JP4458302B2 - Ｃｐｐ型磁界検出素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、磁界検出素子、スライダ、ウエハ、ヘッドジンバルアセンブリ、ハードディスク装置、及び磁界検出素子の製造方法に関し、特に複数のフリー層を有する磁界検出素子の素子構造に関する。
薄膜磁気ヘッドの再生素子としてＧＭＲ(Giant Magneto resistance)素子が知られている。従来は、センス電流を素子の膜面と水平方向に流すＣＩＰ(Current In Plane)−ＧＭＲ素子が主に用いられてきたが、最近では、更なる高密度記録化に対応するため、センス電流を素子の膜面と直交する方向に流す素子が開発されている。このタイプの素子として、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-resistance)効果を利用したＴＭＲ素子、及びＧＭＲ効果を利用したＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)素子が知られている。特にＣＰＰ素子は、ＴＭＲ素子と比べて低抵抗であること、ＣＩＰ素子と比べて狭トラック幅でも高出力が得られることから、高いポテンシャルを有している。
ＣＰＰ素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層（フリー層）と、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁性層（ピンド層）と、ピンド層とフリー層との間に挟まれた非磁性中間層と、を備えた積層体を有している。この積層体はスピンバルブ膜とも呼ばれる。スピンバルブ膜のトラック幅方向両側には、フリー層にバイアス磁界を印加するバイアス磁性層が設けられている。フリー層はバイアス磁性層からのバイアス磁界によって単磁区化される。このため、外部磁界の変化に対する抵抗変化の線形性が高められると同時に、バルクハウゼンノイズが効果的に抑制される。フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向のなす相対角度は外部磁界に応じて変化し、これによってスピンバルブ膜の膜面直交方向に流れるセンス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁化が検出される。スピンバルブ膜の積層方向両側はシールド層によって磁気的にシールドされている。スピンバルブ膜の積層方向は、薄膜磁気ヘッドがハードディスク装置に組込まれたときに、記録媒体の円周方向と一致する。このため、シールド層は記録媒体の同一トラック上の隣接するビットからの磁界をシールドする役割を有している。
近年、一層の高線記録密度が望まれているが、線記録密度を向上させるためには上下シールド層間の間隔（シールド間ギャップ）の低減が不可欠である。そのためにはスピンバルブ膜の膜厚の減少が必要となる。しかし、従来のＣＰＰ素子には、膜構成に由来する大きな制約があった。すなわち、ピンド層は磁化方向が外部磁界の影響を受けずに強固に固定されている必要があるため、通常いわゆるシンセティックピンド層が用いられている。シンセティックピンド層は、アウターピンド層と、インナーピンド層と、アウターピンド層とインナーピンド層との間に挟まれた、ＲｕまたはＲｈからなる非磁性中間層と、を有している。また、アウターピンド層の磁化方向を固定するため、アウターピンド層に接して反強磁性層が設けられている。反強磁性層は典型的にはIrMnからなる。シンセティックピンド層では、反強磁性層がアウターピンド層と交換結合することによって、アウターピンド層の磁化方向が固定される。インナーピンド層が非磁性中間層を介してアウターピンド層と反強磁性的に結合することによって、インナーピンド層の磁化方向が固定される。インナーピンド層とアウターピンド層の磁化方向は反平行となるので、ピンド層の磁化が全体として抑制される。シンセティックピンド層はこのような長所を有しているが、シンセティックピンド層を有するＣＰＰ素子を構成するためには多数の層を設ける必要があり、スピンバルブ膜の膜厚低減に対する大きな制約となっていた。
ところで、近年、このような従来のスピンバルブ膜の膜構成とは全く異なる新しい膜構成が提案されている非特許文献１には、ＣＩＰ素子を対象として、外部磁界に応じて磁化方向が変化する２つのフリー層と、これらのフリー層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体が開示されている。バイアス磁性層は記録媒体対向面から見て積層体の反対側に設けられ、バイアス磁界は記録媒体対向面の直交方向に印加される。バイアス磁性層からの磁界によって、２つのフリー層の磁化方向は一定の相対角度をなす。この状態で外部磁界を与えると、２つのフリー層の磁化方向が変化し、この結果２つのフリー層の磁化方向がなす相対角度が変化し、センス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁化を検出することが可能となる。また、特許文献１にはＣＰＰ素子にこのような膜構成を適用した例が開示されている。このように２つのフリー層を用いた膜構成では、従来のシンセテッィクピンド層や反強磁性が不要となるため、膜構成が簡略され、シールド間ギャップの低減が容易になるポテンシャルがある。
米国特許第７，０３５，０６２号明細書 「３層構成のハードディスク装置用ＣＩＰ−ＧＭＲヘッド構造」(Current-in-Plane GMR Trilayer Head Design for Hard-Disk Drives)，IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，２００７年２月，第４３巻，第２号
しかし、このような２つのフリー層を用いる積層体には以下の課題があった。まず、積層体の膜厚が減少すると、これに応じてバイアス磁性層の膜厚も減少する。次に、従来技術と異なり、バイアス磁性層は積層体の一つの面に面して設けられているだけであるため、磁界自体が分散しやすく、フリー層に効率的に印加されにくい。これらの理由によって、フリー層を単磁区化するために必要なバイアス磁性層の磁界強度を確保することが困難となる。この問題を解消するためには、バイアス磁性層の膜厚を確保する必要がある。しかし、これに合わせて積層体の膜厚を設定するとシールド間ギャップの大幅な減少は期待できない。
本発明は、複数のフリー層を備えた積層体を有し、バイアス磁性層が記録媒体対向面から見て積層体の裏側に設けられている膜構成のＣＰＰ型の磁界検出素子を対象とする。本発明の目的は、フリー層に十分なバイアス磁界を印加すると共に、シールド間ギャップの低減を図ることのできる、上記膜構成の磁界検出素子を提供することである。本発明の他の目的は、このような磁界検出素子の製造方法を提供することである。
本発明の一実施態様によれば、磁界検出素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する上部及び下部磁性層と、該上部及び下部磁性層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体と、前記積層体の積層方向に該積層体を挟むように設けられ、該積層体の積層方向にセンス電流を供給するとともに、該積層体を磁気的にシールドする上部及び下部シールド電極層と、前記積層体の記録媒体対向面の反対面に設けられ、前記上部及び下部磁性層に、該記録媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁性層と、前記積層体のトラック幅方向の両側に設けられた絶縁膜と、を有している。前記バイアス磁性層は、前記積層体より大きくかつ前記上部シールド電極層と前記下部シールド電極層との間隔よりも大きな膜厚を有し、前記上部及び下部シールド電極層の少なくとも一方は、前記積層体と前記バイアス磁性層とによって形成される段差部を埋める補助シールド層を有している。
この構造によれば、積層体に反強磁性層やシンセティックピンド層を設けることが不要となり、積層体の膜厚を低減することが容易となる。一方、バイアス磁性層の膜厚は、積層体の膜厚とは独立して、必要なバイアス磁界を印加するために必要な膜厚に設定することができる。この結果、バイアス磁性層の膜厚が積層体の膜厚より大きくなり、バイアス磁性層と積層体との間に段差が形成されるが、この段差には補助シールド層が形成されるため、記録媒体の同一トラック上の隣接ビットからの磁界を効果的にシールドすることが可能となる。このようにして、フリー層に十分なバイアス磁界を印加すると共に、シールド間ギャップの低減を図ることができ、高線記録密度化への対応が容易な磁界検出素子を提供することが可能となる。
本発明の他の実施態様によれば、磁界検出素子の製造方法は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する下部磁性層と、非磁性中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する上部磁性層とを積層方向下方から積層方向上方に向かってこの順で含む積層体を、下部シールド電極層の上に形成する積層体形成ステップと、前記積層体を、記録媒体対向面となるべき面と直交して延びる第１の部分を残して除去し、除去した部分を絶縁膜で埋め戻す絶縁層形成ステップと、前記絶縁膜及び前記第１の部分の上に補助シールド層を形成するステップと、前記補助シールド層、前記積層体、及び少なくとも一部の下部シールド電極層を、前記記録媒体対向面となるべき面と平行に延びる第２の部分を残して除去し、除去した部分の一部を前記第１の部分より厚いバイアス磁性層で埋め戻すバイアス磁性層形成ステップと、前記補助シールド層及び前記バイアス磁性層の上方に、前記補助シールド層と一体の上部シールド電極層を形成するステップと、を有している。
本発明によれば、フリー層に十分なバイアス磁界を印加すると共に、シールド間ギャップの低減を図ることのできる磁界検出素子を提供することができる。また、本発明によれば、このような磁界検出素子の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。本実施形態の磁界検出素子は、特にハードディスク装置の薄膜磁気ヘッドの読み込み部として好適に用いられる。図１は、本実施形態の磁界検出素子の概念的斜視図である。図２Ａは、図１の２Ａ−２Ａ方向、すなわち媒体対向面から見た磁界検出素子の側面図、図２Ｂは、図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿った磁界検出素子の断面図、図２Ｃは、図２Ａの２Ｃ−２Ｃ線に沿った磁界検出素子の断面図である。媒体対向面とは、磁界検出素子１の、記録媒体２１との対向面である。
磁界検出素子１は、積層体２と、積層体２の積層方向に積層体２を挟むように設けられた上部シールド電極層３及び下部シールド電極層４と、積層体２の記録媒体対向面Ｓの反対面に設けられたバイアス磁性層１３と、積層体２のトラック幅方向Ｔの両側に設けられた絶縁膜１５と、を有している。
積層体２は、上部シールド電極層３と下部シールド電極層４との間に挟まれ、先端部が記録媒体対向面Ｓに露出して配置されている。積層体２は、上部シールド電極層３と下部シールド電極層４との間にかかる電圧によって、センス電流２２が膜面直交方向Ｐに流れるようにされている。積層体２と対向する位置における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の移動方向２３への移動につれて変化する。この磁界の変化は磁気抵抗効果に基づく電気抵抗変化として検出される。磁界検出素子１は、この原理を利用して、記録媒体２１の各磁区に書き込まれた磁気情報を読み出す。
表１には、積層体２の膜構成の一例を示す。表は、下部シールド電極層４側のバッファ層５から、上部シールド電極層３側のキャップ層９に向けて積層順に下から上に記載している。表中、組成の欄の数値は各元素の原子分率を示している。積層体２は、厚さ１μｍ程度の80Ni20Fe層からなる下部シールド電極層４の上に、バッファ層５、下部磁性層６、導電性の非磁性中間層７、上部磁性層８、キャップ層９がこの順に積層されて構成されている。
Figure 0004458302
バッファ層５は下部磁性層６の下地層として設けられている。下部磁性層６及び上部磁性層８は共に、NiFe層がCoFe層に挟まれた膜構成を有し、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層である。非磁性中間層７はＣｕからなる。非磁性中間層７のＣｕ層の膜厚は１．３ｎｍである。Ｃｕの結合エネルギーはこの膜厚で極大となり、下部磁性層６と上部磁性層８とが反強磁性結合によって磁気的に強く結合される。下部磁性層６及び上部磁性層８にCoFe層を設けることによって、Ｃｕ層とNiFe層とが直接接した膜構成と比べて、Ｃｕ層界面のスピン分極率が大きくなり、磁気抵抗効果が増加する。下部磁性層６及び上部磁性層８のいずれか一方または双方に、表１の代わりにCo70Fe30層からなる単層構成を用いることもできる。キャップ層９は、積層された各層の劣化防止のために設けられている。キャップ層９の上には、厚さ１μｍ程度の80Ni20Fe層からなる上部シールド電極層３が形成されている。
上部シールド電極層３及び下部シールド電極層４は、積層体２の積層方向Ｐにセンス電流を供給する電極であるとともに、前述のように、記録媒体２１の同一トラック上の隣接するビットからの磁界をシールドするシールド層でもある。
表２には、媒体対向面から見て積層体２の反対側の部分の膜構成の一例を示す。表は、絶縁層１１から、キャップ層１４に向けて積層順に下から上に記載している。表中、組成の欄の数値は各元素の原子分率を示している。積層体２の記録媒体対向面Ｓの反対面に面してバイアス磁性層１３が設けられている。バイアス磁性層１３は、記録媒体対向面Ｓと直交する方向のバイアス磁界を、積層体２、特に上部磁性層８及び下部磁性層６に及ぼす。バイアス磁性層１３は、バイアス磁性層として良好な磁気特性（高い保磁力、角型比）を持たせるため、下地層１２の上に形成されている。下地層１２と積層体２との間にはAl2O3層からなる絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１は図２Ｂに示すように、積層体２の側方にも形成され、センス電流２２がバイアス磁性層１３に流れることを防止する。バイアス磁性層１３の上にはＣｒ層、Al2O3層及びＴｉ層からなるキャップ層１４が設けられている。Ｃｒ層は、下地層１２と同様、バイアス磁性層１３に良好な磁気特性を持たせるために設けられている。Al2O3層はセンス電流２２がバイアス磁性層１３に流れることを防止するために設けられている。Ｔｉ層は上部シールド電極層３の密着性を改善するために設けられている。
Figure 0004458302
積層体２のトラック幅方向Ｔの両側にはAl2O3からなる絶縁膜１５が設けられている。絶縁膜１５もセンス電流２２がバイアス磁性層１３に流れることを防止する。
図３は、本実施形態の磁界検出素子の作動原理を示す概念図である。横軸は外部磁界強度、縦軸は信号出力を示す。図中上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向を各々ＦＬ１とＦＬ２と表記している。バイアス磁性層１３からのバイアス磁界及び記録媒体２１からの外部磁界がない場合、上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向は、上述した反強磁性結合によって、互いに反平行の向きとなっている（図中Ａ部）。しかし、実際にはバイアス磁界が印加されているため、上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向は、反平行状態から平行状態に向かって回転し、初期磁化状態（バイアス磁界だけが印加されている状態）で、反平行状態と平行状態の中間の状態となる（図中Ｂ部）。この状態で記録媒体２１からの外部磁界が印加されると、上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向との相対角度は、磁界の方向に応じて、増加（反平行状態に向かう）または減少（平行状態に向かう）する。反平行状態に近づくほど電極から供給される電子が散乱されやすくなり、センス電流の電気抵抗値が増加する。平行状態に近づくほど電極から供給される電子が散乱されにくくなり、センス電流の電気抵抗値が減少する。こうして、上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向の相対角度の変化を利用して外部磁界を検出することができる。
本実施形態では、バイアス磁性層１３の膜厚、形状等を調整することによって、上部磁性層８の磁化方向と下部磁性層６の磁化方向は、初期磁化状態で概ね直交している。（図３のＢ部）。初期磁化状態で磁化方向が直交していると、外部磁界の変化に対する出力変化が大きくなり、大きな磁気抵抗変化率を得ることができると共に、良好な対称性を得ることができる。バイアス磁界が不足している場合、初期磁化状態が反平行状態（図３のＡ部）に近づくため、低出力でかつ非対称性が大きくなる。バイアス磁界が過剰な場合も、初期磁化状態が平行状態（図３のＣ部）に近づくため、やはり低出力でかつ非対称性が大きくなる。
表１，２より、バイアス磁性層１３の膜厚は３０ｎｍであり、積層体２の膜厚は１７．３ｎｍである。すなわち、バイアス磁性層１３は積層体２より大きな膜厚を有している。これは従来のＣＰＰ素子と大きく異なる点である。従来技術のＣＰＰ素子では、スピンバルブ膜のトラック幅方向両側に設けられたバイアス磁性層の膜厚は、スピンバルブ膜の膜厚に合わせて決定されていた。本実施形態の積層体２に相当する従来技術のスピンバルブ膜は、必要な層を必要な膜厚で確保していくと３０〜４０ｎｍの膜厚となる。所定のバイアス磁界を確保するために必要となるバイアス磁性層の最低膜厚は３０ｎｍ程度であるため、結果的に、バイアス磁性層の必要最低膜厚が確保されていた。しかし、本実施形態では、積層体２の構成が大幅に簡略化されたため、膜厚も大幅に低減している。このため、本実施形態ではバイアス磁性層１３の膜厚を積層体２とは独立して設定し、必要なバイアス磁界を確保している。
この結果、図２Ｂに示すように、積層体２の上方及び下方には、積層体２とバイアス磁性層１３とによって形成される上部段差部１６ａ及び下部段差部１６ｂが形成される。本実施形態では、この断差部１６ａ，１６ｂを埋める上部補助シールド層３ｂ及び下部補助シールド層４ｂが設けられている。換言すると、上部シールド電極層３は一般部３ａと、一般部３ａから積層方向下方に突き出た上部補助シールド層３ｂと、を有し、下部シールド電極層４は一般部４ａと、一般部４ａから積層方向上方に突き出た下部補助シールド層４ｂと、を有している。上部補助シールド層３ｂは一般部３ａと一体に設けられており、一般部３ａと磁気的に結合している。下部補助シールド層４ｂも一般部４ａと一体に設けられており、一般部４ａと磁気的に結合している。一般部３ａは積層体２の上方及びバイアス磁性層１３の上方を通って、媒体対向面Ｓと直交する方向に長く延びている。上部補助シールド層３ｂの長さは、積層体２のハイトＨ（媒体対向面Ｓと直交する方向の長さ）とほぼ一致しており、バイアス磁性層１３に当る位置で止まっている。下部補助シールド層４ｂも同様である。
上部補助シールド層３ｂ及び下部補助シールド層４ｂは、各々上部シールド電極層３及び下部シールド電極層４の一部として構成されているため、センス電流を供給する電極としての機能と共に、記録媒体２１の同一トラック上の隣接するビットからの磁界をシールドするシールド層としての機能を有している。すなわち、記録媒体側から磁界検出素子１を見ると、図２Ａに示すように、積層体２は上部補助シールド層３ｂ及び下部補助シールド層４ｂによって囲まれており、上部補助シールド層３ｂ及び下部補助シールド層４ｂが磁界検出素子１の実際のシールド間ギャップＧを画定している。
図２Ｂを参照すると、バイアス磁性層１３の膜厚中心高さｈ２は、上部磁性層８の膜厚中心高さｈ８と下部磁性層６の膜厚中心高さｈ６の中点ｈ１と一致している。すなわち、上部磁性層８及び下部磁性層６はバイアス磁性層１３の膜厚中心に対して対称の位置に置かれるため、上部磁性層８及び下部磁性層６には、同程度の強度のバイアス磁界が印加され、磁界検出素子としての線形性が向上する。
上部補助シールド層３ｂは、絶縁膜１５上を平坦に延びている。このため、上部補助シールド層３ｂに磁極が形成されて、不要な磁界が印加されることが防止される。また、平坦に形成されると、形状異方性効果によって上部補助シールド層３ｂの磁化方向がトラック幅方向を向き、透磁率を確保することが容易となるため、シールドとして機能しやすい。
なお、実施形態によっては、上部及び下部シールド電極層の一方だけが上部補助シールド層３ｂまたは下部補助シールド層４ｂを有する構造でもよい。すなわち、上部及び下部シールド電極層の一方は平坦な形状であっても構わない。
このように、本実施形態の磁界検出素子では、積層体２は機能上必要な層だけを必要な膜厚で積層することによって構成される。この結果、反強磁性層及びアウターピンド層が不要となり、従来のＣＰＰ素子のスピンバルブ膜に比べて大幅な膜厚低減が可能となる。一方、バイアス磁性層１３は、積層体２とは独立して、機能上必要な膜厚を確保することができる。そして、積層体２の膜厚がバイアス磁性層１３の膜厚より小さいことで生じる段差部には上部補助シールド層３ｂ及び下部補助シールド層４ｂが形成されるため、積層体２の膜厚低減効果がそのままシールド間ギャップ低減につながる。このようにして、必要なバイアス磁界を確保しつつ、シールド間ギャップの低減を図ることが可能となる。また、従来のＣＰＰ素子では、シンセティックピンド層のうち、磁気抵抗変化に直接寄与するのはインナーピンド層だけであり、アウターピンド層や反強磁性層は磁気抵抗変化に寄与せず、むしろ磁気抵抗変化率の向上を阻害する要因となっていた。これに対して、本実施形態ではアウターピンド層や反強磁性層が不要となり、寄生抵抗が減少するため、磁気抵抗変化率のさらなる向上を図れる余地が大きい。
次に、図４のフローチャート及び図５〜１３を参照して、以上説明した磁界検出素子の製造方法について説明する。図５〜１３の（ａ）は、記録媒体となるべき面に沿ったウエハの断面図、図５〜１３の（ｂ）は、記録媒体となるべき面と直交する方向に切ったウエハの断面図、図５〜１３の（ｃ）はウエハの上面図である。図５〜１３の（ｂ）の断面の位置は、各々図５〜１３の（ａ）に示している。
（ステップＳ１）まず、めっき法によって下部シールド電極層４を作成し、次に、図５に示すように、下部シールド電極層４の上に、スパッタリングによって積層体２を形成する（積層体形成ステップ）。前述のように、積層体２は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する下部磁性層６と、導電性の非磁性中間層７と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する上部磁性層８とを含んでいる。下部磁性層６と、非磁性中間層７と、上部磁性層８は、積層方向下方から積層方向上方に向かってこの順で積層体２に含まれている。積層体２にはＲｕ層からなるキャップ層９が含まれているが、成膜時には、Ｒｕ層の上にさらにキャップ層９の一部として、Ｔａ層１８（膜厚２ｎｍ）が成膜される。Ｔａ層１８は後のステップで絶縁層１５を平坦化する際に積層体２の保護膜として機能する。
（ステップＳ２）次に、積層体２を、記録媒体対向面となるべき面と直交して延びる軸を有する第１の部分を残して除去し、除去した部分を絶縁膜で埋め戻す（絶縁層形成ステップ）。具体的には、図６に示すように、Ｔａ層１８の上にレジスト１９を成膜し、所定の形状に成形した後、レジスト１９をマスクとして、記録媒体対向面となるべき面Ｓ’と直交して延びる細長い第１の部分２０を残して積層体２を除去する。レジスト１９はアンダーカットを含まない形状とすることが好ましい。図１４は、アンダーカットを含むレジストの断面図を示している。アンダーカット１９ａを含んでいると、後工程で積層体２が急峻な形状にミリングされにくくなり、図中に破線で示すように、上辺に対する下辺の比が拡大した断面を有する第１の部分２０’となりやすい。従来はリフトオフの容易さを重視してアンダーカット付きのレジストを形成することもあったが、本実施形態でこのようなアンダーカットを含まないレジスト形状を用いている。その理由は下部磁性層６と上部磁性層８とをできるだけ同一の形状とするためである。同一の形状とすれば磁気特性も同一となり、磁界検出素子としての性能上好ましい。
その後、図７に示すように、レジスト１９及び下部シールド電極層４の上にAl2O3からなる絶縁膜１５を積層する。さらに、図８に示すように、レジスト１９及び絶縁膜１５をリフトオフ法によって除去する。絶縁膜１５は、絶縁膜１５の上面と積層体２（第１の部分２０）の上面とが揃うように平坦化することが好ましい。平坦化を行う理由は、第一に、後工程で形成される上部補助シールド層３ｂを平坦に形成するためである、第二に、リフトオフの際にレジスト１９と第１の部分２０の上面との間に生じるバリを除去するためである。上述したように、レジスト１９にアンダーカット１９ａが設けられていないため、リフトオフの際に、アンダーカット１９ａを設ける場合と比べてバリが生じやすい。平坦化は、例えば化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）を用いて行うことができる。絶縁膜１５に用いられるAl2O3はＣＭＰ法との相性がよいため、絶縁膜１５は平坦に研磨される。Ｔａ層１８は硬質な材料であり、研磨の際に積層体２を保護する。
（ステップＳ３）次に、図９に示すように、絶縁膜１５及び第１の部分２０の上に、スパッタ法で上部補助シールド層３ｂを形成する。上部補助シールド層３ｂの膜厚はバイアス磁性層１３の膜厚によって定まる。なお、上部補助シールド層３ｂを形成する前にＴａ層１８をスパッタ法によって除去しておく。
（ステップＳ４）次に、上部補助シールド層３ｂ、積層体２、及び一部の下部シールド電極層４を、記録媒体対向面となるべき面と平行に延びる軸を有する第２の部分を残して除去し、除去した部分の一部をバイアス磁性層１３で埋め戻す（バイアス磁性層形成ステップ）。まず図１０に示すように、上部補助シールド層３ｂの上にレジスト３１を成膜し、所定の形状に成形する。レジスト３１はレジスト１９の場合と同様、アンダーカットを含まない形状とすることが好ましい。その理由もレジスト１９の場合と同様である。これによって、積層体２はトラック幅方向の両側と、媒体対向面Ｓの反対側の計３面が急峻な形状に形成される。次に、図１１に示すように、レジスト３１をマスクとして、記録媒体対向面となるべき面Ｓ’と平行に延びる軸を有する第２の部分２２を残して上部補助シールド層３ｂ、積層体２、及び下部シールド電極層４をミリングする。下部シールド電極層４のミリング深さはバイアス磁性層１３の膜厚によって定まる。このミリングによって、一般部４ａと下部補助シールド層４ｂとを有する下部シールド電極層４が形成される。必要に応じて下部シールド電極層４の底面までミリングすることも可能である。
その後、図１２に示すように、絶縁層１１、下地層１２、バイアス磁性層１３及びキャップ層１４を積層する（下地層１２の図示は省略）。絶縁層１１及び下地層１２はイオンビームスパッタ法で形成する。絶縁層１１は電気的な絶縁性を確保するために積層体２の側壁に確実に付着させる必要があるので、４０度程度の比較的低角度で成膜する。イオンビームスパッタ法の代わりに、低温ＣＶＤ（化学蒸着法）を用いてもよい。絶縁層１１の膜厚は５ｎｍ程度でもよいが、絶縁性を確実に確保するため７ｎｍ程度が好ましい。
本実施形態では、バイアス磁性層１３の膜厚中心高さが、上部磁性層の膜厚中心高さと下部磁性層の膜厚中心高さの中点と一致するように、バイアス磁性層１３を形成する。図１２（ｂ）に示すように、上部補助シールド層３ｂの側方におけるバイアス磁性層１３の高さは、上部補助シールド層３ｂと同じ程度に抑えておくことが好ましい。バイアス磁性層１３は後述するように一定の膜厚を確保するように形成する必要があるが、バイアス磁性層１３を上部補助シールド層３ｂの上方まで高く形成すると、上部補助シールド層３ｂとの間に段差が生じ、平坦化が難しいため、バイアス磁性層１３が非常に不安定な形状となってしまう。
キャップ層１４までの各層を積層した後は、リフトオフ法を用いてレジスト３１を除去する。レジスト３１を除去した後は、極軽いＣＭＰによってバリを取り除き、表面を平坦化しておく。
（ステップＳ５）次に、図１３に示すように、上部補助シールド層３ｂ及びキャップ層１４の上方に、上部シールド電極層３の一般部３ａを形成する。具体的には一般部３ａをめっきするための膜厚５０ｎｍ程度の電極膜（図示せず）をスパッタ法によって形成し、その上に一般部３ａをめっき法で形成する。これによって、一般部３ａと補助シールド層３ａとを有する上部シールド電極層３が形成される。
その後、書込素子を形成し、ウエハをバーに切断し、研磨によって媒体対向面を形成する。さらに、バーをスライダに分離し、洗浄、検査等の工程を経て、スライダが完成する。
次に、実施例として、従来技術のＣＰＰ素子と本発明による磁界検出素子とを比較した結果について述べる。実施例の膜構成は上記実施形態で述べた表１，２と同一とし、素子サイズは、トラック幅、ＭＲ高さとも０．０５μｍとした。表３には、比較例のＣＰＰ素子の膜構成を示す。フリー層は１層であるが、その他の膜構成はできる限り同一とした。ピンド層には界面におけるスピン依存散乱の効果を高めるためにＣｕ中間層を挿入した。膜厚はインナーピンド層で４．４ｎｍであり、フリー層とほぼ同じ膜厚としている。反強磁性膜は膜厚７ｎｍのIrMn層を用いた。シンセティックピンド層を用いているため、アウターピンド層と反強磁性膜の分だけトータルの膜厚が大きくなっている。スピンバルブ膜のトラック幅方向両側には、膜厚７ｎｍのAl2O3膜及び膜厚３ｎｍのＣｒ下地層を介して、膜厚３０ｎｍのCoPt膜を、バイアス磁性層として成膜した。
Figure 0004458302
比較例のスピンバルブ膜のトータル膜厚は３９．７ｎｍであり、実施例の磁界検出素子の膜厚に対して、２倍以上厚くなっている。従って、シールド間ギャップも実施例の磁界検出素子に対して２倍以上の大きさとなる。一方、磁気抵抗変化率は、実施例、比較例とも約５％であった。比較例では、バルク散乱効果の大きな50Co50Feを用い、かつ、界面散乱効果を高めるためにCoFe層間にＣｕ層を挿入しているが、一方で、反強磁性層、アウターピンド層の寄生抵抗が増加している。このため、双方の効果が相殺されて、結果として同程度の磁気抵抗変化率が得られたものと考えられる。
次に、上述の実施例及び比較例の電磁変換特性を比較した。測定時の印加電圧は１００ｍＶとした。素子抵抗（ＭＲＲ）は実施例で１７Ω、比較例で２２Ωであったため、センス電流は実施例で５．８８ｍＡ、比較例で４．５５ｍＡとなった。表４に、孤立波形での出力及びＰＷ５０値を示す。ＰＷ５０は再生波形の半値幅で、比較例を１としたときの相対値で示している。ＰＷ５０が小さいということはシールド間ギャップが狭いことを意味している。これより、実施例は比較例と同等の出力を確保しつつ、高線記録密度化が容易になっていることがわかる。
Figure 0004458302
次に、バイアス磁性層の膜厚と出力との関係を検討した。実施例で述べた膜構成でバイアス磁性層の膜厚を１０ｎｍから４０ｎｍまで変化させて、出力への影響を調べた。表５及び図１５に結果を示す。前述したようにバイアス磁界が不足している場合は、初期磁界状態が半平行状態に近づき、低い出力しか得られない。一方、バイアス磁界が強すぎると、初期磁界状態が平衡状態に近づき、低い出力しか得られない。本実施形態ではバイアス磁性層の膜厚は３０ｎｍ程度が最適で、シールド間ギャップ（積層体の膜厚）に対するバイアス磁性層の膜厚の比は１．５〜２の範囲が好適である。
Figure 0004458302
次に、バイアス磁性層と積層体、特にバイアス磁性層と上部及び下部磁性体の位置関係について検討した。図２Ｂにおいて、バイアス磁性層１３の積層方向における膜厚中心高さｈ２を積層体２に対して相対的に移動させた。図１６（ａ），（ｂ）は典型的な比較例を示し、各々、上部磁性層８の上端面がバイアス磁性層１３の上端面に一致する場合、及び下部磁性層６の下端面がバイアス磁性層１３の下端面に一致する場合を示している。バイアス磁性層１３の膜厚の半値をＸ、上部磁性層８の膜厚中心高さｈ８（図２Ｂ参照）と下部磁性層６の膜厚中心高さｈ６（図２Ｂ参照）の中点の位置ｈ１と、バイアス磁性層１３の膜厚中心高さｈ２との高低差（ｈ１−ｈ２）をＹとする。Ｙ／Ｘは上部磁性層８及び下部磁性層６がバイアス磁性層１３の膜厚中心に近接する程度を示す指標となる。上部磁性層８と下部磁性層６の膜厚が等しい場合は、非磁性中間層７であるＣｕ層の中心がバイアス磁性層１３の膜厚中心に一致するときに、Ｙ／Ｘが０となる。Ｃｕ層の中心がバイアス磁性層１３の端面に一致する場合にはＹ／Ｘは１または−１となる。図１６（ａ）の場合、Ｙ／Ｘは、((30nm-4.5nm-0.65nm)-15nm)/15nm=0.66、図１６（ｂ）の場合-0.66となる。
次に、Ｙ／Ｘを変化させて非対称性の標準偏差（(出力再生波形の非対称性の偏差)を求めた。非対称性の標準偏差を評価項目としたのは、本発明においてはバイアス磁性層１３からのバイアス磁界を上部磁性層８及び下部磁性層６に均等に印加することが重要なためである。非対称性の偏差が大きいということはすなわち、磁界に対する応答の非直線性が各素子でばらついていることを意味する。図１７には、２３８５０Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の外部磁界を印加して測定した出力波形の波形非対称性のばらつき（標準偏差）を示す。波形非対称性の定義は、｜マイナス磁界での出力−プラス磁界での出力の差｜/出力×１００である。Ｃｕ層の中心をバイアス磁性層１３の下端付近に位置させた方（図１６（ｂ）の場合）が、上端付近に位置させた場合（図１６（ａ）の場合）より標準偏差が増加している。従って、上部シールド電極層３の上部補助シールド層３ｂを厚くするよりは、下部シールド電極層４の下部補助シールド層４ｂを厚くする方が、すなわち下部シールド電極層４を深くミリングしたほうが相対的には良好な結果が得られる。しかし、いずれの場合もＣｕ層の中心がバイアス磁性層１３の中心からあまり離れるとバイアス磁界が２つの磁性層６，８に均等に印加されず、対称性の観点からは望ましくない。理想的にはバイアス磁性層１３の膜厚中心高さｈ２は、前述した実施形態のように、上部磁性層８の膜厚中心高さｈ８と下部磁性層６の膜厚中心高さｈ６の中点高さｈ１と一致、すなわちＹ／Ｘ＝０であることが望ましい。しかし、−０．５≦Ｙ／Ｘ≦０．５であれば比較的良好な結果が得られる。これは、図３のグラフにおいて、Ｙ／Ｘ＝±０．５が変曲点Ｄ，Ｅに対応しているためと考えられる。
以上、本発明の磁界検出素子について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものではない。一例として、各磁性層の各々が非磁性中間層を介して２つの磁性層からなる膜構成も本発明の範囲内にある。表６には、このような実施形態の積層体の膜構成の一例を示す。上部及び下部磁性層の各々は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１及び第２磁性層と、第１及び第２磁性層の間に挟まれた導電性の非磁性中間層と、を有している。積層体のトータル膜厚は２１．５ｎｍであり、シールド間ギャップの観点からは前述の実施形態と比べて若干不利になるが、従来技術に対しては十分に優位性を保つ。多層構造とすることで界面数が増加し、磁気抵抗変化率が増加する。この膜構成における磁気抵抗変化率は６％であった。この膜構成で試作したヘッドの出力は１．６ｍＶであった。磁気ヘッドの要求仕様に応じて本実施形態の磁界検出素子を使うこともできる。
Figure 0004458302
次に、上述した磁界検出素子の製造に用いられるウエハについて説明する。図１８を参照すると、ウエハ１００の上には、少なくとも前述の磁界検出素子を構成する積層体が成膜されている。ウエハ１００は、媒体対向面ＡＢＳを研磨加工する際の作業単位である、複数のバー１０１に分割される。バー１０１は、研磨加工後さらに切断されて、薄膜磁気ヘッドを含むスライダ２１０に分離される。ウエハ１００には、ウエハ１００をバー１０１に、バー１０１をスライダ２１０に切断するための切り代（図示せず）が設けられている。
図１９を参照すると、スライダ２１０は、ほぼ六面体形状をなしており、そのうちの一面はハードディスクと対向する媒体対向面ＡＢＳとなっている。
図２０を参照すると、ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１と、を備えている。サスペンション２２１は、ステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられたフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４と、を有している。フレクシャ２２３にはスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与える。フレクシャ２２３の、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。
スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように、ハードディスク装置内に配置されている。ハードディスクが図２０におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、ｙ方向下向きに揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。スライダ２１０の空気流出側の端部（図１９における左下の端部）の近傍には、磁界検出素子１が形成されている。
ヘッドジンバルアセンブリ２２０をアーム２３０に取り付けたものはヘッドアームアセンブリ２２１と呼ばれる。アーム２３０は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させる。アーム２３０の一端はベースプレート２２４に取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には軸受け部２３３が設けられている。アーム２３０は、軸受け部２３３に取り付けられた軸２３４によって回動自在に支持されている。アーム２３０及び、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータは、アクチュエータを構成する。
次に、図２１及び図２２を参照して、上述したスライダが組込まれたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。ヘッドスタックアセンブリとは、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものである。図２１はヘッドスタックアセンブリの側面図、図２２はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。各アーム２５２には、ヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１の、アーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ボイスコイルモータは、コイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。
図２２を参照すると、ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組込まれている。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置されている。スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０及びアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共に、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０はアクチュエータによって、ハードディスク２６２のトラック横断方向に動かされ、ハードディスク２６２に対して位置決めされる。スライダ２１０に含まれる磁界検出素子１は、記録ヘッドによってハードディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによってハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。
本発明の一実施形態に係る磁界検出素子の概念的斜視図である。 図１の２Ａ−２Ａ方向から見た磁界検出素子の断面図である。 図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿った磁界検出素子の断面図である。 図２Ａの２Ｃ−２Ｃ線に沿った断面図である。 図１に示す磁界検出素子の作動原理を示す概念図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するフロー図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 図１に示す磁界検出素子の製造方法を説明するステップ図である。 アンダーカットを有するレジストの断面図である。 バイアス磁性層の膜厚／シールド間ギャップ比と出力の関係を示すグラフである。 バイアス磁性層の膜厚方向高さ位置を変更した比較例の断面図である。 バイアス磁性層の膜厚方向高さ位置と出力の関係を示すグラフである。 本発明の磁界検出素子の製造に係るウエハの平面図である。 本発明のスライダの斜視図である。 本発明のスライダが組込まれたヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリの斜視図である。 本発明のスライダが組込まれたヘッドアームアセンブリの側方図である。 本発明のスライダが組込まれたハードディスク装置の平面図である。
符号の説明
１ 磁界検出素子
２ 積層体
３ 上部シールド電極層
３ａ 一般部
３ｂ 上部補助シールド層
４ 下部シールド電極層
４ａ 一般部
４ｂ 下部補助シールド層
５ バッファ層
６ 下部磁性層
７ 非磁性中間層
８ 上部磁性層
９ キャップ層
１２ 下地層
１３ バイアス磁性層
１５ 絶縁膜
１６ａ 上部段差部
１６ｂ 下部段差部
Ｐ 積層方向
Ｔ トラック幅方向

Claims (19)

  1. 外部磁界に応じて磁化方向が変化する上部及び下部磁性層と、該上部及び下部磁性層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体と、
    前記積層体の積層方向に該積層体を挟むように設けられ、該積層体の積層方向にセンス電流を供給するとともに、該積層体を磁気的にシールドする上部及び下部シールド電極層と、
    前記積層体の記録媒体対向面の反対面に設けられ、前記上部及び下部磁性層に、該記録媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁性層と、
    前記積層体のトラック幅方向の両側に設けられた絶縁膜と、
    を有し、
    前記バイアス磁性層は、前記積層体より大きくかつ前記上部シールド電極層と前記下部シールド電極層との間隔よりも大きな膜厚を有し、
    前記上部及び下部シールド電極層の少なくとも一方は、前記積層体と前記バイアス磁性層とによって形成される段差部を埋める補助シールド層を有している、
    磁界検出素子。
  2. 前記バイアス磁性層の膜厚の半値をＸ、前記上部磁性層の膜厚中心高さと前記下部磁性層の膜厚中心高さの中点の膜厚方向高さｈ１と、該バイアス磁性層の膜厚中心高さｈ２との高低差（ｈ１−ｈ２）をＹとしたときに、−０．５≦Ｙ／Ｘ≦０．５である、請求項１に記載の磁界検出素子。
  3. 前記バイアス磁性層の膜厚中心高さは、前記上部磁性層の膜厚中心高さと前記下部磁性層の膜厚中心高さの中点と一致している、請求項１に記載の磁界検出素子。
  4. 前記補助シールド層は、前記絶縁膜上を平坦に延びている、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
  5. 前記上部磁性層の磁化方向と前記下部磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていない状態で概ね直交している、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
  6. 前記非磁性中間層は銅からなり、略１．３ｎｍの膜厚を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
  7. 前記積層体と前記バイアス磁性層との間に絶縁層が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
  8. 前記上部及び下部磁性層の各々は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１及び第２磁性層と、該第１及び第２磁性層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の磁界検出素子を備えたスライダ。
  10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の磁界検出素子となるべき積層体が形成されたウエハ。
  11. 請求項９に記載のスライダと、前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、を有するヘッドジンバルアセンブリ。
  12. 請求項９に記載のスライダと、該スライダを支持するとともに、該スライダを記録媒体に対して位置決めする装置と、を有するハードディスク装置。
  13. 外部磁界に応じて磁化方向が変化する下部磁性層と、非磁性中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する上部磁性層とを積層方向下方から積層方向上方に向かってこの順で含む積層体を、下部シールド電極層の上に形成する積層体形成ステップと、
    前記積層体を、記録媒体対向面となるべき面と直交して延びる第１の部分を残して除去し、除去した部分を絶縁膜で埋め戻す絶縁層形成ステップと、
    前記絶縁膜及び前記第１の部分の上に補助シールド層を形成するステップと、
    前記補助シールド層、前記積層体、及び少なくとも一部の下部シールド電極層を、前記記録媒体対向面となるべき面と平行に延びる第２の部分を残して除去し、除去した部分の一部を前記第１の部分より厚いバイアス磁性層で埋め戻すバイアス磁性層形成ステップと、
    前記補助シールド層及び前記バイアス磁性層の上方に、前記補助シールド層と一体の上部シールド電極層を形成するステップと、
    を有する、磁界検出素子の製造方法。
  14. 前記バイアス磁性層形成ステップは、前記バイアス磁性層の膜厚の半値をＸ、前記上部磁性層の膜厚中心高さと前記下部磁性層の膜厚中心高さの中点の膜厚方向高さｈ１と、該バイアス磁性層の膜厚中心高さｈ２との高低差（ｈ１−ｈ２）をＹとしたときに、−０．５≦Ｙ／Ｘ≦０．５となるように前記バイアス磁性層を形成することを含む、請求項１３に記載の磁界検出素子の製造方法。
  15. 前記バイアス磁性層形成ステップは、前記バイアス磁性層の膜厚中心高さが、前記上部磁性層の膜厚中心高さと前記下部磁性層の膜厚中心高さの中点と一致しているように、前記バイアス磁性層を形成することを含む、請求項１３に記載の磁界検出素子の製造方法。
  16. 前記絶縁層形成ステップは、
    前記積層体の上にアンダーカットを含まないレジストを設けることと、
    前記レジストをマスクとして、前記積層体を前記第１の部分を残して除去することと、
    前記積層体を前記第１の部分を残して除去した後に前記レジストを除去することと、
    を含む、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の磁界検出素子の製造方法。
  17. 前記バイアス磁性層形成ステップは、
    前記補助シールド層の上にアンダーカットを含まないレジストを設けることと、
    前記レジストをマスクとして、前記補助シールド層、前記積層体、及び前記少なくとも一部の下部シールド電極層を前記第２の部分を残して除去することと、
    前記補助シールド層、前記積層体、及び前記少なくとも一部の下部シールド電極層を前記第２の部分を残して除去した後に前記レジストを除去することと、
    を含む、請求項１３から１６のいずれか１項に記載の磁界検出素子の製造方法。
  18. 前記絶縁層形成ステップは、埋め戻した前記絶縁膜の上面と前記積層体の上面とが揃うように、該絶縁膜を平坦化することを含む、請求項１３から１７のいずれか１項に記載の磁界検出素子の製造方法。
  19. 前記積層体形成ステップは、前記上部磁性層の上方にＴａ層を設けることを含む、請求項１８に記載の磁界検出素子の製造方法。
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