JP2006196892A - 磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法ならびにトンネル接合型再生ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法ならびにトンネル接合型再生ヘッドおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】寸法の縮小化に対応しつつ、十分な信号検出感度を有する磁気トンネル接合素子における磁化自由層の形成方法を提供する。
【解決手段】コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１強磁性層２１と、６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなり厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２強磁性層２２と、鉄含有率が５０ａｔ％のＮｉＦｅからなる第３強磁性層２３とによって３層構造の磁化フリー層１７を構成する。これにより、磁化フリー層１７の保磁力および磁歪定数の適正化により軟磁性特性を改善し、ＧＭＲ比の向上を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜面に対して垂直方向に電流が流れることにより磁気抵抗効果を示す磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、ならびにそのような磁気トンネル接合素子を備えたトンネル接合型再生ヘッド、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）構造をなすことによって著しく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、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。そのため、センシング電流の一部が分岐し、ＧＭＲ素子における検出動作が行われない部分を通過することとなるので、ＧＭＲ素子全体としての感度が低下してしまう。
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（ピンニング層）１１２と、磁化固着構造（ピンド層）１３０と、非磁性介在層（スペーサ層）１１６と、磁化自由層（磁化フリー層）１１７とが順に積層されたものである。ピンニング層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１３０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、磁化フリー層１１７は低保磁力を示す強磁性材料により形成されている。一般的には磁化フリー層１１７と上部リード層１１８との間にキャップ層（図示せず）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磁化フリー層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、磁化フリー層１１７の磁化方向は最小のエネルギー状態に対応する方向に向くようになる。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の磁化方向が磁化フリー層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磁化フリー層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の磁化方向が磁化フリー層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磁化フリー層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ヘッドであれば、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期待できる。
ＧＭＲ効果に関連するものとして、ＴＭＲ（tunneling magnetic resistance）効果というものがある。このＴＭＲ効果は、磁化フリー層と、ピンド層と、これらを隔てる酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）やニ酸化珪素（ＳｉＯ2）などの非磁性絶縁層とを有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）構造において発現するものである。この非磁性絶縁層の厚さは、トンネル電流が十分に通過可能な程度に薄いことが要求される。一般的には０．５ｎｍ〜２．０ｎｍである。ＭＴＪ構造は、図２に示したＣＰＰ−ＧＭＲ構造におけるスペーサ層１１６を、非常に厚さの薄い誘電層（トンネルバリア層という。）に置き換えたものと考えてよい。磁気再生ヘッドに用いた場合のＭＴＪ構造の動作原理は、２つの強磁性層（フリー層およびピンド層）間におけるトンネル接合抵抗の変化率に基づくものである。トンネル接合抵抗の変化率は、磁気記録媒体からの信号磁界に支配される。２つの強磁性層における磁化方向が互いに反対向きのときはトンネリングの確率が減少し、トンネル接合抵抗が増大する。トンネル接合抵抗の変化率は、一般的にはＧＭＲ構造の抵抗変化率よりも大きい。
上記のようなＧＭＲ構造やＴＭＲ構造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。
Hitoshi Kanaiは２つのサブレイヤーを含む多層スピンバルブ構造を有する磁気ヘッドと、これを備えた磁気ディスク装置について開示している（特許文献１参照）。
米国特許第５８９６２５２号明細書
また、Dian Song等はＴＭＲヘッドについて開示している（非特許文献１参照）。
「デモンストレーション・ア・トンネリング・マグネトレジスティブ・リードヘッド」，ＩＥＥＥトランザクション・オン・マグネティクス，２０００年，第３６巻，第５号，ｐ．２５４５（"Demonstrating a Tunneling Magneto-Resistive Read Head" ,IEEE Transactions On Magnetics,Vol.36,No.5,2000,p2545.）
また、Ishikawa等は、トンネル磁気抵抗トランスデューサおよびその製造方法について開示している（特許文献２参照）。
米国特許第６４５２２０４号明細書
また、Ohashi等は、低抵抗型のトンネル磁気抵抗効果ヘッドについて開示している（非特許文献２参照）。
「ローレジスタンス・トンネル・マグネトレジスティブ・ヘッド」，ＩＥＥＥトランザクション・オン・マグネティクス，２０００年，第３６巻，第５号，ｐ．２５４９（"Low-Resistance Tunnele Magnetoresistive Head" ,IEEE Transactions On Magnetics,Vol.36,No.5,2000,p2549.）
また、P.P Freitas等は、メモリやリードヘッドに適用可能なスピン依存型トンネル接合素子について開示している（非特許文献３参照。）。
「ローレジスタンス・トンネル・マグネトレジスティブ・ヘッド」，ＩＥＥＥトランザクション・オン・マグネティクス，２０００年，第３６巻，第５号，ｐ．２７９６（"Spin-dependent Tunnel Junctions for Memory and Read-Head applications",IEEE Transactions On Magnetics,Vol.36,No.5,2000,p2796.）
また、Shimazawa等およびRedon等は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）とが積層されてなる複合の磁化自由層についてそれぞれ開示している（特許文献３および特許文献４参照）。
米国特許第６５２９３５３号明細書 米国特許第６５１９１２４号明細書
さらにOdagawa等は、ニッケル（Ｎｉ）リッチな磁化自由層について開示している（特許文献５参照）。
米国特許出願公開第２００４／００４７１９０号明細書
また、Tetsukawa等は、鉄含有率が５％〜４０％である鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）からなる磁化自由層について開示している（特許文献６参照）。
米国特許出願公開第２００４／０１８４１９８号明細書
また、Suds等は、鉄ニッケル合金（ＦｅＮｉ）と、コバルト（Ｃｏ）との合金からなる磁化フリー層について開示している（特許文献７参照）。ただし、ＦｅＮｉの組成比については記載がない。
米国特許出願公開第２００４／０１０９２６３号明細書
なお、上記の特許文献等に記載された複合の磁化フリー層（例えば「Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｎｉ80Ｆｅ20」）は、磁気ヘッドなどに搭載されるＧＭＲセンサにおける標準的な構造である。通常、このような複合の磁化フリー層は、２つの強磁性層（例えば第１の層（ＦＬ１）および第２の層（ＦＬ２）と呼ぶ）からなり、互いに直接的に磁気結合している。このコバルト（Ｃｏ）リッチな合金からなるＦＬ１によって、強力なスピン依存散乱が生じ、大きな信号が得られる。一方のＦＬ２によって磁気ノイズを抑制するような軟磁性特性を得ることができる。このような複合の磁化フリー層は、以下のような積層体からなるＴＭＲ構造にも用いられる。
「バッファ層／反強磁性層／ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅ層／ＡｌＯｘ層／ＣｏＦｅ層／ＮｉＦｅ層／キャップ層」
ＴＭＲセンサは、ＧＭＲセンサにおけるスペーサ層としての銅（Ｃｕ）層が、ＡｌＯｘ層に置き換えられたものと考えることができる。ＴＭＲセンサはＧＭＲセンサよりも高いＭＲ比（MR ratio）を発現する。ＴＭＲセンサにおけるＭＲ比は、通常２０％を超える。
ところで最近では、ＴＭＲセンサは、高記録密度化を達成するため、面内方向の寸法が縮小化する傾向にある。ＴＭＲセンサはＣＰＰモードにおいて駆動されるので（すなわち、膜面に対して垂直な方向にセンス電流が流れることにより読出動作が行われるので）、面内方向の寸法の縮小化により、自らの抵抗値が増加することとなる。
ＴＭＲセンサとしての実用的な抵抗値の範囲を維持するためには、すなわち、面内方向における形成面積Ａと抵抗Ｒとの積である面積抵抗（areal resistance）Ｒ・Ａを維持するには、トンネルバリア層（ＡｌＯｘ）の厚みを可能な限り薄く、例えば０．７ｎｍ（７Å）未満とする必要がある。しかしながら、ＴＭＲ構造では、トンネルバリア層の厚さが薄くなるにつれて、面積抵抗Ｒ・Ａと共に抵抗変化率（ＭＲ比）も低下することとなる。
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、寸法の縮小化に対応しつつ、十分な信号検出感度を有する磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法ならびにそれを搭載したトンネル接合型再生ヘッド、およびその製造方法を提供することにある。
上記の目的は、従来の磁化フリー層を少なくとも２つの層を含む複合型フリー層で置き換えることにより達成される。２つの層の一方は、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層であり、他方は、少なくとも５０ａｔ％の鉄を含む第２の強磁性層である。以下、より具体的に述べる。
本発明における第１の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法は、基体を用意したのち、この基体上にコバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０ａｔ％の合金からなる第２の強磁性層とを順に積層するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現する磁気トンネル接合素子に適した磁化自由層が得られる。
本発明における第２の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法は、基体を用意したのち、この基体上に、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種からなる第１の強磁性層と、鉄含有率が６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなる第２の強磁性層とを順に積層するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現する磁気トンネル接合素子に適した磁化自由層が得られる。
本発明における第３の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法は、基体を用意したのち、この基体上に、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄含有率が５０ａｔ％の鉄合金からなる第２の強磁性層を含む強磁性層群とを順に積層するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現する磁気トンネル接合素子に適した磁化自由層が得られる。
本発明における第１のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法は、下部リード層とシード層とピンニング層とを順に積層する工程と、ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層の上にコバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０ａｔ％の合金からなる第２の強磁性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、磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程とを含むようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第２のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法は、下部リード層とシード層とピンニング層とを順に積層する工程と、ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層の上にコバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなる第２の強磁性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、磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程とを含むようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第３のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法は、下部リード層と、シード層と、ピンニング層とを順に積層する工程と、ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層の上に、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０ａｔ％の合金からなると共に厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２の強磁性層を有する強磁性層群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、磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程とを含むようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第１から第３の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、または第１から第３のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法では、０．２ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように第１の強磁性層を形成することが望ましい。さらに、０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みとなるように第２の強磁性層を形成することが望ましい。
本発明における第３の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、または第３のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法では、全体の厚みが１．０ｎｍ以上１１．０ｎｍ以下となるように磁化自由層を形成することが望ましい。
本発明における第１のトンネル接合型再生ヘッドは、下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるものであって、磁化自由層が、トンネルバリア層の側から、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０ａｔ％の合金からなる第２の強磁性層とを順に有するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第２のトンネル接合型再生ヘッドは、下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるものであって、磁化自由層が、トンネルバリア層の側から、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなる第２の強磁性層とを順に有するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第３のトンネル接合型再生ヘッドは、下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるものであって、磁化自由層が、トンネルバリア層の側から、鉄含有率が少なくとも５０ａｔ％の合金からなると共に厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２の強磁性層を有する強磁性層群とを順に有するようにしたものである。こうすることにより、より高い抵抗変化率を発現するトンネル接合型再生ヘッドが得られる。
本発明における第１の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、第１のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法および第１のトンネル接合型再生ヘッドによれば、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層の上に鉄含有率が５０ａｔ％の鉄合金からなる第２の強磁性層を設けることにより磁化自由層を形成するようにしたので、より小さな面積抵抗を維持しつつ、十分な信号検出感度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。
本発明における第２の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、第２のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法および第２のトンネル接合型再生ヘッドによれば、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層の上に鉄含有率が６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなる第２の強磁性層を設けることにより磁化自由層を形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。
本発明における第３の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法、第３のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法および第３のトンネル接合型再生ヘッドによれば、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層の上に０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄含有率が５０ａｔ％の鉄合金からなる第２の強磁性層を含む強磁性層群を設けることにより磁化自由層を形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）素子を有するトンネル接合型再生ヘッド（以下、単に再生ヘッドという。）の構成について以下に説明する。本実施の形態の再生ヘッドは、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。
図１は、本実施の形態の再生ヘッドにおける断面構成を表している。この再生ヘッドは、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磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）構造をなすＭＴＪ素子１を有している。ＭＴＪ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、ＭＴＪ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、シンセティック反強磁性ピンド（ＳｙＡＰ：）層３０と、トンネルバリア層１６と、磁化自由層（磁化フリー層）１７と、キャップ層２４とが順に積層された構成となっている。このような構成のＭＴＪ素子１は、再生ヘッドのセンサ部として機能する。
シード層１１については、例えば１．０ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを有するタンタル（Ｔａ）や３．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを有するニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなる単層構造のほか、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを有するタンタル層と１．０ｎｍ〜５．０ｎｍの厚みを有するルテニウム（Ｒｕ）層との積層構造、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの厚みを有するタンタル層と３．０ｎｍ〜８．０ｎｍの厚みを有するＮｉＣｒ層との積層構造とすることができる。
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、ＳｙＡＰ層３０の磁化方向を固着するように作用する。
ＳｙＡＰ層３０は、互いに逆平行（反対向きの）磁化を示す第１および第２のピンド層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。
トンネルバリア層１６は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの非磁性絶縁材料により構成される。トンネルバリア層１６の厚みは、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下（５Å以上１０Å以下）であることが望ましい。
続いて、本発明の最も特徴的な部分である磁化フリー層１７について説明する。磁化フリー層１７は、第１強磁性層２１と、第２強磁性層２２と、第３強磁性層２３とが積層された３層構造をなしている。磁化フリー層１７は、全体として１．０ｎｍ以上１１．０ｎｍ以下（１０Å以上１１０Å以下）の厚みを有している。第１強磁性層２１は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含み、例えば０．２ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有するものである。第２強磁性層２２は、鉄含有率が６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金（ＦｅXＮｉ1-X，０．６≦Ｘ≦０．８）からなり、厚みが例えば０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である。第３強磁性層２３は、例えば鉄含有率が５０ａｔ％のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）であり、例えば０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下（２Å以上８０Å以下）の厚みを有している。
なお、磁化フリー層１７は、第３強磁性層２３を含まずに、第１強磁性層２１および第２強磁性層２２のみによって構成されたものであってもよい。
キャップ層２４については、例えば１．０ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを有するＴａからなる単層構造のほか、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの厚みを有するルテニウム層と１．０ｎｍ〜１０．０ｎｍの厚みを有するタンタル層との積層構造とすることができる。
続いて、図１を参照して、ＭＴＪ素子１を有する再生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再生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を形成した基体を用意する。次いで、この基体上に、シード層１１、ピンニング層１２、第１のピンド層１３、結合層１４、第２のピンド層１５、トンネルバリア層１６、第１強磁性層２１と、第２強磁性層２２、第３強磁性層２３およびキャップ層２４を順に形成する。最後に、キャップ層２４の上に上部リード層１８を形成することにより、ＭＴＪ素子１を有する再生ヘッドが完成する。
以上説明したように、本実施の形態の再生ヘッドおよびその製造方法によれば、コバルト、鉄およびニッケルのうちの少なくとも１種を含む第１強磁性層２１と、６０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の鉄ニッケル合金からなる第２強磁性層２２と、鉄含有率が５０ａｔ％のＮｉＦｅからなる第３強磁性層２３とによって３層構造の磁化フリー層１７を構成するようにしたので、磁化フリー層１７の保磁力および磁歪定数の適正化により軟磁性特性を改善し、ＧＭＲ比の向上を実現することができる。このため、より小さな面積抵抗を維持しつつ、十分な信号検出感度を得ることができ、さらなる高記録密度化に対応することができる。
なお本実施の形態の再生ヘッドについては、従来のＮｉＦｅターゲットのかわりに各々に適した所望の材料からなる新たなターゲットを使用してスパッタリングをすることによって実現される。アニーリング工程は、従来と同様の条件でよい。したがって、大幅な製造フローの変更はなく、現在の製造方法をそのまま流用することができる。
本発明の実施例について以下に説明する。
本発明の第１の実施例として、まず、第１強磁性層および第２強磁性層からなる２層構造の磁化フリー層を有するＭＴＪ素子を作製し、評価実験を行った（実施例１−１，１−２）。表１では、第１強磁性層および第２強磁性層の構造（組成および厚み）と、諸特性の測定値とをそれぞれ示す。なお、比較例としてのＭＴＪ素子についても作製し、同様の評価実験を行ったので、併せて表１に掲載する。
Figure 2006196892
ここで、実施例１−１，１−２および比較例１の各ＭＴＪ素子は、いずれも０．６μｍの直径を有し、「シード層／ピンニング層／ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅ層／ＡｌＯｘ層／第１強磁性層／第２強磁性層／キャップ層」という積層構造をなす円柱状のものとした。
表１に示したように、本発明の実施例１−１，１−２においては、第１強磁性層がＣｏ90Ｆｅ10により構成され、第２強磁性層がＦｅ66Ｎｉ34により構成されている。但し、実施例１−１では第２強磁性層の厚みが１．７ｎｍであるが、実施例１−２では第２強磁性層の厚みが２．５ｎｍである。一方、比較例１では、第２強磁性層がＮｉ18Ｆｅ82によって構成され、３．０ｎｍの厚みとなっている。なお、比較例１は、第２強磁性層以外の部分については実施例１−１，１−２と同じ構成である。
また、評価項目は、飽和磁化膜厚Ｍｓ・ｔ［ｅｍｕ／ｃｍ2］、面積抵抗Ｒ・Ａ（単位面積あたりの抵抗値ＲとＭＴＪ素子の形成面積Ａとの積）［Ω・μｍ2］および抵抗変化率（ＭＲ比）ｄＲ／Ｒ［％］とした。
表１の結果から、第２強磁性層の組成の違いにより、比較例１に比べて実施例１−１，１−２における抵抗変化率ｄＲ／Ｒが大幅に向上していることがわかる。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。ここでは、２層構造の磁化フリー層を有するＭＴＪ素子のサンプル（実施例２−１）と、３層構造の磁化フリー層を有するＭＴＪ素子のサンプル（実施例２−２，２−３）とをそれぞれ作製し、飽和磁化膜厚Ｍｓ・ｔ［ｅｍｕ／ｃｍ2］、保磁力［Ａ／ｍ］、および磁歪定数λについて測定した。その結果を表２に示す。
Figure 2006196892
実施例２−１は、１．２ｎｍの厚みを有するＣｏ90Ｆｅ10からなる第１強磁性層と、２．５ｎｍの厚みを有するＮｉ34Ｆｅ66からなる第２強磁性層とが積層された磁化フリー層を有している。これに対し、実施例２−２，２−３は、Ｃｏ90Ｆｅ10からなる第１強磁性層と、Ｎｉ34Ｆｅ66からなる第２強磁性層と、Ｎｉ82Ｆｅ18からなる第３強磁性層とが順に積層された磁化自由層を有している。但し、実施例２−２では、第１強磁性層の厚みを１．０ｎｍとし、第３強磁性層の厚みを２．５ｎｍとする一方、実施例２−３では、第１強磁性層の厚みを０．５ｎｍとし、第３強磁性層の厚みを４．０ｎｍとしている。実施例２−２，２−３では、第２強磁性層の厚みをいずれも１．０ｎｍとしている。
表２に示したように、実施例２−２，２−３では、実施例２−１と比べた場合、飽和磁化膜厚Ｍｓ・ｔおよび磁歪定数λについてはほぼ同等に維持される一方、保磁力が大幅に小さくなっており、軟磁性特性がよりいっそう向上していることがわかる。これは、ＭＴＪ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。
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…ＭＴＪ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…第１ピンド層、１４…結合層、１５…第２ピンド層、１６…トンネルバリア層、１７…磁化フリー層、１８…上部リード層、２１…第１強磁性層、２２…第２強磁性層、２３…第３強磁性層、２４…キャップ層、３０…ＳｙＡＰ層。

Claims (15)

  1. 磁気トンネル接合素子の磁化自由層を形成する方法であって、
    基体を用意したのち、前記基体上にコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなる第２の強磁性層とを順に積層する
    ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法。
  2. 磁気トンネル接合素子の磁化自由層を形成する方法であって、
    基体を用意したのち、前記基体上に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が６０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下の鉄ニッケル合金（ＦｅXＮｉ1-X，０．６≦Ｘ≦０．８）からなる第２の強磁性層とを順に積層する
    ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法。
  3. 磁気トンネル接合素子の磁化自由層を形成する方法であって、
    基体を用意したのち、前記基体上に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなると共に厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２の強磁性層を有する強磁性層群とを順に積層する
    ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法。
  4. ０．２ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記第１の強磁性層を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法。
  5. ０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記第２の強磁性層を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
  6. 全体の厚みが１．０ｎｍ以上１１．０ｎｍ以下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３に記載の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の形成方法。
  7. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層とを順に積層する工程と、
    前記ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    前記トンネルバリア層の上に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなる第２の強磁性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、
    前記磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程と
    を含むことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  8. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層とを順に積層する工程と、
    前記ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    前記トンネルバリア層の上に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が６０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下の鉄ニッケル合金（ＦｅXＮｉ1-X，０．６≦Ｘ≦０．８）からなる第２の強磁性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、
    前記磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程と
    を含むことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  9. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層とを順に積層する工程と、
    前記ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    前記トンネルバリア層の上に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなると共に厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２の強磁性層を有する強磁性層群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、
    前記磁化自由層の上にキャップ層と上部リード層とを順に積層する工程と
    を含むことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  10. ０．２ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記第１の強磁性層を形成することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  11. ０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記第２の強磁性層を形成することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  12. 全体の厚みが１．０ｎｍ以上１１．０ｎｍ以下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に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
  13. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるトンネル接合型再生ヘッドであって、
    前記磁化自由層が、前記トンネルバリア層の側から、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなる第２の強磁性層とを順に有している
    ことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッド。
  14. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるトンネル接合型再生ヘッドであって、
    前記磁化自由層が、前記トンネルバリア層の側から、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が６０原子パーセント（ａｔ％）以上８０原子パーセント（ａｔ％）以下の鉄ニッケル合金（ＦｅXＮｉ1-X，０．６≦Ｘ≦０．８）からなる第２の強磁性層とを順に有している
    ことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッド。
  15. 下部リード層と、シード層と、ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層と、上部リード層とが順に積層されてなるトンネル接合型再生ヘッドであって、
    前記磁化自由層が、前記トンネルバリア層の側から、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１種を含む第１の強磁性層と、鉄含有率が少なくとも５０原子パーセント（ａｔ％）の合金からなると共に厚みが０．２ｎｍ以上８．０ｎｍ以下である第２の強磁性層を有する強磁性層群とを順に有している
    ことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッド。
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