JP2003006818A - 反平行に結合した２枚の強磁性膜を用いた磁気抵抗再生ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のハードバイアス構造では０.３マイクロ
メートル以下の狭トラックで再生出力の高い安定なスピ
ンバルブ型磁気ヘッドを提供できなかった。 【解決手段】反強磁性側の強磁性固定層の磁化量を非磁
性中間層側の磁化量に対し過剰に設定することで 高出
力、安定性の良い磁気ヘッドが得られ、狭ギャップでも
出力が高い高記録密度の磁気記録再生装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサ、磁気
記録再生装置および磁気抵抗効果素子に関し、特に、高
記録密度磁気記録再生装置と、その製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ. ７９(１９９
６)５２７７には電子の鏡面反射を用いた磁気抵抗素子
に関する記載がある。特開平７−１６９０２６には２層
の強磁性固定層を有する薄膜磁気ヘッドに関する記載が
ある。特開平７−２３６３９３には磁化容易軸の方向を
考慮した薄膜磁気ヘッドに関する記載がある。特開平１
１−１８５２１９には固定層として高抵抗磁性膜を用い
た薄膜磁気ヘッドに関する薄膜磁気ヘッドに関する記載
がある。特開平１１−２７３０３４には反強磁性交換膜
の着磁方向を考慮した薄膜磁気ヘッドに関する記載があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 従来の技術では、記
録密度の十分に高い磁気記録装置、特にその再生部に媒
体磁界に対して十分な感度を有する磁気抵抗効果型磁気
ヘッドを実現し、さらに十分に再生波形の対称性の良い
特性を得ることが出来ず、記憶装置として有利な特性を
実現することが困難であった。近年、強磁性金属層を、
非磁性中間層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果、
いわゆる巨大磁気抵抗が知られている。この場合、磁気
抵抗効果は、非磁性中間層で隔てられたそれぞれの強磁
性層の磁化のなす角度によって電気抵抗が変化する。こ
の巨大磁気抵抗効果を磁気抵抗効果素子として用いる場
合に、スピンバルブとよばれる構造が提唱されている。
即ち、反強磁性膜／強磁性層／非磁性中間層／軟磁性自
由層の構造を有し、反強磁性膜／強磁性層界面に発生す
る交換結合磁界によって反強磁性膜と密着した強磁性層
の磁化を実質的に固定し、他方の軟磁性自由層が外部磁
界によって磁化回転することで電気抵抗が変化し、これ
に感知電流を流すことで再生出力を得ることができる。
上記固定の効果を固定バイアス、この効果を生じる膜を
固定バイアス膜と呼ぶことにする。また、上記磁化が実
質的に固定される強磁性層を固定層、もしくは強磁性固
定層と呼ぶことにする。同様に外部磁場によって磁化回
転する軟磁性膜を自由層もしくは軟磁性自由層と呼ぶこ
とにする。固定層は、感知すべき磁界に対して、実質的
に平行に磁化が固定されていることが望ましい。それに
より、上下に対称で最も振幅の大きな再生波形が得られ
る。固定バイアス膜として反強磁性膜の代わりに硬磁性
膜、すなわち比較的大きな磁界が加わらない限り磁化が
変化しない材料で代換することもできる。最近、スペキ
ュラー効果やあるいはＳｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆｅｒｒｉ
ｍａｇｎｅｔ構造と呼ばれるような強磁性固定層を多層
構造にする構造も提唱されているが、非磁性中間層に直
接接合する界面の強磁性層の磁化が実質的に固定されて
いる点ではすべて同様である。特に上記Ｓｙｎｔｈｅｔ
ｉｃ ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔ構造では強磁性固定層を
２層構造とするが、ここでは上記固定バイアス膜に接し
て積層される強磁性固定層を第一の強磁性固定層と呼
び、上記第一の強磁性固定層上に反平行結合層を介して
積層され、上記軟磁性自由層側に隣接する強磁性固定層
を第二の強磁性固定層と呼ぶことにする。上記第一の強
磁性固定層および上記第二の強磁性固定層には上記反平
行結合層から交換結合磁界が印加されており、その方向
は上記反平行結合層を介して反対側の強磁性固定層の磁
化の方向とおよそ１８０°の方向を向いている。

【０００４】磁気抵抗効果型磁気ヘッドには上記軟磁性
自由層の磁化を制御するための磁区制御構造を有する。
上記軟磁性自由層を単磁区状態にし、感知すべき磁界に
対してヒステリシスのない出力を持たせる機能を有す
る。一般的な磁区制御構造であるハードバイアスと呼ば
れる構成は以下の構成を有する。感知領域の幅、すなわ
ちトラック幅に形成した磁気抵抗効果膜の両端部に硬磁
性膜を所定の厚さで配置する。硬磁性膜の磁化は着磁工
程によってトラック幅方向に残留磁化を有するように設
定され、上記残留磁化によって硬磁性膜のトラック幅方
向の端部に磁荷が発生し、トラック幅方向に静磁界が発
生する。上記ハードバイアス構造において硬磁性膜がト
ラック幅方向に発生させる静磁界を縦バイアス磁界と呼
ぶことにする。また、硬磁性膜のかわりに反強磁性膜な
どを用いて残留磁化を発生させた構造でも同様である。
上記軟磁性自由層の端部に発生する磁荷が上記軟磁性自
由層内に作る反磁界を、上記縦バイアス磁界が打ち消
し、静磁エネルギーを下げることで上記軟磁性自由層を
単磁区化するのである。一方、上記縦バイアス磁界は上
記固定層のトラック端部にも印加されており、その強さ
は構造にもよるが、例えば２０００エルステッドに及
び、上記固定バイアス膜による交換結合磁界（３００〜
１０００エルステッド）に比べて無視できない値であ
る。従って上記固定層のトラック端部の磁化の方向は、
上記縦バイアス磁界の印加により感知すべき磁界と略平
行な方向から上記縦バイアス磁界方向へ回転せしめら
れ、この磁化の回転は上記固定層内の強磁性交換相互作
用を通して、固定層のトラック中央部へ向かって伝播
し、結局上記固定層のトラック端部付近の領域の磁化が
最適な方向から回転せしめられる問題が発生していた。
トラック幅が比較的広い磁気抵抗素子では、上記縦バイ
アス磁界の方向へ回転せしめられる上記固定層磁化の領
域が、上記固定層全体に対し僅かであり、上記固定層の
膜面全体で平均すると、上記固定層の磁化は感知すべき
磁界と略平行な方向にほぼ固定されていると見なすこと
ができた。

【０００５】しかしながら磁気抵抗効果素子のトラック
幅が狭くなったとき、具体的には０.３乃至は０.２マイ
クロメ−トル以下になった時に、上記固定層の膜面全体
に対して、上記固定層の磁化の回転領域の割合が大きく
なり、もはや上記固定層は感知すべき磁界と略平行な方
向に固定されていると見なせなくなる。さらに、上記固
定層が上記軟磁性自由層に作る静磁界の方向とは反対方
向に静磁界が発生するように感知電流を流すため、この
感知電流によって上記固定層にはその磁化方向とは反対
方向の磁界が印加され、これが上記固定層の磁化の回転
を助長してしまう。さらに、感知電流によるスピンバル
ブ磁気抵抗素子の温度上昇によって上記固定バイアスが
低下せしめられ、上記固定層の磁化の回転を促進させて
しまう。このように上記固定層の磁化が回転すると、上
記軟磁性自由層と上記固定層とのなす角度が変化し、感
知すべき磁界に対する上記軟磁性自由層の磁化回転過程
が非対称となり、再生出力の低下ならびに再生波形対称
性の劣化等が引き起こされるのである。このような再生
出力特性の劣化を防止するには縦バイアス磁界を低減、
すなわち硬磁性膜の残留磁化量を極力低くせしめること
が重要だが、このような磁化量の低減には上記軟磁性自
由層の単磁区化の効果を低下せしめて素子の変動が発生
する恐れが高くなる。従来、このような良好な再生出力
特性と安定性の競合は安定性の得られる最低限の磁化量
を採用することで対応されたわけであるが、トラック幅
が狭小になると安定性の得られるときの再生出力特性が
良好でなくなるという現象が生じるのである。あるい
は、上記のような良好な再生出力特性と安定性の両立を
達成するために、硬磁性膜などの磁荷を磁気抵抗効果積
層膜のトラック幅の端部の正確な位置に最低限の量を配
置する必要がある。しかしながら、従来型の磁区制御構
造とそのプロセス技術では、近年の狭小なトラック幅の
磁気ヘッドに対してこれを実現することができず、狭小
なトラック幅で安定な再生出力と良好な波形対称性を実
現する固定層の磁化の安定した構造を実現できなかっ
た。そこで本発明の目的は高密度記録に対応した長期信
頼性の高い磁気記録装置もしくは磁気センサーを用いた
磁気ヘッドを提供することにあり、より具体的には強磁
性固定層を２層構造にする構造を採用し、上記第一の強
磁性固定層と上記第二の強磁性固定層の磁化量および上
記縦バイアス磁界を適切な設定に調整することにより、
上記第二の強磁性固定層の磁化の方向が前記縦バイアス
磁界等で回転せしめられることを防ぎ、本来の感知すべ
き磁界と略平行な方向へ向かせることで安定で高感度の
スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた再生出力の高
いスピンバルブ型磁気ヘッドを提供し、さらにこれを用
いた磁気記録再生装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は固定層が２層か
らなる磁気抵抗素子を用いて、その両固定層の磁化量を
調整することで、上記非磁性中間層に接する上記第二の
強磁性固定層の磁化の方向をコントロールして感知すべ
き磁界と略平行した方向へ固定せしめ、トラック幅が狭
小なる磁気ヘッドにおいても再生信号振幅が大きく、且
つ良好な波形対称性を実現するものである。そのため
に、上記第一の強磁性固定層の磁化量を上記第二の強磁
性固定層の磁化量より過剰にし、それらの磁化量の差を
調整する。すなわち、上記第一の強磁性固定層および第
二の強磁性固定層の飽和磁束密度をそれぞれＢｓ_１、Ｂ
ｓ_２とし、第一の強磁性固定層および第二の強磁性固定
層の膜厚をそれぞれｔ_１、ｔ_２としたときＢｓ_１＝Ｂｓ
_２且つｔ_１＞ｔ_２と設定することで実現できる。またＢ
ｓ_１＞Ｂｓ_２且つｔ_１＝ｔ_２としても良い。またＢｓ_１
＞Ｂｓ_２且つｔ_１＞ｔ_２としても良い。またＢｓ_１＜Ｂ
ｓ_２且つｔ_１＞ｔ_２且つＢｓ_１・ｔ_１＞Ｂｓ_２・ｔ_２、ま
たはＢｓ_１＞Ｂｓ_２且つｔ_１＜ｔ_２且つＢｓ_１・ｔ_１＞
Ｂｓ_２・ｔ_２としても良い。要するに第一の強磁性層の
磁化量が第二の強磁性層の磁化量よりも大きければ良
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜
を構成する薄膜は高周波マグネトロンスパッタリング装
置により以下のように作製した。アルゴン１から６ミリ
トールの雰囲気中にて、厚さ１ミリのセラミックス基板
に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリング
ターゲットとしてタンタル、ニッケル−２０ａｔ％鉄合
金、銅、コバルト、ＭｎＰｔ、ルテニウム、アルミナ、
ＮｉＭｎの各ターゲットを用いた。Ｃｏターゲット上に
は、ＦｅおよびＮｉの１センチ角のチップを適宜配置し
て組成を調整した。積層膜は、各ターゲットを配置した
カソードに各々高周波電力を印加して装置内にプラズマ
を発生させておき、各カソードごとに配置されたシャッ
ターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。膜形成時
には永久磁石を用いて基板に平行におよそ８０エルステ
ッドの磁界を印加して、一軸異方性をもたせた。 形成
した膜を、真空中、磁場中で２７０℃、３時間の熱処理
を行ってＭｎＰｔ反強磁性膜を相変態させ、室温での磁
気抵抗を測定して評価した。また、熱処理後に室温で硬
磁性膜の着磁処理を行った。基体上の素子の形成はフォ
トレジスト工程によってパターニングした。その後、基
体はスライダー加工し、磁気記録装置に搭載した。以下
に本発明の具体的な実施例を、図を追って説明する。図
１は本発明の巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例で
ある。図１は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式
図になっている。基体５０上に下部磁気シールド３５、
下部ギャップ膜７１を形成し、その上に、巨大磁気抵抗
効果積層膜１０が形成されてなり、さらに上部ギャップ
膜７２、上部磁気シールド３６を形成して、再生信号を
検出する再生ギャップ４３を形成してなる。磁区制御膜
４０は、巨大磁気抵抗効果積層膜１０のトラック幅方向
の両端部に接触して配置し、トラック幅方向に縦バイア
ス磁界を発生させ軟磁性自由層１３を単磁区化する。軟
磁性自由層１３を安定に単磁区化するためには磁区制御
膜４０の残留磁化量を軟磁性自由層１３の磁化量の数倍
以上に設定する。磁区制御膜４０の上に電極４１を巨大
磁気抵抗効果積層膜１０のトラック幅方向の両端部に接
触して配置し、感知電流の印可と電気抵抗の変化の検出
を行う。磁区制御膜４０および電極４１の形成方法およ
びその形状は、ここではいわゆるリフトオフ法によって
作製した構造で記述してあるが他にさまざまな方法が利
用できる。巨大磁気抵抗効果積層膜１０は、図1では以
下の構成例のような構造を有する。下地膜１４、反強磁
性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁
性自由層１３、保護膜３７を連続して形成してなる。こ
の構成例では強磁性固定層１５は第一の強磁性膜１５１
と第二の強磁性膜１５２、および反平行結合膜１５４の
積層体からなる。反平行結合膜１５４は第一の強磁性膜
１５１と第二の強磁性膜１５２の磁化を互いに反平行に
配列させる交換結合を印加して、強磁性固定層の実質的
な磁化の量を第一の強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１
５２の磁化量の差分に制御する効果がある。本発明では
第一の強磁性膜１５１の磁化量を第二の強磁性膜１５２
の磁化量よりも過剰に設定することで第二の強磁性膜１
５２の磁化の方向を感知すべき磁界と略平行した方向に
コントロールする。ここで軟磁性自由層１３を２層以上
の積層体から形成しても何ら本発明の趣旨に反するもの
ではない。特に、非磁性中間層１２に近い側をＣｏ合
金、反対側をＮｉＦｅ合金から形成すると、軟磁気特性
と高い抵抗変化率を両立できて良い結果が得られる。図
２では、比較のため従来技術の構造の磁気ヘッドについ
て述べる。図２は、強磁性固定層が単層からなるハード
バイアス構造の磁気ヘッドの磁気抵抗素子の概念図であ
る。対向面に平行な断面図で示した。図２は磁気媒体に
対向する対向面から眺めた模式図になっている。基体５
０上に下部磁気シールド３５、下部ギャップ膜７１を形
成し、その上に、巨大磁気抵抗効果積層膜１０が形成さ
れてなり、さらに上部ギャップ膜７２、上部磁気シール
ド３６を形成して、再生信号を検出する再生ギャップ４
３を形成してなる。ハードバイアス膜４０は、巨大磁気
抵抗効果積層膜１０のトラック幅方向の両端部に接触し
て配置し、トラック幅方向に縦バイアス磁界を発生させ
軟磁性自由層を単磁区化する。ハードバイアス膜４０の
上に電極４１を巨大磁気抵抗効果積層膜１０のトラック
幅方向の両端部に接触して配置し、感知電流の印可と電
気抵抗の変化の検出を行う。ハードバイアス膜４０およ
び電極４１の形成方法およびその形状は、ここではいわ
ゆるリフトオフ法によって作製した構造で記述してある
が他にさまざまな方法が利用できる。巨大磁気抵抗効果
積層膜１０は、図２では以下の構成例のような構造を有
する。下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１
５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３、保護膜３７
を連続して形成してなる。また、上記第一の強磁性固定
層、上記第二の強磁性固定層および磁区制御膜の適性な
磁化量を評価するため、ＬＬＧ(ランダウ−リフシッツ
−ギルバート)法による磁化過程シミュレーションを行
って、ヘッドの再生出力と固定層磁化状態について比較
検討した。以下ではＬＬＧ(ランダウ−リフシッツ−ギ
ルバート)法による磁化過程シミュレーションの結果を
用いて、以上で説明した本発明の効果を従来構造と比較
して詳細に説明する。図３は固定層が単層からなる従来
のハードバイアス構造の固定層の磁化状態を計算した結
果を示した図である。以下図３から図９および図１３で
は磁区制御膜の残留磁化量を軟磁性自由層の飽和磁化量
のおよそ５倍に設定してある。図３からトラック端部付
近の磁化は、主に磁区制御膜からの縦バイアス磁界の印
加によって縦バイアス方向へ回転せしめられていること
がわかる。さらにこの縦バイアス方向へ回転せしめられ
ている磁化の領域の固定層の膜面全体に対する割合は、
トラック幅が狭くなるほど大きくなることがわかる。図
４は固定層が単層からなる従来のハードバイアス構造の
トラック幅と固定層の磁化の膜面内における平均角度の
関係の計算結果を示した図である。図５は固定層が単層
からなる従来のハードバイアス構造の固定層の平均磁化
角度とヘッドの再生出力との関係を計算した結果を示し
た図である。図５ではトラック幅を０.１８マイクロメ
ートルに設定してある。図４および図５では固定層の平
均磁化角度を、固定層の磁化の方向と縦バイアス方向と
なす角を素子高さの反平行方向にとって定義する。図４
からトラック幅が狭くなると固定層の平均磁化方向が感
知すべき磁界と略平行した方向（９０度）から大きくず
れていくことがわかる。これは、トラック幅がおよそ
０.４μm以下であると、縦バイアス方向へ回転せしめら
れた固定層の磁化の領域がトラック幅に対し無視しえな
いことを示している。図５から固定層の平均磁化方向が
感知すべき磁界と略平行した方向から大きくずれると出
力が顕著に低下することがわかる。これは固定層の磁化
方向が感知すべき磁界と略平行した方向から大きくずれ
ているために、感知すべき磁界が印加されて軟磁性自由
層が回転しても磁気抵抗が飽和する状況が生じるためで
ある。このような固定層磁化の縦バイアス方向への回転
を抑え十分な再生出力を得るには、縦バイアス磁界を弱
めること、すなわち磁区制御膜の残留磁化量を低下せし
める必要がある。しかし、磁区制御膜の残留磁化量を軟
磁性自由層の飽和磁化量の５倍未満に設定すると、軟磁
性自由層の単磁区化が十分に行われず磁気ヘッドの再生
出力が不安定になるという現象が起きる。このように狭
トラック化が進んだ場合、強磁性固定層が単層からなる
従来のハードバイアス構造では十分な再生出力が安定に
得られないのである。

【０００８】図６は第二の強磁性固定層の磁化量が第一
の強磁性固定層の磁化量に比べて大きいという従来の磁
気抵抗ヘッドの、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固
定層の磁化量の差と第二の強磁性固定層の平均磁化角度
の関係を計算した結果を示す。以下図６から図９および
図１３ではトラック幅を０.１８マイクロメートルと設
定し、強磁性固定層の磁化量を強磁性固定層の飽和磁束
密度とその膜厚の積で定義する。飽和磁束密度はバルク
材料の測定値を用いるか、あるいは基板上に該強磁性材
料の薄膜を形成してこの膜の飽和磁束密度を測定した値
を用いる。第二の強磁性固定層の磁化量が第一の強磁性
固定層の磁化量に比べて大きくなるにつれ、第二の強磁
性固定層の磁化の方向が、感知すべき磁界に平行な方向
から離れていくことがわかる。図６にある関係は以下の
ように説明される。まず第二の強磁性固定層の磁化量が
第一の強磁性固定層の磁化量よりも過剰なため、磁区制
御膜からの縦バイアス磁界の印加に対し、第一の強磁性
固定層よりも第二の強磁性固定層の方がより大きく縦バ
イアス方向へ回転せしめられる。一方、反平行結合膜か
ら印加される交換結合磁界の縦バイアスと反平行成分は
第二の強磁性固定層よりも第一の強磁性固定層の方が大
きく、この交換結合磁界による縦バイアス磁界の打ち消
しは、第二の強磁性固定層では極めて小さくなる。従っ
て第二の強磁性固定層の方向が縦バイアス方向へ回転せ
しめられるのである。図７は第二の強磁性固定層の磁化
量が第一の強磁性固定層の磁化量に比べて大きいという
従来の磁気抵抗ヘッドの、第一の強磁性固定層と第二の
強磁性固定層の磁化量の差とヘッドの再生出力の関係を
計算した結果を示した図である。図７から第二の強磁性
固定層の磁化量が第一の強磁性固定層の磁化量に比べて
大きくなるにつれ、ヘッドの再生出力が低下することが
わかる。従って、第二の強磁性固定層の磁化量が第一の
強磁性固定層の磁化量に比べて大きい従来の磁気抵抗ヘ
ッドでは、狭小なトラック時に十分な再生出力を得るの
は困難である。

【０００９】図８に第一の強磁性固定層の磁化量が第二
の強磁性固定層の磁化量に比べ過剰な本発明の磁気抵抗
ヘッドの、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の
磁化量の差と第一の強磁性固定層の平均磁化角度の関係
を計算した結果を示す。図８から第一の強磁性固定層の
磁化量が第二の強磁性固定層の磁化量に比べて大きくな
るにつれ、第一の強磁性固定層が縦バイアス方向へ大き
く回転せしめられることがわかる。図９に第一の強磁性
固定層の磁化量が第二の強磁性固定層の磁化量に比べ過
剰な本発明の磁気抵抗ヘッドの、第一の強磁性固定層と
第二の強磁性固定層の磁化量の差と第二の強磁性固定層
の平均磁化角度の関係を計算した結果を示す。図９から
第一の強磁性固定層の磁化量が第二の強磁性固定層の磁
化量に比べて大きくなるにつれ、第二の強磁性固定層の
磁化方向が感知すべき磁界と略平行した方向に近づき、
磁化量の差がおよそ1.４ナノメートル・テスラの場合に
第二の強磁性固定層の磁化方向が感知すべき磁界と略平
行の方向に向き、磁化量の差がこの値より大きくなると
今度は縦バイアス磁界と反平行の方向へ回転せしめられ
ることがわかる。以下、図１０から図１２を用いて図８
および図９に示された結果について説明する。図１０は
第一の強磁性固定層の磁化量が第二の強磁性固定層の磁
化量に比べ過剰な本発明の磁気抵抗ヘッドの、第一の強
磁性固定層の磁化と第二の強磁性固定層の磁化の状態の
概略を示した図である。図１０において、第一の強磁性
固定層の磁化および磁化量をそれぞれＭ₁および(Ｂｓ・
ｔ)_１、第二の強磁性固定層の磁化および磁化量をそれ
ぞれＭ_２および(Ｂｓ・ｔ)_２と定義し、(Ｂｓ・ｔ)_１およ
び(Ｂｓ・ｔ)_２がトラック幅と為す角度をそれぞれθ₁お
よびθ_２と定義する。図１１は第一の強磁性固定層の磁
化量が第二の強磁性固定層の磁化量に比べ過剰な本発明
の磁気抵抗ヘッドの、第一の強磁性固定層に印加される
磁界の概略を示した図である。図１１において、縦バイ
アス磁界をＨ_ＰＭ、反強磁性膜からの交換結合磁界をＨ
_ＡＦ、第一の強磁性固定層に印加される反平行結合膜か
らの交換結合磁界をＨ_ＥＸ１と定義する。図１２は第一
の強磁性固定層の磁化量が第二の強磁性固定層の磁化量
に比べ過剰な本発明の磁気抵抗ヘッドの、第二の強磁性
固定層に印加される磁界の概略を示した図である。図１
２に示されるＨ_ＥＸ２は第二の強磁性固定層に印加され
る磁界を表している。Ｈ_ＰＭはトラック端部ではおよそ
２０００エルステッド程度であり、一方Ｈ_{Ａ Ｆ}は３００
〜１０００エルステッド程度である。異方性磁界および
電流バイアス磁界はこれらに対して小さく無視すること
ができる。Ｈ_ＥＸ１およびＨ_ＥＸ２の方向と大きさは、
それぞれ(Ｂｓ・ｔ)_１および(Ｂｓ・ｔ)_２の方向と大きさ
に依存し、およそ数千エルステッド程度の大きさであ
る。縦バイアス磁界の印加により(Ｂｓ・ｔ)_１および(Ｂ
ｓ・ｔ)_２は縦バイアス方向へ回転せしめられ、本発明で
提案される(Ｂｓ・ｔ)_１＞(Ｂｓ・ｔ)_２の場合は図１０に
示されたような状況になる。ここで|θ₁|＜|θ₂|の関係
が成り立っている。この場合|Ｈ_ＥＸ２|＞|Ｈ_{ＥＸ １}|が
成り立ち、図１１および図１２に示されるように、Ｈ
_ＥＸ２のトラック幅成分はＨ_ＥＸ１のトラック幅成分比
べて大きくなり、その方向は縦バイアスと反平行な方向
を向く。従って、図１１および図１２に示されるように
第一の強磁性固定層に印加される磁界の総和Ｈ_ＡＦ＋Ｈ
_ＥＸ１＋Ｈ_ＰＭは、第二の強磁性固定層に印加される磁
界の総和Ｈ_ＥＸ２＋Ｈ_ＰＭに比べ、より縦バイアス方向
へ向くことになる。更に(Ｂｓ・ｔ)_１が(Ｂｓ・ｔ)_２に比
べて大きくなるにつれ、Ｈ_ＥＸ２がＨ_ＥＸ１に比べて大
きくなる。その結果、第一の強磁性固定層の磁化はより
縦バイアス方向へ回転せしめられ、一方、第二の強磁性
固定層の磁化は縦バイアス方向と反平行な方向へ回転せ
しめられるのである。すなわち本発明のように上記第一
の強磁性固定層の磁化量が上記第二の強磁性固定層の磁
化量に比べ過剰の場合には、上記第一の強磁性固定層に
比べて上記第二の強磁性固定層の方が、このような縦バ
イアス磁界の打ち消し効果は大きく、上記第一の強磁性
固定層と上記第二の強磁性固定層の磁化量の差を適切に
調節することにより、強い縦バイアス磁場が印加された
場合においても、上記第二の強磁性固定層の磁化方向を
感知すべき磁界と略平行した方向へ固定せしめることが
出来るのである。この時、上記第一の強磁性固定層の磁
化は依然として縦バイアス方向へ回転せしめられている
が、磁気抵抗効果は上記第二の強磁性固定層および上記
軟磁性自由層の磁化状態に依存しているので特に問題に
ならない。

【００１０】図１３は、本発明の磁気抵抗ヘッドであっ
て、(Ｂｓ・ｔ)_１＞(Ｂｓ・ｔ)_２の場合に、第一の強磁性
固定層と第二の強磁性固定層の間の磁化量の差と再生出
力の関係を計算した結果を示したものである。図９と図
１３から第二の強磁性固定層の磁化角度が９０°に近づ
くにつれ再生出力は上がり、９０°を超えると再生出力
は低下することがわかる。再生出力は図１３に示されて
いる最大値のおよそ９０％を確保することを考えると、
図８、図９および図１３の結果から６０°＜θ _１＜８５
°、８０°＜θ_２＜１００°、θ_１＜θ_２となるように
強磁性固定層の磁化量を設定するのが望ましい。

【００１１】図１４は本発明の磁気ヘッドの巨大磁気抵
抗効果積層膜の第一の積層構成例である。本構成は図１
の巨大磁気抵抗効果積層膜１０の具体例に相当する。基
体５０上に下地膜１４としてＴａ ３ｎｍ、ＮｉＦｅ ３
ｎｍ、反強磁性膜１１としてＭｎＰｔ １２ｎｍ、第一
の強磁性膜１５１としてＣｏＦｅ ３ｎｍ、反平行結合
膜１５４としてＲｕ ０．８ｎｍ、第二の強磁性膜１５
２としてＣｏＦｅ ２ｎｍ、非磁性導電層１２としてＣ
ｕ ２．１ｎｍ、第一の自由層軟磁性膜１３１としてＣ
ｏＦｅ ０．５ｎｍ、第二の自由層軟磁性膜１３２とし
てＮｉＦｅ ４ｎｍおよび保護膜３７としてＴａ ３ｎｍ
を連続して形成してなる。この構成例では巨大磁気抵抗
効果積層膜１０において強磁性固定層１５は反平行結合
膜１５４、第一の強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１５
２からなる。反平行結合膜１５４であるＲｕ層は第一の
強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１５２の磁化を互いに
反平行に配列させる交換結合を印加して、強磁性固定層
の実質的な磁化の量を第一の強磁性膜１５１と第二の強
磁性膜１５２の磁化量の差分に制御する効果がある。ま
た第一の強磁性膜１５１の磁化量を第二の強磁性膜１５
２の磁化量よりも過剰に設定する。ここで軟磁性自由層
１３は第一の自由層軟磁性膜であるＮｉＦｅおよび第二
の自由層軟磁性膜であるＣｏＦｅの積層体からなる。図
１５は本発明の磁気ヘッドの巨大磁気抵抗効果積層膜１
０の第二の積層構成例である。本構成は図１の構造例の
具体例に相当する。基体５０上に下地膜１４としてＴａ
３ｎｍ、ＮｉＦｅ ３ｎｍ、反強磁性膜１１としてＭｎ
Ｐｔ １２ｎｍ、第一の強磁性膜１５１としてＣｏＦｅ
３ｎｍ、反平行結合膜１５４としてＲｕ ０.８ｎｍ、極
薄酸化膜１５５、第二の強磁性膜１５２としてＣｏＦｅ
２ｎｍ、非磁性導電層１２としてＣｕ ２.１ｎｍ、第
一の自由層軟磁性膜１３１としてＣｏＦｅ ０.５ｎｍ、
第二の自由層軟磁性膜１３２としてＮｉＦｅ ４ｎｍお
よび保護膜３７としてＴａ ３ｎｍを連続して形成して
なる。この構成例では巨大磁気抵抗効果積層膜１０にお
いて強磁性固定層１５は反平行結合膜１５４、極薄酸化
膜１５５、第一の強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１５
２からなる。反平行結合膜１５４であるＲｕ層は第一の
強磁性膜１５１と第二の強磁性膜１５２の磁化を互いに
反平行に配列させる交換結合を印加して、強磁性固定層
の実質的な磁化の量を第一の強磁性膜１５１と第二の強
磁性膜１５２の磁化量の差分に制御する効果がある。極
薄酸化膜１５５は電子を鏡面反射させ、分流による磁気
抵抗膜の磁気抵抗比の低下を防止し、さらに磁気抵抗膜
の磁気抵抗比を高める効果がある。また第一の強磁性膜
１５１の磁化量を第二の強磁性膜１５２の磁化量よりも
過剰に設定する。ここで軟磁性自由層１３は第一の自由
層軟磁性膜であるＮｉＦｅおよび第二の自由層軟磁性膜
であるＣｏＦｅの積層体からなる。

【００１２】図１６は本発明の磁気抵抗効果素子による
磁気センサーを搭載した磁気ヘッドの構成例の概念図で
ある。基体５０上に磁気抵抗効果積層膜１０、磁区制御
膜４０、電極４１、下部磁気シールド３５、下部磁気コ
ア８４、コイル４２、上部コア８３を形成してなり、対
向面６３を形成してなる。本図では下部磁気コアが上部
磁気シールドを兼ねた構造になっているが、個別に上部
磁気シールドと下部コアとを形成した構造としても本発
明の主旨を損なうものではない。下部磁気コア８４、コ
イル４２、上部磁気コア８３は記録ヘッドを構成し、電
磁誘導効果によって発生する磁界を対抗面６３の記録ギ
ャップから発生して磁気ディスク上の記録媒体に記録す
る。

【００１３】図１７は本発明の磁気抵抗効果素子による
磁気センサーを搭載した磁気ヘッドの別の構成例の概念
図である。基体５０上に磁気抵抗効果積層膜１０、磁区
制御膜４０、下部電極８６、上部電極８５、コイル４
２、上部コア８３を形成してなり、対向面６３を形成し
てなり、磁気抵抗効果積層膜１０の膜厚方向に感知電流
を流す。本図では下部電極および上部電極がそれぞれ下
部磁気シールドおよび上部磁気シールドを兼ねた構造に
なっているが、個別に下部電極と下部磁気シールドなら
びに上部電極と上部磁気シールドとを形成した構造とし
ても本発明の主旨を損なうものではない。

【００１４】下部磁気コア８４、コイル４２、上部磁気
コア８３は記録ヘッドを構成し、電磁誘導効果によって
発生する磁界を対抗面６３の記録ギャップから発生して
磁気ディスク上の記録媒体に記録する。図１８は本発明
の磁気記録再生装置の構成例である。磁気的に情報を記
録する記録媒体９１を保持するディスク９５をスピンド
ルモーター９３にて回転させ、アクチュエーター９２に
よってヘッドスライダー９０をディスク９５のトラック
上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においてはヘッド
スライダー９０上に形成した再生ヘッド、及び記録ヘッ
ドがこの機構に依ってディスク９５上の所定の記録位置
に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み
取るのである。アクチュエーター９２はロータリーアク
チュエーターであることが望ましい。記録信号は信号処
理系９４を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生
ヘッドの出力を、信号処理系９４を経て信号として得
る。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動せ
しめるに際して、本再生ヘッドからの高感度な出力を用
いてトラック上の位置を検出し、アクチュエーターを制
御して、ヘッドスライダーの位置決めを行うことができ
る。本図ではヘッドスライダー９０、ディスク９５を各
１個示したが、これらは複数であっても構わない。また
ディスク９５は両面に記録媒体９１を有して情報を記録
してもよい。情報の記録がディスク両面の場合ヘッドス
ライダー９０はディスクの両面に配置する。

【００１５】上述したような構成について、本発明の磁
気ヘッドおよびこれを搭載した磁気記録再生装置を試験
した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、
また動作の信頼性も良好であった。

【００１６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば安
定した特性と、出力の高い磁気センサと、これを用いた
磁気ヘッドが得られ、特に高い記録密度において良好な
再生出力を有する磁気ヘッドおよび高密度磁気記録再生
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の磁気ヘッドの構成例である。

【図２】図２は強磁性固定層が単層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドの構成例である。

【図３】図３は強磁性固定層が単層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドの強磁性固定層の磁化状態
を計算した結果を示した図である。

【図４】図４は強磁性固定層が単層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドのトラック幅と強磁性固定
層の平均磁化角度との関係を計算した結果を示した図で
ある。

【図５】図５は強磁性固定層が単層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドの強磁性固定層の平均磁化
角度とヘッドの再生出力との関係を計算した結果を示し
た図である。

【図６】図６は強磁性固定層が２層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドの第一の強磁性固定層と第
二の強磁性固定層の磁化量の差と第二の強磁性固定層の
平均磁化角度との関係を計算した結果を示した図であ
る。

【図７】図７は強磁性固定層が２層からなる従来のハー
ドバイアス構造の磁気ヘッドの第一の強磁性固定層と第
二の強磁性固定層の磁化量の差とヘッドの再生出力との
関係を計算した結果を示した図である。

【図８】図８は本発明の磁気ヘッドの第一の強磁性固定
層と第二の強磁性固定層の磁化量の差と第一の強磁性固
定層の平均磁化角度との関係を計算した結果を示した図
である。

【図９】図９は本発明の磁気ヘッドの第一の強磁性固定
層と第二の強磁性固定層の磁化量の差と第二の強磁性固
定層の平均磁化角度との関係を計算した結果を示した図
である。

【図１０】図１０は本発明の磁気ヘッドの第一の強磁性
固定層の磁化と第二の強磁性固定層の磁化の状態の概略
を示した図である。

【図１１】図１１は本発明の磁気ヘッドの第一の強磁性
固定層に印加される磁界の概略を示した図である。

【図１２】図１２は本発明の磁気ヘッドの第二の強磁性
固定層に印加される磁界の概略を示した図である。

【図１３】図１３は本発明の磁気ヘッドの第一の強磁性
固定層と第二の強磁性固定層の磁化量の差とヘッドの再
生出力との関係を計算した結果を示した図である。

【図１４】図１４は本発明の磁気ヘッドの巨大磁気抵抗
効果積層膜の第一の積層構成例である。

【図１５】図１５は本発明の磁気ヘッドの巨大磁気抵抗
効果積層膜の第二の積層構成例である。

【図１６】図１６は本発明の磁気抵抗効果素子による磁
気センサーを搭載した磁気ヘッドの構成例の概念図であ
る。

【図１７】図１７は本発明の磁気抵抗効果素子による磁
気センサーを搭載した磁気ヘッドの別の構成例の概念図
である。

【図１８】図１８は本発明の磁気記録再生装置の構成例
である。

【符号の説明】

１０．．．巨大磁気抵抗効果積層膜、１１．．．反強磁
性膜、１２．．．非磁性中間層、１３…軟磁性自由層、
１３1…第一の自由層軟磁性膜、１３２…第二の自由層
軟磁性膜、１４．．．下地膜、１５．．． 強磁性固定
層、１５１．．．第一の強磁性膜、１５２．．．第二の
強磁性膜、１５４．．．反平行結合層、１５５．．．極
薄酸化膜、３５．．．下部磁気シールド、３６．．．上
部磁気シールド、３７．．．保護膜、４０．．．磁区制
御膜、４１．．．電極、４２．．．コイル、４３．．．
再生ギャップ、４４．．．記録トラック、５０．．．基
体、６３．．．対向面、６４．．．漏洩磁界、７
１．．． 下部ギャップ膜、７２．．．上部ギャップ
膜、８３．．．上部磁気コア、８４．．．下部磁気コ
ア、８５．．．上部電極、８４．．．下部電極、９
０．．．ヘッドスライダー、９１．．．記録媒体、９
２．．．アクチュエーター、９３．．．スピンドル、９
４．．．信号処理系、９５．．．磁気ディスク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 41/18 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｚ Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ (72)発明者 星屋 裕之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 井手 浩 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AC09 AD55 AD56 AD63 AD65 5D034 BA03 BA04 BA06 BA12 CA04 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AC00 AC05 CB02 DB12 GC04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の強磁性固定層／反平行結合層／第二
   の強磁性固定層／非磁性中間層／軟磁性自由層のスピン
   バルブ積層構成を有し、上記第一の強磁性固定層が、反
   強磁性膜あるいは硬磁性層膜などのバイアス印加手段と
   積層した交換結合などの手段で感知すべき磁界に対して
   実質的にその磁化方向が固定されており、上記反平行結
   合層が、第一の強磁性固定層の磁化と第二の強磁性固定
   層の磁化を反強磁性的に結合させて実質的に反平行な磁
   化状態を実現させており、 外部の磁界に応じて上記軟磁性自由層の磁化が回転し、
   上記軟磁性自由層の磁化と、上記第二の強磁性固定層の
   磁化との相対角度が変わって巨大磁気抵抗、トンネル磁
   気抵抗などによる磁気抵抗効果を生じ、一対の電極を有
   することを特徴とするスピンバルブ型磁気センサーによ
   る磁気ヘッドで、上記軟磁性自由層の磁化を制御する縦
   バイアス印加手段を、上記スピンバルブ積層構成のトラ
   ック幅方向両端部に配置してなり、上記第一および第二
   の強磁性固定層の磁化の方向と上記縦バイアスの方向と
   なす角度をそれぞれ素子高さ方向およびこれの反平行方
   向にとってθ_１、θ_２としたときに、６０°＜θ_１＜８
   ５°、８０°＜θ_２＜１００°、θ_１＜θ_２であること
   を特徴とする磁気ヘッド。
2. 【請求項２】上記第一の強磁性固定層の磁化量が上記第
   二の強磁性固定層の磁化量よりも大きいことを特徴とす
   る上記特許請求の範囲第一項の磁気ヘッド。
3. 【請求項３】上記第一の強磁性固定層および上記第二の
   強磁性固定層がほぼ同一の飽和磁化を有する材料からな
   り、上記第一の強磁性固定層の厚さが上記第二の強磁性
   固定層の厚さよりも厚いことを特徴とする上記特許請求
   の範囲第二項の磁気ヘッド。
4. 【請求項４】上記縦バイアス印加手段が、高保磁力を有
   する硬磁性膜からなり、上記スピンバルブ積層構成のト
   ラック幅方向両端部における上記硬磁性膜の残留磁化の
   量が上記軟磁性自由層の飽和磁化の量の２倍から８倍で
   あることを特徴とする上記特許請求の範囲第一項の磁気
   ヘッド。
5. 【請求項５】上記スピンバルブ積層構成のトラック幅方
   向の長さが０.３マイクロメ−トル以下であることを特
   徴とする前記特許請求の範囲第一項の磁気ヘッド。
6. 【請求項６】上記第一の強磁性固定層と上記第二の強磁
   性固定層の膜厚をそれぞれｔ_１、ｔ_２とし、上記第一の
   強磁性固定層と上記第二の強磁性固定層の電気抵抗率を
   それぞれρ_１、ρ_２としたときにρ_１/ ｔ_１＜ρ_２/ ｔ
   _２の関係を満足することを特徴とする前記特許請求の範
   囲第二項の磁気ヘッド。
7. 【請求項７】上記第二の強磁性固定層と上記反平行結合
   層との間に電子を鏡面反射する極薄の酸化層を設けるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第一項の磁気ヘッ
   ド。
8. 【請求項８】第一の強磁性と、第二の強磁性層と、前記
   第一の強磁性層と第二の強磁性層の間に設けられた第一
   の強磁性層の磁化と第二の強磁性層の磁化を反強磁性的
   に結合する反平行結合層と、前記第二の強磁性層に隣接
   して形成された非磁性中間層と、該非磁性中間層に隣接
   して形成された軟磁性層とを有し、前記第一の強磁性層
   の飽和磁束密度Ｂｓ1と膜厚Ｔの積が前記第二の強磁性
   層