JP2004172615A - 堆積と酸化の複数ステップにより製造されるスペーサ層を有する磁気抵抗センサの製造方法 - Google Patents

堆積と酸化の複数ステップにより製造されるスペーサ層を有する磁気抵抗センサの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】磁気抵抗センサの読出し性能を改善する要望とニーズがある。
【解決手段】磁気抵抗センサ50は、基板構造80を用意し、基板構造80の上に磁化固定構造86を堆積し、磁化固定構造86に重ねて酸化銅スペーサ層98を堆積し、酸化銅スペーサ層98に重ねて感知構造104が堆積することにより製作される。酸化銅スペーサ層98の堆積は、第1の銅下地層100の堆積と、第1の銅下地層の酸化と、第2の銅下地層102の堆積と、第2の銅下地層の酸化を含んでいる。必要に応じ、さらなる堆積と酸化のステップを用いることができる。
【選択図】図3

Description

本発明は磁気抵抗センサの製法に係わり、さらに詳細には磁気性能を向上するために複数のステップで堆積され酸化されたスペーサ層を持つ磁気抵抗センサの製造方法に関する。
磁気抵抗(MR)センサは、磁気記憶装置の記録媒体上の磁界を読出すための読出し/書込みヘッドに用いられる。本例は、コンピュータ・ハード・ディスクあるいは磁気記録テープの読出し/書込みヘッドである。読出し/書込みヘッドは、読出し/書込みヘッドをハード・ディスクの表面から浮上させる空気軸受けにより、記録媒体から引き離されて、記録媒体に密に接近して位置決めされている。データ・ビットは、読出し/書込みヘッドの書込み部分を局部的にその磁気状態を変えることで、記録媒体の一部分に書込まれる。磁気状態は、後で、データ・ビットを読出すMRセンサにより検出される。
磁気抵抗センサの主要な形式の一つは、巨大磁気抵抗(GMR)センサである。巨大磁気抵抗センサの一般的な、技術的な基本や構造や動作は、たとえば参照用に開示された特許文献1に述べられている。
米国特許第5436778号明細書
巨大磁気抵抗センサの構造は、スペーサ層の働きをする一般的には銅の膜である中間非磁性膜により分離された二枚の薄膜スタックを含んでいる。下側の薄膜は磁化固定層を含み、上側の薄膜スタックは外部磁界に反応するセンサ(フリー)層を含んでいる。磁気バイアス構造は、二つの薄膜スタックとスペーサ層に近接して側面に位置する隣接接合の形で存在することが好ましい。
実用化されているMRセンサは十分に動作可能であり、磁気読出し/書込みヘッドに広く使用されている。しかしながら、現在はそれらの読出し性能を改善する要望とニーズがある。本発明はこのニーズに応え、さらに関連した改善効果を提供する。
本発明は、スペーサ層の電気抵抗性能が改善される磁気抵抗センサを製造する方法を提供するものである。結果として、磁気抵抗センサの性能も改善されるものである。本発明の手法は、従来の工程におけるものと同様の製造装置を用い、手順に単に変更を加えるだけで実施可能である。
本発明によると、磁気抵抗センサを製造する方法は、基板構造(上にシード構造を付けた酸化アルミニューム基板のような)を準備するステップ、基板構造の上に磁化固定構造を堆積するステップ、磁化固定構造に重ねて酸化金属スペーサ層を堆積するステップ、酸化金属スペーサ層に重ねて感知構造を堆積するステップからなる。酸化金属スペーサ層は、第1の金属の下地層を堆積するステップ、第1の金属下地層を酸化するステップ、第2の金属下地層を堆積するステップ、第2の金属下地層を酸化するステップにより形成される。この同様な交互に繰り返される堆積と酸化の方法で、さらなる下地層を同様に堆積し、酸化することが可能である。
酸化金属スペーサ層は、酸化銅スペーサ層であり、下地層は酸化銅下地層であることが好ましい。酸化金属スペーサ層の合計厚さは約15オングストロームから約25オングストロームであることが好ましい。金属下地層/酸化金属下地層の対のそれぞれもまた大略同じ厚さであることが好ましい。
金属スペーサ層の堆積は、第1の蒸着酸素分圧を持つ真空中で第1の金属下地層を堆積し、第1の蒸着酸素分圧よりも高い第1の酸化酸素分圧を持つ真空中で第1の金属下地層を酸化し、第2の蒸着酸素分圧を持つ真空中で第2の金属下地層を堆積し、第2の蒸着酸素分圧よりも高い第2の酸化酸素分圧を持つ真空中で第2の金属下地層を酸化することにより行うことが好ましい。すなわち、金属下地層を堆積する時は、真空槽の中には一般に小さな酸素分圧が存在し、酸化ステップ毎に酸素分圧が増加するということである。酸化ステップにおける酸化酸素分圧は、一般的に約1×10−6 Torrから約1×10−4 Torrであり、最適値は約2×10−5 Torrである。もし行うとしたら、続く下地層堆積のステップの酸素分圧は減少することになる。
感知構造の堆積が終わると、感知構造に重ねてキャップ層が堆積される。磁気バイアス構造もまた堆積され、各面に於いて前に堆積された磁化固定構造と金属スペーサ層に横方向に接している隣接接合の形で堆積されるのが好ましい。あるいは、スタック内の磁気バイアス構造が用いられることもある。このようにして、この手法を巨大磁気抵抗(GMR)センサの製作に用いる事が可能である。
この手法により、それぞれが銅の下地層を堆積することと、続いて下地層および既に堆積されている下地層を酸化することを含む二つないしはそれ以上のステップで、酸化銅(あるいは他の金属)スペーサ層の堆積を行う。2個の下地層についての二つのステップにより、スペーサ層の性能は向上し、もし必要であればさらに多くの堆積/酸化のステップを用いることが可能である。本発明の他の特徴や利点は、本発明の原理を実施例として示す付図に関連して説明する、以下の本発明の実施例の詳細説明により明らかになるものである。しかしながら、本発明の範囲は本発明のこの実施例に限定されるものではない。
本発明によれば、スペーサ層の電気抵抗性能が改善され、延いては磁気抵抗センサの性能を改善することができる。
図1はディスク記憶システムを図式的に示したものであり、ここでは本発明が応用されるであろう磁気ディスク・ドライブ・システム20として説明されている。磁気ディスク・ドライブ・システム20は、スピンドル24で支持され、コントロール・ユニット44のモータ制御27により制御される駆動モータ26で回転駆動される回転可能な磁気記憶ディスク22を含む。磁気記録媒体28は、磁気記憶ディスク22の表面30上に形成されている。
スライダ32は磁気記憶ディスク22に対向するように位置決めされている。スライダ32は少なくとも1個の読出し/書込みヘッド34を磁気記憶ディスク22の磁気記録媒体28に対向するように支持している。スライダ32はサスペンション38によりアクチュエータ・アーム36に装着されている。アクチュエータ・アーム36とスライダ32は半径方向に、内方向あるいは外方向に移動し、スライダ32の内方向/外方向の動きと磁気記憶ディスク22の回転との複合動作で、読出し/書込みヘッド34が磁気記録媒体28の全ての面に対向できるように位置決めされる。アクチュエータ・アーム36はコントロール・ユニット44のラジアル位置制御42の下にアクチュエータ40(ボイス・コイル・モータあるいはVCMと表示される)により駆動される。
サスペンション38は軽いバネ力を発生させ、スライダ32に磁気記憶ディスク22の表面30方向に荷重をかける。センサ動作中は、磁気記憶ディスク22は回転し、空気軸受面46あるいはABSと呼ばれる下方向に向いているスライダ32の面と磁気記憶ディスク22の上方向に向いている面30の間に、空気軸受けが形成される。(単に下方向を向いたスライダ32のみが図示されているが、上向きの、あるいは上向きだけの磁気記憶ディスクの底面側に対向しているスライダもある。)空気軸受けは、サスペンション38の軽いバネ力と釣り合い、磁気記憶ディスク22が回転する際に面30上を読出し/書込みヘッドが「浮上」するように、面30上に小さな間隙をあけてスライダ32を支持する。
読出し/書込みヘッド34は、磁気記録媒体の磁気状態を変えることでデータを磁気記録媒体28に書込み、磁気記録媒体28の磁気状態を検出することで磁気記録媒体28からデータを読出す。書込みあるいは読出しコマンドは、書込まれるあるいは読出されるデータと同じく、記録チャネル48を介してコントロール・ユニット44と読出し/書込みヘッド34の間で転送される。本発明の手法は、読出し/書込みヘッド34の一部である磁気抵抗(MR)センサ50、好ましくは巨大磁気抵抗(GMR)センサに関するものである。GMRセンサ50は、たとえば特許文献1(米国特許第5436778号明細書)で議論されている如く、ここに記載した変更部を除けば公知のものである。
前述の議論は、本発明を適用する環境を設定するための、磁気ディスク・ドライブ・システム20の形のデータ記憶システムを簡単に説明したものである。本発明はテープ・ドライブやその読出し/書込みヘッドなどの他の形式の磁気データ記憶システムにも適用可能である。
図2はGMRセンサ50を製作する方法をブロック・ダイアグラムで示したものである。図3は、実寸法ではないが、GMRセンサ50に適した構成を示している。基板構造80は、ステップ60で供給される。基板構造80は、処理の段階でサブストレート82上に堆積される複数層のシード層構造84を含んでいる。図3においては、各層を形成するために適当な材料を示している。標準的な習慣に従い、各層の好ましい厚さは、形成材料の後ろの括弧内にオングストローム単位で表示している。
磁化固定構造86は、基板構造80上に、ステップ62で堆積される。本実施例では、磁化固定構造86は、横方向のピンニング層88と横方向のピン層構造90を含んでいる。横方向のピン層構造90は、横方向のピンニング層88の上に重なりかつ接しており、横方向のピンニング層88は同様に基板構造80の上に重なりかつ接している。横方向のピン層構造90は、中間層96により分離された二つの強磁性膜92と94でできている。二つの強磁性膜92と94は、中間層96を通してアンチパラレル(反平行)に強く結合している。横方向のピン層構造90は、横方向のピンニング層88とアンチパラレルに結合している。
オプションとして、最上部の層、ここでは磁化固定構造86の上部強磁性膜94は、ステップ63で酸化され、上部強磁性膜の酸化領域95を形成する。
一連のステップにより、磁化固定構造86の上に重ねて、ステップ64で酸化銅スペーサ層98が堆積される。ステップ64は、ステップ66として第1の銅下地層100を第1に堆積し、ステップ68として第1の銅下地層100を第1に酸化して酸化銅第1下地層領域101を製作する。ステップ66と68が行われた後は、第2の銅下地層102がステップ70として第2に堆積され、第2の銅下地層102はステップ72として第2に酸化され酸化銅第2下地層領域103を製作する。必要に応じ、追加の銅下地層が蒸着され、酸化されてもよい。
堆積ステップ66と70(および上部強磁性膜94の堆積)は、イオンビームスパッタリングやプラズマスパッタリングなどの蒸着技術により、真空蒸着装置を用いて行うのが好ましい。真空蒸着装置内の雰囲気は、通常は、酸素の小さな分圧を含んでいる。酸化ステップ68と72(および63)は、真空蒸着装置内で製作された構造を、室温に近い温度に置き、通常は室温から20度C以上高くすることなく、そして約30秒間酸素分圧を約2×10−5 Torrまで高めて行うことが好ましい。下地層領域101と103の場合は、銅は不定比のCuOxの形に酸化され、領域95の場合には銅は不定比CoFeOyの形に酸化される。
酸化銅スペーサ層98の合計厚さは約15オングストロームから約25オングストロームであることが好ましく、約18オングストロームから約22オングストロームであることがさらに好ましく、約20オングストロームが最も好ましい値である。もし酸化銅スペーサ層98の厚さがこの範囲にない場合は、GMRセンサ50の性能はそこそこのものになってしまう。この範囲に入る酸化銅スペーサ層98の合計厚さは、図にあるように、二つの酸化銅下地層100と102と、それぞれの酸化銅下地層領域101と103に配分される。もし二つ以上の酸化銅下地層がある場合は、上記に議論した範囲にある合計厚さは、存在する酸化銅下地層の全ての間で配分される。このことは、酸化銅スペーサ層98の合計厚さは上記に議論した範囲にあり、下地層やそのそれぞれの酸化された領域の全ての厚さは、この酸化銅スペーサ層98の合計厚さに足し合わされるものである。
発明者による研究とその後の討論においては、酸化銅スペーサ層98の合計厚さは約20オングストロームであり、下地層100と102の相対厚さは、研究により決まる変動値であった。一般的には、第1の銅下地層100と第2の銅下地層102の厚さを同じにすることで、酸化銅スペーサ層98において、ひいてはGMRセンサ50において、最高の性能が得られることが確認された。しかしながら、GMRセンサ50の的確な性能は相対厚さの関数として最適化されるものである。本発明の複数の堆積と酸化手法に起因して改善された性能の一部は、酸化銅スペーサ層98のより良好で平滑な上面に負うところであろうと信じられている。
ステップ74において、感知構造104(または「フリー層」とも呼ばれる)が、酸化銅スペーサ層98上に重ねて堆積される。感知構造104は、1個ないしはそれ以上の強磁性膜からなる。本実施例では、感知構造104は、酸化銅スペーサ層98に重なりかつ接している下部センシング層106と、下部センシング層106に重なりかつ接している上部センシング層108を持っている。
ステップ76において、キャップ層が堆積される。説明図のように層状スタックの側面に磁気バイアス構造110があるケースでは、キャップ層112は、感知構造104に重なりかつ接するように蒸着される。磁気バイアス構造の別のスタック内実施例では、キャップ層112は磁気バイアス構造に重なりかつ接するように蒸着される。
ステップ78で、磁気バイアス構造110が堆積される。磁気バイアス構造110は、実施例において近接接合と名付けて説明されており、そこではその堆積が説明された層状スタックの側面に接している。スタック内実施例では、磁気バイアス構造110は、感知構造104に重なりかつ接するように堆積される可能性がある。このように、ステップ76と78の順序は適宜逆になることもある。
GMRセンサ50の製作に続くステップでは、電極114がキャップ層112上に堆積される可能性がある。GMRセンサ50は、電流源116と抵抗測定装置118に外部的に接続されている。
GMRセンサの構成は、上記の複数ステップによる手法で酸化銅スペーサ層98が作られる場合は、この形式あるいは他の形式になる可能性がある。他に多くの構成が可能であり、動作が可能な形成材料のいずれかを使うこともある。発明者が行った研究においては、図3に示す材料を用い、各層の厚さを材料の後ろの括弧内にオングストローム単位で示している、図3の構成を使用した。サブストレート82は、動作が可能な厚さの酸化アルミニュームである。シード層構造84は、サブストレート82の上に堆積された30オングストロームの酸化アルミニュームと、酸化アルミニューム層の上に堆積された30オングストロームのNiMnOと、NiMnO層の上に堆積された35オングストロームのタンタルの3層構造である。横方向のピンニング層88は175オングストロームのPtMnである。横方向のピン層構造90は、17オングストロームのCoFeの下部強磁性膜92と、8オングストロームのルテニュームの中間層96と、26オングストロームのCoFeの上部強磁性膜94を含んでいる。酸化銅スペーサ層98は、以下に説明するように二つの酸化銅下地層100と102の間に配分され(それぞれxとyの変動厚さで示される)、20オングストロームの厚さである。感知構造104は、15オングストロームのCoFeの下部センシング層106と25オングストロームのNiFeの上部センシング層108を含んでいる。キャップ層112は50オングストロームのタンタルである。隣接接合磁気バイアス構造110はCoPtCrである。
本発明は、図3で示すGMRセンサ50を製作する方法を、簡略化した図2の方法により実施している。4種類の適用例が用意され、それぞれのケースについて、酸化銅スペーサ層98の合計厚さは一定で、20オングストロームである。第2の銅下地層102の厚さは、4個の適用例について、ゼロ(すなわちスペーサが単一層である)から、5、10、15オングストロームへと変動している。図4〜図9は、第2の銅下地層102の厚さの関数として得られた実測のあるいは実測と計算のパラメータに基づき得られた結果の幾つかを示している。図5に見られるように、dR/Rは第2の銅下地層102の厚さが約10オングストロームの時に最大となり、したがって酸化銅スペーサ層98の合計厚さは、二つの銅下地層100と102の間でほぼ均等に分けられることになる。この観測結果を拡張すると、もし、たとえば4個の銅下地層が存在するならば、それぞれが酸化銅スペーサ層98のおおよそ1/4の厚さである、すなわち実施例における各下地層が約5オングストロームの厚さであれば、酸化銅スペーサ層98の合計厚さを約20オングストロームに保つことが出来る。図7〜図9は、GMRセンサの性能を示す。図7と図9はそれぞれにおいて、HkとHchが比較的低レベルに保たれることが望ましいことを示している。
説明を目的として、特定の実施例について詳細に説明をしたが、本発明の精神と範囲を外れることなく各種の変更や改善を行うことが可能である。したがって、本発明は、特許請求の範囲による以外には限定されないものである。
磁気ディスク・データ記憶システムの概略図である。 磁気抵抗センサを製作する方法のブロック/ダイアグラムである。 磁気抵抗センサの断面図である。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、単位面積当たりのオームを単位とする抵抗値Rのグラフである。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、dR/Rをパーセントで表したグラフである。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、単位面積当たりのオームを単位とする抵抗dRのグラフである。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、エルステッドを単位とするHkのグラフである。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、エルステッドを単位とするHfのグラフである。 第2銅下地層のオングストローム単位の厚さの関数である、エルステッドを単位とするHchのグラフである。
符号の説明
20…磁気ディスク・ドライブ・システム、22…磁気記憶ディスク、
24…スピンドル、26…駆動モータ、28…磁気記録媒体、32…スライダ、
34…詠出し/書込みヘッド、36…アクチュエータ・アーム、
38…サスペンション、40…VCM、44…コントール・ユニット、
48…記録チャネル、50…MRセンサ、GMRセンサ、60…基板準備工程、
62…磁化固定層積層工程、63…磁化固定層酸化工程、
64…酸化銅スペーサ層積層工程、66…第1銅下地層積層工程、
68…第1銅下地層酸化工程、70…第2銅下地層積層工程、
72…第2銅下地層積層工程、74…センサ層積層工程、76…キャップ層積層工程、78…磁気バイアス層積層工程、80…基板構造、82…サブストレート、
84…シード層構造、86…磁化固定構造、88…ピンニング層、90…ピン層構造、92、94…強磁性膜、95…酸化領域、96…中間層、98…酸化銅スペーサ層、100…第1の銅下地層、101…酸化銅第1下地層領域、102…第2の銅下地層、103…酸化銅第2下地層領域、104…感知構造、106…下部センシング層、
108…上部センシング層、110…磁気バイアス構造、112…キャップ層、
114…電極。

Claims (17)

  1. 基板構造を用意するステップと、
    前記基板構造の上に磁化固定構造を堆積するステップと、
    第1の金属下地層を堆積するステップと、
    前記第1の金属下地層を酸化するステップと、
    第2の金属下地層を堆積するステップと、
    前記第2の金属下地層を酸化するステップと、によって前記磁化固定構造に重ねて酸化金属スペーサ層を堆積するステップと、
    前記酸化金属スペーサ層に重ねて感知構造を堆積するステップと、
    を有することを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法。
  2. 前記酸化金属スペーサ層を堆積するステップは、酸化銅スペーサ層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記酸化金属スペーサ層を堆積するステップは、約15オングストロームから約25オングストロームの全体厚さを持つ前記酸化金属スペーサ層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  4. 前記第2の金属下地層を堆積するステップは、前記第1の金属下地層とほぼ同じ厚さを持つように前記第2の金属下地層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 前記酸化金属スペーサ層を堆積するステップは、
    前記第1の金属下地層を第1の蒸着酸素分圧を持つ真空中で堆積するステップと、
    前記第1の金属下地層を前記第1の蒸着酸素分圧よりも高い第1の酸化酸素分圧を持つ真空中で酸化するステップと、
    前記第2の金属下地層を第2の蒸着酸素分圧を持つ真空中で堆積するステップと、
    前記第2の金属下地層を前記第2の蒸着酸素分圧よりも高い第2の酸化酸素分圧を持つ真空中で酸化するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  6. 前記第1の金属下地層を酸化するステップと前記第2の金属下地層を酸化するステップがそれぞれ、約2×10-5 Torrの酸素分圧を持つ酸化環境を提供するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  7. 前記感知構造を堆積するステップの後に、前記感知構造に重ねてキャップ層を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  8. 磁気バイアス構造を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  9. 基板構造を用意するステップと、
    前記基板構造の上に磁化固定構造を堆積するステップと、
    第1の銅下地層を堆積するステップと、
    前記第1の銅下地層を酸化するステップと、
    第2の銅下地層を堆積するステップと、
    前記第2の銅下地層を酸化するステップと、によって前記磁化固定構造に重ねて酸化銅スペーサ層を堆積するステップと、
    前記酸化銅スペーサ層に重ねて感知構造を堆積するステップと、
    を有することを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法。
  10. 前記基板構造を用意するステップは、その上にシード層構造を持つ酸化アルミニューム基板を用意するステップを含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  11. 前記酸化銅スペーサ層を堆積するステップは、
    第1の蒸着酸素分圧を持つ真空中で前記第1の銅下地層を堆積するステップと、
    前記第1の蒸着酸素分圧よりも高い第1の酸化酸素分圧を持つ真空中で前記第1の銅下地層を酸化するステップと、
    第2の蒸着酸素分圧を持つ真空中で前記第2の銅下地層を堆積するステップと、
    前記第2の蒸着酸素分圧よりも高い第2の酸化酸素分圧を持つ真空中で前記第2の銅下地層を酸化するステップと
    を含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  12. 前記酸化銅スペーサ層を堆積するステップは、約15オングストロームから約25オングストロームの全体厚さを持つ前記酸化銅スペーサ層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  13. 前記第2の銅下地層を堆積するステップは、前記第1の銅下地層とおおよそ同じ厚さを持つように前記第2の銅下地層を堆積するステップを含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  14. 前記第1の銅下地層を酸化するステップと前記第2の銅下地層を酸化するステップは、それぞれ約2×10−5 Torrの酸素分圧を持つ酸化環境を提供するステップを含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  15. 前記酸化銅スペーサ層を堆積するステップは、第3の銅下地層を堆積するステップと前記第3の銅下地層を酸化するステップを含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  16. 前記感知構造を堆積するステップの後に、前記感知構造に重ねてキャップ層を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  17. 磁気バイアス構造を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
JP2003383630A 2002-11-19 2003-11-13 堆積と酸化の複数ステップにより製造されるスペーサ層を有する磁気抵抗センサの製造方法 Pending JP2004172615A (ja)

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