JP2005328064A - 磁気抵抗効果素子およびその形成方法、薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果素子およびその形成方法、薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 磁化自由層における保磁力と磁歪定数とのバランスを最適化し、より高い信号検出感度を示すと共に安定した性能を発揮する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】 ＭＲ素子１におけるフリー層２０は、鉄含有率が２０ａｔ％以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるＣｏＦｅ層２１と、鉄含有率が１５ａｔ％〜２０ａｔ％のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるＮｉＦｅ層２２とがスペーサ層１６の側から順に積層されたものである。ＣｏＦｅ層２１は例えば０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有している。一方、ＮｉＦｅ層２２は例えば１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有している。これにより、フリー層２０の磁歪定数λは＋１×１０-6以上＋３×１０-6以下となり、フリー層２０の保磁力Ｈｃは５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下となる。この結果、より大きな抵抗変化率ΔＲ／Ｒを確保することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子およびその形成方法ならびにそれを備えた薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法に関する。
現在、一般的に使用されている磁気再生ヘッドは、磁界の存在中における磁性材料の抵抗変化（すなわち磁気抵抗効果［Magneto-resistance］による電気抵抗の変化）を利用することにより、その動作を制御するものである。磁気抵抗効果は、スピンバルブ（Spin Valve；ＳＶ）構造によって非常に高めることができる。なかでも高記録密度化した記録媒体の読出を行う場合には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnero-Resistance）型のＳＶ構造を有する磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子という。）を備えた磁気再生ヘッド（以下、ＧＭＲヘッドという。）が好適である。この巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）とは、磁化された固体中を電子が通過する際に、その電子のスピン方向によって規定される磁化ベクトルと周囲の環境における磁化方向との関係により、抵抗値が変動する現象である。
ＧＭＲ素子を備えた初期のＧＭＲヘッドは、ＣＩＰ（Current flowing in the plane）型と言われる構造を有するものである。このＣＩＰ型のＧＭＲヘッドにおいては、ＧＭＲ素子の両側に配置したリード層によって、主にフリー層を面内方向に流れるようにＧＭＲ素子にセンス電流が供給される。ＣＩＰ型のＧＭＲヘッドにおけるＧＭＲ素子は、一般的に、複数の導電性薄膜からなる積層構造をなしているが、その積層構造には、磁気的な作用を持たず、抵抗変化の供給において全く機能しない導電層が含まれている。その結果、ＧＭＲ素子のうちの検出動作が行われない部分を通過する際にセンシング電流の一部が分岐してしまい、ＧＭＲ素子全体としての感度に悪影響が及ぶこととなる。
このような分岐の問題を回避するため、ＣＰＰ（Current flowing perpendicular to the plane）構造を有するＧＭＲヘッド（ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド）が開発された。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、積層体からなるセンサ部分としてのＧＭＲ素子を上下方向（積層方向）に挟むように上部導電層および下部導電層が設けられ、ＧＭＲ素子に対して、その積層にセンス電流が流れるようになっている。
図２に、従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの主要部を示す。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、ＧＭＲ素子１０１が下部リード層１１０と上部リード層１１８との間に挟まれるように設けられている。下部リード層１１０および上部リード層１１８は、ＧＭＲ素子１０１にセンス電流を供給する電流経路である。ＧＭＲ素子１０１は、下部リード層１１０の側から、シード層１１１と、反強磁性層１１２と、磁化固着構造（ピンド層）１３１と、非磁性介在層（スペーサ層）１１６と、磁化自由層（フリー層）１１７とが順に積層されたものである。反強磁性層１１２は、ピンド層１３１の磁化方向を規定（固着）するように作用する。ピンド層１３１は、シンセティック反強磁性ピンド構造をなしている。具体的には、互いに逆平行（反対向きの）磁化を示す２つの磁化固着層１１３，１１５と、それらに挟まれた結合層１１４とを有している。ピンド層１３１の上に形成されたスペーサ層１１６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性導電性材料により構成される。さらに、フリー層１１７は、低保磁力を示す強磁性材料により形成されている。このフリー層１１７の上面と接するようにコンタクト層としての上部リード層１１８が設けられている。
ＧＭＲ素子１０１が外部磁場に晒されると、その（外部磁場の）付与される方向に応じてフリー層１１７の磁化方向が自由に回転するようになっている。外部磁場が取り除かれると、フリー層１１７の磁化方向はその方向（外部磁場の方向と同じ方向）を維持する。その方向は、最小のエネルギー状態に対応している。最小のエネルギー状態は、結晶構造や、形状異方性、電流磁場、結合場および反磁場などによって決まるものである。仮に、磁化固着層１１５の磁化方向がフリー層１１７の磁化方向と平行である場合には、伝導電子が、あまり散乱を受けることなくフリー層１１７とピンド層１３１とを通過することができる。よって、抵抗値は比較的低くなる。しかしながら、磁化固着層１１５の磁化方向がフリー層１１７の磁化方向と逆平行である場合には、伝導電子が多くの散乱を受けながらフリー層１１７とピンド層１３１とを通過することとなり、抵抗値が比較的高くなる。このような磁化方向の状態に基づく抵抗値の変化により、スピンバルブ構造のＧＭＲ素子では、一般的に８％〜２０％の抵抗変化率を示す。このようなＧＭＲ素子を有するＣＰＰ−ＧＭＲヘッドによれば、１平方インチあたり１００ギガビットを超える記録密度を有する磁気メディアにも対応して、その磁気情報を読み出すことが可能である。
上記のようなＧＭＲヘッドに関連する従来技術を検索したところ、以下のものが見つかった。
Hiramoto等は、非磁性材料からなる中間層を含まず、ピンド層およびフリー層のみを含むように簡素化したスピンバルブ構造を開示している（特許文献１参照。）ここで、ピンド層は、少なくとも５０％の鉄またはコバルトを含む鉄コバルト合金により構成されている。
米国特許第６６８０８３１号明細書
また、Shimazawa等やRedon等は、鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層とが積層されてなる磁化自由層についてそれぞれ開示している（たとえば、特許文献２および特許文献３参照）。
米国特許第６５２９３５３号明細書 米国特許第６５１９１２４号明細書
また、Fukuzawa等が、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との積層構造（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）よりも高い抵抗変化率を示すＣｏＦｅＮｉからなる磁化自由層について開示している（特許文献４参照）。
米国特許出願公開第２００２／００４８１２７号明細書
関連する他の文献としては以下のものがある。
米国特許第５６２７７０４号明細書 米国特許第５６６８６８８号明細書
ところで最近では、高密度記録化が著しく進んでおり、磁気記録媒体からの信号磁界が微弱化し、その信号磁界を検出するための感度を十分に確保することが困難となってきている。
したがって、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドに搭載されるＧＭＲ素子としては、以下の３つの要件を満たすことが求められるようになっている。
（１）より高い抵抗変化率を発現すること。
（２）より低い保磁力を示すフリー層を有すること（フリー層が良好な軟磁性を示すこと）。
（３）低い正の磁歪定数を示すフリー層を有すること。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、磁化自由層における保磁力と磁歪定数とのバランスを最適化し、より高い信号検出感度を示すと共に安定した性能を発揮する磁気抵抗効果素子およびその形成方法ならびにそれを搭載した薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
本発明における第１の磁気抵抗効果素子の形成方法は、基体を用意する工程と、この基体上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程とを含むようにしたものである。
本発明における第１の磁気抵抗効果素子の形成方法では、基体上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程を含むようにしたので、より低い保磁力を示し、かつ、より低い正の磁歪定数を示す磁化自由層が形成され、より高い抵抗変化率を発現する磁気抵抗効果素子が得られる。
本発明における第１の磁気抵抗効果素子の形成方法では、非磁性介在層を形成する工程をさらに含み、コバルト鉄合金層を非磁性介在層の上に形成するようにしてもよい。また、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるようにコバルト鉄合金層を形成することが望ましく、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるようにニッケル鉄合金層を形成することが望ましい。
本発明における第２の磁気抵抗効果素子の形成方法は、基体を用意する工程と、この基体上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程とを含むようにしたものである。
本発明における第２の磁気抵抗効果素子の形成方法では、基体上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程を含むようにしたので、より低い保磁力を示し、かつ、より低い正の磁歪定数を示す磁化自由層が形成され、より高い抵抗変化率を発現する磁気抵抗効果素子が得られる。
本発明における第２の磁気抵抗効果素子の形成方法では、非磁性介在層を形成する工程をさらに含み、ニッケル鉄合金層を非磁性介在層の上に形成するようにしてもよい。また、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるようにコバルト鉄合金層を形成することが望ましく、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるようにニッケル鉄合金層を形成することが望ましい。
本発明における第１の薄膜磁気ヘッドの製造方法は、以下の（Ａ）〜（Ｈ）の各工程を含むようにしたものである。
（Ａ）下部リード層を用意する工程。
（Ｂ）下部リード層の上にシード層とピンニング層とを順に形成する工程。
（Ｃ）ピンニング層の上に第２の磁化固着層を形成する工程。
（Ｄ）第２の磁化固着層の上に結合層を形成する工程。
（Ｅ）結合層の上に第１の磁化固着層を形成する工程。
（Ｆ）第１の磁化固着層の上に、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層を形成する工程。
（Ｇ）非磁性介在層の上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層およびニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層を順に積層し、１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示すように磁化自由層を形成する工程。
（Ｈ）磁化自由層の上に、下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層を形成する工程。
本発明における第２の薄膜磁気ヘッドの製造方法は、以下の（ａ）〜（ｈ）の各工程を含むようにしたものである。
（ａ）下部リード層を用意する工程。
（ｂ）下部リード層の上にシード層とピンニング層とを順に形成する工程。
（ｃ）ピンニング層の上に第２の磁化固着層を形成する工程。
（ｄ）第２の磁化固着層の上に結合層を形成する工程。
（ｅ）結合層の上に第１の磁化固着層を形成する工程。
（ｆ）第１の磁化固着層の上に、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層を形成する工程。
（ｇ）非磁性介在層の上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層および鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層を順に積層し、１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示すように磁化自由層を形成する工程。
（ｈ）磁化自由層の上に、下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層を形成する工程。
本発明における第１および第２の薄膜磁気ヘッドの製造方法では、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層およびニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層を順に積層し、１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示すように磁化自由層を形成するようにしたので、より低い保磁力を示し、かつ、より低い正の磁歪定数を示す磁化自由層が形成され、抵抗変化率が向上する。
本発明における第１および第２の薄膜磁気ヘッドの製造方法では、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みをなすようにピンニング層を形成することが望ましい。また、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるようにニッケル鉄合金層を形成することが望ましく、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるようにコバルト鉄合金層を形成することが望ましい。また、コバルト鉄合金層を形成する際には、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上３０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いてもよいし、鉄の含有率が４０原子パーセント（ａｔ％）以上６０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いてもよいし、鉄の含有率が７０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いてもよい。また、５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下（５Ｏｅ以上１０Ｏｅ以下）の保磁力となるように磁化自由層を形成するとよい。
本発明の磁気抵抗効果素子は、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とが順に積層されてなる磁化自由層を含むようにしたものである。
本発明の磁気抵抗効果素子では、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とが順に積層されてなる磁化自由層を含むようにしたので、磁化自由層における保磁力と磁歪定数とのバランスが最適化され、抵抗変化率が向上する。
本発明の磁気抵抗効果素子では、コバルト鉄合金層と接するように設けられた非磁性介在層をさらに含むようにしてもよい。あるいは、ニッケル鉄合金層と接するように設けられた非磁性介在層をさらに含むようにしてもよい。また、ニッケル鉄合金層が１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し、コバルト鉄合金層が０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するようにしてもよい。
本発明における第１の薄膜磁気ヘッドは、下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、第２の磁化固着層と、結合層と、第１の磁化固着層と、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とが非磁性介在層の上に順に積層されてなり、かつ１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示す磁化自由層と、下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層とが順に設けられたものである。
本発明における第２の薄膜磁気ヘッドは、下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、第２の磁化固着層と、結合層と、第１の磁化固着層と、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とが非磁性介在層の上に順に積層されてなり、かつ１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示す磁化自由層と、下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層とが順に設けられたものである。
本発明における第１および第２の薄膜磁気ヘッドでは、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とが順に積層されてなり、かつ１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示す磁化自由層を含むようにしたので、磁化自由層における保磁力と磁歪定数とのバランスが最適化され、抵抗変化率が向上する。
本発明における第１および第２の薄膜磁気ヘッドでは、ピンニング層が、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなり４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成されていてもよい。また、コバルト鉄合金層が、２０原子パーセント（ａｔ％）以上３０原子パーセント（ａｔ％）以下の鉄を含有したコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）により構成されていてもよい。あるいは、鉄含有率が４０原子パーセント（ａｔ％）以上６０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）であってもよいし、鉄含有率が７０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）であってもよい。
本発明における第１および第２の薄膜磁気ヘッドでは、ニッケル鉄合金層が１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に、コバルト鉄合金層が０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有していることが望ましい。また、磁化自由層の保磁力が５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下（５Ｏｅ以上１０Ｏｅ以下）であることが望ましい。
本発明の磁気抵抗効果素子およびその形成方法ならびに薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法によれば、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とが順に積層された構造の磁化自由層を構成するようにしたので、磁化自由層における良好な軟磁性特性を確保し、より高い信号検出感度と共に安定した性能を得ることができる。よって、さらなる高記録密度化に対応することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
最初に、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果（ＭＲ；Magnero-Resistive）素子を有する薄膜磁気ヘッドの構成について以下に説明する。本実施の形態の薄膜磁気ヘッドは、例えばハードディスク装置などに搭載されて、磁気記録媒体（ハードディスク）に記録された磁気情報を読み出す磁気デバイスとして使用されるものである。ＭＲ素子１は、その薄膜磁気ヘッドのセンサ部として機能するものである。
図１は、本実施の形態の薄膜磁気ヘッドにおける断面構成を表すものであり、積層方向（積層面と直交する方向）にセンス電流が流れるように構成されたＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）構造をなしている。ＭＲ素子１は、電流経路としての下部リード層１０と上部リード層１８との間に挟まれるように配置されており、これら下部リード層１０および上部リード層１８を介してＭＲ素子１にセンス電流が供給されるようになっている。詳細には、ＭＲ素子１は、下部リード層１０の側からシード層１１と、反強磁性層（ピンニング層）１２と、磁化固着構造（ピンド構造）３１と、非磁性介在層（スペーサ層）１６と、磁化自由層（フリー層）２０とが順に積層された構成となっている。
シード層１１は、例えば０．５ｎｍの厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と４．５ｎｍの厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）層との２層構造からなる。
ピンニング層１２は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの安定した反強磁性を示す材料からなり、例えば４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有している。ピンニング層１２は、ピンド層３１の磁化方向を固着するように作用する。
ピンド層３１は、シンセティック反強磁性ピンド構造をなしている。具体的には、互いに逆平行（反対向きの）磁化を示す２つの磁化固着層１３，１５と、それらに挟まれたルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性材料からなるの結合層１４とを有している。
スペーサ層１６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性導電性材料により構成される。スペーサ層１６は、単層構造であってもよいが、「Ｃｕ／ＡＩＣＵ／ＰＩＴ／ＩＡＯ／Ｃｕ」といった積層構造とすることが好ましい。ここで、「ＡＩＣＵ」とは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）に銅が不均質に混入した材料であり、「ＰＩＴ」とは、プレ・イオン処理（pre-ion treatment）の略記である。また、「ＩＡＯ」とは、酸化促進イオン（ion assisted oxidation）を意味する。このような積層構造とすることにより、単層の銅の場合と比べて、抵抗変化率（ＧＭＲ比）や接合抵抗ＲＡ（単位面積あたりの抵抗値ＲとＭＲ素子１の形成面積Ａとの積）が向上する。
フリー層２０は、低保磁力を示す強磁性材料により形成されている。具体的には、フリー層２０は、鉄含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるＣｏＦｅ層２１と、鉄含有率が１５ａｔ％〜２０ａｔ％のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるＮｉＦｅ層２２とがスペーサ層１６の側から順に積層されたものである。ＣｏＦｅ層２１は例えば０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有している。一方、ＮｉＦｅ層２２は例えば１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有している。このような構成のフリー層２０とすることにより、磁歪定数λは＋１×１０-6以上＋３×１０-6以下となり、保磁力Ｈｃは５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下となる。ＣｏＦｅ層２１の鉄含有率を５０ａｔ％や７５ａｔ％とした場合にも同様の結果が得られる。なお、スペーサ層１６の側から、ＮｉＦｅ層２２とＣｏＦｅ層２１とを順に積層するようにしてもよい。
従来より、鉄（Ｆｅ）リッチなコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）をフリー層に使用することによって、ＧＭＲ比を高めることが可能なことが知られている。しかし、その一方で、鉄リッチなＣｏＦｅは保磁力（Ｈｃ）がやや大きい。この問題を克服するため、従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおけるスピンバルブ構造では、Ｃｏ10Ｆｅ90層とＮｉ81Ｆｅ19層との複合のフリー層が用いられていた。ここで、Ｃｏ10Ｆｅ90層およびＮｉ81Ｆｅ19層は、それぞれ単層の場合、磁歪定数がほとんど零である（例えば１０-7程度）。ＣｏＦｅ層の磁歪定数は、鉄の含有量の増加に伴って上昇する。一方、ＮｉＦｅ層の磁歪定数は、鉄の含有量が低いと負となる。本実施の形態では、フリー層２０におけるＣｏＦｅ層２１を、２０ａｔ％以上の鉄を含むＣｏＦｅにより構成することにより、軟磁性特性および低磁歪定数を維持しつつＧＭＲ比の向上を実現している。
続いて、図１を参照して、ＭＲ素子１を有する薄膜磁気ヘッドの製造方法について説明する。
本実施の形態における薄膜磁気ヘッドの製造方法では、まず、図示しない基板上に下部リード層１０を形成した基体（図示せず）を用意する。次いで、この基体上に、シード層１１と、ピンニング層１２と、磁化固着層１３と、結合層１４と、磁化固着層１５と、スペーサ層１６と、ＣｏＦｅ層２１と、ＮｉＦｅ層２２とを順に形成する。最後に、ＮｉＦｅ層２２の上に上部リード層１８を形成することにより、例えば５．９％の抵抗変化率を発現するＣＰＰ−ＧＭＲヘッドが完成させることができる。
以上説明したように、本実施の形態の薄膜磁気ヘッドおよびその製造方法によれば、フリー層２０が、鉄含有率が２０ａｔ％以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるＣｏＦｅ層２１と、ＮｉＦｅ層２２との積層体として構成される。このため、フリー層２０における磁歪定数λは＋１×１０-6以上＋３×１０-6以下となり、保磁力Ｈｃは５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下となる。よって、フリー層２０が良好な軟磁性特性を示し、より大きな抵抗変化率ΔＲ／Ｒを確保すると共に安定した性能を得ることができる。したがってさらなる高記録密度化に対応することができる。
本発明の実施例について以下に説明する。
本発明の効果を確認するため、表１に示す構造を有する本発明の実施例としてのＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製し、評価実験を行った。本実施例の比較対象として、表１に併せて示す構造を有する比較例としてのＣＰＰ−ＧＭＲ素子についても作製し、同様の評価実験を行った。両者の違いは、実施例における磁化自由層がＦｅ25Ｃｏ75とＮｉ81Ｆｅ19との積層構造であるのに対し、比較例における磁化自由層がＣｏ90Ｆｅ10とＮｉ81Ｆｅ19との積層構造である点にある。また、評価項目としては、接合抵抗ＲＡ、抵抗変化率（ＧＭＲ比）ＤＲ／Ｒ、磁化自由層の保磁力Ｈｃ、層間結合磁場Ｈｉｎおよび磁化自由層の磁歪定数である。それらの評価実験の結果をまとめて表２に示す。
Figure 2005328064
Figure 2005328064
表２に示したように、実施例および比較例ともに接合抵抗ＲＡを０．５Ω・μｍ2としている。このとき、比較例に比べて実施例は、抵抗変化率（ＧＭＲ比）ＤＲ／Ｒが増加する一方、磁化自由層における保磁力Ｈｃが僅かに低下することとなった。これは、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子として好ましい結果である。
以上、実施の形態および実施例（以下、実施の形態等という。）を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。本発明の範囲と一致する限り、製造方法、材料、構造および寸法などについての修正および変更がなされてもよい。
例えば、本実施の形態では、ＭＲ素子をボトムスピンバルブ型としたが、トップスピンバルブ型としてもよい。ただし、その場合には、下部リード層の側からＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層とを順に積層し、その上にスペーサ層を形成することが望ましい。
本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの主要部構成を表す断面図である。 従来の薄膜磁気ヘッドの構成例を表す断面図である。
符号の説明
１…磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、１０…下部リード層、１１…シード層、１２…反強磁性層（ピンニング層）、１３，１５…磁化固着層、１４…結合層、１６…非磁性介在層（スペーサ層）、１８…上部リード層、２０…磁化自由層（フリー層）、２１…ＣｏＦｅ層、２２…ＮｉＦｅ層、３１…ピンド構造。

Claims (41)

  1. 基体を用意する工程と、
    前記基体上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子の形成方法。
  2. 非磁性介在層を形成する工程をさらに含み、
    前記コバルト鉄合金層を前記非磁性介在層の上に形成するようにする
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  3. ０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるように前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  4. １．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  5. 基体を用意する工程と、
    前記基体上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とを順に積層することにより磁化自由層を形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子の形成方法。
  6. 非磁性介在層を形成する工程をさらに含み、
    前記ニッケル鉄合金層を前記非磁性介在層の上に形成するようにする
    ことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  7. １．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  8. ０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるように前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  9. 下部リード層を用意する工程と、
    前記下部リード層の上にシード層とピンニング層とを順に形成する工程と、
    前記ピンニング層の上に第２の磁化固着層を形成する工程と、
    前記第２の磁化固着層の上に結合層を形成する工程と、
    前記結合層の上に第１の磁化固着層を形成する工程と、
    前記第１の磁化固着層の上に、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層を形成する工程と、
    前記非磁性介在層の上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層およびニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層を順に積層し、１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示すように磁化自由層を形成する工程と、
    前記磁化自由層の上に、前記下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層を形成する工程と
    を含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  10. イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みをなすように前記ピンニング層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  11. １．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  12. ０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるように前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  13. 鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上３０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  14. 鉄の含有率が４０原子パーセント（ａｔ％）以上６０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  15. 鉄の含有率が７０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  16. ５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下の保磁力となるように前記磁化自由層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  17. 下部リード層を用意する工程と、
    前記下部リード層の上にシード層とピンニング層とを順に形成する工程と、
    前記ピンニング層の上に第２の磁化固着層を形成する工程と、
    前記第２の磁化固着層の上に結合層を形成する工程と、
    前記結合層の上に第１の磁化固着層を形成する工程と、
    前記第１の磁化固着層の上に、銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層を形成する工程と、
    前記非磁性介在層の上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層および鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層を順に積層し、１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示すように磁化自由層を形成する工程と、
    前記磁化自由層の上に、前記下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層を形成する工程と
    を含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  18. イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みをなすように前記ピンニング層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  19. 鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上３０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  20. 鉄の含有率が４０原子パーセント（ａｔ％）以上６０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  21. 鉄の含有率が７０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いて前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  22. １．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記ニッケル鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  23. ０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みとなるように前記コバルト鉄合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  24. ５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下の保磁力となるように前記磁化自由層を形成する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  25. 鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とが順に積層されてなる磁化自由層を含む
    ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  26. 前記コバルト鉄合金層と接するように設けられた非磁性介在層をさらに含む
    ことを特徴とする請求項２５に記載の磁気抵抗効果素子。
  27. 前記ニッケル鉄合金層と接するように設けられた非磁性介在層をさらに含む
    ことを特徴とする請求項２５に記載の磁気抵抗効果素子。
  28. 前記ニッケル鉄合金層は１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項２５に記載の磁気抵抗効果素子。
  29. 前記コバルト鉄合金層は０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項２５に記載の磁気抵抗効果素子。
  30. 下部リード層と、
    前記下部リード層の上に順に積層されたシード層およびピンニング層と、
    前記ピンニング層の上に設けられた第２の磁化固着層と、
    前記第２の磁化固着層の上に設けられた結合層と、
    前記結合層の上に設けられた第１の磁化固着層と、
    前記第１の磁化固着層の上に形成された銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層と、
    前記非磁性介在層の上に、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層と鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とが順に積層されてなり、かつ１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示す磁化自由層と、
    前記磁化自由層の上に設けられ、前記下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層と
    を含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
  31. 前記ピンニング層は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなり４．５ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  32. 前記コバルト鉄合金層は、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上３０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなる
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  33. 前記コバルト鉄合金層は、鉄の含有率が４０原子パーセント（ａｔ％）以上６０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなる
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  34. 前記コバルト鉄合金層は、鉄の含有率が７０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなる
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  35. 前記ニッケル鉄合金層は、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  36. 前記コバルト鉄合金層は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  37. 前記磁化自由層の保磁力は５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下である
    ことを特徴とする請求項３０に記載の薄膜磁気ヘッド。
  38. 下部リード層と、
    前記下部リード層の上に順に積層されたシード層およびピンニング層と、
    前記ピンニング層の上に設けられた第２の磁化固着層と、
    前記第２の磁化固着層の上に設けられた結合層と、
    前記結合層の上に設けられた第１の磁化固着層と、
    前記第１の磁化固着層の上に形成された銅（Ｃｕ）からなる非磁性介在層と、
    前記非磁性介在層の上に、鉄の含有率が２０原子パーセント（ａｔ％）以上のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるコバルト鉄合金層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなるニッケル鉄合金層とが順に積層されてなり、かつ１×１０-6以上３×１０-6以下の磁歪定数を示す磁化自由層と、
    前記磁化自由層の上に設けられ、前記下部リード層と共に積層面と直交する方向へセンス電流を供給する電流経路となる上部リード層と
    を含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
  39. 前記ニッケル鉄合金層は、１．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項３８に記載の薄膜磁気ヘッド。
  40. 前記コバルト鉄合金層は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項３８に記載の薄膜磁気ヘッド。
  41. 前記磁化自由層の保磁力は５×（２５０／π）Ａ／ｍ以上１０×（２５０／π）Ａ／ｍ以下である
    ことを特徴とする請求項３８に記載の薄膜磁気ヘッド。
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