(57)【要約】【課題】  ナノ狭窄スペーサを有する磁気抵抗（ＭＲ）センサのスピンバルブ内に使用する薄膜の生成方法を提供する。【解決手段】  スピンバルブのボトムをピン層まで蒸着し、蒸着室を用意し、スペーサ層をその上にスパッタリングする。主イオンビームが磁性チップと絶縁材を含む合成面上にイオンを生成する。同時に、支援イオンビームが基板に直接イオンを供給し、かくしてスペーサ層の柔軟度と平滑度を改善する。中和器もまた配設し、イオン反発を防止し、イオンビーム合焦を改善する。その結果、薄膜スペーサを形成することができ、低保磁力とフリー層とピン層の間の低層間結合とを有するナノ狭窄ＭＲスピンバルブが形成される。【選択図】  図６
2006186345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラニュラー薄膜の製造方法であって、
非磁性材料と磁性材料を含むターゲットに第１のイオンビームを照射して、前記磁性材料と前記非磁性材料を含むスパッターされた粒子を生成するステップと、
前記磁性材料と前記非磁性材料を含む前記スパッターされた粒子を基板に堆積するステップと、
第２のイオンビームを用いて前記基板を処理し、約３０Ｏｅ未満の保持力を有する前記グラニュラー薄膜を形成するステップと、を備えた方法。
【請求項２】
第一のイオンビーム又は第２のイオンビームのイオンとは反対に帯電したイオンを生成し、前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームのうちの少なくとも一方のイオンを照射する中和器を備えた請求項１記載の方法。
【請求項３】
高周波又は直流スパッタリングによりピン層とフリー層の一方を生成するステップを備えた請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記グラニュラー薄膜の表面に前記粒子のうちの少なくとも一つがくるまで前記グラニュラー薄膜の表面をエッチングするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
磁気抵抗効果素子であって、
外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と実質的に磁化方向が固定されたピン層との間に挟持したグラニュラースペーサで、絶縁性マトリクスに磁性粒子を含み、（ａ）前記フリー層と前記ピン層との層間結合が約５０Ｏｅ以下であるか、（ｂ）前記フリー層の前記保磁力が約３０Ｏｅ以下であるかのうち少なくとも一方である前記グラニュラースペーサを備える磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記グラニュラースペーサは、
磁性材料からなる複数チップと非磁性絶縁材料で構成されたターゲットに第１のイオンビームを照射してスパッターされた磁性粒子と絶縁粒子を生成するステップと、
前記磁性材料と前記絶縁材量を含む前記スパッターされた粒子を前記ピン層を含む基板に堆積するステップと、
第２のイオンビームを用いて前記基板を処理し前記グラニュラースペーサを形成するステップで、前記スパッターされた磁性粒子が前記磁性粒子を形成し、前記スパッターされた絶縁粒子が前記絶縁性マトリクスを形成する前記ステップとにより作成する、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁性粒子のうちの一つは、約１０ｎｍ未満の直径を有するナノ粒子である、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁性粒子は、約５ｎｍ未満の直径を有する結晶性ナノ粒子である、請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記グラニュラースペーサは、約５ｎｍ未満の膜厚を有する、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記フリー層と前記ピン層の層間結合磁界は、約５０Ｏｅ未満である、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記フリー層の保磁力は、約３０Ｏｅ未満である、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記ピン層と前記フリー層はそれぞれ、少なくとも一つの強磁性層を備える、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記ピン層と前記フリー層のうちの少なくとも一方が、銅と銀と金とルテニウムとロジウムのうちの少なくとも一つで出来た非磁性金属層を介して積層した複数の強磁性層を含む、請求項１２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記ピン層上に前記グラニュラースペーサとは反対側に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層をさらに備え、該ＡＦＭ層が少なくとも一つのマンガン合金を含む、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのマンガン合金は、白金・マンガンとイリジウム・マンガンを含む、請求項１４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記ピン層は、鉄とコバルトと鉄・コバルトのうちの少なくとも一つをＸで表わしたときに、コバルト・サマリウムとＸ・白金とＸ・白金・クロムとＸ・白金・クロム・ホウ素を含む硬質磁性層に反強磁性的に結合したコバルトと鉄とニッケルのうちの少なくとも一つを有する強磁性層で構成した、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
磁気抵抗効果素子の上部と下部に電極を設け、これら電極を介して前記ピン層及び前記フリー層の積層方向に略垂直にセンス電流を流す、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ピン層の配置をボトム型とトップ型と複式のうちの一つとした、請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
デバイスであって、
外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と実質的に磁化方向が固定されたピン層との間に挟持したグラニュラースペーサで、絶縁性マトリクスと磁性粒子とを備え、（ａ）前記フリー層と前記ピン層との層間結合が約５０Ｏｅ以下であるか、（ｂ）前記フリー層の前記保磁力が約３０Ｏｅ以下であるかのうち少なくとも一方である前記グラニュラースペーサを備える、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリソグラフィーを用いることなくナノ寸法磁気粒子を作成する方法及び磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドの読み取り素子向けに該方法により製造するグラニュラー薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク装置等の磁気記録技術では、ヘッドは相互に独立して動作する読み取り素子と書き込み器を備えている。図１（ａ），（ｂ）は、磁気記録方式を例示する図である。複数のビット１０３とトラック幅１０５を有する記録媒体１０１は、記録媒体面に平行な磁化１０７を有する。その結果、ビット１０３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「水平方向磁気記録」と呼ばれる。
【０００３】
記録媒体１０１には、誘導書き込み素子１０９により情報が書き込まれ、データは読み取り素子１１１により記録媒体１０１から読み取られる。巻線１１６を用いて誘導書き込み素子１０９へ書き込み電流１１７を供給し、読み取り素子１１１へは読み取り電流１１５が供給される。個々の読み取り信号と書き込み信号の間の干渉を排除すべく、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で出来た絶縁層（明瞭さに配慮し図示せず）が読み取り素子１１１と書き込み素子１０９との間に配置させてある。
【０００４】
読み取り素子１１１は、センサの磁化方向が変化した際に抵抗変化を検出することにより動作するセンサである。シールド１１３が媒体から到来する不要磁界を低減し、隣接ビットの不要磁束が読み取り素子１１１が現在読み取ろうとしているビット１０３のうちの一つに干渉しないようにしてある。
【０００５】
図１（ｂ）の磁気記録方式は、ビット及びトラック密度を増大させて、より高効率かつより高速で読み取り可能とするために開発されたものである。この方式にあっては、記録媒体１０１の磁化方向１１９は記録媒体１０１の面に垂直である。これは「垂直磁気記録」としても周知である。この設計は、より高密度で安定した記録データをもたらす。また、書き込み磁界効率を増大させるために軟質磁性下層（図示せず）が必要である。さらに、中間層（明瞭さに配慮し図示せず）を用いて記録層１０１と軟質磁性下層との間の交換結合を制御することができる。
【０００６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」として公知の上記磁気記録方式用の各種背景技術読み取り素子を示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１がセンサとして機能し、記録データを記録媒体１から読み取る。フリー層２１とピン層２５の間には、スペーサ２３が配置してある。ピン層２５の他側には反強磁性（ＡＦＭ；ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層２７が存在する。図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置を逆転させてある。
【０００７】
図２（ｃ）は、背景技術複式スピンバルブ２１〜２５を示す。層２１は、図２（ａ）〜（ｂ）に関連して前記したのとほぼ同じである。しかしながら、フリー層２１の他側には追加のスペーサ２９が配設してあり、その上に第２のピン層３１と第２のＡＦＭ層３３が配置してある。第２のピン層３１が供給する上乗せ分の信号は、抵抗変化△Ｒを増大させる。
【０００８】
ピン層２５内の磁化方向はほぼ固定されているが、フリー層２１内の磁化方向は例えば（ただし、限定ではなく）記録媒体１等の外部磁界の影響に応じて変化することがある。
【０００９】
外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化が変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正のときはフリー層２１の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負のときはフリー層２１の磁化は下向きに回転させられる。印加外部磁界がフリー層２１の磁化方向を切り替えて合成ピン層２５と同様式で整列配置させた場合、層間抵抗は低く、電子はこれらの層２１，２５間をより簡単に移動することができる。
【００１０】
しかしながら、フリー層２１が合成ピン層２５とは逆の磁化方向を有すると、層間抵抗は高くなる。この高抵抗は、層２１，２５間を電子が移動するのがより困難になることに起因している。外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が交換結合をもたらし、合成ピン層２５の磁化をほぼ一定に保つ。
【００１１】
高感度読み取り素子を得るには、層２１，２５が平行であるときと反平行であるときとの抵抗変化ΔＲが高くなければならない。媒体ビットは大きさを減らしつつあり、相応して媒体ビットからの磁界はより微弱になっている。その結果、フリー層は大きさの低下したこの媒体磁束を読み取る必要がある。それ故、背景技術フリー層の膜厚を低減し、フリー層に十分な感度を維持させることが重要である。非常に微弱な磁界を読み取ることのできる高感度センサを提供する上で、１５０〜２００ギガビット／平方インチの面積記録密度の場合、これはフリー層膜厚を約３ｎｍまで低減することで達成される。
【００１２】
しかしながら、フリー層の薄肉化の結果、より強いスピントランスファー効果の問題がある。スピントランスファー効果は、薄膜の膜厚にほぼ反比例する。かくして、フリー層の安定性は低下する。さらに、読み取りヘッドの層２１，２５間の高抵抗変化△Ｒに対する要望も存在する。以下により詳しく説明する如く、フリー層を厚肉化すると△Ｒが高い値となる。
【００１３】
ここで、スピンバルブの動作をより詳しく説明する。記録媒体１内では、水平方向磁気記録の場合、隣接ビットの極性に基づいて磁束が生成される。隣接する二つのビットがそれらの境界において負極性を有する場合、磁東は負となる。他方、両ビットがそれらの境界において正極性を有する場合、磁束は正となる。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決定する。
【００１４】
図３は、合成スピンバルブを示す。フリー層２１とスペーサ２３とＡＦＭ層２７は、上記とほぼ同じである。しかしながら、ピン層２５はさらにピン層スペーサ３７により第２の副ピン層３９から仕切られた第１の副ピン層３５を含む。第１の副ピン層３５は、合成ピン層２５についての上記原理に従って動作する。第２の副ピン層３９は、第１の副ピン層３５に対し逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層モーメント総体は第１の副ピン層３５と第２の副ピン層３９の間の反強磁性結合に起因して低下する。合成読み取りヘッドは磁束総計が零に近い合成ピン層を有し、かくして単一ピン層構造を備えるものよりも大きな安定性と高ピンニング磁界を達成することができる。良好なスピンバルブ成長に向けバッファ層２８がＡＦＭ層２７の下側に付着させてあり、フリー層２１の上面にキャップ４０が配設してある。
【００１５】
図４は、背景技術のシールド付き読み取りヘッドを示す。前記の如く、所与のビットの読み取り期間中は隣接ビットからの意図しない磁束の検出を回避することが重要である。フリー層２１の上面にはキャップ（保護）層４０が配設してあり、別個のシステム内での電気メッキによりトップシールド４３の付着前にスピンバルブを酸化から保護する。同様に、バッファ層２８の下面にはボトムシールド４５が配設してある。
【００１６】
磁気記録方式は膜面垂直電流（ＣＰＰ；ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ）ヘッドを用いており、そこではスピンバルブ面に垂直に検出電流が流れる。その結果、読み取りヘッドの寸法は出力読み取り信号の損失なしで低減することができる。ＣＰＰ方式内で動作する各種背景技術スピンバルブが図５（ａ）〜（ｃ）に示してあり、以下により詳しく説明する。これらのスピンバルブは、主にそれらのスペーサ２３の組成において構造的に異なる。それらの組成とこれらの効果の作用に生ずる差異を、以下により詳しく説明する。
【００１７】
図５（ａ）は、ＣＰＰ方式用の背景技術トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドを示す。ＴＭＲヘッドでは、スペーサ２３は絶縁体、すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、スペーサ２３である非常に薄肉の障壁の場合、電子はスピン方向を変えることなくフリー層２１からピン層２５へ、或いはその逆へ移動することができる。本背景技術ＴＭＲヘッドは、約３０〜５０％台の増大した磁気抵抗（ＭＲ）を有する。
【００１８】
図５（ｂ）は、背景技術ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを示す。この場合、スペーサ２３は導体として機能する。背景技術ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、高周波応答を有するには大抵抗変化△Ｒと適度な素子抵抗が必要である。小媒体磁界が検出できるよう、低フリー層保磁力もまた必要である。ピンニング磁界は、大強度もまた持たねばならない、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。
【００１９】
図５（ｃ）は、背景技術バリステック磁気抵抗（ＢＭＲ；ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドを示す。絶縁体として作用するスペーサ２３内において、強磁性領域４７がピン層２５とフリー層２１を接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。これは、ナノ−パス或いはナノ−コンタクトと呼ばれる。この結果、このナノ−コンタクト内に作られる区壁における電子散乱に起因して相当に高いＭＲが存在する。他の因子には、強磁性体のスピン分極やＢＭＲヘッドにナノ−コンタクトする区域の構造が含まれる。
【００２０】
上記の背景技術ヘッドでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲについて絶縁体、ＧＭＲについては導体、ＢＭＲについては磁気ナノ−コンタクトを有する絶縁体となる。背景技術ＴＭＲスペーサは一般にアルミナ等の絶縁材を含んで構成されているが、背景技術ＧＭＲスペーサは一般に銅等の導電金属を含んで構成されている。
【００２１】
背景技術ＧＭＲヘッドでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（またはスピン状態）が平行になると抵抗が最小となり、磁化方向が逆になると最大となる。前述の如く、フリー層２１は方向を変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲヘッドはピン層磁化の不要な切り替えを最小化することでヘッド出力信号の摂動を回避する。
【００２２】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極度とそれらの個別磁化間角度に依存する。スピン分極は、フリー層とピン層のそれぞれの中におけるスピン状態（上向き又は下向き）に依存する。フリー層２１が磁気記録媒体から磁束を受けると、磁束の方向に応じてフリー層磁化が小さな角度だけ一方向もしくは他方向へ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗変化は、前記した如く、フリー層２１とピン層２５のモーメント間角度に比例する。抵抗変化△Ｒと読み取り効率との間には、一つの関係が存在する。
【００２３】
上記の如く、ディスク装置のさらに増え続ける容量は小型で高感度のＭＲヘッドを必要とする。非特許文献１にて論じられている如く、前述の背景技術ＢＭＲコンセプト（すなわち、少なくとも二つの強磁性層のナノ−コンタクトを介する相互接続）を用いて高抵抗を得ることができる。上記ＢＭＲの基本は、二つの強磁性層間の薄肉磁壁に基づき、非特許文献２に開示されている。
【００２４】
背景技術では、ナノ寸法磁気粒子はリソグラフィーを用いて作成することができる。粒子を作成する別の背景技術の方法については、特許文献１が積層非磁性金属層間にグラニュラー層１３を形成したＧＭＲ磁気ヘッドを開示している。グラニュラー薄膜１３は、蒸着室内で生成される単一のイオンビームを用いたスパッタリングにより形成される。しかしながら、ビームが合焦状態に止まらず、反発力にさらされるという背景技術の課題が存在する。その結果、ビームは分散する。
【００２５】
従って、背景技術方法により製造される薄膜は様々な問題と欠点を有する。例えば、限定するものではないが、４ｎｍの粒子寸法をもったグラニュラー薄膜に関する特許文献２及び特許文献３（特許文献３は、特許文献２に基づく外国優先権を主張するもの）の表に示される如く、保磁力は約２００ＫＡ／ｍ、すなわち２，５００エールステッド（Ｏｅ）である。それ故、背景技術の薄膜はその高保磁力故に磁気読み取りヘッドには使用できない。
【００２６】
背景技術ＢＭＲセンサは、約１０〜５０Ｏｅの範囲内の保磁力を持たねばならない。上記した如く、背景技術は約２，５００Ｏｅの保磁力を有する層を生成している。かくして、背景技術のグラニュラー薄膜とこの薄膜の作成方法は、背景技術ＢＭＲセンサと共に使用するグラニュラー薄膜を製造することは出来ない。
【００２７】
【特許文献１】特開平９−２３９３４５号明細書
【特許文献２】特開２０００−１３２９９６号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６２１，８５７号明細書
【非特許文献１】エス・ズィー・ファー（Ｓ．Ｚ．Ｈｕａ）等著、「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ６７，０６０４０１（Ｒ）」（２００３年）
【非特許文献２】ジー・タタラ（Ｇ．Ｔａｔａｒａ）等著、「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第８３巻、２０３０（１９９９年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
従って、低保磁力を有するグラニュラー薄膜と、分散問題に遭遇しない高品質薄膜の生成方法に対する未対処の要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の一つの目的は、背景技術の課題と欠点を克服することにある。しかしながら、かかる目的やどんな目的も本発明において達成する必要はない。
【００３０】
従って、ターゲットを第１のイオンビームにさらしてスパッターされた粒子を生成するステップで、ターゲットが非磁性材料と磁性材料を含む前記ステップを含むグラニュラー薄膜の製造方法を提供する。加えて、本方法は、磁性材料と非磁性材料とを含むスパッターされた粒子を基板に堆積するステップと、第２のイオンビームを用いて基板を処理してグラニュラー薄膜を形成するステップで、グラニュラー薄膜が約３０Ｏｅ未満の保持力を有する前記ステップとを含む。
【００３１】
さらに、記録媒体を読み取る磁気センサで、外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と実質的に磁化方向が固定されたピン層との間に挟持したグラニュラースペーサで、絶縁性マトリクスと導電性粒子とを含み、（ａ）フリー層とピン層との層間結合が約５０Ｏｅ以下であるか、（ｂ）フリー層の保磁力が約３０Ｏｅ以下であるかのうち少なくとも一方である前記グラニュラースペーサを備える前記磁気センサを提供する。上記は、デバイス内に実装することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
スピンバルブ構造を有する記録媒体を読み取る磁気センサ（読み取りヘッド）は、グラニュラースペーサとフリー層とピン層で構成される。グラニュラースペーサは、フリー層とピン層の間に挟持されている。フリー層はハードディスク等の媒体から生成される外部磁界に応答して調整可能な磁化方向を有し、ピン層は実質的に磁化方向が固定された。グラニュラースペーサは、絶縁性マトリクスと磁性粒子を含む。磁性粒子のうちの少なくとも一つが、ナノ−コンタクトとして役立つ。
【００３３】
前述の薄膜は、磁気抵抗デバイスにて用いることができる。例えば、限定するものではないが、グラニュラー薄膜はマトリクスが絶縁性であるときにＢＭＲセンサ内のスペーサとして用いることができる。ＢＭＲセンサの構造は、スペーサの組成を除き前述したものである。
【００３４】
本発明では、用語「読み取りヘッド」は用語「磁気センサ」と相互交換可能に用いられ、記録媒体からデータを検出する装置全体を指す。この点で、「磁気センサ」は「磁気抵抗効果素子」の一特定種であり、明細書中で磁気センサを用いる場合、そこでは当業者には知られる如く他の磁気抵抗効果素子（例えば、随時読み書き可能メモリ等）で置換することができる。
【００３５】
加えて、用語「磁気抵抗効果素子」は本技術分野において当業者には理解される如く、「磁気抵抗効果素子」及び／又は「磁気抵抗素子」を含むよう定義してある。しかしながら、本発明はこれに限定するものではなく、当業者には理解される如く本発明範囲を狭めることなく他の定義をそれ用に置換することができる。さらに、用語「スピンバルブ」は読み取りヘッド層で出来上がった特別な構造を指すのに用いるものである。
【００３６】
本発明では、スペーサの膜厚は約２ｎｍ〜１０ｎｍである。ＢＭＲセンサは、約５０Ｏｅ以下で、好ましくは約２０Ｏｅ以下のフリー層とピン層の間の層間結合を有する。さらに、このフリー層は約３０Ｏｅ以下で、好ましくは２０Ｏｅ以下の保磁力を有する。
【００３７】
一般に、ＢＭＲセンサは第２の強磁性層から第１の強磁性層を仕切るグラニュラースペーサを含む。このスペーサは、基板（本願明細書ではターゲットとも呼ぶ）上に作用する主イオンビームと基板上に蒸着したスパッター材料に作用するよう生成される支援イオンビームとを含むスパッタリングにより作成される。
【００３８】
ターゲットには少なくとも二つの材料を持たせ、その一つを磁性とし、他を磁性材料よりも高い酸化を有する隔離体すなわち金属からなる非磁性材料とする。例えば、限定するものではないが、ターゲットは、その上に導電磁性材料チップを有する非磁性マトリクスを有するターゲットか、或いは多数の非磁性及び磁性材料料塊を有するターゲットとすることができる。
【００３９】
グラニュラースペーサは、積層方向から見たときの磁性粒子の直径が約１０ｎｍ以下で、好ましくは約５ｎｍ以下の直径を有する上記に開示した導電性ナノ粒子を含み、ここではスペーサの膜厚は約５ｎｍ未満としてある。磁性粒子（ナノ粒子）はニッケルとコバルトと鉄のうちの一つを含み、絶縁性マトリクス（絶縁体）は三酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや二酸化ケイ素や四窒化ケイ素等の酸化物或いは窒化物を用いることができる。
【００４０】
より具体的には、本発明では、ＢＭＲセンサはそれぞれがニッケルと鉄とコバルトのうちの一つで構成した１以上の強磁性層を含むピン層とフリー層を含む。例えば、限定するものではないが、合成ピン層及び／又は合成フリー層をＢＭＲセンサの一部とすることができる。本発明はＢＭＲセンサ向けであるため、ＭＲ素子の多層膜厚とボトムシールド及びトップシールド上の電極を検出電流が流れる。
【００４１】
合成層は、銅と銀と金とイリジウムと白金と鉛とルテニウムとロジウムのうちの少なくとも一つで出来た薄肉層を介して反強磁性的に結合された少なくとも二つの強磁性層で構成してある。
【００４２】
ピン層に加え、反強磁性（ＡＦＭ）層をピン層とフリー層の間にスペーサとは反対側のピン層側面に配設することができる。ＡＦＭ層はＸ−マンガン又はＸＹ−マンガン等のマンガン合金のような材料を含み、ここでＸとＹは白金とイリジウムと鉛とルテニウムとロジウムとオスミウムと鉄とニッケルで出来ており、ＸはＹと異なり、好ましくは白金・マンガンかイリジウム・マンガンである。背景技術に関して前記した如く、ＡＦＭ層は交換結合によりピン層磁化をほぼ（すなわち、本発明を適用するデバイスからの「雑音」等の外部磁化効果を除き）固定する。ＡＦＭ層の膜厚は、約５〜２０ｎｍである。
【００４３】
上記開示したＡＦＭ層の代替例として、ピン層と硬質磁石の組み合わせを用いることもできる。例えば、限定するものではないが、コバルト・サマリウムとＸ・白金とＸ・白金・クロムとＸ・白金・クロム・ホウ素のうちの少なくとも一つを含む硬質磁性層に反強磁性結合させたコバルトと鉄とニッケルの少なくとも一つで作成でき、ここでＸは鉄やコバルトや鉄・コバルト、好ましくはコバルト・白金や鉄・白金やコバルト・クロム・白金である。
【００４４】
かくして、本発明は一実施形態においてＢＭＲセンサ内で使用可能な薄膜層と、薄膜及びＢＭＲセンサを製造する方法に関するものである。
【００４５】
図６は、本発明方法に従い本発明実施形態を製造する真空蒸着室１を示す。主イオンビーム源２が、イオン８を有する主イオンビーム（第１のイオンビーム）を生成する。例えば、限定するものではないが、主イオンビーム内にアルゴンガスを用いることができる。合成ターゲット（すなわちプレート）３には、絶縁体（例えば、三酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや二酸化ケイ素）と合成ターゲット３の面に積層した等間隔に離間する金属チップ（例えば、ニッケル又はコバルト・鉄）とを含む少なくとも二つの材料が含まれる。
【００４６】
ターゲット３は正方形状にて図示したが、他の形状を用いることもできる。さらに、磁性材料チップの量を可変し、所定百分率の絶縁体（例えば、アルミナ絶縁体）を被覆することができる。例えば、限定するものではないが、絶縁性マトリクスの表面の約１０〜４０％を磁性材料チップで被覆することができる。合成ターゲット３にイオンビームとして照射されるイオン８により、磁性材料と絶縁材料からなるスパッターされた粒子１０が生成される。
【００４７】
磁性材料と絶縁材料からなるスパッターされた粒子１０は、ホルダ４上に配置された基板９上に堆積される。基板９上の金属性のスパッターされた磁性粒子が粒子（ナノ粒子）を形成し、基板９上の絶縁材料を基とするスパッターされた絶縁粒子が粒子を囲繞する絶縁性マトリクスを形成し、かくしてグラニュラースペーサが形成される。粒子のうちの少なくとも一つがグラニュラースペーサの両面に達し、かくしてピン層とフリー層の両方に当接する。
【００４８】
さらに、支援ビーム５が基板９への粒子１０のスパッタリングとほぼ同時又はその後にイオンを生成する。支援ビーム５からのこれらのイオンは基板９とホルダ４の方向へ照射される。支援ビーム５はさらに、基板９の表面形態を改善することで蒸着工程を最適化する。
【００４９】
加えて、支援ビーム５は良好な化学量論としかるべき良好な結晶成長とをもたらす。例えば、限定するものではないが、支援ビーム５は不要な一酸化アルミニウム生成物とは対照的に三酸化アルミニウムの形で良好なアルミナを生成するのに役立つ。
【００５０】
加えて、主イオンビーム源２が生成するイオンビームと支援ビーム５を、それぞれ中和器６，７により作用させる。各中和器６，７は、イオンビームが生成するものとは反対の極性に帯電した粒子１０（電子）を生成し、第１のビーム及び／又は第２のビームのイオンを照射する。図１には両中和器６，７を示したが、中和器の一方又は他方を用いることができ、両方は不要である。
【００５１】
中和器６，７は、ビームを同質の合焦状態に保つことで背景技術の分散問題を回避し、分散問題を排除する。かくして、適正ビーム密度を得ることができる。さらに、中和器６，７はターゲット３表面近くでの正イオンの蓄積が原因でターゲット３が放電しないようにしている。
【００５２】
図６に示した幾何構造は単に例示的なものであり、異なる位置及び／又は大きさの構成要素を有する他の幾何構造もまた本発明に使用することができる。図７に示す如く、ターゲット３と基板９とホルダ４の間の角度は約０〜１８０度間で可変することができる。
【００５３】
ＢＭＲセンサのスペーサ層では、その表面は支援ビーム５の使用により相当により平滑化して作成することができる。その結果、本発明は上記に説明した構造を有する背景技術のＢＭＲセンサのスペーサ層を提供するのに用いられ、ＭＲＡＭや磁界センサ等（ただし、これらに限定はしない）等のＭＲ効果を用いる他デバイスにも適用することができる。前述の作成方法に基づく改善された薄膜のお陰で、ＢＭＲセンサのスペーサは以下にさらに説明する如く改善される。
【００５４】
本発明は、異なる大きさと調整可能な固有特性を有する分離されたナノ粒子を製造する従来の課題を解決するものである。例えば、限定するものではないが、図８に示す如く、全表面域に３０％のニッケルを有する三酸化アルミニウム絶縁体マトリクスを備えるターゲット３を、全表面域に２０％のニッケルを有する三酸化アルミニウム絶縁体マトリクスを備えるターゲット３と比較する。
【００５５】
図８中、ニッケル２０％の試料は磁化状態が印加磁界に対してほぼ線形である常磁性状態を有する。他方、ニッケル３０％の試料は強磁性状態（すなわち、ヒステリシスループ）を有する。図８に示した両事例にて得られる結果に対する蒸着室の条件を、表１に以下示す。
【００５６】
【表１】
2006186345.tif 000003
【００５７】
加えて、本発明により得られる結晶学的構造（ニッケルの場合は１１１方位）は、図９に示す如く改善されている。図８の上述の二つの試料では、Ｘ線回折を用いて回折強度を計測角度の関数として計測した。３０％試料は、２０％試料よりも相当に高い（１１１）ピーク強度を有した（約４４度）。
【００５８】
前述の本発明の例示的な非限定実施形態の結果の一例として、図１０（ａ），（ｂ）は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて得られる像を示す。図１０（ａ）は、イオンビームスパッタリングにより得られるニッケルのナノ粒子（三酸化アルミニウムのマトリクス内の約２０％ニッケル）のＴＥＭ画像を示し、図１０（ｂ）は前述のＴＥＭ画像の拡大された領域を示す。
【００５９】
本発明の例示的な非限定実施形態を用い、約２ｎｍの大きさを有する良好に分離された粒子を作成することができる。図１０（ｂ）に示す如く、秀逸な結晶構造が得られ、格子縞２０が観察される。
【００６０】
前述の問題に加え、本発明の例示的な非限定実施形態はナノ挟搾域（ＢＭＲ等）を有する磁気抵抗デバイスに関するものであり、それ故にフリー層保磁力及びフリー層とピン層の間の層間結合を最小化しなければならない。本発明の支援ビーム５の使用がスペーサ層の面形態を改変し、それによって保磁力と層間結合が相当に低減される。
【００６１】
前述の本発明の例示的な非限定実施形態の実装では、ＭＲ読み取りヘッド向けにスピンバルブを製造する。スピンバルブの製造工程を、以下に説明する。
【００６２】
先ず、ピン層及びその全ての下部層を、
ニッケル・クロム（５０）／白金・マンガン（１３０）／コバルト・鉄（３０）／ルテニウム（８）／コバルト・鉄（４０）を含むスピンバルブのボトムを直流又は高周波スパッタリングすることで蒸着する。括弧内の個別層の膜厚は、オングストローム単位である。一旦スピンバルブのこのボトムを背景技術方法により作成すると、得られた製品は本発明のイオンビームスパッタリングシステムヘ移送する。
【００６３】
この時点で、粗エッチングにて１０Åの余分なコバルト・鉄を取り除き、ピン層上面の清掃をもたらす。次に、真空を破壊することなく、ニッケル−三酸化アルミニウムのグラニュラースペーサを除き、直流又は高周波スパッタリングにより本発明の蒸着室内に以下の構造を蒸着する。すなわち、
ニッケル・三酸化アルミニウム（１５）／ニッケル・鉄（３０）／タンタル（２０）である。ナノ構造スペーサを備えるスピンバルブ全体を、摂氏２７０度で３時間に亙り８ｋＯｅの磁界を印加して焼鈍する。
【００６４】
前述の方法により、以下に開示し表２に示す如く、各試料内で変化させたスペーサのニッケル−三酸化アルミニウムに関する蒸着条件を用いて３個の試料を作成した。支援ビームを用いずにイオンビームスパッタリングを用いて蒸着した基準試料と、異なる支援ビーム電流（１４０と１６０ｍＡ）を用いて蒸着した他の３個の試料である。これらの値は、それぞれ１１７と１３２Ｗのビーム出力に対応する。
【００６５】
表２から判るように、ピン層とフリー層の間の保磁力Ｈcと層間結合Ｈinterは支援ビーム条件に強く依存する。支援ビームを用いない場合、Ｈinterは非常に高く、そのことで基準試料は読み取りヘッドや他の磁気抵抗デバイスで使用不可能となる。２０〜３０Ｏｅのフリー層保磁力に対する背景技術ＢＭＲ要件に比べ、基準試料は７５ＯｅのＨc値を有する。２０Ｏｅ未満のフリー層保磁力がもっと優れることに、留意されたい。さらに、上記の従来技術は約２，５００Ｏｅという値を有しており、かくしてＢＭＲセンサでの使用には相当に高いものとなる。
【００６６】
１４０ｍＡの支援ビームを用いることで、低電流についてＨinterの僅かな減少が存在する。例えば、保磁力は３０Ｏｅ（すなわち、約６０パーセント）へ減少し、層間結合は３６０Ｏｅ（すなわち、約１１パーセント）へ減少する。
【００６７】
しかしながら、１４０ｍＡを超える電流ではＨcとＨinterの劇的な減少が観察された。例えば、保磁力は３０Ｏｅから２０Ｏｅへ約３３パーセント減少し、層間結合は約３６０から２５へ、約９３％減少した。この予期しない減少は、支援ビーム電流におけるたった２０ｍＡの増大から生ずるものである。
【００６８】
【表２】
2006186345.tif 000004
【００６９】
支援ビームを一切使用しない基準試料により表わされる背景技術は、支援ビームの使用時に両パラメータにおける予期しない劇的な減少とは対照的に相当高いＨcとＨinterを有する結果を生み出す。この種のスペーサ層を用いるＢＭＲデバイスでは、ＨcとＨinterの低減された値はフリー層とスペーサの間の増大した平滑性に依る。
【００７０】
本発明では、好ましくはグラニュラー層の上面はグラニュラー薄膜上に強磁性層を蒸着させる前にエッチングする。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、この種エッチングを行なわない他の方法を適用することもできる。
【００７１】
本発明の別の例示的な非限定実施形態では、ナノ粒子作成用に別の方法が用いられる。本方法によれば、ナノ非磁性導電材で出来たターゲットを用い、その上に磁性チップを均一に配置する。上記の主イオンビームと支援ビームを用いることで磁性材料と非磁性材料を同時蒸着させた後、酸化を実行し、磁性ナノ粒子に影響を及ぼすことなく非磁性導電部だけに酸化を施す。
【００７２】
随意選択的ではあるが、ナノ−コンタクトの清浄な上面を作成するのに平滑エッチングを用いる。異なる酸化工程を用いることもできるが、自然酸化が好ましい。自然酸化工程は、蒸着後に酸素ガスを流すことで実行する。この場合、非磁性導電材は磁性材料よりも相当に高い酸化速度を有する範疇から選択すべきである。
【００７３】
磁気抵抗デバイスの蒸着は、一又は多数の蒸着室内で行なわれる。例えば、プラズマ・スパッタリング室を用い、バッファ層とＡＦＭ層と単一或いは合成ピン層とを蒸着する。次に、イオンビーム蒸着室を用意し、イオンエッチングを用いてピン層上面を清掃した後にグラニュラースペーサを蒸着する。
【００７４】
フリー層とキャップ層は、真空を破壊したり追加の異なる蒸着室を用いたりせずに、同じイオンビーム室を用いて蒸着することができる。グラニュラースペーサ付きスピンバルブ薄膜は、多ステップ蒸着工程にて作成することができる。
【００７５】
加えて、前述の実施形態は概ね磁気抵抗読み取りヘッド用の磁気抵抗素子に関するものである。この磁気抵抗読み取りヘッドは、任意数のデバイスに随意選択的に用いることができる。例えば、限定するわけではないが、前記の如く、読み取りヘッドはハードディスク装置（ＨＤＤ）磁気記録デバイス内に含めることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、バリステック磁気抵抗効果を用いる他のデバイスもまた本発明の磁気抵抗素子で構成することができる。例えば、限定するものではないが、磁気ＲＡＭ（すなわち、ナノ−コンタクト構造を備える磁気メモリデバイス、すなわちデバイス）もまた本発明を採用することができる。本発明のこの種の応用例は、本発明範囲内にある。
【００７６】
本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。特許請求範囲に規定する本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく、本発明に対し多くの改変をなし得ることは熟慮されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は膜面内磁化と膜面垂直磁化をそれぞれ有する背景技術磁気記録方式を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は背景技術のボトム型とトップ型と複式のスピンバルブを示す図である。
【図３】磁気抵抗読み取りヘッド用の背景技術合成スピンバルブを示す図である。
【図４】シールド構造を有する背景技術合成スピンバルブを示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は各種背景技術磁気センサシステムを示す図である。
【図６】本発明の例示的な非限定実施形態になる薄膜層用のナノ寸法磁性粒子の作成装置を示す図である。
【図７】本発明の例示的な非限定実施形態になる基板に対するターゲット位置間の角度関係の変更を示す図である。
【図８】本発明により二つの試料について計測した正規的磁化と保磁力の間の関係を示す図である。
【図９】本発明になる二つの試料に関する計測角度の関数としてのＸ線回折を示す図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ）は本発明の例示的な非限定的方法により生成した粒子を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  真空蒸着室
２  主イオンビーム源
３  合成ターゲット
４  ホルダ
５  支援ビーム
６，７  中和器
９  書き込み素子
１０  スパッターされた粒子
１１  読み取り素子
１３  シールド
１５  読み取り電流
１７  書き込み電流
２０  格子縞
２１  フリー層
２３  スペーサ
２５  ピン層
２７  反強磁性（ＡＦＭ）層
２９  スペーサ
３１  第２のピン層
３３  第２のＡＦＭ層
３５  第１の副ピン層
３７  ピン層スペーサ
３９  第２の副ピン層
４０  キャップ
４３  トップシールド
４５  ボトムシールド
４７  強磁性領域
【図１】
2006186345.tif 000005
【図２】
2006186345.tif 000006
【図３】
2006186345.tif 000007
【図４】
2006186345.tif 000008
【図５】
2006186345.tif 000009
【図６】
2006186345.tif 000010
【図７】
2006186345.tif 000011
【図８】
2006186345.tif 000012
【図９】
2006186345.tif 000013
【図１０】
2006186345.tif 000014