专利名称：磁传感器以及磁性记录再现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含有微型磁性振荡元件的磁传感器以及磁性 记录再现装置。
背景技术：
自从应用了巨磁阻效应(GMR效应)的GMR磁头问世以来，磁性 记录的记录密度以每年100。/。的速度得以提高。GMR元件由依序层叠 强磁性层、非磁性层以及强磁性层而成的层叠膜构成。GMR元件是 一种应用了所谓自旋阀(spin-valve)膜的磁阻效应的元件，就是说，在 GMR元件中，通过向其中一个强磁性层施加交换偏置而固定磁化方 向，同时通过外部磁场使另一个强磁性层的磁化方向发生变化，将二 个强磁性层的磁化方向之间的相对角度的变化作为电阻值的变化进 行检测。目前的现有技术中，在自旋阀膜的膜面内方向通电，并检测 电阻变化的CIP(Current In Plane)-GMR元件以及对自旋阀膜膜面在 垂直方向通电，并检测电阻变化的CPP(Current Perpendicular to plane)-GMR元件已经问世。CIP-GMR元件和CPP-GMR元件的磁阻 比(MR比)均为百分之几左右，其记录密度据认为能够达到 200Gbit/inch2左右。为了能够更加提高磁性记录密度，应用隧道磁阻效应(TMR效应) 的TMR元件也已问世。TMR元件由层叠强磁性层、绝缘体和强磁性 层而成的层叠膜构成，通过在强磁性层之间施加电压，产生隧道电流。 在TMR元件中，利用隧道电流的大小随上下的强磁性层的磁化方向 而变化这一现象，将磁化的相对角度的变化作为隧道电阻值的变化进 行检测。该元件的MR比最大可以达到50%左右。TMR元件与GMR 元件相比，由于MR比增大，所以能够获得更大的信号电压。可是，TMR元件存在以下问题，即随着信号电压的增大，除了
纯粹的信号分量增大以外，由散粒噪声引起的噪声分量也会增大，从 而无法得到理想的S/N比(信噪比)。散粒噪声起因于电子以不规则的 方式通过隧道障壁时所产生的电流的波动，其大小与隧道电阻值的平 方根成比例增大。因此，为了抑制散粒噪声，得到必要的信号电压， 需要减小隧道绝缘层的厚度，以减小隧道电阻。此外，为了提高记录密度，元件的尺寸需要减小到与记录位(recording bit)同样程度的大小。所以，越要实现高密度，越需要减小 隧道绝缘层的隧道电阻，也就是说，越需要减小隧道绝缘层的厚度。 为了实现300Gbit/inch2的记录密度，需要将隧道结合电阻降低到 1Q .cr^以下。如果换算成Al-O(氧化铝膜)隧道绝缘层的膜厚，则必 须形成厚度相当于2层原子厚度的隧道绝缘层。由于隧道绝缘层的厚 度越薄，上下电极之间越容易产生短路，从而导致MR比降低，所以 元件制造方面的困难程度急剧提高。由于上述原因，据认为TMR元 件的记录密度的极限为300Gbit/inch2。上述元件从广义上来说，均应用了磁阻效应，但在上述元件中均 存在的磁性白噪声(white noise)的问题不容忽视。该噪声与上述的散 粒噪声等电噪声不同，其起因在于磁化的热波动，因此随着元件的微 型化，该噪声将成为主要噪声。据认为，在记录密度超过500Gbpsi 的元件中，该噪声将超过电噪声。为了避免出现上述磁性白噪声，以 进一步提高磁性记录的记录密度。日本国发明专利特开2006-86508 号公报等公开了一种采用微型磁性振荡元件的磁传感器。该微型磁性 振荡元件，与现有的GMR型元件相比，能够实现更高的灵敏度。可 是，在该采用微型磁性振荡元件的磁传感器中存在以下问题。即，在 该微型磁性振荡元件中，需要将传感部分的磁性体加工成与记录介质 的记录位的大小大致相当(膜厚方向为位宽度，开口幅度为磁轨宽度)， 因此，为了实现高记录密度而将元件加工成柱状的细微化加工技术的 困难度很大。此外，还存在磁性热噪声会导致SN比降低的问题。如上所述，现有技术中存在细微化加工技术困难及磁性热噪声引 起的SN比下降的技术问题。 发明内容本发明是考虑到上述情况而做出的，其目的是提供一种磁传感 器，该磁传感器的传感部分的磁性层叠膜不需要加工成柱状，并且能 够检测到微小区域的磁场，能够减轻因元件微小化而产生的磁性热噪 声导致SN比下降的情况。本发明的磁传感器具有磁性振荡元件以及振荡元件。磁性振荡元 件具有磁化方向被固定的第一磁化固定层、第一磁化振荡层、设置在 第一磁化固定层与第一磁化振荡层之间的第一非磁性层、以及对第一 磁化固定层和第一磁化振荡层及第一非磁性层的膜面在垂直方向上 进行通电的一对电极，并且其振荡频率随着外部磁场大小的变化而变 化。振荡元件设置在磁性振荡元件的附近，其振荡频率与所述磁性振 荡元件的振荡频率的差在预定范围之内。该磁传感器通过上述通电而 获取在磁性振荡元件和振荡元件产生的高频振荡信号。根据本发明，可以简单地实现元件的细微化，并且能够减轻因元 件微小化而产生的由磁引起的热噪声导致SN比下降的情况。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明 图1是磁性振荡状态时的磁化运动的说明图； 图2是本发明第一实施方式的磁传感器的结构图； 图3是表示二个磁性振荡元件处于相位锁定状态时的功率输出 示意图；图4是从本发明第一实施方式的磁传感器的上部电极侧观察时 的投影图；图5是本发明第二实施方式的磁传感器的结构图；图6是本发明的实施方式的变化例1的磁传感器的结构图；图7是本发明的实施方式的变化例2的磁传感器的结构图；图8是本发明的实施方式的变化例3的磁传感器的结构图；图9是本发明的实施例的磁传感器的结构图；图10是表示本发明的实施例中的磁性振荡元件的振荡功率频谱
的测量系统的结构图；图11是表示本发明的实施例的磁性振荡元件的振荡频率的电流 依赖性的曲线图；图12是表示本发明的实施例的磁性振荡元件的振荡频率的电流 依赖性的曲线图；图13是表示本发明的实施例的磁性振荡元件的振荡频率的电流 依赖性的曲线图。图14是本发明的实施方式的磁性记录再现装置的立体图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。并且，在以下 的说明中，相同的部分采用相同的符号表示，从而省略重复的说明。(第一实施方式)在说明本发明的实施方式前，首先就使用磁性振荡元件作为磁传 感器时如何提高SN比的原理进行说明。在使用磁性振荡元件的磁传感器中，为了提高SN比，降低元件 的振荡频率附近的磁性噪声很重要。该振荡频率附近的磁性噪声一般 可以采用振荡频谱的宽度，即振荡线宽的形式来表示。因此，为了降 低磁性振荡元件的噪声，重要的一点是减小因不均匀的接合而产生的 振荡线宽，以及因热振动磁场&^=、 y， z)而产生的振荡线宽。不均 匀的接合主要由以下两个原因造成。其中第一个原因是在加工时，接 合部位周围的磁性体的构成和各向异性能量等磁特性发生了变化。第 二个原因是，即使没有发生加工损伤，但在静磁能量的作用下，接合 部位周围仍然会产生复杂的磁结构。因上述原因而产生的接合部位的 磁不均匀性会导致振荡线宽增大。热振动磁场则是因磁性体的晶格振 动而产生的杂乱磁场，其统计上的二次方平均值如公式(1)所示。式中， a 、 M、 V分别表示磁化振荡层的衰减常数、饱和磁化和体积，k、 T、 Y分别表示玻尔兹曼常数、温度和磁旋转比，B表示带宽。 公式1<formula>formula see original document page 7</formula>
图1表示位于静磁场H中，处于振荡频率c^的振荡状态时的磁 化振荡层的磁化运动。该种旋进运动的频谱，在接合均匀且热振动磁场hTi较小时，频谱的振荡线宽较窄，而随着热振动磁场hTi增大，振荡线宽也随之增大。热振动磁场hT,导致振荡线宽增大的主要原因有以下二个。其中第一个原因是因磁性损失而产生的频谱线宽，其影响 因素是图1中，与静磁场H垂直方向上的热振动磁场hn, hTy。第二 个原因是因振荡频率fo的磁场依赖性而产生的频谱线宽，其影响因素是H方向上的热振动磁场hTz。由第一个原因引起的线宽Af可以通 过已知公式2得到其近似值。公式2<formula>formula see original document page 7</formula> (2)式中，mx=Mx/M, Mx表示磁化的x分量。该线宽与电子振荡器 的相位噪声相同，与振荡振幅的二次方平均值<1^2>成反比。所以 激励程度越强，则振荡线宽越小。并且，如公式2所示，磁化振荡层 的体积V越大，则振荡线宽越小。由第二个原因产生的振荡线宽Afz 可以通过公式3计算。式中，带宽B是磁化振荡层的磁化能够追随的 频率，在一般的强磁性体膜中，带宽B大致为lOOGHz。公式<formula>formula see original document page 7</formula> … (3)如公式3所示，振荡线宽Afz也随着磁化振荡层的体积V增大而 减小。图2表示本发明第一实施方式所涉及的磁传感器的剖面图。在下 部电极1上依序层叠了磁化方向被固定的磁化固定层3、非磁性层5、
磁化振荡层7和绝缘层9， 一对上部电极11贯通穿过绝缘层9并与磁化振荡层7接触。该磁传感器由检测外部磁场，且其振荡频率会变 化的第一磁性振荡元件(以下称为"检测部20")，以及以不同于检测 部的频率振荡的第二磁性振荡元件(以下称为"参照部30")这二个磁 性振荡元件构成。在上述磁化固定层3/非磁性层5/磁化振荡层7 层叠而成的磁性层叠膜上，形成与介质的记录位的大小基本相同的接 触孔(上部电极与磁性层叠膜的接合部分)，通过对其通电可以使其产 生振荡。并且，检测部20相对磁场具有与接触孔相当的空间分辨率， 而二个振荡元件通过接触孔周围部分的磁化振荡层内激发出的自旋 (spin)波可以相互作用。以下说明该磁传感器的动作原理。为了使检测部20和参照部30 可以产生相互作用，其振荡频率的差，应当在预定的范围内。检测部 20的频率随着介质的磁场变化而变化。当检测部20的频率与参照部 30的频率相一致时，如图3所示，二个元件的磁化振动形成同歩的 相位锁定状态，此时二个元件的合成振荡功率增大到4倍左右，所以 能够对介质的磁化进行检测。本发明的磁传感器的第一个特点在于，由于不需要对接触孔部分 的磁化振荡层进行加工，所以能够方便进行细微化。并且，由于不需 进行上述加工，所以接合部位周围不会出现磁化振荡层的劣化现象， 也不会因静磁能量而产生复杂的磁结构。因此，不会由于磁不均匀性 而导致振荡线宽增大。本发明的磁传感器的第二个特点在于，如图4 所示，由于没有电流通过的磁化振荡层部分也会被激发出自旋波，所 以能够有效地增大促进振荡的磁化振荡层的实效体积。如公式2和公 式3所示，随着磁化振荡层的体积增大，起因于热振动磁场的振荡线 宽则会减小。本发明的磁传感器的第三个特征在于，在介质信号磁场 下，二个振荡元件处于相位锁定状态。而在相位锁定状态，振荡线宽 会进一步减小。因此，图2所示的磁性振荡元件与现有的磁传感器相 比，振荡线宽小，且噪声低，使用该振荡元件的磁传感器与现有的磁 传感器相比，SN比得到提高。(第二实施方式)如图2所示，第一实施方式的磁传感器采用的结构中，包括第一磁性振荡元件(检测部20)以及第二磁性振荡元件(参照部30)是连续的 磁化振荡层。但如图5所示，如果磁传感器的二个振荡元件，分别具有独立的磁化振荡层，在两个磁化振荡层相互接近，并且相互作用较 强的情况下，也能得到相同的效果。(实施方式的变化例) (变化例1)在上述实施方式的磁传感器中使用的磁性振荡元件以依序层叠的磁化固定层、非磁性层和磁化振荡层为基本结构。但也可以如图6 的元件所示，用绝缘层来取代非磁性层，以磁化固定层、绝缘层和磁 化振荡层为基本结构。在图6的元件中，在下部电极1上依序层叠了 非磁性层5、磁化振荡层7、隧道绝缘膜13以及绝缘层9， 一对磁化 固定层3贯通穿过绝缘层9并与绝缘膜13相接触，上部电极11设置 在其上。该磁传感器由检测外部磁场、且其振荡频率会变化的检测部 20，以及以不同于检测部的频率振荡的参照部30这两个磁性振荡元 件构成。另外，在图6的元件中，为了防止因隧道绝缘膜13而导致 电流扩散，对磁化固定层3进行了细微加工。(变化例2)作为第一实施方式的变化例，也可以采用如图7所示的元件，该 元件以由二层的磁化振荡层组成的磁化振荡层、非磁性层和磁化振荡 层而成的层叠结构为基本结构。在下部电极1上依序层叠了磁化固定 层3、非磁性层5、磁化振荡层7、非磁性层5、磁化振荡层7以及绝 缘层9， 一对上部电极11贯通穿过绝缘层9并与磁化振荡层7接触。 该磁传感器由检测外部磁场、且其振荡频率会变化的检测部20，以 及以不同于检测部的频率振荡的参照部30这两个磁性振荡元件构 成。图7的元件具有降低磁噪声的效果，与现有的普通振荡元件相比， 可以提高磁场灵敏度。C变化例3)另外，也可以使用图8的元件。该元件是在图7的元件上增加了绝缘膜。在下部电极1上依序层叠了非磁性层5、磁化振荡层7、非 磁性层5、磁化振荡层7、隧道绝缘膜13以及绝缘层9， 一对磁化固 定层3贯通穿过绝缘层9并与绝缘膜13相接触，上部电极U设置在 其上。该磁传感器由检测外部磁场、且其振荡频率会变化的检测部 20，以及以不同于检测部的频率振荡的参照部30这两个磁性振荡元 件构成。图8的元件具有降低磁噪声的效果，与现有的普通振荡元件 相比，可以提高磁场灵敏度。(其他变化例)另外，作为用作参照部的振荡元件，可以不使用磁性振荡元件， 而采用设置在磁传感器外部的一般的半导体振荡元件。通过其与检测 部的磁性振荡元件的磁化振荡层的振荡产生相互作用，由此使其振荡 频率相一致时，也能够形成相位锁定状态。(实施例)以下对本发明的实施例进行说明。(实施例1)图9的剖面图表示本发明实施例1所涉及的磁传感器的结构。本 实施例的磁传感器的制造方法如下。通过溅射成膜法以及光和电子束蚀刻法在硅基板50上形成层叠 膜。在下部电极1上依序层叠磁化方向被固定的磁化固定层3、非磁 性层5、磁化振荡层7和绝缘层9， 一对上部电极11贯通穿过绝缘层 9并与磁化振荡层7接触。磁化振荡层7使用了膜厚2nm的NiFe膜，磁化固定层3使用了 CoFe(10nm) / IrMn(20nm)的层叠膜。磁化振荡层以及磁化固定层的形 成，在施加了大约2000Oe的磁场的条件下进行，从而使NiFe膜和 CoFe/IrMn膜的各向异性轴相一致。为了集中电流，下部电极1使 用Ta(5nm)/Cu(300nm)/Ta(5nm)层叠膜，上部电极11使用 Au(50nm)/Cu(300nm)/Ta(5nm)层叠膜，非磁性层5使用Cu(5nm)。此 外，绝缘层9使用SiOx(100nm)。接触孔的直径为40nm， 二个接触 孔之间的距离为200nm，元件的整体长为5um。振荡元件A的电阻 为18Q ， MR比为2.5%，振荡元件B的电阻为19Q ， MR比为2.3%。将上述一对磁性振荡元件连接在2根微波带线上，通过频谱分析 仪测量其合成输出。图IO表示测量磁性振荡元件振荡功率频谱的测 量系统。经由测量器lll，将T形偏置器112连接在用于传输来自磁 性振荡传感器10的高频振荡的波导104(特性阻抗为50Q)上，并且在 偏置T形管112的输出端上连接放大器113的输入端，在放大器113 的输出端上连接频谱分析仪114。此外，在偏置T形管112上连接电 压源115以及电流源116。使用二个偏置T形管分别独立地向元件 A,B提供直流电流。图11表示易磁化轴方向的500Oe的外部磁场状 态下的振荡频率的电流依赖性。曲线A, B分别表示元件A， B的电流 依赖性，电流在只通过其中一个元件，而不通过另一个元件的状态下 分别测量。图12表示在元件A， B上分别施加了 5mA和6.3mA电流 的状态下的输出频谱。从该图可知，在与元件B的振荡频率相当的 18.46GHz以及与元件A的振荡频率相当的18.50GHz上观察到了振 荡峰值，二个振荡元件的相位没有锁定。为了使二个振荡元件可以产 生相互作用，其振荡频率的差，应当在预定的范围内。例如，在本实 施例中二个振荡元件的振荡频率的差保持在1GH以下。接着，使通 过元件的电流保持恒定，并在这一状态下使外部磁场增加到lOOOe， 此时，二个振荡元件形成相位锁定状态，如图13所示，频谱变成了 只有一个峰值的频谱。在图12中，元件A和B的频谱宽度均约为 lOMHz，但在图13中，频谱宽度减小到了大约2MHz，相位锁定时 的总振荡输出大约是相位没有锁定时的4倍。如上所述，根据本实施例，能够提供一种磁传感器，该磁传感器 不需要将磁层叠膜加工成柱状，而能够检测到微小区域的磁场。并且 通过使二个振荡元件形成相位锁定状态，能够获得高SN比。 图14是本发明的实施方式所涉及的磁性记录再现装置150的立 体图。磁盘(磁性记录介质)151放置在主轴152上，在主轴马达的驱 动下朝箭头A所指的方向旋转。致动器臂154由设置在磁盘151附 近的枢轴153保持，致动器臂154的前端上设置有悬臂155。磁头滑 动件156由悬臂155的下表面支撑。磁头滑动件156上安装了具有如 上所述的磁传感器的磁头。致动器臂154的基端部分上形成有音圈马 达157。使磁盘151旋转，通过音圈马达157使致动器臂154旋转，使磁 头滑动件156移动到磁盘151上，设置有磁头的磁头滑动件156的介 质相对面(ABS)被保持成位于磁盘151表面的上方，并与该表面保持 规定的距离。在这一状态下，能够根据上述原理，读出记录在磁盘 151中的信息。以上对本发明的实施方式和实施例作了说明，但本发明不受该它 们的限制，在权利要求书中所述的发明宗旨的范围内，可以进行各种 变更。并且，本发明在实施阶段，在不脱离其宗旨的范围内可以有各种 变化。
权利要求
1.一种磁传感器，其特征在于，包括磁性振荡元件，该磁性振荡元件具有磁化方向被固定的第一磁化固定层、第一磁化振荡层、设置在所述第一磁化固定层与所述第一磁化振荡层之间的第一非磁性层、以及对所述第一磁化固定层和所述第一磁化振荡层及所述第一非磁性层的膜面在垂直方向上进行通电的一对电极，并且所述磁性振荡元件的振荡频率随着外部磁场大小的变化而变化；以及振荡元件，该振荡元件设置在所述磁性振荡元件的附近，其振荡频率与所述磁性振荡元件的振荡频率的差在预定范围之内，该磁传感器通过所述通电而获取在所述磁性振荡元件和所述振荡元件产生的高频振荡信号。
2. 根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述振荡元 件是磁性振荡元件，具有磁化方向被固定的第二磁化固定层、第二磁 化振荡层、设置在所述第二磁化固定层与所述第二磁化振荡层之间的 第二非磁性层、以及对所述第二磁化固定层和所述第二磁化振荡层及 所述第二非磁性层的膜面在垂直方向上进行通电的一对电极。
3. 根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，所述第一以及第二磁化振荡层是连续的磁性层。
4 .根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于， 所述第一以及第二磁化振荡层中的至少一个磁化振荡层是层叠磁化 振荡层、非磁性层、磁化振荡层而得到的层叠膜。
5 .根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其特征在于， 所述第一以及第二非磁性层中的至少一个非磁性层是绝缘层。
6. —种磁性记录再现装置，其特征在于，具有磁头以及磁性记 录介质，其中该磁头包括如权利要求1至5中任一项所述的磁传感 器。
全文摘要
本发明要解决的技术问题是作为磁传感器的磁性振荡元件细微化加工技术的困难及磁的热噪声引起的SN比下降。本发明的磁传感器具有磁性振荡元件，该磁性振荡元件具有磁化方向被固定的第一磁化固定层、第一磁化振荡层、设置在第一磁化固定层与第一磁化振荡层之间的第一非磁性层、以及对第一磁化固定层和第一磁化振荡层以及第一非磁性层的膜面在垂直方向上进行通电的一对电极，并且其振荡频率根据外部磁场的大小的变化而变化；以及振荡元件，该振荡元件设置在该磁性振荡元件附近，其振荡频率与所述磁性振荡元件的振荡频率的差在预定范围之内；该磁传感器通过通电而获取在磁性振荡元件和振荡元件产生的高频振荡信号。
文档编号H01L43/08GK101154705SQ20071008902
公开日2008年4月2日 申请日期2007年3月29日 优先权日2006年9月28日
发明者佐藤利江, 工藤究, 水岛公一 申请人:株式会社东芝