(57)【要約】【課題】ＴＭＲ素子の熱破壊を抑制したＴＭＲ素子評価方法を提供する。【解決手段】ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価方法において，パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成工程と，ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として記録媒体に格納し，記録媒体に格納されたデジタル出力信号の離散的な信号点の間を補間処理する補間処理工程と，補間処理された補間デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル・アナログ変換工程と，アナログ出力信号をロックインアンプにより前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするサンプリング工程とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価方法において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成工程と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として記録媒体に格納し，前記記録媒体に格納されたデジタル出力信号の離散的な信号点の間を補間処理する補間処理工程と，
前記補間処理された補間デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル・アナログ変換工程と，
前記アナログ出力信号をロックインアンプにより前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするサンプリング工程とを有するＴＭＲ素子の評価方法。
【請求項２】
ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価装置において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成部と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として記録媒体に格納し，前記記録媒体に格納されたデジタル出力信号の離散的な信号点の間を補間処理する補間処理部と，
前記補間処理された補間デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル・アナログ変換部と，
前記アナログ出力信号を前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするロックインアンプとを有するＴＭＲ素子の評価装置。
【請求項３】
請求項２において，
さらに，前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として取り込むデジタルマルチメータを有し，前記デジタルマルチメータの出力を前記補間処理部の記録媒体に格納することを特徴とするＴＭＲ素子の評価装置。
【請求項４】
ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価方法において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成工程と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をロックインアンプにより前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするサンプリング工程とを有するＴＭＲ素子の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ＴＭＲ素子の評価方法及びその評価装置に関し，特に，非弾性電子トンネル分光法を利用してＴＭＲ素子を破壊することなく広い電圧範囲で素子の導電特性を調べることができる評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ（Tunneling-Magneto-Resistive）素子は，磁気ディスクなどの磁界方向を検出するヘッドのセンサ素子として用いられている。ＴＭＲ素子は，主要膜構造が強磁性層／絶縁層／強磁性層であり，磁界方向に応じて強磁性層間の抵抗が変化することを電流変化で検出する。
【０００３】
ＴＭＲ素子を利用した再生用ヘッドでは，低抵抗率で高再生出力が求められている。このうち，低抵抗率化するためには素子抵抗自体を下げる必要があるが，素子面積Ａ（μｍ2）と素子抵抗Ｒ（Ω）の積で定義される抵抗率ＲＡ（Ω μｍ2）を小さくするためには，素子面積Ａまたは素子抵抗Ｒ，あるいはその両方を小さくすることが必要である。しかし，素子面積Ａを小さくすると抵抗Ｒは逆に増大する。そこで，抵抗Ｒ自体を下げることが必要になる。また，ディスクの高密度化に伴い素子面積Ａも小さくなる傾向にあるので，抵抗Ｒを低減化することは必要性が高い。
【０００４】
ＴＭＲ素子の主要膜構造は，前述のとおり強磁性層／絶縁層／強磁性層であり，そして抵抗を下げるためには絶縁層を薄膜化しなければならない。ただし，絶縁層の薄膜化に伴い，ＴＭＲ素子に再生用の電圧を印加すると膜厚の薄い箇所に電場が集中して局所的に過電流が流れ素子破壊を招く。一般に，電圧を印加することにより素子破壊が生じる電圧値を素子の耐圧として評価している。磁気ヘッドの情報再生時にＴＭＲ素子に印加する電圧１００〜２００ｍＶの範囲で素子破壊を生じることは許されない。さらに，長寿命の観点から耐圧電圧は高いほど望ましい。
【０００５】
このように絶縁膜の膜厚にむらがあり薄い箇所が存在すると，耐圧電圧は低くなり低い電圧で素子破壊が生じる。さらに，素子破壊は，絶縁膜の物理的な膜厚以外の要因も考えられる。例えば，絶縁層界面付近に絶縁層の構成元素とは別の不純物元素が存在しこの不純物元素を取り込んで物理膜厚が一定になっている場合や，酸化膜絶縁層の界面付近に酸素欠損が存在するような場合である。このような場合にもこれらを起因とする電場集中が生じて素子破壊にいたることが考えられる。素子破壊されると，その破壊の要因を評価することができないので，非破壊で評価する方法が求められる。
【０００６】
強磁性層／絶縁層／強磁性層構造のＴＭＲ素子のトンネル伝導特性を非破壊で評価する方法として，非弾性電子散乱トンネル分光法（Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy: IETS法）が提案されている。例えば，以下の非特許文献に記載されている。
【０００７】
図１は，ＴＭＲ素子の概略構成図である。ＴＭＲ素子は，強磁性層１０と，薄い絶縁層１２と，強磁性層１４を積層した構造を有し，磁気ディスクなどの磁気媒体２０の磁化２２の方向により生じる磁界２４の方向を検出する。磁界方向の検出は，ＴＭＲ素子の強磁性層１０，１２間に電流Ｉを流し，磁界方向２４に応じて強磁性層１０，１４内の磁化方向が変化することによる電流変化を検出することで行われる。この時にＴＭＲ素子に印加される電圧が高くなると絶縁膜に印加される電界が高くなり，上記の薄膜部，不純物元素，酸素欠損などに起因して素子破壊が生じる。
【０００８】
非弾性電子散乱トンネル分光法は，ＴＭＲ素子に印加される電圧Ｖを変化させながらトンネル電流Ｉの値を測定し，素子の電流−電圧特定を調べる。印加電圧Ｖを徐々に上昇させた時，絶縁膜に不純物が存在したり界面に酸素欠損が存在すると，ある電圧でトンネル電子の非弾性散乱が生じその電圧を境にして電流が変化する。この非弾性散乱は，電圧の印加により絶縁膜をトンネルする電子が上記不純物や酸素欠損にエネルギーを与えて非弾性エネルギーだけ下がった準位にトンネルする。この非弾性散乱による電流が通常の弾性的なトンネル電流に加わると，電流の増加が生じる。
【０００９】
図２は，非弾性電子散乱トンネル分光法における測定信号を示す図である。図２（ａ）は，上記の電流−電圧特性Ｉ−Ｖを示し，素子への印加電圧Ｖを徐々に上げると，ある電圧Ｖａを境に，弾性トンネル電流３０から弾性トンネル電流に非弾性散乱トンネル電流３２が重畳した状態に変化する。この電流の変化は微少であるが，図２（ｂ）のように電流値Ｉを１階微分するとその１階微分値は電圧Ｖａでステップ状に変化し（図中３４），さらに図２（ｃ）のように電流値Ｉを２階微分するとその２階微分値は電圧Ｖａでピーク値３６を有する。
【００１０】
このピーク値３６が存在する電圧Ｖａに相当するエネルギー値から，非弾性過程を調べることができ，絶縁層やその界面に存在する非弾性散乱に寄与した不純物のフォノンやマグノンによるエネルギー（非弾性励起モードによる分布）や，バリアハイトの情報などを得ることができる。
【００１１】
図３は，前述の非特許文献に記載された非弾性電子トンネル分光法（ＩＥＴＳ）による測定装置の構成図である。この測定装置は，徐々に増加する直流バイアス電圧ＤＣに弱い交流モジュレーション電圧（周波数ｆのＡＣ電圧）を重畳した電圧ＶｉｎをＴＭＲ素子４０の両電極間に印加し，両電極間の電流−電圧特性Ｉ−Ｖを測定する。具体的には，測定装置は，印加電圧生成ユニット４２と，ＴＭＲ素子の両電極間の電流上昇に対応して生じる電圧Ｖｏｕｔを増幅する増幅器４４と，バンドエリミネーションフィルタ４６と，電圧Ｖｏｕｔの１ｆおよび２ｆ周波数成分を測定するロックインアンプ４８とで構成される。
【００１２】
サンプル素子から得られる電流−電圧特性では，電流値に微少な揺らぎが存在するので，その一次微分値や二次微分値にはそのノイズが多く存在し，非弾性過程による電流変化が生じた電圧Ｖａを求めることが難しい。そこで，図３の測定装置では，ノイズの周波数帯から外れた周波数ｆの交流信号で変調した交流変調電圧を印加電圧Ｖｉｎとして利用し，図３中に示した印加電圧Ｖｉｎに対応する測定電圧Ｖｏｕｔのサンプリング電圧ａ１，ａ２，ａ３．．．ａｎの平均値を出力５０とする。つまり，ノイズの周波数帯からはずれた周波数ｆをサンプリング周波数にすることで，測定される電圧Ｖｏｕｔからノイズ成分を除去することができる。
【非特許文献１】村井，安藤，手束，宮崎，日本応用時期学会誌，vol. 22, No. 4-2, 573(1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら，上記の非弾性電子トンネル分光法による測定装置では，サンプルのＴＭＲ素子に常時ＤＣ電圧（印加電圧ＶｉｎのＤＣ成分）を印加し続ける必要があり，その直流電流ＤＣによる熱の発生で，絶縁膜が極めて薄いＴＭＲ素子が本来の耐圧電圧より低い電圧で破壊することが見いだされた。ＩＥＴＳ特性は，ＴＭＲ素子の絶縁膜中や界面の状態をすべて調べるためには，ある程度高い印加電圧Ｖｉｎまでの二次微分値（ＩＥＴＳ特性）を取得することが望ましく，直流電流ＤＣにより発生する熱で破壊する測定方法では有効な評価をすることができない。
【００１４】
そこで，サンプル素子の本来の耐圧電圧以下での破壊を生じない非弾性電子トンネル分光法による評価方法及び評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために，本発明の第１の側面は，ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価方法において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成工程と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として記録媒体に格納し，前記記録媒体に格納されたデジタル出力信号の離散的な信号点の間を補間処理する補間処理工程と，
前記補間処理された補間デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル・アナログ変換工程と，
前記アナログ出力信号をロックインアンプにより前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするサンプリング工程とを有するＴＭＲ素子の評価方法である。
【００１６】
上記の目的を達成するために，本発明の第２の側面は，ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価装置において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成部と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をデジタル信号として記録媒体に格納し，前記記録媒体に格納されたデジタル出力信号の離散的な信号点の間を補間処理する補間処理部と，
前記補間処理された補間デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するデジタル・アナログ変換部と，
前記アナログ出力信号を前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするロックインアンプとを有するＴＭＲ素子の評価装置である。
【００１７】
上記の目的を達成するために，本発明の第３の側面は，ＴＭＲ素子に印加する電圧を変化させ前記ＴＭＲ素子に発生するトンネル電流の変化に基づいて前記ＴＭＲ素子を評価するＴＭＲ素子の評価方法において，
パルス電圧が徐々に変化するパルス信号を所定の周波数の交流信号で変調した入力電圧を，前記ＴＭＲ素子の端子間に印加する入力電圧生成工程と，
前記ＴＭＲ素子の端子間に生じる出力信号をロックインアンプにより前記周波数に対応するサンプリング点毎にサンプリングするサンプリング工程とを有するＴＭＲ素子の評価方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によればＴＭＲ素子にパルス信号を交流信号で変調した入力電圧を印加するので，ＴＭＲ素子に発生する熱が抑制され，熱による素子の破壊を抑制することができる。また，出力信号の離散的な信号点の間を補間処理するので，ロックインアンプに入力して周波数に対応するサンプリング点の信号値を抽出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００２０】
図４は，本実施の形態におけるＴＭＲ素子の評価装置の構成図である。図３の非弾性電子トンネル分光法による測定装置を改良したものである。図３と異なる構成は，入力電圧Ｖｉｎを生成する入力電圧生成部６０と，デジタルマルチメータ６２と，補間処理部６４と，デジタル・アナログ変換部６６である。ロックインアンプ４８は，図３と同じである。
【００２１】
入力電圧生成部６０は，パルスジェネレータを内蔵し，直流電圧信号に代えてパルス電圧信号を，所定の周波数ｆの交流信号ＡＣで振幅変調した変調電圧信号Ｖｉｎを生成し，サンプルであるＴＭＲ素子の端子間に印加する。
【００２２】
図５は，変調電圧信号Ｖｉｎの具体例を示す図である。入力電圧信号Ｖｉｎは，０Ｖから±１２００ｍＶまで振幅電圧が変化するパルス電圧信号を，周波数ｆ，振幅が数ｍＶ程度の交流信号で振幅変調した変調パルス電圧信号である。したがって，印加される電圧は間欠的なパルス電圧であり，その振幅電圧は周波数ｆの交流信号で振幅変調されている。このパルス電圧の振幅電圧を徐々に上昇させながらそれぞれの振幅電圧で生成した変調パルス電圧信号Ｖｉｎを，ＴＭＲ素子４０に印加する。
【００２３】
このように変調パルス電圧信号ＶｉｎをＴＭＲ素子４０に印加することで，ＴＭＲ素子に発生する熱を抑制することができ，測定中にパルス電圧が十分に高くなるまえにＴＭＲ素子が熱破壊することが抑制され，より広いパルス電圧の電圧範囲でトンネル電流の変化を測定することができる。つまり，変調パルス電圧信号Ｖｉｎによれば，ＴＭＲ素子４０に断続的に電圧が印加されるのでＴＭＲ素子に生成される熱を抑制できる。
【００２４】
この変調パルス電圧信号Ｖｉｎの印加に対して，ＴＭＲ素子４０の端子間の出力信号，つまり出力電圧Ｖｏｕｔが測定され，増幅器４４がこの出力電圧Ｖｏｕｔを増幅する。入力変調パルス電圧信号Ｖｉｎのパルス電圧を徐々に上昇すると，ＴＭＲ素子に流れる電流も徐々に上昇する。それに伴い，出力電圧Ｖｏｕｔも徐々に上昇する。そして，ある電圧に対し，ＴＭＲ素子の不純物元素や酸素欠損などに起因して非弾性散乱による非弾性トンネル電流が発生する。これが，図２に示した非弾性トンネル電流による電流値の増加（図２中３０と３２）として検出される。
【００２５】
図４に戻り，デジタルマルチメータ６２は，増幅器４４で増幅した出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル出力信号として取り込み，補間処理部６４がそのデジタル出力信号を内蔵の記録媒体に記録する。このデジタル出力信号は間欠的な信号である。そこで，補間処理部６４は，記録媒体に記録したデジタル出力信号の間欠部分を補間処理して，連続したデジタル出力信号（短い間隔のデジタル信号）を生成する。この補間処理部６４は，信号処理プログラムをインストールしたコンピュータである。
【００２６】
図６は，補間処理を示す図である。デジタルマルチメータ６２の出力は，図中Ｖｏｕｔ（６２）に示されるとおり，間欠的なデジタル出力信号である。この時間的にとびとびのデジタル出力信号を補間処理すると，図中Ｖｏｕｔ（６４）のように連続的なデジタル出力信号に変換される。
【００２７】
そして，補間処理部６４が生成した連続的なデジタル信号Ｖｏｕｔ（６４）を，デジタル・アナログ変換回路６６がアナログ信号に変換し，バンドエリミネーションフィルタ６８が，周波数ｆの以外の周波数成分を除去し，ロックインアンプ４８に入力する。
【００２８】
ロックインアンプ４８は，従来と同様に，周波数ｆ，２ｆの周波数成分の信号値（電圧値）を抽出し，その出力ａｎを出力する。出力部５０は，この周波数ｆ，２ｆのサンプリング点での複数の出力値ａｎの平均値を出力信号として出力する。ロックインアンプ４８の動作は，従来例と同じである。周波数ｆに同期した出力値ａｎは，図２のＶ−Ｉ値に対応し，周波数２ｆに同期した出力値ａｎは，図２の２階微分に対応する。
【００２９】
ロックインアンプ４８は，周波数ｆ，２ｆにロックインしてその周波数のサンプリング点での信号値を出力する。よって，間欠的なパルス上の出力信号Ｖｏｕｔ（６２）を入力すると，ロックインアンプ４８がその入力信号を処理できない。そこで，間欠的な部分を補間処理した連続する出力信号Ｖｏｕｔ（６４）を一旦生成することで，ロックインアンプ４８に入力することができる。
【実施例】
【００３０】
図７は，従来例と本実施の形態の測定結果を示す図である。図７（ａ）は図３の従来例の測定装置により得られた測定結果であり，図７（ｂ）は図４の本実施の形態の測定装置により得られた測定結果である。いずれも２階微分である。横軸が直流電圧（正と負），縦軸が２階微分した電流値である。
【００３１】
サンプルのＴＭＲ膜はＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢから構成され，抵抗率が４(Ωμm2)の４端子素子を用いた。入力電圧生成部４２は，周波数2.8ｋＨｚ、電圧２mVの交流変調電圧を生成し，直流電圧を変調して変調入力電圧信号Ｖｉｎを生成した。直流電圧は、ソースメータを用いて約１mV間隔でスイープし，正負の電圧を印加した。測定時に外部磁場500Oeを加えて絶縁層の両側の強磁性層が平行磁化状態になるようにし，測定温度２Ｋにして測定した。また，測定温度は２Ｋで行った。そして，２台のロックインアンプを用いて，出力電圧Ｖｏｕｔについてそれぞれ１ｆおよび２ｆ周波数成分を測定した。
【００３２】
図７（ａ）に示されるとおり，２次微分に相当するIETSの測定結果は，±25mV付近にマグノンによる非弾性トンネル電流が原因と思われるピーク値と，±80mV付近にはフォノンによる非弾性トンネル電流が原因と思われるピーク値とが観測されている。さらに高電圧で広い範囲のピーク値が観測された後，正バイアス電圧を460mV程度まで上げたところで素子破壊が生じている。つまり，連続するＤＣ電圧が印加されたことで素子が熱破壊し，広い電圧範囲での非弾性トンネル電流を検出することができなかった。
【００３３】
同じサンプルのＴＭＲ素子について，図４の測定装置により測定した。交流変調電圧は従来と同じ2mV、周波数ｆは2.8kHzで，測定温度，印加磁場も従来と同じ条件の2K,500Oeで行った。また，入力電圧生成部６０は，数十nsecから数μsecまで可変できるパルスジェネレータを有し，100nsecのパルス電圧を生成し，交流変調電圧で変調した変調入力パルス電圧Ｖｉｎを生成した。そして，交流変調電圧＋パルス電圧の入力信号に対応する出力信号を高速のデジタルマルチメータで測定し，一旦コンピュータにデータ蓄積した。蓄積されたデータは，時間軸に対して断続的なデータとなっているため，データ点の間を補間する処理を施して連続データに変換した。この連続データ信号をコンピュータから出力し，Ｄ／Ａコンバーターを介してアナログ信号に変換した後，バンドエリミネーションフィルタを通してロックインアンプに入力し，１ｆ，２ｆ周波数成分を測定した。Ｄ／Ａコンバータ出力後は従来と同じ評価手法である。
【００３４】
図７（ｂ）に２次微分に相当するIETSの測定結果を示す。正バイアス電圧側のみ高電圧まで上げたが，パルス電圧を1000mVまで上げても素子破壊が生じずに測定できることが確認できた。また測定結果から700mV付近に大きな広い範囲のピークが観測され，強磁性層のバンド構造あるいは状態密度を反映した情報が得られた。強磁性層の組成や膜構造などの条件を系統的に変えて測定することで低抵抗率の素子においてもバンド構造や状態密度の違いを非破壊で知ることができるようになり，ＴＭＲ膜の解析に有益な結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ＴＭＲ素子の概略構成図である。
【図２】非弾性電子散乱トンネル分光法における測定信号を示す図である。
【図３】非特許文献に記載された非弾性電子トンネル分光法（ＩＥＴＳ）による測定装置の構成図である。
【図４】本実施の形態におけるＴＭＲ素子の評価装置の構成図である。
【図５】変調電圧信号Ｖｉｎの具体例を示す図である。
【図６】補間処理を示す図である。
【図７】従来例と本実施の形態の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
６０：入力変調パルス電圧信号生成部        Ｖｉｎ：入力変調パルス電圧
４０：ＴＭＲ素子                          ６２：デジタルマルチメータ
６４：補間処理部                          ６６：デジタル・アナログコンバータ
４８：ロックインアンプ                    Ｖｏｕｔ：出力信号
【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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