JP5259909B2 - ボトムスピンバルブ型センサおよび対称性デュアルスピンバルブ型センサならびにそれらの形成方法 - Google Patents
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Description
「NiCr(40%)6/MnPt10/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe2/Cu1.8/OSL/CoFeB0.5/NiFe2/Ru1/Ta1」
上記の構成において、(40%)を除く数字は、各層の厚み(単位はナノメータ;nm)を表したものである。詳細には、クロム含有率40at%の「NiCr」はシード層であり、「MnPt」は反強磁性ピンニング層であり、「CoFe/Ru/CoFe」はシンセティック反強磁性ピンド層(SyAP層)であり、「Cu」はスペーサ層であり、「OSL」は酸素界面活性層であり、「CoFeB/NiFe」は酸素界面活性層の表面に形成され、積層構造からなるフリー層であり、「Ru/Ta」は、保護層である。OSLは、銅(Cu)からなるスペーサ層を隔離されたチャンバ内で低圧の酸素に晒すことにより、そのスペーサ層表面に形成される補助的な酸素層(sub−monolayer)である。このようなボトムスピンバルブ型センサでは、抵抗変化率DR/Rが12.7%を示し、シート抵抗が19.6を示す。
ボトムスピンバルブ型センサおよび対称性デュアルスピンバルブ型センサならびにそれらの形成方法を提供することにある。
本発明の第1の実施の形態として、極薄のシード層を有するGMR(を利用した)ボトムスピンバルブ型センサについて説明する。この磁気センサは、例えば、9.3×104Gbit/m2(60Gbit/inch2)の面記録密度の磁気情報を読み出すことが可能なものである。
さらに、本発明の第2の実施の形態として、極薄のシード層を有する対称性デュアルスピンバルブGMRセンサについて説明する。この磁気センサは、非常に薄く、高い感度と、高いSN比とを有するものである。
(比較例1−1) NiCr(40%)6/MnPt10/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe2/Cu1.8/OSL/CoFeB0.5/NiFe2/Ru1/Ta1
(実施例1−1) NiCr(31%)3/MnPt10/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe2/Cu1.8/OSL/CoFeB0.5/NiFe2/Ru1/Ta1
(比較例1−2) NiCr(40%)5.5/MnPt10/CoFe1.3/Ru0.75/CoFe1.5/Cu1.8/OSL/CoFe1.8/Cu0.5/Ta1
(実施例1−2) NiCr(31%)3/MnPt10/CoFe1.3/Ru0.75/CoFe1.5/Cu1.8/OSL/CoFe1.8/Cu0.5/Ta1
上記4つの構成をなす各サンプルに対し、ピンニング層の磁化方向を固定するために(1/4π)×107A/m(=10,000Oe)の大きさの横バイアス磁界を280℃の雰囲気中で5時間に亘って印加したのち、それらのシート抵抗Rs,抵抗変化率DR/Rおよび抵抗変化量Rを測定した。これらの数値を表1に示す。
(実施例2−1) NiCr(31%)3/MnPt8/CoFe1.3/Ru0.75/CoFe1.5/Cu1.9/OSL/CoFe0.5/NiFe1.5/CoFe0.5/Cu1.8/OSL/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe1.3/MnPt7/Ta2
(実施例2−2) NiCr(31%)3/MnPt8/CoFe1.3/Ru0.75/CoFe1.5/Cu1.9/OSL/CoFe1.8/Cu1.8/OSL/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe1.3/MnPt7/Ta2
(実施例2−3) NiCr(31%)3/MnPt8/CoFe1.3/Ru0.75/CoFe1.5/Cu1.9/OSL/CoFe0.5/NiFe1.5/CoFe0.3/Cu1.8/OSL/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe1.3/MnPt7/Ta2
(実施例2−4) NiCr(31%)3/MnPt8/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe1.3/Cu1.9/OSL/CoFe0.5/NiFe1.5/CoFe0.3/Cu1.8/OSL/CoFe1.5/Ru0.75/CoFe1.3/MnPt7/Ta2
Claims (36)
- 基体と、
31%(原子パーセント)のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記基体上に形成された2.5nm以上3.5nm以下の厚みを有するシード層と、
このシード層の上に形成されたマンガン白金合金(MnPt)からなる反強磁性ピンニング層と、
この反強磁性ピンニング層の上に形成され、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第1の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第2の強磁性層とを順に有するシンセティック反強磁性ピンド層と、
このシンセティック反強磁性ピンド層の上に形成され、前記シンセティック反強磁性ピンド層と接する面と反対側の面に酸素原子が1層吸着されてなる酸素単原子層を有する非磁性スペーサ層と、
前記酸素単原子層の上に形成された強磁性フリー層と、
この強磁性フリー層の上に形成されたキャップ層と
を備えていることを特徴とするボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記反強磁性ピンニング層は、6.0nm以上10.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項1に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記第1の強磁性層は1.3nmの厚みを有し、
前記結合層は0.75nmの厚みを有し、
前記第2の強磁性層は1.5nmの厚みを有する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記非磁性スペーサ層は、銅(Cu)からなり、1.5nm以上2.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項3に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記強磁性フリー層は、
0.5nm以上1.5nm以下の厚みを有するコバルト鉄合金(CoFe)層と、1.5nm以上3.0nm以下の厚みを有するニッケル鉄合金(NiFe)層とが順に積層された2層構造をなしている
ことを特徴とする請求項4に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記キャップ層は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有するルテニウム(Ru)層と、1.0nm以上3.0nm以下の厚みを有するタンタル(Ta)層とが順に積層された2層構造をなしている
ことを特徴とする請求項5に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記強磁性フリー層は、
1.5nm以上2.5nm以下の厚みを有するコバルト鉄合金(CoFe)層と、0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有する銅(Cu)層とからなる2層構造をなしている
ことを特徴とする請求項4に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 前記キャップ層は、タンタル(Ta)からなり、1.0nm以上3.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項7に記載のボトムスピンバルブ型センサ。 - 基体と、
31%(原子パーセント)のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記基体上に形成された2.5nm以上3.5nm以下の厚みを有するシード層と、
このシード層の上に形成されたマンガン白金合金(MnPt)からなる第1の反強磁性ピンニング層と、
この第1の反強磁性ピンニング層の上に形成され、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第1の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる第1の結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第2の強磁性層とを順に有する第1のシンセティック反強磁性ピンド層と、
この第1のシンセティック反強磁性ピンド層の上に形成され、前記第1のシンセティック反強磁性ピンド層と接する面と反対側の面に酸素原子が1層吸着されてなる第1の酸素単原子層を有する第1の非磁性スペーサ層と、
前記第1の酸素単原子層の上に形成された強磁性フリー層と、
この強磁性フリー層の上に形成され、前記強磁性フリー層と接する面と反対側の面に酸素原子が1層吸着されてなる第2の酸素単原子層を有する第2の非磁性スペーサ層と、
前記第2の酸素単原子層の上に形成され、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第3の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる第2の結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第4の強磁性層とを順に有する第2のシンセティック反強磁性ピンド層と、
この第2のシンセティック反強磁性ピンド層の上に形成されたマンガン白金合金(MnPt)からなる第2の反強磁性ピンニング層と、
この第2の反強磁性ピンニング層の上に形成されたキャップ層と
を備えていることを特徴とする対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第1の反強磁性ピンニング層は、8.0nm以上10.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項9に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第1の強磁性層は1.0nm以上1.5nm以下の厚みを有し、
前記第1の結合層は0.75nmの厚みを有し、
前記第2の強磁性層は1.2nm以上2.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項9または請求項10に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第1の非磁性スペーサ層は、銅(Cu)からなり、1.5nm以上2.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項11に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記強磁性フリー層は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有する第1のコバルト鉄合金(CoFe)層と、1.0nm以上2.0nm以下の厚みを有するニッケル鉄合金(NiFe)層と、0.3nm以上0.5nm以下の厚みを有する第2のコバルト鉄合金(CoFe)層とが順に積層された3層構造をなしている
ことを特徴とする請求項12に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第2の非磁性スペーサ層は、銅(Cu)からなり、1.5nm以上2.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項13に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第3の強磁性層は1.2nm以上2.0nm以下の厚みを有し、
前記第2の結合層は0.75nmの厚みを有し、
前記第4の強磁性層は1.0nm以上1.5nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項9に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記第2の反強磁性ピンニング層は、6.0nm以上10.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項9に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 前記キャップ層は、タンタル(Ta)からなり、1.0nm以上3.0nm以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項9に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサ。 - 基体を用意する工程と、
前記基体上に、31%(原子パーセント)のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)を用いて2.5nm以上3.5nm以下の厚みを有するシード層を形成する工程と、
前記シード層の上に、マンガン白金合金(MnPt)からなる反強磁性ピンニング層を形成する工程と、
前記反強磁性ピンニング層の上に、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第1の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第2の強磁性層とを順に有するシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
前記シンセティック反強磁性ピンド層の上に、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における前記シンセティック反強磁性ピンド層と接する面と反対側の面に酸素原子を1層吸着させることにより酸素単原子層を形成する工程と、
前記酸素単原子層の上に、強磁性フリー層を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に、キャップ層を形成する工程と、
全体を磁化する磁化工程と
を含むことを特徴とするボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 6.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように前記反強磁性ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項18に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記シンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程は、
1.3nmの厚みをなすように第1の強磁性層を形成する工程と、
この第1の強磁性層の上に、0.75nmの厚みをなすように結合層を形成する工程と、
この結合層の上に、1.5nmの厚みをなすように第2の強磁性層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項18または請求項19に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 銅(Cu)を用いて1.5nm以上2.0nm以下の厚みをなすように前記非磁性スペーサ層を形成する
ことを特徴とする請求項20に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記強磁性フリー層を形成する工程は、
0.5nm以上1.5nm以下の厚みをなすようにコバルト鉄合金(CoFe)層を形成する工程と、
前記コバルト鉄合金(CoFe)層の上に、1.5nm以上3.0nm以下の厚みをなすようにニッケル鉄合金(NiFe)層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項21に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記キャップ層を形成する工程は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みをなすようにルテニウム(Ru)層を形成する工程と、
前記ルテニウム(Ru)層の上に、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすようにタンタル(Ta)層を形成する工程と
を含んでいることを特徴とする請求項22に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記強磁性フリー層を形成する工程は、
1.5nm以上2.5nm以下の厚みをなすようにコバルト鉄合金(CoFe)層を形成する工程と、
前記コバルト鉄合金(CoFe)層の上に、0.5nm以上1.0nm以下の厚みをなすように銅(Cu)層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項21に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - タンタル(Ta)を用いて、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項24に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記磁化工程は、
第1の面内方向に印加された(1/4π)×107A/mの磁界中において280℃の雰囲気中で5時間に亘ってアニールすることにより、前記シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を固定する工程と、
前記第1の面内方向と直交する第2の面内方向に印加された(250/4π)×103A/mの磁界中において250℃の雰囲気中で30分間に亘ってアニールすることにより、前記強磁性フリー層の磁化方向を固定する工程と
を含んでいる
ことを特徴とする請求項25に記載のボトムスピンバルブ型センサの形成方法。 - 基体を用意する工程と、
前記基体上に、31%(原子パーセント)のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)を用いて2.5nm以上3.5nm以下の厚みを有するシード層を形成する工程と、
前記シード層の上に、マンガン白金合金(MnPt)からなる第1の反強磁性ピンニング層を形成する工程と、
前記第1の反強磁性ピンニング層の上に、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第1の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる第1の結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第2の強磁性層とを順に有する第1のシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
前記第1のシンセティック反強磁性ピンド層の上に、第1の非磁性スペーサ層を形成する工程と、
前記第1の非磁性スペーサ層における前記第1のシンセティック反強磁性ピンド層と接する面と反対側の面に酸素原子を1層吸着させることにより第1の酸素単原子層を形成する工程と、
前記第1の酸素単原子層の上に、強磁性フリー層を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に、第2の非磁性スペーサ層を形成する工程と、
前記第2の非磁性スペーサ層における前記強磁性フリー層と接する面と反対側の面に酸素原子を1層吸着させることにより第2の酸素単原子層を形成する工程と、
この第2の酸素単原子層の上に、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第3の強磁性層と、ルテニウム(Ru)からなる第2の結合層と、コバルト鉄合金(CoFe)からなる第4の強磁性層とを順に有する第2のシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
この第2のシンセティック反強磁性ピンド層の上に、マンガン白金合金(MnPt)からなる第2の反強磁性ピンニング層を形成する工程と、
この第2の反強磁性ピンニング層の上に、キャップ層を形成する工程と、
全体を磁化する磁化工程と
を含むことを特徴とする対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 8.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように前記第1の反強磁性ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項27に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記第1のシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程は、
1.0nm以上1.5nm以下の厚みをなすように第1の強磁性層を形成する工程と、
この第1の強磁性層の上に、0.75nmの厚みをなすように第1の結合層を形成する工程と、
この第1の結合層の上に、1.2nm以上2.0nm以下の厚みをなすように第2の強磁性層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項27または請求項28に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 銅(Cu)を用いて1.5nm以上2.0nm以下の厚みをなすように前記第1の非磁性スペーサ層を形成する
ことを特徴とする請求項29に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記強磁性フリー層を形成する工程は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みをなすように第1のコバルト鉄合金(CoFe)層を形成する工程と、
前記第1のコバルト鉄合金(CoFe)層の上に、1.0nm以上2.0nm以下の厚みをなすようにニッケル鉄合金(NiFe)層を形成する工程と、
前記ニッケル鉄合金(NiFe)層の上に、0.3nm以上0.5nm以下の厚みをなすように第2のコバルト鉄合金(CoFe)層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項30に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 銅(Cu)層を用いて、1.5nm以上2.0nm以下の厚みをなすように前記第2の非磁性スペーサ層を形成する
ことを特徴とする請求項31に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記第2のシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程は、
1.2nm以上2.0nm以下の厚みをなすように第3の強磁性層を形成する工程と、
この第3の強磁性層の上に、0.75nmの厚みをなすように第2の結合層を形成する工程と、
この第2の結合層の上に、1.0nm以上1.5nm以下の厚みをなすように第4の強磁性層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項27に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 6.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように前記第2の反強磁性ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項27に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - タンタル(Ta)を用いて、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項27に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。 - 前記磁化工程は、
第1の面内方向に印加された(1/4π)×107A/mの磁界中において280℃の雰囲気中で5時間に亘ってアニールすることにより、前記第1および第2のシンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を固定する工程と、
前記第1の面内方向と直交する第2の面内方向に印加された(250/4π)×103A/mの磁界中において250℃の雰囲気中で30分間に亘ってアニールすることにより、前記強磁性フリー層の磁化方向を固定する工程と
を含んでいる
ことを特徴とする請求項27に記載の対称性デュアルスピンバルブ型センサの形成方法。
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