超高密度HDD用極薄再生ヘッドのための反強磁性交換結合3層磁気抵抗素子の開発

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超高密度 HDD 用極薄再生ヘッドのための反強磁性交換結合３層磁気抵抗素子の開発

平成２３年１０月３１日独立行政法人物質・材料研究機構

概要

１．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長潮田資勝）磁性材料ユニット宝野和博ユニット長のグループは中谷友也日本学術振興会特別研究員と共同で、次世代の超高密度ハードディスクドライブ（HDD）のための極薄再生ヘッドに適すると考えられる反強磁性交換結合３層磁気抵抗素子の実証に成功した。これは、コバルト基ホイスラー合金薄膜の反強磁性的な層間交換結合を用いた素子で、従来のスピンバルブ素子に比べ半分の厚さの 10 nm という極薄で高い磁気抵抗比を実現できるので、次世代の超高密度 HDD 用の超高分解能高感度再生ヘッドとしての応用が期待される。２．HDD の再生ヘッドにはトンネル磁気抵抗（TMR）を利用したスピンバルブ素子が利用されている。絶縁層を挟んだ二つの強磁性体薄膜の相対的な磁化の向きによってトンネル電流の流れが大きく変わるトンネル磁気抵抗素子を利用して、磁気記録媒体上のナノスケールの磁石から磁気情報を読み取っている。今後 2 テラビット／平方インチを超える記録密度を達成しようとすると、磁気情報のビットサイズが 10-20 ナノメーター (nm)（ナノメーターは 10 億分の 1 メーター）にまで微細化されるので、再生ヘッドには、（１）大きな磁気抵抗変化量、（２）低い素子抵抗値、（３）薄い素子膜厚、の向上が要求される。現在使用されているトンネル磁気抵抗（TMR）素子では、高い磁気抵抗比が得られるものの、二つの磁性層を分けるスペーサに絶縁層を用いることから素子抵抗を低くすることが難しく、次世代の超高密度 HDD 用再生ヘッドとしては、スペーサ層も金属の電流面垂直型巨大磁気抵抗（CPP-GMR）の応用が期待されている。ビット分解能は再生ヘッド薄膜の総膜厚によって決まるが、現行のスピンバルブ膜では磁気抵抗素子に TMR、CPP-GMR のいずれを用いた場合でも、総膜厚を 20 nm 以下に低減することは難しく、新たな再生ヘッド素子構造の開発が課題となっている。３．強磁性層間にはたらく反強磁性交換結合を利用した強磁性体／非磁性体／強磁性体の３層膜を用いた面直電流型の反強磁性交換結合３層磁気抵抗素子（以下、３層膜ヘッド）は、スピンバルブ素子に替わる超高分解能再生ヘッドの候補として提案はされていたが、実験的な検証はこれまでなかった。４．今回の研究では、強磁性体として高スピン分極率材料であるコバルト基ホイスラー合金の 4 nm の薄膜を 2 nm の銀薄スペーサ層を介して積層した３層構造において、強磁性層間に反強磁性交換結合が発現することを初めて見出し、これを用いた面直電流型３層磁気抵抗素子を試作した。素子の総膜厚は 10 nm と、これは現行のスピンバルブ膜の半分以下の値であり、2 テラビット／平方インチの記録密度の再生に対応できるサイズである。また、従来材料を用いた素子の約 4 倍の磁気抵抗変化量を得た。今回、実験室レベルで作製されたような反強磁性交換結合３層磁気抵抗素子を工業的に製造する技術が確立されれば、2 テラビット／平方インチを超える超高密度 HDD のための面直電流３層膜ヘッドの実用化に近づくと期待される。

５．この成果は、2011年10月31日付（米国時間）の米国の応用物理学系速報誌Applied Physics Lettersの電子版に掲載される。

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研究の背景 2011 年のハードディスクドライブ（HDD）の総出荷台数は約 7 億台と見積もられており、クラウドコンピューティングやデジタルテレビの普及により全世界のデジタル情報量は年率 50％で増加している。そのため、HDD の記録密度を増大させると、データストレージの電力消費量を大幅に低減させることができる。現在の HDD の記録密度は 700 ギガビット／平方インチ程度であるが、省電力でのデータストレージを実現するために、近い将来 HDD で 2 テラビット／平方インチ(テラは 1 兆）の記録密度を達成しようとする研究が米・日で進められている。現在、HDD の再生ヘッドにはトンネル磁気抵抗効果を用いたスピンバルブ素子が用いられている（図１）。再生ヘッドの性能としては、（１）磁気抵抗変化量（磁界によって変化する電気抵抗値）、（２）素子の電気抵抗、（３）素子の厚さの 3 つが重要であるが、トンネル磁気抵抗スピンバルブ素子は（１）の磁気抵抗比は高いが、絶縁層を用いることにより（２）の素子抵抗が高いこと、さらに一方の磁性層の磁化を固定するために必要な反強磁性層を持つスピンバルブ構造により（３）の素子膜厚を 20 ナノメートル（ナノは 10 億分の１で、以後 nm と表記）以下にできないことから、次世代の超高密度 HDD への適応限界に達しつつある。2 テラビット／平方インチの面密度を持つ次世代 HDD のデータの高速再生には素子抵抗が 0.1 Ωμm2_{と低くなければならず、ビット分解能を} 高めるためには素子膜厚が 20 nm 以下の極薄でなければならない。二つの強磁性層間に絶縁体障壁層を挟む現行のトンネル磁気抵抗素子に代わり、全てが金属の薄膜からなる電流膜面垂直型巨大磁気抵抗（CPP-GMR）を用いると（２）の低素子抵抗は容易に達成されるが、強磁性体にコバルトや鉄合金などの従来の強磁性材料を用いた場合、得られる磁気抵抗変化量は再生ヘッドとしては不十分な値であった。ここ数年、CPP-GMR スピンバルブの強磁性体に高スピン分極材料であるホイスラー合金を用いることで、従来材料と比較して数倍高い抵抗変化量が報告されるようになった。しかしながら、再生ヘッドに多層膜を必要とするスピンバルブ構造を用いるかぎり、20 nm 以下の極薄素子の実現は難しい。そこで、スピンバルブに替わる高分解能再生ヘッドの構造として、強磁性体／非磁性体／強磁性体の 3 層膜のみからなる再生ヘッドが提案されていた。この 3 層膜構造の再生ヘッドの動作には、2 つの強磁性体層間に反強磁性的な交換結合がはたらいていることが必要である．このような反強磁性層間交換結合はコバルト／銅／コバルト 3 層膜などでは観測されていたが、スピン分極率の高いホイスラー合金層間の反強磁性層間交換結合は報告されておらず、そのため高い磁気抵抗値を示す面直電流型の 3 層膜ヘッドは実現されていなかった。今回の研究成果本グループでは数年前から強磁性体にホイスラー合金を用いた CPP-GMR スピンバルブ素子の研究を行ってきた。その一例として、Co2Fe(X0.5Y0.5) (X、 Y = Al、 Si、 Ga、 Ge)の組成をもつホイスラー合金と銀の中間層からなるスピンバルブ素子において、当時世界最高の磁気抵抗変化量ならびに磁気抵抗比を報告している(T. Furubayashi 他, Appl. Phys. Lett. 93, 122507 (2008); Y. K. Takahashi 他, Appl. Phys. Lett. 98, 152501 (2011))。今回、Co2Fe(Al0.5Si0.5)ホイスラー合金の 4 nm の薄膜を 2 nm 厚さの銀薄膜を介して積層した 3 層膜を作製し、その磁化特性を評価したところ、薄膜試料に対する熱処理プロセスの最適化により、ホイスラー合金層間に反強磁性交換結合が発現することを見出だした（図２左）。さらに、反強磁性結合した Co2Fe(Al0.5Si0.5)ホイスラー合金層（4 nm）／銀中間層（2 nm）／Co2Fe(Al0.5Si0.5)ホイスラー合金層（4 nm）の 3 層膜を微細加工することにより、反強磁性的に層間交換結合した３層磁気抵抗素子の作製に成功した。図２右に示す磁気抵抗曲線は、両方の強磁性層の磁化が回転していることを示しており、外部磁界に対し抵抗値が連続的に変化する特性は、再生ヘッドとして必要とされるものである。3 層膜の厚さはわずか 10 nm と、従来のスピンバルブ構造

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また、磁気抵抗変化量ΔRA は室温で 4.5 mΩμm2_{であり、これは磁気抵抗比で 24%に相当し、従来} 材料を用いた３層膜素子の 4 倍の値である。また、熱処理による反強磁性層間交換結合の発現は、ホイスラー合金層の化学規則度の向上によるスピン分極率の上昇と関連していると考えられ、そのメカニズムは学術的にも意義深い。 波及効果と今後の展開 今回の成果により、（１）大きな磁気抵抗変化量、（２）低い素子抵抗、（３）薄い素子膜厚という、 3 要素を満たした面直電流型３層磁気抵抗素子が、反強磁性層間結合したホイスラー合金 CPP-GMR 素子によって実現可能であることが示された。実用化のためには、今後さらなる磁気抵抗変化量の増大、安価な基板上への素子の作製、ノイズ評価など再生ヘッドとしての特性を評価していく必要があるが、このような 10 nm という極薄厚３層磁気抵抗素子を用いた再生ヘッドが実用化されれば、データストレージにおける消費電力の低減に貢献しうると期待される。本件に関するお問い合わせ先（研究内容に関すること）独立行政法人物質･材料研究機構フェロー（環境・エネルギー材料部門磁性材料ユニットユニット長）宝野和博（ほうのかずひろ）〒305-0044 茨城県つくば市千現 1-2-1 E-mail：[email protected] Tel：029-859-2718 Fax：029-859-2701 （報道担当）独立行政法人物質・材料研究機構企画部門広報室〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 Tel：029-859-2026 Fax：029-859-2017

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用語解説 １）スピンバルブ構造トンネル磁気抵抗素子および CPP-GMR 素子はそれぞれ、強磁性金属／絶縁体／強磁性金属および強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属からなり、2 つの強磁性層の磁化の変化に応じて抵抗が変化するものである。そこで、スピンバルブとは、一方の強磁性層の磁化の向きを隣接する反強磁性体によって固定したものであり、もう一方の強磁性層（自由層）が外部磁界に対して応答するため、磁気センサーとして利用できる。２）再生ヘッドハードディスクドライブ（HDD）では微小な磁石（磁気ビット）の磁化の向きによってデータを保存しているが、再生ヘッドは磁気抵抗効果を利用して、磁気ビットからの漏洩磁界を検出する。実際の再生ヘッドでは、磁気抵抗素子が軟磁性体からなる磁気シールドにはさまれた構造からなり、磁気シールド間の間隔が再生の分解能すなわち再生可能な記録密度を決定する要素の一つである。３）層間交換結合強磁性／非磁性／強磁性の主に金属からなるナノメートルスケールの 3 層膜において、2 枚の強磁性層間に磁気秩序が現れる現象。強磁性層の磁化の配置が平行であるものを強磁性結合、反平行であるものを反強磁性結合、直交であるものを 90 度結合とよぶ。反強磁性結合はすでに、HDD の記録媒体の軟磁性下地層や、スピンバルブ素子の磁化の固定に利用されている。４）ホイスラー合金 X2YZ の組成をもつ 3 元系合金の総称。平衡状態では L21規則構造を有する。X がコバルトであるものはハーフメタル材料として注目されている。ハーフメタルとは、伝導電子のスピンがアップまたダウンの片方しか存在しないものであり、これを用いることで非常に大きな磁気抵抗値を得ることができる。 X L21構造ホイスラー合金 X2YZ Y Z

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6 nm 3 nm 2 nm 3 nm 0.8 nm 1 nm 3 nm 3 nm 反強磁性体層強磁性体固定層強磁性体参照層障壁層下地層

22 nm

現行のスピンバルブ構造交換結合層強磁性体自由層キャップ層軟磁性体シールド 0 1 0 1 0 1 記録媒体ディスクの回転方向磁気抵抗素子の総膜厚さスピンバルブ磁気抵抗素子再生ヘッド – + 図１トンネル磁気抵抗を用いたスピンバルブ素子の膜構成と、再生ヘッドの模式図。軟磁性シールド層の間隔が磁気抵抗素子の総膜厚に対応し、再生のビット分解能（＝記録密度）を決定する。

ハードバイアス

磁石膜

反強磁性結合

CPP-GMR

３層膜

ディスクの回転方向

低抵抗

高抵抗

3層磁気抵抗ヘッド

図２３層磁気抵抗ヘッドの模式図。軟磁性シールドは省略して描かれている。（右）３層磁気抵抗ヘッドによる再生の原理。2 つの強磁性層の磁化が、磁気ビットからの漏洩磁界に応じてハサミの刃のように回転して抵抗変化を得る。 -600 -300 0 300 600 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 外部磁場（Oe）磁化（規格化値） ΔRA=4.5 mΩ-μm2 24% MR比 -1000 -500 0 500 1000 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 18 19 20 21 22 23 24 外部磁場（Oe）素子抵抗（ Ω ）素子抵抗 × 面積（ m Ω -μ m 2）シミュレーション実験 (a) (b)

図３（a）Co2Fe(Al0。5Si0。5) (5 nm)/Ag (2 nm)/Co2Fe(Al0.5Si0.5) (3 nm) 3 層膜の磁化曲線。反強磁性層間結合を示しており。シミュレーション（青）とよく一致する。（b）Co2Fe(Al0.5Si0.5) (4 nm)/Ag (2 nm)/Co2Fe(Al0.5Si0.5) (4 nm) 3 層膜 CPP-GMR 素子の磁気抵抗曲線。外部磁界に対する抵抗値の連続的な変化は、2 つの強磁性層の磁化の回転に対応する。