(57)【要約】【課題】  固定磁性層の磁化方向を固定するために酸化物磁性層を用いた磁気抵抗効果膜において、従来よりも信頼性が向上した磁気抵抗効果膜およびこれを用いた磁気抵抗効果ヘッドを提供する。【解決手段】  配向制御層２、酸化物磁性層３、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６がこの順に積層された積層構造を備えた磁気抵抗効果膜であって、前記配向制御層２が、金属酸化物からなり、前記酸化物磁性層３が、CoxFe3-xOy（x＝1.10〜1.71、y は0を除く)からなることを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備えた磁気抵抗効果膜であって、
前記配向制御層が、金属酸化物からなり、
前記酸化物磁性層が、CoxFe3-xOy（x＝1.10〜1.71、y は0を除く)からなることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
【請求項２】
前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.406nmから0.432nmの範囲にある金属酸化物、もしくはこれらの格子定数を有する複数の金属酸化物からなる固溶体、もしくは前記金属酸化物の一つあるいは複数と、格子定数のいずれもが0.406nmから0.432nmの範囲外にある酸化物との固溶体からなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項３】
前記金属酸化物が、二酸化ナトリウム(NaO-2)、一酸化マグネシウム(MgO)、三酸化カリウム(KO3)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化コバルト(CoO)、一酸化ニッケル(α-NiO)、一酸化銅(Cu2O)、二酸化ルビジウム(Rb2O2)、一酸化ニオブ(NbO)、一酸化セシウム(Cs2O)、二酸化セシウム(Cs2O2)のうちから選択されたものであることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項４】
前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.813nmから0.863nmの範囲にある金属酸化物、もしくはこれらの格子定数を有する複数の金属酸化物からなる固溶体、もしくは前記金属酸化物の一つあるいは複数と、格子定数のいずれもが0.813nmから0.863nmの範囲外にある酸化物との固溶体からなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項５】
前記金属酸化物が、三酸化クロム(CrO3)、三酸化鉄(γ-Fe2O3)、四酸化鉄(Fe3O4)から選択されたものであることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項６】
前記固定磁性層が、第一の固定磁性層、結合中間層および第二の固定磁性層がこの順に積層されるとともに、前記第一の固定磁性層および前記第二の固定磁性層が交換結合磁界により反平行に結合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項７】
前記結合中間層が、ルテニウム (Ru)、イリジウム (Ir)、ロジウム (Rh)、クロム (Cr)のうちのいずれか、またはこれらの中の少なくとも１つを含む合金であることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果膜。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜を備えた磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項９】
前記配向制御層が、絶縁ギャップ層全体または一部として用いられていることを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項１０】
前記配向制御層に用いられている金属酸化物が、300Kの温度において非磁性であることを特徴とする請求項９記載の磁気抵抗効果ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い磁気抵抗比(MR比)をもつ磁気抵抗効果膜およびこの磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブの面記録密度は現在も高い割合で増加を続けている。面記録密度を増加させるとビットあたりの記録媒体の面積が小さくなるため、再成ヘッドは高感度のものが要求される。
図６は磁気抵抗効果膜の基本的な構造を示すもので、反強磁性層１１、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７が積層して形成されていることを示す。固定磁性層４は媒体からの磁場が印加されても、その磁化方向が変わらないように固定されていなければならない。その方法として、多くは固定磁性層４に接するように白金-マンガン(PtMn)等の反強磁性体からなる反強磁性層１１を設け、これらの層間に生じる交換結合磁界によって固定磁性層４の磁化方向を固定している。
【０００３】
また、磁気抵抗効果は電子が固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６の各界面を通過することにより生じるが、反強磁性層１１には一般的に合金が使用されているためこの部分にも電流が流れてしまう。これはシャント電流と呼ばれ、MR比を低下させる原因になる。反強磁性層１１に使用される合金は、固定磁性層４や自由磁性層６などの他の層に使用されている合金に比較して比抵抗は大きいが、磁気抵抗効果膜全体に占める厚さの割合が大きいため（通常４０％程度）そこに流れるシャント電流の影響は無視できない。
【０００４】
そこでシャント電流を減少させるために反強磁性層１１を絶縁体で置き換える方法が知られている。非特許文献１および非特許文献２は、従来の反強磁性層１１の部分にコバルトフェライト（CoFe2O4）を用いた方法である。コバルトフェライトは絶縁体であり、また保磁力の大きいフェリ磁性体であるため、シャント電流を減らしながら固定磁性層４の磁化方向を固定することができる。
【非特許文献１】M.J.Carey,S.Maat,R.Farrow,R.Marks,P.Nguyen,P.Rice,A.Kellock,B.A.Gurney,Digest Intermag Europe 2002, BP2
【非特許文献２】S.Maat,M.J.Carey,Eric E.Fullerton,T.X.Le,P.M.Rice,and B.A.Gurney,Appl.Phys.Lett.81,520(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７にコバルトフェライト等のフェリ磁性体を固定磁性層の磁化方向を固定するために使用した磁気抵抗効果膜のρ-H特性の例を示す。図７に定義した結合磁界Hc(pin)の値（シート抵抗の変化量が１／２となるときの磁界）は酸化物磁性層（フェリ磁性体）と固定磁性層の間の交換結合磁界の大きさに左右され、原理的に温度が上昇すると低下する。磁気抵抗効果ヘッドとして動作中の素子の温度は約100℃であるが、素子に瞬間的に静電気が流れることによりさらに温度が瞬間的に上昇する場合がある（Electrostatic discharge現象、ESD現象）。ESD現象が素子に与える悪影響はいくつかあるが、その中の一つにピン反転現象ある。これはESD現象によりHc(pin)の値が低下した瞬間に、素子に対して外部磁界（センス電流による磁界、磁気記録媒体からの磁界等）が固定磁性層の磁化方向と逆向きに印加され、固定磁性層の磁化方向が反転してしまう現象である。このような現象を防ぐためにHc(pin)の値は十分大きくなくてはならない。よって信頼性が高い高密度磁気記録を実現するためには、MR比だけでなく、Hc(pin)の大きな磁気抵抗効果膜が必要になる。
【０００６】
本発明は、固定磁性層の磁化方向を固定するために酸化物磁性層を用いた磁気抵抗効果膜において、従来よりも信頼性が向上した磁気抵抗効果膜およびこれを用いた磁気抵抗効果ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備えた磁気抵抗効果膜であって、前記配向制御層が、金属酸化物からなり、前記酸化物磁性層が、CoxFe3-xOy（x＝1.10〜1.71、y は0を除く)からなることを特徴とする。
また、前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.406nmから0.432nmの範囲にある金属酸化物、もしくはこれらの格子定数を有する複数の金属酸化物からなる固溶体、もしくは前記金属酸化物の一つあるいは複数と、格子定数のいずれもが0.406nmから0.432nmの範囲外にある酸化物との固溶体からなることを特徴とし、前記金属酸化物としては、二酸化ナトリウム(NaO2)、一酸化マグネシウム(MgO)、三酸化カリウム(KO3)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化コバルト(CoO)、一酸化ニッケル(α-NiO)、一酸化銅(Cu2O)、二酸化ルビジウム(Rb2O2)、一酸化ニオブ(NbO)、一酸化セシウム(Cs2O)、二酸化セシウム(Cs2O2)のうちから選択されたものであることを特徴とする。
【０００８】
また、前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.813nmから0.863nmの範囲にある金属酸化物、もしくはこれらの格子定数を有する複数の金属酸化物からなる固溶体、もしくは前記金属酸化物の一つあるいは複数と、格子定数のいずれもが0.813nmから0.863nmの範囲外にある酸化物との固溶体からなることを特徴とし、前記金属酸化物としては、三酸化クロム(CrO3)、三酸化鉄(γ-Fe2O3)、四酸化鉄(Fe3O4)から選択されたものであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記固定磁性層が、第一の固定磁性層、結合中間層および第二の固定磁性層がこの順に積層されるとともに、前記第一の固定磁性層および前記第二の固定磁性層が交換結合磁界により反平行に結合していることを特徴とする。
また、前記結合中間層が、ルテニウム (Ru)、イリジウム (Ir)、ロジウム (Rh)、クロム (Cr)のうちのいずれか、またはこれらの中の少なくとも１つを含む合金であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る磁気抵抗効果ヘッドは、上記磁気抵抗効果膜を備えることにより、信頼性の高い磁気抵抗効果ヘッドとして提供される。また、前記配向制御層が、絶縁ギャップ層全体または一部として用いられていることにより、分解能の高い磁気抵抗効果ヘッドとして提供される。また、前記配向制御層に用いられている金属酸化物が、300Kの温度において非磁性であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備えた磁気抵抗効果膜として、酸化物磁性層にコバルトフェライト（CoFe2O4）を使用した場合と比較して結合磁界Hc(pin)が増大し、磁気抵抗効果膜、磁気抵抗効果ヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る磁気抵抗効果膜の基本構造を図１に示す。本発明に係る磁気抵抗効果膜は、酸化物磁性層３の配向性を制御するための配向制御層２が酸化物磁性層３の下層に設けられ、酸化物磁性層３の上に固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７がこの順に積層されて形成されているものである。配向制御層２はMgO等の金属酸化物からなり、酸化物磁性層３は膜の組成がCoxFe3-xOyとして表される酸化物磁性材料からなるものである。
【００１３】
本発明に係る磁気抵抗効果膜の効果を調べるため、シリコン基板上に以下の構成からなる磁気抵抗効果膜をマグネトロンスパッタリング法により成膜した。
(CoO_Co3O4) 10/ CoxFe3-xOy 10/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/Cu/Ta [nm]
この磁気抵抗効果膜で(CoO_Co3O4) 層は、CoOとCo3O4の固溶体であり、図１に示す金属酸化物からなる配向制御層２に相当する。また、CoxFe3-xOy層は酸化物磁性層３に相当し、CoFe層は固定磁性層４に、Cu層は非磁性中間層５に、CoFe/NiFe層は自由磁性層６に、Cu/Ta層は保護層７に相当する。
なお、酸化物磁性層３は、CoFe2O4ターゲットとCoOターゲットの同時放電によって作製され、各ターゲットの放電パワーを調節することによりCoの組成比が異なる組成のCoxFe3-xOy層を得ることができる。
【００１４】
表１にCoの組成が異なる酸化物磁性層３を備えた上記磁気抵抗効果膜について磁気特性を測定した結果を示す。ρ／ｔがシート抵抗である。
【表１】
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【００１５】
表１で、組成 x=1.00 とは、酸化物磁性層３がコバルトフェライト（CoFe2O4）からなる場合で、非特許文献１および非特許文献２に開示されている磁気抵抗効果膜の場合に相当する。この x=1.00 の場合は、MR比が14.72％、Hc(pin)が203 [kA/m]であるが、x=1.10〜1.71とした場合は、MR比が x=1.00 の場合と同程度でありながら、Hc(pin)が220〜329 [kA/m]に増加している。とくに、x=1.16〜1.26の範囲ではその効果が著しい。このように、酸化物磁性層３の組成（CoxFe3-xOy層におけるx の値）を適切な範囲に調節することによって、MR比を小さくすることなく、大きなHc(pin)の値を有する磁気抵抗効果膜を得ることができる。磁気抵抗効果膜のMR比およびHc(pin)の値を大きくすることにより、磁気抵抗効果膜の感度を向上させ、この磁気抵抗効果膜を有する磁気抵抗効果ヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。
【００１６】
酸化物磁性層３の下地層となる配向制御層２としては、酸化物磁性層３と格子整合し、かつシャント電流を生じない金属酸化物の材料を用いることができる。酸化物磁性層３でx=1.00 の場合であるコバルトフェライトは格子定数が0.838nmの立方晶系であり、4つの副格子からできている。よって酸化物磁性層３がコバルトフェライトからなる場合は、格子定数が0.419nmまたは0.838nm付近の材料と格子整合をする。
【００１７】
配向制御層２としては酸化物磁性層３がコバルトフェライトの組成に近似していることを考慮し、格子不整合率が３％以内であれば格子整合する可能性があると考えて、格子定数が0.406nmから0.432nm、または0.813nmから0.863nmの範囲にあるものであれば使用することが可能である。
この格子定数の条件を満たす金属酸化物としては、格子定数が0.406nmから0.432nmの材料として、二酸化ナトリウム(NaO2)、一酸化マグネシウム(MgO)、三酸化カリウム(KO3)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化コバルト(CoO)、一酸化ニッケル(α-NiO)、一酸化銅(Cu2O)、二酸化ルビジウム(Rb2O2)、一酸化ニオブ(NbO)、一酸化セシウム(Cs2O)、二酸化セシウム(Cs2O2)がある。また、格子定数が0.813nmから0.863nmの材料としては、三酸化クロム(CrO3)、三酸化鉄(γ-Fe2O3)、四酸化鉄(Fe3O4)がある。配向制御層２としては、これらの金属酸化物を選択して使用でき、また、これら金属酸化物の複数からなる固溶体を使用することができる。
【００１８】
表１に示す測定結果は、配向制御層２としてCoOとCo3O4の固溶体を用いた場合であり、配向制御層２としては、格子定数が0.406nmから0.432nmの金属酸化物（たとえば、一酸化コバルトCoO）と、格子定数がこれとは異なる酸化物（たとえば、Co3O4）との固溶体を使用することも可能である。この場合、金属酸化物としては、上に例示した金属酸化物の一つもしくは複数のものを使用することができる。
【００１９】
本発明に係る磁気抵抗効果膜では酸化物磁性層３の配向制御層２として金属酸化物を使用しているから、磁気抵抗効果ヘッドを構成する場合に、配向制御層２を絶縁ギャップ層を兼ねた構造にする事も可能である。この場合の磁気抵抗効果ヘッドの模式図を図２に示す。
図２は磁気抵抗効果ヘッドのリード部の膜構成を示すもので、下部磁気シールド層１の上層に、下部絶縁ギャップ層を兼ねる配向制御層２を設け、配向制御層２の上に、酸化物磁性層３、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７をこの順に積層して形成している。磁気抵抗効果膜の側面は傾斜面となるようエッチングされ、磁気抵抗効果膜を挟む配置に、磁気バイアス層および電流端子層８が設けられている。磁気バイアスおよび電流端子層８の表面および磁気抵抗効果膜の表面には上部絶縁ギャップ層９が被着形成され、上部絶縁ギャップ層９の表面にさらに上部磁気シールド層１０が被着されている。
【００２０】
磁気抵抗効果ヘッドでは、下部絶縁ギャップ層としてアルミナを使用することが一般的であるが、下部絶縁ギャップ層を金属酸化物からなる配向制御層２とすることで上部磁気シールド層１０と下部磁気シールド層１との層間の距離（ギャップ長）を短縮することができる。これは、再生ヘッドの分解能向上につながり、高密度磁気記録を実現する上で有利となる。
なお、図２に示す例では下部絶縁ギャップ層の全体を、金属酸化物からなる配向制御層２によって置き換えているが、下部絶縁ギャップ層を複数層に形成し、最上層を金属酸化物からなる配向制御層２とすることも可能である。
【００２１】
また、本実施形態では配向制御層２が、下部磁気シールド層１に直接接する構成となっている。下部磁気シールド層１は軟磁気特性を持ち外部磁界をシールドする作用を有するが、配向制御層２が磁性を有していると下部磁気シールド層１と配向制御層２が交換結合してしまい、磁気シールド特性が悪化する可能性がある。よって図２の構造においては配向制御層２は室温で非磁性である事が好ましい。
【００２２】
本発明に係る磁気抵抗効果膜の発展型を図３および図４に示す。
図３に示す磁気抵抗効果膜は、図１に示す磁気抵抗効果膜における固定磁性層４の部分を、第一の固定磁性層４ａ、結合中間層４ｂ、第二の固定磁性層４ｃの三層構造としたもので、積層フェリ構造と呼ばれる。結合中間層４ｂとしては、ルテニウム (Ru)、イリジウム (Ir)、ロジウム (Rh)、クロム (Cr)等が用いられ、この結合中間層４ｂを介して第一の固定磁性層４ａと第二の固定磁性層４ｃが反強磁性的に結合している。磁気抵抗効果膜をこのような構成にすることにより、結合磁界Hc(pin)の値を増大させることができ、磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果ヘッドの信頼性を向上させることができる。
【００２３】
図４に示す磁気抵抗効果膜は、金属酸化物からなる配向制御層２の上に、第一の酸化物磁性層３ａ、第一の固定磁性層４ａ、第一の非磁性中間層５ａ、自由磁性層６が積層されて形成され、自由磁性層６の上に、さらに第二の非磁性中間層５ｂ、第二の固定磁性層４ｃ、反強磁性層（または第二の酸化物磁性層）３ｂをがこの順に積層されて形成されたものである。
【００２４】
この図４に示す磁気抵抗効果膜の構成は、磁気抵抗効果が生じる固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層の積層構造が、積層順が逆になっている部分を含めて２個所存在することからデュアル構造と呼ばれ、大きなMR比が得られることが特徴である。
なお、反強磁性層３ｂとしては、白金-マンガン(PtMn)、パラジウム-白金-マンガン(PdPtMn)、イリジウム-マンガン(IrMn)等が用いられるが、この部分にも第二の酸化物磁性層としてコバルトフェライトを含む酸化物磁性層を用いることも可能である。また、第一の固定磁性層と第二の固定磁性層を図３と同様に積層フェリ構造にすることも可能である。
【００２５】
図５は上記磁気抵抗効果ヘッドを組み込んだ磁気ディスク装置の構成を示す平面図である。上記磁気抵抗効果ヘッドは、磁気ディスク３０のディスク面にＡＢＳ面を対向させてヘッドサスペンション２０の先端部に装着されたスライダ２２に組み込まれて形成され、ヘッドサスペンション２０は磁気ディスク３０のディスク面に平行に揺動可能に軸２４に支持されたヘッドアーム２６の先端に支持されている。磁気ディスク３０がスピンドルモータ（不図示）により回転駆動されることにより、ヘッドサスペンション２０に支持されたスライダ２２がディスク面から浮上し、揺動モータ２８によりヘッドアーム２６が揺動駆動されることにより磁気ディスク３０に記録された情報がサーチされ、再生される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。
【図２】磁気抵抗効果ヘッドの構成を示す説明図である。
【図３】積層フェリ構造による磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。
【図４】デュアル構造による磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。
【図５】磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ディスクの平面図である。
【図６】磁気抵抗効果膜の基本構造を示す説明図である。
【図７】フェリ磁性体を使用した磁気抵抗効果膜の抵抗率-外部磁場依存性の例およびHc(pin)の定義を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１  下部磁気シールド層
２  配向制御層
３  酸化物磁性層
３ａ  第一の酸化物磁性層
３ｂ  反強磁性層
４  固定磁性層
４ａ  第一の固定磁性層
４ｂ  結合中間層
４ｃ  第二の固定磁性層
５  非磁性中間層
５ａ  第一の非磁性中間層
５ｂ  第二の非磁性中間層
６  自由磁性層
７  保護層
８  電流端子層
９  上部絶縁ギャップ層
１０  上部磁気シールド層
１１  反強磁性層
２０  ヘッドサスペンション
２２  スライダ
【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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