JP2008084482A - 磁気センサ及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサとして磁性発振素子を微細化する加工技術の困難さや磁気的熱雑音によるSN比の低下。
【解決手段】磁化が固定されている第１の磁化固定層と、第１の磁化発振層と、第１の磁化固定層と第１の磁化発振層との間に設けられた第１非磁性層と、第１の磁化固定層と第１の磁化発振層ならびに第１の非磁性層の膜面に対して垂直に通電する一対の電極を有し、外部磁場の大きさに依存して発振周波数が変化する磁性発振素子と、この磁性発振素子の近傍に配置され、磁性発振素子の発振周波数に近い周波数で発振する発振素子と、通電によって、磁性発振素子及び発振素子の両端に発生する高周波発振信号を取得することを特徴とする磁気センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は微小磁性発振素子用いた磁気センサおよび磁気記録再生装置に関する。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧ Ｍ Ｒ ヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１ ０ ０ ％ で向上している。Ｇ Ｍ Ｒ 素子は、強磁性層／ 非磁性層／ 強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなる。Ｇ Ｍ Ｒ 素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固着し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆるスピンバルブ膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗変化を検出するＣ Ｉ Ｐ ( C u r r e n t I n P l a n e )− Ｇ Ｍ Ｒ 素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変化を検出するＣ Ｐ Ｐ ( C u r r e n t P e r p e n d i c u l a r t o P l a n e )− Ｇ Ｍ Ｒ 素子が開発されている。その磁気抵抗比（ Ｍ Ｒ 比） はＣ Ｉ Ｐ − Ｇ Ｍ Ｒ 素子、Ｃ Ｐ Ｐ − Ｇ Ｍ Ｒ 素子とも数％ 程度であり、２ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ 程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。

より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（ Ｔ Ｍ Ｒ 効果） を利用したＴ Ｍ Ｒ 素子の開発が進められている。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は強磁性層／ 絶縁体／ 強磁性層の積層膜からなり、強磁性層間に電圧を印加しトンネル電流を流す。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。Ｍ Ｒ 比は最大で５ ０ ％ 程度の素子が得られている。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は、Ｇ Ｍ Ｒ 素子よりもＭ Ｒ 比が大きいため、信号電圧も大きくなる。

しかしながら、信号電圧の増大に伴い、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ ／ Ｎ 比（ 信号対雑音比） がよくならないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗値の平方根に比例して増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要ある。

また、記録密度が高密度化するほど素子サイズは記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要があるため、高密度になるほどトンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ の記録密度では１ Ω ・ｃ ｍ ２ 以下の接合抵抗が必要とされ、Ａ ｌ − Ｏ （ アルミニウム酸化膜） トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２ 層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。一方、トンネル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭ Ｒ 比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によってＴ Ｍ Ｒ 素子の記録密度の限界は３ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ であろうと見積もられている。

上に述べた素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果を利用しているが、これらの素子に共通した磁気的白色雑音（ ホワイトノイズ） の問題が近年急浮上している。この雑音は上に述べたショットノイズなどの電気的雑音とは異なり、磁化の熱ゆらぎに起因して生じるため素子の微細化に伴いより支配的となる。５ ０ ０ Ｇ ｂ ｐ ｓ ｉ 以上の記録密度対応の素子では電気的雑音を凌駕すると考えられている。最近では磁気的白色雑音を回避し、磁気記録の記録密度さらに高めるために、従来のＧＭＲ型素子に比較してより高い感度をもつ微小磁性発振素子を用いた提案がなされている。（例えば、特許文献１参照）しかしながらこのような微小磁性発振素子を用いた磁気センサにおいても課題が存在する。センス部分の磁性体を記録媒体のビットサイズ程度の大きさ（膜厚方向がビット幅、開口幅がトラック幅）に加工する必要があるので、高記録密度化するほどピラー状に素子を微細化する加工技術の困難度が高まる。さらに、磁気的熱雑音によるSN比の低下も課題となっている。
特開２００６−８６５０８公報

上に述べたように、従来技術では、微細化する加工技術の困難さや磁気的熱雑音によるSN比の低下が課題となっている。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、センス部分の磁性積層膜をピラー状に加工することなく、微小領域の磁場の検出が可能であり、微細化による磁気的熱雑音によるSN比の低下を低減できる磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、磁化が固定されている第１の磁化固定層と、第１の磁化発振層と、前記第１の磁化固定層と前記第１の磁化発振層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第１の磁化固定層と前記第１の磁化発振層ならびに前記第１の非磁性層の膜面に対して垂直に通電する一対の電極を有し、外部磁場の大きさに依存して発振周波数が変化する磁性発振素子と、前記磁性発振素子の近傍に配置され、前記磁性発振素子の発振周波数に近い周波数で発振する発振素子と、前記通電によって、前記磁性発振素子及び前記発振素子の両端に発生する高周波発振信号を取得することを特徴とする。

本発明によれば、微細化しやすく、さらに微細化による磁気的熱雑音によるSN比の低下を低減できる磁気センサ及び磁気記録装置提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、同一の部分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。

（第１実施形態）
まず、本発明の実施形態を説明する前に、磁性発振素子を磁気センサとして用いた際、SN比を向上させる原理について説明する。

磁性発振素子を用いた磁気センサにおいて、ＳＮ比を向上させるためには発振周波数近傍の磁気的雑音を低減させることが重要である。この発振周波数近傍の雑音は一般に発振スペクトルの幅、すなわち発振線幅として表現することができる。従って、磁性発振素子の雑音を低減させるために、接合の不均一性に伴う発振線幅および熱振動磁場h_Ti(i=x,y,z)によって生じる発振線幅を狭くすることが重要である。接合の不均一性は主に2つの要因により発生する。第1の要因は加工時に接合周辺部の磁性体の組成や異方性エネルギーなどの磁気特性が変化することである。第2の要因は加工損傷がない場合でも静磁エネルギーにより、接合周辺部に複雑な磁気構造が生じることである。これらの原因によって発生する接合部の磁気的不均一性は発振線幅を増大させる。一方、熱振動磁場は磁性体の格子振動により生じる乱雑な磁場であり、その統計的2乗平均は（１）式で表される。ここでα、Ｍ、Ｖはそれぞれ磁化発振層の減衰定数、飽和磁化、体積であり、ｋ、Ｔ、γはそれぞれボルツマン定数、温度、磁気回転比、Bはバンド幅である。

図１に静磁場Hの下で発振周波数ω₀の発振状態にある磁化発振層磁化の運動を示す。このような歳差運動のスペクトルは、接合が均一かつ熱振動磁場h_Tiが小さい場合には発振線幅の狭いスペクトルとなるが、h_Tiの増大とともに発振線幅も増大する。h_Tiによる発振線幅増大の要因は２つ存在する。第1の要因は磁気的損失に伴うスペクトル線幅であり、図1の静磁場Hに垂直方向の熱振動磁場h_Tx,h_Tyが関与する。第2の要因は発振周波数f₀の磁場依存性に伴うスペクトル線幅であり、H方向の熱振動磁場h_Tzが関与する。第1の要因による線幅△fは近似的に（２）式で表されることが知られている。

ただしm_x=M_x/M、M_xは磁化のx成分である。この線幅は電子発振器の位相雑音と同様に発振振幅の2乗平均<m_x ²>に反比例するため強く励振するほど発振線幅は減少する。また（２）式から明らかなように、磁化発振層の体積Vが大きいほど発振線幅が減少する。一方第2の要因による発振線幅△f_zは（３）式のように表される。ただしバンド幅Bは磁化発振層の磁化が追随できる周波数であり、通常の強磁性体膜では100 GHz程度である。

（３）式から明らかなように、発振線幅△f_zも磁化発振層の体積Vが大きいほど減少する。

本発明の第１の実施形態による磁気センサの断面図を図２に示す。下部電極１の上に、磁化方向が固定された磁化固定層３、非磁性層５、磁化発振層７、絶縁層９の順に積層され、絶縁層９を貫通して磁化発振層７と接するように１対の上部電極１１が設けられた。この磁気センサは、外部磁場を検出し発振周波数が変化する第１の磁性発振素子（以下検出部２０）と、検出部とは異なる周波数で発振する第２の磁性発振素子（以下参照部３０）の２つの磁性発振素子から構成されている。上述の磁化固定層３／非磁性層５／磁化発振層からなる磁性積層膜に媒体ビットサイズ程度のコンタクトホール（上部電極と磁性積層膜の接合部）が形成されており、通電することによって発振させることができる。また、検出部２０は磁場に対してコンタクトホール程度の空間分解能を持つが、２つの発振素子はコンタクトホール周辺部の磁化発振層内に励起されるスピン波を介して相互作用できる。

次に、この磁気センサの動作を説明する。媒体磁場により検出部２０の周波数が変化し、参照部３０の周波数と一致すると、図３に示したように２つの素子の磁化振動が同期した位相ロックの状態となり、２つの素子の合成発振電力が２倍程度に増大するので、媒体の磁化を検出することができる。

本発明の磁気センサの第1の特長はコンタクトホール部分の磁化発振層を加工しないため、微細化加工しやすことである。また、上で述べた加工に伴う磁化発振層の劣化や静磁エネルギーによる複雑な磁気構造が接合周辺部に存在せず、磁気的不均一性に伴う発振線幅の増大が生じないことである。本発明の磁気センサの第２の特長は図４に示したように電流の流れていない磁化発振層部分にもスピン波が励振されるため、発振に関与する磁化発振層の体積が実効的に増大することである。（２）、（３）式から明らかなように磁化発振層の体積の増大により熱振動磁場に伴う発振線幅も減少する。本発明の磁気センサの第３の特長は媒体からの信号磁場の下で２つの発振素子が位相ロックの状態にあることであり、ロック状態では発振線幅がさらに減少する。従って、図２に示した磁性発振素子は従来の発振素子に比較して発振線幅の狭い低雑音発振素子となっており、この発振素子を用いた磁気センサは従来の磁気センサに比べてＳＮ比の高い磁気センサが得られる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の磁気センサは図２に示したように、第１の磁性発振素子（検知部２０）と第２の磁性発振素子（参考部３０）が連続した磁化発振層を含む構造に関するものであるが、2つの発振素子がそれぞれ独立した磁化発振層を持つ図５の構造の磁気センサにおいても、磁化発振層が近接し相互作用強い場合には同様な効果が得られる。

（実施形態の変形例）
（変形例１）
上記実施形態の磁気センサに用いた磁性発振素子は磁化固定層／非磁性層／磁化発振層を基本構造とする素子としたが、非磁性層に替えて絶縁層を用いた磁化固定層／絶縁層／磁化発振層を基本構造として、図６の素子とすることも可能である。下部電極１の上に、非磁性層５、磁化発振層７、トンネル絶縁膜１３、絶縁層９の順に積層され、絶縁層９を貫通して絶縁膜１３と接するように１対の磁化固定層３が設けられ、その上に上部電極１１が設けられた。この磁気センサは、外部磁場を検出し発振周波数が変化する検出部２０と、検出部とは異なる周波数で発振する参照部３０の２つの磁性発振素子から構成されている。図６の素子ではトンネル絶縁膜１３による電流の拡散を防ぐために磁化固定層３に微細加工を加えてある。

（変形例２）
また第１の実施形態の変形例として、２層の磁化発振層からなる磁化発振層／非磁性層／磁化発振層の積層構造を基本構造として含む図７の素子とすることも可能である。下部電極１の上に、磁化固定層３、非磁性層５、磁化発振層７、非磁性層５、磁化発振層７、絶縁層９の順に積層され、絶縁層９を貫通して磁化発振層７と接するように１対の上部電極１１が設けられた。この磁気センサは、外部磁場を検出し発振周波数が変化する検出部２０と、検出部とは異なる周波数で発振する参照部３０の２つの磁性発振素子から構成されている。図７の素子は磁気的雑音を低減する効果が得られ、既存の通常の発振素子に比較して磁場感度を高くできることが知られている。

（変形例３）
さらに、図７の素子に絶縁膜を加えた図８の素子を用いることも可能である。下部電極１の上に、非磁性層５、磁化発振層７、非磁性層５、磁化発振層７、トンネル絶縁膜１３、絶縁層９の順に積層され、絶縁層９を貫通して絶縁膜１３と接するように１対の磁化固定層３が設けられ、その上に上部電極１１が設けられた。この磁気センサは、外部磁場を検出し発振周波数が変化する検出部２０と、検出部とは異なる周波数で発振する参照部３０の２つの磁性発振素子から構成されている。図８の素子は磁気的雑音を低減する効果が得られ、既存の通常の発振素子に比較して磁場感度を高くできることが知られている。

（その他の変形例）
さらに参照部として用いる発振素子として磁性発振素子ではなく磁気センサ外部に設置された通常の半導体発振素子を用いることも可能である。検出部の磁性発振素子の磁化発振層の発振を介して相互作用させることにより、発振周波数が一致した場合に位相ロック状態を形成することができる。

次に、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
次に、本発明の実施例１による磁気センサの構成を示す断面図を図９に示す。本実施例の磁気センサは以下のように作製される。

スパッタ成膜と光および電子線リソグラフィーを用いてシリコン基板５０に積層膜を形成した。下部電極１の上に、磁化方向が固定され磁化固定層３、非磁性層５、磁化発振層７、絶縁層９の順に積層され、絶縁層９を貫通して磁化発振層７と接するように１対の上部電極１１が設けられた。

磁化発振層７には厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ膜を用い、磁化固定層３にはＣｏＦｅ（１０ｎｍ）/ＩｒＭｎ（２０ｎｍ）の積層膜を用いた。磁化発振層および磁化固定層の形成は約２０００Ｏｅの磁場印加の下で行いＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ/ＩｒＭｎ膜の異方性軸が一致するようにした。電流を集中させるための下部電極１にはＴａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３００ｎｍ）/Ｔａ（５ｎｍ）積層膜を用い、上部電極１１にはＡｕ（５０ｎｍ）/Ｃｕ（３００ｎｍ）/Ｔａ（５ｎｍ）を用い、非磁性層５にはＣｕ（５ｎｍ）を用いた。また、絶縁層９にはＳｉＯｘ（１００ｎｍ）を用いた。コンタクトホールの直径は４０ｎｍ、２つのコンタクトホールの距離は２００ｎｍ、全体の素子長は５μｍとした。発振素子Ａの抵抗は１８ Ω、ＭＲ比は２．５％、発振素子Ｂの抵抗は１９Ω、ＭＲ比は２．３％であった。

上述の一対の磁性発振素子に２本のマイクロ波ストリップラインに接続し、その合成出力をスペクトルアナライザーにより測定した。図１０に、磁性発振素子の発振パワースペクトルの測定系を示す。磁性発振センサ１０からの高周波発振を伝送する導波路１０４（特性インピーダンス５０Ω）に、プローバ１１１を介してバイアスティー１１２を接続し、バイアスティー１１２の出力端に増幅器１１３の入力端を接続し、増幅器１１３の出力端にスペクトルアナライザー１１４を接続している。また、バイアスティー１１２には電圧源１１５および電流源１１６を接続している。素子Ａ，Ｂには２つのバイアスティーを用いて独立に直流電流を供給した。容易軸方向に５００Ｏｅの外部磁場状態における発振周波数の電流依存性を図１１に示す。曲線Ａ、Ｂはそれぞれ素子Ａ，Ｂの依存性であり、電流は一方の素子にのみ流し、他方には流さない状態で測定した。次にＡ，Ｂ両素子にそれぞれ５ｍＡ、６．３ｍＡの電流を流した状態での出力スペクトルを図１２に示す。素子Ｂの発振に相当する１８．４６ＧＨｚおよび素子Ａの発振に相当する１８．５０ＧＨｚに発振ピークが観測され２つの発振素子は位相ロックされていないことが分かる。続いて素子に流す電流を一定に保った状態で、外部を１００Ｏｅに増加させたところ、２つの発振素子は位相ロック状態となり、スペクトルは図１３に示した１つのピークに変化した。図１２のスペクトル幅は素子Ａ，Ｂ共に約１０ＭＨｚであるが、図１３では約２ＭＨｚに減少し、位相ロック時の発振全出力は非ロック時の約２倍であった。

以上述べたように、本実施例によって、磁性積層膜をピラー状に加工することなく、微小領域の磁場の検出が可能であり、２つの発振素子の位相ロック状態を利用することによりSN比の高い磁気センサを提供することができる。

次に、図１４に本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置１５０の斜視図を示す。磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、上で説明した磁気センサを含む磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。

磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。

以上、本発明の実施の形態と実施例について説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。

また、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

発振状態の磁化運動を示す図 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの構成図 ２つの磁気発振素子が位相ロック状態のパワー出力を示す図 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの上部電極側からみる投影図 本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの構成図 本発明の実施形態の変形例１に係る磁気センサの構成図 本発明の実施形態の変形例２に係る磁気センサの構成図 本発明の実施形態の変形例３に係る磁気センサの構成図 本発明の実施例に係る磁気センサの構成図 本発明の実施例における磁性発振素子の発振パワースペクトルの測定系を示す構成図 本発明の実施例に係る磁気発振素子の発振周波数の電流依存性を示す図 本発明の実施例に係る磁気発振素子の発振周波数の電流依存性を示す図 本発明の実施例に係る磁気発振素子の発振周波数の電流依存性を示す図 本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。

符号の説明

１・・・下部電極、３・・・強磁性磁化固定層、５・・・非磁性層、７・・・強磁性磁化発振層、９・・・絶縁層、１０・・・磁気センサ、１１・・・上部電極、１３・・・トンネル絶縁膜、２０・・・検出部、３０・・・参照部、５０・・・基板、６０・・・発振素子Ａ、７０・・・発振素子Ｂ、１０４…導波路、１１１…プローバ、１１２…バイアスティー、１１３…増幅器、１１４…スペクトルアナライザー、１１５…電圧源、１１６…電流源１５０…磁気記録再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ。

Claims (6)

1. 磁化が固定されている第１の磁化固定層と、第１の磁化発振層と、前記第１の磁化固定層と前記第１の磁化発振層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第１の磁化固定層と前記第１の磁化発振層ならびに前記第１の非磁性層の膜面に対して垂直に通電する一対の電極を有し、外部磁場の大きさに依存して発振周波数が変化する磁性発振素子と、
   前記磁性発振素子の近傍に配置され、前記磁性発振素子の発振周波数に近い周波数で発振する発振素子と、
   前記通電によって、前記磁性発振素子及び前記発振素子の両端に発生する高周波発振信号を取得する
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記発振素子が、磁性発振素子であって、磁化が固定されている第２の磁化固定層と、第２の磁化発振層と、前記第２の磁化固定層と前記第２の磁化発振層との間に設けられた第２の非磁性層と、前記第２の磁化固定層と前記第２の磁化発振層ならびに前記第２の非磁性層の膜面に対して垂直に通電する一対の電極を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１及び第２の磁化発振層が連続した磁性層であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１及び第２の磁化発振層の少なくとも一方は、磁化発振層/非磁性層/磁化発振層の積層膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記第１及び第２の非磁性層の少なくとも一方は、絶縁層であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気センサ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記録再生装置。

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