JP2007531182A - 膜面垂直通電モード磁気抵抗ヘッド用安定化器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

磁気抵抗ヘッドの読み取り素子は、安定化硬質バイアスを有するセンサでその側部に側部シールドを有し、隣接ビット及びトラックからの不要磁束をほぼ相当に低減するセンサを備えるスピンバルブを含む。少なくとも一つのフリー層が、スペーサにより少なくとも一つのピン層から離間させてある。フリー層上に、キャップ層が配設してある。安定化器には、絶縁体と、シールド層である軟質材料と、結合解除層と、硬質バイアスとを含ませることができる。その結果、フリー層は隣接トラックの不要磁束を遮蔽され、相当より小さなトラック寸法とビット寸法を有する記録媒体を使用することができる。

Description

本発明は、その両側に安定化器を有するセンサを含む磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドからなる読み取り素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は側部シールドとして機能する軟質材料を組み合わせた硬質バイアスを含む多層安定化器を有する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、読み取り素子と書き込み素子がヘッドに設けてある。読み取り素子と書き込み素子は別個の機能を有し、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。図１（ａ）中、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「長手磁気記録媒体」（ＬＭＲ）とも呼ばれる。

情報は誘導記録素子９により記録媒体１に書き込まれ、読み取り素子１１により記録媒体１からデータが読み取られる。誘導書き込み素子９には書き込み電流１７が供給され、読み取り素子１１には読み取り電流が供給される。

読み取り素子１１は、媒体磁束に従ってセンサ磁化方向が一方向から別の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磁気センサである。シールド１３も配設してあって、媒体から入来する不要磁界を低減し、隣接ビットの不要磁束が読み取り素子１１が目下読み取り中のビット３の一つと干渉するのを阻止する。

従来の記録媒体１の面積密度は過去数年間に亙り相当増えてきており、かなり増え続けると見込まれる。これに応じて、ビット及びトラック密度は増大すると考えられる。その結果、従来の読み取り素子は増大した密度を有するこのデータをより高効率かつより高速に読み取ることが出来ねばならない。

従来技術では、ビット密度はトラック密度よりもずっと速く増大してきた。しかしながら、ビット寸法とトラック寸法の間の縦横比は減少しつつある。目下のところ、この係数は約８であり、将来は記録密度がテラバイト寸法に近づくにつれこの係数が６以下に減少するものと予想される。

その結果、隣接ビットだけでなく隣接トラックからの磁界が読み取り素子に影響を及ぼすほどトラック幅は小さくなりつつある。表１は、これらの変化に基づく推定換算パラメータを示す。

図１（ｂ）に示す如く、別の従来の記録方式が開発されている。この従来方式では、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体の平面に垂直である。これは、「垂直磁気記録媒体」（ＰＭＲ）としても知られている。

このＰＭＲ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。しかしながら、ＰＭＲ媒体を用いることで記録媒体から入来する横断磁界もまた隣接媒体トラックの前記効果に加え検討しなければならない。この効果は、図６（ｂ）について以下に説明する。

磁束はビットの中心で最高であり、ビットの端部へ向かって減少し、ビットの端部で零へ接近する。その結果、ビットの端部で磁束が最大となる前述のＬＭＲ方式とは対照的に、記録媒体磁界に対し強力な横断成分がビットの中心に存在する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」としても知られる上記磁気記録方式用の各種従来の読み取りセンサを示す。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）に関して前記したものとほぼ同じである。追加のスペーサ２９がフリー層２１の他側に配置してあり、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）について前述したのと同じ原理で動作する。

ＭＲスピンバルブを母体とする読み取りヘッドでは、ピン層２５の磁化はＡＦＭ層２７との交換結合により固定されている。フリー層２１の磁化だけが、媒体磁界方向に従って回転することができる。

記録媒体１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、磁束は負となり、これらビットが境界で正極性を有する場合、磁束は正となろう。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決める。

ピン層とフリー層の磁化がほぼ同じ方向であるときは、そのときは抵抗は低い。他方、それらの磁化が逆方向であるときは、抵抗は高い。ＭＲヘッド応用分野では、外部磁界が全く印加されていないときは、フリー層２１とピン層２５は互いに対し９０度の磁化を有する。

強磁性層のスピン分極が低いときは、電子スピン状態はもっと簡単に変更でき、その場合は小さな抵抗変化を測定することができる。他方、強磁性層スピン分極が高いときは、強磁性層を横断する電子はそれらのスピン状態を維持でき、抵抗変化は高い。それ故、従来技術には高スピン分極材料を持たせる必要性が存在する。

読み取り素子に対し外部磁界（磁束）を印加すると、フリー層２１の磁化は変化し、一定角度回転する。磁束が正であるときは、フリー層の磁化は上向きに回転し、磁束が負であるときはフリー層の磁化は下向きに回転する。さらに、印加外部磁界がフリー層２１とピン層２５に同一の磁化方向をもたせると、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ときは、層間抵抗は高い。これが故に、層２１，２５間を電子が移動するのはより困難となる。

外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７は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依るものである。従来技術では、ＡＦＭ層２７は通常ＰｔＭｎか又はＩｒＭｎである。

層２１，２５の磁化が平行であるときの状態と反平行であるときの状態との間の抵抗変化ΔＲは、高感度読み取り素子を得る上で高くしなければならない。ヘッド寸法が減るにつれ、読み取り素子の感度は益々重要になり、特に媒体磁束の大きさが減るときにはそうである。かくして、従来のスピンバルブの層２１，２５間には高抵抗変化ΔＲに対する要求が存在する。

従来のスピンバルブの概念の概要を、ここに提示する。偏極された電子が強磁性薄膜に当ると、電子は磁気モーメントにより毀損され、散乱させられる。失われた電子エネルギは、エネルギ保存則に基づき磁気モーメントへ転移する。このエネルギ転移はトルクとして現れ、これが強磁性薄膜に作用する。前記した如く、フリー層の磁化は擾乱されることができ、高い電流密度、小さい磁化、薄い膜厚、或いは交換スティフネスや減衰率を含む他の固有パラメータ等のしかるべき条件下では切り替えることさえできる。

従来のスピンバルブでは、フリー層が十分小さな磁化を有するときは、エネルギ転送（モーメント転送）に対するその磁化抵抗は弱く、その磁化方向を変えることができる。さらに、交換スティフネス（磁気モーメントとその近傍との間の交換エネルギ）が小さいときは、一部モーメントが他に先駆けて切り替わる。

薄膜肉厚を流れる電流を有するＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、ピン層は分極層（分極源）として機能し、何故ならその磁化がＡＦＭ層との強力な交換結合が故に変化しないからである。

図６（ａ）は、図１（ａ）に示した従来の水平磁気記録方式に関する前述の原理を図解するものである。媒体が旋回すると、ビット間の境界における磁束がフリー層に作用し、その磁化は従来のスピンバルブの原理に従って上向きと下向きに回転する。

図６（ｂ）は、ビット自体が生ずる磁界の影響を有する従来の垂直磁気記録を示す。加えて、垂直記録媒体の記録層と軟質下層２０との間の従来の中間層（図示せず）もまた配設することができる。この中間層は、層間の交換結合の改善された制御をもたらす。

本願明細書にその内容を取り込む米国特許公報第２００２／０１６７７６８号明細書と米国特許公報第２００３／０１７４４４６号明細書には、積層バイアスと共に隣接トラックが生成する磁束を排除する側部シールドが開示されている。

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、前述したものとほぼ同じである。この図では、フリー層の一つの状態のみが図示してある。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から隔絶した第１の副層３５を含む。

従来の合成（シンセティック）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とは逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層の総モーメントは第１の副層３５と第２の副層３７との間の反強磁性結合に起因して低下する。合成スピンバルブヘッドは、零に近い総磁束と高抵抗変化ΔＲとより大きな安定性とを有するピン層を有し、高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。前記した如く、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、トップシールド４３が配設してある。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。シールドシステムの効果は、図６に示し、それについて説明してある。

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、電流が薄膜に対し平面内にある巨大磁気抵抗（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。

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は変えることのできる磁化方向を有する。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導電帯内の総電子数で正規化したスピン状態が上向きと下向きの総電子数間の差に依存する。これらの概念を、以下により詳しく説明する。

フリー層２１がＬＭＲの場合のビット遷移を示す磁束を受けると、フリー層スピンは磁束の方向に応じて一方向或いは他方向に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ΔＲ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きな抵抗変化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。高ス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、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気歪が望ましい。

記録密度を増大させるには、ＧＭＲセンサのトラック幅はより小さくしなければならない。この点でＣＩＰ方式（平面内電流）で動作する読み取りヘッドでは、センサの大きさが減るにつれ様々な問題が生ずる。ＣＩＰモードにおける磁気抵抗（ＭＲ）は、概ね約２０％に制限される。センサに接続した電極を大きさを減らすと、過熱を生じ、図７（ａ）から判るようにセンサに害を及ぼす可能性がある。さらに、ＣＩＰセンサから入手可能な信号はＭＲヘッド幅に比例する。

前述の問題に対処すべく、図７（ｂ）に示す如く、従来のＣＰＰ−ＧＭＲはスピンバルブの肉厚方向に流れる検出電流を用いている。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方式で動作する各種従来のスピンバルブが図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へ絶縁バリア２３を通り抜けることができる。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の一般的な概念は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流れる。その結果、抵抗変化ΔＲと固有ＭＲ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^＊Ａ（ＡはＭＲ素子の面積）と適度のヘッド抵抗の必要性が存在する。小媒体磁界が検出できるよう、低保磁力フリー層が必要とされる。高ピンニング磁界を持たねばならない。

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スピンバルブの両側には硬質バイアス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、検出電流が薄膜肉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を有し、シールドは電極としても機能する。それ故、過熱問題にはほぼ対処される。

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、強磁性領域４７がピン層２５をフリー層２１へ接続している。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の電子散乱に起因して相当により高いＭＲが存在する。他の要因には、強磁性体のスピン分極やＢＭＲスピンバルブにナノコンタクトする磁区の構造が含まれる。

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く、商業的に利用されてはいない。さらに、ＢＭＲスピンバルブでは、ナノコンタクト形状及び磁区の寸法制御性と安定性をさらに発展させねばならない。加えて、ＢＭＲ技術の反復性は依然として高信頼性を示さねばならない。
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く、市販品として使用されてはいない。さらに、ナノコンタクトの形状と寸法の制御性、磁壁安定性をさらに発展させねばならない。加えて、ＢＭＲ技術の再現性を高い信頼度で示さねばならない。

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用絶縁体やＧＭＲ用導電体やＢＭＲ用磁気ナノ寸法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より絶縁性のある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。従って、従来技術の前述の問題に対処する必要性が存在する。

本発明の一つの目的は、従来技術の少なくとも前述の問題ならびに欠点を克服することにある。しかしながら、本発明にとってこれらの問題ならびに欠点を克服することは必須要件ではなく、またあらゆる問題や欠点についてもそうである。

少なくともこの目的ならびに他の目的を達成するため、記録媒体を読み取り、スピンバルブを有するデバイスで磁気センサを含むものを提供する。さらに、センサは、記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、ピン層とフリー層の間に挟持した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）層に従う固定磁化を有するピン層とを含む。センサは、ＡＦＭ層と磁気センサの第１の外面における不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、フリー層と磁気センサの第２の外面における不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層もまた含む。加えて、硬質バイアス領域と軟質シールド領域とを含む安定化器を配設し、安定化器を磁気センサの両側に配置し、絶縁層により前記磁気センサとは隔絶する。

また、磁気センサの製造方法が提供され、それはウェーハ上に、記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、ピン層とフリー層の間に挟持した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）層に従う固定磁化を有するピン層と、ＡＦＭ層と磁気センサの第１の外面における不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、フリー層上のキャップ層とを形成するステップを含む。本方法は、キャップ層の第１の領域に第１のマスクを形成するステップと、第１のイオン切削ステップを行ってセンサ領域を生成するステップと、その上に絶縁体を成膜し、前記第１のマスクを除去するステップもまた含む。本方法の追加のステップには、第１の領域の所定部分に第２のマスクを形成するステップと、第２のイオン切削ステップを行って磁気センサの形状を生成するステップと、硬質バイアス領域と軟質シールド領域とを有する安定化器を磁気センサの両側に成膜し、続いて第２のマスクを除去するステップと、キャップ層と第１の安定化層上にトップシールドを形成するステップとが含まれる。

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的な非限定の実施形態を詳細に説明することでより明らかになり、ここでは幾つかの図を通じ同様の参照符号は同様の或いは対応部分を指すものとする。

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。以下の実施形態のほぼ同様の要素は、これらの要素が先の実施形態について既に説明したものである場合、繰り返し説明はしない。

本発明は、読み取りヘッド用の磁気抵抗設計に関する。より詳しくは、硬質バイアスは側部シールドとして用いる軟質磁化層と組み合わせ、隣接トラックからの不要磁束の前述の従来技術の問題を克服する。本発明は、硬質材料（硬質バイアス層）と軟質材料（軟質シールド層）とを含む多層構造を用いる。軟質シールド層は隣接トラックからの磁束を排除する高透磁率を有し、硬質バイアス層は薄肉の非磁性スペーサ、好ましくは絶縁体により軟質層から随意選択的に結合解除する。

図８は、本発明の例示的な非限定の実施形態の磁気媒体を読み取るセンサからなるスピンバルブを示す。スペーサ１０１が、フリー層１００とピン層１０２の間に配置してある。従来技術に関して前記した如く、フリー層１００には記録媒体により外部磁界が印加され、磁界を変えることができる。ピン層１０２は、固定磁化方向を有する。

ピン層１０２は、単層或いは合成ピン層とすることができ、約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの肉厚を有する。フリー層１００は、ＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つを有する材料で出来ていて、約５ｎｍ未満の肉厚を有する。前述の材料に代え或いは組み合わせ、フリー層１００及び／又はピン層１０２は，これらに限定はしないがＦｅ_３Ｏ_４やＣｒＯ_２やＮｉＦｅＳｂやＮｉＭｎＳｂやＰｔＭｎＳｂやＭｎＳｂやＬａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３やＳｒ_２ＦｅＭｏＯ_６やＳｒＴｉＯ_３を含む材料で一部作成することができる。

反強磁性物質（ＡＦＭ）層１０３がピン層１０２の下面に配置してあり、バッファ１０４がＡＦＭ層１０３の下面に配置してある。ボトムシールド１０５が、バッファ１０４の下側に配設してある。フリー層１００上には、その上にトップシールド１０７を有するキャップ層１０６が配設してある。

本発明のこの例示的な非限定の実施形態の安定化器を、ここでより詳しく説明することにする。絶縁体１０８をセンサ両側とボトムシールド１０５の上面に配置する。絶縁層１０８上には、肉厚ｔ１をもった第１の層１１０と肉厚ｔ２をもった第２の層１１１とを有する多層安定化器１０９を配置する。ｔ１とｔ２の各値は、約１ｎｍ乃至約２０ｎｍの間で変えることができる。

第１の層１１０は軟質材料を含むシールド層であり、第２の層１１１はシールド層１１０と硬質バイアス層１１３との間に挟持した結合解除薄膜層１１２を含む。硬質バイアス層１１３と軟質層１１０は、それぞれ金属材料か又は高抵抗率材料である材料で出来ている。

結合解除薄膜層１１２は軟質層１１０と硬質バイアス層１１３の間の交換結合を低減し、非磁性材料から出来ている。例えば、限定はしないが、導電体や半導体や絶縁体を用いることができる。トップシールド１０７を硬質バイアス層１１３と絶縁体１０８とキャップ層１０６の上面上に配設する。

図９に示す本発明の別の例示的な非限定の実施形態では、硬質バイアス層１１３の上面上に第２の絶縁層１１４を成膜する。第２の絶縁層１１４が、第１の絶縁体１０８にその内端にて当接する。その結果、安定化器１０９とＭＲセンサとの間の電流漏洩はほぼは排除される。これは、シールド間距離が絶えず減らされ、絶縁層１０８だけによる電流漏洩の排除が困難であると予測されるからである。図９に示すこの実施形態の残りの全ての要素は、図８に関して前述したものと同じであり、従ってここでは繰り返し説明しない。

図１０に示す本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態では、硬質バイアス層を軟質下層上に成長させる。この種の構造は好都合な成長条件をもたらし、高保磁力（ただし、限定はしない）を含む所望特性を有する硬質バイアスをもたらす。

この例示的な非限定の実施形態では、図８，９の構造と同様の要素はここで繰り返し説明はしない。しかしながら、本実施形態では、バイアス層１１６は以下にさらに詳しく説明する如く、軟質シールド層１１８前に成膜する。

絶縁層１０８の上に軟質下層１１５を配設し、その上に硬質バイアス層１１６を配置する。軟質下層１１５は高透磁率を有しており、かくして所望の成長条件をもたらし、トラックが生成する磁束を抑制する。結合解除層１１７が硬質バイアス層１１６の上側に配設してあり、軟質層１１８が結合解除層１１７上に配設してある。軟質層１１８は高透磁率を有し、隣接トラックからの不要磁束の側部シールドを提供する。次に、軟質層１１８と絶縁体１０８とキャップ層１０６の上面にトップシールド１０７を配置する。

図１０に示したものの代替実施形態として図１１に示す如く、追加の絶縁層１１９を軟質層の上に追加することができる。この追加の絶縁層１１９が、安定化器１０９とＭＲセンサとの間の電流漏洩をほぼ阻止する。図８乃至図１０のそれらに類似の要素は、ここでは繰り返し説明しない。

第１の絶縁体１０８は幾つかの材料から作成できるが、それは好ましくは硬質バイアス層１１６の成長を促進する材料で作成される。例えば、限定はしないが、硬質バイアス層１１６にとって良き絶縁体でありかつ良きバッファの両方であるＴａＯをその絶縁体１０８用に用いることができる。しかしながら、本発明は絶縁体１０８についてＴａＯに限定はされず、当業者が知り得て使用する他の材料をそれと置き換えることもできる。

図１２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８乃至図１１に示した前述の実施形態では同じＭＲセンサと絶縁体１０８を使用したが、異なる安定化器１０９を配設する。安定化器１０９は、絶縁体１０８上に軟質下層１２０上の硬質層１２２の結晶学的成長を促進する軟質下層１２０を有する多層構造１２１を含む。次に硬質層１２２上に軟質層１２３を成膜し、この軟質／硬質層複合体１２１をその上に多数回成膜し、かくして軟質層１２３を頂部に配設し、絶縁体１０８とキャップ層１０６と共にトップシールド１０７に当接する上面を有するようにする。

前述の多層構造１２１はＮｉＦｅ（ただし、限定はしない）等の高透磁率軟質材料とＣｏＰｔ（ただし、限定はしない）等の硬質材料から作成する。多層安定化構造の結果、隣接トラックからの不要磁束は相当に低減され、その結果ＭＲセンサのフリー層はさらに安定化される。

軟質層と硬質層の間の交換結合が大きい場合、軟質層の軟質度だけでなく両層の固有パラメータもまた影響を受ける。それ故、この交換結合を制御することは有益である。

図１２に示した前述の非例示的実施形態の代替実施形態として、中間非磁性結合解除層１２４を図１３に示す多層複合体１２１の硬質層１２２と軟質層１２３の間に挟持する。この中間層１２４は、硬質層１２２と軟質層１２３の間に低減された交換結合を生ずる。その結果、限定はしないがＮｉＦｅで作成することのできる軟質層１２３の軟質度は殆ど影響を受けなくなる。この交換結合は、成膜条件や界面特性や層肉厚を含む幾つかの要因に依存する。従って、中間層１２４の導入が交換結合を低減する。

薄肉結合解除層１２４は、絶縁体材料や導体材料や半導体材料から作成する。この種の層を成膜する代りに、軟質層と硬質層の間の結合解除はこれらの層を処理することで行うことができる。例えば、限定はしないが、硬質層と軟質層の間を短時間に亙り少量の酸素を流して界面活性剤を生成することができる。

上記の如く、硬質層材料は金属製と絶縁性のうちの少なくとも一方である。前述の多層構造内の硬質層はＣｏＰｔで出来ていると開示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、限定はしないが、ＣｏＰｔＣｒやＣｏＰｔＣｒ−Ｘで、Ｘが少なくもＢ，Ｏ，Ａｇの一つであるもの及び同様の性質の他の元素をそれと置き換えることができる。前述の材料は、約１０％乃至約４０％の濃度の酸素と組み合わせて用いることもできる。或いは、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３及び／又はγ−（ＦｅＣｏ）_２Ｏ_３等の高抵抗率材料を用いることができる。

軟質層は、導電性と高抵抗率のうちの少なくとも一方である材料で作成してある。例えば、限定はしないが、ＮｉＦｅやＦｅＳｉやＦｅＡｌＳｉやＣｏＺｒやＣｏＺｒＲｅ及び／又はＦｅ−Ｍ−Ｂ（ここで、Ｍは元素周期律表のＩＶＡ族及び／又はＶＡ族からの元素である）等の導電材料を用いることができる。さらに、ＦｅＳｉＺｒ−ＯやＦｅＡｌ−ＯやＦｅ−Ｘ−Ｏ（Ｘ＝Ｚｒ，Ｈｆ）やＦｅＣｏＮやＦｅＮやＦｅ−Ｘ−Ｂ−ＯやＦｅ−Ｘ−Ｏ（ここで、Ｘ＝Ｚｒ及び／又はＨｆ）やＦｅＣｒ−Ｏ及び／又はＦｅＣｒ−Ｍ−Ｏ（ここで、Ｍ＝Ｃｕ，Ｒｈ）等の高抵抗率材料を用いることもできる。しかしながら、本発明はそれに限定はされず、当業者により検討されるであろう前述の材料と等価なあらゆる材料をそれと置き換えることができる。

結合解除層は、Ａ１_２Ｏ_３とＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２とＣｒとＴａとＣｕ、さらに導電性である任意の非磁性材料か又は絶縁体の少なくとも一つで作成する。

上記のＭＲセンサは単一のピン層を有するが、本発明はそれに限定はされない。例えば、限定はしないが、ＭＲセンサのピン層は反強磁性的に結合した二重層を含む前述の合成型ピン層とすることもできる。ピン層１０２は、約２ｎｍ乃至約１００ｎｍの肉厚を有する。

本発明では、検出電流は薄膜平面に垂直な方向、すなわち薄膜肉厚方向へ流れる。その結果、スペーサ１０１はスピンバルブをＣＰＰ−ＧＭＲ応用分野に用いるときは導電性とする。或いは、ＴＭＲ応用分野では、スペーサ１０１は絶縁性（例えば、これに限定はしないがＡｌ_２Ｏ_３）とする。従来技術について前記した如く結合を配設するときは、絶縁マトリクス内に約３０ｎｍ未満のナノコンタクト結線を備えるＢＭＲ型ヘッドを用いることができる。さらに別の実施形態では、スペーサ１０１は不均一電流スペーサすなわち電流狭窄路（ＣＣＰ）−ＣＰＰスピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層の間の導電材料と絶縁材料の混合体とすることができる。

加えて、トップシールド１０５とボトムシールド１０７だけを図示したが、検出電流を伝える追加のリードを配設することができる。しかしながら、この種シールドは必須でなく、ただ随意選択的であり、何故ならこのシールド自体は電極としても使用できるからである。

本発明の前述の構成の例示的非限定製造方法を、図１４のフローチャートに示す如くここで説明することにする。この構成に用いる材料は前述したものであり、この構成の所与の部分に用いる材料は開示していないが、この構成のこの種部分を業界公知或いはその等価物である材料で作成できることは理解されたい。

ステップＳ１において、ウェーハ上で、薄膜にボトムシールド１０５とバッファ層１０４とＡＦＭ層１０３とピン層１０２とスペーサ（例えば、非磁性）１０１とフリー層１００とキャップ層１０６とを成膜する。

ステップＳ２に示す如く、薄膜は次にこの基板上に成膜し、レジスト（例えば、フォトレジストマスク）を薄膜上に生成する。ステップＳ３において、得られた構造を電子ビーム露光にさらし、これにレジストの現像を続け所望のマスク形状を得る。

次にステップＳ４において、前述の工程から得られた基板をイオン切削（イオンエッチングとも呼ぶ）にさらし、レジストで覆われていない領域を食刻する。次に絶縁体を成膜し、続いてステップＳ５において離昇ステップを実行してレジストを除去する。このステップでは、エッチング（湿式或いは乾式）を施し、キャップの高さを超える過剰な成膜絶縁体を除去する。しかしながら、レジストの一部でない表面上の成膜絶縁体はこのステップで残留する。

次に、ステップＳ６において、電子ビーム露光にさらした別のレジスト層を生成する。このレジスト層は、センサを形成することになる。レジスト層の一部はセンサ幅（好ましくは、約１００ｎｍ未満であるが、これに限定はしない）に対応する幅Ｗを有し、レジスト層の他の部分は電極寸法に対応する幅Ｌを有する。電極寸法は、ＭＲ素子よりもずっと大きい。

ステップＳ７において、側部シールド内部のスピンバルブの一部に絶縁体を生成するようイオン切削を行う。レジストで覆われていない領域を切削し、スペーサをその好適な寸法に形成する。

一旦上述のステップを終えると、ステップＳ８において前記材料を用いて定化器のイオンビーム成膜（ＩＢＤ）を行う。例示的な非限定の実施形態のいずれを製造するのかに応じ、ステップＳ８には図８乃至図１３の安定化器に対応する各種の異なる層の製造が要求されることになる。

例えば、限定はしないが、図８に示した実施形態の場合、絶縁体１０８に軟質層１１０を成膜し、これに結合解除層１１２が続き、その上に硬質バイアス１１３を成膜する。加えて、図９に示す実施形態の場合、第２の絶縁層１１４を硬質バイアス１１３上に成膜する。

或いは、図１０に示した実施形態の場合、絶縁体１０８上に軟質下層１１５を成膜し、続いて硬質バイアス１１６を軟質下層１１５上に成膜する。軟質下層１１５は高透磁率を有し、隣接トラックからの磁束をほぼ除去することに加え、硬質バイアス層１１６用のバッファとして機能する。軟質シールド層１１８は、硬質バイアス１１６上に成膜する。随意選択的に、図１１に示す如く、第２の絶縁体１１９を成膜する。

さらなる代替例として、図１２に示す実施形態の場合、絶縁体１０８上に軟質層１２０を成膜し、その上に軟質層１２３を成膜する硬質層１２２を有する多層構造１２１を軟質層１２０上に成膜する。多層構造中の層数はトップシールド１０５とボトムシールド１０７の間の全肉厚や、軟質高透磁率材料と硬質高保磁力材料との間の交換結合等の要因に依存する。成膜前に下層を用い、硬質バイアスの結晶学的成長を促進させることができる。

随意選択的に、図１３に示す如く、結合解除層１２４は硬質層１２２と軟質層１２３の間に配設する。その結果、これらの層１２２，１２３間の交換結合は軟質層１２３の軟質度に殆ど影響を与えることなく低減される。結合解除層１２４を絶縁体で作成し、かくして電流漏洩に対する保護を保証できるようにすることができる。

次にステップＳ９において、マスクを取り除き、トップシールドを現像する。そこで、現存する基板にレジストを成膜し、これに続きステップＳ１０の電子ビーム露光と現像を行う。そこで最終的なデバイスが製造され、トップシールドの作成に用いたマスクをステップＳ１１において離昇させる。

本発明は、上記の特定の実施形態に限定はされない。特許請求の範囲に規定した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器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にもまた用いることができる。

図１（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面内磁化と平面垂直磁化を有する従来の記録方式を示す図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は従来のボトム型とトップ型と複式型のスピンバルブを示す図である。 従来の合成スピンバルブを示す図である。 シールド構造を有する従来の合成スピンバルブを示す図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は各種従来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。 図６（ａ）は従来のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。 図６（ｂ）は従来のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。 図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来のＣＩＰ−ＧＭＲ構造とＣＰＰ−ＧＭＲ構造を示す図である。 本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明のさらに別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。 本発明の少なくとも一実施形態を製造する例示的な非限定の方法のフローチャートを示す図である。

Claims (34)

1. 記録媒体を読み取り、スピンバルブを有するデバイスであって、
   前記記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、
   ピン層で、該ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとは反対側の前記ピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層に従う固定磁化を有する前記ピン層と、
   前記ＡＦＭ層と前記磁気センサの第１の外面における不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、
   前記フリー層と前記磁気センサの第２の外面における不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層と、
   硬質バイアス領域と軟質シールド領域とを含む安定化器で、前記磁気センサの両側に配置され、絶縁層により前記磁気センサとは隔絶した前記安定化器とを備える、ことを特徴とするデバイス。
2. 前記硬質バイアス領域と前記軟質シールド領域との間に配置した結合解除層をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
3. 前記結合解除層はＡ１_２Ｏ_３とＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２とＣｒとＴａとＣｕと導電性又は絶縁性のうち一方の非磁性材料とのうちの少なくとも一つで構成した、請求項２記載のデバイス。
4. 前記軟質シールド層は前記絶縁層上に軟質シールド層を備え、前記硬質バイアス領域は前記結合解除層と前記硬質バイアス層上面に配置した前記トップシールドとの間に配置した硬質バイアス層と、前記絶縁層と、前記キャップ層とを備える、請求項２記載のデバイス。
5. 前記硬質バイアス層と前記トップシールドとの間に挟持した上部絶縁層をさらに備える、請求項４記載のデバイス。
6. 前記硬質バイアス領域は前記絶縁層上に形成した軟質下層上に配置した硬質バイアス層を備え、前記軟質シールド領域は前記軟質シールド層と前記硬質バイアス層の間に挟持した前記結合解除層上に配置したシールド層を備え、前記トップシールドは前記軟質シールド層と前記絶縁層と前記キャップ層の上面に配置した、請求項２記載のデバイス。
7. 前記軟質シールド層と前記トップシールドとの間に挟持した上部絶縁層をさらに備える、請求項６記載のデバイス。
8. 前記安定化器は、
   前記絶縁層上に配置した軟質シールド層と、
   複数の多層構造で、各層がそれぞれ前記硬質バイアス領域を含む硬質副層上に配置した前記軟質シールド領域を備える軟質副層を含み、前記軟質シールド層上に配置した前記複数の多層構造とを備える、請求項１記載のデバイス。
9. 前記複数の多層構造それぞれの前記硬質層はさらに、前記硬質層の上面に配置した上部結合解除層と、前記硬質層の下面に配置した下部結合解除層とを備える、請求項８記載のデバイス。
10. 前記上部結合解除層と前記下部結合解除層はそれぞれ、Ａ１_２Ｏ_３とＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２とＣｒとＴａとＣｕと導電性又は絶縁性のうち一方の非磁性材料とのうちの少なくとも一つを備える、請求項９記載のデバイス。
11. 前記硬質バイアス領域は、（ａ）ＣｏＰｔとＣｏＰｔＣｒとＣｏＰｔＣｒＢとＣｏＰｔＣｒＡｇとＣｏＦｅＰｔのうちの少なくとも一つと、（ｂ）前記（ａ）の混合体及び約１０％乃至約４０％の濃度を有する酸素と、（ｃ）γ−Ｆｅ_２Ｏ_３とγ−（ＦｅＣｏ）_２Ｏ_３のうちの少なくとも一つ、のうちの一つを備える、請求項１記載のデバイス。
12. 前記軟質シールド領域は、（ａ）ＮｉＦｅとＦｅＳｉとＦｅＡｌＳｉとＣｏＺｒとＣｏＺｒＲｅとＦｅ−Ｍ−Ｂのうちの少なくとも一つで、ＭがＩＶ−Ａ族元素とＶ−Ａ族元素のうちの少なくとも一つであるものと、（ｂ）ＦｅＳｉＺｒ−ＯとＦｅＡｌ−ＯとＦｅ−Ｘ−Ｏで、ＸがＺｒとＨｆの一方であるものと、ＦｅＣｏＮとＦｅＮとＦｅ−Ｘ−Ｂ−ＯとＦｅ−Ｘ−Ｏで、ＸがＺｒとＨｆのうちの少なくとも一方であるものと、ＦｅＣｒ−ＯとＦｅＣｒ−Ｍ−Ｏで、ＭがＣｕとＲｈのうちの少なくとも一方であるものとの中の少なくとも一つと、のうちの少なくとも一つを備える、請求項１記載のデバイス。
13. 前記スピンバルブはトップ型であり、前記ピン層は（ａ）単層と、（ｂ）それらの副層間にピン層スペーサを備える多層のうちの一方とした、請求項１記載のデバイス。
14. 前記スペーサは、
    （ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁スペーサと、
    （ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに用いる導電体と、
    （ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層との間に磁気ナノコンタクトを有する絶縁マトリクスと、
    （ｄ）不均一電流スペーサ又は電流狭窄路（ＣＣＰ）−ＣＰＰスピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層の間の導電性材料と絶縁性材料の複合体と
    のうちの一つとした、請求項１記載のデバイス。
15. 前記絶縁体スペーサはＴａＯとＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも一方を備える、請求項１４記載のデバイス。
16. 前記磁気ナノコンタクトは約３０ｎｍ未満の直径を有する、請求項１４記載のデバイス。
17. 前記ピン層は単層構造と合成構造のうちの一方と、約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの全肉厚を有する、請求項１記載のデバイス。
18. 前記フリー層はＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つを含み、前記フリー層は約５ｎｍの肉厚を有する、請求項１記載のデバイス。
19. 前記ピン層と前記フリー層のうちの少なくとも一方は、Ｆｅ_３Ｏ_４とＣｒＯ_２とＮｉＦｅＳｂとＮｉＭｎＳｂとＰｔＭｎＳｂとＭｎＳｂとＬａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３とＳｒ_２ＦｅＭｏＯ_６とＳｒＴｉＯ_３とＣｏＦｅＯとＮｉＦｅＮとＮｉＦｅＯとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮのうちの少なくとも一つを含む、請求項１記載のデバイス。
20. 前記磁気センサの検出電流を伝えるリードを該磁気センサ内にさらに備える、請求項１記載のデバイス。
21. 前記磁気センサの検出電流は前記スピンバルブの平面に垂直に流れる、請求項１記載のデバイス。
22. 前記硬質バイアス領域と前記軟質シールド領域はそれぞれ約１ｎｍ乃至約２０ｎｍの肉厚を有する、請求項１記載のデバイス。
23. 磁気センサの製造方法であって、
    ウェーハ上に、記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、該ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとは反対側の前記ピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層に従う固定磁化を有する前記ピン層と、前記ＡＦＭ層と前記磁気センサの第１の外面における不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、前記フリー層上のキャップ層とを形成するステップと、
    前記キャップ層の第１の領域に第１のマスクを形成するステップと、
    第１のイオン切削ステップを行ってセンサ領域を生成するステップと、
    その上に絶縁体を成膜し、前記第１のマスクを除去するステップと、
    前記第１の領域の所定部分に第２のマスクを形成するステップと、
    第２のイオン切削ステップを行って前記磁気センサの形状を生成するステップと、
    硬質バイアス領域と軟質シールド領域とを有する安定化器を前記磁気センサの両側に成膜し、続いて前記第２のマスクを除去するステップと、
    前記キャップ層と前記第１の安定化層上にトップシールドを形成するステップとを含む、ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
24. 前記安定化器の前記成膜ステップはさらに、
    前記ボトムシールド上の絶縁体に前記軟質シールド領域を成膜するステップと、
    前記軟質シールド領域上に結合解除層を成膜するステップと、
    前記結合解除層上に前記硬質バイアス領域を成膜するステップとを含む、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。
25. 前記硬質バイアス領域上に上部絶縁層を成膜するステップをさらに含む、請求項２４記載の磁気センサの製造方法。
26. 前記安定化器の成膜ステップはさらに、
    前記ボトムシールド上の絶縁体に軟質下層を成膜するステップと、
    前記軟質下層上に前記硬質バイアス領域を成膜するステップと、
    前記硬質バイアス領域上に結合解除層を成膜するステップと、
    前記結合解除層上に前記軟質シールド領域を成膜するステップとを含む、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。
27. 前記軟質シールド領域上に上部絶縁体を成膜するステップをさらに含む、請求項２６記載の磁気センサの製造方法。
28. 前記安定化器の前記成膜ステップはさらに、
    前記ボトムシールド上の絶縁体上に軟質層を成膜するステップと、
    軟質シールド副層上に形成した硬質副層を有する多層構造を形成するステップで、前記硬質バイアス領域が前記硬質副層を備え、前記軟質シールド領域が前記軟質層と前記軟質シールド副層とを備える前記ステップとを含む、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。
29. 前記安定化器の前記成膜ステップの前に下層を介挿し、前記硬質バイアス領域の結晶学的成長を促進する、請求項２８記載の磁気センサの製造方法。
30. 前記硬質層の上面と下面のそれぞれに少なくとも一つの結合解除層を形成するステップをさらに含む、請求項２８記載の磁気センサの製造方法。
31. 前記結合解除層は前記硬質層と前記軟質シールド層との間に酸素を流すことで形成する、請求項３０記載の磁気センサの製造方法。
32. 前記スペーサは、
    （ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁スペーサと、
    （ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに用いる導電体と、
    （ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層との間に形成した約３０ｎｍ未満の直径の磁気ナノコンタクトを有する絶縁マトリクスと、
    （ｄ）不均一電流スペーサ又は電流狭窄路（ＣＣＰ）−ＣＰＰスピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層の間の導電性材料及び絶縁性材料の複合体と
    のうちの一つで形成した、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。
33. 前記ピン層は単層構造と合成構造のうちの一方と約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの全肉厚を有し、
    前記フリー層はＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つで出来ており、約５ｎｍ未満の肉厚を有し、
    前記ピン層と前記フリー層のうちの少なくとも一つはＦｅ_３Ｏ_４とＣｒＯ_２とＮｉＦｅＳｂとＮｉＭｎＳｂとＰｔＭｎＳｂとＭｎＳｂとＬａ_０．７Ｓｒ_０．３Ｍｎ０_３とＳｒ_２ＦｅＭｏＯ_６とＳｒＴｉＯ_３とＣｏＦｅＯとＮｉＦｅＮとＮｉＦｅＯとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮのうちの少なくとも一つで作成する、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。
34. 前記磁気センサの検出電流を伝えるリードを前記トップシールド内に形成するステップをさらに含む、請求項２３記載の磁気センサの製造方法。

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