JP5763892B2 - ハードバイアス構造の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、磁気抵抗効果（magnetoresistive) 素子のフリー層を安定させるためのハードバイアス（ＨＢ：Hard Bias）構造の形成方法に関する。
スピンバルブ磁気抵抗（ＳＶＭＲ：Spin Valve Magnetoresistance）効果または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）効果に基づく再生ヘッドを搭載した磁気記録再生装置では、記録密度の増加が常に求められている。この目標を達成するための方法の一つとして、磁気ディスクの上部のエアベアリング面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）で支持される再生ヘッドにおけるセンサ素子の寸法を減少させることが挙げられる。このセンサ素子は、センス電流を自らの内部に通過させ、抵抗変化を測定することにより、異なる磁気的状態を検出するものであり、重要な構成要素となっている。ＧＭＲ構造のセンサ素子は、非磁性導電層により分離された２つの強磁性層を有する。この強磁性層のうちの一方は、隣接する反強磁性（ＡＦＭ：Anti-Ferromagnetic）ピンニング層との交換結合により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、外部磁界に応じて回転可能な磁化ベクトルを有するフリー層である。外部磁界が存在しない場合、フリー層の磁化方向は、センサ素子の両側に位置するハードバイアス層の影響を受けることにより、ピンド層の磁化方向に対して垂直に向いている。センサ素子が記録媒体上の所定領域から信号磁界を印加されると、フリー層の磁気モーメントは信号磁界の向きに応じて回転可能となっている。なお、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive）型のセンサ素子の場合、２つの強磁性層は薄い非磁性誘電体層により分離されている。
センス電流は、抵抗値を検出するために用いられ、「０」記憶状態の場合の抵抗値は、「１」記憶状態の場合の抵抗値よりも低くなる。垂直通電（ＣＰＰ：Current Perpendicular to plnae）構造の場合、センス電流は、センサ内をセンサ積層体の層に対して垂直方向に通過する。面内通電（ＣＩＰ：Current In Plane）構造の場合、センス電流は、センサの層面に対して平行方向に通過する。
例えば１００Ｇｂ／ｉｎ2以上の超高密度記録は、ＡＢＳにおけるセンサ素子の断面積が一般的に０．１μｍ×０．１μｍ未満の高感度の再生ヘッドを必要とする。現在の記録ヘッド用途は、主に隣接接合（abutting junction）構造に基づいている。隣接接合構造では、ＧＭＲスピンバルブ構造の場合、ハードバイアス層がフリー層の両側に隣接して形成されている。記録密度がさらに増加し、トラック幅が減少するに伴い、接合部の端部（junction edge）における安定性がますます重要となっている。したがって、フリー層の端部における縮退を低減することが求められる。すなわち、フリー層の単磁区磁化状態があらゆる合理的摂動に対して安定となる一方で、センサが比較的高い信号感度を維持するようにするため、水平方向のバイアス（縦バイアス）が必要である。
縦バイアス再生ヘッド構造では、高い保磁力を有するハードバイアス層が、センサ素子の両端部、特にフリー層の両側に隣接している。他の構造では、ハードバイアス層とフリー層との間に、薄いシード層が設けられている。フリー層の磁束フローが隣接するハードバイアス層の磁束フローと等しくなるようにした配置構造の場合、接合部における磁極が存在しないことに起因して、上述した層の接合部の端部における反磁界は消失する。高記録密度の要求に伴い、センサ素子の限界寸法がますます小さくなるにつれて、フリー層は不安定となり、バイアスを行うことがより困難となっている。これは、フリー層の磁区を安定させるために必要な、最小縦バイアス磁場を増加させなくてはならないことを意味している。
フリー層などの硬質磁性薄膜の整列が不完全である場合、センサ素子にヒステリシスすなわち非線形応答が生じ、よってノイズが発生する。一般的に、記録媒体により形成された漂遊磁界がフリー層の磁気整列を破壊しないようにするために、ハードバイアス層の保磁力を向上させることが望ましい。フリー層の単磁区状態を保ち、これにより有害なバルクハウゼンノイズを防止し得る安定した縦バイアスを得るには、ハードバイアス層における面内方向の高い保磁力が必要である。この条件は、ハードバイアス層からの十分な面内残留磁化Ｍrが存在する場合に実現される。この面内残留磁化は、ハードバイアス磁界がハードバイアス層の厚さｔに対しても依存することから、Ｍrｔとも表される。Ｍrｔは、フリー層に縦バイアス磁束を与える成分であり、フリー層の単磁区を確保するために十分に高いことが必要である一方、ある程度の大きさの外部磁場の影響下でフリー層の磁場が回転してしまうことを防止するために、高過ぎてはならない。さらに、高い角形比Ｓを有するハードバイアス材料も望まれる。すなわち、ＭSがハードバイアス材料の磁気飽和値を表す場合、Ｓ＝Ｍr／ＭSは、１に近づくことが予想される。面内残留磁化Ｍrが高い値であることは、高記録密度を有する最先端構造を得るうえ有利であり、厚さｔを減少させることができる。
これまで、ハードバイアス膜において高い保磁力を得るために、多くの試みがなされている。一般的には、下層のシード層の組成を変更することにより改善が実現されている。特許文献１は、ＴａまたはＣｒシード層をイオンミリングすることにより、ハードバイアス層の下方に異方性表面を形成し、これにより保磁力を増加させている。特許文献２は、従来のＣｒシード層／ＣｏＰｔハードバイアス層構造において、それぞれの層の厚さが５．０ｎｍであるＣｒ／ＴｉＷ積層体を有する複合シード層を用いることにより、上層のＣｏＰｔハードバイアス層のＨｃを、１８００Ｏｅから２３００Ｏｅへと上昇させている。同様に、特許文献３は、上層のＣｏＰｔハードバイアス層の保磁力を２０００Ｏｅに増加させる、ＮｉＴａ（１ｎｍ厚）／ＣｒＭｏ（４ｎｍ厚）シード層を開示している。
米国特許出願公開第２００８／０１５１４４１号明細書 米国特許出願公開第２００２／００１５２６８号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８７７７２号明細書
ところで、ハードバイアス層により得られる静磁結合は、ハードバイアス層とフリー層との間隔が増すにつれて、急速に低下する。また、厚さの値は、基本的にセンサの設計要件に基づいて設定されるため、ハードバイアス層の厚さを調整しないようにすることが大切である。ハードバイアス層の厚さを変更した場合、センサ内の一つ以上の他の層の厚さを調整することが必要となり、結果として性能が低下する可能性がある。したがって、既存の材料を用いてシード層およびハードバイアス層の厚さを変えることなくハードバイアス層の保磁力を増加させることが可能な、改良されたハードバイアス構造が望まれる。
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、高記録密度が可能な磁気抵抗効果素子と隣接して設けられ、その磁気抵抗効果素子におけるフリー層の磁化をより安定させることが可能な、高い保磁力を有するハードバイアス構造の形成方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、ハードバイアス構造自体における、またはその下層としてのシード層における元素組成および厚さを変えることなく、高い保磁力を得ることの可能なハードバイアス構造の形成方法を提供することにある。
本発明の第１のハードバイアス構造の形成方法は、縦バイアス磁界を発生させ、これにより隣接する磁気抵抗効果センサのフリー層を安定させるものであって、（ａ）基板上に、鉛直状の側壁を含む所定形状を有する磁気抵抗効果センサを形成する工程と、（ｂ）マグネトロンスパッタリングまたはイオンビーム成膜（ＩＢＤ）法を用いて、磁気抵抗効果センサの側壁と基板の露出面とを連続して覆うようにシード層を形成する工程と、（ｃ）シード層に対してプラズマエッチングを施してシード層の上層部分を除去することにより、シード層の表面に複数の核形成部位を形成する工程と、（ｄ）複数の核形成部位が形成されたシード層の上に、ハードバイアス層を形成する工程とを含み、上記プラズマエッチングを、基板の面に垂直な面に対して０°の入射角度で入射するイオンビームを用いて行うようにしたものである。
本発明の第１のハードバイアス構造の形成方法では、プラズマエッチングを行うことによりシード層の表面に複数の核形成部位を形成したのち、そのシード層の上にハードバイアス層を形成するようにしたので、複数の核形成部位を基点としてハードバイアス層が成長する結果、そのハードバイアス層における平均結晶粒度が適度に小さくなる。
本発明の第２のハードバイアス構造の形成方法は、縦バイアス磁界を発生させ、これにより隣接する磁気抵抗効果センサのフリー層を安定させる複数の副層からなるハードバイアス層を備えたハードバイアス構造を形成するものであって、（ａ）基板上に、鉛直状の側壁を含む所定形状を有する磁気抵抗効果センサを形成する工程と、（ｂ）マグネトロンスパッタリングまたはイオンビーム成膜（ＩＢＤ）法を用いて、磁気抵抗効果センサの側壁と基板の露出面とを連続して覆うようにシード層を成膜する工程と、（ｃ）シード層に対して第１のプラズマエッチングを施してシード層の上層部分を除去することにより、シード層の表面に複数の核形成部位を形成する工程と、（ｄ）複数の核形成部位が形成されたシード層の上に、第１から第ｎ番目の副層が順に積層されてなるハードバイアス層を形成する工程とを含む。このハードバイアス層を形成する工程では、第（ｐ−１）番目の副層に対して第２のプラズマエッチングを施して第（ｐ−１）番目の副層の上層部分を除去することにより、第（ｐ−１）番目の副層の表面に複数の核形成部位を形成したのち、第ｐ番目の副層の成膜を行う。また、上記第１および第２のプラズマエッチングを、基板の面に垂直な面に対して０°の入射角度で入射するイオンビームを用いて行う。但し、ｎは２以上の整数であり、ｐは２以上ｎ以下の整数である。
本発明の第２のハードバイアス構造の形成方法では、シード層の表面に複数の核形成部位を形成したのち、副層の成膜と、その副層の表面における複数の核形成部位の形成とを交互に行うようにしたので、ハードバイアス層を構成する副層がそれぞれ複数の核形成部位を基点として成長する結果、各副層における平均結晶粒度が適度に小さくなる。
本発明の第１および第２のハードバイアス構造の形成方法では、シード層を、Ｔｉ，ＣｒＴｉ，Ｃｒ，ＣｒＭｏ，ＣｒＶ，ＣｒＷ，またはＴｉＷを含む材料を用いて、１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるように形成するとよい。また、ハードバイアス層を、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，またはそれらの合金うちの少なくとも一種を含む材料を用い、５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さとなるように形成するとよい。
本発明の第１および第２のハードバイアス構造の形成方法では、（第１および第２の）プラズマエッチングを、下記の（１）〜（５）を満たす条件で行うとよい。
（１）イオンビーム電圧：１００Ｖ以上３００Ｖ以下
（２）ビーム電流：５０ｍＡ以上２００ｍＡ以下
（３）チャンバ内の雰囲気：アルゴンガス
（４）ガスの流速：５ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下
（５）処理時間：１０秒以上３０秒間以下
本発明の第１および第２のハードバイアス構造の形成方法では、ハードバイアス層を形成したのち、全体を２００℃以上２５０℃以下の温度で２時間以上１０時間以下に亘り加熱することによりアニール処理を行う工程をさらに含むとよい。また、シード層の形成と、ハードバイアス層の形成と、プラズマエッチングとを、いずれもＩＢＤ装置の同じチャンバ内において実施することが望ましい。
本発明の第２のハードバイアス構造の形成方法では、複数の副層を、それぞれ、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，またはそれらの合金うちの少なくとも一種を含む材料を用い、５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さとなるように形成するとよい。特に、複数の副層は、それぞれ、コバルトの含有率が８０原子％であるＣｏＰｔを含むようにするとよい。
本発明の第１のハードバイアス構造の形成方法によれば、複数の核形成部位が形成されたシード層の表面にハードバイアス層を形成するようにしたので、ハードバイアス層の平均結晶粒度を適度に小さくすることができる。その結果、より大きな残留保磁力を有するハードバイアス層を備えたハードバイアス構造を得ることができる。よって、このハードバイアス構造を、磁気抵抗効果素子と隣接して設けた場合には、ハードバイアス層を小型化した場合であっても磁気抵抗効果素子におけるフリー層の磁化の安定性を向上させることが可能となる。
本発明の第２のハードバイアス構造の形成方法によれば、複数の核形成部位が形成されたシード層の表面に副層を順次成膜すると共に、各副層の表面にも複数の核形成部位を形成するようにしたので、各副層の平均結晶粒度を適度に小さくし、より大きな残留保磁力を有するハードバイアス層を備えたハードバイアス構造を得ることができる。よって、このハードバイアス構造を、磁気抵抗効果素子と隣接して設けた場合には、ハードバイアス層を小型化した場合であっても磁気抵抗効果素子におけるフリー層の磁化の安定性を向上させることが可能となる。
本発明の第１の実施の形態としてのハードバイアス構造を備えた磁気再生ヘッドの構成を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態としてのハードバイアス構造を備えた磁気再生ヘッドの構成を表す断面図である。 図１に示したハードバイアス構造を形成する方法の工程を表すフローチャートである。 図２に示したハードバイアス構造を形成する方法の工程を表すフローチャートである。
本発明は、隣接配置された磁気抵抗効果素子におけるフリー層に対して、より大きな縦バイアス磁界を印加することにより磁気再生ヘッドの再生性能を改善することの可能なハードバイアス構造、およびその形成方法に関するものである。以下に例示する実施の形態は、ボトムスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を示しているが、本発明が、ＧＭＲ効果またはＴＭＲ効果に基づく、トップスピンバルブ型や多層スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子に対しても適用可能であることは、当業者により理解されることである。図面はあくまでも一例であり、本発明の範囲を限定することを意図していない。
[第１の実施の形態]
以下、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態としてのハードバイアス構造を備えた磁気再生ヘッド１の構成について説明する。図１は、磁気再生ヘッド１における、エアベアリング面と平行な断面の構成を表している。
図１に示したように、この磁気再生ヘッド１は、対向配置された第１のギャップ層２と第２のギャップ層１３との間に、強磁性のフリー層７と非磁性スペーサ層６と強磁性のピンド層５とを有するセンサ構造体（ＭＲ膜）Ｓ１が狭持されたものである。
第１のギャップ層２は、アルミナ（ＡｌＯｘ）等の絶縁体材料から構成され、通常、下部シールド（図示せず）の上に形成される。センサ構造体Ｓ１の両側には、第１のギャップ層２の上面およびセンサ構造体Ｓ１の端面（側面）を連続して覆うシード層１０と、このシード層１０の上に位置するハードバイアス層１１と、このハードバイアス層１１を覆うリード層１２ａ，１２ｂとが、センサ構造体Ｓ１をトラック幅方向（Ｘ軸方向）に挟むように設けられている。ここで、シード層１０およびハードバイアス層１１が、ハードバイアス構造を構成している。
センサ構造体Ｓ１は、ボトムスピンバルブ構造を有している。すなわち、第１のギャップ層２の上に、例えばシード層３と、反強磁性（ＡＦＭ：Anti-Ferromagnetic）層４と、ピンド層５と、非磁性スペーサ層（またはトンネルバリア層）６と、フリー層７と、キャップ層８とが順次積層されたものである。
シード層３は、例えばＴａ／Ｒｕからなる２層構造であることが好ましいが、単一のＴａ層であってもよいし、あるいはＴａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／Ｃｕ，Ｔａ／Ｃｒなどの他の２層構造を採用してもよい。シード層３は、その上に形成される層において滑らかで均質な粒状構造を促進する役割を果たすものである。
シード層３の上に形成されたＡＦＭ層４は、その上のピンド層５の磁化方向を固定するように機能するものであり、例えばＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄなどの反強磁性材料によって構成される。
ピンド層５は、強磁性材料からなる単層構造であってもよいし、例えば、互いに反対方向の磁化を有する２つの強磁性層（図示せず）が、ルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性導電材料からなる結合層により分離された、シンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造を有してもよい。ピンド層５における強磁性層は、例えば、ＣｏＦｅまたはその合金から構成される。シンセティック反強磁性構造における結合層は、ルテニウムのほか、例えばロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）などによって形成することができる。
非磁性スペーサ層６は、センサ構造体Ｓ１がＧＭＲ構造である場合、例えば銅（Ｃｕ）によって構成される。あるいは、センサ構造体Ｓ１がＴＭＲ構造である場合、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯｘ），ＡｌＯｘまたは他の絶縁体材料から構成されたトンネルバリアである。
フリー層７は、単一の強磁性層、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅなどの複数の強磁性層を有し、Ｘ軸方向に沿って配向した磁気モーメント７ｍを有する。
このセンサ構造体Ｓ１は、周知の方法を用いてパターニングされることにより、第１のギャップ層２に接する底面と、上面８ｓと、側壁９ａ，９ｂとが形成されたものである。センサ構造体Ｓ１は、積層面内においてデバイス密度に関連した面積を有し、その平面形状は、例えば円形、楕円形、または多角形を有する。面積が縮小するにしたがい、より高い記録密度に対応可能となる。センサ構造体Ｓ１の側壁９ａ，９ｂは、例えば、ほぼ鉛直、またはＺ軸方向に対して傾斜している。
この磁気再生ヘッド１において最も重要な特徴をなすのは、センサ構造体Ｓ１の両側に形成された、シード層１０とハードバイアス層１１とを有するハードバイアス構造である。このハードバイアス構造は、Ｘ軸方向に磁化容易軸を有するフリー層７の磁気モーメント７ｍを安定させるべく、適切な大きさの縦バイアス磁界を有するように構成されている。より高い面記録密度の磁気記録媒体に対応するために小型化した磁気再生ヘッド１において、フリー層７の磁気モーメント７ｍを十分に安定させるためには、ハードバイアス層１１の保磁力は、２０００Ｏｅよりも実質的に高いことが好ましく、特に２３００Ｏｅ以上であることが好ましい。このハードバイアス構造は、例えば、磁気記録媒体により生じた不要な漂遊磁界がフリー層７の磁化方向を意図せずに切り替えてしまうことを防止する。
シード層１０は、１．０ｎｍから１０ｎｍの厚さを有し、好ましくは４．０ｎｍの厚さを有する。シード層１０は、例えば、Ｔｉ，ＣｒＴｉ，Ｃｒ，ＣｒＭｏ，ＣｒＶ，ＣｒＷ，またはＴｉＷを含む材料により構成される。シード層１０は、イオンビームスパッタ成膜法またはマグネトロンスパッタ成膜法を用いて成膜され、基板（第１のギャップ層２）および側壁９ａ，９ｂの形状とほぼ適合している。
シード層１０は、製造過程においてのちに成膜されるハードバイアス層１１における格子整合によるエピタキシャル成長を促すために、体心立方格子（ｂｃｃ）結晶構造を有していることが好ましい。本発明者らは、シード層１０のマイルドプラズマエッチングは、他の従来の成膜方法による場合よりも、ハードバイアス層１１におけるさらに小さな結晶粒度を可能とする上で、極めて重要であることを見出した。マイルドプラズマエッチングされたシード層１０上のＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔの結晶粒度は、高分解能透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面図から評価されるように、未処理のシード層上に形成された結晶粒度よりも、約３０％から４０％小さくなる。さらに、結晶粒度分布は、従来の方法によって形成されるものよりも、実質的に減少している。結晶粒度がより小さいことは、従来の方法によって形成された大きな結晶粒度が、合体することにより非常に大型の結晶粒を形成する傾向を有している点で、有利である。結晶粒が非常に大型の場合、磁気モーメントが回転し、これにより事実上、残留保磁力Ｈｃｒが弱まってしまうからである。一方、ハードバイアス層１１の結晶粒度は、有害な常磁性挙動に至る程には縮小していない。すなわち、常磁性挙動を有する超微細な粒度と、従来の成膜法によって形成される大型の粒度との中間であるハードバイアス層１１の結晶粒度の成長は、センサ構造体Ｓ１における、隣接したフリー層７の磁気モーメント７ｍを安定させるための縦バイアス磁界に影響する残留保磁力Ｈｃｒの向上に関与している。
シード層１０を成膜する際にＩＢＤ装置を用いる場合、成膜角度を変化させるようにしてもよい。例えば、第１工程では高い成膜角度を用い、第２工程では低い成膜角度を用いる。シード層１０およびハードバイアス層１１の成膜処理は、多くの場合、センサ構造体Ｓ１のパターニングに用いたフォトレジストマスク（図示せず）を用いて行われる。オーバースプレーを最小限に抑えるために、ＩＢＤ装置内にシェイパーを用いてもよい。フォトレジストマスクは、通常、ハードバイアス層１１を形成したのちに除去される。本実施の形態の場合、ハードバイアス層１１は、例えば、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，またはそれらの合金から構成され、ほぼ平坦な上面を有している。一形態では、ハードバイアス層１１は、例えば、上面８ｓと同一平面である上面を有するようにしてもよい。ハードバイアス層１１を平坦化するために、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polish）処理を用いる。ハードバイアス層１１の厚さは、隣接するセンサ構造体Ｓ１の厚さに応じて、例えば、５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
リード層１２ａ，１２ｂは、ハードバイアス層１１の上部および側壁９ａ，９ｂを覆うように隣接して形成されると共に、キャップ層８の端縁との電気的接続も確保されている。すなわち、リード層１２ａ，１２ｂは、側壁９ａ，９ｂ近傍の上面８ｓとも接するように設けられている。なお、リード層１２ａとリード層１２ｂとの間の上面８ｓの長さは、センサ構造体Ｓ１のトラック幅を定める。第２のギャップ層１３は、好ましくは第１のギャップ層２と同様の材料から構成され、上面８ｓと、リード層１２ａ，１２ｂとの上に形成される。そして、例えば、第２のギャップ層１３の上には上部シールド（図示せず）が設けられている。
次に、図１に加え、図２を参照して本実施の形態における磁気再生ヘッド１の形成方法について説明する。図３は、磁気再生ヘッド１の形成方法における工程の一部を表すフローチャートである。
まず、下部シールド層上に第１のギャップ層２を形成してなる基板を用意し、この基板上にセンサ構造体Ｓ１と、シード層１０とを形成する（ステップＳ１０１）。
センサ構造体Ｓ１は、例えば以下のようにして形成する。まず、第１のギャップ層２の上にシード層３、ＡＦＭ層４、ピンド層５、非磁性スペーサ層６、フリー層７、およびキャップ層８をそれぞれ上記の所定材料を用いて所定の構造となるように順次積層することにより積層膜を形成する。積層膜の形成は、所定のスパッタ蒸着装置を用いて行う。なお、積層膜における全ての層を同じスパッタリングチャンバ内で成膜するようにしてもよい。次いで、必要に応じてこの積層膜を真空オーブン内に入れ、その積層膜に対するアニール処理を行う。そののち、その積層膜をパターニングすることによりセンサ構造体Ｓ１を得る。具体的には、例えばキャップ層８の上面８ｓを覆うようにフォトレジスト層（図示せず）を形成し、これを所定形状にパターニングしたのち、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＩＢＥ）等を用いて、積層膜のうち、フォトレジスト層によって覆われていない露出部分を除去する。これにより、上面８ｓおよび側壁９ａ，９ｂを有する積層体Ｓ１が得られる。
シード層１０は、図１に示したように、第１のギャップ層２の露出した上面からセンサ構造体Ｓ１の側壁９ａ，９ｂまで連続して覆うように形成する。
次に、シード層１０に対してマイルドプラズマエッチングを施すことにより、シード層１０のうち、厚さ０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の上層部分を除去する。こうすることにより、多数の核形成部位をシード層１０の表面１０ｓ上に形成することができる（ステップＳ１０２）。なお、核形成部位は、シード層１０の表面１０ｓにおいて、他の領域よりも高い表面エネルギーを有している。これにより、後続のハードバイアス層１１の成膜が行われている際に結晶の成長を促すことが確認されている。
このマイルドプラズマエッチングは、シード層１０を成膜する際に用いられるＩＢＤ装置のチャンバと同じチャンバ内において、下記の（１）〜（５）を満たす条件で行うことが望ましい。
（１）イオンビーム電圧：１００Ｖ以上３００Ｖ以下
（２）ビーム電流：５０ｍＡ以上２００ｍＡ以下
（３）チャンバ内の雰囲気：アルゴンガス
（４）ガスの流速：５ｓｃｃｍ以上１５ｓｃｃｍ以下（特に望ましくは５ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下）
（５）処理時間：１０秒以上３０秒間以下
また、ここでは、第１のギャップ層２の面に対し基板の面に垂直な面に対して３０°以下の入射角度で入射するイオンビームを用いて行うことが望ましい。その結果、シード層１０の表面１０ｓがイオン衝撃により粗面化されるに伴い、シード層１０が、厚さ０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さ分だけが除去される。
続いて、エッチングしたシード層の上に、ハードバイアス層を成膜する（ステップＳ１０３）。このステップＳ１０３において形成されたシード層１０の表面１０ｓ上の多数の核形成部位は、後に成膜されるハードバイアス層１０における、より小さな平均結晶粒度の形成に関与していると考えられる。高分解能ＴＥＭを用いた断面図（図示せず）から、エッチングしたシード層１０と、ハードバイアス層１１との間の界面を容易に確認することができる。これらのステップＳ１０１〜Ｓ１０３を、ＩＢＤ装置の同一のチャンバ内で行い、スループットを最大限に高めることが望ましい。さらに、ハードバイアス層を形成したのち、全体を２００℃以上２５０℃以下の温度で２時間以上１０時間以下に亘り加熱することによりアニール処理を行うことが望ましい。
このように、本実施の形態によれば、マイルドプラズマエッチングを行うことによりシード層１０の表面１０ｓに複数の核形成部位を形成したのち、そのシード層１０の上にハードバイアス層１１を形成するようにしたので、そのハードバイアス層１１における平均結晶粒度が小さくなる。その結果、より大きな残留保磁力Ｈｃｒを有するハードバイアス層１１を備えたハードバイアス構造を得ることができる。よって、このハードバイアス構造を、センサ構造体Ｓ１と隣接して設けているので、フリー層７の磁化の安定性を向上させることが可能となる。したがって、この磁気再生ヘッド１は、さらなる高記録密度に対応可能となる。
[第２の実施の形態]
図２は、本発明の第２の実施の形態としてのハードバイアス構造を備えた磁気再生ヘッド１Ａの構成について説明する。図２は、磁気再生ヘッド１Ａにおける、エアベアリング面と平行な断面の構成を表している。この磁気再生ヘッド１Ａは、ハードバイアス層１１が複数の副層によって構成されている点を除き、他の構成は上述した磁気再生ヘッド１と同様である。
ハードバイアス層１１は、シード層１０の上に形成され、センサ構造体Ｓ１の両側に配置された２つのハードバイアス副層１１ａ，１１ｂによって構成されている。ハードバイアス層１１の総厚は、デバイスの設計要件に応じて設定され、例えば５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。ハードバイアス副層１１ａ，１１ｂの厚さは、例えば、それぞれ２．５ｎｍから２０ｎｍである。上述したように、シード層１０にはマイルドプラズマエッチングが施されており、これにより、高密度の核形成部位が表面１０ｓに形成されている。
磁気再生ヘッド１Ａを形成する際には、複数の核形成部位が形成されたシード層１０の上に、第１のハードバイアス副層１１ａが成膜される。次に、第１のハードバイアス副層１１ａの表面１１ｓに対しマイルドプラズマエッチング処理が施され、これにより、表面１１ｓに多数の核形成部位が形成される。さらに、次に、後続のステップにおいて、第２のハードバイアス副層１１ｂが成膜され、これにより、第１のハードバイアス副層１１ａと第２のハードバイアス副層１１ｂとの間に、表面１１ｓに沿って界面が形成される。その結果、表面１０ｓ，１１ｓに沿った多数の核形成部位による効果に起因して、ハードバイアス副層１１ａ，１１ｂのそれぞれにおいて、他の従来の成膜方法によって形成されるものよりも、より小さな平均結晶粒度が生じる。
図４は、磁気再生ヘッド１Ａの形成方法における工程の一部を表すフローチャートである。
まず、第１の実施の形態と同様に、下部シールド層上に第１のギャップ層２を形成してなる基板を用意し、この基板上にセンサ構造体Ｓ１と、シード層１０とを形成する（ステップＳ２０１）。次に、シード層１０に対してマイルドプラズマエッチングを施すことにより、シード層１０のうち、厚さ０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の上層部分を除去する。こうすることにより、多数の核形成部位をシード層１０の表面１０ｓ上に形成することができる（ステップＳ２０２）。
次に、ＩＢＤまたはスパッタ成膜法を用いて、第１のハードバイアス副層１１ａを成膜したのち（ステップＳ２０３）、例えば、上述したシード層１０のエッチングと同じ処理条件を用いて、第１のハードバイアス副層１１ａに対しマイルドプラズマエッチングを行う（ステップＳ２０４）。このステップＳ２０４では、例えば、第１のハードバイアス副層１１ａのうち、厚さ１．０ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の上層部分を除去する。こうすることにより、多数の核形成部位を、第１のハードバイアス副層１１ａの表面１１ｓ上に形成することができる。
続いて、表面１１ｓを覆うように、第２のハードバイアス副層１１ｂを成膜する（ステップＳ２０５）。このとき、第１のハードバイアス副層１１ａの表面１１ｓに形成された複数の核形成部位は、第２のハードバイアス副層１１ｂの、より小さな平均結晶粒度の促進に関与している。なお、各層の成膜工程と、マイルドプラズマエッチング処理との工程のすべてを、ＩＢＤ装置の同一のチャンバ内で行い、スループットを最大限に高めることが望ましい。
当業者であれば、高分解能ＴＥＭを用いた断面（図示せず）の観察により、シード層１０と第１のハードバイアス副層１１ａとの間の第１の界面、および第１のハードバイアス副層１１ａと第２のハードバイアス副層１１ｂとの間の第２の界面とを確認することができる。また、当業者であれば、本実施の形態における第１および第２のハードバイアス副層１１ａ，１１ｂは、従来の方法によって形成されたものよりも、より小さな平均結晶粒度を有することについても観測することができる。
このように、本実施の形態では、シード層１０の表面１０ｓに核形成部位を複数形成したのち第１のハードバイアス副層１１ａを形成し、さらに、その表面１１ｓに同様にして核形成部位を複数形成したのち第２のハードバイアス副層１１ｂを形成するようにした。こうすることにより、第１および第２のハードバイアス副層１１ａ，１１ｂにおける平均結晶粒度を小さくすることができ、ハードバイアス層１１の残留保磁力Ｈｃｒを、上記第１の実施の形態よりも大きくすることができる。
次に、本発明に関する実施例（実験例）について説明する。
本発明のハードバイアス構造の性能改善を確認するために、以下のような比較実験を行った。
表１は、従来方法（実験例１）、第１の実施の形態に対応する方法（実験例２）および第２の実施の形態に対応する方法（実験例３〜５）によってそれぞれ形成されたハードバイアス構造について、残留保磁力Ｈｃｒの比較を行った結果を表す。
Figure 0005763892
実験例１は、ＣｒＴｉからなる３ｎｍ厚のシード層の上にＣｏＰｔからなる２５ｎｍ厚の単層のハードバイアス層を設けるようにしたものである。実験例２は、ＣｒＴｉからなる４ｎｍ厚のシード層の表面にマイルドプラズマエッチングにより複数の核形成部位を形成したのち、その上にＣｏＰｔからなる２５ｎｍ厚の単層のハードバイアス層を設けるようにしたものである。実験例３は、ＣｒＴｉからなる４ｎｍ厚のシード層の表面にマイルドプラズマエッチングにより複数の核形成部位を形成したのち、その上にＣｏＰｔからなる１４ｎｍ厚の第１のハードバイアス副層を設け、さらにその表面に複数の核形成部位を形成したのち、その上にＣｏＰｔからなる１２．５ｎｍ厚の第２のハードバイアス副層を設けるようにしたものである。実験例４は、ＣｒＴｉからなる４ｎｍ厚のシード層の表面にマイルドプラズマエッチングにより複数の核形成部位を形成したのち、ＣｏＰｔからなる５．５ｎｍ厚のハードバイアス副層の形成と、その表面のマイルドプラズマエッチング処理とを交互に５回繰り返し行い、最後にＣｏＰｔからなる５．０ｎｍ厚のハードバイアス副層を設けるようにしたものである。実験例５は、ＣｒＴｉからなる４ｎｍ厚のシード層の表面にマイルドプラズマエッチングにより複数の核形成部位を形成したのち、ＣｏＰｔからなる４．５ｎｍ厚のハードバイアス副層の形成と、その表面のマイルドプラズマエッチング処理とを交互に７回繰り返し行い、最後にＣｏＰｔからなる４．０ｎｍ厚のハードバイアス副層を設けるようにしたものである。
表１に示したように、実験例２〜５では、従来の実験例１よりも高い残留保磁力Ｈｃｒが得られることが確認された。また、マイルドプラズマエッチング処理の工程数とハードバイアス副層の数とを増加させるに伴い、残留保磁力Ｈｃｒも増加することが確認された。これは、複数の核形成部位を有する表面上にハードバイアス層（ハードバイアス副層）が形成されることにより、その結晶粒度を適切な範囲で小さくすることができたためと考えられる。なお、表１における各層の直後の数値は、厚さ（ｎｍ）を示している。また、各積層体のＣｒＴｉからなるシード層の厚さ、および最上部層であるＣｏＰｔ層以外のすべてのハードバイアス副層の厚さは、後続のマイルドエッチング工程前の数値である。したがって、厚さ４．０ｎｍのＣｒＴｉシード層の厚さは、マイルドエッチング処理を経たのち、３．０ｎｍから３．５ｎｍの厚さに縮小すると推定される。同様に、１４ｎｍ厚のＣｏＰｔからなるハードバイアス副層（実験例３）、５．５ｎｍ厚のＣｏＰｔからなるハードバイアス副層（実験例４）、および、４．５ｎｍ厚のＣｏＰｔからなるハードバイアス副層（実験例５）の厚さは、マイルドプラズマエッチング処理を経たのち、最大で１．５ｎｍ減少することが予想される。よって、表１において、エッチングすることにより、ＣｏＰｔハードバイアス副層のそれぞれにおいて１．５ｎｍの厚さが減少することを考慮に入れると、実験例３〜５のそれぞれにおけるハードバイアス層の全体の厚さは、ほぼ２５ｎｍの一定値に保たれることになる。なお、これらの実験例１〜５で用いられたＣｏＰｔは、Ｃｏの含有率が８０原子％（Ｐｔの含有率が２０原子％）のものである。また、アニール処理は行わなかった。
このように、本発明のハードバイアス構造は、エッチングされたシード層と、ハードバイアス層との間の界面に沿って形成された、ハードバイアス層における小さな平均結晶粒度を利用するものである。また、複数のハードバイアス副層を形成することにより、ハードバイアス層の特性がさらに改善される。最上部のハードバイアス副層以外の各ハードバイアス副層は、シード層またはハードバイアス副層の表面に形成される。シード層またはハードバイアス副層の表面は、マイルドエッチング処理されており、これにより、周囲の領域よりも高い表面エネルギーを有する多数の核形成部位が形成される。上述した実施の形態で説明した改善点は、いずれも、例えば、当該技術分野においてシード層およびハードバイアス層に使用される既存の材料を用いて、シード層およびハードバイアス層の厚さを変更することなく達成される。したがって、センサの性能の改善を、従来の製造スキームと同様のコストで得ることができる。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。例えば、上記第２の実施の形態では、ハードバイアス層を２つのハードバイアス副層によって構成するようにしたが、その副層の数はこれに限定されるものではない。例えば、ハードバイアス層１１を、ｎ個のハードバイアス副層によって形成してもよい。その場合、マイルドプラズマエッチングを行うことにより第（ｐ−１）番目の副層の表面に複数の核形成部位を形成したのち、第ｐ番目の副層の成膜を行うようにすればよい。但し、ｎは２以上の整数であり、ｐは２以上ｎ以下の整数である。例えば、第１のハードバイアス副層は、第２のハードバイアス副層が成膜される前にマイルドエッチング処理され、第２のハードバイアス副層は、第３のハードバイアス副層が成膜される前にマイルドエッチング処理され、以降同様に続く。最後に、マイルドエッチング処理されたｎ−１番目のハードバイアス副層の上に、ｎ番目のハードバイアス副層が成膜される。なお、ｎ回のマイルドプラズマエッチング処理と成膜との工程のすべてを、ＩＢＤ装置の同一のチャンバ内で行い、スループットを最大限に高めることが望ましい。
また、本発明では、センサ積層体（図示せず）が、下層の第１のギャップ層２の内部にまで延びる側壁を有するものとしてもよい。その場合、センサ構造体の下方のギャップ層の厚さは、それ以外の領域の厚さよりも大きくなっている。または、当業者により理解されるように、シード層１０を成膜する前に、センサ積層体（シード層３〜キャップ層８）に対して側壁を形成する同じエッチング工程に際して、センサ構造体の側壁を、下部シールドの内部にまで延びるようにしてもよい。側壁を第１のギャップ層２または下部シールドの内部にまで延在させることにより、ハードバイアス層１１の領域が拡大し、側壁９ａ，９ｂ近傍の磁化がより安定化される。これにより、フリー層７をバイアスするための縦バイアス磁界を増加させることができる。
Ｓ１…センサ構造体、１，１Ａ…磁気再生ヘッド、２…第１のギャップ層、３…シード層、４…ＡＦＭ層、５…ピンド層、６…非磁性スペーサ層、７…フリー層、８…キャップ層、１０…シード層、１０ｓ…表面、１１…ハードバイアス層、１０ａ…第１のハードバイアス副層、１０ｂ…第２のハードバイアス副層、２２…絶縁層、１３…第２のギャップ層。

Claims (17)

  1. 縦バイアス磁界を発生させ、これにより隣接する磁気抵抗効果センサのフリー層を安定させるハードバイアス構造の形成方法であって、
    （ａ）基板上に、鉛直状の側壁を含む所定形状を有する磁気抵抗効果センサを形成する工程と、
    （ｂ）マグネトロンスパッタリングまたはイオンビーム成膜（ＩＢＤ）法を用いて、前記磁気抵抗効果センサの前記側壁と前記基板の露出面とを連続して覆うようにシード層を形成する工程と、
    （ｃ）前記シード層に対してプラズマエッチングを施して前記シード層の上層部分を除去することにより、前記シード層の表面に複数の核形成部位を形成する工程と、
    （ｄ）前記複数の核形成部位が形成された前記シード層の上に、ハードバイアス層を形成する工程と
    を含み、
    前記プラズマエッチングを、前記基板の面に垂直な面に対して０°の入射角度で入射するイオンビームを用いて行う
    ハードバイアス構造の形成方法。
  2. 前記シード層を、Ｔｉ，ＣｒＴｉ，Ｃｒ，ＣｒＭｏ，ＣｒＶ，ＣｒＷ，またはＴｉＷを含む材料を用いて、１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
    請求項１記載のハードバイアス構造の形成方法。
  3. 前記ハードバイアス層を、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，またはそれらの合金うちの少なくとも一種を含む材料を用い、５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
    請求項１記載のハードバイアス構造の形成方法。
  4. 前記プラズマエッチングを、下記の（１）〜（５）を満たす条件で行う
    請求項１に記載のハードバイアス構造の形成方法。
    （１）イオンビーム電圧：１００Ｖ以上３００Ｖ以下
    （２）ビーム電流：５０ｍＡ以上２００ｍＡ以下
    （３）チャンバ内の雰囲気：アルゴンガス
    （４）ガスの流速：５ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下
    （５）処理時間：１０秒以上３０秒間以下
  5. 前記ハードバイアス層を形成したのち、全体を２００℃以上２５０℃以下の温度で２時間以上１０時間以下に亘り加熱することによりアニール処理を行う工程をさらに含む
    請求項１記載のハードバイアス構造の形成方法。
  6. 前記シード層の形成と、前記ハードバイアス層の形成と、前記プラズマエッチングとを、いずれもＩＢＤ装置の同じチャンバ内において実施する
    請求項１記載のハードバイアス構造の形成方法。
  7. 前記シード層の厚さを、
    前記プラズマエッチングを行うことにより０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の範囲で減少させる
    請求項４記載のハードバイアス構造の形成方法。
  8. 縦バイアス磁界を発生させ、これにより隣接する磁気抵抗効果センサのフリー層を安定させる複数の副層からなるハードバイアス層を備えたハードバイアス構造の形成方法であって、
    （ａ）基板上に、鉛直状の側壁を含む所定形状を有する磁気抵抗効果センサを形成する工程と、
    （ｂ）マグネトロンスパッタリングまたはイオンビーム成膜（ＩＢＤ）法を用いて、前記磁気抵抗効果センサの前記側壁と前記基板の露出面とを連続して覆うようにシード層を成膜する工程と、
    （ｃ）前記シード層に対して第１のプラズマエッチングを施して前記シード層の上層部分を除去することにより、前記シード層の表面に複数の核形成部位を形成する工程と、
    （ｄ）前記複数の核形成部位が形成された前記シード層の上に、第１から第ｎ番目の副層が順に積層されてなるハードバイアス層を形成する工程と
    を含み、
    前記ハードバイアス層を形成する工程では、第（ｐ−１）番目の副層に対して第２のプラズマエッチングを施して前記第（ｐ−１）番目の副層の上層部分を除去することにより、前記第（ｐ−１）番目の副層の表面に複数の核形成部位を形成したのち、第ｐ番目の副層の成膜を行い、
    前記第１および第２のプラズマエッチングを、前記基板の面に垂直な面に対して０°の入射角度で入射するイオンビームを用いて行う
    ハードバイアス構造の形成方法。
    但し、ｎは２以上の整数であり、ｐは２以上ｎ以下の整数である。
  9. 前記ハードバイアス層が３以上の前記副層からなる
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  10. 前記シード層を、Ｔｉ，ＣｒＴｉ，Ｃｒ，ＣｒＭｏ，ＣｒＶ，ＣｒＷ，またはＴｉＷを含む材料を用いて、１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  11. 前記複数の副層を、それぞれ、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，またはそれらの合金うちの少なくとも一種を含む材料を用い、５．０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  12. 前記第１および第２のプラズマエッチングを、下記の（１）〜（５）を満たす条件で行う
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
    （１）イオンビーム電圧：１００Ｖ以上３００Ｖ以下
    （２）ビーム電流：５０ｍＡ以上２００ｍＡ以下
    （３）チャンバ内へ供給するガス：アルゴンガス
    （４）ガスの流速：５ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下
    （５）処理時間：１０秒以上３０秒間以下
  13. 前記ハードバイアス層を形成したのち、全体を２００℃以上２５０℃以下の温度で２時間以上１０時間以下に亘り加熱することによりアニール処理を行う工程をさらに含む
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  14. 前記シード層の形成と、前記副層の成膜と、前記第１および第２のプラズマエッチングとを、いずれもＩＢＤ装置の同じチャンバ内において実施する
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  15. 前記シード層の厚さを、前記第１のプラズマエッチングを行うことにより０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の範囲で減少させる
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  16. 前記複数の副層のそれぞれの厚さを、前記第２のプラズマエッチングを行うことにより１．０ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲で減少させる
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
  17. 前記複数の副層が、それぞれ、コバルト（Ｃｏ）の含有率が８０原子％であるＣｏＰｔを含む
    請求項８記載のハードバイアス構造の形成方法。
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