CN101510427B - 磁记录再现头以及磁记录再现装置 - Google Patents

磁记录再现头以及磁记录再现装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁记录再现头以及磁记录再现装置，即使线记录密度提高，也得到高的再现输出、分辨率以及SNR，得到充分的位误码率。磁记录再现头(10)具有差动型再现头(20)和记录头(25)。差动型再现头(20)具有层叠了具有第一自由层(210)的第一磁阻效应元件(200)、差动间隙层(100)、具有第二自由层(310)的第二磁阻效应元件(300)的层叠结构(400)，在层叠结构(400)的外侧具有一对电极(50、51)和一对磁屏蔽(30、31)。此处，将第一自由层(210)与第二自由层(310)的内侧的距离(G1)与位长度(b1)之比(G1/B1)设定成0.6以上1.6以下。

Description

磁记录再现头以及磁记录再现装置
技术领域
本发明涉及具备差动型再现头和记录头的磁记录再现头以及搭载该磁记录再现头的磁记录再现装置。
背景技术
近年来，在HDD(Hard Disk Drive，硬盘驱动器)等磁记录再现装置中，要求急速的记录密度增加，磁头、磁介质等也要求实现高记录密度。作为在磁记录再现装置中作为再现元件搭载的磁阻效应头，使用利用了经由非磁性金属层层叠了强磁性金属层的多层膜的磁阻效应的被称为自旋阀(Spin Valve)的结构。磁阻效应是指，根据夹住非磁性中间层的二层的强磁性层的磁化和磁化所成的角度，电气电阻变化的现象。使用了磁阻效应的自旋阀具有反强磁性层/强磁性层/非磁性中间层/强磁性层的结构，通过在反强磁性层/强磁性层的界面发生的交换结合磁场而实质上固定与反强磁性层相接的强磁性层的磁化，另一方的强磁性层的磁化根据外部磁场而自由地旋转，从而得到输出。上述磁化根据反强磁性层实质上被固定的强磁性层被称为固定层，上述磁化根据外部磁场而旋转的强磁性层被称为自由层。
在利用了磁阻效应的自旋阀中，以往采用了使电流沿着层叠膜的面内方向流过而使用的CIP(Current In the Plane)-GMR(GiantMagneto-Resistive)头。当前，向使电流沿着层叠膜的膜厚方向流过而使用的TMR(Tunneling Magneto-Resistive)头、CPP(CurrentPerpendicular to the Plane)-GMR头发展。
作为从CIP-GMR头向TMR头、CPP-GMR头发展的背景，主要可以举出二个理由。第一个为，与CIP-GMR头相比TMR头、CPP-GMR头可以提高再现输出，所以可以实现高SNR(输出/噪声比)。第二个为，与使电流沿着层叠膜的面内方向流过的CIP方式相比，使电流沿着层叠膜的垂直方向流过的CPP方式的一方在提高线记录密度的点中是有利的。线记录密度是指，磁记录介质的圆周方向的位密度。另外，将磁记录介质的半径方向的位密度称为轨道密度，通过增大两者而提高磁记录再现装置的面记录密度。为了提高线记录密度，必需提高再现分辨率。再现分辨率是指，高记录密度记录时的再现输出与低记录密度记录时相比，可以维持何种程度的大小。
另外，当前的磁阻效应头构成为用下部磁屏蔽和上部磁屏蔽夹住磁阻效应膜(所谓屏蔽型再现头)，但线记录密度方向的再现分辨率较大地依赖于该上下磁屏蔽间隔(Gs)。即，上下磁屏蔽间隔越小，线记录密度方向的分辨率越高，可以实现高的面记录密度。以往的CIP-GMR头需要使磁阻效应膜与上部以及下部磁屏蔽电气地绝缘，所以需要使绝缘膜介于上部以及下部磁屏蔽与磁阻效应膜之间，难以缩小上下磁屏蔽间隔。另一方面，在使电流沿着层叠膜的厚度方向流过的TMR头、CPP-GMR头中，不需要使绝缘膜介于上部以及下部磁屏蔽与磁阻效应膜之间，所以有利于缩小上下磁屏蔽间隔。这样，以高输出化和再现分辨率提高为目的，磁阻效应头从CIP-GMR向TMR、CPP-GMR头发展。
但是，无法将CPP型磁阻效应膜的膜厚设为30nm左右以下，而在再现分辨率的提高中，在不远的将来产生极限。其理由主要有二个。第一个为，对于上述的磁阻效应膜(反强磁性层/强磁性层/非磁性中间层/强磁性层)的膜厚，物理上30nm左右为薄膜化的界限。第二个为，如果上下磁屏蔽间隔成为30nm左右以下，则对再现头施加的介质磁场急剧减少，SNR与再现输出一起急剧降低。如果SNR降低，则即使假设得到了高分辨率，也无法提高位误码率(BER)。位误码率是指，位信号错误率，表示磁记录再现装置的总体性能。即，如果位误码率低，则无法实现高面记录密度。根据这样的二个理由，在现有结构的再现头中上下磁屏蔽间隔无法比30nm左右窄，而妨碍实现高面记录密度。
作为提高线记录密度方向的分辨率的手段，提出了所谓差动型再现头。在面内磁记录方式中，针对对磁记录介质写入的记录位，仅从磁化反转区域产生信号磁场，相对于此在垂直磁记录方式中，从各记录位必定产生信号磁场。因此，垂直磁记录方式还适用于差动型再现头。在专利文献1中，公开出如下的再现头结构：在使用了垂直磁记录方式的磁记录再现装置中，经由导电层串联连接一对磁阻效应膜，而进行差动动作。在一对磁阻效应膜中，成为信号磁场的感磁部的二层的自由层被配置成隔着导电层邻接对置，并被设置成一对磁阻效应膜的电阻变化特性相对同一朝向的磁场成为逆极性，从而可以进行差动动作。在该情况下，对于线记录密度方向分辨率，与上下磁屏蔽间隔相比，较大地依赖于自由层之间的内侧的距离、即介于一对磁阻效应膜之间的导电层的膜厚。因此，即使无法缩小上下磁屏蔽间隔，通过对介于一对磁阻效应膜之间的导电层的膜厚进行薄膜化，也得到线密度方向的高再现分辨率。进而，在专利文献2中，公开出二层的自由层相对同一朝向的磁场得到逆极性的电阻变化特性的进一步详细的差动型再现头的结构。另外，在专利文献3中，公开出即使不具有上下磁屏蔽也可以实现高分辨率的再现头结构。
另外，差动型再现头还提高再现输出。其原因为，在将一个元件的最大电阻变化设为ΔR时，作为再现传感器整体，估计出现2×ΔR的电阻变化。
专利文献1：日本特开2002-183915号公报
专利文献2：日本特开2003-69109号公报
专利文献3：日本特开2004-227749号公报
发明内容
为了明确搭载了差动型再现头的磁记录再现装置是否具有高线记录密度的潜力，针对再现特性通过微磁学模拟进行数值计算并测定位误码率，而进行研究。将第一自由层与第二自由层的距离(G1)与位长度(b1)之比(G1/b1)设为0.5，将磁记录再现装置的线记录密度设为2000kfci。此处，位长度是指，作为垂直磁记录介质的物理长度的记录位长度。
根据研究的结果，在搭载了差动型再现头的磁记录再现装置中，再现分辨率比具有现有头的装置提高，但再现输出比现有头大幅降低。另外，对于位误码率，具有差动型再现头的磁记录再现装置比具有现有头的装置也恶化。其原因为，再现输出降低，SNR降低。因此，仅通过单纯地在磁记录再现装置中搭载差动型再现头，无法提高面记录密度。
与现有的屏蔽型头相比差动型再现头的再现输出降低的原因在于，相对于在屏蔽型头中在自由层位于记录图案的中心附近时输出成为最大，在差动型再现头中在二个自由层位于记录图案的迁移区域时输出成为最大。此处，记录图案是指，垂直记录介质的磁化成为相同方向的区域。在记录图案的迁移区域中必定具有迁移宽度，所以对自由层施加的介质磁场与在位于记录图案的中心附近时相比衰减为2成至4成左右。因此，差动型再现头的再现输出与现有头相比降低。
本发明的目的在于提供一种磁记录头，具备回避再现输出的劣化，并且呈现高再现分辨率和高SNR的差动型再现头。
本发明的另一目的在于提供一种磁记录再现装置，通过搭载上述磁记录再现头，实现良好的位误码率和高记录密度。
在本发明中，为了解决上述课题，以垂直磁记录方式为前提，磁记录再现头具有差动动作型的再现头和记录头，该再现头具有层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构。另外，磁记录再现装置具有上述磁记录再现头和垂直磁记录介质。
作为磁记录再现头的差动型再现头，第一磁阻效应元件和第二磁阻效应元件使用具有反强磁性层/固定层/非磁性中间层/自由层的层叠结构的自旋阀(Spin Valve)型磁阻效应元件。此处反强磁性层施加用于实质上固定固定层的磁化的交换结合偏置，即使直接与固定层紧密粘结而形成，也可以间接地经由磁性结合发挥效果。或者也可以代替反强磁性层而使用其他偏置施加手段、例如硬磁性膜的残留磁化、或者使用电流偏置。
自由层也可以使用经由反平行结合层结合了膜厚与饱和磁化之积不同的二个以上的多个自由层以使相互的磁化成为反平行的层叠费里(ferri)自由层。固定层也可以使用第一固定层与第二固定层经由反平行结合层结合以使相互的磁化成为反平行的层叠费里(ferri)固定层。此时，该结合需要相对应感知的磁场充分大。具体的反平行结合磁场的大小为几百至几千奥斯特左右。其结果，第二固定层的磁化相对应感知的磁场固定。自由层与应感知的磁场对应地改变磁化的方向。根据与应感知的磁场对应地改变方向的自由层的磁化、与相对应感知的磁场固定的固定层或层叠费里固定层的第二固定层的磁化的相对角度，发生输出。
差动间隙层也可以是单层或多层的层叠结构。另外，为了使自由层单磁区化，配置偏置层。该偏置层优选将相对应感知的磁场具有充分大的保磁力的高保磁力膜配置成在自由层的轨道宽度方向的端部处相互的端部接近。另外，配置用于使电流沿着与膜面大致垂直的方向流过的一对电极。
作为记录头，需要具备用于对介质对置面垂直地施加磁场的主磁极和副磁极的结构。也可以在主磁极的磁头行进方向后方或前方分别具备拖曳(trailing)屏蔽和引导(leading)屏蔽。另外，也可以是在主磁极的轨道宽度方向的两侧具备侧面(side)屏蔽的结构。进而，也可以与主磁极邻接设置用于通过利用热降低介质的保磁力而使记录变得容易的可以对介质照射光的导波路和光源。
在这样的磁记录再现头中，在本发明中，为了实现高分辨率、高再现输出、高SNR，进而采用以下结构。
将二个自由层的内侧之间的距离(G1)与垂直磁记录介质的位长度(b1)之比设定成0.6以上1.6以下。在本发明中，位长度定义为，在磁记录再现装置中使用的最短的位长度。进而，为了提高分辨率，在再现头的层叠结构的外侧设置有作为高透磁率的由强磁性金属构成的磁屏蔽。
通过设为这样的结构，即使在高的线记录密度中也可以实现高的分辨率、再现输出。另外，通过将二个自由层的内侧之间的距离与位长度之比设定成0.8以上1.4以下，可以进一步提高分辨率和再现输出。
本发明的磁记录再现装置搭载上述的磁记录再现头和垂直磁记录介质，垂直磁记录介质具备可以与介质对置面垂直地磁化的垂直磁化膜。在该磁记录再现装置中，得到充分的位误码率(BER)。
根据本发明，在具有使用了二个磁阻效应元件的差动型再现头的磁记录再现头中，通过恰当地控制自由层间的内侧距离和位长度，可以实现高再现输出、高分辨率、高SNR。另外，通过搭载这样的磁记录再现头，在磁记录再现装置中可以实现高线记录密度和良好的位误码率。
附图说明
图1是实施例1的差动型再现头以及垂直磁记录介质的概略剖面图。
图2是从ABS观察实施例1的差动型再现头的概略图。
图3是示出实施例1的磁记录再现头的结构例的斜视图。
图4是搭载了实施例1的磁记录再现头的磁记录再现装置的概略结构图。
图5是图2所示的差动型再现头的详细的结构图。
图6是比较示出屏蔽型头与差动型再现头的孤立波形的图。
图7是在屏蔽型头与G1不同的差动型再现头之间比较示出标准化输出的线记录密度依赖性的图。
图8是在屏蔽型头与G1不同的差动型再现头之间比较示出输出的线记录密度依赖性的图。
图9是示出线记录密度为1500kfci下的位误码率和G1与位长度(B1)之比的关系的图。
图10是示出线记录密度为2500kfci下的位误码率和G1与位长度(B1)之比的关系的图。
图11是示出在本发明中应设定的线记录密度与G1的关系的图。
图12是示出在本发明中在码率为100/106时应设定的G1与用户线记录密度的关系的图。
图13是示出在本发明中在码率为100/106时应设定的差动间隙层100膜厚tg与用户线记录密度的关系的图。
图14是示出线记录密度为1500kfci下的本发明的位误码率和G1与位长度(B1)之比的关系的图。
图15是示出线记录密度为2500kfci下的本发明的位误码率和G1与位长度(B1)之比的关系的图。
图16是从ABS观察实施例2的差动型再现头的概略图。
图17是图16所示的差动型再现头的详细的结构图。
图18是示出在实施例2中在码率为100/106且第一固定层膜厚tp1与第二固定层膜厚tp2之和为26.85nm时应设定的差动间隙层膜厚tg与用户线记录密度的关系的图。
图19是示出在实施例2中在码率为100/106且第一固定层膜厚tp1与第二固定层膜厚tp2之和为15.85nm时应设定的差动间隙层膜厚tg与用户线记录密度的关系的图。
图20是从ABS面观察实施例3的差动型再现头的概略图。
标号说明
10磁记录再现头
15基板
20、20’、20”差动型再现头
25记录头
26主磁极
27副磁极
28线圈
30下部磁屏蔽
31上部磁屏蔽
40绝缘膜
50下部电极
51上部电极
52第一电极
53第二电极
60垂直磁记录介质
100差动间隙层
200第一磁阻效应元件
210第一自由层
220第一中间层
230第一固定层
236第一反强磁性层
300第二磁阻效应元件
310第二自由层
320第二中间层
330第二固定层
334第二反强磁性层
500盘
600主轴电动机
700滑动头
800致动器
900信号处理系统
1000磁记录再现装置
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为便于说明，在以下的图中对相同功能部分附加同一标号来进行说明。
(实施例1)
图1示出实施例1的磁记录再现头的差动型再现头与所对置的垂直磁记录介质的概略剖面图。图2是从ABS(Air bearing surface，气垫面)面观察差动型再现头的概略图。另外，在图中用箭头表示各强磁性层的磁化方向。
如图1和图2所示，差动型再现头10具有从基板15侧依次层叠了第一磁阻效应元件200、差动间隙层100、第二磁阻效应元件300的层叠结构400。第一和第二磁阻效应元件设定成相对磁场得到逆相位的电阻变化。再现头10的第一磁阻效应元件200和第二磁阻效应元件300分别具有第一自由层210和第二自由层310，将第一自由层210与第二自由层310之间的距离定义成G1。例如，在第一自由层210和第二自由层310与差动间隙层100相接的结构时，G1成为差动间隙层的膜厚。另外，如图2所示，在第一磁阻效应元件200与第二磁阻效应元件300的轨道宽度方向上的两侧，可以设置用于使自由层单磁区化的永久磁铁膜450。在二个磁阻效应元件的外侧(上下)，可以设置用于使电流沿着膜厚的垂直方向流过的一对电极。对于电极，将靠近基板15的一方称为下部电极50，将远离基板15的一方称为上部电极51。也可以代替下部以及上部电极，而使用导电性的强磁性体而兼作电极与磁屏蔽的作用。
图1所示的垂直记录介质60的记录层(垂直磁化膜)磁性地沿着与ABS面垂直的方向被磁化。记录介质60如果满足可以垂直记录的特征，则即使除此以外的结构不同，也不会损伤本发明的效果。例如，对于垂直记录介质60，也可以是连续存在各位的所谓连续介质，也可以是在多个轨道之间设置有无法利用记录头进行写入的作为非磁性的区域的所谓离散轨道记录介质(discrete track media)。另外，也可以是在基板上包括凸状的磁性图案和填充磁性图案之间的凹部的非磁性体的所谓图案化介质(patterned media)。
图3是示出实施例1的磁记录再现头10的结构的斜视图。如图3所示，磁记录再现头10在基板15上具有差动型再现头(下部磁屏蔽30、层叠结构400、上部磁屏蔽31)20、和记录头(主磁极26、副磁极27、线圈28)25。即使在垂直记录头(记录头)25中为了辅助磁记录，而具备屏蔽、用于对垂直磁记录介质60进行加热的光源等，也不会损伤本发明的宗旨。例如，可以在主磁极26的拖曳(trailing)侧、引导(leading)侧、轨道宽度方向的两侧，分别设置拖曳屏蔽、引导屏蔽、侧面(side)屏蔽。另外，还可以设置连接了拖曳屏蔽与侧面屏蔽的卷绕(wrap around)屏蔽。另外，可以在靠近主磁极26的位置，设置用于对磁记录介质60进行加热的具有发光元件和导波路的光探测器。
图4示出搭载了上述磁记录再现头10的磁记录再现装置(磁盘装置)的概略结构。如图4所示，在磁记录再现装置1000中，利用主轴电动机600使保持磁性地记录信息的垂直磁记录介质60的盘500旋转，利用致动器800使滑动头700在盘500的轨道上感应。即在磁盘装置1000中，在滑动头700上形成有上述实施例1的磁记录再现头10，利用滑动头700向垂直磁记录介质60上的规定的记录位置接近并相对运动，而依次写入以及读取信号。致动器800优选为旋转式致动器(rotary actuator)或微型致动器。记录信号经由信号处理系统900通过记录头记录到介质上，作为信号经由信号处理系统900而得到差动型再现头20的输出。进而在使差动型再现头20在期望的记录轨道上开始移动时，使用来自本差动型再现头20的高灵敏度的输出来检测轨道上的位置，控制致动器800，可以进行滑动头700的定位。在图4中分别示出一个滑动头700、盘500，但它们也可以是多个。另外盘500也可以在两面具有垂直磁记录介质60而记录信息。在盘的两面记录信息的情况下，滑动头700被配置于盘的两面。
图5示出更详细的从ABS面观察差动型再现头20的结构例。差动间隙层100的结构也可以是单层或层叠结构。在第一磁阻效应膜200的基本结构中，从基板15侧依次为第一固定层230/第一中间层220/第一自由层210。当然，也可以在最下层形成恰当的基底层。同样地，在第二磁阻效应膜300的基本结构中，从靠近差动间隙层100的一侧依次为第二自由层310/第二中间层320/第二固定层330。也可以在最上层形成恰当的保护层。
以下，示出用于使第一磁阻效应元件200和第二磁阻效应元件300相对同一外部磁场方向呈现逆相位的电阻变化的第一固定层230和第二固定层330的结构的一个例子。第一固定层230是第一反强磁性层236、交替层叠了m层(m：奇数)的强磁性层与m-1层的反强磁性层间结合层的所谓层叠费里结构的层叠膜。第二固定层330是交替层叠了n层(n：偶数)的强磁性层与n-1层的反强磁性层间结合层的层叠费里结构、第二反强磁性层334的层叠膜。由此，在沿着同一方向固定了与第一反强磁性层236以及第二反强磁性层334相接的强磁性层(第一固定层230以及第二固定层330的结构要素)的磁化的情况下，实质上对磁阻效应贡献的与第一中间层220以及第二中间层320相接的强磁性层(第一固定层230以及第二固定层330的结构要素)的磁化沿着反平行的方向被固定。因此，第一磁阻效应膜200和第二磁阻效应膜300相对同一方向的信号磁场呈现逆相位的电阻变化特性。另外，即使n为奇数，m为偶数，也不损伤本发明的宗旨。
在本结构例中，为了实现高的分辨率和再现输出，进而在差动型再现头20的层叠结构400外侧，隔着一对电极50、51设置有一对磁屏蔽。靠近基板15的一方的磁屏蔽为下部磁屏蔽30，远离的一方的磁屏蔽为上部磁屏蔽31。通过设置磁屏蔽，可以进一步提高分辨率。另外，磁记录再现装置的位长度(b1)与G1设定成具有下式(1)的关系。
0.6＜G1/b1＜1.6(1)
此处，位长度(b1)为磁记录再现装置中使用的最短的记录图案长度、即线记录密度最高时的图案的长度。另外，图案长度是指，垂直磁记录介质的磁化的朝向成为相同方向的区域的垂直磁记录介质的圆周方向的长度。一般在磁记录再现装置中，记录图案长度为位长度的一倍至十倍左右，复合不同的部分而用作信号。
图6示出通过微磁学模拟求出的上述差动型再现头20中的第一磁阻效应膜200单体、第二磁阻效应膜300单体、以及将它们经由差动间隙层100串联连接的作为差动型再现头20的孤立波形。第一磁阻效应膜200的单体输出1、第二磁阻效应膜300的单体输出2的孤立波形如图所示，成为垂直磁记录方式特有的矩形型的再现波形。另一方面，差动型再现头20的差动输出的孤立波形成为在第一磁阻效应膜200单体、第二磁阻效应膜300单体的孤立波形中出现的输出变化点(对应于记录位的磁化反转区域)处成为输出峰值的洛伦兹(Lorentz)型的再现波形。其原因为，在差动型再现头20中，成为利用二层的自由层实现的基于各个信号磁场检测的差动输出，所以成为微分的再现波形。
以下，对在上述实施例1的磁记录再现头10中，通过恰当地控制第一自由层210与第二自由层310之间的距离(G1)与位长度(B1)之比而得到的效果进行说明。
图7示出标准化输出的线记录密度依赖性的计算结果。磁记录再现装置的最高线记录密度为1500kfci，位长度(B1)为17nm。比较示出通常的屏蔽型磁阻效应头(使用单体的磁阻效应膜)与图5所示的实施例1的差动型再现头20。通常的屏蔽型磁阻效应头的上下磁屏蔽间隔为20nm。差动型再现头20的上下磁屏蔽间隔为60nm，差动间隙层100的膜厚与G1相等，为7nm、20nm、35nm。
在本发明中需要满足式(1)，所以G1需要设定在8.5nm至27nm的范围，仅G1为20nm的差动型再现头是实施例1的结构。
如果对差动型再现头与屏蔽型再现头的分辨率进行比较，则G1为7nm和20nm的差动型再现头呈现比屏蔽型再现头高的分辨率。在屏蔽型磁阻效应头中，将上下磁屏蔽间隔设为20nm是极其困难的。另一方面，由于易于将差动型再现头的差动间隙层100的膜厚设定在1nm至100nm左右的范围，所以差动型再现头可以实现比屏蔽型再现头高的分辨率。接下来，对G1不同的差动型再现头的再现分辨率进行比较。G1越大，再现分辨率越恶化，特别在G1为35nm的差动型再现头中，在1000kfci以上时与屏蔽型再现头相比，规格化再现输出降低。其原因为，如果G1接近位长度的二倍的长度，则读入本来应再现记录的位的相邻的位的信号磁场。因此，在高线记录密度中G1大的差动型再现头中，伴随输出降低，SNR降低。因此，需要将G1与位长度之比设定成某值以下。
接下来，图8示出再现输出的线记录密度依赖性。差动型再现头、线记录密度的条件与图7所示的条件相等。如果对屏蔽型再现头与差动型再现头的再现输出进行比较，则可知G1为35nm和20nm的差动型再现头的输出大于屏蔽型再现头。但是，可知在G1为7nm的差动型再现头中与通常的屏蔽型再现头相比，输出大幅减小。其原因为，G1越小，在差动再现波形的峰值下对自由层施加的磁场越小。如果再现输出大幅降低，则SNR也降低，所以即使是高分辨率也不能得到高的位误码率。因此，需要根据记录密度即位长度，将G1设定成某值以上。
为了决定为了达成某线记录密度而所需的G1与位长度(B1)之比，测定G1不同的差动型再现头的位误码率(BER)。对于位误码率，根据通过微磁学模拟得到的差动波形，生成实际的磁记录再现装置中使用的随机图案，使用一般在磁记录再现装置中使用的读出写入通道生成再现波形，测定数据区域中的错误数，从而测定位误码率。本研究中使用的差动型再现头的轨道宽度和元件高度为50nm，电阻值为40Ω，dR/R为10％。头噪声考虑了起因于电阻的热噪声(JohnsonNoise)、放大器等的系统噪声、磁性层的热磁化偏差。图9示出搭载了线记录密度为1500kfci、即位长度为17nm的实施例1的差动型再现头20的磁记录再现装置的位误码率(BER)和G1与位长度(B1)之比(G1/b1)的关系。位误码率的G1/b1的依赖性成为在某G1/b1处具有极小值的向下凸型的关系。其原因为，如上所述，在G1/b1大时分辨率降低，从而位误码率恶化，在G1/b1小时再现输出降低，所以位误码率恶化。一般，磁记录再现装置的位误码率从信号的可靠性的观点出发，要求为10-7以下。因此，为了实现10-7以下的位误码率，需要将G1/b1设定成0.5以上1.6以下。另外，为了对本实施例1的结构与现有的屏蔽型再现头结构进行比较，还测定了屏蔽型再现头的位误码率。记录密度设为1500kfci。屏蔽型再现头的屏蔽间隔设为30nm，轨道宽度和元件高度设为50nm，电阻值设为40Ω，dR/R设为10％。屏蔽型再现头的位误码率为10-6.0。因此，通过搭载实施例1的差动型再现头20，可以得到比屏蔽型再现头优良的位误码率。
进而，搭载了实施例1的差动型再现头20的磁记录再现装置的位误码率的G1/b1依赖性几乎与线记录密度无关。图10示出磁记录再现装置的线记录密度为2500kfci下的G1/b1与位误码率(BER)的关系。如图10所示，位误码率成为10-7以下时的G1/b1的范围为0.5以上1.7以下，与线记录密度为1500kfci时几乎相等。另一方面，屏蔽型再现头的位误码率为10-3.0。其原因为，在屏蔽型再现头中分辨率较大地降低。另一方面，在本实施例1的差动型再现头20中，与记录密度一起G1也变小，所以分辨率不会降低而可以维持良好的位误码率。
根据上述理由，通过对第一自由层210与第二自由层310之间的距离(G1)与位长度(b1)之比进行控制，即使在高线记录密度下也可以得到良好的位误码率，可以实现高的线记录密度。
以下示出在磁记录再现装置中，用于恰当地设定G1与位长度(b1)之比的进一步详细的结构。图11示出在实施例1的结构例中应设定的G1与物理地对磁记录介质进行记录的最高线记录密度(kfci)的关系。可以从式(1)容易地导出图11所示的G1的范围。另外，磁记录再现装置的记录密度是根据作为一般实际上用户可以使用的线记录密度的用户数据线记录密度(BPI)与轨道密度(TPI)之积来决定的。例如，在面记录密度为500Gb/in2的磁记录再现装置中，用户数据线记录密度为1415kbpi，轨道密度为353ktpi。可以根据磁记录再现装置的用户数据线记录密度和码率，用下式(2)求出位长度(b1)。
b1＝1/(BPI/码率)(2)
此处，码率表示用户数据线记录密度与物理地对磁记录介质进行记录的最高线记录密度(kfci)之比。例如，在用户数据线记录密度为1415kBPI且码率为100/106的磁记录再现装置中，物理地对磁记录介质进行记录的最高线记录密度为1500kfci，位长度(b1)为17nm。另外，码率一般可以设定成1以上的任意值，不论码率成为何值，都不会损伤本发明的宗旨。图12示出在搭载了实施例1的差动型再现头12的磁记录再现装置中，为了实现任意的用户数据线记录密度(kBPI)而所需的G1的范围。另外，码率为100/106。进而，图13示出本结构例中的差动间隙层100的膜厚tg与用户数据线记录密度(kBPI)的关系。在本结构例中应设定的G1与差动间隙层100的膜厚tg相等。
接下来，对图2以及图5所示的差动型再现头20的各结构要素的具体的组成以及膜厚进行说明。对于基板15、下部磁屏蔽30以及上部磁屏蔽31、绝缘膜40，在本发明中无需特别的限定，所以以一般使用的材料为一个例子。将AlTiC、SiC或对它们覆盖了Al2O3而得到的材料用作基板15，将Ni-Fe合金及其氮化物、Co-Zr或Co-Hf或Co-Ta类非晶质合金等的单层或多层膜用作下部磁屏蔽30以及上部磁屏蔽31即可。对于上述材料，易于通过溅射法、镀敷法来形成。通过将Al2O3、SiO2、AlN、SiN、它们的混合物以及多层膜用作绝缘膜40，可以防止下部磁屏蔽30与上部磁屏蔽31的短路。对于上述材料，易于通过溅射法形成，所以是优选的。
对于第一磁阻效应膜200/差动间隙层100/第二磁阻效应膜300的形成，从膜厚以及合金组成的控制性、量产效率的观点出发，优选通过溅射法来制出。对于第一磁阻效应膜200的膜结构例，例如Ni85Fe15(3)/Co90Fe10(1)/MgO(1)/Co90Fe10(2.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(4)/Ru(0.45)/Co75Fe25(1.5)/Mn80Ir20(6)等为优选的一个例子。()内的数值表示膜厚，单位为nm。另外，用元素的下标表示的各合金组成的单位为at％。Mn80Ir20(6)相当于第一反强磁性层236，Co75Fe25(2)/Ru(0.45)/Co90Fe10(2.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(2.5)相当于第一固定层230，MgO(1)相当于第一中间层220，Co90Fe10(1)/Ni85Fe15(3)相当于第一自由层210。另外，也可以将Ta(3)/Ru(2)形成为第一反强磁性层236的基底层。另外，此处示出了将MgO用作第一中间层的TMR膜的例子，但除了MgO以外，还可以将包含Mg、Al、Si、Ti、V、Mn、Zr、Nb、Hf、Ta等的氧化物或氮化物用作中间层材料。另外，如果构成为在第一中间层中使用Cu、Ag、Au、以它们为主成分的合金，则可以直接用作CPP-GMR膜。进而，也可以将第一中间层构成为在Al2O3那样的绝缘性材料中通过Cu等金属性的引线孔(Pin Hole)形成传导路径的所谓“电流狭窄型”。
同样地，对于第二磁阻效应膜300的膜结构例，例如设为Ni85Fe15(3)/Co90Fe10(1)/MgO(1)/Co90Fe10(2.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(3)/Mn80Ir20(6)即可。即，通过构成为使第一磁阻效应膜200的层叠顺序成为对称，可以得到大致等同的磁阻变化特性。为了对面积电阻、磁阻变化率进行微调整，主要恰当地使中间层的膜厚最佳化即可。唯一的不同点在于固定层的结构。第二磁阻效应膜300中的第二固定层330为Co90Fe10(2.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(3)。都成为交替层叠了Co-Fe强磁性层与具有反强磁性的层间结合的Ru层的所谓“层叠费里”结构。在第一磁阻效应膜200中的第一固定层230包括三层的Co-Fe层，第二磁阻效应膜300中的第二固定层330包括二层的Co-Fe层的点上，具有差异。即，第一固定层230为交替层叠了m层(m：奇数)的强磁性层与m-1层的反强磁性层间结合层的层叠费里结构，第二固定层330为交替层叠了n层(n：偶数)的强磁性层与n-1层的反强磁性层间结合层的层叠费里结构。
由此，在沿着同一方向固定了与第一反强磁性层236以及第二反强磁性层334相接的强磁性层(第一固定层230以及第二固定层330的结构要素)的磁化的情况下，与实质上对磁阻效应贡献的第一中间层220以及第二中间层320相接的强磁性层(第一固定层230以及第二固定层330的结构要素)的磁化沿着反平行方向被固定。因此，第一磁阻效应膜200与第二磁阻效应膜300相对同一方向的信号磁场，呈现逆相位的电阻变化特性，成为适合于差动动作的形态。另外，也可以置换成m：偶数、n：奇数。
对于差动间隙层100的具体组成，可以使用Cr、Cu、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、或Er、或包含这些元素的合金。应注意的点在于，设为不会经由差动间隙层100，在第一自由层210与第二自由层310之间产生磁阻效应的材料类。差动间隙层100中可以使用的金属主要可以分类成A(Cr、Cu、Pd、Ag、Ir、Pt、Au)、B(Mo、Ru、Rh、Ta、W)、C(Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er)这三个组。作为使用了A组的金属的差动型再现头的特征，具有电气电阻比其他B或C组低的特征。作为B组的特征，具有针对物理性的研磨的抗性比其他A或C组强的特征。作为C组的特征，具有起因于自旋扭矩(spin torque)的自旋扭矩噪声比其他A或B组小这样的特征。对于这些元素，可以根据磁记录再现装置的记录密度即差动型再现头的轨道宽度、G1等元件尺寸、电气电阻值，选择相应的元素。
如以上说明，根据实施例1的磁记录再现头，即使位长度降低、即线记录密度变高，也可以维持高的分辨率和高的再现输出。另外，由于可以较高地维持再现输出，所以也可以提高SNR。另外，通过在磁记录再现装置中搭载该磁记录再现头，可以得到所需的位误码率，可以达成高的线记录密度。
接下来，在搭载了实施例1的磁记录再现头的磁记录再现装置中，为了稳定地得到良好的位误码率(BER)，将差动型再现头中的二个自由层的内侧的距离(G1)与位长度(B1)之比设定成满足下式(3)的范围。
0.8＜G1/b1＜1.4(3)
图14示出上述范围中的磁记录再现装置的位误码率(BER)和二个自由层的内侧的距离(G1)与位长度(b1)之比(G1/b1)的关系。线记录密度设为1500kfci。同样地，图15示出线记录密度为2500kfci下的位误码率(BER)和二个自由层的内侧的距离(G1)与位长度(b1)之比(G1/b1)的关系。从图14和图15可知，在该范围中不依赖于线记录密度，可以实现比式(1)的范围良好的位误码率。另外，在该范围中，与实施例1相比，即使二个自由层的内侧的距离(G1)与位长度(b1)之比(G1/b1)变化，也稳定地得到良好的位误码率的值。因此，作为磁记录再现装置的余量扩大。
(实施例2)
图16示出实施例2的差动型再现头20’的结构。在本结构例中，仅差动型再现头的结构与实施例1的结构不同。因此，省略与实施例1重复的差动型再现头以外的磁记录再现头以及磁记录再现装置的说明。本结构例构成为从实施例1的结构，将第一自由层210与第一固定层230、以及第二自由层310与第二固定层330相互置换。在本结构例中也如实施例1所述，本质上也需要恰当地设定二个自由层的内侧的距离(G1)与位长度(b1)之比，其范围也与实施例1叙述的式(1)相等。因此，在搭载本差动型再现头20’的磁记录再现装置中，G1与最高的线记录密度(kfci)也满足图11的关系。另外，如果与实施例1同样地码率为100/106，则用户线记录密度(kbpi)与G1的关系显然也满足图12的关系。但是，相对于在实施例1中G1与差动间隙层100的膜厚一定相等，在本结构例中的G1成为差动间隙层100的膜厚、第一固定层230的膜厚、第二固定层330的膜厚之和的点上不同。因此，在本结构例中，需要使差动间隙层100膜厚tg、第一固定层230的膜厚tp1、第二固定层330的膜厚tp2之和小于从式(1)导出的G1，需要满足下式(4)
tp1+tp2+tg＜G1(4)
图17示出详细的结构例。对于第一磁阻效应膜200’的膜结构例，例如从差动间隙层100侧依次为Mn80Ir20(6)/Co75Fe25(1.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(4)/Ru(0.45)/Co90Fe10(2.5)/MgO(1)/Co90Fe10/Ni85Fe15(3)，对于第二磁阻效应膜300’的膜结构例，从上部电极51侧依次为Ni85Fe15(3)/Co90Fe10(1)/MgO(1)/Co90Fe10(3.0)/Ru(0.45)/Co90Fe10(2.5)/Mn80Ir20(6)等是优选的结构。在作为一个例子示出的上述膜结构中，第一固定层膜厚tp1为14.9nm，第二固定层膜厚tp2为11.95nm。
图18示出本结构例中的满足式(1)和式(3)的差动间隙层100膜厚tg的范围的一个例子。如图所示，在1400kbpi以上的用户线记录密度中差动间隙层100膜厚tg成为负，难以实现其以上的线记录密度。因此，通过对第一固定层230膜厚tp1与第二固定层330膜厚tp2进行薄膜化，可以满足式(3)。作为对固定层进行了薄膜化的膜结构例子，对于第一磁阻效应膜200’的膜结构例，从差动间隙层100侧依次为Mn80Ir20(4)/Co75Fe25(1.0)/Ru(0.45)/Co90Fe10(2.0)/Ru(0.45)/Co90Fe10(1.0)/MgO(1)/Co90Fe10/Ni85Fe15(3)，对于第二磁阻效应膜300’的膜结构例，从上部电极51侧依次为Ni85Fe15(3)/Co90Fe10(1.5)/MgO(1)/Co90Fe10(1.5)/Ru(0.45)/Co90Fe10(1.0)/Mn80Ir20(4)等是优选的结构。
本膜结构例中的tp1为9.9nm，tp2为6.95nm。图19示出本结构例中的满足式(1)和式(3)的差动间隙层100膜厚tg的范围的一个例子。如图所示，通过对固定层进行薄膜化，可以实现2400kbpi的用户线记录密度。另外，通过减少固定层的层数，可以降低总固定层膜厚(tg1+tg2)，进而还可以实现高的用户线记录密度。如上所述在本结构例中也通过设定膜结构以使位长度与G1具有恰当的关系，即使在高线记录密度下，作为磁记录再现装置也可以得到充分的位误码率。进而，本结构例是差动间隙层100膜厚tg与实施例1相比薄膜化的膜结构。因此，无需增加制膜工艺的工序数，可以降低成本。另外，在本结构例中，也可以将应设定的G1与位长度之比(G1/b1)设定于在实施例1的式(3)中确定的范围。
(实施例3)
实施例3的差动型再现头20”的结构与实施例1的结构相比，差动型再现头的通电方向不同。对于与差动型再现头以外的磁记录再现头以及磁记录再现装置相关的结构，由于是同样的结构，所以省略说明。图20示出本结构例中的差动型再现头。在本结构例中无需实施例1的结构中的下部电极50和上部电极51，而代替地在第一磁阻效应元件200和第二磁阻效应元件300的轨道宽度方向的两端分别独立设置有第一电极52和第二电极53。与其相伴，在第一磁阻效应膜200的轨道宽度方向的外侧设置有第一永久磁铁膜21，在第二磁阻效应膜300的外侧设置有第二永久磁铁膜22。此处，为了使电流独立地流过二个磁阻效应元件，需要使差动间隙层100充分大于绝缘体或磁阻效应膜。差动间隙层100的材料无需特别限定，所以作为一般使用的材料的一个例子，可以举出Al2O3、SiO2、AlN、SiN、它们的混合物以及多层膜。在本结构例中，通过使同极性的电流独立地流过第一磁阻效应元件200以及第二磁阻效应元件300，并串联地合成二个磁阻效应元件的输出电压，从而得到与实施例1记载的结构例同样的差动波形以及输出、分辨率、SNR的特性。因此，即使在搭载了本实施例的差动型再现头20”的磁记录再现装置中，与实施例1以及实施例2同样地，通过恰当地设定G1与位长度，即使在高的线记录密度下也可以得到良好的位误码率。

Claims (20)

1.一种磁记录再现头，其特征在于，具有再现头和与上述再现头邻接配置的记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；配置在上述层叠结构的外侧的一对电极；以及配置在上述电极的外侧的一对磁屏蔽，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作，
上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下。
2.根据权利要求1所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和上述记录位长之比为0.8以上1.4以下。
3.根据权利要求1所述的磁记录再现头，其特征在于，上述记录头为具备主磁极和副磁极的垂直记录用头。
4.根据权利要求3所述的磁记录再现头，其特征在于，在上述主磁极的尾部侧具有尾部屏蔽，在轨道宽度方向的两侧具有侧面屏蔽。
5.根据权利要求4所述的磁记录再现头，其特征在于，还在上述主磁极的头部侧具有头部屏蔽。
6.根据权利要求1所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第一固定层、第一中间层、第一自由层的层叠膜，
上述第二磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第二自由层、第二中间层、第二固定层的层叠膜。
7.根据权利要求1所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第一自由层、第一中间层、第一固定层的层叠膜，
上述第二磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第二固定层、第二中间层、第二自由层的层叠膜。
8.根据权利要求1所述的磁记录再现头，其特征在于，上述差动间隙层由从Cr、Cu、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er的组中选择的至少一种元素或包含这些元素的合金构成。
9.一种磁记录再现头，其特征在于，具有再现头和与上述再现头邻接配置的记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；配置在上述层叠结构的外侧并且兼作一对电极的一对磁屏蔽，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作，
上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下。
10.一种磁记录再现头，其特征在于，具有再现头和与上述再现头邻接配置的记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；为了使电流沿着上述第一磁阻效应元件与第二磁阻效应元件的膜面方向独立地流过而配置于上述层叠结构的两侧的二对电极；以及配置在上述层叠结构的外侧的一对磁屏蔽，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作，
上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下。
11.根据权利要求10所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和上述记录位长之比为0.8以上1.4以下。
12.根据权利要求10所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第一固定层、第一中间层、第一自由层的层叠膜，
上述第二磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第二自由层、第二中间层、第二固定层的层叠膜。
13.根据权利要求10所述的磁记录再现头，其特征在于，上述第一磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第一自由层、第一中间层、第一固定层的层叠膜，
上述第二磁阻效应元件为从上述基板依次层叠了第二固定层、第二中间层、第二自由层的层叠膜。
14.根据权利要求10所述的磁记录再现头，其特征在于，上述记录头为垂直记录用头，该垂直记录用头具有主磁极和副磁极，在上述主磁极的尾部侧具有尾部屏蔽，在两侧具有侧面屏蔽。
15.根据权利要求10所述的磁记录再现头，其特征在于，上述差动间隙层由从Cr、Cu、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er的组中选择的至少一种元素或包含这些元素的合金构成。
16.一种磁记录再现装置，其特征在于，具有：
垂直磁记录介质，具有垂直磁化膜；
用于使上述垂直磁记录介质旋转的单元；
磁记录再现头，具有再现头、和与上述再现头邻接配置的具备主磁极和副磁极的垂直记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；配置在上述层叠结构的外侧的一对电极；以及配置在上述电极的外侧的一对磁屏蔽，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为上述垂直磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作；以及
用于处理上述磁记录再现头对上述垂直磁记录介质记录或再现的信号的单元。
17.根据权利要求16所述的磁记录再现装置，其特征在于，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和上述记录位长之比为0.8以上1.4以下。
18.一种磁记录再现装置，其特征在于，具有：
垂直磁记录介质，具有垂直磁化膜；
用于使上述垂直磁记录介质旋转的单元；
磁记录再现头，具有再现头、和与上述再现头邻接配置的具备主磁极和副磁极的垂直记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；配置在上述层叠结构的外侧并且兼作一对电极的一对磁屏蔽，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为上述垂直磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作；以及
用于处理上述磁记录再现头对上述垂直磁记录介质记录或再现的信号的单元。
19.一种磁记录再现装置，其特征在于，具有：
垂直磁记录介质，具有垂直磁化膜；
用于使上述垂直磁记录介质旋转的单元；
磁记录再现头，具有再现头、和与上述再现头邻接配置的具备主磁极和副磁极的垂直记录头，该再现头具有：从基板侧依次层叠了具有第一自由层的第一磁阻效应元件、差动间隙层、具有第二自由层的第二磁阻效应元件的层叠结构；为了使电流沿着上述第一磁阻效应元件与第二磁阻效应元件的膜面方向独立地流过而配置于上述层叠结构的两侧的二对电极；以及配置在上述层叠结构的外侧的一对磁屏蔽，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和作为上述垂直磁记录介质的物理长度的记录位长之比为0.6以上1.6以下，上述第一磁阻效应元件与上述第二磁阻效应元件相对同一方向磁场具有逆相的电阻变化，从而进行差动动作；以及
用于处理上述磁记录再现头对上述垂直磁记录介质记录或再现的信号的单元。
20.根据权利要求19所述的磁记录再现装置，其特征在于，上述第一自由层与上述第二自由层的内侧的距离和上述记录位长之比为0.8以上1.4以下。
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