(57)【要約】【目的】  バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）センサのフリー層を安定化する積層バイアスを提供する。【解決手段】  積層バイアスは、フリー層と積層バイアスの強磁性体安定化層との間のスペーサである減結合層と、強磁性層の上側に配置した反強磁性層とを含む。このスペーサは、非磁性マトリクス内に配置した磁性粒子を有するナノ−コンタクト層である。フリー層は単一層とするか複合又は合成でき、積層バイアスは側壁により横方向を境界付けるか、さもなくば側壁とスペーサを越えて延伸する。加えて、ハードバイアスもまた配設することができる。積層バイアスのスペーサは、フリー層と強磁性層の間の交換結合の低減と、より小さな領域を流れる電流の拘束に起因する改善されたＡΔＲと、磁性ナノ−コンタクト内に作成される磁壁に起因する増大したＭＲとをもたらす。【選択図】  図７
2006157026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と、
実質的に磁化方向が固定されたピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持され、第１の絶縁性マトリクス内に配置された第１のナノ−コンタクトを有するスペーサと、
前記スペーサと反対側の前記フリー層上に配置された積層バイアスと、を備え、
前記積層バイアスは、第１の反強磁性体（ＡＦＭ）層との交換結合により固定される磁化方向を有する強磁性層と、第２の絶縁性マトリクス内に配置した第２のナノ−コンタクトを含む積層バイアススペーサとを有する、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記ピン層は強磁性単一層と合成ピン層の何れか一方であり、前記合成ピン層は反強磁性結合磁化方向を有する第１の副ピン層と第２の副ピン層との間に配置されるピン層スペーサを有する請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記ピン層の前記磁化方向は、第２の反強磁性層と硬質磁性層のうちの一つにより実質的に固定された請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記フリー層は、単一の強磁性フリー層と合成フリー層のうちの何れか一方であり、前記合成フリー層は第１の副フリー層と反強磁性結合磁化方向を有する第２の副フリー層との間に配置したフリー層スペーサを有する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１の副フリー層と前記第２の副フリー層の膜厚は、約１ｎｍ乃至５ｎｍの間とした、請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記フリー層は、異なる材料で出来た強磁性結合磁化を有する少なくとも二つの副層を備える、請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記強磁性層と前記第１のＡＦＭは、前記フリー層の端部を越えて伸びており、前記強磁性層と前記第１のＡＦＭは前記フリー層よりも大とした、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記フリー層と前記ピン層と前記スペーサと前記積層バイアスの側面に形成した絶縁体上に配置したハードバイアス安定化部をさらに備える、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記ハードバイアスは、約５ｎｍ乃至３０ｎｍの間の膜厚を有する硬質磁性材料で構成した、請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記フリー層と前記ピン層はそれぞれ、コバルトとニッケルと鉄のうちの少なくとも一つを含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１のＡＦＭ層は、約５ｎｍ乃至２０ｎｍの間の膜厚を有する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第１のＡＦＭ層は、Ｘ−マンガンとＸＹ−マンガンの一方を含み、ここで前記Ｘと前記Ｙは白金とイリジウムと鉛とルテニウムとロジウムとオスミウムと鉄とニッケルのうちの一つからなり、前記Ｘは前記Ｙとは異なる、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１のナノ−コンタクトと前記第２のナノ−コンタクトは、ニッケルとコバルトと鉄のうちの少なくとも一つを含み、約１０ｎｍ未満の直径を有する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記絶縁性マトリクスは、酸化物と窒化物の一方を含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記酸化物は酸化アルミニウムと二酸化ケイ素のうちの一つを含み、前記窒化物は四窒化三ケイ素と窒化アルミニウムのうちの一つを含む、請求項１４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第１のナノ−コンタクトは、約１００μΩ・ｃｍを超す抵抗率を有する高抵抗非磁性材にて囲繞した、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記第２のナノ−コンタクトは、約１００μΩ・ｃｍを超す抵抗率を有する高抵抗絶縁体にて囲繞した、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
平面構造に垂直な電流として前記磁気抵抗効果素子を通って検出電流が流れる、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と、
実質的に磁化方向が固定されたピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持され、導電性マトリクス内に配置した第１のナノ−コンタクトを有するスペーサと、
前記スペーサとは反対側の前記フリー層上に配置された積層バイアスと、を備え、
前記積層バイアスは、第１の反強磁性体（ＡＦＭ）層との交換結合により固定される磁化方向を有する強磁性層と、非磁性マトリクス内に配置した第２のナノ−コンタクトとを含む積層バイアススペーサとを有する、磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記導電性マトリクスは、銅と銀と金とタンタルとルテニウムとロジウムとクロムのうちの少なくとも一つを含む、請求項１９記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と、
実質的に磁化方向が固定されたピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持され、第１の絶縁性マトリクス内に配置した第１のナノ−コンタクトを有するスペーサと、
前記スペーサとは反対側の前記フリー層上に配置した積層バイアスとを備え、
前記積層バイアスは、第１の反強磁性体（ＡＦＭ）層との交換結合により固定される磁化方向を有する強磁性層と、第２の絶縁性マトリクス内に配置した第２のナノ−コンタクトを含む積層バイアススペーサとを有する、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は狭窄電流路を有する磁気ヘッドに係り、より詳しくは積層バイアスとナノ粒子含有スペーサ減結合層により安定化させたフリー層を有するバリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ；ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク装置等の磁気記録技術では、ヘッドは相互に独立して動作する読み取り素子と書き込み器を備えている。図１（ａ），（ｂ）は、磁気記録方式を例示する図である。記録媒体１は、複数ビット３とトラック幅５を有し、また記録媒体面に平行な磁化７を有する。その結果、ビット３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「水平方向磁気記録」と呼ばれる。
【０００３】
誘導書き込み素子９により記録媒体１へ情報が書き込まれ、データは読み取り素子１１により記録媒体１から読み取られる。巻線１６を用いて誘導書き込み素子９へ書き込み電流１７を供給し、読み取り素子１１へは読み取り電流１５が供給される。個々の読み取り信号と書き込み信号の間の干渉を排除すべく、酸化アルミニウムで出来た絶縁層（明瞭さに配慮し図示せず）が読み取り素子１１と書き込み素子９との間に配置させてある。
【０００４】
読み取り素子１１は、センサの磁化方向が変化した際に抵抗変化を検出することにより動作するセンサである。シールド１３が媒体から到来する不要磁界を低減し、隣接ビットの不要磁束が読み取り素子１１が現在読み取ろうとしているビット３のうちの一つに干渉しないようにしてある。
【０００５】
図１（ｂ）の磁気記録方式は、ビット及びトラック密度を増大させて、より高効率かつより高速で読み取り可能とするために開発されたものである。この方式にあっては、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体１の面に垂直である。これは「垂直磁気記録」としても周知である。この設計は、より高密度で安定した記録データをもたらす。また、書き込み磁界効率を増大させるのに軟質磁性下層（図示せず）が必要である。さらに、中間層（明瞭さに配慮し図示せず）を用いて記録層１と軟質磁性下層との間の交換結合を制御することができる。
【０００６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」として公知の上記磁気記録方式用の各種読み取り素子を示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１がセンサとして機能し、記録データを記録媒体１から読み取る。フリー層２１とピン層２５の間には、スペーサ２３が配置してある。ピン層２５の他側には反強磁性（ＡＦＭ；ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層２７が存在する。図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置を逆転させてある。
【０００７】
図２（ｃ）は、複式スピンバルブを示す。層２１〜２５は、図２（ａ）〜（ｂ）に関連して前記したのとほぼ同じである。しかしながら、フリー層２１の他側には追加のスペーサ２９が配設してあり、その上に第２のピン層３１と第２のＡＦＭ層３３が配置してある。第２のピン層３１が供給する上乗せ分の信号が、抵抗変化△Ｒを増大させる。
【０００８】
ピン層２５内の磁化方向はほぼ固定されているが、フリー層２１内の磁化方向は例えば（ただし、限定ではなく）記録媒体１等の外部磁界の影響に応じて変化することがある。
【０００９】
外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化が変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正のときはフリー層２１の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負のときはフリー層２１の磁化は下向きに回転させられる。印加外部磁界がフリー層２１磁化方向を切り替えて合成ピン層２５と同様式で整列配置させた場合、そのときは層間抵抗が低くなり、電子はこれらの層２１，２５間をより簡単に移動することができる。
【００１０】
しかしながら、フリー層２１が合成ピン層２５とは逆の磁化方向を有すると、層間抵抗は高くなる。この高抵抗が発生するのは、層２１，２５間を電子が移動するのがより困難になるからである。外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が交換結合をもたらし、合成ピン層２５の磁化をほぼ一定に保つ。
【００１１】
高感度読み取り素子を得るには、層２１，２５が平行であるときと反平行であるときとの抵抗変化ΔＲが高くなければならない。媒体ビットは大きさを減らしつつあり、相応して媒体ビットからの磁界はより微弱になっている。その結果、フリー層は大きさの低下した媒体磁束を読み取る必要がある。それ故、フリー層に低減された膜厚をもたせ、フリー層に十分な感度を維持させることが重要である。非常に微弱な磁界を読み取ることのできる高感度センサを提供する上で、１５０〜２００ギガビット／平方インチの面積記録密度の場合、これはフリー層膜厚を約３ｎｍまで低減することで達成される。
【００１２】
しかしながら、フリー層を薄肉化すると、より強いスピントランスファー効果の問題が生じる。スピントランスファー効果は、薄膜の膜厚にほぼ逆比例する。かくして、フリー層の安定性は低下する。さらに、背景技術読み取りヘッドの層２１，２５間の高抵抗変化△Ｒに対する要望も存在する。以下により詳しく説明する如く、フリー層を厚肉化すると△Ｒが高い値となる。
【００１３】
ここで、背景技術のスピンバルブの動作をより詳しく説明する。記録媒体１内では、水平方向磁気記録の場合、隣接ビットの極性に基づいて磁束が生成される。隣接する二つのビットがそれらの境界において負極性を有する場合、磁東は負となる。他方、両ビットがそれらの境界において正極性を有する場合、磁束は正となる。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決定する。
【００１４】
図３は、背景技術合成スピンバルブを示す。フリー層２１とスペーサ２３とＡＦＭ層２７は、上記とほぼ同じである。しかしながら、合成ピン層２５はさらにピン層スペーサ３７により第２の副ピン層３９から仕切られた第１の副ピン層３５を含む。第１の副ピン層３５は、合成ピン層２５についての上記原理に従って動作する。第２の副ピン層３９は、第１の副ピン層３５に対し逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層モーメント総体は第１の副ピン層３５と第２の副ピン層３９の間の反強磁性結合に起因して低下する。合成読み取りヘッドは磁束総計が零に近い合成ピン層を有し、かくして単一ピン層構造を備えるものよりも大きな安定性と高ピンニング磁界を達成することができる。良好なスピンバルブ成長に向けバッファ層２８がＡＦＭ層２７の下側に付着させてあり、フリー層２１の上面にキャップ４０が配設してある。
【００１５】
図４は、シールド付き読み取りヘッドを示す。前記の如く、所与のビットの読み取り期間中は隣接ビットからの意図しない磁束の検出を回避することが重要である。フリー層２１の上面にはキャップ（保護）層４０が配設してあり、別個のシステム内での電気メッキによりトップシールド４３の付着前にスピンバルブを酸化から護る。同様に、バッファ層２８の下面にはボトムシールド４５が配設してある。
【００１６】
磁気記録方式は膜面垂直電流（ＣＰＰ；ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ）ヘッドを用いており、そこではスピンバルブ面に垂直に検出電流が流れる。その結果、読み取りヘッドの寸法は出力読み取り信号の損失なしで低減することができる。ＣＰＰ方式内で動作する各種背景技術スピンバルブが図５（ａ）〜（ｃ）に示してあり、以下により詳しく説明する。これらのスピンバルブは、主にそれらのスペーサ２３の組成において構造的に異なる。それらの組成とこれらの効果の作用に生ずる差異を、以下により詳しく説明する。
【００１７】
図５（ａ）は、ＣＰＰ方式用のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）スピンバルブを示す。ＴＭＲヘッドでは、スペーサ２３は絶縁体、すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、スペーサ２３である非常に薄肉の障壁の場合、電子はスピン方向を変えることなくフリー層２１からピン層２５へ、或いはその逆へ移動することができる。本ＴＭＲヘッドは、約３０〜５０％台の増大した磁気抵抗（ＭＲ）を有する。
【００１８】
図５（ｂ）は、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを示す。この場合、スペーサ２３は導体として機能する。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、高周波応答を有するには大抵抗変化△Ｒと適度な素子抵抗が必要である。小媒体磁界が検出できるよう、低フリー層保磁力もまた必要である。ピンニング磁界は、大強度もまた持たねばならない、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。
【００１９】
図５（ｃ）は、バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ；ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）スピンバルブを示す。絶縁体として作用するスペーサ２３内において、強磁性領域４７がピン層２５とフリー層２１を接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。これは、ナノ−パス或いはナノ−コンタクトと呼ばれる。この結果、このナノ−コンタクト内に作られる区壁における電子散乱に起因して相当に高いＭＲが存在する。他の因子には、強磁性体のスピン分極やＢＭＲヘッドにナノ−コンタクトする区域の構造が含まれる。
【００２０】
上記のヘッドでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲについて絶縁体、ＧＭＲについては導体、ＢＭＲについては磁気ナノ−コンタクトを有する絶縁体となる。背景技術ＴＭＲスペーサは一般にアルミナ等の絶縁材を含んで構成されているが、背景技術ＧＭＲスペーサは一般に銅等の導電金属を含んで構成されている。
【００２１】
ＧＭＲヘッドでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（またはスピン状態）が平行になると抵抗が最小となり、磁化方向が逆になると最大となる。前述の如く、フリー層２１は方向を変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲヘッドはピン層磁化の不要な切り替えを最小化することでヘッド出力信号の摂動を回避する。
【００２２】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極度とそれらの個別磁化間角度に依存する。スピン分極は、フリー層とピン層のそれぞれの中におけるスピン状態（上向き又は下向き）に依存する。フリー層２１が磁気記録媒体から磁束を受けると、磁束の方向に応じてフリー層磁化が小さな角度だけ一方向もしくは他方向へ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗変化は、前記した如く、フリー層２１とピン層２５のモーメント間角度に比例する。抵抗変化△Ｒと読み取り素子出力信号との間には、一つの関係が存在する。
【００２３】
ＧＭＲヘッドは、各種要件を有する。例えば、限定するものではないが、高出力信号の生成には大きな抵抗変化△Ｒが必要である。大きな抵抗変化△Ｒを生成するには、より厚肉のフリー層を有することが望ましい。この関係が、図６（ａ）に示してある。同様の関係が、図６（ｂ）に示す如く、ＭＲ比とフリー層膜厚との間に存在する。それ故、より微弱な信号を用いてより小さな媒体ビットを検出するのに必要なより薄肉のフリー層もまた、ＣＰＰ方式にあってはより低いＭＲ及びＡ△Ｒを有する。その結果、スピントランスファー効果問題は大きくなる。
【００２４】
前記の如く、ディスク装置の容量のさらなる増大には、ヘッド寸法の小型化に対応した小型の高感度ＭＲヘッドが必要である。ヘッド寸法を小さくするにつれ、ヘッドの出力信号は小さくなる。従って、フリー層は媒体磁界に対しさらに敏感でなければならない。非特許文献１にて論じられている如く、前述の関連ＢＭＲコンセプト（すなわち、ナノ−コンタクトを介して少なくとも二つの強磁性層を互いに接続する）を使用して大抵抗変化ΔＲを得ることができる。相当な高ＢＭＲ値を、得ることができる（例えば、数千％のＭＲ比）。
【００２５】
前述したＢＭＲの基本は、非特許文献２に、互いに反平行な二つの隣接する強磁性層間の薄い磁壁に基づき開示されている。
【００２６】
背景技術ＢＭＲセンサでは、鍵を握る因子は磁区構造である。その磁区制御と読み取り処理期間中の安定性は、高出力信号ｔにとって極めて重要である。さらに、ＢＭＲヘッドを適正使用するには、熱安定性とスピントランスファー効果とに抗してフリー層を安定化させ、それを単一磁区に作成することが必要である。
【００２７】
背景技術におけるフリー層の安定化は、ＣＰＰ−ＧＭＲの場合、積層バイアスを介してなされてきた。この構成は、特許文献１に開示されている。この背景技術積層バイアスでは、フリー層の上側にスペーサとして減結合層が形成される。この減結合層は、１ｎｍ〜２ｎｍの膜厚を有する連続する導電性薄膜を含んで構成されている。この薄膜は、クロムやタンタルや銅等の金属から作成することができる。
【００２８】
加えて、特許文献２には、積層バイアス付き磁気抵抗効果素子が開示されている。より具体的には、バイアス薄膜は単一磁区磁気構造内のフリー層を安定化できるような構造を有する。
【００２９】
【特許文献１】米国特許出願第２００４／０００８４５４号明細書
【特許文献２】特開平１０−２２９０１３号明細書
【非特許文献１】エス・ズィー・ファー（Ｓ．Ｚ．Ｈｕａ）等著、「フィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ６７，０６０４０１（Ｒ）」（２００３年）
【非特許文献２】ジー・タタラ（Ｇ．Ｔａｔａｒａ）等による「フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、第８３巻、２０３０（１９９９年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の一つの目的は、背景技術の課題ならびに不利を克服することにある。しかしながら、この種の目的やどんな目的も本発明中で達成する必要はない。
【００３１】
上記目的を達成するため、記録媒体読み取り用のスピンバルブを含む磁気抵抗効果素子を提供するものであるが、これが外部磁界に応答して磁化方向が変化するフリー層と、実質的に磁化方向が固定されたピン層と、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサで、非磁性絶縁体マトリクスとその中に配置されてナノ−コンタクトを形成する磁性粒子とを含むスペーサと、スペーサとは反対側のフリー層上に配置した積層バイアスで構成されており、積層バイアスは第１の反強磁性体（ＡＦＭ）層との交換結合により固定される強磁性層と絶縁性マトリクス内に配置した磁性粒子を含む積層バイアススペーサとを有する。上記は、デバイス内に実装することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、本願明細書に記載した例示的な非限定実施形態と当業者の知るところとなろう、その等価物による狭窄電流路を有する積層バイアス付き（「交換バイアス付き」とも呼ぶ）磁気ヘッドを含む
【００３３】
本発明では、用語「読み取りヘッド」は用語「磁気センサ」と相互交換可能に用いられ、記録媒体からデータを検出する装置全体を指す。この点で、「磁気センサ」は「磁気抵抗効果素子」の一特定種であり、明細書中で磁気センサを用いる場合、そこでは当業者には知られる如く他の磁気抵抗効果素子（例えば、随時読み書き可能メモリ等）で置換することができる。
【００３４】
加えて、用語「磁気抵抗効果素子」は本技術分野において当業者には理解される如く、「磁気抵抗効果素子」及び／又は「磁気抵抗素子」を含むよう定義してある。しかしながら、本発明はこれに限定するものではなく、当業者には理解される如く本発明範囲を狭めることなく他の定義をそれ用に置換することができる。さらに、用語「スピンバルブ」は読み取りヘッド層で出来上がった特別な構造を指すのに用いるものである。
【００３５】
図７は、本発明の第１例示非限定実施形態になるＢＭＲセンサ（「磁気センサとも呼ぶ」）を示す。この実施形態においては、シールド１０１が配設（好ましくは、ニッケル・鉄であるが、これに限定しない）されており、シールド１０１上にバッファ１０３が配置されている。このバッファ１０３は、バッファ１０３上に蒸着する反強磁性（ＡＦＭ）層１０５や他の薄膜の良好な成長のためのものである。
【００３６】
ＡＦＭ層１０５は、ＡＦＭ層１０５の上側に配置するほぼ固定された磁化方向を有するピン層１０７のための結合を提供する。ピン層１０７は好ましくは合成型であるが、当業者の知るところとなろう、別の等価物（例えば、単一層）を用いることもできる。合成ピン層１０７は、非磁性ピン層スペーサ１１１により第２の副ピン層１１３とは仕切られた第１の副ピン層１０９を含む。例えば、限定するものではないが、これらの第１と第２の副ピン層１０９，１１１は強磁性とすることができる。
【００３７】
ピン層１０７とフリー層１１７の間には、スペーサ１１５が配置されている。このスペーサ１１５は、非磁性絶縁性マトリクス内に配置したナノ−コンタクト１１６を有する薄膜である（例えば、ナノ−コンタクトは絶縁性マトリクス内の磁性粒子を含んで構成されている）。粒子のうちの少なくとも一つがフリー層とピン層の両面に達している。ナノ−コンタクトは、１以上の粒子である。好ましくは、各ナノ−コンタクトにとって粒子は殆ど僅かしかないのが好適である。
【００３８】
フリー層１１７は、スペーサ１１５の上側に配設されている。背景技術の場合と同様、フリー層の磁化方向は外部磁界に応答して回転もしくは切り替えが可能である。磁化方向は、磁界によって調整可能である。例えば、限定するものではないが、外部磁界はハードディスク等の媒体から生成でき、ピン層はほぼ固定された磁化方向を有する。
【００３９】
積層バイアス１１９は、スペーサ１１５とは反対側のフリー層１１７上側に配置してある。積層バイアス１１９は、フリー層１１７と強磁性層１２３の間に配置する積層バイアススペーサ１２０を含む。この積層バイアススペーサ１２０は、非磁性体マトリクス１２２内に配置した第２のナノ−コンタクト１２１を含む。
【００４０】
別のＡＦＭ層１２５が強磁性層１２３の上側に配設されており、実質的に（すなわち、本発明を適用するデバイスからの「雑音」等の外部磁化効果を除き）その磁化方向を固定し、積層バイアス１１９の上側部分を形成している。強磁性層１２３の磁化方向は、ＡＦＭ層１２５との交換結合によりピンニングしてある。トップシールド１２７が積層バイアス１１９の上側に配設されており、絶縁体１２９がそれぞれトップシールド１２７とボトムシールド１０１の間及びＢＭＲセンサ（１０３〜１２５）の外側に配設されている。キャップ層１２６がＡＦＭ層１２５のトップに蒸着されており、トップシールド蒸着前の酸化に抗してスピンバルブ積層体を保護している。
【００４１】
前述した本発明の例示的非限定実施形態では、積層バイアス１１９内の薄膜構造は積層バイアススペーサ１２０を含んでおり、このスペーサ１２０がフリー層１１７と強磁性層１２３の間の交換結合を最小化し、かくして強磁性層１２３との磁気結合により単一磁区構造内のフリー層１１７を安定化させる。加えて、より小さな空間の第２のナノ−コンタクト１２１を通って電流が流れ、かくして有効面積Ａは低減され、ΔＲは増大する。さらにＭＲ比が増大し、積層バイアススペーサ１２０の磁性ナノ−コンタクト内の磁壁の生成に起因して追加のバリスティック磁気抵抗効果が生ずる。
【００４２】
前記した如く、ピン層１０７は単一強磁性層又は合成ピン層とすることができる。合成ピン層は、第１の副ピン層１０９と第２の副ピン層１１３とを備える。これらの副ピン層１０９，１１３の磁化は、互いに反強磁性的に結合される。第１と第２の副ピン層１０９，１１３は、強磁性材で構成される。ピン層スペーサ１１１は、層１０９と層１１３の間に配置してある。ピン層１０７内の強磁性材は、鉄とニッケルとコバルトのうちの一つで構成してある。ピン層１０７は、約３ｎｍ〜８ｎｍの総膜厚を有する。非磁性ピン層スペーサ１１１は、ルテニウムとロジウムと鉛と白金とイリジウムとオスミウムと銀と銅或いはそれらの合金で出来ており、約０．３ｎｍ〜１ｎｍの膜厚を有する。
【００４３】
上記実施形態では、ピン層１０７の磁化はＡＦＭ層１０５により固定されるものとして開示してある。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者の理解するところになる如く、代替構造を用いることもできる。例えば、限定するものではないが、実質的にＡＦＭ層１０５により固定するのに代え、ピン層１０７を硬質磁性層により自己ピンニングさせることができる。
【００４４】
本発明では、検出電流は薄膜の膜厚方向（例えば、ボトムシールドからトップシールドへ、或いは逆方向）へ流れる。これは、膜面垂直電流（ＣＰＰ）幾何構造と呼ばれる。
【００４５】
図８は、本発明の第２例示非限定実施形態を示す。この実施形態では、図７の第１の実施形態と同一の特徴は再掲載していない。図８中、フリー層１１７は合成フリー層であり、フリー層１１７の上側副層２０１と下側副層２０５の間に配置したスペーサ２０３を含む。このフリー層スペーサ２０３は、ルテニウムとロジウムと鉛と白金とイリジウムとオスミウムと銀と銅又はそれらの合金のうちの少なくとも一つで出来ており、約０．３ｎｍ〜１ｎｍの膜厚を有する。フリー層１１７の二つの副層２０１，２０５は、約１ｎｍ〜５ｎｍの総膜厚を有する。
【００４６】
図９は、本発明の第３例示非限定実施形態を示す。この実施形態では、図７の第１の実施形態と同一の特徴は再掲載していない。図９中、フリー層１１７は合成フリー層であり、少なくとも二つの、好ましくは三つの互いに付着させた強磁性副層３０１，３０３，３０５を含む。
【００４７】
図１０は、本発明の第４例示非限定実施形態を示す。この実施形態では、図７の第１の実施形態と同一の特徴は再掲載していない。図１０中、強磁性層４０１と第１のＡＦＭ層４０３とキャップ層４０４はＭＲ素子のパターン形成と絶縁体１２９の付着後に付着させる。その結果、積層バイアス１１９のこれらの層４０１，４０３はフリー層１１７よりも大となる。かくして、積層バイアス１１９はフリー層１１７をその端部（すなわち、センサのエッジ）にてさらに安定化させる。積層バイアス１１９がフリー層１１７よりも大であって、先の実施形態とほぼ同一点で停止しない（すなわち、積層バイアス１１９のエッジがフリー層１１７のエッジを越えて延伸している）が故に、このさらなる安定化を達成することができる。
【００４８】
ＢＭＲセンサの寸法が小さくなり、リソグラフィーやイオン切削のステップを使用した場合にその期間中の損傷機会が増えるため、この実施形態はこのエッジ効果を回避するものである。さらに、より小寸法の素子では渦効果が優勢となるため、本実施形態は雑音の問題を相当に低減する。
【００４９】
図１１は、本発明の第５例示非限定実施形態を示す。本実施形態では、図７と同一の特徴については再掲載していない。図１１中、追加ハードバイアス安定化部５０１が絶縁体１２９のトップに配設してある。その結果、フリー層は効率的な仕方でさらに安定化する。ハードバイアス安定化部５０１は、約５ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚をもったコバルト・クロムやコバルト・白金やコバルト・クロム・白金を含む硬質磁性材料群から選択してある。この追加ハードバイアス安定化部５０１は、前述し図面に図示した第３ならびに第４の実施形態と共に用いることもできる。キャップ層１２６は、第１のＡＦＭ１２５の上側に配置してある。
【００５０】
本発明の上記の全ての例示非限定実施形態では、フリー層内の強磁性材はニッケルと鉄とコバルトのうちの少なくとも一つである。コバルト・ニッケルやコバルト・鉄やニッケル・鉄やコバルト・鉄・ニッケル或いはそれらの任意の組み合わせが、好適である。ＡＦＭ層１０５，１２５のいずれか或いは両方は白金・マンガンとイリジウム・マンガンのうちの少なくとも一方で出来ており、約５ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚を有する。より一般的には、ＡＦＭ層１０５，１２５のいずれか又は両方は、Ｘ−マンガン又はＸＹ−マンガンで出来ており、ここでＸとＹは白金とイリジウムと鉛とルテニウムとロジウムとオスミウムと鉄とニッケルのうちの一つからなり、ＸはＹとは異なるものである。キャップ層１２６はタンタルとクロムとルテニウムと金と他の非磁性材のうちの少なくとも一つで出来ており、約２〜５ｎｍの膜厚を有する。
【００５１】
第１のナノ−コンタクト１１６と第２のナノ−コンタクト１２１は、ニッケルとコバルトと鉄のうちの少なくとも一つを備え、約１０ｎｍ未満の直径を有する。さらに、スペーサ１２０内の囲繞絶縁性マトリクス（絶縁体）は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムや二酸化ケイ素や四窒化三ケイ素等の酸化物或いは窒化物のうちの少なくとも一つを含む。この材料は、約１００μΩ・ｃｍを超える抵抗率を有する高抵抗絶縁体とすることができる。さもなくば、ナノ−コンタクト１１６はマトリクスとして銅や金やクロム或いはその等価物等の導電材で出来た非磁性導電性マトリクスにより囲繞することができる。
【００５２】
積層バイアス層１２０内の第２のナノ−コンタクト１２１について、囲繞絶縁体１２２は酸化物及び／又は窒化物、すなわち約１００μΩ・ｃｍ以上の高抵抗率材料を含む。第２のナノ− コンタクト１２１は、非磁性導電材により囲繞することもできる。
【００５３】
さらに、図８〜図１１では、積層バイアス１２３の磁化方向（明瞭さに配慮し図示せず）はフリー層１１７の方向とは逆である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者に想起され得る他の構造を用いることもできる。
【００５４】
本発明は、様々な利点を有する。例えば、限定するものではないが、本発明は積層バイアスにより安定化したフリー層とナノ−コンタクトを有する積層バイアススペーサとを有するＢＭＲセンサを含む。その結果、フリー層の安定性が維持され、狭窄電流路によりＭＲ素子の有効領域は低減し、そのことがより高出力の読み取り信号を生み出す。
【００５５】
加えて、磁壁がフリー層と安定化部内に使用した強磁性ピン層との間に作成される。かくして、ＭＲ比と抵抗変化における改善がなされる。
【００５６】
さらに、本発明では、少なくとも磁性材と絶縁体（例えば、ニッケル等の磁性材と酸化アルミニウム等の絶縁体で、ニッケルが酸化アルミニウムにより囲繞された粒子として成長）を有するターゲットを用いるイオンビーム・スパッタリングにより作成したマトリクス内に配置した粒子を有するフリー層を調製する方法が用いられる。その表面にエッチングを施し、これらの粒子が表面に到達してナノ−コンタクトを形成するよう保証する。
【００５７】
加えて、前述の実施形態は概ね磁気抵抗読み取りヘッド用の磁気抵抗素子に関するものである。この磁気抵抗読み取りヘッドは、任意数のデバイスに随意選択的に用いることができる。例えば、限定するわけではないが、前記の如く、読み取りヘッドはハードディスク装置（ＨＤＤ）磁気記録デバイス内に含めることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、バリスティック磁気抵抗効果を用いる他のデバイスもまた本発明の磁気抵抗素子で構成することができる。例えば、限定するわけではないが、磁気ＲＡＭ（すなわち、ナノ−コンタクト構造を備える磁気メモリデバイス、すなわちデバイス）もまた本発明を採用することができる。本発明のこの種の応用例は、本発明範囲内にある。
【００５８】
本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。特許請求範囲に規定する本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく、本発明に対し多くの改変をなし得ることは熟慮されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は膜面内磁化と膜面垂直磁化をそれぞれ有する背景技術磁気記録方式を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は背景技術のボトム型とトップ型と複式のスピンバルブを示す図である。
【図３】磁気抵抗読み取りヘッド用の背景技術合成スピンバルブを示す図である。
【図４】シールド構造を有する背景技術合成スピンバルブを示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は各種背景技術磁気読み取りスピンバルブシステムを示す図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）はそれぞれフリー層の膜厚に対するＡ△ＲとＭＲの依存度を示す図である。
【図７】本発明の第１例示非限定実施形態になる磁気抵抗素子を示す図である。
【図８】本発明の第２例示非限定実施形態になる磁気抵抗素子を示す図である。
【図９】本発明の第３例示非限定実施形態になる磁気抵抗素子を示す図である。
【図１０】本発明の第４例示非限定実施形態になる磁気抵抗素子を示す図である。
【図１１】本発明の第５例示非限定実施形態になる磁気抵抗素子を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  記録媒体
３  ビット
５  トラック幅
７  磁化
９  誘導書き込み素子
１１  読み取り素子
１５  読み取り電流
１７  書き込み電流
１９  磁化
２１  フリー層
２３  スペーサ
２５  ピン層
２７  反強磁性（ＡＦＭ）層
２８  バッファ層
２９  スペーサ
３１  第２のピン層
３３  第２のＡＦＭ層
３５  第１の副ピン層
３７  ピン層スペーサ
３９  第２の副ピン層
４０  キャップ層
４１  保護層
４３  トップシールド
４５  ボトムシールド
４７  強磁性領域
１０１  シールド
１０３  バッファ
１０５  反強磁性（ＡＦＭ）層
１０７  ピン層
１０９  第１の副ピン層
１１１  非磁性ピン層スペーサ
１１３  第２の副ピン層
１１５  スペーサ
１１６  ナノ−コンタクト
１１７  フリー層
１１９  積層バイアス
１２０  積層バイアススペーサ
１２１  ナノ−コンタクト
１２２  絶縁性マトリクス
１２３  強磁性層
１２５  ＡＦＭ層
１２６  キャップ層
１２７  トップシールド
１２９  絶縁体
２０１  上側副層（副フリー層）
２０３  フリー層スペーサ
２０５  下側副層（副フリー層）
【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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