JP3559513B2 - 磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、本発明は、電子を鏡面反射する磁気抵抗効果向上層としての酸化物層または窒化物層を有するスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク磁気記録装置（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）の高密度化を実現するために、磁気抵抗効果を用いた巨大磁気抵抗効果型（Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｃｅ ｅｆｆｅｃｔ：ＧＭＲ）ヘッドの開発が進められている。更なる高密度化のためには、より高感度のＳＶ−ＧＭＲ（Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドが必要であり、磁気抵抗変化率（以下、「ＭＲ変化率」と称する）のさらなる向上が重要である。
【０００３】
本発明者らは、ＭＲ変化率の向上のためにスペキュラー（鏡面反射）効果を利用し、かつ実用的なスピンバルブ膜構造となる、ＮＯＬ−ＳＰＳＶ（Ｎａｎｏ ＯｘｉｄｅＬａｙｅｒ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ）膜を提案した（Ｋａｍｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ． ”ＣｏＦｅ ＳＰＥＣＵＬＡＲ ＳＰＩＮ ＶＡＬＶＥＳ ＷＩＴＨ Ａ ＮＡＮＯ ＯＸＩＤＥ ＬＡＹＥＲ”．Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ’９９， ＤＢ−０１， １９９９）。「ＮＯＬ」（Ｎａｎｏ Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）と呼ばれる極薄の酸化層をフリー（磁化自由）層もしくはピン（磁化固着）層中に挿入し、その界面で伝導電子を反射させることによって、スピンバルブ膜を擬似的な人工格子膜のようにして、ＭＲ変化率を向上させることができる。本発明者らは、この構造によって、スピンバルブ膜のＭＲ変化率を飛躍的に向上させることに成功した。
【０００４】
しかしながら、ピン層中にＮＯＬを挿入して、高いスペキュラー率を維持しつつ、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気的に十分な強さのカップリングを保つことは非常に困難である。
【０００５】
例えば、酸素ガスをフローさせてＮＯＬを形成する場合、高スペキュラー率を得るためにＮＯＬを形成する酸化工程において酸素暴露量を多くすると、ＮＯＬを介した磁気的なカップリングは弱くなっていくのに対して、スペキュラー率はあまり向上しないという問題がある。
【０００６】
逆に、弱い酸素暴露量で酸化すると、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気的なカップリングは強くなるが、高いスペキュラー率が得られなくなり、ＭＲ変化率があまり向上しないという問題があった。
【０００７】
また、単純な酸素フローによる方法では、酸素フローだけをコントロールすれば良いので低酸素量から高酸素量まで制御性が良いというメリットはあるが、酸化プロセスにおいてエネルギを全く与えていないため、形成できるＮＯＬの物性の制御範囲が狭く、プロセス上の制御範囲も非常に狭いものであった。
【０００８】
一方、安定した酸化物による高スペキュラー率、酸素拡散の影響を小さいＮＯＬを形成するために、上述したような単純な酸素フローによる酸化ではなく、高エネルギプロセスを用いるという考え方もある。
【０００９】
例えば、酸素をプラズマ化して、イオンビームとして酸化したい膜表面に照射するという方法がある（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＩＢＯ）。この手法は、高エネルギプロセスという点では有効だが、酸素プラズマを着火（発生）するまでのあいだ、サンプル表面が浮遊酸素に晒されてしまうため、単純酸素ガスによる酸化膜が形成されてしまい、初期成長ＮＯＬの部分では自然酸化膜と同様な層ができてしまうという問題があった。低エネルギ、低反応性で生成された初期ＮＯＬ層は、ＭＲ変化率の指標となるΔＧｓを低下させてしまう。
【００１０】
これは、プラズマ酸化やラディカル酸化の場合でも同様であり、プラズマエネルギによる高エネルギ酸化は可能なものの、初期成長ＮＯＬの部分において、どうしても浮遊酸素による自然酸化膜の影響がでてしまうという問題があった。
【００１１】
以上、説明したように、自然酸化法の場合には、酸素フロー量の低酸素量から高酸素量まで酸素暴露量の制御性は比較的優れているものの、酸化時にエネルギが付与されないため高スペキュラー率が得られない。これに対して、ＩＢＯ、ラディカル酸化やプラズマ酸化では、高エネルギ酸化という点では有利なものの、酸素量のコントロールが十分ではなく、低酸素量がコントロールできないばかりか、初期成長ＮＯＬとして自然酸化膜が形成されてしまうという問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、高スペキュラー率を得るということと、ＮＯＬ中の酸素を熱的に安定にするために、エネルギ供給のない自然酸化では安定した酸化物を得ることが非常に困難であるとの結論に至った。しかしながら、従来の高エネルギプロセス手法では低酸素量がコントロール困難であり、かつ初期成長ＮＯＬが必ず自然酸化膜となってしまう。
【００１３】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、エネルギ供給等による高反応性の利点を維持しつつ、初期成長による自然酸化膜の発生を防ぐことができる方法により形成した磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子であって、酸化物または窒化物を主成分とする層をさらに有し、
前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、それと接する層と比較して、アルゴン、キセノン、ヘリウム、クリプトン、ネオンのうちの少なくともいずれかの希ガスを相対的に多く含有することをことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記酸化物または窒化物を主成分とする層に含有される前記希ガスの原子組成は、前記酸化物または窒化物を主成分とする層に接する前記層に含有される前記希ガスの原子組成の２倍よりも大きいことを特徴とする。
【００１６】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、酸素とも窒素とも結合していない、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかの磁性遷移金属元素を含有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層の膜厚は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌのいずれかの酸化物または窒化物を主成分とすることを特徴とする。
【００１９】
また、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００２０】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００２１】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、酸素及び窒素の少なくともいずれかを含有する雰囲気において母材の表面に希ガスのイオンまたはプラズマを照射することにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程を備えたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記雰囲気に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記雰囲気への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、イオン源に前記希ガスを導入して前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記イオン源に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記イオン源への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
または、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程を備え、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、希ガスのプラズマを生成する工程と、前記希ガスのプラズマを生成する工程の後に、前記希ガスのプラズマを生成した雰囲気中に酸素及び窒素のいずれかを導入する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
ラディカル酸化において、初期ラディカルプラズマを生成する時に、最初から酸素ラディカルを生成しようとすると、ラディカル状態でない単純な酸素ガスがチャンバーに漏れ入り、ダーティーな自然酸化膜が形成されてしまう。これに対して、上記の構成によれば、ラディカルプラズマを生成する時に、最初は希ガスだけでプラズマを生成しておき、プラズマが安定したところで酸素ガスを導入し（例えばラディカル源に酸素を導入する）、酸素ガスの導入と同時に酸化が始まるようにする。従来のラディカル酸化では、こういう発想は全くなかった。
【００２６】
ここで、前記希ガスのプラズマの生成が十分に安定したことを確認した後に、酸素及び窒素のいずれかを導入することが望ましい。
【００２７】
また、前記母材は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
【００２８】
また、前記酸素は６００ラングミュア以下であることを特徴とする。
【００２９】
また、前記希ガスのイオンを照射する時間が５秒以上６０秒以下であることを特徴とする。
【００３０】
また、前記母材の表面に希ガスのイオンを照射するタイミングと、前記母材の表面を酸素及び窒素の少なくともいずれかに晒すタイミングとの時間差は１５秒以内であることを特徴とする。
【００３１】
また、前記母材の表面へのイオンの照射は、イオンビームの照射によって行うことを特徴とする。
【００３２】
さらに、前記イオンビームの加速エネルギは５０ｅＶ以上１５０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００３３】
また、前記希ガスのイオンをＲＦ励起のプラズマにより生成することを特徴とするで行うことを特徴とする。
【００３４】
さらに、前述したいずれの製造方法においても、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００３５】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００３６】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造装置は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造装置であって、酸化室内に載置した母材の表面に希ガスのイオンを照射し、これとほぼ同時に前記母材の前記表面を１０００ラングミュア以下の酸素及び窒素の少なくともいずれかに晒すことにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする酸化物または窒化物を主成分とする層を形成可能としたことを特徴とする。
【００３７】
ここで、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００３８】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００３９】
ここで、前記希ガスのイオンは、アルゴン、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅの少なくともいずれか希ガスのプラズマ化が可能なプラズマ源により生成することを特徴とする。
【００４０】
また、前記イオンの加速エネルギが５０ｅＶ以上１５０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００４１】
また、前記酸素及び窒素の少なくともいずれかは１０００ラングミュア以下であることを特徴とする。
【００４２】
また、前記希ガスのイオンを生成するためのイオン源のポジティブグリッドの加速電圧用にグリッドに流れる電流がグリッドの単位平方インチ面積あたり、０．１ｍＡ／ｉｎｃｈ２〜１ｍＡ／ｉｎｃｈ２の制御が可能であることを特徴とする。
【００４３】
また、前記磁気抵抗効果向上層は酸化室で形成され、前記酸化室は、前記母材を表面に有するウェーハを搬送する手段を有する搬送真空室と真空用バルブを介して接続され、その搬送真空室は、金属スパッタ成膜用真空室とも真空用バルブを介して接続されていることを特徴とする。
【００４４】
一方、本発明の磁気再生装置は、前述したいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に記録された磁気的情報を再生可能としたことを特徴とする。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、エネルギの付与と酸素供給とを独立に行うような製造法にすることによって、初期ＮＯＬからエネルギ供給のある安定した酸化物が得られるとの結論に至った。つまり、従来の高エネルギプロセスでは酸素をプラズマ状態にしてから酸化室へ供給していたのに対し、本発明ではそのことが必ずしも重要ではなく、エネルギと酸素とを独立に供給することが最も望ましい手法であるという結論に至った。
【００４６】
つまり、高エネルギのイオンのアシストがない状態や、ラディカル状態になっていないすなわち高反応性でない状態の、単純な分子酸素ガスに対しては、酸化したい膜表面が晒されないようにすることが重要であることがわかった。
【００４７】
そして、具体的には、例えばイオンビームによるエネルギ供給を考える場合には、イオンビームは基本的にはアルゴン、Ｘｅ、Ｎｅ、またはＨｅなどの酸素を含まない希ガスのイオンビームを用い、イオンビーム照射の準備が整いイオンビームを母材の表面に照射するときに初めて酸素ガスを酸化室に導入するというシーケンスにすることによって、初期ＮＯＬから自然酸化膜のない高エネルギ酸化膜が得られることを見出した。
【００４８】
酸化室への酸素の供給方法は、イオン源とは全く関係なく、酸化室に直接導入しても良いし、また希ガスイオンビームと同様のイオン源に供給することもできる。
【００４９】
このように、高エネルギプロセスとして希ガスイオンによるアシスト効果を利用し、反応させたい酸素や窒素ガスとは別に、イオンを供給する本発明の酸化方法をＩＡＯと命名した（Ｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）。
【００５０】
本発明の基本的な考え方は、反応させたい酸素や窒素については、特にイオン化する必要がないため、酸素や窒素ガスの供給ラインは酸化室に通常の分子ガスとして供給する、というものである。
【００５１】
しかし、本発明によるイオンやプラズマによるエネルギを与える前に酸素や、窒素が酸化室に導入されないような本発明による新しいＩＡＯによるプロセスシーケンスを用いれば、従来ＩＢＯ装置のイオンガンに酸素や窒素を供給しても実施することができる。また、通常のプラズマ酸化では酸素プラズマ酸化プロセスシーケンスのみが変わることになる。このＩＡＯによるプロセスシーケンスの考え方は、従来のプラズマ酸化やラディカル酸化を用いた手法にも適用することが可能となる。例えば、通常のプラズマ酸化では酸素のプラズマを照射するという考え方だが、本発明ではアルゴンやＸｅなどの希ガスのプラズマを照射するところに酸素や窒素ガスは分子状態で与えればよいので、低酸素、低窒素量の制御が可能となる。
【００５２】
また、本発明の手法をラディカル酸化に適用する場合は、ラディカル源でプラズマを生成する段階では酸素ガスは導入せず希ガスのみを導入して、希ガスプラズマが安定した後に、酸素ガスをラディカル源に導入して酸化工程を開始する。従来のラディカル酸化法では、初期のプラズマを生成する段階からラディカル源に酸素ガスを導入していたため、高反応性を有しない、ラディカル状態でない単純酸素分子ガスが膜表面に達し、低反応性過程によってダーティーな自然酸化膜が形成されてしまう。これに対して本発明によれば、酸素ガスをラディカル源に導入するタイミングを最適化することより、ダーティーな自然酸化膜の生成を防ぐことができる。
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について具体例を参照しつつ詳細に説明する。
【００５４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子に、ＩＡＯ酸化を用いた低酸素量の酸化によるＮＯＬを付与する具体例について説明する。
【００５５】
本実施例においては、以下のような積層構成を有するＮＯＬ−ＳＰＳＶ（ＮＯＬ−鏡面反射スピンバルブ）膜を形成した。ここで、各層のかっこ内の数字は、層厚（ナノメータ）を表す。
【００５６】
Ｔａ（２ｎｍ） キャップ層
ＴａＯ 反射層
Ｃｕ（１ｎｍ） 高導電層
ＣｏＦｅＮｉ（２ｎｍ）フリー層
Ｃｕ（２．２ｎｍ） 非磁性中間層
ＣｏＦｅ（２ｎｍ） ピン層▲２▼
ＮＯＬ ＮＯＬ
ＣｏＦｅ（１ｎｍ） ピン層▲１▼
ＰｔＭｎ（１０ｎｍ） 反強磁性層
ＮｉＦｅＣｒ（５ｎｍ）下地膜▲２▼
Ｔａ（３ｎｍ） 下地膜▲１▼
基板 基板
基板としては、実際のヘッドにおいてはシールド膜の上にアモルファスアルミナがコートされた「アルチック基板」を用いるが、膜特性を評価する場合には、熱酸化シリコン基板を用いた。両者の間で膜の特性が変わらないことは確認している。本実施例では熱酸化シリコン基板を用いた。なお、アモルファスアルミナがコートされたシリコン基板を用いた場合でも、膜特性は変わらない。
【００５７】
図１は、本実施例においてＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜を形成した成膜システムの構成を表す概略図である。
【００５８】
すなわち、本成膜システム１００は、トランスファー室１０２に対して、ロードロック室１０４のほか、プレクリーニング室１０６、酸化室１０８、２つのメタルデポジション室１１０及び１１２がそれぞれ真空バルブ１０４Ｖ〜１１２Ｖを介して接続されている。そして、以下に説明する各プロセスにおいて各室からトランスファー室を介して、ウェーハが搬送されるようになっている。
【００５９】
ウェーハは、大気圧にしたロードロック室１０４に導入されるが、この時も、それ以外の全ての室はプロセスガスを導入しない状態の背圧が８×１０−８ｔｏｒｒよりも高真空に保たれている。ロードロック室はトランスファー室に真空バルブ１０４Ｖを介して結合されている。
【００６０】
メタルデポジション室１１０、１１２は、スピンバルブ膜を成膜できるように薄膜金属成膜に適したものであり、少なくともいずれかのメタルデポジション室は６元以上の多元方式のもので、ＤＣ方式またはＲＦ方式のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）スパッタ室でも、ＩＢＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）スパッタ室でも構わない。また、図１に例示したように２つのメタルデポジション室を有さず、１つのメタルデポジション室のみでもスピンバルブ膜の材料数が足りれば構わない。本実施例の構成の膜においては、ＤＣマグネトロン方式の６元ＰＶＤが可能なメタルデポジション室１１０、１１２で金属膜の部分を成膜した。
【００６１】
ロードロック室１０４にセットされたウェーハは、まずプレクリーニング室１０６においてアルゴン（アルゴン）イオンビームによって表面吸着物をクリーニングされる。なお、ここではプレクリーニング室１０６を用いたが、メタルデポジション室１１０または１１２でＰＶＤの逆スパッタしたり、ＩＢＤのアシストガンによってウェーハをクリーニングしても構わない。
【００６２】
その後、ウェーハは、ＰＶＤ方式のメタルデポジション室１１０または１１２に搬送され、Ｔａ層、ＮｉＦｅＣｒ層、ＰｔＭｎ層、ＣｏＦｅ層がそれぞれ成膜される。
【００６３】
ここで、下地膜のＴａ／ＮｉＦｅＣｒに関しては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｎｂおよびその合金材料やその他のバッファ層になる材料、ＮｉＦｅＣｒの代わりにｆｃｃ（ｆａｃｅ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）配向を促進するシード層材料であっても構わない。もし、これらの下地バッファ層のいずれか１層で十分役割を果たすならば、２層積層膜ではなく１層構成でも構わない。良好な下地バッファ効果、シード効果をもたせるためには、これら下地層の膜厚を合計で３〜８ｎｍとするのが好ましい。
【００６４】
また、この上に成膜するＰｔＭｎ層（反強磁性層）の代わりに、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎのようなほかの反強磁性材料を成膜しても構わない。膜厚としては、１５ｎｍ〜７ｎｍ程度が好ましく、この範囲のなかでも反強磁性膜としての特性が得られるかぎり薄ければ薄いほど好ましい。これは、ＰｔＭｎはＭＲ変化率に対してシャント分流の効果をもってしまうので、シャント低減のためという意味合いと、シールドタイプのヘッドとして本発明が使われる場合には、高密度化に伴い狭ギャップにする必要があるため、スピンバルブ膜のトータル膜厚が薄ければ薄いほど好ましいからである。
【００６５】
また、この反強磁性膜の上に成膜されるＣｏＦｅ層（ピン層▲１▼）の代わりに、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＮｉＦｅ、もしくはそれらの材料に添加元素を加えたものを用いてもよい。この膜は、この後に成膜されるＮＯＬになる母材金属膜の材料と兼用できるときには成膜しなくとも構わない。この膜の好ましい範囲は、０〜３ｎｍである。
【００６６】
また、本実施例においては、単純ピン構造をとっているが、シンセティックアンチフェリ構造（Ｓｙ−ＡＦ構造）をとっても構わない。その場合には、ＰｔＭｎ等の反強磁性膜の上にＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはそれらの金属に添加元素を加えた磁性材料が成膜され、その上にＲｕが約１ｎｍ、その上に成膜される材料が本実施例でＰｔＭｎの上に成膜されたＣｏＦｅ１ｎｍと同様な役割を果たす膜となる。よって、Ｓｙ−ＡＦ構成の場合であっても、以下に説明することは本質的には変わらない。
【００６７】
以上説明した積層金属膜を形成した後、上記（１）でＮＯＬ（Ｎａｎｏ Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）と明示されている部分となるべき金属膜も金属成膜室で成膜される。ここでは、Ｆｅ５０Ｃｏ５０を約１ｎｍ成膜した。ここで、酸化膜であれば「ＮＯＬ」という言葉で適切だが、本発明は必ずしも酸化膜だけに限定されない。そこで、本願明細書においては、酸化物だけでなく、窒化物、炭化物、硼素化物、フッ化物からなる薄膜も含めた一般的な呼び方として、「ＮＯＬ」の代わりに「磁気抵抗効果向上層」なる言葉も併用する。
【００６８】
すなわち、本願明細書において、「磁気抵抗効果向上層」とは、これらの材料を主成分とした薄膜であって、磁気抵抗効果素子中に設けられセンス電流として検出されるべき電流を構成する荷電粒子を反射させる作用を有するものをいう。
【００６９】
磁気抵抗効果向上層となるべき母材金属の材料選定は、良好なスペキュラリティーを得るために非常に重要である。特に、ピン層側に挿入される磁気抵抗効果向上層については、磁気的な結合も達成しなければならないため、材料選定はさらに重要である。高スペキュラリティーと大きな磁気的結合を両立するための一つの条件として、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの３つのうちの１つの磁性金属元素を含むことが磁気抵抗効果向上層には望ましい。これら３種以外の元素でも、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖを含み、それら母材金属の中にＢ、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌを含んでいるものも用いることができる。
【００７０】
磁気抵抗効果向上層としてＮＯＬを用いる場合の母材としては、酸化によって形成されるＮＯＬが高ネール点、高キュリー点をもつ、Ｆｅ、ＦｅＣｏ合金等が望ましい。これらの母材に、Ｃｒ、Ｂ、Ｃ等の添加元素を加えたものでも構わない。本実施例で用いたＦｅ５０Ｃｏ５０を母材にしたＮＯＬは、後に述べるように、高いスペキュラリティーと高い磁気的カップリングとを両立できるが、Ｃｏ９０Ｆｅ１０では良好な磁気カップリングは得られない。Ｃｏ９０Ｆｅ１０を用いた場合には、本プロセスのような高エネルギ酸化ではなく、酸素をフローするだけの自然酸化をすれば磁気的カップリングは得られるが、スペキュラリティーは、本発明によるＩＡＯを用い、ＮＯＬの母材としてＦｅ５０Ｃｏ５０を用いたものと比較して明らかに小さいので、不十分である。
【００７１】
その後、ウェーハは、酸化室に搬送される。この室でのＮＯＬ形成プロセスが本発明による大きな特徴となるところである。ここでは本発明によるＩＡＯプロセスを行う。
【００７２】
図２は、ＩＡＯプロセスを行う酸化室の構成を例示する概念図である。すなわち、酸化室１０８は、クライオ・ポンプなどの排気ポンプ１０８Ａにより減圧状態とすることができ、ウェーハを載置するホルダ１０８Ｂ、シャッター１０８Ｃ、イオン源１０８Ｄが設けられている。また、ウェーハ付近に酸素ガスを供給する酸素ガス導入系１０８Ｅと、イオン源にガスを導入するイオン源ガス導入系１０８Ｆと、酸化室にアルゴンガスを導入するアルゴン導入系１０８Ｇとが設けられている。それぞれの導入系は、マスフローコントローラなどの流量制御手段１０８Ｈ、１０８Ｉ、１０８Ｊを有する。
【００７３】
ＩＡＯプロセスを行う酸化室１０８のひとつの特徴は、酸素ガス導入系１０８Ｅがイオン源１０８Ｄではなく酸化室１０８のウェーハ周囲に酸素を直接導入する点にある。また、エネルギ供給源としてイオン源１０８Ｄがあり、加速グリッド、減速グリッド、ｇｒａｎｄ−グリッドを有する。さらに、プラス（＋）にチャージされたイオンを中性化するためのニュートラライザも有する。イオン源用ガスとして、ここではアルゴン（アルゴン）ガスを用いる場合を例示したが、希ガスであれば、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等のガスを用いても構わない。
【００７４】
なお、図２においては、膜表面にイオンビームを垂直（９０°）に入射させる機構を例示したが、酸化膜厚を制御するためにイオンビームを斜めに入射させてもよい。この時に、入射角が傾斜する程、膜厚方向へのエネルギ供給の代わりに、膜表面近傍だけでのエネルギ照射に近づき、膜表面だけでの酸化膜を形成することが可能となる。つまり、装置構成としては、イオンビームの入射角度が９０°の場合のみでなく、入射角度が１０°程度の低角度までの範囲に対応するものであっても良い。
【００７５】
２ 図３は、本発明の酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【００７６】
また、図４は、比較例として本発明者が実施した酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【００７７】
まず、図４を参照しつつ、比較例の酸化プロセスについて説明する。
【００７８】
比較例の酸化プロセスにおいては、まず、ステップＳ１０１において、メタルデポジション室においてＰＶＤ法やＩＢＤ法などにより金属膜を堆積する。
【００７９】
次に、ステップＳ１０２において、ウェーハを酸化室に搬送する。
【００８０】
次に、ステップＳ１０３において、酸素を含むイオンビームをストライクできる状態にする。具体的には、イオン源ガス供給系１０８Ｆを介してイオン源１０８Ｄに、酸素を含有したガスを導入し、イオン源１０８Ｄの内部でプラズマを発生させて安定化させる。この際に導入するガスは、酸素のみでも良く、または酸素とアルゴンやキセノンなどとの混合ガスでも良い。
【００８１】
このステップにおいて、ホルダ１０８Ｂに載置されたウェーハは、シャッター１０８Ｃによって覆われているため、イオン源１０８Ｄから放出される酸素イオンビームはウェーハ表面には照射されない。しかし、イオン源１０８Ｄから漏れ出た酸素ガスは、シャッタ１０８Ｃの周囲からまわり込んでウェーハに達する。つまり、シャッタ１０８Ｃを閉じた状態でも、ウェーハは酸素ガスに晒されることとなる。その結果として、ウェーハの表面には自然酸化膜が形成されてしまう。
【００８２】
次に、ステップＳ１０４においてウェーハに酸素イオンビームを照射する。具体的には、イオン源１０８Ｄのイオンビームが所定の条件で安定した状態で、シャッター１０８Ｃを開ける。酸素イオンビームが照射されることにより、ウェーハの表面が酸化されて酸化膜が形成される。
【００８３】
そして、所定の時間イオン照射を実施したら、ステップＳ１０５において、シャッター１０８Ｃを閉じて酸化膜の形成を停止する。
【００８４】
次に、ステップＳ１０６において、酸化室１０８をプロセスガスがない状態の真空度と同じオーダーぐらいまで排気する。
【００８５】
その後、ステップＳ１０７において、ウェーハをＰＶＤまたはＩＢＤなどのメタルデポジション室に搬送し、ステップＳ１０８において、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅＮｉ／Ｃｕの上層側の金属層を成膜する。
【００８６】
以上、説明したように、比較例のプロセスにおいては、ステップＳ１０３においてイオン源１０８Ｄに酸素を含むガスを供給するが、この際に、イオン源１０８Ｄから漏れ出た浮遊酸素がシャッタ１０８Ｃの周囲からウェーハの表面にまわり込んで自然酸化膜を形成してしまう。
【００８７】
さらに、ステップＳ１０５においてシャッタ１０８Ｃを閉じた後も、酸化室１０８の内部には浮遊酸素が残留し、ウェーハの表面に吸着する可能性がある。
【００８８】
これに対して、図３に例示した本発明のプロセスによれば、このような「浮遊酸素」の発生を防ぐことができる。
【００８９】
図３のプロセスを説明すると、以下の如くである。
【００９０】
まず、ステップＳ１において、メタルデポジション室においてＰＶＤ法やＩＢＤ法などにより金属膜を堆積する。
【００９１】
次に、ステップＳ２において、ウェーハを酸化室に搬送する。
【００９２】
次に、ステップＳ３において、アルゴンイオンビームをストライクできる状態にする。具体的には、イオン源ガス供給系１０８Ｆを介してイオン源１０８Ｄにアルゴンを導入し、イオン源１０８Ｄの内部でプラズマを発生させて安定化させる。このときホルダ１０８Ｂに載置されたウェーハは、シャッター１０８Ｃによって覆われているため、イオン源１０８Ｄから放出されるアルゴンイオンビームはウェーハ表面には照射されない。但し、ウェーハは、シャッタ１０８Ｃの周囲からまわり込んでくるアルゴンガスには晒されることになる。しかし、この段階では、酸素は供給されていないので、ウェーハは浮遊酸素に晒されることはない。
【００９３】
ここで、もし、図４に例示したＩＢＯプロセスのように、酸素のイオンビームを最初から発生させようとすると、アルゴンなどで希釈されている、いないに関わらず、プラズマを発生させてストライクの準備をするまでの間に浮遊酸素にウェーハ表面が晒され、自然酸化膜が形成されることになる。これに対して、本発明ではイオンビーム用ガスには酸素を用いていないため、その心配はない。本実施例では酸素を用いたが、これは窒化膜を形成させるための窒素ガスを用いた場合などにも同様である。
【００９４】
アルゴンイオンビームが所定の条件で安定したら、ステップＳ４において、シャッター１０８Ｃを開け、これと前後して酸素ガス導入系１０８Ｅから酸素ガスを酸化室１０８に導入する。ステップＳ４において、シャッタを開けるタイミングと酸素の導入のタイミングは、ほぼ同時であることが重要である。両者のタイミングは完全に一致する必要はないが、酸素導入が先になる場合でも、シャッタの開きが先になる場合でも１分以上の間隔がないことが望ましい。その間隔は、３０秒以内とすることが望ましく、１５秒以内とすることがさらに望ましい。
【００９５】
本発明によれば、酸素の導入量を高い精度で制御でき、且つアルゴンイオン照射によって適度のエネルギを与えることにより酸化膜の膜質を改善する「アシスト効果」も得られる。そして、これらの効果は、それぞれ独立に制御性よくバランスさせることができる。ここで、本発明におけるアルゴンイオン照射の「アシスト効果」は、単純な分子ガスとして導入された酸素分子の酸素原子への解離や、イオン化、ラジカル化等を促進する効果も併せ持つと考えられる。これらの効果によりウェーハ表面での酸化反応を制御し、良質の酸化膜を高い制御性で得ることができる。
【００９６】
ステップＳ４において用いるイオンビームの望ましい条件を表１として以下に表す。
【００９７】
表１．イオンビームの条件
ビームエネルギ ：５０〜１５０ｅＶ
ビーム電流 ：０．１〜１ｍＡ／ｉｎｃｈ２
メタルエッチング速度 ：１〜１０Ａ／分
照射時間 ：５秒〜５分
上記のビーム電流は加速グリッドの単位平方インチ面積あたりの電流量である。すなわち、実際の電流量はグリッドの面積に応じて変化する。上記のイオンビームの条件は本発明において良好な特性のＮＯＬを得る上で非常に重要であり、特にビームエネルギすなわち加速電圧は重要である。
【００９８】
図５は、加速エネルギを変えた場合のＮＯＬ形成メカニズムの違いを概念的に表した説明図である。
【００９９】
図５（ａ）に例示したように、加速エネルギが低い場合には、アルゴンイオン照射は酸素フローによって吸着された酸素を脱離する程度の効果で、良好な酸化膜を形成するほどのエネルギは与えられない。このとき、アルゴンイオンのエネルギは、金属表面のエッチングもほとんど生じない程度の範囲である。
【０１００】
図５（ｂ）に例示したように、加速エネルギが適度な大きさの場合には、酸素フローによって膜表面に吸着した反応性の弱い酸素を脱離させるだけでなく、ＮＯＬを形成すべき膜表面の母材金属の表面をもエッチングして、金属原子−金属原子の結合を解離することができ、酸素との反応性を向上させることが可能となる。つまり、金属のエッチングレートよりも酸素供給量が多ければ膜表面に良好な膜質の酸化膜が形成される。当然、このときのアルゴンイオンビームは金属表面のエッチングを行っているだけの効果だけではなく、酸化する際のエネルギアシスト源としても作用することになる。その結果、不必要な酸素がない強く結合した安定した酸化膜が形成されることになる。
【０１０１】
この最適なイオンの加速エネルギの範囲は概ね５０〜１５０ｅＶであり、８０〜１２０ｅＶの範囲にあることが特に望ましい。そのときの金属のエッチングレートは１−１０Å／ｍｉｎである。
【０１０２】
これよりも加速エネルギが大きいと、今度は金属のエッチングレートのほうが酸素の供給よりも追いつかなくなりそもそも酸化膜が形成されなくなるばかりか、母材金属薄膜表面へのダメージも大きくなるため好ましくない。
【０１０３】
また、アルゴンイオン照射時間は５秒〜５分程度とすることが望ましい。これよりも短いとイオン照射の効果がなく、これよりも長いとイオン照射による下部層へのダメージが無視できなくなってくるからである。この理由のため、イオン照射時間は、５秒〜３分以内とすることが望ましく、１０秒〜１分以内とすることがさらに望ましい。
【０１０４】
本実施例においては、加速エネルギ１００ｅＶ、プラズマＲＦパワー５０Ｗ、ポジティブ加速グリッド電流１５ｍＡ、イオン照射時間２０秒で行った。このプロセスによって母材のＦｅＣｏ膜は酸化され、ＮＯＬとなる。本発明によって得られるＮＯＬの特徴については、後の実施例に関して詳述する。
【０１０５】
ここで、酸素供給量の積算値は、非常に低酸素量とした。アルゴンガスが酸化室１０８に既に導入されている状態なため、正確なラングミュアー換算（１Ｌ ＝１×１０−６ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）はできないが、アルゴンガスが導入されていない高真空状態で測定した酸素量として、トータル約４００Ｌの酸素を用いた。本実施例のような構成の膜においては、これよりも低ラングミュア−だとＮＯＬを介した上下のピン層の磁気結合は良好だが、スペキュラリティーが十分ではなく、これよりの多くの酸素を導入すると、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気結合がｆｅｒｒｏ結合ではなくなるため、よくない。
【０１０６】
ここで、この最適酸素量は、ＮＯＬになる母材金属材料に依存するだけでなく、ＮＯＬの下地の膜構成によっても変動するので、一律ではない。しかし、ひとつの基準として、本発明のような高エネルギプロセスで薄膜のＮＯＬによる磁気結合をさせる場合には１０００Ｌ以下であることが望ましい。このような低レベルの酸素量は、自然酸化する場合には酸化室１０８のサイズが小さく、酸素フロー法にある程度の工夫があれば制御可能な範囲だが、従来のＩＢＯの手法では、プラズマを準備するだけのタイミングでサンプルが既に暴露されてしまう可能性のあるレベルの酸素量である。
【０１０７】
これに対して、本発明によれば、従来は困難であった低レベルの酸素量と高エネルギプロセスとを両立させることができる。なお、本発明のプロセスシーケンスは低酸素量のときに特に大きな効果を発揮するが、低酸素量のみに限定されるものではなく、比較的高レベルの酸素量の場合にも、同様に適用可能である。特に、安定した酸化物を形成するのが難しい母材材料を用いるような場合に、エネルギを付与できない自然酸化層よりもはるかに膜質の優れたＮＯＬを本発明により形成することができる。
【０１０８】
以上、図３のステップＳ４に関して詳述した。
【０１０９】
このようにして所定の時間、酸素フローとイオン照射を実施したら、ステップＳ５においてシャッター１０８Ｃを閉じ、酸素ガスの供給を停止する。このとき、酸素ガスの供給の停止のほうが後になることは好ましくない。エネルギが与えられないままの浮遊酸素となる可能性の酸素が表面に残ってしまうからである。酸素ガスの供給は、シャッターを閉じてから少なくとも３０秒以内に停止することが望ましく、１５秒以内に停止することがさらに望ましい。
【０１１０】
これとは逆に、シャッターを閉じる前に酸素ガスの供給を停止することは望ましい場合がある。これは不要な酸素を脱離させ、同時に、低エネルギでのイオン照射によって、表面の平坦化も可能となる場合もあるからである。この場合にはイオン加速電圧を変えない場合には１分以内のイオン照射、加速電圧を変えた場合でも５分以内のイオン照射に留めておくことが望ましい。しかしながら、不必要なミリングの影響をなくすためには、１５秒以内のイオン照射にしておくことが望ましい。
【０１１１】
このようにして酸化プロセスが終了したら、次に、ステップＳ６において、アルゴンガスの供給もストップし、プラズマパワー等もすべて停止して、酸化室１０８をプロセスガスがない状態の真空度と同じ程度の圧力まで排気ポンプ１０８Ａにより排気する。
【０１１２】
その後、ステップＳ７において、ウェーハは、ＰＶＤまたはＩＢＤ方式のメタルデポジション室１１０または１１２に搬送され、ステップＳ８において、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅＮｉ／Ｃｕの上層側の金属層が成膜される。ここで、下層のＣｏＦｅ（ピン層▲２▼）がＮＯＬを介してＰｔＭｎに接したＣｏＦｅピン層（ピン層▲１▼）と磁気的にカップリングされる。本構成ではＮＯＬを介した上下のピン層はｆｅｒｒｏ的に結合するが、材料、ＮＯＬ厚を変えることによって、反強磁性的に結合させることも可能である。
【０１１３】
強磁性的に結合した場合にはピン層の磁化量が多くなってしまうため、バイアスポイントのコントロールという観点からはこのままではヘッドに適用することはできず、シンセティックアンチフェリ構造をとらなければならない。つまりＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ↓／Ｒｕ／ＣｏＦｅ↑／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ↑／．．．（↑は磁化方向を示す）のような構造にして、ピン層トータルでの実質的な磁化量を減らさなければならない。
【０１１４】
一方、ＮＯＬを介して反強磁性的に結合した場合には、Ｒｕを用いたシンセティック構造にする必要はない。ＮＯＬ上に成膜されるＣｏＦｅ（ピン層▲２▼）には添加元素を加える場合もある。Ｃｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、等を添加しても構わない。膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍ程度が望ましい。その上のスペーサＣｕ層（非磁性中間層）は、１．８〜２．５ｎｍ程度が望ましい。
【０１１５】
また、フリー層としてＣｏＦｅＮｉを用いたのは、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層フリー層よりも高ＭＲ変化率が得られるからである。ＣｏＦｅにＮｉを微量添加することによって、純粋なＣｏＦｅよりも低磁歪と低Ｈｃが実現できる。フリー層上のＣｕはバイアスポイント上必要な高導電層であって、フリー層に印加される電流磁界を低減させることができる。膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍ程度が好ましい。
【０１１６】
Ｃｕ（高導電層）上のＴａＯは、フリー層側のスペキュラー反射層である。すなわち、電子を反射する効果を有する。これは、母材となるＴａ膜をメタルデポジション室（ＰＶＤ室またはＩＢＤ室）で成膜したのち、ピン層ＮＯＬと同様に酸化室１０８を用いて酸化することにより形成する。酸化プロセスのシーケンスもピン層ＮＯＬの場合と同様とすることができる。ただし、Ｔａの場合には表面からの処理で膜厚の奥方向まで酸化することが困難な場合もあるため、金属層成膜とＩＡＯによる酸化を複数回繰り返しても良い。ＩＡＯの最適条件範囲も概略、表１の条件と一致する。フリー層側のＮＯＬに関しては、必ずしもＩＡＯを用いなくても、ＴａＯ層をＩＢＤで直接酸化物として成膜したり、反応性スパッタにより成膜してもよい。また、ＴａＯではなく、アルミニウム酸化物、Ｆｅ酸化物等を用いても構わない。
【０１１７】
フリー層側ＮＯＬとなるＴａＯ層を形成した後は、メタルデポジション室（ＰＶＤ室またはＩＢＤ室）でＴａ層（保護キャップ層）を成膜する。この層はあるほうが望ましいが、プロセス上問題なければ、成膜しなくても構わない。
【０１１８】
前述のように、実際のヘッドとして応用するときには、Ｓｙ−ＡＦ構造を採用することが望ましい。その具体的な構成としては、例えば以下の積層構造を挙げることができる。ここで、各層に付した数字は層厚 （ｎｍ）を表す。
【０１１９】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＰｔＭｎ１０／ＣｏＦｅ１．５／
Ｒｕ０．９／ＣｏＦｅ０．５／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／ＣｏＦｅ２／
Ｃｕ２／ＣｏＦｅＮｉ１．５／Ｃｕ１／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｔａ１
ここで、ＮＯＬ−ｐｉｎは例えばＦｅＣｏ酸化物であり、ＮＯＬ−ｆｒｅｅはＴａ酸化物である。フリー層は、ＣｏＦｅ１／ＮｉＦｅ１の積層フリー層でも構わない。その他の層の材料についてもこれまで述べてきたような他の材料でも構わない。また、ＲｕとＮＯＬの間のＣｏＦｅ０．５ｎｍは、実際には酸化されてほとんど層の区別がつかないこともある。Ｓｙ−ＡＦ構造を採用した場合にも前述したように各層の機能は変わらないので、これまで述べてきたことは本質的には変わらない。
【０１２０】
また、上述した構成は、反強磁性膜がフリー層よりも下側にある、いわゆる「ボトムタイプ」のスピンバルブ膜であるが、これとは逆の「トップタイプ」のスピンバルブ膜であってもよい。その場合にも、単層ピン構造でも、Ｓｙ−ＡＦ構造でも基本的には本実施例と同じである。
【０１２１】
具体的には、単層ピン構造の場合には、以下の積層構造を挙げることができる。
【０１２２】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｃｕ１／
ＣｏＦｅＮｉ２／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ２／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／
ＣｏＦｅ１／ＰｔＭｎ１０／Ｔａ３
また、Ｓｙ−ＡＦ構造の場合には、以下の積層構造を挙げることができる。
【０１２３】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｃｕ１／
ＣｏＦｅＮｉ２／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ２／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／
ＣｏＦｅ０．５／Ｒｕ０．９／ＣｏＦｅ１．５／ＰｔＭｎ１０／Ｔａ３
上述の各構成においても各層の数字は層厚（ｎｍ）を表す。各層の材料については、基本的にボトムタイプの場合と同様である。
【０１２４】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、酸化室においてイオン源に酸素を導入する場合のプロセスシーケンスに関するものである。
【０１２５】
図６は、本実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【０１２６】
また、図７は、図６の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【０１２７】
図６及び図７については、図２〜図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１２８】
図６に表したように、本実施例における酸化室１０８は、イオン源１０８Ｄに酸素導入系１０８Ｅが接続され、酸素を含むイオンを生成することができる。
【０１２９】
このような酸化室１０８を用いて従来のＩＢＯ法を実施する場合、酸素プラズマを照射することを第１の目的としているため、酸素プラズマが安定化するのを待ってから、酸素イオンを基板に照射する。このために、プラズマが安定するまでの間に流す酸素ガスが酸化室内に漏れて浮遊酸素として作用することになる。
【０１３０】
これに対して、本実施例においては、シャッタ１０８Ｃを開けるタイミングとイオン源にガスを供給するタイミングとを調節することにより、浮遊酸素の発生を抑制しつつＩＡＯを実施することができる。
【０１３１】
具体的には、図７に例示したようなＩＡＯのシーケンスを用いればよい。ＩＡＯプロセスにおいては、酸素をプラズマとしてイオン照射することが目的ではなく、エネルギ源はあくまでも希ガスイオンである。従って、ガスは酸化室導入時には酸素分子でも構わない。つまり、ステップＳ３で希ガスイオンプラズマを生成した後、ステップＳ４Ｂにおいて希ガスイオンを照射するのとほぼ同時に、酸素ガスをイオン源１０８Ｄに導入すればよい。
【０１３２】
本発明において最も重要なことは、エネルギアシストがない状態で、浮遊酸素が酸化室内に導入されないようにすることである。ステップＳ４Ｂにおけるイオン照射と酸素導入とは、ほぼ同時に行うことになるが、そのタイミングは、第１実施例のステップＳ４において酸素ガスを酸化室に直接導入する場合と同様である。酸素ガスの代わりに窒素ガスなどを用いる場合も同様である。
【０１３３】
本実施例においても、微少量の酸素ガスを高い制御性で導入することができ、希ガスイオンの「アシスト効果」を得ることもでき、且つ浮遊酸素による自然酸化膜の生成も確実に抑制することができる。
【０１３４】
本発明による初期自然酸化膜を形成しない工程は、ラディカル酸化（あるいは窒化）の場合についても適用できる。
【０１３５】
ラディカル酸化の場合にも、酸素イオンビーム照射の場合と同様に、ラディカルを照射するために初期にプラズマを生成する必要があるが、従来手法によるラディカル酸化では、この初期のプラズマを生成する段階から酸素（窒化の場合は窒素）をラディカルプラズマ源に導入していため、プラズマが安定するまでの間にラディカルプラズマ源に導入された酸素ガスが、チャンバーへ漏洩して膜表面に達し、ダーティーな自然酸化層を形成してしまう。本発明による製造シーケンスを用いれば、このダーティーな自然酸化膜の影響をなくすことができる。
【０１３６】
具体的には、ラディカル源において初期にプラズマを生成する段階では、酸素ガスはラディカル源に供給せず、アルゴンなどの希ガスのみを供給する。その工程の後に、プラズマを生成したラディカルプラズマ源に酸素及び窒素ガスのいずれかを導入することによって、酸素ガスが膜表面に達するときは、初期の段階から高反応性を有するラディカル状態で供給することが可能となり、ダーティーな自然酸化膜（あるいは自然窒化膜）の影響をなくすことができる。
【０１３７】
このとき好ましくは、希ガスプラズマの生成が十分に安定したことを確認した後に、酸素および窒素のいずれかのガスを導入することが望ましい。本工程によって、良質な酸化膜（窒化膜）を形成することが可能となる。
【０１３８】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、独立したイオン源を持たない酸化室において酸素を導入する場合のプロセスシーケンスに関するものである。
【０１３９】
図８は、本実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【０１４０】
また、図９は、図８の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【０１４１】
図８及び図９については、図２〜図７に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１４２】
図８に表したように、本実施例における酸化室１０８は、独立したイオン源を有しない。その代わりに、プラズマ生成電源１０８Ｌに接続されたプラズマ生成電極１０８Ｍによって酸化室内部でプラズマが生成される。酸化室１０８に酸素導入系１０８Ｅと希ガス導入系１０８Ｇが接続され、希ガス含むプラズマを生成することができる。
【０１４３】
このような酸化室１０８を用いて従来のプラズマ酸化法を実施する場合、酸素プラズマを照射することを第１の目的としているため、酸化室１０８に酸素を導入してからプラズマの生成を開始していた。このために、プラズマが安定するまでの間に流す酸素ガスが酸化室内に漏れて浮遊酸素として作用することになる。
【０１４４】
これに対して、本実施例においては、酸素を導入するタイミングを調節することにより、浮遊酸素の発生を抑制しつつＩＡＯを実施することができる。
【０１４５】
具体的には、図９に例示したようなＩＡＯのシーケンスを用いればよい。ＩＡＯプロセスにおいては、酸素をプラズマとしてイオン照射することが目的ではなく、エネルギ源はあくまでも希ガスイオンである。従って、まず、ステップＳ３Ｃにおいて、導入系１０８Ｇから希ガスを導入してプラズマを生成する。この際に、酸素はまだ導入しない。そして、希ガスプラズマが生成されたら、ステップＳ４Ｃにおいて、酸素ガスを酸化室１０８に導入する。
【０１４６】
この場合に、実際には酸素ガスを酸化室に導入した瞬間には酸素プラズマが安定しないこともあり得る。しかし、本発明のＩＡＯ法においては、酸素をプラズマイオンとして供給することが本質的ではないのでこれでも構わない。最も重要なことは、エネルギアシストがない状態で、浮遊酸素が酸化室内に導入されないようにすることである。
【０１４７】
すなわち、本実施例においては、非常に弱いパワーで希ガスをプラズマ化し、その状態で酸素ガスを基板に導入することによって、酸化する。酸素導入時に、酸素がプラズマ化していても、プラズマ化していなくても構わない。そのため、酸素プラズマを生成する目的で大量の酸素を酸化室に導入する必要がない。
【０１４８】
一般に、プラズマを着火する時には、瞬間的に大量のガスを導入して圧力を上げる必要がある。しかし、本実施例においては、プラズマを生成するために瞬間的に導入されるのはあくまでも希ガスであって、酸素ガスは希ガスプラズマが着火されるのとほぼ同時に導入すればよい。希ガスプラズマの着火と酸素ガスの導入は、ほぼ同時となるタイミングで行うことが望ましく、このタイミングは、第１及び第２実施例と同様である。
【０１４９】
また、酸素ガスの代わりに窒素ガスなどを流して窒化膜などを形成する場合も同様に実施することができる。
【０１５０】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例について説明する。本実施例は、酸素ガスを酸化室に均一に導入することができる導入方法に関するものであり、前述した第１あるいは第３実施例に適用可能なものである。
【０１５１】
図１０〜図１２は、本実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【０１５２】
本発明においては、低酸素量でＮＯＬを形成することがひとつのポイントである。このような低酸素量においては、酸素フローの方法についても工夫する必要がある。まず、酸化室１０８のサイズは可能な限り小さくし、酸素を導入した瞬間から酸化室の全体に拡散するまでの時間を短くすることが望ましい。
【０１５３】
さらに、酸素を導入する手法にも工夫が必要な場合もある。低酸素量の場合には、酸化室全体に酸素が拡散するまでの時間が酸素フローしている全体の時間に占める割合が大きい。そのため、酸素が導入されてから拡散するまでの時間においてもウェーハ内で酸素量の分布が生じないように工夫する必要がある。
【０１５４】
これに対して、図１０に表した具体例においては、２本の酸素導入系１０８Ｅが設けられている。このように、酸素を２本以上の導入系１０８Ｅから導入することによって、酸素が酸化室内に拡散する過渡的状態でのウェーハ内での酸素量分布をできるだけ小さくすることができる。なお、ここで酸素導入系１０８Ｅのそれぞれが独立した流量制御手段１０８Ｈを有する必要はなく、共通の流量制御手段から分岐した複数の導入系が酸化室１０８に接続されていてもよい。
【０１５５】
図１１に表した具体例の場合には、３本の酸素導入系が設けられている。このようにすれば、酸素を酸化室内にさらに均一に拡散させることが可能となる。もちろん、図示した具体例の他にも、４本、５本、６本あるいはそれ以上の複数管から酸素を導入できるようにしてもよい。
【０１５６】
一方、図１２は、酸素導入系１０８Ｅの先端にディフューザ１０８Ｐを設けた具体例を表す概念図である。ディフューザ１０８Ｐは、酸化室１０８の内部に拡がり、複数の酸素噴出口１０８Ｑを有する。本具体例によれば、酸化室１０８への導入は単管でも、ディフューザ１０８Ｐを設けることにより酸素を均一に拡散させることができる。このようなディフューザを図１０あるいは図１１に表した複数の導入系のそれぞれの先端に設けても良い。
【０１５７】
また、図１２に示したように酸化室の内部に半周程度広がるディフィーザの他にも、酸化室をほぼ全周囲を囲うようなディフィーザとしても良い。
【０１５８】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、本発明の製造方法によって得られたＮＯＬの特徴について説明する。すなわち、本実施例では、前述した第１実施例の製造法によって得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜の特徴について詳述する。
まず、シート膜Ｒｓとしてのパフォーマンスであるが、シートコンダクタンス変化ΔＧｓ＝７．６ｍΩ−１、ＭＲ変化率１５．６％、シート抵抗Ｒｓ＝１５．６Ω、Ｈｕａ ｆｌａｔ＝５００Ｏｅと、本発明によって著しく特性が向上した。具体的には、ＧＭＲ効果のポテンシャルを意味するΔＧｓの大幅な向上と、ＮＯＬを介した上下ピン層の良好な磁気的な結合を両立することに初めて成功した。以下に詳細を記述する。
【０１５９】
図１３（ａ）は、酸化室へ導入する酸素量と得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶのΔＧｓとの関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は、酸素導入量をラングミュア（Ｌ）で表し、縦軸は、得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜のシートコンダクタンス変化ΔＧｓを表す。ここで、シートコンダクタンス変化ΔＧｓ＝Ｇｓｍａｘ−Ｇｓｍｉｎ と定義され、ここで、Ｇｓｍａｘは、ピン層のフリー層の磁化が平行な場合のシートコンダクタンスであり、Ｇｓｍｉｎはピン層とフリー層の磁化方向が反平行な場合のシートコンダクタンスである。シートコンダクタンス変化ΔＧｓが大きいほど、ＭＲ変化が大きくなる。
【０１６０】
また、図１３（ａ）において「ＩＡＯ」と記したものは本発明の方法により形成したものを表し、「Ｏ２−ｆｌｏｗ」と記したものは従来の単純酸素フロー法により自然酸化させて形成したものを表す。さらに、これらそれぞれについて、２７０℃における熱処理を１時間（１Ｈ）、１０時間（１０Ｈ）あるいは３０時間（３０Ｈ）施した。
【０１６１】
図１３（ａ）からわかるように、単純酸素フローのものでは、導入酸素量を多くしても高ΔＧｓが得られない。つまり低スペキュラリティーのＮＯＬしか形成できない。また、ΔＧｓが熱処理により減少し、熱的に不安定である。これは、ＮＯＬの酸素が不安定で、ＳＰＳＶ膜中に拡散することが原因であることがＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：２次イオン質量分析）によるデプスプロファイルによって確認された。さらに、導入する酸素量が低い条件において、ΔＧｓは酸素を導入しないものよりもかえって低下する傾向がでている。これは、極めて低い酸素量においては、膜質の良好な酸化ＮＯＬが形成されず、膜質の劣悪なダーティーな酸化層が形成されるためであると考えられる。
【０１６２】
これに対して、本発明によるＩＡＯプロセスを用いた場合には、酸素量を増やすにしたがって、ΔＧｓが一旦劣化することもなく連続的に増加しており、極めて低い酸素量においても、安定した良質な酸化層が形成されていることを示している。これは、イオンビームのエネルギによるアシスト効果によるものであると考えられる。従来のＩＢＯ法で形成した場合には、エネルギアシスト効果は生ずるものの、酸素が最初に酸化室に導入されているときには、イオンアシストのない状態のまま酸素プラズマが生ずるまでにグリッドからもれた浮遊酸素に基板表面が晒されるため、ＮＯＬの初期層に関してはエネルギアシストのないダーティーな酸化層となってしまうのでよくない。
【０１６３】
また、図１３から分かるように、本発明のＩＡＯプロセスを用いた場合にはΔＧｓの耐熱性は極めて良く、２７０℃において３０時間の熱処理を施した後でもΔＧｓの劣化は認められない。これは、単純酸素フローのものとは対照的な結果であり、本発明によるＮＯＬが熱的に極めて安定であることを示している。
【０１６４】
図１３（ｂ）は、ＩＡＯによる低酸素量の条件で形成したスピンバルブ素子において、正規磁界方向に磁界を印加して得られるシート抵抗（Ｒｓ）−磁界（Ｈ）特性を表す。
【０１６５】
また、図１３（ｃ）は、ＩＡＯによる高酸素量の条件で形成した素子において、正規磁界方向に磁界を印加して得られるＲｓ−Ｈ特性を表し、図１３（ｄ）は、同素子において正規磁界方向に対して垂直な方向に磁界を印加して得られるＲｓ−Ｈ特性を表す。
【０１６６】
これらの評価結果から分かるように、ＩＡＯによる低酸素量の条件では、ＮＯＬを介した上下のピン層はｆｅｒｒｏ的にピン結合しているのに対し、６００Ｌよりも高酸素量の条件ではｆｅｒｒｏ的でもなくａｎｔｉｆｅｒｒｏ的でもない９０°方向近傍に傾いた結合をしている。このような結合では、高ΔＧｓがたとえ得られたとしても、実際のヘッドデバイスとしては使いようがない。
【０１６７】
図１４及び図１５は、上記のような良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。まず、４００Ｌのように低酸素量の場合には、ＮＯＬの膜厚をＴＥＭ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｃｓｃｏｐｙ：透過型電子顕微鏡）分析により膜厚を算出すると、約１．５ｎｍであった。
【０１６８】
本発明によれば、アルゴンイオン照射によるエネルギ効果を利用しているため、ＮＯＬには、スパッタ法により成膜された上下のピン層Ｐ１、Ｐ２中に含まれるアルゴン量よりも大量のアルゴンが含まれている。具体的には、ＮＯＬに含まれるアルゴンの原子組成は、上下のピン層Ｐ１、Ｐ２に含まれるアルゴンの原子組成の２倍よりも大きい。例えば、ピン層に含まれるアルゴンの含有量が１原子％とすると、ＮＯＬには２原子％以上のアルゴンが含有されている。
【０１６９】
本発明者の試作評価の結果によれば、ＮＯＬに含まれるアルゴンの含有量は、原子％にして数原子％以上にもおよぶ場合が認められた。つまり、スパッタ法などにより形成されるピン層と比較すると、極めて多量のアルゴンが含まれていた。これは本発明によるプロセスを用いていれば、酸素量の多い少ないに関わらず共通の特徴であった。これは、断面ＴＥＭのＥＤＸ（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析等によって、希ガスの量の分布を測定することができる。
【０１７０】
また、低酸素量における独特の特徴として、酸素と結合していない金属元素が多いということが挙げられる。特に、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉが酸素と結合していない状態で存在する。これは、ＥＸＡＦＳ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｒｕｃｔｕｒｅ）による分析によって確認された。特に、Ｆｅは酸化状態であるのに対し、ＮＯＬ用に成膜したＦｅ５０Ｃｏ５０においてＣｏの半分以上が金属状態になって存在している。これはＦｅのほうが酸化されやすく、Ｃｏが酸化されづらい材料であることに起因している。
【０１７１】
本発明によるＩＡＯプロセスでは、そもそも酸素イオンをぶつけているのではなく希ガスイオンを照射しているので、酸素供給時にエネルギを与えた酸化を行っていると同時に、熱処理時などに悪影響を及ぼす余分な浮遊酸素を脱離して飛ばしているだけでなく、還元的な反応も生じさせている。つまり、酸化しにくいＣｏの場合には、一旦酸化しても希ガスイオンの照射によって、還元作用を起こし、金属状態で存在する確率が増えることになる。これが本質的にピン層の磁気結合に重要な一つの役割を与えている。磁気抵抗効果向上層（例えばＮＯＬ）中に酸素と結合していない磁性金属元素が存在することで、磁気抵抗効果向上層を介した上下のピン層Ｐ１、Ｐ２の磁気的に結合が安定化する。
【０１７２】
また、ＮＯＬの層厚が薄い場合に限ってｆｅｒｒｏ結合しているのは、詳細なメカニズムは不明だが、ＮＯＬ中に存在する金属Ｃｏ原子は完全な結晶状態で存在しているわけではなく、また結晶粒になっていたとしても非常に微細なため、いずれにしてもＮＯＬ単体で強磁性を示すことは困難であり、せいぜいスーパーパラマグネティックな状態だからである。そして、ＮＯＬの膜厚が２ｎｍ程度と薄い場合には上下の強磁性ピン層Ｐ１、Ｐ２からの界面誘起効果が働き、ＮＯＬ中に存在するＣｏ磁性元素も強磁性的性質となって、上下のピン層が強磁性的結合を生じることも考えられる。このような効果が得られるためには、ＮＯＬ厚は１ｎｍ〜３ｎｍが望ましく、１〜２ｎｍであることがさらに望ましい。尚、ここでのＮＯＬ厚は断面ＴＥＭ分析のコントラストで金属部分と明らかに異なり、結晶の格子間隔も異なって観察される領域の膜厚である。
【０１７３】
一方、本発明によれば、浮遊酸素がない高エネルギプロセスによって、Ｆｅの安定した酸化物が膜厚方向に急峻性よく生成されているため、スペキュラリティー、すなわち電子の反射性が向上している。従来の単純な酸素フローによる自然酸化では、浮遊酸素は熱処理によって拡散し不安定なばかりか、材料選択をよほど厳重に行わない限り、ＮＯＬ界面での組成急峻性にも問題を抱えるので、スペキュラリティーはどうしてもＩＡＯプロセスよりも小さくなってしまう。
【０１７４】
本発明の製造方法によって、希ガスが磁気抵抗効果向上層中に混入することと、磁性金属元素が存在することの２つが重要であることが判明した。
【０１７５】
また、本実施例のようなＮＯＬ厚が１ｎｍ〜３ｎｍ程度の場合に限らず、ＮＯＬ厚が２ｎｍから５ｎｍの場合でも本発明によるＩＡＯプロセスは有効である。この場合には、ＮＯＬを介した上下のピン層の磁気結合は反強磁性的結合となる場合もあり得る。この場合には、Ｓｙ−ＡＦ構造で通常用いているＲｕは必要なくなり、これまでの実施例で述べてきた単層ピン構造と実質的な膜構成は同じでも、Ｓｙ−ＡＦ構造と同様にピン層からの漏洩磁界を低減させることができ、そのままヘッドに採用な構成となる。シャント層になる部分も減らすことができるので、ＭＲ変化率の観点からも有利である。この場合にもＮＯＬ材料はＦｅ、もしくはＦｅＣｏを母材としたＮＯＬであることが望ましい。
【０１７６】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気再生装置について説明する。図１乃至図１５に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気再生装置に搭載することができる。
【０１７７】
図１６は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００は、長手記録用または垂直記録用の記録層を有する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１７８】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１７９】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１８０】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１８１】
図１７は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５１を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【０１８２】
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図１５に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を用いた再生用磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。記録用ヘッドを組み合わせても良い。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１８３】
ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
【０１８４】
図１８（ａ）は、浮上量が所定の正の値の場合のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。同図に例示したように、通常、多くの磁気記録装置においては、磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明においては、このような「浮上走行型」の磁気記録装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。すなわち、図１乃至図１５に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を採用することにより、再生すべきトラックからの微弱な磁化情報を確実に再生することができる。つまり、高い密度で記録された微小磁区からの信号を再生できるので、トラックピッチを縮小して、記録密度を大幅に向上させることができる。
【０１８５】
一方、記録密度がさらに上がると、浮上高を低下させて、より磁気ディスク２００に近いところを滑空させて情報を読み取る必要が生ずる。例えば、１インチ平方あたり４０Ｇ（ギガ）ビット程度の記録密度を得るためには、もはや、浮上にしていることによるスペーシングロスが大きくなり過ぎ、極低浮上によるヘッド１０と磁気ディスク２００とのクラッシュの問題も無視できなくなる。
【０１８６】
そのため、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを逆に積極的に接触させて、走行させる方式も考えられる。
【０１８７】
図１８（ｂ）は、このような「接触走行型」のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。本発明の磁気ヘッドにおいても、媒体との接触面にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ−Ｃａｒｂｏｎ）潤滑膜などを設けることにより「接触走行型」のスライダに搭載することが可能である。従って、図１８（ｂ）に例示したような「接触走行型」の磁気再生装置においても、隣接トラックからのクロストークを大幅に低減し、従来よりも大幅にトラックピッチを縮小してさらに高密度化された媒体の記録再生を安定して行うことができるようになる。
【０１８８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１８９】
例えば、磁気抵抗効果素子の基板、バッファ層、反強磁性層、ピン層、非磁性スペーサ層、フリー層、高導電層、スペキュラー層、保護層に関しては、前述した各具体例には限定されず、当業者が選択しうる範囲の全てを同様に用いて動揺の効果を奏する。
【０１９０】
また、磁気再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものあっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。
【０１９１】
【発明の効果】
本発明によれば、希ガスのイオン等により酸化反応時に膜表面に高いエネルギを付与しつつ、浮遊酸素による自然酸化も抑制して、極めて低酸素量において膜質の良好な磁気抵抗効果向上層を形成することができる。
【０１９２】
そして、高感度且つ高信頼性を有する磁気抵抗効果素子を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例においてＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜を形成した成膜システムの構成を表す概略図である。
【図２】ＩＡＯプロセスを行う酸化室の構成を例示する概念図である。
【図３】本発明の酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図４】本発明の比較例として本発明者が実施した酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図５】、加速エネルギを変えた場合のＮＯＬ形成メカニズムの違いを概念的に表した説明図である。
【図６】本発明の第２実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【図７】図６の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【図９】図８の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１１】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１２】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１３】本発明の第５実施例において酸化室へ導入する酸素量と得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶのΔＧｓとの関係を表すグラフ図、及びシート抵抗Ｒｓの評価結果を表すグラフ図である。
【図１４】本発明により良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。
【図１５】本発明により良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。
【図１６】本発明の磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１７】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１８】（ａ）は、浮上量が所定の正の値の場合のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。（ｂ）は、このような「接触走行型」のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。
【符号の説明】
１００ 成膜システム
１０２ トランスファー室
１０４ ロードロック室
１０６ プレクリーニング室
１０８ 酸化室
１０８Ａ 排気ポンプ
１０８Ｂ ホルダ
１０８Ｃ シャッター
１０８Ｄ イオン源
１０８Ｅ 酸素導入系
１１０、１１２ メタルデポジション室
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１６０ 磁気ヘッドアセンブリ
２００ 媒体（磁気記録ディスク）
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、本発明は、電子を鏡面反射する磁気抵抗効果向上層としての酸化物層または窒化物層を有するスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク磁気記録装置（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）の高密度化を実現するために、磁気抵抗効果を用いた巨大磁気抵抗効果型（Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｃｅ ｅｆｆｅｃｔ：ＧＭＲ）ヘッドの開発が進められている。更なる高密度化のためには、より高感度のＳＶ−ＧＭＲ（Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドが必要であり、磁気抵抗変化率（以下、「ＭＲ変化率」と称する）のさらなる向上が重要である。
【０００３】
本発明者らは、ＭＲ変化率の向上のためにスペキュラー（鏡面反射）効果を利用し、かつ実用的なスピンバルブ膜構造となる、ＮＯＬ−ＳＰＳＶ（Ｎａｎｏ ＯｘｉｄｅＬａｙｅｒ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ）膜を提案した（Ｋａｍｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ． ”ＣｏＦｅ ＳＰＥＣＵＬＡＲ ＳＰＩＮ ＶＡＬＶＥＳ ＷＩＴＨ Ａ ＮＡＮＯ ＯＸＩＤＥ ＬＡＹＥＲ”．Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ’９９， ＤＢ−０１， １９９９）。「ＮＯＬ」（Ｎａｎｏ Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）と呼ばれる極薄の酸化層をフリー（磁化自由）層もしくはピン（磁化固着）層中に挿入し、その界面で伝導電子を反射させることによって、スピンバルブ膜を擬似的な人工格子膜のようにして、ＭＲ変化率を向上させることができる。本発明者らは、この構造によって、スピンバルブ膜のＭＲ変化率を飛躍的に向上させることに成功した。
【０００４】
しかしながら、ピン層中にＮＯＬを挿入して、高いスペキュラー率を維持しつつ、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気的に十分な強さのカップリングを保つことは非常に困難である。
【０００５】
例えば、酸素ガスをフローさせてＮＯＬを形成する場合、高スペキュラー率を得るためにＮＯＬを形成する酸化工程において酸素暴露量を多くすると、ＮＯＬを介した磁気的なカップリングは弱くなっていくのに対して、スペキュラー率はあまり向上しないという問題がある。
【０００６】
逆に、弱い酸素暴露量で酸化すると、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気的なカップリングは強くなるが、高いスペキュラー率が得られなくなり、ＭＲ変化率があまり向上しないという問題があった。
【０００７】
また、単純な酸素フローによる方法では、酸素フローだけをコントロールすれば良いので低酸素量から高酸素量まで制御性が良いというメリットはあるが、酸化プロセスにおいてエネルギを全く与えていないため、形成できるＮＯＬの物性の制御範囲が狭く、プロセス上の制御範囲も非常に狭いものであった。
【０００８】
一方、安定した酸化物による高スペキュラー率、酸素拡散の影響を小さいＮＯＬを形成するために、上述したような単純な酸素フローによる酸化ではなく、高エネルギプロセスを用いるという考え方もある。
【０００９】
例えば、酸素をプラズマ化して、イオンビームとして酸化したい膜表面に照射するという方法がある（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＩＢＯ）。この手法は、高エネルギプロセスという点では有効だが、酸素プラズマを着火（発生）するまでのあいだ、サンプル表面が浮遊酸素に晒されてしまうため、単純酸素ガスによる酸化膜が形成されてしまい、初期成長ＮＯＬの部分では自然酸化膜と同様な層ができてしまうという問題があった。低エネルギ、低反応性で生成された初期ＮＯＬ層は、ＭＲ変化率の指標となるΔＧｓを低下させてしまう。
【００１０】
これは、プラズマ酸化やラディカル酸化の場合でも同様であり、プラズマエネルギによる高エネルギ酸化は可能なものの、初期成長ＮＯＬの部分において、どうしても浮遊酸素による自然酸化膜の影響がでてしまうという問題があった。
【００１１】
以上、説明したように、自然酸化法の場合には、酸素フロー量の低酸素量から高酸素量まで酸素暴露量の制御性は比較的優れているものの、酸化時にエネルギが付与されないため高スペキュラー率が得られない。これに対して、ＩＢＯ、ラディカル酸化やプラズマ酸化では、高エネルギ酸化という点では有利なものの、酸素量のコントロールが十分ではなく、低酸素量がコントロールできないばかりか、初期成長ＮＯＬとして自然酸化膜が形成されてしまうという問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、高スペキュラー率を得るということと、ＮＯＬ中の酸素を熱的に安定にするために、エネルギ供給のない自然酸化では安定した酸化物を得ることが非常に困難であるとの結論に至った。しかしながら、従来の高エネルギプロセス手法では低酸素量がコントロール困難であり、かつ初期成長ＮＯＬが必ず自然酸化膜となってしまう。
【００１３】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、エネルギ供給等による高反応性の利点を維持しつつ、初期成長による自然酸化膜の発生を防ぐことができる方法により形成した磁気抵抗効果素子、その製造方法及び製造装置並びに磁気再生装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子であって、酸化物または窒化物を主成分とする層をさらに有し、
前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、それと接する層と比較して、アルゴン、キセノン、ヘリウム、クリプトン、ネオンのうちの少なくともいずれかの希ガスを相対的に多く含有することをことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記酸化物または窒化物を主成分とする層に含有される前記希ガスの原子組成は、前記酸化物または窒化物を主成分とする層に接する前記層に含有される前記希ガスの原子組成の２倍よりも大きいことを特徴とする。
【００１６】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、酸素とも窒素とも結合していない、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかの磁性遷移金属元素を含有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層の膜厚は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌのいずれかの酸化物または窒化物を主成分とすることを特徴とする。
【００１９】
また、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００２０】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００２１】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、酸素及び窒素の少なくともいずれかを含有する雰囲気において母材の表面に希ガスのイオンまたはプラズマを照射することにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程を備えたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記雰囲気に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記雰囲気への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
また、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、イオン源に前記希ガスを導入して前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記イオン源に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記イオン源への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
または、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程を備え、前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、希ガスのプラズマを生成する工程と、前記希ガスのプラズマを生成する工程の後に、前記希ガスのプラズマを生成した雰囲気中に酸素及び窒素のいずれかを導入する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
ラディカル酸化において、初期ラディカルプラズマを生成する時に、最初から酸素ラディカルを生成しようとすると、ラディカル状態でない単純な酸素ガスがチャンバーに漏れ入り、ダーティーな自然酸化膜が形成されてしまう。これに対して、上記の構成によれば、ラディカルプラズマを生成する時に、最初は希ガスだけでプラズマを生成しておき、プラズマが安定したところで酸素ガスを導入し（例えばラディカル源に酸素を導入する）、酸素ガスの導入と同時に酸化が始まるようにする。従来のラディカル酸化では、こういう発想は全くなかった。
【００２６】
ここで、前記希ガスのプラズマの生成が十分に安定したことを確認した後に、酸素及び窒素のいずれかを導入することが望ましい。
【００２７】
また、前記母材は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
【００２８】
また、前記酸素は６００ラングミュア以下であることを特徴とする。
【００２９】
また、前記希ガスのイオンを照射する時間が５秒以上６０秒以下であることを特徴とする。
【００３０】
また、前記母材の表面に希ガスのイオンを照射するタイミングと、前記母材の表面を酸素及び窒素の少なくともいずれかに晒すタイミングとの時間差は１５秒以内であることを特徴とする。
【００３１】
また、前記母材の表面へのイオンの照射は、イオンビームの照射によって行うことを特徴とする。
【００３２】
さらに、前記イオンビームの加速エネルギは５０ｅＶ以上１５０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００３３】
また、前記希ガスのイオンをＲＦ励起のプラズマにより生成することを特徴とするで行うことを特徴とする。
【００３４】
さらに、前述したいずれの製造方法においても、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００３５】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００３６】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造装置は、２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造装置であって、酸化室内に載置した母材の表面に希ガスのイオンを照射し、これとほぼ同時に前記母材の前記表面を１０００ラングミュア以下の酸素及び窒素の少なくともいずれかに晒すことにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする酸化物または窒化物を主成分とする層を形成可能としたことを特徴とする。
【００３７】
ここで、前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする。
【００３８】
但し、磁気抵抗効果素子としては、実施形態において詳細に説明するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子のほか、強磁性層が磁気結合した人工格子型の巨大磁気抵抗効果素子や、非磁性層として非磁性絶縁層を用いたトンネル時期抵抗効果素子などについても、本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００３９】
ここで、前記希ガスのイオンは、アルゴン、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅの少なくともいずれか希ガスのプラズマ化が可能なプラズマ源により生成することを特徴とする。
【００４０】
また、前記イオンの加速エネルギが５０ｅＶ以上１５０ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００４１】
また、前記酸素及び窒素の少なくともいずれかは１０００ラングミュア以下であることを特徴とする。
【００４２】
また、前記希ガスのイオンを生成するためのイオン源のポジティブグリッドの加速電圧用にグリッドに流れる電流がグリッドの単位平方インチ面積あたり、０．１ｍＡ／ｉｎｃｈ２〜１ｍＡ／ｉｎｃｈ２の制御が可能であることを特徴とする。
【００４３】
また、前記磁気抵抗効果向上層は酸化室で形成され、前記酸化室は、前記母材を表面に有するウェーハを搬送する手段を有する搬送真空室と真空用バルブを介して接続され、その搬送真空室は、金属スパッタ成膜用真空室とも真空用バルブを介して接続されていることを特徴とする。
【００４４】
一方、本発明の磁気再生装置は、前述したいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に記録された磁気的情報を再生可能としたことを特徴とする。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、エネルギの付与と酸素供給とを独立に行うような製造法にすることによって、初期ＮＯＬからエネルギ供給のある安定した酸化物が得られるとの結論に至った。つまり、従来の高エネルギプロセスでは酸素をプラズマ状態にしてから酸化室へ供給していたのに対し、本発明ではそのことが必ずしも重要ではなく、エネルギと酸素とを独立に供給することが最も望ましい手法であるという結論に至った。
【００４６】
つまり、高エネルギのイオンのアシストがない状態や、ラディカル状態になっていないすなわち高反応性でない状態の、単純な分子酸素ガスに対しては、酸化したい膜表面が晒されないようにすることが重要であることがわかった。
【００４７】
そして、具体的には、例えばイオンビームによるエネルギ供給を考える場合には、イオンビームは基本的にはアルゴン、Ｘｅ、Ｎｅ、またはＨｅなどの酸素を含まない希ガスのイオンビームを用い、イオンビーム照射の準備が整いイオンビームを母材の表面に照射するときに初めて酸素ガスを酸化室に導入するというシーケンスにすることによって、初期ＮＯＬから自然酸化膜のない高エネルギ酸化膜が得られることを見出した。
【００４８】
酸化室への酸素の供給方法は、イオン源とは全く関係なく、酸化室に直接導入しても良いし、また希ガスイオンビームと同様のイオン源に供給することもできる。
【００４９】
このように、高エネルギプロセスとして希ガスイオンによるアシスト効果を利用し、反応させたい酸素や窒素ガスとは別に、イオンを供給する本発明の酸化方法をＩＡＯと命名した（Ｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）。
【００５０】
本発明の基本的な考え方は、反応させたい酸素や窒素については、特にイオン化する必要がないため、酸素や窒素ガスの供給ラインは酸化室に通常の分子ガスとして供給する、というものである。
【００５１】
しかし、本発明によるイオンやプラズマによるエネルギを与える前に酸素や、窒素が酸化室に導入されないような本発明による新しいＩＡＯによるプロセスシーケンスを用いれば、従来ＩＢＯ装置のイオンガンに酸素や窒素を供給しても実施することができる。また、通常のプラズマ酸化では酸素プラズマ酸化プロセスシーケンスのみが変わることになる。このＩＡＯによるプロセスシーケンスの考え方は、従来のプラズマ酸化やラディカル酸化を用いた手法にも適用することが可能となる。例えば、通常のプラズマ酸化では酸素のプラズマを照射するという考え方だが、本発明ではアルゴンやＸｅなどの希ガスのプラズマを照射するところに酸素や窒素ガスは分子状態で与えればよいので、低酸素、低窒素量の制御が可能となる。
【００５２】
また、本発明の手法をラディカル酸化に適用する場合は、ラディカル源でプラズマを生成する段階では酸素ガスは導入せず希ガスのみを導入して、希ガスプラズマが安定した後に、酸素ガスをラディカル源に導入して酸化工程を開始する。従来のラディカル酸化法では、初期のプラズマを生成する段階からラディカル源に酸素ガスを導入していたため、高反応性を有しない、ラディカル状態でない単純酸素分子ガスが膜表面に達し、低反応性過程によってダーティーな自然酸化膜が形成されてしまう。これに対して本発明によれば、酸素ガスをラディカル源に導入するタイミングを最適化することより、ダーティーな自然酸化膜の生成を防ぐことができる。
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について具体例を参照しつつ詳細に説明する。
【００５４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子に、ＩＡＯ酸化を用いた低酸素量の酸化によるＮＯＬを付与する具体例について説明する。
【００５５】
本実施例においては、以下のような積層構成を有するＮＯＬ−ＳＰＳＶ（ＮＯＬ−鏡面反射スピンバルブ）膜を形成した。ここで、各層のかっこ内の数字は、層厚（ナノメータ）を表す。
【００５６】
Ｔａ（２ｎｍ） キャップ層
ＴａＯ 反射層
Ｃｕ（１ｎｍ） 高導電層
ＣｏＦｅＮｉ（２ｎｍ）フリー層
Ｃｕ（２．２ｎｍ） 非磁性中間層
ＣｏＦｅ（２ｎｍ） ピン層▲２▼
ＮＯＬ ＮＯＬ
ＣｏＦｅ（１ｎｍ） ピン層▲１▼
ＰｔＭｎ（１０ｎｍ） 反強磁性層
ＮｉＦｅＣｒ（５ｎｍ）下地膜▲２▼
Ｔａ（３ｎｍ） 下地膜▲１▼
基板 基板
基板としては、実際のヘッドにおいてはシールド膜の上にアモルファスアルミナがコートされた「アルチック基板」を用いるが、膜特性を評価する場合には、熱酸化シリコン基板を用いた。両者の間で膜の特性が変わらないことは確認している。本実施例では熱酸化シリコン基板を用いた。なお、アモルファスアルミナがコートされたシリコン基板を用いた場合でも、膜特性は変わらない。
【００５７】
図１は、本実施例においてＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜を形成した成膜システムの構成を表す概略図である。
【００５８】
すなわち、本成膜システム１００は、トランスファー室１０２に対して、ロードロック室１０４のほか、プレクリーニング室１０６、酸化室１０８、２つのメタルデポジション室１１０及び１１２がそれぞれ真空バルブ１０４Ｖ〜１１２Ｖを介して接続されている。そして、以下に説明する各プロセスにおいて各室からトランスファー室を介して、ウェーハが搬送されるようになっている。
【００５９】
ウェーハは、大気圧にしたロードロック室１０４に導入されるが、この時も、それ以外の全ての室はプロセスガスを導入しない状態の背圧が８×１０−８ｔｏｒｒよりも高真空に保たれている。ロードロック室はトランスファー室に真空バルブ１０４Ｖを介して結合されている。
【００６０】
メタルデポジション室１１０、１１２は、スピンバルブ膜を成膜できるように薄膜金属成膜に適したものであり、少なくともいずれかのメタルデポジション室は６元以上の多元方式のもので、ＤＣ方式またはＲＦ方式のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）スパッタ室でも、ＩＢＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）スパッタ室でも構わない。また、図１に例示したように２つのメタルデポジション室を有さず、１つのメタルデポジション室のみでもスピンバルブ膜の材料数が足りれば構わない。本実施例の構成の膜においては、ＤＣマグネトロン方式の６元ＰＶＤが可能なメタルデポジション室１１０、１１２で金属膜の部分を成膜した。
【００６１】
ロードロック室１０４にセットされたウェーハは、まずプレクリーニング室１０６においてアルゴン（アルゴン）イオンビームによって表面吸着物をクリーニングされる。なお、ここではプレクリーニング室１０６を用いたが、メタルデポジション室１１０または１１２でＰＶＤの逆スパッタしたり、ＩＢＤのアシストガンによってウェーハをクリーニングしても構わない。
【００６２】
その後、ウェーハは、ＰＶＤ方式のメタルデポジション室１１０または１１２に搬送され、Ｔａ層、ＮｉＦｅＣｒ層、ＰｔＭｎ層、ＣｏＦｅ層がそれぞれ成膜される。
【００６３】
ここで、下地膜のＴａ／ＮｉＦｅＣｒに関しては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｎｂおよびその合金材料やその他のバッファ層になる材料、ＮｉＦｅＣｒの代わりにｆｃｃ（ｆａｃｅ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）配向を促進するシード層材料であっても構わない。もし、これらの下地バッファ層のいずれか１層で十分役割を果たすならば、２層積層膜ではなく１層構成でも構わない。良好な下地バッファ効果、シード効果をもたせるためには、これら下地層の膜厚を合計で３〜８ｎｍとするのが好ましい。
【００６４】
また、この上に成膜するＰｔＭｎ層（反強磁性層）の代わりに、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎのようなほかの反強磁性材料を成膜しても構わない。膜厚としては、１５ｎｍ〜７ｎｍ程度が好ましく、この範囲のなかでも反強磁性膜としての特性が得られるかぎり薄ければ薄いほど好ましい。これは、ＰｔＭｎはＭＲ変化率に対してシャント分流の効果をもってしまうので、シャント低減のためという意味合いと、シールドタイプのヘッドとして本発明が使われる場合には、高密度化に伴い狭ギャップにする必要があるため、スピンバルブ膜のトータル膜厚が薄ければ薄いほど好ましいからである。
【００６５】
また、この反強磁性膜の上に成膜されるＣｏＦｅ層（ピン層▲１▼）の代わりに、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＮｉＦｅ、もしくはそれらの材料に添加元素を加えたものを用いてもよい。この膜は、この後に成膜されるＮＯＬになる母材金属膜の材料と兼用できるときには成膜しなくとも構わない。この膜の好ましい範囲は、０〜３ｎｍである。
【００６６】
また、本実施例においては、単純ピン構造をとっているが、シンセティックアンチフェリ構造（Ｓｙ−ＡＦ構造）をとっても構わない。その場合には、ＰｔＭｎ等の反強磁性膜の上にＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはそれらの金属に添加元素を加えた磁性材料が成膜され、その上にＲｕが約１ｎｍ、その上に成膜される材料が本実施例でＰｔＭｎの上に成膜されたＣｏＦｅ１ｎｍと同様な役割を果たす膜となる。よって、Ｓｙ−ＡＦ構成の場合であっても、以下に説明することは本質的には変わらない。
【００６７】
以上説明した積層金属膜を形成した後、上記（１）でＮＯＬ（Ｎａｎｏ Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）と明示されている部分となるべき金属膜も金属成膜室で成膜される。ここでは、Ｆｅ５０Ｃｏ５０を約１ｎｍ成膜した。ここで、酸化膜であれば「ＮＯＬ」という言葉で適切だが、本発明は必ずしも酸化膜だけに限定されない。そこで、本願明細書においては、酸化物だけでなく、窒化物、炭化物、硼素化物、フッ化物からなる薄膜も含めた一般的な呼び方として、「ＮＯＬ」の代わりに「磁気抵抗効果向上層」なる言葉も併用する。
【００６８】
すなわち、本願明細書において、「磁気抵抗効果向上層」とは、これらの材料を主成分とした薄膜であって、磁気抵抗効果素子中に設けられセンス電流として検出されるべき電流を構成する荷電粒子を反射させる作用を有するものをいう。
【００６９】
磁気抵抗効果向上層となるべき母材金属の材料選定は、良好なスペキュラリティーを得るために非常に重要である。特に、ピン層側に挿入される磁気抵抗効果向上層については、磁気的な結合も達成しなければならないため、材料選定はさらに重要である。高スペキュラリティーと大きな磁気的結合を両立するための一つの条件として、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの３つのうちの１つの磁性金属元素を含むことが磁気抵抗効果向上層には望ましい。これら３種以外の元素でも、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖを含み、それら母材金属の中にＢ、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌを含んでいるものも用いることができる。
【００７０】
磁気抵抗効果向上層としてＮＯＬを用いる場合の母材としては、酸化によって形成されるＮＯＬが高ネール点、高キュリー点をもつ、Ｆｅ、ＦｅＣｏ合金等が望ましい。これらの母材に、Ｃｒ、Ｂ、Ｃ等の添加元素を加えたものでも構わない。本実施例で用いたＦｅ５０Ｃｏ５０を母材にしたＮＯＬは、後に述べるように、高いスペキュラリティーと高い磁気的カップリングとを両立できるが、Ｃｏ９０Ｆｅ１０では良好な磁気カップリングは得られない。Ｃｏ９０Ｆｅ１０を用いた場合には、本プロセスのような高エネルギ酸化ではなく、酸素をフローするだけの自然酸化をすれば磁気的カップリングは得られるが、スペキュラリティーは、本発明によるＩＡＯを用い、ＮＯＬの母材としてＦｅ５０Ｃｏ５０を用いたものと比較して明らかに小さいので、不十分である。
【００７１】
その後、ウェーハは、酸化室に搬送される。この室でのＮＯＬ形成プロセスが本発明による大きな特徴となるところである。ここでは本発明によるＩＡＯプロセスを行う。
【００７２】
図２は、ＩＡＯプロセスを行う酸化室の構成を例示する概念図である。すなわち、酸化室１０８は、クライオ・ポンプなどの排気ポンプ１０８Ａにより減圧状態とすることができ、ウェーハを載置するホルダ１０８Ｂ、シャッター１０８Ｃ、イオン源１０８Ｄが設けられている。また、ウェーハ付近に酸素ガスを供給する酸素ガス導入系１０８Ｅと、イオン源にガスを導入するイオン源ガス導入系１０８Ｆと、酸化室にアルゴンガスを導入するアルゴン導入系１０８Ｇとが設けられている。それぞれの導入系は、マスフローコントローラなどの流量制御手段１０８Ｈ、１０８Ｉ、１０８Ｊを有する。
【００７３】
ＩＡＯプロセスを行う酸化室１０８のひとつの特徴は、酸素ガス導入系１０８Ｅがイオン源１０８Ｄではなく酸化室１０８のウェーハ周囲に酸素を直接導入する点にある。また、エネルギ供給源としてイオン源１０８Ｄがあり、加速グリッド、減速グリッド、ｇｒａｎｄ−グリッドを有する。さらに、プラス（＋）にチャージされたイオンを中性化するためのニュートラライザも有する。イオン源用ガスとして、ここではアルゴン（アルゴン）ガスを用いる場合を例示したが、希ガスであれば、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等のガスを用いても構わない。
【００７４】
なお、図２においては、膜表面にイオンビームを垂直（９０°）に入射させる機構を例示したが、酸化膜厚を制御するためにイオンビームを斜めに入射させてもよい。この時に、入射角が傾斜する程、膜厚方向へのエネルギ供給の代わりに、膜表面近傍だけでのエネルギ照射に近づき、膜表面だけでの酸化膜を形成することが可能となる。つまり、装置構成としては、イオンビームの入射角度が９０°の場合のみでなく、入射角度が１０°程度の低角度までの範囲に対応するものであっても良い。
【００７５】
２ 図３は、本発明の酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【００７６】
また、図４は、比較例として本発明者が実施した酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【００７７】
まず、図４を参照しつつ、比較例の酸化プロセスについて説明する。
【００７８】
比較例の酸化プロセスにおいては、まず、ステップＳ１０１において、メタルデポジション室においてＰＶＤ法やＩＢＤ法などにより金属膜を堆積する。
【００７９】
次に、ステップＳ１０２において、ウェーハを酸化室に搬送する。
【００８０】
次に、ステップＳ１０３において、酸素を含むイオンビームをストライクできる状態にする。具体的には、イオン源ガス供給系１０８Ｆを介してイオン源１０８Ｄに、酸素を含有したガスを導入し、イオン源１０８Ｄの内部でプラズマを発生させて安定化させる。この際に導入するガスは、酸素のみでも良く、または酸素とアルゴンやキセノンなどとの混合ガスでも良い。
【００８１】
このステップにおいて、ホルダ１０８Ｂに載置されたウェーハは、シャッター１０８Ｃによって覆われているため、イオン源１０８Ｄから放出される酸素イオンビームはウェーハ表面には照射されない。しかし、イオン源１０８Ｄから漏れ出た酸素ガスは、シャッタ１０８Ｃの周囲からまわり込んでウェーハに達する。つまり、シャッタ１０８Ｃを閉じた状態でも、ウェーハは酸素ガスに晒されることとなる。その結果として、ウェーハの表面には自然酸化膜が形成されてしまう。
【００８２】
次に、ステップＳ１０４においてウェーハに酸素イオンビームを照射する。具体的には、イオン源１０８Ｄのイオンビームが所定の条件で安定した状態で、シャッター１０８Ｃを開ける。酸素イオンビームが照射されることにより、ウェーハの表面が酸化されて酸化膜が形成される。
【００８３】
そして、所定の時間イオン照射を実施したら、ステップＳ１０５において、シャッター１０８Ｃを閉じて酸化膜の形成を停止する。
【００８４】
次に、ステップＳ１０６において、酸化室１０８をプロセスガスがない状態の真空度と同じオーダーぐらいまで排気する。
【００８５】
その後、ステップＳ１０７において、ウェーハをＰＶＤまたはＩＢＤなどのメタルデポジション室に搬送し、ステップＳ１０８において、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅＮｉ／Ｃｕの上層側の金属層を成膜する。
【００８６】
以上、説明したように、比較例のプロセスにおいては、ステップＳ１０３においてイオン源１０８Ｄに酸素を含むガスを供給するが、この際に、イオン源１０８Ｄから漏れ出た浮遊酸素がシャッタ１０８Ｃの周囲からウェーハの表面にまわり込んで自然酸化膜を形成してしまう。
【００８７】
さらに、ステップＳ１０５においてシャッタ１０８Ｃを閉じた後も、酸化室１０８の内部には浮遊酸素が残留し、ウェーハの表面に吸着する可能性がある。
【００８８】
これに対して、図３に例示した本発明のプロセスによれば、このような「浮遊酸素」の発生を防ぐことができる。
【００８９】
図３のプロセスを説明すると、以下の如くである。
【００９０】
まず、ステップＳ１において、メタルデポジション室においてＰＶＤ法やＩＢＤ法などにより金属膜を堆積する。
【００９１】
次に、ステップＳ２において、ウェーハを酸化室に搬送する。
【００９２】
次に、ステップＳ３において、アルゴンイオンビームをストライクできる状態にする。具体的には、イオン源ガス供給系１０８Ｆを介してイオン源１０８Ｄにアルゴンを導入し、イオン源１０８Ｄの内部でプラズマを発生させて安定化させる。このときホルダ１０８Ｂに載置されたウェーハは、シャッター１０８Ｃによって覆われているため、イオン源１０８Ｄから放出されるアルゴンイオンビームはウェーハ表面には照射されない。但し、ウェーハは、シャッタ１０８Ｃの周囲からまわり込んでくるアルゴンガスには晒されることになる。しかし、この段階では、酸素は供給されていないので、ウェーハは浮遊酸素に晒されることはない。
【００９３】
ここで、もし、図４に例示したＩＢＯプロセスのように、酸素のイオンビームを最初から発生させようとすると、アルゴンなどで希釈されている、いないに関わらず、プラズマを発生させてストライクの準備をするまでの間に浮遊酸素にウェーハ表面が晒され、自然酸化膜が形成されることになる。これに対して、本発明ではイオンビーム用ガスには酸素を用いていないため、その心配はない。本実施例では酸素を用いたが、これは窒化膜を形成させるための窒素ガスを用いた場合などにも同様である。
【００９４】
アルゴンイオンビームが所定の条件で安定したら、ステップＳ４において、シャッター１０８Ｃを開け、これと前後して酸素ガス導入系１０８Ｅから酸素ガスを酸化室１０８に導入する。ステップＳ４において、シャッタを開けるタイミングと酸素の導入のタイミングは、ほぼ同時であることが重要である。両者のタイミングは完全に一致する必要はないが、酸素導入が先になる場合でも、シャッタの開きが先になる場合でも１分以上の間隔がないことが望ましい。その間隔は、３０秒以内とすることが望ましく、１５秒以内とすることがさらに望ましい。
【００９５】
本発明によれば、酸素の導入量を高い精度で制御でき、且つアルゴンイオン照射によって適度のエネルギを与えることにより酸化膜の膜質を改善する「アシスト効果」も得られる。そして、これらの効果は、それぞれ独立に制御性よくバランスさせることができる。ここで、本発明におけるアルゴンイオン照射の「アシスト効果」は、単純な分子ガスとして導入された酸素分子の酸素原子への解離や、イオン化、ラジカル化等を促進する効果も併せ持つと考えられる。これらの効果によりウェーハ表面での酸化反応を制御し、良質の酸化膜を高い制御性で得ることができる。
【００９６】
ステップＳ４において用いるイオンビームの望ましい条件を表１として以下に表す。
【００９７】
表１．イオンビームの条件
ビームエネルギ ：５０〜１５０ｅＶ
ビーム電流 ：０．１〜１ｍＡ／ｉｎｃｈ２
メタルエッチング速度 ：１〜１０Ａ／分
照射時間 ：５秒〜５分
上記のビーム電流は加速グリッドの単位平方インチ面積あたりの電流量である。すなわち、実際の電流量はグリッドの面積に応じて変化する。上記のイオンビームの条件は本発明において良好な特性のＮＯＬを得る上で非常に重要であり、特にビームエネルギすなわち加速電圧は重要である。
【００９８】
図５は、加速エネルギを変えた場合のＮＯＬ形成メカニズムの違いを概念的に表した説明図である。
【００９９】
図５（ａ）に例示したように、加速エネルギが低い場合には、アルゴンイオン照射は酸素フローによって吸着された酸素を脱離する程度の効果で、良好な酸化膜を形成するほどのエネルギは与えられない。このとき、アルゴンイオンのエネルギは、金属表面のエッチングもほとんど生じない程度の範囲である。
【０１００】
図５（ｂ）に例示したように、加速エネルギが適度な大きさの場合には、酸素フローによって膜表面に吸着した反応性の弱い酸素を脱離させるだけでなく、ＮＯＬを形成すべき膜表面の母材金属の表面をもエッチングして、金属原子−金属原子の結合を解離することができ、酸素との反応性を向上させることが可能となる。つまり、金属のエッチングレートよりも酸素供給量が多ければ膜表面に良好な膜質の酸化膜が形成される。当然、このときのアルゴンイオンビームは金属表面のエッチングを行っているだけの効果だけではなく、酸化する際のエネルギアシスト源としても作用することになる。その結果、不必要な酸素がない強く結合した安定した酸化膜が形成されることになる。
【０１０１】
この最適なイオンの加速エネルギの範囲は概ね５０〜１５０ｅＶであり、８０〜１２０ｅＶの範囲にあることが特に望ましい。そのときの金属のエッチングレートは１−１０Å／ｍｉｎである。
【０１０２】
これよりも加速エネルギが大きいと、今度は金属のエッチングレートのほうが酸素の供給よりも追いつかなくなりそもそも酸化膜が形成されなくなるばかりか、母材金属薄膜表面へのダメージも大きくなるため好ましくない。
【０１０３】
また、アルゴンイオン照射時間は５秒〜５分程度とすることが望ましい。これよりも短いとイオン照射の効果がなく、これよりも長いとイオン照射による下部層へのダメージが無視できなくなってくるからである。この理由のため、イオン照射時間は、５秒〜３分以内とすることが望ましく、１０秒〜１分以内とすることがさらに望ましい。
【０１０４】
本実施例においては、加速エネルギ１００ｅＶ、プラズマＲＦパワー５０Ｗ、ポジティブ加速グリッド電流１５ｍＡ、イオン照射時間２０秒で行った。このプロセスによって母材のＦｅＣｏ膜は酸化され、ＮＯＬとなる。本発明によって得られるＮＯＬの特徴については、後の実施例に関して詳述する。
【０１０５】
ここで、酸素供給量の積算値は、非常に低酸素量とした。アルゴンガスが酸化室１０８に既に導入されている状態なため、正確なラングミュアー換算（１Ｌ ＝１×１０−６ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）はできないが、アルゴンガスが導入されていない高真空状態で測定した酸素量として、トータル約４００Ｌの酸素を用いた。本実施例のような構成の膜においては、これよりも低ラングミュア−だとＮＯＬを介した上下のピン層の磁気結合は良好だが、スペキュラリティーが十分ではなく、これよりの多くの酸素を導入すると、ＮＯＬを介した上下ピン層の磁気結合がｆｅｒｒｏ結合ではなくなるため、よくない。
【０１０６】
ここで、この最適酸素量は、ＮＯＬになる母材金属材料に依存するだけでなく、ＮＯＬの下地の膜構成によっても変動するので、一律ではない。しかし、ひとつの基準として、本発明のような高エネルギプロセスで薄膜のＮＯＬによる磁気結合をさせる場合には１０００Ｌ以下であることが望ましい。このような低レベルの酸素量は、自然酸化する場合には酸化室１０８のサイズが小さく、酸素フロー法にある程度の工夫があれば制御可能な範囲だが、従来のＩＢＯの手法では、プラズマを準備するだけのタイミングでサンプルが既に暴露されてしまう可能性のあるレベルの酸素量である。
【０１０７】
これに対して、本発明によれば、従来は困難であった低レベルの酸素量と高エネルギプロセスとを両立させることができる。なお、本発明のプロセスシーケンスは低酸素量のときに特に大きな効果を発揮するが、低酸素量のみに限定されるものではなく、比較的高レベルの酸素量の場合にも、同様に適用可能である。特に、安定した酸化物を形成するのが難しい母材材料を用いるような場合に、エネルギを付与できない自然酸化層よりもはるかに膜質の優れたＮＯＬを本発明により形成することができる。
【０１０８】
以上、図３のステップＳ４に関して詳述した。
【０１０９】
このようにして所定の時間、酸素フローとイオン照射を実施したら、ステップＳ５においてシャッター１０８Ｃを閉じ、酸素ガスの供給を停止する。このとき、酸素ガスの供給の停止のほうが後になることは好ましくない。エネルギが与えられないままの浮遊酸素となる可能性の酸素が表面に残ってしまうからである。酸素ガスの供給は、シャッターを閉じてから少なくとも３０秒以内に停止することが望ましく、１５秒以内に停止することがさらに望ましい。
【０１１０】
これとは逆に、シャッターを閉じる前に酸素ガスの供給を停止することは望ましい場合がある。これは不要な酸素を脱離させ、同時に、低エネルギでのイオン照射によって、表面の平坦化も可能となる場合もあるからである。この場合にはイオン加速電圧を変えない場合には１分以内のイオン照射、加速電圧を変えた場合でも５分以内のイオン照射に留めておくことが望ましい。しかしながら、不必要なミリングの影響をなくすためには、１５秒以内のイオン照射にしておくことが望ましい。
【０１１１】
このようにして酸化プロセスが終了したら、次に、ステップＳ６において、アルゴンガスの供給もストップし、プラズマパワー等もすべて停止して、酸化室１０８をプロセスガスがない状態の真空度と同じ程度の圧力まで排気ポンプ１０８Ａにより排気する。
【０１１２】
その後、ステップＳ７において、ウェーハは、ＰＶＤまたはＩＢＤ方式のメタルデポジション室１１０または１１２に搬送され、ステップＳ８において、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅＮｉ／Ｃｕの上層側の金属層が成膜される。ここで、下層のＣｏＦｅ（ピン層▲２▼）がＮＯＬを介してＰｔＭｎに接したＣｏＦｅピン層（ピン層▲１▼）と磁気的にカップリングされる。本構成ではＮＯＬを介した上下のピン層はｆｅｒｒｏ的に結合するが、材料、ＮＯＬ厚を変えることによって、反強磁性的に結合させることも可能である。
【０１１３】
強磁性的に結合した場合にはピン層の磁化量が多くなってしまうため、バイアスポイントのコントロールという観点からはこのままではヘッドに適用することはできず、シンセティックアンチフェリ構造をとらなければならない。つまりＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ↓／Ｒｕ／ＣｏＦｅ↑／ＮＯＬ／ＣｏＦｅ↑／．．．（↑は磁化方向を示す）のような構造にして、ピン層トータルでの実質的な磁化量を減らさなければならない。
【０１１４】
一方、ＮＯＬを介して反強磁性的に結合した場合には、Ｒｕを用いたシンセティック構造にする必要はない。ＮＯＬ上に成膜されるＣｏＦｅ（ピン層▲２▼）には添加元素を加える場合もある。Ｃｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、等を添加しても構わない。膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍ程度が望ましい。その上のスペーサＣｕ層（非磁性中間層）は、１．８〜２．５ｎｍ程度が望ましい。
【０１１５】
また、フリー層としてＣｏＦｅＮｉを用いたのは、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層フリー層よりも高ＭＲ変化率が得られるからである。ＣｏＦｅにＮｉを微量添加することによって、純粋なＣｏＦｅよりも低磁歪と低Ｈｃが実現できる。フリー層上のＣｕはバイアスポイント上必要な高導電層であって、フリー層に印加される電流磁界を低減させることができる。膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍ程度が好ましい。
【０１１６】
Ｃｕ（高導電層）上のＴａＯは、フリー層側のスペキュラー反射層である。すなわち、電子を反射する効果を有する。これは、母材となるＴａ膜をメタルデポジション室（ＰＶＤ室またはＩＢＤ室）で成膜したのち、ピン層ＮＯＬと同様に酸化室１０８を用いて酸化することにより形成する。酸化プロセスのシーケンスもピン層ＮＯＬの場合と同様とすることができる。ただし、Ｔａの場合には表面からの処理で膜厚の奥方向まで酸化することが困難な場合もあるため、金属層成膜とＩＡＯによる酸化を複数回繰り返しても良い。ＩＡＯの最適条件範囲も概略、表１の条件と一致する。フリー層側のＮＯＬに関しては、必ずしもＩＡＯを用いなくても、ＴａＯ層をＩＢＤで直接酸化物として成膜したり、反応性スパッタにより成膜してもよい。また、ＴａＯではなく、アルミニウム酸化物、Ｆｅ酸化物等を用いても構わない。
【０１１７】
フリー層側ＮＯＬとなるＴａＯ層を形成した後は、メタルデポジション室（ＰＶＤ室またはＩＢＤ室）でＴａ層（保護キャップ層）を成膜する。この層はあるほうが望ましいが、プロセス上問題なければ、成膜しなくても構わない。
【０１１８】
前述のように、実際のヘッドとして応用するときには、Ｓｙ−ＡＦ構造を採用することが望ましい。その具体的な構成としては、例えば以下の積層構造を挙げることができる。ここで、各層に付した数字は層厚 （ｎｍ）を表す。
【０１１９】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＰｔＭｎ１０／ＣｏＦｅ１．５／
Ｒｕ０．９／ＣｏＦｅ０．５／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／ＣｏＦｅ２／
Ｃｕ２／ＣｏＦｅＮｉ１．５／Ｃｕ１／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｔａ１
ここで、ＮＯＬ−ｐｉｎは例えばＦｅＣｏ酸化物であり、ＮＯＬ−ｆｒｅｅはＴａ酸化物である。フリー層は、ＣｏＦｅ１／ＮｉＦｅ１の積層フリー層でも構わない。その他の層の材料についてもこれまで述べてきたような他の材料でも構わない。また、ＲｕとＮＯＬの間のＣｏＦｅ０．５ｎｍは、実際には酸化されてほとんど層の区別がつかないこともある。Ｓｙ−ＡＦ構造を採用した場合にも前述したように各層の機能は変わらないので、これまで述べてきたことは本質的には変わらない。
【０１２０】
また、上述した構成は、反強磁性膜がフリー層よりも下側にある、いわゆる「ボトムタイプ」のスピンバルブ膜であるが、これとは逆の「トップタイプ」のスピンバルブ膜であってもよい。その場合にも、単層ピン構造でも、Ｓｙ−ＡＦ構造でも基本的には本実施例と同じである。
【０１２１】
具体的には、単層ピン構造の場合には、以下の積層構造を挙げることができる。
【０１２２】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｃｕ１／
ＣｏＦｅＮｉ２／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ２／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／
ＣｏＦｅ１／ＰｔＭｎ１０／Ｔａ３
また、Ｓｙ−ＡＦ構造の場合には、以下の積層構造を挙げることができる。
【０１２３】
基板／Ｔａ３／ＮｉＦｅＣｒ３／ＮＯＬ−ｆｒｅｅ１．５／Ｃｕ１／
ＣｏＦｅＮｉ２／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ２／ＮＯＬ−ｐｉｎ１．５／
ＣｏＦｅ０．５／Ｒｕ０．９／ＣｏＦｅ１．５／ＰｔＭｎ１０／Ｔａ３
上述の各構成においても各層の数字は層厚（ｎｍ）を表す。各層の材料については、基本的にボトムタイプの場合と同様である。
【０１２４】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、酸化室においてイオン源に酸素を導入する場合のプロセスシーケンスに関するものである。
【０１２５】
図６は、本実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【０１２６】
また、図７は、図６の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【０１２７】
図６及び図７については、図２〜図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１２８】
図６に表したように、本実施例における酸化室１０８は、イオン源１０８Ｄに酸素導入系１０８Ｅが接続され、酸素を含むイオンを生成することができる。
【０１２９】
このような酸化室１０８を用いて従来のＩＢＯ法を実施する場合、酸素プラズマを照射することを第１の目的としているため、酸素プラズマが安定化するのを待ってから、酸素イオンを基板に照射する。このために、プラズマが安定するまでの間に流す酸素ガスが酸化室内に漏れて浮遊酸素として作用することになる。
【０１３０】
これに対して、本実施例においては、シャッタ１０８Ｃを開けるタイミングとイオン源にガスを供給するタイミングとを調節することにより、浮遊酸素の発生を抑制しつつＩＡＯを実施することができる。
【０１３１】
具体的には、図７に例示したようなＩＡＯのシーケンスを用いればよい。ＩＡＯプロセスにおいては、酸素をプラズマとしてイオン照射することが目的ではなく、エネルギ源はあくまでも希ガスイオンである。従って、ガスは酸化室導入時には酸素分子でも構わない。つまり、ステップＳ３で希ガスイオンプラズマを生成した後、ステップＳ４Ｂにおいて希ガスイオンを照射するのとほぼ同時に、酸素ガスをイオン源１０８Ｄに導入すればよい。
【０１３２】
本発明において最も重要なことは、エネルギアシストがない状態で、浮遊酸素が酸化室内に導入されないようにすることである。ステップＳ４Ｂにおけるイオン照射と酸素導入とは、ほぼ同時に行うことになるが、そのタイミングは、第１実施例のステップＳ４において酸素ガスを酸化室に直接導入する場合と同様である。酸素ガスの代わりに窒素ガスなどを用いる場合も同様である。
【０１３３】
本実施例においても、微少量の酸素ガスを高い制御性で導入することができ、希ガスイオンの「アシスト効果」を得ることもでき、且つ浮遊酸素による自然酸化膜の生成も確実に抑制することができる。
【０１３４】
本発明による初期自然酸化膜を形成しない工程は、ラディカル酸化（あるいは窒化）の場合についても適用できる。
【０１３５】
ラディカル酸化の場合にも、酸素イオンビーム照射の場合と同様に、ラディカルを照射するために初期にプラズマを生成する必要があるが、従来手法によるラディカル酸化では、この初期のプラズマを生成する段階から酸素（窒化の場合は窒素）をラディカルプラズマ源に導入していため、プラズマが安定するまでの間にラディカルプラズマ源に導入された酸素ガスが、チャンバーへ漏洩して膜表面に達し、ダーティーな自然酸化層を形成してしまう。本発明による製造シーケンスを用いれば、このダーティーな自然酸化膜の影響をなくすことができる。
【０１３６】
具体的には、ラディカル源において初期にプラズマを生成する段階では、酸素ガスはラディカル源に供給せず、アルゴンなどの希ガスのみを供給する。その工程の後に、プラズマを生成したラディカルプラズマ源に酸素及び窒素ガスのいずれかを導入することによって、酸素ガスが膜表面に達するときは、初期の段階から高反応性を有するラディカル状態で供給することが可能となり、ダーティーな自然酸化膜（あるいは自然窒化膜）の影響をなくすことができる。
【０１３７】
このとき好ましくは、希ガスプラズマの生成が十分に安定したことを確認した後に、酸素および窒素のいずれかのガスを導入することが望ましい。本工程によって、良質な酸化膜（窒化膜）を形成することが可能となる。
【０１３８】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、独立したイオン源を持たない酸化室において酸素を導入する場合のプロセスシーケンスに関するものである。
【０１３９】
図８は、本実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【０１４０】
また、図９は、図８の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【０１４１】
図８及び図９については、図２〜図７に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１４２】
図８に表したように、本実施例における酸化室１０８は、独立したイオン源を有しない。その代わりに、プラズマ生成電源１０８Ｌに接続されたプラズマ生成電極１０８Ｍによって酸化室内部でプラズマが生成される。酸化室１０８に酸素導入系１０８Ｅと希ガス導入系１０８Ｇが接続され、希ガス含むプラズマを生成することができる。
【０１４３】
このような酸化室１０８を用いて従来のプラズマ酸化法を実施する場合、酸素プラズマを照射することを第１の目的としているため、酸化室１０８に酸素を導入してからプラズマの生成を開始していた。このために、プラズマが安定するまでの間に流す酸素ガスが酸化室内に漏れて浮遊酸素として作用することになる。
【０１４４】
これに対して、本実施例においては、酸素を導入するタイミングを調節することにより、浮遊酸素の発生を抑制しつつＩＡＯを実施することができる。
【０１４５】
具体的には、図９に例示したようなＩＡＯのシーケンスを用いればよい。ＩＡＯプロセスにおいては、酸素をプラズマとしてイオン照射することが目的ではなく、エネルギ源はあくまでも希ガスイオンである。従って、まず、ステップＳ３Ｃにおいて、導入系１０８Ｇから希ガスを導入してプラズマを生成する。この際に、酸素はまだ導入しない。そして、希ガスプラズマが生成されたら、ステップＳ４Ｃにおいて、酸素ガスを酸化室１０８に導入する。
【０１４６】
この場合に、実際には酸素ガスを酸化室に導入した瞬間には酸素プラズマが安定しないこともあり得る。しかし、本発明のＩＡＯ法においては、酸素をプラズマイオンとして供給することが本質的ではないのでこれでも構わない。最も重要なことは、エネルギアシストがない状態で、浮遊酸素が酸化室内に導入されないようにすることである。
【０１４７】
すなわち、本実施例においては、非常に弱いパワーで希ガスをプラズマ化し、その状態で酸素ガスを基板に導入することによって、酸化する。酸素導入時に、酸素がプラズマ化していても、プラズマ化していなくても構わない。そのため、酸素プラズマを生成する目的で大量の酸素を酸化室に導入する必要がない。
【０１４８】
一般に、プラズマを着火する時には、瞬間的に大量のガスを導入して圧力を上げる必要がある。しかし、本実施例においては、プラズマを生成するために瞬間的に導入されるのはあくまでも希ガスであって、酸素ガスは希ガスプラズマが着火されるのとほぼ同時に導入すればよい。希ガスプラズマの着火と酸素ガスの導入は、ほぼ同時となるタイミングで行うことが望ましく、このタイミングは、第１及び第２実施例と同様である。
【０１４９】
また、酸素ガスの代わりに窒素ガスなどを流して窒化膜などを形成する場合も同様に実施することができる。
【０１５０】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例について説明する。本実施例は、酸素ガスを酸化室に均一に導入することができる導入方法に関するものであり、前述した第１あるいは第３実施例に適用可能なものである。
【０１５１】
図１０〜図１２は、本実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【０１５２】
本発明においては、低酸素量でＮＯＬを形成することがひとつのポイントである。このような低酸素量においては、酸素フローの方法についても工夫する必要がある。まず、酸化室１０８のサイズは可能な限り小さくし、酸素を導入した瞬間から酸化室の全体に拡散するまでの時間を短くすることが望ましい。
【０１５３】
さらに、酸素を導入する手法にも工夫が必要な場合もある。低酸素量の場合には、酸化室全体に酸素が拡散するまでの時間が酸素フローしている全体の時間に占める割合が大きい。そのため、酸素が導入されてから拡散するまでの時間においてもウェーハ内で酸素量の分布が生じないように工夫する必要がある。
【０１５４】
これに対して、図１０に表した具体例においては、２本の酸素導入系１０８Ｅが設けられている。このように、酸素を２本以上の導入系１０８Ｅから導入することによって、酸素が酸化室内に拡散する過渡的状態でのウェーハ内での酸素量分布をできるだけ小さくすることができる。なお、ここで酸素導入系１０８Ｅのそれぞれが独立した流量制御手段１０８Ｈを有する必要はなく、共通の流量制御手段から分岐した複数の導入系が酸化室１０８に接続されていてもよい。
【０１５５】
図１１に表した具体例の場合には、３本の酸素導入系が設けられている。このようにすれば、酸素を酸化室内にさらに均一に拡散させることが可能となる。もちろん、図示した具体例の他にも、４本、５本、６本あるいはそれ以上の複数管から酸素を導入できるようにしてもよい。
【０１５６】
一方、図１２は、酸素導入系１０８Ｅの先端にディフューザ１０８Ｐを設けた具体例を表す概念図である。ディフューザ１０８Ｐは、酸化室１０８の内部に拡がり、複数の酸素噴出口１０８Ｑを有する。本具体例によれば、酸化室１０８への導入は単管でも、ディフューザ１０８Ｐを設けることにより酸素を均一に拡散させることができる。このようなディフューザを図１０あるいは図１１に表した複数の導入系のそれぞれの先端に設けても良い。
【０１５７】
また、図１２に示したように酸化室の内部に半周程度広がるディフィーザの他にも、酸化室をほぼ全周囲を囲うようなディフィーザとしても良い。
【０１５８】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、本発明の製造方法によって得られたＮＯＬの特徴について説明する。すなわち、本実施例では、前述した第１実施例の製造法によって得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜の特徴について詳述する。
まず、シート膜Ｒｓとしてのパフォーマンスであるが、シートコンダクタンス変化ΔＧｓ＝７．６ｍΩ−１、ＭＲ変化率１５．６％、シート抵抗Ｒｓ＝１５．６Ω、Ｈｕａ ｆｌａｔ＝５００Ｏｅと、本発明によって著しく特性が向上した。具体的には、ＧＭＲ効果のポテンシャルを意味するΔＧｓの大幅な向上と、ＮＯＬを介した上下ピン層の良好な磁気的な結合を両立することに初めて成功した。以下に詳細を記述する。
【０１５９】
図１３（ａ）は、酸化室へ導入する酸素量と得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶのΔＧｓとの関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は、酸素導入量をラングミュア（Ｌ）で表し、縦軸は、得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜のシートコンダクタンス変化ΔＧｓを表す。ここで、シートコンダクタンス変化ΔＧｓ＝Ｇｓｍａｘ−Ｇｓｍｉｎ と定義され、ここで、Ｇｓｍａｘは、ピン層のフリー層の磁化が平行な場合のシートコンダクタンスであり、Ｇｓｍｉｎはピン層とフリー層の磁化方向が反平行な場合のシートコンダクタンスである。シートコンダクタンス変化ΔＧｓが大きいほど、ＭＲ変化が大きくなる。
【０１６０】
また、図１３（ａ）において「ＩＡＯ」と記したものは本発明の方法により形成したものを表し、「Ｏ２−ｆｌｏｗ」と記したものは従来の単純酸素フロー法により自然酸化させて形成したものを表す。さらに、これらそれぞれについて、２７０℃における熱処理を１時間（１Ｈ）、１０時間（１０Ｈ）あるいは３０時間（３０Ｈ）施した。
【０１６１】
図１３（ａ）からわかるように、単純酸素フローのものでは、導入酸素量を多くしても高ΔＧｓが得られない。つまり低スペキュラリティーのＮＯＬしか形成できない。また、ΔＧｓが熱処理により減少し、熱的に不安定である。これは、ＮＯＬの酸素が不安定で、ＳＰＳＶ膜中に拡散することが原因であることがＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：２次イオン質量分析）によるデプスプロファイルによって確認された。さらに、導入する酸素量が低い条件において、ΔＧｓは酸素を導入しないものよりもかえって低下する傾向がでている。これは、極めて低い酸素量においては、膜質の良好な酸化ＮＯＬが形成されず、膜質の劣悪なダーティーな酸化層が形成されるためであると考えられる。
【０１６２】
これに対して、本発明によるＩＡＯプロセスを用いた場合には、酸素量を増やすにしたがって、ΔＧｓが一旦劣化することもなく連続的に増加しており、極めて低い酸素量においても、安定した良質な酸化層が形成されていることを示している。これは、イオンビームのエネルギによるアシスト効果によるものであると考えられる。従来のＩＢＯ法で形成した場合には、エネルギアシスト効果は生ずるものの、酸素が最初に酸化室に導入されているときには、イオンアシストのない状態のまま酸素プラズマが生ずるまでにグリッドからもれた浮遊酸素に基板表面が晒されるため、ＮＯＬの初期層に関してはエネルギアシストのないダーティーな酸化層となってしまうのでよくない。
【０１６３】
また、図１３から分かるように、本発明のＩＡＯプロセスを用いた場合にはΔＧｓの耐熱性は極めて良く、２７０℃において３０時間の熱処理を施した後でもΔＧｓの劣化は認められない。これは、単純酸素フローのものとは対照的な結果であり、本発明によるＮＯＬが熱的に極めて安定であることを示している。
【０１６４】
図１３（ｂ）は、ＩＡＯによる低酸素量の条件で形成したスピンバルブ素子において、正規磁界方向に磁界を印加して得られるシート抵抗（Ｒｓ）−磁界（Ｈ）特性を表す。
【０１６５】
また、図１３（ｃ）は、ＩＡＯによる高酸素量の条件で形成した素子において、正規磁界方向に磁界を印加して得られるＲｓ−Ｈ特性を表し、図１３（ｄ）は、同素子において正規磁界方向に対して垂直な方向に磁界を印加して得られるＲｓ−Ｈ特性を表す。
【０１６６】
これらの評価結果から分かるように、ＩＡＯによる低酸素量の条件では、ＮＯＬを介した上下のピン層はｆｅｒｒｏ的にピン結合しているのに対し、６００Ｌよりも高酸素量の条件ではｆｅｒｒｏ的でもなくａｎｔｉｆｅｒｒｏ的でもない９０°方向近傍に傾いた結合をしている。このような結合では、高ΔＧｓがたとえ得られたとしても、実際のヘッドデバイスとしては使いようがない。
【０１６７】
図１４及び図１５は、上記のような良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。まず、４００Ｌのように低酸素量の場合には、ＮＯＬの膜厚をＴＥＭ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｃｓｃｏｐｙ：透過型電子顕微鏡）分析により膜厚を算出すると、約１．５ｎｍであった。
【０１６８】
本発明によれば、アルゴンイオン照射によるエネルギ効果を利用しているため、ＮＯＬには、スパッタ法により成膜された上下のピン層Ｐ１、Ｐ２中に含まれるアルゴン量よりも大量のアルゴンが含まれている。具体的には、ＮＯＬに含まれるアルゴンの原子組成は、上下のピン層Ｐ１、Ｐ２に含まれるアルゴンの原子組成の２倍よりも大きい。例えば、ピン層に含まれるアルゴンの含有量が１原子％とすると、ＮＯＬには２原子％以上のアルゴンが含有されている。
【０１６９】
本発明者の試作評価の結果によれば、ＮＯＬに含まれるアルゴンの含有量は、原子％にして数原子％以上にもおよぶ場合が認められた。つまり、スパッタ法などにより形成されるピン層と比較すると、極めて多量のアルゴンが含まれていた。これは本発明によるプロセスを用いていれば、酸素量の多い少ないに関わらず共通の特徴であった。これは、断面ＴＥＭのＥＤＸ（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析等によって、希ガスの量の分布を測定することができる。
【０１７０】
また、低酸素量における独特の特徴として、酸素と結合していない金属元素が多いということが挙げられる。特に、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉが酸素と結合していない状態で存在する。これは、ＥＸＡＦＳ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｒｕｃｔｕｒｅ）による分析によって確認された。特に、Ｆｅは酸化状態であるのに対し、ＮＯＬ用に成膜したＦｅ５０Ｃｏ５０においてＣｏの半分以上が金属状態になって存在している。これはＦｅのほうが酸化されやすく、Ｃｏが酸化されづらい材料であることに起因している。
【０１７１】
本発明によるＩＡＯプロセスでは、そもそも酸素イオンをぶつけているのではなく希ガスイオンを照射しているので、酸素供給時にエネルギを与えた酸化を行っていると同時に、熱処理時などに悪影響を及ぼす余分な浮遊酸素を脱離して飛ばしているだけでなく、還元的な反応も生じさせている。つまり、酸化しにくいＣｏの場合には、一旦酸化しても希ガスイオンの照射によって、還元作用を起こし、金属状態で存在する確率が増えることになる。これが本質的にピン層の磁気結合に重要な一つの役割を与えている。磁気抵抗効果向上層（例えばＮＯＬ）中に酸素と結合していない磁性金属元素が存在することで、磁気抵抗効果向上層を介した上下のピン層Ｐ１、Ｐ２の磁気的に結合が安定化する。
【０１７２】
また、ＮＯＬの層厚が薄い場合に限ってｆｅｒｒｏ結合しているのは、詳細なメカニズムは不明だが、ＮＯＬ中に存在する金属Ｃｏ原子は完全な結晶状態で存在しているわけではなく、また結晶粒になっていたとしても非常に微細なため、いずれにしてもＮＯＬ単体で強磁性を示すことは困難であり、せいぜいスーパーパラマグネティックな状態だからである。そして、ＮＯＬの膜厚が２ｎｍ程度と薄い場合には上下の強磁性ピン層Ｐ１、Ｐ２からの界面誘起効果が働き、ＮＯＬ中に存在するＣｏ磁性元素も強磁性的性質となって、上下のピン層が強磁性的結合を生じることも考えられる。このような効果が得られるためには、ＮＯＬ厚は１ｎｍ〜３ｎｍが望ましく、１〜２ｎｍであることがさらに望ましい。尚、ここでのＮＯＬ厚は断面ＴＥＭ分析のコントラストで金属部分と明らかに異なり、結晶の格子間隔も異なって観察される領域の膜厚である。
【０１７３】
一方、本発明によれば、浮遊酸素がない高エネルギプロセスによって、Ｆｅの安定した酸化物が膜厚方向に急峻性よく生成されているため、スペキュラリティー、すなわち電子の反射性が向上している。従来の単純な酸素フローによる自然酸化では、浮遊酸素は熱処理によって拡散し不安定なばかりか、材料選択をよほど厳重に行わない限り、ＮＯＬ界面での組成急峻性にも問題を抱えるので、スペキュラリティーはどうしてもＩＡＯプロセスよりも小さくなってしまう。
【０１７４】
本発明の製造方法によって、希ガスが磁気抵抗効果向上層中に混入することと、磁性金属元素が存在することの２つが重要であることが判明した。
【０１７５】
また、本実施例のようなＮＯＬ厚が１ｎｍ〜３ｎｍ程度の場合に限らず、ＮＯＬ厚が２ｎｍから５ｎｍの場合でも本発明によるＩＡＯプロセスは有効である。この場合には、ＮＯＬを介した上下のピン層の磁気結合は反強磁性的結合となる場合もあり得る。この場合には、Ｓｙ−ＡＦ構造で通常用いているＲｕは必要なくなり、これまでの実施例で述べてきた単層ピン構造と実質的な膜構成は同じでも、Ｓｙ−ＡＦ構造と同様にピン層からの漏洩磁界を低減させることができ、そのままヘッドに採用な構成となる。シャント層になる部分も減らすことができるので、ＭＲ変化率の観点からも有利である。この場合にもＮＯＬ材料はＦｅ、もしくはＦｅＣｏを母材としたＮＯＬであることが望ましい。
【０１７６】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気再生装置について説明する。図１乃至図１５に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気再生装置に搭載することができる。
【０１７７】
図１６は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００は、長手記録用または垂直記録用の記録層を有する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１７８】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１７９】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１８０】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１８１】
図１７は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５１を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【０１８２】
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図１５に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を用いた再生用磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。記録用ヘッドを組み合わせても良い。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１８３】
ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
【０１８４】
図１８（ａ）は、浮上量が所定の正の値の場合のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。同図に例示したように、通常、多くの磁気記録装置においては、磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明においては、このような「浮上走行型」の磁気記録装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。すなわち、図１乃至図１５に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を採用することにより、再生すべきトラックからの微弱な磁化情報を確実に再生することができる。つまり、高い密度で記録された微小磁区からの信号を再生できるので、トラックピッチを縮小して、記録密度を大幅に向上させることができる。
【０１８５】
一方、記録密度がさらに上がると、浮上高を低下させて、より磁気ディスク２００に近いところを滑空させて情報を読み取る必要が生ずる。例えば、１インチ平方あたり４０Ｇ（ギガ）ビット程度の記録密度を得るためには、もはや、浮上にしていることによるスペーシングロスが大きくなり過ぎ、極低浮上によるヘッド１０と磁気ディスク２００とのクラッシュの問題も無視できなくなる。
【０１８６】
そのため、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを逆に積極的に接触させて、走行させる方式も考えられる。
【０１８７】
図１８（ｂ）は、このような「接触走行型」のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。本発明の磁気ヘッドにおいても、媒体との接触面にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ−Ｃａｒｂｏｎ）潤滑膜などを設けることにより「接触走行型」のスライダに搭載することが可能である。従って、図１８（ｂ）に例示したような「接触走行型」の磁気再生装置においても、隣接トラックからのクロストークを大幅に低減し、従来よりも大幅にトラックピッチを縮小してさらに高密度化された媒体の記録再生を安定して行うことができるようになる。
【０１８８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１８９】
例えば、磁気抵抗効果素子の基板、バッファ層、反強磁性層、ピン層、非磁性スペーサ層、フリー層、高導電層、スペキュラー層、保護層に関しては、前述した各具体例には限定されず、当業者が選択しうる範囲の全てを同様に用いて動揺の効果を奏する。
【０１９０】
また、磁気再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものあっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。
【０１９１】
【発明の効果】
本発明によれば、希ガスのイオン等により酸化反応時に膜表面に高いエネルギを付与しつつ、浮遊酸素による自然酸化も抑制して、極めて低酸素量において膜質の良好な磁気抵抗効果向上層を形成することができる。
【０１９２】
そして、高感度且つ高信頼性を有する磁気抵抗効果素子を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例においてＮＯＬ−ＳＰＳＶ膜を形成した成膜システムの構成を表す概略図である。
【図２】ＩＡＯプロセスを行う酸化室の構成を例示する概念図である。
【図３】本発明の酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図４】本発明の比較例として本発明者が実施した酸化プロセス及びその前後のプロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図５】、加速エネルギを変えた場合のＮＯＬ形成メカニズムの違いを概念的に表した説明図である。
【図６】本発明の第２実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【図７】図６の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施例において用いることができる酸化室の構成を表す概念図である。
【図９】図８の酸化室を用いて実施する酸化プロセスのシーケンスを表すフローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１１】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１２】本発明の第４実施例の酸素導入系の構成例を表す概念図である。
【図１３】本発明の第５実施例において酸化室へ導入する酸素量と得られたＮＯＬ−ＳＰＳＶのΔＧｓとの関係を表すグラフ図、及びシート抵抗Ｒｓの評価結果を表すグラフ図である。
【図１４】本発明により良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。
【図１５】本発明により良好なパフォーマンスが得られるためのＮＯＬの特徴を表す概念図である。
【図１６】本発明の磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１７】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１８】（ａ）は、浮上量が所定の正の値の場合のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。（ｂ）は、このような「接触走行型」のヘッドスライダ１５３と磁気ディスク２００との関係を表す概念図である。
【符号の説明】
１００ 成膜システム
１０２ トランスファー室
１０４ ロードロック室
１０６ プレクリーニング室
１０８ 酸化室
１０８Ａ 排気ポンプ
１０８Ｂ ホルダ
１０８Ｃ シャッター
１０８Ｄ イオン源
１０８Ｅ 酸素導入系
１１０、１１２ メタルデポジション室
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１６０ 磁気ヘッドアセンブリ
２００ 媒体（磁気記録ディスク）
Claims (15)
- ２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、前記２つの強磁性層の少なくとも一方の強磁性層に設けられ酸化物または窒化物を主成分とする層と、を備え、
前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、それと接する層と比較して、アルゴン、キセノン、ヘリウム、クリプトン、ネオンのうちの少なくともいずれかの希ガスを、単位体積当たり多く含有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記酸化物または窒化物を主成分とする層に含有される前記希ガスの原子組成は、前記酸化物または窒化物を主成分とする層に接する前記層に含有される前記希ガスの原子組成の２倍よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、酸素とも窒素とも結合していない、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかの磁性遷移金属元素を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物または窒化物を主成分とする層の膜厚は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物または窒化物を主成分とする層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌのいずれかの酸化物または窒化物を主成分とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、
前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、
前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。 - ２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
酸素及び窒素の少なくともいずれかを含有する雰囲気において母材の表面に希ガスのイオンまたはプラズマを照射することにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を前記２つの強磁性層の少なくとも一方の強磁性層に形成する工程を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、
前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、
前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記雰囲気に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、
前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記雰囲気への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、
を含むことを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、
イオン源に前記希ガスを導入して前記希ガスのイオンまたはプラズマを生成する工程と、
前記希ガスのイオンまたはプラズマを前記母材の表面に照射し、これとほぼ同時に前記イオン源に酸素及び窒素の少なくともいずれかを導入する工程と、
前記希ガスのイオンまたはプラズマの前記母材への照射を停止し、これとほぼ同時に前記イオン源への前記酸素及び窒素の少なくともいずれかの導入を停止する工程と、
を含むことを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - ２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を前記２つの強磁性層の少なくとも一方の強磁性層に形成する工程を備え、
前記酸化物または窒化物を主成分とする層を形成する工程は、
希ガスのプラズマを生成する工程と、
前記希ガスのプラズマを生成する工程の後に、前記希ガスのプラズマを生成した雰囲気中に酸素及び窒素のいずれかを導入する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、
前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、
前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - ２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造装置であって、
酸化室内に載置した母材の表面に希ガスのイオンを照射し、これとほぼ同時に前記母材の前記表面を１０００ラングミュア以下の酸素及び窒素の少なくともいずれかに晒すことにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を前記２つの強磁性層の少なくとも一方の強磁性層に形成可能としたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造装置。 - 前記２つの強磁性層のいずれか一方は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層であり、
前記２つの強磁性層のいずれか他方は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化フリー層であり、
前記磁気抵抗効果素子の抵抗は、前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化フリー層の前記磁化の方向との相対角度によって変化することを特徴とする請求項１２記載の磁気抵抗効果素子の製造装置。 - 請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に記録された磁気的情報を再生可能とした磁気再生装置。
- ２つの強磁性層と、これらの強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
酸素及び窒素の少なくともいずれかを含有する雰囲気において母材の表面に希ガスの、ビームエネルギーが５０ｅＶ〜１５０ｅＶであるイオンビームを照射することにより、前記母材の表面を酸化または窒化させて、酸化物または窒化物を主成分とする層を前記２つの強磁性層の少なくとも一方の強磁性層に形成する工程を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
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