(57)【要約】【課題】ＳＡＦフリー層構造を有するパターニングされたＣＰＰ型ＭＲセンサスタックを含むＣＰＰ型ＭＲ読取りヘッド、およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のＳＡＦフリー層構造では、センサスタックの上に形成された交換バイアス層と、スタックのパターニングされた側面に隣接して形成されたハードバイアス層との組み合わせにより、長手方向のバイアスが印加されている。この組み合わせでは、ごくわずかな隙間をもって近接した上部シールドおよび下部シールドによって形成された狭いリードギャップを必要とせずに、高分解能の読取性能を提供することができる。交換バイアス層、ハードバイアス層の位置およびＣＰＰ型ＭＲセンサスタックのパターニングが異なる１６個の実施態様を開示する。【選択図】図２Ａ
2012133864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に、シンセティック反強磁性（ＳＡＦ）フリー層構造と前記フリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含む、水平方向に広がる複数の層が垂直方向に連続して積層され、かつ、パターニングされたＣＰＰ型ＭＲスタックと、
前記第１の非磁性結合層の上に形成されるとともに、前記ＳＡＦフリー層構造と磁気的に交換結合しており、前記ＳＡＦフリー層構造に対して長手方向のバイアスを印加する、上部交換バイアス磁性層構造と、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの側面に対称的に設けられ、それぞれが前記ＣＰＰ型ＭＲスタックのパターニングされた前記側面の一部に隣接し、前記ＳＡＦフリー層構造に対して長手方向のバイアスを印加する
一対のハードバイアス（ＨＢ）層と
を備えた
ＭＲ読取センサ。
【請求項２】
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、
前記基板の上に形成された反強磁性材料からなるピンニング層と、
前記ピンニング層の上に形成されるとともに、前記ピンニング層によって固定された、互いに反平行であるとともにＡＢＳに対して垂直である磁化を有する２つの強磁性層を含むＳＡＦピンド層構造と、
前記ＳＡＦピンド層構造の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成されるとともに、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層構造と、
前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含み、
前記ＳＡＦフリー層の前記第１および第２の強磁性層は、互いに反平行であり、長手方向の磁気的なバイアスが印加されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項３】
前記ＳＡＦフリー層における前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との、磁気モーメントおよび厚さは近似しており、前記第１の強磁性モーメントにおける磁気モーメントと厚さとの積と、前記第２の強磁性層における磁気モーメントと厚さとの積との差は、前記第１の強磁性層における磁気モーメントと厚さとの積の３０％以下である
請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項４】
前記上部交換バイアス構造は、前記第１の非磁性結合層を介して前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層と磁気的に交換結合し、大きさがＨｅｘである交換バイアス磁界を生成し、
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第１および第２の強磁性層双方の側面のエッジに隣接して対称的に設けられるとともに、前記ＳＡＦフリー層の前記第１および第２の強磁性層の各々と、実質的に同等の強度で静磁気的に結合しており、
前記ＨＢ層と前記第１および第２の強磁性層との結合は、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＹ％のハードバイアス磁界と、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＸ％のハードバイアス磁界とを生成するように調整され、Ｘ＋Ｙ＝１００となるようなＸおよびＹを選択して、大きさがいずれもＨｅｘのＹ％であって互いに逆向きの効果的な長手方向のバイアス磁界が前記第１および第２の強磁性層内にそれぞれ生成されている            請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項５】
前記上部交換バイアス構造は、前記第１の非磁性結合層を介して前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層と磁気的に交換結合し、大きさがＨｅｘである交換バイアス磁界を生成し、
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層の前記第１の強磁性層の側面のエッジと隣接するとともに、前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層の側面のエッジの下方となる位置に設けられ、それにより、前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層における前記第１および第２の強磁性層の各々と、それぞれ異なる強さで静磁気的に結合しており、
前記ＨＢ層と前記第１および第２の強磁性層との結合は、前記第１の強磁性層内において前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＹ％のハードバイアス磁界が生成されるとともに、前記第２の強磁性層内において、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＸ％のハードバイアス磁界が生成されるように調整され、ＹはＸよりも２０％大きく、Ｙ＋Ｘは１００以上である
請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項６】
前記第１の非磁性結合層は、約０．８ｎｍの厚さを有し、ＲｕまたはＲｕの化合物からなる層である
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項７】
前記第１の非磁性結合層は、結合強度を約−０．３ｅｒｇ／ｃｍ2以上−０．１ｅｒｇ／ｃｍ2以下とする厚さを有し、ＲｕまたはＲｕの化合物からなる
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項８】
前記ＨＢ層は、厚さが約２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、高保磁力磁性材料であるＣｏＰｔによって形成されるものである
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項９】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、
前記第１の非磁性結合層の上に形成された第１の強磁性層と、
前記第１の強磁性層の上に形成された第３の非磁性結合層と、
前記第３の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層と、
前記第２の上に形成された反強磁性ピンニング層と
を含み、
前記第１および第２の強磁性層は、互いに逆向きに、長手方向に磁化され、ＳＡＦ構造を形成するとともに、前記ピンニング層によって磁気的に固定されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１０】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、
前記第１の非磁性結合層の上に形成された強磁性層と、
前記強磁性層の上に形成された反強磁性ピンニング層と
を含み、
前記強磁性層の磁化は、前記ピンニング層によって長手方向に磁気的に固定されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１１】
前記スタックおよび前記上部交換バイアス構造は、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされている
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１２】
前記上部交換バイアス構造および前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記上部交換バイアス構造、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造および前記ピンニング層は、前記狭い幅を有する部分内に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１３】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス構造は、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされている
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１４】
前記上部交換バイアス構造および前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記上部交換バイアス構造、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造および前記ピンニング層は、前記狭い幅を有する部分内に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１５】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記上部交換バイアス構造は、前記スタックの前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１６】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方向に垂直に延在し、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造、前記ピンニング層および前記上部交換バイアス構造は、前記狭い幅を有する部分に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１７】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１８】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造、前記ピンニング層および前記上部交換バイアス構造は、前記狭い幅を有する部分に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１９】
基板を用意することと、
前記基板の上に、連続する水平方向の層を垂直方向に積層したものであり、反強磁性材料によって形成されたピンニング層と、前記ピンニング層によって固定されたＳＡＦピンド層構造と、ＳＡＦフリー層構造と、前記ＳＡＦフリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含むＣＰＰ型ＭＲスタックを形成することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックに対し、第１のアニール温度で第１のアニール磁界において第１のアニール時間に亘って第１のアニールを施し、前記ＳＡＦピンド層構造の磁化方向をＡＢＳに対して垂直に配向させるとともに、前記ＳＡＦピンド層構造が反強磁性構成となるように磁化することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニンすることと、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの各側面に、ハードバイアス（ＨＢ）層を対称的に形成することと、
前記ＨＢ層に対し第２のアニールを施すことと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＨＢ層の上に、上部交換バイアス構造を形成する工程と、
前記上部交換バイアス構造に対し、第３のアニール温度で長手方向の第３のアニール磁界において第３のアニール時間に亘り第３のアニールを施し、それによって、前記ＳＡＦフリー層構造が反強磁性となるようにそれを磁化するとともに、前記上部交換バイアス構造と前記ＳＡＦフリー層構造とを交換結合させることと
を含む
ＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２０】
基板を用意することと、
前記基板の上に、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層し、かつ、パターニングすることで、反強磁性ピンニング層と、前記ピンニング層によって固定されたＳＡＦピンド層構造と、ＳＡＦフリー層構造と、前記ＳＡＦフリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含むＣＰＰ型ＭＲスタックを形成することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックに対し、第１のアニール温度で第１のアニール磁界において第１のアニール時間に亘り第１のアニールを施し、前記ピンド層構造の磁化方向を、ＡＢＳに対して垂直に配向させ、反強磁性磁化構成とすることと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に上部交換バイアス構造を形成することと、
前記上部交換バイアス構造に対し、第２のアニール温度で長手方向の第２のアニール磁界において第２のアニール時間に亘り第２のアニールを施し、それによって、前記ＳＡＦフリー層構造を、反強磁性構成に磁化するとともに、前記上部交換バイアス構造と磁気的に交換結合させることと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックを、前記上部交換バイアス構造とともにパターニングすることと、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの各側面に対称的にハードバイアス（ＨＢ）層を形成し、前記ＨＢ層に対して第３のアニールを施すことと
を含む
ＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２１】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層したものであり、
反強磁性材料によって形成された前記ピンニング層と、
前記ピンニング層の上に形成されるとともに、前記ピンニング層によって固定され、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に挟まれた第３の非磁性結合層とを含む前記ＳＡＦピンド層と、
前記ＳＡＦピンド層の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成され、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層と、
前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含む
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２２】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層したものであり、
反強磁性材料によって形成された前記反強磁性ピンニング層と、
前記反強磁性ピンニング層の上に形成されるとともに、前記反強磁性ピンニング層によって固定され、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に挟まれた第３の非磁性結合層とを含む前記ＳＡＦピンド層と、
前記ＳＡＦピンド層の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成され、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層と、
前記ＳＡＦフリー層の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含む
請求項２０記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２３】
前記上部交換バイアス磁性層構造を形成する工程は、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＨＢ層の上に第１を形成することと、
前記第１の強磁性層の上に第２の非磁性結合層を形成することと、
前記第２の非磁性結合層の上に第２の強磁性層を形成することと、
前記第２の強磁性層の上に反強磁性ピンニング層を形成することと
を含む
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２４】
前記上部交換バイアス磁性層構造を形成する工程は、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に第１の強磁性層を形成することと、
前記第１の強磁性層の上に第２の非磁性結合層を形成することと、
前記非磁性結合層の上に第２の強磁性層を形成することと、
前記第２の強磁性層の上に反強磁性ピンニング層を形成することと
を含む
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２５】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニングする際には、
前記連続する水平方向に広がる層の全ての幅を均一に狭くし、垂直、かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成する
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２６】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニングする際には、
前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造、および接合層の幅を均一に狭くすることによって、前記スタックの狭い幅を有する部分を形成する一方、前記ＳＡＦピンド層構造および前記ピンニング層の幅を広く、前記スタックの前記狭い幅を有する部分の前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在するままに維持する工程と
を含む
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２７】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス構造をパターニングする工程は、
全ての層の幅を均一に狭くして垂直かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成することにより、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に形成された前記交換バイアス構造の幅を狭くする
請求項２０記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２８】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス構造をパターニングする工程は、
前記連続する層の全ての幅を均一に狭くして、垂直かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成することにより、前記スタックおよび前記交換バイアス構造の幅を狭くする
請求項２１記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項２９】
前記第１のアニール温度は約２５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下であり、
前記第１のアニール磁界は５ｋＯｅよりも大きく、
前記第３のアニール温度は約２００°Ｃ以上２４０°Ｃ以下であり、
前記第３のアニール磁界は約０．６ｋＯｅ以上１ｋＯｅ以下であり、
前記第２のアニールは、前記第２のアニールと実質的に同じ条件である
請求項１９記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項３０】
前記第１のアニール温度は約２５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下であり、
前記第１のアニール磁界は５ｋＯｅよりも大きく、
前記第２のアニール温度は約２００°Ｃ以上２４０°Ｃ以下であり、
前記第２のアニール磁界は約０．６ｋＯｅ以上１ｋＯｅ以下であり、
前記第３のアニールは、前記第２のアニールと実質的に同じ条件である
請求項２０記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項３１】
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層に隣接して配置され、
前記ＨＢ層により、前記第１および第２の強磁性層において実質的に等しい大きさの磁界が生成される
請求項２１記載のＭＲセンサの形成方法。
【請求項３２】
前記ＨＢ層は、前記第１の強磁性層に隣接して、したがって、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の下方に配置され、
前記ＨＢ層により、前記第１の強磁性層において前記第２の強磁性層と比較して２０％大きな磁界が生成される
請求項２１記載のＭＲセンサの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果（ＭＲ：magnetoresistive）センサの製造（fabrication）一般に関する。ここでいうＭＲセンサは、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistive）センサや巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magnetoresistive）センサが該当し得る。本発明は、特に、シンセティック反強磁性（ＳＡＦ：synthetic antiferromagnetic）フリー層構造を用いることで、その分解能が向上したＭＲセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：hard disk drive）内の磁気ディスク等の磁気媒体にデータを格納する際の面密度が増加し続けている。これに伴い、ＨＤＤ内のリードバック素子として用いられるＭＲセンサにおいては、適切な信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）を達成し維持するとともに、（磁気媒体の）増加した面密度に対応して空間分解能を改善する必要がある。図１Ａ、および図１Ｂは、一般的な従来のＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）型のＴＭＲ読取ヘッドを示す２つの模式図である。
【０００３】
図１Ａは、読取ヘッドの、エアベアリング面（ＡＢＳ：air bearing surface）に対して平行な、垂直方向の断面を表す。図１Ｂは、図１Ａの一部を表し、ヘッドのセンサスタック部分を切り取って示している。
【０００４】
図１Ａは、ＣＰＰ型ＴＭＲヘッドの、ＡＢＳにおける断面図である。このＣＰＰ型ＴＭＲヘッドにおいて、ヘッド構造全体にわたり、活性磁性層に対して垂直に電流が流れている。また、ヘッドの抵抗は、伝導電子が薄い誘電体層をトンネルすることに基づいた、トンネル磁気抵抗効果の物理法則にしたがって変化する。しかしながら、図示したヘッドは、ＧＭＲセンサであってもよい。ＧＭＲセンサとＴＭＲセンサとの構造的な違いは、ＧＭＲ構造においては、ＴＭＲ構造の薄い誘電体層が、薄い導電層によって置き換えられている点である。
【０００５】
垂直方向に、上から下へと見ていくと、まず、上部シールド１が示されている。上部シールド１は、センサスタック６を外部磁界から保護する。ヘッドの下部には、上部シールド１に対応する下部シールド２が示されている。下部シールド２は、センサの下部エッジにおいて、上部シールド１と同様の機能を果たす。このように、センサは、リードギャップ（ＲＧ：read gap）と呼ばれる所望の距離３によって分離された一対のシールドによって保護されている。
【０００６】
センサスタック６の両側に、ハードバイアス（ＨＢ：hard bias）磁石５（硬質の、すなわち、高保磁力の磁性材料によって形成された磁石）が水平方向に設けられている。これらの磁石は、シールド１とシールド２との間に配置され、その磁化は矢印５１によって示されている。磁石は、フリー層との静磁気相互作用によって、フリー層８の磁化（矢印８１）を安定化させる。センサスタック６自体は、一般に、水平方向の層を垂直方向に積層してパターニングしたものとして形成され、上部キャップ層７の下に形成される。
【０００７】
図１Ｂは、図１Ａに示したパターニングされたセンサスタック６を切り取って表した模式図であり、長手方向に共通の幅を有する、垂直方向に積層された水平方向の層を示す。これらの層は、非磁性キャップ層７と、磁気的フリー層８と、非磁性層９と、リファレンス層１０と、結合層１１と、ピンド層１２とを含む。磁気的フリー層８は、一般に、ＮｉＦｅの合成物からなる層である。磁気的フリー層８の磁化ベクトルは、矢印８１で示され、長手方向（すなわち、磁気媒体に対する読取動作におけるクロストラック方向）を向いている。非磁性層９は、ＭｇＯ等からなる誘電体層であり、ＴＭＲセンサにおけるトンネルバリア層（ＧＭＲセンサにおいては、Ｃｕ等からなる導電体層）として機能する。結合相１１は、例えば、Ｒｕからなる層である。ピンド層１２は、結合層１１を介して、層１０と結合する。層１２の磁化は、層１２を固定する反強磁性材料からなる厚い層１３によって空間的に固定されている。１０，１１，および１２からなる三層構造は、シンセティック反強磁性（ＳＡＦ：synthetic-antiferromagnetic）構造と呼ばれる。強磁性材料を用いて形成されているが、全体として、反強磁性物質の働きを有するからである。
【０００８】
水平方向に、対称的に配置されたＨＢ層５は、それぞれ、長手方向の磁化５１を有し、センサスタック６にバイアス磁界を印加して、静磁気相互作用によって、フリー層８の磁化８１を長手方向（クロストラック方向）に配向させる。
【０００９】
最新のディスクドライブでは、回転するディスクの上方をヘッドが移動する高さは既に５ｎｍ未満となっており、空間分解能を増加させるために、ヘッドが移動する高さをこれ以上減少させる余地はほぼない。したがって、分解能を向上させるための一般的な方法は、読取シールド間隔（ＲＳＳ：reader-shield-spacing）３（ＲＧ幅、とも呼ばれる）を減少させ、それにしたがって、磁気的空間分解能を増加させる方法である。
【００１０】
ＲＳＳを減少させるためには、ＨＢ層５の厚さも減少させる必要がある。しかしながら、これらの磁気的ＨＢ層の厚さを減少させると、センサスタックに直接に隣接し、フリー層の端面と対向するＨＢ層の端部における「磁荷（magnetic charge）」の量も減少させてしまう。磁荷が減少すると、ＨＢ層のピンニング磁界が減少し、そうするとフリー層の磁化を配向する効果が低下する。これによって、磁区の摂動とＳＮＲの劣化とにより、熱的ノイズが増加する。最後に、センサスタック６全体の厚さを減少させるためには、センサスタック６を形成する水平方向に広がる各層の厚さを減少させる必要がある。特に、１０，１１，および１２からなる三層構造をピンニングする厚いＡＦＭ層１３の厚さを減少させる必要がある。ピンニングが減少すると、最終的には、ＳＮＲに対して悪影響が及ぶ。このように、センサのＲＧの厚さを減少させることによって分解能を向上させることは、実践的ではない。したがって、本発明の目的は、ＲＧ幅の減少以外の方法を用いて、ダウントラック線形分解能（linear downtrack resolution）を望む程度にまで向上させることである。
【００１１】
なお、従来技術において、センサの分解能を向上させることを目的とした方法が開示されている。例えば、Carey等は、向上した分解能のための、硬質磁石および交換バイアスが開示されている（特許文献１および特許文献２）。Covingtonは、永久磁石を備えたＳＡＦフリー層を開示している（特許文献３）。Sakai等は、隣接接合交換バイアス構造について開示している。Sun等は、ＳＡＦフリー層と、ＳＡＦ固定層とを開示している（特許文献４）。Mao等は、ＳＡＦフリー層を有する、複数の三層読取ヘッドを開示している（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０２０７０７３号明細書
【特許文献２】米国特許第７５８０２２９号明細書
【特許文献３】米国特許第６８０９９００号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０１１３２２０号明細書
【特許文献５】米国特許第７０１６１６０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記した従来技術の方法は、いずれも、本発明を記載していない。
【００１４】
本発明の第１の目的は、リードギャップを狭めることなく、ダウントラック線形分解能（down-track linear resolution）を向上させたＭＲ読取ヘッドデザインを提供することにある。
【００１５】
本発明の第２の目的は、ＳＡＦフリー層（ＦＬ：free layer）構造を用いることによって、上述のような読取ヘッドデザインを提供することにある。これによれば、リードバック処理の際、隣接データビットからの干渉を分路させるためのリードシールドを用いずに高線形分解能を達成することができる。
【００１６】
本発明の第３の目的は、ＳＡＦ−ＦＬ構造に対して、静磁気的ハードバイアスとともに交換バイアスを用いることによって、従来のＳＡＦ−ＦＬデザインに固有の不安定さに関する問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの目的は、図２Ａ、および図２Ｂによって模式的に示す、本発明の第１の実施態様に係るＣＰＰ型ＭＲ読取ヘッドデザインによって達成される。図２Ａは、図１Ａと同様に、読取ヘッド、およびバイアス層の、ＡＢＳにおける断面図を表し、図２Ｂは、図１Ｂと同様に、ＭＲ（具体的にはＴＭＲ）読取ヘッドスタックのみを切り取った図を表す。図２Ａ、および図２Ｂに示すデザインは、本発明の第１の実施態様（実施態様１）であり、これについて、以下でさらに説明する。さらなる第２〜１６の実施態様（実施態様２〜１６）についても、以下に説明する。
【００１８】
まず、図２Ｂに示すパターニングされたスタック６６を参照して、その構造を、図１Ｂに示す従来のスタック構造６と比較する。すると、単一の磁性フリー層（図１Ｂの８）が、本発明では、三層のＳＡＦフリー層構造、すなわち、垂直方向に上から順に、層２２，２３，および２１によって置き換えられていることがわかる。層２２，および２１は、強磁性層であり、一般に、ＮｉＦｅの合成物等からなる。また、中間層２３は、非磁性結合層であり、磁性層２２と磁性層２１とを結合させ、逆向きの磁化（矢印２２１，２１１）を有する反強磁性構成とする。層２２と層２１とは、同様の磁気モーメント、厚さ、構成を有し、それぞれが層２３と同様の強度でＡＦＭ結合することが好ましい。具体的には、層２２の磁気モーメントと厚さとの積と、層２１の磁気モーメントと厚さとの積との差が、大きいほうの値の３０％以下であることが好ましい。層２２の磁化と、層２１の磁化とは、記録媒体の磁界動作下において、双方の磁化が回転する際、逆向きに保たれる。
【００１９】
図２Ａに、図２Ｂに示すパターニングされたＭＲスタック６６の周りに形成された全体構造を示す。図１Ａと比較すると、図２Ａでは、図１Ａの上部シールド１が、上部磁性交換バイアス構造、すなわち、（垂直方向に上から順に）層２８，２７，２６，および２５に置き換えられている。層２７，２６，および２５は、他の型のＳＡＦ構造を形成する。これを、上部交換バイアスＳＡＦ構造（top exchange biasing SAF structure）という。上部交換バイアスＳＡＦ構造は、上部層２８によって、互いに逆向きに、強く固定された磁化（矢印２７１，および２５１）を有する。上部層２８は、ＩｒＭｎ等からなる反強磁性（ＡＦＭ：antiferromagnetic）層である。ＳＡＦ構造が外部磁界に反応しないように、ピンニングは強くある必要がある。他の実施態様において、上部交換バイアス構造として、単に単一のバイアス強磁性層が用いられてもよい。また、ＨＢ層５は、センサスタック６６のパターニングされた側面に隣接して形成される。これらのＨＢ層５は、ＣｏＰｔ、または保磁力が高いとともに十分な磁気モーメント密度を有する他の材料からなってもよい。この場合、厚さは２０ｎｍ〜４０ｎｍ程度、（クロストラック方向の）幅は１μｍ〜２μｍ程度、ＡＢＳに対して垂直な方向における深さは２０ｎｍ〜４０ｎｍ程度である。
【００２０】
図２Ａに示すパターニングされたスタック６６において、三層からなる上部交換バイアスＳＡＦ構造（層２７，２６，および２５）の機能は、層１０，１１，および１２からなるとともにＡＦＭ層１３によって固定されたピンドＳＡＦ構造の機能とは異なる。ＡＦＭ層１３は、層２８と同様に、強磁性材料からなる層であり、好ましくはＩｒＭｎからなる。ここで、層１０は、フリー層の回転に対して、固定のリファレンス方向を提供する。三層からなる上部交換バイアスＳＡＦ構造によって、スタック６６における、ＳＡＦフリー層（すなわち、層２２，２３，および２１）の上部層２２の磁化（矢印２２１）に対して長手方向のバイアスが印加される。三層からなる上部バイアスＳＡＦ構造の層２５は、結合層２４を介して層２２と交換結合することによって、ＳＡＦフリー層構造の層２２と反強磁性的に結合する。この結合層２４は、厚さ０．８ｎｍ程度のＲｕ層、または、−０．３ｅｒｇ／ｃｍ2〜−０．１ｅｒｇ／ｃｍ2程度の所望の結合強度を達成可能な厚さを有する、変性Ｒｕ合成物層であってもよい。
【００２１】
最後に、層９は、［フリー層／接合層／ピンド層］なるセンサ構造のＧＭＲ接合、またはＴＭＲ接合を生成する、非磁性接合層である。接合層９が薄い誘電体層である場合、接合層９は、フリー層とピンド層との相対的な磁化方向に起因するトンネル確率にしたがって電子のトンネリングを生じさせるように機能する（ＴＭＲ効果）。接合層が、電気的に導電性の非磁性層である場合、接合層は、フリー層とピンド層との相対的な磁化方向に起因する抵抗の変化にしたがって電流が供給されるように機能する（ＧＭＲ効果）。
【００２２】
なお、磁気シールドを、図示はしていないが、層２８の上（図示せず）と、層２によって示すように、スタックの下に設けることがさらに望ましい。本発明においては、そのようにシールドを設けることは、大きな外部磁界を分路させるためであって、従来のように（図１Ａ等）、読取分解能を増強するためではない。
【００２３】
図２Ａおよび図２Ｂに示すＭＲセンサの構成要素の作用は以下のとおりである。
（１）ＳＡＦ−ＦＬの層２１、接合層９、およびＳＡＦピンド層のリファレンス層１０によって形成された接合によって、ＭＲセンサからＭＲ信号が生成される。
（２）層１０、および層１２の磁化が、ＡＦＭ層１３によって、ＡＢＳに対して垂直な方向（すなわち、図の紙面に対して垂直な方向）に、互いに逆平行である向きに固定される。これらの磁化は、ドットを付した円１０１と、×印を付した円１２１とによって示されている。
（３）層１０は、層２１の磁化（矢印２１１）の回転のためのリファレンス層である。
（４）層２５、および層２７の磁化（矢印２５１、および矢印２７１）は、ＡＦＭ層２８によって、長手方向（図示する方向）に固定されている。
（５）ＳＡＦフリー層構造の層２２は、ＳＡＦバイアス構造の層２５によって、ＡＦＭ交換バイアスを印加されており、Ｈｅｘで表される有効交換磁界強度を有し、矢印２２１によって示される方向の磁化を有している。
（６）ＨＢ層５は、ＳＡＦフリー層構造の層２１、および層２２の双方の矢印によって示される方向を向いた静磁気結合バイアス磁界（矢印５１）を生成する。２２におけるＨＢ磁界強度は、交換結合バイアス磁界ＨｅｘのＸ％であり、層２５から層２２へと供給されるものである。ここで、０＜Ｘ＜１００である。したがって、層２２におけるネット有効バイアス磁界Ｈeffは、Ｈexに対する割合で表すと、Ｈeff＝（１００−Ｘ）Ｈexである。ただし、層２２における磁界は層２１に対して逆向きであり、矢印２２１によって示すように、右から左へと方向づけられているとする。層２１におけるネット有効バイアス磁界は、基本的に、層５の静磁気的に結合したＨＢ磁界のみである。それは、層２２におけるＨｅｘのＹ％となるように調整され、矢印２１１によって示すように左から右へと方向づけられている。ここで、ＸとＹとは、Ｘ＋Ｙが８０〜１２０の範囲内であるように選択されるが、Ｘ＋Ｙ＝１００となることが好ましい。このように、ＳＡＦフリー層の２つの磁性層２１，および２２は、ほぼ対称的にバイアスを印加されており、同じ強度、かつ逆向きの磁界をそれぞれ有している。
【００２４】
なお、ＨＢ層の、層２１、および層２２に対する相対的な位置によって、層２１内と層２２内とにおけるＨＢ磁界は互いに異なる可能性がある。図２Ａの構成では、磁界の差は５％に過ぎない。しかしながら、後述する第９〜１６の実施態様において、層の厚さと、層２１に対する相対的な位置とを変化させることによって、ＨＢ磁界の変化を調整することが可能である。例えば、層５の上面と層２１の上面とがそろっている一方で、層２２の中心により小さい（２０％程度の）ＨＢ磁界を生じさせている場合に、センサの性能が特に優れていることがわかった。シミュレーションでは、（ａ）Ｘ＋Ｙが１００以上である場合、すなわち、層２１におけるバイアス磁界が、層２２におけるバイアス磁界よりもわずかに強く、逆向きである場合、および、（ｂ）Ｘ＜Ｙである場合、すなわち、２１においてＨＢ層によって生じた磁界が、層２２においてＨＢ層によって生じた磁界よりも強い場合に、ダウントラック性能が向上する。（ｂ）の場合、ＨＢ層５を薄くして、Ｘ＜Ｙとしてもよい。
【００２５】
図３に、図２Ｂの層２２，２３，および２１を切り取って表した模式図を示す。図３は、上述のバイアススキームを有する実施態様を表し、ここで、Ｘ＋Ｙ＝１００である。磁化を表す２つの矢印、すなわち、左方向を向いたＨｅｘ（“Ｈｅｘ”と付記された実線の矢印）と、ＨＢ磁界を表す破線の矢印（Ｈｈｂ22と付記され、右方向を向いた破線の矢印）を示す。ここで、Ｈｈｂ22は、Ｈｅｘに対する割合（Ｘ％）で表すと、ＸＨｅｘである。左方向を向いたＨｅｘは、層２５の、右方向を向いた磁化２５１との反強磁性結合によって生じる。よって、層２２における有効バイアス磁界Ｈｅｆｆ（Ｈｅｆｆと付記され、左方向を向いた大きな２次元の破線矢印によって示す）の大きさは、Ｈｅｆｆ＝（１００−Ｘ）Ｈｅｘである。
【００２６】
次に、層２１におけるＨＢ磁界（Ｈｈｂ21と付記された右向きの破線矢印）を示す。この磁界は、Ｈｅｘに対する割合で表すと、ＹＨｅｘとなるように調整される。Ｘ＋Ｙ＝１００であるから、層２２における有効バイアス磁界は、パーセントを用いて表すと、Ｈｅｆｆ＝（１００−Ｘ）Ｈｅｘ＝ＹＨｅｘである。
【００２７】
上述した、Ｘ＋Ｙ＝１００を用いたバイアススキームは、ＳＡＦフリー層内の２つの磁性層において、対称的な磁気的反応を生成する。これによれば、本発明の目的である、最良のダウントラック分解能と安定的な信号とが得られる。
【００２８】
再び、図２Ａおよび図２Ｂを参照する。ＡＦＭ層１３および２８によって生成される直交方向のピンニング方向は、ＡＢＳと直交しており、面内において、それぞれ長手方向に向けられている。これは、２段階のアニール工程によって達成される。まず、ＨＢ層５および層２５〜２８からなる上部交換バイアス構造を形成する前に、ＭＲ膜レベルのアニール（膜は、堆積されて６６を構成する層である）の際、下部ＡＦＭ１３のピンニング層が定められる。具体的には、下部ＡＦＭ層１３は、上部ＡＦＭ層２８が堆積されて、第２のアニール処理の際に、アニールされる前に、第１のアニール処理において、アニールされ、磁化方向が定められる。その後、ＡＦＭ層およびＡＦＭ２８の双方において、一般に、ＩｒＭｎからなる。なお、全ての場合において、後続のアニール処理は、この第１のアニールの結果に影響しない。
【００２９】
第１のアニールは、第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭ１３の飽和磁界よりも大幅に大きい磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）の存在下において（１〜５時間程度）行われる。層２４〜２８は、スタック６６全体の処理（すなわち、エッチングによるパターニング）が終わった後に堆積される。ＨＢ層は、具体的な実施態様の構成によって、層２４〜２８の前、または後に堆積される。それから、層２８に対して、第２のアニール処理が施され、磁化が定められるとともに、層２５，および２７がそれぞれ対応する方向に固定される。層２８のアニールは、第１のアニールよりも低い温度、すなわち、２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度で、より低い、すなわち、０．６ｋＯｅ〜１ｋＯｅ程度の磁界下において行われる。そのため、このアニールは、層１３の磁化方向を変化させない。このＭＲ膜レベルのアニールを、長いアニール時間をもって、ＡＢＳに対して垂直な、高いアニール磁界下で行うことによって、ピンニング層の磁化が定められる。なお、ＨＢ層５のアニール処理（第３のアニール）の温度は、ＡＦＭ層２８に対する第２のアニールの温度を超えてはならない。この制限を同時に、第３のアニールの温度は、また、ＡＦＭ層１３に対するアニールの温度よりも低い。
【００３０】
後述する全ての実施態様において、ＨＢ層５、およびＡＦＭ層２８に対するアニールが、層１３に対する第１のアニールに影響しないことは、重要である。ＡＦＭ層２８に対する第２のアニール後に、ＨＢ層がアニールされる場合、第２のアニールがＨＢ層の磁化方向を反転させないようにすることが重要である。ＡＦＭ層２８とＨＢ層５との磁化方向が同じである場合は、明らかに、この反転は問題にならない。第３のアニールにおけるアニール磁界は、第２のアニールにおけるアニール磁界と同じとなるように選択されてもよい。
【００３１】
図４に、磁気媒体３１からの記録された磁気ビットに対するリードバック動作の際の、ＳＡＦフリー層の作用を模式的に示す。磁気媒体３１は、センサスタック６６に対して、矢印３１１によって示されるように、左から右へと移動する。磁気パターン例３つ（３つの垂直方向の矢印によって模式的に示す）と、媒体に対するスタックの配置例５つ（（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），および（ｅ））を用いて説明する。各位置において、実際の長手方向に沿って（図の紙面方向へと）見た場合の層２２、および層２１の磁化方向を示すボックスを示す。センサスタック６６の、ＡＢＳに対して垂直な鉛直平面における断面図が、磁気媒体の上方に示されている。フリー層２１，および２２の長手方向の磁化は、図の紙面に対して垂直な矢印２１１，および２２１によって示される。
【００３２】
２つの磁性層２１，および２２は、同じ、または同様の磁気モーメント、および厚さを有し、互いに強く交換結合している。そのため、磁性層２１および磁性層２２の双方が基本的に同一強度の磁界を受ける長い磁気パターンの中点において、磁性層２１および磁性層２２の磁化の回転は基本的にゼロとなる。このような回転が０の状態を示しているのは、スタックの配置例５つのうち、（ａ），（ｃ），および（ｅ）である。センサが、均一なビットパターンを通り過ぎる際に生成されるＤＣ型の磁界に対して反応しない理由は、ＳＡＦフリー層の１つの層における磁気的エネルギーの増加は、その層と他の層とが強く交換結合している場合、他の層における磁気的エネルギーの減少によって、常に、完全に相殺されるからである。
【００３３】
しかしながら、センサが、（ｂ）や（ｄ）のように、隣接する（かつ、異なる）磁気パターンの間の遷移位置上に配置される場合、ＳＡＦフリー層の２つの層は、反対の磁界を受ける。そのため、それぞれのエネルギーにおける変化は、付加的なものである。よって、２つの層は、同時に、異なる垂直方向に対して同じ角度量で傾斜して回転する。層２１は、スタックのピンド層１０と関連して回転するため、その回転によって、センサにおける抵抗の変化が生じ、また、それに対応して、センサを通じた電圧の変化が信号として生成される。
【００３４】
図４の曲線３２は、磁気媒体におけるセンサに対応するパターンの領域がセンサを通り過ぎることで、磁化の回転を生じさせる際に生成される信号出力曲線である。信号のピークは、位置（ｂ）（正ピーク）、および位置（ｄ）（負ピーク）で生じ、この時に回転が生じる。
【００３５】
図５に、図２Ａに示す構造によって読み取られ、生成された、リードバック信号波形のシミュレーションを示す。５１，５２，５３の波形は、それぞれ、パターン転移距離（すなわちビット長）が、３００ｎｍ，３０ｎ，および１５ｎｍの場合に対応している。このシミュレーション結果によれば、ビット長が３０ｎｍである波形のピーク間振幅は、ビット長が３００ｎｍである波形のピーク間振幅に近い。しかし、ビット長が１５ｎｍである場合の振幅は、ビット長が３０ｎｍである場合の振幅の５４％程度である。これは、本発明の目的に適う、優れたダウントラック分解能を示している。
【００３６】
垂直磁気媒体のリードバックのための、２つのフリー層を備えた差動センサは、Ｓ．Ｍａｏ等によって、米国特許第７０１６１６０号の従来技術において開示されている。同様の構成が、Ｊ．Ｓｕｎ等による米国特許出願公開第２００８／１１３２２０号において、ＭＲＡＭアレイ内で使用されるＭＴＪセンサについて開示されている。しかしながら、本発明のように、単一のＭＲ接合を有する差分センサにおいてＳＡＦフリー層を用いるとともに、長手方向のＨＢと上部交換バイアスとを組み合わせて、ＳＡＦフリー層構造の両方の磁性層において対称的なバイアスを実現することは、まだなされていない。実際に、上述のＪ．Ｓｕｎによるのように、本発明のバイアススキームを備えず、ＳＡＦフリー層を直接用いると、許容できないほどにノイズが多く、不安定な読取センサとなり、ＨＤＤにおいて用いることができないものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】従来のＭＲ読取ヘッドを表す、ＡＢＳから見た模式図であり、上部シールドと、下部シールドと、長手方向のＨＢ層と、単層からなるフリー層を有している。
【図１Ｂ】図１ＡのＭＲスタックを切り取って表した模式図である。
【図２Ａ】本発明の第１の好適な実施態様に係るＭＲ読取ヘッドを表す、ＡＢＳから見た模式図であり、上部シールドの代わりの上部ＳＡＦ交換バイアス層と、交換バイアス層とともに用いられる長手方向のＨＢ層と、交換バイアスとハードバイアスとの組み合わせによってバイアスを印加されたＳＡＦフリー層とを有している。
【図２Ｂ】図２Ａに示した第１の実施態様に係る読取ヘッドのＭＲスタックを切り取って表した模式図である。
【図３】図２Ａに示したＭＲ読取ヘッドのＳＡＦフリー層に対して印加されたバイアス磁界を表す図である。
【図４】図２Ａに示したＳＡＦフリー層の磁化回転に対する記録ビットパターンの効果と、それに対応する読取ヘッドによって生成された波形とを示した模式図である。
【図５】読取ビット長パターンが１５ｎｍ，３０ｎｍ，および３００ｎｍである場合に、図２Ａの読取ヘッドによって生成されるリードバック波形のシミュレーション結果を表す特性図である。
【図６】本発明の第２の実施態様を表す模式図である。
【図７】本発明の第３の実施態様を表す模式図である。
【図８】本発明の第４の実施態様を表す模式図である。
【図９】本発明の第５の実施態様を表す模式図である。
【図１０】本発明の第６の実施態様を表す模式図である。
【図１１】本発明の第７の実施態様を表す模式図である。
【図１２】本発明の第８の実施態様を表す模式図である。
【図１３】本発明の第９の実施態様を表す模式図である。
【図１４】本発明の第１０の実施態様を表す模式図である。
【図１５】本発明の第１１の実施態様を表す模式図である。
【図１６】本発明の第１２の実施態様を表す模式図である。
【図１７】本発明の第１３の実施態様を表す模式図である。
【図１８】本発明の第１４の実施態様を表す模式図である。
【図１９】本発明の第１５の実施態様を表す模式図である。
【図２０】本発明の第１６の実施態様を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の好適な実施態様はそれぞれ、上部交換バイアス構造と、水平方向に設けられたハードバイアス（ＨＢ：hard biasing）層との組み合わせによる効果によって、長手方向にバイアスを印加されたシンセティック反強磁性（ＳＡＦ:synthetic antiferromagnetic）フリー層（ＦＬ：free layer）を有するＭＲセンサスタック（ＴＭＲ構成、またはＧＭＲ構成等）を含む磁気抵抗効果（ＭＲ：magneto-resistive）読取ヘッドである。上部交換バイアス構造は、単層であってもよいし、上部交換バイアス構造自体が、逆向きの磁化を有する１対の強磁性層と、その間に挟まれた非磁性結合層とを含む、固定されたＳＡＦ三層であってもよい。さらに、交換バイアス構造は、センサスタックとともにパターニングされてもよいし、センサスタックがパターニングされた後に形成されてもよい。交換バイアス構造は、非磁性結合層を介して、ＳＡＦフリー層の上部層と交換結合しており、それによって、バイアスを生成している。後述する具体的な実施態様にしたがって、ＨＢ層の厚さには２つの可能性があり、それに対応して、フリー層構造に隣接する位置が２つある。より厚いＨＢ層（実施態様１〜８）は、ＳＡＦフリー層の両方の磁性層の側面の端部に隣接して形成される。より薄いＨＢ層（実施態様９〜１６）は、基本的に、ＳＡＦフリー層内の２つの磁性層のうちの１つ（下部にあるほうの磁性層）のみに隣接して形成される。この場合、ＨＢ層の上面は、２つの磁性層の間にある非磁性結合層に合わせられる。
【００３９】
＜第１の実施態様＞
本発明の第１の実施態様については、図２Ａおよび図２Ｂを参照して既に上で説明した。残りの第２〜第１６の実施態様を、図６〜２０をそれぞれ参照して以下で説明する。当然ながら、上部交換バイアス構造、およびサイドのＨＢ層の効果についての議論は、以下に述べる残りの実施態様に対しても等しく当てはまる。また、当然ながら、各実施態様が形成される際の工程は、具体的には一連のアニール工程と、実質的に同一である。その一連のアニール工程においては、まず、ＡＦＭピンニング１３と、スタック内のピンド層が、高温、かつ高い磁界中においてアニールされる。それから、層１３に対する第１のアニールの結果に対して影響を及ぼさないように、最後に、上部バイアス構造の上部ＡＦＭピンニング層２８が低温度、かつ小さな磁界中でアニールされる。ＨＢ層は、上部バイアス構造に対するより弱い磁界でのアニールと、実質的に同様の別立てのアニールによって形成される。そのため、スタック自体に対する第１のアニールには影響を及ぼさない。実施態様の望ましい構造の形状にしたがって、さまざまなパターニング工程が施される。これについては、以下の各説明において、さらに具体的に論じる。ここで、明確にするため、上述の議論を繰り返して説明する。
【００４０】
再度、図２Ａ、および図２Ｂを参照する。層１３，および層２８によって生成される直交方向のピンニング方向（それぞれ、ＡＢＳに対して直交し、長手方向を向いている）は、以下の一連のアニール工程によって達成される。ＡＦＭ層１３のピンニング方向（および、ＳＡＦのピンド方向）が、第１のアニールにおいて設定される。第１のアニールは、ＭＲ膜レベルのアニールであり、６６を含む積層が、パターニングの前にアニールされる。それから、アニールされた膜がパターニングされ、ＨＢ層５がパターニングされたスタック６６の側面に対して形成される。そして、ＨＢ層は、後述する最後のアニールと同様の、別立てのアニールを施される。それから、その製造物の上に、層２４〜２８からなる上部交換バイアス構造が堆積される。それから、最後のアニールが行われる。最後のアニールにおいて、上部ＡＦＭ２８がアニールされ、フリー層構造との交換結合が生じる。なお、上部交換バイアス構造に対するアニール処理を行なっても、フリー層は、磁気媒体内におけるビット転移をトラックする可動性を十分有している。
【００４１】
より具体的には、層１３〜２２からなるスタックのパターニング、ＨＢ層５の堆積、第３のアニール、層２４〜２８の堆積、それに続く層２４〜２８のアニールという後続の工程よりも前に、まず、下部ＡＦＭ層１３が（層１３〜２２の堆積後に）アニールされ、その磁化方向（ＡＢＳに対して垂直）が設定される。ＡＦＭピンニング層１３、および１３によって固定されるＳＡＦピンド層構造に対する第１のアニールは、２８に対する第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭ層の飽和磁界よりも大幅に大きな磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）を用いて行われる。
【００４２】
ＨＢ層は、層１３〜２２が堆積され、パターニングされた後に、堆積され、アニールされる。最後に、層５が堆積され、層２８がアニールされることによって、層２８の磁化方向が設定されるとともに、層２５、および層２７がそれぞれ対応する方向に固定された後に、層２４〜２８が堆積される。層２８に対するアニールは、層１３に対する第１のアニールよりも低い温度、すなわち２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度で、より低い磁界、すなわち０．６〜１ｋＯｅにおいて行われる。それにより、後から行われる第２のアニールが、層１３の既に設定された磁化方向に影響を及ぼさない。なお、全ての実施態様におけるさまざまなアニールはそれぞれ、１〜５時間程度の時間を要する。
【００４３】
＜第２の実施態様＞
図６に、本発明の第２の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図２Ａおよび図２Ｂに模式的に示した第１の実施態様と以下の点で異なるが、それ以外の点はすべて同じである。本実施態様においては、結合層２４を介して、フリー層の要素２２と交換結合することによって交換バイアスを生成する上部バイアス構造が、１つの磁性層、すなわち層２５のみを含む点である。層２５は、それ自体がＡＦＭピンニング層２８と交換結合する。層２５の上の層２８のピンニング方向は、矢印２５１によって示されるように左から右へと向いている。本実施態様の形成は、アニール工程およびパターニング工程において、第１の実施態様で説明した工程と、以下の点で異なり、他のすべての点で同じである。層２５，２６，および２７からなる三層を堆積するのに対して、本実施態様では、単一の層２５を堆積する。
【００４４】
＜第３の実施態様＞
図７に本発明の第３の実施態様を示す。本実施態様は、第１の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、６７と付記されたＭＲスタック（図６のスタック６６とは異なる）は、図２Ａに示すようにＡＦＭピンニング層１３まで、水平面内においてパターニングされている（エッチングによって幅が減少されている）わけではない。このように、本実施態様のＭＲスタック６７では、垂直方向に積層された水平方向に広がる層２４，２２，２３，２１，９の幅は均一に狭められているが、層１０，１１，１２，１３は水平面内においてパターニングされておらず、幅が広いままである。パターニングの後、横方向に延在する、パターニングされていない層１０，１１，１２，１３の上に、ＨＢ層５を形成する。その際、５と１０との間に、必要な絶縁層、およびシード層（図示せず）を形成する。このようにして、ＨＢ層５は、ＳＡＦフリー層構造に対して、高度に対称的に配置され、２つの磁性層２１，および２２に対して同様の磁界を供給することが可能となっている。
【００４５】
構造全体の形成には、層１３〜２２の堆積と、それに続く、層１３に対する高温度、高磁界下における第１のアニールとが含まれる。このアニールの後に、層２２〜１３に対するパターニングと、ＨＢ層５の堆積およびＨＢ層５に対するアニールとが行われる。それから層２４，２５，２６，２７，２８が形成され、最後のアニールが行われ、層２８のバイアスを固定し、層２５と層２２とを交換結合させる。温度、および磁界は、図２Ａを参照して上述したものと同様である。
【００４６】
＜第４の実施態様＞
図８に本発明の第４の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図７に模式的に示し上述した第３の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において、同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを生成する上部バイアス構造が、単一の磁性層、すなわち層２５のみを含む。層２５は、ＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。層２８の層２５に対するピンニング方向は、矢印２５１によって示されるように、左から右を向いている。本実施態様の形成方法は、第４の実施態様で説明した方法と、スタック６７およびＨＢ層２５の上に単一のバイアス層２５のみを堆積する点を除いて同様である。
【００４７】
＜第５の実施態様＞
図９に、本発明の第５の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第１の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、上部ＳＡＦ交換バイアス構造、すなわち層２８，２７，２６，２５が、ＭＲスタック（図２Ｂのスタック６６）の層の上に堆積され、それに続いて、そのスタックとともにパターニングされる。それによって、すべての層、すなわち、層２４，２２，２３，２１，９，１０，１１，１２，１３とともに、層２８，２７，２６，２５は共通の幅を有する。それから、ＨＢ層５が、パターニングされた構造の両隣に堆積される。
【００４８】
一連のアニール工程は以下である。層２２，２３，２１，９，１０，１１，１２，および１３が堆積され、高温度、高磁界下で第１のアニールを施され、ピンニング層１３の磁化が設定される。それから、層２４，２５，２６，２７，および２８が堆積され、より低い温度、およびより低い磁界下で、層２８に対して第２のアニールが施される。最後に、構造全体がパターニングされる。それに続いて、ＨＢ層５が形成され、第３のアニールを施される。第３のアニールは、実質的に第２のアニールと同じである。既に述べたように、各アニール処理の時間は１〜５時間程度である。
【００４９】
＜第６の実施態様＞
図１０に、本発明の第６の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第５の実施態様（図９）と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、上部交換バイアス構造が、図９に示した３つの層２５，２６，２７に代わって、単一の強磁性バイアス層２５のみを含む。製造工程は、第５の実施態様の形成に用いた工程と、三層の代わりに単一の層２５を設ける点を除いて同様である。
【００５０】
＜第７の実施態様＞
図１１に、本発明の第７の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図７に示した第３の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、上部ＳＡＦバイアス構造は、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを生成するとともに、ピンニング層２８と、互いに結合した磁性層２７および２５とを含む。この上部ＳＡＦバイアス構造全体は、ＭＲスタック６６とともに堆積され、それに続いて、そのスタックとともにパターニングされる。それにより、層２８，２７，２６，２５は、層２４，２２，２３，２１，９とともに、すべて共通の幅を有する。
【００５１】
製造工程は、第５の実施態様における製造工程と、以下の点で異なるが、他のすべての点は同様に進行する。本実施態様においては、層１３のアニール、それに続く層２４〜２８の堆積、および層２８のアニールののちパターニングが行われる。このパターニングは、垂直方向に、層１０に至るまでしか行われない。層１０の幅は減少されず、層１１，１２，１３の幅も減少されない。
【００５２】
＜第８の実施態様＞
図１２に、本発明の第８の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図１１に示した第７の実施態様と、以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを供給する上部バイアス構造が、ここでは単一の磁性層、すなわち層２５のみを含む。層２５はＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。バイアス層２８，２５，２４は、ＭＲスタックとともに堆積され、続いてスタックおよびバイアス層の双方がパターニングされる。それにより、層２８，２５，２４，２２，２３，２１，９が共通の幅を有するようになる。その後、ＨＢ層５が堆積される。
【００５３】
一連のアニール工程とパターニングとを含む製造工程は、第７の実施態様における製造工程と、上部バイアス層が単層２５である点を除いて同様である。
【００５４】
＜第９の実施態様＞
図１３に本発明の第９の実施態様を示す。本実施態様は、図２Ａおよび図２Ｂに示した第１の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、ＨＢ層５が、図２Ａよりも薄く形成されており、ＨＢ層の水平な上面は、層２１と層２２との間の、垂直方向においてより低い位置に設定されている。層５をより薄くし、より低い位置に設けた結果、層５は、層２１および層２２の双方に隣接するのではなく、層２１の側面のエッジに隣接するように配置されている。それゆえ、ハードバイアス静磁界の強度が、層２１内と層２２内とで異なる。これにより、全体として、これらの実施態様間でダウントラック分解能に関する性能特性に差が生じる。このことは、そのような構造をデザインする際、考慮されるべきである。
【００５５】
実施態様９〜１２と、それぞれと対応する実施態様１〜４との違いは、ＨＢ層が薄くなっている点と、ＨＢ層５がフリー層構造の層２１と層２２とについて非対称的に配置されている点とのみである。実施態様９〜１２において、層５は、層２１と対向しており、層５の上面は層２２と層２１との間に水平方向に設定されている。上述のように、層２１内と層２２内とにおいてＨＢ磁界の強度が異なる場合には、実施態様１〜８のように、層２１内と層２２内とにおいて、ＨＢ磁界の強度が実質的に同様である場合と比較すると、実施態様間で異なる性能特性が生じる可能性がある。
【００５６】
実施態様９〜１２の基本的な製造工程を以下、繰り返し述べる。まず、下部ＡＦＭ１３がアニールされ、その磁化方向が設定される。そののち、スタックのパターニング、ＨＢ層の堆積、および上部ＡＦＭ層２８の堆積の各工程が行われる。それから層２８に対して第２のアニールが施され、その磁化が設定される。第１のアニールは、第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭの飽和磁界よりも大幅に大きな磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）を用いて行われる。層２８の堆積は、スタック６６全体が処理された（アニールされ、パターニングされた）後に行われる。ＨＢ層は、それぞれ具体的な実施態様の構成における２５〜２８のパターニングによって、層２５〜２８の前、または後に堆積してもよい。最後に、層２８がアニールされ、その磁化が設定されると共に、層２５および層２７がそれぞれ対応する方向に固定される。層２８に対するアニールは、２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度の低い温度で、０．６〜１ｋＯｅ程度の低い磁界を用いて行われる。これにより、この層２８に対するアニールは、層１３の磁化方向を変化させない。
【００５７】
＜第１０の実施態様＞
図１４に、本発明の第１０の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図１３に示した第９の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２と交換結合することによって、交換バイアスを生成する上部バイアス構造は、単一の磁性層、すなわち層２５のみを含む。層２５自体が、ＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。
【００５８】
本実施態様の製造方法は、第９の実施態様で用いた方法と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様の製造方法では、三層の上部交換バイアス構造が単一の層２５によって置き換えられている。これ以外の点においては、アニール、堆積、およびパターニングという一連の工程は同じである。
【００５９】
＜第１１の実施態様＞
図１５に本発明の第１１の実施態様を示す。本実施態様は、第９の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、ＭＲスタック６６は、図１３におけるようにＡＦＭピンニング層１３まで水平面内においてパターニングされて（幅が減少させられて）はいない。よって、本実施態様のＭＲスタックにおいて、垂直方向に積層された水平方向の層２４，２２，２３，２１，９は、均一で狭い幅を有するが、層１０，１１，１２，１３は水平面内においてパターニングされず、より広い幅のままである。パターニングに続いて、水平方向に延在する、パターニングされていない層１０，１１，１２，１３の上に薄いＨＢ層５が形成される。その際、層５と層１０との間には、必要な絶縁層およびシード層（図示せず）を設ける。このようにして、ＨＢ層５はＳＡＦフリー層構造に対して非対称的に配置され、層の上面は層２１と層２２との間に設定される。したがって、層５は、層２２よりも層２２に対してより強い磁界を供給する。
【００６０】
本実施態様の製造工程は、第３の実施態様の製造工程と以下の点で異なるが、他の点において同様に進行する。本実施態様の製造においては、ＨＢ層がより薄くなっているとともに、フリー層構造に対して非対称的に配置されている。
【００６１】
＜第１２の実施態様＞
図１６に、本発明の第１２の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図１５に模式的に示し、上述した第１１の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを生成する上部バイアス構造は、単一の磁性層、すなわち層２５のみを含む。層２５は、ＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。層２８の層２５に対するピンニング方向は、矢印２５１によって示されるように、左から右に向いている。よって、本実施態様の製造工程は、第１１の実施態様で用いた工程と同じである。
【００６２】
＜第１３の実施態様＞
第１３〜第１６の実施態様は、第５〜８の実施態様と、以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。第１３〜１６の実施態様においては、ＨＢ層５は、より薄くなっており、層２１および層２２の双方ではなく、層２１と並んで配置されている。図１７に、本発明の第１３の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第５の実施態様（図９）と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、第９の実施態様において述べたのと同様に、ＨＢ層５がより薄くなっており、フリー層構造に対して非対称的に配置されている。本実施態様において、上部ＳＡＦ交換バイアス構造、すなわち、層２８，２７，２６，２５は、ＭＲスタック（図２Ｂのスタック６６）とともに堆積され、続いてそのスタックとともにパターニングされる。それにより、全ての層、すなわち、層２４，２２，２３，２１，９，１０，１１，１２，１３とともに層２８，２７，２６，２５は共通の幅を有する。本実施態様を製造する際に用いる一連の工程は、以下の点を除いて、第５の実施態様の製造において用いた工程と全く同じである。本実施態様においては、ＨＢ層５がより薄く堆積され、非対称的に配置される。それ以外の点において、第１のアニール、第２のアニール、およびパターニングという一連の工程は同様である。
【００６３】
＜第１４の実施態様＞
図１８に、本発明の第１４の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第１３の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、上部交換バイアス構造が、ＡＦＭ層２８と、単一の層２５のみを含むものであって、層２５，２６，２７からなる三層構造を含むものではない。第１のアニール、第２のアニール、堆積、およびパターニングを含む製造工程は、第１３の実施態様の工程と同様である。
【００６４】
＜第１５の実施態様＞
図１９に、本発明の第１５の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図１１に模式的に示す第７の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、ＨＢ層５は、より薄く、層５が、層２１に隣接するとともに、層２２よりも下の位置となるように、フリー層構造に対して非対称的に配置されている。本実施態様の製造工程は、第１のアニール、第２のアニール、層の堆積、パターニングに関して、第７の実施態様における製造工程と同様である。ＨＢ層がより薄くなり、非対称的に配置される点のみが異なっている。
【００６５】
＜第１６の実施態様＞
図２０に、本発明の第１６の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図１９に模式的に示した第１５の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを生成する上部バイアス構造は、単一の磁性層２５のみを含む。層２５は、ＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。本実施態様の製造工程は、第１５の実施態様の製造において用いた工程と同様である。
【００６６】
なお、上述の実施態様それぞれにおける、本発明の読取ヘッドの上方、および下方に、追加でシールドを形成してもよい。しかしながら、そのようなシールドの目的は、外部磁界を分路し、外部磁界による望ましくない影響を避けることであって、従来のようにセンサのダウントラック分解能を向上させることではない。上述した全ての実施態様および図６〜図２０において、このような下部シールドは層２として示されているが、上部シールドは図示されていない。
【００６７】
最後に、当業者であれば理解できるように、本発明の好適な実施態様は、本発明の例示であって本発明を限定するものではない。添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神および範囲にしたがって、フリー層が、ＳＡＦ構造をもって形成されるとともに、ＳＡＦ、または単一の層からなる上部交換バイアス構造、および水平方向に形成されたＨＢ層の双方によって、長手方向のバイアスを印加されるＭＲ読取センサの形成に適用する方法、材料、構造、および大きさに関しては修正や変更が可能である。
【図１Ａ】
2012133864.tif 000003
【図１Ｂ】
2012133864.tif 000004
【図２Ａ】
2012133864.tif 000005
【図２Ｂ】
2012133864.tif 000006
【図３】
2012133864.tif 000007
【図４】
2012133864.tif 000008
【図５】
2012133864.tif 000009
【図６】
2012133864.tif 000010
【図７】
2012133864.tif 000011
【図８】
2012133864.tif 000012
【図９】
2012133864.tif 000013
【図１０】
2012133864.tif 000014
【図１１】
2012133864.tif 000015
【図１２】
2012133864.tif 000016
【図１３】
2012133864.tif 000017
【図１４】
2012133864.tif 000018
【図１５】
2012133864.tif 000019
【図１６】
2012133864.tif 000020
【図１７】
2012133864.tif 000021
【図１８】
2012133864.tif 000022
【図１９】
2012133864.tif 000023
【図２０】
2012133864.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月7日(2012.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
センサスタック６の両側に、ハードバイアス（ＨＢ：hard bias）磁石５（硬質の、すなわち、高保磁力の磁性材料によって形成された磁石）が水平方向に設けられている。これらのＨＢ磁石５は、上部シールド１と下部シールド２との間に配置され、その磁化は矢印５１によって示されている。ＨＢ磁石５は、フリー層８との静磁気相互作用によって、フリー層８の磁化（矢印８１）を安定化させる。センサスタック６自体は、一般に、水平方向の層を垂直方向に積層してパターニングしたものとして形成され、上部キャップ層７の下に形成される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図１Ｂは、図１Ａに示したパターニングされたセンサスタック６を切り取って表した模式図であり、長手方向に共通の幅を有する、垂直方向に積層された水平方向の層を示す。これらの層は、非磁性キャップ層７と、磁気的フリー層８と、非磁性層９と、リファレンス層１０と、結合層１１と、ピンド層１２とを含む。磁気的フリー層８は、一般に、ＮｉＦｅの合成物からなる層である。磁気的フリー層８の磁化ベクトルは、矢印８１で示され、長手方向（すなわち、磁気媒体に対する読取動作におけるクロストラック方向）を向いている。非磁性層９は、ＭｇＯ等からなる誘電体層であり、ＴＭＲセンサにおけるトンネルバリア層（ＧＭＲセンサにおいては、Ｃｕ等からなる導電体層）として機能する。結合層１１は、例えば、Ｒｕからなる層である。ピンド層１２は、結合層１１を介して、リファレンス層１０と結合する。ピンド層１２の磁化は、ピンド層１２を固定する反強磁性材料からなる厚い層１３によって空間的に固定されている。リファレンス層１０，結合層１１，およびピンド層１２からなる三層構造は、シンセティック反強磁性（ＳＡＦ：synthetic-antiferromagnetic）構造と呼ばれる。強磁性材料を用いて形成されているが、全体として、反強磁性物質の働きを有するからである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
最後に、層９は、［フリー層／接合層／ピンド層］なるセンサ構造のＧＭＲ接合、またはＴＭＲ接合を生成する、非磁性接合層である。接合層９が薄い誘電体層である場合、接合層９は、フリー層とピンド層との相対的な磁化方向に起因するトンネル確率にしたがって電子のトンネリングを生じさせるように機能する（ＴＭＲ効果）。接合層９が、電気的に導電性の非磁性層である場合、接合層９は、フリー層とピンド層との相対的な磁化方向に起因する抵抗の変化にしたがって電流が供給されるように機能する（ＧＭＲ効果）。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図２Ａおよび図２Ｂに示すＭＲセンサの構成要素の作用は以下のとおりである。
（１）ＳＡＦ−ＦＬの層２１、接合層９、およびＳＡＦピンド層のリファレンス層１０によって形成された接合によって、ＭＲセンサからＭＲ信号が生成される。
（２）層１０、および層１２の磁化が、ＡＦＭ層１３によって、ＡＢＳに対して垂直な方向（すなわち、図の紙面に対して垂直な方向）に、互いに逆平行である向きに固定される。これらの磁化は、ドットを付した円１０１と、×印を付した円１２１とによって示されている。
（３）層１０は、層２１の磁化（矢印２１１）の回転のためのリファレンス層である。
（４）層２５、および層２７の磁化（矢印２５１、および矢印２７１）は、ＡＦＭ層２８によって、長手方向（図示する方向）に固定されている。
（５）ＳＡＦフリー層構造の層２２は、ＳＡＦバイアス構造の層２５によって、ＡＦＭ交換バイアスを印加されており、Ｈｅｘで表される有効交換磁界強度を有し、矢印２２１によって示される方向の磁化を有している。
（６）ＨＢ層５は、ＳＡＦフリー層構造の層２１、および層２２の双方の矢印によって示される方向を向いた静磁気結合バイアス磁界（矢印５１）を生成する。層２２におけるＨＢ磁界強度は、交換結合バイアス磁界ＨｅｘのＸ％であり、層２５から層２２へと供給されるものである。ここで、０＜Ｘ＜１００である。したがって、層２２におけるネット有効バイアス磁界Ｈeffは、Ｈexに対する割合で表すと、Ｈeff＝（１００−Ｘ）Ｈexである。ただし、層２２における磁界は層２１に対して逆向きであり、矢印２２１によって示すように、右から左へと方向づけられているとする。層２１におけるネット有効バイアス磁界は、基本的に、層５の静磁気的に結合したＨＢ磁界のみである。それは、層２２におけるＨｅｘのＹ％となるように調整され、矢印２１１によって示すように左から右へと方向づけられている。ここで、ＸとＹとは、Ｘ＋Ｙが８０〜１２０の範囲内であるように選択されるが、Ｘ＋Ｙ＝１００となることが好ましい。このように、ＳＡＦフリー層の２つの磁性層２１，および２２は、ほぼ対称的にバイアスを印加されており、同じ強度、かつ逆向きの磁界をそれぞれ有している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
再び、図２Ａおよび図２Ｂを参照する。下部ＡＦＭ層１３および上部ＡＦＭ層２８によって生成される直交方向のピンニング方向は、ＡＢＳと直交しており、面内において、それぞれ長手方向に向けられている。これは、２段階のアニール工程によって達成される。まず、ＨＢ層５および層２５〜２８からなる上部交換バイアス構造を形成する前に、ＭＲ膜レベルのアニール（膜は、堆積されてスタック６６を構成する層である）の際、下部ＡＦＭ層１３のピンニング層が定められる。具体的には、下部ＡＦＭ層１３は、上部ＡＦＭ層２８が堆積されて、第２のアニール処理によってアニールされる前に、第１のアニール処理においてアニールされて磁化方向が定められる。その後、下部ＡＦＭ層１３および上部ＡＦＭ層２８は、いずれも、一般にＩｒＭｎによって構成される。なお、全ての場合において、後続のアニール処理は、この第１のアニールの結果に影響しない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
第１のアニールは、第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭ層１３の飽和磁界よりも大幅に大きい磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）の存在下において（１〜５時間程度）行われる。層２４〜２８は、スタック６６全体の処理（すなわち、エッチングによるパターニング）が終わった後に堆積される。ＨＢ層５は、具体的な実施態様の構成によって、層２４〜２８の前、または後に堆積される。それから、層２８に対して、第２のアニール処理が施され、層２８の磁化が定められるとともに、層２５および層２７がそれぞれ対応する方向に固定される。層２８のアニールは、第１のアニールよりも低い温度、すなわち、２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度で、より低い、すなわち、０．６ｋＯｅ〜１ｋＯｅ程度の磁界下において行われる。そのため、この第２のアニールは、層１３の磁化方向を変化させない。このＭＲ膜レベルのアニールを、長いアニール時間をもって、ＡＢＳに対して垂直な、高いアニール磁界下で行うことによって、ピンニング層の磁化が定められる。なお、ＨＢ層５のアニール処理（第３のアニール）の温度は、ＡＦＭ層２８に対する第２のアニールの温度を超えてはならない。この制限を満たすと同時に、第３のアニールの温度は、また、ＡＦＭ層１３に対するアニールの温度よりも低い。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
後述する全ての実施態様において、ＨＢ層５、およびＡＦＭ層２８に対するアニールが、層１３に対する第１のアニールに影響しないことは、重要である。ＡＦＭ層２８に対する第２のアニール後に、ＨＢ層５がアニールされる場合、第２のアニールがＨＢ層５の磁化方向を反転させないようにすることが重要である。ＡＦＭ層２８とＨＢ層５との磁化方向が同じである場合は、明らかに、この反転は問題にならない。第３のアニールにおけるアニール磁界は、第２のアニールにおけるアニール磁界と同じとなるように選択されてもよい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
図５に、図２Ａに示す構造によって読み取られ、生成された、リードバック信号波形のシミュレーション結果を示す。５１，５２，５３の波形は、それぞれ、パターン転移距離（すなわちビット長）が、３００ｎｍ，３０ｎ，および１５ｎｍの場合に対応している。このシミュレーション結果によれば、ビット長が３０ｎｍである波形のピーク間振幅は、ビット長が３００ｎｍである波形のピーク間振幅に近い。しかし、ビット長が１５ｎｍである場合の振幅は、ビット長が３０ｎｍである場合の振幅の５４％程度である。これは、本発明の目的に適う、優れたダウントラック分解能を示している。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
垂直磁気記録媒体のリードバックのための、２つのフリー層を備えた差動センサは、Ｓ．Ｍａｏ等によって、米国特許第７０１６１６０号の従来技術において開示されている。同様の構成が、Ｊ．Ｓｕｎ等による米国特許出願公開第２００８／１１３２２０号において、ＭＲＡＭアレイ内で使用されるＭＴＪセンサについて開示されている。しかしながら、本発明のように、単一のＭＲ接合を有する差分センサにおいてＳＡＦフリー層を用いるとともに、長手方向のＨＢと上部交換バイアスとを組み合わせて、ＳＡＦフリー層構造の両方の磁性層において対称的なバイアスを実現することは、まだなされていない。実際に、上述のＪ．Ｓｕｎによる開示のように、本発明のバイアススキームを備えず、ＳＡＦフリー層を直接用いると、許容できないほどにノイズが多く、不安定な読取センサとなり、ＨＤＤにおいて用いることができないものとなる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
本発明の好適な実施態様はそれぞれ、上部交換バイアス構造と、水平方向に設けられたハードバイアス（ＨＢ：hard biasing）層との組み合わせによる効果によって、長手方向にバイアスを印加されたシンセティック反強磁性（ＳＡＦ:synthetic antiferromagnetic）フリー層（ＦＬ：free layer）を有するＭＲセンサスタック（ＴＭＲ構成、またはＧＭＲ構成等）を含む磁気抵抗効果（ＭＲ：magneto-resistive）読取ヘッドである。上部交換バイアス構造は、単層であってもよいし、上部交換バイアス構造自体が、逆向きの磁化を有する１対の強磁性層と、その間に挟まれた非磁性結合層とを含む、固定されたＳＡＦ三層構造であってもよい。さらに、交換バイアス構造は、センサスタックとともにパターニングされてもよいし、センサスタックがパターニングされた後に形成されてもよい。交換バイアス構造は、非磁性結合層を介して、ＳＡＦフリー層の上部層と交換結合しており、それによって、バイアスを生成している。後述する具体的な実施態様にしたがって、ＨＢ層の厚さには２つの可能性があり、それに対応して、フリー層構造に隣接する位置が２つある。より厚いＨＢ層（実施態様１〜８）は、ＳＡＦフリー層の両方の磁性層の側面の端部に隣接して形成される。より薄いＨＢ層（実施態様９〜１６）は、基本的に、ＳＡＦフリー層内の２つの磁性層のうちの１つ（下部にあるほうの磁性層）のみに隣接して形成される。この場合、ＨＢ層の上面は、２つの磁性層の間にある非磁性結合層に合わせられる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
＜第１の実施態様＞
本発明の第１の実施態様については、図２Ａおよび図２Ｂを参照して既に上で説明した。残りの第２〜第１６の実施態様を、図６〜２０をそれぞれ参照して以下で説明する。当然ながら、上部交換バイアス構造、およびサイドのＨＢ層の効果についての議論は、以下に述べる残りの実施態様に対しても等しく当てはまる。また、当然ながら、各実施態様が形成される際の工程は、具体的には上述した一連のアニール工程と、実質的に同一である。その一連のアニール工程においては、まず、ＡＦＭピンニング層１３と、スタック内のピンド層が、高温、かつ高い磁界中においてアニールされる。それから、層１３に対する第１のアニールの結果に対して影響を及ぼさないように、最後に、上部バイアス構造の上部ＡＦＭピンニング層２８が低温度、かつ小さな磁界中でアニールされる。ＨＢ層は、上部バイアス構造に対するより弱い磁界でのアニールと、実質的に同様の別立てのアニールによって形成される。そのため、スタック自体に対する第１のアニールには影響を及ぼさない。実施態様の望ましい構造の形状にしたがって、さまざまなパターニング工程が施される。これについては、以下の各説明において、さらに具体的に論じる。ここで、明確にするため、上述の議論を繰り返して説明する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
再度、図２Ａ、および図２Ｂを参照する。下部ＡＦＭ層１３および上部ＡＦＭ層２８によって生成される直交方向のピンニング方向（それぞれ、ＡＢＳに対して直交し、長手方向を向いている）は、以下の一連のアニール工程によって達成される。下部ＡＦＭ層１３のピンニング方向（および、ＳＡＦのピンド方向）が、第１のアニールにおいて設定される。第１のアニールは、ＭＲ膜レベルのアニールであり、スタック６６を含む積層が、パターニングの前にアニールされる。それから、アニールされた膜がパターニングされ、ＨＢ層５がパターニングされたスタック６６の側面に対して形成される。そして、ＨＢ層５は、後述する最後のアニールと同様の、別立てのアニールを施される。それから、その製造物の上に、層２４〜２８からなる上部交換バイアス構造が堆積される。それから、最後のアニールが行われる。最後のアニールにおいて、上部ＡＦＭ層２８がアニールされ、フリー層構造との交換結合が生じる。なお、上部交換バイアス構造に対するアニール処理を行なっても、フリー層は、磁気媒体内におけるビット転移をトラックする可動性を十分有している。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
より具体的には、層１３〜２２からなるスタックのパターニング、ＨＢ層５の堆積、第３のアニール、層２４〜２８の堆積、それに続く層２４〜２８のアニールという後続の工程よりも前に、まず、下部ＡＦＭ層１３が（層１３〜２２の堆積後に）アニールされ、その磁化方向（ＡＢＳに対して垂直）が設定される。ＡＦＭピンニング層１３、および層１３によって固定されるＳＡＦピンド層構造に対する第１のアニールは、層２８に対する第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭ層の飽和磁界よりも大幅に大きな磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）を用いて行われる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
ＨＢ層５は、層１３〜２２が堆積され、パターニングされた後に、堆積され、アニールされる。最後に、層５が堆積され、層２８がアニールされることによって、層２８の磁化方向が設定されるとともに、層２５、および層２７がそれぞれ対応する方向に固定された後に、層２４〜２８が堆積される。層２８に対するアニールは、層１３に対する第１のアニールよりも低い温度、すなわち２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度で、より低い磁界、すなわち０．６〜１ｋＯｅにおいて行われる。それにより、後から行われる第２のアニールが、層１３の既に設定された磁化方向に影響を及ぼさない。なお、全ての実施態様におけるさまざまなアニールはそれぞれ、１〜５時間程度の時間を要する。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
＜第２の実施態様＞
図６に、本発明の第２の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図２Ａおよび図２Ｂに模式的に示した第１の実施態様と以下の点で異なるが、それ以外の点はすべて同じである。本実施態様においては、結合層２４を介して、フリー層の要素２２と交換結合することによって交換バイアスを生成する上部バイアス構造が、１つの磁性層、すなわち層２５のみを含む点である。層２５は、それ自体がＡＦＭピンニング層２８と交換結合する。層２５の上の層２８のピンニング方向は、矢印２５１によって示されるように左から右へと向いている。本実施態様の形成は、アニール工程およびパターニング工程において、第１の実施態様で説明した工程と、以下の点で異なり、他のすべての点で同じである。第１の実施態様においては、層２５，２６，および２７からなる三層を堆積するのに対して、本実施態様では、単一の層２５を堆積する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
＜第４の実施態様＞
図８に本発明の第４の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、図７に模式的に示し上述した第３の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において、同様である。本実施態様においては、フリー層の要素２２に対して交換バイアスを生成する上部バイアス構造が、単一の磁性層、すなわち層２５のみを含む。層２５は、ＡＦＭピンニング層２８と交換結合している。層２８の層２５に対するピンニング方向は、矢印２５１によって示されるように、左から右を向いている。本実施態様の形成方法は、第３の実施態様で説明した方法と、スタック６７およびＨＢ層２５の上に単一のバイアス層２５のみを堆積する点を除いて同様である。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
＜第６の実施態様＞
図１０に、本発明の第６の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第５の実施態様（図９）と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、上部交換バイアス構造が、図９に示した３つの層２５，２６，２７に代わって、単一の強磁性バイアス層２５のみを含む。本実施態様の製造工程は、第５の実施態様の形成に用いた工程と、三層の代わりに単一の層２５を設ける点を除いて同様である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
本実施態様の製造工程は、第５の実施態様における製造工程と、以下の点で異なるが、他のすべての点は同様に進行する。本実施態様においては、層１３のアニール、それに続く層２４〜２８の堆積、および層２８のアニールののちパターニングが行われる。このパターニングは、垂直方向に、層１０に至るまでしか行われない。層１０の幅は減少されず、層１１，１２，１３の幅も減少されない。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
＜第９の実施態様＞
図１３に本発明の第９の実施態様を示す。本実施態様は、図２Ａおよび図２Ｂに示した第１の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、ＨＢ層５が、図２ＡにおけるＨＢ層５よりも薄く形成されており、ＨＢ層５の水平な上面は、層２１と層２２との間の、垂直方向においてより低い位置に設定されている。ＨＢ層５をより薄くし、より低い位置に設けた結果、ＨＢ層５は、層２１および層２２の双方に隣接するのではなく、層２１の側面のエッジに隣接するように配置されている。それゆえ、ハードバイアス静磁界の強度が、層２１内と層２２内とで異なる。これにより、全体として、これらの実施態様間でダウントラック分解能に関する性能特性に差が生じる。このことは、そのような構造をデザインする際、考慮されるべきである。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
実施態様９〜１２の基本的な製造工程を以下、繰り返し述べる。まず、下部ＡＦＭ層１３がアニールされ、その磁化方向が設定される。そののち、スタックのパターニング、ＨＢ層の堆積、および上部ＡＦＭ層２８の堆積の各工程が行われる。それから層２８に対して第２のアニールが施され、その磁化が設定される。第１のアニールは、第２のアニールよりも高い温度、すなわち２５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度で、ＡＦＭの飽和磁界よりも大幅に大きな磁界（一般に、５ｋＯｅより大きい）を用いて行われる。層２８の堆積は、スタック６６全体が処理された（アニールされ、パターニングされた）後に行われる。ＨＢ層５は、それぞれ具体的な実施態様の構成における層２５〜２８のパターニングによって、層２５〜２８の堆積の前、または後に堆積してもよい。最後に、層２８がアニールされ、その磁化が設定されると共に、層２５および層２７がそれぞれ対応する方向に固定される。層２８に対するアニールは、２００°Ｃ〜２４０°Ｃ程度の低い温度で、０．６〜１ｋＯｅ程度の低い磁界を用いて行われる。これにより、この層２８に対するアニールは、層１３の磁化方向を変化させない。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
＜第１１の実施態様＞
図１５に本発明の第１１の実施態様を示す。本実施態様は、第９の実施態様と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、ＭＲスタック６６は、図１３におけるようにＡＦＭピンニング層１３まで水平面内においてパターニングされて（幅が減少させられて）はいない。よって、本実施態様のＭＲスタックにおいて、垂直方向に積層された水平方向の層２４，２２，２３，２１，９は、均一で狭い幅を有するが、層１０，１１，１２，１３は水平面内においてパターニングされず、より広い幅のままである。パターニングに続いて、水平方向に延在する、パターニングされていない層１０，１１，１２，１３の上に薄いＨＢ層５が形成される。その際、層５と層１０との間には、必要な絶縁層およびシード層（図示せず）を設ける。このようにして、ＨＢ層５はＳＡＦフリー層構造に対して非対称的に配置され、ＨＢ層５の上面は層２１と層２２との間に設定される。したがって、層５は、層２２よりも層２２に対してより強い磁界を供給する。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
本実施態様の製造工程は、第３の実施態様の製造工程と以下の点で異なるが、他の点において同様に進行する。本実施態様の製造においては、ＨＢ層５がより薄くなっているとともに、フリー層構造に対して非対称的に配置されている。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
＜第１３の実施態様＞
第１３〜第１６の実施態様は、第５〜８の実施態様と、それぞれ、以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。第１３〜１６の実施態様においては、ＨＢ層５は、より薄くなっており、層２１および層２２の双方ではなく、層２１と並んで配置されている。図１７に、本発明の第１３の実施態様を模式的に示す。本実施態様は、第５の実施態様（図９）と以下の点で異なるが、他のすべての点において同様である。本実施態様においては、第９の実施態様において述べたのと同様に、ＨＢ層５がより薄くなっており、フリー層構造に対して非対称的に配置されている。本実施態様において、上部ＳＡＦ交換バイアス構造、すなわち、層２８，２７，２６，２５は、ＭＲスタック（図２Ｂのスタック６６）とともに堆積され、続いてそのスタックとともにパターニングされる。それにより、全ての層、すなわち、層２４，２２，２３，２１，９，１０，１１，１２，１３とともに層２８，２７，２６，２５は共通の幅を有する。本実施態様を製造する際に用いる一連の工程は、以下の点を除いて、第５の実施態様の製造において用いた工程と全く同じである。本実施態様においては、ＨＢ層５がより薄く堆積され、非対称的に配置される。それ以外の点において、第１のアニール、第２のアニール、およびパターニングという一連の工程は同様である。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
最後に、当業者であれば理解できるように、本発明の好適な実施態様は、本発明の例示であって本発明を限定するものではない。添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神および範囲にしたがって、フリー層が、ＳＡＦ構造をもって形成されるとともに、ＳＡＦ構造、または単一の層からなる上部交換バイアス構造、および水平方向に形成されたＨＢ層の双方によって、長手方向のバイアスを印加されるＭＲ読取センサの形成に適用する方法、材料、構造、および大きさに関しては修正や変更が可能である。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に、シンセティック反強磁性（ＳＡＦ）フリー層構造と前記ＳＡＦフリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含む、水平方向に広がる複数の層が垂直方向に連続して積層され、かつ、パターニングされたＣＰＰ型ＭＲスタックと、
前記第１の非磁性結合層の上に形成されるとともに、前記ＳＡＦフリー層構造と磁気的に交換結合しており、前記ＳＡＦフリー層構造に対して長手方向のバイアスを印加する、上部交換バイアス磁性層構造と、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの側面に対称的に設けられ、それぞれが前記ＣＰＰ型ＭＲスタックのパターニングされた前記側面の一部に隣接し、前記ＳＡＦフリー層構造に対して長手方向のバイアスを印加する
一対のハードバイアス（ＨＢ）層と
を備えた
ＭＲ読取センサ。
【請求項２】
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、
前記基板の上に形成された反強磁性材料からなるピンニング層と、
前記ピンニング層の上に形成されるとともに、前記ピンニング層によって固定された、互いに反平行であるとともにＡＢＳに対して垂直である磁化を有する２つの強磁性層を含むＳＡＦピンド層構造と、
前記ＳＡＦピンド層構造の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成されるとともに、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層構造と、
前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含み、
前記ＳＡＦフリー層構造の前記第１および第２の強磁性層は、互いに反平行であり、長手方向の磁気的なバイアスが印加されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項３】
前記ＳＡＦフリー層構造における前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との、磁気モーメントおよび厚さは近似しており、前記第１の強磁性層における磁気モーメントと厚さとの積と、前記第２の強磁性層における磁気モーメントと厚さとの積との差は、前記第１の強磁性層における磁気モーメントと厚さとの積の３０％以下である
請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項４】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記第１の非磁性結合層を介して前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層と磁気的に交換結合し、大きさがＨｅｘである交換バイアス磁界を生成し、
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第１および第２の強磁性層双方の側面のエッジに隣接して対称的に設けられるとともに、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第１および第２の強磁性層の各々と、実質的に同等の強度で静磁気的に結合しており、
前記ＨＢ層と前記第１および第２の強磁性層との結合は、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＹ％のハードバイアス磁界と、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＸ％のハードバイアス磁界とを生成するように調整され、Ｘ＋Ｙ＝１００となるようなＸおよびＹを選択して、大きさがいずれもＨｅｘのＹ％であって互いに逆向きの効果的な長手方向のバイアス磁界が前記第１および第２の強磁性層内にそれぞれ生成されている
請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項５】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記第１の非磁性結合層を介して前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層と磁気的に交換結合し、大きさがＨｅｘである交換バイアス磁界を生成し、
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第１の強磁性層の側面のエッジと隣接するとともに、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の側面のエッジの下方となる位置に設けられ、それにより、前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層構造における前記第１および第２の強磁性層の各々と、それぞれ異なる強さで静磁気的に結合しており、
前記ＨＢ層と前記第１および第２の強磁性層との結合は、前記第１の強磁性層内において前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＹ％のハードバイアス磁界が生成されるとともに、前記第２の強磁性層内において、前記交換バイアス磁界の大きさＨｅｘのＸ％のハードバイアス磁界が生成されるように調整され、ＹはＸよりも２０％大きく、Ｙ＋Ｘは１００以上である
請求項２記載のＭＲ読取センサ。
【請求項６】
前記第１の非磁性結合層は、約０．８ｎｍの厚さを有し、ＲｕまたはＲｕの化合物からなる層である
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項７】
前記第１の非磁性結合層は、結合強度を約−０．３ｅｒｇ／ｃｍ2以上−０．１ｅｒｇ／ｃｍ2以下とする厚さを有し、ＲｕまたはＲｕの化合物からなる
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項８】
前記ＨＢ層は、厚さが約２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、高保磁力磁性材料であるＣｏＰｔによって形成されるものである
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項９】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、
前記第１の非磁性結合層の上に形成された第３の強磁性層と、
前記第３の強磁性層の上に形成された第３の非磁性結合層と、
前記第３の非磁性結合層の上に形成された第４の強磁性層と、
前記第４の上に形成された反強磁性ピンニング層と
を含み、
前記第３および第４の強磁性層は、互いに逆向きに、長手方向に磁化され、ＳＡＦピンド層構造を形成するとともに、前記反強磁性ピンニング層によって磁気的に固定されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１０】
前記上部交換バイアス磁性層構造は、
前記第１の非磁性結合層の上に形成された第５の強磁性層と、
前記第５の強磁性層の上に形成された反強磁性ピンニング層と
を含み、
前記強磁性層の磁化は、前記反強磁性ピンニング層によって長手方向に磁気的に固定されている
請求項１記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１１】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス磁性層構造は、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされている
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１２】
前記上部交換バイアス磁性層構造および前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記上部交換バイアス磁性層構造、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造および前記反強磁性ピンニング層は、前記狭い幅を有する部分内に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１３】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス磁性層構造は、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされている
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１４】
前記上部交換バイアス磁性層構造および前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記上部交換バイアス磁性層構造、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造および前記反強磁性ピンニング層は、前記狭い幅を有する部分内に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１５】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１６】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、一定の狭い幅を有する部分を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方向に垂直に延在し、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造、前記反強磁性ピンニング層および前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記狭い幅を有する部分に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項９記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１７】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１８】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、全ての層に共通して一定の幅を有するようにパターニングされ、
前記狭い幅を有する部分は、下方に垂直に延在し、前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造および前記非磁性接合層を含み、
前記ＳＡＦピンド層構造、前記反強磁性ピンニング層および前記上部交換バイアス磁性層構造は、前記狭い幅を有する部分に含まれず、前記狭い幅を有する部分の幅を超えて、水平方向に対称的に延在している
請求項１０記載のＭＲ読取センサ。
【請求項１９】
基板を用意することと、
前記基板の上に、連続する水平方向の層を垂直方向に積層したものであり、反強磁性材料によって形成されたピンニング層と、前記ピンニング層によって固定されたＳＡＦピンド層構造と、ＳＡＦフリー層構造と、前記ＳＡＦフリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含むＣＰＰ型ＭＲスタックを形成することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックに対し、第１のアニール温度で第１のアニール磁界において第１のアニール時間に亘って第１のアニールを施し、前記ＳＡＦピンド層構造の磁化方向をＡＢＳに対して垂直に配向させるとともに、前記ＳＡＦピンド層構造が反強磁性構成となるように磁化することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニンすることと、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの各側面に、ハードバイアス（ＨＢ）層を対称的に形成することと、
前記ＨＢ層に対し第２のアニールを施すことと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＨＢ層の上に、上部交換バイアス構造を形成する工程と、
前記上部交換バイアス構造に対し、第３のアニール温度で長手方向の第３のアニール磁界において第３のアニール時間に亘り第３のアニールを施し、それによって、前記ＳＡＦフリー層構造が反強磁性となるようにそれを磁化するとともに、前記上部交換バイアス構造と前記ＳＡＦフリー層構造とを交換結合させることと
を含む
ＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２０】
基板を用意することと、
前記基板の上に、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層し、かつ、パターニングすることで、反強磁性ピンニング層と、前記反強磁性ピンニング層によって固定されたＳＡＦピンド層構造と、ＳＡＦフリー層構造と、前記ＳＡＦフリー層構造の上に形成された第１の非磁性結合層とを含むＣＰＰ型ＭＲスタックを形成することと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックに対し、第１のアニール温度で第１のアニール磁界において第１のアニール時間に亘り第１のアニールを施し、前記ＳＡＦピンド層構造の磁化方向を、ＡＢＳに対して垂直に配向させ、反強磁性磁化構成とすることと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に上部交換バイアス構造を形成することと、
前記上部交換バイアス構造に対し、第２のアニール温度で長手方向の第２のアニール磁界において第２のアニール時間に亘り第２のアニールを施し、それによって、前記ＳＡＦフリー層構造を、反強磁性構成に磁化するとともに、前記上部交換バイアス構造と磁気的に交換結合させることと、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックを、前記上部交換バイアス構造とともにパターニングすることと、
パターニングされた前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの各側面に対称的にハードバイアス（ＨＢ）層を形成し、前記ＨＢ層に対して第３のアニールを施すことと
を含む
ＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２１】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層したものであり、
前記ピンニング層と、
前記ピンニング層の上に形成されるとともに、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に挟まれた第３の非磁性結合層とを含む前記ＳＡＦピンド層と、
前記ＳＡＦピンド層の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成され、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層構造と、
前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含む
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２２】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックは、水平方向に広がる複数の層を垂直方向に連続して積層したものであり、
反強磁性材料によって形成された前記反強磁性ピンニング層と、
前記反強磁性ピンニング層の上に形成されるとともに、２つの強磁性層と、前記２つの強磁性層の間に挟まれた第３の非磁性結合層とを含む前記ＳＡＦピンド層と、
前記ＳＡＦピンド層の上に形成された非磁性接合層と、
前記非磁性接合層の上に形成され、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層の上に形成された第２の非磁性結合層と、前記第２の非磁性結合層の上に形成された第２の強磁性層とを含む前記ＳＡＦフリー層構造と、
前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の上に形成された前記第１の非磁性結合層と
を含む
請求項２０記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２３】
前記上部交換バイアス磁性層構造を形成する工程は、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＨＢ層の上に第３を形成することと、
前記第３の強磁性層の上に第２の非磁性結合層を形成することと、
前記第２の非磁性結合層の上に第４の強磁性層を形成することと、
前記第４の強磁性層の上に反強磁性ピンニング層を形成することと
を含む
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２４】
前記上部交換バイアス磁性層構造を形成する工程は、
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に第３の強磁性層を形成することと、
前記第３の強磁性層の上に第２の非磁性結合層を形成することと、
前記非磁性結合層の上に第４の強磁性層を形成することと、
前記第４の強磁性層の上に反強磁性ピンニング層を形成することと
を含む
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２５】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニングする際には、
前記連続する水平方向に広がる層の全ての幅を均一に狭くし、垂直、かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成する
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２６】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックをパターニングする際には、
前記第１の非磁性結合層、前記ＳＡＦフリー層構造、および接合層の幅を均一に狭くすることによって、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの狭い幅を有する部分を形成する一方、前記ＳＡＦピンド層構造および前記ピンニング層の幅を広く、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの前記狭い幅を有する部分の前記幅を超えて、水平方向に対称的に延在するままに維持する工程と
を含む
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２７】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス構造をパターニングする工程は、
全ての層の幅を均一に狭くして垂直かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成することにより、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記ＣＰＰ型ＭＲスタックの上に形成された前記交換バイアス構造の幅を狭くする
請求項２０記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２８】
前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記上部交換バイアス構造をパターニングする工程は、
前記連続する層の全ての幅を均一に狭くして、垂直かつ平面的な側面を有する一定幅のスタックを形成することにより、前記ＣＰＰ型ＭＲスタックおよび前記交換バイアス構造の幅を狭くする
請求項２１記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項２９】
前記第１のアニール温度は約２５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下であり、
前記第１のアニール磁界は５ｋＯｅよりも大きく、
前記第３のアニール温度は約２００°Ｃ以上２４０°Ｃ以下であり、
前記第３のアニール磁界は約０．６ｋＯｅ以上１ｋＯｅ以下であり、
前記第２のアニールは、前記第１のアニールと実質的に同じ条件である
請求項１９記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項３０】
前記第１のアニール温度は約２５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下であり、
前記第１のアニール磁界は５ｋＯｅよりも大きく、
前記第２のアニール温度は約２００°Ｃ以上２４０°Ｃ以下であり、
前記第２のアニール磁界は約０．６ｋＯｅ以上１ｋＯｅ以下であり、
前記第３のアニールは、前記第２のアニールと実質的に同じ条件である
請求項２０記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項３１】
前記ＨＢ層は、前記ＳＡＦフリー層構造に隣接して配置され、
前記ＨＢ層により、前記第１および第２の強磁性層において実質的に等しい大きさの磁界が生成される
請求項２１記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【請求項３２】
前記ＨＢ層は、前記第１の強磁性層に隣接して、したがって、前記ＳＡＦフリー層構造の前記第２の強磁性層の下方に配置され、
前記ＨＢ層により、前記第１の強磁性層において前記第２の強磁性層と比較して２０％大きな磁界が生成される
請求項２１記載のＭＲ読取センサの形成方法。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ｂ】
2012133864.tif 000025
【手続補正２７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2012133864.tif 000026
【手続補正２８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2012133864.tif 000027
【手続補正２９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2012133864.tif 000028
【手続補正３０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2012133864.tif 000029
【手続補正３１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５】
2012133864.tif 000030
【手続補正３２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１６】
2012133864.tif 000031
【手続補正３３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2012133864.tif 000032
【手続補正３４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０】
2012133864.tif 000033
【外国語明細書】
HIGH RESOLUTION MAGNETIC READ HEAD
BACKGROUND OF THE INVENTION
1.  Field of the Invention
This invention relates generally to the fabrication of a MR sensor, which can be a tunneling magnetoresistive (TMR) sensor or a giant magnetoresistive (GMR) sensor.  In particular it relates to an MR sensor in which resolution is increased by use of a synthetic antiferromagnetic (SAF) free layer structure.  
2.  Description of the Related Art
With the ever increasing areal density with which data is stored on magnetic media such as disks in hard disk drives (HDD), the magnetoresistive (MR) sensor that is used as the read-back element in the HDD is required to have a correspondingly improved spatial resolution while achieving and maintaining a reasonable signal-to-noise ratio (SNR).  Referring to schematic Fig’s. 1a, and 1b, there are shown two views of a generic, prior-art current-perpendicular-to-plane (CPP) tunneling magnetoresistive (TMR) read head.  
Fig. 1(A) illustrates the read head in a vertical cross-sectional plane parallel to its air bearing surface (ABS) plane.  Fig. 1(B) is a portion of the illustration of Fig. 1(A), isolating the sensor stack portion of the head.
Referring to Fig. 1(A), there is shown the ABS cross-sectional view of the CPP TMR (current perpendicular-to-plane tunneling magnetoresistive) head, in which there is a current that passes perpendicularly to the active magnetic layers through the entire head structure and in which the resistance of the head varies in accord with the physical principles of the tunneling-magnetoresistive effect which is based on the tunneling of conduction electrons through a thin dielectric layer. It is to be noted, however, that the head illustrated could equally well be a giant magnetoresistive (GMR) sensor, which would differ structurally from the TMR sensor in that the thin dielectric layer of the TMR structure would be replaced by a thin conducting layer. 
Looking vertically downward, there is first shown an upper (or top) shield (1) that protects the sensor stack (6) from extraneous magnetic fields.  At the bottom of the head, there is shown a corresponding lower (or bottom) shield (2) that performs a similar task at the bottom edge of the sensor.  Thus the sensor is protected by a pair of shields at some desired separation (3), called the read gap (RG).
Hard bias (HB) magnets (5) (magnets formed of hard, i.e. high coercivity, magnetic material) are laterally disposed to either side of the sensor stack (6).  These magnets, which stabilize the magnetization (arrow, 81) of the free layer (8) by a magnetostatic interaction with the free layer, are positioned between the shields (1), (2) and their magnetizations are shown as arrows (51).  The sensor stack itself (6) is typically formed as a patterned vertical lamination of horizontal layers, formed beneath an upper capping layer (7).  
Referring to Fig. 1(B), there is shown a schematic illustration of the isolated patterned sensor stack (6) of Fig 1a showing the following vertically stacked horizontal layers patterned to a common longitudinal width: a non-magnetic capping layer (7), the magnetically free layer (8), typically a layer of a NiFe compound, showing its magnetization vector as an arrow (81) that is directed longitudinally (i.e.,  in a cross-track direction relative to a read operation on a magnetic media); a non-magnetic layer (9) that is a dielectric layer (such as MgO) that serves as a tunneling barrier layer for the TMR sensor (or a conducting layer, such as Cu, for a GMR sensor), a reference layer (10), a coupling layer (eg. a layer of Ru) (11) and a pinned layer (12), coupled to layer (10) across coupling layer (11).  The magnetization of layer (12) is held spatially fixed by a thick layer (13) of antiferromagnetic material that pins layer (12). The tri-layer (10), (11) and (12) is referred to as a synthetic-antiferromagnetc (SAF) structure, because even though it is formed of ferromagnetic materials, it has the overall behavior of an antiferromagnetic substance.
The symmetrically, horizontally disposed hard biasing layers (5), each with longitudinal magnetization (51), provides a biasing magnetic field in the sensor stack (6) to orient the magnetization (81) of the free layer (8) in a longitudinal (cross-track) direction by means of a magnetostatic interaction.  
In the most modern disk drives, the height at which the head flies above the rotating disk is already less than 5 nm, so the freedom of further flying height reduction to increase spatial resolution is reaching its limit.  Thus, the common practice to increase the resolution is by reducing the reader-shield-spacing (RSS) (3) (also denoted RG width), so the magnetic spatial resolution increases correspondingly.
To reduce RSS, the thickness of the hard bias (HB) layers (5) will need to decrease as well.  However, reducing the thickness of these magnetic HB layers will also reduce the amount of magnetic “charge” at the edges of the HB layers immediately adjacent to the sensor stack and facing the edges of the free layer.  The fewer the magnetic charges, the less is the pinning field of the HB layers and the less effective they are at orienting the free layer magnetization. This, in turn, allows more thermal noise as a result of domain perturbations and a poorer SNR. Finally, reducing the overall thickness of the sensor stack (6) requires reducing the thickness of the horizontal layers that form it, particularly the thick AFM layer (13) that provides pinning for the three-layer structure (10), (11) and (12).  Poorer pinning, in turn, will ultimately also adversely affect SNR.  Thus, improving resolution by reducing the RG thickness of the sensor is not practical. It is therefore an object of the present invention to achieve the desired improvement in linear downtrack resolution by a method other than the reduction in RG width.
It is to be noted that the prior art discloses methods directed at improving sensor resolution.  Examples of such prior art include Carey et al. (US Patent Appl. 2005/0207073) and US Patent No. 7,580,229, who disclose a hard magnet and exchange biasing for improved resolution; Covington (US Patent No. 6,809,900) who discloses a SAF free layer with hard magnets; Sakai et al. (US Patent No. who discloses an abutted junction exchange biased structure; Sun et al. (US Patent Appl. 2008/0113220) who disclose free and fixed SAF layers and Mao et al. (US Patent No. 7,016,160), who disclose a plurality of tri-layer readers comprising SAF free layers.  However none of these prior art methods describe the present invention.
.
SUMMARY OF THE INVENTION
A first object of this invention is to provide a MR read head design with improved down-track linear resolution without the necessity of a narrower read gap.
A second object of the present invention is to provide such a read head design by the use of a synthetic-antiferromagnetic (SAF) free layer (FL) structure, for achieving a high linear resolution without the use of read shields to shunt away interference from adjacent data bits during the read-back process.  
A third object of this invention is to use exchange bias together with hard magnetostatic bias on the SAF FL structure to resolve an intrinsic instability issue of a prior art SAF FL design.
These objects will be met by a CPP MR read head design, a first embodiment of which is schematically illustrated in Fig. 2(A) and Fig. 2(B), which, analogously to Fig. 1(A) and 1(B), show the read head and biasing layers in an ABS cross-sectional view (Fig. 2(A)) and an isolated view of the MR (more specifically, TMR) read head stack alone (Fig. 2(B)). The design of Fig. 2(A) and 2(B) will be understood to be the first embodiment (Embodiment 1) of the invention and will be discussed further below.  Additional embodiments, two through sixteen, (Embodiment 2-Embodiment 16) will also be described below.
Referring first to the patterned stack (66) of Fig. 2(B), and comparing the structure therein to the prior art stack structure (6) of Fig. 1(B), it can be seen that the single magnetic free layer ((8) of Fig. 1(B)) has been replaced, in the present invention, by a SAF free tri-layer structure, layers (22), (23) and (21), reading vertically downward.  Layers (22) and (21) are ferromagnetic layers, typically formed of a NiFe compound or the like and intermediate layer (23) is a non-magnetic coupling layer that couples magnetic layers (22) and (21) in an antiferromagnetic configuration with oppositely directed magnetizations (arrows (221), (211)).  It is preferred that layers (22) and (21) have similar magnetic moments, thicknesses and compositions, so that the strength of their AFM coupling with layer (23) is similar. In particular, the products of the magnetic moments and thicknesses of the two layers should, preferably, differ by no more than 30% of the greater value. The oppositely directed magnetizations of layers (22) and (21) is maintained during the rotations of the magnetizations of both layers under the action of the magnetic fields of recorded media. 
Referring now to Fig. 2(A), there is shown the complete structure formed around the patterned MR stack (66) of Fig. 2(B).  Compared to Fig. 1(A), in Fig. 2(A), a top magnetic exchange biasing structure, layers (28), (27), (26) and (25) (reading vertically downward),  has replaced the top shield (1) of Fig. 1(A).  Layers (27), (26) and (25) form another type of SAF structure, denoted a top exchange biasing SAF structure, having strongly pinned oppositely directed magnetizations (arrows (271) and (251)), which is pinned by the top layer (28), which is an antiferromagnetic (AFM) layer, such as a layer of IrMn. Strong pinning is required so that the SAF structure does not respond to external magnetic fields. We shall see in other embodiments that the top exchange biasing structure can also employ just a single biasing ferromagnetic layer.  We note also that HB layers (5) are formed adjacent to the patterned sides of sensor stack (66).  These HB layers can be CoPt or other materials of high coercivity and sufficient magnetic moment density, approximately 20-40 nm thick, approximately 1-2 microns wide (in the cross-track direction) and approximately 20 -40 nm deep in a direction perpendicular to the ABS.
The top exchange biasing trilayered SAF structure ( layers (27), (26) and (25)) has a different function than the pinned SAF structure comprising layers (10), (11), (12) and pinned by AFM (13), which, like layer (28), is also a layer of antiferromagnetic material, preferably IrMn, within the patterned stack (66) of Fig. 2(A).  Here, layer (10) provides a fixed reference direction for rotations of the free layer.  The top exchange biasing tri-layered SAF structure is used to longitudinally bias the magnetization (arrow (221)) of top layer (22) of the SAF free layer (i.e. layers (22), (23) and (21)), in stack (66).  Layer (25) of the tri-layer top biasing SAF structure, couples antiferromagnetically to layer (22) of the SAF free layer structure  by exchange coupling to layer (22) through coupling layer (24).  This coupling layer (24) can be a layer of Ru of thickness approximately 0.8 nm or a modified composition Ru layer, of thickness to achieve the desired coupling strength of between approximately -0.3 to -0.1 erg/cm2.
Finally, layer (9) is a non-magnetic junction layer that creates the GMR or TMR junction of [free layer/junction layer/pinned layer] sensor structure.  If the junction layer (9) is a thin dielectric layer, it acts to allow electron tunneling according to a tunneling probability resulting from the relative magnetization directions of the free and pinned layers (the TMR effect).  If the junction layer is a non-magnetic electrically conducting layer, it acts to provide a current according to a variable resistance that is produced by the relative magnetization directions of the free and pinned layers (the GMR effect).
It is to be noted that magnetic shields are still desirable above layer (28) (not shown) and below the stack, as represented by layer (2).  In the present invention, such shielding is for shunting large external magnetic fields and not for enhancing reader resolution, as is done in the prior art (such as Fig. 1a).
The functions of the structure elements of the MR sensor shown in Fig. 2(A) and Fig. 2(B) are as follows.
(1)  The MR signal from the MR sensor is generated by the junction formed of layer (21) of the SAF FL, junction layer (9) and reference layer (10) of the SAF pinned layer.
(2)  The antiparallel magnetizations of layers (10) and (12) are pinned by the AFM layer (13) in directions perpendicular to the ABS (i.e., perpendicular to the plane of the figure). These magnetizations are shown as a dotted-circle (101) and a crossed-circle (121). 
(3)  Layer (10) is the reference layer for rotations of the magnetization (arrow (211)) of layer (21).
(4)  Magnetizations (arrow (251) and (271)) of layers (25) and (27) are pinned longitudinally (in the directions shown) by the AFM layer (28).
(5)  Layer (22) of the SAF free layer structure is AFM exchange biased by layer (25) of the SAF biasing structure with a magnetization directed as shown by arrow (221) with an effective exchange field strength denoted Hex.
(6)  HB (hard bias) layer (5) provides a magnetostatically coupled bias field (arrow (51)) directed as shown by that arrow in both layers (21) and (22) of the SAF free layer structure.  The HB field strength in (22) is X% of the exchange coupled bias field, Hex, provided by layer (25) to layer (22), where 0<X<100.  The net effective bias field, Heff, in layer (22), as a percentage of Hex, is, therefore, Heff=(100-X)Hex, given that these fields are in opposite directions, and directed from right to left as shown by arrow (221).  The net effective bias field in layer (21) is basically only the magnetostatically coupled HB field of layer (5), that is tuned to be Y% of Hex in layer (22), but directed from left to right as shown by arrow (211).  Here we choose X and Y so that X+Y is in the range between 80 and 120, but preferably X+Y=100.  Thus, the two magnetic layers (21) and (22) of the SAF free layer are biased almost symmetrically, with fields of the same strength, but oppositely directed.  
Note that depending upon the positioning of the HB layers relative to the layers (21) and (22), the HB field in these layers can be different from each other.  In the configuration of Fig 2(A), the fields differ by little more than 5%.  However, in embodiments nine through sixteen to be described below, variations in the HB field can be tuned by changing the thickness of the layer and its position relative to layer (21).  For example, a particularly good sensor performance was found when the top surface of layer (5) was aligned with the top surface of layer (21), while still allowing a smaller, (approximately 20%) HB field at the center of layer (22).  In simulations with (a) X+Y greater than or equal to 100, meaning the bias field on layer (21) is slightly stronger than that on (22) in the opposite direction and (b) with X<Y, meaning that the field from the HB layer on (21) is stronger than that on (22), we can obtain better down-track performance.  In case (b), we can make HB layer (5) thinner, so that X<Y.
Referring now to Fig. 3, there is shown a schematic isolated illustration of layers (22), (23) and (21) of Fig. 2(B), depicting an embodiment of the biasing scheme described above, where X+Y=100.  Two magnetization arrows, Hex (solid arrow labeled “Hex”), directed to the left, and a dashed arrow representing the HB (hard bias) field (dashed arrow directed to the right labeled Hhb22 ), where the magnitude of Hhb22 =XHex as a percentage (X%) of Hex. The leftward directed Hex results from the antiferromagnetic coupling to the rightward directed magnetization (251) in layer (25).  Thus, the effective bias field, Heff, on layer (22) (represented by the large, 2-dimensional dashed arrow labeled Heff (directed to the left)) is of magnitude: Heff=(100-X)Hex.  
Referring now to layer (21), there is shown the hard bias field on that layer (large dashed arrow labeled Hhb21 directed to the right).  That field is tuned to be YHex, as a percentage of Hex.  Since X+Y=100, we have the effective bias field on layer (22) is: Heff = (100-X) Hex = YHex, in percentage terms.
The biasing scheme described above, with X+Y=100, produces a symmetric magnetic response in the two magnetic layers in the SAF free layer.  This results in the best down-track resolution and signal stability, which is an object of the invention.  
Referring back to Fig’s. 2(A) and 2(B), the orthogonal pinning directions provided by antiferromagnetic (AFM) layers (13) and (28), which are orthogonal to the ABS plane and longitudinally directed within the plane, respectively, can be achieved with two annealing steps. First, the bottom AFM (13) pinning direction is set during the MR film level annealing (the film being the deposited layers comprising (66)) before forming both the HB layers (5) and the top exchange biasing structure of layers (25) to (28).  Specifically, the bottom AFM layer (13) is annealed and its magnetization direction is set during a first annealing process prior to the deposition of the top AFM layer (28) and its anneal in a second annealing process.  Both AFM layers are typically formed of IrMn. In all cases it is noted that subsequent annealing processes will not disturb this first annealing result. 
The first anneal is at a higher temperature than the second, i.e., it is between approximately 250 and 300 oC, in the presence of a magnetic field (typically >5kOe), which is much larger than the AFM (13) saturation field (and for a time between approximately 1 and 5 hours).  Layers (24) through (28) are deposited after the entire stack (66) is processed (i.e., patterned by etching). The HB layers may be deposited before or after layers (24)-(28), depending upon the particular embodiment configuration. Then, layer (28) is annealed in a second annealing process to set its magnetization and to pin layers (25) and (27) in their corresponding directions.  The anneal of layer (28) is at a lower temperature than the first anneal, of between approximately 200 and 240 oC, and in a lower field of between approximately 0.6 kOe and 1 kOe, so that this later anneal does not alter the magnetization direction of layer (13).  This MR film level annealing is done under a long anneal time and higher anneal magnetic field perpendicular to the ABS to set the pinning layer magnetization. Note that the annealing process of the hard bias (HB) layers (5), that will be referred to as a third anneal, should not be at a temperature that exceeds that of the second anneal of the AFM layer (28).  With this constraint, the third anneal temperature is also lower than that for AFM layer (13).  
It is important for all embodiments discussed below that the anneals of the HB layers (5) and the AFM layer (28) do not disturb the first anneal of layer (13).  If the hard bias layers are annealed after the second anneal of AFM layer (28), it is also important that the second anneal not flip the magnetization direction of the HB layers.  Clearly, if the magnetization directions of AFM layer (28) and HB layers (5) are the same, then this flip will not be a problem. The anneal field for the third anneal can be chosen to be the same as for the second anneal.  
Referring now to Fig. 4, there is shown, schematically, the function of the SAF free layer during the read-back operation on recorded magnetic bits from a magnetic medium (31) moving from left to right, as indicated by arrow (311), relative to the sensor stack (66).  Three exemplary magnetic patterns (schematically indicated by three vertical arrows) and five exemplary positions, (a), (b), (c), (d) and (e) of the stack relative to the medium, are used for explanation.  At each of those positions there is shown a box indicating the magnetization directions of the layers (22) and (21) as they would appear if viewed along their actual longitudinal directions (into the plane of the figure).  A cross-section in a vertical plane perpendicular to the ABS of the sensor stack (66) is shown above the magnetic medium.  The longitudinal magnetizations of free layers (21) and (22) are now shown as arrows (211) and (221) perpendicular to the figure plane.  
Due to the strong exchange coupling between the two magnetic layers (21) and (22) and their same or similar magnetic moments and thicknesses, at a mid point of a long magnetic pattern where both layers will experience essentially identical field strengths from that pattern, the rotation of their magnetizations will be essentially zero.  Such zero rotations are shown at positions (a), (c) and (e) of five exemplary locations of the stack.  The reason that the sensor is insensitive to a DC type of magnetic field produced when the sensor moves past a uniform bit pattern is that the magnetic energy increase in one layer of the SAF free layer is always completely offset by an energy decrease in the other layer when the layers are strongly exchange coupled.
However, when the sensor is located above a transition point between adjacent (and different) magnetic patterns, as at (b) and (d), the two layers of the SAF free layer experience opposite fields, so the changes in their respective energies is additive.  Thus, the two layers rotate simultaneously by the same angular amount but in opposite vertical directions.  Because layer (21) rotates relative to pinned layer (10) of the stack, the rotation produces a resistance change in the sensor and a corresponding voltage change across the sensor can be generated as a signal. 
Curve (32) of Fig. 4 is an example of a signal output curve produced as the magnetic medium moves past the sensor and the corresponding regions of the patterns create the magnetization rotations.  The signal peaks occur at positions (b) (positive peak) and (d) (negative peak), where the rotations occur.
Referring to Fig. 5, there are shown simulated read-back signal waveforms corresponding to pattern transition distances (i.e., bit lengths) of 300 nm (51), 30 nm (52) and 15 nm (53) as read by and produced by the structure of Fig. 2(A).  The result shows that the peak-to-peak amplitude of the 30 nm bit length waveform is close to that of the 300 nm bit length waveform and the 15 nm bit length amplitude is approximately 54% of the 30 nm case, indicating good down-track resolution as required by the objects of the invention.
Differential sensors with two free layers for read-back of a perpendicular magnetic medium have been described in the prior art by S. Mao et al. (US Patent No. 7,016,160 B2).  Similar configurations have been described in the context of MTJ sensor used in MRAM arrays by J. Sun et al. (US Publ. Pat. Appl. No. 2008/113220 A1).  However, using a SAF free layer for a differential sensor with a single MR junction and using top exchange biasing in combination with longitudinal HB to achieve symmetric bias on both magnetic layers of the SAF free layer structure in the manner of the present invention has not been done.  In fact, a direct utilization of a SAF free layer as by J. Sun, above, without the present biasing scheme, would lead to an unacceptably noisy and unstable read-sensor that would not be usable in hard disk drives. 
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Fig. 1(A) is a schematic representation of a prior-art MR read head having upper and lower shields, longitudinal hard bias layers and a single layer free layer, as viewed from the ABS.
Fig. 1(B) is an isolated schematic view of the MR stack of Fig. 1(A).
Fig. 2(A) is a schematic representation of the MR read head of a first preferred embodiment of the present invention, having an upper SAF exchange bias layer in place of an upper shield, longitudinal hard bias layers used together with the exchange bias layers and a SAF free layer that is biased by a combination of the exchange biasing and hard biasing, viewed from the ABS.
Fig. 2(B) is an isolated schematic view of the MR stack in the first embodiment of the read head as described in Fig. 2a.
Fig. 3 is an illustration of the biasing fields impressed upon the SAF free layer of the MR read head of Fig. 2(A).
Fig. 4 is a schematic illustration showing the effects of recorded bit patterns on the magnetization rotations of the SAF free layer of Fig. 2(A) and the corresponding waveform generated by the read head.
Fig. 5 is a schematic illustration showing simulated read back waveforms generated by the read head of Fig. 2(A) when reading bit length patterns of 15 nm, 30 nm and 300nm.
Fig. 6 is a schematic illustration showing a second embodiment of the present invention.
Fig. 7 is a schematic illustration showing a third embodiment of the present invention.
Fig. 8 is a schematic illustration showing a fourth embodiment of the present invention. 
Fig. 9 is a schematic illustration showing a fifth embodiment of the present invention.
Fig. 10 is a schematic illustration showing a sixth embodiment of the present invention.
Fig. 11 is a schematic illustration showing a seventh embodiment of the present invention.
Fig. 12 is a schematic illustration showing an eighth embodiment of the present invention.
Fig. 13 is a schematic illustration showing a ninth embodiment of the present invention.
Fig. 14 is a schematic illustration showing a tenth embodiment of the present invention.
Fig. 15 is a schematic illustration showing an eleventh embodiment of the present invention.
Fig. 16 is a schematic illustration showing a twelfth embodiment of the present invention.
Fig. 17 is a schematic illustration showing a thirteenth embodiment of the present invention.
Fig. 18 is a schematic illustration showing a fourteenth embodiment of the present invention.
Fig. 19 is a schematic illustration showing a fifteenth embodiment of the present invention.
Fig. 20 is a schematic illustration showing a sixteenth embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Each of the preferred embodiments of this invention is a magneto-resistive (MR) read head incorporating an MR sensor stack (which could be a TMR or GMR configuration) having a synthetic antiferromagnetic (SAF) free layer (FL) that is longitudinally biased by the combined effects of a top exchange biasing structure and laterally disposed hard biasing (HB) layers.  The top exchange biasing structure may be a single layer or it may itself be a pinned SAF tri-layer comprising a pair of oppositely magnetized ferromagnetic layers sandwiching a non-magnetic coupling layer. Further, the exchange biasing structure may be patterned along with the sensor stack, or it may be formed after the sensor stack is patterned.  The exchange biasing structure is exchange coupled across a non-magnetic coupling layer to an upper layer of the SAF free layer to provide the biasing. Hard biasing (HB) layers are provided with two possible thicknesses and two corresponding positions adjacent to the free layer structure, according to the specific embodiments discussed below.  Thicker hard biasing layers (Embodiments 1-8) are formed adjacent to the lateral ends of both magnetic layers of the SAF free layer.  Thinner hard biasing layers (Embodiments 9-16) are formed adjacent to essentially only one (the lower) of the two magnetic layers in the SAF free layer, with the top surface of the hard biasing layer aligned with the non-magnetic coupling layer between the two magnetic layers.
Embodiment 1
The first embodiment of the present invention has already been described above with reference to Fig. 2(A) and Fig. 2(B).  Remaining embodiments 2 through 16 are described below with reference to Fig. 6 through Fig. 20 respectively.  It is understood that the discussion of the effects of the top exchange biasing structure and the side hard biasing layers will apply equally well to the remaining embodiments described below.  It is also understood that the processes by which each of the embodiments are formed are substantially identical, specifically with respect to the sequence of anneals in which AFM pinning (13) and pinned layers in the stack are annealed first at a high temperature and field and the top AFM pinning layer (28) of the top biasing structure is annealed last at a lower temperature and smaller field so as not to affect the first annealing results of layer (13). The HB layer is provided with its own anneal, substantially similar to the weaker field anneal of the top biasing structure so as not to impact the initial anneal of the stack itself.  Various patterning steps will be performed in accord with the desired structural shape of the embodiment and will be discussed with further specificity in each description below. We now reiterate the above discussion for clarity.
Referring back to Fig’s. 2(A) and 2(B), the orthogonal pinning directions provided by layers (13) and (28) (orthogonal to the ABS plane and longitudinally directed, respectively) will be achieved with a sequence of annealing steps, whereby the AFM layer (13) pinning direction (and SAF pinned directions) is set during a first anneal, which is the MR film level annealing, in which the deposited layers comprising (66) are annealed before patterning.  Then the annealed film is then patterned, the HB layers (5) are formed against the sides of the patterned stack (66) and the HB layers are annealed in a separate anneal, which will be similar to the final anneal described below.  Then the top exchange biasing structure of layers (24) to (28) is deposited over the fabrication.  Then a final anneal takes place, in which top AFM (28), is annealed producing the exchange coupling with the free layer structure.  It is to be noted that the annealing process of the top exchange biasing structure still leaves the free layer with enough mobility to track the bit transitions in the magnetic media.
More specifically, the bottom AFM layer (13) is annealed first (after deposition of layers (13)-(22)) and its magnetization direction (perpendicular to the ABS plane) is set prior to the successive steps of stack patterning of layers (13)-(22), HB layer (5) deposition and third annealing and the deposition of the layers (24)-(28) followed by their anneal.  The first anneal of AFM pinning layer (13) and the SAF pinned layer structure pinned by (13) is at a higher temperature than the second anneal of (28), namely between approximately 250 and  300 oC, with a field much larger than the AFM layer saturation field (typically >5kOe).  
The HB layers may be deposited and annealed after deposition of layers (22)-(13) and their patterning. Finally, layers (24)-(28) are deposited after layers (5) have been deposited and layer (28) is annealed to set its magnetization and to pin layers (25) and (27) in their corresponding directions.  The anneal of layer (28) is at a lower temperature than the first anneal of layer (13) of between approximately 200 and 240 oC and in a lower field of between approximately 0.6 and 1 kOe, so that this later second anneal does not alter the already set magnetization direction of layer (13).  It is noted, that in all embodiments each of the various anneals require a time of between approximately 1 to 5 hours.
Embodiment 2
Referring now to Fig. 6, there is shown schematically a second embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the first embodiment illustrated schematically in Fig. 2(A) and Fig. 2(B) and described above, except that the top biasing structure, (28) and (25), that provides the exchange bias by exchange coupling to the free layer element (22) across coupling layer (24), includes only a single magnetic layer, layer (25), that is itself exchange coupled to an AFM pinning layer (28).  The pinning direction of layer (28) on layer (25), is from left to right as shown by arrow (251).  The formation of this embodiment, in annealing steps and patterning steps, is in all respects the same as described for embodiment 1 with the sole exception being the deposition of single layer (25) rather than the tri-layer of (25), (26) and (27) in the first embodiment.
Embodiment 3
Referring now to Fig. 7, there is shown schematically a third embodiment of the present invention that is similar in all other aspects to the first embodiment, except that the MR stack, indicated as (67) (unlike stack (66) in Fig. 6) is not patterned horizontally (reduced in its width by etching) all the way down to AFM pinning layer (13) as in Fig. 2(A).  Thus, the MR stack (67) of this embodiment has a uniformly narrow width encompassing the vertically stacked horizontal layers (24), (22), (23), (21) and (9), but is not horizontally patterned through layers (10), (11), (12) and (13), which retain a wider width. Subsequent to patterning, the hard biasing layers (5) are formed over the laterally extending unpatterned layers (10), (11), (12) and (13), with necessary isolation and seed layers (not indicated) between (5) and (10).  Thus, the biasing layers (5) are now highly symmetrically placed relative to the SAF free layer structure and can provide similar fields to the two magnetic layers (21) and (22). 
The complete formation of the structure comprises a deposition of layers (13)-(22) followed by a first high temperature, high field anneal of deposited layer (13).  This anneal is then followed by a patterning of layers (22)-(13) and a deposition and anneal of HB layers (5).  Then layers (24), (25), (26), (27) and (28) are formed and the final anneal is done to fix the biasing of layer (28) and the exchange coupling of layer (25) to layer (22).  Temperatures and fields are as given above with reference to Fig. 2(A).
Embodiment 4
Referring now to Fig. 8, there is shown schematically a fourth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the third embodiment illustrated schematically in Fig. 7 and described above, except that the top biasing structure, that provides the exchange bias to the free layer element (22), includes only a single magnetic layer, layer (25), that is exchange coupled to an AFM pinning layer (28).  The pinning direction of layer (28) on layer (25) is from left to right as shown by arrow (251).  The method of formation of this embodiment is the same as described with reference to embodiment 4, except that only a single biasing layer (25) is deposited over the stack (67) and HB layers (5).
Embodiment 5
Referring now to Fig. 9, there is shown schematically a fifth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the first embodiment except that the top SAF exchange bias structure, layers (28), (27), (26) and (25), are deposited together with the layers of the MR stack (stack (66) of Fig. 2(B)) and subsequently patterned together with that stack so that all layers: (28), (27), (26), and (25), together with layers (24), (22), (23), (21), (9), (10), (11), (12) and (13),  have a common width.  HB layers (5) are then deposited to the sides of the patterned formation.  
The annealing sequence is as follows.  Layers (22), (23), (21), (9), (10), (11), (12) and (13) are deposited and annealed in a first high temperature and high field anneal to set the magnetization of pinning layer (13).  Then layers (24), (25), (26), (27) and (28) are deposited and second anneal at lower field and temperature occurs to anneal layer (28).  Finally, the entire formation is patterned and, subsequent to that patterning, the HB layers (5) are formed and annealed in a third anneal that is substantially the same as the second anneal.  As already noted, the time for each annealing process is between approximately 1 and 5 hours.
Embodiment 6
Referring now to Fig. 10, there is shown schematically a sixth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the fifth embodiment (Fig. 9) except that the top exchange bias structure, layers (28), and (25) only includes a single ferromagnetic biasing layer (25), instead of the three layers (25), (26) and (27) of Fig. 9.  The fabrication process is in all respects the same as used to form the fifth embodiment, except that only the single layer (25) is present instead of a tri-layer.   
Embodiment 7
Referring now to Fig. 11, there is shown schematically a seventh embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the third embodiment illustrated schematically in Fig. 7, except that the entire top SAF biasing structure that provides the exchange bias to the free layer element (22), and includes pinning layer (28) and coupled magnetic layers (27) and (25), is deposited together with the MR stack (66) and subsequently is patterned with that stack so that layers (28), (27), (26), and (25), together with layers (24), (22), (23), (21) and (9) all have a common width.
The fabrication process proceeds as in the fifth embodiment, except that after the anneal of layer (13), the subsequent deposition of layers (24) through (28) and the anneal of layer (28), the subsequent patterning will only extend vertically to layer (10), which will not be reduced in width, as will neither layers (11), (12) and (13).  
Embodiment 8
Referring now to Fig. 12, there is shown schematically an eighth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the seventh embodiment illustrated schematically in Fig. 11, except that the top biasing structure, that provides the exchange bias to the free layer element (22) now includes only the single magnetic layer, layer (25), that is exchange coupled to an AFM pinning layer (28).  Biasing layers (28), (25) and (24) are deposited together with the MR stack and both the stack and the biasing layers are subsequently patterned so that layers (28), (25), (24), (22), (23), (21) and (9) have a common width. Then HB layers (5) are deposited.
The fabrication process, including the annealing sequence and the patterning, is the same as in the seventh embodiment, except that the top bias layer is the single layer (25).
Embodiment 9
Referring to Fig. 13, there is shown a configuration of a ninth embodiment of the present invention.  This embodiment is in all respects similar to the first embodiment illustrated in Fig. 2(A) and Fig. 2(B), except that the HB layers (5) are formed thinner than in Fig. 2(A) and the top horizontal surfaces of the HB layers are aligned at a lower vertical position between layers (21) and (22).  As a result of the lowered position of thinner layer (5), it is now located adjacent to the lateral edges of layer (21) rather than being adjacent to both layers (21) and (22).  Therefore, the strength of the hard bias magnetostatic field within (21) and (22) is different. This will generally result in difference performance characteristics of these embodiments with respect to downtrack resolution and should be considered when designing such structures.
Embodiments 9 through 12 will differ from their counterparts, embodiments 1 through 4 respectively, only by the thinner HB layer and its asymmetric location relative to layers (21) and (22) of the free layer structure..  In embodiments 9 through 12, layer (5) is opposite to layer (21), with its upper surface being aligned horizontally between layers (22) and (21).  As noted above, this difference in HB field strength within layers (21) and (22), as compared with the substantially similar HB field strengths in those same layers in embodiments 1 through 8, can lead to difference performance characteristics between the embodiments.
We repeat the basic fabrication steps of embodiments 9-12 as follows.  The bottom AFM (13) is annealed first and its magnetization direction is set prior to the steps of stack patterning, HB layer deposition and the deposition of the top AFM layer (28). Then layer (28) is subjected to a second anneal to set its magnetization. The first anneal is at a higher temperature than the second anneal, namely between approximately 250 and 300 oC, with a field much larger than the AFM saturation field (typically >5kOe).  Layer (28) is deposited after the entire stack (66) is processed (annealed and patterned). The HB layers may be deposited before or after layers (25)-(28), depending upon the patterning of (25)-(28) in each particular embodiment configuration. Finally, layer (28) is annealed to set its magnetization and to pin layers (25) and (27) in their corresponding directions.  The anneal of layer (28) is at a lower temperature of between approximately 200 and 240 oC and in a lower field of between approximately 0.6 and 1 kOe, so that this later anneal does not alter the magnetization direction of layer (13).  
Embodiment 10
Referring now to Fig. 14, there is shown schematically a tenth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the ninth embodiment illustrated schematically in Fig. 13, except that the top biasing structure, that provides the exchange bias by exchange coupling to the free layer element (22), includes only a single magnetic layer, layer (25), that is itself exchange coupled to an AFM pinning layer (28).  
The method of fabricating this embodiment is the same as that employed in the ninth embodiment with the exception of the replacement of the tri-layered top exchange biasing structure with the single layer (25).  The sequence of anneals, depositions and patterning are otherwise the same. 
Embodiment 11
Referring now to Fig. 15, there is shown schematically an eleventh embodiment of the present invention that is similar in all other aspects to the ninth embodiment, except that the MR stack (66) is not patterned horizontally (reduced in its width) all the way down to AFM pinning layer (13) as in Fig. 13.  Thus, the MR stack of this embodiment has a uniformly narrow width encompassing the vertically stacked horizontal layers (24), (22), (23), (21) and (9), but is not horizontally patterned through layers (10), (11), (12) and (13), which retain a wider width. Subsequent to patterning, the thin hard biasing layers (5) are formed over the laterally extending unpatterned layers (10), (11), (12) and (13), with necessary isolation and seed layers (not indicated) between (5) and (10).  Thus, the biasing layers (5) are now unsymmetrically placed relative to the SAF free layer structure and the upper surface of the layers is aligned between layers (21) and (22) and, therefore, layer (5) provides a stronger field to layer (21) than to layer (22). 
The fabrication of this embodiment proceeds as in the third embodiment, which is the same as this embodiment with the exception of the thinner HB layers and their asymmetrical placement relative to the free layer structure.
Embodiment 12
Referring now to Fig. 16, there is shown schematically a twelfth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the eleventh embodiment illustrated schematically in Fig. 15 and described above, except that the top biasing structure, that provides the exchange bias to the free layer element (22), includes only a single magnetic layer, layer (25), that is exchange coupled to an AFM pinning layer (28).  The pinning direction of layer (28) on layer (25) is from left to right as shown by arrow (251).  The fabrication process for this embodiment is, therefore, the same as that applied to the eleventh embodiment.
Embodiment 13
Embodiments 13 through 16 will be the same in all respects as embodiments 5 through 8, with the exception of the thinner hard bias layer (5) that is positioned alongside layer (21) rather than alongside both layers (21) and (22).  Referring now to Fig. 17, there is shown schematically a thirteenth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the fifth embodiment (Fig. 9), except that HB layers (5) are thinner and asymmetrically positioned against the free layer structure as discussed in the ninth embodiment.  In this embodiment the top SAF exchange bias structure, layers (28), (27), (26) and (25), are deposited together with the MR stack (stack (66) of Fig. 2b) and subsequently patterned together with that stack so that all layers: (28), (27), (26), and (25), together with layers (24), (22), (23), (21), (9), (10), (11), (12) and (13),  have a common width.  The succession of processes employed in fabricating this thirteenth embodiment are exactly the same as those employed in fabricating the fifth embodiment, with the exception of the deposition of the thinner HB layers (5) and their asymmetric positioning.  The sequence of first and second anneals and patterning are otherwise the same.
Embodiment 14
Referring now to Fig. 18, there is shown schematically a fourteenth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the thirteenth embodiment except that the top exchange bias structure includes only AFM layer (28), and single layer (25) and not the tri-layered structure (25), (26) and (27).  The fabrication process, including first and second anneals, and the deposition and patterning, are the same as in the thirteenth embodiment.
Embodiment 15
Referring now to Fig. 19, there is shown schematically a fifteenth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the seventh embodiment illustrated schematically in Fig. 11, except that the HB layers (5) are thinner and asymmetrically positioned against the free layer structure so that (5) is adjacent to layer (21) and below layer (22).  The fabrication process is the same as that employed in the seventh embodiment in terms of first and second anneals, layer depositions and patterning.  Only the thinner HB layer and its asymmetric placement is different.
Embodiment 16
Referring now to Fig. 20, there is shown schematically a sixteenth embodiment of the present invention which is in all other aspects the same as the fifteenth embodiment illustrated schematically in Fig. 19, except that the top biasing structure, that provides the exchange bias to the free layer element (22) includes only the single magnetic layer (25), that is exchange coupled to an AFM pinning layer (28).   The fabrication process is the same as employed in the fabrication of the fifteenth embodiment.
Note that additional shields may be formed above and below the present read sensor in each of the above described embodiments. However, such shields would be intended to shunt extraneous magnetic fields and avoid their undesirable effects, not to improve down-track resolution of the sensor as in the prior arts.  In all previous embodiments, and in respective Fig. 6 through Fig. 20, such a lower shield has been indicated as layer (2), but no upper shield has been illustrated.
As is finally understood by a person skilled in the art, the preferred embodiments of the present invention are illustrative of the present invention rather than limiting of the present invention.  Revisions and modifications may be made to methods, materials, structures and dimensions employed in forming and providing a MR read sensor in which a free layer is formed as a SAF structure and is biased longitudinally by both a SAF or single layer top exchange biasing structure and horizontally disposed hard bias layers, while still forming and providing such a device and its method of formation in accord with the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.
1.  An MR read sensor, comprising:
a substrate;
a patterned CPP MR stack formed on said substrate, wherein said CPP MR stack is a patterned vertical lamination of contiguous horizontal layers, wherein said CPP MR stack includes a synthetic antiferromagnetic (SAF) free layer structure and a first non-magnetic coupling layer formed on said free layer structure;
a top exchange biasing magnetic layer structure formed over said first non-magnetic coupling layer, wherein said exchange biasing magnetic layer structure is magnetically exchange coupled to said SAF free layer structure and provides a longitudinal bias thereto; and
a pair of hard bias (HB) layers, symmetrically disposed about lateral sides of said patterned CPP MR stack, wherein each of said HB layers is adjacent to a portion of said patterned side of said CPP MR stack and wherein said pair of HB layers provides a longitudinal bias to said SAF free layer structure.
2.  The MR read sensor of claim 1 wherein said patterned CPP MR stack comprises:
a pinning layer formed of an antiferromagnetic material formed on said substrate;
an SAF pinned layer structure formed on said pinning layer and pinned thereby, wherein said SAF pinned layer structure comprises two ferromagnetic layers having parallel magnetizations that are oppositely directed and perpendicular to an ABS plane;
a non-magnetic junction layer formed on said SAF pinned layer;
said SAF free layer structure formed on said non-magnetic junction layer, wherein said SAF free layer further comprises a first ferromagnetic layer, a second non-magnetic coupling layer formed on said first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer formed on said second non-magnetic coupling layer;
the first non-magnetic coupling layer formed on said second ferromagnetic layer of said SAF free layer; and wherein
said first and second ferromagnetic layers of said SAF free layer are magnetically biased in oppositely directed, parallel longitudinal directions. 
3.  The MR read sensor of claim 2 wherein said first ferromagnetic layer and said second ferromagnetic layer of said SAF free layer are close in their magnetic moments and thickness and wherein the product of magnetic moment and layer thickness for said first ferromagnetic moment differs from the product of magnetic moment and layer thickness for said second ferromagnetic layer by no more than 30%  of that product for said first ferromagnetic layer.
4.  The MR read sensor of claim 2 wherein said top exchange biasing structure magnetically exchange couples to said second ferromagnetic layer of said SAF free layer across said first non-magnetic coupling layer to produce an exchange biasing field of magnitude Hex  and wherein said hard bias layers are placed symmetrically adjacent to lateral edges of both said first and second ferromagnetic layers of said SAF free layer and  couple magnetostatically with substantially similar strengths to said first and second ferromagnetic layers of said SAF free layer, wherein said coupling is tuned to produce hard biasing fields of magnitudes Y% and X% of Hex respectively, whereby, by choosing X+Y=100, oppositely directed effective longitudinal biasing fields of equal magnitude, (Y%)Hex, are produced in said first and second ferromagnetic layers. 
5.  The MR read sensor of claim 2 wherein said top exchange biasing structure magnetically exchange couples to said second ferromagnetic layer of said SAF free layer across said first non-magnetic coupling layer to produce an exchange biasing field of magnitude Hex  and wherein said hard bias layers are placed adjacent to lateral edges of said first ferromagnetic layer of said SAF free layer, but below lateral edges of said second ferromagnetic layer of said SAF free layer, whereby said hard bias layers couple magnetostatically with different strengths to said first and second ferromagnetic layers of said SAF free layer, wherein said coupling is tuned to produce hard biasing fields of magnitudes Y%Hex in said first ferromagnetic layer and X%Hex in said second ferromagnetic layer and wherein Y>X by as much as 20% and wherein Y+X is greater than or equal to 100. 
6.  The MR read sensor of claim 1 wherein said first non-magnetic coupling layer is a layer of Ru or Ru composition formed to a thickness of approximately 0.8 nm.
7.  The MR read sensor of claim 1 wherein said first non-magnetic coupling layer is a layer of Ru or Ru composition formed to a thickness that provides a coupling strength between approximately -0.3 and -0.1 erg/cm2.
8.  The MR read sensor of claim 1 wherein said hard bias layers are formed of the high coercivity magnetic material CoPt to a thickness between approximately 20 and 40 nm.
9.  The MR read sensor of claim 1 wherein said top exchange biasing magnetic layer structure comprises:
a first ferromagnetic layer formed on said first non-magnetic coupling layer;
a third non-magnetic coupling layer formed on said first ferromagnetic layer;
a second ferromagnetic layer formed on said third non-magnetic coupling layer;
an antiferromagnetic pinning layer formed on said second ferromagnetic layer; and wherein said first and second ferromagnetic layers are magnetized in opposite longitudinal directions to form an SAF structure and are magnetically pinned by said pinning layer.
10.  The MR read sensor of claim 1 wherein said top exchange biasing magnetic layer structure comprises: 
a ferromagnetic layer formed on said first non-magnetic coupling layer;
an antiferromagnetic pinning layer formed on said second ferromagnetic layer; wherein a magnetization of said ferromagnetic layer is magnetically pinned by said pinning layer in a longitudinal direction.
11.  The MR read sensor of claim 9 wherein said CPP MR stack and said top exchange biasing structure are patterned to have a common uniform width that includes all layers of said stack and said top exchange biasing structure.
12.  The MR read sensor of claim 9 wherein said top exchange biasing structure and said CPP MR stack are patterned to have a portion of uniform narrow width, wherein said portion extends vertically downward to include said top exchange biasing structure, said first non-magnetic coupling layer, said SAF free layer structure and said non-magnetic junction layer and wherein said SAF pinned layer structure and said pinning layer are not included in said narrow width portion and extend laterally and symmetrically beyond the width of said narrow portion. 
13.  The MR read sensor of claim 10 wherein said CPP MR stack and said top exchange biasing structure are patterned to have a common uniform width that includes all layers of said stack and said top exchange biasing structure.
14.  The MR read sensor of claim 10 wherein said top exchange biasing structure and said CPP MR stack are patterned to have a portion of uniform narrow width, wherein said portion extends vertically downward to include said top exchange biasing structure, said first non-magnetic coupling layer, said SAF free layer structure and said non-magnetic junction layer and wherein said SAF pinned layer structure and said pinning layer are not included in said narrow width portion and extend laterally and symmetrically beyond the width of said narrow portion. 
15.  The MR read sensor of claim 9 wherein said CPP MR stack is patterned to have a common uniform width that includes all layers of said stack and said top exchange biasing structure extends laterally and symmetrically beyond the width of said CPP MR stack.
16.  The MR read sensor of claim 9 wherein said CPP MR stack is patterned to have a portion of uniform narrow width, wherein said portion extends vertically downward to include said first non-magnetic coupling layer, said SAF free layer structure and said non-magnetic junction layer and wherein said SAF pinned layer structure and said pinning layer and said top exchange biasing structure are not included in said narrow width portion and extend laterally and symmetrically beyond the width of said narrow portion. 
17.  The MR read sensor of claim 10 wherein said CPP MR stack is patterned to have a common uniform width that includes all layers of said stack and said top exchange biasing structure extends laterally and symmetrically beyond the width of said CPP MR stack.
18.  The MR read sensor of claim 10 wherein said CPP MR stack is patterned to have a portion of uniform narrow width, wherein said portion extends vertically downward to include said first non-magnetic coupling layer, said SAF free layer structure and said non-magnetic junction layer and wherein said SAF pinned layer structure and said pinning layer and said top exchange biasing structure are not included in said narrow width portion and extend laterally and symmetrically beyond the width of said narrow portion.
19.  A method of forming an MR read sensor, comprising:
providing a substrate;
forming a CPP MR stack on said substrate, wherein said CPP MR stack is a vertical lamination of contiguous horizontal layers and wherein said CPP MR stack includes a pinning layer formed of an antiferromagnetic material, a synthetic antiferromagnetic (SAF) pinned layer structure pinned by said pinning layer, an SAF free layer structure and a first non-magnetic coupling layer formed on said SAF free layer structure;
annealing said CPP MR stack in a first anneal at a first annealing temperature, in a first annealing magnetic field for a first annealing time to set a magnetization direction of said pinned layer SAF structure perpendicular to an ABS plane and to magnetize said pinned layer SAF structure in an antiferromagnetic configuration;
patterning said CPP MR stack;
forming hard bias layers symmetrically disposed to each lateral side of said patterned CPP MR stack;
annealing said hard bias layers in a second anneal;
forming a top exchange biasing structure over said CPP MR stack and said hard bias layers;
annealing said top exchange biasing structure in a longitudinal direction in a third anneal at a third annealing temperature, in a third annealing magnetic field and a third annealing time, thereby magnetizing said SAF free layer structure in an antiferromagnetic configuration and exchange coupling said top exchange biasing structure to said SAF free layer structure.
20.  A method of forming an MR read sensor, comprising:
providing a substrate;
forming a CPP MR stack on said substrate, wherein said CPP MR stack is a vertical lamination of contiguous horizontal layers and wherein said CPP MR stack includes an antiferromagnetic pinning layer, a synthetic antiferromagnetic (SAF) pinned layer structure pinned by said pinning layer, a SAF free layer structure and a first non-magnetic coupling layer formed on said SAF free layer structure;
annealing said CPP MR stack in a first anneal at a first annealing temperature, in a first annealing magnetic field for a first annealing time to set a magnetization direction of said pinned layer structure perpendicular to an ABS plane and establish an antiferromagnetic magnetization configuration;
forming a top exchange biasing structure over said CPP MR stack;
annealing said top exchange biasing structure in a longitudinal direction in a second anneal using a second annealing temperature, in a second annealing magnetic field and for a second annealing time whereby said SAF free layer structure is magnetized in an antiferromagnetic configuration and is magnetically exchange coupled to said top exchange biasing structure;
patterning said CPP MR stack together with said top exchange biasing structure;
forming hard bias layers symmetrically disposed to each lateral side of said patterned CPP MR stack and annealing said hard bias layers in a third anneal.
21.  The method of claim 19 wherein said CPP MR stack is a vertical lamination of horizontal layers comprising:
said pinning layer formed of an antiferromagnetic material;
said SAF pinned layer formed on said pinning layer and pinned thereby, wherein said SAF pinned layer comprises two ferromagnetic layers sandwiching a third non-magnetic coupling layer;
a non-magnetic junction layer formed on said pinned layer;
said SAF free layer formed on said non-magnetic junction layer, wherein said SAF free layer further comprises a first ferromagnetic layer, a second non-magnetic coupling layer formed on said first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer formed on said second non-magnetic coupling layer;
said first non-magnetic coupling layer formed on said second ferromagnetic layer of said SAF free layer.
22.  The method of claim 20 wherein said CPP MR stack is a vertical lamination of horizontal layers comprising:
said pinning layer formed of an antiferromagnetic material;
said SAF pinned layer formed on said pinning layer and pinned thereby, wherein said SAF pinned layer comprises two ferromagnetic layers sandwiching a third non-magnetic coupling layer;
a non-magnetic junction layer formed on said pinned layer;
said SAF free layer formed on said non-magnetic junction layer, wherein said SAF free layer further comprises a first ferromagnetic layer, a second non-magnetic coupling layer formed on said first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer formed on said second non-magnetic coupling layer;
said first non-magnetic coupling layer formed on said second ferromagnetic layer of said SAF free layer.
23.  The method of claim 19 wherein forming said top exchange biasing magnetic layer structure comprises:
forming a first ferromagnetic layer over said CPP MR stack and said hard bias layers;
forming a second non-magnetic coupling layer on said first ferromagnetic layer;
forming a second ferromagnetic layer on said second non-magnetic coupling layer;
forming an antiferromagnetic pinning layer on said second ferromagnetic layer.
24.  The method of claim 19 wherein forming said top exchange biasing magnetic layer structure comprises:
forming a first ferromagnetic layer over said CPP MR stack;
forming a second non-magnetic coupling layer on said first ferromagnetic layer;
forming a second ferromagnetic layer on said second non-magnetic coupling layer;
forming an antiferromagnetic pinning layer on said second ferromagnetic layer.
25.  The method of claim 19 wherein patterning said CPP MR stack comprises uniformly narrowing the width of said stack by uniformly narrowing the width of all of said contiguous horizontal layers to create a stack of uniform width having sides that are vertical and planar.
26.  The method of claim 19 wherein patterning said CPP MR stack comprises 
narrowing the width of a portion of said stack by uniformly narrowing the width of said first non-magnetic coupling layer, said SAF free layer structure and said junction layer, while leaving the width of said SAF pinned layer structure and said pinning layer wider and extending symmetrically laterally beyond the width of said narrowed portion of said stack.
27.  The method of claim 20 wherein patterning said CPP MR stack and said top exchange biasing structure comprises narrowing the width of said stack and said exchange biasing structure formed on said stack by uniformly narrowing the width of all layers to create a stack of uniform width having sides that are vertical and planar.
28.  The method of claim 21 wherein patterning said CPP MR stack and said top exchange biasing structure comprises narrowing the width of said stack and said exchange biasing structure by uniformly narrowing the width of all of contiguous horizontal layers to create a stack of uniform width having sides that are vertical and planar.
29.  The method of claim 19 wherein said first annealing temperature is between approximately 250 and 300 oC, wherein said first annealing field is greater than 5 kOe, wherein said third annealing temperature is between approximately 200 and 240 oC and said third annealing field is between approximately 0.6 and 1 kOe and wherein said second anneal is substantially the same as said second anneal.
30.  The method of claim 20 wherein said first annealing temperature is between approximately 250 and 300 oC, wherein said first annealing field is greater than 5 kOe, wherein said second annealing temperature is between approximately 200 and 240 oC and said second annealing field is between approximately 0.6 and 1 kOe and wherein said third anneal is substantially the same as said second anneal.
31.  The method of claim 21 wherein said hard bias layers are positioned adjacent to said SAF free layer, whereby magnetic fields of substantially equal magnitude are produced by said hard bias layers in said first ferromagnetic layer and said second ferromagnetic layer.   
32.  The method of claim 21 wherein said hard bias layers are positioned adjacent to said first ferromagnetic layer and, thereby, below said second ferromagnetic layer of said SAF free layer, whereby a magnetic field greater in magnitude by as much as 20% is produced by said hard bias layers in said first ferromagnetic layer as compared to said second ferromagnetic layer.   
１．Abstract
A CPP MR read head and its method of fabrication includes a patterned CPP MR sensor stack having a SAF free layer structure that is longitudinally biased by the combination of an exchange biasing layer formed over the sensor stack and hard biasing layers that are formed adjacent to the patterned sides of the stack.  The combination provides the stack with high resolution reading capabilities without the necessity for a narrow read gap formed by closely spaced top and bottom shields. Sixteen embodiments are described that provide different versions of the exchange biasing layer, different positions of the hard biasing layers and different patternings of the CPP MR sensor stack.           
２．Representative Drawing
Fig.2A
2012133864.tif 000034
2012133864.tif 000035
2012133864.tif 000036
2012133864.tif 000037
2012133864.tif 000038
2012133864.tif 000039
2012133864.tif 000040
2012133864.tif 000041