WO2000022612A1 - Capteur magnetique, tete magnetique, codeur magnetique et entrainement de disque dur - Google Patents

Capteur magnetique, tete magnetique, codeur magnetique et entrainement de disque dur Download PDF

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Masashige Sato
Hideyuki Kikuchi
Kazuo Kobayashi
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic encoder, and a hard disk device, and more specifically, to a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic encoder, and a hard disk device using a ferromagnetic tunnel junction.
  • this tunnel phenomenon refers to a phenomenon in which particles having kinetic energy smaller than the potential barrier, such as electrons, can move through the potential barrier. This is a unique phenomenon that cannot be explained in classical mechanics, but can be explained in quantum mechanics.
  • the wave function of the particle travels outside the barrier while attenuating the inside of the potential barrier, and travels as a traveling wave unless the amplitude of the wave function is zero even outside the barrier, so it can pass through the barrier.
  • tunnel phenomena include the phenomenon that spontaneous particles are emitted from the nucleus due to the collapse, the phenomenon that electrons are emitted from the metal surface by applying a high voltage to the metal (field emission), and the high reverse direction at the pn junction of the semiconductor. It is known that when a bias is applied, electrons pass through the depletion layer. This is a very important quantum mechanical effect in practical use.
  • a typical tunneling phenomenon used in electronic devices is that when a voltage is applied to the metal on both sides of the junction of “metal insulator Z metal”, a slight voltage is applied when the insulator is sufficiently thin. There is a phenomenon that current flows. This phenomenon is usually caused by the fact that the insulator does not conduct current, but when the thickness of the insulator is as small as several Angstroms (A) to several tens A, preferably several to several tens of A, This is a phenomenon that occurs due to the quantum mechanical effect, with a slight probability that electrons will pass through this insulator. The current at this time is called “tunnel current”, and the junction having such a structure is called “tunnel junction”.
  • the film is used as an insulating barrier.
  • the film is formed by oxidizing the surface layer of aluminum by an appropriate oxidation treatment such as natural oxidation, plasma oxidation, or thermal oxidation.
  • the thickness of the oxide film can be controlled by adjusting the oxidation conditions according to the oxidation treatment used, so that the oxide film can have a desired thickness of several Angstroms (A) to several tens A. .
  • the aluminum oxide formed in this manner is a very thin insulator and thus functions as a barrier layer in a tunnel junction.
  • the metal on both sides of the oxide film is replaced with a ferromagnetic metal. It is called.
  • the tunnel probability tunnel resistance
  • the tunnel resistance can be controlled by changing the magnetization state of the magnetic layers on both sides by a magnetic field. Assuming that the relative angle between the magnetization directions of the magnetic layers on both sides is ⁇ , the tunnel resistance R can be expressed by the following equation.
  • Rs represents the tunnel resistance when a saturation magnetic field is applied. At this time, the two magnetization directions on both sides are in the direction of the applied magnetic field. Represents the change in the tunnel resistance.
  • one of the two magnetic layers has a fixed magnetization direction as a fixed-side magnetic layer, and the other magnetic layer has a fixed magnetic field as a free-side magnetic layer.
  • the direction is weakly controlled so as to be orthogonal to the magnetization direction of the fixed magnetic layer.
  • This phenomenon is caused by the polarization of the electrons inside the ferromagnetic material.
  • electrons in a substance have an electron whose spin state is upward (up electron) and an electron whose spin state is downward (down electron). Since the same number of up electrons and dow electrons exist inside the nonmagnetic metal, the nonmagnetic metal as a whole does not exhibit magnetism. However, since the number of up electrons (Nup) and the number of down electrons (Ndown) are different inside the magnetic metal, the magnetism with the larger number of electrons (ie, up magnetism or d 0 wn magnetism).
  • the rate of change of the tunnel resistance (AR / Rs) is expressed by the product of the polarizability of the magnetic layer (tunnel source), which is the electron source, and the polarizability of the tunnel destination as shown in the following equation. Is done.
  • the polarizability P of the magnetic layer is expressed by the following equation.
  • Ndown The number of down electrons inside the magnetic layer
  • the polarizability P of the magnetic layer depends on the type of ferromagnetic layer metal, but some have a value close to 50% depending on the type. In this case, theoretically, the rate of change in tunnel resistance (R / R) In s), a resistance change rate of several tens% can be expected.
  • the anisotropy magnetoresistance effect As the conventionally known magnetoresistance effect (MR), the anisotropy magnetoresistance effect (AMR) has a resistance change rate of about 0.6%, and the giant magnetoresistance effect (GMR) has a resistance change rate of several percent. % To more than 10%. Therefore, the rate of change in tunnel resistance is much higher than those of AMR and GMR, and application to magnetic heads, magnetic sensors, and the like is expected.
  • a spin valve structure is known as a typical example using GMR as a magnetic head.
  • the present applicant has already proposed a TMR (tunnel-MR) head in which the above-described ferromagnetic tunnel junction is applied to the spin valve structure.
  • This spin valve structure employs a structure in which a magnetic metal layer is interposed between two magnetic layers and only the magnetization direction of one of the magnetic layers is fixed, so that the magnetic layer is covered with an antiferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic tunnel junction has a structure in which a thin oxide film is interposed between two ferromagnetic layers.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a ferromagnetic tunnel structure.
  • a spin-valve structure having a ferromagnetic tunnel junction typically has a lower electrode 2 formed on a silicon substrate 1 and a free-side magnet formed on the lower electrode, as shown in FIG. 1A, for example.
  • an upper electrode 9 formed on the substrate.
  • a lower layer 10 is constituted by the lower electrode 2, the free magnetic layer 3, and the first magnetic metal layer 4.
  • the upper electrode 9 forms the upper layer 12.
  • a barrier layer 11 composed of an insulating layer 5 is interposed between the lower layer 10 and the upper layer 12 to be separated.
  • Each element of the spin valve structure is, for example, as follows.
  • Substrate 1 is made of silicon.
  • Each of the lower electrode 2 and the upper electrode 9 is made of a Ta film, and has a thickness of 50 It is about nm.
  • the free side magnetic layer 3 and the fixed side magnetic layer 7 are each composed of a NiFe film, and have a thickness of about 17 nm.
  • Each of the first and second magnetic metal layers 4 and 6 is made of a C0 film, and has a thickness of about 3.3 nm.
  • Insulating layer 5, A] - A 1 2 0 3 film or et made, the film thickness is 1 is about 3 nm.
  • the antiferromagnetic layer 8 is made of a FeMn film and has a thickness of about 45 nm.
  • the first N i Fe film is one of the two ferromagnetic layers, and is called a free magnetic layer (free layer) 3 because its magnetization direction is not fixed.
  • the A 1 -A 10 film sandwiched between the two C 0 films 4 and 6 provides a barrier layer 11 composed of a thin aluminum oxide film A] ⁇ film forming a ferromagnetic tunnel junction.
  • the second N i Fe film is the other ferromagnetic layer, and is called a fixed-side magnetic layer (bind layer) 7 because its magnetization direction is fixed.
  • the first magnetic metal layer 4 functions in the same manner as the free magnetic layer 3, and the second magnetic metal layer 6 functions in the same manner as the fixed magnetic layer 7.
  • the FeMn film is for exchange-coupling with the fixed magnetic layer 7 to fix the magnetization direction of the fixed magnetic layer, and is called an antiferromagnetic layer (pinning layer) 8.
  • FIG. 1B is a schematic diagram illustrating measurement of a resistance change of the magnetic sensor using the ferromagnetic tunnel structure shown in FIG. 1A.
  • a current source 39 is connected between the upper layer 12 and the lower layer 10 so that a constant current flows.
  • a voltage detector 40 is connected between the upper layer 12 and the lower layer 10 to detect a voltage change between both layers.
  • a magnetic field for example, a signal magnetic field
  • the tunnel resistance of the ferromagnetic tunnel structure shown in FIG. 1A changes, and this is detected by the voltage detector 40 as a change in voltage.
  • FIG. 2 shows the magnetoresistance effect curve of the tunnel structure using such a spin valve structure.
  • Fig. 2 shows that as the external magnetic field changes from ⁇ 50 oersted (Oe) to 110 (0e) ⁇ 0 (0e) ⁇ +10 (0e) ⁇ +50 (Oe). It shows an irreversible resistance change rate of about 0.0% ⁇ about 0.0% ⁇ about 10.0% ⁇ about 20.0%-about 20.0%.
  • the tunnel structure with a spin valve structure as shown in Fig. 2 shows that the external magnetic field shows a substantially linear resistance change rate of about 0 to 20% in the range of 10 to +10 (0e). There was found. In the range of ⁇ 30 to +30 (O e), the resistance change rate is about 0% to 20%. Also, by converting this to data of logic "0" and "1", it can be used for digital logic circuits.
  • the magnetostatic coupling from the fixed magnetic layer to the free magnetic layer becomes relatively strong,
  • the magnetization direction of the free magnetic layer tends to be in an antiparallel state to the magnetization direction of the fixed magnetic layer, and it is difficult to easily rotate the magnetization direction.
  • the sensitivity of the magnetoresistive element decreases.
  • hard disk drives are widely used in electronic devices because of their high data read / write speed and large storage capacity.
  • the size of the recording bit of the magnetic recording medium also decreases, so that the magnetic head needs to be miniaturized to cope with this, and the detection sensitivity needs to be increased. .
  • GMR Gate Magneto-Resistance effect
  • a magnetic head when a magnetic field is externally applied to a laminated film having a magnetic layer / non-magnetic layer / nonmagnetic layer structure, the electric resistance of the laminated film changes due to the difference in magnetization angle between the two magnetic layers. This phenomenon is a magnetic head utilizing the GMR effect.
  • FIG. Figure 3 is a conceptual diagram illustrating the GMR effect.
  • the laminated film 310 having the GMR effect has a structure in which the nonmagnetic layer 316 is sandwiched between the magnetic layer 314 and the magnetic layer 318. ! Indicates the magnetization angle of the magnetic layer 3 14, and 2 indicates the magnetization angle of the magnetic layer 3 18. Magnetic layer 3 1 4 are magnetized in the magnetization base-vector M!, Magnetic layer 3 1 8 is magnetized in a magnetic base-vector M 2.
  • the magnetization angle of the magnetic layer 314 becomes 0!
  • the magnetization angle of the magnetic layer 3 18 is, for example, 0 2 .
  • R R S + 0.5 xAR (l-cos A 0)
  • the MR ratio is about 5 to 10%.
  • a structure called a spin valve is generally adopted.
  • the spin valve structure is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-35810.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a laminated film having a spin valve structure.
  • the laminated film 4 10 having a spin valve structure includes a magnetic layer 414, a non-magnetic layer 4 16, a magnetic layer 4 18, and an antiferromagnetic layer 420.
  • the antiferromagnetic layer 420 is formed on the magnetic layer 418 in the laminated film 410 having the spin valve structure.
  • the magnetization direction of the magnetic layer 418 in contact with the antiferromagnetic layer 420 is fixed by the antiferromagnetic layer 420.
  • only the magnetization direction of the magnetic layer 4 14 freely rotates according to the magnetic field from the outside.
  • the magnetic layer 418 is called a fixed layer because the magnetization direction is fixed, and the magnetic layer 414 is called a free layer because the magnetization direction rotates freely.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the operation principle of a magnetic head using a spin valve structure.
  • the core layer 400 has a spin-valve structure composed of a free layer 4 14, a nonmagnetic layer 4 16, a fixed layer 4 18, and an antiferromagnetic layer 4 20. Terminals 402 are formed on both sides of the core 400.
  • the track width d! Becomes narrower accordingly, it must be narrow core width d 2 of the head to the magnetic to correspond to the track width d.
  • the core 4 0 0 causes electrical resistance summer small, the detection sensitivity thereby summer low. Therefore, when narrowing the core width d 2 must be lowered height h of the core 4 0 0.
  • the magnetization direction between the signal detection surface 43 0 side of the core 400 and the upper portion of the core 400 is affected by the demagnetizing field. The change in the electrical resistance of the core 400 is reduced because it is difficult to change.
  • the region surrounded by the ellipse is a region in which the magnetization angle 0, of the free layer 4 14 is a certain angle or more. As shown in FIG. 6, the region where the magnetization angle 0, of the free layer 4 14 is more than a certain value is small, and the magnetization angle is small.
  • an object of the present invention is to provide a novel magnetic sensor, magnetic head, and encoder.
  • Still another object of the present invention is to provide a magnetic head capable of coping with a high density of a magnetic recording medium and a hard disk drive using the magnetic head and having a large storage capacity.
  • An object of the present invention is a magnetic sensor having a ferromagnetic tunnel junction, wherein a free layer whose magnetization direction rotates freely, and a barrier layer formed on the free layer and having a first region with a reduced thickness. And a free layer in a region corresponding to the first region functions as a sensor unit that senses an external magnetic field.
  • the rotation of the magnetization of the free layer can be sufficiently ensured in the region corresponding to the first region, so that a magnetic sensor having good sensitivity can be provided.
  • the barrier layer may be formed by oxidizing a surface of a metal. Further, in the above magnetic sensor, on the barrier layer A fixed layer formed on the fixed layer, and an antiferromagnetic layer formed on the fixed layer to fix the magnetization direction of the fixed layer.
  • the free layer in a region where the fixed layer is not formed above may be bent so as to be away from the fixed layer.
  • the above object is achieved by a magnetic head having the above magnetic sensor. Thereby, a magnetic head having good sensitivity can be provided.
  • the above object is achieved by a magnetic encoder characterized by having the above magnetic sensor.
  • a magnetic encoder having good sensitivity can be provided.
  • the above object is to provide a free layer in which the magnetization direction rotates freely, and a fixed layer in which the magnetization direction is fixed by an adjacent antiferromagnetic layer which faces one surface of the free layer via a barrier layer.
  • the free layer may be connected to the member having high magnetic permeability in a region separated from the signal detection surface. Further, in the magnetic head described above, the free layer may be connected to the member having a high magnetic permeability while being smoothly approached. In the above magnetic head, the member having the high magnetic permeability may be a shield layer formed separately from the ferromagnetic tunnel junction device. In the above-mentioned magnetic head, the thickness of the barrier layer near the edge of the fixed layer may be larger than the thickness of the barrier layer near the center of the fixed layer. Further, in the above magnetic head, the free layer may be formed wider in a region separated from the signal detection surface. In the above magnetic head, the fixed layer may not be exposed on the signal detection surface.
  • the member having the high magnetic permeability may be connected to a ground.
  • the free layer in a region not facing the fixed layer may be bent away from the fixed layer.
  • the ferromagnetic tunnel junction element faces the free layer via another barrier layer formed on the other surface side of the free layer, and is adjacent to another antiferromagnetic layer. It may further have another fixed layer in which the magnetization direction is fixed.
  • the above object is achieved by a hard disk device having the above magnetic head.
  • a hard disk device having a large recording capacity can be provided.
  • the above object is achieved by a disk array device having a plurality of the above hard disk devices.
  • a disk array device having a large storage capacity can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a ferromagnetic tunnel structure.
  • FIG. 1A shows a layer configuration having a ferromagnetic tunnel structure
  • FIG. 1B is a schematic diagram illustrating measurement of a resistance change of the ferromagnetic tunnel structure of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a graph showing the magnetic field-resistance characteristics of the tunnel junction of FIG.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the GMR effect.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a laminated film having a spin valve structure.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the operation principle of a magnetic head using a spin valve structure.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the magnetization direction of the free layer when the recording bit approaches.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a spin valve element in which a tunnel junction is incorporated in a spin valve structure.
  • FIG. 7A shows a spin valve element according to the present example
  • FIG. 7B shows a previously proposed spin valve element as a comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view (No. 1) explaining the first method of manufacturing the magnetic sensor in FIG.
  • FIG. 10 is a view (No. 2) explaining the first method of manufacturing the magnetic sensor in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram (part 1) illustrating a second method of manufacturing the magnetic sensor in FIG.
  • FIG. 12 is a view (No. 2) explaining a second method of manufacturing the magnetic sensor of FIG.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating a magnetic sensor
  • FIG. 13B is a diagram illustrating an equivalent circuit of the magnetic sensor
  • FIG. 13C illustrates a mask used in manufacturing the magnetic sensor.
  • FIG. 14A is a diagram illustrating output characteristics of the magnetic sensor
  • FIG. 14B is a diagram illustrating the operation principle of the magnetic sensor.
  • FIG. 15A is an equivalent circuit used to explain the operation principle of the magnetic sensor
  • FIG. 15B is a diagram showing output characteristics of the magnetic sensor.
  • FIG. 16A is a diagram showing an actual magnetic encoder
  • FIG. 16B is an enlarged view of a magnetic sensor of the magnetic encoder.
  • FIG. 17 is a sectional view showing a magnetic head according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing the magnetization direction of the free layer when the recording bit approaches.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing another specific example (part 1) of the magnetic head according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing another specific example (part 2) of the magnetic head according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing another specific example (part 3) of the magnetic head according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a sectional view showing a magnetic head according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a side view showing a magnetic head according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a plan view showing a magnetic head according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a plan view showing another specific example of the magnetic head according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A shows a tunnel having a spin valve structure according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a structure of a magnetic sensor employing a magnetic junction.
  • FIG. 7B shows the structure of a magnetic sensor having a spin valve structure proposed earlier as a comparative example.
  • a tunnel junction having a spin valve structure is interposed between a lower magnetic pole 2 and an upper magnetic pole 9.
  • This spin valve structure has a layer configuration in which a barrier layer 11 is disposed between a lower layer 10 and an upper layer 12.
  • the spin valve structure generally has at least a free magnetic layer and a first magnetic metal layer as a lower layer 10, and
  • the layer 12 includes at least a second magnetic metal layer, a fixed magnetic layer, and a diamagnetic layer.
  • An intermediate portion between these two magnetic metal layers is a barrier layer 11, A thin insulating layer is interposed.
  • a sensor section 13 is formed in a region near the center of the spin valve structure.
  • a signal magnetic field Hsig from a recording medium such as a magnetic disk is applied from below as viewed in the figure to rotate the magnetization of the free magnetic layer.
  • the sensor section 13 for the signal magnetic field is formed in a part of a substantially central part of a tunnel junction having a spin valve structure (magnetic layer). Part of the part is limited to LX hs).
  • the size of the region of the sensor unit 13 is substantially equal to the size (h ⁇ L) of the region of the magnetic layer of the magnetic sensor described with reference to FIG. 7B. Accordingly, in the magnetic sensor according to the present embodiment, the size of the magnetic layer is smaller than that of the conventional magnetic head of FIG. , Has become relatively large.
  • the structure of the magnetic sensor having the previously proposed spin valve structure shown in FIG. 7B has a spin valve structure interposed between the lower magnetic pole 20 and the upper magnetic pole 90.
  • the layer structure of this conventional spin valve structure is the same as that of the spin valve structure shown in FIG. 7A, with a barrier layer 110 interposed between the lower layer 100 and the upper layer 120. It has a layer configuration.
  • the lower layer 100 and the upper layer 120 have the same layer configuration as described with reference to FIG. 7A.
  • a signal magnetic field Hsi from a recording medium such as a magnetic disk is used as an external magnetic field.
  • g is applied from below as seen in the figure and rotates the magnetization of the free magnetic layer.
  • the sensor section 130 for the signal magnetic field Hsig is formed by a portion sandwiched between two insulating layers 150-5 and 150-2 (the entire magnetic layer, ie, h XL).
  • the sizes of the sensor sections 13 and 130 are almost the same.
  • the sensor part 13 of the embodiment is limited to a part of the magnetic layer part, whereas the sensor part 130 of the latter (comparative example) is the entire magnetic layer part. .
  • the sensor unit 13 can be set at an arbitrary position within the range of the magnetic layer.
  • the sensor unit 13 is set near the center of the magnetic layer where the magnetization of the free side magnetic layer (one of the lower layers 10) is the most rotationally slow.
  • the sensor section 13 can be formed as close as possible to the measurement signal magnetic field of the magnetic layer.
  • the sensor section 13 can be formed at a location where the magnetization direction of the magnetic layer can easily rotate.
  • the rotation of the magnetization of each magnetic domain of the sensor section 13 is caused by the element height of the magnetic layer because the sensor section 13 is a part of the substantially central portion of the magnetic layer. It can rotate freely without being affected by the dimension in the h direction. That is, since the height hs of the sensor section 13 is a part of the height h of the magnetic layer, the magnetic domain freely rotates near the edge of the sensor section 13 in response to the external signal magnetic field H sig. it can. Further, since the size of the magnetic layer is large regardless of the size of the sensor portion, it is possible to reduce the influence of the element shape such as the demagnetizing field.
  • FIG. 8 is a detailed cross-sectional view of the magnetic sensor of the present embodiment shown in FIG. 7A.
  • the layer configuration of the magnetic sensor is composed of a substrate 1, a lower layer 10 formed on the substrate, a barrier layer 11 formed on the lower layer, and a layer formed on the barrier layer.
  • the lower layer 10 has a lower electrode 2, a free magnetic layer (lower layer, free layer) 3, and a first magnetic metal layer 4 formed on the free magnetic layer.
  • the barrier layer 11 has an insulating layer 5.
  • the upper layer 12 includes a second magnetic metal layer 6 formed on the insulating layer, a fixed magnetic layer 7 formed on the second magnetic metal layer, and a fixed magnetic layer 7 formed on the second magnetic metal layer. And an upper electrode 9 formed on the antiferromagnetic layer.
  • the insulating layer 5 has a region formed at a part of the central part thereof, which is formed to be relatively thinner than other parts. Therefore, the surface of the second magnetic metal layer 6 formed above the insulating layer 5 is flat, but the central portion of the second magnetic metal layer 6 corresponding to the thin central portion of the insulating layer 5 has It is thicker than the other parts and is convex downward.
  • the dent formed in the insulating layer 5 is about several angstroms. This central recess
  • the area corresponding to 16 forms the sensor portion 13 as described with reference to FIG. 7A.
  • the substrate 1 is preferably made of a Si substrate on which a natural oxide film is formed.
  • the lower electrode 2 is preferably made of a Ta film having a thickness of about 50 nm.
  • the free magnetic layer 3 is preferably made of a NiFe film having a thickness of about 17 nm.
  • the first magnetic metal layer 4 is preferably made of a Co film having a thickness of about 3.3 nm.
  • the insulating layer 5 is composed of an oxide A1 film having a film thickness of several angstroms (A) to several tens of A. In this embodiment, the film thickness is about 1.3 nm in the concave portion 16 and the film thickness in other portions. It consists of an aluminum oxide coating of about 3.3 nm.
  • the second magnetic metal layer 6, like the first magnetic metal layer 4, preferably has a thickness of about 3.
  • the first and second magnetic metal layers 4 and 6 are free side because the polarizability of the Co film is higher than the polarizability of the adjacent Ni Fe film (free side magnetic layer 3 or fixed side magnetic layer 7). This is provided to achieve a high MR ratio by laminating a Co film on the magnetic layer 3 or the fixed magnetic layer 7.
  • the fixed magnetic layer 7 preferably has a film thickness of about 17 nm, like the free magnetic layer 3.
  • the antiferromagnetic layer 8 is preferably made of a FeMn film having a thickness of about 50 nm.
  • the upper electrode 9, like the lower electrode 2, is preferably made of a film having a thickness of about 511111.
  • This magnetic sensor is a TMR (tunnel MR) that applies a ferromagnetic tunnel junction to a spin valve structure.
  • the C0 layers 4 and 6 which are magnetic metal layers, are interposed between two magnetic layers (ie, the free magnetic layer 3 and the fixed magnetic layer 7).
  • the magnetic layer is covered with an antiferromagnetic layer 8.
  • the ferromagnetic tunnel junction forms a thin oxide film 5 between the two ferromagnetic layers 3 and 7 (more specifically, between the first and second magnetic metal layers 4 and 6). It has a structure in which it is interposed and arranged as a barrier layer 11.
  • the thickness of the sensor portion 13 of the insulating layer 5 is relatively thinner than the other insulating layer portions.
  • the tunnel resistance R in the thickness direction of the insulating layer 5 largely depends on the thickness of the insulating layer as represented by the following equation.
  • t is the thickness of the insulating layer
  • the tunnel current 18 flows intensively in a region where the thickness of the insulating layer 5 is small. That is, the DC current flows from the upper electrode 9 to the lower electrode 2 substantially in the region of each layer from the antiferromagnetic layer 8 to the free magnetic layer 3 corresponding to the region 16 having a small thickness of the insulating layer 5. Flows through. As a result, only the region corresponding to the recessed region 16 having the reduced film thickness functions substantially as the sensor unit 13.
  • the tunnel resistance R when the relative angle between the magnetization directions of the magnetic layers on both sides is set to 0, the tunnel resistance R can be expressed by Expression (1). That is, the magnetizations of the free magnetic layer 3 and the magnetic metal layer 4 are rotating in response to the external signal magnetic field Hsig, and the ton determined by the relative angle 0 of the magnetization direction of the magnetic metal layers 4 and 6 on both sides.
  • the flannel resistance R changes.
  • the tunnel resistance R can be detected as a voltage value.
  • the magnetic sensor must detect the external signal magnetic field Hsig. Can be done.
  • the sensor section 13 is formed in a partial region of the magnetic layer.
  • the sensor portion 13 is formed near the center of the magnetic layer, and has the same size as the magnetic layer region of the magnetic sensor proposed earlier (that is, the sensor portion 130 in FIG. 7B). Is formed. Therefore, the sensor section 13 can be formed at an optimum position in the magnetic layer region.
  • the sensor section 13 can be formed near the center of the magnetic layer.
  • the sensor section 13 can be formed at a position as close as possible to the measurement signal magnetic field. As a result, in the free side magnetic layer 3, the magnetization can be easily rotated in each magnetic domain without being affected by the end of the magnetic layer.
  • FIGS. 7A and 8 A method of manufacturing the magnetic sensor described with reference to FIGS. 7A and 8 will be described with reference to FIGS.
  • the first manufacturing method will be described with reference to FIGS. 9A to 9C and the second manufacturing method will be described with reference to FIGS. 11A to 12C due to the difference in the method of forming the thin insulating layer region.
  • 9A to 10C are diagrams for explaining the first manufacturing method successively.
  • an Si substrate 1 having a native oxide film is prepared.
  • a Ta film is formed to a thickness of about 50 nm by sputtering. This Ta film functions as the lower electrode 2 after completion of the device.
  • a NiFe film is formed to a thickness of about 17 nm, and a Co film is formed to a thickness of about 3.3.
  • the free magnetic layer (lower layer, free layer) 3 composed of a NiFe film and the first magnetic metal layer 4 composed of a C0 film function as a free layer.
  • a resist 19 is applied to the sensor section 13, and then, on the resist 19 and the first magnetic metal layer 4, an AI film 5-functioning as an insulating layer 5 is formed.
  • 0 is formed to a film thickness of about 2. O nm.
  • the first aluminum oxide film 5 - to 1 i.e., A 1 - A 1 2 ⁇ 3 film.
  • the resist 19 is removed.
  • the aluminum oxide film functions as a tunnel barrier. It functions as a functional thin insulating film 5.
  • an Al film is again formed to a thickness of about 1.3 nm.
  • the surface of the A] film is oxidized by plasma oxidation to form a second aluminum oxide film 5-2.
  • the insulating layer 5 formed of the first aluminum oxide film 5-1 and the second aluminum oxide film 5-2 has a thickness of about 1.3 nm in the sensor portion 13 and other portions. Forms an insulating layer with a thickness of about 3.3 nm.
  • the partially thinned region (sensor portion) of the insulating layer 5 functions as a tunnel barrier after the device is completed.
  • a NiFe film is formed to a thickness of about 17 nm on the Co film.
  • a FeMn film is formed to a thickness of about 50 nm.
  • portions other than the element portion are removed by ion milling, RIE (reactive ion etching), or the like, and insulating layers 15-1, 15-2 are added to the removed portions.
  • RIE reactive ion etching
  • insulating layers 15-1, 15-2 are added to the removed portions.
  • a Ta film having a thickness of about 50 nm is formed on the insulating layers 15-1, 15-2 and the antiferromagnetic layer 8.
  • This Ta film functions as an upper electrode 9 after completion of the device.
  • the insulating layers 15-1, 15-2 are provided so that the upper electrode 9 and the lower electrode 2 do not come into contact with each other directly or through the edge of the element portion.
  • the magnetic sensor manufactured as described above has an insulation made of aluminum oxide when a sense current (constant DC current) 17 flows from the upper electrode 9 to the lower electrode 2.
  • the tunnel current passing through the film 5 intensively flows in a relatively thin portion, and this portion functions as the sensor unit 13. Since the thin portion of the oxide A1 film can be formed at an arbitrary position, the sensor portion 13 is provided at an arbitrary position in the magnetic layer, preferably at a center portion where the magnetic domain of the free magnetic layer 3 is most likely to rotate. The smooth rotation of the magnetic domain is ensured.
  • FIGS. 11A to 12C are diagrams illustrating a second method of manufacturing the magnetic sensor continuously. It is. The second manufacturing method is different from the first manufacturing method in that a step of forming a thin insulating film is different.
  • an Si substrate 1 having a native oxide film is prepared.
  • a Ta film is formed to a thickness of about 50 nm using the Spack method.
  • This Ta film functions as the lower electrode 2 after completion of the device.
  • a NiFe film was formed to a thickness of about 17 nm, and a Co film was formed to a thickness of about 3.3 nm.
  • the free magnetic layer 3 made of a NiFe film and the first magnetic metal layer 4 made of a Co film function as a free layer. Up to this stage, it is the same as the first manufacturing method.
  • the resist 2 1 was applied to the sensor unit 1 3, then over the resist and the first magnetic metal layer 4, the first A 1 2 0 3 film 5-1 Approximately 2.0 nm film thickness.
  • an A1 film was formed to a thickness of about 1.3 nm, and the surface of the A1 film was oxidized using plasma oxidation to form aluminum oxide. film and (second a 1 2 0 3 film) 5-2.
  • the insulating layer 5 formed of the first aluminum oxide film 5-1 and the second aluminum oxide film 5-2 has a thickness of about 1.3 nm in the sensor section 13 and other layers. In this area, an insulating layer with a thickness of about 3.3 nm is formed.
  • the partially thinned region (sensor portion) of the insulating layer 5 functions as a tunnel barrier after the device is completed.
  • a Co film is formed as a second magnetic metal layer 6 on the thin insulating film 5 to a thickness of about 3.3 nm.
  • a Ni 6 film 7 having a thickness of about 17 nm is formed on the second magnetic metal layer 6 as the fixed magnetic layer 7.
  • a FeMn film having a thickness of about 50 nm is formed as an antiferromagnetic layer 8 on the fixed magnetic layer 7.
  • the part outside the element site is removed by ion milling, RIE, etc., and the insulating layers 15-1, 15-2 are formed on the removed part. Thereafter, a Ta film is formed on the insulating layers 15-1, 15-2 and the antiferromagnetic layer 8 as an upper magnetic pole 9 to a thickness of about 50 nm.
  • the magnetic sensor manufactured in this manner is sensed from the upper electrode 9 to the lower electrode 2.
  • a constant current (constant DC current) 17 flows, the tunnel current passing through the insulating film 5 made of aluminum oxide intensively flows to the sensor portion 13 having a relatively thin film thickness. Function as a unit. Therefore, the relatively thin portion can be provided at an arbitrary position in the magnetic layer, preferably at the center where the magnetic domain of the free magnetic layer is most likely to rotate, and smooth rotation of the magnetic domain is secured. Is done.
  • Magnetic sensors such as those described above are typically applicable to magnetic heads.
  • a magnetic head a capacitive head (inductive head) is used for recording, a GMR head is used for reproduction, and a composite magnetic head that integrates both heads is used.
  • a head has been developed and put into practical use.
  • GMR heads typically employ a spin-valve structure (but no tunnel junction). Instead of such a composite type magnetic head GMR head, the above-described magnetic sensor having a spin valve structure having a tunnel junction can be used as it is.
  • FIG. 13A is a diagram showing a magnetic sensor 50 used in the magnetic encoder according to the present embodiment.
  • the magnetic sensor 50 has a power supply terminal V, a ground terminal GND, an output A terminal A-OUT, and an output B terminal B-OUT.
  • a first ferromagnetic tunnel junction element TMR (tunnel-MR) 1 is connected between the power supply terminal V and the output A terminal A—OUT, and the power supply terminal V and the output B terminal
  • a second ferromagnetic tunnel junction device TMR 2 is connected between B-0UT and a third ferromagnetic tunnel junction device TMR 3 is connected between the ground terminal GND and the output A terminal A-OUT.
  • a fourth ferromagnetic tunnel junction device TMR4 is connected between the ground terminal GND and the output B terminal B-OUT.
  • FIG. 13B is a diagram showing an equivalent circuit of the magnetic sensor 50 of FIG. 13A.
  • a method of manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 13A will be briefly described. First, using a mask as shown in Fig. 13C, a NiFe film was formed to a film thickness of about 1 nm as the free magnetic layer, and then continuously formed as the first magnetic metal layer.
  • A] was formed to a thickness of about 1.3 nm as an insulating layer, and the surface was oxidized.
  • the oxidation treatment was performed by the plasma oxidation method described in the first manufacturing method and the second manufacturing method, and a thin oxide film was formed in the sensor portion, and a relatively thick oxide film was formed in other regions. Note that other oxidation treatments, for example, a natural oxidation method may be performed.
  • the magnetic encoder can be manufactured by the same layer configuration and manufacturing process as the spin-valve magnetic sensor. Next, the operation of the magnetic encoder will be described.
  • FIG. 14A is a diagram schematically showing a magnetic resistance curve of the magnetic encoder shown in FIG. 13A.
  • the magnetization direction Mupper of the upper layer 12 of the ferromagnetic tunnel junction device TMR is perpendicular to the magnetization direction Mlower of the lower layer 10 so that the antiferromagnetic layer (F e Mn film) 8 fixed.
  • the resistance value when the external magnetic field is zero is defined as R0.
  • the magnetization direction Mlo When an external magnetic field is applied to the ferromagnetic tunnel junction device TMR in a direction opposite to the magnetization direction Mupper of the upper layer 12 (that is, the external magnetic field H), the magnetization direction Mlo was of the lower layer 10 rotates and the upper layer 12
  • the resistance values of the ferromagnetic tunnel junction device TMR when the external magnetic field is 1 H, 0, and + H are RL, R0, RH, and these relationships are RL ⁇ R0 ⁇ RH.
  • Figure 14A illustrates this relationship.
  • FIG. 14B is a diagram for explaining the operation principle of this encoder.
  • the magnetic sensor 50 including the magnetic field generating magnet 55 to be measured and the tunnel junction element TMR has a positional relationship as shown in the figure.
  • the magnetic field generating magnet 55 is a slender magnetized body in which N poles and S poles are alternately magnetized, and the interval (magnetization cycle) between a pair of SN poles is represented by I.
  • TMR1-TMR4 have a relation of relatively moving in the longitudinal direction of the magnet in the vicinity of the magnetic field generating magnet 55.
  • the magnetic sensor 50 including the tunnel junction elements TMR1 to TMR4 is at the position shown in the sensor position [1].
  • Each ferromagnetic tunnel junction device TMR is arranged at an interval of ⁇ / 4.
  • the magnetic sensor 50 moves iZ4 parallel to the right as viewed in the figure and is at the position shown in the sensor position [2].
  • the force shown in FIG. Note that the vicinity of the magnet 55 (that is, the position of the sensor [1]) is relatively translated in the longitudinal direction of the magnet. The same applies to sensor positions [3] and [4].
  • the magnetic sensor 50 at the sensor position [2] is at the sensor position [3] after a certain period of time t, and moves parallel to the sensor position sensor positions [4],.
  • Fig. 15A is a diagram corresponding to Fig. 13B. From this equivalent circuit, the voltage output VA and VB of the output A terminal and the output B terminal are divided into the voltage V at the output A terminal by TMR1 and TMR3. Since the output B pin divides the voltage V by TMR2 and TMR4, the output is as follows.
  • V ⁇ TMR4 / (TMR2 + TMR4) V ⁇ RO / (RO + R0)... (6)
  • TMRl RH
  • TMR2 RO
  • TMR3 RL
  • TMR4 R0. Therefore, the voltage outputs VA and VB of the output A terminal and output B terminal are as follows.
  • FIG. 15B is a diagram showing an output waveform of this sensor unit.
  • FIG. 16 is a diagram showing an actual magnetic encoder using the operation principle described in FIG.
  • This magnetic encoder has a rotating magnetized body 56 and a magnetic sensor 50 arranged in the vicinity thereof. Instead of making the magnetic field generating magnet 55 infinite, a rotating magnet 56 is actually used.
  • the rotating magnet body 56 has a diameter of 10 mm and a shaft diameter of 5 mm, and 16 pairs of SN poles are radially arranged on the circumference thereof. At this time, the magnetization period; I is about 1.5 mm.
  • the magnetic sensor 50 is positioned such that the center of the sensor is aligned with the center of the radially magnetized portion of the rotating magnetized body 56.
  • the ferromagnetic tunnel junction elements TMR in parallel with the radially extending magnets of the rotating magnetized body 56, and so that the element intervals are ⁇ / 4.
  • the angle formed by each element TMR is about 5.6.
  • the distance between the centers of adjacent elements is 0.37 mm.
  • Such a magnetic encoder can obtain an output waveform as described in FIG. 15B from each ferromagnetic tunnel resistance element TMR 5 of the magnetic sensor 50 by rotating the rotary magnet 56. That is, when the magnetic sensor 50 moves relative to the rotating magnetized body 56 by a magnetizing cycle; I, an output pulse for one cycle is generated.
  • each ferromagnetic tunnel junction At the tunnel junction of the element TMR the sensor section can be formed at the optimum position in the magnetic layer region.
  • the magnetization can be easily rotated in each magnetic domain without being affected by the end of the magnetic layer.
  • a magnetic sensor having a good sensitivity, a magnetic head, and a magnetic sensor such as a magnetic encoder are generally used. Can be applied.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the magnetic head according to the present embodiment.
  • FIG. 17B is an enlarged sectional view of the ferromagnetic tunnel junction device of FIG. 17A.
  • the magnetic head according to the present embodiment uses a ferromagnetic tunnel junction element 210 whose electric resistance changes in response to a change in an external magnetic field.
  • the tunnel junction element 210 has a free layer 214, a barrier layer 216, a fixed layer 218, and an antiferromagnetic layer 220.
  • the free layer 214 includes a 3-nm-thick NiFe layer 221 and a 3-nm-thick Co layer 224. Then, adjacent to the C o layer 224 of the free layer 2 1 4, barrier layer 21 6 made of A 1 2 0 3 layer having a thickness of 1 nm is formed.
  • a fixed layer 2 18 of a 3 nm-thick Co layer 226 and a 3 nm-thick NiFe layer 228 is formed adjacent to the barrier layer 2 16.
  • An antiferromagnetic layer 220 composed of a Ni0 layer is formed adjacent to the layer 18.
  • shield layers 2 12 a and 2 12 b made of a NiFe layer are formed at a distance from the ferromagnetic tunnel junction device 210 and are shielded from the ferromagnetic tunnel junction device 210.
  • layer 2 1 2 a, 2 non-magnetic layer 222 force consisting of a 1 2 0 3 layer is between 1 2 b, 'is formed.
  • the lower side of the drawing is the signal detection surface 230 of the magnetic head.
  • FIG. 1A shows a state where the recording bit 232 of the magnetic recording medium is close to the ferromagnetic tunnel junction element 210. Actually, a large number of recording bits 232 are formed in the magnetic recording medium, but are omitted in FIG. 17A.
  • the magnetization direction of the free layer 214 rotates.
  • the fixed layer 2 18 since the antiferromagnetic layer 220 is formed adjacently, the magnetization direction remains fixed.
  • the free layer 214 extends in a direction away from the signal detection surface 230, and the extended free layer 214 The end is connected to the shield layer 212a.
  • the free layer 2 14 is connected to the shield layer 2 12 a composed of a Ni Fe layer having a high magnetic permeability, the magnetic flux from the recording bit 2 32 4 will pass easily. Moreover, since the free layer 214 extends in a direction away from the signal detection surface 230, the effect of the demagnetizing field on the free layer 214 can be reduced. It is possible to increase the rotation angle of the magnetization direction of the magnetic field. Further, since the free layer 214 is gently connected to the shield layer 212a in a region separated from the signal detection surface 230, the influence of the demagnetizing field on the free layer 214 is further reduced. Can be reduced.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing the calculation of the magnetization direction of the free layer when the recording bit approaches. Arrows indicate the magnetization direction. The region surrounded by the ellipse is a region in which the magnetization angle of the free layer is a certain angle or more. FIG. 18 shows the magnetization direction of the free layer in a range of about 20 m from the signal detection surface.
  • the effect of a demagnetizing field occurs near the signal detection surface 430 and near the upper part of the core 400. Had been lost. Therefore, the magnetization angle S of the free layer 414 when the recording bit 332 approached was small, and it was difficult to obtain a high output.
  • the change in the electrical resistance of the ferromagnetic tunnel junction device 210 when the recording bit 23 comes close can be made larger than that of the conventional magnetic head, whereby High detection sensitivity can be obtained.
  • the free layer extends in a direction away from the signal detection surface, and the end of the extended free layer is connected to the shield layer having high magnetic permeability.
  • the effect of the magnetic field can be reduced.
  • the influence of the demagnetizing field in the vicinity of the junction region between the free layer and the fixed layer can be reduced, so that the rotation angle of the magnetization direction in the junction region can be increased, and when the recording bit approaches, The change in electric resistance can be increased. Therefore, even when the width of the junction region is narrowed, a magnetic head having sufficiently high detection sensitivity can be provided, and it is possible to cope with a high recording density of a magnetic recording medium.
  • FIG. 19 is a sectional view showing a magnetic head according to this example.
  • FIG. 19B is an enlarged sectional view of the ferromagnetic tunnel junction device of FIG. 19A.
  • the region where the influence of the demagnetizing field is small is the junction region 234 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 14.
  • the rotation angle of the magnetization direction is reduced due to the effect of the demagnetizing field.
  • the thickness of the barrier layer 216 is made thin enough to cause a tunnel junction, and the thickness of the barrier layer 216 in the region near the edge of the fixed layer 218 is increased.
  • the region excluding the edge of the fixed layer 2 18, that is, the region where the influence of the demagnetizing field is small becomes the junction region 2 34.
  • the change in electric resistance can be increased.
  • the region where the influence of the demagnetizing field is small is set as the bonding region, a magnetic head having high detection sensitivity can be provided.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a magnetic head according to this example.
  • the magnetic head according to the second embodiment shown in FIG. 1A is the same as the magnetic head according to the second embodiment shown in FIG.
  • the fixed layer 2 18 a is composed of a laminated film of the N i Fe layer 2 28, the Co layer 226, the Ru layer 236, and the Co layer 240, Antiferromagnetic coupling is formed between the o-layer 226 and the Co-layer 240. Accordingly, it is possible to suppress a magnetic field from being applied from the fixed layer 2 18 a to the free layer 2 14, and it is possible to suppress a shift of the bias point of the free layer 2 14. .
  • the fixed layer is formed of a laminated film of the NiFe layer 228, the Co layer 222, the Ru layer 236, and the Co layer 240, the Co layer 226
  • An anti-ferromagnetic coupling can be formed between the Co layer and the Co layer 240, so that the magnetic field from the fixed layer to the free layer can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the bias point of the free layer from shifting.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a magnetic head according to this example.
  • FIG. 21B is an enlarged sectional view of the ferromagnetic tunnel junction device of FIG. 21A.
  • the fixed layer 218 is not exposed to the signal detection surface 230 and the end of the free layer 214 is connected.
  • the shield layer 2 1 2a is connected to the ground.
  • the magnetic recording medium is grounded.
  • the connection makes the potential between the free layer 214 and the magnetic recording medium equal. Can be. Therefore, it is possible to prevent a potential difference from occurring between the free layer 214 and the magnetic recording medium, thereby preventing discharge from occurring from the free layer 214 toward the magnetic recording medium. . Therefore, in this specific example, it is possible to prevent the recording information of the recording bit from being destroyed by the discharge.
  • the bonding area 2 34 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 14 is separated from the signal detection surface 230, even if the bonding surface 230 is worn, it is fixed. It is rare that the layer 2 18 and the free layer 2 14 are worn down to the joint area 2 3 4. Therefore, it is possible to prevent the joint region 234 between the fixed layer 218 and the free layer 214 from being reduced.
  • the signal detection surface 230 can be brought into contact with the magnetic recording medium to be used as a contact-type magnetic head.
  • the fixed layer is not exposed on the signal detection surface, it is possible to prevent discharge from occurring even when a potential difference occurs between the fixed layer and the magnetic recording medium. .
  • the free layer exposed on the signal detection surface is connected to the ground via the shield layer, the potential between the free layer and the magnetic recording medium is established by connecting the magnetic recording medium to the ground. Can be made equal. Therefore, it is possible to prevent a potential difference between the free layer and the magnetic recording medium, and to prevent a discharge from being generated from the free layer toward the magnetic recording medium. It is possible to prevent the recorded information of the bird from being destroyed.
  • the present invention can be applied to a contact-type magnetic head that uses a signal detection surface in contact with a magnetic recording medium.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing the magnetic head according to the present embodiment.
  • the same components as those of the magnetic head according to the second embodiment shown in FIGS. 17 to 21 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
  • the magnetic head according to the present embodiment is characterized in that the ferromagnetic tunnel junction device 210a has two ferromagnetic tunnel junctions.
  • the barrier layer 2 16 a substantially similar to the barrier layer 2 16 is formed plane-symmetrically around the free layer 2 14, and the fixed layer 2 18 substantially similar to the fixed layer 2 18 b is formed symmetrically with respect to the free layer 2 14.
  • the antiferromagnetic layer 2200 is substantially the same as the antiferromagnetic layer 220 and is formed to be plane-symmetric with respect to the free layer 214.
  • the magnetization direction of the fixed layer 218 becomes similar to the magnetization direction of the fixed layer 218b.
  • the ferromagnetic tunnel junction 2 ⁇ 0a has two ferromagnetic tunnel junctions, high detection sensitivity can be realized by adding the outputs of these two ferromagnetic tunnel junctions.
  • FIG. 23 is a side view of the magnetic head according to the present embodiment.
  • the same components as those of the magnetic head according to the second or third embodiment shown in FIGS. 17 to 22 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
  • the magnetic head according to the present embodiment is characterized by the shape of the free layer 214a. That is, the width of the free layer 2 14 a is fixed in the vicinity of the signal detection surface 230 or in the vicinity of the junction area 2 34 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 14 a. 8 is slightly wider than the width of, but gradually widens as it moves away from the signal detection surface 230. It's dead. Further, further away from the signal detection surface 230, the width of the free layer 214a becomes very wide.
  • the magnetization direction of the free layer is inclined in the longitudinal direction of the free layer even when no magnetic field is applied from the outside.
  • the shape is as shown in FIG. 23, the magnetization direction of the free layer 2 14 a near the junction region 2 34 in a state where no magnetization is applied from the outside is given. It can be prevented from tilting. Thereby, when a magnetic field is applied from the outside, the magnetization direction of the free layer 214a is sufficiently rotated in the vicinity of the junction region 234, so that a magnetic head with high detection sensitivity can be provided. It becomes possible.
  • the width of the free layer is formed wider as the distance from the signal detection surface is increased, and the width of the free layer is extremely wide in a region separated from the signal detection surface. In the state where no is added, it is possible to suppress the magnetization direction of the free layer from being inclined near the junction region. Therefore, when a magnetic field is applied from the outside, the rotation angle of the magnetization direction of the free layer near the junction region can be increased, and a magnetic head with high detection sensitivity can be provided.
  • FIG. 24 is a plan view of the magnetic head according to the present embodiment as viewed from the signal detection surface side.
  • the same components as those of the magnetic head according to the second to fourth embodiments shown in FIGS. 17 to 23 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
  • the magnetic head according to the present embodiment has a structure in which the free layer 2 14 b in the region excluding the junction region 2 34 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 14 b is formed. It is characterized in that it is bent away from the fixed layer 218.
  • the free layer 2 1 4 b in the area other than the junction area 2 3 4 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 1 4 b is bent away from the fixed layer 2 18 so that the height of the magnetic recording medium Even if the distance between the tracks becomes narrower due to the increase in the recording density, it is possible to reduce the influence of the magnetic field from the recording bits of the adjacent tracks.
  • the recording bit of the adjacent track is The effect of the magnetic field from the magnetic field can be reduced. This makes it difficult to receive the influence of the magnetic field from the recording bit of the adjacent track, so that it is possible to cope with an increase in the recording density of the magnetic recording medium.
  • FIG. 25 is a plan view of the magnetic head according to this example as viewed from the signal detection surface side.
  • the free layer 2 1 4 c force ⁇ fixed layer 2 1 in the region excluding the junction region 2 3 4 between the fixed layer 2 18 and the free layer 2 14 c
  • the bent free layer 2 14 c is bent further away from the shield layer 2 12 a force.
  • the distance between the shield layer 212a and the shield layer 212b can be reduced, so that a portion for detecting a signal can be miniaturized, thereby further increasing the recording density of the magnetic recording medium. Can be handled.
  • the free layer in the region other than the junction region between the fixed layer and the free layer is bent away from the fixed layer, and the bent free layer further moves away from the shield layer. So bent.
  • the distance between the shield layers can be reduced, so that a portion for detecting a signal can be miniaturized, and a higher recording density of a magnetic recording medium can be accommodated.
  • the lower layer 10 functioning as a free layer extends in a direction away from the signal detection surface, and an end of the extended lower layer 10 is connected to a shield layer having high magnetic permeability. May be.
  • the influence of the demagnetizing field on the sensor unit 13 can be further reduced, so that the detection sensitivity can be further improved.
  • the lower layer 10 may be formed as a free layer 214b shown in FIG. That is, the lower layer 10 may be bent away from the upper layer 12 in an area other than the sensor section 13. As a result, the influence of the magnetic field from the recording bit of the adjacent track can be reduced, so that it is possible to cope with a higher recording density of the magnetic recording medium.
  • a magnetic head using the magnetic sensor according to the first embodiment is It is also possible to apply to an apparatus. By using such a highly sensitive magnetic sensor, it is possible to cope with a higher recording density of a magnetic storage medium.
  • the free layer is connected to the shield layer.
  • the free layer may be appropriately connected not only to the shield layer but also to a magnetic material having high magnetic permeability.
  • the magnetic head has been described.
  • a hard disk drive can be provided using the magnetic head as described above.
  • a disk array device can be provided by using a plurality of such hard disk devices.
  • the NiFe layer or the Co layer is used as the material of the free layer or the fixed layer, but the material of the free layer or the fixed layer is the NiFe layer or the Co layer.
  • the present invention is not limited to this, and any other layer that can realize a ferromagnetic tunnel junction can be used as the free layer or the fixed layer.
  • the present invention is suitable for a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic encoder, and a hard disk drive, and particularly, a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic encoder, and a high-density magnetic recording medium capable of realizing good sensitivity.
  • the present invention is useful for a magnetic head capable of coping with the trend and a hard disk drive having a large storage capacity using the magnetic head.

Description

明 細 書 磁気センサ、 磁気へッ ド、 磁気エンコーダ及びハードディスク装置 [技術分野]
本発明は、 磁気センサ、 磁気へッ ド、 磁気エンコーダ及びハードディスク装置 に関し、 更に具体的には、 強磁性トンネル接合を利用した磁気センサ、 磁気へッ ド、 磁気エンコーダ及びハードディスク装置に関する。
[背景技術]
電子素子の中にトンネル現象を利用したものがある。 このトンネル現象とは、 一般に、 ポテンシャル障壁より小さい運動エネルギを持った粒子、 例えば電子等 が、 ポテンシャル障壁を通過して移動出来る現象を言う。 古典力学では説明が不 可能であるが、 量子力学では説明可能な特有の現象である。 粒子の波動関数が、 ポテンシャル障壁の内側を減衰しながら障壁の外側まで進み、 外側でも波動関数 の振幅がゼロでなければ進行波として進むため、 障壁を通過することが出来る。
トンネル現象の例として、 ひ崩壊により原子核からひ粒子が放出される現象、 金属に高い電圧を印加して金属表面から電子が放出される現象 （電界放出） 、 半 導体の p n接合に高い逆方向バイアスをかけると空乏層を電子が突き抜ける現象 等が知られている。 実用上、 非常に重要な量子力学的効果である。
電子素子で利用される卜ンネル現象として典型的な現象は、 「金属 絶縁体 Z 金属」 の接合に於いて、 この両側の金属に電圧を印加すると、 絶縁体が十分に薄 いときにわずかな電流が流れる現象がある。 このような現象は、 通常、 絶縁体は 電流を通さないが、 絶縁体の厚さが数オングストローム （A ) 〜数十 A程度、 好 ましくは数人〜十数 A程度のごく薄いときには、 量子力学的効果によって、 僅か に電子がこの絶縁体を通過する確率を持っため発生する現象である。 このときの 電流を 「トンネル電流」 と称し、 このような構造を持つ接合を 「トンネル接合」 と称している。
トンネル接合を実現するごく薄い絶縁層を実現するには、 通常、 金属層の酸化 膜を絶縁障壁として利用している。 例えば、 アルミニウムの表面層を自然酸化， プラズマ酸化， 熱酸化等の適当な酸化処理法で酸化させて形成している。 酸化膜 の膜厚の制御は、 用いられた酸化処理に応じて酸化条件を調節することで、 数ォ ングストローム （A) 〜数十 A程度の所望の膜厚の酸化膜とすることが出来る。 このように形成された酸化アルミニウムはごく薄い絶縁体であるため、 トンネル 接合における障壁層として機能する。
上述した 「金属/酸化膜 Z金属」 のトンネル接合の両側の金属間に電圧を印加 すると、 印加電圧に対する電流は、 通常の抵抗体が示す線形性と異なり、 非線形 性を示す特徴がある。 従って、 このようなトンネル接合を持つ電子素子は、 非線 形の素子として利用されている。
次に、 この 「金属 Z酸化膜ノ金属」 の構造において、 酸化膜の両側の金属を強 磁性金属に置き換えた構造 「強磁性金属ノ酸化膜 Z強磁性金属」 は、 「強磁性ト ンネル接合」 と称されている。 強磁性トンネル接合に於いては、 トンネル確率 (トンネル抵抗） は、 両側の磁性層の磁化状態に依存することが知られている。 換言すれば、 トンネル抵抗は、 磁場によって両側の磁性層の磁化状態を変更する ことによって制御することが可能である。 両側の磁性層の磁化方向の相対角度を ^としたとき、 トンネル抵抗 Rは、 次式で表すことが出来る。
R = Rs +0. 5AR (l - c o s ^) ( 1 )
ここで、 Rs は、 飽和磁場を印加したときのトンネル抵抗を表し、 このときの 両側 2つの磁化方向は磁場印加方向を向いている。 また、 は、 トンネル抵抗 の変化分を表す。
式 （1) の意味するところは、 飽和磁場中で 2つの磁性層の磁化を同じ方向に したとき、 磁化方向の相対角度は S = 0° (c o s S= l) となり、 トンネル抵 抗は R==Rs となる。 これに対し、 飽和磁場中で 2つの磁性層の磁化を反対方向 にしたとき、 磁化方向の相対角度は 0 = 180° (c 0 s 0 1) となり、 卜 ンネル抵抗は R = Rs +ARとなる。 無磁場中では、 後で説明するように、 2つ の磁性層の内、 一方の磁性層は固定側磁性層として磁化方向が固定されており、 他方の磁性層は自由側磁性層としてその磁界方向は固定側磁性層の磁化方向に対 し直交するように弱く磁区制御されている。 このとき、 2つの磁性層の磁化方向 の相対角度は S = 90° (c o s 0 = 0 ) となり、 トンネル抵抗は R = Rs + 0. 5△ Rとなる。
即ち、 両磁性層の磁化方向が一致したとき （0 = 0° ) 、 トンネル抵抗は R = Rs の最小値となり、 両磁性層の磁化方向が反対のとき （ = 1 80° ) 、 トン ネル抵抗は R O -Rs + ARの最大値となる。 従って、 無磁場のとき両磁性層の 磁化方向が相対的に == 90° となるように設定すれば、 抵抗値は 0 = 90° の 場合を中心として線形に変化し、 これにより線形の出力が得られる。
このような現象は、 強磁性体内部の電子が分極していることに起因する。 通常、 物質中の電子は、 スピン状態が上向きの電子 （u p電子） とスピン状態が下向き の電子 （d own電子） とが存在する。 非磁性金属の内部には、 u p電子と d o wn電子とが同じ数だけ存在するため、 非磁性金属全体として磁性を示さない。 しかし、 磁性金属の内部には、 u p電子数 （Nup) と d own電子数 （Ndown) とが異なっているため、 磁性金属全体としてその電子数の多い方の磁性 （即ち、 u p磁性又は d 0 wn磁性） を示すことになる。
電子が、 両側の磁性層のいずれか一方から薄い酸化膜を通つて他方の磁性層に 卜ンネルするとき、 これらの電子は各々のスピン状態を保ったままでトンネルす ることが知られている。 従って、 トンネル先の磁性層の電子状態に空きが有れば、 トンネルは可能であるが、 トンネル先の磁性層の電子状態に空きが無ければ、 ト ンネルすることは出来ない。
トンネル抵抗の変化率 （AR/Rs ) は、 次式のように、 電子源となる磁性層 (トンネル元） の分極率 （偏磁率とも言う） とトンネル先の分極率との積を用い て表される。
△ RZRs = 2 X PI x P2 / ( 1 - PI x P2 ) (2)
ここで、 PI ：—方の磁性層の分極率
P2 ：他方の磁性層の分極率
なお、 磁性層の分極率 Pは次式で表される。
P = 2 · ( Nup- N down) / (Nup+ Ndown) (3)
ここで、 Nup：磁性金属内部の u p電子数
Ndown：磁性層内部の d own電子数 磁性層の分極率 Pは、 強磁性層金属の種類に依存するが、 種類によっては 5 0 %近い値を持つものもあり、 この場合理論的には、 トンネル抵抗の変化率 （厶 R / R s ) は数十％の抵抗変化率が期待できることになる。
従来知られている磁気抵抗効果 （M R ) として、 異方性磁気抵抗効果 （A M R ) では抵抗変化率は 0 . 6 %程度であり、 また巨大磁気抵抗効果 （G M R ) では抵 抗変化率は数％〜十数％である。 従って、 トンネル抵抗の変化率は、 これら A M Rや G M Rと比較して、 格段に大きく、 磁気へッ ド、 磁気センサ等への応用が期 待される。
磁気へッ ドとして、 G M Rを利用した典型例としてスピンバルブ構造が知られ ている。 本出願人は、 このスピンバルブ構造に上述の強磁性トンネル接合を応用 した T M R (tunnel- MR) へッ ドを、 既に提案している。
このスピンバルブ構造は、 2つの磁性層の間に磁性金属層を介在させ、 一方の 磁性層の磁化方向のみを固定するため、 その磁性層の上を反強磁性層で覆う構造 を採用する。 また、 強磁性トンネル接合として、 上述のように、 2つの強磁性層 の間に薄い酸化膜を介在させる構造を採る。
図 1 Aは、 強磁性トンネル構造を説明する断面図である。 強磁性トンネル接合 を持つスピンバルブ構造は、 典型的には、 例えば図 1 Aに示すように、 シリコン 基板 1の上に形成された下部電極 2と、 下部電極の上に形成された自由側磁性層 3と、 自由側磁性層の上に形成された第 1の磁性金属層 4と、 第一の磁性金属層 の上に形成された絶縁層 5と、 絶縁層の上に形成された第二の磁性金属層 6と、 第二の磁性金属層の上に形成された固定側磁性層 7と、 固定側磁性層の上に形成 された反強磁性層 8と、 反強磁性層 8の上に形成された上部電極 9とを有してい る。
下部電極 2 , 自由側磁性層 3及び第 1の磁性金属層 4により、 下部層 1 0が構 成されており、 第二の磁性金属層 6 , 固定側磁性層 7， 反強磁性層 8及び上部電 極 9により、 上部層 1 2が構成されている。 下部層 1 0と上部層 1 2の間は、 絶 縁層 5から成る障壁層 1 1が介在配置され分離されている。
このスピンバルブ構造の各要素は、 例えば、 次の通りである。 基板 1はシリコ ンから成る。 下部電極 2及び上部電極 9は、 各々、 T a膜から成り、 膜厚は 5 0 nm程度である。 自由側磁性層 3及び固定側磁性層 7は、 各々、 N i F e膜から 成り、 膜厚は 1 7 nm程度である。 第一及び第二の磁性金属層 4, 6は、 各々、 C 0膜から成り、 膜厚は 3. 3 nm程度である。 絶縁層 5は、 A】 - A 1203膜か ら成り、 膜厚は 1. 3 nm程度である。 反強磁性層 8は、 F eMn膜から成り、 膜厚は 4 5 nm程度である。
最初の N i F e膜は、 2つの強磁性層の内の一方であり、 磁化方向が固定され ていないことから自由側磁性層 （フリー層） 3と称せられる。 両 C 0膜 4, 6に 挟まれた A 1 -A 1 0膜は、 強磁性卜ンネル接合を形成する薄い酸化アルミニウム 膜 A】 〇膜から成る障壁層 1 1を提供するものである。 2番目の N i F e膜は他 方の強磁性層であり、 磁化方向が固定されていることから固定側磁性層 （ビンド 層） 7と称せられる。 第一の磁性金属層 4は自由側磁性層 3と同様に機能し、 第 二の磁性金属層 6は固定側磁性層 7と同様に機能する。 F eMn膜は、 固定側磁 性層 7と交換結合して固定側磁性層の磁化方向を固定するためのもので、 反強磁 性層 （ピニング層） 8と称される。
このような 「自由側磁性層 Z絶縁層ノ固定側磁性層 Z反強磁性層」 の構造では、 外部から磁場 （例えば、 記録媒体からの信号磁界） を印加すると、 自由側磁性層 3と第一の磁性金属層 4のみが磁化回転する。 この結果、 主として、 第一の磁性 金属層 4の磁化方向と第二の磁性金属層 6の磁化方向との相対角度 Θが変化する ため、 強磁性トンネル接合の抵抗変化を示す。 即ち、 この TMR (tunnel MR) は 磁場に依存して、 式 （ 1 ) に示したようにトンネル抵抗が変化する。
図 1 Bは、 図 1 Aに示す強磁性トンネル構造を利用した磁気センサの抵抗変化 の測定を説明する模式図である。 上部層 1 2と下部層 1 0の間に、 電流源 3 9が 接続され、 一定電流が流される。 同様に、 上部層 1 2と下部層 1 0の間に、 電圧 検出器 4 0が接続され、 両層間の電圧変化が検出される。 外部から磁場 （例えば、 信号磁界） を印加すると、 図 1 Aに示す強磁性トンネル構造のトンネル抵抗が変 化し、 これが電圧検出器 40によって、 電圧の変化として検出される。
図 2は、 このようなスピンバルブ構造を利用した卜ンネル構造の磁気抵抗効果 曲線を占めしている。 図 2によると、 外部磁界が— 50エルステツ ド （O e) ― 一 1 0 (0 e ) →0 (0 e ) →+ 1 0 (0 e ) →+ 50 (O e) と変化するにつ れ、 約 0. 0%→約0. 0%→約 1 0. 0%→約20. 0%—約 20. 0%の可 逆的な抵抗変化率を示す。 図 2のようなスピンバルブ構造を持つトンネル構造は、 外部磁界が一 1 0〜+ 1 0 (0 e ) 範囲に於いて、 約 0〜 20 %の略直線的な抵 抗変化率を示すことが判明した。 また、 — 30〜+ 30 (O e ) 範囲に於いて、 約 0 %〜 20%の抵抗変化率を示す。 また、 これを論理 「0」 ， 「1」 のデータ に変換処理することで、 ディジタル論理回路にも利用できる。
しかし、 スピンバルブ構造を持つトンネル構造を磁気ヘッ ド， 磁気エンコーダ 等の磁気センサに応用した場合、 素子高さ hが極端に短いと、 素子のエッジ付近 で磁化の回転が困難になることがある。 即ち、 磁気センサの素子高さを低くする と、 エッジ部分の影響が大きくなり、 磁化の回転が困難になって、 その結果、 磁 気センサの感度が減少するという問題がある。
実際に使用される素子寸法が数^ mx数^ mのオーダでは、 素子高さ hが減少 したとき、 固定側磁性層から自由側磁性層に対する静磁気的な結合が相対的に強 くなり、 自由側磁性層の磁化方向は固定側磁性層の磁化方向に対して反平行状態 になり易く、 磁化方向の容易な磁化方向の回転が困難となる。 この結果、 磁気抵 抗効果素子の感度が減少することとなる。
一方、 ハードディスク装置は、 データを読み書きするスピードが速く、 記憶容 量も大きいことから、 広く電子機器に用いられている。
近時のハードディスク装置の記憶容量の増大はめざましいものがあるが、 情報 化社会の進展に伴い、 更なる記憶容量の増大が求められている。
ハードディスク装置の記憶容量の増大を実現するためには、 磁気記録媒体、 す なわち磁気ディスクの記録密度を高くすることが不可欠の課題である。
磁気記録媒体の記録密度の増大により、 磁気記録媒体の記録ビッ 卜の大きさも 小さくなるため、 これに対応すべく磁気ヘッ ドを微細化する必要があり、 また、 検出感度を高くする必要がある。
近時、 検出感度の高い磁気へッ ドとして、 GMR (Giant Magneto-Resistance effect) へッ ドが提案されている。
GMRへッ ドは、 磁性層/非磁性層ノ磁性層の構造を有する積層膜に外部から 磁界を加えると、 2つの磁性層の磁化角度の差により積層膜の電気抵抗が変化す る現象、 すなわち GMR効果を利用した磁気へッ ドである。
GMR効果について、 図 3を用いて説明する。 図 3は、 GMR効果を示す概念 図である。
図 3に示すように、 GMR効果を奏する積層膜 3 1 0は、 磁性層 3 1 4と磁性 層 3 1 8との間に非磁性層 3 1 6が挟まれた構造になっている。 ！は磁性層 3 1 4の磁化角度を示しており、 2は磁性層 3 1 8の磁化角度を示している。 磁性層 3 1 4は磁化べク トル M!で磁化されており、 磁性層 3 1 8は磁化べク トル M2で 磁化されている。
図 3に示すような積層膜 3 1 0に外部から磁界を加えると、 磁性層 3 14の磁 化角度は例えば 0！となり、 磁性層 3 1 8の磁化角度は例えば 02となる。
磁化角度 0 と磁化角度 2との差を 6>とすると、 Θは、
θ = Θ 2一 θ 1
となり、 外部から磁界を加えていない状態の積層膜 3 1 0の電気抵抗を Rsとする と、 外部から磁界を加えたときの電気抵抗 Rは、
R = RS+ 0. 5 xAR ( l - c o s A 0)
で表される。
なお、 は積層膜 3 1 0の材料により異なる定数である。
また、
Figure imgf000009_0001
で定義される値は MR比といわれ、 磁性層 3 14に例えば C o層、 非磁性層 3 1 6に例えば C u層、 磁性層 3 1 8に例えば C 0層を用いた場合には、 MR比は 5 〜 1 0%程度となる。
このような GMR効果を奏する積層膜を磁気へッ ドに用いる場合には、 一般に、 スピンバルブという構造が採用されている。 なお、 スピンバルブ構造は、 特開平 4 - 3583 1 0号公報により公開されている。
スピンバルブ構造について、 図 4を用いて説明する。 図 4は、 スピンバルブ構 造の積層膜を示す断面図である。
図 4に示すように、 スピンバルブ構造の積層膜 4 1 0は、 磁性層 4 14、 非磁 性層 4 1 6、 磁性層 4 1 8、 及び反強磁性層 420により構成されている。 単に磁性層 4 1 4、 非磁性層 4 1 6、 及び磁性層 4 1 8の 3層構造の積層膜で は、 外部からの磁界によって磁性層 4 1 4の磁化方向と磁性層 4 1 8の磁化方向 とがほぼ一致してしまい、 磁性層 4 1 4の磁化角度と磁性層 4 1 8の磁化角度の 差は極めて小さい。
そこで、 スピンバルブ構造の積層膜 4 1 0では、 磁性層 4 1 8上に反強磁性層 4 2 0が形成されている。 この反強磁性層 4 2 0により、 反強磁性層 4 2 0に接 した磁性層 4 1 8の磁化方向が固定されることとなる。 そして、 外部から磁界に 応じて、 磁性層 4 1 4の磁化方向のみが自由に回転する。 磁性層 4 1 8は磁化方 向が固定されていることから固定層といわれ、 磁性層 4 1 4は磁化方向が自由に 回転することから自由層といわれる。
磁性層 4 1 8の磁化方向は一定に固定され、 磁性層 4 1 4の磁化方向は外部か らの磁界によって自由に回転するので、 外部からの磁界に応じて積層膜 4 1 0の 電気抵抗 Rが変化することとなる。
次に、 スピンバルブ構造を用いた磁気へッ ドの動作原理について図 5を用いて 説明する。 図 5は、 スピンバルブ構造を用いた磁気へッ ドの動作原理を示す斜視 図である。
図 5に示すように、 自由層 4 1 4、 非磁性層 4 1 6、 固定層 4 1 8、 及び反強 磁性層 4 2 0より成るスピンバルブ構造の積層膜 4 1 0がコア 4 0 0として用い られており、 コア 4 0 0の両側には端子 4 0 2が形成されている。
磁気記録媒体の記録ビッ ト 3 3 2からの磁界 4 0 4に応じて自由層 4 1 4の磁 化角度 0！は自由に変化するが、 固定層 4 1 8の磁化角度 S 2は固定されたままと なる。 これにより、 自由層 4 1 4の磁化角度 0 と固定層の磁化角度 0 2との差で ある 0を大きくすることができるので、 記録ビッ ト 3 3 2が近接した際のコア 4 0 0の電気抵抗 Rの変化を大きくすることができる。
しかしながら、 磁気記録媒体の記録密度が更に高くなつていくと、 トラック幅 d！もそれに応じて狭くなり、 そのトラック幅 d に対応すべく磁気へッ ドのコア 幅 d 2を狭く しなければならない。 その際に単にコア幅 d 2を狭くすると、 コア 4 0 0の電気抵抗が小さくなつてしまい、 検出感度が低くなつてしまう。 従って、 コア幅 d 2を狭くする場合には、 コア 4 0 0の高さ hも低く しなければならない。 しかし、 コア 4 0 0の高さ hを小さくすると、 図 6に示すようにコア 4 0 0の 信号検出面 4 3 0側とコア 4 0 0の上部とで、 反磁界の影響により磁化方向が変 化しにく くなつてしまうため、 コア 4 0 0の電気抵抗の変化が小さくなつてしま う。 図 6は、 コアの高さ hを例えば 5 とした場合の自由層 4 1 4の磁化方向 を矢印で示したものである。 楕円で囲われている領域は、 自由層 4 1 4の磁化角 度 0 ,が一定角度以上となる領域である。 図 6に示すように、 自由層 4 1 4の磁化 角度 0 ,が一定以上となる領域は小さく、 しかも磁化角度 は小さい。
このように、 提案されているスピンバルブ構造の磁気へッ ドでは、 小型化する と検出感度が極めて低くなつてしまうため、 更なる磁気記録媒体の高密度化に対 応するのは困難であった。
従って、 上述の問題点に鑑みて、 本発明は、 新規な磁気センサ、 磁気へッ ド及 びエンコーダを提供することを目的とする。
更に本発明は、 トンネル接合を有し、 自由側磁性層の磁化の回転を十分に確保 して、 良好な感度を持つ磁気センサ、 磁気へッ ド及びエンコーダを提供すること を目的とする。
更に本発明は、 磁気記録媒体の高密度化に対応しうる磁気へッ ド及びその磁気 へッ ドを用いた記憶容量の大きいハードディスク装置を提供することを目的とす る。
[発明の開示]
上記目的は、 強磁性トンネル接合を有する磁気センサであって、 磁化方向が自 由に回転する自由層と、 前記自由層上に形成され、 第 1の領域の厚さが薄くなつ ている障壁層とを有し、 前記第 1の領域に対応する領域の自由層が、 外部磁界を 感知するセンサ部として機能することを特徴とする磁気センサにより達成される。 これにより、 第 1の領域に対応する領域において自由層の磁化の回転を十分に確 保することができるので、 良好な感度を有する磁気センサを提供することができ る
また、 上記の磁気センサにおいて、 前記障壁層は、 金属の表面を酸化すること により形成されていてもよい。 また、 上記の磁気センサにおいて、 前記障壁層上 に形成された固定層と、 前記固定層上に形成され、 前記固定層の磁化方向を固定 する反強磁性層とを更に有していてもよい。
また、 上記の磁気センサにおいて、 上方に前記固定層が形成されていない領域 の前記自由層が、 前記固定層から遠ざかるように曲げられていてもよい。
また、 上記目的は、 上記の磁気センサを有することを特徴とする磁気へッ ドに より達成される。 これにより、 良好な感度を有する磁気ヘッ ドを提供することが できる。
また、 上記目的は、 上記の磁気センサを有することを特徵とする磁気ェンコ一 ダにより達成される。 これにより、 良好な感度を有する磁気エンコーダを提供す ることができる。
また、 上記目的は、 磁化方向が自由に回転する自由層と、 障壁層を介して前記 自由層の一方の面に対向し、 隣接する反強磁性層により磁化方向が固定された固 定層とを有する強磁性トンネル接合素子を有し、 前記自由層が高い透磁率を有す る部材に接続されていることを特徴とする磁気へッ ドにより達成される。 これに より、 磁気記録媒体の高記録密度化に対^^しうる磁気へッ ドを提供することがで さる。
また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記自由層は、 信号検出面から離間した領 域で前記高い透磁率を有する部材に接続されていてもよい。 また、 上記の磁気へ ッ ドにおいて、 前記自由層は、 前記高い透磁率を有する部材になだらかに近接し ながら接続されていてもよい。 また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記高い透磁 率を有する部材は、 前記強磁性トンネル接合素子から離間して形成されたシール ド層であってもよい。 また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記固定層の縁部の近 傍の前記障壁層の厚さは、 前記固定層の中央部の近傍の前記障壁層の厚さより厚 くてもよい。 また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記自由層は、 信号検出面から 離間した領域において幅が広く形成されていてもよい。 また、 上記の磁気ヘッ ド において、 前記固定層は、 前記信号検出面に露出していなくてもよい。 また、 上 記の磁気へッ ドにおいて、 前記高い透磁率を有する部材は、 アースに接続されて いてもよい。 また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記固定層と対向していない領 域の前記自由層は、 前記固定層から遠ざかるように曲げられていてもよい。 また、 上記の磁気へッ ドにおいて、 前記強磁性トンネル接合素子は、 前記自由層の他方 の面側に形成された他の障壁層を介して前記自由層に対向し、 隣接する他の反強 磁性層により磁化方向が固定された他の固定層を更に有していてもよい。
また、 上記目的は、 上記の磁気へッ ドを有することを特徴とするハードデイス ク装置により達成される。 これにより、 記録容量の大きいハードディスク装置を 提供することができる。
また、 上記目的は、 上記のハードディスク装置を複数有することを特徴とする ディスクアレイ装置により達成される。 これにより、 記憶容量の大きいディスク アレイ装置を提供することができる。
[図面の簡単な説明]
図 1は、 強磁性トンネル構造を説明する図である。 ここで、 図 1 Aは、 強磁性 トンネル構造を有する層構成を示し、 図 1 Bは図 1 Aの強磁性卜ンネル構造の抵 抗変化の測定を説明する模式図である。
図 2は、 図 1のトンネル接合の磁界一抵抗特性を示すグラフである。
図 3は、 G M R効果を示す概念図である。
図 4は、 スピンバルブ構造の積層膜を示す断面図である。
図 5は、 スピンバルブ構造を用いた磁気へッ ドの動作原理を示す斜視図である。 図 6は、 記録ビッ 卜が近接した際の自由層の磁化方向を示す模式図である。 図 7は、 スピンバルブ構造にトンネル接合を組み込んだスピンバルブ素子の構 成を説明する図である。 ここで、 図 7 Aは本実施例に係るスピンバルブ素子を示 し、 図 7 Bは比較例としての先に提案したスピンバルブ素子を示す。
図 8は、 本発明の第 1実施形態に係る磁気センサの構成を示す図である。
図 9は、 図 8の磁気センサの第 1の製造方法を説明する図 （その 1 ) である。 図 1 0は、 図 8の磁気センサの第 1の製造方法を説明する図 （その 2 ) である。 図 1 1は、 図 8の磁気センサの第 2の製造方法を説明する図 （その 1 ) である。 図 1 2は、 図 8の磁気センサの第 2の製造方法を説明する図 （その 2 ) である。 図 1 3 Aは磁気センサを示す図であり、 図 1 3 Bは磁気センサの等価回路を示 すを示す図であり、 図 1 3 Cは磁気センサ製造時に使用されるマスクを説明する 図である。
図 1 4 Aは磁気センサの出力特性を示す図であり、 図 1 4 Bは磁気センサの動 作原理を説明する図である。
図 1 5 Aは磁気センサの動作原理を説明する際に使用される等価回路であり、 図 1 5 Bは磁気センサの出力特性を示す図である。
図 1 6 Aは、 実際の磁気エンコーダを示す図であり、 図 1 6 Bは磁気ェンコ一 ダの磁気センサの拡大図である。
図 1 7は、 本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドを示す断面図である。 図 1 8は、 記録ビッ 卜が近接した際の自由層の磁化方向を示す模式図である。 図 1 9は、 本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 1 ) を 示す断面図である。
図 2 0は、 本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 2 ) を 示す断面図である。
図 2 1は、 本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 3 ) を 示す断面図である。
図 2 2は、 本発明の第 3実施形態による磁気へッ ドを示す断面図である。 図 2 3は、 本発明の第 4実施形態による磁気へッ ドを示す側面図である。 図 2 4は、 本発明の第 5実施形態による磁気へッ ドを示す平面図である。 図 2 5は、 本発明の第 5実施形態による磁気へッ ドの他の具体例を示す平面図 である。
[発明を実施するための最良の形態]
(第 1実施形態）
以下、 本発明の第 1実施形態に係る磁気センサ及びその製造方法の実施形態に 関し、 添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 なお、 図中、 同じ要素に対し ては同一の符号を付して、 重複した記載を省略する。
(磁気センサ）
ここでは磁気センサの典型例として、 スピンバルブ構造を持つ磁気センサを例 にとつて説明する。 図 7 Aは、 本実施形態に係るスピンバルブ構造を持つトンネ ル接合を採用した磁気センサの構造を示す図である。 なお、 図 7 Bに、 比較例と して先に提案したスピンバルブ構造を持つ磁気センサの構造を示す。
図 7 Aに示すように、 本実施形態に係る磁気センサは、 下部磁極 2と上部磁極 9との間に、 スピンバルブ構造を持つトンネル接合を介在配置している。 このス ピンバルブ構造は、 下部層 1 0と上部層 1 2との間に障壁層 1 1を介在配置した 層構成を有する。
後で図 8に関連して詳しく説明するが、 このスピンバルブ構造は、 概して、 下 部層 1 0として、 少なくとも、 自由側磁性層と、 第一の磁性金属層とを持ち、 ま た、 上部層 1 2として、 少なくとも、 第二の磁性金属層と、 固定側磁性層と、 反 磁性層とを有している、 これら 2つの磁性金属層の中間部には、 障壁層 1 1とし て、 薄い絶縁層が介在配置されている。 図 8に示すように、 スピンバルブ構造の 中央付近の領域に、 センサ部 1 3が形成されている。
外部磁界として、 磁気ディスクのような記録媒体からの信号磁界 Hsig カ^ 図 で見て下方から印加され、 自由側磁性層の磁化を回転させる。
本実施形態に係る磁気センサの特徴の 1つは、 図 7 Aに示すように、 信号磁界 に対するセンサ部 1 3が、 スピンバルブ構造を持つトンネル接合のほぼ中央部の 一部の領域 （磁性層部の一部の領域 L X h s ) に限定されていることにある。 そして、 後で説明するように、 このセンサ部 1 3の領域のサイズは、 図 7 Bに 関連して説明する磁気センサの磁性層の領域のサイズ （h x L ) に略等しくなつ ている。 従って、 本実施形態に係る磁気センサは、 磁性層がセンサ部 1 3を一部 に有しているので、 磁性層のサイズは、 図 7 Bの従来の磁気ヘッドの磁性層と比 較して、 相対的に大きくなつている。
これに対して、 図 7 Bに示す先に提案したスピンバルブ構造を持つ磁気センサ の構造は、 下部磁極 2 0と上部磁極 9 0との間に、 スピンバルブ構造を介在配置 している。 この従来のスピンバルブ構造の層構成に関しては、 図 7 Aに示すスピ ンバルブ構造のそれと同じであり、 下部層 1 0 0と上部層 1 2 0との間に障壁層 1 1 0を介在配置した層構成を有する。 下部層 1 0 0及び上部層 1 2 0は、 図 7 Aで説明したのと同じ層構成を有する。
同様に、 外部磁界として、 磁気ディスクのような記録媒体からの信号磁界 Hsi g は、 図で見て下方から印加され、 自由側磁性層の磁化を回転させる。 従来のス ピンバルブ構造を持つ磁気センサでは、 信号磁界 Hsig に対するセンサ部 1 3 0 は、 2つの絶縁層 1 5 0 - 1, 1 5 0 -2で挟まれた部分 （磁性層部全体、 即ち h X L ) となっている。
図 7 Aの本実施形態に係る磁気センサと図 7 Bの先に提案した磁気センサを比 較すると、 両者のセンサ部 1 3 , 1 3 0のサイズはほぼ同じであるカ^ 前者 （本 実施形態） のセンサ部 1 3は磁性層部の一部の領域に限定されているのに対して、 後者 （比較例） のセンサ部 1 3 0は磁性層部全体となっている点で相違する。 本実施形態に係る磁気センサ 1 3は、 図 7 Aに示すような構造を採択すること により、 センサ部 1 3を磁性層の範囲内の任意の場所に設定することが出来る。 ここでは、 センサ部 1 3を自由側磁性層 （下部層 1 0の一層） の磁化が最も回転 しゃすい磁性層の略中央部付近に設定することが好ましい。 若しくは、 センサ部 1 3は、 前記磁性層の測定信号磁界に可能な限り近い箇所に形成することが出来 る。 或いは、 センサ部 1 3は、 磁性層の磁化方向が容易に回転し得る箇所に形成 することが出来る。
本実施形態に係る磁気センサでは、 センサ部 1 3が磁性層の略中央部の一部分 となっていることから、 センサ部 1 3の各々の磁区の磁化の回転は、 磁性層の素 子高さ h方向の寸法の影響を受けずに自由に回転できる。 即ち、 センサ部 1 3の 高さ h sが磁性層の高さ hの一部となっていることより、 センサ部 1 3のエッジ 付近においても外部信号磁界 H sig に対応して磁区が自由に回転できる。 また、 磁性層がセンサ部サイズに拘わらず大きくなっているため、 素子形状による反磁 界等の影響を減少することが出来る。
これに対して、 先に提案した磁気センサ （図 7 B参照） では、 自由側磁性層の 全領域がセンサ部 1 3 0となっていることから、 磁性層の高さ方向の寸法 h ( = h s ) の影響を受けて、 センサ部 1 3 0の各々の磁区の磁化の回転がしにく くな つている。
図 8は、 図 7 Aに示す本実施形態の磁気センサの詳細な断面図である。 この磁 気センサの層構成は、 基板 1と、 この基板の上に形成された下部層 1 0と、 この 下部層の上の形成された障壁層 1 1と、 この障壁層の上に形成された上部層 1 2 とを備えている。
下部層 1 0は、 下部電極 2と、 自由側磁性層 （下部層， フリー層） 3と、 この 自由側磁性層の上に形成された第一の磁性金属層 4とを有している。 障壁層 1 1 は、 絶縁層 5を有する。 上部層 1 2は、 この絶縁層の上に形成された第二の磁性 金属層 6と、 この第二の磁性金属層の上に形成された固定側磁性層 7と、 この固 定側磁性層の上に形成された反強磁性層 8と、 この反強磁性層の上に形成された 上部電極 9とを有している。
絶縁層 5は、 その中央部の一部に他の部分と比べて相対的に膜厚が薄く形成さ れた領域を持つ。 そのため、 絶縁層 5の上方に形成された第二の磁性金属層 6の 表面は平坦であるが、 絶縁層 5の膜厚の薄い中央部に対応する第二の磁性金属層 6の中央部分は他の部分と比較して厚みを増して下向きに凸になっている。 絶縁 層 5に形成された凹みは、 数オングストローム程度となる。 この中央部の凹部
(凹み領域） 1 6に対応する領域が、 図 7 Aに関連して説明したように、 センサ 部分 1 3を形成している。
この磁気センサの各要素について説明する。
基板 1は、 好ましくは、 自然酸化膜が形成された S i基板から成る。
下部電極 2は、 好ましくは、 膜厚約 5 0 n mの T a膜から成る。
自由側磁性層 3は、 好ましくは、 膜厚約 1 7 n mの N i F e膜から成る。
第一の磁性金属層 4は、 好ましくは、 膜厚約 3 . 3 n mの C o膜から成る。 絶縁層 5は、 膜厚数オングストローム （A ) 〜数十 A程度の酸化 A 1膜から成 り、 本実施形態では、 凹み部分 1 6では膜厚約 1 . 3 n m、 その他の部分では膜 厚約 3 . 3 n mの酸化アルミニウム被膜から成る。
第二の磁性金属層 6は、 第一の磁性金属層 4と同様に、 好ましくは、 膜厚約 3 .
3 n mの C 0膜から成る。 第一及び第二の磁性金属層 4 , 6は、 C o膜の分極率 が隣接する N i F e膜 （自由側磁性層 3又は固定側磁性層 7 ) の分極率より高い ため、 自由側磁性層 3又は固定側磁性層 7に C o膜を重ねることにより高い M R 比を達成するために設けられている。
固定側磁性層 7は、 好ましくは、 自由側磁性層 3と同様に、 膜厚約 1 7 n mの
N i F e膜から成る。 反強磁性層 8は、 好ましくは、 膜厚約 5 0 n mの F e M n膜から成る。
上部電極 9は、 下部電極 2と同様に、 好ましくは、 膜厚約 5 0 11 111の丁 3膜か ら成る。
この磁気センサは、 スピンバルブ構造に強磁性トンネル接合を応用した T M R (tunnel MR) となっている。 スピンバルブ構造としては、 2つの磁性層 （即ち、 自由側磁性層 3及び固定側磁性層 7 ) の間に磁性金属層である C 0層 4 , 6を介 在配置し、 固定側磁性層 7及び第二の磁性金属層 6の磁化方向のみを固定するた め、 その磁性層の上を反強磁性層 8で覆う構造を採っている。 また、 強磁性トン ネル接合は、 2つの強磁性層 3 , 7の間に （更に具体的には、 第一及び第二の磁 性金属層 4， 6の間に） 、 薄い酸化膜 5を障壁層 1 1として介在配置させる構造 を採っている。
この磁気センサの作用について説明する。 絶縁層 5のセンサ部分 1 3の膜厚は、 他の絶縁層部分より相対的に薄くなつている。 絶縁層 5の膜厚方向のトンネル抵 抗 Rは、 次式によって表されるように、 絶縁層の膜厚に大きく依存する。
R oc t · e X p [ t ] ( 4 )
ここで、 t ：絶縁層の膜厚
従って、 下部電極 2と上部電極 9の間に直流電流を流すと、 トンネル電流 1 8 は、 絶縁層 5の膜厚が薄い領域に集中的に流れる。 即ち、 直流電流は、 上部電極 9から下部電極 2までを、 実質的に、 絶縁層 5の膜厚の薄い領域 1 6に対応する 反強磁性層 8から自由側磁性層 3までの各層の領域を流れる。 この結果、 この膜 厚が薄くなつた凹み領域 1 6に対応する領域のみが実質的にセンサ部 1 3として 機能する。
上述したように、 強磁性トンネル接合に於いては、 両側の磁性層の磁化方向の 相対角度を 0としたとき、 トンネル抵抗 Rは、 式 （ 1 ) で表すことが出来る。 即 ち、 外部信号磁界 Hsig に対応して自由側磁性層 3及び磁性金属層 4の磁化は回 転しており、 両側の磁性金属層 4 , 6の磁化方向の相対角度 0で決定されるトン ネル抵抗 Rが変化する。 図 1 Bに関連して説明したように、 下部電極 2と上部電 極 9の間に一定の直流電流を流すと、 このトンネル抵抗 Rを電圧値として検出す ることが出来る。 その結果、 磁気センサは、 外部信号磁界 Hsig を検出すること が出来る。
図 8及び図 7 Aに示すように、 センサ部 1 3は、 磁性層の一部の領域に形成さ れている。 好ましくは、 センサ部 1 3は、 磁性層の中央部付近に形成されおり、 そのサイズは、 先に提案した磁気センサの磁性層領域 （即ち、 図 7 Bのセンサ部 1 3 0 ) と同じに形成されている。 このため、 センサ部 1 3を磁性層領域内の最 適な位置に形成することが出来る。 或いは、 センサ部 1 3は、 磁性層の中央部付 近に形成することが出来る。 或いは、 センサ部 1 3は、 測定信号磁界に可能な限 り近い位置に形成することが出来る。 この結果、 自由側磁性層 3では、 磁性層端 部の影響を受けずに、 各々の磁区で容易に磁化の回転が出来るようになる。
(磁気センサの製造方法）
図 9〜図 1 2を用いて、 図 7 A及び図 8で説明した磁気センサの製造方法につ いて説明する。 ここでは、 薄い絶縁層領域の形成方法の相違により、 図 9 A〜図 0 Cにより第 1の製造方法を説明し、 図 1 1 A〜図 1 2 Cにより第 2の製造方法 を説明する。
(第 1の製造方法）
図 9 A乃至図 1 0 Cは、 連続して、 第 1の製造方法を説明する図である。
図 9 Aに示すように、 自然酸化膜が付いた S i基板 1を用意する。 この基板 1 の上に、 スパッタ法を用いて、 T a膜を膜厚約 5 0 n m成膜する。 この T a膜は、 素子完成後に、 下部電極 2として機能する。 下部電極 2の上に、 約 3 0 0 ( 0 e ) の磁場を印加しながら、 N i F e膜を膜厚約 1 7 n m成膜し、 更に、 C o膜を膜 厚約 3 . 3 n m成膜する。 素子完成後に、 N i F e膜から成る自由側磁性層 （下 部層， フリー層） 3と C 0膜から成る第一の磁性金属層 4とは、 フリー層として 機能する。
図 9 Bに示すように、 センサ部 1 3にレジスト 1 9を塗布し、 その後、 このレ ジス卜 1 9及び第一の磁性金属層 4の上に、 絶縁層 5として機能する A I膜 5 - 0 を膜厚約 2 . O n m成膜する。
図 9 Cに示すように、 プラズマ酸化法を用いて、 A 1膜の表面を酸化して、 第 一の酸化アルミニウム膜 5 - 1にする （即ち、 A 1 - A 1 2〇3膜） 。 その後、 レジス ト 1 9を除去する。 酸化アルミニウム膜は、 素子完成後、 トンネル障壁として機 能する薄い絶縁膜 5として機能する。
図 9 Dに示すように、 再び、 A 1膜を膜厚約 1. 3 nm成膜する。 同様に、 プ ラズマ酸化法を用いて、 A 】膜の表面を酸化して、 第二の酸化アルミニウム膜 5 - 2にする。 この結果、 第一の酸化アルミニウム膜 5-1と第二の酸化アルミニウム 膜 5 -2とから形成された絶縁層 5は、 センサ部 1 3では膜厚約 1. 3 nmとなり、 それ以外の部分では膜厚約 3. 3 nmの絶縁層が形成される。 この絶縁層 5の部 分的に薄くなつた領域 （センサ部） は、 素子完成後、 トンネル障壁として機能す る。
図 1 O Aに示すように、 薄い絶縁膜 5の上に、 C o膜を膜厚 3. 3 nm成膜す o
更に、 C o膜の上に、 N i F e膜を膜厚約 1 7 nm成膜する。 更に、 F eMn 膜を膜厚約 50 nm成膜する。 素子完成後、 C 0膜から成る第二の磁性金属層 6 と N i F e膜から成る固定側磁性層 7とは、 ピン層 （固定層） として、 また、 F e Mn膜は反強磁性層 8として機能する。
図 1 0 Bに示すように、 素子部以外の部分を、 イオンミ リング法， R I E (reactive ion etching) 法等を用いて取り除き、 この取り除いた部分に絶縁層 1 5-1， 1 5- 2を成膜する。 その後、 絶縁層 1 5-1, 1 5- 2及び反強磁性層 8の 上に、 T a膜を膜厚約 50 nm成膜する。 この T a膜は、 素子完成後、 上部電極 9として機能する。 絶縁層 1 5-1， 1 5- 2は、 上部電極 9と下部電極 2が直接に 又は素子部の縁面を介して接触しないようにするため設けられている。
図 1 0 Cに示すように、 このように製造された磁気センサは、 上部電極 9から 下部電極 2に向けてセンス電流 （一定の直流電流） 1 7を流した場合、 酸化アル ミニゥムから成る絶縁膜 5を通過するトンネル電流は、 膜厚の相対的に薄い部分 に集中的に流れ、 この部分がセンサ部 1 3として機能することになる。 酸化 A 1 膜の薄い部分は任意の箇所に形成することが出来るため、 センサ部 1 3を磁性層 内の任意の箇所、 好ましくは自由側磁性層 3の磁区が一番回転しやすい中央部付 近に設けることができ、 この磁区の円滑な回転が確保される。
(第 2の製造方法）
図 1 1 A〜図 1 2 Cは、 連続して、 磁気センサの第 2の製造方法を説明する図 である。 第 2の製造方法は、 第 1の製造方法と比較すると、 薄い絶縁膜を形成す る工程が異なつている点で相違する。
図 1 1 Aに示すように、 自然酸化膜が付いた S i基板 1を用意する。 この基板 の上に、 スパック法を用いて、 T a膜を膜厚約 50 nm成膜する。 この T a膜は、 素子完成後に、 下部電極 2として機能する。 この下部電極の上に、 約 300 (〇 e ) の磁場を印加しながら、 N i F e膜を膜厚約 1 7 nm成膜し、 更に、 C o膜 を膜厚約 3. 3 nm成膜する。 素子完成後に、 N i F e膜から成る自由側磁性層 3と C o膜から成る第一の磁性金属層 4はフリ一層として機能する。 この段階ま では、 第 1の製造方法と同じである。
図 1 1 Bに示すように、 センサ部 1 3にレジスト 2 1を塗布し、 その後、 この レジスト及び第一の磁性金属層 4の上に、 第一の A 1203膜 5-1を膜厚約 2. 0 n m成膜 "5—る。
図 1 1 Cに示すように、 レジスト 2 1を除去した後、 A 1膜を膜厚約 1. 3 n m成膜し、 プラズマ酸化法を用いて、 A 1膜表面を酸化して、 酸化アルミニウム 膜 （第二の A 1203膜） 5-2とする。 この結果、 第一の酸化アルミニウム膜 5-1 と第二の酸化アルミニウム膜 5 -2とから形成された絶縁層 5は、 センサ部 1 3で は膜厚約 1. 3 nmとなり、 それ以外の部分では膜厚約 3. 3 nmの絶縁層が形 成される。 この絶縁層 5の部分的に薄くなつた領域 （センサ部） は、 素子完成後、 トンネル障壁として機能する。
以下、 第 1の製造方法と同じように、 製造される。 即ち、 図 1 2 Aに示すよう に、 この薄い絶縁膜 5の上に、 第二の磁性金属層 6として、 C o膜を膜厚約 3. 3 nm成膜する。 次に、 第二の磁性金属層 6の上に、 固定側磁性層 7として、 N i ? 6膜7を膜厚約1 7 nm成膜する。 更に、 固定側磁性層 7の上に、 反強磁性 層 8として、 F eMn膜を膜厚約 50 nm成膜する。
図 1 2 Bに示すように、 素子部位外の部分を、 イオンミ リング法， R I E法等 を用いて取り除き、 この取り除いた部分に絶縁層 1 5-1, 1 5- 2を成膜する。 そ の後、 絶縁層 1 5-1， 1 5 -2及び反強磁性層 8の上に、 上部磁極 9として、 T a 膜を膜厚約 50 nm成膜する。
このように製造された磁気センサは、 上部電極 9から下部電極 2に向けてセン ス電流 （一定の直流電流） 1 7を流した場合、 酸化アルミニウムから成る絶縁膜 5を通過する トンネル電流は、 膜厚の相対的に薄いセンサ部 1 3に集中的に流れ、 この部分がセンサ部として機能することになる。 従って、 膜厚の相対的に薄い部 分を磁性層内の任意の箇所、 好ましくは自由側磁性層の磁区が一番回転しやすい 中央部に設けることができ、 この磁区の円滑な回転が確保される。
(磁気へッ ドへの応用例）
上述のような磁気センサは、 典型的には、 磁気へッ ドへ応用できる。 現在、 磁 気へッ ドとして、 記録用には容量型へッ ド （inductive head) を用い、 再生用と して G MRへッ ドを用い、 両へッ ドを一体化した複合型磁気へッ ドが開発され、 実用化されている。
GMRへッ ドは、 典型的には、 スピンバルブ構造 （但し、 トンネル接合は有し ていない） を採用している。 このような複合型磁気へッ ドの GMRへッ ドの代わ りに、 上述したトンネル接合を有するスピンバルブ構造の磁気センサを、 そのま ま採用することが出来る。
(他の応用例）
本発明に係る磁気センサを磁気エンコーダに応用した例を説明する。
図 1 3 Aは、 本実施形態に係る磁気エンコーダに使用される磁気センサ 5 0を 示す図である。 この磁気センサ 5 0は、 電源端子 Vと、 接地端子 GNDと、 出力 A端子 A— OUTと、 出力 B端子 B— OUTとを有している。 磁気センサ 5 0と して、 電源端子 Vと出力 A端子 A— OUTの間には第一の強磁性卜ンネル接合素 子 TMR (tunnel-MR) 1が接合され、 電源端子 Vと出力 B端子 B— 0 U Tの間に は第二の強磁性卜ンネル接合素子 TMR 2が接合され、 接地端子 GNDと出力 A 端子 A— OUTの間には第三の強磁性トンネル接合素子 TMR 3が接合され、 接 地端子 GNDと出力 B端子 B— OUTの間には第四の強磁性トンネル接合素子 T MR 4が接合されている。
強磁性トンネル接合素子の各々 （即ち、 TMR 1〜TMR 4 ) は、 6個のトン ネル接合部 （ 5 1 - 1〜 5 1 - 6, 5 2 - 1〜 5 2 -6, 5 3 - 1〜 5 3 - 6， 54 - 1〜 5 4 -6) を、 直列接続で持っている。 トンネル接合部 5 1 -1〜 5 4 - 6の各々の接合面 積は約 5 0〃mx 5 0 μτηである。 図 1 3 Bは、 図 1 3 Aの磁気センサ 5 0の等価回路を示す図である。 図 1 3 Aに示す磁気センサの製造方法を簡単に説明する。 先ず、 図 1 3 Cに示 すようなマスクを用いて、 自由側磁性層として N i F e膜を膜厚約 1 Ί nmに成 膜し、 更に連続して第一の磁性金属層として C 0膜を膜厚約 3. 3 nm成膜する c マスクを交換した後、 絶縁層として A ]を膜厚約 1. 3 nm成膜し、 表面に対 して酸化処理を行った。 酸化処理は、 第 1の製造方法及び第 2の製造方法で説明 したプラズマ酸化法で行い、 センサ部には薄い酸化膜を、 その他の領域には相対 的に厚い酸化膜を形成した。 なお、 その他の酸化処理、 例えば自然酸化法により 行ってもよい。
酸化膜形成後、 マスクを交換して、 第二の磁性金属膜として C 0膜を膜厚約 3. 3 nm成膜し、 固定側磁性層として N i F e膜を膜厚約 1 7 nm成膜し、 反強磁 性層として F eMn膜を膜厚約 4 5 nm成膜した。 更に、 その上に上部電極とし て T a膜を膜厚約 8 nm積層した。 以上のように、 スピンバルブ型磁気センサと 同様な層構成及び製造工程により、 磁気ェンコ一ダを製造することが出来る。 次に、 磁気エンコーダの動作について説明する。
図 1 4 Aは、 図 1 3 Aに示す磁気エンコーダの磁気抵抗曲線を模式的に示す図 である。 式 （ 1 ) に関連して説明したように、 強磁性トンネル接合素子 TMRの 上部層 1 2の磁化方向 Mupper は下部層 1 0の磁化方向 Mlower と直交するよう に、 反強磁性層 （F e Mn膜） 8で固定されている。 図 1 4 Aに示すように、 強 磁性トンネル接合素子 TMRに対し上部層 1 2の磁化方向 Mupper と同じ方向に 外部磁界がかかったとき （即ち、 外部磁界一 H) 、 上部層 1 2の磁化方向 Muppe r と下部層 1 0の磁化方向 Mlower は、 同じ向きの平行な関係になる。 即ち、 2 つの磁化方向の相対角度 0は 0° となるため、 式 （ 1 ) より、 強磁性トンネル接 合素子 TMRの抵抗値は最小値をとり、 R==Rs となる。 このときの最小抵抗値 を RL とする。
強磁性トンネル接合素子 TMRに対し外部磁界がゼロのとき、 下部層 1 0の磁 化方向 Mlower は回転し、 上部層 1 2と下部層 1 0の磁化方向の相対角度 0は 9 0。 となり、 式 （ 1 ) より、 強磁性トンネル接合素子 TMRの抵抗値は R = Rs + 0. 5 ARとなる。 この外部磁界ゼロのときの抵抗値を R0 とおく。 強磁性トンネル接合素子 TMRに対し上部層 12の磁化方向 Mupper と反対方 向に外部磁界がかかったとき （即ち、 外部磁界 H) 、 下部層 1 0の磁化方向 Mlo wer は回転し、 上部層 12の磁化方向 Mupper と下部層 10の磁化方向 Mlower は反対向きの平行な関係になる。 即ち、 2つの磁化方向の相対角度 0は 180° となるため、 式 （1) より、 強磁性トンネル接合素子 TMRの抵抗値は最大値を とり、 R = Rs +ARとなる。 このときの最大抵抗値を RH とおく。
以上により、 外部磁界が一 H, 0， +Hのときの強磁性トンネル接合素子 TM Rの抵抗値は、 RL， R0 , RH となり、 これらの関係は RL < R0 < RH とな る。 この関係を図示したのが、 図 14 Aである。
図 14 Bは、 このエンコーダの動作原理を説明する図である。 被測定用の磁場 発生マグネッ 卜 55と卜ンネル接合素子 TMRから成る磁気センサ 50は、 図に 示すような位置関係にある。 磁場発生マグネッ ト 55は、 細長い着磁体であって N極と S極が交互に着磁され、 一組の SN極の間隔 （着磁周期） を； Iとする。 T MR1 -TMR4 は、 磁場発生マグネッ ト 55の近傍をマグネッ 卜の長手方向に 相対的に平行移動する関係にある。
即ち、 最初、 トンネル接合素子 TMR1 〜TMR4 から成る磁気センサ 50は センサ位置 [1] に示す位置にある。 各強磁性トンネル接合素子 TMRは、 λ / 4間隔で配置されている。 移動速度で決定される一定時間 t後、 磁気センサ 50 は図で見て右方向に iZ4平行移動してセンサ位置 [2] に示す位置にある。 但 し、 センサ位置 [2] をセンサ位置 [ 1 ] に重ねて図示すると分かり難くなるた め、 図で見て磁場発生マグネッ ト 55から離れる方向に移動させて図示している 力、 実際は磁場発生マグネッ ト 55の近傍 （即ち、 センサ位置 [1] の箇所） を マグネッ 卜の長手方向に相対的に平行移動していることに注意されたい。 センサ 位置 [3]及び [4] も同様である。
センサ位置 [2] にある磁気センサ 50は、 更に一定時間 t後、 センサ位置 [3] にあり、 更に一定時間 t後、 センサ位置センサ位置 [4] 、 ……、 と平行 移動する。
先ず、 図 14 Bのセンサ位置センサ位置 [ 1 ] のとき、 磁場発生マグネッ 卜 5 5からの外部磁界の影響を受けて、 各トンネル接合素子は、 TMRl = RL , TMR2 = RO ， TMR3 - RH , TMR4 = RO となる。 図 1 5 Aは、 図 1 3 Bに対応する図であるが、 この等価回路から、 出力 A端子と出力 B端子の電圧出力 VA ， VB は、 出力 A端子は電圧 Vを TMR1 と TMR3 で分圧しており、 出力 B端子は電圧 Vを TMR2 と TMR4 で分圧して いるため、 次のようになる。
VA = V · TMR3 / (TMRl +TMR3 ) = V · RH / (RL +RH ) … （5)
VB = V · TMR4 / (TMR2 +TMR4 ) =V · RO / (RO +R0 ) … （6)
ここで、 式 （5) 及び （6) の結果より、 それぞれ次のようにおく。
VA = V · RH / (RL +RH ) = VH …… （7)
VB = V · RO Z (RO + R0 ) =V/2=V0 …… （8 )
次に、 図 14 Bのセンサ位置 [ 2 ] のとき、
TMRl =R0 , TMR2 =RH , TMR3 =R0 ， TMR4 =RL となる。 従って、 出力 A端子と出力 B端子の電圧出力 VA , VB は、 次のように なる。
VA = V - TMR3 / (TMRl + TMR3 ) = V · RO / (RO +R0 )
- V/2 = V0 …… ( 9 )
VB = V · TMR4 / (TMR2 +TMR4 ) = V · RL / (RH +RL ) … （ 1 0)
ここで、 式 （ 1 0) の結果より、 次のようにおく。
VA =V · RL / (RL +RH ) = VL …… (1 1 )
同様に、 図 14 Bのセンサ位置 [ 3 ] のとき、
TMRl =RH , TMR2 = RO , TMR3 =RL ， TMR4 =R0 となる。 従って、 出力 A端子と出力 B端子の電圧出力 VA , VB は、 次のように なる。
VA - V - TMR3 / (TMRl +TMR3 ) = V ■ RL / (RH +RL ) =VL …… ( 1 2)
VB = V - TMR4 / (TMR2 + TMR4 ) = V · RO / (RO +R0 ) = V/2 =V0 …… （ 1 3 )
同様に、 図 1 4 Bのセンサ位置 [ 4 ] のとき、
TMR1 = R0 , TMR2 =RL , TMR3 =R0 , TMR4 =RH となる。 従って、 出力 A端子と出力 B端子の電圧出力 VA ， VB は、 次のように なる。
VA = V · TMR3 / (TMR1 + TMR3 ) =V · R0 / (RO +R0 )
= V/2 = V0 …… （ 1 4 )
VB = V . TMR4 / (TMR2 + TMR4 ) = V · RH / (RL +RH )
= VH …… ( 1 5 )
以下、 磁場発生マグネッ ト 5 5の S N極に対する磁気センサ部 5 0の相対的な 位置関係は、 センサ位置 [ 1 ] 〜 [ 4 ] を繰り返すことになる。 図 1 5 Bは、 こ のセンサ部の出力波形を示す図である。
図 1 6は、 図 1 4で説明した動作原理を利用した実際の磁気エンコーダを示す 図である。 この磁気エンコーダは、 回転着磁体 5 6とその近傍に配置された磁気 センサ 5 0とを有する。 磁場発生マグネッ ト 5 5を無限長にする代わりに、 実際 には、 回転着磁体 5 6を使用している。
回転着磁体 5 6は、 直径 1 0mm、 軸の直径 5 mmで、 その円周上に、 S N極 の組が 1 6組放射状に配列されている。 このとき、 着磁周期； Iは約 1 · 5 mmと なる。 磁気センサ 5 0は、 センサの中心が回転着磁体 5 6の放射状着磁部分の中 央に位置合わせして位置決めされる。
磁気センサ 5 0は、 各強磁性トンネル接合素子 TMRを回転着磁体 5 6の放射 状に延びる磁石に平行で、 且つ各素子間隔が λ / 4に成るように並べる必要があ る。 このためには、 各素子 TMRの成す角を約 5. 6。 とし、 隣接する素子の中 心部での間隔を 0. 3 7mmとしている。 このような磁気エンコーダは、 回転着 磁体 5 6を回転することにより、 磁気センサ 5 0の各強磁性トンネル抵抗素子 T MR 5から図 1 5 Bで説明したような出力波形を得ることが出来る。 即ち、 磁気 センサ 5 0が回転着磁体 5 6に対して着磁周期; Iだけ相対的に移動したとき、 1 周期分の出力パルスが発生する。
スピンバルブ型磁気センサに関連して説明したように、 各強磁性トンネル接合 素子 TMRのトンネル接合部において、 センサ部を磁性層領域内の最適な位置に 形成することが出来る。 この結果、 自由側磁性層では、 磁性層端部の影響を受け ずに、 各々の磁区で容易に磁化の回転が出来るようになる。
このように、 本実施形態によれば、 新規な磁気センサ、 磁気へッ ド及び磁気ェ ンコ一ダを提供することができる。
また、 本実施形態によれば、 自由側磁性層の磁化の回転を十分に確保すること ができるので、 良好な感度を有する磁気センサ、 磁気へッ ド， 及び磁気ェンコ一 ダ等の磁気センサ一般に応用することが出来る。
(第 2実施形態）
本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドを図 1 7を用いて説明する。 図 1 7は、 本実施形態による磁気へッ ドを示す断面図である。 なお、 図 1 7 Bは、 図 1 7A の強磁性卜ンネル接合素子を拡大した断面図である。
図 1 7 Aに示すように、 本実施形態による磁気へッ ドには、 外部からの磁界の 変化に応じて電気抵抗が変化する強磁性トンネル接合素子 2 1 0が用いられてい おり、 強磁性トンネル接合素子 2 1 0は、 自由層 2 1 4、 障壁層 2 1 6、 固定層 2 1 8、 及び反強磁性層 220を有している。
自由層 2 1 4は、 図 1 7 Bに示すように、 膜厚 3 nmの N i F e層 22 1、 及 び膜厚 3 nmの C o層 224より成るものである。 そして、 自由層 2 1 4の C o 層 224に隣接して、 膜厚 1 nmの A 1 203層より成る障壁層 21 6が形成され ている。
そして、 障壁層 2 1 6に隣接して、 膜厚 3 nmの C o層 226、 及び膜厚 3 n mの N i F e層 228より成る固定層 2 1 8が形成されており、 固定層 2 1 8に 隣接して N i 0層より成る反強磁性層 2 20が形成されている。
また、 強磁性トンネル接合素子 2 1 0から離間して、 N i F e層よりなるシー ルド層 2 1 2 a、 2 1 2 bが形成されており、 強磁性トンネル接合素子 2 1 0と シールド層 2 1 2 a、 2 1 2 bとの間には A 1203層より成る非磁性層 222力、' 形成されている。 なお、 紙面下側が、 磁気へッ ドの信号検出面 230である。 このような構造の強磁性トンネル接合素子 2 1 0では、 固定層 2 1 8と自由層 21 4との間に電圧を加えると、 障壁層 2 1 6を介して電流が流れることとなる。 図 1 Ί Αは、 磁気記録媒体の記録ビッ 卜 2 3 2が強磁性卜ンネル接合素子 2 1 0に近接している状態を示している。 実際には、 記録ビッ 卜 2 3 2は磁気記録媒 体に多数形成されているが、 図 1 7 Aでは省略されている。
磁気記録媒体の記録ビッ ト 2 3 2が強磁性トンネル接合素子 2 1 0に近接する と、 自由層 2 1 4の磁化方向が回転する。 その一方で、 固定層 2 1 8は、 反強磁 性層 2 2 0が隣接して形成されているので、 磁化方向は固定されたままとなる。 本実施形態による磁気ヘッ ドは、 図 1 7 Aに示すように、 自由層 2 1 4が信号 検出面 2 3 0から離間する方向に延在しており、 延在した自由層 2 1 4の端部が シールド層 2 1 2 aに接続されていることを特徴とするものである。
本実施形態では、 自由層 2 1 4カ^ 透磁率が高い N i F e層よりなるシールド 層 2 1 2 aに接続されているため、 記録ビッ ト 2 3 2からの磁束は自由層 2 1 4 内を容易に通過することとなる。 しかも自由層 2 1 4が信号検出面 2 3 0から離 間する方向に延在しているので、 自由層 2 1 4における反磁界の影響を低減する ことができ、 これにより自由層 2 1 4の磁化方向の回転角を大きくすることが可 能となる。 また、 自由層 2 1 4は、 信号検出面 2 3 0から離間した領域において、 なだらかにシールド層 2 1 2 aに接続されているので、 更に自由層 2 1 4におけ る反磁界の影響を低減することができる。
本実施形態による磁気へッ ドの自由層 2 1 4の磁化方向の変化について、 図 1 8を用いて説明する。 図 1 8は、 記録ビッ 卜が近接した際の自由層の磁化方向を 計算により求めた模式図である。 矢印は磁化方向を示している。 また、 楕円で囲 われている領域は、 自由層の磁化角度が一定角度以上となる領域である。 なお、 図 1 8は、 信号検出面から約 2 0 mの範囲の自由層の磁化方向を示している。 スピンバルブ構造を用いた磁気ヘッ ドでは、 コアを微細化していくと、 図 6に 示すように、 信号検出面 4 3 0の近傍とコア 4 0 0の上部の近傍に反磁界の影響 が生じてしまっていた。 従って、 記録ビッ ト 3 3 2が近接した際の自由層 4 1 4 の磁化角度 S は小さく、 このため高い出力を得ることは困難であった。
これに対し、 本実施形態では、 自由層 2 1 4が信号検出面 2 3 0から離間する 方向に延在しているので、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4との接合領域の近傍にお いて反磁界の影響が生じにくい。 このため、 図 1 8に示すように、 記録ビッ ト 2 3 2が近接した際の自由層 2 1 4の磁化方向の変化は信号検出面 2 3 0から離間 した領域まで生じ、 しかも磁化角度 0！を大きくすることができる。
従って、 本実施形態では、 従来の磁気へッ ドに比べて記録ビッ ト 2 3 2が近接 した際の強磁性トンネル接合素子 2 1 0の電気抵抗の変化を大きくすることがで き、 これにより高い検出感度を得ることができる。
このように、 本実施形態では、 自由層が信号検出面から離間する方向に延在し、 延在した自由層の端部が透磁率の高いシールド層に接続されているので、 自由層 において反磁界の影響を低減することができる。 これにより、 自由層と固定層と の接合領域の近傍における反磁界の影響を低減することができるので、 接合領域 における磁化方向の回転角を大きくすることができ、 記録ビッ 卜が近接した際の 電気抵抗の変化を大きくすることができる。 従って、 接合領域の幅を狭く した場 合であっても十分に検出感度の高い磁気へッ ドを提供することができ、 磁気記録 媒体の高記録密度化に対応することができる。
(他の具体例 （その 1 ) )
本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 1 ) を図 1 9を用 いて説明する。 図 1 9は、 本具体例による磁気へッ ドを示す断面図である。 なお、 図 1 9 Bは、 図 1 9 Aの強磁性トンネル接合素子を拡大した断面図である。
図 1 9に示すように、 本実施形態では、 反磁界の影響が少ない領域を、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4との接合領域 2 3 4としているものである。
すなわち、 固定層 2 1 8の縁部では、 反磁界の影響が生じるため磁化方向の回 転角が小さくなつてしまうが、 本具体例では、 固定層 2 1 8の中央部分の近傍領 域の障壁層 2 1 6の厚さをトンネル接合が生じる程度に薄く し、 固定層 2 1 8の 縁部の近傍の領域の障壁層 2 1 6を厚く している。 これにより、 固定層 2 1 8の 縁部を除く領域、 すなわち反磁界の影響の少ない領域が接合領域 2 3 4となるの で、 記録ビッ 卜からの磁界による強磁性トンネル接合素子 2 1 0の電気抵抗の変 化を大きくすることができる。
このように、 本具体例では、 反磁界の影響が小さい領域を接合領域としている ので、 高い検出感度を有する磁気へッ ドを提供することができる。
(他の具体例 （その 2 ) ) 本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 2 ) を図 20を用 いて説明する。 図 2 0は、 本具体例による磁気ヘッ ドを示す断面図である。
図 2 0に示すように、 本具体例では、 固定層 2 1 8 aカ^ 膜厚 2 nmのN i F e層 2 2 8、 膜厚 2 nmの C o層 2 2 6、 膜厚 l nmの R u層 2 3 6、 及び膜厚 3 nmの C o層 24 0より成る点の他は、 図 1 Ίに示す第 2実施形態による磁気 へッ ドと同様である。
本具体例では、 固定層 2 1 8 a力、'、 N i F e層 2 2 8、 C o層 2 26、 R u層 23 6、 及び C o層 24 0の積層膜より成るので、 C o層 22 6と C o層 24 0 との間で反強磁性カツプリングが構成される。 これにより、 固定層 2 1 8 aから 自由層 2 1 4に磁界が及ぶのを抑制することができるので、 自由層 2 1 4のバイ ァス点がシフトしてしまうのを抑制することができる。
このように本具体例では、 固定層が N i F e層 22 8、 C o層 2 2 6、 R u層 23 6、 及び C o層 24 0の積層膜より成るので、 C o層 22 6と C o層 24 0 の間で反強磁性カツプリングを構成することができ、 固定層から自由層に磁界が 及ぶのを抑制することができる。 従って、 自由層のバイアス点がシフトしまうの を抑制することができる。
(他の具体例 （その 3) )
本発明の第 2実施形態による磁気へッ ドの他の具体例 （その 3) を図 2 1を用 いて説明する。 図 2 1は、 本具体例による磁気へッ ドを示す断面図である。 なお、 図 2 1 Bは、 図 2 1 Aの強磁性トンネル接合素子を拡大した断面図である。
図 2 1 Aに示すように、 本具体例による磁気へッ ドは、 固定層 2 1 8が信号検 出面 2 3 0に露出していず、 自由層 2 1 4の端部が接続されているシールド層 2 1 2 aがアースに接続されていることを特徴とするものである。
本具体例では、 固定層 2 1 8が信号検出面 2 3 0に露出していないので、 固定 層 2 1 8と磁気記録媒体 （図示せず） との間の電位差が生じた場合でも放電が生 じるのを防止することができる。
また、 本具体例では、 信号検出面 2 3 0に露出している自由層 2 1 4が、 シ一 ルド層 2 1 2 aを介してアースに接続されているので、 磁気記録媒体をアースに 接続することにより、 自由層 2 1 4と磁気記録媒体との間の電位を等しくするこ とができる。 従って、 自由層 2 1 4と磁気記録媒体との間に電位差が生じるのを 防止することができ、 これにより自由層 2 1 4から磁気記録媒体に向かって放電 が生じるのを防止することができる。 従って、 本具体例では、 放電により記録ビ ッ トの記録情報が破壊されるのを防止することができる。
また、 本具体例では、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4との接合領域 2 3 4が信号 検出面 2 3 0から離間しているので、 接合面 2 3 0が摩耗しても固定層 2 1 8と 自由層 2 1 4との接合領域 2 3 4まで摩耗してしまうことは稀である。 従って、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4との接合領域 2 3 4が減少してしまうのを防止する ことができる。
従って、 本具体例によれば、 磁気記録媒体に信号検出面 2 3 0を接触させて用 I、る接触型の磁気へッ ドとしても適用することが可能となる。
このように本具体例によれば、 固定層が信号検出面に露出していないので、 固 定層と磁気記録媒体との間の電位差が生じた場合でも放電が生じるのを防止する ことができる。 また、 信号検出面に露出している自由層が、 シールド層を介して アースに接続されているので、 磁気記録媒体をアースに接続することにより、 自 由層と磁気記録媒体との間の電位を等しくすることができる。 従って、 自由層と 磁気記録媒体との間に電位差が生じるのを防止することができ、 自由層から磁気 記録媒体に向かって放電が生じるのを防止することができるので、 磁気記録媒体 の記録ビッ 卜の記録情報が破壊されるのを防止することができる。
また、 本具体例では、 固定層と自由層との接合領域が信号検出面から離間して いるので、 信号検出面が摩耗しても固定層と自由層との接合領域まで摩耗してし まうことは稀である。 従って、 固定層と自由層との接合領域が減少してしまうの を防止することができる。 これにより、 磁気記録媒体に信号検出面を接触させて 用いる接触型の磁気へッ ドとしても適用することが可能となる。
(第 3実施形態）
本発明の第 3実施形態による磁気へッ ドを図 2 2を用いて説明する。 図 2 2は、 本実施形態による磁気へッ ドを示す断面図である。 図 1 7乃至図 2 1に示す第 2 実施形態による磁気へッ ドと同一の構成要素には、 同一の符号を付して説明を省 略または簡潔にする。 図 2 2に示すように、 本実施形態による磁気へッ ドは、 強磁性トンネル接合素 子 2 1 0 aが 2つの強磁性トンネル接合を有していることを特徴とするものであ る。
すなわち、 障壁層 2 1 6とほぼ同様の障壁層 2 1 6 aが自由層 2 1 4を中心と して面対称に形成されており、 固定層 2 1 8とほぼ同様の固定層 2 1 8 bが自由 層 2 1 4を中心として面対称に形成されている。
また、 反強磁性層 2 2 0とほぼ同様の反強磁性層 2 2 0 a力^ 自由層 2 1 4を 中心として面対称に形成されている。
記録ビッ ト （図示せず） が強磁性トンネル接合素子 2 1 0 aに近接すると、 固 定層 2 1 8の磁化方向は、 固定層 2 1 8 bの磁化方向と同様になる。
強磁性トンネル接合 2 〗 0 aが 2つの強磁性トンネル接合を有するので、 これ ら 2つの強磁性トンネル接合の出力を加算することにより高い検出感度を実現す ることができる。
また、 強磁性トンネル接合素子 2 1 0 aの 2つの強磁性トンネル接合の出力の 差分を検出することにより、 同位相のノイズをキャンセルすることができる。 このように本実施形態によれば、 自由層を中心として 2つの強磁性トンネル接 合が面対称に形成されているので、 これら 2つの強磁性トンネル接合の出力を加 算することにより高い出力感度を実現することができ、 また、 2つの強磁性トン ネル接合の出力の差分を検出することにより同位相のノイズをキヤンセルするこ とができる。
(第 4実施形態）
本発明の第 4実施形態による磁気へッ ドを図 2 3を用いて説明する。 図 2 3は、 本実施形態による磁気へッ ドの側面図である。 図 1 7乃至図 2 2に示す第 2又は 第 3実施形態による磁気へッ ドと同一の構成要素には、 同一の符号を付して説明 を省略または簡潔にする。
図 2 3に示すように、 本実施形態による磁気へッ ドは、 自由層 2 1 4 aの形状 に特徴がある。 すなわち、 自由層 2 1 4 aの幅は、 信号検出面 2 3 0の近傍や、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4 aとの間の接合領域 2 3 4の近傍では固定層 2 1 8 の幅より若干広い程度であるが、 信号検出面 2 3 0から離間するに伴い徐々に広 くなつている。 そして更に信号検出面 2 3 0から離間すると、 自由層 2 1 4 aの 幅は非常に広くなつている。
自由層を単に長方形に形成した場合には、 外部から磁界が加えられない状態に おいても、 自由層の磁化方向が自由層の長手方向に傾いてしまうこととなる。 し かし、 本実施形態では、 図 2 3に示すような形状にしているので、 外部から磁化 を加えていない状態において接合領域 2 3 4の近傍において自由層 2 1 4 aの磁 化方向が傾いてしまうのを防止することができる。 これにより、 外部から磁界が 加わったときに、 接合領域 2 3 4の近傍において自由層 2 1 4 aの磁化方向が十 分に回転するので、 検出感度の高い磁気へッ ドを提供することが可能となる。 このように本実施形態では、 自由層の幅が信号検出面から離間するに伴い広く 形成され、 更に信号検出面から離間した領域において自由層の幅が非常に広くな つているので、 外部から磁界が加わっていない状態において、 自由層の磁化方向 が接合領域の近傍で傾いてしまうのを抑制することができる。 従って、 外部から 磁界が加わったときに、 接合領域の近傍における自由層の磁化方向の回転角を大 きくすることができ、 検出感度の高い磁気へッ ドを提供することができる。
(第 5実施形態）
本発明の第 5実施形態による磁気へッ ドを図 2 4を用いて説明する。 図 2 4は、 本実施形態による磁気へッ ドを信号検出面側から見た平面図である。 図 1 7乃至 図 2 3に示す第 2乃至第 4実施形態による磁気へッ ドと同一の構成要素には、 同 一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
図 2 4に示すように、 本実施形態による磁気へッ ドは、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4 bとの間の接合領域 2 3 4を除く領域の自由層 2 1 4 bが、 固定層 2 1 8 から遠ざかるように曲がっていることを特徴とするものである。
固定層 2 1 8と自由層 2 1 4 bとの接合領域 2 3 4を除く領域の自由層 2 1 4 bカ^ 固定層 2 1 8から遠ざかるように曲がっているので、 磁気記録媒体の高記 録密度化により トラック間の距離が狭くなつた場合であっても、 隣接する卜ラッ クの記録ビッ 卜からの磁界の影響を受けにく くすることができる。
このように本実施形態では、 固定層と自由層との接合領域を除く領域の自由層 が固定層から遠ざかるように曲がっているので、 隣接するトラックの記録ビッ ト からの磁界の影響を低減することができる。 これにより隣接するトラックの記録 ビッ 卜からの磁界の影響を受けにく くすることができるので、 磁気記録媒体の高 記録密度化に対応することができる。
(他の具体例 （その 1 ) )
本発明の第 5実施形態による磁気へッ ドの他の具体例を図 2 5を用いて説明す る。 図 2 5は本具体例による磁気へッ ドを信号検出面側から見た平面図である。 図 2 5に示すように、 本具体例では、 固定層 2 1 8と自由層 2 1 4 cとの間の 接合領域 2 3 4を除く領域の自由層 2 1 4 c力^ 固定層 2 1 8から遠ざかるよう に曲がっており、 曲がっている自由層 2 1 4 cが更にシールド層 2 1 2 a力、ら遠 ざかるように曲がっている。 これによりシールド層 2 1 2 aとシールド層 2 1 2 bとの離間距離を小さくすることができるので、 信号を検出する部分を微細化す ることができ、 磁気記録媒体の更なる高記録密度化に対応することができる。 このように本具体例では、 固定層と自由層との間の接合領域を除く領域の自由 層が、 固定層から遠ざかるように曲がっており、 曲がっている自由層が更にシ一 ルド層から遠ざかるように曲がっている。 これにより、 シールド層間の離間距離 を小さくすることができるので、 信号を検出する部分を微細化することができ、 磁気記録媒体の更なる高記録密度化に対応することができる。
(変形実施形態）
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、 第 1実施形態において、 自由層として機能する下部層 1 0を信号検出 面から離間する方向に延在し、 延在した下部層 1 0の端部を透磁率の高いシール ド層に接続してもよい。 これにより、 センサ部 1 3における反磁界の影響を更に 低減することができるので、 更に検出感度を向上することができる。
また、 第 1実施形態において、 下部層 1 0を図 2 4に示す自由層 2 1 4 bのよ うに形成してもよい。 即ち、 センサ部 1 3を除く領域において、 下部層 1 0を上 部層 1 2から遠ざかるように曲げてもよい。 これにより、 隣接するトラックの記 録ビッ 卜からの磁界の影響を低減することができるので、 磁気記録媒体の高記録 密度化に対応することができる。
また、 第 1実施形態による磁気センサも用いた磁気へッ ドを、 ハードディスク 装置に適用することも可能である。 かかる感度の高い磁気センサを用いることに より、 磁気記憶媒体の高記録密度化に対応することができる。
また、 第 2乃至第 5実施形態では、 自由層をシールド層に接続したが、 自由層 はシールド層のみならず、 高い透磁率を有する磁性体に適宜接続すればよい。 また、 第 2乃至第 5実施形態では、 磁気へッ ドについて説明したが、 上記のよ うな磁気へッ ドを用いてハードディスク装置を提供することができる。 また、 か かるハ一ドディスク装置を複数用いてディスクアレイ装置を提供することもでき る。
また、 第 1乃至第 5実施形態では、 自由層や固定層の材料として N i F e層や C o層を用いたが、 自由層や固定層の材料は N i F e層や C o層に限定されるも のではなく、 強磁性トンネル接合を実現しうる層であれば、 他のあらゆる層を自 由層や固定層に用いることができる。
[産業上の利用可能性]
本発明は、 磁気センサ、 磁気へッ ド、 磁気エンコーダ及びハードディスク装置 に適しており、 特に良好な感度を実現しうる磁気センサ、 磁気へッ ド、 磁気ェン コーダ、 並びに磁気記録媒体の高密度化に対応しうる磁気へッ ド及びその磁気へ ッ ドを用いた記憶容量の大きいハ一ドディスク装置に有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 強磁性トンネル接合を有する磁気センサであって、
磁化方向が自由に回転する自由層と、
前記自由層上に形成され、 第 1の領域の厚さが薄くなつている障壁層とを有し、 前記第 1の領域に対応する領域の自由層が、 外部磁界を感知するセンサ部とし て機能する
ことを特徴とする磁気センサ。
2 . 請求の範囲第 1項記載の磁気センサにおいて、
前記障壁層は、 金属の表面を酸化することにより形成されている
ことを特徴とする磁気センサ。
3 . 請求の範囲第 1項又は第 2項記載の磁気センサにおいて、
前記障壁層上に形成された固定層と、
前記固定層上に形成され、 前記固定層の磁化方向を固定する反強磁性層とを更 に有する
ことを特徴とする磁気センサ。
4 . 請求の範囲第 3項記載の磁気センサにおいて、
上方に前記固定層が形成されていない領域の前記自由層が、 前記固定層から遠 ざかるように曲げられている
ことを特徴とする磁気センサ。
5 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれか 1項に記載の磁気センサを有する ことを特徴とする磁気へッ ド。
6 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれか 1項に記載の磁気センサを有する ことを特徴とする磁気エンコーダ。
7 . 磁化方向が自由に回転する自由層と、 障壁層を介して前記自由層の一方の 面に対向し、 隣接する反強磁性層により磁化方向が固定された固定層とを有する 強磁性トンネル接合素子を有し、
前記自由層が高い透磁率を有する部材に接続されている
ことを特徴とする磁気へッ ド。
8 . 請求の範囲第 7項記載の磁気ヘッ ドにおいて、
前記自由層は、 信号検出面から離間した領域で前記高い透磁率を有する部材に 接続されている
ことを特徴とする磁気へッ ド。
9 . 請求の範囲第 7項又は第 8項記載の磁気へッ ドにおいて、
前記自由層は、 前記高い透磁率を有する部材になだらかに近接しながら接続さ れている
ことを特徵とする磁気へッ ド。
1 0 . 請求の範囲第 7項乃至第 9項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにおい て、
前記高い透磁率を有する部材は、 前記強磁性トンネル接合素子から離間して形 成されたシールド層である
ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 1 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 0項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記固定層の縁部の近傍の前記障壁層の厚さは、 前記固定層の中央部の近傍の 前記障壁層の厚さより厚い
ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 2 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 1項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記自由層は、 信号検出面から離間した領域において幅が広く形成されている ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 3 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 2項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記固定層は、 前記信号検出面に露出していない
ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 4 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 3項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記高い透磁率を有する部材は、 アースに接続されている ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 5 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 4項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記固定層と対向していない領域の前記自由層は、 前記固定層から遠ざかるよ うに曲げられている
ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 6 . 請求の範囲第 7項乃至第 1 5項のいずれか 1項に記載の磁気へッ ドにお いて、
前記強磁性トンネル接合素子は、 前記自由層の他方の面側に形成された他の障 壁層を介して前記自由層に対向し、 隣接する他の反強磁性層により磁化方向が固 定された他の固定層を更に有する
ことを特徴とする磁気へッ ド。
1 7 . 請求の範囲第 5項、 及び第 7項乃至第 1 6項のいずれか 1項に記載の磁 気へッ ドを有する
ことを特徴とするハードディスク装置。
1 8 . 請求の範囲第 1 7項記載のハードディスク装置を複数有する
ことを特徴とするディスクアレイ装置。
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