JP2004128080A - 磁気抵抗効果素子および再生ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】高記録密度で良好なエラーレートが達成可能な感度を得ることを可能にする。
【解決手段】２つの対向する主表面を有し一方が媒体対向面に略平行にされる磁化自由層と、この磁化自由層の前記媒体と反対側の面上に、前記磁化自由層に接するように形成された非磁性層と、この非磁性層の前記磁化自由層と反対側の面上に、前記非磁性層に接しかつ外側に向かって延在するように形成された一対の磁化固着層と、を備え、センス電流が前記磁化自由層と前記一対の磁気固着層との間で流れるように構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】２つの対向する主表面を有し一方が媒体対向面に略平行にされる磁化自由層と、この磁化自由層の前記媒体と反対側の面上に、前記磁化自由層に接するように形成された非磁性層と、この非磁性層の前記磁化自由層と反対側の面上に、前記非磁性層に接しかつ外側に向かって延在するように形成された一対の磁化固着層と、を備え、センス電流が前記磁化自由層と前記一対の磁気固着層との間で流れるように構成されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記録システムに用いられる磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象がしられており、磁気抵抗効果と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子）と呼ぶ。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録装置で、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており、そのような磁気ヘッドはＭＲヘッドと呼ばれている。
【０００４】
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることが出来る高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
【０００５】
ここで高感度とは、ＭＲ変化量、すなわち単位磁界（Ｏｅ）あたりの抵抗変化量（Ω）が大きいことを意味しており、より大きなＭＲ変化量をもち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音を出来るだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては１０Ω〜２００Ω程度の値とすることが望まれている。
【０００６】
このような背景のなか、現在ではハードディスク用ＭＲヘッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ膜を有するＭＲ素子を用いることが一般化している。スピンバルブ膜の断面構造の一例を図１３に示す。スピンバルブ膜とは図示したように非磁性層４４を挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層４２、４６のうち、一方の強磁性層（磁化固着層とも云う）４６は反強磁性層４８を用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層（磁化自由層とも云う）４２は外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転出来るようにしておく。これにより、外部磁界によって磁化自由層４２の磁化のみを回転させることにより、２つの強磁性層４２、４６の磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果を得ることのできる膜である（例えば、非特許文献１参照）。スピンバルブ膜は低磁場で磁化を回転させることが出来るため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
【０００７】
現在は、このようなスピンバルブ膜にたいして図１４に示したように、センス電流を電極５０ａから膜面平行に電極５０ｂ流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般にＣＩＰ方式とよばれている。
【０００８】
このＣＩＰ方式では、ＭＲ変化率としては１０％〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲヘッドでは、スピンバルブ膜はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼスピンバルブ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を１０Ω〜３０Ωにすることにより良好なＳ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することが出来る。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲヘッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
【０００９】
しかしながら５００Ｇｂｐｓｉ（Ｇｉｇａｂｉｔ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として５０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きく出来るかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【００１０】
このような技術課題を解決するための手段として、図１５に示すように、センス電流を電極５２ａから膜面垂直に電極５２ｂに流し、膜面垂直方向の抵抗を測定する方法が知られている。この方法は一般にＣＰＰ方式と呼ばれている。ＣＰＰ方式のＭＲ素子は大きく分けると３つに分類することが出来る。一つは中間非磁性層に金属を用いた一般にＣＰＰ−スピンバルブ膜と呼ばれている構造である。二つ目は中間非磁性層に絶縁体を用いた一般に磁気トンネルＭＲ膜と呼ばれている構造である。三つ目は中間層が磁性体同士のポイントコンタクトで構成されている一般にポイントコンタクトＭＲ膜と呼ばれている構造である。
【００１１】
ＣＰＰ方式では、２つの磁性層間の磁化相対角度の変化に対応して（１）非磁性金属または（２）非磁性絶縁体または（３）ポイントコンタクトを介して接合された２つの磁性層間のコンダクタンスが大きく変化することを利用して大きなＭＲ変化率を得ることが動作原理になっている。すなわち電流を垂直に流すことにより電流の大部分が磁性層／中間層／磁性層を横切るようにし、良好な界面効果を利用することが可能となる。このため上記の３つの素子では原理的には５０％を超える大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。このため５００Ｇｂｐｓｉを越える高い磁気記録密度に対応したＭＲヘッドにはいわゆるＣＰＰ方式の磁気抵抗効果素子を用いることが必須と成っている。
【００１２】
その中でも低抵抗と大きなＭＲ変化率を両立することが出来る可能性を持っているＣＰＰ−スピンバルブ膜はヘッド用ＭＲ素子として大きな注目を集めている。但しこの構造においては磁気的感度を保つ為には磁性層の厚さを５ｎｍ程度以下に保つ必要があるが、このような極薄の磁性層を用いる場合、電極から磁性層に注入されたスピン分極していない伝導電子が、磁性層の影響によってスピン分極する前に磁性層を通り抜けてしまい、伝導電子のスピン分極不足により、十分なＭＲ変化率を得ることが困難になるという問題が存在する。
【００１３】
またＣＰＰ−スピンバルブ膜においては、素子抵抗の増加にのみ寄与し、ＭＲ変化を引き起こすスピン依存抵抗には寄与しない反強磁性層の抵抗が、全体の電流経路に対して直列接続になるため、素子全体としてみたときに素子抵抗の増大、ＭＲ変化率の減少を引き起こす原因となっている。
【００１４】
ＣＰＰ−スピンバルブ膜をヘッド用ＭＲ素子として使ってゆくためには上記２つの問題点をクリアする必要がある。
【００１５】
一方、ＭＲヘッドの構造としては、現在は図１６に示したような、シールド６５ａ、６５ｂ間に媒体１００に対向してＭＲ素子６０が設けられたシールド型ＭＲヘッドが主流となっている。しかしこのようなシールド型ＭＲヘッドでは、幾つかの問題があり、５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度での使用は困難であると考えられている。
【００１６】
そのひとつはギャップ間隔の問題で、シールド型ＭＲヘッドでは線記録密度をシールド６５ａ、６５ｂ間のギャップ間隔ｇにより規定しているのだが、４００Ｇｂｐｓｉを超える高密度では、ギャップ間隔を３０ｎｍ以下と極めて微小にする必要が出てくる。その為そのような微小なギャップ間にＭＲ素子６０を挟み込むことが極めて困難になってくる。これはＭＲ素子６０だけの厚さを見ても２０ｎｍ近くあるからである。
【００１７】
２つめはデプス加工の問題で、シールド型ＭＲヘッドでは最終的には研磨によりＭＲ素子のデプスを決める。しかし５００Ｇｂｐｓｉを超える高密度では、研磨追い込み後のＭＲ素子のデプスを１０ｎｍ以下の精度で制御する必要が出てくる。しかし、機械加工によってこのような精度を達成することは容易ではない。
【００１８】
【非特許文献１】
Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ６９， ４７７４（１９９１）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、５００Ｇｂｐｓｉを越える高記録密度では、界面に対して垂直に通電することにより大きなＭＲ変化率を得ることができるＣＰＰ−ＭＲ素子を用いることが必須となっている。特に、低抵抗で高いＭＲ変化率が期待される、ＣＰＰ−スピンバルブ素子の欠点を回避しつつ使いこなすことが期待されている。
【００２０】
また５００Ｇｂｐｓｉを越える高密度記録に対応するには、微細な分解能を備えたシールド型ＭＲヘッドに変わる新しいＭＲヘッド構造が要求されている。
【００２１】
一方で垂直磁気記録への対応にも以下に述べるような課題がある。
【００２２】
現在の磁気記録装置の記録最盛方式は一般的に長手記録方式を使用している。長手記録方式では記録密度が高くなるにつれ反磁界が大きくなり、再生出力の低下や安定な記録が行えなくなるという問題点がある。これらの問題点を改善するものとして垂直記録方式が提案されている。この垂直記録方式では記録媒体面と垂直方向に磁化して記録するものであり、長手方向の記録に対し記録密度を高めても反磁界の影響が少なく、再生出力の低下等は抑制される。このため垂直記録方式が有力視されている。
【００２３】
長手記録と垂直記録とでは、信号処理がされていない生の再生波形形状には違いがあり、垂直記録を使用して再生の信号処理を行う場合には、今まで培われてきた長手記録の再生信号処理技術に変更を加える必要がある。変更の方法は大きく２つ考えられていて、生の再生波形を微分処理して長手記録と同様の単峰波形にして以降は長手記録用の信号処理技術を用いる方法と、垂直記録用の技術をトータルで構築する方法である。前者の方が簡単ではあるが、エラーレートは後者より劣る可能性が大きい。
【００２４】
垂直記録方式がいずれの方法で信号処理されたとしても、高記録密度を達成するためには生の再生波形をシャープにする必要がある。再生波形のシャープさの指標としては、長手記録方式や、垂直記録方式の微分波形のような単峰波の場合、パルスの半値幅を示すＰＷ５０が垂直記録のような単調波の場合Ｄ５０（出力２５％から７５％までの時間）が用いられる。この値はＰＷ５０としては２．０〜３．０×ビット長、Ｄ５０としては１．４〜２．０×ビット長程度に制御して、所望のエラーレートを得る。この値は再生ギャップ長さに大きく依存し、線密度を大きくするには、すなわちビット長を小さくするには、再生ギャップ長さを小さくする必要がある。
【００２５】
しかし、再生ギャップ長さを小さくすることは限界に近づきつつある。製品レベルで使用されている磁気抵抗効果膜のトータル膜厚は、現状では少なく見ても２０ｎｍ程度であり、絶縁層の厚さをたすと、現行での再生ギャップの限界は５０ｎｍである。絶縁層の耐電圧が大きくなる、あるいはＣＰＰ素子等が用いられると考えても再生ギャップ３０ｎｍが限界と考えられるので、現行シールドタイプの適用限界は４００Ｇｂｐｓｉ程度と見積もれる。これを超えてさらなる高記録密度を達成する為には、現行のシールドタイプの生成ヘッドを用いるのであれば、信号処理系のブレークスルー等が必要になると考えられる。
【００２６】
これに対して、シールドを用いない再生ヘッドとして従来、ヨークタイプが考えられている。ヨークタイプ再生ヘッドは、ＡＢＳ（媒体対向面）と磁気抵抗効果膜の距離を離すことで媒体からの磁束が直接に磁気抵抗効果膜に流れ込むのを防ぎ、さらにヨークと呼ばれる軟磁性体（多くの場合一対の磁性体）をＡＢＳに露出させ、それを磁気抵抗効果膜に接続して磁束を磁気抵抗効果膜に導いている。これによりヨークのＡＢＳでの露出部付近に感度が集中して読み取り分解能が向上し、さらに対で設けられたヨークにより差動が働いて分解能が増すと考えられる。また直接には磁気抵抗効果膜部は感度を持たないので、磁気抵抗効果素子部を大きくでき、製造上のメリットがある。さらにヨークでの差分は再生波形に対し、再生信号処理での微分回路と同様の作用を及ぼし、特に垂直磁気記録に用いた場合、シールドタイプ再生ヘッドを長手記録方式で用いたと同様の単峰波の波形になる。このため微分回路を使用せずに従来の長手記録方式と同じ再生信号処理系を用いることができると考えられる。
【００２７】
しかし、ヨークタイプの再生ヘッドは、実際にはＡＢＳから離れた部分も感度をもち、特に垂直記録方式で使用した場合は、所定のエラーレートが得られるほど分解能が得られないという欠点があることが鋭意検討した結果明らかになった。ヨークタイプヘッドを垂直記録方式で使用する場合、ギャップが磁化遷移ポイントにギャップがある時にヨークの感じる磁束は最大となり、再生波形は単峰波となる。磁化遷移ポイントから外れると、本来出力はゼロになることが期待されるが、媒体からの磁束がＡＢＳ面から離れたヨーク上部まで届いてしまうため、空間分解能は著しく低下することが研究の結果明らかになった。
【００２８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、高記録密度で良好なエラーレートが達成できる感度を備えた磁気抵抗効果素子および再生ヘッドを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様による磁気抵抗効果素子は、２つの対向する主表面を有し一方が媒体対向面に略平行にされる磁化自由層と、この磁化自由層の前記媒体と反対側の面上に、前記磁化自由層に接するように形成された非磁性層と、この非磁性層の前記磁化自由層と反対側の面上に、前記非磁性層に接しかつ外側に向かって延在するように形成された一対の磁化固着層と、を備え、センス電流が前記磁化自由層と前記一対の磁気固着層との間で流れるように構成されていることを特徴とする。
【００３０】
なお、前記磁化固着層にセンス電流用電極が接続されていることが好ましい。
【００３１】
なお、前記磁化自由層に比べて前記磁化固着層の方が面積的に大きいことが好ましい。
【００３２】
なお、前記磁化自由層と前記磁化固着層との接続位置と、前記磁化固着層と前記センス電流用電極との接続位置とが１０ｎｍ以上離れていることが好ましい。
【００３３】
なお、前記磁化自由層の媒体対抗面が直接、またはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ、もしくはその合金層を介して、酸化物層と積層されており、前記酸化物層が電子反射効果をもつことが好ましい。
【００３４】
なお、前記磁化自由層と前記磁化固着層の磁化が略直交していることが好ましい。
【００３５】
なお、前記磁化自由層の幅が前記媒体の記録線幅とほぼ一致していることが好ましい。
【００３６】
また、本発明の一態様による再生ヘッドは、上記磁気抵抗効果素子を用いており、かつヘッドの記録媒体対向面と前記磁化自由層下面との距離が３０ｎｍ以下以下であることを特徴とする。
【００３７】
なお、前記磁化自由層の長さが、媒体記録信号長手方向の最短ビット長さの３倍以内であることが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３９】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の下面図を図１（ａ）に、断面図を図１（ｂ）に示す。本実施形態による磁気抵抗効果素子は、パターンド垂直媒体１００に略平行に対抗した磁化自由層２と、磁化自由層２の媒体対向面と反対側の面の両側に中間非磁性層４ａ、４ｂを介して外側に延在するように接続された２つの磁化固着層６ａ、６ｂと、磁化固着層６ａ、６ｂに反強磁性層８ａ、８ｂを介して接続された電極１０ａ、１０ｂとを備えている。磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は反強磁性層８ａ、８ｂにより固着されており、磁化自由層２の磁化は横に配置したハード膜３ａ、３ｂによって単磁区化されている。磁化自由層２の磁化と磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は直交するように配置されている。このような磁化配置において、パターンド垂直媒体１００からの信号磁束が磁化自由層２に入ることにより、磁化自由層２の磁化が回転し、磁化固着層６ａ、６ｂと磁化自由層２の磁化の相対角度が略直交状態から変化する。
【００４０】
磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は反強磁性層８ａ、８ｂによって固着されているため、再生感度には影響せず、分解能は磁化自由層２の形状によって決定される。このため、磁化自由層２の形状の規定により５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度に対応できる空間分解能を得ることができる。
【００４１】
ヨークタイプの再生ヘッドは磁気抵抗効果膜が媒体からの磁束に対する感度をもたないことが長所であったが、本実施形態による磁気抵抗効果素子を有するへッドは、磁気抵抗効果膜の磁化自由層２を媒体１００からの磁束に対し直接感度を持つ位置に設置することを特徴とする。
【００４２】
磁化自由層２は直接感度をもつ位置に設置する必要がある。特に媒体１００から磁化自由層２までの距離（磁気的浮上量）は空間分解能に直接影響する。この磁気的浮上量は通常、ビット長の２倍程度を超えると急激に空間分解能が悪くなるので、ＡＢＳ（Ａｎｔｉ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）から磁化自由層２までの距離を押さえる必要がある。ビット長としては現行３０ｎｍ程度であるので、ＡＢＳから磁化自由層２までの距離は物理浮上量も考慮にいれると少なくとも３０ｎｍ程度以内とする必要がある。また望ましくは１０ｎｍ程度とするのが良い。
【００４３】
このときセンス電流は、電極１０ａから反強磁性層８ａを介して磁化固着層６ａに流れ、磁化固着層６ａから中間非磁性層４ａを介して磁化自由層２に流れ、磁化自由層２から中間非磁性層４ｂを介して逆側の磁化固着層６ｂに流れ、磁化固着層６ｂから反強磁性層８ｂを介して電極１０ｂに流れている。したがって、センス電流は２度、磁化固着層６ａ、６ｂと磁化自由層２の界面を通過することになり、このときに大きな界面磁気抵抗効果、ＣＰＰ−ＭＲ効果により、大きな再生出力を得ることが可能になる。
【００４４】
ＣＰＰ−ＭＲ効果としては、ＣＰＰ−スピンバルブ効果、磁気トンネルＭＲ効果、磁気ポイントコンタクトＭＲ効果のいずれを用いることも可能だが、５００Ｇｂｐｓｉ以上の高密度記録密度においては、低抵抗で大きなＭＲ変化率が期待できるＣＰＰ−スピンバルブ膜を有するＭＲ素子を用いることが望ましい。
【００４５】
この構造において、ＣＰＰ−スピンバルブ膜を用いた場合、５ｎｍ程度の薄い磁化自由層２を用いていても、磁化自由層２内では、電流は膜面水平方向に流れる。このため、電流は十分に長い距離にわたり磁化自由層２内のスピン依存バルク散乱を利用することが可能となり、大きなＭＲ変化率を得ることが可能になる。
【００４６】
これに対して図１６に示したような一般的なＣＰＰ膜では薄い磁化自由層４２を用いた場合、電流は膜厚垂直に短距離で通過してしまうため、十分に大きなスピン依存バルク散乱効果を利用することができずＭＲ変化率は減少してしまう。
【００４７】
しかし、本実施形態の構造においては、ＣＰＰ−スピンバルブ膜を用いた場合、電極から磁化固着層に電流が注入された後、面内方向に電流経路があるため、薄い磁性層を用いた場合にも、面内を流れている間に十分に電流をスピン偏極させることが可能になる。このため単純なＣＰＰスピンバルブ構造の場合に危惧されるように、電極から薄い磁性層に注入された電子がスピン分極する前に磁性層を通り抜けてしまうという、スピン分極不足に対する危惧がなくなり、薄い磁性層を用い、高い磁界感度を保ったまま、大きな磁気抵抗効果を得ることが可能となる。このためには、磁化自由層２と磁気固着層６ａ、６ｂとの接続位置とセンス電流リードの接続位置とが１０ｎｍ以上離れていることが望ましい。
【００４８】
また、素子抵抗の増加にのみ寄与し、スピン依存抵抗には寄与しない反強磁性層８ａ、８ｂの抵抗が、磁化自由層２近傍で直列接続にはならず、広い電極１０ａ、１０ｂ部分から並列接続として影響するため、抵抗に対して小さな寄与に押さえることができ、小さな素子抵抗と大きなＭＲ変化率を両立することが可能になる。
【００４９】
このためには磁化自由層２に対して、磁化固着層６ａ、６ｂの方を面積的に大きくし、磁化自由層２近傍で、電流が収束し、ＭＲ変化率に寄与する接続界面の抵抗を効率よくセンスできるようにしておくことが望ましい。
【００５０】
本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、磁化固着層６ａ、６ｂとしてはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅおよびその合金等の磁性材料を用いることができる。特に、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金を用いることがＭＲ変化率の上からは望ましい。また、界面のスピン分極率を向上させるため、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ／Ｃｏ、ＮｉＦｅ／Ｆｅ等の積層構造を用いることが出来る。また磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着特性を向上させるためには、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ積層構造のようないわゆるシンセティック反強磁性体構造を用いることができる。また更に高抵抗変化率を実現するためにはハーフメタルを用いても良い。ハーフメタルとしては、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、ＣｒＯ２等の酸化物磁性体、ペロブスカイト系ハーフメタル、ＣｒＡｓ等のダイヤモンド構造材料を用いることができる。
【００５１】
また、磁化固着用の反強磁性層８ａ、８ｂとしてはＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性材料を用いることができる。またＮｉＯのような絶縁性反強磁性材料を用いることもできる。
【００５２】
なお、磁化自由層２としては磁化固着層６ａ、６ｂで述べたのと同様な材料を用いることができる。
【００５３】
ＣＰＰ−ＭＲ素子として磁気トンネル効果を用いる場合には、中間層４ａ、４ｂとして酸化物バリアを用いることが望ましい。具体的にはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等のギャップエネルギーの高い絶縁物を用いることが出来る。但し素子抵抗の増大を押さえる為には絶縁物からなる中間非磁性層４ａ、４ｂの膜厚は２ｎｍ以下とすることが望ましい。またバリアとしてはギャップエネルギーの小さいＮｉＯ等の酸化物を用いることもできる。
【００５４】
また、ＣＰＰ−ＭＲ素子としてＣＰＰ−スピンバルブ効果を用いる場合には、中間非磁性層４ａ、４ｂとして非磁性金属層を用いることが望ましい。具体的にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の貴金属、およびその合金、もしくはその積層構造を用いることができる。中間非磁性層４ａ、４ｂの膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍ程度にすることにより良好な磁気的結合の切断と、スピン分極の伝達を両立することが可能となる。
【００５５】
またＣＰＰ−ＭＲ素子として磁気ポイントコンタクト効果を用いる場合には、中間非磁性層４ａ、４ｂとしては１０ｎｍ以下の微小な磁性体を用いることができる。材料として磁化固着層６ａ、６ｂ、磁化自由層２で述べた材料と同様な材料を用いることができる。
【００５６】
なお、図２に示すように、中間非磁性層４は、磁化自由層２全体に積層されていても良いし、図３に示したように、中間非磁性層４ａ、４ｂは磁化固着層６ａ、６ｂ全体に積層されていても良いし、図４に示したように中間非磁性層４は、磁化固着層６ａ、６ｂに跨るように存在しても良い。但し最適には図１に示したように接合部だけにあることが望ましい。
【００５７】
なぜなら図２、図３、図４に示す構造では、必ずしも全ての電流が磁性体と非磁性体の界面を垂直に流れて行かないため、若干ＭＲ変化率は減少してしまうためである。しかし再生ヘッドとして使うのに問題ない出力を得ること可能である。また図２では磁化自由層２と中間非磁性層４を一括してパターニンングすることが可能であるため、製造プロセスの簡略化が可能であるというメリットがある。同様に図３では磁化固着層６ａ、６ｂと中間非磁性層４ａ、４ｂを一括してパターニングできるため製造プロセスの簡略化が可能である。製造方法によっては、図４のような構造をとることも可能である。
【００５８】
磁化の固着方向は図１に示したように固着しても良いが、図５に示すように配置することも出来る。図５の構造では磁化の配列のしかたが図１の構造と９０度回転している。また媒体１０２のトラック方向も９０度回転した位置関係になっている。このような構造にすると次のようなメリットがある。
【００５９】
それは磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着方向と、磁化自由層２が渡してある中央の溝７の方向が平行でかつトラック方向になっていることである。このことにより、溝部７には磁化固着層６ａ、６ｂの磁化によるもれ磁束が発生せず、磁化自由層２に余計な外部磁場が付与されることがない。これに対して、図１の構造では磁化自由層２が渡してある溝７と磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着方向が直交しているため、溝部分７には直交する磁界が発生してしまう。このためここに位置している磁化自由層２は混磁場の影響を受けてしまうため、設計に注意が必要となる。
【００６０】
また媒体１０２上の１ビットの形状を考えた場合、トラック幅方向の大きさが、トラック方向の大きさに比べて大きい場合には、磁化自由層２の形状が横に長くなるため、溝７に渡しやすくなり、図５に示す構造の方が作成が容易になるというメリットもある。
【００６１】
本実施形態による磁気抵抗効果ヘッドはとくに垂直記録方式で使用した場合、単峰波の再生波形となって、再生信号処理に非常に都合がよい。さらに大きなヨークを持たないため、ヨークタイプの再生ヘッドよりも格段に分解率がよい。
【００６２】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に本実施形態による磁気抵抗効果素子の再生原理を示す。本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、磁化遷移ポイントの位置で出力が最大になり、磁化遷移ポイント以外の場所では出力はでない。
【００６３】
図６（ａ）ではビットからの信号磁界により、磁化自由層２の磁化が磁気固着層６ａ、６ｂの磁化と同じ方向に向くため、ＣＰＰ−ＭＲ効果により抵抗が小さくなり、出力信号が得られる。図６（ｂ）ではビットからの信号磁界により、磁化自由層２の磁化が磁気固着層６ａ、６ｂの磁化と反対の方向に向くため、ＣＰＰ−ＭＲ効果により抵抗が増大し、出力信号が得られる。図６（ｃ）、（ｄ）では磁化自由層２の下にきた２つのビットの磁化の方向が同じであるため、磁化自由層２の磁化は回転せず、抵抗は変化しないため、出力は得られない。
【００６４】
本実施形態によるへッドにおいてはヨークタイプのように大きな感磁部がないため、磁気分解能が良くなる。また離れた距離からの磁束の影響は、媒体１００からハイト方向に距離が離れるにしたがって相対的に強くなるが、シールドタイプのようにハイト方向の広がりがないために、シールドを用いずに分解能を確保できる。
【００６５】
再生原理はシールドタイプと全く異なり、再生原理自体はヨークタイプに近い。しかし、ヨークタイプのように磁束を磁気抵抗素子まで引き込むと言う発想はなく、ヨークタイプをどうすれば小さくできるかという問題を突き詰め、また大きなＭＲ変化率が期待できる、ＣＰＰ−ＭＲ素子を組み合わせた結果得られた、全く新しい発想のヘッド形状である。
【００６６】
図６（ａ）乃至図６（ｄ）においては、媒体１００としてパターンド垂直媒体を用いた場合の動作原理を説明したが、媒体としては連続垂直媒体を用いても同様な動作を得ることができる。また、このヘッドの動作原理はここに説明した動作が最適ではあるが、これに限定する必要はなく、面内記録媒体と共に用いることも可能である。
【００６７】
なお、図７に示したようにＣＰＰ−ＭＲ素子としてＣＰＰ−スピンバルブ効果を用いる場合には、磁化自由層２の媒体対向面に、直接、またはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕもしくはその合金層を介して、酸化物層２０を積層することができる。このような構成にすることにより酸化物層２０による電子反射効果、いわゆるスペキュラー効果を利用することが可能になり、ＭＲ変化率には寄与しない、余分な磁性体表面での電子散乱効果を押さえ、より大きなＭＲ変化率を得ることが可能になる。また、このような酸化物からなる電子反射層２２は図８に示したように磁化自由層２の媒体対抗面と反対側に形成することも可能であるし、また図９に示したように、酸化物層２０は磁化自由層２の内部に形成することも可能である。また図１０に示した用に磁化固着層６ａ、６ｂにおいても磁化自由層２と同様に磁化固着層６ａ、６ｂの両表面および内部に酸化物層２０、２２を形成することが可能である。またこれらの酸化物層２０、２２の一部は磁気抵抗効果素子の保護層の一部となっていても良い。
【００６８】
なお、図１に示したように磁化固着層６ａ、６ｂと、磁化自由層２の接合面は必ずしも膜面に水平になっている必要はない。すなわち図１１に示した様に斜めになっていても良い。ただし、磁化自由層２は媒体１００に対して略平行に相対する必要があるため、磁化固着層６ａ、６ｂよりも出っ張っている必要がある。
【００６９】
極端な構造としては図１２に示すように、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂがほぼ同一平面に形成され、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂ間に中間非磁性層４ａ、４ｂが設けられた構造も考えられる。しかし図１２に示す構造だと、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂの接合部分の面積が極端に小さくなってしまうため、抵抗が大きくなりすぎてしまう可能性がある。また磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂが同一平面になってしまう。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、高記録密度で良好なエラーレートが達成できる感度を備えている。
【００７１】
（実施例１）
基板上に、まず電極１０ａ、１０ｂを形成し、その上に下地Ｔａ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１０ｎｍ／ＣｏＦｅ５ｎｍの磁化固着層６ａ、６ｂを形成した。そしてＦＩＢ加工により１０ｎｍ幅のトレンチを加工し、その間をつなぐ形でＥＢリソグラフィーにより３０ｎｍ×３０ｎｍの矩形の穴を形成し、リフトオフによりＣｕ３ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／ＮｉＦｅ３ｎｍの磁化自由層２を成膜した。そして其の横にハードバイアス膜３ａ、３ｂを形成した。
【００７２】
その結果、素子抵抗が１５オームで、ＭＲ変化率４０％の素子を作成することができた。
【００７３】
ここで現行のシールドタイプの作成方法と比較する。現行タイプでは上下シールド層、ギャップを形成するための非磁性層１、２を積層し、研磨等の技術でＡＢＳを形成して保護層をつける必要がある。それに対して本実施例では、シールド／研磨を必要としないためプロセスを非常に簡略化できる。また、現行ヘッドでは、出力特性に大きく影響するストライプハイトを研磨で決定するため、ストライプハイトのコントロールが大きな問題となっている。
【００７４】
それに対して、本実施例は、分解能を規定している磁化自由層２の形状をすべてリソグラフィ等のウエファ行程内で行っているため、出力、分解能のコントロールが非常に良いという特徴がある。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高記録密度で良好なエラーレートが達成可能な感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す図。
【図２】第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図３】第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図４】第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図５】第４変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す下面図。
【図６】実施形態による磁気抵抗効果素子の再生原理を説明する断面図。
【図７】第５変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図８】第６変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図９】第７変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１０】第８変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１１】第９変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１２】第１０変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１３】スピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１４】ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１５】ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１６】シールド型ＭＲヘッドの構成を示す断面図。
【符号の説明】
２ 磁化自由層
３ａ、３ｂ ハードバイアス膜
４ａ、４ｂ 中間非磁性層
６ａ、６ｂ 磁化固着層
８ａ、８ｂ 反強磁性層
１０ａ、１０ｂ 電極
４２ 強磁性層
４４ 非磁性層
４６ 強磁性層
４８ 反強磁性層
５０ａ、５０ｂ 電極
５２ａ、５２ｂ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記録システムに用いられる磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象がしられており、磁気抵抗効果と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子）と呼ぶ。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録装置で、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており、そのような磁気ヘッドはＭＲヘッドと呼ばれている。
【０００４】
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることが出来る高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
【０００５】
ここで高感度とは、ＭＲ変化量、すなわち単位磁界（Ｏｅ）あたりの抵抗変化量（Ω）が大きいことを意味しており、より大きなＭＲ変化量をもち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音を出来るだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては１０Ω〜２００Ω程度の値とすることが望まれている。
【０００６】
このような背景のなか、現在ではハードディスク用ＭＲヘッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ膜を有するＭＲ素子を用いることが一般化している。スピンバルブ膜の断面構造の一例を図１３に示す。スピンバルブ膜とは図示したように非磁性層４４を挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層４２、４６のうち、一方の強磁性層（磁化固着層とも云う）４６は反強磁性層４８を用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層（磁化自由層とも云う）４２は外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転出来るようにしておく。これにより、外部磁界によって磁化自由層４２の磁化のみを回転させることにより、２つの強磁性層４２、４６の磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果を得ることのできる膜である（例えば、非特許文献１参照）。スピンバルブ膜は低磁場で磁化を回転させることが出来るため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
【０００７】
現在は、このようなスピンバルブ膜にたいして図１４に示したように、センス電流を電極５０ａから膜面平行に電極５０ｂ流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般にＣＩＰ方式とよばれている。
【０００８】
このＣＩＰ方式では、ＭＲ変化率としては１０％〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲヘッドでは、スピンバルブ膜はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼスピンバルブ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を１０Ω〜３０Ωにすることにより良好なＳ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することが出来る。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲヘッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
【０００９】
しかしながら５００Ｇｂｐｓｉ（Ｇｉｇａｂｉｔ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として５０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きく出来るかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【００１０】
このような技術課題を解決するための手段として、図１５に示すように、センス電流を電極５２ａから膜面垂直に電極５２ｂに流し、膜面垂直方向の抵抗を測定する方法が知られている。この方法は一般にＣＰＰ方式と呼ばれている。ＣＰＰ方式のＭＲ素子は大きく分けると３つに分類することが出来る。一つは中間非磁性層に金属を用いた一般にＣＰＰ−スピンバルブ膜と呼ばれている構造である。二つ目は中間非磁性層に絶縁体を用いた一般に磁気トンネルＭＲ膜と呼ばれている構造である。三つ目は中間層が磁性体同士のポイントコンタクトで構成されている一般にポイントコンタクトＭＲ膜と呼ばれている構造である。
【００１１】
ＣＰＰ方式では、２つの磁性層間の磁化相対角度の変化に対応して（１）非磁性金属または（２）非磁性絶縁体または（３）ポイントコンタクトを介して接合された２つの磁性層間のコンダクタンスが大きく変化することを利用して大きなＭＲ変化率を得ることが動作原理になっている。すなわち電流を垂直に流すことにより電流の大部分が磁性層／中間層／磁性層を横切るようにし、良好な界面効果を利用することが可能となる。このため上記の３つの素子では原理的には５０％を超える大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。このため５００Ｇｂｐｓｉを越える高い磁気記録密度に対応したＭＲヘッドにはいわゆるＣＰＰ方式の磁気抵抗効果素子を用いることが必須と成っている。
【００１２】
その中でも低抵抗と大きなＭＲ変化率を両立することが出来る可能性を持っているＣＰＰ−スピンバルブ膜はヘッド用ＭＲ素子として大きな注目を集めている。但しこの構造においては磁気的感度を保つ為には磁性層の厚さを５ｎｍ程度以下に保つ必要があるが、このような極薄の磁性層を用いる場合、電極から磁性層に注入されたスピン分極していない伝導電子が、磁性層の影響によってスピン分極する前に磁性層を通り抜けてしまい、伝導電子のスピン分極不足により、十分なＭＲ変化率を得ることが困難になるという問題が存在する。
【００１３】
またＣＰＰ−スピンバルブ膜においては、素子抵抗の増加にのみ寄与し、ＭＲ変化を引き起こすスピン依存抵抗には寄与しない反強磁性層の抵抗が、全体の電流経路に対して直列接続になるため、素子全体としてみたときに素子抵抗の増大、ＭＲ変化率の減少を引き起こす原因となっている。
【００１４】
ＣＰＰ−スピンバルブ膜をヘッド用ＭＲ素子として使ってゆくためには上記２つの問題点をクリアする必要がある。
【００１５】
一方、ＭＲヘッドの構造としては、現在は図１６に示したような、シールド６５ａ、６５ｂ間に媒体１００に対向してＭＲ素子６０が設けられたシールド型ＭＲヘッドが主流となっている。しかしこのようなシールド型ＭＲヘッドでは、幾つかの問題があり、５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度での使用は困難であると考えられている。
【００１６】
そのひとつはギャップ間隔の問題で、シールド型ＭＲヘッドでは線記録密度をシールド６５ａ、６５ｂ間のギャップ間隔ｇにより規定しているのだが、４００Ｇｂｐｓｉを超える高密度では、ギャップ間隔を３０ｎｍ以下と極めて微小にする必要が出てくる。その為そのような微小なギャップ間にＭＲ素子６０を挟み込むことが極めて困難になってくる。これはＭＲ素子６０だけの厚さを見ても２０ｎｍ近くあるからである。
【００１７】
２つめはデプス加工の問題で、シールド型ＭＲヘッドでは最終的には研磨によりＭＲ素子のデプスを決める。しかし５００Ｇｂｐｓｉを超える高密度では、研磨追い込み後のＭＲ素子のデプスを１０ｎｍ以下の精度で制御する必要が出てくる。しかし、機械加工によってこのような精度を達成することは容易ではない。
【００１８】
【非特許文献１】
Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ６９， ４７７４（１９９１）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、５００Ｇｂｐｓｉを越える高記録密度では、界面に対して垂直に通電することにより大きなＭＲ変化率を得ることができるＣＰＰ−ＭＲ素子を用いることが必須となっている。特に、低抵抗で高いＭＲ変化率が期待される、ＣＰＰ−スピンバルブ素子の欠点を回避しつつ使いこなすことが期待されている。
【００２０】
また５００Ｇｂｐｓｉを越える高密度記録に対応するには、微細な分解能を備えたシールド型ＭＲヘッドに変わる新しいＭＲヘッド構造が要求されている。
【００２１】
一方で垂直磁気記録への対応にも以下に述べるような課題がある。
【００２２】
現在の磁気記録装置の記録最盛方式は一般的に長手記録方式を使用している。長手記録方式では記録密度が高くなるにつれ反磁界が大きくなり、再生出力の低下や安定な記録が行えなくなるという問題点がある。これらの問題点を改善するものとして垂直記録方式が提案されている。この垂直記録方式では記録媒体面と垂直方向に磁化して記録するものであり、長手方向の記録に対し記録密度を高めても反磁界の影響が少なく、再生出力の低下等は抑制される。このため垂直記録方式が有力視されている。
【００２３】
長手記録と垂直記録とでは、信号処理がされていない生の再生波形形状には違いがあり、垂直記録を使用して再生の信号処理を行う場合には、今まで培われてきた長手記録の再生信号処理技術に変更を加える必要がある。変更の方法は大きく２つ考えられていて、生の再生波形を微分処理して長手記録と同様の単峰波形にして以降は長手記録用の信号処理技術を用いる方法と、垂直記録用の技術をトータルで構築する方法である。前者の方が簡単ではあるが、エラーレートは後者より劣る可能性が大きい。
【００２４】
垂直記録方式がいずれの方法で信号処理されたとしても、高記録密度を達成するためには生の再生波形をシャープにする必要がある。再生波形のシャープさの指標としては、長手記録方式や、垂直記録方式の微分波形のような単峰波の場合、パルスの半値幅を示すＰＷ５０が垂直記録のような単調波の場合Ｄ５０（出力２５％から７５％までの時間）が用いられる。この値はＰＷ５０としては２．０〜３．０×ビット長、Ｄ５０としては１．４〜２．０×ビット長程度に制御して、所望のエラーレートを得る。この値は再生ギャップ長さに大きく依存し、線密度を大きくするには、すなわちビット長を小さくするには、再生ギャップ長さを小さくする必要がある。
【００２５】
しかし、再生ギャップ長さを小さくすることは限界に近づきつつある。製品レベルで使用されている磁気抵抗効果膜のトータル膜厚は、現状では少なく見ても２０ｎｍ程度であり、絶縁層の厚さをたすと、現行での再生ギャップの限界は５０ｎｍである。絶縁層の耐電圧が大きくなる、あるいはＣＰＰ素子等が用いられると考えても再生ギャップ３０ｎｍが限界と考えられるので、現行シールドタイプの適用限界は４００Ｇｂｐｓｉ程度と見積もれる。これを超えてさらなる高記録密度を達成する為には、現行のシールドタイプの生成ヘッドを用いるのであれば、信号処理系のブレークスルー等が必要になると考えられる。
【００２６】
これに対して、シールドを用いない再生ヘッドとして従来、ヨークタイプが考えられている。ヨークタイプ再生ヘッドは、ＡＢＳ（媒体対向面）と磁気抵抗効果膜の距離を離すことで媒体からの磁束が直接に磁気抵抗効果膜に流れ込むのを防ぎ、さらにヨークと呼ばれる軟磁性体（多くの場合一対の磁性体）をＡＢＳに露出させ、それを磁気抵抗効果膜に接続して磁束を磁気抵抗効果膜に導いている。これによりヨークのＡＢＳでの露出部付近に感度が集中して読み取り分解能が向上し、さらに対で設けられたヨークにより差動が働いて分解能が増すと考えられる。また直接には磁気抵抗効果膜部は感度を持たないので、磁気抵抗効果素子部を大きくでき、製造上のメリットがある。さらにヨークでの差分は再生波形に対し、再生信号処理での微分回路と同様の作用を及ぼし、特に垂直磁気記録に用いた場合、シールドタイプ再生ヘッドを長手記録方式で用いたと同様の単峰波の波形になる。このため微分回路を使用せずに従来の長手記録方式と同じ再生信号処理系を用いることができると考えられる。
【００２７】
しかし、ヨークタイプの再生ヘッドは、実際にはＡＢＳから離れた部分も感度をもち、特に垂直記録方式で使用した場合は、所定のエラーレートが得られるほど分解能が得られないという欠点があることが鋭意検討した結果明らかになった。ヨークタイプヘッドを垂直記録方式で使用する場合、ギャップが磁化遷移ポイントにギャップがある時にヨークの感じる磁束は最大となり、再生波形は単峰波となる。磁化遷移ポイントから外れると、本来出力はゼロになることが期待されるが、媒体からの磁束がＡＢＳ面から離れたヨーク上部まで届いてしまうため、空間分解能は著しく低下することが研究の結果明らかになった。
【００２８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、高記録密度で良好なエラーレートが達成できる感度を備えた磁気抵抗効果素子および再生ヘッドを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様による磁気抵抗効果素子は、２つの対向する主表面を有し一方が媒体対向面に略平行にされる磁化自由層と、この磁化自由層の前記媒体と反対側の面上に、前記磁化自由層に接するように形成された非磁性層と、この非磁性層の前記磁化自由層と反対側の面上に、前記非磁性層に接しかつ外側に向かって延在するように形成された一対の磁化固着層と、を備え、センス電流が前記磁化自由層と前記一対の磁気固着層との間で流れるように構成されていることを特徴とする。
【００３０】
なお、前記磁化固着層にセンス電流用電極が接続されていることが好ましい。
【００３１】
なお、前記磁化自由層に比べて前記磁化固着層の方が面積的に大きいことが好ましい。
【００３２】
なお、前記磁化自由層と前記磁化固着層との接続位置と、前記磁化固着層と前記センス電流用電極との接続位置とが１０ｎｍ以上離れていることが好ましい。
【００３３】
なお、前記磁化自由層の媒体対抗面が直接、またはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ、もしくはその合金層を介して、酸化物層と積層されており、前記酸化物層が電子反射効果をもつことが好ましい。
【００３４】
なお、前記磁化自由層と前記磁化固着層の磁化が略直交していることが好ましい。
【００３５】
なお、前記磁化自由層の幅が前記媒体の記録線幅とほぼ一致していることが好ましい。
【００３６】
また、本発明の一態様による再生ヘッドは、上記磁気抵抗効果素子を用いており、かつヘッドの記録媒体対向面と前記磁化自由層下面との距離が３０ｎｍ以下以下であることを特徴とする。
【００３７】
なお、前記磁化自由層の長さが、媒体記録信号長手方向の最短ビット長さの３倍以内であることが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３９】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の下面図を図１（ａ）に、断面図を図１（ｂ）に示す。本実施形態による磁気抵抗効果素子は、パターンド垂直媒体１００に略平行に対抗した磁化自由層２と、磁化自由層２の媒体対向面と反対側の面の両側に中間非磁性層４ａ、４ｂを介して外側に延在するように接続された２つの磁化固着層６ａ、６ｂと、磁化固着層６ａ、６ｂに反強磁性層８ａ、８ｂを介して接続された電極１０ａ、１０ｂとを備えている。磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は反強磁性層８ａ、８ｂにより固着されており、磁化自由層２の磁化は横に配置したハード膜３ａ、３ｂによって単磁区化されている。磁化自由層２の磁化と磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は直交するように配置されている。このような磁化配置において、パターンド垂直媒体１００からの信号磁束が磁化自由層２に入ることにより、磁化自由層２の磁化が回転し、磁化固着層６ａ、６ｂと磁化自由層２の磁化の相対角度が略直交状態から変化する。
【００４０】
磁化固着層６ａ、６ｂの磁化は反強磁性層８ａ、８ｂによって固着されているため、再生感度には影響せず、分解能は磁化自由層２の形状によって決定される。このため、磁化自由層２の形状の規定により５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度に対応できる空間分解能を得ることができる。
【００４１】
ヨークタイプの再生ヘッドは磁気抵抗効果膜が媒体からの磁束に対する感度をもたないことが長所であったが、本実施形態による磁気抵抗効果素子を有するへッドは、磁気抵抗効果膜の磁化自由層２を媒体１００からの磁束に対し直接感度を持つ位置に設置することを特徴とする。
【００４２】
磁化自由層２は直接感度をもつ位置に設置する必要がある。特に媒体１００から磁化自由層２までの距離（磁気的浮上量）は空間分解能に直接影響する。この磁気的浮上量は通常、ビット長の２倍程度を超えると急激に空間分解能が悪くなるので、ＡＢＳ（Ａｎｔｉ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）から磁化自由層２までの距離を押さえる必要がある。ビット長としては現行３０ｎｍ程度であるので、ＡＢＳから磁化自由層２までの距離は物理浮上量も考慮にいれると少なくとも３０ｎｍ程度以内とする必要がある。また望ましくは１０ｎｍ程度とするのが良い。
【００４３】
このときセンス電流は、電極１０ａから反強磁性層８ａを介して磁化固着層６ａに流れ、磁化固着層６ａから中間非磁性層４ａを介して磁化自由層２に流れ、磁化自由層２から中間非磁性層４ｂを介して逆側の磁化固着層６ｂに流れ、磁化固着層６ｂから反強磁性層８ｂを介して電極１０ｂに流れている。したがって、センス電流は２度、磁化固着層６ａ、６ｂと磁化自由層２の界面を通過することになり、このときに大きな界面磁気抵抗効果、ＣＰＰ−ＭＲ効果により、大きな再生出力を得ることが可能になる。
【００４４】
ＣＰＰ−ＭＲ効果としては、ＣＰＰ−スピンバルブ効果、磁気トンネルＭＲ効果、磁気ポイントコンタクトＭＲ効果のいずれを用いることも可能だが、５００Ｇｂｐｓｉ以上の高密度記録密度においては、低抵抗で大きなＭＲ変化率が期待できるＣＰＰ−スピンバルブ膜を有するＭＲ素子を用いることが望ましい。
【００４５】
この構造において、ＣＰＰ−スピンバルブ膜を用いた場合、５ｎｍ程度の薄い磁化自由層２を用いていても、磁化自由層２内では、電流は膜面水平方向に流れる。このため、電流は十分に長い距離にわたり磁化自由層２内のスピン依存バルク散乱を利用することが可能となり、大きなＭＲ変化率を得ることが可能になる。
【００４６】
これに対して図１６に示したような一般的なＣＰＰ膜では薄い磁化自由層４２を用いた場合、電流は膜厚垂直に短距離で通過してしまうため、十分に大きなスピン依存バルク散乱効果を利用することができずＭＲ変化率は減少してしまう。
【００４７】
しかし、本実施形態の構造においては、ＣＰＰ−スピンバルブ膜を用いた場合、電極から磁化固着層に電流が注入された後、面内方向に電流経路があるため、薄い磁性層を用いた場合にも、面内を流れている間に十分に電流をスピン偏極させることが可能になる。このため単純なＣＰＰスピンバルブ構造の場合に危惧されるように、電極から薄い磁性層に注入された電子がスピン分極する前に磁性層を通り抜けてしまうという、スピン分極不足に対する危惧がなくなり、薄い磁性層を用い、高い磁界感度を保ったまま、大きな磁気抵抗効果を得ることが可能となる。このためには、磁化自由層２と磁気固着層６ａ、６ｂとの接続位置とセンス電流リードの接続位置とが１０ｎｍ以上離れていることが望ましい。
【００４８】
また、素子抵抗の増加にのみ寄与し、スピン依存抵抗には寄与しない反強磁性層８ａ、８ｂの抵抗が、磁化自由層２近傍で直列接続にはならず、広い電極１０ａ、１０ｂ部分から並列接続として影響するため、抵抗に対して小さな寄与に押さえることができ、小さな素子抵抗と大きなＭＲ変化率を両立することが可能になる。
【００４９】
このためには磁化自由層２に対して、磁化固着層６ａ、６ｂの方を面積的に大きくし、磁化自由層２近傍で、電流が収束し、ＭＲ変化率に寄与する接続界面の抵抗を効率よくセンスできるようにしておくことが望ましい。
【００５０】
本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、磁化固着層６ａ、６ｂとしてはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅおよびその合金等の磁性材料を用いることができる。特に、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金を用いることがＭＲ変化率の上からは望ましい。また、界面のスピン分極率を向上させるため、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ／Ｃｏ、ＮｉＦｅ／Ｆｅ等の積層構造を用いることが出来る。また磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着特性を向上させるためには、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ積層構造のようないわゆるシンセティック反強磁性体構造を用いることができる。また更に高抵抗変化率を実現するためにはハーフメタルを用いても良い。ハーフメタルとしては、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、ＣｒＯ２等の酸化物磁性体、ペロブスカイト系ハーフメタル、ＣｒＡｓ等のダイヤモンド構造材料を用いることができる。
【００５１】
また、磁化固着用の反強磁性層８ａ、８ｂとしてはＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性材料を用いることができる。またＮｉＯのような絶縁性反強磁性材料を用いることもできる。
【００５２】
なお、磁化自由層２としては磁化固着層６ａ、６ｂで述べたのと同様な材料を用いることができる。
【００５３】
ＣＰＰ−ＭＲ素子として磁気トンネル効果を用いる場合には、中間層４ａ、４ｂとして酸化物バリアを用いることが望ましい。具体的にはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等のギャップエネルギーの高い絶縁物を用いることが出来る。但し素子抵抗の増大を押さえる為には絶縁物からなる中間非磁性層４ａ、４ｂの膜厚は２ｎｍ以下とすることが望ましい。またバリアとしてはギャップエネルギーの小さいＮｉＯ等の酸化物を用いることもできる。
【００５４】
また、ＣＰＰ−ＭＲ素子としてＣＰＰ−スピンバルブ効果を用いる場合には、中間非磁性層４ａ、４ｂとして非磁性金属層を用いることが望ましい。具体的にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の貴金属、およびその合金、もしくはその積層構造を用いることができる。中間非磁性層４ａ、４ｂの膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍ程度にすることにより良好な磁気的結合の切断と、スピン分極の伝達を両立することが可能となる。
【００５５】
またＣＰＰ−ＭＲ素子として磁気ポイントコンタクト効果を用いる場合には、中間非磁性層４ａ、４ｂとしては１０ｎｍ以下の微小な磁性体を用いることができる。材料として磁化固着層６ａ、６ｂ、磁化自由層２で述べた材料と同様な材料を用いることができる。
【００５６】
なお、図２に示すように、中間非磁性層４は、磁化自由層２全体に積層されていても良いし、図３に示したように、中間非磁性層４ａ、４ｂは磁化固着層６ａ、６ｂ全体に積層されていても良いし、図４に示したように中間非磁性層４は、磁化固着層６ａ、６ｂに跨るように存在しても良い。但し最適には図１に示したように接合部だけにあることが望ましい。
【００５７】
なぜなら図２、図３、図４に示す構造では、必ずしも全ての電流が磁性体と非磁性体の界面を垂直に流れて行かないため、若干ＭＲ変化率は減少してしまうためである。しかし再生ヘッドとして使うのに問題ない出力を得ること可能である。また図２では磁化自由層２と中間非磁性層４を一括してパターニンングすることが可能であるため、製造プロセスの簡略化が可能であるというメリットがある。同様に図３では磁化固着層６ａ、６ｂと中間非磁性層４ａ、４ｂを一括してパターニングできるため製造プロセスの簡略化が可能である。製造方法によっては、図４のような構造をとることも可能である。
【００５８】
磁化の固着方向は図１に示したように固着しても良いが、図５に示すように配置することも出来る。図５の構造では磁化の配列のしかたが図１の構造と９０度回転している。また媒体１０２のトラック方向も９０度回転した位置関係になっている。このような構造にすると次のようなメリットがある。
【００５９】
それは磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着方向と、磁化自由層２が渡してある中央の溝７の方向が平行でかつトラック方向になっていることである。このことにより、溝部７には磁化固着層６ａ、６ｂの磁化によるもれ磁束が発生せず、磁化自由層２に余計な外部磁場が付与されることがない。これに対して、図１の構造では磁化自由層２が渡してある溝７と磁化固着層６ａ、６ｂの磁化固着方向が直交しているため、溝部分７には直交する磁界が発生してしまう。このためここに位置している磁化自由層２は混磁場の影響を受けてしまうため、設計に注意が必要となる。
【００６０】
また媒体１０２上の１ビットの形状を考えた場合、トラック幅方向の大きさが、トラック方向の大きさに比べて大きい場合には、磁化自由層２の形状が横に長くなるため、溝７に渡しやすくなり、図５に示す構造の方が作成が容易になるというメリットもある。
【００６１】
本実施形態による磁気抵抗効果ヘッドはとくに垂直記録方式で使用した場合、単峰波の再生波形となって、再生信号処理に非常に都合がよい。さらに大きなヨークを持たないため、ヨークタイプの再生ヘッドよりも格段に分解率がよい。
【００６２】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に本実施形態による磁気抵抗効果素子の再生原理を示す。本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、磁化遷移ポイントの位置で出力が最大になり、磁化遷移ポイント以外の場所では出力はでない。
【００６３】
図６（ａ）ではビットからの信号磁界により、磁化自由層２の磁化が磁気固着層６ａ、６ｂの磁化と同じ方向に向くため、ＣＰＰ−ＭＲ効果により抵抗が小さくなり、出力信号が得られる。図６（ｂ）ではビットからの信号磁界により、磁化自由層２の磁化が磁気固着層６ａ、６ｂの磁化と反対の方向に向くため、ＣＰＰ−ＭＲ効果により抵抗が増大し、出力信号が得られる。図６（ｃ）、（ｄ）では磁化自由層２の下にきた２つのビットの磁化の方向が同じであるため、磁化自由層２の磁化は回転せず、抵抗は変化しないため、出力は得られない。
【００６４】
本実施形態によるへッドにおいてはヨークタイプのように大きな感磁部がないため、磁気分解能が良くなる。また離れた距離からの磁束の影響は、媒体１００からハイト方向に距離が離れるにしたがって相対的に強くなるが、シールドタイプのようにハイト方向の広がりがないために、シールドを用いずに分解能を確保できる。
【００６５】
再生原理はシールドタイプと全く異なり、再生原理自体はヨークタイプに近い。しかし、ヨークタイプのように磁束を磁気抵抗素子まで引き込むと言う発想はなく、ヨークタイプをどうすれば小さくできるかという問題を突き詰め、また大きなＭＲ変化率が期待できる、ＣＰＰ−ＭＲ素子を組み合わせた結果得られた、全く新しい発想のヘッド形状である。
【００６６】
図６（ａ）乃至図６（ｄ）においては、媒体１００としてパターンド垂直媒体を用いた場合の動作原理を説明したが、媒体としては連続垂直媒体を用いても同様な動作を得ることができる。また、このヘッドの動作原理はここに説明した動作が最適ではあるが、これに限定する必要はなく、面内記録媒体と共に用いることも可能である。
【００６７】
なお、図７に示したようにＣＰＰ−ＭＲ素子としてＣＰＰ−スピンバルブ効果を用いる場合には、磁化自由層２の媒体対向面に、直接、またはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕもしくはその合金層を介して、酸化物層２０を積層することができる。このような構成にすることにより酸化物層２０による電子反射効果、いわゆるスペキュラー効果を利用することが可能になり、ＭＲ変化率には寄与しない、余分な磁性体表面での電子散乱効果を押さえ、より大きなＭＲ変化率を得ることが可能になる。また、このような酸化物からなる電子反射層２２は図８に示したように磁化自由層２の媒体対抗面と反対側に形成することも可能であるし、また図９に示したように、酸化物層２０は磁化自由層２の内部に形成することも可能である。また図１０に示した用に磁化固着層６ａ、６ｂにおいても磁化自由層２と同様に磁化固着層６ａ、６ｂの両表面および内部に酸化物層２０、２２を形成することが可能である。またこれらの酸化物層２０、２２の一部は磁気抵抗効果素子の保護層の一部となっていても良い。
【００６８】
なお、図１に示したように磁化固着層６ａ、６ｂと、磁化自由層２の接合面は必ずしも膜面に水平になっている必要はない。すなわち図１１に示した様に斜めになっていても良い。ただし、磁化自由層２は媒体１００に対して略平行に相対する必要があるため、磁化固着層６ａ、６ｂよりも出っ張っている必要がある。
【００６９】
極端な構造としては図１２に示すように、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂがほぼ同一平面に形成され、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂ間に中間非磁性層４ａ、４ｂが設けられた構造も考えられる。しかし図１２に示す構造だと、磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂの接合部分の面積が極端に小さくなってしまうため、抵抗が大きくなりすぎてしまう可能性がある。また磁化自由層２と磁化固着層６ａ、６ｂが同一平面になってしまう。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、高記録密度で良好なエラーレートが達成できる感度を備えている。
【００７１】
（実施例１）
基板上に、まず電極１０ａ、１０ｂを形成し、その上に下地Ｔａ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１０ｎｍ／ＣｏＦｅ５ｎｍの磁化固着層６ａ、６ｂを形成した。そしてＦＩＢ加工により１０ｎｍ幅のトレンチを加工し、その間をつなぐ形でＥＢリソグラフィーにより３０ｎｍ×３０ｎｍの矩形の穴を形成し、リフトオフによりＣｕ３ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／ＮｉＦｅ３ｎｍの磁化自由層２を成膜した。そして其の横にハードバイアス膜３ａ、３ｂを形成した。
【００７２】
その結果、素子抵抗が１５オームで、ＭＲ変化率４０％の素子を作成することができた。
【００７３】
ここで現行のシールドタイプの作成方法と比較する。現行タイプでは上下シールド層、ギャップを形成するための非磁性層１、２を積層し、研磨等の技術でＡＢＳを形成して保護層をつける必要がある。それに対して本実施例では、シールド／研磨を必要としないためプロセスを非常に簡略化できる。また、現行ヘッドでは、出力特性に大きく影響するストライプハイトを研磨で決定するため、ストライプハイトのコントロールが大きな問題となっている。
【００７４】
それに対して、本実施例は、分解能を規定している磁化自由層２の形状をすべてリソグラフィ等のウエファ行程内で行っているため、出力、分解能のコントロールが非常に良いという特徴がある。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高記録密度で良好なエラーレートが達成可能な感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す図。
【図２】第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図３】第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図４】第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図５】第４変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す下面図。
【図６】実施形態による磁気抵抗効果素子の再生原理を説明する断面図。
【図７】第５変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図８】第６変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図９】第７変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１０】第８変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１１】第９変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１２】第１０変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。
【図１３】スピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１４】ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１５】ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜の構成を示す断面図。
【図１６】シールド型ＭＲヘッドの構成を示す断面図。
【符号の説明】
２ 磁化自由層
３ａ、３ｂ ハードバイアス膜
４ａ、４ｂ 中間非磁性層
６ａ、６ｂ 磁化固着層
８ａ、８ｂ 反強磁性層
１０ａ、１０ｂ 電極
４２ 強磁性層
４４ 非磁性層
４６ 強磁性層
４８ 反強磁性層
５０ａ、５０ｂ 電極
５２ａ、５２ｂ 電極
Claims (9)
- ２つの対向する主表面を有し一方が媒体対向面に略平行にされる磁化自由層と、この磁化自由層の前記媒体と反対側の面上に、前記磁化自由層に接するように形成された非磁性層と、この非磁性層の前記磁化自由層と反対側の面上に、前記非磁性層に接しかつ外側に向かって延在するように形成された一対の磁化固着層と、を備え、センス電流が前記磁化自由層と前記一対の磁気固着層との間で流れるように構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化固着層にセンス電流用電極が接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層に比べて前記磁化固着層の方が面積的に大きいことを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層と前記磁化固着層との接続位置と、前記磁化固着層と前記センス電流用電極との接続位置とが１０ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層の媒体対抗面が直接、またはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ、もしくはその合金層を介して、酸化物層と積層されており、前記酸化物層が電子反射効果をもつことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層と前記磁化固着層の磁化が略直交していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層の幅が前記媒体の記録線幅とほぼ一致していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を用いており、かつヘッドの記録媒体対向面と前記磁化自由層下面との距離が３０ｎｍ以下以下であることを特徴とする再生ヘッド。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を用いており、かつ磁化自由層の長さが、媒体記録信号長手方向の最短ビット長さの３倍以内であることを特徴とする再生ヘッド。
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