(57)【要約】【課題】垂直磁化膜を磁気センサやメモリデバイスとして利用する場合、その磁化反転磁界を低減することが重要である。また、垂直磁化膜と関連して作製される均一な絶縁膜等を必要としない構成が重要である。【解決手段】磁気センサやメモリデバイスに利用される電流磁気効果素子は、非導電性の基板１０と、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第１磁性層１１と、第１磁性層１１の上に形成された強磁性体の第２磁性層１２を有する。第２磁性層上には、２点間で電流を流すために電流電極１４ａと１４ｂが配置され、電流を流す方向と直角方向の別な２点間でホール電圧を検出するために電圧電極１５ａと１５ｂが配置される。【選択図】図１
2009158789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性の基板と、該非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第１磁性層と、該第１磁性層の上に形成された強磁性体の第２磁性層と、前記第１磁性層及び第２磁性層に膜面内方向に電流を流す電極と、該電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電極とを有することを特徴とする電流磁気効果素子。
【請求項２】
前記第１磁性層の飽和磁化に対して第２磁性層の飽和磁化が大きいことを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項３】
前記第２磁性層は、磁気異方性が面内方向に等方的に分散されていることを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項４】
前記異常ホール電圧が、前記第１磁性層で発生することを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項５】
前記第１磁性層は希土類・遷移金属系の合金薄膜であり、前記第２磁性層は非晶質の希土類・遷移金属系の合金薄膜であることを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項６】
前記第１磁性層はＧｄを含む希土類の合金薄膜、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子膜およびＣｏ／Ｐｄ人工格子膜のいずれかであることを特徴とする請求項５記載の電流磁気効果素子。
【請求項７】
前記第２磁性層はＦｅＣｏ合金薄膜あるいはＦｅＮｉ合金薄膜であることを特徴とする請求項６記載の電流磁気効果素子。
【請求項８】
前記第１磁性層はＦｅＣｏＧｄ合金薄膜であり、前記第２磁性層はＦｅＣｏＢ合金薄膜
であることを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項９】
外部からの印加磁界に対して前記第２磁性層の磁化が反転し、その後前記第２磁性層のアシストを受けて前記第１磁性層の磁化が反転することを特徴とする請求項１記載の電流磁気効果素子。
【請求項１０】
非導電性の基板と、該非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第１磁性層と、該第１磁性層の上に形成された強磁性体の第２磁性層と、前記第１磁性層及び第２磁性層に膜面内方向に電流を流す電流電極と、該電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電圧電極とを有し、前記電流電極に電流を流した状態で、前記電圧電極から異常ホール電圧を検出することにより、外部磁界により磁化された前記第１磁性層の磁化の方向を信号として検出することを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流磁気効果素子及び電流磁気効果素子を利用した磁気センサに関する
【背景技術】
【０００２】
各種ユーザーが取り扱う情報量が膨大化するに伴い、ハードディスクドライブ（以下ＨＤＤと呼ぶ）に代表される磁気記録装置のさらなる高密度化のニーズが益々高まっている。ＨＤＤの高密度化においては、円周方向での線記録密度増加と共にディスク半径方向のトラック数の増加いわゆる高Tpi（Track per inch）化が重要である。高Tpiを実現するにあたっては、トラックピッチを短縮し、且つトラック幅も狭くする必要がある。狭トラック上に記録されるデータを正確に読み取るためには、隣接するトラックのデータを読み取らない（いわゆるクロストークがない）ことが重要で、そのために再生素子の幅を狭くする必要がでてくる。
【０００３】
現行のＨＤＤにおいて、巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-resistance:GMR)あるいはトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magneto-resistance:TMR)を用いた再生素子が用いられている。図３に一般的に用いられている再生素子の構造及びトラック上の配置を示す。再生素子は主に磁化が一方向に固定された固定層２１と、磁化が外部磁界の影響を受けて自由に回転できる自由層２２を有している。固定層２１と自由層２２の間の中間層２３は、ＧＭＲ素子においては導電性薄膜であり、ＴＭＲ素子においては絶縁膜である。磁気記録媒体２０からの磁界２７の影響で自由層２２の磁化が回転するが、媒体２０からの磁界２７の向きによってその回転角(θ)２４は異なる。固定層磁化と自由層磁化の間の相対角度が異なる際の素子全体の電気抵抗変化を利用することで媒体上の情報が再生される。
【０００４】
ＧＭＲやＴＭＲのいずれの素子でも、磁化が膜面内方向に配列されるいわゆる面内磁化膜が用いられており、磁化を膜面内で一方向に固定させるのに素子の形状磁気異方性が用いられる。しかしながら、トラック幅２６が狭くなるに従い素子幅２５も狭くなると、形状磁気異方性の効果が弱くなり、膜面内で磁化は円状の形をとり、出力は不安定となる。ＨＤＤの再生素子に限らずＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)においても、セルの高密度化に伴いセルアスペクト比（縦幅対横幅）を小さくすると、セル内の面内磁化は円形状となって情報としての“１”、“０”の確定ができなくなる問題が生じる。
【０００５】
そこで、非特許文献１にあるように、面内磁化膜の代わりに磁化が膜面に垂直方向に配列するいわゆる垂直磁化膜を利用することが提案されている。垂直磁化膜は素子（あるいはセル）のアスペクト比によらず、その磁化配列を膜面に垂直方向に保つことができるメリットがある。非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に記載されているように、データを読み出すための方法として、垂直磁化膜を用いたトンネル接合(Magnetic Tunnel Junction,以下、垂直ＭＴＪと呼ぶ)及びそれにおけるトンネル磁気抵抗効果が一般的である。
【０００６】
特許文献１には、膜面に垂直な磁気異方性を持つ第１の強磁性層と、膜面に垂直な磁気異方性を持つ第２の強磁性層が、絶縁層を介して磁気的に結合している多層膜の異常ホール効果を用いる、再生時に再書き込み動作不要な微細電流磁気効果素子が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開2000-306376号公報
【非特許文献１】N. Nishimura et. al. “Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory”, Journal of Applied Physics, Vol. 91 (No. 8), p. 5246-5249, 2002
【非特許文献２】S. C. Li et. al. “Effects of MgO tunnel barrier thickness on magnetohysteresis in perpendicularly magnetized magnetic tunnel junctions of GdFeCo/FeCo/MgO/FeCo/TbFeCo”, Journal of Applied Physics, Vol. 99, p. 08T310, 2006
【非特許文献３】T. Hatori et. al. ” MTJ elements with MgO barrier using RE-TM amorphous layers for perpendicular MRAM”, IEEE. Trans. Magn. Vol. 43 (No. 6), p. 2331-2333, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
垂直ＭＴＪ構造において、絶縁層の異なる側に存在する固定層と自由層の磁化配列が平行のとき電気抵抗は最も低くなり、反平行のとき最も高くなる。磁化配列が平行と反平行のときの電気抵抗の変化が大きいほど、素子感度が高いとされる。これらの垂直磁化膜を用いたＭＴＪにおいて、自由層の磁化が反転する磁界は最も低い場合でも５ｋA/mと高い。垂直ＭＴＪを再生素子として利用することを考えると、自由層の磁化反転磁界を数百A/m〜２ｋA/mのレベルにすることが好ましい。また、メモリデバイスとして利用する際にも消費電力を低減させることを考慮すると、セルへの書き込み磁界は低いことが望ましい。さらに、トンネル接合構造において、バリア膜の質が、素子パフォマンスを決定する上で非常に重要な要因である。バリア膜として主にＡｌやＭｇの酸化膜が用いられているが、これらの膜を数ナノメートルレベルで均一に作製することが容易ではない。
また、特許文献１に記載されているように、異常ホール効果を用いた素子（メモリ素子）でも、垂直磁化膜の磁化反転磁界が低いことが望まれる。
【０００９】
しかしながら、垂直磁化膜は一般的に膜面に垂直方向に反磁界が大きく、反転磁界が数百A/mレベルの軟磁気特性を持たせることは容易ではない。垂直磁化膜を再生素子やメモリデバイスとして利用する場合、その磁化反転磁界を低減し、且つ容易に作製できることが設計上重要である。
【００１０】
本発明の目的は、垂直磁化膜の磁化反転が容易で、且つ均一な絶縁膜等の作製を必要としない電流磁気効果素子を提供することである。
本発明の他の目的は、構成要素の少ない電流磁気効果素子を用いた磁気センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための、本発明の電流磁気効果素子は、非導電性の基板と、非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第１磁性層と、第１磁性層の上に形成された強磁性体の第２磁性層と、第１磁性層及び第２磁性層に膜面内方向に電流を流す電極と、電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電極とを有するものである。
【００１２】
前記第１磁性層の飽和磁化に対して、第２磁性層の飽和磁化の方が大きく設定される。  前記第１磁性層は膜面に垂直方向に磁気異方性を有するが、第２磁性層は必ずしも垂直方向に磁気異方性を有する必要はない。
【００１３】
前記第１磁性層は希土類・遷移金属系の合金薄膜であり、前記第２磁性層は非晶質の希土類・遷移金属系の合金薄膜である。
【００１４】
前記第１磁性層は、具体的には、Ｇｄを含む希土類の合金薄膜、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子膜およびＣｏ／Ｐｄ人工格子膜のいずれかである。
【００１５】
前記第２磁性層は、具体的には、ＦｅＣｏ合金薄膜あるいはＦｅＮｉ合金薄膜である。
【００１６】
また、前記第１磁性層はＦｅＣｏＧｄ合金薄膜であり、前記第２磁性層はＦｅＣｏＢ合金薄膜であることが望ましい。
【００１７】
前記電流磁気効果素子は、外部からの印加磁界に対して前記第２磁性層の磁化が反転し、その後前記第２磁性層のアシストを受けて前記第１磁性層の磁化が反転するように動作するものである。
【００１８】
上記他の目的を達成するために、本発明の磁気センサは、非導電性の基板と、非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第１磁性層と、第１磁性層の上に形成された強磁性体の第２磁性層と、第１磁性層及び第２磁性層に膜面内方向に電流を流す電流電極と、電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電圧電極とを有し、電流電極に電流を流した状態で、電圧電極から異常ホール電圧を検出することにより、外部磁界により磁化された第１磁性層の磁化の方向を信号として検出するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、垂直磁化膜の磁化反転が容易で、且つ均一な絶縁膜等の作製を必要としない電流磁気効果素子を提供することができる。また、電流磁気効果素子を用いた磁気センサにおいて、磁性層の磁化を固定するためのハードバイアス膜の作製を不要にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例による電流磁気効果素子の構成を図面を参照しながら説明する。
図１に実施例による電流磁気効果素子の構造を示す。１０は非導電性の基板、１１は膜面に垂直磁気異方性を有する第１磁性層、１２は強磁性体の第２磁性層である。第２磁性層上の２点間で電流を流すために電極１４ａと１４ｂが配置され、図の奥から手前に向かって電流が流れる。また、第２磁性層上で電流を流す方向と直角方向の別な２点間でホール電圧を検出するために電極１５ａと１５ｂが配置される。
【００２１】
この電流磁気効果素子において、第１磁性層１１は垂直磁化膜であり、この膜内の磁化が膜面に対して「上向き」か「下向き」かで情報が記録され、またこの膜からの異常ホール電圧の極性でもって記録された情報は再生される。
【００２２】
基板１０としては、非導電性のもので例えばガラス等が用いられる。データを読み取るために素子全体に電流を流した際に、導電性の基板だと基板にも電流が流れ、基板からのホール電圧が重畳されてしまう可能性がある。非導電性の基板を用いることで出力ホール電圧信号における基板からの影響を抑制することができる。
【００２３】
第１磁性層１１として、例えば希土類・遷移金属系の合金薄膜や、人工格子膜などを用いることができる。希土類・遷移金属合金薄膜は非晶質のものであり、希土類と遷移金属の組成を調整することで垂直磁気異方性を持たせることができる。また、希土類・遷移金属の合金薄膜は、垂直磁気異方性が発現する希土類（あるいは遷移金属）組成においてその飽和磁化が最も低くなり、反磁界も小さくなる。希土類・遷移金属の合金膜において例えば遷移金属としてGd入りのものを用いることで、反転磁界（保磁力）を数ｋA/mにすることができる。また、第１磁性層１１の材料としてCo/PtやCo/Pdの人工格子膜も用いることができる。人工格子膜は、例えばスパッタによる作製の際に、そのガス圧、層数、層厚などを最適化することで、保磁力の高いものや低いものを作ることが可能である。また、前述の作製プロセスを調整することで、人工格子膜の飽和磁化や垂直磁気異方性を変化させることも可能である。本発明による電流磁気効果素子は、第１磁性層内の磁化を容易反転させることが重要であるため、その磁気異方性は例えば数ｋA/m程度と低いものが望ましい。
【００２４】
第２磁性層１２として、第１磁性層１１と比べて飽和磁化が高く、垂直磁気異方性が１桁〜２桁程度低い強磁性層が用いられる。第２磁性層１２の磁気異方性は必ずしも垂直磁気異方性の弱いものである必要はなく、面内方向に等方的に分散されているような膜でもよい。第１磁性層１１の上に第２磁性層１２が存在するため、これらは磁気的に強く結合している。これら両層間の磁気的相互作用を用いることで、第１磁性層１１の磁化反転磁界を下げることが可能となる。第２磁性層１２の飽和磁化を上げると、両層間の磁気的相互作用が強くなり、その影響で第１磁性層１１内の磁化が反転しやすくなる。第２磁性層１２として、例えば非晶質系の希土類・遷移金属合金薄膜を用いることができる。例えば希土類金属の組成を少なくし、遷移金属の組成を上げていくと垂直磁気異方性が低下すると共に飽和磁化も増加する。また、高飽和磁化膜としてFe-Co合金やFe-Ni合金薄膜が挙げられる。これらの合金膜におけるFeの組成を調整することで、飽和磁化を調整することが可能である。また、スパッタ法により作製すると、これらの合金薄膜は一般的に垂直磁気異方性を持たず、面内配列を主体とした膜となる。したがって、外部から磁界が印加されない状態でこれらの合金薄膜内の磁化は面内方向を向いている。
【００２５】
次に、電流磁気効果素子の磁化反転特性について説明する。サンプルとして、ガラス基板１０上に、スパッタリングにより、第１磁性膜１１として(Fe90Co10)80Gd20を５ｎｍの膜厚で製膜し、その上に、第２磁性層１２として(FexCo100-x)1-yByを、膜厚が１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍの３つについて製膜した。第２磁性層１２の各元素の組成を調整することで、第２磁性層１２の飽和磁化を変化させた。製膜した膜をリソグラフィによりパターニングし、図２に示すように2μm×2μm角のパターンを作製した。電流を流すための電極１４ａ，１４ｂ及びホール電圧を検出する電極１５ａ，１５ｂには、Ｐｔ電極を用いた。図４に第２磁性層１２の飽和磁化を変化させた場合における第１磁性層１１の磁化反転磁界の変化を示す。図４における３本の線は第２磁性層１２の３つの膜厚に関するものである。第２磁性層１２の飽和磁化を高くすることで第１磁性層１１と第２磁性層１２の間の磁気的相互作用が強くなり、第１磁性層１１の磁化反転磁界が低減する。第２磁性層１２の膜厚を厚くすることでも第１磁性層１１の磁化反転磁界が低減する。
【００２６】
図５に第２磁性層１２の膜厚を変化させた場合における第１磁性層１１の磁化反転磁界の変化を示す。２本の線は第２磁性層１２の２つの飽和磁化に関するものである。第２磁性層１２の膜厚を厚くすることで第１磁性層１１の磁化反転磁界を低減させることができるが、第２磁性層１２の飽和磁化にも依存する。第２磁性層１２の飽和磁化が大きくなり、且つ第２磁性層１２が厚くなった場合、両層間の磁気的相互作用非常に強くなり、かえって第１磁性層１１の磁化反転磁界が増加してしまう。第２磁性層１２の膜厚と飽和磁化を調整することで第１磁性層１１に関して所望の磁化反転磁界を得ることが可能となる。
【００２７】
図６に第２磁性層１２の膜厚を変化させた場合の第１磁性層１１から発生する異常ホール電圧の変化を示す。第２磁性層１２の膜厚が厚くなると、第１磁性層１１から検出される異常ホール電圧は減少していく。これは第２磁性層１２の膜厚が厚くなるとそこに分流する電流が大きくなり、第１磁性層１１に流れる電流が減少してしまうためである。したがって、第２磁性層１２の膜厚をできる限り薄くし、その飽和磁化を高くすることによる、第１磁性層１１の磁化反転磁界の低減方法は効果的である。
【００２８】
図７に第２磁性層１２の膜厚を３ｎｍに固定し、第１磁性層１１の膜厚を変化させた場合における第１磁性層１１の磁化反転磁界（左側縦軸）と第１磁性層１１から発生する異常ホール電圧（右側縦軸）の変化を示す。第１磁性層１１の膜厚を薄くするとその磁化反転磁界は低減し、そこから発生する異常ホール電圧は増加する。
【００２９】
上記のとおり、第１の磁性層１１の膜厚、第２磁性層１２の膜厚、第２磁性層１２の飽和磁化を調整することで、第１磁性層１１内の磁化反転磁界を低減させ、第１磁性層１１から発生する異常ホール電圧を大きく取り出すことが可能となる。
【００３０】
次に、図１に示した実施例による電流磁気効果素子を磁気センサとして用いた場合の動作について説明する。図８にその動作のタイムチャートを示す。このタイムチャートの上部に示す時間に対する磁界変化は、回転する垂直磁気記録媒体からの磁界（外部磁界）を考慮したものである。磁気センサとして用いるので、電流電極１４ａと１４ｂ間には常に電流（センス電流）を流しておく必要がある。外部磁界が負の時（図３におけるＴ１の状態）、第１磁性層１１内の磁化は「下方向」を向いており、そこから発生するホール電圧の極性は負となる。外部磁界の極性が負から正に切り替わったときそれに伴って第２磁性層１２からのアシストを受け第１磁性層１１内の磁化が反転し、「上向き」の状態となる。磁化が反転されると同時に第１磁性層１１からの異常ホール電圧の極性も負から正に切り替わる（図３におけるＴ２の状態）。また、外部磁界が正から負に切り替わると、図３のＴ３状態のように第１磁性層１１内の磁化は下向きに反転し、異常ホール電圧の極性も負に切り替わる。このような動作により、第１磁性層１１の磁化の方向を、垂直磁気記録媒体上に記録された磁化パターンの信号として感知することが可能である。
【００３１】
ここで、ＨＤＤの再生素子（磁気センサ）の場合は、常に素子に電流を流しておく必要があるが、磁気メモリデバイスに応用する場合は、セル内の情報を読み出すときだけ電流をセルに流し、そこから発生する異常ホール電圧の極性を判定すればよい。
【００３２】
以上、説明したように、従来の垂直磁化膜を利用した磁気センサあるいは磁気メモリデバイスにおいては素子部分の磁化反転磁界が大きく、磁化反転磁界を低減させた、つまり軟磁気特性を持つ垂直磁化膜の作製は容易ではない。これに対して上記実施例による電流磁気効果素子においては、垂直磁化膜の上に軟磁性膜を堆積させた構造とすることにより、両層間の磁気的結合によって垂直磁化膜の磁化反転磁界を低減させることが可能である。また、垂直磁化膜が示す異常ホール効果を用いることで、その磁化状態を容易に知ることが可能であり、磁気トンネル接合で用いられるような絶縁層の作製が不要であるというメリットがある。
【００３３】
また、垂直磁化膜を用いることで、素子アスペクト比が小さくなっても素子内の磁化方向はその影響を受けずに膜面に対して「上向き」あるいは「下向き」の配列を保つことができる。また、上記磁気センサにおいては垂直磁化膜を利用しているため、現行のＨＤＤの再生素子で磁化を固定するために用いられているハードバイアス膜の作製が不要となる。さらに、現行のＨＤＤ用再生素子で用いられているＴＭＲ構造においては、磁性層間に均一な膜厚の絶縁層が必要となるが、上記実施例による磁気センサの作製においては、絶縁層などの作製は必要とされないため、プロセス中の信頼性が向上し、歩留まり向上にもつながる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例による電流磁気効果素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す電流磁気効果素子を上から見た模式図である。
【図３】磁気抵抗効果素子を用いた再生素子の構成を示す模式図である。
【図４】第２磁性層の飽和磁化を変化させたときの第１磁性層の磁化反転磁界の変化を示すグラフである。
【図５】第２磁性層の膜厚を変化させたときの第１磁性層の磁化反転磁界の変化を示すグラフである。
【図６】第２磁性層の膜厚を変化させたときの第１磁性層から発生する異常ホール電圧の変化を示すグラフである。
【図７】第１磁性層の膜厚を変化させたときの第１磁性層の磁化反転磁界（左縦軸）及び第１磁性層から発生する異常ホール電圧（右の縦軸）の変化を示すグラフである。
【図８】実施例の電流磁気効果素子を用いた磁気センサの動作タイムチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１０…非導電性基板、
１１…第１磁性層、
１２…第２磁性層、
１３…外部磁界、
１４ａ，１４ｂ…電流電極、
１５ａ，１５ｂ…電圧電極。
【図１】
2009158789.tif 000003
【図２】
2009158789.tif 000004
【図３】
2009158789.tif 000005
【図４】
2009158789.tif 000006
【図５】
2009158789.tif 000007
【図６】
2009158789.tif 000008
【図７】
2009158789.tif 000009
【図８】
2009158789.tif 000010