JP2009004784A - 交換結合膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

交換結合膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＭＲ比を低減することなく、ＡＦＭ層とＡＰ２ピンド層との間のＨｅｘ／Ｈｃ比を増加させることができ、ＡＰ２層の磁化を一定方向に安定して保持することのできる交換結合膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】ＡＦＭ層１２とピンド層１７を構成するＡＰ２層１４との間に交換結合膜１３を設ける。この交換結合膜１３は、Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、またはＣｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層である。具体的には、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＺｒ，ＣｏＦｅＮｂ，ＣｏＦｅＨｆ，ＣｏＦｅＮｉＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＨｆ，またはＣｏＦｅＮｉＮｂＺｒにより構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高性能なＭＴＪ素子に用いられる交換結合膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド（Current-Perpendicular-to-plane Giant Magnetroresistance)は、２００Ｇｂ／ｉｎ2 以上という記録密度を有することから、従来のＣＩＰ（Current in Plane）ＧＭＲヘッドに代わるセンサとして有望視されている。典型的なＣＰＰ−ＧＭＲセンサでは、パイアスのためボトムシンセティックスピンバルブ膜の積層体が用いられると共に、従来のＣＩＰ- ＧＭＲ技術に引き続き、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ複合構造を有するフリー層が採用されている。ＧＭＲスピンバルブ積層体は、非磁性導電層（スペーサ層）を間にした２つの強磁性層からなる積層構造を有する。ＣＰＰ−ＧＭＲセンサの１種である金属ＣＰＰ−ＧＭＲでは、スペーサ層がＣｕ層であり、シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２層／Ｒｕ層／ＡＰ１層／Ｃｕ層／フリー層／キャップ層の積層構造を有している。第１の強磁性層は、隣接する反強磁性（ＡＦＭ：Anti-ferromagnetic）層、または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。ピンド層は、ルテニウム（Ｒｕ）などからなる結合層により、外側ＡＰ２層が内側ＡＰ１層から分離されたシンセティック反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-Parallel ）構造を有している。第２の強磁性層は、磁化ベクトルが外部磁界に応じて回転可能なフリー層である。すなわち、その積層構造をセンス電流が流れると、フリー層の磁化方向がピンド層のそれに応じて回転する。これにより抵抗変化が生じ、センス電流が電圧変化として検出される。センス電流は、ＣＩＰセンサでは積層構造内の層の平面に対して平行方向に流れるのに対し、ＣＰＰセンサでは積層構造内の層に対して垂直方向に流れる。
超高密度（１００Ｇｂ／ｉｎ2 以上）記録を実現するには、高感度な再生ヘッドが要求される。従来のハードディスクドライブ（ＨＤＤ）に採用されてきたＣＩＰ構造に代わり、上記ＣＰＰ構造がこの要求に応える有力な候補と考えられている。ＣＰＰ構造では、センサが小型化した場合にも、強力な出力信号および大きな磁気抵抗効果（ＭＲ：Magnetoresistive）比を得ることができる。このようなことからＣＰＰ構造は超高密度記録デバイスに適している。ＭＲ比は、ＧＭＲヘッドの感度を表す重要な性質であり、ｄＲ／Ｒで表される。ｄＲはスピンバルブセンサの電気抵抗の変化量であり、Ｒは変化前の電気抵抗である。デバイスの感度を向上させるには、より大きなＭＲ比が要求される。センス電流中の電子が、センサの磁気的にアクティブな層の内部でより長く留まると、より大きなＭＲ比を得ることができる。界面散乱（Interfacial scattering）、すなわちセンサ積層構造内の層間の界面において電子の鏡面反射（Specular reflection ）が生じると、ＭＲ比が高くなって感度が向上する。
他のタイプでは、所謂電流狭窄（ＣＣＰ；Confining Current Path）構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサがある。このセンサでは、メタルパスと酸化層からなる狭窄構造によってＣｕスペーサ層を流れる電流が制限される。このＣＣＰ構造によりＣＰＰ−ＧＭＲセンサの性能が更に向上する。一例として、ＣＣＰ層が２つのＣｕ層に挟まれた、シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２層／Ｒｕ層／ＡＰ１層／Ｃｕ層／ＣＣＰ層／Ｃｕ層／フリー層／キャップ層の積層構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサがある。
電流が膜面に対して垂直に流れるタイプのヘッドとしては、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunnel Magnetoresistive ）ヘッドも、高感度な再生ヘッドの候補である。ＴＭＲヘッドでは、ＧＭＲ積層体におけるピンド層とフリー層との間の非磁性導電層（スペーサ層）が、ＡｌＯｘやＭｇＯなどからなる絶縁層（トンネルバリア層）に置き換えられる。磁気抵抗効果素子としてこの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を用いる場合には、トンネルバリア層は極めて薄く形成され、その面積抵抗（ＲＡ；Resistance Area ）値が低くなる（５Ω- μｍ2 未満）。
再生ヘッドなどの磁気デバイスにおけるＭＴＪ素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用するものであり、非磁性誘電体薄膜を間にした２つの強磁性層の積層構造を有している。ＭＴＪ素子の最下層は、一般に、ＮｉＦｅＣｒまたはＴａ／ＮｉＣｒの複合構造を有するシード層であり、このシード層によりその上の層が＜１１１＞格子方向に成長する。ＭＴＪ積層構造は、シード層上に、反強磁性（ＡＦＭ）層、強磁性ピンド層、トンネルバリア層、強磁性フリー層およびキャップ層をこの順に形成したものである。ピンド層は、例えば、「Ｘ」方向に磁化された隣接するＡＦＭ層との交換結合により、「Ｘ」方向に固定された磁気モーメントを有する。ピンド層上のトンネルバリア層は極めて薄いため、このトンネルバリア層に電流が流れることによって電子伝導の量子力学トンネル効果が得られる。
フリー層の磁気モーメントは、ピンド層の磁気モーメントに対して、平行または反平行である。フリー層の磁気モーメントは外部磁界に応じて変化する。フリー層の磁気モーメントのピンド層のそれに対する相対的な方向によって、トンネル電流が変化、すなわち、トンネル接合の電気抵抗が変化する。センス電流がＭＴＪ積層体内の層と垂直な方向に流れ、フリー層およびピンド層の磁化方向が平行（「１」記憶状態）となる場合には低抵抗となり、フリー層およびピンド層の磁化方向が反平行（「０」記憶状態）となる場合には高抵抗となる。
デバイスの性能を表す指標として磁気抵抗効果（ＴＭＲ）比がある。ＴＭＲ比はｄＲ／Ｒにより表され、ＲはＭＴＪ素子の最小抵抗値、ｄＲはフリー層の磁気状態の変化による抵抗値の変化量を表す。所定のＲＡ値、高いｄＲ／Ｒ値および高破壊電圧（Ｖｂ：Breakdown Voltage ）などの望ましい特性を得るためには、トンネルバリア層が平滑であることが要求される。そのようなトンネルバリア層を得るには、ＡＦＭ層、ピンド層およびシード層が＜１１１＞構造を有するなど、平滑かつ緻密な状態に成長することが求められる。面積（Ａ）が大きい場合には約１０，０００Ω- μｍ2 という高いＲＡ値が許容されるが、面積が小さくなるとＲＡ値はより低い値が要求される（１０００Ω- μｍ2 未満）。ＲＡ値が高すぎると、ＭＴＪ素子に接続されるトランジスタの比抵抗（Resistivity ）とのマッチングに支障が生じてしまうからである。その他、ＭＴＪ素子の望ましい磁気特性としては、ピンド層とフリー層との層間結合磁界（Ｈｉｎ）が弱いこと、およびＡＦＭ層とピンド層との交換結合磁界（Ｈｅｘ）が強いことが挙げられる。ＡＦＭ層とピンド層との交換結合が強いことは、ピンド層の磁化を一定方向に保持するために重要である。
高性能なヘッドを実現するには、ＡＦＭ層とＡＰ２層とのピンニングの確実性を確保し、ピンニングのばらつきを低減する必要がある。すなわちノイズ磁界によるピンニングの発生を抑制するために、Ｈｅｘ／Ｈｃ比を高めることが必要となる。シード層、ＡＦＭ層およびピンド層を適切に選択することにより、交換バイアス特性が向上する。
米国特許出願公開２００６／００６１９１５ 米国特許出願公開２００６／００５６１１４ 米国特許６，８０１，４１４号 米国特許６，７１８，６２１号 米国特許７，０６３，９０４号
ちなみに、関連する先行技術としては、以下の特許文献１〜５を挙げることができる。特許文献１には、０．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ層を、ＭＴＪ積層体におけるシード層とＡＦＭ層との間に挿入する技術が示されている。特許文献２には、ピンド層とＡＦＭ層との間に酸化層を設けることによりＡＦＭ層からトンネルバリア層へのＭｎの拡散を防ぐ技術が開示されている。
特許文献３には、アモルファス層をピンド層に挿入することにより、ＡＦＭ層からのＭｎの拡散を低減する技術が開示されている。アモルファス層はＭＸの組成を有しており、ここでＸは酸化物、窒化物または炭化物であり、ＭはＴｉ，Ｔａ，Ｖ，Ａｌ，ＳｃまたはＥｕである。特許文献４には、ピンド層をＣｏＦｅＢなどのアモルファス性の材料により構成してもよいことが開示されている。特許文献５には、ＭＴＪ積層体にピンド層とＣｒからなるＡＦＭ層を含めることにより、それらの層間で大きなＨｅｘが得られること、およびＣｒ含有量をピンド層とＡＦＭ層との界面から離れるにしたがって減少させることが好ましいことが開示されている。
このように、従来、種々の提案がなされているが、超高密度な再生ヘッドを実現するには更なる最適化が望まれていた。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、ＭＴＪ素子におけるＡＰ２ピンド層とＡＦＭ層との間の交換結合磁界（Ｈｅｘ）と保磁力（Ｈｃ）との比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を高めることができ、ＡＰ２ピンド層とＡＦＭ層との交換特性を向上させると共にピンニングのばらつきを低減できる交換結合膜を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記交換結合膜を用いて超高密度な再生ヘッドを実現可能な磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することにある。
これらの目的のため、本発明の第１の態様では、まず、ＭＴＪ素子が形成される基板を設ける。この基板はＴＭＲ再生ヘッドの下部シールドを兼ねている。この基板上には例えばボトムスピンバルブ構造を有するＭＴＪ積層構造が形成される。このＭＴＪ積層構造は、スパッタ装置内において、シード層、ＡＦＭ層、交換結合膜、反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-Parallel ）ピンド層、トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層を、この順に基板上に成膜することにより形成されたＴＭＲセンサである。本発明の主な特徴は、交換結合膜が０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの膜厚を有するアモルファス磁性層であることである。
このアモルファス磁性層は、Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むものであり、具体的には、例えば、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＺｒ，ＣｏＦｅＨｆ，ＣｏＦｅＮｉＨｆ，ＣｏＦｅＮｂＺｒおよびＣｏＦｅＮｉＮｂＺｒなどの組成を有している。但し、これらに限定されるものではない。このアモルファス磁性層では、アモルファス性の元素の含有量が４０原子％未満であることが好ましい。本発明の交換結合膜は、このアモルファス磁性層に代えて、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆまたはＣｒなどにより構成され、０．５ｎｍ未満の膜厚を有する非磁性層を適用するようにしてもよい。
本発明の第２の態様では、ＭＴＪ素子は、基板上にシード層、ＡＦＭ層、交換結合膜、ピンド層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層をこの順に形成した、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造を有している。ピンド層は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層の３層構造を有するＳｙＡＰピンド層であり、交換結合膜は、このピンド層を構成するＡＰ２層とＡＦＭ層との間に形成される。この交換結合膜は、第１の態様と同様にアモルファス磁性層または非磁性層である。
本発明の第３の態様では、交換結合膜をＳｙＡＰピンド層におけるＡＰ２層の内部に形成することを除いて、第１の態様と同様である。ＳｙＡＰピンド層は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層の構成を有し、ＡＰ２層はＣｏＦｅ、結合層はＲｕによりそれぞれ構成されている。すなわち、ここでのＭＴＪ積層体は、典型的には、シード層、ＡＦＭ層、ＣｏＦｅ層／交換結合膜／ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＡＰ１層、トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層を、基板上にこの順に形成したものである。交換結合膜はアモルファス磁性層または非磁性層である。
本発明の第４の態様は、交換結合膜がＳｙＡＰピンド層におけるＡＰ２層内に形成されることを除いて、第２の態様のＣＰＰ−ＧＭＲ構造と同様である。この場合、ＭＴＪ積層体は、基板上に、シード層、ＡＦＭ層、ＣｏＦｅ層／交換結合膜／ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＡＰ１層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層をこの順に形成したものである。交換結合膜はアモルファス磁性層または非磁性層である。
更に、本発明では、上記態様のＴＭＲセンサまたはＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおいて、第１の交換結合膜をＡＦＭ層とＡＰ２ピンド層との間に形成すると共に、第２の交換結合膜をＡＰ２ピンド層内に形成するようにしてもよい。
また、本発明には、上記交換結合膜を有する磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）の製造方法が含まれる。ＭＴＪ素子を構成する全ての層は、１または２以上のスパッタチャンバと、少なくとも１つの酸化チャンバとを備えたスパッタ装置内で形成される。ＴＭＲセンサの場合には、トンネルバリア層として、ＡｌＯｘ，ＭｇＯ，ＡｌＴｉＯｘ，またはＴｉＯｘ層が形成される。このトンネルバリア層における金属は、スパッタチャンバ内で成膜され、その後自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation ）法、またはラジカル酸化（ＲＯＸ：Radical Oxidation ）法を用いて酸化チャンバ内で酸化される。ＣＰＰ−ＧＭＲセンサでは、スペーサ層をＣｕにより構成し、ＣＣＰ構造としてもよい。この種のセンサではメタルパスと酸化層からなる狭窄構造によってＣｕスペーサ層を流れる電流が制限される。ＭＴＪ素子を構成する全ての層は、基板上に堆積された後、公知のパターニングおよびエッチング技術により所定の形状に形成される。続いて、ＴＭＲセンサの場合には、ＭＴＪ素子の一側面に絶縁層が成膜され、これら絶縁層およびＭＴＪ素子の最上面の上に上部シールドが形成される。一方、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサの場合には、ＭＴＪ素子の両側面に誘電層およびハードバイアス層が形成される。
本発明では、ＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサにおいて、ピンド層を構成するＡＰ２層（ＡＰ２ピンド層）とＡＦＭ層との間、あるいはＡＰ２ピンド層内に交換結合膜を設けるようにしたので、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が増大し、交換特性が向上すると共にピンニングのばらつきが低減される。よって、これらセンサを用いて超高密度な再生ヘッドを実現することが可能になる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、アモルファス磁性材料、または非磁性材料により構成される交換結合膜を、ＭＴＪ積層体におけるピンド層を構成するＡＰ２層（ＡＰ２ピンド層）とＡＦＭ層との間、あるいはＡＰ２ピンド層内に形成することにより、Ｈｅｘ／Ｈｃ比を高め、ピンニングのばらつきを低減させるものである。なお、以下の説明において、図面は代表的な例として示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。図面はボトムスピンバルブ構造を表しているが、本発明はトップスピンバルブ構造、またはデュアルスピンバルブ構造に適用することも可能である。更に、本発明の交換結合膜は、典型例として示されるＴＭＲ構造、またはＣＰＰ−ＧＭＲ構造のものに限定されず、ＭＲＡＭデバイスなどの他のデバイスに用いられるＭＴＪ素子に適用してもよい。
周知のように、シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２ピンド層の積層構造を有するＭＴＪ素子における交換バイアス特性は、典型的にはＣｏＦｅにより構成されるＡＰ２ピンド層に隣接するＡＦＭ層の界面の表面ネットモーメントに基づいて規定される。すなわち、シード層、ＡＦＭ層の成長性および界面特性を最適化すれば、ＡＦＭ層とＡＰ２ピンド層との交換特性が向上する。ちなみに、本発明者らは、本出願に先立ち、ＩｒＭｎＡＦＭ層に対して、従来のＴａ／ＮｉＣｒシード層に代わりＴａ／Ｒｕシード層を採用することにより交換特性が飛躍的に向上することを見出した。本発明は、更に、ＡＦＭ層とＡＰ２ピンド層との界面特性を最適化することによりＨｅｘ／Ｈｃをより向上させるものである。
本発明では、超微細粒状構造または微晶質構造を有するアモルファス層を、交換結合膜として、ＡＦＭ層とＡＰ２ピンド層との間、あるいはＡＰ２ピンド層内に設けるものであり、これにより（特に熱処理（アニール）後において）、ＡＦＭ層における界面ネットスピン散乱（interfacial net spin distributions) が変化する。その結果、相対的に交換バイアスに寄与する表面ネットスピン（surface net spin) が多くなり、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が増加する。以下、具体的に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るボトムスピンバルブ構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサの断面構成を表している。この図は、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサを再生ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface ）に沿って見た状態を示している。まず、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ１について説明し、次にスピンバルブ構造を有する積層構造を形成する方法について説明する。基板１０は、再生ヘッドにおいて第１の磁性シールド（Ｓ１）となるものである。基板１０は、例えば電気めっきにより形成されたパーマロイにより構成され、その膜厚は例えば２μｍである。基板１０上に形成されたシード層１１は、下部Ｔａ層と上部Ｒｕ層（図示せず）の積層構造となっている。このシード層１１により、その上に形成される層に平滑で均一な結晶構造がもたらされ、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ１のＭＲ比が向上する。なお、このＴａ／Ｒｕ構造に代え、Ｔａ／Ｈｆ／ＮｉＦｅの積層構成としてもよい。
シード層１１上にはＡＦＭ層（反強磁性層）１２が形成されている。ＡＦＭ層１２はその上に形成されるピンド層１７（強磁性層）の磁化方向を固定するものであり、例えば約１８原子％乃至２２原子％のＩｒを含むＩｒＭｎにより構成されており、その膜厚は好ましくは約５ｎｍ乃至７．５ｎｍの範囲である。なお、このＡＦＭ層１２は、約５５原子％乃至６５原子％のマンガンを含むＭｎＰｔにより構成し、その膜厚を約１２、５ｎｍ乃至１７、５ｎｍとしてもよく、更にはＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＰｔＰｄＭｎなどによって構成してもよい。
本実施の形態では、ＡＦＭ層１２上に膜厚が０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの交換結合膜１３が形成されている。この交換結合膜１３は、例えばＣｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層により構成されている。具体的には、この交換結合膜１３は、例えば、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＣｏＦｅＺｒ，またはＣｏＦｅＨｆなどの３元組成、あるいはＣｏＦｅＮｉＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＨｆ，ＣｏＦｅＮｉＮｂ，ＣｏＦｅＨｆＺｒ，またはＣｏＦｅＮｂＺｒなどの４元組成を有する。
更に、この交換結合膜１３しては、例えばＣｏＦｅＮｉＮｂＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＨｆＺｒ，またはＣｏＦｅＮｉＨｆＮｂなどのように５元組成を有していてもよい。交換結合膜１３の合金中に含まれるアモルファス性の元素の含有量は、好ましくは４０原子％未満である。例えば、交換結合膜１３が２種のアモルファス性の元素を含む場合には、これら２種類の元素の含有量を合計で４０原子％未満とする。アモルファス性の元素の含有量が４０原子％を超えると、交換結合膜１３が非磁性となり、隣接するＡＦＭ層１２のスピン状態を変化させることにより有益な特性を損なう虞があるからである。交換結合膜１３は、また、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，またはＣｒなどの非磁性材料により構成された、膜厚約０．１乃至０．５ｎｍの非磁性層としてもよい。この場合、非磁性層はアモルファスである必要はなく、この非磁性層により隣接するＡＦＭ層１２のスピン状態が変化する。すなわち、非磁性層が、ＡＦＭ粒子と隣接するＦＭ粒子との間の交換強度を低下させることにより、ＡＦＭ層のスピン状態に影響を与え、そのためＨｅｘ／Ｈｃが増加すると考えられる。
粒子のＨｅｘあるいはＨｃへの寄与を示すファクタとして「ｒ」がある。このファクタｒは、ｒ＝ＪAFM-FM／２ＫAFM ｔAFM で表される。ＪAFM −FMはＡＦＭ粒子とＦＭ粒子との交換結合強度、ＫAFM はＡＦＭ粒子の交換異方性、ｔAFM はＡＦＭ粒子の厚さをそれぞれ表すものである。ｒが０．５より大きい場合、全ての粒子はＨｃに寄与し、ｒが０．５未満の場合、全ての粒子はＨｅｘに寄与する。このように、ｒの値をＪAFM-FMまたはＫAFM ｔAFM によって変化させることにより、ＨｅｘおよびＨｃの配分が変化する。
交換結合膜１３上に形成された、シンセティック反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-parallel ）構造のピンド層１７は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層の３層構造を有している。ピンド層１７のうち交換結合膜１３上のＡＰ２層１４は、約７５原子％乃至９０原子％のコバルトを含むＣｏＦｅにより構成されており、その膜厚は約２ｎｍ乃至５ｎｍの範囲である。ＡＰ２層１４の磁気モーメントは、ＡＰ１層１６の磁気モーメントとは反平行方向に固定されている。例えば、ＡＰ２層が、「＋Ｘ」方向への磁気モーメントを有するのに対し、ＡＰ１層は、「−Ｘ」方向への磁気モーメントを有している。ＡＰ２層１４とＡＰ１層１６とのわずかな膜厚差により、ピンド層１７には微小なネット磁気モーメントが生じている。ＡＰ２層１４とＡＰ１層１６との間の結合層１５は、約０．７５ｎｍの膜厚を有し、例えばＲｕにより構成されている。この結合層１５によってＡＰ２層１４とＡＰ１層１６との間の交換結合が促進される。結合層１５は、その他、ＲｈまたはＩｒにより構成されてもよい。
ＳｙＡＰピンド層１７上に形成されたスペーサ層１８は、Ｃｕにより構成されており、その膜厚は約２ｎｍ乃至５ｎｍの範囲である。なお、このスペーサ層１８は、メタルパスと酸化物層とにより電流狭窄を行う公知のＣＣＰ構造を備えるようにしてもよい。このＣＣＰ構造とする場合には、Ｃｕ層／ＣＣＰ層／Ｃｕ層の積層構造とする。２つのＣｕ層に挟まれたＣＣＰ層はＡｌＣｕ−ＮＯＬ構造とする。膜厚は、例えば、下部Ｃｕ層は約０．２ｎｍ乃至０．８ｎｍ、上部Ｃｕ層は約０．２ｎｍ乃至０．６ｎｍ、ＣＣＰ層は約０．６ｎｍ乃至１ｎｍとする。
スペーサ層１８上のフリー層１９は例えばＣｏＦｅにより構成されている。その他、フリー層１９は、ＣｏＦｅを含む下部層を非磁性層１８の上に形成し、このＣｏＦｅ層の上にＮｉＦｅ層を形成した複合構造としてもよい。なお、このＣＰＰ−ＧＭＲセンサ１では、フリー層１９を他の軟性磁性材料により構成してもよい。
ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ積層体の最上部に形成されるキャップ層２０は、Ｒｕ／Ｔａの積層構造を有する。このキャップ層２０は、その他、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなどの積層構造としてもよい。
このように本実施の形態では、ＡＦＭ層１２とＡＰ２ピンド層１４との間に交換結合膜１３を設けるようにしたので、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が増加する。これによりＡＦＭ層１２とＡＰ２ピンド層１４との間の交換特性が向上すると共にピンニングのばらつきが低減され、よってこのセンサを用いて超高密度な再生ヘッドを実現することが可能になる。
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲセンサの断面構成を表している。このＣＰＰ−ＧＭＲセンサでは、交換結合膜１３がＡＰ２層（ＡＰ２ピンド層）１４内に形成され、ＡＰ２層１４がＣｏＦｅ／交換結合膜／ＣｏＦｅの積層構造を有する点を除いて、図１のＭＴＪ積層体と同様の構成を有している。交換結合膜１３がＡＰ２層１４内部に形成された結果、ＡＰ２層１４は下部層１４ａと上部層１４ｂとにより分割されている。ＡＦＭ層１２上の下部層１４ａは、ＣｏＦｅにより構成され、約０．１ｎｍ乃至１ｎｍの範囲の膜厚を有する。結合層１５の下の上部層１４ｂもＣｏＦｅにより構成され、約０．５ｎｍ乃至２．５ｎｍの範囲の膜厚を有する。
本実施の形態では、交換結合膜１３がＡＰ２ピンド層１４の下部層１４ａと上部層１４ｂとの間の存在するが、それでもＡＦＭ層１２の下部層１４ａとの界面の表面ネットスピンに変化が生じる。これは、後に行われるアニール工程において、少なくとも交換結合膜１３の一部が、下部層１４ａを通ってＡＦＭ層１２との界面へ移動するからであると考えられる。
なお、図示しないが、第１の実施の形態のように交換結合膜１３（第１の交換結合膜）をＡＦＭ層１２とＡＰ２層１４との間に形成すると共に、第２の実施の形態のように他の交換膜１３（第２の交換結合膜）をＡＰ２層１４内に形成するようにしてもよい。
なお、上記第１および第２の実施の形態では、ＭＴＪ積層体の全ての層が成膜された後にはアニール処理が施される。例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造の場合には、シード層１１、ＡＦＭ層１２、１つ以上の交換結合膜１３、ピンド層１７、スペーサ層１８、フリー層１９およびキャップ層２０により構成されたＭＴＪ積層体は、約１０ＫＯｅの一定軸方向の磁場中において、約２５０℃乃至３５０℃の温度で約０．５時間から２０時間、アニールされる。
本実施の形態においては、交換結合膜１３をＡＰ２層（ＡＰ２ピンド層）１４内に形成するようにしたので、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係るＴＭＲセンサ３０の断面構成を表すものである。このＴＭＲセンサ３０では、ＭＴＪ積層体は下部シールド（Ｓ１）となる基板３１の上に形成されている。基板３１は、例えば、ＮｉＦｅ層（下部層）とα−ＴａＮ保護層（上部層）とからなる複合構造である。一般に、基板３１は、ＡｌＴｉＣなどからなる土台（図示せず）の上に形成される。
ＭＴＪ積層体は、基板３１上にシード層３２、ＡＦＭ層３３、交換結合膜３４、ＳｙＡＰ構造のピンド層３８、トンネルバリア層３９、フリー層４０およびキャップ層４１をこの順に形成したものである。シード層３２およびＡＦＭ層３３は、例えば前述のシード層１１およびＡＦＭ層１２とそれぞれ同様の組成を有している。ＡＦＭ層３３およびピンド層３８を成膜する間、外部磁界が印加され、これらの層の磁化方向が一定の軸に沿って変化する。ここでは、ＡＦＭ層３３は図のＸ軸に沿って磁化される。
本実施の形態では、ＡＦＭ層３３の上に膜厚が約０．１乃至１．５ｎｍの交換結合膜３４が設けられている。この交換結合膜３４は、例えばＣｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層により構成されている。具体的には、この交換結合膜３４は、例えば、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＣｏＦｅＺｒ，またはＣｏＦｅＨｆなどの３元組成、あるいはＣｏＦｅＮｉＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＨｆ，ＣｏＦｅＮｉＮｂ，ＣｏＦｅＨｆＺｒ，またはＣｏＦｅＮｂＺｒなどの４元組成を有する。勿論、例えばＣｏＦｅＮｉＮｂＺｒ，ＣｏＦｅＮｉＨｆＺｒ，またはＣｏＦｅＮｉＨｆＮｂなどのように５元組成を有していてもよい。この交換結合膜３４は、好ましくは、合金中に含まれるアモルファス性の元素の含有量が４０原子％未満である。例えば、交換結合膜３４が２種のアモルファス性の元素を含む場合には、これら２種類の元素の含有量が合計で４０原子％未満とする。アモルファス性の元素の含有量が４０原子％を超えると、交換結合膜３４が非磁性となり、隣接するＡＦＭ層３３のスピン状態を変化させることにより有益な特性を損なう虞があるからである。この交換結合膜３４も、また、第１の実施の形態と同様に、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，またはＣｒなどの非磁性材料により構成された、膜厚約０．１乃至０．５ｎｍの非磁性層としてもよい。
交換結合膜３４の上のＳｙＡＰ構造のピンド層３８は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層の積層構造を有する。交換結合膜３４の上に形成されたＡＰ２層３５は、ＣｏＦｅにより構成され、約０．１ｎｍ乃至５ｎｍの範囲の膜厚を有する。ＡＰ２層３５は、例えばＣｏZ Ｆｅ(100-Z) ／Ｆｅ(100-X) ＴａX ／ＣｏZ Ｆｅ(100-Z) またはＣｏZ Ｆｅ(100-Z) ／ＦｅY Ｃｏ(100-Y) ／ＣｏZ Ｆｅ(100-Z) （Ｘは３原子％乃至３０原子％、Ｙは４０原子％乃至１００原子％、Ｚは７５原子％乃至１００原子％）などの組成を有するＦＣＣ型の3 層構造となっている。但し、これに限定されるものではない。ＡＰ２層３５の磁気モーメントは、ＡＰ１層３７の磁気モーメントと反平行方向に固定されている。すなわち、３層構造を有するＡＰ２層３５が、＋Ｘ方向への磁気モーメントを有するのに対し、ＡＰ１層３７は−Ｘ方向への磁気モーメントを有する。ＡＰ２層３５とＡＰ１層３７とのわずかな膜厚差により、ピンド層３８に微小なネット磁気モーメントが生じている。
ＡＰ２層３５とＡＰ１層３７との交換結合は結合層３６により促進されている。結合層３６は約０．７５ｎｍの膜厚を有し、Ｒｕにより構成されることが好ましいが、代わりにＲｈまたはＩｒにより構成されてもよい。ＡＰ１層３７は、約２５原子％乃至５０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅにより構成され、その膜厚は約１ｎｍ乃至２．５ｎｍの範囲である。その他、ＡＰ１層３７は、ＦｅＴａＯまたはＣｏＦｅＯなどの薄膜化されたナノ酸化層（ＮＯＬ：Nano-Oxide Layer）が、２つのＣｏＦｅ層の間に挟まれた複合構造層であってもよい。ナノ酸化層は、ＡＰ１層３７の平滑性を促進するために用いられる。ＡＰ１層３７は、また、ＣｏＦｅ層およびＣｕ層からなり、[ ＣｏＦｅ／Ｃｕ] ｎ／ＣｏＦｅ（ｎは２または３）の構造を有するラミネートフィルムであってもよい。更に、ＡＰ１層３７はＣｏＦｅＢ層（下部層）およびＣｏＦｅ層（上部層）からなる複合構造を有していてもよい。
ピンド層３８上のトンネルバリア層３９は、ＡｌＯｘ，ＭｇＯ，ＡｌＴｉＯｘまたはＴｉＯｘなどにより構成される金属酸化層の薄膜である。例えば、０．５乃至０．６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層をピンド層３８上に成膜すると共に、このＡｌ層をプラズマ酸化などのラジカル酸化（ＲＯＸ；radical oxidation ）法を用いて酸化する。このプラズマ酸化は、例えば上部イオン化電極と基板表面（Ａｌ層）との間に格子状のキャップが配置されたスパッタ装置の酸化チャンバ内において行う。Ａｌの酸化により得られたＡｌＯｘ層は、膜厚が例えば０．７乃至１．１ｎｍとなり、優れた平滑性および均一性を示す。これはシード層３２、＜１１１＞結晶構造を有するＡＦＭ層３３およびＳｙＡＰピンド層３８が平滑かつ緻密に積層されていることによる。
トンネルバリア層３９は、その他、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの３層構造を有するものとしてもよい。すなわち、ピンド層３８の上に約０．８ｎｍの膜厚のＭｇ層（図示せず）を成膜し、次いで、このＭｇ層をラジカル酸化または自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation ）を用いて酸化する。続いて、このＭｇＯ層上に約０．４ｎｍの膜厚を有する第２のＭｇ層を成膜することにより、３層構造のトンネルバリア層３９が形成される。この方法により形成されたＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの積層構造では、スパッタにより成膜されたＭｇＯトンネルバリア層に比べ、ＲＡの均一性がより高くなる。
トンネルバリア層３９上のフリー層４０は、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅからなる複合構造を有する。トンネルバリア層３９に隣接するＣｏＦｅ層は、約０．５ｎｍ乃至１．５ｎｍの膜厚を有する。ＣｏＦｅ層の上のＮｉＦｅ層は、約２ｎｍ乃至４ｎｍの膜厚を有する。ＣｏＦｅ層は、例えばＡＰ１層３７におけるＣｏＦｅ層と同様の組成を有する。なお、このフリー層４０におけるＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との間にナノ酸化層を形成するようにしてもよい。また、ピンド層３８におけるＡＰ１層３７がＣｏＦｅＢにより構成され、トンネルバリア層３９がＭｇＯにより構成される場合には、フリー層４０もＣｏＦｅＢにより構成するようにしてもよい。フリー層４０は、適度にスピン偏極した材料を用いて形成し、ＭＴＪ素子の磁気歪（λS ）を最小化することが好ましい。フリー層４０がＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの複合構造を有する場合には、ＮｉＦｅ層におけるＦｅを８原子％乃至２１原子％とすることにより、磁気歪を効果的に最小化することができる。フリー層４０はＸ軸方向（ピンド層方向）に磁気的に配向される。図示しないが、ＴＭＲセンサ３０（ＭＴＪ素子）の平面形状が楕円形である場合には、その容易軸は楕円の長軸方向に沿う。
フリー層４０上のキャップ層４１は、例えばＲｕ，Ｔａまたはこれらの組み合わせにより形成されており、その膜厚は約６ｎｍ乃至２５ｎｍの範囲である。キャップ層４１はその他の材料により構成されてもよいが、このキャップ層４１が、外側層（上部層）を含む複合構造を有する場合には、外側層は好ましくはＲｕにより構成される。Ｒｕは、低抵抗の導体であり、耐酸化性を有すると共に、後工程で形成される上部シールド（図示せず）との電気的接触性が良好である。更に、外側層をＲｕにより構成した場合には、ＴＭＲの製造過程の後工程で用いられる化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polish）工程では、このＲｕ層がストップ層として効果的に機能させることができる。
このように本実施の形態では、ＡＦＭ層３３とＡＰ２ピンド層３５との間に交換結合膜３４を設けるようにしたので、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が増加する。これによりＡＦＭ層３３とＡＰ２ピンド層３５との間の交換特性が向上すると共にピンニングのばらつきが低減され、よってこのセンサを用いて超高密度な再生ヘッドを実現することが可能になる。
［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るＴＭＲセンサ３０の断面構成を表すものである。このＴＭＲセンサ３０では、交換結合膜３４がＡＰ２層３５内に形成されることによりＡＰ２層３５がＣｏＦｅ層／交換結合膜／ＣｏＦｅ層の積層構造を有する点を除いて、図３のＭＴＪ積層体と同様の構成を有している。ＡＦＭ層３３上のＣｏＦｅ層（下部層３５ａ）の膜厚は例えば約０．１ｎｍ乃至１ｎｍ、結合層３６の下のＣｏＦｅ層（上部層３５ｂ）の膜厚は例えば約０．５ｎｍ乃至２．５ｎｍである。
なお、第３の実施の形態のように交換結合膜３４（第１の交換結合膜）をＡＦＭ層３３とＡＰ２層３５との間に形成すると共に、第４の実施の形態のように交換結合膜３４（第２の交換結合膜）をＡＰ２層３５内に形成するようにしてもよい。
ＴＭＲセンサ３０を構成する全ての層は、スパッタ装置内で成膜することができる。このようなスパッタ装置として、例えば、それぞれ５つのターゲットを有する３つのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）チャンバ、１つの酸化チャンバ、１つのスパッタエッチングチャンバを備えた薄膜スパッタ装置（例えばアネルバ社製のＣ−７１００）がある。この装置では、少なくとも１つのＰＶＤチャンバにおいて同時並行スパッタが可能である。スパッタ成膜プロセスでは、アルゴンスパッタガスと、基板上に成膜された金属または合金からなるターゲットが用いられる。複数の元素により構成される交換結合膜３４は、個々の元素をそれぞれ同時並行スパッタする、あるいは１つ以上の合金を同時並行スパッタする、あるいは１つ以上の元素と１つ以上の合金とを同時並行スパッタすることにより、成膜することができる。
なお、上記第３および第４の実施の形態においても、ＭＴＪ積層体の全ての層が成膜された後にはアニール処理が施される。例えば、シード層３２、ＡＦＭ層３３、１つ以上の交換結合膜３４、ピンド層３８、スペーサ層３９、フリー層４０およびキャップ層４１により構成されたＭＴＪ積層体は、約１０ＫＯｅの一定軸方向の磁場中において、約２５０℃乃至３５０℃の温度で約０．５時間から２０時間、アニールされる。
本実施の形態においては、交換結合膜３４をＡＰ２層（ＡＰ２ピンド層）３５内に形成するようにしたので、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
図５は、図１のＭＴＪ素子（ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ１）を備えたＣＰＰ−ＧＭＲヘッド２の構成を表すものである。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッド２は、以下のようにして作製することができる。すなわち、ＭＴＪ積層体を構成する全ての層を成膜した後、キャップ層２０の上面２０ａにフォトレジスト層のパターン（図示せず）を形成し、これをマスクとしてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＭＴＪ積層体をパターニングする。これらの工程によりＭＴＪ積層体に側面２１が形成されるが、通常、この側面２１は傾斜するため、上面２０ａはＸ軸に沿ってシード層１１よりも小さな幅を有する。エッチング工程が完了した後、フォトレジスト層を剥離させる。
その後、下部シールド１０上に、約１０ｎｍ乃至１５ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ2 Ｏ3 などにより構成される第１誘電体層２２をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法を用いて、ＭＴＪ素子の側面２１に沿って形成する。なお、図示しないが、この第１誘電体層の上にＴｉＷ，Ｃｒ，ＣｒＴｉまたはＣｒＭｏなどによるシード層を形成してもよい。次に、イオンビーム成膜（ＩＢＤ：Ion Beam Deposition ）法やＰＶＤ法により、第１誘電体層２２上にＣｏＣｒＰｔまたはＦｅＰｔにより構成されるハードバイアス層２３を成膜する。なお、上記シード層上に、ＮｉＦｅ，Ｃｏｆｅ，ＣｏＮｉＦｅ，ＦｅＴａＮまたはＦｅＡｌＮなどにより構成される軟性磁性下地層を形成し、シード層とハードバイアス層２３との良好な格子整合を確保するようにしてもよい。続いて、第１誘電体層２２およびハードバイアス層２３の上に例えばＣＶＤ法やＰＶＤ法により第２誘電体層２４を形成する。ハードバイアス層２３の膜厚は約２０ｎｍ乃至４０ｎｍ、第２誘電体層２４の膜厚は約１５ｎｍ乃至２５ｎｍの範囲である。次に、ＣＭＰ法により第２誘電体層２４をキャップ層２０の上面２０ａと同一平面上となるよう平坦化する。続いて、これらキャップ層２０の上面２０ａおよび第２誘電体層２４の上に、例えばＴａ／ＮｉＦｅなどの複合構造層からなる上部シールド２５を成膜する。
図６は、図４のＭＴＪ素子（ＴＭＲセンサ３０）を備えたＴＭＲヘッド５０の構成を表すものである。このＴＭＲヘッド５０は、以下のようにして作製することができる。すなわち、ＭＴＪ積層体を構成する全ての層を成膜した後、キャップ層４１の上面４１ａにイオンビームエッチング（ＩＢＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程においてマスクとして機能するフォトレジスト層のパターン（図示せず）を形成する。これらＩＢＥまたはＲＩＥ工程では、ＭＴＪ積層体においてパターンを移動させることにより側面４２が形成されるが、側面４２は傾斜するため、上面４１ａはＸ軸に沿ってシード層３２よりも小さな幅を有する。エッチング工程が完了した後、フォトレジスト層を剥離させる。その後、下部シールド３１上にＭＴＪ積層体の側面４２に隣接するように低い誘電率の絶縁性材料からなる絶縁層４３を形成し、次いでこの絶縁層４３をＭＴＪ素子の上面４１ａと同一平面となるように平坦化する。
上記のＣＰＰ−ＧＭＲヘッド２およびＴＭＲヘッド５０では、ともに交換結合膜がアモルファス磁性層または非磁性層により構成されているので、ＭＴＪ素子におけるＡＦＭ層３３とＡＰ２層３４（ピンド層）との交換特性が向上する。この結果、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が向上し、デバイスに生じる所謂ポップコーンノイズを低減することができる。すなわち、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が高まるに従いポップコーンノイズは低減され、結果的にデバイスの性能が向上する。更に、本発明によれば、ＭＴＪ素子におけるピンニングのばらつきが従来技術に比べて低減される。これにより、より安定した性能のデバイスを製造することができる。
[実験例]
上記ＭＴＪ積層体による性能の向上を実証する実験を実施した。なお、ここでのＭＴＪ積層体は、ＡｌＴｉＣにより構成される基板上に、シード層、ＩｒＭｎにより構成されるＡＦＭ層、交換結合膜、ＡＰ２ピンド層およびキャップ層をこの順に積層して作製したものである。すなわち、上記実施の形態で説明した結合層、ＡＰ１層、スペーサ層（またはトンネルバリア層）およびフリー層は省略した。これらの層は、一般的なＭＴＪ積層体においてはＨｅｘ／Ｈｃ比に対する効果を実証するためには特に必要はない。このような簡素化されたＭＴＪ積層体において本発明の交換結合膜の効果が確認できれば、これはＧＭＲまたはＴＭＲスピンバルブ構造を有する完全なＭＴＪ積層体においても同様であることは、所謂当業者であれば理解できることである。
本例では、シード層は、２ｎｍの膜厚を有する下部Ｔａ層と、２ｎｍの膜厚を有するＲｕ上部層の積層構造とした。ＡＦＭ層はＩｒＭｎにより構成し、その膜厚は７ｎｍとした。ＡＰ２層は、２５原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ層とし、その膜厚は２．４ｎｍとした。キャップ層は、１ｎｍの膜厚を有するＲｕ下部層と、５ｎｍの膜厚を有するＴａ上部層との積層構造とした。本例は、交換結合膜（ＩＬ）がＡＦＭ層とＡＰ２層との間に形成されたＣＰＰ−ＧＭＲ構造またはＴＭＲ構造を表している。交換結合膜の組成はＣｏX ＦｅY ＢZ （Ｘは６０原子％、Ｙは２０原子％、Ｚは２０原子％) とした。以下では、交換結合膜を含まない従来の構造（サンプル１）を基準として比較を行う。
実験結果を表１に示す。サンプル２〜６は、ＣｏＦｅＢにより構成される交換結合膜の膜厚を、０．１ｎｍから０．５ｎｍの間で変化させたものである。ＩｒＭｎにより構成されるＡＦＭ層とＣｏＦｅにより構成されるＡＰ２層との間に交換結合膜を用いないサンプル１と比較すると、Ｈｅｘ／Ｈｃ比が大幅に向上していることが分かる。サンプル４（交換結合膜の膜厚が０．３ｎｍ）では１７３４ＯｅのＨｅｘを示し、１７３２ＯｅのＨｅｘを示したサンプル１と比較して、ＡＰ２層のモーメントが増大している。また、サンプル４の場合には、Ｈｅｘ／Ｈｃ比はサンプル１の結果の３倍近くまで上昇した。これにより、ＴＭＲセンサおよびＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおいて、交換結合膜を含むことにより、ＭＲ比を低減することなくピンニング構造が改善されていることが分かる。総じて、ＭＲ比や信号振幅を損なうことなく、より大きなＨｅｘ／Ｈｃ比を達成することができ、これにより再生ヘッドの性能を更に向上させることができる。
Figure 2009004784
本発明の第１の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲセンサの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲセンサの断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るＴＭＲセンサの断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るＴＭＲセンサの断面図である。 図１のＣＰＰ−ＧＭＲセンサを有する再生ヘッドの断面図である。 図４のＴＭＲセンサを有する再生ヘッドの断面図である。
符号の説明
１…ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ、２…ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド、３０…ＴＭＲセンサ、５０…ＴＭＲヘッド、１０，３１…基板（下部シールド）、１１，３２…シード層、１２，３３…ＡＭＦ層、１３，３４…交換結合膜、１４，３５…ＡＰ２層、１５，３６…結合層、１６，３７…ＡＰ１層、１７，３８…ピンド層、１８，３９…トンネルバリア層（スペーサ層）、１９，４０…フリー層、２０，４１…キャップ層、２２…第１誘電体層、２３…ハードバイアス層、２４…第２誘電体層、２５，４４…上部シールド、４３…絶縁層。

Claims (23)

  1. 磁気抵抗効果素子における反強磁性（ＡＦＭ）層とピンド層との間に設けられ、前記反強磁性層とピンド層との間の交換結合特性を向上させるための交換結合膜であって、
    Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、または
    Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層を備えた
    ことを特徴とする交換結合膜。
  2. 前記磁気抵抗効果素子は、再生ヘッドにおけるＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサを構成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の交換結合膜。
  3. 前記アモルファス磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項１に記載の交換結合膜。
  4. 前記非磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項１に記載の交換結合膜。
  5. 前記ＡＦＭ層がＩｒＭｎにより構成され、前記ピンド層がＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層からなる積層構造を有し、前記ＡＰ２層がＣｏＦｅにより構成されると共に、前記交換結合膜に隣接している
    ことを特徴とする請求項１に記載の交換結合膜。
  6. 前記アモルファス磁性層は、ＣｏＦｅ(100-X) ＡX またはＣｏＦｅＮｉ(100-X) ＡX （Ａはアモルファス性の元素を表し、Ｘは４０原子％未満である）、あるいはＣｏＦｅ(100-X-Y) ＡX ＭY またはＣｏＦｅＮｉ(100-X-Y) ＡX ＭY （ＡおよびＭはアモルファス性の元素を表し、ＸおよびＹの合計が４０原子％未満である）で表される組成を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の交換結合膜。
  7. 磁気抵抗効果素子における反強磁性（ＡＦＭ）層と、ＡＰ２／結合層／ＡＰ１の積層構造を有するピンド層との間の交換特性を向上させるための交換結合膜であって、
    Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、または
    Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層を備え、
    前記ピンド層のＡＰ２層内に形成されている
    ことを特徴とする交換結合膜。
  8. 前記磁気抵抗効果素子は、再生ヘッドにおけるＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサを構成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の交換結合膜。
  9. 前記アモルファス磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項７に記載の交換結合膜。
  10. 前記非磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍの範囲である
    ことを特徴とする請求項７に記載の交換結合膜。
  11. 前記ＡＦＭ層はＩｒＭｎ、前記ピンド層の前記ＡＰ２層はＣｏＦｅによりそれぞれ形成されている
    ことを特徴とする請求項７に記載の交換結合膜。
  12. 前記アモルファス磁性層は、ＣｏＦｅ(100-X) ＡX またはＣｏＦｅＮｉ(100-X) ＡX （Ａはアモルファス性の元素を表し、Ｘは４０原子％未満である）、あるいはＣｏＦｅ(100-X-Y) ＡX ＭY またはＣｏＦｅＮｉ(100-X-Y) ＡX ＭY （ＡおよびＭはアモルファス性の元素を表し、ＸおよびＹの合計が４０原子％未満である）で表される組成を有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の交換結合膜。
  13. （ａ）シード層と、
    （ｂ）反強磁性（ＡＦＭ）層と、
    （ｃ）Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、または、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層を備えた少なくとも１つの交換結合膜と、
    （ｄ）ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層からなるＳｙＡＰ構造を有するピンド層と、
    （ｅ）前記ＡＰ１層に接するスペーサ層またはトンネルバリア層と、
    （ｆ）フリー層と、
    （ｇ）キャップ層と
    を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  14. １つの交換結合膜を有すると共に、基板上に（ａ）シード層／（ｂ）ＡＦＭ層／（ｃ）交換結合膜／（ｄ）ピンド層／（ｅ）スペーサ層またはトンネルバリア層／（ｆ）フリー層／（ｇ）キャップ層がこの順に形成され、
    前記シード層がＴａ／Ｒｕの積層構造を有し、前記ＡＦＭ層はＩｒＭｎ、前記ＡＰ２層はＣｏＦｅによりそれぞれ形成されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
  15. 前記アモルファス磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの範囲内、前記非磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍの範囲内である
    ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
  16. 前記交換結合膜は、前記ＡＰ２層内に形成されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
  17. 前記ＡＦＭ層と前記ＡＰ２層との間に第２の交換結合膜
    を更に備えたことを特徴とする請求項１６に記載の磁気抵抗効果素子。
  18. （ａ）基板上にシード層を形成する工程と、
    （ｂ）前記シード層上にＡＦＭ層を形成する工程と、
    （ｃ）前記ＡＦＭ層上に、Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、または、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層からなる交換結合膜を形成する工程と、
    （ｄ）前記交換結合膜上に、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層からなるＳｙＡＰ構造を有するピンド層を前記ＡＰ２層が前記交換結合膜に接するように形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  19. 前記アモルファス磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの範囲内、前記非磁性層の膜厚は０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍの範囲内とする
    ことを特徴とする請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  20. 前記ＡＦＭ層をＩｒＭｎ、前記ＡＰ２層をＣｏＦｅによりそれぞれ形成し、前記交換結合膜を、ＣｏＦｅ(100-X) ＡX またはＣｏＦｅＮｉ(100-X) ＡX （Ａはアモルファス性の元素を表し、Ｘは４０原子％未満である）、あるいはＣｏＦｅ(100-X-Y) ＡX ＭY またはＣｏＦｅＮｉ(100-X-Y) ＡX ＭY （ＡおよびＭはアモルファス性の元素を表し、ＸおよびＹの合計が４０原子％未満である）で表される組成を有するものとする
    ことを特徴とする請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  21. （ａ）基板上にシード層を形成する工程と、
    （ｂ）前記シード層上にＡＦＭ層を形成する工程と、
    （ｃ）前記ＡＦＭ層上に、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層からなる構成を有するピンド層を形成する工程とを含み、
    前記ＡＰ２層を、
    （１）前記ＡＦＭ層に接する下部層と、
    （２）Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉおよびＰからなる群から選択された少なくとも１種のアモルファス性の元素とを含むアモルファス磁性層、または、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｍｎ，ＨｆおよびＣｒからなる群から選択された元素を含む非磁性層からなると共に、前記下部層の上に形成された交換結合膜と、
    （３）前記交換結合膜上に形成された上部層と
    により構成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  22. 前記アモルファス磁性層の膜厚を０．１ｎｍ乃至１．５ｎｍの範囲内、前記非磁性層の膜厚を０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍの範囲内とする
    ことを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  23. 前記ＡＦＭ層をＩｒＭｎ、前記ＡＰ２層をＣｏＦｅによりそれぞれ形成し、前記交換結合膜を、ＣｏＦｅ(100-X) ＡX またはＣｏＦｅＮｉ(100-X) ＡX （Ａはアモルファス性の元素を表し、Ｘは４０原子％未満である）、あるいはＣｏＦｅ(100-X-Y) ＡX ＭY またはＣｏＦｅＮｉ(100-X-Y) ＡX ＭY （ＡおよびＭはアモルファス性の元素を表し、ＸおよびＹの合計が４０原子％未満である）で表される組成を有するものとする
    ことを特徴とする請求項２１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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