(57)【要約】【課題】より高感度な感磁素子、高密度記録が可能な係る感磁素子を用いた磁気ヘッド及びその磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置を提供する。【解決手段】ＭｇＯなどよりなる単結晶基板１６と、単結晶基板１６上に形成されたＣｕ単結晶層１７と、Ｃｕ単結晶層１７のＣｕと直接結合し再配列によって生じた格子歪により規則的に分離された窒素層１８と、窒素層１８が分離されて現れたＣｕ単結晶層１７の表面に堆積したフリー層１１と、窒素層１８およびフリー層１１上に形成された絶縁層１３と、絶縁層１３上に形成されたピンド層１２などから構成する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶層と、
前記単結晶層上に形成された窒素層と、
前記単結晶層および窒素層上に亘って形成され、外部から印加される磁界に応じて方向が変化する磁化を有する第１磁性層と、方向が固定された磁化を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層とに挟まれた非磁性層と、より形成された磁気抵抗効果型接合部と、を有する感磁素子であって、
前記第１磁性層は、前記単結晶層上に窒素層を回避して自己選択的に形成されてなることを特徴とする感磁素子。
【請求項２】
前記単結晶層の表面において、窒素層が所定の平面形状に分離して形成され、該窒素層の形成されていない該表面に第１磁性層が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項３】
前記単結晶層はＣｕよりなることを特徴とする請求項１または２記載の感磁素子。
【請求項４】
前記トンネル磁気抵抗効果型接合部を少なくとも２つ有することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の感磁素子。
【請求項５】
前記第１磁性層を少なくとも２つ有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の感磁素子。
【請求項６】
請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の感磁素子を用いた磁気ヘッド。
【請求項７】
請求項６記載の磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感磁素子、その感磁素子を用いた磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関し、特に感磁素子のフリー層がストライプ状である磁気抵抗効果型の感磁素子、その感磁素子を用いた磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、記録媒体に対する高記録密度化の要求が高まり、特に磁気ハードディスク装置では、記録密度が年１００％の伸びを記録している。さらにデジタル通信・放送等の普及により、大容量記録再生装置のニーズが高まりつつある。
【０００３】
高速度の記録再生装置である磁気ハードディスク装置では、トラック記録密度を向上させるため再生感度の高いスピンバルブ型のＧＭＲヘッド（巨大磁気抵抗効果型ヘッド）が用いられている。このＧＭＲヘッドは、感度の指標である磁気抵抗変化比（ＭＲ　Ｒａｔｉｏ）が１０％程度である。
【０００４】
一方、１９９５年にトンネル抵抗効果型接合において室温でＧＭＲヘッドより大きなトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が得られることが報告されて以来（例えば非特許文献１参照。）、ＧＭＲヘッドの次世代磁気ヘッドとして注目され、ＴＭＲヘッドが盛んに研究されている。
【０００５】
ＴＭＲヘッドは、強磁性層／絶縁層／強磁性層の３層接合を基本として、電流をこの３層接合に垂直に流し両端に現れる電圧を検出する。２層の強磁性層の磁化の向きの相対的な角度によりトンネル磁気抵抗が変化する原理を利用するものである。トンネル磁気抵抗比は２０％以上を達成できると期待されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｔ．　Ｍｉｙａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ：Ｊ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｔ．，　１３９，　Ｌ２３１（１９９５）
【非特許文献２】
Ｆ．　Ｋｏｍｏｒｉ　ｅｔ　ａｌ：Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｂ，　６３，　２１４４２０（２００１）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本願発明者らは、Ｃｕなどの単結晶の清浄な基板上に、窒素イオンをスパッタ銃またはイオン銃により打ち込み、所定の温度で加熱処理することにより、Ｃｕの単結晶基板の最表面において、Ｃｕと窒素が結合・再配列して、再配列による格子歪みにより、窒素層が島状に分離され窒素層のパッチが形成されることを見出した。このパッチが規則的に形成され、パッチ間に単結晶基板の最表面が線状に現れる。ここにＣｏ等の遷移金属を蒸着すると、パッチ上には堆積せず自己選択的に単結晶基板上に成長することを見出した。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記の自己選択的結晶成長の手法を用いて、より高感度な感磁素子、高密度記録が可能な磁気ヘッド及びその磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、単結晶層と、前記単結晶層上に形成された窒素層と、前記単結晶層および窒素層上に亘って形成され、外部から印加される磁界に応じて方向が変化する磁化を有する第１磁性層と方向が固定された磁化を有する第２磁性層と前記第１磁性層と前記第２磁性層とに挟まれた非磁性層とより形成された磁気抵抗効果型接合部と、を有する感磁素子であって、前記第１磁性層は、前記単結晶層上に窒素層を回避して自己選択的に形成されてなる感磁素子が提供される。
【００１０】
前記単結晶層の表面において、窒素層が所定の平面形状に分離して形成され、該窒素層の形成されていない該表面に第１磁性層が形成される構成とする。また、この単結晶層はＣｕよりなる構成とする。
【００１１】
前記トンネル磁気抵抗効果型接合部を少なくとも２つ有する構成としてもよい。また、第１磁性層を少なくとも２つ有する構成としてもよい。
【００１２】
本発明によれば、磁気抵抗効果型接合部を構成する第１磁性層が原子配列レベルで自己選択的に規則的に高精度に形成することが可能であるので、第１磁性層と非磁性層の界面が均一となり、高感度な感磁素子を実現することが可能である。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、前記感磁素子を用いた磁気ヘッドが提供され、かかる磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置が提供される。
【００１４】
本発明によれば、前記高感度な感磁素子を用いることにより、高密度記録が可能な磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を実現することが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態の感磁素子の主要部の概要構成を示す図である。
【００１７】
図１を参照するに、本実施の形態の感磁素子１０は、磁気ディスク１５から漏洩する磁束に応じて磁化の方向が変化するフリー層１１と、磁化の方向が固定されるピンド（ｐｉｎｎｅｄ）層１２と、フリー層１１とピンド層１２との間、又は２つのフリー層１１との間に配置された絶縁層１３などにより構成されている。この感磁素子１０は、フリー層１１／絶縁層１３／ピンド層１２のトンネル磁気抵抗効果（以下ＴＭＲ効果と呼ぶ。）を示す三層接合が、フリー層１１Ａ／絶縁層１３Ａ／ピンド層１２Ａおよびフリー層１１Ｂ／絶縁層１３Ｂ／ピンド層１２Ｂの二重に形成されている。
【００１８】
フリー層１１は、厚さ数原子層〜数十原子層、トラック幅方向の幅１ｎｍ〜２ｎｍのＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの軟磁性の強磁性層から構成されている。具体的には、ＣｏＦｅ組成は、Ｃｏ１−ｘＦｅｘと表した場合、ｘ＝０〜５０原子％、ＮｉＦｅのＮｉ１−ｘＦｅｘと表した場合、ｘ＝０〜５０原子％である。フリー層１１は、磁気ディスク１５からの漏洩磁界に応じて磁化の向きが変化する。例えば、磁気ディスク１５面に垂直な方向の漏洩磁界が例えば上向きの場合はフリー層１１の磁化が上向きとなり、下向きの場合はフリー層１１の磁化が下向きとなる。ただし、フリー層１１の面内であって、上下方向から一定の角度をなす方向にバイアス磁界を印可して、フリー層１１の磁界方向を上下方向のみならず、その中間的な角度にすることも可能である。なお、このフリー層１１は、後に詳述する、本願発明の特徴の１つであるＣｕなどの単結晶層上にＣｏＦｅなどが自己選択的に結晶成長する方法により形成される。
【００１９】
ピンド層１２は、厚さ１〜１０ｎｍ、トラック幅方向の幅５〜２０ｎｍのフリー層１１と同じ材料が用いられる。ピンド層１２は、ピンド層１２に接するＩｒＭｎなどよりなる反強磁性層１９との磁化の交換相互作用により、磁化の方向が固定されている。
【００２０】
絶縁層１３は、厚さ１〜５ｎｍのＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯなどの絶縁性でかつ非磁性の材料が用いられる。絶縁層１３は、図２において示すように一部窒素層１８上に形成されるので、ＡｌＮで構成するのが好ましい。なお、絶縁層１３は、フリー層１１の表面では−Ｎ−Ｃ−Ｎ−、窒素層表面では（−Ｎ）−Ｃ−Ｎ−として、すべての最表面の原子を窒素とし、その上にＡｌＮを積層してもよい。また、ＴＭＲ効果型接合のトンネル抵抗値は、絶縁層１３の材料、厚さ、及びフリー層あるいはピンド層との界面の状態により決定される。トンネル抵抗値を低減する観点より、１ｎｍ以下の厚さが好ましく、更に均一であれば可能な限り薄いことが好ましい。不均一になるとＴＭＲ比が低下してしまう。
【００２１】
このような構成の感磁素子１０の動作を説明する。図１に示す２つのピンド層間に電圧を印可し、例えば電流を点線の矢印で示した方向に流す。フリー層１１／絶縁層１３／ピンド層１２の接合のトンネル抵抗値は、フリー層１１およびピンド層１２の磁化が平行な場合は低く、反平行の場合は高くなる。したがって感磁素子１０を流れる電流がトンネル抵抗値に応じて変化する。特に本実施の形態の感磁素子１０は、二重のＴＭＲ効果型接合を有するのでＴＭＲ比が約２倍となり、さらに印加電圧の半分の電圧がそれぞれのトンネル接合に印加されるので、印加電圧が高い場合にＴＭＲ比が減少してしまう現象を回避することができる。
【００２２】
図２は、本実施の形態の感磁素子の媒体対向面の構造を示す図である。図２を参照するに、感磁素子１０は、単結晶基板１６と、単結晶基板１６上に形成され主面を（００１）面とするＣｕ単結晶層１７と、Ｃｕ単結晶層１７の（００１）面上に形成された、Ｃｕ−Ｎの結合の再配列によって生じた格子歪により規則的に分離された窒素層１８と、窒素層１８が分離されて現れたＣｕ単結晶層１７の（００１）面に堆積したフリー層１１と、窒素層１８およびフリー層１１上に形成された絶縁層１３と、絶縁層１３上に形成されたピンド層１２などから構成されている。
【００２３】
単結晶基板１６は例えば主面を（００１）面とするＭｇＯ単結晶基板を用いる。単結晶基板１６を絶縁性の材料を用いて後述するＣｕ単結晶層１７を薄層化することにより、電流の流路を制限することができる。
【００２４】
Ｃｕ単結晶層１７は、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、蒸着法などにより単結晶基板１６上にエピタキシャル成長させ、２ｎｍ〜１０ｎｍの厚さで形成される。Ｃｕ単結晶層１７は（００１）面が主面となっている。そして、図１に示す感磁素子の上下を［１１０］の結晶方位にとる。すなわち図２では紙面に垂直方向を［１１０］の結晶方位にとる。このように設定することにより、後述する形成方法によりライン状のフリー層１１を形成することができる。なお、Ｃｕ単結晶層１７の主面は、Ｃｕの結晶構造はｆｃｃ（面心立方格子）構造であるので、（００１）面と等価の（１００）面あるいは（０１０）面であってもよい。
【００２５】
また、Ｃｕ単結晶層１７の（００１）面は、超高真空装置（ベース真空度が１×１０−１０Ｔｏｒｒ以上の高真空が可能な装置）において、例えば加速エネルギ５００ｅＶのＡｒイオンをスパッタし、表面の不純物等を物理的にたたき出して除去する。なお、かかるＡｒイオンによる最表面付近の歪を除去するために、基板温度９７０Ｋで約１５分間熱処理を行う。なお、上記スパッタと熱処理は、チャンバ内の真空度を一旦１×１０−１０Ｔｏｒｒに排気後に行う。
【００２６】
次に、窒素層１８は、Ｃｕ単結晶層１７に窒素イオンをスパッタして形成される。具体的には、基板を５４０Ｋ〜５８０Ｋの温度範囲に加熱しながら、加速エネルギ５００ｅＶ、窒素イオン数をＣｕ単結晶層１７の最表面のＣｕ原子の数が占める割合を５０％〜８０％に設定して行う。
【００２７】
図３は、窒素を照射した後のＣｕ単結晶層１７の表面の原子配列を示す図である。図３を参照するに、このような条件でスパッタすると、窒素原子３１は、最表面のＣｕ原子３２の２×２のマトリクスの中心に位置し、Ｃｕ−Ｎの結合を形成する。この結合により最表面のＣｕ原子３２ａが図３中に示す矢印の方向に変位し、格子歪が発生する。その影響で窒素層１８が形成されず、Ｃｕ単結晶層１７の（００１）面が露出してライン３３が現れる。この部分の形状は窒素をスパッタする際の基板温度に依存し、上記の５４０Ｋ〜５９０Ｋの範囲ではライン３３が形成されＣｕ単結晶層１７が現れる。この窒素層のトラック方向の幅は、約５ｎｍ、ラインの幅は約２ｎｍである。なお５９０Ｋより高い基板温度では、窒素層はほぼ正方形のパッチ状になってしまう。
【００２８】
したがって、フリー層１１はＣｕ原子の配列に沿って精度良くライン状に形成される。その結果、絶縁層１２との界面が全体に亘って均一となり、トンネル抵抗を決定づける上で重要なＴＭＲ効果型接合のバリアの高さおよび幅等を安定化することができ、さらに、フリー層の形状が制御可能であるので所望のＴＭＲ効果型接合を形成することができる。
【００２９】
図２に戻り、フリー層１１は、このライン状に窒素層が分離された部分に自己選択的に形成される。すなわち、所定の条件により蒸着すると、蒸発原子であるＣｏＦｅが窒素層上にはほとんど堆積せずＣｕが現れたライン上に堆積する。フリー層１１は、厚さ数原子層から数十原子層、トラック方向の幅は２ｎｍ〜４ｎｍに設定される。また、長さは５μｍ程度であるので、フリー層１１の形状異方性により容易軸方向は長さ方向、すなわち図１に示す磁化の方向となる。
【００３０】
所定の蒸着条件は、例えば、単結晶基板１６の温度を室温とし、アルミナ製のるつぼを用いた熱蒸着法によりフリー層１１の磁性材料を蒸着速度０．１原子層／分、蒸着時の真空度を５×１０−１０Ｔｏｒｒよりも高真空に設定する。このような条件により形成されるフリー層１１は、Ｃｕの結晶面上にエピタキシャル成長しているので、結晶性が良好である。したがって、フリー層１１の軟磁性特性を向上することが可能である。
【００３１】
窒素層１８及びフリー層１１上に絶縁層１３が形成される。絶縁層１３は、厚さ数ｎｍのＡｌＮなどより構成される。上述したように、絶縁層１３はＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどであってもＴＭＲ効果を示し、トンネル抵抗値を適切な範囲に低下することができるが、窒素層１８上に形成する点及びフリー層１１の酸化を防止する点からＡｌＮが好適である。絶縁層１３は、窒素およびアルゴンガス雰囲気でＡｌをスパッタする方法、Ａｌをスパッタ、蒸着法などにより堆積して、その後プラズマ窒化処理を行う方法を用いることができる。
【００３２】
絶縁層１３上にピンド層１２が形成される。ピンド層１２は厚さ４〜５０ｎｍ、幅４〜１００ｎｍであり、フリー層１１と同様な軟磁性材料より構成される。
【００３３】
ピンド層１２上には、ピンド層の磁化の方向を固定するための反強磁性層１９が形成される。反強磁性層１９は、ピンド層１２とほぼ同じ幅を有し、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＭｎＲｈなどの反強磁性体により構成される。反強磁性層１９の磁化の方向を決定するために、磁界中熱処理が行なわれる。反強磁性層１９上には、Ａｕ、ＡｕとＴａの積層体などから成る電極２０が設けられる。なお、反強磁性層１９と電極２０の間にバッファ層を設けてもよい。また、感磁素子１０の電極間は、シリコン酸化膜などの絶縁材により充填される。
【００３４】
このような構成の感磁素子１０に電圧を印可すると、電流は一方の電極２０Ａから反強磁性層１９Ａを通じて、一方のＴＭＲ効果型接合であるピンド層１２Ａ／絶縁層１３／フリー層１１Ａを流れ、Ｃｕ単結晶層１７を通じて他方のＴＭＲ効果型接合のフリー層１１Ｂ／絶縁層１３／ピンド層１２Ｂを流れ、反強磁性層１９Ｂ、電極２０Ｂに達する。
【００３５】
本実施の形態によれば、上述したように、Ｃｕ単結晶層１７上に、Ｃｕの２×２の原子の中心上に窒素原子を配置してＣｕ−Ｎの結合を形成し、Ｃｕ−Ｎを持つ格子面とＣｕ（００１）面の格子面とでは格子定数が異なり、その結果生じる格子歪みによって窒素層１８は分離され、Ｃｕのライン状の結晶面が現れる。このライン上に磁性材料が自己選択的に堆積する条件でフリー層１１が形成される。したがって、フリー層１１が原子配列レベルで規則的に高精度に形成されるので、フリー層１１と絶縁層１３の界面が均一となり、トンネル抵抗値を決定づける上で重要なＴＭＲ効果型接合のバリアの高さおよび幅等を安定化することができ、フリー層１１の形状が制御可能であるので所望のＴＭＲ効果型接合を形成することができる。さらに、フリー層１１はＣｕの結晶面にエピタキシャル成長しているので、結晶性が良好である。したがって、フリー層１１の軟磁性特性を向上することが可能である。よって、高感度な感磁素子を実現することが可能である。
【００３６】
図４は本実施の形態の変形例の感磁素子を示す図である。図４を参照するに、２つのピンド層２２の間に多数のフリー層２１および絶縁層２３が形成される以外は、本実施の形態の感磁素子と同様である。
【００３７】
フリー層２１は上述したように、窒素層が分離して現れたラインに形成されるので、容易に多数のフリー層２１を形成できる。さらに、それぞれのフリー層２１は原子配列のレベルで規則的に配列されるので、フリー層２１間の軟磁性特性のばらつきがなく高感度の感磁素子を実現することが可能となる。さらに、Ｃｕ単結晶層１７が薄層化されているので、Ｃｕ単結晶層１７を流れる電子はフリー層の磁化との相互作用により磁気抵抗効果が生じ、ＴＭＲ比とあわせて総合的な磁気抵抗効果比を増大することができる。
【００３８】
なお、感磁素子のＣｕ単結晶層１７の主面となる結晶面を（００１）面から他の結晶面に代えることにより、所望のフリー層の幅、間隔等を選択することができる。
【００３９】
本発明による磁気記録再生装置の一実施の形態を図５と共に説明する。図５は、磁気記録再生装置の一実施の形態の要部を示す斜視図である。
【００４０】
図５を参照するに、磁気記録再生装置１００は大略ハウジング１０１からなる。ハウジング１０１内には、磁気記録媒体１０２、ハブ１０３、複合型の磁気ヘッド１０４、サスペンション１０５、アーム１０６、アクチュエータユニット１０７、磁気記録媒体１０２の下側に図示されないモータなどが設けられている。磁気記録媒体１０２は、モータより回転されるハブ１０３に取付けられている。
【００４１】
また、記録用素子１０８及び感磁素子１０９を備えた複合型の磁気ヘッド１０４は対応するアーム１０６の先端にサスペンション１０５を介して取り付けられている。アーム１０６はアクチュエータユニット１０７により駆動され、所望のトラック位置に磁気ヘッド１０４をアクセスさせる。この磁気記録再生装置１００の基本構成自体は周知であり、その詳細な説明は本明細書では省略する。
【００４２】
磁気記録再生装置１００は、磁気ヘッド１０４の感磁素子１０９に特徴がある。磁気ヘッド１０９は、上述した実施の形態の感磁素子を備え、この感磁素子により磁気記録媒体より漏洩する磁界を検知する。
【００４３】
図６は、磁気ヘッド１０４を拡大して示す図である。磁気ヘッド１０４は、記録用素子（図示せず）と、感磁素子１０９と、これらが取り付けられるスライダ１１０と、スライダを支持するサスペンション１０５などにより構成されている。磁気ヘッド１０４は、回転する磁気ディスク１０２に対して微少量浮上し、磁気ディスク１０２に記録された情報を感磁素子１０９により再生する。
【００４４】
磁気記録再生装置１００の基本構成は、図５に示すものに限定されるものではない。また、磁気記録媒体は磁気ディスクに限定されず、磁気テープ等であってもよい。磁気ヘッドはコンピュータ磁気テープ装置に用いられる多チャンネル磁気ヘッド（Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｈｅａｄ）であってもよい。
【００４５】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４６】
例えば、実施の形態では絶縁性の単結晶基板にＣｕ単結晶層を形成しているが、絶縁性の単結晶基板の代わりにＣｕ単結晶基板を用いることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、磁気抵抗効果型接合を形成するフリー層を原子配列レベルで制御可能であるので、フリー層と絶縁層の界面が均一となり、より高感度な感磁素子、高密度記録が可能な磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の感磁素子の主要部の概要構成を示す図である。
【図２】本実施の形態の感磁素子の媒体対向面の構造を示す図である。
【図３】窒素をスパッタした後の基板表面の原子配列を示す図である。
【図４】本実施の形態の変形例の感磁素子を示す図である。
【図５】磁気記録再生装置の一実施の形態の要部を示す斜視図である。
【図６】磁気ヘッドを拡大して示す図である。
【符号の説明】
１０　　感磁素子
１１Ａ、１１Ｂ、２１　　フリー層
１２Ａ、１２Ｂ、２２　　ピンド層
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、２３　　絶縁層
１５　　磁気ディスク
１６　　単結晶基板
１７　　Ｃｕ単結晶層
１８　　窒素層
１９　　反強磁性層
２０　　電極
【図１】
2004103662.tif 000003
【図２】
2004103662.tif 000004
【図３】
2004103662.tif 000005
【図４】
2004103662.tif 000006
【図５】
2004103662.tif 000007
【図６】
2004103662.tif 000008