JP4818720B2 - Ｃｐｐ−ｇｍｒデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、膜面に対して垂直な方向に電流が流れることにより磁気抵抗効果を示すＣＰＰ−ＧＭＲデバイスおよびその製造方法に関する。
現在、一般的に使用されている磁気再生ヘッドは、磁界の存在中における磁性材料の抵抗変化（すなわち磁気抵抗効果［Magneto-resistance］による電気抵抗の変化）を利用することにより、その動作を制御するものである。磁気抵抗効果は、スピンバルブ（Spin Valve；ＳＶ）構造をなすことによって著しく高めることができる。なかでも高記録密度化した記録媒体の読出を行う場合には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnero-Resistance）型のＳＶ構造を有する磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子という。）を備えた磁気再生ヘッド（以下、ＧＭＲヘッドという。）が好適である。この巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）とは、磁化された固体中を電子が通過する際に、電子のスピン方向によって規定される磁化ベクトルと周囲の環境における磁化方向との関係により、抵抗値が変動する現象である。
ＧＭＲ素子を備えた初期のＧＭＲヘッドは、ＣＩＰ（Current flowing in the plane）型と言われる構造を有するものである。このＣＩＰ型のＧＭＲヘッドにおいては、ＧＭＲ素子の両側に配置したリード層によって、主にフリー層を面内方向に流れるようにＧＭＲ素子にセンス電流が供給される。ＣＩＰ型のＧＭＲヘッドにおけるＧＭＲ素子は、一般的に複数の導電性薄膜からなる積層構造をなしているが、その積層構造には、磁気的な作用を持たず抵抗変化の供給において全く機能しない導電層が含まれている。そのため、センシング電流の一部が分岐し、ＧＭＲ素子における検出動作が行われない部分を通過することとなるので、ＧＭＲ素子全体としての感度が低下してしまう。
このような分岐の問題を回避するため、ＣＰＰ（Current flowing perpendicular to the plane）構造を有するＧＭＲヘッド（ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド）が開発された。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、積層体からなるセンサ部分としてのＧＭＲ素子を上下方向（積層方向）に挟むように上部導電層および下部導電層が設けられ、ＧＭＲ素子に対して、その積層に（膜面と直交する方向に）センス電流が流れるようになっている。
図４に、従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの主要部を示す。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、ＧＭＲ素子１０１が下部リード層１１０と上部リード層１１８との間に挟まれるように設けられている。下部リード層１１０および上部リード層１１８は、ＧＭＲ素子１０１にセンス電流を供給する電流経路である。ＧＭＲ素子１０１は導電性材料により全てが構成されており、具体的には下部リード層１１０の側から、シード層１１１と、反強磁性層（ピンニング層）１１２と、磁化固着構造（ピンド層）１３０と、非磁性介在層（スペーサ層）１１６と、磁化自由層（フリー層）１１７とが順に積層されたものである。ピンニング層１１２は、ピンド層１３１の磁化方向を規定（固着）するように作用する。ピンド層１３１は、シンセティック反強磁性ピンド構造をなしている。すなわち、互いに逆平行（反対向きの）磁化を示す２つの磁化固着層１１３，１１５と、それらに挟まれた結合層１１４とを有している。ピンド層１３０の上に形成されたスペーサ層１１６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性導電性材料により構成される。さらに、フリー層１１７は、低保磁力を示す強磁性材料により形成されている。このフリー層１１７と上部リード層１１８との間に、一般的にはキャップ層（図示せず）が設けられている。
ＧＭＲ素子１０１が外部磁場に晒されると、その（外部磁場の）付与される方向に応じてフリー層１１７の磁化方向が自由に回転するようになっている。外部磁場が取り除かれると、フリー層１１７の磁化方向は最小のエネルギー状態に対応する方向に向くようになる。最小のエネルギー状態は、結晶構造や、形状異方性、電流磁場、結合場および反磁場などによって決まるものである。仮に、磁化固着層１１５の磁化方向がフリー層１１７の磁化方向と平行である場合には、伝導電子が、あまり散乱を受けることなくフリー層１１７とピンド層１３０とを通過することができる。よって、抵抗値は比較的低くなる。しかしながら、磁化固着層１１５の磁化方向がフリー層１１７の磁化方向と逆平行である場合には、伝導電子が多くの散乱を受けながらフリー層１１７とピンド層１３０とを通過することとなり、抵抗値が比較的高くなる。このような磁化方向の状態に基づく抵抗値の変化により、スピンバルブ構造のＧＭＲ素子では、一般的に８％〜２０％の抵抗変化率を示す。このようなＧＭＲ素子を有するＣＰＰ−ＧＭＲヘッドであれば、１平方インチあたり１００ギガビットを超える記録密度を有する磁気メディアにも対応して、その磁気情報を読み出すことが期待できる。
上記のようなＧＭＲ構造に関連する従来技術としては、例えば以下のものがある。
ところで、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、下部シールド層としてニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）が採用されている。例えばボトムスピンバルブ構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの場合には、ＮｉＦｅからなる下部シールド層の上に反強磁性材料からなるピンニング層が設けられることとなる。ここで、ピンニング層を下部シールド層の上に直接形成するようにすると、ピンニング層は秩序構造（ordered structure）を有するＮｉＦｅにより結晶学的な影響を受け、自らの磁気特性が劣化するおそれが生ずる。
このため、一般的には下部シールド層とピンニング層との間にシード層を介在させるようにしている。例えばFreitag等は、ＰｔＭｎ層の下地として、ルテニウム（Ｒｕ）／シリコン（Ｓｉ）や、ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）からなるシード層を提案している（上記特許文献１参照）。また、本発明の出願人は、タンタル（Ｔａ）やニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるシード層について先に開示している（特許文献２参照）。なお、ＮｉＦｅＣｒやタンタルからなるシード層については、Heinonen等も開示している（特許文献３参照）。さらに、Heijden等は、銅（Ｃｕ）からなるシード層を提案している（特許文献４参照）。
ところが最近では高密度記録化が著しく進んでおり、磁気記録媒体のトラック幅が縮小すると共に磁気記録媒体からの信号磁界がますます微弱化している。このため、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイスに対し、その寸法の縮小化と共に高い検出感度および高い動作安定性を有することが求められるようになってきている。しかしながら、上記の各特許文献に開示された構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲデバイスでは、今後、上記のような要求に十分に応えることができなくなるおそれがある。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高密度記録化に対応しつつ、より安定した再生動作を行うことのできるＣＰＰ−ＧＭＲデバイスおよびその製造方法を提供することにある。
本発明における第１のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法は、基体上に、２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム層とを順に積層することによりシード層を形成する工程と、その上にＩｒＭｎからなるピンニング層を形成する工程と、その上にピンド層を形成する工程と、その上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、その上にフリー層を形成する工程と、その上に銅層とルテニウム層とタンタル層とルテニウム層とを順に積層し３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みをなすようにキャップ層を形成する工程を含むようにしたものである。
本発明における第１のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法では、基体上にタンタル層とルテニウム層とを積層したのちピンニング層を形成するようにしたので、基体の結晶構造に起因する結晶学的な影響がタンタル層によって打ち消されると共に、ピンニング層の結晶成長に適した下地がルテニウム層によって形成される。
本発明における第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法は、基体上に、２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する銅層とを順に積層することによりシード層を形成する工程と、その上にＩｒＭｎからなるピンニング層を形成する工程と、その上にピンド層を形成する工程と、その上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、その上にフリー層を形成する工程と、その上に銅層とルテニウム層とタンタル層とルテニウム層とを順に積層し３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みをなすようにキャップ層を形成する工程とを含むようにしたものである。
本発明における第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法では、基体上にタンタル層と銅層とを積層したのちピンニング層を形成するようにしたので、基体の結晶構造に起因する結晶学的な影響がタンタル層によって打ち消されると共に、ピンニング層の結晶成長に適した下地が銅層によって形成される。
本発明における第１および第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法では、５．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下の厚みをなすようにピンニング層を形成することが望ましい。また、ピンド層を形成する工程では、ピンニング層の上に、ＦｅXＣｏ1-X（０．２≦Ｘ≦０．３）を含む第１の強磁性層を２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、この第１の強磁性層の上に結合層を０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、さらにこの結合層の上に、第１の強磁性層における磁化方向と逆平行の磁化方向を有する第２の強磁性層を２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成するようにするとよい。なお、第１の強磁性層については、ピンニング層の上に、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1からなり０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第１のコバルト鉄合金層と、Ｆｅ0.7Ｃｏ0.3からなり０．６ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす鉄コバルト合金層と、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1からなり０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２のコバルト鉄合金層とを順に有し、全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成してもよい。
本発明における第１および第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法では、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層との積層構造をなし、かつ、全体として３．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みとなるようにフリー層を形成するようにするとよい。さらに、基体として下部リード層を用いるようにするとよい。
本発明における第１のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスは、基体上に、１．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム層とが順に積層されてなるシード層と、ＩｒＭｎからなるピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層と、銅層とルテニウム層とタンタル層とルテニウム層との積層構造を有すると共に３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みを有するキャップ層とを順に含むようにしたものである。
本発明における第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスは、基体上に、２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する銅層とが順に積層されてなるシード層と、ＩｒＭｎからなるピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層と、銅層とルテニウム層とタンタル層とルテニウム層との積層構造を有すると共に３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みを有するキャップ層とを順に含むようにしたものである。
本発明における第１および第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスでは、基体上に、タンタル層とルテニウム層または銅層との積層体であるシード層を介してピンニング層を設けるようにしたので、基体の結晶構造に起因する結晶学的な影響がタンタル層によって打ち消されると共に、ルテニウム層または銅層によってピンニング層の結晶構造が改善され、安定した磁気特性が発揮される。
本発明における第１および第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法によれば、基体上にタンタル層とルテニウム層または銅層とを積層したのちピンニング層を形成するようにしたので、基体の結晶構造に起因する結晶学的な影響を受けることなくピンニング層の良好な結晶成長を促すことができる。これにより、ピンド層の磁化方向が十分に安定化され、読出動作のエラーの発生が低減されたＣＰＰ−ＧＭＲデバイスを容易に得ることができる。
本発明の第１および第２のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスによれば、基体上に、タンタル層とルテニウム層または銅層とが積層されたシード層を介してピンニング層を設けるようにしたので、基体の結晶構造に起因する結晶学的な影響を打ち消しつつ、ピンニング層の結晶構造を改善することができる。これにより、ピンド層の磁化方向を十分に安定化し、読出動作におけるエラーの発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
最初に、図１を参照して、本発明における第１の実施の形態としてのＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの構成について以下に説明する。本実施の形態のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、例えばハードディスク装置などに搭載され、磁気記録媒体（ハードディスク）に記録された磁気情報を磁気抵抗効果を利用して読み出す磁気デバイスとして使用されるものである。
最初に、図１を参照して、本発明における第１の実施の形態としてのＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの構成について以下に説明する。本実施の形態のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、例えばハードディスク装置などに搭載され、磁気記録媒体（ハードディスク）に記録された磁気情報を磁気抵抗効果を利用して読み出す磁気デバイスとして使用されるものである。
図１は、本実施の形態のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおける断面構成を表している。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、積層方向（積層面と直交する方向）にセンス電流が流れるように構成されたＧＭＲ素子１を有している。ＧＭＲ素子１は、電流経路としての下部リード層１０と上部リード層１９との間に挟まれるように配置されており、これら下部リード層１０および上部リード層１９を介してＧＭＲ素子１にセンス電流が供給されるようになっている。詳細には、ＧＭＲ素子１は、下部リード層１０の側からシード層２０と、反強磁性層（ピンニング層）１２と、シンセティック反強磁性ピンド（ＳｙＡＰ：）層３０と、非磁性スペーサ層１６と、磁化自由層（磁化フリー層）１７と、キャップ層１８とが順に積層された構成となっている。
本実施の形態の最も特徴的な部分であるシード層２０は、タンタル（Ｔａ）層２１とルテニウム（Ｒｕ）層２２とが下部リード層１０の側から順に積層された２層構造をなしている。タンタル層２１は例えば２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下（２０Å以上７０Å以下）の厚みを有し、ルテニウム層２２は例えば１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下（１０Å以上５０Å以下）の厚みを有している。タンタル層２１は、下部リード層１０を構成するＮｉＦｅの秩序構造がピンニング層１２の結晶構造へ悪影響を及ぼすのを抑制するように作用する。一方で、ルテニウム層２２と同様に、自らの上に形成されるピンニング層１２の結晶成長に適した下地として機能する。なおルテニウム層２２は、ピンニング層１２などの発現する磁気特性に影響を与えるものではない。
ピンニング層１２は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの安定した反強磁性を示す材料からなり、例えば５．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下（５０Å以上１００Å以下）の厚みを有している。ピンニング層１２は、ＳｙＡＰ層３０の磁化方向を固着するように作用する。
ＳｙＡＰ層３０は、互いに逆平行（反対向きの）磁化を示す第１および第２の強磁性層１３，１５と、それらに挟まれたルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性材料からなるの結合層１４とを有している。このような第１および第２の強磁性層１３，１５における互いに逆平行をなす磁化方向は、適切な大きさおよび方向を有する磁場中でアニール処理を行うことによって設定することができる。ピンニング層１２の上に設けられた第１の強磁性層１３は、例えば鉄含有率が２０ａｔ％以上３０ａｔ％以下の鉄コバルト合金（ＦｅXＣｏ1-X，０．２≦Ｘ≦０．３）からなり、例えば２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みをなしている。また、第１の強磁性層１３の上に設けられた結合層１４は、例えば０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなしている。さらに、結合層１４の上に設けられた第２の強磁性層１５は、例えば２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みをなしている。なお、第１の強磁性層１３については、鉄含有率が１０ａｔ％のコバルト鉄合金（Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1）からなり０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第１のコバルト鉄合金層と、鉄含有率が７０ａｔ％の鉄コバルト合金（Ｆｅ0.7Ｃｏ0.3）からなり０．６ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす鉄コバルト合金層と、鉄含有率が１０ａｔ％のコバルト鉄合金（Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1）からなり０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２のコバルト鉄合金層とが順に積層された構造を有し、全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するものとしてもよい。
非磁性スペーサ層１６は、例えば、Ｃｕ１／ＡｌＣｕ／ＯＸ／Ｃｕ２／ＮＯＬといった積層構造を有している。ここで、Ｃｕ１は第１の銅層を表しており、例えば０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するものである。ＡｌＣｕはアルミニウム銅合金層を表し、例えば０．４ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の厚みを有している。ＯＸは、ＡｌＣｕ層の表面をプラズマエッチングしたのち酸化処理を行うことにより得られる酸化層である。さらに、Ｃｕ２は第２の銅層を表しており、例えば０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有している。ＮＯＬは、ナノ酸化膜である。
磁化フリー層１７は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層とニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層との２層構造「ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ」となっており、例えば３．０ｎｍ以上７．０ｎｍ（３０Å以上７０Å以下）の厚みを有している。
キャップ層１８は、例えば「Ｃｕ／Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ」といったような銅層、ルテニウム層およびタンタル層を含む積層体であり、例えば３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ（３５Å以上１７０Å以下）の厚みを有している。
続いて、図１を参照して、ＧＭＲ素子１を備えたＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの製造方法について説明する。
本実施の形態におけるＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの製造方法では、まず、図示しない基板上に設けられた下部リード層１０を用意する。次いで、下部リード層１０上に、シード層２０、ピンニング層１２、ＳｙＡＰ層３０、非磁性スペーサ層１６、磁化フリー層１７およびキャップ層１８を順に形成する。
シード層２０を形成する工程では、下部リード層１０上に、例えば２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム層とを順に積層する。ピンニング層１２については、例えば５．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下の厚みをなすように形成する。ＳｙＡＰ層３０については、ピンニング層１２の上に、ＦｅXＣｏ1-X（０．２≦Ｘ≦０．３）を含む第１の強磁性層１３を、例えば２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成したのち、第１の強磁性層１３の上に結合層１４を例えば０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成し、さらに結合層１４の上に、第１の強磁性層１３における磁化方向と逆平行の磁化方向を有する第２の強磁性層１５を、例えば２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成することとする。第１および第２の強磁性層１３，１５における各々の磁化方向については、適切な大きさおよび方向を有する磁場中でアニール処理を行うことによって設定する。ここで第１の強磁性層１３については、特に、Ｆｅ0.25Ｃｏ0.75によって構成することが望ましい。あるいは、ピンニング層１２の上に、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1からなり０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第１のコバルト鉄合金層と、Ｆｅ0.7Ｃｏ0.3からなり０．６ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす鉄コバルト合金層と、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1からなり０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２のコバルト鉄合金層とを順に積層することにより、全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層１３を形成するようにしてもよい。
非磁性スペーサ層１６については、例えば、第１の銅層（Ｃｕ１）と、ＡｌＣｕ層と、酸化層（ＯＸ）と、第２の銅層（Ｃｕ２）と、ＮＯＬとを順に形成するようにする。ＯＸについては、ＡｌＣｕ層の表面をプラズマエッチングしたのち酸化処理を行うことにより得るようにする。プラズマエッチングについては、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス流量を５０sccmとし、２０Ｗのエネルギービームを３５秒間に亘って照射することにより行う。一方、酸化処理については、５０sccmのアルゴンガスに１sccmの酸素ガスを混合した雰囲気下で２７Ｗのエネルギービームを３０秒間に亘って照射するようにする。
磁化フリー層１７については、例えばＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層とを順に積層し、例えば３．０ｎｍ以上７．０ｎｍの厚みをなすようにする。さらに、キャップ層１８については、例えば磁化フリー層１７の上に、銅層、ルテニウム層、タンタル層、ルテニウム層を順に積層し、例えば３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍの厚みとなるようにする。
最後に、キャップ層１８の上に上部リード層１９を形成することにより、ＧＭＲ素子１を備えたＣＰＰ−ＧＭＲデバイスが完成する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、下部リード層１０の上に、タンタル層２１とルテニウム層２２とが順に積層されてなる２層構造のシード層２０を設けるようにしたので、下部リード層１０を構成するＮｉＦｅに起因する結晶学的な影響を打ち消しつつ、ピンニング層１２の結晶構造を改善することができる。これによりピンニング層１２による安定したピンニング磁界がＳｙＡＰ層３０に付与されのでＳｙＡＰ層３０の磁化方向も十分に安定化する。この結果、読出動作におけるエラー発生を抑制することができる。
［第２の実施の形態］
続いて、本発明における第２の実施の形態としてのＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの構成について以下に説明する。
続いて、本発明における第２の実施の形態としてのＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの構成について以下に説明する。
本実施の形態のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドのＧＭＲ素子２を備えたものである。ＧＭＲ素子２は、上記第１の実施の形態におけるＧＭＲ素子１のシード層２０を、以下に述べる構成のシード層４０に置き換えたものであり、それ以外の構成要素についてはＧＭＲ素子１と全く同様である。したがって、以下では、主にシード層４０に関する説明を記載し、他の同様の構成要素についての説明は省略する。
本実施の形態の最も特徴的な部分であるシード層４０は、タンタル層２１と銅（Ｃｕ）層３１とが下部リード層１０の側から順に積層された２層構造をなしている。タンタル層２１は例えば２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有し、銅層３１は例えば１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有している。タンタル層２１は、下部リード層１０を構成するＮｉＦｅの秩序構造がピンニング層１２の結晶構造へ悪影響を及ぼすのを抑制するように作用する。一方で、銅層３１はルテニウム層２２と同様に、自らの上に形成されるピンニング層１２の結晶成長に適した下地として機能する。なお銅層３１は、ピンニング層１２などの発現する磁気特性に影響を与えるものではない。
このように本実施の形態では、下部リード層１０の上に、タンタル層２１と銅層３１とが順に積層されてなる２層構造のシード層４０を設けるようにしたので、下部リード層１０を構成するＮｉＦｅに起因する結晶学的な影響を打ち消しつつ、ピンニング層１２の結晶構造を改善することができる。これによりピンニング層１２による安定したピンニング磁界がＳｙＡＰ層３０に付与されのでＳｙＡＰ層３０の磁化方向も十分に安定化する。この結果、読出動作におけるエラー発生を抑制することができる。
本発明の実施例について以下に説明する。
ここでは、比較例としてのＧＭＲ素子であるサンプルＡと、図１に示したＧＭＲ素子１に対応する実施例としてのサンプルＢ，Ｃと、図２に示したＧＭＲ素子２に対応する実施例としてのサンプルＤをそれぞれ作製し、評価実験を行った。各サンプルの積層構造の詳細は、表１に示したとおりである。
表１では、シード層、ピンニング層、ピンド層、非磁性スペーサ層、磁化フリー層およびキャップ層の各層について構成材料および厚み（単位：ｎｍ）を明記した。サンプルＡ〜Ｄにおける相違点は主にシード層にあり、サンプルＡではＴａ層とＮｉＣｒ層との２層構造としたのに対し、サンプルＢ，ＣではＴａ層とＲｕ層との２層構造とし、サンプルＤではＴａ層とＣｕ層との２層構造とした。サンプルＢとサンプルＣとはピンド層の厚みが異なっている。
また、評価項目についてはＧＭＲ比［％］、面積抵抗Ｒ・Ａ（単位面積あたりの抵抗値ＲとＧＭＲ素子の形成面積Ａとの積）［Ω・μｍ2］および相対ピンニング強度Ｒｈin［％］とした。それらの結果をまとめて表２に示す。
相対ピンニング強度Ｒｈin［％］は、本発明のシード層がＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの特性に与える影響を明らかにする上で最も理解しやすい指標である。相対ピンニング強度Ｒｈin［％］の数値は、例えば図３から求めることができる。図３は、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを駆動する際のスイッチング磁場Ｈと、そのスイッチング磁場Ｈが付与された際の磁気抵抗効果によって生ずる電気抵抗変化ＭＲ（以下、単にと抵抗変化ＭＲとする。）の関係を示したものである。図３では、スイッチング磁場Ｈ［×（２５０／π）Ａ／ｍ］を横軸とし、抵抗変化ＭＲを縦軸としている。ただし、縦軸は、抵抗変化ＭＲの最大値ＭＲmaxを１として規格化した数値を示す。図３に示したように、最大値ＭＲmaxは、非常に低いスイッチング磁場Ｈの領域において現れる。抵抗変化ＭＲは、スイッチング磁場Ｈが６００×（２５０／π）Ａ／ｍまでの領域では一定値（すなわち、最大値ＭＲmax）を示し（直線部分４１）、６００×（２５０／π）Ａ／ｍを超えると徐々に減少することとなる（曲線部分４２）。相対ピンニング強度Ｒｈin［％］は、１０００×（２５０／π）Ａ／ｍにおける抵抗変化ＭＲ1000の、最大値ＭＲmaxに対する割合として定義される。
表２の結果から、本発明のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドに対応するサンプルＢ〜Ｄにおいては、０．４Ω・μｍ2未満の面積抵抗であれば５％程度のＧＭＲ比を確保しつつ、比較例としてのサンプルＡよりも高い相対ピンニング強度Ｒｈinが得られることがわかる。すなわち、比較例（サンプルＡ）におけるＴａ／ＮｉＣｒからなるシード層をＴａ／ＲｕやＴａ／Ｃｕに置き換えることによって、ＧＭＲ比や面積抵抗ＲＡを維持しつつ相対ピンニング強度Ｒｈinが向上することが確認された。相対ピンニング強度Ｒｈinの向上は、ピンニング層によるピンニング強度が十分に向上していることを裏付ける結果である。これにより、ピンド層の磁化方向が安定化し、読出動作におけるエラー発生を抑制することができる。
以上、実施の形態および実施例（以下、実施の形態等という。）を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。本発明の範囲と一致する限り、製造方法、材料、構造および寸法などについての修正および変更がなされてもよい。
１，２…ＧＭＲ素子、１０…下部リード層、１２…反強磁性層（ピンニング層）、１３…第１の強磁性層、１４…結合層、１５…第２の強磁性層、１６…非磁性スペーサ層、１７…磁化フリー層、１８…キャップ層、１９…上部リード層、２０，４０…シード層、２１…タンタル層、２２…ルテニウム層、３０…ＳｙＡＰ層、３１…銅層。
Claims (9)
- 基体上に、２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム（Ｒｕ）層とを順に積層することによりシード層を形成する工程と、
前記ルテニウム（Ｒｕ）層の上に、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなるピンニング層を形成する工程と、
前記ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、
前記ピンド層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、
前記非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程と、
前記フリー層の上に、銅（Ｃｕ）層と、ルテニウム（Ｒｕ）層と、タンタル（Ｔａ）層と、ルテニウム（Ｒｕ）層とを順に積層し、３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みをなすようにキャップ層を形成する工程と
を含むことを特徴とするＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - 基体上に、２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とを順に積層することによりシード層を形成する工程と、
前記銅（Ｃｕ）層の上に、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなるピンニング層を形成する工程と、
前記ピンニング層の上にピンド層を形成する工程と、
前記ピンド層の上に非磁性スペーサ層を形成する工程と、
前記非磁性スペーサ層の上にフリー層を形成する工程と、
前記フリー層の上に、銅（Ｃｕ）層と、ルテニウム（Ｒｕ）層と、タンタル（Ｔａ）層と、ルテニウム（Ｒｕ）層とを順に積層し、３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みをなすようにキャップ層を形成する工程と
を含むことを特徴とするＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - ５．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下の厚みをなすように前記ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - 前記ピンド層を形成する工程では、
前記ピンニング層の上に、鉄含有率が２０原子パーセント以上３０原子パーセント以下の鉄コバルト合金（ＦｅXＣｏ1-X，０．２≦Ｘ≦０．３）を含む第１の強磁性層を２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と、
前記第１の強磁性層の上に結合層を０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と、
前記結合層の上に、前記第１の強磁性層における磁化方向と逆平行の磁化方向を有する第２の強磁性層を２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と
を含むようにする
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - 前記ピンド層を形成する工程では、
前記ピンニング層の上に、鉄含有率が１０原子パーセントのコバルト鉄合金（Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1）からなり０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第１のコバルト鉄合金層と、鉄含有率が７０原子パーセントの鉄コバルト合金（Ｆｅ0.7Ｃｏ0.3）からなり０．６ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす鉄コバルト合金層と、鉄含有率が１０原子パーセントのコバルト鉄合金（Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1）からなり０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２のコバルト鉄合金層とを順に有する第１の強磁性層を、全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と、
前記第１の強磁性層の上に結合層を０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と、
前記結合層の上に、前記第１の強磁性層における磁化方向と逆平行の磁化方向を有する第２の強磁性層を２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する工程と
を含むようにする
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層とニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層との積層構造をなし、かつ、全体として３．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - 前記基体として下部リード層を用いる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＰＰ−ＧＭＲデバイスの製造方法。 - 基体上に２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム（Ｒｕ）層とが順に積層されてなるシード層と、
前記ルテニウム（Ｒｕ）層の上に設けられた、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなるピンニング層と、
前記ピンニング層の上に設けられたピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられた非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に設けられたフリー層と、
前記フリー層の上に設けられ、銅（Ｃｕ）層とルテニウム（Ｒｕ）層とタンタル（Ｔａ）層とルテニウム（Ｒｕ）層との積層構造を有すると共に３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みを有するキャップ層と
を含むことを特徴とするＣＰＰ−ＧＭＲデバイス。 - 基体上に２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とが順に積層されてなるシード層と、
前記銅（Ｃｕ）層の上に設けられた、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなるピンニング層と、
前記ピンニング層の上に設けられたピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられた非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に設けられたフリー層と、
前記フリー層の上に設けられ、銅（Ｃｕ）層とルテニウム（Ｒｕ）層とタンタル（Ｔａ）層とルテニウム（Ｒｕ）層との積層構造を有すると共に３．５ｎｍ以上１７．０ｎｍ以下の厚みを有するキャップ層と
を含むことを特徴とするＣＰＰ−ＧＭＲデバイス。
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