JP2000207712A - 磁気抵抗効果センサ及び該センサを備えた磁気ヘッドの製造方法 - Google Patents
磁気抵抗効果センサ及び該センサを備えた磁気ヘッドの製造方法Info
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Abstract
合エネルギを大きくすることのできるMRセンサの製造
方法及びこのMRセンサを備えた磁気ヘッドの製造方法
を提供する。 【解決手段】 規則系の反強磁性層と強磁性層との交換
結合によるバイアス磁界を利用したMRセンサの製造方
法であって、反強磁性層を所望の膜厚より厚くなるよう
に形成し、形成した反強磁性層を規則化熱処理し、その
後、反強磁性層を所望の膜厚となるように薄膜化加工す
る。
Description
(GMR)を利用した磁気抵抗効果(MR)センサの製
造方法、及びこのMRセンサを備えており例えばハード
ディスク装置(HDD)等の磁気記録再生装置に用いら
れる磁気ヘッドの製造方法に関する。
及び高出力の磁気ヘッドが要求されており、このような
要求に答えるものとして、GMRを呈するセンサの1つ
であるスピンバルブを利用したMRセンサを備えた薄膜
磁気ヘッドが提案されている。スピンバルブは、2つの
強磁性層を非磁性金属層で磁気的に分離してサンドイッ
チ構造とし、その一方の強磁性層に反強磁性層を積層す
ることによってその界面で生じる交換バイアス磁界をこ
の一方の強磁性層(ピンド(pinned)層)に印加
するようにしたものである。交換バイアス磁界を受ける
ピンド層と受けない他方の強磁性層(フリー(fre
e)層)とでは磁化反転する磁界が異なるので、非磁性
金属層を挟むこれら2つの強磁性層の磁化の向きが平
行、反平行と変化し、これにより電気抵抗率が大きく変
化するのでGMRが得られる。
非磁性金属層を挟むこれら2つの強磁性層(ピンド層及
びフリー層)の磁化のなす角度によって定まる。フリー
層の磁化方向は磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向に容
易に向く。一方、ピンド層の磁化方向は反強磁性層との
交換結合により一方向(ピンニングされる方向、ピンド
方向)に制御される。
とピンド層との間に交換結合を持たせるために、成膜後
に磁界中での規則化熱処理を行い、Au−I型の結晶構
造にする必要がある。
強磁性層を用いたスピンバルブMRセンサにおいて、反
強磁性層の膜厚が薄いほうがMRセンサの出力特性が向
上する。即ち、スピンバルブMRセンサでは、センス電
流を流す導電層に対して、反強磁性層及び強磁性層が電
気的に並列に接続されるので、抵抗変化を大きくするに
は、反強磁性層及び強磁性層の膜厚を小さくして、抵抗
値を増大させ、センス電流に対する反強磁性層及び強磁
性層の分流作用を低下させなければならない。反強磁性
層は、強磁性層よりも、かなり大きな膜厚として形成さ
れるので、分流作用を低下させるには、反強磁性層の膜
厚を低下させるのが効果的である。また、近年のHDD
の高密度化に伴って磁気ヘッドの狭ギャップ化が要求さ
れており、そのためには反強磁性層自体も薄膜化する必
要がある。
との間の交換結合により、強磁性層を一方向に磁化する
構造を有する。この場合、交換結合のエネルギは、反強
磁性層の膜厚が厚い程、大きくなる。このような観点か
ら、従来は、反強磁性層の膜厚を25nm以上という比
較的大きな値に設定してあった。
さくなると、センサのMR変化率が急激に小さくなり、
それにつれて、抵抗変化も急激に小さくなる。逆に、反
強磁性層の膜厚が25nmを越えると、スピンバルブM
RセンサのMR変化率、及び、シート抵抗値が従来より
も小さくなり、スピンバルブMRセンサとしての抵抗変
化が、MR変化率の低下及びシート抵抗値の低下の影響
をうけて、小さくなる。
いて、センス電流に対する分流作用の低下と、交換結合
エネルギ増大とは、反強磁性層の膜厚に関して、互いに
相反する関係にある。これらの2つの技術的事項は、ス
ピンバルブMRセンサにおける基本的な要求事項である
ので、一方の技術事項を満たすために、他方が犠牲にな
ってはならない。
することなく交換結合エネルギを大きくすることのでき
るMRセンサの製造方法及びこのMRセンサを備えた磁
気ヘッドの製造方法を提供することにある。
の反強磁性層と強磁性層との交換結合によるバイアス磁
界を利用したMRセンサの製造方法であって、反強磁性
層を所望の膜厚より厚くなるように形成し、形成した反
強磁性層を規則化熱処理し、その後、反強磁性層を所望
の膜厚となるように薄膜化加工するMRセンサの製造方
法及び磁気情報の再生用としてこのMRセンサを備えた
磁気ヘッドの製造方法が提供される。
の膜厚となるように薄膜化加工することにより、同じ膜
厚の反強磁性層を最初から形成した場合に比して、交換
結合エネルギを大きくすることができる。従って、反強
磁性層によるセンス電流の分流作用を従来と同等以上の
値に保つことでMRセンサとしての出力特性を維持しつ
つ、強磁性層及び反強磁性層の間の交換結合エネルギを
大きくすることができる。
磁区制御用の反強磁性層を磁気的に不活性な膜厚までエ
ッチングする点が記載されているが、これは、反強磁性
層をイオンミリングにより薄くしてMR層との磁気的交
換結合を破壊することによりその反強磁性層をMR層の
保護層として働かせるものであり、本発明とは正反対に
異なる技術を開示するものである。
を加工前より5nm以上薄くなるように加工するもので
あることが好ましい。
結晶構造を有するMn含有化合物を用いることが好まし
い。この場合、規則化熱処理後の反強磁性層を、(11
1)結晶配向面に沿って配向させることがより好まし
い。
と、又は反強磁性層として、PtMnを少なくとも80
at%以上含み、Ru、Rh、Pd、Au、Ag、Fe
及びCrから選ばれた少なくとも1種類を添加物として
用いた合金を用いることが好ましい。この場合、Mnの
含有量が40〜60at%のPtMnを用いることがよ
り好ましい。
と、又は反強磁性層として、NiMnを少なくとも80
at%以上含み、Ru、Rh、Pd、Pt、Au、A
g、Fe及びCrから選ばれた少なくとも1種類を添加
物として用いた合金を用いることが好ましい。この場
合、Mnの含有量が40〜60at%のNiMnを用い
ることがより好ましい。
て、本発明の製造方法を用いて形成した薄膜磁気ヘッド
の主要部の構成を概略的に示す断面図であり、図2はそ
のMRセンサ部分の層構成を示す、浮上面(ABS)方
向から見た断面図である。本実施形態の磁気ヘッドは、
MRセンサで構成された読出しヘッド部とインダクティ
ブ磁気変換素子で形成された書込みヘッド部とを備えた
複合型薄膜磁気ヘッドである。
構成する基板、11は基板10上に図示しない下地膜を
介して形成されている下部シールド層、12は書込みヘ
ッド部の下部磁性層をも兼用する上部シールド層、13
は絶縁層14及び15を介して下部シールド層11及び
上部シールド層12間に、ABS10aに沿って伸長す
るように形成されたスピンバルブMR層、16は上部磁
性層、17は有機樹脂で構成された絶縁層18に取り囲
まれているコイル導電層、19はギャップ層、20は保
護層をそれぞれ示している。
部は微小厚みのギャップ層19を隔てて対向するポール
部12a及び16aを構成しており、これらポール部1
2a及び16aにおいて書き込みが行われる。ヨーク部
を構成する下部磁性層12及び上部磁性層16のポール
部12a及び16aとは反対側はバックギャップ部であ
り、磁気回路を完成するように互いに結合されている。
コイル導電層17は、絶縁層18上に、ヨーク部の結合
部のまわりを渦巻状に回るように形成されている。
サ13は、第1の強磁性層(フリー層)130を構成す
る軟磁性層130a及び130bと、非磁性導電層13
1と、第2の強磁性層(ピンド層)132と、反強磁性
層133とを順次積層した構成となっている。
0は、軟磁性層130a及び130bとを積層した2層
構造となっているが、このような2層構造の他に、単層
構造又は2層以上の多層構造を採用することもできる。
磁性層130aとしては、例えば膜厚が約7nmのNi
Fe膜を用いることができ、磁性層130bとしては、
例えば、膜厚が約1nmのCo膜を用いることができ
る。
層130bの一方の面に接している。この導電層131
は、例えば、膜厚が約3nmのCu膜によって構成され
る。
層131の他方の面に接している。この強磁性層132
は、例えば、膜厚が約2nmのCo膜等によって構成さ
れる。
料であるMn含有化合物からなる。Mn含有化合物は、
CuAu−I型の結晶構造を持ち、(111)結晶配向
面に沿って配向され、層厚が約5nm以上である。第2
の強磁性層132は、反強磁性層133と交換結合して
おり、この交換結合により一方向に固定磁化されてい
る。
0aの下側には下地膜が備えられており、反強磁性層1
33の上側には保護膜が備えられている。また、スピン
バルブ積層構造体の両側面には、第1の強磁性層130
に縦方向磁気バイアスを加える磁区制御層が備えられて
いる。磁区制御層は永久磁石層であってもよいし、反強
磁性層によって構成し、この反強磁性層と第1の強磁性
層130との間で交換結合を生じさせてもよい。さら
に、磁区制御層上には、リード導体層がそれぞれ積層さ
れている。これらリード導体層は、スピンバルブ積層構
造体の非磁性導電層131にセンス電流を流すために備
えられている。
する。まず、図3(A)に示すように、基板上に第1の
強磁性層130を構成する軟磁性層130a及び130
bと、非磁性導電層131と、第2の強磁性層132
と、反強磁性層133′とを順次積層する。ただし、反
強磁性層133′は、所望の膜厚より厚くなるように形
成されている。
は膜厚が約7nmのNiFe、磁性層130bは膜厚が
約1nmのCo、非磁性導電層131は膜厚が約3nm
のCu、第2の強磁性層132は膜厚が約2nmのC
o、反強磁性層133′は膜厚が約300〜100nm
のMn含有化合物で形成される。
た反強磁性層133′を規則化熱処理する。この規則化
熱処理は、3kOeの磁界中で250℃の温度を10時
間保持した後、80℃まで22℃/時間で降温すること
によって行われる。
パッタリング、ミリング又はRIE(反応性イオンエッ
チング)等のドライエッチングによって薄膜化加工する
ことにより、図3(C)に示すように、所望の膜厚の反
強磁性層133を得た。
熱処理した後に、所望の膜厚となるように薄膜化加工す
ることにより、同じ膜厚の反強磁性層を最初から形成し
た場合に比して、交換結合エネルギを大きくすることが
できる。従って、反強磁性層によるセンス電流の分流作
用を従来と同等以上の値に保つことでMRセンサとして
の出力特性を維持しつつ、強磁性層及び反強磁性層の間
の交換結合エネルギを大きくすることができる。
ンバルブMRセンサについて、反強磁性層の最終的な膜
厚は同じであるが成膜時の膜厚を変えた場合の(即ち薄
膜化加工量が異なる)サンプルを作成し、交換結合磁界
Huaを測定した結果を説明する。
のAlTiCを使用し、その上に、Ta(5nm)/N
iFe(7nm)/Co(1nm)/Cu(3nm)/
Co(2nm)/反強磁性層を順次積層して成膜し、規
則化熱処理した後に、反強磁性層が所望の膜厚となるよ
うに薄膜化加工し、その後、Ta膜を5nm成膜してい
る。なお、薄膜化加工しないものは、反強磁性層を最初
から所望の膜厚に成膜してTa膜を5nm成膜した後、
規則化熱処理した。
た場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の膜厚
を表1に示す。ただし、この例における反強磁性層の最
終的な膜厚(所望の膜厚)は30nmである。PtMn
の組成は、Pt50at%、Mn50at%である。
た場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の膜厚
を表2に示す。ただし、この例における反強磁性層の最
終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。NiMn
の組成は、Ni50at%、Mn50at%である。
た場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の膜厚
を表3に示す。ただし、この例における反強磁性層の最
終的な膜厚(所望の膜厚)は5nmである。PtMnの
組成は、Pt50at%、Mn50at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表4に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は20nmである。Pt
PdMnの組成は、Pt45at%、Pd5at%、M
n50at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表5に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は35nmである。Pt
RuMnの組成は、Pt46at%、Ru5at%、M
n49at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表6に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。Pt
RhMnの組成は、Pt45at%、Rh7at%、M
n48at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表7に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。Pt
AuMnの組成は、Pt43at%、Au9at%、M
n48at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表8に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。Ni
PtMnの組成は、Ni40at%、Pt15at%、
Mn45at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表9に示す。ただし、この例における反強磁性層
の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。Ni
AgMnの組成は、Ni45at%、Ag5at%、M
n50at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表10に示す。ただし、この例における反強磁性
層の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。N
iFeMnの組成は、Ni45at%、Fe5at%、
Mn50at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表11に示す。ただし、この例における反強磁性
層の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。P
tCrMnの組成は、Pt43at%、Cr9at%、
Mn48at%である。
用いた場合である。各サンプルの成膜時の反強磁性層の
膜厚を表12に示す。ただし、この例における反強磁性
層の最終的な膜厚(所望の膜厚)は15nmである。N
iRuMnの組成は、Ni43at%、Ru9at%、
Mn48at%である。
性層の成膜時の膜厚が厚いほど、即ち、薄膜化加工量が
多いほど、最終的な膜厚は同じであっても交換結合磁界
Huaが大きくなっている。従って、最終的な膜厚を従
来と同じにすることにより反強磁性層によるセンス電流
の分流作用を従来と同等以上の値に保つことでMRセン
サとしての出力特性を維持しつつも、強磁性層及び反強
磁性層の間の交換結合エネルギを大きくすることができ
る。
加工量が5nm未満であると、薄膜化加工しないものよ
りも交換結合磁界Huaが小さくなってしまう。これ
は、反強磁性層の表面近傍が酸化によって反強磁性層と
しての機能を持たなくなってしまうため、この不感領域
を取り除くのに5nm以上の加工が必要となるからであ
る。従って、薄膜化加工は、反強磁性層を5nm以上薄
くなるように加工するものであることが好ましい。
の規則結晶構造を有し、規則化熱処理後に(111)結
晶配向面に沿って配向するMn含有化合物を用いること
が好ましい。この場合、PtMnを少なくとも80at
%以上含み、Ru、Rh、Pd、Au、Ag、Fe及び
Crから選ばれた少なくとも1種類を添加物として用い
た合金を用いることが好ましい。また、Mnの含有量が
40〜60at%のPtMnを用いることがより好まし
い。この範囲をはずれると、一般に規則結晶構造を形成
できなくなり、反強磁性を示さなくなる。あるいは、反
強磁性層として、NiMnを少なくとも80at%以上
含み、Ru、Rh、Pd、Pt、Au、Ag、Fe及び
Crから選ばれた少なくとも1種類を添加物として用い
た合金を用いることが好ましい。この場合、Mnの含有
量が40〜60at%のNiMnを用いることがより好
ましい。この範囲をはずれると、一般に規則結晶構造を
形成できなくなり、反強磁性を示さなくなる。
に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明
は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することがで
きる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均
等範囲によってのみ規定されるものである。
ば、反強磁性層を規則化熱処理した後に、所望の膜厚と
なるように薄膜化加工することにより、同じ膜厚の反強
磁性層を最初から形成した場合に比して、交換結合エネ
ルギを大きくすることができる。従って、反強磁性層に
よるセンス電流の分流作用を従来と同等以上の値に保つ
ことでMRセンサとしての出力特性を維持しつつ、強磁
性層及び反強磁性層の間の交換結合エネルギを大きくす
ることができる。
を用いて形成した薄膜磁気ヘッドの主要部の構成を概略
的に示す断面図である。
方向から見た断面図である。
である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結果
を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
々のサンプルについて交換結合磁界Huaを測定した結
果を示す図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 規則系の反強磁性層と強磁性層との交換
結合によるバイアス磁界を利用した磁気抵抗効果センサ
の製造方法であって、前記反強磁性層を所望の膜厚より
厚くなるように形成し、該形成した反強磁性層を規則化
熱処理し、その後、該反強磁性層を所望の膜厚となるよ
うに薄膜化加工することを特徴とする磁気抵抗効果セン
サの製造方法。 - 【請求項2】 前記薄膜化加工が、前記反強磁性層を加
工前より5nm以上薄くなるように加工するものである
ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 【請求項3】 前記反強磁性層として、CuAu−I型
の規則結晶構造を有するMn含有化合物を用いることを
特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。 - 【請求項4】 規則化熱処理後の前記反強磁性層を、
(111)結晶配向面に沿って配向させることを特徴と
する請求項3に記載の製造方法。 - 【請求項5】 前記反強磁性層として、PtMnを用い
たことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記
載の製造方法。 - 【請求項6】 前記反強磁性層として、PtMnを少な
くとも80at%以上含み、Ru、Rh、Pd、Au、
Ag、Fe及びCrから選ばれた少なくとも1種類を添
加物として用いた合金を用いたことを特徴とする請求項
1から4のいずれか1項に記載の製造方法。 - 【請求項7】 Mnの含有量が40〜60at%のPt
Mnを用いたことを特徴とする請求項5又は6に記載の
製造方法。 - 【請求項8】 前記反強磁性層として、NiMnを用い
たことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記
載の製造方法。 - 【請求項9】 前記反強磁性層として、NiMnを少な
くとも80at%以上含み、Ru、Rh、Pd、Pt、
Au、Ag、Fe及びCrから選ばれた少なくとも1種
類を添加物として用いた合金を用いたことを特徴とする
請求項1から4のいずれか1項に記載の製造方法。 - 【請求項10】 Mnの含有量が40〜60at%のN
iMnを用いたことを特徴とする請求項8又は9に記載
の製造方法。 - 【請求項11】 磁気情報の再生に用いる磁気抵抗効果
センサを、請求項1から10のいずれか1項に記載の製
造方法によって形成することを特徴とする磁気ヘッドの
製造方法。
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US09/472,837 US6319544B1 (en) | 1999-01-11 | 1999-12-28 | Manufacturing method of magnetoresistive effect sensor and manufacturing method of magnetic head with the sensor |
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