JP2007250778A - 磁気抵抗効果素子および磁気再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直通電型スピンバルブ膜におけるフリー層を起源とするノイズを除去するためのバイアス膜をスピンバルブ膜内に設置して高記録密度を実現することにある。
【解決手段】磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性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強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在して前記磁化固着層と前記磁化自由層の磁化をほぼ直交に結合させる、磁性絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極とを具備す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、磁気抵抗効果素子および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およびこれを用いた磁気ヘッドを有する磁気再生装置に関する。

従来、磁気記録媒体に記録された情報を読み出すには、異方性磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子（Magnetoresistive effect element）を含む磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が用いられてきた。

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たため、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ＭＲヘッドへの期待が高まった。この期待に対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の多層膜で、大きな磁気抵抗効果を実現できることが見出された。非磁性層（「スペーサー層」あるいは「中間層」などと称する）を挟んだ２層の強磁性層の一方（「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称する）に反強磁性層からの交換バイアス磁場を印加して磁化を固定し、他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」などと称する）を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる。この多層膜では、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）膜」と呼ばれている。（非特許文献１および２参照）。

スピンバルブは低磁場で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されている。しかし、その磁気抵抗変化率は最大でも約２０％までであり、更に高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子が必要となってきている。

スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子においては、センス電流を素子膜面に対して平行に流すＣＩＰ（Current-in-Plane）型の構造と、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型の構造とがある。前記した最大２０％の磁気抵抗変化率という値はＣＩＰ型の場合である。ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子は、ＣＩＰ型の素子の１０倍程度の磁気抵抗変化率を示すとの報告があり（非特許文献３参照）、磁気抵抗変化率１００％の達成も不可能ではない。

しかし、スピンバルブ構造の場合、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、ＣＰＰ型の素子に垂直通電した場合の抵抗自体が小さくなり、出力絶対値も小さくなってしまう。具体的には、ＣＩＰ型素子と同じ膜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の場合、１μｍ²当たりの出力絶対値ＡΔＲは、約０．５ｍΩμｍ²と小さい。つまり、スピンバルブ膜を用いたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を実用化するためには出力増大が重要であり、そのためには磁気抵抗効果素子のうちでスピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げて抵抗変化量を大きくすることが極めて重要である。

一方、近年、Ｎｉ線のナノサイズの接合で３００％の磁気抵抗効果が観測されている（非特許文献４参照）。強磁性同士のナノコンタクトをデバイスに応用するためには、２次元的に面内でナノコンタクトを実現するか、３次元的に垂直方向にナノコンタクトを作製することになる。面内でナノコンタクトを実現する手段としては、リソグラフィなどの加工技術を用いることが考えられるが、その加工サイズは最も小さい時で数ｎｍ前後であり、原子レベルの接合で起こる物理現象を引き出すには限界がある。

また、３次元方向にナノコンタクトを作製し、垂直方向にセンス電流を流す垂直通電型のスピンバルブ膜（特許文献１）では、さらに高記録密度化に対応するための狭ギャップ化という課題が生じてくる。スピンバルブ膜にはフリー層のバルクハウゼンノイズを除去するためのハード膜や反強磁性層のバイアス膜をフリー層に隣接して設置する必要がある。そのバイアス膜の配置には、現状では、フリー層の両脇にハード膜を置くアバットジャンクション型とフリー層に反強磁性層を積層する積層型の２種類がある。しかし、将来のさらなる高記録密度化では、トラックピッチを詰めるためにサイドシールドにする必要が出てくるので、アバットジャンクション型は使用できなくなる。一方、フリー層積層型では狭ギャップ化に支障をきたす。
Phys. Rev. B, vol. 45, p806 (1992) J. Appl. Phys., vol. 69, p4774 (1981) J. Phys. Condens. Matter., vol.11, p5717 (1999) Phys. Rev. Lett., 82, 2923 (1999) 特開２００３−２０４０９５号公報

本発明の目的は、垂直通電型磁性ナノコンタクトスピンバルブ膜において、フリー層を起源とするノイズを除去するためのハード膜や反強磁性膜のバイアス膜を設置せず、スピンバルブ膜内部でセルフにフリー層へのバイアスを与え高記録密度を実現することにある。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性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強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在して前記磁化固着層と前記磁化自由層の磁化をほぼ直交に結合させる、磁性絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極とを具備することを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る磁気再生装置は、上記の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜内部でセルフにフリー層へのバイアス印加を可能とするセルフバイアススピンバルブ膜であり、ハード膜や反強磁性膜のバイアス膜をなくして高記録密度を実現できる。

本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子は、固着強磁性層と自由強磁性層との間に磁性絶縁部と磁性金属部とからなる複合スペーサー層を挟んだ構造を有する。

複合スペーサー層の磁性絶縁部は、酸化物でも窒化物でも炭化物でもよい。磁性絶縁部は、金属元素としてＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種を含む。磁性絶縁部は、室温で反強磁性、強磁性、フェリ磁性、またそれらの磁性を示す化合物の混合体でもよいが、その電気伝導特性は絶縁性である。

複合スペーサー層の磁性金属部は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種を含み、室温で強磁性を示す。

複合スペーサー層は、反強磁性と強磁性との混合磁性、またはねじれ磁性を示すため、ピン層とフリー層の磁化がほぼ直交して９０度方向に結合され、フリー層はスピンバルブ膜内部でセルフにバイアスされる。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の要部を示す断面図である。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、下電極（ＬＥ）１と、上電極（ＵＥ）８との間に積層膜が設けられた構造を有する。これらの下電極（ＬＥ）１および上電極（ＵＥ）８を介して積層膜の膜厚方向に対してほぼ垂直方向にセンス電流が通電され、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果が実現されている。

本実施形態において、下電極（ＬＥ）１と上電極（ＵＥ）８との間の積層膜は、下地層２、反強磁性層３、ピン層（磁化固着層）４、複合スペーサー層５、フリー層（磁化自由層）６、保護層７を含む。ピン層４および／またはフリー層６は積層構造になっていてもよい。本実施形態におけるピン層４は、磁化反平行結合層４ｂの両側に下部ピン層４ａおよび上部ピン層４ｃを設けた構造を有する。フリー層６は、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性膜を含む。複合スペーサー層５は、磁性絶縁部５ａと磁性金属部５ｂとを含む。

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、ピン層４とフリー層６との間に磁性絶縁部５ａと磁性金属部５ｂとを含む複合スペーサー層５が形成されており、この複合スペーサー層５は反強磁性と強磁性との混合磁性またはねじれ磁性を示すため、ピン層４とフリー層６の磁化は複合スペーサー層５を介しての９０度の直交方向に結合される。このことは、スピンバルブ膜内部でフリー層６へのバイアスがセルフに実行可能になることを意味する。こうして、図２に示すように、外部磁場がゼロのときにピン層４とフリー層６の磁化が直交配列する。そして、外部磁場の向きに応じて、ピン層４およびフリー層６の磁化が平行状態（低抵抗）または反平行状態（高抵抗）になった時に、磁気抵抗変化が観測される。

以下の材料を用いて、図１に示す磁気抵抗効果素子を作製した。下電極（ＬＥ）１上に、下地層２として(Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2)₆₀Ｃｒ₄₀［４．２ｎｍ］、反強磁性層３としてＩｒ₂₂Ｍｎ₇₈［７ｎｍ］、下部ピン層４ａとしてＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀［３ｎｍ］、磁化反平行結合層４ｂとしてＲｕ［０．９ｎｍ］、上部ピン層４ｃとしてＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀［３ｎｍ］を堆積した。複合スペーサー層５は、Ｃｏ₅₀Ｆｅ₅₀［１ｎｍ］を成膜した後、イオンアシスト酸化してＣｏＦｅ−Ｏとし、その後プラズマ処理することにより形成した。磁性絶縁部５ａはＦｅ−Ｏを主成分とし、磁性金属部５ｂはＣｏを主成分とする。複合スペーサー層５上に、フリー層６としてＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀［2.5ｎｍ］、保護層７としてＣｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を積層した。保護層７の上に上電極（ＵＥ）８を形成した。

この磁気抵抗効果素子を磁界中、２７０℃で１時間ほど熱処理した。熱処理後の断面ＴＥＭを観察すると、複合スペーサー層５には酸化物層と想定される白いラインが主に見えていた。素子の磁気抵抗効果測定、および素子と同一膜構成のべた膜による磁化測定から、ピン層４とフリー層６は９０°結合していることが確認された。この磁気抵抗効果素子について抵抗変化率を測定したところ、ＭＲは２００％と大きな値を示した。さらに抵抗は１Ωμｍ²以下であり、また抵抗の電圧依存性でジュール発熱を示したことから、伝導はトンネル的ではなく、磁性金属層を介した金属的伝導であると考えられる。

上記実施例で示した下地のみでなく、Ｔａ／Ｒｕ系、Ｔａ／Ｃｕ系、Ｔａ／（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_100-yＣｒ_y合金（１.５＜ｘ＜２.５、２０＜ｙ＜４５）系、（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_100-yＣｒ_y合金（１.５＜ｘ＜２.５、２０＜ｙ＜４５）系、Ｔａ／Ｎｉ―Ｆｅ系などを含む他の下地も使用できる。また強磁性材料もＣｏ−Ｆｅ系たとえばＣｏ₅₀Ｆｅ₅₀、Ｃｏ₇₀Ｆｅ₃₀、上記実施例のＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀など、またＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀系などから選ばれる少なくとも一種以上が使用できる。さらに反強磁性材料も上記Ｉｒ―Ｍｎ系以外にもＰｔ―Ｍｎ系など交換結合特性を示す反強磁性材料であれば使用可能である。

上記実施例では、複合スペーサー層は強磁性材料一層の酸化であったが、各種磁性材料の積層構造層の酸化、さらに磁性材料と非磁性材料との積層構造層の酸化、非磁性材料の一層および積層構造層の酸化などが使用できる。非磁性材料の一層および積層構造層の酸化を用いた場合には、複合スペーサー層中の磁性金属層は複合スペーサー層の下地となる強磁性材料の吸い上げ、拡散、相分離などで形成される。その手法は、加熱、プラズマ処理、イオンビーム処理等が用いられる。ここでの酸化手法は自然酸化法、プラズマ酸化法、イオンビーム酸化法など各種使用可能である。

図３に、本発明の実施形態に係る磁気再生装置の斜視図を示す。この磁気再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えたものとしてもよい。

磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、サスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。

磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク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はアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。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が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、ボビン部に巻かれた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された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、ピボット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。

図４は、アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバルアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、アセンブリ１６０は、アクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。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、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５はアセンブリ１６０の電極パッドである。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の要部を示す断面図 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のピン層とフリー層の磁化の向きを示す説明図。 本発明の実施形態に係る磁気再生装置の斜視図。 本発明の実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリの斜視図。

符号の説明

１…下電極（ＬＥ）、２…下地層、３…反強磁性層、４…ピン層（磁化固着層）、４ａ…下部ピン層、４ｂ…磁化反平行結合層、４ｃ…上部ピン層、５…複合スペーサー層、５ａ…磁性絶縁部、５ｂ…磁性金属部、６…フリー層（磁化自由層）、７…保護層、８…上電極（ＵＥ）、１５０…磁気記録再生装置、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…ピボット、１６０…磁気ヘッドアッセンブリ、１６４…リード線、２００…磁気ディスク。

Claims (5)

1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性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強磁性膜を有する磁化自由層と、
   前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在して前記磁化固着層と前記磁化自由層の磁化をほぼ直交に結合させる、磁性絶縁部と磁性金属部とを含む複合スペーサー層と、
   前記磁化固着層、前記複合スペーサー層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極と
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記複合スペーサー層の磁性絶縁部は、酸素、窒素および炭素からなる群より選択される少なくとも１種を含む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. 前記複合スペーサー層の磁性絶縁部は、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群より選択される少なくとも１種を含む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. 前記複合スペーサー層の磁性金属部は、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする磁気再生装置。

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