JP6158531B2 - 磁気素子、装置および磁気素子の製造方法 - Google Patents

Description

本開示のさまざまな実施形態は、概して、データ検出が可能な磁気素子に向けられる。

データ記憶装置業界は、より高いデータ容量、より高速なデータアクセス時間、より低減されたフォームファクタへの向上を続けている。このような事項は、より小さいデータ記憶要素、ならびに、磁気不安定さおよび効率的なデータアクセスを阻害するノイズを引き起こし得るより狭い寸法公差に対応する。磁気不安定性を軽減するために、磁気バイアシングスキームを用いることができるが、プロセスおよび設計の変化は、そのようなバイアシングスキームの効果を低減し得る。このように、低減されたフォームファクタにおける磁気不安定性の緩和、および高データビット密度記憶装置に対する、業界の継続的な需要が存在する。

米国特許第６５９９４０１号明細書 米国特許第７３８２５８６号明細書 米国特許第７３８２６４２号明細書 米国特許第８０１５６９４号明細書 米国特許第８１３０４７５号明細書 米国特許第８１７９６４２号明細書

いくつかの実施形態に従えば、磁気素子は、各々が空気軸受面（ＡＢＳ）から予め定められたストライプ高さを伴う第１および第２の磁気自由層を有する磁気スタックを少なくとも用いて構成され得る。第１および第２の磁気自由層は、ＡＢＳに対して交差し、予め定めれれたストライプ高さに応答して角度が付けられた第１および第２の一軸異方性でそれぞれ構成することができる。

データ記憶装置の例示的な一部のブロック図である。 図１に示されたデータ記憶装置の一部の断面ブロック図である。 さまざまな実施形態に従って構築された例示的な磁気素子の一部の上面ブロック図である。 いくつかの実施形態に従って構築された例示的な磁気素子の一部の上面ブロック図である。 さまざまな実施形態に従って構築され、かつ動作する例示的な磁気素子からの動作データのグラフである。 さまざまな実施形態に従って実施される磁気素子製造ルーチンのフローチャートである。

詳細な説明
データ記憶装置業界は、より高いデータ容量、より高速なデータアクセス時間、より低減されたフォームファクタへの向上を続けている。このような事項は、より小さいデータ記憶要素、ならびに、磁気不安定さおよび効率的なデータアクセスを阻害するノイズを引き起こし得るより狭い寸法公差に対応する。磁気不安定性を軽減するために、磁気バイアシングスキームを用いることができるが、プロセスおよび設計の変化は、そのようなバイアシングスキームの効果を低減し得る。このように、低減されたフォームファクタにおける磁気不安定性の緩和、および高データビット密度記憶装置に対する、業界の継続的な需要が存在する。

したがって、磁気素子は、各々が空気軸受面（ＡＢＳ）から予め定められたストライプ高さを有するとともに、それぞれがＡＢＳに対して交差しかつ予め定められたストライプ高さに応答して角度付けされる第１および第２の一軸異方性を伴う、第１および第２の磁気自由層を有する磁気スタックを用いて構成され得る。自由層が予期しない温度切換および高い磁気非対称性によって阻害されることなく、縮退した（degenerate）構成間において切換わるので、ストライプ高さに対する一軸異方性の角度を調整する能力は動作ノイズを軽減し得る。

調整された一軸異方性は、非制限の多くの環境において実現され得るが、図１は、さまざまな実施形態に従う調整された磁気素子を利用することができる例示的なデータ記憶装置１００の上面ブロック図を概略的に示す。データ記憶装置１００は、予め定められたデータトラック１１０上に、プログラムされたビット１０８を記憶可能な磁気記憶媒体１０６の上方に変換ヘッド１０４を位置付ける作動アセンブリ１０２を有する非制限の構成に示される。記憶媒体１０６は、使用中に空気軸受面（air bearing surface：ＡＢＳ）を
生成するために回転するスピンドルモータ１１２に取付けられ、ＡＢＳ上においては、作動アセンブリ１０２のスライダ部１１４が、変換ヘッド１０４を含むヘッドジンバルアセンブリ（head gimbal assembly：ＨＧＡ）を、媒体１０６の予め定められた部分の上方に位置付けるように飛行する。

変換ヘッド１０４は、それぞれが記憶媒体１０６の選択されたデータトラック１１０かへデータを書込むとともに読み出すように動作する磁気書込部、磁気応答読出部、および磁気シールドのような、１つまたはより多くの変換素子を用いて構成することができる。このように、作動アセンブリ１０２の制御された動作によって、変換器（トランスデューサ）を記憶媒体表面上に規定されたデータトラックに揃えて、データの書込み、読出し、および再書込みを行なう。

用語「スタック」は、本開示においては、磁気遮蔽、読出しおよび書込みが可能な１つまたはより多くの磁気層および非磁気層であり得る、非制限の用語であることに注意すべきである。本願を通して、用語「スタック」は、ＡＢＳ上に位置付けられて、磁気自由層の磁化の回転、隣接データ記憶媒体上の磁気極性の誘導、および、磁束を磁気素子のデータ検出範囲から離れる方向に向けることのような予め定められた特性に従って磁束を導く要素を意味することが理解されるであろう。

データビット１０８がデータトラック１１０内により高密度に位置付けられるにつれて、ヘッド１０４は、ＡＢＳ上のヘッド１０４の磁気的に敏感なアスペクトの物理サイズに少なくとも部分的に起因してノイズおよび磁気非対称性をもたらす多くの隣接データビットから磁束を受容し得る。さまざまな磁気的に敏感なスタックの設計が、ヘッド１０４のＡＢＳサイズを低減するとともに、誤った磁束の効果を緩和するために開発されてきた。図２は、図１のデータ記憶装置１００において用いることができる例示的な磁気素子１２０の断面ブロック図を示す。磁気素子１２０は、いくつかの実施形態に従って、空気軸受面（ＡＢＳ）上の電極層１２４と磁気シールド層１２６との間に配置された磁気スタック１２２を用いて構成されるように示される。

磁気スタック１２２は、磁気抵抗性、トンネル磁気抵抗性、およびスピンバルブのような、多くの異なるデータビット検出積層として構成され得るが、図２に示される実施形態においては、非磁気スペーサ層１３０によって分離された２つの強磁性体自由層を伴う「三層」センサとして構築される。三層磁気スタック１２２は、固定磁化基準構造と接することとは対象的に、隣接しているが物理的には離れている後面バイアス磁石１３２によってデフォルト磁化にバイアスされる、磁気的に敏感な一組の強磁性体層によって特徴付けることができる。つまり、磁気スタック１２２は、いかなる固定磁化も有しておらず、これは、シールドとシールドとの間の間隔１３４を低減するとともに、縦シールドおよび側面シールドについての磁気応力を低減する。

自由層１２８の磁気配向は、外部データビットに遭遇し、外部データビットが不活性状態と活性状態との間で層の磁化をシザリング（scissoring）することによって一方または双方の自由層１２８の予め定められたデフォルト磁化を変更するときに、測定可能な磁気抵抗効果を与えるように機能し得る。後面バイアス磁石１３２のサイズ、配置および磁気飽和保磁力は、各自由層１２８における不活性磁化を確実に設定するために強磁性自由層１２８の異方性とともに動作する、予め定められたバイアス磁化を与えるように調整および構成され得る。

後面バイアス磁石１３２の使用は、Ｚ軸に沿ってＡＢＳから測定されるような磁気スタック１２２のストライプ高さ１３６および自由層１２８の異方性に対して調整されて、交差した自由層１２８の正確なシザリングがデータビットを検知できるようにする。図３は、さまざまな実施形態に従う磁気自由層１４４に関して後面バイアス磁石１４２がどのように調整され得るかを概略的に示す、例示的な磁気素子１４０の部分の上面ブロック図を示す。

後面バイアス磁石１４２は、自由層１４４の異方性に呼応してそれぞれの自由層１４４に対してデフォルト磁化（ＭＦＬ１およびＭＦＬ２）を設定するように機能するバイアス場を生成する残留磁気（ＭＰＭ）を与える磁気飽和保磁力で構成される。逆方向に角度付けられた磁化ベクトルによって特徴付けられる交差方向を有する自由層磁化の構成は、ＡＢＳに対して平行な異方性のクロストラック成分が自由層１４４の形状異方性を妨げ、ＡＢＳ１５０にわたって隣接データビット１４８に対して敏感な、より高応答な磁気シザリングを可能とするので、データ信号およびその大きさを増加し得る。

しかしながら、自由層１２８における磁化のシザリング動作は、温度スイッチングや不正確なデータ検知を予期せず誘導してしまう磁気ノイズによって悪影響を受け得る。これらの困難性を考慮して、ストライプ高さに対する三層磁気スタック１２２における自由層１２８の平面内一軸異方性の調整は、各磁気自由層１２８における磁気非対称性を抑制することによって、磁気ノイズおよび予期しない磁気スイッチングを軽減し得る。

図４は、さま実施形態に従って構築される例示的な磁気スタックの自由層部の上面ブロック図である。自由層部１６０は、Ｘ軸に沿って一致した幅、およびＡＢＳからの同じまたは異なるストライプ高さ１６６を有するスタックとして構築される、第１の自由層１６２および第２の自由層１６４を有する。磁気自由層１６２，１６４の一方または双方のストライプ高さ１６６を長くすることは、個別の自由層１６２，１６４の一体の（solid）
第１の磁化１６８およびセグメント化された第２の磁化１７０を平行に近づける。これは、予期しない磁化の切換えを誘導し、自由層部１６０の磁気検知精度を変更し得る。

図４に示される交差した配向への第１の磁化１６８および第２の磁化１７０の賢明な調整を通して、自由層１６２，１６４の形状異方性が弱められ、磁気非対称性および磁気ノイズを抑制することができる。つまり、Ｘ軸および自由層部１６０の横軸１７２に対して第１の所定の角度配向θ１を有する第１のベクトル方向に第１の磁化を調整し、第２の磁化を横軸１７２に対して第２の所定の磁化配向θ２を有する第２のベクトル方向に調整することは、ノイズを抑制するとともにそれぞれの自由層１６２，１６４における磁気非対称性を最小化することによって、磁化方向１６８，１７０の予期しない切換えを最小化する。

第１磁化１６８および第２の磁化１７０は、多くの非制限の態様で、所定の角度配向θ１，θ２および所定のベクトル方向に設定されるが、さまざまな実施形態は、斜入射スパッタリング設定（oblique incidence sputtering set）を用いて、磁気ノイズを抑制するとともに磁気対称性を推進する一軸異方性を提供する所定の堆積角度へさまざまな磁化を形成する。いくつかの実施形態においては、所定の角度配向およびベクトル方向は、図４に示されるように、３０°および１５０°のような反対の配向に設定され、それは静的および動的動作の間に、磁化１６８，１７０のそれぞれの配向を維持する、ＡＢＳに対する平行および垂直な磁化成分のバランスを提供する、交差構造を有する磁化１６８，１７０を構成する。

自由層磁化１６８，１７０の角度配向およびベクトル方向は、焼鈍動作を実行することによってさらに設定され得る。焼鈍動作においては、自由層部１６０は、高熱および印加磁場に予め定められた時間さらされる。個別にまたは同時に、縦軸およびＺ軸のような初期焼鈍方向に沿って自由層を焼鈍することは、さまざまな実施形態に従って実行されて、各自由層１６２，１６４の一軸異方性の配向を最終的に決定する。非制限の例とし、第１の磁気自由層１６２は第１の焼鈍方向に沿って焼鈍され、第１の焼鈍方向は第２の磁気自由層１６４の第２の焼鈍方向とは異なる。

いくつかの実施においては、調整された堆積角度への斜入射スパッタリング設定の使用は、予め定められたテクスチャを有するシード層上に堆積されることによって実現することができる。つまり、自由層一軸異方性１６８，１７０の一方または双方は、斜入射スパッタリングを用いて堆積されたシード層、あるいは、トレンチングおよび研磨（abrasion）のようなその後の堆積後（post-deposition）処理されたシード層のいずれかに堆積さ
れて、磁気自由層１６２，１６４において予め定められた一軸異方性および磁化１６８，１７０を形成するのを助ける所定のテクスチャを生成し得る。

所定の磁化１６８，１７０が構築される態様にかかわらず、調整された角度配向およびベクトル方向は、最適化されたデータビット検出を提供し得る。図５は、さまざまな実施形態に従う所定の磁気自由層一軸異方性および磁化で調整された例示的な磁気素子に対応する動作データを示すグラフである。実線１８０は、三層スタック内の自由層の交差磁化および一軸異方性構造が、さまざまなデータ記憶環境に対して最適化された磁気応答をどのように提供することができるかを示す。

磁気素子が調整される態様および磁気素子のさまざまな層の構成は、構築のための特定の手段には限定されないが、図６は、さまざまな実施形態に従う、磁気スタックを調整するために実行される例示的な磁気素子製造ルーチン２００を提供する。ルーチン２００は、まず、決定２０２において、図２の電極層１２４のようなテクスチャ化されたシード層が、以降で磁気スタックが堆積される基板として用いられることになっているか否かを決定することによって開始する。

テクスチャ化されたシード層が用いられる場合には、次に、ステップ２０４は、斜入射スパッタリングのような非制限の多くの堆積手段および処理手段を用いて形成され得る所定のテクスチャを有するシード層を形成する。ステップ２０４においてテクスチャ化されたシード層が形成されるか、あるいは決定２０２によって選択されないかにかかわらず、ステップ２０６は、次に、予め定められた一軸異方性およびベクトル方向を有する第１の磁気自由層を堆積する。ステップ２０６は、非制限の多くの態様で実行され得るが、いくつかの実施形態においては、所定の堆積角度に角度付けられた斜入射スパッタリングを用いて堆積されて、層の横軸に対して３０°のような所定の角度に配向された磁化を誘導する一軸異方性を有する第１の自由層を構成する。

第１の磁気自由層の形成の後にステップ２０８が引き続き、ステップ２０８においては、第１の磁気自由層の上面に非磁気スペーサ層が形成される。スペーサ層および磁気自由層の寸法、厚さおよび材料は限定されないが、類似の特性、非類似の特性、および一致した特性となるように構成され得る。次に、ステップ２１０は、第２の所定の一軸異方性およびベクトル方向を有する第２の磁気自由層を堆積する。図４に概略的に示されるように、第１および第２の一軸異方性およびベクトル方向は、一方がＡＢＳに向かい他方がＡＢＳから離れる逆方向に導きながら、互いに対して交差するように設定され得る。

所定の磁気配向に従って三層スタック内に形成された第１および第２の磁気自由層とともに、ステップ２１２は、引き続き、自由層の横軸方向のような予め定められた焼鈍方向に沿ってスタックを焼鈍することができる。図７に示されるステップとは異なるいくつかの実施形態においては、第１および第２の磁気自由層は、スペーサ層のような後続の他の層の堆積の前に、異なる温度および焼鈍方向で焼きなまされる。三層磁気スタックの構築に引き続いて、ステップ２１４において、磁気スタックと隣接するともに分離された後面バイアス磁石の形成が行われる。後面バイアス磁石は、磁気自由層を所定のデフォルト磁化に設定することをもたらす物理サイズを有する単層または複数の層の積層体として構成され得る。

さまざまな磁気的に敏感な層、ならびに、後面バイアス磁石の調整された堆積および焼鈍を通して、ルーチン２００は、最適化された磁気安定性および磁気対称性を提供することができる。しかしながら、さまざまなステップおよび決定を省略、変更、および追加することができるので、ルーチン２００には限定されない。たとえば、ルーチン２００は、三層磁気スタックに横および縦に隣接する１つまたはより多くのシールドを形成し処理するステップをさらに実行し得る。

所定の一軸異方性を有する１つまたはより多くの自由層を調整する能力は、形状異方性を抑制しながら、磁化を誘導し維持する。交差した磁化および逆ベクトル方向を有するそれぞれの磁気自由層を調整することは、縮退状態の間における予期しない磁化の切換わりを最小化しながら、自由層磁化の磁気抵抗シザリングを可能とする。このように、磁気スタックは、低減されたフォームファクタで、高データビット密度のデータ記憶装置に要求される正確で効率的な動作を提供するように特に構成され得る。

本開示のさまざまな実施形態の多くの特徴および構成が、さまざまな実施形態の構成および機能の詳細とともに上述の説明に記載されたが、この詳細な説明は単なる例示にすぎず、詳細において、特に添付の請求項で表現される用語の広い一般的な意味によって示される技術の原理の全範囲における構成および部品の配列の点において、変形がなされてもよい。たとえば、特定の要素は、本技術の精神および範囲から逸脱することなく、特定の用途に応じて変化してもよい。

１００ データ記憶装置、１０２ 作動アセンブリ、１０４ 変換ヘッド、１０６ 磁気記憶媒体、１０８ データビット、１１０ データトラック、１１２ スピンドルモータ、１１４ スライダ部、１２０，１４０ 磁気素子、１２２ 磁気スタック、１２４ 電極層、１２６ 磁気シールド層、１２８，１６２，１６４ 磁気自由層、１３０ 非磁気スペーサ層、１３２ 後面バイアス磁石、１４８ 隣接データビット、１６０ 自由層部。

Claims (17)

1. 磁気素子であって、
   各々が空気軸受面（ＡＢＳ）から前記ＡＢＳの遠位までの、第１の磁化容易軸方向を有する形状異方性に対応する、前記ＡＢＳと直交する方向の、後面バイアス磁石の長さよりも大きいストライプ高さを伴う第１および第２の磁気自由層を有する磁気スタックを備え、
   前記第１および第２の磁気自由層は、前記ＡＢＳに対して交差するとともに前記ストライプ高さによって、前記ＡＢＳとは直交せずに実質的に前記ＡＢＳに向かうように方向づけられ、かつ前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記第１の磁化容易軸方向とは異なる方向に角度が付けられた、第１および第２の一軸異方性をそれぞれ有し、前記第１および第２の磁気自由層は、それぞれ、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記第１および第２の一軸異方性に整合するように角度が付けられた第１および第２の磁化を有し、
   前記第１の磁化および前記第２の磁化は、前記ＡＢＳから前記ＡＢＳの遠位までの方向に関して対称である、磁気素子。
2. 前記第１および第２の磁気自由層は、非磁気スペーサ層によって分離される、請求項１に記載の磁気素子。
3. 前記磁気スタックは、固定磁化基準構造がなく、
   前記第１および第２の磁気自由層は、前記ＡＢＳおよび前記磁気スタックから離された前記後面バイアス磁石によってデフォルト磁化に設定される、請求項１に記載の磁気素子。
4. 前記第１および第２の一軸異方性は、互いに交差した第１および第２の磁化をそれぞれ誘導する、請求項１に記載の磁気素子。
5. 前記磁気自由層の各々は、強磁性材料を含む、請求項１に記載の磁気素子。
6. 前記第１および第２の磁気自由層は、前記ＡＢＳからの共通のストライプ高さ、または異なるストライプ高さを有する、請求項１に記載の磁気素子。
7. 前記第１の一軸異方性は、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳに平行な方向の横軸に対して実質的に３０°に構成される、請求項１に記載の磁気素子。
8. 前記第２の一軸異方性は、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳに平行な方向の横軸に対して実質的に１５０°に構成される、請求項１に記載の磁気素子。
9. 装置であって、
   各々が空気軸受面（ＡＢＳ）からの、第１の磁化容易軸方向を有する形状異方性に対応する、前記ＡＢＳと直交する方向の、後面バイアス磁石の長さよりも大きいストライプ高さを伴う第１および第２の磁気自由層を有する磁気スタックを備え、
   前記第１および第２の磁気自由層は、前記ＡＢＳに対して交差し、前記ストライプ高さによって、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳとは直交せずかつ前記第１の磁化容易軸方向とは異なる方向に角度が付けられ、さらに逆方向に向けられた第１および第２の一軸異方性をそれぞれ有し、前記第１および第２の一軸異方性は、前記ＡＢＳに対する平行および垂直な磁化成分のバランスを提供し、
   前記第１および第２の磁気自由層は、それぞれ、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記第１および第２の一軸異方性に整合するように角度が付けられた第１および第２の磁化を有し、
   前記第１の磁化および前記第２の磁化は、前記ＡＢＳから前記ＡＢＳの遠位までの方向に関して対称である、装置。
10. 前記第１および第２の一軸異方性は、それぞれ、前記ＡＢＳに対して、第１および第２の磁化のそれぞれの第３および第４の角度に一致する第１および第２の角度で方向づけられる、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１および第２の磁化は、隣接データビットに応答して、交差しかつ逆に向いた方向に維持される、請求項１０に記載の装置。
12. 方法であって、
    第１および第２の磁気自由層を堆積して磁気スタックを形成するステップを備え、
    各磁気自由層は、空気軸受面（ＡＢＳ）からの第１の磁化容易軸方向を有する形状異方性に対応する、前記ＡＢＳと直交する方向の、後面バイアス磁石の長さよりも大きいストライプ高さを有し、
    前記方法は、
    前記ＡＢＳに対して交差するとともに、前記ストライプ高さによって、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳとは直交せずかつ前記第１の磁化容易軸方向とは異なる方向に角度が付けられた第１および第２の一軸異方性をそれぞれ有するように、前記第１および第２の磁気自由層を構成するステップをさらに備え、
    前記第１および第２の磁気自由層は、それぞれ、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記第１および第２の一軸異方性に整合するように角度が付けられた第１および第２の磁化を有し、
    前記第１の磁化および前記第２の磁化は、前記ストライプ高さの方向に対して対称である、方法。
13. 前記第１および第２の磁気自由層は、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳに平行な方向の前記磁気スタックの横軸に沿って、予め定められた温度で焼鈍される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の磁気自由層は、前記第１の一軸異方性を提供するために斜入射角堆積で堆積される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１の磁気自由層は、前記第１の一軸異方性を形成するのを助けるための所定のテクスチャでテクスチャ化されたシード層上に堆積される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記所定のテクスチャは、前記第１の一軸異方性を提供するために斜入射角堆積で堆積される、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つの磁気自由層は、前記第１および第２の磁気自由層の平面内において前記ＡＢＳに直交する方向の前記磁気スタックの縦軸に沿って焼鈍される、請求項１２に記載の方法。