WO2001099206A1 - Dispositif a resistance magnetique, tete a resistance magnetique comprenant ce dispositif et appareil d'enregistrement/reproduction magnetique - Google Patents

Dispositif a resistance magnetique, tete a resistance magnetique comprenant ce dispositif et appareil d'enregistrement/reproduction magnetique Download PDF

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Yasuhiro Kawawake
Yasunari Sugita
Hiroshi Sakakima
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • G11B2005/3996—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects large or giant magnetoresistive effects [GMR], e.g. as generated in spin-valve [SV] devices

Definitions

  • Magnetoresistive element Magnetoresistive head and magnetic recording / reproducing device using the same
  • the present invention relates to a magnetoresistive element, a magnetoresistive head using the same, and a magnetic recording / reproducing device, for example, a hard disk device.
  • a spin-valve MR element In a spin-valve MR element, two ferromagnetic layers are arranged via a nonmagnetic layer, and the magnetization direction of one ferromagnetic layer (pinned layer) is exchanged by a magnetization rotation suppression layer (pinning layer). It is fixed by a bias magnetic field (the ferromagnetic layer and the magnetization rotation suppressing layer are called exchange coupling films). Then, since the magnetization direction of the other ferromagnetic layer (free layer) changes according to the external magnetic field, the relative angle between the magnetization directions of the fixed layer and the free layer changes. This change in relative angle is detected as a change in the electric fan.
  • a spin valve type MR element using a Ni—Fe film as a magnetic layer, a Cu film as a nonmagnetic layer, and an Fe—Mn film as a magnetization rotation suppressing layer is known.
  • the magnetoresistance ratio (MR ratio) is about 2% (Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, plOl, 1991).
  • PtMn and NiMn-based materials are used in hard disk reproduction magnetic heads because those using FeMn as the magnetization rotation suppressing layer have a small MR ratio and also lack corrosion resistance.
  • NiO or o from devices using -Fe 2 0 3 oxide such as the magnetization rotation suppressing layer, MR ratio of 15% or more have been obtained.
  • TMR Tunneling Magnetoresistance
  • the problem with TMR elements is that if the element area is extremely limited with the progress of high-density magnetic recording, the resistance of the element becomes too high. .
  • the present invention proposes to use a so-called CPP-GMR (Current Perpendicular to the Plane) element to cope with a further increase in magnetic recording density.
  • the CPP-GMR element allows current to flow in the direction perpendicular to the film surface, while the conventional GMR element allows current to flow in the film surface (CIP, Current in Plane).
  • the MR element of the present invention includes a first magnetic layer (free layer), a nonmagnetic layer, and a second magnetic layer (fixed layer) laminated on the first magnetic layer via the nonmagnetic layer.
  • the resistance of the element does not become too high even if the element area is limited. Therefore, a large output can be obtained even in a narrow magnetic gap.
  • main component refers to a component that accounts for 80 atom% or more.
  • the metal having a specific resistance in the above range preferably accounts for 95 atom% or more of the nonmagnetic layer.
  • the present invention also provides an MR head having the above MR element and a magnetic shield. This magnetic shield is provided to shield an external magnetic field flowing into the MR element from other than the magnetic recording medium. Further, the present invention also provides a magnetic recording / reproducing apparatus having the above MR head and a magnetic recording medium for recording / reproducing information with the MR head.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the magnetic resistance effect element of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a change in exchange interaction between magnetic layers as the thickness of the nonmagnetic layer increases.
  • FIG. 4 is a perspective view showing one embodiment of the magnetoresistive head of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a conventional magnetoresistive head using an MR element.
  • FIG. 6 is a plan view of one embodiment of the magnetic information recording / reproducing apparatus of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of one embodiment of the magnetic information recording / reproducing apparatus of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the device manufactured in Example 1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the device manufactured in Example 2.
  • the MR element includes a lower electrode 5, a magnetization rotation suppressing layer 4, a fixed layer 3, a nonmagnetic layer 2, a free layer 1, and an upper electrode 6, which are sequentially stacked. Having a multilayer film.
  • the magnetization of the fixed layer 3 is pinned by the exchange bias magnetic field by the magnetization rotation suppressing layer 4.
  • the free layer 1, which is another ferromagnetic material, is magnetically separated from the fixed layer 3 by the nonmagnetic layer 2. For this reason, the magnetization of the free layer rotates more easily than the magnetization of the fixed layer due to an external magnetic field.
  • the electrical resistance of the element in the direction perpendicular to the film surface changes with the relative change in the angle of magnetization between the fixed layer 3 and the free layer 1 that changes according to the external magnetic field. This change in electrical resistance can be read as a change in electrical signal when a current is passed between the electrodes 5 and 6.
  • the CPP-GMR element is used by passing a current for sensing in the direction perpendicular to the film surface.
  • the specific resistance of conventionally used metal materials such as Cu and Ag is less than 2 ⁇ -cm, which is too small as a material for the non-magnetic layer of a device that passes current vertically.
  • the material used for the nonmagnetic layer of the element that allows current to flow perpendicular to the film surface preferably has a specific resistance of ⁇ -cm or more.
  • the specific resistance of the material for the non-magnetic layer is somewhat low.
  • the specific resistances of Co and Fe used as the material for the magnetic layer are about 5.6 and 10. ⁇ 'cm, respectively.
  • the material for the non-magnetic layer has a specific resistance of about twice this, that is, Those having are particularly suitable.
  • the specific resistance of the metal used for the nonmagnetic layer is described based on the bulk state.
  • a metal thin film that is thin enough to be used for a magnetoresistive element usually has a specific resistance that is two to several times that of a metal pulp made of the same material, but this value depends on conditions such as the film thickness. Therefore, in order to clearly identify the appropriate metal material, the resistivity is described here based on the bulk state.
  • the thickness of the non-magnetic layer 2 is preferably in a range where the exchange interaction between the free layer 1 and the fixed layer 3 via the non-magnetic layer is weak, and particularly preferably in a range where the exchange interaction is almost zero. Therefore, the thickness of the nonmagnetic layer is preferably at least 1.2 nm, particularly preferably at least 2 nm. On the other hand, in consideration of the electron spin diffusion length, the thickness of the nonmagnetic layer is preferably 20 nm or less, particularly 10 nm or less in order not to lower the MR ratio.
  • the exchange interaction between the magnetic layers is attenuated while reciprocating between ferromagnetic (parallel magnetization) and antiferromagnetic (parallel magnetization) as the thickness of the nonmagnetic layer increases.
  • the magnetic coupling force (H coupling) between the magnetic layers due to the exchange interaction changes with the ferromagnetic coupling as the thickness (T) of the nonmagnetic layer increases. It gradually attenuates while changing between ferromagnetic coupling.
  • the magnetic coupling force (H coupling) between the free layer and the fixed layer is 20% or less of the absolute value of the magnetic coupling force when the antiferromagnetic property is the highest (IH coupling I ⁇ 0.2 XI—pi), and preferably the thickness of the nonmagnetic layer is determined so as to have an absolute value of 10% or less.
  • the magnetic coupling force is indicated as positive for ferromagnetic and negative for antiferromagnetic.
  • the indirect exchange interaction is more preferably 0 or antiferromagnetic within a range satisfying the above conditions.
  • the area of the non-magnetic layer is suitably O.Ol m 2 or less.
  • the area of the surface through which the current for sensing (sense current) passes is defined as the area of the nonmagnetic layer.
  • the resistance becomes too high.
  • the area of the non-magnetic layer is more preferably 0.008 .pi.1 2 or less, particularly good Mashiku is 0.005 m 2 or less.
  • the area of the non-magnetic layer is suitably O.OOOl m 2 or more.
  • the metal constituting the main component of the nonmagnetic layer may be a simple metal or an alloy.
  • the nonmagnetic layer is Be, Bi, Cr, Hf, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb Os, Pd, Pt, Re, Ru, Rh, Sb, Se, Ta, Th, Ti, Tl, V, It may contain at least one selected from W, Y and Zr. Further, alloys between the metals exemplified herein or between the exemplified metals and other metals may be used.
  • a particularly preferred non-magnetic metal material is Cr.
  • Cr has a high specific resistance of 12.8 H ⁇ -cm; the Fe / Cr multilayer shows a large magnetoresistance change. Therefore, when the nonmagnetic layer mainly contains Cr, the magnetic layer preferably contains Fe.
  • the magnetic layer preferably contains Fe.
  • at least one of the free layer and the pinned layer is composed of one or more magnetic layers, More preferably, the magnetic film in contact with the nonmagnetic layer contains Fe as a main component.
  • the device shown in FIG. 1 uses a magnetic layer having a two-layer structure.
  • a plurality of magnetic layers it is possible to realize a preferable combination with the material of the non-magnetic layer, while taking into consideration other characteristics, for example, the soft magnetism of the magnetic layer.
  • the nonmagnetic layer 2 contains Cr as a main component
  • the free layer 1 uses an Fe film as the interfacial magnetic layer 102, and the magnetic layer 101 as a film made of a material that is softer than Fe, for example, It is preferable to use a Ni-Fe film or a Ni-Fe-Co film.
  • the pinned layer 3 also uses an Fe film as the interfacial magnetic layer 301, and uses Co, Co-Fe, Ni- as the magnetic layer 302 to reinforce the magnetization rotation suppressing effect of the magnetization rotation suppressing layer 4.
  • a magnetic film such as a Fe, Ni'Fe-Co film may be used.
  • nonmagnetic layers are Ir, Ru and Rh.
  • the magnetic layer mainly contains at least one selected from Ir, Hu and Rh
  • the magnetic layer preferably contains Fe, Co and Ni or an alloy thereof.
  • a non-magnetic layer containing at least one selected from Ir, Ru and is used at least one selected from a free layer and a fixed layer is composed of one or more magnetic films, and More preferably, the magnetic film in contact with the layer contains at least one selected from Fe, Co and Ni as a main component.
  • the fixed layer 3 As the fixed layer 3, a pair of ferromagnetic films antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer, a so-called laminated ferri-type fixed layer may be used. This increases the effect of pinning the magnetization of the fixed layer. In addition, since the magnetization of the fixed layer is partially canceled and the magnetic flux leaking from the fixed layer to the free layer is reduced, the leakage magnetic field can be adjusted.
  • the film thickness of each ferromagnetic layer is appropriately 1 to 3 nm.
  • Ru, Ir, or the like is appropriate. The thickness of this nonmagnetic layer is preferably 0.3 to 1.2 nm.
  • PtMn, NiMn, PdPtMn. CrMn, FeMn Etc. can be used.
  • the materials of the electrodes 5 and 6 are not particularly limited, and Cu or the like conventionally used may be used.
  • the substrate for forming the respective films glass, MgO, Si, Al 2 0 3 -TiC substrate like surface may be used as smooth.
  • Al 2 0 3 -TiC substrate is suitable.
  • a magnetic shield or the like is appropriately formed between the substrate and each of the above thin films according to the application.
  • an underlayer may be interposed between the substrate and the magnetic rotation suppressing layer for the purpose of improving the characteristics of the magnetization rotation suppressing layer.
  • the underlayer Ta, NiFe, NiFeCr alloy, a laminated film thereof, or the like can be used.
  • the appropriate thickness of the underlayer is 1 to about 10 nm.
  • the multilayer film shown in FIG. 1 may be stacked upside down (in order from the free layer 1 side) instead of being stacked from below in the figure.
  • the method for forming each layer is not particularly limited, but a sputtering method is suitable.
  • a sputtering method any method such as a DC sputtering method, an RF sputtering method, and an ion beam sputtering method may be used.
  • the present invention is also applicable to a device employing a configuration in which a fixed layer is used on both sides of a free layer.
  • the interface magnetic layer 102 (301) may be provided on the free layer 1 (fixed layer 3) in contact with the nonmagnetic layer 2.
  • FIG. 4 shows an example of an MR head using the above-described magnetoresistive element of the present invention.
  • the MR element 100 is sandwiched between an upper magnetic shield (common shield) 13 and a lower magnetic shield 16. These magnetic shields are provided so that an external magnetic field from outside the medium does not affect the element.
  • Shi — Suitable magnetic materials are soft magnetic films such as Ni-Fe, Fe-Al-Si and Co-Nb'Zr alloys.
  • the magnetic shields 13 and 16 also function as electrodes for passing current to the element.
  • An insulating film 18 is arranged between the two electrodes except for the MR element.
  • a conductive spacer 20 may be interposed between the MR element and the shield.
  • the MR element 100 and the conductive spacer 20 constitute a reproducing gap 17.
  • On the common shield 13, a non-magnetic layer 14 and an upper core 12 constituting a recording gap are further laminated in order. These members together with the coil 11 constitute a recording head.
  • an insulating film 18 is interposed between the MR element 200 and the magnetic shields 13 and 16 as a shield gap material.
  • the insulating film 18 needs to be electrically insulated from the shield member.
  • the conductive spacer 20 is not essential. Therefore, if it is necessary to further reduce the reproduction gap 17, the spacer may be thinned or removed.
  • the insulating film 18 is required to have a certain thickness or more in order to secure electrical insulation. For this reason, there is a limit to narrowing the reproduction gap 17.
  • the MR head of the present invention is advantageous in narrowing the magnetic gap.
  • the hard disk drive 110 using the MR head includes a slider 120 for holding the MR head and a head support mechanism for supporting the slider. 130, an actuator 1-14 that tracks the MR head via the head support mechanism, and a disk drive motor 112 that rotates the disk 116.
  • the head support mechanism 130 has an arm 122 and a suspension 124.
  • the disk drive module 1 1 2 rotates the disk 1 16 at a predetermined speed.
  • Actuator 1114 moves the slider 120 holding the MR head in the radial direction of the disk 116 so that the MR head can access the specified data track on the disk 116.
  • the actuators 114 are, for example, linear or rotary voice coil motors.
  • the slider 120 holding the MR head is, for example, an air bearing slider.
  • the slider 120 comes into contact with the surface of the disk 116 when the hard disk device 110 starts and stops.
  • the slider 120 is maintained on the surface of the disk 116 by the air bearing formed between the rotating disk 116 and the slider 120. You.
  • the MR head held by the slider 120 records and reproduces information on the disk 116.
  • a magnetoresistive element having the configuration shown in FIG. 8 was produced.
  • Substrate 7 is made of Si, Cu film as lower electrode 5 (also serving as underlayer), Pt-Mn film as magnetization rotation suppressing layer 4, Co-Fe film as fixed magnetic layer 302, interface magnetic layer
  • An Fe film was formed as 301, 102, a Cr film as nonmagnetic layer 2, a Ni-Fe film as soft magnetic layer 101, and a Cu film as upper electrode 6.
  • Sputtering method after evacuating the vacuum chamber in one to less than l X 10- 8 Torr, having conducted while flowing to the Ar gas is about 0.8RaTorr.
  • the magnetic coupling due to the exchange interaction when Cr is used as the nonmagnetic layer is attenuated while oscillating between the ferromagnetic coupling and the antiferromagnetic coupling as illustrated in FIG. It is known.
  • the thickness of the Cr film is 2 nm, the magnetic coupling is close to zero.
  • the elements A and B were used to construct the MR head shown in Fig. 4, and the characteristics were evaluated.
  • Al 2 O 3 as the substrate -..
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, an MR element having the structure shown in FIG. 9 was produced. However, although the fixed layer 3 is shown as a single layer, a stacked ferrimagnetic fixed layer of CoFeZRuZCoFe was used. Substrate 7 is a glass substrate, lower electrode 5 and upper electrode 6 are Cu films, magnetization rotation suppressing layer 4 is a Ni-Mn alloy film, nonmagnetic layer 2 is Ru film, and free layer 1 is Coo.gFe alloy. Was. No interface magnetic layer was formed. The film configuration of this element is shown below. And elements C:....
  • a magnetoresistive head magnetic information recording / reproducing apparatus using this MR element is a device that can support high-density recording.

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Description

明 細 書 磁気抵抗効果素子とこれを用いた磁気抵抗効果型へッド及び磁気記録 再生装置 技術分野
本発明は、 磁気抵抗効果素子と、 これを用いた磁気抵抗効果型ヘッド 及び磁気記録再生装置、 例えばハードディスク装置、 に関するものであ る。
背景技術
近年、ハードディスクドライブにおける磁気記録の高密度化は著しく、 これに対応して再生磁気ヘッドも著しく進歩している。 特に、 巨大磁気 抵抗効果 （GMR) を利用したスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子 （MR 素子） を用いると、 磁気抵抗効果型ヘッド （MRヘッド） の感度は大幅 に向上する。
スピンバルブ型の MR素子では、 非磁性層を介して 2つの強磁性層が 配置されており、 一方の強磁性層 （固定層） の磁化方向は、 磁化回転抑 制層 （ピンニング層） による交換バイアス磁界で固定されている （この 強磁性層と磁化回転抑制層とを交換結合膜と呼ぶ）。そして、他方の強磁 性層 （自由層） の磁化方向が外部磁界に応じて変化することより、 固定 層と自由層における磁化方向の相対角度が変化する。 この相対角度の変 化が、 電気抵枋の変化として検出される。
スピンバルブ型の MR素子には、 例えば、 磁性層として Ni-Fe膜、 非 磁性層として Cu膜、磁化回転抑制層として Fe-Mn膜を用いたものが知 られている。 これらの材料を用いた場合の磁気抵抗変化率 （MR比） は 約 2 %である（Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, plOl, 1991)。 磁化回転抑制層として FeMnを用いたものは MR比が小さく、 FeMn自体も耐食性に欠けるため、 PtMn、 NiMn系の材料がハードディ スク用再生磁気へッドにおいて用いられ いる。 また、 NiOや o; -Fe 20 3等の酸化物を磁化回転抑制層として用いた素子からは、 15%以上の MR 比も得られている。
さらなる磁気記録の高密度化を考慮すると、 現在の GMR素子は限界 に達し、 出力が不足すると予想される。 このため、 GMR 素子よりも抵 抗変化が大 き く 、 抵抗 自 体 も 大幅 に 高 い TMR ( Tunnel Magnetoresistance) 素子が盛んに研究されている。 この素子は、 非磁 性層として A1203等の絶縁膜を用い、膜面に垂直に流すトンネル電流を
'に用いる。
しかし、 TMR 素子には、 磁気記録の高密度化の進展に伴って素子面 積が極度に制限されると、 素子の抵抗が高くなり過ぎるという問題があ る。 .
発明の開示
そこで、本発明は、いわゆる CPP-GMR(Current Perpendicular to the Plane) 素子を用いて、 磁気記録密度のさらなる超高密化に対応するこ とを提案する。 CPP-GMR素子は、 従来の GMR素子が膜面内に電流を 流す （CIP, Current in Plane) のに対して、 膜面垂直方向に電流を流す 素子である。
すなわち、 本発明の MR素子は、 第 1磁性層 （自由層） と、 非磁性層 と、 前記非磁性層を介して前記第 1磁性層に積層された第 2磁性層 （固 定層） と、 前記第 2磁性層の磁化回転を抑制するための磁化回転抑制層 とを含み、 外部磁界によって前記第 1磁性層が前記第 2磁性層よりも容 易に磁化回転し、 センシングするための電流を膜面と垂直方向に流して 用いる磁気抵抗効果素子であって、 前記非磁性層として、 比抵抗が 4 ^ Ω * cm以上 200 Ω · cm以下である金属を主成分とする薄膜を有する ことを特徴とする。
本発明の M R素子は、 素子面積が制限されても素子の抵抗が高くなり 過ぎることはない。 従って、 狭い磁気ギャップにおいても大きな出力を 得ることができる。
本明細書において、 「主成分」 とは、 80atom%以上を占める成分をい う。比抵抗が上記範囲内にある金属は、 非磁性層の 95atom%以上を占め ることが好ましい。
本発明は、 上記 MR素子と、 磁気シールドとを有する MRヘッドも提 供する。 この磁気シールドは、 磁気記録媒体以外から MR素子へと流入 する外部磁界を遮蔽するために設けられる。 さらに本発明は、 上記 MR ヘッドと、 MRへッドにより情報を記録又は再生するための磁気記録媒 体とを有する磁気記録再生装置も提供する。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の磁気抵坊効果素子の一形態を示す断面図である。 図 2は、本発明の磁気抵抗効果素子の別の一形態を示す断面図である。 図 3は、 非磁性層の膜厚の増加に伴う磁性層間の交換相互作用の変化 の一例を示す図である。
図 4は、本発明の磁気抵抗効果型へッドの一形態を示す斜視図である。 図 5は、 従来の MR素子を用いた磁気抵抗効果型ヘッドを示す斜視図 である。
図 6は、 本発明の磁気情報記録再生装置の一形態の平面図である。 図 7は、 本発明の磁気情報記録再生装置の一形態の断面図である。 図 8は、 実施例 1で作製した素子の断面図である。
図 9は、 実施例 2で作製した素子の断面図である。
発明の実施の形態 図 1に示したように、本発明の一形態では、 MR素子は、下部電極 5、 磁化回転抑制層 4、 固定層 3、 非磁性層 2、 自由層 1、 上部電極 6が順 に積層された多層膜を有する。 この素子では、 固定層 3の磁化が磁化回 転抑制層 4による交換バイアス磁界によりピン止めされている。 もう一 方の強磁性体である自由層 1は、 非磁性層 2により、 固定層 3から磁気 的に分離されている。 このため、 外部からの磁界によって、 自由層の磁 化は固定層の磁化よりも容易に回転する。
一般に、 二つの磁性層の磁化方向が反平行の場合は、 磁性層ノ非磁性 層の界面で電子が散乱されるため、素子の抵抗は高くなる。これに対し、 磁化方向が揃っている場合は、 界面での電子の散乱が少ないため、 素子 の抵抗は低くなる。 従って、 外部磁界に応じて変化する固定層 3と自由 層 1とにおける磁化の角度の相対的な変化に伴って、 膜面に垂直な方向 についての素子の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化は、電極 5， 6の間に電流を流すと、 電気信号の変化として読み取ることができる。 このように、 CPP-GMR素子は、 膜面に垂直方向にセンシングのための 電流を流して使用される。
従来、 CPP-GMR素子における非磁性層としては、 Cu、 Ag等が検討 されてきた。 しかし、 Cu、 Ag等従来から用いられてきた金属材料の比 抵抗は 2 Ω - cm以下であり、 垂直に電流を流す素子の非磁性層用材料 としては小さすぎる。 膜面に垂直に電流を流す素子の非磁性層に用いる 材料は、 Ω - cm以上の比抵抗を有することが好ましい。
一方、 素子から高い MR比を得るためには、 非磁性層用材料の比抵抗 はある程度低いことが望ましい。 比抵抗は、 具体的には 200 Q ' Cm以 下、 さらに ΙΟΟ Ω ' ΜΠ以下が好ましい。 磁性層用材料として用いられ る Co、 Fe の比抵抗は、 それぞれ 5.6、 10. Ω ' cm程度である。 非磁 性層用材料は、 この 2倍程度まで、 すなわち 20 ^ Ω ' cm以下の比抵抗を 有するものが特に適している。
上記数値からも明らかであるが、 本明細書では、 非磁性層に用いる金 属の比抵抗を、 バルクの状態に基づいて記述する。 磁気抵抗効果素子に 用いられる程度に薄い金属薄膜は、 通常、 同じ材料からなる金属パルク の 2倍〜数倍の比抵抗を有するが、この値は膜厚等の条件に左右される。 従って、 適切な金属材料を明確に特定するために、 ここでは、 比抵抗を バルクの状態に基づいて記述する。
非磁性層 2の膜厚は、 非磁性層を介した自由層 1と固定層 3との間の 交換相互作用が弱くなる範囲、 特にほぼ 0になる範囲が好ましい。 この ため、 非磁性層の膜厚は、 1.2nm以上、 特に 2nm以上が好適である。 一方、 電子のスピン拡散長を考慮すると、 MR比を低下させないために は、 非磁性層の膜厚は 20nm以下、 特に 10nm以下が好適である。
磁性層間の交換相互作用は、 非磁性層の膜厚の増加とともに、 強磁性 (磁化が平行になる） と反強磁性 （磁化が反平行になる） との間を往復 しながら減衰していく場合がある。 典型的には、 図 3に示すように、 交 換相互作用による磁性層間の磁気的結合力 （H coupling) は、 非磁性層 の膜厚 （T) の増加に応じ、 強磁性的結合と反強磁性的結合との間を変 化しながら徐々に減衰していく。 この場合は、 例えば、 非磁性層の膜厚 が上記範囲 （1.2〜20nm) にあっても、 磁性層間の交換相互作用が強く なり過ぎることがある。 従って、 非磁性層の膜厚は、 単に上記範囲とす るのではなく、 揺動する結合力曲線が図 3の横軸 （H coupling= 0) と 交差する点またはその近傍に定めるとよい。
具体的には、 自由層と固定層との間の磁気的結合力（H coupling)が、 最も反強磁性的であるときの磁気的結合力の絶対値の 20 %以下 （ I H coupling I ≤0.2 X I —p i )、好ましくは 10%以下の絶対値を有するよう に、 非磁性層の膜厚を定めることが好ましい。 この膜厚は、 最大の反強 磁性的結合力の絶対値の 20%を aとすると （0.2 X I — p I = a)、 図 3に 示すように、 磁気的結合力が— aと aとの間となる範囲である。 なお、 ここでは、便宜上、 図 3に示したように、磁気的結合力を、強磁性を正、 反強磁性を負として表示している。
実際の人工格子膜においては、 間接的な交換相互作用のみならず、 ラ フネスにより引き起こされる強磁性的な結合 （オレンジピール効果； orange peel coupling) も足し合わせて考えなければならない。従って、 間接的な交換相互作用は、 0か、 あるいは上記条件を満たす範囲内で反 強磁性的であることがより好ましい。
非磁性層の面積は、 O.Ol m 2以下が好適である。 ここでは、 センシン グのための電流 （センス電流） が通過する面の面積を非磁性層の面積と する。 TMR では、 この程度に膜の面積が制限されると抵抗値が高くな り過ぎる。 非磁性層の面積は、 より好ましくは 0.008 Π12以下、 特に好 ましくは 0.005 m 2以下である。 面積の下限に特に制限はないが、 非磁 性層の面積は O.OOOl m2以上が好適である。
非磁性層の主成分を構成する金属は、 金属単体であっても合金であつ ても構わない。 非磁性層は、 Be、 Bi、 Cr、 Hf、 In、 Ir、 Mg、 Mn、 Mo、 Nb Os、 Pd、 Pt、 Re, Ru、 Rh、 Sb、 Se、 Ta、 Th、 Ti、 Tl、 V、 W、 Y及び Zrから選ばれる少なくとも 1種を含んでいてもよい。 また、 ここ に例示した金属間の、 あるいは例示した金属とその他の金属との合金を 用いてもよい。
特に好ましい非磁性用の金属材料は Crである。 Crは、 比抵抗が 12.8 H Ω - cmと高く、； Fe/Cr多層膜は大きな磁気抵抗変化を示す。従って、 非磁性層が Crを主成分とする場合、磁性層は Feを含むことが好ましい。 Crを主成分とする非磁性層を用いる場合には、自由層及び固定層から選 ばれる少なくとも一方が 1層または 2層以上の磁性膜からなり、 少なく とも非磁性層と接する磁性膜が Feを主成分とするとさらによい。
図 1に示した素子では、 2層構造の磁性層を用いている。 複数層の磁 性層を用いると、 非磁性層の材料との好ましい組み合わせを実現しなが ら他の特性、 例えば磁性層の軟磁性、 にも配慮した構成が可能となる。 非磁性層 2が Cr を主成分とする場合、 自由層 1では、 界面磁性層 1 0 2として Fe膜を用い、 磁性層 1 0 1として、 Feよりも軟磁性である 材料からなる膜、 例えば Ni-Fe膜、 Ni-Fe-Co膜を用いるとよい。 また、 固定層 3も、 界面磁性層 3 0 1として Fe膜を用い、 磁化回転抑制層 4 による磁化回転抑制効果を補強するために、 磁性層 3 0 2として、 Co、 Co-Fe、 Ni-Fe, Ni'Fe-Co膜等の磁性膜を用いてもよい。
好ましい非磁性層用金属材料の他の例は、 Ir、 Ru及び Rhである。 非 磁性層が Ir、 Hu及び Rhから選ばれる少なくとも 1種を主成分とする場 合、磁性層は、 Fe、 Co及び Ni又はこれらの合金を含むことが好ましい。 Ir、 Ru及び から選ばれる少なくとも 1種を主成分とする非磁性層を 用いる場合には、 自由層及び固定層から選ばれる少なくとも一方が 1層 または 2層以上の磁性膜からなり、 少なくとも非磁性層と接する磁性膜 が Fe、Co及び Niから選ばれる少なくとも 1種を主成分とするとさらに よい。
固定層 3として、 非磁性層を介して反強磁性的に結合した 1対の強磁 性膜、 いわゆる積層フェリ型の固定層を用いてもよい。 これによつて、 固定層の磁化のピン留め効果が増す。 また、 固定層の磁化が一部キャン セルされて、 固定層から自由層に漏れる磁束が小さくなるため、 漏れ磁 界を調整できる。 この場合、 各強磁性層の膜厚は、 l〜3nm が適当であ る。強磁性層間に介在させる非磁性層としては、 Ru、Ir等が適当である。 この非磁性層の膜厚は 0.3〜1.2nmがよい。
磁化回転抑制層 4としては、 PtMn、 NiMn、 PdPtMn. CrMn、 FeMn 等を用いることができる。 電極 5， 6の材料にも特に制限はなく、 従来 から用いられている Cu等を用いればよい。
図 1では図示を省略したが、 上記各薄膜を形成するための基板として は、 ガラス、 MgO、 Si、 Al203-TiC基板等表面が平滑なものを用いれば よい。 MRヘッドを作製する場合には、 Al203-TiC基板が適している。 基板と上記各薄膜との間には、 用途に応じてさらに磁気シールド等が 適宜形成される。 また、 磁化回転抑制層の特性を改善する等の目的で基 板と磁気回転抑制層との間に下地層を介在させてもよい。 下地層として は、 Ta、 NiFe、 NiFeCr合金またはこれらの積層膜等を使用することが できる。 下地層の膜厚は、 1〜： 10nm程度が適当である。
図 1に示した多層膜は、 図示下方から積層するのではなく、 上下を逆 にして図示上方から （自由層 1側から） 順に積層してもよい。 各層の成 膜方法は、 特に制限されないが、 スパッタリング法が適している。 スパ ッ夕リング法としては、 DCスパッタリング法、 RFスパッタリング法、 イオンビームスパッタリング法等いずれの方法を用いてもよい。
固定層を自由層の両側に用いた構成を採用した素子にも本発明は適用 できる。 この素子は、 例えば図 2に示すように、 下部電極 5、 磁化回転 抑制層 4、 固定層 3、 非磁性層 2、 自由層 1、 非磁性層 2、 固定層 3、 磁化回転抑制層 4、 上部電極 6をこの順に積層することにより形成でき る。 この場合も、 非磁性層 2に接する自由層 1 (固定層 3 ) に界面磁性 層 1 0 2 ( 3 0 1 ) を設けてもよい。
以上説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いた MRヘッドの例を図 4に示す。
MR素子 1 0 0は、 上部磁気シールド （共通シールド） 1 3及び下部 磁気シールド 1 6によって挟まれている。 これら磁気シールドは、 媒体 以外からの外部磁界が素子に影響を与えないように設けられている。 シ —ルド材料としては、 Ni-Fe、 Fe-Al-Si, Co-Nb'Zr合金等の軟磁性膜が 適している。 このヘッドでは、 磁気シールド 1 3， 1 6が素子に電流を 流すための電極としても機能する。 両電極間には、 MR素子部を除いて 絶縁膜 1 8が配置されている。 図示したように、 MR素子とシールドと の間には、 導電性スぺ一サ 2 0を介在させてもよい。 このヘッドでは、 MR素子 1 0 0と導電性スぺーサ 2 0とが再生ギャップ 1 7を構成する。 共通シールド 1 3上には、 さらに記録ギャップを構成する非磁性層 1 4と上部コア 1 2とが順に積層される。 これらの部材は、 コイル 1 1と ともに記録へッドを構成する。
CIP-GMR 素子を用いた磁気ヘッドでは、 図 5に示したように、 MR 素子 2 0 0と磁気シールド 1 3， 1 6との間に絶縁膜 1 8がシールドギ ヤップ材として介在する。 この MR素子には、 電極 1 9の間を流れるセ ンス電流が膜面方向に流れるため、 絶縁膜 1 8によりシールド部材との 間を電気的に絶縁する必要がある。
図 4に示した MRへッドでは、 導電性スぺ一サ 2 0は必須ではない。 このため、 再生ギャップ 1 7をさらに狭小化する必要があれば、 スぺー サを薄膜化するか除去すればよい。 しかし、 図 5に示した MRヘッドで は、 電気的絶縁を確保するために絶縁膜 1 8には一定以上の膜厚が求め られる。 このため、 再生ギャップ 1 7の狭小化には限界がある。 このよ うに、 本発明の MRヘッドは、 磁気ギャップ狭小化の点で有利である。 図 6及び図 7に示したように、 この MRへッドを用いたハードディス ク装置 1 1 0は、 M Rへッドを保持するスライダ 1 2 0、 スライダを支 持するへッド支持機構 1 3 0、 へッド支持機構を介して M Rへッドをト ラッキングするァクチユエ一夕 1 1 4、 ディスク 1 1 6を回転駆動する ディスク駆動モータ 1 1 2を備えている。 ヘッド支持機構 1 3 0は、 ァ ーム 1 2 2とサスペンジョン 1 2 4とを有する。 ディスク駆動モ一夕 1 1 2は、 ディスク 1 1 6を所定の速度で回転駆 動する。 ァクチユエ一夕 1 1 4は、 M Rヘッドがディスク 1 1 6の所定 のデータトラックにアクセスできるように、 M Rへッドを保持するスラ イダ 1 2 0を、 ディスク 1 1 6の径方向に移動させる。 ァクチユエ一夕 1 1 4は、 例えば直線式又は回転式のボイスコイルモータである。
M Rへッドを保持するスライダ 1 2 0は、 例えば空気べァリングスラ イダである。 この場合、 スライダ 1 2 0は、 ハードディスク装置 1 1 0 の起動 ·停止動作時にはディスク 1 1 6の表面と接触する。 ハードディ スク装置 1 1 0の記録再生動作時には、 スライダ 1 2 0は回転するディ スク 1 1 6とスライダ 1 2 0との間で形成される空気べァリングにより ディスク 1 1 6の表面上に維持される。 スライダ 1 2 0に保持された M Rヘッドは、 ディスク 1 1 6に情報を記録再生する。
実施例
(実施例 1 )
多元スパッタリング装置を用いて図 8に示した構成の磁気抵抗効果素 子を作製した。 基板 7には Siを用い、 下部電極 5 (下地層を兼ねる） と して Cu膜、 磁化回転抑制層 4として Pt-Mn膜、 固定磁性層 3 0 2とし て Co-Fe膜、 界面磁性層 3 0 1、 1 0 2として Fe膜、 非磁性層 2とし て Cr膜、 軟磁性層 1 0 1として Ni-Fe膜、 上部電極 6として Cu膜を 形成した。 スパッタリング法は、 真空チャンバ一内を l X 10-8Torr以下 にまで排気した後、 Arガスを約 0.8raTorrとなるように流しながら行つ た。
こうして作製した素子の膜構成を膜厚とともに以下に示す （膜厚の単 位は nm；以下、 同様）
•素子 A：基板/ Cu^Oi^ZPto.sMno. SO) /Coo.9Fe0.i(2)/Fe(2)// Cr(2)/Fe(l)/NiFe(lO)/Cu
なお、 非磁性層として Cr を用いた場合の交換相互作用による磁気的 結合は、 図 3に例示したように強磁性的結合と反強磁性的結合との間を 揺動しながら減衰していくことが知られている。 Cr膜の膜厚が 2 nmの ときには、 磁気的結合は 0に近くなる。
比較のため、 非磁性層として Cuを用いて上記と同様の方法により素 子を作製した。 ただし、 この場合、 界面に Fe層を掙入すると MR比が 大きく低下したため、 界面磁性層を挿入せず、 その代わりに固定層及び 自由層を厚くした。 この素子の膜構成を以下に示す。
•素子 B ：基板/ Cu(500)ZPto.5Mno.5(30) Co。.9Feo.i(3)ノ Cu(2)/ NiFe(ll)/Cu
これらの MR素子を成膜装置から取り出し、 l X 10-5Torr以下の真空 中において、 5kOeの磁界を印加しながら、 250^の温度で 5時間保持す る熱処理を施した。 次いで、 電子線露光機を用いて、 素子部分が 0.1 X 0.1 m2 となるようにパターニングし、 電極を取り出せるように加工し た。 引き続き、 素子の MR特性を、 室温で最高 400kA/mの磁界を印加 し、 同じ大きさの電流を流して直流 4端子法で評価した。 結果を以下に 示す。 なお、 抵抗変化量は試料 Bを基準にして相対値で示す。
(表 1 )
素子 M R比 （％) 抵抗変化
A 5 5 1 0
B 4 8 1 素子 Aは、 従来の素子 Bと比較して、 MR比では大差はないが、 出力 に直結する抵抗変化量では大きな相違がある。
次に、 素子 A， Bを用いて、 図 4に示した MRヘッドを構成して、 特 性を評価した。 基板としては Al2O3— TiC 基板を、 磁気シールドには Ni0.8Fe0.2合金を、 絶縁膜には Α12Ο3をそれぞれ用いた。
このヘッドの電極 （磁気シールド） 間に、 センス電流として直流電流 を流しながら、約 3kA/mの交流信号磁界を印加して両へッドの出力を評 価した。 結果を以下に示す。 ここでも、 素子 Bを用いた MRヘッドの出 力を基準とした。
(表 2 )
Figure imgf000014_0001
素子 Aを用いた MRへッドからは、従来の素子 Bを用いた MRへッド からよりも大きな出力が得られた。
(実施例 2 )
実施例 1と同様にして、 図 9に示した構造の MR素子を作製した。 た だし、 固定層 3は、 1層として示されているが、 CoFeZRuZCoFeの積 層フェリ型の固定層を用いた。 基板 7としてはガラス基板、 下部電極 5 及び上部電極 6として Cu膜、 磁化回転抑制層 4として Ni-Mn合金膜、 非磁性層 2としては Ru膜、 自由層 1として Coo.gFe 合金をそれぞれ 用いた。界面磁性層は形成していない。この素子の膜構成を以下に示す。 ·素子 C ：基板/ Cu(500)ZTa(3)/Ni0.5Mn0.5(30)ZCo0.9Feo.1(2)/ Ru(0.7)ノ Coo.9Feo.i(3)/Ru(2.5)//Coo.9Fe0.i(2)/'Ru(2.5)/ Coo.9Feo. i(3)/Ru(0.7)/Coo.9Feo. i(2)/Nio.5Mno.5(30)/Cu なお、 Ta膜は磁化回転抑制層の特性を改善するための下地膜である。 同様にして、 非磁性層として Ir及び Rhを用いた膜も作製した。
• 素子 D ： 基板 Z Cu(500) / Ta(3) / Ni0.5Mn0.5(30) / Co0.9Fe0. i(2) / Ru(0.7)/Coo.9Feo.i(3)/Ir(2.5)/Coo.9Fe0.i(2)/Ir(2.5)/Coo.9Feo.i(3)/ Ru(0.7)/ Coo.9Fe0. i(2) /Ni0.5Mn0.5(30)/Cu
• 素子 E ： 基板 Z Cu(500) / Ta(3) / Ni0.5Mn0.5(30) / Co0.9Fe0. i(2) / Ru(0.7) / Coo.9Feo.i(3) / Rh(2.5) / Coo.9Feo. i(2) / Rh(2.5) / Coo.9Feo.i(3)/Ru(0.7)/Coo.9Feo.i(2)/Nio.5Mno.5(30)/Cu なお、 非磁性層として Ru、 Rh又は Irを用いた場合の交換相互作用に よる磁気的結合も、 Crと同様、 非磁性膜の増加に伴い、 強磁性的結合と 反強磁性的結合との間を揺動しながら減衰していく。この磁気的結合は、 上記 Ru等の膜厚が 2.5 nmのときには、交換相互作用の十分な減衰によ り、 Cr膜を用いた場合 （実施例 1 ) と同様、 I H coupling I ≤0.2 X I p
I の関係が満たされている。
比較のために非磁性層に Cuを用いた膜も同様に作製した。
• 素子 F ： 基板 Z Cu(500) Z Ni0.5Mno.5(30)ノ Co0.9Fe0. i(2) / Ru(0.7)Z Co0.9Feo.i(3)// Cu(2.5)/Coo.9Feo. i(2)/Cu(2.5)/ Coo.9Feo. i(3)/Ru(0.7) / Coo.9Feo.i(2)/Ni0.5Mno.5(30) /Cu こうして作製した MR素子を熱処理し、 パターエングした後、 実施例 1と同様の方法で膜面垂直方向に電流を流して MR効果を測定した。 結 果を表 3に示す。 抵抗変化量は、 素子 Fを基準にした相対値で示す。
(表 3 )
Figure imgf000016_0001
表 3より、 素子 D〜Eによれば、 従来の素子 Fに比べて抵抗変化量が 大きく、 大きな出力が得られることが確認できた。
本発明の MR素子によれば、 狭ギャップに対応しながらも大きな出力 を確保することができる。 従って、 この MR素子を用いた磁気抵抗へッ ドゃ磁気情報記録再生装置は、 高密度記録に対応できる機器となる。

Claims

請求の範囲
1 . 第 1磁性層と、 非磁性層と、 前記非磁性層を介して前記第 1磁性層 に積層された第 2磁性層と、 前記第 2磁性層の磁化回転を抑制するため の磁化回転抑制層とを含み、 外部磁界によって前記第 1磁性層が前記第 2磁性層よりも容易に磁化回転し、 センシングするための電流を膜面と 垂直方向に流して用いる磁気抵抗効果素子であって、 前記非磁性層とし て、 比抵抗が 4 β Ω - cm以上 200 Ω ' cm以下である金属を主成分とす る薄膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2 . 非磁性層が、 Be、 Bi、 Cr、 Hf、 In、 Ir、 Mg、 Mn、 Mo、 Nb、 Os、 Pd、 Pt、 Re、 Ru、 Rh、 Sb、 Se、 Ta、 Th、 Ti、 Tl、 V、 W、 Y及び Zr から選ばれる少なくとも 1種を含む請求項 1に記載の磁気抵抗効果素子 c
3 . 非磁性層が、 1.2nm以上の膜厚を有する請求項 1に記載の磁気抵抗 効果素子。
4 . 非磁性層が、 20nm以下の膜厚を有する請求項 3に記載の磁気抵抗 効果素子。
5 . 非磁性層の膜厚の増加に応じて強磁性的結合と反強磁性的結合との 間を変化しながら減衰する第 1磁性層と第 2磁性層との間の磁気的結合 力が、 最も反強磁性的であるときの磁気的結合力の絶対値の 2 0 %以下 の絶対値を有するように、 非磁性層の膜厚を定めた請求項 1に記載の磁 気抵抗効果素子。
6 . 非磁性層の面積が、 0.01 / m2以下である請求項 1に記載の磁気抵抗 効果素子。
7 .非磁性層が、 Crを主成分とする請求項 1に記載の磁気抵抗効果素子。
8 . 第 1磁性層及び第 2磁性層から選ばれる少なくとも一方が 1層また は 2層以上の磁性膜からなり、少なくとも非磁性層と接する磁性膜が Fe を主成分とする請求項 7に記載の磁気抵抗効果素子。
9 . 非磁性層が、 Ir、 Ru及び Rhから選ばれる少なくとも 1種を主成分 とする請求項 1に記載の磁気抵抗効果素子。
1 0 . 第 1磁性層及び第 2磁性層から選ばれる少なくとも一方が 1層ま たは 2層以上の磁性膜からなり、 少なくとも非磁性層と接する磁性膜が Fe、 Co及び Niから選ばれる少なくとも 1種を主成分とする請求項 9に 記載の磁気抵抗効果素子。
1 1 . 請求項 1に記載の磁気抵抗効果素子と、 磁気シールドとを有する 磁気抵抗効果型へッド。
1 2 . 請求項 1 1に記載の磁気抵抗効果型ヘッドと、 前記磁気抵抗効果 型へッドにより情報を記録又は再生するための磁気記録媒体とを有する 磁気記録再生装置。
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