JP2009283126A - ピンニング層を有する巨大磁気抵抗効果センサー - Google Patents

ピンニング層を有する巨大磁気抵抗効果センサー Download PDF

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Abstract

【課題】ＧＭＲ読み取りセンサーのピンニング層材料としては、高い耐ブロック温度と低いアニーリング温度を有することが望ましくまた、種層材料としては、ピンニング層材料とともに用いられる場合には、高いピンニング強度を与えることが望ましい。
【解決手段】磁気読み取りヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果スタック（１０）は、ＮｉＦｅＣｒ種層（１２）と、強磁性体自由層（１４）と、非磁性体スペーサー層（１６）と強磁性体ピン化層（１８）と、ＸをＣｒあるいはＰｄとしたＰｔＭｎＸピンニング層（２０）とを含んでいる。強磁性体自由層（１４）は、回転可能な磁気モーメントを有し、ＮｉＦｅＣｒ種層（１２）に隣接して設けられている。強磁性体ピン化層（１８）は固定した磁気モーメントを有し、ＰｔＭｎＸピンニング層（２０）に隣接して設けられている。非磁性体スペーサー層（１６）は、自由層（１４）とピン化層（１８）との間に設けられている。
【選択図】図１

Description

（発明の背景）
本発明は、一般的に、磁気読み取りヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果センサーに関し、特に、本発明は、改善された熱的および磁気的安定性を有する巨大磁気抵抗効果読み取りセンサーに関するものである。
巨大磁気効果（ＧＭＲ）読み取りセンサーは、磁気ディスクなどの磁気データ格納媒体に格納され磁気的に符号化された情報を検出するために、磁気データ格納システムで用いられる。磁性媒体から発生する時間依存の磁場は、直接、ＧＭＲ読み取りセンサーの抵抗を変調する。ＧＭＲ読み取りセンサーの抵抗の変化は、読み取り電流をＧＭＲ読み取りセンサーに流し、ＧＭＲ読み取りセンサーに発生する電圧を測定することにより検出することができる。結果として得られる信号を用いて、符号化された情報を磁性媒体から復元することができる。
通常のＧＭＲ読み取りセンサーの構成はＧＭＲスピンバルブとなっており、ＧＭＲ読み取りセンサーでは、強磁性体ピン化層と強磁性体自由層とに挟まれた非磁性体のスペーサー層が多層構造となっている。ピン化層は、あらかじめ定められた方向に、通常はＧＭＲ読み取りセンサーの空気ベアリング面に垂直な方向に磁化されており、一方、ＧＭＲ読み取りセンサーの自由層は、外部磁場によってその磁化方向が定まる。ＧＭＲ読み取りセンサーの抵抗は、自由層の磁化方向とピン化層の磁化方向との間の角度の関数となって変化する。この多層ピン化構造によって、より磁気抵抗効果が顕著となり、すなわち、通常は単層の強磁性体からなる異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）読み取りセンサーよりも、より感度が高く、より大きく変化する抵抗を有するものとなる。
あらかじめ定められた方向にピン化層を磁化するために、通常、ピン化層はピンニング層に交換接合されている。ピンニング層は、通常、反強磁性体物質によって形成されている。反強磁性体物質では、隣接した原子間の磁気モーメントは、反対方向に働き、これによって、物質内には磁気モーメントが実質的に存在しないことになる。
通常、種層を用いて組織化を促進し、結果的にその上部に成長する結晶粒成長を促進する。種層の物質は、その原子構造あるいは原子配置が、自由層の物質の磁化の好ましい結晶方向に対応するように選別される。
ＧＭＲ読み取りセンサーの性能に関わる特性は、ＧＭＲ読み取りセンサーの熱的および磁気的安定性である。製造の過程で、ピンニング層がピン化層と交換接合する際には、ＧＭＲ読み取りセンサーは、ＧＭＲ読み取りセンサーの薄膜間で拡散を起こすようなことがあってはならない。ＧＭＲ読み取りセンサーの動作中にピン化層の磁化が変化しないようにするためには、あらかじめ定められた方向にピン化層の磁化を行うためにピンニング層がピン化層と交換接合した後に、十分な交換接合フィールドあるいはピンニングフィールドが必要となる。
ＧＭＲ読み取りセンサーの熱的および磁気的安定性の重要な要因は、ＧＭＲ読み取りセンサーのピンニング層および種層に用いられる材料である。ピンニング層材料のアニーリング温度は、ピンニング層およびピン化層が製造中に交換接合するような温度である。ピンニング層材料としては、磁化挙動を制御し、ＧＭＲスピンバルブ内の薄膜間の拡散を防ぐために、低いアニーリング温度を有することが望ましい。ピンニング層材料の耐ブロッキング温度は、交換接合が消滅するような温度である。ピンニング層材料としては、ピン化層の磁化が、ＧＭＲ読み取りセンサーの動作中に変化しないように高い耐ブロック温度を有することが望ましい。また、種層材料は、交換結合フィールドの強度あるいはピンニング強度に影響を及ぼす。種層材料とピンニング層材料の組合せとしては、ピン化層の磁化が変化しないように、十分高いピンニング強度を有することが望ましい。
従って、ピンニング層材料としては、高い耐ブロック温度と低いアニーリング温度を有することが望ましく、また、種層材料としては、ピンニング層材料とともに用いられる場合には、高いピンニング強度を与えることが望ましい。
（発明の概要）
本発明は、磁気読み取りヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果スタックである。巨大磁気抵抗効果スタックは、ＮｉＦｅＣｒ種層と、強磁性体自由層と、非磁性体スペーサー層と、強磁性体ピン化層と、ＰｔＭｎＸピン化層とを含み、ここで、Ｘは、ＣｒあるいはＰｄである。自由層は、回転可能な磁気モーメントを有し、ＮｉＦｅＣｒ種層に隣接して設けられる。ピン化層は、固定した磁気モーメントを有し、ＰｔＭｎＸピンニング層に隣接して設けられる。スペーサー層は、自由層とピン化層との間に配される。第一の実施例では、自由層はＮｉＦｅ／ＣｏＦｅからなる二層構造であり、スペーサー層は銅によって形成され、ピン化層はＣｏＦｅによって形成されている。第二の実施例では、自由層はＮｉＦｅ／ＣｏＦｅからなる二層構造であり、スペーサー層は銅によって形成され、ピン化層はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅからなる合成反強磁性体である。
本発明の巨大磁気抵抗効果スタックの第一の実施例の層構造図である。 本発明の巨大磁気抵抗効果スタックの第二の実施例の層構造図である。 ＸをＣｒあるいはＰｄとした、ＰｔＭｎＸピンニング層の耐ブロック温度の測定結果のグラフである。 本発明の巨大磁気抵抗効果スタックの第一の実施例のピンニング強度の測定結果のグラフである。 本発明の巨大磁気抵抗効果スタックの第二の実施例のＧＭＲ応答のグラフである。
図１は、本発明の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）スタック１０の第一の実施例の層構造である。ＧＭＲスタック１０は、種層１２、自由層１４、スペーサー層１６、ピン化層１８およびピンニング層２０を含んでいる。種層１２は、ＮｉＦｅＣｒである。自由層１４は、ＮｉＦｅであることが好ましい第一強磁性体層２２と、ＣｏＦｅであることが好ましい第二強磁性体層２４とを含み、第一強磁性体層２２が種層１２に隣接するように設けられている。ピン化層１８は、ＣｏＦｅであることが好ましい強磁性体材料であり、ピンニング層２０に隣接して設けられている。ピンニング層２０は、ＰｔＭｎＸであり、ここでＸはＣｒあるいはＰｄである。スペーサー層１６は、銅であることが好ましい非磁性体材料であり、自由層１４とピン化層１８の間に設けられている。
ピン化層１８は、あらかじめ定められた方向に磁化されており、一方、自由層１４の磁化は、磁気媒体によって生成された外部磁場に応じて自由に回転する方向をもっている。ピン化層１８の磁化は、ピン化層１８と交換接合したピンニング層２０によってその方向が定められる。ピンニング層２０は、約３８０℃の耐ブロック温度と、約２７０℃のアニーリング温度を有する。種層１２の原子構造は、面中心立方（ｆｃｃ）であり、［１１１］の結晶組織を有し、自由層１４の結晶粒成長を促進する。ＧＭＲスタック１０の抵抗は、自由層１４の磁化方向とピン化層１８の磁化方向との間の角度の関数となって変化する。
種層１２の組成は、約Ｎｉ（６０）Ｆｅ（１５）Ｃｒ（２５）と約Ｎｉ（４８）Ｆｅ（１２）Ｃｒ（４０）との間の領域にあることが好ましく、概ねＮｉ（４８）Ｆｅ（１２）Ｃｒ（４０）であることがより好ましい。ここで、括弧内の数字は、原子割合を表している。種層１２の厚さは、約２０×１０-10メートル（ｍ）から約６０×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね４０×１０-10ｍから５０×１０-10ｍの間の領域にあることがより好ましい。
自由層１４の第一強磁性体層２２の組成は、概ねＮｉ（８５）Ｆｅ（１５）とＮｉ（８０．５）Ｆｅ（１９．５）との間の領域にあることが好ましく、概ねＮｉ（８２）Ｆｅ（１８）であることがより好ましい。自由層１４の第一強磁性体層２２の厚さは、約２０×１０-10ｍから約１００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね３０×１０-10ｍであることがより好ましい。自由層１４の第二強磁性体層２４の組成は、概ねＣｏ（９０）Ｆｅ（１０）であることが好ましい。自由層１４の第二強磁性体層２４の厚さは、約５×１０-10ｍから約２５×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね１３×１０-10ｍであることがより好ましい。
スペーサー層１６の厚さは、約２０×１０-10ｍから約３５×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２４×１０-10ｍであることがより好ましい。
ピン化層１８の組成は、概ねＣｏ（９０）Ｆｅ（１０）であることが好ましい。ピン化層１８の厚さは、約１８×１０-10ｍから約３０×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２５×１０-10ｍであることがより好ましい。
ＰｔＭｎＣｒが用いられた場合のピンニング層２０の組成は、概ねＰｔ（３６）Ｍｎ（６４）Ｃｒ（＞０）とＰｔ（４８）Ｍｎ（５１）Ｃｒ（１）との間の領域にあることが好ましく、概ねＰｔ（４４）Ｍｎ（５５．５）Ｃｒ（０．５）であることがより好ましい。この場合のピンニング層２０の厚さは、約１００×１０-10ｍから約３００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２００×１０-10ｍであることがより好ましい。ＰｔＭｎＰｄが用いられた場合のピンニング層２０の組成は、概ねＰｔ（１５）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（３５）とＰｔ（２５）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（２５）との間の領域にあることが好ましく、概ねＰｔ（２０）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（３０）であることがより好ましい。この場合のピンニング層２０の厚さは、約１５０×１０-10ｍから約３００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２５０×１０-10ｍであることがより好ましい。
図２は、本発明のＧＭＲスタック３０の第二の実施例の層構造である。ＧＭＲスタック３０は、種層３２、自由層３４、スペーサー層３６、ピン化層３８およびピンニング層４０を含んでいる。種層３２は、ＮｉＦｅＣｒである。自由層３４は、ＮｉＦｅであることが好ましい第一強磁性体層４２と、ＣｏＦｅであることが好ましい第二強磁性体層４４とを含み、また第一強磁性体層４２が種層３２に隣接するように設けられている。ピン化層３８は、合成反強磁性体材料であり、ＣｏＦｅであることが好ましい第一および第二強磁性体層４６および５０を含み、第二強磁性体層５０がピンニング層４０に隣接するように、ルテニウムであることが好ましい結合層４８が、第一および第二強磁性体層４６および５０の間に設けられている。ピンニング層４０は、ＸをＣｒあるいはＰｄとして、ＰｔＰｎＸである。スペーサー層３６は、銅であることが好ましい非磁性体材料であり、自由層３４とピン化層３８の間に設けられている。
ピン化層３８は、あらかじめ定められた方向に磁化されており、一方、自由層３４の磁化方向は、磁気媒体によって与えられた外部磁場に応じて自由に回転する。ピン化層３８の磁化は、ピンニング層４０をピン化層３８と交換結合することにより、ピン化される。ピンニング層４０は、約３８０℃の耐ブロック温度と、約２７０℃のアニーリング温度を有している。種層３２の原子構造は、面中心立方（ｆｃｃ）であり、［１１１］の結晶組織を有し、自由層３４の結晶粒成長を促進する。ＧＭＲスタック３０の抵抗は、自由層３４の磁化方向とピン化層３８の磁化方向との間の角度の関数となって変化する。
種層３２の組成は、約Ｎｉ（６０）Ｆｅ（１５）Ｃｒ（２５）と約Ｎｉ（４８）Ｆｅ（１２）Ｃｒ（４０）との間の領域にあることが好ましく、概ねＮｉ（４８）Ｆｅ（１２）Ｃｒ（４０）であることがより好ましい。種層３２の厚さは、約２０×１０-10ｍから約６０×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、約４５×１０-10ｍから約５０×１０-10ｍの間の領域にあることがより好ましい。
自由層３４の第一強磁性体層４２の組成は、概ねＮｉ（８５）Ｆｅ（１５）とＮｉ（８０．５）Ｆｅ（１９．５）との間の領域にあることが好ましく、概ねＮｉ（８２）Ｆｅ（１８）であることがより好ましい。自由層３４の第一強磁性体層４２の厚さは、約２０×１０-10ｍから約１００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね３０×１０-10ｍであることがより好ましい。自由層３４の第二強磁性体層４４の組成は、概ねＣｏ（９０）Ｆｅ（１０）であることが好ましい。自由層３４の第二強磁性体層４４の厚さは、約５×１０-10ｍから約２５×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね１３×１０-10ｍであることがより好ましい。
スペーサー層３６の厚さは、約２０×１０-10ｍから約３５×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２４×１０-10ｍであることがより好ましい。
ピン化層３８の第一および第二強磁性体層４６および５０の組成は、概ねＣｏ（９０）Ｆｅ（１０）であることが好ましい。ピン化層３８の第一および第二強磁性体層４６および５０の厚さは、ともに、約１５×１０-10ｍから約４０×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね約２５×１０-10ｍから約３０×１０-10ｍの間の領域にあることがより好ましい。ピン化層３８の結合層４８の厚さは、約８×１０-10ｍから約１２×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましい。
ＰｔＭｎＣｒが用いられた場合のピンニング層４０の組成は、概ねＰｔ（３６）Ｍｎ（６４）Ｃｒ（＞０）とＰｔ（４８）Ｍｎ（５１）Ｃｒ（１）との間の領域にあることが好ましく、概ねＰｔ（４４）Ｍｎ（５５．５）Ｃｒ（０．５）であることがより好ましい。この場合のピンニング層４０の厚さは、約１００×１０-10ｍから約３００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２００×１０-10ｍであることがより好ましい。ＰｔＭｎＰｄが用いられた場合のピンニング層４０の組成は、概ねＰｔ（１５）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（３５）とＰｔ（２５）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（２５）との間の領域にあることが好ましく、概ねＰｔ（２０）Ｍｎ（５０）Ｐｄ（３０）であることがより好ましい。この場合のピンニング層４０の厚さは、約１５０×１０-10ｍから約３００×１０-10ｍの間の領域にあることが好ましく、概ね２５０×１０-10ｍであることがより好ましい。
図３は、ＸをＣｒまたはＰｄとしたときの、ＰｔＭｎＸピンニング層の耐ブロック温度の測定結果のグラフである。このグラフは、交換結合力（Ｏｅ）を温度（℃）の関数として示すものである。３８０℃において、交換結合力は０Ｏｅとなる。
図４は、本発明のＧＭＲスタック１０のピンニング力の測定結果のグラフである。本グラフは、温度２７０℃での交換結合力（Ｏｅ）をピンニング層の厚さ（×１０-10ｍ）の関数として示すものである。
図５は、本発明のＧＭＲスタック３０のＧＭＲ応答のグラフである。本グラフは、スタック３０のＧＭＲ比（ＧＭＲ読み取りセンサーの抵抗の絶対変化の最大値を、ＧＭＲ読み取りセンサーの抵抗で割った値に、１００％を掛け合わせたもの）を、印加された磁場（Ｏｅ）の関数として示したものである。ＧＭＲスタック３０のＧＭＲ比は、約１０．３％である。
以上を要約すると、本発明は、ＸをＣｒまたはＰｄとしたＰｔＭｎＸピンニング層と、ＮｉＦｅＣｒ種層を有するＧＭＲ読み取りセンサーを提供するものである。ピンニング層は、交換結合を消滅させるため、約３８０℃の高い耐ブロック温度を有している。また、ピンニング層は、製造過程におけるＧＭＲ読み取りセンサー中の磁化の挙動を制御し、薄膜間の拡散を防ぐために、約２７０℃のアニーリング温度を有している。さらに、種層とピンニング層の組合せによって、高いピンニング力を生み出している。この結果、本ＧＭＲ読み取りヘッドは、約１０．３％という高いＧＭＲ比を達成している。
以上、好適な実施例を引用して本発明を説明してきたが、本技術分野に精通した者であれば、本発明の原理と範囲を逸脱することなく、形状および詳細について修正が可能となることは類推できる。

Claims (20)

  1. 強磁性体ピン化層を有する巨大磁気抵抗効果スタックと、高い耐ブロック温度と低いアニーリング温度とを有しながら、ピン化層をピン操作するための高いピンニング力交換結合フィールドを提供する手段とを含む、磁気読み取りヘッドに用いられる読み取りセンサー。
  2. 請求項１記載の読み取りセンサーにおいて、高い耐ブロック温度と低いアニーリング温度とを有しながらピン化層をピン操作するための高いピンニング力交換結合フィールドを提供する手段は、ＮｉＦｅＣｒ種層と、ＸをＣｒあるいはＰｄとしたＰｎＭｎＸピンニング層とを有することを特徴とする読み取りセンサー。
  3. ＮｉＦｅＣｒ種層と、回転可能な磁気モーメントを有し種層と隣接して設けられた強磁性体自由層と、固定した磁気モーメントを有する強磁性体ピン化層と、ピン化層に隣接して設けられ、ＸをＣｒ、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｒｅ、ＲｈおよびＴａからなる一群から選択してなるＰｔＭｎＸピンニング層と、自由層とピン化層とに隣接して設けられた非磁性体スペーサー層とを含む、磁気読み取りヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果スタック。
  4. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、自由層は、種層に隣接して設けられたＮｉＦｅ層と、スペーサー層に隣接して設けられたＣｏＦｅ層とを含む二重層であることを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  5. 請求項４記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ＮｉＦｅ層は約２０×１０-10ｍと約１００×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有し、ＣｏＦｅ層は約５×１０-10ｍと約２５×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有する巨大磁気抵抗効果スタック。
  6. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ピン化層は合成反強磁性体磁石であることを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  7. 請求項６記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、合成反強磁性体磁石は、スペーサー層に隣接して設けられた第一ＣｏＦｅ層と、ピンニング層に隣接して設けられた第二ＣｏＦｅ層と、第一および第二ＣｏＦｅ層の間に設けられたルテニウム層とを含むことを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  8. 請求項７記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、第一および第二ＣｏＦｅ層は約１５×１０-10ｍと約４０×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有し、ルテニウム層は約８×１０-10ｍと約１２×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  9. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、種層は約２０×１０-10ｍと約６０×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  10. 請求項９記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、種層は約４５×１０-10ｍと約５０×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  11. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、種層は約２５％と約４０％の間のＣｒ原子比率を有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  12. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ピン化層は約２０×１０-10ｍと約３０×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  13. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ピンニング層は約１００×１０-10ｍと約３００×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  14. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ＸはＣｒであり、約０％と約１％の間の原子比率を有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  15. 請求項３記載の巨大磁気抵抗効果スタックにおいて、ＸはＰｄであり、約２５％と約３５％の間の原子比率を有することを特徴とする巨大磁気抵抗効果スタック。
  16. ＮｉＦｅＣｒ種層を形成するステップと、磁気モーメントを有する強磁性体材料からなる自由層を種層の上に形成するステップと、非磁性体材料からなるスペーサー層を自由層の上に形成するステップと、磁気モーメントを有する強磁性体材料からなるピン化層をスペーサー層の上に形成するステップと、ＸをＣｒまたはＰｄとしてＰｔＭｎＸからなるピンニング層をピン化層の上に形成するステップとを含むことを特徴とする、磁気読み取りヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果スタックを形成する方法。
  17. 請求項１６記載の巨大磁気抵抗効果スタックを形成する方法において、種層は約２０×１０-10ｍと約６０×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有し、ピンニング層は約１００×１０-10ｍと約３００×１０-10ｍの間の範囲の厚さを有することを特徴とする方法。
  18. 請求項１６記載の巨大磁気抵抗効果スタックを形成する方法において、種層は約２５％と約４０％の間のＣｒ原子比率を有することを特徴とする方法。
  19. 請求項１６記載の巨大磁気抵抗効果スタックを形成する方法において、ＸはＣｒであり、約０％と約１％の間の原子比率を有することを特徴とする方法。
  20. 請求項１６記載の巨大磁気抵抗効果スタックを形成する方法において、ＸはＰｄであり、約２５％と約３５％の間の原子比率を有することを特徴とする方法。
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