２４】本発明の第６の目的は、ＥＳＤ現象の影響
を受けることなく低磁場中においてスピンバルブ構造を
形成するための実用的な方法を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明の被固定層の形成
方法は、フリー層と、非磁性層と、被固定層と、反強磁
性層とを有するスピンバルブ構造における被固定層の形
成方法であって、第１の磁性層を形成する第１の工程
と、この第１の磁性層上に、０．６ｎｍ以下の厚みを有
するスペーサ層を形成する第２工程と、このスペーサ層
上に、第２の磁性層を形成する第３の工程と、全体を、
４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以下の磁場中に
おいて、２８０℃以下の温度でアニールすることで、第
１および第２の磁性層の磁化方向を互いに反平行にする
と共に、内部ピンニング磁場を発生させる第４の工程と
を含むようにしたものである。
【００２６】本発明の被固定層の形成方法では、第１の
磁性層と、０．６ｎｍ以下の厚みを有するスペーサ層
と、第２の磁性層とを順に形成する工程と、全体を、
４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以下の磁場中に
おいて、２８０℃以下の温度でアニールする工程とを含
むようにしたので、第１の磁性層と第２の磁性層との交
換エネルギーＪｓを大きくすることができる。
【００２７】本発明の被固定層の形成方法では、第２の
工程において、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて、０．２５
ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みとなるようにスペーサ層
を形成すると共に、第４の工程において、１．２×１０
5 Ａ／ｍ（１５００Ｏｅ）以上２．０×１０5 Ａ／ｍ
（２５００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃以上２８０
℃以下の温度とし、５時間以上８時間以下に渡って全体
をアニールするようにしてもよい。
【００２８】本発明の被固定層の形成方法では、第２の
工程において、イリジウム（Ｉｒ）を用いて、０．２５
ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みとなるようにスペーサ層
を形成すると共に、第４の工程において、０．８×１０
5 Ａ／ｍ（１０００Ｏｅ）以上２．４×１０5 Ａ／ｍ
（３０００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃以上２８０
℃以下の温度とし、５時間以上８時間以下に渡って全体
をアニールするようにしてもよい。
【００２９】本発明の被固定層の形成方法では、第２の
工程において、ロジウム（Ｒｈ）を用いて、０．４ｎｍ
以上０．６ｎｍ以下の厚みとなるようにスペーサ層を形
成すると共に、第４の工程において、１．６×１０5 Ａ
／ｍ（２０００Ｏｅ）以上３．２×１０5 Ａ／ｍ（４０
００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下
の温度とし、５時間以上８時間以下に渡って全体をアニ
ールするようにしてもよい。
【００３０】本発明の被固定層の形成方法では、第４の
工程において、４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）
以上６．４×１０5 Ａ／ｍ（８０００Ｏｅ）以下の内部
ピンニング磁場が発生するようにすることが望ましい。
【００３１】本発明の被固定層は、フリー層と、非磁性
層と、被固定層と、反強磁性層とを有するスピンバルブ
構造における被固定層であって、第１の磁性層と、第１
の磁性層上に形成される０．６ｎｍ以下の厚みを有する
スペーサ層と、スペーサ層上に形成され、第１の磁性層
に対して反平行の磁化方向を有する第２の磁性層とを有
し、４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以上６．４
×１０5 Ａ／ｍ（８０００Ｏｅ）以下の内部ピンニング
磁場を示すようにしたものである。
【００３２】本発明の被固定層では、第１の磁性層と、
第１の磁性層上に形成される０．６ｎｍ以下の厚みを有
するスペーサ層と、スペーサ層上に形成され、第１の磁
性層に対して反平行の磁化方向を有する第２の磁性層と
を有し、４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以上
６．４×１０5 Ａ／ｍ（８０００Ｏｅ）以下の内部ピン
ニング磁場を示すようにしたので、第１の磁性層と第２
の磁性層との交換エネルギーＪｓを大きくすることがで
きる。
【００３３】本発明の被固定層では、スペーサ層が、ル
テニウム（Ｒｕ）からなり、０．２５ｎｍ以上０．４ｎ
ｍ以下の厚みであってもよい。
【００３４】本発明の被固定層では、スペーサ層が、イ
リジウム（Ｉｒ）からなり、イリジウム（Ｉｒ）からな
り、０．２５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みであっても
よい。
【００３５】本発明の被固定層では、スペーサ層が、ロ
ジウム（Ｒｈ）からなり、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以
下の厚みであってもよい。
【００３６】本発明の被固定層では、内部ピンニング磁
場が、２５０℃以下の場合に発生するようになっていて
もよい。
【００３７】本発明のスピンバルブ構造の形成方法は、
シード層を形成する第１の工程と、このシード層上に、
フリー層を形成する第２の工程と、このフリー層上に、
銅（Ｃｕ）を用いて非磁性層を形成する第３の工程と、
この非磁性層上に、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚
みを有する第１の磁性層を形成する第４の工程と、この
第１の磁性層上に、０．６ｎｍ以下の厚みを有するスペ
ーサ層を形成する第５の工程と、このスペーサ層上に、
１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有する第２の磁
性層を形成する第６の工程と、この第２の磁性層上に、
反強磁性層を形成する第７の工程と、この反強磁性層上
に、保護層を形成する第８の工程と、全体を、４．０×
１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以下の磁場中において、
２８０℃以下の温度でアニールする第９の工程とを含む
ようにしたものである。
【００３８】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有する第１
の磁性層と、０．６ｎｍ以下の厚みを有するスペーサ層
と、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有する第２
の磁性層とを順に形成する工程と、全体を、４．０×１
０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以下の磁場中において、２
８０℃以下の温度でアニールする工程とを含むようにし
たので、第１の磁性層と第２の磁性層との交換エネルギ
ーＪｓを大きくすることができると共に、第１および第
２の磁性層を互いに磁気的に反平行に固定することがで
きる。
【００３９】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第５の工程において、ルテニウム（Ｒｕ）を用い
て、０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みとなるよう
にスペーサ層を形成すると共に、第９の工程において、
１．２×１０5 Ａ／ｍ（１５００Ｏｅ）以上２．０×１
０5 Ａ／ｍ（２５００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃
以上２８０℃以下の温度とし、５時間以上８時間以下に
渡って全体をアニールするようにしてもよい。
【００４０】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第５の工程において、イリジウム（Ｉｒ）を用い
て、０．２５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みとなるよう
にスペーサ層を形成すると共に、第９の工程において、
０．８×１０5 Ａ／ｍ（１０００Ｏｅ）以上２．４×１
０5 Ａ／ｍ（３０００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃
以上２８０℃以下の温度とし、５時間以上８時間以下に
渡って全体をアニールするようにしてもよい。
【００４１】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第５の工程において、ロジウム（Ｒｈ）を用いて、
０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みとなるようにスペ
ーサ層を形成すると共に、第９の工程において、１．６
×１０5 Ａ／ｍ（２０００Ｏｅ）以上３．２×１０5 Ａ
／ｍ（４０００Ｏｅ）以下の磁場中で、２５０℃以上２
８０℃以下の温度とし、５時間以上８時間以下に渡って
全体をアニールするようにしてもよい。
【００４２】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第２，第４および第６の工程において、原子比で８
５％以上９５％以下のコバルトを含むコバルト鉄合金を
用いて、フリー層ならびに第１および第２の磁性層を形
成するようにしてもよい。
【００４３】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第１および第８の工程において、原子比で５５％以
上６５％以下のニッケルを含むニッケルクロム合金を用
いて、シード層および保護層を形成するようにしてもよ
い。
【００４４】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第７の工程において、マンガン白金合金を用いて、
７ｎｍ以上２５ｎｍ以下の厚みとなるように反強磁性層
を形成するようにしてもよい。
【００４５】本発明のスピンバルブ構造の形成方法で
は、第７の工程において、原子比で５０％以上６０％以
下のマンガンを含むマンガン白金合金を用いて、反強磁
性層を形成するようにしてもよい。
【００４６】本発明のスピンバルブ構造は、基体と、こ
の基体上に形成された、シード層と、このシード層上に
形成された、フリー層と、このフリー層上に形成された
銅（Ｃｕ）からなる非磁性層と、この非磁性層上に形成
され、４．０×１０5 Ａ／ｍ（５０００Ｏｅ）以上６．
４×１０5 Ａ／ｍ（８０００Ｏｅ）以下の内部ピンニン
グ磁場を有する被固定層と、この被固定層上に、形成さ
れた反強磁性層と、この反強磁性層上に形成された保護
層とを有するスピンバルブ構造であって、被固定層は、
厚みが１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下となるように形成
された第１の磁性層と、この第１の磁性層上に、厚みが
０．６ｎｍ以下となるように形成されたスペーサ層と、
このスペーサ層上に、第１の磁性層に対して磁化方向が
反平行であり、厚みが１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下と
なるように形成された第２の磁性層とを含むようにした
ものである。
【００４７】本発明のスピンバルブ構造では、被固定層
に、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みとなるように
形成された第１の磁性層と、０．６ｎｍ以下の厚みとな
るように形成されたスペーサ層と、磁化方向が第１の磁
性層に対して反平行であり、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ
以下の厚みとなるように形成された第２の磁性層とを含
むようにしたので、第１の磁性層と第２の磁性層との交
換エネルギーＪｓを大きくすることができると共に、第
１および第２の磁性層を互いに磁気的に反平行に固定す
ることができる。
【００４８】本発明のスピンバルブ構造では、スペーサ
層が、ルテニウム（Ｒｕ）からなり、０．２５ｎｍ以上
０．４ｎｍ以下の厚みであってもよい。
【００４９】本発明のスピンバルブ構造では、スペーサ
層は、イリジウム（Ｉｒ）からなり、０．２５ｎｍ以上
０．６ｎｍ以下の厚みであってもよい。
【００５０】本発明のスピンバルブ構造では、スペーサ
層は、ロジウム（Ｒｈ）からなり、０．４ｎｍ以上０．
６ｎｍ以下の厚みであってもよい。
【００５１】本発明のスピンバルブ構造では、フリー層
ならびに第１および第２の磁性層は、原子比で８５％以
上９５％以下のコバルトを含むコバルト鉄合金からなる
ようにしてもよい。
【００５２】本発明のスピンバルブ構造では、シード層
および前記保護層は、原子比で５５％以上６５％以下の
ニッケルを含むニッケルクロム合金からなるようにして
もよい。
【００５３】本発明のスピンバルブ構造では、反強磁性
層は、マンガン白金合金からなり、７ｎｍ以上２５ｎｍ
以下の厚みであってもよい。
【００５４】本発明のスピンバルブ構造では、反強磁性
層は、原子比で５０％以上６０％以下のマンガンを含む
マンガン白金合金からなるようにしてもよい。
【００５５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て適宜、図面を参照して詳細に説明する。
【００５６】＜スピンバルブ構造＞最初に、図１を参照
して、本発明の実施の形態に係るスピンバルブ構造につ
いて説明する。なお、本発明の実施の形態に係る被固定
層は、上記スピンバルブ構造に含まれるので、併せて説
明する。
【００５７】図１は、本発明の実施の形態に係る被固定
層を含んでなるスピンバルブ構造の断面構造を示したも
のである。このスピンバルブ構造は、基体１１と、シー
ド層１２と、スピンバルブ型再生素子３０と、保護層１
７とが、この順に積層された構成を含んでいる。この場
合、磁気記録媒体等、外部からの信号磁場に応じてスピ
ンバルブ型再生素子３０における電気抵抗が変化する。
例えば、このスピンバルブ構造が再生ヘッドに用いられ
た場合、この電気抵抗変化を利用し、磁気記録媒体等の
記録情報を読み出すことが可能である。
【００５８】基体１１は、例えば、アルミニウム酸化物
や、シリコン酸化物等を含んでなるものである。シード
層１２は、磁気抵抗効果を高めるためのものであり、例
えば、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金等を含み、４．
５ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有してい
る。この場合、ＮｉＣｒ合金には、原子比で５５％以上
６５％以下のニッケル（Ｎｉ）が含まれていることが望
ましい。さらに、シード層１２は、例えば、タンタル
（Ｔａ）を含んでなるようにしてもよい。スピンバルブ
構造が境界面で正反射を示す可能性がある場合、上記の
材料の使用が不可欠となる。
【００５９】スピンバルブ型再生素子３０は、フリー層
１３と、非磁性層１４と、シンセティック反平行被固定
層（ＳｙＡＰ層）１５と、反強磁性層１６とが、この順
に積層された構成を含んでいる。フリー層１３は、コバ
ルト鉄（ＣｏＦｅ）合金やニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金
等を含んでなるものである。特に、０．５ｎｍ以上１．
５ｎｍ以下の厚みを有するＣｏＦｅ合金層と、１．０ｎ
ｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有するＮｉＦｅ合金層と
の複合層であることが望ましい。この場合、ＮｉＦｅ合
金には、原子比で７７％以上８３％以下のニッケルが含
まれ、一方のＣｏＦｅ合金には、原子比で８５％以上９
５％以下のコバルト（Ｃｏ）が含まれていることが望ま
しい。非磁性層１４は、例えば、銅（Ｃｕ）等の非磁性
材料からなり、１．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを
有している。ＳｙＡＰ層１５は、第１の磁性層２１と、
スペーサ層５２と、第２の磁性層２３とが、この順に積
層された、３層構造を含んでなるものである。この３層
構造については、後に詳述する。反強磁性層１６は、例
えば、マンガン白金（ＭｎＰｔ）合金からなり、７ｎｍ
以上２５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有することが望まし
く、特に、１２ｎｍの厚みがより好ましい。この場合、
ＭｎＰｔ合金には、原子比で５０％以上６０％以下の範
囲内のマンガン（Ｍｎ）が含まれていることが望まし
い。なお、ＳｙＡＰ層１５は、本発明における「被固定
層」の一具体例に対応する。
【００６０】ＳｙＡＰ層１５は、非常に高い内部ピンニ
ング磁場を示し、特に、４．０×１０5 Ａ／ｍ以上６．
４×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場であることが望ましい。さ
らに、この非常に高い内部ピンニング磁場は、２５０℃
以下の場合に発生することが望ましい。
【００６１】第１の磁性層２１は、ＣｏＦｅ合金等から
なり、ＳｙＡＰ層１５におけるＡＰ１層、すなわち、Ｓ
ｙＡＰ層１５に含まれる２つの強磁性層のうち、反強磁
性層１６から遠い側の層に相当する。第１の磁性層２１
の厚みは、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲内であ
ることが好ましく、特に、２．０ｎｍであることがより
好ましい。スペーサ層５２は、ルテニウム、イリジウム
あるいはロジウム等の非磁性金属層であり、０．６ｎｍ
以下の厚みを有するものである。スペーサ層５２は、ル
テニウムからなる場合には０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ
以下の厚みであることが好ましく、イリジウムからなる
場合には０．２５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みである
ことが好ましく、特に、０．３ｎｍの厚みであることが
より好ましい。一方、ロジウムからなるスペーサ層５２
の場合、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みであるこ
とが好ましい。このスペーサ層５２が、本実施の形態に
おける重要な特徴部分である。第２の磁性層２３は、Ｃ
ｏＦｅ合金等からなり、ＳｙＡＰ層１５におけるＡＰ２
層、すなわち、ＳｙＡＰ層１５に含まれる２つの強磁性
層のうち、反強磁性層１６に近い側の層に相当する。第
１および第２の磁性層２１，２３は、互いに反平行とな
るような磁化方向を有している。第２の磁性層２３の厚
みは、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲内であるこ
とが好ましく、特に、１．５ｎｍであることがより好ま
しい。さらに、第１および第２の磁性層２１，２３を構
成するＣｏＦｅ合金には、原子比で８５％以上９５％以
下の範囲内のコバルト（Ｃｏ）が含まれていることが望
ましい。
【００６２】保護層１７は、例えば、ニッケルクロム
（ＮｉＣｒ）合金からなり、２．０ｎｍ以上４．０ｎｍ
以下の範囲内の厚みを有することが好ましく、３．０ｎ
ｍの厚みであることがより好ましい。この場合、ＮｉＣ
ｒ合金には、原子比で５５％以上６５％以下のニッケル
（Ｎｉ）が含まれていることが望ましい。
【００６３】＜スピンバルブ構造の形成方法＞次に、図
１を参照して、上述した本発明の一実施の形態に係る被
固定層を含むスピンバルブ構造の形成方法について説明
する。なお、各構成部分の材質、厚みあるいは構造的特
徴等、すでに説明したものについては、以下では随時省
略する。
【００６４】最初に基体１１を用意した後、シード層１
２、フリー層１３、非磁性層１４、第１の磁性層２１、
スペーサ層５２、第２の磁性層２３、反強磁性層１６お
よび保護層１７を形成する。各層の形成には、例えば、
ＤＣマグネトロンスパッタリングを適用する。
【００６５】次に、全体、すなわち、基体１１から保護
層１７までを、４．０×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場中にお
いて、２８０℃以下の温度でアニール処理する。これに
より、第１および第２の磁性層２１，２３を互いに磁気
的に反平行に固定し、かつ、非常に高い内部ピンニング
磁場（４．０×１０5 Ａ／ｍ〜６．４×１０5 Ａ／ｍ）
を発生させる。この点も、本実施の形態における重要な
特徴部分である。
【００６６】ルテニウムを用いてスペーサ層５２を形成
した場合、１．２×１０5 Ａ／ｍ以上２．０×１０5 Ａ
／ｍ以下の磁場中で、処理温度を２５０℃以上２８０℃
以下とし、５時間以上８時間以下の範囲内でアニール処
理することが望ましい。イリジウムを用いてスペーサ層
５２を形成した場合には、０．８×１０5 Ａ／ｍ以上
２．４×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場中で、処理温度を２５
０℃以上２８０℃以下とし、５時間以上８時間以下の範
囲内でアニール処理することが望ましい。さらに、ロジ
ウムを用いてスペーサ層５２を形成した場合には、１．
６×１０5 Ａ／ｍ以上３．２×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場
中で、処理温度を２５０℃以上２８０℃以下とし、５時
間以上８時間以下の範囲内でアニール処理することが望
ましい。
【００６７】以上、説明したように、本実施の形態に係
る被固定層を含むスピンバルブ構造では、ＳｙＡＰ層１
５に含まれるスペーサ層５２の厚みを０．６ｎｍ以下に
抑えるようにしたので、４．０×１０5 Ａ／ｍ以下とい
う低磁場中でのアニール処理であっても、第１および第
２の磁性層２１，２３が有する磁化方向が反平行に固定
される。よって、ヒステリシス曲線の開きを抑えられ、
ソフトＥＳＤによる破壊を防止でき、優れた諸特性が確
保される。
【００６８】
【実施例】以下に、本実施の形態に係るスピンバルブ構
造に関する実験結果について説明する。
【００６９】図２〜図４は、ＳｙＡＰ層１５を有するス
ピンバルブ構造に外部磁場を印加し、ヒステリシス曲線
（Ｒ−Ｈ曲線）を得た結果である。各図において、横軸
が印加磁場（×１０4 Ａ／ｍ）を示し、縦軸が抵抗
（Ω）を示す。図２〜図４におけるＲ−Ｈ曲線を示した
スピンバルブ構造では、ＣｏＦｅ合金よりなる第１およ
び第２の磁性層２１，２３は互いに同じ厚みを有する
が、第１の磁性層２１と、第２の磁性層２３との交換エ
ネルギー（すなわち、交換結合の強度）Ｊｓは各図で異
なる。図２はＪｓ＝０．４×１０-3Ｊ／ｍ2 の場合の結
果であり、図３はＪｓ＝０．８×１０-3Ｊ／ｍ2 の場合
の結果であり、さらに、図４はＪｓ＝１．２×１０-3Ｊ
／ｍ2 の場合の結果である。これら、図２〜図４のＲ−
Ｈ曲線が示したように、交換エネルギーＪｓが大きくな
ると共に、ヒステリシス曲線の開きが小さくなることが
わかった。すなわち、ヒステリシス曲線の開きを抑える
ためには、交換エネルギーＪｓを大きくする必要がある
のである。
【００７０】次に、ＣｏＦｅ合金よりなる第１および第
２の磁性層２１，２３と、ルテニウムよりなるスペーサ
層５２とから構成されるＳｙＡＰ層１５において、交換
エネルギーＪｓについてのスペーサ層５２の厚み依存性
を調査した。その結果を図５に示す。図５では、横軸が
スペーサ層５２であるルテニウム層の厚み（×１０-1ｎ
ｍ）を示し、縦軸が、第１の磁性層２１と第２の磁性層
２３との交換エネルギーＪｓ（×１０-3Ｊ／ｍ2 ）を示
す。従来のＳｙＡＰ層では、０．７５ｎｍ厚のルテニウ
ムからなるスペーサ層を用いたが、この場合、交換エネ
ルギーＪｓは、およそ０．８×１０-3Ｊ／ｍ2 にとどま
る。一方、本実施の形態に係るＳｙＡＰ層１５では、
０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の範囲内の厚みを有す
るルテニウムからなるスペーサ層５２を用いるので、
１．５×１０-3Ｊ／ｍ2 を越える交換エネルギーＪｓを
示すこととなる。このように、スペーサ層５２を、０．
２５ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するル
テニウムによって形成すれば、高い交換エネルギーＪｓ
が得られ、従って、ヒステリシス曲線の開きを抑制する
ことが可能となる。
【００７１】これに関連して、ルテニウムからなる厚み
０．７５ｎｍのスペーサ層５２を備えたＳｙＡＰ層１５
について、アニール処理した後に飽和磁場Ｈｓを測定し
たところ、およそ４．８〜５．６×１０5 Ａ／ｍとなっ
た。アニール条件としては、磁場の大きさを８．０×１
０5 Ａ／ｍとし、処理温度を２５０℃以上２８０℃以下
とした。すなわち、従来のスペーサ層を備えたＳｙＡＰ
層においても、８．０×１０5 Ａ／ｍという大きさ磁場
の中でアニール処理を行えば、ＳｙＡＰ層に含まれる２
つの磁性層における磁化の反平行状態が完全に固定され
ることがわかった。一方、０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ
以下の厚みを有するルテニウムからなるスペーサ層５２
を備えたＳｙＡＰ層１５について、飽和磁場Ｈｓを調べ
ると、１６〜２０×１０5 Ａ／ｍという大きな数値をが
得られた。
【００７２】上記の結果は、非常に大きな磁場を印加す
れば、０．７５ｎｍもあるような厚いスペーサ層を有す
る場合であっても、ＳｙＡＰ層に含まれる２つの磁性層
の反平行状態を維持可能であることを示すものである。
しかし、このような方法では、以前は考えられていなか
った実用的なデバイスを製造するプロセス（例えば、ス
ピンバルブ構造の形成工程）への適用という面では現実
的でない。ところが、以下に述べるとおり、本実施の形
態によれば低磁場という限られた範囲におけるアニール
条件が確立され、実際の製造工程に適用することが可能
となった。
【００７３】図６は、「第１の磁性層２１／スペーサ層
５２／第２の磁性層２３」という構造、具体的には「Ｃ
ｏＦｅ合金（２．０ｎｍ厚）／ルテニウム（０．３ｎｍ
厚）／ＣｏＦｅ合金（１．５ｎｍ厚）」という構造から
なるＳｙＡＰ層１５を形成し、アニール処理の前にヒス
テリシス曲線（Ｒ−Ｈ曲線）の測定を室温下で行った結
果である。図６の縦軸は磁気抵抗変化率（％）を示し、
横軸は磁場（×１０4Ａ／ｍ）を示す。一方、図７は、
同様の構造を有するＳｙＡＰ層１５について、アニール
処理後に測定したＲ−Ｈ曲線を示す。図７の縦軸は抵抗
（Ω）を示し、横軸は磁場（×１０4 Ａ／ｍ）を示す。
図６および図７に示したＲ−Ｈ曲線からわかるように、
抵抗が最も低くなる部分が低磁場領域にあることがわか
る。この低磁場領域の平坦な部分は、第１および第２の
磁性層２１，２３における磁化方向の反平行状態を表す
ものであり、すなわち、この限られた範囲の磁場中での
アニール処理が可能であることを示す。さらに、図６と
図７とを比較すると、アニール処理によって低抵抗領域
におけるヒステリシス曲線の開きが無くなり、第１およ
び第２の磁性層２１，２３における磁化方向の反平行状
態が完全に固定されることがわかる。
【００７４】図８および図９は、図６に示した構造と同
様の構造からなるＳｙＡＰ層１５について、印加磁場の
磁化方向に対し、第１および第２の磁性層２１，２３
（ＡＰ１層およびＡＰ２層）の磁化方向がなす角度（Ａ
Ｐ１角度およびＡＰ２角度と表記）の印加磁場依存性を
計算して求めたシュミレーションの結果である。図８お
よび図９の縦軸は、ＡＰ１角度およびＡＰ２角度（°）
を示し、横軸は印加磁場（×１０4 Ａ／ｍ）を示す。な
お、図示しないが、この計算結果は実験値によく一致す
る。図８および図９に示したように、図６および図７に
示した低磁場領域の平坦部分と一致する印加磁場の場
合、第１および第２の磁性層２１，２３（ＡＰ１層およ
びＡＰ２層）の磁化方向は、互いに反平行状態にあるこ
とが確認できた。以上の図６から図９の結果によれば、
この低磁場領域の平坦部分は、２つのＣｏＦｅ合金層、
すなわち、第１および第２の磁性層２１，２３の磁化方
向の反平行状態に対応することが確認できた。従って、
従来より薄いスペーサ層５２を備えたＳｙＡＰ層１５で
あれば、４．０×１０5 Ａ／ｍ以下という低磁場でのア
ニール処理であっても、第１および第２の磁性層２１，
２３における磁化の反平行状態が完全に固定される。
【００７５】さらなるシュミレーションによって、上述
の低磁場平坦部分が、第１および第２の磁性層２１，２
３の厚みや、厚みの差分、あるいは、交換エネルギーＪ
ｓに依存することがわかった。第１および第２の磁性層
２１，２３の厚みが小さくなるほど、差分が大きくなる
ほど、あるいは、交換エネルギーＪｓが大きくなるほ
ど、低磁場平坦部分が拡大される。したがって、交換エ
ネルギーＪｓがより大きい０．４ｎｍ以下の範囲の厚み
を有するルテニウム、イリジウム、あるいはロジウムを
スペーサ層５２として用いると、低磁場平坦部分がさら
に拡大するので、低磁場におけるアニール処理の実現可
能範囲が拡大される。なお、高温度でアニール処理を実
施する場合の磁場については、交換エネルギーＪｓの減
少および第１および第２の磁性層２１，２３の磁化を考
慮しつつ、図６に示した室温下でのＲ−Ｈ曲線から計算
して求めた。さらに得られた結果については実験により
確認した。
【００７６】また、第１および第２の磁性層２１，２３
の交換エネルギーＪｓを増加させると、第１および第２
の磁性層２１，２３が垂直方向により強く固定される。
したがって、このようなスピンバルブ構造を再生ヘッド
に適用した場合、ヘッドからの信号レベルが改善され、
これによって、線形のダイナミック・レンジを拡大する
ことができる。
【００７７】さらに、スペーサ層５２としてルテニウム
を含む場合よりも、ロジウムまたはイリジウムを含む場
合の方が、第１および第２の磁性層２１，２３の交換エ
ネルギーＪｓがより大きくなることも見出された。した
がって、ロジウムあるいはイリジウムよりなるスペーサ
層５２をもつＳｙＡＰ層１５を備えるスピンバルブ構造
は、安定性を高め、再生ヘッドに適用された場合、その
再生ヘッド性能をより改善することができる。加えて、
ルテニウムよりなるスペーサ層５２を有するスピンバル
ブ構造と比較して、より低磁場のアニール処理が可能に
なると共に、そのアニール処理の可能な低磁場領域の範
囲がより拡大される。また、ロジウムあるいはイリジウ
ムをスペーサ層５２として備えるＳｙＡＰ層１５の飽和
磁場Ｈｓを調べると、ルテニウムの場合よりもさらに高
くなる。
【００７８】次に、従来例のスピンバルブ構造としてサ
ンプルＡを作製し、一方、本実施の形態の一具体例とし
てサンプルＢを作製し、磁気抵抗変化率の比較を行っ
た。サンプルＡおよびＢは共に、図１の断面図に対応し
て「ＮｉＣｒ合金／ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金／銅
（Ｃｕ）／ＣｏＦｅ合金（２ｎｍ厚）／ルテニウム（Ｒ
ｕ）／ＣｏＦｅ合金（１．５ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ合金／
ＮｉＣｒ合金」という構成を有する。すなわち、順に、
ＮｉＣｒ合金層がシード層１２に、ＮｉＦｅ合金／Ｃｏ
Ｆｅ合金複合層がフリー層１３に、銅（Ｃｕ）層が非磁
性層１４に、ＣｏＦｅ合金層（２ｎｍ厚）が第１の磁性
層２１に、ルテニウム（Ｒｕ）層がスペーサ層５２に、
ＣｏＦｅ合金層（１．５ｎｍ厚）が第２の磁性層２３
に、ＭｎＰｔ合金層が反強磁性層１６に、ＮｉＣｒ合金
層が保護層１７に対応するものである。サンプルＡ，Ｂ
の相違点は、スペーサ層５２にある。サンプルＡでは、
０．７５ｎｍの厚みを有するルテニウム層であるのに対
し、サンプルＢでは、０．３ｎｍの厚みを有するルテニ
ウム層である。これに加えて、アニール条件も異なる。
サンプルＡについては、８．０×１０5 Ａ／ｍの磁場の
中でアニール処理したが、一方のサンプルＢについて
は、１．６×１０5 Ａ／ｍという低磁場の中でアニール
処理を行った。
【００７９】図１０〜図１２に、サンプルＡについての
磁気抵抗変化率の磁場依存性を示す。図１０は室温下で
の測定結果、図１１は１５０℃の雰囲気下での測定結
果、さらに図１２は２５０℃の雰囲気下での測定結果で
ある。一方、図１３〜図１５に、サンプルＢについての
磁気抵抗変化率の磁場依存性を示す。図１３は室温下で
の測定結果、図１４は１５０℃の雰囲気下での測定結
果、さらに図１５は２５０℃の雰囲気下での測定結果で
ある。図１０〜図１５に示したように、スペーサ層５２
としてのルテニウム層の厚みが、より薄いサンプルＢの
方が、従来例のサンプルＡよりもはるかに良好な、開き
のないヒステリシス曲線を示すことがわかった。加え
て、サンプルＢでは、２５０℃付近の高温であっても、
内部ピンニング磁場が４．８×１０5 Ａ／ｍと、非常に
高いこともわかった。このように開きのないヒステリシ
ス曲線を示すスピンバルブ構造は、ＳｙＡＰ層の不安定
性や、逆ピンニング、あるいはソフトＥＳＤなどの問題
の発生をすべて低減することができる。
【００８０】以上のように、これらの実施の形態および
実施例によれば、第１の磁性層２１と、厚みが０．６ｎ
ｍ以下である薄いスペーサ層５２と、第１の磁性層２１
に対し反平行の磁化方向を有する第２の磁性層とを含む
ＳｙＡＰ層１５を備えるようにしたので、全体を、４．
０×１０5 Ａ／ｍ以下の低磁場、かつ、２８０℃以下の
温度という条件であってもアニール処理することができ
る。これにより、第１および第２の磁性層２１，２３の
磁化方向を互いに反平行状態に固定でき、かつ、非常に
高い内部ピンニング磁場を発生させるすることができ
る。よって、従来よりもより良好な、開きのないヒステ
リシス曲線を示すスピンバルブ構造を得ることができ
る。
【００８１】以上、いくつかの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、これらの実施
の形態および実施例に限定されず、種々変形可能であ
る。例えば、上記の実施の形態および実施例では、ルテ
ニウムやイリジウムあるいはロジウムを用いてスペーサ
層を形成するようにしたが、これに限定されるものでは
なく、他の方法によって形成されてもよい。ヒステリシ
ス曲線の開きが抑えられ、ソフトＥＳＤによる破壊を受
けない安定した被固定層を構成することが可能な限り、
また、ＥＳＤ現象の影響を受けることなく低磁場中でス
ピンバルブ構造を形成することが可能な限り、自由に変
形可能である。
【００８２】加えて、スピンバルブ構造の作用を決定す
る交換エネルギーＪｓは、非常に限られた距離の範囲内
にその作用を及ぼすものである。このため、本発明の被
固定層およびスピンバルブ構造を構成する各層の厚み
は、特許請求の範囲に示した範囲となるようにすること
が重要である。したがって、各層の構成要素および積層
順序が本発明のスピンバルブ構造と同一である積層体で
あっても、特許請求の範囲に示した層の厚みの範囲を外
れた場合には、本発明の効果が十分に得られなくなる。
【００８３】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項５のいずれか１項に記載の被固定層の形成方法また
は請求項１１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の
スピンバルブ構造の形成方法によれば、第１の磁性層
と、０．６ｎｍ以下の厚みを有するスペーサ層と、第２
の磁性層とを順に形成する工程と、全体を、４．０×１
０ 5 Ａ／ｍ以下という非常に低い磁場中において、２８
０℃以下の温度でアニールする工程とを含むようにした
ので、形成過程においてＥＳＤ現象の影響を受けず、ソ
フトＥＳＤによる破壊を受けない安定した被固定層およ
びそれを含むスピンバルブ構造を、実際の製造工程に適
用可能な条件で形成することができる。
【００８４】さらに、請求項６ないし請求項１０のいず
れか１項に記載の被固定層または請求項１９ないし請求
項２６のいずれか１項に記載のスピンバルブ構造によれ
ば、第１の磁性層と、この第１の磁性層上に形成される
０．６ｎｍ以下の厚みを有する薄いスペーサ層と、この
スペーサ層上に形成され、第１の磁性層と反平行の磁化
方向を有する第２の磁性層とを有し、４．０×１０5 Ａ
／ｍ以上６．４×１０ 5 Ａ／ｍ以下の内部ピンニング磁
場を示すようにしたので、ヒステリシス曲線の開きが抑
えられ、ソフトＥＳＤによる破壊を受けない安定した被
固定層およびそれを含むスピンバルブ構造を得ることが
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スピンバルブ構造
の断面構成を説明するための断面図である。
【図２】図１のスピンバルブ構造における抵抗の磁場依
存性を示す特性図である。
【図３】図１のスピンバルブ構造における抵抗の磁場依
存性を示す特性図である。
【図４】図１のスピンバルブ構造における抵抗の磁場依
存性を示す特性図である。
【図５】図１のスピンバルブ構造における交換エネルギ
ーＪｓのスペーサ層厚依存性を示す特性図である。
【図６】図１のスピンバルブ構造における、アニール処
理前の抵抗の磁場依存性を示す特性図である。
【図７】図１のスピンバルブ構造における、アニール処
理後の抵抗の磁場依存性を示す特性図である。
【図８】図１のスピンバルブ構造における、ＡＰ１層の
なす磁化方向の磁場依存性（計算値）を示す特性図であ
る。
【図９】図１のスピンバルブ構造における、ＡＰ２層の
なす磁化方向の磁場依存性（計算値）を示す特性図であ
る。
【図１０】従来のＳｙＡＰ層を有するスピンバルブ構造
における、室温下での磁気抵抗変化率の磁場依存性を示
す特性図である。
【図１１】従来のＳｙＡＰ層を有するスピンバルブ構造
における、１５０℃での磁気抵抗変化率の磁場依存性を
示す特性図である。
【図１２】従来のＳｙＡＰ層を有するスピンバルブ構造
における、２５０℃での磁気抵抗変化率の磁場依存性を
示す特性図である。
【図１３】図１のスピンバルブ構造における、室温下で
の磁気抵抗変化率の磁場依存性を示す特性図である。
【図１４】図１のスピンバルブ構造における、１５０℃
での磁気抵抗変化率の磁場依存性を示す特性図である。
【図１５】図１のスピンバルブ構造における、２５０℃
での磁気抵抗変化率の磁場依存性を示す特性図である。
【図１６】ＳｙＡＰ層を含まない、従来のスピンバルブ
構造の断面構成を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１１…基体、１２…シード層、１３…フリー層、１４…
非磁性層、１５…シンセティック反平行被固定層（Ｓｙ
ＡＰ層）、１６…反強磁性層、１７…保護層、２１…第
１の磁性層、２３…第２の磁性層、３０…スピンバルブ
型再生素子、５２…スペーサ層。
フロントページの続き (72)発明者 成宗 洪 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95120 サンノゼ カルカテラ ドライブ 7174 (72)発明者 茹瑛 童 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95130 サンノゼ レバイン ドライブ 2433 (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 克▲強▼ 朱 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94539 フレモント ウッドサイド テラ ス 3535 Ｆターム(参考） 5D034 BA03 DA07 5E049 AA04 BA12 DB12

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フリー層と、非磁性層と、被固定層と、
    反強磁性層とを有するスピンバルブ構造における前記被
    固定層の形成方法であって、 第１の磁性層を形成する第１の工程と、 この第１の磁性層上に、０．６ｎｍ以下の厚みを有する
    スペーサ層を形成する第２工程と、 このスペーサ層上に、第２の磁性層を形成する第３の工
    程と、 全体を、４．０×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場中において、
    ２８０℃以下の温度でアニールすることで、前記第１お
    よび第２の磁性層の磁化方向を互いに反平行にすると共
    に、内部ピンニング磁場を発生させる第４の工程とを含
    むことを特徴とする被固定層の形成方法。
  2. 【請求項２】 前記第２の工程において、 ルテニウム（Ｒｕ）を用いて、０．２５ｎｍ以上０．４
    ｎｍ以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成する
    と共に、 前記第４の工程において、 １．２×１０5 Ａ／ｍ以上２．０×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１に記載の被固定層の形成方法。
  3. 【請求項３】 前記第２の工程において、 イリジウム（Ｉｒ）を用いて、０．２５ｎｍ以上０．６
    ｎｍ以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成する
    と共に、 前記第４の工程において、 ０．８×１０5 Ａ／ｍ以上２．４×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１に記載の被固定層の形成方法。
  4. 【請求項４】 前記第２の工程において、 ロジウム（Ｒｈ）を用いて、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ
    以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成すると共
    に、 前記第４の工程において、 １．６×１０5 Ａ／ｍ以上３．２×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１に記載の被固定層の形成方法。
  5. 【請求項５】 前記第４の工程において、 ４．０×１０5 Ａ／ｍ以上６．４×１０5 Ａ／ｍ以下の
    内部ピンニング磁場が発生するようにすることを特徴と
    する請求項１に記載の被固定層の形成方法。
  6. 【請求項６】 フリー層と、非磁性層と、被固定層と、
    反強磁性層とを有するスピンバルブ構造における前記被
    固定層であって、 第１の磁性層と、 前記第１の磁性層上に形成される０．６ｎｍ以下の厚み
    を有するスペーサ層と、 前記スペーサ層上に形成され、前記第１の磁性層に対し
    て反平行の磁化方向を有する第２の磁性層とを有し、 ４．０×１０5 Ａ／ｍ以上６．４×１０5 Ａ／ｍ以下の
    内部ピンニング磁場を示すことを特徴とする被固定層。
  7. 【請求項７】 前記スペーサ層は、ルテニウム（Ｒｕ）
    からなり、０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有
    することを特徴とする請求項６に記載の被固定層。
  8. 【請求項８】 前記スペーサ層は、イリジウム（Ｉｒ）
    からなり、０．２５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有
    することを特徴とする請求項６に記載の被固定層。
  9. 【請求項９】 前記スペーサ層は、ロジウム（Ｒｈ）か
    らなり、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項６に記載の被固定層。
  10. 【請求項１０】 前記内部ピンニング磁場は、２５０℃
    以下の場合に発生することを特徴とする請求項６に記載
    の被固定層。
  11. 【請求項１１】 基体上に、シード層を形成する第１の
    工程と、 このシード層上に、フリー層を形成する第２の工程と、 このフリー層上に、銅（Ｃｕ）を用いて非磁性層を形成
    する第３の工程とこの非磁性層上に、１．５ｎｍ以上
    ２．５ｎｍ以下の厚みを有する第１の磁性層を形成する
    第４の工程と、 この第１の磁性層上に、０．６ｎｍ以下の厚みを有する
    スペーサ層を形成する第５の工程と、 このスペーサ層上に、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の
    厚みを有する第２の磁性層を形成する第６の工程と、 この第２の磁性層上に、反強磁性層を形成する第７の工
    程と、 この反強磁性層上に、保護層を形成する第８の工程と、 全体を、４．０×１０5 Ａ／ｍ以下の磁場中において、
    ２８０℃以下の温度でアニールする第９の工程とを含む
    ことを特徴とするスピンバルブ構造の形成方法。
  12. 【請求項１２】 前記第５の工程において、 ルテニウム（Ｒｕ）を用いて、０．２５ｎｍ以上０．４
    ｎｍ以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成する
    と共に、 前記第９の工程において、 １．２×１０5 Ａ／ｍ以上２．０×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１１に記載のスピンバルブ構造の形成方
    法。
  13. 【請求項１３】 前記第５の工程において、 イリジウム（Ｉｒ）を用いて、０．２５ｎｍ以上０．６
    ｎｍ以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成する
    と共に、 前記第９の工程において、 ０．８×１０5 Ａ／ｍ以上２．４×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１１に記載のスピンバルブ構造の形成方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記第５の工程において、 ロジウム（Ｒｈ）を用いて、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ
    以下の厚みとなるように前記スペーサ層を形成すると共
    に、 前記第９の工程において、 １．６×１０5 Ａ／ｍ以上３．２×１０5 Ａ／ｍ以下の
    磁場中で、２５０℃以上２８０℃以下の温度とし、５時
    間以上８時間以下に渡って全体をアニールすることを特
    徴とする請求項１１に記載のスピンバルブ構造の形成方
    法。
  15. 【請求項１５】 前記第２，第４および第６の工程にお
    いて、 原子比で８５％以上９５％以下のコバルト（Ｃｏ）を含
    むコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金を用いて、前記フリー層
    ならびに前記第１および第２の磁性層を形成することを
    特徴とする請求項１１に記載のスピンバルブ構造の形成
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記第１および第８の工程において、 原子比で５５％以上６５％以下のニッケル（Ｎｉ）を含
    むニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金を用いて、前記シー
    ド層および前記保護層を形成することを特徴とする請求
    項１１に記載のスピンバルブ構造の形成方法。
  17. 【請求項１７】 前記第７の工程において、 マンガン白金（ＭｎＰｔ）合金を用いて、７ｎｍ以上２
    ５ｎｍ以下の厚みとなるように前記反強磁性層を形成す
    ることを特徴とする請求項１１に記載のスピンバルブ構
    造の形成方法。
  18. 【請求項１８】 前記第７の工程において、 原子比で５０％以上６０％以下のマンガン（Ｍｎ）を含
    むマンガン白金（ＭｎＰｔ）合金を用いて、前記反強磁
    性層を形成することを特徴とする請求項１１に記載のス
    ピンバルブ構造の形成方法。
  19. 【請求項１９】 基体と、 この基体上に形成された、シード層と、 このシード層上に形成された、フリー層と、 このフリー層上に形成された銅（Ｃｕ）からなる非磁性
    層と、 この非磁性層上に形成され、４．０×１０5 Ａ／ｍ以上
    ６．４×１０5 Ａ／ｍ以下の内部ピンニング磁場を有す
    る被固定層と、 この被固定層上に、形成された反強磁性層と、 この反強磁性層上に形成された保護層とを有するスピン
    バルブ構造であって、前記被固定層は、 厚みが１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下となるように形成
    された第１の磁性層と、 この第１の磁性層上に、厚みが０．６ｎｍ以下となるよ
    うに形成されたスペーサ層と、 このスペーサ層上に、前記第１の磁性層に対して磁化方
    向が反平行であり、厚みが１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以
    下となるように形成された第２の磁性層とを含むことを
    特徴とするスピンバルブ構造。
  20. 【請求項２０】 前記スペーサ層は、ルテニウム（Ｒ
    ｕ）からなり、０．２５ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚み
    を有することを特徴とする請求項１９に記載のスピンバ
    ルブ構造。
  21. 【請求項２１】 前記スペーサ層は、イリジウム（Ｉ
    ｒ）からなり、０．２５ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚み
    を有することを特徴とする請求項１９に記載のスピンバ
    ルブ構造。
  22. 【請求項２２】 前記スペーサ層は、ロジウム（Ｒｈ）
    からなり、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有す
    ることを特徴とする請求項１９に記載のスピンバルブ構
    造。
  23. 【請求項２３】 前記フリー層ならびに前記第１および
    第２の磁性層は、原子比で８５％以上９５％以下のコバ
    ルト（Ｃｏ）を含むコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金からな
    ることを特徴とする請求項１９に記載のスピンバルブ構
    造。
  24. 【請求項２４】 前記シード層および前記保護層は、 原子比で５５％以上６５％以下のニッケル（Ｎｉ）を含
    むニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金からなることを特徴
    とする請求項１９に記載のスピンバルブ構造。
  25. 【請求項２５】 前記反強磁性層は、マンガン白金（Ｍ
    ｎＰｔ）合金からなり、７ｎｍ以上２５ｎｍ以下の厚み
    を有することを特徴とする請求項１９に記載のスピンバ
    ルブ構造。
  26. 【請求項２６】 前記反強磁性層は、 原子比で５０％以上６０％以下のマンガン（Ｍｎ）を含
    むマンガン白金（ＭｎＰｔ）合金からなることを特徴と
    する請求項１９に記載のスピンバルブ構造。
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