(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性フリー層が最外層となるように前記強磁性フリー層を含む複数の層が積層されてなる磁気抵抗効果膜と、
前記強磁性フリー層の表面と接するように設けられた分離層と、
前記分離層における前記磁気抵抗効果膜と反対側の面と接するように設けられ、かつ、前記磁気抵抗効果膜の積層面と平行な面内に含まれる第１の方向に磁化された縦バイアス層と、
この縦バイアス層における前記分離層と反対側の面と接合されるスティッチト構造と
を備え、
前記分離層および縦バイアス層は、前記磁気抵抗効果膜の積層面と平行な平行断面において前記磁気抵抗効果膜と同等の第１の面積を有し、
前記スティッチト構造は、前記縦バイアス層のピンニングを行う３層構造のシンセティックピンニング層と、第１の反強磁性ピンニング層と、導電リード層とを前記縦バイアス層の側から順に有し、かつ、前記平行断面において前記第１の面積よりも大きな第２の面積を有する
ことを特徴とするＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果膜は、シード層と、第２の反強磁性ピンニング層と、シンセティック反強磁性ピンド層と、非磁性スペーサ層と、強磁性フリー層とが順に積層されたものであり、
前記シンセティック反強磁性ピンド層が、
前記磁気抵抗効果膜の積層面と平行な面内に含まれ、かつ、前記第１の方向と直交する第２の方向において、互いに逆平行をなすように磁化された第１ピンド層および第２ピンド層と、
これら第１ピンド層と第２ピンド層との間に設けられた非磁性中間層と
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１ピンド層は、
０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層されたものである
ことを特徴とする請求項２に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第２ピンド層は、
０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）層と、０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層とが交互に繰り返し積層されたものである
ことを特徴とする請求項２に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記分離層は、
０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第１の銅（Ｃｕ）層と、
０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と、
０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第２の銅（Ｃｕ）層と
を有する３層構造をなし、非磁性を示すものである
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記縦バイアス層は、０．４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みを有する鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）層である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記強磁性フリー層は、
０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層されたものである
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記３層構造のシンセティックピンニング層は、前記縦バイアス層の側から順に、第１強磁性層と結合層と第２強磁性層とが積層されたものであり、
前記第１強磁性層は前記縦バイアス層と同じ向きに磁化されており、前記第２強磁性層は前記縦バイアス層と逆向きに磁化されている
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
さらに、前記第１強磁性層、第２強磁性層、縦バイアス層が全てコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）により構成され、かつ、下記の条件式（１）および条件式（２）を共に満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）＜ｔ（ＦＭ２）  ……（１）
［ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）］／ｔ（ＦＭ２）＝７／９  ……（２）
ただし、
ｔ（ＬＢＬ）：縦バイアス層の磁気膜厚
ｔ（ＦＭ１）：第１強磁性層の磁気膜厚
ｔ（ＦＭ２）：第２強磁性層の磁気膜厚
【請求項１０】
前記第１強磁性層は０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するＦｅ50Ｃｏ50層であり、
前記第２強磁性層は６．０ｎｍ以上９．０ｎｍ以下の厚みを有するＣｏ90Ｆｅ10層と、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するＦｅ50Ｃｏ50層とが積層された２層構造であり、
前記結合層は０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム（Ｒｕ）層である
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
基体上にシンセティック反強磁性ピンド層および強磁性フリー層を含む複数の層を積層することにより、最上層として前記強磁性フリー層を有する多層膜を形成する工程と、
前記多層膜の上に分離層を形成する工程と、
前記分離層の上に縦バイアス層を形成する工程と、
前記縦バイアス層の上にキャップ層を形成する工程と、
前記シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を、前記多層膜の積層面と平行な面内に含まれる第２の方向となるように設定する第１のアニール工程と、
前記強磁性フリー層の磁化方向を設定する第２のアニール工程と、
前記多層膜、分離層、縦バイアス層およびキャップ層の全体を所定形状にパターニングすることにより、磁気抵抗効果膜を含む多層膜パターンを形成する工程と、
前記多層膜パターンにおけるキャップ層の全て、および縦バイアス層の厚み方向の一部分を除去することにより最上面に前記縦バイアス層が配置された積層体を形成したのち、３層構造のシンセティックピンニング層を前記縦バイアス層と接合するように形成する工程と、
前記シンセティックピンニング層の上に第１の反強磁性ピンニング層を形成する工程と、
前記第１の反強磁性ピンニング層の上に導電リード層を形成する工程と、
前記シンセティックピンニング層の磁化方向を、前記積層体の積層面内において前記第２の方向と直交する第１の方向に設定する第３のアニール工程と
を含み、
前記積層体の積層面と平行な平行断面において前記積層体よりも大きな面積を有するように前記シンセティックピンニング層を前記縦バイアス層と接合するように形成する
ことを特徴とするＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１２】
前記多層膜を形成する工程は、
シード層を形成する工程と、
第２の反強磁性ピンニング層を形成する工程と、
前記第２の方向において互いに逆平行をなすように磁化された第１ピンド層および第２ピンド層と、これら第１ピンド層と第２ピンド層とを分離する非磁性中間層とを有するシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
非磁性スペーサ層を形成する工程と、
強磁性フリー層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項１１に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１３】
０．７以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とを交互に繰り返し積層することにより前記第１ピンド層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１４】
０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）層と、
０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層とを交互に繰り返し積層することにより前記第２ピンド層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１５】
０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第１の銅（Ｃｕ）層と、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層と、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第２の銅（Ｃｕ）層とを順に積層することにより、３層構造をなす前記分離層を形成する
ことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１６】
鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）を用いて０．４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなすように前記縦バイアス層を形成する
ことを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１７】
前記第１のアニール工程では、２８０℃の温度下で５時間に亘って１０ｋＯｅ（１０7／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を前記第２の方向に付与することにより前記シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定する
ことを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１８】
前記第２のアニール工程では、２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を前記第１の方向に付与することにより前記強磁性フリー層の磁化方向を設定する
ことを特徴とする請求項１１から請求項１７のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１９】
０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とを交互に繰り返し積層することにより前記強磁性フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１１から請求項１８のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２０】
前記３層構造のシンセティックピンニング層を形成する工程は、
前記多層膜パターンを取り囲むように絶縁層を形成する工程と、
前記キャップ層の全部および前記縦バイアス層の厚み方向の一部分と共に、それらを取り囲む絶縁層の一部をも除去することにより、前記積層体の積層面と平行な平行断面において前記積層体よりも大きな面積を有する凹部を形成する工程と、
前記凹部の底面に露出した前記縦バイアス層の上に、第１強磁性層と結合層と第２強磁性層とを順に積層する工程と
を含むことを特徴とする請求項１１から請求項１８のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２１】
前記第３のアニール工程では、２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を前記第１の方向に印加することにより、
前記縦バイアス層の磁化方向と同じ向きをなすと共に前記第２強磁性層の磁化方向と逆向きをなすように前記第１強磁性層の磁化方向を設定する
ことを特徴とする請求項１１から請求項２０のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２２】
さらに、コバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）を用いて、下記の条件式（１）および条件式（２）を共に満足するように前記第１強磁性層、第２強磁性層、縦バイアス層を構成する
ことを特徴とする請求項１１から請求項２１のいずれか１項に記載のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の形成方法。
ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）＜ｔ（ＦＭ２）  ……（１）
［ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）］／ｔ（ＦＭ２）＝７／９  ……（２）
ただし、
ｔ（ＬＢＬ）：縦バイアス層の磁気膜厚
ｔ（ＦＭ１）：第１強磁性層の磁気膜厚
ｔ（ＦＭ２）：第２強磁性層の磁気膜厚
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果を示すＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般的に使用されている磁気再生ヘッドは、磁界の存在中における磁性材料の抵抗変化（すなわち磁気抵抗効果［Magneto-resistance］による電気抵抗の変化）を利用することにより、その動作を制御するものである。なかでも高記録密度化した磁気記録媒体の読出を行う場合には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnero-Resistance）を示すスピンバルブ（Spin Valve；ＳＶ）型の磁気抵抗効果素子（以下、ＳＶ−ＧＭＲ素子という。）を備えた磁気再生ヘッド（以下、ＧＭＲヘッドという。）が好適である。この巨大磁気抵抗効果とは、磁化された固体中を電子が通過する際に、その電子のスピン方向によって規定される磁化ベクトルと周囲の磁化方向との関係により、抵抗変化量が変動する現象である。
【０００３】
ＳＶ−ＧＭＲ素子の主要部は、磁性層および非磁性層を含む複数層からなる積層構造をなしている。この積層構造は、外部からの磁気的な刺激に磁気モーメントが反応するように機能するフリー層（磁化自由層）と、磁気モーメントの方向が固定されたピンド層（被固定層）と、これらを分離する非磁性スペーサ層とを有している。
【０００４】
このようなＳＶ−ＧＭＲ素子では、磁気記録媒体からの外部磁界が印加されると、その外部磁界の方向に応じてフリー層の磁化方向が変化することとなる。ピンド層の磁化方向がフリー層の磁化方向と平行であるときには、電子は散乱されることなくピンド層およびフリー層を通過することができる。この場合、ＳＶ−ＧＭＲ素子は低抵抗状態にある。これに対し、ピンド層およびフリー層の各磁化方向が互いに逆平行をなすときには、電子が一方の層から他方の層へ移動する際に散乱を受けることとなる。すなわち、ＳＶ−ＧＭＲ素子は高抵抗状態となる。このように、フリー層の磁気モーメントの挙動（motion）は、ピンド層の磁気モーメントと関連しており、積層構造にセンシング電流を流すことによって電圧変動として検出されるようなっている。
【０００５】
特に、シンセティック（Synthetic；Ｓｙ）型のＳＶ−ＧＭＲ素子では、ピンド層が、互いに反対方向に磁化された２つの強磁性層と、それらの間に設けられて逆平行状態を保持するように機能する非磁性層とを有している。ピンド層において２つの強磁性層が適切な材料によって構成されると共に互いの間隔を適切に保つことによって、互いの磁気モーメント同士の交換結合が生じることとなる。それらの磁気モーメントは、エネルギー的な選択により逆平行（anti-parallel）状態となる。このような３層構造のピンド層は、特にシンセティック反強磁性ピンド（Synthetic  Antiferromagnetic pinned layer：ＳｙＡＰ)層と呼ばれる。このようなＳｙＡＰ層は、一般的に、適当な反強磁性材料からなるピンニング層の上に形成される。このピンニング層は、磁気モーメントが安定した配置となるように全体の構造を維持する働きをするものである。
【０００６】
シンセティック型ＳＶ−ＧＭＲ素子には、現在、２種類の基本構造がある。一方はＣＰＰ（current-perpendicular-to-the-plane）構造であり、他方はＣＩＰ（current-in-the-plane）構造である。両者は、積層構造を通過するセンシング電流の経路が互いに異なっている。すなわち、センシング電流は、ＣＰＰ構造においては積層面と直交する方向に、例えば上部から下部へ向かうように積層構造を通過し、一方のＣＩＰ構造においては、積層面内方向に積層構造を通過する。
【０００７】
ＳＶ−ＧＭＲ素子の性能向上に関し、フリー層の安定化が１つの課題となっている。一般的に、フリー層の磁化状態は、多数の領域（磁区）に分割されたものとなっている。このような磁区構造は、固定されるものではなく、熱運動や外部磁界の影響により時間の経過と共にランダムに変動する。磁区構造が変動することにより、いわゆるバルクハウゼンノイズが信号に混在することとなる。したがって、フリー層の単磁区状態を維持することが望まれる。単磁区状態であれば、熱運動や外部磁界の影響を極めて受けにくいからである。フリー層は縦方向（積層面に含まれ、かつ、記録媒体対向面（ＡＢＳ）にも含まれる方向）に磁化されている。その一方で、ピンド層はＡＢＳと直交する横方向に磁化されている。フリー層の磁化の安定化は、縦バイアス層（longitudinal bias layer；ＬＢＬ）によって達成される。ＣＩＰ構造では、縦バイアス層は対をなしており、積層構造の両側に配置されている。この一対の縦バイアス層は、ハードバイアスと呼ばれる永久磁石からなり、フリー層の端部と磁気的に結合し、単磁区構造を形成する。ＣＩＰ構造ではセンシング電流が積層面内方向に横断するので、一般的に導体からなる一対の縦バイアス層はセンサ部分の働き、作用を妨げることはない。しかしながら、記録トラック幅に対応するセンサ部分（積層構造）の幅が狭小化するにつれて、センサ部分の両隣に配置された縦バイアス層の作用が外部磁界に応じたフリー層の磁気モーメントの自由な動きを阻害するようになることが明らかとなっている。このような理由から、代替となる縦バイアス方式が開発されてきた。
【０００８】
一方、ＣＰＰ構造においては、導電性を有する永久磁石（縦バイアス層）を積層構造の両側に配置することによって、新たな問題が発生する。なぜなら、これらの永久磁石は、積層構造を迂回するようなセンシング電流の経路を与えることとなるからである。この問題は、バイアス層とセンサ（積層構造）との間に絶縁層を設けることにより改善されるが、このような解決方法では、素子を製造する上での煩雑さを増大させてしまう。したがって、その代案として、バイアス層がフリー層上に設けられたバイアス構造（イン・スタック安定化構造と呼ばれる）が採用されている。この構造では全ての層が同一の水平断面を有していることから、全体を自己整合的に形成することができる。よって、製造工程は比較的単純化される。積層構造内にバイアス構造を設ける手法については、Smith等によって極めて詳細に説明されている（特許文献１参照）。Smith等は、フリー層上に設けられると共に交換結合（ＲＫＫＹ結合）によって非磁性層を介して反強磁性的にフリー層と結合した強磁性補助層と、この強磁性補助層のピン方向を決定する交換ピンニング補助層とを備えた構造を開示している。
【特許文献１】米国特許第６４７３２７９号明細書
【０００９】
また、上記のようなＣＰＰ構造に関連する従来技術を検索したところ、以下のものが見つかった。
【００１０】
例えば、Mao等は、フリー層上に、スペーサ層と、反強磁性材料からなるバイアス層とが順に形成されたＣＰＰスピンバルブ構造を開示している（特許文献２参照）。ここでは、フリー層によってサイドリーディングを防止するために、全体構成を端面に沿って絶縁層によって覆い、さらにその上に凹部を有するシールド層によって覆うようにしている。      
【特許文献２】米国特許第６４６６４１９号明細書
【００１１】
Nishiyamaは、側面が垂直方向に対して２種類の角度をなすように傾斜した積層構造を有するＣＰＰ構造の製造方法を開示している（特許文献３参照）。このような構造とすることにより、上部および下部電極と積層構造との短絡を抑制している。さらに、このＣＰＰ構造では、強磁性フリー層が、非磁性層を介して設けられた他の付加的な強磁性層と交換結合している。
【特許文献３】米国特許出願公開２００３／００５３２６９号明細書
【００１２】
Hasegawaは、２つのデュアルスピンバルブセンサを備えたＣＰＰ構造を開示している。各デュアルスピンバルブセンサは、上部シンセティックピンド層と下部シンセティックピンド層との間に設けられたフリー層を有している（特許文献４参照）。ハードマグネティック層は、インスタックバイアス層として、２つのデュアルスピンバルブセンサの間に挟まれるように形成されている。
【特許文献４】米国特許出願公開２００３／０１４３４３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、最近では、縦バイアス層の磁化方向をピンニングするための反強磁性層における電流特性の拡大（broadening）を目的として、「スティッチト（stitched）構造」と呼ばれる代替の積層構造が開発されている。図７に、スティッチト構造ではない、従来のボトムスピンバルブ型ＣＰＰ構造１０１における記録媒体対向面（ＡＢＳ）から眺めた積層断面を示す。このＣＰＰ構造１０１は、水平断面においては均質な構成となっており、一般的に「ピラー構造」と呼ばれるものである。このＣＰＰ構造１０１は、下から、シード層１１０、第１の反強磁性ピンニング層１２０、ＳｙＡＰ層１３０、非磁性スペーサ層１４０、強磁性のフリー層１５０、非磁性結合層１６０、強磁性の第１の縦バイアス層１６５、第２の反強磁性ピンニング層１７０とが順に積層されたものである。
【００１４】
ＳｙＡＰ層１３０は、第２の磁化方向ＡＰ２を示す第２ピンド層１３２と、非磁性中間層１３４と、第１の磁化方向ＡＰ１を示す第１の強磁性ピンド層１３６とが反強磁性ピンニング層１２０の側から順に積層された３層構造となっている。第２の磁化方向ＡＰ２と第１の磁化方向ＡＰ１とは、図７に矢印で示したように、ＡＢＳと直交する方向（紙面と直交する方向）に沿って互いに逆平行となっている。また、非磁性スペーサ層１４０は、ＳｙＡＰ層１３０とフリー層１５０とを隔てるものである。また、非磁性結合層１６０は、フリー層１５０と第１の縦バイアス層１６５との磁気的な分離を行うものである。この非磁性結合層１６０の機能により、フリー層１５０と第１の縦バイアス層１６５との交換結合が回避され、電子スピンが調和するので、第１の縦バイアス層１６５に起因するＧＭＲ特性への悪影響を抑制することができる。また、フリー層１５０および第１の縦バイアス層１６５の各磁化方向は、外部磁界が付与されない初期状態において、縦方向に沿って互いに逆平行となるように設定される。第１の縦バイアス層１６５の磁化方向は、第２の反強磁性ピンニング層１７０によってピンニングされる。フリー層１５０の十分な安定化を図るには、第１の縦バイアス層１６５における、磁気モーメントと物理的な実際の膜厚との積で定義される磁気膜厚（magnetic thickness）が、フリー層１５０の少なくとも１．５倍から２倍程度必要であることがシミュレーション分析によってわかっている。
【００１５】
ここで、図８に、従来のスティッチド構造を有するスピンバルブ型のＣＰＰ構造２０１における積層断面を示す。このＣＰＰ構造２０１は、図７に示したシード層１１０から第１の縦バイアス層１６５までの積層構造と全く同一の構成である積層体Ｓ１０１と、その上に積層された、より広い水平断面の面積を有するスティッチト構造Ｓ１０２とを有している。スティッチト構造Ｓ１０２は、第２の縦バイアス層１７１および第２の反強磁性ピンニング層１８０を有している。スティッチト構造Ｓ１０２は、第１の縦バイアス層１６５と接合される（stitched）と共に、積層体Ｓ１０１と対応する領域を十分に覆うように十分に延在している。第２の縦バイアス層１７１はフリー層１５０と結合すると共に、第２の反強磁性ピンニング層１８０によって磁化方向がピンニングされている。第２の反強磁性ピンニング層１８０の延在する領域は、水平方向における、より広い電流分布（より幅方向に均一な電流プロファイル）を持たせたり、より均一な電流が積層構造の残りの部分に流れる余裕を持たせることとなる。したがって、より大きなセンシング電流が通過するようになるので、抵抗変化率が向上する。さらに、このＣＰＰ構造２０１では、第２の縦バイアス層１７１の交換結合も改善される。図７のＣＰＰ構造（ピラー構造）１０１では、第１の縦バイアス層１６５とフリー層１５０との結合は、フェリ磁性とフェロ磁性との結合となっている。これに対し、図８のスティッチド構造Ｓ１０２を有するＣＰＰ構造２０１では、２つの強磁性層（第１の縦バイアス層１６５および第２の縦バイアス層１７１）同士がネック領域（互いの境界面近傍の領域）において強磁性結合することとなる。このようなスティッチト構造によれば、電流プロファイルの改善により磁気センサとしての特性が向上する。しかしながら、その一方で、フリー層１５０の安定性が相対的に劣化することとなった。このことは、外部磁界に応じて変化する強磁性フリー層の磁気モーメントの回転を示す磁化変換曲線に表れている。
【００１６】
図９は、スティッチト構造を有するＣＰＰ構造における強磁性フリー層の磁化変換曲線のシミュレーション結果を示したものである。ここでは、２種類の交換バイアス磁界における磁化変換曲線を示す。図９において、横軸は任意の値を基準として規格化した磁界Ｈを表し、縦軸は強磁性フリー層における磁化方向の回転角（°）を表す。図９に示したように、フリー層と縦バイアス層との間の交換磁界は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなるフリー層が３ｎｍの膜厚を有し、ＣｏＦｅからなる縦バイアス層が４．５ｎｍ〜６．０ｎｍの膜厚を有する場合にほぼ一定に得られる。実線が、６５０Ｏｅ（＝６．５×１０5／（４π）Ａ／ｍ）の交換バイアス磁界での挙動を示しており、縦バイアス層がフリー層の１．５倍の磁気膜厚を有している場合に相当する。破線が、５００Ｏｅ（＝５．０×１０5／（４π）Ａ／ｍ）の交換バイアス磁界での挙動を示しており、縦バイアス層がフリー層の２．０倍の磁気膜厚を有している場合に相当する。
【００１７】
ところで、フリー層が安定化するには、既に述べたように単磁区構造をなしていることが重要である。しかしながら、図９に示した磁化変換曲線には、いずれもヒステリシスが表れている。すなわち、フリー層の単磁区化が十分になされていない。このようなヒステリシスの発現を抑制するには、縦バイアス層の磁気膜厚がフリー層の１．５倍の場合には少なくとも８００Ｏｅ（＝８．０×１０5／（４π）Ａ／ｍ）の縦バイアス磁界が必要となり、２倍の場合には１１００Ｏｅ（＝１１．０×１０5／（４π）Ａ／ｍ）の縦バイアス磁界が必要となる。このため、フリー層に対して、より効果的に交換バイアス磁界を付与することのできるバイアス構造が望まれる。
【００１８】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、十分に安定した信号検出動作を示すＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子およびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子は、強磁性フリー層が最外層となるように強磁性フリー層を含む複数の層が積層されてなる磁気抵抗効果膜と、強磁性フリー層の表面と接するように設けられた分離層と、この分離層における磁気抵抗効果膜と反対側の面と接するように設けられ、かつ、磁気抵抗効果膜の積層面と平行な面内に含まれる第１の方向に磁化された縦バイアス層と、この縦バイアス層における分離層と反対側の面と接合されるスティッチト構造とを備えるようにしたものである。ここで、分離層および縦バイアス層は、磁気抵抗効果膜の積層面と平行な平行断面において磁気抵抗効果膜と同等の第１の面積を有する。スティッチト構造は、縦バイアス層のピンニングを行う３層構造のシンセティックピンニング層と、第１の反強磁性ピンニング層と、導電リード層とを縦バイアス層の側から順に有し、かつ、平行断面において第１の面積よりも大きな第２の面積を有する。磁気抵抗効果膜とは、例えばシンセティックスピンバルブ構造や磁気トンネル接合構造をなすものである。さらに、ここでいう第１の方向とは、例えば、磁気ディスク装置の薄膜磁気ヘッドに用いられた場合に、読出対象とする磁気記録媒体の記録トラックの幅方向に対応することとなる方向である。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法は、以下の（Ａ）〜（Ｋ）の各工程を含むようにしたものである。
（Ａ）基体上にシンセティック反強磁性ピンド層および強磁性フリー層を含む複数の層を積層することにより、最上層として強磁性フリー層を有する多層膜を形成する工程。
（Ｂ）多層膜の上に分離層を形成する工程。
（Ｃ）分離層の上に縦バイアス層を形成する工程。
（Ｄ）縦バイアス層の上にキャップ層を形成する工程。
（Ｅ）シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を、多層膜の積層面と平行な面内に含まれる第２の方向となるように設定する第１のアニール工程。
（Ｆ）強磁性フリー層の磁化方向を設定する第２のアニール工程。
（Ｇ）多層膜、分離層、縦バイアス層およびキャップ層の全体を所定形状にパターニングすることにより、磁気抵抗効果膜を含む多層膜パターンを形成する工程。
（Ｈ）多層膜パターンにおけるキャップ層の全て、および縦バイアス層の厚み方向の一部分を除去することにより最上面に縦バイアス層が配置された積層体を形成したのち、３層構造のシンセティックピンニング層を縦バイアス層と接合するように形成する工程。
（Ｉ）シンセティックピンニング層の上に第１の反強磁性ピンニング層を形成する工程。（Ｊ）第１の反強磁性ピンニング層の上に導電リード層を形成する工程。
（Ｋ）シンセティックピンニング層の磁化方向を、積層体の積層面内において第２の方向と直交する第１の方向に設定する第３のアニール工程。
ここで、シンセティックピンニング層を、積層体の積層面と平行な平行断面において積層体よりも大きな面積を有するように縦バイアス層と接合するように形成する。
【００２１】
本発明の磁気抵抗効果素子およびその形成方法では、強磁性フリー層を含む磁気抵抗効果膜に加え、この磁気抵抗効果膜の上に分離層を介して縦バイアス層を配置し、さらに、この縦バイアス層と接合するようにスティッチト構造を設けるようにしたので、シンセティックピンニング層および縦バイアス層が強磁性フリー層と交換結合することによって強磁性フリー層に対して安定した交換バイアス磁界が及ぶこととなる。このため、強磁性フリー層の単磁区化が十分に促進される。
【００２２】
本発明の磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果膜が、シード層と、第２の反強磁性ピンニング層と、磁気抵抗効果膜の積層面と平行な面内に含まれ、かつ、第１の方向と直交する第２の方向において、互いに逆平行をなすように磁化された第１ピンド層および第２ピンド層ならびに、これら第１ピンド層と第２ピンド層との間に設けられた非磁性中間層を有するシンセティック反強磁性ピンド層と、非磁性スペーサ層と、強磁性フリー層とを有するように構成されていることが望ましい。ここで、第２の方向とは、例えば、磁気ディスク装置の薄膜磁気ヘッドに用いられた場合に、読出対象とする磁気記録媒体と対向する記録媒体対向面に垂直な方向に対応する方向（ＭＲハイト方向）である。
【００２３】
また、本発明の磁気抵抗効果素子では、第１ピンド層を、０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層された構造（例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｃｕ／Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｃｕ／Ｃｏ90Ｆｅ10）とすることが望ましい。一方、第２ピンド層については、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）層と、０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下の厚みを有するタンタル（Ｔａ）層とが交互に繰り返し積層された構造（例えば、Ｆｅ50Ｃｏ50／Ｔａ／Ｆｅ50Ｃｏ50／Ｔａ／Ｆｅ50Ｃｏ50）とすることが望ましい。
【００２４】
また、本発明の磁気抵抗効果素子では、分離層が、例えば、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第１の銅（Ｃｕ）層と、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第２の銅（Ｃｕ）層とを有する３層構造であり、全体として非磁性を示していることが望ましい。また、縦バイアス層が、例えば０．４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みを有する鉄コバルト合金（Ｆｅ50Ｃｏ50）層である。さらに、強磁性フリー層が、例えば、０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するコバルト鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）層と０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層された構造（例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｃｕ／Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｃｕ／Ｃｏ90Ｆｅ10）であることが望ましい。さらに、３層構造のシンセティックピンニング層が、縦バイアス層の側から順に、第１強磁性層と結合層と第２強磁性層とが積層されたものであり、第１強磁性層が縦バイアス層と同じ向きに磁化され、第２強磁性層が縦バイアス層と逆向きに磁化されていることが望ましい。この場合、第１強磁性層が０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するＦｅ50Ｃｏ50層であり、第２強磁性層が６．０ｎｍ以上９．０ｎｍ以下の厚みを有するＣｏ90Ｆｅ10層と０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するＦｅ50Ｃｏ50層とが積層された２層構造であり、結合層が０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みを有するルテニウム（Ｒｕ）層であることが望ましい。
【００２５】
さらに、本発明の磁気抵抗効果素子では、第１強磁性層、第２強磁性層、縦バイアス層が全てコバルト鉄合金により構成され、かつ、下記の条件式（１）および条件式（２）を共に満足するように構成されていることが望ましい。ただし、ｔ（ＬＢＬ）は縦バイアス層の磁気膜厚であり、ｔ（ＦＭ１）は第１強磁性層の磁気膜厚であり、ｔ（ＦＭ２）は第２強磁性層の磁気膜厚である。
ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）＜ｔ（ＦＭ２）  ……（１）
［ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）］／ｔ（ＦＭ２）＝７／９  ……（２）
【００２６】
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法では、第１のアニール工程において、２８０℃の温度下で５時間に亘って１０ｋＯｅ（１０7／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を横方向に付与することにより、シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定することが望ましい。また、第２のアニール工程では、２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を縦方向に付与することにより強磁性フリー層の磁化方向を設定することが望ましい。さらに、第３のアニール工程では、２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を縦方向に印加することにより、縦バイアス層の磁化方向と同じ向きをなすと共に第２強磁性層の磁化方向と逆向きをなすように第１強磁性層の磁化方向を設定することが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、強磁性フリー層を含む磁気抵抗効果膜と、強磁性フリー層の上に分離層を介して設けられ、かつ、縦方向に磁化された縦バイアス層と、この縦バイアス層と接合されるシンセティックピンニング層、第１の反強磁性ピンニング層および導電リード層を含むスティッチト構造とを備えるようにしたので、シンセティックピンニング層および縦バイアス層と強磁性フリー層との交換結合を形成して、十分かつ安定した交換バイアス磁界を強磁性フリー層に付与し、強磁性フリー層の単磁区化を図ることができる。したがって、十分に安定した信号検出動作が可能となる。
【００２８】
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法によれば、基体上に、シンセティック反強磁性ピンド層および強磁性フリー層を含む多層膜と、分離層と、縦バイアス層とを順に形成したのち、シンセティック反強磁性ピンド層および強磁性フリー層の磁化方向を、それぞれ所定方向に設定する工程と、全体を所定形状にパターニングすることによりシンセティックスピンバルブ構造を含む積層体を形成し、さらに、この積層体の縦バイアス層と接合するようにシンセティックピンニング層を形成する工程と、このシンセティックピンニング層の磁化方向を所定方向に設定する工程とを含むようにしたので、シンセティックピンニング層および縦バイアス層と強磁性フリー層との交換結合を形成して、十分かつ安定した交換バイアス磁界を強磁性フリー層に付与し、強磁性フリー層の単磁区化を図ることができる。したがって、十分に安定した信号検出動作が可能な磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
最初に、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について以下に説明する。本実施の形態の磁気抵抗効果素子は、例えば磁気ディスク装置などに搭載されて、磁気記録媒体（ハードディスク）に記録された磁気情報を読み出す磁気デバイスとして機能する磁気再生ヘッドのセンサ部として用いられるものである。
【００３１】
図１は、本実施の形態の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magnero-Resistive）素子における、磁気記録媒体（図示せず）と対向する面（記録媒体対向面）と平行な断面構成を表すものである。
【００３２】
図１に示した本実施の形態のＭＲ素子１は、積層方向にセンシング電流が流れるように構成されたＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）構造を有する磁気再生ヘッドに適用される。ＭＲ素子１は、シンセティックスピンバルブ構造体（以下、ＳｙＳＶという）１０を含む積層体Ｓ１と、３層構造のシンセティックピンニング層２０を含むスティッチト構造Ｓ２とを備えている。スティッチト構造Ｓ２における積層面と平行な平行断面（ＸＹ平面）の面積は、センサ部分としての積層体Ｓ１における平行断面の面積よりも大きくなっている。
【００３３】
積層体Ｓ１は、ＳｙＳＶ１０の上に分離層（decoupling layer）１１と縦バイアス層（longitudinal bias layer；ＬＢＬ）１２とを順に備えている。ＳｙＳＶ１０は、図示しない基体上に、シード層５と、反強磁性ピンニング層６と、シンセティック反強磁性ピンド層（以下、ＳｙＡＰ層という。）７と、非磁性スペーサ層８と、強磁性フリー層９とが順に積層されたものである。積層体Ｓ１を構成する各層は、積層面と平行な平行断面（ＸＹ断面）において均一の面積を有している。
【００３４】
反強磁性ピンニング層６は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料からなり、たとえば７ｎｍの厚みとなっている。
【００３５】
ＳｙＡＰ層７は、反強磁性ピンニング層６の側から順に、第２ピンド層（ＡＰ２）７６と非磁性中間層（結合層）７４と第１ピンド層（ＡＰ１）７２とが積層された３層構造となっている。
【００３６】
第１ピンド層７２は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層と銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層されたものである。例えば、以下のような積層構成である。
ＣｏＦｅ１／Ｃｕ０．３／ＣｏＦｅ１／Ｃｕ０．３／ＣｏＦｅ１
ここで化学式と併せて表示した数値は、各層の最も好ましい厚み（ｎｍ）である。ただし、各ＣｏＦｅ層は０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下となっていればよいし、各銅層は０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下となっていればよい。なお、本実施の形態では、ＣｏＦｅはＣｏ90Ｆｅ10（数値は原子比（パーセント））を意味することとする。
【００３７】
第２ピンド層７６は、鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）層とタンタル（Ｔａ）層とが交互に繰り返し積層されたものである。例えば、以下のような積層構成となっている。
ＦｅＣｏ１．１／Ｔａ０．１／ＦｅＣｏ１．１／Ｔａ０．１／ＦｅＣｏ０．８
ここで化学式と併せて表示した数値は、各層の最も好ましい厚み（ｎｍ）である。ただし、各ＦｅＣｏ層は０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下となっていればよいし、各タンタル層は０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下となっていればよい。なお、本実施の形態では、ＦｅＣｏはＦｅ50Ｃｏ50（数値は原子比（パーセント））を意味することとする。
【００３８】
非磁性中間層７４は第１ピンド層７２と第２ピンド層７６とを磁気的に結合するものであり、例えば０．４ｎｍ厚のルテニウム（Ｒｕ）層や０．５ｎｍ厚のロジウム（Ｒｈ）層である。
【００３９】
第１ピンド層７２および第２ピンド層７６は、積層方向（Ｚ方向）および縦方向（Ｘ方向）の双方と直交する横方向（Ｙ方向）、すなわち、記録媒体対向面と直交する方向（紙面と直交する方向）において互いに逆平行をなすように磁化されている。詳細には、第１ピンド層７２の磁化方向７５と第２ピンド層７６の磁化方向７３とが互いに逆平行となっている。
【００４０】
非磁性スペーサ層８は、ＳｙＡＰ層７と強磁性フリー層９とを空間的および磁気的に分離するものである。
【００４１】
強磁性フリー層９は、磁気記録媒体からの信号磁界などの外部磁界に応じて磁化方向が変化するものである。外部磁界を付与しない初期状態においては、磁化方向が例えばＸ方向を向いている。強磁性フリー層９は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層と銅（Ｃｕ）層とが交互に繰り返し積層されたものであり、より詳細には、以下の積層構成となっていることが望ましい。
ＣｏＦｅ１／Ｃｕ０．３／ＣｏＦｅ１／Ｃｕ０．３／ＣｏＦｅ１
ここで化学式と併せて表示した数値は、各層の最も好ましい厚み（ｎｍ）である。ただし、各ＣｏＦｅ層は０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下となっていればよいし、各銅層は０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下となっていればよい。
【００４２】
分離層１１は、全体として非磁性を示す材料からなり、縦バイアス層１２と強磁性フリー層９との間に設けられることで両者を磁気的に分離するものである。分離層１１は、例えば
銅（Ｃｕ）／タンタル（Ｔａ）／銅（Ｃｕ）
からなる３層構造となっている。２つの銅層は例えば０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下（好ましくは０．５ｎｍ）の厚みを有し、タンタル層は例えば０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下（好ましくは０．８ｎｍ）の厚みを有している。
【００４３】
縦バイアス層１２は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの永久磁石であり、例えば０．４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなしている。縦バイアス層１２は、磁気記録媒体の記録トラック幅方向に対応した縦方向（−Ｘ方向）に磁化されている。したがって、強磁性フリー層９に対して縦バイアス磁界を付与することにより、強磁性フリー層９における単磁区構造を形成し、安定化を図るように機能する。強磁性フリー層９の単磁区構造を安定して維持することにより、熱運動や外部磁界によって引き起こされるバルクハウゼンノイズを抑制することができる。縦バイアス層１２および強磁性フリー層９は、分離層１１によって分離されることにより互いに交換結合しないようになっている。これにより、電子スピンが調和し、縦バイアス層１２が巨大磁気抵抗効果による特性そのものに対して影響することが避けられる。後述するように、縦バイアス層１２の磁気膜厚（magnetic thickness）は、その上に形成される第１強磁性層２１（後出）および第２強磁性層２３（後出）の磁気膜厚との関係により決定される。
【００４４】
積層体Ｓ１の上に設けられたスティッチト構造Ｓ２は、積層体Ｓ１の側から順に、シンセティックピンニング層２０と、反強磁性ピンニング層２４と、導電リード層２５とを有している。
【００４５】
シンセティックピンニング層２０は、縦バイアス層１２の側から順に、第１強磁性層２１と結合層２２と第２強磁性層２３とが積層された３層構造をなしており、積層体Ｓ１の縦バイアス層１２における磁化方向のピンニングを行うものである。このため、第１強磁性層２１および縦バイアス層１２と、強磁性フリー層９との間に磁気的な結合が生じることとなる。シンセティックピンニング層２０では、結合層２２を介して第１強磁性層２１と第２強磁性層２３とが反強磁性結合している。ここで、第１強磁性層２１は縦バイアス層１２と同じ向き（−Ｘ方向）に磁化されており、第２強磁性層２３は縦バイアス層１２と逆向き（＋Ｘ方向）に磁化されている。すなわち、第１強磁性層２１の磁化方向と第２強磁性層２３の磁化方向とは、互いに逆平行となっている。また、第１強磁性層２１の磁化方向と縦バイアス層１２の磁化方向とが互いに平行となり、交換結合する。一方、第２強磁性層２３の磁化方向は、（外部磁界の付与されていない）初期状態における強磁性フリー層９の磁化方向９５と平行となる。
【００４６】
第１強磁性層２１は、ＦｅＣｏなどの強磁性材料により構成され、例えば０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下（好ましくは１．０ｎｍ）の厚さをなしている。第２強磁性層２３は、例えばＣｏＦｅ層とＦｅＣｏ層とが積層された２層構造をなしている。ここで、ＣｏＦｅ層の厚さは、例えば６．０ｎｍ以上９．０ｎｍ以下であり、特に７．０ｎｍであることが望ましい。一方のＦｅＣｏ層の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であり、特に１．０ｎｍであることが望ましい。さらに、結合層２２はルテニウム（Ｒｕ）またはロジウム（Ｒｈ）などの非磁性導電材料（特に好ましくはルテニウム）により構成され、例えば０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下（特に好ましくは０．４ｎｍ）の厚さを有している。
【００４７】
第２強磁性層２３を覆うように形成された反強磁性ピンニング層２４は、第２強磁性層２３のピンニングを行うものである。反強磁性ピンニング層２４は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料からなり、例えば４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚みを有している。
【００４８】
反強磁性ピンニング層２４の上に設けられた導電リード層２５は、ＳｙＳＶ１０にセンシング電流を供給するものである。導電リード層２５は、キャップ層としての機能も兼ねており、例えばルテニウム（Ｒｕ）やタンタル（Ｔａ）あるいはニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）により構成され、例えば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００４９】
ＭＲ素子１における縦バイアス層１２と第１強磁性層２１との交換結合は、図８に示した従来のスティッチト構造Ｓ１０２を備えたインスタックバイアス構造のような、第１の縦バイアス層１６５と第２の縦バイアス層１７１との直接的な強磁性結合とは異なるものである。このため、図８のスティッチト構造Ｓ１０２と比べて、縦バイアス層１２の磁気膜厚ｔ（ＬＢＬ）および第１強磁性層２１の磁気膜厚ｔ（ＦＭ１）の合計（ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１））は、縦バイアス層１２および第１強磁性層２１の双方をＣｏＦｅで形成した場合に換算して７ｎｍ程度大きくなっていると共に、第２強磁性層２３の磁気膜厚（ｔ（ＦＭ２））はＣｏＦｅで形成した場合に換算して８〜９ｎｍ程度大きくなっている。よって、要望される大きさの交換バイアス磁界を十分に形成することが可能である。
【００５０】
このように本実施の形態のＭＲ素子１では、縦バイアス層１２とシンセティックピンニング層２０の第１強磁性層２１との交換結合を形成することによって、強磁性フリー層９の単磁区構造を安定化させるのに十分な大きさの交換バイアス磁界を効果的に発生させ、強磁性フリー層９に付与することができる。したがって、ＭＲ素子１は、十分に安定した信号検出動作を発現することができる。
【００５１】
さらに、縦バイアス層１２、第１強磁性層２１および第２強磁性層２３は、下記の条件式（１），（２）を共に満足するように構成されている。ただし、各層の構成材料をＣｏＦｅとした場合である。
ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）＜ｔ（ＦＭ２）  ……（１）
［ｔ（ＬＢＬ）＋ｔ（ＦＭ１）］／ｔ（ＦＭ２）＝７／９  ……（２）
【００５２】
条件式（１）を満足することにより、少なくとも以下の３点の有利な結果をもたらす。第１に、第２強磁性層２３の磁気膜厚ｔ（ＦＭ２）の厚みが大きくなることにより、より高いピンニング磁界が得られる。第２に、シンセティックピンニング層２０の磁化方向を、比較的低い磁界中でアニールすることにより設定することができる。第３に、アニール工程において付与するアニール磁界を低く抑えることにより、強磁性フリー層９の磁化状態に与える影響を低減することができる。さらに、本実施の形態では、強磁性フリー層９の磁化方向を第２強磁性層２３の磁化方向と同じ向きとするようにしたので、フリー層の磁化状態への影響をより低減することができる。なお、アニール工程については、後に詳述する。また、条件式（２）を満足することにより、より強力な交換バイアス磁界を形成することができる。この場合、強磁性フリー層９に対する縦バイアス層１２の磁気モーメントの比が１．７となる。
【００５３】
続いて、図１に加えて図２〜図４を参照して、ＭＲ素子１の形成方法について説明する。
【００５４】
本実施の形態におけるＭＲ素子１の形成方法では、まず、図示しない基板上に下部リード層を形成した基体（図示せず）を用意し、この基体上に、スパッタリング法などにより、のちにＳｙＳＶ１０となる多層膜１０Ｚと、分離層１１と、縦バイアス層１２と、キャップ層１３とを順に積層する（図２参照）。多層膜１０Ｚは、シード層５と、反強磁性ピンニング層６と、第２ピンド層７６と、非磁性中間層７４と、第１ピンド層７２と、非磁性スペーサ層８と、強磁性フリー層９とを順に積層することにより形成する。第２ピンド層７６については、例えば０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するＦｅＣｏ層と、０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層とを交互に繰り返し積層することにより形成し、第１ピンド層７２については、例えば０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するＣｏＦｅ層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅層とを交互に繰り返し積層することにより形成する。また、強磁性フリー層９を形成する際には、例えば、０．７ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するＣｏＦｅ層と、０．１ｎｍ以上０．４ｎｍ以下の厚みを有する銅層とを交互に繰り返し積層するようにする。分離層１１を形成する際には、例えば、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第１の銅層と、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有するタンタル層と、０．４ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚みを有する第２の銅層とを順に積層することにより、３層構造をなすようにする。さらに、縦バイアス層１２については、ＦｅＣｏを用いて０．４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の厚みをなすように形成することが望ましい。
【００５５】
こののち、ＳｙＡＰ層７の磁化方向を、多層膜１０Ｚの積層方向と直交する面内に含まれる横方向（Ｙ方向）に設定する（第１のアニール工程）。ここでは、２８０℃の温度下で５時間に亘って１０ｋＯｅ（１０7／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を横方向に付与するようにする。さらに、例えば２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）という比較的低い磁界を縦方向（Ｘ方向）に付与することにより強磁性フリー層９の磁化方向９５を設定する（第２のアニール工程）。
【００５６】
次に、多層膜１０Ｚ、分離層１１、縦バイアス層１２およびキャップ層１３の全体を所定形状にパターニングすることにより、ＳｙＳＶ１０を含む多層膜パターンを形成する。具体的には、図３に示したように、キャップ層１３の上にフォトリソグラフィなどにより、２層構造のエッチングマスク２６を形成する。このエッチングマスク２６を用いて、所望の形状の多層膜パターンとなるようにパターニング操作を行う。ここでは、エッチングマスク２６によって覆われた領域を多層膜パターンとなる部分（残すべき部分）とし、それ以外の領域部分を除去するようにする。さらに、エッチングマスク２６をデポジッションマスクとして使用し、多層膜パターンを取り囲むように絶縁層１５（例えば酸化アルミニウム）を形成する（図４）。続いて、エッチングマスク２６を除去したのち、図４に示したように、プラズマエッチングやイオンビームエッチングなどの手法を用いて、キャップ層１３の全てと、縦バイアス層１２の上層部分（例えば１ｎｍ〜２ｎｍ程度の厚み部分）とを除去することによって凹部１７を形成する。これにより、多層膜パターンからキャップ層１３と縦バイアス層１２の厚み方向の一部とが除去された積層体Ｓ１が形成される。なお、積層体Ｓ１の横方向（幅方向）の寸法は、完成後のＭＲ素子１として要求されるトラック幅に対応している。この際、水平断面において、積層体Ｓ１よりも凹部１７の底面が大きな面積を有するように絶縁層１５の一部をも除去する。
【００５７】
続いて、図１に示したように、凹部１７を埋めるようにスティッチト構造Ｓ２を形成する。具体的には、まず、凹部１７の底面に露出した縦バイアス層１２の上面を覆うように、第１強磁性層２１を形成したのち、結合層２２と第２強磁性層２３とを順次積層する。こうすることにより、シンセティックピンニング層２０が完成する。
【００５８】
さらに、シンセティックピンニング層２０の上に反強磁性ピンニング層２４と、導電リード層２５とを順に形成したのち、シンセティックピンニング層２０の磁化方向を縦方向に設定する（第３のアニール工程）。ここでは、２３０℃の温度下で３０分間に亘って３５０Ｏｅ（３５０×１０3／（４π）Ａ／ｍ）の磁界を縦方向に印加することにより、第１強磁性層２１の磁化方向を、縦バイアス層１２の磁化方向と同じ向きをなすと共に第２強磁性層２３の磁化方向と逆向きをなすように設定する。以上により、ＭＲ素子１を完成させることができる。
【００５９】
このように形成したＭＲ素子１では、例えば図５に示したＭ−Ｈ曲線（磁界Ｈと抵抗変化率（ＭＲ比）との関係を表す特性曲線）のように、１５００Ｏｅ（１．５×１０6／（４π）Ａ／ｍ）を超える交換バイアス磁界が得られることが確認できた。したがって、この場合、図６に示したように、規格化磁界Ｈと強磁性フリー層の回転角との関係を表した特性曲線において、ほとんどヒステリシスを発現しないことが確認できた。
【００６０】
以上説明したように、本実施の形態のＭＲ素子１およびその形成方法によれば、強磁性フリー層９を含むＳｙＳＶ１０を備えた積層体Ｓ１に加え、積層体Ｓ１の上に分離層１１を介して縦バイアス層１２を配置し、さらに、この縦バイアス層１２と接合するように、水平断面において縦バイアス層１２よりも大きな面積を有するスティッチト構造Ｓ２を設けるようにしたので、シンセティックピンニング層２０および縦バイアス層１２が強磁性フリー層９と交換結合することによって強磁性フリー層９に対して安定した交換バイアス磁界を付与することができる。このため、強磁性フリー層９の単磁区化が十分に促進され、十分に安定した信号検出動作が可能なＭＲ素子１を得ることができる。
【００６１】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。本発明の範囲と一致する限り、製造方法、材料、構造および寸法などについての修正および変更がなされてもよい。例えば、本実施の形態では磁気抵抗効果素子として、特に、スピンバルブ構造を有するＣＰＰ（current-perpendicular-to-the-plane）型の磁気抵抗効果素子を例に挙げて説明するようにしたが、トンネル接合型の磁気抵抗効果素子とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＭＲ素子の構成を表す積層断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るＭＲ素子の形成方法における一工程を表す積層断面図である。
【図３】図２に続く一工程を表す積層断面図である。
【図４】図３に続く一工程を表す積層断面図である。
【図５】図１に示したＭＲ素子における磁気抵抗変化率と磁界との関係を表す特性図である。
【図６】図１に示したＭＲ素子における強磁性フリー層の磁化方向回転角と規格化磁界との関係を表す特性図である。
【図７】従来のＭＲ素子の構成例を表す積層断面図である。
【図８】従来のＭＲ素子の他の構成例を表す積層断面図である。
【図９】図８に示し従来のＭＲ素子における強磁性フリー層の磁化方向回転角と規格化磁界との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
【００６３】
Ｓ１…積層体、Ｓ２…スティッチト構造、１…磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、５…シード層、６…反強磁性ピンニング層、７…シンセティック反強磁性ピンド層（ＳｙＡＰ層）、７２…第１ピンド層、７４…結合層、７６…第２ピンド層、８…非磁性スペーサ層、９…強磁性フリー層、１０…シンセティックスピンバルブ構造体（ＳｙＳＶ）、１１…分離層、１２…縦バイアス層（ＬＢＬ）、１３…キャップ層、１５…絶縁層、１７…凹部、２０…シンセティックピンニング層、２１…第１強磁性層、２２…結合層、２３…第２強磁性層、２４…反強磁性ピンニング層、２５…導電リード層。
【図１】
0004658659.tif 000002
【図２】
0004658659.tif 000003
【図３】
0004658659.tif 000004
【図４】
0004658659.tif 000005
【図５】
0004658659.tif 000006
【図６】
0004658659.tif 000007
【図７】
0004658659.tif 000008
【図８】
0004658659.tif 000009
【図９】
0004658659.tif 000010