(57)【要約】【課題】磁性体同士のナノコンタクト構造を持つ垂直通電型スピンバルブ膜を含み、高ＭＲを実現できる磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在した、絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極と具備し、前記磁化固着層を構成し前記複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。【選択図】図１
2007273561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在した、絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極と具備し、前記磁化固着層を構成し前記複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁化固着層が複数層の磁性層の積層体であり、前記複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記複合スペーサー層の絶縁部は、酸素、窒素および炭素からなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記複合スペーサー層の磁性金属部は、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを具備したことを特徴とする磁気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気記録媒体に記録された情報を読み出すには、異方性磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子（Magnetoresistive effect element）を含む磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が用いられてきた。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなったため、小さい相対速度であっても大きな出力が取り出せる高感度ＭＲヘッドへの期待が高まった。この期待に対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の多層膜で、大きな磁気抵抗効果を実現できることが見出された。すなわち、非磁性層（「スペーサー層」あるいは「中間層」などと称する）を挟んだ２層の強磁性層の一方（「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称する）に反強磁性層からの交換バイアス磁場を印加して磁化を固定し、他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」などと称する）を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる。この多層膜では、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は「スピンバルブ（spin valve）」と呼ばれている。
【０００４】
スピンバルブは低磁場で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されている。しかし、その磁気抵抗変化率は最大でも約２０％までであり、更に高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子が必要となってきている。
【０００５】
スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子においては、センス電流を素子膜面に対して平行に流すＣＩＰ（Current-in-Plane）型の構造と、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型の構造とがある。前記した最大２０％の磁気抵抗変化率という値はＣＩＰ型の場合である。ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子は、ＣＩＰ型の素子の１０倍程度の磁気抵抗変化率を示すとの報告があり（非特許文献１参照）、磁気抵抗変化率１００％の達成も不可能ではない。
【０００６】
しかし、スピンバルブ構造の場合、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、ＣＰＰ型の素子に垂直通電した場合の抵抗自体が小さくなり、出力絶対値も小さくなってしまう。具体的には、ＣＩＰ型素子と同じ膜構造のスピンバルブに垂直通電すると、ピン層およびフリー層の厚さが５ｎｍの場合、１μｍ2当たりの出力絶対値ＡΔＲは、約０．５ｍΩμｍ2と小さい。つまり、スピンバルブ膜を用いたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を実用化するためには出力増大が重要であり、そのためには磁気抵抗効果素子のうちでスピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げて抵抗変化量を大きくすることが極めて重要である。
【０００７】
一方、近年、Ｎｉ線のナノサイズの接合で３００％の磁気抵抗効果が観測されている（非特許文献２参照）。強磁性同士のナノコンタクトをデバイスに応用するためには、２次元的に面内でナノコンタクトを実現するか、３次元的に垂直方向にナノコンタクトを作製することになる（特許文献１）。面内でナノコンタクトを実現する手段としては、リソグラフィなどの加工技術を用いることで検討できるが、その加工サイズは最も小さい時で数ｎｍ前後であり、原子レベルの接合で起こる物理現象を引き出すには限界がある。一方、特許文献１では３次元方向のナノコンタクトの作製法、つまり穴あけ法としてＥＢ照射プロセス、ＦＩＢプロセス、ＡＦＭ技術などの物理的に穴を開ける方法が紹介されている。本特許ではナノコンタクトの作製法としては材料の拡散、成膜時のミキシング、合金化、分離などの自己組織化的な化学反応を用いて作製している。そのため積層構造の垂直通電型スピンバルブ膜では、各層の材料の結晶構造、格子定数などの格子マッチング膜の結晶成長およびメタル形成パスプロセスに大きな影響を与える。磁性体同士のナノコンタクトで発現されるＭＲはコンタクト部の磁壁幅が狭いほど高いＭＲ効果が得られる。磁壁幅を狭くするにはメタルパス径を小さくする必要がある。しかし、高ＭＲを得るための複合スペーサーと複合スペーサー層の下地層となる層の結晶構造とＭＲ特性の関係については明確になっておらず、さらにこれを明確にすることでＭＲ特性を改善できる余地がある。
【非特許文献１】J. Phys. Condens. Matter., vol.11, p5717 (1999)
【非特許文献２】Phys. Rev. Lett., 82, 2923 (1999)
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、磁性体同士のナノコンタクト構造を持つ垂直通電型スピンバルブ膜を含み、高ＭＲを実現できる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在した、絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極と具備し、前記磁化固着層を構成し前記複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の実施形態に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする。本発明のさらに他の実施形態に係る磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁化固着層を構成し複合スペーサー層に接する磁性層としてｂｃｃ構造を有する磁性層を用いたことにより、高ＭＲを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、垂直通電型のものであり、磁化固着層と磁化自由層との間に絶縁部と磁性金属部とからなる複合スペーサー層を挟んだ構造を有し、磁化固着層を構成し複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有する。磁化固着層は複数層の磁性層の積層体であり、前記複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有するものであってもよい。
【００１３】
複合スペーサー層の絶縁部は、酸素、窒素および炭素からなる群より選択される少なくとも１種を含む。すなわち、複合スペーサー層の絶縁部は、酸化物でも窒化物でも炭化物でもよい。
【００１４】
複合スペーサー層の磁性金属部は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種を含み、室温で強磁性を示す。
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、実施例１に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子は、下電極（ＬＥ）１と、上電極（ＵＥ）８との間に積層膜が設けられた構造を有する。これらの下電極（ＬＥ）１および上電極（ＵＥ）８を介して積層膜の膜厚方向に対してほぼ垂直方向にセンス電流が通電され、ＣＰＰ型のＧＭＲが実現されている。
【００１７】
図１において、下電極（ＬＥ）１と上電極（ＵＥ）８との間の積層膜は、下地層２、反強磁性層３、ピン層（磁化固着層）４、複合スペーサー層５、フリー層（磁化自由層）６、保護層７を含む。ピン層４および／またはフリー層６は積層構造になっていてもよい。
【００１８】
図１におけるピン層４は、磁化反平行結合層４ｂの両側に下部ピン層４ａおよび上部ピン層４ｃを設けた構造を有し、上部ピン層４ｃがｂｃｃ構造を有する磁性層からなっている。複合スペーサー層５は、絶縁部５ａと磁性金属部５ｂとを含む。
【００１９】
図１の磁気抵抗効果素子は以下のようにして作製された。下電極１上に、下地層２としてＴａ［５ｎｍ］／（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40［７ｎｍ］、反強磁性層３としてＰｔ49Ｍｎ51［１５ｎｍ］、下部ピン層４ａとしてＣｏ9Ｆｅ1［３．６ｎｍ］、磁化反平行結合層４ｂとしてＲｕ［０．９ｎｍ］、上部ピン層４ｃとしてＣｏ5Ｆｅ5［２．５ｎｍ］を堆積した。上部ピン層４ｃのＣｏ5Ｆｅ5はｂｃｃ構造を有する。複合スペーサー層５は、Ａｌ［１ｎｍ］を堆積し、Ａｒイオンビームを照射して上部ピン層４ｃの構成元素をＡｌ中に吸い上げ、さらにＡｒイオンビームの存在下で酸素ガスを用いてＡｌを選択的に酸化してＡｌ−Ｏに変換することにより形成した。絶縁部５ａはＡｌ−Ｏを主成分とし、磁性金属部５ｂはＣｏＦｅを主成分とする。複合スペーサー層５上に、フリー層６としてＣｏ5Ｆｅ5［２．５ｎｍ］、保護層７としてＣｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を積層した。保護層７上に上電極（ＵＥ）８を形成した。
【００２０】
比較例１
上部ピン層４ｃとしてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］、フリー層６としてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］を用いた以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。上部ピン層４ｃのＣｏ9Ｆｅ1はｆｃｃ構造を有する。
【００２１】
比較例２
上部ピン層４ｃとしてＣｏ［２．５ｎｍ］、フリー層６としてＣｏ［２．５ｎｍ］を用い、下部ピン層４ａとしてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］を用いた以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。上部ピン層４ｃのＣｏはｆｃｃ構造を有する。
【００２２】
（実施例２）
図２は、実施例２に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子は、上部ピン層が磁性層４ｃと磁性層４ｄの積層構造となっている以外は、図１と同様の構造を有する。複合スペーサー層５と接する磁性層４ｄはｂｃｃ構造を有する。
【００２３】
図２の磁気抵抗効果素子は以下のようにして作製された。下電極１上に、下地層２としてＴａ［５ｎｍ］／（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40［７ｎｍ］、反強磁性層３としてＰｔＭｎ［１５ｎｍ］、下部ピン層４ａとしてＣｏ9Ｆｅ1［３．６ｎｍ］、磁化反平行結合層４ｂとしてＲｕ［０．９ｎｍ］、上部ピン層の磁性層４ｃ、４ｄとしてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］およびＦｅ［１ｎｍ］を堆積した。磁性層４ｃのＣｏ9Ｆｅ1はｆｃｃ構造、磁性層４ｄのＦｅはｂｃｃ構造を有する。複合スペーサー層５は、Ａｌ［１ｎｍ］を堆積し、Ａｒイオンビームを照射して磁性層４ｄの構成元素であるＦｅをＡｌ中に吸い上げ、さらにＡｒイオンビームの存在下で酸素ガスを用いてＡｌを選択的に酸化してＡｌ−Ｏに変換することにより形成した。絶縁部５ａはＡｌ−Ｏを主成分とし、磁性金属部５ｂはＦｅを主成分とする。複合スペーサー層５上に、フリー層６としてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］、保護層７としてＣｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を積層した。保護層７上に上電極（ＵＥ）８を形成した。
【００２４】
比較例３
上部ピン層をＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］およびＮｉ［１ｎｍ］の積層体とし、フリー層をＮｉ［１ｎｍ］およびＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］の積層体とし、下部ピン層４ａとしてＣｏ9Ｆｅ1［２．５ｎｍ］を用いた以外は実施例２と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。上部ピン層およびフリー層のＮｉはｆｃｃ構造を有する。
【００２５】
図３に、実施例１、２および比較例１、２、３の磁気抵抗効果素子について、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す。
【００２６】
図３からわかるように、磁化固着層を構成する磁性層のうち複合スペーサー層に接する磁性層がｂｃｃ構造を有する実施例１、２の磁気抵抗効果素子は、高いＭＲ比（楕円で囲った領域）を示すことがわかる。
【００２７】
（実施例３）
下電極上に、下地層としてＴａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］、反強磁性層Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］、下部ピン層としてＣｏＦｅ［３ｎｍ］、磁化反平行結合層としてＲｕ［０．９ｎｍ］、上部ピン層としてＣｏＦｅ［１．７ｎｍ］／Ｆｅ［１ｎｍ］を堆積した。Ｆｅはｂｃｃ構造を有する。複合スペーサー層は、Ａｌ［１ｎｍ］を堆積し、Ａｒイオンビームを照射して上部ピン層のうちＦｅ層のＦｅをＡｌ中に吸い上げ、さらにＡｒイオンビームの存在下で酸素ガスを用いてＡｌを選択的に酸化してＡｌ−Ｏに変換することにより形成した。絶縁部はＡｌ−Ｏを主成分とし、磁性金属部はＦｅを主成分とする。複合スペーサー層上に、フリー層としてＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［２ｎｍ］、保護層としてＣｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を積層した。保護層上に上電極を形成した。この磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定したところ、２００％という大きな値を示した。ＲＡは１Ωμｍ2以下であった。実施例１、２と実施例３との大きな違いはＡｒイオンビームを照射している時間が異なる点である。実施例１、２の素子について断面ＴＥＭによりメタルパスを観察したところ、そのメタルパス径は５〜１０ｎｍの範囲のものが見られた。しかし、実施例３の素子のメタルパス径はほとんどが３ｎｍ以下であり、実施例１、２より小さいことが判明した。
【００２８】
上記実施例で示した下地のみでなく、Ｔａ／Ｃｕ系、Ｔａ／（Ｎｉ1-xＦｅx）100-yＣｒy合金（１．５＜ｘ＜２．５、２０＜ｙ＜４５）系、（Ｎｉ1-xＦｅx）100-yＣｒy合金（１．５＜ｘ＜２．５、２０＜ｙ＜４５）系、Ｔａ／Ｎｉ―Ｆｅ系などを含む他の下地も使用できる。また複合スペーサー層に隣接する強磁性材料もｂｃｃ構造のＣｏ−Ｆｅ系の他の組成が使用できる。
【００２９】
複合スペーサー層の作製は上記実施例ではイオンビーム処理をしてから酸化を行ったが、加熱処理またはプラズマ処理をしてから酸化する方法、酸化してからイオンビーム処理、プラズマ処理または加熱処理を行う方法でも形成できる。酸化手法は自然酸化法、プラズマ酸化法、イオンビーム酸化法など各種使用可能である。
【００３０】
図４に、本発明の実施形態に係る磁気再生装置の斜視図を示す。この磁気再生装置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、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。本発明の磁気再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００３１】
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、サスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００３２】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（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。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００３３】
サスペンション１５４は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、ボビン部に巻か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。
【００３４】
アクチュエータアーム１５５は、ピボット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。
【００３５】
図５は、アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバル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、アセンブリ１６０は、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。サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む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。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はアセンブリ１６０の電極パッドである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】本発明の実施例２における磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】実施例１、２および比較例１、２、３の磁気抵抗効果素子について、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【図５】本発明の実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリの斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１…下電極（ＬＥ）、２…下地層、３…反強磁性層、４…ピン層（磁化固着層）、４ａ…下部ピン層、４ｂ…磁化反平行結合層、４ｃ…上部ピン層、５…複合スペーサー層、５ａ…絶縁部、５ｂ…磁性金属部、６…フリー層（磁化自由層）、７…保護層、８…上電極（ＵＥ）、１５０…磁気記録再生装置、１５２…スピンドル、１５３…ヘッドスライダ、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…ピボット、１６０…磁気ヘッドアッセンブリ、１６４…リード線、２００…磁気ディスク。
【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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