JP2007299467A

JP2007299467A - 磁気再生ヘッド

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Inventors: Hiromasa Takahashi; 宏昌高橋
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Abstract

【課題】出力が高く高記録密度磁気記録再生に最適な磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】第一の電極層１０３の一部に、第一の絶縁層１０６を介して接する第一の強磁性電極層１０１と、第一の電極層の異なる部分に第二の絶縁層２０５を介して接する第二の強磁性電極層１０２とからなる強磁性電極対を備え、第一の電極層１０３と第一の強磁性層１０１は電流供給回路の一部であり、かつ、第一の電極層１０３と、第一の絶縁層が接していない領域において第二の絶縁層２０５を介して接する第二の強磁性層１０１は電圧測定回路の一部をなす構造を有し、第二の強磁性層と第二の絶縁層との交差領域の界面スピン分極率が、第一の強磁性層と第一の絶縁層との交差領域の界面スピン分極率より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備える磁気再生ヘッドに関する。

磁気記録再生装置においては、年率４０％超の記録密度向上が要求されている。この磁気記録再生装置に備えられる磁気記録再生ヘッドにおいても、記録、再生の両特性に関し、高性能化が要求されている。このうち、磁気再生ヘッドに関しては、（１）高感度化技術の向上、（２）トラック幅の狭小化技術の向上、（３）再生ギャップ間隔の狭小化技術の向上という３点の技術課題を満足させることが重要である。これまでは、１〜１０Ｇｂ／ｉｎ²の記録密度では異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）、１０〜３０Ｇｂ／ｉｎ²になると、より高感度の得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）、２０〜７０Ｇｂ／ｉｎ²では、電子の反射率の高い（鏡面反射）絶縁性酸化物層等をＧＭＲ構造の界面に挟み、電子のスピンの多重反射効果により出力の増大をねらったスペキュラーＧＭＲや、ＮＯＬ−ＧＭＲと呼ばれるアドバンスＧＭＲ効果によって、これら高記録密度に対応してきた。

ＧＭＲを用いた磁気ヘッドについては、特開平４−３５８３１０号公報をはじめ、スピンバルブと呼ばれる構造が多数開示されている。この磁気ヘッドは、反強磁性層によって磁化が特定の方向に固定された磁性体からなる固定層と、固定層に非磁性薄膜を介して積層した磁性膜からなる自由層の３層膜を基本として構成されており、固定層と自由層の磁化の相対的な角度で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子を備えている。

さらなる高感度化の進展により、より高感度な再生方式が必要とされている。７０〜１５０Ｇｂ／ｉｎ²では、素子インピーダンスが小さい利点を生かし膜面に垂直な方向に検出電流を流す方式のＧＭＲ（ＣＰＰ−ＧＭＲ）等が主流になるものと考えられる。ＭＲ比が非常に高いトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が、感度向上の面から有利である。従来のＡｌ₂Ｏ₃を絶縁層に用いるＭＲの基本技術としては特開平１０−９１９２５号公報等に公開されている。この膜では、磁気抵抗変化率が最大７０％でＣＰＰ−ＧＭＲよりも大きいものの、Ａｌ₂Ｏ₃層の膜厚を薄くして膜の抵抗（インピーダンス）を低減させると、磁気抵抗変化率も急激に減少するため、実用化は困難であった。

ＣＩＰ−ＧＭＲの場合は、高線記録密度化に対応するためにシールド間距離を縮めたときの素子とシールド間との絶縁が問題となる。これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲの場合、絶縁特性は重要な問題ではなく、静電圧電流による熱素子破壊や磁界による非線形化の影響も少ないと考えられる。ＣＰＰ−ＧＭＲは多数報告されているが、代表的なものとして特開平７−２２１３６３号公報に記述がある。

近年、スピンが偏極した電流の相互作用に関する研究やデバイス開発が、盛んになりつつある。例えば、”Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve,” F. J. Jedema et al., NATURE, Vol.416, pp.713-716, 18 April 2002に掲載されているように、スピン分極率が偏極したスピン電流が１００ｎｍ以上の長距離にわたって伝導し、磁気相互作用を生じる現象が実際に確認されている。彼らは、太さの異なるＣｏ細線と、これと直交するＡｌ細線を作成し、Ｃｏ細線とＡｌ細線の交叉した場所にアルミナの障壁層を設けた構造を作製した。このとき、太いＣｏ線からＡｌ線へ電流を流し、膜に磁界を印加したところ電流の流れていない他方のＣｏ線とＡｌ線との間に磁界に依存する電位差が生じ、細線の間隔が５００ｎｍを超えるにもかかわらず、磁気相互作用が確認された。これは、スピン偏極電子がＡｌ細線の界面部分に蓄積された効果で、蓄積されたスピン偏極電子が細線中の広い領域に分布することによって生じることが、例えばPhysical Review B, Vol.59, No.1, pp.93-97や、Physical Review B, Vol.65, 054401, pp.1-17に代表されるような形で理論的に理解されている。

総じて、この素子では、外部磁場に対して保磁力の異なる２つの磁性体があれば、一方の磁性体の導電体に対する電位の変化が出力として生じる特徴があり、この電位は２つの磁性体の磁化が平行なときと反平行なときとで、それぞれ極性が異なるという特徴がある。上記の構造では、磁性体は単純なＣｏであり、これをＡｌで繋いだ構造である。この構造でも、室温で磁界変化に伴う出力が得られている。

出力の高い再生センサとするためには、（１）材料構成的な観点からの電位変化増大、及び、（２）素子構造でこれらの電位変化を増幅させることが有力と考えられる。（１）については、磁性体の材料にスピン分極率の高い材料を適用すること、及び導電体の材料について、ＡｌやＣｕをはじめさらにこれよりもスピン電子の平均自由行程の長い材料あるいは、ｄ電子伝導体としての機能を持つ材料を用いることが重要である。（２）については、電圧信号を増幅するような機構をデバイス中に設ける等の構造が、特開２００４−３４８８５０号公報に記載されている。

通常、磁気センサのノイズは、熱に起因するジョンソンノイズと、障壁を電子がトンネルするときに生じるショットノイズ、高周波で磁化反転の追随に伴って生じるマグノイズが考えられる。ジョンソンノイズは素子抵抗と関係し、周波数依存性が小さく値的にも小さいため、基本的にホワイトノイズとしてどのデバイスにおいても共通である。

特開平４−３５８３１０号公報特開平１０−９１９２５号公報特開平７−２２１３６３号公報特開２００４−３４８８５０号公報 NATURE, Vol.416, pp.713-716, 18 April 2002 Physical Review B, Vol.59, No.1, pp.93-97 Physical Review B, Vol.65, 054401, pp.1-17

磁気再生素子の将来構造を考えた場合、近年実用化された垂直磁気記録方式の効果によりＣＩＰ−ＧＭＲの適用世代が伸びた。しかし、今後は膜厚方向に電流を流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Current-perpendicular to plane GMR）やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）等の高出力な磁気抵抗センサが有力であり、ＣＰＰ方式でセンス電流を流す構造に移行しつつある。

ＣＰＰ−ＧＭＲは、センサ部分がＧＭＲ構造であり、薄膜の膜厚方向にセンス電流を流す。ＣＩＰ−ＧＭＲと比べて電流パスが短いため、従来のＧＭＲ膜を適用した場合の抵抗は、０．２５μｍ²の面積の素子について０．４Ω程度で、ΔＲ／Ｒが高々１０％なので、ΔＲは約４０ｍΩであるから、磁気再生素子に適用するのに必要な出力値である２Ω以上と比べて小さすぎるという特徴がある。さらに、従来のＧＭＲ膜では、ＣＰＰ方向の抵抗変化率は数％程度である。素子を小さくすれば、抵抗Ｒを高くし、ΔＲを大きくできるが、現状０．０２５μｍ²程度の素子面積の作成が限界である。

ＴＭＲ素子は、絶縁体障壁を挟む一対の磁性体からなる素子で、これの膜厚方向にセンス電流を流す構造である。絶縁障壁層を介しての電気伝導のため、抵抗が高く、再生ヘッドや磁界センサにした場合には、さまざまなノイズが発生し、信号対雑音特性（Ｓ／Ｎ）が低下する。これの対策として、低抵抗化の研究が盛んである。現在最も一般に用いられているＡｌ₂Ｏ₃を用いた障壁層では、低抵抗化を目指した場合、Ａｌ₂Ｏ₃の薄膜化に伴う出力の低下が抑止できず、低抵抗化が進まない問題がある。Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする障壁層を用いた、新しい低抵抗型ＴＭＲの探索は進んではいるが、素子面積が小さくなると、素子抵抗が素子面積に反比例して大きくなるという大きな課題を克服する解は得られておらず、５００Ｇｂ／ｉｎ²を超える密度領域の再生ヘッドをＴＭＲで作製することは困難であるのが現状である。

５００Ｇｂ／ｉｎ²以上の再生ヘッドを考えると、素子面積は小さくなるため、ある程度低い比抵抗の材料からなり、且つ磁気抵抗変化を大きくできる材料が求められる。さらに、実際のデバイスを動作させるときの信号対雑音特性（ＳＮＲ）を良くする為の新しい構造・手法が必要とされている。

スピン偏極電流の磁気相互作用を利用するデバイスをヘッドに使用する上では、デバイスのノイズを低減させることが重要である。スピン偏極電流の磁気相互作用を利用するデバイスは基本的に電流パスに絶縁障壁層を備えるためＴＭＲと同様、ショットノイズの影響があることが推察される。特に、電流が直接流れる部分はノイズ発生源として作用すると考えられる。この部分によるノイズ発生はスピン分極率と略比例する関係があり、分極率が高ければノイズ発生は大きくなる。一方、電圧が発生する側のジャンクション（自由層と呼んでいる）においては、回路的には電流は流れず、スピン分極率が高く、スピン電子が完全選択的に透過する理想的状況ではノイズがゼロに抑止される。すなわち、このような状況を鑑みた端子界面のスピン分極率を踏まえた設計が重要である。

一方、このようなスピン蓄積デバイスを実現するための材料として、近年、１００％を超える巨大なＴＭＲの磁気抵抗変化率が明らかとなったＭｇＯ結晶性の障壁をもつＴＭＲの材料は非常に重要と考えられる。この材料の特徴として、（１）磁性材料との組み合わせによって、室温で巨大な磁気抵抗変化率を示すこと、（２）絶縁障壁層としてのエネルギー高さが特徴的に低いこと、（３）磁化状態が反平行状態では絶縁体的、平行状態では略金属的という特異な電気伝導特性を持つことによって従来のＴＭＲと比べてノイズ低減の効果が大きくなることが考えられる。このような構成及び構成の実現に好適な材料を選択することにより、従来よりも出力の大きな磁気センサ及び磁気再生ヘッドの新しい構造を提供することが可能となる。

本発明による磁気再生ヘッドは、導電層に絶縁障壁層を介して強磁性層が積層され、導電層と強磁性層とは電流供給回路の一部をなしている第１の素子部と、前記導電層に絶縁障壁層を介して強磁性層が積層され、導電層と強磁性層とは電圧測定回路の一部をなしている第２の素子部とを有し、第２の素子部の強磁性層と絶縁障壁層との接合部の界面スピン分極率が第１の素子部の強磁性層と絶縁障壁層との接合部の界面スピン分極率より大きい。

また、本発明による磁気再生ヘッドは、導電層に、ＭｇＯからなる絶縁障壁層を介して、磁化方向が固定されたＣｏＦｅＢからなる強磁性層が積層された積層膜を備え、導電層と当該積層膜の強磁性層は電流供給回路の一部をなしている第１の素子部と、前記導電層に、ＭｇＯからなる絶縁障壁層を介して、外部磁界によって磁化方向が変化するＣｏＦｅＢからなる強磁性層が積層された積層膜を備え、導電層と当該積層膜の強磁性層は電圧測定回路の一部をなしている第２の素子部とを有する。

本発明によると、従来の磁気抵抗変化型磁気再生ヘッドよりも、素子抵抗の調整が容易で、かつ、磁気抵抗変化率が極めて高く、高分解能化にも有効で出力が大きい磁気再生ヘッドが得られる。この磁気再生ヘッドを搭載することにより、面記録密度が５００Ｇｂ／ｉｎ²を越える磁気記憶装置が得られる。

以下、本発明を適用するのに好ましい磁気ヘッドについて、詳細に説明する。
本発明を適用した磁気ヘッドの最も原理的な素子構造は、図１に示されるような線状の導電体１０３と、第一の磁性体１０１とが、この導電体上に形成した第一の絶縁障壁層１０６において接しており、かつ、この導電体１０３の他の場所で、第二の磁性体１０２が絶縁障壁層２０５を介して導電体１０３と接している構造である。第一の磁性体１０１と導電体１０３には電流を流す電流源が接続されており、矢印１０９の方向から矢印１１０の方向へと電流を流すようになっている。また、磁性体１０２と導電体１０３は電圧を測定できる回路に接続している。

本構造は、スピン情報が５００ｎｍを超える離れたところでも磁気抵抗的な相互作用を生じる。距離が短いと相互作用は大きくなり出力信号も指数関数的に増大する。これは、磁性体と非磁性体との界面を通じて電流を流すときに、界面付近を境にスピン偏極電流が滞留を生じて非磁性体内の広い範囲にわたって蓄積するためである。したがって、磁性体１０１と１０２に、それぞれ通常のスピンバルブ膜の固定層と自由層のような磁気的機能をもたせることで、磁気ヘッド的な構造を構成することが可能である。

ここで、本発明の構造の挙動と、効果発現のメカニズムについて説明する。スピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子は、記録媒体から発せられる磁界の変化を電圧変化信号に変換し、出力として得る。基本的に、固定層側は磁化を固定するために反強磁性体層が積層されており、反強磁性結合力で磁性層の磁化を一方向に固定する、あるいは、膜厚や線幅などの形状を変える、磁性体の材料を異なるものにする等で、形状磁気異方性や結晶磁気異方性を制御することで保磁力を大きくする構造が付与されている。また、自由層は基本的に強磁性層からなり、単磁区状態を保持するための複数種の材料での多層化や、非磁性膜を介して永久磁石的な膜を形成するＣＦＳ構造などとともに、自由層周囲には、適宜、外部磁界の影響を防ぐための磁気的なシールド機構が設けられる。

図２、図３、図４、図５は、自由層、固定層と導電層との関係例を示す断面模式図である。これらは、図１のＹ−Ｙ’の線で切ったときの断面で、１０７は媒体表面を意味する。素子は、基板２１３上に直接、あるいは下地膜２１４を形成した上に成膜される。２１１は下部磁気シールド及び電極を備える膜であり、２１２は電極兼上部シールドである。

基板２１３が下になるように配置したとき、固定層が導電層１０３より上にある場合（図２、図３）は、固定層は、導電層１０３から絶縁障壁層１０６、磁性層１０１、反強磁性層２０８、保護膜２０９の順に形成されている。図２のように、自由層が導電層１０３の下にある場合は、電極を兼用する下部磁気シールド２１１の上面から下地膜２１０、磁性膜１０２、絶縁障壁層２０５、導電層１０３の順に形成されている。また、図３のように導電層１０３上に自由層を形成する場合は、絶縁障壁層２０５、磁性層１０２、保護膜２１０の順に作製する。図４、図５についても同様であるが、形状として図５のように導電層１０３が同一平面内に無い形状も当然有効である。反強磁性層２０８は、２つの磁性層１０２，１０１の保磁力差が十分大きい場合は、なくてもよい。また、導電層周辺の空間は、絶縁保護膜等で適宜埋められている。

なお、図３には、固定層が電極兼上部シールド２１２に接触しているように描かれているが、実際には固定層と電極兼上部シールド２１２とは絶縁されており、反強磁性層２０８に側方から給電線が接続されている。図５にも固定層が電極兼下部シールド２１１に接触しているように描かれているが、実際には固定層と電極兼下部シールド２１１とは絶縁されており、反強磁性層２０８に側方から給電線が接続されている。

このデバイスのノイズを低減させるために、電圧検知を行う界面、すなわち自由層を構成する磁性材料及び絶縁障壁層材料を、電流を流す回路を備える界面、すなわち固定層を構成する磁性材料及び絶縁障壁層材料の示すスピン分極率と比べて同じか高い材料で構成する。これは、ショットノイズの理論でしばしば扱われるスピンファーノ係数とよばれるファクターＳ_NNを本デバイスに関して導出すると、固定層（J1）のスピン分極率をＰ(J1）、自由層（J2）のスピン分極率をＰ(J2)としたトータルのショットノイズＳ_NNは、次式で表される。
Ｓ_NN∝Ｐ(J1)×（１−Ｐ(J2)）×Ｉ …(1)
Ｉは、センス電流である。この式は、ショットノイズ低減には、自由層の分極率が１であるか、固定層のスピン分極を極力下げることが有効であることを意味している。ただし、出力ΔＲは、ｄを二つの磁性層の距離、λをスピン拡散長とすると、下式で表されるので、Ｐ(J1)はゼロにはできないため、Ｐ(J2)をできるだけ高い値にすることが、シグナルを大きくし、ノイズを低減させるには重要であることがわかる。従って、図１に示すように、ジャンクション１０５の界面スピン分極率の値がジャンクション１０４の界面スピン分極率の値よりも大きいことが条件となる。
ΔＲ∝Ｐ(J1)×Ｐ(J2)×Ｉexp（−ｄ／λ） …(2)

ここで、導電体１０３に要求される特性は、スピン拡散長が長いことである。これには、抵抗が非常に小さいか、ｐ電子あるいはｄ電子の伝導性の高い材料が有効であると考えられる。従って、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｃ，Ｍｇ，Ｉｒ，Ｒｈからなる非磁性導電性金属、あるいはＧａＡｓ，Ｓｉ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ_３を主成分とする伝導性の非磁性化合物が有効である。磁性電子であるｄ電子をフェルミ面にもつＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ₃を主成分とするｄ電子伝導性の化合物は、ｄ電子からｓ電子へエネルギーが遷移することに伴うスピン情報の散逸が防がれるため、特に有効と考えられる。例えば、Ｃｕを用いた場合はＣｕの残留抵抗を低減することによって、スピン拡散長が増大する。超高真空中スパッタリング法でＳｉＯ_２基板上に形成したＴａ（膜厚３ｎｍ）／Ｃｕ（膜厚３０ｎｍ）は、３〜４μΩｃｍの比抵抗のものではスピン散乱長が３００〜５００ｎｍであるが、２μΩｃｍの低比抵抗のものでは７００ｎｍを超える。抵抗が小さいあるいは適切な材料を選択するとともに、上記のような抵抗を低減する処理方法を適用することが重要である。抵抗低減の方法には、真空中での２００℃から４００℃の熱処理が含まれる。

また、第一、第二の磁性膜１０１，１０２を構成する材料として、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎあるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる材料がある。これは、通常はＦＣＣ構造をもち、軟磁気特性の良好なＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀やＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀及びこれらの組成が数％ずれた範囲のものや、添加元素としてＣｒやＮｉ，Ｃｏが入ったものが考えられる。

ここで、本発明の特徴的な磁性層としては、少なくとも自由層側の磁性層に、ＢＣＣ構造をもつＦｅやＣｏ₅₀Ｆｅ₅₀に代表される組成の合金膜、あるいはアモルファス構造を持つＣｏとＦｅの合金とＢとを含む化合物（ＣｏＦｅＢ）、ＣｏとＦｅの合金とＣを含む化合物やＣｏとＦｅの合金とＮを含む化合物によってなる膜（ＣｏＦｅＣ）、及びこれらを１００℃以上４００℃未満の範囲で熱処理した膜の組み合わせを適用する。特に、これらの磁性材料による自由層はＭｇＯ障壁層に接していることが重要である。

ＭｇＯ以外の指定の障壁層材料からなる絶縁障壁層に組み合わせる自由層の磁性材料は、上述したもの及びハーフメタル効果が大きい磁性材料である、ＣｏＦｅＣｒＡｌなどのホイスラー合金やＦｅ₃Ｏ₄などのスピネル化合物が適用される。

また、絶縁障壁層１０６，２０５を構成する材料として、Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＳｉＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｚｒ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類を含む材料からなる単層膜あるいは積層膜が好ましい。特に、自由層を構成する部位には、上記に示したように、磁性層との組み合わせによって結晶性ＭｇＯや結晶性ＳｒＴｉＯ₃を使用するのが好ましい。

これらの材料は、ＴＭＲを形成したときに特徴的な特性を示すことで知られている。スパッタリングで、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａ膜上にＮｉＦｅ層を１ｎｍ、ＭｎＰｔ層を１３ｎｍ形成し、磁性層に（ＣｏＦｅ）₆₀Ｂ₄₀層を３ｎｍ、ＭｇＯ層を１ｎｍ、磁性層に（ＣｏＦｅ）₆₀Ｂ₄₀層を３ｎｍ形成し、２７０℃で外部磁界６ｋＯｅで磁界中熱処理すると、室温の磁気抵抗変化が１２０％の膜が作製できる。膜作成や素子作製の各種条件を最適化することにより、室温の磁気抵抗変化が２００％をこえる膜を作製することが可能である。

これは、アモルファス膜上に成長したＭｇＯが良好な（１００）配向を示すことと、ＭｇＯを介したＢＣＣ系磁性材料のスピン電子伝導が極めて高いスピン分極率での理想的なスピンデバイスを形成するためである。例えば、１００％の磁気抵抗効果で磁性体が同一材料であった場合は、単純には５８％のスピン分極率となる。本発明においては、基本的にスピン分極率は、上記のような一般的な強磁性層Ａ／絶縁障壁層／強磁性層Ｂの三層からなる構造を基本とするＴＭＲ素子で、強磁性層Ａ、強磁性層Ｂを同一の材料とし、片側の強磁性層は反強磁性膜で磁気的に固定し、膜面垂直に電流が流れるように素子膜基板側と素子膜上面にそれぞれ電極層が配置されているもので、素子サイズが０．０５×０．０５μｍ²〜０．５×０．５μｍ²の範囲内で、形状は略正方形から略長方形の素子について、室温で測定した結果を適用する。この場合、抵抗変化率と界面分極率の関係は、次式で与えられる。
ＭＲ＝100（Ｒ_AP−Ｒ_P）／Ｒ_P＝100・Ｐ_AＰ_B／（１−Ｐ_AＰ_B） …(3)

ここで、Ｒ_APは強磁性層Ａ、強磁性層Ｂの磁化の向きが反強磁性状態のときの素子抵抗、Ｒ_Pは平行のときの素子抵抗である。また、Ｐ_A，Ｐ_Bはそれぞれ、強磁性層Ａ、強磁性層Ｂと絶縁障壁層とのスピン分極率を示す。一般に、同一の磁性体を用いたＴＭＲにおいて磁気抵抗変化率が１００％の場合については、界面のスピン分極率は約５８％である。現在、下記に示すように有効なノイズ低減効果を考え、かつこれを実現させることを考えた場合に、ＭｇＯ障壁などのトンネル障壁デバイスか、ハーフメタルを適用することが有効である。それらの特性は、実験的にはＴＭＲ変化率として８０−１００％以上となる。これを数値化するならば、実効的な界面分極率として５８％以上であるということになる。

ここで、ノイズを低減する構造について考える。例えば、絶縁障壁層１０６，２０５を構成する材料が、ともに膜厚１．２ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃薄膜である場合、一方のＣｏによって構成される強磁性細線１０１からＣｕ細線１０３へと電流を流し、この素子全体に磁界Ｈを印加する。このとき、磁性細線は太さや材質の違いのために保磁力が異なり、図６（ａ）に示すように、磁性体１（１０１）、磁性体２（１０２）はそれぞれ異なる磁化曲線の形状となる。接合部分１０５で、例えばＣｏ₇₅Ｆｅ₂₅からなる磁性細線１０２とＣｕ細線１０３との間に発生する電位差ΔＶを測定すると、図６（ｂ）に示すように電位差Ｖは、保磁力差によって生じた磁化の反平行状態のときに極性を反転させる。この変化は、磁性細線１０１，１０２間の距離が５００ｎｍ程度離れていても、室温で確認することができる。上記では、固定層と自由層の絶縁障壁層が同じ材料で、自由層側の磁性層材料にＣｏ₇₅Ｆｅ₂₅（Ｐ＝０．４５）を用いた。この場合、従来の同一Ｃｏ（Ｐ＝０．３）によって構成されるデバイスと比べて５０％近くノイズが低減した。これらは、表１に示すように出力の増大に関係する。

一方、磁性体にハーフメタルのようなスピン偏極率の高い材料を少なくとも自由層側の一部に適用することで、スピン偏極電流の分極率を高め、ノイズを低減することも可能である。ここで、ハーフメタルとは、その材料のフェルミ面における電子構造が、上下スピンのどちらか一方のスピンだけでほぼ１００％構成されるような物質のことである。また、分極率Ｐとはこのスピンの偏りのことで、フェルミ面における上向きスピン電子数をｎ↑、下向きスピン電子数をｎ↓として下式で定義される。
Ｐ＝１００×（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓） …(4)

ハーフメタルに電子を流すと、ハーフメタルのフェルミ面における電子スピンの向きと同じスピン成分の電子は保存しハーフメタル中を伝導するが、逆向きのスピンをもつ電子は反発力が働くため伝導できないという特徴がある。

図１に示す磁界センサ構造中の磁性層の少なくとも自由層側にハーフメタルからなる磁性層１０２を入れた場合、ハーフメタル層を透過する電子はスピン分極率が非常に高い状態となる。理想的なハーフメタルの場合、フェルミ面における電子状態はほぼ１００％スピン分極しているので、これを透過する電流は１００％近いスピン分極率となる。実際知られているハーフメタルの室温における分極率は、５０％〜９０％である。これは、逆向きのスピン成分をもつ電流に対して、ハーフメタルの抵抗がほぼ無限大のため、逆向きスピンの電子が散乱され、片側スピンのみが散乱長が長いまま伝導することに起因している。

このような高いスピン分極電流が前述の磁性層から効果的に導電体に注入されれば導電体中に蓄積されるスピン電子の分極率は上昇し、磁気相互作用が強まり、かつ、ノイズが低く抑えられるため、自由層側に発生する磁場依存の電位変化ΔＶの大きさは非常に大きくなる。

反強磁性層２０８を構成する膜としては、ＰｔＭｎ，ＣｒＭｎＰｔ，ＭｎＩｒ，ＮｉＯ，ＰｄＰｔＭｎなどは、数ｎｍから数１０ｎｍの各組成に定められた臨界膜厚以上とし、適正な条件下で磁界中熱処理すると、一方向異方性が十分大きく発現し、接合部分の第一の磁性膜１０１の磁化を固定するのに有効である。

自由層１０２の磁区制御に関しては、図１におけるＸ−Ｘ’断面を表す図７に示すように、一般のＧＭＲ再生ヘッドで適用されているハードバイアス方式を適用することを考えた場合、ハードバイアスに用いられる永久磁石７０２を素子膜１０２のトラック幅方向の両端部に絶縁膜７０１を介して配することで、永久磁石７０２からの漏洩磁束を用いて素子中の自由層１０２の端部に発生する微細な磁区を減少させ、一方向に整列した磁区構造を形成することが可能である。

さらに、２つの磁性体のうちの片側の磁性体の磁化を特定の方向に固定し、外部磁界によってもう一方の磁性体の磁化が反転し、両者の磁化方向が平行な場合と反平行な場合とが実現するような構成にすることで、磁化が固定された側の磁性膜はスピンバルブ構造における固定層として、また、もう一方の磁性膜は自由層としての働きをすることになる。実際、上記構造において磁化固定された側の磁性膜は、反強磁性体の一方向異方性による交換結合を用いて磁化を固定する方法や、膜厚や材質を自由層側磁性体よりも保磁力が大きくなるように調整する方法で実現することが可能である。

さらに、新しい磁区制御の方式として、自由層１０２あるいは、自由層１０２とこれと接する絶縁障壁層２０５との他主面側に非磁性膜を介して永久磁石をつける。また、このほかに、反強磁性膜と接した軟磁性膜からなる多層膜を形成することで、永久磁石あるいは軟磁性膜の端部から発生する漏洩磁束を用いて自由層１０２の磁区をそろえる方式（ＣＦＳ（Closed Flux Structure）方式）が有効である。素子サイズが１平方ミクロンを下回る範囲では、前記ハードバイアスの絶縁膜の絶縁性及び磁区制御磁界の精度が著しく低下することが予想される。ギャップ間隔が５０ｎｍを下回る領域では、薄膜化が課題となるものの、この方式が将来方式として有望であり、本発明の膜構造に対しても十分有効である。

図８は、本発明を適用すべきもうひとつの磁気再生ヘッドを素子膜上方から見た概略図である。また、図９は図８のＡ−Ａ’断面図、図１０は図８のＢ−Ｂ’断面図、図１１は図８のＣ−Ｃ’断面図である。

この磁気再生ヘッドでは、基板及び下地材料等からなる基体８０１上に、第一の電極層８０２の上あるいは下面に、それぞれ第一、第二、第三、第四の絶縁層８０３，８０５，８０７，８０９を介して第一の電極層８０２に接する、それぞれ第一、第二、第三、第四の強磁性電極層８０４，８０６，８０８，８１０が配置されている。媒体表面と対向する面８１１に近い位置には第四の強磁性電極層８１０が配置されており、第四の強磁性電極層８１０は、媒体８１２の表面と対向する面８１１に露出されているか、あるいは、保護膜等を介して形成されている。媒体からの磁界８１３が少なくとも該第四の強磁性電極層８１０に印加されうるようなセンサ周囲の磁気シールド構造を備える。

本構造では、例えば第一及び第三の強磁性電極８０４，８０８は第一の電極層８０２の外側に電極端子構造をもつ。また、第四及び第二の強磁性電極膜８１０，８０６は、これらの上下に配される磁気シールド層、又はその磁気シールド膜（図９、図１０、図１１の９０１あるいは９０４）に接する低抵抗電極膜に接する構造をもつ。たとえば、第一の強磁性電極層８０４から第二の強磁性電極層８０６に電流を流したとき（第一の強磁性電極対）、第三の強磁性電極層８０８と第四の強磁性電極層８１０の間（第二の強磁性電極対）の電圧を出力信号として測定する構造をとる。これにより、第四の磁性体電極層、第三の磁性体電極層、その他の電極層の保磁力について、第四の磁性体電極層の保磁力を最も小さく設けることで、外部磁界によって少なくとも第四の磁性体電極層の磁化の向きが変化する構造となる。

これについても、上述と同様、第四の磁性体電極層を自由層とし、他を固定層として上述の構造と同様の界面分極率構成であるものは、ノイズ低減が可能である。このデバイスのノイズを低減させるために、電圧検知を行う界面、すなわち自由層を構成する磁性材料及び障壁層材料を、電流を流す回路を備える界面、すなわち固定層を構成する磁性材料及び障壁層材料の示すスピン分極率と比べて高い材料構成とする。前述と同様に、スピンファーノ係数とよばれるファクターＳ_NNを本デバイスに関して導出すると、固定層(J1,J2,J3)のスピン分極率をＰ(J1,J2,J3)、自由層(J4)のスピン分極率をＰ(J4)としたトータルのショットノイズＳ_NNは、次式で表される。
Ｓ_NN∝Ｐ(J1)Ｐ(J2)×（（Ｐ(J4)−Ｐ(J3)）×Ｉ …(5)
Ｉは、センス電流である。この式は、ショットノイズ低減には、固定相の分極率Ｐ(J1)及びＰ(J2)を小さくすることと、固定層J3と自由層J4のスピン分極を近い値にすることが有効であることを示している。ただし、出力ΔＲが、ｄを二つの磁性層の距離、λをスピン拡散長とすると、次式
ΔＲ∝Ｐ(J1)×Ｐ(J2)×Ｐ(J4)×Ｐ(J3)×Ｉexp（−ｄ／λ） …(6)
で表されるので、Ｐ(J1)×Ｐ(J2)はゼロにはできない。Ｐ(J4)×Ｐ(J3)をできるだけ高い値にすることが本デバイスにおいてシグナルを大きくし、ノイズを低減させるには重要であることがわかる。従って、図８に示すように、ジャンクション８１０の界面スピン分極率の値がジャンクション８０８の界面スピン分極率の値とくらべ大きいことが条件となる。

上述と同様に、第四の磁性体電極層を自由層とし、他を固定層として上述の構造と同様の界面分極率構成であるものは、ノイズ低減が可能である。このデバイスのノイズを低減させるために、電圧検知を行う界面、すなわち自由層を構成する磁性材料及び障壁層材料を、電流を流す回路を備える界面、すなわち固定層を構成する磁性材料及び障壁層材料の示すスピン分極率と同じ材料構成とする。前述と同様に、スピンファーノ係数とよばれるファクターＳ_NNを本デバイスに関して導出すると、固定層(J1,J2,J3)のスピン分極率をＰ(J1,J2,J3)、自由層(J4)のスピン分極率をＰ(J4)としたトータルのショットノイズＳ_NNは、次式で表される。
Ｓ_NN∝Ｐ(J1)Ｐ(J2)×（（Ｐ(J4)−Ｐ(J3)）×Ｉ …(7)
Ｉは、センス電流である。この式は、ショットノイズ低減には、固定相の分極率Ｐ(J1)及びＰ(J2)を小さくすることと、固定層J3と自由層Ｊ4のスピン分極を同じにすることが有効であることを示している。ただし、出力ΔＲが、ｄを二つの磁性層の距離、λをスピン拡散長とすると、次式
ΔＲ∝Ｐ(J1)×Ｐ(J2)×Ｐ(J4)×Ｐ(J3)×Ｉexp（−ｄ／λ） …(8)
で表されるので、Ｐ(J1) ×Ｐ(J2)はゼロにはできない。Ｐ(J4)×Ｐ(J3)をできるだけ高い値にすることが本デバイスにおいてシグナルを大きくし、ノイズを低減させるには重要であることがわかる。従って、図８に示すように、ジャンクション８１０の界面スピン分極率の値がジャンクション８０８の界面スピン分極率の値と同等である場合に、ノイズが低減する特徴的な条件となる。

以下、本発明の磁気再生ヘッドの製造方法について説明する。
図２の素子断面に見られる多層構造の膜は、ＳｉＯ₂基板やガラス基板などの通常用いられる基板（酸化マグネシウム基板、ＧａＡｓ基板、ＡｌＴｉＣ基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ₂Ｏ₃基板等を含む）２１３上に真空中スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等の膜形成装置を用いて成膜した。例えばＲＦスパッタリング法の場合、Ａｒ雰囲気中で、約１〜０．０５Ｐａのガス圧力、５０Ｗ〜５００Ｗのパワーで膜を形成した。素子形成する基体には、上記基板２１３を直接用いるか、又は、これら基板上に絶縁膜や、適当な下地金属膜２１４などを形成したものを用いる。

素子形成する基体２１３，２１４上に、下部磁気シールド及び電極を備える膜２１１を形成し、その上に１０^-9Ｔｏｒｒ以下の超高真空中でＴａ膜２１０（膜厚３ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ膜１０２（膜厚２０ｎｍ）を順次形成後、この上にＭｇＯ膜２０５を膜厚１ｎｍ形成した後に、Ｃｕ膜１０３を形成し、保護膜を作製する。絶縁障壁層のＭｇＯは直接成長であり、ＺｎＯやＳｒＴｉＯを用いる場合も同様である。アルミナ障壁層の場合はＡｌ膜を作製し、酸化処理を行うものもある。酸化には、自然酸化ではなく、プラズマ酸化やオゾン酸化等の酸化プロセスを用いても同様である。この膜にレジストを塗布し、Ｉ線ステッパーや電子ビームを用いたリソグラフィにより、磁性細線形状（自由層）１０５を描画した。描画は、細線が数１００ｎｍ以下まで細くなる場合には、Ｉ線ステッパでは限界があるため、電子ビーム描画法により形状を描画した。この膜を、Ａｒイオンのミリング装置を用いミリング処理しパターン形成した。

この細線表面をクリーニング後に、さらにＣｕ膜、その上にＭｇＯあるいはＡｌ₂Ｏ₃膜１０６を形成し、その上にＣｏＦｅＢ磁性層１０１を形成し、保護膜を作製した。その後、細線部を作製した後で、細線部の磁性層を削り、その上に順次、ＣｏＦｅＢ磁性層と反強磁性体膜２０８であるＭｎＩｒ、保護膜２０９を形成し、第二の磁性細線部（固定層）１０４を作成後、細線部分の磁性層がなくなるまで削る。作製には、電子線描画や、ステッパ法、あるいは、プローブ描画法を用いた。自由層のハードバイアス膜を作成する場合には、絶縁膜を形成後、永久磁石であるＣｏＣｒＰｔＺｒなどの膜を作製し、更に絶縁膜を形成した。その後、Ｃｏ線を形成するための描画を行い、表面清浄化処理した上にＣｏ及びＮｉＦｅなどの軟磁性膜、ＭｎＩｒなどの反強磁性膜を形成した。図３，４，及び５の図面についても、非磁性細線と磁性膜の配置関係が異なるものであるが、同様に作製できる。２１２は電極兼上部シールドである。

図１３の膜は、実施例１と同様の装置セッテイングにおけるものである。簡単のため、素子形成する基体上に、高真空中で下部シールド膜１３０４を形成後、磁性膜８０５、ＭｇＯ絶縁膜８０６を形成し、パターンを作製する。その後、絶縁膜１３０６を形成し、この上に、磁性膜８０８と障壁膜８０７を形成、パターンを作製する。さらに、Ａｌ膜８０２を膜厚１０ｎｍ形成した後に、障壁膜８０９と反強磁性膜ＡＦ、磁性膜８１０を形成し、電子ビーム描画法により第一の電極層８０５の形状を描画し、ミリング形成した。また、障壁膜８０３、磁性層８０４、反強磁性膜ＡＦを作製し、電極パターンを形成する。この上にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂からなる絶縁膜１３０５を形成し、リソグラフィ及び電子ビーム描画法により形状を描画した。その後、接合部を形成する。これは、２段レジスト等を利用したリフトオフ用パターンで、周辺部にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂からなる絶縁膜を形成後、リフトオフを行った。作製には、電子線描画や、ステッパ法、あるいは、プローブ描画法を用いた。また、イオンミリングあるいはドライエッチング後に発生するバリを取るための処理を行った。自由層のハードバイアス膜を作成する場合には、絶縁膜を形成後、永久磁石であるＣｏＣｒＰｔＺｒなどの膜を作製し、更に絶縁膜を形成した。その後、強磁性電極を形成するための描画を行い、表面清浄化処理した上に電極膜１３０３、シールド膜１３０１、書き込みヘッドに相当する機構１３０２を形成した。
図１４の膜も同様で、各磁性層とＡｌ膜８０２の位置が異なる構造を示すものである。

図１に示した原理に基づいて作製した再生ヘッドの構成例を図１２に示す。Ｃｕからなる幅５〜３０ｎｍ程度の線状の導電体１０３と、磁性体からなる第一の磁性体１０１とが、この導電体上に形成したＡｌ₂Ｏ₃からなる第一の絶縁障壁層１０６に接しており、かつ、導電体１０３から１０〜１０００ｎｍ離れた位置にＣｏＦｅＢからなる第二の磁性体１０２が絶縁障壁層２０５を介して導電体１０３と接している構造を有する。第一の磁性体１０１と導電体１０３には電流を流す電流源が接続されており、電流を流すようになっている。さらに、これらの素子の基体の膜厚方向の上下面に、絶縁膜を介して軟磁性膜による磁気シールド１２０１，１２０２が配される。この上部シールド１００２の上に、記録用ヘッドが位置する構造で磁気ヘッドは形成される。

第二の磁性体１０２の面積が５０ｎｍ×５０ｎｍのときに、磁界の方向によって、この磁気抵抗センサの自由層部分１０５に発生する電位差Ｖは、表１にあるように実験的には電流１０９が１．０ｍＡで数ｍＶである。また、この電圧は、電流を増大する、あるいは磁性膜にスピン分極率の高い材料を適用する等の材料の選択、低温にすること等により高くすることが可能である。さらに、第二の磁性体１０２と絶縁障壁層２０５に、スピン分極率が第一の磁性体１０１側より高いものを適用することで、電流を流したときのノイズ発生を抑止でき、ＳＮＲを高くすることが可能である。この電位差は、正負に極性を変えることが特徴的である。

図８に示した原理に基づいて作製した素子の各層を分解して媒体に対向する面から見た図を図１３及び図１４に示す。たとえばＡｌからなる幅５００ｎｍ程度の第一の電極層８０２と、Ｃｏからなる第一、第二の強磁性電極層８０４，８０６と高スピン分極率をＴＭＲで示しているホイスラー合金（ＣｏＦｅＣｒＡｌ）からなる第三、第四の強磁性電極層８０８，８１０とが、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第一から第四の絶縁層（８０３，８０５，８０７，８０９）に接している。各強磁性電極層と第一の電極層の接触部は一辺５〜５０ｎｍ程度である。第四の強磁性電極層８１０は媒体対向面に露出し、あるいは媒体対向面に最も近い部分に保護膜を介して位置している。第四の強磁性電極層８１０から素子高さ方向に５０〜５００ｎｍ離れた位置に第三の強磁性電極層８０８が配置している。素子高さ方向にみて第四、第三の強磁性電極層の間であって、これら二枚の強磁性電極層から略同じ距離に、第一の強磁性電極層８０４が位置している。また、第二の強磁性電極層８０６は第一の強磁性電極層８０４と略同じ素子高さ位置であって、第四、第三の二枚の強磁性電極層から略同じ距離に位置している。

第一、第二、第三の強磁性電極層８０４，８０６，８０８の磁化方向は、それぞれの層に積層された反強磁性層（ＡＦ層）によって固定されている。第四の強磁性電極層８１０の磁化方向は、外部磁界に応じて変化する。第一の強磁性電極層８０４と第二の強磁性電極層８０６には電流を流す電流源が接続されており、第一の電極層に電流を流すようになっている。また、第三の強磁性電極層８０８は電気的に接地され、第四の強磁性電極層８１０の磁化反転に起因して発生する電圧変化を測定する機構と接続している。さらに、これらの素子の基体をなす下部層と、膜の表面側に、絶縁膜１３０５，１３０６を介して軟磁性膜による磁気シールド１３０４，１３０３が配されている。上部シールド１３０３の上に、絶縁膜１３０１を介して記録磁極１３０２が位置する構造で磁気ヘッドは形成される。

第一の強磁性電極膜８０４の面積が５００ｎｍ×５００ｎｍのときに、磁界の方向によって、第四と第三の強磁性電極層８１０，８０８の間に発生する電位差Ｖは、第一と第二の強磁性電極８０４，８０６間に流れる電流が１００μＡのときに室温で約１００ｍＶ以上となり、非磁性細線を用いた場合に確認されている出力の十倍程度の大きさになるとともに、同様の構造で、４つの強磁性電極層８０４，８０６，８０８，８１０の材料が全て同じだったときの２倍以上の値になる。また、この電圧は、素子に印加される外部磁界がゼロの時には非常に低い値で、外部磁界による変化率としては１００〜１０００％の高い値を示す。また、第一の電極膜の面積を縮小する、電流を増大する、あるいは、強磁性電極にスピン分極の高い材料を適用する等の材料の選択、低温にすること等により出力及び変化率を高くすることが可能である。

同様の効果は、図１４に示すような素子構造においても得られる。例えば、Ｃｏからなる第一、第二の強磁性電極層８０４，８０６とＣｏＦｅＢからなる第三、第四の強磁性電極層８０８，８１０とが、結晶化したＭｇＯからなる第一から第四の絶縁層（８０３，８０５，８０７，８０９）に接している場合を考えると、第四と第三の強磁性電極層の間に発生する電位差Ｖは、第一と第二の強磁性電極間に流れる電流が１００μＡのときに室温で約１５０ｍＶ以上となり、非磁性細線を用いた場合に確認されている出力の十倍程度の大きさになるとともに、同様の構造で、４つの強磁性電極層８０４，８０６，８０８，８１０を構成する磁性体が全て同じだったときの２倍以上の値になる。これは、スピン分極率を最適化したことで、信号を増大し、ノイズによる損失を低減したことが要因である。

強磁性電極層を構成する磁性膜としてハーフメタル磁性膜を形成する場合に、スパッタ室雰囲気のＨ₂Ｏ分率を低減し、低レート、低エネルギーで膜形成する新規な方法により、２５０℃以上の基板温度において、膜厚５０ｎｍ以下の膜において飽和磁化０．４テスラ以上をもつＦｅ₃Ｏ₄膜を作製することができた。このＦｅ₃Ｏ₄がハーフメタリックな特性を持つことは第一原理計算に基づく理論検証及び過去の分光分析等から知られている。形成したＦｅ₃Ｏ₄膜の飽和磁化Ｂｓは、下地膜がＰｔ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，ＮｉＦｅなどの導電性金属、合金膜でも、ＴｉＮなどの導電性化合物膜でも、これら下地膜の表面粗さＲａを０．４ｎｍ以下にすることにより、０．４テスラ以上となり、ほぼ良好なＦｅ₃Ｏ₄成長が確認された。また、これら貴金属の下に、Ｃｒ，Ｔａ，ＮｉＦｅＣｒなどの適当な下地膜を数ｎｍから数十ｎｍ挿入することにより、この上に成長した貴金属膜の表面構造が平滑化し、Ｆｅ₃Ｏ₄膜の成長が促進される。

Ｆｅ₃Ｏ₄以外の酸化物ハーフメタル材料であるＣｒＯ₂，ＺｎＯ，ＧａＮについても、上述のＦｅ₃Ｏ₄の場合と同様に下地貴金属膜を形成して、その上に成長させたところ基板温度が２５０℃でも単層膜が形成されていることを確認した。ＺｎＯは，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの強磁性金属を約２５％ドープすると、強磁性ハーフメタルの状態になる。また、ＧａＮについてもＧａＡｓ下地膜上にＭＢＥを用いてＭｎを２５％ドープして形成すると強磁性ハーフメタルになる。

また、ホイスラー合金とよばれる化合物でＣｏ₂ＭｎＧｅ，Ｃｏ₂ＭｎＳｂやＣｏ₂Ｃｒ_0.6Ａｌ_0.4Ｍｎなどは組成に該当するターゲットをＡｒ雰囲気中のＲＦスパッタリングにより基板に直接成長させる方法で作製可能である。基板温度は、３００℃以上で、７００℃以上の熱処理を加えることが望ましいが、室温基板上に形成し、２７０℃で長時間熱処理した場合にも規則化した構造を得ることが可能である。また、作製した膜の組成とターゲットの組成との関係がずれやすいため、作製した膜での組成確認をＸＰＳあるいはＩＣＰ分析により同定することが必要である。

これらの膜を磁性層に用いることで、磁気抵抗素子としての出力ΔＶは、数倍程度に増大しており、素子の設計の簡易化には有効である。

図１に示した素子構造及び図８に示した素子構造において、強磁性電極層を構成する磁性体にＣｏＦｅＢを用いた実施例について説明する。膜の作製は、基板温度が室温のＡｒガスを用いた超高真空スパッタリング製膜法を用いた。ＣｏＦｅとＢの組成比は６：４〜８：２とし、ＣｏとＦｅの組成比は１：１〜３：１の範囲とした。このとき、室温で作製された膜の結晶構造はアモルファス状態となる。また、ＣｏＦｅＣ、ＣｏＦｅＮなどのＣｏＦｅ−Ｘ系化合物でも同様の組成比で、アモルファス的な結晶構造となる。この膜上にＭｇＯ膜を形成した。作製にはＭｇＯターゲットを用い、上記と同様にＡｒガスを用いた超高真空スパッタリング製膜法を適用した。ＭｇＯ膜厚は０．６〜２．５ｎｍとした。このアモルファス膜上に形成したＭｇＯ絶縁膜は、（１００）配向する。この上にＣｏＦｅＢ膜を同様に形成し、その上に反強磁性膜等の膜を形成したものについて、１μｍ×１μｍの素子面積の素子を作製し、磁気抵抗変化を測定すると、室温で１００％程度のＴＭＲを示す。更にこれを、３００℃以上４００℃以下の温度で熱処理することにより、室温で２５０％以上のＴＭＲを示す膜が出来る。４００℃以上では、他の合金膜が破壊を起こす。

３００℃以上４００℃以下の温度で熱処理した素子の磁性層と絶縁障壁層は結晶化しており、その様子は断面ＴＥＭ写真から判断することが可能である。この特徴として、図１５に示すように、磁化状態が平行と反平行とで、電流対電圧特性が異なる特性が上げられる。この場合、反強磁性状態ではバリヤが有効で、バリヤ高さ０．２〜０．５ｅＶとされる。これは、アルミナ酸化物のバリヤ高さ（０．８〜１．４ｅＶ）のおおよそ半分で低い。さらに、平行状態ではほぼ直線的なＩ−Ｖ特性で、略金属的な挙動を示すため、この状態ではバリヤを介した伝導に伴うショットノイズは発生しない、あるいは極端に小さいことが考えられる。このため、ＭｇＯとＣｏＦｅＢとそれに類する系を、この素子に適用することは、先のノイズ低減の電極位置指定と加えて非常に効果的である。

ＭｇＯ以外の指定の障壁層材料からなる絶縁障壁層に組み合わせる自由層の磁性材料は、ＣｏＦｅＢではなく、上述した多くのハーフメタル効果が大きいとされる磁性材料が好ましい。このとき、絶縁障壁層を構成する材料として、Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＳｉＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｚｒ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜が好ましい。特に、自由層を構成する部位には、上記に示したように、磁性層との組み合わせによって結晶性ＭｇＯや結晶性ＳｒＴｉＯ₃を使用する。例えば、ＳｒＴｉＯ₃の場合、バリヤ高さは約０．０５〜０．１ｅＶである。

図１６は、再生ヘッドに加えて記録ヘッドまでを含めた、磁気ヘッド構造を表す模式図である。これまでに述べた再生ヘッド構造が、上下シールドである１６０３，１６０４の間に形成されており、媒体と対向するＡＢＳ面には、基本構造となる磁性膜１０２や導電体１０３が露出している。素子厚さ方向に記録磁極１６０１と、これの磁化を誘起するコイル１６０２が形成されている。磁極１６０１には、高飽和磁束密度をもつＣｏＦｅ系材料等を用いることができる。また、記録方式としてサイズを絞った光を媒体に照射して媒体温度を局所的に上昇させ、媒体の温度上昇に伴う磁化低減の作用を用いて、磁化反転させる機構がついた記録ヘッドとの組み合わせにおいても、本発明の再生ヘッドは有効である。

図１７は、本発明による磁気ヘッドを備える磁気デイスク装置の構成例を示す概略図である。同心円状のトラックとよばれる記録領域にデータを記録するためのデイスク状の磁気デイスク１７０１が回転軸１７０２によって支持され、駆動用モーター１７０３によって回転させられる。本発明による磁気ヘッドを搭載したスライダ１７０６が、磁気デイスク１７０１上に設置され、磁気ヘッドは制御手段１７１２によって制御されるアクチュエータ手段１７１１によって、目的とするデータが記録されている所定位置へアクセスされる。磁気デイスク１７０１の回転によってスライダ１７０６とデイスク１７０１表面の間に空気流によるエアベアリングが生じ、それがスライダ１７０６を磁気デイスク１７０１の表面から浮上させる。したがって、磁気デイスク装置の動作中、スライダ１７０６は磁気デイスク表面にふれずに、かつ磁気デイスク１７０１と一定間隔を保って浮上するように維持される。

通常、制御手段１７１２はロジック回路、メモリ、及びマイクロプロセッサなどから構成される。そして、制御手段１７１２は、各ラインを介して制御信号を送受信し、かつ磁気デイスク装置の種々の構成手段を制御する。記録／再生処理系は、再生ヘッドから得られた読み取り信号から情報を再生し、また、記録ヘッドに書き込み信号を送信する。本発明の磁気抵抗効果素子を本磁気記憶装置に搭載することにより、再生密度が５００Ｇｂ／ｉｎ²を超える領域の磁気記録再生が可能となる。

本発明による磁気抵抗素子の一例の基本構造を示す図。本発明による磁気抵抗素子の一例を示す断面模式図。本発明による磁気抵抗素子の一例を示す断面模式図。本発明による磁気抵抗素子の一例を示す断面模式図。本発明による磁気抵抗素子の一例を示す断面模式図。本発明による磁気抵抗素子の磁気特性と電圧変化信号出力の磁界依存性を示す図。ハードバイアス方式磁区制御構造を備えた磁性層周辺の断面図。本発明による磁気抵抗素子の他の例の基本構造を示す図。図８に示すデバイスの断面模式図。図８に示すデバイスの断面模式図。図８に示すデバイスの断面模式図。本発明による磁気再生ヘッドの構造例を示す図。本発明による磁気再生ヘッドの他の構造例を示す図。本発明による磁気再生ヘッドの他の構造例を示す図。ＭｇＯ障壁層を用いたＴＭＲの電流電圧特性を示す図。本発明を適用した磁気抵抗効果素子と記録ヘッドとの位置関係を示す模式図。本発明を適用した磁気記憶装置の模式図。

符号の説明

１０１：第一の磁性体、１０２：第二の磁性体、１０３：導電体、１０６：絶縁障壁層、２０５：絶縁障壁層、２０８：反強磁性層、８０１：基体、８０２：第一の電極層、８０３：第一の絶縁層、８０４：第一の強磁性電極層、８０５：第二の絶縁層、８０６：第二の強磁性電極層、８０７：第三の絶縁層、８０８：第三の強磁性電極層、８０９：第四の絶縁層、８１０：第四の強磁性電極層、８１３：媒体からの磁界、１２０１，１２０２：磁気シールド

Claims

導電層と、
前記導電層に絶縁障壁層を介して強磁性層が積層され、前記導電層と前記強磁性層とは電流供給回路の一部をなしている第１の素子部と、
前記導電層に絶縁障壁層を介して強磁性層が積層され、前記導電層と前記強磁性層とは電圧測定回路の一部をなしている第２の素子部とを有し、
前記第２の素子部の強磁性層と絶縁障壁層との接合部の界面スピン分極率が前記第１の素子部の強磁性層と絶縁障壁層との接合部の界面スピン分極率より大きいことを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の素子部は前記第２の素子部より素子高さ方向上方に位置することを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項２記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の素子部の強磁性層は、前記絶縁障壁層に接している面と反対側の面に、当該強磁性層の磁化を固定するための膜が形成されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項２記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第２の素子部の絶縁障壁層は結晶質であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項４記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第２の素子部の強磁性層は、体積比率において主たる結晶構造が体心立方格子あるいはアモルファス構造あるいはその混合状態であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項４記載の磁気再生ヘッドにおいて、少なくとも前記第２の素子部の絶縁層とこれと接する磁性層との界面について、障壁層のバリヤ高さが０．４ｅＶ以下であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項４記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記絶縁障壁層を構成する材料が、ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ，ＭｇＡｌＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項５記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記強磁性層を構成する材料は、ＦｅとＣｏを含有したＢ，Ｃ，Ｎの少なくとも一種類との化合物、あるいは純Ｆｅあるいはこれの酸化物からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第１の素子部は、前記導電層の第１の位置で前記導電層に第１の絶縁障壁層を介して積層された第１の強磁性層、及び前記導電層の第２の位置で前記導電層に第２の絶縁障壁層を介して積層された第２の強磁性層を有し、前記電流供給回路は前記第１の強磁性層と前記２の強磁性層に結線され、
前記第２の素子部は、前記導電層の第３の位置で前記導電層に第３の絶縁障壁層を介して積層された第３の強磁性層、及び前記導電層の第４の位置で前記導電層に第４の絶縁障壁層を介して積層された第４の強磁性層を有し、前記電圧測定回路は前記第３の強磁性層と前記第４の強磁性層に結線され、
前記第３の位置は前記第４の位置より素子高さ方向上方に位置し、前記第１の位置と第２の位置を結ぶ線分は前記第３の位置と前記第４の位置を結ぶ線分と交差することを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の強磁性層、第２の強磁性層及び第３の強磁性層は、それぞれ絶縁障壁層に接している面と反対側の面に、当該強磁性層の磁化を固定するための膜が形成されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第３の絶縁障壁層は結晶質であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第３の強磁性層は、体積比率において主たる結晶構造が体心立方格子あるいはアモルファス構造あるいはその混合状態であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１１記載の磁気再生ヘッドにおいて、少なくとも前記第２の素子部の絶縁層とこれと接する磁性層との界面について、該界面に電流を流したときの電流に対する電圧変化が、該界面の両面に接触する磁性層の磁化方向が平行と反並行の場合が一致せず、かつ、少なくともいずれか一方の磁化方向についての障壁層のバリヤ高さが０．４ｅＶ以下であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記絶縁障壁層を構成する材料が、ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ，ＭｇＡｌＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１２記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記強磁性層を構成する材料は、ＦｅとＣｏを含有したＢ，Ｃ，Ｎの少なくとも一種類との化合物、あるいは純Ｆｅあるいはこれの酸化物からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。
導電層と、
前記導電層に、ＭｇＯからなる絶縁障壁層を介して、磁化方向が固定されたＣｏＦｅＢからなる強磁性層が積層された積層膜を備え、前記導電層と当該積層膜の強磁性層は電流供給回路の一部をなしている第１の素子部と、
前記導電層に、ＭｇＯからなる絶縁障壁層を介して、外部磁界によって磁化方向が変化するＣｏＦｅＢからなる強磁性層が積層された積層膜を備え、前記導電層と当該積層膜の強磁性層は電圧測定回路の一部をなしている第２の素子部と
を有することを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１６記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の素子部は前記第２の素子部より素子高さ方向上方に位置することを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１７記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の素子部の強磁性層は、前記絶縁障壁層に接している面と反対側の面に、当該強磁性層の磁化を固定するための膜が形成されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１６記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第１の素子部は、前記導電層の第１の位置で前記導電層に第１の絶縁障壁層を介して積層された第１の強磁性層、及び前記導電層の第２の位置で前記導電層に第２の絶縁障壁層を介して積層された第２の強磁性層を有し、前記電流供給回路は前記第１の強磁性層と前記２の強磁性層に結線され、
前記第２の素子部は、前記導電層の第３の位置で前記導電層に第３の絶縁障壁層を介して積層された第３の強磁性層、及び前記導電層の第４の位置で前記導電層に第４の絶縁障壁層を介して積層された第４の強磁性層を有し、前記電圧測定回路は前記第３の強磁性層と前記第４の強磁性層に結線され、
前記３の位置は前記第４の位置より素子高さ方向上方に位置し、前記第１の位置と第２の位置を結ぶ線分は前記第３の位置と前記第４の位置を結ぶ線分と交差することを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１９記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記第１の強磁性層、第２の強磁性層及び第３の強磁性層は、それぞれ絶縁障壁層に接している面と反対側の面に、当該強磁性層の磁化を固定するための膜が形成されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。