JP2004103120A - 差動バイアス型磁区制御構造を有する記録再生分離型磁気ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】狭トラック幅、高感度、低ノイズを実現する磁気抵抗センサを備えた記録再生分離型磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果膜２の自由層１０１の磁化方向を所定の方向に揃える第１の磁区制御層１０７に加えて、その逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層１０９を備える。この差動型のバイアス方式により、トラック端部の固定磁界の低減を避けながら、狭トラック幅で、過剰に強くなっている中央部の縦バイアス磁界を低減する。第１および第２磁区制御層１０７、１０９はハードおよびソフト磁性材料の組み合わせで実現する。
【選択図】 図１
【解決手段】磁気抵抗効果膜２の自由層１０１の磁化方向を所定の方向に揃える第１の磁区制御層１０７に加えて、その逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層１０９を備える。この差動型のバイアス方式により、トラック端部の固定磁界の低減を避けながら、狭トラック幅で、過剰に強くなっている中央部の縦バイアス磁界を低減する。第１および第２磁区制御層１０７、１０９はハードおよびソフト磁性材料の組み合わせで実現する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＭＲあるいはＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗センサを搭載した記録再生分離型磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来技術】
図９に、特許文献１に開示された従来技術のスピンバルブ構造の磁気抵抗センサの基本構成を示す。スピンバルブ構造（磁気抵抗効果素子）２は、下地層１００の上に非磁性導電層１０２を介して軟磁気特性を持つ自由層１０１と磁化の方向が固定されている固定層１０３が積層され、固定層１０３には反強磁性層１０４が積層され、反強磁性層１０４の上にはキャップ層１０５が設けられている。
反強磁性層１０４は固定層１０３の磁化方向を固定している。また、この積層体２は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両側には下地層１０６の上に自由層１０１の磁化方向を制御するための磁区制御層（ハードバイアス層）１０７、センス電流を流すための電極層１１０の積層体が設けられる。これらの積層体は下部絶縁層１１１−ｂ及び上部絶縁層１１１−ａを介して下部シールド層１１２−ｂと上部シールド層１１２−ａに挟まれている。
【０００３】
簡単に、動作を説明する。ＧＭＲ効果は自由層１０１と固定層１０３の磁化方向の角度差に応じて抵抗が変化する現象である。磁化方向が同方向の角度零で抵抗が最も低くなり、反平行の角度１８０度で抵抗は最大になる。外部磁界が印加されていない時、その角度が９０度になるように固定層１０３の磁化はトラック方向と垂直方向に固定される。自由層１０１の磁化方向は上記ハードバイアス層１０７からの磁界（縦バイアス磁界）と膜自体の容易軸異方性により、トラック方向に向く。外部磁界の正負に応じて、磁化方向の角度差は変化し、抵抗が変化し、センス電流により、磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子両端の電圧が変化して、磁気抵抗センサとして動作する。
【０００４】
高密度化が進み、トラック幅が狭くなると上記構造の出力は急激に低下する。
この原因はハードバイアス層１０７の発生する強い縦バイアス磁界ために、磁気抵抗センサの磁気抵抗効果素子（感知部）２のトラック幅の端部に、信号磁界に対する感度が低下する不感帯領域が存在するためである。また、最近は、狭トラック化は進んでも、上下シールド層の間隔Ｇｓはほとんど変わらないため、場合によっては感知部２のトラック幅中央でも縦バイアス磁界は残存しており、感度向上が難しくなっている。
【０００５】
図１０は感知部２のトラック幅Ｔｗｒを２００、１５０および１００ｎｍとして、Ｇｓを６０ｎｍ，ハードバイアス層１０７の残留磁化をＢｒ、厚さをＴｈとして、ＢｒＴｈを２００Ｇｕｍとしたときの感知部内の磁界分布を規格化して示している。感知部２の中央の磁界の端部磁界に対する比率はトラック幅が２００ｎｍで０．１であるが、トラック幅が狭まると共に比率は上昇する。１００ｎｍ幅ではこの値は０．３になる。このことは感度がおよそ１／３になったことに相当する。トラック幅が１／２になったことを考慮すると、感度は１／６になる。
この出力低減を解決するためにはハードバイアス層１０７の残留磁化あるいは膜厚を低減して縦バイアス磁界を低減することである。もちろん、これにより、出力は向上するが、縦バイアス磁界は低下する。この結果、トラック端部での磁化は反磁界のため、トラック方向に向き難くなる。外部磁界で自由層１０１の磁化が回転するとき、縦バイアス磁界が低いと、トラック端部で、磁化はスムーズに回転できなくなる。その結果、磁化はヒステリシスを伴う回転動作となり、磁気的ノイズを発生する。場合によっては読み出し波形の正負の出力の非対称性も増大する。出力増加に伴ってノイズあるいは波形の非対称性を有するヘッドの発生頻度が増加し、縦バイアス磁界を下げて、出力を増加することは実際上できなくなる。
【０００６】
【特許文献１】
「特開平３−１２５３１１号公報」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
狭トラック化に対して、出力の低下を避けるためには、すくなくとも感知部（磁気抵抗効果素子）でのハードバイアス層から来る縦バイアス磁界を増加しないようにして、外部磁界に対する磁化回転角度を確保できれば、狭トラック化に対しても必要な抵抗変化が得られる。感知部での縦バイアス磁界の増加を防止するには、トラック幅に比例して、ハードバイアス層の厚さを薄くする必要がある。
しかし、ハードバイアス層の薄膜化はトラック両端部での縦バイアス磁界の低下を引き起こす。このため、トラック端部の磁化の固定が不十分となる。このため、読みにじみが発生する。さらに、固定が弱くなると、再生ノイズおよび波形の非対称性ばらつきが増大する。読みにじみが発生すると、実効的に広いトラック幅となり、必要な動作幅を得るためには光学的に狭いトラック形成が必要であり、プロセス技術の負担が増大する。
【０００８】
問題は、再生ノイズと波形の非対称性ばらつきである。この発生頻度も端部の縦バイアス磁界で決まっている。出力向上を目的にハードバイアス層を薄膜化すると、当然、端部の縦バイアス磁界も低下し、再生ノイズと波形の非対称バラツキは激増する。つまり、現状は、出力向上とノイズ、波形非対称性および磁気的トラック幅は相反的なトレードオフの関係にある。出力を上げようとすると、ノイズの増大、波形非対称性の増大、磁気的トラック幅が拡大し、実際上、出力向上は困難になる。
【０００９】
以上述べてきたように、狭トラック化の課題は上記トレードオフからの脱却である。しかし、この課題は現状のハードバイアス構造では実現できない。単純に考えて、出力を向上するための縦バイアス中心磁界の低減あるいは不感帯幅の低減は、同時に端部のバイアス磁界を低下させ、必然的に、ノイズと波形非対称を引き起こすためである。
【００１０】
本発明の目的は、出力向上とノイズ低減の両立であり、高感度で、安定性を備えた狭トラック磁気抵抗センサを実現して、高記録密度に適した記録再生分離型磁気ヘッドを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では感知部の端部の縦バイアス磁界は高く維持し、感知部中心に向かって急激に減衰する望ましい縦バイアス磁界を実現する。この縦バイアス磁界は２層の磁区制御層を用いることで実現される。第１の磁区制御層は従来のハードバイアス層と同等の役割を果たす、つまり、自由層の磁化を所定の方向に向ける縦バイアスを発生する。第２の磁区制御層は第１の磁区制御層とは逆方向の縦バイアス磁界を発生する。第１の磁区制御層は感知部の自由層の近くに配置され、第２の磁区制御層は少し離れて設けられる。感知部の磁界分布は二つの磁区制御層の両者の差で決まる。このハードバイアス磁界分布を実現することにより、出力の向上が図れるとともに、再生ノイズと波形非対称ばらつきの増加を防止することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２に本発明による磁気抵抗センサと誘導型記録ヘッドを積層した記録再生分離型磁気ヘッドの部分斜視図を示す。ヘッドスライダを兼ねる基体１の上に下部シールド層１１２−ｂが形成され、その上に下部絶縁層（図示せず）を介してＧＭＲ素子２が積層され、ＧＭＲ素子２の両端に磁区制御層３及び電極層１１０が積層される。さらにこれらの積層体の上に上部絶縁層（図示せず）を介して上部シールド層１１２−ａが形成され磁気抵抗効果型再生ヘッド（磁気抵抗センサ）となる。この磁気抵抗効果型再生ヘッドの上部に絶縁層５を介して誘導型記録ヘッドを形成する。誘導型記録ヘッドは下部磁極７を有する下部磁性層６、ギャップ膜８、コイル９、先端磁極部１１を有する上部磁性層１０で構成される。
【００１３】
図１に本発明の第１の実施例による磁気抵抗センサの基本構成を示す。磁気抵抗効果素子（感知部）２の膜構成は、下地層１００、自由層１０１、非磁性導電層１０２、固定層１０３、反強磁性層１０４、キャップ層１０５が順に積層されている。この積層膜２は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両端には下地層１０６、第１磁区制御層１０７、非磁性中間層１０８、第２磁区制御層１０９からなる積層体３と電極層１１０が配置されている。この例での感知部２の膜材料構成は下地層「Ｔａ ２ｎｍ」／自由層「ＮｉＦｅＣｒ ３ｎｍ／ＮｉＦｅ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ０．５ｎｍ」／非磁性導電層「Ｃｕ ２ｎｍ」／固定層「ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ」／反強磁性層「ＰｔＭｎ １５ｎｍ」／キャップ層「Ｔａ ３ｎｍ」である。両端の積層体３の膜材料構成は、下地層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第１磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ３０ｎｍ」／非磁性中間層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ３０ｎｍ／ＣｏＦｅ１０ｎｍ」であり、電極層１１０は「Ｔａ８０ｎｍ」である。
【００１４】
一般的に、磁区制御層の保磁力は８０ＡＴ／ｍ（１ｋＯｅ）以上必要である。
第１磁区制御層１０７はＣｒ下地層１０６により、１６０ＡＴ／ｍ（２ｋＯｅ）に近い高い保磁力を有している。非磁性中間層１０８はＣｒを用いているが、Ｔａ、Ｒｕ等でも良い。第２磁区制御層１０９はここではＣｏＣｒＰｔ／ＮｉＦｅ等の２層構造あるいはＣｏＣｒＰｔ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ等の３層構造で実現されている。この構成とすることにより、たとえＣｏＣｒＰｔの組成が第１磁区制御層１０７と同じでも、積層されるソフト磁性材料、およびその膜厚により、膜の保磁力を自由に調節することができる。これにより、最初に、強い磁界、例えばここでは、約８００ＡＴ／ｍ（１０ｋＯｅ）に第１磁区制御層１０７を着磁し、その反対方向に第２磁区制御層１０９を第１と第２の磁区制御層の保磁力の間の磁界で着磁することで、第１と第２の磁区制御層の磁化方向を反対方向に制御する。また、膜厚の関係から第１磁区制御層１０７は第２磁区制御層１０９より相対的に自由層１０１に近い場所に位置している。
【００１５】
この素子２の上部／下部には絶縁層１１１−ａ／１１１−ｂが配置され、さらに、その外側には上部／下部シールド層１１２−ａ／１１２−ｂが設けられる。
これにより、上述したように、強い端部磁界を維持し、中央磁界を低減して、高い出力と低ノイズを実現できる。
【００１６】
図３は本発明のバイアス構造を理解し易くするために、上下のシールド層の無い状態で、２層のハードバイアス層の磁界分布を計算した例である。計算例は、自由層１０１の幅を１００ｎｍ、第１磁区制御層ＰＭ１は膜厚３０ｎｍ、第２磁区制御層ＰＭ２の膜厚も３０ｎｍで、５ｎｍの非磁性導電層を介して積層されているとする。ＰＭ１の残留磁化は１Ｔとする。
【００１７】
図３（ａ）のように、ＰＭ２の端部をＰＭ１の端部よりΔＺだけ自由層１０１から離れて配置する。ここで、ＰＭ２の残留磁化を０〜１．４Ｔに変化させる。この例では、ΔＺを５ｎｍとした。図３（ｂ）はトラック幅方向距離における感知部内の磁界分布を規格化して示したもので、ＰＭ２＝０の従来構造では、中心磁界は端部磁界の４０％残留している。ＰＭ２の残留磁化Ｂｒを増加させると、磁界分布は中心に向かって急激に低下する分布に変化し、約１．４Ｔまで増加させたとき、中心部の磁界は端部磁界の１０％以下にまで低減する。つまり、端部の磁界を強く保持して、再生ノイズと波形非対称性の悪化を防止しつつ、中心磁界の低減、不感帯幅の低減ができる。これにより、低ノイズで出力向上が実現できる。なお、この時の、端部磁界はＰＭ２のＢｒの変化で約２０％の減少である。実用的には必要な端部磁界が得られる条件にＰＭ１を選ぶ。
【００１８】
図４は第２磁区制御層ＰＭ２の位置を変えた時の磁界分布である。ＰＭ２の残留磁化は１Ｔとし、その他は図３の条件と同じとした。ΔＺを５ｎｍから５０ｎｍまで変えても磁界分布の変化は小さい。従って、プロセス的には自由度が高い。以上のように、急峻な磁界分布が得られるのは、第１磁区制御層ＰＭ１の作る急激に変化する磁界に、感知部では比較的平坦な逆向きの磁界をＰＭ２を用いて印加するためであり、これにより、中心部でほぼ零に近い分布を形成できる。
【００１９】
次に、図５（ａ）のように、スピンバルブ層の両側に、シールド層を設けた場合についての結果を示す。上部シールド層１１２−ａおよび下部シールド層１１２−ｂ間の距離Ｇｓは６０ｎｍ、感知部（自由層）１０１の幅は１００ｎｍ、第１磁区制御層ＰＭ１の厚さは２０ｎｍ、残留磁化は１Ｔとし、第２磁区制御層ＰＭ２の残留磁化も同様に１Ｔとする。ここでは、反強磁性層１０４が上部に配置されるトップスピンバルブ膜について検討する。自由層１０１は下部シールド層１１２−ｂより２０ｎｍの位置にあり、その横に第１磁区制御層ＰＭ１を配置し、その上部に第２磁区制御層ＰＭ２を配置する。
【００２０】
図５（ｂ）はＰＭ２の端部とＰＭ１の端部の距離ΔＺを２０ｎｍとし、ＰＭ２の膜厚を変更した場合の磁界分布を示す。ＰＭ２の無い従来構造での、端部磁界と中心磁界の比率は０．３である。シールド効果により、図３と違い端部の磁界と中心部の磁界の比率は０．４から下がってはいるが、まだまだ高い。ＰＭ２の厚さを１０ｎｍ〜５０ｎｍとして計算すると、中心部の磁界は膜厚とともに低下する。ＰＭ２が５０ｎｍで、比率は０．１になり、磁界が急峻なため、不感帯の幅も低減される。この例では第２磁区制御層ＰＭ２の膜厚を変えているが、残留磁化Ｂｒを大きくしても同様な結果が得られる。これらの結果からわかるように、少なくとも、第２磁区制御層ＰＭ２の残留磁化Ｂｒと膜厚Ｔｈの積ＢｒＴｈが第１磁区制御層ＰＭ１のＢｒＴｈより大きくないと中央の磁界を低減する効果が見えない。第２磁区制御層ＰＭ２のＢｒＴｈを十分大きくして得られた前記の磁界比率０．１の値は出力向上とノイズ低減を両立可能な値である。
【００２１】
図６はＰＭ２の位置を変更した場合である。ここではＰＭ２の厚さは３０ｎｍとしている。トラック幅方向の距離が近いほど、磁界分布は改善される。特に、ＰＭ１との距離が１０ｎｍ以下では中心磁界は０．１以下になる。シールド層がある場合はＰＭ２の磁界はシールド層に吸収されるため、ＰＭ２が離れるとＰＭ２の効果は小さくなる。しかし、いずれにしても、シールド層を置いた場合でも、ＰＭ１とＰＭ２が発生するバイアス磁界を差動で働かせることにより、感知部でトラック中心に向かって急峻に低下する磁界分布が得られる。このハードバイアス方式を差動バイアス方式と呼ぶことにする。この方式を用いることにより、狭トラックで、出力向上とノイズ低減の両立が可能となる。
【００２２】
このように本発明の１実施例による磁気抵抗センサを用いることで、狭トラック、高感度で、高線記録密度に適した磁気ヘッドが得られ、高記録密度を有する磁気記録装置が実現可能となる。
【００２３】
なお、図１の第１の実施例では反強磁性層１０４が上部に設けられているスピンバルブ膜構成（トップスピンバルブ；ＴＳＶ）を示したが、反強磁性層１０４が下部に配置されているスピンバルブ膜構成（ボトムスピンバルブ；ＢＳＶ）、あるいは固定層が自由層の両側にあるデユアルスピンバルブ；ＤＳＶ等にももちろん適用可能である。ただし、ＢＳＶの場合には自由層１０１の位置が反強磁性層１０４の厚さ分、上部に位置するため、第２磁区制御層１０９の位置が高くなる。このため、第２磁区制御層１０９より発生する磁束は上部シールドに吸収されやすくなる。結果として、感知部に及ぼす第２磁区制御層１０９からの磁界の効果は弱くなり、中央磁界の低減効果は小さくなる。従って、ＢＳＶよりはＴＳＶの方が差動バイアスの効果が出やすい。
【００２４】
次に、この差動バイアス方式を実現する第１の実施例の変形例１を図１を用いて説明する。この場合は第１磁区制御層１０７はハード磁性材料で形成されるが、第２磁区制御層１０９はソフト磁性材料で形成する。材料としてはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅあるいはこれらの多層膜を用いる。この構成を差動バイアスとして動作させるためには、下記の二つの方法がある。
【００２５】
第一の方法は非磁性中間層１０８にＲｕを用いる方法である。スピンバルブ膜で知られているように、Ｒｕの膜厚を６〜１０ÅにするとＲｕの両側の磁性層は反強磁性結合する。この結合を利用して、上述した差動バイアスを形成する。この場合は、第１磁区制御層１０７の保磁力より、反強磁性結合磁界の方が低いことが必要条件である。第１磁区制御層１０７の保磁力より高い外部磁界で第１磁区制御層１０７を着磁し、続いて外部磁界を零とすると、第２磁区制御層１０９の磁化は反強磁性結合により第１磁区制御層１０７の磁化と反平行方向に配列する。
【００２６】
第２の方法は、第２磁区制御層１０９をソフト磁性層と反強磁性層の２層で構成する方法である。反強磁性材料にはＩｒＭｎあるいはＰｔＭｎ等を用いる。磁場中熱処理により、ソフト磁性層の磁化方向を所定の方向に固定する。それと反平行方向に第１磁区制御層１０７のハード磁性層に外部磁界を印加して着磁する。この場合、非磁性中間層１０８はＴａ、Ｒｕ等である。必ずしも、上記第１の方法のように、反強磁性結合を働かせる必要はないが、より確実に反平行を実現するために、Ｒｕ中間層による反強磁性結合を組み合わせて用いても良い。
【００２７】
さらに、差動バイアス方式を実現する変形例２を同じく図１を用いて説明する。第１磁区制御層１０７をソフト磁性材料で形成する方法である。上述したと同様に、第２磁区制御層１０９はハード磁性材料で形成する場合とソフト磁性材料で形成する場合の２つがある。具体的な膜構成を順に述べる。前者の構成例は、下地層「Ｔａ ３ｎｍ」／第１磁区制御層「ＰｔＭｎ １２ｎｍ／ＣｏＦｅ １５ｎｍ」／非磁性中間層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ４０ｎｍ」、後者の構成例は、下地層「Ｔａ ３ｎｍ」／第１磁区制御層「ＰｔＭｎ １２ｎｍ／ＣｏＦｅ １５ｎｍ」／非磁性中間層「Ｒｕ ０．８ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＦｅ ３０ｎｍ」である。前者は第１磁区制御層１０７をＰｔＭｎ反強磁性層とＣｏＦｅ軟磁性層の２層構成として、磁化方向を固定する。その上部にハード磁性材料を積層している。後者は第１磁区制御層１０７を前者と同様の構成とし、Ｒｕの反強磁性結合を用いて、ソフト磁性材料の第２磁区制御層１０９の磁化方向を反平行方向に制御する。これらはいずれも従来、交換結合型と呼ばれる磁区制御方式に対して、第２磁区制御層１０９を付与することで、中央磁界の低減を図った構造である。
【００２８】
本発明の第２の実施例を図７に示す。図７のように第１磁区制御層１０７をスピンバルブ膜に積層して形成する磁区制御方式に対しても、スピンバルブ膜の両側に第２磁区制御層１０９を付与することは中央磁界低減に有効である。この場合はスピンバルブ膜／キャップ層Ｒｕ／第１磁区制御層「ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）」と積層して、同じトラック幅にミリングする。上部のＣｏＦｅの磁化方向はＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）反強磁性層により、一定方向に配列されているため、トラック端部で自由層１０１に強い磁界を与える。つまり、第１磁区制御層１０７としての役割を、該ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）の層が果たすことになる。これと逆方向の磁界を発生する第２磁区制御層１０９を感知部の両側に配置することにより、中央部の磁界を低減し、出力向上が実現される。この場合は自由層１０１の両側にサイドシールド層１１３を設けることができる。これは読みにじみを低減する上で重要である。
【００２９】
図８は差動バイアス方式をトンネル磁気抵抗素子（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）に用いた第３の実施例である。ＴＭＲ素子の膜構成はスピンバルブ素子と類似であるが、固定層１０３と自由層１０１間の非磁性層１０２′には絶縁層（Ａｌ２Ｏ３）が用いられる。トンネル電流が絶縁層１０２′の両側の磁性層の磁化方向の角度差で変化する現象を利用した再生素子である。この実施例では下地層１００、反強磁性層１０４、固定層１０３、絶縁層１０２′、自由層１０１、キャップ層１０５の順に積層される。
【００３０】
感知部へのトンネル電流は素子の上下に設けられた上部電極１１０―ａと下部電極１１０―ｂより通電される。磁区制御層３はＴＭＲ素子の左右両側に設けられた絶縁分離層１１４の外側に配置される。層構成は下地層１０６、第２磁区制御層１０９、非磁性中間層１０８、第１磁区制御層１０７である。絶縁分離層１１４は磁区制御層３による素子短絡を防止するために設けられている。また、この場合は自由層１０１が上部に位置しているため、前述の図１とは違い、第１磁区制御層１０７が上部に設けられている。自由層１０１の感知部の端部に近い位置に第１磁区制御層１０７を配置することが原則である。トンネル素子の具体的な膜構成は下地層「ＮｉＦｅＣｒ ３ｎｍ」／反強磁性層「ＰｔＭｎ １５０ｎｍ」／固定層「ＣｏＦｅ ３ｎｍ」／絶縁層「Ａｌ２Ｏ３ ０．５ｎｍ」／自由層「ＣｏＦｅ １ｎｍ／ＮｉＦｅ ２ｎｍ」／キャップ層Ｔａ ０．５ｎｍである。自由層１０１に及ぼす影響は図１での説明と同様であり、トラック端部で強い磁界を発生し、中央での磁界を低減できる。結果として、出力の向上とノイズ低減を実現できる。
【００３１】
次に差動バイアス方式をＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ）素子に適用した第４の実施例を図８を用いて説明する。ＣＰＰの膜構成は通常のスピンバルブ膜と同様である。ただし、感知部への電流は膜に垂直に通電し、その抵抗変化を利用して再生素子とする。従って、図８で非磁性層１０２′はＣｕで構成される。磁区制御は上述したＴＭＲ素子と同様である。また、差動バイアス効果も同様である。ＣＰＰ素子はＴＭＲ素子と違い、本質的には素子抵抗が低く、ＴＭＲ素子のように、左右両側の絶縁分離層１１４は必ずしも必要でないが、設けても構わない。
【００３２】
以上説明した本発明の各実施例による磁気抵抗センサに、図２に示すように誘導型記録ヘッドが積層され記録再生分離型磁気ヘッドが完成する。記録再生分離型磁気ヘッドは、磁気ディスク記憶装置に搭載され、磁気ディスクに対し情報の記録、再生を行う。磁気ディスク記憶装置は、モータによって回転されるスピンドルに装着された磁気ディスクと、記録再生分離型磁気ヘッドを支持するサスペンションと、サスペンションが取付けられるヘッドアームと、ヘッドアームが取付けられるボイスコイルモータと、信号処理回路とを有し、ボイスコイルモータにより記録再生分離型磁気ヘッドを磁気ディスクの半径方向に回転駆動して任意のトラックに位置決めし、情報の記録、再生を行う。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気抵抗効果型再生ヘッドの磁区制御層を、自由層のトラック端部に強い磁界を印加する第１の磁区制御層と、第１の磁区制御層の磁界を打ち消して感知部中央の磁界を低減する第２の磁区制御層とを備える差動型とすることにより、狭トラック幅においても磁区制御磁界が端部で強く、感知部中央に向かって急激に低下する分布が得られる。この結果、感知部中央の縦バイアス磁界は低く、磁化は外部磁界で容易に回転でき、中央位置で大きな抵抗変化が発生するだけでなく、感知部の不感帯の幅も狭くなるため、高感度な再生が実現できる。一方、感知部の端部は強い磁界で固定されているため、従来のように、出力の向上に伴いノイズが発生することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図２】本発明の記録再生分離型磁気ヘッドの構成を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層無し）の第２磁区制御層の残留磁化依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層無し）の第２磁区制御層の位置依存性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層有り）の第２磁区制御層の膜厚依存性を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層有り）の第２磁区制御層の位置依存性である。
【図７】本発明の第２の実施例による磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図８】本発明をＴＭＲ素子，ＣＰＰ素子に適用した実施例を示す構成図である。
【図９】従来の磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図１０】従来のハードバイアス構造の縦バイアス磁界分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 基体 ２ ＧＭＲ素子（感知部）
３ 磁区制御層 ５ 絶縁層（分離層）
６ 下部磁性層 ７ 下部磁極
８ ギャップ膜 ９ コイル
１０ 上部磁性層 １１ 先端磁極部
１００ 下地層 １０１ 自由層
１０２ 非磁性導電層 １０２′ 非磁性層
１０３ 固定層 １０４ 反強磁性層
１０５ キャップ層 １０６ 下地層
１０７ 第１磁区制御層（ＰＭ１） １０８ 非磁性中間層
１０９ 第２磁区制御層（ＰＭ２） １１０ 電極層
１１０−ａ 上部電極層 １１０−ｂ 下部電極層
１１１−ａ 上部絶縁層 １１１−ｂ 下部絶縁層
１１２−ａ 上部シールド層 １１２−ｂ 下部シールド層
１１３ サイドシールド層 １１４ 絶縁分離層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＭＲあるいはＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗センサを搭載した記録再生分離型磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来技術】
図９に、特許文献１に開示された従来技術のスピンバルブ構造の磁気抵抗センサの基本構成を示す。スピンバルブ構造（磁気抵抗効果素子）２は、下地層１００の上に非磁性導電層１０２を介して軟磁気特性を持つ自由層１０１と磁化の方向が固定されている固定層１０３が積層され、固定層１０３には反強磁性層１０４が積層され、反強磁性層１０４の上にはキャップ層１０５が設けられている。
反強磁性層１０４は固定層１０３の磁化方向を固定している。また、この積層体２は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両側には下地層１０６の上に自由層１０１の磁化方向を制御するための磁区制御層（ハードバイアス層）１０７、センス電流を流すための電極層１１０の積層体が設けられる。これらの積層体は下部絶縁層１１１−ｂ及び上部絶縁層１１１−ａを介して下部シールド層１１２−ｂと上部シールド層１１２−ａに挟まれている。
【０００３】
簡単に、動作を説明する。ＧＭＲ効果は自由層１０１と固定層１０３の磁化方向の角度差に応じて抵抗が変化する現象である。磁化方向が同方向の角度零で抵抗が最も低くなり、反平行の角度１８０度で抵抗は最大になる。外部磁界が印加されていない時、その角度が９０度になるように固定層１０３の磁化はトラック方向と垂直方向に固定される。自由層１０１の磁化方向は上記ハードバイアス層１０７からの磁界（縦バイアス磁界）と膜自体の容易軸異方性により、トラック方向に向く。外部磁界の正負に応じて、磁化方向の角度差は変化し、抵抗が変化し、センス電流により、磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子両端の電圧が変化して、磁気抵抗センサとして動作する。
【０００４】
高密度化が進み、トラック幅が狭くなると上記構造の出力は急激に低下する。
この原因はハードバイアス層１０７の発生する強い縦バイアス磁界ために、磁気抵抗センサの磁気抵抗効果素子（感知部）２のトラック幅の端部に、信号磁界に対する感度が低下する不感帯領域が存在するためである。また、最近は、狭トラック化は進んでも、上下シールド層の間隔Ｇｓはほとんど変わらないため、場合によっては感知部２のトラック幅中央でも縦バイアス磁界は残存しており、感度向上が難しくなっている。
【０００５】
図１０は感知部２のトラック幅Ｔｗｒを２００、１５０および１００ｎｍとして、Ｇｓを６０ｎｍ，ハードバイアス層１０７の残留磁化をＢｒ、厚さをＴｈとして、ＢｒＴｈを２００Ｇｕｍとしたときの感知部内の磁界分布を規格化して示している。感知部２の中央の磁界の端部磁界に対する比率はトラック幅が２００ｎｍで０．１であるが、トラック幅が狭まると共に比率は上昇する。１００ｎｍ幅ではこの値は０．３になる。このことは感度がおよそ１／３になったことに相当する。トラック幅が１／２になったことを考慮すると、感度は１／６になる。
この出力低減を解決するためにはハードバイアス層１０７の残留磁化あるいは膜厚を低減して縦バイアス磁界を低減することである。もちろん、これにより、出力は向上するが、縦バイアス磁界は低下する。この結果、トラック端部での磁化は反磁界のため、トラック方向に向き難くなる。外部磁界で自由層１０１の磁化が回転するとき、縦バイアス磁界が低いと、トラック端部で、磁化はスムーズに回転できなくなる。その結果、磁化はヒステリシスを伴う回転動作となり、磁気的ノイズを発生する。場合によっては読み出し波形の正負の出力の非対称性も増大する。出力増加に伴ってノイズあるいは波形の非対称性を有するヘッドの発生頻度が増加し、縦バイアス磁界を下げて、出力を増加することは実際上できなくなる。
【０００６】
【特許文献１】
「特開平３−１２５３１１号公報」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
狭トラック化に対して、出力の低下を避けるためには、すくなくとも感知部（磁気抵抗効果素子）でのハードバイアス層から来る縦バイアス磁界を増加しないようにして、外部磁界に対する磁化回転角度を確保できれば、狭トラック化に対しても必要な抵抗変化が得られる。感知部での縦バイアス磁界の増加を防止するには、トラック幅に比例して、ハードバイアス層の厚さを薄くする必要がある。
しかし、ハードバイアス層の薄膜化はトラック両端部での縦バイアス磁界の低下を引き起こす。このため、トラック端部の磁化の固定が不十分となる。このため、読みにじみが発生する。さらに、固定が弱くなると、再生ノイズおよび波形の非対称性ばらつきが増大する。読みにじみが発生すると、実効的に広いトラック幅となり、必要な動作幅を得るためには光学的に狭いトラック形成が必要であり、プロセス技術の負担が増大する。
【０００８】
問題は、再生ノイズと波形の非対称性ばらつきである。この発生頻度も端部の縦バイアス磁界で決まっている。出力向上を目的にハードバイアス層を薄膜化すると、当然、端部の縦バイアス磁界も低下し、再生ノイズと波形の非対称バラツキは激増する。つまり、現状は、出力向上とノイズ、波形非対称性および磁気的トラック幅は相反的なトレードオフの関係にある。出力を上げようとすると、ノイズの増大、波形非対称性の増大、磁気的トラック幅が拡大し、実際上、出力向上は困難になる。
【０００９】
以上述べてきたように、狭トラック化の課題は上記トレードオフからの脱却である。しかし、この課題は現状のハードバイアス構造では実現できない。単純に考えて、出力を向上するための縦バイアス中心磁界の低減あるいは不感帯幅の低減は、同時に端部のバイアス磁界を低下させ、必然的に、ノイズと波形非対称を引き起こすためである。
【００１０】
本発明の目的は、出力向上とノイズ低減の両立であり、高感度で、安定性を備えた狭トラック磁気抵抗センサを実現して、高記録密度に適した記録再生分離型磁気ヘッドを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では感知部の端部の縦バイアス磁界は高く維持し、感知部中心に向かって急激に減衰する望ましい縦バイアス磁界を実現する。この縦バイアス磁界は２層の磁区制御層を用いることで実現される。第１の磁区制御層は従来のハードバイアス層と同等の役割を果たす、つまり、自由層の磁化を所定の方向に向ける縦バイアスを発生する。第２の磁区制御層は第１の磁区制御層とは逆方向の縦バイアス磁界を発生する。第１の磁区制御層は感知部の自由層の近くに配置され、第２の磁区制御層は少し離れて設けられる。感知部の磁界分布は二つの磁区制御層の両者の差で決まる。このハードバイアス磁界分布を実現することにより、出力の向上が図れるとともに、再生ノイズと波形非対称ばらつきの増加を防止することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２に本発明による磁気抵抗センサと誘導型記録ヘッドを積層した記録再生分離型磁気ヘッドの部分斜視図を示す。ヘッドスライダを兼ねる基体１の上に下部シールド層１１２−ｂが形成され、その上に下部絶縁層（図示せず）を介してＧＭＲ素子２が積層され、ＧＭＲ素子２の両端に磁区制御層３及び電極層１１０が積層される。さらにこれらの積層体の上に上部絶縁層（図示せず）を介して上部シールド層１１２−ａが形成され磁気抵抗効果型再生ヘッド（磁気抵抗センサ）となる。この磁気抵抗効果型再生ヘッドの上部に絶縁層５を介して誘導型記録ヘッドを形成する。誘導型記録ヘッドは下部磁極７を有する下部磁性層６、ギャップ膜８、コイル９、先端磁極部１１を有する上部磁性層１０で構成される。
【００１３】
図１に本発明の第１の実施例による磁気抵抗センサの基本構成を示す。磁気抵抗効果素子（感知部）２の膜構成は、下地層１００、自由層１０１、非磁性導電層１０２、固定層１０３、反強磁性層１０４、キャップ層１０５が順に積層されている。この積層膜２は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両端には下地層１０６、第１磁区制御層１０７、非磁性中間層１０８、第２磁区制御層１０９からなる積層体３と電極層１１０が配置されている。この例での感知部２の膜材料構成は下地層「Ｔａ ２ｎｍ」／自由層「ＮｉＦｅＣｒ ３ｎｍ／ＮｉＦｅ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ０．５ｎｍ」／非磁性導電層「Ｃｕ ２ｎｍ」／固定層「ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ」／反強磁性層「ＰｔＭｎ １５ｎｍ」／キャップ層「Ｔａ ３ｎｍ」である。両端の積層体３の膜材料構成は、下地層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第１磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ３０ｎｍ」／非磁性中間層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ３０ｎｍ／ＣｏＦｅ１０ｎｍ」であり、電極層１１０は「Ｔａ８０ｎｍ」である。
【００１４】
一般的に、磁区制御層の保磁力は８０ＡＴ／ｍ（１ｋＯｅ）以上必要である。
第１磁区制御層１０７はＣｒ下地層１０６により、１６０ＡＴ／ｍ（２ｋＯｅ）に近い高い保磁力を有している。非磁性中間層１０８はＣｒを用いているが、Ｔａ、Ｒｕ等でも良い。第２磁区制御層１０９はここではＣｏＣｒＰｔ／ＮｉＦｅ等の２層構造あるいはＣｏＣｒＰｔ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ等の３層構造で実現されている。この構成とすることにより、たとえＣｏＣｒＰｔの組成が第１磁区制御層１０７と同じでも、積層されるソフト磁性材料、およびその膜厚により、膜の保磁力を自由に調節することができる。これにより、最初に、強い磁界、例えばここでは、約８００ＡＴ／ｍ（１０ｋＯｅ）に第１磁区制御層１０７を着磁し、その反対方向に第２磁区制御層１０９を第１と第２の磁区制御層の保磁力の間の磁界で着磁することで、第１と第２の磁区制御層の磁化方向を反対方向に制御する。また、膜厚の関係から第１磁区制御層１０７は第２磁区制御層１０９より相対的に自由層１０１に近い場所に位置している。
【００１５】
この素子２の上部／下部には絶縁層１１１−ａ／１１１−ｂが配置され、さらに、その外側には上部／下部シールド層１１２−ａ／１１２−ｂが設けられる。
これにより、上述したように、強い端部磁界を維持し、中央磁界を低減して、高い出力と低ノイズを実現できる。
【００１６】
図３は本発明のバイアス構造を理解し易くするために、上下のシールド層の無い状態で、２層のハードバイアス層の磁界分布を計算した例である。計算例は、自由層１０１の幅を１００ｎｍ、第１磁区制御層ＰＭ１は膜厚３０ｎｍ、第２磁区制御層ＰＭ２の膜厚も３０ｎｍで、５ｎｍの非磁性導電層を介して積層されているとする。ＰＭ１の残留磁化は１Ｔとする。
【００１７】
図３（ａ）のように、ＰＭ２の端部をＰＭ１の端部よりΔＺだけ自由層１０１から離れて配置する。ここで、ＰＭ２の残留磁化を０〜１．４Ｔに変化させる。この例では、ΔＺを５ｎｍとした。図３（ｂ）はトラック幅方向距離における感知部内の磁界分布を規格化して示したもので、ＰＭ２＝０の従来構造では、中心磁界は端部磁界の４０％残留している。ＰＭ２の残留磁化Ｂｒを増加させると、磁界分布は中心に向かって急激に低下する分布に変化し、約１．４Ｔまで増加させたとき、中心部の磁界は端部磁界の１０％以下にまで低減する。つまり、端部の磁界を強く保持して、再生ノイズと波形非対称性の悪化を防止しつつ、中心磁界の低減、不感帯幅の低減ができる。これにより、低ノイズで出力向上が実現できる。なお、この時の、端部磁界はＰＭ２のＢｒの変化で約２０％の減少である。実用的には必要な端部磁界が得られる条件にＰＭ１を選ぶ。
【００１８】
図４は第２磁区制御層ＰＭ２の位置を変えた時の磁界分布である。ＰＭ２の残留磁化は１Ｔとし、その他は図３の条件と同じとした。ΔＺを５ｎｍから５０ｎｍまで変えても磁界分布の変化は小さい。従って、プロセス的には自由度が高い。以上のように、急峻な磁界分布が得られるのは、第１磁区制御層ＰＭ１の作る急激に変化する磁界に、感知部では比較的平坦な逆向きの磁界をＰＭ２を用いて印加するためであり、これにより、中心部でほぼ零に近い分布を形成できる。
【００１９】
次に、図５（ａ）のように、スピンバルブ層の両側に、シールド層を設けた場合についての結果を示す。上部シールド層１１２−ａおよび下部シールド層１１２−ｂ間の距離Ｇｓは６０ｎｍ、感知部（自由層）１０１の幅は１００ｎｍ、第１磁区制御層ＰＭ１の厚さは２０ｎｍ、残留磁化は１Ｔとし、第２磁区制御層ＰＭ２の残留磁化も同様に１Ｔとする。ここでは、反強磁性層１０４が上部に配置されるトップスピンバルブ膜について検討する。自由層１０１は下部シールド層１１２−ｂより２０ｎｍの位置にあり、その横に第１磁区制御層ＰＭ１を配置し、その上部に第２磁区制御層ＰＭ２を配置する。
【００２０】
図５（ｂ）はＰＭ２の端部とＰＭ１の端部の距離ΔＺを２０ｎｍとし、ＰＭ２の膜厚を変更した場合の磁界分布を示す。ＰＭ２の無い従来構造での、端部磁界と中心磁界の比率は０．３である。シールド効果により、図３と違い端部の磁界と中心部の磁界の比率は０．４から下がってはいるが、まだまだ高い。ＰＭ２の厚さを１０ｎｍ〜５０ｎｍとして計算すると、中心部の磁界は膜厚とともに低下する。ＰＭ２が５０ｎｍで、比率は０．１になり、磁界が急峻なため、不感帯の幅も低減される。この例では第２磁区制御層ＰＭ２の膜厚を変えているが、残留磁化Ｂｒを大きくしても同様な結果が得られる。これらの結果からわかるように、少なくとも、第２磁区制御層ＰＭ２の残留磁化Ｂｒと膜厚Ｔｈの積ＢｒＴｈが第１磁区制御層ＰＭ１のＢｒＴｈより大きくないと中央の磁界を低減する効果が見えない。第２磁区制御層ＰＭ２のＢｒＴｈを十分大きくして得られた前記の磁界比率０．１の値は出力向上とノイズ低減を両立可能な値である。
【００２１】
図６はＰＭ２の位置を変更した場合である。ここではＰＭ２の厚さは３０ｎｍとしている。トラック幅方向の距離が近いほど、磁界分布は改善される。特に、ＰＭ１との距離が１０ｎｍ以下では中心磁界は０．１以下になる。シールド層がある場合はＰＭ２の磁界はシールド層に吸収されるため、ＰＭ２が離れるとＰＭ２の効果は小さくなる。しかし、いずれにしても、シールド層を置いた場合でも、ＰＭ１とＰＭ２が発生するバイアス磁界を差動で働かせることにより、感知部でトラック中心に向かって急峻に低下する磁界分布が得られる。このハードバイアス方式を差動バイアス方式と呼ぶことにする。この方式を用いることにより、狭トラックで、出力向上とノイズ低減の両立が可能となる。
【００２２】
このように本発明の１実施例による磁気抵抗センサを用いることで、狭トラック、高感度で、高線記録密度に適した磁気ヘッドが得られ、高記録密度を有する磁気記録装置が実現可能となる。
【００２３】
なお、図１の第１の実施例では反強磁性層１０４が上部に設けられているスピンバルブ膜構成（トップスピンバルブ；ＴＳＶ）を示したが、反強磁性層１０４が下部に配置されているスピンバルブ膜構成（ボトムスピンバルブ；ＢＳＶ）、あるいは固定層が自由層の両側にあるデユアルスピンバルブ；ＤＳＶ等にももちろん適用可能である。ただし、ＢＳＶの場合には自由層１０１の位置が反強磁性層１０４の厚さ分、上部に位置するため、第２磁区制御層１０９の位置が高くなる。このため、第２磁区制御層１０９より発生する磁束は上部シールドに吸収されやすくなる。結果として、感知部に及ぼす第２磁区制御層１０９からの磁界の効果は弱くなり、中央磁界の低減効果は小さくなる。従って、ＢＳＶよりはＴＳＶの方が差動バイアスの効果が出やすい。
【００２４】
次に、この差動バイアス方式を実現する第１の実施例の変形例１を図１を用いて説明する。この場合は第１磁区制御層１０７はハード磁性材料で形成されるが、第２磁区制御層１０９はソフト磁性材料で形成する。材料としてはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅあるいはこれらの多層膜を用いる。この構成を差動バイアスとして動作させるためには、下記の二つの方法がある。
【００２５】
第一の方法は非磁性中間層１０８にＲｕを用いる方法である。スピンバルブ膜で知られているように、Ｒｕの膜厚を６〜１０ÅにするとＲｕの両側の磁性層は反強磁性結合する。この結合を利用して、上述した差動バイアスを形成する。この場合は、第１磁区制御層１０７の保磁力より、反強磁性結合磁界の方が低いことが必要条件である。第１磁区制御層１０７の保磁力より高い外部磁界で第１磁区制御層１０７を着磁し、続いて外部磁界を零とすると、第２磁区制御層１０９の磁化は反強磁性結合により第１磁区制御層１０７の磁化と反平行方向に配列する。
【００２６】
第２の方法は、第２磁区制御層１０９をソフト磁性層と反強磁性層の２層で構成する方法である。反強磁性材料にはＩｒＭｎあるいはＰｔＭｎ等を用いる。磁場中熱処理により、ソフト磁性層の磁化方向を所定の方向に固定する。それと反平行方向に第１磁区制御層１０７のハード磁性層に外部磁界を印加して着磁する。この場合、非磁性中間層１０８はＴａ、Ｒｕ等である。必ずしも、上記第１の方法のように、反強磁性結合を働かせる必要はないが、より確実に反平行を実現するために、Ｒｕ中間層による反強磁性結合を組み合わせて用いても良い。
【００２７】
さらに、差動バイアス方式を実現する変形例２を同じく図１を用いて説明する。第１磁区制御層１０７をソフト磁性材料で形成する方法である。上述したと同様に、第２磁区制御層１０９はハード磁性材料で形成する場合とソフト磁性材料で形成する場合の２つがある。具体的な膜構成を順に述べる。前者の構成例は、下地層「Ｔａ ３ｎｍ」／第１磁区制御層「ＰｔＭｎ １２ｎｍ／ＣｏＦｅ １５ｎｍ」／非磁性中間層「Ｃｒ ５ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＣｒＰｔ ４０ｎｍ」、後者の構成例は、下地層「Ｔａ ３ｎｍ」／第１磁区制御層「ＰｔＭｎ １２ｎｍ／ＣｏＦｅ １５ｎｍ」／非磁性中間層「Ｒｕ ０．８ｎｍ」／第２磁区制御層「ＣｏＦｅ ３０ｎｍ」である。前者は第１磁区制御層１０７をＰｔＭｎ反強磁性層とＣｏＦｅ軟磁性層の２層構成として、磁化方向を固定する。その上部にハード磁性材料を積層している。後者は第１磁区制御層１０７を前者と同様の構成とし、Ｒｕの反強磁性結合を用いて、ソフト磁性材料の第２磁区制御層１０９の磁化方向を反平行方向に制御する。これらはいずれも従来、交換結合型と呼ばれる磁区制御方式に対して、第２磁区制御層１０９を付与することで、中央磁界の低減を図った構造である。
【００２８】
本発明の第２の実施例を図７に示す。図７のように第１磁区制御層１０７をスピンバルブ膜に積層して形成する磁区制御方式に対しても、スピンバルブ膜の両側に第２磁区制御層１０９を付与することは中央磁界低減に有効である。この場合はスピンバルブ膜／キャップ層Ｒｕ／第１磁区制御層「ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）」と積層して、同じトラック幅にミリングする。上部のＣｏＦｅの磁化方向はＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）反強磁性層により、一定方向に配列されているため、トラック端部で自由層１０１に強い磁界を与える。つまり、第１磁区制御層１０７としての役割を、該ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（又はＰｔＭｎ）の層が果たすことになる。これと逆方向の磁界を発生する第２磁区制御層１０９を感知部の両側に配置することにより、中央部の磁界を低減し、出力向上が実現される。この場合は自由層１０１の両側にサイドシールド層１１３を設けることができる。これは読みにじみを低減する上で重要である。
【００２９】
図８は差動バイアス方式をトンネル磁気抵抗素子（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）に用いた第３の実施例である。ＴＭＲ素子の膜構成はスピンバルブ素子と類似であるが、固定層１０３と自由層１０１間の非磁性層１０２′には絶縁層（Ａｌ２Ｏ３）が用いられる。トンネル電流が絶縁層１０２′の両側の磁性層の磁化方向の角度差で変化する現象を利用した再生素子である。この実施例では下地層１００、反強磁性層１０４、固定層１０３、絶縁層１０２′、自由層１０１、キャップ層１０５の順に積層される。
【００３０】
感知部へのトンネル電流は素子の上下に設けられた上部電極１１０―ａと下部電極１１０―ｂより通電される。磁区制御層３はＴＭＲ素子の左右両側に設けられた絶縁分離層１１４の外側に配置される。層構成は下地層１０６、第２磁区制御層１０９、非磁性中間層１０８、第１磁区制御層１０７である。絶縁分離層１１４は磁区制御層３による素子短絡を防止するために設けられている。また、この場合は自由層１０１が上部に位置しているため、前述の図１とは違い、第１磁区制御層１０７が上部に設けられている。自由層１０１の感知部の端部に近い位置に第１磁区制御層１０７を配置することが原則である。トンネル素子の具体的な膜構成は下地層「ＮｉＦｅＣｒ ３ｎｍ」／反強磁性層「ＰｔＭｎ １５０ｎｍ」／固定層「ＣｏＦｅ ３ｎｍ」／絶縁層「Ａｌ２Ｏ３ ０．５ｎｍ」／自由層「ＣｏＦｅ １ｎｍ／ＮｉＦｅ ２ｎｍ」／キャップ層Ｔａ ０．５ｎｍである。自由層１０１に及ぼす影響は図１での説明と同様であり、トラック端部で強い磁界を発生し、中央での磁界を低減できる。結果として、出力の向上とノイズ低減を実現できる。
【００３１】
次に差動バイアス方式をＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ）素子に適用した第４の実施例を図８を用いて説明する。ＣＰＰの膜構成は通常のスピンバルブ膜と同様である。ただし、感知部への電流は膜に垂直に通電し、その抵抗変化を利用して再生素子とする。従って、図８で非磁性層１０２′はＣｕで構成される。磁区制御は上述したＴＭＲ素子と同様である。また、差動バイアス効果も同様である。ＣＰＰ素子はＴＭＲ素子と違い、本質的には素子抵抗が低く、ＴＭＲ素子のように、左右両側の絶縁分離層１１４は必ずしも必要でないが、設けても構わない。
【００３２】
以上説明した本発明の各実施例による磁気抵抗センサに、図２に示すように誘導型記録ヘッドが積層され記録再生分離型磁気ヘッドが完成する。記録再生分離型磁気ヘッドは、磁気ディスク記憶装置に搭載され、磁気ディスクに対し情報の記録、再生を行う。磁気ディスク記憶装置は、モータによって回転されるスピンドルに装着された磁気ディスクと、記録再生分離型磁気ヘッドを支持するサスペンションと、サスペンションが取付けられるヘッドアームと、ヘッドアームが取付けられるボイスコイルモータと、信号処理回路とを有し、ボイスコイルモータにより記録再生分離型磁気ヘッドを磁気ディスクの半径方向に回転駆動して任意のトラックに位置決めし、情報の記録、再生を行う。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気抵抗効果型再生ヘッドの磁区制御層を、自由層のトラック端部に強い磁界を印加する第１の磁区制御層と、第１の磁区制御層の磁界を打ち消して感知部中央の磁界を低減する第２の磁区制御層とを備える差動型とすることにより、狭トラック幅においても磁区制御磁界が端部で強く、感知部中央に向かって急激に低下する分布が得られる。この結果、感知部中央の縦バイアス磁界は低く、磁化は外部磁界で容易に回転でき、中央位置で大きな抵抗変化が発生するだけでなく、感知部の不感帯の幅も狭くなるため、高感度な再生が実現できる。一方、感知部の端部は強い磁界で固定されているため、従来のように、出力の向上に伴いノイズが発生することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図２】本発明の記録再生分離型磁気ヘッドの構成を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層無し）の第２磁区制御層の残留磁化依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層無し）の第２磁区制御層の位置依存性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層有り）の第２磁区制御層の膜厚依存性を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例による縦バイアス磁界分布（シールド層有り）の第２磁区制御層の位置依存性である。
【図７】本発明の第２の実施例による磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図８】本発明をＴＭＲ素子，ＣＰＰ素子に適用した実施例を示す構成図である。
【図９】従来の磁気抵抗効果型再生ヘッドを示す構成図である。
【図１０】従来のハードバイアス構造の縦バイアス磁界分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 基体 ２ ＧＭＲ素子（感知部）
３ 磁区制御層 ５ 絶縁層（分離層）
６ 下部磁性層 ７ 下部磁極
８ ギャップ膜 ９ コイル
１０ 上部磁性層 １１ 先端磁極部
１００ 下地層 １０１ 自由層
１０２ 非磁性導電層 １０２′ 非磁性層
１０３ 固定層 １０４ 反強磁性層
１０５ キャップ層 １０６ 下地層
１０７ 第１磁区制御層（ＰＭ１） １０８ 非磁性中間層
１０９ 第２磁区制御層（ＰＭ２） １１０ 電極層
１１０−ａ 上部電極層 １１０−ｂ 下部電極層
１１１−ａ 上部絶縁層 １１１−ｂ 下部絶縁層
１１２−ａ 上部シールド層 １１２−ｂ 下部シールド層
１１３ サイドシールド層 １１４ 絶縁分離層
Claims (10)
- 下部シールドと、上部シールドと、該下部シールドと上部シールドの間に絶縁層を介して配置された自由層と非磁性導電層と固定層と反強磁性層が積層された磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子の両端に配置され前記自由層の磁化方向を所定の方向に制御する第１の磁区制御層と、該第１の磁区制御層の磁化方向と逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層と、前記磁気抵抗効果素子の両端に配置され当該磁気抵抗効果素子に電流を供給する電極層とを有する磁気抵抗効果型再生ヘッドと、該磁気抵抗効果型再生ヘッドの上に絶縁層を介して配置された誘導型記録ヘッドとを有することを特徴とする記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記第１の磁区制御層は前記自由層の近傍に配置され、前記第２の磁区制御層は前記自由層より離れて配置されていることを特徴とする請求項１記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記第１および第２の磁区制御層は前記磁気抵抗効果素子の両側に非磁性中間層を介して積層配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記第１の磁区制御層と第２の磁区制御層は、両層ともハード磁性材料、ハード磁性材料とソフト磁性材料、ソフト磁性材料とハード磁性材料または両層ともソフト磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記第１あるいは第２の磁区制御層のソフト磁性層に磁化方向を固定する反強磁性層が積層されていることを特徴とする請求項４記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記第１の磁区制御層の残留磁化Ｂｒと膜厚Ｔｈとの積ＢｒＴｈは、前記第２の磁区制御層のＢｒＴｈより小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 前記ハード磁性材料はＣｏＣｒＰｔ、前記ソフト磁性材料はＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ、前記反強磁性材料はＩｒＭｎ又はＰｔＭｎ、非磁性中間層はＣｒ、ＮｉＣｒ、Ｔａ、ＴａＷのうちのいずれかの元素の１層あるいは任意に選択された複数の元素の２層で形成されていることを特徴とする請求項５記載の記録再生分離型磁気ヘッド。
- 下部シールドと、上部シールドと、該下部シールドと上部シールドの間に絶縁層を介して配置された反強磁性層と固定層と非磁性導電層と自由層とが積層された磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子の上部に絶縁層を介して積層され前記自由層の磁化方向を所定の方向に制御する第１の磁区制御層と、前記磁気抵抗効果素子の両端に配置され前記第１の磁区制御層の磁化方向と逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層と、前記磁気抵抗効果素子の両端に配置され当該磁気抵抗効果素子に電流を供給する電極層とを有する磁気抵抗効果型再生ヘッドと、該磁気抵抗効果型再生ヘッドの上に絶縁層を介して配置された誘導型記録ヘッドとを有することを特徴とする記録再生分離型磁気ヘッド。
- 下部シールドと、上部シールドと、該下部シールドと上部シールドの間に絶縁層を介して配置された下部電極と上部電極と、該下部電極と上部電極との間に絶縁層を介して配置された反強磁性層と固定層と非磁性導電層と自由層とが積層された磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子の両端で前記自由層の近傍に配置され当該自由層の磁化方向を所定の方向に制御する第１の磁区制御層と、前記磁気抵抗効果素子の両端に配置され前記第１の磁区制御層の磁化方向と逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層とを有する磁気抵抗効果型再生ヘッドと、該磁気抵抗効果型再生ヘッドの上に絶縁層を介して配置された誘導型記録ヘッドとを有することを特徴とする記録再生分離型磁気ヘッド。
- 下部シールドと、上部シールドと、該下部シールドと上部シールドの間に絶縁層を介して配置された下部電極と上部電極と、該下部電極と上部電極との間に絶縁層を介して配置された反強磁性層と固定層と非磁性絶縁層と自由層とが積層されたトンネル磁気抵抗素子と、該トンネル磁気抵抗素子の両端で前記自由層の近傍に絶縁層を介して配置され当該自由層の磁化方向を所定の方向に制御する第１の磁区制御層と、前記トンネル磁気抵抗素子の両端に絶縁層を介して配置され前記第１の磁区制御層の磁化方向と逆方向の磁界を発生する第２の磁区制御層とを有するトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッドと、該トンネル磁気抵抗効果型再生ヘッドの上に絶縁層を介して配置された誘導型記録ヘッドとを有することを特徴とする記録再生分離型磁気ヘッド。
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