JP2005086112A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流狭窄効果を弱めること無く高効率にして高い出力を得ることができ、かつ高いブレークダウン電圧を有する磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置を提供する。
【解決手段】磁化自由層と、非磁性中間層と、磁化固着層とからなるユニットを２つ備え、各ユニットにより１つの磁化自由層を共有するデュアルスピンバルブ構造によりＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を形成する。そして、各ユニットに電流制御層を一層ずつ形成することで電流狭窄効果を弱めること無く磁気抵抗効果素子のブレークダウン電圧を上昇させ、高い素子出力を得るとともに信頼性を向上させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の導電性層の積層方向に対しセンス電流を垂直に流すＣＰＰ（current perpendicular to plane）方式による磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置に関する。

近年、ハードディスク装置などの磁気記録装置は急速に小型化、高密度化しており、今後さらに高密度化されることが見込まれている。磁気記録において高密度化を達成するには、記録トラック幅を狭くして記録トラック密度を高めるとともに、記録方向への記録密度すなわち線記録密度を高める必要がある。

従来、媒体信号の再生には誘導型ヘッドが用いられてきた。しかし、高密度化に伴い記録トラック幅が狭くなり記録ビットサイズが小さくなると、誘導型ヘッドでは十分な再生信号出力が得られなくなる。そこで、記録ビットサイズが小さくても十分な再生信号出力が得られるように、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）を用いた再生感度の高いＡＭＲヘッドが開発され、シールド型再生ヘッドとして用いられるようになった。最近では、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を応用し、より感度の高いスピンバルブ型ＧＭＲヘッドが用いられるようになっている。

さらに高い再生感度を得ることのできるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）やＣＰＰ(Current Perpendicular-to-the-Plane)−ＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの開発と実用化のための研究が進められている。これらの素子では、既存のＣＩＰ(Current In Plane)−ＧＭＲ素子が膜面内にセンス電流を流すことと異なり、膜面に垂直方向にセンス電流が流される。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、例えば特許文献１および２に開示される。このように再生感度の高い磁気ヘッドが開発され、それらを用いることによって、記録ビットサイズがごく小さくなっても記録信号の再生が可能になってきている。

ところでＣＰＰ−ＧＭＲ素子においては、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜の膜厚方向の抵抗が小さいため抵抗変化量の絶対値が小さく、高出力を得難いことが知られている。そこで、電流狭窄効果を利用し、適切な抵抗値と高い抵抗変化率を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子が開示されている（例えば、特許文献３および４を参照）。電流狭窄効果とは、絶縁体を主体とする層に散在的に設けられる導電部に電流を狭窄的に流すことで抵抗変化率を拡大させる効果である。電流狭窄効果を生じさせる層を、以下、電流制御層と称する。特に特許文献３には、複数の導電性層からなる一つのユニットに複数の電流制御層を備える磁気抵抗効果素子が開示される。
特開平１０-５５５１２号公報 米国特許第５，６６８，６８８号公報 特開２００２-２０８７４４号公報 米国特許第６，５６０，０７７号公報

しかしながら、特に複数の電流制御層を利用する場合には、各電流制御層が備える導電部の位置が意味を持つ。引用文献３の［００７８］に記載のように、複数の電流制御層の導電部（ピンホール）の位置がずれている場合には抵抗値自体を上げることは可能であるものの、近年の研究では、電流狭窄効果により抵抗変化率を拡大する効果は弱くなることが判ってきている。既存の技術では複数の電流制御層の導電部の位置を合わせ込むことは困難であることから、何らかの対策が望まれる。

また、電流制御層の厚みには限度があるため、絶縁体に耐圧以上の電圧が加わると絶縁破壊、すなわちブレークダウンを生じる。このことは印加可能なセンス電流に限度があり、従って素子出力が頭打ちになることを意味する。さらにブレークダウンは経年劣化の要因となるため、磁気抵抗効果素子の長期信頼性を低下させることにもつながる。

本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、電流狭窄効果を弱めること無く高効率にして高い出力を得ることのできる磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置を提供することにある。
また本発明の別の目的は、ブレークダウンを生じ難くして信頼性を高めた磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明の一態様によれば、複数の導電性層の積層面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular-to-the-Plane)方式による磁気抵抗効果素子であり、磁化自由層と第１の磁化固着層とを備える第１のユニットおよび磁化自由層と第２の磁化固着層とを備える第２のユニットを具備し、前記磁化自由層が前記第１および第２のユニットに共用されるデュアルスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子であって、前記第１のユニットに設けられ前記センス電流の流量を制限する第１の電流制御層と、前記第２のユニットに設けられ前記センス電流の流量を制限する第２の電流制御層とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。

このような構成であるから、いわゆるデュアルスピンバルブ構成において電流制御層が複数のユニットにそれぞれ一つずつ設けられ、磁化自由層が２つの電流制御層に挟まれる格好となる。従って電流制御層の間隔を離間させることができるので、導電部の位置が互いに異なっている場合においても電流狭窄効果が弱くなる虞が無い。しかも一つのユニットに複数の電流制御層を設ける場合に比べ、複数の層の膜厚を大きくすること無しに、電流制御層の間隔を離間させることができる。よって素子サイズを拡大させる必要が無く、記録密度が犠牲になる虞も無い。このようなことから、高効率にして高い素子出力を得ることが可能になる。なお上記特許文献１〜４のいずれにも、デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子に複数の電流制御層を設けることに関する具体的記述は無い。

また上記手段によれば、磁気抵抗効果素子に印加されるセンス電流により生じる電圧は、複数の電流制御層により分圧される。これにより、充分なセンス電流を流しつつも個々の電流制御層にかかる電圧を下げることができる。従って電流制御層の厚みを増すこと無しにブレークダウン電圧を高められ、これによりブレークダウンを生じ難くして信頼性を高めつつ高出力を得ることが可能になる。

本発明によれば、電流狭窄効果を弱めること無く高効率にして高い出力を得ることのできる磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置を提供することができる。また本発明によれば、ブレークダウンを生じ難くして信頼性を高めた磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアッセンブリ、および磁気再生装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき説明する。
［実施例１］
図１は本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第１の実施例を概略的に示す断面図である。図１において、図示しない基板上に下部電極１、下地層２、下側磁化固着層３、第１の電流制御層８、下側非磁性中間層４、磁化自由層５、上側非磁性中間層６Ａ、第２の電流制御層９、上側非磁性中間層６Ｂ、上側磁化固着層７、保護層１０、上部電極１１がこの順に積層される。

第１の電流制御層８は下側磁化固着層３と下側非磁性中間層４との界面に形成される。また上側非磁性中間層６Ａと上側非磁性中間層６Ｂとは本来は同じ膜（上側非磁性中間層６）として形成され、その膜中に第２の電流制御層９が介在して形成される。図１の磁気抵抗効果素子は垂直通電型（ＣＰＰ）であり、センス電流は下部電極１と上部電極１１との間に通電される。

図１において、磁化自由層５にはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする金属磁性体を主に用いることができる。磁化固着層３，７にＣｏＰｔなどの硬質磁性膜を主に用いることができる。非磁性中間層４，６には、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓなどの導電性膜を主に用いることができる。

上記構成の磁気抵抗効果素子は、外部磁気に感応して磁化自由層５の磁化方向が変化することにより抵抗変化を生じるスピンバルブ構造を有する。また上記構成においては、磁化自由層、非磁性中間層、および、磁化固着層により形成されるユニットが２つ設けられ、各ユニットにより磁化自由層５が共有される、いわゆるデュアルスピンバルブ型である。さらに、電流制御層が各ユニットに１つずつ設けられていることが特徴的である。

図２は、図１の電流制御層８，９の構造を模式的に示す断面図である。電流制御層２１は、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｐ，Ｖ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｔｈ，Ｂｅ，Ｃｄ，Ｓｃ，Ｙ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｍｇ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｂおよび希土類金属から選択される少なくとも１種の元素の酸化物、窒化物または酸窒化物を主成分とすることができる。さらに電流制御層２１は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓから選択される少なくとも１種の金属を１％以上５０％以下の範囲で含有することができる。

電流制御層２１を形成するには、上述した元素の合金を酸化、窒化、または酸窒化処理することで得られる。酸化、窒化、または酸窒化処理の方法としては、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入するのみの自然酸化法、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入しながらアルゴン、窒素などのイオンを照射するイオンアシスト酸化（酸窒化）法、酸素、窒素イオンを照射するイオンビーム照射酸化法などがある。

電流制御層２１はその上下の層を電気的に絶縁する絶縁体２３を主体とし、上下の層を電気的に接続する導電体２４が、絶縁体２３に散在して設けられる。この構成において電流が膜面に垂直に流れる場合、電流は導電体２４に絞り込まれて流れる。これが電流狭窄効果であり、外部磁気の変動に応じてセンス電流に対する高い抵抗変化率をもたらす。なお図２において電流制御層２１の下側層を非磁性中間層２２Ａとし、上側層を非磁性中間層２２Ｂとした。これに限らず、電流制御層２１に如何なる層が隣接していても電流狭窄効果を得ることができる。

本実施形態に係わる磁気抵抗効果素子では、本質的に導体部分を電流が流れることからオーミック性を有する。よってトンネル性を示す場合とは例えば抵抗の温度依存性が異なることで区別できる。

電流制御層２１の厚みが原子半径程度になると、その上下の層が絶縁体２３を介して分離されている状態を作り出せず、電流を制御すべき部分の絶縁性が低下し、電流狭窄効果が低下する。これを避けるため電流制御層２１の厚みは０．４ｎｍ以上を確保することが望ましい。逆に、厚みが過度になると電流制御層２１の上下の層（図２では非磁性中間層２２Ａ，２２Ｂ）を導電体２４により接続することが困難になる。よって電流制御層２１の厚みは３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下が望ましい。

ところで、電流制御層２１においてセンス電流は本質的に導電体２４に流れるが、センス電流を流すための電圧は絶縁体２３にも加わることになる。この電圧が絶縁体２３の絶縁耐圧を超えるとブレークダウンを生じ、素子破壊に至る。上記したように電流制御層２１の膜厚を厚くすることは困難であるので、電流制御層２１の厚みにより耐圧を上げることは困難である。

そこで本実施形態では、電流制御層２１を複数備えることでブレークダウン電圧を上昇させるようにしている。図１において、例えば電流制御層８のブレークダウン電圧をＶｂ１とし、電流制御層９のブレークダウン電圧をＶｂ２とする。電流制御層８，９は電気的に直列に接続されているので、センス電流を流すための電圧は、電流制御層８，９に分配される。よって磁気抵抗効果素子全体のブレークダウン電圧をＶｂとしたとき、Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２となる。従って本実施形態によれば磁気抵抗効果素子のブレークダウン電圧Ｖｂを向上させることができ、特に長期的な信頼性を向上させることが可能になる。またセンス電流を増加させて高い素子出力を得ることが可能になる。

ところで、スピンバルブ磁気抵抗効果素子においては、磁化自由層と、非磁性中間層と、磁化固着層とが１つの組をなし、この組がユニットとして作用する。１つのユニット内に２つの電流制御層を設ける場合には、２つの電流制御層の導電体２４の位置が成膜方向に対して一致している状態において最大限の電流狭窄効果を得られることが判ってきている。しかしながらこの状態を実現することは既存の技術では難しく、多くの場合には各電流制御層の導電体の位置は不揃いになるために、電流狭窄効果が減少する。

そこで本実施形態では、各ユニットに設けられる電流制御層の数を１に留め、ユニットを複数設けることで複数の電流制御層を具備する構成としている。このような構成によれば、複数の電流制御層の導電体の位置が一致していなくとも、電流狭窄効果が弱まることを防ぐことができる。従って高い抵抗変化率を確保することが可能となり、これにより高レベルの素子出力を得ることが可能になる。もちろん、デュアルスピンバルブ構造であること自体によっても素子出力を高レベル化できることが知られており、本実施形態によればこのことと相俟ってさらに高い素子出力を得ることが可能になる。

以上をまとめると本実施形態では、磁化自由層と、非磁性中間層と、磁化固着層とからなるユニットを２つ備え、各ユニットにより１つの磁化自由層を共有するデュアルスピンバルブ構造によりＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を形成する。そして、各ユニットに電流制御層を一層ずつ形成することで、電流狭窄効果を弱めること無く磁気抵抗効果素子のブレークダウン電圧を上昇させられるようにしている。これにより高い素子出力を得られるとともに信頼性を向上させることが可能になる。

［実施例２］
図３は本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第２の実施例を概略的に示す断面図である。図３において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分について説明する。図３において、図示しない基板上に下部電極１、下地層２、下側反強磁性層１２、下側磁化固着層３、下側非磁性中間層４Ａ、第１の電流制御層８、下側非磁性中間層４Ｂ、磁化自由層５、上側非磁性中間層６、上側磁化固着層７、第２の電流制御層９、上側反強磁性層１３、保護層１０、上部電極１１がこの順に積層される。

第２の電流制御層９は上側磁化固着層７と上側反強磁性層１３との界面に形成される。第１の電流制御層８は、下側非磁性中間層４Ａと下側非磁性中間層４Ｂとの間に介在して設けられる。すなわち第１の電流制御層８は、図１に示されるような下側非磁性中間層４の膜中に介在して形成される。

図３においては、下側反強磁性層１２と上側反強磁性層１３とを備えることが特徴的である。この場合、磁化固着層３，７にはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする金属磁性体（すなわち磁化自由層５と同様の組成）を主に用いることができる。特に、複数の磁性体層がＲｕなどの非磁性体層を層間に挟み込む、いわゆるシンセティック構造により磁化固着層３，７を形成してもよい。

下側反強磁性層１２は下側磁化固着層３の磁化方向をより強固に安定化させる。上側反強磁性層１３は上側磁化固着層７の磁化方向をより強固に安定化させる。このような構成により実施例１と同様の効果を得られるに加え、安定した抵抗変化率を得ることが可能になる。つまり、外部磁気の変化に敏感に追従して変化する抵抗変化率を、長期的な時間の経過によらず安定して得ることが可能になる。従って高レベルの素子出力を安定して得ることが可能になる。

［実施例３］
図４は本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第３の実施例を概略的に示す断面図である。図４において図１および図３と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分について説明する。図４において、図示しない基板上に下部電極１、下地層２、下側反強磁性層１２、下側磁化固着層３、下側非磁性中間層４Ａ、第１の電流制御層８、下側非磁性中間層４Ｂ、磁化自由層５、上側非磁性中間層６Ａ、第２の電流制御層９、上側非磁性中間層６Ｂ、上側磁化固着層７、上側反強磁性層１３、保護層１０、上部電極１１がこの順に積層される。第２の電流制御層９は、上側非磁性中間層６Ａと上側非磁性中間層６Ｂとの間に介在して設けられる。また上側磁化固着層７は上側反強磁性層１３に隣接して積層される。

上記構成によっても、第１および第２の実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、電流狭窄効果は、電流制御層が非磁性中間層に挿入される状態で設けられる場合に最も高い抵抗変化率をもたらす。つまり電流制御層のもつ２つの界面の両方に非磁性中間層が隣接して積層される状態において、電流狭窄効果による抵抗変化率の向上が最も効率良く実現される。

図４の積層構造はこのことを実現するものであり、従って第１および第２の実施例よりもさらに高い抵抗変化率を得ることができる。このことから本発明の実施にあたり図４の構成が最も好ましく、最大の素子出力を得ることが可能となる。

［実施例４］
図５は、図１〜図４に示す磁気抵抗効果素子を用いて形成される磁気ヘッドの一例を模式的に示す断面図である。図５において、図示しないアルティック基板上に厚さ約１μｍのＮｉＦｅを形成し、下側電極兼シールド層３２とする。本実施例では、下側電極兼シールド層３２をフォトリソグラフィーおよびドライエッチングによりパターニングした後、Ｔａ５ｎｍ／Ｒｕ２ｎｍの下地層２、ＣｏＰｔ１０ｎｍの下側磁化固着層３、ＣｕＡｌ積層膜１ｎｍを酸化処理した第１の電流制御層８、Ｃｕ１ｎｍの下側非磁性層４、ＣｏＦｅ１ｎｍ／ＮｉＦｅ４ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍの磁化自由層５、Ｃｕ０．５ｎｍの上側非磁性中間層６Ａ、ＣｕＡｌ積層膜１ｎｍを酸化処理した第２の電流制御層９、Ｃｕ０．５ｎｍの上側非磁性中間層６Ｂ、ＣｏＰｔ１０ｎｍの上側磁化固着層７、Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍの保護層１０をこの順に成膜し、磁気抵抗効果膜３１を形成する。このプロセスにより積層される磁気抵抗効果膜３１は、図１と同様の構成となる。

次に、成膜した磁気抵抗効果膜３１に２７０°Ｃ−１０ｈ（時間）の磁界中熱処理を施したのち、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングする。そして、パターニングに用いたレジストを残したままＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層３４、ＮｉＦｅからなる磁性層３６、ＩｒＭｎからなる反強磁性層３７を成膜し、さらに絶縁層３４を成膜したのちリフトオフする。そして前記磁界中熱処理の時の磁界方向と直交する方向に磁界をかけて２００°Ｃ−１ｈ（時間）の磁界中熱処理を施す。最後に、厚さ約１μｍのＮｉＦｅ膜を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングして上側電極兼シールド層３３とする。

以上のプロセスにより形成した磁気ヘッドを実施例４サンプルとする。図１の構成から第１の電流制御層８と第２の電流制御層９とを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを、比較例１サンプルとする。さらに、図１の構成から第２の電流制御層９だけを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを比較例２サンプルとする。

各サンプルにつき抵抗値の外部磁場依存性を計測し、抵抗変化率を求めた。またＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）からブレークダウン電圧を測定した。これの結果をまとめると、表１に示される結果が得られた。

実施例４サンプルは、抵抗変化率、ブレークダウン電圧ともに比較例１および２のサンプルよりも高い値を示す。特に、ブレークダウン電圧は５００ｍＶ以上と良好な値を示す。比較例２サンプルの抵抗変化率は比較例１サンプルよりも高いが、ブレークダウン電圧は低下している。このようなことから、実施例１の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子を用いて磁気ヘッドを形成することにより、高い抵抗変化率と高いブレークダウン電圧とを両立できることが実証された。

［実施例５］
図６は、図１〜図４に示す磁気抵抗効果素子を用いて形成される磁気ヘッドの他の例を模式的に示す断面図である。図６において、図示しないアルティック基板上に厚さ約１μｍのＮｉＦｅを形成し、下側電極兼シールド層３２とする。本実施例では、下側電極兼シールド層３２をフォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングした後、Ｔａ５ｎｍ／Ｒｕ２ｎｍの下地層２、ＰｔＭｎ１２ｎｍの下側反強磁性層１２、ＣｏＦｅ４ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ４ｎｍの下側磁化固着層３、Ｃｕ０．５ｎｍの下側非磁性層４Ａ、ＣｕＣｒ積層膜０．７ｎｍを酸化処理した第１の電流制御層８、Ｃｕ０．５ｎｍの下側非磁性層４Ｂ、ＣｏＦｅ１ｎｍ／ＮｉＦｅ４ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍの磁化自由層５、Ｃｕ１ｎｍの上側非磁性中間層６、ＣｏＦｅ４ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ４ｎｍの上側磁化固着層７、ＣｕＣｒ積層膜０．７ｎｍを酸化処理した第２の電流制御層９、ＰｔＭｎ１２ｎｍの上側反強磁性層１３、Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍの保護層１０からなる積層膜をこの順に成膜し、磁気抵抗効果膜３１を形成する。このプロセスにより積層される磁気抵抗効果膜３１は、図３と同様の構成となる。

次に、成膜した磁気抵抗効果膜３１に２７０°Ｃ−１０ｈ（時間）の磁界中熱処理を施したのち、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングする。そして、パターニングに用いたレジストを残したままＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層３４、ＣｏＰｔからなるバイアス層３５を成膜し、さらに絶縁層３４を成膜したのちリフトオフする。最後に、厚さ約１μｍのＮｉＦｅ膜を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングして上側電極兼シールド層３３とする。

以上のプロセスにより形成した磁気ヘッドを実施例５サンプルとする。図３の構成から第１の電流制御層８と第２の電流制御層９とを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを、比較例３サンプルとする。さらに、図３の構成から第２の電流制御層９だけを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを比較例４サンプルとする。

各サンプルにつき抵抗値の外部磁場依存性を計測し、抵抗変化率を求めた。またＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）からブレークダウン電圧を測定した。これの結果をまとめると、表２に示される結果が得られた。

実施例５サンプルは、抵抗変化率、ブレークダウン電圧ともに比較例３および４のサンプルよりも高い値を示す。特に、ブレークダウン電圧は５００ｍＶ以上と良好な値を示す。比較例４サンプルの抵抗変化率は比較例３サンプルよりも高いが、ブレークダウン電圧は低下している。このようなことから、実施例２の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子を用いて磁気ヘッドを形成することによっても、高い抵抗変化率と高いブレークダウン電圧とを両立できることが実証された。さらに、実施例２の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子は、実施例１の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子に比べ良好な成績を示すことも実証された。

［実施例６］
実施例６においては、実施例５に比べ、磁気抵抗効果膜３１の積層構造が異なる。図６において、図示しないアルティック基板上に厚さ約１μｍのＮｉＦｅを形成し、下側電極兼シールド層３２とする。本実施例においては、下側電極兼シールド層３２をフォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングした後、Ｔａ５ｎｍ／Ｒｕ２ｎｍの下地層２、ＩｒＭｎ５ｎｍの下側反強磁性層１２、ＣｏＦｅ４ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ４ｎｍの下側磁化固着層３、Ｃｕ０．３ｎｍの下側非磁性層４Ａ、ＣｕＡｌ積層膜０．９ｎｍを酸化処理した第１の電流制御層８、Ｃｕ０．３ｎｍの下側非磁性層４Ｂ、ＣｏＦｅ１ｎｍ／ＮｉＦｅ４ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍの磁化自由層５、Ｃｕ０．３ｎｍの上側非磁性中間層６Ａ、ＣｕＡｌ積層膜０．９ｎｍを酸化処理した第２の電流制御層９、Ｃｕ０．３ｎｍの上側非磁性中間層６Ｂ、ＣｏＦｅ４ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ４ｎｍの上側磁化固着層７、ＩｒＭｎ５ｎｍの上側反強磁性層１３、Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍの保護層１０からなる積層膜をこの順に成膜し、磁気抵抗効果膜３１を形成する。このプロセスにより積層される磁気抵抗効果膜３１は、図４と同様の構成となる。

以上のプロセスにより形成した磁気ヘッドを実施例６サンプルとする。図４の構成から第１の電流制御層８と第２の電流制御層９とを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを、（比較例５）サンプルとする。さらに、図４の構成から第２の電流制御層９だけを省略した磁気抵抗効果膜を用いて同様のプロセスにより形成した磁気ヘッドを（比較例６）サンプルとする。

各サンプルにつき抵抗値の外部磁場依存性を計測し、抵抗変化率を求めた。またＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）からブレークダウン電圧を測定した。これの結果をまとめると、表３に示される結果が得られた。

実施例６サンプルは、抵抗変化率、ブレークダウン電圧ともに比較例５および６のサンプルよりも高い値を示す。特に、ブレークダウン電圧は５００ｍＶ以上と良好な値を示す。比較例６サンプルの抵抗変化率は比較例３サンプルよりも高いが、ブレークダウン電圧は低下している。このようなことから、実施例３の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子を用いて磁気ヘッドを形成することによっても、高い抵抗変化率と高いブレークダウン電圧とを両立できることが実証された。さらに、実施例３の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子は、実施例２の積層構造を持つ磁気抵抗効果素子に比べ良好な成績を示すことも実証された。

［実施例７］
図７は、図１〜図６に示す磁気抵抗効果素子を搭載可能なハードディスク装置を示す外観斜視図である。本発明に係わる磁気抵抗効果素子は、ハードディスクドライブのプラッタに代表されるような磁気記録媒体に磁気的に記録されるディジタルデータを読み取る磁気再生装置に搭載することが可能である。さらに本発明に係わる磁気抵抗効果素子は、磁気記録媒体にディジタルデータを書き込む機能を併せ持つ磁気記録再生装置に搭載することが可能である。

図７のハードディスク装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いる形式である。図７において、記録用の媒体ディスク２００はスピンドル１５２に装着され、駆動装置制御部（図示せず）からの制御信号に応答するモータ（図示せず）により、矢印Ａの方向に回転駆動される。なお媒体ディスク２００を複数備え、複数プラッタ型としても良い。

媒体ディスク２００に記録される情報の記録／再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられる。ヘッドスライダ１５３は、図５または図６の磁気ヘッドをその先端付近に搭載する。

媒体ディスク２００が回転することにより、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から一定の浮上量で保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。

サスペンション１５４は、駆動コイル（図示せず）を保持するボビン部（図示せず）などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続される。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられる。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた駆動コイル（図示せず）と、このコイルを挟み込むように対向して配置される永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。

アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。

［実施例８］
図８は、図７のハードディスク装置における磁気ヘッドアッセンブリ１６０のアクチュエータアーム１５５から先端の部分をディスク側から眺めた拡大斜視図である。図８において、磁気ヘッドアッセンブリ１６０はアクチュエータアーム１５５を有する。アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続される。サスペンション１５４の先端には、図５または図６の磁気ヘッドを備えるヘッドスライダ１５３が取り付けられる。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、ヘッドスライダ１５３に組み込まれる磁気ヘッドの各電極がリード線１６４に電気的に接続される。リード線１６４は電極パッド１６５に接続される。

図７および図８に示されるように、図１〜図４の磁気抵抗効果素子、ひいては図５、図６の磁気ヘッドを用いてハードディスク装置を実施することにより、既存のハードディスク装置よりもブレークダウン電圧が高く、かつ高い再生出力を得ることが可能となる。ひいては磁気記録密度をさらに向上させ、記録容量の更なる増大を促すことが可能になる。

［他の実施例］
図９は本発明に係わる磁気抵抗効果素子の他の実施例を概略的に示す断面図である。図１において、図示しない基板上に下部電極１、下地層２、下側磁化固着層３、第１の電流制御層８、磁化自由層５、第２の電流制御層９、上側磁化固着層７、保護層１０、上部電極１１がこの順に積層される。

第１の電流制御層８は下側磁化固着層３と磁化自由層５との間に形成される。また第２の電流制御層９は磁化自由層５と上側磁化固着層７との間に形成される。図９の磁気抵抗効果素子は垂直通電型（ＣＰＰ）であり、センス電流は下部電極１と上部電極１１との間に通電される。

図９において、磁化自由層５にはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする金属磁性体を主に用いることができる。磁化固着層３，７にＣｏＰｔなどの硬質磁性膜を主に用いることができる。

上記構成の磁気抵抗効果素子は、外部磁気に感応して磁化自由層５の磁化方向が変化することにより抵抗変化を生じるスピンバルブ構造を有する。また上記構成においては、磁化自由層、非磁性中間層、および、磁化固着層により形成されるユニットが２つ設けられ、各ユニットにより磁化自由層５が共有される、いわゆるデュアルスピンバルブ型である。さらに、電流制御層が各ユニットに１つずつ設けられていることが特徴的であり、ここでは電流制御層が各ユニットの非磁性中間層の役割も担っている。

図１０は、図９の電流制御層８，９の構造を模式的に示す断面図である。
電流制御層４１は、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔａ，Ｗ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｐ，Ｖ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｔｈ，Ｂｅ，Ｃｄ，Ｓｃ，Ｙ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｍｇ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｂおよび希土類金属より選択された少なくとも１種の元素の酸化物、窒化物または酸窒化物を主成分とすることができる。さらに電流制御層４１は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓより選択された少なくとも１種の金属を１％以上５０％以下の範囲で含有することができる。

電流制御層４１を形成するには、上述した元素の合金を酸化、窒化、または酸窒化処理することで得られる。酸化、窒化、または酸窒化処理の方法としては、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入するのみの自然酸化法、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入しながらアルゴン、窒素などのイオンを照射するイオンアシスト酸化（酸窒化）法、酸素、窒素イオンを照射するイオンビーム照射酸化法などがある。

電流制御層４１はその上下の層を電気的に絶縁する絶縁体２３を主体とし、上下の層を電気的に接続する導電体２４が、絶縁体２３に散在して設けられる。この構成において電流が膜面に垂直に流れる場合、電流は導電体２４に絞り込まれて流れる。これが電流狭窄効果であり、外部磁気の変動に応じてセンス電流に対する高い抵抗変化率をもたらす。なお図１０において電流制御層４１の上下の層を磁性層４２Ａ，Ｂとし、たとえば下側層を磁化自由層とし、上側層を磁化固着層とすることができる。これに限らず、電流制御層４１に如何なる層が隣接していても電流狭窄効果を得ることができる。

本実施例に係わる磁気抵抗効果素子では、本質的に導体部分を電流が流れることからオーミック性を有する。よってトンネル性を示す場合とは例えば抵抗の温度依存性が異なることで区別できる。

電流制御層４１の厚みが原子半径程度になると、その上下の層が絶縁体２３を介して分離されている状態が作り出せず、電流を制御すべき部分の絶縁性が低下し、電流狭窄効果が低下してしまう。これを避けるため電流制御層４１の厚みは０．４ｎｍ以上を確保することが望ましい。逆に、厚みが過度になると電流制御層４１の上下の層（図１０では磁性層４２Ａ，４２Ｂ）を導電体２４により接続することが困難になる。よって電流制御層４１の厚みは３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下が望ましい。

ところで、電流制御層４１においてセンス電流は本質的に導電体２４に流れるが、センス電流を流すための電圧は絶縁体２３にも加わることになる。この電圧が絶縁体２３の絶縁耐圧を超えるとブレークダウンを生じ、素子破壊に至る。上記したように電流制御層２１の膜厚を厚くすることは困難であるので、電流制御層２１の厚みにより耐圧を上げることは困難である。

そこで本実施例では、電流制御層４１を複数備えることでブレークダウン電圧を上昇させるようにしている。図９において、例えば電流制御層８のブレークダウン電圧をＶｂ１とし、電流制御層９のブレークダウン電圧をＶｂ２とする。電流制御層８，９は電気的に直列に接続されているので、センス電流を流すための電圧は、電流制御層８，９に分配される。よって磁気抵抗効果素子全体のブレークダウン電圧をＶｂとしたとき、Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２となる。従って本実施例によれば磁気抵抗効果素子のブレークダウン電圧Ｖｂを向上させることができ、特に長期的な信頼性を向上させることが可能になる。またセンス電流を増加させて高い素子出力を得ることが可能になる。

ところで、スピンバルブ磁気抵抗効果素子においては、磁化自由層と、非磁性中間層と、磁化固着層とが１つの組をなし、この組がユニットとして作用する。１つのユニット内に２つの電流制御層を設ける場合には、２つの電流制御層の導電体２４の位置が成膜方向に対して一致している状態において最大限の電流狭窄効果を得られることが判ってきている。しかしながらこの状態を実現することは既存の技術では難しく、多くの場合には各電流制御層の導電体の位置は不揃いになるために、電流狭窄効果が減少する。

そこで本実施例では、各ユニットに設けられる電流制御層の数を１に留め、ユニットを複数設けることで複数の電流制御層を具備する構成としている。このような構成によれば、複数の電流制御層の導電体の位置が一致していなくとも、電流狭窄効果が弱まることを防ぐことができる。従って高い抵抗変化率を確保することが可能となり、これにより高レベルの素子出力を得ることが可能になる。もちろん、デュアルスピンバルブ構造であること自体によっても素子出力を高レベル化できることが知られており、本実施例によればこのことと相俟ってさらに高い素子出力を得ることが可能になる。またさらに高いブレークダウン電圧を得るために、各ユニットに複数の電流制御層を設けることも可能である。

以上をまとめると本実施例では、磁化自由層と、非磁性中間層兼電流制御層と、磁化固着層とからなるユニットを２つ備え、各ユニットにより１つの磁化自由層を共有するデュアルスピンバルブ構造によりＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を形成する。そして、各ユニットに電流制御層を一層ずつ形成されていることで、電流狭窄効果を弱めること無く磁気抵抗効果素子のブレークダウン電圧を上昇させられるようにしている。これにより高い素子出力を得られるとともに信頼性を向上させることが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば各導電性層の積層の順序は図１〜図４、図９、図１０に限られない。要するに、ＣＰＰ型デュアルスピンバルブ磁気抵抗効果素子において、磁化自由層と磁化固着層とを備えるユニットに一層の電流制御層を形成することで本発明の目的は達成される。また各ユニットに非磁性中間層を必ずしも形成する必要は無い。

また図５の磁気抵抗効果膜３１に、図３、図４、および図９のいずれかの磁気抵抗効果膜を適用することも可能である。さらに、図６の磁気抵抗効果膜３１に図１、および図９のいずれかの磁気抵抗効果膜を適用することも可能である。

さらに、本発明は上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係わる技術思想は、ハードディスク装置を代表として、情報を磁気的に記録する媒体からの読み出し技術に好適に利用し得る。さらに、本発明に係わる技術思想は、磁気的に情報を書き換え可能なＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）に適用した場合にも、高い抵抗変化率と高いブレークダウン電圧とを得ることができる。すなわち、抵抗変化率とブレークダウン電圧とを上昇させることができることから、ＭＲＡＭのセルサイズを微細化してもデータの書き込み／読み出しのいずれも確実に実施することができる。

本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第１の実施例を概略的に示す断面図。 図１の電流制御層８，９の断面構造を模式的に示す概念図。 本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第２の実施例を概略的に示す断面図。 本発明に係わる磁気抵抗効果素子の第３の実施例を概略的に示す断面図。 図１〜図４に示す磁気抵抗効果素子を用いて形成される磁気ヘッドの一例を模式的に示す断面図。 図１〜図４に示す磁気抵抗効果素子を用いて形成される磁気ヘッドの他の例を模式的に示す断面図。 図１〜図６に示す磁気抵抗効果素子を搭載可能なハードディスク装置を示す外観斜視図。 図７のハードディスク装置における磁気ヘッドアッセンブリ１６０のアクチュエータアーム１５５から先端の部分をディスク側から眺めた拡大斜視図。 本発明に係わる磁気抵抗効果素子の他の実施例を概略的に示す断面図。 図９の電流制御層８，９の断面構造を模式的に示す概念図。

符号の説明

１…下部電極、２…下地層、３…下側磁化固着層、４（４Ａ，４Ｂ）…下側非磁性中間層、５…磁化自由層、６（６Ａ，６Ｂ）…上側非磁性中間層、７…上側磁化固着層、８…第１の電流制御層、９…第２の電流制御層、１０…保護層、１１…上部電極、１２…下側反強磁性層、１３…上側反強磁性層、２１…電流制御層、２２Ａ，２２Ｂ…非磁性中間層、２３…絶縁体、２４…導電体、３１…磁気抵抗効果膜、３２…下側電極兼シールド層、３３…上側電極兼シールド層、３４…絶縁層、３５…バイアス層、３６…磁性層、３７…反強磁性層、４１…電流制御層、４２（４２Ａ，４２Ｂ）…磁性層、１５０…ハードディスク装置、１５２…スピンドル、１５３…ヘッドスライダ、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…スピンドル、１６０…磁気ヘッドアッセンブリ、１６４…リード線、１６５…電極パッド、２００…媒体ディスク

Claims (14)

1. 複数の導電性層の積層面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular-to-the-Plane)方式による磁気抵抗効果素子であり、磁化自由層と第１の磁化固着層とを備える第１のユニットおよび磁化自由層と第２の磁化固着層とを備える第２のユニットを具備し、前記磁化自由層が前記第１および第２のユニットに共用されるデュアルスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子であって、
   前記第１のユニットに設けられ前記センス電流の流量を制限する第１の電流制御層と、
   前記第２のユニットに設けられ前記センス電流の流量を制限する第２の電流制御層とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１および第２のユニットの少なくとも一方は、前記磁化自由層と前記磁化固着層との間に設けられる非磁性中間層を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１および第２のユニットの少なくとも一方は、前記磁化固着層の磁化方向を固着させる反強磁性層を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１および第２の電流制御層の少なくともいずれか一方は、前記複数の導電性層の界面に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第１および第２の電流制御層の少なくともいずれか一方は、前記複数の導電性層の膜中に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１のユニットが前記非磁性中間層を備える場合に、前記第１の電流制御層は当該非磁性中間層と前記磁化自由層との界面に設けられることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第１のユニットが前記非磁性中間層を備える場合に、前記第１の電流制御層は当該非磁性中間層と前記第１の磁化固着層との界面に設けられることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第１のユニットが前記非磁性中間層を備える場合に、前記第１の電流制御層は当該非磁性中間層の膜中に形成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記第１および第２の電流制御層の少なくともいずれか一方は、隣接する層間を電気的に絶縁する絶縁体と、当該絶縁体内に分散的に形成され前記隣接する層間を電気的に接続して前記センス電流を狭窄的に通過させる導電体とを備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記絶縁体の膜厚は、０．４ｎｍ以上かつ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気ヘッド。
12. 請求項１１に記載の磁気ヘッドと、当該磁気ヘッドを磁気記録媒体の記録面に対して支持する支持機構とを具備することを特徴とするヘッドサスペンションアッセンブリ。
13. 請求項１１に記載の磁気ヘッドを具備し、磁気記録媒体に記録された磁気的情報を前記磁気ヘッドを用いて読み取ることを特徴とする磁気再生装置。
14. 請求項１２に記載のヘッドサスペンションアッセンブリを具備し、磁気記録媒体に記録された磁気的情報を前記磁気ヘッドを用いて読み取ることを特徴とする磁気再生装置。

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