JP2009037702A - 磁気再生ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに対応可能な高分解能かつ低ノイズな磁気再生ヘッドを提供する。
【解決手段】外部磁界に影響を受ける部位Ｎ１と影響を受けない部位Ｎ２を有する非磁性細線１０１へ、反強磁性体１０３によって磁化が固定された固定層１０２から電流を流し、非磁性細線１０１中にスピン偏極した電子（Ｉ_s1，Ｉ_s2）を蓄積させる。電圧端子の距離Ｌは、非磁性細線１０１のスピン拡散長よりも短い。外部磁界の変動によって、スピン電子Ｉ_s1は変調を受けるがスピン電子Ｉ_s2は変調を受けない。そのため、Ｎ１とＮ２の間に外部磁界に依存した電位差が生じ、それを電圧計１０４で測定する。
【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及びその磁気再生ヘッドを搭載した磁気記録装置に関する。

磁気記録再生装置においては、年率４０％超で記録密度が向上しており、現在の成長率に従うと２０１１年頃にはＴbit/in²に到達すると推測される。テラビット級の磁気記録装置に搭載する磁気記録再生ヘッドには、これまで以上の高出力化・高分解能化が必要となる。

現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance）ヘッドやＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）ヘッドが提案されている。これらスピンバルブタイプの再生ヘッドは、媒体からの漏洩磁界の検出方法として磁性体（自由層）を用いており、一方向に磁化を固着した磁性体（固定層）との間の相対的な磁化の向きに関して、抵抗変化を示す。

Nature, vol. 416 (2002), pp.713-716. Phys. Rev. B, vol.67, (2003), pp.85319-85319(16). Phys. Rev. Lett. 55, 1790-1793 (1985). Phys. Rev. B, vol.67, (2003), pp.52409(1) -52409(4). Appl. Phys. Lett., vol.85, (2004), pp.3795 -3796. 特許第３８０６３７２号公報

現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドでは、分解能を高めるためには構成膜を薄くする必要がある。特にビット長が短くなってくると、高い分解能を得るためにはギャップ幅Ｇ_wを狭小化しなくてはならない。例えば、１Ｔbit/in²の媒体に対する再生ヘッドのギャップ幅Ｇ_wは２５ｎｍ程度となり、素子の構成膜の合計を２５ｎｍ以下にする必要がある。そのため、現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドでは、室温においても磁性体の磁化が不安定となる。磁性体の熱安定性はＫ_uＶ／ｋ_BＴで評価され、その値が１００以下になると熱揺らぎのため、磁化を保つことが困難となる。ここで、Ｋ_uは一軸磁気異方性エネルギー、Ｖは磁性体の体積、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは温度である。磁性体の体積が減少すると磁化の不安定化が起こり、磁気的なノイズが増大する事が予想される。そのため、再生ヘッドのＳ／Ｎ比が悪くなり、超高記録密度ハードディスクの読み出しが困難となる。

本発明は、テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに対応可能な高分解能かつ低ノイズである磁気再生ヘッドを提供することを目的とする。

本発明では、記録媒体に対向した自由層として、従来の磁性体を用いる代わりに非磁性導電体を用いた。自由層として非磁性体を用い、スピン蓄積効果を利用して漏洩磁界の検出を可能とした。スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性金属に電流を流した際に、スピン拡散長の範囲内で、非磁性金属中にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。ここで、スピン拡散長とは、スピンの情報が消失する（スピンが反転する）距離を表しており、物質固有の値である。この効果は、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度をもつ（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）ため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極した電子が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因している。非磁性体は、蓄積されたスピン偏極した電子（スピン電子）のため、スピン拡散長の範囲内で、強磁性的な振る舞いをし、外部磁界の方向や強度の影響を受ける（非特許文献１，２）。

磁性体中での、磁界によるスピンの抑制効果は、Hanle効果として知られている（非特許文献３）が、蓄積されたスピン電子に関しても同様の効果が期待される。例えば、外部磁界がスピン偏極の方向に対して垂直に印加された場合、非磁性体中のスピン電子は磁場によって才差運動を強いられる。そのため、スピン偏極の方向が垂直方向に変化しようとし、結果として、本来の偏極方向のスピン電子の密度が減少する。

そこで、本発明は、スピン蓄積効果を利用し、非磁性体中に記録媒体からの漏洩磁界の影響を受ける部分と受けない部分を持つ構造とし、両部分の電位差を検出することで、外部磁界センサとして機能するようにした。漏洩磁界の影響を受ける部分では、前述の通りスピン電子の密度が変動するが、漏洩磁界の影響を受けない部分は一定のスピン電子密度を示す。そのため、漏洩磁界に連動して、スピン電子が作り出すケミカルポテンシャルが変動する。このケミカルポテンシャルの変動は、電位差として検出可能であり、外部磁界センサとして機能する。

本発明による磁気再生ヘッドは、外部磁界の影響を受ける第１の部位と、外部磁界の影響を受けない第２の部位とを有する非磁性体と、非磁性体の第１の部位と第２の部位との接続領域の上に積層された磁性体と、磁性体から非磁性体に電流を印加して非磁性体の第１の部位と第２の部位にスピン電子を蓄積させる手段と、第１の部位と第２の部位の間の電圧を検出する電圧検出手段とを有する。

一つの態様として、非磁性体は、第１の部位が媒体対向面の近くに位置し、第２の部位が媒体対向面から遠くに位置するように配置され、非磁性体に対して磁性体が積層された側と反対側に配置され、磁性体の裏側に当たる領域で非磁性体と接合された第１のシールドと、非磁性体に対して磁性体が積層された側と同じ側に配置され、非磁性体の第１の部位と接合された第２のシールドと、非磁性体に対して磁性体が積層された側と同じ側に配置され、非磁性体の第２の部位と接合された第３のシールドとを有し、磁性体から非磁性体に接合された第１のシールドへ電流を通電し、電圧検出手段は第２のシールドと第３のシールドの間の電圧を検出するように構成することができる。

別の態様として、非磁性体は、第１の部位が媒体対向面の近くに位置し、第２の部位が媒体対向面に沿うようにして配置され、非磁性体の第１の部位の側方かつ第２の部位の媒体側の空間を埋めるように配置され非磁性体と接合された第１のシールドと、第１のシールドとで非磁性体の第１の部位を挟むように第１の部位の側方に配置された第２のシールドとを有し、磁性体から非磁性体に電流を通電し、記電圧検出手段は非磁性体の第２の部位と第１のシールドの間の電圧を検出するように構成することができる。

自由層として非磁性体を用いたため、体積の減少に伴う磁気ノイズの増大が軽減される。また、自由層のセンシング部分に電流を流さないため、電圧測定における電気的なノイズも軽減できる。更に、スピン蓄積効果に基づく出力電圧は非磁性体の断面積に反比例する（非特許文献４）。このため、従来のＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲ効果とは異なり、媒体に対向している自由層（非磁性体）の断面積を小さくすることで、出力電圧が増大する。

従って、本発明によって、テラビット磁気記録装置対応の高感度・高分解能・低ノイズの磁気再生ヘッドが実現可能となる。

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。

図１は、本発明によるスピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図である。この磁気再生ヘッドは、非磁性体（非磁性細線）１０１と、非磁性細線１０１上に積層された磁性導電体１０２上に積層された反強磁性体１０３とを有する。磁性導電体１０２は、非磁性細線１０１の中央部分にのみ接している。尚、磁性導電体１０２は磁気的に一方向に固定されており、積層フェリ構造や反強磁性体を積層することで、固定層として機能する。ここでは、簡単のため反強磁性体１０３が積層された構造を示すが、磁性体１０２磁気的に固定する方法は、積層フェリ構造など特に規定しない。磁性導電体１０２は、反強磁性体１０３により磁化が磁気的に固定されたスピン注入源となっており、電流Ｉが磁性導電体１０２から非磁性細線１０１へと流される。この時、非磁性細線１０１中にはスピン偏極した電子（スピン電子Ｉ_s1，Ｉ_s2）が注入され、スピン拡散長λの範囲内で蓄積される。スピン電子Ｉ_s1は非磁性細線１０１中を図の左方向に拡散して蓄積され、スピン電子Ｉ_s2は非磁性細線１０１中を図の右方向に拡散して蓄積される。スピン電子Ｉ_s1は、Ｎ１面で外部磁界の影響を受け、スピン流Ｉ_s2はＮ２面で外部磁界の影響を受けないものとする。電圧測定経路の長さをＬとし、電圧端子をスピン拡散長の２倍よりも短い範囲（Ｌ＜２λ）に配置し、Ｉ_s1とＩ_s2の電位差を電圧計１０４で測定すると、外部磁界の変動に起因する出力が得られる。なお、磁性導電体１０２から非磁性細線１０１へと流される電流Ｉは、Ｎ１面あるいはＮ１面には流れない。

非磁性細線１０１としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈからなる非磁性導電性金属、あるいはＧａＡｓ，Ｓｉ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ₃を主成分とする伝導性の化合物を用いることができる。電極間距離Ｌは、それぞれの物質固有のスピン拡散長λの２倍よりも短く設定し、例えば、非磁性細線１０１にＣｕを用いた場合にはＬ＜７００ｎｍ、非磁性細線１０１にＡｌを用いた場合にはＬ＜１２００ｎｍとする。

磁性導電体１０２としては、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を用いることができる。さらに、ハーフメタルＦｅ₃Ｏ₄に代表されるＡＢ₂Ｏ₄（ＡはＦｅ，Ｃｏ，Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎの一つ）なる構造を持つ酸化物、ＣｒＯ₂，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂあるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂ＭｎＳｂ，Ｃｏ₂Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4Ａｌなどに代表されるＣ₂Ｄ×Ｅ₁×Ｆ型のホイスラー合金（ＣはＣｏ，ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、ＦはＡｌ、Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有する材料）を、これら磁性層が含有していてもよい。反強磁性導電体１０３としては、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＭｎＲｈ等を用いることができる。

なお、非磁性細線１０１の上に絶縁障壁層を形成し、非磁性細線１０１と磁性導電体１０２とが絶縁障壁層を介して接するような構造とすると、実効的なスピン分極率が向上する為、出力信号は増大する。絶縁障壁層としては、ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＳｉＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｚｒ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，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を用いることができる。

図２は、外部磁界の影響を受ける部分と受けない部分を備えた第二の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図である。２０１，２１０，２１１は、高透磁率材料（軟鉄、フェライト、パーマロイ等）からなる第１、第２、第３のシールドを示す。非磁性細線２０４、絶縁障壁層２０５、固定層２０６、反強磁性層２０７として、前述の非磁性細線１０１、絶縁障壁層、磁性導電体１０２、反強磁性導電体１０３用の材料として掲げた材料を用いる。固定層２０６は、絶縁障壁層２０５を介して非磁性細線２０４の中央部分にのみ接している。非磁性細線２０４の絶縁障壁層２０５と反対側の領域は、第１のコンタクト部分２０２を介して第１のシールド２０１に電気的に接続されている。また、第２のシールド２１０及び第３のシールド２１１は、第２のコンタクト部分２０８と第３のコンタクト部分２０９を介して、非磁性細線２０４の両端に電気的に接続されている。反強磁性導電体１０３と第１のシールド２０１との間には電流源２１２が接続されている。なお、固定層２０６を通して非磁性細線２０４へと流入する電流源２１２からの電流は、矢印で示すように第１のコンタクト部分２０２を通って電流源２１２に戻り、第２のコンタクト部分２０８あるいは第３のコンタクト部分２０９には流れない。

第１のシールド２０１と非磁性細線２０４とを電気的に接合している第１のコンタクト部分２０２には、第２のコンタクト部分２０８及び第３のコンタクト部分２０９よりもスピン拡散長の長い材料を選択した。例えば、第１のコンタクト部分２０２にＡｌ（λ＝６００〜１０００ｎｍ）を用い、第２のコンタクト部分２０８と第３のコンタクト部分２０９にはＡｕ（λ＝１００〜２００ｎｍ）を用いる。これは、スピン電子を注入した際、第１のシールド２０１へのスピンシンク効果（非特許文献５）を抑制し、効率よくスピン電子が非磁性細線中に蓄積されるようにするためである。

非磁性細線２０４、固定層２０６、及び反強磁性体２０７は、コンタクト部分を除いて、各シールド２０１，２１０，２１１と層間絶縁体（Ａｌ₂Ｏ₃）によって電気的に絶縁されている。電流源２１２により電流Ｉを、反強磁性体２０７から第１のシールド２０１へと印加した場合、非磁性細線２０４には、スピン電子Ｉ_s1とＩ_s2が蓄積される。ただし、スピン電子Ｉ_s1は媒体対向面への、スピン電子Ｉ_s2は媒体対向面に面していない方向への分布を表す。一定の電流Ｉを流し続けた場合、スピン電子Ｉ_s1は記録媒体からの漏洩磁界に依存して分布が変化するが、スピン電子Ｉ_s2は磁気シールドのために漏洩磁界に依らず一定の分布となる。スピン蓄積効果による出力電圧は、スピン電子の密度に依存しているため、媒体対向面に面していない方向での出力電圧は磁場に依存せず一定値を示すが、媒体対向面に面している方向での出力電圧は磁場に依存して変動する。つまり、非磁性細線２０４の媒体対向面に面していない部位と面している部位との間に磁場に依存した電圧差が生じ、この電位差を測定することで漏洩磁場を検出することが可能となる。尚、電位差は、第２のシールド２１０及び第３のシールド２１１を介して電圧計２１３で検出する。こうして、非磁性細線２０４の一端をセンシング部分（自由層）とする磁気再生ヘッドが提供される。

図３は、図２に示した磁気再生ヘッドを媒体対向面から見た模式図である。第１のシールド２０１と第２のシールド２１０の間に、非磁性細線２０４の端面が露出する構造であり、非磁性細線２０４と第２のシールド２１０は、第２のコンタクト部分２０８によって電気的に接合されている。また、コンタクト部分を除いて、非磁性細線２０４と各シールド２０１，２１０とは、層間絶縁膜３０２によって電気的に絶縁されている。記録媒体に対向したセンシング部分、すなわち非磁性細線２０４の端面の形状は図の例では矩形であるが、この端面形状は記録媒体のトラックの形状に応じた変更が可能である。

図４は、図２に示した磁気再生ヘッドの製造工程を説明する断面模式図である。

図４（ａ）に示すように、第１工程においては、第１のシールド２０１、及び第１のコンタクト部分２０２を作製する。基板上に第１のシールド２０１を形成し、その上に、層間絶縁膜３０２を積層する。その後、コンタクト部分のパターンを電子線描画やＩ線ステッパーによる露光等で形成し、第１のコンタクト部分２０２を形成する。

図４（ｂ）に示すように、第２工程においては、非磁性細線を作製する。一端が自由層として機能する非磁性細線２０４用の非磁性膜４０４を積層し、細線のパターンに微細加工する。その後、非磁性細線の周りを層間絶縁膜で覆い、非磁性細線の最表面は、リフトオフによって露出させる。

図４（ｃ）に示すように、第３工程では、固定層を作製する。第２工程で作製された非磁性細線２０４上に、絶縁障壁層用の絶縁膜４０５、固定層用の磁性膜４０６、反強磁性層用の膜４０７をそれぞれ積層する。

図４（ｄ）に示すように、第４工程で、固定層のパターンを微細加工する。この工程によって絶縁障壁層２０５、固定層２０６、反強磁性層２０７が形成される。

図４（ｅ）に示すように、第５工程では、第２及び第３のシールドと電気的に接合させる各コンタクト部分を作製する。第４工程で作製された固定層の周りを層間絶縁膜３０２で覆い、コンタクトホールを形成する。その後、第２コンタクト部分２０８及び第３コンタクト部分２０９を作製する。

図４（ｆ）に示すように、第６工程では、第２シールド２１０及び第３シールド２１１を作製し、電流源２１２及び電圧計２１３を接合する。

図５は、外部磁界の影響を受ける部分と受けない部分を備えた第３の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図である。この磁気再生ヘッドは、３方向に伸びたＴ字型の構造を持つ非磁性細線５０６上に絶縁障壁層５０４、固定層５０３、反強磁性層５０２、及び電極５０１が積層されている。非磁性細線５０６、絶縁障壁層５０４、固定層５０３、反強磁性層５０２の材料は、それぞれ、前述の非磁性細線１０１、絶縁障壁層、磁性導電体１０２、反強磁性体１０３用の材料として掲げた材料を用いる。ここで、Ｔ字型に結合された３本の細線のうち、媒体対向面方向の細線部位をＮ１、電圧端子側の細線部位をＮ２、電流端子方向の細線部位をＮ３とする。細線部位Ｎ１は、Ｔ字型に結合された３本の細線の結合部から媒体対向面に向かって延びている。細線部位Ｎ２と細線部位Ｎ３は、３本の細線の結合部から水平に互いに逆方向に延びている。

媒体から漏洩した外部磁界が細線部位Ｎ１にのみ到達し、細線部位Ｎ２，Ｎ３には到達しないように、細線部位Ｎ１の側方（リーディング側とトレーリング側）及び細線部位Ｎ２，Ｎ３の媒体側空間を埋めるように第１のシールド５０７及び第２のシールド５０８が配置されている。第１のシールド５０７は、コンタクト部分５０９を通じて、細線部位Ｎ１と電気的に接合されている。電流源５１０は電極５０１と細線部位Ｎ３に接続されており、反強磁性体５０２から細線部位Ｎ３の方向へ電流が印加される。この際、スピン電子が非磁性細線５０６中に注入され、細線部位Ｎ１の方向にスピン電子Ｉ_s1が蓄積され、細線部位Ｎ２の方向にスピン電子Ｉ_s2が蓄積される。５０５は層間絶縁膜である。なお、固定層５０３を通して非磁性細線５０６へと流入する電流源５１０からの電流Ｉは、矢印で示すように細線部位Ｎ３を通って電流源５１０に戻り、細線部位Ｎ１あるいは細線部位Ｎ２には流れない。

細線部位Ｎ１の方向に蓄積されたスピン電子Ｉ_s1の分布は、媒体からの漏洩磁界によって変調を受けるが、細線部位Ｎ２の方向に蓄積されたスピン電子Ｉ_s2の分布は、第１シールド５０７及び第２シールド５０８のため、磁界の影響を受けない。そのため、磁界の変動によって、細線部位Ｎ１と細線部位Ｎ２との間に電位差が生じる。この電位差を電圧計５１２で検出することで、漏洩磁界の変動を検出する。このような構造にすることによって、次世代の記録ヘッドとして期待されているプレーナ型の記録ヘッド（特許第３８０６３７２号公報）との組み合わせも容易となる。

図６は図５に示した磁気再生ヘッドを媒体対向面から見た図、図７は細線部位Ｎ２の側、すなわち図５の右方向から見た図である。図６に示したように、非磁性細線５０６の媒体対向面方向の細線部位Ｎ１は、第１のシールド５０７と第２のシールド５０８によって挟まれた構造となっている。電圧端子側の細線部位Ｎ２の細線の長さをＬ₂とすると、Ｌ₂は非磁性細線５０６のスピン拡散長よりも短い。また、図７に示したように細線部位Ｎ１の長さをＬ₁とすると、こちらもＬ₁は非磁性細線５０６のスピン拡散長よりも短い。例えば、非磁性細線５０６としてＣｕを用いた場合、Ｌ₁，Ｌ₂共に３００ｎｍ以下の長さとする。この長さの範囲では、スピン蓄積効果によって、非磁性細線５０６の細線部位Ｎ１と細線部位Ｎ２が磁性体のような振る舞いをし、その結果、媒体からの漏洩磁界を検出する磁気再生ヘッドとして機能する。

図８は、図５に示した磁気再生ヘッドの製造工程を説明する断面模式図である。

図８（ａ）に示すように、第１工程では、固定層を作製する。基板上に、上部電極５０１、反強磁性層５０２、固定層５０３、絶縁障壁層５０４をこの順番で積層する。その後、固定層のパターンを形成し、その周りを層間絶縁膜５０５で覆う。

図８（ｂ）に示すように、第２工程においては、非磁性自由層を作製する。一端が自由層として機能する非磁性導電体用の非磁性膜８０６を、絶縁障壁層５０４の上に積層する。

図８（ｃ）に示すように、第３工程で、非磁性膜８０６をＴ字形の非磁性細線５０６のパターンに微細加工する。

その後、図８（ｄ）に示すように、第４工程で、非磁性細線５０６の周りを層間絶縁膜５０５で覆い、非磁性細線５０６の媒体対向面を表面研磨し、自由層が完成する。

図８（ｅ）に示すように、第５工程では、コンタクト及びシールド用のパターンを形成し、コンタクト部分５０９を作製する。

図８（ｆ）に示すように、第６工程では、第１シールド５０７及び第２シールド５０８を作製し、電流源５１０及び電圧計５１２を接合する。

図９は、図２に示した構造を有する磁気再生ヘッド９０２と、単磁極記録ヘッド９０１とを組み合わせた磁気ヘッド９０３の概略図である。図１０は、図９に示した磁気ヘッドの断面模式図である。この磁気ヘッドは、主磁極１００１、コイル１００２及び補助磁極１００３によって構成された単磁極記録ヘッド９０１と、補助磁極と共通のシールド１００３と下部シールド１００４との間に配置された、図２を用いて説明した磁気再生ヘッド９０２とで構成されている。

図１１は、図７に示した磁気再生ヘッド１１０２と、プレーナ型記録ヘッド１１０１とを組み合わせた磁気ヘッド１１０３の概略図である。図１２は、図１１に示した磁気ヘッドの断面模式図である。この磁気ヘッドは、主磁極１２０１、コイル１２０２及び補助磁極１２０３によって構成されたプレーナ型記録ヘッド１１０１と、図５を用いて説明した磁気再生ヘッド１１０２とで構成されている。ただし、シールド１２０４は、プレーナ型記録ヘッド１１０１と再生ヘッド１１０２に共通とし、記録ヘッド１１０１の主磁極部分と再生ヘッド１１０２のセンシング部分にのみ穴が開いた構造をしている。

図１３は、本発明による磁気記録装置の概略図である。この磁気記録装置は、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった磁気記録層を有する磁気記録媒体１３０４、記録媒体を駆動する駆動部１３０６、図９又は図１０に示した磁気ヘッド１３０３、磁気ヘッドを磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ１３０１及びスライダ１３０２、及び磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段を備える。

図２に示した磁界変調型スピン注入素子を備える磁気再生ヘッドを、図４に示した工程に従って製作した。基板として、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）上にＲＦスパッタリング法やＤＣ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、シールド層を成膜した。例えばＲＦスパッタリング法の場合、Ａｒ雰囲気中で、約０．１〜０．００１Ｐａの圧力、１００Ｗ〜５００Ｗのパワーで、所定の膜を成長させる。素子形成する基板には、上記基板を直接用いるか、又は、これら基板上に絶縁膜や適当な下地金属膜などを形成したものを用いた。以下の工程１〜６は、図４（ａ）〜図４（ｆ）にそれぞれ対応する。

工程１：シールド・コンタクト部分の作製
３インチ熱酸化膜つきＳｉ基板上にＲＦマグネトロンスパッタリング装置で、シールド層ＮｉＦｅを１００ｎｍ成膜した。その後、層間絶縁を目的としたＡｌ₂Ｏ₃膜を２０ｎｍ形成した。コンタクト部分を形成するために、Ｉ線ステッパーを用いてコンタクト部分のパターンを露光後、イオンミリング装置でコンタクトホールを形成した。コンタクト部分の材料としてＣｕを用い、第１シールド層へのスピン電子の拡散を抑えた。

工程２：非磁性細線の作製
非磁性自由層は、Ｃｕ細線を採用し、電子線描画法を用いて、線幅２０ｎｍ、厚さ２０ｎｍ、長さ５００ｎｍに微細加工した。尚、Ｃｕ細線を真空中で２４０℃、５０分間の条件で焼き鈍している。この焼き鈍の工程によりＣｕの粒径を大きくする事ができ、線幅２０ｎｍの細線においても抵抗値が２μΩｃｍ程度のＣｕ細線を作製することに成功した。

工程３：トンネル接合、固定層の作製
Ｃｕ細線の周りに、層間絶縁と酸化防止を目的としたＡｌ₂Ｏ₃膜を２０ｎｍ製膜し、Ｃｕ細線上にトンネル接合を作製した。ここでは、絶縁障壁層としてＭｇＯを２ｎｍ形成した。その後、固定層としてＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／ＭｎＩｒ（１０ｎｍ）を製膜した。

工程４：固定層のパターン作製
固定層のパターンとして、１×１μｍ²の正方形のパターンをＩ線ステッパーで転写し、イオンミリングにて形成した。

工程５：層間絶縁膜及びコンタクト部作製
その後、層間絶縁膜としてＡｌ₂Ｏ₃膜を１５ｎｍ形成し、スピン電子を効率よく検出するために、第２及び第３のコンタクト部分として、Ａｕを用いた。

工程６：シールド作製
電圧測定用の電極を兼ねた第２シールドと第３シールドを作製した。シールド層の材料としてＮｉＦｅ（厚さ１００ｎｍ）を用い、両方のシールド層のパターンを５００×５００ｎｍ²とした。最後に、ＣＭＰを用いて記録媒体対向面に露出する部分の平坦化を行った。

本発明による第２の磁界変調型スピン注入素子を備える磁気再生ヘッドは、良質化された非磁性自由層Ｃｕを用いることで、スピン拡散長を増大することに成功している。この効果のため出力信号の増大が期待され、自由層にＣｕを用いることで磁気的なノイズが低減された磁気再生ヘッドを提供することができる。また、磁気記録ヘッドとの組み合わせも容易で、例えば磁気記録ヘッドを作製した後にその後、前記磁気再生ヘッドを作製することで、磁気ヘッドが提供される。

本発明による第３の磁界変調型スピン注入素子（図５参照）を、図８に示した工程に従って製作した。以下の工程１〜６は、図８（ａ）〜図８（ｆ）にそれぞれ対応する。

工程１：固定層（磁性体）の作製
３インチ熱酸化膜つきＳｉ基板上にＲＦマグネトロンスパッタリング装置で、電極としてＰｔを１００ｎｍ形成した。Ｐｔ電極上に、反強磁性体としてＭｎＩｒを１０ｎｍ、固定層としてＣｏＦｅＢを４ｎｍ製膜し、ＣｏＦｅＢ上に絶縁障壁層としてＭｇＯを２ｎｍ製膜した。その後、固定層のパターンとして、１×１μｍ²の正方形のパターンをＩ線ステッパーで転写し、イオンミリングで形成した。

工程２：自由層（非磁性細線）の作製
非磁性体の自由層として、真空中で２４０℃、５０分間の条件で焼き鈍したＣｕを採用した。Ｃｕ膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置で、３００ｎｍ製膜した。

工程３：自由層パターンの作製
非磁性自由層を所望の形状とするために、電子線描画法を用いて微細加工を行った。媒体対向面の非磁性細線の断面積と長さをＡ₁＝２０×２０ｎｍ²，Ｌ₁＝３００ｎｍとし、媒体に対向しない面の非磁性細線の断面積Ａ₂＝２０×２０ｎｍ²，Ｌ₂＝３００ｎｍに微細加工した。

工程４：層間絶縁膜作製
図８(4)に示すように、層間絶縁膜としてＡｌ₂Ｏ₃膜を３００ｎｍ製膜した。

工程５：コンタクト部分作製
層間絶縁膜の一部をミリングし、非磁性自由層に接するコンタクトホールを作製した。コンタクトパッドの材料として、Ａｕを用いスピン電子の抽出効率を上げた。

工程６：シールド作製
電圧測定用の電極を兼ねた第１シールドと電極の機能を備えない第２シールドを作製した。シールド層の材料としてＮｉＦｅ（厚さ２００ｎｍ）を用い、両方のシールド層のパターンを５００×５００ｎｍ²とした。最後に、ＣＭＰを用いて記録媒体対向面に露出する部分の平坦化を行った。

本発明による第３の磁界変調型スピン注入素子の構造では、次世代の磁気記録ヘッドとして期待されているプレーナ型記録ヘッドとの組み合わせが容易で、同じウエハ上で再生ヘッドと記録ヘッドを同時に作製することが可能である。本方法で作製された磁気再生ヘッドを用いることで、超高分解能、高S/Nを特徴とする再生ヘッドを提供できる。

第一の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図。 第二の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図。 図２に示した磁気再生ヘッドを媒体対向面から見た模式図。 第二の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた再生ヘッドの製造工程図。 第三の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッドの構成例を示す模式図。 図５に示した磁気再生ヘッドを媒体対向面から見た図。 図５に示した磁気再生ヘッドを側方から見た図。 第三の磁界変調型スピン蓄積素子を用いた再生ヘッドの製造工程図。 第二の再生ヘッドと記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドの概略図。 図９に示した磁気ヘッドの断面模式図。 第三の再生ヘッドとプレーナ型記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドの概略図。 図１１に示した磁気ヘッドの断面模式図。 磁気記録装置の概略図。

符号の説明

１０１，２０４，５０６ 非磁性細線
１０２，２０６，５０３ 磁性導電体
１０３，２０７，５０２ 反強磁性体
２０５，５０４ 絶縁障壁層
２０１，５０７ 第１のシールド
２１０，５０８ 第２のシールド
２１１ 第３のシールド
２０２ 第１のコンタクト
２０８ 第２のコンタクト
２０９ 第３のコンタクト
５０９ コンタクト

Claims (12)

1. 外部磁界の影響を受ける第１の部位と、外部磁界の影響を受けない第２の部位とを有する非磁性体と、
   前記非磁性体の前記第１の部位と第２の部位との接続領域の上に積層された磁性体と、
   前記磁性体から前記非磁性体に電流を印加して前記非磁性体の前記第１の部位と前記第２の部位にスピン電子を蓄積させる手段と、
   前記第１の部位と第２の部位の間の電圧を検出する電圧検出手段と
   を有することを特徴とする磁気再生ヘッド。
2. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記磁性体の上に反強磁性体が積層されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
3. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体と前記磁性体との間に絶縁障壁層が設けられていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
4. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体として非磁性細線を用い、前記非磁性細線に沿った前記電圧検出手段による電圧測定経路の長さは前記非磁性体に固有のスピン拡散長の２倍よりも短いことを特徴とする磁気再生ヘッド。
5. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体の前記第１の部位及び第２の部位は、前記磁性体から前記非磁性体に印加される電流の経路から外れていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
6. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
   前記非磁性体は、前記第１の部位が媒体対向面の近くに位置し、前記第２の部位が媒体対向面から遠くに位置するように配置され、
   前記非磁性体に対して前記磁性体が積層された側と反対側に配置され、前記磁性体の裏側に当たる領域で前記非磁性体と接合された第１のシールドと、
   前記非磁性体に対して前記磁性体が積層された側と同じ側に配置され、前記非磁性体の前記第１の部位と接合された第２のシールドと、
   前記非磁性体に対して前記磁性体が積層された側と同じ側に配置され、前記非磁性体の前記第２の部位と接合された第３のシールドとを有し、
   前記磁性体から前記非磁性体に接合された第１のシールドへ電流を通電し、前記電圧検出手段は前記第２のシールドと前記第３のシールドの間の電圧を検出することを特徴とする磁気再生ヘッド。
7. 請求項６記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体と前記第１のシールドを接合する第１のコンタクト部分を構成する材料のスピン拡散長は、前記非磁性体と前記第２のシールドを接合する第２のコンタクト部分の材料のスピン拡散長及び前記非磁性体と前記第３のシールドを接合する第３のコンタクト部分の材料のスピン拡散長よりも長いことを特徴とする磁気再生ヘッド。
8. 請求項６記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体と前記磁性体との間に絶縁障壁層が設けられ、前記磁性体の上に反強磁性体が積層されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
9. 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
   前記非磁性体は、前記第１の部位が媒体対向面の近くに位置し、前記第２の部位が媒体対向面に沿うようにして配置され、
   前記非磁性体の前記第１の部位の側方かつ前記第２の部位の媒体側の空間を埋めるように配置され、前記非磁性体と接合された第１のシールドと、
   前記第１のシールドとで前記非磁性体の前記第１の部位を挟むように前記第１の部位の側方に配置された第２のシールドとを有し、
   前記磁性体から前記非磁性体に電流を通電し、前記電圧検出手段は前記非磁性体の前記第２の部位と前記第１のシールドの間の電圧を検出することを特徴とする磁気再生ヘッド。
10. 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体はＴ字型に結合された３本の部分細線からなり、前記第１の部位は前記３本の部分細線の結合部から媒体対向面に向かって延びる部分細線によって構成され、前記第２の部位は前記結合部から媒体対向面に沿って延びる部分細線によって構成され、前記結合部から前記第２の部分細線とは逆方向に媒体対向面に沿って延びる部分細線に前記磁性体から前記非磁性体に通電される電流が流れることを特徴とする磁気再生ヘッド。
11. 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性体と前記磁性体との間に絶縁障壁層が設けられ、前記磁性体の上に反強磁性体が積層されていることを特徴とする磁気再生ヘッド。
12. 磁気記録層を有する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する駆動部と、前記磁気記録媒体に記録再生を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータとを有する磁気記録装置において、
    前記磁気ヘッドは、前記磁気記録媒体の磁気記録層から漏洩する漏洩磁界の影響を受ける第１の部位と、前記漏洩磁界の影響を受けない第２の部位とを有する非磁性体と、前記非磁性体の前記第１の部位と第２の部位との接続領域の上に積層された磁性体と、前記磁性体から前記非磁性体に電流を印加して前記非磁性体の前記第１の部位と前記第２の部位にスピン電子を蓄積させる手段と、前記第１の部位と第２の部位の間の電圧を検出する電圧検出手段とを有することを特徴とする磁気記録装置。

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