JP2004103769A - Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】著しい微細化を伴わずに出力を高めることができるＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】固定側磁性層５３はグラニュラー膜で構成される。このグラニュラー膜は、導電性の磁性結晶粒５７および誘電体５８を含む。固定側磁性層５３では誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性結晶粒５７に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【選択図】 図５
【解決手段】固定側磁性層５３はグラニュラー膜で構成される。このグラニュラー膜は、導電性の磁性結晶粒５７および誘電体５８を含む。固定側磁性層５３では誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性結晶粒５７に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスピンバルブ膜といった磁気抵抗効果膜を利用する磁気抵抗効果素子に関し、特に、任意の基層の表面に積層される磁気抵抗効果膜に、基層の表面に直交する垂直方向成分を有するセンス電流を流通させるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）構造磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるスピンバルブ膜を備えるＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子は広く知られる。こういったＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子にはいわゆる自由側強磁性層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）および固定側強磁性層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）が組み込まれる。自由側強磁性層および固定側強磁性層の間には非磁性中間層が挟まれる。こうして自由側強磁性層の磁化は固定側強磁性層の磁化から分離される。外部から作用する磁界の向きに応じて自由側強磁性層で磁化方向は回転する。この磁化方向の回転に起因してスピンバルブ膜の電気抵抗値は変化する。その結果、スピンバルブ膜に流通するセンス電流の電圧変化は引き起こされる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８４５２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、スピンバルブ膜は導電性の材料から構成される。スピンバルブ膜ではほぼ全域にわたってセンス電流は流通する。その結果、さらにスピンバルブ膜が微細化されない限り、センス電流の流通路は狭められることはできない。センス電流の流通路が狭められれば、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、著しい微細化を伴わずに出力を高めることができるＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、自由側磁性層と、固定側磁性層と、自由側磁性層および固定側磁性層の間に挟まれる導電性の非磁性中間層とを備え、少なくとも自由側磁性層および固定側磁性層の一方は、導電性の磁性体および誘電体を含むグラニュラー膜から構成されることを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００７】
ＣＰＰ構造磁気抵抗効素子に外部から磁界が作用すると、磁界の向きに応じて自由側磁性層の磁化方向は回転する。自由側磁性層の磁化方向が回転すると、自由側磁性層および固定側磁性層の電気抵抗は大きく変化する。したがって、いわゆる面直方向に自由側磁性層、非磁性中間層および固定側磁性層に電流が供給されると、自由側磁性層および固定側磁性層から取り出される電圧のレベルは電気抵抗の変化に応じて変化する。特に、固定側磁性層では誘電体の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性体に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【０００８】
ここで、磁性体は、グラニュラー膜の上側接合面から下側接合面に貫通する結晶粒を含むことが望まれる。こういったグラニュラー膜によれば、上側接合面や下側接合面に接触する導電材料に磁性体は確実に接触することができる。磁性体に流通する電流の流通が妨げられることはない。したがって、確実に大きな出力は得られることができる。
【０００９】
結晶粒は少なくともＣｏおよびＦｅのいずれか一方を含めばよい。結晶粒は硬磁性を示してもよく軟磁性を示してもよい。誘電体は、少なくとも酸化物、フッ化物、炭化物および窒化物のいずれかを含めばよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１１】
図１は磁気記録媒体駆動装置の一具体例すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）１１の内部構造を概略的に示す。このＨＤＤ１１は、例えば平たい直方体の内部空間を区画する箱形の筐体本体１２を備える。収容空間には、記録媒体としての１枚以上の磁気ディスク１３が収容される。磁気ディスク１３はスピンドルモータ１４の回転軸に装着される。スピンドルモータ１４は例えば７２００ｒｐｍや１００００ｒｐｍといった高速度で磁気ディスク１３を回転させることができる。筐体本体１２には、筐体本体１２との間で収容空間を密閉する蓋体すなわちカバー（図示されず）が結合される。
【００１２】
収容空間にはヘッドアクチュエータ１５がさらに収容される。このヘッドアクチュエータ１５は、垂直方向に延びる支軸１６に回転自在に支持されるアクチュエータブロック１７を備える。アクチュエータブロック１７には、支軸１６から水平方向に延びる剛体のアクチュエータアーム１８が規定される。アクチュエータアーム１８は磁気ディスク１３の表面および裏面ごとに配置される。アクチュエータブロック１７は例えば鋳造に基づきアルミニウムから成型されればよい。
【００１３】
アクチュエータアーム１８の先端にはヘッドサスペンション１９が取り付けられる。ヘッドサスペンション１９は、アクチュエータアーム１８の先端から前方に向かって延びる。周知の通り、ヘッドサスペンション１９の前端には浮上ヘッドスライダ２１が支持される。浮上ヘッドスライダ２１は磁気ディスク１３の表面に向き合わせられる。
【００１４】
浮上ヘッドスライダ２１には、磁気ディスク１３の表面に向かってヘッドサスペンション１９から押し付け力が作用する。磁気ディスク１３の回転に基づき磁気ディスク１３の表面で生成される気流の働きで浮上ヘッドスライダ２１には浮力が作用する。ヘッドサスペンション１９の押し付け力と浮力とのバランスで磁気ディスク１３の回転中に比較的に高い剛性で浮上ヘッドスライダ２１は浮上し続けることができる。
【００１５】
アクチュエータブロック１７には例えばボイスコイルモータ（ＶＣＭ）といった動力源２２が接続される。この動力源２２の働きでアクチュエータブロック１７は支軸１６回りで回転することができる。こうしたアクチュエータブロック１７の回転に基づきアクチュエータアーム１８およびヘッドサスペンション１９の揺動は実現される。浮上ヘッドスライダ２１の浮上中に支軸１６回りでアクチュエータアーム１８が揺動すると、浮上ヘッドスライダ２１は半径方向に磁気ディスク１３の表面を横切ることができる。こうした移動に基づき浮上ヘッドスライダ２１は所望の記録トラックに位置決めされる。周知の通り、複数枚の磁気ディスク１３が筐体本体１２内に組み込まれる場合には、隣接する磁気ディスク１３同士の間で２本のアクチュエータアーム１８すなわち２つのヘッドサスペンション１９が配置される。
【００１６】
図２は浮上ヘッドスライダ２１の一具体例を示す。この浮上ヘッドスライダ２１は、平たい直方体に形成されるＡｌ２ Ｏ３ −ＴｉＣ（アルチック）製のスライダ本体２３を備える。スライダ本体２３の空気流出端にはＡｌ２ Ｏ３ （アルミナ）製のヘッド素子内蔵膜２４が接合される。ヘッド素子内蔵膜２４には電磁変換素子すなわち読み出し書き込みヘッド２５が埋め込まれる。スライダ本体２３およびヘッド素子内蔵膜２４には、磁気ディスク１３に対向する媒体対向面すなわち浮上面２６が規定される。
【００１７】
浮上面２６には、スライダ本体２３の空気流入端に沿って延びるフロントレール２８と、スライダ本体２３の空気流出端に隣接して広がるリアレール２９とが形成される。フロントレール２８およびリアレール２９の頂上面にはいわゆるＡＢＳ（空気軸受け面）３１、３２が規定される。ＡＢＳ３１、３２の空気流入端は段差３３、３４でレール２８、２９の頂上面に接続される。読み出し書き込みヘッド２５はＡＢＳ３２で前端を露出させる。ただし、ＡＢＳ３２の表面には、読み出し書き込みヘッド２５の前端に覆い被さるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）保護膜が形成されてもよい。
【００１８】
磁気ディスク１３の回転に基づき生成される気流３５は浮上面２６に受け止められる。このとき、段差３３、３４の働きでＡＢＳ３１、３２には比較的に大きな正圧すなわち浮力が生成される。しかも、フロントレール２８の後方すなわち背後には大きな負圧が生成される。これら浮力および負圧のバランスに基づき浮上ヘッドスライダ２１の浮上姿勢は確立される。なお、浮上ヘッドスライダ２１の形態はこういった形態に限られるものではない。
【００１９】
図３は浮上面２６の様子を詳細に示す。読み出し書き込みヘッド２５は、薄膜磁気ヘッドすなわち誘導書き込みヘッド素子３６とＣＰＰ構造電磁変換素子すなわちＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子３７とを備える。誘導書き込みヘッド素子３６は、周知の通り、例えば導電コイルパターン（図示されず）で生起される磁界を利用して磁気ディスク１３に２値情報を書き込むことができる。ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、周知の通り、磁気ディスク１３から作用する磁界に応じて変化する抵抗に基づき２値情報を検出することができる。誘導書き込みヘッド素子３６およびＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、前述のヘッド素子内蔵膜２４の上側半層すなわちオーバーコート膜を構成するＡｌ２ Ｏ３（アルミナ）膜３８と、下側半層すなわちアンダーコート膜を構成するＡｌ２Ｏ３ （アルミナ）膜３９との間に挟み込まれる。
【００２０】
誘導書き込みヘッド素子３６は、ＡＢＳ３２で前端を露出させる上部磁極層４１と、同様にＡＢＳ３２で前端を露出させる下部磁極層４２とを備える。上部および下部磁極層４１、４２は例えばＦｅＮやＮｉＦｅから形成されればよい。上部および下部磁極層４１、４２は協働して誘導書き込みヘッド素子３６の磁性コアを構成する。
【００２１】
上部および下部磁極層４１、４２の間には例えばＡｌ２ Ｏ３ （アルミナ）製の非磁性ギャップ層４３が挟み込まれる。周知の通り、導電コイルパターンで磁界が生起されると、非磁性ギャップ層４３の働きで、上部磁極層４１と下部磁極層４２とを行き交う磁束はＡＢＳ３２から漏れ出る。こうして漏れ出る磁束が記録磁界（ギャップ磁界）を形成する。
【００２２】
ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、アルミナ膜３９すなわち下地絶縁層の表面に沿って広がる下側電極４４を備える。下側電極４４は導電性を備えるだけでなく同時に軟磁性を備えてもよい。下側電極４４が例えばＮｉＦｅといった導電性の軟磁性体で構成されると、この下側電極４４は同時にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の下部シールド層として機能することができる。
【００２３】
下側電極４４すなわち基層の表面には１平坦化面４５すなわち基準面が規定される。平坦化面４５上には所定の輪郭で磁気抵抗効果（ＭＲ）膜すなわちスピンバルブ膜４６が積層される。スピンバルブ膜４６は、ＡＢＳ３２で露出する前端から平坦化面４５に沿って後方に広がる。同様に、平坦化面４５上にはＡＢＳ３２に沿って延びる１対の硬磁性磁区制御膜４７が積層される。磁区制御膜４７は平坦化面４５上でＡＢＳ３２に沿ってスピンバルブ膜４６を挟み込む。磁区制御膜４７は例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔといった金属材料から形成されればよい。これらの磁区制御膜４７では、周知の通り、スピンバルブ膜４６を横切る１方向に沿って磁化は確立されることができる。こうした磁区制御膜４７の磁化に基づきバイアス磁界が形成されると、スピンバルブ膜４６内で例えば自由側強磁性層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）の単磁区化は実現されることができる。ここで、スピンバルブ膜４６の構造の詳細は後述される。
【００２４】
平坦化面４５上には被覆絶縁膜４８が覆い被さる。被覆絶縁膜４８は例えばＡｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ といった絶縁材料から構成されればよい。被覆絶縁膜４８上には上側電極４９が配置される。上側電極４９は導電性を備えるだけでなく同時に軟磁性を備えてもよい。上側電極４９が例えばＮｉＦｅといった導電性の軟磁性体で構成されると、この上側電極４９は同時にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の上部シールド層として機能することができる。前述の下部シールド層すなわち下側電極４４と上側電極４９との間隔は磁気ディスク１３上で記録トラックの線方向に磁気記録の分解能を決定する。
【００２５】
図４はＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の拡大図を示す。図４から明らかなように、被覆絶縁膜４８はスピンバルブ膜４６および磁区制御膜４７の表面に覆い被さる。ただし、被覆絶縁膜４８には、スピンバルブ膜４６の頂上面から立ち上がるコンタクトホール５１が区画される。コンタクトホール５１は少なくともＡＢＳ３２に沿って被覆絶縁膜４８を貫通する。上側電極４９はコンタクトホール５１内でスピンバルブ膜４６の頂上面に接触する。こうして上側電極４９とスピンバルブ膜４６との間で電気的接続は確立される。同時に、上側電極４９と磁区制御膜４７との間では電気的接続は十分に回避される。
【００２６】
図４から明らかなように、本発明の第１実施形態に係るスピンバルブ膜４６では、下地層５２、固定側強磁性層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）５３、導電性の非磁性中間層５４、自由側強磁性層５５および保護キャップ層５６が順番に重ね合わせられる。固定側強磁性層５３では硬磁性といった固有の性質に基づき１方向に磁化は固定される。ここで、下地層５２は、例えば平坦化面４５に積層されるＴａ層と、このＴａ層の表面に積層されるＮｉＦｅ層とから構成されればよい。非磁性中間層５４は例えばＣｕ層から構成されればよい。自由側強磁性層５５は例えばＣｏＦｅＢ層から構成されればよい。保護キャップ層５６は例えばＣｕ層やＡｕ層から構成されればよい。
【００２７】
固定側強磁性層５３は、導電性の強磁性体および誘電体を含むグラニュラー膜で構成される。このグラニュラー膜では、図５に示されるように、下地層５２の表面から立ち上がる複数個の磁性結晶粒５７が確立される。磁性結晶粒５７同士の間には誘電体５８が埋め尽くされる。同時に、磁性結晶粒５７の先端は非磁性中間層５３に接触する接合面で露出する。こうして個々の磁性結晶粒５７はグラニュラー膜の上側接合面から下側接合面まで貫通する。非磁性中間層５４および下地層５２の間では磁性結晶粒５７で電気的接続は確立される。
【００２８】
ここで、磁性結晶粒５７は例えばＣｏＰｔ合金やＦｅＰｔ合金といった硬磁性材料から構成されればよい。その他、硬磁性材料には、遷移金属を含む希土類合金が挙げられることができる。その一方で、誘電体５８には、例えばＡｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｂｉ２ Ｏ３ といった酸化物、ＭｇＦ２ 、ＣａＦ２ といったフッ化物、ＡｌＮといった窒化物、炭化物その他の絶縁材料が用いられればよい。
【００２９】
磁気情報の読み出しにあたってＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７が磁気ディスク１３の表面に向き合わせられると、スピンバルブ膜４６では、周知の通り、磁気ディスク１３から作用する磁界の向きに応じて自由側強磁性層５５の磁化方向は回転する。こうして自由側強磁性層５５の磁化方向が回転すると、スピンバルブ膜４６の電気抵抗は大きく変化する。したがって、上側電極４９および下側電極４４からスピンバルブ膜４６にセンス電流が供給されると、上側電極４９および下側電極４４から取り出される電圧のレベルは電気抵抗の変化に応じて変化する。このレベルの変化に応じて２値情報は読み取られることができる。
【００３０】
特に、固定側強磁性層５３では、前述のように誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性結晶粒５７に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の出力は高められることができる。
【００３１】
次にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の製造方法を簡単に説明する。周知の通りに、ウェハー上では下側電極４４が形成される。下側電極４４は例えばめっき成膜法に基づき形成されればよい。下側電極４４の表面には、例えばＴａ層やＮｉＦｅ層で構成される下地層５２が積層形成される。下地層５２は例えばスパッタリングに基づき積層されればよい。
【００３２】
続いて下地層５２の表面にはＣｏＰｔ合金やＦｅＰｔ合金といった硬磁性材料が積層される。積層にあたって例えばスパッタリングは用いられる。このとき、スパッタリング装置では硬磁性材料の積層量は膜厚換算で２．８ｎｍ程度に設定される。その結果、下地層５２の表面では硬磁性材料の不連続膜すなわち島状構造が確立される。この島状構造では、下地層５２の表面に直径５．０ｎｍ程度の磁性結晶粒５７が散在する。
【００３３】
続いて下地層５２の表面にはＳｉＯ２ といった絶縁材料が積層される。積層にあたって例えばスパッタリングは用いられる。このとき、スパッタリング装置では絶縁材料の積層量は膜厚換算で２．０ｎｍ程度に設定される。降り注ぐ絶縁材料は磁性結晶粒５７同士の間に真っ先に降り積もる。こうして磁性結晶粒５７同士の合間で絶縁材料は下地層５２の表面を覆っていく。ただし、絶縁材料が積層されても磁性結晶粒５７の露出は維持される。こうしてグラニュラー膜は形成される。
【００３４】
その後、グラニュラー膜の表面には、Ｃｕといった非磁性の導電性材料、ＣｏＦｅ合金といった軟磁性の強磁性材料、ＣｕやＡｕといった導電性材料が相次いで積層される。こうして形成される積層体からスピンバルブ膜４６は削り出される。この削り出しにあたって例えばイオンミリングは用いられる。このとき、積層体の表面には、例えばスピンバルブ膜４６の形状を象ったフォトレジスト膜が形成される。
【００３５】
スピンバルブ膜４６の形成後、スピンバルブ膜４６の周囲にはＣｏＣｒＰｔといった硬磁性材料が積層される。スピンバルブ膜４６および硬磁性材料の表面には被覆絶縁膜４８が形成される。被覆絶縁膜４８にはコンタクトホール５１が形成される。その後、被覆絶縁膜４８上には上側電極が形成される。こうしてＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は形成されていく。
【００３６】
図６は本発明の第２実施形態に係るＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７ａを概略的に示す。このＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７ａでは、固定側強磁性層５３中の磁性結晶粒５７にＣｏＦｅ合金といった軟磁性材料が用いられる。固定側強磁性層５３および下地層５２の間には磁化方向拘束層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）すなわち反強磁性層６１が挟み込まれる。反強磁性層６１の働きに応じて固定側強磁性層５３の磁化は１方向に固定される。反強磁性層６１は例えばＩｒＭｎやＰｄＰｔＭｎといった反強磁性合金材料から形成されればよい。このスピンバルブ膜４６ａでは、前述のスピンバルブ膜４６と同様に、固定側強磁性層５３中の誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められることから、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。その他、前述のＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７と均等な構造や構成には同一の参照符号が付される。
【００３７】
特に、このスピンバルブ膜４６ａの輪郭は、下側電極４４すなわち基層の表面に任意の傾斜角αで傾斜する傾斜面６２で仕切られる。磁区制御膜４７は傾斜面６２でスピンバルブ膜４６ａに接合される。これら傾斜面６２の働きで上側電極４９から下側電極４４に向かってスピンバルブ膜４６ａは徐々に広がっていく。したがって、比較的に電気抵抗の高い反強磁性層６１でセンス電流の流通路は大きく確保されることができる。反強磁性層６１の電気抵抗は実質的に低減されることができる。
【００３８】
その他、以上のようなスピンバルブ膜４６、４６ａでは、自由側強磁性層５５に固定側強磁性５３と同様に前述のグラニュラー膜が用いられてもよい。この場合、自由側強磁性層５５に含まれる磁性結晶粒５７は例えばＣｏＦｅ合金といった軟磁性材料から構成されればよい。グラニュラー膜は少なくとも自由側強磁性層５５および固定側強磁性層５３のいずれかに適用されればよい。しかも、ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７では、以上のようないわゆる逆積層構造のスピンバルブ膜４６、４６ａに代えて順積層構造のスピンバルブ膜が組み込まれてもよい。順積層構造では、周知の通りに、下地層５２上に自由側強磁性層、非磁性中間層、固定側強磁性層および反強磁性層や保護キャップ層が順番に積層されればよい。いずれの場合でも、少なくとも固定側強磁性層および自由側強磁性層のいずれかに前述のグラニュラー膜は用いられればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、著しい微細化を伴わずにＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）の内部構造を概略的に示す平面図である。
【図２】一具体例に係る浮上ヘッドスライダの構造を概略的に示す拡大斜視図である。
【図３】浮上面で観察される読み出し書き込みヘッドの様子を概略的に示す正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子の構造を概略的に示す拡大正面図である。
【図５】グラニュラー膜の構造を概略的に示すスピンバルブ膜の拡大部分断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子の構造を概略的に示す拡大正面図である。
【符号の説明】
３７ ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子、５５自由側磁性層、５３ 固定側磁性層、５４ 非磁性中間層、５７ 磁性体（磁性結晶粒）５８ 誘電体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスピンバルブ膜といった磁気抵抗効果膜を利用する磁気抵抗効果素子に関し、特に、任意の基層の表面に積層される磁気抵抗効果膜に、基層の表面に直交する垂直方向成分を有するセンス電流を流通させるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）構造磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるスピンバルブ膜を備えるＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子は広く知られる。こういったＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子にはいわゆる自由側強磁性層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）および固定側強磁性層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）が組み込まれる。自由側強磁性層および固定側強磁性層の間には非磁性中間層が挟まれる。こうして自由側強磁性層の磁化は固定側強磁性層の磁化から分離される。外部から作用する磁界の向きに応じて自由側強磁性層で磁化方向は回転する。この磁化方向の回転に起因してスピンバルブ膜の電気抵抗値は変化する。その結果、スピンバルブ膜に流通するセンス電流の電圧変化は引き起こされる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８４５２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、スピンバルブ膜は導電性の材料から構成される。スピンバルブ膜ではほぼ全域にわたってセンス電流は流通する。その結果、さらにスピンバルブ膜が微細化されない限り、センス電流の流通路は狭められることはできない。センス電流の流通路が狭められれば、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【０００５】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、著しい微細化を伴わずに出力を高めることができるＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、自由側磁性層と、固定側磁性層と、自由側磁性層および固定側磁性層の間に挟まれる導電性の非磁性中間層とを備え、少なくとも自由側磁性層および固定側磁性層の一方は、導電性の磁性体および誘電体を含むグラニュラー膜から構成されることを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００７】
ＣＰＰ構造磁気抵抗効素子に外部から磁界が作用すると、磁界の向きに応じて自由側磁性層の磁化方向は回転する。自由側磁性層の磁化方向が回転すると、自由側磁性層および固定側磁性層の電気抵抗は大きく変化する。したがって、いわゆる面直方向に自由側磁性層、非磁性中間層および固定側磁性層に電流が供給されると、自由側磁性層および固定側磁性層から取り出される電圧のレベルは電気抵抗の変化に応じて変化する。特に、固定側磁性層では誘電体の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性体に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【０００８】
ここで、磁性体は、グラニュラー膜の上側接合面から下側接合面に貫通する結晶粒を含むことが望まれる。こういったグラニュラー膜によれば、上側接合面や下側接合面に接触する導電材料に磁性体は確実に接触することができる。磁性体に流通する電流の流通が妨げられることはない。したがって、確実に大きな出力は得られることができる。
【０００９】
結晶粒は少なくともＣｏおよびＦｅのいずれか一方を含めばよい。結晶粒は硬磁性を示してもよく軟磁性を示してもよい。誘電体は、少なくとも酸化物、フッ化物、炭化物および窒化物のいずれかを含めばよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１１】
図１は磁気記録媒体駆動装置の一具体例すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）１１の内部構造を概略的に示す。このＨＤＤ１１は、例えば平たい直方体の内部空間を区画する箱形の筐体本体１２を備える。収容空間には、記録媒体としての１枚以上の磁気ディスク１３が収容される。磁気ディスク１３はスピンドルモータ１４の回転軸に装着される。スピンドルモータ１４は例えば７２００ｒｐｍや１００００ｒｐｍといった高速度で磁気ディスク１３を回転させることができる。筐体本体１２には、筐体本体１２との間で収容空間を密閉する蓋体すなわちカバー（図示されず）が結合される。
【００１２】
収容空間にはヘッドアクチュエータ１５がさらに収容される。このヘッドアクチュエータ１５は、垂直方向に延びる支軸１６に回転自在に支持されるアクチュエータブロック１７を備える。アクチュエータブロック１７には、支軸１６から水平方向に延びる剛体のアクチュエータアーム１８が規定される。アクチュエータアーム１８は磁気ディスク１３の表面および裏面ごとに配置される。アクチュエータブロック１７は例えば鋳造に基づきアルミニウムから成型されればよい。
【００１３】
アクチュエータアーム１８の先端にはヘッドサスペンション１９が取り付けられる。ヘッドサスペンション１９は、アクチュエータアーム１８の先端から前方に向かって延びる。周知の通り、ヘッドサスペンション１９の前端には浮上ヘッドスライダ２１が支持される。浮上ヘッドスライダ２１は磁気ディスク１３の表面に向き合わせられる。
【００１４】
浮上ヘッドスライダ２１には、磁気ディスク１３の表面に向かってヘッドサスペンション１９から押し付け力が作用する。磁気ディスク１３の回転に基づき磁気ディスク１３の表面で生成される気流の働きで浮上ヘッドスライダ２１には浮力が作用する。ヘッドサスペンション１９の押し付け力と浮力とのバランスで磁気ディスク１３の回転中に比較的に高い剛性で浮上ヘッドスライダ２１は浮上し続けることができる。
【００１５】
アクチュエータブロック１７には例えばボイスコイルモータ（ＶＣＭ）といった動力源２２が接続される。この動力源２２の働きでアクチュエータブロック１７は支軸１６回りで回転することができる。こうしたアクチュエータブロック１７の回転に基づきアクチュエータアーム１８およびヘッドサスペンション１９の揺動は実現される。浮上ヘッドスライダ２１の浮上中に支軸１６回りでアクチュエータアーム１８が揺動すると、浮上ヘッドスライダ２１は半径方向に磁気ディスク１３の表面を横切ることができる。こうした移動に基づき浮上ヘッドスライダ２１は所望の記録トラックに位置決めされる。周知の通り、複数枚の磁気ディスク１３が筐体本体１２内に組み込まれる場合には、隣接する磁気ディスク１３同士の間で２本のアクチュエータアーム１８すなわち２つのヘッドサスペンション１９が配置される。
【００１６】
図２は浮上ヘッドスライダ２１の一具体例を示す。この浮上ヘッドスライダ２１は、平たい直方体に形成されるＡｌ２ Ｏ３ −ＴｉＣ（アルチック）製のスライダ本体２３を備える。スライダ本体２３の空気流出端にはＡｌ２ Ｏ３ （アルミナ）製のヘッド素子内蔵膜２４が接合される。ヘッド素子内蔵膜２４には電磁変換素子すなわち読み出し書き込みヘッド２５が埋め込まれる。スライダ本体２３およびヘッド素子内蔵膜２４には、磁気ディスク１３に対向する媒体対向面すなわち浮上面２６が規定される。
【００１７】
浮上面２６には、スライダ本体２３の空気流入端に沿って延びるフロントレール２８と、スライダ本体２３の空気流出端に隣接して広がるリアレール２９とが形成される。フロントレール２８およびリアレール２９の頂上面にはいわゆるＡＢＳ（空気軸受け面）３１、３２が規定される。ＡＢＳ３１、３２の空気流入端は段差３３、３４でレール２８、２９の頂上面に接続される。読み出し書き込みヘッド２５はＡＢＳ３２で前端を露出させる。ただし、ＡＢＳ３２の表面には、読み出し書き込みヘッド２５の前端に覆い被さるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）保護膜が形成されてもよい。
【００１８】
磁気ディスク１３の回転に基づき生成される気流３５は浮上面２６に受け止められる。このとき、段差３３、３４の働きでＡＢＳ３１、３２には比較的に大きな正圧すなわち浮力が生成される。しかも、フロントレール２８の後方すなわち背後には大きな負圧が生成される。これら浮力および負圧のバランスに基づき浮上ヘッドスライダ２１の浮上姿勢は確立される。なお、浮上ヘッドスライダ２１の形態はこういった形態に限られるものではない。
【００１９】
図３は浮上面２６の様子を詳細に示す。読み出し書き込みヘッド２５は、薄膜磁気ヘッドすなわち誘導書き込みヘッド素子３６とＣＰＰ構造電磁変換素子すなわちＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子３７とを備える。誘導書き込みヘッド素子３６は、周知の通り、例えば導電コイルパターン（図示されず）で生起される磁界を利用して磁気ディスク１３に２値情報を書き込むことができる。ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、周知の通り、磁気ディスク１３から作用する磁界に応じて変化する抵抗に基づき２値情報を検出することができる。誘導書き込みヘッド素子３６およびＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、前述のヘッド素子内蔵膜２４の上側半層すなわちオーバーコート膜を構成するＡｌ２ Ｏ３（アルミナ）膜３８と、下側半層すなわちアンダーコート膜を構成するＡｌ２Ｏ３ （アルミナ）膜３９との間に挟み込まれる。
【００２０】
誘導書き込みヘッド素子３６は、ＡＢＳ３２で前端を露出させる上部磁極層４１と、同様にＡＢＳ３２で前端を露出させる下部磁極層４２とを備える。上部および下部磁極層４１、４２は例えばＦｅＮやＮｉＦｅから形成されればよい。上部および下部磁極層４１、４２は協働して誘導書き込みヘッド素子３６の磁性コアを構成する。
【００２１】
上部および下部磁極層４１、４２の間には例えばＡｌ２ Ｏ３ （アルミナ）製の非磁性ギャップ層４３が挟み込まれる。周知の通り、導電コイルパターンで磁界が生起されると、非磁性ギャップ層４３の働きで、上部磁極層４１と下部磁極層４２とを行き交う磁束はＡＢＳ３２から漏れ出る。こうして漏れ出る磁束が記録磁界（ギャップ磁界）を形成する。
【００２２】
ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は、アルミナ膜３９すなわち下地絶縁層の表面に沿って広がる下側電極４４を備える。下側電極４４は導電性を備えるだけでなく同時に軟磁性を備えてもよい。下側電極４４が例えばＮｉＦｅといった導電性の軟磁性体で構成されると、この下側電極４４は同時にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の下部シールド層として機能することができる。
【００２３】
下側電極４４すなわち基層の表面には１平坦化面４５すなわち基準面が規定される。平坦化面４５上には所定の輪郭で磁気抵抗効果（ＭＲ）膜すなわちスピンバルブ膜４６が積層される。スピンバルブ膜４６は、ＡＢＳ３２で露出する前端から平坦化面４５に沿って後方に広がる。同様に、平坦化面４５上にはＡＢＳ３２に沿って延びる１対の硬磁性磁区制御膜４７が積層される。磁区制御膜４７は平坦化面４５上でＡＢＳ３２に沿ってスピンバルブ膜４６を挟み込む。磁区制御膜４７は例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔといった金属材料から形成されればよい。これらの磁区制御膜４７では、周知の通り、スピンバルブ膜４６を横切る１方向に沿って磁化は確立されることができる。こうした磁区制御膜４７の磁化に基づきバイアス磁界が形成されると、スピンバルブ膜４６内で例えば自由側強磁性層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）の単磁区化は実現されることができる。ここで、スピンバルブ膜４６の構造の詳細は後述される。
【００２４】
平坦化面４５上には被覆絶縁膜４８が覆い被さる。被覆絶縁膜４８は例えばＡｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ といった絶縁材料から構成されればよい。被覆絶縁膜４８上には上側電極４９が配置される。上側電極４９は導電性を備えるだけでなく同時に軟磁性を備えてもよい。上側電極４９が例えばＮｉＦｅといった導電性の軟磁性体で構成されると、この上側電極４９は同時にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の上部シールド層として機能することができる。前述の下部シールド層すなわち下側電極４４と上側電極４９との間隔は磁気ディスク１３上で記録トラックの線方向に磁気記録の分解能を決定する。
【００２５】
図４はＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の拡大図を示す。図４から明らかなように、被覆絶縁膜４８はスピンバルブ膜４６および磁区制御膜４７の表面に覆い被さる。ただし、被覆絶縁膜４８には、スピンバルブ膜４６の頂上面から立ち上がるコンタクトホール５１が区画される。コンタクトホール５１は少なくともＡＢＳ３２に沿って被覆絶縁膜４８を貫通する。上側電極４９はコンタクトホール５１内でスピンバルブ膜４６の頂上面に接触する。こうして上側電極４９とスピンバルブ膜４６との間で電気的接続は確立される。同時に、上側電極４９と磁区制御膜４７との間では電気的接続は十分に回避される。
【００２６】
図４から明らかなように、本発明の第１実施形態に係るスピンバルブ膜４６では、下地層５２、固定側強磁性層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）５３、導電性の非磁性中間層５４、自由側強磁性層５５および保護キャップ層５６が順番に重ね合わせられる。固定側強磁性層５３では硬磁性といった固有の性質に基づき１方向に磁化は固定される。ここで、下地層５２は、例えば平坦化面４５に積層されるＴａ層と、このＴａ層の表面に積層されるＮｉＦｅ層とから構成されればよい。非磁性中間層５４は例えばＣｕ層から構成されればよい。自由側強磁性層５５は例えばＣｏＦｅＢ層から構成されればよい。保護キャップ層５６は例えばＣｕ層やＡｕ層から構成されればよい。
【００２７】
固定側強磁性層５３は、導電性の強磁性体および誘電体を含むグラニュラー膜で構成される。このグラニュラー膜では、図５に示されるように、下地層５２の表面から立ち上がる複数個の磁性結晶粒５７が確立される。磁性結晶粒５７同士の間には誘電体５８が埋め尽くされる。同時に、磁性結晶粒５７の先端は非磁性中間層５３に接触する接合面で露出する。こうして個々の磁性結晶粒５７はグラニュラー膜の上側接合面から下側接合面まで貫通する。非磁性中間層５４および下地層５２の間では磁性結晶粒５７で電気的接続は確立される。
【００２８】
ここで、磁性結晶粒５７は例えばＣｏＰｔ合金やＦｅＰｔ合金といった硬磁性材料から構成されればよい。その他、硬磁性材料には、遷移金属を含む希土類合金が挙げられることができる。その一方で、誘電体５８には、例えばＡｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｂｉ２ Ｏ３ といった酸化物、ＭｇＦ２ 、ＣａＦ２ といったフッ化物、ＡｌＮといった窒化物、炭化物その他の絶縁材料が用いられればよい。
【００２９】
磁気情報の読み出しにあたってＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７が磁気ディスク１３の表面に向き合わせられると、スピンバルブ膜４６では、周知の通り、磁気ディスク１３から作用する磁界の向きに応じて自由側強磁性層５５の磁化方向は回転する。こうして自由側強磁性層５５の磁化方向が回転すると、スピンバルブ膜４６の電気抵抗は大きく変化する。したがって、上側電極４９および下側電極４４からスピンバルブ膜４６にセンス電流が供給されると、上側電極４９および下側電極４４から取り出される電圧のレベルは電気抵抗の変化に応じて変化する。このレベルの変化に応じて２値情報は読み取られることができる。
【００３０】
特に、固定側強磁性層５３では、前述のように誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められる。しかも、センス電流は磁性結晶粒５７に集中的に流通する。したがって、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の出力は高められることができる。
【００３１】
次にＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７の製造方法を簡単に説明する。周知の通りに、ウェハー上では下側電極４４が形成される。下側電極４４は例えばめっき成膜法に基づき形成されればよい。下側電極４４の表面には、例えばＴａ層やＮｉＦｅ層で構成される下地層５２が積層形成される。下地層５２は例えばスパッタリングに基づき積層されればよい。
【００３２】
続いて下地層５２の表面にはＣｏＰｔ合金やＦｅＰｔ合金といった硬磁性材料が積層される。積層にあたって例えばスパッタリングは用いられる。このとき、スパッタリング装置では硬磁性材料の積層量は膜厚換算で２．８ｎｍ程度に設定される。その結果、下地層５２の表面では硬磁性材料の不連続膜すなわち島状構造が確立される。この島状構造では、下地層５２の表面に直径５．０ｎｍ程度の磁性結晶粒５７が散在する。
【００３３】
続いて下地層５２の表面にはＳｉＯ２ といった絶縁材料が積層される。積層にあたって例えばスパッタリングは用いられる。このとき、スパッタリング装置では絶縁材料の積層量は膜厚換算で２．０ｎｍ程度に設定される。降り注ぐ絶縁材料は磁性結晶粒５７同士の間に真っ先に降り積もる。こうして磁性結晶粒５７同士の合間で絶縁材料は下地層５２の表面を覆っていく。ただし、絶縁材料が積層されても磁性結晶粒５７の露出は維持される。こうしてグラニュラー膜は形成される。
【００３４】
その後、グラニュラー膜の表面には、Ｃｕといった非磁性の導電性材料、ＣｏＦｅ合金といった軟磁性の強磁性材料、ＣｕやＡｕといった導電性材料が相次いで積層される。こうして形成される積層体からスピンバルブ膜４６は削り出される。この削り出しにあたって例えばイオンミリングは用いられる。このとき、積層体の表面には、例えばスピンバルブ膜４６の形状を象ったフォトレジスト膜が形成される。
【００３５】
スピンバルブ膜４６の形成後、スピンバルブ膜４６の周囲にはＣｏＣｒＰｔといった硬磁性材料が積層される。スピンバルブ膜４６および硬磁性材料の表面には被覆絶縁膜４８が形成される。被覆絶縁膜４８にはコンタクトホール５１が形成される。その後、被覆絶縁膜４８上には上側電極が形成される。こうしてＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７は形成されていく。
【００３６】
図６は本発明の第２実施形態に係るＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７ａを概略的に示す。このＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７ａでは、固定側強磁性層５３中の磁性結晶粒５７にＣｏＦｅ合金といった軟磁性材料が用いられる。固定側強磁性層５３および下地層５２の間には磁化方向拘束層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）すなわち反強磁性層６１が挟み込まれる。反強磁性層６１の働きに応じて固定側強磁性層５３の磁化は１方向に固定される。反強磁性層６１は例えばＩｒＭｎやＰｄＰｔＭｎといった反強磁性合金材料から形成されればよい。このスピンバルブ膜４６ａでは、前述のスピンバルブ膜４６と同様に、固定側強磁性層５３中の誘電体５８の働きでセンス電流の流通路は狭められることから、センス電流から大きな電圧変化は取り出されることができる。その他、前述のＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７と均等な構造や構成には同一の参照符号が付される。
【００３７】
特に、このスピンバルブ膜４６ａの輪郭は、下側電極４４すなわち基層の表面に任意の傾斜角αで傾斜する傾斜面６２で仕切られる。磁区制御膜４７は傾斜面６２でスピンバルブ膜４６ａに接合される。これら傾斜面６２の働きで上側電極４９から下側電極４４に向かってスピンバルブ膜４６ａは徐々に広がっていく。したがって、比較的に電気抵抗の高い反強磁性層６１でセンス電流の流通路は大きく確保されることができる。反強磁性層６１の電気抵抗は実質的に低減されることができる。
【００３８】
その他、以上のようなスピンバルブ膜４６、４６ａでは、自由側強磁性層５５に固定側強磁性５３と同様に前述のグラニュラー膜が用いられてもよい。この場合、自由側強磁性層５５に含まれる磁性結晶粒５７は例えばＣｏＦｅ合金といった軟磁性材料から構成されればよい。グラニュラー膜は少なくとも自由側強磁性層５５および固定側強磁性層５３のいずれかに適用されればよい。しかも、ＣＰＰ構造ＭＲ読み取り素子３７では、以上のようないわゆる逆積層構造のスピンバルブ膜４６、４６ａに代えて順積層構造のスピンバルブ膜が組み込まれてもよい。順積層構造では、周知の通りに、下地層５２上に自由側強磁性層、非磁性中間層、固定側強磁性層および反強磁性層や保護キャップ層が順番に積層されればよい。いずれの場合でも、少なくとも固定側強磁性層および自由側強磁性層のいずれかに前述のグラニュラー膜は用いられればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、著しい微細化を伴わずにＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子の出力は高められることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）の内部構造を概略的に示す平面図である。
【図２】一具体例に係る浮上ヘッドスライダの構造を概略的に示す拡大斜視図である。
【図３】浮上面で観察される読み出し書き込みヘッドの様子を概略的に示す正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子の構造を概略的に示す拡大正面図である。
【図５】グラニュラー膜の構造を概略的に示すスピンバルブ膜の拡大部分断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るＣＰＰ構造磁気抵抗効果（ＭＲ）読み取り素子の構造を概略的に示す拡大正面図である。
【符号の説明】
３７ ＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子、５５自由側磁性層、５３ 固定側磁性層、５４ 非磁性中間層、５７ 磁性体（磁性結晶粒）５８ 誘電体。
Claims (4)
- 自由側磁性層と、固定側磁性層と、自由側磁性層および固定側磁性層の間に挟まれる導電性の非磁性中間層とを備え、少なくとも自由側磁性層および固定側磁性層の一方は、導電性の磁性体および誘電体を含むグラニュラー膜から構成されることを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子。
- 請求項１に記載のＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子において、前記磁性体は、グラニュラー膜の上側接合面から下側接合面に貫通する結晶粒を含むことを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子。
- 請求項２に記載のＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子において、前記結晶粒は少なくともＣｏおよびＦｅのいずれか一方を含むことを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子。
- 請求項１〜３のいずれかに記載のＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子において、前記誘電体は、少なくとも酸化物、フッ化物、炭化物および窒化物のいずれかを含むことを特徴とするＣＰＰ構造磁気抵抗効果素子。
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| JP2002262529A JP2004103769A (ja) | 2002-09-09 | 2002-09-09 | Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果素子 |
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