JP2009158789A - 電流磁気効果素子及び磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直磁化膜を磁気センサやメモリデバイスとして利用する場合、その磁化反転磁界を低減することが重要である。また、垂直磁化膜と関連して作製される均一な絶縁膜等を必要としない構成が重要である。
【解決手段】磁気センサやメモリデバイスに利用される電流磁気効果素子は、非導電性の基板10と、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層11と、第1磁性層11の上に形成された強磁性体の第2磁性層12を有する。第2磁性層上には、2点間で電流を流すために電流電極14aと14bが配置され、電流を流す方向と直角方向の別な2点間でホール電圧を検出するために電圧電極15aと15bが配置される。
【選択図】図1
【解決手段】磁気センサやメモリデバイスに利用される電流磁気効果素子は、非導電性の基板10と、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層11と、第1磁性層11の上に形成された強磁性体の第2磁性層12を有する。第2磁性層上には、2点間で電流を流すために電流電極14aと14bが配置され、電流を流す方向と直角方向の別な2点間でホール電圧を検出するために電圧電極15aと15bが配置される。
【選択図】図1
Description
本発明は、電流磁気効果素子及び電流磁気効果素子を利用した磁気センサに関する
各種ユーザーが取り扱う情報量が膨大化するに伴い、ハードディスクドライブ(以下HDDと呼ぶ)に代表される磁気記録装置のさらなる高密度化のニーズが益々高まっている。HDDの高密度化においては、円周方向での線記録密度増加と共にディスク半径方向のトラック数の増加いわゆる高Tpi(Track per inch)化が重要である。高Tpiを実現するにあたっては、トラックピッチを短縮し、且つトラック幅も狭くする必要がある。狭トラック上に記録されるデータを正確に読み取るためには、隣接するトラックのデータを読み取らない(いわゆるクロストークがない)ことが重要で、そのために再生素子の幅を狭くする必要がでてくる。
現行のHDDにおいて、巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-resistance:GMR)あるいはトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magneto-resistance:TMR)を用いた再生素子が用いられている。図3に一般的に用いられている再生素子の構造及びトラック上の配置を示す。再生素子は主に磁化が一方向に固定された固定層21と、磁化が外部磁界の影響を受けて自由に回転できる自由層22を有している。固定層21と自由層22の間の中間層23は、GMR素子においては導電性薄膜であり、TMR素子においては絶縁膜である。磁気記録媒体20からの磁界27の影響で自由層22の磁化が回転するが、媒体20からの磁界27の向きによってその回転角(θ)24は異なる。固定層磁化と自由層磁化の間の相対角度が異なる際の素子全体の電気抵抗変化を利用することで媒体上の情報が再生される。
GMRやTMRのいずれの素子でも、磁化が膜面内方向に配列されるいわゆる面内磁化膜が用いられており、磁化を膜面内で一方向に固定させるのに素子の形状磁気異方性が用いられる。しかしながら、トラック幅26が狭くなるに従い素子幅25も狭くなると、形状磁気異方性の効果が弱くなり、膜面内で磁化は円状の形をとり、出力は不安定となる。HDDの再生素子に限らずMRAM(Magnetic Random Access Memory)においても、セルの高密度化に伴いセルアスペクト比(縦幅対横幅)を小さくすると、セル内の面内磁化は円形状となって情報としての“1”、“0”の確定ができなくなる問題が生じる。
そこで、非特許文献1にあるように、面内磁化膜の代わりに磁化が膜面に垂直方向に配列するいわゆる垂直磁化膜を利用することが提案されている。垂直磁化膜は素子(あるいはセル)のアスペクト比によらず、その磁化配列を膜面に垂直方向に保つことができるメリットがある。非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3に記載されているように、データを読み出すための方法として、垂直磁化膜を用いたトンネル接合(Magnetic Tunnel Junction,以下、垂直MTJと呼ぶ)及びそれにおけるトンネル磁気抵抗効果が一般的である。
特許文献1には、膜面に垂直な磁気異方性を持つ第1の強磁性層と、膜面に垂直な磁気異方性を持つ第2の強磁性層が、絶縁層を介して磁気的に結合している多層膜の異常ホール効果を用いる、再生時に再書き込み動作不要な微細電流磁気効果素子が開示されている。
垂直MTJ構造において、絶縁層の異なる側に存在する固定層と自由層の磁化配列が平行のとき電気抵抗は最も低くなり、反平行のとき最も高くなる。磁化配列が平行と反平行のときの電気抵抗の変化が大きいほど、素子感度が高いとされる。これらの垂直磁化膜を用いたMTJにおいて、自由層の磁化が反転する磁界は最も低い場合でも5kA/mと高い。垂直MTJを再生素子として利用することを考えると、自由層の磁化反転磁界を数百A/m〜2kA/mのレベルにすることが好ましい。また、メモリデバイスとして利用する際にも消費電力を低減させることを考慮すると、セルへの書き込み磁界は低いことが望ましい。さらに、トンネル接合構造において、バリア膜の質が、素子パフォマンスを決定する上で非常に重要な要因である。バリア膜として主にAlやMgの酸化膜が用いられているが、これらの膜を数ナノメートルレベルで均一に作製することが容易ではない。
また、特許文献1に記載されているように、異常ホール効果を用いた素子(メモリ素子)でも、垂直磁化膜の磁化反転磁界が低いことが望まれる。
また、特許文献1に記載されているように、異常ホール効果を用いた素子(メモリ素子)でも、垂直磁化膜の磁化反転磁界が低いことが望まれる。
しかしながら、垂直磁化膜は一般的に膜面に垂直方向に反磁界が大きく、反転磁界が数百A/mレベルの軟磁気特性を持たせることは容易ではない。垂直磁化膜を再生素子やメモリデバイスとして利用する場合、その磁化反転磁界を低減し、且つ容易に作製できることが設計上重要である。
本発明の目的は、垂直磁化膜の磁化反転が容易で、且つ均一な絶縁膜等の作製を必要としない電流磁気効果素子を提供することである。
本発明の他の目的は、構成要素の少ない電流磁気効果素子を用いた磁気センサを提供することである。
本発明の他の目的は、構成要素の少ない電流磁気効果素子を用いた磁気センサを提供することである。
上記目的を達成するための、本発明の電流磁気効果素子は、非導電性の基板と、非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層と、第1磁性層の上に形成された強磁性体の第2磁性層と、第1磁性層及び第2磁性層に膜面内方向に電流を流す電極と、電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電極とを有するものである。
前記第1磁性層の飽和磁化に対して、第2磁性層の飽和磁化の方が大きく設定される。 前記第1磁性層は膜面に垂直方向に磁気異方性を有するが、第2磁性層は必ずしも垂直方向に磁気異方性を有する必要はない。
前記第1磁性層は希土類・遷移金属系の合金薄膜であり、前記第2磁性層は非晶質の希土類・遷移金属系の合金薄膜である。
前記第1磁性層は、具体的には、Gdを含む希土類の合金薄膜、Co/Pt人工格子膜およびCo/Pd人工格子膜のいずれかである。
前記第2磁性層は、具体的には、FeCo合金薄膜あるいはFeNi合金薄膜である。
また、前記第1磁性層はFeCoGd合金薄膜であり、前記第2磁性層はFeCoB合金薄膜であることが望ましい。
前記電流磁気効果素子は、外部からの印加磁界に対して前記第2磁性層の磁化が反転し、その後前記第2磁性層のアシストを受けて前記第1磁性層の磁化が反転するように動作するものである。
上記他の目的を達成するために、本発明の磁気センサは、非導電性の基板と、非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層と、第1磁性層の上に形成された強磁性体の第2磁性層と、第1磁性層及び第2磁性層に膜面内方向に電流を流す電流電極と、電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電圧電極とを有し、電流電極に電流を流した状態で、電圧電極から異常ホール電圧を検出することにより、外部磁界により磁化された第1磁性層の磁化の方向を信号として検出するものである。
本発明によれば、垂直磁化膜の磁化反転が容易で、且つ均一な絶縁膜等の作製を必要としない電流磁気効果素子を提供することができる。また、電流磁気効果素子を用いた磁気センサにおいて、磁性層の磁化を固定するためのハードバイアス膜の作製を不要にすることができる。
以下、本発明の実施例による電流磁気効果素子の構成を図面を参照しながら説明する。
図1に実施例による電流磁気効果素子の構造を示す。10は非導電性の基板、11は膜面に垂直磁気異方性を有する第1磁性層、12は強磁性体の第2磁性層である。第2磁性層上の2点間で電流を流すために電極14aと14bが配置され、図の奥から手前に向かって電流が流れる。また、第2磁性層上で電流を流す方向と直角方向の別な2点間でホール電圧を検出するために電極15aと15bが配置される。
図1に実施例による電流磁気効果素子の構造を示す。10は非導電性の基板、11は膜面に垂直磁気異方性を有する第1磁性層、12は強磁性体の第2磁性層である。第2磁性層上の2点間で電流を流すために電極14aと14bが配置され、図の奥から手前に向かって電流が流れる。また、第2磁性層上で電流を流す方向と直角方向の別な2点間でホール電圧を検出するために電極15aと15bが配置される。
この電流磁気効果素子において、第1磁性層11は垂直磁化膜であり、この膜内の磁化が膜面に対して「上向き」か「下向き」かで情報が記録され、またこの膜からの異常ホール電圧の極性でもって記録された情報は再生される。
基板10としては、非導電性のもので例えばガラス等が用いられる。データを読み取るために素子全体に電流を流した際に、導電性の基板だと基板にも電流が流れ、基板からのホール電圧が重畳されてしまう可能性がある。非導電性の基板を用いることで出力ホール電圧信号における基板からの影響を抑制することができる。
第1磁性層11として、例えば希土類・遷移金属系の合金薄膜や、人工格子膜などを用いることができる。希土類・遷移金属合金薄膜は非晶質のものであり、希土類と遷移金属の組成を調整することで垂直磁気異方性を持たせることができる。また、希土類・遷移金属の合金薄膜は、垂直磁気異方性が発現する希土類(あるいは遷移金属)組成においてその飽和磁化が最も低くなり、反磁界も小さくなる。希土類・遷移金属の合金膜において例えば遷移金属としてGd入りのものを用いることで、反転磁界(保磁力)を数kA/mにすることができる。また、第1磁性層11の材料としてCo/PtやCo/Pdの人工格子膜も用いることができる。人工格子膜は、例えばスパッタによる作製の際に、そのガス圧、層数、層厚などを最適化することで、保磁力の高いものや低いものを作ることが可能である。また、前述の作製プロセスを調整することで、人工格子膜の飽和磁化や垂直磁気異方性を変化させることも可能である。本発明による電流磁気効果素子は、第1磁性層内の磁化を容易反転させることが重要であるため、その磁気異方性は例えば数kA/m程度と低いものが望ましい。
第2磁性層12として、第1磁性層11と比べて飽和磁化が高く、垂直磁気異方性が1桁〜2桁程度低い強磁性層が用いられる。第2磁性層12の磁気異方性は必ずしも垂直磁気異方性の弱いものである必要はなく、面内方向に等方的に分散されているような膜でもよい。第1磁性層11の上に第2磁性層12が存在するため、これらは磁気的に強く結合している。これら両層間の磁気的相互作用を用いることで、第1磁性層11の磁化反転磁界を下げることが可能となる。第2磁性層12の飽和磁化を上げると、両層間の磁気的相互作用が強くなり、その影響で第1磁性層11内の磁化が反転しやすくなる。第2磁性層12として、例えば非晶質系の希土類・遷移金属合金薄膜を用いることができる。例えば希土類金属の組成を少なくし、遷移金属の組成を上げていくと垂直磁気異方性が低下すると共に飽和磁化も増加する。また、高飽和磁化膜としてFe-Co合金やFe-Ni合金薄膜が挙げられる。これらの合金膜におけるFeの組成を調整することで、飽和磁化を調整することが可能である。また、スパッタ法により作製すると、これらの合金薄膜は一般的に垂直磁気異方性を持たず、面内配列を主体とした膜となる。したがって、外部から磁界が印加されない状態でこれらの合金薄膜内の磁化は面内方向を向いている。
次に、電流磁気効果素子の磁化反転特性について説明する。サンプルとして、ガラス基板10上に、スパッタリングにより、第1磁性膜11として(Fe90Co10)80Gd20を5nmの膜厚で製膜し、その上に、第2磁性層12として(FexCo100-x)1-yByを、膜厚が1nm、2nm、3nmの3つについて製膜した。第2磁性層12の各元素の組成を調整することで、第2磁性層12の飽和磁化を変化させた。製膜した膜をリソグラフィによりパターニングし、図2に示すように2μm×2μm角のパターンを作製した。電流を流すための電極14a,14b及びホール電圧を検出する電極15a,15bには、Pt電極を用いた。図4に第2磁性層12の飽和磁化を変化させた場合における第1磁性層11の磁化反転磁界の変化を示す。図4における3本の線は第2磁性層12の3つの膜厚に関するものである。第2磁性層12の飽和磁化を高くすることで第1磁性層11と第2磁性層12の間の磁気的相互作用が強くなり、第1磁性層11の磁化反転磁界が低減する。第2磁性層12の膜厚を厚くすることでも第1磁性層11の磁化反転磁界が低減する。
図5に第2磁性層12の膜厚を変化させた場合における第1磁性層11の磁化反転磁界の変化を示す。2本の線は第2磁性層12の2つの飽和磁化に関するものである。第2磁性層12の膜厚を厚くすることで第1磁性層11の磁化反転磁界を低減させることができるが、第2磁性層12の飽和磁化にも依存する。第2磁性層12の飽和磁化が大きくなり、且つ第2磁性層12が厚くなった場合、両層間の磁気的相互作用非常に強くなり、かえって第1磁性層11の磁化反転磁界が増加してしまう。第2磁性層12の膜厚と飽和磁化を調整することで第1磁性層11に関して所望の磁化反転磁界を得ることが可能となる。
図6に第2磁性層12の膜厚を変化させた場合の第1磁性層11から発生する異常ホール電圧の変化を示す。第2磁性層12の膜厚が厚くなると、第1磁性層11から検出される異常ホール電圧は減少していく。これは第2磁性層12の膜厚が厚くなるとそこに分流する電流が大きくなり、第1磁性層11に流れる電流が減少してしまうためである。したがって、第2磁性層12の膜厚をできる限り薄くし、その飽和磁化を高くすることによる、第1磁性層11の磁化反転磁界の低減方法は効果的である。
図7に第2磁性層12の膜厚を3nmに固定し、第1磁性層11の膜厚を変化させた場合における第1磁性層11の磁化反転磁界(左側縦軸)と第1磁性層11から発生する異常ホール電圧(右側縦軸)の変化を示す。第1磁性層11の膜厚を薄くするとその磁化反転磁界は低減し、そこから発生する異常ホール電圧は増加する。
上記のとおり、第1の磁性層11の膜厚、第2磁性層12の膜厚、第2磁性層12の飽和磁化を調整することで、第1磁性層11内の磁化反転磁界を低減させ、第1磁性層11から発生する異常ホール電圧を大きく取り出すことが可能となる。
次に、図1に示した実施例による電流磁気効果素子を磁気センサとして用いた場合の動作について説明する。図8にその動作のタイムチャートを示す。このタイムチャートの上部に示す時間に対する磁界変化は、回転する垂直磁気記録媒体からの磁界(外部磁界)を考慮したものである。磁気センサとして用いるので、電流電極14aと14b間には常に電流(センス電流)を流しておく必要がある。外部磁界が負の時(図3におけるT1の状態)、第1磁性層11内の磁化は「下方向」を向いており、そこから発生するホール電圧の極性は負となる。外部磁界の極性が負から正に切り替わったときそれに伴って第2磁性層12からのアシストを受け第1磁性層11内の磁化が反転し、「上向き」の状態となる。磁化が反転されると同時に第1磁性層11からの異常ホール電圧の極性も負から正に切り替わる(図3におけるT2の状態)。また、外部磁界が正から負に切り替わると、図3のT3状態のように第1磁性層11内の磁化は下向きに反転し、異常ホール電圧の極性も負に切り替わる。このような動作により、第1磁性層11の磁化の方向を、垂直磁気記録媒体上に記録された磁化パターンの信号として感知することが可能である。
ここで、HDDの再生素子(磁気センサ)の場合は、常に素子に電流を流しておく必要があるが、磁気メモリデバイスに応用する場合は、セル内の情報を読み出すときだけ電流をセルに流し、そこから発生する異常ホール電圧の極性を判定すればよい。
以上、説明したように、従来の垂直磁化膜を利用した磁気センサあるいは磁気メモリデバイスにおいては素子部分の磁化反転磁界が大きく、磁化反転磁界を低減させた、つまり軟磁気特性を持つ垂直磁化膜の作製は容易ではない。これに対して上記実施例による電流磁気効果素子においては、垂直磁化膜の上に軟磁性膜を堆積させた構造とすることにより、両層間の磁気的結合によって垂直磁化膜の磁化反転磁界を低減させることが可能である。また、垂直磁化膜が示す異常ホール効果を用いることで、その磁化状態を容易に知ることが可能であり、磁気トンネル接合で用いられるような絶縁層の作製が不要であるというメリットがある。
また、垂直磁化膜を用いることで、素子アスペクト比が小さくなっても素子内の磁化方向はその影響を受けずに膜面に対して「上向き」あるいは「下向き」の配列を保つことができる。また、上記磁気センサにおいては垂直磁化膜を利用しているため、現行のHDDの再生素子で磁化を固定するために用いられているハードバイアス膜の作製が不要となる。さらに、現行のHDD用再生素子で用いられているTMR構造においては、磁性層間に均一な膜厚の絶縁層が必要となるが、上記実施例による磁気センサの作製においては、絶縁層などの作製は必要とされないため、プロセス中の信頼性が向上し、歩留まり向上にもつながる。
10…非導電性基板、
11…第1磁性層、
12…第2磁性層、
13…外部磁界、
14a,14b…電流電極、
15a,15b…電圧電極。
11…第1磁性層、
12…第2磁性層、
13…外部磁界、
14a,14b…電流電極、
15a,15b…電圧電極。
Claims (10)
- 非導電性の基板と、該非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層と、該第1磁性層の上に形成された強磁性体の第2磁性層と、前記第1磁性層及び第2磁性層に膜面内方向に電流を流す電極と、該電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電極とを有することを特徴とする電流磁気効果素子。
- 前記第1磁性層の飽和磁化に対して第2磁性層の飽和磁化が大きいことを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。
- 前記第2磁性層は、磁気異方性が面内方向に等方的に分散されていることを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。
- 前記異常ホール電圧が、前記第1磁性層で発生することを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。
- 前記第1磁性層は希土類・遷移金属系の合金薄膜であり、前記第2磁性層は非晶質の希土類・遷移金属系の合金薄膜であることを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。
- 前記第1磁性層はGdを含む希土類の合金薄膜、Co/Pt人工格子膜およびCo/Pd人工格子膜のいずれかであることを特徴とする請求項5記載の電流磁気効果素子。
- 前記第2磁性層はFeCo合金薄膜あるいはFeNi合金薄膜であることを特徴とする請求項6記載の電流磁気効果素子。
- 前記第1磁性層はFeCoGd合金薄膜であり、前記第2磁性層はFeCoB合金薄膜
であることを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。 - 外部からの印加磁界に対して前記第2磁性層の磁化が反転し、その後前記第2磁性層のアシストを受けて前記第1磁性層の磁化が反転することを特徴とする請求項1記載の電流磁気効果素子。
- 非導電性の基板と、該非導電性の基板の上部に形成された膜面に垂直な方向に磁気異方性を有する第1磁性層と、該第1磁性層の上に形成された強磁性体の第2磁性層と、前記第1磁性層及び第2磁性層に膜面内方向に電流を流す電流電極と、該電流方向に対して膜面内で垂直方向に発生する異常ホール電圧を検出する電圧電極とを有し、前記電流電極に電流を流した状態で、前記電圧電極から異常ホール電圧を検出することにより、外部磁界により磁化された前記第1磁性層の磁化の方向を信号として検出することを特徴とする磁気センサ。
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