JP3836788B2

JP3836788B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッドおよび磁気記録再生装置

Info

Publication number: JP3836788B2
Application number: JP2002378648A
Authority: JP
Inventors: 将寿吉川; 雅幸高岸; 知己船山; 公一館山; 仁志岩崎; 英明福澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: US7196877B2; JP2004214234A; CN1534605A; CN1278306C; US20040190204A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜面に対してほぼ垂直にセンス電流を流す磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれを搭載した磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子は「磁気抵抗効果素子（以下、「ＭＲ素子」とも称する）」と呼ばれる。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、ハードディスクや磁気テープなどの磁気記録媒体を用いた磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報を読み出す磁気ヘッドに利用されており、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」と呼ばれる。
【０００４】
近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進み、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束すなわち信号磁界の量がますます減少している。このため、磁気媒体に高密度で書き込まれた情報の読み出しには、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子が要求されている。
【０００５】
このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲヘッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるＧＭＲ素子、いわゆるスピンバルブ(spin-valve)膜を用いることが一般化している。
【０００６】
スピンバルブ膜は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐおよび反強磁性層をこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層のうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体との交換バイアスにより磁化が固着され、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界など）により容易に磁化回転できるようになっている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層の間で磁化方向の相対角度を変化させることにより、大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【０００７】
ここで、強磁性層Ｆは「フリー層」、「磁場感受層」、「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは「ピン層」、「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは「スペーサ層」、「界面調節中間層」、「中間層」などと称される場合が多い。
【０００８】
現行のＧＭＲヘッドでは、センス電流を膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ(current-in-plane)」方式と呼ばれている。ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。しかし、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ²を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためには、さらに大きなＭＲ変化率が必要になると予想される。これに対して、現行のＣＩＰスピンバルブ膜では、２０％を超えるＭＲ変化率を得ることは難しい。このため、ＭＲ変化率をいかに大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【０００９】
そこで、一般的にＣＩＰ−ＧＭＲ膜より、ＭＲ変化率が大きいとされるＣＰＰ(current-perpendicular-to-plane)−ＧＭＲ膜が注目されている。ＣＰＰ方式では、センス電流が膜面垂直方向に通電される。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜においては、ＧＭＲ膜厚分の抵抗が測定対象となるため面積あたりの抵抗が非常に小さく、素子抵抗としての出力が非常に小さく、大きなＳ／Ｎが得られないという問題が生じていた。
【００１０】
上述した低抵抗でＭＲ変化率が低いという課題を克服するために、電流狭窄効果を有する抵抗調整層を挿入したＣＰＰ−ＧＭＲ素子が提案されている（たとえば特許文献１参照）。しかし、この技術では、フリー層とピン層との間の層間結合（Ｈin）が大きくなり、ブレイクダウン電圧が低下するという問題が生じていた。
【００１１】
【特許文献】
特開２００２−２０８７４４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、適正な素子抵抗、高ＭＲ変化率を維持しながら、低い層間結合磁界および高いブレイクダウン電圧を有し、将来の高磁気記録密度に対応可能な高感度な磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界によって自由に変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、第１の非金属中間層／金属中間層／第２の非金属中間層の積層構造を有し、前記第１および第２の非金属中間層が、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｂおよび希土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有し、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＯｓからなる群より選択される元素を１ａｔ％以上５０ａｔ％未満の範囲で含有する酸化物、酸窒化物または窒化物である非磁性中間層とを含む磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面にほぼ垂直方向に通電するように配置され、前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極膜とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果型ヘッドは、上述した磁気抵抗効果型素子を備えたことを特徴としている。
【００１５】
本発明のさらに他の態様に係る磁気再生装置は、上述した磁気抵抗効果型ヘッドと、磁気記録媒体とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ−ＳＶ膜）の断面図を示す。図１のＣＰＰ−ＳＶ膜は、図示しない基板上に、下地層１１／反強磁性層１２／磁化固着層（ピン層）１３／第２の界面金属層１４／第２の非金属中間層１５／金属中間層１６／第１の非金属中間層１７／第１の界面金属層１８／磁化自由層（フリー層）１９／保護層２０が積層された構造を有する。ピン層１３は、反強磁性層１２と接して形成され、反強磁性層１２との交換結合によりその磁化が固着されている。フリー層１９は、たとえば媒体対向面で対向した磁気記録媒体からの外部磁界によって磁化方向が自由に変化する。
【００１７】
図２に、本発明の他の実施形態に係るＣＰＰ−ＳＶ膜の断面図を示す。図２のＣＰＰ−ＳＶ膜は、図示しない基板上に、下地層１１／反強磁性層１２／磁化固着層（ピン層）１３／第２の非金属中間層１５／金属中間層１６／第１の非金属中間層１７／磁化自由層（フリー層）１９／保護層２０が積層された構造を有する。すなわち、図２は、図１における第２の界面金属層１４と第１の界面金属層１９が省略された構造となっている。
【００１８】
なお、非金属中間層／金属中間層／非金属中間層／金属中間層／非金属中間層というように、さらに積層する非金属中間層の数を増加させてもよい。
【００１９】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、図１および図２に示されるように、フリー層とピン層との間の中間層として、非金属中間層／金属中間層／非金属中間層の積層構造を形成している。このように、２層の非金属中間層を金属中間層によって分断して設けているので、フリー層とピン層との間の中間層の厚さを増大させてフリー層−ピン層間に作用する層間磁気結合を低減できるうえに、非金属中間層１層あたりの印加電圧が小さくなりブレイクダウン電圧を向上できる。これらの効果について説明する。
【００２０】
一般的に、Ｒ−Ｈカーブ測定時には中心軸に対してバイアスポイントのシフトＨshが生じるが、Ｈsh＝０となるように調整するのが好ましい。ＨshはＨin＋Ｈor−Ｈdで表される。ここで、ＨinはＲＫＫＹ的な層間結合、Ｈorは界面ラフネスに起因する層間結合、Ｈdはピン層からの漏えい磁界によるバイアス効果である。なお、ピン層の構成を調整することによりＨd＝０に近づけることは可能である。
【００２１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のようにフリー層とピン層との間に非金属中間層／金属中間層／非金属中間層の積層構造を挿入した場合、従来技術のように単層の非金属中間層を挿入した場合よりも、フリー層とピン層との間の実質的な距離を離すことができる。このため、本発明の実施形態では上述したＲＫＫＹ的な層間結合（Ｈin）と界面ラフネスに起因する層間結合（Ｈor）を非常に小さくすることができ、Ｈshを小さくすることができる。
【００２２】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子におけるブレイクダウン電圧について説明する。本発明の磁気抵抗効果素子では、非金属中間層／金属中間層／非金属中間層という積層構造を含むため、非金属中間層１層あたりに印加される電圧が低減される。いま、素子部に動作電圧Ｖｔが印加されたとすると、非金属中間層１層あたりの印加電圧は、ｎ（ｎ＞１）層の非金属中間層が挿入されている場合にはほぼＶｔ／ｎとなり、２層の非金属中間層が挿入されている場合にはほぼＶｔ／２となる。したがって、ブレイクダウン電圧は、従来技術のように非金属中間層が単層である場合にＶ_Bとすると、ｎ層の非金属中間層が挿入されている場合にはほぼｎＶ_B、２層の非金属中間層が挿入されている場合にはほぼ２Ｖ_Bとなる。なお、単層の非金属中間層でブレイクダウン電圧を向上させるには、非金属中間層の膜厚を増大させる必要がある。しかし、その場合には同時に単位面積抵抗ＲＡも上昇するため、磁気ヘッドとしては使用できなくなる。
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の各層について詳細に説明する。
＜非金属中間層の形態＞
図３（ａ）および（ｂ）を参照して非金属中間層の形態を説明する。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、非金属中間層１５（１７）は、伝導相１５ａ（１７ａ）と絶縁相１５ｂ（１７ｂ）を有する２相以上の相から構成される。伝導相は柱状で存在しており、電流パスとして機能する。絶縁相は、酸化物、酸窒化物または窒化物で形成されている。非金属中間層１５（１７）は、非金属中間層の表面に平行な電流通路の断面を狭めて、電流を狭窄する効果を持つ。伝導相とは、伝導特性がオーミック伝導である部分を指す。したがって、伝導相に酸素が混入していても構わない。非金属中間層１５（１７）がオーミック伝導であるかどうかは、素子抵抗の温度特性を４．２Ｋから約３００Ｋまでの範囲、少なくとも７７Ｋから室温までの範囲で測定すれば判定できる。オーミック伝導の場合には、温度の低下とともに抵抗が減少する。これに対して、たとえばトンネル伝導の場合には、低温度になると抵抗が上昇する傾向が見られる。また、オーミック伝導の場合には、Ｉ−Ｖ（センス電流−素子電圧）特性評価において、ＶがＩに完全に比例するのではなく、やや高電圧側にシフトしていく傾向が見られる。
【００２４】
伝導相は１０ｎｍ以下の直径を有することが好ましい。伝導相の直径が１０ｎｍを超えると電流狭窄効果が非常に小さくなり、単位面積抵抗ＲＡを調整できなくなる。また、ＭＲ増大効果さらには下記に述べるような伝導相の分布を考慮すると、伝導相の直径は５ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
非金属中間層の膜面内における伝導相の割合（占有率）は１％以上２０％以下であることが好ましい。１％未満となると素子抵抗が大きくなりすぎ、２０％を超えると電流狭窄効果が薄れてＭＲ変化率が低下する。
【００２６】
伝導相は０．１μｍ²中に最低２０個以上あることが好ましい。これは、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドで出力を見た場合、伝導相の個数が０．１μｍ²あたり２０個未満になると、ヘッド浮上面近くの感度低下によるヘッド出力の低下や、トラックプロファイルでの２重ピークが観測されるためである。
【００２７】
一方、直接的な組織観察手法である平面電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によるナノ電子線組成分析（ｎａｎｏ−ＥＤＸ）で観察した場合には、伝導相では電流パスを担うＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓなどの元素が、母相である酸化物（酸窒化物）形成元素よりも多く検出される。すなわち、２次元平面的に組成の揺らぎが観察される。また、局所的電流特性をコンダクタンスＡＦＭまたはＴＵＮＡ（ＴＵＮｎｅｌｉｎｇ−Ａｆｍ：トンネルＡＦＭ）などにより測定した場合、膜面内で２次元的な抵抗分布または通電電流量分布が見られ、伝導相と絶縁相とを判別できる。コンダクタンスＡＦＭによる測定の場合、コンダクタンスが大きい（抵抗が低い）部分が導電部となる。ＴＵＮＡ測定の場合、定電圧測定のため電流量が大きくなるところが導電部となる。
【００２８】
図３（ａ）および（ｂ）には、２種類の非金属中間層の形態を示されている。図３（ａ）は２層の非金属中間層１５、１７の伝導相が、互い違いに配列している場合である。図３（ｂ）は２層の非金属中間層１５、１７の伝導相が、センス電流通電方向すなわち膜面垂直方向に配列している場合である。いずれの構造でも、素子抵抗を最適範囲まで上昇させる効果を有する。
【００２９】
＜非金属中間層の材料＞
非金属中間層は、伝導相と絶縁相とから構成される。非金属中間層の伝導相は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＯｓからなる群より選択される１種以上の元素を含有する。これらの元素を多く含有する部分がオーミック伝導を担う伝導相となる。この場合、非金属中間層全体の含有率として１ａｔ％以上５０％未満であることが望まれる。これにより、上述した伝導特性の２次元的な分布を形成できる。
【００３０】
非金属中間層の絶縁相となる酸化物、酸窒化物または窒化物は、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、トリウム（Ｔｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルビジウム（Ｒｂ）および希土類金属からなる群より選択される少なくとも１種類以上の元素が含有される酸化物、酸窒化物または窒化物である。
【００３１】
上記元素のうちでも特に、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏおよび希土類金属は結晶質の酸化物を形成しやすい。一方、ＡｌやＴａなどは、アモルファスの酸化物を形成しやすい。結晶質の酸化物は、アモルファスの酸化物よりも、酸素原子の欠損や過多が伝導特性に影響を与えやすいため、非金属中間層における膜面内での伝導特性の２次元的な変調、および上述したＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓとの合金相形成の際に組成的な変調を作りやすい点で有利である。
【００３２】
非金属中間層を形成するには、上述した元素の合金を用い、酸化、酸窒化または窒化を行うことが多い。酸化、酸窒化または窒化の方法としては、成膜室内に酸素ガスを導入するのみの自然酸化処理法、成膜室内に酸素ガスを導入しながらＡｒ、Ｎ₂などのイオンを照射するイオンアシスト酸化（酸窒化）処理法、酸素（窒素）イオンを照射するイオンビーム照射酸化（窒化）法などがある。
【００３３】
なお、２層の非金属中間層の厚さおよび組成は、互いに異なっていても構わない。
【００３４】
＜金属中間層＞
金属中間層としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓなどの金属薄膜が用いられる。ＣｕはＭＲ変化率の向上という点で最も好ましく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕは耐酸化機能の点で好ましい。金属中間層に使用される元素と非金属中間層に含有されている元素は同じであることが望ましい。図３（ａ）および（ｂ）は、金属中間層１６と、非金属中間層１５、１７の伝導相１５ａ、１７ａに同じ材料を用いている場合を示している。また、図４に示すように、金属中間層１６と、非金属中間層１５、１７の伝導相１５ａ、１７ａに、異なる材料を用いてもよい。この場合、図４に示すように、金属中間層１６の一部が非金属中間層１５、１７の伝導相１５ａ、１７ａの部分に侵入していてもよい。
【００３５】
金属中間層は、単層でも複数層でも構わない。たとえば、電子の散乱が小さくスピン拡散長の長いＡｌを用いて、Ｃｕ／Ａｌ／ＣｕやＡｕ／Ａｌ／Ａｕなどの積層構造を採用することが考えられる。金属中間層のうち非金属中間層と接する部分には、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｔなどの非酸化性金属を用いることが好ましい。
【００３６】
金属中間層の厚さは、０．５ｎｍ以上であることが望ましい。０．５ｎｍ未満だと、成膜時の飛来粒子のエネルギーにより、下層または上層の非金属中間層とミキシングを生じ、ほとんど非金属中間層に取り込まれた状態になるため、２層の非金属中間層を分断することができなくなり、Ｈinの低下およびブレイクダウン電圧の向上という効果が現れにくくなる。金属中間層の厚さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。金属中間層の厚さが２０ｎｍを超えると、２層の非金属中間層の間をバリスティックに伝導する電子が減少するため、すなわちスピン拡散によりスピン情報の保持率が低下するため、ＭＲ変化率が有意に低下する。金属中間層の厚さが２０ｎｍ以下であればＭＲ変化率の低下は緩やかである。
【００３７】
なお、非金属中間層／金属中間層の断面ＴＥＭ観察におけるナノ領域のＥＤＸによる組成分析を行った場合、酸素の分布にグラデーションが観察される。すなわち、厳密には非金属中間層と金属中間層がシャープでなくてもよい。同様に、金属中間層と非金属中間層との間で酸素以外の元素の分布にグラデーション（組成変調）がついていてもよい。
【００３８】
＜第１の界面金属層の効果＞
図１の磁気抵抗効果膜においては、フリー層１９と第１の非金属中間層１７との間に第１の界面金属層１８が設けられている。第１の界面金属層１８はフリー層１９の軟磁性化に寄与する。すなわち、第１の界面金属層１８によりフリー層１９の（１１１）配向性および結晶性が向上し、格子のミスマッチによる膜応力が緩和されるので、フリー層１９のＨｃが低下する。一方、フリー層１９が直接的に酸化物、酸窒化物または窒化物からなる第１の非金属中間層１７と接していると、フリー層１９が酸素の影響を受けて保磁力が大きくなる傾向がある。したがって、フリー層１９と第１の非金属中間層１７との間に、第１の界面金属層１８を設けることが好ましい。
【００３９】
＜第２の界面金属層の効果＞
図１の磁気抵抗効果素子においては、ピン層１３と第２の非金属中間層１５との間に第２の界面金属層１４が設けられている。第２の界面金属層１４は、第２の非金属中間層１５を形成するための酸化処理の際に起こり得るピン層１３の酸化を防止する効果を有する。また、第２の界面金属層１４を設ければ、アニール時に第２の非金属中間層１５からの酸素拡散によるピン層１３の酸化を防止することができ、ピン層１３の交換結合磁界の低下を抑制できる。
【００４０】
また、界面金属層／非金属中間層／金属中間層／非金属中間層／界面金属層の断面でも膜面垂直方向に組成のグラデーション（組成変調）がついてもよい。すなわち、断面電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によるナノ組成分析を行った場合に明確な組成の分離が観察される必要はない。特に、界面金属層、非金属中間層の伝導相、および金属中間層に同じ材料を用いた場合には、断面ＴＥＭ観察などにおいて、層間の界面が不明確になることがある。
【００４１】
＜フリー層の説明＞
フリー層の強磁性材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらの元素を含む合金を用いることができる。代表的には、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金（パーマロイ）が用いられる。
【００４２】
フリー層は、良好な軟磁性を発揮するために、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し（１１１）面が膜面に平行になるように配向していることが望ましい。なお、フリー層には、ｈｃｐ（０００１）やｂｃｃ（１１０）配向が部分的に含まれていてもよい。
【００４３】
フリー層に対しては、硬磁性膜（ハードバイアス膜）または反強磁性膜（パターンドバイアス膜）により磁気バイアスを印加することによって、異方性制御および磁区制御（バイアス制御）を行うことが望ましい。
【００４４】
＜ピン層の説明＞
ピン層の強磁性材料としては、フリー層と同様の材料、たとえばＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀、Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀／Ｃｕ積層膜、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀などが用いられる。
【００４５】
ピン層はいわゆる「シンセティック構造」としてもよい。シンセティックピン層の基本構造は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造であり、２層の強磁性層は非磁性層を介して反強磁性的に結合している。非磁性層の材料としては、代表的にはＲｕが挙げられる。
【００４６】
上述したようにピン層の磁化は、反強磁性層との交換結合により一方向に磁化固着される。反強磁性層の材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＲｕまたはＰｄを含むＭｎ系合金が用いられる。代表的な反強磁性材料としては、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＰｄＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金が挙げられる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００４８】
実施例１
Ｓｉ（１００）基板上に厚さ約１００ｎｍの下部電極を成膜した後、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより下部電極をパターニングした。下部電極上に、下記の各層を含む図１に示すＣＰＰ−ＳＶ膜（実施例１）を成膜した。成膜はＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて行った。
【００４９】
下地層１１Ｔａ／Ｒｕ
反強磁性層１２ＰｔＭｎ
ピン層１３ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ
第２の界面金属層１４Ｃｕ
第２の非金属中間層１５ＡｌＣｕ（厚さ０．７ｎｍ）を酸化処理したもの
金属中間層１６Ｃｕ（厚さ２ｎｍ）
第１の非金属中間層１７ＡｌＣｕ（厚さ０．７ｎｍ）を酸化処理したもの
第１の界面金属層１８Ｃｕ
フリー層１９ＣｏＦｅ
保護層２０Ｃｕ／Ｔａ。
【００５０】
すなわち、実施例１では、ピン層とフリー層との間の中間層が、第２の界面金属層（Ｃｕ）／第２の非金属中間層（酸化されたＡｌＣｕ）／金属中間層（Ｃｕ）／第１の非金属中間層（酸化されたＡｌＣｕ）／第１の界面金属層（Ｃｕ）という構造になっている。
【００５１】
従来例１ａおよび従来例１ｂとして、ピン層とフリー層との間の中間層を、第２の界面金属層（Ｃｕ）／非金属中間層（酸化されたＡｌＣｕ）／第１の界面金属層（Ｃｕ）の積層構造とした以外は、実施例１と同様な構造のＣＰＰ−ＳＶ膜を成膜した。
【００５２】
なお、従来例１ａの非金属中間層は厚さ０．７ｎｍのＡｌＣｕを酸化処理したものであり、従来例１ｂの非金属中間層は厚さ１．０ｎｍのＡｌＣｕを酸化処理したものである。
【００５３】
非金属中間層を形成するための酸化処理は、チャンバー内に酸素を導入しながらＡｒイオンを照射する方法(IAO: Ion-Assisted-Oxidation)で行った。チャンバー内への酸素導入量は、１ｋＬ〜２０ｋＬの間で調整した。ＣＰＰ−ＳＶ膜を成膜した後、フォトリソグラフィーとイオンミリングによりパターニングした。ＣＰＰ−ＳＶ膜パターンサイズは、０．２μｍから５．０μｍであり、形状は四角である。その後、上部電極を形成した。
【００５４】
実施例１、従来例１ａおよび従来例１ｂのＣＰＰ−ＳＶ膜の磁気特性、ＭＲ特性およびＩ−Ｖ特性を測定した。ＭＲ変化率はｄＲ−Ｒプロットから求めた。Ｘ軸にＲ、Ｙ軸にｄＲをとり、ｄＲ−Ｒプロットがなす直線の傾きの１００倍をＭＲ変化率と定義した。単位面積抵抗ＲＡはＲ−１／Ａプロット（Ａは素子面積）から算出した。Ｘ軸に１／Ａ、Ｙ軸にＲをとり、Ｒ−１／Ａプロットがなす直線の傾きをＲＡと定義した。
【００５５】
ＭＲ変化率は、実施例１で２．７％、従来例１ａで２．５％であり、両者はほぼ同様のＭＲ変化率を示すことがわかった。
【００５６】
単位面積抵抗ＲＡは、実施例１で３５０ｍΩμｍ²、従来例１ａで３００ｍΩμｍ²であった。実施例１では、単位面積抵抗ＲＡの上昇はある程度で抑えられ、１００Ｇｂｐｓｉ以上の超高記録密度での磁気ヘッドとしての使用が可能なレンジ（５００ｍΩμｍ²以下）に入ることがわかった。
【００５７】
図５（ａ）に従来例１ａのＲ−Ｈ曲線、図５（ｂ）に実施例１のＲ−Ｈ曲線をそれぞれ示す。これらの図からわかるように、従来例１ａのＨshは約３０Ｏｅであるのに対して、実施例１ではＨshが約５Ｏｅまで低下しており、実用的にも非常に優れた特性を示すことがわかった。実施例１は、ほぼジャストなバイアスポイントであった。
【００５８】
図６に従来例１ａおよび実施例１のＩ−Ｖ特性を示す。従来例１ａはＶ_Bが約３５０ｍＶであったのに対して、実施例１はＶ_Bが約７５０ｍＶまで向上していることがわかった。
【００５９】
従来例１ｂでは、単位面積抵抗ＲＡが約２．０Ωμｍ²と高いうえに、ＭＲ変化率が１．５％まで低下した。また、従来例１ｂでは、Ｖ_Bが４００ｍＶであり、それほど大きな向上は認められなかった。
【００６０】
実施例２〜４および従来例２〜４
非金属中間層にＡｌＣｕ合金の酸化物以外の材料を用い、実施例１または従来例１ａと同様な構造のＣＰＰ−ＳＶ膜を成膜して実験を行った。
【００６１】
すなわち、実施例２〜４では、ピン層とフリー層との間の中間層が、第２の界面金属層／第２の非金属中間層／金属中間層／第１の非金属中間層／第１の界面金属層という積層構造になっている（非金属中間層二層）。
【００６２】
従来例２〜４では、ピン層とフリー層との間の中間層が、第２の界面金属層／非金属中間層／第１の界面金属層という積層構造になっている（非金属中間層単層）。
【００６３】
非金属中間層の材料は以下の通りである。
実施例２、従来例２Ｃｒ₉₀Ｃｕ₁₀（厚さ０．６５ｎｍ）を酸化したもの
実施例３、従来例３（Ｃｒ_0.9Ｃｕ_0.1）₉₇Ｂ₃（厚さ０．９ｎｍ）を酸化したもの
実施例４、従来例４（Ｃｒ_0.9Ｃｕ_0.1）₉₅Ｈｆ₃Ｂ₂（厚さ０．９ｎｍ）を酸化したもの
その他の各層の材料は実施例１と同じものを用いた。
【００６４】
下記表１に、それぞれのＣＰＰ−ＳＶ膜について、単位面積抵抗ＲＡ、ＭＲ変化率、ブレイクダウン電圧（Ｖ_B）を示す。表１に示されるように、実施例２〜４のいずれでも、５００ｍＶ以上のブレイクダウン電圧（Ｖ_B）が得られることがわかった。
【００６５】
【表１】

【００６６】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドおよび磁気再生装置について説明する。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、たとえば記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００６７】
図７は、磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。この磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、垂直磁気記録用媒体ディスク１５１は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク１５１を備えていてもよい。
【００６８】
媒体ディスク１５１に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、その先端付近に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを搭載している。媒体ディスク１５１が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。なおヘッドスライダ１５３が媒体ディスク１５１と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００６９】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。アクチュエータアーム１５５は、軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００７０】
図８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリ１６０をディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリの電極パッドである。本発明によれば、上述したような磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを用いることにより、従来よりも大幅に高い記録密度で磁気記録媒体ディスク１５１に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【００７１】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ＭＲ変化率を向上させるとともに素子抵抗を最適化することができ、さらにブレイクダウン電圧を向上させ、Ｈshを最小化することができる。したがって、従来よりも高性能で高出力、低ノイズな磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれを搭載した磁気再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図５】実施例１および従来例１ａのＲ−Ｈ曲線を示す図。
【図６】実施例１および従来例１ａのＩ−Ｖ特性を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係る磁気記録再生装置を示す斜視図。
【図８】本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリを示す斜視図。
【符号の説明】
１１…下地層、１２…反強磁性層、１３…磁化固着層（ピン層）、
１４…第２の界面金属層、１５…第２の非金属中間層、１６…金属中間層、
１７…第１の非金属中間層、１８…第１の界面金属層、
１９…磁化自由層（フリー層）、２０…保護層。

Claims

磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界によって自由に変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、第１の非金属中間層／金属中間層／第２の非金属中間層の積層構造を有し、前記第１および第２の非金属中間層が、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｂおよび希土類金属からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有し、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＯｓからなる群より選択される元素を１ａｔ％以上５０ａｔ％未満の範囲で含有する酸化物、酸窒化物または窒化物である非磁性中間層とを含む磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面にほぼ垂直方向に通電するように配置され、前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極膜と
を具備したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記金属中間層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記磁化自由層と前記第１の非金属中間層との間に第１の界面金属層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記磁化固着層と前記第２の非金属中間層との間に第２の界面金属層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記金属中間層はＣｕであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記第１または第２の界面金属層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＯｓからなる群より選択される少なくとも１種の金属を含有することを特徴とする請求項３または４記載の磁気抵抗効果素子。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
請求項７に記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備えたことを特徴とする磁気再生装置。