JP2005353671A

JP2005353671A - 磁気抵抗効果膜および磁気抵抗効果ヘッド

Info

Publication number: JP2005353671A
Application number: JP2004170002A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Suzuki; 英彦鈴木; Kenji Noma; 賢二野間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-22
Also published as: KR20050116780A; US20050270704A1; CN1707616A; KR100635317B1

Abstract

【課題】固定磁性層の磁化方向を固定するために酸化物磁性層を用いた磁気抵抗効果膜において、従来よりもMR比の大きな磁気抵抗効果膜を提供する。
【解決手段】配向制御層２、酸化物磁性層３、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６がこの順に積層された積層構造を備える磁気抵抗効果膜であって、前記配向制御層２が、塩化ナトリウム(NaCl)型の結晶構造を持ち、エネルギーギャップが1eV以上で、かつ室温で非磁性である酸化物、あるいは当該酸化物を含む酸化物層であり、前記酸化物磁性層３が、コバルト含有フェライトを含む酸化物層であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い磁気抵抗比(MR比)をもつ磁気抵抗効果膜およびこの磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果ヘッドに関する。

ハードディスクドライブの面記録密度は現在も高い割合で増加を続けている。面記録密度を増加させるとビットあたりの記録媒体の面積が小さくなるため、再成ヘッドは高感度のものが要求される。
図５は磁気抵抗効果膜の基本的な構造を示すもので、反強磁性層１１、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７が積層して形成されていることを示す。固定磁性層４は媒体からの磁場が印加されても、その磁化方向が変わらないように固定されていなければならない。その方法として、多くは固定磁性層４に接するように白金-マンガン(PtMn)等の反強磁性体からなる反強磁性層１１を設け、これらの層間に生じる交換結合磁界によって固定磁性層４の磁化方向を固定している。

また、磁気抵抗効果は電子が固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６の各界面を通過することにより生じるが、反強磁性層１１には一般的に合金が使用されているためこの部分にも電流が流れてしまう。これはシャント電流と呼ばれ、MR比を低下させる原因になる。反強磁性層１１に使用される合金は、固定磁性層４や自由磁性層６などの他の層に使用されている合金に比較して比抵抗は大きいが、磁気抵抗効果膜全体に占める厚さの割合が大きいため（通常４０％程度）そこに流れるシャント電流の影響は無視できない。

そこでシャント電流を減少させるために反強磁性層１１を絶縁体で置き換える方法が知られている。非特許文献１および非特許文献２は、従来の反強磁性層１１の部分にコバルトフェライト（CoFe₂O₄）を用いた方法である。コバルトフェライトは絶縁体であり、また保磁力の大きいフェリ磁性体であるため、シャント電流を減らしながら固定磁性層４の磁化方向を固定することができる。また非特許文献２では、コバルトフェライトの下地層（配向制御層）として酸化コバルト(CoO, Co₃O₄)を用いており、下地層がない場合と比較してMR比が増加している。

図６にコバルトフェライト等のフェリ磁性体を使用した磁気抵抗効果膜のρ-H特性の例を示す。図６に定義した結合磁界Hc(pin)の大きさは、酸化物磁性層と固定磁性層の間の交換結合磁界の大きさに左右される。このHc(pin)の大きさは磁気抵抗効果膜の長期信頼性等に影響するため、高密度磁気記録を実現するためにはHc(pin)の大きさを保ちつつMR比を増加させなければならない。
M. J. Carey, S. Maat, R. Farrow, R. Marks, P. Nguyen, P. Rice, A. Kellock, B. A. Gurney, Digest Intermag Europe 2002, BP2 S. Maat, M. J. Carey, Eric E. Fullerton, T. X. Le, P. M. Rice, and B. A. Gurney, Appl. Phys. Lett. 81, 520 (2002)

本発明は、固定磁性層の磁化方向を固定するために酸化物磁性層を用いた磁気抵抗効果膜において、従来よりもMR比の大きな磁気抵抗効果膜を提供することを目的とする。

本発明における磁気抵抗効果膜は、酸化物磁性層としてコバルト含有フェライトを含む酸化物層を用い、その下層に配置する配向制御層として特定の結晶構造の酸化物層を用いることを特徴とする。なお、配向制御層は磁気抵抗効果ヘッドの絶縁ギャップ層として用いることも可能である。
前記配向制御層としては、塩化ナトリウム(NaCl)型の結晶構造を持ち、エネルギーギャップが1eV以上で、かつ室温で非磁性である酸化物、あるいは当該酸化物を含む酸化物層、また、格子定数のうち少なくとも一つが0.406nmから0.432nmの範囲にあり、エネルギーギャップが1eV以上とされていて、室温で非磁性である金属酸化物、あるいは当該範囲にある金属酸化物を含む酸化物層、また、格子定数のうち少なくとも一つが0.813nmから0.863nmの範囲にあり、エネルギーギャップが1eV以上とされていて、かつ室温で非磁性である金属酸化物、もしくは当該範囲にある金属酸化物を含む酸化物層としたものが好適に用いられる。

本発明に係る磁気抵抗効果膜によれば、非特許文献２のように配向制御層として酸化コバルトを用いた場合と比較して、大きなMR比が得られる。また、結合磁界Hc(pin)は酸化コバルトを用いた時と同程度となり、本発明に係る磁気抵抗効果膜によれば、結合磁界Hcを保持しつつＭＲ比を増加させることが可能となり、高密度磁気記録に好適に利用することが可能となる。

本発明に係る磁気抵抗効果膜の基本構造を図１に示す。図のように、配向制御層としての酸化マグネシウム層２の上に、コバルト含有フェライトを含む酸化物層３が積層され、この酸化物層３の上に、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７がこの順に積層されている。

本発明の効果を説明するために以下の実験結果を示す。
シリコン基板上に次の３種類の磁気抵抗効果膜をマグネトロンスパッタリング法により成膜した。
磁気抵抗効果膜Ａ： CoFe₂O₄ 10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta [nm]
磁気抵抗効果膜Ｂ：(CoO_Co₃O₄) 10/CoFe₂O₄10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta [nm]
磁気抵抗効果膜Ｃ：MgO 10 /CoFe₂O₄10/CoFe/Cu/Co/NiFe/Cu/Ta [nm]
なお、上記磁気抵抗効果膜の構成のうち、下層側からCoFeが固定磁性層４、Cuが非磁性中間層５、Co/NiFeが自由磁性層６、Cuが非磁性層、Taが保護層７に相当する。

上記サンプルのうち、磁気抵抗効果膜Ａは配向制御層を設けていない構造のものであり、磁気抵抗効果膜Ｂは非特許文献２に対応する構造のものであり、磁気抵抗効果膜Ｃは本発明での代表的な膜構成を示す。配向制御層として磁気抵抗効果膜Ｂでは酸化コバルト(CoOとCo₃O₄の固溶体)、磁気抵抗効果膜Ｃでは塩化ナトリウム型結晶構造を持つ酸化マグネシウムを用いている。酸化物磁性層はＡ、Ｂ、Ｃともにコバルトフェライトを用いている。それより上部の各層の膜厚と組成はすべて同じである。

表１にこれらの磁気抵抗効果膜Ａ、Ｂ、Ｃの特性について調べた結果を示す。

MR比は磁気抵抗効果膜Ａでは13.42％であるが、磁気抵抗効果膜Ｂでは15.38％に増加し、さらに磁気抵抗効果膜Ｃでは17.61％と大きく増加している。
またHc(pin)の値は、磁気抵抗効果膜Ａでは小さく磁気抵抗効果膜Ｂ、磁気抵抗効果膜Ｃでは、ほぼ同程度になっている。
また、シート抵抗（ρ/t）が磁気抵抗効果膜Ａの36.3Ωから磁気抵抗効果膜Ｂでは32.9Ω、さらに磁気抵抗効果膜Ｃでは31.8Ωへと大きく減少している。これは磁気抵抗効果膜全体の結晶性の向上により結晶粒界が減少し、電子の散乱が減少した結果と考えられる。これらのことから、配向制御層を用いることにより磁気抵抗効果膜の結晶性を向上させ、MR比を増加させることが可能であり、配向制御層としては酸化コバルトよりも酸化マグネシウムの方が優れていると言える。

配向制御層を絶縁ギャップ層に使用することも可能である。その場合の磁気抵抗効果ヘッドの模式図を図２に示す。図２では下部絶縁ギャップ層として酸化マグネシウム層２を下部シールド層１の上層に設け、磁気抵抗効果膜として、コバルト含有フェライトを含む酸化物層３、固定磁性層４、非磁性中間層５、自由磁性層６および保護層７をこの順に積層して形成されている。磁気抵抗効果膜の側面はイオンミリングによりエッチングされて傾斜面に形成され、磁気抵抗効果膜の両側に磁気抵抗効果膜を挟む配置に磁気バイアス層および電流端子層８が設けられている。１０は上部シールド層であり、９は上部シールド層１０と電極および磁気抵抗効果膜との間を電気的に絶縁する上部絶縁ギャップ層である。

絶縁ギャップ層としてはアルミナなどが一般的に使用されるが、図２に示す構成とすることにより、上述した酸化マグネシウム等の酸化物は絶縁ギャップ層としての役割と磁気抵抗効果膜の配向制御層としての役割を兼ねることができる。
図２は絶縁ギャップ層全体を配向制御層の材料に置き換えた例であるが、絶縁ギャップ層を２層以上の層構造にした場合でも、その最上部の層が配向制御層の材料であればよい。このように配向制御層が絶縁ギャップ層を兼ねる構造にした場合には、絶縁ギャップ層と別に配向制御層を設けた場合に比較して上部磁気シールド層１０と下部磁気シールド層１との距離（ギャップ長）を短縮することができる。これは再生ヘッドの分解能向上につながり、高密度磁気記録を実現する上で有利となる。

また、配向制御層を絶縁ギャップ層として用いる場合、その材料は絶縁性が高く室温で非磁性であることが望ましいが、非特許文献２のように酸化コバルトを用いるとこれらの点で問題がある。まず、酸化コバルトのエネルギーギャップは0.6〜0.7eVと低く半導体的な性質を示すため、絶縁不良の発生確率が高くなる。また、酸化コバルトはネール温度が約290Kの反強磁性体であり、温度によっては絶縁ギャップ下部の磁気シールド層１と交換結合をする可能性がある。このような結合が起きると磁気シールド層の軟磁気特性が悪化し、磁気シールド特性の悪化につながる。しかし酸化マグネシウムはエネルギーギャップが約7.3eVであり非磁性体であるので、このような問題は起こらない。したがって、絶縁性、非磁性という観点からも配向制御層（または絶縁ギャップ層）としては酸化コバルトよりも酸化マグネシウムの方が優れていると言える。

さらに、二酸化ナトリウム(NaO₂)、一酸化マグネシウム(MgO)、二酸化カリウム(KO₂)、一酸化カルシウム(CaO)、一酸化スカンジウム(ScO)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化マンガン(MnO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化ストロンチウム(SrO)、一酸化カドミウム(CdO)、一酸化バリウム(BaO)、一酸化タンタル(TaO)、一酸化セリウム(CeO)、一酸化ネオジム(NdO)、一酸化サマリウム(SmO)、一酸化イッテルビウム(YbO)は酸化マグネシウムと同様にNaCl型の結晶構造であり絶縁性が高く室温で非磁性であるので、これらのいずれかまたはいずれかを含む固溶体を配向制御層（または絶縁ギャップ層）として用いることも可能である。

配向制御層（または絶縁ギャップ層）として用いることができる他の材料として、酸化物層３としてのコバルトフェライトと格子整合をする材料が考えられる。コバルトフェライトは格子定数が0.838nmの立方晶系であり、4つの副格子からできている。よって格子定数が0.419nmまたは0.838nm付近の材料と格子整合をする。格子不整合率が３％以内であれば格子整合する可能性があると考えると、0.406nmから0.432nmまたは0.813nmから0.863nmの範囲にあればよいことになる。

この格子定数の条件を満たし、かつ絶縁性が高く室温で非磁性の酸化物材料としては、格子定数が0.406nmから0.432nmの材料として二酸化ナトリウム(NaO₂)、一酸化マグネシウム(MgO)、三酸化カリウム(KO₃)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化銅(Cu₂O)、二酸化ルビジウム(Rb₂O₂)、一酸化ニオブ(NbO)、一酸化セシウム(Cs₂O) 二酸化セシウム(Cs₂O₂)があり、また格子定数が0.813nmから0.863nmの材料としては三酸化クロム(CrO₃)がある。

本発明における磁気抵抗効果膜の発展型として図３および図４の例を示す。図３は図１における固定磁性層４の部分を、第一の固定磁性層４ａ、結合中間層４ｃ、第二の固定磁性層４ｂの三層構造にしたもので、積層フェリ構造と呼ばれる。結合中間層４ｃとしては、ルテニウム (Ru)、イリジウム (Ir)、ロジウム (Rh)、クロム (Cr)等が用いられ、この結合中間層４ｃを介して第一の固定磁性層４ａと第二の固定磁性層４ｂが反強磁性的に結合している。このような構造にすると、結合磁界Hc(pin)の値を増加させることができ長期信頼性の向上につながる。

図４は配向制御層としての酸化マグネシウム層２、、第一の酸化物磁性層３ａ、第一の固定磁性層４ａ、第一の非磁性中間層５ａ、自由磁性層６の上部にさらに第二の非磁性中間層５ｂ、第二の固定磁性層４ｂ、反強磁性層（または第二の酸化物磁性層）３ｂがこの順に積層された磁気抵抗効果膜である。この構造は、磁気抵抗効果が生じる固定磁性層、非磁性層、自由磁性層の積層構造が（順序が反対に積層された部分も含め）２箇所存在することからデュアル構造と呼ばれ、大きなMR比が得られる。反強磁性層３ｂとしては、白金-マンガン(PtMn)、パラジウム-白金-マンガン(PdPtMn)、イリジウム-マンガン(IrMn)等が用いられるが、この部分にも第二の酸化物磁性層としてコバルト含有フェライトを含む酸化物層を用いることも可能である。また、第一の固定磁性層４ａと第二の固定磁性層４ｂを図３と同様に積層フェリ構造にすることも可能である。

本発明に係る磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。磁気抵抗効果ヘッドの構成を示す説明図である。積層フェリ構造による磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。デュアル構造による磁気抵抗効果膜の構成を示す説明図である。磁気抵抗効果膜の基本構造を示す説明図である。フェリ磁性体を使用した磁気抵抗効果膜の抵抗率-外部磁場依存性の例およびHc(pin)の定義を示すグラフである。

符号の説明

１下部磁気シールド層
２下部絶縁ギャップ層
３コバルト含有フェライトを含む酸化物層層
４固定磁性層
５非磁性中間層
６自由磁性層
７保護層
８磁気バイアス層および電流端子層
９上部絶縁ギャップ層
１０上部磁気シールド層

Claims

配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備える磁気抵抗効果膜であって、
前記配向制御層が、塩化ナトリウム(NaCl)型の結晶構造を持ち、エネルギーギャップが1eV以上で、かつ室温で非磁性である酸化物、あるいは当該酸化物を含む酸化物層であり、
前記酸化物磁性層が、コバルト含有フェライトを含む酸化物層であることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
前記配向制御層に含まれる塩化ナトリウム型の結晶構造を持つ酸化物が、
二酸化ナトリウム(NaO₂)、一酸化マグネシウム(MgO)、二酸化カリウム(KO₂)、一酸化カルシウム(CaO)、一酸化スカンジウム(ScO)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化マンガン(MnO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化ストロンチウム(SrO)、一酸化カドミウム(CdO)、一酸化バリウム(BaO)、一酸化タンタル(TaO)、一酸化セリウム(CeO)、一酸化ネオジム(NdO)、一酸化サマリウム(SmO)、一酸化イッテルビウム(YbO)のいずれか、またはいずれかを含む固溶体であることを特長とする請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備える磁気抵抗効果膜であって、
前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.406nmから0.432nmの範囲にあり、エネルギーギャップが1eV以上とされていて、室温で非磁性である金属酸化物、あるいは当該範囲にある金属酸化物を含む酸化物層であり、
前記酸化物磁性層が、コバルト含有フェライトを含む酸化物層であることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
前記配向制御層として、
二酸化ナトリウム(NaO₂)、一酸化マグネシウム(MgO)、三酸化カリウム(KO₃)、一酸化チタン(TiO)、一酸化バナジウム(VO)、一酸化鉄(FeO)、一酸化銅(Cu₂O)、二酸化ルビジウム(Rb₂O₂)、一酸化ニオブ(NbO)、一酸化セシウム(Cs₂O) 二酸化セシウム(Cs₂O₂)のいずれか、またはいずれかを含む固溶体を用いていることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果膜。
配向制御層、酸化物磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層がこの順に積層された積層構造を備える磁気抵抗効果膜であって、
前記配向制御層が、格子定数のうち少なくとも一つが0.813nmから0.863nmの範囲にあり、エネルギーギャップが1eV以上とされていて、かつ室温で非磁性である金属酸化物、もしくは当該範囲にある金属酸化物を含む酸化物層であり、
前記酸化物磁性層が、コバルト含有フェライトを含む酸化物層であることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
前記配向制御層として、三酸化クロム(CrO₃)、または三酸化クロム(CrO₃)を含む固溶体を用いていることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果膜。
前記配向制御層を絶縁ギャップ層全体または一部として用いることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
前記固定磁性層が、第一の固定磁性層、結合中間層、第二の固定磁性層の三層構造からなり、
前記第一の固定磁性層および前記第二の固定磁性層が交換結合磁界により反強磁性的に結合していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
前記結合中間層がルテニウム(Ru)、イリジウム (Ir)、ロジウム (Rh)、クロム(Cr)、またはこれらの中の少なくとも１つを含む合金であることを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果膜。
請求項１から９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果ヘッド。