JP2005019484A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子の再生出力向上。
【解決手段】一対の強磁性膜が非磁性中間層を介して積層された磁気抵抗効果素子において、電気伝導性の改善された高分極率を有する強磁性合金・化合物層を強磁性膜と積層して配置し、かつ非磁性中間層との界面に中間強磁性層を配置した構成とすることにより、スピン依存伝導の増幅、結晶性の改善、拡散防止の効果を得、これによって磁気抵抗効果が高まる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
文献１（特開平９−１６９２０号公報）には積層逆平行ピン止め層と反強磁性交換バイアス層を用いたスピンバルブ磁気抵抗センサの記載がある。
【０００３】
文献２（特開平７−１６９０２６号公報）には反強磁性的結合膜を用いたスピンバルブセンサの記載がある。
【０００４】
文献３（特開２０００−１５６５３０号公報）には磁化が実質的に固定された第二の磁性層に酸化物などの第三の層を含んだ磁気抵抗効果素子の記述がある。
【０００５】
また、文献４（日本応用磁気学会第２３回学術講演概要集６ａＡ−５）に極薄酸化層を含んだ磁化固着層を有するスピンバルブ膜の記載がある。
【０００６】
文献５（Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０８）には薄い酸化物も用いた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜の記載がある。
【０００７】
文献６（Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０７）には酸化物の保護膜を自由層に積層したＧＭＲ膜の記載がある。
【０００８】
文献７（Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＢＱ−１２）には酸化物の保護膜を自由層に積層したＧＭＲ膜の記載がある。
【０００９】
文献８（Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０９）には磁性酸化層を用いたスピンバルブ膜の記載がある。
【００１０】
文献９（Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ １９９９、 ＤＢ−０１）には酸化層を挿入した固定層を用いたスピンバルブ膜の記載がある。
【００１１】
文献１０（特開２０００−３４０８５９号公報）には磁性層にスピン分極率の高い酸化物を用い、膜面に垂直に電流を流す磁気抵抗効果型ヘッドの記載がある。
【００１２】
文献１１（特開２０００−１５０９８５号公報）には高分極率膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子の記載がある。
【００１３】
文献１２（特開平１１−１３５８５７号公報）にはトンネルバリア層側に高分極率膜を用いた磁気抵抗効果素子の記載がある。
【００１４】
文献１３（特開平１１−２８９１１５号公報）には非磁性層を介して強磁性体と半導体あるいはハーフメタルを接続したスピン偏極素子の記載がある。
【００１５】
文献１４（アプライド フィジックス レターズ誌第７３巻１００８〜１０１０項（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７３， １００８ （１９９８）））にはハーフメタルとしてＬａＳｒＭｎＯ_３を用いた強磁性トンネル結合に関する記載がある。
【００１６】
文献１５（アプライド フィジックス レターズ誌第７４巻４０１７〜４０１９項（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７４， ４０１７ （１９９９）））には鉄酸化物とＣｏを用いた強磁性トンネル磁気抵抗効果の記載がある。
【００１７】
文献１６（特開平１１−９７７６６号公報）にはハーフメタル酸化物層を用いた強磁性トンネル接合素子の記載がある。
【００１８】
文献１７（特表平８−５０４３０３号公報）にはＦｅ_３Ｏ_４などの半金属材料を用いた磁気抵抗デバイスの記載がある。
【００１９】
文献１８（特開平６−２６７７４２号公報）にはハーフメタルから成る磁性層を用いた磁気抵抗効果素子の記載がある。
【００２０】
文献１９（特開２０００−３４８９３５号公報）には酸化物薄層を含んだスピンバルブセンサの記載がある。
【００２１】
文献２０（米国特許ＵＳ６，４０７，８９０Ｂ１）にはＦｅ_３Ｏ_４などの鉄酸化物を積層したデュアルスピンバルブ膜の記載がある。
【００２２】
近年、強磁性金属層を非磁性金属層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果、いわゆる巨大磁気抵抗が大きいことが知られている。この場合、磁気抵抗効果は、非磁性層で隔てられた強磁性層の、磁化と磁化のなす角度によって電気抵抗が変化する。
【００２３】
この巨大磁気抵抗効果を磁気抵抗効果素子として用いる場合には、スピンバルブとよばれる構造が提唱されている。即ち、反強磁性膜／強磁性金属層／非磁性金属層／軟磁性金属層の構造を有し、反強磁性膜／強磁性金属層界面に発生する交換結合磁界によって反強磁性膜と密着した強磁性金属層の磁化を実質的に固定し、他方の軟磁性金属層が外部磁界によって磁化回転することで出力を得ることができる。
【００２４】
上記固定の効果を固定バイアス、この効果を生じる反強磁性膜を固定バイアス膜とよぶことにする。また、上記磁化が実質的に固定される強磁性金属層を固定層、もしくは強磁性固定層と呼ぶことにする。同様に外部磁場によって磁化回転する軟磁性金属膜を自由層もしくは軟磁性自由層と呼ぶことにする。固定層は、感知すべき磁界に対して、実質的に磁化が固定されていることがその機能であり、反強磁性膜の代わりに硬磁性膜、すなわち比較的大きな磁界が加わらない限り磁化が変化しない材料で代換することもできる。
【００２５】
さらに近年着目されている技術として、積層膜の膜厚方向に感知電流を印加して外部磁界による電気抵抗の変化を再生出力として得るセンサおよび磁気ヘッドが提唱されている。有力な技術として、トンネル磁気抵抗および垂直電流（Ｃｕｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｐｌａｎｅ、ＣＰＰ）磁気抵抗がある。
【００２６】
両者とも磁気抵抗を生じる部分の構成は、一般にすでに述べた巨大磁気抵抗効果によるスピンバルブとほぼ同様である。
【００２７】
トンネル磁気抵抗の場合は、スピンバルブ膜の非磁性導電層の代わりに絶縁障壁層が配置されてなる。絶縁障壁層は一般に金属アルミを薄膜形成し、これを酸化してアルミナを形成してなる。垂直電流巨大磁気抵抗の場合は、面内電流の巨大磁気抵抗と同様の物理効果を用いるものであるので、スピンバルブ膜と同じく非磁性導電層はＣｕなどの金属層で形成してなる。これらのような、感知電流を膜厚方向に通電して出力を得るセンサでは、磁気的な材料や磁化機構が従来の膜面方向に通電するセンサと同様な部分がある一方で、逆に違った物理機構と、構造が重要になっているのである。
【００２８】
【文献１】
特開平９−１６９２０号公報
【文献２】
特開平７−１６９０２６号公報
【文献３】
特開２０００−１５６５３０号公報
【文献４】
日本応用磁気学会第２３回学術講演概要集６ａＡ−５
【文献５】
Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０８
【文献６】
Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０７
【文献７】
Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＢＱ−１２
【文献８】
Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ ２０００、 ＦＡ−０９
【文献９】
Ｄｉｇｅｓｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍａｇ １９９９、 ＤＢ−０１
【文献１０】
特開２０００−３４０８５９号公報
【文献１１】
特開２０００−１５０９８５号公報
【文献１２】
特開平１１−１３５８５７号公報
【文献１３】
特開平１１−２８９１１５号公報
【文献１４】
アプライド フィジックス レターズ誌第７３巻１００８〜１０１０項（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７３， １００８ （１９９８））
【文献１５】
アプライド フィジックス レターズ誌第７４巻４０１７〜４０１９項（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７４， ４０１７ （１９９９））
【文献１６】
特開平１１−９７７６６号公報
【文献１７】
特表平８−５０４３０３号公報
【文献１８】
特開平６−２６７７４２号公報
【文献１９】
特開２０００−３４８９３５号公報
【文献２０】
米国特許ＵＳ６，４０７，８９０Ｂ１
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、記録密度の充分に高い磁気記録装置、特にその再生部に外部磁界に対して十分な感度と出力で作用する磁気抵抗効果素子を実現し、さらに十分に対称性の良い良好な特性を得ることが出来ず、記憶装置としての機能を実現することが困難であった。
【００３０】
上記のような膜厚方向に通電して出力を得るセンサにおいても、スピンバルブ型磁気抵抗効果積層膜を用いることができ、やはり強磁性層／／非磁性層／軟磁性層の部分がその磁気抵抗効果の大きさを決定する部分である。軟磁性金属層も強磁性金属層の一種であるから、強磁性金属層／非磁性金属層の界面が上記効果の本質をになうことになる。公知の技術で強磁性金属層に酸化物を挿入したり、強磁性金属層の一部を酸化したりすることで抵抗変化率を向上できることが知られている。
【００３１】
また、一方で高分極率材料の適用によって磁気抵抗効果を増大せしめることも提唱されているが、実際に強磁性金属層などの金属薄膜層と、高分極率を有する酸化物などの化合物層とを積層して磁気抵抗効果素子を実現することはきわめて困難であった。
【００３２】
これはすなわち、高分極率材料はもっぱら酸化物や複雑な結晶構造を有する金属間化合物などの化合物からなるために、金属層と積層すると、結晶学的に異質な積層構造となって電子の非弾性散乱を増大させると共に、結晶学的な欠陥構造およびに結晶成長の阻害を発生させ、良好な磁気抵抗効果を得ることが極めて困難であるからである。
【００３３】
例えばハーフメタルの一種類であると言われているホイスラー合金も、高分極率材料として提唱されているが、例えばＬ２１構造と呼ばれる複雑な規則構造でないと強磁性などの特性を有さないため、通常の成膜工程で作製するとアモルファスや微結晶、もしくは異なる結晶構造が形成される問題がある。
【００３４】
さらに、金属層と積層すると、金属層と反応し、あるいは化合物成分が金属層へ拡散して非化学量論組成となって、特性を悪化させるためである。さらに、通常の成膜工程で作製するとアモルファスや微結晶、もしくは異なる結晶構造が形成される問題がある。例えばハーフメタル材料として知られるマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４の場合、マグネタイトのターゲットを用いて室温にてスパッタリング法により作製した薄膜は、バルクのマグネタイトの磁化の物性である０．６テスラの１／３から半分程度しか示さない。
【００３５】
良好な結晶性のマグネタイト薄膜を得るには基板温度を５００℃程度にあげる必要があるが、そのような高い基板温度での形成は、他の金属層の連続形成を困難にし、また極薄い金属層の平坦な形成を妨げるだけでなく、高分極率層（強磁性体材料における分極率が通常の材料より大きい材料を含有する層）と他の金属層、例えばＣｏＦｅ層との反応をきわめて促進し、やはり良好な高分極率層の形成を妨げてしまうことから高分極率層と金属層を積層した磁気抵抗効果膜の積層は困難であった。
【００３６】
別の例としては、日本応用磁気学会第２５回学術講演集および日本応用磁気学会誌においてＣｏ_２ＭｎＧｅホイスラー合金薄膜の形成が述べられているが、熱処理温度４００℃でホイスラー合金の規則化が認められている。
【００３７】
良好な結晶性のホイスラー薄膜を得るには熱処理温度を４００℃程度にあげる必要があるとすると、そのような高い板温度での熱処理は、他の金属層との極薄い積層構成の形成を困難にし、また極薄い金属層との平坦な界面形成を妨げるだけでなく、高分極率層と他の金属層、例えばＣｏＦｅ層との反応をきわめて促進し、やはり良好な高分極率層の形成を妨げてしまうことから高分極率層と金属層を積層した磁気抵抗効果膜の積層は困難であった。
【００３８】
さらに、酸化物のような化合物の高分極率材料を用いたい場合、電気抵抗上の問題があった。すなわち、化合物である高分極率材料の層を巨大磁気抵抗効果積層膜中に形成すると、化合物の電気抵抗の高い特性によって、積層方向に電流を流すことを困難にするからである。仮に大きな電圧を印加するなどの方法で積層方向に電流を流すことを可能にしたとしても、電気抵抗の高い化合物層を流れる電子は非弾性散乱によってそのスピン情報を失ってしまい、磁気抵抗効果を発揮することが著しく損なわれるからである。
【００３９】
本発明は、このような問題に鑑みて提案されたものであり、高分極率材料を適用しつつ、抵抗変化率の高いＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００４０】
【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、本発明に係る磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドは、一対の強磁性層を非磁性中間層を介して積層し、一方の強磁性層は外部の磁界に応じて磁化が回転する自由層であり、他方の強磁性層は実質的にその磁化の方向が固定されている固定層であり、外部の磁界に応じて上記強磁性層の互いの磁化の方向の相対角度が変わって磁気抵抗効果を生じる積層体と、上記積層体の膜厚方向に感知電流を通電する一対の電極と、少なくとも一方の前記強磁性層と前記非磁性中間層との間に形成される高分極率層と、前記高分極率層と前記非磁性中間層との間に形成される中間強磁性金属層とを有し、前記高分極率層は、強磁性金属であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの合金に比べてフェルミ順位でのスピンの状態密度の差異の比率が大きい高分極率材料を含有することを主な特徴とする。また、高分極率層は、導電性が高いことを特徴とする。
【００４１】
以上のように構成された膜厚方向電流通電型の磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドによれば、磁気抵抗効果が高く、再生出力が向上し、高い記録密度においても良好な再生出力を得られる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドについて詳細に説明する。
【００４３】
本発明を適用した磁気抵抗効果素子では、電気伝導性の改善された高分極率を有する強磁性合金・化合物層を強磁性膜と積層して配置し、かつ非磁性中間層との界面に中間強磁性層を配置することを特徴とする。
【００４４】
本発明では膜厚方向に通電して出力を得る、高記録密度に対応した磁気抵抗効果、特に巨大磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに搭載した磁気記録装置を提供するために、上記磁気抵抗効果素子として用いるスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果積層膜、すなわち、軟磁性自由層／非磁性中間層／強磁性固定層／反強磁性膜の積層構造を有する磁気抵抗効果素子を用いる。
【００４５】
ここで反強磁性膜は強磁性固定層の磁化を実質的に固定するための交換結合バイアスを印可するものであって、直接強磁性固定層に密着して形成するか、あるいは間接的に磁気的結合を経て効果をもたらしてもよい。あるいは反強磁性膜の代わりに他のバイアス印可手段、例えば、硬磁性膜の残留磁化を用いたり、電流バイアスを用いてもよい。
【００４６】
本発明では課題を解決して高記録密度に対応した磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を得るために、磁気抵抗効果素子を形成する少なくとも２層の強磁性層の強磁性固定層を強磁性金属層と高分極率層の積層膜とし、かつ、上記強磁性金属層を非磁性中間層との界面に配置する。以後、この非磁性中間層と高分極率層の間に配置した強磁性金属層を中間強磁性金属層と称する。
【００４７】
同様に、軟磁性自由層を中間強磁性金属層と高分極率層の積層膜とし、かつ、上記中間強磁性金属層を非磁性中間層との界面に配置してもよい。さらに強磁性固定層と軟磁性自由層の双方を中間強磁性金属層と高分極率層の積層膜としてもよい。
【００４８】
軟磁気特性や磁歪の適正化の観点から、強磁性固定層に用いるのが容易である一方で、軟磁性自由層に上記構成を適用すると出力増大効果をさらに高めることができるので、用途と要求に応じて構成を選択することができる。
【００４９】
高分極率層は、ハーフメタルなどの強磁性化合物もしくは強磁性化合物と金属の混合体であって、具体的には特にマグネタイトとこれの組成的なバリエーションであるフェライトとＦｅなどの強磁性金属を混合した強磁性金属・酸化物混合層か、あるいはホイスラー合金で形成するとよい。これはすなわち、ホイスラー合金は高い分極率を持つハーフメタルであることが報告されている材料であるとともに、合金であるため、ある程度良好な導電性を有しているため、膜厚方向に電流を流す素子に特に有効であるからである。
【００５０】
また、同様に、酸化物であるマグネタイトも高分極率材料として知られているが、このような電気抵抗が金属に比べて何桁も高い化合物を含む層を膜厚方向に電流が通る場合に電子のスピン情報が失われないようにするために、高分極化合物材料と強磁性金属を混合した高分極率層を用いる。特に、マグネタイトはＦｅの酸化物であるので、強磁性金属であるＦｅと混合体とした高分極率層として用いることで化学的に安定で、作製が容易、さらに強磁性体としても安定に得ることができる。
【００５１】
高分極率層に含まれる強磁性化合物としては、具体的には、主にマグネタイトまたは酸素の欠損を有するマグネタイトと０〜６０ａｔ％のＦｅとの混合体であることが好ましい。
【００５２】
また、高分極率層に含まれる強磁性化合物としては、具体的には、主にＭＦｅ_２Ｏ_４−ｘ（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、ｘは０から１）の組成からなる強磁性酸化物か、あるいは上記強磁性酸化物とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどからなる強磁性金属との混合物であることが好ましい。
【００５３】
Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層は、スパッタリングなどの手段で室温もしくは２００℃以下の基板温度で他の金属層と連続積層して形成し、その後熱処理を行ってＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層中にＦｅとＦｅ_３Ｏ_４またはＦｅ_３Ｏ_{４− ｘ}を析出させて形成することができる。ここでＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層と述べているのは、Ｆｅあるいは酸素原子を固溶したＦｅと、強磁性鉄酸化物であるマグネタイトまたはＦｅ_３Ｏ_４−ｘ（ｘは０から１）であるマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４の化学量論組成よりも酸素が欠乏した強磁性鉄酸化物、との混合物である。
【００５４】
成膜時にはＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層はアモルファス、あるいは微結晶状態でもっぱらＦｅ中に酸素が固溶したような結晶構造をとっていても、２００℃から４００℃程度の適切な熱処理を行うことでＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４二元系の平衡状態に近い組成、すなわちＦｅ−Ｆｅ_３Ｏ_４二相に近づく方向に結晶の析出現象を生じて磁気抵抗を変化率を発生せしめるための高分極率を有する相を層中に形成することができる。このような作製手段と構成によって結晶性の良好な高分極率層、特にマグネタイト含有層を形成し、かつ、強磁性固定層と軟磁性自由層の間の強磁性的な結合磁界、いわゆる層間結合磁界を低減することができる。
【００５５】
または高分極率層として用いる場合にマグネタイトは、組成のＦｅを一部Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｎなどで置き換えたいわゆるフェライト組成を主成分としても良い。同様に混合する強磁性金属はＦｅに置き換えてＣｏ、Ｎｉを加えることも可能であろう。
【００５６】
同様にホイスラー合金層はスパッタリングなどの手段で室温もしくは２００℃以下の基板温度で他の金属層と連続積層して形成し、その後熱処理を行ってホイスラー合金の規則構造相を析出させて形成する。ここでホイスラー合金層とは、Ｘ_２ＺＹ（Ｘ＝Ｃｏ，Ｃｕ，Ｐｔ、Ｚ＝Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ、Ｙ＝Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉ）型のホイスラー合金、すなわち、Ｌ２_１構造もしくはＢ１２構造をとる合金の層である。多少の化学量論組成からのずれがあっても強磁性を保つことができる。特にＣｏ_２ＭｎＧｅ合金は作製が容易であって望ましい。
【００５７】
強磁性固定層は、非磁性中間層／中間強磁性金属層／高分極率層／強磁性金属層／反平行結合層／強磁性金属層／反強磁性層のような構成として、いわゆる積層フェリ構造とし、互いの磁化状態が反平行にむいた状態を実現して高い抵抗変化率と、高い交換結合磁界、および適切な波形対称性を有する磁気ヘッドを実現することができる。ここでは積層構造を明確にするために非磁性中間層を加えた構成で記述してある。同様に反平行結合層としてはＲｕなどの貴金属が有用である。また、軟磁性自由層としては非磁性中間層／高分極率層／Ｃｏ合金層／ＮｉＦｅ合金層などとして、高い抵抗変化率と軟磁気特性を実現することができる。
【００５８】
また、高分極層の厚さは１ナノメートル以上とすることで抵抗変化率を向上することができ、また５ナノメートル以下とすると軟磁気特性を良好とし、さらに層間結合磁界を低減する効果がある。特に１ナノメートルから３ナノメートルの厚さとすると高い抵抗変化率と層間結合磁界の低減を両立できるので望ましい。
【００５９】
同様に中間強磁性金属層の厚さは０．２ナノメートル以上で、３ナノメートル以下とするととすることで抵抗変化率や抵抗変化量を向上することができる。中間強磁性金属層の電子散乱の寄与を、最大限に生かすため、上記厚さが望ましい。
【００６０】
これはすなわち、非磁性中間層を介して２層の強磁性層、特に軟磁性自由層と強磁性固定層の磁化方向に依存したスピン依存散乱もしくはスピン伝導をを大きくすることで磁気抵抗効果を大きくできるわけであるが、高分極率層と、特に中間強磁性金属層の厚さを適切にすることで強分極率層からのスピンの寄与と、中間強磁性金属層からのスピンの寄与を多重に、重畳して得ることができるのである。特に１ナノメートルから２ナノメートルの厚さとすると高い抵抗変化率を得ることができ、また層間結合磁界の低減できるので望ましい。
【００６１】
また、中間強磁性金属層は、Ｃｏ合金、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを主成分とする金属を含有することが好ましい。
【００６２】
巨大磁気抵抗効果を用いる場合、非磁性中間層としてはＣｕが望ましいが、あるいはＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈなどの導電性金属を適宜用いるか、合金化しても良い。また、トンネル磁気抵抗効果を用いる場合、非磁性中間層としてはＡｌ_２Ｏ_３、Ａｌ−Ｎなどの絶縁もしくは非導電性のトンネル障壁層が用いられ、あるいは他の酸化物や共有結合性化合物を用いてもよい。
【００６３】
積層構成からなる磁気抵抗効果素子には電流を印加して出力を感知する少なくとも一対の電極を配置する。上記電流は、上記電流は積層構成の層構造に垂直に電流を流して、高分極率層の分極した電子が界面を透過して磁気抵抗を生じるようにして磁気抵抗効果を感知する。
【００６４】
本発明を磁気ヘッドに適用する場合には、磁気抵抗効果素子は軟磁性自由層を単磁区化してノイズの発生を防止するための単磁区化構成を有するとよい。例えば磁気抵抗効果素子の膜面方向でかつ感知すべき磁界の方向に垂直な両端部に残留磁化を有する硬磁性膜などを配置する。あるいは磁気抵抗効果素子の膜厚方向に隣接して配置した残留磁化を有する硬磁性膜などを配置して、磁気抵抗効果素子の積層構成と硬磁性膜を同一形状の端部を有するようにして端部の静磁気結合により単磁区化を実現しても良い。
【００６５】
本発明ではこのような材料、構成、を用いた磁気抵抗効果型磁気抵抗効果素子と、これを再生部とした磁気記録再生装置において、高記録密度、すなわち記録媒体上に記録される記録波長が短く、また、記録トラックの幅が狭い記録を実現して、十分な再生出力を得、記録を良好に保つことができる。
【００６６】
本発明の巨大磁気抵抗積層膜を構成する薄膜は、高周波マグネトロンスパッタリング装置により以下のように作製した。
【００６７】
アルゴン１から６ミリトールの雰囲気中にて、厚さ１ミリのセラミックス基板に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリングターゲットとしてタンタル、ニッケル−２０ａｔ％鉄合金、銅、コバルト、ＭｎＰｔ、ルテニウム、Ｆｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）の各ターゲットを用いた。Ｃｏターゲット上には、ＦｅおよびＮｉの１センチ角のチップを適宜配置して組成を調整した。同様にマグネタイトターゲット上にはＦｅなどの１センチ角のチップを適宜配置して組成を調整した。
【００６８】
以下、Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の設定組成はマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４にＦｅを加えた量でも表記し、例えばＦｅ_３Ｏ_４層においてＦｅ３０ ａｔ％の表記はＦｅ_３Ｏ_４ ７０ ａｔ％−Ｆｅ ３０ ａｔ％を意味し、これはＦｅ−５３．８ａｔ％Ｏと同組成を意味する。
【００６９】
積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々高周波電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードごとに配置されたシャッターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。膜形成時には永久磁石を用いて基板に平行におよそ８０エルステッドの磁界を印加して、一軸異方性をもたせた。形成した膜を、真空中、磁場中で２７０℃、３時間の熱処理を行って反強磁性膜を相変態させるとともにＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層中に高分極率化合物相を析出させ、室温での磁気抵抗を測定して評価した。基体上の素子の形成はフォトレジスト工程によってパターニングした。その後、基体はスライダー加工し、磁気記録装置に搭載した。
【００７０】
なお、本発明において、高分極率材料、高分極率層、と称する高分極、とは、強磁性体材料における分極率が通常の材料より大きいことを意味する。分極率とは、その強磁性材料の電子のエネルギー状態を記述した場合のフェルミレベルにおける電子の状態密度において、メジャーのスピンの状態密度をｎ１、これと逆方向のマイナーのスピンの状態密度をｎ２としたときに分極率Ｐはｎ１／（ｎ１＋ｎ２）で表される。
【００７１】
通常の材料であるＣｏＦｅ合金などは、分極率が０．３程度であるので、本発明の高分極率層、あるいは高分極率材料はこれを上回る分極率０．４以上１以下の材料である。さらに、ハーフメタルは、上記分極率がほぼ１である材料および物性のことであり、したがって、本発明の高分極率層、高分極率材料として望ましい。
【００７２】
以下、本発明の具体的な実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００７３】
図１は本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。図は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式図になっている。紙面で左右方向が磁気ヘッドにおけるトラック幅方向、紙面奥行きが素子高さ方向である。
【００７４】
基体５０上に下部磁気シールド３５、下部導電ギャップ膜７１を形成し、その上に、磁気抵抗効果積層膜１０１および磁区制御膜４５が形成されてなり、さらに上部導電ギャップ膜７４、上部磁気シールド３６を形成して、再生信号を検出する再生ギャップ４３を形成してなる。
【００７５】
絶縁膜７５が所定のサイズにパターニングした磁気抵抗効果積層膜１０１のトラック幅および素子高さ方向の周囲を多い、感知電流は図示されていない電極から下部磁気シールド３５、下部導電ギャップ７１、磁気抵抗効果積層膜１０１、磁区制御膜４５、上部導電ギャップ７４、および図示されていない電極を通じて通電する。あるいは逆経路でも同様である。
【００７６】
感知電流は磁気抵抗効果積層膜１０１の膜厚方向に通電し、電気抵抗の変化の検出を行う。磁気抵抗効果積層膜１０１は、図１の例である基本構成として、下地膜１４上に反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３を積層してなる。磁気抵抗効果積層膜１０１の詳細な構成例は、例えば図２から図４などで後述するが、磁区制御膜４５を積層配置する積層面側に軟磁性自由層１３が配置された構成が望ましい。したがって磁区制御膜４５は図１では磁気抵抗効果積層膜１０１の上部磁気シールド側にあるが、下部磁気シールド側にあっても支障はなく、磁気抵抗効果積層膜１０１の図示されていない軟磁性自由層が磁区制御膜４５の側にあるように配置されていればよい。
【００７７】
磁区制御膜４５は、硬磁性膜あるいは反強磁性膜と交換結合して残留磁化を有する磁性膜などから形成して磁気抵抗効果積層膜１０１にわずかに乖離して積層配置し、磁気抵抗効果積層膜１０１に単磁区化のためのバイアス効果を及ぼす機能を有する。図１の構成例では、磁区制御膜４５は非磁性分離層４１１を介して軟磁性自由層１３に隣接して積層した単磁区化強磁性層４１２、および単磁区化強磁性層４１２に交換結合バイアスを印加してその磁化を実質的に素子高さ方向に固定する反強磁性膜４１３からなる。
【００７８】
図中、反強磁性膜１１をトラック幅方向に、磁気抵抗効果積層膜１０１のほかの部分と別のサイズに構成した例を示してあるが、このように感知電流が反強磁性膜１１を部分的に迂回して流れたりする構成としてもよく、あるいは反強磁性膜１１を磁気抵抗効果積層膜１０１の他の部分と同じ幅で構成してもよい。再生磁気ギャップ４３は磁気抵抗効果積層膜１０１の軟磁性自由層１３をおよそギャップの中央部に保持し、磁気的信号の再生磁気ギャップ４３に漏入する部分の高分解能な再生を可能にすることが望ましい。
【００７９】
図２は本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。図中の表記、例えば、「ＮｉＦｅ３」は、積層構成の例としての構成材料と、その厚さをナノメートルで示したものである。磁気抵抗効果積層膜１０１は、図２では以下の構成例のような構造を有する。図示されていない基体上に、下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３を連続して形成してなる。上記積層構成は、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果として、強磁性固定層１５の磁化の方向と、軟磁性自由層１３の磁化の方向の互いのなす角度に応じて電気抵抗が変化する。下地膜１４はここではＮｉＦｅＣｒ膜の例を示したが、他の構成、例えばＴａ／ＮｉＦｅ膜などの積層構成の構成であってもよい。また省略した構成としても本発明の主旨に反するものではない。下地膜１４は、磁気抵抗効果積層膜１０１の、下地膜１４上の部分の結晶性を向上させ、平坦性を良好にし、また、結晶配向性を高める効果がある。
【００８０】
本発明の図１の構成例でもっとも重要な主旨は、強磁性固定層１５の構成中に高分極率層を含む点にある。図２では強磁性固定層１５を第一の強磁性膜／反平行結合層１５４／第二の強磁性膜１５２／高分極率層１６／中間強磁性固定層１７１の構成としている。これは、非磁性中間層１２に接する中間強磁性固定層１７１の界面でスピン依存散乱もしくはスピン依存伝導を発生させるとともに、強磁性固定層１７１／高分極率層１６界面によってもスピン依存散乱もしくはスピン依存伝導を発生させることによって高い抵抗変化率を得る構成である。中間強磁性固定層１７１は、比較的薄いＣｏ合金、例えばＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金やＣｏ_８０Ｆｅ_８Ｎｉ_１２合金などから形成して高分極率層１６および非磁性中間層１２との間にスピン依存現象を引き起こすことができるよう材料を選択する。
【００８１】
同時に、中間強磁性固定層１７１は、高分極率層１６と非磁性中間層１２との間の拡散、化学的な混合を抑制し、作製容易で耐熱性、安定性の高い極薄膜積層構成を実現して所定の特性を発現せしめる。上記積層体は強磁性固定層１５として磁気的に結合するよう形成してなり、所定の方向をむいた磁化状態を取って磁気的に一体として扱える。反平行結合層１５４から形成し、さらに反平行結合層１５４は第一の強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１５２が反平行の方向の磁化を持つように結合せしめて成り、結果として第一の強磁性膜１５１の磁化と、第二の強磁性膜１５２、高分極率層１６および中間強磁性金属固定層１７１の磁化とが反平行に配置される。
【００８２】
上記構成は強磁性固定層１５のパターニングした端部から出る静磁界の量を調整し、磁気ヘッドとして再生波形対称性を良好にする効果がある。したがって上記強磁性固定層の反平行結合層を含む構成は磁気ヘッドへの適用に効果的であって、他の構成および用途に用いる場合は反平行結合層を含まない構成であっても本発明の主旨に反するものではない。
【００８３】
高分極率層１６はフェルミ面近傍での状態密度がスピンの方向に寄って大きく異なる高分極率材料で構成し、特に図２ではホイスラー合金の例を示した。ホイスラー合金層はＬ２_１構造またはＢ２構造をもつ強磁性ホイスラー合金、例えばＣｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｆｅ_０．６Ｃｒ_０．４Ａｌなどから構成するとよい。
【００８４】
さらにホイスラー合金層はその厚さを５ナノメートル以下、特に１ナノメートルから３ナノメートルとすると磁気特性に優れ、非磁性中間層１２を介して軟磁性自由層１３と強磁性固定層１５の間の層間結合を低減し、高い抵抗変化率を示す。ホイスラー合金はその結晶格子の１ユニット以上、すなわち０．５ナノメートル以上の厚さにするとよい。ホイスラー合金のかわりに、同様にハーフメタルであって、高いスピン分極率を有するマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４やＣｒＯ_２を用いても有効であり図４にはその構成例を示してある。
【００８５】
軟磁性自由層１３は非磁性中間層１２に接する側の第一の軟磁性膜１３１と、接しない側の第二の軟磁性膜１３２とからなり、さらに図２では界面散乱層１３４を加えた構成例を示した。界面散乱層１３４は極薄く作製して第一の軟磁性膜１３１および第二の軟磁性膜１３２を一体の磁性膜として機能させると共に、界面散乱層１３４と第一及び第二の軟磁性膜との界面で電子の散乱を生じせしめ、磁気抵抗効果を増大せしめる機能を有する。界面散乱層１３４を有しない図３、図４のような構成としても本発明の主旨に反するものではない。
【００８６】
同様に、図３は本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。基本構成および原理は図１と同様である。図示されていない基体上に、下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３を連続して形成してなる。上記積層構成は、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果として、強磁性固定層１５の磁化の方向と、軟磁性自由層１３の磁化の方向の互いのなす角度に応じて電気抵抗が変化する。強磁性固定層１５の構成は図２と同様に、第一の強磁性膜／反平行結合層１５４／第二の強磁性膜１５２／高分極率層１６／中間強磁性固定層１７１の構成としており、図２の構成と同様の効果を得る。
【００８７】
軟磁性自由層１３は、図２の例と同様に機能する非磁性中間層１２に接する側の第一の軟磁性膜１３１と、接しない側の第二の軟磁性膜１３２、第一および第二の軟磁性自由層の間に位置する界面散乱層１３４に加えて、さらに図３では界面散乱層１３５およびスクリーニング層５１を積層した構成例を示した。
【００８８】
界面散乱層１３５は、界面散乱層１３４と同様に、極薄く作製して第一の軟磁性膜１３１および第二の軟磁性膜１３２を一体の磁性膜として機能させると共に、界面散乱層１３４と第一及び第二の軟磁性膜との界面で電子の散乱を生じせしめ、磁気抵抗効果を増大せしめる機能を有する。界面散乱層１３５を有しない構成としても本発明の主旨に反するものではない。
【００８９】
スクリーニング層５１は一対の電極を経由して磁気抵抗効果膜を電流が膜厚方向に通電する通電経路中に、通電経路を横断する構造で配置される層状の構造体であって、（１）上記層状構造体の面内で、絶縁体もしくは非導電体からなる層中に穴状の導電部もしくは局所的な導電領域が存在する層状構造体であって、（２）上記構造により、膜厚方向、すなわち面に垂直に流れる電流の経路を、スクリーニング層内部の導電部分に限定して絞込む効果があり、磁気抵抗効果膜と近接して積層することによって、この絞込み効果を磁気抵抗効果膜の電気抵抗の実質的増幅として機能させる構造体、である。
【００９０】
スクリーニング層はＣｏＦｅの酸化層や、アルミの酸化層などを用いることができる。図３の構成例ではスクリーニング層５１は軟磁性自由層１３の積層構成内に配置され、磁気抵抗効果積層膜１０１の膜厚方向の電気抵抗を実質的に増加せしめる効果を有する。スクリーニング層５１の配置位置は磁気抵抗効果積層膜１０１の軟磁性自由層１３内以外にも、強磁性固定層１５内や軟磁性自由層１３の外側、すなわち非磁性導電層１２と接しない側などに配置してもよく、別の構成例を図４に示す。
【００９１】
図４は本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。基本構成および原理は図１、２と同様である。図示されていない基体上に、下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３を連続して形成してなる。上記積層構成は、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果として、強磁性固定層１５の磁化の方向と、軟磁性自由層１３の磁化の方向の互いのなす角度に応じて電気抵抗が変化する。強磁性固定層１５の構成は図２、３と同様に、第一の強磁性膜／反平行結合層１５４／第二の強磁性膜１５２／高分極率層１６／中間強磁性固定層１７１の構成としており、図２、３の構成と同様の効果を得る。図４では高分極率層１６としてＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４からなる強磁性層を用いている。
【００９２】
軟磁性自由層１３は、図４の構成例では非磁性中間層１２に接する側からの中間軟磁性金属自由層／高分極率層１６／第一の軟磁性膜１３１／反平行結合層１３６／第二の軟磁性膜１３２／第三の軟磁性膜１３３を積層してなり、さらに、スクリーニング層５１を軟磁性自由層１３上に積層してなる。スクリーニング層５１はＣｏＦｅの酸化層や、アルミの酸化層などからなり、膜厚方向に磁気抵抗効果積層膜１０１を通電する電流の導電領域を絞り込み、磁気抵抗効果積層膜１０１の膜厚方向の電気抵抗を実質的に増加せしめる効果を有する。
【００９３】
図５はＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間軟磁性金属自由層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力波形を示した図である。ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金薄膜は１００〜２００μΩｃｍ程度の電気抵抗率を示し、十分に金属的な伝導性を有している。磁区制御層などを省略した素子であるためヒステリシスが大きいが、出力関係を把握することができる。
【００９４】
図５において、実線の曲線は、強磁性固定層および軟磁性自由層としてＣｏＦｅ膜を用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の出力特性である。同様に、△はＣｏＭｎＧｅホイスラー合金を自由層に用い、中間軟磁性金属自由層を用いていないＣＰＰ−スピンバルブ素子、○はＣｏＭｎＧｅホイスラー合金および中間軟磁性金属自由層を軟磁性自由層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の出力である。出力はΔＲＡで示されるが、ＣｏＦｅのみを用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子では、ΔＲＡはおよそ０．９ｍΩμｍ^２、ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金のみを用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子では０．８ｍΩμｍ２であり、ホイスラー合金のみを用いた場合でも出力は得られている反面、出力の増大は得られていない。それに対してＣｏＭｎＧｅホイスラー合金および中間軟磁性金属自由層を軟磁性自由層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子ではΔＲＡ〜１．５ｍΩμｍ^２であり、出力が１．５倍程度に増大していることがわかる。
【００９５】
図６にＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間強磁性層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す。ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金を、強磁性固定層、軟磁性自由層、および双方に組み込んだ構成について、さらに中間強磁性層であるＣｏＦｅ層を非磁性中間層Ｃｕとの界面に厚さを変えて挿入した素子を作製して出力等の特性を検討した。
【００９６】
結果を図７に示す。図７はＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間強磁性層を固定層、自由層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性を示した図である。実験的なばらつきはあるが、素子の面積抵抗は中間強磁性層であるＣｏＦｅ層の厚さにあまりよらずにほぼ０．１２Ωμｍ^２程度であり、これはＣｏＦｅのみを用いた場合よりやや大きい程度である。
【００９７】
これはホイスラー合金が１００〜２００Ωｃｍの金属的な電気抵抗率を有するため、膜厚方向の電流に対して深刻な電気抵抗の増大を生じないからである。出力である面積抵抗変化ΔＲＡはホイスラー合金の構成位置によって特性が異なるが、中間強磁性層ＣｏＦｅの厚さがゼロの付近では著しく低いのに対して、中間強磁性層ＣｏＦｅの厚さを増していくと増大し、０．２から２ナノメートル、あるいはそれ以上の中間強磁性層の挿入が出力を増大させていることがわかる。
【００９８】
この結果はＭＲ比で示した図でも認められ、ホイスラー合金の構成位置が固定層、自由層、および双方のいずれの場合においても中間強磁性層による出力増大効果が認められることがわかる。図には示していないが、中間強磁性層の厚さを５ナノメートル程度までは効果が認められるようである。
【００９９】
図１５は高分極率層と中間強磁性層を用いた場合の磁気抵抗のエンハンス機構のモデルを示した図である。巨大磁気抵抗効果は強磁性層内と強磁性層／非磁性中間層界面のスピンの情報が他方の強磁性層側に伝播して生じる。ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等の強磁性層を用いた場合、非磁性中間層のＣｕと良好な結晶整合性を有するため、図１５の左図のように、スピン情報を持った電子は容易に非磁性中間層を通過して他方の強磁性層のスピンと相互作用し、磁気抵抗効果を発生する。ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金のような高分極率層を用いた場合、強磁性体である高分極率層のスピン情報が、他方の強磁性体（図１５では同じく高分極率層のＣｏＭｎＧｅホイスラー合金）に伝播すれば磁気抵抗効果を発生するわけだが、高分極率層と非磁性中間層の界面にスピン情報を持った電子の通過を阻害する要因があるため、観測される磁気抵抗効果は低減されてしまう。
【０１００】
この阻害要因とは、高分極率層と非磁性中間層との間に形成された反応層や、結晶構造・結晶格子が異なることに起因する格子欠陥で、図１５右図のように電子の比弾性散乱を生じて電子のスピン情報を喪失させてしまう。本発明の中間強磁性層は、図１５下図のように、上記阻害要因の発生を防止して電子のスピン情報の喪失を防ぐと共に、中間強磁性層からのスピン情報と、高分極率層からのスピン情報の双方を磁気抵抗効果として発現可能とし、磁気抵抗効果を増大せしめるのである。
【０１０１】
図８はＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間軟磁性金属層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力波形を示した図である。磁区制御層などを省略した素子であるためヒステリシスが大きいが、出力関係を把握することができる。図８において、実線の曲線は、強磁性固定層および軟磁性自由層としてＣｏＦｅ膜を用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の出力特性である。
【０１０２】
同様に、△はＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層を強磁性固定層および軟磁性自由層に用い、中間軟磁性金属自由層を用いていないＣＰＰ−スピンバルブ素子、○はＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層および中間軟磁性金属自由層を軟磁性自由層および強磁性固定層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の出力である。出力はΔＲＡで示されるが、ＣｏＦｅのみを用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子では、ΔＲＡはおよそ０．９ｍΩμｍ^２であるが、Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層のみを用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子では０．２ｍΩμｍ^２であり、出力は高分極率層であるＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層を用いたことでむしろ低下している。
【０１０３】
これはマグネタイトとＣｕ層との間に反応層が形成されたり、マグネタイト層から酸素原子が拡散して構造を破壊したり、あるいは単純に強磁性固定層と軟磁性自由層との間に強い層間結合が発生して磁気抵抗の減少を招いたと考えられる。これに対して、Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層および中間軟磁性金属自由層を強磁性固定層および軟磁性自由層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子ではΔＲＡ〜２ｍΩμｍ^２であり、出力がＣｏＦｅのみの場合の２倍、中間強磁性金属層を用いなかった場合の１０倍程度に増大していることがわかる。このように高分極率材料にマグネタイトなどの酸化物を含有した層を用いた場合にも中間強磁性層を用いることで特性を大きく改善できるのである。
【０１０４】
図９にＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間強磁性層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す。Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層を、強磁性固定層と軟磁性自由層、および軟磁性自由層のみに組み込んだ構成について、さらに中間強磁性層であるＣｏＦｅ層を非磁性中間層Ｃｕとの界面に厚さを変えて挿入した素子を作製して出力等の特性を検討した。
【０１０５】
結果を図１０に示す。図１０はＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間強磁性層を強磁性固定層と軟磁性自由層、および軟磁性自由層のみに用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性を示した図である。Ｆｅの添加量はおよそ３０ａｔ％である。素子の面積抵抗は中間強磁性層であるＣｏＦｅ層の厚さで多少変化し、ほぼ０．１〜０．１５Ωμｍ^２程度であり、これはＣｏＦｅのみを用いた場合よりやや大きい程度である。
【０１０６】
出力である面積抵抗変化ΔＲＡはＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層の構成位置によって特性が異なるが、中間強磁性層ＣｏＦｅの厚さがゼロの付近では著しく低いのに対して、中間強磁性層ＣｏＦｅの厚さを増していくと増大し、０．５から２ナノメートル、あるいはそれ以上の中間強磁性層の挿入が出力を増大してΔＲＡで１〜２．５ｍΩμｍ^２を示していることがわかる。
【０１０７】
この結果はＭＲ比で示した図でも認められ、Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層の構成位置が固定層と自由層、および自由層のみのいずれの場合においてもＭＲ比が１％以上に増大し、Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間強磁性層の組み合わせによる出力増大効果が認められることがわかる。図には示していないが、中間強磁性層の厚さを５ナノメートル程度までは効果が認められるようである。
【０１０８】
図１１はＦｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層の組成と膜厚によるＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性を示した図である。ここではＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の組成を、Ｆｅ_３Ｏ_４に対するＦｅの添加量の形で示した。Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層は固定層および自由層に用い、中間強磁性層はＣｏＦｅで厚さ１ナノメートルとした。Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層を厚くすると素子の面積抵抗ＲＡは増大していくが、増大の程度はＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の組成がＦｅリッチになるほど小さい。
【０１０９】
具体的にはＦｅ添加量が１５ａｔ％では面積抵抗ＲＡの増大は、Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層が３００００μΩｃｍ程度の電気抵抗率をもつ程度であるが、Ｆｅ添加量が３０ａｔ％ではＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層が３０００μΩｃｍ、Ｆｅ添加量が５０ａｔ％ではＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層が１０００μΩｃｍ程度の電気抵抗率をもっていると考えられる挙動を示している。これはマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４の電気抵抗が一般の金属より数桁大きく、膜厚方向に電気を流す素子の電気抵抗を著しく増大させるのに対し、Ｆｅを添加したＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層はＦｅの混合によって電気抵抗がマグネタイト単体より下げることができ、素子の抵抗を極端に上げてしまうことがないからである。
【０１１０】
次に出力について述べると、面積抵抗変化ΔＲＡはＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層を厚くしていくと増大していく。これはＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層が厚くなるほどＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の伝導の寄与が素子内で支配的になるためと考えられる。しかしながら、面積抵抗の増大の方が面積抵抗変化の増大より大きいため、抵抗変化率ＭＲは、Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の厚さに対して単調に増加はしていない。抵抗変化率ＭＲはＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層の組成によって最適な厚さが異なるが、Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４の厚さが０．５から３ナノメートル程度の範囲で最大になっていることがわかる。
【０１１１】
図１２はそれぞれのＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層のＦｅ添加量に対して、最大の抵抗変化率ＭＲをＭＲｍａｘとして示した図である。ＭＲｍａｘはＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層のＦｅ添加量に対して極大を持つように変化しており、Ｆｅ添加量が２０〜６０ａｔ％程度の範囲で最大になる結果となった。これはすなわち、マグネタイトにＦｅを添加して導電性を改善したＦｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４層を用いることで、電気抵抗の高いマグネタイト単層を用いるよりも大きな抵抗変化率を得ることができる結果である。
【０１１２】
これは、導電性の改善により、高分極率層をスピン情報を失わずに通過する電子が増えるためと考えられる。このように本発明では導電性を改善した化合物の高分極率層を用いることで、ホイスラー合金による導電性の高い高分極率層を用いたときと同様に出力を増大したＣＰＰ−ＧＭＲ素子および再生ヘッドを得ることができるのである。
【０１１３】
図１３は本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体５０上に磁気抵抗効果積層膜１０１、磁区制御膜４５、導電ギャップ４０、下部磁気シールド３５、上部磁気シールド３６、下部磁気コア８４、コイル４２、上部コア８３を形成してなり、対向面６３を形成してなる。本図では上部磁気シールドと下部磁気コアを備えた構造になっているが、上部磁気シールドと下部磁気コアとを兼用した構造としても本発明の主旨を損なうものではない。また、本図では一般的な面内記録形式の記録ヘッドを例示してあるが、垂直磁気記録方式の記録ヘッドと組み合わせても本発明の主旨に反するものではない。
【０１１４】
図１４は本発明の磁気記録再生装置の構成例である。磁気的に情報を記録する記録媒体９１を保持するディスク９５をスピンドルモーター９３にて回転させ、アクチュエーター９２によってヘッドスライダー９０をディスク９５のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においてはヘッドスライダー９０上に形成した再生ヘッド、及び記録ヘッドがこの機構に依ってディスク９５上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。アクチュエーター９２はロータリーアクチュエーターであることが望ましい。
【０１１５】
記録信号は信号処理系９４を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系９４を経て信号として得る。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、本再生ヘッドからの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエーターを制御して、ヘッドスライダーの位置決めを行うことができる。
【０１１６】
本図ではヘッドスライダー９０、ディスク９５を各１個示したが、これらは複数であっても構わない。またディスク９５は両面に記録媒体９１を有して情報を記録してもよい。情報の記録がディスク両面の場合ヘッドスライダー９０はディスクの両面に配置する。
【０１１７】
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッドおよびこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明によれば、良好な特性と出力の高い磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドが得られる。特に高い記録密度において良好な再生出力とバイアス特性を有する磁気ヘッドおよび高密度磁気記録再生装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子に用いる磁気抵抗効果積層膜の構成例である。
【図５】ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間軟磁性金属自由層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力波形を示した図である。
【図６】ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間強磁性層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す。
【図７】ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金と中間強磁性層を固定層、自由層に用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性を示した図である。
【図８】Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間軟磁性金属層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力波形を示した図である。
【図９】Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間強磁性層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す。
【図１０】Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層と中間強磁性層を強磁性固定層と軟磁性自由層、および軟磁性自由層のみに用いたＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性図。
【図１１】Ｆｅを添加したマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４層の組成と膜厚によるＣＰＰ−スピンバルブ素子の特性図。
【図１２】それぞれのＦｅ_３Ｏ_４層のＦｅ添加量に対して、最大の抵抗変化率ＭＲをＭＲｍａｘとして示した特性図。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概念図である。
【図１４】本発明の磁気記録再生装置の構成例である。
【符号の説明】
１０１．．．磁気抵抗効果積層膜、１１．．．反強磁性膜、１２．．．非磁性中間層、１３…軟磁性自由層、１３１…第一の軟磁性膜、１３２．．．第二の軟磁性膜、１３３．．．第三の軟磁性膜、１３４、１３５．．．界面散乱層、１３６．．．反平行結合層、３５．．．界面散乱層、１４．．．下地膜、１５．．． 強磁性固定層、１５１．．．第一の強磁性膜、１５２．．．第二の強磁性膜、１５４．．．反平行結合層、１６．．．高分極率層、１７１．．．中間強磁性金属固定層、１７２．．．中間軟磁性金属自由層、３０．．．保護膜、３５．．．下部磁気シールド、３６．．．上部シールド、３７．．．保護膜兼導電膜、４０．．．導電ギャップ、４１．．．磁区制御膜、４１１．．．非磁性分離層、４１２．．．単磁区化強磁性層、４１３．．．反強磁性層、４１５．．．結合層、４２．．．コイル、４３．．．再生ギャップ、４４．．．記録トラック、４５．．．積層型磁区制御層、５０．．．基体、５１．．．スクリーニング層、６３．．．対向面、７１．．． 下部導電ギャップ膜、７４．．．上部導電ギャップ膜、７５．．．絶縁膜、８３．．．上部磁気コア、８４．．．下部磁気コア、９０．．．ヘッドスライダー、９１．．．記録媒体、９２．．．アクチュエーター、９３．．．スピンドル、９４．．．信号処理系、９５…磁気ディスク。

Claims (14)

1. 一対の強磁性層を非磁性中間層を介して積層し、一方の強磁性層は外部の磁界に応じて磁化の方向が回転する自由層であり、他方の強磁性層は実質的にその磁化の方向が固定されている固定層であり、外部の磁界に応じて上記強磁性層の互いの磁化の方向の相対角度が変わって磁気抵抗効果を生じる積層体と、
   上記積層体の膜厚方向に感知電流を通電する一対の電極と、
   少なくとも一方の前記強磁性層と前記非磁性中間層との間に形成される高分極率層と、
   前記高分極率層と前記非磁性中間層との間に形成される中間強磁性金属層とを有し、
   前記高分極率層は、強磁性金属であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの合金に比べてフェルミ順位でのスピンの状態密度の差異の比率が大きい高分極率材料を含有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記高分極率層は、導電性が高いことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記一対の電極の間の所定の位置に形成され、酸化物などの非導電層の面内に実質的な局所的導電部分を有して電流絞込み効果を発揮するスクリーニング層を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記中間強磁性金属層及び高分極率層は、前記非磁性中間層と自由層との間に形成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。
5. 前記中間強磁性金属層及び高分極率層は、前記非磁性中間層と固定層との間に形成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。
6. 前記中間強磁性金属層及び高分極率層は、前記非磁性中間層と自由層との間及び前記非磁性中間層と固定層との間に形成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。
7. 上記中間強磁性金属層は、Ｃｏ合金、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを主成分とする金属を含有し、その厚さが０．２ナノメートルから３ナノメートルであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
8. 上記高分極率層に含まれる強磁性化合物は、マグネタイトまたは酸素の欠損を有するマグネタイトと０〜６０ａｔ％のＦｅとの混合体であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
9. 上記高分極率層に含まれる強磁性化合物は、Ｘ_２ＭｎＹ（Ｘ＝Ｃｏ，Ｃｕ，Ｐｔ、Ｙ＝Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉ）型の組成を有するホイスラー合金、もしくはＬ２_１型もしくはＺ_２ＭｎＭ（Ｚ＝Ｃｕ，Ｐｔ、Ｙ＝Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉ）型の結晶構造を有するホイスラー合金であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
10. 上記高分極率層に含まれる強磁性化合物は、ＭＦｅ_２Ｏ_４−ｘ（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、ｘは０から１）の組成からなる強磁性酸化物、あるいは上記強磁性酸化物とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどからなる強磁性金属との混合物であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
11. 上記高分極率層の厚さが、１ナノメートルから５ナノメートルであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
12. 上記積層体の膜厚方向に感知電流を通電する一対の電極と、磁気抵抗効果素子とを備える磁気ヘッドにおいて、
    前記磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層を非磁性中間層を介して積層し、一方の強磁性層は外部の磁界に応じて磁化の方向が回転する自由層であり、他方の強磁性層は実質的にその磁化の方向が固定されている固定層であり、外部の磁界に応じて上記強磁性層の互いの磁化の方向の相対角度が変わって磁気抵抗効果を生じる積層体であり、更に、少なくとも一方の前記強磁性層と前記非磁性中間層との間に形成される高分極率層と、前記高分極率層と前記非磁性中間層との間に形成される中間強磁性金属層とを有し、前記高分極率層は、強磁性金属であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの合金に比べてフェルミ順位でのスピンの状態密度の差異の比率が大きい高分極率材料を含有することを特徴とする磁気ヘッド。
13. 前記高分極率層は、導電性が高いことを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘッド。
14. 前記一対の電極の間の所定の位置に形成され、酸化物などの非導電層の面内に実質的な局所的導電部分を有して電流絞込み効果を発揮するスクリーニング層を備えることを特徴とする請求項１２記載の磁気ヘッド。

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