磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
【課題】ＣＰＰ−ＧＭＲにおいて、適度な面積抵抗と高い磁気抵抗変化率を有し、かつ狭リードギャップの要請に対応した実用的な磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜１１７を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜１２３を含む強磁性自由層と、強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた中間層１２１と、電流を絞り込むための電流狭窄層１２０を有し、強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は高分極率層を有する。
【解決手段】磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜１１７を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜１２３を含む強磁性自由層と、強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた中間層１２１と、電流を絞り込むための電流狭窄層１２０を有し、強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は高分極率層を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い磁気記録密度に対応した磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド、並びに磁気記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録の高密度化に伴い、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）装置の再生ヘッドにはスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果ヘッドが用いられており、今日に至るまでに膜構成の改良により再生出力を向上させている。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果ヘッドは、反強磁性層／固定層／非磁性中間層／自由層を順に積層した構造を有する。反強磁性膜と固定層界面に生じる交換結合磁界により固定層の磁化は固定され、自由層が外部磁界により磁化反転するために固定層と自由層の磁化の相対的な向きが変化し、その時の電気抵抗が変化することにより磁場を検出する。この場合、流す電流は膜面に平行方向である。このように膜面に平行方向に電流を流す方法は、一般にＣＩＰ（Current-in-plane）方式と呼ばれている。近年、更なる高出力化のために、膜面の垂直方向に電流を流すＴＭＲ（Tunneling Magneto resistive）ヘッドやＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）ヘッドの研究開発が行われている。ＴＭＲヘッドはスピン依存トンネルネリング効果を用いて磁気抵抗を発現するため、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有することを特徴とする。しかし、ＭＲ比が大きいものの、磁気トンネル接合には絶縁層を含む必要があるため、面積抵抗（ＲＡ）が数Ωμｍ2で大きい。そのため、素子サイズが小さくなったとき、ヘッド抵抗が大きくなるため高周波特性が悪く、高速転送には不利である。
【０００３】
一方、ＣＰＰ−ＧＭＲタイプのヘッドとして、従来のＣＩＰ−ＧＭＲと同様の構造において膜面に垂直方向に電流を流した場合は、ＭＲ比が小さいために実用化は難しい。そこで、高いＭＲ比を得るためにハーフメタルを強磁性層に用いる研究が行われている。ハーフメタルとは、フェルミ面近傍でアップスピンとダウンスピンどちらか一方のスピン状態しか存在しない金属のことをさす。このような金属では、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程差が大きくなるため、高いＭＲ比を得ることが可能であると考えられている。非特許文献１には、ハーフメタルの一種であるホイスラー合金を用いたＣＰＰ−ＧＭＲセンサが開示されている。ＭＲ比は、４．２Ｋで８％程度とそれほど大きくないが、ホイスラー合金がＣＰＰ−ＧＭＲ素子に適用可能であるという可能性が示された意義は大きい。
【０００４】
ホイスラー合金の材料として、特許文献１には、Ｃｏ2ＭｎＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）をＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。特許文献２にはＣｏ2（ＦｅxＣｒ1-x）ＡｌをＴＭＲ素子やＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。特許文献３には（ＣｏＰｄ）ＭｎＺ（Ｚ＝Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｉ）や（ＣｏＸ）ＭｎＳｎ（Ｘ＝Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ）をＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。
【０００５】
これらＣＰＰ−ＧＭＲ素子はデュアルスピンバルブ構造とすることでさらにＭＲ比を高くすることができるが、磁気ヘッドの分解能を高めるための狭リードギャップの要請に応えることができない。また、特許文献１から３に記載のＣＰＰ−ＧＭＲ素子はすべて金属膜で形成されているためＲＡが低く、素子サイズをかなり小さくしてヘッド抵抗を高くしないと、十分な出力が得られない欠点も有する。
【０００６】
別の構造として特許文献４では、絶縁体と導電体との混合物より成る非磁性膜を挿入したＣＰＰ−ＧＭＲ素子が提案されている。このように、スピンバルブ構造において、絶縁体と導電体の複合体からなる層を形成することで、膜面に垂直方向に流れる電流は、該非磁性膜において導電体を優先的に流れるために、ＲＡ及びＭＲ比を大きくすることが可能である。非特許文献２にはＡｌＣｕを電流狭窄層に用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、ＲＡ＝０．３８Ωμｍ2で４．３％のＭＲ比が得られたとの記述がある。しかしながら、高いヘッドＳＮＲを得るためにはさらに高いＭＲ比が要求されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２１８４２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１５２６号公報
【特許文献３】特開２００７−８１１２６号公報
【特許文献４】特許３２９３４３７号公報
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater., 198-199, 55 (1999)
【非特許文献２】J. Appl. Phys., 97, 10c509 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピンバルブ型のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて、次世代の３００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2台の記録密度を達成するには、前述したようにＭＲ比がまだ小さく、磁気抵抗効果素子の感度が不十分であるという問題がある。また記録密度が高くなるにつれてビット方向の記録密度が大きくなるため、高い分解能を保つためにはシールド間隔を狭める必要がある。
【０００９】
従来、ホイスラー合金などの高分極率材料を用いたＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、高分極率層の結晶性を保ち、かつ大きなスピン依存バルク散乱を得るために、厚い高分極率層（一般的には５ｎｍ以上）が必要であった。もしくは、デュアルスピンバルブ構造にしてスピン依存散乱を増やす必要があった。どちらの構造を用いた場合でも、再生センサの総膜厚が厚くなるため、狭リードギャップに対応したＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを作成することが困難であった。また高分極率材料が酸化されると特性が大きく低下してしまうことが分かったため、酸化物を含む電流狭窄層と単純に組み合わせることは困難であった。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、ＭＲ比が高く高感度な、高密度記録に適したＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造、並びにＣＰＰ−ＧＭＲ素子を備えた磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む自由層と、固定層と自由層との間に設けられた中間層を有し、固定層及び自由層の少なくとも一方には高分極率材料を含み、かつ中間層の一部には電流を絞り込むための電流狭窄層を有する構成とする。
【００１２】
このような構成とすることで、電流狭窄層では電流が絞り込まれるため、ＲＡ及びＭＲ比はほとんどが電流狭窄部の抵抗に支配される。その結果、従来に較べスピン依存散乱による抵抗変化に寄与する部分を強磁性体膜の電流狭窄部近傍に局在させることが可能であるため、高分極率材料の膜厚を薄くすることが可能になった。このような手段により、狭リードギャップの要請に対応できる。
【００１３】
また、本発明の磁気抵抗効果膜を適用した磁気抵抗効果ヘッドと誘導型薄膜磁気ヘッドあるいは垂直記録ヘッドを組み合わせることにより良好な磁気ヘッドが得られる。さらに、この磁気ヘッド磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００１４】
本発明でいう高分極率材料とは、化学量論組成がＸ2ＹＺもしくはＸＹＺに近い組成をもった合金で、部分的にＬ２1構造もしくはＢ２構造を有している。高分極率材料は従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の固定層や自由層に使われていたＣｏＦｅなどの金属磁性材料のスピン分極率Ｐ＝０．３〜０．５に較べて高い値を有している材料のことを指す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流狭窄層により絞り込まれた電流により、電流狭窄層の電気伝導部近傍のみの高分極率材料のスピン依存散乱がＭＲ比に大きく寄与するため、伝導部から膜厚方向に遠い部分のスピン依存散乱の寄与は、相対的に小さくなる。そのため、従来に較べ膜厚の薄い高分極率層を用いても充分に高いＭＲ比を得ることが可能になる。以上により、狭リードギャップに対応し、かつ適度な抵抗と高いＭＲ比を両立した磁気抵抗効果膜を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の一実施例を挙げ、図表を参照しながらさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００１７】
（電流狭窄層と高分極率材料を組み合わせた効果）
図１は本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ膜の断面を示した概念図である。
具体的には、電極を兼ねた下部シールド１１１上に、下地層１１２、反強磁性層１１３、第１の強磁性固定層１１４、反平行結合層１１５、第１の界面磁性層１１６、第２の強磁性固定層１１７、第２の界面磁性層１１８、酸化防止層１１９、電流狭窄層１２０、中間層１２１、第３の界面磁性層１２２、強磁性自由層１２３、第４の界面磁性層１２４、キャップ層１２５を形成する。ここで、下地層１１２はその上に続く膜の結晶配向性を制御するために重要で、本実施例ではＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）多層膜を用いた。他にも、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｒｕ，ＮｉＦｅ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒなどの単層膜もしくはこれらの材料からなる多層膜を用いてもよい。反強磁性層１１３には、ＭｎＩｒやＭｎＩｒＣｒ，ＭｎＰｔなどの反強磁性材料を用いることができる。第１の強磁性固定層１１４としてはＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反平行結合層１１５としてはＲｕ（０．８ｎｍ）を用いた。第１の界面磁性層１１６としてはＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。第１の界面磁性層１１６は、反平行結合層１１５と第２の強磁性固定層１１７を構成する材料が相互拡散するのを抑制するために重要で、第１の界面磁性層１１６がある方が、第１の強磁性固定層１１４と第２の強磁性固定層１１７の反平行結合力が強くなり、固定層の磁化が外部磁界に対して動きにくく安定となる。第１の界面磁性層１１６としては、Ｆｅ50Ｃｏ50の他にも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を用いることができる。
【００１８】
第２の強磁性固定層１１７としては、ＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする磁性材料や、高分極率材料を用いることができる。本実施例では、高分極率材料としてＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25（３ｎｍ）を用いた。第２の界面磁性層１１８は、界面の相互拡散や酸化の抑制、結晶配向性を制御するために重要で、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる合金を用いることができる。本実施例では、第２の界面磁性層１１８としてＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。
【００１９】
酸化防止層１１９としてはＣｕを用いたが、他にもＡｕ，Ａｇ，Ｃｒなどを用いることができる。この層は電流狭窄層からの酸素が第２の界面磁性層１１８及び第２の強磁性固定層１１７に拡散するのを防ぎ、電流狭窄層の伝導部と絶縁部の分離形成が効率よく行われるための下地として重要である。
【００２０】
本実施例の電流狭窄層１２０としては１ｎｍのＡｌ90Ｃｕ10を用いた。電流狭窄層は酸素分圧１０％のアルゴン酸素雰囲気中で反応性スパッタした。電流狭窄層の材料は相分離しやすく伝導部を介して磁気抵抗を発生する材料の組み合わせであればよく、絶縁部としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａなどの酸化物を用いることもできる。また、伝導部としてはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅを用いることができる。
【００２１】
電流狭窄層の作製方法としては、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｍｇ−Ｏ，Ｔｉ−Ｏ，Ｔａ−Ｏなどの絶縁物ターゲットと、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属ターゲットをスパッタ装置内で同時放電させることによっても作製できる。
【００２２】
このようにして作製された電流狭窄層１２０は、逆スパッタによるエッチングを施し、物理的に表面を削ることで平坦性を向上させた。平坦化の手段としては、逆スパッタのほかにも、低角度入射したＩＢＥ、もしくはＧＣＩＢエッチングを用いても同様の効果が得られる。
【００２３】
本実施例では、中間層１２１としてＣｕ（０．５ｎｍ）を用いた。中間層１２１は電流狭窄層からの酸素が第３の界面磁性層１２２及び強磁性自由層１２３に拡散するのを防ぎ、強磁性自由層１２３の軟磁気特性を向上させるために重要である。中間層１２１としては、Ｃｕの他にもＡｕ，Ａｇ，Ｃｒなどを用いることができる。
【００２４】
第３の界面磁性層１２２としてはＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。第３の界面磁性層１２２としては、Ｆｅ50Ｃｏ50のほかにも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を用いることができる。
【００２５】
強磁性自由層１２３としては、ＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする磁性材料や、高分極率材料を用いることができる。本実施例では、高分極率材料としてＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25（３ｎｍ）を用いた。
【００２６】
第４の界面磁性層１２４として、本実施例ではＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。この層は、強磁性自由層１２３とキャップ層１２５の相互拡散を防ぎ、キャップ層の結晶構造が強磁性自由層１２３に影響するのを抑制する効果もある。第４の界面磁性層１２４としては、Ｆｅ50Ｃｏ50のほかにも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉやこれら材料を２種類以上組み合わせた合金、及び添加元素としてＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｂを含む材料を用いることができる。
【００２７】
キャップ層１２５としては、Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｃｕ（２ｎｍ）を用いた。キャップ層１２５としては、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｔａ，Ｒｈ単層膜もしくはこれら材料を組み合わせた積層膜を用いることができる。
【００２８】
本発明で作製した電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ膜に一般的なイオンミリングとフォトリソグラフィーによるプロセスを施すことでＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。素子サイズは０．３×０．３μｍ2から５．０×５．０μｍ2のものを形成し、素子の抵抗及び抵抗変化量の面積依存性から面積抵抗ＲＡ及び面積抵抗変化量ΔＲＡを求めた。
【００２９】
表１には、比較例１として高分極率材料のＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25を磁性層に用い、中間層としてＣｕを用いた、すべて金属から成るＣＰＰ−ＧＭＲ素子を、比較例２としてＣｏ90Ｆｅ10を磁性層に用い、Ａｌ90Ｃｕ10を電流狭窄層に用いた電流狭窄型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を、実施例１として高分極率材料のＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25と電流狭窄層のＡｌ90Ｃｕ10を併用したＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
狭リードギャップの要請を満たすため、比較例１、比較例２及び実施例１は、センサの膜厚がすべて２９．３ｎｍとなるようにした。比較例１及び実施例１は、高分極率層と界面磁性層の両方がＭＲ比に寄与するため、高分極率層と界面磁性層の和の膜厚が４ｎｍとなるように設計し、対等な比較とするため、比較例２のＣｏ90Ｆｅ10膜厚も４ｎｍとした。この場合、比較例１及び比較例２では高々５〜６％のＭＲ比しか得られないのに対し、実施例１では１８．２％という高いＭＲ比を得ることが可能である。このように、実施例の構造を用いることで、高いＭＲ比を有しつつも狭リードギャップに適応した磁気抵抗効果素子を作製可能である。
【実施例２】
【００３２】
（自由層膜厚各種）
図２には、表１に示される実施例１の構造において、強磁性自由層の膜厚を変化させたときのＭＲ比を示す。
【００３３】
図２中の横軸の自由層膜厚は、表１の比較例１及び実施例１に関しては、第３の界面磁性層１２２、第４の界面磁性層１２４及び強磁性自由層１２３からなる３層自由層の総和の膜厚として計算している。膜厚を変化させるときはＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25層の膜厚のみを変化させた。比較例２の自由層膜厚とは、Ｃｏ90Ｆｅ10単層自由層の膜厚を意味している。
【００３４】
比較例１、比較例２、実施例２の結果を較べると、自由層の膜厚が同じ場合、最も高いＭＲ比が得られるのは実施例２である。
【００３５】
高いＭＲ比を得るという観点からは、比較例１、比較例２、実施例２ともに自由層の膜厚が厚いほうが望ましいが、センサの総膜厚も厚くなるために高分解能を達成することが難しく、また、自由層の磁化×膜厚の値が大きくなるために、ハードバイアスによって磁化方向を一方向に制御することも困難である。したがって、単純に自由層を厚くしてＭＲ比を大きくしただけでは、高い記録密度を達成できない。一般的には、自由層の厚さは１２ｎｍ程度以下であることが３００Ｇｂ／ｉｎ2を超える分解能を達成するためには望ましいと考えられ、より自由層が薄い方がセンサの総膜厚も薄くできるため、高い分解能を達成し易い。とくに、実施例２の場合は、自由層の膜厚が２ｎｍと非常に薄い場合でも１０％を超えるＭＲ比が得られるため、センサの総膜厚を薄くすることが可能であり、磁化×膜厚の値も小さくすることができるため、ハードバイアスによる磁化制御も容易である。したがって、自由層膜厚が２ｎｍ以上、Ｃｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25膜厚としては１ｎｍ以上あれば３００Ｇｂ／ｉｎ2を達成する高分解能と高い出力を両立することが可能である。
【実施例３】
【００３６】
（界面有無各種）
実施例１において、第２の界面磁性層１１８、酸化防止層１１９、中間層１２１、第３の界面磁性層１２２の有無及び材料を変えた試料を作製した。表２に、各構成におけるＲＡ及びＭＲ比を示す。表中の上向き矢印は、その材料が矢印が指す材料と同じであることを表す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２のNo.２−１〜No.２−５から分かるように、界面磁性層及び酸化防止層、中間層がない場合でもすべて１２％を超える高いＭＲ比が得られることが分かる。但し、第２の界面磁性層１１８もしくは第３の界面磁性層１２２がない場合は、実施例１に較べるとＭＲ比は低下するため、第２及び第３の界面磁性層が形成されていることが好ましい。
【００３９】
また、酸化防止層１１９がない場合はＲＡが増大する傾向にあり、電流狭窄層１２０を制御してＲＡを小さくすると、ＭＲ比が低下する。これは、固定層まで酸化が進行するためであり、これを防ぐために酸化防止層１１９を形成した方が望ましい。
【００４０】
また、中間層１２１がない場合は、低ＲＡで高いＭＲ比が得られるものの、自由層の軟磁気特性は若干劣化するため、中間層があった方が望ましい。
【００４１】
表２のNo.２−６〜２−９には、実施例１の構造において、第２の界面磁性層１１８及び第３の界面磁性層１２２の材料をＣｏやＣｏ66Ｎｉ16Ｆｅ18に変えた試料のＲＡ及びＭＲ比を示す。これによると、界面磁性層をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる合金を用いても高いＭＲ比が得られることが分かる。
【００４２】
表２のNo.２−１０〜No.２−１２には、実施例１の構造において、酸化防止層１１９及び中間層１２１の材料をＡｕ，Ａｇ，Ｃｒに変えた試料のＲＡ及びＭＲ比を示す。これによると、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒを用いても、高いＭＲ比が得られることが分かる。
【実施例４】
【００４３】
（高分極率材料各種、組成各種）
実施例１において、第２の強磁性固定層１１７及び強磁性自由層１２３の材料を変えた試料を作製した。表３に、各構成におけるＲＡ及びＭＲ比を示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
表３中の試料No.３−１及び試料No.３−２に示されるように、第２の強磁性固定層１１７もしくは強磁性自由層１２３のどちらからをＣｏＦｅに変えると、ＭＲ比は減少するが、それでも従来型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子より高い１０％以上のＭＲ比を有することが分かる。また、表３中の試料No.３−３〜No.３−１１に示されるように、高分極率材料としては、ＣｏＭｎＧｅのほかにもＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧａ、ＣｏＭｎＳｎ、ＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧａ、ＣｏＦｅＳｎを用いても高いＭＲ比を得ることができる。
【００４６】
図３には、実施例１の構造において、高分極率層として（Ｃｏ0.66Ｍｎ0.34）1-xＧｅx（３ｎｍ）を用い、Ｇｅ組成ｘat.%を変化させた結果を示す。これによるとＣｏＭｎＧｅがＬ２1構造をとるときの化学量論組成であるＣｏ：Ｍｎ：Ｇｅ＝２：１：１からＧｅ組成が大きくずれた場合もＭＲ比が観測されることが分かる。特に、Ｇｅ組成が３０ａｔ％の時にもっとも大きなＭＲ比が観測される。同様に、（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）1-xＧｅxを高分極率層として用いた場合の結果を図４に示す。この場合も、Ｇｅの組成を大きく変えてもＭＲ比が観測された。その理由は、ホイスラー合金がＬ２1やＢ２構造などの完全な規則格子を組んでいない場合でも、部分的に規則度の高い構造を有する場合、その部分近傍の電流が絞り込まれれば充分高いＭＲ比が得られるからであると考えられる。高分極率材料は、構成材料の一部が粒界などに偏折した場合でも、偏析部分が電流狭窄層の伝導部と接しない様に形成されている限り、スピン依存散乱に悪影響を及ぼさないため、ＭＲ比の低下は最小に抑えられる。
【００４７】
また、電流狭窄層の伝導部として結晶質の材料を選択した場合は、強磁性固定層から伝導部を通して強磁性自由層に至るまでの電流パスが、粒界を含まずにエピタキシャルに形成される場合が多いため、結晶連続性の高い電流パスが形成される。この場合は、一方の高分極率層でスピン偏極した電流が、他方の高分極率層に流れ込む間に欠陥や不純物による散乱を受けにくいため、より大きなスピン依存散乱が期待できる。
【実施例５】
【００４８】
（ＡｌＣｕ組成の説明）
実施例１で作製した磁気抵抗効果素子において、電流狭窄層１２０として用いたＡｌ90Ｃｕ10の、Ｃｕ組成を変えた試料を作製した。図５には、各Ｃｕ組成でのＭＲ比とＲＡを示す。Ａｌ1-xＣｕxの膜厚を制御することで、各Ｃｕ組成におけるＲＡが０．１Ωμｍ2から０．２Ωμｍ2の範囲になるようにした。これによると、Ｃｕ組成が５〜４０at.%の範囲で１０％を超えるＭＲ比が得られている。Ｃｕ組成が５０at.%を超えると、電流狭窄層で電流を絞り込む効果が充分得られず、高いＭＲ比を得ることが難しい。このことから、Ａｌ1-xＣｕxのＣｕ組成は５〜４０at.%であることが望ましい。
【実施例６】
【００４９】
（ヘッドの説明）
図６は本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体上に下部第１シールド２１１、第２シールド２１２、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜２１３、絶縁ギャップ膜２１４、磁区制御膜２１５、導電性ギャップ膜２１６及び上部シールド２１７から再生ヘッドは構成される。再生ヘッドの上部側に、副磁極２１８、コイル２１９、主磁極２２０、ヨーク部２２１からなる垂直記録ヘッドが構成されている。
【００５０】
本発明は、磁気抵抗効果ヘッドに関するものであるから、記録ヘッド側が垂直記録ヘッド及び面内記録ヘッドの双方に対応可能である。しかし、垂直記録ヘッドと組み合わせることで、より有効な機能を実現することができる。
【実施例７】
【００５１】
（ドライブの説明）
実施例６で作製した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置を作製した。図７及び図８に磁気ディスク装置の概略図を示す。図７は平面模式図、図８はそのＡＡ’断面図である。磁気記録媒体３１１には、ＣｏＣｒＰｔとＳｉＯ2からなる垂直記録用グラニュラ媒体を用いた。磁気ヘッド３１３には実施例６のヘッドを用いた。磁気的に情報を記録する記録媒体３１１をスピンドルモーター３１２にて回転させ、アクチュエーター３１４によってヘッド３１３を記録媒体３１１のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においては、ヘッド３１３上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドがこの機構に依って記録媒体３１１上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。記録信号は信号処理系３１５を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系３１５を経て信号として得る。
【００５２】
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。これは、本発明の構造を適用することにより、低いＲＡで高いＭＲ比が得られているからである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の概略図。
【図２】本発明の一実施形態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子と、比較として用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子とのＭＲ比の自由層膜厚依存性を示す図。
【図３】本発明の一実施形態である（Ｃｏ0.66Ｍｎ0.34）1-xＧｅxを高分極率材料として用いたときのＭＲ比のＧｅ組成依存性を示す図。
【図４】本発明の一実施形態である（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）1-xＧｅxを高分極率材料として用いたときのＭＲ比のＧｅ組成依存性を示す図。
【図５】本発明の一実施形態であるＡｌ1-xＣｕxを電流狭窄層として用いたときのＭＲ比及びＲＡのＣｕ組成依存性を示す図。
【図６】垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概略図。
【図７】磁気ディスク装置の概略図。
【図８】磁気ディスク装置断面の概略図。
【符号の説明】
【００５４】
１１１ 下部シールド
１１２ 下地層
１１３ 反強磁性層
１１４ 第１の強磁性固定層
１１５ 反平行結合層
１１６ 第１の界面磁性層
１１７ 第２の強磁性固定層
１１８ 第２の界面磁性層
１１９ 酸化防止層
１２０ 電流狭窄層
１２１ 中間層
１２２ 第３の界面磁性層
１２３ 強磁性自由層
１２４ 第４の界面磁性層
１２５ キャップ層
２１１ 第１シールド
２１２ 第２シールド
２１３ ＣＰＰ−ＧＭＲ膜
２１４ 絶縁ギャップ膜
２１５ 磁区制御層
２１６ 導電性ギャップ膜
２１７ 上部シールド
２１８ 副磁極
２１９ コイル
２２０ 主磁極
２２１ ヨーク部
３１１ 磁気記録媒体
３１２ スピンドルモーター
３１３ 磁気ヘッド
３１４ アクチュエーター
３１５ 信号処理系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い磁気記録密度に対応した磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド、並びに磁気記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録の高密度化に伴い、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）装置の再生ヘッドにはスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果ヘッドが用いられており、今日に至るまでに膜構成の改良により再生出力を向上させている。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果ヘッドは、反強磁性層／固定層／非磁性中間層／自由層を順に積層した構造を有する。反強磁性膜と固定層界面に生じる交換結合磁界により固定層の磁化は固定され、自由層が外部磁界により磁化反転するために固定層と自由層の磁化の相対的な向きが変化し、その時の電気抵抗が変化することにより磁場を検出する。この場合、流す電流は膜面に平行方向である。このように膜面に平行方向に電流を流す方法は、一般にＣＩＰ（Current-in-plane）方式と呼ばれている。近年、更なる高出力化のために、膜面の垂直方向に電流を流すＴＭＲ（Tunneling Magneto resistive）ヘッドやＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）ヘッドの研究開発が行われている。ＴＭＲヘッドはスピン依存トンネルネリング効果を用いて磁気抵抗を発現するため、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有することを特徴とする。しかし、ＭＲ比が大きいものの、磁気トンネル接合には絶縁層を含む必要があるため、面積抵抗（ＲＡ）が数Ωμｍ2で大きい。そのため、素子サイズが小さくなったとき、ヘッド抵抗が大きくなるため高周波特性が悪く、高速転送には不利である。
【０００３】
一方、ＣＰＰ−ＧＭＲタイプのヘッドとして、従来のＣＩＰ−ＧＭＲと同様の構造において膜面に垂直方向に電流を流した場合は、ＭＲ比が小さいために実用化は難しい。そこで、高いＭＲ比を得るためにハーフメタルを強磁性層に用いる研究が行われている。ハーフメタルとは、フェルミ面近傍でアップスピンとダウンスピンどちらか一方のスピン状態しか存在しない金属のことをさす。このような金属では、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程差が大きくなるため、高いＭＲ比を得ることが可能であると考えられている。非特許文献１には、ハーフメタルの一種であるホイスラー合金を用いたＣＰＰ−ＧＭＲセンサが開示されている。ＭＲ比は、４．２Ｋで８％程度とそれほど大きくないが、ホイスラー合金がＣＰＰ−ＧＭＲ素子に適用可能であるという可能性が示された意義は大きい。
【０００４】
ホイスラー合金の材料として、特許文献１には、Ｃｏ2ＭｎＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）をＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。特許文献２にはＣｏ2（ＦｅxＣｒ1-x）ＡｌをＴＭＲ素子やＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。特許文献３には（ＣｏＰｄ）ＭｎＺ（Ｚ＝Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｉ）や（ＣｏＸ）ＭｎＳｎ（Ｘ＝Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ）をＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いる発明が開示されている。
【０００５】
これらＣＰＰ−ＧＭＲ素子はデュアルスピンバルブ構造とすることでさらにＭＲ比を高くすることができるが、磁気ヘッドの分解能を高めるための狭リードギャップの要請に応えることができない。また、特許文献１から３に記載のＣＰＰ−ＧＭＲ素子はすべて金属膜で形成されているためＲＡが低く、素子サイズをかなり小さくしてヘッド抵抗を高くしないと、十分な出力が得られない欠点も有する。
【０００６】
別の構造として特許文献４では、絶縁体と導電体との混合物より成る非磁性膜を挿入したＣＰＰ−ＧＭＲ素子が提案されている。このように、スピンバルブ構造において、絶縁体と導電体の複合体からなる層を形成することで、膜面に垂直方向に流れる電流は、該非磁性膜において導電体を優先的に流れるために、ＲＡ及びＭＲ比を大きくすることが可能である。非特許文献２にはＡｌＣｕを電流狭窄層に用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、ＲＡ＝０．３８Ωμｍ2で４．３％のＭＲ比が得られたとの記述がある。しかしながら、高いヘッドＳＮＲを得るためにはさらに高いＭＲ比が要求されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２１８４２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１５２６号公報
【特許文献３】特開２００７−８１１２６号公報
【特許文献４】特許３２９３４３７号公報
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater., 198-199, 55 (1999)
【非特許文献２】J. Appl. Phys., 97, 10c509 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピンバルブ型のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて、次世代の３００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2台の記録密度を達成するには、前述したようにＭＲ比がまだ小さく、磁気抵抗効果素子の感度が不十分であるという問題がある。また記録密度が高くなるにつれてビット方向の記録密度が大きくなるため、高い分解能を保つためにはシールド間隔を狭める必要がある。
【０００９】
従来、ホイスラー合金などの高分極率材料を用いたＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、高分極率層の結晶性を保ち、かつ大きなスピン依存バルク散乱を得るために、厚い高分極率層（一般的には５ｎｍ以上）が必要であった。もしくは、デュアルスピンバルブ構造にしてスピン依存散乱を増やす必要があった。どちらの構造を用いた場合でも、再生センサの総膜厚が厚くなるため、狭リードギャップに対応したＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを作成することが困難であった。また高分極率材料が酸化されると特性が大きく低下してしまうことが分かったため、酸化物を含む電流狭窄層と単純に組み合わせることは困難であった。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、ＭＲ比が高く高感度な、高密度記録に適したＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造、並びにＣＰＰ−ＧＭＲ素子を備えた磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む自由層と、固定層と自由層との間に設けられた中間層を有し、固定層及び自由層の少なくとも一方には高分極率材料を含み、かつ中間層の一部には電流を絞り込むための電流狭窄層を有する構成とする。
【００１２】
このような構成とすることで、電流狭窄層では電流が絞り込まれるため、ＲＡ及びＭＲ比はほとんどが電流狭窄部の抵抗に支配される。その結果、従来に較べスピン依存散乱による抵抗変化に寄与する部分を強磁性体膜の電流狭窄部近傍に局在させることが可能であるため、高分極率材料の膜厚を薄くすることが可能になった。このような手段により、狭リードギャップの要請に対応できる。
【００１３】
また、本発明の磁気抵抗効果膜を適用した磁気抵抗効果ヘッドと誘導型薄膜磁気ヘッドあるいは垂直記録ヘッドを組み合わせることにより良好な磁気ヘッドが得られる。さらに、この磁気ヘッド磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００１４】
本発明でいう高分極率材料とは、化学量論組成がＸ2ＹＺもしくはＸＹＺに近い組成をもった合金で、部分的にＬ２1構造もしくはＢ２構造を有している。高分極率材料は従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の固定層や自由層に使われていたＣｏＦｅなどの金属磁性材料のスピン分極率Ｐ＝０．３〜０．５に較べて高い値を有している材料のことを指す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流狭窄層により絞り込まれた電流により、電流狭窄層の電気伝導部近傍のみの高分極率材料のスピン依存散乱がＭＲ比に大きく寄与するため、伝導部から膜厚方向に遠い部分のスピン依存散乱の寄与は、相対的に小さくなる。そのため、従来に較べ膜厚の薄い高分極率層を用いても充分に高いＭＲ比を得ることが可能になる。以上により、狭リードギャップに対応し、かつ適度な抵抗と高いＭＲ比を両立した磁気抵抗効果膜を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の一実施例を挙げ、図表を参照しながらさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００１７】
（電流狭窄層と高分極率材料を組み合わせた効果）
図１は本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ膜の断面を示した概念図である。
具体的には、電極を兼ねた下部シールド１１１上に、下地層１１２、反強磁性層１１３、第１の強磁性固定層１１４、反平行結合層１１５、第１の界面磁性層１１６、第２の強磁性固定層１１７、第２の界面磁性層１１８、酸化防止層１１９、電流狭窄層１２０、中間層１２１、第３の界面磁性層１２２、強磁性自由層１２３、第４の界面磁性層１２４、キャップ層１２５を形成する。ここで、下地層１１２はその上に続く膜の結晶配向性を制御するために重要で、本実施例ではＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）多層膜を用いた。他にも、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｒｕ，ＮｉＦｅ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒなどの単層膜もしくはこれらの材料からなる多層膜を用いてもよい。反強磁性層１１３には、ＭｎＩｒやＭｎＩｒＣｒ，ＭｎＰｔなどの反強磁性材料を用いることができる。第１の強磁性固定層１１４としてはＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反平行結合層１１５としてはＲｕ（０．８ｎｍ）を用いた。第１の界面磁性層１１６としてはＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。第１の界面磁性層１１６は、反平行結合層１１５と第２の強磁性固定層１１７を構成する材料が相互拡散するのを抑制するために重要で、第１の界面磁性層１１６がある方が、第１の強磁性固定層１１４と第２の強磁性固定層１１７の反平行結合力が強くなり、固定層の磁化が外部磁界に対して動きにくく安定となる。第１の界面磁性層１１６としては、Ｆｅ50Ｃｏ50の他にも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を用いることができる。
【００１８】
第２の強磁性固定層１１７としては、ＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする磁性材料や、高分極率材料を用いることができる。本実施例では、高分極率材料としてＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25（３ｎｍ）を用いた。第２の界面磁性層１１８は、界面の相互拡散や酸化の抑制、結晶配向性を制御するために重要で、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる合金を用いることができる。本実施例では、第２の界面磁性層１１８としてＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。
【００１９】
酸化防止層１１９としてはＣｕを用いたが、他にもＡｕ，Ａｇ，Ｃｒなどを用いることができる。この層は電流狭窄層からの酸素が第２の界面磁性層１１８及び第２の強磁性固定層１１７に拡散するのを防ぎ、電流狭窄層の伝導部と絶縁部の分離形成が効率よく行われるための下地として重要である。
【００２０】
本実施例の電流狭窄層１２０としては１ｎｍのＡｌ90Ｃｕ10を用いた。電流狭窄層は酸素分圧１０％のアルゴン酸素雰囲気中で反応性スパッタした。電流狭窄層の材料は相分離しやすく伝導部を介して磁気抵抗を発生する材料の組み合わせであればよく、絶縁部としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａなどの酸化物を用いることもできる。また、伝導部としてはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅを用いることができる。
【００２１】
電流狭窄層の作製方法としては、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｍｇ−Ｏ，Ｔｉ−Ｏ，Ｔａ−Ｏなどの絶縁物ターゲットと、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属ターゲットをスパッタ装置内で同時放電させることによっても作製できる。
【００２２】
このようにして作製された電流狭窄層１２０は、逆スパッタによるエッチングを施し、物理的に表面を削ることで平坦性を向上させた。平坦化の手段としては、逆スパッタのほかにも、低角度入射したＩＢＥ、もしくはＧＣＩＢエッチングを用いても同様の効果が得られる。
【００２３】
本実施例では、中間層１２１としてＣｕ（０．５ｎｍ）を用いた。中間層１２１は電流狭窄層からの酸素が第３の界面磁性層１２２及び強磁性自由層１２３に拡散するのを防ぎ、強磁性自由層１２３の軟磁気特性を向上させるために重要である。中間層１２１としては、Ｃｕの他にもＡｕ，Ａｇ，Ｃｒなどを用いることができる。
【００２４】
第３の界面磁性層１２２としてはＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。第３の界面磁性層１２２としては、Ｆｅ50Ｃｏ50のほかにも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を用いることができる。
【００２５】
強磁性自由層１２３としては、ＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする磁性材料や、高分極率材料を用いることができる。本実施例では、高分極率材料としてＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25（３ｎｍ）を用いた。
【００２６】
第４の界面磁性層１２４として、本実施例ではＦｅ50Ｃｏ50（０．５ｎｍ）を用いた。この層は、強磁性自由層１２３とキャップ層１２５の相互拡散を防ぎ、キャップ層の結晶構造が強磁性自由層１２３に影響するのを抑制する効果もある。第４の界面磁性層１２４としては、Ｆｅ50Ｃｏ50のほかにも、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉやこれら材料を２種類以上組み合わせた合金、及び添加元素としてＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｂを含む材料を用いることができる。
【００２７】
キャップ層１２５としては、Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｃｕ（２ｎｍ）を用いた。キャップ層１２５としては、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｔａ，Ｒｈ単層膜もしくはこれら材料を組み合わせた積層膜を用いることができる。
【００２８】
本発明で作製した電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ膜に一般的なイオンミリングとフォトリソグラフィーによるプロセスを施すことでＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。素子サイズは０．３×０．３μｍ2から５．０×５．０μｍ2のものを形成し、素子の抵抗及び抵抗変化量の面積依存性から面積抵抗ＲＡ及び面積抵抗変化量ΔＲＡを求めた。
【００２９】
表１には、比較例１として高分極率材料のＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25を磁性層に用い、中間層としてＣｕを用いた、すべて金属から成るＣＰＰ−ＧＭＲ素子を、比較例２としてＣｏ90Ｆｅ10を磁性層に用い、Ａｌ90Ｃｕ10を電流狭窄層に用いた電流狭窄型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を、実施例１として高分極率材料のＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25と電流狭窄層のＡｌ90Ｃｕ10を併用したＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特性を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
狭リードギャップの要請を満たすため、比較例１、比較例２及び実施例１は、センサの膜厚がすべて２９．３ｎｍとなるようにした。比較例１及び実施例１は、高分極率層と界面磁性層の両方がＭＲ比に寄与するため、高分極率層と界面磁性層の和の膜厚が４ｎｍとなるように設計し、対等な比較とするため、比較例２のＣｏ90Ｆｅ10膜厚も４ｎｍとした。この場合、比較例１及び比較例２では高々５〜６％のＭＲ比しか得られないのに対し、実施例１では１８．２％という高いＭＲ比を得ることが可能である。このように、実施例の構造を用いることで、高いＭＲ比を有しつつも狭リードギャップに適応した磁気抵抗効果素子を作製可能である。
【実施例２】
【００３２】
（自由層膜厚各種）
図２には、表１に示される実施例１の構造において、強磁性自由層の膜厚を変化させたときのＭＲ比を示す。
【００３３】
図２中の横軸の自由層膜厚は、表１の比較例１及び実施例１に関しては、第３の界面磁性層１２２、第４の界面磁性層１２４及び強磁性自由層１２３からなる３層自由層の総和の膜厚として計算している。膜厚を変化させるときはＣｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25層の膜厚のみを変化させた。比較例２の自由層膜厚とは、Ｃｏ90Ｆｅ10単層自由層の膜厚を意味している。
【００３４】
比較例１、比較例２、実施例２の結果を較べると、自由層の膜厚が同じ場合、最も高いＭＲ比が得られるのは実施例２である。
【００３５】
高いＭＲ比を得るという観点からは、比較例１、比較例２、実施例２ともに自由層の膜厚が厚いほうが望ましいが、センサの総膜厚も厚くなるために高分解能を達成することが難しく、また、自由層の磁化×膜厚の値が大きくなるために、ハードバイアスによって磁化方向を一方向に制御することも困難である。したがって、単純に自由層を厚くしてＭＲ比を大きくしただけでは、高い記録密度を達成できない。一般的には、自由層の厚さは１２ｎｍ程度以下であることが３００Ｇｂ／ｉｎ2を超える分解能を達成するためには望ましいと考えられ、より自由層が薄い方がセンサの総膜厚も薄くできるため、高い分解能を達成し易い。とくに、実施例２の場合は、自由層の膜厚が２ｎｍと非常に薄い場合でも１０％を超えるＭＲ比が得られるため、センサの総膜厚を薄くすることが可能であり、磁化×膜厚の値も小さくすることができるため、ハードバイアスによる磁化制御も容易である。したがって、自由層膜厚が２ｎｍ以上、Ｃｏ50Ｍｎ25Ｇｅ25膜厚としては１ｎｍ以上あれば３００Ｇｂ／ｉｎ2を達成する高分解能と高い出力を両立することが可能である。
【実施例３】
【００３６】
（界面有無各種）
実施例１において、第２の界面磁性層１１８、酸化防止層１１９、中間層１２１、第３の界面磁性層１２２の有無及び材料を変えた試料を作製した。表２に、各構成におけるＲＡ及びＭＲ比を示す。表中の上向き矢印は、その材料が矢印が指す材料と同じであることを表す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２のNo.２−１〜No.２−５から分かるように、界面磁性層及び酸化防止層、中間層がない場合でもすべて１２％を超える高いＭＲ比が得られることが分かる。但し、第２の界面磁性層１１８もしくは第３の界面磁性層１２２がない場合は、実施例１に較べるとＭＲ比は低下するため、第２及び第３の界面磁性層が形成されていることが好ましい。
【００３９】
また、酸化防止層１１９がない場合はＲＡが増大する傾向にあり、電流狭窄層１２０を制御してＲＡを小さくすると、ＭＲ比が低下する。これは、固定層まで酸化が進行するためであり、これを防ぐために酸化防止層１１９を形成した方が望ましい。
【００４０】
また、中間層１２１がない場合は、低ＲＡで高いＭＲ比が得られるものの、自由層の軟磁気特性は若干劣化するため、中間層があった方が望ましい。
【００４１】
表２のNo.２−６〜２−９には、実施例１の構造において、第２の界面磁性層１１８及び第３の界面磁性層１２２の材料をＣｏやＣｏ66Ｎｉ16Ｆｅ18に変えた試料のＲＡ及びＭＲ比を示す。これによると、界面磁性層をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる合金を用いても高いＭＲ比が得られることが分かる。
【００４２】
表２のNo.２−１０〜No.２−１２には、実施例１の構造において、酸化防止層１１９及び中間層１２１の材料をＡｕ，Ａｇ，Ｃｒに変えた試料のＲＡ及びＭＲ比を示す。これによると、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒを用いても、高いＭＲ比が得られることが分かる。
【実施例４】
【００４３】
（高分極率材料各種、組成各種）
実施例１において、第２の強磁性固定層１１７及び強磁性自由層１２３の材料を変えた試料を作製した。表３に、各構成におけるＲＡ及びＭＲ比を示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
表３中の試料No.３−１及び試料No.３−２に示されるように、第２の強磁性固定層１１７もしくは強磁性自由層１２３のどちらからをＣｏＦｅに変えると、ＭＲ比は減少するが、それでも従来型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子より高い１０％以上のＭＲ比を有することが分かる。また、表３中の試料No.３−３〜No.３−１１に示されるように、高分極率材料としては、ＣｏＭｎＧｅのほかにもＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧａ、ＣｏＭｎＳｎ、ＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧａ、ＣｏＦｅＳｎを用いても高いＭＲ比を得ることができる。
【００４６】
図３には、実施例１の構造において、高分極率層として（Ｃｏ0.66Ｍｎ0.34）1-xＧｅx（３ｎｍ）を用い、Ｇｅ組成ｘat.%を変化させた結果を示す。これによるとＣｏＭｎＧｅがＬ２1構造をとるときの化学量論組成であるＣｏ：Ｍｎ：Ｇｅ＝２：１：１からＧｅ組成が大きくずれた場合もＭＲ比が観測されることが分かる。特に、Ｇｅ組成が３０ａｔ％の時にもっとも大きなＭＲ比が観測される。同様に、（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）1-xＧｅxを高分極率層として用いた場合の結果を図４に示す。この場合も、Ｇｅの組成を大きく変えてもＭＲ比が観測された。その理由は、ホイスラー合金がＬ２1やＢ２構造などの完全な規則格子を組んでいない場合でも、部分的に規則度の高い構造を有する場合、その部分近傍の電流が絞り込まれれば充分高いＭＲ比が得られるからであると考えられる。高分極率材料は、構成材料の一部が粒界などに偏折した場合でも、偏析部分が電流狭窄層の伝導部と接しない様に形成されている限り、スピン依存散乱に悪影響を及ぼさないため、ＭＲ比の低下は最小に抑えられる。
【００４７】
また、電流狭窄層の伝導部として結晶質の材料を選択した場合は、強磁性固定層から伝導部を通して強磁性自由層に至るまでの電流パスが、粒界を含まずにエピタキシャルに形成される場合が多いため、結晶連続性の高い電流パスが形成される。この場合は、一方の高分極率層でスピン偏極した電流が、他方の高分極率層に流れ込む間に欠陥や不純物による散乱を受けにくいため、より大きなスピン依存散乱が期待できる。
【実施例５】
【００４８】
（ＡｌＣｕ組成の説明）
実施例１で作製した磁気抵抗効果素子において、電流狭窄層１２０として用いたＡｌ90Ｃｕ10の、Ｃｕ組成を変えた試料を作製した。図５には、各Ｃｕ組成でのＭＲ比とＲＡを示す。Ａｌ1-xＣｕxの膜厚を制御することで、各Ｃｕ組成におけるＲＡが０．１Ωμｍ2から０．２Ωμｍ2の範囲になるようにした。これによると、Ｃｕ組成が５〜４０at.%の範囲で１０％を超えるＭＲ比が得られている。Ｃｕ組成が５０at.%を超えると、電流狭窄層で電流を絞り込む効果が充分得られず、高いＭＲ比を得ることが難しい。このことから、Ａｌ1-xＣｕxのＣｕ組成は５〜４０at.%であることが望ましい。
【実施例６】
【００４９】
（ヘッドの説明）
図６は本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体上に下部第１シールド２１１、第２シールド２１２、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜２１３、絶縁ギャップ膜２１４、磁区制御膜２１５、導電性ギャップ膜２１６及び上部シールド２１７から再生ヘッドは構成される。再生ヘッドの上部側に、副磁極２１８、コイル２１９、主磁極２２０、ヨーク部２２１からなる垂直記録ヘッドが構成されている。
【００５０】
本発明は、磁気抵抗効果ヘッドに関するものであるから、記録ヘッド側が垂直記録ヘッド及び面内記録ヘッドの双方に対応可能である。しかし、垂直記録ヘッドと組み合わせることで、より有効な機能を実現することができる。
【実施例７】
【００５１】
（ドライブの説明）
実施例６で作製した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置を作製した。図７及び図８に磁気ディスク装置の概略図を示す。図７は平面模式図、図８はそのＡＡ’断面図である。磁気記録媒体３１１には、ＣｏＣｒＰｔとＳｉＯ2からなる垂直記録用グラニュラ媒体を用いた。磁気ヘッド３１３には実施例６のヘッドを用いた。磁気的に情報を記録する記録媒体３１１をスピンドルモーター３１２にて回転させ、アクチュエーター３１４によってヘッド３１３を記録媒体３１１のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においては、ヘッド３１３上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドがこの機構に依って記録媒体３１１上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。記録信号は信号処理系３１５を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系３１５を経て信号として得る。
【００５２】
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。これは、本発明の構造を適用することにより、低いＲＡで高いＭＲ比が得られているからである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の概略図。
【図２】本発明の一実施形態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子と、比較として用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子とのＭＲ比の自由層膜厚依存性を示す図。
【図３】本発明の一実施形態である（Ｃｏ0.66Ｍｎ0.34）1-xＧｅxを高分極率材料として用いたときのＭＲ比のＧｅ組成依存性を示す図。
【図４】本発明の一実施形態である（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）1-xＧｅxを高分極率材料として用いたときのＭＲ比のＧｅ組成依存性を示す図。
【図５】本発明の一実施形態であるＡｌ1-xＣｕxを電流狭窄層として用いたときのＭＲ比及びＲＡのＣｕ組成依存性を示す図。
【図６】垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概略図。
【図７】磁気ディスク装置の概略図。
【図８】磁気ディスク装置断面の概略図。
【符号の説明】
【００５４】
１１１ 下部シールド
１１２ 下地層
１１３ 反強磁性層
１１４ 第１の強磁性固定層
１１５ 反平行結合層
１１６ 第１の界面磁性層
１１７ 第２の強磁性固定層
１１８ 第２の界面磁性層
１１９ 酸化防止層
１２０ 電流狭窄層
１２１ 中間層
１２２ 第３の界面磁性層
１２３ 強磁性自由層
１２４ 第４の界面磁性層
１２５ キャップ層
２１１ 第１シールド
２１２ 第２シールド
２１３ ＣＰＰ−ＧＭＲ膜
２１４ 絶縁ギャップ膜
２１５ 磁区制御層
２１６ 導電性ギャップ膜
２１７ 上部シールド
２１８ 副磁極
２１９ コイル
２２０ 主磁極
２２１ ヨーク部
３１１ 磁気記録媒体
３１２ スピンドルモーター
３１３ 磁気ヘッド
３１４ アクチュエーター
３１５ 信号処理系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、
電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、
前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層の膜厚が１ｎｍ以上１１ｎｍ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＭｎＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＦｅＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＭｎＧｅであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層の絶縁部として、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａから選ばれる少なくとも一種類の酸化物を用い、伝導部としてＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類の金属を用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層はＡｌ1-xＣｕx−Ｏ（ｘ＝５〜４０at.%）であることを特徴とする抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層と高分極率層の間に、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒからなる少なくとも一層の酸化防止層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層に隣接する層との界面に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる界面磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
再生ヘッドと記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドにおいて、
前記再生ヘッドは、磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有する磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録再生動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上に位置決めするアクチュエーターとを有し、
前記磁気ヘッドは、磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有する磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１】
磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、
電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、
前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層の膜厚が１ｎｍ以上１１ｎｍ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＭｎＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＦｅＺ（Ｚ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ）であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層はＣｏＭｎＧｅであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層の絶縁部として、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａから選ばれる少なくとも一種類の酸化物を用い、伝導部としてＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅから選ばれる少なくとも一種類の金属を用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層はＡｌ1-xＣｕx−Ｏ（ｘ＝５〜４０at.%）であることを特徴とする抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記電流狭窄層と高分極率層の間に、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒからなる少なくとも一層の酸化防止層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記高分極率層に隣接する層との界面に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらから選ばれる２種類以上の材料からなる界面磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
再生ヘッドと記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドにおいて、
前記再生ヘッドは、磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有する磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録再生動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上に位置決めするアクチュエーターとを有し、
前記磁気ヘッドは、磁化方向が一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む強磁性固定層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に設けられた中間層と、電流を絞り込むための電流狭窄層とを有し、前記強磁性固定層及び強磁性自由層の少なくとも一方は、高分極率層を有する磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気記録再生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１６４１８２（Ｐ２００９−１６４１８２Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３９４３２（Ｐ２００７−３３９４３２）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
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