JP2005109242A

JP2005109242A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド

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Publication number: JP2005109242A
Application number: JP2003342456A
Authority: JP
Inventors: Toshitake Sato; 勇武佐藤; Rachid Sbiaa; ラシドシビア
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21
Also published as: US20050068689A1; US20080247097A1; US7733611B2; US7184247B2

Abstract

【課題】ＢＭＲ効果を用いた磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子、及びそうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】強磁性層からなる自由層１及び固定層２と、その自由層１及び固定層２の間に設けられるフェルミ長以下の寸法を持つ１又は２以上のナノ接合部３とを有し、そのナノ接合部３の内部に現れる磁壁を、主として、ブロッホ磁壁、ネール磁壁又はそれらが混在している磁壁とすることにより、上記課題を解決する。本発明は、その磁壁が主としてブロッホ磁壁である場合においては、ナノ接合部３の寸法（厚さｈ）とナノ接合部３の形成材料の格子定数ａとがｈ＜４×ａの関係にあり、その磁壁が主としてネール磁壁である場合においては、寸法（厚さｈ）と形成材料の格子定数ａとがｈ＞２０×ａの関係にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関し、更に詳しくは、ＢＭＲ（Ballistic Magneto Resistance）効果を有し、磁気的に安定する磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関するものである。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲという。Giant Magnetoresistance effect）は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造の面内に電流を流した場合に発現する大きな磁気抵抗変化を示す現象である。このＧＭＲを持つ磁気抵抗効果素子については、さらに大きな磁気抵抗変化率の発現を求めて活発に研究がなされてきた。現在まで、強磁性トンネル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発され、磁気センサーや磁気記録の再生素子として有望視されている。

磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められ、大きな磁気抵抗変化率を示す素子の開発が要請されている。

最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」が報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。その磁気微小接点は、針状に加工した２つの強磁性体又は三角形状に加工した２つの強磁性体を角付き合わせて作製されている。さらにごく最近、２本の細いＮｉワイヤをＴ字に配置し、電着法を用いて接触部に微小コラムを成長させた磁気微小接点が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。こうした素子が発現する極めて高いＭＲ比は、磁化の向きが反並行である２つの強磁性層間に形成された磁気微小接点に存在する磁区のスピントランスポートに起因するものと考えられている。こうした特性を有する磁気微小接点を利用した磁気抵抗効果素子は、その磁気微小接点で電子が不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられることから、Ballistic Magneto Resistance素子（ＢＭＲ素子）と呼ばれている。

さらに、最近、こうした磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子についても報告されている。例えば、下記特許文献１には、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層とからなり、絶縁層の所定位置に第１の強磁性層と第２の強磁性層とが接続される最大幅が２０ｎｍ以下の開口を有する孔が設けられた磁気抵抗効果素子が報告されている。また、下記特許文献２には、狭窄部を介して相互に連結された２つの磁性層を有し、その狭窄部の幅が１００ｎｍ程度の磁気抵抗効果素子が報告されている。

また、下記非特許文献３、４には、ＢＭＲ素子を磁気ヘッドに応用する場合に問題となる磁壁の安定性に対する磁気特性の影響についての研究が行われている。
N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters,vol.82, p2923 (1999) N.Garcia, G.G.Qian, and I.G.Sveliev, Appl.Phys.Lett.,vol.80,p1785(2002) J.M.D.Coey et.al., Phys.Review Letters, vol.83, p.2030(2003) A.A.Zvezdin et.al., JETP Letters, vol.75(10), 517(2002) 特開２００３−２０４０９５号公報特表平１１−５１０９１１号公報

しかしながら、ＢＭＲ素子の磁気ヘッドへの応用を考慮すると、媒体表面から漏洩する磁界に感応するフリー層（以下においては、自由層ともいう。）の寸法は、数十ナノメータ程度に微細化される。例えば、記録密度１Tbits/in^２の場合、その寸法は４０〜５０ｎｍである。極めて高いＭＲ比を実現可能なＢＭＲ素子においては、磁気微小接点（以下、ナノ接合部という。）の磁区構造がＢＭＲ効果の鍵であり、より微細化が進むと微細な自由層の端面からは強い減磁界が発生して磁気的安定性が得られないと共に、耐熱的安定性も著しく低下するという問題がある。したがって、ＢＭＲ素子においては、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することが実用上は極めて重要な課題となる。

本発明は、上記のような種々の問題及び課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、ＢＭＲ効果を用いた磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、そうした磁気抵抗効果素子を有する安定動作を確保できる磁気ヘッドを提供することにある。

上記第１の目的を達成する本発明の磁気抵抗効果素子は、強磁性層からなる自由層及び固定層と、強磁性層からなり、前記自由層及び固定層の間に設けられるフェルミ長以下の寸法を持つ１又は２以上のナノ接合部とを有し、前記ナノ接合部の内部に現れる磁壁が、主として、ブロッホ磁壁、ネール磁壁又はそれらが混在している磁壁であることを特徴とする。

この発明によれば、強磁性層からなりフェルミ長以下の寸法を持つ１又は２以上のナノ接合部が、いずれも強磁性層からなる自由層と固定層との間に設けられているので、得られた磁気抵抗効果素子は、そのナノ接合部に由来するＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができる。さらに本発明によれば、ナノ接合部の内部に現れる磁壁が、主として、ブロッホ磁壁、ネール磁壁又は双方が混在する磁壁であるので、それぞれ極小の磁壁エネルギー状態となっている。そのため、高い磁気的安定性を確保することができる。

本発明は、前記磁壁が主としてブロッホ磁壁である磁気抵抗効果素子において、当該磁気抵抗効果素子の積層方向における前記ナノ接合部の寸法ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとが、ｈ＜４×ａの関係であることを特徴とする。

また、本発明は、前記磁壁が主としてネール磁壁である磁気抵抗効果素子において、当該磁気抵抗効果素子の積層方向における前記ナノ接合部の寸法ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとが、ｈ＞２０×ａの関係であることを特徴とする。

これらの発明によれば、磁壁が主としてブロッホ磁壁である場合又はネール磁壁である場合において、それぞれ上記の関係を満たすことにより、磁壁エネルギー状態が極小となるので、高い磁気的安定性を確保することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子において、(i)強磁性層からなる前記自由層及び前記固定層が、分極率０．５以上の強磁性材料で形成されていること、(ii)前記ナノ接合部及び当該ナノ接合部以外の部位である絶縁層と、前記自由層及び固定層の一方又は両方との間に、導電性薄層が設けられていること、が好ましい。さらに、(ii)の場合において、前記導電性薄層の厚さが０．１〜１ｎｍであること、及び前記絶縁層が、酸化物又は窒化物等の絶縁材料で構成されていること、が好ましい。

上記第２の目的を達成する本発明の磁気ヘッドは、上述した本発明の磁気抵抗効果素子を有することに特徴を有する。

この発明によれば、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、磁気ヘッドの安定性が向上する。

本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ナノ接合部に由来するＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができる。さらに本発明によれば、上述した磁壁構造を有するので、高い磁気的安定性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。

また、本発明の磁気ヘッドによれば、安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、安定性に優れた高性能な磁気ヘッドを提供できる。

以下、本発明の磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドについて、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明の範囲は制限されない。

（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。

本発明の磁気抵抗効果素子１０は、図１に示すように、強磁性層からなる自由層１及び固定層２と、強磁性層からなり、その自由層１及び固定層２の間に設けられるフェルミ長以下の寸法を持つ１又は２以上のナノ接合部３とを有するＢＭＲ素子である。そして、そのナノ接合部３の内部に現れる磁壁は、主として、ブロッホ磁壁、ネール磁壁又はそれら双方が混在している磁壁となっている。

こうした磁気抵抗効果素子１０は、通常、バッファー層が形成された基板上に形成される。このとき、自由層１が基板側に形成されたトップタイプの磁気抵抗効果素子と、固定層２が基板側に形成されたボトムタイプの磁気抵抗効果素子とに大別できる。なお、「トップタイプ」とは、通常、固定層が素子の上部に形成されたものをいい、「ボトムタイプ」とは、通常、固定層が素子の下部に形成されたものをいう。

（ナノ接合部）
本発明の磁気抵抗効果素子１０において、ナノ接合部３は、その周囲が絶縁層４で囲まれる態様で絶縁層中に設けられている。言い換えれば、ナノ接合部３は、ナノ接合部以外の部位である絶縁層４と共に強磁性層からなる自由層１及び固定層２の間に設けられている。

このナノ接合部３は、スピン分極率が０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）等の強磁性金属群、ＣｒＯ_２（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性半金属群、及びＦｅ_３Ｏ_４（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性酸化物群から選択される材料が好ましく用いられる。なお、特に好ましい強磁性材料としては、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅを挙げることができる。

本発明において、ナノ接合部３の寸法は、フェルミ長以下の長さになっている。このナノ接合部３の寸法は、図１に示すように、幅方向の長さ（寸法）ｄ及び積層方向の長さ（寸法）ｈで表される。従って、ナノ接合部３は、幅方向の長さ（寸法）ｄ及び積層方向の長さ（寸法）ｈのいずれにおいてもフェルミ長以下の長さになっている。

ナノ接合部３は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合に、円形、楕円形、角形（三角形、四角形、等々）又はそれらに近似する形状で形成されている。そのため、ナノ接合部３の幅方向の長さ（寸法）ｄとは、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合の幅方向（面内方向のこと。）の最大長さと規定できる。また、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を正面視した場合における積層方向の長さ（寸法）ｈは、ナノ接合部３の厚さとして現れる寸法である。

ナノ接合部３の幅方向の長さ（寸法）ｄであるフェルミ長は、材料固有の値であり、ナノ接合部３を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は６０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるので、「フェルミ長以下」とは、「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することができる。フェルミ長の具体例としては、例えばＮｉは約６０ｎｍであり、Ｃｏは約１００ｎｍである。

ナノ接合部３の幅方向の長さ（寸法）ｄは、平均自由工程以下であることが更に好ましい。平均自由工程も材料固有の値であり、ナノ接合部３を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は５ｎｍ〜１５ｎｍ程度であるので、「平均自由工程以下」とは、「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」と規定することができる。平均自由工程の具体例としては、例えばＮｉＦｅは約５ｎｍであり、Ｃｏは約１２ｎｍである。

一方、ナノ接合部３の積層方向（高さ方向）の長さ（寸法）ｈ（図１を正面視した場合においては上下方向の長さ）も、上記の幅方向の長さｄと同様に、フェルミ長以下であることが好ましい。具体的には上記と同様に「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することが好ましい。また、その長さｈが平均自由工程以下であることが更に好ましく、具体的には上記と同様に「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」とすることができる。

ナノ接合部３の幅方向の長さ（寸法）ｄ及び積層方向の長さ（寸法）ｈがフェルミ長を超えた寸法である場合は、磁化が反並行の場合にナノ接合部３の磁壁は非常に厚くなり、そのナノ接合部３を通過する電子はスピン情報を保つことが難しくなる。その結果として、磁化の方向の変化に起因した磁気抵抗効果が得られ難くなることがある。従って、本発明においては、その寸法がフェルミ長以下、特にスピン情報をよく保つことができる点で効果のある平均自由工程以下であることが望ましい。

すなわち、ナノ接合部３の幅方向の長さ（寸法）ｄ及び積層方向の長さ（寸法）ｈがフェルミ長以下になると、そのナノ接合部３が極薄磁壁の発生部となり、そのナノ接合部３を挟む態様で設けられている強磁性層からなる自由層１及び固定層２の間の相対的な磁化の配置関係を変化させることができる。これにより、強磁性層からなる自由層１及び固定層２の間の電気抵抗が変化する。本発明の磁気抵抗効果素子の場合、基本的に、磁場印加方向を変えても電気抵抗が磁場により減少する磁場領域が存在することから、ここで発生する磁気抵抗効果は、ナノ接合部３の部分で形成された磁壁により発生する磁気抵抗効果であるといえる。ここで、ナノ接合部３の磁壁は、磁化方向を異にする２つの部分（ナノ接合部３を挟む２つの強磁性層）の遷移領域として作用する。そして、本発明においては、磁化方向及び印加磁場の大きさに応じて５０％以上の大きな磁気抵抗効果が発生する。

こうしたナノ接合部３は、ナノリソグラフィマイクロファブリケーション等の微細加工手段により精度よく形成される。このナノ接合部３を備えた本発明の磁気抵抗効果素子は、５０％以上の大きな磁気抵抗変化率を示すので、そのナノ接合部において、電子は不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられる。なお、磁気抵抗変化率とは、ＭＲ比（△Ｒ／Ｒ）のことであり、磁界強度が充分強いときの電気抵抗Ｒと、印加磁場を変化させたときの電気抵抗変化ΔＲとの比で定義されている。

ナノ接合部３の周囲、すなわち、強磁性層からなる自由層１及び固定層２の間に設けられたナノ接合部３以外の部位は、絶縁層４で形成されている。その絶縁層４は、例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素などの酸化物や、窒化ケイ素などの窒化物等の絶縁材料で形成される。その絶縁層４の積層方向の長さは、上述したナノ接合部３の積層方向の長さｈと同じ長さで形成される。

次に、ナノ接合部３を挟むように配置される自由層１と固定層２の材料について説明する。

１又は２以上のナノ接合部３を挟むように配置される自由層１と固定層２は、いずれも強磁性層である。なお、ナノ接合部３を挟むように配置される強磁性層とは、自由層１を構成する強磁性層が２以上ある場合にはナノ接合部側に配置される強磁性層のことであり、固定層２を構成する強磁性層が２以上ある場合にはナノ接合部側に配置される強磁性層のことである。本発明においては、これらの強磁性層がスピン分極率が０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、上記のナノ接合部３と同様の材料が好ましく用いられ、例えば、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）等の強磁性金属群、ＣｒＯ_２（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性半金属群、及びＦｅ_３Ｏ_４（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性酸化物群から選択される材料が好ましく用いられる。なお、特に好ましい強磁性材料としては、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅを挙げることができる。

ナノ接合部３を形成する材料と、そのナノ接合部３に隣接する２つの強磁性層を形成する材料とが同じ場合には、単一材料で成膜とエッチングを行うことや、グラニュラー構造の成膜技術を用いることができるので、作製が比較的容易になる。

本発明においては、こうしたナノ接合部３の内部に主として現れる磁壁が、例えば、図３（ａ）に示すようなブロッホ磁壁、図３（ｂ）に示すようなネール磁壁、又はそれらが混在する磁壁、のいずれかの磁壁構造となっている。磁壁構造は、高感度のＭＦＭ（磁気力顕微鏡）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により測定され、評価される。

（１）磁気抵抗効果素子の積層方向におけるナノ接合部の長さ（寸法。層の高さともいえる。）ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとがｈ＜４×ａの関係である場合には、ナノ接合部には主としてブロッホ磁壁が現れる。このとき、ｈ≧４×ａのときは、ブロッホ磁壁が顕著に現れず、主としてポルテックス磁壁が現れることがある。

（２）磁気抵抗効果素子の積層方向におけるナノ接合部の長さ（寸法。層の高さともいえる。）ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとがｈ＞２０×ａの関係である場合には、ナノ接合部には主としてネール磁壁が現れる。このとき、ｈ≦２０×ａのときは、ネール磁壁が顕著に現れず、主としてポルテックス磁壁が現れることがある。

こうした磁壁構造は、ナノ接合部３の寸法を上記の関係にすることにより現れる。ナノ接合部３の磁壁構造を主としてブロッホ磁壁、ネール磁壁、又はそれらが混在する磁壁のいずれかとした場合には、磁壁が極小のエネルギー状態となるので、高い磁気的安定性を確保することができる。

（自由層）
本発明の磁気抵抗効果素子において、自由層（フリー層とも呼ばれる。）１は、固定層を構成する強磁性層と共にナノ接合部３を挟むように形成されている強磁性層である。また、この自由層１は、媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する作用を有する強磁性層であり、その容易軸の方向を媒体と平行に規制しておくことが好ましい。

自由層１を構成する強磁性層は、上述したようなスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが好ましい。具体的には、ＣｏＦｅ、Ｃｏ等の材料が特に好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で通常０．５〜５ｎｍの厚さで成膜される。

自由層１は、図１に示すように、１層の強磁性層からなるものであってもよいし、２層の強磁性層（図示しない）で形成されているものであってもよい。

２層の強磁性層で形成される場合には、それらの強磁性層同士を、強磁性結合状態又は反強磁性結合状態で設けることができる。

２つの強磁性層を強磁性結合で設ける場合は、ナノ接合部３から離れた位置に配置される強磁性層は分極率の高い材料で形成され、ナノ接合部３に隣接して設けられ強磁性層は磁歪の小さい軟磁性材料で形成される。こうした組合せで形成することにより、高感度と広い線形動作を確保することができるという効果がある。分極率の高い材料としては、前記したスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、ＣｏＦｅ、Ｃｏ等の材料が特に好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常０．５〜５ｎｍ程度の厚さで形成される。また、磁歪の小さい軟磁性材料としては、Ｎｉ，ＮｉＦｅが特に好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常０．５〜５ｎｍ程度の厚さで形成される。

一方、２つの強磁性層を反強磁性結合で設ける場合は、２つの強磁性層の間に非磁性層が設けられる。この場合の非磁性層は、２つの強磁性層の交換結合の度合いを調整する層であり、例えばＲｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成され、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常０．３〜３ｎｍの厚さで成膜される。

反強磁性結合を呈する場合の強磁性層としては、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等を挙げることができ、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常１〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。

（固定層）
本発明の磁気抵抗効果素子において、固定層（ピン層ともいう。）２は、自由層１を構成する強磁性層と共にナノ接合部３を挟むように形成されている強磁性層である。

固定層２を構成する強磁性層は、前記したスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、ＣｏＦｅ、Ｃｏ等の材料が特に好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常１〜１０ｎｍの厚さで成膜される。

固定層２は、図１に示すように、１層の強磁性層からなるものであってもよいし、２層の強磁性層（図示しない）で形成されているものであってもよい。

固定層を２層の強磁性層で形成する場合には、その２つの強磁性層の間に非磁性層を設けることが好ましい。２つの強磁性層の間に非磁性層を形成する場合には、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成され、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常１〜１０ｎｍの厚さで成膜される。

なお、２つの強磁性層を同一の材料で形成しても、異なる材料で形成してもよい。また、その厚さも、同じであっても異なっていてもよい。

２つの強磁性層を非磁性層で仕切ることにより、両者の強磁性層の磁化の容易軸が反並行に結合する。こうした非磁性層の作用により、２つの強磁性層の磁化が安定する。その結果、層の側端面から磁界が漏洩しないので、素子全体の安定性を向上させることができる。なお、これらの強磁性層や非磁性層も、上記同様、スパッタリングや蒸着等の方法で成膜される。

（導電性薄層）
図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の他の一例を示す積層方向の断面図である。

本発明の磁気抵抗効果素子２０は、ナノ接合部３を有する絶縁層４と、自由層１及び固定層２の一方又は両方との間に、導電性薄層５を設けることが好ましい。導電性薄層５をそうした位置に設けることにより、双極子相互作用が最適化されると共に、スピンの集束を高め、抵抗変化率を高めると共に、磁気的な安定性をも高めることができる。

導電性薄層を形成するための材料としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ｃｒ及びＡｇから選ばれる元素を有する材料で形成されることが好ましく、特に好ましくは、Ｃｕ、Ａｕ等である。こうした導電性薄層５は、スパッタリングや蒸着等の方法で、通常０．１〜１ｎｍの厚さで成膜されることが好ましい。

以上説明した本発明の磁気抵抗効果素子は、通常、バッファー層が形成された基板上に設けられる。基板としては、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化物基板、ＡｌＴｉＣ基板等が用いられる。バッファー層としては、その上に形成される自由層１や固定層２の結晶性を高めるために設けられるものであり、例えば、Ｔａ層、ＮｉＣｒ層、Ｃｕ層等が挙げられ、真空蒸着やスパッタリング等の成膜手段により、通常２〜１００ｎｍの厚さで成膜される。

また、本発明の磁気抵抗効果素子においては、必要に応じて、磁気安定制御層を設けることもできる。磁気安定制御層は、自由層の磁化方向を安定化させるように作用する層であり、自由層１上にナノ接合部３から遠ざかる方向に向かって非磁性層、強磁性層及び反強磁性層の順で形成することができる。

以上説明した、本発明の磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部３を挟んだ２つの強磁性層は、磁区制御が容易なように層状の平面を有するので、磁化分布状態を揃えることができ、従って、微小なナノ接合部において接続されている相対する強磁性層との間の磁壁幅を急峻に保つことが可能となり、大きな磁気抵抗変化率が得られる。ただし、２つの強磁性層は、必ずしも厳密に平坦な層である必要はなく、多少の凹凸面又は湾曲面を有していてもよい。またさらに、本発明においては、１又は２以上のナノ接合部３、すなわち単一の又は複数のナノ接合部３が形成されているような態様としてもよい。２以上のナノ接合部３を自由層及び固定層の間（すなわち、２つの強磁性層の間）に設けた場合には、ＭＲ値が若干減少するという難点があるものの、単一のナノ接合部３を有する場合と比較して素子ごとのＭＲ値のバラツキを低減でき、安定したＭＲ特性を再現することが容易となる。

（磁気ヘッド）
本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子を用いることで５０％以上の磁気抵抗変化率を発生することができるため、大きな再生感度をもっている。

図４は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気再生素子として用いる磁気ヘッドの一例を示す模式図である。図４に示す磁気ヘッド５０は、磁気抵抗効果素子１０の膜面を記録媒体５６に対して垂直に配置している。ここで、ナノ接合部３は、磁気抵抗効果素子１０の中心から記録媒体５６に近づく方向に配置されている。記録媒体５６からの信号磁界は、記録媒体５６からの距離が短くなるほど大きくなるため、そうした位置にナノ接合部３を配置するように構成された磁気ヘッド５０は、磁化を感受する自由層７の磁界検出効率が大きくなるという効果がある。

図４に示す磁気抵抗効果素子１０は、図１に示す磁気抵抗効果素子を構成する代表的な層を示しており、符号５３のシールド部材側から、符号５４のシールド部材側に向かって、電極５１、固定層２、ナノ接合部３、自由層１、電極５２の順で設けられた磁気抵抗効果素子１０である。なお、符号５５はセンス電流を表している。また、図４においては、記録媒体として水平磁化膜を例示したが、垂直磁化膜であってもよい。

この図４に示す磁気抵抗効果素子１０において、その幅は、２０〜１００ｎｍの範囲であり、各層の膜厚は、使用する記録密度や要求感度に応じて、０．５〜２０ｎｍの範囲で最適化され、又、個数が１又は２以上のナノ接合部３は、２〜２０ｎｍの寸法で形成される。

こうした構成からなる磁気抵抗効果素子１０は、５０％以上の磁気抵抗効果を示し、センス電流５５を感度よく検出することができるので、感度のロスが少ないと共に、安定性に優れた磁気ヘッドとすることができる。

以上のように、磁気ヘッドに装着された本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば水平磁化膜からなる記録媒体に対しては、その記録媒体に対向配置された自由層の容易軸の方向がその記録媒体の磁化方向と平行となり、その容易軸の磁化は記録媒体の磁化転移領域から発生する磁界に敏感に感応して回転する。その結果、ナノ接合部を流れるセンス電流が変化し、記録媒体の漏れ磁場を極めて感度よく読みとることができる。本発明の磁気抵抗効果素子は、５０％以上の磁気抵抗効果を示し、センス電流を感度よく検出することができるので、感度のロスが少ないと共に、安定性に優れた磁気ヘッドとすることができる。

本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。本発明の磁気抵抗効果素子の他の一例を示す積層方向の断面図である。ブロッホ磁壁とネール磁壁の説明図である。本発明の磁気ヘッドの一例を示す構成図である。

符号の説明

１自由層
２固定層
３ナノ接合部
４絶縁層
５導電性薄層
１０、２０磁気抵抗効果素子
５０磁気ヘッド
５１，５２電極
５３，５４シールド部材
５５センス電流
５６記録媒体

Claims

強磁性層からなる自由層及び固定層と、強磁性層からなり、前記自由層及び固定層の間に設けられるフェルミ長以下の寸法を持つ１又は２以上のナノ接合部とを有し、前記ナノ接合部の内部に現れる磁壁が、主として、ブロッホ磁壁、ネール磁壁又はそれらが混在している磁壁であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記磁壁が主としてブロッホ磁壁である請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、当該磁気抵抗効果素子の積層方向における前記ナノ接合部の寸法ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとが、ｈ＜４×ａの関係であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記磁壁が主としてネール磁壁である請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、当該磁気抵抗効果素子の積層方向における前記ナノ接合部の寸法ｈとナノ接合部の形成材料の格子定数ａとが、ｈ＞２０×ａの関係であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
強磁性層からなる前記自由層及び前記固定層が、分極率０．５以上の強磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記ナノ接合部及び当該ナノ接合部以外の部位である絶縁層と、前記自由層及び固定層の一方又は両方との間に、導電性薄層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記導電性薄層の厚さが０．１〜１ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
前記絶縁層が、酸化物又は窒化物等の絶縁材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
信号を検出するためのセンス電流が、ナノ接合部を介して、前記自由層と固定層との間を流れることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
請求項１〜８のいずれか１項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。