JP5529648B2 - 磁気センサ積層体、その成膜方法、成膜制御プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子（リーダースタック）の両側に、バイアス磁界を与える磁性層を備えた磁気センサ積層体、成膜方法、成膜制御プログラムおよび記録媒体に関する。

近年のハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）の大容量化に伴い、外部磁界の変動に応じて電気抵抗が変化する素子を用いた磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドが注目されている。特に巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ヘッドやトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ヘッドは感度が非常に高く、磁気ディスクの記録密度を高めることができる。さらに高密度記録化に伴って、ＭＲヘッドの縮小化が進められている。

ＭＲヘッドは、バイアス磁界を与える磁性層によって二側面が囲まれたＭＲ素子（リーダースタック）を備えている。リーダースタックを縮小すると、当然にバイアス磁界を与える磁性層が利用できる空間も規制される。磁性層の体積、およびリーダースタックの端部と対向する面の面積を縮小すると、バイアス磁界が減少する。

リーダースタックに対向する面はリードギャップ〔磁気トンネル接合（ＭＴＪ）または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）積層を囲む２個のシールドの間の距離〕およびストライプ高さ〔記録媒体表面に垂直なリーダースタックの横寸法〕によって決定される。リードギャップの減少はリニア（トラック上の）分解能の増大のために必要であり、ストライプ高さの減少はトラックエッジへの感度を低下させるために必要なリーダ幅の減少に付随する。

ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の面密度の増大は、構成部品の大きさを調整すること、および信号処理を改良することによりなされる。記録媒体のビットをより小さくするため、すなわち、トラック／インチ（ＴＰＩ）およびビット／インチ（ＢＰＩ）を単位とする密度を増大させるために、結晶粒をより小さくし、直径分布をより密にする技術開発が進められている。より小さい磁気領域に記録し、かつより小さい磁気領域から読み取るために、書込装置および読取装置の両方が縮小される。特に、解像度を増大し、より高いＢＰＩの記録を達成すべく、ＴＰＩを増大し、シールド間距離を減少させると同時に、読取装置の幅が狭く設定される。

典型的なセンサ構造は、反強磁性（ＡＦＭ）ピニング層、シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ）、非磁性スペーサまたはトンネル絶縁体、および強磁性フリー層からなる。また、シード層およびキャッピング層も種々の目的で使用される。ＳＡＦは、薄いスペーサ層を介して反方向に結合した２つの強磁性体からなる。ＳＡＦの強磁性体は、ＡＦＭと接触しているピンド層と、非磁性スペーサまたはトンネル絶縁体と接触しているリファレンス層とを含む。リーダースタックを通じた抵抗変化は、リファレンス層とフリー層との間の磁化の相対的方向によって決定される。フリー層は、磁界にバイアスがかけられ、リファレンス層と直角を成すように配向されている。この構成により読み込み感度は非常に高くなり、記憶媒体からの外部磁場に対して線形応答を得ることができる。バイアス磁界は、「ハードバイアス」とも称され、ディスクドライブの寿命を通して一定に維持されることが期待される。またハードバイアスは、フリー層に磁区が発生することを防ぐ役割を持つ。磁気抵抗素子およびハードバイアス積層体は共に、２つの厚い軟磁性シールド間に挟まれている。

単純なハードバイアス積層体は、ＣｒまたはＷなどの下地層と、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔなどから構成される磁性層と、Ｃｒ、ＲｕもしくはＴａなどから作成されるキャッピング層とからなる。磁性層の保磁力（Ｈｃ）は、特に高い動作温度での外部磁場によるスイッチングを防止するために、１５９．５ｋＡ／ｍ（２０００エルステッド（Ｏｅ））以上の値が望ましい。

磁性層結晶粒の一部に磁化反転が生じると、バイアス磁界の著しい減少を招く可能性があり、またセンサにおけるノイズを誘発する。リードギャップサイズの縮小は、シールド間に適用できるハードバイアス積層体の厚さの減少につながる。バイアス磁界は、磁性層の残留磁化と厚さとの積（Ｍｒｔ）に比例するため、厚さｔが減少すると、フリー層のバイアス印加が不十分となりうる。さらに、磁性層とシールド層とが近接することにより、シールド層への漏れ磁束が増加し、接合壁面（リーダースタックとハードバイアス積層体の境目）におけるバイアス磁界がさらに減少することになる。

磁界を増加させる方法の一つは、接合壁面において磁性層をフリー層から隔てている絶縁層の厚さを減少させることである。しかしながら、低リーク電流および高降伏電圧が要求されることから、絶縁体の厚みを薄くするには制限がある。磁性層をフェライトなどの絶縁材料で作成することが可能であり、それにより絶縁層を省略したり、あるいはその厚さを３ｎｍ以下まで減少させることができる。しかしながら、ほとんどの絶縁性磁性フェライトの飽和磁化および保磁力は、Ｃｏ−Ｐｔ合金のものに劣る傾向がある。組成および結晶成長も制御がはるかに困難である。

現在のＣｏＰｔベースのハードバイアス積層体は、２次元等方性である。面内において、いかなる方向に沿った保磁力Ｈｃも等しく、すなわち磁気異方性の大きさを表すＯＲ（オリエンテーションレシオ；ストライプ高さ方向に対して面内垂直方向の保磁力／ストライプ高さ方向の保磁力の比）で表すとＯＲ＝１である。ＣｏＰｔの六方晶ｃ軸は、面内でランダムである。しかしながら、多数の結晶粒間の交換結合により、比較的高い角形比（０．８５以上）が実現できる。接合壁面では、平均磁界がフリー層に向けられる。ストライプ高さが減少すると、接合壁面にある結晶粒は減少し、それにより磁束をフリー層に向けるのがより難しくなる。これは、前述の結晶粒のｃ軸がフリー層に向けられていないときに顕著である。もしもｃ軸を接合壁面に向けて配向できれば、ストライプ高さ（奥行き）の結晶粒径に対する比率はもはや問題ではなくなる。さらに、同じ厚みｔに対するＭｒが増加し、より高いバイアス磁界を得ることができる。より多くの磁束が接合壁面上に集束され、ハードバイアス積層体の側端部で損失する磁束はより少なくなる。

浮上面（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ；以下、「ＡＢＳ面」という。）から見ると、読取装置全体の幅は、記録されたトラックに対して垂直であり、厚さはトラックに対して平行である。読取装置は、ＡＢＳ面に対して垂直に、ＡＢＳ面から離れてストライプ高さ（奥行き）と称される高さまで延びる。読取装置の幅、積層体の厚さ、およびストライプ高さによって、読取装置の三次元寸法が定まる。所与の幅に対する最適なストライプ高さは、通常その幅の１．５倍よりも低い。これまでに列挙されたように読取装置を構成する多くの層が存在し、これにより、得ることのできる厚さの最小値が制限される。

例えば、上記ＡＦＭ層があまりにも薄く成膜されると、その層は熱的に不安定になり、ＳＡＦのピンド層の磁化方向を十分に固定することができない。すなわち、交換バイアスは減少する。さらに、横方向寸法が減少すると、寸法効果が熱的に有限なものとなり、また読取装置の安定性に悪影響を及ぼす。一般に使用されるＩｒ−Ｍｎ合金に関しては、大部分の結晶粒が適切な寸法（３０ｎｍ以上）であると考えられ、厚さが適切であれば（５ｎｍ以上）、５０ｎｍより大きい横方向寸法は問題にならない。したがって、ＡＦＭ層が単結晶でなければ、装置の中に不安定な結晶粒が形成されやすい。

Ｃｒシード層は、（１１０）格子面で成長し、また長手媒体におけるＯＲの研究から、ＯＲ＞１が達成されるのはＣｒ（００２）格子面の場合のみであり、その上にＣｏＰｔ（１１２０）が形成される。〔１１０〕方向と〔１−１０〕方向のエピタキシャル関係は、ＣｏＰｔ（（１１２０）格子面のうち、ｃ軸方向の格子定数が０．４１ｎｍで、ｃ軸に垂直な格子軸の格子定数が０．４３ｎｍである）に対して、エネルギー的に等価となる。異方性応力によりＣｒ格子が面内で変形する場合のみ、特定の方向が好ましい。Ｓｉｍｉｏｎら（特許文献１参照）は、ＭｇＯおよびＮｉＡｌなどの異なるシード層を提案している。記録媒体の研究において、双方の下地層は２次元ｃ軸配列を提供することが実証されている。

Ｌａｒｓｏｎら（特許文献２参照）は、素子接合壁へ向いた優位な磁気異方性を有する磁気抵抗素子を備えた読み取りセンサを開示している。また、Ｓａｎ Ｈｏら（特許文献３参照）は、ｃ軸方向がＨＣＰ磁気バイアス積層体の角度によって制限される可能を明らかにしている。すなわち、双方の明細書では、斜めスパッタを利用したＣｏＰｔ合金の成膜によって、磁気異方性を実現できることが開示されている。傾めスパッタは、最も適度なＨｃ ＯＲが１．２未満であるにもかかわらず、Ｓｈｉｂａｍｏｔｏら（特許文献６参照）は、長手媒体に配向を与える際にも利用している。初期の窒化Ｎｂまたは窒化Ｔａシード層（異方性許容層）では、剛性円形ディスク内の円周方向に沿って媒体の磁気異方性をもたせるために斜め成膜している。

ＦｅＣｏなどの軟性層の面内異方性は、斜めスパッタにより容易に実現できる。特に成膜面の法線に対して高い入射角度をもつスパッタリングプロセスでは、セルフシャドウ効果により比較的薄い膜（約１０ｎｍ）であっても、面内異方性が発生する。セルフシャドウ効果は、斜め入射成膜において、表面に発生した核によって影が発生し、この影の部分にはスパッタ粒子が飛来しないことから、斜め柱状に膜が成長することを言う。我々の経験では、現在の最適な厚さ（約２０ｎｍ）のＣｏＰｔ層では、入射角度に対する面内異方性の依存性が低く、シード層または下地層を厚くしなければならない。しかし、シード層は薄いものでなければならず（６ｎｍ以下）、このことはＬａｒｓｏｎらおよびＳａｎ Ｈｏら研究成果に従ったハードバイアス積層膜の作成を非常に困難にしている。Ｓａｎ Ｈｏらは、ある程度のＯＲを示すために、磁性層が（１１−２０）格子面を有することを示唆しているが、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）による評価では（１０−１０）格子面が示されている。これは、低温成膜（１００℃未満）の典型的な事例である。より高温での成膜は、例えば、Ｃｒに対し（００２）成長を引き起こすが、ハードバイアス成膜中の温度感受性フォトレジストマスクの存在では成長が制約される。Ｓｈｉｂａｍｏｔｏらによって開示された媒体の支配的な格子面は、層の高温成膜のためにＣｏＣｒＰｔＢ（１１２０）であることが期待される。さらに、斜めに成膜された下地層も、長手記録媒体においてＯＲが生じるのに必要だと考えられる（００２）面を示さない（Ｍｉｒｚａｍａａｎｉ）。ハードバイアスＯＲの発現は、Ｌａｒｓｏｎらにおける概念が示唆しているように、おそらく交換結合による異方性である。Ｍｒｔは、交換結合が最大である方向に沿って最も大きい。波状の表面パターン（Ｃａｒｅｙら（特許文献４参照）による異方性粗さ）がＯＲを誘導していると考えられる。

現在のハードバイアス成膜は、殆どがイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）などのロングスロー・スパッタリングによって行われている。ＩＢＤシステムは、入射するスパッタ粒子の入射角度を調節するために回転可能なステージを有する。例えば、Ｈｅｇｄｅら（特許文献５参照）は、ハードバイアス成膜方法を開示しているが、磁性層は略垂直角度で成膜されている（垂直線から２５度以下）。

より薄いＣｏＰｔ層の実現のために、十分なＯＲを取得する困難さに加えて、特に、垂直から４５度を超える傾めスパッタは多孔膜を生じる。このことは、たとえば、Ｌａｒｓｏｎらの画像から観察できる。したがって、磁気モーメントは密度の低下と共に減少する。磁気モーメントの減少は、磁気異方性の方向を合わせることによって達成されるいかなる磁気方形性の獲得（Ｍｒ／Ｍｓ）をも相殺可能である。

米国特許第６，１８５，０８１号明細書 米国特許第７，０６１，７３１号明細書 米国特許第７，１６１，７６３号明細書 米国特許第７，３６０，３００号明細書 米国特許第６，１３９，９０６号明細書 米国特許第７，１１５，１１９号明細書

ところで、磁性層の入射角度成膜に依存するＯＲの低下、および十分なＯＲを得るために厚い下地層とシード層が必要になる問題を軽減するために、磁束を接合壁面に集中させるためのより最適な方法が必要とされている。

また図２６および図２７は、従来の磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直なプロフィールを示す概略図である。矢印９２は、ハードバイアス積層体が磁化された後の磁性粒の磁化方向を示すものであり、この磁化によりリーダースタック９０のフリー層に（図２６において）右方向にバイアス磁界を生み出している。磁性層の結晶ｃ軸方向は、膜面内に２次元ランダムに分布されている。

交換結合を利用すれば、隣どおしの磁化がより平行に配向される。結晶粒の微細化またはストライプ高さ（奥行き）ｈを延ばすことで（図２６参照）、接合壁面における磁化方向の平均値は十分に大きくなり、フリー層全体に対して比較的均一な磁界を発生させることが可能である。他方、結晶粒が少なくフリー層面積が狭くなると（図２７）、結晶粒の異方性の方向による影響により、リーダースタック９０の磁化の均一性が悪化する。この磁界の不均一性は、読み取りヘッドのノイズを引き起こす。

すなわち、ＭＲ素子の縮小化を促進するためには、磁束を接合壁面に集中させるべく、ハードバイアス積層体の磁性層の結晶ｃ軸をリーダースタックとハードバイアス積層体との接合壁面に対して略垂直に配向させればよい。言い換えれば、磁気記録媒体に対向する面であるＡＢＳ面に沿った方向に配向させればよい（図２、図１３）。

本発明は、リーダースタックの接合壁面近傍における磁性層のｃ軸を接合壁面に対して略垂直に配向させて、磁束を接合壁面に集中できる磁気センサ積層体、その成膜方法、成膜制御プログラムおよび記録媒体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。

即ち、第１の本発明に係る磁気センサ積層体の成膜方法は、基板上に、少なくとも、反強磁性層上の一部に強磁性スタックを備える段形状の磁気抵抗素子を配置し、前記磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜する磁気センサ積層体の成膜方法であって、
前記基板の上に前記反強磁性層および前記強磁性スタックを成膜する手順と、
前記強磁性スタックの上にフォトレジストマスクのパターンを形成する手順と、
前記強磁性スタックの一部をエッチングする手順と、
前記フォトレジストマスクの幅をトリミングする手順と、
前記トリミングされたフォトレジストマスクを使用して、前記強磁性スタックおよび前記反強磁性層をエッチングして、前記対向する２つの接合壁面の両方に、前記反強磁性層と前記強磁性スタックとで形成される段形状部分を有する前記段形状の磁気抵抗素子を形成する手順と、
前記フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順と、
前記段形状の磁気抵抗素子および前記ハードバイアス積層体の表面を平坦化する手順と、
を有することを特徴とする磁気センサ積層体の成膜方法である。

即ち、第２の本発明（参考発明）に係る磁気センサ積層体は、基板の上に、バイアス磁界の付与により電気抵抗が変動する磁気抵抗素子と、上記磁気抵抗素子の対向する接合壁面の側方に、上記磁気抵抗素子にバイアス磁界を付与する磁性層を含むフィールド領域と、を有し、少なくとも、上記フィールド領域の上に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）の下地層を備え、上記下地層の上に、上記磁性層が成膜され、上記磁性層は、六方晶構造（ｈｃｐ）のＣｏ−Ｐｔ系合金であって、層内に空隙が存在せず、（１０．０）格子面を有し、ＡＢＳ面に沿って０．９を超える角形比を有していることを特徴とする磁気センサ積層体である。

また、第２の本発明（参考発明）に係る磁気センサ積層体の成膜方法は、基板上に、バイアス磁界の付与により電気抵抗が変動する磁気抵抗素子を配置し、上記磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、上記磁気抵抗素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜する磁気センサ積層体の成膜方法であって、少なくとも、上記基板の法線から４５度を超え９０度未満の成膜角度で、上記接合壁面の方向に沿って下地層を傾斜成膜する手順と、上記下地層の上に、上記基板の法線から０〜３０度の成膜角度で、磁性層を成膜する手順と、を有することを特徴とする磁気センサ積層体の成膜方法である。

第１の本発明によれば、反強磁性層上の一部に強磁性スタックを備え、かつ磁気抵抗素子の接合壁面が対向する方向に沿った強磁性スタックの最上面の幅が、同方向に沿った反強磁性層の最上面の幅よりも狭く形成され、上記接合壁面の近傍の磁性層の結晶ｃ軸は膜面内でＡＢＳ面に沿った方向に沿っている。したがって、上記接合壁面にて、接合壁面の近傍の磁性層の結晶ｃ軸は接合壁面に略垂直方向に配向しているので、磁束を磁気抵抗素子に集中させることができるという優れた効果を奏する。

第２の本発明によれば、下地層の材質、膜厚、スパッタ入射角の最適化を図ることにより、磁性層の磁気異方性を高めることができる。したがって、接合壁面の近傍の磁性層の結晶ｃ軸はＡＢＳ面に沿って、即ち、接合壁面に略垂直方向に配向しているので、磁束を磁気抵抗素子に集中させることができるという優れた効果を奏する。

第１の実施形態に係る磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。 第１の実施形態に係る磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直なプロフィールを示す概略図である。 第１の実施形態に係る磁気センサ積層体の成膜方法の手順を示す工程図である。 磁気センサ積層体の具体的な成膜方法を示す説明図である。 磁気センサ積層体の具体的な成膜方法を示す説明図である。 第１の実施形態に係る磁気センサ積層体の完成形を模式的に示す概略図である。 第１及び第３の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す概略図である。 第１及び第３の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は比較例として作成した磁気抵抗素子のＡＦＭ層およびその結晶粒の概略図、（ｂ）は本実施形態の磁気抵抗素子のＡＦＭ層およびその結晶粒の概略図である。 第１の実施形態の図５（ｆ）（ｇ）に相当する手順の概略図である。 第２の実施形態による磁気センサ積層体の完成形を示す概略図である。 第３の実施形態に係る磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。 第３の実施形態に係る磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直なプロフィールを示す概略図である。 磁気抵抗素子上にフォトレジストマスクを配置した磁気センサ積層体を示す概略図である。 第３の実施形態の磁気センサ積層体を構成するハードバイアス積層体をフィールド領域に成膜する手順を示す工程図である。 第３の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す斜視図である。 イオンビーム蒸着システムの一例を示す概略図である。 ハードバイアス積層体の層構成、およびハードバイアス積層体の磁化ループを示す概略図である。 Ｔａ−Ｎ第２のシード層およびＷ−Ｔｉ下地層上に成膜されたＣｏＰｔ磁性層のＸＲＤスペクトルを示す説明図である。 基板垂直方向の配向が観られない根拠を示す説明図である。 第４の実施形態の成膜装置を模式的に示す概略図である。 第４の実施形態の成膜方法において、フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順を示す工程図である。 第４の実施形態の成膜装置を用いる場合の成膜状況を示す説明図である。 第４の実施形態の成膜方法におけるトリミング手順を示す説明図である。 第５の実施形態の連続処理装置の装置構成例を示す平面図である。 従来の磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直な方向の断面を示す概略図である。 従来の磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直な方向の断面を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
〔磁気センサ積層体の構造〕
まず、図１および図２を参照して、磁気抵抗素子を備える磁気センサ積層体の構造について説明する。図１は、本実施形態に係る磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。図２は、本実施形態に係る磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直なプロフィールを示す概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る磁気センサ積層体１は、基板３１上の略中央部に、組成が異なる複数の積層膜からなり、磁界が印加されることで電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を有する磁気抵抗素子（リーダースタック）１０を備える。また、磁気センサ積層体１は、上記リーダースタック１０の対向する２つの接合壁面１０ａ、１０ｂの側方のフィールド領域２２に、バイアス磁界を上記リーダースタック１０に付与することができるハードバイアス積層体２０を備えている。このように磁気センサ積層体は、基板３１上に、単一の又は複数のリーダースタック１０およびハードバイアス積層体２０を備えており、ハードディスクドライブ等の磁気読み取りヘッド用のセンサを切り分ける前の中間製品である。

図１に例示するリーダースタック１０は、フリー層１６の真下に酸化物バリア層（ＭｇＯ）を備える磁気トンネル接合体（ＭＴＪ）である。これに限定されず、リーダースタック１０は、非常に低い抵抗を有する大部分が金属製の巨大磁気抵抗接合体（ＧＭＲ）であってもよい。

具体的には、リーダースタック１０は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層（基板）３１上に積層され、主に、反強磁性層である反強磁性ピニング層（ＡＦＭ層）１３、シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ層）１４、スペーサ層１５、および強磁性フリー層１６を備えている。

ＡＦＭ層１３は、例えば、ＩｒＭｎ等の反強磁性体によって形成されている。ＡＦＭ層１３は、例えば、上記ボトムシールド層３１上に、必要に応じて不図示のＴａ等からなるプレシード層およびＲｕ等からなる第３のシード層を介して積層される。

ＳＡＦ層１４は、薄いカップリング層（非磁性層またはトンネル絶縁体層）１４ｂを介して、逆向きに結合した２つの強磁性体層１４ａ、１４ｃからなる。ＳＡＦ層１４の強磁性体層は、ＡＦＭ層１３と接触しているピンド層１４ａと、カップリング層１４ｂと接触しているリファレンス層１４ｃとから構成される。

スペーサ層１５は、非磁性層またはトンネル絶縁体層からなり、例えば、ＭｇＯ等の酸化物層により形成されている。

フリー層１６は、例えば、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体によって形成されており、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体層上にＴａ層、ＮｉＦｅ層を積層した層でもよい。フリー層１６は、バイアス磁界がかけられ、リファレンス層１４ｃと直角を成すように配向される。この配置により、センサ感度を高くでき、記憶媒体からの外部磁場に対する線形応答を提供する。バイアス磁界は、「ハードバイアス」とも称され、ディスクドライブの寿命を通して一定に維持されることが期待される。またハードバイアスは、フリー層１６に磁区が形成されることを防ぐ。リーダースタック１０を通じた磁気抵抗変化は、リファレンス層１４ｃとフリー層１６との間の磁化の相対的方向によって決まる。

フリー層１６は、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣなどから選択される不図示の第３のキャッピング層（図６の１７）で覆われている。

ここで、少なくとも、ピンド層１４ａ、スペーサ層１５、およびフリー層１６の接合体が強磁性スタック（ＦＭスタック）１８である。ＦＭスタック１８には、不図示の第３のキャッピング層（図６の１７）を含んでいる場合もある。本実施形態のリーダースタック１０は、ＡＦＭ層１３上の一部にＦＭスタック１８を備え、その接合壁面１０ａ、１０ｂが対向する方向（紙面に平行な方向）に沿ったＦＭスタック１８の最上面の幅ｗ_Fは、同方向に沿ったＡＦＭ層１３の最上面の幅ｗ_Aよりも小さく設定されている。すなわち、リーダースタック１０は、例えば、断面が幅広の台形状のＡＦＭ層１３の上に、これより幅の小さい台形状のＦＭスタック１８を積層したような段形状に形成されている。磁気センサ積層体１を、紙面に平行な面で切り分けて、ストライプ高さ（図１では奥行き）ｈの磁気読み取りヘッド用センサとした場合に、ＦＭスタック１８の最上面の幅ｗ_Fは、ヘッド幅となるため２０ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。また、ＡＦＭ層１３の最上面の幅ｗ_Aは、ＦＭスタック１８の最上面の幅ｗ_Fの２．５倍以下であることが好ましい。ｗ_Aがｗ_Fの２．５倍を超えると、フィールド領域２２が減少し、バイアス磁界をリーダースタック１０に十分に与えられない可能性がある。

上述したように、基板３１上のフィールド領域２２にはハードバイアス積層体２０が成膜され、このハードバイアス積層体２０は、結晶ｃ軸を有する磁性粒を備えた第１および第２の磁性層２２ａ、２２ｂを含んでいる。第１の磁性層２２ａはリーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂに接するように積層され、第２の磁性層２２ｂは第１の磁性層２２ａ上に積層されている。

第１の磁性層２２ａならびに第２の磁性層２２ｂは、例えば、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔおよびこれらの合金群から選択される六方晶構造（ｈｃｐ）を有する合金（永久磁石）によって形成されている。これに限定されず、第１の磁性層２２ａは、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔおよびこれらの合金群から選択される面心正方晶構造（ｆｃｔ）の合金によって形成してもよい。

図１および図２を参照して、第１の磁性層２２ａならびに第２の磁性層２２ｂの結晶ｃ軸方向（すなわち、結晶粒磁化軸）について説明する。なお、図２中のＡＢＳは浮上面を示し、ｈ_F、ｈ_Aは、それぞれＦＭスタック１８、ＡＦＭ層１３のストライプ高さ（図１では奥行き）を示しており、ｈ_F＝ｈ_Aである。図２におけるリーダースタック１０のフリー層１６上の矢印は、ハードバイアス積層体２０によるバイアス磁界の付与により、例えば、フリー層１６が右方へ磁化された状態を示している。

交換結合の存在によって、隣接する磁化は互いにより平行に方向付けられる。本実施形態の磁気センサ積層体１では、リーダースタック１０から離れたフィールド領域２２において、第２の磁性層２２ｂにおける結晶ｃ軸方向（すなわち、結晶粒磁化軸）は膜面内で２次元（２Ｄ）ランダムに分布される。他方、リーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂの段形状部分では、ＦＭスタック１８の壁近傍の第１の磁性層２２ａだけでなく、ＡＦＭ層１３の壁上の第１の磁性層２２ａの結晶ｃ軸は１次元配向（１Ｄ₁）となる。この方向は、膜面内でＡＢＳ面に平行であり、接合壁面１０ａ、１０ｂに対して略垂直となる。ＡＦＭ層壁上の第１の磁性層２２ａの上にも第２の磁性層２２ｂが積層されているが、第１の磁性層２２ａ上で第２の磁性層２２ｂがエピタキシャル成長するため、第１の磁性層２２ａ上の第２の磁性層２２ｂもまた一次元（１Ｄ₂）に整列している。

フィールド領域２２の下部およびリーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂの上には、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる絶縁層１９が配置されている。この絶縁層は、接合壁面において厚さ２〜５ｎｍを有する。

第１の磁性層２２ａおよび第２の磁性層２２ｂは、基板３１としてのボトムシールド層上に、上記絶縁層１９および必要に応じて下地層２１を介して積層される。この下地層２１は、例えば、Ｃｒ、Ｃｒ−Ｍｏ、Ｃｒ−Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗおよびこれらの合金群から選択される体心立方晶構造（ｂｃｃ）の合金によって形成されている。この下地層２１は、例えば、フィールド領域において３〜８ｎｍ、接合壁面において３ｎｍ未満の厚さを有する。

上記下地層２１に加え、この下地層２１上にさらに不図示の第１のシード層を備えて、下地層を二重に構成してもよい。即ち、フィールド領域２２およびリーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂは、例えば、ＣｒＢ、ＣｒＴｉＢ、ＭｇＯ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、およびこれらの合金群から選択される第１のシード層をさらに備えていてもよい。この第１のシード層は、例えば、フィールド領域において厚さ１ｎｍ未満、接合壁面において厚さ０．５〜２ｎｍを有する。

また、フィールド領域２２および接合壁面１０ａ、１０ｂは、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣから選択される第１のキャッピング層２３で覆われている。

そして、磁気センサ積層体１は、上記絶縁層１９の下にボトムシールド層３１を備え、上記第１のキャッピング層２３の上にトップシールド層３２を備えている。これらシールド層３１、３２は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体によって形成されている。すなわち、リーダースタック１０およびフィールド領域２２は、２つの厚い軟磁性シールド層３１、３２の間に挟まれている。これらシールド層３１、３２の間がリードギャップ（ＲＧ）となる。

〔磁気センサ積層体の成膜方法〕
次に、図３から図９を参照して、上記磁気センサ積層体１の作用を説明すると共に、本実施形態に係る磁気センサ積層体１の成膜方法について説明する。

図３は、本実施形態に係る磁気センサ積層体１の成膜方法の手順を示す手順図である。本実施形態に係る磁気センサ積層体１の成膜方法は、図３に示すように、まず、基板３１上に、少なくとも、ＡＦＭ層１３およびＦＭスタック１８を備えるリーダースタック１０を成膜する手順（ステップ１；以下、「Ｓ１」のように表記する）を有する。次に、リーダースタック１０上にフォトレジストマスク（ＰＲ）４１のパターンを形成する手順（Ｓ２）と、ＡＦＭ層１３の厚さに略等しい厚さのＦＭスタック１８の一部をエッチングする手順（Ｓ３）と、を有する。さらに、フォトレジストマスク４１の幅をトリミングする手順（Ｓ４）と、トリミングしたフォトレジストマスク４１ａを使用してＦＭスタック１８およびＡＦＭ層１３をエッチングする手順（Ｓ５）と、を有する。そして、絶縁層１９を成膜する手順（Ｓ６）と、フィールド領域２２にハードバイアス積層体２０を積層する手順（Ｓ７）と、表面を平坦化する手順（Ｓ８）と、第２のキャッピング層２４およびトップシールド層３２を成膜する手順（Ｓ９）と、を有する。

さらに、上記フィールド領域２２にハードバイアス積層体２０を積層する手順（Ｓ７）は、基板３１の法線から成膜角度θ₁（θ₁＝０〜２５度）で、下地層２１を成膜する第１の手順（Ｓ１１）を有する。また、基板３１の法線から成膜角度θ₂（θ₂＝５０〜９０度、好ましくは５０〜８０度）で、第１の磁性層２２ａを成膜する第２の手順（Ｓ１２）を有する。さらに、基板３１の法線から成膜角度θ₃（θ₃＝０〜２５度）で、第２の磁性層２２ｂを成膜する第３の手順（Ｓ１３）を有する。そして、基板３１の法線から成膜角度θ₄（θ₄＝０〜４５度）で、第１のキャッピング層２３を成膜する第４の手順（Ｓ１４）を有する。

さらに、図４および図５を参照して、本実施形態に係る磁気センサ積層体１の成膜方法を具体的に説明する。図４および図５は、磁気センサ積層体１の具体的な成膜方法を示す説明図である。

磁気センサ積層体１の作成は、図４（ａ）に示すように、まず、基板３１上に、リーダースタック１０となるＡＦＭ層１３およびＦＭスタック１８を成膜する。基板３１としては、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層を採用する。ＡＦＭ層１３は、上述したように、例えば、ＩｒＭｎ等の反強磁性体によって形成され、必要に応じて、Ｔａ等からなるプレシード層およびＲｕ等からなる第３のシード層を介して積層される。ＦＭスタック１８は、少なくとも、ＳＡＦ層１４、スペーサ層１５、およびフリー層１６等から形成され（図１参照）、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣから選択される不図示の第３のキャッピング層（図６の１７）で覆われている。

次に、ＦＭスタック１８上に、フォトレジスト（ＰＲ）マスク４１の塗布、パターニング、及び現像を行なう。フォトレジストマスク４１は、後述するエッチング処理に際して、ＦＭスタック１８の一部をマスクするためにある。後述する段形状のリーダースタック１０におけるＡＦＭ層１３の幅Ｗ_Aは、主にこのフォトレジストマスク４１の幅寸法によって決定される。

次に、図４（ｂ）に示すように、上記フォトレジストマスク４１で覆った部分以外のＦＭスタック１８の表面側をエッチング除去し、ＡＦＭ層１３の厚さに略等しい厚さでエッチングを停止する。エッチング処理には、例えば、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）等が採用される。しかしながら、ＩＢＥでは、エッチングされた材料がフォトレジストマスク４１壁に再蒸着することによって、後述するフォトレジストマスク４１のトリミングが困難になるため、無酸素ＲＩＥによってエッチングすることが好ましい。

その後、図４（ｃ）に示すように、例えば、プラズマ酸素プロセスなどを用いて、ＦＭスタックの幅Ｗ_Aを決定する幅まで縮小するように、ＦＭスタック１８上のフォトレジストマスク４１の幅寸法をトリミングする。このトリミングしたフォトレジストマスク４１ａは、ＡＦＭ層１３およびＦＭスタック１８をエッチングするためのマスクとして利用される。

次に、図４（ｄ）に示すように、上記トリミングマスク４１ａで覆った以外の部分のＦＭスタック１８およびＡＦＭ層１３をエッチングして除去する。エッチング処理には、上述したと同様に、例えば、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）等が採用される。エッチングは、ボトムシールド面で停止され、ＡＦＭ層１３上の一部にＦＭスタック１８を備え、接合壁面１０ａ、１０ｂが対向する方向に沿ったＦＭスタック１８の最上面の幅ｗ_Fが同方向に沿ったＡＦＭ層１３の最上面の幅ｗ_Aよりも小さく形成された段形状のリーダースタック１０が形成される。

エッチング処理の後、図５（ｅ）に示すように、段形状のリーダースタック１０が形成された基板３１（トリミングマスク４１ａを含むリーダースタック１０およびその接合壁面１０ａ、１０ｂの側方）の上に、絶縁層１９を被覆する。絶縁層１９は、センサに電流が通るのを制限するために成膜され、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）等の酸化物、あるいはＳｉ₃Ｎ₄等の窒化物などが好ましい。絶縁層１９の成膜は、例えば、物理気相成長法（ＰＶＤ）、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ）および化学気相成長法（ＣＶＤ）のいずれかの成膜法が用いられる。ＡＬＤ法やＣＶＤ法ではコンフォーマルな成膜が可能である利点を有する。

次に、上記絶縁層１９の上に、ハードバイアス積層体２０を成膜する。基本的なハードバイアス積層体２０の場合、まず上記絶縁層１９上に下地層２１を成膜し、次いで磁性層２２ａ、２２ｂおよび第１のキャッピング層２３を成膜する。下地層２１には、例えば、ＣｒもしくはＷおよびこれらの合金などが好ましい。この下地層２１の成膜は、例えば、ＩＢＤ、またはイオン化ＰＶＤもしくはコリメートＰＶＤなどによって、基板３１面に対して略垂直な角度（基板３１の法線からの角度、即ち成膜角度θ₁＝０〜２５度）で行われるのが好ましい。下地層２１の大部分は、フィールド領域２２および段形状のリーダースタックの水平面上に堆積される。

次に、図５（ｆ）に示すように、斜め成膜（基板３１の法線からの角度、即ち成膜角度θ₂＝成膜角度５０〜９０度、好ましくは５０〜８０度）で、第１の磁性層２２ａを成膜する。この第１の磁性層２２ａの大部分は、結晶ｃ軸が接合壁面１０ａ、１０ｂに対して略垂直に整列した状態で、接合壁面１０ａ、１０ｂおよびその近傍のフィールド領域２２上に成膜される。

さらに、図５（ｇ）に示すように、第１の磁性層２２ａ上に第２の磁性層２２ｂを成膜する。第２の磁性層２２ｂの成膜は、例えば、ＩＢＤ、またはイオン化ＰＶＤもしくはコリメートＰＶＤ等を用いて、基板３１面に対して略垂直角度（基板３１の法線からの角度、即ち成膜角度θ₃＝０〜２５度）で行われる。その後、第１および第２の磁性層２２ａ、２２ｂを保護するため、あるいはエッチング停止層もしくは化学的機械研磨（ＣＭＰ）停止層として、第２の磁性層２２ｂ上に第１のキャッピング層２３が、基板３１面に対して略垂直角度（基板３１の法線からの角度、即ち成膜角度θ₄＝０〜４５度）で成膜される。

そして、図５（ｈ）に示すように、第１のキャッピング層の成膜後、ＣＭＰまたは鋭角イオンビームエッチング（ＩＢＥ）などによって、図５（ｇ）中の破線で表面を平坦化する。そして、第２のキャッピング層２４を成膜した後、トップシールド３２を形成する。

図６は、本実施形態に係る磁気センサ積層体１の完成形を模式的に示す概略図である。上述したように、この磁気センサ積層体１のリーダースタック１０は段形状に形成され、第１段はＡＦＭ層１３によって形成され、第２段はＡＦＭ層１３よりも幅の小さいＦＭスタック１８によって形成されている。ハードバイアス積層体２０の段形状の接合壁面１０ａ、１０ｂに接する部分も、対応する段形状を有している。このハードバイアス積層体２０の段形状部分では、ＦＭスタック１８の壁近傍の第１の磁性層２２ａだけでなく、ＡＦＭ層１３の壁上の第１の磁性層２２ａの結晶ｃ軸も接合壁面１０ａ、１０ｂに対して略垂直に一次元（１Ｄ₁）で整列している。さらに、ＡＦＭ層壁上の第１の磁性層２２ａ上で第２の磁性層２２ｂがエピタキシャル成長するために、この一次元（１Ｄ₁）第１の磁性層２２ａ上の第２の磁性層２２ｂも一次元（１Ｄ₂）に整列する。これら一次元（１Ｄ₁、１Ｄ₂）に整列した磁性層は、リーダースタック１０から離れた第２の磁性層２２ｂからの磁束をフリー層へ集束させる機能を有する。したがって、フィールド領域２２のうちリーダースタック１０近傍で上記一次元（１Ｄ₁、１Ｄ₂）磁性層のｃ軸が配向されため、バイアス効率が結晶粒径にあまり依存しないようになる。さらに、フリー層１６の端部の接合壁面にある局所磁界は、ストライプ高さ（奥行き）を減少した場合でも、より均一になる傾向がある。すなわち、段形状のリーダースタック１０と第１の磁性層２２ａの斜め成膜とを利用して、一次元領域を拡張することができる。

上述した磁性の配向は、図１７に例示した様なＩＢＤやＰＶＤ等によって達成される。しかし、大きい基板（ウエハ；５〜８インチ）の場合、成膜の入射角が基板３１面に対して鋭角であるため、ＣｏＰｔ成膜の初期の段階でＩｎＢｏａｒｄ−ＯｕｔＢｏａｒｄ差（リーダースタックに対して基板中心方向側と基板外周側における膜厚の差）が発生する。

そこで、本実施形態の成膜方法では、図７および図８に示すような成膜装置を用いる。図７は、本実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す概略図である。図８は、本実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す斜視図である。

図７および図８に示すように、この成膜装置５１は、例えば、ＩＢＤ法によって基板ホルダ５２上に保持された基板３１上に膜を形成する装置であり、斜めに保持されたターゲットＴの前方にスリットシャッタ５３が配置されている。基板ホルダ５２は、不図示の直線移動手段を備え、シャッタ５３のスリット５４に対して直交するように直線的に移動可能となっている。そして、この成膜装置５１は、リーダースタック１０の接合壁面と平行な細長い不図示の矩形カソードマグネットを備えている。

このような成膜装置５１を用いて、基板３１を図７の紙面と直角を成す長手ターゲットＴの下で一定の速度で移動または走査する。図８に示すように、リーダースタック１０の接合壁面が、長手ターゲットに対して平行となるように配置された状態となっている。すなわち、リーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂは、図８中のｙ軸方向に沿っており、例えば点線Ａ，Ｂ，Ｂ’Ｃ，Ｃ’で示されるように、ターゲットＴからｘ軸方向に沿ってスパッタ照射されることになる。

上記図４（ｄ）に示すように、段形状のリーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂの両側にハードバイアス積層体２０を成膜するための２つのフィールド領域２２が設けられている。このようなパターンが多数同様のレイアウトで基板３１上に平行に形成される。即ち、基板上に複数のリーダースタック１０が配置され、各リーダースタック１０の両側にあるフィールド領域２２に同一の工程でハードバイアス積層体を積層する。

下地層２１は、まず基板３１面に対して略垂直入射で成膜される。殆どの成膜はフィールド領域２２上になされ、リーダースタック１０およびフォトレジストマスク４１ａの壁上では非常に薄い層となる。第１の磁性層２２ａは２つの手順で形成される。

第１の手順は、端から端まで成膜されるまで、基板３１をターゲットＴの下で一定の速度で移動させながら、リーダースタック１０の一方の接合壁面１０ａ（または１０ｂ）上に基板３１面に対して鋭角で成膜する。続いて第２の手順は、基板３１を１８０度回転させ、スパッタ磁束の下で移動させて、同じ角度でもう一方の接合壁面１０ｂ（または１０ａ）上に成膜ができるようにする。最少通過回数は２回であるが、両側の最終的な厚さ（１５〜４０ｎｍ）が同じである限り、通過（往復）回数は増加させてもよい。

第２の磁性層２２ｂは基板３１面に対して略垂直角度で成膜し、入射角度以外は第１の磁性層２２ａと同じ方法で形成することができる。第１のキャッピング層（例えば、Ｔａ）は、第２の磁性層２２ｂと同様にして形成される。このＴａは、接合壁面１０ａ，１０ｂまたはフォトレジストマスク壁上よりもフィールド領域２２上に、より多く成膜される。

下地層２１、第２の磁性層２２ｂ、および第１のキャッピング層２３は、現行のＩＢＤまたは周波数６０ＭＨｚのＲＦスパッタを用いたイオン化ＰＶＤによって成膜することができる。しかし、第１の磁性層２２ａは、図７の成膜装置５１を用いて、上記の矩形ターゲットＴを用いた方法で成膜する。

本実施形態では第１の磁性層２２ａとして、最も一般的に用いられる合金のＣｏ−Ｐｔを用いている。Ｆｅ−Ｐｔなどの他の材料も、接合壁面上の面心正方晶構造を用いて成長させてよいが、２００℃以上の温度が必要であると考えられる。この場合、センサ積層体の形成にハードマスクとＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）を用いれば、ハードバイアス積層体の成膜時にはフォトレジストマスク４１ａは無くなっており、好適である。

Ｃｏ−Ｐｔ（０００１）格子面は、ＭｇＯ（００１）格子面またはＣｒ（００２）格子面上に成長させることができる。つまり、接合壁面に対してｃ軸（磁気異方性の方向）を略垂直方向に形成できる。

なお、これは基板３１上の全てのリーダースタック１０が、全て平行であるようにパターニングされていると仮定している。また、リーダースタック１０の接合壁面は、成膜の間、図８に示されるように矩形ターゲットＴと平行に保持される。

即ち、第１の磁性層２２ａの成膜は、上記ターゲットＴの下で、基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、リーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂの一方の面を成膜するステップを有する。次いで、基板３１をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、上記ターゲットＴの下で基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、上記接合壁面１０ａ、１０ｂの他方の面を成膜するステップを有する。

一方、上述したように、下地層２１、第２の磁性層２２ｂおよび第１のキャッピング層２３の成膜は、第１の磁性層２２ａと成膜角度（スパッタ粒子などの入射角）が異なっている。しかし、下地層２１、第２の磁性層２２ｂおよび第１のキャッピング層２３の場合にも、上記ターゲットＴの下で、基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、一方のフィールド領域２２に成膜するステップを有する。次いで、基板３１をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、上記ターゲットＴの下で、基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、他方のフィールド領域２２に成膜するステップを有する。

上記各手順およびフィールド領域の積層手順における成膜方法のアルゴリズムは、例えば、ＩＢＤシステムの不図示の制御系に備えられたＨＤＤやＲＯＭ等の記録装置に成膜制御プログラムとしてインストールされ、ＣＰＵによって適宜読み出されて実行される。

記録媒体は、コンピュータによる読み取り可能な可搬性の記録媒体であり、記録媒体に記録された成膜制御プログラムは上記記憶装置にインストールされる。記録媒体としては、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア（登録商標）、メモリースティック（登録商標）、マルチメディアカード、ＳＤメモリカード等のフラッシュメモリ系が挙げられる。また、マイクロドライブ（登録商標）等のリムーバブルハードディスク系、フロッピー（登録商標）ディスク等の磁気記録系が挙げられる。さらに、ＭＯ等の光磁気記録系、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ＋ＲＷ（登録商標）、ＰＤ等の光ディスク等が挙げられる。

次に、磁気センサ積層体１における磁気抵抗素子１０のＡＦＭ層１３を所定の範囲に区画して、第１の本発明を適用しない例と比較して、第１の本発明の作用効果を検討する。

図９（ａ）は、比較例として作成した磁気抵抗素子のＡＦＭ層およびその結晶粒の概略図である。図９（ａ）に示した磁気抵抗素子は、ＦＭスタックの幅ｗ_F＝ＡＦＭ層の幅ｗ_A＝８０ｎｍ、ＦＭスタックのストライプ高さｈ_F＝ＡＦＭ層のストライプ高さｈ_A＝８０ｎｍである。図９（ａ）に示すように、８０ｎｍ×８０ｎｍの範囲内では、ＡＦＭ層１３は１０個の結晶粒からなる。これらの結晶粒の殆どはその寸法によって、また互いの交換結合によって安定している。磁気抵抗素子の寸法が、点線で示す３０ｎｍ（幅ｗ_F、ｗ_A）×４０ｎｍ（ストライプ高さｈ_F、ｈ_A）まで減少すると、ＦＭスタックの下方のＡＦＭ層１３の結晶粒は７個の結晶粒まで減少し、そのうちの５個（灰色で影が付けられた結晶粒）は寸法が小さくなったために熱的に不安定である。

図９（ｂ）は、本実施形態の磁気抵抗素子のＡＦＭ層およびその結晶粒の概略図である。図９（ｂ）に示すように、ＦＭスタック１８は図９（ａ）のものと同じ寸法（３０ｎｍ（幅ｗ_F）×４０ｎｍ（ストライプ高さｈ_F）まで小さくなったが、ＡＦＭ層１３は磁気抵抗素子の幅方向に沿って延びている状態、即ち、ＡＦＭ層１３の寸法は８０ｎｍ（幅ｗ_A）×４０ｎｍ（ストライプ高さｈ_A）である状態を示している。ＦＭスタック１８の下方における１個の結晶粒（灰色で影が付けられた結晶粒）だけが潜在的に不安定である。したがって、ＡＦＭ層１３の幅ｗ_Aを拡張することによって、熱的安定性が著しく向上する。

以上説明したように、本実施形態の磁気センサ積層体１およびその成膜方法等によれば、多層構造のＦＭスタック１８の幅ｗ_Fが、ＡＦＭ層１３の幅ｗ_Aよりも小さい段形状のリーダースタック１０を備えている。したがって、ＴＰＩが増大し、かつＦＭスタック１８の幅ｗ_Fが減少したことにより、熱的に誘発される不安定性を防止すべく、ＡＦＭ層１３の幅ｗ_Aが維持されるか、あるいはより広く設計される。しかし、段形状のＡＦＭ層１３及びＦＭスタック１８によって、接合壁面１０ａ、１０ｂの近傍からフィールド領域２２へ延びる第１の磁性層２２ａが、ＡＦＭ層１３と多層構造のＦＭスタック１８の幅の差に応じて薄くなる。

リーダースタック両側の接合壁面１０ａ、１０ｂ近傍に成膜された第１の磁性層２２ａおよび第２の磁性層２２ｂの結晶ｃ軸は、ＡＢＳ面に沿っており、接合壁面１０ａ、１０ｂに対して略垂直方向に配向するという優れた効果を奏する。すなわち、接合壁面付近のｃ軸は一次元（１Ｄ₁、１Ｄ₂）整列されており、バイアス磁界をフリー層１６へ効果的に集中させる。一次元（１Ｄ₁、１Ｄ₂）の磁性層部分は、ＡＦＭ層１３の幅ｗ_Aを超えて延びている。これに対してリーダースタック両側の接合壁面１０ａ、１０ｂから離れているフィールド領域２２における第２の磁性層２２ｂのｃ軸は二次元（２Ｄ）ランダムである。この接合壁面１０ａ、１０ｂから離れた領域の第２の磁性層２２ｂは、第１のシード層および下地層の斜め入射（＞５０度）成膜によりわずかにＯＲが上がると思われるが、必ずしも磁性層の斜め成膜によって生じたのではない。

＜第２の実施形態＞
次に、図１０および図１１を参照して、第２の実施形態の磁気センサ積層体１００およびその成膜方法について説明する。図１０は、第１の実施形態の図５（ｆ）（ｇ）に相当する手順の概略図である。図１１は、本実施形態による磁気センサ積層体の完成形を示す概略図である。なお、第１の実施形態と同一構成の部材については、同一の符号を付して説明する。

図１０におけるハードバイアス積層体２０は、従来の成膜方法、すなわち、基板３１面に対して略垂直な角度で成膜されたものである。磁性層１２２は、ＦＭスタック１８よりも幅広のＡＦＭ層１３の上方で突出して形成される。図１０中の破線の上方のハードバイアス積層体２０の一部が、平坦化処理によって除去される。

この平坦化処理の後に磁性層１２２が空気にさらされるのを防止するため、不図示の統合的な全真空の成膜装置で行なうことが好ましい。この成膜装置は、ウェハ処理用ロボットを有する中央真空モジュールを備え、この中央真空モジュールにＢＥおよびＰＶＤのモジュールを備える。

平坦化処理は、基板３１を回転させながら鋭角でエッチングすることによって行われる。その後、露出された磁性層１２２およびＦＭスタック１８は、ＰＶＤモジュールの中で第２のキャッピング層２４を被覆する。この第２のキャッピング層２４は保護層として機能し、またトップシールド層３２を積層するためのシード層としても機能する。平坦化処理はＣＭＰプロセスを含んでもよい。また、第２のキャッピング層２４およびトップシールド層３２の成膜前に、酸化した磁性層１２２の表面をエッチングしてもよい。

図１１に示すように、第１の実施形態と同様に、本実施形態のリーダースタック１０は、ＡＦＭ層１３上の一部にＦＭスタック１８を備え、その接合壁面１０ａ、１０ｂが対向する方向に沿ったＦＭスタック１８の最上面の幅ｗ_Fは、同方向に沿ったＡＦＭ層１３の最上面の幅ｗ_Aよりも小さく設定されている。すなわち、リーダースタック１０は、例えば、断面が幅広の台形状のＡＦＭ層１３の上に、これより幅の狭い台形状のＦＭスタック１８を積層したような段形状に形成されている。

本実施形態では、上記接合壁面１０ａ、１０ｂ近傍の磁性層１２２のｃ軸は、ＡＢＳ面に沿って配向されている。すなわち、上記接合壁面１０ａ、１０ｂ近傍の磁性層１２２のｃ軸は、ＡＦＭ層１３およびＦＭスタック１８の接合壁面１０ａ、１０ｂの双方に対して略垂直であり、一次元（１Ｄ）に整列されて、バイアス磁界をフリー層１６へ効果的に集中させる。この一次元（１Ｄ）の磁性層部分は、ＡＦＭ層１３の幅ｗ_Aを越えて延びている。これに対して、上記接合壁面１０ａ、１０ｂから離れているフィールド領域２２における磁性層１２２のｃ軸は二次元（２Ｄ）ランダムである。したがって、本実施形態による磁気センサ積層体１００は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

＜第３の実施形態（参考形態）＞
〔磁気センサ積層体の構造〕
まず、図１２および図１３を参照して、磁気抵抗素子を備える磁気センサ積層体の構造について説明する。図１２は、本実施形態に係る磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。図１３は、本実施形態に係る磁気センサ積層体の積層方向に対して垂直なプロフィールを示す概略図である。

図１２に示すように、本実施形態に係る磁気センサ積層体１は、基板３１上の略中央部に、組成が異なる複数の積層膜からなり、磁界が印加されることで電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を有する磁気抵抗素子（リーダースタック）１０を備える。また、磁気センサ積層体１は、上記リーダースタック１０の対向する２つの接合壁面１０ａ、１０ｂの側方のフィールド領域２２に、バイアス磁界を上記リーダースタック１０に付与するハードバイアス積層体２０を備えている。このように磁気センサ積層体１は、基板３１上に、単一の又は複数のリーダースタック１０およびハードバイアス積層体２０を備えており、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の磁気読み取りヘッド用のセンサを切り分ける前の中間製品である。

図１２に例示するリーダースタック１０は、フリー層１６の真下に酸化物バリア層（ＭｇＯ）を備える磁気トンネル接合体（ＭＴＪ）である。これに限定されず、リーダースタック１０は、低い抵抗を有する面直電流（ＣＰＰ）型の巨大磁気抵抗接合体（ＧＭＲ）であってもよい。

具体的には、リーダースタック１０は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層（基板）３１上に積層され、主に、反強磁性層である反強磁性ピニング層（ＡＦＭ層）１３、シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ層）１４、スペーサ層１５、および強磁性フリー層１６を備えている。

ＡＦＭ層１３は、例えば、ＩｒＭｎ等の反強磁性体によって形成されている。ＡＦＭ層１３は、例えば、上記ボトムシールド層３１上に、必要に応じて不図示のＴａ等からなるプレシード層（図１４の１１）およびＲｕ等からなる第３のシード層（図１４の１２）を介して積層される。

ＳＡＦ層１４は、薄いカップリング層（非磁性層またはトンネル絶縁体層）１４ｂを介して、逆向きに結合した２つの強磁性体層１４ａ、１４ｃからなる。ＳＡＦ層１４の強磁性体層は、ＡＦＭ層１３と接触しているピンド層１４ａと、カップリング層１４ｂと接触しているリファレンス層１４ｃとから構成される。

スペーサ層１５は、非磁性層またはトンネル絶縁体層からなり、例えば、ＭｇＯ等の酸化物層により形成されている。

フリー層１６は、例えば、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体によって形成されており、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体層上にＴａ層、ＮｉＦｅ層を積層した層でもよい。フリー層１６は、バイアス磁界がかけられ、リファレンス層１４ｃと直角を成すように配向される。この配置により、センサ感度を高くでき、記憶媒体からの外部磁場に対する線形応答を提供する。バイアス磁界は、「ハードバイアス」とも称され、ディスクドライブの寿命を通して一定に維持されることが期待される。またハードバイアスは、フリー層１６に磁区が形成されることを防ぐ。リーダースタック１０を通じた磁気抵抗変化は、リファレンス層１４ｃとフリー層１６との間の磁化の相対的方向によって決まる。

フリー層１６は、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣなどから選択される不図示の第３のキャッピング層（図１４の１７ａ，１７ｂ）で覆われている。

上述したように、基板３１上のフィールド領域２２にはハードバイアス積層体２０が成膜され、このハードバイアス積層体２０は、結晶ｃ軸を有する結晶粒を備えた磁性層２６を含んでいる。

図１３に示すように、本実施形態の磁気センサ積層体１では、リーダースタック１０から離れたフィールド領域２２において、磁性層２６のｃ軸（結晶粒磁化軸）は１次元配向（１Ｄ）となる。この磁性層２６のｃ軸の配向は、その膜面内でＡＢＳ面に沿っており、接合壁面１０ａ、１０ｂに対して略垂直となる。

再び図１２を参照して、磁性層２６は、例えば、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔおよびこれらの合金群から選択される六方晶構造（ｈｃｐ）を有する合金によって形成されている。磁性層２６は、これに限定されず、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔおよびこれらの合金群から選択される面心正方晶構造（ｆｃｔ）の合金によって形成してもよい。

本実施形態では、磁性層２６は、ボトムシールド層３１上に、少なくとも、下地層２１および絶縁層１９および介して積層されている。絶縁層１９は、必要に応じて、積層される。

絶縁層１９は、フィールド領域２２の下部およびリーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂの上に配置され、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂などの酸化物や窒化物等によって形成されている。この絶縁層１９は、例えば、フィールド領域２２において厚さ２〜１０ｎｍの厚さ、接合壁面において厚さ２〜５ｎｍを有する。

下地層２１は、例えば、Ｗ−Ｔｉ、ＲｕＡｌ、ＣｒＮｂ、Ｃｒ−Ｔｉ、Ｃｒ−Ｍｏ等のＣｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ａｌおよびこれらの合金群から選択される体心立方晶構造（ｂｃｃ）の合金によって形成されている。この下地層２１は、例えば、フィールド領域において３〜８ｎｍ、接合壁面において３ｎｍ未満の厚さを有する。

この下地層２１は、絶縁層１９上に、第２のシード層２５を介して成膜することが好ましい。第２のシード層２５は、例えば、Ｔａ−Ｎ、Ｎｂ−ＮまたはＲｕＡｌ−Ｎ等の金属窒化物、Ｃｏ−Ｗによって形成されている。この第２のシード層２５は、例えば、フィールド領域において３〜８ｎｍ、接合壁面において３ｎｍ未満の厚さを有する。

さらに、磁性層２６は、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣから選択される第１のキャッピング層２３で覆われている。

そして、磁気センサ積層体１は、上記絶縁層１９の下にボトムシールド層３１を備え、上記第１のキャッピング層２３の上にトップシールド層３２を備えている。これらシールド層３１、３２は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体によって形成されている。すなわち、リーダースタック１０およびハードバイアス積層体２０は、２つの厚い軟磁性シールド層３１、３２の間に挟まれている。これらシールド層３１、３２の間がリードギャップ（ＲＧ）となる。

〔磁気センサ積層体の成膜方法〕
次に、図７及び図１４から図２０を参照して、本実施形態の磁気センサ積層体１の成膜方法を説明すると共に、上記磁気センサ積層体１の作用について説明する。図１４は、磁気抵抗素子上にフォトレジストマスクを配置した磁気センサ積層体を示す概略図である。図１５は、本実施形態の磁気センサ積層体を構成するハードバイアス積層体をフィールド領域に成膜する手順を示す工程図である。

図１４および図１５に示すように、磁気センサ積層体１の作成は、まず基板３１上に、リーダースタック１０を構成する複数の層を積層する（Ｓ２１）。基板３１としては、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層を採用する。なお、リーダースタック１０を構成するＡＦＭ層１３は、例えば、ボトムシールド層（基板）３１上に、必要に応じてＴａ等からなるプレシード層１１およびＲｕ等からなる第３のシード層１２を介して積層される。

次に、フォトレジスト（ＰＲ）の塗布、パターニング、及び現像を行った後、フォトレジストをマスク４１としてエッチング処理して、断面形状が台形状を呈するリーダースタック１０を形成する（Ｓ２２）。フォトレジストマスク４１は、エッチング処理に際して、リーダースタック１０の一部をマスクするためにある。エッチング処理には、例えば、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）が採用される。ＲＩＥを用いる場合には、リーダースタック構成層上にハードマスクを形成してもよい。この場合、フォトレジストマスク４１は最初にハードマスクを形成するために使用され、上記リーダースタック構成層をエッチングする前に、酸素アッシングプロセス等によって除去される。

エッチング処理の後、フォトレジストマスク４１を含むリーダースタック１０およびその接合壁面１０ａ、１０ｂの側方の上に、絶縁層１９を被覆する（Ｓ２３）。絶縁層１９の被覆には、Ａｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂などの酸化物絶縁体（３〜５ｎｍ）が好ましく、例えば、物理気相成長法（ＰＶＤ）、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ）または化学気相成長法（ＣＶＤ）などの成膜法が用いられる。ＡＬＤ法やＣＶＤ法は、コンフォーマルな成膜が可能である利点を有する。

次に、上記絶縁層１９の上に、ハードバイアス積層体２０を成膜する。本実施形態のハードバイアス積層体２０の場合には、上記絶縁層１９上に第２のシード層２５および下地層２１を成膜し（Ｓ２４及びＳ２５）、次いで磁性層２６および第１のキャッピング層２３を成膜する（Ｓ２６）。

具体的には、まず、上記絶縁層１９上に、基板３１の法線から４５度を超え９０度未満の成膜角度、好ましくは６０〜７５度の成膜角度で、接合壁面の方向に沿って第２のシード層２５を傾斜成膜する（Ｓ２４）。この第２のシード層２５は、例えば、Ｔａ−Ｎ等の金属窒化物によって形成され、処理ガス（Ａｒ等）およびＮ₂雰囲気中で反応性成膜してもよく、この場合のＮ₂の部分圧は１０〜３０％であることが好ましい。あるいは、第２のシード層２５は、窒化物ターゲットを用いて成膜してもよい。

次に、この第２のシード層２５上に、基板３１の法線からから基板３１の法線から４５度を超え９０度未満の成膜角度、好ましくは５０〜７０度の成膜角度で、接合壁面の方向に沿って下地層２１を傾斜成膜する（Ｓ２５）。

本実施形態では、図７および図１６に示すような成膜装置を用いて、第２のシード層２５および下地層２１の傾斜成膜を行う。図７は、本実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す概略図である。図１６は、本実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を模式的に示す斜視図である。

図７および図１６に示すように、この成膜装置５１は、例えば、ＩＢＤ法によって基板ホルダ５２上に保持された基板３１上に膜を形成する装置であり、斜めに保持されたターゲットＴの前方にスリットシャッタ５３が配置されている。基板ホルダ５２は、不図示の直線移動手段を備え、シャッタ５３のスリット５４に対して直交するように直線的に移動可能となっている。このような成膜装置５１を用いて、基板３１を図７の紙面と直角を成す長手ターゲットＴの下で一定の速度で移動または走査する。

図１６に示すように、リーダースタック１０の接合壁面が、長手ターゲットに対して垂直となるように配置された状態となっている。すなわち、リーダースタック１０の接合壁面１０ａ、１０ｂは、図１６中のｙ軸方向に沿っており、例えば点線Ａ，Ｂ，Ｂ’Ｃ，Ｃ’で示されるように、ターゲットＴからｙ軸方向に沿ってスパッタ照射されることになる。

このようなリーダースタック１０のパターンが多数同様のレイアウトで基板３１上に平行に形成されている。すなわち、基板３１上に複数のリーダースタック１０が配置され、各リーダースタック１０の両側にあるフィールド領域２２に同一の工程で第２のシード層２５および下地層２１を成膜する。

この成膜装置５１による傾斜成膜は２つの手順で行われる。すなわち、第１の手順は、基板３１の端から端まで成膜されるまで、基板３１をターゲットＴの下で一定の速度で移動させながら、素子接合壁面１０ａ、１０ｂおよびフィールド領域２２上に傾斜成膜する。続いて第２の手順は、基板３１を１８０度回転させ、ターゲットＴの下で移動させながら、素子接合壁面１０ａ、１０ｂおよびフィールド領域２２上に傾斜成膜する。最少通過回数は少なくとも往復の２回であるが、通過（往復）回数は増加させてもよい。このように第２のシード層２５および下地層２１の成膜を行うことにより、膜厚を均一に成膜することができる。

そして、下地層２１上に、基板３１の法線から０〜３０度の成膜角度で、磁性層２６を成膜する（Ｓ２６）。本実施形態では、基板３１面に対して略垂直に近い角度で磁性層２６を成膜するので、図１７に示すような現行のイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）システムまたはイオン化ＰＶＤ装置によって成膜することができる。図１７は、ＩＢＤシステムの一例を示す概略図である。

図１７に示すように、このＩＢＤシステム６１は、ターゲットＴへ向けてイオンビームを照射するビーム照射装置６２と、複数のターゲットＴを搭載する回転カルーセル６３と、基板３１を保持する基板ホルダ６４と、を備える。

ビーム照射装置６２のイオンビームＩＢは、電気的にバイアスされたグリッドＧによってプラズマ源から引き出され、照射ターゲットＴに向けられる。ビームＩＢを特定の角度に向けることにより、殆どのスパッタ粒子を基板ホルダ６４上の基板３１に蒸着させることができる。

回転カルーセル６３は、多角形状（例えば、六角形状）を呈し、ターゲット搭載面６３ａを有しており、これら搭載面６３ａにターゲットＴが搭載される。ターゲット材料としては、例えば、ＣｏＰｔ等が採用される。回転カルーセル６３は、イオンビームＩＢによってスパッタされるターゲット材料が基板３１へ向けて対向するように回転する。なお、ターゲット搭載面６３ａの大きさは、通常、４０ｃｍ×３０ｃｍである。

基板ホルダ６４は、回転カルーセル６３上の照射ターゲットＴに対向するステージ６４ａに基板３１を保持する。この基板ホルダ６４は、不図示の回転駆動手段により回転可能に構成され、成膜の均一性を向上させるために、蒸着中に基板３１を回転させる。また、基板ホルダ６４はステージ６４ａを傾斜させて、照射ターゲットＴからの入射粒子に対する基板３１の角度を変更することが可能である。

なお、基板３１から照射ターゲットまでの距離は、例えば、４０ｃｍよりも大きくすることができる。この距離が大きくなるほど、入射粒子が平行照射に改善されるが、ターゲットを良好に使用できなくなり、真空チャンバが大きくなる。

次に、磁性層２６上に、基板３１の法線から０〜３０度の基板面に対して略垂直な成膜角度で、第１のキャッピング層２３を成膜する（Ｓ２７）。

上述したように、磁性層２６および第１のキャッピング層２３は基板面に対して略垂直な角度で成膜するので、図１７に例示したような現行のＩＢＤやＰＶＤ等によって成膜することができる。しかし、大きい基板（５〜８インチ）３１の場合には、ＩＢ−ＯＢ（インボード−アウトボード）の問題が生じ易い。

そこで、磁性層２６および第１のキャッピング層２３についても、図７および図８に示したような成膜装置５１を用いて往復成膜することにより、ＩＢ−ＯＢ（インボード−アウトボード）の問題を解消することができる。具体的には、磁性層２６および第１のキャッピング層２３は、基板３１の長手方向に沿った、即ち、図８に示すように前記磁気抵抗素子１０の接合壁面と平行な細長いターゲットの下で、基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、一方のフィールド領域２２に成膜する。続いて、基板３１をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、上記ターゲットの下で、基板３１を一定の速度で直線的に移動させて、他方のフィールド領域２２に成膜する。

最後に、リーダースタック１０およびハードバイアス積層体２０の表面を平滑化処理した後（Ｓ２８）、上記第１のキャッピング層２３上に、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるトップシールド層３２を配置する。すなわち、リーダースタック１０およびハードバイアス積層体２０は、２つの厚い軟磁性シールド層３１、３２で挟まれている。

本実施形態の成膜方法のアルゴリズムは、例えば、上記成膜装置５１等の不図示の制御系に備えられたハードディスクやＲＯＭ等の記録装置に成膜制御プログラムとしてインストールされ、ＣＰＵによって適宜読み出されて実行される。

記録媒体は、コンピュータによる読み取り可能な可搬性の記録媒体であり、記録媒体に記録された成膜制御プログラムは上記記憶装置にインストールされる。記録媒体としては、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア（登録商標）、メモリースティック（登録商標）、マルチメディアカード、ＳＤメモリカード等のフラッシュメモリ系が挙げられる。また、マイクロドライブ（登録商標）等のリムーバブルハードディスク系、フロッピー（登録商標）ディスク等の磁気記録系が挙げられる。さらに、ＭＯ等の光磁気記録系、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ＋ＲＷ（登録商標）、ＰＤ等の光ディスク等が挙げられる。

図１８は、ハードバイアス積層体の層構成、およびハードバイアス積層体の磁化ループを示す概略図である。図１８において、（ａ）はハードバイアス積層体の層構成であり、上層から第１のキャッピング層２３（ＷＴｉ）３ｎｍ／磁性層２６（ＣｏＰｔ）２０ｎｍ／下地層２１（ＷＴｉ）４ｎｍ／第２のシード層２５（Ｔａ−Ｎ）３，４，５ｎｍ／熱酸化膜／基板３１（Ｓｉ）の構成である。（ｂ）は、下地層２１（ＷＴｉ）８ｎｍ／基板３１（ＳｉＯ₂）上の２次元等方性ＣｏＰｔ磁性層２６に対応している。さらに、（ｃ）〜（ｅ）は、（ａ）に示すＷＴｉ／ＴａＮ上の配向型の２０ｎｍ厚のＣｏＰｔハードバイアス膜の磁化ループを示している。ここで、磁性層２６の膜厚は、１０〜３０ｎｍである。

図１８（ｃ）〜（ｅ）に示すように、ＯＲは第２のシード層２５の厚さｔ１（Ｔａ−Ｎ）と共に増加するが、僅かに高いＨｃがｔ１＝４ｎｍに対して観察される。注目すべきは、第２のシード層２５と下地層２１の合計膜厚が１０ｎｍ未満であり、磁性層２６が基板面に対して略垂直に近い角度で成膜されていても、方形性が向上している。そして、実測値１．６という１．５を超える大きい保磁力配向比（ＯＲ値）と、実測値約０．９５という０．９を超える角形比がｔ１＝４および５ｎｍに対し観察されることである。なお、磁気異方性が得られた膜において磁化容易軸を測定すると、通常は角形比が１に近づき、逆に磁化困難軸側の角形比は低くなる。

本実施形態では、特により小さい厚さの値でのＯＲ＞１となる最良の結果が、Ｔｉ組成比が１０原子％＜Ｔｉ＜３０原子％、好ましくは１０原子％であるＷ−Ｔｉの下地層２１について見出された。

実質的には、ＣｒＴｉおよびＣｒＭｏのようなＣｒ合金を第２のシード層２５として使用すると、ＯＲまたは保磁力Ｈｃは著しく低減する。一方、ＣｒＮｂ（Ｎｂの組成比が約３０原子量％）は、媒体用途についてＳｈｉｂａｍｏｔｏらによって報告されているように、ＯＲが１より大きくなり、図１８（ｂ）とほぼ同等の磁性ループ形状を示す。

次に、本実施形態の成膜方法における結晶成長について、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）測定データ等を用いて検討する。図１９は、Ｔａ−Ｎ第２のシード層２５およびＷ−Ｔｉ下地層２１上に成膜されたＣｏＰｔ磁性層２６のＸＲＤスペクトルを示す説明図である。なお、ハードバイアス積層体２０の層構成は、上層から第１のキャッピング層２３／磁性層２６（ＣｏＰｔ）２０ｎｍ／下地層２１（ＷＴｉ）５ｎｍ／第２のシード層２５（Ｔａ−Ｎ）５ｎｍ／熱酸化膜／基板３１（Ｓｉ）の層構成である。また、第２のシード層２５（Ｔａ−Ｎ）は７０度の成膜角度で、下地層２１（ＷＴｉ）は６０度の成膜角度で、接合壁面の方向に沿ってそれぞれ傾斜成膜され、磁性層２６（ＣｏＰｔ）は基板面３１に対して略垂直に近い角度で成膜している。

図１９のＸＲＤデータにより、第２のシード層２５および下地層２１を傾斜成膜して、磁性層（ＣｏＰｔ）２６を略垂直に近い角度で成膜しても、磁性層２６のｃ軸が膜面内でＡＢＳ面に沿って１次元（１Ｄ）に配向していることが判る。これは、ＸＲＤデータにおいて、Ｃｏ（１００）のピークが確認できることから判断できる。

一方、図１９のＣｏ（００２）のピークは基板垂直方向の配向を示すものであるが、測定の特性上から現れるものであり、図１８（ｃ）（ｄ）のヒステリシスループを確認することにより、基板垂直方向の配向がないことが判る。これは、基板垂直方向に配向している場合には、図２０の点線Ｌに示すようなヒステリシスループを示すからである。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２のシード層２５および下地層２１の材質、膜厚、スパッタ入射角の最適化を図ることにより、磁性層２６の磁気異方性を高めることができる。このように上記第２のシード層２５および下地層２１の上に形成された磁性層２６は、六方晶構造（ｈｃｐ）のＣｏ−Ｐｔ系合金であって、層内に空隙が存在しない。そして、（１０．０）格子面を有し、磁性層２６の膜面内で、磁性層２６のｃ軸がＡＢＳ面に沿って１次元配向（１Ｄ）しており、０．９を超える角形比を有している。すなわち、磁性層２６の膜面内で、磁性層２６のｃ軸が接合壁面に略垂直方向に配向しているので、磁束をリーダースタック１０に集中させることができる。

＜第４の実施形態（参考形態）＞
次に図２１を参照して、第４の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置について説明する。図２１は、本実施形態の成膜装置を模式的に示す概略図である。なお、第３の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明する。

図２１に示すように、本実施形態の成膜装置７１は、ターゲットＴを保持するターゲットホルダ７２と、このターゲットホルダ７２を前面に備えるカソード７３と、基板３１を保持する基板ホルダ７４とを備える。さらに、この成膜装置７１は、ターゲットＴと基板３１との間に、断面が円弧状のシャッタ７５を備えており、このシャッタ７５はスリット７６を有している。

基板ホルダ７４は、その後端側にターゲットＴの長手方向に平行な不図示の回動軸を備えており、成膜プロセス中に、この軸周りに基板３１をパン（Ｐ１）させるようになっている。さらに、この基板ホルダ７４は、ｚ１軸を中心として回転可能に構成されている。

カソード７３は、その後端側にターゲットＴの長手方向に平行な不図示の回動軸を備えており、成膜プロセス中に、この軸周りにターゲットＴをパン（Ｐ２）させるようになっている。基板３１のパン（Ｐ１）とターゲットＴのパン（Ｐ２）とは、相反する方向にパニングされる。

なお、シャッタ７５は、その周方向に沿ってパン（Ｐ３）され、成膜プロセスの前後においてスリット７６を閉じることが可能である。

次に、本実施形態の磁気センサ積層体１の成膜方法について説明する。図２２は、本実施形態の成膜方法において、フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順を示す工程図である。図２３は、本実施形態の成膜装置を用いる場合の成膜状況を示す説明図である。図２４は、本実施形態の成膜方法におけるトリミング手順を示す説明図である。

図２２および図２３に示すように、フィールド領域２２にハードバイアス積層体２０を成膜する工程の具体的手順は、まず、上記成膜装置７１を用いて、基板３１の法線から４５度を超え９０度未満の成膜角度、好ましくは６０〜７５度の成膜角度で、接合壁面の方向に沿って第２のシード層２５を傾斜成膜する（Ｓ３１）。成膜プロセス中に基板３１とターゲットＴとを相反する方向にパニングするが、パニング中には基板３１を回転させない。成膜プロセスの１回のパスの後、基板３１はｚ１軸に沿って１８０°回転させて、再びパニングする。なお、１回のパスは、スパッタ粒子Ｓが基板３１に対して形成する角度がθから−θまで変化する場合に用いられることもある。

次に、上記成膜装置７１を用いて、基板３１の法線から４５度を超え９０度未満の成膜角度、好ましくは５０〜７０度の成膜角度で、接合壁面の方向に沿って下地層２１を傾斜成膜する（Ｓ３２）。この場合にも同様に、成膜プロセスの１回のパスの後、基板３１はｚ１軸に沿って１８０°回転させて、再びパニングする。

長手ターゲットＴを用いて上記成膜装置７１により成膜すると、接合壁面１０ａ、１０ｂの両側の膜厚差が顕著になる可能性がある。図２３は、８インチの基板３１上のパターンに関する計算されたプロファイルである。ターゲットＴは４５０ｍｍの長さであり、ターゲットＴと基板３１との間隔は１００ｍｍである。接合壁面１０ａ、１０ｂ上の膜厚は、これら壁面から離れているフィールド領域２２上の膜厚の約３５％程度である。例えば、第２のシード層２５と下地層２１との合計膜厚が１０ｎｍである場合、この厚さは３．５ｎｍの厚さである。３〜５ｎｍの絶縁層１９の厚さを加えると、磁性層２６とリーダースタック１０との間の距離は約２倍になる。このことは、磁界バイアス効率を低下させる。接合壁面１０ａ、１０ｂの両側の膜厚差を低減するため、図２４に示すように、接合壁面１０ａ、１０ｂ上の第２のシード層２５及び下地層２１の厚い側をＩＢＥ処理してトリミングすることが好ましい。鋭角エッチングすれば、フィールド領域２２上の膜より接合壁面１０ａ、１０ｂ上の膜を選択的にエッチングすることができる。

すなわち、図２３（ｂ）に示すように、パン（Ｐａｎ）方向と直交する方向には、接合壁面の両側の厚みに偏り（１．０：１．３０または１．３０：１．０）が生じている。そこで、図２４に示すように、基板３１の法線から成膜角度６０度を超えて９０度未満、好ましくは８０度以下で、接合壁面の厚い側の第２のシード層２５及び下地層２１をイオンビームエッチング（ＩＢＥ）して、両側の厚みが同等となるようにトリミングを行う（Ｓ３３）。

そして、基板３１の法線から成膜角度０〜３０度の基板３１面に対して略垂直に近い成膜角度で、磁性層２６を成膜する（Ｓ３４）。上記成膜装置７１は、磁性層２６の成膜に対して用いることもでき、ＩＢ−ＯＢ（インボード−アウトボード）の問題が生じない場合には、基板３１面に対して略垂直に近い角度で成膜する。あるいは、下地層２１の表面を真空雰囲気に保持しうる場合には、磁性層２６の成膜はＩＢＤまたはイオン化ＰＶＤモジュールのような別のチャンバに移行して行ってもよい（第３の実施形態を参照）。

最後に、基板３１の法線から０〜３０度の基板３１面に対して略垂直に近い成膜角度で、第１のキャッピング層２３を成膜する（Ｓ３５）。

本実施形態の成膜方法のアルゴリズムは、例えば、上記成膜装置７１の不図示の制御系に備えられたハードディスクやＲＯＭ等の記録装置に成膜制御プログラムとしてインストールされ、ＣＰＵによって適宜読み出されて実行される。

記録媒体は、コンピュータによる読み取り可能な可搬性の記録媒体であり、記録媒体に記録された成膜制御プログラムは上記記憶装置にインストールされる。記録媒体としては、第３の実施形態で例示したものが挙げられる。

本実施形態の成膜方法は、第３の実施形態の成膜方法と基本的には同様の作用効果を奏する。特に、本実施形態では、ＩＢＥ処理を行う手順が加わるため手順が増大するが、第２のシード層２５および下地層２１の膜厚の制御が可能であるという特有の効果を奏する。

＜第５の実施形態（参考形態）＞
第５の実施形態は、上記成膜方法を連続処理装置に適用する場合の適用例である。図２５は、本実施形態の連続処理装置の装置構成例を示す平面図である。なお、第３の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明する。

図２５に示すように、連続処理装置８１は中央に真空排気可能な搬送チャンバ（コアチャンバ）８２を備え、この搬送チャンバ８２内には、ハンドリングロボット等からなる不図示の搬送機構が備えられている。この搬送チャンバ８２には、４基のチャンバ８３〜８６が不図示のゲートバルブを介して接続されている。具体的には、搬送チャンバ８２には、イオンビームエッチング処理（ＩＢＥ）を行うエッチング処理チャンバ８３と、絶縁層１９を成膜する成膜チャンバ８４が、それぞれゲートバルブを介して接続されている。更に、搬送チャンバ８２には、入射制御型スパッタリング処理（ＣＩＳ）を行う傾斜成膜チャンバ８５と、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ）／イオン化物理的気相蒸着法（ｉＰＶＤ）による成膜を行う成膜チャンバ８６が、それぞれゲートバルブを介して接続されている。さらに、搬送チャンバ８２には、真空空間と大気の間で基板３１を出し入れするための２基のロードロックモジュール８７が接続されている。

図２５に示すように、この連続処理装置８１の処理工程の具体的手順は、まず、リーダースタック構成層および現像されたフォトレジスト４１を含む基板カセットがロードロックモジュール８７を介して、本装置内に導入される。そして、単一の基板３１が搬送モジュール８２内のハンドリングロボットによってエッチング処理チャンバ８３へ移送され、リーダースタック１０が形成される。リーダースタック１０の形成後、基板３１は絶縁層成膜チャンバ８４へ移送され、絶縁層１９が成膜される。なお、基板バイアスプロセスによって僅かなＡｒエッチングが行われてもよい。

絶縁層１９の成膜後、基板３１は傾斜成膜チャンバ８５へ移送され、第２のシード層２５および下地層２１が傾斜成膜される。そして、基板３１は再びエッチング処理チャンバ８３へ移送され、接合壁面１０ａ、１０ｂの一方の第２のシード層２５および下地層２１の厚い側がＩＢＥによってトリミングされる。

次に、基板３１は傾斜成膜チャンバ８５へ移送されるか、あるいはＩＢＤ／ｉＰＶＤ成膜チャンバ８６へ移送され、磁性層２６および第１のキャッピング層２３が、基板面に対して略垂直に近い角度で成膜される。

最後に、基板３１はもう一度エッチング処理チャンバ８３へ戻されて平坦化処理が施されるか、あるいは搬出側のロードロックモジュール８７へ移送され、外部においてＣＭＰ等により平坦化処理が施される。

本実施形態の成膜方法は、第３の実施形態の成膜方法と基本的には同様の作用効果を奏する。特に、本実施形態では、真空雰囲気下において連続した処理が可能であるという特有の効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、ＩＢＤによる成膜方法について説明したが、ＰＶＤ等の他の成膜方法にも適用可能である。

１、１００ 磁気センサ積層体
１０ 磁気抵抗素子（リーダースタック）
１０ａ、１０ｂ 接合壁面
１１ プレシード層
１２ 第３のシード層
１３ 反強磁性ピニング層（反強磁性層（ＡＦＭ層））
１４ シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ層）
１４ａ ピンド層
１４ｂ カップリング層
１４ｃ リファレンス層
１５ スペーサ層
１６ フリー層
１７，１７ａ、１７ｂ 第３のキャッピング層
１８ 強磁性スタック（ＦＭスタック）
１９ 絶縁層
２０ ハードバイアス積層体
２１ 下地層
２２ フィールド領域
２２ａ 第１の磁性層
２２ｂ 第２の磁性層
２３ 第１のキャッピング層
２４ 第２のキャッピング層
２５ 第２のシード層
２６ 磁性層
３１ 基板（ボトムシールド層）
３２ トップシールド層
４１ フォトレジストマスク
４１ａ トリミングマスク
５１ 成膜装置
５２ 基板ホルダ
５３ シャッタ
５４ スリット
１２２ 磁性層
ＩＢ イオンビーム
Ｔ ターゲット
７１ 成膜装置
７２ ターゲットホルダ
７３ カソード
７４ 基板ホルダ
７５ シャッタ
７６ スリット
８１ 連続処理装置
８２ 搬送チャンバ
８３ エッチング処理チャンバ
８４ 絶縁層成膜チャンバ
８５ 傾斜成膜チャンバ
８６ ＩＢＤチャンバ
８７ ロードロックモジュール

Claims (19)

1. 基板上に、少なくとも、反強磁性層上の一部に強磁性スタックを備える段形状の磁気抵抗素子を配置し、前記磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜する磁気センサ積層体の成膜方法であって、
   前記基板の上に前記反強磁性層および前記強磁性スタックを成膜する手順と、
   前記強磁性スタックの上にフォトレジストマスクのパターンを形成する手順と、
   前記強磁性スタックの一部をエッチングする手順と、
   前記フォトレジストマスクの幅をトリミングする手順と、
   前記トリミングされたフォトレジストマスクを使用して、前記強磁性スタックおよび前記反強磁性層をエッチングして、前記対向する２つの接合壁面の両方に、前記反強磁性層と前記強磁性スタックとで形成される段形状部分を有する前記段形状の磁気抵抗素子を形成する手順と、
   前記フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順と、
   前記段形状の磁気抵抗素子および前記ハードバイアス積層体の表面を平坦化する手順と、
   を有することを特徴とする磁気センサ積層体の成膜方法。
2. 前記段形状の磁気抵抗素子は、前記接合壁面が対向する方向に沿った前記強磁性スタックの最上面の幅が、前記接合壁面が対向する方向に沿った前記反強磁性層の最上面の幅よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
3. 前記ハードバイアス積層体を成膜する手順は、
   前記基板の法線から成膜角度θ₁（θ₁＝０〜２５度）で、下地層を成膜する手順と、
   前記基板の法線から成膜角度θ₂（θ₂＝５０〜９０度）で、第１の磁性層を成膜する手順と、
   前記基板の法線から成膜角度θ₃（θ₃＝０〜２５度）で、第２の磁性層を成膜する手順と、
   前記基板の法線から成膜角度θ₄（θ₄＝０〜４５度）で、第１のキャッピング層を成膜する手順と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
4. 前記第１の磁性層は、前記磁気抵抗素子の接合壁面と平行な細長いターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、前記磁気抵抗素子の接合壁面の一方の面に成膜し、
   次いで、前記基板をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、前記ターゲットの下で前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、前記接合壁面の他方の面に成膜することを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
5. 前記下地層、前記第２の磁性層および前記第１のキャッピング層は、前記ターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、一方のフィールド領域に成膜し、
   前記基板をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、前記ターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、他方のフィールド領域に成膜することを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
6. 前記フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順の前に、絶縁層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
7. 前記磁気抵抗素子および前記ハードバイアス積層体の表面を平坦化する手順の後に、第２のキャッピング層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
8. 前記第２のキャッピング層を成膜する手順の後に、シールド層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
9. イオンビーム蒸着法により前記ハードバイアス積層体を成膜することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
10. 前記基板上に複数の段形状の磁気抵抗素子が形成され、該複数の磁気抵抗素子の前記ハードバイアス積層体は同一の手順で積層することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜方法。
11. 基板上に、少なくとも、反強磁性層上の一部に強磁性スタックを備える段形状の磁気抵抗素子を配置し、前記磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜する磁気センサ積層体の成膜制御プログラムであって、
    前記磁気センサ積層体の成膜装置に、
    前記基板の上に前記反強磁性層および前記強磁性スタックを成膜する手順と、
    前記強磁性スタックの上にフォトレジストマスクのパターンを形成する手順と、
    前記強磁性スタックの一部をエッチングする手順と、
    前記フォトレジストマスクの幅をトリミングする手順と、
    前記トリミングされたフォトレジストマスクを使用して、前記強磁性スタックおよび前記反強磁性層をエッチングして、前記対向する２つの接合壁面の両方に、前記反強磁性層と前記強磁性スタックとで形成される段形状部分を有する前記段形状の磁気抵抗素子を形成する手順と、
    前記フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順と、
    前記段形状の磁気抵抗素子およびハードバイアス積層体の表面を平坦化する手順と、
    を実行させることを特徴とする磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
12. 前記段形状の磁気抵抗素子は、前記接合壁面が対向する方向に沿った前記強磁性スタックの最上面の幅が、前記接合壁面が対向する方向に沿った前記反強磁性層の最上面の幅よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
13. 前記ハードバイアス積層体を成膜する手順は、
    前記基板の法線から成膜角度θ₁（θ₁＝０〜２５度）で、下地層を成膜する手順と、
    前記基板の法線から成膜角度θ₂（θ₂＝５０〜９０度）で、第１の磁性層を成膜する手順と、
    前記基板の法線から成膜角度θ₃（θ₃＝０〜２５度）で、第２の磁性層を成膜する手順と、
    前記基板の法線から成膜角度θ₄（θ₄＝０〜４５度）で、第１のキャッピング層を成膜する手順と、
    を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
14. 前記第１の磁性層は、前記磁気抵抗素子の接合壁面と平行な細長いターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、前記磁気抵抗素子の接合壁面の一方の面に成膜し、
    次いで、前記基板をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、前記ターゲットの下で前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、前記接合壁面の他方の面に成膜することを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
15. 前記下地層、前記第２の磁性層および前記第１のキャッピング層は、前記ターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、一方のフィールド領域に成膜し、
    前記基板をその中央垂直軸を中心に１８０度回転させ、前記ターゲットの下で、前記基板を一定の速度で直線的に移動させて、他方のフィールド領域に成膜することを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
16. 前記フィールド領域にハードバイアス積層体を成膜する手順の前に、絶縁層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
17. 前記磁気抵抗素子およびハードバイアス積層体の表面を平坦化する手順の後に、第２のキャッピング層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項１１から１６のいずれか１項に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
18. 前記第２のキャッピング層を成膜する手順の後に、シールド層を成膜する手順を有することを特徴とする請求項１７に記載の磁気センサ積層体の成膜制御プログラム。
19. 請求項１１から１８のいずれか１項に記載の成膜制御プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータで読み取り可能な記録媒体。

Images