JP2006216945A - 薄いルテニウムスペーサおよび強磁場熱処理を用いた反平行固定磁化層を有するセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＭＲセンサ及びＴＭＲセンサの、固定磁化層の反平行結合強度を増大させる。
【解決手段】固定磁化層４３を有するセンサは、純粋なルテニウムまたはルテニウム合金のスペーサを有するＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサである。スペーサの厚さは、０．８ｎｍ未満、好ましくは０．１〜０．６ｎｍである。スペーサはまた、１．５テスラ以上、好ましくは５テスラよりも大きい磁場中で熱処理される。固定磁化層の固定磁場を、約１．３テスラの比較的低い磁場中で熱処理される厚さ０．８ｎｍのルテニウムスペーサを用いる標準的なＡＰ固定ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサの固定磁場の３倍よりも大きくすることで、固定磁化層４３の反平行結合強度を増大させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、また具体的には、反平行（ＡＰ）固定磁化層を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサならびにトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサの固定磁化強度を、強磁場中で熱処理した極薄ルテニウム（Ｒｕ）合金スペーサを用いて改善するための、改良型システム、方法、および装置に関する。

ハードディスクドライブの磁気記録ヘッドに使用されるスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜は、複数の層または薄膜を備える多層膜構造を有する。これらの層には、反強磁性層、固定磁化層、非磁性導電層、および自由磁化層が包含される。スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層膜構造では、非磁性導電層によって固定磁化層と自由磁化層が分離されるように、これら２層の間に非磁性導電層が形成される。さらに、反強磁性層が固定磁化層に隣接するようにされるため、固定磁化層の磁気モーメントは、反強磁性層との交換結合によって一方向に固定されている。一方、自由磁化層の磁気モーメントは、外部磁場にしたがって自由に回転する。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜は、いわゆる「巨大磁気抵抗効果」、すなわち固定磁化層の磁気モーメントと自由磁化層の磁気モーメントとの相対角度による電気抵抗の変化を発生させる。巨大磁気抵抗効果による電気抵抗の変化率は、「磁気抵抗比」（ＭＲ比）と呼ばれる。スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜のＭＲ比は、従来の異方性磁気抵抗薄膜のＭＲ比よりもはるかに高い。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜には３種類ある。第１の種類は、「ボトム型」として既知であり、基板側から、バッファ層、反強磁性層、固定磁化層、非磁性導電層、自由磁化層、および保護層の順序で積層されている。第２の種類は、「トップ型」として既知であり、基板、バッファ層、自由磁化層、非磁性導電層、固定磁化層、反強磁性層、および保護層をこの順序で備える。第３の種類は、「デュアル型」と呼ばれ、基板、バッファ層、第１の反強磁性層、第１の固定磁化層、第１の非磁性導電層、自由磁化層、第２の非磁性導電層、第２の固定磁化層、第２の反強磁性層、および保護層をこの順序で備える。

固定磁化層の単層を、固定磁化層素子、非磁性層、および固定磁化層素子を有する合成強磁性構造に置き換えるための薄膜が提案されている。さらに、自由磁化層も、単層構造および多層構造の形がある。多層構造の自由磁化層および固定磁化層では、すべての層が磁気膜であるが、異なる磁気膜が積層されるか、非磁性膜を間に挟みこんだサンドイッチ構造が使用される場合がある。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の巨大磁気抵抗効果は、多層膜の積層界面における導電性電子のスピン依存散乱によるものである。したがって、高いＭＲ比を得るためには、スピンバルブ膜の製造プロセスにおける界面の清浄性または平面性が重要になる。そのため、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜では、界面の清浄性または平面性を達成するために、１つの層の形成と別の層の形成との間隔ができるだけ短くなるように、薄膜が同一真空チャンバ内で連続して形成される場合が多い。

真空中で薄膜を形成するための技術としては、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタリング、対向ターゲット型スパッタリング、高周波スパッタリング、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などが挙げられる。

ＭＲ比を高くするには、巨大磁気抵抗効果に寄与しない導電性電子の流れ（短絡効果）を抑制するように、非磁性導電層の厚さは薄くなければならない。しかしながら、非磁性導電層の厚さが薄くされた場合、固定磁化層および自由磁化層が、非磁性導電層を介して強磁性的に結合する結果となる。ハードディスクドライブの磁気記録ヘッドへの実用のためには、固定磁化層と自由磁化層との層間結合磁界を小さくすべきである。従来は、層間結合磁界を低減するため、非磁性導電層の厚さは２．５〜３．５ｎｍに設定されていた。

１ｎｍ以下の寸法のナノ酸化物層を、ボトム型スピンバルブ膜の固定磁化層中に挿入することで、固定磁化層と自由磁化層との間に生じる強磁性結合を低減する技術が提案されている。その結果、薄い（２．０〜２．５ｎｍ）非磁性導電層を用いても、層間結合磁界が比較的小さくなり、ＭＲ比が高くなる。すなわち、従来のスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜では、層間結合磁界を低減するために非磁性導電層の厚さは厚く（２．５〜３．５ｎｍ）設定されていたが、巨大磁気抵抗効果に寄与しない導電性電子の流れ（短絡効果）という問題が生じ、ＭＲ比が結果として低くなった。さらに、上述のナノ酸化物層の製造プロセスでは、固定磁化層の形成の途中で酸化工程が必要となる。酸化工程は複雑で、再現性に乏しい。したがって、解決策の改善が望ましい。

センサの反平行固定磁化層の結合強度を増大させるための、システム、方法、および装置の一実施形態が開示される。本発明は、ＧＭＲセンサやＴＭＲセンサなどの、純粋なルテニウムまたはルテニウム合金のスペーサを備える反平行固定磁化層を有するセンサを包含する。スペーサの厚さは、０．８ｎｍ未満、好ましくは０．１〜０．６ｎｍである。スペーサはまた、１．５テスラ以上の磁場中で熱処理（焼き鈍し）される。一実施形態では、磁場は５テスラ以上である。本発明は、反平行固定磁化層の固定磁場を、約１．３テスラの比較的低い磁場中で熱処理される厚さ０．８ｎｍのルテニウムスペーサを用いる標準的なＡＰ固定ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサの固定磁場の３倍よりも大きくすることによって、予想外の結果をもたらす。

本発明の上述のおよび他の目的ならびに利点は、特許請求の範囲ならびに図面とともに以下の本発明の詳細な説明を考慮することで、当業者には明らかになるであろう。

本発明の特徴および利点、ならびに以降に明らかになるであろう他のものが達成され、またより詳細に理解できるように、上で概略を述べた本発明のより具体的な説明は、本明細書の一部をなす添付図面に図示されたその実施形態を参照することによって得られるであろう。しかしながら、図面は本発明の実施形態のみを図示しているものであり、したがって、本発明は他の同様に有効な実施形態につながり得るので、図面は本発明の範囲を制限するものと見なされるべきではないことに留意されたい。

本発明によれば、ＧＭＲ、ＴＭＲ等の磁気抵抗効果型センサの反平行固定磁化層の反平行結合強度を増大させることができる。

図１を参照すると、多層膜のボトム型スピンバルブ型巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）薄膜における多層構造の一実施形態が示されている。多層構造の本実施形態によれば、Ｔａ（３ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．８ｎｍ）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（２．８ｎｍ）／Ｃｕ（２．２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）が、基板２５の側からこの順序で連続して積層されている。括弧でくくって層中に示された数値は、ナノメートル（ｎｍ）単位での層の厚さである。当業者であれば、これらの数値は、例証として、本発明の一実施形態における参照目的で示されたものであることが理解されるであろう。本発明はこれらの値に限定されない。

本発明の一実施形態では、Ｒｕ膜またはスペーサは、厚さ０．８ｎｍ未満、好ましくは０．１〜０．６ｎｍの範囲である。Ｒｕスペーサはまた、１．５テスラよりも大きい、および一実施形態では５テスラよりも大きい、高い磁場の中で熱処理（焼き鈍し）される。さらに別の実施形態では、スペーサは５〜１０テスラの磁場中で熱処理される。

この多層構造において、Ｔａ（３ｎｍ）およびＮｉＦｅ（２ｎｍ）はバッファ層４１、ＰｔＭｎ（１２ｎｍ）は反強磁性層４２、ＣｏＦｅ（１．８ｎｍ）、Ｒｕ、およびＣｏＦｅ（２．８ｎｍ）は固定磁化層（合成強磁性構造）４３、Ｃｕ（２．２ｎｍ）は非磁性導電層４４、ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）およびＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）は自由磁化層４５、Ｃｕ（１ｎｍ）はスピンフィルタ４６、ならびにＴａ（３ｎｍ）は保護層４７である。これらの層は、１以上の膜形成チャンバ内で形成されてもよい。プラズマ処理が、膜形成工程中で適切に実施される。プラズマ処理を実施する際、膜の形成は所望の界面で一時的に中断され、基板２５は、プラズマ処理用のプラズマ処理チャンバに移送される。

次に図２を参照すると、本発明にしたがって構成されたセンサ（例えば、磁気センサ）の４つの実施形態における、スペーサ層の厚さ対固定磁場強度のプロットが示されている。プロット２１は純粋なルテニウムスペーサの性能を示し、プロット２３はＣｏＦｅを９．２％有するルテニウム合金の性能を示し、プロット２５はＣｏＦｅを２７．９％有するルテニウム合金の性能を示し、プロット２７はＣｏＦｅを３３．６％有するルテニウム合金の性能を示す。固定磁場の強度は、これらの実施形態それぞれにおいて、スペーサの厚さが０．８ｎｍ未満のとき明らかに増大し、０．６ｎｍ未満の厚さのとき大幅に増大している。

次に図３を参照すると、本発明の方法の一実施形態を示す、簡略化されたハイレベルフローチャートが示されている。例えば、本方法は、図示されるようにステップ３０１で開始し、センサの反平行固定磁化層の反平行結合強度を増大させる。本方法は、ステップ３０５に示すように０．８ｎｍ未満の厚さを有するルテニウムスペーサを準備（用意）し、ルテニウムスペーサを備える反平行固定磁化層を有するセンサを形成し（ステップ３０７）、ならびにルテニウムスペーサを１．５テスラ以上の磁場中で熱処理する（ステップ３０９）ことを含む。センサは、ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサから成る群から選択されてもよい。ルテニウムスペーサは、純粋なルテニウム、あるいは、例えばＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、および／または類似の種類の金属とともに形成されたルテニウム合金を含んでもよい。一実施形態では、ルテニウムスペーサの厚さは０．１〜０．６ｎｍであり、磁場は５テスラよりも大きい。

次に図４を参照すると、本発明の一実施形態が、コンピュータシステムの磁気ハードディスクファイルまたはドライブ１１１の状態で提供されている。ドライブ１１１は、少なくとも１つの磁気ディスク１１５を含む外側筐体またはベース１１３を有する。ディスク１１５は、中央ドライブハブ１１７を有するスピンドルモータアセンブリによって回転される。アクチュエータ１２１は、旋回アセンブリ１２３の周りでベース１１３に旋回可能に取り付けられた櫛型の、複数のパラレルアクチュエータアーム１２５（１つを図示）を含む。コントローラ１１９もまた、櫛になったアーム１２５をディスク１１５に関して選択的に動かすために、ベース１１３に取り付けられている。

図示された実施形態では、各アーム１２５は、そこから延在する少なくとも１つの片持ちロードビームおよびサスペンション１２７を有する。磁気読取り／書込みトランスデューサまたはヘッド（上述のセンサを備える）が、スライダ１２９に搭載され、各サスペンション１２７に柔軟に取り付けられた屈曲部に固定される。読取り／書込みヘッドは、ディスク１１５から磁気によってデータを読取り、および／またはディスク１１５に磁気によってデータを書込む。ヘッドジンバルアセンブリと呼ばれる集積装置は、サスペンション１２７に搭載されたヘッドおよびスライダ１２９である。スライダ１２９は、通常はサスペンション１２７の末端部に固着される。ヘッドは、標準的にはピコサイズ（約１２５０×１０００×３００ミクロン）であり、セラミックまたは合金材料から形成される。ヘッドはまた、フェムトサイズ（約８５０×７００×２３０ミクロン）であってもよく、サスペンション１２７によってディスク１１５の表面に対して（２〜１０グラムの範囲で）予め荷重がかけられる。

サスペンション１２７はばね様の特性を有し、スライダ１２９の空気ベアリング表面をディスク１１５に対して付勢するかまたは押し付け、スライダ１２９とディスク表面との間に空気ベアリング膜が作られるようにすることができる。従来型ボイスコイルモータ磁気アセンブリ１３４（頂部の電極は図示せず）内に収容されたボイスコイル１３３もまた、ヘッドジンバルアセンブリの反対側にあるアーム１２５に取り付けられる。コントローラ１１９によってアクチュエータ１２１が移動する（矢印１３５で示す）ことにより、ヘッドがそれぞれ別個の対象とするトラック上の位置で止まるまで、ヘッドジンバルアセンブリがディスク１１５上のトラックを横切って半径方向に移動する。ヘッドジンバルアセンブリは、従来の方式で動作し、常に同時に移動するが、ドライブ１１１が複数の独立したアクチュエータ（図示せず）を有し、アームが互いに独立して移動できる場合は、この限りではない。

本発明のいくつかの形態のみを示し、あるいは記載してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく多様な変更を受容できることが、当業者には明らかであろう。

ディスクドライブの磁気記録ヘッド用のボトム型スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層構造の概略断面図である。 本発明にしたがって構成されたセンサの多様な実施形態におけるスペーサ層の厚さ対固定磁場強度のプロットである。 本発明による方法のハイレベルフローチャートである。 本発明にしたがって構成されたハードディスクドライブの概略図である。

符号の説明

２５…基板、
４１…バッファ層、
４２…反強磁性層、
４３…固定磁化層（合成強磁性構造）、
４４…非磁性導電層、
４５…自由磁化層、
４６…スピンフィルタ、
４７…保護層、
１１１…ドライブ、
１１３…ベース、
１１５…ディスク、
１１７…中央ドライブハブ、
１１９…コントローラ、
１２１…アクチュエータ、
１２３…旋回アセンブリ、
１２５…パラレルアクチュエータアーム、
１２７…サスペンション、
１２９…スライダ、
１３３…ボイスコイル、
１３４…ボイスコイルモータ磁気アセンブリ。

Claims (22)

1. （ａ）０．８ｎｍ未満の厚さを有するルテニウムスペーサを準備するステップと、
   （ｂ）前記ルテニウムスペーサを有するセンサを形成するステップと、
   （ｃ）前記ルテニウムスペーサを１．５テスラ以上の磁場中で熱処理するステップと、
   を含むことを特徴とするセンサの結合強度を増大させる方法。
2. 前記センサが反平行固定磁化層を有するセンサであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記センサが、ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサから成る群から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記ルテニウムスペーサがルテニウム合金であることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記ルテニウムスペーサが純粋なルテニウムであることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記ルテニウムスペーサの厚さが０．１〜０．６ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記磁場が５テスラよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記磁場が５〜１０テスラであることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. （ａ）０．８ｎｍ未満の厚さを有するルテニウムスペーサを準備するステップと、
   （ｂ）前記ルテニウムスペーサを備える反平行固定磁化層を有するセンサを形成するステップと、
   （ｃ）前記ルテニウムスペーサを１．５テスラ以上の磁場中で熱処理するステップと、
   を含むことを特徴とする反平行固定磁化層を有するセンサの反平行結合強度を増大させる方法。
10. 前記反平行固定磁化層を有するセンサが、ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサから成る群から選択されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記ルテニウムスペーサがルテニウム合金であることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 前記ルテニウムスペーサが純粋なルテニウムであることを特徴とする請求項９記載の方法。
13. 前記ルテニウムスペーサの厚さが０．１〜０．６ｎｍであることを特徴とする請求項９記載の方法。
14. 前記磁場が５テスラよりも大きいことを特徴とする請求項９記載の方法。
15. 前記磁場が５〜１０テスラであることを特徴とする請求項９記載の方法。
16. 磁気ディスクと、
    ０．８ｎｍ未満の厚さで、１．５テスラ以上の磁場による熱処理を受けたルテニウムスペーサを備える反平行固定磁化層を有するセンサを有し、前記ディスクからデータを読取りまた該ディスクにデータを書込むためのヘッドを有するアクチュエータと、
    を有することを特徴とするハードディスクドライブ。
17. 前記反平行固定磁化層を有するセンサが、ＧＭＲセンサおよびＴＭＲセンサから成る群から選択されることを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。
18. 前記ルテニウムスペーサがルテニウム合金であることを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。
19. 前記ルテニウムスペーサが純粋なルテニウムであることを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。
20. 前記ルテニウムスペーサの厚さが０．１〜０．６ｎｍであることを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。
21. 前記磁場が５テスラよりも大きいことを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。
22. 前記磁場が５〜１０テスラであることを特徴とする請求項１６記載のハードディスクドライブ。

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