JP5624673B2 - 磁気再生ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果素子を備える磁気再生ヘッドに関する。
磁気記憶再生装置市場では、年率４０％超の記録密度向上が要求されており、この磁気記録再生装置に対応した磁気記憶再生ヘッドにおいても、記録、再生の両特性に関し、高性能化が要求されている。このうち、磁気再生ヘッドに関しては、高感度化、トラック幅の狭小化、再生ギャップ間隔の狭小化という３つの技術課題を満足させることが重要である。
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、センス電流を素子の積層面に対して垂直に流す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。これらスピンバルブタイプの再生装置は、磁気記録媒体からの漏洩磁場の検出方法として磁性導電体との相対的な磁化の向きに関して抵抗変化を示すものである。
しかしながら、テラビット（Ｔｂｉｔ）級の磁気記録再生装置において、上記ＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲヘッドは、分解能の面から適応が困難である。それはＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲヘッドが磁気記録媒体からの漏洩磁場を検出する機構とその能力を発揮する為に必要な素子の大きさに起因する。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子が磁場を検出する機能を有する為には磁性体、非磁性体薄膜を十数層という積層した構造が必要となる。積層構造の膜厚が再生ヘッドのトラック幅を決めるが、この積層構造を磁場センサとして機能させる為の半強磁性体層等の電極層を合わせると、その膜厚はテラビット級の記録密度に対応する大きさに成りえない。
その為、超高分解能再生ヘッドとして、スピン蓄積素子という磁性体の平面配置型磁気再生ヘッドが提案されている。スピン蓄積素子の利点は磁気検出の為の二つの強磁性体が垂直方向ではなく平面方向に配置する事ができる所にある。平面方向に配置することで磁場の検出部分には強磁性体が一層のみ配置されるので、検出部分を小さくすることができる。また磁場を感知する部位を小さくする程、検出されるシグナルが大きくなるという特性を持ち合わせている。
前述の平面配置型の構造は非局所構造と呼ばれている。スピン蓄積素子は非局所構造をとる。非局所構造の素子は、非磁性層上の一箇所に強磁性体からなる磁性固定層を配置し、これから離れた非磁性層上の他の箇所に強磁性体からなる磁性自由層を配置した構造をとり、磁性固定層と磁性自由層は非磁性層を介して電気的に接続された機構を備えている。また二対の電極を備えており、一対の電極は強磁性固定層、非磁性層を介して回路を形成しており、もう一対の電極は強磁性自由層、非磁性層を介して回路を形成している。これにより非局在機構においては電流が流れる経路と、電圧を測定する経路が異なっており非磁性細線部を介して反対側の電極との間で電圧測定及び電流印加は行わない。電流は一対の電極の間を磁性固定層と非磁性金属層を介して流れ、電圧はもう一対の電極の間で非磁性層、強磁性自由層を介して測定される。強磁性固定層と強磁性自由層はそれぞれ外部磁場に対する保磁力の大きい強磁性体と小さい強磁性体と定義する。即ち、強磁性自由層は外部磁場に対して磁化方向が容易に変化する。
ここでスピン流について説明する。スピン流とは上向きスピンの電子と下向きスピンの電子が互いに逆向きに同一量だけ流れているときに発生する電子スピンの流れである。この時、電荷の流れは相殺されているので実質的な電流は発生しない。実験の例として、非特許文献１に掲載されているように、スピン分極率が偏極したスピン流が１００ｎｍ以上の長距離にわたって伝導し、磁気相互作用を生じる現象が実際に確認されている。彼らは、太さの異なるＣｏ細線と、これと直交するＡｌ細線を作成し、Ｃｏ細線とＡｌ細線の交叉した場所にアルミナの障壁層を設けた構造を作製した。このとき、太いＣｏ線からＡｌ線へ電流を流し、膜に磁場を印加したところ電流の流れていない他方のＣｏ線とＡｌ線との間に磁場依存する電位差が生じるというもので、細線の間隔が５００ｎｍを超えるにもかかわらず、磁気相互作用が確認されたというものである。
前述のスピン流が発生する機構を説明する。電流が強磁性固定層を流れたときに、その電流は強磁性固定層の磁化に誘起されてスピン偏極電子となって非磁性層に流れる。強磁性固定層には強磁性固定層の磁化の向きと同じ向きの電子しか侵入できないため、強磁性固定層の前では磁化の向きに対して逆向きのスピン偏極電子が蓄積し、強磁性固定層の後である非磁性層では強磁性固定層の磁化の向きと同じ向きのスピン偏極電子が蓄積する。この非磁性層に蓄積されたスピン偏極電子が緩和によって非磁性層内に拡散する際、スピン流が発生する。上記、実験例では、スピン偏極電子がＡｌ細線の界面部分に蓄積された効果で、蓄積されたスピン偏極電子が細線中の広い領域に分布することによって生じる事が確認された。これらの現象は非特許文献２や非特許文献３に代表されるような形で理論的に理解されている。
スピン流によって強磁性自由層と非磁性層の界面に蓄積したスピン偏極電子の磁気モーメントの向きと強磁性体自由層の磁化方向との相対角に応じて、非磁性層と強磁性自由層との間の電位差が変化する。つまり外部磁場に対して保磁力の異なる２つの磁性体の磁化の向きの相対角の変化を電圧変化として検出する。一方の磁性体の導電体に対する電位の変化が出力として生じる特徴があり、この電位は２つの磁性体の磁化が平行な時と反平行な時とで、それぞれ極性が異なるという特徴がある。
この非局在型の磁場センサにおいて、一般に出力電圧はオフセットを含んでおり、実効的な出力は外部磁場による電圧変化量ΔＶである。ΔＶに伴う磁気抵抗変化量ΔＲについて、非特許文献４にあるように、非磁性層からなるスピン流伝搬層を短くしても理論的に１ｍΩ程度が限界である。通電可能な電流値の上限は１〜１０ｍＡ程度なので、出力の上限は１０μＶ程度となる。検出器として用いる場合、出力がノイズに埋もれる場合がある。スピン偏極した電流が実際にヘッドに適用するにあたっては、本デバイスに係るノイズの低減が重要である。通常、磁気センサのノイズには、熱に起因するジョンソンノイズ、障壁を電子がトンネルするときに生じるショットノイズ、高周波での磁化印加に伴って生じるマグノイズがある。ジョンソンノイズは素子抵抗と関係し、周波数依存性が小さく絶対値も小さい為、基本的にホワイトノイズとしてどのデバイスにも共通である。本デバイスは基本的に電流パスに障壁層を備えるためＴＭＲと同様、ショットノイズの影響があると推察される。
出力ΔＶを増加させるために、スピン抵抗の差を利用する手段がある。スピン抵抗は、スピン流の流れやすさを定量的に示す量である。非特許文献４にはスピン抵抗の理論的な取り扱いが開示されている。それによれば、非磁性体と磁性体ではスピン抵抗が異なり、スピン拡散長の長い非磁性体はスピン抵抗が大きいとされている。スピン抵抗の小さい磁性体からスピン抵抗の大きい非磁性体へはスピン流の一部しか注入されない。界面に絶縁層を挿入し、その抵抗を非磁性体のスピン抵抗以上にすれば、非磁性体中のスピン流を大きくすることが可能である。この障壁層に適切な結晶質となる絶縁体を選び、ＴＭＲ素子で実現されているようなコヒーレントトンネルを起こして出力ΔＶを大きくするという事が理論的に予想されているが、実際には理論より小さな出力しか得られていない。一般的に出力ΔＶ、スピン拡散長λ、スピン偏極率Ｐの関係は、
となっている。ここでｄは強磁性層が含まれる二つの柱状多層膜間の距離を指す。つまりスピン拡散長を長くし、注入されるスピン偏極電子の偏極率を高くした時に、出力ΔＶが大きくなるという事である。その為には適切な平坦性、結晶性を有する非磁性体と障壁層を実現する必要がある。
ｎａｔｕｒｅ，４１６，７１３，１８ Ａｐｒｉｌ（２００２）
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前述の磁性体と非磁性体の間にＭｇＯを挿入した場合においても、スピン蓄積型磁気センサの出力は実用上さらなる改善が望まれる。これは、上記式から分かるように、スピン拡散に係わる非磁性細線の結晶性、コヒーレントトンネルに係わる絶縁体障壁層の結晶性が十分確保されていない為である。
本発明は、従来よりも出力の大きな磁気再生ヘッドを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための一実施形態として、絶縁体下地層と、前記絶縁体下地層上に配置された非磁性体からなる非磁性細線と、前記非磁性細線の第１領域上に配置され、障壁層と強磁性層と電極部とが順次積層された柱状構造の第１の素子部と、前記非磁性細線の前記第１領域とは異なる第２領域上に配置され、障壁層と強磁性層と電極部とが順次積層された柱状構造の第２の素子部とを有し、前記非磁性細線の一端と前記第１の素子部は電流供給回路の一部をなし、前記非磁性細線の他端と前記第２の素子部は電圧測定回路の一部をなしており、前記非磁性細線は、体心立方格子あるいは面心立方格子の結晶構造をとり、絶縁体下地層と前記非磁性細線と前記障壁層はすべて同一の面方位をとった結晶質であり、前記電圧測定回路の電圧変化をもって、外部磁場の変化を検出する機能を有することを特徴とする磁気再生ヘッドとする。
絶縁体下地層、前記非磁性細線および前記障壁層をすべて同一の面方位の結晶質とすることにより、スピン拡散長を長くし、スピン注入効率を高くすることで、出力電圧ΔＶの大きな磁気再生ヘッドを提供することができる。
以下、実施例により図面を用いて詳細に説明する。
第１の実施例について図１及び図６Ａ〜図６Ｊを用いて説明する。図１に、実施例１に係る磁気再生ヘッドにおけるスピン蓄積素子（磁気抵抗素子）の断面模式図を示す。また図６Ａ〜図６Ｊに実施例１係る磁気再生ヘッドにおけるスピン蓄積素子作製の製造工程を示す。熱酸化膜が形成されたＳｉ基板１０１の上にバッファ層１０２、絶縁体下地層１０３、非磁性層１０４、障壁層１０５、強磁性層１０６、上部電極層の順で薄膜を積層して成膜し多層膜１０００を形成した（図６Ａ）。上部電極層はＴａ／Ｒｕ等の構成からなる金属電極層である。バッファ層１０２は例えばＴａを用いた。絶縁体下地層１０３はＭｇＯ（膜厚：３ｎｍ）を用い、その構造は岩塩構造であり、結晶方位は（１００）を向いている。非磁性層１０４はＡｇなどの非磁性金属を用いた。障壁層１０５はＭｇＯ（膜厚：０．９ｎｍ〜１．２ｎｍ）を用いた。強磁性層１０６はＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０を用いた。
多層膜１０００はＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法を用いて熱酸化Ｓｉ基板１０１の上に形成した。室温成膜において、バッファ層１０２のＴａは熱酸化Ｓｉ基板上でアモルファス形状に成膜される。アモルファス状のＴａの上に絶縁体下地層１０３のＭｇＯを成膜した場合、ＭｇＯは（１００）という結晶方位有して成長する。ＭｇＯ（１００）上に非磁性層１０４のＡｇを成膜した場合、またそのＡｇ上に障壁層１０５のＭｇＯを成膜した場合、それぞれの結晶方位は（１００）方向となる。非磁性層１０４は体心立方格子構造あるいは面心立方格子構造をなる。強磁性層１０６のＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０は障壁層１０５のＭｇＯ（１００）上に成膜した場合、アモルファス状に成膜され、加熱処理を施すことで結晶化し、その方位は（１００）になる。多層膜１０００を形成後、レジストを塗装し電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーを行ってレジストを形成する。その後、イオンビームエッチングを用いて多層膜１０００を絶縁体下地層１０３の直上まで削り、レジストに被覆されている部分が残って、０．２μｍ×１μｍの細線１００２に加工した（図６Ｂ）。その後、レジストを塗装し電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーを行ってレジスト１００３を形成する（図６Ｂ）。イオンビームエッチングを用いて、非磁性層１０４の直上まで削り、レジスト１００３に被覆されている部分が残ってピラー１００５を形成した（図６Ｃ）。その後、全面に絶縁体層１００４を成膜し、インビームエッチングによって、絶縁体層１００４をそれぞれのピラーの直上だけが削られて最上部に上部電極を備えたピラーが露になるように加工した（図６Ｄ）。その後、電極層１００７を成膜し、その上にレジストを塗装し電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーを行ってレジスト１００６を形成する（図６Ｅ）。レジスト１００６に被覆された部分を残して電極層１００７を削りとり配線１００９を成形する（図６Ｆ）。その後、レジスト１００８を形成し、絶縁体層１００４を加工して細線１００２の非磁性層１０４が露わになるように削る（図６Ｇ）。その上に電極材料を成膜してレジスト１００８を取り除くと配線１０１０が成形される（図６Ｈ）。その後、金属電極層１０１２を成膜し、レジスト１０１１をリソグラフィーによって成形し（図６Ｉ）、金属電極層１０１２をレジストに被覆された部分を残して削りとり、電極１０１３、１０１４、１０１５、１０１６を成形した（図６Ｊ）。加工によって別れた二つの強磁性層をそれぞれ１０６ａと１０６ｂとする。ピラー１００５は障壁層１０５と強磁性層１０６と上部電極層からなる。電極１０７ａ、１０７ｂ、１０８ａ、１０８ｂはそれぞれ配線１００９と電極１０１４、配線１０１０と電極１０１３、配線１００９と電極１０１５、配線１０１０と電極１０１６からなり、Ｃｒ／Ａｕ積層構造にて形成した。素子を作成後、３００℃で加熱処理を行った。
次にスピン蓄積素子の動作について図１を用いて説明する。スピン蓄積素子の電極１０７ａから電極１０７ｂに向かって電流を流し、電極１０８ａと１０８ｂの間の電圧を信号として検出する。ＨＤＤの磁気記録媒体１１１からの漏洩磁場の向きに応じて強磁性層１０６ｂの磁化の向きが変化する。スピン蓄積素子の電極１０７ａから１０７ｂに電流を流した状態で、漏洩磁場の向きが変化したとき、電極１０８ａと１０８ｂの間の電圧は変化する。強磁性層１０６ａと１０６ｂの磁化の向きが並行であるとき低電圧が測定され、磁化の向きが反平行の時、高電圧が測定される。
本実施例において、絶縁体下地層/非磁性層/絶縁体障壁層/強磁性層のすべての層の格子定数の不整合を３％以下とすることができた。こうすることによって、非磁性層の平坦性と結晶性を良くすることができるのでスピン拡散長を長くすることができ、絶縁体障壁層の結晶性を良くすることができるので、強磁性層から絶縁体層を介して非磁性層にスピン注入する際のスピン注入効率を高めることができる。本実施例による素子を評価した結果、従来の構造と比べて出力信号が２倍程向上した。これにより、Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２級の記録密度に対応した再生ヘッドを実現することができる。
実施例１では、非磁性層にＡｇを用いたが、Ｖ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｈを用いてもＭｇＯ上にエピタキシャルに成長するため同様の効果が得られる。特に格子定数の不整合が３％以下であるＡｇ、Ｖ、Ｍｇを用いることが望ましい。また障壁層としては、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｆｅ２ＶＡｌ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｇｅの少なくとも１種を用いることができ、絶縁体下地層及び非磁性細線の構造により、岩塩構造、フルホイスラ構造、スピネル構造のいずれかをとる。強磁性層に、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢの少なくとも１種を用いても良い。
以上、本実施例によれば、絶縁体下地層と非磁性導体層と障壁層をすべて同一の面方位の結晶質にすると共に、非磁性細線は体心立方格子あるいは面心立方格子の構造とすることにより、出力の大きな磁気再生ヘッドを提供することができる。
第２の実施例について、図２、図３及び図７Ａ〜図７Ｌを用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
スピン蓄積の原理に基づいて作製した再生ヘッドの構成例を図２、図３に示す。図２はその断面図であり、図３は構成例の模式図である。また図７Ａから図７Ｌはその製造工程である。図２の素子断面に見られる多層構造の膜は、ＳｉＯ２基板やガラス基板などの通常用いられる基板上、（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）また、ＨＤＤヘッドとなるチップの製造工程うちの一工程としてＨＤＤ部品にＲＦスパッタリング法、分子線エピタキシー法等の膜形成装置を用いて高真空中において成膜した。成膜の際は、上記基板上に直接成膜するか、適当な下地層などを形成したものに成膜した。素子作成する基板上に、下部磁気シールド及び電極を備える膜２０１を形成し、この膜を電子線リソグラフィーによって描画した。この膜を、イオンミリング装置を用いてミリング処理しパターンを形成した。この細線表面をクリーニング後に、第一のバッファ層２０２、第二のバッファ層２０３、絶縁体下地層２０４、非磁性体層２０５、障壁層２０６、強磁性体層２０７、保護膜という順で形成した。なお、符号２０８は第１の電極、符号２０９は第２の電極、符号２１０は上部磁気シールド層、符号２１１は磁気記録媒体である。この順に、ＳｉＯ２／Ｔａ／ＭｇＯ／Ａｇ／ＭｇＯ／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０／Ｔａ／Ｒｕという構成で、ここでは多層膜２００１と呼ぶ。絶縁体層（第一のバッファ層）２０２はアモルファス形状であれば良く例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の少なくとも１種を用いることができる。金属層（第二のバッファ層）２０３はアモルファス絶縁体層上にアモルファス形状を形成する材料であればよくここではＴａを用いたが、Ｔａ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の少なくとも一種類であればよい。保護膜はＴａ／Ｒｕの層構造によって形成した。この多層膜２００１の上にレジストを塗装し、電子線リソグラフィーによって細線構造に描画して、レジスト２００４を形成した（図７Ａ）。イオンミリング装置によって、絶縁体下地層２０４までミリング処理し、レジスト２００４に被覆された部分は図７Ｂの細線２００２の様な細線パターンを形成する。この際ＳＩＭＳによって絶縁体下地層２０４を構成する元素を感知した際にエッチングを停止するという手法を用いた。細線２００２を形成後、大気暴露せずに真空中で絶縁保護膜２００３を形成した。図２、３の空白部分は基本的に絶縁保護膜２００３によって埋められている。レジスト２００４をリフトオフした後、レジストを全面に塗装し、電子線リソグラフィーによってレジスト２００５をピラーとなるパターンを２つの形状に成形する（図７Ｃ）。その後、イオンミリング装置によって非磁性細線層の直上までミリング処理をし、レジスト２００５に被覆された部分がピラー２００６を形成した（図７Ｄ）。この二つのピラーをそれぞれピラーＡ、ピラーＢと名付けると、ピラーＡは磁気記憶媒体に近接し、かつ非磁性細線の端部に位置する。またピラーＢはピラーＡから一定の間隔離れて非磁性細線上に配置される。この配置において、スピン蓄積の原理における強磁性自由層をピラーＡが有し、強磁性固定層をピラーＢが有することになるので保磁力差をつける為に、ピラーＢの方が大きく描画されている。これにより、ピラーＡにおける強磁性自由層の体積よりもピラーＢにおける強磁性固定層の体積を大きくする。その後、真空中で、絶縁体保護膜を成膜して、絶縁保護膜２００３を再度成形した。こうして第２の障壁層２０６ｂ、第２の強磁性自由層２０７ｂ、電極層からなるピラーＡと、第１の障壁層２０６ａ、第１の強磁性固定層２０７ａ、電極層からなるピラーＢが形成される。
レジスト２００５をリフトオフした後、真空中で表面をミリング処理によって洗浄したその状態が図７Ｅである。電極層２００７を成膜し、レジストを塗装後、第１の電極部３０８と第２の電極部３０９の形状をしたパターンをリソグラフィー（フォトリソグラフィー、Ｉ線ステッパ、電子線リソグラフィー等）によって描画して、レジスト２００８を形成する。その状態が図７Ｆである。その後、イオンミリング装置によって、ミリング処理を施し、電極層は電極部２００９の様に成形され、第１の電極部３０８の一部と第２の電極部３０９を形成した。この際、第一の電極部３０８は第２の電極部３０９と同一の膜厚となっている。第１の電極部３０９は信号を引き出す為の引出線の形状になっている。第１の電極部３０８の一部と第２の電極部３０９を電気的に遮断するために絶縁膜を全面に形成する。その状態が図７Ｇである。その後リフトオフしてレジストを剥離したその状態が図７Ｈである。続いて全面にレジストを塗装後、第１の電極部３０８の形状にレジスト残るパターンをリソグラフィー（フォトリソグラフィー、Ｉ線ステッパ、電子線リソグラフィー等）によって描画して、レジスト２０１０を成形した。絶縁膜２０１１を全面に形成し、第二の電極部３０９を絶縁膜で覆った。その状態が図７Ｉである。その後リフトオフして第一の電極部３０８上のレジスト２０１０を剥離した。イオンミリング装置によって第１の電極部３０８の一部分の上を洗浄し、全面に電極層２０１３を成膜した。その際、絶縁保護膜２００３にある窪みは電極層で穴埋めされ、電極部２０１２が形成される。リソグラフィー法によって第一の電極部３０８の形状に描画してレジスト２０１４を成形した。その状態が図７Ｊである。イオンミリング装置によってミリング処理を施し成形すること、電極部２００９と電極部２０１２から成る部分だけが、絶縁保護膜２００３から出ている状態になる（図７Ｋ）。その後、上部シールド層２０１５を成膜した。リソグラフィーとミリング処理によって上部磁気シールド３１０が形成される（図３）。第一の電極部３０８は電極部２００９と電極部２０１２から成る部分の事となる。電極部２００９と２０１２に使用した材料はＣｒ／Ａｕを採用した。その後３００℃での加熱処理を施した。
磁気記録媒体からの漏洩磁場の検出方法について説明する。図３に示すように磁気記憶媒体３１１とスピン蓄積型の再生素子が配置されたとき、垂直磁気記録方式の磁気記憶媒体から生じる漏洩磁場の方向は、強磁性自由層３０７ｂの磁化方向に対して平行か反平行となる。磁気記録媒体３１１と反対側の非磁性細線部３０５の端点と上部磁気シールド３１０との間にピラーＢを介して形成される回路に電流を流すと、磁気記録媒体３１１の漏洩磁場と強磁性自由層３０７ｂの磁化の向きとの相対角に応じて、下部磁気シールドと電極３０９の間の電圧変化が生じる。その電圧変化を信号として処理することで磁気記録媒体に書きこまれている情報を読み出す。なお、符号３０１は下部磁気シールド層、符号３０２は第１のバッファ層、符号３０３は第２のバッファ層、符号３０４は絶縁体下地層、符号３０６ａは第１の障壁層、３０６ｂは第２の障壁層、３０７ａは第１の強磁性層（強磁性固定層）である。
本実施例において、絶縁体下地層/非磁性層/絶縁体障壁層/強磁性層のすべての層の格子定数の不整合を３％以下とすることができた。こうすることによって、非磁性層の平坦性と結晶性を良くすることができるのでスピン拡散長を長くすることができ、絶縁体障壁層の結晶性を良くすることができるので、強磁性層から絶縁体層を介して非磁性層にスピン注入する際のスピン注入効率を高めることができる。本実施例による素子を評価した結果、従来の構造と比べて出力信号が２倍程向上した。これにより、Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２級の記録密度に対応した再生ヘッドを実現することができる。
実施例２では、非磁性層１０４にＡｇを用いたがＶ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｈを用いてもＭｇＯ上にエピタキシャルに成長するため同様の効果が得られる。特に格子定数の不整合が３％以下であるＡｇ、Ｖ、Ｍｇを用いることが望ましい。また障壁層としては、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｆｅ２ＶＡｌ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｇｅを用いることができ、絶縁体下地層の構造により、岩塩構造、フルホイスラ構造、スピネル構造のいずれかをとる。強磁性層に、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢの少なくとも１種を用いても良い。
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、バッファ層を絶縁体からなる第１のバッファ層と金属からなる第２のバッファ層で構成したことにより、より結晶の面方位の均一性を向上することができる。
第３の実施例について、図３、図４を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
強磁性固定層と強磁性自由層の磁化方向の相対角を大きくする方法には保磁力差を用いる方法以外に、反強磁性体による強磁性層のピン止め効果を用いる方法がある。その機構を取り入れた再生ヘッドの構成例を図４、図５に示す。図４はその断面図であり、図５は構成例の模式図である。図４の素子断面に見られる多層構造の膜は、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、分子線エピタキシー法等の膜形成装置を用いて高真空中において成膜した。成膜の際は、上記基板上に直接成膜するか、適当な下地層などを形成したものに成膜した。素子作成する基板上に、下部磁気シールド及び電極を備える膜４０１を形成し、この膜を電子線リソグラフィーによって描画した。この膜を、イオンミリング装置を用いてミリング処理しパターンを形成し、絶縁膜で保護した。この細線表面をクリーニング後に、第１のバッファ層４０２、第２のバッファ層４０３、絶縁体下地層４０４、非磁性体層４０５、障壁層４０６（４０６ａ、４０６ｂ）、強磁性体層４０７（４０７ａ、４０７ｂ）、反強磁性層４０８、電極層（４０９、４１０）という順で形成した。その順にＳｉＯ２／Ｔａ／ＭｇＯ／Ａｇ／ＭｇＯ／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０／ＭｎＩｒ／Ｔａ／Ｒｕという構成で成膜した。絶縁体層（第１バッファ層）４０２はアモルファス形状であれば良く例えばＡｌ２Ｏ３でも良い。金属層（第２バッファ層）４０３はアモルファス絶縁体層上にアモルファス形状を形成する金属であればよくここではＴａを用いた。電極層（４０９、４１０）はＴａ／Ｒｕの層構造によって形成した。この多層膜にレジストを塗装し、電子線リソグラフィーによって細線構造に描画した。イオンミリング装置によって、絶縁体下地層４０４の直上までミリング処理しレジストに被覆された細線パターンに形成する。この際ＳＩＭＳによって絶縁体下地層４０４を構成する元素を感知した際にエッチングを停止するという手法を用いた。細線を形成後、大気暴露せずに真空中で絶縁膜保護膜を形成した。図４、５の空白部分は基本的に絶縁膜保護膜によって埋められている。レジストをリフトオフした後、電子線リソグラフィーによってピラーとなるパターンを２つ描画する。この二つのピラーをそれぞれピラーＡ、ピラーＢと名付けると、ピラーＡは磁気記憶媒体に近接し、かつ非磁性細線の端部に位置する。またピラーＢはピラーＡから一定の間隔離れて非磁性細線上に配置される。この配置において、スピン蓄積の原理における強磁性自由層をピラーＡが有し、強磁性固定層をピラーＢが有することになるので保磁力差をつける為に、ピラーＢの方が大きく描画されている。これにより、ピラーＡにおける強磁性自由層の体積よりもピラーＢにおける強磁性固定層の体積を大きくする。このピラーをイオンミリング装置によって非磁性細線層の直上までミリング処理をし、レジストに被覆された部分が残ってピラー形状に形成した。その後、真空中で、絶縁体保護膜を形成した。こうして第２の障壁層４０６ｂ、５０６ｂ、第２の強磁性自由層４０７ｂ、５０７ｂ、電極層からなるピラーＡと、第１の障壁層４０６ａ、５０６ａ、第１の強磁性固定層４０７ａ、５０７ａ、反強磁性層４０８、５０８、電極層からなるピラーＢが形成される。なお、符号４１１は上部磁気シールド層、符号４１３は磁気記録媒体である。
次にピラーＡの反強磁性層を取り除きそれぞれのピラーに電極層を形成する工程を説明する。レジストをリフトオフした後、真空中で表面をミリング処理によって洗浄し、電極層を成膜する。電極層の上にレジストを塗装後、ピラーＡと同一の形状にレジストが剥離されるパターンをリソグラフィー（フォトリソグラフィー、Ｉ線ステッパ、電子線リソグラフィー等）によって描画する。その後、イオンミリング装置によって、ミリング処理を施し、ピラーＡの電極層、反強磁性層を取り除き、真空中で電極層をピラーＡに成膜した。ピラー表面を洗浄後、第２の電極部５０９と第１の電極部５１０の形状をしたパターンをリソグラフィー（フォトリソグラフィー、Ｉ線ステッパ、電子線リソグラフィー等）によって描画する。その後、イオンミリング装置によって、ミリング処理を施し電極部５０９と５１０を形成した。電極部５０９は信号を引き出す為の引出線を形成する。レジストをリフトオフした後、第２の電極部５０９と第１の電極部５１０を電気的に遮断するために絶縁膜を全面に形成する。レジストを塗装後、第２の電極部５０９の形状にレジストが剥離するパターンをリソグラフィー（フォトリソグラフィー、Ｉ線ステッパ、電子線リソグラフィー等）によって描画した。イオンミリング装置によって第２の電極部５０９の形状に絶縁膜を取り除き、その後、電極層と上部磁気シールド層を成膜した。リソグラフィー法によって上部磁気シールド５１１の形状に描画し、イオンミリング装置によってミリング処理を施し上部磁気シールド５１１が形成された。なお、符号５０１は下部磁気シールド層、符号５０２は第１のバッファ層、符号５０３は第２のバッファ層、符号５０４は絶縁体下地層である。
磁気記録媒体からの漏洩磁場の検出方法について説明する。磁気記録媒体５１２と反対側の非磁性細線部５０５の端点と上部磁気シールド５１１との間にピラーＢを介して形成される回路に電流を流すと、磁気記録媒体５１２の漏洩磁場と強磁性自由層５０７ｂの磁化の向きとの相対角に応じて、下部磁気シールドと電極５０９の間の電圧変化が生じる。その電圧変化を信号として処理することで磁気記録媒体に書きこまれている情報を読み出す。
本実施例において、絶縁体下地層/非磁性層/絶縁体障壁層/強磁性層のすべての層の格子定数の不整合を３％以下とすることができた。こうすることによって、非磁性層の平坦性と結晶性を良くすることができるのでスピン拡散長を長くすることができ、絶縁体障壁層の結晶性を良くすることができるので、強磁性層から絶縁体層を介して非磁性層にスピン注入する際のスピン注入効率を高めることができる。本実施例による素子を評価した結果、従来の構造と比べて出力信号が２倍程向上した。これにより、Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２級の記録密度に対応した再生ヘッドを実現することができる。
実施例３では、非磁性層にＡｇを用いたが、Ｖ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｈを用いてもＭｇＯ上にエピタキシャルに成長するため同様の効果が得られる。特に格子定数の不整合が３％以下であるＡｇ、Ｖ、Ｍｇを用いることが望ましい。また障壁層としては、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｆｅ２ＶＡｌ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｇｅを用いることができ、絶縁体下地層の構造により、岩塩構造、フルホイスラ構造、スピネル構造のいずれかをとる。強磁性層に、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢの少なくとも１種を用いても良い。
以上、本実施例によれば、実施例２と同様の効果が得られる。また、強磁性固定層の上部に反強磁性層を配置することにより、平行、反平行時の抵抗変化を大きくできる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１：熱酸化Ｓｉ基板、１０２：バッファ層、１０３：絶縁体下地層、１０４：非磁性層、１０５：障壁層、１０６ａ：第１の強磁性層、１０６ｂ：第２の強磁性層、１０７ａ：第１の電極部、１０７ｂ：第２の電極部、１０８ａ：第３の電極部、１０８ｂ：第４電極部、１１１：磁気記録媒体、２０１：下部磁気シールド層、２０２：第１のバッファ層、２０３：第２のバッファ層、２０４：絶縁体下地層、２０５：非磁性層、２０６ａ：第１の障壁層、２０６ｂ：第２の障壁層、２０７ａ：第１の強磁性層、２０７ｂ：第２の強磁性層、２０８：第一の電極部、２０９：第二の電極部、２１０：上部磁気シールド層、２１１：磁気記録媒体、３０１：下部磁気シールド層、３０２：第１のバッファ層、３０３：第２のバッファ層、３０４：絶縁体下地層、３０５：非磁性層、３０６ａ：第１の障壁層、３０６ｂ：第２の障壁層、３０７ａ：第１の強磁性層、３０７ｂ：第２の強磁性層、３０８：第１の電極部、３０９：第２の電極部、３１０：上部磁気シールド層、３１１：磁気記録媒体、４０１：下部磁気シールド層、４０２：第１のバッファ層、４０３：第２のバッファ層、４０５：非磁性層、４０６ａ：第１の障壁層、４０６ｂ：第２の障壁層、４０７ａ：第１の強磁性層、４０７ｂ：第２の強磁性層、４０８：反強磁性層、４０９：第１の電極部、４１０：第２の電極部、４１１：上部磁気シールド層、４１２：磁気記録媒体、５０１：下部磁気シールド層、５０２：第１のバッファ層、５０３：第２のバッファ層、５０５：非磁性層、５０６ａ：第１の障壁層、５０６ｂ：第２の障壁層、５０７ａ：第１の強磁性層、５０７ｂ：第２の強磁性層、５０８：反強磁性層、５０９：第２の電極部、５１０：第１の電極部、５１１：上部磁気シールド層、５１２：磁気記録媒体、１０００：多層膜、１００２：非磁性細線、１００３：レジスト、１００４：絶縁体層、１００５：ピラー、１００６：レジスト、１００７：金属電極層、１００８：レジスト、１００９：配線、１０１０：配線、１０１１：レジスト、１０１２：金属電極層、１０１３：電極、１０１４：電極、１０１５：電極、１０１６：電極、２００１：多層膜、２００２：非磁性細線、２００３：絶縁保護膜、２００４：レジスト、２００５：レジスト、２００６：ピラー、２００７：電極層、２００８：レジスト、２００９：電極部、２０１０：レジスト、２０１１：絶縁膜、２０１２：電極部、２０１３：電極層、２０１４：レジスト、２０１５：上部シールド層。
Claims (20)
- 絶縁体下地層と、
前記絶縁体下地層上に配置された非磁性体からなる非磁性細線と、
前記非磁性細線の第１領域上に配置され、障壁層と強磁性層と電極部とが順次積層された柱状構造の第１の素子部と、
前記非磁性細線の前記第１領域とは異なる第２領域上に配置され、障壁層と強磁性層と電極部とが順次積層された柱状構造の第２の素子部とを有し、
前記非磁性細線の一端と前記第１の素子部は電流供給回路の一部をなし、
前記非磁性細線の他端と前記第２の素子部は電圧測定回路の一部をなしており、
前記非磁性細線は、体心立方格子あるいは面心立方格子の結晶構造をとり、
絶縁体下地層と前記非磁性細線と前記障壁層はすべて同一の面方位をとった結晶質であり、
前記電圧測定回路の電圧変化をもって、外部磁場の変化を検出する機能を有することを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第１の素子部は、前記第２の素子部より検出される前記外部磁場の磁場発生源から遠くに配置されることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記絶縁体下地層は、（００１）方向の面方位を持つことを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記絶縁体下地層を構成する材料は、ＭｇＯからなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記障壁層は、岩塩構造、フルホイスラ構造、スピネル構造のいずれかをとっていることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記障壁層を構成する材料は、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｆｅ２ＶＡｌ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｇｅの少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記非磁性細線を構成する材料は、Ｖ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｈのいずれかからなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記強磁性層を構成する材料が、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢの少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
２枚の並行する上部及び下部強磁性体磁気シールド層と、
前記下部磁気シールド層上に順次積層された第一のバッファ層、第二のバッファ層、絶縁体下地層と、
前記絶縁体下地層上に配置された非磁性体からなる非磁性細線と、
前記非磁性細線上の第１の領域に配置され、障壁層、強磁性層、電極部が順次積層された柱状構造の第１の素子部と、
前記非磁性細線の前記第１の領域とは異なる第２の領域に配置され、障壁層、強磁性層、電極部が順次積層された柱状構造の第２の素子部を有し、
非磁性細線は体心立方格子あるいは面心立方格子の構造をとり、
前記絶縁体下地層と前記非磁性細線と前記障壁層はすべて同一の面方位をとった結晶質であり、
前記第１の素子部の電極部は前記上部磁気シールド層と結線されており、
第２の素子部の電極部は前記上部磁気シールド層と絶縁がなされており、
前記非磁性細線の一端から前記第１の素子部を介して前記上部磁気シールド層までの部位は電流供給回路の一部をなしており、
前記非磁性細線の他端と前記第２の素子部は電圧測定回路の一部をなしており、
前記電圧測定回路の電圧変化をもって、外部磁場の変化を検出する機能を有することを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第一のバッファ層、前記第二のバッファ層はアモルファス形状をとり、一層もしくは多層からなる層構造を取ることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１０記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第一のバッファ層を構成する材料が、ＳｉＯ ２ 、Ａｌ ２ Ｏ ３ の少なくとも一種類から成ることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項１１記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第二のバッファ層を構成する材料が、Ｔａ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の少なくとも一種類から成る事を特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記第１の素子部が前記第２の素子部より検出される前記外部磁場の磁場発生源から遠くに配置されることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記絶縁体下地層が（００１）方向の面方位を持つことを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記絶縁体下地層を構成する材料は、ＭｇＯからなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記障壁層は、岩塩構造、フルホイスラ構造、スピネル構造のいずれかをとっていることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記障壁層を構成する材料は、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｆｅ ２ ＶＡｌ、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ 、Ｇｅの少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記非磁性細線を構成する材料は、Ｖ、Ａｇ、Mg、Ｐｄ、Ｒｈのいずれかからなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 請求項９記載の磁気再生ヘッドにおいて、
前記強磁性層を構成する材料は、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢの少なくとも一種類からなることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - ２枚の並行する上部及び下部強磁性体磁気シールド層と、
前記下部磁気シールド層上に順次積層されたバッファ層、絶縁体下地層と、
前記絶縁体下地層上に配置された非磁性体からなる非磁性細線と、
前記非磁性細線上の第１の領域に配置され、障壁層、強磁性層、反強磁性層、電極部が順次積層された柱状構造の第１の素子部と、
前記非磁性細線上の第１の領域とは異なる第２の領域に配置され、障壁層、強磁性層、電極部が順次積層された柱状構造の第２の素子部を有し、
前記非磁性細線は体心立方格子あるいは面心立方格子の構造をとり、
前記絶縁体下地層と前記非磁性細線と前記障壁層はすべて同一の面方位をとった結晶質であり、
前記第１の素子部の電極部は上部磁気シールド層と結線されており、
前記第２の素子部の電極部は上部磁気シールド層と絶縁がなされており、
前記非磁性細線一端から前記第１の素子部を介して上部磁気シールド層までの部位は電流供給回路の一部をなし、
前記非磁性細線の他端と前記第２の素子部は電圧測定回路の一部をなしており、
前記電圧測定回路の電圧変化をもって、外部磁場の変化を検出する機能を有することを特徴とする磁気再生ヘッド。
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