(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子に設けられるピン層の磁化方向をより確実に固定することができる磁気抵抗効果素子の磁性薄膜構造を提供する。【解決手段】下部シールド層１０と上部シールド層１９との間に、ピン層１４ａ、１４ｂとフリー層１７とを備える磁気抵抗効果膜が配された磁気抵抗効果素子であって、前記ピン層１４ａの下層に、界面にMn層２２を挟んで、Mｎ系反強磁性材からなる反強磁性層１３が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性層と強磁性層とを積層して構成された磁性薄膜であって、
前記反強磁性層が、Mｎ系反強磁性材からなり、
前記反強磁性層と前記強磁性層とに挟まれてMｎ層が設けられていることを特徴とする磁性薄膜。
【請求項２】
前記反強磁性層がIrMnからなり、
前記強磁性層がCoFeからなることを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜。
【請求項３】
下部シールド層と上部シールド層との間に、ピン層とフリー層とを備える磁気抵抗効果膜が配された磁気抵抗効果素子であって、
前記ピン層の下層に、界面にMn層を挟んで、Mｎ系反強磁性材からなる反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記ピン層は、反強磁性結合層を介して積層された第1ピン層と、第２ピン層とからなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層に中間層を介してフリー層が設けられていることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層にトンネルバリア層を介して前記フリー層が設けられていることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
リードヘッドとライトヘッドとを備えた磁気ヘッドであって、
前記リードヘッドは、下部シールド層と上部シールド層との間に、ピン層とフリー層とを備える磁気抵抗効果膜が配された磁気抵抗効果素子を備え、
該磁気抵抗効果素子は、前記ピン層の下層に、界面にMn層を挟んで、Mｎ系反強磁性材からなる反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
前記ピン層は、反強磁性結合層を介して積層された第1ピン層と、第２ピン層とからなることを特徴とする請求項７記載の磁気ヘッド。
【請求項９】
前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層に中間層を介してフリー層が設けられていることを特徴とする請求項７記載の磁気ヘッド。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層にトンネルバリア層を介して前記フリー層が設けられていることを特徴とする請求項７記載の磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反強磁性層と強磁性層とを積層した磁性薄膜およびこの磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に関し、より詳細には強磁性層の磁化方向を強く固定する作用を備えた磁性薄膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッドは、記録媒体に情報を記録するライトヘッドと、記録媒体に記録されている情報を読み取るリードヘッドとを備える。リードヘッドには、記録媒体に記録された磁化信号に応答して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が用いられる。
この磁気抵抗効果素子は、磁化固定層（ピン層）と、媒体からの磁界によって磁化方向が変化する自由磁性層（フリー層）とを備え、媒体からの磁化信号によってフリー層の磁化方向が変化し、ピン層の磁化方向との相対角度が変化することによる抵抗変化を読み取ることによって記録信号を読み出す。このような作用をなす磁気抵抗効果素子は、一般にスピンバルブ素子と呼ばれている。
【０００３】
スピンバルブ素子には、CIP(Current In Plane)型のGMR（Giant Magneto Resistance)素子と、CPP（Currnt Perpendicular to Plane)型のTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子がある。
これらの素子は磁性膜や非磁性膜等を積層して形成され、種々の膜構成が採用されている。図６は、磁気抵抗効果膜の基本的な膜構成を示す。
図６（ａ）は、CIP型のGMR素子の膜構成を示したもので、下層側から順に、下部シールド層１０、絶縁層１１、下地層１２、反強磁性層１３、第１ピン層１４ａ、反強磁性結合層１５、第２ピン層１４ｂ、中間層１６、フリー層１７、キャップ層１８、上部シールド層１９からなる。
また、図６（ｂ）は、CPP型のTMR素子の膜構成を示したもので、下部シールド層１０、下地層１２、反強磁性層１３、第１ピン層１４ａ、反強磁性結合層１５、第２ピン層１４ｂ、トンネルバリア層２０、フリー層１７、キャップ層１８、上部シールド層１９からなる。
【０００４】
反強磁性層１３は、交換結合作用により第１ピン層１４ａの磁化方向を固定する作用をなす。反強磁性結合層１５は第１ピン層１４ａと第２ピン層１４ｂとの間の反強磁性結合作用によって、第２ピン層１４ｂの磁化方向をより強く固定する作用をなす。第２ピン層１４ｂの磁化方向は第１ピン層１４ａの磁化方向と逆向きとなる。
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、GMR素子では第２ピン層１４ｂとフリー層１７とは非磁性からなる中間層（非磁性層）１６を介して積層され、TMR素子では第２ピン層１４ｂとフリー層１７とはトンネルバリア層２０を介して積層される。
【０００５】
磁気抵抗効果膜では、ピン層とフリー層の磁化の方向の相対角度が変化することによって抵抗値が変化することを検知するから、ピン層についてはその磁化方向が完全に固定されていることが望まれる。上述したように、反強磁性層１３を設けたり、反強磁性結合層１５を介して第１ピン層１４ａと第２ピン層１４ｂを積層する構造としているのは、ピン層の磁化方向をより確実に固定するためである。
【０００６】
しかしながら、記録媒体の高密度化とともに磁気抵抗効果型再生ヘッド（リードヘッド）のサイズが微細化し、リード素子が微細化することによりリード素子に対する反磁界の影響によって、ピン層の磁化方向が所望の磁化方向に対して傾いてしまうという問題が生じる。反磁界は磁化を打ち消すように作用するもので、リード素子が微細になるにしたがって、より強くあらわれる。
このように反磁界の影響によってピン層の磁化の向きが揺らいだりすると、リードヘッドの出力が非対称になったり、ピン反転を惹き起こしたりする。このため、リードヘッドが微細化した場合でもピン層の磁化方向が傾いたりしないように、ピン層の磁化方向をより強く固定することが求められている。
【０００７】
非特許文献１は、反強磁性膜と強磁性膜との積層膜の一方向異方性を増大させる方法として、熱処理時間を１００時間程度まで長くする方法を提案している。
【非特許文献１】Applied Physics Letters  vol.84,No.25,5222(2004)
【特許文献１】特開２００２−１２３９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１は、反強磁性膜と強磁性膜との積層膜を１００時間程度の熱処理することによって、反強磁性膜と強磁性膜の積層膜について一方向異方性を増大させることを可能にする方法に関するものであるが、この方法では熱処理時間が長時間にわたるため、量産品の製造方法として利用するには適さない。
本発明は、磁気抵抗効果素子に形成されるピン層のように、強磁性層の磁化方向をより確実に固定することができる磁性薄膜の構造として提案するものであり、この磁性薄膜の構成を備えた磁気抵抗効果素子および磁気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】
【０００９】
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、反強磁性層と強磁性層とを積層して構成された磁性薄膜であって、前記反強磁性層が、Mｎ系反強磁性材からなり、前記反強磁性層と前記強磁性層とに挟まれてMｎ層が設けられていることを特徴とする。
なお、Mn系反強磁性材とは、IrMn、PtMn、PdPtMn、PdMn等のMnを含む反強磁性材料の意味である。
前記磁性薄膜としては、前記反強磁性層がIrMnからなり、前記強磁性層がCoFeからなるものが好適に用いられる。
【００１０】
また、下部シールド層と上部シールド層との間に、ピン層とフリー層とを備える磁気抵抗効果膜が配された磁気抵抗効果素子であって、前記ピン層の下層に、界面にMn層を挟んで、Mｎ系反強磁性材からなる反強磁性層が設けられていることを特徴とする。
前記ピン層は、反強磁性結合層を介して積層された第1ピン層と、第２ピン層とからなるものが好適に用いられ、前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層に中間層を介してフリー層が設けられたGMR型の磁気抵抗効果素子、または、前記磁気抵抗効果膜は、前記ピン層にトンネルバリア層を介して前記フリー層が設けられたTMR型の磁気抵抗効果素子として有効に利用される。
【００１１】
また、リードヘッドとライトヘッドとを備えた磁気ヘッドであって、前記リードヘッドは、下部シールド層と上部シールド層との間に、ピン層とフリー層とを備える磁気抵抗効果膜が配された磁気抵抗効果素子を備え、該磁気抵抗効果素子は、前記ピン層の下層に、界面にMn層を挟んで、Mｎ系反強磁性材からなる反強磁性層が設けられていることを特徴とする。
また、前記ピン層は、反強磁性結合層を介して積層された第1ピン層と、第２ピン層とからなるものが好適に用いられ、前記磁気抵抗効果膜が、前記ピン層に中間層を介してフリー層が設けられたGMR素子として、また、前記磁気抵抗効果膜が、前記ピン層にトンネルバリア層を介して前記フリー層が設けられたTMR素子として好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る磁性薄膜は、反強磁性層と強磁性層との間に配したMn層の作用によって、強磁性層の磁化方向を固定する作用を増強することができ、磁気抵抗効果素子あるいはメモリ素子として好適に利用することができる。
また、本発明に係る磁性薄膜の構成を備えた磁気抵抗効果素子によれば、ピン層の磁化方向が確実に固定されることにより、磁気抵抗効果素子の出力特性を改善することができ、磁気ヘッドが微細化した場合でも、ピン層の磁化方向を固定して磁気ヘッドの特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（磁気抵抗効果素子の構成）
図１は、本発明に係る磁性薄膜の構成を備える磁気抵抗効果素子の構成を示す。図１（ａ）は、本発明に係る磁性薄膜の構成をCIP型のGMR素子に適用した例、図１（ｂ）は、CPP型のTMR素子に適用した例である。
図１（ａ）、（ｂ）における磁気抵抗効果素子の構成において特徴的な構成は、図６に示す従来の磁気抵抗効果素子の構成に対して、反強磁性層１３としてMn系反強磁性材料を使用し、反強磁性層１３と第１ピン層１４ａとの界面にMn層２２を挿入した構成とされている点である。反強磁性体としては、従来からMn系材料が広く使用されている。反強磁性層１３に用いられるMn系の反強磁性材としては、IrMn、PtMn、PdPtMn、PdMn等があげられる。
【００１４】
磁気抵抗効果素子の膜構成としては、種々の構成を採用することができる。以下に、図１（ａ）、（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子の膜構成の一例を示す。
図１（ａ）に示すGMR素子では、下部シールド層１０として軟磁性材であるNiFeが用いられ、絶縁層１１としてアルミナが用いられる。下地層１２はMn系反強磁性材からなる反強磁性層１３の下地層となるもので、Ta/Ruの２層膜が用いられる。
第１ピン層１４ａおよび第２ピン層１４ｂには、CoFeあるいはCoFeBといった強磁性材が用いられる。反強磁性結合層１５にはRuが用いられる。
第２ピン層１４ｂとフリー層１７との中間層１６としては銅層が用いられる。フリー層１７には、CoFe/NiFeの２層膜が用いられる。キャップ層１８は保護層として設けられるもので、Ta/Ruの２層膜が用いられる。上部シールド層１９には下部シールド層１０と同様にNiFe等の軟磁性材が用いられる。
【００１５】
図１（ｂ）に示すTMR素子では、中間層１６のかわりにトンネルバリア層２０が設けられる。トンネルバリア層２０にはアルミナ、MgOが用いられる。トンネルバリア層２０はトンネル効果によってセンス電流を通流させるものできわめて薄厚に形成される。
【００１６】
図２は、Mn系反強磁性層とMn層と強磁性層とを備える積層膜について、一方向異方性定数Jk(Jk=Ms×d×Hex Ms:飽和磁化、d:膜厚、Hex:シフト磁界）を測定した結果を示す。この測定に使用したサンプルは、図３に示すように、下部シールド層１０、下地層１２、反強磁性層１３、Mn層２２、強磁性層１４、上部シールド層１９からなるものである。下部シールド層１０および上部シールド層１９はNiFeをスパッタリングして形成した。
反強磁性層１３はIrMnによって形成し、スパッタリングによりIrMnを１０ｎｍの厚さに成膜した。下地層１２は、Ta/Ruの２層膜からなる。
強磁性層１４は、磁気抵抗効果素子におけるピン層に相当する。実験では、CoFeを４ｎｍの厚さにスパッタリングにより成膜して強磁性層１４とした。
【００１７】
実験は、上記の膜構成を備える積層膜について、Mn層２２の厚さを変えたサンプルを用意して、各々のサンプルについて一方向異方性定数Jkを求めた。
なお、一方向異方性定数Jkの定義式中の膜厚ｄは強磁性層１４の膜厚である。また、飽和磁化Msとシフト磁界Hexを図４に示す。図４は、サンプルに外部磁場を作用させたときの磁化曲線を概念的に示したもので、図のように飽和磁化Msとシフト磁界Hexが規定される。一方向異方性定数Jkの定義式より、飽和磁化Msが大きく、シフト磁界Hexが大きいほど一方向異方性定数Jkが大きくなり、強磁性層の磁化方向がより強く固定されることになる。
【００１８】
図２は、Mn層２２の厚さを変えたサンプルについて、一方向異方性定数Jkを測定した結果を示す。Mn膜厚が０ｎｍとは、Mn層２２を設けていないサンプルである。図２に示すように、測定結果は、サンプルの一方向異方性定数Jｋが、Mn層２２の厚さによって、０．４５〜０．８２（erg/cm2)の範囲で変動し、Mn層２２を設けないサンプルと比較して、Mn層２２を設けたサンプルでは一方向異方性定数Jkが増大することを示している。グラフから、Mn層２２の厚さが０．５ｎｍ程度としたときに一方向異方性定数Jkが最大になることがわかる。
【００１９】
なお、上記測定で使用したサンプルは、図３に示す各層を成膜して積層した後、アニール処理を、２８０℃、１時間行ったものである。
この実験結果は、反強磁性層１３と強磁性層１４との界面にMn層２２を挿入する構成とすることによって、強磁性層１４の一方向異方性定数Jkを効果的に増大させることができることを示している。反強磁性層１３と強磁性層１４との界面にMn層２２を設けた場合の一方向異方性定数Jｋの値は、Mn層２２を設けない場合の２倍弱であるが、この程度の改善であっても、強磁性層１４の磁化方向を固定する方法として有力な効果が期待できる。また、実験で使用したサンプルは、成膜後のアニール処理を１時間で行ったものであり、アニール処理時間も短時間で済ませられることから、生産性を損なわないという利点もある。
【００２０】
上記の積層膜の構成によって強磁性層１４の磁化方向がより強く固定される（一方向異方性定数Jkが大きくなる）理由は、Mn層２２を設けることによって、反強磁性層１３と強磁性層１４の界面近傍において、反強磁性層１３におけるスピン構造が変化し、反強磁性層１３と強磁性層１４との間の交換結合作用が強められたためと考えられる。このMn層２２による作用は、反強磁性層１３を構成する反強磁性材料の種類によらずに作用するものと考えられ、実験で使用したIrMn以外に、PtMn、PdPtMn、PdMn等のMn系の反強磁性材については同様に得られるものと考えられる。なお、IrMn、PtMn、PdPtMn、PdMnは、Mnを添加することによって反強磁性材になるものである。
【００２１】
図３に示すサンプルの構成は、下部シールド層１０と上部シールド層１９との間に、反強磁性層１３とMｎ層２２と強磁性層１４を設けたものであり、この積層膜の構成は、図１に示す磁気抵抗効果素子の膜構成としてそのまま適用することができる。すなわち、図１に示す磁気抵抗効果素子は、反強磁性層１３と、強磁性層である第１ピン層１４ａとの界面にMn層２２を設けたことにより、第１ピン層１４ａの磁化方向を強く固定することができ、反強磁性結合層１５を介して第２ピン層１４ｂの磁化方向を強く固定することができる。
【００２２】
なお、上記磁性薄膜の構成は、上述したように強磁性層を第１ピン層１４ａと第２ピン層１４ｂとの２層構造とする場合の他に、ピン層を単一層として形成した磁気抵抗効果素子に利用することも可能である。また、上記積層膜の構成は、ピン層の磁化方向を強く固定する作用を有するものであり、CIP型の磁気抵抗効果素子およびCCP型の磁気抵抗効果素子の双方に適用することができる。
【００２３】
また、上記磁性薄膜の構成は、磁気ヘッドの磁気抵抗効果素子に利用するほかに、TMR素子を利用したメモリ素子であるMRAMにも利用することができる。MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)は、絶縁層を挟む配置にピン層とフリー層を設けたもので、外部から作用させた磁界によってフリー層の磁化の向きが変化した状態をメモリとして記憶するものである。この場合も、ピン層側を上記磁性薄膜の構成とすることで、ピン層の磁化方向を固定することができ、メモリ素子の特性を向上させることができる。
【００２４】
（磁気ヘッド）
前述した磁性薄膜を備える磁気抵抗効果素子は磁気ヘッドのリードヘッドに組み込むことによって高品質の磁気ヘッドとして提供される。
図５に上記磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの構成例を示す。磁気ヘッド５０は、リードヘッド３０とライトヘッド４０とから構成され、リードヘッド３０は前述した下部シールド層１０と上部シールド層１９との間に磁気抵抗効果膜（反強磁性層１３、第１ピン層１４ａ、第２ピン層１４ｂおよびフリー層１７等の各層）からなるリード素子２４が形成されている。
ライトヘッド４０にはライトギャップ４１を挟む配置に下部磁極４２と上部磁極４３とが設けられ、書き込み用のコイル４４が設けられる。
【００２５】
この磁気ヘッド５０は、磁気記録媒体との間で情報を記録し、情報を再生するヘッドスライダーに組み込まれる。ヘッドスライダーは磁気ディスク装置のヘッドサスペンションに搭載され、磁気記録ディスクが回転駆動されることにより、ヘッドスライダーがディスク面から浮上し、磁気記録ディスクとの間で情報を記録し、情報を再生する操作がなされる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す説明図である。
【図２】Mn層の膜厚に対する一方向異方性定数を測定した結果を示すグラフである。
【図３】一方向異方性定数の測定に使用したサンプルの膜構成を示す説明図である。
【図４】飽和磁化Msとシフト磁界Hexを示す説明図である。
【図５】本発明に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドの構成を示す断面図である。
【図６】従来のCIP型およびCPP型磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  下部シールド層
１１  絶縁層
１２  下地層
１３  反強磁性層
１４  強磁性層
１４ａ  第１ピン層
１４ｂ  第２ピン層
１５  反強磁性結合層
１６  中間層
１７  フリー層
１８  キャップ層
１９  上部シールド層
２０  トンネルバリア層
２２  Mn層
２４  リード素子
３０  リードヘッド
４０  ライトヘッド
５０  磁気ヘッド
【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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