JP2014006953A

JP2014006953A - タンタル合金層を含む装置

Info

Publication number: JP2014006953A
Application number: JP2013125465A
Authority: JP
Inventors: Eric Walter Singleton; エリック・ウォルター・シングルトン; Tan Liwen; リウェン・タン; Jae-Young Yi; ジェ−ヨン・イー
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103515528B; KR20140000659A; KR101636445B1; CN103515528A; US20130341743A1; EP2680021B1; EP2680021A1; JP5714653B2

Abstract

【課題】シード層および／またはキャップ層で用いるための他の材料を提供すること。
【解決手段】基準層、自由層、および基準層と自由層との間に位置決めされたバリア層を含むセンサ積層体と、シード層と、キャップ層とを含む装置であって、センサ積層体は、シード層とキャップ層との間に位置決めされ、シード層またはキャップ層のうちの少なくとも１つは、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、装置を提供する。
【選択図】図１

Description

優先権
本願は、２０１２年６月２５日に出願された、整理番号４３０．１７１４００００を有する、「タンタル合金層を含む装置（DEVICES INCLUDING TANTALUM ALLOY LAYERS）」と題される米国仮出願番号６１／６６３，７２１の優先権を主張し、その開示は引用によって本明細書に援用される。

背景
磁気読取装置で用いられる磁気抵抗ヘッドなどの、現在利用されている磁気抵抗装置は、磁気層の成長を助けるためにシード層およびキャップ層としてタンタル（Ｔａ）を利用する。Ｔａのミリング速度は積層体中の他の材料よりも遅い可能性があり、その結果、ミリングおよびラッピングプロセス中に問題が生じる。

したがって、シード層および／またはキャップ層において他の材料を用いる必要がある。

概要
基準層（リファレンス層）、自由層（フリー層）、および基準層と自由層との間に位置決めされたバリア層を含むセンサ積層体と、シード層と、キャップ層とを含む装置であって、センサ積層体は、シード層とキャップ層との間に位置決めされ、シード層またはキャップ層のうちの少なくとも１つは、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、装置が本明細書に開示されている。

また、底部シールドと、底部シールドに隣接して位置決めされたシード層と、シード層に隣接して位置決めされ、基準層、自由層、および基準層と自由層との間に位置決めされたバリア層を含むセンサ積層体と、センサ積層体に隣接して位置決めされたキャップ層と、キャップ層に隣接して位置決めされた上部シールドとを含む磁気抵抗装置であって、シード層またはキャップ層のうちの少なくとも１つは、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、磁気抵抗装置が本明細書に開示されている。

これらのおよびさまざまな他の特徴は、以下の詳細な説明を読むことで明らかであろう。

添付の図面に関連して本開示のさまざまな実施の形態の以下の詳細な説明を考慮すると、本開示をより完全に理解できる。

図面は必ずしも一定の縮尺に応じているわけではない。図中で用いられる同様の番号は同様の構成要素を指す。しかし、番号を用いて所与の図の中の構成要素を指すことは、同一の番号が振られた別の図の中の当該構成要素を限定することを意図したものではないということが理解されるであろう。

本開示に係るトンネル磁気抵抗センサの一実施の形態の側面図である。シード層およびキャップ層としてタンタルを用いた磁気積層体ならびにシード層およびキャップ層としてタンタルクロムを用いた磁気積層体についてのトンネル磁気抵抗（tunneling magneto-resistive：ＴＭＲ）効果対最小抵抗を示す図である。ミリング角度の関数としてのさまざまな材料のミリング速度を示す図である。

詳細な説明
以下の説明では、本明細書の一部を構成し、かつ、いくつかの具体的な実施の形態が例として示される添付の図面一式を参照する。他の実施の形態が意図され、本開示の範囲または精神から逸脱することなく他の実施の形態がなされ得ることが理解される。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈すべきではない。

別段の指示がない限り、本明細書および特許請求の範囲において用いられる特徴サイズ、量および物理的特性を表わす数字はすべて、すべての場合において「約」という用語によって修飾されるものとして理解される。したがって、それとは反対の指示がない限り、上記の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用する当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。

終点による数値範囲の記載は、当該範囲内に包含されるすべての数字（例えば、１〜５は１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４および５を含む）および当該範囲内の任意の範囲を含む。

本明細書および添付の特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、内容が明らかにそれ以外のことを示していない限り、複数の指示対象を有する実施の形態を包含する。本明細書および添付の特許請求の範囲において、「または（ｏｒ）」という用語は一般に、内容が明らかにそれ以外のことを示していない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を含む意味で用いられる。

「含む（include）」、「含んで（including）」または同様の用語は、包含することを意味しているがそれに限定されない。すなわち、含んでいるが排他的ではないことを意味する。

本開示は、タンタル合金でできたシード層、キャップ層またはそれら両方の層を含む磁気積層体に関する。このような磁気積層体は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサにおいてまたはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサとして利用可能である。

図１は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサとして利用可能な磁気装置１００（積層体、磁気積層体または磁気抵抗装置とも呼ぶことができる）の実施の形態を提供する。この磁気装置１００は、底部シールド１０２と、シード層１０４と、センサ積層体１０６と、キャップ層１０８と、上部シールド１１０とを含み得る。センサ積層体１０６は、ピンニング層（pinning layer）１２０と、ピンド層（pinned layer）１２２（このような実施の形態では、ピンニング層１２０およびピンド層１２２が基準層１２１を形成する）と、バリア層１２４と、自由層１２６とを含み得るが、それらに限定されない。開示されている磁気装置のいくつかの実施の形態においては、スペーシング層および絶縁層などのさらなるおよび任意の層も含まれ得る。

センサ積層体１０６は、一般に、さまざまな磁性材料および非磁性材料でできている。例えば、自由層１２６は一般に強磁性材料であり得る。使用可能な具体的な強磁性材料は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢおよびＮｉＦｅを含み得る。バリアまたはスペーサ層１２４は一般に絶縁材料である。使用可能な具体的な絶縁材料は、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＴａＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＣｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２を含み得る。センサがＴＭＲセンサである場合には、この層はバリア層であり、他の場合には、この層はスペーサ層である。ピンド層１２２は一般に強磁性材料である。使用可能な具体的な強磁性材料は、例えば、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢを含み得る。ピンニング層１２０は一般に反強磁性材料である。使用可能な具体的な反強磁性材料は、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎおよびＦｅＭｎを含み得る。なお、センサ積層体１０６はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ以外の何かであるように構成することも可能である。例えば、センサ積層体１０６は、巨大磁気抵抗（giant magneto resistant：ＧＭＲ）センサ、例えば膜面垂直電流（current perpendicular to plane：ＣＰＰ）センサとして機能するように構成できる。

開示されているこのような磁気装置の製造および加工中に、開示されている構造のうちの少なくともいくつかを含む積層体はイオンミリングステップにさらされる可能性がある。シード層、キャップ層またはそれら両方の層としてタンタル合金を利用しない磁気装置では、センサ積層体の材料とシード層／キャップ層の材料との間のミリング速度の差が、問題のある磁気装置をもたらす恐れがある。例えば、シード層および／またはキャップ層が、センサ積層体の材料よりもはるかに遅いミリング速度を有する材料でできている場合、より長いサイドミルを利用しなければならず、これにより、磁気的または電気的に機能しない厚みのある層を生じさせるといったような、センサ積層体に対して損傷を生じさせる恐れがある。面密度に対する要求が増すにつれて、シールドとシールドとの間隔（shield to shield spacing：ＳＳＳ）および読取装置の幅（reader width：ＲＷ）を縮小しなければならないのだが、ミリング速度の差が引起す問題により、これらの寸法を縮小することが不可能ではないにしても困難になり得る。

したがって、タンタル合金でできたシード層、キャップ層またはそれら両方の層を含む磁気装置が本明細書に開示される。いくつかの実施の形態においては、シード層、キャップ層またはそれら両方の層は、単一の層であり得る。いくつかの実施の形態においては、シード層、キャップ層またはそれら両方の層は、上に構築される層の結晶構造の方位を合わせるように設計された第２の層を含む二層構造ではない。いくつかの実施の形態においては、シード層、キャップ層またはそれら両方の層は、非磁性ニッケル合金でできた第２の層を含む二層構造ではない。しかし、いくつかの実施の形態においては、開示されているシード層、キャップ層またはそれら両方の層は、他の層と組合せて利用可能である。例えば、他の層は、ルテニウム（Ｒｕ）などの導電性材料からなる。例えば、開示されているシード層、キャップ層またはそれら両方の層は、Ｒｕ（または他の材料）からなる層に隣接して利用可能である。

いくつかの実施の形態においては、タンタル合金は非晶質であり得る。非晶質の層は、その上に形成され得る層の成長を向上させることができる。使用可能な具体的なタンタル合金は、例えば、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せであり得る）を含み得る。いくつかの実施の形態においては、タンタル合金は、例えば、ＴａＸ（式中、ＸはＶ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せであり得る）を含み得る。いくつかの実施の形態においては、具体的なタンタル合金はＴａＣｒを含み得る。

さまざまな成分（二元合金中の２つの要素または三元合金中の３つの要素）の量は可変である。合金中の複数の要素の量は、少なくとも一部には、合金の所望の構造（複数の要素の量は、合金が非晶質であるか、結晶質であるか、またはそれらのなんらかの組合せであるかを決定する役割を果たし得る）、装置の磁気特性に対する合金の影響、合金の物理的特性（硬度など）、本明細書に記載されていない他の要因、またはそれらの組合せに基づいて選択可能である。

いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＴａの量は、２０原子％（ａｔ％）〜９９ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＴａの量は、４０ａｔ％〜８０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＴａの量は、５０ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＸの量は、１ａｔ％〜８０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＸの量は、２０ａｔ％〜６０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、Ｘは１つの要素または２つ以上の要素を表わし得る）中のＸの量は、３０ａｔ％〜５０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒである）中のＸの量は、１ａｔ％〜８０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒである）中のＸの量は、２０ａｔ％〜６０ａｔ％の範囲であり得る。いくつかの実施の形態においては、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒである）中のＸの量は、３０ａｔ％〜５０ａｔ％の範囲であり得る。

いくつかの実施の形態においては、シード層またはキャップ層のうちの１つの層だけがタンタル合金でできている。いくつかの実施の形態においては、シード層およびキャップ層が両方ともタンタル合金でできている。いくつかの実施の形態においては、シード層およびキャップ層が両方ともタンタル合金でできており、シード層におけるタンタル合金とキャップ層におけるタンタル合金とは同一である。いくつかの実施の形態においては、シード層およびキャップ層が両方ともタンタル合金でできており、シード層におけるタンタル合金とキャップ層におけるタンタル合金とは、成分の同一性、成分の量またはそれらの組合せの点で異なっている。シード層、キャップ層またはそれら両方の層において用いられる材料は、少なくとも一部には、それらのミリング速度および所望の構造の最終的な構成に基づいて選択可能である。

以下の実施例によって本開示を説明する。特定の実施例、材料、量および手順は、本明細書に記載される本開示の範囲および精神に従って広く解釈すべきであることが理解される。

図１に開示されるものと類似の磁気積層体を形成した。第１の積層体は、シード層およびキャップ層としてタンタル（Ｔａ）を利用した。第２の積層体は、Ｃｒを４０ａｔ％含有するタンタルクロム（ＴａＣｒ）合金を利用した。図２は、これら２つの積層体のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果対最小抵抗（ＲＭＩＮ）を示す。ここから分かるように、ＴＭＲが低下しなかったという点で、ＴａＣｒを含む積層体は、Ｔａを利用した積層体と同じぐらいよく機能した。

図３は、ミリング角度の関数としてのさまざまな材料（ＮｉＦｅ、ＴａおよびＴａＣｒ（Ｃｒが４０ａｔ％））のミリング速度を示す。ここから分かるように、ＴａＣｒはＴａよりもはるかに速いミリング速度を有し（約４０％速い）、ＮｉＦｅのミリング速度とかなり近い。

このように、タンタル合金層を含む装置の実施の形態を開示する。上記の実現例および他の実現例は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。当業者は、開示されている実施の形態以外の実施の形態で本開示を実施できることを理解するであろう。開示されている実施の形態は、限定の目的ではなく例示の目的で提示されている。

１０４シード層、１０６センサ積層体、１０８キャップ層、１２１基準層、１２４バリア層、１２６自由層。

Claims

基準層、自由層、および前記基準層と前記自由層との間に位置決めされたバリア層を備えるセンサ積層体と、
シード層と、
キャップ層とを備える装置であって、
前記センサ積層体は、前記シード層と前記キャップ層との間に位置決めされ、前記シード層または前記キャップ層のうちの少なくとも１つは、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、装置。
前記シード層および前記キャップ層は非晶質である、請求項１に記載の装置。
前記シード層は、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１に記載の装置。
前記キャップ層は、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１に記載の装置。
前記シード層および前記キャップ層は両方とも、独立してＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１に記載の装置。
前記シード層または前記キャップ層のうちの少なくとも１つはＴａＣｒを含む、請求項１に記載の装置。
前記ＴａＣｒ中のＣｒの原子パーセントは、約１％〜約８０％である、請求項６に記載の装置。
前記ＴａＣｒ中のＣｒの原子パーセントは、約２０％〜約６０％である、請求項６に記載の装置。
前記ＴａＣｒ中のＣｒの原子パーセントは、約３０％〜約５０％である、請求項６に記載の装置。
底部シールドと、
前記底部シールドに隣接して位置決めされたシード層と、
前記シード層に隣接して位置決めされ、基準層、自由層、および前記基準層と前記自由層との間に位置決めされたバリア層を備えるセンサ積層体と、
前記センサ積層体に隣接して位置決めされたキャップ層と、
前記キャップ層に隣接して位置決めされた上部シールドとを備える磁気抵抗装置であって、
前記シード層または前記キャップ層のうちの少なくとも１つは、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、磁気抵抗装置。
前記シード層および前記キャップ層は非晶質である、請求項１０に記載の磁気抵抗装置。
前記シード層は、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１０に記載の磁気抵抗装置。
前記キャップ層は、ＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１０に記載の磁気抵抗装置。
前記シード層および前記キャップ層は両方とも、独立してＴａＸ（式中、ＸはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗまたはそれらの組合せから選択される）を含む、請求項１０に記載の磁気抵抗装置。
前記シード層または前記キャップ層のうちの少なくとも１つはＴａＣｒを含む、請求項１０に記載の磁気抵抗装置。
前記ＴａＣｒ中のＣｒの原子パーセントは、約２０％〜約６０％である、請求項１５に記載の磁気抵抗装置。
前記ＴａＣｒ中のＣｒの原子パーセントは、約３０％〜約５０％である、請求項１５に記載の磁気抵抗装置。