(57)【要約】対平面垂直電流磁気抵抗ヘッドからなる読み取り素子は、そこに隣接させた安定化器を有し、渦効果と電荷蓄積とに起因するセンサエッジでの磁化分布を殆ど防止するセンサ付きスピンバルブを含む。少なくとも一つのフリー層が、スペーサにより少なくとも一つのピン層から離間させてある。フリー層上には、キャップ層が配設してある。安定化器は、フリー層に隣接するピン強磁性層と、その上に配置した反強磁性層とを含む。異なる磁気モーメントと膜厚を有する様々な材料を用い、効果的なバイアスを提供することは容易となる。小寸法用のセンサエッジに関連する問題もまた、克服される。読み取り素子の製造方法もまた、提供される。
2007531178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有するデバイスであって、
磁気センサで、
磁束に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、
ピン層で、該ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとは反対側で該ピン層の表面に配置した第１の反強磁性（ＡＦＭ）層との交換結合に従って安定化された固定磁化を有する前記ピン層と、
前記第１のＡＦＭ層と前記磁気センサの下面にて不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、
前記フリー層と前記磁気センサの上面にて不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層とを含む
前記磁気センサと、
前記磁気センサに隣接配置し絶縁層により前記磁気センサから隔絶した安定化器で、前記フリー層に隣接する絶縁体層上に配置したピン強磁性安定化器を含み、該ピン強磁性安定化器と前記シールドをその上に配置した上部絶縁体との間に挟持した第２のＡＦＭ層により該ピン強磁性安定化器をピンニングした前記安定化器とを備える、ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記スピンバルブはトップ型であり、前記ピン層は（ａ）単層と（ｂ）その副層間にピン層スペーサを有する多層のうちの一方とした、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記スペーサは、
（ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに使用する絶縁スペーサと、
（ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに使用する導電体と、
（ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに使用するピン層とフリー層の間に磁気ナノコンタクトを有する絶縁マトリクス
のうちの一つとした、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記絶縁スペーサは、少なくともＡｌＮとＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも一方で構成した、請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記磁気ナノコンタクトは約３０ｎｍ未満の直径を有する、請求項３記載のデバイス。
【請求項６】
前記ピン層は単層構造と合成構造のうちの一方と約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの総膜厚を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項７】
前記フリー層はＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つで出来ており、前記ピン層と前記フリー層の少なくとも一方はＦｅ３Ｏ４とＣｒＯ２とＮｉＦｅＳｂとＮｉＭｎＳｂとＰｔＭｎＳｂとＭｎＳｂとＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３とＳｒ２ＦｅＭｏＯ６とＳｒＴｉＯ３とＣｏＦｅＯとＮｉＦｅＮとＮｉＦｅＯとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮのうちの少なくとも一つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項８】
前記磁気センサの検出電流を通電する磁気センサ内リードをさらに備え、検出電流は膜厚方向に流れる請求項１記載のデバイス。
【請求項９】
前記フリー層は約１ｎｍ乃至３ｎｍの膜厚と約１００ｎｍの幅を有し、前記ピン強磁性安定化器は２０％の余裕をもって前記フリー層の膜厚とほぼ同じ膜厚を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記絶縁層は、
前記ボトムシールドから前記スペーサの第１の部分にかけて前記ボトムシールドと前記磁気センサ両側を覆う第１の副層と、
前記第１の副層と、該第１の副層が覆っていない前記スペーサの第２の部分と、前記フリー層と、前記キャップ層とを覆う第２の副層とを備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記スペーサの前記第２の部分は約１ｎｍ乃至５ｎｍの膜厚を有し、前記上部絶縁体は前記磁気センサと前記安定化器との間の電流の流れを阻止する膜厚を有する、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
前記フリー層は単一磁区とした、請求項１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ピン強磁性安定化器はＦｅｘＣｏ１−ｘで構成してあり、該ｘは約４０乃至６０とした、請求項１記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第２のＡＦＭ層はＩｒＭｎとＰｔＭｎとＰｔＰｄＭｎのうちの少なくとも一つとした、請求項１記載のデバイス。
【請求項１５】
磁気センサの製造方法であって、
外部磁界に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、該ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとは反対側で該ピン層の表面に配置した第１の反強磁性（ＡＦＭ）層との交換結合による固定磁化方向を有する前記ピン層と、前記ＡＦＭ層と前記磁気センサの第１の外面にて不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、前記フリー層上のキャップ層とを形成するステップと、
前記キャップ層の第１の領域にマスクを形成するステップと、
第１のイオンミリングステップを行ってセンサ領域を生成し、その上に第１の絶縁副層を成膜するステップと、
第２のマスクを位置決めして前記キャップ層上に前記第１の領域よりも小さな第２の領域を覆うステップと、
第２のイオンミリングステップを行い、前記第２の領域外側の前記キャップ層と前記フリー層と前記スペーサの第１の部分とからなる部分を除去することで一定形状の磁気センサを生成するステップと、
第２の絶縁副層とピン強磁性安定化層と第２のＡＦＭ層と上部絶縁体とを有する安定化器を成膜し、続いて前記第２のマスクを除去するステップと、
前記キャップ層と前記上部絶縁体の上にトップシールドを形成するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記スペーサは、
（ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁体と、
（ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに用いる導電体と、
（ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層との間に形成した約３０ｎｍ未満の直径を有する磁気ナノコンタクトを有する絶縁体マトリクス
のうちの一つで形成した、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記絶縁体スペーサは、ＡｌＮとＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも一方で構成してあり、前記磁気ナノコンタクトは約３０ｎｍ未満の直径を有する、請求項１６記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ピン層は単層構造と合成構造のうちの一方を有しかつ約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの総膜厚を有し、
前記フリー層はＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つで出来ていて、約５ｎｍ未満の膜厚を有し、
前記ピン層と前記フリー層の少なくとも一方はＦｅ３Ｏ４とＣｒＯ２とＮｉＦｅＳｂとＮｉＭｎＳｂとＰｔＭｎＳｂとＭｎＳｂとＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３とＳｒ２ＦｅＭｏＯ６とＳｒＴｉＯ３とＣｏＦｅＯとＮｉＦｅＮとＮｉＦｅＯとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮのうちの少なくとも一つで出来ている、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記磁気センサ内にあって前記磁気センサの検出電流を通電するリードをさらに備え、前記磁気センサの検出電流は前記記録媒体の平面に垂直に流れる、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記フリー層は約１ｎｍ乃至３ｎｍの膜厚と約１００ｎｍの幅を有し、前記ピン強磁性安定化器は２０％の余裕をもって前記フリー層の膜厚とほぼ同じ膜厚を有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２１】
前記スペーサの前記第１の部分は約１ｎｍ乃至５ｎｍの膜厚を有し、前記第２の副層の膜厚とほぼ同様であり、前記上部絶縁体は前記磁気センサと前記安定化器との間の電流の流れを阻止する膜厚を有する、請求項１５記載の方法。
【請求項２２】
前記フリー層は単一磁区であり、前記ピン強磁性安定化器はＦｅｘＣｏ１−ｘで構成され、ここで該ｘは約４０乃至６０とした、請求項１５記載の方法。
【請求項２３】
前記第２のＡＦＭ層はＩｒＭｎとＰｔＭｎとＰｔＰｄＭｎのうちの少なくとも一つで構成した、請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その両側に安定化器を有するセンサを含む磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドの読み取り素子とその製造方法に関する。より詳しくは、本発明はフリー層の隣りにピン強磁性層を有するＭＲ読み取り素子からなるスピンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のハードディスクドライブ等の磁気記録技術では、ヘッドには読み取り素子と書き込み素子が備わっている。読み取り素子と書き込み素子は別個の機能を有し、互いに独立して動作する。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）は、従来の磁気記録方式を示す。図１（ａ）中、複数ビット３とトラック幅５を有する記録媒体１は記録媒体の平面に平行な磁化を有する。その結果、ビット３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「水平磁気記録媒体」（ＬＭＲ）とも呼ばれる。
【０００４】
情報は誘導型書き込み素子９により記録媒体１に書き込まれ、読み取り素子１１により記録媒体１からデータが読み取られる。誘導型書き込み素子９には書き込み電流１７が供給され、読み取り素子１１には読み取り電流が供給される。
【０００５】
読み取り素子１１は、センサ磁化方向が一方向から別方向へ変化する際の抵抗変化を検出することで動作する磁気センサである。シールド１３が媒体から入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１１が目下読み取り中のビット３の一つと干渉するのを阻止する。
【０００６】
従来の記録媒体１の面積密度は過去数年間に亙り相当増えてきており、かなり増え続けると見込まれる。これに応じて、ビット及びトラック密度は増大すると考えられる。その結果、従来の読み取り素子は増大した密度を有するこのデータをより高効率かつより高速に読み取ることが出来ねばならない。
【０００７】
従来は、ビット密度はトラック密度よりもずっと速く増大してきた。しかしながら、ビット寸法とトラック寸法の間の縦横比は減少しつつある。目下のところ、この係数は約８であり、記録密度がテラバイト寸法に近づくにつれ６以下に減少するものと予想される。
【０００８】
その結果、隣接ビットだけでなく隣接トラックからの磁界が読み取り素子に影響を及ぼすほどトラック幅は小さくなりつつある。表１は、これらの変化に基づく推定換算パラメータを示す。
【０００９】
【表１】
2007531178.tif 000003
【００１０】
図１（ｂ）に示す如く、別の従来の記録方式が開発されている。従来の方式では、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体の平面に垂直である。これは、「垂直磁気記録媒体」（ＰＭＲ）としても知られている。
【００１１】
このＰＭＲ設計は、よりコンパクトで安定した記録データをもたらす。しかしながら、ＰＭＲ媒体を用いることで、記録媒体から入来する横断磁界もまた隣接媒体トラックの前記効果に加え検討しなければならない。この効果は、図６について以下に説明する。
【００１２】
磁束はビット中心で最高であり、ビット端部へ向かって減少し、ビット端部で零へ接近する。その結果、ビット端部で磁束が最大となる前述のＬＭＲ方式とは対照的に、記録媒体磁界に対し強力な横断成分がビット中心に存在する。
【００１３】
図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」としても知られる上記磁気記録媒体用の各種従来のセンサを示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１は記録媒体１から記録データを読み取るセンサとして動作する。スペーサ２３が、フリー層２１とピン層２５の間に位置する。ピン層２５の他側には、反強磁性（ＡＦＭ）層２７が存在する。
【００１４】
図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置は逆転する。図２（ｃ）は、従来のデュアル型スピンバルブを示す。層２１〜２５は、図２（ａ）〜（ｂ）に関して前記したものとほぼ同じである。追加のスペーサ２９がフリー層２１の他側に配置してあり、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。デュアル型スピンバルブは、図２（ａ）〜（ｂ）について前述したのと同じ原理で動作する。
【００１５】
ＭＲスピンバルブに基づく読み取りヘッドでは、ピン層２５の磁化はＡＦＭ層２７との交換結合により固定されている。フリー層２１の磁化だけが、媒体磁界方向に従って回転することができる。
【００１６】
記録媒体１では、磁束は隣接ビットの極性に基づいて生成される。二つの隣接ビットがそれらの境界で負極性を有する場合、磁束は負となり、これらビットが境界で正極性を有する場合、磁束は正となろう。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決める。
【００１７】
ピン層とフリー層の磁化がほぼ同じ方向であるときは、そのときは抵抗は低い。他方、それらの磁化が逆方向であるときは、抵抗は高い。ＭＲヘッド応用分野では、外部磁界が全く印加されていないときは、フリー層２１とピン層２５は互いに対し９０度の磁化を有する。
【００１８】
強磁性層のスピン分極が低いときは、電子スピン状態はもっと簡単に変更でき、その場合は小さな抵抗変化を測定することができる。他方、強磁性層スピン分極が高いときは、強磁性層を横断する電子はそれらのスピン状態を維持でき、高抵抗変化を達成できる。それ故、従来技術には高スピン分極材料を持たせる必要性が存在する。
【００１９】
読み取り素子に対し外部磁界（磁束）を印加すると、フリー層２１の磁化は変化し、一定角度回転する。磁束が正であるときは、フリー層の磁化は上向きに回転し、磁束が負であるときはフリー層の磁化は下向きに回転する。さらに、印加外部磁界がフリー層２１とピン層２５に同一の磁化方向をもたせると、そのときは層間の抵抗は低く、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。
【００２０】
しかしながら、フリー層２１がピン層２５とは逆の磁化方向を有するときは、層間抵抗は高い。この増大した抵抗が生ずるのは、層２１，２５間での電子の移動がより困難であるからである。
【００２１】
外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７は交換結合をもたらし、ピン層２５の磁化を固定されたままとする。ＡＦＭ層２７の特性は、その中の材料の性質による。従来技術では、ＡＦＭ層２７は通常ＰｔＭｎか又はＩｒＭｎである。
【００２２】
層２１，２５の磁化が平行であるときの状態と反平行であるときの状態との間の抵抗変化ΔＲは、高感度読み取り素子を得る上で高くしなければならない。ヘッド寸法が減るにつれ、読み取り素子の感度は益々重要になり、特に媒体磁束の大きさが減るときにはそうである。かくして、従来のスピンバルブの層２１，２５間には高抵抗変化ΔＲに対する要求が存在する。
【００２３】
図６は、図１（ａ）に示した従来の水平磁気記録方式の前述の原理を示す。媒体が旋回すると、ビット間の境界の磁束がフリー層上に作用し、かくして従来のスピンバルブ原理に従って磁化は上向きや下向きに回転する。
【００２４】
記録媒体が生成する磁束は、フリー層の磁化に変化を生ずる。その結果、フリー層とピン層の間の磁化方向の間に一定の角度が生ずる。読み取り素子の出力信号は、この角度の余弦の関数となる。出力信号を増やすには、単一の磁区を持つフリー層を有することが望ましい。この種の構成は、ノイズ、より詳しくはフリー層の非配向磁区内に生ずるバルクハウゼン・ノイズとして知られるものを相殺することができる。
【００２５】
米国特許出願公開第２００２／０１６７７６８号明細書および米国特許出願公開第２００３／０１７４４４６号明細書は、その内容を参照用に本願明細書に取り込むものであるが、積層バイアスと共に隣接トラックが生成する磁束を排除する側方シールドを開示するものである。この積層バイアス或いはハードバイアスは、上記の非配向磁区の影響を低減することができる。これらの従来のバイアス及び／又は安定化方式を、以下にさらに詳しく説明する。
【００２６】
シールドとシールドの間の空間が約４０ｎｍ未満に低下すると、シールドからＭＲ素子への電流漏洩を排除することは困難になる。さらに、ヘッド寸法が減少すると、検出電流が誘起する磁界がフリー層に渦を生成することになる。
【００２７】
図８（ａ）と図８（ｂ）は、それぞれ従来のハードバイアス安定化器と積層バイアス安定化器を示す。図８（ａ）に示す如く、ハードバイアス安定化器にはボトムシールド及び読み取りセンサ素子上に配置された絶縁体５０と、絶縁体５０上に組み付けたバッファ５１と、バッファ５１上に組み付けたハードバイアス層５２とが含まれる。従来技術では、ハードバイアス層５２はＣｏＣｒＰｔで出来ている。
【００２８】
従来のハードバイアスでは、バッファ５２は十分大きな保磁力（例えば、約１０００Ｏｅを上回る）を得るべく厚くしなければならない。より具体的には、バッファと絶縁体の総膜厚を１０ｎｍとすることができるよう、少なくとも二種類或いは三種類の薄膜をバッファに含ませることができる。ハードバイアス層５２とバッファ５１は、従来技術では大きい。
【００２９】
これらの層５０，５１の結果、ハードバイアス層５２はフリー層のエッジから離れており、そのことで低減されたハードバイアス磁界強度が原因で低減された安定性に至る。さらに、ハードバイアス層５２の両側は傾いて成長するため、ハードバイアスが誘起する磁界がフリー層の容易軸と同じ容易方向を有することはなくなる。フリー層容易軸とハードバイアス容易軸との間の偏差は、より有効性の劣るハードバイアスを生ずる。さらに、そのより大きな膜厚が故にバッファ能力は領域Ａにおいて優れる。
【００３０】
加えて、ハードバイアス層５２はＣｏＰｔＸで出来ており、ここでＸはＣｒとＴａであり、必要な保磁力を得るのにより厚いハードバイアス層を持たせる必要がある。例えば、ＣｏＰｔＣｒ層は、従来のデバイスに必要な厚いバッファ層に加え、約１００ｎｍの膜厚を有する。
【００３１】
斜め成長とそのより薄いバッファが故に、領域Ｂでは保磁力はより低く、能力は低下する。また、従来の安定化器では、少なくとも上記の要因が故にフリー層内にノイズが生成される（すなわち、渦効果）。
【００３２】
従って、前述の従来技術の問題を克服する上で従来技術には未対処の要求が存在する。例えば、限定はしないが、バッファ層５１を含め安定化器の膜厚を低減する未対処の要求が存在する。しかしながら、ＭＲセンサの保磁力要件が故に現在使用されている材料を用いてもこれを果たすことは出来ない。
【００３３】
図８（ｂ）は、従来の積層バイアスを示す。図１〜図７の上記の開示した従来技術に加え、非磁性結合解除器６１がフリー層上に配設してあり、結合解除器６１の上に強磁性安定化器６２が配設してある。さらに、第２のＡＦＭ層６３が安定化器６２の上に配設してある。積層バイアスとセンサ層は、それらの両側に絶縁体６４を有する。
【００３４】
しかしながら、前述の従来のバイアスは様々な問題と欠点を有する。例えば、限定はしないが、センサのフリー層の幅が積層バイアス素子６１〜６３の幅を超えるため、この構造の領域Ｃは良好にピンニングされない。かくして、少なくともこれらの領域で安定性は低下する。
【００３５】
積層バイアスはその下側に位置するフリー層よりも相当に小さいため、フリー層のエッジでの磁区は容易軸とは完全に整列しない。
【００３６】
従って、従来のバイアスは様々な問題と欠点を有する。例えば、限定はしないが、フリー層が１００ｎｍ未満の幅を有するときは、磁気モーメントはそのエッジで不規則に分散させられ、領域Ｃ内でノイズの原因となる。ノイズ源領域Ｃ下側のフリー層領域は、安定化されない。かくして、不要な磁気変動が発生する。
【００３７】
フリー層２１の幅が減少するにつれ、反磁界は増加する。例えば、フリー層の磁化はフリー層のエッジにて切り替わり始め、フリー層の中心へ向け働かせることができる。磁化のさらなる変動が、この切り替え過程を加速する。
【００３８】
加えて、イオンミリングがフリー層エッジに害を及ぼすことがある。さらに、安定化層をピンニングする反強磁性（ＡＦＭ）層６３を用いる積層バイアスは、安定化層よりも短い。その結果、安定化層は完全にピンニングされず、最大安定性を提供できない。
【００３９】
前述の従来の問題の結果、トラック内隣接ビットだけでなく隣接トラックに生ずる磁束からビットを遮蔽する必要がある。
【００４０】
ピン層が単層である前述の従来のスピンバルブに加え、図３は従来の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、前述のものとほぼ同じである。図３中、フリー層の一つの状態だけが図示してある。しかしながら、ピン層はさらにスペーサ３９により第２の副層３７から隔絶した第１の副層３５を含む。
【００４１】
従来の合成スピンバルブでは、第１の副層３５はピン層２５に関する前述の原理に従って動作する。加えて、第２の副層３７は第１の副層３５とは逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層総モーメントは第１の副層３５と第２の副層３７の間の反強磁性結合に起因して減少する。合成スピンバルブヘッドは、零に近い全磁束と高抵抗変化ΔＲとより大きな安定性とを有するピン層を有する。
【００４２】
図４は、シールド構造を有する従来の合成スピンバルブを示す。前記した如く、所与のビットの読み取り期間中に隣接ビットから不要な磁束が検出されるのを防止することは重要である。トップシールド４３が、フリー層２１の上面に配設してある。同様に、ボトムシールド４５がＡＦＭ層２７の下面に配設してある。シールドシステムの効果を、図６に示し説明する。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｄ）に示す如く、４個の従来のスピンバルブが存在する。スピンバルブの型はスペーサ２３の構造に基づいて構造的に変化する。
【００４４】
図５（ａ）に示す従来のスピンバルブは、スペーサ２３を導電体として用いており、薄膜に対し電流が平面内にある巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型スピンバルブについて図１（ａ）に示した従来のＣＩＰ方式を用いるものである。従来技術では、このデュアルＣＩＰ−ＧＭＲバルブが一般に用いられる。
【００４５】
従来のＧＭＲスピンバルブでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（すなわち、スピン状態）が平行であるときに抵抗は最小化され、磁化方向が逆であるときに最大化される。前記した如く、フリー層２１は変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲ構造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擾乱を排除する。
【００４６】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極の程度とそれらの磁気モーメント間の角度とに依存する。スピン分極は、フリー層とピン層それぞれにおける導電帯内の総電子数により正規化したスピン状態の上向きと下向きの電子数間の差異に依存する。
【００４７】
フリー層２１がビット遷移を示す磁束を受け取ると、フリー層のスピンは磁束の方向に応じて一方向又は他方向へ小角度だけ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗の変化は、フリー層２１とピン層２５のモーメント間の角度に比例する。抵抗変化ΔＲと読み取り素子の効率との間には、一定の関係が存在する。
【００４８】
ＧＭＲスピンバルブには、様々な要件が存在する。例えば、限定はしないが、高出力信号の生成に大きな抵抗変化ΔＲが必要である。さらに、小さな媒体磁界もまた検出できるよう、低保磁力が望ましい。高ピンニング磁界強度を備えるためにＡＦＭ構造は良好に規定され、層間結合が低いときに検出層がピン層による悪影響を受けることはない。さらに、フリー層に対する歪を最小化するため低磁気歪が望ましい。
【００４９】
記録密度を増大させるべく、ＧＭＲセンサのトラック幅はより小さくしなければならない。この点で、ＣＩＰ（平面内電流）方式で動作する読み取りヘッドでは、センサの大きさが減るにつれて様々な問題が起きる。ＣＩＰモードにおける磁気抵抗（ＭＲ）は、一般に約２０％に制限される。センサに接続した電極が大きさを減らすと過熱が生じ、図７（ａ）から分かるように場合によってはセンサに害が及ぶことがある。さらに、ＣＩＰセンサから得られる信号はＭＲヘッド幅に比例する。
【００５０】
前述の問題に対処するため、図７（ｂ）に示す如く、従来のＣＰＰ−ＧＭＲ方式はスピンバルブ平面に垂直な方向に流れる検出電流を用いている。その結果、寸法を減らすことができる。ＣＰＰ方式で動作する様々な従来のスピンバルブが図５（ｂ）〜（ｄ）に示してあり、以下により詳しく説明する。
【００５１】
図５（ｂ）は、従来のＣＰＰ方式用のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブを示す。ＴＭＲスピンバルブでは、スペーサ２３は絶縁体或いはトンネル障壁層として機能する。かくして、電子は絶縁障壁２３を介してフリー層からピン層へ通り抜けることができる。ＴＭＲスピンバルブは、約３０〜５０％台の増大したＭＲを有する。
【００５２】
図５（ｃ）は、従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブを示す。ＧＭＲの一般概念はＣＩＰ−ＧＭＲについて前記したものと同様であるが、電流は平面内ではなく平面に垂直に流れる。その結果、抵抗変化ΔＲと固有ＭＲはＣＩＰ−ＧＭＲよりも相当に高くなる。
【００５３】
従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、大きなΔＲ＊Ａ（ＡはＭＲ素子の面積）と適度なヘッド抵抗に対する必要性が存在する。小さな媒体磁界が検出できるよう、フリー層の低保磁力が必要とされる。ピンニング磁界は、高強度もまた持たねばならない。
【００５４】
図７（ａ），（ｂ）は、ＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブとＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブとの間の構造的差異を示す。図７（ａ）に示す如く、ＧＭＲスピンバルブの両側にはハードバイアス９９８が存在し、電極９９９がＧＭＲの上面上にある。ギャップ９９７もまた、必要である。図７（ｂ）に示す如く、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、絶縁体１０００はスピンバルブの側部に成膜してあり、かくして検出電流は薄膜厚み方向にのみ流れることができる。さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブにはギャップは一切必要ない。
【００５５】
その結果、電流はそこを流れる非常に大きな面を有し、シールドは電極としても機能する。それ故、過熱問題には概ね対処される。
【００５６】
図５（ｄ）は、従来のバリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブを示す。絶縁体として動作するスペーサ２３内では、強磁性層領域４７がピン層２５をフリー層２１へ接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。その結果、このナノコンタクト内に作られた磁区壁にて散乱する電子のお陰で相当により高いＭＲが存在する。他の要因には、強磁性体のスピン分極やＢＭＲスピンバルブとナノコンタクト状態にある磁区の構造が含まれる。
【００５７】
しかしながら、従来のＢＭＲスピンバルブは開発されて日が浅い。さらに、ＢＭＲスピンバルブにとっては、ナノコンタクト形状及び磁区の寸法制御性と安定性をさらに発展させねばならない。加えて、ＢＭＲ技術の反復性は依然として高信頼性を示さねばならない。
【００５８】
図５（ａ）〜（ｄ）の前述の従来のスピンバルブでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲ用絶縁体やＧＭＲ用導電体やＢＭＲ用磁気ナノ寸法を有する絶縁体である。従来のＴＭＲスペーサは一般にアルミナ等のより絶縁材料で出来ているが、従来のＧＭＲスペーサは一般に銅等のより導電性のある金属で出来ている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５９】
従って、従来技術の少なくとも前述の問題に対処する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００６０】
本発明の一つの目的は、従来技術の少なくとも前述の問題ならびに欠点を克服することにある。しかしながら、本発明にとってこれらの問題と欠点の克服は必須要件ではなく、あらゆる問題や欠点についてもそうである。
【００６１】
少なくともこの目的と他の目的を達成するため、記録媒体を読み取りかつスピンバルブを備えるデバイスを提供するが、外部磁界に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサとは反対側のピン層表面に配置した第１の反強磁性（ＡＦＭ）層に従って安定化した固定磁化を有する前記ピン層とを含む磁気センサを備える。磁気センサはまた、ＡＦＭ層と磁気センサの下面において不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、フリー層と磁気センサの上面にて不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層とを含む。さらに、磁気センサに隣接配置し絶縁層により前記磁気センサから隔絶して安定化器を配置し、この安定化器がフリー層に隣接する絶縁層上に配置したピン強磁性安定化器を含み、このピン強磁性安定化器とその上にシールドを配置した上部絶縁体との間に挟持した第２のＡＦＭ層によりピン強磁性安定化器をピンニングしてある。
【００６２】
また、磁気センサの製造方法が提供され、それが外部磁界に応答して調整可能な磁化方向を有するフリー層と、ピン層で、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサとは反対側の該ピン層の表面に配置した第１の反強磁性（ＡＦＭ）層との交換結合による固定磁化方向を有する前記ピン層と、第１のＡＦＭ層と磁気センサの第１の外面にて不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、フリー層上のキャップ層とを形成するステップと、キャップ層上の第１の領域にマスクを形成するステップとを含む。加えて、本方法は、第１のイオンミリングステップを行ってセンサ領域を生成し、その上に第１の絶縁副層を成膜するステップと、マスクを修正してキャップ層上で第１の領域よりも小さな第２の領域を覆うステップと、第２のイオンミリングステップを行い、第２の領域外側の前記キャップ層と前記フリー層と前記スペーサの第１の部分とからなる部分を除去することで一定形状の磁気センサを生成するステップを含む。さらに、本方法は第２の絶縁体とピン強磁性安定化層と第２のＡＦＭ層と上部絶縁体とを有する安定化器を成膜し、続いて第２のマスクを除去し、キャップ層と上部絶縁体の上にトップシールドを形成するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
本発明の上記ならびに他の目的及び利点は、添付図面を参照してその好適な例示的な実施形態を詳しく説明することでより明らかにされるが、ここでは同様の参照符号は幾つかの図を通じて同様の或いは対応部分を指す。
【００６４】
ここで添付図面を参照するに、本発明の好適な実施形態の説明を提示する。後続の実施形態のほぼ同様の要素は、先の実施形態について既に説明した要素である場合は反復しないものとする。
【００６５】
本発明は、読み取りヘッド用の磁気抵抗センサ設計に関する。読み取りヘッドの安定化器は、高ピンニング磁界だけでなくフリー層と安定化器との間に相当小さな距離もまた有する。さらに、検出電流は殆ど安定化器を流れない。
【００６６】
図９は、本発明の例示的な非限定の実施形態になる磁気媒体読み取りセンサのスピンバルブを示す。スペーサ１０１が、フリー層１００とピン層１０２の間に位置する。従来技術に関して前記した如く、記録媒体によりフリー層１００に対し外部磁界が印加され、かくしてフリー層１００の磁界が変化できるようになっている。ピン層１０２は、固定磁化方向を有する。
【００６７】
ピン層１０２は、単層或いは合成ピン層とすることができ、約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの膜厚を有する。フリー層１００は、ＣｏとＦｅとＮｉのうちの少なくとも一つを有する材料で出来ている。或いは前述の材料と組み合わせ、フリー層１００及び／又はピン層１０２は、これらに限定はしないが、Ｆｅ３Ｏ４やＣｒＯ２やＮｉＦｅＳｂやＮｉＭｎＳｂやＰｔＭｎＳｂやＭｎＳｂやＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３やＳｒ２ＦｅＭｏＯ６やＳｒＴｉＯ３を含む一部金属材料で作成することができる。フリー層１００は、約１ｎｍ〜約３ｎｍの膜厚を有し、約１００ｎｍ幅未満である。フリー層１００の上面と底面の幅差は、約１ｎｍ〜約４ｎｍである。
【００６８】
第１の反強磁性物質（ＡＦＭ）層１０３がピン層１０２の下面に配置してあり、バッファ１０４がＡＦＭ層１０３の下面に配置してある。ボトムシールド１０５が、バッファ１０４の下側に配設してある。フリー層１００上には、その上のトップシールド１０７と合わせた保護用にキャップ層１０６が配設してある。
【００６９】
本発明のこの例示的な非限定の実施形態の安定化器を、ここでより詳しく説明することにする。絶縁体１０８は、センサの両側とボトムシールド１０５の上面とに配置してある。第１の絶縁副層１０９が、バッファ１０４からスペーサ１０１の一部にかけてボトムシールド１０５とセンサの両側とを覆っている。
【００７０】
第２の絶縁副層１１０が第１の絶縁副層１０９を覆うとともに、フリー層１００とキャップ層１０６の両側だけでなくスペーサ１０１の残りもまた覆っている。第１の絶縁層１０９ではなく第２の絶縁副層１１０により覆われたスペーサ１００部分は、その膜厚が約１ｎｍ〜約５ｎｍである。絶縁体１０８が、センサと安定化器との間の電流漏洩をほぼ防止している。
【００７１】
絶縁体１０８の上には、フリー層１００にほぼ隣接するピン部分を含む強磁性層１１１が配置してある。より詳しくは、強磁性層１１１は第２の絶縁体副層１１０だけによってフリー層１００から隔絶してある。第２のＡＦＭ層１１２が強磁性層１１１上に配設してあり、上部絶縁体１１３が第２のＡＦＭ層１１２上に配設してある。上部絶縁体１１３の膜厚は第２のＡＦＭ層１１２と強磁性層１１１とを絶縁するのに十分であり、電流をセンサだけに流して安定化器内には行かないようにしてある。
【００７２】
フリー層１００が本来単一磁区となるよう、強磁性層１１１はフリー層１００の一側にピンニングしてある。さらに、検出電流Ｉは安定化器構造を通って殆ど流れないようにしてある。加えて、安定化器は昇温された温度にて外部磁界によりフリー層方向に簡単にピンニングされる。
【００７３】
本発明の前述の例示的な非限定の実施形態では、強磁性層１１１は可調整モーメントを有する強磁性薄膜としてある。例えば、限定はしないが、ＦｅｘＣｏ１−ｘ（ここで、ｘは約４０％〜約６０％）を用いることができる。より詳しくは、本発明の例示的な非限定の実施形態にはＦｅ５０Ｃｏ５０を用いている。強磁性層１１１は、フリー層とほぼ同じ膜厚、すなわち例えば約３ｎｍを有する。
【００７４】
さらに、ピン強磁性安定化器は約２０％の余裕をもってフリー層の膜厚にほぼ等しい膜厚を有する。
【００７５】
第２のＡＦＭ層１１２は反強磁性ピンニング層であり、ＩｒＭｎやＰｔＭｎやＰｔＰｄＭｎ等の材料で作成することができる。しかしながら、本発明は前述の材料に限定されず、当業者が等価であると認識するであろう他の材料をそれに代用することもできる。
【００７６】
前述のＭＲセンサは単一ピン層を有するが、本発明はそれに限定はされない。例えば、限定はしないが、ＭＲセンサのピン層は反強磁性結合二重層を含む前述の合成種ピン層とすることもできる。
【００７７】
本発明では、検出電流は薄膜平面に垂直な方向、すなわち薄膜膜厚方向へ流れる。その結果、スペーサ１０１はスピンバルブをＣＰＰ−ＧＭＲ応用分野に使用するときは導電性とする。或いは、ＴＭＲ応用分野では、スペーサ１０１は絶縁性（例えば、限定はしないが、ＴａＯやＡｌＮ及び／又はＡｌ２Ｏ３）とする。従来技術について前記した如く接続を設けるときはＢＭＲ種ヘッドを用いることができ、ここでは絶縁マトリクス内に約３０ｎｍ未満のナノコンタクト接続を配設する。
【００７８】
加えて、トップシールド１０５とボトムシールド１０７だけを図示したが、検出電流の導電用に追加のリードを配設することができる。しかしながら、この種のシールドは必須ではなく、ただ随意選択的であり、何故ならシールド自体を電極としても使用できるからである。
【００７９】
一例として、図１０（ａ）〜（ｇ）に示す如く、本発明の前述の構成の非限定的な製造方法を説明することにするが、それらは製造の各種段階についての断面図を示す。
【００８０】
図１０（ａ）は、本発明になるスピン層の一部を示す。センサ素子は、ボトムシールド１０５とバッファ層１０４とＡＦＭ層１０３とピン層１０２とスペーサ１０１とフリー層１００と保護層であるキャップ層１０６の成膜により形成してある。
【００８１】
ピン層１０２は、単層或いは前記により詳しく説明した二つの反強磁性結合二重層として形成することができる。スペーサ１０１は、ＣｕとＡｇとＣｒ等を含む（ただし、限定はしない）導電材料で作成することができる。或いは、前記ＴＭＲの場合の如く、絶縁体スペーサが必要なときは、Ａｌ２Ｏ３やＡｌＮ等の物質を用いることができる。
【００８２】
図１０（ｂ）に示す如く、キャップ層１０６はフォトレジスト層２０１により覆ってあり、電子ビーム露光と現像に供して所望形状のレジストマスクを形成する。レジストは、ＭＲセンサの幅よりも相当に大きい。基板はイオンミリング（イオンエッチングとも呼ぶ）に供し、レジストが覆っていない領域をエッチングする。
【００８３】
第１の絶縁体副層を含む絶縁体は、そこで図１０（ｃ）に示すイオンビーム成膜（ＩＢＤ）により成膜する。このステップはＩＢＤにより実行されるが、図１０（ｃ）に示した構造を生み出すどんな等価な手順も用いることができる。
【００８４】
次に、図１０（ｄ）に示す如く、レジスト２０１をさらに改変してＭＲセンサの幅にほぼ等しい幅を有するようにする。レジストの寸法及び／又は形状は、公知の技術により改変される。例えば、このステップは第１のマーク２０１を化学的に除去（リフトオフプロセス）し、前述したのと同じ仕方で別のレジストマスクを再形成することで達成できる。
【００８５】
図１０（ｅ）は続くステップを示し、それにはレジストで覆われていない基板部分を除去して所望幅の読み取り素子を有するセンサの形成が含まれる。このステップでは、レジスト２０１外側のキャップ層１０６及びフリー層１００領域を完全に除去し、レジスト２０１外側のスペーサ１０１領域の一部を除去する。除去するスペーサ１０１部分の膜厚は約１ｎｍ乃至５ｎｍであり、第２の絶縁副層１１０の膜厚にほぼ依存する。
【００８６】
一旦図１０（ｅ）に示したステップの除去が完了すると、図１０（ｆ）に示す如く第２のＩＢＤステップを実行する。このステップでは、第２の副層１１０の成膜にＩＢＤが用いられる。前記した如く、この副層１１０は安定化器内への電流漏洩を実質的に低減するよう設計してある。
【００８７】
第２の絶縁副層１１０は、スペーサ１０１やフリー層１００やキャップ層１０６の除去部分だけでなく第１の絶縁副層１０９もまた覆っている。このステップでは、フリー層１００のエッジに優れた絶縁がもたらされるよう成膜角度を傾斜させることができる。さらに、削り出し膜厚は小さい（約３ｎｍ未満台）ため、第２の絶縁副層１１０の領域Ｄは比較的真っすぐ、すなわち垂直とすることができる。
【００８８】
図１０（ｇ）に示す如く、このデバイスの形成は強磁性層１１１と第２のＡＦＭ層１１２と絶縁体１１３の成膜により完了する。この成膜は、限定はしないがＩＢＤを含む公知の方法で形成することができる。このステップの後、レジストを除去し、得られた構造上にトップシールドを成膜する。
【００８９】
本発明は、様々な利点を有する。例えば、限定はしないが従来の積層バイアスのエッジ効果はもはや存在しない。センサ寸法が減少（例えば、限定はしないが全体で約１００ｎｍ未満の膜厚へ）するにつれ、表面とは対照的にエッジでの処理が益々重要になる。それ故、積層バイアスの従来のエッジ効果問題は是正され、これらのエッジ効果問題を抱えることなくデバイス寸法をさらに減らすことができる。
【００９０】
本発明のＣＰＰ実施形態では、積層バイアスを介して流れる電流のお陰で増大抵抗の積層バイアス問題もまた殆ど取り除かれる。その結果、抵抗は減少し、対応してＭＲ変化率は増大する。
【００９１】
さらに、強磁性層１１１はフリー層１００に非常に接近する。その結果、ノイズは相当に低減され、全体的な安定性は改善される。
【００９２】
また、安定化器を非常に薄くできることは本発明の利点である。図８（ａ）に示した従来のハードバイアス安定化器とは対照的に絶縁体１０８上にどんなバッファ層も必要ない。従来技術では、バッファ層は約１０ｎｍであり、通常は２枚又は３枚の薄膜を必要とする。対照的に、本発明になる安定化器の膜厚は約４００ｎｍ以上である。かくして、安定化器の全膜厚は低減でき、その処理は簡単化することができる。さらに、センサデバイスのシールドからシールドまでの膜厚もまた目下の及び／又は将来の必要性に従って低減することができる。
【００９３】
加えて、従来のＣｏＰｔＣｒ材料に代わるＣｏＦｅ材料の使用が、ピンニング層が生み出すより高いモーメントとより大きな磁束をもたらす。ＣｏＦｅ材料は１ｋＯｅ台の高いピンニングを有し、これが媒体磁界に対し高い安定性をもたらす。さらに、ＣｏＦｅの高磁気モーメントはフリー層安定化に明確な影響を有する。その結果、従来技術で経験した電流漏洩やノイズ問題は、殆ど低減されかつ／又は除去される。
【００９４】
本発明は、上記の特定の実施形態には限定されない。特許請求の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、本発明に対し多数の改変をなし得ることは熟慮されたい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、様々な産業上の利用可能性を有する。例えば、それはコンピュータ装置やマルチメディアシステムや携帯型通信装置や関連する周辺機器のハードディスクドライブ等の磁気記録媒体を有するデータ記憶装置に用いることができる。しかしながら、本発明はこれらの用途に限定はされず、当業者が検討できる他の任意の用途もまた用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平面内磁化と対平面垂直磁化を有する従来の磁気記録方式を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は従来のボトム型とトップ型とデュアル型のスピンバルブを示す図である。
【図３】従来の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従来の合成スピンバルブを示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は各種従来の磁気読み取り素子スピンバルブシステムを示す図である。
【図６】従来のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来のＣＩＰ−ＧＭＲ構造とＣＰＰ−ＧＭＲ構造を示す図である。
【図８（ａ）】従来のハードバイアス安定化器を示す図であるが、本発明ではなく、ただ従来のハードバイアス安定化器の場合を説明する図である。
【図８（ｂ）】従来のハードバイアス安定化器を示す図であるが、本発明ではなく、ただ従来のハードバイアス安定化器の場合を説明する図である。
【図９】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。
【図１０（ａ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｂ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｃ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｄ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｅ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｆ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１０（ｇ）】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブの製造方法を示す図である。
【図１】
2007531178.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（ａ）】
2007531178.tif 000011
【図８（ｂ）】
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【図９】
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【図１０（ａ）】
2007531178.tif 000014
【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
2007531178.tif 000016
【図１０（ｄ）】
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【図１０（ｅ）】
2007531178.tif 000018
【図１０（ｆ）】
2007531178.tif 000019
【図１０（ｇ）】
2007531178.tif 000020
【国際調査報告】
2007531178.tif 000021
2007531178.tif 000022
2007531178.tif 000023