JP4758812B2 - スピン流狭窄層を備えたスピン蓄積素子及びその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、スピン蓄積素子及びその製造方法に関する。

磁気記録再生装置市場においては、年率40％超の記録密度向上が要求されており、現在の成長率に従うと2010年頃にはTbit/in²に到達すると推測される。テラビット級の磁気記録再生装置に搭載する磁気記録再生ヘッドには、高出力化・高分解能化が求められている。現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すCPP−GMR (Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance)ヘッドやTMR (Tunneling Magneto Resistance)ヘッドが提案されている。CPP-GMRヘッドに関して、極薄酸化層（Nano Oxide Layer: NOL)等をGMR構造の界面に挟み、電子のスピンの多重反射効果により出力の増大を狙ったスペキュラーGMRや、酸化条件を変化させたNOLにより電流狭窄(Current Confined Pass: CCP)を狙ったCCP−NOL効果によって、GMRの高出力化を図っている。CCP−NOL効果を用いたCPP−GMRとして、特開2004−355682号公報が代表的例である。また、近年報告されているMgO障壁層を持ったTMR素子に関しては、室温での抵抗変化率が300％を超える物も登場してきた。

しかしながら、テラビット級の磁気記録再生装置において、上記CPP−GMRやTMRヘッドは、分解能といった面で適応しないと考えられる。それは、テラビット級の磁気記録再生装置に関しては、トラック幅及びギャップ幅共に30 nm程度が要求されるが、CPP−GMRやTMRヘッドは積層タイプの磁気ヘッドのため、ギャップ幅を狭小化するのは困難であると考えられる。

その為、超高分解能再生ヘッドとして、スピン蓄積素子を用いた平面型磁気再生ヘッドが提案されている。スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性金属に電流を流すと、非磁性金属の長さがスピン拡散長より十分短い場合には、非磁性金属中にスピン偏極した電子がたまる現象である。このように、強磁性体から非磁性金属に電流を流すことをスピン注入という。これは、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（ アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）をもつため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極電子が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因している。このスピン注入が生じる強磁性金属／非磁性金属からなる系において、非磁性金属に接して第二の強磁性体を配置すると、非磁性金属にスピンが溜まっている場合、非磁性金属と第二の強磁性金属の間に電圧が誘起される。この電圧は、第一の強磁性体と第二の強磁性体の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することで、磁化の向きに応じた出力信号を得ることができる（非特許文献 1参照）。この効果は、外部磁場センサとして応用ができ、スピン蓄積現象を用いた磁気再生センサの代表的なものとして、特開2004-348850号公報、特開2004-186274号公報や特開2005-19561号公報が報告されている。従来のCPP−GMRやTMRヘッドは自由層と固定層を積層していたのに対し、平面型スピン蓄積磁気再生ヘッドでは、自由層と固定層を数百nmほど分離したヘッド構造の実現が可能である。その為、超高分解能再生ヘッドとして期待されている。

特開2004-355682号公報 特開2004-348850号公報 特開2004-186274号公報 特開2005-19561号公報 F. J. Jedema et al., "Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve", Nature, vol. 416 (2002), pp.713 -716.

現在、報告されているスピン蓄積効果による出力信号は、トンネル接合を用いた場合で8 mWである（非特許文献 1）。しかしながら、その出力の大きさは、テラビット級の磁気記録再生ヘッドとしては不十分であり、更に高出力なスピン蓄積素子が必要である。また、トンネル接合を用いたスピン蓄積素子では、ノイズの影響が無視できないため、高出力化を狙って単純にトンネル接合を付加するだけでは、外部磁界センサとしての機能を果たさない。そこで、テラビット用の磁気再生センサとして、高感度・高分解能・低ノイズのスピン蓄積素子を備えた外部磁界センサが必要となっている。

本発明は、非磁性導電体中に蓄積されたスピン流を狭窄する事で高出力化を図った。スピン流を狭窄する為に、例えば絶縁体中にナノスケールサイズの非磁性導電体を埋め込んだスピン流狭窄層を設けた。CPP−GMRの電流狭窄層は膜厚が1〜2 nm程度であるのに対し、本発明のスピン流狭窄層の膜厚は数nmから数百nmまで、原理的にはスピン拡散長より短い範囲で任意の膜厚を選択できる。また、スピン流狭窄層は、一般的には磁性超薄膜を酸化させるCCP−NOLとは異なり、非磁性薄膜を部分酸化する事で作製する。本発明によるスピン流狭窄層は、CPP−GMRにおける電流狭窄層と異なり、スピン流狭窄部には非磁性導電体しか用いる事ができない。なぜならば、仮に磁性導電体を用いた場合、そのスピン拡散長が数nm程度しかない為、膜厚方向にスピン情報を伝達する事ができないからである。

CPP−GMRにおける電流狭窄層では、電流を狭窄して流す為、ピンホール部での電流密度が高く、ジュール熱等によるピンホール部の劣化が問題となっている。しかし、本発明によるスピン流狭窄層は、電流が流れないのでこの様な問題は起きない。また、スピン流狭窄層には電流の代わりにスピン流が流れる為、電圧測定においての電気的なノイズを軽減できるという特徴もある。これにより、テラビット磁気記録再生装置対応の高感度・高分解能・低ノイズの磁気再生センサが実現可能となる。

本発明によると、高出力・高分解能・低ノイズで、高記録密度磁気記録再生に好適なスピン蓄積素子が得られる。

以下、本発明を適用するのに好ましい素子形状及び外部磁界センサについて、詳細に説明する。

［実施例１］
図1は本発明の第1の実施例によるスピン蓄積素子の側断面図、図2は平面図である。このスピン蓄積素子は、非磁性導電体101と、第一の磁性導電体103とが、非磁性導電体101上に形成した絶縁障壁層102において接しており、かつ、第二の磁性導電体105が他の場所で非磁性導電体101と接している構造を有する。第一の磁性導電体103は、磁化が反強磁性体104により磁気的に固定されてスピン注入源となっており、非磁性導電体101中でのスピン蓄積効果によって引き起こされる電圧を第二の磁性電導体105と上記非磁性導電体101の間で検出する。電圧検出用の第二の磁性導電体105をくびれ形状にし、非磁性導電体101との接合面積A₂(=w_F3×w_N)が0.01μm²以下のサイズとなるように微細加工した。非磁性導電体101は、Cu, Au, Ag, Pt, Al, Pd, Ru, Ir, Rh等から選択される非磁性導電性金属、又は、GaAs, Si, TiN, TiO, ReO₃を主成分とする導電性の化合物からなる。

第一、第二の磁性導電体103、105は、Co, Ni, Fe, Mnあるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる。さらに、ハーフメタルFe₃O₄に代表されるAB₂O₄（AはFe, Co, Znの少なくとも一つ、BはFe, Co, Ni, Mn, Zn の一つ）なる構造を持つ酸化物、CrO₂, CrAs, CrSbあるいはZnOに遷移金属であるFe, Co, Ni, Cr, Mnを少なくとも一成分以上添加した化合物、GaNにMnを添加した化合物、あるいはCo₂MnGe、Co₂MnSb,Co₂Cr_0.6Fe_0.4Alなどに代表されるC₂D×E×F型（CはCo, CuあるいはNiの少なくとも一種類、DとEはそれぞれMn, Fe, Crの１種、FはAl、Sb, Ge, Si, Ga, Snの少なくとも一成分を含有する材料）のホイスラー合金を、これら磁性層が含有していてもよい。反強磁性体104としてはMnIr, MnPt, MnRh等を用い、絶縁障壁層としてはMgO, Al₂O₃, AlN, SiO₂, HfO₂, Zr2O₃, Cr₂O₃, TiO₂, SrTiO₃の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜を用いることができる。

図2において、w_N, w_F1, w_F2, w_F3, 及びdは、非磁性導電体101の線幅、第一の磁性導電体103の線幅、第二の磁性導電体105の線幅、第二の磁性導電体105の狭窄部分の幅、及び、第一と第二の磁性導電体の電極間距離をそれぞれ表している。非磁性導電体101と第一の磁性導電体103の接合面積は A₁ = w_N×w_F1で規定され、非磁性導電体101と第二の磁性導電体105の接合面積は A₂= w_N×w_F3で規定される。201は直流電流源、202は電圧計を表しており、外部磁界203が第一と第二の磁性導電体103, 105と平行な方向に印加されている。

以下のようにして、本実施例のスピン蓄積素子を製作した。基板として、SiO₂基板やガラス基板などの通常用いられる基板（酸化マグネシウム基板、GaAs基板、AlTiC基板、SiC基板、Al₂O₃基板等を含む）上にRFスパッタリング法やDCスパッタリング法、分子線エピタキシー法（MBE）等の膜形成装置を用いて成膜した。例えばＲＦスパッタリング法の場合、Ar雰囲気中で、約0.1〜0.001Paの圧力、100W〜500Wのパワーで、所定の膜を成長させた。素子形成する基板は、上記基板を直接用いるか、又は、これら基板上に絶縁膜や、適当な下地金属膜などを形成したものを用いた。

膜形成の一例として、3インチ熱酸化膜つきSi基板上にRFマグネトロンスパッタリング装置で、磁気抵抗測定用電極としてTa(3nm)/Cu(30nm)を成膜した。成膜後、I線ステッパでパターン露光し、イオンミリングで磁気抵抗測定用電極を形成し、バリ除去の工程を施した。電極作成後、下から順にMnIr(10nm) / CoFeB(20nm) / MgO(2.2nm) / Cu(20nm)の各膜を成膜した。

素子の加工には、電子線描画法や走査型プローブ描画法等を用いて微細加工を行った。例えば、線幅50nm、長さ50μm、厚さ20nmのCu細線は走査型プローブ法を用いて作製した。作製された素子サイズは、非磁性細線の線幅w_N: 50〜500nm、磁性細線の線幅はw_F1, w_F2: 100〜500nm、磁性細線電極間距離d: 50〜600nmである。磁性細線と非磁性細線の接合部は、選択的ドライエッチングを施し、スピン注入端子用のトンネル接合を作製した。

尚、非磁性導電体としてCuを用いているが、Cu細線を真空中で240℃、50分間の条件で焼き鈍している。この焼き鈍の工程によりCuの粒径を大きくする事ができ、線幅100 nmの細線においても抵抗値が1.8μWcmのCu細線を作製することに成功した。

電圧測定用の第二の磁性導電体105は、走査型プローブ描画法を用い、接合部をくびれ形状に微細加工した。作製された接合の抵抗は金属的な振る舞いをし、そのサイズとしてA₂= 0.1μm², 0.025μm², 0.01μm², 0.0075μm², 0.0050μm²の5種類を用意した。

本発明のスピン蓄積素子の第一のトンネル接合 において、CoFeB からMgO膜を介してCuに一定直流電流I = 0.1 mAを流し、第二の磁性導電体のCoFeB とCu膜の間の電圧を測定した（図2参照）。外部磁界203を磁性細線と平行に印加して、第二の磁性体105の磁化を反転させ、二つの磁性層の磁化が互いに平行及び反平行の状態で電圧測定を行い、得られた電圧の差から、出力信号DV/Iを求めた。尚、第一と第二の磁性体の電極間距離はd = 300 nm とした。出力信号DV/Iと断面積の逆数1/A₂との関係を図3に示す。

図3に示されるように、A₂< 0.001 μm²で急激に出力信号が増大する結果が得られた。電圧検出端子の断面積A₂が非磁性細線の結晶粒径よりも十分大きい場合（A₂ >> 0.01μm²）、出力信号は断面積の逆数に比例する。これに対し、0.01μm²以下に断面積を狭小化していくと、出力信号は断面積の逆数の比例関係から外れ、急激に増大していく。この現象は、非磁性金属の結晶粒径と同程度のサイズ以下になると、抵抗変化を生じる散乱体以外の余分な部分にスピン流が流れることを防ぐことができるので、スピン流の結晶粒界における散乱が減少し、スピン流の吸収効率が上昇する効果として解釈できる。その為、非磁性導電体101と電圧検出用の磁性導電体105との接合面の狭小化によってスピン流の狭窄化が起こり、スピン蓄積効果による出力信号は急激に増大していく。

本発明では、このスピン流狭窄化による効果を積極的に用い、スピン蓄積効果による出力信号の増幅を図った。

［実施例２］
図4は、本発明の第2の実施例によるスピン蓄積素子の側断面図、図5は平面図である。このスピン蓄積素子は、電圧検出用磁性導電体406と非磁性導電体401との間にスピン流狭窄層405（図6参照）を設けている。非磁性導電体401、絶縁障壁層402、磁性導電体403、反強磁性体404は、実施例1と同様のものを用いた。

図5に示すように、スピン流狭窄層405の接合面積は、A₂’ = w_N×w_F2で規定されている。尚、接合面積A₂’は、非磁性細線の線幅w_Nと磁性細線の線幅w_F2をAFMで測定して求めている。501、502は直流電流源及び電圧検出器を表し、外部磁場503は、2本の磁性導電体403及び406と平行になるように印加した。スピン流狭窄層405を備えたスピン蓄積素子の出力は、従来報告されている出力信号の2桁大きい値を示す。これは、スピン流の狭窄化によって、抵抗変化を生じる散乱体以外の余分な部分をスピン流が流れることを防ぐことができるので、結果としてスピン蓄積素子の出力信号が増大したと解釈できる。

図6は、スピン流狭窄層405の拡大模式図であり、絶縁体601中に直径10nm以下の非磁性導電体602が配置された構造をとっている。絶縁体601は非磁性導電体膜を部分酸化することで形成し、ナノホールを備えたスピン流狭窄層を作製した。非磁性導電体602の材料としては、Cu, Au, Ag, Pt, Al, Pd, Ru, Ir, Rh等を用いることができ、膜厚は100nm以下でスピン流を狭窄化した。例えば、スピン軌道相互作用の大きな非磁性導電体Auを用いることにより、スピン・シンク効果が期待され、より効率的にスピン流を検出する事ができる。

図７に、部分酸化によるスピン流狭窄層の作製方法の一例を示す。
(i) 非磁性導電体薄膜401上に非磁性導電体薄膜701を形成し、その上にネガ・レジスト702を塗布する。
(ii) 走査型プローブ703を用いレジスト702にマスクパターンを描画する。
(iii) 酸素雰囲気中でArプラズマを照射しながら酸化させ、酸化物絶縁体704を作製する。
(iv) 以上の工程によって、酸化物絶縁体704の母体中に、非磁性体導電体705が柱状に分散しているスピン流狭窄層405が完成する。

また、多孔質セラミックをマスクとして用いることでも、スピン流狭窄層を作製することができる。

以下に示す方法で、本実施例のスピン蓄積素子を製作した。実施例1における第二の磁性層105のくびれ形状の代わりに、図6に示すスピン流狭窄層405を備えた以外は、実施例1と同様の作製方法である。スピン流狭窄層405は、非磁性薄膜としてCuを用い、膜厚3nm以下で、図７に示す部分酸化により、酸化物絶縁体601を形成した。絶縁体601中の1本のCu柱状導電体602の直径は1〜3nmであり、各々の間隔が5nmになるように加工した。

以上の様に作製したスピン流狭窄層を備えるスピン蓄積素子の出力信号を測定した。測定条件は、CoFeB からMgO膜を介してCuに一定直流電流I = 0.1 mAを流し、スピン流狭窄層で接合されたCoFeB とCu細線間の電圧を測定した。接合面積をA₂’ < 0.001 μm²に狭小化していくと出力信号は急激に増大していき、スピン流狭窄層の接合面積がA₂’ = 0.0001 μm²の場合、出力信号としてDV /I = 5 Wの値を得た。

［実施例３］
図8は、本発明の第3の実施例によるスピン蓄積素子の側断面図である。このスピン蓄積素子は、電流806を注入する磁性導電体802と非磁性導電体801とが直接電気的に接合されている。非磁性導電体801、磁性導電体802，805、反強磁性体803は、実施例1と同様のものを用い、スピン流狭窄層804は実施例2と同様のものを用いた。非磁性伝導体801と磁性伝導体802とが直接電気的に接合されている為、低ノイズのスピン蓄積素子が得られる。また、スピン流狭窄層804を用いているため、実施例２に示す様な高出力化も可能である。

［実施例４］
図9は、本発明の第4の実施例によるスピン蓄積素子の側断面図である。このスピン蓄積素子は、電流907を注入する磁性導電体903と非磁性導電体901が電流狭窄層902を介し電気的に接合されている。非磁性導電体901、磁性導電体903，906、反強磁性層904は、実施例1と同様のものを用い、スピン流狭窄層905は実施例2と同様のものを用いた。また、電流狭窄層902は磁性薄膜を部分酸化したものを用いた。電流狭窄用の磁性導電体としては、Ni, Co, Mg, Fe等を用い、酸素雰囲気中でArプラズマを照射する事で、電流狭窄層902を作製した。本実施例によると、非磁性伝導体901と磁性伝導体903とが、電流狭窄層902を介して接合されている為、トンネル接合を用いた実施例2のスピン蓄積素子よりも低抵抗な素子が得られる。

このように、スピン流狭窄層を備えた実施例2、3、4のスピン蓄積素子は、その出力信号が、これまでに報告されている値（非特許文献1）よりも2桁以上大きな値であり、再生密度がTbit/in²を超える再生領域においても、磁気再生センサとして十分な出力を得ることができる。また、スピン流狭窄層にはスピン流のみが流れる為、電圧測定においての電気的なノイズを軽減でき、CPP−GMRにおける電流狭窄層と比較し、スピン流狭窄のジュール熱による熱耐性が向上した。

［実施例５］
図10は、スピン流狭窄層を備えたスピン蓄積素子を有する磁気再生センサの模式図である。スピン流狭窄層1005を備えたスピン蓄積素子が、上下シールドである1008, 1009の間に構成されており、ABS面には自由層となる磁性導電体1006が外部磁界センサとして、媒体と対向している。媒体対向面から離れた奥側に、絶縁障壁層1002、固定層となる磁性導電体1003、反強磁性導電体1004が非磁性導電体1001の上に積層されて形成されている。1007は電極である。電流1010を、上下シールド1008, 1009間に各層を貫く方向に流し、磁性導電体1006と非磁性導電体1001の間の電位差を検出する。絶縁障壁層1002の接合面積(A₁ = 0.1μm²)を広くする事で、注入されるスピン流の総量を増加させると共に、電流1010がトンネル接合を介して流れる際のジュール熱による接合部破壊を防いだ。

非磁性導電体1001−反強磁性導電体1004及び電極1007の接合面積A₁は、A₁ = 0.1μm²であり、スピン流狭窄層1005の断面積A₂’はA₂’ = 0.001 μm²である。このスピン蓄積素子を有する磁気再生センサにおいて、自由層1006と固定層1003の距離がd = 300 nmの場合、出力信号はDV/I = 1 Wを超える。

本発明によるスピン蓄積素子の構造例を示す断面図。 本発明によるスピン蓄積素子の構造例の平面図。 本発明によるスピン蓄積素子における出力信号の断面積依存性を示す図。 本発明によるスピン蓄積素子の構造例を示す断面図。 本発明によるスピン蓄積素子の構造例の平面図。 本発明のスピン流狭窄層の構造例を示す図。 本発明によるスピン蓄積素子の構造例を示す断面図。 本発明によるスピン蓄積素子の構造例を示す断面図。 本発明による磁気記録再生装置を示す概略図。 スピン流狭窄層を備えたスピン蓄積素子を有する磁気再生センサの模式図。

符号の説明

101, 401, 701, 801, 901, 1001 非磁性導電体
102, 402, 1002 絶縁障壁層
103, 403, 802, 903, 1003 第一の磁性導電体
104, 404, 803, 902 反強磁性導電体
105 狭窄化された第二の磁性導電体
406, 805, 906, 1006 第二の磁性導電体
201, 501, 806, 907 直流電流源
202, 502, 807, 908 電圧検出器
203, 503 外部磁場
405, 804, 905, 1005 スピン流狭窄層
601, 704 酸化物絶縁体
602, 705 非磁性導電体
702 レジスト
703 走査型プローブ
902 電流狭窄層
1007 電極
1008 下部シールド
1009 上部シールド
1010 直流電流

Claims (10)

1. 非磁性導電体と、
   前記非磁性導電体上に絶縁障壁層を介して形成された第一の磁性導電体と、
   前記絶縁障壁層を介して前記非磁性導電体と前記第一の磁性導電体の間に電流を流すための電極と、
   前記絶縁障壁層から離れた位置で前記非磁性導電体上に形成された第二の磁性導電体と、
   前記非磁性導電体と前記第二の磁性導電体との間に発生する電圧を計測するための電極とを有し、
   前記非磁性導電体と前記第二の磁性導電体の間には電流が流れず、スピン流が流れ、
   前記第二の磁性導電体と前記非磁性導電体との接合面積が0.001μm²以下であることを特徴とするスピン蓄積素子。
2. 請求項１記載のスピン蓄積素子において、前記第一の磁性導電体の上に反強磁性導電体が形成されていることを特徴するスピン蓄積素子。
3. 非磁性導電体と、
   前記非磁性導電体上に形成された第一の磁性導電体と、
   前記非磁性導電体と前記第一の磁性導電体の間に電流を流すための電極と、
   前記第一の磁性導電体から離れた位置で前記非磁性導電体上にスピン流狭窄層を介して形成された第二の磁性導電体と、
   前記非磁性導電体と前記第二の磁性導電体との間に発生する電圧を計測するための電極とを有し、
   前記スピン流狭窄層には電流が流れず、スピン流は前記スピン流狭窄層の非磁性導電体を介してのみ前記第二の磁性導電体と相互作用することを特徴するスピン蓄積素子。
4. 請求項３記載のスピン蓄積素子において、前記スピン流狭窄層は、絶縁体の母体中に、柱状の非磁性導電体が分散していることを特徴するスピン蓄積素子。
5. 請求項３記載のスピン蓄積素子において、前記第一の磁性導電体の上に反強磁性体が形成されていることを特徴するスピン蓄積素子。
6. 請求項３記載のスピン蓄積素子において、前記非磁性導電体と前記第一の磁性導電体の間に絶縁障壁層が形成されていることを特徴するスピン蓄積素子。
7. 請求項３記載のスピン蓄積素子において、前記非磁性導電体と前記第一の磁性導電体の間に電流狭窄層が形成されていることを特徴するスピン蓄積素子。
8. 請求項４記載のスピン蓄積素子において、前記柱状の非磁性導電体はCu, Au, Ag, Pt, Al, Pd, Ru, Ir, 又はRhであり、前記絶縁体は当該非磁性導電体の酸化物であることを特徴するスピン蓄積素子。
9. 請求項４記載のスピン蓄積素子において、前記スピン流狭窄層は膜厚が100nm以下であり、前記柱状の非磁性導電体の面内の断面積が0.001μm²以下であることを特徴とするスピン蓄積素子。
10. 非磁性導電体にスピン偏極した電子を注入するスピン注入部と、前記スピン注入部から離れた位置に設けられ前記非磁性導電体内に蓄積したスピン偏極電子と磁性導電体との相互作用を検出する検出部とを有し、前記非磁性導電体と前記磁性導電体の間には電流が流れないスピン蓄積素子の作製方法において、
    前記検出部は、非磁性電極上に形成された非磁性導電体薄膜にレジストを塗布する工程と、
    走査型プローブ法を用いて前記レジストにマスクパターンを描画する工程と、
    酸素雰囲気中でArプラズマを照射しながら前記非磁性導電体薄膜を部分酸化させ、酸化物絶縁体の母体中に非磁性体導電体が柱状に分散しているスピン流狭窄層を形成する工程と、
    前記スピン流狭窄層の上に自由層となる強磁性層を形成する工程と
    を含む工程によって作製されることを特徴とするスピン蓄積素子の作製方法。

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