JP2006237154A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 磁化固定層21と非磁性層16と磁化自由層17とを少なくとも有する積層膜が形成され、この積層膜の膜面に略垂直な方向に電流が流され、磁化自由層17の近傍に、Pd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とする導体層18が設けられた磁気抵抗効果素子10を構成する。また、この磁気抵抗効果素子10を備えた磁気ヘッドを構成する。
【選択図】 図1
Description
スライダーとなるアルチック等の基板101の表面に、下層シールドとなる軟磁性体層102及び絶縁層103が重ねて形成され、絶縁層103の上に、トラック幅程度に加工された磁気抵抗効果素子104と、その両端に接続される電極105,106とが形成されている。
さらにその上に、上部ギャップとなる絶縁層107と、上層シールドとなる軟磁性体層108とが形成されている。
この電流面内型(CIP型)検出方式の磁気ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、AMR素子又はGMR素子が用いられる。
スライダーとなるアルチック等の基板101の表面に、下層シールド兼下部電極112が重ねて形成され、その表面上に、下部ギャップ兼下部接続電極となる導体層114、トラック幅程度に加工された磁気抵抗効果素子115とが形成されている。
さらにその上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる導体層116と、上層シールド兼上部電極118とが形成されている。
この電流面直型(CPP型)検出方式の磁気ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、TMR素子又はGMR素子が用いられる。
TMR素子を磁気ヘッドに用いる場合には、磁化自由層を磁気の検出に使用して、記録媒体等において記録された情報に対応して発生する磁束を検出する。即ち、磁化自由層を、記録媒体等に記録された情報に基く信号を検出する、信号検出層とする。
この磁気抵抗効果素子50は、図示しない基板上に、下地層51、磁化固定層61、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)56、磁化自由層(信号検出層)57、キャップ層58が積層形成されている。磁化固定層61は、反強磁性層52と、その上に形成された強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の3層の積層膜とから成る。
磁化固定層61では、反強磁性層52により下層の強磁性層53の磁化M53の向きが固定され、強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の反強磁性的結合作用により、上層の強磁性層55の磁化M55の向きが下層の強磁性層53の磁化M53とは逆向きに固定される。
磁化自由層(信号検出層)57は、強磁性層により構成され、磁気抵抗効果素子の外部からの磁界の作用により、その磁化Mの向きを変化させたり反転させたりすることが可能な構成とされている。
そして、例えば外部からの磁界として、記録媒体において記録された情報に対応して発生する磁束(磁界)を検出することにより、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
この磁気記憶素子50を製造する際には、真空装置内で、下地層51からキャップ層58までの各層を連続的に形成する。
なお、この例では、磁化固定層61を上下の磁性層が反強磁性的に結合した、強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の3層構造の積層膜で構成しているが、1層の強磁性層のみから磁化固定層を構成しても問題はない。
例えば、2層以上の磁性体が、導体層もしくはトンネル障壁層を介して配置される巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すCPP型の素子において、センス電流がこれらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化状態を変化させる現象であり、磁化が反転する現象や、磁化が高周波で振動する現象として観測される(例えば、非特許文献2参照)。
このため、電流面直型(CPP型)の磁気再生ヘッドにおいて、高いS/N比を実現するためには、スピン注入現象の影響を減少させる必要がある。
また、本発明の磁気ヘッドは、上記本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置されたものである。
また、本発明の磁気ヘッドの構成によれば、上記本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された構成であることにより、磁気抵抗効果素子がスピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる構成であるため、センス電流を流してもノイズの増加を少なくすることができる。
従って、本発明により、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
また、本発明の磁気ヘッドは、この本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された構成である。
具体的には、例えば、Pd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物等が挙げられる。
従って、磁化自由層(信号検出層)をNiFe層とし、これに隣接してPt層を配置すると、前述したスピンポンピング効果により、前述した式1に従って、スピン注入磁化反転効果を減少させることができる。
このため、電流を流した場合の磁化自由層(信号検出層)の磁化状態を安定化でき、そのために信号検出時のスピン注入現象によるノイズを減少させることができる。
磁気ヘッドの製造工程では、一般に、磁化固定層の磁化の向きを配向させるための熱処理が行われており、温度は300℃前後である。
このように磁化自由層(信号検出層)のNiFeの保磁力が増加した状態の磁気抵抗効果素子を、磁気ヘッドに使用すると、信号検出層の保磁力が増大して軟磁気特性が損なわれているため、バルクハウゼンノイズが増大することになる。
Ptに限らず、前述した導体層の他の材料、即ちPd,Nd,Sm,Tb,Dy,Ho等を用いた場合にも、同様に信号検出層の保磁力が増大してバルクハウゼンノイズが増大することが懸念される。
この場合、第2の導体材料が、Pt等の導体によるスピンポンピング効果を妨げないようにする。
具体的には、例えば、Ti,Cr,Cu,Ag,Au,Nb,Taの元素やこれらの元素から選ばれる1種以上を主成分とする合金・化合物が挙げられる。
厚さをこの範囲内とすることにより、第1の導体層によるスピンポンピング効果を妨げることなく、かつ製造時の熱処理による界面拡散が生じても第2の導体層が残存し、磁化自由層(信号検出層)の磁性材料と第1の導体層の導体材料との拡散による信号検出層の磁気特性の劣化を抑制する効果が充分に得られる。
本発明の磁気抵抗効果素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この磁気抵抗効果素子10は、図示しない基板上に、下地層11、反強磁性層12、強磁性層13、非磁性導体層14、強磁性層15、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16、磁化自由層(信号検出層)17、導体層18、キャップ層19が積層形成されて構成されている。
このうち、反強磁性層12と、強磁性層13、非磁性導体層14、強磁性層15の3層の積層膜とにより、磁性体の磁化の向きが固定された磁化固定層21が構成されている。
図1の磁気抵抗効果素子10では、下層の強磁性層13の磁化M13の向きが右向きに固定され、上層の強磁性層15の磁化M15の向きが左向きに固定されている。
そして、例えば外部からの磁界として、記録媒体において記録された情報に対応して発生する磁束(磁界)を検出することにより、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
このTMR素子に対して、積層膜の膜面に略垂直な方向に電流を流すと、磁化固定層21の磁化M13,M15の向きと磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きとの関係によって、電流に対する抵抗値が変化する、トンネル磁気抵抗効果を生じる。
このトンネル磁気抵抗効果を利用して、磁界を検出することができ、例えば、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
具体的には、磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きが、磁化固定層21の上層の強磁性層15の磁化M15の向きに対して、平行であるとき(図1では磁化Mが左向きのとき)は抵抗値が低くなり、反平行であるとき(図1では磁化Mが右向きのとき)は抵抗値が高くなる。
磁化自由層(信号検出層)17の材料としては、バルクハウゼンノイズを低減するために軟磁気特性に優れている必要があるが、その条件を満たすならば、特に限定されず、任意の強磁性体を使用することができる。例えば、Fe,Ni,Coの1種以上から成る材料(例えば、NiFe合金やCoFe合金)を用いることができる。
これらの強磁性層13,15,17の飽和磁化量Msの値は、一般に200emu/cc以上2000emu/cc以下の範囲が適当である。
磁化固定層21を構成する非磁性導体層14の材料としては、Ru,Cu,Rh,Cr等の、磁性層間に反強磁性層間結合を生じる材料を使用することができる。
トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16の材料としては、Al2O3,MgO,HfO,SiO,SiO2,SiNや、これらの混合物を用いることができる。
下地層11とキャップ層19の材料は、特に制限されないが、一般的には、Ta,Cr,Ti等の金属が使用される。
この導体層18の材料としては、前述した例えば、Pd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物等を用いる。
これにより、導体層18から磁化自由層(信号検出層)17に大きなスピンポンピング効果を作用させて、磁化自由層(信号検出層)17のダンピング定数を大きくして、前述したスピン注入磁化反転現象を抑制することができる。
即ち、磁気抵抗効果素子10の下に、下部ギャップ兼下部接続電極となる非磁性導体層を介して、下層磁気シールド兼下部電極を配置し、また、磁気抵抗効果素子10の上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる非磁性導体層を介して上層磁気シールド兼上部電極を配置して磁気ヘッドを構成する。
そして、上部電極と下部電極との間にセンス電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子10の積層膜の膜面に略垂直な方向にセンス電流を流して、磁気抵抗効果素子10の磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きに対応する抵抗値の変化を検出することができる。これにより、磁気ヘッドに外部から加わった磁界を検出することができる。
従って、例えば、記憶媒体に記録された情報に基づく磁界を検出して、記録された情報を読み出す、又は再生することができる。
従って、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
この磁気抵抗効果素子20は、先の実施の形態の磁気抵抗効果素子10の構成に対して、磁化自由層(信号検出層)17と導体層18との間に、さらに第2の導体層22を設けている。
この第2の導体層22は、導体層(第1の導体層)18と磁化自由層(信号検出層)17とが高温熱処理により界面の拡散を生じて磁化自由層(信号検出層)17の磁気特性が劣化する現象を抑制するために設けられている。
これにより、第1の導体層18によるスピンポンピング効果を妨げることなく、かつ製造時の熱処理による界面拡散が生じても第2の導体層22が残存し、磁化自由層(信号検出層)17の磁性材料と第1の導体層18の導体材料との拡散による磁化自由層(信号検出層)17の磁気特性の劣化を抑制する効果が充分に得られる。
即ち、磁気抵抗効果素子20の下に、下部ギャップ兼下部接続電極となる非磁性導体層を介して、下層磁気シールド兼下部電極を配置し、また、磁気抵抗効果素子20の上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる非磁性導体層を介して上層磁気シールド兼上部電極を配置して磁気ヘッドを構成する。
そして、上部電極と下部電極との間にセンス電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子20の積層膜の膜面に略垂直な方向にセンス電流を流して、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きに対応する抵抗値の変化を検出することができる。これにより、磁気ヘッドに外部から加わった磁界を検出することができる。
従って、例えば、記憶媒体に記録された情報に基づく磁界を検出して、記録された情報を読み出す、又は再生することができる。
従って、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
これにより、磁化自由層(信号検出層)17と第2の導体層22とが高温熱処理により界面で拡散し合ったとしても、磁化自由層(信号検出層)17の軟磁気特性が劣化しにくい。
従って、製造時に高温熱処理が行われても、磁化自由層(信号検出層)17の軟磁気特性の劣化が抑制され、バルクハウゼンノイズの増大を抑制することができる。
また、上述の各実施の形態では、磁化固定層21と磁化自由層(信号検出層)18との間をトンネルバリア層(トンネル絶縁層)17としてトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)を構成したが、本発明では、磁化固定層と磁化自由層(信号検出層)との間を非磁性導体層として、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)を構成してもよい。
即ち、反強磁性層が最上層にあって、下層から磁化自由層(信号検出層)・非磁性層・磁化固定層の順序で積層されている構成としてもよい。
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に、厚さ2μmの熱酸化膜を形成し、その上に図5に示した構成の磁気抵抗効果素子50を形成した。
具体的には、図5に示した構成の磁気抵抗効果素子50において、各層の材料及び膜厚を、下地膜51を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層52を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層61を構成する強磁性層53を膜厚2nmのCoFe膜、磁化固定層61を構成する非磁性導体層54を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層61を構成する強磁性層55を膜厚4nmのCoFe膜、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)56を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化自由層(信号検出層)57を膜厚2nmのCoFe膜、キャップ層58を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜51と反強磁性層52との間に図示しない膜厚100nmのCu膜を設けて、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、磁気抵抗効果素子50の積層膜を作製した。
膜構成1:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Ta(5nm)
上記膜構成において、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成るトンネルバリア層56以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−Ox)膜から成るトンネルバリア層56は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により0.5nm堆積させて、その後に酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を10Torrとして、自然酸化法により金属Al層を酸化させた。酸化時間は10分とした。
さらに、磁気抵抗効果素子50の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・260℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層52のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
まず、下部電極となる部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、下部電極以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、下部電極を形成した。この際に、下部電極部分以外は基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により磁気抵抗効果素子50のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、磁気抵抗効果素子50を形成した。磁気抵抗効果素子50の部分以外は、Cu層直上までエッチングした。このとき、磁気抵抗効果素子50のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの長方形状とした。
なお、磁気再生ヘッドにおいては、高周波応答特性を確保するためにTMR素子のトンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要があるため、磁気抵抗効果素子50の面積・抵抗値積(Ω・μm2)が10Ω・μm2となるようにした。
次に、磁気抵抗効果素子50の部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極を形成した。
このようにして、サンプル1の磁気抵抗効果素子の試料(比較例)を作製した。
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に、厚さ2μmの熱酸化膜を形成し、その上に図1に示した構成の磁気抵抗効果素子10を形成した。
具体的には、図1に示した構成の磁気抵抗効果素子10において、各層の材料及び膜厚を、下地膜11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層21を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCoFe膜、磁化固定層21を構成する非磁性導体層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層21を構成する強磁性層15を膜厚4nmのCoFe膜、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化自由層(信号検出層)17を膜厚2nmのCoFe膜、導体層18を膜厚20nmのPt膜、キャップ層19を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜11と反強磁性層12との間に図示しない膜厚100nmのCu膜を設けて、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2)として、磁気抵抗効果素子10の積層膜を作製した。
膜構成2:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Pt(20nm)/Ta(5nm)
上記膜構成において、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成るトンネルバリア層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−Ox)膜から成るトンネルバリア層16は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により0.5nm堆積させて、その後に酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を10Torrとして、自然酸化法により金属Al層を酸化させた。酸化時間は10分とした。
さらに、磁気抵抗効果素子10の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・260℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
まず、下部電極となる部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、下部電極以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、下部電極を形成した。この際に、下部電極部分以外は基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により磁気抵抗効果素子10のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、磁気抵抗効果素子10を形成した。磁気抵抗効果素子10の部分以外は、Cu層直上までエッチングした。このとき、磁気抵抗効果素子10のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの長方形状とした。なお、磁気再生ヘッドにおいては、高周波応答特性を確保するためにTMR素子のトンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要があるため、磁気抵抗効果素子10の面積・抵抗値積(Ω・μm2)が10Ω・μm2となるようにした。
次に、磁気抵抗効果素子10の部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極を形成した。
このようにして、サンプル2の磁気抵抗効果素子の試料(実施例1)を作製した。
図2に示した磁気抵抗効果素子20の構成とし、第1の導体層18を膜厚20nmのPt膜、第2の導体層22を膜厚6nmのCu膜と選定し、その他の構成はサンプル2(実施例1)と同様にして、磁気抵抗効果素子20の積層膜を作製した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成3)として、磁気抵抗効果素子20の積層膜を作製した。
膜構成3:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Cu(6nm)/Pt(20nm)/Ta(5nm)
その後も、サンプル2(実施例1)と同様にして、サンプル3の磁気抵抗効果素子の試料(実施例2)を作製した。
サンプル1〜サンプル3の各試料のノイズの測定を行った。
具体的には、信号検出の際のセンス電流として0.5mAの電流を流し、この状態で、外部磁界を与えない場合と、静止評価装置にて外部擬似信号磁界を与えた場合とにおいて、それぞれ出力に含まれるノイズを、スペクトルアナライザを使用して測定した。
測定した2つのスペクトル(磁界なしと磁界あり)を比較することにより、ノイズ信号を求めた。
そして、サンプル1(比較例)の試料のノイズ信号を1(基準値)として、ノイズ信号の相対値を求めた。
結果をまとめて表1に示す。
結果を表2に示す。
即ち、第2の導体層22を設けることにより、高温熱処理による磁化自由層(信号検出層)の磁気特性の劣化を抑制することがわかる。
Claims (4)
- 磁化の向きが固定された磁化固定層と、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層とを少なくとも有する積層膜が形成され、
前記積層膜の膜面に略垂直な方向に電流が流される磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層の近傍に、導体層が設けられ、
前記導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とする
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記磁化自由層と前記導体層との間に、Ti,Cr,Cu,Ag,Au,Nb,Taから選ばれる一種以上を主成分とする第2の導体層が設けら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2の導体層の厚さが、1nm以上、20nm以下であることを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 磁化の向きが固定された磁化固定層と、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性層とを少なくとも有する積層膜が形成され、前記積層膜の膜面に略垂直な方向に電流が流される磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子に対して、非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された磁気ヘッドであって、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層の近傍に、導体層が設けられ、前記導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とする
ことを特徴とする磁気ヘッド。
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