JP2003248909A - 磁気ヘッド及びそれを備える磁気記録再生装置、並びに磁気メモリ - Google Patents
磁気ヘッド及びそれを備える磁気記録再生装置、並びに磁気メモリInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 出力が高く、特にCPP-GMRとして用いると最
適な磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。 【解決手段】 ハーフメタルを含有する固定層６０６
と、前記固定層６０６の一主面側に形成された自由層６
０８と、前記固定層６０６と前記自由層６０８との間に
形成された中間層６０７と、前記固定層６０６の他主面
側に形成された反強磁性層６０３と、前記固定層６０６
と前記反強磁性層６０３との間に形成された軟磁性層６
０４と、前記固定層６０６と前記軟磁性層６０４との間
に形成された貴金属層６０５とを含む磁気抵抗効果素子
を備えることにより、高感度で出力が向上した磁気ヘッ
ドを実現する。
適な磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。 【解決手段】 ハーフメタルを含有する固定層６０６
と、前記固定層６０６の一主面側に形成された自由層６
０８と、前記固定層６０６と前記自由層６０８との間に
形成された中間層６０７と、前記固定層６０６の他主面
側に形成された反強磁性層６０３と、前記固定層６０６
と前記反強磁性層６０３との間に形成された軟磁性層６
０４と、前記固定層６０６と前記軟磁性層６０４との間
に形成された貴金属層６０５とを含む磁気抵抗効果素子
を備えることにより、高感度で出力が向上した磁気ヘッ
ドを実現する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】磁気抵抗効果素子を備える磁
気ヘッド及び磁気記録再生装置、並びに磁性メモリに関
する。
気ヘッド及び磁気記録再生装置、並びに磁性メモリに関
する。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録再生装置においては、記録密度
の向上が著しい。この磁気記録再生装置が備える磁気記
録再生ヘッドには、記録、再生の両特性に関し、高性能
化が要求されている。
の向上が著しい。この磁気記録再生装置が備える磁気記
録再生ヘッドには、記録、再生の両特性に関し、高性能
化が要求されている。
【０００３】再生ヘッドの高機能化は、記録密度1〜10
(Gb/in2)のでは、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）ヘッド
により、記録密度10〜30（Gb/in2）では、感度をより高
く得られる巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ)ヘッドにより達成
されてきた。現状の記録密度20〜70（Gb/in2）では、ス
ペキュラーGMRや、NOL−GMRと呼ばれるアドバンスGMR効
果によって、再生ヘッドの高記録密度への対応がなされ
ている。
(Gb/in2)のでは、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）ヘッド
により、記録密度10〜30（Gb/in2）では、感度をより高
く得られる巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ)ヘッドにより達成
されてきた。現状の記録密度20〜70（Gb/in2）では、ス
ペキュラーGMRや、NOL−GMRと呼ばれるアドバンスGMR効
果によって、再生ヘッドの高記録密度への対応がなされ
ている。
【０００４】しかし、さらなる高感度化の進展により、
より高感度な再生方式が必要とされており、記録密度70
〜150（Gb/in2）ではトンネル磁気抵抗効果(TMR)、記録
密度150（Gb/in2）以上の高記録密度では膜面に垂直な
方向に検出電流を流す方式のGMR膜(CPP-GMR；Current-p
erpendicular to plane GMR)等が主流になると考えられ
ている。従来のGMR素子は膜面に平行に検出電流を流す
方式であることから、CIP-GMRと呼ばれてCPP-GMRとは区
別されている。特表平11-509956号公報、特開平7-22136
3号公報には、CPP-GMR方式の磁気ヘッドの構造の一例が
開示されている。
より高感度な再生方式が必要とされており、記録密度70
〜150（Gb/in2）ではトンネル磁気抵抗効果(TMR)、記録
密度150（Gb/in2）以上の高記録密度では膜面に垂直な
方向に検出電流を流す方式のGMR膜(CPP-GMR；Current-p
erpendicular to plane GMR)等が主流になると考えられ
ている。従来のGMR素子は膜面に平行に検出電流を流す
方式であることから、CIP-GMRと呼ばれてCPP-GMRとは区
別されている。特表平11-509956号公報、特開平7-22136
3号公報には、CPP-GMR方式の磁気ヘッドの構造の一例が
開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
CPP-GMR素子においては、磁気抵抗変化率が小さすぎる
ため、実際の再生ヘッドへは適用できないという問題が
ある。CPP-GMR膜の膜厚方向に電流を流した場合、CPP-G
MR膜の膜面方向に電流を流した場合と比べると、電流パ
スが短く、素子の抵抗値が小さい。
CPP-GMR素子においては、磁気抵抗変化率が小さすぎる
ため、実際の再生ヘッドへは適用できないという問題が
ある。CPP-GMR膜の膜厚方向に電流を流した場合、CPP-G
MR膜の膜面方向に電流を流した場合と比べると、電流パ
スが短く、素子の抵抗値が小さい。
【０００６】従来作製されていたCPP-GMRの抵抗は、0.2
5μm2の面積の素子について0.1〜0.5ｍΩ程度である。
また、ΔR/Rが20％程度であるので、ΔRは0.08〜0.4ｍ
Ωである。このΔR値は、磁気再生素子に適用するのに
必要とされている出力値である2Ω以上と比べて非常に
小さいことがわかる。
5μm2の面積の素子について0.1〜0.5ｍΩ程度である。
また、ΔR/Rが20％程度であるので、ΔRは0.08〜0.4ｍ
Ωである。このΔR値は、磁気再生素子に適用するのに
必要とされている出力値である2Ω以上と比べて非常に
小さいことがわかる。
【０００７】抵抗Rを高くし、かつΔRを大きくするため
にはCPP-GMR素子の大きさを小さくすれば良いが、現状
において素子面積の作製の限界は0.1μm2程度である。
また、素子面積が小さくなると、抵抗値が小さくなりす
ぎるため、抵抗Rの測定が困難になるという問題もあ
る。
にはCPP-GMR素子の大きさを小さくすれば良いが、現状
において素子面積の作製の限界は0.1μm2程度である。
また、素子面積が小さくなると、抵抗値が小さくなりす
ぎるため、抵抗Rの測定が困難になるという問題もあ
る。
【０００８】そこで本発明では、素子の磁気抵抗変化率
や電気抵抗を高くするための材料、及び膜構造を最適化
した磁気抵抗効果素子を搭載する磁気ヘッド及び磁気記
録再生装置を提供することを目的とする。
や電気抵抗を高くするための材料、及び膜構造を最適化
した磁気抵抗効果素子を搭載する磁気ヘッド及び磁気記
録再生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
は、ハーフメタルを含有する固定層と、固定層の一主面
側に形成された自由層と、固定層と自由層との間に形成
された中間層と、固定層の他主面側に形成された反強磁
性層と、固定層と反強磁性層との間に形成された軟磁性
層と、固定層と軟磁性層との間に形成された貴金属層と
を含む磁気抵抗効果素子を備えることを主たる特徴とす
る。
めに、本発明に係る磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
は、ハーフメタルを含有する固定層と、固定層の一主面
側に形成された自由層と、固定層と自由層との間に形成
された中間層と、固定層の他主面側に形成された反強磁
性層と、固定層と反強磁性層との間に形成された軟磁性
層と、固定層と軟磁性層との間に形成された貴金属層と
を含む磁気抵抗効果素子を備えることを主たる特徴とす
る。
【００１０】また、本発明に係る磁気ヘッド及び磁気記
録再生装置は、第１の磁性層と、積層フェリ構造を有す
る多層磁性膜と、第１の磁性層と前記多層磁性膜との間
に形成された中間層とを含み、多層磁性膜は、ハーフメ
タルを含有し、前記中間層に接するように形成された第
２の磁性層と、軟磁性材料を含有する第３の磁性層と、
第２の磁性層と第３の磁性層との間に形成された貴金属
層とを有し、更に第３の磁性層の貴金属層が形成されて
いる側とは反対側に反強磁性層が形成された磁気抵抗効
果素子を備えることを主たる特徴とする。
録再生装置は、第１の磁性層と、積層フェリ構造を有す
る多層磁性膜と、第１の磁性層と前記多層磁性膜との間
に形成された中間層とを含み、多層磁性膜は、ハーフメ
タルを含有し、前記中間層に接するように形成された第
２の磁性層と、軟磁性材料を含有する第３の磁性層と、
第２の磁性層と第３の磁性層との間に形成された貴金属
層とを有し、更に第３の磁性層の貴金属層が形成されて
いる側とは反対側に反強磁性層が形成された磁気抵抗効
果素子を備えることを主たる特徴とする。
【００１１】更にまた、本発明に係る磁気ヘッド及び磁
気記録再生装置は、反強磁性層と、反強磁性層上に形成
された第１の軟磁性層と、第１の軟磁性層上に形成され
た貴金属層と、貴金属層上に形成されたハーフメタル層
と、ハーフメタル層上に形成された中間層と、中間層上
に形成された第２の軟磁性層とを含む磁気抵抗効果素子
を備えることを主たる特徴とする。
気記録再生装置は、反強磁性層と、反強磁性層上に形成
された第１の軟磁性層と、第１の軟磁性層上に形成され
た貴金属層と、貴金属層上に形成されたハーフメタル層
と、ハーフメタル層上に形成された中間層と、中間層上
に形成された第２の軟磁性層とを含む磁気抵抗効果素子
を備えることを主たる特徴とする。
【００１２】以上のように構成される磁気抵抗効果素子
は、ハーフメタルを含有する固定層、第２の磁性層又は
ハーフメタル層を備えているので、磁気抵抗変化率や電
気抵抗が高い。したがって、この磁気抵抗効果素子を搭
載することにより、高感度でGMR出力が大きい磁気ヘッ
ドを実現できる。また、本磁気抵抗効果素子は、磁性メ
モリのメモリセルに搭載することも可能であり、セル面
積を縮小化し、メモリ容量を従来の倍以上に増大可能な
磁性メモリを実現できる。
は、ハーフメタルを含有する固定層、第２の磁性層又は
ハーフメタル層を備えているので、磁気抵抗変化率や電
気抵抗が高い。したがって、この磁気抵抗効果素子を搭
載することにより、高感度でGMR出力が大きい磁気ヘッ
ドを実現できる。また、本磁気抵抗効果素子は、磁性メ
モリのメモリセルに搭載することも可能であり、セル面
積を縮小化し、メモリ容量を従来の倍以上に増大可能な
磁性メモリを実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用するのに好ま
しい磁気ヘッドについて、詳細に説明する。
しい磁気ヘッドについて、詳細に説明する。
【００１４】本発明を適用した磁気ヘッドは、ハーフメ
タルを含有する固定層と、固定層の一主面側に形成され
た自由層と、固定層と自由層との間に形成された中間層
と、固定層の他主面側に形成された反強磁性層と、固定
層と反強磁性層との間に形成された軟磁性層と、固定層
と軟磁性層との間に形成された貴金属層とを含む磁気抵
抗効果素子を備える。
タルを含有する固定層と、固定層の一主面側に形成され
た自由層と、固定層と自由層との間に形成された中間層
と、固定層の他主面側に形成された反強磁性層と、固定
層と反強磁性層との間に形成された軟磁性層と、固定層
と軟磁性層との間に形成された貴金属層とを含む磁気抵
抗効果素子を備える。
【００１５】特に、固定層は、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｒＯ２若
しくはＺｎＯに遷移金属を添加した材料、ＧａＮにＭｎ
を添加した材料のうち少なくとも１種のハーフメタルを
含有している。このように、本発明を適用した磁気抵抗
効果素子は、ハーフメタルと呼ばれる材料を固定層に適
用した構造を有する。
しくはＺｎＯに遷移金属を添加した材料、ＧａＮにＭｎ
を添加した材料のうち少なくとも１種のハーフメタルを
含有している。このように、本発明を適用した磁気抵抗
効果素子は、ハーフメタルと呼ばれる材料を固定層に適
用した構造を有する。
【００１６】ハーフメタルとは、その材料のもつ電子構
造が、図1（a）のような特徴を持つものである。ここ
で、電子構造について簡単に説明する。なお、図１にお
いて、（ａ）はハーフメタル磁性体の電子密度状態を示
し、（ｂ）は非磁性金属の電子密度状態を示し、（ｃ）
は磁性金属の電子密度状態を示す。
造が、図1（a）のような特徴を持つものである。ここ
で、電子構造について簡単に説明する。なお、図１にお
いて、（ａ）はハーフメタル磁性体の電子密度状態を示
し、（ｂ）は非磁性金属の電子密度状態を示し、（ｃ）
は磁性金属の電子密度状態を示す。
【００１７】一般に、非磁性金属の電子構造は、図1
（ｂ）ような形である。これらの図では、下から上へ、
エネルギー順位の低い状態から高い状態になっているこ
とを示し、図の横方向は中心をゼロとした電子密度を表
すと考えられる。図の中心を境にした左右は、電子が2
種類の電子スピンをもつことを区別するものである。な
お、便宜的に、右側を上向きスピン（↑）、左側を下向
きスピン（↓）と呼ぶこととする。
（ｂ）ような形である。これらの図では、下から上へ、
エネルギー順位の低い状態から高い状態になっているこ
とを示し、図の横方向は中心をゼロとした電子密度を表
すと考えられる。図の中心を境にした左右は、電子が2
種類の電子スピンをもつことを区別するものである。な
お、便宜的に、右側を上向きスピン（↑）、左側を下向
きスピン（↓）と呼ぶこととする。
【００１８】図中、EFと記された横線は、フェルミ面と
呼ぶエネルギー準位で、このエネルギーの電子が電気伝
導の大半を担っている。金属は、フェルミ面のエネルギ
ー準位に有限の電子密度があるため、これが自由電子と
して電気伝導する電子となる。ハーフメタルとは、図1
に示すようにフェルミ面における電子が、上下スピンの
どちらか一方のスピンだけである物質のことである。
呼ぶエネルギー準位で、このエネルギーの電子が電気伝
導の大半を担っている。金属は、フェルミ面のエネルギ
ー準位に有限の電子密度があるため、これが自由電子と
して電気伝導する電子となる。ハーフメタルとは、図1
に示すようにフェルミ面における電子が、上下スピンの
どちらか一方のスピンだけである物質のことである。
【００１９】この電子スピンと磁性とは大きく関係して
いる。磁性体の場合はフェルミ面から下側のバンド内に
ある電子総数が、上向きスピンと下向きスピンとで大き
く異なるという特徴がある。一方、ハーフメタルでは、
フェルミ面のスピン数が100％片側スピンからなるとい
う点が特徴である。
いる。磁性体の場合はフェルミ面から下側のバンド内に
ある電子総数が、上向きスピンと下向きスピンとで大き
く異なるという特徴がある。一方、ハーフメタルでは、
フェルミ面のスピン数が100％片側スピンからなるとい
う点が特徴である。
【００２０】よって、ハーフメタルであり，かつ、強磁
性体である場合もある。これを、ハーフメタル磁性体と
いうが、多くのハーフメタルは磁性体であることからこ
こではハーフメタルと呼ぶことにする。ここで、このス
ピンの偏りを分極率Pという。分極率Pは、フェルミ面に
おける上向きスピン電子数をｎ↑、下向きスピン電子数
をｎ↓として下記数１であらわされる。
性体である場合もある。これを、ハーフメタル磁性体と
いうが、多くのハーフメタルは磁性体であることからこ
こではハーフメタルと呼ぶことにする。ここで、このス
ピンの偏りを分極率Pという。分極率Pは、フェルミ面に
おける上向きスピン電子数をｎ↑、下向きスピン電子数
をｎ↓として下記数１であらわされる。
【００２１】
【数１】
ハーフメタルに電子を流すと、ハーフメタルの電子スピ
ンの向きと同じスピン成分の電子は保存しハーフメタル
中を伝導するが、逆向きのスピンをもつ電子は反発力が
働くため伝導できない。したがって，ハーフメタル磁性
体と金属磁性体とを非磁性金属を介して接合したスピン
バルブ構造では、磁性体金属を軟磁性にすれば、外部磁
界でその金属磁性膜の磁化が反転したときに磁気抵抗が
大きく変化する可能性がある。原理的にこのようなスピ
ンバルブ構造ではハーフメタル磁性体の分極率が100％
の場合には、抵抗変化率は無限大となると考えられるた
め、これを材料にスピンバルブ構造を構成すれば抵抗変
化率の増大すなわち出力の増加に相当有効である。
ンの向きと同じスピン成分の電子は保存しハーフメタル
中を伝導するが、逆向きのスピンをもつ電子は反発力が
働くため伝導できない。したがって，ハーフメタル磁性
体と金属磁性体とを非磁性金属を介して接合したスピン
バルブ構造では、磁性体金属を軟磁性にすれば、外部磁
界でその金属磁性膜の磁化が反転したときに磁気抵抗が
大きく変化する可能性がある。原理的にこのようなスピ
ンバルブ構造ではハーフメタル磁性体の分極率が100％
の場合には、抵抗変化率は無限大となると考えられるた
め、これを材料にスピンバルブ構造を構成すれば抵抗変
化率の増大すなわち出力の増加に相当有効である。
【００２２】このようなハーフメタル磁性体材料は大別
すると（A）磁性半導体、又は（B）一部の酸化物磁性体
である。（A）磁性半導体は、CrAs、CrSb、あるいは、
閃亜鉛型の結晶構造をもつ、III―V族化合物半導体にMn
などの磁性体をドープした希薄磁性半導体（InMnAs、Ga
MnAs）などで、MBEによる単結晶エピタキシャル成長に
より作製される。
すると（A）磁性半導体、又は（B）一部の酸化物磁性体
である。（A）磁性半導体は、CrAs、CrSb、あるいは、
閃亜鉛型の結晶構造をもつ、III―V族化合物半導体にMn
などの磁性体をドープした希薄磁性半導体（InMnAs、Ga
MnAs）などで、MBEによる単結晶エピタキシャル成長に
より作製される。
【００２３】一般に、ハーフメタル的な特性を示すの
は、材料によっても異なるが、100K〜4K以下の低温度域
である。例外的に、CrSb（〜350K）やCrAs（Tｃ＞1000
K）のように高温でも特性を示すとされているものがあ
る。また、ZnOやGaNに遷移金属をドープした磁性半導
体、その他の閃亜鉛型結晶構造をもつ磁性半導体につい
ては、室温で強磁性的挙動を示し、ハーフメタルであ
る。
は、材料によっても異なるが、100K〜4K以下の低温度域
である。例外的に、CrSb（〜350K）やCrAs（Tｃ＞1000
K）のように高温でも特性を示すとされているものがあ
る。また、ZnOやGaNに遷移金属をドープした磁性半導
体、その他の閃亜鉛型結晶構造をもつ磁性半導体につい
ては、室温で強磁性的挙動を示し、ハーフメタルであ
る。
【００２４】一方、（B）の酸化物磁性体としては、Fe3
O4が特によく知られている。これ以外にもCrO2がハーフ
メタル材料の候補である。Fe3O4はハーフメタル特性が
室温でも得られる点と、磁性体としても磁化が大きくか
つ軟磁気特性を得られるので重要である。ただし、一般
に、単層膜を得るためには、500℃をこえる高温処理あ
るいは基板温度上の製膜が必要なため、これまで実用化
にはいたっていない。
O4が特によく知られている。これ以外にもCrO2がハーフ
メタル材料の候補である。Fe3O4はハーフメタル特性が
室温でも得られる点と、磁性体としても磁化が大きくか
つ軟磁気特性を得られるので重要である。ただし、一般
に、単層膜を得るためには、500℃をこえる高温処理あ
るいは基板温度上の製膜が必要なため、これまで実用化
にはいたっていない。
【００２５】酸化物ハーフメタル材料においては、作製
温度の問題が大きな課題となり、これまで一般に素子化
あるいは実際の磁気ヘッドを作製するには至っていな
い。Fe3O4の場合、近い組成に安定相であるが磁化が低
く、ハーフメタルではないFe2O3という相があり、混層
化しやすいのと、FeとFe3O4とも混相になりやすい傾向
にある。CrO2もCr2O3という絶縁体と混相化しやすいた
め、酸素雰囲気中の高温作製など特別な作製法が必要で
ある。
温度の問題が大きな課題となり、これまで一般に素子化
あるいは実際の磁気ヘッドを作製するには至っていな
い。Fe3O4の場合、近い組成に安定相であるが磁化が低
く、ハーフメタルではないFe2O3という相があり、混層
化しやすいのと、FeとFe3O4とも混相になりやすい傾向
にある。CrO2もCr2O3という絶縁体と混相化しやすいた
め、酸素雰囲気中の高温作製など特別な作製法が必要で
ある。
【００２６】この問題に対し、本発明者等は、Fe3O4の
下地材料を選択することで成長エネルギーを調整し、単
層化することが可能であることを見出し、このような材
料として、一部の貴金属を用いた場合に単層化が可能で
あることを見出した。
下地材料を選択することで成長エネルギーを調整し、単
層化することが可能であることを見出し、このような材
料として、一部の貴金属を用いた場合に単層化が可能で
あることを見出した。
【００２７】このような貴金属としては、Pt、Rh等があ
る。RFスパッタリング法で基板上にこれらの貴金属膜を
形成し、この上にFe3O4を形成する方法である。この方
法では、基板温度300℃で製膜した場合に、XRDパターン
から単層のFe3O4であり、かつ、室温での飽和磁化が0.5
5〜0.6テスラとなりバルクのFe3O4（飽和磁化：0.5〜0.
6テスラ＠室温）と同じ値となり、かつ、Fe3O4の特徴で
ある120K付近での飽和磁化の温度依存性異常（フェルベ
−点）も確認できている。これは、基板温度250℃以上
ではほぼ同様である。基板温度が150〜200℃でも0.5テ
スラ以上の飽和磁化である。したがって、この方法でFe
3O4単層膜の形成ができていると考える。また、数ｎｍ
の薄膜化も可能である。
る。RFスパッタリング法で基板上にこれらの貴金属膜を
形成し、この上にFe3O4を形成する方法である。この方
法では、基板温度300℃で製膜した場合に、XRDパターン
から単層のFe3O4であり、かつ、室温での飽和磁化が0.5
5〜0.6テスラとなりバルクのFe3O4（飽和磁化：0.5〜0.
6テスラ＠室温）と同じ値となり、かつ、Fe3O4の特徴で
ある120K付近での飽和磁化の温度依存性異常（フェルベ
−点）も確認できている。これは、基板温度250℃以上
ではほぼ同様である。基板温度が150〜200℃でも0.5テ
スラ以上の飽和磁化である。したがって、この方法でFe
3O4単層膜の形成ができていると考える。また、数ｎｍ
の薄膜化も可能である。
【００２８】ところで、従来のスピンバルブ膜は、一対
の金属磁性膜と金属磁性膜とをCu中間層を介して積層し
たものである。本発明を適用した磁気抵抗効果素子にお
いては、ハーフメタルを含有する固定層と金属磁性体膜
とを中間層を介して接合させた構造として、十分な磁気
抵抗効果特性が得られるかどうかが課題である。
の金属磁性膜と金属磁性膜とをCu中間層を介して積層し
たものである。本発明を適用した磁気抵抗効果素子にお
いては、ハーフメタルを含有する固定層と金属磁性体膜
とを中間層を介して接合させた構造として、十分な磁気
抵抗効果特性が得られるかどうかが課題である。
【００２９】そこで、本発明者等は、基板上に、反強磁
性膜、軟磁性膜、貴金属層、酸化物磁性体を含有する固
定層、中間層、自由層の順に積層されてなる磁気抵抗効
果素子ついて、中間層材料としてCu又は貴金属材料を挟
み、磁気抵抗効果特性が得られるかどうかを検討した。
また、基板上に、自由層、中間層、酸化物磁性体を含有
する固定層、貴金属層、軟磁性膜、反強磁性膜の順に積
層されてなる磁気抵抗効果素子ついては、中間層の材料
は上述の下地層を兼ねる必要があるため、貴金属材料を
用いた。その結果、上記何れの積層構造とした場合にお
いても、十分な磁気抵抗効果特性を得られることを確認
した。
性膜、軟磁性膜、貴金属層、酸化物磁性体を含有する固
定層、中間層、自由層の順に積層されてなる磁気抵抗効
果素子ついて、中間層材料としてCu又は貴金属材料を挟
み、磁気抵抗効果特性が得られるかどうかを検討した。
また、基板上に、自由層、中間層、酸化物磁性体を含有
する固定層、貴金属層、軟磁性膜、反強磁性膜の順に積
層されてなる磁気抵抗効果素子ついては、中間層の材料
は上述の下地層を兼ねる必要があるため、貴金属材料を
用いた。その結果、上記何れの積層構造とした場合にお
いても、十分な磁気抵抗効果特性を得られることを確認
した。
【００３０】次に，ハーフメタル材料を含有する固定層
における磁化固定の方法として、一般のGMR再生ヘッド
で適用されているハードバイアス方式を適用することを
考えた場合、ハードバイアスに用いられる反強磁性膜
は、下地膜としてNiFeなどの金属磁性膜（軟磁性膜）上
に形成する必要がある。しかし、酸化物ハーフメタルか
らなる磁性膜上に軟磁性膜及び反強磁性膜をこの順に積
層した場合、酸化物ハーフメタルを含有する固定層から
軟磁性膜へ酸素拡散が発生し、ハーフメタル特性の劣
化、軟磁性膜の酸化、劣化が起きる可能性があり、信頼
性が低下する可能性がある。
における磁化固定の方法として、一般のGMR再生ヘッド
で適用されているハードバイアス方式を適用することを
考えた場合、ハードバイアスに用いられる反強磁性膜
は、下地膜としてNiFeなどの金属磁性膜（軟磁性膜）上
に形成する必要がある。しかし、酸化物ハーフメタルか
らなる磁性膜上に軟磁性膜及び反強磁性膜をこの順に積
層した場合、酸化物ハーフメタルを含有する固定層から
軟磁性膜へ酸素拡散が発生し、ハーフメタル特性の劣
化、軟磁性膜の酸化、劣化が起きる可能性があり、信頼
性が低下する可能性がある。
【００３１】そこで、本発明を適用した磁気抵抗効果素
子では、反強磁性膜と、酸化物ハーフメタルを含有する
固定層とを積層フェリ構造を介して結合する構造とし
た。この構造とすることにより、積層フェリの中間膜
（貴金属膜）が酸化防止膜の働きをするので、酸化物ハ
ーフメタルを含有する固定層から軟磁性膜へ酸素拡散が
確実に抑制され、信頼性の高い膜を作製することが可能
である。この場合も、積層フェリ結合が、軟磁性膜と酸
化物ハーフメタルを含有する固定層の間で形成されてお
り、従来にない新しい構造である。
子では、反強磁性膜と、酸化物ハーフメタルを含有する
固定層とを積層フェリ構造を介して結合する構造とし
た。この構造とすることにより、積層フェリの中間膜
（貴金属膜）が酸化防止膜の働きをするので、酸化物ハ
ーフメタルを含有する固定層から軟磁性膜へ酸素拡散が
確実に抑制され、信頼性の高い膜を作製することが可能
である。この場合も、積層フェリ結合が、軟磁性膜と酸
化物ハーフメタルを含有する固定層の間で形成されてお
り、従来にない新しい構造である。
【００３２】
【発明の実施の形態】［実験１］まず、基板上にハーフ
メタルを含有する層を形成し、次に、基板とハーフメタ
ルを含有する層との間に貴金属層を形成し、これらにつ
いて下記の検証を大なった。
メタルを含有する層を形成し、次に、基板とハーフメタ
ルを含有する層との間に貴金属層を形成し、これらにつ
いて下記の検証を大なった。
【００３３】ガラス基板、酸化マグネシウム基板、GaAs
基板、AlTiC基板、SiC基板、Al2O3基板、SiO2基板等の
基板上に、膜形成した。膜作製法としては、RFスパッタ
リング法を用いた。到達真空度は5×10-3Pa以下であ
り、ターゲットはFe3O4の燒結体ターゲットである。Ar
雰囲気中で、約1〜0.1Paの圧力、50W〜150Wのパワーで
膜成長させた。膜の成長速度は0.1A/s未満である。ある
いは、分子線エピタキシー法（MBE）でFeを蒸着源と
し、これを蒸着しながら、雰囲気中に酸素を入れる方法
によっても、0.1〜0.01A/ｓ程度の非常にゆっくりとし
た膜形成速度で膜形成した場合にFe3O4の形成が確認さ
れた。
基板、AlTiC基板、SiC基板、Al2O3基板、SiO2基板等の
基板上に、膜形成した。膜作製法としては、RFスパッタ
リング法を用いた。到達真空度は5×10-3Pa以下であ
り、ターゲットはFe3O4の燒結体ターゲットである。Ar
雰囲気中で、約1〜0.1Paの圧力、50W〜150Wのパワーで
膜成長させた。膜の成長速度は0.1A/s未満である。ある
いは、分子線エピタキシー法（MBE）でFeを蒸着源と
し、これを蒸着しながら、雰囲気中に酸素を入れる方法
によっても、0.1〜0.01A/ｓ程度の非常にゆっくりとし
た膜形成速度で膜形成した場合にFe3O4の形成が確認さ
れた。
【００３４】これらの基板上に直接Fe3O4を形成した場
合は、室温成膜した膜の飽和磁化は0.1テスラ未満であ
り、基板温度400℃における飽和磁化も0.2テスラ〜0.3
テスラだった。この値は、Fe3O4単層としては低い値で
ある。
合は、室温成膜した膜の飽和磁化は0.1テスラ未満であ
り、基板温度400℃における飽和磁化も0.2テスラ〜0.3
テスラだった。この値は、Fe3O4単層としては低い値で
ある。
【００３５】また、このようにして作製した膜は非晶質
傾向の強い膜になった。これをほぼ完全なFe3O4単層膜
にするためには、基板温度を540℃以上の高温にし、結
晶化を促進する手段を施すことが必要であった。ただ
し、上述の単結晶基板を用い、スパッタ室雰囲気のH2O
分率を低減し、低レート、低エネルギーで膜形成する新
規な作製法により、250℃以上の基板温度において膜厚1
0〜50nmの膜において飽和磁化0.4テスラ以上をもつFe3O
4膜を作製することができた。
傾向の強い膜になった。これをほぼ完全なFe3O4単層膜
にするためには、基板温度を540℃以上の高温にし、結
晶化を促進する手段を施すことが必要であった。ただ
し、上述の単結晶基板を用い、スパッタ室雰囲気のH2O
分率を低減し、低レート、低エネルギーで膜形成する新
規な作製法により、250℃以上の基板温度において膜厚1
0〜50nmの膜において飽和磁化0.4テスラ以上をもつFe3O
4膜を作製することができた。
【００３６】この膜の磁化の温度変化が、Fe3O4に特有
のフェルベ−転移を120K付近に示すこと、XRDの回折ピ
ークからFe3O4であることが確認された。このFe3O4は、
ハーフメタリックな特性を持つことが理論および過去の
分光分析等から知られている材料である。
のフェルベ−転移を120K付近に示すこと、XRDの回折ピ
ークからFe3O4であることが確認された。このFe3O4は、
ハーフメタリックな特性を持つことが理論および過去の
分光分析等から知られている材料である。
【００３７】ハーフメタルFe3O4を磁気再生ヘッドの磁
気抵抗素子に適用する場合、素子の下部に電極兼下地膜
となる導電性膜が必要である。また、適当な下地膜を選
択することで成長温度を低減できる可能性が高いと考え
た。そこで、上述の基板上に貴金属であるPt,Pd,Rh,Ru,
Ir,Au,Agの膜をそれぞれ厚さ2nmで形成した。この膜上
にFe3O4膜を、先に述べた作製法で厚さ50nm成長し、磁
気的性質の温度依存性を調べた。
気抵抗素子に適用する場合、素子の下部に電極兼下地膜
となる導電性膜が必要である。また、適当な下地膜を選
択することで成長温度を低減できる可能性が高いと考え
た。そこで、上述の基板上に貴金属であるPt,Pd,Rh,Ru,
Ir,Au,Agの膜をそれぞれ厚さ2nmで形成した。この膜上
にFe3O4膜を、先に述べた作製法で厚さ50nm成長し、磁
気的性質の温度依存性を調べた。
【００３８】図2に、形成したFe3O4膜の飽和磁化Bsの基
板温度依存性を、各貴金属下地材料について示す。この
結果から、ガラス基板上にFe3O4膜を直接形成したもの
よりも、下地膜としてPt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au又はAgを用い
た場合に、ほぼ良好なFe3O4成長が確認された。特に、A
u、Pd、Pt下地膜を適用した場合、基板温度200℃でも、
Fe3O4膜の飽和磁化は約0.5テスラが得られている。ま
た、この膜の保磁力は約1A/mであり良好な軟磁性膜であ
る。
板温度依存性を、各貴金属下地材料について示す。この
結果から、ガラス基板上にFe3O4膜を直接形成したもの
よりも、下地膜としてPt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au又はAgを用い
た場合に、ほぼ良好なFe3O4成長が確認された。特に、A
u、Pd、Pt下地膜を適用した場合、基板温度200℃でも、
Fe3O4膜の飽和磁化は約0.5テスラが得られている。ま
た、この膜の保磁力は約1A/mであり良好な軟磁性膜であ
る。
【００３９】また、これら下地の貴金属膜が50nm〜100n
mの厚さとなった場合、表面粗さRaを0.4nm以下にするこ
とにより、同様の値が得られることを確認した。また、
これら貴金属の下に、Crなどの適当な下地膜を数nmから
数十nm挿入することにより、この上に成長した貴金属膜
の表面構造が平滑化し、Fe3O4膜の成長が促進される。
mの厚さとなった場合、表面粗さRaを0.4nm以下にするこ
とにより、同様の値が得られることを確認した。また、
これら貴金属の下に、Crなどの適当な下地膜を数nmから
数十nm挿入することにより、この上に成長した貴金属膜
の表面構造が平滑化し、Fe3O4膜の成長が促進される。
【００４０】再生ヘッドに適用するためには、ハーフメ
タルの膜厚〜1nm程度で上記の特性を示すことが必要で
ある。薄膜化の課題は、薄くすると膜を構成する磁性粒
子の磁化スピンの磁気エネルギーよりも、温度エネルギ
ーが高くなるために、磁化の向きがばらばらになる超常
磁性になる点がある。このため、いわゆる超常磁性限界
膜厚よりも膜厚が厚いことが必要である。
タルの膜厚〜1nm程度で上記の特性を示すことが必要で
ある。薄膜化の課題は、薄くすると膜を構成する磁性粒
子の磁化スピンの磁気エネルギーよりも、温度エネルギ
ーが高くなるために、磁化の向きがばらばらになる超常
磁性になる点がある。このため、いわゆる超常磁性限界
膜厚よりも膜厚が厚いことが必要である。
【００４１】図3に飽和磁化の膜厚依存性を示す。図か
ら、薄膜化が進むと膜の飽和磁化は急激に減少する傾向
にあるが、1nm程度では磁化は確保されている。この図
から、Fe3O4膜の膜厚が10nmを超えた領域ではFe3O4膜の
飽和磁化は0.5テスラ程度だが、膜厚0.8nm未満ではやや
減少し0.4テスラ程度に低下したが、マグネタイトとし
ての強磁性的特性は維持されていると考える。これより
薄い場合は厚さによる特性の変化が急峻なため、磁気再
生ヘッドの構造材料としてはあまり適さない。
ら、薄膜化が進むと膜の飽和磁化は急激に減少する傾向
にあるが、1nm程度では磁化は確保されている。この図
から、Fe3O4膜の膜厚が10nmを超えた領域ではFe3O4膜の
飽和磁化は0.5テスラ程度だが、膜厚0.8nm未満ではやや
減少し0.4テスラ程度に低下したが、マグネタイトとし
ての強磁性的特性は維持されていると考える。これより
薄い場合は厚さによる特性の変化が急峻なため、磁気再
生ヘッドの構造材料としてはあまり適さない。
【００４２】Fe3O4以外の酸化物ハーフメタル材料であ
るCrO2、ZnO、GaNについても、上述のFe3O4の場合と同
様に下地貴金属膜を形成して、その上に成長させたとこ
ろ基板温度が250℃でも単層膜が形成されていることを
確認した。ZnOは、V,Cr,Fe,Co,Niの強磁性金属を約25％
ドープすると、強磁性ハーフメタルの状態になる。ま
た、GaNについてもMnを25％ドープすると強磁性ハーフ
メタルになる。これらの材料についても下地貴金属膜上
の形成は有効である。
るCrO2、ZnO、GaNについても、上述のFe3O4の場合と同
様に下地貴金属膜を形成して、その上に成長させたとこ
ろ基板温度が250℃でも単層膜が形成されていることを
確認した。ZnOは、V,Cr,Fe,Co,Niの強磁性金属を約25％
ドープすると、強磁性ハーフメタルの状態になる。ま
た、GaNについてもMnを25％ドープすると強磁性ハーフ
メタルになる。これらの材料についても下地貴金属膜上
の形成は有効である。
【００４３】次に、自由層と固定層との間にGMR中間層
が形成された従来型の磁気抵抗効果素子において、中間
層に貴金属材料を用いた場合に関する下記検証を行っ
た。
が形成された従来型の磁気抵抗効果素子において、中間
層に貴金属材料を用いた場合に関する下記検証を行っ
た。
【００４４】従来のスピンバルブタイプのGMR素子は、
通常、図4に示すように、自由層503と固定層501との間
にGMR中間層502が形成されている構造をもつ。
通常、図4に示すように、自由層503と固定層501との間
にGMR中間層502が形成されている構造をもつ。
【００４５】この自由層503、固定層501には、NiFe,CoF
eなどの軟磁気特性をもつ金属磁性体がそれぞれ用いら
れる。固定層501は、自由層503との保磁力の差を用いる
保磁力差型のGMR素子もあるが、広く用いられているタ
イプは、固定層501に、さらにMnPtなどの反強磁性膜が
接し、その交換結合磁界によって磁化を固定するスピン
バルブと呼ばれるタイプである。
eなどの軟磁気特性をもつ金属磁性体がそれぞれ用いら
れる。固定層501は、自由層503との保磁力の差を用いる
保磁力差型のGMR素子もあるが、広く用いられているタ
イプは、固定層501に、さらにMnPtなどの反強磁性膜が
接し、その交換結合磁界によって磁化を固定するスピン
バルブと呼ばれるタイプである。
【００４６】また、固定層501の薄膜化を促進するため
に、固定層501の中間層502と接している面とは反対側の
面に、Ru膜、金属軟磁性膜、反強磁性膜を積層した膜構
造とすることがある。この磁性金属膜（固定層）/Ru膜/
磁性金属膜（金属軟磁性膜）という積層構造において
は、Ru膜の膜厚を制御することで、固定層と金属軟磁性
膜が反強磁性的な結合をする。この積層構造は、積層フ
ェリと呼ばれる構造であり、一般的な構造である。
に、固定層501の中間層502と接している面とは反対側の
面に、Ru膜、金属軟磁性膜、反強磁性膜を積層した膜構
造とすることがある。この磁性金属膜（固定層）/Ru膜/
磁性金属膜（金属軟磁性膜）という積層構造において
は、Ru膜の膜厚を制御することで、固定層と金属軟磁性
膜が反強磁性的な結合をする。この積層構造は、積層フ
ェリと呼ばれる構造であり、一般的な構造である。
【００４７】また、これらの場合に共通かつほとんどの
場合にあてはまる点に、GMR中間層502をなす材料がCuあ
るいはCrからなるという点がある。
場合にあてはまる点に、GMR中間層502をなす材料がCuあ
るいはCrからなるという点がある。
【００４８】このGMR中間層502の材料として、Cuではな
く、Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au,Ag等に貴金属材料を用いた場合
について確認した。ここでは、CoFe（3nm）/GMR中間層
（Xnm）/CoFe（5nm）/NiFe（2nm）/MnIr（12nm）膜の順
に積層してなる磁気抵抗効果素子について、電流を膜面
に流した場合の抵抗変化率のGMR中間層502膜厚依存性を
調べると、図5にみられるような、抵抗変化率のGMR中間
層膜厚による振動現象が確認された。また、GMR中間層
が2nmの膜についてのGMR特性を調べたところ、抵抗変化
率はGMR中間相材料に依存して異なるものの、Pt,Pd,Rh,
Ir,Au,Ag等の貴金属材料材料を用いた膜では面内で、0.
3〜10％の範囲で有限の抵抗変化率を示した。このこと
から、Cuではなく貴金属を含む中間層を介しても、スピ
ンバルブが形成可能であることがわかった。
く、Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au,Ag等に貴金属材料を用いた場合
について確認した。ここでは、CoFe（3nm）/GMR中間層
（Xnm）/CoFe（5nm）/NiFe（2nm）/MnIr（12nm）膜の順
に積層してなる磁気抵抗効果素子について、電流を膜面
に流した場合の抵抗変化率のGMR中間層502膜厚依存性を
調べると、図5にみられるような、抵抗変化率のGMR中間
層膜厚による振動現象が確認された。また、GMR中間層
が2nmの膜についてのGMR特性を調べたところ、抵抗変化
率はGMR中間相材料に依存して異なるものの、Pt,Pd,Rh,
Ir,Au,Ag等の貴金属材料材料を用いた膜では面内で、0.
3〜10％の範囲で有限の抵抗変化率を示した。このこと
から、Cuではなく貴金属を含む中間層を介しても、スピ
ンバルブが形成可能であることがわかった。
【００４９】以上より、磁気抵抗効果素子において、中
間層に貴金属材料を用いた場合でもＧＭＲ（巨大磁気抵
抗効果）が発生することがわかった。また、Ｃｕを中間
層にした同様構造膜ではΔＲ／Ｒは2〜4％程度である
が、貴金属中間層を用いることでＣｕ中間層を用いた場
合と同様あるいはそれ以上のΔＲ／Ｒを得ることが可能
であることがわかった。
間層に貴金属材料を用いた場合でもＧＭＲ（巨大磁気抵
抗効果）が発生することがわかった。また、Ｃｕを中間
層にした同様構造膜ではΔＲ／Ｒは2〜4％程度である
が、貴金属中間層を用いることでＣｕ中間層を用いた場
合と同様あるいはそれ以上のΔＲ／Ｒを得ることが可能
であることがわかった。
【００５０】［実施例１］次に、本発明を適用した磁気
抵抗効果素子について検証する。
抵抗効果素子について検証する。
【００５１】まず、酸化物磁性体（ハーフメタル）を含
有する酸化物磁性膜（固定層）と、金属磁性体を含有す
る自由層とを含むGMR構造膜で、貴金属を含む中間層を
用いたスピンバルブ素子の特性を調べるために、CoFe
（3nm）/GMR中間層（Xnm）/Fe3O4（50nm）/貴金属膜（1
0nm）からなる積層膜を作製し、電流を膜面に流した場
合の抵抗変化率のGMR中間層の膜厚依存性を調べると、
室温で、0.3〜1.0％程度の抵抗変化率を示した。値が小
さいのは、ハーフメタル部分の抵抗が大きい膜について
の面内磁気抵抗だからであり、GMRの特徴であるGMR中間
層膜厚による抵抗変化率の振動現象が確認された。
有する酸化物磁性膜（固定層）と、金属磁性体を含有す
る自由層とを含むGMR構造膜で、貴金属を含む中間層を
用いたスピンバルブ素子の特性を調べるために、CoFe
（3nm）/GMR中間層（Xnm）/Fe3O4（50nm）/貴金属膜（1
0nm）からなる積層膜を作製し、電流を膜面に流した場
合の抵抗変化率のGMR中間層の膜厚依存性を調べると、
室温で、0.3〜1.0％程度の抵抗変化率を示した。値が小
さいのは、ハーフメタル部分の抵抗が大きい膜について
の面内磁気抵抗だからであり、GMRの特徴であるGMR中間
層膜厚による抵抗変化率の振動現象が確認された。
【００５２】次に、これをCPP構造にした場合のGMRにつ
いて以下に述べる。ここで、図6に、反強磁性膜（AF
膜）603が、中間層607が基板（図示しない）と対向する
面側に形成されている構造を示す。一例として、CoFeを
含む自由層608（膜厚3nm）/GMR中間層607（膜厚2nm）/F
e3O4を含む固定層606/貴金属層605/NiFeを含む軟磁性膜
604/MnIrを含む反強磁性膜603（膜厚12nm）/Crを含む下
地膜/基板を順次積層した構造を実際に作製したとこ
ろ、これらの膜のMR比は、貴金属層605を構成する材料
によって異なり、Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au,Agで、それぞれ2
〜10％の範囲をとることがわかった。
いて以下に述べる。ここで、図6に、反強磁性膜（AF
膜）603が、中間層607が基板（図示しない）と対向する
面側に形成されている構造を示す。一例として、CoFeを
含む自由層608（膜厚3nm）/GMR中間層607（膜厚2nm）/F
e3O4を含む固定層606/貴金属層605/NiFeを含む軟磁性膜
604/MnIrを含む反強磁性膜603（膜厚12nm）/Crを含む下
地膜/基板を順次積層した構造を実際に作製したとこ
ろ、これらの膜のMR比は、貴金属層605を構成する材料
によって異なり、Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Au,Agで、それぞれ2
〜10％の範囲をとることがわかった。
【００５３】例えば、Ruならば膜厚約1.2nmで、酸化物
磁性体（Fe3O4）を含む固定層606/Ruを含む貴金属層605
/金属磁性体(NiFe)を含む軟磁性膜604の構造で、積層フ
ェリ構造と呼ばれる反強磁性結合が形成されていること
を確認した。このことから、図6の構造で、CPP-GMR構造
としての出力である磁気抵抗変化率の高い磁気抵抗効果
膜が得られることがわかった。また、これは、Fe3O4以
外のハーフメタル酸化物磁性体膜を固定層に用いた磁気
抵抗効果膜についても同様に有効な構造である。
磁性体（Fe3O4）を含む固定層606/Ruを含む貴金属層605
/金属磁性体(NiFe)を含む軟磁性膜604の構造で、積層フ
ェリ構造と呼ばれる反強磁性結合が形成されていること
を確認した。このことから、図6の構造で、CPP-GMR構造
としての出力である磁気抵抗変化率の高い磁気抵抗効果
膜が得られることがわかった。また、これは、Fe3O4以
外のハーフメタル酸化物磁性体膜を固定層に用いた磁気
抵抗効果膜についても同様に有効な構造である。
【００５４】この構造について、例に挙げたものの他
に、自由層608および、軟磁性層604にもちいる磁性金属
は、Ni80Fe20あるいはCo90Fe10に代表される軟磁性金属
材料である。また、固定層のハーフメタル磁性膜606に
ついては、Fe3O4のほかに、CrO2、ZnO-M（M:遷移金
属）、GaN-M（M:遷移金属）、CrAs、MnSbなどを用いて
も、数％以上の磁気抵抗が得られる。また、反強磁性膜
603としては、MnIrのほか、MnPt、CrMnPt、NiOなどを用
いた場合は、250℃〜300℃の熱処理が必要となるが、抵
抗変化の得られる再生素子構造として同様に十分動作す
る。
に、自由層608および、軟磁性層604にもちいる磁性金属
は、Ni80Fe20あるいはCo90Fe10に代表される軟磁性金属
材料である。また、固定層のハーフメタル磁性膜606に
ついては、Fe3O4のほかに、CrO2、ZnO-M（M:遷移金
属）、GaN-M（M:遷移金属）、CrAs、MnSbなどを用いて
も、数％以上の磁気抵抗が得られる。また、反強磁性膜
603としては、MnIrのほか、MnPt、CrMnPt、NiOなどを用
いた場合は、250℃〜300℃の熱処理が必要となるが、抵
抗変化の得られる再生素子構造として同様に十分動作す
る。
【００５５】一方、図７には、反強磁性膜603が、中間
層607が基板（図示しない）と対向しない面側に配置さ
れている構造を示す。この構造の一例として、Taを含む
保護膜709/MnPtを含む反強磁性膜708（12nm）/NiFeを含
む軟磁性膜707/貴金属層706/Fe3O4固定層705/GMR中間層
704/CoFeを含む自由層703/Crを含む下地層702/基板701
膜を順次積層した膜を作製した。これについても、同様
の磁気抵抗効果特性が得られることがわかった。各構成
要素に対する詳細は、上に述べたものと同じである。
層607が基板（図示しない）と対向しない面側に配置さ
れている構造を示す。この構造の一例として、Taを含む
保護膜709/MnPtを含む反強磁性膜708（12nm）/NiFeを含
む軟磁性膜707/貴金属層706/Fe3O4固定層705/GMR中間層
704/CoFeを含む自由層703/Crを含む下地層702/基板701
膜を順次積層した膜を作製した。これについても、同様
の磁気抵抗効果特性が得られることがわかった。各構成
要素に対する詳細は、上に述べたものと同じである。
【００５６】次に、貴金属中間層膜605,706の酸化防止
機能について述べる。固定層606、705をなす酸化物磁性
体に、直接に金属磁性体が接すると、酸化物中の酸素原
子は、接合界面を通じて金属側の原子と結合し、金属膜
中に拡散することが知られている。特に、再生ヘッドを
作製する200℃程度の熱処理プロセスなどのため、この
傾向は促進される方向になる。これを有効に防ぐ方法と
して、酸化物磁性体を含有する固定層606,705を、酸素
と結合しにくい貴金属原子で挟むことが有効である。
機能について述べる。固定層606、705をなす酸化物磁性
体に、直接に金属磁性体が接すると、酸化物中の酸素原
子は、接合界面を通じて金属側の原子と結合し、金属膜
中に拡散することが知られている。特に、再生ヘッドを
作製する200℃程度の熱処理プロセスなどのため、この
傾向は促進される方向になる。これを有効に防ぐ方法と
して、酸化物磁性体を含有する固定層606,705を、酸素
と結合しにくい貴金属原子で挟むことが有効である。
【００５７】図6、図7にある構造では、酸化物磁性体
（ハーフメタル）を含有する固定層606,705の両側を、
貴金属を含有する中間層607,704及び貴金属層605,706で
挟んだ構造になっている。この界面をX線光電子分光（X
PS）やラザフォード後方散乱（RBS）で測定すると、酸
化物界面での酸素と鉄の比が、金属界面では酸素が少な
く、貴金属界面ではほぼ原子組成比になっている。した
がって、酸素拡散を防止できると考える。
（ハーフメタル）を含有する固定層606,705の両側を、
貴金属を含有する中間層607,704及び貴金属層605,706で
挟んだ構造になっている。この界面をX線光電子分光（X
PS）やラザフォード後方散乱（RBS）で測定すると、酸
化物界面での酸素と鉄の比が、金属界面では酸素が少な
く、貴金属界面ではほぼ原子組成比になっている。した
がって、酸素拡散を防止できると考える。
【００５８】［実施例２］CPP-GMR構造の磁気抵抗効果
素子として、図6、図7にある膜を適用する。CPP-GMR膜
に要求される基本的特性としては、以下の３点が上げら
れる。 （ａ）膜の面積抵抗が２Ωum2以下、好ましくは1Ωum2
以下（但し、素子面積によって変化する。） （ｂ）磁気抵抗変化率2％以上 （ｃ）磁性体の保磁力 (a)の面積抵抗については、素子中のハーフメタルにFe3
O4などの酸化物磁性体を用いた場合には、低抵抗の材料
とは異なる問題が生じることが予想される。貴金属層60
5,706/酸化物ハーフメタルを含有する固定層606,705/貴
金属を含有する中間層607,704/磁性材料を含有する自由
層608,703という基本構造を仮定し、Pt（膜厚10nm）/Fe
3O4/Au（膜厚3nm）/NiFe（膜厚5nm）についてFe3O4層の
膜厚を変えたときの面積抵抗の変化を120nm×120nmの形
状をもつ素子について計算する。Fe3O4の抵抗率は3500
μΩcm（垂直）〜35000μΩcm（面内）、その他Ptの抵
抗率は30μΩcm、Auは2μΩcm、NiFeは30μΩcmであ
る。
素子として、図6、図7にある膜を適用する。CPP-GMR膜
に要求される基本的特性としては、以下の３点が上げら
れる。 （ａ）膜の面積抵抗が２Ωum2以下、好ましくは1Ωum2
以下（但し、素子面積によって変化する。） （ｂ）磁気抵抗変化率2％以上 （ｃ）磁性体の保磁力 (a)の面積抵抗については、素子中のハーフメタルにFe3
O4などの酸化物磁性体を用いた場合には、低抵抗の材料
とは異なる問題が生じることが予想される。貴金属層60
5,706/酸化物ハーフメタルを含有する固定層606,705/貴
金属を含有する中間層607,704/磁性材料を含有する自由
層608,703という基本構造を仮定し、Pt（膜厚10nm）/Fe
3O4/Au（膜厚3nm）/NiFe（膜厚5nm）についてFe3O4層の
膜厚を変えたときの面積抵抗の変化を120nm×120nmの形
状をもつ素子について計算する。Fe3O4の抵抗率は3500
μΩcm（垂直）〜35000μΩcm（面内）、その他Ptの抵
抗率は30μΩcm、Auは2μΩcm、NiFeは30μΩcmであ
る。
【００５９】Fe3O4の膜厚が30nmのとき、Fe3O4の抵抗率
は3500μΩcmとすると、素子抵抗は約73Ω、RAは1.05Ω
um2となり、また、Fe3O4の膜厚が10nmのとき、素子抵抗
は約25Ω、RAは0.35Ωum2となる。Fe3O4の膜厚が1.5nm
のとき、素子抵抗は約3.7Ω、RAは0.053Ωum2となる。
このとき、磁気抵抗変化率はFe3O4膜厚保によって変化
する。これは、Fe3O4の磁気散乱には、Fe3O4自体のＭＲ
効果と、Fe3O4膜と中間層膜との界面散乱があるため
で、ＧＭＲ特性に寄与するのは後者のためFe3O4が薄い
ときにＧＭＲ効果は増大する。
は3500μΩcmとすると、素子抵抗は約73Ω、RAは1.05Ω
um2となり、また、Fe3O4の膜厚が10nmのとき、素子抵抗
は約25Ω、RAは0.35Ωum2となる。Fe3O4の膜厚が1.5nm
のとき、素子抵抗は約3.7Ω、RAは0.053Ωum2となる。
このとき、磁気抵抗変化率はFe3O4膜厚保によって変化
する。これは、Fe3O4の磁気散乱には、Fe3O4自体のＭＲ
効果と、Fe3O4膜と中間層膜との界面散乱があるため
で、ＧＭＲ特性に寄与するのは後者のためFe3O4が薄い
ときにＧＭＲ効果は増大する。
【００６０】なお、Fe3O4の厚みが40nmの場合にはＧＭ
Ｒ分は0.2〜0.5％程度であるが、10nmでは1％〜5％、5n
mでは3〜10％となる。0.1×0.1μm2の素子では、Ｒは5.
3Ωで、ΔＲ＝1.5〜5.3Ωとなる。
Ｒ分は0.2〜0.5％程度であるが、10nmでは1％〜5％、5n
mでは3〜10％となる。0.1×0.1μm2の素子では、Ｒは5.
3Ωで、ΔＲ＝1.5〜5.3Ωとなる。
【００６１】140Gb/in2の記録密度に対応する再生ヘッ
ドのスペックとしてCPP−GMRの特性を考えると、この面
積抵抗はFe3O4の膜厚が30nm以下で1Ωum2以下の値とな
る。素子面積が250nm×250nmの場合、Fe3O4の膜厚が30n
mで、素子抵抗は約18Ωとなる。Fe3O4の膜厚が50nmのと
き、RAは1.75Ωum2となり、素子抵抗は約30Ωとなる。
実際には、Fe3O4の抵抗率は作製法によって異なるた
め、抵抗は最大で一桁の変動をする。ただし、その場合
でも素子面積や膜厚を制御することで、素子抵抗が20〜
100Ω程度にする磁気抵抗効果膜を作製することは十分
可能である。
ドのスペックとしてCPP−GMRの特性を考えると、この面
積抵抗はFe3O4の膜厚が30nm以下で1Ωum2以下の値とな
る。素子面積が250nm×250nmの場合、Fe3O4の膜厚が30n
mで、素子抵抗は約18Ωとなる。Fe3O4の膜厚が50nmのと
き、RAは1.75Ωum2となり、素子抵抗は約30Ωとなる。
実際には、Fe3O4の抵抗率は作製法によって異なるた
め、抵抗は最大で一桁の変動をする。ただし、その場合
でも素子面積や膜厚を制御することで、素子抵抗が20〜
100Ω程度にする磁気抵抗効果膜を作製することは十分
可能である。
【００６２】これに対し、従来構造の磁気抵抗効果素
子、具体的には、Ta(1nm)/NiFe(3nm)/MnPt(15nm)/CoFe
(3.5nm)/Cu(3nm)/CoFe(3nm)/Ta(1nm)という積層構造の
膜では、素子面積を0.1×0.1μm2まで小さくしてもR=0.
5Ω程度であり、ΔＲ/Ｒが2％であっても出力ΔＲは0.0
1Ω程度であり、上記発明と比較すると小さい。
子、具体的には、Ta(1nm)/NiFe(3nm)/MnPt(15nm)/CoFe
(3.5nm)/Cu(3nm)/CoFe(3nm)/Ta(1nm)という積層構造の
膜では、素子面積を0.1×0.1μm2まで小さくしてもR=0.
5Ω程度であり、ΔＲ/Ｒが2％であっても出力ΔＲは0.0
1Ω程度であり、上記発明と比較すると小さい。
【００６３】また、本発明を適用した磁気抵抗効果素
子、即ちハーフメタル磁性体を含有する固定層を備える
磁気抵抗効果素子における磁気抵抗変化率は、Co/Al2O3
/Fe3O4の構造をもつTMR構造では室温で13％あり、CoFe/
Pt/Fe3O4やNiFe/Au/Fe3O4でも6％以上の抵抗変化率とな
る。Fe3O4の保磁力は、単結晶の困難軸方向で約1A/mで
あり、良好な軟磁気特性が得られる。
子、即ちハーフメタル磁性体を含有する固定層を備える
磁気抵抗効果素子における磁気抵抗変化率は、Co/Al2O3
/Fe3O4の構造をもつTMR構造では室温で13％あり、CoFe/
Pt/Fe3O4やNiFe/Au/Fe3O4でも6％以上の抵抗変化率とな
る。Fe3O4の保磁力は、単結晶の困難軸方向で約1A/mで
あり、良好な軟磁気特性が得られる。
【００６４】［実施例３］本発明を磁気ヘッドに応用し
た場合の実施例を以下に示す。磁気抵抗効果素子に用い
るCPP-GMR膜は、図6や図7に示すような構造をもつ膜で
あり、例えば実施例２にて提示した構造をもつ。これら
の磁気抵抗効果素子を適用した磁気ヘッド構造は、イン
ギャップタイプとよばれる構造と、ヨーク構造と呼ばれ
るヘッド構造のどちらについても適用が考えられる。
た場合の実施例を以下に示す。磁気抵抗効果素子に用い
るCPP-GMR膜は、図6や図7に示すような構造をもつ膜で
あり、例えば実施例２にて提示した構造をもつ。これら
の磁気抵抗効果素子を適用した磁気ヘッド構造は、イン
ギャップタイプとよばれる構造と、ヨーク構造と呼ばれ
るヘッド構造のどちらについても適用が考えられる。
【００６５】ここで、インギャップ構造とは、磁気セン
サ膜が一対のシールドとシールドとの間に挟まれ、媒体
に対向する面に断面が露出した形状のヘッド構造であ
る。また、ヨーク構造とは、センサーが媒体対向面に露
出せず、例えばアルファベットのC文字型形状の軟磁性
体からなるヨーク膜の奥にセンサーを配置した構造であ
る。これらは、電極をシールドと兼用し、かつ、磁区制
御機構のある構造になると考えられる。但し、素子サイ
ズが十分小さいときには素子中に磁壁が生じなくなる場
合があり、この場合は、本構造における磁区制御不要に
なる場合があると考えられる。
サ膜が一対のシールドとシールドとの間に挟まれ、媒体
に対向する面に断面が露出した形状のヘッド構造であ
る。また、ヨーク構造とは、センサーが媒体対向面に露
出せず、例えばアルファベットのC文字型形状の軟磁性
体からなるヨーク膜の奥にセンサーを配置した構造であ
る。これらは、電極をシールドと兼用し、かつ、磁区制
御機構のある構造になると考えられる。但し、素子サイ
ズが十分小さいときには素子中に磁壁が生じなくなる場
合があり、この場合は、本構造における磁区制御不要に
なる場合があると考えられる。
【００６６】図8に、上記の電極をシールドと兼用した
インギャップ形状の再生ヘッドの媒体対向面から見た図
を示す。例えば、下部シールド兼電極膜面801上にリフ
トオフ材料を塗布し、膜形成後に感磁部となる場所805
を残す形状でリフトオフパタンを形成した後、イオンミ
リング法などの方法で磁気抵抗効果膜805をエッチング
する。エッチング後にCoCrPt、CoCrPtZrO2などの硬質磁
性材料によってなる磁区制御膜803を、絶縁膜802,804で
挟んだ膜を形成する。この磁区制御膜は、CPP−GMRセン
サー膜の磁区挙動によるノイズを防ぐため、磁界測定精
度を高めることができる。ここでCrやTaなどの適当な下
地上に磁区制御膜803を形成すると磁区制御膜の特性に
関し有効である場合があった。但し、素子サイズが十分
小さいときには素子中に磁壁が生じなくなる場合があ
り、この場合は、本構造における磁区制御不要になる場
合がある。
インギャップ形状の再生ヘッドの媒体対向面から見た図
を示す。例えば、下部シールド兼電極膜面801上にリフ
トオフ材料を塗布し、膜形成後に感磁部となる場所805
を残す形状でリフトオフパタンを形成した後、イオンミ
リング法などの方法で磁気抵抗効果膜805をエッチング
する。エッチング後にCoCrPt、CoCrPtZrO2などの硬質磁
性材料によってなる磁区制御膜803を、絶縁膜802,804で
挟んだ膜を形成する。この磁区制御膜は、CPP−GMRセン
サー膜の磁区挙動によるノイズを防ぐため、磁界測定精
度を高めることができる。ここでCrやTaなどの適当な下
地上に磁区制御膜803を形成すると磁区制御膜の特性に
関し有効である場合があった。但し、素子サイズが十分
小さいときには素子中に磁壁が生じなくなる場合があ
り、この場合は、本構造における磁区制御不要になる場
合がある。
【００６７】磁区制御膜803,804形成後、リフトオフマ
スクを除去する。その後、上部シールド膜兼電極膜807
を形成する。この後、この上に保護絶縁膜808として例
えばAl2O3とSiO2の混合膜を100nm以上の厚い膜として形
成した。
スクを除去する。その後、上部シールド膜兼電極膜807
を形成する。この後、この上に保護絶縁膜808として例
えばAl2O3とSiO2の混合膜を100nm以上の厚い膜として形
成した。
【００６８】さらに、図9は、代表的なヨーク構造と、
磁区制御膜を模式的に表した立体図である。909は図の
各方向を示したもので、910は膜厚方向、911は素子高さ
方向、909はトラック幅方向である。この構造は、媒体
に対抗した面に磁気抵抗センサ膜905が露出しない構造
をとっている。ここで、図に示すNi81Fe19からなる下部
磁気シールド903と上部磁気シールド907に挟まれたギャ
ップ内に、同様の軟磁性材料からなるヨーク膜906およ
び902が挟まれている構造について確認した。該ヨーク
膜906および902は、図12では上部ヨーク906と下部ヨー
ク902が接合したＣリング形状になっている。このほか
にも、下部ヨーク906を媒体面近傍の先端でトラック幅
方向に絞った形状のものや、ヨーク膜厚を厚膜にした形
式、ヨークが磁気センサ下で不連続になっている構造
（図10，11）がある。図中には磁区制御膜901が示され
ている。これによって、少なくとも下部ヨーク902と磁
気抵抗センサ膜は磁区制御され、かつ、周囲の分流は無
い。この磁区制御膜の構造としては、上下ヨーク膜と磁
気抵抗センサ膜を同時に磁区制御する形式と、それぞれ
を磁区制御する構造のいずれでも、良好な磁区制御が可
能である事を確認した。
磁区制御膜を模式的に表した立体図である。909は図の
各方向を示したもので、910は膜厚方向、911は素子高さ
方向、909はトラック幅方向である。この構造は、媒体
に対抗した面に磁気抵抗センサ膜905が露出しない構造
をとっている。ここで、図に示すNi81Fe19からなる下部
磁気シールド903と上部磁気シールド907に挟まれたギャ
ップ内に、同様の軟磁性材料からなるヨーク膜906およ
び902が挟まれている構造について確認した。該ヨーク
膜906および902は、図12では上部ヨーク906と下部ヨー
ク902が接合したＣリング形状になっている。このほか
にも、下部ヨーク906を媒体面近傍の先端でトラック幅
方向に絞った形状のものや、ヨーク膜厚を厚膜にした形
式、ヨークが磁気センサ下で不連続になっている構造
（図10，11）がある。図中には磁区制御膜901が示され
ている。これによって、少なくとも下部ヨーク902と磁
気抵抗センサ膜は磁区制御され、かつ、周囲の分流は無
い。この磁区制御膜の構造としては、上下ヨーク膜と磁
気抵抗センサ膜を同時に磁区制御する形式と、それぞれ
を磁区制御する構造のいずれでも、良好な磁区制御が可
能である事を確認した。
【００６９】上記図9は、図10および図11に示すよう
に、磁気抵抗センサにセンスされる磁束の量を増すため
に、該ヨークの磁気センサ膜に接する部分を不連続にし
た構造でも、磁区制御膜の材料を高抵抗膜にすることに
よって、磁区制御膜を形成する事が可能である。これら
の磁界センサーは、半導体をセンサ膜として使用した場
合に比べて、センサ膜の透磁率が1000倍程度になるため
に、媒体からの磁界を効率良く活用することが可能であ
る。
に、磁気抵抗センサにセンスされる磁束の量を増すため
に、該ヨークの磁気センサ膜に接する部分を不連続にし
た構造でも、磁区制御膜の材料を高抵抗膜にすることに
よって、磁区制御膜を形成する事が可能である。これら
の磁界センサーは、半導体をセンサ膜として使用した場
合に比べて、センサ膜の透磁率が1000倍程度になるため
に、媒体からの磁界を効率良く活用することが可能であ
る。
【００７０】本構造ではセンスする磁界は膜面に垂直に
印加される成分であることから、磁気記録されたものか
らの記録の漏洩磁界、また、面内記録されたものでは記
録端部の漏洩磁束をセンスする構造になっている。
印加される成分であることから、磁気記録されたものか
らの記録の漏洩磁界、また、面内記録されたものでは記
録端部の漏洩磁束をセンスする構造になっている。
【００７１】本実施の形態では上記記載の磁気抵抗セン
サをもちい、再生シールド間隔（ギャップ間距離）が80
nm以下でも磁気抵抗変化膜と磁区制御膜の導通による再
生特性の劣化は認められなかった。
サをもちい、再生シールド間隔（ギャップ間距離）が80
nm以下でも磁気抵抗変化膜と磁区制御膜の導通による再
生特性の劣化は認められなかった。
【００７２】また、ここで示した再生ヘッド構造部分に
加えて、上部磁気シールド907上に絶縁膜1201を形成
し、この上に、記録ヘッド機構1202を搭載した図12に示
すようなヘッドについても、記録、再生ともに問題無く
可能であることを確認した。
加えて、上部磁気シールド907上に絶縁膜1201を形成
し、この上に、記録ヘッド機構1202を搭載した図12に示
すようなヘッドについても、記録、再生ともに問題無く
可能であることを確認した。
【００７３】［実施例４］図13は本発明によるヘッドを
用いた一実施例の磁気デイスク装置を示す図である。図
示した磁気デイスク装置は，同心円状のトラックとよば
れる記録領域にデータを記録するための，デイスク状に
形成された磁気記録媒体としての磁気デイスク1301と，
磁気トランスデユーサーからなり，上記データの読み取
り，書き込みを実施するための本発明による磁気ヘッド
1306と，該磁気ヘッド1306を支え磁気デイスク1301上の
所定位置へ移動させるアクチュエーター手段1311と，磁
気ヘッドが読み取り，書き込みするデータの送受信及び
アクチェータ手段の移動などを制御する制御手段とを含
み構成される。
用いた一実施例の磁気デイスク装置を示す図である。図
示した磁気デイスク装置は，同心円状のトラックとよば
れる記録領域にデータを記録するための，デイスク状に
形成された磁気記録媒体としての磁気デイスク1301と，
磁気トランスデユーサーからなり，上記データの読み取
り，書き込みを実施するための本発明による磁気ヘッド
1306と，該磁気ヘッド1306を支え磁気デイスク1301上の
所定位置へ移動させるアクチュエーター手段1311と，磁
気ヘッドが読み取り，書き込みするデータの送受信及び
アクチェータ手段の移動などを制御する制御手段とを含
み構成される。
【００７４】さらに，構成と動作について以下に説明す
る。少なくとも一枚の回転可能な磁気デイスク1301が回
転軸1302によって支持され，駆動用モーター1303によっ
て回転させられる。少なくとも一個のスライダー1306
が，磁気デイスク1301上に設置され，該スライダー1309
は，一個以上設けられており，読み取り，書き込みする
ための本発明による磁気ヘッド1310を支持している。
る。少なくとも一枚の回転可能な磁気デイスク1301が回
転軸1302によって支持され，駆動用モーター1303によっ
て回転させられる。少なくとも一個のスライダー1306
が，磁気デイスク1301上に設置され，該スライダー1309
は，一個以上設けられており，読み取り，書き込みする
ための本発明による磁気ヘッド1310を支持している。
【００７５】磁気デイスク1301が回転すると同時に，ス
ライダー1306がデイスク表面を移動することによって，
目的とするデータが記録されている所定位置へアクセス
される。スライダ1306は，サスペンション1307によって
アーム1308にとりつけられる。サスペンション1307はわ
ずかな弾力性を有し，スライダー1306を磁気デイスク13
01に密着させる。アーム1308はアクチュエーター1311に
取り付けられる。
ライダー1306がデイスク表面を移動することによって，
目的とするデータが記録されている所定位置へアクセス
される。スライダ1306は，サスペンション1307によって
アーム1308にとりつけられる。サスペンション1307はわ
ずかな弾力性を有し，スライダー1306を磁気デイスク13
01に密着させる。アーム1308はアクチュエーター1311に
取り付けられる。
【００７６】アクチュエータ1311としてはボイスコイル
モーター（以下，VCMと称す。）がある。VCMは固定され
た磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり，コイル
の移動方向および移動速度等は，制御手段1312からライ
ン1304を介して与えられる電気信号によって制御され
る。したがって，本実施例によるアクチュエーター手段
は，例えば，スライダ1306とサスペンション1307とアー
ム1308とアクチュエーター1311とライン1304を含み構成
されるものである。
モーター（以下，VCMと称す。）がある。VCMは固定され
た磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり，コイル
の移動方向および移動速度等は，制御手段1312からライ
ン1304を介して与えられる電気信号によって制御され
る。したがって，本実施例によるアクチュエーター手段
は，例えば，スライダ1306とサスペンション1307とアー
ム1308とアクチュエーター1311とライン1304を含み構成
されるものである。
【００７７】磁気デイスクの動作中，磁気デイスク1301
の回転によってスライダー1306とデイスク表面の間に空
気流によるエアベアリングが生じ，それがスライダー13
06を磁気デイスク1301の表面から浮上させる。したがっ
て，磁気デイスク装置の動作中，本エアベアリングはサ
スペンション1307のわずかな弾性力とバランスをとり，
スライダー1306は磁気デイスク表面にふれずに，かつ磁
気デイスク1301と一定間隔を保って浮上するように維持
される。
の回転によってスライダー1306とデイスク表面の間に空
気流によるエアベアリングが生じ，それがスライダー13
06を磁気デイスク1301の表面から浮上させる。したがっ
て，磁気デイスク装置の動作中，本エアベアリングはサ
スペンション1307のわずかな弾性力とバランスをとり，
スライダー1306は磁気デイスク表面にふれずに，かつ磁
気デイスク1301と一定間隔を保って浮上するように維持
される。
【００７８】通常，制御手段1312はロジック回路，メモ
リ，及びマイクロプロセッサなどから構成される。そし
て，制御手段1312は，各ラインを介して制御信号を送受
信し，かつ磁気デイスク装置の種々の構成手段を制御す
る。例えば，モーター1303はライン1304を介し伝達され
るモーター駆動信号によって制御される。
リ，及びマイクロプロセッサなどから構成される。そし
て，制御手段1312は，各ラインを介して制御信号を送受
信し，かつ磁気デイスク装置の種々の構成手段を制御す
る。例えば，モーター1303はライン1304を介し伝達され
るモーター駆動信号によって制御される。
【００７９】アクチュエーター1311はライン1304を介し
たヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって，
その関連する磁気デイスク1301上の目的とするデーター
トラックへ選択されたスライダー1306を最適に移動，位
置決めするように制御される。
たヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって，
その関連する磁気デイスク1301上の目的とするデーター
トラックへ選択されたスライダー1306を最適に移動，位
置決めするように制御される。
【００８０】そして，制御信号は，磁気ヘッド1310が磁
気デイスク1301のデータを読み取り変換した電気信号
を，ライン1304を介して受信し解読する。また，磁気デ
イスク1301にデータとして書き込むための電気信号を，
ライン1304を介して磁気ヘッド1310に送信する。すなわ
ち，制御手段1312は，磁気ヘッド1310が読み取りまたは
書き込みする情報の送受信を制御している。
気デイスク1301のデータを読み取り変換した電気信号
を，ライン1304を介して受信し解読する。また，磁気デ
イスク1301にデータとして書き込むための電気信号を，
ライン1304を介して磁気ヘッド1310に送信する。すなわ
ち，制御手段1312は，磁気ヘッド1310が読み取りまたは
書き込みする情報の送受信を制御している。
【００８１】なお，上記の読み取り，書き込み信号は，
磁気ヘッド1310から直接伝達される手段も可能である。
また，制御信号として例えばアクセス制御信号およびク
ロック信号などがある。さらに，磁気デイスク装置は複
数の磁気デイスクやアクチュエーター等を有し，該アク
チュエーターが複数の磁気ヘッドを有してもよい。
磁気ヘッド1310から直接伝達される手段も可能である。
また，制御信号として例えばアクセス制御信号およびク
ロック信号などがある。さらに，磁気デイスク装置は複
数の磁気デイスクやアクチュエーター等を有し，該アク
チュエーターが複数の磁気ヘッドを有してもよい。
【００８２】このような複数の機構を兼ね備えることに
よって、いわゆるデイスクアレイ装置を形成することが
可能である。
よって、いわゆるデイスクアレイ装置を形成することが
可能である。
【００８３】以上のように構成される磁気記録装置は、
本発明を適用した磁気抵抗効果素子を搭載しているの
で、再生密度が150Ｇｂ／ｉｎ2を超える領域の磁気記録
再生が可能となる。
本発明を適用した磁気抵抗効果素子を搭載しているの
で、再生密度が150Ｇｂ／ｉｎ2を超える領域の磁気記録
再生が可能となる。
【００８４】［実施例５］図14に示すのは、磁気メモ
リ、いわゆるMRAMの代表的構造を示すものである。1401
はこの場合、基体となるCMOSである。これはエミッタ14
03、ベース1410、コレクタ1402と呼ばれる端子をもった
トランジスタである。1404は半導体基板上に形成した反
応層で、ここを介して電子が伝導する。
リ、いわゆるMRAMの代表的構造を示すものである。1401
はこの場合、基体となるCMOSである。これはエミッタ14
03、ベース1410、コレクタ1402と呼ばれる端子をもった
トランジスタである。1404は半導体基板上に形成した反
応層で、ここを介して電子が伝導する。
【００８５】情報を記録する磁気センサ1409および、14
09を挟む電極膜構造を含めた構造1406と、該磁気センサ
に接続し、素子に電流を流すビット線1407と、磁気セン
サ構造1406を挟んで該ビット線1407と対抗した位置の、
磁気センサ構造1406から離れた位置にあって、かつ、該
ビット線に直交し、磁気センサ膜に記録動作を行うワー
ド線1405と、記録信号を増幅する増幅系と、読み出し、
書き込みのスイッチをおこなう読み出しワード線1411を
備えたセルが、複数個並列している構造を持つ磁気記録
素子において、該磁気センサ1406の膜が、発明の実施の
形態１に示すような磁性体を含む磁気センサからなる。
そうすると、電流は膜面垂直方向に流れるか、あるいは
膜面の一方向に流れるので同様の磁気センサの使用法に
なる。
09を挟む電極膜構造を含めた構造1406と、該磁気センサ
に接続し、素子に電流を流すビット線1407と、磁気セン
サ構造1406を挟んで該ビット線1407と対抗した位置の、
磁気センサ構造1406から離れた位置にあって、かつ、該
ビット線に直交し、磁気センサ膜に記録動作を行うワー
ド線1405と、記録信号を増幅する増幅系と、読み出し、
書き込みのスイッチをおこなう読み出しワード線1411を
備えたセルが、複数個並列している構造を持つ磁気記録
素子において、該磁気センサ1406の膜が、発明の実施の
形態１に示すような磁性体を含む磁気センサからなる。
そうすると、電流は膜面垂直方向に流れるか、あるいは
膜面の一方向に流れるので同様の磁気センサの使用法に
なる。
【００８６】また、磁気センサー素子1409の大きさは、
素子形状を正方形とすると、一辺が0.1―0.25μmであ
る。加工は、電子線描画を用いた。磁気センサー膜1409
には、図6あるいは図7の構造の膜を適用した。磁気セン
サー膜の周囲は、絶縁膜で覆われた構造である。素子形
状は、電流を垂直方向に流すため四角形、多角形あるい
は円形が有効である。このとき、磁気センサ膜の磁化
は、ワード線1405とビット線1407を流れる電流の方向
で、磁気センサ部分に発生する合成磁界の方向をかえる
ことによって回転させる。この磁気センサ膜の自由層の
磁化方向を回転させる時に、自由層に磁区が発生する
と、磁界に対する抵抗値が変動し、Ｓ／Ｎが低下するた
めに、記憶が読み出せなくなる。これを制御性良く行う
ためには磁区制御膜を必要とする。この磁区制御膜を14
06のように磁気センサ構造の両端に配置することによ
り、磁区制御膜への分流損失無しに磁区制御することが
可能である。
素子形状を正方形とすると、一辺が0.1―0.25μmであ
る。加工は、電子線描画を用いた。磁気センサー膜1409
には、図6あるいは図7の構造の膜を適用した。磁気セン
サー膜の周囲は、絶縁膜で覆われた構造である。素子形
状は、電流を垂直方向に流すため四角形、多角形あるい
は円形が有効である。このとき、磁気センサ膜の磁化
は、ワード線1405とビット線1407を流れる電流の方向
で、磁気センサ部分に発生する合成磁界の方向をかえる
ことによって回転させる。この磁気センサ膜の自由層の
磁化方向を回転させる時に、自由層に磁区が発生する
と、磁界に対する抵抗値が変動し、Ｓ／Ｎが低下するた
めに、記憶が読み出せなくなる。これを制御性良く行う
ためには磁区制御膜を必要とする。この磁区制御膜を14
06のように磁気センサ構造の両端に配置することによ
り、磁区制御膜への分流損失無しに磁区制御することが
可能である。
【００８７】以上のように構成される磁気メモリにおい
ては、本発明を適用した磁気抵抗効果素子を搭載するこ
とにより、セル面積を従来の12Ｆ2から6-8Ｆ2へと縮小
化し、メモリ容量を増大することが可能である。なお、
ここでＦとは最小加工寸法のことである。
ては、本発明を適用した磁気抵抗効果素子を搭載するこ
とにより、セル面積を従来の12Ｆ2から6-8Ｆ2へと縮小
化し、メモリ容量を増大することが可能である。なお、
ここでＦとは最小加工寸法のことである。
【００８８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る磁気ヘッドは、ハーフメタルを含有する固定層
と、固定層の一主面側に形成された自由層と、固定層と
自由層との間に形成された中間層と、固定層の他主面側
に形成された反強磁性層と、固定層と前記反強磁性層と
の間に形成された軟磁性層と、固定層と前記軟磁性層と
の間に形成された貴金属層とを含む構成とすることによ
り、高い磁気抵抗変化率や電気抵抗を達成した磁気抵抗
効果素子を搭載しているので、高感度で出力が大きいも
のとなる。
に係る磁気ヘッドは、ハーフメタルを含有する固定層
と、固定層の一主面側に形成された自由層と、固定層と
自由層との間に形成された中間層と、固定層の他主面側
に形成された反強磁性層と、固定層と前記反強磁性層と
の間に形成された軟磁性層と、固定層と前記軟磁性層と
の間に形成された貴金属層とを含む構成とすることによ
り、高い磁気抵抗変化率や電気抵抗を達成した磁気抵抗
効果素子を搭載しているので、高感度で出力が大きいも
のとなる。
【００８９】また、この磁気抵抗効果素子を備える磁気
記録再生装置は、面記録密度が150Gb/in2を越える磁気
記録媒体と組み合わせて使用可能である。
記録再生装置は、面記録密度が150Gb/in2を越える磁気
記録媒体と組み合わせて使用可能である。
【００９０】更にまた、この磁気抵抗効果素子を備える
磁気メモリでは、セル面積を従来の12Ｆ2から6-8Ｆ２へ
と縮小化し、メモリ容量を従来の倍以上増大することが
可能である。
磁気メモリでは、セル面積を従来の12Ｆ2から6-8Ｆ２へ
と縮小化し、メモリ容量を従来の倍以上増大することが
可能である。
【図１】磁性体の電子密度状態（DOS）の模式図であ
る。
る。
【図２】Fe3O4膜の飽和磁化の基板温度依存性を示す特
性図である。
性図である。
【図３】貴金属膜（Au）上に形成したFe3O4膜の飽和磁
化の膜厚依存性を示す特性図である。
化の膜厚依存性を示す特性図である。
【図４】スピンバルブタイプのGMR素子の断面図であ
る。
る。
【図５】貴金属を含有するGMR中間層の膜厚と、抵抗変
化率との関係を示す特性図である。
化率との関係を示す特性図である。
【図６】本発明を適用した磁気抵抗効果素子の模式図で
ある。
ある。
【図７】本発明を適用した磁気抵抗効果素子の模式図で
ある。
ある。
【図８】本発明を適用したインギャップ型CPP-GMR再生
ヘッドの媒体対向面側からの断面図である。
ヘッドの媒体対向面側からの断面図である。
【図９】本発明を適用したヨーク構造の模式図である。
【図１０】本発明を適用した磁気抵抗効果素子とヨーク
との位置関係を示す模式図である。
との位置関係を示す模式図である。
【図１１】本発明を適用した磁気抵抗効果素子とヨーク
との位置関係を示す模式図である。
との位置関係を示す模式図である。
【図１２】本発明を適用した磁気抵抗効果素子とヨーク
との位置関係を示す模式図である。
との位置関係を示す模式図である。
【図１３】本発明を適用した磁気記録再生装置の模式図
である。
である。
【図１４】本発明を適用した磁気メモリの模式図であ
る。
る。
６０３，７０８ 反強磁性層、６０４，７０７ 軟磁性
層、６０５，７０６貴金属層、６０６，７０５ 固定
層、６０７，７０４ 中間層、６０８，７０３自由層。
層、６０５，７０６貴金属層、６０６，７０５ 固定
層、６０７，７０４ 中間層、６０８，７０３自由層。
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｆ 10/32 Ｈ０１Ｆ 10/32
Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｍ
43/08 Ｚ
27/10 ４４７
(72)発明者 早川 純
東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 伊藤 顕知
東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
Ｆターム(参考） 5D034 BA03 BA08 BB12
5E049 AA01 AA04 AA07 BA12 DB12
5F083 FZ10 GA09 GA11 JA36 JA37
JA38 JA39 JA60 ZA20
Claims (38)
- 【請求項１】ハーフメタルを含有する固定層と、前記固
定層の一主面側に形成された自由層と、前記固定層と前
記自由層との間に形成された中間層と、前記固定層の他
主面側に形成された反強磁性層と、前記固定層と前記反
強磁性層との間に形成された軟磁性層と、前記固定層と
前記軟磁性層との間に形成された貴金属層とを含む磁気
抵抗効果素子を備える磁気ヘッド。 - 【請求項２】前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を
流すための電極を備えることを特徴とする請求項１記載
の磁気ヘッド。 - 【請求項３】前記固定層の膜厚は、0.8nm以上であるこ
とを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項４】前記ハーフメタルは、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｒＯ
２若しくはＺｎＯに遷移金属を添加した材料、ＧａＮに
Ｍｎを添加した材料のうち少なくとも１種である請求項
１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項５】前記中間層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、
Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ又はＣｕのうち少なくとも１種以上を
含有することを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項６】前記中間層は、非磁性かつ導電性の材料に
より形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁
気ヘッド。 - 【請求項７】前記自由層は、ＣｏＦｅ又はＮｉＦｅを含
有する請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項８】前記貴金属層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕ、Ｉｒ、Ａｕ又はＡｇのうち少なくとも１種以上を含
む請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項９】前記軟磁性層は、ＮｉＦｅを含有すること
を特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１０】前記反強磁性層は、MnIr、MnPt、CrMnP
t、NiOのいずれかの材料を含有する請求項１記載の磁気
ヘッド。 - 【請求項１１】前記磁気抵抗効果素子は、面積抵抗が２
Ωum2以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２％以上であ
ることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１２】第１の磁性層と、積層フェリ構造を有す
る多層磁性膜と、前記第１の磁性層と前記多層磁性膜と
の間に形成された中間層とを含み、 前記多層磁性膜は、ハーフメタルを含有し、前記中間層
に接するように形成された第２の磁性層と、軟磁性材料
を含有する第３の磁性層と、前記第２の磁性層と第３の
磁性層との間に形成された貴金属層とを有し、 前記第３の磁性層の貴金属層が形成されている側とは反
対側に反強磁性層が形成された磁気抵抗効果素子を備え
た磁気ヘッド。 - 【請求項１３】前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流
を流すための電極を備えたことを特徴とする請求項１２
記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１４】前記第２の磁性層の膜厚は、0.8nm以上
であることを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１５】前記ハーフメタルは、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ
Ｏ２若しくはＺｎＯに遷移金属を添加した材料、ＧａＮ
にＭｎを添加した材料のうち少なくとも１種である請求
項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１６】前記中間層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ又はＣｕのうち少なくとも１種以
上を含有することを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘ
ッド。 - 【請求項１７】前記中間層は、非磁性かつ導電性の材料
により形成されていることを特徴とする請求項１２記載
の磁気ヘッド。 - 【請求項１８】前記第１の磁性層は、ＣｏＦｅ又はＮｉ
Ｆｅを含有する請求項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項１９】前記貴金属層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕ、Ｉｒ、Ａｕ又はＡｇのうち少なくとも１種以上を含
む請求項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項２０】前記第３の磁性層は、ＮｉＦｅを含有す
ることを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項２１】前記反強磁性層は、MnIr、MnPt、CrMnP
t、NiOのいずれかの材料を含有する請求項１２記載の磁
気ヘッド。 - 【請求項２２】前記磁気抵抗効果素子は、面積抵抗が２
Ωum2以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２％以上であ
ることを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘッド。 - 【請求項２３】反強磁性層と、該反強磁性層上に形成さ
れた第１の軟磁性層と、該第１の軟磁性層上に形成され
た貴金属層と、該貴金属層上に形成されたハーフメタル
層と、該ハーフメタル層上に形成された中間層と、該中
間層上に形成された第２の軟磁性層とを含む磁気抵抗効
果素子を備えた磁気ヘッド。 - 【請求項２４】前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流
を流すための電極を備えたことを特徴とする請求項２３
記載の磁気ヘッド。 - 【請求項２５】前記ハーフメタル層の膜厚は、0.8nm以
上であることを特徴とする請求項２３記載の磁気ヘッ
ド。 - 【請求項２６】前記ハーフメタルは、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ
Ｏ２若しくはＺｎＯに遷移金属を添加した材料、ＧａＮ
にＭｎを添加した材料のうち少なくとも１種である請求
項２３記載の磁気ヘッド。 - 【請求項２７】前記中間層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ又はＣｕのうち少なくとも１種以
上を含有することを特徴とする請求項２３記載の磁気ヘ
ッド。 - 【請求項２８】前記中間層は、非磁性かつ導電性の材料
により形成されていることを特徴とする請求項２３記載
の磁気ヘッド。 - 【請求項２９】前記第２の軟磁磁性層は、ＣｏＦｅ又は
ＮｉＦｅを含有する請求項２３記載の磁気ヘッド。 - 【請求項３０】前記貴金属層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕ、Ｉｒ、Ａｕ又はＡｇのうち少なくとも１種以上を含
む請求項２３記載の磁気ヘッド。 - 【請求項３１】前記第１の軟磁性層は、ＮｉＦｅを含有
することを特徴とする請求項２３記載の磁気ヘッド。 - 【請求項３２】前記反強磁性層は、MnIr、MnPt、CrMnP
t、NiOのいずれかの材料を含有する請求項２３記載の磁
気ヘッド。 - 【請求項３３】前記磁気抵抗効果素子は、面積抵抗が２
Ωum2以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２％以上であ
ることを特徴とする請求項２３記載の磁気ヘッド。 - 【請求項３４】磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆
動する駆動部と、磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッド
と、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置
に移動させるアクチュエーターと、前記磁気ヘッドから
の出力信号再生を行う信号処理手段とを備える磁気記録
再生装置において、 前記磁気抵抗効果素子が、ハーフメタルを含有する固定
層と、前記固定層の一主面側に形成された自由層と、前
記固定層と前記自由層との間に形成された中間層と、前
記固定層の他主面側に形成された反強磁性層と、前記固
定層と前記反強磁性層との間に形成された軟磁性層と、
前記固定層と前記軟磁性層との間に形成された貴金属層
とを備えることを特徴とする磁気記録再生装置。 - 【請求項３５】前記磁気ヘッドは、記録部と再生部とを
備えることを特徴とする請求項３４記載の磁気記録再生
装置。 - 【請求項３６】ビット線と、該ビット線に直交するワー
ド線と、前記ビット線とワード線との交点に設けられた
メモリセルとを有し、 前記メモリセルは、ハーフメタルを含有する固定層と、
前記固定層の一主面側に形成された自由層と、前記固定
層と前記自由層との間に形成された中間層と、前記固定
層の他主面側に形成された反強磁性層と、前記固定層と
前記反強磁性層との間に形成された軟磁性層と、前記固
定層と前記軟磁性層との間に形成された貴金属層とを含
む積層膜を備えたことを特徴とする磁性メモリ。 - 【請求項３７】ビット線と、該ビット線に直交するワー
ド線と、前記ビット線とワード線との交点に設けられた
メモリセルとを有し、 前記メモリセルは、第１の磁性層と、積層フェリ構造を
有する多層磁性膜と、前記第１の磁性層と前記多層磁性
膜との間に形成された中間層とを含み、前記多層磁性膜
は、ハーフメタルを含有し、前記中間層に接するように
形成された第２の磁性層と軟磁性材料を含有する第３の
磁性層と前記第２の磁性層と第３の磁性層との間に形成
された貴金属層とを有し、前記第３の磁性層の貴金属層
が形成されている側とは反対側に反強磁性層が形成され
た積層膜を備える磁性メモリ。 - 【請求項３８】ビット線と、該ビット線に直交するワー
ド線と、前記ビット線とワード線との交点に設けられた
メモリセルとを有し、 前記メモリセルは、反強磁性層と、該反強磁性層上に形
成された第１の軟磁性層と、該第１の軟磁性層上に形成
された貴金属層と、該貴金属層上に形成されたハーフメ
タル層と、該ハーフメタル層上に形成された中間層と、
該中間層上に形成された第２の軟磁性層とを含む磁気抵
抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002050665A JP2003248909A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 磁気ヘッド及びそれを備える磁気記録再生装置、並びに磁気メモリ |
| US10/225,150 US6876523B2 (en) | 2002-02-27 | 2002-08-22 | Magnetic head, and the magnetic read-write devices, and the magnetic memory with magnetic sensors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002050665A JP2003248909A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 磁気ヘッド及びそれを備える磁気記録再生装置、並びに磁気メモリ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003248909A true JP2003248909A (ja) | 2003-09-05 |
| JP2003248909A5 JP2003248909A5 (ja) | 2005-06-09 |
Family
ID=27750833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002050665A Pending JP2003248909A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 磁気ヘッド及びそれを備える磁気記録再生装置、並びに磁気メモリ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6876523B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003248909A (ja) |
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