CN100369116C - 磁头及磁记录再生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备输出高、最适于高记录密度磁记录和再生的磁阻效应元件的磁头。本发明的技术解决手段是采取以下的构成：具有第一电极层、与第一电极层电连接的第一强磁性电极层对、以及和第一强磁性电极对之间流动的电流交叉地配置而且与第一电极层电连接的第二强磁性电极对，使电流经过第一电极层在第一强磁性电极对之间流动在第一电极层上蓄积自旋电子，一旦外加外部磁场第四强磁性电极层的磁化方向就发生变化。通过与在第一强磁性电极对之间流动的电流交叉地配置第二强磁性电极对，来提高面内自旋蓄积效应的输出信号变化率。

Description

磁头及磁记录再生装置
技术领域
本发明涉及具备磁阻效应元件的磁头及磁记录装置。
背景技术
在磁记录再生装置市场中，要求以年比例近60％提高记录密度。在该磁记录再生装置中具备的磁记录再生磁头中，对于记录、再生的两特性也要求高性能化。
关于磁再生磁头，满足(1)高灵敏度化技术的提高、(2)磁道宽度狭小化技术的提高、(3)再生间隙间隔狭小化技术的提高这3点技术课题是重要的。关于(1)，达到1～10(Gb/in2)的记录密度，对于各向异性磁阻效应(AMR)、10～30(Gb/in2)的高记录密度，以及得到更高灵敏度的巨大磁阻效应(GMR)、20～70(Gb/in2)的记录密度来说，采用在GMR结构的界面上夹持电子反射率(镜面放射)高的绝缘性氧化物层等，利用电子自旋的多重放射效应以更增大输出为目标的放射GMR或称为NOL-GMR的高GMR的效应作为候补，就能够适应这种高记录密度。
关于使用GMR的磁头，在特开平4-358310号公报中公开了叫做自旋阀的结构。该磁头是由：借助反强磁性层将磁化固定在特定方向的磁性体构成的固定层、层叠在该固定层上的非磁性薄膜、和由通过该非磁性薄膜层叠的磁性膜构成的自由层构成，具备在固定层和自由层的磁化的相对角度电阻发生变化的磁阻效应元件。
再有，在特开2000-137906、特开2001-168414和特开2001-230471号公报中记载了，在自由层侧或固定层侧的至少一侧中插入氧化物层，利用氧化物的镜面反射产生电子的多重反射，使电阻变化率提高的CIP-GMR的MR提高结构。另外，在特开2002-190630号公报中也公开了，使半金属层介于自由层和中间层或者中间层和固定层之间的CIP-GMR结构。
现在，由于更高灵敏度化的进展，所以必须更高灵敏度的再生方式。在70～150(Gb/in2)中，MR比非常高的隧道磁阻效应(TMR)，从灵敏度提高的方面来看是有利的。而且，对于超过150(Gb/in2)的超高记录密度，使检测电流在垂直于膜面方向流动方式的GMR(CPP-GMR)等，有效地利用元件阻抗小的优点，被认为已成为主流。TMR作为基本技术除在特开平3-154217号公报中公开以外，还在特开平10-91925号公报中公开。
在CIP-GMR的情况下，为了对应高线记录密度化，缩小屏蔽间距离时元件和屏蔽间的绝缘已成为问题。与此相反，在CPP-GMR的情况下，认为绝缘特性不是重要的问题，由静电电流引起的热元件的破坏或由磁场引起的非线性化的影响也小。虽然报道了许多CPP-GMR，但作为代表性的在特表平11-509956号、特开平7-221363号公报中有记述。
在考虑未来的磁再生元件的结构时，电流流动方向是膜厚方向的CPP-GMR(Current perpendicular to plane GMR)或TMR(隧道磁阻效应)等高灵敏度的磁阻敏感元件是有力的。这些磁阻敏感元件的基本结构是利用垂直于膜面的读出电流进行流动的结构的磁场敏感元件，因此考虑向在CPP方式中使读出电流流动的结构转移。
TMR元件是由夹持绝缘体阻挡层的一对磁性体构成的元件，是使读出电流在该膜厚方向流动的结构。由于通过绝缘阻挡层层的电传导，所以电阻高，在制成再生磁头或磁场敏感元件时，产生各种各样的噪声，信号对杂音特性(S/N)降低。作为此对策，低电阻化的研究正在盛行。使用现在最常使用的Al2O3的阻挡层，并没有否定伴随以低电阻化为目标的薄膜化的输出的降低，使低电阻化没有进展。虽然正在进行新材料的探索，不过，现状是，如果元件面积变小，则克服元件电阻与元件面积成比例变大这样的大课题就得不到解决。
与此相反，在CPP-GMR中，敏感元件部分是GMR结构，是薄膜的膜厚方向的传导。与CIP-GMR相比，电流通路短，因此在应用以往的GMR膜的情况下，对于0.25μm2面积的元件来说，元件电阻是约0.3Ω程度，ΔR/R是2％。因此，ΔAR是1.5mΩ左右，例如，与应用于200Gb/in2的磁再生元件所必要的输出值相比，大致像一位数那样小。
关于150～200Gb/in2的磁头，通过在磁性多层膜之间放入具有称为CCP(Current Confined Pass)的气孔的绝缘层而使电流狭窄，使表观的元件面积小，来提高电阻和输出。实际上如果使元件小，就提高了电阻R，能够使ΔR大。但是，如果考虑500Gb/in2以上的再生磁头，就要求元件电阻低、MR比高。在此场合，从元件面积既变小、电阻也增大考虑，需要面积电阻AR的降低，使用CCP的CPP-GMR结构或以往的CPP-GMR结构，虽然能够实现面积电阻AR的降低，但得不到ΔR/R增大这样的手段。输出也同样，为了提高分辨能力，使间隙长Gs(屏蔽间距离)小，以及降低作为元件电阻限制因素的元件电容的影响，是今后重要的课题。现状的CPP-GMR不容易解决该课题，因此需要新的元件结构。
近年来，正在盛行关于自旋发生偏极的电流的相互作用的研究和元件的开发。例如，像在F.J.Jedema et al.，“Electrical detection of spinprecession in a metallic mesoscopic spin valve”，NATURE，Vol.416，pp.713-716(April 2002)中所揭示的那样，自旋分极率发生偏极的自旋电流遍及大于或等于100nm的长距离传导，会产生磁相互作用的现象实际上已被证实。在上述文献中，他们制作粗细不同的Co线和与其垂直的Al细线，制成了在Co细线和Al细线交叉处设置铝阻挡层的结构。此时，使电流从粗的Co线向Al线流动，由于在膜上外加磁场时电流不流动的其他的Co线和Al线之间产生依存于磁场的电位差，所以尽管细线的间隔超过500nm，但磁相互作用却已被证实。
这是一般叫做自旋累加的自旋偏极电子蓄积在Al细线的界面部分的效应，由于被蓄积的自旋偏极电子分布在细线中的宽广领域而产生，例如，可以用在Physical Review B，Vol.59，No.1，pp.93-97或Physical ReviewB，Vol.65，054401，pp.1-17中所代表的形式在理论上加以理解。利用自旋蓄积效应的元件，如果对外部磁场有矫顽力不同的2种磁性体，则具有以下特征：一个磁性体对导电体的电位的变化作为输出而产生。采用这种结构，在室温下也能得到伴随磁场变化的输出。再者，采用这种结构输出的ΔV/V非常小，为1％左右。
近年来，在Condmat，0308395，2003(M.Zaffalon et.al.，)中，关于通过
近年来，在Condmat，0308395，2003(M.Zaffalon et.al.，)中，关于通过Al2O3绝缘膜使由Co细线构成的4个端子接触一边长度为500nm左右的Al膜，对应于Co细线的磁化状态和电流的流动方向得到了大大高于Jedema等人报道的提高的信号。这是将非磁性体膜的大小缩小至自旋扩散长程度，通过在输入、输出侧两侧使用强磁性电极来提高非磁性体膜中的自旋蓄积效应而产生的。
为了在再生磁头技术中应用这样的自旋蓄积效应高结构，作为再生磁头结构，需要研究适当的强磁性膜的配置、磁特性、磁化状态的条件、还有配线的结构、膜的结构或材料。另外，关于用于提高输出的条件，从材料构成的观点及元件结构的观点出发也应考虑达到更为最佳化的条件。在磁性体的材料中应用自旋分极率高的材料。关于导电体的材料，使用Al或Cu及比Al或Cu自旋电子的平均自由行程的长的材料或者作为具有d电子传导体的机能的材料是重要的。另外，在平面内和三维膜结构内使电流通路和电压变化测定通路大致垂直，而且使2个输出端子的距离相同是重要的。
发明内容因此，为了解决上述的问题，本发明的特征在于，具有：第一电极层、与第一电极层连接的第一强磁性电极对、和与在第一强磁性电极对之间流动的电流交叉地配置而且与第一电极层电连接的第二强磁性电极对；通过使电流经过第一电极层在第一强磁性电极对之间流动，在第一电极层上蓄积自旋电子，一旦外加磁场，第四强磁性电极层的磁化方向就发生变化。
这样，通过与在第一强磁性电极对之间流动的电流交叉地配置第二强磁性电极对，来提高面内自旋蓄积效应的输出信号变化率，就可以提供一种比以往输出更大的磁头。
按照本发明，能够得到元件电阻的调整比以往更容易、而且磁阻变化率极高、在高分辨能化上有效的、输出大的磁阻变化型磁再生磁头。另外，该磁头能够和面记录密度超过500(Gb/in2)的磁记录介质组合使用。
附图说明
图2是表示本发明的磁阻元件部分的基本结构(A-A′剖面)的图。
图3是表示本发明的磁阻元件部分的基本结构(B-B′剖面)的图。
图4是表示本发明的磁阻元件部分的基本结构(C-C′剖面)的图。
图5是本发明的强磁性电极膜的磁化变化机构的说明图。
图6是本发明的强磁性电极膜的磁化变化机构和外加电流方式的说明图。
图7是本发明的再生磁头中的电路的基本构成图。
图8是表示本发明的磁阻元件部分的基本结构的别的结构(B-B′剖面)的图。
图9是表示本发明的磁头的强磁性电极的第一电极层上的最佳位置关系的图。
图10是表示反强磁性结合膜的结构的图。
图11是硬偏磁中的磁畴控制方式的说明图。
图12是CFS中的磁畴控制方式的说明图。
图13是表示分辨成每个层的再生磁头结构的代表性结构的模拟图。
图14是表示分辨成每个层的再生磁头结构的代表性结构的模拟图。
图15是表示适用本发明的磁阻效应元件和记录磁头的位置关系的模拟图。
图16是适用本发明的磁存储装置的模拟图。
具体实施方式
以下，详细地说明适合使用本发明的磁头。
应用本申请发明的磁头，具有：第一电极层、由通过第一绝缘层层叠在第一电极层的一端上的第一强磁性电极层及通过第二绝缘层层叠在第一电极层的另一端上的第二强磁性电极层构成的第一强磁性电极对、和由通过第三绝缘层层叠在第一电极层的一端上的第三强磁性电极层(固定层)及通过第四绝缘层层叠在第一电极层的一端上的第四强磁性电极层(自由层)构成的第二强磁性电极对。其中，第二强磁性电极对与第一强磁性电极对之间流动的电流被交叉地配置。
更具体的说，例如，作成由通过第三绝缘层层叠在与第一电极层的第一和第二强磁性电极层电连接的部分不同的一端的第三强磁性电极层、以及通过绝缘层层叠在第三强磁性电极层电连接的第一电极层的另一端的第四强磁性电极层构成的第二强磁性电极对而构成。然后，通过使电流经过第一电极层在第一强磁性电极对之间流动，在第一电极层中蓄积自旋电子。于是，一旦外加磁场，第四强磁性电极层的磁化方向就发生变化。
在图1中示出从元件膜上方看适用本发明的磁再生磁头的图。在由基板和基底材料等构成的基体101上形成第一电极层102。接着，通过第二绝缘层105形成第二强磁性电极层106。随后，通过第三绝缘层107形成第三强磁性电极层108。接着，通过第四绝缘层109形成第四强磁性电极层110。第四强磁性电极层110配置在靠近与介质112的表面相对的面111的位置。第四强磁性电极层110在与介质112的表面相对的面111露出，或者通过保护膜形成。来自介质的磁场113至少具备被外加在第四强磁性电极层110上那样的敏感元件周围的磁屏蔽结构。
在该结构中，例如第一和第三强磁性电极104、108在第一电极层102的外侧具有电极端子结构。另外，第四和第二强磁性电极膜110、106具有配置在110、106上下的磁屏蔽层，或者具有与该磁屏蔽膜(图2的201或者204)的低电阻电极膜连接的结构。
例如，使电流从第一强磁性电极层104在第二强磁性电极层106中流动时(第一强磁性电极对)，得到对以第三强磁性电极层108和第四强磁性电极层110之间(第二强磁性电极对)的电压作为输出信号进行测定的结构。由此，关于第四磁性体电极层、第三磁性体电极层、其他的电极层的矫顽力，通过将第四磁性体电极层的矫顽力设定得最小，就成为因外部磁场至少第四磁性体电极层的磁化方向发生变化的结构。
在图2中示出图1的第一电极层102的部分A-A′剖面的结构。下部磁屏蔽膜201具有兼顾电极膜的结构，与下部绝缘膜202连接，构成基体101的一部分，在其上层叠第一电极层102，具有顺序地层叠第四绝缘层109、第四强磁性电极层110的结构。在该109、110膜的左右配置绝缘层203，仅该第四强磁性电极层110部分是与上部磁屏蔽膜204电接触的结构。即使该第四强磁性电极层110不是与上部磁屏蔽膜204、而是与下部磁屏蔽膜201接触的结构也是同样的。
在图3中示出图1的第一电极层102的部分B-B′剖面的结构。下部磁屏蔽膜201具有兼顾电极膜的结构。第二强磁性电极层106与其下部磁屏蔽膜201的一部分连接，通过第二绝缘层105和第一电极层102连接。下部绝缘膜202配置在该第二强磁性电极层106、第二绝缘层105的左右。
在第一电极层102上的一部分上，在不是上述第二强磁性电极层106、第二绝缘层105的正上方的位置，配置第一绝缘层103和第一强磁性电极层。在该第一绝缘层103和第一强磁性电极层的左右和上面有绝缘膜203，在其上配置上部磁屏蔽膜204。在第一电极的上下配置2个强磁性电极膜，但也可以向同一面上进行配置。该2个强磁性电极膜，将第一强磁性电极对和所述的为电流在此流动的电路相连接。
在图4中示出图1的第一电极层102的部分C-C′剖面的结构。下部磁屏蔽膜201具有兼顾电极膜的结构。在该下部磁屏蔽膜201之上，有下部绝缘层202，在其上连接第三强磁性电极层108，通过第三绝缘层107与第一电极层102的一部分连接。在第一电极层102上有绝缘膜203，在其上配置第一强磁性电极层104，在其上有绝缘膜401。在其上配置上部屏蔽。
对于以上述说明中使用的图1至4为代表的元件结构的磁化举动进行说明。图5上侧的图模拟地表示在第一电极膜上配置4个强磁性电极的结构。
如图中所示，在图中下侧的(A)、(B)、(C)中示出在纸面内上方外加磁场时的各强磁性电极膜的磁化方向。其中，设图中的第一至第四强磁性电极层的矫顽力Hc分别为Hc1、Hc2、Hc3、Hc4时，对于Hc2＜Hc3、Hc1的情况，将外部外加磁场比Hc4、Hc2低，预先磁化的下侧发生磁化的状态作为(A)。
另外，将外部外加磁场比Hc4、Hc2高，从预先磁化方向反转，在上侧发生磁化的状态作为(C)。
另外，将Hc4和Hc2是不同的值、在Hc4小的情况下，外加比Hc4高、比Hc2低的磁场的情况作为(B)。
通过预先给予这样的矫顽力状态，产生这样的磁化举动是容易的。例如，可以通过变化强磁性电极层各层的材料或形状、反强磁性膜等进行配置，采用拟似地产生由矫顽力差或结合磁场引起的磁化反转磁场的变换的方法，实现与在此所述相同的状态。
图6是认为上述图5的(A)和(C)为代表例时，说明电流方向和磁场方向的图。图6的(1)、(2)、(3)表示在此场合能够选择的电流图形。其中，电流方法的逆转采取认作同一方向。以图中I+、I-表示的是电流端子，以V+、V-表示的是电压测定端子。此时，(1)与磁场方向垂直被取为电流端子。
比较磁化状态的(A)和(B)的情况，在(A)中，电流端子的磁化方向是平行(P)状态，而且，电压端子的磁化方向也是平行(P)状态。另一方面，在(B)中，电流端子的磁化方向是反平行(AP)状态，而且，电压端子的磁化方向也是反平行(AP)状态。
在此场合，在P状态和AP状态，蓄积在电极膜102的自旋电流的蓄积量不同，因此在电压端子之间产生输出电压差。但是，为了测定与电流端子平行方向的电压变化，施加偏压，即使是零磁场，电压也成为有限值。因此，ΔV/V0是数+％程度。
(2)保持与磁场方向45°的角度采用电流端子。如果比较磁化状态的(A)和(B)的情况，(A)电流端子的磁化方向是平行(P)状态，而且，电压端子的磁化方向也是平行(P)。
另一方面，在(B)中，电流端子的磁化方向成为反平行(AP)状态，而且，电压端子的磁化方向也成为反平行(AP)状态。此时，在P状态和AP状态下，蓄积在电极膜102中的自旋电流的蓄积量不同，因此在电压端子之间产生输出电压差。
另外，在如图配置的情况下，距电流端子大致同距离地配置2个电压端子，偏压电压的影响大体上消失，零磁场时的电压输出大致接近零，变化率ΔV/V0，原理上接近无限大，实验上也成为超过1000％的高值。
(3)与磁场方向平行地采用电流端子时，如果比较磁化状态(A)和(B)情况，(A)电流端子的磁化方向是平行(P)状态，而且，电压端子的磁化方向也是平行(P)。
另一方面，在(B)中，电流端子的磁化方向成为反平行(P)状态，而且，电压端子的磁化方向也成为反平行(P)状态。此时，因为不能形成P状态和AP状态，所以蓄积在电极膜102中的自旋电流的蓄积量几乎不发生变化。
因此，在电压端子之间几乎不产生输出电压差，由磁场引起的变化率ΔV/V0，原理上大致成为零。因此，作为电极配置，该(3)的位置从本发明去除。
在用图1的情况考虑这样的电极配置时，如图7所示，作为应该向4个强磁性电极膜的第一电极膜上配置的位置，有在第一电极膜的单侧同一面上配置的情况，在第一电极膜的一方的面上配置2个、在其里面配置2个的情况，以及第一电极膜的一方的面上配置3个、在其里面配置1个的情况三种(六种)。电流端子、电压端子的选择方式如图中所示。
例如，4个强磁性电极膜配置在第一电极膜的单侧同一面上时，例如如果观察图1的B-B′剖面，则可知采用图8所示的结构。在下部屏蔽、绝缘膜上有第一电极层，第一、第二强磁性电极层通过第一、第二绝缘膜与其接触，是从这些膜供给电流、电流在第一电极层中流动的结构。
作为能够选择第一电极层上的第三、第四强磁性电极的位置，特别有效的位置如图9所示，距第一强磁性电极膜的距离是大致相同是特别有效的。这如已经所述，在电流方向和磁场方向的电极的选择方面，在电压端子上外加偏压电场，即使在零磁场中也发生有限的电压变化，是使电压变化ΔV/V变小的影响最小的一种方法。
与此相同，第三、第四强磁性电极距第二强磁性电极膜的距离大致相同是特别有效的。当然，第三、第四强磁性电极和第一、第二强磁性电极各自的形成的距离，与第三、第四强磁性电极是大致相同，是减低偏压电压效应最合适的方法。
该第一电极层102由Cu、Au、Ag、Pt、Al、Pd、Ru、Ir、Rh构成
该第一电极层102由Cu、Au、Ag、Pt、Al、Pd、Ru、Ir、Rh构成的非磁性导电性金属构成，或者由以GaAs、Si、TiN、TiO、RcO3作为主成分的传导性的化合物构成。
另外，作为构成第一、第二、第三、第四强磁性电极层104、106、108、110的材料，Co、Fe、Ni的强磁性金属、或者含有以这些材料作为主成分那样的强磁性合金、或者具有以Fe3O4代表的如AB2O4组成的结构的氧化物(A是Fe、Co、Zn中的至少一种，B是如由Fe、Co、Ni、Mn、Zn的一种构成的氧化物)、在CrO2、CrAs、CrSb或者ZnO中添加作为过渡金属的Fe、Co、Ni、Mn的至少一种成分的化合物、在GaN中添加Mn的化合物、或者以Co2MnGe、Co2MnSb、CoCr0.6Fe0.4Al等为代表的C2DxE1-xF型的霍伊斯勒高导磁率合金(C由Co、Cu或者Ni的至少一种构成，D和E分别是Mn、Fe、Cr的一种，而且F含有Al、Sb、Ge、Si、Ga、Sn的至少一种成分)等，由半金属材料构成的单层膜或者是复合多层膜的情况都适用本发明。
另外，第一、第二、第三、第四中间层103、105、107、109的特征是：含有Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、ZrO2、Cr2O3、MgO、TiO2、SrTiO3的至少一种的材料构成的单膜或者叠层膜。
在此，说明适用本发明的磁头的机理。适用本发明的磁头由利用自旋电流的蓄积效应的磁阻元件和电阻变化放大膜构成。利用自旋电流的蓄积效应的磁阻元件，伴随从记录介质发出的磁场变化信号，作为输出取出电压变化信号。
过去的一般认识是，在金属中流过的电流保持的自旋信息，至多为100nm，衰减到大致为零。
但是，在电传导中，在超过500nm的距离时，产生磁阻的相互作用的现象变得明显，在使电流经过磁性体和非磁性体的界面流动时，在界面附近自旋偏极电流在边界发生滞留，是以遍及非磁性体内的广大范围蓄积的自旋累加为起因，这在理论上也已明了。因此，通过在上述的强磁性电极上分别设置通常的TMR膜的固定层和相当于自由层那样的发挥磁性动作的机构，就可以构成磁再生磁头结构。
生反转的构成，构成电流端子和电压测定端子的各自一对的强磁性电极层的磁化方向按实现平行的情况和反平行的情况那样构成。磁化被固定侧的磁性膜，作为自旋阀结构的固定层，另外，另一方的磁性膜应发挥作为自由层的作用。
实际上，使用由反强磁性体的单向各向异性引起的交换结合使磁化固定，或调整膜厚或材质，使得矫顽力比自由层侧磁性体大，就能够实现上述结构中磁化固定的侧的磁性膜。
如图10所示，反强磁性层1001，例如，覆盖全面地配置在第一强磁性电极层104上，或者采用仅覆盖该膜的一部分那样配置的结构。在一般化的强磁性电极层1003和反磁性体膜1001之间夹持1～5nm左右的NiFe系或者Co系的软磁性中间层1004的结构也是有效的。
构成该反强磁性层1001的膜，PtMn、CrMnPt、MnIr、NiO、PdPtMn等为按各组成而被规定的临界膜厚以上，即数nm至数10nm，而且通过在合适的条件下的磁场热处理使单向各向异性显示充分大，这对在接合部分的强磁性电极层1003中由单向结合磁场引起的磁化固定是有效的。通过对第二、第三强磁性电极层同样使用，上述的反强磁性体进行层叠的全部结构也可以固定层化。
另外，通过在磁性体中应用半金属那样的自旋偏极率高的材料，可以提高自旋偏极电流的分极率，使磁相互作用更强。这里，所谓半金属，是该材料的费米面中的电子构造，在仅进行上下自旋的任一种自旋时，大致100％是被构成的物质。另外，所谓分极率P，是在该自旋的偏离时，设费米面中的上向自旋电子数为n↑、下向自旋电子数为n↓，由下式定义。
P＝100×(n↑-n↓)/(n↑-n↓)
电子在半金属中流动时，具有以下特征：与半金属的费米面中的电子自旋的方向相同的自旋成分的电子保存并在半金属中传导，但保持逆向自旋的电子则因反恢复力发生作用而不能传导。
在4个强磁性电极层的至少一个中夹入由半金属构成的层时，透过半金属层的电子成为自旋分极率非常高的状态。在理想的半金属的情况下，费米面中的电子状态大致100％自旋分极，因此透过半金属层的电流成为近100％的自旋分极率。在实际已知的半金属的室温下的分极率是50％～90％。这是起因于，对于保持反向自旋成分的电流来说，半金属的电阻大致无限大，因此反向自旋的电子发生散乱，仅单侧自旋照样进行散射长度长的传导。
如果这样的高自旋分极电流从上述的磁性层有效地注入导电体中，在导电体中蓄积的自旋电子分极率就上升，磁相互作用会加强，因此在自由层侧发生的依存磁场的电位变化ΔV的大小变得非常大。
半金属膜往往比金属膜的电阻大，在通常的元件中考虑向高记录密度化应用的时，低电阻化往往成为困难的情况。不过，本发明作为敏感元件得到输出的结构，具有和磁阻结构不同的部分，因此认为还具有半金属的应用设计容易进行这样的材料选择方面的优点。
如果要区分这样的半金属磁性体材料的话，是(A)磁性半导体，或者(B)一部分的氧化物磁性体。(A)磁性半导体是像CrAs、CrSb那样具有闪锌型的晶体结构的化合物，或在具有同样的晶体结构的III-V族化合物半导体中掺杂Mn等磁性体的微磁性半导体(InMnAs、GaMnAs)等，利用MBE的单晶外延生长来制作。
一般说来，这些磁性半导体显示半金属的特性的温度是低于或等于100K～4K的低温度区域。例外的有像CrSb(～350K)和CrAs(Tc＞1000K)那样，即使在高温也显示特性。CrSb具有闪锌型晶体结构，但根据第一原理的计算，如上所述，Tc非常高，另外关于膜厚1nm程度的膜，实验中在室温下也是强磁性，而且被证实了半金属的特性。
另外，关于在ZnO或GaN中掺杂过渡金属的磁性半导体、其他的具有闪锌型晶体结构的磁性半导体，在室温有显示强磁性的举动的被取作半金属。
另一方面，作为(B)的氧化物磁性体，Fe3O4是特别众所周知的。除此之外，CrO2也是候补的半金属材料。Fe3O4即使在室温也能得到半金属特性这一点，以及作为磁性体磁化也大、而且能获得软磁性，因此是重要的。但是，一般说来，为了得到单层膜，需要超过500℃的高温处理或者在基板温度以上的制膜，因此迄今为止没有达到实用化。
对于这样的氧化物半金属材料，制作温度的问题成为大的课题，迄今为止，一般没有达到元件化或者制作实际的磁头。进而在Fe3O4的情况下，在近似组成中是稳定相的磁化低，若存在不是半金属的Fe2O3这样的相而混层化容易时、则具有Fe和Fe3O4也容易成为混合相的倾向。因为CrO2也和Cr2O3这样的绝缘体容易混相化，所以需要在氧气氛中高温制作等特别的制作法。
关于这个问题，通过选择Fe3O4的基底材料，调整成长能，就可以单层化。作为这样的材料，一部分贵金属Pt、Rh，Cu或化合物TiN等是有效的。可以使用RF溅射法在基板上形成上述金属和化合物的膜，再使用在其上形成Fe3O4的方法来制作。
采用该方法，在基板温度为300℃下进行制膜的情况下，从X射线衍射图的测定可以确认是单层的Fe3O4，而且，从使用VSM的测定可以确认室温下的饱和磁化是0.55～0.6特，这是和整体的Fe3O4(饱和磁化：0.5～0.6特(室温))))相同的值。
再有，作为Fe3O4的特征的120K附近的饱和磁化的温度依赖性异常(费别尔点-フェルベ点)也可以通过单膜的电阻测定来确认。这在基板温度为高于或等于250℃时大致是一样的。因此认为，用该方法能够形成Fe3O4的单层膜。另外，也可以实现数nm的薄膜化。
因此，作为上述半金属，可以使用：具有以Fe3O4为代表的AB2O4构成的结构的氧化物(A是Fe、Co、Zn中的至少一种，B是由Fe、Co、Ni、Mn、Zn的一种构成的那样的氧化物)、在CrO2、CrAs、CrSb或者ZnO中添加过渡金属的Fe、Co、Ni、Cr、Mn的至少一种成分以上的化合物、在GaN中添加Mn的化合物、含有以Co2MnGe、Co2MnSb、CoCr0.6Fe0.4Al等代表的C2DxE1-xF型的霍伊斯勒高导磁率合金(C由Co、Cu或者Ni的至少一种构成，D和E分别是Mn、Fe、Cr的一种，而且F是Al、Sb、Ge、Si、Ga、Sn的至少一种成分)而构成的霍伊斯勒高导磁率合金等。
在图1的第一至第四绝缘层103、105、107、109中使用的材料，其特征是，应用：使用TMR中使用的绝缘阻挡层用材料的Al2O3、AlN、特征是，应用：使用TMR中使用的绝缘阻挡层用材料的Al2O3、AlN、SiO2、HfO2、ZrO2、Cr2O3、MgO、TiO2、SrTiO3的单层膜；或者由含有这些材料的至少一种的膜构成的单层或者层叠膜。这是因为，利用隧道效应的电子传递若自旋信息的损失低，就容易得到电压变化输出。
第一电极层102必须是低电阻，而且是非磁性。因此，由Cu、Au、Ag、Pt、Al、Pd、Ru、Ir、Rh构成的非磁性导电性金属或GaAs、Si等导电性化合物是有效的。再有，采用在费米面具有磁性电子的d电子的TiN、TiO、ReO3作为主成分的d电子传导性的化合物，由于伴随从d电子向s电子的能量迁移的自旋信息的逸散被防止，所以被认为是特别有效的。
另外，作为第一电极层，在使用Al作为材料的情况下，在最大长比Al的自旋扩散长550nm小时，自旋蓄积的效应变大。
关于强磁性电极层，特别是第四强磁性电极层的磁畴控制，如图11所示，在考虑应用在一般的GMR再生磁头上的硬偏压方式的情况下，在将硬偏压中使用的永久磁铁1102，通过绝缘膜1102配置在该元件膜110的磁道宽度方向的两端部时，可以使用从永久磁铁1102的漏磁通，减少在元件中的强磁性电极层110的端部发生的微细磁畴，形成在一方向整齐排列的磁畴结构。
再有，作为新的磁畴控制的方式，如图12所示，通过非磁性膜1201，在强磁性电极层110的其他主面侧加上由永久磁铁CFS磁场发生层1202。而且除此之外，作为构成1202的材料，是在强磁性电极层110的其他主面侧形成由与反强磁性膜相接的软磁性膜构成的多层膜，使用从该永久磁铁或者软磁性膜的端部发生的漏磁通，可以有效地实现使强磁性电极层110的磁畴趋于一致的CFS(Closed Flux Structure)方式。
另外，作为最单纯的方式，可以变化强磁性电极层110的形状的磁道宽度方向和元件高度方向的长度比，使元件的形状磁性各向异性发生变化，藉此来调整矫顽力或磁化的一起旋转。元件尺寸低于0.1μm×0.1μm的范围时，预料上述硬偏压的绝缘膜的绝缘性和磁畴控制磁场的精度会显著地降低。间隙间隔低于50nm的范围时，虽然薄膜化成为现在的课题，分有效的。
实施例1
在SiO2基板或玻璃基板等通常使用的基板(包括氧化镁基板、GaAs基板、AlTiC基板、SiC基板、Al2O3基板)上，使用RF溅射法或DC溅射法、分子束外延生长法(MBE)等的膜形成装置进行成膜。例如，在RF溅射法的情况下，使用采用3英寸靶的装置，在Ar气氛中，以约1～0.05Pa的压力、50W～150W的功率使膜生长成规定的膜。元件形成的基体，直接使用上述基板，或者是使用在这些基板上形成绝缘膜、或合适的基底金属膜等的基体。
在元件形成的基体上，在高真空中形成下部屏蔽膜、绝缘膜后，在其上形成膜厚1nm的Al膜后，使用电子束描绘法描绘第一电极层的形状，进行研磨形成。然后，在氧气氛中自然氧化。在Al膜的氧化中，不是自然氧化，同样也使用等离子体氧化或臭氧氧化等氧化方法。氧化处理后，在其上形成了膜厚5nm至20nm的强磁性膜。按情况在其上形成Ta膜等作为保护膜。在强磁性膜制作前，往往还形成由Al2O3或SiO2构成的绝缘膜。在该膜上涂布抗蚀剂，使用I线逐次移动式曝光的平板印刷术及利用电子束描绘法描绘形状。
将该膜进行研磨处理形成图形。然后，描绘接合部分，形成接合部。接合部是借助利用2级抗蚀剂等的剥离用图形，在周边部形成由Al2O3或SiO2构成的绝缘膜后，进行剥离。在制作中使用电子束描绘法或逐次移动式曝光法、或者探测器描绘法。另外，在离子研磨或者干蚀刻后进行消除所发生的毛刺的处理。在制作自由层的硬偏压膜的情况下，形成绝缘膜后，制作永久磁铁CoCrPtZr等的膜，再形成绝缘膜。然后，进行用于形成强磁性膜的描绘，在表面清洁化处理后形成Co和NiFe等软磁性膜、MnIr等反强磁性膜。
实施例2
关于本报告的图1的结构，在图13或者图14中示出了实际制成的元件的各层全分辨，从与介质相对的面看到的图。例如由Al构成的宽500nm左右的第一电极层102、以及由Co构成的第一、第二、第三、第四强磁性电极层连接在由Al2O3构成的第一至第四绝缘层上。
各强磁性电极层和第一电极层的接触部分，一边是50～100nm左右。第四强磁性电极层在与介质相对的面露出或者通过保护膜位于最近的部分。从第四强磁性电极层在元件高度方向距离50～500nm的位置配置第三强磁性电极层。
作为元件高度方向，是在第四、第三强磁性电极层之间，按照距这2个强磁性电极层大致相同的距离配置第一强磁性电极层。另外，第二强磁性电极层在与该第一强磁性电极层大致相同的元件高度位置，配置在距第四、第三的2个强磁性电极层大致相同的距离上。在该第一强磁性电极层和第二强磁性电极层上连接使电流流动的电流源，能够使电流在第一电极层中流动。另外，第三强磁性电极层被电接地，与测定起因于第四强磁性电极层的磁化反转而发生的电压变化的机构连接。再配置形成这些元件的基体的下部层，和在膜的表面侧配置由软磁性膜构成的磁屏蔽。在该上部屏蔽膜上，以记录用磁头位置的结构形成磁头。
在第一电极膜的面积是500nm×500nm时，由于磁场方向不同，在第四和第三强磁性电极层之间产生的电位差V，在第一和第二强磁性电极层之间流动的电流是100μA时在室温下是约90mV，成为使用非磁性细线时被确认的输出的十倍左右的大小。
另外，在磁场是零时，该电压是非常低的值，作为由磁场引起的变化率，是100～1000％的高值。另外，通过使用能使电压电极膜的面积缩小的、增大电流的材料、或者在强磁性电极上应用自旋分极高的材料等材料选择，形成低温等，都可以使输出和变化率提高。
实施例3
作为在这些磁性膜上应用半金属材料的情况，在形成Fe3O4的场合，使用降低溅射室气氛的H2O比例、以低速率、低能量形成膜的新颖制作方法，就能够在高于或等于250℃的基板温度下，在膜厚小于或等于50nm的膜中，制作具有饱和磁化大于或等于0.4特的Fe3O4膜。
从基于第一原理计算的理论验证和过去的分光分析等可知，该Fe3O4是具有半金属特性的材料。已形成的Fe3O4膜的饱和磁化Bs，无论基底膜是Pt、Cu、Pd、Rh、Ru、Ir、Au、Ag、Ta、CoFe、Co、NiFe等导电性金属、合金膜，还是TiN等导电性化合物膜，通过使这些基底膜的表面粗糙度Ra达到小于或等于0.4nm，都可以确认能使大于或等于0.4特并且大致良好的Fe3O4成长。另外，通过在这些贵金属的下面插入数nm至数十nm的Cr、Ta、NiFe、Cr等合适的基底膜，能使在其上成长的贵金属膜的表面构造平滑，从而促进Fe3O4膜的成长。
对于Fe3O4以外的氧化物半金属材料的CrO2、ZnO、GaN，也和上述的Fe3O4的情况同样形成基底贵金属膜，在其上进行成长时，即使基板温度是250℃，也被证实能形成单层膜。如果ZnO掺杂约25％的V、Cr、Fe、Co、Ni强磁性金属，就成为强磁性半金属状态。另外，即使对于GaN，如果使用MBE在GaAs基底膜上掺杂25％的Mn而形成，也能成为强磁性半金属。
另外，使用被称为霍伊斯勒高导磁率合金的化合物，通过在Ar气氛中的RF溅射，采用在基板上直接成长的方法，能够制作Co2MnGe、Co2MnSb或Co2Cr0.6Al0.4Mn等适合于组成的靶。希望基板温度为高于或等于300℃、施加高于或等于700℃的热处理，但在室温基板上形成，在270℃进行长时间热处理时，也可以得到规则化的结构。另外，已制成的膜的组成和靶的组成的关系容易偏离，因此需要利用XPS或者ICP对已制成的膜的组成确认进行鉴定。
因为在磁性层中使用这些膜，所以作为磁阻元件的输出ΔV数倍程度地增大，这对元件的设计简易化是有效的。
实施例4
图15是表示包括直至记录磁头的磁再生磁头结构的模拟图。迄今为止所述的再生磁头结构，是在上下屏蔽膜的201、204之间构成，在与介质相对的ABS面上增加成为基本结构的磁性膜104。如该图中所示，在元件厚度方向示出磁极1302和诱导磁极磁化的线圈1501。屏蔽形状是并行平板型，但是在具有包围本再生机构的102膜或者102膜上的104膜的左右那样的箱式屏蔽形状的屏蔽的情况下，由于能够提高磁道宽度方向的分辨能力，所以是有效的。
磁极的材质，使用以往类型中具有高饱和磁通密度的CoFe系材料。近年来，使用具有更高饱和磁通密度的材料进行记录的方式正在被推进，对于使用这些材料来实现的垂直磁记录或面内记录来说，本发明的再生方式能有效地发挥作用。
另外，作为记录方式，在介质上照射缩小尺寸的光束使介质温度局部地上升，利用伴随介质温度上升的磁化减低作用，即使在带有磁化反转机构的记录磁头中，这些读取方式也是有效的。
图16是表示使用本发明的磁头的一实施例的磁盘装置的图。图示的磁盘装置包括：用于在称为同心圆状的磁道的记录区域内记录数据的、形成圆盘状的作为磁记录介质的磁盘1601，由磁转换器构成的、用于实施读取、写入上述数据的本发明的磁头1610，支持该磁头1610、向磁盘1601上的规定位置移动的驱动装置1611，以及控制磁头读取、写入的数据的收发和驱动装置的移动的控制机构而构成。
以下说明构成和动作。至少一个可旋转的磁盘1601由旋转轴1602支持，借助驱动用电动机1603进行旋转。至少一个滑块1606设置在磁盘1601上，该滑块1606设置一个以上，支持用于读取、写入的本发明的磁头1610。
在磁盘1601旋转的同时，滑块1606向磁盘表面移动，藉此到达记录作为目的的数据的予定位置进行存取。滑块1606借助悬吊架1607安装在臂1608上。悬吊架1607稍具弹性，滑块1606与磁盘1601贴紧。臂1608安装在驱动装置1611上。
作为驱动装置1611，有音频线圈电动机(以下，称为VCM)。VCM由设置在固定的磁场中的可移动线圈构成，线圈的移动方向和移动速度等利用从控制装置1612通过线路给予的电信号来控制。因此，按照本实施例的驱动手段是例如包括滑块1606、悬吊架1607、臂1608、驱动装置1611和线路1604而构成的。
在磁盘的动作中，通过磁盘1601的旋转，在滑块1606和磁盘表面之间产生由空气流引起的空气支承，它使滑块1606从磁盘1601的表面上浮。因此，在磁盘装置的动作中，该空气支承获得悬吊架1607的稍微的弹性力和平衡，滑块1606不下降到磁盘表面，而且和磁盘1601保持一定间隔而维持上浮。
通常，控制装置1612由逻辑电路、存储器、以及微型信息处理机等构成。而且，该控制装置1612通过各线路收发控制信号，而且控制磁盘装置的各种构成单元。例如，借助通过线路1604传递的电动机驱动信号来控制电动机1603。
驱动装置1611借助线路1604的磁头位置控制信号和查找控制信号等进行控制，以便向作为其相关的磁盘1601上的目的的数据磁道进行选择的滑块1606进行最合适地移动而决定位置。
于是，控制信号通过线路1604接收磁头1610读取磁盘1601的数据而转换的电信号，进行解读。另外，在磁盘1601上用于作为数据写入的电信号，通过线路1604发送到磁头1610。即，控制装置1612控制磁头1610读取或者写入的信息的收发。
再者，上述的读取、写入信号，也可以是从磁头1610直接被传递的手段。另外，作为控制信号，例如有存取控制信号和时钟信号等。而且，磁盘装置具有数个磁盘和驱动装置等，该驱动装置也可以具有数个磁头。另外，介质如图所示，除圆盘型的介质发生旋转，磁头进行存取以外，数个磁头在固定的介质上同时并行进行扫描那样的机构是同样有效的。
通过兼备这样的数个机构，可以形成所谓的磁盘阵列装置。
通过在本磁存储装置上装载本发明的磁阻效应元件，能够在再生密度超过500Gb/in2的区域实现磁记录和再生。

Claims (15)

1.磁头，其特征在于，具有：
第一电极层、
由通过第一绝缘层层叠在上述第一电极层的一端的第一强磁性电极层及通过第二绝缘层层叠在上述第一电极层的另一端的第二强磁性电极层构成的第一强磁性电极对、和
由通过第三绝缘层层叠在上述第一电极层的一端的第三强磁性电极层及通过第四绝缘层层叠在上述第一电极层的一端的第四强磁性电极层构成的第二强磁性电极对；
上述第二强磁性电极对与在上述第一强磁性电极对之间流动的电流交叉地配置；
通过使电流经过上述第一电极层在上述第一强磁性电极对之间流动，在上述第一电极层中蓄积自旋电子；
一旦外加外部磁场，第四强磁性电极层的磁化方向就发生变化。
2.磁头，其特征在于，具有：
第一电极层、
由通过第一绝缘层层叠在上述第一电极层的一端的第一强磁性电极层及通过第二绝缘层层叠在上述第一电极层的另一端的第二强磁性电极层构成的第一强磁性电极对、和
由通过第三绝缘层层叠在与上述第一电极层的第一和第二强磁性电极层电连接的部分不同的一端的第三强磁性电极层及通过绝缘层层叠在上述第三强磁性电极层电连接的上述第一电极层的另一端的第四强磁性电极层构成的第二强磁性电极对；
通过使电流经过上述第一电极层在上述第一强磁性电极对之间流动，在上述第一电极层上蓄积自旋电子；
一旦外加外部磁场，第四强磁性电极层的磁化方向就发生变化。
3.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，上述第四强磁性电极层的矫顽力比上述第一和第三强磁性电极层的矫顽力小。
4.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，在将上述第一强磁性电极对连接在一定电流电路内，作为电流端子的元件中，外加磁场的方向和通过强磁性电极对在上述第一电极层中流动的电流方向按照成为不同方向那样配置。
5.根据权利要求4所述的磁头，其特征在于，关于形成上述第二强磁性电极对的强磁性电极层在上述第一电极层上的配置，是上述第三、第四强磁性电极层与上述第一电极层接触的各自面的大致中心部分，和上述第一强磁性电极层与上述第一电极层的接触面的大致中心部分的形成的距离成为大致相同那样的端子配置。
6.根据权利要求5所述的磁头，其特征在于，关于形成上述第二强磁性电极对的强磁性电极层在上述第一电极层上的配置，是上述第三、第四强磁性电极层和上述第一电极层接触的各自面的大致中心部分，和上述第二强磁性电极层与上述第一电极层的接触面的大致中心部分的形成的距离成为大致相同那样的端子配置。
7.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，关于形成上述第二强磁性电极对的强磁性电极层在上述第一电极层上的配置，是上述4个强磁性电极层和上述第一电极层接触的各自面配置在上述第一强磁性电极层的同一面上，上述第四强磁性电极层分别与形成上下屏蔽的膜相接，该接触部位以外，上下屏蔽和上述第一电极层及强磁性电极层借助绝缘层绝缘。
8.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，关于形成上述第二强磁性电极对的强磁性电极层在上述第一电极层上的配置，上述4个强磁性电极层和上述第一电极层接触的各自面具有以下结构：上述第四强磁性电极层配置在上述第一强磁性电极层的一面上，上述第二和第三强磁性电极层配置在该上述第一强磁性电极层的里面侧，该第四强磁性电极层与形成上下屏蔽的膜的一方相接，该第二强磁性电极层具有配置在该上述第一强磁性电极层与该第四强磁性电极层相同的面或者里侧面，这些端子除该接触部位以外，上下屏蔽和上述第一电极层及强磁性电极层借助绝缘层绝缘。
9.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，关于配置在上述第一电极层上的上述第一至第三强磁性电极层，就其至少上述第一和第三强磁性电极层来说，其全面或者在至少与上述第一电极层接触的接触面部分上具有与反强磁性材料构成的膜直接相接或者通过强磁性金属模相接的结构。
10.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，关于配置在上述第一电极层上的上述第四强磁性电极层，作为该膜的形状，与介质面垂直方向的长度比与介质面平行方向的长度长。
11.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，关于配置在上述第一电极层上的上述第四强磁性电极层，具备：借助通过绝缘层在该第四强磁性电极层的两端部配置永久磁铁层、利用来自该端部的漏磁通使上述第四强磁性电极层的磁化固定的结构，或者在该第四强磁性电极层的其他主面侧设置非磁性膜、在该其他主面侧连接永久磁铁膜或者反强磁性膜和磁性膜的多层膜、利用来自该层的端部的磁通使上述第四强磁性电极层的磁化固定的结构的任一种，藉此使磁畴结构整齐排列的机构。
12.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，配置在上述第一电极层上的上述第四强磁性电极层的一部分，在与介质表面相对的面露出而配置。
13.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，配置在上述第一电极层上的上述第四强磁性电极层，在与介质表面相对的面不露出，通过保护膜配置。
14.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，上述第一至第四强磁性电极层是单层膜或者复合多层膜，该单层膜或者复合多层膜含有：
Co、Fe、Ni的强磁性金属或者以这些材料作为主成分而含有的强磁性合金；
具有AB2O4构成的结构的氧化物，其中，A是Fe、Co、Zn中的至少一种，B是Fe、Co、Ni、Mn、Zn的一种；
在CrO2、CrAs、CrSb或者ZnO中添加过渡金属的Fe、Co、Ni、Mn的至少一种成分以上的化合物；
在GaN中添加Mn的化合物；或
C2DxE1-xF型的霍伊斯勒高导磁率合金，其中，C由Co、Cu或者Ni的至少一种构成，D和E分别是Mn、Fe、Cr的一种，而且F含有Al、Sb、Ge、Si、Ga、Sn的至少一种成分。
15.根据权利要求1或2所述的磁头，其特征在于，第一至第四绝缘层是以Al2O3、AlN、HfO2、SrTiO3、Cr2O3、ZrO2、SiO2、MgO作为主成分含有的单层膜或者复合多层膜。
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