JP2004103730A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い検出感度を有し、かつ将来の高磁気記録密度化に対応可能な磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果膜と、センス時に磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する一対の電極とを備え、磁気抵抗効果膜は、非磁性中間層を挟んで、第１および第２の磁化自由層と第１乃至第４の磁化固着層とを有し、第２の非磁性中間層と第３の非磁性中間層との間に第２の磁化固着層と第３の磁化固着層が設けられ、第１および第２の磁化固着層の磁化固着方向は略平行であり、第３および第４の磁化固着層の磁化固着方向は略平行であり、第２の磁化固着層の磁化固着方向と第３の磁化固着層の磁化固着方向とは略反平行である。
【選択図】 図１
【解決手段】磁気抵抗効果膜と、センス時に磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する一対の電極とを備え、磁気抵抗効果膜は、非磁性中間層を挟んで、第１および第２の磁化自由層と第１乃至第４の磁化固着層とを有し、第２の非磁性中間層と第３の非磁性中間層との間に第２の磁化固着層と第３の磁化固着層が設けられ、第１および第２の磁化固着層の磁化固着方向は略平行であり、第３および第４の磁化固着層の磁化固着方向は略平行であり、第２の磁化固着層の磁化固着方向と第３の磁化固着層の磁化固着方向とは略反平行である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの磁気記録再生装置においては高密度化が急速に進められ、これに合わせて磁気ヘッドに対しても高記録密度に対応するものが要求されている。
【０００３】
記録密度が高くなるにつれて記録媒体に記録される記録ビットサイズが小さくなり、信号磁界が小さくなってきている。従来のリングコア型インダクティブ磁気ヘッドにおいては、記録媒体からの信号磁界をリングコアを介して電磁誘導効果により検出するが、リングコアを介した間接的な検出であるために、十分な検出感度を確保できなくなっている。
【０００４】
これに対して近年、磁気抵抗効果を利用することにより媒体信号磁界を直接感知する磁気抵抗効果型磁気ヘッドが提案された。磁気抵抗効果型ヘッドは、媒体表面の近くに設けられた磁界感知部により媒体信号磁界を直接的に感知することができ、非常に高感度であるという利点がある。
【０００５】
現在では、さらに巨大な磁気抵抗効果を発生するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドが主流をなしている。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜は、磁化固着層（ピン層）／中間層（スペーサ層）／磁化自由層（フリー層）という積層構造を有し、従来の磁気抵抗効果膜に比べて２倍以上の巨大磁気抵抗効果を発揮する。
【０００６】
ところで、磁気抵抗効果膜としては、センス時に一対の電極によって磁気抵抗効果膜の面内方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）型の構成がある。上述の磁気抵抗効果膜を用いた磁気ヘッドでは、強磁性体からなる一対の磁気シールドの間に絶縁体を介してスピンバルブ型磁気抵抗効果膜を設けたシールド型の構成が採用される。
【０００７】
これに対して最近、センス時に一対の電極からスピンバルブ膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気ヘッドが提案されている。一般的にＣＰＰ型にすることにより、ＣＩＰ型よりも磁気抵抗効果膜の磁気抵抗（ＭＲ）変化率が向上するため高いヘッド出力が期待でき、しかもＭＲ膜とシールドの間の絶縁層を省略できるためシールド間距離（磁気ギャップ）を狭めることが可能である。
【０００８】
一方、面内磁気記録方式のシステムにおいては、熱擾乱のために記録密度が限界に近づいている。そこで、熱擾乱に強い垂直磁気記録方式のシステムが有望視され、様々な垂直記録媒体とシールド型磁気ヘッドとを組み合わせたシステムが提案されている。
【０００９】
図１６（ａ）は、垂直記録媒体に対してシールド型磁気ヘッドを適用したシステムを模式的に表す概念図である。この磁気ヘッドをシールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドという。シールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドは、たとえば米国特許第５，２０６，５９０号明細書に開示されている。図１６（ｂ）は、同図（ａ）の磁気ヘッドから得られる出力波形を示す図である。
【００１０】
図１６（ａ）に示すように、垂直記録媒体１に対向して、一対の磁気シールド１１１、１１２に挟まれた１つの磁気抵抗効果膜１００が設けられている。磁気抵抗効果膜１００は、反強磁性層１０１、磁化固着層（ピン層）１０２、非磁性中間層（スペーサ層）１０３、および磁化自由層（フリー層）１０４が積層された構造を有する。
【００１１】
このようなシールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドを用いて垂直記録媒体の媒体磁化を検出すると、図１６（ｂ）に示すように、出力波形は媒体上の記録ビットからの信号磁化に対して単調に変化する。従って、通常の面内磁気記録システムと同様に、磁気ヘッドが磁化遷移領域を通過するのに対応してピークが現れる出力波形を得るためには、再生信号処理回路に微分回路を追加しなければならない。しかし、微分回路はノイズを増大させる問題がある。しかも、微分処理後のピーク形状のシフトが起こりやすく、信号エラーレートが増大する問題およびノイズ対信号比が劣化する問題がある。
【００１２】
また、このようなシールド型のＭＲヘッドにおいて、高密度化に対応するためには、一対の磁気シールド１１１、１１２の間隔を狭ギャップ化することが重要であることが知られている。しかし、図１６（ａ）に示した磁気ヘッドの場合、磁気抵抗効果膜１００が厚い反強磁性層を有するため、狭ギャップ化が困難であるという問題があった。
【００１３】
一般的なシールド型デュアル・スピンバルブ磁気ヘッド（たとえば特開平９−１４７３２６号公報参照）も、上記と同様の課題を抱える。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５，２０６，５９０号明細書
【００１５】
【特許文献２】
特開平９−１４７３２６号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のシールド型磁気ヘッドよりも高い検出感度、すなわち高磁束効率および高ＭＲ変化率を有し、将来の高磁気記録密度化に対応可能な高感度な磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記磁気抵抗効果膜は、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第３の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第４の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第３の磁化固着層との間に設けられた第３の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第４の磁化固着層との間に設けられた第４の非磁性中間層とを有し、前記第２の非磁性中間層と前記第３の非磁性中間層との間に前記第２の磁化固着層と前記第３の磁化固着層が設けられ、前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第４の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記磁気抵抗効果膜は、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層とを有し、前記第１の非磁性中間層と前記第２の非磁性中間層との間に前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層が設けられ、前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であり、前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層は同一の反強磁性層との交換結合により磁化固着されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のさらに他の態様に係る磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドと、垂直磁気記録媒体とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備える。前記磁気抵抗効果膜は、第１および第２の磁化自由層と、第１〜第４の磁化固着層と、第１の磁化自由層と第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、第１の磁化自由層と第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層と、第２の磁化自由層と第３の磁化固着層との間に設けられた第３の非磁性中間層と、および第２の磁化自由層と第４の磁化固着層との間に設けられた第４の非磁性中間層を有し、第２の非磁性中間層と第３の非磁性中間層との間に第２の磁化固着層と第３の磁化固着層が設けられた構造を有する。
【００２３】
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ膜）の例を示す模式図である。
【００２４】
図１の磁気抵抗効果素子は、下地電極１１、下地層１２、第３の反強磁性層ＡＦ３、第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第２の反強磁性層ＡＦ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の反強磁性層ＡＦ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。
【００２５】
図２の磁気抵抗効果素子は、図１の変形例であり、下地電極１１、下地層１２、第４の反強磁性層ＡＦ４、第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第３の反強磁性層ＡＦ３、中間層１５、第２の反強磁性層ＡＦ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の反強磁性層ＡＦ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。すなわち、図２の磁気抵抗効果素子では、第３のピン層Ｐ３と第２のピン層Ｐ２との間に、反強磁性層ＡＦ３／中間層１５／反強磁性層ＡＦ２を挟んでいる点で図１と異なる。
【００２６】
これらの磁気抵抗効果素子の上下に設けられた一対の電極１１、１４により、膜面に対して略垂直方向にセンス電流が通電される。
【００２７】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１と第２の磁化自由層（第２のフリー層）Ｆ２との間に挟まれる薄膜によって実質的な磁気ギャップが規定されるので、従来のシールド型磁気ヘッドよりも狭ギャップを実現でき、超高記録密度に対応することが可能となる。このため、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、磁気ギャップを規定するために、一対の磁気シールドを設ける必要はない。磁気シールドを設けてもよいが、その場合でも第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２との間が実質的な磁気ギャップとなることに変わりはない。また、一対の電極１１、１４に磁気シールドの作用を兼ねさせることもできる。
【００２８】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１の磁化固着方向と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向とは略平行であり、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３の磁化固着方向と第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４の磁化固着方向とは略平行であり、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向と第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３の磁化固着方向とは略反平行である。
【００２９】
第１〜第４の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定することにより、垂直磁気記録媒体からの読み取り信号に対して、２端子の差動動作が可能となる。また、記録ビットの磁化遷移に対応してピークが現れる出力波形が得られるので、従来の信号処理回路を用いて再生することが可能となる。
【００３０】
第１〜第４の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定するには、第１の磁化固着層と第２の磁化固着層との組および第３の磁化固着層と第４の磁化固着層との組のうち、一方の組のそれぞれの磁化固着層を単層の強磁性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体とし、他方の組のそれぞれの磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体とするように設計することが好ましい。
【００３１】
上記の積層体は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を基本とし、「シンセティック構造」と呼ばれ、強磁性層と非磁性層の反強磁性的結合を利用するものである。非磁性層にはＲｕ（ルテニウム）などが用いられる。それぞれの強磁性層は非磁性層（たとえばＲｕ層）を介して反強磁性的結合をする。このようなシンセティック構造の磁化固着層の磁化を固着するためには、一方向に磁界を付与しつつ熱処理（固着熱処理）するのが一般的である。基本構造である強磁性層／非磁性層／強磁性層のシンセティック構造では、１回の固着熱処理によって非磁性層の上下にある２層の強磁性層の磁化を略反平行に固着することができる。
【００３２】
図３に、第１〜第４の磁化固着層をシンセティック構造とした第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の模式図を示す。この図では、第１および第２の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２が３層（奇数層）の強磁性層を含むシンセティック構造、第３および第４の磁化固着層Ｐ３、Ｐ４が２層（偶数層）の強磁性層を含むシンセティック構造となっている。なお、この図では、簡略化のために、磁化固着層を構成する強磁性層間の非磁性層を省略している。また、この図では、それぞれの磁化固着層を構成する各強磁性層の磁化方向を矢印で表示している。
【００３３】
具体的には、図３の磁気抵抗効果素子は、第３の反強磁性層ＡＦ３、２層の強磁性層Ｐ４２およびＰ４１を含む第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、２層の強磁性層Ｐ３２およびＰ３１を含む第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第２の反強磁性層ＡＦ２、３層の強磁性層Ｐ２３、Ｐ２２およびＰ２１を含む第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、３層の強磁性層Ｐ１３、Ｐ１２およびＰ１１を含む第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、および第１の反強磁性層ＡＦ１をこの順に積層した構造を有する。
【００３４】
第１〜第４の磁化固着層Ｐ１〜Ｐ４を図３のような積層構造（シンセティック構造）に設計することにより、１回（一方向）の固着熱処理によって、４つの磁化固着層Ｐ１〜Ｐ４を構成する強磁性層のうち非磁性中間層（スペーサ層）に最も近い強磁性層の磁化方向を所定の平行・反平行状態とすることが可能となる。すなわち、Ｐ１３の磁化固着方向とＰ２１の磁化固着方向とは略平行であり、Ｐ３２の磁化固着方向とＰ４１の磁化固着方向とは略平行であり、Ｐ２１の磁化固着方向とＰ３２の磁化固着方向とは略反平行である。
【００３５】
このとき、第１の磁化固着層Ｐ１のうち強磁性層Ｐ１１は最も近い反強磁性層である第１の反強磁性層ＡＦ１との交換結合により磁化固着され、第２の磁化固着層Ｐ２のうち強磁性層Ｐ２３と第３の磁化固着層Ｐ３のうち強磁性層Ｐ３１は最も近い反強磁性層である第２の反強磁性層ＡＦ２との交換結合により磁化固着され、第４の磁化固着層Ｐ４のうち強磁性層Ｐ４２は最も近い反強磁性層である第３の反強磁性層ＡＦ３との交換結合により磁化固着される。すなわち、Ｐ１１、Ｐ２３、Ｐ３２およびＰ４２は実質的に一方向（図３では右方向）に磁化固着され、これらの強磁性層の磁化固着方向はすべて平行となる。
【００３６】
また、図１（または図３）の磁気抵抗効果素子では、第２の磁化固着層Ｐ２（またはＰ２３）と第３の磁化固着層Ｐ３（またはＰ３１）が同一の第２の反強磁性層ＡＦ２との交換結合により実質的に一方向に磁化固着される。このように、反強磁性層を共用化することができるので、通常考えられるＣＰＰ型デュアル・スピンバルブ構造よりも一層の反強磁性層を減らすことができる。したがって、ＣＰＰ通電した場合の寄生抵抗を小さくすることができ、ＭＲ変化率を向上することができる。この結果、ヘッド出力を信号処理する際に、ノイズの低減が可能となる。
【００３７】
さらに、第２の反強磁性層の膜厚を第１の反強磁性層と第３の反強磁性層の膜厚よりも薄くすることが望ましい。これにより、２つのフリー層間の間隔が短くなり、線方向（ビット方向）の分解能を向上することが可能となる。
【００３８】
次に、図４（ａ）、（ｂ）、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）および図７を参照して、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果型ヘッドの動作原理について説明する。
【００３９】
図４〜図６は、本実施形態の磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を表す説明図である。図４（ａ）、図５（ａ）および図６（ａ）は第１〜第４のピン層Ｐ１〜Ｐ４および第１、第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向を示す斜視図である。これらの図においては、手前側が媒体対抗面（ＡＢＳ）である。第１のピン層Ｐ１および第２のピン層Ｐ２の磁化方向は上向き（アップ）である。第３のピン層Ｐ３および第４のピン層Ｐ４の磁化方向は下向き（ダウン）である。また、図４（ｂ）、図５（ｂ）および図６（ｂ）は、垂直磁気記録媒体１の上方に磁気ヘッドが配置された状態を示す模式図である。これらの図においては、垂直磁気記録媒体１に対する磁気ヘッドの相対的な走行移動方向が矢印Ａ方向であることを示している。垂直磁気記録媒体１には、記録ビットＢ１、Ｂ２、・・・が形成されていると想定している。
【００４０】
図７は、図４〜図６の状態にある磁気ヘッドからの出力波形（ΔＶ＝Ｉ×Δρ）を表す図である。
【００４１】
本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２によって磁気記録媒体１に記録された信号を互いに独立に検知する。つまり、２つの第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２は、異なる磁気記録信号磁界すなわち記録ビット磁界を検出する。
【００４２】
図４は、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２との間のギャップ部Ｇの直下を、同方向（アップ）の磁化を有する記録ビットＢ１とＢ２の遷移領域が通過する瞬間を示している。この時には、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向もこれら記録ビットに対応した同方向となる。より具体的には、同図（ａ）に示したように、第１〜第４のピン層Ｐ１〜Ｐ４の磁化方向に対して膜面内で傾斜した方向となる。２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向は同方向で略平行である。ここで、ギャップ部Ｇの直下を、両方ともダウンの磁化を有する記録ビットの遷移領域が通過すると、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向は同図（ａ）に破線で示したようになる。
【００４３】
一方、図５に示したように、ギャップ部Ｇの下を、記録ビットＢ２（アップ）と記録ビットＢ３（ダウン）との遷移領域が通過する瞬間には、これに対応して、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２の磁化方向は膜面内において互いに逆方向に傾斜するように遷移する。
【００４４】
また、図６に示したように、ギャップ部Ｇの下を、記録ビットＢ４（ダウン）と記録ビットＢ５（アップ）との遷移領域が通過する瞬間にも、これに対応して、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２の磁化方向は膜面内において互いに逆方向に傾斜するように遷移する。
【００４５】
つまり、ギャップ部Ｇの直下で記録ビットの磁化方向が遷移する瞬間には、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向もこれに合わせて互いに反転し、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２によって磁路が形成される。
【００４６】
図７に、図４〜図６の状態での出力を示す。すなわち、図４のように、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２間のギャップ部の直下において記録ビットの磁化遷移が生じない場合には、図７にａとして表したように、出力波形はフラットである。これに対して、図５および図６のように、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２間のギャップ部の直下において記録ビットの磁化遷移があると、図７のｂおよびｃとして表したように、磁気遷移に対応して出力波形にピークが現れる。より具体的には、記録ビットが「（アップ）→（ダウン）」に遷移する時と、「（ダウン）→（アップ）」と遷移する時で、極性が反転したピークを持つ出力波形が得られる。
【００４７】
これは、上述したように、４つのピン層のうち、第１と第２のピン層の磁化固着方向を略平行、第３と第４のピン層の磁化固着方向を略平行、第２と第３のピン層の磁化固着方向を略反平行としたことにより、磁気抵抗効果素子の膜面に対して垂直に通電すると、必然的に差動原理が働くからである。一般的には差動出力を得るためには３端子が必要とされるが、本実施形態に係る磁気ヘッドによれば、上下に設けた電極の２端子のみで差動出力を得ることが可能となる。
【００４８】
なお、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいて、３端子による差動を取る場合には、第３の電極の一部として、第２の反強磁性層ＡＦ２（または図２の中間層１５）などを使用することが望ましい。３端子差動においては、第２と第３のピン層の磁化固着方向が略反平行でなく、略平行であってもよい。ただし、第２と第３のピン層の磁化固着方向が略平行の場合に差動を取るためには電気回路的に差し引くような回路を形成しなければならない。このような構成により、上述した２端子差動ヘッドと同様な効果が得られる。
【００４９】
図７に例示した出力波形は、従来の磁気抵抗効果ヘッドを用いた面内磁気記録システムにおいて得られるものと同様である。従って、本発明によれば、従来の磁気記録再生システムにおける再生信号処理部の回路やシステムを変更することなく、垂直磁気記録媒体の信号磁化を検出することができる。その結果として、微分回路などを付加することに伴うＳ／Ｎの低下などの問題も解消することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る磁気ヘッドは、差動動作を取り入れているために、媒体と磁気ヘッドの接触により発生するサーマルアスペリティに対する耐性が向上する。一般的なシールド型ヘッドでは、上記のサーマルアスペリティによりベースラインシフト、すなわち、図７中のａで示されるベースラインが一定にならない問題や、媒体信号磁界に起因する以外の異常ピークの問題などが発生する。しかし、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、これらの問題を回避することが可能となる。
【００５１】
さらに、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、記録ビットの磁化遷移の検出分解能が、２つのフリー層間のギャップ部Ｇ（実質的な磁気ギャップとして機能する）の膜厚により決定される。ただし、第１および第２のフリー層により磁路が形成されるため、線記録密度方向の分解能は上述したギャップ部Ｇの厚さよりは若干広めとなる。しかし、従来のシールド型磁気ヘッドと比べると、飛躍的な狭ギャップ化が可能となり、超高密度記録システムを実現することが可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備える。前記磁気抵抗効果膜は、第１および第２の磁化自由層と、第１および第２の磁化固着層と、第１の磁化自由層と第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、第２の磁化自由層と第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層とを有し、第１の非磁性中間層と第２の非磁性中間層との間に第１の磁化固着層と第２の磁化固着層が設けられ、第１の磁化固着層と第２の磁化固着層を交換結合により磁化固着させる共通の反強磁性層が設けられた構造を有する。
【００５３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の例を示す模式図である。図８の磁気抵抗効果素子は、下地電極１１、下地層１２、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、反強磁性層ＡＦ、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。
【００５４】
図８の磁気抵抗効果素子は、図１の磁気抵抗効果素子から、保護層と第１の磁化自由層との間の第１の反強磁性層、第１の磁化固着層および第１の非磁性中間層、ならびに第２の磁化自由層と下地層との間の第４の非磁性中間層、第４の磁化固着層および第３の反強磁性層を取り除いた構造と等価である。
【００５５】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１の磁化固着方向と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向とは略反平行であり、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２は同一の反強磁性層ＡＦとの交換結合により磁化固着されている。
【００５６】
第１および第２の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定するには、第１の磁化固着層および第２の磁化固着層のうち、一方の磁化固着層を単層の強性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体（シンセティック構造）とし、他方の磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体（シンセティック構造）とするように設計することが好ましい。
【００５７】
図９に、第１および第２の磁化固着層をシンセティック構造とした第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の模式図を示す。この図では、第１の磁化固着層Ｐ１が３層（奇数層）の強磁性層を含むシンセティック構造、第２の磁化固着層Ｐ２が２層（偶数層）の強磁性層を含むシンセティック構造となっている。なお、この図では、簡略化のために、磁化固着層を構成する強磁性層間の非磁性層を省略している。また、この図では、それぞれの磁化固着層を構成する各強磁性層の磁化方向を矢印で表示している。
【００５８】
具体的には、図９の磁気抵抗効果素子は、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、２層の強磁性層Ｐ２２およびＰ２１を含む第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、反強磁性層ＡＦ、３層の強磁性層Ｐ１３、Ｐ１２およびＰ１１を含む第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、および第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１をこの順に積層した構造を有する。
【００５９】
第１および第２の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２を図９のような積層構造（シンセティック構造）に設計することにより、１回（一方向）の固着熱処理によって、２つの磁化固着層Ｐ１、Ｐ２を構成する強磁性層のうち非磁性中間層（スペーサ層）に最も近い強磁性層の磁化方向を所定の反平行状態とすることが可能となる。すなわち、Ｐ１１の磁化固着方向とＰ２２の磁化固着方向とは略反平行である。
【００６０】
このとき、第１の磁化固着層Ｐ１のうち強磁性層Ｐ１３と第２の磁化固着層Ｐ２のうち強磁性層Ｐ２１は同一の反強磁性層ＡＦとの交換結合により磁化固着され、Ｐ１３およびＰ２２は実質的に一方向（図９では右方向）に磁化固着される。
【００６１】
第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子も、図４〜図６に示されるような第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様な動作原理で動作する。具体的には、図４〜図６において、第１のピン層および第４のピン層を削除し、第２のピン層および第３のピン層をそれぞれ第１のピン層および第２のピン層と置き換えることで説明できる。第２の実施形態の磁気抵抗効果素子でも差動動作が働くので、図７と同様な出力波形が得られる。
【００６２】
第２の実施形態の磁気抵抗効果素子では、反強磁性層が１層しかないために素子抵抗を非常に小さく抑えることが可能であり、ＭＲ変化率を向上することが可能である。
【００６３】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成材料や設計について詳述する。
【００６４】
まず、磁化自由層（フリー層）について説明する。本発明の実施形態においては、第１のフリー層および第２のフリー層は、媒体対向面において垂直磁気記録媒体からの外部磁界に対してお互いに独立に磁化方向を変化することができる。これらフリー層の材料としては、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）またはそれらを含む合金を用いることができる。具体的には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（ａｔ％）合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、またはＮｉ８０Ｆｅ２０合金（パーマロイ）が挙げられる。実際のフリー層構成としては、例えば、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層膜、（ＣｏＦｅ／Ｃｕ）ｎ／ＣｏＦｅ（ｎ：１以上の整数）積層膜、（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）ｎ／ＦｅＣｏ（ｎ：１以上の整数）積層膜などが用いられている。
【００６５】
本発明の実施形態においては、第１フリー層と第２フリー層に対して、硬磁性膜（ハードバイアス膜と呼ばれる）または反強磁性膜（パターンドバイアス膜と呼ばれる）によりフリー層のトラック幅方向に磁気バイアスを印加することによって、異方性制御および磁区制御（これらはバイアス制御と総称される）を行うことが望ましい。ハードバイアス膜はフリー層の媒体対向面トラック幅方向の両サイドに形成される。また、パターンドバイアス膜は媒体対向面トラック幅方向のフリー層の両端部に接するように形成され、フォトリソグラフィーとエッチングによりパターニングされる。
【００６６】
その他の磁気バイアス方法としては、積層バイアス（インスタック・バイアス膜）や長距離交換結合バイアスなどがある。積層バイアスの場合には、フリー層に接するようにフリー層／スペーサ層（Ｃｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉなどの層間交換結合を切るための積層膜）／バイアス強磁性層／反強磁性層あるいはフリー層／スペーサ層／バイアス硬磁性層（例えば、ＣｏＰｔ系合金、ＣｏＣｒ系合金など）などが形成される。長距離交換結合バイアスの場合には、フリー層に接するようにフリー層／スペーサ層（Ｃｕなどの極薄膜。膜厚は２ｎｍ以下。）／反強磁性層の積層膜が形成される。
【００６７】
次に、磁化固着層（ピン層）および反強磁性層について説明する。本発明の実施形態において、第１〜第４の磁化固着層（ピン層）の磁化は、反強磁性層との交換結合により一方向に磁化固着される。反強磁性層の材料としては、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）またはＰｄ（パラジウム）などを含むＭｎ（マンガン）系合金が用いられる。具体的には、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＰｄＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金が挙げられる。
【００６８】
第１〜第４の磁化固着層の強磁性層としては、ＣｏＦｅ系合金あるいはＮｉＦｅ系合金がよく用いられ、非磁性層としてはＲｕ、Ｉｒなどがよく用いられる。実際の層構成としては、例えば、偶数層強磁性層積層の場合はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ、奇数層強磁性積層の場合はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅなどがよく用いられる。また、ピン層の強磁性層としてＣｏＦｅ層を極薄非磁性Ｃｕ層で積層するＣｏＦｅ／Ｃｕ積層膜の場合やＣｏＦｅ／ＮｉＦｅあるいはＣｏＦｅ／ＦｅＣｏ積層膜などのような異種強磁性層の積層膜が用いられることはＭＲ変化率を向上させる上で望ましい。
【００６９】
次に、非磁性中間層について説明する。磁気抵抗効果素子の第１〜第４の非磁性中間層には、一般的な金属系ＣＰＰ−ＧＭＲ膜の場合には、１ｎｍから１０ｎｍ程度の厚さを有する金属Ｃｕが用いられる。また、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）膜を用いる場合には、第１〜第４の非磁性中間層としてトンネルバリア層となる絶縁膜、例えば、Ａｌ２Ｏ３のような酸化物、あるいはＡｌＮなどのような窒化物、あるいは、酸窒化物が用いられる。さらに、上記非磁性中間層で電流狭窄効果を取り入れる場合には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｏ、Ｃｒ−Ｃｕ−Ｏなどのような酸化物が用いられる。この酸化物は厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さで使用が可能である。この場合、Ｃｕ、Ａｕなどの金属層でサンドイッチされたＣｕ（Ａｕ）／酸化物／Ｃｕ（Ａｕ）などの構成も用いられる。
【００７０】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子における磁気ギャップについて説明する。２つのフリー層間の間隔は、実質的なギャップ長に対応するため、適用される磁気記録再生システムの線記録密度に応じて決定される。そして、２つのフリー層の膜厚も、記録ビットからの信号磁界の分布に合わせて決定することが望ましい。個々の記録ビットからの信号磁界に対する検出分解能を確保し、かつ磁束の吸い込みを円滑に実現するためには、２つのフリー層の膜厚を２つのフリー層の間隔よりも薄くすることが望ましい。
【００７１】
一方、磁気回路としての特性を考慮した場合には、磁束効率を確保するという観点から、２つのフリー層間の間隔を１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが望ましい。１ｎｍ未満の場合には、２つのフリー層間で層間交換結合および静磁結合が働き、感度が低下する。５０ｎｍより大きい場合には、２つのフリー層間で磁気回路が形成されない。さらに、２つのフリー層間の間隔を１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることがより望ましい。
【００７２】
上述したような狭いギャップ中にスペーサ層／ピン層／反強磁性層／ピン層スペーサ層を形成する。この場合、反強磁性層の材料として、十分な薄膜化が可能なＩｒＭｎ合金反強磁性膜を用いることが好ましい。
【００７３】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおけるシールドについて説明する。上述したように本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、２つのフリー層間の間隔によって線記録密度方向の分解能が決定され、実質的な磁気ギャップが規定されるので、従来のシールド型磁気ヘッドのように磁気ギャップを規定するために一対の磁気シールドを設ける必要はない。
【００７４】
ただし、本発明の実施形態においても、一対の磁気シールドを設けることによって、外部磁界などによる外乱を抑制する効果は得られるので、この点からは磁気シールドを設置することが望ましい。具体的には、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドに磁気シールドを設置することにより、再生出力波形のＰＷ５０（図７に例示したような再生パルス波形の半値幅）を小さくすることが可能となる。
【００７５】
磁気シールドの材料としてはＮｉＦｅ（パーマロイ）などが挙げられる。磁気シールドと磁気抵抗効果膜との間に絶縁層を設けて電極を埋め込む場合、絶縁層の材料としてはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉＯ２などが用いられる。
【００７６】
次いで、従来および本発明に係る磁気ヘッドについて、マイクロマグネティックスによるシミュレーションを行った。図１０〜図１３にはこの計算で用いた磁気ヘッドにおけるＣＰＰ−ＳＶ膜構造を示している。図１０は従来のシールド型シングル・スピンバルブ（シングルＳＶ）ヘッド、図１１は従来のシールド型デュアル・スピンバルブ（デュアルＳＶ）ヘッド、図１２は本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果ヘッド、図１３は本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果ヘッドである。図１２または図１３のモデル膜では、中央部の反強磁性膜（ＡＦ２またはＡＦ）としてＩｒＭｎを用いている。Ｃｕスペーサ層の厚さは２ｎｍ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０ピン層の厚さは３ｎｍとしている。計算結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
従来のシールド型シングルＳＶヘッドではＭＲ変化率が十分でない。従来のシールド型デュアルＳＶヘッドでは、ＭＲ変化率は大きいものの、超狭ギャップ化した場合にシールド間にＣＰＰ−ＳＶ膜を形成することが困難であり、高線記録密度で対応できない。
【００７９】
これらに対し、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果ヘッドは、効率が従来の磁気ヘッドよりも高く、ＭＲ変化率に関してもシングルＳＶヘッドよりも向上することがわかった。また、磁気ギャップが約１９ｎｍであり、良好な分解能が得られる。
【００８０】
具体的には、本発明の実施形態１の磁気抵抗効果ヘッドでは、ＭＲ変化率がシングルＳＶヘッドと比較して１．３倍になることがわかった。また、最終的なヘッド出力がデュアルＳＶヘッドと比較しても優れていることがわかる。
【００８１】
本発明の実施形態２の磁気抵抗効果ヘッドでも、最終的なヘッド出力が従来のシングルＳＶヘッドと比べて、１．４倍になることがわかった。
【００８２】
上述したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドは、非常に大きな出力を期待することができ、今後の超高記録密度化および超高線記録密度化に非常に適していることがわかった。
【００８３】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００８４】
図１４は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、垂直磁気記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えていてもよい。
【００８５】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、前述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００８６】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。またはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００８７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００８８】
アクチュエータアーム１５５は、軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００８９】
図１５は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。本発明によれば、上述したような磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも大幅に高い記録密度で垂直磁気記録媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【００９０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する各要素の具体的な寸法や材料、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００９１】
また、磁気抵抗効果素子における反強磁性層、ピン層、スペーサ層、フリー層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよいし、２以上の層を積層した構造としてもよい。
【００９２】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁気ヘッドが得られる。
【００９３】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の垂直磁気記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【００９４】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、従来のシールド型磁気ヘッドよりも高い検出感度、すなわち高磁束効率および高ＭＲ変化率を有し、将来の高磁気記録密度化に対応可能な高感度な磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の層構成を示す模式図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化固着層の磁化方向を示す模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによる出力波形（ΔＶ＝Ｉ×Δρ）を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化固着層の磁化方向を示す模式図。
【図１０】従来のシールド型シングルＳＶヘッドの層構成を示す模式図。
【図１１】従来のシールド型デュアルＳＶヘッドの層構成を示す模式図。
【図１２】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図１３】本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図１４】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の概略構成を示す斜視図。
【図１５】図１４の磁気記録再生装置に用いられる磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた斜視図。
【図１６】従来のシールド型シングルＳＶヘッドを垂直磁気記録媒体に対して適用したシステムを示す模式図、およびヘッドから得られる出力波形を示す図。
【符号の説明】
１１…下部電極
１２…下地層
１３…保護層
１４…上部電極
１５…中間層
Ｆ１、Ｆ２…磁化自由層（フリー層）
Ｐ１〜Ｐ４…磁化固着層（ピン層）
Ｓ１〜Ｓ４…非磁性中間層（スペーサ層）
ＡＦ１〜ＡＦ４…反強磁性層
１５０…磁気記録再生装置
１５２…スピンドル
１５３…ヘッドスライダ
１５４…サスペンション
１５５…アクチュエータアーム
１５６…ボイスコイルモータ
１５７…軸
１６０…磁気ヘッドアッセンブリ
１６４…リード線
１６５…電極パッド
２００…垂直磁気記録媒体ディスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの磁気記録再生装置においては高密度化が急速に進められ、これに合わせて磁気ヘッドに対しても高記録密度に対応するものが要求されている。
【０００３】
記録密度が高くなるにつれて記録媒体に記録される記録ビットサイズが小さくなり、信号磁界が小さくなってきている。従来のリングコア型インダクティブ磁気ヘッドにおいては、記録媒体からの信号磁界をリングコアを介して電磁誘導効果により検出するが、リングコアを介した間接的な検出であるために、十分な検出感度を確保できなくなっている。
【０００４】
これに対して近年、磁気抵抗効果を利用することにより媒体信号磁界を直接感知する磁気抵抗効果型磁気ヘッドが提案された。磁気抵抗効果型ヘッドは、媒体表面の近くに設けられた磁界感知部により媒体信号磁界を直接的に感知することができ、非常に高感度であるという利点がある。
【０００５】
現在では、さらに巨大な磁気抵抗効果を発生するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドが主流をなしている。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜は、磁化固着層（ピン層）／中間層（スペーサ層）／磁化自由層（フリー層）という積層構造を有し、従来の磁気抵抗効果膜に比べて２倍以上の巨大磁気抵抗効果を発揮する。
【０００６】
ところで、磁気抵抗効果膜としては、センス時に一対の電極によって磁気抵抗効果膜の面内方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）型の構成がある。上述の磁気抵抗効果膜を用いた磁気ヘッドでは、強磁性体からなる一対の磁気シールドの間に絶縁体を介してスピンバルブ型磁気抵抗効果膜を設けたシールド型の構成が採用される。
【０００７】
これに対して最近、センス時に一対の電極からスピンバルブ膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気ヘッドが提案されている。一般的にＣＰＰ型にすることにより、ＣＩＰ型よりも磁気抵抗効果膜の磁気抵抗（ＭＲ）変化率が向上するため高いヘッド出力が期待でき、しかもＭＲ膜とシールドの間の絶縁層を省略できるためシールド間距離（磁気ギャップ）を狭めることが可能である。
【０００８】
一方、面内磁気記録方式のシステムにおいては、熱擾乱のために記録密度が限界に近づいている。そこで、熱擾乱に強い垂直磁気記録方式のシステムが有望視され、様々な垂直記録媒体とシールド型磁気ヘッドとを組み合わせたシステムが提案されている。
【０００９】
図１６（ａ）は、垂直記録媒体に対してシールド型磁気ヘッドを適用したシステムを模式的に表す概念図である。この磁気ヘッドをシールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドという。シールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドは、たとえば米国特許第５，２０６，５９０号明細書に開示されている。図１６（ｂ）は、同図（ａ）の磁気ヘッドから得られる出力波形を示す図である。
【００１０】
図１６（ａ）に示すように、垂直記録媒体１に対向して、一対の磁気シールド１１１、１１２に挟まれた１つの磁気抵抗効果膜１００が設けられている。磁気抵抗効果膜１００は、反強磁性層１０１、磁化固着層（ピン層）１０２、非磁性中間層（スペーサ層）１０３、および磁化自由層（フリー層）１０４が積層された構造を有する。
【００１１】
このようなシールド型シングル・スピンバルブ磁気ヘッドを用いて垂直記録媒体の媒体磁化を検出すると、図１６（ｂ）に示すように、出力波形は媒体上の記録ビットからの信号磁化に対して単調に変化する。従って、通常の面内磁気記録システムと同様に、磁気ヘッドが磁化遷移領域を通過するのに対応してピークが現れる出力波形を得るためには、再生信号処理回路に微分回路を追加しなければならない。しかし、微分回路はノイズを増大させる問題がある。しかも、微分処理後のピーク形状のシフトが起こりやすく、信号エラーレートが増大する問題およびノイズ対信号比が劣化する問題がある。
【００１２】
また、このようなシールド型のＭＲヘッドにおいて、高密度化に対応するためには、一対の磁気シールド１１１、１１２の間隔を狭ギャップ化することが重要であることが知られている。しかし、図１６（ａ）に示した磁気ヘッドの場合、磁気抵抗効果膜１００が厚い反強磁性層を有するため、狭ギャップ化が困難であるという問題があった。
【００１３】
一般的なシールド型デュアル・スピンバルブ磁気ヘッド（たとえば特開平９−１４７３２６号公報参照）も、上記と同様の課題を抱える。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５，２０６，５９０号明細書
【００１５】
【特許文献２】
特開平９−１４７３２６号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のシールド型磁気ヘッドよりも高い検出感度、すなわち高磁束効率および高ＭＲ変化率を有し、将来の高磁気記録密度化に対応可能な高感度な磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記磁気抵抗効果膜は、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第３の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第４の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第３の磁化固着層との間に設けられた第３の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第４の磁化固着層との間に設けられた第４の非磁性中間層とを有し、前記第２の非磁性中間層と前記第３の非磁性中間層との間に前記第２の磁化固着層と前記第３の磁化固着層が設けられ、前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第４の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記磁気抵抗効果膜は、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層とを有し、前記第１の非磁性中間層と前記第２の非磁性中間層との間に前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層が設けられ、前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であり、前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層は同一の反強磁性層との交換結合により磁化固着されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のさらに他の態様に係る磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドと、垂直磁気記録媒体とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備える。前記磁気抵抗効果膜は、第１および第２の磁化自由層と、第１〜第４の磁化固着層と、第１の磁化自由層と第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、第１の磁化自由層と第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層と、第２の磁化自由層と第３の磁化固着層との間に設けられた第３の非磁性中間層と、および第２の磁化自由層と第４の磁化固着層との間に設けられた第４の非磁性中間層を有し、第２の非磁性中間層と第３の非磁性中間層との間に第２の磁化固着層と第３の磁化固着層が設けられた構造を有する。
【００２３】
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ膜）の例を示す模式図である。
【００２４】
図１の磁気抵抗効果素子は、下地電極１１、下地層１２、第３の反強磁性層ＡＦ３、第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第２の反強磁性層ＡＦ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の反強磁性層ＡＦ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。
【００２５】
図２の磁気抵抗効果素子は、図１の変形例であり、下地電極１１、下地層１２、第４の反強磁性層ＡＦ４、第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第３の反強磁性層ＡＦ３、中間層１５、第２の反強磁性層ＡＦ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の反強磁性層ＡＦ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。すなわち、図２の磁気抵抗効果素子では、第３のピン層Ｐ３と第２のピン層Ｐ２との間に、反強磁性層ＡＦ３／中間層１５／反強磁性層ＡＦ２を挟んでいる点で図１と異なる。
【００２６】
これらの磁気抵抗効果素子の上下に設けられた一対の電極１１、１４により、膜面に対して略垂直方向にセンス電流が通電される。
【００２７】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１と第２の磁化自由層（第２のフリー層）Ｆ２との間に挟まれる薄膜によって実質的な磁気ギャップが規定されるので、従来のシールド型磁気ヘッドよりも狭ギャップを実現でき、超高記録密度に対応することが可能となる。このため、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、磁気ギャップを規定するために、一対の磁気シールドを設ける必要はない。磁気シールドを設けてもよいが、その場合でも第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２との間が実質的な磁気ギャップとなることに変わりはない。また、一対の電極１１、１４に磁気シールドの作用を兼ねさせることもできる。
【００２８】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１の磁化固着方向と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向とは略平行であり、第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３の磁化固着方向と第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４の磁化固着方向とは略平行であり、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向と第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３の磁化固着方向とは略反平行である。
【００２９】
第１〜第４の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定することにより、垂直磁気記録媒体からの読み取り信号に対して、２端子の差動動作が可能となる。また、記録ビットの磁化遷移に対応してピークが現れる出力波形が得られるので、従来の信号処理回路を用いて再生することが可能となる。
【００３０】
第１〜第４の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定するには、第１の磁化固着層と第２の磁化固着層との組および第３の磁化固着層と第４の磁化固着層との組のうち、一方の組のそれぞれの磁化固着層を単層の強磁性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体とし、他方の組のそれぞれの磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体とするように設計することが好ましい。
【００３１】
上記の積層体は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を基本とし、「シンセティック構造」と呼ばれ、強磁性層と非磁性層の反強磁性的結合を利用するものである。非磁性層にはＲｕ（ルテニウム）などが用いられる。それぞれの強磁性層は非磁性層（たとえばＲｕ層）を介して反強磁性的結合をする。このようなシンセティック構造の磁化固着層の磁化を固着するためには、一方向に磁界を付与しつつ熱処理（固着熱処理）するのが一般的である。基本構造である強磁性層／非磁性層／強磁性層のシンセティック構造では、１回の固着熱処理によって非磁性層の上下にある２層の強磁性層の磁化を略反平行に固着することができる。
【００３２】
図３に、第１〜第４の磁化固着層をシンセティック構造とした第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の模式図を示す。この図では、第１および第２の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２が３層（奇数層）の強磁性層を含むシンセティック構造、第３および第４の磁化固着層Ｐ３、Ｐ４が２層（偶数層）の強磁性層を含むシンセティック構造となっている。なお、この図では、簡略化のために、磁化固着層を構成する強磁性層間の非磁性層を省略している。また、この図では、それぞれの磁化固着層を構成する各強磁性層の磁化方向を矢印で表示している。
【００３３】
具体的には、図３の磁気抵抗効果素子は、第３の反強磁性層ＡＦ３、２層の強磁性層Ｐ４２およびＰ４１を含む第４の磁化固着層（第４のピン層）Ｐ４、第４の非磁性中間層（第４のスペーサ層）Ｓ４、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第３の非磁性中間層（第３のスペーサ層）Ｓ３、２層の強磁性層Ｐ３２およびＰ３１を含む第３の磁化固着層（第３のピン層）Ｐ３、第２の反強磁性層ＡＦ２、３層の強磁性層Ｐ２３、Ｐ２２およびＰ２１を含む第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、３層の強磁性層Ｐ１３、Ｐ１２およびＰ１１を含む第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、および第１の反強磁性層ＡＦ１をこの順に積層した構造を有する。
【００３４】
第１〜第４の磁化固着層Ｐ１〜Ｐ４を図３のような積層構造（シンセティック構造）に設計することにより、１回（一方向）の固着熱処理によって、４つの磁化固着層Ｐ１〜Ｐ４を構成する強磁性層のうち非磁性中間層（スペーサ層）に最も近い強磁性層の磁化方向を所定の平行・反平行状態とすることが可能となる。すなわち、Ｐ１３の磁化固着方向とＰ２１の磁化固着方向とは略平行であり、Ｐ３２の磁化固着方向とＰ４１の磁化固着方向とは略平行であり、Ｐ２１の磁化固着方向とＰ３２の磁化固着方向とは略反平行である。
【００３５】
このとき、第１の磁化固着層Ｐ１のうち強磁性層Ｐ１１は最も近い反強磁性層である第１の反強磁性層ＡＦ１との交換結合により磁化固着され、第２の磁化固着層Ｐ２のうち強磁性層Ｐ２３と第３の磁化固着層Ｐ３のうち強磁性層Ｐ３１は最も近い反強磁性層である第２の反強磁性層ＡＦ２との交換結合により磁化固着され、第４の磁化固着層Ｐ４のうち強磁性層Ｐ４２は最も近い反強磁性層である第３の反強磁性層ＡＦ３との交換結合により磁化固着される。すなわち、Ｐ１１、Ｐ２３、Ｐ３２およびＰ４２は実質的に一方向（図３では右方向）に磁化固着され、これらの強磁性層の磁化固着方向はすべて平行となる。
【００３６】
また、図１（または図３）の磁気抵抗効果素子では、第２の磁化固着層Ｐ２（またはＰ２３）と第３の磁化固着層Ｐ３（またはＰ３１）が同一の第２の反強磁性層ＡＦ２との交換結合により実質的に一方向に磁化固着される。このように、反強磁性層を共用化することができるので、通常考えられるＣＰＰ型デュアル・スピンバルブ構造よりも一層の反強磁性層を減らすことができる。したがって、ＣＰＰ通電した場合の寄生抵抗を小さくすることができ、ＭＲ変化率を向上することができる。この結果、ヘッド出力を信号処理する際に、ノイズの低減が可能となる。
【００３７】
さらに、第２の反強磁性層の膜厚を第１の反強磁性層と第３の反強磁性層の膜厚よりも薄くすることが望ましい。これにより、２つのフリー層間の間隔が短くなり、線方向（ビット方向）の分解能を向上することが可能となる。
【００３８】
次に、図４（ａ）、（ｂ）、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）および図７を参照して、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果型ヘッドの動作原理について説明する。
【００３９】
図４〜図６は、本実施形態の磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を表す説明図である。図４（ａ）、図５（ａ）および図６（ａ）は第１〜第４のピン層Ｐ１〜Ｐ４および第１、第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向を示す斜視図である。これらの図においては、手前側が媒体対抗面（ＡＢＳ）である。第１のピン層Ｐ１および第２のピン層Ｐ２の磁化方向は上向き（アップ）である。第３のピン層Ｐ３および第４のピン層Ｐ４の磁化方向は下向き（ダウン）である。また、図４（ｂ）、図５（ｂ）および図６（ｂ）は、垂直磁気記録媒体１の上方に磁気ヘッドが配置された状態を示す模式図である。これらの図においては、垂直磁気記録媒体１に対する磁気ヘッドの相対的な走行移動方向が矢印Ａ方向であることを示している。垂直磁気記録媒体１には、記録ビットＢ１、Ｂ２、・・・が形成されていると想定している。
【００４０】
図７は、図４〜図６の状態にある磁気ヘッドからの出力波形（ΔＶ＝Ｉ×Δρ）を表す図である。
【００４１】
本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２によって磁気記録媒体１に記録された信号を互いに独立に検知する。つまり、２つの第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２は、異なる磁気記録信号磁界すなわち記録ビット磁界を検出する。
【００４２】
図４は、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２との間のギャップ部Ｇの直下を、同方向（アップ）の磁化を有する記録ビットＢ１とＢ２の遷移領域が通過する瞬間を示している。この時には、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向もこれら記録ビットに対応した同方向となる。より具体的には、同図（ａ）に示したように、第１〜第４のピン層Ｐ１〜Ｐ４の磁化方向に対して膜面内で傾斜した方向となる。２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向は同方向で略平行である。ここで、ギャップ部Ｇの直下を、両方ともダウンの磁化を有する記録ビットの遷移領域が通過すると、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向は同図（ａ）に破線で示したようになる。
【００４３】
一方、図５に示したように、ギャップ部Ｇの下を、記録ビットＢ２（アップ）と記録ビットＢ３（ダウン）との遷移領域が通過する瞬間には、これに対応して、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２の磁化方向は膜面内において互いに逆方向に傾斜するように遷移する。
【００４４】
また、図６に示したように、ギャップ部Ｇの下を、記録ビットＢ４（ダウン）と記録ビットＢ５（アップ）との遷移領域が通過する瞬間にも、これに対応して、第１のフリー層Ｆ１と第２のフリー層Ｆ２の磁化方向は膜面内において互いに逆方向に傾斜するように遷移する。
【００４５】
つまり、ギャップ部Ｇの直下で記録ビットの磁化方向が遷移する瞬間には、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２の磁化方向もこれに合わせて互いに反転し、第１および第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２によって磁路が形成される。
【００４６】
図７に、図４〜図６の状態での出力を示す。すなわち、図４のように、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２間のギャップ部の直下において記録ビットの磁化遷移が生じない場合には、図７にａとして表したように、出力波形はフラットである。これに対して、図５および図６のように、２つのフリー層Ｆ１、Ｆ２間のギャップ部の直下において記録ビットの磁化遷移があると、図７のｂおよびｃとして表したように、磁気遷移に対応して出力波形にピークが現れる。より具体的には、記録ビットが「（アップ）→（ダウン）」に遷移する時と、「（ダウン）→（アップ）」と遷移する時で、極性が反転したピークを持つ出力波形が得られる。
【００４７】
これは、上述したように、４つのピン層のうち、第１と第２のピン層の磁化固着方向を略平行、第３と第４のピン層の磁化固着方向を略平行、第２と第３のピン層の磁化固着方向を略反平行としたことにより、磁気抵抗効果素子の膜面に対して垂直に通電すると、必然的に差動原理が働くからである。一般的には差動出力を得るためには３端子が必要とされるが、本実施形態に係る磁気ヘッドによれば、上下に設けた電極の２端子のみで差動出力を得ることが可能となる。
【００４８】
なお、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいて、３端子による差動を取る場合には、第３の電極の一部として、第２の反強磁性層ＡＦ２（または図２の中間層１５）などを使用することが望ましい。３端子差動においては、第２と第３のピン層の磁化固着方向が略反平行でなく、略平行であってもよい。ただし、第２と第３のピン層の磁化固着方向が略平行の場合に差動を取るためには電気回路的に差し引くような回路を形成しなければならない。このような構成により、上述した２端子差動ヘッドと同様な効果が得られる。
【００４９】
図７に例示した出力波形は、従来の磁気抵抗効果ヘッドを用いた面内磁気記録システムにおいて得られるものと同様である。従って、本発明によれば、従来の磁気記録再生システムにおける再生信号処理部の回路やシステムを変更することなく、垂直磁気記録媒体の信号磁化を検出することができる。その結果として、微分回路などを付加することに伴うＳ／Ｎの低下などの問題も解消することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る磁気ヘッドは、差動動作を取り入れているために、媒体と磁気ヘッドの接触により発生するサーマルアスペリティに対する耐性が向上する。一般的なシールド型ヘッドでは、上記のサーマルアスペリティによりベースラインシフト、すなわち、図７中のａで示されるベースラインが一定にならない問題や、媒体信号磁界に起因する以外の異常ピークの問題などが発生する。しかし、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、これらの問題を回避することが可能となる。
【００５１】
さらに、本実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、記録ビットの磁化遷移の検出分解能が、２つのフリー層間のギャップ部Ｇ（実質的な磁気ギャップとして機能する）の膜厚により決定される。ただし、第１および第２のフリー層により磁路が形成されるため、線記録密度方向の分解能は上述したギャップ部Ｇの厚さよりは若干広めとなる。しかし、従来のシールド型磁気ヘッドと比べると、飛躍的な狭ギャップ化が可能となり、超高密度記録システムを実現することが可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、センス時に磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備える。前記磁気抵抗効果膜は、第１および第２の磁化自由層と、第１および第２の磁化固着層と、第１の磁化自由層と第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、第２の磁化自由層と第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層とを有し、第１の非磁性中間層と第２の非磁性中間層との間に第１の磁化固着層と第２の磁化固着層が設けられ、第１の磁化固着層と第２の磁化固着層を交換結合により磁化固着させる共通の反強磁性層が設けられた構造を有する。
【００５３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の例を示す模式図である。図８の磁気抵抗効果素子は、下地電極１１、下地層１２、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、反強磁性層ＡＦ、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１、保護層１３、および上部電極１４をこの順に積層した構造を有する。
【００５４】
図８の磁気抵抗効果素子は、図１の磁気抵抗効果素子から、保護層と第１の磁化自由層との間の第１の反強磁性層、第１の磁化固着層および第１の非磁性中間層、ならびに第２の磁化自由層と下地層との間の第４の非磁性中間層、第４の磁化固着層および第３の反強磁性層を取り除いた構造と等価である。
【００５５】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１の磁化固着方向と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２の磁化固着方向とは略反平行であり、第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１と第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２は同一の反強磁性層ＡＦとの交換結合により磁化固着されている。
【００５６】
第１および第２の磁化固着層の磁化固着方向を上記のように規定するには、第１の磁化固着層および第２の磁化固着層のうち、一方の磁化固着層を単層の強性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体（シンセティック構造）とし、他方の磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体（シンセティック構造）とするように設計することが好ましい。
【００５７】
図９に、第１および第２の磁化固着層をシンセティック構造とした第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の模式図を示す。この図では、第１の磁化固着層Ｐ１が３層（奇数層）の強磁性層を含むシンセティック構造、第２の磁化固着層Ｐ２が２層（偶数層）の強磁性層を含むシンセティック構造となっている。なお、この図では、簡略化のために、磁化固着層を構成する強磁性層間の非磁性層を省略している。また、この図では、それぞれの磁化固着層を構成する各強磁性層の磁化方向を矢印で表示している。
【００５８】
具体的には、図９の磁気抵抗効果素子は、第２の磁化自由層（フリー層）Ｆ２、第２の非磁性中間層（第２のスペーサ層）Ｓ２、２層の強磁性層Ｐ２２およびＰ２１を含む第２の磁化固着層（第２のピン層）Ｐ２、反強磁性層ＡＦ、３層の強磁性層Ｐ１３、Ｐ１２およびＰ１１を含む第１の磁化固着層（第１のピン層）Ｐ１、第１の非磁性中間層（第１のスペーサ層）Ｓ１、および第１の磁化自由層（第１のフリー層）Ｆ１をこの順に積層した構造を有する。
【００５９】
第１および第２の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２を図９のような積層構造（シンセティック構造）に設計することにより、１回（一方向）の固着熱処理によって、２つの磁化固着層Ｐ１、Ｐ２を構成する強磁性層のうち非磁性中間層（スペーサ層）に最も近い強磁性層の磁化方向を所定の反平行状態とすることが可能となる。すなわち、Ｐ１１の磁化固着方向とＰ２２の磁化固着方向とは略反平行である。
【００６０】
このとき、第１の磁化固着層Ｐ１のうち強磁性層Ｐ１３と第２の磁化固着層Ｐ２のうち強磁性層Ｐ２１は同一の反強磁性層ＡＦとの交換結合により磁化固着され、Ｐ１３およびＰ２２は実質的に一方向（図９では右方向）に磁化固着される。
【００６１】
第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子も、図４〜図６に示されるような第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様な動作原理で動作する。具体的には、図４〜図６において、第１のピン層および第４のピン層を削除し、第２のピン層および第３のピン層をそれぞれ第１のピン層および第２のピン層と置き換えることで説明できる。第２の実施形態の磁気抵抗効果素子でも差動動作が働くので、図７と同様な出力波形が得られる。
【００６２】
第２の実施形態の磁気抵抗効果素子では、反強磁性層が１層しかないために素子抵抗を非常に小さく抑えることが可能であり、ＭＲ変化率を向上することが可能である。
【００６３】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成材料や設計について詳述する。
【００６４】
まず、磁化自由層（フリー層）について説明する。本発明の実施形態においては、第１のフリー層および第２のフリー層は、媒体対向面において垂直磁気記録媒体からの外部磁界に対してお互いに独立に磁化方向を変化することができる。これらフリー層の材料としては、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）またはそれらを含む合金を用いることができる。具体的には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（ａｔ％）合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、またはＮｉ８０Ｆｅ２０合金（パーマロイ）が挙げられる。実際のフリー層構成としては、例えば、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層膜、（ＣｏＦｅ／Ｃｕ）ｎ／ＣｏＦｅ（ｎ：１以上の整数）積層膜、（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）ｎ／ＦｅＣｏ（ｎ：１以上の整数）積層膜などが用いられている。
【００６５】
本発明の実施形態においては、第１フリー層と第２フリー層に対して、硬磁性膜（ハードバイアス膜と呼ばれる）または反強磁性膜（パターンドバイアス膜と呼ばれる）によりフリー層のトラック幅方向に磁気バイアスを印加することによって、異方性制御および磁区制御（これらはバイアス制御と総称される）を行うことが望ましい。ハードバイアス膜はフリー層の媒体対向面トラック幅方向の両サイドに形成される。また、パターンドバイアス膜は媒体対向面トラック幅方向のフリー層の両端部に接するように形成され、フォトリソグラフィーとエッチングによりパターニングされる。
【００６６】
その他の磁気バイアス方法としては、積層バイアス（インスタック・バイアス膜）や長距離交換結合バイアスなどがある。積層バイアスの場合には、フリー層に接するようにフリー層／スペーサ層（Ｃｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉなどの層間交換結合を切るための積層膜）／バイアス強磁性層／反強磁性層あるいはフリー層／スペーサ層／バイアス硬磁性層（例えば、ＣｏＰｔ系合金、ＣｏＣｒ系合金など）などが形成される。長距離交換結合バイアスの場合には、フリー層に接するようにフリー層／スペーサ層（Ｃｕなどの極薄膜。膜厚は２ｎｍ以下。）／反強磁性層の積層膜が形成される。
【００６７】
次に、磁化固着層（ピン層）および反強磁性層について説明する。本発明の実施形態において、第１〜第４の磁化固着層（ピン層）の磁化は、反強磁性層との交換結合により一方向に磁化固着される。反強磁性層の材料としては、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）またはＰｄ（パラジウム）などを含むＭｎ（マンガン）系合金が用いられる。具体的には、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＰｄＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金が挙げられる。
【００６８】
第１〜第４の磁化固着層の強磁性層としては、ＣｏＦｅ系合金あるいはＮｉＦｅ系合金がよく用いられ、非磁性層としてはＲｕ、Ｉｒなどがよく用いられる。実際の層構成としては、例えば、偶数層強磁性層積層の場合はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ、奇数層強磁性積層の場合はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅなどがよく用いられる。また、ピン層の強磁性層としてＣｏＦｅ層を極薄非磁性Ｃｕ層で積層するＣｏＦｅ／Ｃｕ積層膜の場合やＣｏＦｅ／ＮｉＦｅあるいはＣｏＦｅ／ＦｅＣｏ積層膜などのような異種強磁性層の積層膜が用いられることはＭＲ変化率を向上させる上で望ましい。
【００６９】
次に、非磁性中間層について説明する。磁気抵抗効果素子の第１〜第４の非磁性中間層には、一般的な金属系ＣＰＰ−ＧＭＲ膜の場合には、１ｎｍから１０ｎｍ程度の厚さを有する金属Ｃｕが用いられる。また、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）膜を用いる場合には、第１〜第４の非磁性中間層としてトンネルバリア層となる絶縁膜、例えば、Ａｌ２Ｏ３のような酸化物、あるいはＡｌＮなどのような窒化物、あるいは、酸窒化物が用いられる。さらに、上記非磁性中間層で電流狭窄効果を取り入れる場合には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｏ、Ｃｒ−Ｃｕ−Ｏなどのような酸化物が用いられる。この酸化物は厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さで使用が可能である。この場合、Ｃｕ、Ａｕなどの金属層でサンドイッチされたＣｕ（Ａｕ）／酸化物／Ｃｕ（Ａｕ）などの構成も用いられる。
【００７０】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子における磁気ギャップについて説明する。２つのフリー層間の間隔は、実質的なギャップ長に対応するため、適用される磁気記録再生システムの線記録密度に応じて決定される。そして、２つのフリー層の膜厚も、記録ビットからの信号磁界の分布に合わせて決定することが望ましい。個々の記録ビットからの信号磁界に対する検出分解能を確保し、かつ磁束の吸い込みを円滑に実現するためには、２つのフリー層の膜厚を２つのフリー層の間隔よりも薄くすることが望ましい。
【００７１】
一方、磁気回路としての特性を考慮した場合には、磁束効率を確保するという観点から、２つのフリー層間の間隔を１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが望ましい。１ｎｍ未満の場合には、２つのフリー層間で層間交換結合および静磁結合が働き、感度が低下する。５０ｎｍより大きい場合には、２つのフリー層間で磁気回路が形成されない。さらに、２つのフリー層間の間隔を１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることがより望ましい。
【００７２】
上述したような狭いギャップ中にスペーサ層／ピン層／反強磁性層／ピン層スペーサ層を形成する。この場合、反強磁性層の材料として、十分な薄膜化が可能なＩｒＭｎ合金反強磁性膜を用いることが好ましい。
【００７３】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおけるシールドについて説明する。上述したように本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、２つのフリー層間の間隔によって線記録密度方向の分解能が決定され、実質的な磁気ギャップが規定されるので、従来のシールド型磁気ヘッドのように磁気ギャップを規定するために一対の磁気シールドを設ける必要はない。
【００７４】
ただし、本発明の実施形態においても、一対の磁気シールドを設けることによって、外部磁界などによる外乱を抑制する効果は得られるので、この点からは磁気シールドを設置することが望ましい。具体的には、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドに磁気シールドを設置することにより、再生出力波形のＰＷ５０（図７に例示したような再生パルス波形の半値幅）を小さくすることが可能となる。
【００７５】
磁気シールドの材料としてはＮｉＦｅ（パーマロイ）などが挙げられる。磁気シールドと磁気抵抗効果膜との間に絶縁層を設けて電極を埋め込む場合、絶縁層の材料としてはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉＯ２などが用いられる。
【００７６】
次いで、従来および本発明に係る磁気ヘッドについて、マイクロマグネティックスによるシミュレーションを行った。図１０〜図１３にはこの計算で用いた磁気ヘッドにおけるＣＰＰ−ＳＶ膜構造を示している。図１０は従来のシールド型シングル・スピンバルブ（シングルＳＶ）ヘッド、図１１は従来のシールド型デュアル・スピンバルブ（デュアルＳＶ）ヘッド、図１２は本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果ヘッド、図１３は本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果ヘッドである。図１２または図１３のモデル膜では、中央部の反強磁性膜（ＡＦ２またはＡＦ）としてＩｒＭｎを用いている。Ｃｕスペーサ層の厚さは２ｎｍ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０ピン層の厚さは３ｎｍとしている。計算結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
従来のシールド型シングルＳＶヘッドではＭＲ変化率が十分でない。従来のシールド型デュアルＳＶヘッドでは、ＭＲ変化率は大きいものの、超狭ギャップ化した場合にシールド間にＣＰＰ−ＳＶ膜を形成することが困難であり、高線記録密度で対応できない。
【００７９】
これらに対し、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果ヘッドは、効率が従来の磁気ヘッドよりも高く、ＭＲ変化率に関してもシングルＳＶヘッドよりも向上することがわかった。また、磁気ギャップが約１９ｎｍであり、良好な分解能が得られる。
【００８０】
具体的には、本発明の実施形態１の磁気抵抗効果ヘッドでは、ＭＲ変化率がシングルＳＶヘッドと比較して１．３倍になることがわかった。また、最終的なヘッド出力がデュアルＳＶヘッドと比較しても優れていることがわかる。
【００８１】
本発明の実施形態２の磁気抵抗効果ヘッドでも、最終的なヘッド出力が従来のシングルＳＶヘッドと比べて、１．４倍になることがわかった。
【００８２】
上述したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドは、非常に大きな出力を期待することができ、今後の超高記録密度化および超高線記録密度化に非常に適していることがわかった。
【００８３】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００８４】
図１４は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、垂直磁気記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えていてもよい。
【００８５】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、前述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００８６】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。またはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００８７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００８８】
アクチュエータアーム１５５は、軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００８９】
図１５は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。本発明によれば、上述したような磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも大幅に高い記録密度で垂直磁気記録媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【００９０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する各要素の具体的な寸法や材料、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００９１】
また、磁気抵抗効果素子における反強磁性層、ピン層、スペーサ層、フリー層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよいし、２以上の層を積層した構造としてもよい。
【００９２】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁気ヘッドが得られる。
【００９３】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の垂直磁気記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【００９４】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、従来のシールド型磁気ヘッドよりも高い検出感度、すなわち高磁束効率および高ＭＲ変化率を有し、将来の高磁気記録密度化に対応可能な高感度な磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の層構成を示す模式図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化固着層の磁化方向を示す模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによって垂直磁気記録媒体に記録された記録ビットを読み取る動作を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る磁気ヘッドによる出力波形（ΔＶ＝Ｉ×Δρ）を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化固着層の磁化方向を示す模式図。
【図１０】従来のシールド型シングルＳＶヘッドの層構成を示す模式図。
【図１１】従来のシールド型デュアルＳＶヘッドの層構成を示す模式図。
【図１２】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図１３】本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す模式図。
【図１４】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の概略構成を示す斜視図。
【図１５】図１４の磁気記録再生装置に用いられる磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた斜視図。
【図１６】従来のシールド型シングルＳＶヘッドを垂直磁気記録媒体に対して適用したシステムを示す模式図、およびヘッドから得られる出力波形を示す図。
【符号の説明】
１１…下部電極
１２…下地層
１３…保護層
１４…上部電極
１５…中間層
Ｆ１、Ｆ２…磁化自由層（フリー層）
Ｐ１〜Ｐ４…磁化固着層（ピン層）
Ｓ１〜Ｓ４…非磁性中間層（スペーサ層）
ＡＦ１〜ＡＦ４…反強磁性層
１５０…磁気記録再生装置
１５２…スピンドル
１５３…ヘッドスライダ
１５４…サスペンション
１５５…アクチュエータアーム
１５６…ボイスコイルモータ
１５７…軸
１６０…磁気ヘッドアッセンブリ
１６４…リード線
１６５…電極パッド
２００…垂直磁気記録媒体ディスク
Claims (7)
- 磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記磁気抵抗効果膜は、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第３の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第４の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、
前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層と、
前記第２の磁化自由層と前記第３の磁化固着層との間に設けられた第３の非磁性中間層と、
前記第２の磁化自由層と前記第４の磁化固着層との間に設けられた第４の非磁性中間層とを有し、
前記第２の非磁性中間層と前記第３の非磁性中間層との間に前記第２の磁化固着層と前記第３の磁化固着層が設けられ、
前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、
前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第４の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略平行であり、
前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第３の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層との組および前記第３の磁化固着層と前記第４の磁化固着層との組のうち、一方の組のそれぞれの磁化固着層が単層の強磁性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体からなり、他方の組のそれぞれの磁化固着層が偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１の磁化固着層は第１の反強磁性層との交換結合により磁化固着され、
前記第２の磁化固着層と前記第３の磁化固着層は第２の反強磁性層との交換結合により磁化固着され、
前記第４の磁化固着層は第３の反強磁性層との交換結合により磁化固着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。 - 磁気抵抗効果膜と、センス時に前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向に電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜の上下に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記磁気抵抗効果膜は、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第１の磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性膜を有する第２の磁化自由層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第１の磁化固着層と、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性膜を有する第２の磁化固着層と、前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固着層との間に設けられた第１の非磁性中間層と、
前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固着層との間に設けられた第２の非磁性中間層とを有し、
前記第１の非磁性中間層と前記第２の非磁性中間層との間に前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層が設けられ、
前記第１の磁化固着層の前記磁化固着方向と前記第２の磁化固着層の前記磁化固着方向とは略反平行であり、
前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層は同一の反強磁性層との交換結合により磁化固着されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１の磁化固着層および前記第２の磁化固着層のうち、一方の磁化固着層が単層の強磁性層または奇数層の強磁性層と非磁性層との積層体からなり、他方の磁化固着層が偶数層の強磁性層と非磁性層との積層体からなることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項６に記載の磁気ヘッドと、垂直磁気記録媒体とを備えたことを特徴とする磁気再生装置。
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