(57)【要約】磁気抵抗読み取りヘッドは、スペーサにより少なくとも一つのピン層から離間させた少なくとも一つのフリー層を有するスピンバルブを含む。ピン層は高抵抗性であり、ピン層の少なくとも一部に使用するＣｏ１００−ｘＦｅｘ層を含む。随意選択的には、この材料は少なくともフリー層の一部に使用することもできる。ｘの値は、１０〜７５％±約１０％の各種値とすることができる。ピン層は単層或いは副層間にスペーサを有する合成多層構造である。抵抗率を増大させるべく、ピン層とフリー層のいずれか或いは両方の成膜期間中に酸素を導入する。
2007531181.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磁気センサであって、
外部磁界に応答して調整可能な磁化を有するフリー層と、
ピン層で、固定磁化を有し、該ピン層の少なくとも一部に高抵抗率材料を含み、約８０μΩｃｍ乃至約１５０μΩｃｍの抵抗率を有する前記ピン層と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟持したスペーサとを備える、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記スペーサとは反対側で前記ピン層の表面に配置され、前記固定磁化を安定化させる反強磁性（ＡＦＭ）層と、
前記フリー層とトップリードとの間に挟持したキャップ層と、
前記ＡＦＭ層とボトムリードとの間に挟持したバッファで、前記トップリードと前記ボトムリードの間を検出電流が流れる前記バッファとをさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記ピン層の前記抵抗率は約９０μΩｃｍと約１００μΩｃｍの一方とした、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記フリー層の少なくとも一部は前記高抵抗率材料を含み、約２０μΩｃｍ乃至約２００μΩｃｍの抵抗率を有する、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記フリー層の前記少なくとも一部は前記フリー層内の副層と前記フリー層の全てのうち一方を備える、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記フリー層の少なくとも一部が前記高抵抗率材料を含み、約１００μΩｃｍの抵抗率を有し、前記ピン層の前記抵抗率は約１００μΩｃｍとした、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記フリー層の前記少なくとも一部は前記フリー層内の副層と前記フリー層の全てのうち一方を備える、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記高抵抗率材料はＣｏ１００−ｘＦｅｘで構成してあり、ここでＸは１０，１６，２５，３５，５０，６５，７５，１００の一つの値を有し、該値が±２０％の範囲内の精度を有する、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記ピン層の前記少なくとも一部は前記ピン層内の副層と前記ピン層の全てのうち一方を備える、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）前記磁気センサの側部の硬質材料と、（ｂ）前記磁気センサ頂部の積層バイアスのうちの少なくとも一方を有する安定化器をさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項１１】
側部シールドをさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記ピン層は合成層と単層のうちの一方であり、前記スピンバルブはトップ型とボトム型とデュアル型のうちの一つとしてあり、前記ピン層は（ａ）単層と、（ｂ）それらの副層間にスペーサを有する多層のうちの一方とした、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記高抵抗率材料は少なくとも２％酸素ガスを有するアルゴンガス雰囲気内で成膜した前記ピン層を含む、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項１４】
記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有する磁気センサであって、
外部磁界に応答して調整可能な磁化を有し、前記フリー層の少なくとも一部に高抵抗率材料を含むフリー層で、約２０μΩｃｍ乃至約２００μΩｃｍの抵抗率を有する前記フリー層と、
固定磁化を有するピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとを備える、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項１５】
前記スペーサと反対側で前記ピン層表面に配置され、前記ピン層磁化を固定する反強磁性（ＡＦＭ）層と、
前記フリー層とトップリードとの間に挟持したキャップ層と、
前記ＡＦＭ層とボトムリードとの間に挟持したバッファ層で、前記トップリードと前記ボトムリードとの間を検出電流が流れる前記バッファ層とをさらに備える、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記フリー層の前記抵抗率は約１００μΩｃｍとした、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項１７】
前記高抵抗率材料はＣｏ１００−ｘＦｅｘで構成してあり、ここでＸは１０，１６，２５，３５，５０，６５，７５，１００の一つ値であり、該値が±２０％内の精度を有する、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項１８】
（ａ）磁気センサの側部の硬質材料と、（ｂ）前記磁気センサ頂部の積層バイアスのうちの少なくとも一方で出来た安定化器をさらに備える、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項１９】
前記スピンバルブはトップ型とボトム型とデュアル型のうちの一つであり、前記ピン層は（ａ）単層と、（ｂ）それらの層間にスペーサを有する多層のうちの一方とした、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項２０】
前記高抵抗率材料は少なくとも２％酸素ガスを有するアルゴンガス雰囲気内で成膜した前記ピン層を含む、請求項１４記載の磁気センサ。
【請求項２１】
記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有する磁気センサであって、
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、
固定磁化を有するピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサとを備え、
高抵抗率材料を、（ａ）約８０μΩｃｍを上回る抵抗率を有する前記ピン層と、（ｂ）約２０μΩｃｍを上回る抵抗率を有する前記フリー層のうちの少なくとも一方の所定位置に配置し、
前記高抵抗率材料を、少なくとも２％酸素ガスを有するアルゴンガス雰囲気内で前記ピン層と前記フリー層のうちの前記少なくとも一方の成膜を行うことで形成した、ことを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドの読み取り素子分野に関する。より詳しくは、本発明は高抵抗率材料を有するフリー層とピン層のいずれか又は両方を有する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、一つのヘッドに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ており、相互間に相互作用を一切伴うことなく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。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７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」（ＬＭＲ）と呼ばれる。
【０００４】
情報は誘導型書き込み素子９により記録媒体１へ書き込まれ、データは読み取り素子１１により記録媒体１から読み取られる。書き込み電流１７が誘導型書き込み素子９へ供給され、読み取り電流が読み取り素子１１へ供給される。
【０００５】
読み取り素子１１は、センサ磁化方向が一つの方向から他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センサである。読み取りセンサ１１には、読み取り電流１５が印加される。シールド１３が媒体から入来する不要な磁界を低減し、読み取り素子１１が目下読み取り中のビット３の一つに隣接ビットの不要磁束が干渉するのを阻止する。
【０００６】
前述の従来方式では、記録媒体１の面積密度は過去数年間に相当増加してきており、続く数年間に相当増加すると予想される。それに応じて、ビット密度とトラック密度は増加すると思われる。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高速度に読み取ることができねばならない。
【０００７】
これらの要件が故に、図１（ｂ）に示す如く別の従来の磁気記録方式が開発されてきた。この従来方式では、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体の平面と直角をなす。これは、「垂直磁気記録」（ＰＭＲ）としても公知である。この設計は、よりコンパクトで安定した記録データをもたらす。
【０００８】
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従来の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の間に配置してある。ピン層２５の他側には、反強磁性（ＡＦＭ）層２７が存在する。
【０００９】
図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置は逆転している。図２（ａ）〜（ｂ）に示した従来のスピンバルブの動作はほぼ同様であるが、以下にさらに詳しく説明する。
【００１０】
ピン層２５の磁化方向が固定されているのに対し、フリー層２１の磁化方向は例えば（限定はしないが）記録媒体１等の外部磁界の影響に応じて変化させることができる。
【００１１】
外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化は変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正であるときはフリー層の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負であるときはフリー層の磁化は下向きに回転させられる。さらに、印加する外部磁界がフリー層２１の磁化方向をピン層２５と同様に整列させるよう変化させた場合、そのときは層間抵抗は低く、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。
【００１２】
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場合、層間抵抗は高いものとなる。この高抵抗が生ずるのは、電子が層２１，２５間を移動するのがより困難であるからである。従来技術では、特にスピンバルブ寸法が低減するにつれ高抵抗を持たせる必要性がある。
【００１３】
外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が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起因するものである。従来技術では、ＡＦＭ層２７は通常ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎである。
【００１４】
高感度読み取り素子を有するには、層２１，２５が平行であるときと反平行であるときの抵抗変化ΔＲを高くしなければならない。ヘッド寸法が低下すると、読み取り素子の感度は益々重要となり、特に媒体磁束の大きさが減るときはそうである。かくして、従来のスピンバルブの層２１，２５間での高抵抗変化ΔＲに対する要求が存在する。
【００１５】
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）について上記したものとほぼ同じである。しかしながら、追加の層２９がフリー層２１の他側に配設してあり、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。デュアル型スピンバルブは、図２（ａ）〜（ｂ）を参照して前記したのと同じ原理に従って動作する。しかしながら、第２のピン層３１が供給する余分な信号が抵抗変化ΔＲを増大させる。
【００１６】
図６は、図１（ａ）に示した従来の水平磁気記録方式の場合の前述の原理を図解して示すものである。センサが記録媒体を横切って移動すると、隣接ビットに対しシールドされたビット間の境界における記録媒体の磁束がフリー層に対し磁束を供給し、それが従来のスピンバルブの原理に従って機能する。
【００１７】
従来のスピンバルブの動作を、ここでより詳しく説明する。記録媒体１内では、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、磁束は負となろう。他方で、ビットが共にその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定する。
【００１８】
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、上記した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から隔絶された第１の副層３５を含む。
【００１９】
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、ピン層の全モーメントは第１の副層３５と第２の副層３７との間の反強磁性結合のお陰で減少する。合成スピンバルブは零に近い全磁束をもったピン層を有し、かくして単層ピン層構造よりも大きな安定性と高いピンニング磁界を得ることができる。
【００２０】
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の不要磁束の検出を防止することは重要である。フリー層２１の上面には保護層４１が配設してあり、個別システム内での電気メッキによりトップシールド４３の成膜前にスピンバルブが酸化しないよう保護している。同様に、ＡＦＭ層２７の下面にはボトムシールド４５が配設してある。図４には図示していないバッファ層を、通常良好なスピンバルブ成長を目的にＡＦＭ層２７の前に成膜する。シールドシステムの効果は、前記した如く図６に図示してある。
【００２１】
図５（ａ）〜（ｄ）に示す如く、４種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の構造に基づき構造的に変化する。
【００２２】
図５（ａ）に示した従来のスピンバルブはスペーサ２３を導体として使用しており、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型スピンバルブ用の図１（ａ），（ｂ）に示した従来のＣＩＰ方式に用いられる。「ｉ」で表わされる検出電流の方向は、ＧＭＲ素子の平面内にある。
【００２３】
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、磁化方向が反対であるときに最大化される。前記した如く、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防止する。
【００２４】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極（βで表わす）の程度及びそれらの磁気モーメント間の角度に依存する。各層のスピン分極は、上向きと下向きのスピン状態を有する電子の数の差に依存する。
【００２５】
抵抗率（ρで表わす）は、抵抗に対する材料特性の貢献度であり、それはＲ＝ρＬ／Ａで表わされ、ここでＲは材料抵抗であり、Ｌは長さ、Ａは断面積である。従来のスピンバルブでは、固有抵抗率は（１−β２）で除して正規化抵抗率ρ＊を得ることができる。正規化抵抗率ρ＊はΔＲに比例し、かくして大きなβはより大きなΔＲに対応する。従来技術ではより大きなΔＲが望ましいため、従来技術には高い値のρを生ずる特性を有する材料に対する必要性が存在する。
【００２６】
従来のスピンバルブでは、フリー層とピン層はアルゴンガス雰囲気内での成膜によりＣｏＦｅで形成される。この材料の性質が故に、生成されるρの値はスピンバルブに低減寸法等の前述の寸法変化を生じた際に十分な品質のスピンバルブを生み出すほど十分大きなΔＲを生じない。例えば、限定はしないが、スピンバルブ内に成膜したＣｏＦｅの性質が故に、ピン及び／又はフリー層は従来技術の進歩に対応するに必要なスピンバルブの全膜厚を低減するほど十分薄く作成することは出来ない。かくして、改善された抵抗率をもたらすことのできる未対処の要求が存在する。
【００２７】
ここで、ＧＭＲ方式をさらに詳しく説明することにする。ビット遷移を示す磁束をフリー層２１が受け取ると、フリー層磁化は磁束の方向に従っ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。抵抗変化と読み取り素子の効率との間には、一つの関係が存在する。
【００２８】
ＧＭＲスピンバルブは、各種要件を有する。例えば、限定はしないが、高出力信号の生成には大抵抗変化ΔＲが必要である。さらに、小媒体磁界もまた検出できるよう、低保磁力が望ましい。高スピンニング磁界強度をもたせるために、ＡＦＭ構造は良好に規定される。層間結合が低いときは、検出層がピン層により悪影響を受けることはない。さらに、フリー層上の歪を最小化するには低磁気歪が望ましい。
【００２９】
しかしながら、前述の従来のＣＩＰ−ＧＭＲは様々な欠点を有する。それらのうちの一つは、フリー層に接続した電極は寸法を減らさねばならず、そのことが過熱を引き起こしてヘッドに害を及ぼすことになる点である。また、ＣＩＰ−ＧＭＲから得られる読み出し信号はＭＲヘッド幅に比例する。その結果、高記録密度ではＣＩＰ−ＧＭＲに対する限界が存在する。
【００３０】
その結果、従来の磁気記録方式は検出電流がスピンバルブ平面に垂直に流れるＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを使用している。その結果、寸法を低減し、熱的安定性を増大させることができる。ＣＰＰ方式で動作する様々な従来技術が図５（ｂ）〜（ｄ）に示してあり、以下により詳しく説明する。
【００３１】
図５（ｂ）は、ＣＰＰ方式用の従来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は絶縁体すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、電子はフリー層からピン層或いはその逆へスピン方向を失うことなく絶縁スペーサ２３を横断することができる。ＴＭＲスピンバルブは、約３０〜５０％台の増大したＭＲを有する。
【００３２】
図５（ｃ）は、従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブを示す。ＧＭＲの一般的な概念はＣＩＰ−ＧＭＲに関して前記したものと同様であるが、電流は平面沿いにではなく平面に垂直に転送される。その結果、抵抗及び固有ＭＲにおける差異はＣＩＰ−ＧＭＲよりも相当に大となる。
【００３３】
従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、大きな抵抗変化ΔＲと高周波応答性を有する適度の素子抵抗とに対する必要性が存在する。小媒体磁界が検出できるよう、低保磁力もまた必要である。スピンニング磁界は、高強度もまたもたねばならない。ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。
【００３４】
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、強磁性領域４７がピン層２５をフリー層２１に接続している。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成される磁性領域で散乱する電子のお陰で相当に高いＭＲが存在する。他の要因には、強磁性体のスピン分極とＢＭＲスピンバルブのナノコンタクトにおける磁区構造とが含まれる。
【００３５】
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、ナノコンタクトの形状と寸法の制御性と磁壁安定性をさらに開発されねばならない点でＢＭＲスピンバルブには従来技術の問題が存在する。加えて、ＢＭＲ技術の再現性を依然として高信頼性について示さねばならない。
【００３６】
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用の磁気を持ったナノサイズの接合を有する絶縁体である。従来のＴＭＲスペーサは概ねアルミナ等の絶縁金属で出来ているが、従来のＧＭＲスペーサは概ね銅等の導電性金属で出来ている。
【００３７】
図７（ａ），（ｂ）は、ＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブとＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの間の構造的差異を示す。図７（ａ）に示す如く、ＧＭＲスピンバルブの側面にはハードバイアス９９８が存在し、ＧＭＲの上面には電極９９９が存在する。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、検出電流が薄膜の膜厚方向にのみ流れることのできるスピンバルブの側面に絶縁体１０００が成膜してある。さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブにはギャップは一切不要である。
【００３８】
その結果、電流はそこを流れるずっと大きな面積を有し、シールドはまた電極としても機能する。それ故、過熱問題にはほぼ対処される。
【００３９】
さらに、スピンバルブの層のスピン分極は材料の電子構造に本質的に関係するものであり、高抵抗率材料が抵抗変化に増分を導くことができる。
【００４０】
従って、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造内の動作について必要な特性と膜厚を有する材料に対する未対処の要求が存在する。
【００４１】
従来のＣＰＰ−ＧＭＲ構造の能力に関する追加の要因を、以下に提示する。エム・ツォイ（Ｍ．Ｔｓｏｉ）等著、「Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８０，４２８１（１９９８年）、ジェイ・シー・スロンチェフスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）著、「Ｊ．  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、１９５，Ｌ２６１（１９９９年）、ジェイ・エイ・カチン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）等著、「Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８４，３１４９（２０００年）、エム・アール・プファール（Ｍ．Ｒ．Ｐｕｆａｌｌ）等著、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８３（２），３２３（２００３年）を含む様々な従来の研究が、磁化スイッチングに対する電子スピン分極の影響を実証してきており、その内容は本願明細書に参照用に取り込むものとする。
【００４２】
従来の研究では、固有特性とスピントランスファースイッチングとの間の相関が割り出されてきた。また、磁化スイッチングの動的応答が研究されてきた。結論としては、高周波（例えば、ＧＨｚ）における磁化の高速スイッチングに関与するヘッド（センサ）の能力が記録情報の高速読み取りにとって重要である（高データレート）。
【００４３】
記録媒体ビット寸法が減るにつれ、より薄いフリー層もまた必要になる。従来技術では、１平方インチにつき約１５０ＧＢの記録密度を有するセンサに対し３ｎｍ未満の膜厚を有するフリー層の必要性が目下存在する。将来、フリー層の膜厚を減らす必要性が継続するものと考えられる。記録ヘッド読み取り素子技術には、非常に高い周波数（すなわち、高いデータレート）で益々小型化したビットを検出する必要性もまた存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４４】
従来技術には、様々な問題と欠点が存在する。例えば、限定はしないが、高磁気歪に関連する従来のノイズ問題は前に説明した。前述の従来技術の問題の結果として、信号対ノイズ比は低減される。ピン層及び／又はフリー層材料の前述の限界の結果として、従来のスピンバルブは十分小さく作成することは出来ない。
【００４５】
従って、従来技術には、高磁気歪が招く従来技術の問題、例えばフリー層の磁気的異方性を分散させ、結果として出力信号対称性を低減するような問題を最小化する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
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や欠点の克服は必須要件ではなく、またあらゆる問題や欠点についてもそうである。
【００４７】
少なくともこの目的と他の目的とを達成するため、記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有する磁気センサであって、外部磁界に応答して調整可能な磁化を有するフリー層と、ピン層で、固定磁化を有し、該ピン層の少なくとも一部に高抵抗率材料を含み、約８０μΩｃｍ乃至約１５０μΩｃｍの抵抗率を有する前記ピン層と、ピン層とフリー層との間に挟持したスペーサとを備える磁気センサを提供する。
【００４８】
加えて、記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有する磁気センサであって、外部磁界に応答して調整可能な磁化を有するフリー層で、該フリー層の少なくとも一部に高抵抗率材料を含み、約２０μΩｃｍ乃至約２００μΩｃｍの抵抗率を有する前記フリー層と、固定磁化を有するピン層と、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサとを備える磁気センサを提供する。
【００４９】
さらに、記録媒体を読み取りかつスピンバルブを有する磁気センサであって、外部磁界に応答して調整可能な磁化を有するフリー層と、固定磁化を有するピン層と、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサとを備える磁気センサを提供する。この磁気センサにあっては、高抵抗率材料が（ａ）約８０μΩｃｍを上回る抵抗率を有するピン層と、（ｂ）約２０μΩｃｍを上回る抵抗率を有するフリー層のうちの少なくとも一方の一部に配置してあり、高抵抗率材料を少なくとも２％の酸素ガスを有するアルゴンガス雰囲気内でピン層とフリー層のうちの少なくとも一方の成膜を実行することで形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
本発明の上記及び他の目的ならびに利点は、添付図面を参照してその好適な例示的な実施形態を詳細に説明することでより明らかになり、ここで幾つかの図を通じて同様の符号は同様の或いは対応する部分を表わす。
【００５１】
ここで、添付図面を参照し、本発明の好適な実施形態の説明を提示する。本発明の例示的な非限定の実施形態では、高抵抗率を有する強磁性（ＦＭ）層材料を有する磁気抵抗ヘッド用の新規のスピンバルブが提供され、改善されたスピンバルブが得られる。この材料は、フリー層とピン層のいずれか又は両方に使用できる。本発明は、膜面垂直通電（ＣＰＰ）方式を用いる応用分野を指向するものである。
【００５２】
図１４は、本発明になるボトム型合成スピンバルブの一般構造を示す。しかしながら、前記した如く、トップ型或いはデュアル型スピンバルブをそれと置き換えることができる。加えて、ピン層は合成多層構造に代えて単層とすることができる。
【００５３】
本発明の第１の例示的な非限定の実施形態では、ピン層は高抵抗率材料を含む。フリー層１００はスペーサ１０１上に配置してあり、スペーサ１０１はフリー層１００とピン層１０２の間に挟持してある。スペーサはＣｕで出来ており、約２．４ｎｍの膜厚である。
【００５４】
ピン層構造１０２は合成してあり、スペーサ１０１の隣りのピン層１０３とピン層スペーサ１０４と強磁性副ピン層１０５とを含む。この詳細な説明中、用語「ピン層」は特に明記しない限りピン層１０３を指すものと理解されたい。
【００５５】
加えて、反強磁性（ＡＦＭ）層１０６が副ピン層１０５上に配置してある。キャップ層１０９とバッファ層１０７はそれぞれフリー層１００とＡＦＭ層１０６の外側に配置してあり、ＮｉＣｒで出来ており、それぞれ約５ｎｍの膜厚を有する。ＡＦＭ層１０６はＰｔＭｎやＩｒＭｎ等であり、約７ｎｍの膜厚を有する。副ピン層１０５はＣｏＦｅで出来ており、約２．５ｎｍの膜厚を有し、その一方でピン層１０４は約０．８ｎｍの膜厚を有し、Ｒｕで出来ている。
【００５６】
本発明の第１の例示的な非限定の実施形態では、フリー層１００はＣｏＦｅで出来ており、約３ｎｍの膜厚を有する。ピン層１０３は高抵抗材料で出来ており、約３ｎｍの膜厚を有する。この高抵抗材料はＣｏ１００−ｘＦｅｘを含み、ここでｘはＣｏに対するＦｅのおおよその相対濃度を表わす。より具体的には、ｘの値は１０，１６，２５，３５，５０，５６，７５±約１０％とすることができる。
【００５７】
前述のピン層材料は、高抵抗率材料の成膜期間中に約２％濃度内に現に内在する酸素ガスのお陰で増大した抵抗率を有する。形成されたピン層１０３の抵抗率は約８０〜１５０μΩｃｍであり、好ましくは約９０〜１００μΩｃｍの値を有する。
【００５８】
この構造は、ピン層１０３内の単層として或いは他の副層と組み合わせて形成することができる。さらに、この高抵抗率材料はピン層１０３の少なくとも一部に使用されるが、ピン層１０３全体にも使用することができる。
【００５９】
本発明の第２の例示的な非限定の実施形態では、ピン層１０３に関して説明した前述の材料を代わってフリー層１００にだけ使用できる。本実施形態では、ピン層１０３は従来技術の如くＣｏＦｅで出来ており、全ての層の膜厚は前述したものに保たれる。ＣｏＦｅ付きのピン層１０３は、従来技術について前記した如く、抵抗率の点でフリー層１００に対し同様の問題を抱えるものである。
【００６０】
従って、本発明の第３の例示的な非限定の実施形態では、ピン層１０３とフリー層１００は共に高抵抗率材料で出来ている。
【００６１】
前述の実施形態では、ｘの値はピン層１０３とフリー層１００の間で変えることができる。さらに、フリー層１００とピン層１０３は同じ値ｘを有する必要はなく、また同一の方法或いは位置で個別層の薄膜内に材料を成膜する必要もない。
【００６２】
前述の実施形態では、ピン層１０３と随意選択的には同様のフリー層１００の抵抗の増大は、ＣＰＰ方式内のスピンバルブの性能に強力な影響を有する。
【００６３】
対照的に、従来の形成のための成膜方法は純アルゴンガスを使用しており、その中にどんな酸素も使用していない。強磁性層（フリー層とピン層或いはその両方）の成膜期間中の約２％の量の酸素ガスの使用は、この種の工程をフリー層１００及び／又はピン層１０３に使用する場合に増大した抵抗率をもたらす。
【００６４】
高抵抗率材料用の前述のその場方式を本発明について考察したが、本発明はそれに限定はされず、当業者が知る他の方法を用いることもできる。例えば、限定はしないが、場所を変えた酸化方法や、ＣｕやＭｎやＣｒ等の金属を含む（ただし、限定はしない）強磁性層合金だけでなく他のその場酸化方法を用いることができる。
【００６５】
図８（ａ）は従来のＣｏＦｅピン層と本発明の第１の例示的な非限定の実施形態の二つの例示的変形例になるピン層１０３との間の各種パラメータのシミュレーションによる性能の比較を示す。図８〜図１０中のＡＰ１は、スペーサ１０１に近いピン層１０３を指す。第１変形例（第２の場合）は高抵抗率を有するよう最適化したピン層材料を用いており、第２変形例（第３の場合）は高抵抗率と低スピン分極を有するよう最適化したピン層を用いている。このシミュレーションでは、計算はシールド抵抗を除くスピンバルブの全ての層を考慮している。
【００６６】
いずれの場合も、フリー層１００の抵抗とβはほぼ不変のままである。しかしながら、ピン層１０３の抵抗率は両変形例において従来のピン層につき約５倍改善している。さらに、第２の変形例ではスピン分極はピン層１０３内で約２０％だけ実質低減される。
【００６７】
様々な性能パラメータの比較が、従来のスピンバルブ構造に比べ本発明の両変形例においてＡＲとＭＲが相当に増えたことを示している。さらに、ＡΔＲの値は従来のスピンバルブと本発明の第１実施形態の両変形例との間で相当に増大している。従って、高抵抗材料をスピンバルブのピン層１０３に付加することで性能の相当の改善が得られる。
【００６８】
抵抗変化ΔＲはスピン分極βに比例するため、第２変形例（第３の場合）の低減スピン分極は第１変形例（第２の場合）に比べ性能において若干より小さな改善をもたらす。
【００６９】
図８（ｂ）は、前述の結果を図解的に示す。ＡΔＲの値、すなわちΔＲを乗算したフリー層１００の表面積は臨界抵抗率値まで急激な変化率で増大するように見え、続いてより緩勾配の変化率でもって増大し続ける。磁気抵抗に関しては、固有ＭＲ及び被測定ＭＲの最大値は臨界抵抗率にて見出される。固有抵抗率は副ピン層１０５を含むため、固有ＭＲはＡＦＭ１０７とバッファ層１０８とキャップ層１０９もまた含む被測定ＭＲを上回る高い値を有する。
【００７０】
この場合、臨界抵抗率は約１００μΩｃｍである。さらに、ＡＲについては、固有値と測定値は抵抗率に対しほぼ線形の態様で増大するように見える。
【００７１】
前述の実施形態では、抵抗率が臨界値未満であるときは、ＡΔＲの変化率は薄膜抵抗のそれよりも高い。
【００７２】
上記したピン層材料とフリー層材料の製造において前述の増大した抵抗率を得るには、アルゴンを混合した非常に低圧の酸素ガス（約２％）を用いる。この組み合わせは、ピン層１０３と随意選択的にはフリー層１００の金属薄膜の抵抗率に影響を及ぼす。
【００７３】
前記した如く、前述した高抵抗率材料は単独で或いは高抵抗率材料を有するピン層１０３と組み合わせてフリー層１００内に使用することもできる。
【００７４】
図９は、従来の構造とは対照的に高抵抗率材料を用いた場合のシミュレーションの結果を示す。第１変形例（本発明の第２実施形態）では、高抵抗率材料はフリー層１００内でのみ使用し、第２変形例（本発明の第３実施形態）では、この材料をフリー層１００とピン層１０３の両方に使用する。
【００７５】
図８（ａ）の場合と同様、高抵抗率材料を個別層に用いたときに抵抗率は約５倍に増える。ＭＲとＡΔＲとＡＲとを比較するに、フリー層１００内の高抵抗率材料を用いる第１変形例だけが従来の構造に関する全領域での適度の改善を経験する。しかしながら、第２変形例では、全ての値において相当により大きな増大が生ずる。例えば、限定はしないが、固有ＡＲは従来の構造に対しほぼ２倍であり、ＡΔＲのほぼ６倍が測定される。さらに、固有ＭＲは１４．２から３８．１へ増加し、被測定ＭＲはほぼ５倍へ増える。
【００７６】
前述の結果は、本発明になるスピンバルブの性能がフリー層１００とピン層１０３の両方に高抵抗率材料を用いたときに相当に改善されることを示している。
【００７７】
図１０は、高抵抗率材料をもったフリー層１００と高抵抗率を備えるピン層１０３に関する本発明の例示的な非限定の実施形態の性能を示す。ピン層１０３の抵抗率の３箇所の変化が、ＡΔＲとＭＲと対照してフリー層抵抗率のグラフ上にプロットしてある。
【００７８】
フリー層の抵抗率が増大するにつれ、ＡΔＲとＭＲの値もまた増大する。ピン層抵抗率が増大すると、ＡΔＲとＭＲの値はさらにもっと増大する。かくして、本発明によるフリー及び／又はピン層１００，１０３のいずれか或いは両方の抵抗率の増大は、少なくともＡΔＲとＭＲの点でスピンバルブの改善された性能をもたらす。
【００７９】
この膜厚は強磁性層の抵抗率を決める重要な要因ともなる。図１１は成膜工程への酸素ガスの導入によりシート抵抗の関数として酸化される薄膜の膜厚間の関係を示す。薄膜の膜厚はオングストロームで測定し、ピン層１０３とフリー層１００の間のスペーサ１０１に対向するピン層１０３の頂部上の薄膜として形成してある。
【００８０】
図１１に示す如く、酸化薄膜の膜厚が増えるにつれてシートの抵抗率は増大する。より具体的には、残りのピン層の抵抗率における５倍の増加に対しシート抵抗率の増加が約２０％であることにも留意されたい。かくして、ピン層１０３上の酸化薄膜の膜厚とピン層の抵抗率全体との間の関係は重要である。同様の結果が、フリー層１００のシミュレーションについても起きよう。
【００８１】
第１実施形態に関する形成方式のシミュレーションでは、ピン層１０３は従来の基準値よりも約７倍は大きな抵抗率を経験した。さらに、磁気モーメントは２０％未満だけ低下する。しかしながら、磁気モーメントにおけるこの減少はピン及び／又はフリー層１０３，１００の膜厚を増やすことでオフセットさせることができる。
【００８２】
加えて、シート抵抗は若干の増加を経験する。６０オングストロームの膜厚を有するピン層１０３では、抵抗は約２３％増加しており、それはシミュレーションにより確認された予期せぬ結果である。
【００８３】
図１２（ａ），（ｂ）は、酸化薄膜の抵抗の評価方法を示す。この測定は、外部磁界の存在下と印加外部磁界無しの両方で果たすことができる。この方法は４点法として公知であり、その幾何構造を以下により詳しく説明する。
【００８４】
図１２（ａ）は側面図を示し、図１２（ｂ）は４個の測定点の上面図を示す。電流と電圧は、隣接コンタクトにおいて正と負の両方について測定する。内部コンタクトは互いに２６０ミクロン離れており、外部コンタクトは互いに７６０ミクロン離れている。
【００８５】
前述の測定方式では、薄膜に対し一定の電流を印加し、電圧を計測することで抵抗を割り出すことができる。印加磁界に対する抵抗が、そこで得られる。これらのシミュレーションでは、薄膜に対し２５ｍＡの電流を印加した。
【００８６】
図１３は、強磁性層と薄膜の磁気特性に対する本発明の例示的な非限定の実施形態になる酸化の影響を示す。Ｃｏ５０Ｆｅ５０とＣｏ９０Ｆｅ１０について、その効果を測定した。印加磁界の関数としての磁化が、グラフ化してある。
【００８７】
Ｃｏ９０Ｆｅ１０については、酸化層と非酸化層との比較時にその磁気モーメントの約７％の減少が存在する。さらに、Ｃｏ５０Ｆｅ５０では、酸化層と非酸化層の間に磁気モーメントの約１６％の減少が存在する。しかしながら、Ｃｏ９０Ｆｅ１０の場合には保磁力がほぼ等間隔で増大することに留意されたい。
【００８８】
本発明材料を有するフリー層１００とピン層１０３の両方を用いる実施形態だけでなく、本発明材料を用いるフリー層にも同様にこれらの成果が適用されると考えられる。
【００８９】
本発明の前述の例示的な非限定の実施形態の全て対し、追加の変形を施すこともできる。例えば、限定はしないが、ピン層は従来技術について記載した如く合成層又は単層のいずれともすることができる。また、前述の構造は、当業者に理解される如くトップ型或いは複式型のスピンバルブとすることもできる。
【００９０】
加えて、絶縁体と、積層とセンサの両側及び／又は頂部のハードバイアスの一方とを有する安定化方式を用いることができる。
【００９１】
さらに、従来技術について前記したもの（ただし、限定はしない）を含め、フリー層やピン層やそれらの各種例示的な非限定の実施形態以外の層の任意の公知の組成を用いることができる。例えば、限定はしないが、合成ピン層或いは単層ピン層を用いることができる。これらの他の層の組成は当業者には良く知られているため、簡便さに配慮してここでは本発明の詳細な説明にて反復はしない。
【００９２】
本発明は、様々な利点を有する。例えば、限定はしないが、磁気抵抗ヘッド内に比較的高い抵抗が得られる。その結果、スピンバルブの性能は少なくともＭＲやＡＲやＡΔＲにより測定される如く相当に改善される。前述の構造をピン層にも適用した場合、ピンニング磁界の強度は相当に改善される。
【００９３】
本発明は、特定の前記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】
【００９４】
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磁気ランダムアクセスメモリやマルチメディアシステムや携帯通信装置や関連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、当業者が検討することのできる他の任意の用途に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】（ａ）と（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技術の磁気記録方式を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は従来技術のボトムスピンバルブとトップスピンバルブとデュアルスピンバルブを示す図である。
【図３】従来技術の合成スピンバルブを示す図である。
【図４】遮蔽構造を有する従来技術の合成スピンバルブを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は従来技術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】従来技術のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来技術のＣＩＰ−ＧＭＲ構造とＣＰＰ−ＧＭＲ構造を示す図である。
【図８（ａ）】新規ピン層を含む本発明の例示的な非限定の実施形態の使用に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図８（ｂ）】新規ピン層を含む本発明の例示的な非限定の実施形態の使用に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図９】新規のピン層とフリー層とを含む本発明の別の例示的な非限定の実施形態の使用に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の様々な抵抗率に関する性能比較を示す図である。
【図１１】本発明の様々な実施形態のシミュレーションに関する膜厚の関数としてのスピンバルブ抵抗を示す図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は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抵抗評価構造を示す図である。
【図１３】本発明の各種例示的な非限定の実施形態に関する磁気特性の変化結果を示す図である。
【図１４】本発明の例示的な非限定の実施形態の構造描写を示す図である。
【図１】
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【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）】
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【図８（ｂ）】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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