(57)【要約】【課題】  磁気的白色雑音を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】  磁化の向きが膜面に実質的に平行な第１磁性層９と、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な第２磁性層５と、第１および第２磁性層の間に設けられた非磁性層７とを備えている。【選択図】  図１
2006086508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが膜面に実質的に平行な第１磁性層と、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な第２磁性層と、前記第１および第２磁性層の間に設けられた第１非磁性層を有することを特徴とする共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１磁性層と、前記第１非磁性層と、前記第２磁性層とを有する積層膜が第２非磁性層を介して複数個積層されていることを特徴とする請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１磁性層の前記第１非磁性層と反対側に設けられた第１電極と、前記第２磁性層の前記第１非磁性層と反対側に設けられた第２電極とを備えていることを特徴とする請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１磁性層と前記第１電極との間に設けられた垂直磁化バイアス膜を備えていることを特徴とする請求項３記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１磁性層、第１非磁性層、および第２磁性層の側部に設けられた水平磁化バイアス膜を備えていることを特徴とする請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１磁性層、第１非磁性層、および第２磁性層の側部に設けられた垂直磁化バイアス膜を備えていることを特徴とする請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１および第２磁性層はそれぞれ単層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１磁性層の形状異方性磁場と膜面に垂直方向の結晶異方性磁場の大きさの差が５００Oe以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第２磁性層の形状異方性磁場と膜面に垂直方向の結晶異方性磁場の大きさの差が５００Oe以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１磁性層と前記第２磁性層の少なくても一方が単磁区構造であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１および第２磁性層の厚さがそれぞれ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
磁化の向きが膜面に実質的に平行な第１および第２磁性層と、前記第１および第２磁性層間に設けられ、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な第３磁性層および非磁性層が複数個積層された積層膜とを備えていることを特徴とする共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１および第２磁性層と、前記第３磁性層との少なくても一方が単磁区構造であることを特徴とする請求項１２記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１乃至第３磁性層の厚さがそれぞれ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３記載の共鳴磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記請求項１記載の共鳴磁気抵抗効果素子を再生素子として搭載していることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１６】
請求項１５記載の磁気ヘッドを備えていることを特徴とする磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は共鳴磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１００％で向上している。ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固着し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆるスピンバルブ膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗変化を検出するＣＩＰ(Current In Plane)−ＧＭＲ素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電
流を流し抵抗変化を検出するＣＰＰ(Current Perpendicular to Plane)−ＧＭＲ素子が開発されている。その磁気抵抗比（ＭＲ比）はＣＩＰ−ＧＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とも数％程度であり、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。
【０００３】
より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜からなり、強磁性層間に電圧を印加しトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。ＭＲ比は最大で５０％程度の素子が得られている。ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が大きいため、信号電圧も大きくなる。
【０００４】
しかしながら、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくならないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗値の平方根に比例して増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要がある。
【０００５】
記録密度が高密度化するほど素子サイズは記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要があるため、高密度になるほどトンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２の記録密度では１Ω・ｃｍ２以下の接合抵抗が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。トンネル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭＲ比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によってＴＭＲ素子の限界は３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２であろうと見積もられている。
【０００６】
上に述べた素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果を利用しているが、これらの素子に共通した磁気的白色雑音（ホワイトノイズ）の問題が近年急浮上している。この雑音は上に述べたショットノイズなどの電気的ノイズとは異なり、磁化の熱ゆらぎに起因して生じるため素子の微細化に伴いより支配的となり２００Ｇｂｐｓｉ〜３００Ｇｂｐｓｉ対応の素子では電気的雑音を凌駕すると考えられている。磁気的白色雑音を回避し、磁気記録の記録密度をさらに高めるためには従来の磁気抵抗効果とは異なった原理により動作する微小磁気センサが必要となるが、そのような磁気センサとして共鳴磁気抵抗効果素子の開発が進めら
れている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】R. Sato, et. al.  J. Magn. Magn. Mat. vol.279, p.36 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の共鳴磁気抵抗効果素子は、膜厚が１ｎｍ以下の非磁性層を磁化の方向が垂直である強磁性層で挟んだ構造の、磁性体として欠陥の少ない人工反強磁性体を用いることにより実効高周波磁場の強度を増大させ特性向上を図ってきた。しかし、この人工反強磁性体は、高度の成膜技術を必要とするため実用化には多くの困難を抱えている。このため、現在十分な特性が得られていない。
【０００８】
上に述べたように、高密度磁気記録において大きな問題となっている磁気的白色雑音の問題を解決するために共鳴磁気抵抗効果を用いた新しい磁気センサの開発が進められているが、現在十分な特性が得られていない。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、磁気的白色雑音を可及的に抑制することのできる共鳴磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置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】
【００１０】
本発明の第１の態様による共鳴磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが膜面に実質的に平行な第１磁性層と、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な第２磁性層と、前記第１および第２磁性層の間に設けられた第１非磁性層とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による共鳴磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが膜面に実質的に平行な第１および第２磁性層と、前記第１および第２磁性層間に設けられ、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な第３磁性層および非磁性層が複数個積層された積層膜とを備えていることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様による磁気ヘッドは、上記共鳴磁気抵抗効果素子を再生素子として搭載したことを特徴とする。
また、本発明の第４の態様による磁気記録再生装置は、上記磁気ヘッドを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、磁気的白色雑音を可及的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明の実施形態を説明する前に、磁性発信素子の一種である共鳴磁気抵抗効果素子について、説明する。共鳴磁気抵抗効果素子は軟磁性体において不可避な磁化の熱ゆらぎを積極的に利用するもので、強磁性体の磁化の熱ゆらぎによって生じる伝導電子のスピンゆらぎを磁性体に注入することを特徴とするものである。注入された伝導電子のスピンゆらぎはｓｄ交換相互作用などの相互作用を介して磁性体に実効高周波磁場として作用し、磁性体に磁気共鳴を誘起する。外部磁場が変化し強磁性体磁化のゆらぎが変化すると磁性体に誘起される磁気共鳴の強度が変化するが、この変化は磁性体の実効的電気抵抗の変化として検知される。このような原理により約１０エルステッドの外部磁場の変化に対して数１０％〜数１００％の素子抵抗変化が得られ、微小高感度磁気センサとして機能する。
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、共通の構成に同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所も含んでいるが、実際に素子等を製造する際には、以下の説明と公知の技術の参酌により適宜変更することができる。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。図１は本実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。本実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子は、基板１上に設けられ、磁気シールドを兼ねた下部電極３と、この下部電極３上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層５と、強磁性層５上に設けられた非磁性層７と、この非磁性層７上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に平行な強磁性層９と、強磁性層９上に設けられ磁気シールドを兼ねた上部電極１１とを備えている。強磁性層５、非磁性層７、および強磁性９は平面形状が同一の積層膜４となっている。強磁性層５は磁化の向きが膜面に実質的に垂直すなわち磁化容易軸が膜面に垂直な方向であり、強磁性層９は磁化の向きが膜面に実質的に平行な方向すなわち磁化容易軸が膜面に平行な方向である。なお、本実施形態においては、「実質的に垂直」とは、完全に垂直な状態から±１５度の傾斜を含んでおり、「実質的に平行」とは、完全に平行な状態から±１５度の傾斜を含んでいる。
【００１６】
下部電極３と上部電極１１は配線も兼ねているため、図１の紙面横方向に伸びており、その端部において素子に流す電流を制御する電流供給回路や読出し（センス）回路などと接続される。なお、下部電極３と上部電極１１は磁気シールドと配線も兼ねているが、磁気シールドや配線を下部電極や上部電極と別に設けることも可能である。この場合にも、磁気シールドや配線は、下部電極３、上部電極１１および強磁性層９の膜面と平行な面内（図１の断面では紙面左右方向に伸びる平面内）に形成することができる。
【００１７】
本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は、強磁性体において不可避な磁化の熱ゆらぎを積極的に利用する。つまり、強磁性層９の磁化の熱ゆらぎに起因する伝導電子のスピンゆらぎを、非磁性層７を介して強磁性層５に注入するものである。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用などを介して強磁性層５にスピントルクを及ぼすため実効高周波磁場として作用し、強磁性層５に閾値電流Ｉｔｈ以上で磁気共鳴を誘起する。外部磁場が変化して強磁性層９の磁化のゆらぎスペクトルが変化すると、強磁性層５に誘起される磁気共鳴の強度が変化するが、この強度変化は共鳴磁気抵抗効果素子の実効的電気抵抗の変化として検知される。このような原理により、数１０エルステッド（Ｏｅ）の外部磁場の変化に対して数１００％〜数１０００％の素子抵抗変化が得られる。
【００１８】
このように本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は微小高感度磁気センサとして機能する。本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は後に詳述するように強磁性層９および強磁性層５の磁化の熱ゆらぎを利用するため、素子の接合面積（強磁性層５、非磁性層７、強磁性層９間の接合面積）が減少しても、感度およびＳＮ比がほとんど低減しないという特徴を有する。よって、磁気情報再生用磁気ヘッドへ応用した場合には、記録密度が数１００Ｇｂｐｓｉから１Ｔｂｐｓｉを超える超高密度記録への対応が可能である。
【００１９】
本実施形態では、強磁性層の一例として、１Ｔｂ／ｉｎｃｈ２対応の読出用磁気ヘッドを想定して強磁性層９は平面積が約３０×３０ｎｍ２、厚さが約１ｎｍとした。なお、強磁性層５と非磁性層７も強磁性層９の平面積と同じにすることができる。つまり、本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子の接合面積は、約３０×３０ｎｍ２となる。また、本実施形態では、強磁性層５、非磁性層７および強磁性層９からなる積層膜４は底面が正方形の柱体をなすように形成されており、その四方側面は非磁性絶縁体（図示せず）で囲まれている。この積層膜４の形状は、底面が円の円柱、底面が三角形の三角柱、底面が多角形の多角柱などの他の形状に適宜変形することがきる。
【００２０】
強磁性層９の材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの合金や、Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＳｎなどのホイスラー合金や、Ｆｅ３Ｏ４、ＬａＳｒＭｎＯ３等の導電性磁性化合物を用いることができる。しかし、後に式で示すように磁化の熱ゆらぎの大きさが磁性体の体積および磁化の平方根に反比例するので磁化が１０００Ｇ以下で厚さが０．１ｎｍ以上３ｎｍ以下の強磁性体が好ましい。非磁性層７の材料としては、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の貴金属、あるいはＣｒ、Ｒｕ、Ｐｄ等の非磁性遷移金属等を用いることができる。非磁性層７の厚さは約１ｎｍから数１０ｎｍ、例えば約５ｎｍとすることができる。非磁性層７は、強磁性層９と強磁性層５との間に働く交換相互作用を遮断し、同時に強磁性層９に発生した伝導電子のスピンゆらぎを強磁性層５へ輸送する役目を担っている。
【００２１】
強磁性層５の材料として、例えば六方晶系のＣｏなどを用いることができる。Ｃｏを用いた場合、下地金属の種類や膜厚を制御することによりその垂直異方性磁場（垂直異方性定数）を変化させることができる。強磁性層９が発生する数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの磁気ゆらぎに共鳴するためには垂直異方性磁場の大きさが１ｋＯｅ以上であることが望ましい。強磁性層５の材料としてＣｏ以外では、ＣｏＣｒＴａ，ＣｏＣｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＴａＮｂなどのＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ／ＰｄなどのＣｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、さらに希土類を含むＳｍＣｏ系合金やＴｂＦｅＣｏ合金などが利用できる。また強磁性層５の厚さは後に述べる理由により０．１以上３ｎｍ以下が好ましい。
【００２２】
下部電極３および上部電極１１の材料には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ等の金属を使用する。特にＣｏを強磁性層５として用いる場合にはＲｕを用いることが好ましい。また、下部電極３および上部電極１１が磁気シールドを兼ねる場合には、上記の金属からなる膜とＮｉＦｅ等の公知のシールド材料膜とのを積層膜を形成する。なお、基板１にはシリコンやＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＣなどの非磁性絶縁体の基板など、一般に磁気素子を形成するに適した基板材料を用いる。
【００２３】
次に、強磁性層９における磁化の熱ゆらぎについて説明する。図２（ａ）は、強磁性層９の熱ゆらぎのパワースペクトルＳ<mt>を模式的に示した図である。図２（ｂ）は、強磁性層９の膜面内の磁化成分を示しており、Ｍsは強磁性層９の飽和磁化、Ｍtは強磁性層９の磁化の飽和磁化と直交する横成分である。Ｍtと飽和磁化Ｍsとの比であるｍtは強磁性層９の磁化の熱ゆらぎの角度（radian）を表している。温度Ｔ（Kelvin）における強磁性層９の磁化の熱ゆらぎは、ｍt（＝Ｍt／Ｍs）の二乗平均＜ｍt2＞のパワースペクトルＳ<mt>を用いて近似的に（１）式のように表される。
【数１】
2006086508.tif 000003
【００２４】
（１）式中、χ"FMは強磁性層９の高周波帯磁率の虚数部、ＶFMは強磁性層９の体積、αは強磁性層９のギルバートの減衰係数、γ（＝１９×１０６ｒａｄ／ｓＯｅ）はジャイロ磁気比、ｆＦＭは強磁性層９の共鳴周波数、Ｈは強磁性層９が受ける外部磁場、ＨKは強磁性層９の異方性磁場である。（１）式および図２（ａ）から、外部磁場周波数ｆが共鳴周波数ｆＦＭ近傍において、高周波帯磁率χ"FMが増大し、強磁性層９の磁化ゆらぎのパワースペクトルＳ<mt>も増大することが分かる。Ｓ<mt>のピーク周波数ｆＦＭでの値は体積ＶFMおよび飽和磁化Ｍsに反比例する。強磁性層９として体積ＶFMが約３０×３０×１ｎｍ３のパーマロイ（飽和磁化Ｍｓ＝８００Ｇａｕｓｓ）を用いた場合、共鳴周波数ｆ０＝１０ＧＨｚ、ギルバートの減衰係数α＝０．０１とすると、外部磁場の周波数ｆ＝ｆＦＭ、バンド幅Δｆにおける強磁性層９の磁化の熱ゆらぎ＜ｍt2＞1/2は（２）式のようになる。
【数２】
2006086508.tif 000004
【００２５】
ここで、バンド幅Δｆは強磁性層９の共鳴線の全半値幅であって
【数３】
2006086508.tif 000005
と表され、Δｆ＝５．６×１０８Ｈｚである。
【００２６】
このような磁化のゆらぎを持つ強磁性層９の中の伝導電子には、強磁性層９の磁化の熱ゆらぎに起因するスピンゆらぎが生じる。このスピンゆらぎを持つ伝導電子は、強磁性層９／非磁性層７／強磁性層５からなる積層膜４に流れる電流により輸送されて非磁性層７を通過して強磁性層５に注入される。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用などを介して強磁性層５に高周波トルク（実効高周波磁場）を及ぼし、強磁性層５に磁気共鳴を誘起する。スピンｓが磁性体に及ぼすトルクは（３）式で表される。
【数４】
2006086508.tif 000006
【００２７】
（３）式において太字のＭは強磁性層５の磁化ベクトルであり、Ｍハットおよびｓハットは磁化ベクトルＭおよびスピンｓ方向の単位ベクトルである。ｈ＝（ｈ１２＋ｈ２２）１／２は実効磁場の大きさである。ｈは電流密度ｊ、電流のスピン分極率ｐ、強磁性層５の厚さｄ、および磁化ベクトルの大きさである磁化Ｍに依存する。厚さｄが薄いほど、また磁化Ｍが小さいほどｈは大きくなるので厚さｄは０．１ｎｍ以上３ｎｍ以下、磁化Ｍは１０００Ｇ以下とすることが望ましい。電流のスピン分極率ｐは０．８程度であり、ｄ＝１ｎｍ、Ｍ＝１０００Ｇでは、ｊ（Ａ／ｃｍ２）の電流密度の下でｈ＝１０−４ｊ（Ｏｅ）程度である。
【００２８】
（３）式からスピンゆらぎ＜ｍｔ２＞によって生じる高周波磁場のパワースペクトルはＧ（ｆ）＝ｈ２Ｓ＜ｍｔ＞となる。
【００２９】
強磁性層５の帯磁率の虚数部は（４）式で表される。
【数５】
2006086508.tif 000007
【００３０】
（４）式においてｆ０は強磁性層５の共鳴周波数、ＨAは異方性磁場、α´は強磁性層５のギルバートの減衰定数であり、ＨＡ−４πＭ＝３５００（Ｏｅ）のＣｏを強磁性層５に用いた場合ｆ０≒１０ＧＨｚとなる。
【００３１】
通常の強磁性共鳴の場合ように磁化の向きが膜面に垂直な強磁性層５の磁化の熱ゆらぎが小さく無視できる場合には、強磁性層５および強磁性層９の共鳴周波数が等しければ上述の高周波磁場はその大きさにかかわらず強磁性層５に磁気共鳴を誘起することができる。しかしながら現在の素子では強磁性層５の熱ゆらぎは大きく、強磁性層９の熱ゆらぎと同程度である。強磁性層９および強磁性層５における磁化の熱ゆらぎには位相の相関がなく、また位相の相関時間も１／（αｆＦＭ）＝１／（α'ｆＰＦＭ）程度なので、高周波磁場が小さい場合には時間平均するとエネルギーの吸収は生じない。しかしながら電流が増加するとそれに比例して高周波磁場が増大するため、強磁性層５の磁化Ｍの運動は高周波磁場に支配されるようになり、ついには高周波磁場と同位相になりエネルギー吸収が生じる。ｈ＝ｈ０・ｊとすると、強磁性層９および強磁性層５の厚さが等しい場合、共鳴吸収が生じる閾値電流密度は（５）式で表される。
【数６】
2006086508.tif 000008
【００３２】
ｐ＝０．８、Ｍ＝１０００Ｇ、ｄ＝１ｎｍの場合ｈ０＝１．４×１０−４Ｏｅ／（Ａ／ｃｍ２）と見積もられるので、臨界電流密度ｊｔｈは、ｊｔｈ＝２．８×１０４Ａ／ｃｍ２となる。ｈ０は磁性層の膜厚に反比例するので膜厚が薄いほど低い閾値電流密度で共鳴吸収を起こすことができる。ｈ０が膜厚に依存するため閾値電流は強磁性層９および強磁性層５の厚さには依存するが、（５）式から分かるように素子面積に依存しない。
【００３３】
電流密度ｊが臨界電流密度ｊｔｈ以上では強磁性層５のゆらぎは強磁性層９のゆらぎと同位相になっているので、この高周波トルクにより強磁性層９のゆらぎはさらに増大する。すなわちｊ＞ｊｔｈでは強磁性層５の磁化と強磁性層９の磁化の運動の間に正帰還ループが形成され、ゆらぎの振幅は磁化の大きさＭとほぼ等しくなるまで増大する。
【００３４】
電流密度ｊが臨海電流密度ｊｔｈ以上での強磁性層５での共鳴吸収パワーは（６）式で評価することができる。
【数７】
2006086508.tif 000009
【００３５】
Ｍ＝１０００Ｇ、ＶＰＦＭ  ＝３０×３０×１ｎｍ３、ｈ＝１．４×１０−４×ｊ  Ｏ
ｅを代入するとｊ＝ｊｔｈ＝２．８×１０４Ａ／ｃｍ２における吸収はＷＰＦＭ＝１．１×１０−４ｅｒｇ／ｓ＝１．１×１０−１１ワットとなる。強磁性層５のゆらぎに伴う高周波トルクが強磁性層９に作用する効果を取り入れて、強磁性層９における同量の吸収を加えると素子全体の吸収ＷとしてＷ＝２．２×１０−１１ワットが得られる。素子電圧および抵抗は、素子の平面積がＡ＝３０×３０ｎｍ２であるから、Ｉ≒Ｉｔｈ＝ｊｔｈ・Ａ＝２．５×１０−７ＡにおいてそれぞれΔＶ＝Ｗ／Ｉｔｈ＝０．８８×１０−４ＶおよびΔＲ＝ΔＶ／Ｉｔｈ＝３５０Ωとなる。Ｉ＞Ｉｔｈにおいて吸収パワーはＷ＝８．８×１０−５Ｉのように電流に比例して増大するのでΔＶは一定のままである。非共鳴時の抵抗Ｒ０は界面抵抗を１．０×１０−１１Ωｃｍ２、平均的バルク抵抗を５×１０−６Ωｃｍとすると約５Ωなので、ΔＲ（Ｉｔｈ）／Ｒ０〜７０（７０００％）となる。
【００３６】
（１）式から外部磁場の変化δＨにより、微小磁性体のゆらぎのパワースペクトルのピーク周波数ｆＦＭは（７）式のように変化するが、垂直磁化膜の共鳴周波数はＨ＜＜ＨＡ＝３５００Ｏｅではほとんど変化しない。
【数８】
2006086508.tif 000010
【００３７】
すなわち素子は外部磁場を印加することにより共鳴状態から非共鳴状態へと変化し、出力電圧ΔＶは減少する。
【００３８】
本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子の特性を図３に示す。外部磁場が変化し共鳴磁気抵抗効果素子が共鳴状態から非共鳴状態に変化すると、点線で示したように閾値電流が変化し、矢印で示したように出力電圧が大きく変化する。
【００３９】
本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は磁化の熱ゆらぎを利用しているが、その特性は強磁性層９および磁化の向きが膜面に垂直な強磁性層５における熱ゆらぎの相対的大きさに依存する。このため、それぞれの膜が単磁区構造を有する限り素子サイズには依存せず機能する。しかしながら、磁性体のサイズが小さいほど単磁区構造の磁性層は得られやすいため、１μｍ２以下の素子サイズであることが望ましい。また熱ゆらぎのカットオフ周波数ｋＴ／ｈ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度、ｈ：プランク定数）が共鳴周波数に比べて十分高い温度範囲では特性の温度依存性は小さいので、一般に熱ゆらぎが小さくなる低温においても動作する。
【００４０】
次に、本実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子の電気的、磁気的ノイズについて述べる。図１に示す共鳴磁気抵抗効果素子は多数の強磁性体と非磁性体の界面を含むが、素子にかかる全電圧Ｖ0は数ｍＶ程度なので、ｅＶ0＜＜ｋＴの関係が成り立ち、電気的ノイズとしては（８）式で表される熱雑音ｖelが支配的となる。
【数９】
2006086508.tif 000011
【００４１】
ここでＢはバンド幅である。またこの素子の磁気的白色雑音は０．１μＶ以下となり無視することができる。Ｂ＝３００ＭＨｚ、Ｒ０＝５Ω、ΔＶ＝０．１ｍＶの場合、ＳＮ比（ＳＮＲ）は、ＳＮＲ＝ΔＶ／ｖelと表され、ＳＮＲ＝２０（２６ｄＢ）となる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、磁気的白色雑音を可及的に抑制することができる。
【００４３】
なお、本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドの再生素子として用いる場合は、図８に示すように、強磁性層５、非磁性層７および強磁性層９からなる積層膜４の側部に水平磁化バイアス膜２０を設けることが必要となる。
【００４４】
（第２実施形態）
第１実施形態では強磁性層９と磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層５がそれぞれ単層であって、非磁性層７を介して形成された積層膜４を１個有する共鳴磁気抵抗効果素子であった。
【００４５】
本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は、第１実施形態の積層膜４を複数個積層した構造を有している。第１実施形態の積層膜を複数個積層することにより磁化の向きが膜面に実質的に平行な強磁性層によって生じたスピンゆらぎが磁化の向きが膜面に垂直な強磁性層に順次、共鳴を誘起することにより、より大きな出力電圧ΔＶを得ることができる。図４（ａ）に示すように、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層５と、磁化の向きが膜面に実質的に平行な強磁性層９を非磁性層７を介して交互に積層することが好ましいが、図４（ｂ）に示すように磁化の向きが膜面に実質的に平行な２層の強磁性層９の間に、磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層５を非磁性層７を介して複数層積層しても出力電圧を第１実施形態に比べて大きくすることができる。
【００４６】
この実施形態も、第１実施形態と同様に磁気的白色雑音を可及的に抑制することができる。
【００４７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を図９を参照して説明する。本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子は、第１または第２実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子において、強磁性層９と上部電極１１との間に垂直磁化バイアス膜２２を設けた構成となっている。
【００４８】
第１、第２の実施形態においては、強磁性層５の面内に印加された外部磁場の変化を（７）式で示される強磁性層５の共鳴周波数の変化として検知するが、第３実施形態では強磁性層９の共鳴周波数の変化として検出する。磁化が垂直な強磁性層５の共鳴周波数の磁場変化は形状異方性磁場４πＭと膜面に垂直方向の結晶異方性磁場ＨＡとの差が小さいほど大きい。このため、本実施形態の共鳴磁気抵抗効果素子をセンサとして用いる場合は０Ｏｅ≦（ＨＡ−４πＭ ）≦５００Ｏｅであることが望ましい。また強磁性層９についても形状異方性磁場４πＭｓと膜面に垂直方向の結晶異方性磁場ＨＡ１との差を小さくすることにより、膜面に垂直方向の磁場変化を検知することができるが、高い感度を持つためには０Ｏｅ≦（４πＭｓ−ＨＡ１）≦５００Ｏｅであることが望ましい。この場合、垂直磁化バイアス膜２２からのバイアス磁場により磁性層９の磁化の方向を膜面に実質的に垂直に向けた状態でセンサとして機能させることにより、さらに高い感度が得られる。
【００４９】
なお、本実施形態においては、強磁性層９と上部電極１１との間に垂直磁化バイアス膜２２を設けたが、図１０に示すように、強磁性層５、非磁性層７および強磁性層９の積層膜４の側部に垂直磁化バイアス膜２４を設けてもよい。
【００５０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気記録再生装置について説明する。図１乃至図１０に関して説明した第１乃至第３実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を再生素子として備えた磁気ヘッドは、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。
【００５１】
図１１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、本実施形態による磁気記録再生装置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、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク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。磁気ディスク２００は、長手記録用または垂直記録用の記録層を有する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納され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、前述したいずれかの実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を再生素子として備えた磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００５２】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体走行面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【００５３】
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。
【００５４】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸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。
【００５５】
図１２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。
【００５６】
サスペンション１５４の先端には、前述したいずれかの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。再生用ヘッドを組み合わせても良い。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。
【００５７】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００５８】
（実施例１）
次に、本発明の実施例１による共鳴磁気抵抗効果素子の構成を図５に示す。図５は本実施例の構成を示す断面図である。本実施例の共鳴磁気抵抗効果素子は以下のように作製される。
【００５９】
スパッタ成膜と電子線リソグラフィーを用いてサファイア基板１上に積層膜を形成した。この積層膜は、基板１側から順に、Ｒｕからなる非磁性層３、Ｃｏからなる強磁性層５、Ｃｕからなる非磁性層７、Ｆｅからなる強磁性層９、Ｃｕからなる非磁性層１３、Ｔａからなる非磁性層１５、Ｃｕからなる非磁性層を有する。
【００６０】
各層の厚さは、Ｒｕ層３が約１００ｎｍ、Ｃｏ層５が約１ｎｍ、Ｃｕ層７が約１０ｎｍ、Ｆｅ層９が約１ｎｍ、Ｃｕ層１３が約１０ｎｍ、Ｔａ層１５が約２０ｎｍ、Ｃｕ層１１が約１００ｎｍとした。強磁性のＣｏ層５、Ｆｅ層９と非磁性のＣｕ層７、１３との各接合面積は約１００×１００ｎｍ２とし、層間絶縁膜にはＳｉＯ２を用いた。
【００６１】
Ｃｏ層５は磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層であり、磁化の向きが膜面に実質的に平行な強磁性層であるＦｅ層９の形成は、約１０００Ｏｅの磁場を膜面に平行方向に印加しながら成膜することで磁気的一軸異方性を付与した。Ｃｏ層５およびＦｅ層９の磁気特性は素子作製と同一条件で作製したＲｕ層３／Ｃｏ層５／Ｃｕ層７からなる積層膜およびＣｕ層７／Ｆｅ層９／Ｃｕ層１３からなる積層膜の磁化測定および強磁性共鳴測定により調べた。Ｃｏ層５の磁化は９２０Ｇ、膜面に垂直な異方性磁場の大きさは３５００Ｏｅであり、Ｆｅ層９の磁化は１０５０Ｇ、膜面に平行な異方性磁場の大きさは４１０Ｏｅであった。
【００６２】
Ｃｏ層５の共鳴周波数は９．８ＧＨｚであり、Ｆｅ層９は膜面内にバイアス磁場を調整することにより共鳴周波数を９．５５ＧＨｚとした。オフ時の抵抗Ｒ０は１Ω、閾値電流は１．４μＡ、共鳴電圧ΔＶは０．１２ｍＶであり、オン時の実効抵抗は（ΔＶ／Ｉｔｈ）＋Ｒ０＝８７Ωである。この実施例の共鳴磁気抵抗効果素子に２μＡの電流を流した状態で外部磁場を印加するとＦｅ層９の共鳴周波数が変化するため図６に示したようにΔＶが変化し、磁気センサとして機能することがわかった。
【００６３】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２による共鳴磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。図７は本実施例の共鳴磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。本実施例の共鳴磁気抵抗効果素子は、実施例１の強磁性層５、非磁性層７、および強磁性層９の積層構造を２周期積層した構成となっている。本実施例の共鳴磁気抵抗効果素子は以下のように作製される。
【００６４】
実施例１の場合と同様に、スパッタ成膜と電子線リソグラフィーを用いてサファイア基板１上に積層膜を形成した。この積層膜は、基板１から順にＲｕからなる非磁性層３、Ｃｏからなる強磁性層５１、Ｃｕからなる非磁性層７１、ＮｉＦｅからなる強磁性層９１、Ｃｕからなる非磁性層７、Ｃｏからなる強磁性層５２、Ｃｕからなる非磁性層７２、ＮｉＦｅからなる強磁性層９２、Ｃｕからなる非磁性層１３、Ｔａからなる非磁性層１５、およびＣｕからなる非磁性層１１を備えている。
【００６５】
各層の厚さは、Ｒｕ層３が約１００ｎｍ、Ｃｏ層５１、５２が約１ｎｍ、Ｃｕ層７１、７、７２が約５ｎｍ、ＮｉＦｅ層９１、９２が約１ｎｍ、Ｃｕ層１３が約１０ｎｍ、Ｔａ層１５が約２０ｎｍ、Ｃｕ層１１が約１００ｎｍとした。素子サイズは約１００×１００ｎｍ２とし、層間絶縁膜にはＳｉＯ２を用いた。
【００６６】
Ｃｏ層５１、５２は磁化の向きが膜面に実質的に垂直な磁性膜であり、磁化の向きが膜面に実質的に平行な磁性膜であるＮｉＦｅ層９１、９２の形成は、約１０００Ｏｅの磁場を膜面に平行に印加しながら成膜することで磁気的一軸異方性を付与した。Ｃｏ層５１、５２およびＮｉＦｅ層９１、９２の磁気特性は素子作製と同一条件で作製したＲｕ層３／Ｃｏ層５１／Ｃｕ７１層の積層膜およびＣｕ層７１／ＮｉＦｅ層９１／Ｃｕ層７の積層膜の磁化測定および強磁性共鳴測定により調べた。Ｃｏ層５１の磁化は９２０Ｇ、膜面に垂直な異方性磁場の大きさは３５００Ｏｅであり、ＮｉＦｅ層９１の磁化は８１０Ｇ、面内異方性磁場の大きさは２２０Ｏｅであった。
【００６７】
Ｃｏ層５１、５２の共鳴周波数は９．８ＧＨｚであり、ＮｉＦｅ層９１、９２は膜面内にバイアス磁場を調整することにより共鳴周波数を９．６ＧＨｚとした。オフ時の抵抗Ｒ０は１．３Ω、閾値電流は１．８μＡ、共鳴電圧ΔＶは０．２１ｍＶであり、オン時の実効抵抗は（ΔＶ／Ｉｔｈ）＋Ｒ０＝１１８Ωとなり、積層数を増すことにより共鳴電圧を大きくすることができた。
【００６８】
（実施例３）
実施例１と同様な方法で実施例１における厚さ１ｎｍのＦｅ層を厚さ１．２  ｎｍのＣｏ膜（面内磁化膜）で置き換えた以外は同様な構造の素子を作製した。磁化測定からこのＣｏ膜の形状異方性磁場４πＭｓと膜面に垂直方向の結晶異方性磁場ＨＡ１との差（４πＭｓ−ＨＡ１）は３５０Ｏｅであることが分かった。この素子に５００Ｏｅのバイアス磁場を膜面に垂直方向に印加し、厚さ１．２ｎｍのＣｏ層の磁化を膜面垂直にした状態で電流を流したところ、２μＡ以上で０．１５ｍＶの共鳴電圧が観測された。さらにバイアス磁場と逆向きに外部磁場を印加したところ３０Ｏｅの磁場印加により共鳴電圧が０．５ｍＶに減少することが観測されこの素子が膜面に垂直方向の磁場に対する磁気センサーとしても機能することが確認された。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態と実施例について説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【００７０】
また、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００７１】
以上述べたように、本実施例の共鳴磁気抵抗効果素子は、通常の成膜技術を用いて作製することができ、また素子の接合面積が減少しても感度およびＳＮ比が低減しないという特徴を有し、高密度と高い磁気抵抗変化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】強磁性体の磁化の熱ゆらぎのパワースペクトルを説明する図。
【図３】第１実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子の素子特性を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図５】本発明の実施例１による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図６】実施例１による共鳴磁気抵抗効果素子の抵抗値が外部磁場に依存することを示す図。
【図７】本発明の実施例２による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図８】第１実施形態の変形例による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図９】本発明の第３実施形態による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図１０】第３実施形態の変形例による共鳴磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図１１】磁気記録再生装置の概略構成を示す要部斜視図。
【図１２】アクチュエータアーム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。
【符号の説明】
【００７３】
１  基板
３  下部電極
５  強磁性層
７  非磁性層
９  強磁性層
１１  上部電極
【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】
2006086508.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
2006086508.tif 000019
【図９】
2006086508.tif 000020
【図１０】
2006086508.tif 000021
【図１１】
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【図１２】
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