JP2015015068A

JP2015015068A - 結晶性ＣｏＦｅＸ層およびホイスラー型合金層を含む、多重層からなる基準層を含む平面垂直通電型（ＣＰＰ）磁気抵抗センサ

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Publication number: JP2015015068A
Application number: JP2014135867A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．キャリーマシュー; J Carey Matthew; アール．チルドレスジェフリー; R Childress Jeffrey; チョイユン−ソク; Young-Suk Choi; クライトンリードジョン; Creighton Read John
Original assignee: HGST Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-01-22
Also published as: US9076467B2; US20150010780A1

Abstract

【課題】結晶性ＣｏＦｅＸ層およびホイスラー型合金層を含む、多重層からなる基準層を含む平面垂直通電型（ＣＰＰ）磁気抵抗センサを提供する。
【解決手段】平面垂直通電型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）は、ホイスラー型合金を含有する多重層からなる基準層を有する。多重層からなる基準層は、反強磁性層上の結晶性非ホイスラー型強磁性合金層と、ホイスラー型合金層と、Ｘが、Ｇｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうちの１つ以上であるＣｏＦｅＸ形式の、非ホイスラー型合金層と、ホイスラー合金層との間に配置される結晶性非ホイスラー型合金中間層と、を含む。ＣｏＦｅＸ合金層は、組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有し、この組成において、ｙは、約１０〜９０原子百分率であり、ｚは、約５０〜９０原子百分率である。ＣｏＦｅＸ合金層は、非常に強力なピン止めを誘起し、これによりフリー層から基準層までのスピン偏極電子流によって磁気が不安定になる可能性が大幅に減少される。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般に、センサスタックを構成する層の平面に対して垂直に流したセンス電流で動作する平面垂直通電型（ＣＰＰ）磁気抵抗センサに関し、より詳細には、改良した強磁性基準層を含むＣＰＰセンサに関する。

磁気記録ディスクドライブにおいて読み出しヘッドとして使用される従来の磁気抵抗（ＭＲ）センサの１つのタイプが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づいた「スピンバルブ」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、通常ＣｕまたはＡｇから形成される非磁性導電性スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む層スタックを有する。通常「基準」層と呼ばれる、一方の強磁性層は、その磁化方向が、隣接する反強磁性層との交換結合によりピン止めされるなどして固定されており、通常「フリー」層と呼ばれ、もう一方の強磁性層は、その磁化方向が、外部磁界が存在する状態において、自由に回転する。センス電流がセンサに印加されると、固定層の磁化に対するフリー層の磁化の回転は、電気抵抗の変化として検出可能である。センス電流が、センサスタック内における各層の平面を通して垂直に向けられている場合には、センサは、平面垂直通電型（ＣＰＰ）センサと呼ばれる。

磁気記録ディスクドライブ用ＣＰＰ−ＧＭＲ読み出しセンサまたは読み出しヘッドにおいては、固定層またはピン止め層の磁化はディスクの平面に対して略垂直であり、外部磁界が存在しない状態において、フリー層の磁化はディスクの平面に対して略平行である。ディスク上に記録されたデータからの外部磁界にさらされると、フリー層の磁化が回転して、電気抵抗に変化が生じる。

読取りヘッドに使用されるＣＰＰ−ＧＭＲセンサ内における強磁性基準層は、単層のピン止め層（単純ピン止め層と呼ばれることもある）または逆平行の（ＡＰ：antiparallel）ピン止め構造の一部であってもよい。ＡＰ−ピン止め構造は、非磁性逆平行結合（ＡＰＣ：antiparallel coupling）層によって分離された第１の強磁性層（ＡＰ１）および第２の強磁性層（ＡＰ２）を有し、２つのＡＰ−ピン止め強磁性層の磁化方向は、実質的に逆平行に方向付けされている。一方側で非磁性ＡＰＣ層に接触し、他方側でセンサの導電性スペーサ層に接触しているＡＰ２層が、基準層である。ＡＰ１層は、通常、一方側で、ＩｒＭｎなどの反強磁性層に接触しており、他方側で、通常ピン止め層と呼ばれる、非磁性ＡＰＣ層に接触している。ＡＰ−ピン止め構造は、基準層とＣＰＰ−ＳＶフリー強磁性層との間の静磁結合を最小限にする。ＡＰ−ピン止め構造は、「積層」ピン止め層とも呼ばれ、合成反強磁性層（ＳＡＦ：synthetic antiferromagnet）と呼ばれることもある。これについては特許文献１に記載されている。

フリー層および基準層（単純なピン止め層またはＡＰ−ピン止め構造内におけるＡＰ２層のいずれか）を構成する材料は、通常、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅからなる結晶性合金である。ホイスラー型合金は、Ｃｏ_２ＭｎＸ（ここではＸは、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、ＧａまたはＡｌのうちの１つ以上である）、およびＣｏ_２ＦｅＺ（ここではＺは、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ、ＳｎまたはＧａのうちの１つ以上である）のような化学的配列秩序を有する合金であるが、スピン偏極が高く、結果として磁気抵抗が大きくなることが知られており、したがって基準層およびフリー層のいずれか一方または両方において使用するのに望ましい強磁性材料である。基準層では、ホイスラー型合金は、通常、ＣｏまたはＣｏＦｅなどの結晶性強磁性材料の層の上に、あるいはアモルファス強磁性材料の上に直接堆積される。ホイスラー型合金は、通常、化学的配列秩序および高いスピン偏極を得るために、堆積後のアニーリングを十分に行う必要がある。しかしながら、ホイスラー型合金基準層は、高いスピン偏極を供給する一方で、それらの層は低い磁気制動も示す。これにより、センサが電圧バイアス下にある場合には、フリー層からのスピン偏極された電子に起因する不安定なスピントルクに特に影響をされるようになる。したがって、ホイスラー型合金基準層を含むセンサは、特に磁気安定性が低下して、感度が低下しがちである。これにより、スピン偏極が比較的低い結晶性ＣｏＦｅ合金の基準層と比べて、ホイスラー型合金ベースの基準層は、さらに強くピン止めされる必要がある。

米国特許第５，４６５，１８５号明細書米国特許第７，８２６，１８２号明細書

必要なのは、スピン偏極を高め、磁気抵抗を改善するためのホイスラー型合金を有する基準層でありながら、磁気が不安定になりにくく、電圧バイアスの増大による影響を受けにくい基準層を含むＣＰＰ−ＧＭＲセンサである。

本発明の実施形態は、ホイスラー型合金を含有する多重層からなる基準層を含むＣＰＰ−ＧＭＲセンサに関する。多重層からなる基準層は、単純ピン止め層またはＡＰ−ピン止め構造のＡＰ２層であってもよいが、ホイスラー型合金を含む多重層である。多重層からなる基準層は、（単純なピン止め構造における）反強磁性層上の、あるいは（ＡＰ−ピン止め構造における）ＡＰＣ層上の結晶性非ホイスラー型強磁性合金層と、ホイスラー型合金層と、非ホイスラー型合金層とホイスラー型合金層との間に配置される、結晶性非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ形式（ここではＸは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上である）の、中間合金層と、を含む。ＣｏＦｅＸ合金層は、組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有し、この組成において、ＸはＧｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙは約１０〜９０原子百分率であり、かつ、好ましくは約４５〜５５原子百分率であり、ｚは約５０〜９０原子百分率であり、かつ、好ましくは約６０〜８０原子百分率である。ＣｏＦｅＸ合金層は、非常に強力なピン止めを誘起し、これによりフリー層から基準層までのスピン偏極された電子流によって磁気が不安定になる可能性が大幅に減少される。

本発明の性質および利点のより完全な理解のために、添付の図面と共に記載された以下の詳細な説明を参照されたい。

カバーを取り外した従来の磁気記録ハードディスクドライブの概略上面図である。図１の方向２−２におけるスライダの拡大端面図およびディスクの一部である。図２の方向３−３における図であり、ディスクから見た読み出し／書き込みヘッドの端部を示す。逆平行にピン止めされた（ＡＰ−ピン止め）構造を有する先行技術のＣＰＰ−ＧＭＲ読み出しヘッドの横断面概略図であり、各磁気シールド層の間に配置される層スタックを示す。本発明の一実施形態である多重層からなる基準層の構造の横断面概略図である。従来のＣｏＦｅ_５０基準層を含むセンサ、単層のＣｏＦｅＧｅ基準層を含むセンサ、および単層のＣｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金基準層を含むセンサについての磁気抵抗（△Ｒ／Ｒ）を比較したものである。本発明の一実施形態によるセンサについての増幅特性曲線であり、外部磁界に対する抵抗の変化の測定数値を示す。本発明の一実施形態によるセンサを含む、３つの異なる基準層を含むセンサについてのロールオフ曲線である。この曲線は、フリー層と基準層の磁化方向が逆平行状態にあるセンサの抵抗の損失の測定数値を示す。逆平行にピン止めされた（ＡＰ−ピン止め）構造における本発明の一実施形態による多重層からなる基準層の横断面概略図である。

本出願に記載のＣＰＰ磁気抵抗（ＭＲ）センサは、磁気記録ディスクドライブで使用してもよいが、その動作を、図１〜３を参照して簡単に説明する。図１は、従来の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。ディスクドライブには、磁気記録ディスク１２と、ディスクドライブハウジングまたはベース１６上に支持された回転ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）アクチュエータ１４と、が含まれる。ディスク１２は、回転中心１３を有し、ベース１６に取り付けられたスピンドルモータ（図示せず）によって方向１５に回転される。アクチュエータ１４は、軸１７を中心に旋回し、剛性アクチュエータアーム１８を含む。一般に可撓性を有するサスペンション２０は、屈曲要素２３を含み、アーム１８の端部に装着される。ヘッドキャリアまたは空気ベアリングスライダ２２が、屈曲部２３に装着される。磁気記録読み出し／書き込みヘッド２４が、スライダ２２の後面２５上に形成される。屈曲部２３およびサスペンション２０によって、スライダは、回転するディスク１２によって生成された空気ベアリング上で「縦揺れ（ピッチ）」および「横揺れ（ロール）」することができる。通常、スピンドルモータによって回転されるハブ上に複数のディスクが積み重ねられ、別々のスライダおよび読み出し／書き込みヘッドが、各ディスク表面に関連付けされる。

図２は、図１の方向２−２におけるスライダ２２およびディスク１２の一部の拡大端面図である。スライダ２２は、屈曲部２３に装着され、かつ、ディスク１２に面する空気ベアリング面（ＡＢＳ：air-bearing surface）２７、およびＡＢＳに略垂直な後面２５を有する。ＡＢＳ２７は、回転するディスク１２からの空気流に、ディスク１２の表面に非常に近いかまたはほぼ接触しているスライダ２２を支持する、空気ベアリングを生成させる。読み出し／書き込みヘッド２４は、後面２５上に形成され、かつ、後面２５上の端子パッド２９に電気接続されることによって、ディスクドライブの読み出し／書き込みエレクトロニクスに接続される。図２の断面図に示すように、ディスク１２は、離散データトラック５０がトラック横断方向において離間されたパターン化媒体ディスクであり、トラック５０の１つが、読み出し／書き込みヘッド２４と整列されて示されている。離散データトラック５０は、トラック横断方向におけるトラック幅ＴＷを有し、かつ、円周方向に連続して磁化可能な材料から形成してもよい。この場合には、パターン化媒体ディスク１２は、離散トラック媒体（ＤＴＭ：discrete-track-media）ディスクと呼ばれる。代替として、データトラック５０は、トラックに沿って離間された離散データアイランドを含んでもよい。この場合には、パターン化媒体ディスク１２は、ビットパターン化媒体（ＢＰＭ：bit-patterned media）ディスクと呼ばれる。ディスク１２は、記録層がパターン化されるのではなく、記録材料の連続層である従来の連続媒体（ＣＭ：continuous-media）ディスクであってもまたよい。ＣＭディスクでは、書き込みヘッドが連続記録層上に書き込む場合に、トラック幅ＴＷを含む同心データトラックが生成される。

図３は、図２の方向３−３における図であり、ディスク１２から見たような読み出し／書き込みヘッド２４の端部を示す。読み出し／書き込みヘッド２４は、スライダ２２の後面２５上に堆積され、リソグラフィでパターン化された一連の薄膜である。書き込みヘッドは、垂直磁気書き込み極（ＷＰ）を含み、後部および／または側部シールド（図示せず）を含んでもまたよい。ＣＰＰＭＲセンサまたは読み出しヘッド１００は、２つの磁気シールドＳ１とＳ２との間に配置される。シールドＳ１、Ｓ２は、透磁性材料から形成され、導電性であるので、読み出しヘッド１００への電気導線として機能することができる。シールドは、読み出しされているデータビットに隣接する記録されたデータビットから読み出しヘッド１００を遮蔽するように機能する。別々の電気導線を使用してもまたよい。この場合には、シールドＳ１、Ｓ２に接触している、タンタル、金または銅などの導線材料の層に接触して読み出しヘッド１００が形成される。図３は、非常に小さな寸法を示すことが困難であるために、縮尺比に従って縮尺されてはいない。通常、各シールドＳ１、Ｓ２は、トラックに沿う方向における読み出しヘッド１００の全体の厚さ（２０〜４０ｎｍの範囲であってもよい）と比較して、トラックに沿う方向において数ミクロンの厚さである。

図４は、ディスクから見た、センサ１００を構成する層を示す拡大断面図である。センサ１００は、２つの磁気シールド層Ｓ１とＳ２との間に形成された層スタックを含むＣＰＰ−ＧＭＲ読み出しヘッドであり、磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２は、通常、電気めっきされたＮｉＦｅ合金膜である。シールドＳ１、Ｓ２は、導電性材料から形成され、したがって、センス電流Ｉ_Ｓ用の電気導線として機能してもまたよい。このセンス電流Ｉ_Ｓは、センサスタック内の各層を通して略垂直に誘導される。代替として、別々の電気導線層を、シールドＳ１、Ｓ２とセンサスタックとの間に形成してもよい。下部シールドＳ１は、通常、化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical-mechanical polishing）によって研磨され、センサスタックの成長用の滑らかな基板を提供する。これにより酸化物被膜が残り得るが、これは、センサを堆積させる直前に軽くエッチングして除去することができる。センサ層は、逆平行（ＡＰ）にピン止めされた（ＡＰ−ピン止め）構造と、フリー強磁性層１１０と、導電性非磁性スペーサ層１３０とを含み、スペーサ層１３０は通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇのような金属または金属合金、あるいはそれらの合金であり、ＡＰ−ピン止め構造とフリー層１１０との間に配置される。キャッピング層１１２が、フリー層１１０と上部シールド層Ｓ２との間に配置される。キャッピング層１１２は、プロセスの際の腐食を防ぐとともに、フリー層をＳ２から磁気的に分離する。キャッピング層１１２は、Ｒｕ、Ｔａ、ＮｉＦｅ、またはＣｕなどの、様々な導電性材料からなる単層、あるいは多重層であってもよい。

ＡＰ−ピン止め構造は、非磁性の逆平行結合（ＡＰＣ：antiparallel coupling）層によって分離された第１の強磁性層（ＡＰ１）および第２の強磁性層（ＡＰ２）を有し、２つのＡＰ−ピン止め強磁性層の磁化方向は、実質的に逆平行に方向付けされている。一方側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接触し、他方側でセンサの電気的非磁性スペーサ層１３０に接触しているＡＰ２層は、通常、基準層１２０と呼ばれる。ＡＰ１層１２２は、通常、一方側で反強磁性層１２４に接触し、他方側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接しており、通常、ピン止め層と呼ばれる。ＡＰ−ピン止め構造は、基準層／ピン止め層とＣＰＰＭＲフリー強磁性層との間の正味の静磁結合を最小限にする。ＡＰ−ピン止め構造は、「積層」ピン止め層とも呼ばれ、合成反強磁性体（ＳＡＦ：synthetic antiferromagnet）と呼ばれることもある。これについては特許文献１に記載されている。

ＡＰＣ層１２３は、通常、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｏｓまたはそれらの合金である。ＡＰ１層は、通常、結晶性Ｃｏ、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅの合金、あるいはこれらの材料からなる多重層、例えばＣｏ／ＣｏＦｅから形成される。ＡＰ２層は、通常、ＣｏＦｅから形成され、Ｃｏ_２ＭｎＸまたはＣｏ_２ＦｅＺなどのスピン偏極の高い材料を含んでいる。ＡＰ１強磁性層およびＡＰ２強磁性層は、それらのそれぞれの磁化方向１２７、１２１が、逆平行に方向付けされている。ＡＰ１層１２２は、図４に示すように、反強磁性（ＡＦ）層１２４へ交換結合されることによって、磁化方向がピン止めされるピン止め層である。ＡＦ層１２４は、通常、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎまたはＲｈＭｎなどの反強磁性Ｍｎ合金のうちの１つであり、比較的強力な交換バイアス磁界を供給することが知られている。通常、Ｍｎ合金材料は、堆積されたままの状態では、微弱あるいは微量の交換バイアスしか供給しないが、アニーリングされると、強力なピン止め強磁性層１２２の交換バイアスを供給する。シード層１２５は、下部シールド層Ｓ１と反強磁性層１２４との間に配置され、反強磁性層１２４の成長を高める。シード層１２５は、通常、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＨｆ、Ｔａ、ＣｕまたはＲｕからなる１つまたは複数の層である。

ピン止め層１２２としてのＡＰ１を有するＡＰ−ピン止め構造を含むＣＰＰＧＭＲセンサは、図４に図示される。代替として、ＣＰＰＧＭＲセンサは、単層のピン止め層または単純ピン止め層を有してもよい。単純ピン止め層では、ＡＰＣ層１２３およびＡＰ２層１２０は存在せず、基準層である強磁性層１２２だけが存在する。基準層１２２は、反強磁性層１２４と導電性スペーサ層１３０との間に、かつ、反強磁性層１２４および導電性スペーサ層１３０に接触して配置されることになる。

基準層１２２に通常使用される材料は、結晶性ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金、あるいはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層などの、これらの材料の多重層である。ホイスラー型合金、すなわち、例えばＣｏ_２ＭｎＸのようなホイスラー型合金結晶構造を有する金属化合物が、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ用基準層中の強磁性層として使用するために提案されている。その理由は、これらの化合物は、スピン偏極が高く、結果として磁気抵抗が大きくなることが知られているからである。ＡＰ−ピン止め構造の場合には、ＣｏあるいはＣｏＦｅなどの結晶性強磁性材料を、ホイスラー型合金層とＡＰＣ層との間に配置してＡＰ１層とＡＰ２層との間の電磁結合を、ＡＰＣ層を通して改善してもよい。同様に、単純ピン止め層においては、結晶性のＣｏＦｅまたはＣｏの層を、ホイスラー型合金層とＩｒＭｎ反強磁性層との間に配置して、ホイスラー型合金層の、ＩｒＭｎ層への結合を改善してもよい。

しかしながら、ホイスラー型合金基準層は、高いスピン偏極を供給する一方で、センサがバイアス下にある場合には、それらの基準層はスピン偏極された電子の輸送に起因する不安定なスピントルクに影響される。したがって、ホイスラー型合金基準層を含むセンサは、特に磁気安定性が低下して、感度が低下しがちである。これにより、スピン偏極が低い、結晶性ＣｏＦｅ合金の基準層と比較して、ホイスラー型合金ベースの基準層をピン止めする強度をさらに増強することが必要となる。

本発明のＣＰＰ−ＧＭＲセンサの実施形態においては、基準層は、単純ピン止め層またはＡＰ−ピン止め構造のＡＰ２層であってもよいが、ホイスラー型合金を含んでいる多重層である。化学的配列が無秩序な体心立法（ｂｃｃ：body-centered-cubic）結晶性の、または化学的にＢ２型配列秩序を有する、ＣｏＦｅＸ形式（ここでは、Ｘは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上である）の、非ホイスラー型合金は、ピン止めする層とホイスラー型合金層との間に配置される。ＣｏＦｅＸ層は、単純ピン止め層内において非常に強いピン止めを誘起して、ＡＰ−ピン止め構造における結合を改善させ、これによりフリー層から基準層までのスピン偏極された電子流によって磁気が不安定になる可能性が減少される。

図５は、単純なピン止め構成における、本発明の一実施形態による多重層からなる基準層を示す断面図である。基板は、シールド層Ｓ１である。シード層１２５、例えばＴａの上にＲｕがある二重層、はＳ１上に堆積される。反強磁性層１２４は、任意の導電性反強磁性層であるが、好ましくは実質的にＩｒＭｎのみからなる合金、例えばＩｒ_８０Ｍｎ_２０合金である。なお、下付き文字は、原子百分率を表わしている。反強磁性層１２４は、通常、約４０〜７０Åの範囲の厚さである。基準層２００は、ＩｒＭｎ反強磁性層１２４上にあり、かつ、ＩｒＭｎ反強磁性層１２４に接触する結晶性非ホイスラー型強磁性合金副層２１０と、非磁性導電性スペーサ層１３０に隣接するホイスラー型合金層２３０と、非ホイスラー型合金副層２１０とホイスラー型合金層２３０との間の、結晶性非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ中間合金層２２０と、の多重層からなる基準層である。多重層２００内の各層についての厚さの範囲は、結晶性非ホイスラー型強磁性合金副層２１０については、２〜２０Åであり、結晶性非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ合金層２２０については、１０〜５０Åであり、ホイスラー型合金層２３０については、１０〜６０Åである。Ｃｏ２Ｆｅのような、厚さが約１〜１０Åの範囲であるＣｏＦｅ合金界面層２３２が、ホイスラー型合金層２３０とスペーサ層１３０との間に任意選択的に配置されてもよい。任意選択的に配置される界面層２３２によって、基準層とフリー層との間の中間層の電磁結合が低減される。

結晶性非ホイスラー型合金副層２１０は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉのうちの１つ以上からなる単層あるいは多重層を含む強磁性合金から形成されてもよいが、Ｃｏ_２Ｆｅのような、厚さが約４〜２０Åの範囲であるＣｏＦｅ合金の単層であることが好ましい。非ホイスラー型合金副層２１０は、代替としてＣｏおよびＣｏＦｅの二重層などの多重層であってもよい。ホイスラー型合金層２３０は、Ｃｏ_２ＭｎＸ（ここではＸは、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、ＧａまたはＡｌのうちの１つ以上である）およびＣｏ_２ＦｅＺ（ここではＺは、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ、ＳｎまたはＧａのうちの１つ以上である）から選択される、厚さが通常約１０〜６０Åの範囲である、材料から形成される。

ＣｏＦｅＸ合金層２２０は、化学的配列が無秩序な体心立法（ｂｃｃ）結晶性の、または化学的にＢ２配列秩序を有する、非ホイスラー型合金である。この合金は、組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有するが、ここではＸは、Ｇｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙは、約１０〜９０原子百分率であり、かつ、好ましくは約４５〜５５原子百分率であり、ｚは、約５０〜９０原子百分率であり、かつ、好ましくは約６０〜８０原子百分率である。この好ましいタイプのＣｏＦｅＸ材料は、ＣｏＦｅＧｅである。これについては特許文献２において、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ用として記載されている。図５に示される多重層からなる基準層を含むＣＰＰ−ＧＭＲセンサを製造するための一技法においては、反強磁性層１２４、ＣｏＦｅＸ合金層２２０、およびホイスラー型合金層２３０などの層はすべて、アニーリングが必要であり、フリー層１１０およびキャッピング層１１２まで（フリー層１１０およびキャッピング層１１２を含めて）、Ｓ１上に連続して堆積される。ホイスラー型合金層２３０を構成することになる材料は、スパッタリングでＣｏＦｅＸ合金層２２０の上に堆積される。例えば、ホイスラー型合金が化学的配列秩序を有するＣｏ_２ＭｎＳｉである場合には、Ｃｏ、ＭｎおよびＳｉを含む単一のターゲットあるいは複数のターゲットを使用して、これらの要素の適切な相対量を含有する無秩序層は、スパッタリングで堆積される。ホイスラー型合金フリー層が堆積されると、後続の堆積は休止され、通常、ｉｎ−ｓｉｔｕ急速熱アニーリング（ＲＴＡ：rapid thermal aneal）が実行され、基準層中のホイスラー型合金の結晶化度だけでなくホイスラー型合金フリー層の結晶化度も高める。このＲＴＡステップは、同一の真空チャンバ内または付属の真空チャンバ内において、実行することが可能で、約２００〜４００℃で約１〜１５分間実行される。ＲＴＡプロセスおよび後続の冷却が実行されると、キャッピング層１１２までの一連の堆積が再開される。次に、磁界が存在する状態で成長チャンバから取り出した後に、最終的な堆積後のアニーリングおよび後続の冷却が実行される。これは、最高温度約２００〜４００℃、例えば約２８０℃で、約０．５〜５０時間、例えば約１２時間にわたって行われ、反強磁性層１２４を含む多重層からなる基準層２００の強力な交換バイアスを誘起する。

別の技法においては、２ステップからなるｉｎ−ｓｉｔｕＲＴＡプロセスが実行される。最初に、ｉｎ−ｓｉｔｕＲＴＡプロセスは、ＣｏＦｅＸ合金層２２０の堆積の後であり、かつホイスラー型合金層２３０の堆積の前に、真空チャンバ内で実行することができる。このアニーリングは、約１５０〜３００℃で約１〜３０分間であり、この結果、反強磁性層１２４の微細構造が改善され、ＣｏＦｅＸ合金層２２０の表面粗度が改善される。次に、フリー層１１０までの（フリー層１１０を含めて）残っている層（これらはホイスラー型合金であってもよい）を堆積させる。次に、第２のｉｎ−ｓｉｔｕＲＴＡプロセスは、２００〜４００℃で約１〜１５分間実行することができる。第２のアニーリングの目的は、基準層中のホイスラー型合金の結晶化度だけでなくホイスラー型合金フリー層の結晶化度も高めることである。スタックが完全に堆積された後に、ｉｎ−ｓｉｔｕで、あるいは成長チャンバから取り出した後に、磁界が存在する状態で、最終的な堆積後のアニーリングおよび後続の冷却が実行される。これは、最高温度約２００〜４００℃で、例えば約２８０℃で、約０．５〜５０時間、例えば約１２時間にわたって行われ、反強磁性層１２４を含む多重層からなる基準層２００の強力な交換バイアスを誘起する。

組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）（}ここではＸは、Ｇｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙは、約１０〜９０原子百分率であり、ｚは、約５０〜９０原子百分率である）は、組成Ｃｏ_２ＦｅＸを有する合金を含む。この組成は、この合金が化学的配列秩序を有するようになると、ホイスラー型合金になる化学量論的な組成構成比である。しかしながら、本発明におけるＣｏＦｅＸ合金は、厳密に言えばホイスラー型合金ではない。その理由は、アニーリングは、Ｃｏ_２ＦｅＸが、化学的配列秩序を有するようになるほどの高温で行われないからで、その温度とは、少なくとも５００℃である。

図６は、従来のＣｏＦｅ_５０基準層、単層のＣｏＦｅＧｅ基準層および単層のＣｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金基準層を含むセンサについての磁気抵抗（△Ｒ／Ｒ）を比較したものである。単層のＣｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金基準層を含むセンサは、従来のＣｏＦｅ_５０基準層を含むセンサおよび単層のＣｏＦｅＧｅ基準層を含むセンサよりもはるかに大きな磁気抵抗（ΔＲ／Ｒ）を有する。本発明の実施形態の開発において、本発明の実施形態のような、［１５Å Ｃｏ_３７．５Ｆｅ_３７．５Ｇｅ_２５／１３Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金／２Å Ｃｏ_２Ｆｅ界面層］構造を有する基準層を含むセンササンプルの（ΔＲ／Ｒ）が測定され、［３０Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金］からなる基準層を含むセンササンプルと実質的に同等であることが判明した。

しかしながら、単層のＣｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金基準層は，ピン止め強度が低い。ピン止め強度の測定は、ＣｏＦｅＧｅの単層は、ＣｏＦｅ_５０層および、ピン止め強度が最低であったＣｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金の両者よりもピン止め強度が高いことを示している。

ピン止め強度の測定により、本発明の一実施形態のような、［１５Å Ｃｏ_３７．５Ｆｅ_３７．５Ｇｅ_２５／１３Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金／２Å Ｃｏ_２Ｆｅ界面層］構造は、単層のＣｏＦｅＧｅ基準層を含むセンサに匹敵するピンで止め強度を有することが示された。これは、図７に示されており、図７は、４７０ｎｍ四方センサからの増幅特性曲線であり、外部磁界に対する抵抗変化の測定数値を示す。図７は、Ｈ_５０は、逆平行の抵抗の損失が半減する（ｙ軸上の０．５）地点によって規定されたピン止め強度であるが、−３ｋＯｅを上回っていることを示す。このピン止め強度は、単層のＣｏＦｅＧｅ基準層を含むセンサに匹敵し、結果として単層のＣｏ_２ＦｅＧａＧｅ基準層を含むセンサスタックと比較してはるかに強いピン止めがもたらされる。

図８は、ロールオフ曲線である。ロールオフ曲線は、３つの異なる基準層を含むセンサの、磁化方向が逆平行状態における抵抗（ＲＡＰ：resistance in the magnetic antiparallel state）の損失の測定数値を示す。図８は、［１５Å Ｃｏ_３７．５Ｆｅ_３７．５Ｇｅ_２５／１３Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金／２Å Ｃｏ_２Ｆｅ界面層］基準層を含むセンサは、［３０Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金］基準層を含むセンサよりも、磁気が不安定になりにくく、かつ、感度が低下しにくいことを示している。また、［１５Å Ｃｏ_３７．５Ｆｅ_３７．５Ｇｅ_２５／１３Å Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅホイスラー型合金／２Å Ｃｏ_２Ｆｅ界面層］基準層を含むセンサは、［３０Å Ｃｏ_３７．５Ｆｅ_３７．５Ｇｅ_２５］基準層を含むセンサとほぼ同等のロールオフを示している。したがって、結晶性ＣｏＦｅＸ合金／ホイスラー型合金二重層の基準層を含むセンサは、磁気が不安定になりにくいだけでなく、磁気抵抗も大きい。

図９は、ＡＰ−ピン止め構造における多重層からなる基準層を示す断面図である。基板は、シールド層Ｓ１である。シード層１２５、例えばＴａの上にＲｕを重ねた二重層、はＳ１の上に堆積される。反強磁性層１２４は、任意の導電性反強磁性層であるが、好ましくは実質的にＩｒＭｎのみからなる合金、例えばＩｒ_８０Ｍｎ_２０合金である。なお、下付き文字は、原子百分率を表わしている。反強磁性層１２４は、ＡＰ１強磁性層の磁化方向をピン止めする。基準層２００は、ＡＰＣ層１２３上にあり、かつ、ＡＰＣ層１２３に接触する非ホイスラー型合金副層２１０と、ホイスラー型合金層２３０と、非ホイスラー型合金副層２１０とホイスラー型合金層２３０との間のＣｏＦｅＸ合金層２２０と、ホイスラー型合金層２３０と非磁性導電性スペーサ層１３０との間に任意選択的に配置される界面層２３２と、からなる多重層からなる基準層である。ホイスラー型合金層２３０は、その磁化方向をＡＰ１層の磁化方向に対して逆平行に方向付けさせる。

好ましい実施形態に関連して本発明を特に図示し説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、形態および詳細における様々な変更をなし得ることが当業者によって理解されよう。したがって、開示される本発明は、単に実例として見なされ、添付の特許請求の範囲において特定される範囲においてのみ限定される。

１２磁気記録ディスク
１３回転中心
１４回転ボイスコイルモータアクチュエータ
１５方向
１６ベース
１７軸
１８剛性アクチュエータアーム
２０サスペンション
２２空気ベアリングスライダ
２３屈曲部
２４読み出し／書き込みヘッド
２５後面
２７空気ベアリング面
２９端子パッド
５０離散データトラック
１００センサ
１１０フリー強磁性層
１１２キャッピング層
１２０強磁性層
１２１磁化方向
１２２強磁性層
１２３非磁性逆平行結合層
１２４反強磁性層
１２５シード層
１２７磁化方向
１３０導電性非磁性スペーサ層
２００基準層
２１０非ホイスラー型強磁性合金副層
２２０非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ合金層
２３０ホイスラー型合金層
２３２合金界面層
ＡＢＳ空気ベアリング面
ＷＰ書き込み極
Ｓ１シールド層
Ｓ２シールド層
ＴＷトラック幅
ＩＳセンス電流
ＡＰ１第１の強磁性層
ＡＰ２第２の強磁性層
ＡＰＣ非磁性逆平行結合層
ＡＦ反強磁性層

Claims

センス電流がセンサ内部の層の平面に対して垂直に印加されると、外部磁界を検出することが可能な磁気抵抗センサであって、
基板と、
前記基板上の多重層からなる基準層であって、
非ホイスラー型強磁性合金副層と、
固定された面内磁化方向を有するホイスラー型合金層と、
前記非ホイスラー型合金副層と前記ホイスラー型合金層との間の結晶性非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ合金層であって、Ｘが、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙが、１０以上の原子百分率であり、かつ、９０以下の原子百分率であり、ｚが、５０以上の原子百分率であり、かつ、９０以下の原子百分率である組成（Ｃｏ_ｙＦｅ（_{１００−ｙ}））_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有する結晶性非ホイスラー型ＣｏＦｅＸ合金層と、を含む多重層からなる基準層と、
外部磁界が存在する状態において、実質的に自由に回転する面内磁化方向を有するフリー層と、
前記フリー層と前記多重層からなる基準層の間の導電性スペーサ層と、
を含む磁気抵抗センサ。
前記基板と前記多重層からなる基準層との間の前記基板上にＭｎ合金を含む反強磁性層をさらに含み、前記多重層からなる基準層の前記非ホイスラー型強磁性合金層は、前記Ｍｎ合金に接触しており、前記ホイスラー型合金層の前記固定された磁化方向は前記Ｍｎ合金によってピン止めされている、請求項１に記載のセンサ。
前記センサは、面内磁化方向を有する第１のＡＰ−ピン止め（ＡＰ１）強磁性層と、前記ＡＰ１層の前記磁化方向に対して実質的に逆平行の面内磁化方向を有する第２のＡＰ−ピン止め（ＡＰ２）強磁性層と、前記ＡＰ１層と前記ＡＰ２層との間にあり、かつ前記ＡＰ１層と前記ＡＰ２層とに接触するＡＰ結合（ＡＰＣ）層と、を含む逆平行の（ＡＰ）ピン止め構造であって、前記ＡＰ２層は、前記非ホイスラー型強磁性合金副層が、前記ＡＰＣ層に接触する前記多重層からなる基準層を含む逆平行の（ＡＰ）ピン止め構造を含む請求項１に記載のセンサ。
前記ＣｏＦｅＸ合金が、Ｘが、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙが、４５以上の原子百分率であり、かつ、５５以下の原子百分率であり、ｚが、６０以上の原子百分率であり、かつ、８０以下の原子百分率である前記組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有する請求項１に記載のセンサ。
ＸがＧｅである請求項４に記載のセンサ。
前記非ホイスラー型合金副層は、ＣｏおよびＦｅからなる合金の層を含む請求項１に記載のセンサ。
ホイスラー型合金の前記層は、Ｘが、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、ＧａおよびＡｌのうちの１つ以上であるＣｏ_２ＭｎＸと、Ｚが、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上であるＣｏ_２ＦｅＺと、から選択された材料から形成される請求項１に記載のセンサ。
前記ホイスラー型合金層と前記スペーサ層との間に、ＣｏおよびＦｅからなる界面層をさらに含む請求項１に記載のセンサ。
前記センサが、磁気記録媒体上のトラックから磁気記録データを読み出すための磁気抵抗読み出しヘッドであって、前記基板が、透磁性の材料から形成される第１のシールドである請求項１に記載のセンサ。
平面垂直通電型（ＣＰＰ）磁気抵抗読み出しヘッドであって、
基板と、
前記基板上にＭｎを含む反強磁性層と、
前記反強磁性層上の、多重層からなる基準層であって、
前記反強磁性層に接触して存在する非ホイスラー型強磁性合金副層と、
前記非ホイスラー型合金副層上にあり、かつ、前記非ホイスラー型合金副層に接触する結晶性ＣｏＦｅｘ合金層であって、Ｘが、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上であり、ｙが、４５以上の原子百分率であり、かつ、５５以下の原子百分率であり、ｚが、６０以上の原子百分率であり、かつ、８０以下の原子百分率である前記組成（Ｃｏ_ｙＦｅ_{（１００−ｙ）}）_ｚＸ_{（１００−ｚ）}を有する結晶性ＣｏＦｅＸ合金層と、
前記結晶性ＣｏＦｅＸ合金層上にあり、かつ、前記結晶性ＣｏＦｅＸ合金層に接触するホイスラー型合金層であって、前記反強磁性層にピン止めされることによって固定される面内磁化方向を有するホイスラー型合金層と、を含む多重層からなる基準層と、
前記多重層からなる基準層の、前記ホイスラー型合金層上の導電性スペーサ層と、
前記スペーサ層上のフリー層であって、外部磁界が存在する状態で、実質的に自由に回転する面内磁化方向を有するフリー層と、
を含む平面垂直通電型（ＣＰＰ）磁気抵抗読み出しヘッド。
ＸがＧｅである請求項１０に記載のヘッド。
前記非ホイスラー型合金副層は、ＣｏおよびＦｅからなる合金の層を含む請求項１０に記載のヘッド。
ホイスラー型合金の前記層が、Ｘが、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、ＧａおよびＡｌのうちの１つ以上であるＣｏ_２ＭｎＸと、Ｚが、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ、ＳｎおよびＧａのうちの１つ以上であるＣｏ_２ＦｅＺと、から選択された材料から形成される請求項１０に記載のヘッド。