JP2007531180A - 低磁歪を有する磁気抵抗ヘッドを安定化させる積層フリー層 - Google Patents

Abstract

磁気抵読み取りヘッドは、スペーサにより少なくとも一つのピン層から離間させた少なくとも一つのフリー層を有するスピンバルブを含む。フリー層は、ＣｏＦｅ内の薄いＣｏＦｅＯｘ積層と随意選択的なＣｕ層を含む。酸素の量は、ガス全体の１０％未満である。ピン層は単層か又は副層間にスペーサを有する合成多層構造であり、前述の低磁歪材料を用いることができる。その結果、低磁歪を得て読み取り品質を改善し、かつ／又はピン層のピンニング磁界を増加する。他パラメータが悪影響を受けることはない。

Description

本発明は、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドの読み取り素子分野に関する。より詳しくは、本発明は低磁歪材料を有するフリー層付きＭＲ読み取り素子からなるスピンバルブに関する。

従来のハードディスクドライブ等の磁気記録技術では、一つのヘッドに読み取り素子と書き込み素子が備わっている。読み取り素子と書き込み素子は別個の機能を有しており、相互間に相互作用を一切伴うことなく互いに独立して動作する。

図１（ａ），（ｂ）は、従来の磁気記録方式を示す。複数ビット３とトラック幅５を有する記録媒体１は、記録媒体の平面に平行な磁化を有する。その結果、ビット３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「長手磁気記録」と呼ばれる。

情報は誘導書き込み素子９により記録媒体１へ書き込まれ、データは読み取り素子１１により記録媒体１から読み取られる。書き込み電流１７が誘導書き込み素子９へ供給され、読み取り電流が読み取り素子１１へ供給される。

読み取り素子１１は、センサ磁化方向が一つの方向から他方向へ変化する際の抵抗変化を検出することで動作するセンサである。シールド１３が媒体から入来する不要な磁界を低減し、読み取り素子１１が目下読み取り中のビット３のうちの一つに隣接ビットの不要磁束が干渉しないようにする。

前述の従来方式では、記録媒体１の面積密度は過去数年間に相当増加してきており、続く数年間に相当増加すると予想される。それに応じて、ビット密度とトラック密度は増加すると思われる。その結果、従来の読み取り素子はより高効率でかつ高速度にて増大した密度を有するこのデータを読み取ることができねばならない。

これらの要件が故に、図１（ｂ）に示す如く別の従来の磁気記録方式が開発されてきた。この従来方式では、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体の平面と直角をなす。これは、「垂直磁気記録」としても公知である。この設計は、よりコンパクトで安定した記録データをもたらす。

図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」として公知の上記磁気記録方式用の各種従来の読み取り素子を示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１は記録媒体１から記録データを読み取るセンサとして動作する。スペーサ２３が、フリー層２１とピン層２５の間に配置してある。ピン層２５の他側には、反強磁性（ＡＦＭ）層２７が存在する。

図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置は逆転している。図２（ａ）〜（ｂ）に示した従来のスピンバルブの動作はほぼ同様であるが、以下にさらに詳しく説明する。

ピン層２５の磁化方向が固定されているのに対し、フリー層２１の磁化方向は例えば（限定はしないが）記録媒体１等による外部磁界の影響に応じて変化させることができる。

外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化は変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正であるときはフリー層の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負であるときはフリー層の磁化は下向きに回転させられる。さらに、印加する外部磁界がフリー層２１の磁化方向をピン層２５と同様に整列させるよう変化させた場合、そのときは層間抵抗は低く、電子はこれらの層２１，２５間をより簡単に移動することができる。

しかしながら、フリー層２１がピン層２５とは逆の磁化方向を有する場合は、層間抵抗は高いものとなる。この高抵抗が生ずるのは、電子が層２１，２５間を移動するのがより困難であるからである。

外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が交換結合をもたらし、ピン層２５の磁化を固定されたままとする。ＡＦＭ層２７の特性は、その中の材料の性質に起因するものである。従来技術では、ＡＦＭ層２７は通常ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎである。

抵抗は層２１，２５が平行であるときに変化し、高感度読み取り素子を有するには反平行ΔＲを高くしなければならない。ヘッド寸法が低下すると、読み取り素子の感度は益々重要となり、特に媒体磁束の大きさが減るときは重要となる。かくして、従来のスピンバルブの層２１，２５間での高抵抗変化ΔＲに対する要求が存在する。

図２（ｃ）は、従来の複式型スピンバルブを示す。層２１〜２５は、図２（ａ）〜（ｂ）について上記したものとほぼ同じである。しかしながら、追加の層２９がフリー層２１の他側に配設してあり、その上に第２のピン層３１と第２のＡＦＭ層３３が配置してある。複式型スピンバルブは、図２（ａ）〜（ｂ）を参照して前記したのと同じ原理に従って動作する。しかしながら、第２のピン層３１が供給する余分な信号が抵抗変化ΔＲを増大させる。

図６は、図１（ａ）に示した従来の長手磁気記録方式の場合の前述の原理を図解して示すものである。センサが記録媒体を横切って移動すると、隣接ビットに対しシールドされたビット間の境界における記録媒体の磁束がフリー層に対し磁束を供給し、それが従来のスピンバルブの原理に従って機能する。

従来のスピンバルブの動作を、ここでより詳しく説明する。記録媒体１内では、磁束は隣接ビットの極性に基づいて生成される。二つの隣接ビットがそれらの境界で負極性を有する場合、磁束は負となる。他方で、ビットが共にその境界で正極性を有する場合、磁束は正となる。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決定する。

ピン層が単層である前述の従来のスピンバルブに加え、図３は従来の合成スピンバルブを示す。フリー層２１とスペーサ２３とＡＦＭ層２７は、上記したものとほぼ同じである。図３中、フリー層の一つの状態だけが図示してある。しかしながら、ピン層はさらにスペーサ３９により第２の副層３７から隔絶された第１の副層３５を含む。

従来の合成スピンバルブでは、第１の副層３５はピン層２５に関する前述の原理に従って動作する。加えて、第２の副層３７は第１の副層３５に対し逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層の全モーメントは第１の副層３５と第２の副層３７との間の反強磁性結合のお陰で減少する。合成スピンバルブは零に近い全磁束をもったピン層を有し、かくして単層ピン層構造よりも大きな安定性と高いピンニング磁界を得ることができる。

図４は、シールド構造を有する従来の合成スピンバルブを示す。上記した如く、所与のビットの読み取り期間中に隣接ビットからの不要磁束の検出を防止することは重要である。フリー層２１の上面には保護層４１が配設してあり、個別システム内での電気メッキによりトップシールド４３の成膜前にスピンバルブが酸化しないよう保護している。同様に、ＡＦＭ層２７の下面にはボトムシールド４５が配設してある。図４には図示していないバッファ層を、通常良好なスピンバルブ成長を目的にＡＦＭ層２７の前に成膜する。シールドシステムの効果は、前記した如く図６に図示してある。

図５（ａ）〜（ｄ）に示す如く、４種の従来のスピンバルブが存在する。スピンバルブの型は、スペーサ２３の構造に基づき構造的に変化する。

図５（ａ）に示した従来のスピンバルブはスペーサ２３を導体として使用しており、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型スピンバルブ用の図１（ａ）に示した従来のＣＩＰ方式に用いられる。「ｉ」で表わされる磁化電流検出方向は、ＧＭＲ素子の平面内にある。

従来のＧＭＲスピンバルブでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（すなわち、スピン状態）が平行であるときに抵抗は最小化され、磁化方向が反対であるときに最大化される。前記した如く、フリー層２１は方向を変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲ構造はピン層磁化の不要な切り替えを最小化することでヘッド出力信号の擾乱を防止する。

ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極の程度及びそれらの磁気モーメント間の角度に依存する。スピン分極は、フリー層とピン層それぞれのスピン状態（上向き又は下向き）間の差異に依存する。

ここで、ＧＭＲ方式をさらに詳しく説明することにする。ビット遷移を示す磁束をフリー層２１が受け取ると、フリー層磁化は磁束の方向に従って一方向又は他方向へ小角度だけ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗変化は、フリー層２１とピン層２５のモーメント間の角度に比例する。抵抗変化と読み取り素子の効率との間には、ある関係が存在する。

ＧＭＲスピンバルブは、各種要件を有する。例えば、限定はしないが、高出力信号の生成には大抵抗変化ΔＲが必要である。さらに、小媒体磁界もまた検出できるよう、低保磁力が望ましい。高いピンニング磁界強度をもたせることで、ＡＦＭ構造は良好に規定される。層間結合が低いときは、検出層がピン層により悪影響を受けることはない。さらに、フリー層上の歪を最小化するには低磁歪が望ましい。

しかしながら、前述の従来のＣＩＰ−ＧＭＲは様々な欠点を有する。それらのうちの一つは、フリー層に接続した電極は寸法を減らさねばならず、そのことが過熱を引き起こしてヘッドに害を及ぼすことになる点である。また、ＣＩＰ−ＧＭＲから得られる読み出し信号はＭＲヘッド幅に比例する。その結果、高記録密度ではＣＩＰ−ＧＭＲに対する限界が存在する。

その結果、従来の磁気記録方式は検出電流がスピンバルブ平面に平行に流れるＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを使用している。ＣＰＰモードでは、センサ幅が減るにつれて信号は増大する。ＣＰＰ方式で動作する様々な従来技術が図５（ｂ）〜（ｄ）に示してあり、以下により詳しく説明する。

図５（ｂ）は、ＣＰＰ方式用の従来のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブを示す。ＴＭＲスピンバルブでは、スペーサ２３は絶縁体すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、電子はフリー層からピン層或いはその逆へ絶縁スペーサ２３を横断することができる。ＴＭＲスピンバルブは、約３０〜５０％台の増大したＭＲを有する。

図５（ｃ）は、従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブを示す。ＧＭＲの一般の概念はＣＩＰ−ＧＭＲに関して前記したものと同様であるが、電流は平面沿いにではなく平面に垂直に転送される。その結果、抵抗及び固有ＭＲにおける差異はＣＩＰ−ＧＭＲよりも相当に大となる。

従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、大きな抵抗変化ΔＲと高周波応答性を有する適度の素子抵抗とに対する必要性がある。小媒体磁界が検出できるよう、低保磁力もまた必要である。高いピンニング磁界もまたもたねばならない。ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。

図５（ｄ）は、従来のバリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブを示す。絶縁体として動作するスペーサ２３内では、強磁性域４７がピン層２５をフリー層２１に接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。その結果、このナノコンタクト内に作成される磁壁で散乱する電子により相当に高いＭＲがある。他の要因には、強磁性体のスピン分極とＢＭＲスピンバルブとナノコンタクトする領域の構造とが含まれる。

しかしながら、従来のＢＭＲスピンバルブは開発されて日が浅い。さらに、ナノコンタクト形状と寸法の制御性ならびに磁壁の安定性をさらに発展させねばならない点でＢＭＲスピンバルブには従来技術の問題が存在する。加えて、ＢＭＲ技術の反復性が依然として高い信頼性をもって示さねばならない。

図５（ａ）〜（ｄ）の前述の従来のスピンバルブでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲでは絶縁体、ＧＭＲでは導電体、ＢＭＲではナノ寸法の磁性コネクタを有する絶縁体である。従来のＴＭＲスペーサは概ねアルミナ等の絶縁金属で出来ているが、従来のＧＭＲスペーサは概ね銅等の導電性金属で出来ている。

図７（ａ），（ｂ）は、ＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブとＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの間の構造的差異を示す。図７（ａ）に示す如く、ＧＭＲスピンバルブの側面にはハードバイアス９９８が存在し、ＧＭＲの上面には電極９９９が存在する。ギャップ９９７もまた、必要である。図７（ｂ）に示す如く、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、検出電流が薄膜の膜厚方向にのみ流れることのできるスピンバルブの側面に絶縁体１０００が成膜してある。さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブにはギャップは一切不要である。

その結果、電流はそこを流れるずっと大きな面積を有し、シールドはまた電極としても機能する。それ故、過熱問題は軽減される。

さらに、スピンバルブの層のスピン分極は材料の電子構造に本質的に関係するものであり、比較的高抵抗率の材料が抵抗変化ΔＲの増分を導くことができる。従って、未だ満たされていない需要があり、それは、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造内の働きについて必要な特性と膜厚を有する材料である。

従来のＣＰＰ−ＧＭＲ構造の能力に関する追加の要因を、以下に提示する。エム・ツォイ（Ｍ．Ｔｓｏｉ）等著、「Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８０，４２８１（１９９８年）、ジェイ・シー・スロンチェフスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）著、「Ｊ． Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、１９５，Ｌ２６１（１９９９年）、ジェイ・エイ・カチン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）等著、「Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８４，３１４９（２０００年）、およびエム・アール・プファール（Ｍ．Ｒ．Ｐｕｆａｌｌ）等著、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８３（２），３２３（２００３年）を含む様々な従来の研究が、磁化スイッチングに対する電子スピン分極の影響を実証してきており、その内容は本願明細書に参照用に取り込むものとする。

従来の研究では、固有特性とスピン転移スイッチングとの間の相関が検討されてきた。また、磁化スイッチングの動的応答も研究されてきた。結論としては、高周波（例えば、ＧＨｚ）における磁化の高速スイッチングに関与するヘッド（センサ）の能力は、記録情報（高データレート）の高速読み取りにとって重要である。

記録媒体ビット寸法が減るにつれ、より薄いフリー層もまた必要になる。従来の技術では、約１５０ＧＢ／ｉｎ^２の記録密度を有するセンサに対し３ｎｍ未満の膜厚を有するフリー層の必要性が目下存在する。今後も、フリー層の膜厚を減らす必要性が持続するものと考えられる。記録ヘッド読み取り素子技術において、益々小型化したビットを非常に高い周波数（すなわち、高いデータレート）で検出する必要性もまた存在する。

磁歪（λ_Ｓ）は、外部磁界の印加時に通常フリー層及び／又はピン層内で発生する強磁性材の寸法或いは形状の小さな変化である。磁歪は、異方性磁界の増大に通ずる。フリー層内の強磁性材は結晶性であるため、外部磁界は増大した歪を及ぼし、その結果格子は拡大する。

図８（ａ）〜（ｂ）は、磁歪に起因する磁化構造の変化を示す。磁区構造は、減磁された状態を表わす。図８（ａ）に示す如く、外部磁界が存在しないときは、寸法や形状に変化は無い。しかしながら、図８（ｂ）に示す如く、外部磁界を印加したときは強磁性材料の寸法及び／又は形状に変化が生ずる。

一般に、フリー層は磁気異方性を有し、容易軸は良好に規定される。しかしながら、フリー層が高磁歪を有すると、そのときは外部磁界が引き起こす増大した歪が原因で容易軸のばらつきが発生する。このばらつきが容易軸を変え、そのことが記録媒体からの読み取り処理中にノイズを生み出す。かくして、読み取り品質は低下する。

同様に、磁歪がピン層に影響を及ぼすことがある。上記原理に従い高磁歪が不安定性を招き、ピン層におけるピンニング磁界の低減を招くことがある。

磁気抵抗効果に基づく従来の磁気ヘッド及び磁気メモリは、フリー層が２０Ｏｅ未満の保磁力、高いスピン分極、低い異方性と低い磁歪とを有する。加えて、安定性と耐外乱性とピン層交換結合性に関する特性を考慮しなければならない。

パーマロイＮｉ_８０Ｆｅ_２０（Ｐｙ）が、その軟磁性、低い磁歪と比較的大きなスピン分極が故にスピントロニクス・デバイスに幅広く用いられてきた。従来技術の磁気抵抗ヘッドは上記の従来のスピンバルブ構造を用いているため、フリー層は全部或いは少なくとも一部をＰｙにて作成される。

磁気抵抗変化率（ＭＲ）を増大させ得る高スピン分極材料に対する絶えなき要求のお陰で、フリー層にＣｏＦｅがＰｙよりも効果的であることが分かってきた。しかしながら、従来のＣｏＦｅフリー層は磁歪λ_Ｓが大きいという欠点を有する。その結果、強磁性材料の構造は歪む。

ＣｏＦｅだけを用いるスピンバルブは、ＮｉＦｅしかもたないフリー層よりも良好なＭＲを有するＮｉＦｅ／ＣｏＦｅのフリー層で構成するよりも良好なＭＲを有する。従来のＮｉＦｅフリー層は、低スピン分極と低ΔＲを含む様々な問題がある。

今日までの最良の従来のＣｏＦｅは、同様に高いＭＲを有するＰｙに比べその低保磁界Ｈ_ｃのお陰でＣｏ_９０Ｆｅ_１０である。Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０自体は、他の鉄リッチのＣｏＦｅ合金に比べ比較的低い磁歪を有するが、従来のスピンバルブ構造では、Ｃｕ等の非磁性スペーサ上へＣｏ_９０Ｆｅ_１０を成膜するとＣｏ_９０Ｆｅ_１０の格子定数を歪ませ、バルクの値と異なってしまう。さらに、ＣｏＦｅの磁歪は依然として高すぎて従来の磁気抵抗ヘッドの要件に合致しない。

従って、従来の問題である出力の低下、ノイズの増大、及び／又はスピンニング磁界強度の低下を防ぐために、正の低磁歪λ_Ｓを持たせる必要が存在する。

磁気抵抗は、印加外部磁界の関数である。図９は、従来の合成スピンバルブに関するこの関係を示す。Ｈ_ｐｉｎは、ＡＦＭ層とピン層の間の交換結合磁界である。それは、半値ＭＲ変化率を測定する磁界として規定される。

図１０に示す如く、印加する小磁界（低磁界計測値）では、Ｈ_{ｉｎｔｅｒ}で表わされる層間結合磁界はピン層とフリー層の間の磁界となる。ヘッドとＭＲＡＭ応用分野では小さな層間結合が必要とされ、それはフリー層が外部磁界と安定化器の基で動作するからである。

かくして、外部磁界の印加時にフリー層に対する歪の影響を低減する上で、（これらに限定はしないが）低保磁力や適度の抵抗や低磁歪を含む磁気抵抗ヘッドに関する従来の要件が存在する。

従来技術には、様々な問題と欠点が存在する。例えば、限定するものではないが、大きな磁歪に関連する従来技術のノイズ問題が上記に記載されている。前述の従来技術の結果として、信号対ノイズ比は減少する。

従って、フリー層の磁化が媒体磁束によってのみ応答されるような、高磁歪が引き起こす従来技術の問題を最小化する技術の必要性が存在する。

本発明の一つの目的は、少なくとも従来技術の前述の問題と欠点とを克服することにある。しかしながら、本発明では必ずしもこれらの問題や欠点を克服する必要はなく、また全ての問題や欠点を克服する必要もない。

少なくともこの目的と他の目的を達成するため、記録媒体の読み取り用でスピンバルブを有する磁気センサを提供する。磁気センサには、外部磁界に応答して磁化の調整が可能なフリー層と、固定磁化を有するピン層と、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサと、このスペーサとは反対側のピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層とが含まれる。ＡＦＭ層はピン層磁化を固定し、フリー層とピン層の少なくとも一方が第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層の間に挟持した第１のＣｏＦｅＯｘ層を備える。

本発明の上記及び他の目的ならびに利点は添付図面を参照してその好適な例示実施形態を詳しく説明することでより明らかになるものであり、幾つかの図面を通じ同様の参照符号は同様の又は対応する部分を指す。

ここで添付図面を参照し、本発明の好適な実施形態の説明を提示することにする。

本発明の例示的な非限定の実施形態では、正の低磁歪をもったフリー層を有する磁気抵抗ヘッドのための新規のスピンバルブを配設し、改善されたスピンバルブを得る。

より具体的には、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０合金はＮｉＦｅ積層体或いはＮｉ置換体を用いることなくフリー層内に用いられる。さらに、限定はしないが抵抗や保磁力やＭＲ変化率等の他の磁気特性を殆ど変えることのないまま、非常に小さな大きさの磁歪の調整用に膜厚が２オングストローム未満の薄層のＣｏＦｅＯｘを含む。

酸素濃度及び／又はＣｏＦｅＯｘ積層の膜厚を調整することで、幅広い磁歪値が得られる。磁歪は、従来技術構造の負値から正値へ切り替えられる。

前述の方式はピン層においても使用でき、何故ならＣｏＦｅを有するピン層はフリー層と同じ磁歪ならびに安定性を有するからである。例えば、限定はしないが、ピン層内の従来技術の磁気問題はピンニング磁界（すなわち、ＡＦＭ層との交換結合）の低減である。

本発明の別の例示的な非限定の実施形態では、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０／Ｃｕ）積層フリー層を備える薄膜Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０Ｏｘ層が５オングストローム未満のＣｕ層膜厚を有する。この方式は、従来技術のＣＰＰスピンバルブにとって適切である。増大した境界面の数が、平行と反平行の磁気構造間の増大した抵抗変化ΔＲに貢献する。

図１１は、本発明の例示的な非限定の実施形態を示す。非磁性スペーサ１０３によりピン層１０２から隔絶したフリー層１０１を有するスピンバルブが、配設してある。さらに、反強磁性（ＡＦＭ）層１０４をピン層１０２の他側に配置し、バッファ１０５をＡＦＭ層１０４の下側に配置してある。バッファ層１０５は、その上に成膜された層に対し所望の成長条件をもたらす。

キャップ層１０７は好ましくは銅（Ｃｕ）で出来ていて、フリー層１０１の上に配置してある。さらに、ボトムリード１０６とトップリード１０８が電流検出フロー用に設けてある。

フリー層１０１は、キャップ層１０７下側の第１のＣｏＦｅ層１０９と、第１のＣｏＦｅ層１０９下側の少なくとも一つのＣｏＦｅＯｘ積層１１０と、ＣｏＦｅＯｘ積層１１０下側の第２のＣｏＦｅ層１１１とを含む。第１と第２のＣｏＦｅ層１０９，１１１は好ましくはＣｏ_９０Ｆｅ_１０で出来ており、ＣｏＦｅＯｘ積層１１０は好ましくは同様にＣｏ_９０Ｆｅ_１０で出来ている。しかしながら、前述の割合は元来が近似的なものであり、ＣｏとＦｅがほぼ同様か又は同じ割合を有する材料を前述の割合に代用し又は組み合わせて用いることができる。本発明では、ＣｏＦｅＯｘを用いるときは常にｘは１又は２に等しく、酸素分子の酸化を表わす。ここで、ｘに関する値１や２は、それぞれＣｏＦｅＯｘ成膜期間中のアルゴンガスと共に含有する２％と４％を指す。

図１１に示したこの例示的な非限定の実施形態内の電流は、ＣＰＰ方式の如く膜厚の方向へ流れるが、この構成はＣＩＰ方式用にも用いることができる。ＣＩＰ方式の使用に必要なヘッド全体に対するどんな改変も、従来技術で公知である。

図１２は、本発明の別の例示的な非限定の実施形態を示す。図１１について前記したのとほぼ同じ図１２のこれらの部分の説明は、繰り返さない。

フリー層１０１内では、第１のＣｏＦｅ層１０９と第２のＣｏＦｅ層１１１上のＣｏＦｅＯｘ層１１０とに加え、多層構造１１２が配設してある。この多層構造は、（限定はしないが）第１のＣｏＦｅ層１０９の下側に配置した別のＣｏＦｅＯｘ積層１１３とＣｏＦｅＯｘ積層１１３の下側に配置した別のＣｏＦｅ層１１４とが含まれる。前述の第１の実施形態と同様、ＣｏとＦｅは約Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０の割合でもって配設してある。

図１２には単一の多層１１２だけを示したが、追加の多層を用いることもできる。さらに、図１１と図１２の前述の実施形態のいずれもフリー層１０１だけでなくピン層１０２内にも使用できる。ピン層１０２に対するこの種の適用の結果、磁歪は減り、ＡＦＭ層１０４とピン層１０２の間の交換結合は改善されることになろう。

本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態が、図１３に示してある。トップリード１０８は、前記と同じである。しかしながら、キャップ層は備わっていない。その代わりに、フリー層１０１はスペーサ１０３上側の第２のＣｏＦｅ層１１１や第２のＣｏＦｅ層１１１上側のＣｏＦｅＯｘ積層１１０だけでなく、トップリード層１０８下側の前述の第１のＣｏＦｅ層１０９もまた含む。

加えて、第１の薄いＣｕ積層１１５が第１のＣｏＦｅ層１０９と第３のＣｏＦｅ層１１６の間に配置してあり、第２の薄いＣｕ積層１１７が第３のＣｏＦｅ層１１６と第４のＣｏＦｅ層１１８の間に配置してあり、層１１８はＣｏＦｅＯｘ層１１０上側に配置してある。前述の実施形態と同様、これらの層内のＣｏＦｅの割合はほぼＣｏ_９０Ｆｅ_１０である。

図１４は、本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態を示す。図１３について前記したものとほぼ同様の本発明部分は、ここでは繰り返さない。

フリー層１０１内には、多層構造１２１が配設してある。多層構造は、（限定はしないが）第３のＣｏＦｅ層１１６の下側に位置する別のＣｏＦｅＯｘ積層と、別のＣｏＦｅＯｘ積層１１９の下側、すなわち第２の薄いＣｕ層１１８の上側に位置する第５のＣｏＦｅ層１２０とを含む。前述の第１の実施形態と同様、ＣｏとＦｅはほぼＣｏ_９０Ｆｅ_１０の割合で配設してある。

図１４には単一の多層１２１だけを示したが、追加の多層を用いることもできる。さらに、図１３と図１４のいずれの前記実施形態も、フリー層１０１内だけでなくピン層１０２内にも使用できる。ピン層１０２に対するこの種の適用の結果、磁歪は減り、ＡＦＭ層１０４とピン層１０２の間の交換結合は改善されよう。

前述の全ての実施形態において、すなわち配設した各種ＣｏＦｅＯｘ酸化層内では、酸化率はその中に供給したアルゴンガスに対し約１０％未満である。さらに、全ての場合において積層ＣｏＦｅＯｘの膜厚は約５Å未満であり、Ｃｏ_１−ｘＦｅ_ｘから作成でき、ここで組成において２０％の余裕をもってｘは１００，５０，３０，２０，１０％とされる。

様々な実施形態における本発明の能力を示す各種実験結果を、以下により詳しく説明する。

表１は、試料Ａ〜Ｄの様々なスピンバルブ構造間の比較を示す。試料Ａは、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０フリー層を含む従来のスピンバルブ構造である。試料Ｂ，Ｄは、図１１とほぼ同様の実施形態を表わし、試料Ｃは図１２とほぼ同様の実施形態を表わす。試料Ｂ，Ｃ中、酸素量は全ガス圧の約２％である。

フリー層１０１はその膜厚と副層の膜厚の点で変更したが、スピンバルブの他の層は従来技術とほぼ同じである。層の膜厚は、オングストロームで示してある。

バッファとＡＦＭとピン層は、全ての実施形態で同じである。酸素量は、これらの試料にあっては全ガス圧の約２％である。

表２は、固有特性で見た各種フリー層の性能を示す。試料Ａの従来のフリー層は、望ましくない高い負の磁歪を有する。試料Ｂ〜Ｄの全ては、正の磁歪値を有する。しかしながら、試料Ｄは正の最低磁歪値を有する。フリー層内のＣｏＦｅＯｘ層の挿入は磁歪の大きな影響を及ぼす。ＣｏＦｅ層１０９，１１１とＣｏＦｅＯｘ積層１１０の膜厚を最適化することで、磁歪は最小化することができる。

積層の位置は、重要なパラメータである。見て分かるように、試料Ｄは６．３×１０^−７の磁歪を有し、その磁気特性は試料Ａに殆ど等しい。試料ＢとＤの間の唯一の差異は、フリー層内部のＣｏＦｅＯｘの位置である。かくして、試料Ｂ〜Ｄは他のパラメータに影響を及ぼすことなく優れた磁歪を得る。

図１５はさらに、この関係を示す。試料Ｂ，Ｄ内の単一ＣｏＦｅＯｘ構造を有するフリー層構造は、これらのスピンバルブ構造が磁歪の低減に有効であるように見える。

前述に基づき、ＣｏＦｅＯｘ酸化層の追加はフリー層の結晶性成長を変えることが分かる。さらに、層の相対的膜厚と酸化層内の酸素比とが磁気特性を最適化する上で重要である。

図１３と図１４に示す本発明の例示的な非限定の実施形態では、フリー層はＣｏＦｅ／Ｃｕと共に積層してある。表３に示す如く、試料Ｅ内の従来技術の如く所定の積層フリー層（ＣｏＦｅ／Ｃｕ）について実験を行い、試料Ｆ〜Ｈでは本発明の各種実施形態の如く薄いＣｏＦｅＯｘ層をその中に挿入した。

試料Ｆ，Ｈは単層構造を使用しているが、試料Ｇは多層構造を使用している。しかしながら、試料ＦはＣｏＦｅＯ_１層を有し、試料Ｈはスペーサに最も近い側にＣｏＦｅＯ_２を有する。かくして、試料ＦとＨとの間の主要な差異は試料Ｈ内のより高い酸化率である。表１中の如く、ＣｏＦｅは概ねＣｏ_９０Ｆｅ_１０を指す。しかしながら、本発明はそれに限定はされない。

表４は、その構造を表３について図示し前記した試料Ｅ〜Ｈの性能を示す。この性能は、固有特性について記載してある。

たった一つのＣｏＦｅＯｘの挿入が、磁歪を約−１×１０^−５（基準試料Ｅ）から約５×１０^−７（試料Ｆ）へ低減する。かくして、磁歪は従来技術の試料Ｅについてより低くかつ正となる。他の磁気特性は、殆ど不変である。

試料Ｈは、低減されたＨ_ｃと、さらに若干良好なＭＲ変化率とＨ_ｐｉｎを示す。しかしながら、λ_ＳはＣｏＦｅＯｘ付きＣｏＦｅの積層に強く依存し、試料Ｆよりも試料Ｈの方が相当に高い。図１６は、表３，４に示した試料Ｅ〜Ｈに関するフリー層構造についての磁歪の依存性を図解するものである。

本発明の各種実施形態では、約５×１０^−６未満の磁歪がもたらされる。層の膜厚と構成に応じ、磁歪は約１０^−７未満とすることができる。

図１７は、結合エネルギスペクトルで見たＣｏＦｅ（従来技術の約３ｎｍ膜厚）だけのフリー層とＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＯｘフリー層の間の差異を示す。これらの薄膜構造は、以下表５内に示してある。図１７の結果は、Ｃｕの上に成膜されたＣｏＦｅ成長に対するＣｕ効果の途絶により説明することができる。具体的には、ＣｏＦｅをＣｕスペーサ上に直接成膜すると、Ｃｕが原因でＣｏＦｅの格子パラメータに偏差が存在する。この薄いＣｏＦｅＯｘ層は、ＣｕとＣｏＦｅとの間のこの依存関係を破壊或いは低減することができる。

図１７に示す如く、試料１，２のＸＰＳスペクトルはＣｏの結合エネルギに対応する７８２ｅＶにおいて極めて異なる。ＣｏＦｅの構造は、ＣｏＦｅＯｘ層を含ませたことで変化したように推測される。

本発明の前述の例示的な非限定の実施形態のいずれについても、追加の変形例もまた設けることができる。例えば、限定はしないが、ピン層１０２は従来技術について記載した如く、合成層或いは単層のいずれにもできる。

また、図１１〜図１４はボトム型スピンバルブを示すものであるが、本発明はそれに限定されず、それを追加の実施形態で置き換えることもできる。例えば、限定するものではないが、当業者には理解される如く、前述の構成はトップ型或いはボトム型のスピンバルブとすることもできる。

さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲやＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブ等のＧＭＲ応用分野にスピンバルブを用いるときに、スペーサ１０３は導電性とする。ＴＭＲ応用分野では、スペーサ１０３は絶縁体とする。従来技術について前記した如く一本の結線を配設するときは、ＢＭＲ型ヘッドを用いることができる。また、スペーサは導電性材料と非導電性材料の混合物を含むものでもよい。

加えて、絶縁体とセンサの上面及び／又は側面上の積層とハードバイアスの一方を有する安定化方式を提供することができる。

さらに、フリー層１０１とピン層１０２とそれらの様々な例示的な非限定の実施形態以外の層のあらゆる既知の組成は、（それらに限定はしないが）従来技術に関連して前記したものを含め使用することができる。例えば、限定はしないが、合成ピン層や単層ピン層を用いることができる。これらの他の層の組成は当業者には公知であるため、簡便さに配慮し、それは本発明の詳細な説明において繰り返さないことにする。

本発明は、様々な効果を有する。例えば、限定はしないが、センサの他の特性には殆ど影響を与えずに正の低磁歪が得られる。その結果、ノイズが低減された故に信号対ノイズ比は改善される。前述の構造をピン層にも適用したときに、ピンニング磁界の強度は相当に改善される。

本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定する本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく本発明に対し多数の改変をなすことができることは、熟慮されたい。

本発明は、様々な産業上の利用可能性を有する。例えば、それはコンピュータ装置やマルチメディアシステムや携帯通信装置や関連周辺装置のハードディスクドライブ等の磁気記録媒体を有するデータ記憶装置に用いることができる。しかしながら、本発明はこれらの用途に限定はされず、当業者が検討することのできる他の任意の用途もまた用いることができる。

（ａ）と（ｂ）はそれぞれ平面内磁化と対平面垂直磁化を有する従来技術の磁気記録方式を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来技術のボトムスピンバルブとトップスピンバルブと複式スピンバルブを示す図である。 従来技術の合成スピンバルブを示す図である。 遮蔽構造を有する従来技術の合成スピンバルブを示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来技術の磁気読み取り素子スピンバルブシステムを示す図である。 従来技術のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来技術のＣＩＰ−ＧＭＲ構造とＣＰＰ−ＧＭＲ構造を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は従来技術の強磁性層に適用した従来技術の磁歪原理を示す図である。 Ｈ_ｐｉｎの派生を示す図である。 Ｈ_{ｉｎｔｅｒ}の派生を示す図である。 本発明の例示的な非限定の実施形態を示す図である。 本発明の別の例示的な非限定の実施形態を示す図である。 本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態を示す図である。 本発明のまたさらに別の例示的な非限定の実施形態を示す図である。 従来技術と対照させた本発明の例示的な非限定の実施形態になるフリー層の能力に関する実験結果を示す図である。 従来技術と対照させた本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるフリー層の能力に関する実験結果を示す図である。 従来技術と対照させた本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態の結合エネルギを示す図である。

Claims (19)

1. 記録媒体読み取り用スピンバルブを有する磁気センサであって、
   外部磁界に応答して磁化方向の調整が可能なフリー層と、
   固定磁化を有するピン層と、
   前記ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサと、
   前記スペーサに対向させて前記ピン層表面に配置されて前記固定磁化を安定化させる反強磁性（ＡＦＭ）層を備え、前記フリー層と前記ピン層の少なくとも一方が第１のＣｏＦｅ層と第２のＣｏＦｅ層の間に挟持した第１のＣｏＦｅＯｘ層を備えることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１のＣｏＦｅＯｘ層の前記ｘはその中の含有酸素量であり、ＣｏＦｅＯｘ層の酸化に使用する前記酸素とアルゴンの混合比について１０％未満とした、請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第１のＣｏＦｅＯｘ層は約２オングストローム未満の膜厚を有する、請求項１記載の磁気センサ。
4. 前記スペーサに積層する前記第１のＣｏＦｅ層の膜厚を前記第２のＣｏＦｅ層の膜厚に対し最適化し、前記磁気センサが約５×１０^−６未満の正磁歪を有するようにし、前記第１のＣｏＦｅ層の前記膜厚を約２０オングストロームとし、前記第２のＣｏＦｅ層の前記膜厚を約９オングストロームとした、請求項１記載の磁気センサ。
5. 前記フリー層の前記第１のＣｏＦｅ層とトップリードとの間に挟持したキャップ層と、
   前記ＡＦＭ層とボトムリードとの間に挟持したバッファで、前記トップリードと前記ボトムリードとの間を検出電流が流れる前記バッファとをさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
6. 前記キャップ層はＣｕで構成した、請求項５記載の磁気センサ。
7. 少なくとも一つの多層で、
   前記第１のＣｏＦｅ層下側の第２のＣｏＦｅＯｘ副層と、
   前記第２のＣｏＦｅＯｘ層と前記第１のＣｏＦｅＯｘ層との間の第３のＣｏＦｅ副層とを備える前記多層をさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
8. 前記第１のＣｏＦｅＯｘ層のうちの少なくとも一つの酸化率を約１０パーセント未満とした、請求項１記載の磁気センサ。
9. Ｃｏに対するＦｅの百分比は、前記第１のＣｏＦｅＯｘ層と前記第１のＣｏＦｅ層と前記第２のＣｏＦｅ層のうちの少なくとも一つで１００，５０，３０，２０，１０パーセントのうちの一つとした、請求項１記載の磁気センサ。
10. 前記第１のＣｏＦｅＯｘ層において酸素分圧を全ガス圧力の約２パーセントとする、請求項１記載の磁気センサ。
11. 側面シールドと前記磁気センサを付勢する手段とを含む安定化器をさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
12. 前記ピン層は合成層と単層のうちの一方とした、請求項１記載の磁気センサ。
13. 前記スピンバルブはトップ型とボトム型と複式型の一つであり、前記ピン層は（ａ）単層と（ｂ）その副層間にスペーサを備える多層のうちの一方とした、請求項１記載の磁気センサ。
14. 前記スペーサは、
    （ａ）トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）スピンバルブに使用する絶縁体と、
    （ｂ）巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）スピンバルブに使用する導体と、
    （ｃ）磁性ナノ寸法で前記ピン層と前記フリー層の間を接続する、バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁体、
    のうちの一つとした、請求項１記載の磁気センサ。
15. 前記記録媒体は該記録媒体の平面に（ａ）垂直か（ｂ）平行のうちの一方の磁化方向に前記磁束を生成する、請求項１記載の磁気センサ。
16. 少なくとも一つの多層構造をさらに備え、該多層構造の各層がＣｏＦｅを含む中間層に隣接配置した第１のＣｕ層を含む、請求項１記載の磁気センサ。
17. 前記中間層は第３のＣｏＦｅ層を備える、請求項１６記載の磁気センサ。
18. 前記ｘは１に等しく、総ガス量内の２％酸素に対応し、前記磁気センサのＭＲ変化率は、前記スペーサに対向する前記第１のＣｏＦｅ層の膜厚が約９オングストロームで、前記第１のＣｏＦｅＯｘ層の膜厚が約２オングストロームで、前記第３のＣｏＦｅ層の膜厚が約９オングストロームで、前記第１のＣｕ層の膜厚が約２オングストロームであり、前記第２のＣｏＦｅ層の膜厚が約１０オングストロームであるときに、約１１％を上回る、請求項１７記載の磁気センサ。
19. 前記中間層は第３のＣｏＦｅ層と第４のＣｏＦｅ層の間に挟持した第２のＣｏＦｅＯｘ層を備える、請求項１６記載の磁気センサ。

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