JP2005285936A - 磁気抵抗効果素子、磁気再生ヘッド、および磁気再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポイントコンタクトによる大きな抵抗変化量を、安定して再現よく実現させるための垂直通電型磁気抵抗効果素子の提供。
【解決手段】 (Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第１の磁性体膜１１を有する磁化固着層１と、 (Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第２の磁性体膜５１を有する磁化自由層５と、磁化固着層に接する第１の表面と前記磁化自由層に接する第２の表面を備える絶縁体層３１と、第１の表面から第２の表面に伸び第１および第２磁性体膜に接する｛(Ni100-yFey)100-zCoｚ｝100-x Mx(0≦x≦40, 0≦y≦30,0≦z≦30)、MはCu、Pd、Pt、B、N、Au、Ag)からなる金属磁性体３３を備える中間層と、層１、５および３からなる積層体の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気再生ヘッド並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関する。

近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなってきている。このため、小さい相対速度であっても、大きな出力が取り出せる高感度のＭＲヘッドが必要とされつつある。

このような要求に対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層というサンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合しない場合でも、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。すなわち、非磁性層を挟んだ２層の強磁性層の一方に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定（「磁化固着層」あるいは「ピン層」などと称される）しておき、他方の強磁性層を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる（「磁化自由層」あるいは「フリー層」などと称される）。このようにして、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は、「スピンバルブ（spin-valve）」と呼ばれている。

以上述べたＭＲ素子は、センス電流を素子膜面内に対して平行な方向に通電して利用されている（Current−in−plane：ＣＩＰ）。これに対して、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に通電する（Current-perpendicular-to-plane：ＣＰＰ）と、ＣＩＰの１０倍程度の磁気抵抗変化率が得られるとの報告がある。しかし、スピンバルブ構造は、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、垂直通電した場合の抵抗自体が小さく、出力絶対値も小さくなってしまうという問題があった。すなわち、従来、ＣＩＰに用いている積層構造のスピンバルブに垂直通電すると、ピン層およびフリー層の厚さが５ｎｍ相当の場合、１μｍ²あたりの出力絶対値ＡΔＲ（通電面積×抵抗変化量）は、約０．５ｍΩμｍ²と小さい。ところが、このCPP-GMRにも限界があり、たとえ乱れのないきれいなスピンバルブ膜ができたとしても、MRは３０から４０％程度に留まると予想され、実際そのような理想的なスピンバルブを作成することは非常に困難である。

一方、原子オーダーでの磁性金属接合部分（ポイントコンタクト）において伝導が量子化されることが報告され（非特許文献１）、非常に大きな抵抗変化率が得られる可能性があることから盛んに研究がなされている（非特許文献２）。
Phys. Rev. Let. 82 2923(1999) Phys. Rev. B, 66 020403R (2002)

上述の通り、ポイントコンタクトによる量子化された伝導によれば大きな抵抗変化率が得られるが、このような抵抗変化率は、ポイントコンタクトが1箇所（ないし多くても数箇所）存在する場合にのみ観測されている。このような構造を安定して作成することは、非常に困難であり、磁気再生ヘッドなどの量産にはより簡便に再現よく製造できる構造が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑み、ポイントコンタクトによる大きな抵抗変化量を、安定して再現よく実現させることが可能な垂直通電型の磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することにある。

上記事情を鑑みて、本発明の一態様は、磁化方向が実質的に一方向に固着され、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第１の磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第２の磁性体膜を有する磁化自由層と、磁化固着層に接する第１の表面と磁化自由層に接する第２の表面を備える絶縁体層と、第１の表面から第２の表面に伸び第１および第２磁性体膜に接する｛(Ni100-yFey)100-zCoｚ｝100-x Mx(0≦x≦40, 0≦y≦30,0≦z≦30)、MはCu、Pd、Pt、B、N、Au、Ag)からなる磁性金属とを備える中間層と、磁化固着層、磁化自由層および中間層からなる積層体の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために積層体に電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

本発明の一態様によれば、ポイントコンタクトによる大きな抵抗変化量を、安定して再現よく実現させる磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することができる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所もあるが、それらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施の形態）
本発明に関わる第１の実施の形態について、図１の断面模式図を参照しつつ説明する。

第１の実施形態の磁気抵抗効果素子は、磁性体からなる参照用の磁化固着層１と、この磁化固着層１上に形成された中間層３と、中間層３上に形成された磁気信号（外部磁場）を感受して磁化方向が変化する磁化自由層５とを有する。この構造は磁化固着層１と磁化自由層５の磁気的結合を極力なくして、磁化固着層１の固着スピンに対して磁化自由層５のスピン回転を容易にしたスピンバルブ構造である。スピンバルブ構造は、実用的な磁気抵抗効果素子を実現する上で好適な構造である。本実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子は、図１に示す積層体とその膜面に垂直に電流を流すための一対の電極（図示せず）を備える。一方の電極は磁化固着層１に電気的に接続され、他方の電極は磁化自由層５に電気的に接続される。電極と磁化固着層１、磁化自由層５間に別の層を適宜設けることができる。

磁化固着層１の磁化の固着には、周知の技術を用いることができる。例えば、外部磁場を受けて磁化が変化しない程度の大きい保磁力を備える磁性体を用いることができる。その他に、反強磁性体と磁性体を積層して両者間の交換結合を利用して磁性体の磁化を固定することができる。

一方、磁化自由層５には、外部磁場を受けて磁化が変化する程度の小さい保磁力を備える磁性体を用いることができる。磁化自由層５にバイアス磁界を印加して、ゼロ磁場における磁化を付与する硬質磁性膜を磁化自由層５の近傍に設けることができる。図１は、磁性体の保磁力差により磁化固着層１と磁化自由層５を形成した構造図の例である。

磁化固着層１と磁化自由層５は、中間層３に接する第１の磁性層１１および第２の磁性層５１を備え、その材料は、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)の範囲とする。

中間層は、絶縁体層３１と、この絶縁体層３１を貫いて形成された導電性磁性体からなるポイントコンタクト３３を備える。ポイントコンタクト３３の磁性体は、交換スティフネス定数の小さい、非磁性元素を添加したNi-richな系、すなわち｛(Ni100-yFey)100-zCoｚ｝100-x Mx (0≦x≦40, 0≦y≦30,0≦z≦30)、MはCu、Pd、Pt、B、N、Au、Ag)を用いる。

本実施の形態における磁気抵抗効果素子では、外部磁場に対する感度を高めるために磁化自由層５と磁化固着層１間の磁気結合を小さくする必要がある。つまり、中間層３中のポイントコンタクト３３中で、磁化が容易にねじれる必要がある。本実施の形態では、ポイントコンタクト３３内の磁性体に小さな磁壁幅を持たせることで磁化の反転を容易にする。

一方で、ポイントコンタクト３３での大きな抵抗変化が、磁壁による電子散乱に起因するという説があり、この説によれば、磁化自由層５や磁化固定層１では磁化のねじれがなく、ポイントコンタクト３３の磁性体だけで磁化がねじれる必要がある。

つまり、ポイントコンタクト３３の磁性体には磁壁幅が小さい材料、これらに隣接する層には磁壁幅が大きくなる材料を選択して、磁壁を磁性金属層内に閉じ込めることが重要である。

磁壁幅δは、磁性体の物性値（交換スティフネス定数A、異方性定数K）を用いて、
δ∝π（A/K）^1/2 （１）
と定義される。この関係式（１）を考慮すると、ポイントコンタクト３３とこれに隣接する磁化固着層１および磁化自由層５にそれぞれ適した材料を組み合わせることができる。

具体的には、ポイントコンタクト３３の磁性体金属には、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)の範囲に含まれる材料を用いる。また、第１の磁性層１１および第２の磁性層５１には、交換スティフネス定数の比較的大きな｛(Ni100-yFey)100-zCoｚ｝100-x Mx (0≦x≦40, 0≦y≦30,0≦z≦30)、MはCu、Pd、Pt、B、N、Au、Ag)を用いる。尚、これらの材料が、隣接する層から拡散した原子などを含んでいても上述の効果は期待できる。

ポイントコンタクト３３の磁性体金属と第１及び第２の磁性層１１、５１の材料には、表１に示す交換スティフネス定数Aと異方性定数Kを参考に決めることができる。例えば、Cu-Niをポイントコンタクト３３の磁性体金属に、bcc−Feを第１及び第２の磁性層１１、５１にする等の組み合わせが磁壁を確実に中間層に閉じ込めるために好適である。

ここで、異方性定数Kは、粒径などに強く依存するので一概に数値を規定することはできないが、関係式（１）を考慮すると、交換スティフネス定数Aが小さいほどよく、この観点から、第１および第２の磁性層１１、５１のMとしてはCuやBが特に好適である。

中間層３の絶縁体層３１には、ポイントコンタクト３３の磁性体よりも抵抗値が大きく、電流が流れない絶縁体材料を用いる。このような絶縁体材料として、例えば、Al、Cr、Zr、Hf、Mg、Si、Ta、Ti、からなる群のうち少なくともひとつが酸化あるいは窒化された材料がある。

磁壁を中間層内に閉じ込め、ポイントコンタクト高い磁気抵抗効果を発現させるためには、絶縁体層３１の膜厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下、できれば１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。また同様の理由から、ポイントコンタクトの膜面内サイズを１０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以下にすることが適している。ここで、膜厚は、素子断面において例えば５箇所の厚さを測定してそれを平均した値である。

なお、磁化固着層１、磁化自由層５は、ポイントコンタクト３３と接している第１および第２の磁性層１１、５１が大きな磁壁幅を持つことが重要である。ポイントコンタクト３３から離れた箇所では磁化のねじれの生じる可能性が低いので、大きな磁壁幅の材料に縛られない。磁化固着層１および磁化自由層５が単層からなる場合には第１および第２の磁性層１１、５１によって層１，５とすればよいし、複数層からなる場合には第１および第２の磁性層１１、５１に別の強磁性体からなる層を積層することができる。このような別の強磁性体には、（Ni_1-xFe_x（15＜ｘ＜30））、CoFe合金等がある。特に、磁化自由層５については、軟磁性材料（NiFe合金やNi-rich合金（Ni含有量が50原子%以上ある合金）等）の体積比を増すことで磁化感受性を上げることができるため、有効である。但し、第１および第２の磁性層１１，５１があまり薄いと軟磁性材料の効果を発揮できないので、少なくとも平均膜厚（断面の５箇所の平均膜厚）が約１ｎｍ以上は必要である。

磁化固着層１、磁化自由層５の成膜は、上述の材料のターゲットを用いた磁性スパッタにより行う。これらの層の磁化は、磁場中にて成膜を行うことによって付与することもできる。成膜後に磁場中で熱処理することによって磁化を付与することもでき、成膜中及び成膜後の熱処理を併用することもできる。

中間層３は、絶縁体と磁性体を同時スパッタすること、あるいはこれらの複合材によるコンポジットターゲットをスパッタすることによって形成することができる。また、絶縁体を成膜し、その後ホールを開けて磁性体を埋め込み成膜することによっても得ることができる。さらまた、Alなどの非酸化層をつけて、後から酸化することも可能である。さらに、絶縁体は磁性体を積層した後、熱やイオンビームやプラズマ等のエネルギーを与えて分離させることもできる。これは同時スパッタやコンポジットターゲットで作製した膜、酸化前の積層体に対しても有効である。酸化中にも、熱やイオンビームやプラズマ等のエネルギーを与えて磁性体と分離する手法が考えられる。

次に、磁気抵抗効果素子の他の構造について説明する。

図２の断面模式図は、図１の保磁力差型のスピンバルブに垂直通電用の上下電極７１、７３を下地層９１および保護層９３を介して接続した例を示す。

また、保磁力差型よりも安定した構造として反強磁性層による交換結合で一方向に磁化固着する構造がある。その一例を図３の断面模式図に示す。磁化固着層１の磁化固着用に反強磁性層１０１を隣接形成した。この構造では、交換結合を付与するための公知の方法を採用することができる。

また、図４の断面模式図に示すように、磁化固着層１にRu等の周知の反強磁性結合層１３を挿入して、その上下の磁性層１、１３が反強磁性結合するシンセティック反強磁性磁化固着層とすることができる。この構造も、磁化固着層の安定性の観点から効果的である。尚、磁化固着層１と磁化自由層５の積層順序は逆でもよく、たとえば図４の構造を逆にした図５のような構造にすることもできる。尚、図４及び図５では、磁化固着層１の変形例としてこれを３層構造とする例を、図５では、磁化自由層５の変形例をとしてこれを３層構造とする例を示した。このように磁化固着層１、磁化自由層５を多層構造に変形することができる。

このような磁気抵抗効果素子は、スライダーとなる非磁性の基板上に形成して、スライダー加工すれば高密度記録に対応可能な磁気再生ヘッドとすることができる。これにアームなどを設けてヘッドジンバルアッセンブリやヘッドスタックアッセンブリとすることもできる。さらに、このような磁気再生ヘッドを搭載した、磁気記録媒体の情報を再生可能な磁気再生装置とすることで高記録密度に対応することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子を説明するための断面模式図である。 第１の実施の形態の変形例を示す断面模式図である。 第１の実施の形態の別の変形例を示す断面模式図である。 第１の実施の形態のまた別の変形例を示す断面模式図である。 第１の実施の形態のさらに別の変形例を示す断面模式図である。

符号の説明

１・・・磁化固着層
３・・・中間層
５・・・磁化自由層
１１・・・第１の磁性層
３１・・・絶縁体層
３３・・・ポイントコンタクト
５１・・・第２の磁性層

Claims (6)

1. 磁化方向が実質的に一方向に固着され、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第１の磁性体膜を有する磁化固着層と、
   磁化方向が外部磁界に対応して変化する、(Fe100-xCox)100-yNiy(0≦x≦100, 0≦y≦20)からなる第２の磁性体膜を有する磁化自由層と、
   前記磁化固着層に接する第１の表面と前記磁化自由層に接する第２の表面を備える絶縁体層と、前記第１の表面から前記第２の表面に伸び前記第１および第２磁性体膜に接する｛(Ni100-yFey)100-zCoｚ｝100-x Mx(0≦x≦40, 0≦y≦30,0≦z≦30)、MはCu、Pd、Pt、B、N、Au、Ag)からなる磁性金属とを備える中間層と、
   前記磁化固着層、前記磁化自由層および前記中間層からなる積層体の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記積層体に電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記中間層のMはCuもしくはB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。
3. 前記絶縁層がAl、Cr、Zr、Hf、Mg、Si、Ta、Ti、からなる群のうち少なくともひとつの酸化物あるいは窒化物を含有する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。
4. 前記第１および第２磁性体膜の平均厚さが１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載された磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。
6. 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に記録された記録情報を読み取り可能な請求項５記載の磁気再生ヘッドを備えたことを特徴とする磁気再生装置。
   
   

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