JP3943773B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗効果素子に係り、特に磁気記憶装置の磁気ヘッド等に適用可能なスピンバルブ膜あるいは磁気多層膜を用いた磁気抵抗効果素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する誘導磁界によりコイルに誘起される電圧を検出する方法によって行なわれてきた。
【0003】
一方、情報を読み出す場合に、磁気抵抗効果(以下、MR―Mgneto-Resistive―と略記する。)素子を用いる方法も一般的になってきている。これは、ある種の物質の電気的な抵抗が、外部磁場により変化するという現象を利用したものである。MR素子は電磁誘導による方法よりも感度が高く、高密度の記録媒体の読み出しヘッドとして現在広く利用されている。MR素子の抵抗変化率は、現在のところ一般に知られているNiFe合金で3%程度である。
【0004】
しかしながら、近年、より一層の高密度化への要求に応えて、さらに感度の高い読み出し用素子の開発が盛んに行なわれている。このような高密度化への要望に対して、金属磁性体の間に非磁性伝導体を挟んだ構造を基本とする巨大磁気抵抗効果を用いたGMR(Giant Magneto-Resistive)素子の研究が現在行なわれている。その中でも有望視されているのが、スピンバルブ(spin valve)膜と呼ばれる構造である。これは、2つの金属強磁性層の間に非磁性伝導体を挟み、一方の磁性層をバイアス磁界により固定した磁化固着層(pinned layer)とし、他方の磁性層を磁界により固着しない自由層(free layer)としておいて、自由層により記録媒体からの磁界を読み取って磁化の向きを磁化固着層に対して相対的に変えることにより、巨大な磁気抵抗効果が得られるものである(Phys. Rev. B.,Vol.45,806(1992), J.Appl. Phys., vol.69,4774(1991)等参照)。
【0005】
また、金属強磁性体膜積層の間に非磁性層を挟んだ構造を繰り返した構造によって磁気抵抗効果を増強した構造も研究されているが、一般に磁性相関の相互作用が大きくなり、例えばハードディスクドライブに用いる場合には、媒体磁界に対する充分な感度が得られないという問題がある。
【0006】
このような積層構造によってさらに高出力を得るために種々の改良がなされている。その中でも効果的なものとしては、自由層のMs・t積を低下させることと非磁性中間層(non-magnetic spacer layer )を薄膜化することである。Ms・t積とは、磁化と膜厚との積であり、自由層のMs・t積を下げることにより磁界に対する素子の感度を挙げることができる。また、非磁性中間層の膜厚を薄くすることにより、センス電流のシャント分流を減らして、出力を上げることができるようになる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の巨大磁気抵抗効果膜の構造は、バイアスポイントの設計において自由層と磁化固着層との間に働く磁気結合によるバイアス磁界(Hin)の制御が困難となる問題があった。磁気抵抗効果素子は、外部磁界の反転に対する出力変化が事実上等しくなるように設計されなければならないが、Hinは出力のバイアスポイントを制御する上で調整されていることが必要である。
【0008】
ところが、この相互作用は非磁性中間層の膜厚に対して敏感であるためこの膜の薄膜化に際して急激に増大したり、非磁性中間層の膜厚を制御するためには厳密さが要求されたりするという問題があり、このため成膜毎のHinの再現性を得るのが難しいという問題があった。ここで、非磁性中間層の膜厚とは、一方の磁性層との境界面から他方の磁性層との境界面までの長さのことである。
【0009】
Hinが膜厚に対し有している敏感さの原因の1つは、RKKY(Rudderman-Kittel-Kasuya-Yoshida)的相互作用成分である。これは、非磁性中間層の膜厚に対してその相互作用の向きを急激に変化させるが、その大きさは、主に磁性層と非磁性中間層の界面の電子状態にのみ依存するため、Ms・t積を小さくすることにより、Hinは反比例して増大する。また、RKKY的相互作用の振幅は、非磁性中間層の膜厚の減少に対して略々指数関数的に増大する。これらにより、非磁性中間層の薄膜化および自由層のMs・t積の低減化の際には、非磁性中間層の膜厚の僅かなズレがHinの大きなズレになる。
【0010】
本発明は上述したようなHinの増大および制御性の低下の問題を除去するためになされたものであり、自由層のMs・t積が小さくて非磁性中間層が薄い場合でも、Hinが低減化されかつ緩やかな非磁性中間層の膜厚依存性が得られる磁気抵抗効果素子を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の構成に係る磁気抵抗効果素子は、磁性層および非磁性中間層が積層された構造を有する磁気抵抗効果素子において、前記非磁性中間層が、任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲で0.5nm以上1nm以下の膜厚差を備え、前記磁性層は、外部磁界に対して磁界の向きを自由に変更する磁化自由層と、磁化の方向が略々固着されている磁化固着層と、を備え、かつ、前記非磁性中間層は、前記磁化自由層および前記磁化固着層との間に設けられていると共に、前記非磁性中間層と前記磁化自由層との界面の平坦度が任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲において0.5nm以下であることを特徴としている。
【0013】
本発明の第2の構成に係る磁気抵抗効果素子は、磁性層の間に非磁性中間層が挟まれて積層された構造を有するものにおいて、非磁性中間層の有する一方の界面における平均凹凸と、他方の界面における平均凹凸とを比較したときに、一方が他方よりも0.5nm以上大きいと共に、前記磁性層は、外部磁界に対して磁界の向きを自由に変更する磁化自由層と、磁化の方向が略々固着されている磁化固着層と、を備え、かつ、前記非磁性中間層は、前記磁化自由層および前記磁化固着層との間に設けられていると共に前記非磁性中間層と前記磁化自由層との界面の平坦度が任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲において0.5nm以下であることを特徴としている。
【0014】
上記第2の構成において、平均凹凸とは、膜面内において、20から40nm毎における最大凹凸差を、膜面内方向0.1μm以上の範囲にわたって平均した数値のことをいう。これは、エネルギフィルタTEM、あるいは nano −EDX(nano-electron dipersive X-ray spectroscopy)によって観察することができる。
【0016】
第3の構成に係る磁気抵抗効果素子は、上記第1または第2の構成に係る磁気抵抗効果素子において、外部磁界に対して磁化の方向を自由に変更する前記磁性層のMs・t積が、4nm.T以下となるようにしても良い。
【0018】
第4の構成に係る磁気抵抗効果素子は、上記第1ないし第3の構成に係る磁気抵抗効果素子において、前記磁性層は所定の膜厚を有する下地層を備え、この下地層はRu,Rhのうちの少なくとも1つを含むように構成しても良い。
【0019】
第5の構成に係る磁気抵抗効果素子は、上記第1ないし第4の構成に係る磁気抵抗効果素子において、前記非磁性中間層を構成する結晶の平均面内粒径が40nm以下で構成しても良い。
【0020】
第6の構成に係る磁気抵抗効果素子は、上記第1ないし第5の構成に係る磁気抵抗効果素子において、前記非磁性中間層の膜厚が、2.5nm以下となるように構成しても良い。
【0021】
以上のような構成を有しているので、第1の構成に係る磁気抵抗効果素子のように、非磁性中間層の膜厚が、膜面内直径40nmの範囲で0.5nm以上の膜厚差を有することにより、磁気的相互作用が平均化されてHinの非磁性中間層に対する依存性も、大きさ自体も小さくすることができる。一方、磁気抵抗効果自体も平均化されて抑制されることと、非磁性中間層にピンホールが生じやすくなることにより却ってHinが増加しやすくなることなどにより、膜厚差は1nm以下であることが望ましい。
【0022】
また、この磁気抵抗効果素子のように、磁性層と非磁性層が積層された構造を有するものにおいて、X線によって測定された前記非磁性層のロッキングカーブの半値幅が10度以上とすることによりRKKY的相互作用は、その振動の振幅および位相が結晶方位により異なるため適当に方位を分散させることで相互作用が平均化されてHinの非磁性中間層の膜厚変化に対する変動量も大きさ自体も小さくすることができる。
【0023】
また、第1の構成における上記2つの構造は矛盾なく両立するため、これら2つの構造を併用することによって、より効果的にHinを小さくすることができる。
【0024】
これらの効果は、スピンバルブ膜、磁気多層膜の両方において同様の効果が得られる。また、デュアルスピンバルブ構造であっても、磁化固着層が磁性層、非磁性層、磁性層の順に積層された構造(シンセティック反強磁性構造)であっても、上述した構成による効果は変わらない。
【0025】
また、本発明の磁気抵抗効果素子においては、磁化固着層の交換バイアス膜として、IrMn,PtMn,PdPtMn,RhMn,RhRuMn,RuMn,FeMn,NiMn等のMn系反強磁性体や、NiO,α−Fe2O3等の酸化物反強磁性体やフェリ磁性体、あるいは、CoCrPt,CoPtおよび磁性希土類金属とFe,Co,Ni等との合金よりなる硬磁性強磁性体であっても、同様の効果を得ることができる。
【0026】
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、自由層のMs・t積が5nm.T以下であったり、非磁性中間層が2.8nm以下である場合にも有効である。特に、自由層のMs・t積が4nm.T以下であったり、非磁性中間層が2.5nm以下である場合に有効である。上述した技術は、磁気記憶装置の磁気ヘッド、MRAM(Magnetic Randam Access Memory)などの分野に適用できる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気抵抗効果素子の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、実施形態について説明した後、最適な実施例につき具体的に説明し、さらに本発明に係る磁気抵抗効果膜が適用される磁気ヘッドおよび磁気ディスク装置の概略について説明する。
【0028】
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗効果膜の構成を模式的に示す断面図である。図1において、磁気抵抗効果膜は、平坦に形成された磁性層1と、この磁性層1の上に膜厚差dtを有して積層形成された非磁性中間層2と、この非磁性中間層2の上に成形された磁性層3と、を備えている。この膜厚差dtが0.4nm程度のとき、非磁性中間層2の膜厚は、標準偏差0.2nmの正規分布により近似することができる。例えば、非磁性中間層2がこのような膜厚分布を有するときと、膜厚差dtが0.2nm程度のときとを比較すると、HinのRKKY的相互作用の成分は略々半減させることができる。ここで示したような構造は、適度に平坦な下地として磁性層1を形成した後、非磁性中間層2を凹凸が形成される程度の成膜条件により成膜することにより容易に形成することができる。
【0029】
この発明の最も基本的な構成は、第1の磁性層1と、第2の磁性層3との間に所定の膜厚および形状を持たせて非磁性中間層2を設ける点にある。所定の形状とは、非磁性中間層2と第1の磁性層1との間の界面はなるべく平坦になっていることが必要であり、その平坦度は任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲において0.5nm以下であることが望ましい。また、非磁性中間層2と第2の磁性層3との界面は、所望の周期によるうねりが形成されていることが求められる。この所望の周期とは、非磁性中間層2の最も膜薄な部分の厚さをtとしたときに、最も膜厚の部分の厚さが「t+Δt」となるような厚さの相関にあることが必要である。
【0030】
ここで、非磁性中間層の界面の平坦度についてさらに詳しい数値を引用して説明すると、適度に平坦な下地とは、凹凸周期の平均すなわち膜面内直径が50nm以下で、平均凹凸が0.5nm以下になっている層のことである。平均凹凸が0.5nm以上であるときにはHinに寄与する成分の1つである静磁結合成分(Neel's orange peel model)が大きくなる。静磁結合成分は、非磁性中間層の上下の界面が同期した凹凸を有することにより発生するが、その大きさは、同期した凹凸の高さの2乗に比例し、周期に反比例するものであり、周期に比例した減衰長で非磁性中間層の膜厚に対して指数関数的に減少する。
【0031】
したがって、凹凸周期の平均を50nm以上で、平均凹凸を0.5nm以上にすることにより、例えば、非磁性中間層が2〜2.5nmの範囲で、磁化自由層のMs・t積が3.6nm.Tのコバルト鉄(CoFe)である場合、Hinの静磁結合成分が40Oe以上の値になってしまう。この平均凹凸を小さくすれば、非磁性中間層が2〜2.5nmの範囲において、充分に減衰させることができる。また、平均凹凸は小さければ小さいほどHinの静磁結合成分を低減することができる。
【0032】
非磁性中間層に膜厚分布をつけるには、図2に示すように、非磁性中間層を大粒径の結晶として成長させるような成膜条件で形成する方法等がある。このとき磁性層1はできるだけ凹凸の高さが低い方が良い。非磁性中間層の膜厚分布は、直径50nmの範囲で膜厚差が観察できる周期となっている方が良い。これより大きな範囲での変動になると、結晶粒の上部界面が非常に平坦になり、膜厚分布が正規分布から外れてくるためにRKKY的相互作用の抑制が効果的には起こらなくなる。望ましくは、膜面内直径40nmの範囲で膜厚差が観察できる周期になっている方が良いことになる。
【0033】
このように、適度に調整された非磁性中間層の結晶粒径を得るためには、巨大磁気抵抗効果膜の下地が重要である。特に、下地がルテニウム(Ru),ロジウム(Rh)を含む場合に前記の構造が容易に得られる。下地がRu,Rhを含む場合、Hinの改善効果は、磁化固着層が磁化自由層の上部に形成された構成であるトップタイプスピンバルブ構造でも、磁化固着層が磁化自由層の下部に形成された構成であるボトムタイプスピンバルブ構造でも、同様の効果が得られる。ロジウム(Rh),ルテニウム(Ru)を含む下地は非常に平坦な表面を形成するため、Hinの静磁結合成分を効果的に抑えることができる。また、この下地上に形成された膜は、膜厚の増大に伴う、粒径の増大に伴い、上部界面に凹凸を形成し、しかも、粒径の粗大化を抑えて、良好な膜厚分布を形成するため、Hinを効果的に抑制することができる。
【0034】
非磁性中間層に膜厚分布をつける別の方法は、凹凸のある下地上に、非磁性中間層をRFバイアススパッタによって形成する方法である。これにより、非磁性中間層の上部と下部とで界面凹凸の周期及び振幅を変えることができる。この場合も磁性層1の界面凹凸周期の平均は50nm以下の方が良い。これより周期が長いと、バイアススパッタによる非磁性中間層の上部界面の平坦化が達成しにくく、上下界面で同期した凹凸が出現するため、静磁結合成分を増大させる原因になるからである。
【0035】
この構成では、図3に示すように、非磁性中間層の下部で凹凸が大きく、上部で平坦になっており、図2とは逆の配置になっている。
【0036】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、非磁性中間層のロッキングカーブの半値幅が10°以上で、磁化自由層のMs・t積が4nm.T以下であることを特徴とするものである。結晶軸の方向によって、相互作用の大きさ、および、非磁性中間層の膜厚に対するRKKY振動の周期および位相が変化するため、膜垂直方向の配向性を不規則に制御することにより、相互作用を平均化して抑制することができる。このとき、磁化自由層の膜厚が厚くなると、粒径が巨大化しやすくなるため、軟磁気特性が得にくくなる。そのため、一般的に使われるコバルト(Co)合金、およびCo合金とニッケル(Ni)合金の積層膜の場合で、5nm.T程度になる膜厚より小さい方が望ましく、より望ましくは4nm.T以下が良い。
【0037】
上記第1および第2実施形態は、具体的には、外部磁界に対して自由に磁化の向きを変える磁化自由層としてのフリー層と、実質的に磁化が固着された磁化固着層と、これらの磁性層間に形成された非磁性中間層を具備するスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子において有効に機能する。ここで、一般に、フリー層はCo合金、あるいは、Co合金とNi合金の積層構造であり、厚さは1ないし10nm程度である。
【0038】
磁化固着層はCo合金により形成されており、その膜厚は1ないし3.5nm程度である。また、磁化固着層は、膜厚1〜3.5nm程度のCo合金の間に非磁性層を形成して、磁化が反平行に結合した構造を有するシンセティック反強磁性構造であってもよい。また、磁化固着層の磁化を固着させる手段としては、反強磁性の交換バイアス膜が用いられる。また、硬磁性強磁性体やフェリ磁性体による交換結合膜を用いても良いし、磁化固着層の一部、または全部を硬磁性強磁性体により構成するようにしてもよい。
【0039】
また、上記第1および第2実施形態においては、磁化固着層がフリー層の上部に形成されているトップスピンバルブ構造であっても、磁化固着層がフリー層の下部に形成されているボトムスピンバルブ構造であっても同様に機能する。また上記実施形態の構造は、デュアルスピンバルブにおいても有効である。また、磁気多層膜の場合にも有効である。これらの構造は、エネルギフィルタTEM,反射率X線測定,X線θ−2θスキャン,SIMS(Secondary Ion Measurement Spectroscopy)や断面nano−EDXによる膜面垂直方向の組成変化などから、分析することができる。
【0040】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、膜面内直径40nmの範囲において、膜厚と膜厚差の積が、1nm2以上2nm2以下であることを特徴としている。RKKY的相互作用の振幅は、非磁性中間層の膜厚が2nm〜3nmの領域においては、略々比例して減衰するため非磁性中間層が厚くなるほどHinの大きさは小さくなり、出力バイアスポイントの設計上の影響が小さくなる。
【0041】
このとき、MR変化率の観点から非磁性中間層と磁性層との界面の凹凸をある程度小さくした方が良い。具体的には、膜厚部と膜厚との関係において、膜面内直径40nmの範囲における膜厚と膜厚差との積が、0.8nm2から2.4nm2の範囲にあることが望ましい。より好ましくは、1nm2から2nm2の範囲にあることが望ましい。
【0042】
次に、上記第1ないし第3実施形態に基づいて本発明に係る磁気抵抗効果素子を具体的に作成するための実施例について詳細に説明する。
(実施例1)
アルミナ基板上に、
▲1▼5Ta/2Ru/10PtMn/2CoFe/0.9Ru/2.5CoFe/xCu/2CoFe/2Cu/5Ta
(x=1.8,2.0,2.2,2.4,2.5,2.8,3.0,3.5)
▲2▼5Ta/2NiFeCr/10PtMn/2CoFe/0.9Ru/2.5CoFe/xCu/2CoFe/2Cu/5Ta
(x=1.8,2.0,2.2,2.4,2.5,2.8,3.0,3.5)
を形成した。数字は全て単位nmある。成膜はDCマグネトロンスパッタリングにより行なった。図4は、そのHinの結果である。
【0043】
これから、見積もったCuスペーサ膜厚の分布は、▲1▼では標準偏差0.27nm程度の正規分布であった。一方▲2▼では0.2nm程度の標準偏差を持つ正規分布であった。エネルギフィルタTEMにより膜断面の観察を行なうと、▲1▼では、中間層Cu層に0.6nmの膜厚分布が50nm程度の範囲で観察でき、▲2▼では中間層Cu層に0.4nmの膜厚分布が80nm程度の範囲で観察できた。静磁結合の寄与によるHinの成分は、▲2▼の方が若干大きい。さらに、ルテニウム(Ru)下地の方が2〜2.5nm領域でのHinの変動量が小さく、Cuスペーサ膜厚に対して制御性があることが分かった。これは、静磁結合成分に寄与するような周期の凹凸において、Ruの方が若干の優位性があり、かつ、適度な膜厚分布によって、RKKY的相互作用を抑えることができているためである。
【0044】
(実施例2)
アルミナ基板上に、
▲1▼5Ta/1Ru/1Cu/2CoFe/xCu/2.5CoFe/O.9Ru/2CoFe/10IrMn/5Ta
▲2▼5Ta/2Ru/2CoFe/xCu/2.5CoFe/O.9Ru/2CoFe/10IrMn/5Ta
をそれぞれ形成した。数字は全て単位nmである。成膜はDCマグネトロンスパッタリングにより行なった。
【0045】
図5は、Hinの測定結果である。静磁結合によるHinへの寄与は▲1▼の方が若干大きかった。しかしながら、2〜2.5nmのCuスペーサ厚範囲では、▲2▼の方が変動量が小さく、制御性に優れることが分かった。これから、見積もったCuスペーサ膜厚の分布は、▲1▼では標準偏差0.28nmの正規分布であった。
一方、▲2▼では0.18nmの標準偏差を持つ正規分布であった。エネルギフィルタTEMにより、膜断面の観察を行うと、▲1▼では、中間層Cu層に0.6nmの膜厚分布が30nm程度の範囲で観察でき、▲2▼では中間層Cu層に0.3nmの膜厚分布が80nm程度の範囲で観察できた。また、Cuスペーサ層の下部界面は▲2▼の方が平坦性が良かった。▲2▼は平坦性が良く、静磁結合を良好に抑えることができるが、大粒径化が進みすぎて結晶粒の上部が平坦になるため、事実上膜厚分布が小さくRKKY的振動が急峻に出現してしまう。一方、▲1▼は、平坦性が若干悪化して、静磁結合が上昇するが、良好な粒径で非磁性Cu中間層を形成することができ、膜厚分布を事実上、正規分布にすることができたため、RKKY的相互作用を抑制することができた。
【0046】
(実施例3)
アルミナ基板上に、
▲1▼5Ta/3Cu/2CoFe/xCu/2.5CoFe/0.9Ru/2CoFe/10IrMn/5Ta
(Cuスペーサ成膜時に基板にrfバイアスを印加)
▲2▼5Ta/3Cu/2CoFe/xCu/2.5CoFe/O.9Ru/2CoFe/10IrMn/5Ta
(基板バイアス無し)
(ともにx=1.8,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5)
を形成した。数字は全て単位nmである。成膜はDCマグネトロンスパッタリングにより行なった。下地層Cuまでを成膜した時点でAFMにより表面凹凸を観察したところ、ともに面内方向20nm程度の粒径が観察され、凹凸は0.7nm程度であった。つぎに成膜が完了したところで、エネルギフィルタTEMにより、膜断面の観察を行うと、▲1▼▲2▼ともにCuスペーサ上部界面に、下部界面と同期した凹凸が観察された。その大きさは▲1▼では0.2nm程度であり、▲2▼では0.7nm程度であった。図6は、Hinの測定結果である。▲1▼では、適当な膜厚分布をつけることができたため、低Hinかつ、Cuスペーサ依存の少ない特性が得られたが、▲2▼は、下地の凹凸が、Cuスペーサの上下界面で、もっとも静磁結合を起こしやすい構造になったため、実用困難なHinとなった。
【0047】
(実施例4)
アルミナ基板上に、
(1)5Ta/1Ru/O.8NiFeCr/10PtMn/2CoFe/O.9Ru/2.5CoFe/xCu/2CoFe/2Cu/5Ta
(x=1.8,2.0,2.2,2.4,2.5,2.8,3.O,3.5)
を形成した。数字は全て単位nmである。成膜はDCマグネトロンスパッタリングにより行なった。これらのHinの測定結果は図6の通りである。同時にプロットしたのは、実施例1の試料(2)である。本実施例の試料(1)の方が低Hinかつ、Cuスペーサ依存の少ない特性が得られた。
【0048】
これらの試料について、X線プロファイルを測定すると、中間層Cuに起因するピークとしては、fcc(111)に対応するピークのみが観察された。このピークに対してロッキングカーブの測定を行うと、▲1▼の試料群に対しては、ロッキングカーブの半値幅が13°から13.5°の範囲であったのに対して、実施例1の試料▲2▼群では、6.5°から7°の範囲であった。本実施例の試料▲1▼では、結晶方位にある程度のばらつきを加えることでHinを抑制することができた。
【0049】
(実施例5)
次に、第3実施形態に係る磁気抵抗効果素子に対応して、より詳細な構成を説明する実施例5について説明する。アルミナ基板上に、
▲1▼5Ta/2Ru/10PtMn/2CoFe/0.9Ru/2.5CoFe/xCu/2CoFe/2Cu/5Ta
(x=2, 2.3, 2.5, 3)
の試料を、それぞれDCマグネトロンスパッタリングにより作成した。その際、銅(Cu)よりなる非磁性中間層の成膜時のチャンバ内の雰囲気の気圧、基板間距離、成膜速度などの成膜条件を変えることにより、膜厚分布をつけることができた。膜厚の分布は、エネルギフィルタTEM等により観察して確認した。図7はCu中間層の膜厚差(h)と膜厚(d)との積、Hin、MRの関係を示している。
【0050】
上記実施形態および実施例により詳細に説明した磁気抵抗効果膜は、磁気ヘッドや磁気記録装置に適用されることになる。例えば、図8や図9に示すような録再分離型磁気ヘッドに再生素子部として搭載するようにしても良い。図8,図9は本発明に係る磁気抵抗効果素子を再生素子部に適用した録再分離型磁気ヘッドの適用例の構成を示す図であり、これらの図は録再分離型磁気ヘッドを媒体との対向面側から見た断面図である。
【0051】
これらの図において、符号21は酸化アルミニウム(Al2O3)層を有するAl2O3・TiC等よりなる基板である。このような基板21の主表面上にはNiFe合金、FeSiAl合金、非晶質CoZrNb合金などの軟磁性材料よりなる下側磁気シールド層22が形成されている。下側磁気シールド層22上には、Al2O3などの非磁性絶縁材料よりなる下側再生ギャップ23を介して例えばスピンバルブGMR材料等よりなる磁気抵抗効果膜24が形成されている。
この磁気抵抗効果膜24として、上述した各実施形態において説明した各種のものが適用される。
【0052】
図8において、磁気抵抗効果膜24は、所望のトラック幅となるように記録トラック幅から外れた外側領域を例えばエッチングにより除去した形状となっている。このような磁気抵抗効果膜24のエッジ部の外側には、この磁気抵抗効果膜24にHinを印加するバイアス磁界印加膜25がそれぞれ配置されている。一対のバイアス磁界印加膜25は、磁気抵抗効果膜24のエッジ部とアバット接合している。一対のバイアス磁界印加膜25上には、Cu,Au,Zr,Taなどからなる一対の電極26が形成されており、磁気抵抗効果膜24には、これら一対の電極26からセンス電流が供給されている。これら磁気抵抗効果素子24,一対のバイアス磁界印加膜25および1対の電極26は、GMR再生素子部27を構成しており、このGMR再生素子部27は、上述したようにいわゆるアバットジャンクション構造を有している。
【0053】
また、図9においては、磁気抵抗効果膜24と下側再生磁気ギャップ23との間に、予めトラック幅から外れた領域に磁気抵抗効果膜24にバイアス磁界を印加する1対のバイアス磁界印加膜25は所定の間隙をもって配置されており、その上に磁気抵抗効果膜24の再生トラックの外側部分が積層形成されている。磁気抵抗効果膜24は、その両端部のみを前記バイアス磁界印加膜25上にそれぞれ積層するようにしても良い。磁気抵抗効果膜24上には、1対の電極26が形成されており、磁気抵抗効果膜24の実質的なトラック幅は、1対の電極26の感覚によって規定されている。これら磁気抵抗効果膜24,1対のバイアス磁界印加膜25および1対の電極26は、オーバレイド構造のGMR再生素子部27を構成している。
【0054】
図8および図9において、GMR再生素子部27には下側再生磁気ギャップ23と同様な非磁性材料により形成された上側再生磁気ギャップ28が設けられている。さらに、上側再生磁気ギャップ28上には、下側磁気シールド層29が形成されている。これらの各構成要素によって再生ヘッドとしてのシールド型GMEヘッド30が形成されている。記録ヘッドとしての薄膜磁気ヘッド31は、シールド型GMEヘッド30上に形成されている。薄膜磁気ヘッド31の下側記録磁極は、上側磁気シールド層29と共通の磁性層により構成されている。シールド型GMEヘッド30の上側磁気シールド層29は、薄膜磁気ヘッド31の下側記録磁極を兼ねている。この上側磁気シールド層を兼ねる下側記録磁極29上には、AlOIなどの非磁性絶縁材料からなる記録磁極ギャップ32と上側記録磁極33が順に形成されている。媒体との対向面より後方面には、下側記録磁極29と上側記録磁極33に記録磁極を付与する記録コイル(図示せず)が形成されている。
【0055】
上述した再生ヘッドとしてのシールド型GMEヘッド30と記録ヘッドとしての薄膜磁気ヘッド31とによって、録再分離型磁気ヘッドが構成されている。このような録再分離型磁気ヘッドはヘッドスライダに組み込まれ、例えば図9に示すような磁気ヘッドアセンブリに搭載されている。図10に示す磁気ヘッドアッセンブリ60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61を有し、アクチュエータアーム61の一端にはサスペンション62が接続されている。このサスペンション62の先端には、上述した実施形態の録再分離型磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ63が取り付けられている。サスペンション62は信号の書込みおよび読出し用のリード線64を有し、このリード線64とヘッドスライダ63に組み込まれた録再分離型磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。なお、磁気ヘッドアッセンブリ60には、リード線64が接続される電極パッド65を備えている。
【0056】
上述のように構成された磁気ヘッドアッセンブリ60は、例えば図11に示す磁気ディスク装置などの磁気記録装置に搭載される。図11はロータリアクチュエータを用いた磁気ディスク装置50の概略構成を示している。図10に示す磁気ディスク装置50において、磁気ディスク51はスピンドル52に装着され、駆動装置制御源(図示せず)からの制御信号により制御されるモータ(図示せず)により回転駆動されている。磁気ヘッドアッセンブリ60は、基端側がアーム61に固定されたサスペンション62の先端に取り付けられたヘッドスライダ63が磁気ディスク51上を浮上した状態で情報の記録再生を行なうように取り付けられている。磁気ディスク51が回転すると、磁気ヘッドアッセンブリ60は、ヘッドスライダ63の媒体対向面(ABS)が磁気ディスク51の表面から所定の浮上量(0以上100nm以下)を維持するように保持される。
【0057】
磁気ヘッドアッセンブリ60のアクチュエータアーム61は、リニアモータの1種であるボイスコイルモータ53にボビン部54を介して接続されている。ボイスコイルモータ53は、アクチュエータ61のボビン部54に巻き上げられた図示されない駆動コイルと、それ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、より構成されている。アクチュエータアーム61は、ボビン部54が収納される固定軸の上下2カ所に設けられた図示されないボールベアリングにより保持され、ボイスコイルモータ53により回転摺動が自在にできるように構成されている。
【0058】
なお、以上の構成は録再分離型磁気ヘッドを例に用いて説明したが、記録ヘッドと再生ヘッドとで共通の磁気ヨークを用いる録再一体型磁気ヘッドなどの他のヘッド構成本発明の磁気抵抗効果素子を用いることも可能である。さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドに限定されず、磁気抵抗効果メモリ(MRAM)などの磁気記憶装置に適用することも可能である。
【0059】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、例えばスピンバルブ膜のように、バイアスポイント設計にHinの寄与が問題になるとき、低Hinで、かつ、量産において生じうる非磁性中間層の膜厚のばらつきに起因するHinのばらつきを回避できる素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る磁気抵抗効果膜の構成を示す断面図。
【図2】磁気抵抗効果膜を非磁性中間層を大粒径の結晶成長により形成した構成を示す断面図。
【図3】非磁性中間層の結晶成長方向を図2と逆にした構成を示す断面図。
【図4】実施例1により成膜された磁気抵抗効果膜のHinの測定結果を示す特性図。
【図5】実施例2により成膜された磁気抵抗効果膜のHinの測定結果を示す特性図。
【図6】 実施例4により成膜された磁気抵抗効果素子のHinの測定結果を示す特性図。
【図7】実施例5により成膜されたCu中間層のh*d、Hin、MRの関係を示す表。
【図8】本発明に係る磁気抵抗効果素子を録再分離型磁気ヘッドに適用した例を示す断面図。
【図9】図8と異なる構成の磁気ヘッドに本発明の磁気抵抗効果素子を適用した例を示す断面図。
【図10】磁気ヘッドアッセンブリの一例を示す斜視図。
【図11】本発明の磁気抵抗効果素子が適用される磁気ディスク装置の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
1 第1の磁性層(磁化固着層)
2 非磁性中間層
3 第2の磁性層(磁化自由層)
24 磁気抵抗効果膜
50 磁気ディスク装置
51 磁気ディスク
60 磁気ヘッドアッセンブリ
63 スライダ
Claims (6)
- 磁性層および非磁性中間層が積層された構造を有する磁気抵抗効果素子において、
前記非磁性中間層が、任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲で0.5nm以上1nm以下の膜厚差を備え、
前記磁性層は、外部磁界に対して磁界の向きを自由に変更する磁化自由層と、磁化の方向が略々固着されている磁化固着層と、を備え、かつ、
前記非磁性中間層は、前記磁化自由層および前記磁化固着層との間に設けられていると共に前記非磁性中間層と前記磁化自由層との界面の平坦度が任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲において0.5nm以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁性層の間に非磁性中間層が挟まれて積層された構造を有する磁気抵抗効果素子において、
非磁性中間層の有する一方の界面における平均凹凸と、他方の界面における平均凹凸とを比較したときに、一方が他方よりも0.5nm以上大きいと共に、
前記磁性層は、外部磁界に対して磁界の向きを自由に変更する磁化自由層と、磁化の方向が略々固着されている磁化固着層と、を備え、かつ、
前記非磁性中間層は、前記磁化自由層および前記磁化固着層との間に設けられていると共に前記非磁性中間層と前記磁化自由層との界面の平坦度が任意の箇所における膜面内直径40nmの範囲において0.5nm以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 外部磁界に対して磁化の方向を自由に変更する前記磁性層のMs・t積が、4nm.T以下であることを特徴とする請求項1または2の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁性層は所定の膜厚を有する下地層を備え、該下地層はRu,Rhのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性中間層を構成する結晶の平均面内粒径が40nm以下であることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性中間層の膜厚が、2.5nm以下であることを特徴とする請求項1ないし5の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
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