JP5395366B2 - 磁気素子のスピンバルブ構造およびｃｐｐ−ｇｍｒスピンバルブ構造、ならびに磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法 - Google Patents

磁気素子のスピンバルブ構造およびｃｐｐ−ｇｍｒスピンバルブ構造、ならびに磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、広く磁気再生ヘッドや磁気センサ等に用いられるＧＭＲ（giant magnetoresistive；巨大磁気抵抗効果）素子等の磁気素子のスピンバルブ構造に係わり、特に、ＣＰＰ（current perpendicular to plane；面直交電流）型のＧＭＲ素子に採用されるＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造、ならびにそのようなスピンバルブ構造を有する磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法に関する。
磁気ディスク装置は、円状のデータトラックを有し回転する磁気ディスクと、位置決めアーム上のスライダに形成された一体型の磁気記録再生ヘッドとを備える。この磁気記録再生ヘッドは、磁気記録ヘッドおよび磁気再生ヘッドが一体に形成された磁気ヘッドである。記録再生をしている間、磁気記録再生ヘッドは、そのエアベアリング面（ＡＢＳ）が磁気ディスク面に対向するように、磁気ディスクの上方に懸架配置される。再生ヘッドにおけるセンサは、電気抵抗の変化によって磁界信号を検出するのに用いられるものなので、重要な部品である。この電気抵抗の変化は、２つの強磁性層を非磁性導電層によって分離するように構成したセンサ積層構造に基づいて発現するＧＭＲ作用によって生ずるものである。２つの強磁性層のうちの一方は、隣接する反強磁性（ＡＦＭ）層、すなわちピンニング層との交換結合によって磁化方向が固定されたピンド層である。他方の強磁性層は、外部磁界に応じて磁化ベクトルが回転し得るように構成されたフリー層である。ピンド層の磁化方向に対するフリー層の磁化方向の回転角によって電気抵抗の変化が生じる。この電気抵抗の変化は、センサ積層構造にセンス電流を流すことにより、電圧変化として検出される。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合には、センサ積層構造の層面と直交する方向にセンス電流を流すように構成する。これとは異なり、センサ積層構造の層面と平行な方向にセンス電流を流すように構成されたＣＩＰ（current-in-plane）型のＧＭＲ素子もある。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、例えば特許文献１，２に開示されている。
ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、２００Ｇｂ（ギガビット）／平方インチを越える記録密度を実現するのに有力な候補と見られている。ＣＰＰ構造は、超高密度用途にとって、より好ましいものである。センササイズが小さくなっても、より強い出力信号が得られ、磁気抵抗効果率（抵抗変化率もしくはＭＲ比）がＣＩＰ構造に比べて大きいからである。ＣＰＰ構造およびＣＩＰ構造のいずれのヘッドにおいても、より高い性能を得るために、ＣｏＦｅ（コバルト鉄）／ＮｉＦｅ（ニッケル鉄）という複合構造のフリー層が利用されることが多い。ここで、「／」の左側がより下側の層、「／」の右側がより上側の層であることを示す。以下、本明細書において同様である。ＣＰＰ構造のヘッドにおいては、バイアスのし易さという理由から、トップスピンバルブ型ではなくボトムスピンバルブ型の積層構造が採用されることが多い。なお、トップスピンバルブ型とは、銅スペーサ層の下側にフリー層が配置され、銅スペーサ層の上側にピンド層が配置されるタイプである。
ＧＭＲヘッドの重要な特性の一つに、ＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）がある。ここで、ｄＲはスピンバルブセンサの抵抗変化量であり、Ｒは、その変化前のスピンバルブセンサの抵抗値である。素子感度の向上のためには、より高いＭＲ比が望ましい。そのためには、センス電流中の電子が、センサの磁気的に活性化した層内にできるだけ長く留まる必要がある。センサ積層の層間における電子の正反射である界面反射によって、ＭＲ比が高められ、感度を向上させることができる。残念ながら、金属スペーサを含む多くのＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造においては、ＭＲ比が非常に低く、５％以下である場合が多い。先進の用途においては、１０％を越えるＭＲ比と、０．５［Ω・μｍ2 ］を下回る面積抵抗値（ＲＡ）とを有することが望ましい。
単一層からなるピンド層に比べて、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層で表されるシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層構造が好ましい。ＳｙＡＰ層の場合には、より小さい正味磁気モーメントが得られる結果、ＡＦＭ層と、これに隣接するＡＰ２層と間の交換結合がより大きくなるからである。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて、ＣｏＦｅとＣｕ薄膜とを交互に積層してなるＡＰ１層によりＭＲ比が向上することが、非特許文献１において開示されている。ＣＰＰ−ＧＭＲボトム型スピンバルブ構造の一例として、シード層／ＡＦＭ層／ピンド層／スペーサ層／フリー層／キャップ層という構造がある。ここで、ピンド層は［ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層］シンセティック構造である。結合層はルテニウム（Ｒｕ）であり、ＡＰ１層は［ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ］という積層構造である。フリー層は、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］複合層である。通常、ＡＰ１層およびＡＰ２層はそれぞれ２ｎｍ〜５ｎｍ、フリー層は３ｎｍ〜６ｎｍの膜厚である。再生ヘッド用途においては、フリー層は、応力により生ずる異方性を低減するために、１０4 ／４π［Ａ／ｍ］（＝１０［Ｏｅ］）を下回る保磁力（Ｈｃ）と、１０-8〜１０-6程度の低い磁歪を有することが好ましい。
ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて考慮すべき他の重要な問題として、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）がある。［ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層］という構造を有するＣＰＰスピンバルブ構造の場合、ＡＰ１層中の鉄リッチなＣｏＦｅ合金（例えば、Ｆｅ50Ｃｏ50やＦｅ70Ｃｏ30）がＭＲ比の向上に有効であることが知られている。しかしながら、鉄リッチなＣｏＦｅ合金は、ＥＭ現象による性能劣化を起こしやすい。このため、スペーサ層およびＡＰ２層を適切に選定することによってＥＭ性能をコントロールすることが重要である。
特許文献３に記載されているように、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの性能は、銅スペーサ層の中にＣＣＰ（confining current path；狭窄電流パスもしくは電流制限パス）構造を導入することにより向上させることができる。ＣＣＰ銅スペーサ構造は、［Ｃｕ／ＣＣＰ層／Ｃｕ］と表記される。ここで、ＣＣＰ層は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）および銅を同時成膜することによって形成可能である。特許文献４は、他のＣＣＰスペーサ構造について開示している。このＣＣＰスペーサ構造では、柱状の金属パス（電流路）が絶縁層を垂直に貫通している。この絶縁層はスペーサ層の５０％以上を占めている。このようなＣＣＰ−ＣＰＰ構造では、比較的大きなＭＲ比が得られるものの、ＣＣＰ技術が製品レベルで実用化されるためには、均一性およびＥＭ現象という２つの障害について解決が図られなければならない。
特許文献５には、電流制限作用を得るためのＣｕ／ＡｌＣｕＯ／Ｃｕという構造の非磁性スペーサが開示されている。このスペーサでは、酸化層は０．５〜５ｎｍの膜厚を有する。
特許文献６は、銅スペーサよりもＭＲ比を向上させるために、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ等の新規な金属からなるスペーサを開示している。
特許文献７には、金スペーサを、フェルミ面にｄ電子を有する酸化物半導体スペーサに置き換えることが開示されている。そのような酸化物半導体の例として２つの例、すなわち、ペロブスカイト型酸化物としてのストロンチウムチタン酸化物（ＳｒＴｉＯ）と、ルーティル（rutile）型酸化物としてのチタン酸化物（ＴｉＯ2 ）とが例示されている。
特許文献８は、低抵抗材料（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等）からなるスペーサ層、または、高抵抗材料（Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅの酸化物、窒化物またはフッ化物等の絶縁体）からなるスペーサ層を開示している。
なお、本出願に関連して、本出願人は、２００５年７月１３日付けの米国出願（出願番号１１／１８０，８０８）および２００５年９月２３日付けの米国出願（出願番号１１／２３４，７１９）を提出している。
TMRC2001 presentation by M.Takagishi (Toshiba) 米国特許第５，６２７，７０４号 米国特許第５，６６８，６８８号 米国特許第５，７１５，１２１号 米国特許出願第２００６／０２０９４７２号 米国特許第７，１１６，５２９号 米国特許第６，８７６，５２３号 米国特許第６，９１７，０８８号 米国特許出願第２００６／００６０９０１号
上記したように、従来のＣＣＰ−ＣＰＰ構造では、比較的大きなＭＲ比が得られるものの、この構造が実用化されるためには、均一性およびＥＭ現象という２つの障害がある。しかしながら、現在までのところ、これらの問題を解決するための効果的な方法は提案されていなかった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来の磁気再生ヘッドに比べて高いＭＲ比を得ることを可能とする複合スペーサ層を有する磁気素子のスピンバルブ構造およびＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造、ならびに磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、上記目的に加え、複合スペーサ層のすべての層を薄膜で構成する全層薄膜（full film layer ）構造を採用することにより、許容し得る均一性と良好なＥＭ性能とを確実に得ることが可能な磁気素子のスピンバルブ構造およびＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造、ならびに磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法を提供することにある。
これらの目的は、以下に述べるようなボトム型ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造のセンサを磁気再生ヘッドに作り込むことで達成可能である。そのようなボトム型ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造は、例えば、下部磁気シールド（Ｓ１）等として機能する基体の上に、シード層と、ＡＦＭ層と、ピンド層と、複合スペーサ層と、フリー層と、キャップ層とを順次成膜することにより形成可能である。
シード層は、例えば、タンタル（Ｔａ）からなる下層と、ルテニウム（Ｒｕ）からなる上層との複合層として形成可能である。ＡＦＭ層は、例えば、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）により構成可能である。ピンド層は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層というシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）構造として形成する。ＡＰ２層は、鉄リッチな合金よりなる中間層をコバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなる上層および下層によって上下から挟み込むＦＣＣ（面心立方格子）三層構造を有するように形成する。具体的には、ＡＰ２層は、例えば、Ｃｏz Ｆｅ(100-z) ／Ｃｏy Ｆｅ(100-y) ／Ｃｏz Ｆｅ(100-z) （ｙ＝０〜６０原子％、ｚ＝７５〜１００原子％）という構造をもつように形成可能である。結合層は、例えばＲｕ、Ｒｈ（ロジウム）およびＩｒのいずれかにより構成可能である。ＡＰ１層は、例えば、［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］k ／ＣｏＦｅ（但し、ｋ＝１, ２, または３）という積層構造を有するように構成可能である。フリー層は、例えば、［ＣｏS Ｆｅ(100-S) ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ］（但し、ｓ＝０〜１００原子％）という複合構造を有するように構成してもよいが、単一層として構成してもよい。
本発明の主要な特徴である複合スペーサは、１層以上の金属層（Ｍ層）と、１層以上の半導体または半金属層（Ｓ層）とを含むように構成する。そのバリエーションとしては、Ｍ／Ｓ、Ｓ／Ｍ、Ｍ／Ｓ／Ｍ、Ｓ／Ｍ／Ｓ、Ｍ／Ｓ／Ｍ／Ｓ／Ｍ、または（Ｍ／Ｓ／Ｍ）n という積層構造（但し、ｎは１より大きい整数）が考えられる。
一つの例では、Ｍ層をＣｕ、Ｓ層をＺｎＯとする。Ｍ層およびＳ層は、ともに、０．１〜５ｎｍ程度の膜厚とするのが好ましい。この場合、複合スペーサ層は、１層以上のＣｕ層と１層以上のＺｎＯとを含むように構成される。その第１の例として、例えばＣｕ／ＺｎＯまたはＺｎＯ／Ｃｕという構造が可能である。
第２の例では、Ｃｕ層およびＺｎＯ層を交互に繰り返すように積層して構成する。例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ／ＣｕまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｃｕという構造となる。また、複合スペーサ層を、［Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｃｕ］n （ｎは１以上の整数）という多重構造として構成してもよい。ＺｎＯ層のうちの１以上の層に、Ｓｉ（シリコン）、Ｂ（ボロン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ（カドミウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｒｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉよりなる群から選ばれる１以上の元素またはその他の元素をドープするようにしてもよい。これらのドープ元素は、ＺｎＯ半導体層の内部の粒界コントロールを助けるように作用し、スピンバルブ構造の性能を向上させると考えられる。
一つの変形例として、上記のＳ層（ＺｎＯ層）のうちの１以上の層を、ＭｇＯ、ＺｎX Ｍｇ(100-X) Ｏ（但し、ｘ＝０〜９９原子％）、ＺｎＣｕＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＳｅ（亜鉛セレニウム）、ＺｎＴｅ（亜鉛テルリウム）、Ｓｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＴｉＯ2 、ＡｌＮ、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＡｌＰ（アルミニウム燐）、ＡｌＡｓ（アルミニウム砒素）、ＡｌＳｂ（アルミニウムアンチモン）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ（水銀テルリウム）、ＰｂＳ（硫化鉛）、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ（錫テルリウム）、Ｃｕ2 Ｏ、ＦｅＳｉ2 、ＣｒＭｎＳｉ、Ｍｇ2 Ｓｉ、ＲｕＳｉ3 およびＩｒ3 Ｓｉ5 よりなる群から選ばれる半導体、または、Ｓｂ、Ｂｉ（ビスマス）、ＣｏＳｉ、ＣｏX Ｆｅ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｎｉ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｍｎ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｃｒ(100-X) ＳｉおよびＦｅＳｉよりなる群から選ばれる半金属によって置き換えるようにしてもよい。
また、Ｓ層のうちの１以上の層に、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｆe およびＮｉよりなる群から選ばれる１以上の元素を不純物（ドーパント）としてドープするようにしてもよい。この場合のドープ濃度は、０〜２０原子％という出来上がり濃度とするのが好ましい。この場合、Ｓ層の主材料（半導体または半金属）と不純物（ドーパント）とを含むターゲットを用いてスパッタリングを行うことにより、上記のドーパントがドープされたＳ層の成膜が可能である。
さらに、他の変形例として、上記のＭ層（Ｃｕ層）のうちの１以上の層を、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｇよりなる群から選ばれる元素によって置き換えるようにしてもよい。
このような複合スペーサ層を含むスピンバルブ構造は、例えば、超高真空を達成可能なスパッタリングシステムの中でＡｒガスを用いてスパッタ成膜することにより得ることができる。Ｓ層が、例えばＺｎＯのような金属酸化物層である場合、Ｚｎをスパッタ成膜して金属層を形成したのち、この金属層に対して、プラズマ酸化、自然酸化（ＮＯＸ）またはラジカル酸化（ＲＯＸ）により酸化処理を行うことにより、ＺｎＯ膜の成膜が可能である。必要に応じて、金属酸化層を直接スパッタ成膜するようにしてもよい。
また、Ｓ層が、例えばＺｎＣｕＯのように、ＡＢＯ（ＡおよびＢは金属）という形で表される三成分酸化物(ternary oxide) 層である場合には、まず合金ＡＢを成膜したのち、この膜をＲＯＸ、ＮＯＸまたはプラズマ酸化プロセスによって酸化することにより、ＡＢＯ層を形成することができる。必要に応じて、ＡＢＯという形を含む金属酸化物からなるターゲットを用いてスパッタリングを行うことにより、ＡＢＯ型金属酸化膜を直接成膜するようにしてもよい。
キャップ層を形成したのち、ＣＰＰ−ＧＭＲ積層体をアニールし、通常の方法によってパターニングすることにより、上面および側壁面を有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサが得られる。続いて、よく知られたプロセスにより、上記の両側壁面に隣接するように絶縁層を形成したのち、キャップ層の上に第２の磁気シールド（Ｓ２）を形成する。なお、上記の両側壁面に隣接するようにハードバイアス層を形成するようにしてもよい。この場合には、フリー層内の磁化方向を揃えることができるので、好ましからざるバルクハウゼンノイズを抑制可能である。
本発明に係る磁気素子のスピンバルブ構造およびＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造、ならびに磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法によれば、ＳｙＡＰ型ピンド層におけるＡＰ２層を、鉄リッチな合金よりなる中間層と、この中間層を上下から挟み込むＣｏＦｅからなる上層および下層とにより構成されたＦＣＣ（面心立方格子）三層構造として形成すると共に、ピンド層とフリー層との間に配設する複合スペーサが１層以上の金属層（Ｍ層）と１層以上の半導体または半金属層（Ｓ層）とを含むようにしたので、従来の磁気再生ヘッドに比べて高いＭＲ比を得ることができると共に、高い均一性と良好なＥＭ性能とを確実に得ることが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施の形態は、磁気記録装置における再生ヘッドのセンサとして用いられるＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造に関するものである。この再生ヘッドは、一体型記録再生ヘッドの一部をなすものである。このようなＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造は、２００ギガビット／平方インチを越えるような記録密度に対応しうる超高密度磁気記録装置に特に適している。なお、本実施の形態で用いる図面は、あくまで例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。ここでは、ボトム型スピンバルブ構造について例示するが、本発明の複合スペーサ層をトップ型スピンバルブ構造のＳｙＡＰピンド層や多重スピンバルブ構造にも適用できることはいうまでもない。
従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、銅スペーサが、金属ＣＰＰ構造における全層薄膜（full film layer ）構造、あるいはＣＣＰ−ＣＰＰ構造における狭窄金属パス（confinedmetal path）として構成されていた。銅金属の抵抗は非常に小さいので、金属ＣＰＰ構造では、抵抗変化率ｄＲ／Ｒが小さい値になることを余儀なくされていた。ＣＣＰ−ＣＰＰ構造の場合は、銅金属パスがＡｌ2 Ｏ3 やＭｇＯ等の絶縁テンプレートを貫通するように制限的に形成されていることから、デルタＲＡ（面積抵抗）値が著しく改善される。このような電流パスの狭窄構造により抵抗変化率ｄＲ／Ｒの向上は可能なのであるが、一方、不均一な銅金属パスに起因して特性が不均一になるという問題があることがわかった。このような不均一な銅金属パスは、スペーサの形成工程で用いられるプラズマイオン処理（plasma ion treatment；ＰＩＴ）やイオンアシスト酸化（ion assisted oxidation；ＩＡＯ）プロセスに因るものである。このスペーサ形成方法については、本出願人による特許出願（整理番号ＨＴ０５- ０１５；特願２００６−１９１８９９）において詳述されている。さらに、ＣＣＰ−ＣＰＰ構造では、銅金属パスのサイズが非常に微小であるため、必然的に電流密度が大きくなり、重大なＥＭ問題が生じやすい。そこで、本出願人は、従来のスペーサ構造における上記課題を克服するため、新規な全層薄膜構造を用いるアプローチを見出すに至った。
図１は、本発明の一実施の形態に係るボトム型スピンバルブ構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲセンサを表すものである。この図は、再生ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）に沿った断面を示している。本出願人は、以下に述べる複合スペーサ層の採用により、許容しうるＥＭ性能を維持しつつＭＲ比を著しく向上させることができるという驚くべき事実を見出した。
図１において、スピンバルブ構造１は、基体１０を基礎として形成される。基体１０は、通常、再生ヘッドにおける第１の磁気シールド（Ｓ１）として構成される。具体的には、基体１０は例えば、２μｍ程度の膜厚のＮｉＦｅめっき層である。第１の磁気シールドは、アルティック（ＡｌＴｉＣ）等の下地構造（図示せず）の上に形成される。また、基体１０の最上層として、例えばＡｌ2 Ｏ3 等からなるギャップ層（図示せず）を形成するようにしてもよい。基体１０上には、シード層１１が形成されている。シード層１１は、下側Ｔａ層と上側Ｒｕ層（いずれも図示せず）とを積層して構成するのが好ましい。この場合、下側Ｔａ層は１ｎｍ〜６ｎｍ（より好ましくは、５ｎｍ程度）の膜厚に形成し、上側Ｒｕ層は、０．５ｎｍ〜４ｎｍ（より好ましくは、２ｎｍ程度）の膜厚に形成するのが好ましい。但し、シード層はそれ以外の公知の構成にしてもよい。シード層１１は、その上に形成される層が滑らかで均質な結晶構造となるのを促進するので、スピンバルブ構造１におけるＭＲ比を高めることができる。
シード層１１上にはＡＦＭ層１２が形成されている。このＡＦＭ層１２は、その上に形成される強磁性のピンド層２０（後述）におけるＡＰ２層の磁化方向を固定するのに用いられる。ＡＦＭ層１２は、イリジウム（Ｉｒ）を１８〜２２原子％程度含有するイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）により５ｎｍ〜７．５ｎｍ程度の膜厚に形成するのが好ましい。これに代えて、ＡＦＭ層１２を、マンガンを５５〜６５原子％程度含有する白金マンガン（ＭｎＰｔ）により１２．５ｎｍ〜１７．５ｎｍ程度の膜厚に形成するようにしてもよい。但し、ＡＦＭ層１２は、例えばＮｉＭｎ、ＯｓＭｎ（オスミウムマンガン）、ＲｕＭｎ、ＲｈＭｎ（ロジウムマンガン）、ＰｄＭｎ（パラジウムマンガン）、ＲｕＲｈＭｎまたはＰｔＰｄＭｎ等の他の材料により構成してもよい。
ＡＦＭ層１２の上には、シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）構造を有するピンド層２０が形成されている。このピンド層２０は、ＡＰ２層１６／結合層１７／ＡＰ１層１８という積層構造を有することが好ましい。結合層１７は、例えばルテニウムにより構成される。ＡＰ２層１６は、下層１３と、中間層１４と、上層１５とを順に積層してなるＦＣＣ（面心立方格子）三層構造を有し、その組成は、例えば、ＣｏZ Ｆｅ(100-Z) ／ＣｏY Ｆｅ(100-Y) ／ＣｏZ Ｆｅ(100-Z) で表される。ここで、ｙは０〜６０原子％、ｚは７５〜１００原子％である。本出願人は、このＦＣＣ三層構造について、他の出願（整理番号ＨＴ０５- ０３８；特願２００６−２５７９３０）において詳述している。ＣｏY Ｆｅ(100-Y) という組成の結中間層１４は、ＦｅＣｒ、ＦｅＶ（鉄バナジウム）、ＦｅＷ（鉄タングステン）、ＦｅＺｒ、ＦｅＮｂ、ＦｅＨｆ、およびＦｅＭｏ等の鉄リッチな合金によって置き換えてもよい。ここで、鉄リッチな合金とは、鉄の含有量が約４０％以上（より好ましくは約７０％以上）である合金をいう。下層１３および上層１５の組成ＣｏZ Ｆｅ(100-Z) において、ｚは９０原子％程度とするのが好ましい。Ｃｏ90Ｆｅ10という組成は、容易にＦＣＣ構造をとるからである。本出願人は、Ｔａ／Ｒｕ／ＩｒＭｎという構成の［シード層１１／ＡＦＭ層１２］積層構造の上にＣｏ90Ｆｅ10（下層１３）を成長させたところ、ＣｏＦｅ層（上層１５）の［１１１］面がＡＰ２層１６と結合層１７との界面に現れることを見出した。［１１１］面は、ＦＣＣ構造に最も近い充填面（packed planes ）であることから、他のタイプの結晶面の場合よりもエレクトロマングレーション現象がより抑制される。
本実施の形態において、ＦＣＣ三層構造という用語は、ＡＰ２層１６における主要層がＦＣＣ材料からなり（好ましくは、下層１３および上層１５がＣｏ90Ｆｅ10という組成をもち）、下層１３および上層１５の間に鉄リッチな合金が中間層１４として挿入されていることを意味する。ここで注意すべきは、中間層１４がＦＣＣ材料ではないということである。下層１３は０．６ｎｍ〜１．５ｎｍ程度の膜厚を有するが、１ｎｍ〜５ｎｍ程度の膜厚の上層１５よりも薄く形成することが好ましい。従来のＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層構造においては、ＡＰ２層がＡＰ１層よりも薄く形成されていたが、本実施の形態では、ＡＰ２層１６がＡＰ１層１８よりも厚く形成されており、これにより、実素子の増幅特性曲線（transfer curve of the real device ）が非対称性をもつように平均調整（asymmetry mean adjustment ）される。さらに、下層１３は上層１５よりも薄いことから、ＡＦＭ層１２との交換結合強度が増加する。鉄リッチな中間層１４は、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度の膜厚であり、これもまた、ＡＰ２層１６とＡＦＭ層１２との交換結合強度を増加させるように作用する。３層構造のＡＰ２層１６は、従来のＣｏ75Ｆｅ25またはＣｏ50Ｆｅ50からなる単層ＡＰ２層よりも有利である。３層構造のＡＰ２層１６は、従来の単層ＡＰ２層と同等の交換結合強度を有する一方、そのＦＣＣ構造によってＥＭ特性がかなり改善されるからである。
ＡＰ２層１６の磁気モーメントは、ＡＰ１層１８の磁気モーメントと反平行になるように固定されている。具体的には、例えばＡＰ２層１６が＋ｘ方向の磁気モーメントをもつ一方、ＡＰ１層１８は−ｘ方向の磁気モーメントを有する。ここで注意すべきは、ＡＰ２層１６を構成する下層１３、中間層１４および上層１５はすべて同じ方向の磁気モーメントを有するということである。ＡＰ２層がＡＰ１層とは異なる膜厚を有することから、小さな正味磁気モーメントがピンド層２０に生ずる。ＡＰ２層１６とＡＰ１層１８との間の交換結合は、結合層１７によって助長される。この結合層１７は、ルテニウムにより０．７５ｎｍ程度の膜厚で形成することが好ましい。但し、必要に応じ、結合層１７をロジウム（Ｒｈ）やイリジウム（Ｉｒ）により構成してもよい。
ＡＰ１層１８は、例えば、［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］k ／ＣｏＦｅという積層構造を有するように構成可能である。ここで、ｋは１、２または３である。一つの例として、ｋが１の場合には、ＡＰ１層１８はＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅという３層構造となる。第１層および第３層（図示せず）はそれぞれ、鉄含有量が５０〜９０原子％で膜厚が１ｎｍ〜２ｎｍ程度（より好ましくは１．８ｎｍ）のＣｏＦｅ層とし、第２層は、膜厚が０．０５ｎｍ〜０．４ｎｍ程度（より好ましくは０．２ｎｍ）の銅層とするのが好ましい。このような複合構造のＡＰ１層１８におけるＣｏＦｅ層は、ＡＰ２層１６を構成する下層１３および上層１５と同じＣｏZ Ｆｅ(100-Z) という組成をもつようにするのが好ましい。なお、ＣＰＰ−ＧＭＲ特性を向上させるためにＡＰ１層１８を積層構造とすることは従来より知られていることである。ＡＰ１層１８が−ｘ方向の磁気モーメントをもつ場合には、ＡＰ１層１８のすべてのＣｏＦｅ層およびＣｕ層が−ｘ方向の磁気モーメントをもつ。
本実施の形態の重要な特徴は、複合スペーサ層２１が、１層以上の金属層（Ｍ層）と１層以上の半導体または半金属層（Ｓ層）とを含むようにすることである。
第１シリーズの具体例では、金属Ｍとして銅（Ｃｕ）を用い、半導体Ｓとして酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いる。この場合、複合スペーサ層２１は、例えばＣｕ／ＺｎＯまたはＺｎＯ／Ｃｕという構造になる。他の例として、複合スペーサ層２１は、Ｍ層およびＳ層を交互に複数層積層して、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｃｕ、ＺｎＯ／Ｃｕ／ＺｎＯ、またはＣｕ／ＺｎＯ／Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｃｕという構造にしてもよい。あるいは、複合スペーサ層２１が（Ｍ／Ｓ／Ｍ) n という多重フォーマット構造を有するようにしてもよい。ここで、ｎは１以上の整数である。この第１シリーズの具体例では、Ｃｕ層の膜厚を０．０５ｎｍ〜５ｎｍ程度とし、ＺｎＯ層の膜厚を０．１ｎｍ〜５ｎｍ程度にするのが好ましい。
第２シリーズの具体例では、金属ＭとしてのＣｕの代わりに、０．０５ｎｍ〜５ｎｍ程度の膜厚のＡｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＡｌまたはＭｇを用いる。この場合もまた、複合スペーサ層２１は、Ｍ／Ｓ、Ｓ／Ｍ、Ｍ／Ｓ／Ｍ、Ｓ／Ｍ／Ｓ、Ｍ／Ｓ／Ｍ／Ｓ／Ｍ、または（Ｍ／Ｓ／Ｍ）n ［ｎは１以上の整数］という構造となる。ここで、ＭはＡｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＡｌまたはＭｇのいずれかであり、Ｓは半導体または半金属である。
第３シリーズの具体例では、複合スペーサ層２１は、Ｍ／Ｓ、Ｓ／Ｍ、Ｍ／Ｓ／Ｍ、Ｓ／Ｍ／Ｓ、Ｍ／Ｓ／Ｍ／Ｓ／Ｍ、または（Ｍ／Ｓ／Ｍ）n ［ｎは１以上の整数］という構造を有する。ここで、Ｍは金属であり、Ｓは半導体または半金属である。半導体としては、ＭｇＯ、ＺｎX Ｍｇ(100-X) Ｏ［ｘは０〜９９原子％］, ＺｎＣｕＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、Ｃｕ2 Ｏ、ＦｅＳｉ2 、ＣｒＭｎＳｉ、Ｍｇ2 Ｓｉ、ＲｕＳi3、Ｉｒ3 Ｓｉ5 等があげられる。半金属としては、Ｓｂ、Ｂｉ、ＣｏＳｉ、ＣｏX Ｆｅ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｎｉ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｍｎ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｃr (100-X) Ｓｉ、ＦｅＳｉ等があげられる。
必要に応じて、複合スペーサ層２１のうちの１種以上のＳ層に１以上のドーパントを０〜２０原子％の濃度でドープするようにしてもよい。ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｆe 、Ni等があげられる。それらのドーパントのＳ層への導入は、半導体または半金属中にドーパントを既に含有しているターゲットを用いたスパッタリングによって行うことができる。必要に応じて、半導体または半金属からなるターゲットと、ドーパント物質からなる第２のターゲットとを用意し、これらの２つのターゲットを用いて同時スパッタリングを行うことによりドーパントをＳ層に導入するようにしてもよい。このようなドーピングによって性能が向上する。その理由は完全にはわかっていないが、半導体または半金属層Ｓの内部における粒界がコントロールされることと関連しているものと考えられる。
複合スペーサ層２１の上にはフリー層２２が形成されている。このフリー層２２は、膜厚が０．５ｎｍ〜３ｎｍ程度の下側ＦｅＣｏ層（図示せず）と、膜厚が１ｎｍ〜６ｎｍ程度の上側ＮｉＦｅ層（図示せず）とを積層してなる複合構造を有する。本出願人の上記特許出願（整理番号ＨＴ０５−０１５；特願２００６−１９１８９９）で開示したように、下側ＦｅＣｏ層は、ＦｅV Ｃｏ(100-V) という組成を有するように構成し、上側ＮｉＦｅ層はＮｉW Ｆｅ(100-W) という組成を有するように構成可能である。ここで、ｖは２０〜７０原子％、ｗは８５〜１００原子％である。他の例として、下側ＦｅＣｏ層と上側ＮｉＦｅ層との間にＣｏＦｅＢ層を挿入して、３層構造のフリー層としてもよい。フリー層２２の磁化モーメントは、非動作状態においてｙ軸に沿って配列するのが好ましい。フリー層２２の磁化モーメントは、スピンバルブ構造１が磁気ディスク（図示せず）の上方をＡＢＳ面に沿ってｚ方向に移動した際に適切なサイズの磁界が印加されると、ｘ軸方向に回転する。
フリー層２２の上には、このスピンバルブ構造１の最上層であるキャップ層２３が形成されている。キャップ層２３は、例えばＣｕ／Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕという複合構造を有する。ここで、Ｃｕ層は１ｎｍ〜４ｎｍ程度の膜厚を有し、下側のＲｕ層は１ｎｍ〜３ｎｍ程度の膜厚を有し、Ｔａ層は４ｎｍ〜８ｎｍ程度の膜厚を有し、上側のＲｕ層は１ｎｍ〜３ｎｍ程度の膜厚を有する。必要に応じて、上記以外の材料を用いてキャップ層２３を構成するようにしてもよい。
次に、図２を参照して、図１に示したスピンバルブ構造１を含む磁気再生ヘッド３０の製造方法を説明する。まず、上記した基体１０を形成する。この基体１０は、通常、従来からの磁気再生ヘッドの製造方法において形成される第１の磁気シールドに相当するものである。次に、基体１０の上に、シード層１１、ＡＦＭ層１２、ピンド層２０、複合スペーサ層２１、フリー層２２およびキャップ層２３を順に成膜することにより、上記したスピンバルブ構造１を形成する。これらの層の成膜は、ベース圧力が１３３×１０-8［Ｐａ］（≒１×１０-8［Ｔｏｒｒ］）、より好ましくは、６６５×１０-9［Ｐａ］（≒５×１０-9［Ｔｏｒｒ］）以下であるようなスパッタシステム（例えば、アネルバ社製の直流マグネトロンスパッタシステム）を用いて行う。ベース圧力が低いほど、より均一性の高いスパッタ膜を高い再現性で得ることができる。スパッタチャンバには、低圧放電カソードとしての複数のターゲットを配置する。スパッタガスにはアルゴン（Ａｒ）を用いるのが好ましい。上記のすべてのスパッタ膜を同一のチャンバ内で成膜してもよいし、あるいは、同じ装置本体（メインフレーム）内の異なるチャンバ内で成膜するようにしてもよい。例えば、シード層１１、ＡＦＭ層１２、ピンド層２０、および複合スペーサ層２１の下側のＭ層（図示せず）までを同一チャンバ内で成膜することが可能である。
複合スペーサ層２１のＳ層を、金属酸化物（例えばＺｎＯ）により構成する場合には、金属元素（Ｚｎ）をまず薄膜として成膜したのち、この薄膜を、スパッタ成膜装置の酸化チャンバ内において、ラジカル酸化（ＲＯＸ）、自然酸化（ＮＯＸ）、またはプラズマ酸化プロセスによって酸化する。これにより、ＺｎＯ層を得る。あるいは、Ｓ層が、例えばＺｎＣｕＯのように、ＡＢＯ（ＡおよびＢは金属）という形で表される三成分酸化物(ternary oxide) 層である場合には、まず合金ＡＢを成膜したのち、この膜をＲＯＸ、ＮＯＸまたはプラズマ酸化プロセスによって酸化することにより、ＡＢＯ層を形成することができる。必要に応じて、ＡＢＯという形を含む金属酸化物からなるターゲットを用いてスパッタリングを行うことにより、ＡＢＯタイプの金属酸化膜を直接成膜するようにしてもよい。なお、Ｍｇ層のプラズマ酸化によりＭｇＯ層を形成する方法が、R.Daveによる「MgO-based tunnel junction material for high speed Toggle MRAM 」,IEEE Trans.Magn.,V42,P.1935-39(2006) 」に開示されている。
スピンバルブ積層体のすべての層を基体１０上に成膜したのち、所定の軸方向に沿って１０7 ／４π［Ａ／ｍ］（＝１００００［Ｏｅ］）の磁界を印加した状態で、２８０°Ｃで５時間にわたってアニール処理を行う。こののち、例えば、フォトレジスト層（図示せず）と、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とを用いた公知の方法により、スピンバルブ積層体を選択的にエッチングしてパターニングする。このエッチングステップにより、上面２３ａと側壁面２０ｓとを有するスピンバルブ構造１が画定される。続いて、通常は、側壁面２０ｓを覆う厚さまで絶縁層２４を形成する。このとき、絶縁層２４の内部に、スピンバルブ構造１の側壁面２０ｓに近接するようにバイアス層（図示せず）を形成することにより、フリー層２２に縦バイアスを印加するようにしてもよい。続いて、リフトオフ法によりフォトレジスト層を除去したのち、化学機械研磨（ＣＭＰ）等の平坦化手法によって絶縁層２４を平坦化することにより、スピンバルブ構造１の上面２３ａと絶縁層２４の上面とを共面にする。
磁気再生ヘッド３０の残りの部分は、従来と同様の方法によって形成可能である。例えば、スピンバルブ構造１の上面２３ａおよび絶縁層２４の上面を覆うように第２の磁気シールド２５を形成する。よく知られているように、ＣＰＰスピンバルブ構造においては、第２の磁気シールド２５（Ｓ２）が上部導電リード層として兼用され、第１の磁気シールド１０（Ｓ１）が下部導電リード層として兼用される。
本実施の形態の複合スペーサ層をスピンバルブ構造に採用することによって達成される性能向上を明示すべく、一連のＣＰＰ−ＧＭＲ素子サンプルを作製し、テストを行った。これに先立って、従来型のＣｕスペーサをもつこと以外は同様の構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子を比較例サンプルとして作製し、テストしたところ、１．５％〜２％程度のＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）と、０．０５［Ω・μｍ2 ］程度の面積抵抗値（ＲＡ値）を得た。
［実施例１］
本実施例では、次のような構成のボトム型スピンバルブ構造のサンプルを作製した。
Ｔａ１／Ｒｕ１／ＩｒＭｎ７／Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２／Ｒｕ０．７５／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．３／ＺｎＯ１．５／Ｃｕ０．３／Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６／Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒｕ３
ここで、元素の右下添字は含有量（原子％）を意味し、各層の後ろの全角数値は膜厚（ｎｍ）を意味する。例えば、Ｆｅ10Ｃｏ90１は、鉄含有量が１０原子％でコバルト含有量が９０原子％のＦｅＣｏ層を１ｎｍの膜厚に形成することを示している。以下の実施例においても同様である。この構造をより詳細に説明すると、以下のようになる。
シード層 ：Ｔａ１／Ｒｕ１
ＡＦＭ層 ：ＩｒＭｎ７
ＡＰ２層 ：Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２
結合層 ：Ｒｕ０．７５
ＡＰ１層 ：Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５
複合スペーサ層：Ｃｕ０．３／ＺｎＯ１．５／Ｃｕ０．３
フリー層 ：Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６
キャップ層 ：Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒｕ３
このような構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性を測定したところ、ｄＲ／Ｒ＝１０％、ＲＡ＝０．０９２［Ω・μｍ2 ］という値を得た。このｄＲ／Ｒの値は、全膜層構造を有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べてかなり改善された値である。なお、本実施例のサンプルは、複合スペーサ層がＭ／Ｓ／Ｍ（Ｍ＝Ｃｕ、Ｓ＝ＺｎＯ）という構造をもつようにした一例である。
［実施例２］
本実施例では、次のような構成のボトム型スピンバルブ構造のサンプルを作製した。
Ｔａ１／Ｒｕ１／ＩｒＭｎ７／Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２／Ｒｕ０．７５／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／ＺｎＯ０．８／Ｃｕ０．２／ＺｎＯ０．８／Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６／Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒu ３
本実施例のサンプルは、複合スペーサ層がＳ／Ｍ／Ｓ（Ｍ＝Ｃｕ、Ｓ＝ＺｎＯ）という構造をもつようにした一例である。この構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性を測定したところ、ｄＲ／Ｒ＝１７％、ＲＡ＝０．３４２［Ω・μｍ2 ］という値を得た。これらの値は、全膜層構造を有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べてかなり改善された値である。
［実施例３］
本実施例では、次のような構成のボトム型スピンバルブ構造のサンプルを作製した。
Ｔａ１／Ｒｕ１／ＩｒＭｎ７／Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２／Ｒｕ０．７５／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30０．５／Ｃｕ０．２／ＺｎＯ０．８／Ｃｕ０．２／ＺｎＯ０．８／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６／Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒｕ３
本実施例のサンプルは、複合スペーサ層がＭ／Ｓ／Ｍ／Ｓ／Ｍ（Ｍ＝Ｃｕ、Ｓ＝ＺｎＯ）という構造をもつようにした一例である。この構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性については測定しなかったが、上記実施例１，２の結果から、Ｃｕスペーサを有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて改善された特性が得られるであろうことが予測される。
［実施例４］
本実施例では、次のような構成のボトム型スピンバルブ構造のサンプルを作製した。
Ｔａ１／Ｒｕ１／ＩｒＭｎ７／Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２／Ｒｕ０．７５／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30０．５／Ｃｕ０．５／ＺｎＯ１．５／Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６／Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒｕ３
本実施例のサンプルは、複合スペーサ層がＭ／Ｓ（Ｍ＝Ｃｕ、Ｓ＝ＺｎＯ）という構造をもつようにした一例である。この構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性については測定しなかったが、上記実施例１，２の結果から、Ｃｕスペーサを有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて改善された特性が得られるであろうことが予測される。
［実施例５］
本実施例では、次のような構成のボトム型スピンバルブ構造のサンプルを作製した。
Ｔａ１／Ｒｕ１／ＩｒＭｎ７／Ｆｅ10Ｃｏ90１／Ｆｅ70Ｃｏ30１．４／Ｆｅ10Ｃｏ90２／Ｒｕ０．７５／Ｆｅ70Ｃｏ30１．５／Ｃｕ０．２／Ｆｅ70Ｃｏ30０．５／ＺｎＯ１．５／Ｃｕ０．５／Ｆｅ70Ｃｏ30０．８／ＣｏＦｅＢ１．２／Ｎｉ90Ｆｅ10６／Ｃｕ３／Ｒｕ１／Ｔａ６／Ｒｕ３
本実施例のサンプルは、複合スペーサ層がＳ／Ｍ（Ｍ＝Ｃｕ、Ｓ＝ＺｎＯ）という構造をもつようにした一例である。この構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性については測定しなかったが、上記実施例１，２の結果から、Ｃｕスペーサを有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて改善された特性が得られるであろうことが予測される。
特定の理論に拘泥するわけではないが、本発明の複合スペーサ層に起因してｄＲ／Ｒが向上するメカニズムは、ＺｎＯ等の半導体の粒界が複数の導電チャネルを形作ることによって電流が制限されることに関係していると考えられる。そのような複数の導電チャネルが絶縁性粒子間に分散的に存在し、これらが、銅層（Ｍ層）を通してスピン分極電流を伝える電流制限チャネルのように振る舞う結果、優れた磁気抵抗効果が発現するのである。そのメカニズムは、半導体（または半金属）の粒界による導電チャネルが関与しているという点を除き、従来のＣＣＰ−ＣＰＰ構造の電流制限作用に似ている。
ここに開示したＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造は、小さなＲＡ値と許容し得るＥＭ特性とを確保しつつ、そのユニークな複合スペーサ構造によって、従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べてかなり優れたｄＲ／Ｒを発現するという効果をもたらすものである。そのような許容し得るＥＭ特性が得られるのは、ＡＰ２層をＦＣＣ三層構造として構成したことに起因する。
以上、実施の形態およびいくつかの実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、複合スペーサ層を備えたＣＰＰスピンバルブ構造を磁気再生ヘッドに適用する場合について説明したが、これに限られず、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた各種の磁気素子、例えば電流センサ、磁気方位センサ、磁性微粒子検出センサおよび加速度センサ等の各種の磁気センサや、ＭＲＡＭ（magnetic random access memory ）等の磁気メモリにも適用可能である。
本発明の一実施の形態におけるＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドのスピンバルブ構造を表す断面図である。 第１のシールド層と第２のシールドとの間にＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造を配してなるＣＰＰ−ＧＭＲ再生ヘッドの要部構造を示す断面図である。
符号の説明
１…スピンバルブ構造、１０…基体（第１の磁気シールド兼下部導電リード）、１１…シード層、１２…ＡＦＭ層、１３…下層、１４…中間層、１５…上層、１６…ＡＰ２層、１７…結合層、１８…ＡＰ１層、２０…ピンド層、２１…複合スペーサ層、２２…フリー層、２３…キャップ層、２４…絶縁層、２５…第２の磁気シールド（兼上部導電リード）、３０…磁気再生ヘッド。

Claims (19)

  1. 反平行層（ＡＰ２層）と、結合層と、他の反平行層（ＡＰ１層）とを順次積層してなる構造（ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層）を有するピンド層と、
    フリー層と、
    前記ピンド層と前記フリー層との間に、金属層（Ｍ層）と半導体または半金属層（Ｓ層）とを含むＳ／Ｍ／Ｓという積層構造を有する複合スペーサと
    を備えたことを特徴とする磁気素子のスピンバルブ構造。
  2. 前記磁気素子が、第１の磁気シールドを有するＣＰＰ−ＧＭＲ（面直交電流型巨大磁気抵抗効果素子）として構成されたものであり、
    前記第１の磁気シールドの上に形成されたシード層と、
    前記シード層の上に形成された反強磁性（ＡＦＭ）層と、
    前記フリー層の上に形成されたキャップ層と
    を備え、
    前記ＡＰ２層が前記ＡＦＭ層に接し、前記ＡＰ１層が前記複合スペーサに接している
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  3. 前記ＡＰ２層が、Ｃｏz Ｆｅ(100-z) ／Ｃｏy Ｆｅ(100-y) ／Ｃｏz Ｆｅ(100-z) という複合構造を有する（但し、ｙ＝０〜６０原子％、ｚ＝７５〜１００原子％）
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  4. 前記Ｍ層は０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚を有し、前記Ｓ層は０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  5. 前記Ｓ層が、 ＭｇＯ、ＺｎX Ｍｇ(100-X) Ｏ（但し、ｘ＝０〜９９原子％）、ＺｎＣｕＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ2 、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、Ｃｕ2 Ｏ、ＦｅＳｉ2 、ＣｒＭｎＳｉ、Ｍｇ2 Ｓｉ、ＲｕＳｉ3 およびＩｒ3 Ｓｉ5 よりなる群から選ばれる半導体、
    または、
    Ｓｂ、Ｂｉ、ＣｏＳｉ、ＣｏX Ｆｅ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｎｉ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｍｎ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｃｒ(100-X) ＳｉおよびＦｅＳｉよりなる群から選ばれる半金属
    によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  6. 前記Ｍ層が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｇよりなる群から選ばれる元素で構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  7. 前記Ｓ層のうちの１以上の層に、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｆe およびＮｉよりなる群から選ばれる１以上の元素が、０〜２０原子％という出来上がり濃度でドープされている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子のスピンバルブ構造。
  8. 基板上に形成されたシード層と、
    前記シード層上に形成されたＡＦＭ層と、
    前記ＡＦＭ層上に形成された、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層なる３層構造を有するピンド層と、
    前記ピンド層のＡＰ１層上に形成された、金属層（Ｍ層）とＭｇＯ，Ｚｎ X Ｍｇ (100-X) Ｏ（但し、ｘ＝０〜９９原子％），ＺｎＣｕＯ，ＺｎＣｄＯ，ＺｎＡｌＯ，ＴｉＯ 2 ，またはＣｕ 2 Ｏよりなる群から選ばれる半導体によって構成されているＳ層とを含むＭ／ＳまたはＳ／Ｍという積層構造を有する複合スペーサと、
    前記複合スペーサ上に形成されたフリー層と、
    前記フリー層上に形成されたキャップ層と
    を備えたことを特徴とするＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  9. 前記シード層は、タンタル（Ｔａ）からなる下層と、ルテニウム（Ｒｕ）からなる上層との複合層であり、
    前記ＡＦＭ層は、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）からなり、
    前記ＡＰ２層は、ＣｏZＦｅ(100-Z) ／ＣｏYＦｅ(100-Y) ／ＣｏZＦｅ(100-Z) なる組成を有し（但し、ｙは０ないし６０原子％、ｚは７５ないし１００原子％）、
    前記結合層は、ルテニウム（Ｒｕ）からなり、
    前記ＡＰ１層は、［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］k ／ＣｏＦｅなる積層構造を有する（但し、ｋ＝１, ２, または３）
    ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  10. 前記複合スペーサが、Ｍ／Ｓ、Ｓ／Ｍ、Ｍ／Ｓ／Ｍ、Ｓ／Ｍ／Ｓ、Ｍ／Ｓ／Ｍ／Ｓ／Ｍ、または（Ｍ／Ｓ／Ｍ）n という積層構造を有する（但し、ｎは１より大きい整数）
    ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  11. 前記Ｍ層は０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚を有し、前記Ｓ層は０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚を有する
    ことを特徴とする請求項８記載のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  12. 前記Ｍ層が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｇよりなる群から選ばれる元素で構成されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  13. 前記Ｓ層のうちの１以上の層に、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｆe およびＮｉよりなる群から選ばれる１以上の元素が、０〜２０原子％という出来上がり濃度でドープされている
    ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造。
  14. 基板上にシード層を形成するステップと、
    前記シード層上にＡＦＭ層を形成するステップと、
    前記ＡＦＭ層上に、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層なる３層構造を有するピンド層を形成するステップと、
    前記ピンド層のＡＰ１層上に、金属層（Ｍ層）と半導体または半金属層（Ｓ層）とを含むＳ／Ｍ／Ｓという積層構造を有する複合スペーサを形成するステップと
    前記複合スペーサ上にフリー層を形成するステップと、
    前記フリー層上にキャップ層を形成するステップと
    を含むことを特徴とする磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
  15. 前記スピンバルブ構造をＣＰＰ−ＧＭＲ用の構造とし、
    すべての層をスパッタ成膜装置によって形成する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
  16. 前記Ｍ層を０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚で形成し、前記Ｓ層を０．１ｎｍ〜５ｎｍの膜厚で形成する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
  17. 前記Ｓ層が、
    ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｎX Ｍｇ(100-X) Ｏ（但し、ｘ＝０〜９９原子％）、ＺｎＣｕＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＡｌＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ2 、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、Ｃｕ2 Ｏ、ＦｅＳｉ2 、ＣｒＭｎＳｉ、Ｍｇ2 Ｓｉ、ＲｕＳｉ3 およびＩｒ3 Ｓｉ5 よりなる群から選ばれる半導体、
    または、
    Ｓｂ、Ｂｉ、ＣｏＳｉ、ＣｏX Ｆｅ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｎｉ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｍｎ(100-X) Ｓｉ、ＣｏX Ｃｒ(100-X) ＳｉおよびＦｅＳｉよりなる群から選ばれる半金属
    によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
  18. 前記Ｓ層を構成する基本材料と不純物とを含むターゲットをスパッタすることにより、前記Ｓ層のうちの１以上の層に、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｆe およびＮｉよりなる群から選ばれる１以上の元素を、０〜２０原子％という出来上がり濃度でドープする
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
  19. 金属層または金属合金層ＡＢ（但し、ＡおよびＢは金属元素）を成膜したのち、前記スパッタ成膜装置内の酸化室において、プラズマ酸化、自然酸化またはラジカル酸化のプロセスを行なって前記金属層または金属合金層ＡＢを酸化することにより、前記Ｓ層を、金属酸化物層または三成分酸化物(ternary oxide) 層ＡＢＯとして形成する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッドにおけるスピンバルブ構造の形成方法。
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