JP3995520B2 - 磁気再生ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気的に磁化方向が固定される被固定層を含む磁気再生ヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
初期の磁気再生ヘッドでは、パーマロイ（ニッケル鉄合金）のような強磁性材料が示す異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用することにより、ディスクあるいはテープのような媒体上に磁気的に記録されたデータを読み取り、再生していた。ＡＭＲ効果とは、外部磁場により特定の磁性材料の電気抵抗ｒが変化することである。この場合、電気抵抗ｒは、この磁性材料の磁化方向と、この磁性材料を流れる電流の方向とがなす角度に比例する。磁気的に情報がコード化されたディスクやテープ等の記録媒体を再生するには、次のように行う。すなわち、記録媒体を回転させて磁場を変化させることにより、再生ヘッドにおける磁化方向を変える。この際、ＡＭＲ効果による抵抗変化が生じるので、これを適切な回路によって感知し記録媒体上の情報として再生する。
【０００３】
しかし、ＡＭＲ効果により生じるわずかな抵抗変化、すなわちＤｒ／ｒ（Ｄｒは異方性磁場Ｈｋにおける抵抗と、磁場が０の場合の抵抗との差を表す。）は最大でも数パーセント程度しかない。このため、上述した抵抗変化を正確に検出することが困難であった。これがＡＭＲ効果の欠点の一つである。
【０００４】
１９８０年後半から１９９０年代の初めにかけて、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance ）効果という現象が発見され、磁気再生ヘッド技術に直ちに応用された。ＧＭＲ効果を利用した磁気再生ヘッドは、厚みが実に２ｎｍから８ｎｍ程度という薄い２つの強磁性層と、それら２つの強磁性層を隔てるように設けられた、さらに薄い（２ｎｍから３ｎｍ程度の厚み）導電性非磁性層とを含む積層体を有している。ＧＭＲ効果とは、上記のような磁気再生ヘッドの積層体において、２つの強磁性層のスピン間の交換相互作用により、強磁性状態（２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な状態）あるいは反強磁性状態（２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行な状態）になるという現象から得られる効果である。このような積層体に電流を流した場合、積層体の中を通過する電子は導電性非磁性層と強磁性層との界面においてスピン依存散乱をする。このため、積層体が反強磁性状態の場合には、強磁性状態の場合よりも磁気抵抗効果がはるかに高くなる。さらには、抵抗値変化はわずかなものではあるが、個々の磁性層が示すＡＭＲ効果による抵抗値変化よりもはるかに大きい。
【０００５】
ＧＭＲ効果が発見された直後にスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ：Spin Valve Magnetoresistance）と呼ばれる一種のＧＭＲ効果が発見され、再生ヘッドに導入された。ＧＭＲ効果の一種であるこのＳＶＭＲ効果は、次のような積層体によって発揮される。その積層体は、例えばコバルト鉄合金あるいはニッケル鉄合金によって形成される２つの強磁性層と、この２つの強磁性層を隔てるように導電性非磁性材料（例えば銅）によって形成される薄膜と、２つの強磁性層のうちの一方に隣接して形成される反強磁性層とからなる。一方の強磁性層は、磁化方向が固定された被固定層であり、この被固定層に隣接して形成された反強磁性層による交換結合磁場によって、磁化方向が固定されている。他方の強磁性層は、磁化方向が固定されていないフリー層である。磁気媒体からの情報再生時に磁気媒体が移動することによって外部磁場の小さな変化が生じるが、この変化に応じて、フリー層の磁化方向が回転する。ところが一方の被固定層における磁化方向はこの小さな変化に影響されない。このように、フリー層の磁化方向が回転して被固定層の磁化方向とは別の方向になると、上記積層体の磁気抵抗効果が変化するのである。
【０００６】
スピンバルブ構造は、現在では、磁気再生ヘッドを形成する重要な構成要素の１つとなっている。最近の特許では、様々な新規材料を適用して、強磁性あるいは反強磁性を示す被固定層あるいは固定作用層を形成したり、層の数、配置あるいは面積を変えたりすることによって、スピンバルブ構造の感度や安定性を改良する発明が多くみられる傾向にある。これに関連し、Kanai による米国特許第５８９６２５２号では、コバルト鉄合金層およびニッケル鉄合金層よりなる２層構造中にフリー層を組み込んだスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）ヘッドを形成する方法について開示されている。また、Fontana Jr. 等による米国特許第５７０１２２３号では、反強磁性交換バイアス層と結合し、磁気的な交換結合によって反平行配置となる被固定層を用いたスピンバルブ磁気抵抗効果センサの製造方法が開示されている。この被固定層は、非磁性交換結合層によって隔てられた２つの強磁性膜を備える。
【０００７】
Yamadaによる米国特許第５８５２５３１号では、応答特性における非対称性を低減したスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）ヘッドの製造方法が開示されている。このＳＶＭＲヘッドでは、被固定層とフリー層との磁化方向の変化によって引き起こされる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と、単一層からなるフリー層の磁化方向と電流方向とがなす角によって引き起こされる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果とを競合させることによって非対称性を低減している。さらに、Gillによる米国特許第５９２０４４６号では、フリー層、被固定層および固定作用層を用いずに、２つのフリー層を用いて超高密度記録用ＧＭＲヘッドを形成する方法について開示されている。このような構造によって、再生ヘッド全体の厚みが薄くなり、記録密度がより高い媒体の情報の読み取りに適した再生ヘッドが得られる。また、この構造における２つのフリー層は、各々、スペーサ層を介して反平行の配置で結合した２つの強磁性層を含む積層体である。このような構造をもつ積層体にセンス電流が流れると、フリー層における磁化方向の決定に必要なバイアス磁場が生じ、少なくともどちらか一方のフリー層の磁化方向が変化する。これにより、読み取りに必要な抵抗変化が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ハードディスク等の磁気記録媒体の記録密度は増加する一方であり、現在では、１平方インチ当たり３５ギガビット（３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 ≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）を越える勢いである。したがって、今後、スピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）再生ヘッドの設計あるいは製造を行うにあたっては、上記のような超高密度記録媒体に対応できるように、さらなる改良が必要となる。具体的には、超高密度記録媒体の情報を読み取るには、再生ヘッドのリードギャップをさらに狭くする必要があり、これに応じて磁性層をさらに薄くする、あるいは磁性層の数をさらに少くする等の改良が必要となる。しかしながら、これらの層の厚みを減らすと、バイアス・ポイントの制御がますます困難になり、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が低下し、良好な軟質磁性が十分に得られなくなる。この結果、再生ヘッドの出力性能が低くなり信頼性がなくなる。また、現在製造されている上記のようなＳＶＭＲセンサは、１平方インチ当たり数ギガビット（およそ０．１６〜１．５５Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）程度の記録密度に適しているが、高密度の記録媒体から情報を正確に再生するために必要な熱安定性などの物理的性質を備えていない。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、バイアスポイントの制御が容易で、高い磁気抵抗効果変化率（Ｄｒ／ｒ）を保ち、良好な軟質磁性を得ることが可能な磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 （≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）以上の超高密度記録に対応した磁気記録媒体の再生に適した磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の第３の目的は、優れたバイアスポイントの制御性、熱に対する安定性および高出力性能を有する磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法は、超高記録密度に対応したスピンバルブ型構造を有する磁気再生ヘッドの製造方法であって、基板上に、ニッケルクロム合金を用いて４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚みとなるようにシード層を形成する第１の工程と、このシード層上に、ルテニウムを用いて、０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みとなるように緩衝層を形成する第２の工程と、この緩衝層上に、コバルト鉄合金を用いて１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みとなるように磁化方向が自由に回転するフリー層を形成する第３の工程と、このフリー層上に、銅を用いて、１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように第１の非磁性スペーサ層を形成する第４の工程と、この第１の非磁性スペーサ層上に、コバルト鉄合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層と、ニッケルクロム合金を含むと共に０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなす第２の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の強磁性層とをこの順に積層することにより、強磁性結合構造を有する被固定層を形成する第５の工程と、この被固定層上に、マンガン白金合金を用いて１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みとなるように固定作用層を形成する第６の工程と、この固定作用層上に、保護層を形成する第７の工程と、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより、被固定層の磁化方向を固定する第８の工程と、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことにより、フリー層の磁化方向を初期状態に戻す第９の工程とを含むようにしたものである。
【００１３】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、シード層上に、磁気抵抗効果を増加させる材料からなる緩衝層と、強磁性材料からなり磁化方向が自由に回転するフリー層と、非磁性材料からなる第１の非磁性スペーサ層と、被固定層と、固定作用層とをこの順に形成するので、外部磁場が印加されたときの磁気抵抗変化率が向上する。続く工程で、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことによって被固定層の磁化方向を固定するので、外部磁場による被固定層の磁化方向変化を抑制することができる。さらに続く工程で、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによってフリー層の磁化方向を初期状態に戻すので、フリー層における困難軸方向への磁化に必要な磁場を小さくすることができる。
【００２０】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、厚みの比率が２：１となるように第１および第２の強磁性層を形成することが望ましい。
【００２３】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第７の工程において、ニッケルクロム合金、ニッケル鉄クロム合金、およびタンタル（Ｔａ）よりなる群のうちの少なくとも１種を用いて、２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように保護層を形成するようにしてもよい。
【００２４】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第８の工程において、２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍの横方向の磁場中で、５時間に亘り、２８０℃の温度でアニール処理を行うようにしてもよい。
【００２５】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第９の工程において、５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍの縦方向の磁場中において、３０分間に亘り、２９０℃の温度でアニール処理を行うようにするとよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気再生ヘッドの構成について説明する。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部断面構成を表すものである。この磁気再生ヘッドは、例えば基板１０の上に、シード層１２と、緩衝層１４と、トップスピンバルブ構造体３２と、保護層３０とがこの順に積層された構造を含んでいる。
【００３９】
基板１０は、例えば、０．０２以上０．０４μｍ以下の厚みを有する酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ；以下、「アルミナ」という。）によって構成されている。シード層１２は、例えば、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金あるいはニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）合金により構成され、厚みは４．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下であることが望ましい。続く緩衝層１４は、磁気抵抗効果を増加させる機能を有する。この緩衝層１４は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはイリジウム（Ｉｒ）等により構成されており、その厚みは０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５ｎｍである。
【００４０】
トップスピンバルブ構造体（以下、単に「ＳＶ構造体」という。）３２は、フリー層１６と、非磁性層１８と、被固定層２０と、固定作用層２８とがこの順に積層された構造を有しており、一般に「シングルトップスピンバルブ型」と呼ばれるものである。トップスピンバルブの「トップ」とは、被固定層２０がフリー層１６を挟んで基板１０から遠い側、すなわち、基板１０を下にした場合に被固定層２０がフリー層１６よりも上部側にあることを意味する。ここで、非磁性層１８が本実施の形態における「第１の非磁性スペーサ層」の一具体例に対応するである。
【００４１】
フリー層１６は、強磁性材料、例えばコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金あるいはコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金等により構成され、磁気記録媒体等により発生される信号磁場に応じて磁化方向が自由に回転するようになっている。フリー層１６の好ましい厚みは、１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下であり、より好ましくは２ｎｍである。非磁性層１８は、非強磁性導電材料、例えば銅（Ｃｕ）等により構成されており、その好ましい厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。被固定層２０は、第１の強磁性層２２と、非磁性層２４と、第２の強磁性層２６とがこの順に積層され、第１および第２の強磁性層２２，２６が強磁性結合したものである。ここで、非磁性層２４が本発明における「第２の非磁性スペーサ層」の一具体例に対応するものである。
【００４２】
第１の強磁性層２２は、例えば、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルト（Ｃｏ）、あるいはＣｏＦｅＢ合金等により構成され、その厚みは０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．１ｎｍであることがより好ましい。非磁性層２４は、例えば、好ましくは０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３５ｎｍの厚みを有し、ＮｉＣｒ合金あるいはＮｉＦｅＣｒ合金等により構成されている。さらに第２の強磁性層２６は、例えば第１の強磁性層２２と同様に、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルト（Ｃｏ）、あるいはＣｏＦｅＢ合金等により構成されている。その厚みは、好ましくは０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下であり、より好ましくは０．５ｎｍである。第１および第２の強磁性層２２，２６が上記のようにＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルトあるいはＣｏＦｅＢ合金で構成されている場合、第１の強磁性層２２と第２の強磁性層２６との厚みの比率は２：１であることが好ましい。この比率で第１および第２の強磁性層２２、２６を構成すると、被固定層２０の性能が効果的に発揮される。
【００４３】
固定作用層２８は、交換結合により被固定層２０の磁化方向を固定するものである。この固定作用層２８は、高いブロッキング温度、高い交換バイアス磁場（Ｈｅｘ）および優れた耐食性を有する材料により構成されていることが望ましい。例えば、マンガン白金（ＭｎＰｔ）合金あるいはマンガン白金パラジウム（ＭｎＰｔＰｄ）合金等である。上記の材料により構成される場合、１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みであることが好ましく、特に２０．０ｎｍの厚みであることが好ましい。固定作用層２８は、あるいは、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）合金により構成されていてもよく、その場合、５．０ｎｍ以上１５．０ｎｍ以下の厚みであることが望ましい。
【００４４】
保護層３０は、例えば、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金、あるいはタンタル（Ｔａ）等により構成されており、好ましくは２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し、より好ましくは３．０ｎｍの厚みであることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部構成について、より好ましい例をまとめるとシード層１２から保護層３０まで積層順に「ＮｉＣｒ（ニッケルクロム合金）（Ｘ１）／Ｒｕ（ルテニウム）（Ｘ２）／ＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）（Ｘ３）／Ｃｕ（銅）（Ｘ４）／ＣｏＦｅ（Ｘ５）／ＮｉＣｒ（Ｘ６）／ＣｏＦｅ（Ｘ７）／ＭｎＰｔ（マンガン白金合金）（Ｘ８）／ＮｉＣｒ（Ｘ９）」となる。ここで、括弧内に示したＸ１〜Ｘ９はそれぞれ各層の厚み範囲であり、それらの具体的数値は表１に示したとおりである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
本実施の形態の磁気再生ヘッドでは、磁気再生ヘッドに備えられた図示しない強磁性層によりＳＶ構造体３２に対して縦方向バイアスが印加された状態で、図示しない導電リード層を通じてＳＶ構造体３２にセンス電流が流れると、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が生じる。このＧＭＲ効果を利用して、磁気記録媒体に記録された信号磁場がＳＶ構造体３２によって検出されることにより、情報の再生が行われる。
【００４８】
次に、図１を参照して、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの製造方法について説明する。なお、磁気再生ヘッドの各構成要素の材質、層厚、および構造的特徴等については既に詳細に説明したので、以下では適宜省略する。
【００４９】
本実施の形態に係る磁気再生ヘッドは、以下のように、既存の成膜手法、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング等を利用して基板１０上に各層を積層することにより形成する。具体的には、最初に基板１０を用意する。次いで、この基板１０上にシード層１２、緩衝層１４、フリー層１６、非磁性層１８、第１の強磁性層２２、非磁性層２４、第２の強磁性層２６、固定作用層２８および保護層３０をこの順に積層することにより形成する。
【００５０】
続いて、上記の工程によって形成された積層体、すなわち、基板１０から保護層３０までを含む積層体をアニール処理する。まず、この積層体に横方向、すなわち積層面内方向に、後述の第２の磁場よりも高い第１の磁場を印加してアニール処理を行う。この第１の磁場におけるアニール処理は、２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍの磁場中において、５時間に亘り、２８０℃の温度下で行うことが好ましい。これによって、被固定層２０の磁化方向が固定される。
【００５１】
第１の磁場におけるアニール処理を施したのち、さらに、第１の磁場よりも低い第２の磁場のアニール処理を行う。この場合、縦方向、すなわち積層方向へ第２の磁場を印加する。この第２の磁場におけるアニール処理は、５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍの磁場中において、３０分間に亘り、２９０℃の温度で行うことが好ましい。これよって、フリー層１６の磁化方向が初期状態に戻る。以上により、磁気再生ヘッドの要部構成が完成する。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドおよびその製造方法では、ＳＶ構造体３２とシード層１２との間に磁気抵抗効果を増加させる材料を用いた緩衝層１４を構成するようにしたので、磁気再生ヘッド全体の厚みをより薄くしつつ、バイアス・ポイントを容易に制御し、高いＧＭＲ比を保ち、良好な軟質磁性を得ることができる。
【００５３】
すなわち、上記「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、従来の磁気再生ヘッドでは、磁気再生ヘッドの磁性層の厚みを薄くすると、バイアス・ポイントの制御が困難になり、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が低下し、十分な軟質磁性を得ることができなかった。これに対して、本実施の形態では、後述する実施例からも明らかなように、磁気再生ヘッドの構造は、フリー層１６に隣接して緩衝層１４を設けているので、緩衝層１４とフリー層１６との境界で伝導電子が全反射する。伝導電子が全反射すると、緩衝層１４とフリー層１６との境界で伝導電子のスピン依存散乱が起こり、この結果、ＧＭＲ効果による磁気抵抗変化率Ｄｒ／ｒが増大する。したがって、フリー層１６を薄くしても従来のように磁気抵抗変化率Ｄｒ／ｒが低下しない。このため、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドは、記録媒体からの磁気信号が高記録密度化によって従来よりもさらに弱くなっても検出することが可能である。特に、表１に示したルテニウムよりなる０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みの緩衝層１４およびＣｏＦｅ合金よりなる１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みのフリー層１６では、上記の利点がより効果的に現れる。
【００５４】
また、フリー層１６の下に、緩衝層１４が形成されていることにより、フリー層１６の熱に対する安定性が高まり、非常に好ましい磁気的性質、特に軟質磁性および磁化の一方向性が得られる。よって、バイアス・ポイントの制御が容易になり、磁気信号に対する感度がさらに向上する。
【００５５】
さらに、本実施の形態の被固定層２０は第１の磁場におけるアニール処理を施すことによって磁化方向が一旦決定されると、強磁性結合構造となり、その磁化方向は実質的に一定方向のまま保持される。特に、後述する実施例からも明らかなように、「ＣｏＦｅ合金／ＮｉＣｒ合金／ＣｏＦｅ合金」という組み合わせで形成された被固定層２０は、磁化方向の安定性という点において信頼性が非常に高い。
【００５６】
さらに、磁気再生ヘッドに含まれる層の数は従来の構造体より少なく、したがって、ヘッドの厚み全体が従来の構造体よりも薄くなるので、超高密度で記録された磁気データの読み取りに有用で、磁気再生ヘッドの読み取り能力が向上する。また、磁気再生ヘッドの構造が単純なので、形成工程がさらに簡素化され、効率的にそして経済的に形成することができる。
【００５７】
【実施例】
本実施の形態の磁気再生ヘッドにおける具体的な実施例について詳細に説明する。
【００５８】
まず、緩衝層１４を導入した本実施の形態の磁気再生ヘッドにおけるフリー層１６の磁気的特性を調べた。その結果を表２に示す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
表２は、フリー層１６の磁気的特性を明らかにするための実験結果であり、「Ｂｓ（ｎＷｂ）」はフリー層１６の磁気モーメントを、「Ｈｃ（Ａ／ｍ）」はフリー層１６の保磁力を、「Ｈｋ（Ａ／ｍ）」は異方性磁場を、「Ｒｓ（Ω／□）」はシート抵抗を、「Ｄｒ／ｒ（％）」はＧＭＲ比をそれぞれ示す。さらに、「Ｈｈａ（Ａ／ｍ）」は、フリー層１６における磁化方向を困難軸（hard axis ）に向けるために必要な磁場の大きさを示すものであり、この値が小さいほど理想的である。なお、表２には、本実施例の磁気的特性を評価するために、比較例も併記している。
【００６１】
表２に示した一連の磁気再生ヘッドＳ１１〜Ｓ１４において、Ｓ１１〜Ｓ１３が比較例に対応し、Ｓ１４が本実施の形態（図１参照）の実施例に対応する。なお、以下に列挙する構成は、磁気再生ヘッドのうち、主に、シード層からＳＶ構造体の被固定層までの積層体の構成である。このうち、Ｓ１１の積層体のみ、アニール処理を行わずに上記特性を調べた。Ｓ１２〜Ｓ１４の積層体については、２０００／（４π）×１０3 （≒１．６×１０5 ）Ａ／ｍの大きさの横方向の磁場中において、２８０℃の温度下で５時間のアニール処理を施すことによって被固定層の磁化方向を固定したのち、上記特性を測定した。
【００６２】
Ｓ１１は、「タンタル層（７．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（３．０ｎｍ厚）／タンタル層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ここでは、タンタル層がシード層に対応し、ＣｏＦｅ合金層がフリー層に対応する。Ｓ１２は、Ｓ１１の積層体を上記条件でアニール処理したものである。Ｓ１３は、「ＮｉＣｒ合金層（５．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（２．２ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ合金層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ＮｉＣｒ合金層がシード層に対応し、ＣｏＦｅ合金層がフリー層に対応する。Ｓ１４は、「ＮｉＣｒ合金層（５．５ｎｍ厚）／ルテニウム層（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（２．０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ合金層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ここでは、ＮｉＣｒ合金層がシード層１２に、ルテニウム層が緩衝層１４に、ＣｏＦｅ合金層がフリー層１６にそれぞれ対応する。
【００６３】
表２によれば、Ｓ１１の磁気モーメントＢｓは０．２５ｎＷｂであるが、Ｓ１２の磁気モーメントは０．１４ｎＷｂを示した。この磁気モーメントの減少は、上述のアニール処理の結果、タンタル層とＣｏＦｅ合金層との間に内部拡散が生じたためである。
【００６４】
Ｓ１３の磁気異方性は弱く、実際には等方性とみなすことができる。また、フリー層の磁化方向を困難軸に向けるために必要な磁場Ｈｈａは、１５９１．５５Ａ／ｍを超える大きな数値となった。
【００６５】
Ｓ１４では、保持力Ｈｃが３５０．１４Ａ／ｍであり、かつ、異方性磁場Ｈｋが７３２．１１Ａ／ｍとなり、保持力Ｈｃおよび異方性磁場Ｈｋが共に低い数値をであるので、磁気異方性は僅かである。磁場Ｈｈａについては３１８．３１Ａ／ｍであり、Ｓ１３の磁場Ｈｈａよりもはるかに少ない。したがって、僅かな磁場に対してもフリー層の磁化方向は変化することができる。
【００６６】
以上のように、本実施例Ｓ１４は、緩衝層のない比較例Ｓ１１〜Ｓ１３と比較して、磁気特性、特にフリー層の異方性に優れ、磁気再生ヘッドとしてより好適な感度を有することが確認された。
【００６７】
続いて、本実施の形態の磁気再生ヘッドにおいて、主に、被固定層の有する磁気特性に関する調査をおこなった。表３にその実験結果を示す。
【００６８】
【表３】
【００６９】
「Ｂｓ（ｎＷｂ）」は磁気モーメント、「Ｈｃ（Ａ／ｍ）」は保磁力、「Ｈｅ（Ａ／ｍ）」は層間結合磁場、「Ｈｋ（Ａ／ｍ）」は異方性磁場、「Ｒｓ（Ω／□）」はシート抵抗、「Ｄｒ／ｒ（％）」は磁気抵抗変化率（ＧＭＲ比）、「Ｄｒ（Ω／□）」はＧＭＲ効果に基づく抵抗変化（すなわち、出力強度）、「回転角（°）」は被固定層の磁気モーメントの回転角を示す。この回転角の測定は、次のように行う。すなわち、被固定層の磁化方向を固定するための高磁場におけるアニール処理をした後に、磁気再生ヘッド全体に対する被固定層における磁気モーメントの相対的な方向について調べる。次いで、低磁場におけるアニール処理によってフリー層の磁化方向を元に戻した後、被固定層の磁気モーメントの方向を再度測定し、回転角の値を得るのである。この回転角が小さい場合、磁気再生ヘッドの信頼性、特に被固定層の信頼性が高いと言える。なお、表３には、本実施の形態の磁気再生ヘッドにおける被固定層の磁気的特性を明らかにするため、比較例の磁気的特性も併記している。
【００７０】
表３中に示した一連の磁気再生ヘッドＳ２１〜Ｓ２４では、Ｓ２１〜Ｓ２３が比較例に対応し、Ｓ２４が本実施の形態（図１参照）の実施例に対応する。なお、以下に列挙する構成は、磁気再生ヘッドのうち、主に、シード層から保護層までの構成である。フリー層についてはＳ２１〜Ｓ２４の全てに同じ材料（ＣｏＦｅ合金）を用い、かつ、同じ厚み（２．０ｎｍ厚）とした。Ｓ２１〜Ｓ２４の磁気再生ヘッドについては、まず、高磁場でのアニール処理（２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍ，２８０℃，５時間）を行うことによって被固定層の磁化方向を固定し、続いて低磁場でのアニール処理（５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍ，２９０℃，３０分間）を行うことによってフリー層の磁化方向を元の方向に回復させた。
【００７１】
Ｓ２１は、「Ｔａ（７．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（３．０ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／Ｔａ（５．０ｎｍ厚）」という構成であり、Ｓ２２は、「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（２．２ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（１５ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（５．０ｎｍ厚）」という構成を有している。Ｓ２１およびＳ２２は共に、ＣｏＦｅからなるフリー層の下に緩衝層を含まない構成となっている。Ｓ２３は、「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／Ｒｕ（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（１．８ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（２．０ｎｍ厚）」という構成を有している。さらに、Ｓ２４は、図１に対応して、シード層１２から保護層３０まで順に「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／Ｒｕ（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（１．８ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（３．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（２．０ｎｍ厚）」という構成となっている。このように、Ｓ２３およびＳ２４は共にフリー層の下にルテニウム（Ｒｕ）からなる緩衝層を備えている。さらに、Ｓ２４は、「ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（３．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ厚）」の３層構造からなる被固定層２０を備えている点がＳ２３と異なる。
【００７２】
表３の結果から、アニール処理をしていないＳ２１は、Ｓ２２〜Ｓ２４と比較して極めて低いＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を示す一方で、ルテニウムの緩衝層を備えたＳ２３およびＳ２４は、高いＧＭＲ比と優れた異方性とを併せ持っていることがわかった。
【００７３】
２．０ｎｍ厚のＣｏＦｅ合金からなるフリー層の下に、Ｓ２１ではタンタル（Ｔａ）層を設け、Ｓ２２ではＮｉＣｒ合金層を設け、さらに、Ｓ２３ではＮｉＣｒ合金層／ルテニウム（Ｒｕ）層を設けた。このような構造において出力強度Ｄｒは、表３に示したように、Ｓ２１が０．９６、Ｓ２２が２．４４、Ｓ２３が２．９１となった。このことから、タンタル層上にフリー層を備えた構造では出力強度（Ｄｒ）が小さすぎ、超高記録密度に対応した再生ヘッドには適用できないことがわかった。さらに、緩衝層を備えた磁気再生ヘッドのほうが、より高い出力強度を発揮できることが確認できた。したがって、緩衝層を設けることにより磁気センサとしての感度の向上が見込まれる。
【００７４】
回転角については、Ｓ２１〜Ｓ２３ではいずれも高い値を示し、被固定層における磁化方向の回転が大きいことがわかった。これにより、磁化方向の回転が無い場合と比べ、出力強度Ｄｒがおよそ１０％減少すると見積もられる。一方、フリー層の下にルテニウムの緩衝層１４が配設されると共に３層の積層構造からなる被固定層２０を備えた本実施例Ｓ２４では、回転角が１．５°未満と極めて小さい値である。よって、出力強度Ｄｒが低下せず、被固定層の信頼性が高いことがわかった。
【００７５】
このように、本実施の形態の磁気再生ヘッドによれば、フリー層の異方性が優れていると共に被固定層の信頼性が高いので、信号磁場に対する高い感度を示し、磁気記録媒体の高密度化に対応できることがわかった。
【００７６】
続いて、さらに被固定層の信頼性を実証するために次の２つの実験を行った。
【００７７】
まず、表３のＳ２１、Ｓ２３、およびＳ２４に示したスピンバルブ構造に磁場を印加し、ＧＭＲ比（％）の磁場依存性を調べた。磁場の走査方法については次のようにした。まず、被固定層の磁化方向に磁場が６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍになるまで印加したのち、磁場をゼロに戻す。次いで、被固定層の磁化方向とは反対の方向に向かって６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加し、再び、被固定層の磁化方向に向かって６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加する。これらの結果を図２〜図４にヒステリシス曲線として示す。図２はＳ２１に対応し、図３はＳ２３に対応し、図４はＳ２４に対応する。図２〜図４では、横軸が印加した磁場（×１０5 Ａ／ｍ）を表し、縦軸がＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ（％））を表す。
【００７８】
フリー層の下にタンタル層を用いたＳ２１では、図２に示したように、ピンニング磁場が１１００／（４π）×１０3 （≒０．８８×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが４００／（４π）×１０3 （≒０．３２×１０5 ）Ａ／ｍであった。さらにＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が５．６％、出力強度（Ｄｒ）が０．９６Ω／□であった。なお、「ピンニング磁場」とは、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）がその最大値の半値になるときの２つの正磁場の値の平均値を意味し、「Ｈｃ」は、２つの正磁場の値の差の半値である。
【００７９】
同様に、ルテニウムの緩衝層と、単層の被固定層とを備えたＳ２３では、図３に示したように、ピンニング磁場が９５０／（４π）×１０3 （≒０．７６×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが４００／（４π）×１０3 （≒０．３２×１０5 Ａ／ｍであった。さらにＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が１３．０％、出力強度（Ｄｒ）が２．９０Ω／□であった。
【００８０】
本実施の形態の構成に対応した実施例Ｓ２４では、図４に示したように、ピンニング磁場が１１００／（４π）×１０3 （≒０．８８×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが１００／（４π）×１０3 （≒０．０８×１０5 ）Ａ／ｍ未満となった。さらにＧＭＲ比Ｄｒ／ｒが１０．７％、出力強度Ｄｒが２．５５Ω／□であった。
【００８１】
以上のように図２〜図４を比較すると、本実施例Ｓ２４では、被固定層のＨｃが非常に小さく、またヒステリシス曲線における開きがほとんど見られないことがわかった。この実験によって本実施の形態の構成を持つ被固定層の信頼性が高いことが確認された。
【００８２】
続いて、表３のＳ２１、Ｓ２３、およびＳ２４に示したスピンバルブ構造と同様の構造を有するＳ３１、Ｓ３３、およびＳ３４を用意し、以下の実験を行った。まず、７０００／（４π）×１０3 （≒５．６×１０5 ）Ａ／ｍの外部磁場を印加することで被固定層の磁化方向を所定の方向に一旦決めた後、反対の方向へ、新たに７０００／（４π）×１０3 （≒５．６×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加した。ここでＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を測定し、磁化方向が変化するかどうかについて調べた。この結果を図５に示す。図５の縦軸はＤｒ／ｒ（％）を表し、横軸は印加した磁場（×１０5 Ａ／ｍ）を表す。ここで、Ｄｒ／ｒの低下は、被固定層の磁化方向の回転を意味する。フリー層の下にタンタル層を設けたＳ３１では、磁場の増加に伴い、Ｄｒ／ｒは非常に緩やかに減少していくことがわかった。ルテニウムからなる緩衝層と、単層の被固定層とを備えたＳ３３では、被固定層の磁化の回転は１０００／（４π）×１０3 （≒０．８０×１０5 ）Ａ／ｍ付近から顕著に現れ、その後、回転は加速することがわかった。一方、本実施の形態の構成に対応するＳ３４では、外部磁場の影響を受けずにＤｒ／ｒはほとんど変化せず（すなわち、磁化方向が回転せず）、良好な信頼性を示すことが確認された。
【００８３】
［従来の技術］の項に記したFontana Jr. 等による米国特許第５７０１２２３号等に示されている「ＣｏＦｅ合金／ルテニウム（Ｒｕ）／ＣｏＦｅ合金／ＭｎＰｔ合金」という構造の反強磁性結合被固定層（いわゆるシンセティック反強磁性被固定層）を備えるスピンバルブ構造は、その被固定層の信頼性が非常に高いことで知られている。一方、本実施の形態の被固定層２０を備えた磁気再生ヘッドは、シンセティック反強磁性被固定層を備える磁気再生ヘッドと同程度の信頼性を有するだけでなく、上述したように多くの非常に有用な性質を有することもわかった。
【００８４】
以上説明したように、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドでは、基板１０上にシード層１２と、ルテニウム等の磁気抵抗効果を増加させる材料からなる緩衝層１４と、ＣｏＦｅ合金等の強磁性材料からなり磁化方向が自由に回転するフリー層１６と、銅等の非磁性材料からなる非磁性層１８と、積層構造を有する被固定層２０と、固定作用層２８と、保護層３０とを順に形成したのち、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより被固定層２０の磁化方向を固定し、さらに、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによりフリー層１６の磁化方向を初期状態に戻すようにしたので、磁気抵抗変化率が増加するとともに、フリー層１６の熱に対する安定性が高まる。これによって、軟質磁性および磁化の一方向性が得られるため、バイアス・ポイントの制御が容易になると共に磁気信号に対する感度が向上し、高記録密度媒体から生じる従来よりも弱い磁気信号を検出できるようになる。
【００８５】
さらに、被固定層２０が積層構造であることによって、各層の層間結合磁場（Ｈｅ）が小さくなり、被固定層２０によって生じる静磁場（経時変化しない磁場）は、センサ電流の磁場によって補償されるので、最適なバイアス・レベルを確保できることも確認できた。
【００８６】
現在、３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 （≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）を超えるような高密度磁気記録媒体からの情報読み取りを行うために、例えば上部シールドから下部シールドまでの長さが０．１μｍのギャップをもつ磁気再生ヘッドおよび０．５７μｍの磁気再生トラック幅（ＭＲＷ）の実現が試みられている。この微小なトラック幅に対する最高最低電圧の比率（Ｖｐｐ／ＭＲＷ）として測定されるセンサ感度が１１ｍＶ／μｍである磁気再生ヘッドを開発する必要がある。本実施の形態の磁気再生ヘッドは、このような高記録密度化にも十分対応することができるものである。
【００８７】
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、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち、上記実施の形態および実施例において説明した磁気再生ヘッドの構成や材料、寸法、製造方法に関する詳細は必ずしもこれに限られるものではなく、薄いフリー層の下に緩衝層を構成すると共に、被固定層を積層構造にすることにより、バイアス・ポイントの制御が容易で、高ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を保ち、十分な軟質磁性およびピンド層の信頼性を得ることが可能な限り、自由に変形可能である。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の磁気再生ヘッドの製造方法によれば、基板上に、ニッケルクロム合金を含むと共に４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚みをなすシード層と、ルテニウムを含んで０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなす緩衝層と、コバルト鉄合金を含むと共に１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みをなすフリー層と、銅を含むと共に１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層と、ニッケルクロム合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の強磁性層と、マンガン白金合金を用いて１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みをなす固定作用層と、保護層とを順に形成し、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより被固定層の磁化方向を固定したのち、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによりフリー層の磁化方向を初期状態に戻すようにしたので、緩衝層とフリー層との間で伝導電子が効果的に全反射し、優れたバイアスポイントの制御性、高いＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）および良好な軟質磁性を備えると共に、熱安定性および高出力性能を有し、超高密度記録に対応した磁気再生ヘッドを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部断面構成を説明するための断面図である。
【図２】比較例Ｓ２１におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図３】比較例Ｓ２３におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る実施例Ｓ２４におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る実施例Ｓ３４および比較例Ｓ３１，Ｓ３３における被固定層の信頼性を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、１２…シード層、１４…緩衝層、１６…フリー層、１８…第１の非磁性スペーサ層、２０…被固定層、２２…第１の強磁性層、２４…第２の非磁性スペーサ層、２６…第２の強磁性層、２８…固定作用層、３０…保護層、３２…トップスピンバルブ構造体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気的に磁化方向が固定される被固定層を含む磁気再生ヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
初期の磁気再生ヘッドでは、パーマロイ（ニッケル鉄合金）のような強磁性材料が示す異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用することにより、ディスクあるいはテープのような媒体上に磁気的に記録されたデータを読み取り、再生していた。ＡＭＲ効果とは、外部磁場により特定の磁性材料の電気抵抗ｒが変化することである。この場合、電気抵抗ｒは、この磁性材料の磁化方向と、この磁性材料を流れる電流の方向とがなす角度に比例する。磁気的に情報がコード化されたディスクやテープ等の記録媒体を再生するには、次のように行う。すなわち、記録媒体を回転させて磁場を変化させることにより、再生ヘッドにおける磁化方向を変える。この際、ＡＭＲ効果による抵抗変化が生じるので、これを適切な回路によって感知し記録媒体上の情報として再生する。
【０００３】
しかし、ＡＭＲ効果により生じるわずかな抵抗変化、すなわちＤｒ／ｒ（Ｄｒは異方性磁場Ｈｋにおける抵抗と、磁場が０の場合の抵抗との差を表す。）は最大でも数パーセント程度しかない。このため、上述した抵抗変化を正確に検出することが困難であった。これがＡＭＲ効果の欠点の一つである。
【０００４】
１９８０年後半から１９９０年代の初めにかけて、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance ）効果という現象が発見され、磁気再生ヘッド技術に直ちに応用された。ＧＭＲ効果を利用した磁気再生ヘッドは、厚みが実に２ｎｍから８ｎｍ程度という薄い２つの強磁性層と、それら２つの強磁性層を隔てるように設けられた、さらに薄い（２ｎｍから３ｎｍ程度の厚み）導電性非磁性層とを含む積層体を有している。ＧＭＲ効果とは、上記のような磁気再生ヘッドの積層体において、２つの強磁性層のスピン間の交換相互作用により、強磁性状態（２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な状態）あるいは反強磁性状態（２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行な状態）になるという現象から得られる効果である。このような積層体に電流を流した場合、積層体の中を通過する電子は導電性非磁性層と強磁性層との界面においてスピン依存散乱をする。このため、積層体が反強磁性状態の場合には、強磁性状態の場合よりも磁気抵抗効果がはるかに高くなる。さらには、抵抗値変化はわずかなものではあるが、個々の磁性層が示すＡＭＲ効果による抵抗値変化よりもはるかに大きい。
【０００５】
ＧＭＲ効果が発見された直後にスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ：Spin Valve Magnetoresistance）と呼ばれる一種のＧＭＲ効果が発見され、再生ヘッドに導入された。ＧＭＲ効果の一種であるこのＳＶＭＲ効果は、次のような積層体によって発揮される。その積層体は、例えばコバルト鉄合金あるいはニッケル鉄合金によって形成される２つの強磁性層と、この２つの強磁性層を隔てるように導電性非磁性材料（例えば銅）によって形成される薄膜と、２つの強磁性層のうちの一方に隣接して形成される反強磁性層とからなる。一方の強磁性層は、磁化方向が固定された被固定層であり、この被固定層に隣接して形成された反強磁性層による交換結合磁場によって、磁化方向が固定されている。他方の強磁性層は、磁化方向が固定されていないフリー層である。磁気媒体からの情報再生時に磁気媒体が移動することによって外部磁場の小さな変化が生じるが、この変化に応じて、フリー層の磁化方向が回転する。ところが一方の被固定層における磁化方向はこの小さな変化に影響されない。このように、フリー層の磁化方向が回転して被固定層の磁化方向とは別の方向になると、上記積層体の磁気抵抗効果が変化するのである。
【０００６】
スピンバルブ構造は、現在では、磁気再生ヘッドを形成する重要な構成要素の１つとなっている。最近の特許では、様々な新規材料を適用して、強磁性あるいは反強磁性を示す被固定層あるいは固定作用層を形成したり、層の数、配置あるいは面積を変えたりすることによって、スピンバルブ構造の感度や安定性を改良する発明が多くみられる傾向にある。これに関連し、Kanai による米国特許第５８９６２５２号では、コバルト鉄合金層およびニッケル鉄合金層よりなる２層構造中にフリー層を組み込んだスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）ヘッドを形成する方法について開示されている。また、Fontana Jr. 等による米国特許第５７０１２２３号では、反強磁性交換バイアス層と結合し、磁気的な交換結合によって反平行配置となる被固定層を用いたスピンバルブ磁気抵抗効果センサの製造方法が開示されている。この被固定層は、非磁性交換結合層によって隔てられた２つの強磁性膜を備える。
【０００７】
Yamadaによる米国特許第５８５２５３１号では、応答特性における非対称性を低減したスピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）ヘッドの製造方法が開示されている。このＳＶＭＲヘッドでは、被固定層とフリー層との磁化方向の変化によって引き起こされる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と、単一層からなるフリー層の磁化方向と電流方向とがなす角によって引き起こされる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果とを競合させることによって非対称性を低減している。さらに、Gillによる米国特許第５９２０４４６号では、フリー層、被固定層および固定作用層を用いずに、２つのフリー層を用いて超高密度記録用ＧＭＲヘッドを形成する方法について開示されている。このような構造によって、再生ヘッド全体の厚みが薄くなり、記録密度がより高い媒体の情報の読み取りに適した再生ヘッドが得られる。また、この構造における２つのフリー層は、各々、スペーサ層を介して反平行の配置で結合した２つの強磁性層を含む積層体である。このような構造をもつ積層体にセンス電流が流れると、フリー層における磁化方向の決定に必要なバイアス磁場が生じ、少なくともどちらか一方のフリー層の磁化方向が変化する。これにより、読み取りに必要な抵抗変化が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ハードディスク等の磁気記録媒体の記録密度は増加する一方であり、現在では、１平方インチ当たり３５ギガビット（３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 ≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）を越える勢いである。したがって、今後、スピンバルブ磁気抵抗効果（ＳＶＭＲ）再生ヘッドの設計あるいは製造を行うにあたっては、上記のような超高密度記録媒体に対応できるように、さらなる改良が必要となる。具体的には、超高密度記録媒体の情報を読み取るには、再生ヘッドのリードギャップをさらに狭くする必要があり、これに応じて磁性層をさらに薄くする、あるいは磁性層の数をさらに少くする等の改良が必要となる。しかしながら、これらの層の厚みを減らすと、バイアス・ポイントの制御がますます困難になり、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が低下し、良好な軟質磁性が十分に得られなくなる。この結果、再生ヘッドの出力性能が低くなり信頼性がなくなる。また、現在製造されている上記のようなＳＶＭＲセンサは、１平方インチ当たり数ギガビット（およそ０．１６〜１．５５Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）程度の記録密度に適しているが、高密度の記録媒体から情報を正確に再生するために必要な熱安定性などの物理的性質を備えていない。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、バイアスポイントの制御が容易で、高い磁気抵抗効果変化率（Ｄｒ／ｒ）を保ち、良好な軟質磁性を得ることが可能な磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 （≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）以上の超高密度記録に対応した磁気記録媒体の再生に適した磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の第３の目的は、優れたバイアスポイントの制御性、熱に対する安定性および高出力性能を有する磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法は、超高記録密度に対応したスピンバルブ型構造を有する磁気再生ヘッドの製造方法であって、基板上に、ニッケルクロム合金を用いて４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚みとなるようにシード層を形成する第１の工程と、このシード層上に、ルテニウムを用いて、０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みとなるように緩衝層を形成する第２の工程と、この緩衝層上に、コバルト鉄合金を用いて１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みとなるように磁化方向が自由に回転するフリー層を形成する第３の工程と、このフリー層上に、銅を用いて、１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように第１の非磁性スペーサ層を形成する第４の工程と、この第１の非磁性スペーサ層上に、コバルト鉄合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層と、ニッケルクロム合金を含むと共に０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなす第２の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の強磁性層とをこの順に積層することにより、強磁性結合構造を有する被固定層を形成する第５の工程と、この被固定層上に、マンガン白金合金を用いて１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みとなるように固定作用層を形成する第６の工程と、この固定作用層上に、保護層を形成する第７の工程と、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより、被固定層の磁化方向を固定する第８の工程と、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことにより、フリー層の磁化方向を初期状態に戻す第９の工程とを含むようにしたものである。
【００１３】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、シード層上に、磁気抵抗効果を増加させる材料からなる緩衝層と、強磁性材料からなり磁化方向が自由に回転するフリー層と、非磁性材料からなる第１の非磁性スペーサ層と、被固定層と、固定作用層とをこの順に形成するので、外部磁場が印加されたときの磁気抵抗変化率が向上する。続く工程で、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことによって被固定層の磁化方向を固定するので、外部磁場による被固定層の磁化方向変化を抑制することができる。さらに続く工程で、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによってフリー層の磁化方向を初期状態に戻すので、フリー層における困難軸方向への磁化に必要な磁場を小さくすることができる。
【００２０】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、厚みの比率が２：１となるように第１および第２の強磁性層を形成することが望ましい。
【００２３】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第７の工程において、ニッケルクロム合金、ニッケル鉄クロム合金、およびタンタル（Ｔａ）よりなる群のうちの少なくとも１種を用いて、２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように保護層を形成するようにしてもよい。
【００２４】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第８の工程において、２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍの横方向の磁場中で、５時間に亘り、２８０℃の温度でアニール処理を行うようにしてもよい。
【００２５】
本発明の磁気再生ヘッドの製造方法では、第９の工程において、５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍの縦方向の磁場中において、３０分間に亘り、２９０℃の温度でアニール処理を行うようにするとよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気再生ヘッドの構成について説明する。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部断面構成を表すものである。この磁気再生ヘッドは、例えば基板１０の上に、シード層１２と、緩衝層１４と、トップスピンバルブ構造体３２と、保護層３０とがこの順に積層された構造を含んでいる。
【００３９】
基板１０は、例えば、０．０２以上０．０４μｍ以下の厚みを有する酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ；以下、「アルミナ」という。）によって構成されている。シード層１２は、例えば、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金あるいはニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）合金により構成され、厚みは４．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下であることが望ましい。続く緩衝層１４は、磁気抵抗効果を増加させる機能を有する。この緩衝層１４は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはイリジウム（Ｉｒ）等により構成されており、その厚みは０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．５ｎｍである。
【００４０】
トップスピンバルブ構造体（以下、単に「ＳＶ構造体」という。）３２は、フリー層１６と、非磁性層１８と、被固定層２０と、固定作用層２８とがこの順に積層された構造を有しており、一般に「シングルトップスピンバルブ型」と呼ばれるものである。トップスピンバルブの「トップ」とは、被固定層２０がフリー層１６を挟んで基板１０から遠い側、すなわち、基板１０を下にした場合に被固定層２０がフリー層１６よりも上部側にあることを意味する。ここで、非磁性層１８が本実施の形態における「第１の非磁性スペーサ層」の一具体例に対応するである。
【００４１】
フリー層１６は、強磁性材料、例えばコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金あるいはコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金等により構成され、磁気記録媒体等により発生される信号磁場に応じて磁化方向が自由に回転するようになっている。フリー層１６の好ましい厚みは、１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下であり、より好ましくは２ｎｍである。非磁性層１８は、非強磁性導電材料、例えば銅（Ｃｕ）等により構成されており、その好ましい厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。被固定層２０は、第１の強磁性層２２と、非磁性層２４と、第２の強磁性層２６とがこの順に積層され、第１および第２の強磁性層２２，２６が強磁性結合したものである。ここで、非磁性層２４が本発明における「第２の非磁性スペーサ層」の一具体例に対応するものである。
【００４２】
第１の強磁性層２２は、例えば、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルト（Ｃｏ）、あるいはＣｏＦｅＢ合金等により構成され、その厚みは０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．１ｎｍであることがより好ましい。非磁性層２４は、例えば、好ましくは０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３５ｎｍの厚みを有し、ＮｉＣｒ合金あるいはＮｉＦｅＣｒ合金等により構成されている。さらに第２の強磁性層２６は、例えば第１の強磁性層２２と同様に、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルト（Ｃｏ）、あるいはＣｏＦｅＢ合金等により構成されている。その厚みは、好ましくは０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下であり、より好ましくは０．５ｎｍである。第１および第２の強磁性層２２，２６が上記のようにＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、コバルトあるいはＣｏＦｅＢ合金で構成されている場合、第１の強磁性層２２と第２の強磁性層２６との厚みの比率は２：１であることが好ましい。この比率で第１および第２の強磁性層２２、２６を構成すると、被固定層２０の性能が効果的に発揮される。
【００４３】
固定作用層２８は、交換結合により被固定層２０の磁化方向を固定するものである。この固定作用層２８は、高いブロッキング温度、高い交換バイアス磁場（Ｈｅｘ）および優れた耐食性を有する材料により構成されていることが望ましい。例えば、マンガン白金（ＭｎＰｔ）合金あるいはマンガン白金パラジウム（ＭｎＰｔＰｄ）合金等である。上記の材料により構成される場合、１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みであることが好ましく、特に２０．０ｎｍの厚みであることが好ましい。固定作用層２８は、あるいは、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）合金により構成されていてもよく、その場合、５．０ｎｍ以上１５．０ｎｍ以下の厚みであることが望ましい。
【００４４】
保護層３０は、例えば、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金、あるいはタンタル（Ｔａ）等により構成されており、好ましくは２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し、より好ましくは３．０ｎｍの厚みであることが好ましい。
【００４５】
本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部構成について、より好ましい例をまとめるとシード層１２から保護層３０まで積層順に「ＮｉＣｒ（ニッケルクロム合金）（Ｘ１）／Ｒｕ（ルテニウム）（Ｘ２）／ＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）（Ｘ３）／Ｃｕ（銅）（Ｘ４）／ＣｏＦｅ（Ｘ５）／ＮｉＣｒ（Ｘ６）／ＣｏＦｅ（Ｘ７）／ＭｎＰｔ（マンガン白金合金）（Ｘ８）／ＮｉＣｒ（Ｘ９）」となる。ここで、括弧内に示したＸ１〜Ｘ９はそれぞれ各層の厚み範囲であり、それらの具体的数値は表１に示したとおりである。
【００４６】
【表１】
本実施の形態の磁気再生ヘッドでは、磁気再生ヘッドに備えられた図示しない強磁性層によりＳＶ構造体３２に対して縦方向バイアスが印加された状態で、図示しない導電リード層を通じてＳＶ構造体３２にセンス電流が流れると、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が生じる。このＧＭＲ効果を利用して、磁気記録媒体に記録された信号磁場がＳＶ構造体３２によって検出されることにより、情報の再生が行われる。
【００４８】
次に、図１を参照して、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの製造方法について説明する。なお、磁気再生ヘッドの各構成要素の材質、層厚、および構造的特徴等については既に詳細に説明したので、以下では適宜省略する。
【００４９】
本実施の形態に係る磁気再生ヘッドは、以下のように、既存の成膜手法、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング等を利用して基板１０上に各層を積層することにより形成する。具体的には、最初に基板１０を用意する。次いで、この基板１０上にシード層１２、緩衝層１４、フリー層１６、非磁性層１８、第１の強磁性層２２、非磁性層２４、第２の強磁性層２６、固定作用層２８および保護層３０をこの順に積層することにより形成する。
【００５０】
続いて、上記の工程によって形成された積層体、すなわち、基板１０から保護層３０までを含む積層体をアニール処理する。まず、この積層体に横方向、すなわち積層面内方向に、後述の第２の磁場よりも高い第１の磁場を印加してアニール処理を行う。この第１の磁場におけるアニール処理は、２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍの磁場中において、５時間に亘り、２８０℃の温度下で行うことが好ましい。これによって、被固定層２０の磁化方向が固定される。
【００５１】
第１の磁場におけるアニール処理を施したのち、さらに、第１の磁場よりも低い第２の磁場のアニール処理を行う。この場合、縦方向、すなわち積層方向へ第２の磁場を印加する。この第２の磁場におけるアニール処理は、５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍの磁場中において、３０分間に亘り、２９０℃の温度で行うことが好ましい。これよって、フリー層１６の磁化方向が初期状態に戻る。以上により、磁気再生ヘッドの要部構成が完成する。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドおよびその製造方法では、ＳＶ構造体３２とシード層１２との間に磁気抵抗効果を増加させる材料を用いた緩衝層１４を構成するようにしたので、磁気再生ヘッド全体の厚みをより薄くしつつ、バイアス・ポイントを容易に制御し、高いＧＭＲ比を保ち、良好な軟質磁性を得ることができる。
【００５３】
すなわち、上記「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、従来の磁気再生ヘッドでは、磁気再生ヘッドの磁性層の厚みを薄くすると、バイアス・ポイントの制御が困難になり、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が低下し、十分な軟質磁性を得ることができなかった。これに対して、本実施の形態では、後述する実施例からも明らかなように、磁気再生ヘッドの構造は、フリー層１６に隣接して緩衝層１４を設けているので、緩衝層１４とフリー層１６との境界で伝導電子が全反射する。伝導電子が全反射すると、緩衝層１４とフリー層１６との境界で伝導電子のスピン依存散乱が起こり、この結果、ＧＭＲ効果による磁気抵抗変化率Ｄｒ／ｒが増大する。したがって、フリー層１６を薄くしても従来のように磁気抵抗変化率Ｄｒ／ｒが低下しない。このため、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドは、記録媒体からの磁気信号が高記録密度化によって従来よりもさらに弱くなっても検出することが可能である。特に、表１に示したルテニウムよりなる０．３ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みの緩衝層１４およびＣｏＦｅ合金よりなる１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みのフリー層１６では、上記の利点がより効果的に現れる。
【００５４】
また、フリー層１６の下に、緩衝層１４が形成されていることにより、フリー層１６の熱に対する安定性が高まり、非常に好ましい磁気的性質、特に軟質磁性および磁化の一方向性が得られる。よって、バイアス・ポイントの制御が容易になり、磁気信号に対する感度がさらに向上する。
【００５５】
さらに、本実施の形態の被固定層２０は第１の磁場におけるアニール処理を施すことによって磁化方向が一旦決定されると、強磁性結合構造となり、その磁化方向は実質的に一定方向のまま保持される。特に、後述する実施例からも明らかなように、「ＣｏＦｅ合金／ＮｉＣｒ合金／ＣｏＦｅ合金」という組み合わせで形成された被固定層２０は、磁化方向の安定性という点において信頼性が非常に高い。
【００５６】
さらに、磁気再生ヘッドに含まれる層の数は従来の構造体より少なく、したがって、ヘッドの厚み全体が従来の構造体よりも薄くなるので、超高密度で記録された磁気データの読み取りに有用で、磁気再生ヘッドの読み取り能力が向上する。また、磁気再生ヘッドの構造が単純なので、形成工程がさらに簡素化され、効率的にそして経済的に形成することができる。
【００５７】
【実施例】
本実施の形態の磁気再生ヘッドにおける具体的な実施例について詳細に説明する。
【００５８】
まず、緩衝層１４を導入した本実施の形態の磁気再生ヘッドにおけるフリー層１６の磁気的特性を調べた。その結果を表２に示す。
【００５９】
【表２】
表２は、フリー層１６の磁気的特性を明らかにするための実験結果であり、「Ｂｓ（ｎＷｂ）」はフリー層１６の磁気モーメントを、「Ｈｃ（Ａ／ｍ）」はフリー層１６の保磁力を、「Ｈｋ（Ａ／ｍ）」は異方性磁場を、「Ｒｓ（Ω／□）」はシート抵抗を、「Ｄｒ／ｒ（％）」はＧＭＲ比をそれぞれ示す。さらに、「Ｈｈａ（Ａ／ｍ）」は、フリー層１６における磁化方向を困難軸（hard axis ）に向けるために必要な磁場の大きさを示すものであり、この値が小さいほど理想的である。なお、表２には、本実施例の磁気的特性を評価するために、比較例も併記している。
【００６１】
表２に示した一連の磁気再生ヘッドＳ１１〜Ｓ１４において、Ｓ１１〜Ｓ１３が比較例に対応し、Ｓ１４が本実施の形態（図１参照）の実施例に対応する。なお、以下に列挙する構成は、磁気再生ヘッドのうち、主に、シード層からＳＶ構造体の被固定層までの積層体の構成である。このうち、Ｓ１１の積層体のみ、アニール処理を行わずに上記特性を調べた。Ｓ１２〜Ｓ１４の積層体については、２０００／（４π）×１０3 （≒１．６×１０5 ）Ａ／ｍの大きさの横方向の磁場中において、２８０℃の温度下で５時間のアニール処理を施すことによって被固定層の磁化方向を固定したのち、上記特性を測定した。
【００６２】
Ｓ１１は、「タンタル層（７．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（３．０ｎｍ厚）／タンタル層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ここでは、タンタル層がシード層に対応し、ＣｏＦｅ合金層がフリー層に対応する。Ｓ１２は、Ｓ１１の積層体を上記条件でアニール処理したものである。Ｓ１３は、「ＮｉＣｒ合金層（５．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（２．２ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ合金層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ＮｉＣｒ合金層がシード層に対応し、ＣｏＦｅ合金層がフリー層に対応する。Ｓ１４は、「ＮｉＣｒ合金層（５．５ｎｍ厚）／ルテニウム層（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ合金層（２．０ｎｍ厚）／銅層（２．０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ合金層（５．０ｎｍ厚）」という構成である。ここでは、ＮｉＣｒ合金層がシード層１２に、ルテニウム層が緩衝層１４に、ＣｏＦｅ合金層がフリー層１６にそれぞれ対応する。
【００６３】
表２によれば、Ｓ１１の磁気モーメントＢｓは０．２５ｎＷｂであるが、Ｓ１２の磁気モーメントは０．１４ｎＷｂを示した。この磁気モーメントの減少は、上述のアニール処理の結果、タンタル層とＣｏＦｅ合金層との間に内部拡散が生じたためである。
【００６４】
Ｓ１３の磁気異方性は弱く、実際には等方性とみなすことができる。また、フリー層の磁化方向を困難軸に向けるために必要な磁場Ｈｈａは、１５９１．５５Ａ／ｍを超える大きな数値となった。
【００６５】
Ｓ１４では、保持力Ｈｃが３５０．１４Ａ／ｍであり、かつ、異方性磁場Ｈｋが７３２．１１Ａ／ｍとなり、保持力Ｈｃおよび異方性磁場Ｈｋが共に低い数値をであるので、磁気異方性は僅かである。磁場Ｈｈａについては３１８．３１Ａ／ｍであり、Ｓ１３の磁場Ｈｈａよりもはるかに少ない。したがって、僅かな磁場に対してもフリー層の磁化方向は変化することができる。
【００６６】
以上のように、本実施例Ｓ１４は、緩衝層のない比較例Ｓ１１〜Ｓ１３と比較して、磁気特性、特にフリー層の異方性に優れ、磁気再生ヘッドとしてより好適な感度を有することが確認された。
【００６７】
続いて、本実施の形態の磁気再生ヘッドにおいて、主に、被固定層の有する磁気特性に関する調査をおこなった。表３にその実験結果を示す。
【００６８】
【表３】
「Ｂｓ（ｎＷｂ）」は磁気モーメント、「Ｈｃ（Ａ／ｍ）」は保磁力、「Ｈｅ（Ａ／ｍ）」は層間結合磁場、「Ｈｋ（Ａ／ｍ）」は異方性磁場、「Ｒｓ（Ω／□）」はシート抵抗、「Ｄｒ／ｒ（％）」は磁気抵抗変化率（ＧＭＲ比）、「Ｄｒ（Ω／□）」はＧＭＲ効果に基づく抵抗変化（すなわち、出力強度）、「回転角（°）」は被固定層の磁気モーメントの回転角を示す。この回転角の測定は、次のように行う。すなわち、被固定層の磁化方向を固定するための高磁場におけるアニール処理をした後に、磁気再生ヘッド全体に対する被固定層における磁気モーメントの相対的な方向について調べる。次いで、低磁場におけるアニール処理によってフリー層の磁化方向を元に戻した後、被固定層の磁気モーメントの方向を再度測定し、回転角の値を得るのである。この回転角が小さい場合、磁気再生ヘッドの信頼性、特に被固定層の信頼性が高いと言える。なお、表３には、本実施の形態の磁気再生ヘッドにおける被固定層の磁気的特性を明らかにするため、比較例の磁気的特性も併記している。
【００７０】
表３中に示した一連の磁気再生ヘッドＳ２１〜Ｓ２４では、Ｓ２１〜Ｓ２３が比較例に対応し、Ｓ２４が本実施の形態（図１参照）の実施例に対応する。なお、以下に列挙する構成は、磁気再生ヘッドのうち、主に、シード層から保護層までの構成である。フリー層についてはＳ２１〜Ｓ２４の全てに同じ材料（ＣｏＦｅ合金）を用い、かつ、同じ厚み（２．０ｎｍ厚）とした。Ｓ２１〜Ｓ２４の磁気再生ヘッドについては、まず、高磁場でのアニール処理（２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍ，２８０℃，５時間）を行うことによって被固定層の磁化方向を固定し、続いて低磁場でのアニール処理（５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍ，２９０℃，３０分間）を行うことによってフリー層の磁化方向を元の方向に回復させた。
【００７１】
Ｓ２１は、「Ｔａ（７．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（３．０ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／Ｔａ（５．０ｎｍ厚）」という構成であり、Ｓ２２は、「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（２．２ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（１５ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（５．０ｎｍ厚）」という構成を有している。Ｓ２１およびＳ２２は共に、ＣｏＦｅからなるフリー層の下に緩衝層を含まない構成となっている。Ｓ２３は、「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／Ｒｕ（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（１．８ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（２．０ｎｍ厚）」という構成を有している。さらに、Ｓ２４は、図１に対応して、シード層１２から保護層３０まで順に「ＮｉＣｒ（５．５ｎｍ厚）／Ｒｕ（０．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ厚）／Ｃｕ（１．８ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（３．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ厚）／ＭｎＰｔ（２０ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（２．０ｎｍ厚）」という構成となっている。このように、Ｓ２３およびＳ２４は共にフリー層の下にルテニウム（Ｒｕ）からなる緩衝層を備えている。さらに、Ｓ２４は、「ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ厚）／ＮｉＣｒ（３．５ｎｍ厚）／ＣｏＦｅ（０．５ｎｍ厚）」の３層構造からなる被固定層２０を備えている点がＳ２３と異なる。
【００７２】
表３の結果から、アニール処理をしていないＳ２１は、Ｓ２２〜Ｓ２４と比較して極めて低いＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を示す一方で、ルテニウムの緩衝層を備えたＳ２３およびＳ２４は、高いＧＭＲ比と優れた異方性とを併せ持っていることがわかった。
【００７３】
２．０ｎｍ厚のＣｏＦｅ合金からなるフリー層の下に、Ｓ２１ではタンタル（Ｔａ）層を設け、Ｓ２２ではＮｉＣｒ合金層を設け、さらに、Ｓ２３ではＮｉＣｒ合金層／ルテニウム（Ｒｕ）層を設けた。このような構造において出力強度Ｄｒは、表３に示したように、Ｓ２１が０．９６、Ｓ２２が２．４４、Ｓ２３が２．９１となった。このことから、タンタル層上にフリー層を備えた構造では出力強度（Ｄｒ）が小さすぎ、超高記録密度に対応した再生ヘッドには適用できないことがわかった。さらに、緩衝層を備えた磁気再生ヘッドのほうが、より高い出力強度を発揮できることが確認できた。したがって、緩衝層を設けることにより磁気センサとしての感度の向上が見込まれる。
【００７４】
回転角については、Ｓ２１〜Ｓ２３ではいずれも高い値を示し、被固定層における磁化方向の回転が大きいことがわかった。これにより、磁化方向の回転が無い場合と比べ、出力強度Ｄｒがおよそ１０％減少すると見積もられる。一方、フリー層の下にルテニウムの緩衝層１４が配設されると共に３層の積層構造からなる被固定層２０を備えた本実施例Ｓ２４では、回転角が１．５°未満と極めて小さい値である。よって、出力強度Ｄｒが低下せず、被固定層の信頼性が高いことがわかった。
【００７５】
このように、本実施の形態の磁気再生ヘッドによれば、フリー層の異方性が優れていると共に被固定層の信頼性が高いので、信号磁場に対する高い感度を示し、磁気記録媒体の高密度化に対応できることがわかった。
【００７６】
続いて、さらに被固定層の信頼性を実証するために次の２つの実験を行った。
【００７７】
まず、表３のＳ２１、Ｓ２３、およびＳ２４に示したスピンバルブ構造に磁場を印加し、ＧＭＲ比（％）の磁場依存性を調べた。磁場の走査方法については次のようにした。まず、被固定層の磁化方向に磁場が６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍになるまで印加したのち、磁場をゼロに戻す。次いで、被固定層の磁化方向とは反対の方向に向かって６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加し、再び、被固定層の磁化方向に向かって６０００／（４π）×１０3 （≒４．８×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加する。これらの結果を図２〜図４にヒステリシス曲線として示す。図２はＳ２１に対応し、図３はＳ２３に対応し、図４はＳ２４に対応する。図２〜図４では、横軸が印加した磁場（×１０5 Ａ／ｍ）を表し、縦軸がＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ（％））を表す。
【００７８】
フリー層の下にタンタル層を用いたＳ２１では、図２に示したように、ピンニング磁場が１１００／（４π）×１０3 （≒０．８８×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが４００／（４π）×１０3 （≒０．３２×１０5 ）Ａ／ｍであった。さらにＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が５．６％、出力強度（Ｄｒ）が０．９６Ω／□であった。なお、「ピンニング磁場」とは、ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）がその最大値の半値になるときの２つの正磁場の値の平均値を意味し、「Ｈｃ」は、２つの正磁場の値の差の半値である。
【００７９】
同様に、ルテニウムの緩衝層と、単層の被固定層とを備えたＳ２３では、図３に示したように、ピンニング磁場が９５０／（４π）×１０3 （≒０．７６×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが４００／（４π）×１０3 （≒０．３２×１０5 Ａ／ｍであった。さらにＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）が１３．０％、出力強度（Ｄｒ）が２．９０Ω／□であった。
【００８０】
本実施の形態の構成に対応した実施例Ｓ２４では、図４に示したように、ピンニング磁場が１１００／（４π）×１０3 （≒０．８８×１０5 ）Ａ／ｍ、Ｈｃが１００／（４π）×１０3 （≒０．０８×１０5 ）Ａ／ｍ未満となった。さらにＧＭＲ比Ｄｒ／ｒが１０．７％、出力強度Ｄｒが２．５５Ω／□であった。
【００８１】
以上のように図２〜図４を比較すると、本実施例Ｓ２４では、被固定層のＨｃが非常に小さく、またヒステリシス曲線における開きがほとんど見られないことがわかった。この実験によって本実施の形態の構成を持つ被固定層の信頼性が高いことが確認された。
【００８２】
続いて、表３のＳ２１、Ｓ２３、およびＳ２４に示したスピンバルブ構造と同様の構造を有するＳ３１、Ｓ３３、およびＳ３４を用意し、以下の実験を行った。まず、７０００／（４π）×１０3 （≒５．６×１０5 ）Ａ／ｍの外部磁場を印加することで被固定層の磁化方向を所定の方向に一旦決めた後、反対の方向へ、新たに７０００／（４π）×１０3 （≒５．６×１０5 ）Ａ／ｍの磁場を印加した。ここでＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を測定し、磁化方向が変化するかどうかについて調べた。この結果を図５に示す。図５の縦軸はＤｒ／ｒ（％）を表し、横軸は印加した磁場（×１０5 Ａ／ｍ）を表す。ここで、Ｄｒ／ｒの低下は、被固定層の磁化方向の回転を意味する。フリー層の下にタンタル層を設けたＳ３１では、磁場の増加に伴い、Ｄｒ／ｒは非常に緩やかに減少していくことがわかった。ルテニウムからなる緩衝層と、単層の被固定層とを備えたＳ３３では、被固定層の磁化の回転は１０００／（４π）×１０3 （≒０．８０×１０5 ）Ａ／ｍ付近から顕著に現れ、その後、回転は加速することがわかった。一方、本実施の形態の構成に対応するＳ３４では、外部磁場の影響を受けずにＤｒ／ｒはほとんど変化せず（すなわち、磁化方向が回転せず）、良好な信頼性を示すことが確認された。
【００８３】
［従来の技術］の項に記したFontana Jr. 等による米国特許第５７０１２２３号等に示されている「ＣｏＦｅ合金／ルテニウム（Ｒｕ）／ＣｏＦｅ合金／ＭｎＰｔ合金」という構造の反強磁性結合被固定層（いわゆるシンセティック反強磁性被固定層）を備えるスピンバルブ構造は、その被固定層の信頼性が非常に高いことで知られている。一方、本実施の形態の被固定層２０を備えた磁気再生ヘッドは、シンセティック反強磁性被固定層を備える磁気再生ヘッドと同程度の信頼性を有するだけでなく、上述したように多くの非常に有用な性質を有することもわかった。
【００８４】
以上説明したように、本実施の形態に係る磁気再生ヘッドでは、基板１０上にシード層１２と、ルテニウム等の磁気抵抗効果を増加させる材料からなる緩衝層１４と、ＣｏＦｅ合金等の強磁性材料からなり磁化方向が自由に回転するフリー層１６と、銅等の非磁性材料からなる非磁性層１８と、積層構造を有する被固定層２０と、固定作用層２８と、保護層３０とを順に形成したのち、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより被固定層２０の磁化方向を固定し、さらに、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによりフリー層１６の磁化方向を初期状態に戻すようにしたので、磁気抵抗変化率が増加するとともに、フリー層１６の熱に対する安定性が高まる。これによって、軟質磁性および磁化の一方向性が得られるため、バイアス・ポイントの制御が容易になると共に磁気信号に対する感度が向上し、高記録密度媒体から生じる従来よりも弱い磁気信号を検出できるようになる。
【００８５】
さらに、被固定層２０が積層構造であることによって、各層の層間結合磁場（Ｈｅ）が小さくなり、被固定層２０によって生じる静磁場（経時変化しない磁場）は、センサ電流の磁場によって補償されるので、最適なバイアス・レベルを確保できることも確認できた。
【００８６】
現在、３５Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ2 （≒５．４３Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）を超えるような高密度磁気記録媒体からの情報読み取りを行うために、例えば上部シールドから下部シールドまでの長さが０．１μｍのギャップをもつ磁気再生ヘッドおよび０．５７μｍの磁気再生トラック幅（ＭＲＷ）の実現が試みられている。この微小なトラック幅に対する最高最低電圧の比率（Ｖｐｐ／ＭＲＷ）として測定されるセンサ感度が１１ｍＶ／μｍである磁気再生ヘッドを開発する必要がある。本実施の形態の磁気再生ヘッドは、このような高記録密度化にも十分対応することができるものである。
【００８７】
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、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち、上記実施の形態および実施例において説明した磁気再生ヘッドの構成や材料、寸法、製造方法に関する詳細は必ずしもこれに限られるものではなく、薄いフリー層の下に緩衝層を構成すると共に、被固定層を積層構造にすることにより、バイアス・ポイントの制御が容易で、高ＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）を保ち、十分な軟質磁性およびピンド層の信頼性を得ることが可能な限り、自由に変形可能である。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の磁気再生ヘッドの製造方法によれば、基板上に、ニッケルクロム合金を含むと共に４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚みをなすシード層と、ルテニウムを含んで０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなす緩衝層と、コバルト鉄合金を含むと共に１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みをなすフリー層と、銅を含むと共に１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層と、ニッケルクロム合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄合金を含むと共に０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の強磁性層と、マンガン白金合金を用いて１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みをなす固定作用層と、保護層とを順に形成し、全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより被固定層の磁化方向を固定したのち、全体を第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことによりフリー層の磁化方向を初期状態に戻すようにしたので、緩衝層とフリー層との間で伝導電子が効果的に全反射し、優れたバイアスポイントの制御性、高いＧＭＲ比（Ｄｒ／ｒ）および良好な軟質磁性を備えると共に、熱安定性および高出力性能を有し、超高密度記録に対応した磁気再生ヘッドを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気再生ヘッドの要部断面構成を説明するための断面図である。
【図２】比較例Ｓ２１におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図３】比較例Ｓ２３におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る実施例Ｓ２４におけるＤｒ／ｒの磁場依存性を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る実施例Ｓ３４および比較例Ｓ３１，Ｓ３３における被固定層の信頼性を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、１２…シード層、１４…緩衝層、１６…フリー層、１８…第１の非磁性スペーサ層、２０…被固定層、２２…第１の強磁性層、２４…第２の非磁性スペーサ層、２６…第２の強磁性層、２８…固定作用層、３０…保護層、３２…トップスピンバルブ構造体。
Claims (5)
- 超高記録密度に対応したスピンバルブ型構造を有する磁気再生ヘッドの製造方法であって、
基板上に、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金を用いて４．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下の厚みとなるようにシード層を形成する第１の工程と、
このシード層上に、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて、０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みとなるように緩衝層を形成する第２の工程と、
この緩衝層上に、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金を用いて１．０ｎｍ以上６．０ｎｍ以下の厚みとなるように磁化方向が自由に回転するフリー層を形成する第３の工程と、
このフリー層上に、銅（Ｃｕ）を用いて、１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚みとなるように第１の非磁性スペーサ層を形成する第４の工程と、
この第１の非磁性スペーサ層上に、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金を含むと共に０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなす第１の強磁性層と、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金を含むと共に０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなす第２の非磁性スペーサ層と、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金を含むと共に０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みをなす第２の強磁性層とをこの順に積層することにより、強磁性結合構造を有する被固定層を形成する第５の工程と、
この被固定層上に、マンガン白金（ＭｎＰｔ）合金を用いて１０．０ｎｍ以上３０．０ｎｍ以下の厚みとなるように固定作用層を形成する第６の工程と、
この固定作用層上に、保護層を形成する第７の工程と、
全体を第１の磁場においてアニール処理を施すことにより、前記被固定層の磁化方向を固定する第８の工程と、
全体を前記第１の磁場よりも低い第２の磁場においてアニール処理を施すことにより、前記フリー層の磁化方向を初期状態に戻す第９の工程と
を含む
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。 - 厚みの比率が２：１となるように前記第１および第２の強磁性層を形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
- 前記第７の工程において、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金を用いて２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとなるように前記保護層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。 - 前記第８の工程において、２０００／（４π）×１０3 Ａ／ｍの横方向の磁場中において、５時間に亘り、２８０℃の温度でアニール処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。 - 前記第９の工程において、５０／（４π）×１０3 Ａ／ｍの縦方向の磁場中において、３０分間に亘り、２９０℃の温度でアニール処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
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