JP2008004944A - 強磁性構造、スピンバルブ構造およびその製造方法、磁気抵抗効果素子およびその製造方法 - Google Patents

強磁性構造、スピンバルブ構造およびその製造方法、磁気抵抗効果素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】秩序化温度が低減されたホイスラー合金を含み、より高い信号検出感度を得ることのできるスピンバルブ構造を提供する。
【解決手段】スピンバルブ構造１は、フリー層１８と、非磁性スペーサ層１７と、フリー層１８の側から第１強磁性層１５と結合層１４と第２強磁性層１３とが順に積層されたＳｙＡＰ層１６とを有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサである。第１強磁性層１５およびフリー層１８は、Ｃｏ2 ＭｎＳｉなどのホイスラー合金からなる複数のホイスラー合金層と、それらのホイスラー合金層の間に設けられた挿入層との多層構造を有している。挿入層はアルミニウムやＦｅＣｏによって構成されている。これにより、ホイスラー合金における結晶構造を秩序化するためのアニール温度が低減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、多層構造からなる強磁性構造と、その強磁性構造を備えたスピンバルブ構造およびその製造方法と、そのスピンバルブ構造を備えた磁気抵抗効果素子およびその製造方法とに関する。
一般に、磁気ディスクドライブは、データトラックが設けられた磁気ディスクと、ポジショニングアームの先端に位置するスライダに設けられた再生および記録ヘッドからなる複合ヘッドとを有している。この複合ヘッドは、磁気ディスクの表面と対向するエアベアリング面を有している。再生動作および記録動作の際には、複合ヘッドのエアベアリング面が、回転する磁気ディスクの表面から浮上するようになっている。
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、その動作制御を行うものである。磁気抵抗効果は、スピンバルブ（Spin Valve；ＳＶ）構造を採用することによって極めて向上する。とりわけ、高記録密度化した磁気ディスクの読出を行う場合には、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto Resistive；ＧＭＲ）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再生ヘッドという。）が好適である。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、その固体自体の電子スピンに基づく磁化ベクトルと周囲の磁界方向との関係により、その透過する電子の散乱度が変化する結果、電気抵抗が変化する現象である。ＧＭＲ素子におけるＳＶ構造は、このようなＧＭＲ効果に基づく電気抵抗変化を生み出すものであり、具体的には２つの強磁性層が１つの非磁性導電層によって隔てられた積層構造を有している。２つの強磁性層のうちの一方は、別途、隣接配置された反強磁性層（ピンニング層）との交換結合によって磁化方向が固定されたピンド層である。他方の強磁性層は、フリー層であり、磁化方向が周囲の磁界に応じて回転するようになっている。フリー層における磁化の回転により、ピンド層の磁化方向との相対角度に応じて抵抗が変化することとなる。例えば、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向とが互いに平行であれば相対的に低い電気抵抗を示し、互いに逆平行であれば相対的に高い電気抵抗を示す。
ＧＭＲ素子を備えた初期のＧＭＲ再生ヘッドは、ＣＩＰ（current-in-plane）構造を有するものである。ＣＩＰ構造を有するＧＭＲ再生ヘッド（ＣＩＰ−ＧＭＲ再生ヘッド）では、ＧＭＲ素子の量側に配置したリード層によって、主に非磁性導電層を面内方向に流れるようにＳＶ構造にセンス電流が供給される。なお、ＳＶ構造には、抵抗変化への寄与という面において全く機能しない金属層も含まれている。このため、ＣＩＰ−ＧＭＲ磁気ヘッドでは、センス電流の一部が分岐してそのような金属層を通過する分、ＳＶ構造における感度が低下してしまう。さらに、近年の、超高密度（１平方インチあたり１００ギガビット、すなわち、１５５Ｍbit／ｍｍ2 を超えるような密度）で記録された媒体を再生するには、自らのサイズの縮小化に伴って電流経路が短くなりすぎてしまい、十分な大きさの電気抵抗が得られないので不向きである。
このような状況から、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造を有するＧＭＲ再生ヘッド（ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッド）が開発されている。このＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドでは、ＳＶ構造を上下方向（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、ＳＶ構造に対して、その積層方向（すなわち、積層面と直交する方向）にセンス電流が流れるようになっている。ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドにおいては、ボトム型のシンセティックスピンバルブ構造が採用されている。具体的には、基体の側からシード層、反強磁性層、第２の強磁性層、ルテニウム（Ｒｕ）層、第１の強磁性層、非磁性スペーサ層としての銅（Ｃｕ）層、フリー層、キャップ層が順に積層された構造となっている。ここで、第２の強磁性層と、ルテニウム（Ｒｕ）層と、第１の強磁性層との３層構造は、シンセティック反平行構造（ＳｙＡＰ構造）と呼ばれるピンド層であり、結合層としてのルテニウム層を介して第１の強磁性層と第２の強磁性層とが反強磁性的な結合をしたものである。これら第１および第２の強磁性層における磁化方向は、隣接する反強磁性層（ピンニング層）との交換結合により磁化方向が固定されている。なお、フリー層については、従来のＣＩＰ−ＧＭＲ再生ヘッドと同様に、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層との２層構造が採用されることが多い。
このＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドでは、ＳＶ構造における磁気的にアクティブな層の内部において、センス電流中の電子がより多くの時間を消費するようにすれば、より高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることが可能である。ＭＲ比はＧＭＲ再生ヘッドの感度を表す重要な性質であり、ｄＲ／Ｒで表される。ここで「ｄＲ」は、ＳＶ構造の電気抵抗の変化分であり、「Ｒ」はＳＶ構造における変化前の電気抵抗である。ＧＭＲ再生ヘッドとしての感度を向上させるには、より高いＭＲ比の実現が要求される。電子の界面散乱（interfacial scattering）、すなわち、ＳＶ構造中の界面における電子の鏡面反射（specular reflection）は、ＭＲ比を高め、感度を向上させる要因となる。
ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドにおける１つの類型として、銅からなる非磁性スペーサ層に電流狭窄（confining current path；ＣＣＰ）層を挿入した、いわゆるＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドが開発されている。このＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドは、例えば、以下のような積層構造を有している。
「シード層＼反強磁性層＼第２の強磁性層＼ルテニウム層＼第１の強磁性層＼第１の銅層＼ＣＣＰ層＼第２の銅層＼フリー層＼キャップ層」
ここでＣＣＰ層は、メタルパスが酸化物（絶縁体）を厚み方向に貫くように形成された構造を有しており、このＣＣＰ層のメタルパスをセンス電流が通過する際に狭窄されることで検出感度が向上するようになっている。
さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドと類似した構造および機能を有するものとして、トンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto Resistive；ＴＭＲ）型の磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子という。）を備えた磁気再生ヘッド（以下、ＴＭＲ再生ヘッドという。）が開発されている。このＴＭＲ素子は、さらなる高感度を実現するものであり、ＧＭＲ素子におけるピンド層とフリー層とに挟まれた非磁性スペーサ層を、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁層（トンネルバリア層）に置き換えた構造を有している。トンネルバリア層は、例えば５Ω・μｍ2 未満の非常に小さな面積抵抗を有するものである。
最近では、ＴＭＲ素子がＣｏ2 ＭｎＸ（Ｘは硅素（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），アルミニウム（Ａｌ）など）で表されるホイスラー合金（好ましくはＣｏ2 ＭｎＳｉ）を含むことにより、非常に大きなＭＲ比（magnetoresistance ratio）が観測されることが知られている。ホイスラー合金は、大きなスピン分極および高いキュリー温度を有するという理由により、非常に興味深いものである。ホイスラー合金を含むＴＭＲ素子に関しては、以下の非特許文献１〜４に記載されている。
Ｓ．カマラー等，アプライド・フィジックス・レター（S. Kammerer et al, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 79） Ｙ．サクラバ等，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Y. Sakuraba et al, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 35, 2005, pp. L1100-L1102） Ｓ．オカムラ等，アプライド・フィジックス・レター（S. Okamura et al, Applied Phys. Lett., 86 (2005) 232503） Ｙ．サクラバ等，アプライド・フィジックス・レター（Y. Sakuraba et al, Appl. Phys. Lett. 88 (2006)022503）
ホイスラー合金に関する先行技術を調査したところ、さらに、以下のものが発見された。まず、特許文献１には、Ｃｏ2 ＭｎＳｉやＣｏ2 ＭｎＧｅなどの強磁性のホイスラー合金と、Ｒｈ2 ＣｕＳｎやＣｏ2 ＣｕＳｎなどの非磁性のホイスラー合金とを組み合わせて使用したＧＭＲ素子が開示されている。また、特許文献２では、半金属（metalloid）の強磁性ホイスラー合金が、非磁性材料層とフリー層との間、および、ピンド層と非磁性材料層との間のそれぞれに設けられたＧＭＲ素子が開示されている。また、特許文献３には、ピンド層における非磁性スペーサ層と隣接する部分がホイスラー合金からなるＧＭＲ素子が開示されている。ここでのホイスラー合金は、従来のコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などからなる２つの強磁性材料に挟まれており、ホイスラー合金に含まれるマンガン（Ｍｎ）が非磁性スペーサ層の内部へ拡散しないようになっている。また、特許文献４および特許文献５には、反強磁性層と、ホイスラー合金からなるピンド層との間に鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）などの強磁性層が挟まれた構造のＧＭＲ素子が開示されている。また、特許文献６には、ホイスラー合金を、各成分からなるの単一のターゲットを複数用いた同時スパッタリング（co-sputtering）によって形成する方法が記載されている。さらに、特許文献７には、一対の絶縁層に挟まれたフリー層をそれぞれ備えた２つの磁気トンネル接合素子が記載されている。そのフリー層は、アルミニウムおよびクロムからなる非磁性層とホイスラー合金とが交互に積層された積層構造を有している。
米国特許第６８７６５２２号明細書 米国特許第７０２３６７０号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１３７７８５号明細書 米国特許第６９７７８０１号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６５３２０号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１１６４２６号明細書 米国特許第７０３８８９４号明細書
このように、Ｃｏ2 ＭｎＳｉに代表されるホイスラー合金をピンド層の一部やフリー層に用いることで、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子における特性改善（例えばＭＲ比の向上）が見込まれることは周知である。しかしながら、ホイスラー合金による効果を得るためには、ホイスラー合金自体のハーフメタル性を十分に引き出す必要がある。ところが、ホイスラー合金のハーフメタル性が十分に現れるようにするには、厳しい処理条件下での作製が求められ、一般には、ホイスラー合金に対し、３５０℃を超えるような高温下でのアニール処理を行うことが必要となる。これは、Ｃｏ2 ＭｎＳｉなどのホイスラー合金のスピン分極が、その固有のバンド構造に起因したサイト（原子の位置）の無秩序状態（site-disordering states）に非常に敏感であることから、その潜在能力を十分に引き出すため、サイト（原子の位置）の無秩序状態（site-disordering states）や構造欠陥を、高温でのアニール処理によって取り除くことが必要となるからである。例えば、蒸着された時点でのＣｏ2 ＭｎＳｉは、磁気モーメントやスピン分極を発現せず、非常に大きな抵抗を示す。これは、そのＣｏ2 ＭｎＳｉの薄膜がアモルファスであることの現れである。ここで約３５０℃での５時間に亘るアニール処理により結晶構造の秩序化を促進することで磁気モーメントが現れ始め、抵抗値が大幅に低下し、結晶性が向上することとなる。
しかしながら、そのような（３５０℃を超えるような）温度では、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に含まれるピンド層の磁化状態が飽和し、ピンド層の全体としての磁界強度が劣化することとなる。また、それらのＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を備えた磁気再生ヘッドでは、そのような高温でのアニール処理の際、下地となるシールド層が熱応力を受けることによって表面粗さが増大するなど、その構造が崩れることでシールド効果が損なわれるおそれがある。よって、ホイスラー合金のハーフメタル性が確保される一方で、磁気再生ヘッドとしての機能が劣化する可能性が高い。したがって、Ｃｏ2 ＭｎＳｉなどのホイスラー合金を、ピンド層のピンニング強度や下地層に悪影響を与えることなくＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に導入するための新たな手法が望まれる。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、秩序化温度が低減されたホイスラー合金を含み、より高い信号検出感度を得ることのできるスピンバルブ構造、およびそのようなスピンバルブ構造の製造方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記のようなスピンバルブ構造に用いられる強磁性構造を提供することにあり、第３の目的は、そのようなスピンバルブ構造を備えた磁気抵抗効果素子を提供することにある。
本発明における第１のスピンバルブ構造は、フリー層と、フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、これらフリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層とを含むようにしたものである。ここで、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方は、化１で表されるような、複数のホイスラー合金層を含む多層構造を有している。
（化１）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
本発明における磁気抵抗効果素子は、フリー層と、フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、これらフリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層とを含むスピンバルブ構造を備えるようにしたものである。ここで、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方が、化２で表される多層構造を有しており、非磁性スペーサ層が、銅からなる単一の導電層、一対の銅層の間に電流狭窄層が設けられた３層構造、またはトンネルバリア層のいずれかによって構成されている。
（化２）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
本発明における強磁性構造は、スピンバルブ構造に含まれるものであって、化３、化４、化５または化６で表される多層構造からなるものである。
（化３）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
（化４）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
（化５）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
（化６）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
本発明における強磁性構造では、複数のホイスラー合金層の間に挿入層が設けられた多層構造としたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減される。また、本発明の第１のスピンバルブ構造および磁気抵抗効果素子では、上記のような強磁性構造を、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として採用するようにしたので、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度が弱まることがなく、抵抗変化率が向上する。
本発明における第１のスピンバルブ構造では、ホイスラー合金層が、Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌまたはＣｏ2 ＭｎＡｌを含んでなり、かつ、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有するようにするとよい。また、挿入層が、アルミニウム、および鉄含有率が１０原子数％以上１００原子数％以下の鉄コバルト合金のうちの少なくとも一方を含んでなり、かつ、０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みを有するようにするとよい。また、挿入層は、錫，ゲルマニウム，ガリウム，アンチモンおよびクロムのうちの少なくとも１種を含んでなるようにしてもよい。
本発明における第１のスピンバルブ構造では、化１で表される多層構造における一対の表面のうちの少なくとも一方と接するように、鉄コバルト合金層が設けられていることが望ましい。
本発明における第２のスピンバルブ構造は、フリー層と、フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、これらフリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層とを含むようにしたものである。ここで、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方は、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されてなる複数のホイスラー合金層を有している。
本発明における第２のスピンバルブ構造では、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として、Ｃｏ2 ＭｎＺで表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたホイスラー合金層を採用するようにしたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減される。よって、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度が弱まることがなく、抵抗変化率が向上する。
本発明における第１のスピンバルブ構造の製造方法は、基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、ピンド層における強磁性層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程とを含み、強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、化７、化８、化９または化１０で表される多層構造とするようにしたものである。
（化７）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
（化８）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
（化９）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。）
（化１０）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
本発明における磁気抵抗効果素子の製造方法は、基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、ピンド層における強磁性層の上に、非磁性スペーサ層として、銅からなる単一の導電層、一対の銅層の間に電流狭窄層が設けられた３層構造、またはトンネルバリア層のいずれかを形成する工程と、非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程とを含み、強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、化１１、化１２、化１３または化１４で表される多層構造とするようにしたものである。
（化１１）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
（化１２）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
（化１３）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。）
（化１４）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
本発明における第１のスピンバルブ構造の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造方法では、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として、複数のホイスラー合金層の間に挿入層を設けるようにした多層構造を形成するようにしたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減され、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度が弱まることがなく、抵抗変化率が向上する。
本発明における第２のスピンバルブ構造の製造方法は、基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、ピンド層における強磁性層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程とを含み、強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されてなる複数のホイスラー合金層を有する多層構造とするようにしたものである。
本発明における第２のスピンバルブ構造の製造方法では、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として、Ｃｏ2 ＭｎＺで表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたホイスラー合金層を形成するようにしたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減される。よって、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度が弱まることがなく、抵抗変化率が向上する。
本発明における第２のスピンバルブ構造の製造方法では、複数のホイスラー合金層を、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットと共にアルミニウムのターゲットおよび鉄コバルト合金のターゲットのうちの少なくとも一方を用いた同時スパッタリングにより、または、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットと共にＣｏ2 ＭｎＡｌのターゲットおよびＣｏ2 ＦｅＳｉのターゲットのうちの少なくとも一方を用いた同時スパッタリングにより形成することが望ましい。
本発明の強磁性構造によれば、複数のホイスラー合金層の間に挿入層を設けるようにしたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度を低減することができる。本発明の第１のスピンバルブ構造およびその製造方法ならびに磁気抵抗効果素子およびその製造方法によれば、上記のような強磁性構造を、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として用いるようにしたので、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度を劣化させることなく抵抗変化率を十分に向上させることができる。この結果、さらなる高記録密度化に対応することができる。
また、本発明の第２のスピンバルブ構造およびその製造方法によれば、フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方として、Ｃｏ2 ＭｎＺで表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたホイスラー合金層を採用するようにしたので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度を低減することができる。よって、作製段階においてピンド層の発生する磁界強度を劣化させることなく、抵抗変化率を十分に向上させることができる。この結果、さらなる高記録密度化に対応することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明における第１の実施の形態としてのＣＰＰ−ＧＭＲ磁気再生ヘッド３０（以下、単に磁気再生ヘッド３０という。）のエアベアリング面と平行な断面を表している。図１に示したように、磁気再生ヘッド３０は、複数の磁性層を有するスピンバルブ構造１と、そのスピンバルブ構造１を積層方向に挟むように設けられた下部シールド層１０および上部シールド層２３とを備えている。下部シールド層１０および上部シールド層２３は、、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）によって構成されている。スピンバルブ構造１の両隣に位置し、下部シールド層１０および上部シールド層２３に挟まれた空間領域には、酸化アルミニウムなどからなる絶縁層２０が充填されている。なお、絶縁層２０には、フリー層１８（後出）の単磁区化を図るためのバイアス磁界を付与する硬質強磁性材料が埋設されていてもよい。
図２は、スピンバルブ構造１の詳細な断面構成を表している。このスピンバルブ構造１はボトム型と呼ばれるものであり、下部シールド層１の上に、シード層１１と、反強磁性層（ピンニング層）１２と、シンセティック逆平行ピンド層（ＳｙＡＰ層）１６と、非磁性スペーサ層１７と、磁化自由層（フリー層）１８と、保護層（キャップ層）１９とが順に積層されたものである。
シード層１１は、例えば、１ｎｍ（１０Å）以上６ｎｍ（６０Å）以下の厚み（好ましくは５．０ｎｍの厚み）を有する下層としてのタンタル（Ｔａ）層と、０．５ｎｍ（５Å）以上４．０ｎｍ（４０Å）以下の厚み（好ましくは２．０ｎｍの厚み）を有する上層としてのルテニウム（Ｒｕ）層とによって構成される２層構造をなしている。シード層１１は、その上に形成された反強磁性層１２における平滑性の向上および結晶構造の均質化を促進し、ＳＶ構造１の抵抗変化率（ＭＲ比）の向上に寄与するものである。
反強磁性層１２は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）の含有率が１８〜２２原子数％であるイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなり、５．０ｎｍ（５０Å）以上７．５ｎｍ（７５Å）以下の厚みを有するものである。あるいは、マンガン（Ｍｎ）の含有率が５５〜６５原子数％であるマンガン白金合金（ＭｎＰｔ）からなり、１２．５ｎｍ（１２５Å）以上１７．５ｎｍ（１７５Å）以下の厚みを有するものであってもよい。これ以外にも、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、パラジウムマンガン合金（ＰｄＭｎ）、ルテニウムロジウムマンガン合金（ＲｕＲｈＭｎ）または白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ）などの反強磁性合金によって構成することもできる。反強磁性層１２は、その上に隣接して設けられるＳｙＡＰ層１６の磁化方向を固定するように作用する。
ＳｙＡＰ層１６は、反強磁性層１２の側から、第２強磁性層１３と結合層１４と第１強磁性層１５とが順に積層された３層構造となっている。
第２強磁性層１３は、反強磁性層１２と接するように、例えば２．０ｎｍ（２０Å）以上５．０ｎｍ（５０Å）以下の厚みをなすように設けられており、例えば７５〜９０原子数％のコバルト（Ｃｏ）を含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）によって構成されていることが望ましい。第２強磁性層１３の磁気モーメントは、第１強磁性層１５の磁気モーメントと逆平行となるように固定されている。例えば、第２強磁性層１３が＋Ｘ方向に沿った磁気モーメントを有する場合、一方の第１強磁性層１５は−Ｘ方向に沿った磁気モーメントを有することとなる。ここで、第２強磁性層１３は、第１強磁性層１５よりも僅かに大きな厚みを有しているとよい。ＳｙＡＰ層１６における全体としてのネット磁気モーメントを、より小さくするためである。第２強磁性層１３と第１強磁性層１５との間の交換結合は、結合層１４の存在によって促進され、容易に実現される。
結合層１４は、例えばルテニウムによって構成され、０．７５ｎｍ（７．５Å）の厚みを有することが好ましい。なお、結合層１４の構成材料としては、ロジウム（Ｒｈ）やイリジウム（Ｉｒ）なども用いることができる。上述したように、結合層１４は、第２強磁性層１３と第１強磁性層１５との交換結合を促進する機能を有している。
第１強磁性層１５は、本発明の「強磁性構造」の一具体例であり、例えば化１５で表される多層構造を有している（図示せず）。
（化１５）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
ホイスラー合金層ＨＡは、Ａ2 ＭｎＢで表される構造を有するフルホイスラー合金やＡＭｎＢで表される構造を有するハーフホイスラー合金を構成材料とするものである。ここで、ＡおよびＢは、金属または半導体元素である。具体的なホイスラー合金としては、Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌ，Ｃｏ2 ＭｎＡｌなどが挙げられる。ホイスラー合金層ＨＡの厚みは、例えば１．０ｎｍ（１０Å）以上３．０ｎｍ以下（３０Å）とするとよい。
挿入層ＩＬは、アルミニウム（Ａｌ）や鉄コバルト合金（ＦｅX Ｃｏ(100-X) ）などによって構成されている。挿入層としてＦｅX Ｃｏ(100-X) を用いる場合は、鉄の含有率Ｘを１０原子数％以上１００原子数％以下、好ましくは２５原子数％以上１００原子数％以下、特に好ましくは７０原子数％とすることが望ましい。また、挿入層ＩＬの厚みは、例えば０．０５ｎｍ（０．５Å）以上０．５ｎｍ（５Å）以下とするとよい。
アルミニウムは３ｓ2 軌道および３ｐ1 軌道に３つの価電子（valence electrons）を有するので、Ｃｏ2 ＭｎＳｉなどからなる２つのホイスラー合金層ＨＡの間にアルミニウムからなる挿入層ＩＬを設けるようにすると、マンガンのｐ軌道の電子とアルミニウムのｐ軌道の電子との混成（hybridization）が、マンガンのｄ軌道電子と硅素のｐ軌道電子との混成に対し類似した効果をもたらす。したがって、硅素原子のサイトへのアルミニウム原子の部分置換が一旦生じると、ホイスラー合金層のハーフメタル性が十分に確保されると考えられる。ＦｅX Ｃｏ(100-X) からなる挿入層ＩＬがホイスラー合金層に挿入された場合にも、これと類似したメカニズムがあてはまる。このような作用はホイスラー合金層がＣｏ2 ＭｎＳｉからなる場合に限定されるものではない。すなわち、Ｃｏ2 ＭｎＳｉと類似した構造を有するＣｏ2 ＭｎＡｌやＣｏ2 ＦｅＳｉを用いてホイスラー合金層ＨＡを構成した場合においても、挿入層ＩＬを介在させることで電子軌道の混成が生じ、上記したホイスラー合金層ＨＡにおけるハーフメタル性の向上および安定化がもたらされることとなる。なお、挿入層ＩＬは、錫（Ｓｎ），ゲルマニウム（Ｇｅ），ガリウム（Ｇａ），アンチモン（Ｓｂ）およびクロム（Ｃｒ）などによって構成してもよい。その場合にも、同様の作用が得られる。
化１５の多層構造を構成する各ホイスラー合金層ＨＡは、第１強磁性層１５の全体における磁気モーメントが−Ｘ方向である場合、いずれも−Ｘ方向の磁気モーメントを有している。すなわち、各ホイスラー合金層ＨＡは、磁気的に平行結合している。
第１強磁性層１５は、化１５の多層構造における上面および下面のうちの少なくとも一方と接するように、付加層としてのＦｅＣｏ層（図示せず）をさらに有していてもよい。具体的には、第１強磁性層１５を、化１６〜化１８で表される多層構造としてもよい。これらの化１６〜化１８の多層構造では、付加層としてのＦｅＣｏ層が、例えば７０原子数％の鉄を含み、０．３ｎｍ（３Å）以上１．５ｎｍ（１５Å）以下の厚みを有するとよい。
（化１６）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層ＨＡ同士は磁気的に平行結合している。）
（化１７）
［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。ホイスラー合金層ＨＡ同士は磁気的に平行結合している。）
（化１８）
ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
（ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層ＨＡ同士は磁気的に平行結合している。）
ＳｙＡＰ層１６の上に設けられた非磁性スペーサ層１７は、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサでは例えば銅などの高導電性材料からなり、その表面に図示しない酸素界面活性層（oxygen surfactant layer）が設けられていてもよい。酸素界面活性層は、原子１つ分程度の厚みであり、非磁性スペーサ層１７と、フリー層１８との格子整合性を高めるように機能するものである。すなわち、酸化界面活性層は、スピンバルブ構造１の応力を除去すると共に、自らの上に形成される磁性層（ここではフリー層１８）の成長を促進するものである。非磁性スペーサ層１７が銅によって構成される場合には、２．０ｎｍ（２０Å）以上５．０ｎｍ（５０Å）以下の厚みとするとよい。
非磁性スペーサ層１７の上に設けられたフリー層１８は、第１強磁性層１５と同様に、例えば化１５〜化１８のいずれかで表される多層構造を有している。フリー層１８の磁気モーメントは、例えばＹ軸に沿って配向されており、スピンバルブ構造１が磁気ディスク上を＋Ｚ方向へ移動する際、磁気ディスクから所定の大きさの磁界が供給されることでＸ軸に沿った方向へ向くように回転可能になっている。
キャップ層２８は、スピンバルブ構造１の最上層に位置し、例えば銅層とルテニウム層とタンタル層とルテニウム層とが順に積層構造（Ｃｕ＼Ｒｕ＼Ｔａ＼Ｒｕ）を有している。この場合、各層の厚みは、順に１．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下、４．０ｎｍ以上８．０ｎｍ以下、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とするとよい。
このような磁気再生ヘッド３０であれば、ＳｙＡＰ層１６およびフリー層１８が、化１５〜化１８に示したようなホイスラー合金層ＨＡと挿入層ＩＬとの多層構造であるので、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減され、作製段階におけるピンド層の磁化特性の劣化を防ぐことができる。よって、より高い信号検出感度が得られ、さらなる高記録密度化に好適なものとなる。
次に、図１および図２を参照して、磁気再生ヘッド３０の製造方法について説明する。ここでは、併せてスピンバルブ構造１の製造方法についても説明する。
まず、図示しない土台の上にパーマロイなどからなる下部シールド層１０を形成したのち、この下部シールド層１０の上に、シード層１１、反強磁性層１２、ＳｙＡＰ層１６、非磁性スペーサ層１７、フリー層１８およびキャップ層１９を順に積層することにより積層体を形成する。この積層体の形成にあたっては、例えばアネルバ社製のＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、１．３３３×１０-6 Ｐａ（１０-8 torr）未満、好ましくは６．６６５×１０-7Ｐａ（５×１０-8 torr）未満の低圧下でスパッタリングを行うようにする。このような低圧下であれば、高い均質性および再現性が得られるからである。スパッタガスには例えばアルゴンを使用する。スピンバルブ構造１を構成する各層の全ての形成を同一のチャンバ内において実施するようにしてもよいし、異なるチャンバにおいて実施するようにしてもよい。但し、シード層１１、反強磁性層１２、ＳｙＡＰ層１６、非磁性スペーサ層１７およびフリー層１８については同一のチャンバ内において実施するとよい。
ＳｙＡＰ層１６は、反強磁性層１２の上に、第２強磁性層１３と結合層１４と第１強磁性層１５とを順に積層することにより得られる。ここで、化１５〜化１８に示した多層構造を有する第１強磁性層１５を形成するにあたっては、例えば放電電極でもあるターゲットを複数備えたチャンバにおいて、２つのターゲットを用いたスパッタリングにより、ホイスラー合金層ＨＡと挿入層ＩＬとを交互に形成する。
同様に、フリー層１８を形成する場合においても、ホイスラー合金層ＨＡと挿入層ＩＬとを交互に形成することにより、化１５〜化１８に示した多層構造とする。
第１強磁性層１５およびフリー層１８におけるホイスラー合金層ＨＡについては、例えばＣｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌまたはＣｏ2 ＭｎＡｌを用いて、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みを有するように形成することが望ましい。一方、挿入層ＩＬについては、アルミニウム，錫，ゲルマニウム，ガリウム，アンチモン，クロム，および鉄含有率が１０原子数％以上１００原子数％以下の鉄コバルト合金などを用いて、０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みとなるように形成するとよい。
積層体の形成が完了したのち、アニール処理を施すことにより、ＳｙＡＰ層１６の磁気モーメントの方向を設定すると共に、第１強磁性層１５およびフリー層１８におけるホイスラー合金層ＨＡの結晶構造の秩序化を行う。具体的には、例えば、２０００／π［ｋＡ／ｍ］（＝８０００Ｏｅ）〜２５００／π［ｋＡ／ｍ］（＝１００００Ｏｅ）の磁界を所定の方向へ印加しつつ、２５０℃以上３００℃以下（望ましくは２８０℃以下）の温度で５時間に亘ってアニール処理を行う。これにより、複数のホイスラー合金層ＨＡが相互に磁気的に平行結合することとなる。その後、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）法などにより、積層体が所定の形状となるようにパターニングを行うことにより上面２１と、側壁２２とを有するスピンバルブ構造１が完成する。こののち、側壁２２と接するように、かつ、スピンバルブ構造１の両隣の領域（積層体が除去された領域）を埋めるように絶縁層２０を形成する。絶縁層２０には、その内部に、フリー層１８の単磁区化を促進するためのハードバイアス層を含むようにしてもよい。絶縁層２０をＣＭＰ法などによって平坦化処理し、上面２１を含む共通の平坦面を形成したのち、全体を覆うように上部シールド層２３を形成するなど、所定の工程を経ることで磁気再生ヘッド３０が完成する。
このように、本実施の形態による磁気再生ヘッド３０の製造方法によれば、フリー層１８および第１強磁性層１５として、複数のホイスラー合金層ＨＡの間に所定材料からなる挿入層ＩＬを挿入した化１５〜化１８に示した多層構造を形成するようにしたので、ホイスラー合金層ＨＡにおける結晶構造の秩序化温度を低減することができる。よって、作製段階におけるアニール処理の際、ピンド層の磁化特性を劣化させることがない。その結果、スピンバルブ構造１の抵抗変化率を十分に向上させることができ、さらなる高記録密度化に対応可能な磁気再生ヘッド３０を作製することができる。
（変形例１）
続いて、本実施の形態のスピンバルブ構造１の変形例について説明する。
上記実施の形態では、フリー層１８および第１強磁性層１５として、化１５〜化１８に示した多層構造を採用するようにしたが、本発明は、これに限定されるものではない。
具体的には、フリー層１８および第１強磁性層１５のうちの少なくとも一方を、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたものによって構成するようにしてもよい。この場合であっても、上記実施の形態と同様に、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減される。よって、作製段階におけるアニール処理の際、ピンド層の磁化特性を劣化させることがない。その結果、スピンバルブ構造１の抵抗変化率を十分に向上させることができ、さらなる高記録密度化に対応可能な磁気再生ヘッド３０を作製することができる。
このような変形例としてのフリー層１８および第１強磁性層１５は、例えば、放電電極でもあるターゲットを複数備えたチャンバにおいて、２つのターゲットを用いた同時スパッタリング（co-sputtering）により形成することができる。具体的には、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットと、アルミニウムのターゲットおよび鉄コバルト合金のターゲットのうちの少なくとも一方とを用いた同時スパッタリングにより形成する。または、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットと、Ｃｏ2 ＭｎＡｌのターゲットおよびＣｏ2 ＦｅＳｉのターゲットのうちの少なくとも一方とを用いた同時スパッタリングにより形成してもよい。このような同時スパッタリングを行う際には、一方のターゲットに対して他方のターゲットとは異なった電力を供給し、互いに異なる蒸着レートとすることができる。なお、予め少量（例えば２．５〜１２．５原子数％）のアルミニウム原子や鉄原子が添加されたＣｏ2 ＭｎＳｉのターゲットを単独で用いるようにしてもよい。
［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明における第２の実施の形態としてのスピンバルブ構造２について説明する。図３は、スピンバルブ構造２の断面図である。スピンバルブ構造２は、ＣＣＰ（confining current path）型のＣＰＰ−ＧＭＲセンサである。
スピンバルブ構造２は、非磁性スペーサ層１７の代わりに積層型のスペーサ層２７を備えたことを除き、上記第１の実施の形態におけるスピンバルブ構造１と同じ構造を有している。
スペーサ層２７は、いわゆる電流狭窄（ＣＣＰ：confining current path）層（図示せず）が２つの銅層（図示せず）によって挟まれた３層構造（Ｃｕ＼ＡｌＣｕ＼Ｃｕ）をなしている。下部の銅層の厚みは、例えば０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ以下（好ましくは０．５２ｎｍ）であり、上部の銅層の厚みは、例えば０．２ｎｍ以上０．６ｎｍ以下（好ましくは０．３ｎｍ）である。ＣＣＰ層は、部分的に酸化されたアルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）からなるものである。ＣＣＰ層の厚みは、好ましくは０．６ｎｍ（６Å）以上１．０ｎｍ（１０Å）以下であり、特に好ましくは０．８５ｎｍ（８．５Å）である。また、アルミニウムの含有率は９０原子数％であることが望ましい。スペーサ層２７は、ＡｌＣｕ層の内部に、さらに０．３ｎｍ（３Å）以上０．５ｎｍ（５Å）以下の厚みのマグネシウム層を有することが望ましい。すなわち、スペーサ層２７は全体として（Ｃｕ＼ＡｌＣｕ＼Ｍｇ＼ＡｌＣｕ＼Ｃｕ）という構造を有していることが望ましい。
ＣＣＰ層は、下部の銅層の上に０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みのＡｌＣｕ層を蒸着したのち、ＲＦ−ＰＴプロセス（プラズマまたはイオントリートメント）とＲＦ−ＩＡＯプロセスとによって部分的に酸化された部分酸化ＡｌＣｕ層を形成することで得られる。ＰＴおよびＩＡＯプロセス（プラズマ酸化またはイオンアシスト酸化プロセス）は、同一のスパッタリング装置においても隔離されたチャンバにおいて実施されることが望ましい。ＲＦ−ＰＴプロセスは、好ましくは、ＡｌＣｕ層のうちの０．１ｎｍから０．３ｎｍの厚み分を除去する低電力プラズマエッチング処理を含んでいる。その低電力プラズマエッチング処理は、アルゴンガス流量を５０ＳＣＣＭとし、ＲＦ電力レベルを１７〜２０ワット（Ｗ）とし、２０〜６０秒に亘って行うものである。ＲＦ−ＩＡＯプロセスにより、ＡｌＣｕ層がＣＣＰ層（空孔が銅によって充填された多孔質のアルミニウム酸化物層）へ変換される。ＩＡＯプロセスでは、例えば、アルゴン流量を３０〜５０ＳＣＣＭとし、酸素ガス流量を０．３〜１．０ＳＣＣＭとし、ＲＦ電力レベルを２０〜３０ワットとし、実施時間を１５〜４５秒間とする。
このような構成のスピンバルブ構造２においても、上記第１の実施の形態におけるスピンバルブ構造１と同様の効果が得られる。
（変形例２）
続いて、本実施の形態のスピンバルブ構造２の変形例について説明する。
本実施の形態においても、フリー層１８および第１強磁性層１５のうちの少なくとも一方を、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたものによって構成するようにしてもよい。この場合であっても、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減され、化１５〜化１８に示した多層構造を採用した場合と同様の効果が得られる。
［第３の実施の形態］
次に、図４を参照して、本発明における第３の実施の形態としてのスピンバルブ構造３について説明する。図４は、スピンバルブ構造３の断面図である。スピンバルブ構造３は、いわゆるＴＭＲセンサである。
スピンバルブ構造３は、非磁性スペーサ層１７の代わりにトンネルバリア層２８を備えたことを除き、上記第１の実施の形態におけるスピンバルブ構造１と同じ構造を有している。
トンネルバリア層２８は、ＡｌＯX ，ＡｌＴｉＯX ，ＴｉＯX ，またはＭｇＯなどによって構成される。ここで、ＡｌＯX からなるトンネルバリア層２８を形成する場合には、ＳｙＡＰ層１６の上に、約０．４〜０．６ｎｍの厚みのアルミニウム層を第１強磁性層１５の上に形成したのち、自然酸化法（ＮＯＸ）やラジカル酸化法（ＲＯＸ）によってそのアルミニウム層に対して酸化処理を行うようにする。あるいは、マグネシウム層やチタン層を形成したのち、それらを同様にして酸化することでＭｇＯ層やＴｉＯｘ層を形成するようにしてもよい。また、ＡｌＴｉ層を形成したのち、同様にして酸化処理することでＡｌＴｉＯｘ層を形成するようにしてもよい。
このような構成のＴＭＲセンサ３においても、上記第１の実施の形態におけるスピンバルブ構造１と同様の効果が得られる。
（変形例３）
続いて、本実施の形態のスピンバルブ構造３の変形例について説明する。
本実施の形態においても、フリー層１８および第１強磁性層１５のうちの少なくとも一方を、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されたものによって構成するようにしてもよい。この場合であっても、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減され、化１５〜化１８に示した多層構造を採用した場合と同様の効果が得られる。
続いて、本発明の実施例について説明する。
本発明の効果を確認するため、実施例１および実施例２として、図２のスピンバルブ構造１を有するＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドを作製すると共に、実施例３として、図３のスピンバルブ構造２を有するＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドを作製し、それらの特性の調査を行った。具体的な各層の構成は、後出の表１に示したとおりである。なお、材料種に続いて表記した括弧内の数値は、その層の厚み（単位：ｎｍ）である。実施例１〜３では、シード層、反強磁性層、第２強磁性層、結合層およびキャップ層の構成は共通であり、第１強磁性層、スペーサ層、およびフリー層の構成が異なっている。但し、いずれも、第１強磁性層およびフリー層が、Ｃｏ2 ＭｎＳｉからなるホイスラー合金層ＨＡと、アルミニウムまたはＦｅＣｏからなる挿入層ＩＬとが繰り返し積層された多層構造を有している。また、実施例１，２は銅からなるスペーサ層を有しているが、実施例３は、ＲＦ−ＩＡＯプロセスやＲＥ−ＰＴプロセスなどにより、厚さ０．８７ｎｍのＡｌＣｕを部分的に酸化してなるＣＣＰ層を含むスペーサ層を有している。
実施例１〜３に対する比較例として、Ｃｏ2 ＭｎＳｉからなる単一のホイスラー合金層のみからなるフリー層と、Ｃｏ2 ＭｎＳｉからなる単一のホイスラー合金層とＦｅＣｏ層との２層構造からなる第１強磁性層とを備えたＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドを作製し、同様の調査を行った。その結果を表１に示す。
Figure 2008004944
表１は、実施例１〜３および比較例の各々について、作製時のアニール温度、抵抗変化率ｄＲ／Ｒ、および面積抵抗ＲＡ（相対値）を示したものである。
表１に示したように実施例１〜３では、比較例と比べた場合、抵抗変化率ｄＲ／Ｒが同程度に維持され、または向上した一方で、アニール温度が３５０℃から２８０℃へ大幅に低減することがわかった。すなわち、本実施例では、従来よりも低い温度であっても、ホイスラー合金における結晶性を十分に高め、ホイスラー合金のハーフメタル性を十分に引き出すことが可能なことがわかった。
以上、いくつかの実施の形態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。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。
例えば、上記実施の形態では、ボトム型のスピンバルブ構造について説明したが、本発明はトップ型のスピンバルブ構造にも適用可能である。その場合には、シード層の上にフリー層を形成し、その上に、非磁性スペーサ層、第１の強磁性層、結合層、第２の強磁性層、反強磁性層およびキャップ層を順次積層した構成とすればよい。このようなトップ型のスピンバルブ構造であっても、上記実施の形態のボトム型のスピンバルブ構造と同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態および実施例では、第１の強磁性層およびフリー層の双方が化１５〜化１８に示した多層構造を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１の強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方がそのような多層構造を有していれば、第１の強磁性層およびフリー層の双方が化１５〜化１８に示した多層構造を有しない場合と比べ、ホイスラー合金層における結晶構造の秩序化温度が低減される。第１の強磁性層およびフリー層のうちの一方のみが化１５〜化１８に示した多層構造を有する場合、他方はコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などによって構成される。
本発明における第１の実施の形態としての磁気再生ヘッドの断面を表す構成図である。 図１に示した磁気再生ヘッドに搭載されるスピンバルブ構造の詳細な断面を表す構成図である。 本発明における第２の実施の形態としてのスピンバルブ構造の断面を表す構成図である。 本発明における第３の実施の形態としてのスピンバルブ構造の断面を表す構成図である。
符号の説明
１〜３…スピンバルブ構造、１０…下部シールド層、１１…シード層、１２…反強磁性層、１３…第２強磁性層、１４…結合層、１５…第１強磁性層、１６…ＳｙＡＰ、１７…非磁性スペーサ層、１８…フリー層、キャップ層、２０…絶縁層、２１…上面、２３…上部シールド層、２７…スペーサ層、２８…トンネルバリア層、３０…磁気再生ヘッド。

Claims (20)

  1. フリー層と、
    前記フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、
    前記フリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層と
    を含み、
    前記フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方は、化１で表される多層構造を有している
    ことを特徴とするスピンバルブ構造。
    （化１）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
  2. 前記ホイスラー合金層は、Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌまたはＣｏ2 ＭｎＡｌを含んでなり、かつ、１．０ｎｍ（１０Å）以上３．０ｎｍ（３０Å）以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造。
  3. 前記挿入層は、アルミニウム（Ａｌ）、および鉄含有率が１０原子数％以上１００原子数％以下の鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）のうちの少なくとも一方を含んでなり、かつ、０．０５ｎｍ（０．５Å）以上０．５ｎｍ（５Å）以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造。
  4. 前記挿入層は、錫（Ｓｎ），ゲルマニウム（Ｇｅ），ガリウム（Ｇａ），アンチモン（Ｓｂ）およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１種を含んでなる
    ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造。
  5. 化１で表される前記多層構造における一対の表面のうちの少なくとも一方と接するように鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）層が設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造。
  6. フリー層と、前記フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、前記フリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層とを含むスピンバルブ構造を備え、
    前記フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方は、化２で表される多層構造を有しており、
    前記非磁性スペーサ層は、銅（Ｃｕ）からなる単一の導電層、一対の銅（Ｃｕ）層の間に電流狭窄層（ＣＣＰ層）が設けられた３層構造、またはトンネルバリア層のいずれかによって構成されている
    ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
    （化２）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
  7. スピンバルブ構造に含まれる強磁性構造であって、化３、化４、化５または化６で表される多層構造からなる
    ことを特徴とする強磁性構造。
    （化３）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
    （化４）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
    （化５）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
    （化６）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。ホイスラー合金層同士は磁気的に平行結合している。）
  8. 前記スピンバルブ構造におけるフリー層または前記フリー層と隣接する強磁性層として機能する
    ことを特徴とする請求項７記載の強磁性構造。
  9. 前記ホイスラー合金層は、Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌまたはＣｏ2 ＭｎＡｌを含んでなり、
    前記挿入層は、アルミニウム（Ａｌ），錫（Ｓｎ），ゲルマニウム（Ｇｅ），ガリウム（Ｇａ），アンチモン（Ｓｂ）、クロム（Ｃｒ）、および鉄含有率が１０原子数％以上１００原子数％以下の鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）のうちの少なくとも１種を含んでなる
    ことを特徴とする請求項７記載の強磁性構造。
  10. フリー層と、
    前記フリー層の側から第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが順に積層されたピンド層と、
    前記フリー層およびピンド層の間に位置する非磁性スペーサ層と
    を含み、
    前記フリー層および第１の強磁性層のうちの少なくとも一方は、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されてなる複数のホイスラー合金層を有している
    ことを特徴とするスピンバルブ構造。
  11. 基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層における強磁性層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、
    前記非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程と
    を含み、
    前記強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、化７、化８、化９または化１０で表される多層構造とする
    ことを特徴とするスピンバルブ構造の製造方法。
    （化７）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
    （化８）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
    （化９）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。）
    （化１０）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
  12. 全てを同一のスパッタ蒸着装置において形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  13. Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｎ，Ｃｏ2 ＭｎＧａ，Ｃｏ2 ＦｅＡｌまたはＣｏ2 ＭｎＡｌを用いて前記ホイスラー合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  14. １．０ｎｍ（１０Å）以上３．０ｎｍ（３０Å）以下の厚みを有するように前記ホイスラー合金層を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  15. アルミニウム（Ａｌ），錫（Ｓｎ），ゲルマニウム（Ｇｅ），ガリウム（Ｇａ），アンチモン（Ｓｂ），クロム（Ｃｒ）、および鉄含有率が１０原子数％以上１００原子数％以下の鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）のうちの少なくとも１種を用いて、０．０５ｎｍ（０．５Å）以上０．５ｎｍ（５Å）以下の厚みとなるように前記挿入層を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  16. ２５０℃以上２８０℃以下の温度下で前記ホイスラー合金層のアニール処理を行う工程を含む
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  17. 複数の前記ホイスラー合金層が相互に磁気的に平行結合するように、前記多層構造を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載のスピンバルブ構造の製造方法。
  18. 基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層における強磁性層の上に、非磁性スペーサ層として、銅（Ｃｕ）からなる単一の導電層、一対の銅（Ｃｕ）層の間に電流狭窄層（ＣＣＰ層）が設けられた３層構造、またはトンネルバリア層のいずれかを形成する工程と、
    前記非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程と
    を含み、
    前記強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、化１１、化１２、化１３または化１４で表される多層構造とする
    ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
    （化１１）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
    （化１２）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
    （化１３）
    ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数であり、ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層である。）
    （化１４）
    ＦｅＣｏ［ＨＡ＼ＩＬ］n ＨＡ＼ＦｅＣｏ
    （ＦｅＣｏは鉄コバルト合金からなる付加層であり、ＨＡはホイスラー合金層であり、ＩＬは挿入層であり、ｎは繰り返しの積層数を表す１以上の整数である。）
  19. 基体上に、最上層に強磁性層を含むピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層における強磁性層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、
    前記非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程と
    を含み、
    前記強磁性層およびフリー層のうちの少なくとも一方を、Ｃｏ2 ＭｎＺ（Ｚはコバルト、マンガン、アルミニウムおよび鉄を除く金属元素または半金属元素）で表されるホイスラー合金に鉄およびアルミニウムのうちの少なくとも一方が添加されてなる複数のホイスラー合金層を有する多層構造とする
    ことを特徴とするスピンバルブ構造の製造方法。
  20. 前記複数のホイスラー合金層を、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットとアルミニウム（Ａｌ）のターゲットおよび鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）のターゲットのうちの少なくとも一方とを用いた同時スパッタリングにより、または、Ｃｏ2 ＭｎＳｉのターゲットとＣｏ2 ＭｎＡｌのターゲットおよびＣｏ2 ＦｅＳｉのターゲットのうちの少なくとも一方とを用いた同時スパッタリングにより形成する
    ことを特徴とする請求項１９記載のスピンバルブ構造の製造方法。
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