JP2006286669A - Method of manufacturing magnetoresistance effect element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネル磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子の製造に関する。 The present invention relates to the manufacture of a magnetoresistive element using a tunnel magnetoresistive effect.
近年、磁気ディスク装置の面記録密度の向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。薄膜磁気ヘッドとしては、基板に対して、読み出し用の磁気抵抗効果素子(以下、MR(Magnetoresistive)素子とも記す。)を有する再生ヘッドと書き込み用の誘導型電磁変換素子を有する記録ヘッドとを積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。 In recent years, with the improvement of the surface recording density of magnetic disk devices, there has been a demand for improved performance of thin film magnetic heads. As a thin film magnetic head, a reproducing head having a magnetoresistive effect element for reading (hereinafter also referred to as MR (Magnetoresistive) element) and a recording head having an inductive electromagnetic transducer for writing are laminated on a substrate. A composite thin film magnetic head having the above structure is widely used.
MR素子としては、異方性磁気抵抗(Anisotropic Magnetoresistive)効果を用いたAMR素子や、巨大磁気抵抗(Giant Magnetoresistive)効果を用いたGMR素子や、トンネル磁気抵抗(Tunneling Magnetoresistive)効果を用いたTMR素子等がある。 MR elements include an AMR element using an anisotropic magnetoresistive effect, a GMR element using a giant magnetoresistive effect, and a TMR element using a tunneling magnetoresistive effect. Etc.
再生ヘッドの特性としては、高感度および高出力であることが要求される。この要求を満たす再生ヘッドとして、既に、スピンバルブ型GMR素子を用いたGMRヘッドが量産されている。最近では、面記録密度の更なる向上に対応するために、TMR素子を用いた再生ヘッドの開発が進められている。 The characteristics of the reproducing head are required to be high sensitivity and high output. As a reproducing head that satisfies this requirement, GMR heads using spin-valve GMR elements have already been mass-produced. Recently, in order to cope with the further improvement of the surface recording density, development of a reproducing head using a TMR element has been advanced.
TMR素子は、一般的には、互いに反対側を向く2つの面を有するトンネルバリア層と、このトンネルバリア層の一方の面に隣接するように配置された自由層と、トンネルバリア層の他方の面に隣接するように配置されたピンド層と、このピンド層におけるトンネルバリア層とは反対側の面に隣接するように配置された反強磁性層とを有している。トンネルバリア層は、トンネル効果によりスピンを保存した状態で電子が通過できる非磁性絶縁層である。自由層は信号磁界に応じて磁化の方向が変化する強磁性層である。ピンド層は、磁化の方向が固定された強磁性層である。反強磁性層は、ピンド層との交換結合により、ピンド層における磁化の方向を固定する層である。 In general, a TMR element includes a tunnel barrier layer having two surfaces facing each other, a free layer disposed adjacent to one surface of the tunnel barrier layer, and the other of the tunnel barrier layer. The pinned layer is disposed adjacent to the surface, and the antiferromagnetic layer is disposed adjacent to the surface of the pinned layer opposite to the tunnel barrier layer. The tunnel barrier layer is a non-magnetic insulating layer through which electrons can pass in a state where spin is preserved by the tunnel effect. The free layer is a ferromagnetic layer whose magnetization direction changes according to the signal magnetic field. The pinned layer is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. The antiferromagnetic layer is a layer that fixes the direction of magnetization in the pinned layer by exchange coupling with the pinned layer.
TMR素子では、記録媒体からの信号磁界に応じて自由層の磁化の方向が変化し、これにより、自由層の磁化の方向とピンド層の磁化の方向との間の相対角度が変化する。この相対角度が変化すると、スピンを保存した状態で電子がトンネルバリア層を通過する確率が変化し、その結果、TMR素子の抵抗値が変化する。そして、このTMR素子の抵抗値の変化を検出することにより、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。 In the TMR element, the magnetization direction of the free layer changes according to the signal magnetic field from the recording medium, and thereby the relative angle between the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer changes. When this relative angle changes, the probability that electrons pass through the tunnel barrier layer while preserving spin changes, and as a result, the resistance value of the TMR element changes. The information recorded on the recording medium can be reproduced by detecting the change in the resistance value of the TMR element.
TMR素子の特性としては、特に、抵抗に対する磁気抵抗変化の比率である磁気抵抗変化率(以下、MR比と記す。)が大きいことと、外部磁界変化に対する磁気抵抗変化の比率である磁界感度が大きいことが求められる。磁界感度を向上させるには、自由層の保磁力を小さくすることが有効である。 As characteristics of the TMR element, in particular, a magnetoresistive change rate (hereinafter referred to as MR ratio) which is a ratio of magnetoresistive change to resistance is large, and a magnetic field sensitivity which is a ratio of magnetoresistive change to external magnetic field change. It must be large. In order to improve the magnetic field sensitivity, it is effective to reduce the coercivity of the free layer.
TMR素子の特性を向上させるためのTMR素子の製造方法に関する技術は、種々提案されている。例えば、特許文献1には、自由層を形成する工程、トンネルバリア層を形成する工程およびピンド層を形成する工程のうち、トンネルバリア層を形成する工程においてのみ基板を冷却する技術が記載されている。
Various techniques relating to a method of manufacturing a TMR element for improving the characteristics of the TMR element have been proposed. For example,
また、特許文献2には、200K以下の温度に冷却された基板の上に、TMR素子を構成する全ての層を形成する技術が記載されている。
また、特許文献3には、基板上に電極層、第一強磁性層、トンネルバリア層および第二強磁性層が順次積層された構造を有するTMR素子の製造方法において、基板の温度を−100℃以下に保ちつつ電極層を形成する技術が記載されている。特許文献3には、更に、基板の温度を−100℃以下に保ちつつトンネルバリア層を形成してもよい旨が記載されている。また、特許文献3には、基板の温度を−100℃以下に保った状態で、TMR素子を構成する全ての層を形成してもよい旨が記載されている。
Further, in
特許文献1ないし3は、いずれも、少なくともトンネルバリア層を形成する工程において基板を冷却することを開示している。このように、基板を冷却した状態でトンネルバリア層を形成することにより、トンネルバリア層の平滑性が向上し、これにより、TMR素子の特性の向上が期待できる。しかしながら、後で示す本発明者の実験から、基板を冷却した状態で、TMR素子を構成する全ての層を形成すると、トンネルバリア層を形成する工程においてのみ基板を冷却した場合に比べて、MR比が低下することが分かった。また、この実験から、TMR素子の特性をより向上させることのできる方法があることが分かった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、トンネル磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子において、MR比を大きくし且つ自由層の保磁力を小さくすることのできる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive element using a tunnel magnetoresistive effect that can increase the MR ratio and reduce the coercivity of the free layer. It is providing the manufacturing method of an effect element.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造される磁気抵抗効果素子は、互いに反対側を向く2つの面を有するトンネルバリア層と、トンネルバリア層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層と、トンネルバリア層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定された磁化固定層とを備えている。 A magnetoresistive effect element manufactured by the magnetoresistive effect element manufacturing method of the present invention is disposed so as to be adjacent to one surface of the tunnel barrier layer, and a tunnel barrier layer having two surfaces facing opposite to each other, A free layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field, and a magnetization fixed layer which is arranged adjacent to the other surface of the tunnel barrier layer and whose magnetization direction is fixed.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板に対して、磁化固定層を形成する工程と、磁化固定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自由層を形成する工程とを備えている。磁化固定層を形成する工程は、基板の温度を0℃以上とした状態で磁化固定層を形成し、自由層を形成する工程は、基板の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層を形成する工程における基板の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板が冷却された状態で自由層を形成する。自由層を形成する工程において、基板は、−73℃以下の温度になるように冷却された状態になっていてもよい。 The method of manufacturing a magnetoresistive effect element of the present invention includes a step of forming a magnetization fixed layer on a substrate, a step of forming a tunnel barrier layer on the magnetization fixed layer, and a free layer on the tunnel barrier layer. Forming. The step of forming the magnetization fixed layer is to form the magnetization fixed layer in a state where the temperature of the substrate is 0 ° C. or higher, and the step of forming the free layer is to have the temperature of the substrate of 0 ° C. or lower and the magnetization fixed layer The free layer is formed in a state where the substrate is cooled so that the temperature is lower by 30 ° C. or more than the temperature of the substrate in the step of forming. In the step of forming the free layer, the substrate may be in a cooled state so as to have a temperature of −73 ° C. or lower.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア層を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層を形成する工程における基板の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板が冷却された状態になっていてもよい。トンネルバリア層を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板は、−73℃以下の温度になるように冷却された状態になっていてもよい。 In the method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to the present invention, among the steps of forming the tunnel barrier layer, at least at the start of the step, the temperature of the substrate is 0 ° C. or less and the step of forming the magnetization fixed layer is performed. The substrate may be in a cooled state so that the temperature is 30 ° C. or more lower than the temperature. Of the steps of forming the tunnel barrier layer, at least at the start of the step, the substrate may be in a state of being cooled to a temperature of −73 ° C. or lower.
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア層を形成する工程は、磁化固定層の上に非磁性金属材料よりなる層を形成する工程と、非磁性金属材料よりなる層を酸化させてトンネルバリア層とする工程とを含み、少なくとも、非磁性金属材料よりなる層を形成する工程では、基板が冷却された状態になっていてもよい。あるいは、トンネルバリア層を形成する工程は、磁化固定層の上に非磁性金属材料の酸化物よりなる層を形成する工程を含んでいてもよい。 In the method of manufacturing a magnetoresistive element of the present invention, the step of forming the tunnel barrier layer includes a step of forming a layer made of a nonmagnetic metal material on the magnetization fixed layer, and a step of forming a layer made of the nonmagnetic metal material. Including the step of oxidizing to form a tunnel barrier layer, and at least in the step of forming a layer made of a nonmagnetic metal material, the substrate may be in a cooled state. Alternatively, the step of forming the tunnel barrier layer may include a step of forming a layer made of an oxide of a nonmagnetic metal material on the magnetization fixed layer.
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、磁化固定層は、反強磁性層と、この反強磁性層の上に配置され、トンネルバリア層に接する強磁性層とを含んでいてもよい。 In the method of manufacturing a magnetoresistive element of the present invention, the magnetization fixed layer may include an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer disposed on the antiferromagnetic layer and in contact with the tunnel barrier layer. Good.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法では、磁化固定層を形成する工程は、基板の温度を0℃以上とした状態で磁化固定層を形成し、自由層を形成する工程は、基板の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層を形成する工程における基板の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板が冷却された状態で自由層を形成する。これにより、本発明によれば、磁気抵抗効果素子のMR比を大きくし且つ磁気抵抗効果素子における自由層の保磁力を小さくすることが可能になるという効果を奏する。 In the method of manufacturing a magnetoresistive element according to the present invention, the step of forming the magnetization fixed layer includes the step of forming the magnetization fixed layer in a state where the temperature of the substrate is 0 ° C. or higher, and the step of forming the free layer is the temperature of the substrate. The free layer is formed in a state in which the substrate is cooled so that the temperature is 0 ° C. or lower and 30 ° C. or lower than the substrate temperature in the step of forming the magnetization fixed layer. Thus, according to the present invention, it is possible to increase the MR ratio of the magnetoresistive effect element and reduce the coercivity of the free layer in the magnetoresistive effect element.
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア層を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層を形成する工程における基板の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板が冷却された状態になっている場合には、トンネルバリア層の平滑性を向上させることができるという効果を奏する。 In the method for manufacturing a magnetoresistive element of the present invention, among the steps of forming the tunnel barrier layer, at least at the start of the step, the substrate temperature is 0 ° C. or lower and the magnetization fixed layer is formed. In the case where the substrate is cooled to a temperature lower by 30 ° C. or more than the temperature of the substrate, there is an effect that the smoothness of the tunnel barrier layer can be improved.
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。始めに、図2および図3を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される薄膜磁気ヘッドの構成および製造方法の一例について説明する。図2は薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面および基板に垂直な断面を示す断面図、図3は薄膜磁気ヘッドの磁極部分のエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, with reference to FIGS. 2 and 3, an example of a configuration and a manufacturing method of a thin film magnetic head to which a manufacturing method of a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention is applied will be described. 2 is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the air bearing surface and the substrate of the thin film magnetic head, and FIG. 3 is a cross sectional view showing a cross section parallel to the air bearing surface of the magnetic pole portion of the thin film magnetic head.
本例の薄膜磁気ヘッドの製造方法では、まず、アルティック(Al2O3・TiC)等のセラミック材料よりなる基板1の上に、スパッタ法等によって、アルミナ(Al2O3)等の絶縁材料よりなる絶縁層2を、例えば0.1〜5μmの厚みに形成する。次に、絶縁層2の上に、めっき法等によって、NiFe、FeAlSi等の磁性材料よりなる再生ヘッド用の第1のシールド層3を、所定のパターンに形成する。次に、図示しないが、全体に、例えばアルミナよりなる絶縁層を形成する。次に、例えば化学機械研磨(以下、CMPという。)によって、第1のシールド層3が露出するまで絶縁層を研磨して、第1のシールド層3および絶縁層の上面を平坦化する。
In the method of manufacturing the thin film magnetic head of this example, first, insulation such as alumina (Al 2 O 3 ) is formed on the
次に、第1のシールド層3の上に、再生用のMR素子5と、このMR素子5の2つの側部に隣接するように配置される2つのバイアス磁界印加層6と、MR素子5およびバイアス磁界印加層6の周囲に配置される絶縁層7とを形成する。絶縁層7は、アルミナ等の絶縁材料によって形成される。
Next, on the
次に、MR素子5、バイアス磁界印加層6および絶縁層7の上に、磁性材料よりなる再生ヘッド用の第2のシールド層8を形成する。第2のシールド層8は、例えばめっき法またはスパッタ法によって形成される。次に、第2のシールド層8の上に、スパッタ法等によって、アルミナ等の非磁性材料よりなる分離層18を形成する。次に、この分離層18の上に、例えばめっき法またはスパッタ法によって、磁性材料よりなる、記録ヘッド用の下部磁極層19を形成する。第2のシールド層8および下部磁極層19に用いる磁性材料は、NiFe、CoFe、CoFeNi、FeN等の軟磁性材料である。なお、第2のシールド層8、分離層18および下部磁極層19の代わりに、下部磁極層を兼ねた第2のシールド層を設けてもよい。
Next, a
次に、下部磁極層19の上に、スパッタ法等によって、アルミナ等の非磁性材料よりなる記録ギャップ層9を、例えば50〜300nmの厚みに形成する。次に、磁路形成のために、後述する薄膜コイルの中心部分において、記録ギャップ層9を部分的にエッチングしてコンタクトホール9aを形成する。
Next, the
次に、記録ギャップ層9の上に、例えば銅(Cu)よりなる薄膜コイルの第1層部分10を、例えば2〜3μmの厚みに形成する。なお、図2において、符号10aは、第1層部分10のうち、後述する薄膜コイルの第2層部分15に接続される接続部を表している。第1層部分10は、コンタクトホール9aの周囲に巻回される。
Next, a
次に、薄膜コイルの第1層部分10およびその周辺の記録ギャップ層9を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層11を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層11の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層11の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。
Next, an insulating
次に、絶縁層11のうちの後述するエアベアリング面20側の斜面部分からエアベアリング面20側にかけての領域において、記録ギャップ層9および絶縁層11の上に、記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層12のトラック幅規定層12aを形成する。上部磁極層12は、このトラック幅規定層12aと、後述する連結部分層12bおよびヨーク部分層12cとで構成される。
Next, in a region from the slope portion on the
トラック幅規定層12aは、記録ギャップ層9の上に形成され、上部磁極層12の磁極部分となる先端部と、絶縁層11のエアベアリング面20側の斜面部分の上に形成され、ヨーク部分層12cに接続される接続部とを有している。先端部の幅は記録トラック幅と等しくなっている。接続部の幅は、先端部の幅よりも大きくなっている。
The track
トラック幅規定層12aを形成する際には、同時に、コンタクトホール9aの上に磁性材料よりなる連結部分層12bを形成すると共に、接続部10aの上に磁性材料よりなる接続層13を形成する。連結部分層12bは、上部磁極層12のうち、下部磁極層19に磁気的に連結される部分を構成する。
When the track
次に、磁極トリミングを行う。すなわち、トラック幅規定層12aの周辺領域において、トラック幅規定層12aをマスクとして、記録ギャップ層9および下部磁極層19の磁極部分における記録ギャップ層9側の少なくとも一部をエッチングする。これにより、図3に示したように、上部磁極層12の磁極部分、記録ギャップ層9および下部磁極層19の磁極部分の少なくとも一部の各幅が揃えられたトリム(Trim)構造が形成される。このトリム構造によれば、記録ギャップ層9の近傍における磁束の広がりによる実効的なトラック幅の増加を防止することができる。
Next, magnetic pole trimming is performed. In other words, in the peripheral region of the track
次に、全体に、アルミナ等の無機絶縁材料よりなる絶縁層14を、例えば3〜4μmの厚みに形成する。次に、この絶縁層14を、例えばCMPによって、トラック幅規定層12a、連結部分層12bおよび接続層13の表面に至るまで研磨して平坦化する。
Next, an insulating
次に、平坦化された絶縁層14の上に、例えば銅(Cu)よりなる薄膜コイルの第2層部分15を、例えば2〜3μmの厚みに形成する。なお、図2において、符号15aは、第2層部分15のうち、接続層13を介して薄膜コイルの第1層部分10の接続部10aに接続される接続部を表している。第2層部分15は、連結部分層12bの周囲に巻回される。
Next, a
次に、薄膜コイルの第2層部分15およびその周辺の絶縁層14を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層16を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層16の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層16の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。
Next, an insulating
次に、トラック幅規定層12a、絶縁層14,16および連結部分層12bの上に、パーマロイ等の記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層12のヨーク部分を構成するヨーク部分層12cを形成する。ヨーク部分層12cのエアベアリング面20側の端部は、エアベアリング面20から離れた位置に配置されている。また、ヨーク部分層12cは、連結部分層12bを介して下部磁極層19に接続されている。
Next, a
次に、全体を覆うように、例えばアルミナよりなるオーバーコート層17を形成する。最後に、上記各層を含むスライダの機械加工を行って、記録ヘッドおよび再生ヘッドを含む薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面20を形成して、薄膜磁気ヘッドが完成する。
Next, an
このようにして製造される薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面としてのエアベアリング面20と再生ヘッドと記録ヘッドとを備えている。再生ヘッドの構成については、後で詳しく説明する。
The thin film magnetic head manufactured in this way includes an
記録ヘッドは、エアベアリング面20側において互いに対向する磁極部分を含むと共に、互いに磁気的に連結された下部磁極層19および上部磁極層12と、この下部磁極層19の磁極部分と上部磁極層12の磁極部分との間に設けられた記録ギャップ層9と、少なくとも一部が下部磁極層19および上部磁極層12の間に、これらに対して絶縁された状態で配設された薄膜コイル10,15とを有している。この薄膜磁気ヘッドでは、図2に示したように、エアベアリング面20から、絶縁層11のエアベアリング面20側の端部までの長さが、スロートハイトTHとなる。なお、スロートハイトとは、エアベアリング面20から、2つの磁極層の間隔が大きくなり始める位置までの長さ(高さ)をいう。
The recording head includes magnetic pole portions facing each other on the
以下、図2および図3に示した薄膜磁気ヘッドを含むスライダ、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置について説明する。まず、図4を参照して、スライダ210について説明する。磁気ディスク装置において、スライダ210は、回転駆動される円盤状の記録媒体である磁気ディスクに対向するように配置される。このスライダ210は、主に図2における基板1およびオーバーコート層17からなる基体211を備えている。基体211は、ほぼ六面体形状をなしている。基体211の六面のうちの一面は、磁気ディスクに対向するようになっている。この一面には、エアベアリング面20が形成されている。磁気ディスクが図4におけるz方向に回転すると、磁気ディスクとスライダ210との間を通過する空気流によって、スライダ210に、図4におけるy方向の下方に揚力が生じる。スライダ210は、この揚力によって磁気ディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図4におけるx方向は、磁気ディスクのトラック横断方向である。スライダ210の空気流出側の端部(図4における左下の端部)の近傍には、図2および図3に示した構成の薄膜磁気ヘッド100が形成されている。
The slider, head gimbal assembly, head arm assembly, and magnetic disk apparatus including the thin film magnetic head shown in FIGS. 2 and 3 will be described below. First, the
次に、図5を参照して、ヘッドジンバルアセンブリ220について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ220は、スライダ210と、このスライダ210を弾性的に支持するサスペンション221とを備えている。サスペンション221は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム222、このロードビーム222の一端部に設けられると共にスライダ210が接合され、スライダ210に適度な自由度を与えるフレクシャ223と、ロードビーム222の他端部に設けられたベースプレート224とを有している。ベースプレート224は、スライダ210を磁気ディスク262のトラック横断方向xに移動させるためのアクチュエータのアーム230に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム230と、このアーム230を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ223において、スライダ210が取り付けられる部分には、スライダ210の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。
Next, the
ヘッドジンバルアセンブリ220は、アクチュエータのアーム230に取り付けられる。1つのアーム230にヘッドジンバルアセンブリ220を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ220を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。
The
図5は、ヘッドアームアセンブリを示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム230の一端部にヘッドジンバルアセンブリ220が取り付けられている。アーム230の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル231が取り付けられている。アーム230の中間部には、アーム230を回動自在に支持するための軸234に取り付けられる軸受け部233が設けられている。
FIG. 5 shows the head arm assembly. In this head arm assembly, a
次に、図6および図7を参照して、ヘッドスタックアセンブリの一例と磁気ディスク装置について説明する。図6は磁気ディスク装置の要部を示す説明図、図7は磁気ディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ250は、複数のアーム252を有するキャリッジ251を有している。複数のアーム252には、複数のヘッドジンバルアセンブリ220が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ251においてアーム252とは反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル253が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ250は、磁気ディスク装置に組み込まれる。磁気ディスク装置は、スピンドルモータ261に取り付けられた複数枚の磁気ディスク262を有している。各磁気ディスク262毎に、磁気ディスク262を挟んで対向するように2つのスライダ210が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ250のコイル253を挟んで対向する位置に配置された永久磁石263を有している。スライダ210を除くヘッドスタックアセンブリ250およびアクチュエータは、スライダ210を支持すると共に磁気ディスク262に対して位置決めする。
Next, an example of a head stack assembly and a magnetic disk device will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is an explanatory view showing a main part of the magnetic disk device, and FIG. 7 is a plan view of the magnetic disk device. The
この磁気ディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ210を磁気ディスク262のトラック横断方向に移動させて、スライダ210を磁気ディスク262に対して位置決めする。スライダ210に含まれる薄膜磁気ヘッド100は、記録ヘッドによって、磁気ディスク262に情報を記録し、再生ヘッドによって、磁気ディスク262に記録されている情報を再生する。
In this magnetic disk apparatus, the
次に、図1を参照して、本実施の形態における再生ヘッドの構成について詳しく説明する。図1は再生ヘッドのエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。図1に示したように、再生ヘッドは、所定の間隔を開けて配置された第1のシールド層3および第2のシールド層8と、第1のシールド層3と第2のシールド層8との間に配置されたMR素子5とを備えている。MR素子5および第2のシールド層8は第1のシールド層3に積層されている。
Next, the configuration of the reproducing head in the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the air bearing surface of the read head. As shown in FIG. 1, the reproducing head includes a
再生ヘッドは、更に、MR素子5の2つの側部に隣接するように配置され、MR素子5に対してバイアス磁界を印加する2つのバイアス磁界印加層6と、MR素子5およびバイアス磁界印加層6の周囲に配置された絶縁層7とを備えている。バイアス磁界印加層6は、硬磁性層(ハードマグネット)や、強磁性層と反強磁性層との積層体等を用いて構成される。絶縁層7は、絶縁膜7a,7bを有している。絶縁膜7aは、第1のシールド層3およびMR素子5と、バイアス磁界印加層6との間に介在して、これらの間を絶縁する。絶縁膜7bは、バイアス磁界印加層6と第2のシールド層8との間に介在して、これらの間を絶縁する。
The reproducing head is further disposed adjacent to two sides of the
MR素子5は、トンネル磁気抵抗効果を用いるTMR素子である。MR素子5は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて抵抗値が変化する。第1および第2のシールド層3,8は、MR素子5に磁気的信号検出用の電流であるセンス電流を流すために用いられる。センス電流は、MR素子5を構成する各膜の面に対して垂直な方向に流れる。MR素子5の抵抗値はセンス電流より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
The
MR素子5は、互いに反対側を向く2つの面を有するトンネルバリア層23と、トンネルバリア層23における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層24と、トンネルバリア層23の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定された磁化固定層22とを備えている。本実施の形態では、磁化固定層22と自由層24のうち、磁化固定層22の方が第1のシールド層3に近い位置に配置されている。磁化固定層22は、反強磁性層31と、この反強磁性層31の上に配置され、トンネルバリア層23に接する強磁性層32とを含んでいる。MR素子5は、更に、第1のシールド層3と反強磁性層31との間に配置された下地層21と、自由層24と第2のシールド層8との間に配置された保護層25とを備えている。このMR素子5では、第1のシールド層3の上に、下地層21、反強磁性層31、強磁性層32、トンネルバリア層23、自由層24および保護層25が順に積層されている。
The
反強磁性層31は、強磁性層32との交換結合により、強磁性層32における磁化の方向を固定する層である。下地層21は、その上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させ、特に、反強磁性層31と強磁性層32との交換結合を良好にするために設けられる。保護層25は、その下の各層を保護するための層である。
The antiferromagnetic layer 31 is a layer that fixes the magnetization direction in the
下地層21の厚さは、例えば2〜6nmである。下地層21としては、例えば、Ta層と、NiCr層、NiFe層あるいはNiFeCr層との積層体が用いられる。
The thickness of the
反強磁性層31の厚さは、例えば5〜30nmである。反強磁性層31は、例えば、Pt、Ru、Rh、Pd、Ni、Cu、Ir、CrおよびFeからなる群のうちの少なくとも1種MIIと、Mnとを含む反強磁性材料により構成されている。このうちMnの含有量は35原子%以上95原子%以下、その他の元素MIIの含有量は5原子%以上65原子%以下であることが好ましい。この反強磁性材料には、熱処理しなくても反強磁性を示し、強磁性材料との間に交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。この反強磁性層31は、そのどちらにより構成されていてもよい。 The thickness of the antiferromagnetic layer 31 is, for example, 5 to 30 nm. The antiferromagnetic layer 31 is, for example, Pt, consists Ru, Rh, Pd, Ni, Cu, Ir, and at least one M II selected from the group consisting of Cr and Fe, the antiferromagnetic material containing Mn ing. Among these, the content of Mn is preferably 35 atomic% or more and 95 atomic% or less, and the content of the other element M II is preferably 5 atomic% or more and 65 atomic% or less. This antiferromagnetic material exhibits antiferromagnetism without heat treatment, and exhibits non-heat treatment antiferromagnetic material that induces an exchange coupling magnetic field with the ferromagnetic material, and exhibits antiferromagnetism by heat treatment. There is a heat treatment type antiferromagnetic material. The antiferromagnetic layer 31 may be composed of either of them.
なお、非熱処理系反強磁性材料にはγ相を有するMn合金等があり、具体的には、RuRhMn、FeMnあるいはIrMn等がある。熱処理系反強磁性材料には規則結晶構造を有するMn合金等があり、具体的には、PtMn、NiMnおよびPtRhMn等がある。 The non-heat-treatment type antiferromagnetic material includes a Mn alloy having a γ phase, and specifically, RuRhMn, FeMn, IrMn, and the like. The heat-treated antiferromagnetic material includes a Mn alloy having a regular crystal structure, and specifically includes PtMn, NiMn, PtRhMn, and the like.
強磁性層32では、反強磁性層31との界面における交換結合により、磁化の向きが固定されている。強磁性層32は、例えば、反強磁性層31側から順に、第1の強磁性層、結合層および第2の強磁性層を、この順に積層した構造を有している。第1の強磁性層および第2の強磁性層は、例えば、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む強磁性材料により構成されている。特に、この強磁性材料の(111)面は積層方向に配向していることが好ましい。第1および第2の強磁性層を合わせた厚さは、例えば1.5〜5nmである。第1および第2の強磁性層は、反強磁性結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。
In the
強磁性層32における結合層の厚さは、例えば0.2〜1.2nmである。結合層は、例えば、Ru、Rh、Ir、Re、Cr、ZrおよびCuからなる群のうち少なくとも1種を含む非磁性材料により構成されている。この結合層は、第1および第2の強磁性層の間に反強磁性交換結合を生じさせ、第1の強磁性層の磁化と第2の強磁性層の磁化とを互いに逆方向に固定するためのものである。なお、第1の強磁性層の磁化と第2の強磁性層の磁化が互いに逆方向というのは、これら2つの磁化の方向が互いに180°異なる場合のみならず、2つの磁化の方向が180°±20°異なる場合を含む。
The thickness of the coupling layer in the
トンネルバリア層23は、トンネル効果によりスピンを保存した状態で電子が通過できる非磁性絶縁層である。トンネルバリア層23の厚さは、例えば0.5〜2nmである。トンネルバリア層23の材料としては、例えばAl、Gd、Mg、Ta、Mo、Ti、W、HfまたはZrの酸化物または窒化物が用いられる。
The
自由層24の厚さは、例えば1.0〜8.0nmである。自由層24は、単層で構成されていてもよいし、2つ以上の層によって構成されていてもよい。ここでは、自由層24が2つの軟磁性層で構成される場合の例を挙げる。2つの軟磁性層のうち、トンネルバリア層23側の層を第1の軟磁性層と呼び、保護層25側の層を第2の軟磁性層と呼ぶ。
The thickness of the
第1の軟磁性層の厚さは、例えば0.5〜3nmである。第1の軟磁性層は、例えば、Ni、CoおよびFeからなる群のうちの少なくとも1つを含む磁性材料により構成されている。 The thickness of the first soft magnetic layer is, for example, 0.5 to 3 nm. The first soft magnetic layer is made of, for example, a magnetic material including at least one of the group consisting of Ni, Co, and Fe.
第2の軟磁性層の厚さは、例えば0.5〜8nmである。第2の軟磁性層は、例えば、Ni、Co、Fe、Ta、Cr、Rh、MoおよびNbからなる群のうち少なくともNiを含む磁性材料により構成されている。 The thickness of the second soft magnetic layer is, for example, 0.5 to 8 nm. The second soft magnetic layer is made of, for example, a magnetic material containing at least Ni from the group consisting of Ni, Co, Fe, Ta, Cr, Rh, Mo, and Nb.
保護層25の厚さは、例えば0.5〜10nmである。保護層25の材料としては、例えばTaが用いられる。また、保護層25は、Ta層、Ru層等の組み合わせの2積層構造や、Ta層、Ru層、Ta層の組み合わせや、Ru層、Ta層、Ru層の組み合わせ等の3積層構造としてもよい。
The thickness of the
次に、図1に示した再生ヘッドの製造方法について説明する。この再生ヘッドの製造方法では、まず、絶縁層2の上に、めっき法等によって、所定のパターンの第1のシールド層3を形成する。次に、第1のシールド層3の上に、例えばスパッタ法によって、MR素子5を構成する各層となる膜を順に形成する。次に、これらの膜をエッチングによってパターニングして、MR素子5を形成する。次に、例えばスパッタ法によって、絶縁膜7a、バイアス磁界印加層6、絶縁膜7bを順に形成する。次に、MR素子5および絶縁膜7bの上に、例えばめっき法またはスパッタ法によって、第2のシールド層8を形成する。
Next, a method for manufacturing the reproducing head shown in FIG. 1 will be described. In this reproducing head manufacturing method, first, the
次に、本実施の形態に係るMR素子5および薄膜磁気ヘッドの作用について説明する。薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって記録媒体に情報を記録し、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。
Next, operations of the
再生ヘッドにおいて、バイアス磁界印加層6によるバイアス磁界の方向は、エアベアリング面20に垂直な方向と直交している。MR素子5において、信号磁界がない状態では、自由層24の磁化の方向は、バイアス磁界の方向に揃えられている。一方、強磁性層32の磁化の方向は、エアベアリング面20に垂直な方向に固定されている。
In the reproducing head, the direction of the bias magnetic field by the bias magnetic
MR素子5では、記録媒体からの信号磁界に応じて自由層24の磁化の方向が変化し、これにより、自由層24の磁化の方向と強磁性層32の磁化の方向との間の相対角度が変化し、その結果、MR素子5の抵抗値が変化する。MR素子5の抵抗値は、第1および第2のシールド層3,8によってMR素子5にセンス電流を流したときのシールド層3,8間の電位差より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
In the
次に、本実施の形態に係るMR素子5の製造方法について説明する。このMR素子5の製造方法は、下地層21まで形成された基板1に対して、磁化固定層22を形成する工程と、磁化固定層22の上にトンネルバリア層23を形成する工程と、トンネルバリア層23の上に自由層24を形成する工程と、自由層24の上に保護層25を形成する工程とを備えている。磁化固定層22を形成する工程は、下地層21の上に反強磁性層31を形成する工程と、反強磁性層31の上に強磁性層32を形成する工程とを含んでいる。トンネルバリア層23を形成する工程は、磁化固定層22の上に非磁性金属材料よりなる層を形成する工程と、この非磁性金属材料よりなる層を酸化させてトンネルバリア層23とする工程とを含んでいてもよい。あるいは、トンネルバリア層23を形成する工程は、トンネルバリア層23として、非磁性金属材料の酸化物よりなる層をスパッタ法等によって形成してもよい。
Next, a method for manufacturing the
本実施の形態では、磁化固定層22を形成する工程は、基板1の温度を0℃以上とした状態で磁化固定層22を形成し、自由層24を形成する工程は、基板1の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層22を形成する工程における基板1の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板1が冷却された状態で自由層24を形成する。以下の説明では、「基板1の温度を0℃以上とした状態」を、「基板1が冷却されていない状態」と言い、「基板1の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層22を形成する工程における基板1の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板1が冷却された状態」を「基板1が冷却された状態」と言う。自由層24を形成する工程において、基板は、例えば−73℃以下の温度になるように冷却された状態とされる。
In the present embodiment, the step of forming the magnetization fixed
また、本実施の形態において、トンネルバリア層23を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板1が冷却された状態(基板1の温度が0℃以下であって、且つ磁化固定層22を形成する工程における基板1の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板1が冷却された状態)になっていてもよい。この場合、トンネルバリア層23を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板1は、例えば−73℃以下の温度になるように冷却された状態とされる。また、トンネルバリア層23を形成する工程が、磁化固定層22の上に非磁性金属材料よりなる層を形成する工程と、この非磁性金属材料よりなる層を酸化させてトンネルバリア層23とする工程とを含む場合には、少なくとも、非磁性金属材料よりなる層を形成する工程では、基板1が冷却された状態になっていてもよい。
In the present embodiment, at least at the start of the step of forming the
上記の「0℃」と「30℃以上低い温度」の規定は、以下のような意味を持つ。スパッタ装置等の薄膜形成装置では、基板の昇温を避けるために、水冷機構を備えたものがある。磁化固定層22を形成する工程において、水冷機構によって基板1を冷却した場合には、基板1の温度は0℃以上となる。従って、磁化固定層22を形成する工程において、水冷機構によって基板1を冷却した状態というのは、「基板1の温度を0℃以上とした状態」、すなわち「基板1が冷却されていない状態」に該当する。
The above-mentioned regulations of “0 ° C.” and “temperature lower by 30 ° C.” have the following meanings. Some thin film forming apparatuses such as a sputtering apparatus are provided with a water cooling mechanism in order to avoid a temperature rise of the substrate. In the step of forming the magnetization fixed
磁化固定層22を形成する工程において、水冷機構によって基板1が0℃近くまで冷却される場合でも、「基板1が冷却された状態」は、磁化固定層22を形成する工程における基板1の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板1が冷却された状態とされるので、磁化固定層22を形成する工程における基板の状態とは明確に区別される。
Even when the
次に、磁化固定層22を形成する工程において、基板1の温度が25℃近傍の常温の状態で磁化固定層22が形成される場合を考える。この場合には、自由層24を形成する工程やトンネルバリア層23を形成する工程において、磁化固定層22を形成する工程における基板1の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板1が冷却された状態にされれば、基板1の温度は0℃以下となり、確実に「基板1が冷却された状態」となる。
Next, let us consider a case where, in the step of forming the magnetization fixed
次に、磁化固定層22を形成する工程において、基板1の温度が30℃以上の状態で磁化固定層22が形成される場合を考える。この場合には、自由層24を形成する工程やトンネルバリア層23を形成する工程において、基板1の温度が0℃以下とされれば、確実に「基板1が冷却された状態」となる。従って、この場合には、「基板1が冷却された状態」は、基板1の温度が0℃の場合も含む。
Next, let us consider a case where, in the step of forming the magnetization fixed
なお、「基板1が冷却されていない状態」と「基板1が冷却された状態」との間には、30℃以上の温度差があるので、この2つの状態が、共に基板1の温度が0℃の状態になることはあり得ない。
Note that there is a temperature difference of 30 ° C. or more between “the state where the
上述のように、本実施の形態では、基板1が冷却されていない状態で磁化固定層22を形成し、基板1が冷却された状態で自由層24を形成する。これにより、後で示す実験結果から分かるように、MR素子5のMR比を大きくし且つ自由層24の保磁力を小さくすることが可能になる。従って、本実施の形態によれば、大きなMR比と大きな磁界感度とを有すると共に、安定した出力信号が得られるMR素子5を実現することができる。
As described above, in the present embodiment, the magnetization fixed
また、本実施の形態において、トンネルバリア層23を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板1が冷却された状態となるようにすることにより、トンネルバリア層23の平滑性を向上させることができる。これにより、薄く且つ均質のトンネルバリア層23を形成することが可能になる。なお、トンネルバリア層23の平滑性を向上させる方法には、トンネルバリア層23を形成する工程のうち、少なくともその開始時点では、基板1が冷却された状態となるようにする方法以外の方法もある。例えば、トンネルバリア層23を形成する前に、トンネルバリア層23の下地となる強磁性層32の表面をプラズマ処理することによっても、トンネルバリア層23の平滑性を向上させることが可能である。
In the present embodiment, the smoothness of the
以下、本実施の形態に係るMR素子5の製造方法の効果を確認するために行った第1ないし第3の実験の結果について説明する。まず、第1の実験では、以下に示すMR素子5の試料1〜4を作製し、これらのMR比を求めた。試料1〜4は、MR素子5を構成する各層の構成は同じであるが、MR素子5を構成する各層の形成工程のうちのどの工程において基板1が冷却された状態になっているかが異なっているものである。
Hereinafter, the results of the first to third experiments performed to confirm the effect of the method for manufacturing the
試料1〜4における各層の構成は、以下の通りである。下地層21は、厚さ5nmのTa層と厚さ2nmのNiFe層の積層体である。反強磁性層31は、PtMn(Pt:50原子%、Mn:50原子%)よりなる厚さ15nmのPtMn層である。強磁性層32は、厚さ2nmのCoFe層と厚さ0.8nmのRu層と厚さ3nmのCoFe層の積層体である。なお、強磁性層32中のCoFe層は、CoFe(Co:70原子%、Fe:30原子%)よりなる。トンネルバリア層23は、Al層を酸化処理して形成された厚さ約1nmのAl酸化物層である。自由層24は、厚さ2nmのCoFe層と厚さ3nmのNiFe層の積層体である。なお、自由層24中のCoFe層はCoFe(Co:30原子%、Fe:70原子%)よりなる。保護層25は、厚さ10nmのTa層である。各層は、スパッタ法によって形成した。
The configuration of each layer in
図8は、試料1〜4の作製時において、MR素子5を構成する各層の形成工程のうちのどの工程において基板1が冷却された状態になっているかを示す説明図である。図8において、塗りつぶされたバーは、基板1が冷却された状態になっている期間を示している。図8に示したように、試料1の作製時には、反強磁性層31および強磁性層32からなる磁化固定層22の形成工程と自由層24の形成工程では基板1は冷却されていない状態になっており、トンネルバリア層23の形成工程のうち、少なくともその開始時点では、基板1は冷却された状態になっている。試料2の作製時には、自由層24の形成工程では基板1は冷却されていない状態になっており、磁化固定層22の形成工程と、トンネルバリア層23の形成工程のうちの少なくともその開始時点では、基板1は冷却された状態になっている。試料3の作製時には、磁化固定層22の形成工程、トンネルバリア層23の形成工程のうちの少なくともその開始時点、および自由層24の形成工程において基板1は冷却された状態になっている。試料4の作製時には、磁化固定層22の形成工程では基板1は冷却されていない状態になっており、トンネルバリア層23の形成工程のうちの少なくともその開始時点と、自由層24の形成工程では基板1は冷却された状態になっている。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing in which of the steps of forming each layer constituting the
なお、基板1の冷却は、以下の方法で行った。まず、基板1およびその上に形成された複数の層からなる積層体を、冷却用真空室に搬送し、この冷却用真空室内で、−223℃の温度となるように冷却された冷却トラップ上に、基板1と冷却トラップとの密着性を高めるためのシートを介して基板1を固定した。そして、この状態を、基板1の温度が−73℃以下になるまで保持した。
The
試料1〜4のMR比を下記の表に示す。なお、試料1〜4の抵抗値はほぼ等しい。
The MR ratio of
試料1と試料2のMR比を比較すると分かるように、磁化固定層22の形成工程において基板1が冷却された状態になっていると、磁化固定層22の形成工程において基板1が冷却されていない状態になっている場合に比べて、MR比が低下する。これは、磁化固定層22の形成工程において基板1が冷却された状態になっていると、磁化固定層22における結晶粒径が小さくなり、反強磁性層31と強磁性層32との交換結合によって磁化の方向を固定する効果が低下するためと考えられる。磁化固定層22の形成工程と自由層24の形成工程の両方において基板1が冷却された状態にされて作製された試料3では、試料2に比べるとMR比が大きくなっているが、試料1に比べるとMR比が小さくなっている。これに対し、磁化固定層22の形成工程では基板1が冷却されていない状態にされ、自由層24の形成工程では基板1が冷却された状態にされて作製された試料4では、他の試料1〜3のいずれよりもMR比が大きくなっている。このことから、基板1が冷却されていない状態で磁化固定層22を形成し、基板1が冷却された状態で自由層24を形成することにより、MR素子5のMR比を大きくすることができることが分かる。
As can be seen by comparing the MR ratios of
また、基板1が冷却された状態で自由層24を形成することにより、自由層24の保磁力を小さくすることが可能になる。このことを、第2の実験と第3の実験の結果を参照して詳しく説明する。
Further, by forming the
第2の実験では、以下に示す試料5〜7を作製した。試料5の構成は、MR素子5の構成に類似しているが、トンネルバリア層23の代わりにAl層が設けられている点で、MR素子5の構成とは異なる。試料6、7の構成は、MR素子5の構成になっている。試料5〜7における各層の構成は、以下の通りである。下地層21は、厚さ5nmのTa層と厚さ2nmのNiFe層の積層体である。反強磁性層31は、PtMn(Pt:50原子%、Mn:50原子%)よりなる厚さ15nmのPtMn層である。強磁性層32は、厚さ2nmのCoFe層と厚さ0.8nmのRu層と厚さ3nmのCoFe層の積層体である。なお、強磁性層32中のCoFe層は、CoFe(Co:90原子%、Fe:10原子%)よりなる。試料5におけるAl層の厚さは1nmである。試料6、7におけるトンネルバリア層23は、厚さ1nmのAl層を酸化処理して形成されたAl酸化物層である。なお、Al層の酸化処理は、酸素雰囲気中で5分間行った。試料5〜7における自由層24は、CoFe(Co:90原子%、Fe:10原子%)よりなる厚さ1nmのCoFe層である。また、試料5〜7は、自由層24の上に形成された、厚さ1nmのAl層を備えている。試料5、6では、自由層24の形成工程において基板1は冷却されていない状態になっている。試料7では、自由層24の形成工程において基板1は冷却された状態になっている。各層は、スパッタ法によって形成した。
In the second experiment,
下記の表は、試料5〜7におけるAl層の酸化処理の有無と自由層24の形成時の基板1の状態を示している。なお、下記の表において、「冷却」とは、冷却された状態を表し、「非冷却」とは、冷却されていない状態を表している。
The following table shows the presence or absence of the oxidation treatment of the Al layer in
第2の実験では、以下のようにして、試料5〜7における自由層24の状態を分析した。まず、試料5〜7について、X線光電子分光分析によって、770eVから800eVの結合エネルギーの範囲におけるスペクトルを観察した。X線光電子分光分析によって得られるCoのスペクトルでは、780eV付近において強度のピークが出現する。Coが酸化している場合には、スペクトルにおいて、Co酸化物に対応したエネルギーにおける強度が増加する。なお、Co酸化物に対応したエネルギーは、780eVよりも高い。従って、Co酸化物に対応したエネルギーにおける強度を比較することにより、試料5〜7における自由層24の酸化の程度を知ることができる。第2の実験では、試料5のスペクトルを基準にして、試料6、7のスペルトクルから、Co酸化物に対応したエネルギーにおける強度を求めた。
In the second experiment, the state of the
このようにして求めたCo酸化物に対応したエネルギーにおける強度を、図9に示す。ここでは、試料5のスペクトルを基準にしているので、試料5における強度は0になっている。試料6では、Co酸化物に対応したエネルギーにおける強度が大きくなっている。試料7では、試料6に比べて、Co酸化物に対応したエネルギーにおける強度が大幅に減少している。試料6は、Al層の酸化処理を行ってトンネルバリア層23を形成し、基板1が冷却されていない状態でトンネルバリア層23の上に自由層24を形成したものである。試料7は、Al層の酸化処理を行ってトンネルバリア層23を形成し、基板1が冷却されている状態でトンネルバリア層23の上に自由層24を形成したものである。
FIG. 9 shows the intensity at the energy corresponding to the Co oxide thus obtained. Here, since the spectrum of the
この第2の実験の結果から、以下のことが分かる。Al層の酸化処理を行ってトンネルバリア層23を形成し、このトンネルバリア層23の上に自由層24を形成すると、自由層24の酸化が生じる。これは、トンネルバリア層23から自由層24へ酸素が拡散するためであると考えられる。基板1が冷却されていない状態で自由層24を形成すると、自由層24の酸化が顕著に発生する。これに対し、基板1が冷却された状態で自由層24を形成すると、自由層24の酸化が大幅に抑制される。自由層24の酸化の程度は、自由層24の保磁力に影響を与えると考えられる。
From the result of the second experiment, the following can be understood. When the
第3の実験では、基板1が冷却された状態で自由層24を形成することによって、自由層24の保磁力を小さくすることができることを確認した。第3の実験では、以下のようにして、試料11〜16および試料21〜26を作製した。いずれの試料においても、熱酸化膜付シリコン基板の上に厚さ5nmのTa層を形成し、このTa層の上に厚さ2.5nmのCu層を形成し、このCu層の上に厚さ1nmのAl層を形成した。試料によって、このAl層の酸化処理の有無および酸化処理の時間が異なる。試料11、14、21、24では、Al層の酸化処理を行っていない。試料12、15、22、25では、酸素雰囲気中で5分間、Al層の酸化処理を行った。試料13、16、23、26では、酸素雰囲気中で10分間、Al層の酸化処理を行った。次に、いずれの試料においても、Al層(酸化処理されたものも含む)の上に厚さ3nmの磁性層を形成し、この磁性層の上に厚さ5nmのTa層を形成した。試料によって磁性層の組成と磁性層形成時の基板の状態が異なる。試料11〜16における磁性層は、CoFe(Co:90原子%、Fe:10原子%)によって形成されている。試料21〜26における磁性層は、CoFe(Co:30原子%、Fe:70原子%)によって形成されている。また、試料11〜13、21〜23では、磁性層形成時に基板は冷却されていない状態になっている。試料14〜16、24〜26では、磁性層形成時に基板は冷却された状態になっている。酸化処理されたAl層はトンネルバリア層23に対応し、磁性層は自由層24に対応する。なお、下記の表において、「冷却」とは、冷却された状態を表し、「非冷却」とは、冷却されていない状態を表している。
In the third experiment, it was confirmed that the coercive force of the
試料毎に異なる条件を、以下の表に示す。Al層の酸化処理時間が0というのは、酸化処理を行っていないことを表す。 The conditions that differ for each sample are shown in the following table. An oxidation time of the Al layer of 0 indicates that no oxidation treatment is performed.
試料11〜16の保磁力を図10に示し、試料21〜26の保磁力を図11に示す。図10および図11において、横軸はAl層の酸化処理時間を表し、縦軸は磁性層の保磁力を表している。なお、点の近傍に記載した数字は、試料の番号を表している。 The coercivity of Samples 11-16 is shown in FIG. 10, and the coercivity of Samples 21-26 is shown in FIG. 10 and 11, the horizontal axis represents the oxidation time of the Al layer, and the vertical axis represents the coercivity of the magnetic layer. The numbers written in the vicinity of the points represent the sample numbers.
図10および図11から、以下のことが分かる。まず、Al層の酸化処理を行わなかった場合には、磁性層形成時の基板の状態の違いによる磁性層の保磁力の違いはほとんどない。Al層の酸化処理を行った場合には、磁性層形成時に基板が冷却されていない状態になっていると、磁性層の保磁力は顕著に増加するが、磁性層形成時に基板が冷却された状態になっていると、磁性層の保磁力の増加が抑制される。 10 and 11 show the following. First, when the oxidation treatment of the Al layer is not performed, there is almost no difference in the coercive force of the magnetic layer due to the difference in the state of the substrate when the magnetic layer is formed. When the Al layer is oxidized, if the substrate is not cooled when the magnetic layer is formed, the coercive force of the magnetic layer increases significantly, but the substrate is cooled when the magnetic layer is formed. When in the state, an increase in the coercive force of the magnetic layer is suppressed.
第2の実験と第3の実験から、基板1が冷却された状態で自由層24を形成することにより、自由層24の酸化を抑制して、自由層24の保磁力を小さくすることできることが分かる。
From the second experiment and the third experiment, it is possible to suppress the oxidation of the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、実施の形態では、基体側に再生ヘッドを形成し、その上に、記録ヘッドを積層した構造の薄膜磁気ヘッドについて説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible. For example, in the embodiment, a thin film magnetic head having a structure in which a reproducing head is formed on the substrate side and a recording head is stacked thereon has been described. However, the stacking order may be reversed.
また、読み取り専用として用いる場合には、薄膜磁気ヘッドを、再生ヘッドだけを備えた構成としてもよい。 When used as a read-only device, the thin film magnetic head may be configured to include only the reproducing head.
また、本発明の製造方法によって製造される磁気抵抗効果素子は、薄膜磁気ヘッドにおける再生ヘッドに限らず、磁気センサ等の他の用途にも用いることができる。 Further, the magnetoresistive effect element manufactured by the manufacturing method of the present invention is not limited to the reproducing head in the thin film magnetic head but can be used for other uses such as a magnetic sensor.
1…基板、2…絶縁層、3…第1のシールド層、5…MR素子、6…バイアス磁界印加層、7…絶縁層、8…第2のシールド層、22…磁化固定層、23…トンネルバリア層、24…自由層、31…反強磁性層、32…強磁性層。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記トンネルバリア層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層と、
前記トンネルバリア層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定された磁化固定層とを備えた磁気抵抗効果素子を製造する方法であって、
基板に対して、前記磁化固定層を形成する工程と、
前記磁化固定層の上に前記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前記自由層を形成する工程とを備え、
前記磁化固定層を形成する工程は、前記基板の温度を0℃以上とした状態で前記磁化固定層を形成し、前記自由層を形成する工程は、前記基板の温度が0℃以下であって、且つ前記磁化固定層を形成する工程における基板の温度よりも30℃以上低い温度となるように基板が冷却された状態で前記自由層を形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 A tunnel barrier layer having two surfaces facing away from each other;
A free layer disposed adjacent to one surface of the tunnel barrier layer, the direction of magnetization changing according to an external magnetic field;
A magnetoresistive effect element including a magnetization fixed layer disposed adjacent to the other surface of the tunnel barrier layer and having a magnetization direction fixed;
Forming the magnetization fixed layer on the substrate;
Forming the tunnel barrier layer on the magnetization fixed layer;
Forming the free layer on the tunnel barrier layer,
The step of forming the magnetization fixed layer includes forming the magnetization fixed layer in a state where the temperature of the substrate is set to 0 ° C. or more, and the step of forming the free layer includes a temperature of the substrate of 0 ° C. or less. And the free layer is formed in a state where the substrate is cooled so that the temperature is 30 ° C. or more lower than the temperature of the substrate in the step of forming the magnetization fixed layer. .
7. The magnetization fixed layer includes an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer disposed on the antiferromagnetic layer and in contact with the tunnel barrier layer. Manufacturing method of the magnetoresistive effect element.
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