JP2005109241A - 磁気抵抗効果素子及びその製造方法並びに磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 ＢＭＲ効果を用いた磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 ２つの強磁性層１１，１３と、その２つの強磁性層１１，１３の間のナノ接合部１２とが同一平面内に形成された磁気抵抗効果素子１０であって、前記２つの強磁性層間のナノ接合部１２の最大長さを、そのナノ接合部１２の構成材料のフェルミ長以下にすることにより、上記課題を解決する。こうした磁気抵抗効果素子１０は、基板１４上に強磁性材料からなる層を形成する強磁性層形成工程と、形成された層をパターニングして、前記２つの強磁性層１１，１３を連結するナノ接合部１２の最大長さを前記強磁性材料のフェルミ長以下にするパターニング工程とを有する方法により製造される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びにその磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドに関し、更に詳しくは、ＢＭＲ（Ballistic Magneto Resistance）効果を有する磁気抵抗効果素子の構造及びその製造方法等に関するものである。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲという。giant magnetoresistance effect）は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造の面内に電流を流した場合に発現する大きな磁気抵抗変化を示す現象である。このＧＭＲを持つ磁気抵抗効果素子については、さらに大きな磁気抵抗変化率の発現を求めて活発に研究がなされてきた。現在まで、強磁性トンネル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発され、磁気センサーや磁気記録の再生素子として有望視されている。

磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められ、大きな磁気抵抗変化率を示す素子の開発が要請されている。

最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」が報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。その磁気微小接点は、針状に加工した２つの強磁性体又は三角形状に加工した２つの強磁性体を角付き合わせて作製されている。さらにごく最近、２本の細いＮｉワイヤをＴ字に配置し、電着法を用いて接触部に微小コラムを成長させた磁気微小接点が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。こうした素子が発現する極めて高いＭＲ比は、磁化の向きが反並行である２つの強磁性層間に形成された磁気微小接点に存在する磁区のスピントランスポートに起因するものと考えられている。この特性を有する磁気微小接点を利用した磁気抵抗効果素子は、その磁気微小接点で電子が不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられることから、Ballistic Magneto Resistance素子（ＢＭＲ素子）と呼ばれている。

さらに、最近、こうした磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子についても報告されている。例えば、下記特許文献１には、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層とからなり、絶縁層の所定位置に第１の強磁性層と第２の強磁性層とが接続される最大幅が２０ｎｍ以下の開口を有する孔が設けられた磁気抵抗効果素子が報告されている。また、下記特許文献２には、狭窄部を介して相互に連結された２つの磁性層を有し、その狭窄部の幅が１００ｎｍ程度の磁気抵抗効果素子が報告されている。
N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters,vol.82, p2923 (1999) N.Garcia, G.G.Qian, and I.G.Sveliev, Appl.Phys.Lett.,vol.80,p1785(2002) 特開２００３−２０４０９５号公報 特表平１１−５１０９１１号公報

しかしながら、ＢＭＲ素子の磁気ヘッドへの応用を考慮すると、媒体表面から漏洩する磁界に感応するフリー層（以下においては、自由層という。）の寸法は、数十ナノメータ程度に微細化される。例えば、記録密度１Tbits/in^２の場合、その寸法は４０〜５０ｎｍである。極めて高いＭＲ比を実現可能なＢＭＲ素子においては、磁気微小接点（以下、ナノ接合部という。）の磁区構造がＢＭＲ効果の鍵であり、より微細化が進むと微細な自由層の端面からは強い減磁界が発生すると共に、耐熱的安定性も著しく低下するという問題がある。したがって、ＢＭＲ素子においては、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することが実用上は極めて重要な課題となる。

本発明は、上記のような種々の問題及び課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、ＢＭＲ効果を有する磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、そうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供することにある。本発明の第３の目的は、上記効果を有する磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。

上記第１の目的を達成する本発明の磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層と、当該２つの強磁性層の間のナノ接合部とが同一平面内に形成され、前記２つの強磁性層間でに形成されたナノ接合部の最大長さが、当該ナノ接合部の構成材料のフェルミ長以下であることを特徴とする。本発明においては、その同一平面に形成されたナノ接合部は、単数又は複数（すなわち、１又は２以上）存在してもよい。

この発明によれば、２つの強磁性層間で且つ同一平面内に形成されたナノ接合部の最大長さがそのナノ接合部の構成材料のフェルミ長以下であるので、ＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができると共に、その構成に由来する静磁エネルギーの低減作用と、端面に発現する静磁荷の発生を抑圧する作用とにより、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記の磁気抵抗効果素子において、前記２つの強磁性層とナノ接合部とが、スピン分極率０．５以上の同一の強磁性材料で形成されていることが好ましい。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記の磁気抵抗効果素子において、前記２つの強磁性層は、前記ナノ接合部側に第１の絞り角度θ_１を有する第１の強磁性層、及び、前記ナノ接合部側に第２の絞り角度θ_２を有する第２の強磁性層であり、前記第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２が、磁気抵抗変化率を最大又は略最大にするように１０°以上９０°以下の範囲内で形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、第１の絞り角度θ_１と第２の絞り角度θ_２が磁気抵抗変化率を最大又は略最大にするように形成されているので、より高感度の信号検出を行うことができる。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記の磁気抵抗効果素子において、前記第１の強磁性層は、自由層であり、前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であることを特徴とする。この場合において、(i)前記第２の強磁性層の磁化の向きが、当該第２の強磁性層を挟むように隣接して設けられた永久磁石層又は当該第２の強磁性層上に設けられたインスタックバイアス層で固定されていることが好ましく、(ii)前記第１の強磁性層の磁化の向きが、当該第１の強磁性層を挟むように隣接して設けられた永久磁石層又は当該第１の強磁性層上に設けられたインスタックバイアス層で規制されていることが好ましい。

この発明によれば、(i)においては、第２の強磁性層の磁化のピンニングの度合いを強めることができるので、形状異方性の寄与が少ない場合に磁気抵抗効果を高めるのに有利である。さらに、第２の強磁性層である固定層は、その磁化方向が媒体に垂直に向くように配置され且つその媒体からの距離が遠いので、媒体の磁化転移領域から発生する磁界の影響を受け難く、安定な再生動作を保持できる。また、(ii)では、媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する自由層において、その容易軸の方向を媒体と平行にすることができる。また、自由層の容易軸の方向を媒体に垂直に立て、固定層の磁化の方向と平行にすることもできる。

上記第２の目的を達成する本発明の磁気ヘッドは、上述した本発明の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。

この発明によれば、自由層の磁区やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、磁気ヘッドの安定性も向上する。

上記第３の目的を達成する本発明の上記の磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層と当該２つの強磁性層の間のナノ接合部とが同一平面内に形成された磁気抵抗効果素子の製造方法であって、基板上に強磁性材料からなる層を形成する強磁性層形成工程と、形成された強磁性材料からなる層をパターニングして、前記２つの強磁性層間のナノ接合部の最大長さを前記強磁性材料のフェルミ長以下にするパターニング工程と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、ＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができると共に、その構成に由来する静磁エネルギーの低減作用と端面に発現する静磁荷の発生を抑圧する作用とにより、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することができる磁気抵抗効果素子の製造を、基板上に強磁性材料からなる層を形成し、その層をパターニングする簡単な方法で行うことができる。磁気抵抗効果素子をこうした簡単な方法で製造できるので、品質が安定した磁気抵抗効果素子を歩留まりよく製造することが可能となる。

本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記磁気抵抗効果素子の製造方法が有するパターニング工程において、前記強磁性材料からなる層を、前記ナノ接合部側に第１の絞り角度θ_１を有する第１の強磁性層と、前記ナノ接合部側に第２の絞り角度θ_２を有する第２の強磁性層とにパターニングすると共に、前記第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２を、磁気抵抗変化率が最大又は略最大になるように、１０°以上９０°以下の範囲内でパターニングすることを特徴とする。

この発明によれば、磁気抵抗変化率が最大又は略最大になるように調整される第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２を、簡単なパターニング法で調整できる。

本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記磁気抵抗効果素子の製造方法において、（１）前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であり、当該磁化の向きと同じ方向の磁化を有する永久磁石層を、前記第２の強磁性層を挟むように同一平面内に隣接して設ける永久磁石層形成工程、又は、（２）前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であり、当該第２の強磁性層上にインスタックバイアス層を形成するインスタックバイアス層形成工程、をさらに有することを特徴とする。

本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記磁気抵抗効果素子の製造方法において、前記インスタックバイアス層形成工程が、前記第２の強磁性層上に、非磁性層、前記強磁性材料と同一又は異なる強磁性材料からなる強磁性層、及び反強磁性層を順次形成する工程であることを特徴とする。

本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記磁気抵抗効果素子の製造方法において、（イ）前記第１の強磁性層が自由層であり、当該第１の強磁性層を単磁区化するための永久磁石層を、当該第１の強磁性層を挟むように同一平面内に隣接して設ける永久磁石層形成工程、又は、（ロ）前記第１の強磁性層が自由層であり、当該第１の強磁性層上にインスタックバイアス層を形成するインスタックバイアス層形成工程、をさらに有することを特徴とする。

本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記磁気抵抗効果素子の製造方法において、前記インスタックバイアス層形成工程が、前記第１の強磁性層上に、非磁性層、前記強磁性材料と同一又は異なる強磁性材料からなる強磁性層、及び反強磁性層を順次形成する工程であること好ましい。

以上説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、２つの強磁性層とその強磁性層間のナノ接合部とが同一平面内に形成された構造を有するので、得られる磁気抵抗効果素子は簡単な構造であると共に、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することができる。その結果、自由層及びナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。

本発明の磁気ヘッドによれば、安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、安定性に優れた高性能な磁気ヘッドを提供できる。

本発明の上記の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することができる磁気抵抗効果素子の製造を、簡単な方法で行うことができるので、品質が安定した磁気抵抗効果素子を歩留まりよく製造することが可能となる。

以下、本発明の磁気抵抗効果素子及びその製造方法並びにその磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドについて、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明の範囲は制限されない。

（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す平面図である。

本発明の磁気抵抗効果素子１０は、図１に示すように、２つの強磁性層１１，１３と、その２つの強磁性層１１，１３の間のナノ接合部１２とが同一平面内に形成されている。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０は、例えば基板１４上に、ナノ接合部１２を挟むように２つの強磁性層１１，１３が略対称位置に配置され、更に言い換えれば、基板上に２つの強磁性層１１，１３を繋ぐように微小なナノ接合部１２が設けられている。なお、図１は、同一平面内に１つのナノ接合部が形成されている態様を示しているが、例えば後述するように、２以上の複数存在してもよい（図８を参照）。

（ナノ接合部）
ナノ接合部１２は、スピン分極率が０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）等の強磁性金属群、ＣｒＯ_２（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性半金属群、及びＦｅ_３Ｏ_４（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性酸化物群から選択される材料が好ましく用いられる。なお、特に好ましい強磁性材料としては、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅを挙げることができる。

図２は、図１の磁気抵抗効果素子を構成するナノ接合部１２の拡大図である。ナノ接合部１２の最大長さは、フェルミ長以下の長さになっている。

このナノ接合部１２は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合にそのナノ接合部１２を通る水平線を引いたときの断面に現れる形状として、円形、楕円形、角形（三角形、四角形、等々）又はそれらに近似する形状で形成される。そのため、ナノ接合部１２の最大長さとは、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合の幅方向においては、ナノ接合部１２の断面に現れる図形形状の最大長さ（最大断面長さ）ｄ１と規定できる。また、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合におけるナノ接合部１２の幅方向に直交する方向においては、幅方向の長さｄ１がフェルミ長以下となる領域が、その幅方向に直交する方向の長さｄ２でもフェルミ長以下となる領域のことである。

こうしたナノ接合部１２は、幅方向の長さｄ１と幅方向に直交する方向の長さｄ２とで表すことができる。

ナノ接合部１２の幅方向の長さｄ１はフェルミ長以下である。そして、そのフェルミ長は材料固有の値であり、ナノ接合部１２を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は６０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるので、フェルミ長以下とは、概ね１００ｎｍ以下、乃至６０ｎｍ以下と規定することができる。フェルミ長の具体例としては、例えばＮｉは約６０ｎｍであり、Ｃｏは約１００ｎｍである。

ナノ接合部１２の幅方向の長さｄ１は、平均自由工程以下であることが更に好ましい。平均自由工程も材料固有の値であり、ナノ接合部１２を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は５ｎｍ〜１５ｎｍ程度であるので、平均自由工程以下とは、１５ｎｍ以下、乃至５ｎｍ以下と規定することができる。平均自由工程の具体例としては、例えばＮｉＦｅは約５ｎｍであり、Ｃｏは約１２ｎｍである。

一方、ナノ接合部１２の幅方向に直交する方向の長さｄ２（図１及び図２を正面視した場合においては上下方向の長さ）も、上記の幅方向の長さｄ１と同様に、フェルミ長以下であることが好ましい。具体的には上記と同様に「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することが好ましい。また、その長さｄ２が平均自由工程以下であることが更に好ましく、具体的には上記と同様に「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」とすることができる。

ナノ接合部１２の幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長を超えた寸法である場合は、磁化が反並行の場合にナノ接合部１２の磁壁は非常に厚くなり、そのナノ接合部１２を通過する電子はスピン情報を保つことが難しくなる。その結果として、磁化の方向の変化に起因した磁気抵抗効果が得られ難くなることがある。従って、本発明においては、その寸法がフェルミ長以下、特にスピン情報をよく保つことができる点で効果のある平均自由工程以下であることが望ましい。

ナノ接合部１２の最大長さ、すなわち幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長以下になると、そのナノ接合部１２が極薄磁壁の発生部となり、そのナノ接合部１２を挟む態様で設けられている２つの強磁性層１１，１３の間の相対的な磁化の配置関係を変化させることができる。これにより２つの強磁性層１１，１３の間の電気抵抗が変化する。本発明の磁気抵抗効果素子の場合、基本的に、磁場印加方向を変えても電気抵抗が磁場により減少する磁場領域が存在することから、ここで発生する磁気抵抗効果は、ナノ接合部１２の部分で形成された磁壁により発生する磁気抵抗効果であるといえる。ここで、ナノ接合部１２の磁壁は、磁化方向を異にする２つの部分（ナノ接合部１２を挟む２つの強磁性層１１，１３）の遷移領域として作用する。そして、本発明においては、磁化方向及び印加磁場の大きさに応じて５０％以上の大きな磁気抵抗効果が発生する。

すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０においては、同一平面内の２つの強磁性層１１，１３との間に設けられるナノ接合部１２の最大長さ（幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２）がフェルミ長以下であるので、ＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができると共に、その構成に由来する静磁エネルギーの低減作用と、端面に発現する静磁荷の発生を抑圧する作用とにより、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することができる。

こうしたナノ接合部１２は、ナノリソグラフィマイクロファブリケーション等の微細加工手段により精度よく形成される。このナノ接合部１２を備えた本発明の磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すので、そのナノ接合部１２において、電子は不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられる。なお、磁気抵抗変化率とは、ＭＲ比（△Ｒ／Ｒ）のことであり、磁界強度が充分強いときの電気抵抗Ｒと、印加磁場を変化させたときの電気抵抗変化ΔＲとの比で定義されている。

（強磁性層）
次に、ナノ接合部１２を挟むように形成されている２つの強磁性層１１，１３について説明する。

ナノ接合部１２を挟むように形成されている２つの強磁性層１１，１３は、ナノ接合部側に第１の絞り角度θ_１を有する第１の強磁性層１１と、ナノ接合部側に第２の絞り角度θ_２を有する第２の強磁性層１３とから構成される。

第１の強磁性層１１は、自由層であり、その第１の強磁性層１１に現れる磁化の向きは、図１に示すように、ナノ接合部１２から遠ざかる方向に直交する方向となっている。その方向は、後述する第２の強磁性層１３である固定層の磁化の方向と直交する。

（第１の強磁性層）
第１の強磁性層１１である自由層は、媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する作用を有する層である。本発明の磁気抵抗効果素子においては、基板１４上に、又は、基板１４と第１の強磁性層１１との間に、若しくは第１の強磁性層１１上に、永久磁石層又はインスタックバイアス層を設けることにより、その容易軸の磁化方向を媒体と平行に規制しておくことが好ましい。こうすることにより、媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する自由層において、その容易軸の方向を媒体と平行にすることができる。一方、自由層の容易軸の方向を媒体に垂直に立て、固定層である第２の強磁性層１３の磁化の方向と平行にすることもできる。

永久磁石層１５は、自由層である第１の強磁性層１１を単磁区化するように作用し、例えば図３に示すように、第１の強磁性層１１の磁化の方向が媒体１６と平行になるように、第１の強磁性層１１を左右から挟むように隣接した態様で基板１４上に設けられる。このとき、永久磁石層１５を第１の強磁性層１１等と同一平面内に設けることが好ましい。永久磁石層１５を形成するための永久磁石材料としては、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｔＲｈ，ＣｏＰｔＢ，ＣｏＣｒＢＰｔ等が挙げられ、通常２〜２０ｎｍ程度の厚さで形成される。なお、ここで「左右」とは、図３を正面視した場合における左右方向を指している。

インスタックバイアス層２０は、反強磁性層２３の交換結合を利用する層であり、例えば図４（ａ）（ｂ）に示すように、第１の強磁性層１１上に、非磁性層２１、強磁性層２２及び反強磁性層２３の順で積層することにより形成される。

ここで、非磁性層２１は、その下地層をなす第１の強磁性層１１と、その被覆層をなす強磁性層２２との交換結合の度合いを調整する層であり、Ｔａ又はＣｕが好ましく用いられ、通常０．５〜３ｎｍ程度の厚さで形成されている。

非磁性層２１上に形成される強磁性層２２は、自由層である第１の強磁性層１１を安定させるように作用する層であり、例えば既述したＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等の強磁性金属群、ＣｒＯ_２等の強磁性半金属群、及びＦｅ_３Ｏ_４等の強磁性酸化物群から選択される強磁性材料が好ましく用いられ、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。このとき、選ばれる強磁性材料と、第１の強磁性層１１を構成する強磁性材料とは、同じであっても異なっていてもよいが、同じ材料で形成することが安定した製造を実現する上で好ましい。

前記の強磁性層２２の上に設けられる反強磁性層２３は、交換結合により強磁性層２２の磁化を固定するように作用する層であり、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＯ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭ等が好ましく用いられ、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。反強磁性層２３を設けることにより、交換結合が誘起され、自由層として作用する第１の強磁性層１１の磁化の容易軸を固定することができる。その結果、単磁区構造になり、安定性及び線形性の高い動作が可能である。

なお、図４に示すように、本発明の磁気抵抗効果素子１０は、素基板１７の上にバッファ層１８が形成された基板１４上に形成される。素基板１７としては、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化物基板、ＡｌＴｉＣ基板等が用いられる。バッファー層１８は、２つの強磁性層１１，１３を構成する強磁性材料の結晶性を高めるために設けられるものであり、例えば、Ｔａ層、ＮｉＣｒ層、Ｃｕ層等が挙げられる。２つの強磁性層１１，１３を構成する強磁性材料は、真空蒸着やスパッタリング等の成膜手段により、バッファー層１８上に厚さ数ナノメータから数十ナノメータのオーダーで成膜される。

（第２の強磁性層）
第２の強磁性層１３は、磁化の向きがナノ接合部１２から遠ざかる方向に固定された固定層である。ここで、磁化の向きがナノ接合部１２から遠ざかる方向とは、例えば図１を正面視した場合において、微小なナノ接合部１２を起点とし、その起点から上方に向かって延びる方向のことであり、上記の第１の強磁性層１１における磁化の向きと直交する方向のことである。

本発明においては、第２の強磁性層１３の磁化の向きが、永久磁石層又はインスタックバイアス層で固定されていることが好ましい。こうした永久磁石層又はインスタックバイアス層での固定により、磁化のピンニングの度合いを強くすることができるので、形状異方性の寄与が少ない場合に磁気抵抗効果を高めるのに有利である。

永久磁石層３２での固定は、図５（ｂ）に示すように、第２の強磁性層１３の磁化の方向をナノ接合部１２から遠ざかる方向と同じにするように、永久磁石層３２が、第２の強磁性層１３を左右から挟むように隣接した態様で基板１４上に設けられる。

永久磁石層３２を形成するための永久磁石材料としては、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｔＲｈ，ＣｏＰｔＢ，ＣｏＣｒＢＰｔ等が挙げられ、通常２〜２０ｎｍ程度の厚さで形成される。なお、ここで「左右」とは、図２を正面視した場合における左右方向を指している。

永久磁石層３２は、図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、永久磁石層３２を成膜する基板１４面が露出するようにレジスト膜３１を形成した後、そのレジスト膜３１の全面に永久磁石層３２を形成し、その後、レジスト膜上に形成された永久磁石層をリフトオフして除去することにより、図５（ｂ）に示す態様で形成される。

インスタックバイアス層２０での固定は、図４を用いて既に説明したのと同様の原理により、反強磁性層２３の交換結合を利用するものであり、図６（ｃ）に示すように、第２の強磁性層１３の磁化の方向がナノ接合部１２から遠ざかる方向と同じにするように、第２の強磁性層１３上に設けられる。

具体的には、上述した第１の強磁性層１１の場合と同様の態様で形成され（図４を参照）、第２の強磁性層１３上に、非磁性層２１、強磁性層２２及び反強磁性層２３の順で積層することにより形成される。

ここで、非磁性層２１は、その下地層をなす第２の強磁性層１３と、その被覆層をなす強磁性層２２との交換結合の度合いを調整する層であり、Ｔａ又はＣｕが好ましく用いられ、通常０．５〜３ｎｍ程度の厚さで形成されている。

非磁性層２１上に形成される強磁性層２２は、固定層である第２の強磁性層１３を安定させるように作用する層であり、例えば既述したＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等の強磁性金属群、ＣｒＯ_２等の強磁性半金属群、及びＦｅ_３Ｏ_４等の強磁性酸化物群から選択される強磁性材料が好ましく用いられ、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。このとき、選ばれる強磁性材料と、第２の強磁性層１３を構成する強磁性材料とは、同じであっても異なっていてもよいが、同じ材料で形成することが安定した製造を実現する上で好ましい。

前記の強磁性層２２の上に設けられる反強磁性層２３は、交換結合により強磁性層２２の磁化を固定するように作用する層であり、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＯ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ等が好ましく用いられ、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。反強磁性層２３を設けたことにより、交換結合が誘起され、固定層として作用する第２の強磁性層１３の磁化の容易軸を固定することができる。その結果、固定層の磁化の方向を固定できるので、素子全体の安定性を向上させることができる。

インスタックバイアス層２０による固定は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、先ず、フォトリソグラフィーにより、インスタックバイアス層２０を成膜する部分が露出するようにレジスト膜３１を形成した後、そのレジスト膜３１の全面に非磁性層２１、強磁性層２２及び反強磁性層２３の順で積層し、その後、レジスト膜３１上に形成された各層をリフトオフして除去することにより、図６（ｃ）に示す態様で形成される。

（絞り角度）
次に、第１の強磁性層１１のナノ接合部側の形状及び第２の強磁性層１３のナノ接合部側の形状について説明する。

本発明の磁気抵抗効果素子１０は、第１の強磁性層１１がナノ接合部１２に向かって所定の絞り角度θ_１で形成されていると共に、第２の強磁性層１３がナノ接合部１２に向かって所定の絞り角度θ_２で形成されている。このとき、両者の絞り角度θ_１、θ_２は、１０°以上９０°以下の範囲内で形成されていることが好ましい。その範囲内での最適値は、得られた磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率を最大又は略最大にするよう選ばれる。

第１の強磁性層１１のナノ接合部側の絞り角度θ_１は、形状異方性の付与による軟磁気特性の劣化を抑制するため、言い換えれば、保磁力の増加を抑制するため、９０°近く（例えば、７５°〜９０°）に設定することが望ましい。

一方、第２の強磁性層１３のナノ接合部側の絞り角度θ_２は、ナノ接合部１２の感度に対する影響が大きいため、例えば、１０°〜６０°に設定することが望ましい。

（磁気抵抗効果素子の製造方法）
本発明の磁気抵抗効果素子１０は、基板１４上に強磁性材料からなる層を形成する強磁性層形成工程と、形成された強磁性層をパターニングして、前記２つの強磁性層間のナノ接合部１２の最大長さを前記強磁性材料のフェルミ長以下にするパターニング工程と、を有する方法により製造される。図７は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を示す工程説明図である。

強磁性層形成工程は、基板上に強磁性材料からなる層を形成する工程である。素基板１７としては、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化物基板、ＡｌＴｉＣ基板等が用いられる。この素基板１７上には、バッファー層１８が設けられていることが好ましい。バッファー層１８は、２つの強磁性層１１，１３を構成する強磁性材料の結晶性を高めるために設けられるものであり、例えば、Ｔａ層、ＮｉＣｒ層、Ｃｕ層等が挙げられる。

強磁性材料からなる層７１は、図７（ａ）に示すように、バッファー層１８が形成された基板１４上に、真空蒸着やスパッタリング等の成膜手段により、厚さ数ナノメータから数十ナノメータのオーダーで成膜される。

次に、形成された強磁性材料からなる層をパターニングして、本発明の磁気抵抗効果素子を製造する。パターニングにより、所定の形状からなる２つの強磁性層１１，１３と、その２つの強磁性層１１，１３間に位置する微小形状のナノ接合部１２とを形成する。

パターニングは、図７（ｂ）に示すように、先ず、強磁性材料からなる層７１上にレジスト膜７２を形成し、次いで、図７（ｃ）に示すように、ナノ接合部１２の形状パターンを制御するための電子ビームを照射し、レジスト膜７２が所定形状にパターニングされる。そして、図７（ｃ）に示すように、イオンミリングとリフトオフを行って、図７（ｄ）に示す磁気抵抗効果素子が製造される。

このパターニング工程により、ナノ接合部１２の最大長さが、そのナノ接合部１２を構成する強磁性材料のフェルミ長以下に加工される。また、図７（ｄ）において、下部の第１の強磁性層１１は自由層を示し、その寸法ＬとＤが対応する記録密度に対して最適化するように加工される。また、図１にも示した第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２は、磁気抵抗変化率が最大又は略最大になるように、１０°から９０°の範囲となるようにパターニングされるが、第２の絞り角度θ_２は形状異方性の付与による軟磁気特性の劣化、換言すれば保磁力の増加を抑えるために９０°近く（例えば、７５°〜９０°）になるように加工される。

なお、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、同一平面内に２つ以上の複数のナノ接合部１２が存在してもよく、例えば図８に示すように、同一平面上にナノ接合部が３つ形成されている態様であってもよい。２以上のナノ接合部１２を設けた場合には、ＭＲ値が若干減少するという難点があるものの、単一のナノ接合部１２を有する場合と比較して素子ごとのＭＲ値のバラツキを低減でき、安定したＭＲ特性を再現することが容易となる。

また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、第１の強磁性層１１の磁化の向きを規制することを目的とした永久磁石層形成工程とインスタックバイアス層形成工程は、上記の第１の強磁性層１１の説明欄及び図２〜図４で既述したとおりである。

また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法において、第２の強磁性層１３の磁化の向きを固定することを目的とした永久磁石層形成工程とインスタックバイアス層形成工程は、上記の第２の強磁性層１３の説明欄及び図５、図６で既述したとおりである。

また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、ナノ接合部１２を形成する材料と、そのナノ接合部１２に隣接する強磁性層１１，１３を形成する材料とが同じなので、単一材料での成膜技術とエッチング技術や、グラニュラー構造の成膜技術を用いることができるので、作製が容易になる。

（磁気ヘッド）
図９と図１０は、上述した本発明の磁気抵抗効果素子１０を垂直記録媒体の読み取り素子として使用した態様の模式図を示している。図９は、垂直記録媒体の読み取り時（再生動作時）における磁気抵抗効果素子の磁化状態を模式的に示したものであり、図１０は、再生動作の原理を模式的に示したものである。

本発明の磁気抵抗効果素子において、図９及び図１０を正面視した場合の上部に位置する固定層の磁化は、第２の強磁性層１３を挟むように隣接して設けられた永久磁石層３２又は第２の強磁性層１３上に設けられたインスタックバイアス層２０の作用により、媒体９１に垂直に向いており且つ媒体９１からの距離が遠いため、媒体９１の磁化転移領域から発生する磁界の影響を受けにくい。その結果、こうした磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドは安定な再生動作を保持できる。なお、符号９２はシールド部材を表している。

一方、本発明の磁気抵抗効果素子において、図９及び図１０を正面視した場合の下部に位置する自由層の容易軸の方向は媒体と平行であるが、その容易軸の磁化は媒体の磁化転移領域から発生する磁界に敏感に感応して回転する。なお、磁気ヘッドとして用いる磁気抵抗効果素子は、その２つの強磁性層１１，１３が、外部電極で接合される。

図１１は、固定層である第２の強磁性層１３と自由層である第１の強磁性層１１の磁化の方向が異なる磁気抵抗効果素子の例を示す模式図である。図１１（ａ）は、自由層である第１の強磁性層１１の容易軸が媒体に平行で且つ固定層である第２の強磁性層１３の磁化の方向と直交する向きに形成された態様であり、図１１（ｂ）は、自由層である第１の強磁性層１１の容易軸が媒体に垂直で且つ固定層のである第２の強磁性層１３の磁化の方向と平行な向きに形成された態様である。図１１（ａ）の態様については、既に記載した通りであるが、図１１（ｂ）の態様については、外部磁界に対応する応答が線形でなく、スイッチング的応答のため、ＭＲＡＭへの応用に適している。

以上のように、磁気ヘッドに装着された本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば水平磁化膜からなる記録媒体に対しては、その記録媒体に対向配置された自由層の容易軸の方向がその記録媒体の磁化方向と平行となり、その容易軸の磁化は記録媒体の磁化転移領域から発生する磁界に敏感に感応して回転する。その結果、ナノ接合部を流れるセンス電流が変化し、記録媒体の漏れ磁場を極めて感度よく読みとることができる。本発明の磁気抵抗効果素子は、５０％以上の磁気抵抗効果を示し、センス電流を感度よく検出することができるので、感度のロスが少ないと共に、安定性に優れた磁気ヘッドとすることができる。

本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す平面図である。 図１のナノ接合部の拡大図である。 永久磁石層を設けた本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す平面図である。 インスタックバイアス層を設けた本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す平面図及び断面図である。 永久磁石層の形成工程の一例を示す説明図である。 インスタックバイアス層の形成工程の一例を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例を示す工程説明図である。 同一平面上にナノ接合部が３つ形成されている態様を示す平面図である。 垂直記録媒体の読み取り時における磁気抵抗効果素子の磁化状態の一例を示す模式図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの再生動作を示す模式図である。 固定層と自由層の磁化の方向が異なる磁気抵抗効果素子の例を示す模式図である。

符号の説明

１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 第１の強磁性層
１２ ナノ接合部
１３ 第２の強磁性層
１４ 基板
１５、３２ 永久磁石層
１６、９１ 媒体
１７ 素基板
１８ バッファー層
２０ インスタックバイアス層
２１ 非磁性層
２２ 強磁性層
２３ 反強磁性層
３１、７２ レジスト膜
７１ 強磁性材料からなる層
９２ シールド部材

Claims (15)

1. ２つの強磁性層と、当該２つの強磁性層の間のナノ接合部とが同一平面内に形成され、前記２つの強磁性層間のナノ接合部の最大長さが、当該ナノ接合部の構成材料のフェルミ長以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記２つの強磁性層とナノ接合部とが、スピン分極率０．５以上の同一の強磁性材料で形成されてい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２つの強磁性層は、前記ナノ接合部側に第１の絞り角度θ_１を有する第１の強磁性層、及び、前記ナノ接合部側に第２の絞り角度θ_２を有する第２の強磁性層であり、
   前記第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２が、磁気抵抗変化率を最大又は略最大にするように１０°以上９０°以下の範囲内で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１の強磁性層は、自由層であり、
   前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第２の強磁性層の磁化の向きが、当該第２の強磁性層を挟むように隣接して設けられた永久磁石層又は当該第２の強磁性層上に設けられたインスタックバイアス層で固定されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１の強磁性層の磁化の向きが、当該第１の強磁性層を挟むように隣接して設けられた永久磁石層又は当該第１の強磁性層上に設けられたインスタックバイアス層で規制されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。
8. ２つの強磁性層と当該２つの強磁性層の間のナノ接合部とが同一平面内に形成された磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   基板上に強磁性材料からなる層を形成する強磁性層形成工程と、
   形成された強磁性材料からなる層をパターニングして、前記２つの強磁性層間のナノ接合部の最大長さを前記強磁性材料のフェルミ長以下にするパターニング工程と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
9. 前記パターニング工程において、
   前記強磁性材料からなる層を、前記ナノ接合部側に第１の絞り角度θ_１を有する第１の強磁性層と、前記ナノ接合部側に第２の絞り角度θ_２を有する第２の強磁性層とにパターニングすると共に、
   前記第１の絞り角度θ_１及び第２の絞り角度θ_２を、磁気抵抗変化率が最大又は略最大になるように、１０°以上９０°以下の範囲内でパターニングすることを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
10. 前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であり、当該磁化の向きと同じ方向の磁化を有する永久磁石層を、前記第２の強磁性層を挟むように同一平面内に隣接して設ける永久磁石層形成工程をさらに有することを特徴とする請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
11. 前記第２の強磁性層は、磁化の向きがナノ接合部から遠ざかる方向に固定された固定層であり、当該第２の強磁性層上にインスタックバイアス層を形成するインスタックバイアス層形成工程をさらに有することを特徴とする請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
12. 前記インスタックバイアス層形成工程が、前記第２の強磁性層上に、非磁性層、前記強磁性材料と同一又は異なる強磁性材料からなる強磁性層、及び反強磁性層を順次形成する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
13. 前記第１の強磁性層が自由層であり、当該第１の強磁性層を単磁区化するための永久磁石層を、当該第１の強磁性層を挟むように同一平面内に隣接して設ける永久磁石層形成工程をさらに有することを特徴とする請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
14. 前記第１の強磁性層が自由層であり、当該第１の強磁性層上にインスタックバイアス層を形成するインスタックバイアス層形成工程をさらに有することを特徴とする請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
15. 前記インスタックバイアス層形成工程が、前記第１の強磁性層上に、非磁性層、前記強磁性材料と同一又は異なる強磁性材料からなる強磁性層、及び反強磁性層を順次形成する工程であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。

Images