JP3937558B2 - Manufacturing method of spin valve type magnetoresistive head - Google Patents

Manufacturing method of spin valve type magnetoresistive head Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜磁気ヘッドに関するもので、特にスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を利用した薄膜磁気ヘッドの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
磁気量を電気抵抗の大きさに変換して検知する変換素子として、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)が脚光を浴びてきており、その一つとして代表的なセンサ素子にスピンバルブ素子がある。スピンバルブ素子は、2枚の磁性層の間に1枚の非磁性の導電層を挟んで、サンドイッチ構造の積層膜として構成されたものであり、一方の磁性層(固着層と称する)を所定の固定した向きに磁化し、他方の磁性層(自由層と称する)を外部磁界に応じて変化する向きに磁化させて、その間に挟まれた導電層(スペーサ層と称する)が呈する電気抵抗の大きさが自由層の磁化の向きに応じて変化する現象を利用するものである。スペーサ層の電気抵抗の大きさは、これにセンス電流を流すことにより、その間の電圧降下の値として検出する。
【0003】
スピンバルブ素子の概要的構造を図16に図解する。図16において、(a)はスピンバルブ素子10にセンス電流Isを流して使用する様子を概略的に示しており、(b)はスピンバルブ素子10を分解してその詳細構成を示している。固着層1は、軟質磁性体膜で、磁化された硬質反強磁性体の膜11を交換結合的に裏打ちしてできていて(通常、適宜、軟質磁性体膜のみ、または反強磁性体膜と合わせて「固着層」と呼ぶ)、反強磁性体膜11の着磁の影響で軟質磁性体膜1が同じ向きに固着された磁化のベクトル(矢印Mp)を呈する。この固着層1は、磁化ベクトルの向きが固着されていることに意義があり、外部磁界の影響による磁化の動き難さを、一般に交換バイアス磁界Huaと称し、このHuaの値が大きければ、外部磁界によって固着層の磁化の向きが変化し難い。自由層2は、軟質の強磁性体の膜であり、それに影響を与える近傍の外部磁界からの磁気誘導(静磁結合)に応じて、容易に磁化の向きが変化する。一般には、自由層2に動作中心の磁化の向きとして、固着層1の磁化の向きに直交する向きのバイアス磁化(矢印Mf)を与えておいて、自由層2を外部磁界に曝し、その外部磁界の大きさに応じて自由層2の磁化の向きをそのバイアス磁化の向きから左右に回転させることにより、スペーサ層3の電気抵抗の大きさがある値を中心に変化するのを利用して、磁電変換素子としている。
【0004】
ところで、磁性体の磁性は、温度によって影響を受けるものであり、スピンバルブ素子を利用する薄膜磁気ヘッドにおいても、温度に対する配慮が必要で、それは、加工プロセスにおける熱処理工程での温度と、素子の使用状態における電流による発熱および記録媒体との衝突による摩擦熱が問題である。固着層については、交換バイアス磁界Huaが温度の上昇につれて減少し、ブロッキング温度と呼ばれる温度まで上昇すると、それ以上の温度ではHuaが0になる。自由層については、高温になると、温度による合金成分の拡散や、電流によるエレクトロマイグレーションにより、素子の劣化が生じる。
【0005】
具体的に考察すると、薄膜磁気ヘッドのウェハプロセスや他の加工プロセスには、100〜250℃程度の加熱を伴う熱処理工程が含まれる。例えば、ウェハプロセスにおけるインシュレータのレジストフロー工程、加工プロセスにおける治具への磁気ヘッドの接着工程(ホットメルト系接着剤の場合)などが該当する。また、磁気ヘッドの使用状態において、センス電流による素子自体の発熱で、100〜200℃に温度上昇することがある。さらには、素子が小型化されるに伴い、静電気のスパークによる電流で、瞬間的に200℃以上になることも考えられる。このように、スピンバルブ素子を利用したMRヘッドでは、熱処理や使用に伴う素子の温度上昇が必然的に伴う。
【0006】
そこで、このような温度上昇による不都合を補うために、素子の遭遇する温度の範囲では、交換バイアス磁界を受ける磁性体薄膜層(固着層)の一軸異方性が変化することのないように、ブロッキング温度の高い材料がスピンバルブヘッドの実用化と並んで応用されるようになってきた。例えば、交換バイアス用の反強磁性体膜として一般的に知られるFeMnは、ブロッキング温度が140℃であり、また、比較的ブロッキング温度が高いといわれているIrMnは、240℃であるのに対して、PtMnのブロッキング温度は、380℃である。固着層の磁化は、外部磁界が掛かっている場合、ブロッキング温度以下でも影響を受け、実際に、温度の上昇とともに交換バイアス磁界Huaは低下する。したがって、素子のブロッキング温度は、300℃以上あることが要求される。この面では、ブロッキング温度の高いPtMnはこの目的に適している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PtMnなどの反強磁性膜は、成膜したのみでは、反強磁性を呈さず、規則化熱処理を行って初めて特性が具わることが知られている。このため、反強磁性体膜の磁化プロセスにおいては、一旦規則化熱処理をした後で着磁処理を行うが、一般に、ブロッキング温度の高い反強磁性膜は、規則化温度も高い。したがって、ブロッキング温度が高い材料を用いると、高い温度での規則化熱処理が介在することになる。プロセス温度が300℃以上になると、自由層に用いている磁性膜の方に合金元素の拡散やエレクトロマイグレーションが起こり、素子の劣化が問題となる。特に、自由層に用いられるニッケル合金中のニッケルは、結構低い温度で拡散するため、300℃以上の高温での熱処理を行った場合、素子の特性劣化が大きい。したがって、交換バイアス磁界Huaの維持のためにPtMnなどのようなブロッキング温度の高い反強磁性膜を使うと、製造プロセスにおける自由層に対する悪影響により、素子全体として大幅な特性の劣化を引き起こさずにスピンバルブ磁気ヘッドを製作することは困難であった。
【0008】
したがって、この発明は、ブロッキング温度の高い磁性材料に対して比較的低い温度で規則化熱処理ができるように工夫し、もって、自由層の特性を劣化させないで固着層の特性を安定化させる、スピンバルブ素子を利用した薄膜磁気ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法は、基板を用意するステップと、前記基板上にブロッキング温度が300℃以上の反強磁性体膜であるPtMn膜を有する固着層、非磁性の高導電率のスペーサ層および軟質強磁性体膜の自由層を含むスピンバルブ積層体を形成するステップと、前記スピンバルブ積層体を酸素雰囲気中で熱処理するステップと、前記酸素雰囲気中で熱処理したスピンバルブ積層体をトラック幅方向と直交する方向の磁界を印加しながら固着層に一軸異方性を与える温度で規則化熱処理を行うステップと、前記スピンバルブ積層体にトラック幅方向の磁界をかけながら、整列される磁性体薄膜層の異方性分散角度が整列方向の20度以内になる温度および磁界強度で、前記自由層に磁化容易軸の一軸異方性を与える熱処理を行うステップと、を含んでいる。
【0010】
さらに、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法では、好ましい結果を得るために、前記酸素雰囲気中で熱処理するステップを300℃以下の酸素プラズマ中に曝すことによって行う。
【0011】
さらに、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法では、好ましい結果を得るために、前記規則化熱処理を行うステップを前記反強磁性体膜および軟質強磁性体膜に規則化格子を形成させる温度で行う。
【0012】
さらに、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法では、好ましい結果を得るために、前記規則化熱処理を300℃以下の温度、できれば250〜280℃で行う。
【0013】
また、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法では、好ましい結果を得るために、前記自由層に一軸異方性を与える熱処理を、前記規則化熱処理を行う温度以下で、固着層の磁化の異方性分散角がこの熱処理を行う前の方向より20度以内の変化しか呈しない範囲の温度で行う。
【0014】
また、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法では、好ましい結果を得るために、前記自由層に一軸異方性を与える最終熱処理を、トラック幅方向に磁場を印加して200℃以下の温度で行う。
【0015】
また、この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法は、自由層のトラック幅方向両端に硬質強磁性体薄膜層を接合させるステップを含む。このステップは、好ましくは、前記最終熱処理より前の段階で行う。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1〜5は、この発明の製造方法における順次各段階での磁気ヘッドの要部を模型的に示す斜視図である。図1の(a)は、この発明で始めに用意する基板20を示し、それは、スライダ本体となるAlTiCのウェハ21の表面に例えばAl23の保護下地膜22を形成し、その上にNiFeなどの下シールド膜23を形成し、さらにその上にAl23のギャップ膜24を付けたものである。
【0017】
さらに、この上に、図1の(b)に示すように、自由層(後ほど形成する)の一軸異方性制御のためのハードマグネットとなる硬質強磁性体層32a(例えば、CoCrPtなど)を20〜100nm、およびスペーサ層への電流供給のための電極リードとなる導電率の高い金属膜33aがスパッタリングにより成膜されている。なお、この硬質強磁性体の薄膜層32aの代わりに、軟磁性層と反強磁性体層を磁気的に結合した膜をつけることにより同等の効果を得ることもできる。ここに、硬質強磁性体の薄膜層32aは、高保持力、高角形比および高電気抵抗を有する材料で構成され、後工程で形成するスピンバルブ素子の自由層の軟質磁性体の薄膜層をトラック幅方向に単一ドメイン状態に保持するための縦方向バイアスを生じさせるものであり、後ほどの工程で説明するが、自由層をなす軟質強磁性体の薄膜のトラック幅方向にテーパ状に形成されて、そのテーパの傾斜部でスピンバルブ素子の積層膜と接触することになる。
【0018】
次いで、この上に、図1の(c)に示すように、硬質強磁性体層32aおよび導電金属膜33aを所定の対向する両極構造の形状にカットするためのリードカットレジスト34をかけ、このレジスト34にマスクされていない領域を、例えばイオンミリングなどの単一方向法によりエッチング除去する。この場合、図2の(a)に示すように、レジスト34を加熱溶融処理して内側端縁部をフローさせておくことにより、図2の(b)に示すように、イオンミリング(矢印39:例えば、アルゴンプラズマによる)によるエッチングが傾斜状に行われ、導電金属膜からなるリード層33および硬質強磁性体層からなるハードマグネット層32の両内側端縁部がテーパ状に形成されたところで、マスクとなったレジスト層34をRIEなどの選択エッチング法によって除去し、図2の(c)に示すような形状にできあがる。
【0019】
次に、スピンバルブ膜を積層する工程を図3を参照しながら説明する。上述のように、両岸がテーパ状になった谷部が形成された構造体の上に、自由層用のCoZrNb/NiFe層を形成し、その上にCoFe膜を介してスペーサ層用のCu層を着けてから、さらにその上にCoFe膜を介して固着層用のPtMn/Ti層を成膜して、図3の(a)に示すようにSV(スピンバルブ)積層膜40aを形成する。これらの成膜は、超高真空装置を用いて、精密な厚さに連続積層で行われる。
【0020】
以上の実施の形態においては、スピンバルブ積層膜40aを形成するのに、先に傾斜したリード部33およびハードマグネット部32を形成しておいて、その上にスピンバルブ膜40aを積層形成しているが、これに代わり、従来から接合型MRヘッドの製造において行われているように、先にスピンバルブ膜を形成し、リフトオフ法を利用して、素子形状をリフトオフレジストで形成しておいて、そのレジストをマスクとしてミリングなどのドライエッチング法により素子の結合用端部を傾斜させ、その上から長手バイアス用の硬質磁性体膜および電気伝導用のリード膜を積層させても、同様の機能の構造体ができあがる。
【0021】
次に、スピンバルブ積層膜40aに規則化熱処理を行う前に、この発明の特徴であるO2雰囲気中での加熱処理を行う。例えば、RIEなどを用いて、O2圧1.33Pa(10mTorr)の220Wの高周波パワーによるO2プラズマを用いて5〜10分の処理を行う。この処理は、プラズマを用いて行う他に、真空熱処理炉に1.33〜6.65Pa(10〜50mTorr)の僅かな酸素を導入し、200℃前後の温度で1時間以上熱処理を行っても、同様の効果が得られる。なお、プラズマ処理の場合、時間は3〜4分以上あれば、効果に大差はなくなる。そして、20分までは、素子の酸化による特性低下の弊害も生じない。
【0022】
次いで、前記酸素雰囲気中で熱処理したスピンバルブ積層膜40aにトラック幅方向と直交する方向の磁界を印加しながら固着層に一軸異方性を与える温度で規則化熱処理を行う。PtMn層に対しては、この規則化熱処理を300℃以下の温度で行う。この処理は、上記のO2雰囲気中での加熱処理を行った後、数時間以内に行う。これを、24時間以上放置してから行うと、所望の特性を得ることができない。
【0023】
次に、このスピンバルブ積層膜40aを磁気抵抗効果素子の形状にするための加工工程に移る。図3の(b)に示すように、素子形状にレジスト41をカットし、このレジスト41をマスクにしてミリングなどのプラズマエッチング法によりエッチングし、図3の(c)に示すように、両リード層33およびハードマグネット層32の間に橋渡しされたスピンバルブ素子40を形成する。なお、上記の説明において、スピンバルブ積層膜40aの積層順序は、下から自由層、スペーサ層、固着層の順であったが、この逆の順であってもよい。
【0024】
この後、工程は、次の書込み用の誘導型ヘッド素子の形成の準備として、以上のMRヘッド素子を形成した上の全体に、図4の(a)に示すように、アルミナなどの絶縁材のギャップ層42を形成する。
【0025】
続いて、図4の(b)に示すように、誘導型ヘッド素子の上シールド膜形成用のメッキ下地としてのNiFeなどのシード層(下地層)51をスパッタや蒸着などの方法でギャップ層42の上に付け、この上にホトレジストで上シールドパターンをカットし(ここには図示されていないが、ここに図示の範囲よりもずっと大きいパターンである。)、図4の(c)に示すように、上シールド膜52をメッキなどの方法で形成する。この上シールド膜52は、下地層51の不要部分のミリング除去、上シールド以外のパターンのエッチング除去により、上シールド52として形成される。なお、この上シールド52は、書込みヘッドの下コアを兼ねる。
【0026】
次いで、上シールド52の上面を平坦化処理し、その上に書込みギャップを形成し、コイルおよびインシュレータ層を堆積した後、上コアを形成する。必要に応じ、特性を確保するため、下コア52や上コアを所望の形状に加工する。その結果、例えば図5に示すように、できあがる。図5において、40は読出しヘッドとしてのスピンバルブ素子、32はスピンバルブ素子の長手バイアス用のハードマグネット、33はスピンバルブ素子のセンス電流用のリード電極、52は書込みヘッドの下コア、53は書込みギャップ、54は書込みポール、55は保護層、56は書込みコイル、57はコイル間のインシュレータ、58は上コアである。
【0027】
以上の説明は、1個のヘッド素子についての説明であったが、実際の製造工程では、1枚のスライダ材ウェハ上に縦横に多数(例えば、57×133個)の素子がマトリクス状に並んだものを一度に製作する。この多数のヘッド素子を含むウェハに、ウェハの状態で、自由層をなす軟質強磁性体薄膜層の磁化容易軸方向(トラック幅方向)に各素子に実効的に印加される磁界が数十kA/m(数百Oe)程度となるような磁場を印加した状態で、200℃を越えない温度、例えば180〜200℃の温度で最終熱処理を行う。これにより、自由層の磁性体薄膜層、下シールド層、上シールド層、書込みポール層、上コア層などの磁性体層の特性が安定化する。
【0028】
次に、ウェハから各個別のスライダを分離製作する加工プロセスについて説明する。図6〜10は、その加工プロセスの概略的な工程図である。図6の(a)は、多数の磁気ヘッド素子が上面に形成されたスライダ材ウェハ60を示し、まずこのウェハ60を、図6の(b)に示すように、切断用の治具71にホットメルト樹脂72で接着する。この場合、樹脂で接着をするのに、前記加工した磁気ヘッド素子内の軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性に変化を与えないような温度(例えば、100〜150℃)で接着を行う必要がある。続いて、図7の(a)に示すように、ウェハ60を切断ブレード73により切断し、例えば133本のスライダローに分離する。その各ロー61を樹脂72から取り外して図7の(b)の状態にするときも、軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性に変化を与えないような温度で脱着を行う必要がある。
【0029】
次いで、各切断したロー61を、図8の(a)に示すように、研削研磨用の治具74に接着する。この場合にも、軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性に変化を与えないような温度で接着を行う必要がある。治具74に装着したロー61は、研削および研磨して、各磁気ヘッドのスロートハイトなどを調整する。それが終わると、治具74からロー61を外すが、外す際にも、軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性に変化を与えないような温度で脱着する必要がある。このようにして研削研磨されたロー61を、図8の(b)に示すように、レール形成用の治具75に接着する。次いで、図9の(a)に示すように、並べたロー61の上にホトリソグラフィ用のドライフィルム76をラミネートする。または、ホトレジストなどをコーティングする。ドライフィルム76のパターン露光・現像、ローのレールパターンのイオンミリング、ドライフィルムの剥離などの工程を経て、図9の(b)に示すように、ロー61の上面に各スライダのレールパターン62が形成されたものができあがる。そして、図10の(a)に示すように、レールが形成されたローを治具に接着し、各スライダについて溝入れ処理、各スライダに分離する切断を行い、最後に各スライダを治具から剥離し、図10の(b)に示すように、レールが形成された個別の磁気ヘッドスライダチップ63が完成する。これら何れの場合にも、樹脂を用いた接着において、軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性に変化を与えないような温度で接着または脱着をすることが必要である。これらの接着、脱着の温度は、一般に100〜150℃以下で行うことが可能である。
【0030】
したがって、この発明によるスピンバルブ膜ヘッドの製造においては、ウェハ段階における熱処理以外には、特別な後熱処理工程を必要としないし、後のスライダ加工工程における加熱で磁気的安定性が乱されることもない。
【0031】
各スライダを治具から剥離した後、各スライダには、長手方向バイアス用の硬質強磁性体薄膜層の着磁のために、常温(〜25℃)程度でスライダのトラック幅方向に400〜800kA/m(5〜10kOe)の磁界を印加する。この磁界の方向は、固着層のピン止めされる着磁方向と直交する方向である。なお、400〜800kA/m程度の磁界で固着層のピン止め磁化が動き出すのは、150℃より高温でしか起こらないことが分かっているので、ウェハ段階で行った磁場中熱処理により得た所定の特性がこの着磁処理により影響されることはない。
【0032】
なお、自由層の磁化容易軸方向への熱処理工程は、前記のウェハ段階でしか行えない訳ではなく、このスライダ最終完成品の段階または最終完成品までの途中のどの工程でも、実行することができる。例えば、最終スライダが完成した後で前記の最終熱処理を行ってもよく、その場合、最終熱処理は、レジストや他のヘッド素子が悪影響を受けないように、200℃以下で行い、自由層の磁化容易軸の方向(固着層磁化と直角の方向)に印加する磁界は、80kA/m(1kOe)以下とする。このように、自由層の軟質磁性体薄膜層に一軸異方性を与えるための最終熱処理工程は、ウェハプロセス後の加工プロセスを含めてどの工程でも行うことができる。しかも、この熱処理は、通常一度だけ行えばよい。すなわち、反強磁性体でピン止めされた軟質強磁性体薄膜層の固着磁化に変化を与えない温度以下での熱処理工程であれば、特性が劣化することはなく、そのような条件での熱処理はウェハの規則化熱処理工程以降には他にないので、以降の工程で自由層の磁性体薄膜層に付与される異方性を正しくかつ確実に付与し、固着層の磁化も安定したままにすることが可能である。
【0033】
スライダ加工プロセスの後の磁気ヘッドの組立工程でも、例えばワイヤボンディング工程や樹脂モールド工程においても、軟質強磁性体層の一軸異方性に変化を与える温度に加熱することはない。つまり、150℃以上になることはない。
【0034】
図11は、PtMnスピンバルブMR膜の最終熱処理温度に対するGMR比の対外部磁界変化特性を示すグラフで、200℃では、80kA/m(1kOe)までの外部磁界が加わっても、GMR比は元の値の95%の約7.2%を維持している。これに対して、220℃では、30kA/m程度の外部磁界が加わるとGMR比が元の値の95%まで下がってしまう。
【0035】
固着層の特性を確保するための規則化熱処理の温度は、最低でも、ピン止めされる軟質磁性体薄膜層のHua値がそのピーク値の90%以上確保できる温度で行うことが望ましい。図12は、PtMn膜における規則化熱処理温度に対して確保できるHuaの値の関係を示すグラフであり、このグラフから見ると、Huaの値がそのピーク値の90%以上となるのは、270℃以上の温度で規則化熱処理を行った場合である。
【0036】
図13は、自由層の軟質強磁性体薄膜層(NiFe)のBHループ特性を、その層が経由した熱処理温度の違いに対して示すもので、このグラフから見ると、熱処理温度が250℃や270℃の場合は、BHループにおける保磁力Hcが80A/m(1Oe)以下で軟磁性として良好であるが、300℃になると急に保磁力Hcが320A/m(4Oe)と高くなってしまうことが分かる。このように保磁力が高くなると、感度の低下およびヒステリシスによる再生波形の歪みが生じる。したがって、熱処理温度は、ヘッドの全加工工程を通して、300℃より低いことが必要であり、規則化熱処理の温度もその範囲にとどめることが必要である。そうすることにより、スピンバルブの各薄膜層の特性の劣化の可能性が非常に少なくなる。
【0037】
しかし、前記の最終熱処理は、あまり低い温度で行うと、自由層の軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性を正しい方向(固着層のピンニング方向と直角の方向)に制御することができない。他方、最終熱処理の温度が高くなって規則化熱処理温度に近づくにつれて、ピン止めされた軟質強磁性体薄膜層の分散が大きくなってくる。図14は、200℃、220℃の各温度において、ピン層と直角の方向に外部磁界を印加した場合の、磁界の強さに対するHuaの変化の様子を示すグラフである。200℃では、80kA/m(1kOe)を超えた磁界が加わるとHuaが急激に減少してくる。220℃では、50kA/m辺りからHuaが低下している。また、図15は、ピン層磁化方向と直角方向の外部磁界強度を上げていったときのピン方向の磁化が分散により傾いていく様子を、温度の違いに対して示している。200℃では、外部磁界が80kA/m以上で15度以上の分散による傾きが起こり、220℃では、30kA/m付近で15度を超えている。
【0038】
発明者らの実験によれば、自由層のための最終熱処理の後、規化熱処理磁場方向でのピン止めされる軟質強磁性体薄膜層のBHループの室温で測定したシフト量Huaの値が殆ど変わらないのは、MRの回転特性を低温で測定したとき、素子の抵抗変化の中心が20度以内の分散傾きに収まっているときである。分散傾きの角度がそれ以上に大きくなるような温度や磁界強度で最終熱処理を行うと、ピン止めされているべき軟質強磁性体薄膜層の一軸異方性が正しく制御されないことになり、そのため製造ヘッドの不良割合が30%以上になる。したがって、最終熱処理工程は、素子の抵抗変化の中心が20度以内の分散傾き以下になるような温度および磁界強度で行うことが望ましい。さらに、実際の特性の面からは、自由層の軟質強磁性体薄膜層の保磁力が改善される範囲の最低の温度で行うことが必要であり、通常、パーマロイ(81NiFe合金)の自由層の場合、180〜200℃であることが好ましい。最終自由層薄膜熱処理中の磁界強度は、上記の条件によって規定され、自由層がパーマロイの場合、200℃では80kA/m(1kOe)以下の磁界の中で行われる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、スピンバルブMRヘッドを製造するに当たり、スピンバルブ積層体の固着層は、自由層の一軸異方性が揺らぎ始める温度より十分に高いブロッキング温度を有しながら、その膜を予め酸素存在中で熱処理することにより、次いで300℃以下の比較的低い温度で規化熱処理を行うことが可能になった。これは、発明者の観察によると、規則化熱処理に先立って行った酸素中での熱処理により、固着層を形成する磁性体の結晶の大きさが丁度適当な大きさになるためと考えられる。また、先に規化熱処理で固着化してピン止めされた固着層は、スピンバルブ磁気抵抗効果素子ヘッドを用いて磁気ヘッド装置を組み立てる工程までの間に、以後のプロセス加熱条件で磁気的特性に影響を受けることはない。そして、強磁性体薄膜層に付与される一軸異方性は、ウェハ段階で正しくかつ確実に制御され、後工程でスピンバルブ積層体の磁気的劣化が殆ど起こらない。
【0040】
また、規化熱処理の後、自由層をトラック幅方向に磁化容易な一軸異方性にするために、固着層のピン止めが分散傾斜角で20度以内の変動に収まるように、前記規化熱処理温度以下で磁場中熱処理を行うので、ひずみの少ない読取り信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法の製造工程における素子構造の要部を模型的に示す斜視図である。
【図2】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法の製造工程における素子構造の要部を模型的に示す斜視図である。
【図3】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法の製造工程における素子構造の要部を模型的に示す斜視図である。
【図4】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法の製造工程における素子構造の要部を模型的に示す斜視図である。
【図5】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法の製造工程における素子構造の要部を模型的に示す斜視図である。
【図6】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法におけるスライダ材ウェハの加工工程を示す斜視図である。
【図7】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法におけるスライダ材ウェハの加工工程を示す斜視図である。
【図8】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法におけるスライダローの加工工程を示す斜視図である。
【図9】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法におけるスライダローの加工工程を示す斜視図である。
【図10】 この発明によるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法におけるスライダローの加工工程を示す斜視図である。
【図11】 この発明で用いるPtMnスピンバルブMR膜の最終熱処理温度に対するGMR比の対外部磁界変化特性を示すグラフである。
【図12】 この発明で用いるPtMnスピンバルブMR膜における規則化熱処理温度に対して確保できるHuaの値の関係を示すグラフである。
【図13】 この発明で用いる自由層の軟質強磁性体薄膜層(NiFe)のBHループ特性を示すグラフである。
【図14】 この発明で用いる固着層のHuaの外部磁界に対する変化の様子を示すグラフである。
【図15】 この発明で用いる固着層のピン止め磁化の傾きの外部磁界に対する変化の様子を示すグラフである。
【図16】 スピンバルブ素子の概要的構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…固着層、2…自由層、3…スペーサ層、Is…センス電流、10…スピンバルブ膜、11…反強磁性体膜、20…基板、21…ウェハ、22…保護下地膜、23…下シールド膜、24…ギャップ膜、32…ハードマグネット層、32a…硬質強磁性体層、33…リード層、33a…導電金属膜、34…リードカットレジスト、40…スピンバルブ素子、40a…SV積層膜、41…SVカットレジスト、42…ギャップ層、51…シード層、52…上シールド膜(下コア)、53…書込みギャップ、54…書込みポール、55…保護層、56…書込みコイル、57…インシュレータ、58…上コア、60…スライダ材ウェハ、61…スライダロー、62…レールパターン、63…スライダチップ、71…切断用治具、72…接着用樹脂、73…切断ブレード、74…研削研磨用治具、75…レール形成用治具、76…ドライフィルム。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film magnetic head, and more particularly to a method of manufacturing a thin film magnetic head using a spin valve magnetoresistive element.
[0002]
[Prior art]
Giant magnetoresistive elements (GMR elements) have been spotlighted as conversion elements that detect the amount of magnetism converted to the magnitude of electrical resistance, and one of the typical sensor elements is a spin valve element. . The spin valve element is configured as a laminated film having a sandwich structure in which one nonmagnetic conductive layer is sandwiched between two magnetic layers, and one magnetic layer (referred to as a pinned layer) is predetermined. Is magnetized in a fixed direction, and the other magnetic layer (referred to as a free layer) is magnetized in a direction that changes in accordance with an external magnetic field, and an electric resistance exhibited by a conductive layer (referred to as a spacer layer) sandwiched therebetween is exhibited. This utilizes a phenomenon in which the magnitude changes according to the magnetization direction of the free layer. The magnitude of the electrical resistance of the spacer layer is detected as the value of the voltage drop between them by passing a sense current through it.
[0003]
The schematic structure of the spin valve element is illustrated in FIG. 16A schematically shows a state in which the sense current Is is supplied to the spin valve element 10 for use, and FIG. 16B shows a detailed configuration of the spin valve element 10 disassembled. The pinned layer 1 is a soft magnetic film, and is backed in an exchange coupling manner with a magnetized hard antiferromagnetic film 11 (usually, only the soft magnetic film, or the antiferromagnetic film, as appropriate). And a magnetization vector (arrow Mp) in which the soft magnetic film 1 is fixed in the same direction due to the influence of magnetization of the antiferromagnetic film 11. This pinned layer 1 is meaningful in that the direction of the magnetization vector is fixed, and the difficulty of movement of magnetization due to the influence of an external magnetic field is generally referred to as an exchange bias magnetic field Hua. The magnetization direction of the pinned layer is not easily changed by a magnetic field. The free layer 2 is a soft ferromagnetic film, and the direction of magnetization easily changes in accordance with magnetic induction (magnetostatic coupling) from a nearby external magnetic field that affects the free layer 2. In general, bias magnetization (arrow Mf) in a direction orthogonal to the magnetization direction of the pinned layer 1 is given to the free layer 2 as the direction of magnetization at the operation center, the free layer 2 is exposed to an external magnetic field, By utilizing the fact that the magnitude of the electric resistance of the spacer layer 3 changes around a certain value by rotating the magnetization direction of the free layer 2 to the left or right from the direction of the bias magnetization according to the magnitude of the magnetic field. The magnetoelectric conversion element is used.
[0004]
By the way, the magnetism of a magnetic material is influenced by temperature, and even in a thin film magnetic head using a spin valve element, it is necessary to consider the temperature. Heat generation due to current in use and frictional heat due to collision with the recording medium are problems. For the pinned layer, the exchange bias magnetic field Hua decreases as the temperature rises, and when it rises to a temperature called the blocking temperature, Hua becomes 0 at higher temperatures. As for the free layer, when the temperature is high, the element is deteriorated due to diffusion of alloy components due to temperature and electromigration due to current.
[0005]
Specifically, the wafer process of the thin film magnetic head and other processing processes include a heat treatment step with heating of about 100 to 250 ° C. For example, a resist flow process of an insulator in a wafer process, an adhesion process of a magnetic head to a jig in a processing process (in the case of a hot melt adhesive), and the like are applicable. Further, when the magnetic head is in use, the temperature may rise to 100 to 200 ° C. due to heat generation of the element itself due to the sense current. Furthermore, as the element is miniaturized, it is conceivable that the current instantaneously becomes 200 ° C. or higher due to an electric current caused by static electricity spark. Thus, an MR head using a spin valve element inevitably involves an increase in temperature of the element due to heat treatment and use.
[0006]
Therefore, in order to compensate for the inconvenience due to such temperature rise, the uniaxial anisotropy of the magnetic thin film layer (fixed layer) that receives the exchange bias magnetic field does not change in the temperature range encountered by the element. Materials with a high blocking temperature have been applied along with the practical application of spin valve heads. For example, FeMn, which is generally known as an antiferromagnetic film for exchange bias, has a blocking temperature of 140 ° C., whereas IrMn, which is said to have a relatively high blocking temperature, is 240 ° C. The blocking temperature of PtMn is 380 ° C. When an external magnetic field is applied, the magnetization of the pinned layer is affected even below the blocking temperature, and the exchange bias magnetic field Hua actually decreases as the temperature increases. Therefore, the blocking temperature of the element is required to be 300 ° C. or higher. In this respect, PtMn with a high blocking temperature is suitable for this purpose.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is known that an antiferromagnetic film such as PtMn does not exhibit antiferromagnetism only by being formed, and has properties only after performing ordered heat treatment. For this reason, in the magnetization process of the antiferromagnetic film, the magnetizing process is performed after the regularizing heat treatment. In general, an antiferromagnetic film having a high blocking temperature has a high ordering temperature. Therefore, when a material having a high blocking temperature is used, an ordered heat treatment at a high temperature is interposed. When the process temperature is 300 ° C. or higher, diffusion of alloy elements and electromigration occur in the magnetic film used for the free layer, which causes deterioration of the element. In particular, since nickel in the nickel alloy used for the free layer diffuses at a fairly low temperature, the device characteristics are greatly deteriorated when heat treatment is performed at a high temperature of 300 ° C. or higher. Therefore, if an antiferromagnetic film having a high blocking temperature, such as PtMn, is used to maintain the exchange bias magnetic field Hua, the spin rate does not cause a significant deterioration in characteristics of the entire device due to an adverse effect on the free layer in the manufacturing process. It was difficult to manufacture a valve magnetic head.
[0008]
Therefore, the present invention is devised so that a regularized heat treatment can be performed at a relatively low temperature for a magnetic material having a high blocking temperature, thereby stabilizing the characteristics of the pinned layer without degrading the characteristics of the free layer. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thin film magnetic head using a valve element.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention comprises a step of preparing a substrate, and an antiferromagnetic film having a blocking temperature of 300 ° C. or higher on the substrate. PtMn film Forming a spin valve stack including a pinned layer, a nonmagnetic high-conductivity spacer layer, and a soft ferromagnetic film free layer; and heat-treating the spin valve stack in an oxygen atmosphere; Subjecting the spin valve laminate to heat treatment in an oxygen atmosphere at a temperature that imparts uniaxial anisotropy to the pinned layer while applying a magnetic field perpendicular to the track width direction; Uniform anisotropy of the easy axis of magnetization is applied to the free layer at a temperature and magnetic field intensity at which the anisotropic dispersion angle of the aligned magnetic thin film layer is within 20 degrees of the alignment direction while applying a magnetic field in the track width direction. Performing a heat treatment to be applied.
[0010]
Furthermore, in the method of manufacturing the spin valve magnetoresistive head according to the present invention, in order to obtain a preferable result, the heat treatment step in the oxygen atmosphere is performed by exposing it to an oxygen plasma of 300 ° C. or lower.
[0011]
Further, in the method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention, in order to obtain a preferable result, the ordered heat treatment step is performed to form a regularized lattice in the antiferromagnetic film and the soft ferromagnetic film. At a temperature that causes
[0012]
Furthermore, in the method for manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention, the ordered heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or lower, preferably 250 to 280 ° C., in order to obtain a preferable result.
[0013]
Further, in the method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention, in order to obtain a preferable result, the heat treatment that imparts uniaxial anisotropy to the free layer is subjected to the regularization. Heat treatment Below the temperature, the anisotropic dispersion angle of the magnetization of the pinned layer is carried out at a temperature in a range that exhibits only a change within 20 degrees from the direction before the heat treatment.
[0014]
In the method of manufacturing the spin valve magnetoresistive head according to the present invention, in order to obtain a preferable result, a final heat treatment for imparting uniaxial anisotropy to the free layer is performed by applying a magnetic field in the track width direction to 200 ° C. or less. At a temperature of
[0015]
The method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention includes a step of bonding a hard ferromagnetic thin film layer to both ends of the free layer in the track width direction. This step is preferably performed at a stage prior to the final heat treatment.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 5 are perspective views schematically showing the main part of the magnetic head at each successive stage in the manufacturing method of the present invention. FIG. 1A shows a substrate 20 prepared first in the present invention, which is formed on the surface of an AlTiC wafer 21 which becomes a slider body, for example, Al. 2 O Three A protective undercoat film 22 is formed, a lower shield film 23 such as NiFe is formed thereon, and an Al shield is further formed thereon. 2 O Three The gap film 24 is attached.
[0017]
Further, as shown in FIG. 1B, a hard ferromagnetic layer 32a (for example, CoCrPt) serving as a hard magnet for uniaxial anisotropy control of the free layer (formed later) is further formed thereon. A metal film 33a having a high conductivity and serving as an electrode lead for supplying current to the spacer layer at 20 to 100 nm is formed by sputtering. In place of this thin film 32a of hard ferromagnetic material, an equivalent effect can be obtained by attaching a film in which a soft magnetic layer and an antiferromagnetic material layer are magnetically coupled. Here, the hard ferromagnetic thin film layer 32a is made of a material having a high coercive force, a high squareness ratio, and a high electrical resistance, and a soft magnetic thin film layer of a free layer of a spin valve element formed in a later process. A longitudinal bias for maintaining a single domain state in the track width direction is generated. As will be described later, a soft ferromagnetic thin film forming a free layer is formed in a taper shape in the track width direction. Then, the inclined portion of the taper comes into contact with the laminated film of the spin valve element.
[0018]
Next, as shown in FIG. 1 (c), a lead cut resist 34 for cutting the hard ferromagnetic layer 32a and the conductive metal film 33a into a predetermined opposing bipolar structure shape is applied thereon. The region not masked by the resist 34 is etched away by a unidirectional method such as ion milling. In this case, as shown in FIG. 2 (a), the resist 34 is heated and melted to flow the inner end edge portion, so that ion milling (arrow 39) is performed as shown in FIG. 2 (b). (For example, by argon plasma) is performed in an inclined manner, and both inner edge portions of the lead layer 33 made of a conductive metal film and the hard magnet layer 32 made of a hard ferromagnetic layer are formed in a tapered shape. Then, the resist layer 34 used as a mask is removed by a selective etching method such as RIE, and a shape as shown in FIG.
[0019]
Next, the process of laminating the spin valve film will be described with reference to FIG. As described above, a CoZrNb / NiFe layer for a free layer is formed on a structure in which valleys having tapered sides are formed, and a Cu layer for a spacer layer is formed thereon via a CoFe film. After attaching the layer, a PtMn / Ti layer for a fixing layer is further formed thereon via a CoFe film to form an SV (spin valve) laminated film 40a as shown in FIG. . These films are formed by continuous lamination to a precise thickness using an ultra-high vacuum apparatus.
[0020]
In the above embodiment, in order to form the spin valve laminated film 40a, the lead portion 33 and the hard magnet portion 32 which are inclined first are formed, and the spin valve film 40a is laminated thereon. However, instead of this, a spin valve film is first formed and the element shape is formed with a lift-off resist using a lift-off method, as conventionally performed in the manufacture of a junction type MR head. The same function can be achieved by tilting the coupling end of the element by a dry etching method such as milling using the resist as a mask and laminating a hard magnetic film for longitudinal bias and a lead film for electrical conduction on it. The structure is completed.
[0021]
Next, before the ordered heat treatment is performed on the spin valve stacked film 40a, O which is a feature of the present invention. 2 Heat treatment is performed in an atmosphere. For example, using RIE, O 2 O with a high frequency power of 220 W at a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr) 2 Treatment is performed for 5 to 10 minutes using plasma. In addition to performing this treatment using plasma, a slight oxygen of 1.33 to 6.65 Pa (10 to 50 mTorr) is introduced into a vacuum heat treatment furnace, and the heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for 1 hour or longer. A similar effect can be obtained. In the case of plasma treatment, if the time is 3 to 4 minutes or longer, the effect is not greatly different. And until 20 minutes, there is no problem of deterioration of characteristics due to oxidation of the element.
[0022]
Next, regularizing heat treatment is performed at a temperature that gives uniaxial anisotropy to the pinned layer while applying a magnetic field in a direction perpendicular to the track width direction to the spin valve laminated film 40a heat-treated in the oxygen atmosphere. PtMn In layers On the other hand, this ordered heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or lower. This process is the same as that described above. 2 After the heat treatment in the atmosphere, it is performed within several hours. If this is carried out after standing for 24 hours or more, the desired characteristics cannot be obtained.
[0023]
Next, the process proceeds to a processing step for making the spin valve laminated film 40a into the shape of the magnetoresistive element. As shown in FIG. 3B, the resist 41 is cut into an element shape and etched by a plasma etching method such as milling using this resist 41 as a mask. As shown in FIG. A spin valve element 40 bridged between the layer 33 and the hard magnet layer 32 is formed. In the above description, the stacking order of the spin valve stacked film 40a is the order of the free layer, the spacer layer, and the fixed layer from the bottom, but this order may be reversed.
[0024]
Thereafter, as a preparation for the formation of the next writing inductive head element, as shown in FIG. 4A, an insulating material such as alumina is formed on the whole after the above MR head element is formed. The gap layer 42 is formed.
[0025]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a seed layer (underlayer) 51 such as NiFe as a plating underlayer for forming the upper shield film of the inductive head element is formed with a gap layer 42 by a method such as sputtering or vapor deposition. The upper shield pattern is cut with a photoresist (not shown here, but it is a pattern that is much larger than the range shown here), and as shown in FIG. Further, the upper shield film 52 is formed by a method such as plating. The upper shield film 52 is formed as the upper shield 52 by milling removal of unnecessary portions of the underlayer 51 and etching removal of patterns other than the upper shield. The upper shield 52 also serves as the lower core of the write head.
[0026]
Next, the upper surface of the upper shield 52 is flattened, a write gap is formed thereon, a coil and an insulator layer are deposited, and then an upper core is formed. If necessary, the lower core 52 and the upper core are processed into a desired shape in order to ensure characteristics. As a result, for example, as shown in FIG. In FIG. 5, 40 is a spin valve element as a read head, 32 is a hard magnet for longitudinal bias of the spin valve element, 33 is a read electrode for sense current of the spin valve element, 52 is a lower core of the write head, 53 is A write gap, 54 is a write pole, 55 is a protective layer, 56 is a write coil, 57 is an insulator between the coils, and 58 is an upper core.
[0027]
Although the above description is about one head element, in an actual manufacturing process, a large number of elements (for example, 57 × 133) are arranged in a matrix on a single slider material wafer. Make what you want at once. A magnetic field that is effectively applied to each element in the easy magnetization axis direction (track width direction) of the soft ferromagnetic thin film layer forming the free layer in the wafer state is several tens of kA in the wafer including the multiple head elements. The final heat treatment is performed at a temperature not exceeding 200 ° C., for example, a temperature of 180 to 200 ° C., in a state where a magnetic field of about / m (several hundreds Oe) is applied. As a result, the characteristics of the magnetic layers such as the magnetic thin film layer, the lower shield layer, the upper shield layer, the write pole layer, and the upper core layer of the free layer are stabilized.
[0028]
Next, a processing process for separately manufacturing each individual slider from the wafer will be described. 6 to 10 are schematic process diagrams of the processing process. FIG. 6A shows a slider material wafer 60 having a large number of magnetic head elements formed on the upper surface. First, the wafer 60 is placed on a cutting jig 71 as shown in FIG. 6B. Bonding with hot melt resin 72. In this case, bonding with resin is performed at a temperature (for example, 100 to 150 ° C.) that does not change the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer in the processed magnetic head element. There is a need. Subsequently, as shown in FIG. 7A, the wafer 60 is cut by a cutting blade 73 and separated into, for example, 133 slider rows. Even when each row 61 is removed from the resin 72 to be in the state of FIG. 7B, it is necessary to perform desorption at a temperature that does not change the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer.
[0029]
Next, each cut row 61 is bonded to a grinding / polishing jig 74 as shown in FIG. Also in this case, it is necessary to perform adhesion at a temperature that does not change the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer. The row 61 mounted on the jig 74 is ground and polished to adjust the throat height of each magnetic head. When this is done, the row 61 is removed from the jig 74, but it is also necessary to detach at a temperature that does not change the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer. The row 61 thus ground and polished is bonded to a rail forming jig 75 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 9A, a dry film 76 for photolithography is laminated on the rows 61 arranged. Alternatively, a photoresist or the like is coated. After the pattern exposure / development of the dry film 76, the ion milling of the low rail pattern, the peeling of the dry film, and the like, the rail pattern 62 of each slider is formed on the upper surface of the low 61 as shown in FIG. The formed is completed. Then, as shown in FIG. 10 (a), the row on which the rails are formed is adhered to the jig, the grooving process is performed for each slider, and the individual sliders are cut. Finally, each slider is removed from the jig. After peeling, as shown in FIG. 10B, individual magnetic head slider chips 63 on which rails are formed are completed. In any of these cases, adhesion or desorption is performed at a temperature that does not change the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer in the adhesion using the resin. Ruko Is necessary. These adhesion and desorption temperatures can generally be performed at 100 to 150 ° C. or less.
[0030]
Therefore, in the manufacture of the spin valve film head according to the present invention, no special post heat treatment process is required other than the heat treatment in the wafer stage, and the magnetic stability is disturbed by heating in the subsequent slider processing process. Nor.
[0031]
After each slider is peeled off from the jig, each slider has 400 to 800 kA in the track width direction of the slider at about room temperature (˜25 ° C.) for magnetization of the hard ferromagnetic thin film layer for longitudinal bias. A magnetic field of / m (5 to 10 kOe) is applied. The direction of the magnetic field is a direction orthogonal to the magnetization direction of the pinned layer pinned. It is known that pinned magnetization of the pinned layer starts to move only at a temperature higher than 150 ° C. in a magnetic field of about 400 to 800 kA / m. Therefore, the predetermined magnetization obtained by the heat treatment in the magnetic field performed at the wafer stage is used. The characteristics are not affected by this magnetization process.
[0032]
Note that the heat treatment process in the direction of the easy axis of the free layer can be performed only at the wafer stage, and can be performed at any stage of the slider final finished product stage or halfway to the final finished product. it can. For example, the final heat treatment may be performed after the final slider is completed. In this case, the final heat treatment is performed at 200 ° C. or lower so that the resist and other head elements are not adversely affected, and the free layer magnetization is The magnetic field applied in the direction of the easy axis (direction perpendicular to the pinned layer magnetization) is 80 kA / m (1 kOe) or less. As described above, the final heat treatment step for imparting uniaxial anisotropy to the soft magnetic thin film layer of the free layer can be performed at any step including a processing process after the wafer process. Moreover, this heat treatment is usually performed only once. That is, if the heat treatment process is performed at a temperature or lower that does not change the pinned magnetization of the soft ferromagnetic thin film layer pinned by the antiferromagnetic material, the characteristics are not deteriorated, and the heat treatment is performed under such conditions. Since there is no other after the regularization heat treatment process of the wafer, the anisotropy imparted to the magnetic thin film layer of the free layer in the subsequent process is correctly and reliably imparted, and the magnetization of the pinned layer remains stable. Is possible.
[0033]
Even in the assembly process of the magnetic head after the slider processing process, for example, in the wire bonding process or the resin molding process, heating to a temperature that changes the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic layer is not performed. That is, it does not become 150 ° C. or higher.
[0034]
FIG. 11 is a graph showing the change characteristics of the GMR ratio with respect to the final heat treatment temperature of the PtMn spin valve MR film with respect to the external magnetic field. At 200 ° C., the GMR ratio is the original even when an external magnetic field of up to 80 kA / m (1 kOe) is applied. About 7.2% of the value of 95% is maintained. On the other hand, at 220 ° C., when an external magnetic field of about 30 kA / m is applied, the GMR ratio is lowered to 95% of the original value.
[0035]
It is desirable that the temperature of the regularized heat treatment for ensuring the characteristics of the pinned layer is at least a temperature at which the Hua value of the pinned soft magnetic thin film layer can ensure 90% or more of the peak value. FIG. 12 is a graph showing the relationship of the Hua value that can be secured with respect to the ordered heat treatment temperature in the PtMn film. From this graph, the Hua value is 90% or more of its peak value. This is a case where ordered heat treatment is performed at a temperature of ℃ or higher.
[0036]
FIG. 13 shows the BH loop characteristics of the soft ferromagnetic thin film layer (NiFe) of the free layer with respect to the difference in heat treatment temperature through which the layer passes. From this graph, the heat treatment temperature is 250 ° C. In the case of 270 ° C., the coercive force Hc in the BH loop is 80 A / m (1 Oe) or less and good soft magnetism, but at 300 ° C., the coercive force Hc suddenly increases to 320 A / m (4 Oe). I understand that. When the coercive force is increased in this way, the sensitivity is lowered and the reproduction waveform is distorted due to hysteresis. Therefore, the heat treatment temperature needs to be lower than 300 ° C. throughout the entire processing step of the head, and it is necessary to keep the temperature of the regularized heat treatment within that range. By doing so, the possibility of deterioration of the characteristics of each thin film layer of the spin valve is greatly reduced.
[0037]
However, if the final heat treatment is performed at a very low temperature, the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer of the free layer cannot be controlled in the correct direction (direction perpendicular to the pinning direction of the pinned layer). On the other hand, as the final heat treatment temperature increases and approaches the ordered heat treatment temperature, the dispersion of the pinned soft ferromagnetic thin film layer increases. FIG. 14 is a graph showing changes in Hua with respect to the magnetic field strength when an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the pinned layer at each temperature of 200 ° C. and 220 ° C. At 200 ° C., when a magnetic field exceeding 80 kA / m (1 kOe) is applied, Hua rapidly decreases. At 220 ° C., Hua decreases from around 50 kA / m. FIG. 15 shows a state in which the magnetization in the pin direction is inclined due to dispersion when the external magnetic field strength in the direction perpendicular to the pin layer magnetization direction is increased. At 200 ° C., an external magnetic field is 80 kA / m or more and a gradient due to dispersion of 15 degrees or more occurs, and at 220 ° C., it exceeds 15 degrees near 30 kA / m.
[0038]
According to the inventors' experiments, after the final heat treatment for the free layer, Rule The value of the shift amount Hua measured at room temperature of the BH loop of the soft ferromagnetic thin film layer pinned in the direction of the crystallization heat treatment magnetic field hardly changes when the MR rotational characteristics are measured at a low temperature. This is when the center of change falls within a dispersion slope of 20 degrees or less. If the final heat treatment is performed at a temperature or magnetic field intensity that makes the angle of dispersion inclination larger than that, the uniaxial anisotropy of the soft ferromagnetic thin film layer that should be pinned will not be controlled correctly, and therefore it will be manufactured. The defective ratio of the head becomes 30% or more. Therefore, it is desirable that the final heat treatment step be performed at a temperature and magnetic field strength such that the center of resistance change of the element is less than or equal to a dispersion slope of 20 degrees or less. Furthermore, from the aspect of actual characteristics, it is necessary to perform at the lowest temperature within a range in which the coercive force of the soft ferromagnetic thin film layer of the free layer is improved. Usually, the free layer of permalloy (81NiFe alloy) In this case, the temperature is preferably 180 to 200 ° C. The magnetic field strength during the final free layer thin film heat treatment is defined by the above conditions. When the free layer is permalloy, the magnetic field strength is 200 kC in a magnetic field of 80 kA / m (1 kOe) or less.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in manufacturing the spin valve MR head, the pinned layer of the spin valve laminate has a blocking temperature sufficiently higher than the temperature at which the uniaxial anisotropy of the free layer starts to fluctuate. However, the film is preheated in the presence of oxygen and then regulated at a relatively low temperature of 300 ° C. or lower. Rule It has become possible to perform heat treatment. According to the observation of the inventor, this is considered to be because the size of the crystal of the magnetic material forming the pinned layer is just an appropriate size by the heat treatment in oxygen prior to the ordered heat treatment. In addition, first Rule The pinned layer fixed and pinned by the heat treatment is not affected by the magnetic characteristics under the subsequent process heating conditions until the process of assembling the magnetic head device using the spin valve magnetoresistive element head. Absent. The uniaxial anisotropy imparted to the ferromagnetic thin film layer is correctly and reliably controlled at the wafer stage, and the spin valve laminate is hardly deteriorated in the post-process.
[0040]
Also, regulations Rule After the crystallization heat treatment, in order to make the free layer uniaxial anisotropy that is easy to be magnetized in the track width direction, the pinning of the pinned layer is controlled so that the dispersion tilt angle falls within 20 degrees. Rule Since the heat treatment in a magnetic field is performed at a temperature equal to or lower than the heat treatment temperature, a read signal with less distortion can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a main part of an element structure in a manufacturing process of a manufacturing method of a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a main part of an element structure in a manufacturing process of a manufacturing method of a spin valve type magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a main part of an element structure in a manufacturing process of a method for manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view schematically showing a main part of an element structure in a manufacturing process of a method for manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a main part of an element structure in a manufacturing process of a manufacturing method of a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a processing step for a slider material wafer in the method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a processing step of a slider material wafer in the method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a slider row processing step in the method of manufacturing the spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a slider row processing step in the method of manufacturing the spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a slider row processing step in the method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a change characteristic of an external magnetic field of a GMR ratio with respect to a final heat treatment temperature of a PtMn spin valve MR film used in the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the relationship of the value of Hua that can be secured with respect to the ordered heat treatment temperature in the PtMn spin valve MR film used in the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the BH loop characteristics of the free-layer soft ferromagnetic thin film layer (NiFe) used in the present invention.
FIG. 14 is a graph showing how the fixed layer used in the present invention changes with respect to the external magnetic field of Hua.
FIG. 15 is a graph showing how the inclination of the pinning magnetization of the pinned layer used in the present invention changes with respect to an external magnetic field.
FIG. 16 is a perspective view showing a schematic configuration of a spin valve element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fixed layer, 2 ... Free layer, 3 ... Spacer layer, Is ... Sense current, 10 ... Spin valve film, 11 ... Antiferromagnetic material film, 20 ... Substrate, 21 ... Wafer, 22 ... Protective base film, 23 ... Lower shield film, 24 ... Gap film, 32 ... Hard magnet layer, 32a ... Hard ferromagnetic layer, 33 ... Lead layer, 33a ... Conductive metal film, 34 ... Lead cut resist, 40 ... Spin valve element, 40a ... SV stack Film: 41 ... SV cut resist, 42 ... Gap layer, 51 ... Seed layer, 52 ... Upper shield film (lower core), 53 ... Write gap, 54 ... Write pole, 55 ... Protective layer, 56 ... Write coil, 57 ... Insulator, 58 ... Upper core, 60 ... Slider material wafer, 61 ... Slider row, 62 ... Rail pattern, 63 ... Slider chip, 71 ... Cutting jig, 72 ... Adhesive resin, 3 ... cutting blade, 74 ... grinding polishing jig, 75 ... rail forming jig, 76 ... dry film.

Claims (6)

基板を用意するステップと、
前記基板上にブロッキング温度が300℃以上の反強磁性体膜であるPtMn膜を有する固着層、非磁性の高導電率のスペーサ層および軟質強磁性体膜の自由層を含むスピンバルブ積層体を形成するステップと、
前記スピンバルブ積層体を酸素雰囲気中で熱処理するステップと、
前記酸素雰囲気中で熱処理したスピンバルブ積層体をトラック幅方向と直交する方向の磁界を印加しながら固着層に一軸異方性を与える温度で規則化熱処理を行うステップと、
前記スピンバルブ積層体にトラック幅方向の磁界をかけながら、整列される磁性体薄膜層の異方性分散角度が整列方向の20度以内になる温度および磁界強度で、前記自由層に磁化容易軸の一軸異方性を与える熱処理を行うステップと、
を含んでなるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。
Preparing a substrate;
A spin valve laminate including a pinned layer having a PtMn film which is an antiferromagnetic film having a blocking temperature of 300 ° C. or higher on the substrate , a nonmagnetic high conductivity spacer layer, and a soft ferromagnetic film free layer. Forming step;
Heat treating the spin valve stack in an oxygen atmosphere;
Performing a regularized heat treatment at a temperature that imparts uniaxial anisotropy to the pinned layer while applying a magnetic field in a direction perpendicular to the track width direction to the spin valve laminate heat-treated in the oxygen atmosphere;
While applying a magnetic field in the track width direction to the spin valve laminate, the free layer has an easy axis of magnetization at a temperature and magnetic field strength at which the anisotropic dispersion angle of the aligned magnetic thin film layers is within 20 degrees of the alignment direction. Performing a heat treatment that imparts uniaxial anisotropy;
A method for manufacturing a spin-valve magnetoresistive head comprising:
請求項1に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記酸素雰囲気中で熱処理するステップが、スピンバルブ積層体を300℃以下の酸素プラズマ中に曝す処理である
ことを特徴とする方法。
In the manufacturing method of the spin-valve magnetoresistive head according to claim 1,
The method in which the heat treatment in the oxygen atmosphere is a treatment in which the spin valve laminate is exposed to oxygen plasma at 300 ° C. or lower.
請求項1に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記自由層に一軸異方性を与える熱処理を行うステップが、前記規則化熱処理を行う温度より低い温度で、固着層の磁化の異方性分散角がこの熱処理を行う前の方向より20度以内の変化しか呈しない範囲の温度で行われる
ことを特徴とする方法。
In the manufacturing method of the spin-valve magnetoresistive head according to claim 1,
The step of performing a heat treatment for imparting uniaxial anisotropy to the free layer is at a temperature lower than the temperature for performing the ordered heat treatment, and the anisotropic dispersion angle of magnetization of the pinned layer is within 20 degrees from the direction before the heat treatment is performed. The method is carried out at a temperature in a range in which only a change in temperature is exhibited.
請求項に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記規則化熱処理を行うステップが、280℃以下の温度で行われる
ことを特徴とする方法。
In the manufacturing method of the spin-valve magnetoresistive head according to claim 1 ,
The method of performing the ordered heat treatment is performed at a temperature of 280 ° C. or lower.
請求項に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記自由層に一軸異方性を与える熱処理を行うステップが、トラック幅方向に磁場を印加して行われる
ことを特徴とする方法。
In the manufacturing method of the spin-valve magnetoresistive head according to claim 3 ,
The method of performing a heat treatment for imparting uniaxial anisotropy to the free layer is performed by applying a magnetic field in a track width direction.
請求項1に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法であって、さらに、
前記自由層の軟質強磁性体膜のトラック幅方向両端に硬質強磁性体層を接合させるステップと、
前記自由層の軟質強磁性体膜にトラック幅方向のバイアス磁化を与えるように前記硬質強磁性体層を着磁するステップと
を含んでなる方法。
A method for manufacturing a spin valve magnetoresistive head according to claim 1, further comprising:
Bonding a hard ferromagnetic layer to both ends in the track width direction of the soft ferromagnetic film of the free layer;
Magnetizing the hard ferromagnetic layer so as to give a bias magnetization in the track width direction to the soft ferromagnetic film of the free layer.
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