JP2011238342A - 磁気抵抗効果センサおよびその製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果センサおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を持つフリー層を有し、フリー層の磁化を固定し、シールド−フリー層間相互作用を最小化するためのハードバイアス構造を必要としない磁気抵抗効果センサを提供する。
【解決手段】
下部シールド２１の上にシード層２４、フリー層２５、接合層２６、リファレンス層２７および交換ピンニング層２８をこの順に形成する。パターニング後、センサ積層体の側壁３３に沿って、共形の絶縁層２３を形成する。その後、絶縁層２３の上に上部シールド２２ｔを形成する。上部シールド２２ｔは、狭いリードギャップによってフリー層２５から分離されている。ＰＭＡがフリー層２５の自己減磁界よりも大きい場合、センサは、幅５０ｎｍ未満まで拡大可能である。有効バイアス磁界は、センサのアスペクト比に対してあまり反応しないため、ストライプが高く、幅の狭いセンサにより、高いＲＡ値を有するＴＭＲ構造が実現可能となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、再生ヘッドに用いる磁気抵抗効果センサおよびその製造方法に係り、特に垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy ）のボトムフリー層を有するトップスピンバルブ構造を備えた磁気抵抗効果センサおよびその製造方法に関する。
近年の技術の向上によって、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：hard disk drive ）のデータ面密度は増加し続けている。そのため、ＨＤＤの再生素子として使用されるＭＲセンサは、所定の信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio ）を保持すると共に分解能を大幅に改善することが必要になった。センサは、センス電流を流し、抵抗変化をモニタリングすることによって、異なる磁化状態を検出するための重要な構成要素である。巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magnetoresistive）構造は、センサ積層体内に、非磁性導電層によって分離された２つの強磁性層を含んでいる。一方の強磁性層は、隣接する反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）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り、他方の強磁性層は、外部磁界に応じて磁化ベクトルが回転可能なフリー層である。外部磁界がない場合には、フリー層の磁化方向は、センサ積層体に対向して設けられたハードバイアス層の影響によって、ピンド層の磁化方向に対して直交する方向にある。センサをエアベアリング面（ＡＢＳ：air bearing surface ）に沿って記録媒体の上を通過させることによって外部磁界が印加された場合には、フリー層の磁気モーメントは、ピンド層の磁化方向に対して平行な方向に回転し、直交方向にある場合よりも低抵抗状態となる。トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistive）効果センサでは、２つの強磁性層は薄い非磁性誘電層によって分離されている。
図１（Ａ）は、ＨＤＤに使用されているＭＲセンサ構造を有するＴＭＲヘッド２０を表している。このＴＭＲヘッドは、上部シールド２と下部シールド１を有し、上部シールド２と下部シールド１との間、および隣接するＨＢ構造（ハードバイアス磁石）４との間に、フリー層（図１（Ｂ）参照）を含むセンサ積層体６が形成されている。長手方向の磁化５を有するＨＢ構造４は、センサ積層体６の側面にバイアス磁界を発生させ、フリー層１１の磁化１２をｘ軸方向に向ける。センサ積層体６の厚さが上部シールド２と下部シールド１との間の読出シールド間隔（ＲＳＳ：reader shield spacing ）３になる。センサ積層体６は絶縁層１３によってＨＢ構造４から分離されている。
センサ積層体６は、具体的には図１（Ｂ）に示したようなボトムスピンバルブ構造を有している。このセンサ積層体６は、下部シールド１（図１（Ａ））の上にピンド層７、結合層８、リファレンス層９、トンネルバリア層１０および磁化方向１２を有するフリー層（ＦＬ：free layer）１１をこの順に形成したものである。下部シールド１とピンド層７との間に反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）層（図示せず）が、フリー層１１上にはフリー層１１を上部シールド２から分離させるための上部電極またはキャップ層（図示せず）がある。データ面密度をさらに増加するための方法としては、データ線密度をダウントラック方向（ｙ軸方向）に沿って増加させる方法と、トラック密度をクロストラック方向（ｘ軸方向）に沿って増加させる方法がある。トラック密度の増加に伴い、空間分解能がクロストラック方向により高い再生ヘッドが求められている。
図２は、リードバッククロストラック断面を表す模式図である。これは再生ヘッドを所定のデータトラックを通してスキャンし、リードバック振幅対オフトラック距離（トラックの中心からの距離）をプロットすることによって得られたものである。１００％振幅はヘッドが完全にトラックの中心に位置する場合のリードバック信号を表している。μＭＲＷ−１０％およびμＭＲＷ−５０％はそれぞれ図２のクロストラック断面の幅によって定義される１０％および５０％マイクロ磁気リード幅(micro magnetic read widths)であり、トラック中心振幅の１０％および５０％に対応する振幅を有している。μＭＲＷ−１０％およびμＭＲＷ−５０％の値が低いほどクロストラック分解能が高い。クロストラック方向における再生分解能をより高くするためには、再生ヘッドは、当該トラックの両サイドのデータトラックでのサイド読み出しを少なくし、トラック密度を増加させたときの干渉を減少させる必要がある。
一般に、リード幅は、センサ積層体６のクロストラック幅ｗ（図１（Ｂ）におけるｘ軸に沿った幅）を狭めることによって減少する。更に、ＲＳＳ３（図１）を小さくし、リードギャップ（図示せず）にサイドシールドを実装することによって、有効リード幅を減少させ、クロストラック分解能を向上させることができるとされている。なお、センサ積層体幅ｗはフリー層の幅に相当する。
図３（Ａ），（Ｂ）は、異なるセンサ積層体幅ｗ（図４（Ａ）参照）を有する再生ヘッドを用いたシミュレーションの結果を表す。ｘ軸はμＭＲＷ−５０％を表し、ｙ軸は分解能の鮮鋭度（μＭＲＷ−１０％／μＭＲＷ−５０％）を表す。図３（Ａ）に示す曲線４１は、ＲＳＳ３ａが３０ｎｍ（図４（Ａ）参照）であり、センサ積層体幅が２５ｎｍ（データポイント４１ａ）、３５ｎｍ（データポイント４１ｂ）、および４５ｎｍ（データポイント４１ｃ）である場合の、信号鮮鋭度対μＭＲＷ−５０％を表している。
なお、図４（Ａ）に示したセンサ積層体６ａは、基本的に図１に示したセンサ積層体６に相当するが、台形ではなく長方形として示しており、ギャップ層１６ａ、１６ｂはそれぞれセンサ積層体６と上部シールド１および下部シールド２との間に含まれている。この場合、ＲＳＳ３ａは、センサ積層体６ａの厚さとギャップ層１６ａ、１６ｂの厚さとの和に等しい。なお、図１のＨＢ構造４は図４では図示されていない。曲線４２（図３（Ａ））は曲線４１と同様であるが、ＲＳＳ３ａが２０ｎｍに減少している。即ち、データポイント４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、ＲＳＳ３ａが２０ｎｍであり、センサ積層体６ａの幅がそれぞれ２５ｎｍ、３５ｎｍ、４５ｎｍである場合をそれぞれ示している。図３（Ａ）の曲線４１は、センサ積層体幅が狭いほどリード幅（μＭＲＷ−５０％）がより狭くなる傾向を明確に示している。また、さらに重要なことは、曲線４２に示すように、曲線４１と比較してＲＳＳが小さいほど、リード幅がより狭くなる。図３（Ｂ）には、さらに曲線４３のグラフが追加されている。曲線４３は、センサ積層体６ａの側面付近のリードギャップにサイドシールド２ａ、２ｂを追加し（図４（Ｂ）参照）、サイドシールド２ａ（または２ｂ）とセンサ積層体６ａ内のフリー層との距離が２ｎｍとなるようなエッジギャップ１７を設けた場合の特性図を表す。データポイント４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、センサ積層体幅がそれぞれ２５ｎｍ、３５ｎｍ、４５ｎｍである場合を表す。サイドシールド２ａ（または２ｂ）と下部シールド１との間の間隔ＲＳＳ３ａは、２ｎｍに減少している。サイドシールド２ａ，２ｂの存在によりリード幅はより減少することが分かる。ＲＳＳ３ａを小さくすること（図４（Ａ））によって、または、サイドシールド２ａ，２ｂを含むこと（図４（Ｂ））によって、分解能の鮮鋭度（μＭＲＷ−１０％／μＭＲＷ−５０％）は、μＭＲＷ−５０％が小さくなるに伴い、減少する。即ちμＭＲＷ−１０％値が減少する。従って、ＲＳＳを狭くし、サイドシールドを設けることによって、再生ヘッドのクロストラック分解能を著しく向上させることができることがわかる。
しかしながら、当業者であれば周知のように、ＲＳＳ３を減少させることと、センサ積層体６（図１（Ａ））に隣接するようにサイドシールドを挿入することの両方を実現することは非常に困難である。具体的には、ＲＳＳ３を減少させると、それに応じてＨＢ構造４の厚さを減少させなければならない。ＨＢ構造４を薄くすると、フリー層１１の端部におけるピンニング磁界が弱まり、センサはより不安定になる。一方、ＨＢ構造４と上部シールド２と間の間隔が減少すると、その間の静磁結合が増加し、その結果、ＨＢ磁化５はフリー層１１付近で長手方向から離れる方向に回転しやすくなる。このように上部シールド２とＨＢ構造４と間の結合が強まると、フリー層エッジの磁化に対する有効ＨＢ磁界は低下する。
ＭＲセンサに隣接してサイドシールドを有する従来構造として、特許文献１には図５と同様の構造が説明されている。図５において、上部シールド５０の一部５０ａが、ＭＲセンサ積層体４６のサイドにあるリードギャップまで拡張され、センサが隣接するデータトラックの影響を受けないようにしている。このような構造では、上部シールド５０の一部５０ａが、ＨＢ構造４８のごく近くまで形成されているため、ＨＢ構造４８と上部シールド５０との結合によって、フリー層エッジ４５のＨＢ安定化磁界４８ａが著しく低下する。そのためフリー層が非常に不安定になり、雑音が多いセンサとなる、という問題があった。
ＨＢ構造４８と上部シールド５０との結合問題を最小化するために、安定化のためにハードバイアス構造が必要なセンサに対して特許文献２に開示されているような、ＨＢ構造４８に垂直容易軸を成長させる方法を適用してもよい。しかしながら、ＨＢ−シールド間結合をより完全に回避するためには、ＨＢ構造を必要としないセンサが望まれる。
このように従来では、ＨＢ構造の存在により、リードギャップ間隔とセンサトラック幅を狭めることに限界があることに加えて、センサの幅が狭く、サイドシールドを備える構造では、フリー層が不安定化を引き起こす原因となるという問題があった。フリー層が面内磁化を有し、より高いトラック密度に対応するためにトラック幅を減少させた場合には、限界まで狭められたフリー層のクロストラックエッジとの接触によるフリー層磁化によって磁荷が生じ、この磁荷によりエッジ面の減磁界（demag field ）が強くなる。センサ幅が３０ｎｍ未満であり、センサ積層体側面におけるリードギャップの大きさが２０ｎｍ未満である場合には、図１に示したようなＨＢ構造４は、フリー層エッジの減磁界の増大を補うに十分な安定化磁界を生成することができないと考えられる。従って、フリー層エッジは十分にピンドされず、非特許文献１に説明されるように、熱励起による好ましくない磁化変動が生じ得る。更に、再生ヘッドに複数のサイドシールドが含まれ、フリー層エッジギャップに対して２ｎｍ以下のサイドシールドが設けられている場合には、互いに対向するフリー層エッジの磁化とサイドシールドエッジの磁化との間に強い結合が生じる。この結合によって、フリー層はさらに不安定になる。
データ面密度が１Ｔｂ／ｉｎｃｈ2 よりも大きくなると、上記のような問題点を克服し、狭いリードギャップと狭いトラック幅の両方を備えた高性能ＭＲセンサを実現するためには、下記の条件が必要である。
（１）永久磁石ハードバイアス構造を用いずに、フリー層に対して磁気バイアスが実現されること。
（２）磁気バイアスの強さが狭いリードギャップ距離によって影響されない、あるいは、容易に補われ得ること。
（３）フリー層の設計サイズがより小さくなっても、フリー層の自己減磁界による不安定化現象が増大しないこと。
（４）フリー層エッジ上のサイドシールドエッジからの静磁結合が最小化されていること。
他の従来技術としては、非特許文献２に、垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy ）を有するフリー層を備えた磁気センサについて説明されているが、主としてフリー層の材料特性に焦点が当てられており、実現可能なセンサ構造は提案されていない。
特許文献３には、図８に示したように、ＰＭＡを有するフリー層６５、および上部シールド６２と下部シールド６１とを分離する絶縁層６６（サイドシールド）が開示されている。下部シールド４２の上には、リファレンス層６３、接合層６４、フリー層６５がこの順に形成されており、センサ積層体を構成している。しかしながら、このような構造では、フリー層６５が接合層６４の上に形成されている点が問題となる。酸化物接合層を有するＴＭＲセンサにおいては、高いＭＲ信号を実現するために、接合層６４に隣接して磁気センサがあるはずであるから、これは実現不可能である。ＰＭＡを有するフリー層６５を、接合層６４などの酸化物層の上に直接形成する場合には、良好なＰＭＡを実現することは難しい。通常、フリー層内にＰＭＡを生じさせるには、フリー層上にバッファ／シード層を形成することが必要となるが、バッファ／シード層は非磁性であり、高いＭＲ比を生成することはできない。このようなことから高いＰＭＡを有するフリー層、および安定化のためにＨＢ構造を必要としないＴＭＲセンサ構造を含むように、ＭＲ再生ヘッドを改良することが必要である。
特許文献４には、ボトムスピンバルブ構造、またはデュアルスピンバルブ構造における、ＣｏＰｔからなるピンニング層が示されているが、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅフリー層はＰＭＡの性質を全く有していない。
特許文献５においては、２−Ｄ超常磁性体をフリー層に用いて、高いＭＲ比の実現に必要なフリー層の厚さを最小化するとともに、長手バイアス構造を回避している。
米国特許第６９４３９９３号明細書 米国特許出願公開２００８／０１１７５５２ 米国特許出願公開２００９／０１８５３１５ 米国特許第７５３２４４２号明細書 米国特許出願公開２００６／０１３９０２８
Y.Zhou等著、「Thermally Excited Low Frequency Magnetic Noise in CPP structure MR heads」、IEE Trans. Magn.、２００７年、第４３版、ｐ．２１８７ Y.Ding等著、「Magneto-Resistive Read Sensor with Perpendicular Magnetic Anisotropy」、IEEE Trans. Magn. 、２００５年、第４１版、ｐ．７０７
本発明の第１の目的は、狭いリードギャップおよびサイドシールドの両方を同時に実現することの可能な磁気抵抗効果センサおよびそ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、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有することで、固有の異方性磁界を備えたフリー層磁気バイアスを実現し、それによって永久磁石ハードバイアスの必要性およびフリー層層安定化に対するサイドシールド−ＨＢ間結合の影響を排除し得るフリー層を備えた磁気抵抗効果センサを提供することにある。
本発明の第３の目的は、ＰＭＡによって不安定化を誘発するフリー層エッジ減磁界を排除したフリー層を用いることによりセンサ幅が小さく、特性の安定した磁気抵抗効果センサを実現することにある。
本発明の第４の目的は、ＰＭＡを有するフリー層を用いることによって、サイドシールドエッジとフリー層エッジ間の結合を最小化し得る磁気抵抗効果センサを提供することにある。
本発明の第５の目的は、高い性能とＴＭＲ接合とを有し、既存の材料および処理によって製造可能な磁気抵抗効果センサを提供することにある。
本発明の磁気抵抗効果センサは、（ａ）上面を有する下部シールドと、（ｂ）前記下部シールドの上面にシード層、磁気フリー層、接合層、磁気リファレンス層および交換ピンニング層をこの順に有すると共に側壁を有するセンサ積層体と、（ｃ）前記下部シールドの上面に形成されると共に、前記センサ積層体の側壁に隣接する絶縁層と、（ｄ）前記センサ積層体の上面に接触し、前記下部シールドに電気的に接続されると共に、前記絶縁層に隣接してサイドシールドを有する上部シールドとを備えたものであり、
前記フリー層は、ゼロ磁場環境下において磁化方向が前記下部シールドの上面に対して垂直な磁気異方性を有し、前記リファレンス層の磁化方向は前記下部シールドの上面に対して平行かつ前記フリー層のセンシング方向と同じ方向であり、前記交換ピンニング層からの交換結合によって保持される。
本発明の磁気抵抗効果センサでは、ボトムフリー層が、固有のＰＭＡにより自己バイアスを有するため、安定化のためのハードバイアス層が不要となる。よって、高密度アプリケーションのために、トラック幅を狭めるとともにサイドシールドとの相互作用を最小化することが可能となる。
フリー層のＰＭＡは、フリー層内の減磁界よりも高いため、フリー層磁化をゼロ磁場においてフリー層面に対して垂直に配向する。センサ積層体は、例えば幅が約１００ｎｍ未満であり、シード層と、フリー層と、接合層と、リファレンス層と、交換ピンニング層とを、下部シールドの上にこの順に堆積して形成される。センサ積層体のエッジに沿って側壁があり、そのセンサ積層体の側壁および下部シールドの上に、絶縁層を形成し、この絶縁層により、上部シールドとセンサ積層体とを、また上部シールドと下部シールドとを分離させている。１の態様では、絶縁層は、基本的に側壁に対して共形（conformal)である。ＰＭＡは、適切なシード層を選択することだけではなく、室温より高温な状態においてアニール工程を施すことによっても実現される。さらに、アニール処理中に磁界を印加してもよい。接合層は、金属の酸化物または合金であって、ＴＭＲ構造を構成してもよい。あるいは、接合層は、Ｃｕなどの金属であってＧＭＲ構造を構成してもよい。他の態様においては、例えば、ＧＭＲセンサ積層体を変形して、ＣＣＰスキームの制限された電流回路において、２つの銅層間の絶縁マトリックス内に金属ナノピラーを含むようにしてもよい。電流は、上部シールドと下部シールドとの間を、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方向に流れる。リファレンス層は高次モーメント軟磁性層である。
センサ積層体の上部にある交換ピンニング層は、３つの構造のうちいずれかの構造を有する。第１の態様の交換ピンニング層は、反平行結合膜（ＳｙＡＦ：synthetic anti-ferromagnetic）構造の一部である。反平行結合膜では、Ｒｕなどからなる結合層がリファレンス層上面と接触し、ピンド層が結合層上面と接触する。第２の態様の交換ピンニング層は、ピンド層と接触し、交換結合を通じて、ＳｙＡＦ構造を固定する反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）層である。交換ピンニング層は、リファレンス層上面と接触する、単層のＡＦＭ層であってもよい。第３の態様の交換ピンニング層は、高い面内異方性を有する硬磁性材料であり、強磁界によってセンサのセンシング方向へと磁化された後に、リファレンス層と交換結合する。
第１の実施の形態では、センサ積層体の側壁に沿った絶縁層に隣接する上部シールドのある部分は、サイドシールドとみなし、フリー層の下面まで拡張することが望ましいが、シード層の下面を含む面の下までは拡張しない。再生ヘッドは下記の方法で製造される。まず、センサ積層体膜を、下部シールドの上に堆積する。次に、センサ積層体の上にフォトレジストを塗布し、パターニングし、その後、エッチング処理によって、センサ側壁を形成するが、エッチング処理は、シード層内、または下部シールドのごく一部までで終了させる。それから、絶縁層を、センサ側壁、および、シード層または下部シールドのエッチング処理が施された領域に堆積する。フォトレジストマスクを除去した後、上部シールドを蒸着またはめっきにより形成する。上部シールドは、センサ積層体および下部シールドの表面形状に対して共形であることが望ましい。センサ積層体の上面は、上部シールドと電気的に接触している。
第２の実施の形態では、センサ積層体は、第１の実施の形態と同様に、下部シールドの上に同じ構成を用いて形成される。但し、フォトレジストパターニング工程の後、エッチング処理を、下部シールドの相当な深さまで拡張し、センサ積層体の下に、下部シールドのペデスタル部を形成する。下部シールドのペデスタル部の幅は、センサ積層体の幅よりも大きいことが望ましい。よって、センサ積層体は、下部シールドに対して基本的に垂直な側壁を有するとともに、ペデスタル部に沿って形成された側壁はゆるい傾斜を有する。共形の絶縁層は、センサ積層体および下部シールドの側壁に沿って堆積し、また、下部シールドの水平部の上に堆積される。その後、フォトレジストを除去し、下部シールドの側壁に沿った部分を含む絶縁層の上に上部シールドを堆積する。これにより、上部シールドは、シード層と下部シールドとの境界面を含む面の下まで拡張され、フリー層に対して、より優れたシールド効果をもたらす。
本発明の磁気抵抗効果センサの製造方法は、（ａ）基板上に、上面を備えた下部シールドを形成する工程と、（ｂ）前記下部シールドの上面部分の上にシード層と、磁気フリー層と、接合層と、磁気リファレンス層と、交換ピンニング層とをこの順に積層してセンサ積層体を形成する工程と、（ｃ）前記センサ積層体をパターニングして側壁を形成する工程とを含み、前記フリー層は、ゼロ磁場環境下において磁化方向が前記下部シールドの上面に対して垂直な磁気異方性を有し、前記リファレンス層の磁化方向は前記下部シールドの上面に対して平行かつ前記フリー層のセンシング方向と同じ方向であり、前記交換ピンニング層からの交換結合によって保持される。
本発明の磁気抵抗効果センサおよびその製造方法によれば、上部シールドにサイドシールドを含めると共に、フリー層に下部シールドの上面に対して垂直な磁気異方性を持たせるようにしたので、狭いリードギャップおよびサイドシールドの両方を同時に実現することが可能になる。
（Ａ）は、ハードバイアス層が長手バイアスを生成し、センサ積層体層面と平行な磁化を備えたフリー層を安定化する従来の再生ヘッドの構成を表す断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したセンサ積層体の拡大図である。 シグナル振幅の鮮鋭度を測定するために、シグナル振幅をオフトラック距離に対してプロットした、再生クロストラックの特性図である。 （Ａ）は、種々のセンサ積層体幅およびリーダーシールド間隔値における、鮮鋭度対μＭＲＷ−５０％を表す特性図であり、（Ｂ）は、（Ａ）と同様であるが、センサ性能に対するサイドシールドの効果が含まれている例を表す特性図である。 （Ａ）は図１に示した再生ヘッドと同様であるが、センサ積層体と上部シールドおよび下部シールドとの間にギャップを含み、ハードバイアス構造が削除されているＭＲ再生ヘッドの断面図、（Ｂ）はセンサ積層体側壁に隣接してサイドシールドが形成された、 （Ａ）に示した再生ヘッドの変形例を表す図である。 ハードバイアス構造を有すると共に、センサ積層体に近接して部分的なサイドシールドを備えた、従来のＭＲ再生ヘッドを表す図である。 （Ａ）は本発明の第１の実施の形態による、トップスピンバルブ構造を有し、ＰＭＡを有する自己バイアスフリー層、および周囲シールド構造を備えた、ＭＲセンサの断面図、（Ｂ）は第１の実施の形態の変形例による、トップスピンバルブ構造を有し、ＰＭＡを有する自己バイアスフリー層を備え、交換ピンニング層を積層構造としたＭＲセンサの断面図である。 本発明の第２の実施の形態による、トップスピンバルブ構造を有し、ＰＭＡを有する自己バイアスフリー層および拡張シールド構造を備えたＭＲセンサの断面図である。 ボトムスピンバルブ構造を有し、ＰＭＡを有するフリー層がトンネルバリア層の上に形成された、従来のＭＲ再生ヘッドを表す断面図である。
本発明に係る磁気抵抗効果センサは、トップスピンバルブ構造、およびＰＭＡを有する自己バイアスフリー層を有し、永久ハードバイアス構造を必要とせずに、狭いスタック幅、および狭いリードギャップを実現可能なセンサ積層体を用いたものであり、ＭＲ再生ヘッドとして用いられる。本発明のセンサ積層体は、全面サイドシールドおよび拡張サイドシールドを含む種々の周囲シールド構造に適用可能である。好適な実施の形態においては、センサ積層体にはＴＭＲセンサ構造が用いられるが、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造またはＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ構造を有していてもよい。
ＣＣＰ−ＴＭＲセンサ内の、高いＰＭＡを有するＣｏ／Ｎｉ多層構造においては、（Ｃｏ／Ｎｉ）x 積層構造の磁気異方性は、Ｃｏ原子およびＮｉ原子の電子３ｄおよび電子４ｓのスピン軌道相互作用によって生じる。このような相互作用によって、（１１１）構造の結晶軸に関して異方性を有する軌道モーメントが生じ、さらに、軌道モーメントとともに、スピンモーメントの配列が生じる。（Ｃｏ／Ｎｉ）x 積層構造を形成することによって、Ｃｏ層とＮｉ層との間の境界面を保持することにより、厚いシード層なしに高いＰＭＡを生じさせることができる。また、Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ、または、ｆｃｃ（１１１）若しくはｈｃｐ（００１）格子構造を有する合成膜などの適切な薄いシード層を選択することによって、ＰＭＡをより安定して確立することができる。
まず、本発明の磁気抵抗効果センサを用いたＭＲ再生ヘッド構造の様々の実施の形態について説明し、次いでこのＭＲ再生ヘッドの製造方法について説明する。
［第１の実施の形態］
図６（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲ再生ヘッド３６のＡＢＳ側から見た構成を表すものである。このＭＲ再生ヘッド３６は、トップスピンバルブ構造のＴＭＲセンサ積層体（以下、センサ積層体）を有している。センサ積層体は、下部シールド２１の上に、シード層２４、ＰＭＡを有するフリー層２５、接合層２６、リファレンス層２７および交換ピンニング層２８をこの順に形成したものである。下部シールド２１は、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＮｉなどからなり、下部電極として機能する。電流は、センサ積層体をＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方向に流れ、更にこの下部シールド２１を上部シールド２２ｔのサイドシールドに沿って流れ、これによりフリー層２５の磁化状態を検出するようになっている。
上部シールド構造はサイドシールド２２ａ，２２ｂを含み、これらサイドシールド２２ａ，２２ｂはセンサ積層体の側壁３３に沿って形成された絶縁層２３に隣接している。外部磁界が印加されていない場合には、フリー層２５は、ｙ軸方向、即ちセンサ積層体層面に対して垂直な方向に配向されたＰＭＡを有する。リファレンス層２７はｚ軸方向に配向された磁化を有する。再生時において、電流は、下部シールド２１と、センサ積層体のリード線として機能する上部シールド２２ｔとの間を流れる。印加された外部磁界によってフリー層２５の磁化が変化すると、それに応じて、センサ積層体の抵抗が変化する。即ち、直流電流がセンサ積層体を流れているとき、センサ積層体での電圧降下によりセンサの抵抗変化を検出し、その抵抗変化によりフリー層２５が受ける磁界を検出する。ゼロ磁場においては、フリー層２５の磁化方向とリファレンス層２７の磁化方向とは、互いに直交している。再生時の媒体磁界のように、外部磁界がｚ軸方向に印加された場合には、フリー層２５の磁化方向はｚ軸に対して回転し、リファレンス層２７の磁化方向に対して平行になる。これによりセンサ積層体は低抵抗状態となる。印加された磁界がｚ軸方向である場合には、フリー層２５の磁化方向はリファレンス層２７の磁化方向に対して反平行となる。これによりセンサ積層体は高抵抗状態となる。このような信号生成メカニズムは従来技術と同様である。
本実施の形態では、センサ積層体は、下部シールド２１に対して垂直な側壁３３を有するものであるが、側壁３３は傾斜していてもよい。即ち、例えばｘ軸方向に沿って、上面２８ｓの幅ｗがシード層２４の幅よりも小さくなっていてもよい。このセンサ積層体の平面形状は、円形、楕円形または多角形であり、連続的な外部境界（側壁３３）を有している。センサ積層体の幅ｗは、１００ｎｍ未満であることが望ましく、高性能用途の再生ヘッドにおいては、５０ｎｍ未満であることがさらに望ましい。
本実施の形態では、シード層２４／フリー層２５の組み合わせにより、フリー層２５において高いＰＭＡを確立している。シード層２４は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｒＴｉ、またはこれらの組み合わせ、あるいはＴａ／Ｔｉ／Ｃｕなどの合金によって構成される。一方、フリー層２５は、（Ｃｏ／Ｎｉ）x 多層構造または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x 多層構造などである（Ｘは５以上５０以下）。
例えば、シード層２４は、Ｒｕからなり、このＲｕ層上を、（Ｃｏ／Ｐｔ）Y 、（Ｆｅ／Ｐｔ）Y 、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）Y 3または（Ｃｏ／Ｐｄ）Y からなるフリー層２５が覆っていてもよい（Ｙは整数）。その他、フリー層２５は、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、またはＣｏＣｒＰｔの単層であってもよい。あるいはシード層２４を、（Ｃｏ／Ｐｔ）Y 、または（Ｃｏ／Ｐｄ）Y からなるフリー層２５に応じてＰｔ、Ｐｄ、またはその他の金属若しくは合金により形成してもよい。この結果、フリー層２５の磁化方向（磁気異方性）は、ｙ軸に対して平行であり、センサ積層体の層面に対して垂直となる。フリー層２５の異方性は、フリー層２５の減磁界よりも大きいことが望ましく、これによりセンサはより小さな幅へと縮小可能になる。センサの大きさがｘ軸方向に減少すると、フリー層２５の磁化がｘ軸方向に配向されている従来のセンサ構造よりも、フリー層２５の磁化を不安定化する減磁界を考慮しなくてよくなる。また、フリー層２５の磁化を垂直に配向すると、フリー層２５の上面および下面における磁荷によってサイドシールド２２ａ、２２ｂ内に生成される磁界が減少し、エッジ磁荷を引き付けるようになるため、フリー層２５のサイドシールド２２ａ、２２ｂに対する結合が減少する。
フリー層２５はハイブリッド構造の合成層としてもよい。即ち、フリー層２５を、例えば軟磁性材料からなる上部ＦＬ１層と、前述の（Ｃｏ／Ｎｉ）X 、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X 、（Ｃｏ／Ｐｔ）Y 、（Ｆｅ／Ｐｔ）Y 、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）Y 、（Ｃｏ／Ｐｄ）Y 、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、またはＣｏＣｒＰｔからなる下部ＦＬ２層との積層構造としてもよい。このような構造では、ＦＬ１層の磁化は、垂直磁気異方性を有するＦＬ２層との交換結合のために、フリー層２５の層面に対して垂直に配向される。ＦＬ１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂ、およびＴａのうちの一つまたは複数からなる、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅなど、またはそれらの組み合わせなどである。ＦＬ１層は、ＦＬ２層と接合層２６との間に挿入され、当該フリー層２５と接合層２６との間の境界面を改善し、これによりＭＲ比は増加する。即ち、ＦＬ１層を適用することによって接合層の均一の成長が促進され、スピン偏極および（ｄＲ／Ｒ）比がより大きくなる（Ｒはスピンバルブにおける抵抗、ｄＲは、磁界が印加された場合の抵抗変化である）。ＭＲ比が高いほど、センサの磁化状態の読み出しは速くなる。
本実施の形態では、接合層２６はフリー層２５の上面と接触している。接合層２６は、好ましくはＭｇＯによって構成される。これにより高いＭＲ比を有するＴＭＲ構造を形成することができる。本発明のＴＭＲセンサ積層体では、接合層２６としてＡｌ、Ｔｉ、およびＺｎの酸化物、あるいはこれら金属とＭｇとの組み合わせの酸化物を適用してもよい。ＭｇＯ層は、第１のＭｇ層をリファレンス層２７（またはフリー層２５）の上に堆積し、自然酸化処理を施した後、酸化された第１のＭｇ層（ＭｇＯ層）の上に第２のＭｇ層を堆積することによって形成することができる。これに続くアニール処理において、接合層２６は均一なＭｇＯ層になる。
接合層２６は、他の非磁性組成物により形成してもよい。例えば、ＧＭＲを用いた実施の形態においては、接合層２６は、Ｃｕなどの導電性材料によって構成されてもよい。あるいは、ＣＣＰ−ＣＰＰ構造では、接合層２６は、例えば、２つのＣｕ層間に、例えばＭｇ、Ｚｎ、ＡｌまたはＴｉの酸化物などからなる絶縁層を含んでもよい。この絶縁層の中にナノピラーというＣｕの薄い通路を形成することにより上部Ｃｕ層と下部Ｃｕ層とを電気的に接続させることができる。
接合層２６の上にはリファレンス層２７がある。リファレンス層２７は、フリー層２５および接合層２６とともに、高いＭＲ信号を生成可能な高次モーメント軟磁性層からなる。例えば、リファレンス層２７は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＢまたはＴａのうちの１つまたは複数、またはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、若しくはＣｏＦｅ合金などのこれらの組み合わせにより構成してもよい。リファレンス層２７は、またはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造であってもよい。
交換ピンニング層２８は、リファレンス層２７の上面と接触しており、再生時の交換結合を通して、リファレンス層２７の磁化をｚ軸方向に固定するように機能する。この交換ピンニング層２８は、アニール処理後にピンニング特性が確立され、印加磁界を含むようになる。交換ピンニング層２８は、以下のような３つの構成のうち１つの構成とすることが望ましい。
図６（Ｂ）はその一例を表すもので、交換ピンニング層２８は、Ｒｕなどの下部結合層２９がリファレンス層２７の上面と接触し、この下部結合層２９の上にピンド層３０が形成され、更にこのピンド層３０上に反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）層３１（最上層）が形成された積層構造体である。これらリファレンス層２７、結合層２９およびピンド層３０は、よく知られた反平行結合膜（ＳＡＦまたはＳｙＡＦ：synthetic anti-ferromagnetic）構造を形成し、ＡＦＭ層３１は、交換結合メカニズムによってＳｙＡＦ構造を固定する。ピンド層３０はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＢまたはＴａのうちの１つまたは複数、若しくはＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢなどこれらの組み合わせにより構成されてもよく、リファレンス層２７に対して反平行な磁化方向を有する。ＡＦＭ層３１は、ＭｎＰｔ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＯｓＭｎ、ＲｕＭｎ、ＲｈＭｎ、ＰｄＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、またはＭｎＰｔＰｄによって構成されることが望ましい。
図６（Ａ）に戻って、交換ピンニング層２８は、交換結合によってリファレンス層２７を固定する単層の反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）層であってもよい。このＡＦＭ層は、上記ＡＦＭ層３１と同様の材料により構成される。交換ピンニング層２８は、また、強磁場によってｚ軸方向に磁化された、高い面内異方性を有する硬磁性層としてもよい。この硬磁性層は、自身の磁化を得、その後、リファレンス層２７と交換結合してリファレンス層２７をｚ軸方向に固定する。即ち、硬磁性層は、予め設定された磁化方向を有する。硬磁性材料としては、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、またはＦｅＰｔなどが挙げられる。なお、リードギャップ（ＲＧ：read gap）が狭い用途に対しては、図６（Ｂ）よりも図６（Ａ）に示した実施の形態のほうが好ましい。好適な形態では、リファレンス層２７および交換ピンニング層２８内の非補償型（uncompensated ）磁荷によるフリー層２５での静磁界は、この静磁界と反対の方向に磁界を生成する接合層２６を介した、フリー層２５とリファレンス層２７との間の表面結合（オレンジピール結合）によって相殺される。本実施の形態では、図６（Ａ）および図６（Ｂ）の両方において、サイドシールド２２ａ、２２ｂの最下面２２ｎは、下部シールドの最上面２１ｔを含む面より上にある。
交換ピンニング層２８の上には、センサ積層体の最上層としてキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、例えばＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ構造とする。上部Ｒｕ層は、耐酸化性を有すると共に、上部シールド２２ｔとの間で良好な電気的に接続される。Ｔａ層はハードマスクとして機能し、これに続く処理工程における耐エッチング膜として機能する。勿論、キャップ層としてはその他の材料を選択してもよい。
［第２の実施の形態］
図７は本発明の第２の実施の形態を表すものである。本実施の形態のセンサ積層体は、図６（Ａ）の構造と基本的に同じであるが、シールド構造が（−）ｙ軸方向に拡張され、下部シールド２１がペデスタル部２１ｐを有する構成となっている。絶縁層２３は、センサ積層体の側壁３３に隣接する上部２３ｃと、下部シールド２１のペデスタル部２１ｐに隣接する中間部２３ｂと、下部シールド２１の上面２１ｈ上に形成された下部２３ａとによって構成される。下部シールド２１の上面２１ｈはセンサ積層体の上面２８ｓに平行となっている。後述のように、下部シールド２１のペデスタル部２１ｐは、イオンミリングまたはエッチング処理によって形成される。好ましくは、ペデスタル部２１ｐの側面２１ｓは、下部シールド２１に垂直な面３７−３７に対して、角αが０度より大きくなるように形成され、側壁３３を覆う。これによりアスペクト比が高くなり、構造的崩壊を起こす事態を回避することができる。センサ積層体とペデスタル部２１ｐとの厚さの合計はセンサ積層体の幅よりも十分に大きくする。なお、本発明は、ペデスタル部２１ｐの側面２１ｓが垂直であり、センサ積層体の側壁３３と同一平面上にある構成も含むものである。
本実施の形態の特徴は、ペデスタル部２１ｐの側面２１ｓによって、シード層２４の下面の下の距離ｄ（１０ｎｍ〜５０ｎｍ）が拡張され、鋭い角部２２ｃがフリー層２５に近接しないように配置されている点にある。当業者によって理解されるように、磁界内の鋭い角部はかなりの量の磁束漏れを生じさせ、近接するフリー層での磁気の安定に対して悪影響を及ぼす。鋭い角部２２ｃをフリー層に近い位置（図６（Ａ），（Ｂ））から、図７に示したようにフリー層２５までかなり距離がある位置まで移動させることによって、フリー層２５に影響を与える磁束漏れを大幅に抑えることができる。代わりに、本実施の形態では、角部２２ｃからの漏れ磁束はサイドシールド２２ａ、２２ｂに保持される。このような構成によって、高い安定性を備え、ノイズの少ないＭＲセンサが実現可能となる。従って、本実施の形態では、サイドシールド２２ａ、２２ｂの下面２２ｎは、下部シールド２１の上面２１ｔよりも下の高さにあることが好ましい。更に、絶縁層２３は、側壁３３、側面２１ｓ、および（下部シールド２１のエッチングされた領域の）上面２１ｈに対して共形であることが望ましい。交換ピンニング層２８は、第１の実施の形態において説明したように、ＡＦＭ層または硬磁性層であってもよい。
本実施の形態でも、交換ピンニング層２８は、リファレンス層２７と接触する下部結合層２９、中間ピンド層３０および最上層のＡＦＭ層３１を含む積層構造（図６（Ｂ））によって構成されてもよい。上部シールド２２ｔの延長とみなすことができるサイドシールド２２ａ、２２ｂは、（−）ｙ軸方向に拡張され、フリー層２５に対する効果的なサイドシールドとなっている。なお、サイドシールド２２ａ、２２ｂは、絶縁層２３の上部２３ｃ、中間部２３ｂおよび下部２３ａそれぞれに隣接する。フリー層２５は、前述のようにハイブリッド（ＦＬ２／ＦＬ１）構造を有してもよく、センサ積層体は、第１の実施の形態で説明したように、上面２８ｓと接触するキャップ層（図示せず）を含んでもよい。
以下、第１および第２の実施の形態の再生ヘッド構造の製造方法について説明する。上記の実施の形態におけるさまざまなスピンバルブ構造の形成工程において、センサ積層体の全ての層はスパッタ蒸着システムによって形成することができる。例えば、センサ積層体は、通常、それぞれ５つのターゲットを有する３つの物理気相成長（ＰＶＤ：physical vapor deposition ）チャンバ、酸化チャンバ、およびスパッタエッチングチャンバを含む、ＡｎｅｌｖａＣ―７１００（商品名）薄膜スパッタリングシステムなどによって形成する。少なくとも、ＰＶＤチャンバのうち１つは、同時スパッタリングが可能である。通常、スパッタ蒸着処理は、アルゴンスパッタガスを含む超高真空下で行われ、ターゲットは、基板に堆積させる金属または合金からなる。全てのＣＰＰ層はスループットを向上させるため、１回の真空排気した後に形成することが好ましい。
まず、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示したように、下部シールド２１を、基板（図示せず）上あるいはこの基板上に形成された誘電材料からなるギャップ層（図示せず）の上に堆積する。次いで、この下部シールド２１上に、センサ積層体を、シード層２４、フリー層２５、接合層２６、リファレンス層２７および交換ピンニング層２８をこの順に堆積することにより形成する。ＭｇＯなどのＴＭＲ接合層形成における酸化工程は、他の全てのセンサ積層体層を、スパッタ蒸着メインフレーム内のスパッタ蒸着（ＰＶＤ）チャンバ内で堆積している間に、酸化チャンバ内で行うことが望ましい。フォトレジスト層は、交換ピンニング層または最上層のキャップ層（図示せず）の上に塗布し、よく知られた工程によってパターニングし、上からみると、これに続いて形成するセンサの構成要素と基本的に同様の大きさと形を有する島状の配列を形成する。なお、後に続くフォトパターニング処理のプロセス許容度を向上させるために、フォトレジスト層を形成する前に、センサ積層体の最上層の上に下部反射防止膜（ＢＡＲＣ：bottom anti-reflective coating）を塗布してもよい。当業者であれば周知のように、センサアレイは、通常、複数のセンサ素子を含み、それらのセンサ素子は、再生ヘッドの製造工程の後段におけるダイシング工程によって互いに分離される。フォトレジスト層をパターン露光し、従来の処理（図示せず）によって形成した後、１以上のエッチング工程によって、フォトレジスト層の開口部を、センサ積層体の下層を通じて転写することにより側壁３３を形成する。エッチング処理は、シード層の薄膜が下部シールド２１の上に残るように、シード層２４内において終える、あるいは下部シールド２１の内部およびシード層２４の下面と実質的に同一平面上において終えるようにする。
第２の実施の形態（図７）では、フォトレジスト層のパターンをセンサ積層体を介して転写するための反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etch ）処理、またはイオンビームエッチング（ＩＢＥ：ion beam etch ）処理を延長して、下部シールド２１の露光領域の大部分を除去することにより、側壁２１ｓによって、シード層２４の下面の下にある距離ｄ（１０〜５０ｎｍ）が拡張されるようにしてもよい。更には、前述のように、エッチング処理の後段部において、面３７−３７に対して側面２１ｓが０度以上となるような角αを形成するようにしてもよい。αが０度より大きい場合、下部シールド２１のペデスタル部２１ｐの上面２１ｔの幅は、ペデスタル部２１ｐの底面２１ｂの幅よりも、ｘ軸方向に沿って小さくなる。αが０度の場合には、側面２１ｓは側壁３３と同一平面を構成する。次に、例えばスパッタ蒸着工程、または物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition ）によって、共形の絶縁層２３を形成する。即ち、フォトレジスト層を、従来の剥離処理によって除去し、側壁３３に隣接する上部２３ｃと、側面２１ｓに隣接する中間部２３ｂと、上面２１ｈに隣接する下部２３ａとを有する絶縁層２３を残す。上部シールド２２ｔ（および隣接するサイドシールド２２ａ、２２ｂ）は例えば、従来のめっき工程によって形成することができる。上部シールド２２ｔ用の平面的な上面を形成するために、化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polish）処理を用いてもよい。
センサ積層体内の全ての層を堆積した後にはアニール工程が行われる。アニール処理では、ｚ軸方向に磁界を印加する（８０００Ｏｅより大きいことが望ましい）と共に、パターニングされたＭＲセンサを、２００℃〜２５０℃の範囲の温度まで加熱することによって、交換ピンニング層２８およびリファレンス層２７の磁化方向を固定する。なお、ｚ軸方向に沿った印加磁界は、フリー層２５のＰＭＡに影響しない。
センサ積層体をパターニングした後は、絶縁層２３の形成、フォトレジスト層の除去、アニール処理、めっき処理およびＣＭＰ処理という一連の処理を施し、側壁３３、側壁に隣接するサイドシールド２２ａ、２２ｂ、およびセンサ積層体の上面２８ｓに接触する上部シールド２２ｔを形成する。
全ての工程において、高いスループット製造スキームに適用可能なものとして周知の材料および処理を用いているため、上記実施の形態のＭＲセンサは容易に製造可能である。ボトムスピンバルブ構造を有するＴＭＲセンサにおいてそうであるように、高いＰＭＡを有するフリー層は、酸化物からなる接合層２６の上に形成することが大変困難であるため、上記実施の形態では、フリー層２５が接合層２６の下に形成されるトップスピンバルブ構造を例として挙げている。しかしながら、当業者によって理解されるように、本発明は、金属からなる接合層２６の表面上にフリー層２５を形成した、ＧＭＲまたはＣＣＰ−ＣＰＰ構成を有するボトムスピンバルブ構造にも適用可能である。ボトムスピンバルブ構造は、例えば、下部シールド２１などの基板上にシード層２４、交換ピンニング層２８、リファレンス層２７、接合層２６およびフリー層２５がこの順に形成された構造とする。なお、フリー層２５の上面にはキャップ層を形成してもよい。
固有のＰＭＡを有するフリー層は、全ての実施の形態において以下の効果を発揮する。即ち、従来のようなハードバイアス構造を不要とし、センサの安定性を損なう虞のあるシールド−フリー層間の結合を大幅に減少させる。更には、上記ＭＲセンサ構造は、高性能の再生ヘッドに望まれる狭いリードギャップ構造を実現できる。固有のＰＭＡを有するフリー層のもう１つの利点は、フリー層の自己減磁が、小さいサイズのセンサに対する不安定化要因とならず、性能の高さを維持しながら、センサ積層体の幅（センサ積層体幅）を大幅に縮小することができる点にある。本発明のさらなる利点は、センサのアスペクト比の、フリー層上の有効バイアス磁界に対する影響が最小限に抑えられているため、幅の狭いストライプかつ幅の狭いセンサとすることにより、高ＲＡを有するＴＭＲセンサが実現可能となる。本発明では、センサ積層体が５０ｎｍ未満となっても、バイアス磁界とフリー層感度とのトレードオフの関係を最小化、即ちハードバイアス構造を不要としつつフリー層を安定化することができる。そして、これは最適な処理および材料を用いれば、３０ｎｍ未満の大きさのセンサにまで拡張可能である。
以上、本発明を好適な実施の形態を参照して具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。
２１…下部シールド，２４…シード層，２５…フリー層，２６…接合層，２７…リファレンス層，２８…交換ピンニング層，２２ｔ…上部シールド，２２ａ，２２ｂ…サイドシールド，３３…絶縁層、３３…側壁、３６…ＭＲ再生ヘッド

Claims (29)

  1. （ａ）上面を有する下部シールドと、
    （ｂ）前記下部シールドの上面にシード層、磁気フリー層、接合層、磁気リファレンス層および交換ピンニング層をこの順に有すると共に側壁を有するセンサ積層体と、
    （ｃ）前記下部シールドの上面に形成されると共に、前記センサ積層体の側壁に隣接する絶縁層と、
    （ｄ）前記センサ積層体の上面に接触し、前記下部シールドに電気的に接続されると共に、前記絶縁層に隣接してサイドシールド部を有する上部シールドとを備え、
    前記フリー層は、ゼロ磁場環境下において磁化方向が前記下部シールドの上面に対して垂直な磁気異方性を有し、
    前記リファレンス層の磁化方向は前記下部シールドの上面に対して平行かつ前記フリー層のセンシング方向と同じ方向であり、前記交換ピンニング層からの交換結合によって保持される
    磁気抵抗効果センサ。
  2. 前記シード層により前記フリー層の垂直磁気異方性が付与されている
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  3. 前記垂直磁気異方性は、前記フリー層内の減磁界よりも大きい
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  4. 前記シード層は、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｒＴｉ、これらの元素の組み合わせ、およびＴａ／Ｔｉ／Ｃｕ合成物を含む合金のうち少なくとも１つからなる材料で構成されている
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  5. 前記フリー層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）x 多層構造または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x 多層構造（Ｘは５〜５０）を有する
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  6. 前記フリー層は、（Ｃｏ／Ｐｔ）Y 、（Ｆｅ／Ｐｔ）Y 、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）Y または（Ｃｏ／Ｐｄ）Y （Ｙは整数）、若しくはＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、またはＣｏＣｒＰｔからなる単層である
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  7. 前記フリー層は、前記接合層に接触する上部ＦＬ１軟磁性層と、垂直磁気異方性を有する下部ＦＬ２層との積層構造を有し、
    前記ＦＬ１層は、前記ＦＬ２層との交換結合に起因して前記フリー層面に垂直な磁化方向を有する
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  8. 前記ＦＬ１層は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはそれらの組み合わせによって構成される
    請求項７記載の磁気抵抗効果センサ。
  9. 前記リファレンス層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂ、およびＴａのうち１以上の材料からなる軟磁性層、またはＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢの積層構造である
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  10. 前記交換ピンニング層は、前記リファレンス層を固定する反強磁性層である
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  11. 前記交換ピンニング層は、前記リファレンス層に接触する下部Ｒｕ結合層と、前記Ｒｕ結合層上に形成された中間ピンド層と、前記ピンド層に接触する上部ＡＦＭ層との積層構造を有する
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  12. 前記下部Ｒｕ結合層および前記中間ピンド層は、前記リファレンス層とともに反平行結合膜（ＳｙＡＦ）構造を形成する
    請求項１１記載の磁気抵抗効果センサ。
  13. 前記ピンド層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂ、およびＴａのうち１つ以上の材料からなる軟磁性層である
    請求項１１記載の磁気抵抗効果センサ。
  14. 前記交換ピンニング層は、面内異方性を有する硬磁性層であり、強磁界によって自身の磁化方向を予め定めた後に、交換によって前記リファレンス層を固定する
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  15. 前記接合層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、またはＴｉの酸化物、若しくはＭｇと、Ａｌ、Ｚｎ、またはＴｉとの組み合わせの酸化物よりなる層である
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  16. 前記接合層は、Ｃｕによって構成された層、若しくは、上部Ｃｕ層と、下部Ｃｕ層と、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、またはＴｉの酸化物である絶縁材料内に形成された、Ｃｕナノピラーを含む中間部とからなる層である
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  17. 前記センサ積層体の側壁は、前記シード層内部まで拡張されているが、前記下部シールドとは接触しない
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  18. 前記センサ積層体の側壁は、前記下部シールド内部まで拡張されている
    請求項１記載の磁気抵抗効果センサ。
  19. 前記サイドシールドの下面は、前記下部シールドの上面を含む面より上にある
    請求項１７記載の磁気抵抗効果センサ。
  20. 前記サイドシールドの下面は、前記下部シールドの上面と同一平面上、または、前記下部シールドの上面よりも下の位置にある
    請求項１８記載の磁気抵抗効果センサ。
  21. （ａ）基板上に、上面を備えた下部シールドを形成する工程と、
    （ｂ）前記下部シールドの上面部分の上にシード層と、磁気フリー層と、接合層と、磁気リファレンス層と、交換ピンニング層とをこの順に積層してセンサ積層体を形成する工程と、
    （ｃ）前記センサ積層体をパターニングして側壁を形成する工程と
    を含み、
    前記フリー層は、ゼロ磁場環境下において磁化方向が前記下部シールドの上面に対して垂直な磁気異方性を有し、
    前記リファレンス層の磁化方向は前記下部シールドの上面に対して平行かつ前記フリー層のセンシング方向と同じ方向であり、前記交換ピンニング層からの交換結合によって保持される
    磁気抵抗効果センサの製造方法。
  22. 前記センサ積層体をパターニングする工程は、前記シード層内を終点とするエッチング工程を含み、
    （１）前記センサ積層体の側壁に沿った部分および前記パターニングされたセンサ積層体によって覆われていない前記シード層上面部分の上に、絶縁層を形成する工程と、
    （２）前記絶縁層および前記センサ積層体の上面に上部シールドを形成すると共に、前記上部シールドを前記下部シールドと電気的に接続させる工程と
    を更に含み、
    前記上部シールドは、前記絶縁層に隣接するサイドシールド部を含む
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  23. 前記センサ積層体をパターニングする工程は、前記下部シールド内を終点とするエッチング工程を含み、
    （１）前記センサ積層体の側壁に沿った部分および前記パターニングされたセンサ積層体によって覆われていない前記下部シールド層上面部分の上に、絶縁層を形成する工程と、
    （２）前記絶縁層および前記センサ積層体の上面に上部シールドを形成すると共に、前記上部シールドを前記下部シールドと電気的に接続させる工程と
    を更に含み、
    前記上部シールドは、前記絶縁層に隣接するサイドシールド部を含む
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  24. 前記フリー層を、（Ｃｏ／Ｎｉ）x 多層構造、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x 多層構造、若しくは（Ｃｏ／Ｐｔ）Y 、（Ｆｅ／Ｐｔ）Y 、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）Y 、または（Ｃｏ／Ｐｄ）Y からなる多層構造、あるいはＦｅＰｔ、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔの単層によって構成する（Ｘは１〜５０、Ｙは整数である）
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  25. 前記フリー層は、前記接合層に接触する上部ＦＬ１軟磁性層と、垂直磁気異方性を有する下部ＦＬ２層とからなる積層構造を有し、
    前記ＦＬ１層は、前記ＦＬ２層との交換結合に起因して前記フリー層面に垂直な磁化を有する
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  26. 前記リファレンス層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂ、およびＴａのうち１以上の材料からなる軟磁性層、またはＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅの積層構造である
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  27. 前記リファレンス層およびＡＦＭ層の磁化方向をアニール処理によって一定の方向に予め固定する
    請求項２１記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  28. 前記サイドシールドの下面は、前記下部シールドの上面を含む面より上にある
    請求項２２記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
  29. 前記サイドシールドの下面は、前記下部シールドの上面と同一平面上、または、前記下部シールドの上面よりも下の位置にある
    請求項２３記載の磁気抵抗効果センサの製造方法。
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