(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性金属中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁気抵抗効果膜は、ハーフメタルを主成分とした磁性層を含み、
前記磁化自由層の磁性体膜は、前記ハーフメタルを主成分とした磁性層と、前記磁性層よりも外部磁界に対して磁化方向が敏感に変化する強磁性層と、を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性金属中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁気抵抗効果膜は、ハーフメタルを主成分とした磁性層を含み、
前記ハーフメタルを主成分とした磁性層は、前記磁化自由層と前記磁化固着層との間に設けられたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記ハーフメタルは、自発磁化を有する鉄酸化物、自発磁化を有するクロム酸化物、及び自発磁化を有するマンガン酸化物の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記ハーフメタルは、Ｆｅ３Ｏ４酸化物、ＣｒＯ２酸化物、及びマンガナイトの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記ハーフメタルを主成分とした磁性層は、ピンホールの面積比が１５％以下の連続層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
ハーフメタルを主成分とした別の磁性層が、前記磁化固着層に含まれることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
ハーフメタルを主成分とした別の磁性層が、前記磁化自由層と前記磁化固着層の少なくともいずれかに含まれることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項８記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体層の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、「スピンバルブ（Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ：ＳＶ）膜」による巨大磁気抵抗効果の発見は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
スピンバルブ膜とは、２つの金属強磁性膜の間に非磁性層を挟み、一方の強磁性層（「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称される）の磁化のみを反強磁性層あるいは硬質磁性層からのバイアス磁界により一方向に固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」などと称される）の磁化方向が外部磁界に応答してピン層に対して相対的角度を有することにより、巨大な磁気抵抗変化が得られるものである。
【０００４】
このようなスピンバルブ膜において、膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電する「ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ）型」の磁気抵抗効果素子は、膜面に対して平行方向にセンス電流を通電する「ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ）型」の磁気抵抗効果素子に比べてさらに大きな巨大磁気抵抗効果を発現する。
【０００５】
一方、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子としては、「トンネル磁気抵抗効果効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ：ＴＭＲ）」を利用したＴＭＲ素子も開発されている。但し、ＴＭＲ素子においては、中間非磁性層としてアルミナなどの絶縁層を用いる点が特徴的であり、これに伴い、素子の動作メカニズムにも相違点がある。
【０００６】
ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子は、ＣＩＰ型の磁気抵抗効果素子に比べて磁気抵抗変化率が大きいだけでなく、素子の抵抗が素子面積に依存するために素子を微細化した場合に抵抗変化量が増大するという利点も有する。この利点は、磁気デバイスの微細化が進む現在においては大きなメリットとなる。従って、ＣＰＰ磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ヘッドは、１平方インチ当り１００ギガビット（１００Ｇｂｐｓｉ）以上の記録密度を実現するための有力候補と考えられる。
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＴＭＲ素子の場合、中間層に絶縁体を用いるために素子抵抗が高くなりすぎ、素子面積が微細化すると大きな抵抗に起因してトンネル現象特有のショットノイズ発生や高周波応答劣化を引き起こすことが問題となる。
【０００７】
一方、金属非磁性中間層を用いたＣＰＰ素子の場合、膜面に対して垂直方向にセンス電流を流すと、ＴＭＲ素子と異なり素子抵抗が大幅に小さいために、抵抗変化率が巨大でも得られる抵抗変化量自体はかなり小さい。その結果として、大きな再生出力信号を得ることが困難である。
【０００８】
この問題点を解決するために、金属非磁性中間層を用いたＣＰＰ素子に極薄の酸化層を積層することにより、抵抗を増大させ大きな抵抗変化を得る方法が報告されている（Ｋ．Ｎａｇａｓａｋａ  ｅｔ  ａｌ；  Ｔｈｅ  ８ｔｈ  Ｊｏｉｎｔ  ＭＭＭ−Ｉｎｔｅｒｍａｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ＤＤ−１０）。この方法の場合、酸化層の一部にピンホール的に金属状の低抵抗領域を設けて、電流を絞り込むことにより高い抵抗を得ようとしている。しかしピンホールを均一に設けることは難しく、特に素子サイズが０．１μｍ程度になる１００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では、抵抗が大きくばらついて安定したＣＰＰ素子の作製が困難であることが実用化を阻む。
【０００９】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたのである。すなわち、その目的は、ＴＭＲ素子と異なりショットノイズや高周波応答に優れる金属中間層を用いたＣＰＰ素子において、抵抗変化率の増大、素子抵抗増大およびピンホールに依存せずばらつきも解消された磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁気デバイス、特に磁気ヘッド、それを搭載した磁気再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性金属中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、を備え、前記磁気抵抗効果膜は、ハーフメタルを主成分とした磁性層を含み、前記磁化自由層の磁性体膜は、前記ハーフメタルを主成分とした磁性層と、前記磁性層よりも外部磁界に対して磁化方向が敏感に変化する強磁性層と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
または、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性金属中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、を備え、前記磁気抵抗効果膜は、ハーフメタルを主成分とした磁性層を含み、前記ハーフメタルを主成分とした磁性層は、前記磁化自由層と前記磁化固着層との間に設けられたことを特徴とする。
【００１１】
本願明細書において、「ハーフメタル」とは、強磁性、フェリ磁性または反強磁性磁性の磁性を有し、電子のスピン方向に応じて伝導現象が大幅に異なる特性を有する材料を意味する。
【００１２】
具体的には、ハーフメタルの磁化（スピン）と同方向スピンを有する電子（「アップスピン電子」と称する）の抵抗は、それと反対方向のスピンを有する電子（「ダウンスピン電子」と称する）の抵抗に比べて著しく小さい性質を、あるいはアップスピン電子の数はダウンスピン電子の数に比べて著しく多い性質を有するものである。
【００１３】
ハーフメタルの材料としては、Ｆｅ３Ｏ４などの鉄酸化物、ＣｒＯ２などのクロム酸化物、ベロブスカイト型の結晶構造を有するマンガン系酸化物（いわゆるマンガナイト）が挙げられる。
【００１４】
本発明者は、この性質をＣＰＰ型ＳＶ膜に適応すると、主にアップスピン電子のみがハーフメタル中を通過でき、非磁性中間層を介して第２磁性層にアップスピン電子を注入できるため大きな抵抗変化量の増大を生じる新しい現象を見出した。この現象は、従来の膜面内に電流を流すＣＩＰ型磁気抵抗効果素子では発現しない現象である。非磁性中間層に絶縁体を用いるＴＭＲ素子に比べると、トンネル電流では不可能なハーフメタルと金属層との界面での電子反射効果も期待でき大きな抵抗変化が実現できる。
【００１５】
具体的には、磁化固着層（ピン層）の一部あるいはすべてにハーフメタルを用いる構成が挙げられる。この場合には、ハーフメタルから注入されたアップスピン電子は、磁化自由層（フリー層）の磁化がアップスピン電子と同方向に向いている場合にはフリー層中でアップスピン電子は散乱されないので低い抵抗を示す。
【００１６】
一方、アップスピン電子と逆方向に向けてフリー層の磁化が回転すると、アップスピン電子はフリー層を通過する時に散乱されるので高い抵抗を示す。ダンウスピン電子も伝導現象に寄与する通常の磁性膜に比べて純粋にアップスピン電子のみの伝導現象が利用できるために、従来ＣＰＰ型ＳＶでは得られない大きな抵抗変化率が得られる。
【００１７】
ピン層の磁化を固着するためには反強磁性膜（ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなど）をピン層に積層して、その界面にて発生する交換結合バイアス磁界を用いる事が望ましい。通常、ハーフメタルを構成する酸化物と金属系の反強磁性膜を直接積層すると交換結合磁界が弱まるので、その界面にはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどからなる金属強磁性膜を挿入することが望ましい。
【００１８】
一方、ハーフメタルをフリー層の一部あるいはすべてに用いた場合にも同様な効果が得られる。ハーフメタルは通常フリー層に必要な低磁界応答特性（軟磁気特性）を示さないので、フリー層をハーフメタルとする場合にはハーフメタルに軟磁気特性の良好なＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅ合金などを積層してハーフメタルの磁化応答をアシストすることが望ましい。ピン層とフリー層の両者にハーフメタルを用いてもよい。
【００１９】
ピン層やフリー層以外にハーフメタル層を用いてもよい。中間金属非磁性層の一部にハーフメタル層を挿入する構成、フリー層、非磁性金属中間層、ピン層からなる積層ユニットの外側にハーフメタル層を挿入する構成、フリー層と非磁性金属中間層の中間にハーフメタル層を挿入する構成、ピン層と非磁性金属中間層の中間にハーフメタル層を挿入する構成が挙げられる。ピン層、非磁性金属中間層、フリー層に、さらに第２に非磁性金属中間層、第２のピン層を積層したいわゆるデュアルタイプのＣＰＰ構造に本発明を適用してもよい。デュアルタイプのＣＰＰ構造では２つのピン層の一部あるいはすべてがハーフメタルからなることが望ましい。
【００２０】
本発明のハーフメタル磁性層は、ピンホール領域が１５％以下の連続層であることがハーフメタルで得られる効果を有効に引き出すために望ましい。
【００２１】
本発明によると、ハーフメタル磁性膜は金属磁性膜に比べて比較的大きな抵抗を有するので（絶縁体よりははるかに金属的だが）、適度な抵抗値のＣＰＰ素子が実現できる。その結果、大きな抵抗変化率と適度な素子抵抗の両立が可能になり、大きな再生信号、低ノイズ、および高周波特性に優れた再生出力特性が得られる。ハーフメタルを用いたスピンバルブＣＰＰ素子では、従来の極薄酸化層を挿入したスピンバルブＣＰＰ素子と異なりピンホールを利用するものではなく、その結果ピン固着と大きな抵抗変化率が両立でき、量産制御性に優れ実用化に適する。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の主要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図である。
【００２３】
同図に表したように、本発明の磁気抵抗効果素子は、下部電極１１１の上に、下地層１２、外部信号磁界による磁化が応答するフリー層１３、非磁性中間層１４、外部信号磁界に対して実質上磁化が動かないピン層１５、磁気結合中間層１６、反強磁性層１７、保護膜１８が順次積層された磁気抵抗効果膜を有する。  保護膜１８は、上部電極１１２の形成などに際して反強磁性層１７の特性劣化などの問題がなければ、特に必要ない。
【００２４】
この磁気抵抗効果膜の上には、上部電極１１２が形成される。そして、電極１１１および１１２を通じてセンス電流Ｉがこの積層体の膜面に対して垂直方向に通電される。
【００２５】
本具体例においては、ピン層１５は、ハーフメタルからなることを特徴とする。本願明細書において、「ハーフメタル」とは、そこを通過できる電子は一方のスピンを有するものに限定され、他方のスピンを有する電子は殆ど通過できない性質を有するものを意味する。
【００２６】
本具体例の場合は、ピン層１５を構成する「ハーフメタル」は、概ねアップスピンを有する電子のみを通過させ、ダウンスピンを有する電子は殆ど通過できない性質を有する磁性体を意味する。その材料としては、具体的には、Ｆｅ３Ｏ４のような鉄酸化物、ＣｒＯ２のようなＣｒ酸化物、ＬｒＳｒＭｎＯのようなマンガナイトを挙げることができる。
【００２７】
ハーフメタルを成膜する方法としては、例えばＦｅ３Ｏ４酸化物を例にとると、Ｆｅ３Ｏ４を主成分とするターゲットを用いてスパッタする方法や、ＦｅやＦｅ基合金を酸素雰囲気中で反応性スパッタする方法を挙げることができる。また、ＦｅあるいはＦｅにＣｏなどを加えたＦｅ基合金を成膜した後に、原子状酸素、ラジカル酸素あるいは酸素イオンビーム照射を用いて酸化する方法も挙げることができる。
【００２８】
ハーフメタルからなるピン層１５の膜厚は、０．５〜５ｎｍが望ましく、できる限り連続な酸化膜を形成することが望ましい。メタル状のピンホール領域を１５％を超えて含むと、ピンホールを通過する電子の伝導現象が支配的となり、本発明による抵抗変化増大効果が損なわれるからである。
【００２９】
ピン層１５の磁化は、通常のスピンバルブＧＭＲと同様に、その上の反強磁性層１７（例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎなどにより構成される）によって一方向に固着される。ピン層１５の磁化固着効果を上げるためには、反強磁性層１７とピン層１５との間に、磁気結合中間層１６を挿入することが望ましい。磁気結合中間層１６の材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどを主成分とする強磁性合金を用いることができる。また、その層厚は、０．１〜３ｎｍ程度と極力薄いことがピン層１５の磁化を抑制するために必要とされる。
【００３０】
また、磁気結合中間層１６としては、スピンバルブＧＭＲに採用される積層フェリ型の強磁性体層／Ｒｕ（ルテニウム）層／強磁性体層からなる積層構成もピン磁化を抑制するために好ましい。この積層構成においては、Ｒｕ層を介して上下の強磁性体層は反強磁性結合する。ここで、ピン層１５と接する側の強磁性体層は、Ｒｕ層の反強磁性結合が十分発揮できれば必要ない。
【００３１】
また、ピン層１５と非磁性金属中間層１４の間に、非磁性金属中間層１４よりもハーフメタルピン層１５との界面でアップスピン電子が散乱され難い磁性層を挿入すると、抵抗変化量の増大がより顕著になる。例えば、ピン層１５の材料としてＦｅ３Ｏ４ハーフメタルを用いる場合には、Ｆｅを含む磁性層をピン層１５と中間層１４との間に挿入するとよい。
【００３２】
フリー層１３の材料としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ合金を用いることができる。また、これらの合金層の積層体を用いることもできるる。その積層構造としては、例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ、  ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ、  ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ、  ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどを挙げることができる。
【００３３】
また、フリー層１３として、これらの合金と非磁性層との積層体を用いることもできる。その積層構造としては、例えば、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ、  ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅなどを挙げることができる。この場合、非磁性層との界面散乱が大きいＣｏ系合金では、Ｎｉ系合金に比べて非磁性層との積層効果がより期待できる。
【００３４】
フリー層１３の全膜厚は、０．５〜７ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００３５】
下地層１２は、その上のフリー層１３やピン層１５の結晶性を改善する機能や、さらに界面の平滑性を高める機能などを有する材料により形成することが望ましい。このような材料としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ合金を挙げることがてきる。図示は省略したが、下地層１２とフリー層１３との間に低抵抗の非磁性層（例えば、Ｃｕ層など）を挿入してもよい。
【００３６】
非磁性中間層１４は、ピン層１５とフリー層１３との磁気結合を遮断する役割を有し、さらにピン層１５からフリー層１３へ流れるアップスピン電子が散乱されないような非磁性中間層１４／ピン層１５の界面を形成する役割を有することが必要である。非磁性中間層１４の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔなどを用いることができる。その膜厚は、フリー層１３とピン層１５との間の磁気結合が十分に遮断できる程度に厚く、ピン層１５からのアップスピン電子が散乱されない程度に薄いことが必要であり、材料に異なるが概ね０．５〜５ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００３７】
以上詳述したような各要素により磁気抵抗効果素子を形成し、ハーフメタルからなるピン層１５を介して、主にアップスピン電子をフリー層１３へ注入するように上下電極１１１、１１２間に電圧を印加する。すると、そのアップスピン電子は、フリー層１３の磁化がピン層１５と同方向の場合には散乱されず低抵抗となるのに対して、フリー層１３の磁化がピン層１５と反平行向きになると磁気的散乱を受けて抵抗が高くなる。
【００３８】
その結果として、通常のメタル系のＣＰＰ−ＧＭＲに比べて、抵抗変化率の大幅な増大が実現できる。さらに、通常のメタル系のＣＰＰ−ＧＭＲに比べて伝導を担う電子の数が少ないので抵抗を増大することが可能となる。つまり、大きな抵抗変化が実現でき、大きな再生出力が得られる磁気ヘッドが実現できる。
【００３９】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子は、ＴＭＲ素子と異なり、トンネル現象特有のショットノイズを生じない。したがって、大きな再生出力に加えて高Ｓ／Ｎ比での再生が可能となる。
【００４０】
ここで、本発明において大きな抵抗変化を得るためには、アップスピン電子は散乱されず、ダウンスピン電子のみがフリー層１３の磁化方向に応じて散乱されることが望ましく、そのためには、フリー層１３の周辺は良好な結晶欠陥の少ない良好な結晶性（例えば、結晶配向性が良好であることなど）を実現することが必要である。図１に例示したいわゆる「トップタイプ」は、酸化物ピン層１５を成膜する前にフリー層１３の周辺の薄膜を成膜形成できるので、フリー層１３の周辺の結晶成長制御が容易であるというメリットを有する。
【００４１】
さらに、本発明によれば以下の効果も期待できる。すなわち、通常のメタル系ＣＰＰ−ＧＭＲでは、スピン依存散乱を十分に大きくするためには、ピン層やフリー層が厚くなってしまうが、本発明では、スピン分極に優れたハーフメタルを用いるので物理的膜厚を薄くでき、狭いギャップに適する。さらに、ハーフメタルでは飽和磁化が小さいので、ピン層１５の磁気膜厚を小さくすることができる。その結果として、十分なピン固着が可能になり、記録密度の向上、すなわち素子の微細化により必要となる高いピン固着の要求に応えることが可能となる。
【００４２】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の他の具体例について説明する。
【００４３】
図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図である。図２については、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｂは、図１に例示したものと積層の順序が逆転している。すなわち、下部電極１１１の上に、下地層１２、反強磁性層１７、磁気結合中間層１６、ピン層１５、非磁性中間層１４、フリー層１３、保護膜１８が順次積層された磁気抵抗効果膜が形成されている。そして、その上に上部電極１１２が形成されている。このように積層順序を逆にしても、図１に関して前述したものと同様な効果が得られる。
【００４５】
また、本具体例の場合、フリー層１３が上側に積層されるので、そのパターニングが容易であり、幅や形状の制御を確実に実施できるというメリットがある。
【００４６】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例について説明する。
【００４７】
図３は、本具体例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図である。図３については、図１乃至図２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４８】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｃは、図２に表した磁気抵抗効果素子１０Ｂのフリー層１３の上にさらに、第２の非磁性金属中間層１９、ピン層１５と同様なハーフメタルからなる第２のピン層２０、磁気結合中間層１６と同様な第２の磁気結合中間層２１、反強磁性層１７と同様な第２の反強磁性層２１、保護膜１８が順次積層された構造を有する。
【００４９】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｃは、２つのハーフメタルピン層１５、２０を備えることにより電子のスピンによる選択性がさらに高くなり、抵抗変化量の増大はより顕著になる。その結果として、さらに高感度の磁気検出が可能となる。
【００５０】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の第４の具体例について説明する。
【００５１】
図４は、本具体例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図であり、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｄにおいては、フリー層１３にハーフメタルが用いられている。すなわち、下部電極１１１の上に、下地層１２、反強磁性層１７、磁気結合中間層１６、ピン層１５、非磁性中間層１４、アシストフリー層１３１、ハーフメタルからなるフリー層１３、保護膜１８が順次積層された磁気抵抗効果膜が形成されている。そして、その上に上部電極１１２が形成されている。
【００５３】
本具体例においては、フリー層１３の材料としてハーフメタルを用いることにより、アップスピン電子のみを選択的に通過させ、前述したものと同様に磁気抵抗変化を増大できる。
【００５４】
また、ハーフメタルとして用いる材料は、軟磁気特性（磁界応答性）が十分に高くない場合もある。そこで、本具体例においては、外部信号磁界による磁化応答をアシストするためのアシストフリー層１３１を積層し、磁界応答性を改善している。アシストフリー層１３１の材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅなどの軟磁性合金を用いることができる。
【００５５】
また、本具体例において、フリー層１３とともにピン層１５にもハーフメタルを採用しても良い。
【００５６】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の第５の具体例について説明する。
【００５７】
図５は、本具体例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図であり、図１乃至図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５８】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｅにおいても、フリー層１３にハーフメタルが用いられている。但し、本具体例の場合は、図４に表した素子１０Ｄとはアシストフリー層１３１の位置が異なり、保護膜１８とハーフメタルからなるフリー層１３との間に挿入されている。このようにアシストフリー層１３１を配置しても前述したものと同様の効果が得られる。
【００５９】
また、本具体例においても、フリー層１３とともにピン層１５にもハーフメタルを採用しても良い。
【００６０】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の第６の具体例について説明する。
【００６１】
図６は、本具体例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図であり、図１乃至図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６２】
本具体例の磁気抵抗効果素子１０Ｆにおいては、金属中間層にハーフメタルが挿入されている。すなわち、磁気抵抗効果素子１０Ｆは、下部電極１１１の上に、下地層１２、反強磁性層１７、ピン層１５、第１非磁性金属中間層１４１、ハーフメタル層１４２、第２非磁性金属中間層１４３、フリー層１３、保護膜１８が順次積層された磁気抵抗効果膜が形成されている。そして、その上に上部電極１１２が形成されている。
【００６３】
このように、非磁性金属中間層の間にハーフメタルからなる層を設けることによっても、アップスピン電子のみを選択的に通過させ、前述したものと同様に磁気抵抗変化を増大できる。
【００６４】
また、図示した具体例の他にも、例えば、図７に例示したように、フリー層１３と中間層１４との間にハーフメタルからなる層３００を設けても良い。また、図８に例示したように、中間層１４とピン層１５との間にハーフメタルからなる層３００を設けても良い。
【００６５】
さらに、これら図６乃至図８に例示した構造を組み合わせても良い。つまり、ハーフメタルからなる層をスピンバルブ構造の磁気抵抗効果膜の各層の間に適宜挿入しても良い。
【００６６】
またさらに、これら具体例において、フリー層１３やピン層１５にもハーフメタルを採用しても良い。
【００６７】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の第９の具体例について説明する。
【００６８】
図９は、本具体例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。すなわち、同図も、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして用いる場合の媒体対向面に対して平行な方向の断面図であり、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
本具体例においては、ハーフメタルとハーフメタル的性質を有しない高抵抗層の両者が設けられている。
【００７０】
すなわち、磁気抵抗効果素子１０Ｇは、下部電極１１１の上に、下地層１２、反強磁性層１７、磁気結合中間層１６、ハーフメタルからなるピン層１５、非磁性金属中間層１４、フリー層１３、中間層２５、信号磁界による磁化が応答するフリー層１３、高抵抗層２６、保護膜１８が順次積層された磁気抵抗効果膜が形成されている。そして、その上に上部電極１１２が形成された構造を有する。
【００７１】
電極１１１および１１２を通じてセンス電流がこの積層体の膜面に対して垂直方向に通電される。本具体例においては、ハーフメタルからなるピン層１５と非磁性金属中間層１４との界面、および中間層２５と高抵抗層２６との界面での電子反射効果のために、電子がハーフメタルピン層１５と高抵抗層２６との間に閉じ込められ易くなり、大きな抵抗変化が得られる。
【００７２】
高抵抗層２６は、酸化物、窒化物、炭化物、あるいは弗化物などにより形成することができ、より具体的には、Ｔａ（タンタル）酸化物やＣｒ（クロム）酸化物、あるいはアルミナなどを用いることが望ましい。
【００７３】
また、本具体例において、高抵抗層２６を電子反射効果の高い層に置き換えても良い。電子反射効果の高い層の材料としては、例えば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）などを挙げることができ、より詳しくは、本発明者らによる特許出願（特願２００１−３２１１７１号）において詳細に開示されている。
【００７４】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図９に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００７５】
図１０は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００７６】
また、媒体ディスク２００は、記録ビットの磁化方向がディスク面と略平行ないわゆる「面内記録方式」のものでも良く、あるいは、記録ビットの磁化方向がディスク面に対して略垂直な「垂直記録方式」のものでも良い。
【００７７】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００７８】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００７９】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００８０】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００８１】
図１１は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図９に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００８２】
本発明によれば、図１乃至図７に関して前述したような磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも大幅に高い記録密度で磁気記録媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【００８３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００８４】
また、磁気抵抗効果素子における反強磁性層、ピン層、スペーサ層、フリー層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【００８５】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁気ヘッドが得られる。
【００８６】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の磁気記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【００８７】
さらに、本発明による磁気抵抗効果素子は、トランジスタ／ダイオード等と組み合わせて、あるいは単独で、磁気情報を記憶する「磁気メモリセル」を構成することができる。つまり、本発明は、磁気メモリセルを集積化した「磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）」にも適用可能である。
【００８８】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、スピンバルブ構造を有する垂直通電型の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果膜にハーフメタルからなる磁性層を挿入することにより、大きな抵抗変化量、低ノイズ、優れた高周波応答性など、従来のＴＭＲや金属系スピンバルブ構造の垂直通電型磁気抵抗効果素子では実現できなった特性が併せて実現できる。
【００９０】
その結果として、高周波応答性に優れ、高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置を提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の第４の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の第５の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の第６の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の第７の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の第８の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の第９の具体例の要部断面構造を表す模式図である。
【図１０】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１１】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｇ  磁気抵抗効果素子
１２  下地層
１３  フリー層
１４  非磁性金属中間層
１５  ピン層
１６  磁気結合中間層
１７  反強磁性層
１８  保護膜
１９  非磁性金属中間層
２０  ピン層
２１  反強磁性層
２１  磁気結合中間層
２５  中間層
２６  高抵抗層
１１１  下部電極
１１２  上部電極
１３１  アシストフリー層
１４１  非磁性金属中間層
１４２  ハーフメタル層
１４３  非磁性金属中間層
１５０  磁気記録再生装置
１５２  スピンドル
１５３  ヘッドスライダ
１５４  サスペンション
１５５  アクチュエータアーム
１５６  ボイスコイルモータ
１５７  スピンドル
１６０  磁気ヘッドアッセンブリ
１６４  リード線
２００  磁気記録媒体ディスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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