JP3531399B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁性トンネル接合を
感磁部に用いた磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】高密度磁気記録における磁気ヘッドとし
て、異方性磁気抵抗（以下ＡＭＲと称する）効果を用い
た磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下ＭＲ磁気ヘッドと称
する）が商品化されている。しかしながら、磁性膜にNi
Fe等のＡＭＲ効果膜を用いているため、磁気抵抗（Ｍ
Ｒ）変化率が約２％、感度が０．５%/Oeと低い。このた
め、さらに高ＭＲ変化率、高感度なＭＲ膜が望まれてい
る。

【０００３】このような要望に応える技術として、近
年、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）という新しい現象
が見出され、従来のＡＭＲ効果より大きな磁気抵抗変化
率が得られるということから、研究が進められている。
その中でも、スピンバルブ（ＳＶ）膜を用いたＧＭＲ効
果が注目されている。スピンバルブ膜は、強磁性膜／非
磁性金属膜／強磁性膜／反強磁性膜の膜構成からなる多
層膜であり、２〜５%/Oeの高感度な特性を示すため、次
世代磁気ヘッドにおける再生素子として注目され、実用
化研究が始められている。

【０００４】一方、ＧＭＲ効果とは別に、強磁性膜／絶
縁膜／強磁性膜の接合構造を持ち、両強磁性膜の磁化の
相対角度に依存してトンネル効果があらわれる強磁性ト
ンネル効果という現象が見出され、この現象を利用した
磁気抵抗効果素子の研究及び開発が進められている。強
磁性トンネル効果膜は非常に高い磁場感度を有するた
め、１０Gbit/inch²以上の超高密度磁気記録における再
生磁気ヘッドとして可能性がある。S.Maekawa and V.Ga
fvert等は、IEEE Trans. Magn., MAG-18，707(1982)に
おいて、磁性体／絶縁体／磁性体接合で両磁性膜の磁化
の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが期待
されることを理論的、実験的に示した。

【０００５】特開平4-42417号公報は、強磁性トンネル
効果膜を有する磁気ヘッドを開示しており、従来のＭＲ
磁気ヘッドにくらべ、微小な漏洩磁束の変化を高感度、
かつ、高分解能で検出できること、接合面積を狭めるこ
とにより、絶縁膜におけるピンホ−ルの発生確率を小さ
くして、再生感度を一層向上させることができることな
どを開示している。

【０００６】また、特開平4-103014号公報は、磁性膜に
反強磁性体からのバイアス磁界を印加する強磁性トンネ
ル効果膜およびそれを用いた磁気ヘッドを開示してい
る。

【０００７】更に、T.Miyazaki及びN.Tezuka等は、J.Ma
gn.Magn.Mater.139(1995)L231において、Fe／Al₂O₃／Fe
トンネル接合で室温においてＭＲ変化率１８％が得られ
たと報告している。また、M.Pomerantz,J.C.Sloczewski
及びE.Spiller等は、Fe／a-Carbon／Fe膜について開示
している。

【０００８】しかしながら、これまで報告された強磁性
トンネル接合には、磁気ヘッドとして利用するに当た
り、種々の解決すべき課題が存する。例えば、特開平4-
42417号などの公知文献では、強磁性トンネル効果膜を
用いた磁気抵抗効果素子で微少な磁束変化を高感度に検
出し、高い安定な出力を得るために、いくつかの手段を
開示している。その一つとして、多層構造の磁気抵抗効
果膜を形成する一対の磁性層のうち、媒体からの漏洩磁
束により磁化方向が変化する磁性層は、磁化回転が一斉
に起こるように異方性分散角度を小さくし、かつ、単磁
区化することが必要であると示されている。具体的に
は、ＢＮなどの中間層を磁性層中に挿入することにより
単磁区化すると報告されている。

【０００９】しかしながら、このようにして異方性分散
角度の小さい膜を形成しても、それを数μmの大きさに
パターニングして、数十MHz以上の高周波磁場で動作さ
せると、微少パターン膜の端部で、ミクロなスピン方向
の乱れが生じて、磁壁が形成されるため、単磁区構造が
崩れ、バルクハウゼンノイズなどが生じるという問題が
ある。

【００１０】従来のＡＭＲ磁気ヘッドやスピンバルブＧ
ＭＲ磁気ヘッドにおいては、磁気抵抗効果膜の両端部に
磁区制御膜を形成し、縦バイアスを加えることによりバ
ルクハウゼンノイズを防止する方法が開示されている
（公知文献：米国特許5,018,037、特公平8-21166号公
報）。これらの場合、磁区制御膜は感磁部全体の両端部
領域に直接接触して形成される。これは、ＡＭＲ磁気ヘ
ッドやスピンバルブＧＭＲ磁気ヘッドにおいては、磁気
抵抗効果素子の面と平行となる方向に電流を流して使用
するため、磁区制御膜が感磁部の両端部と接触していて
も実用上問題を生じないことに基づく。

【００１１】しかし、強磁性トンネル接合は、第１の強
磁性膜、絶縁膜及び第２の強磁性膜を上下方向に積層し
てあって、積層方向にトンネル電流が流れることにより
磁気抵抗変化が生じるものである。したがって、従来の
ように感磁部の端部全体に磁区制御用のバイアス磁性層
が接触してしまうと、絶縁層によって分離されている上
下の強磁性層が電気的に短絡してしまい、トンネル電流
が流れなくなるため、磁気抵抗変化が得られなくなる。

【００１２】なお、本発明における強磁性トンネル接合
は上記の強磁性トンネル効果膜と同一のものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、強磁
性トンネル接合部に十分な大きさのトンネル電流を流す
ことができ、高いＭＲ変化率を得ることのできる磁気抵
抗効果素子を提供することである。

【００１４】本発明のもうひとつの課題は、歪みのない
良好な出力波形が得られる磁気抵抗効果素子を提供する
ことである。

【００１５】本発明のさらにもう一つの課題は、ノイズ
のない安定した出力が得られる磁気抵抗効果素子を提供
することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、強磁性トンネ
ル接合部と、磁区制御膜とを有する。前記強磁性トンネ
ル接合部は、絶縁膜と、第１の強磁性膜と、第２の強磁
性膜とを含み、前記第１の強磁性膜と前記第２の強磁性
膜とが前記絶縁膜を介して積層されている。そしてこの
絶縁膜のバリアポテンシャルは０．５〜３ eV である。前
記磁区制御膜は、第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性
膜の何れか一方の両端部に、隣接して設けられている。

【００１７】上述のように、磁区制御膜が第１の強磁性
膜及び前記第２の強磁性膜の何れか一方の両端部に、隣
接して設けられているから、第１の強磁性膜及び第２の
強磁性膜の間に電気的短絡の生じる余地はない。したが
って、強磁性トンネル接合部に十分な大きさのトンネル
電流を流すことができる。このため、大きな磁気抵抗変
化率が得られる。

【００１８】しかも、磁区制御膜により、磁区制御膜の
備えられた強磁性膜を単一磁区状態にすることができ
る。このため、出力波形歪みの原因となるバルクハウゼ
ンノイズの発生を抑えることができ、ノイズのない安定
した出力が得られる。

【００１９】好ましくは、前記第１の強磁性膜及び前記
第２の強磁性膜のうち、前記磁区制御膜の設けられてい
ない強磁性膜は、磁化固定膜を有する。

【００２０】この構造によれば、第１の強磁性膜及び第
２の強磁性膜の何れか一方を磁化固定膜を有するピン止
め強磁性膜とし、他方を自由強磁性膜として動作させ、
自由強磁性膜の磁化の動きのみで、第１の強磁性膜の磁
化の向きと第２の強磁性膜の磁化の向きに関して、相対
角度変化を生じさせることができる。この場合、外部磁
場に対して、自由強磁性膜の磁化容易軸が垂直となり、
ピン止め強磁性膜の磁化容易軸が平行となるように設定
するのがよい。こうすることにより、外部磁界が零の場
合に自由強磁性膜の磁化の方向と、ピン止め強磁性膜の
磁化の方向とが垂直になるため、対称性の良好な出力波
形が得られる。しかも、自由強磁性膜の磁化の方向が、
外部磁場により磁化回転モードで変化するため、高い感
度が得られると共に、スムーズな磁化反転が行なわれ、
磁壁移動に伴うバルクハウゼンノイズの発生を低減でき
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る磁気抵抗効果
素子を模式的に示す斜視図、図２は図１の２−２線に沿
った断面図、図３は図１の３−３線に沿った断面図であ
る。図示するように、本発明に係る磁気抵抗効果素子
は、強磁性トンネル接合部２１と、磁区制御膜２１４、
２１５とを有する。強磁性トンネル接合部２１は、絶縁
膜２１０と、第１の強磁性膜２１１と、第２の強磁性膜
２１２とを含む。第１の強磁性膜２１１及び第２の強磁
性膜２１２は絶縁膜２１０の両側に積層されている。こ
れらは適当な絶縁支持基板４上に積層されている。磁区
制御膜２１４、２１５は、第１の強磁性膜２１１の両端
部に隣接して設けられている。この実施例では、第１の
強磁性膜２１１を微少外部磁場に対して磁化方向が自由
に変化する自由強磁性膜とし、第２の強磁性膜２１２を
微少外部磁場に対して磁化方向が動かないピン止め強磁
性膜とした場合について説明する。

【００２２】＜磁区制御＞この種の磁気抵抗効果素子に
おいて、強磁性トンネル接合部２１は、微細な矩形状パ
ターンとして形成される。かかるパターンでは、パター
ン端部に磁気的な不安定部分が発生し、磁区が形成され
てしまうのを回避することができない。このため、磁壁
移動モードでの磁化反転が部分的に発生し、ノイズを発
生する。そこで、第１の強磁性膜２１１の両端部に、磁
区制御膜２１４、２１５を形成し、第１の強磁性膜２１
１を単一磁区状態に保持する。実施例に示された磁区制
御膜２１４、２１５は磁気バイアス膜である。

【００２３】図４は図１〜図３に示した磁気抵抗効果素
子のトンネル接合部の動作を説明する図である。印加磁
場Ｈが零のとき、第２の強磁性膜２１２の磁化の向きＭ
２は、印加されるべき磁場Ｈに対して平行となる方向に
ピン止めされているものとする。第１の強磁性膜２１１
の磁化の向きＭ１は、磁区制御膜２１４、２１５によ
り、印加されるべき磁場Ｈと垂直となる方向に制御され
ている。この状態で、磁気ディスク等の磁気記録媒体か
ら磁場Ｈが印加された場合、ピン止めされている第２の
強磁性膜２１２の磁化の向きＭ２は変化しないが、第１
の強磁性膜２１１の磁化の向きＭ１は、例えば角度θだ
け変化する。これにより磁気抵抗効果が生じる。

【００２４】このような磁区制御膜２１４、２１５が第
１の強磁性膜２１１の両端部に隣接して設けられている
から、第１の強磁性膜２１１及び第２の強磁性膜２１２
の間に電気的短絡の生じる余地はない。したがって、強
磁性トンネル接合部２１に十分な大きさのトンネル電流
を流すことができる。このため、大きな磁気抵抗変化率
が得られる。

【００２５】しかも、磁区制御膜２１４、２１５の備え
られた第１の強磁性膜２１１を、単一磁区状態にするこ
とができる。このため、出力波形歪みの原因となるバル
クハウゼンノイズの発生を抑えることができ、ノイズの
ない安定した出力が得られる。

【００２６】磁区制御膜２１４、２１５としては、硬質
強磁性膜または反強磁性膜を用いることができる。磁区
制御膜２１４、２１５を構成する硬質強磁性膜として
は、外部擾乱磁界による影響を防ぐために、１kOe以上
の保磁力を有する強磁性膜が望ましい。硬質強磁性膜の
膜厚、材料は特に限定されるものではないが、所定の大
きさのバイアス磁界を発生させるためには、硬質強磁性
膜の膜厚ｔと残留磁束密度Ｂｒの積であるｔ・Ｂｒが所
定の大きさである必要がある。このため、材料としては
Ｃｏ系合金が望ましく、中でもCoPt、 CoPtCr、 CoPtTa、
CoCrTa、CoPtTaCrなどが薄い膜厚でも高い保磁力が得ら
れるため、好ましい。

【００２７】また、これらの硬質強磁性膜の保磁力を大
きくするために下地層を形成してもよい。これらの硬質
強磁性膜は基本的には最密六方晶構造の結晶構造を有
し、磁化容易軸はＣ軸である。そのため、膜面内方向に
効率的にバイアス磁界をかけるためにはＣ軸を面内方向
にするのが好ましい。その場合、何らかの下地層を設け
てもよい。下地層を形成することにより保磁力を更に大
きくすることができる。下地層はＣｏ系合金との格子定
数が同じ程度の材料が好ましく、中でも体心立方構造を
有するＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ及びこれらの合金が
好ましい。

【００２８】磁区制御膜２１４、２１５として反強磁性
膜を用いる場合は、第１の強磁性膜２１１との交換結合
により交換バイアス磁界を生じさせる。大きな交換バイ
アス磁界を生じさせるためには、強磁性層／反強磁性層
の界面において、良好な平坦性を実現すること、及び、
ミキシング層の形成を抑えることが重要である。

【００２９】反強磁性材料としては、金属系材料と酸化
物系材料があり、金属系反強磁性材料としてはFeMn、Ni
MnなどのＭｎ系合金やCrAl、CrSbなどのＣｒ系合金を用
いるのがよい。また、酸化物系反強磁性材料としてはNi
O、CoO、Fe₂O₃などを用いればよい。特に好ましいのは
Ｍｎ系反強磁性材料であり、大きな交換バイアス磁界を
得ることができる。しかしながら、Ｍｎ系合金の中に
は、NiFeなどの強磁性膜上でエピタキシャル成長をさせ
なければ得られないものがあり、この場合は、図５及び
図６に示すように、反強磁性膜でなる磁区制御膜２１
４、２１５が、強磁性トンネル接合部２１の単一磁区状
態にすべき第１の強磁性膜２１１上に接する構造にする
ことが望ましい。あるいは、図７に示すように磁区制御
膜２１４、２１５の上に第１の強磁性膜２１１を設けて
もよい。

【００３０】＜磁化固定手段＞強磁性トンネル接合部２
１の磁気抵抗変化は、第１の強磁性膜２１１及び第２の
強磁性膜２１２の磁化の相対角度に依存する。従って、
磁気ヘッドのように微少磁場で高出力、かつ、対称性の
良好な波形を得るため、第１の強磁性膜２１１の磁化方
向Ｍ１と、第２の強磁性膜２１２の磁化方向Ｍ２とは、
外部印加磁場が零の場合に互いに平行でないことが望ま
しい。

【００３１】外部磁場に対して、自由強磁性膜である第
１の強磁性膜２１１の磁化容易軸が垂直、ピン止め強磁
性膜である第２の強磁性膜２１２の容易軸が平行になる
ように方向付ける手段としては、次の２つの手段があ
る。

【００３２】第１の磁化固定手段は、自由強磁性膜であ
る第１の強磁性膜２１１を低保磁力の軟質強磁性膜を用
い、ピン止め強磁性膜である第２の強磁性膜２１２に高
保磁力の硬質磁性膜を用いる方法である。

【００３３】図８は、第１の磁化固定手段を採用した場
合、即ち、自由強磁性膜に低保磁力の軟質強磁性膜を用
い、ピン止め強磁性膜に高保磁力の硬質強磁性膜を用い
た場合の磁場−磁気抵抗（ＭＲ）変化率特性を示す図で
ある。図８において、円内に示された２つの矢印は、第
１の強磁性膜２１１の磁化の向き、及び、第２の強磁性
膜２１２の磁化の向きをそれぞれ示している。印加磁場
Ｈを、磁場（−Ｈ２）よりも低い値から徐々に大きくし
ていくと、低保磁力である自由強磁性膜２１１は磁場
（＋Ｈ１）で磁化反転する。印加磁場Ｈを更に大きくし
ていくと、高保磁力であるピン止め強磁性膜２１２が磁
場（＋Ｈ２）で磁化反転する。同様に、印加磁場Ｈを、
磁場Ｈ２より高い値から徐々に低くしていくと、磁場
（−Ｈ１）および（−Ｈ２）で強磁性膜２１１、２１２
が磁化反転する。

【００３４】印加磁場Ｈが｜Ｈ１｜＜Ｈ＜｜Ｈ２｜とな
る範囲で、第１の強磁性膜２１１の磁化の向きと、第２
の強磁性膜の磁化の向きは反平行になり、印加磁場Ｈが
｜Ｈ１｜＞ＨおよびＨ＞｜Ｈ２｜の範囲で磁化の向きが
平行になる。電気抵抗は、磁化の向きが反平行状態の時
大きく、磁化の向きが平行状態であるとき小さくなる。
磁化の向きが平行である時の抵抗値Ｒｓと、磁化の向き
が反平行から平行へ変化したときの抵抗の変化分ΔＲの
比（ΔＲ／Ｒｓ）がＭＲ変化率となり、これにより外部
印加磁界を検出することができる。

【００３５】第２の磁化固定手段は、第１の強磁性膜２
１１及び第２の強磁性膜２１２の両者共、軟質強磁性膜
によって構成し、ピン止め強磁性膜である第２の強磁性
膜２１２に磁化固定膜を積層し、第２の強磁性膜２１２
の磁化の向きを固定する方法である。図９は第２の磁化
固定手段を採用した場合、即ち、自由強磁性膜およびピ
ン止め強磁性膜の両者共、軟質強磁性膜を用い、ピン止
め強磁性膜に隣接して磁化固定膜を積層した場合の磁場
ーＭＲ変化率特性を示す図である。零磁場付近では自由
強磁性膜のみが磁化反転し、磁化固定膜と交換結合した
ピン止め強磁性膜は磁化反転しない。磁場を更に大きく
し、交換結合ではピン止めできなくなると、ピン止め強
磁性膜も磁化反転する。この場合は、磁場Ｈが＋Ｈ５＜
Ｈ＜＋Ｈ６の範囲で高いＭＲ変化率が得られる。

【００３６】次に、上述したような要求を充たすための
磁化固定手段の具体例について説明する。

【００３７】磁化固定膜２１６としては、高保磁力の硬
質強磁性膜または反強磁性膜の何れかを用いることがで
きる。磁化固定膜２１６として、硬質強磁性膜を用いた
場合には、磁化固定膜２１６及び第２の強磁性膜２１２
の間に強磁性膜ー強磁性膜による交換結合が生じ、第２
の強磁性膜２１２の磁化の向きが固定され、ピン止め強
磁性膜となる。磁化固定膜２１６として、反強磁性膜を
用いた場合には、磁化固定膜２１６及び第２の強磁性膜
２１２の間に反強磁性膜ー強磁性膜による交換結合が生
じ、第２の強磁性膜２１２の磁化の向きが固定され、ピ
ン止め強磁性膜となる。

【００３８】硬質強磁性膜としては、Ｃｏ合金、例え
ば、CoPt、 CoPtCr、 CoPtTa、 CoCrTa、CoPtTaCrなどを用
いることができる。反強磁性膜としては、金属系反強磁
性材料あるいは酸化物系反強磁性材料を用いることがで
きる。金属系反強磁性材料の例はＭｎ合金である。利用
できるＭｎ合金としてはFeMn、 NiMn、 PtMn、 RuMn、 RhM
n、 IrMn、 PdMn及びそれらの合金を挙げることができ
る。酸化物系反強磁性材料の例は、NiO、 NiCoO、 Fe₂O₃、
CoOである。

【００３９】図１０は本発明に係る磁気抵抗効果素子に
おける強磁性トンネル接合部２１の別の例を示す断面
図、図１１は図１０の１１−１１線に沿った断面図、図
１２は図１０の１２−１２線に沿った断面図、図１３は
図１０〜図１２に示した磁気抵抗効果素子のトンネル接
合部の動作を説明する図である。図において、図１〜図
３と同一の構成部分は、同一の参照符号を付し、詳細な
説明は省略する。

【００４０】この実施例では、第２の強磁性膜２１２を
自由強磁性膜とし、第１の強磁性膜２１１をピン止め強
磁性膜とする。第２の強磁性膜２１２の両端部に、磁区
制御膜となる磁区制御膜２１４、２１５を形成する。外
部印加磁場Ｈに対し、第１の強磁性膜２１１の磁化容易
軸は平行方向、第２の強磁性膜２１２の磁化容易軸は垂
直方向になるように形成される。この場合、第１の強磁
性膜２１１は外部磁場Ｈに対し磁化Ｍ１が固定され、第
２の強磁性膜２１２は外部磁場Ｈに対し磁化方向Ｍ２が
自由に変化し得る。この場合も、図１〜図３に示した実
施例と同様の作用効果を奏する。

【００４１】図１４は本発明に係る磁気ヘッドの強磁性
トンネル接合部２１の別の例を示す断面図、図１５は図
１４の１５−１５線に沿った断面図、図１６は図１４の
１６−１６線に沿った断面図である。この実施例では、
第２の強磁性膜２１２の面上に磁化固定膜２１６を有す
る。従って、第２の強磁性膜２１２がピン止め強磁性膜
となり、第１の強磁性膜２１１が自由強磁性膜となる。
図示は省略するけれども、磁化固定膜２１６は第１の強
磁性膜２１１に設けてもよい。この場合は、第１の強磁
性膜２１１がピン止め強磁性膜となり、第２の強磁性膜
２１２が自由強磁性膜となる。

【００４２】図１７は図１４〜図１６に示した磁気抵抗
効果素子のトンネル接合部の動作を説明する図である。
実施例において、印加磁場ゼロのとき、第１の強磁性膜
２１１の磁化の向きＭ１が、印加されるべき磁場Ｈに対
して垂直であり、第２の強磁性膜２１２の磁化の向きＭ
２は、印加されるべき磁場Ｈと平行となる方向に固定さ
れている。この状態で、磁気ディスク等の磁気記録媒体
から磁場Ｈが印加された場合、磁化固定膜２１６により
ピン止めされている第２の強磁性膜２１２の磁化の向き
Ｍ２は変化しないが、第１の強磁性膜２１１の磁化の向
きＭ１は、例えば角度θだけ変化する。これにより磁気
抵抗効果が生じる。

【００４３】こうすることにより、自由強磁性膜である
第１の強磁性膜２１１の磁化の動きのみで、両強磁性膜
２１１、２１２の間に、磁化の向きに関して、相対角度
変化を生じさせることができる。この場合、外部磁場Ｈ
に対して、磁化Ｍ１の方向が自由に変化する自由強磁性
膜を構成する第１の強磁性膜２１１の磁化容易軸が垂直
となり、磁化Ｍ２の方向が固定化されているピン止め強
磁性膜を構成する第２の強磁性膜２１２の磁化容易軸が
平行となるように設定するのがよい。こうすることによ
り、自由強磁性膜である第１の強磁性膜２１１の磁化の
方向が、外部磁場により磁化回転モードで変化するた
め、高いＭＲ感度が得られると共に、スムーズな磁化反
転が行なわれ、磁壁移動に伴うバルクハウゼンノイズの
発生を低減できる。

【００４４】＜絶縁膜＞ 第１の強磁性膜２１１及び第２の強磁性膜２１２の間に
備えられた絶縁膜２１０は、高いＭＲ変化率を再現性良
く得ること、及び、磁気ヘッドなどの磁気抵抗効果素子
の構造を簡素化するために、きわめて重要な役割を担っ
ている。特に、絶縁膜２１０によるバリアポテンシャル
を０．５〜３eVの範囲に設定したので、高いＭＲ変化率
を再現性良く得るとともに、磁気抵抗効果素子の構造を
簡素化できる。次にこの点について述べる。

【００４５】強磁性トンネル接合において、電子ｅがス
ピンの向きを保ったまま、第１の強磁性膜２１１から、
絶縁膜２１０を介して、第２の強磁性膜２１２に通り抜
けるとき、電子ｅの透過率はスピンを考慮して求めた波
動関数を用いて、入射波と透過波の振幅自乗比から求め
られ、そのトンネルコンダクタンスＧは、 Ｇ＝Ｇ₀′(１＋Ｐ₁′・Ｐ₂′)ＣＯＳθ と表される。ここで、 Ｐ₁′＝[(Ｋ_{1 ↑}−Ｋ_{1 ↓})/(Ｋ_{1 ↑}＋Ｋ_{1 ↓})]α₁ Ｐ₂′＝[(Ｋ_{2 ↑}−Ｋ_{2 ↓})/(Ｋ_{2 ↑}＋Ｋ_{2 ↓})]α₂ Ｇ₀′：両強磁性層内での電子の波数Ｋ_{1 ↑}、Ｋ_{1 ↓}、Ｋ_2
↑、Ｋ_{2 ↓}及びバリアポテンシャルの高さで定まる定数 α₁、α₂：バリアポテンシャルの高さに依存する係数 Ｐ₁′、Ｐ₂′：両強磁性膜１、２の有効スピン偏極度 Ｐ₁、Ｐ₂：両強磁性膜１、２のスピン偏極度（有効スピ
ン偏極度Ｐ₁′、Ｐ₂′の分数部分） である。トンネルコンダクタンスの変化率△Ｇ／Ｇ
₀は、 △Ｇ／Ｇ₀＝２・Ｐ₁′・Ｐ₂′ となる。トンネルコンダクタンスの変化率△Ｇ／Ｇ₀は
ＭＲ変化率と同義である。

【００４６】バリアポテンシャルの高さが低いと、それ
に依存する係数α₁、α₂が小さくなるため、両強磁性膜
の有効スピン偏極度Ｐ₁′、Ｐ₂′も小さくなり、ＭＲ変
化率が低くなる。逆に、バリアポテンシャルが充分に高
いと、有効スピン偏極度Ｐ₁′、Ｐ₂′が、スピン偏極度
Ｐ₁、Ｐ₂に近づき、高いＭＲ変化率が得られる。

【００４７】バリアポテンシャルが０．５〜３eVの範囲
にあるから、高いＭＲ変化率を、再現性よく得ることが
できる。その理由の一つは、バリアポテンシャルを０．
５〜３eVの範囲に保つことにより、均一性が良好で、ピ
ンホールの非常に少ない絶縁膜２１０の形成が保証され
るためと推測される。

【００４８】バリアポテンシャルが１．５〜２．５eVの
範囲では、特に好ましい結果が得られた。

【００４９】バリアポテンシャルが１．５〜２．５eVの
範囲では、第１の強磁性膜２１１と第２の強磁性膜２１
２との間に、絶縁膜２１０を介して、安定した反強磁性
的結合を生じるためと推測される。

【００５０】バリアポテンシャルが３eVを越えると、高
いＭＲ変化率を得ることができなくなる。原因は明確で
はないが、３eVを越えるバリアポテンシャルの範囲で
は、トンネル電流が流れなくなるためではないかと推測
される。

【００５１】バリアポテンシャルが０．５eVよりも小さ
くなると、この種の強磁性トンネル接合において期待さ
れる高いＭＲ変化率を得ることができなくなる。その理
由は、絶縁膜２１０の均一性が劣化し、ピンホールが増
えるためと推測される。

【００５２】次に、バリアポテンシャルが０．５〜３eV
となる範囲において、第１の強磁性膜２１１と第２の強
磁性膜２１２との間に、絶縁膜２１０を介して、安定し
た反強磁性結合を生じさせ得る可能性は、この強磁性ト
ンネル接合を、磁気ヘッドの読み取り用磁気変換素子に
用いる場合に大きな利点をもたらす。

【００５３】図１８は反強磁性的結合を生じている場合
の磁場ー磁気抵抗変化率特性を示す図である。図１８に
示すように、反強磁性的結合を生じている場合、磁場ー
磁気抵抗曲線Ｌ１、Ｌ２が零磁場付近の領域△Ｈで、Ｍ
Ｒ変化率が最も高い値を示すようになる。従って、この
強磁性トンネル接合を磁気ヘッドの読み取り用磁気変換
素子として用いた場合、バイアス磁場を印加する必要が
なく、エレメント形状による反磁性と磁区制御膜の効果
で、零磁場付近で直線領域が得られる。このため、磁気
ヘッドの構造を簡素化することができる。

【００５４】上述のようなバリアポテンシャルを確保し
得る絶縁膜２１０の一例は、大気中で４０〜１００℃ア
ニールした酸化アルミニウム膜である。かかる酸化アル
ミニウム膜は、金属アルミニウムが局部的に存在しなく
なったため、上下の強磁性膜２１１−２１２間でブリッ
ジができなくなり、その結果、高いバリアポテンシャル
を有する極薄絶縁膜２１０を有する強磁性トンネル接合
が実現できる。

【００５５】絶縁膜２１０の他の例としては、ダイアモ
ンド状炭素膜(Diamond-like carbon膜、以下ＤＬＣ膜と
称する）も、高いバリアポテンシャルを有する極薄の絶
縁膜２１０を実現するのに有効である。特に、プラズマ
ＣＶＤ法で作製したＤＬＣ膜は、数十Åという非常に薄
い膜厚においても、均一、かつ、ピンホ−ルのない良好
な絶縁膜２１０が得られる。

【００５６】なお、M.Pomerantz，J.C.Sloczewski及び
E.Spiller等が開示した中間膜のＣ膜は、ＭＢＥ法で作
製したアモルファス−Ｃ膜であり、プラズマＣＶＤ法で
作製したＤＬＣ膜とは異なる。具体的には、アモルファ
ス−Ｃ膜は炭素同士がネットワ−ク状に結合しているも
のであるが、本発明のＤＬＣ膜は炭素と水素がネットワ
−ク状に結合しており、本質的に異なるものである。

【００５７】次に、強磁性トンネル接合部２１の接合面
積及び絶縁膜２１０について、実施例を挙げて説明す
る。

【００５８】＜実施例１＞製造方法において、酸化アル
ミニウム膜でなる絶縁膜２１０は、アルミニウム膜を大
気中において６０℃、２４時間の熱処理を行なって形成
した。強磁性トンネル接合の接合面積は０．２５〜２５
００μm²とした。

【００５９】上述した接合面積を持つ強磁性トンネル接
合を、各２０個ずつ作製し、各接合面積毎のバリアポテ
ンシャル、ＭＲ変化率の平均値及びそのばらつきを調べ
た。また、歩留りについても調べた。次に、強磁性トン
ネル接合の作製方法を具体的に説明する。

【００６０】まず、第１の強磁性膜２１１として、膜厚
１０nmのNi₈₀Fe₂₀膜をＲＦスパッタ法で成膜し、レジス
トフォトリソ、Ａｒイオンミリング、レジスト剥離の微
細加工技術を用いて、０．５〜５０μm×０．５mmの矩
形状にパタ−ニングした。

【００６１】その後、レジストパタ−ニングをおこな
い、第１の強磁性膜２１１を構成するNi₈₀Fe₂₀膜の表面
酸化膜を逆スパッタにより除去したあと、電子ビーム加
熱式真空蒸着法により、膜厚５nmのアルミニウム膜を成
膜した。

【００６２】その後、サンプルを真空蒸着装置から取り
出して、大気中において６０℃、２４時間の熱処理を行
なった後、リフト・オフ・プロセスを経て、酸化アルミ
ニウム膜でなる絶縁膜２１０を形成した。

【００６３】次に、再びレジストパタ−ニングをおこな
った後、第２の強磁性膜２１２として膜厚１００nmのＣ
ｏ膜をＲＦスパッタ法で成膜し、続いて、リフトオフプ
ロセスを経て、第１の強磁性膜２１１と直角方向に０．
５〜５０μm×０．５mmの矩形状パタ−ンを持つ第２の
強磁性膜２１２を形成した。これにより、接合面積０．
２５〜２５００μm²の強磁性トンネル接合が得られた。

【００６４】また、比較として、従来用いられている自
然酸化アルミニウム膜（成膜後、大気中において２４時
間放置）を絶縁膜２１０としたNi₈₀Fe₂₀／酸化アルミニ
ウム／Ｃｏ強磁性トンネル接合も同様に作製した。

【００６５】実施例及び比較例において採用された第１
の強磁性膜２１１および第２の強磁性膜２１２の成膜条
件は以下に示す通りである。また、アルミニウム膜は、
到達圧力３×１０^-5Pa、蒸着速度０．０５nm／secで作
製した。

【００６６】＜強磁性膜成膜条件＞ 到達圧力：１×１０^-5Pa タ−ゲット：Ｎｉ−２０at%Fe（４インチφ） スパッタガス：Ａｒ ５sccm スパッタ圧力：０．５Pa 投入パワ−：１５０Ｗ 成膜レ−ト： Ni₈₀Fe₂₀，４５nm/min、Ｃｏ ４０nm/min 基板温度：水冷 このようにして作製したサンプルについて、直流４端子
法で磁気抵抗（ＭＲ）曲線を測定した。なお、測定時の
最大印加磁場は±１kOeとし、−１kOeの磁場を印加させ
たのち、磁場を徐々に大きくして＋１kOeまでかけ、再
び−１kOeに戻した。また、バリアポテンシャルはトン
ネル接合のＶ−Ｉ特性を測定し、直線領域からのずれを
もとめた。

【００６７】図１９に本発明に係る接合面積５０×５０
μm²の強磁性トンネル接合の磁気抵抗曲線を示す。印加
磁場を−１kOeより大きくしていくと、＋５Oeにおい
て、第１の強磁性膜２１１の磁化反転がおこり、第１の
強磁性膜２１１と第２の強磁性膜２１２のスピンが反平
行になるため、電気抵抗が大きくなる。バリアポテンシ
ャルを求めた結果０．５eVであり、作製した２０個のう
ち１６個において同様のＭＲ曲線が得られた。ＭＲ変化
率は６．６〜８．１％であり、ＭＲ変化率の平均値は
７．６％で、変化率ばらつきは±７％であった。

【００６８】一方、自然酸化アルミニウム膜を絶縁膜２
１０とした比較例の強磁性トンネル接合においては、バ
リアポテンシャルは０．２eVしか得られなかった。ま
た、４個しかＭＲ曲線が観測できず、ＭＲ変化率平均値
は１．５％と低く、平均値ばらつき±８８％と非常に大
きかった。種々の接合面積についても同様の評価を行な
った。これらの結果を表１ー１、１ー２に示す。

【００６９】表１から明らかなように、大気中６０℃熱
処理により形成した酸化アルミニウム膜を絶縁膜２１０
としての用いることにより、０．５〜３eVの高いバリア
ポテンシャルと高いＭＲ変化率が得られ、しかもばらつ
きが少なく、高い歩留まりが得られる。特にバリアポテ
ンシャルが１．５〜２．５eVのとき歩留りが高い。ま
た、３０〜２５０℃の温度範囲で大気中熱処理して得ら
れた酸化アルミニウム膜を絶縁膜２１０とした強磁性ト
ンネル接合のＭＲ特性を調べた結果、４０〜１００℃熱
処理した場合に、高いＭＲ変化率が得られ、しかも、ば
らつきが少なく、高い歩留まりが得られることがわかっ
た。

【００７０】＜実施例２＞第１の強磁性膜２１１はＣｏ
−５０%atによって構成し、第２の強磁性膜２１２はＣ
ｏおよび絶縁膜２１０をＤＬＣ膜によって構成した。Co
₅₀Fe₅₀／DLC／Co強磁性トンネル結合を作製し、第１の
強磁性膜２１１の膜厚は１０nm、第２の強磁性膜２１２
の膜厚は５nmにした。接合面積は０．２５〜２５００μ
m²とした。第１の強磁性膜２１１及び第２の強磁性膜２
１２は実施例１と同様の方法で作製した。絶縁膜２１０
>を構成するＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法により、膜
厚５nmになるよう成膜し、リフトオフ法によりパタ−ニ
ングした。ＤＬＣ膜の成膜条件は以下に示す。

【００７１】＜ＤＬＣ膜成膜条件＞ 到達圧力：２×１０^-3Pa 導入ガス：メタン ５sccm スパッタ圧力：３．５Pa ＲＦパワ−：５０Ｗ 自己バイアス：−１５０Ｖ 成膜レ−ト：１０nm/min 基板温度：加熱および水冷なし また、比較例として、自然酸化アルミニウム膜を絶縁膜
２１０としたCo₅₀Fe₅₀／酸化アルミニウム／Ｃｏ強磁性
トンネル接合を作製した。

【００７２】上記実施例及び比較例のサンプルについ
て、直流４端子法でＭＲ特性を測定して得られた結果を
表２ー１、２ー２に示す。

【００７３】表２から明らかなように、プラズマＣＶＤ
法で作製したＤＬＣ膜を、絶縁膜２１０として用いるこ
とにより、高いバリアポテンシャルおよび高いＭＲ変化
率が得られ、しかも、ばらつきが少なく、高い歩留まり
が得られることがわかる。例えば、本実施例による接合
面積５０×５０μm²のサンプルについて、作製した２０
個のうち、１５個でＭＲ曲線が得られた。ＭＲ変化率の
平均値は１８．９％で、変化率のばらつきは±１２％で
あった。また、実施例１と同様に、バリアポテンシャル
１．５〜２．５eVのとき特に歩留りが高かった。これに
対して、自然酸化アルミニウム膜を絶縁膜２１０とした
比較例の強磁性トンネル接合においては、バリアポテン
シャルは小さく、５個しかＭＲ曲線が観測できず、ＭＲ
変化率平均値は３．３％と低く、ばらつきは±８８％と
非常に大きかった。

【００７４】次に、接合面積と反転磁場との関係につい
て述べる。接合面積が小さいほど絶縁膜２１０のピンホ
ールなどの欠陥が少なくなるため高い歩留まりが得られ
ることは報告されている。表１および表２からわかるよ
うに、本実施例の強磁性トンネル接合において、接合面
積が小さいほどＭＲ変化率は高く、また高い歩留まりが
得られる。特にバリアポテンシャル１．５〜２．５eVの
ときに歩留りが高くなる。

【００７５】また、図１９に示す磁場Ｈａｂ、即ち、第
１の強磁性膜２１１の磁化が反転する磁場が、負の方向
にシフトしていくことがわかった。特に、接合面積が１
０μm²より小さくバリアポテンシャルが１．５〜２．５
eVのとき、零磁場において第１の強磁性膜２１１と第２
の強磁性膜２１２の各々の磁化が反平行状態になる。こ
のことは、両磁性膜間に反強磁性的結合力が作用してい
ることを示している。接合面積が１０μm²より小さい場
合に高いＭＲ変化率と高い歩留まりが得られたのは、均
一でピンホールの非常に少ない絶縁膜２１０を用い、か
つ、接合面積を小さくすることにより、両磁性膜間に反
強磁性的結合が生じたためと考えられる。また実施例１
−７及び実施例２−８に示すように、接合面積が１０μ
m²以下でもバリアポテンシャルが２．５eVより大きい
と、両磁性膜間で反強磁性的接合は得られず、歩留りも
若干低下する。

【００７６】＜磁化固定及び磁区制御の併用＞図１４〜
図１７に示した実施例では、第２の強磁性膜２１２の上
に磁化固定膜２１６を備えると共に、第１の強磁性膜２
１１の両端に磁区制御膜２１４、２１５が設けられてい
る。従って、磁区制御及び磁化固定の両方の作用が得ら
れる。

【００７７】次に、本発明に係る強磁性トンネル接合
を、磁気ヘッドへ適用した例について述べる。

【００７８】図２０は本発明に係る磁気ヘッドの斜視図
である。図において、寸法は誇張されている。図示され
た本発明に係る磁気ヘッドは、スライダ１と、強磁性ト
ンネル接合を利用した磁気変換素子（以下強磁性トンネ
ル接合型磁気変換素子と称する）２と、更に、誘導型磁
気変換素子３とを含む。スライダ１は媒体対向面側にレ
ール部１１、１２を有し、レール部１１、１２の表面が
空気ベアリング面１３、１４を構成している。レール部
１１、１２は２本に限らない。１〜３本のレール部を有
することがあり、レール部を持たない平面となることも
ある。また、浮上特性改善等のために、空気ベアリング
面（以下ＡＢＳ面と称する）に種々の幾何学的形状が付
されることもある。何れのタイプのスライダであって
も、本発明の適用が可能である。

【００７９】磁気変換素子２、３は、レール部１１、１
２の一方または両者の媒体移動方向ａ１の端部に設けら
れている。媒体移動方向ａ１は、媒体が高速移動した時
に動く空気の流出方向と一致する。スライダ１の媒体移
動方向ａ１の端面には、強磁性トンネル接合型磁気変換
素子２に接続された取り出し電極４１、４２及び磁気変
換素子３に接続された取り出し電極４３、４４が設けら
れている。

【００８０】図２１は図２０に示した磁気ヘッドの磁気
変換素子部分の拡大断面図である。強磁性トンネル接合
型磁気変換素子２は再生素子であり、誘導型磁気変換素
子３は書き込み素子である。強磁性トンネル接合型磁気
変換素子２及び誘導型磁気変換素子３は、スライダ１を
構成するセラミック基体１０１の上に設けられた絶縁膜
１０２の上に積層されている。セラミック基体１０１
は、通常、Al₂O₃−TiCで構成される。Al₂O₃−TiCは導電
性があるので、電気絶縁をする手段として、例えばAl₂O
₃でなる絶縁膜１０２が付着されている。セラミック基
体１０１が高い絶縁性を有する場合は、絶縁膜１０２は
省略できる。

【００８１】図２２は強磁性トンネル接合型磁気変換素
子２の部分の拡大断面図、図２３はその拡大斜視図、図
２４は図２３の２４−２４線に沿った断面図である。強
磁性トンネル接合型磁気変換素子２は、強磁性トンネル
接合部２１の構造が、図１〜図４に示した磁気抵抗効果
素子と実質的に同じものが用いられている。即ち、強磁
性トンネル接合型磁気変換素子２は、強磁性トンネル接
合部２１と、電極膜２２、２３とを含み、スライダ１の
一部を構成する絶縁支持膜２４、２５によって支持され
ている。強磁性トンネル接合部２１は、絶縁膜２１０
と、第１の強磁性膜２１１と、第２の強磁性膜２１２と
を含んでいる。第１の強磁性膜２１１と第２の強磁性膜
２１２とは、絶縁膜２１０を介して積層されている。磁
区制御膜２１４、２１５は、第１の強磁性膜２１１の両
端部に隣接して設けられている。

【００８２】電極膜２２、２３は、第１の電極膜２２
と、第２の電極膜２３とを含んでいる。第１の電極膜２
２は第１の強磁性膜２１１に接続され、第２の電極膜２
３は第２の強磁性膜２１２に接続されている。

【００８３】これらの第１の電極膜２２及び第２の電極
膜２３は、ＡＢＳ面１３（または１４）に露出しないよ
うに設けられている。その具体的手段として、実施例で
は、強磁性トンネル接合部２１の先端面をＡＢＳ面１３
（または１４）に位置させると共に、第１の電極膜２２
及び第２の電極膜２３を、強磁性トンネル接合部２１の
先端面の位置するＡＢＳ面１３（または１４）から、間
隔Ｄ１だけ後退させてある。

【００８４】強磁性トンネル接合型磁気変換素子２は、
下部磁気シールド膜５１と、上部磁気シールド膜５２と
の間において、絶縁支持膜２４、２５の内部に配置され
ている。下部磁気シールド膜５１はセラミック基体１０
１に設けられた絶縁膜１０２の上に付着され、絶縁支持
膜２４は下部磁気シールド膜５１の上に付着されてい
る。

【００８５】上述のように、ＡＢＳ面１３（または１
４）に第１の電極膜２２及び第２の電極膜２３が露出し
ない構造にすることにより、下部磁気シールド膜５１及
び上部磁気シールド膜５２と、強磁性トンネル接合型磁
気変換素子２、特に、第１の電極膜２２及び第２の電極
膜２３との間で、静電破壊が起こりにくくなり、耐電圧
が改善されることが解った。

【００８６】しかも、ＡＢＳ面１３（または１４）にお
ける下部磁気シールド膜５１及び上部磁気シールド膜５
２と、感磁部となる強磁性トンネル接合部２１との間の
間隔を狭くできるため、従来より高密度記録再生が可能
になる。

【００８７】図２１には、再生素子となる強磁性トンネ
ル接合型磁気変換素子２と共に、書き込み素子となる誘
導型磁気変換素子３を有する複合型磁気ヘッドが図示さ
れている。誘導型磁気変換素子３は、強磁性トンネル接
合型磁気変換素子２に対する上部磁気シールド膜を兼ね
ている下部磁性膜５２、上部磁性膜３２、コイル膜３
３、アルミナ等でなるギャップ膜３４、ノボラック樹脂
等の有機樹脂で構成された絶縁膜３５及びアルミナ等で
なる保護膜３６などを有している。下部磁性膜５２及び
上部磁性膜３２の先端部は微小厚みのギャップ膜３４を
隔てて対向する下部ポール部Ｐ１及び上部ポール部Ｐ２
となっており、下部ポール部Ｐ１及び上部ポール部Ｐ２
において書き込みを行なう。下部磁性膜５２及び上部磁
性膜３２は、そのヨーク部が下部ポール部Ｐ１及び上部
ポール部Ｐ２とは反対側にあるバックギャップ部におい
て、磁気回路を完成するように互いに結合されている。
絶縁膜３５の内部には、ヨーク部の結合部のまわりを渦
巻状にまわるように、コイル膜３３を形成してある。コ
イル膜３３の両端は、取り出し電極４３、４４に導通さ
れている。コイル膜３３の巻数および膜数は任意であ
る。

【００８８】図２５は強磁性トンネル接合型磁気変換素
子の別の実施例を示している。実施例に示された強磁性
トンネル接合型磁気変換素子２は、強磁性トンネル接合
部２１の構造が、図１０〜図１２に示した磁気抵抗効果
素子と実質的に同じものが用いられている。即ち、強磁
性トンネル接合部２１は、絶縁膜２１０と、第１の強磁
性膜２１１と、第２の強磁性膜２１２とを含んでいる。
第１の強磁性膜２１１と第２の強磁性膜２１２とは、絶
縁膜２１０を介して積層されている。磁区制御膜２１
４、２１５は、第２の強磁性膜２１２の両端部に隣接し
て設けられている。

【００８９】図２６は磁化固定膜２１６が設けられてい
る場合の強磁性トンネル接合型磁気変換素子２の部分の
拡大断面図、図２７はその拡大斜視図である。図におい
て、図２２〜図２４と同一の構成部分は同一の参照符号
を付して説明は省略する。実施例において、強磁性トン
ネル接合型磁気変換素子２は、強磁性トンネル接合部２
１の構造が、図１４〜図１６に示した磁気抵抗効果素子
と実質的に同じものが用いられている。即ち、強磁性ト
ンネル接合型磁気変換素子２は、強磁性トンネル接合部
２１と、電極膜２２、２３とを含み、スライダ１の一部
を構成する絶縁支持膜２４、２５によって支持されてい
る。強磁性トンネル接合部２１は、絶縁膜２１０と、第
１の強磁性膜２１１と、第２の強磁性膜２１２とを含ん
でいる。第１の強磁性膜２１１と第２の強磁性膜２１２
とは、絶縁膜２１０を介して積層されている。磁区制御
膜２１４、２１５は、第１の強磁性膜２１１の両端部に
隣接して設けられている。磁化固定膜２１６は第２の強
磁性膜２１２の上に設けらている。

【００９０】電極膜２２、２３は、第１の電極膜２２
と、第２の電極膜２３とを含んでいる。第１の電極膜２
２は第１の強磁性膜２１１に接続され、第２の電極膜２
３は磁化固定膜２１６を介して第２の強磁性膜２１２に
接続されている。次に、本発明に係る強磁性トンネル接
合を磁気抵抗効果膜に用いた磁気ヘッドに適用した例に
ついて述べる。

【００９１】＜実施例３＞実施例１によるNi₈₀Fe₂₀／熱
酸化アルミナ膜／Ｃｏ強磁性トンネル接合を磁気抵抗効
果膜に用い磁区制御膜を付与した再生用磁気抵抗型磁気
ヘッドと、付与しない磁気ヘッドを作製し、磁気記録媒
体に書き込まれた記録信号を読み出し、再生特性を比較
した。本実施例では第１の強磁性膜２１１をNi₈₀Fe
₂₀膜、中間の絶縁膜２１０を熱酸化アルミナ膜、第２の
強磁性膜２１２をＣｏ膜とし、各々の膜厚は、Ni₈₀Fe₂₀
膜厚は２０nm、酸化アルミナ膜は５nm、Ｃｏ膜厚は５nm
になるようにした。次に、磁気ヘッドの作製方法につい
て説明する。まず、膜厚３０μmのアルミナ絶縁膜１０
２が形成されたAl₂O₃−TiC基板１０１（図示しない）上
に下部磁気シールド膜５１として、ＤＣスパッタ法をも
ちいて膜厚２μmのセンダスト膜を形成し、磁場中熱処
理後フォトリソおよびＡｒイオンエッチングにより所定
の形状にした。

【００９２】次にこの上に下部の絶縁支持膜２４として
ＲＦスパッタ法を用いて、膜厚８０nmのアルミナ膜を形
成し、続いて、第１の電極膜２２として、レジストパタ
ーニング後、Ｔａ(１０nm)／Ｃｕ(１００nm)／Ｔａ(１
０nm)膜をＤＣスパッタ法で成膜し、リフトオフ法で所
定の形状に加工した。

【００９３】次に、膜厚２０nmのNi₈₀Fe₂₀膜でなる第１
の強磁性膜２１１、膜厚５nmの熱酸化アルミナ膜でなる
中間の絶縁膜２１０および膜厚５nmのＣｏ膜でなる第２
の強磁性膜２１２を積層した強磁性トンネル接合２１を
形成した。強磁性トンネル接合の形成にはスパッタ膜と
蒸着膜を大気に晒すことなく連続して形成できるスパッ
タ／電子ビーム蒸着複合成膜装置を用いた。次に、強磁
性トンネル接合の形成について述べる。

【００９４】まず、第１の電極膜２２の上にレジストパ
ターニング後、第１の強磁性膜２１１としてNi₈₀Fe
₂₀（膜厚２０nm)膜をＲＦスパッタ法で磁場中成膜によ
り形成した。続いて、大気に晒すことなく連続して電子
ビーム蒸着法により膜厚５nmのアルミニウム膜を成膜し
た。その後、大気中において、６０℃、２４時間の熱処
理を行った後、リフトオフプロセスを経て、熱酸化アル
ミニウム膜でなる絶縁膜２１０を形成した。そして、そ
の上に、磁区制御膜２１４、２１５を形成する部分を除
いた全面にレジストをパターニングし、不要なNi₈₀Fe₂₀
(２０nm)／熱酸化アルミニウム膜(５nm)をＡｒイオンエ
チングにより除去した。そして、磁区制御膜として下地
層Ti₁₀W₉₀(５nm)／硬質強磁性層Co₈₀Pt₂₀(１５nm)をＤ
Ｃスパッタ法で成膜し、リフトオフ法でレジスト除去を
行い、磁区制御膜２１４、２１５を形成した。その後再
びレジストパターニングを行い、Ａｒイオンエッチング
およびレジスト剥離により、第１の強磁性膜２１１、中
間の絶縁膜２１０と磁区制御膜２１４、２１５を所定の
形状に加工した。

【００９５】次に、短絡防止用絶縁膜２１３を形成する
ため、形成すべき強磁性トンネル接合部分２１にレジス
トカバーを形成し、ＲＦスパッタ法でアルミナ絶縁層
(層厚５０nm)を成膜したのちにレジストをリフトオフ
し、短絡防止用絶縁膜２１３を形成した。短絡防止用絶
縁膜２１３は、強磁性トンネル接合部分２１を規定の大
きさにして、強磁性トンネル接合部分２１以外でトンネ
ル電流が流れないようにすることと、第１の電極膜２２
と第２の電極膜２３の絶縁、および第１の強磁性膜２１
１と第２の強磁性膜２１２の絶縁をとるために設けた。
そして、第２の強磁性膜２１２を形成するためレジスト
パターニングを行い、第２の強磁性膜用として膜厚１０
nmのＣｏ膜をＲＦスパッタ法で磁場中成膜し、リフトオ
フ法により第２の強磁性膜２１２を形成した。このと
き、第２の強磁性膜を成膜する時の印加磁場方向は第１
の強磁性膜の成膜時と直行方向にかけた。

【００９６】次に、磁化固定層２１６と第２の電極膜２
３を形成するためにレジストパターニングを行い、第２
の強磁性膜であるＣｏ膜表面の酸化層を逆スパッタによ
り除去して、最終的な第２の強磁性膜２１２の膜厚が５
nmになるようにし、続いて、PtMn(１５nm)／Ｔａ(１０n
m)／Ｃｕ(１００nm)／Ｔａ(１０nm)膜をＤＣスパッタ法
で連続成膜し、リフトオフ法でPtMn磁化固定層２１６と
第２の電極膜２３を形成した。なお、Ｔａ(１０nm)はプ
ロセス時の酸化防止層として形成した。

【００９７】次に、ＲＦバイアススパッタ法で膜厚８０
nmのアルミナ膜を成膜し、上部の絶縁支持膜２５を形成
した。次に、上部磁気シールド膜５２としてNiFe膜(膜
厚２μm)をＤＣスパッタ法で作製し、フォトリソおよび
エッチング技術により所定の形状にパターニングした。
最後に、めっき法でＣｕのパンプ電極膜を作製したの
ち、保護膜として膜厚３０μmのアルミナ膜を被せた。
その後、所定の大きさに加工研磨して、ＡＢＳ面に強磁
性トンネル接合部２１を露出させた。以上のようにし
て、接合面積が幅１μm、長さ１μmの再生用磁気抵抗効
果型磁気ヘッドとした。即ち、磁気ヘッドのトラック幅
は１μmおよびＭＲハイトは１μm、ＭＲシールド間隔は
０．１９μmとした。

【００９８】磁区制御膜を付与しない磁気ヘッドは、第
１の強磁性膜２１１と絶縁膜２１０をリフトオフ法で所
定の形状にしたのち、続いて、短絡防止用絶縁膜２１３
を同様の方法で形成する。それ以外のプロセスは磁区制
御膜を付与する場合とおなじである。

【００９９】以上のように作製した再生用磁気抵抗効果
型磁気ヘッドのＭＲ曲線と出力波形を調べた。図２８に
磁区制御膜を付与した磁気ヘッドのＭＲ曲線(測定磁
場：±４０Oe)を、図２９に磁区制御膜を付与しない磁
気ヘッドのＭＲ曲線を示す。図からわかるように、磁区
制御膜を付与した磁気ヘッドはスムーズなＭＲ曲線が得
られるが、磁区制御膜を付与していない磁気ヘッドはヒ
システリシスや階段状の変化がみられる不安定なＭＲ曲
線となった。

【０１００】図３０は磁区制御膜を付与した磁気ヘッド
の出力波形を示し、図３１は磁区制御膜を付与しない磁
気ヘッドの出力波形を示す。図３１に示すように磁区制
御膜を付与していない磁気ヘッドはベースラインが変化
したり、出力振幅が変化したりして不安定で、かつ、ノ
イズも大きいのに対し、磁区制御膜を付与することによ
り、図３０に示すように安定な出力波形が得られる。

【０１０１】以上の結果から、磁区制御膜を付与するこ
とにより、安定でノイズの無いＭＲ曲線や出力波形が得
られることがわかる。

【０１０２】＜実施例４＞次に本発明に係る磁気ヘッド
と従来のＡＭＲ磁気ヘッドについて特性を調べた。

【０１０３】＜本発明の磁気ヘッド＞実施例２によるCo
Fe／DLC／Co強磁性トンネル接合を磁気抵抗効果膜に用
いた磁気ヘッドを作製し、再生感度および再生出力を調
べ、従来のNiFe膜（ＡＭＲ）を磁気抵抗効果膜とする磁
気ヘッドと比較した。強磁性トンネル接合の膜構成につ
いては、第１の強磁性膜２１１はＣｏ−５０at%Fe，第
２の強磁性膜２１２はＣｏ膜、中間の絶縁膜２１０をＤ
ＬＣ膜とした。このとき、第１の強磁性膜２１１の膜厚
は１５nm、第２の強磁性膜２１２の膜厚は２０nm、中間
の絶縁膜２１０の膜厚は５nmとした。

【０１０４】次に、磁気ヘッドの作製方法について述べ
る。強磁性トンネル接合は実施例２で示した方法で形成
し、それ以外は実施例３と同じ方法で、上部磁気シール
ド膜まで形成した。下部絶縁支持膜２４の膜厚は１００
nm、上部の絶縁支持膜２５の膜厚は１２０nmとし、ＭＲ
シールド間隔は０．２６μmとした。また、強磁性トン
ネル接合型変換素子のトラック幅およびＭＲハイトは各
々１μmとなるようにした。

【０１０５】その後、図２１に示すように、上部磁気シ
ールド膜上に書き込み素子となる誘導型磁気変換素子部
を形成した。以上のようにして、強磁性トンネル接合
を、磁気抵抗効果膜とする磁気ヘッドを作製した。

【０１０６】＜従来のＡＭＲ磁気ヘッド：比較例＞比較
のため、ＳＡＬバイアス方式のNiFe膜を磁気抵抗効果膜
とした、トラック幅１μm、ＭＲハイト１μm、ＭＲシ−
ルド間隔０．２６μmの磁気ヘッドも作製した。作製方
法を以下に示す。下部の絶縁支持膜２４までは本発明の
強磁性トンネル接合を用いた磁気ヘッドと同じである。
下部の絶縁支持膜２４を形成した後、まずＳＡＬ膜とし
てNi₇₃Fe₁₈Rh₉膜（膜厚１０nm)、磁気分離膜としてＴａ
膜（膜厚８nm)、ＭＲ膜としてNi₈₀Fe₂₀（膜厚１７nm)、
保護膜として膜としてＴａ膜（膜厚５nm)をＤＣスパッ
タ法で順次積層し、フォトリソ及びエッチングにより所
定の形状に加工した。その後、磁区制御膜としてTi₁₀W
₉₀（１０nm)／Co₈₀Pt₂₀(５０nm)、電極膜としてＴａ(１
０nm)／Ｃｕ(１００nm)／Ｔａ(１０nm)をＤＣスパッタ
法で成膜し、リフトオフ法によりにより所定の形状に加
工した。その後、上部の絶縁支持膜２５の形成からは本
発明の強磁性トンネル接合を用いた磁気ヘッドと同じで
ある。

【０１０７】作製した磁気ヘッドを用いて、保磁力２５
００Oe、膜厚５０nmの磁気記録媒体に信号を記録再生
し、出力波形を調べた。その結果、図３２に示すよう
に、強磁性トンネル接合を用いた本発明の磁気ヘッドで
は歪みのない良好な波形が得られた。

【０１０８】図３３は単位トラック幅当たりの再生出力
と記録密度との関係を示す図である。曲線Ｌ３は本発明
に係る強磁性トンネル接合を用いた磁気ヘッドの特性、
曲線Ｌ４は比較例として作製した、従来のＡＭＲ膜を用
いた磁気ヘッドの特性をそれぞれ示している。すなわ
ち、本発明に係る磁気ヘッドは、従来のＡＭＲ膜を用い
た磁気ヘッドより４〜５倍の再生出力が得られた。

【０１０９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下のような効果が得られる。 （ａ）高いＭＲ変化率を得ることのできる磁気抵抗効果
素子を提供することができる。 （ｂ）ノイズのない安定した出力が得られる磁気抵抗効
果素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す
斜視図である。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】図１の３−３線に沿った断面図である。

【図４】図１〜図３に示した磁気抵抗効果素子のトンネ
ル接合部の動作を説明する図である。

【図５】本発明に係る磁気抵抗効果素子の別の実施例を
模式的に示す斜視図である。

【図６】図５の６−６線に沿った断面図である。

【図７】本発明に係る磁気抵抗効果素子の別の実施例を
模式的に示す断面図である。

【図８】自由強磁性膜に低保磁力の軟質強磁性膜を用
い、ピン止め強磁性膜に高保磁力の硬質強磁性膜を用い
た場合の磁場−磁気抵抗（ＭＲ）変化率特性を示す図で
ある。

【図９】自由強磁性膜およびピン止め強磁性膜の両者
共、軟質強磁性膜を用い、ピン止め強磁性膜に隣接して
磁化固定膜を積層した場合の磁場ーＭＲ変化率特性を示
す図である。

【図１０】本発明に係る磁気抵抗効果素子における強磁
性トンネル接合部の別の例を示す断面図である。

【図１１】図１０の１１−１１線に沿った断面図であ
る。

【図１２】図１０の１２−１２線に沿った断面図であ
る。

【図１３】図１０〜図１２に示した磁気抵抗効果素子の
トンネル接合部の動作を説明する図である。

【図１４】本発明に係る磁気ヘッドの強磁性トンネル接
合部の別の例を示す断面図である。

【図１５】図１４の１５−１５線に沿った断面図であ
る。

【図１６】図１４の１６−１６線に沿った断面図であ
る。

【図１７】図１４〜図１６に示した磁気抵抗効果素子の
トンネル接合部の動作を説明する図である。

【図１８】反強磁性的結合を生じている場合の磁場ー磁
気抵抗変化率特性を示す図である。

【図１９】接合面積５０×５０μm²の強磁性トンネル接
合の磁気抵抗曲線を示す。

【図２０】本発明に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘ
ッドの斜視図である。

【図２１】図２０に示した磁気ヘッドの磁気変換素子部
分の拡大断面図である。

【図２２】図２０及び図２１に示した磁気ヘッドのＭＲ
磁気変換素子部分の拡大断面図である。

【図２３】図２２に示したＭＲ磁気変換素子部分の拡大
斜視図である。

【図２４】図２３の２４−２４線に沿った断面図であ
る。

【図２５】ＭＲ磁気変換素子の別の例を示す断面図であ
る。

【図２６】磁化固定膜が設けられている場合の強磁性ト
ンネル接合型磁気変換素子の部分の拡大断面図である。

【図２７】図２６に示した強磁性トンネル接合型磁気変
換素子の拡大斜視図である。

【図２８】磁区制御膜を付与した磁気ヘッドのＭＲ曲線
を示す図である。

【図２９】磁区制御膜を付与しない磁気ヘッドのＭＲ曲
線を示す図である。

【図３０】磁区制御膜を付与した磁気ヘッドの出力波形
を示す図である。

【図３１】磁区制御膜を付与しない磁気ヘッドの出力波
形を示す図である。

【図３２】強磁性トンネル接合を用いた本発明に係る磁
気ヘッドの出力波形を示す図である。

【図３３】本発明に係る磁気ヘッドと、従来の磁気ヘッ
ドについて、単位トラック幅当たりの再生出力と記録密
度との関係を、比較して示す図である。

【符号の説明】

１ スライダ ４ 基板 ２１ 強磁性トンネル接合部 ２１１ 第１の強磁性膜 ２１２ 第２の強磁性膜 ２１０ 絶縁膜 ２１４、２１５ 磁区制御膜 ２１６ 磁化固定膜 ２２ 第１の電極膜 ２３ 第２の電極膜 ２４、２５ 絶縁支持膜 １３、１４ ＡＢＳ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 悟 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (72)発明者 太田 学 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (72)発明者 佐野 正志 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−42417（ＪＰ，Ａ)

Claims (24)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁性トンネル接合部と、磁区制御膜と
   を有する磁気抵抗効果素子であって、 前記強磁性トンネル接合部は、絶縁膜と、第１の強磁性
   膜と、第２の強磁性膜とを含み、前記第１の強磁性膜と
   前記第２の強磁性膜とが前記絶縁膜を介して積層されて
   おり、 前記絶縁膜によるバリアポテンシャルは０．５〜３eVの
   範囲にあり、 前 記磁区制御膜は、前記第１の強磁性膜及び前記第２の
   強磁性膜の何れか一方の両端部に、隣接して設けられて
   いる磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記磁区制御膜は、硬質強磁性膜である磁気抵抗効果素
   子。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記硬質強磁性膜は、Ｃｏ合金である磁気抵抗効果素
   子。
4. 【請求項４】 請求項３に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記Ｃｏ合金は、CoPt、CoPtCr、CoPtTa、CoCrTaまたは
   CoPtTaCrから選択された少なくとも一種でなる磁気抵抗
   効果素子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記磁区制御膜は、反強磁性膜である磁気抵抗効果素
   子。
6. 【請求項６】 請求項５に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記反強磁性膜は、金属系反強磁性材料または酸化物系
   反強磁性材料の何れかでなる磁気抵抗効果素子。
7. 【請求項７】 請求項６に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記金属系反強磁性材料は、Ｍｎ合金である磁気抵抗効
   果素子。
8. 【請求項８】 請求項７に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記Ｍｎ合金は、FeMn、NiMn、PtMn、RuMn、RhMn、IrM
   n、PdMnまたはそれらの合金から選択された少なくとも
   一種でなる磁気抵抗効果素子。
9. 【請求項９】 請求項６に記載された磁気抵抗効果素子
   であって、 前記酸化物系反強磁性材料は、NiO、NiCoOまたはFe₂O₃
   から選択された少なくとも一種でなる磁気抵抗効果素
   子。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載された磁気抵抗効果素
    子であって、 前記第１の強磁性膜の磁化方向と、前記第２の強磁性膜
    の磁化方向とは、外部印加磁界が零の場合に互いに平行
    でない磁気抵抗効果素子。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記第１の強磁性膜の磁化方向と、前記第２の強磁性膜
    の磁化方向とは、互いに垂直である磁気抵抗効果素子。
12. 【請求項１２】 請求項１に記載された磁気抵抗効果素
    子であって、 前記第１の強磁性膜の磁化容易軸と、前記第２の強磁性
    膜の磁化容易軸とは、互いに平行でない磁気抵抗効果素
    子。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記第１の強磁性膜の磁化容易軸と、前記第２の強磁性
    膜の磁化容易軸とは互いに垂直である磁気抵抗効果素
    子。
14. 【請求項１４】 請求項１に記載された磁気抵抗効果素
    子であって、 前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜のうち、何
    れか一方の強磁性膜の磁化容易軸が外部印加磁界と垂直
    であり、もう一方の強磁性膜の磁化容易軸が外部印加磁
    界と平行である磁気抵抗効果素子。
15. 【請求項１５】 請求項１乃至１４の何れかに記載され
    た磁気抵抗効果素子であって、 前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜のうち、前
    記磁区制御膜の設けられていない強磁性膜は、前記磁区
    制御膜の設けられている前記強磁性膜よりも高い保磁力
    を有する硬質強磁性膜である磁気抵抗効果素子。
16. 【請求項１６】 請求項１４に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記磁区制御膜を備える強磁性膜の磁化容易軸が外部印
    加磁界方向と垂直である磁気抵抗効果素子。
17. 【請求項１７】 請求項１乃至１６の何れかに記載され
    た磁気抵抗効果素子であって、 前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜のうち、前
    記磁区制御膜の設けられていない強磁性膜は、磁化固定
    膜を有する磁気抵抗効果素子。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記磁化固定膜は、硬質強磁性膜である磁気抵抗効果素
    子。
19. 【請求項１９】 請求項１７に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記磁化固定膜は、反強磁性膜である磁気抵抗効果素
    子。
20. 【請求項２０】 請求項１７に記載された磁気抵抗効果
    素子であって、 前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜のうち、前
    記磁区制御膜を備える強磁性膜の磁化容易軸が外部印加
    磁界方向と垂直であり、前記磁化固定膜を備える強磁性
    膜の磁化容易軸が外部印加磁界方向と平行である磁気抵
    抗効果素子。
21. 【請求項２１】 請求項１乃至２０に記載された磁気抵
    抗効果素子であって、 前記第１の強磁性膜および前記第２の強磁性膜は、前記
    絶縁膜を介して、反強磁性的結合をしている磁気抵抗効
    果素子。
22. 【請求項２２】 請求項１乃至２０に記載された磁気抵
    抗効果素子であって、 前記絶縁膜は、成膜後に大気中において４０〜１００℃
    で熱処理して形成した酸化アルミニウム膜である磁気抵
    抗効果素子。
23. 【請求項２３】 請求項１乃至２０に記載された磁気抵
    抗効果素子であって、 前記絶縁膜は、ダイアモンド状炭素膜である磁気抵抗効
    果素子。
24. 【請求項２４】 磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッド
    であって、 前記磁気抵抗効果素子は、請求項１〜２４の何れかに記
    載されたものでなる磁気ヘッド。