JP4469570B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置 - Google Patents
磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect: GMR）を示す磁気抵抗効果素子の発見により、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）は磁気デバイスに適用しやすい構造を有するため、磁気ヘッドなどに大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
スピンバルブ膜とは、二つの強磁性層の間に非磁性層を挟み、一方の強磁性層（ピン層と称される）の磁化を反強磁性層などによって固着し、もう一方の強磁性層（フリー層と称される）の磁化を外部磁界に応答させ、ピン層とフリー層の磁化の相対角度を変化させることによって、巨大な磁気抵抗変化を得るようにしたものである。スピンバルブ膜は原理的には、ゼロ磁界のときにフリー層の磁化をトラック幅方向に向け、外部磁界によってフリー層の磁化方向が変化することによって磁気抵抗が変化するようにして動作させると、効率的な磁界検出が可能になる（特許文献１）。
【０００４】
従来、スピンバルブ膜は、膜面に平行な方向にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）型が主流であった。これに対して、膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型は、ＣＩＰ型に比べてさらに大きなＧＭＲ効果を発現するため、現在研究されている。現段階で、ＣＰＰ−スピンバルブ膜は２００Gbit/inch2（Gbpsi）以上の記録密度を実現するための本命技術と目されている。
【０００５】
高密度化を達成しようとすると、スピンバルブ膜のサイズは必然的に小さくなる。すなわち、高密度化のためには媒体に記録されるトラック幅を狭くする必要があり、それに伴ってスピンバルブ膜の感磁層であるフリー層のサイズも小さくする必要がある。例えば、２００Gbit/inch2の面記録密度のときにはトラック幅は約１００ｎｍ、５００Gbit/inch2のときにはトラック幅は約５０ｎｍ、１Tbit/inch2になると約３５ｎｍという、非常に狭い幅となる。このように、５００Gbit/inch2の超える記録密度に対応させて、従来構造のＣＰＰ−スピンバルブ膜のサイズを小さくしていくと、以下のような２つの大きな問題が生じることが予想される。
【０００６】
一つ目の問題は、フリー層におけるvortexドメインの発生である。垂直通電されるセンス電流の大きさを変化させないと仮定すると、フリー層のサイズを小さくするほどフリー層内の電流密度は大きくなるため、フリー層に電流磁界に起因するvortexドメインが発生する。フリー層にvortexドメインが発生すると、フリー層の磁化を一方向（トラック幅方向）に向けることができなくなるので、満足な磁界検出ができなくなる。こうしたvortexドメインは、約１０8Ａ／ｃｍ2程度の電流密度から発生しはじめる。いま、５００Gbit/inch2の記録密度で、３ｍＡのセンス電流を通電すると仮定すると、電流密度は１．２×１０8Ａ／ｃｍ2となり、vortexドメインが発生する。この場合、vortexドメインが生じないようにセンス電流を１ｍＡ程度に小さくするのは、信号の出力電圧（＝電流×抵抗変化量）の低下を招くため、有効な対策とはならない。
【０００７】
従来のＣＰＰ−スピンバルブ膜の二つ目の問題点として、スピントランスファートルク現象の影響が考えられる（例えば、非特許文献１参照）。非磁性層を挟んだ２つの磁性層を有する素子のサイズ（一辺）を１００ｎｍ以下とし、１０7〜１０8Ａ／ｃｍ2の電流密度で垂直方向に通電すると、一方の磁性層のスピントルクがもう一方の磁性層に伝播してその磁性層の磁化方向を変化させるという現象が観測される。ＣＰＰ−スピンバルブ膜でスピントランスファートルク現象が生じるということは、媒体による外部磁界がゼロであったとしても、センス電流の通電によってフリー層の磁化方向が変化してしまうことを意味する。つまり、スピンバルブ動作原理である、媒体磁界によってフリー層磁化方向を変化させて抵抗変化量をみるという、正常なスピンバルブ動作を実現することが困難になってしまう。５００Gbit/inch2以上の記録密度に対応するＣＰＰ−スピンバルブ膜は、素子サイズおよび電流密度ともにスピントランスファートルクによる影響が十分にでてくる領域なので、その動作が阻害される。
【０００８】
以上のように、素子サイズの小さいＣＰＰ−スピンバルブ構造では、vortexドメインおよびスピントランスファートルクという２つの問題の発生により、５００Gbit/inch2以上の記録密度に対応することは困難である。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５２０６５９０号明細書
【００１０】
【非特許文献１】
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159 (1996) L1-L7
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる新規な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気記録再生装置を提供することにある。
【００１２】
【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、非磁性導電層と、それぞれ前記非磁性導電層の膜面に接し、互いに離間して設けられ、磁化方向が実質的に固着された第１および第２の磁性層とを具備し、前記非磁性導電層はＣｕからなり、膜厚が０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記非磁性導電層の前記第１および第２の磁性層間に位置する部分は、一方の磁性層から他方の磁性層へのスピン偏極した電子の経路であり、感磁領域として規定されることを特徴とする。
【００１３】
上記磁気抵抗効果素子において、前記第１および第２の磁性層間に位置する前記非磁性導電層の感磁領域の長さは１００ｎｍ以下に設定される。
【００１４】
本発明の他の態様に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明のさらに他の態様に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記磁気ヘッドとを有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来技術のスピンバルブ膜の問題点が軟磁性フリー層に存在に起因したものであることを考慮し、フリー層を用いることなく磁気抵抗効果を発揮できる素子の構成を検討した。実質上磁化方向が動くことのない磁性層を用いているかぎりは、vortexドメインやスピントランスファートルクによる問題は避けることができる。この際、本発明者らは、５００Gbit/inch2以上の高記録密度に対応できる磁気抵抗効果素子のディメンションが、量子効果を生じさせる物理領域であることに着目し、外部磁界を感知する伝導電子が流れる非磁性導電層を感磁領域として用いることを検討した。この場合、非磁性導電層を流れる伝導電子では、磁性層中を流れる伝導電子よりもはるかに高感度に外部磁界の変化を感知できると期待される。これは、磁性層中を流れる伝導電子のスピン情報に関しては、外部磁界による伝導電子へのスピン情報への影響よりも、その磁性層の磁化方向に起因したスピン情報の方がはるかに大きいため、磁性層中の伝導電子は外部磁界による変化を実質的に感知できないからである。
【００１７】
上記のように非磁性導電層を感磁領域として用いるのに適した素子が満たすべき構造的な要件は以下のようにまとめられる。
【００１８】
第１に、伝導電子がアップまたはダウンのスピン情報をもっていることが必要である。なぜなら、伝導電子がスピン情報をもっていなければ、外部磁界の変化を伝導電子が感知することができないからである。
【００１９】
第２に、感磁領域として用いられる非磁性導電層は磁性層と接していなければならない。これは以下のような理由による。通常、非磁性層を流れる伝導電子はスピン情報が平均化され、アップまたはダウンのいずれかの情報に偏ることがないので、アップまたはダウンのスピン情報をもった伝導電子を非磁性導電層に注入する必要がある。そのためには、アップスピン、もしくはダウンスピンのうちどちらかを多くもった（つまり、スピン情報をもった）伝導電子をもつ磁性層が、非磁性導電層に接している必要がある。
【００２０】
第３に、非磁性導電層は前記磁性層（第１の磁性層）とは別の磁性層（第２の磁性層）と接していなければならない。これは、非磁性導電層（感磁領域）において外部磁界により伝導電子のスピン情報がいくら変化したとしても、電気抵抗の変化は生じにくいため、スピン情報をもった伝導電子をあるスピン情報をもつ磁性層に再注入する必要があるからである。非磁性導電層から第２の磁性層にスピン情報をもつ伝導電子が再注入される段階で、スピン情報がアップかダウンかによって電気抵抗が変化し、磁気抵抗効果が生じる。
【００２１】
すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、互いに離間して設けられ、磁化方向が実質的に固着された第１および第２の磁性層と、一方の磁性層から他方の磁性層へのスピン偏極した電子の経路として第１および第２の磁性層に接して形成され、第１および第２の磁性層間に位置する部分が感磁領域として規定される非磁性導電層とを有する。
【００２２】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を、図１〜図４を参照して説明する。図１および図２は、磁気記録媒体再生用の再生ヘッドに適用した本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をＡＢＳ（媒体対向面）に平行な面で切断した断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のＡＢＳ（媒体対向面）に平行な面で切断した断面と、磁気記録媒体（磁気ディスク）のトラックとの位置関係を説明する図である。図４は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気記録媒体（磁気ディスク）を鉛直な面で切断した断面図である。
【００２３】
図１および図２に示すように、基板１上にＡｌ2Ｏ3の下地層２が形成され、下地層２上に膜厚０．５〜５ｎｍのＣｕからなる非磁性導電層３が形成される。非磁性導電層３上にはこの非磁性導電層３に接して例えばＣｏ90Ｆｅ10からなる第１の磁性層１１および第２の磁性層１２が形成され、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間は互いに離間している。第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はそれぞれ実質的に固着されている。ここでは、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はいずれもＡＢＳから上向きに固着されている例を示している。非磁性導電層３は、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２へのスピン偏極した電子の経路となる。第１の磁性層１１上には電極２１が、第２の磁性層１２上には電極２２がそれぞれ形成されている。
【００２４】
ここで下地層２はＡｌ2Ｏ3以外の材料であっても構わない。たとえば、絶縁性材料として、ＳｉＯ2などの他の酸化物材料を用いてもよい。また下地層２と非磁性導電層３の間に、バッファ層や配向シード層を用いてもよい。たとえば、シード層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗなどを含む合金材料や、酸化物、窒化物を用いてもよい。また、シード層として、ｆｃｃやｈｃｐの金属材料を用いてもよい。
【００２５】
図３および図４に示すように、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に位置する非磁性導電層３の部分が外部磁界を感知する感磁領域となり、磁気ディスク１０１に形成されるトラック（トラック幅ＴＷ）上に配置される。感磁領域の長さは、トラック幅に対応して決定されるが、１００ｎｍ以下、さらに１０〜１００ｎｍに設定することが望ましい。図３および図４に示すように、非磁性導電層３について、膜厚をｔ、幅（感磁領域の長さ方向に直交する幅）をｈとする。非磁性導電層３の幅ｈは１０〜３００ｎｍ程度、さらに１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２６】
図１および図２を参照して本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を説明する。図１は外部磁界情報が“０”（上向き）、図２は外部磁界情報が“１”（下向き）の場合を示している。
【００２７】
センス電流は電極２１から第１の磁性層１１を通して非磁性導電層３へ通電される。この結果、第１の磁性層１１からスピン偏極した伝導電子が非磁性導電層３へ注入される。伝導電子は非磁性導電層３の感磁領域を通過し、この領域において外部磁界を感知する。
【００２８】
図１の場合には外部磁界情報が“０”であり、第１の磁性層１１の磁化と向きが同じなので、伝導電子はスピン情報の変化を受けることなく非磁性導電層３の感磁領域を通過する。また、第２の磁性層１２の磁化方向も第１の磁性層１１の磁化方向と一致しているため、伝導電子のスピン情報は全く変化することなく、非磁性導電層３から第２の磁性層１２へ伝導電子が注入される。つまり、スピン情報に何の変化もないので電気抵抗は小さい状態となる。この場合、“０”状態の外部磁界情報を、電気抵抗が小さい状態として検知したことになる。
【００２９】
図２の場合には外部磁界情報が“１”であり、第１の磁性層１１の磁化と向きが逆なので、伝導電子が非磁性導電層３の感磁領域を通過する間に外部磁界によってスピンの向きが変化を受ける。極端な場合には、外部磁界によってスピンの向きが完全に反転する。つまり、非磁性導電層３から伝導電子のスピンの向きと、第２の磁性層１２中のスピンの向きとが、完全に逆向きになる。この状態では、非磁性導電層３から第２の磁性層１２へ伝導電子が注入されるときに、非磁性導電層３と第２の磁性層１２との界面においてスピンが反転しなければならないため、電気抵抗が大きくなる。この場合、“１”状態の外部磁界情報を、電気抵抗が大きい状態として検知したことになる。
【００３０】
図１および図２を参照して説明したように、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化の向きは外部磁界によって実質的に変化しないにもかかわらず、素子の電気抵抗は外部磁界によって低抵抗状態と高抵抗状態の二つの状態に変化する。これが、動作原理に関して、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が従来のスピンバルブ膜と決定的に異なる点である。つまり、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁性層として、磁化方向が外部磁界によって実質的に変化しないように硬く磁化固着された第１および第２の磁性層１１、１２のみを含み、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁磁性層（フリー層）を持たない。このため、従来技術の問題点であった、フリー層におけるvortexドメインの発生やスピントランスファートルク現象の影響を受けないという大きなメリットが得られる。
【００３１】
以上のように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は図１〜図４に示した単純な構成で磁気抵抗効果を検出できるようにしたものであり、従来技術の薄ピンバルブ膜から容易に予想できるものではない。
【００３２】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の物理ディメンションについて説明する。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の効果を考慮した場合、重要な物理ディメンションとして、図３に示した非磁性導電層３の膜厚ｔおよび図４に示した非磁性導電層３の幅ｈの２つが挙げられる。
【００３３】
図５に、ＭＲ変化率の非磁性導電層３の膜厚ｔに対する依存性を示す。この測定は、非磁性導電層３の材料としてＣｕを用い、非磁性導電層３の幅ｈを８０ｎｍに設定した磁気抵抗効果素子で行った。図５に示されるように、非磁性導電層３の膜厚ｔが５ｎｍよりも厚い場合には有意なＭＲ変化率が得られていない。このことから、感磁領域となる非磁性導電層３の膜厚ｔは重要なパラメータであることがわかる。非磁性導電層３の膜厚ｔは非磁性導電層の平均自由行程よりも小さいことが好ましい。
【００３４】
図６に、非磁性導電層３の膜厚ｔを１ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す。図６から、非磁性導電層３の膜厚ｔが十分な磁気抵抗効果を生じさせる程度の厚さ（ここでは１ｎｍ）である場合には、非磁性導電層３の幅（素子幅）ｈを３００ｎｍ程度まで広くしても、かなり高い磁気抵抗効果が得られることがわかる。
【００３５】
図７に、非磁性導電層３の膜厚ｔを５ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す。図７から、非磁性導電層の膜厚ｔが５ｎｍと比較的厚い場合でも、非磁性導電層３の幅ｈを図５の８０ｎｍより小さくしていくことによって、有意なＭＲ変化率が得られるようになることがわかる。
【００３６】
次いで、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。
【００３７】
非磁性導電層３の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｌなどを用いることができる。
【００３８】
第１および第２の磁性層１１、１２の材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉや、これらの元素のうち少なくとも一種を含む合金、例えばＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金、ＣｏＮｉ合金、ＮｉＦｅ合金など、代表的にはＣｏ90Ｆｅ10が用いられる。第１および第２の磁性層１１、１２の膜厚は、２〜２０ｎｍ程度が好ましい。第１および第２の磁性層１１、１２の膜厚が薄すぎると、スピン偏極した電子の注入源としての機能が弱くなるので膜厚の下限は２ｎｍ程度になる。
【００３９】
これらの磁性層は非磁性導電層へスピン偏極した電子を注入するための注入源となるので、アップ電子とダウン電子の偏極率が大きいほうが好ましい。そこで、磁性層の材料として、アップ電子およびダウン電子のうち一方しか存在しないハーフメタルといわれる材料を用いることが理想的である。ハーフメタルとしては、Ｆｅ3Ｏ4、Ｃｒ2Ｏ3、ペロブスカイト酸化物系のＬａＳｒＭｎＯなど、ホイスラー合金系のＮｉＭｎＳｂなどが挙げられる。
【００４０】
また、第１および第２の磁性層１１、１２と非磁性導電層３との界面を通してスピン注入が行われるので、第１および第２の磁性層１１、１２および非磁性導電層３の材料は、シャープな界面が形成されやすい組み合わせにすることが好ましい。具体的には、第１および第２の磁性層１１、１２と非磁性導電層３とが非固溶な関係であることが好ましい。たとえば、磁性層の主元素がＣｏである場合には好ましい非磁性導電層としてＣｕ、Ａｕなど、磁性層の主元素がＮｉである場合には好ましい非磁性導電層としてＲｕ、Ａｇなどが挙げられる。
【００４１】
第１および第２の磁性層１１、１２の磁化方向を一方向に固着するためには、例えば磁性層に接して反強磁性膜を形成する。反強磁性層としては、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどのＭｎ系反強磁性層が挙げられる。反強磁性層の膜厚は１０〜２０ｎｍ程度に設定される。
【００４２】
図８に示す磁気抵抗効果素子では、第１および第２の磁性層１１、１２と電極２１、２２との間に反強磁性層３１、３２が挿入され、その他は図１および図２と同様の構造を有する。
【００４３】
図９に示すように、いわゆるシンセティックＡＦ構造（磁性層／Ｒｕ／磁性層／反強磁性層）により第１および第２磁性層１１、１２の磁化を固着させてもよい。図９に示す磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２が磁性層１１ａ、１２ａ／Ｒｕ１１ｂ、１２ｂ／磁性層１１ａ、１２ａの積層構造を有し、第１および第２の磁性層１１、１２と電極２１、２２との間に反強磁性層３１、３２が挿入され、その他は図１および図２と同様の構造を有する。
【００４４】
第１および第２の磁性層１１、１２として硬質磁性層を用い、磁化方向を一方向に固着してもよい。この場合、硬質磁性層としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金、ＦｅＰｔ合金などを用いることができる。
【００４５】
電極２１、２２の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの金属を用いることができる。
【００４６】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子に用いられる薄膜を形成するには、スパッタリング成膜装置、ＭＢＥ、イオンビームスパッタ成膜装置、ＣＶＤなどの成膜装置を用いることができる。これらの成膜装置を用いれば、非磁性導電層のような薄膜の膜厚を制御することも可能である。また、膜厚方向以外の薄膜のサイズを規定するには、リソグラフィーを用いてパターニングすればよい。具体的には、ステッパや電子ビーム描画装置などを用い、例えば非磁性導電層の幅ｈまたはトラック幅に対応する感磁領域の長さを規定することができる。
【００４７】
次いで、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図１０の磁気抵抗効果素子は、図１〜図４の磁気抵抗効果素子と異なり、第１の磁性層１１の磁化と第２の磁性層１２の磁化とを互いに逆向きに固着したものである。図１０の磁気抵抗効果素子では、図１〜図４の場合と逆向きの媒体磁界に対してそれぞれ高抵抗状態と低抵抗状態が得られる。
【００４８】
第１および第２の磁性層１１、１２の磁化は、必ずしもＡＢＳに対して垂直方向へ固着されている必要はない。例えば、図１１の磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化がＡＢＳに対して平行で同じ向きに固着されている。また、図１２の磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化がＡＢＳに対して平行で互いに逆向きに固着されている。図１１または図１２に示す磁気抵抗効果素子も、上記と同様な原理で動作する。
【００４９】
本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、基板上での薄膜の積層順序が、図１〜図４の磁気抵抗効果素子と逆、すなわち基板に近い位置に電極を積層し、基板から遠い位置に非磁性導電層を積層してもよい。このような磁気抵抗効果素子を、図１３〜図１５を参照して説明する。図１３は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をＡＢＳに平行な面で切断した断面図である。図１４は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のＡＢＳに平行な面で切断した断面と、磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図である。図１５は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図である。
【００５０】
図１３〜図１５において、基板１上に電極２１、２２が互いに離間して形成されている。電極２１、２２の間には絶縁層１５が形成されている。電極２１、２２に接するように、それぞれ第１および第２の磁性体１１、１２が互いに離間して形成されている。第１および第２の磁性体１１、１２の間も絶縁層１５によって隔てられている。第１および第２の磁性体１１、１２の側面は絶縁層１６によって絶縁されている。第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はそれぞれ実質的に固着されている。第１および第２の磁性層１１、１２に接して、その上に非磁性導電層３が形成されている。非磁性導電層３は、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２へのスピン偏極した電子の経路となる。第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に位置する非磁性導電層３の部分が外部磁界を感知する感磁領域となり、磁気ディスク１０１に形成されるトラック（トラック幅ＴＷ）上に配置される。
【００５１】
上記のように、基板に近い位置に電極を積層し、基板から遠い位置に非磁性導電層を積層した磁気抵抗効果素子は、図１６および図１７に示すように、ＡＢＳとの関係を図１４および図１５の場合から９０°回転させた配置にすることもできる。すなわち、図１４および図１５では基板上の薄膜の積層方向がＡＢＳに平行な方向であるのに対し、図１６および図１７では基板上の薄膜の積層方向がＡＢＳに垂直な方向になっているが、表面側の非磁性導電層３を磁気ディスク１０１に対向させることができる。
【００５２】
さらに、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置について説明する。
【００５３】
図１８は、上記の磁気抵抗効果素子を搭載した本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリをディスク側から見た斜視図である。磁気ヘッドアセンブリ５０は、駆動コイルを保持するボビン部を有するアクチュエータアーム５１を有し、アクチュエータアーム５１の先端にはサスペンション５２が接続されている。サスペンション５２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搭載したヘッドスライダ５３が取り付けられている。サスペンション５２上には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線６１が配線され、このリード線６１とヘッドスライダ５３に搭載された磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、リード線６１は磁気ヘッドアッセンブリ５０の電極パッド６２に接続されている。
【００５４】
図１９は、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図である。磁気記録再生装置１００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。磁気ディスク１０１は、スピンドル１０２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モータにより回転される。なお、複数の磁気ディスク１０１を備えていてもよい。図１８に示した磁気ヘッドアセンブリ５０のアクチュエータアーム５１は、磁気ディスク１０１の近傍に設けられた軸１０４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回動可能に支持される。図１８に示したように、アクチュエータアーム５１の先端にはサスペンション５２が接続され、サスペンション５２の先端にヘッドスライダ５３が取り付けられる。アクチュエータアーム５１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１０５が設けられている。ボイスコイルモータ１０５は、アクチュエータアーム５１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、アクチュエータアーム５１を回動させる。磁気ディスク１０１が回転すると、ヘッドスライダ５１のＡＢＳは磁気ディスク１０１の表面から所定量だけ浮上し、この状態で磁気ディスク１０１の記録再生が行われる。
【００５５】
このような磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置は、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる新規な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気記録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】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図２】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図３】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図４】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図５】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、ＭＲ変化率の非磁性導電層の膜厚ｔに対する依存性を示す図。
【図６】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、非磁性導電層の膜厚ｔを１ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す図。
【図７】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、非磁性導電層の膜厚ｔを５ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す図。
【図８】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図９】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１０】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１１】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１２】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１３】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１４】 図１３の磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図１５】 図１３の磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図１６】 本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図１７】 図１６の磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図１８】 本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。
【図１９】 本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【符号の説明】
１…基板、２…下地層、３…非磁性導電層、１１、１１ａ…第１の磁性層、１２、１２ａ…第２の磁性層、１５、１６…絶縁層、２１、２２…電極、３１、３２…反強磁性層、５０…磁気ヘッドアセンブリ、５１…アクチュエータアーム、５２…サスペンション、５３…ヘッドスライダ、６１…リード線、６２…電極パッド、１００…磁気記録再生装置、１０１…磁気ディスク、１０２…スピンドル、１０４…軸、１０５…ボイスコイルモータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect: GMR）を示す磁気抵抗効果素子の発見により、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）は磁気デバイスに適用しやすい構造を有するため、磁気ヘッドなどに大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
スピンバルブ膜とは、二つの強磁性層の間に非磁性層を挟み、一方の強磁性層（ピン層と称される）の磁化を反強磁性層などによって固着し、もう一方の強磁性層（フリー層と称される）の磁化を外部磁界に応答させ、ピン層とフリー層の磁化の相対角度を変化させることによって、巨大な磁気抵抗変化を得るようにしたものである。スピンバルブ膜は原理的には、ゼロ磁界のときにフリー層の磁化をトラック幅方向に向け、外部磁界によってフリー層の磁化方向が変化することによって磁気抵抗が変化するようにして動作させると、効率的な磁界検出が可能になる（特許文献１）。
【０００４】
従来、スピンバルブ膜は、膜面に平行な方向にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）型が主流であった。これに対して、膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型は、ＣＩＰ型に比べてさらに大きなＧＭＲ効果を発現するため、現在研究されている。現段階で、ＣＰＰ−スピンバルブ膜は２００Gbit/inch2（Gbpsi）以上の記録密度を実現するための本命技術と目されている。
【０００５】
高密度化を達成しようとすると、スピンバルブ膜のサイズは必然的に小さくなる。すなわち、高密度化のためには媒体に記録されるトラック幅を狭くする必要があり、それに伴ってスピンバルブ膜の感磁層であるフリー層のサイズも小さくする必要がある。例えば、２００Gbit/inch2の面記録密度のときにはトラック幅は約１００ｎｍ、５００Gbit/inch2のときにはトラック幅は約５０ｎｍ、１Tbit/inch2になると約３５ｎｍという、非常に狭い幅となる。このように、５００Gbit/inch2の超える記録密度に対応させて、従来構造のＣＰＰ−スピンバルブ膜のサイズを小さくしていくと、以下のような２つの大きな問題が生じることが予想される。
【０００６】
一つ目の問題は、フリー層におけるvortexドメインの発生である。垂直通電されるセンス電流の大きさを変化させないと仮定すると、フリー層のサイズを小さくするほどフリー層内の電流密度は大きくなるため、フリー層に電流磁界に起因するvortexドメインが発生する。フリー層にvortexドメインが発生すると、フリー層の磁化を一方向（トラック幅方向）に向けることができなくなるので、満足な磁界検出ができなくなる。こうしたvortexドメインは、約１０8Ａ／ｃｍ2程度の電流密度から発生しはじめる。いま、５００Gbit/inch2の記録密度で、３ｍＡのセンス電流を通電すると仮定すると、電流密度は１．２×１０8Ａ／ｃｍ2となり、vortexドメインが発生する。この場合、vortexドメインが生じないようにセンス電流を１ｍＡ程度に小さくするのは、信号の出力電圧（＝電流×抵抗変化量）の低下を招くため、有効な対策とはならない。
【０００７】
従来のＣＰＰ−スピンバルブ膜の二つ目の問題点として、スピントランスファートルク現象の影響が考えられる（例えば、非特許文献１参照）。非磁性層を挟んだ２つの磁性層を有する素子のサイズ（一辺）を１００ｎｍ以下とし、１０7〜１０8Ａ／ｃｍ2の電流密度で垂直方向に通電すると、一方の磁性層のスピントルクがもう一方の磁性層に伝播してその磁性層の磁化方向を変化させるという現象が観測される。ＣＰＰ−スピンバルブ膜でスピントランスファートルク現象が生じるということは、媒体による外部磁界がゼロであったとしても、センス電流の通電によってフリー層の磁化方向が変化してしまうことを意味する。つまり、スピンバルブ動作原理である、媒体磁界によってフリー層磁化方向を変化させて抵抗変化量をみるという、正常なスピンバルブ動作を実現することが困難になってしまう。５００Gbit/inch2以上の記録密度に対応するＣＰＰ−スピンバルブ膜は、素子サイズおよび電流密度ともにスピントランスファートルクによる影響が十分にでてくる領域なので、その動作が阻害される。
【０００８】
以上のように、素子サイズの小さいＣＰＰ−スピンバルブ構造では、vortexドメインおよびスピントランスファートルクという２つの問題の発生により、５００Gbit/inch2以上の記録密度に対応することは困難である。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５２０６５９０号明細書
【００１０】
【非特許文献１】
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159 (1996) L1-L7
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる新規な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気記録再生装置を提供することにある。
【００１２】
【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、非磁性導電層と、それぞれ前記非磁性導電層の膜面に接し、互いに離間して設けられ、磁化方向が実質的に固着された第１および第２の磁性層とを具備し、前記非磁性導電層はＣｕからなり、膜厚が０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記非磁性導電層の前記第１および第２の磁性層間に位置する部分は、一方の磁性層から他方の磁性層へのスピン偏極した電子の経路であり、感磁領域として規定されることを特徴とする。
【００１３】
上記磁気抵抗効果素子において、前記第１および第２の磁性層間に位置する前記非磁性導電層の感磁領域の長さは１００ｎｍ以下に設定される。
【００１４】
本発明の他の態様に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明のさらに他の態様に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記磁気ヘッドとを有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来技術のスピンバルブ膜の問題点が軟磁性フリー層に存在に起因したものであることを考慮し、フリー層を用いることなく磁気抵抗効果を発揮できる素子の構成を検討した。実質上磁化方向が動くことのない磁性層を用いているかぎりは、vortexドメインやスピントランスファートルクによる問題は避けることができる。この際、本発明者らは、５００Gbit/inch2以上の高記録密度に対応できる磁気抵抗効果素子のディメンションが、量子効果を生じさせる物理領域であることに着目し、外部磁界を感知する伝導電子が流れる非磁性導電層を感磁領域として用いることを検討した。この場合、非磁性導電層を流れる伝導電子では、磁性層中を流れる伝導電子よりもはるかに高感度に外部磁界の変化を感知できると期待される。これは、磁性層中を流れる伝導電子のスピン情報に関しては、外部磁界による伝導電子へのスピン情報への影響よりも、その磁性層の磁化方向に起因したスピン情報の方がはるかに大きいため、磁性層中の伝導電子は外部磁界による変化を実質的に感知できないからである。
【００１７】
上記のように非磁性導電層を感磁領域として用いるのに適した素子が満たすべき構造的な要件は以下のようにまとめられる。
【００１８】
第１に、伝導電子がアップまたはダウンのスピン情報をもっていることが必要である。なぜなら、伝導電子がスピン情報をもっていなければ、外部磁界の変化を伝導電子が感知することができないからである。
【００１９】
第２に、感磁領域として用いられる非磁性導電層は磁性層と接していなければならない。これは以下のような理由による。通常、非磁性層を流れる伝導電子はスピン情報が平均化され、アップまたはダウンのいずれかの情報に偏ることがないので、アップまたはダウンのスピン情報をもった伝導電子を非磁性導電層に注入する必要がある。そのためには、アップスピン、もしくはダウンスピンのうちどちらかを多くもった（つまり、スピン情報をもった）伝導電子をもつ磁性層が、非磁性導電層に接している必要がある。
【００２０】
第３に、非磁性導電層は前記磁性層（第１の磁性層）とは別の磁性層（第２の磁性層）と接していなければならない。これは、非磁性導電層（感磁領域）において外部磁界により伝導電子のスピン情報がいくら変化したとしても、電気抵抗の変化は生じにくいため、スピン情報をもった伝導電子をあるスピン情報をもつ磁性層に再注入する必要があるからである。非磁性導電層から第２の磁性層にスピン情報をもつ伝導電子が再注入される段階で、スピン情報がアップかダウンかによって電気抵抗が変化し、磁気抵抗効果が生じる。
【００２１】
すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、互いに離間して設けられ、磁化方向が実質的に固着された第１および第２の磁性層と、一方の磁性層から他方の磁性層へのスピン偏極した電子の経路として第１および第２の磁性層に接して形成され、第１および第２の磁性層間に位置する部分が感磁領域として規定される非磁性導電層とを有する。
【００２２】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を、図１〜図４を参照して説明する。図１および図２は、磁気記録媒体再生用の再生ヘッドに適用した本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をＡＢＳ（媒体対向面）に平行な面で切断した断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のＡＢＳ（媒体対向面）に平行な面で切断した断面と、磁気記録媒体（磁気ディスク）のトラックとの位置関係を説明する図である。図４は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気記録媒体（磁気ディスク）を鉛直な面で切断した断面図である。
【００２３】
図１および図２に示すように、基板１上にＡｌ2Ｏ3の下地層２が形成され、下地層２上に膜厚０．５〜５ｎｍのＣｕからなる非磁性導電層３が形成される。非磁性導電層３上にはこの非磁性導電層３に接して例えばＣｏ90Ｆｅ10からなる第１の磁性層１１および第２の磁性層１２が形成され、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間は互いに離間している。第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はそれぞれ実質的に固着されている。ここでは、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はいずれもＡＢＳから上向きに固着されている例を示している。非磁性導電層３は、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２へのスピン偏極した電子の経路となる。第１の磁性層１１上には電極２１が、第２の磁性層１２上には電極２２がそれぞれ形成されている。
【００２４】
ここで下地層２はＡｌ2Ｏ3以外の材料であっても構わない。たとえば、絶縁性材料として、ＳｉＯ2などの他の酸化物材料を用いてもよい。また下地層２と非磁性導電層３の間に、バッファ層や配向シード層を用いてもよい。たとえば、シード層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗなどを含む合金材料や、酸化物、窒化物を用いてもよい。また、シード層として、ｆｃｃやｈｃｐの金属材料を用いてもよい。
【００２５】
図３および図４に示すように、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に位置する非磁性導電層３の部分が外部磁界を感知する感磁領域となり、磁気ディスク１０１に形成されるトラック（トラック幅ＴＷ）上に配置される。感磁領域の長さは、トラック幅に対応して決定されるが、１００ｎｍ以下、さらに１０〜１００ｎｍに設定することが望ましい。図３および図４に示すように、非磁性導電層３について、膜厚をｔ、幅（感磁領域の長さ方向に直交する幅）をｈとする。非磁性導電層３の幅ｈは１０〜３００ｎｍ程度、さらに１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２６】
図１および図２を参照して本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を説明する。図１は外部磁界情報が“０”（上向き）、図２は外部磁界情報が“１”（下向き）の場合を示している。
【００２７】
センス電流は電極２１から第１の磁性層１１を通して非磁性導電層３へ通電される。この結果、第１の磁性層１１からスピン偏極した伝導電子が非磁性導電層３へ注入される。伝導電子は非磁性導電層３の感磁領域を通過し、この領域において外部磁界を感知する。
【００２８】
図１の場合には外部磁界情報が“０”であり、第１の磁性層１１の磁化と向きが同じなので、伝導電子はスピン情報の変化を受けることなく非磁性導電層３の感磁領域を通過する。また、第２の磁性層１２の磁化方向も第１の磁性層１１の磁化方向と一致しているため、伝導電子のスピン情報は全く変化することなく、非磁性導電層３から第２の磁性層１２へ伝導電子が注入される。つまり、スピン情報に何の変化もないので電気抵抗は小さい状態となる。この場合、“０”状態の外部磁界情報を、電気抵抗が小さい状態として検知したことになる。
【００２９】
図２の場合には外部磁界情報が“１”であり、第１の磁性層１１の磁化と向きが逆なので、伝導電子が非磁性導電層３の感磁領域を通過する間に外部磁界によってスピンの向きが変化を受ける。極端な場合には、外部磁界によってスピンの向きが完全に反転する。つまり、非磁性導電層３から伝導電子のスピンの向きと、第２の磁性層１２中のスピンの向きとが、完全に逆向きになる。この状態では、非磁性導電層３から第２の磁性層１２へ伝導電子が注入されるときに、非磁性導電層３と第２の磁性層１２との界面においてスピンが反転しなければならないため、電気抵抗が大きくなる。この場合、“１”状態の外部磁界情報を、電気抵抗が大きい状態として検知したことになる。
【００３０】
図１および図２を参照して説明したように、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化の向きは外部磁界によって実質的に変化しないにもかかわらず、素子の電気抵抗は外部磁界によって低抵抗状態と高抵抗状態の二つの状態に変化する。これが、動作原理に関して、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が従来のスピンバルブ膜と決定的に異なる点である。つまり、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁性層として、磁化方向が外部磁界によって実質的に変化しないように硬く磁化固着された第１および第２の磁性層１１、１２のみを含み、外部磁界によって磁化方向が変化する感磁磁性層（フリー層）を持たない。このため、従来技術の問題点であった、フリー層におけるvortexドメインの発生やスピントランスファートルク現象の影響を受けないという大きなメリットが得られる。
【００３１】
以上のように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は図１〜図４に示した単純な構成で磁気抵抗効果を検出できるようにしたものであり、従来技術の薄ピンバルブ膜から容易に予想できるものではない。
【００３２】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の物理ディメンションについて説明する。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の効果を考慮した場合、重要な物理ディメンションとして、図３に示した非磁性導電層３の膜厚ｔおよび図４に示した非磁性導電層３の幅ｈの２つが挙げられる。
【００３３】
図５に、ＭＲ変化率の非磁性導電層３の膜厚ｔに対する依存性を示す。この測定は、非磁性導電層３の材料としてＣｕを用い、非磁性導電層３の幅ｈを８０ｎｍに設定した磁気抵抗効果素子で行った。図５に示されるように、非磁性導電層３の膜厚ｔが５ｎｍよりも厚い場合には有意なＭＲ変化率が得られていない。このことから、感磁領域となる非磁性導電層３の膜厚ｔは重要なパラメータであることがわかる。非磁性導電層３の膜厚ｔは非磁性導電層の平均自由行程よりも小さいことが好ましい。
【００３４】
図６に、非磁性導電層３の膜厚ｔを１ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す。図６から、非磁性導電層３の膜厚ｔが十分な磁気抵抗効果を生じさせる程度の厚さ（ここでは１ｎｍ）である場合には、非磁性導電層３の幅（素子幅）ｈを３００ｎｍ程度まで広くしても、かなり高い磁気抵抗効果が得られることがわかる。
【００３５】
図７に、非磁性導電層３の膜厚ｔを５ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す。図７から、非磁性導電層の膜厚ｔが５ｎｍと比較的厚い場合でも、非磁性導電層３の幅ｈを図５の８０ｎｍより小さくしていくことによって、有意なＭＲ変化率が得られるようになることがわかる。
【００３６】
次いで、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。
【００３７】
非磁性導電層３の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｌなどを用いることができる。
【００３８】
第１および第２の磁性層１１、１２の材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉや、これらの元素のうち少なくとも一種を含む合金、例えばＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金、ＣｏＮｉ合金、ＮｉＦｅ合金など、代表的にはＣｏ90Ｆｅ10が用いられる。第１および第２の磁性層１１、１２の膜厚は、２〜２０ｎｍ程度が好ましい。第１および第２の磁性層１１、１２の膜厚が薄すぎると、スピン偏極した電子の注入源としての機能が弱くなるので膜厚の下限は２ｎｍ程度になる。
【００３９】
これらの磁性層は非磁性導電層へスピン偏極した電子を注入するための注入源となるので、アップ電子とダウン電子の偏極率が大きいほうが好ましい。そこで、磁性層の材料として、アップ電子およびダウン電子のうち一方しか存在しないハーフメタルといわれる材料を用いることが理想的である。ハーフメタルとしては、Ｆｅ3Ｏ4、Ｃｒ2Ｏ3、ペロブスカイト酸化物系のＬａＳｒＭｎＯなど、ホイスラー合金系のＮｉＭｎＳｂなどが挙げられる。
【００４０】
また、第１および第２の磁性層１１、１２と非磁性導電層３との界面を通してスピン注入が行われるので、第１および第２の磁性層１１、１２および非磁性導電層３の材料は、シャープな界面が形成されやすい組み合わせにすることが好ましい。具体的には、第１および第２の磁性層１１、１２と非磁性導電層３とが非固溶な関係であることが好ましい。たとえば、磁性層の主元素がＣｏである場合には好ましい非磁性導電層としてＣｕ、Ａｕなど、磁性層の主元素がＮｉである場合には好ましい非磁性導電層としてＲｕ、Ａｇなどが挙げられる。
【００４１】
第１および第２の磁性層１１、１２の磁化方向を一方向に固着するためには、例えば磁性層に接して反強磁性膜を形成する。反強磁性層としては、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどのＭｎ系反強磁性層が挙げられる。反強磁性層の膜厚は１０〜２０ｎｍ程度に設定される。
【００４２】
図８に示す磁気抵抗効果素子では、第１および第２の磁性層１１、１２と電極２１、２２との間に反強磁性層３１、３２が挿入され、その他は図１および図２と同様の構造を有する。
【００４３】
図９に示すように、いわゆるシンセティックＡＦ構造（磁性層／Ｒｕ／磁性層／反強磁性層）により第１および第２磁性層１１、１２の磁化を固着させてもよい。図９に示す磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２が磁性層１１ａ、１２ａ／Ｒｕ１１ｂ、１２ｂ／磁性層１１ａ、１２ａの積層構造を有し、第１および第２の磁性層１１、１２と電極２１、２２との間に反強磁性層３１、３２が挿入され、その他は図１および図２と同様の構造を有する。
【００４４】
第１および第２の磁性層１１、１２として硬質磁性層を用い、磁化方向を一方向に固着してもよい。この場合、硬質磁性層としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金、ＦｅＰｔ合金などを用いることができる。
【００４５】
電極２１、２２の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの金属を用いることができる。
【００４６】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子に用いられる薄膜を形成するには、スパッタリング成膜装置、ＭＢＥ、イオンビームスパッタ成膜装置、ＣＶＤなどの成膜装置を用いることができる。これらの成膜装置を用いれば、非磁性導電層のような薄膜の膜厚を制御することも可能である。また、膜厚方向以外の薄膜のサイズを規定するには、リソグラフィーを用いてパターニングすればよい。具体的には、ステッパや電子ビーム描画装置などを用い、例えば非磁性導電層の幅ｈまたはトラック幅に対応する感磁領域の長さを規定することができる。
【００４７】
次いで、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図１０の磁気抵抗効果素子は、図１〜図４の磁気抵抗効果素子と異なり、第１の磁性層１１の磁化と第２の磁性層１２の磁化とを互いに逆向きに固着したものである。図１０の磁気抵抗効果素子では、図１〜図４の場合と逆向きの媒体磁界に対してそれぞれ高抵抗状態と低抵抗状態が得られる。
【００４８】
第１および第２の磁性層１１、１２の磁化は、必ずしもＡＢＳに対して垂直方向へ固着されている必要はない。例えば、図１１の磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化がＡＢＳに対して平行で同じ向きに固着されている。また、図１２の磁気抵抗効果素子は、第１および第２の磁性層１１、１２の磁化がＡＢＳに対して平行で互いに逆向きに固着されている。図１１または図１２に示す磁気抵抗効果素子も、上記と同様な原理で動作する。
【００４９】
本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、基板上での薄膜の積層順序が、図１〜図４の磁気抵抗効果素子と逆、すなわち基板に近い位置に電極を積層し、基板から遠い位置に非磁性導電層を積層してもよい。このような磁気抵抗効果素子を、図１３〜図１５を参照して説明する。図１３は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をＡＢＳに平行な面で切断した断面図である。図１４は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のＡＢＳに平行な面で切断した断面と、磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図である。図１５は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図である。
【００５０】
図１３〜図１５において、基板１上に電極２１、２２が互いに離間して形成されている。電極２１、２２の間には絶縁層１５が形成されている。電極２１、２２に接するように、それぞれ第１および第２の磁性体１１、１２が互いに離間して形成されている。第１および第２の磁性体１１、１２の間も絶縁層１５によって隔てられている。第１および第２の磁性体１１、１２の側面は絶縁層１６によって絶縁されている。第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化方向はそれぞれ実質的に固着されている。第１および第２の磁性層１１、１２に接して、その上に非磁性導電層３が形成されている。非磁性導電層３は、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２へのスピン偏極した電子の経路となる。第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に位置する非磁性導電層３の部分が外部磁界を感知する感磁領域となり、磁気ディスク１０１に形成されるトラック（トラック幅ＴＷ）上に配置される。
【００５１】
上記のように、基板に近い位置に電極を積層し、基板から遠い位置に非磁性導電層を積層した磁気抵抗効果素子は、図１６および図１７に示すように、ＡＢＳとの関係を図１４および図１５の場合から９０°回転させた配置にすることもできる。すなわち、図１４および図１５では基板上の薄膜の積層方向がＡＢＳに平行な方向であるのに対し、図１６および図１７では基板上の薄膜の積層方向がＡＢＳに垂直な方向になっているが、表面側の非磁性導電層３を磁気ディスク１０１に対向させることができる。
【００５２】
さらに、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置について説明する。
【００５３】
図１８は、上記の磁気抵抗効果素子を搭載した本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリをディスク側から見た斜視図である。磁気ヘッドアセンブリ５０は、駆動コイルを保持するボビン部を有するアクチュエータアーム５１を有し、アクチュエータアーム５１の先端にはサスペンション５２が接続されている。サスペンション５２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搭載したヘッドスライダ５３が取り付けられている。サスペンション５２上には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線６１が配線され、このリード線６１とヘッドスライダ５３に搭載された磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、リード線６１は磁気ヘッドアッセンブリ５０の電極パッド６２に接続されている。
【００５４】
図１９は、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図である。磁気記録再生装置１００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。磁気ディスク１０１は、スピンドル１０２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モータにより回転される。なお、複数の磁気ディスク１０１を備えていてもよい。図１８に示した磁気ヘッドアセンブリ５０のアクチュエータアーム５１は、磁気ディスク１０１の近傍に設けられた軸１０４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回動可能に支持される。図１８に示したように、アクチュエータアーム５１の先端にはサスペンション５２が接続され、サスペンション５２の先端にヘッドスライダ５３が取り付けられる。アクチュエータアーム５１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１０５が設けられている。ボイスコイルモータ１０５は、アクチュエータアーム５１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、アクチュエータアーム５１を回動させる。磁気ディスク１０１が回転すると、ヘッドスライダ５１のＡＢＳは磁気ディスク１０１の表面から所定量だけ浮上し、この状態で磁気ディスク１０１の記録再生が行われる。
【００５５】
このような磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置は、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、５００Gbit/inch2以上の高密度記録に対応できる新規な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気記録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】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図２】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図３】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図４】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図５】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、ＭＲ変化率の非磁性導電層の膜厚ｔに対する依存性を示す図。
【図６】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、非磁性導電層の膜厚ｔを１ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す図。
【図７】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、非磁性導電層の膜厚ｔを５ｎｍとしたときの、ＭＲ変化率の非磁性導電層の幅ｈに対する依存性を示す図。
【図８】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図９】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１０】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１１】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１２】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１３】 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を媒体対向面に平行な面で切断した断面図。
【図１４】 図１３の磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図１５】 図１３の磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図１６】 本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ディスクを鉛直な面で切断した断面図。
【図１７】 図１６の磁気抵抗効果素子と磁気ディスクのトラックとの位置関係を説明する図。
【図１８】 本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。
【図１９】 本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【符号の説明】
１…基板、２…下地層、３…非磁性導電層、１１、１１ａ…第１の磁性層、１２、１２ａ…第２の磁性層、１５、１６…絶縁層、２１、２２…電極、３１、３２…反強磁性層、５０…磁気ヘッドアセンブリ、５１…アクチュエータアーム、５２…サスペンション、５３…ヘッドスライダ、６１…リード線、６２…電極パッド、１００…磁気記録再生装置、１０１…磁気ディスク、１０２…スピンドル、１０４…軸、１０５…ボイスコイルモータ。
Claims (8)
- 非磁性導電層と、それぞれ前記非磁性導電層の膜面に接し、互いに離間して設けられ、磁化方向が実質的に固着された第１および第２の磁性層とを具備し、
前記非磁性導電層はＣｕからなり、膜厚が０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記非磁性導電層の前記第１および第２の磁性層間に位置する部分は、一方の磁性層から他方の磁性層へのスピン偏極した電子の経路であり、感磁領域として規定されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１および第２の磁性層間に位置する前記非磁性導電層の感磁領域の長さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性導電層の感磁領域の長さ方向に直交する幅が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１および第２の磁性層がＣｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１および第２の磁性層に接してそれぞれ反強磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１および第２の磁性層がＣｏを含む硬質磁性層から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。
- 磁気記録媒体と、請求項７に記載の磁気ヘッドとを有することを特徴とする磁気記録再生装置。
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