JP2004185676A

JP2004185676A - トンネル磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気ディスク装置

Info

Publication number: JP2004185676A
Application number: JP2002348705A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Naka; 洋之中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】抵抗値の温度勾配がフラットであり広い温度領域で安定したＭＲ変化率を得ることができるトンネル磁気抵抗効果ヘッドを提供する。
【解決手段】フリー層と、ピンド層と、フリー層とピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを有し、抵抗値の温度係数ＴＣが−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０であるトンネル磁気抵抗効果ヘッド。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗値の温度勾配がフラットなトンネル磁気抵抗効果ヘッドおよびそれを装備した磁気ディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気ディスク装置においては、磁気抵抗効果を利用して、磁気記録媒体に記録された情報信号を読みとる磁気抵抗効果型磁気ヘッドが広く用いられている。
【０００３】
上述した磁気ヘッドは磁気ディスク装置の記録密度の向上に伴い、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏ−ＲｅｓｉｓｔｉｖｅＥｆｆｅｃｔ）を用いたＭＲヘッドから巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏ−ＲｅｓｉｓｔｉｖｅＥｆｆｅｃｔ）を用いたＧＭＲヘッドへと変革を遂げてきた。
【０００４】
しかし、近年のヘッドの微細化に伴い、感度の急激な低下が問題となってきており、ＧＭＲヘッドにも限界が見え始めている。その打開策として、新たにトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏ−ＲｅｓｉｓｔｉｖｅＥｆｆｅｃｔ）を利用したＴＭＲヘッドが提案されている。ＴＭＲヘッドに関する従来例は米国特許第５，７２９，４１０号明細書、米国特許第５，８９８，５４７号明細書などに記載されている。
【０００５】
ＴＭＲ素子において磁気抵抗効果が生じる原理は以下の通りである。ＴＭＲ素子の膜面垂直方向に通電すると、トンネルバリア層内に一方の強磁性層から他方の強磁性層に向かってトンネル電流が流れる。ＴＭＲ素子に含まれるフリー層の磁化方向は外部磁界に応じて膜面内で変化するので、ピンド層の磁化方向との相対角度に依存してトンネル電流のコンダクタンスが変化し、磁気抵抗効果が生じる。
【０００６】
ＴＭＲヘッドはセンス電流が膜面垂直方向に通電されるため、感度が素子サイズに依存しないという利点がある。また、ピンド層とフリー層との間の極薄トンネルバリア層の存在により、高ＭＲ変化率を得ることができる。また、２つの強磁性層の磁化の分極率からＭＲ変化率を理論的に算出することができる。ＴＭＲヘッドは、これらの理由によって注目を集めている。
【０００７】
しかしながら、ＴＭＲヘッドはトンネルバリア層の存在により、抵抗が高いという問題を抱えている。抵抗が高いと、配線およびプリアンプとともにローパスフィルター回路を形成し、カットオフ周波数にリミットが生じる。また、ＴＭＲヘッドには電子の運動がランダムであることに由来するショットノイズが存在する。ショットノイズは抵抗値に比例して増大するので、抵抗が高いとノイズが増大し、Ｓ／Ｎが低下する。以上のような理由により、ＴＭＲヘッドでは、素子抵抗をいかにして低減するかが大きな課題である。
【０００８】
また、ＴＭＲヘッドは、トンネルバリア層の存在により、ＧＭＲヘッドと大きく異なる特性を示す。その一つとして、抵抗値の温度依存性が挙げられる。ＧＭＲヘッドは電流パスが金属であるため、抵抗の温度係数ＴＣは正の値を示す。一方、ＴＭＲヘッドは電流パスに誘電体からなるトンネルバリア層が存在し、トンネル電流が流れるため、抵抗の温度係数ＴＣは負の値を示す。極性の違いはあるが、ＧＭＲヘッドでもＴＭＲヘッドでも、温度に対して抵抗値が変化するため、安定したＭＲ変化率が得られる使用温度領域が制限される。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，７２９，４１０号明細書
【００１０】
【特許文献２】
米国特許第５，８９８，５４７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、抵抗値の温度勾配がフラットなトンネル磁気抵抗効果ヘッドおよびそれを装備した磁気ディスク装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係るトンネル磁気抵抗効果ヘッドは、フリー層と、ピンド層と、フリー層とピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを有し、抵抗値の温度係数ＴＣが−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果ヘッドは、ブレークダウン時の抵抗値の劣化挙動が０．１ｍＡあたり１００Ω以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明の他の態様に係る磁気ディスク装置は、磁気ディスクと、上述したトンネル磁気抵抗効果ヘッドと、トンネル磁気抵抗効果ヘッドからの信号を処理する信号処理系とを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る磁気ディスク装置において、前記信号処理系はプリアンプを含み、前記プリアンプのインピーダンスは前記トンネル磁気抵抗効果ヘッドの抵抗と略同等であることが好ましい。また、前記プリアンプはサスペンション上に実装され、プリアンプからトンネル磁気抵抗効果ヘッドまでの伝送系の長さが３ｃｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果ヘッドは、フリー層と、ピンド層と、フリー層とピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを有し、抵抗値の温度係数ＴＣが−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０である。
【００１７】
本発明の実施形態において用いられるトンネルバリア層は、誘電体を主成分とするが、金属的なピンホールを含んでいる。上述したように、誘電体からなるトンネルバリア層を含むＴＭＲヘッドは、本来的には、抵抗の温度係数ＴＣは負の値を示す。一方、金属的なピンホールは、抵抗の温度係数ＴＣが正の値を示す。このため、金属的なピンホールを含む誘電体からなるトンネルバリア層を有するＴＭＲヘッドでは、抵抗値の温度勾配をゼロに近づけることができ、温度変化に対して抵抗がほとんど変化しなくなり、広い温度領域で安定したＭＲ変化率を得ることができる。また、トンネルバリア層がピンホールを含んでいるので、抵抗の絶対値を容易に抑えることができ、周波数特性の向上およびノイズの低減も達成することができる。
【００１８】
以下、図面を参照しながら本実施例について説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るＴＭＲヘッドを媒体対向面から見た平面図である。このＴＭＲヘッド１０は、図示しない基板上に、第１シールド層１１、第１電極層１２、ピン止め層１３、ピンド層１４、トンネルバリア層１５、フリー層１６、第２電極層１７、第２シールド層１８の順に積層されている。また、第１電極層１２／ピン止め層１３／ピンド層１４／トンネルバリア層１５／フリー層１６／第２電極層１７の積層体の両側面には、セパレーター層１９、１９を介して磁気バイアス層２０，２０が形成されている。
【００２０】
なお、図１のＴＭＲヘッドは、基板側にピンド層１４が形成され、その上にトンネルバリア層１５を介してフリー層１６が形成されたボトム型である。しかし、基板側にフリー層が形成され、その上にトンネルバリア層を介してピンド層が形成されたトップ型のＴＭＲヘッドを用いてもよい。
【００２１】
トンネルバリア層１５はトンネル磁気抵抗効果を生させる材料であれば特に限定されないが、Ａｌを主成分とする酸化物材料であることが好ましい。
【００２２】
フリー層１６やピンド層１４を構成する材料は、高いＴＭＲ変化率が得られる高スピン分極材料が好ましい。具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＣｏＮｉなどが用いられる。これらは２層以上の積層体であってもよい。
【００２３】
ピンド層１４は２層の強磁性層間にＲｕなどの非磁性中間層を挟み、反強磁性的交換結合により磁化を安定化させたシンセティックフェリ構造を有するものでもよい。
【００２４】
ピンド層１３の磁化をピン止めするピン止め層１４は、ピン止め機能を果たすものであれば特に限定されないが、通常、反強磁性材料が用いられる。
【００２５】
第１シールド層１１および第２シールド層１８の材料は、導電性を有する軟磁性材料、たとえばＮｉＦｅ、ＦｅＳｉＡｌ、アモルファスＣｏＺｒＮｂなどが挙げられる。
【００２６】
第１電極層１２および第２電極層１７の材料としては、導電性非磁性材料、たとえばＣｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗなどが挙げられる。
【００２７】
磁気バイアス層２０、２０は、フリー層１６にバイアス磁界を印加してバルクハウゼンノイズを抑制する作用を有し、硬磁性材料または反強磁性材料で形成することができる。
【００２８】
セパレーター層１９は、磁気バイアス層２０、２０へのセンス電流のリークを防ぐ作用を有し、ＳｉＯ_２などの電気絶縁材料で形成される。
【００２９】
ここで、従来のＧＭＲヘッドは、温度の上昇につれて抵抗値が増大し、抵抗の温度係数ＴＣは正の値を示す。これは、ＧＭＲヘッドの場合には、電流パスが金属であることによる。
【００３０】
また、従来のＴＭＲヘッドに用いられていたトンネルバリア層は、ピンホールができないように、均質、極薄かつフラットに作製されているため、トンネル電流は流れるが、ピンホール電流はほとんど流れない。このため、従来のＴＭＲヘッドは、抵抗の温度係数ＴＣが大きな負の値を示す。
【００３１】
これに対して、本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドの大きな特徴は、トンネルバリア層１５にピンホールが存在し、トンネルバリア層を流れるトンネル電流とピンホール電流が混在していることである。
【００３２】
図２に本発明の実施形態において用いられるトンネルバリア層１５の概念図を示す。図２に示すように、ピンド層１４とフリー層１６との間に設けられるトンネルバリア層１５は界面ラフネスが大きいため、両側のピンド層１４とフリー層１６とが局所的に金属接触した状態になっている。これらの部分をピンホールと呼び、ピンホールをピンホール電流Ｉ_ｐが流れる。一方、ピンホール以外の部分をトンネル電流Ｉ_ｔが流れる。このため、ピンホール電流による正のＴＣ特性がトンネル電流による負のＴＣ特性を相殺し、ＴＣは全体としてゼロに近づく。
【００３３】
図３にＧＭＲヘッドの抵抗値の温度依存性を示す。図４にＴＭＲヘッドの抵抗値の温度依存性を示す。図４において、ａは従来のＴＭＲヘッドであり、ｂおよびｃは本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドである。より具体的には、ａ、ｂ、ｃの順に、トンネルバリア層中のピンホールの割合が増大している。
【００３４】
図３に示されるように、ＧＭＲヘッドは抵抗の温度係数ＴＣが正の値を示す。また、図４に示されるように、ＴＭＲヘッドは抵抗の温度係数ＴＣが負の値を示す。図４のうち従来のＴＭＲヘッド（ａ）は、ピンホール電流がほとんど流れないため、抵抗の温度係数ＴＣが大きな負の値を示す。
【００３５】
これに対して、図４のうち本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッド（ｂまたはｃ）は、トンネルバリア層にピンホールが存在するため、抵抗の温度係数ＴＣが−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０の範囲になっており、温度変化に対する抵抗変化がほとんど生じない。この結果、温度変化にかかわらずＭＲ変化率が安定なため、使用温度領域を拡大することができる。抵抗の温度係数ＴＣを−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０と規定したのは、この範囲をはずれると、安定した使用温度領域が狭くなるためである。
【００３６】
また、トンネルバリア層中のピンホールの割合が増大するほど、抵抗の絶対値が低減し、周波数特性の向上およびノイズの低減を達成することができる。なお、ピンホール形成によるＭＲ変化率の低下が懸念されるが、本来ＴＭＲヘッドは高感度であるため、磁気ヘッドとして用いる感度レベルは十分満たすことが可能である。
【００３７】
本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドでは、抵抗の温度係数ＴＣをゼロに近づけるために、トンネルバリア層に意図的にピンホールを形成する。たとえば、トンネルバリア層の下地に微小な凹凸を形成し、その上にＡｌを堆積した後、Ａｌを酸化することにより、トンネルバリア層を形成する。
【００３８】
トンネルバリア層の下地に微小な凹凸を形成するには、たとえば下地に高エネルギー粒子を適度な時間照射する。具体的には、イオンミリング装置を用い、その加速電圧、照射時間を制御することで、下地に所望の凹凸を形成することができる。この際、通常のイオンミリング装置で用いられるＡｒイオンの代わりに、ＡｒイオンとＸｅイオンとを混合して用いれば、凹凸の制御性が向上する。
【００３９】
ＴＭＲ膜の作製例を説明する。基板上に反強磁性層としてＮｉＦｅＣｒ／ＰｔＭｎおよびピンド層としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅを成膜した後、基板を成膜チャンバーからイオンミリングチャンバーに移し、Ａｒ７０％−Ｘｅ３０％の混合ガスを用いてイオンビームを照射して、ピンド層の表面に凹凸を形成した。加速電圧は１００〜５００Ｖ程度、照射時間は２０〜６０秒程度が適当であるが、ここでは加速電圧２００Ｖ、照射時間３０秒でイオンビームを照射した。続いて、基板を成膜チャンバーに移してＡｌを成膜した後、基板を酸化チャンバーに移して酸化処理を行い、トンネルバリア層を形成した。さらに、基板を成膜チャンバーに戻し、フリー層としてＣｏＦｅ／ＮｉＦｅおよび第２電極層としてＣｕ／Ｔａを成膜し、ＴＭＲ膜を形成した。
【００４０】
次に、図５に示すように、磁気ディスク装置における、ＴＭＲヘッドの抵抗（Ｒ）、配線のキャパシタンス（Ｃ）およびプリアンプのインピーダンス（Ｚｉ）を含む回路を想定した。そして、この回路におけるカットオフ周波数の抵抗依存性を計算した。ここでは、インピーダンスマッチングを考慮し、プリアンプのインピーダンスＺｉとＴＭＲヘッドの抵抗Ｒが等しくなるようにした。図６にカットオフ周波数の抵抗依存性の計算結果を示す。図６に示されるように、抵抗値の増大とともに、カットオフ周波数が急激に低下している。したがって、図４に示したように、トンネルバリア層中のピンホールの割合が増大して抵抗の絶対値が低減することは、周波数特性の向上にとって有利に働く。
【００４１】
なお、記録密度１５０Ｇｂｐｓｉ以上に対応するＴＭＲヘッドでは、素子面積Ａと抵抗値Ｒの積であるＡＲが２．３Ωμｍ^２以下という仕様を満たすことが好ましい。
【００４２】
図７に、従来のＴＭＲヘッドおよび本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドに対して、１時間ごとに電流ストレスを段階的に印加したときの抵抗値の劣化挙動を示す。なお、抵抗値は０．２ｍＡで測定した。（ａ）は従来のＴＭＲヘッドを示し、（ｂ）は本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドを示す。
【００４３】
（ａ）では、ある電流値で瞬間的に数百Ωのオーダーで抵抗値が劣化している。これは、トンネルバリア層がブレークダウンすることによって生じる劣化挙動である。（ｂ）では、電流ストレスの増大とともに数十Ω以下のオーダーで抵抗値の劣化が連続的に進行している。これは、ピンホールに電流が集中して発熱することに伴う、抵抗値の劣化挙動である。
【００４４】
このような実験から、本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドでは、ブレークダウン時の抵抗値の劣化挙動が０．１ｍＡあたり１００Ω以下であることが好ましいことがわかっている。ブレークダウン時の抵抗値の劣化挙動が蒸気の範囲であれば、トンネルバリア層にピンホールが含まれていることがわかる。
【００４５】
次に、図８を参照して、本発明に係る磁気ディスク装置（ＨＤＤ）を説明する。図８において、磁気ディスク７１はスピンドル７２に装着されている。軸７３にはアクチュエータアーム７４が取り付けられ、サスペンション７５およびその先端のヘッドスライダ７６を支持している。このヘッドスライダ７６の先端に、磁気ディスク７１に対向するように、上述したようなＴＭＲヘッドが設けられている。ＴＭＲヘッドからの信号は、信号出力増幅用のプリアンプを含む信号処理系によって処理される。
【００４６】
上述したように、インピーダンスマッチングを考慮すると、プリアンプの入力インピーダンスはＴＭＲヘッドの抵抗値と同等であることが好ましい。また、カットオフ周波数を考慮すると、プリアンプからヘッドまでの伝送系の長さを短くしてキャパシタンスを小さくすることが好ましい。しかも、プリアンプからヘッドまでの伝送系の長さが短いと、書き込み（Ｗｒｉｔｅ）電流によりリーダー（Ｒｅａｄｅｒ）に誘起されるクロストーク電圧を抑えることもできる。これらの要件を満たすには、プリアンプをサスペンション７５上に実装したヘッドサスペンションアセンブリ、いわゆるチップ・オン・サスペンション（ＣＯＳ）を採用することが好ましい。
【００４７】
図９にチップ・オン・サスペンションの一例を示す。図９に示すように、アクチュエータアーム７４の先端にサスペンション７５が取り付けられ、サスペンション７５の先端にヘッドスライダ７６が取り付けられ、ヘッドスライダ７６の先端にＴＭＲヘッド１０が形成されている。また、サスペンション７５のヘッドスライダ７６より基端側にはプリアンプを含むＩＣチップ７７が実装されている。ＩＣチップ７７とＴＭＲヘッド１０は伝送系８１によって接続されている。また、ＩＣチップ７７は伝送系８２によって電極パッド８３に接続されている。このように、チップ・オン・サスペンション（ＣＯＳ）を採用し、ＩＣチップ７７中のプリアンプからＴＭＲヘッド１０までの伝送系の長さを３ｃｍ以下に設定することが好ましい。伝送系の長さ３ｃｍは、プリアンプがサスペンション上に実装されうる範囲である。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、抵抗値の温度勾配がフラットであり広い温度領域で安定したＭＲ変化率を得ることができるトンネル磁気抵抗効果ヘッド、およびそれを装備し周波数特性の向上およびノイズの低減を達成できる磁気ディスク装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドを媒体対向面から見た平面図。
【図２】本発明の実施形態に係るＴＭＲヘッドにおけるトンネルバリア層の部分を拡大して示す図。
【図３】ＧＭＲヘッドにおける抵抗値の温度依存性を示す図。
【図４】従来および本発明のＴＭＲヘッドにおける抵抗値の温度依存性を示す図。
【図５】ＴＭＲヘッドの抵抗Ｒ、配線のキャパシタンスＣおよびプリアンプのインピーダンスＺｉを含む回路の概略図。
【図６】図５の回路におけるカットオフ周波数の抵抗依存性を示す図。
【図７】従来および本発明のＴＭＲヘッドに対して、電流ストレスを段階的に印加したときの抵抗値の劣化挙動を示す図。
【図８】本発明に係る磁気ディスク装置を示す斜視図。
【図９】本発明に係るチップ・オン・サスペンションを採用したヘッドサスペンションアセンブリの平面図。
【符号の説明】
１０…ＴＭＲヘッド
１１…第１シールド層
１２…第１電極層
１３…ピン止め層
１４…ピンド層
１５…トンネルバリア層
１６…フリー層
１７…第２電極層
１８…第２シールド層
１９…セパレーター層
２０…磁気バイアス層
７１…磁気ディスク
７２…スピンドル
７３…軸
７４…アクチュエータアーム
７５…サスペンション
７６…ヘッドスライダ
７７…ＩＣチップ
８１、８２…伝送系
８３…電極パッド

Claims

フリー層と、ピンド層と、フリー層とピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを有し、抵抗値の温度係数ＴＣが−０．０２％／℃＜ＴＣ＜０であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果ヘッド。
ブレークダウン時の抵抗値の劣化挙動が０．１ｍＡあたり１００Ω以下であることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果ヘッド。
磁気ディスクと、
請求項１または２記載のトンネル磁気抵抗効果ヘッドと、
前記トンネル磁気抵抗効果ヘッドからの信号を処理する信号処理系と
を有することを特徴とする磁気ディスク装置。
前記信号処理系はプリアンプを含み、前記プリアンプのインピーダンスは前記トンネル磁気抵抗効果ヘッドの抵抗と略同等であることを特徴とする請求項３記載の磁気ディスク装置。
前記プリアンプはサスペンション上に実装されており、前記プリアンプから前記トンネル磁気抵抗効果ヘッドまでの伝送系の長さが３ｃｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項３または４に記載の磁気ディスク装置。