WO2004051629A1

WO2004051629A1 - 磁気ディスク装置及びその製造方法

Info

Publication number: WO2004051629A1
Application number: PCT/JP2003/015300
Authority: WO
Inventors: Akifumi Aono
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2004-06-17
Also published as: US7312958B2; US7733613B2; JPWO2004051629A1; CN1720571A; CN100412950C; US20080068763A1; US7463458B2; US20080055785A1; US20090104345A1; US7542247B2; US20060072250A1

Abstract

高感度な再生ヘッドを有する磁気ディスク装置及びの製造方法を提供する。再生ヘッドの磁気抵抗効果素子として、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層で構成されたスピンバルブ型の多層膜を用いる。反強磁性層と強磁性層との間には反強磁性反応層を設ける。反強磁性層は酸素を含有する金属化合物にて形成する。

Description

明細書磁気ディスク装置及びその製造方法技術分野

本発明は、磁気ディスク装置及びその製造方法に関し、特に、再生へッドゃ磁界検出用センサに使用される、スピンバルブ磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置及びその製造方法に関するものである。背景技術

近年、磁気ディスク装置（H D D装置）などの磁気記録メディアに対する記録において、処理速度の向上と記録容量の大容量化の必要性が増しており、磁気記録メディァへの高記録密度化への取り組みが強化されつつある。これに伴い、従来の薄膜磁気ヘッドよりもさらに再生トラック幅が小さく、なおかつ再生出力が大きい再生へッドが開発されている。今後、この傾向がさらに高まっていくことは確実である。

現在、再生ヘッドの磁気抵抗効果素子には、一般に、スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜が用いられている。スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜は、自由磁性層/非磁性層/固定磁性層/反強磁性層の多層構造を基本構成とするものである。

このようなスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜の感度を高めて高記録密度化を図るために、例えば、日本国の特開平 6 - 2 3 6 5 2 7 号公報には、自由磁性層の膜厚を薄くして自由磁性層の背面に隣接するように導電層を形成し、伝導電子の平均自由行程を伸ばす構造が開示されている。

また、『Kamiguchi et al 「CoFe SPECULAR SPIN V ALVES WITH A NANO OXIDE LAYER」 Digests of Intermag 1999 , DB— 01 . 1999』には、 N O L ( Nano Oxide Layer) と呼ばれる極薄の酸化層を、自由磁性層もしくは固定磁性層中に挿入し、伝導電子を酸化層と金属層の界面で反射させて、いわゆる鏡面反射効果を得る手法が開示されている。このような構成によると、スピンバルブ膜が擬似的な人工格子膜のようになり、 M R比を向上させることができる。

また、日本国の特開平 7— 2 6 2 5 2 0号公報には、多層膜からなる G M R素子において、膜面に垂直に電流を流す C P P (current perpendicular― to— the― plane ) モートを is用すると、 ¾t来の莫面に平行に電流を流す C I P (current in - the - plane ) モードに比べて抵抗変化が約 2倍以上となることが報告されており、 C P P —スピンバルブ膜への適応が盛んに行われている。

このように、今後さらに厳しく要望される磁気記録メディァへの高記録密度化に対して、再生へッドの磁気抵抗効果素子においては、磁気記録メディァに短波長で記録された信号を再生するために、磁気抵抗効果膜のさらなる高感度化が必要であるという課題がある。発明の開示

本発明は、公知の技術における上記の技術的課題に鑑み、磁気デイスク装置の磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜の構成を工夫することで、より高感度な薄膜磁気ヘッドを有する磁気ディスク装置およびその製造方法を実現できるようにすることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の第 1の態様における磁気デイスク装置は、磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であつて、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられており、前記反強磁性層は酸素を含有する金属化合物にて形成されていることを特徴とする。

このような構成であると、磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を設けているため、電子を反強磁性反応層と金属層の界面で反射させることができ、電子の拡散度合いが増すことから高 M R比が得られ、高記録密度化が実現できる。

また、本発明の第 2の態様における磁気ディスク装置は、膜面に対して垂直な電流方向（C P Pモード）で動作する磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられており、前記反強磁性層は酸素を含有する金属化合物からなることを特徴とする。

このような構成であると、 C P Pモード動作の磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置においても高 M R比が得られ、高記録密度化が図れる。

本発明においては、上記第 1，第 2の態様において、反強磁性反応層が酸素を含有する Mn系金属化合物にて形成されており、その膜厚が 0. 1〜2. 5 nmであることが好ましい。反強磁性反応層には、窒素、水素、 H₂0から選ばれる少なくとも 1種類以上が含まれていることが好ましい。さらに、反強磁性反応層が自然酸化あるいはプラズマ酸化にて形成されてなることが好ましい。

また、反強磁性層が Mn系合金にて形成されるとともに、 P t、 I r、 Ru、 Rhから選ばれる少なくとも 1種類以上が含まれていることが好ましい。また、この反強磁性層の下地層が N i F eまたは N i F e C rにて形成されていることが好ましい。

また、強磁性層ならびに前記自由磁性層は、 F e、 C o、 N iの少なくとも 1種類以上を含む合金にて形成され、非磁性層は C uを含む合金にて形成されていることが好ましい。さらに、強磁性層が、第 1の強磁性層/金属中間層/第 2の強磁性層で構成された積層フエリ構造であり、前記金属中間層は R u、 C u、 Rh、 P d、 Ag、 I r、 P t、 Auから選ばれる少なくとも 1種類以上を含む合金にて形成されることが好ましい。

また、本発明においては、上記第 1，第 2の態様における磁気デイスク装置を製造するに際し、第 1の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第 1のチャンバ一に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一へ搬入して前記第 1のチヤンバーの真空度よりも低い真空度で真空放出を行って前記反強磁性層の形成面に反強磁性反応層を形成し、前記基板を第 2のチヤンバーから取り出して別のチャンバ一にて前記反強磁性反応層の上に強磁性層を形成し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。また、第 2の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第 1のチャンバ一に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一へ搬入して、 H ₂〇または 0 ₂が 1 p p m以上含まれるガスにより表面処理を行って反強磁性反応層を形成し、この基板を第 2のチヤンバーから取り出して別のチヤンバーにて前記反強磁性反応層の上に強磁性層を形成し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徵とする。

上記第 1，第 2の製造方法において、第 1のチャンバ一の真空度が 1 X 1 0— ⁶〜 1 X 1 0— ⁸ P aの範囲であることが好ましい。

また、第 3の製造方法として、磁気抵抗効果膜を、基板を第 1のチャンバ一に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層を形成し、前記基板を第 2のチヤンバーへ搬入して、前記第 1のチャンバ一内よりも H ₂〇濃度または〇 ₂濃度が高い雰囲気下に曝して反強磁性反応層を形成し、この基板を第 2のチャンバ一から取り出して別のチャンバ一にて前記反強磁性反応層の上に強磁性層し、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする。

また、上記第 1〜第 3の製造方法において、第 2のチャンバ一内の真空雰囲気中で基板を 6 0秒以上曝すことが好ましい。また、第 2のチャンバ一内でのプロセスが終了した後に、基板を再び第 1のチャンバ一に搬送して、強磁性層以降の成膜プロセスを行なうことが好ましい。

さらに、上記第 1〜第 3の製造方法は、ヘリコンロングスロースパッ夕装置を使用することにより容易に実現できる。以上のように、本発明では、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層を備えたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜の反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を形成することで、磁気抵抗効果素子の M R比が増大してへッド出力の高出力化が可能となる。このように高感度な再生ヘッドを有する磁気ディスク装置は、近年要望されている高密度記録化、高容量化が実現できる。図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施の形態 1 における磁気ディスク装置の再生へッドを磁気記録メディアに対向するへッド摺動面から見た要部の拡大断面模式図である。

図 2は同実施の形態における磁気抵抗効果膜の構成を示す模式図である。

図 3は同実施の形態における磁気抵抗効果膜の下地材料への依存性を示す X線回折プロファイルである。

図 4は同実施の形態におけるスピンバルブ膜の M R比の測定ダラフである。

図 5は同実施の形態におけるスピンバルブ膜の非磁性層の膜厚に対する M R比および層間結合磁界 H i n tの依存性を示すグラフである。

図 6は本発明の実施の形態 2における磁気ディスク装置の再生へッドを磁気記録メディァに対向するへッド摺動面から見た要部の拡大断面模式図である。

図 7は同実施の形態における G M R素子の接合面積と抵抗変化率との関係を示す図である。図 8は本発明の実施の形態 3で用いたスパッ夕装置の平面図である。

図 9は同実施の形態における真空放置時間に対する M R比を示すグラフである。

図 1 0は同実施の形態における真空放置条件に対する M R比を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の各実施の形態を図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施の形態のみに限定されるものではなく、スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置に適用できる。

実施の形態 1

図 1〜図 5は、本発明の実施の形態 1を示す。

図 1に示す磁気ディスク装置の再生へッドにおいて、パーマロイ、 C o系アモルファス、 F e系微粒子等の軟磁性材料にて形成された磁性膜である下部シールド層 1の上には、 A 1 ₂〇₃、 A 1 N、 S i O ₂等の非磁性絶縁材料にて形成された下部ギヤップ絶縁層 2が配置されている。下部ギャップ絶縁層 2の上には、 G M R素子 3が設けられている。 G M R素子 3の詳細は図示されていないが、反強磁性層、強磁性層、非磁性層、自由磁性層などを備えた積層膜であり、その具体的な構成については後述する。 G M R素子 3を構成する積層膜の両側部はイオンミリング等のエッチング処理が施されて傾斜した側面を有する台形状となっている。この積層膜の両側には左右一対のハードバイアス層 4が設けられている。ハードバイアス層 4 は、少なくとも G M R素子 3を構成する自由磁性層の両側面に接するようにして下部ギヤップ絶縁層 2の上に形成されたものであり、 C o P t合金等の硬質磁性材料にて形成される。ハードバイアス層 4の上には、 G M R素子 3に少なくとも線接触するようにして、 C u、 C r 、 T a等の材料により左右一対の電極リード層 5が形成されている。左右一対の電極リード層 5と G M R素子 3の上には、下部ギヤップ絶縁部 2と同様の絶縁材料により上部ギヤップ絶縁層 6 が形成されている。上部ギャップ絶縁層 6の上には、下部シールド層 1 と同様の軟磁性材料により上部シールド層 7が形成されている。図 2 a , 2 bに示すように、 G M R素子 3は、スピンバルブ型の磁気抵抗効果膜にて構成されている。

図 2 aは、下地層 1 1、反強磁性層 1 2、反強磁性反応層 1 3 、強磁性層 1 4、非磁性層 1 5、自由磁性層 1 6、保護層 1 7で構成されたボトム型スピンバルブ構造のスピンバルブ膜である。

図 2 bは、下地層 1 1、第 1の反強磁性層 1 2、反強磁性反応層 1 3、第 1の強磁性層 1 4、第 1の非磁性層 1 5、自由磁性層 1 6 、第 2の非磁性層 1 8、第 2の強磁性層 1 9、第 2の反強磁性層 2 0 、保護層 1 7で構成されたデュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜である。

このように、反強磁性層 1 2 と強磁性層 1 4との間に反強磁性反応層 1 3を設けることで、スピンバルブ膜の M R比が増大し、へッド出力の高出力化が可能となる。

以下、スピンバルブ膜の詳細を説明する。

下地層 1 1は、下部ギャップ層 2 とスピンバルブ膜との密着性を強化するとともにスピンバルブ膜の配向性を高めるために用いられるものであり、 T a膜にて形成されるのが一般的である。スピンバルブ膜の配向性をより一層高めるためには、下地層 1 1を 2層化、例えば T a層/ N i F e系合金層の 2層構造とすることが好ましレ、。下地層 1 1がスピンバルブ膜に与える影響を調べるために、ポ卜ム型のスピンバルブ膜を各種材料からなる下地層 1 1に形成して、 X線回折を行った。なお、ここでのスピンバルブ膜は従来と同様のものである。

得られた測定結果を図 3に示す。

図中、縦軸は強度であり、横軸は回折角である。また、（a) は下地層 1 1が T aであるもの、（b) は下地層 1 1が T a層/ N i

F e層の 2層構造であるもの、（c) は下地層 1 1が T a層/ N i

F e C r層の 2層構造であるものである。

破線で囲んだ SV ( 1 1 1 ) 配向の拡大グラフを見ると、（a) に示す T a下地ではスピンバルブ膜の回折ピークは非常に弱いが、 (b) , ( c ) に示す 2層構造の下地ではスピンバルブ膜の（ 1 1

1 ) 回折ピークが非常に強くなつている。このように、下地層 1 1 を 2層化することで、スピンバルブ膜の配向性が高まることが明らかである。

なお、ここではポトム型のスピンバルブ膜を例に挙げて説明した力デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜など、その他の系のスピンバルブ膜においても同様のことが確認されている。また、上記説明では、下地層 1 1として T a単層構造のものと、 T a層/ N i F e層および T a層ノ N i F e C r層からなる 2層構造のものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、別の材料からなるものであってもよく、または下地層 1 1は特に用いなくても良い。

反強磁性層 1 2は、強磁性層 1 4との間に交換結合を持たせる役割を果たすものである。デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜においては、第 1の反強磁性層 1 2と第 1の強磁性層 1 4、第 2 の反強磁性層 2 0 と第 2の強磁性層 1 9 との間に交換結合を持たせる役割を果たすものである。

反強磁性層 1 2， 2 0は Mn系合金にて形成されることが好ましく、 P t、 I r、 R u、 R hから選ばれる少なくとも 1種類以上を含む Mn系合金を用いることがより好ましい。本発明においては、特に、 I r Mn膜を用いることが好ましい。 I r Mn膜は、 2 0 a t % I r - 8 0 a t %Mn夕ーゲットを用いて、スパッ夕アルゴンガス圧の制御下で所定の膜組成になるようにスパッ夕リングすることで形成できる。

本発明の特徴である反強磁性反応層 1 3は、反強磁性層 1 2と強磁性層 1 4との層間結合磁界を強めて高 MR比を得るためのものである。この反強磁性反応層 1 3は、酸素を含有する金属化合物にて形成されることが好ましく、酸素を含有する Mn系金属化合物にて形成されることがより好ましい。このような金属化合物からなる層は、自然酸化またはプラズマ酸化などの酸化プロセスにて得ることができる。

また、反強磁性反応層 1 3には、添加元素として、窒素、水素、 H ₂〇から選ばれる少なくとも 1種類以上を含むことがより好ましい。

反強磁性反応層 1 3の厚みは、 0. 1〜 2. 5 nmの範囲にあることが好ましく、 0. 1〜 2. 0 nmの範囲であることがより好ましく、 0. 1 5〜2. 0 nmの範囲であることが更に好ましい。反強磁性反応層 1 3の厚みが 2. 5 nmを超えると、反強磁性層 1 2 と強磁性層 1 4との層間結合磁界が弱まって MR比を十分に高めることができず、反強磁性反応層 1 3の厚みが 0. l nm未満であると、十分な MR比を得ることができない。

反強磁性反応層 1 3による MR比の向上効果を確認するために、反強磁性反応層のない従来のスピンバルブ膜と、反強磁性反応層 1 3を有する本発明のスピンバルブ膜のそれぞれについて MRカーブを測定した。

図 4 aは従来のスピンバルブ膜の MRカーブを示し、図 4 bは本発明のスピンバルブ膜の MRカーブを示す。図中、縦軸は MR比であり、横軸 Hは印加磁場である。

ここで、スピンバルブ膜はいずれもデュアル型であり、その詳細は以下の通りである。

下地層 1 1 [T a層（3 nm) /N i F e C r層（3 nm) ] 、反強磁性層 1 2 [ I r Mn層（5 nm) ] 、反強磁性反応層 1 3があるものは [Mn O ₂ ( l nm) ] 、強磁性層 1 4 [C o F e層（2 nm) ] 、非磁性層 1 5 [C u層（ 2. 3 nm) ] 、自由磁性層 1 6 [C o F e層（3 nm) ]、非磁性層 1 8 [C u層（2. 3 nm) ]、強磁性層 1 9 [C o F e層（2 nm) ] 、反強磁性層 2 0 [ I r M n層（ 5 nm) ] 、保護層 1 7 [丁 3層（ 3 11111) ] とした。なぉ、 0 内の数値は各層の厚みである。

図 4 aに示すように、反強磁性反応層がない従来のスピンバルブ膜では MR比が約 1 4 %であった。一方、本発明における反強磁性反応層 1 3が設けられたスピンバルブ膜は、 MR比が約 1 7 %であり、従来よりも MR比の高いものであった。

このように反強磁性層 1 2と強磁性層 1 4との間に反強磁性反応層 1 3を形成することで MR比が増大することがわかる。

強磁性層 1 4、 1 9は、反強磁性層 1 2と強磁性層 14との間、ならびに反強磁性層 2 0と強磁性層 1 9との間を交換結合するものであり、交換結合により強磁性層 14、 1 9の磁化が一方向に固定される。

強磁性層 1 4、 1 9は、 F e、 C o、 N iから選ばれる少なくとも 1種類以上を含有する合金にて形成されることが好ましく、本発明においては、 C o F eを用いることがより好ましい。

また、スピンバルブ膜がデュアル型である場合には、強磁性層 1 4、 1 9と反強磁性層 1 2, 2 0との交換結合をより一層高めるために、積層フェリ固定磁性層としてもよい。積層フェリ固定磁性層とは、第 1，第 2の強磁性層 1 4、 1 9の間に、例えば R u層を設けて第 1 , 第 2の強磁性層 1 4、 1 9の磁化を反平行にさせ、人為的に積層フェリ構造を作りだすものである。実際、 C o F e/Ru o F eの系において、 Ru膜厚が 0. 5〜0. 9 nmの範囲であると、（膜全体の残留磁化 M r) / (飽和磁化 M s ) の値がほぼ零となっており、第 1，第 2の強磁性層 14、 1 9の磁化が R u層を介して反平行状態になることが明らかとなっている。このような構成とする場合、 Ru層の厚みは 0. 6〜0. 8 nmであることが好ましく、 0. 7 nm付近、すなわち 0. 6 5〜0. 7 5 nmの範囲であることがより好ましい。強磁性層 14， 1 9に挿入する中間層は Ru層に限定されるものではなく、 C u、 R h、 P d、 Ag、 I r、 P t；、 Auから選ばれるうちの少なくとも 1つが用いられていれば良く、複数の成分を含有する合金にて形成されるものであつてもよい。

また、第 1，第 2の強磁性層 1 4、 1 9は、同じ材料にて形成されていてもよく、それぞれ別の材料にて形成されていてもよい。

また、本発明においては、第 1 , 第 2の強磁性層 14、 1 9に膜厚差をもたせる、もしくは各強磁性層における飽和磁化 M s と膜厚 Tとの積（M s X t ) の値に差を持たせることで、第 1 , 第 2の強磁性層 14、 1 9と自由磁性層 1 6との層関結合磁界 H i n tの調整を行うこともできる。

非磁性層 1 5, 1 8は C uにて形成されていることが好ましく、その膜厚を変化させることで上記した強磁性層 1 4、 1 9と自由磁性層 1 6との層間結合磁界 H i n tを制御することが可能となる。

非磁性層 1 5， 1 8の膜厚が変化することによるスピンバルブ膜の MR特性の変化は顕著である。例えば、膜構成が T a層（3 nm) ZN i F e C r層（3 nm) / I r Mn層（5 nm) /C o F e層 ( 2 nm) / C u層（ t nm) / C o F e層（3 nm) / T a層（3 n m) であるボトム型のスピンバルブ膜において、 C u層の膜厚 t を変化させた時のスピンバルブ膜の MR比の変化を図 5 aに、固定磁性層と自由磁性層 1 6との層間結合磁界 H i n tの変化を図 5 b に、それぞれ示す。

図 5 a， 5 bから、 C u層の膜厚 tの僅かな違いにより、 MR比、層間結合磁界 H i n tともに大きな影響を受けることが明らかである。 MR比はスピンバルブ膜の感度を決めるものであり、層間結合磁界 H i n tは自由磁性層 1 6のバイアス点を決めるものであり、いずれも重要なパラメ一夕である。自由磁性層 1 6は、 F e、 C o、 N iから選ばれる少なくとも 1 種類以上を含む合金にて形成されることが好ましい。自由磁性層 1 6の磁化は外部磁界に対して比較的自由に回転できる必要があり、軟磁気特性が良いことが要求される。そのため、自由磁性層 1 6には、非磁性層 1 5， 1 8との界面における散乱係数が高く、非磁性層 1 5， 1 8 と固溶しにくい C o系合金がよく使用される。しかし、 C o系合金にて形成された自由磁性層 1 6は、若干、軟磁気特性が悪いことから、本発明においては C o F e合金、より具体的には C 0 ₉ 0 F e 丄 0を用いることが好ましい。また、自由磁性層 1 6は、単層構造のものだけでなく、散乱係数が高い C o系合金からなる磁性層と軟磁気特性に優れた N i F e合金からなる層との 2層構造からなるものであってもよい。更に、自由磁性層 1 6の薄膜化に対して比較的有利な積層フリ一構造ゃスピンフィルター構造も適用できる。

保護膜 1 7は、スピンバルブ膜が各プロセスによって酸化されるのを防ぐ役割を有するものであり、本発明においては T aが好適に使用できる。実際、スピンバルブ膜に用いられる反強磁性層 1 2， 2 0 ( M n系合金）は、高温での熱処理プロセスが施されたり、パ夕一ン形成のためにスピンバルブ膜を積層した後に一度大気中にさらされたりすることから、保護膜 1 7を設けることでこのようなプロセスによる酸化を防ぐことができる。

実施の形態 2

図 6，図 7は本発明の実施の形態 2を示す。

この実施の形態 2では C P Pモードの G M R素子 3を用いた点で上記実施の形態 1 と異なる。図 6に示す磁気ディスク装置の再生へッドにおいて、°一マロィ、 C o系アモルファス、 F e系微粒子等の軟磁性材料にて形成された磁性膜である下部シールド層 1の上に、下部電極リード層 2 1を介して GMR素子 3が形成されている。ここでは下部電極リード層 2 1として、 T a ( 3 n m) /C u ( 3 0 0 n m) /T a (5 0 n m) を用いている。

GMR素子 3を構成するスピンバルブ膜は、上記実施の形態 1で説明したものと同様である。 GMR素子 3の上部には、下部電極りード層 2 1と同様の導電材料にて形成された上部電極リード層 2 2 が設けられており、下部電極リード層 2 1と上部電極リード層 2 2 とで GMR素子 3をサンドィツチするような構造となっている。ここでは、上部電極リード層 2 2として、 T a ( 3 nm) /C u ( 5 0 n m) を用いている。

GMR素子 3の前後両側端面は、イオンミリング等のエッチング方法により傾斜する面を有するように形成されている。そして、 G MR素子 3の両側における下部シールド層 1の上には、 A 1 ₂ O ₃、 A 1 N、 S i 0₂等の非磁性絶縁材料にて形成されたギャップ絶縁層 2が設けられている。

上部電極リード層 2 2の上面およびギヤップ絶縁層 2を覆うように、下部シールド層 1と同様の軟磁性材料にて形成された共通シールド層 7が設けられ、再生へッドの素子部が形成されている。

上記のように構成された再生へッドの素子部では、下部電極リード層 2 1から供給された電流は、 GMR素子部 3を通って上部電極リード層 2 2を流れる。このように、供給された電流が GMR素子部 3を膜に対して垂直方向に流れるものは、 C P P構造と呼ばれている。

上記のように本発明のスピンバルブ膜にて構成された C P P - G M R素子と、従来のスピンバルブ膜にて構成された C P P— G M R 素子とを用いて、 G M R素子 3と下部電極リード層 2 1 との接合面積 Sと抵抗変化率との関係を調べた。得られた測定結果を図 7 に示す。

図 7において、丸で示すように、反強磁性層 1 2と強磁性層 1 4 との間に反強磁性反応層 1 3を形成した本発明のスピンバルブ膜を用いると、三角で示す従来のものにくらベて抵抗変化率 Δ Rが増大している。

従って、 G M R素子が C P Pモードで動作するものであり、かつ、反強磁性層と強磁性層との間に反強磁性反応層を設けたスピンバルブ膜を用いることで、抵抗変化率が増大してへッド出力の高出力化が図れる。

実施の形態 3

図 8〜図 1 0は、本発明の実施の形態 3を示す。この実施の形態では、上記した各実施の形態における再生へッドの G M R素子部を構成するスピンバルブ膜の製造方法について説明する。

スピンバルブ膜の成膜装置としては、特に限定されるものではなく従来公知のものが使用できるが、ここでは、磁性膜の形成に適していることからへリコンロングスロ一スパッ夕装置を例に挙げて説明する。ヘリコンロングスロースパッ夕装置の特徴は、より低いガス圧での放電が可能である点にあり、その結果、ターゲット表面からたたき出された微粒子の平均自由行程が大きくなり、夕ーゲットと基板との距離を長くしても充分な成膜速度が得られる。ターゲットと基板との間の距離を長くすることは、基板表面に飛来する微粒子の入射角をより垂直方向に揃えるという作用を有する。スピンバルブ膜を構成する磁性膜の成膜に際しては、基板表面に対して斜め方向から飛来する微粒子は磁気特性を損なうことがあるため、磁性膜の成膜に際しては、基板表面に対して垂直方向から飛来する微粒子を主体に成膜することが望ましい。

図 8は、ヘリコンロングスロースパッタ装置を示す。

装置の中央には、基板を順次各チャンバ一に送るための搬送ァームなどの搬送装置（図示せず）が設けられた搬送チャンバ一 2 7が配置されている。搬送チャンバ一 2 7の周囲には、基板をスパッ夕装置内に搬入搬出するためのロードロックチャンバ一 2 3、スパッ夕エッチング装置 2 4、高真空度用チャンバ一 2 5、低真空度用チヤンバー 2 6が配置されている。そして、中央の搬送チャンバ一 2 7に設けられた搬送装置により基板を順次各チャンバ一に送り、真空中で連続して多層膜を形成するよう構成されている。

高真空度用チャンバ一 2 5では、スパッ夕ガスとして A r等の不活性ガスのみが用いられており、到達真空度は 1 X 1 0 _ ⁷ P a程度である。低真空度用チャンバ一 2 6では、酸化物等の不純物を含むターゲット、またはスパッ夕ガスとして A r等の不活性ガス以外のガス（例えば、〇 ₂や N ₂等）を用いてスパッ夕処理が施され、到達真空度は 1 X 1 0— ⁶ P a程度である。

上記のように構成されたスパッ夕装置を用いた、スピンバルブ膜の具体的な製造方法を説明する。スピンバルブ膜としては、上記実施の形態 1における図 2 bのデュアルスピンバルブ構造のものを製造した。その構成は、 T a層/ N i F e C r層/ I r M n層/反強磁性反応層/ C o F e層 ZCu層 ZC o F e層/ C u層/ C o.F e 層 / I r Mn層/ T a層である。また、スパッタターゲットとしては直径 5ィンチのものを使用した。

まず、基板をロードロックチャンバ一 2 3に配置し、所望の真空度になるまでロードロツクチャンバー 2 3内の真空排気を行った。この際の真空度は 1. 0 X 1 0— ⁴P a以下とした。所定の真空度に到達後、基板をロードロックチャンバ一 2 3から取り出してスパッ夕エッチング装置 24に搬入し、基板表面の不純物に対する表面処理を施した。

表面処理が施された基板をスパッ夕エッチング装置 24から取り出して、高真空度用チャンバ一 2 5に搬入し、下地層 1 1を形成し、引き続きスピンバルブ膜の成膜を行った。

スピンバルブ膜の成膜は、具体的には、まず、高真空度用チャンバー 2 5にて基板に第 1の反強磁性層 1 2を成膜した。

次いで、この基板を高真空度用チャンバ一 2 5から取り出して、別チャンバ一、ここではロードロックチャンバ一 2 3に搬送し、高真空度用チャンバ一 2 5における成膜真空度よりも低い真空度で所望時間、真空放置を行い、反強磁性反応層 1 3を成膜した。

高真空度用チヤンバー 2 5内の真空度は特に限定されるものではないが、 1 X 1 0 _⁶〜： L X 1 0— ⁸ P aの範囲にあることが好ましい。

反強磁性反応層 1 3を成膜した後、この基板を再び高真空度用チヤンバー 2 5に搬送して、第 1の強磁性層 1 4、第 1の非磁性層 1 5、自由磁性層 1 6、第 2の非磁性層 1 8、第 2の強磁性層 1 9、第 2の反強磁性層 20、保護層 1 7を従来公知の手法により成膜し 0 一 19- て、デュアルスピンバルブ構造のスピンバルブ膜を作成した。なお、上記した一連のスピンバルブ膜の成膜プロセスは、真空雰囲気を一度も破ることなく行っている。

このように、反強磁性層 1 2を成膜した基板を高真空度用チャンバー 2 5から取り出して、低い真空度のロードロックチャンバ一 2 3内に放置することで、容易に反強磁性反応層 1 3を容易に形成することができる。

図 9は、反強磁性層 1 2を成膜した後の基板をロードロックチヤンバ一 2 3内に放置した時間と、得られたスピンバルブ膜の MR比との関係を示すグラフである。

図中、三角はスピンバルブ膜を成膜した直後の基板であり、丸はスピンバルブ膜の成膜が終了した基板をチャンバ一から取り出し、従来公知のァニール装置を用いて、真空中、 20 o , 2. 5時間、印加磁場 240 KA/mの条件下で熱処理プロセス（ァニール処理）を施した基板の MR比である。

なお、測定に際し、高真空度用チャンバ一 2 5内の真空度を 6. 0 X 1 0— ⁸P aとし、口一ドロツクチャンバー 2 3内の真空度は 3. 0 X 1 0 _⁶ P aとした。

図 9のデータを表 1に示す。

(表 1 )

表面処理ァニール処理なしァニール処理あり

時間 MR MR

(秒） (%) (%)

0 9.4 14.09

60 13.54 17.47

80 13.96 17.05

150 14.94 17.65

300 14.43 18.13 従来の反強磁性反応層が設けられていなスピンバルブ膜は、図 9 において、放置時間 0秒に相当する。反強磁性層 1 2が形成された後にァニール処理が施されていないものは、 M R比が約 9 . 5 %であり、ァニール処理が施されているものは、 M R比が約 1 4 %となつている。

これに対して、上記した本発明の製造方法に従い反強磁性反.応層 1 3が形成されたスピンバルブ膜では、成膜後の M R比が約 1 5 %、ァニール処理後の M R比が約 1 8 %と増大している。

このように、本発明においては、真空放置処理によって反強磁性反応層 1 3の形成が可能となり、その結果、高 M R比を有するスピンバルブ膜が得られる。なお、反強磁性反応層 1 3の膜厚は、放置する真空度と放置時間により制御することが可能である。

図 1 0は、反強磁性層 1 2を成膜した後に放置する真空度の違いと、スピンバルブ膜の規格化した M R比との関係を示すグラフである。横軸の A〜 Eは、反強磁性層 1 2を成膜した後の条件を示している。また、図中、三角はァニール処理が施されていないもの、丸はァニール処理が施されたものを示す。

A ：従来の連続成膜法によってスピンバルブ膜を成膜した。

B ：反強磁性層 1 2を成膜した後、基板を大気中に一度曝し、その後、スピンバルブ膜を成膜した。

C ：反強磁性層 1 2を成膜した後、強磁性層 1 4を形成するまでの間に、一旦、基板をチャンバ一から取り出し、別のァニール装置にて真空中で熱処理プロセスを施し、再び前と同じ条件のチヤンバ —に戻し、引き続いてスピンバルブ膜を成膜した。

D ：反強磁性層 1 2を成膜した後、基板をロードロックチャンバ一 2 3に搬入して高真空度用チャンバ一 2 5よりも高い真空雰囲気下（ 8 X 1 0— ⁸ P a) に曝した後、このプロセスを経てスピンバルブ膜を成膜した。

E ：反強磁性層 1 2を成膜した後、基板をロードロックチャンバ -2 3に搬入して高真空度用チャンバ一 2 5よりも低い真空雰囲気下（3. 0 X 1 0— ⁶P a) に曝した後、このプロセスを経てスピンバルブ膜を成膜した。

図 1 0に示すように、条件 Bのように基板を大気中に放置したスピンバルブ膜や、条件 Cのように熱処理プロセスを施したスピンバルブ膜は、条件 Aの従来のスピンバルブ膜よりもむしろ MR比が低下している。また、条件 Dのように基板を高い真空雰囲気下に曝したものは、多少の MR比の増大はあるがそれ程大きな効果は得られていない。

これに対して、本発明の製造方法を用いた条件 Eのもの、すなわち基板を低い真空雰囲気下に曝したスピンバルブ膜は、条件 Aの従来のスピンバルブ膜よりも MR比が約 2 5〜 5 0 %程度増大している。

このように反強磁性反応層 1 3の形成には、基板を、反強磁性層 1 2を成膜する高真空度用チャンバ一 2 5よりも低い真空雰囲気下に曝すことが必要であり、好ましくは 1 X 1 0— ⁷ P a以上の真空雰囲気中に曝すことが必要である。

本発明においては、上記した方法のほかに、反強磁性反応層 1 3 を形成する有効な方法として、反強磁性層 1 2を成膜した後、強磁性層 1 4を成膜する前に、基板を成膜プロセスチャンバ一（高真空度用チャンバ一 2 5)よりも H ₂ O濃度または 0₂濃度の高い別のチャンバーに搬送し、この雰囲気下に、例えば数 1 0秒程度曝した後、基板を成膜プロセスチャンバ一に戻して強磁性層 1 4以降の層を成膜する方法もある。

また、反強磁性反応層 1 3を形成する更に有効な別の方法として、反強磁性層 1 2を成膜した後、 H ₂ 0または 0 ₂が 1 p p m以上含まれるガスにより基板に表面処理を行い、その後スパッタ成膜チャンバーに戻し、強磁性層 1 4以降の層を成膜する方法もある。このときの基板の表面処理時間は特に限定されるものではないが、図 9 , 表 1 に示すように、表面処理時間とへッド出力に比例する M R比 ( % ) との関係から明らかなように、表面処理時間が 6 0秒程度になると飽和領域に達していることから、表面処理時間を 6 0秒以上とすることが好ましい。

なお、上記説明では、反強磁性反応層 1 3が形成された基板を、再び高真空度用チヤンバ一 2 5に戻してスピンバルブ膜を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高真空度用チャンバ - 2 5とは別のチヤンバ一で成膜することも可能である。

Claims

請求の範囲

1. 磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層（ 1 2) 強磁性層（ 1 4) 、非磁性層（ 1 5) 、自由磁性層（ 1 6) で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層（ 1 2) と強磁性層（ 14) との間に反強磁性反応層（ 1 3) が設けられており、前記反強磁性層（ 1 2) は酸素を含有する金属化合物にて形成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。 2. 膜面に対して垂直な電流方向（C P Pモード）で動作する磁気抵抗効果素子を有する磁気ディスク装置であって、前記磁気抵抗効果素子に使用される磁気抵抗効果膜は反強磁性層（ 1 2、 2 0)、強磁性層（ 1 4、 1 9) 、非磁性層（ 1 5, 1 8) 、自由磁性層（ 1 6) で構成されるスピンバルブ型の多層膜であり、反強磁性層（ 1 2、 20) と強磁性層（ 1 4、 1 9) との間に反強磁性反応層（ 1 3) が設けられており、前記反強磁性層（ 1 2、

2 0) は酸素を含有する金属化合物からなることを特徴とする磁気ディスク装置。

3. 反強磁性反応層（ 1 3) が酸素を含有する Mn系金属化合物にて形成されており、その膜厚が 0. 1〜2. 5 nmであることを特徴とする請求項 1または請求項 2記載の磁気ディスク装置。

4. 反強磁性反応層（ 1 3) に窒素、水素、 H₂〇から選ばれる少なくとも 1種類以上が含まれていることを特徴とする請求項 3記載の磁気ディスク装置。

5. 反強磁性反応層（ 1 3) が自然酸化あるいはプラズマ酸化にて形成されてなることを特徴とする請求項 1または 2記載の磁気ディスク装置。

6. 反強磁性層（ 1 2、 2 0) が Mn系合金にて形成されるとともに、 P t：、 I r、 R u、 R hから選ばれる少なくとも 1種類以上が含まれており、前記反強磁性層（ 1 2) の下地層（ 1 1 ) が N i F eまたは N i F e C rにて形成されていることを特徴とする請求項 1または 2記載の磁気ディスク装置。

7. 強磁性層（ 14、 1 9) ならびに自由磁性層（ 1 6) は、 F e、 C o、 N iの少なくとも 1種類以上を含む合金にて形成され、非磁性層（ 1 5, 1 8) は C uを含む合金にて形成されていることを特徴とする請求項 1または 2記載の磁気ディスク装置。

8. 強磁性層（ 14、 1 9) が、第 1の強磁性層（ 1 4) /金属中間層第 2の強磁性層（ 1 9) で構成された積層フェリ構造であり、前記金属中間層は R u、 C u、 Rh、 P d、 Ag、 I r、 P t、 A uから選ばれる少なくとも 1種類以上を含む合金にて形成されることを特徴とする請求項 1または 2記載の磁気ディスク装置。

9. 反強磁性層（ 1 2) 、強磁性層（ 1 4) 、非磁性層（ 1 5) 、自由磁性層（ 1 6) の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、

前記磁気抵抗効果膜を、

基板を第 1のチャンバ一（2 5) に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層（ 1 2) を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一（2 3) へ搬入して前記第 1のチャンバ一の真空度よりも低い真空度で真空放出を行って前記反強磁性層（ 1 2) の形成面に反強磁性反応層（ 1 3 ) を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一（23) から取り出して別のチャンバ一にて前記反強磁性反応層（ 1 3) の上に強磁性層 ( 1 4) を形成し、反強磁性層（ 1 2) と強磁性層（ 1 4) との間に反強磁性反応層（ 1 3) が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法。

1 0. 反強磁性層（ 1 2) 、強磁性層（ 1 4) 、非磁性層（ 1 5) 、自由磁性層（ 1 6) の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、

前記磁気抵抗効果膜を、

基板を第 1のチャンバ一（2 5) に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層（ 1 2) を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一（2 3) へ搬入して、 1^₂〇または0₂が1 p pm以上含まれるガスにより表面処理を行って反強磁性反応層（ 1 3) を形成し、この基板を第 2のチャンバ一（2 3) から取り出して別のチャンバ一にて前記反強磁性反応層（ 1 3) の上に強磁性層（ 1 4) を形成し、反強磁性層（ 1 2) と強磁性層（ 1 4) との間に反強磁性反応層（ 1 3) が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法

1 1. 第 1のチャンバ一（2 5) の真空度が 1 X 1 0— ⁶〜 1 X 1 0一 ⁸ P aの範囲であることを特徴とする請求項 9または 1 0記載の磁気ディスク装置の製造方法。

1 2. 反強磁性層（ 1 2) 、強磁性層（ 1 4) 、非磁性層（ 1 5) 、自由磁性層（ 1 6) の順に成膜されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子として用いた磁気ディスク装置を製造するに際し、

前記磁気抵抗効果膜を、

基板を第 1のチャンバ一（2 5) に搬入して真空雰囲気下で反強磁性層（ 1 2) を形成し、前記基板を第 2のチャンバ一（2 3) へ搬入して、前記第 1のチャンバ一（2 5) 内よりも H₂〇濃度または O ₂濃度が高い雰囲気下に曝して反強磁性反応層（ 1 3) を形成し、この基板を第 2のチャンバ一（2 3) から取り出して別のチヤンバーにて前記反強磁性反応層（ 1 3) の上に強磁性層（ 14) を形成し、反強磁性層（ 1 2) と強磁性層（ 1 4) との間に反強磁性反応層（ 1 3) が設けられた磁気抵抗効果膜とすることを特徴とする磁気ディスク装置の製造方法。

1 3. 第 2のチャンバ一（2 3) 内の真空雰囲気中に基板を 6 0 秒以上曝すことを特徴とする請求項 9、 1 0および 1 2記載の磁気ディスク装置の製造方法。

14. 第 2のチャンバ一（ 23 )内でのプロセスが終了した後に、基板を再び第 1のチャンバ一（2 3) に搬送して、強磁性層（ 14) 以降の成膜プロセスを行なうことを特徴とする請求項 9、 1 0および 1 2記載の磁気ディスク装置の製造方法。

1 5. ヘリコンロングスロースパッ夕装置を使用することを特徴とする請求項 9、 1 0および 1 2記載の磁気ディスク装置の製造方法。