JP2004234755A

JP2004234755A - トンネル磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド

Info

Publication number: JP2004234755A
Application number: JP2003022003A
Authority: JP
Inventors: Kenji Inage; 健治稲毛; Shunji Sarugi; 俊司猿木; Nozomi Hachisuga; 望蜂須賀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Also published as: US7102859B2; US20040185304A1

Abstract

【課題】ＴＭＲ素子の静電破壊を防止できかつカットオフ周波数を高めることができる薄膜磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】ＴＭＲ素子と、このＴＭＲ素子に並列接続された抵抗体とを備えた薄膜磁気ヘッドであって、ＴＭＲ素子素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲがＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、ＴＭＲ素子の抵抗値と断面積との積ＲＡがＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡがＲ_ＰＡＲＡ≦４８０Ωである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子を備えた薄膜磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の面記録密度の向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。この要求に対応するため、読出しヘッド素子に磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッド素子を用いたＭＲヘッドや巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）ヘッド素子を用いたＧＭＲヘッドが広く用いられている。
【０００３】
このようなＭＲヘッドやＧＭＲヘッドは、ヘッド素子の寸法が小さくしかもこれに接続されるパッドの寸法が大きいため、製造工程中に帯びた静電気が放電しその電荷がヘッド素子を通過することによって、ヘッド素子の劣化や破壊の発生する恐れがある。
【０００４】
これを防止するため、特許文献１では、ＭＲ素子やＧＭＲ素子の一方のリード又はパッドと他方のリード又はパッドとの間に、ヘッド素子と並列に接続された５００Ω以上１０ｋΩ以下の抵抗体を設け、この抵抗体を介して、静電電荷を一方のパッドから他方のパッドに流すことにより、ヘッド素子の静電破壊を防いでいる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３３０１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＧＭＲヘッドの２倍以上の抵抗変化率が期待できるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）ヘッド素子を有するＴＭＲヘッドの開発が積極的に行われている。ＴＭＲヘッドは、そのＴＭＲ素子が絶縁性のバリア膜を有しかつ積層方向にセンス電流を流すように構成しているなど、ＭＲヘッドやＧＭＲヘッドとは、構造が根本的に異なっており、従ってその特性もかなり異なっている。例えば、ＴＭＲヘッドは、ＭＲヘッドやＧＭＲヘッドの素子抵抗値が１０〜５０Ω程度であるのに対して、１桁大きい高い素子抵抗値を有している。
【０００７】
最近のヘッドは、より高い記録密度への要求に対応するためにトラック幅及びハイト量がますます小さくなってきており、これに伴ってＴＭＲ素子の素子抵抗はさらに高くなってきている。素子抵抗が高くなると、カットオフ周波数が低くなってしまい高記録密度化が行えなくなってしまう。
【０００８】
また、現行サイズの素子（素子幅及び素子高さ）でＧＭＲ素子とＴＭＲ素子との耐電圧を比較すると、ＴＭＲ素子の方が耐電圧の低いことが分かっており、素子破壊に対する不安が高まることのみならず、素子抵抗上昇及び耐電圧低下から許容電流値が小さくなって使用マージンが小さくなってしまう。さらに、素子寸法が小さくなると、同じ加工精度であっても抵抗値ばらつきが生じ易くなる傾向があり、このばらつきがＴＭＲヘッドの製造上の大きな問題点となっている。
【０００９】
このようなＴＭＲヘッドにおいては、特許文献１のように５００Ω〜１０ｋΩの抵抗体をＴＭＲ素子に並列接続したとしても、また、これより１桁大きい抵抗値を有する抵抗体をＴＭＲ素子に並列接続したとしても、静電破壊を確実に防止することは期待できない。また、並列接続した抵抗体の抵抗値が特許文献１のような高い抵抗値である場合、ＴＭＲ素子の抵抗値と並列接続した抵抗体との合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}が高くなってしまい、カットオフ周波数を高めることができない。
【００１０】
従って本発明の目的は、ＴＭＲ素子の静電破壊を防止できかつカットオフ周波数を高めることができる薄膜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】
本発明によれば、ＴＭＲ素子と、このＴＭＲ素子に並列接続された抵抗体とを備えた薄膜磁気ヘッドであって、ＴＭＲ素子素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲがＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、ＴＭＲ素子の抵抗値と断面積との積ＲＡがＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡがＲ_ＰＡＲＡ≦４８０ΩであるＴＭＲ素子を備えた薄膜磁気ヘッドが提供される。
【００１２】
さらに本発明によれば、ＴＭＲ素子と、ＴＭＲ素子に並列接続された抵抗体とを備えた薄膜磁気ヘッドであって、ＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲがＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、ＴＭＲ素子の抵抗値と断面積との積ＲＡがＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、ＴＭＲ素子の抵抗値と抵抗体の抵抗値との合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}がＲ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０ΩであるＴＭＲ素子を備えた薄膜磁気ヘッドが提供される。
【００１３】
ＴＭＲヘッドの使用環境を考慮して製品の信頼性を確保するために、その素子破壊電圧は３００ｍＶ以上必要であるが、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２とすることにより、この要求を満足させることができる。また、Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωとすることにより、１ＧＨｚ以上のカットオフ周波数を得ることができる。高記録密度対応のＴＭＲ素子の光学トラック幅Ｗ_ＴＭＲがＷ_ＴＭＲ＝０．１１μｍ以下であり、素子高さＷ_ＨがＷ_Ｈ＝０．１１μｍ以下であるため、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２の場合、ＴＭＲ素子の抵抗値はＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωとなる。この場合、抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡはＲ_ＰＡＲＡ≦４８０Ωとなる。この条件で並列の抵抗体を設けることにより、ＴＭＲ素子の静電破壊を防止できかつカットオフ周波数を高めるという互いに相反する要求を満足させることができる。
【００１４】
抵抗体が、ＴＭＲ素子の上部電極膜及び下部電極膜間に形成されているか、又はＴＭＲ素子と端子電極とを接続するリード導体間に形成されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態におけるＴＭＲ素子部分の構成を概略的に示す斜視図であり、図２はそのＴＭＲ素子の膜構成の一例を示す断面図である。
【００１６】
図１において、１０は下部電極膜、１１は上部電極膜、１２は下部電極膜１０及び上部電極膜１１に挟まれて積層されたＴＭＲ多層膜、１３は下部電極膜１０及び上部電極膜１１間にＴＭＲ多層膜１２と並列に接続された抵抗体をそれぞれ示している。
【００１７】
ＴＭＲ多層膜１２についてその膜構成を詳細に説明すると、図２に示すように、絶縁膜１４上に磁気シールド膜を兼用する下部電極膜１０が積層されており、その上に、下地層１２ａと、ピン層１２ｂと、ピンド層１２ｃと、トンネルバリア層１２ｄと、フリー層１２ｅとが順次積層されてなるＴＭＲ多層膜１２が形成されており、その上に、キャップ体１５と磁気シールド膜を兼用する上部電極膜１１とが積層されている。絶縁膜１６は、ＴＭＲ多層膜１２及びキャップ体１５の周囲を取り囲むように形成されている。
【００１８】
このようなＴＭＲ多層膜１２を含むＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲはＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、このＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲとＴＭＲ素子の断面積との積ＲＡはＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、ＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲと抵抗体１３の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡとの合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}はＲ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωである。抵抗体１３の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡはＲ_ＰＡＲＡ≦４８０Ωである。
【００１９】
以下、これら数値の根拠について説明する。
【００２０】
図３は、ＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲとＴＭＲ素子の断面積との積ＲＡに対するＴＭＲ素子の破壊電圧の関係を示している。
【００２１】
ＴＭＲ素子においては、そのトンネルバリア層１２ｄの特性から、ＲＡが増大するにつれて素子破壊電圧が高くなる。従って、信頼性の観点からＲＡは高い方が好ましい。
【００２２】
素子破壊電圧は、具体的には、ＲＡ＝３Ω・μｍ^２において３２０ｍＶとなり、従って、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２とすれば、３００ｍＶ以上の素子破壊電圧というその使用環境からの要求を充分満足させることができる。
【００２３】
図４は、ＴＭＲヘッドの抵抗値に対するそのカットオフ周波数の関係を示している。ただし、ＴＭＲヘッドの電気容量を１ｐＦとした場合の特性である。
【００２４】
カットオフ周波数は、この場合、出力に対する利得がこの周波数になると減少しそれ以上の周波数では帯域制限を受けてヘッド特性に悪影響を及ぼす周波数を意味している。周知のごとく、カットオフ周波数ｆ_ｃｕｔは、ｆ_ｃｕｔ＝１／（２πＲＣ）で表される。ここで、ＲはＴＭＲヘッドの抵抗値、ＣはＴＭＲヘッドの電気容量値を示している。
【００２５】
今後のＴＭＲヘッドは、高記録密度に対応するため高線密度化が要求されており、最低でも１ＧＨｚ以上の高周波数において動作することが必要とされる。従って、図４において、カットオフ周波数を１ＧＨｚ以上とするためには、ＴＭＲヘッドの抵抗値は、約１６０Ω以下であることが必要となる。
【００２６】
前述したように、ＴＭＲ素子はＲＡが大きいほど絶縁破壊電圧改善の点から好ましいが、逆に、カットオフ周波数改善の点からはＴＭＲヘッド全体の抵抗が低い方が望ましい。そこで、これら双方の要求を満足させるために、ＴＭＲ素子に抵抗体を並列に接続し、ＴＭＲヘッドの抵抗値（合成抵抗値）Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}をＲ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωとし、ＲＡをＲＡ≧３Ω・μｍ^２としているのである。高記録密度対応のＴＭＲ素子の光学トラック幅Ｗ_ＴＭＲがＷ_ＴＭＲ＝０．１１μｍ以下であり、素子高さＷ_ＨがＷ_Ｈ＝０．１１μｍ以下であるため、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２の場合には、ＴＭＲ素子自体の抵抗値Ｒ_ＴＭＲは、Ｒ_ＴＭＲ≧２４０Ωとなる。
【００２７】
図５は、ＴＭＲ素子自体の抵抗値Ｒ_ＴＭＲに対する抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡの関係を示している。ただし、カットオフ周波数が１ＧＨｚとなるために、ＴＭＲ素子と抵抗体１３との合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}がＲ_{ＴＯＴＡＬ}＝１６０Ωの場合である。
【００２８】
同図から、Ｒ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωの場合、抵抗体１３の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡは４８０Ω以下となる。これにより、カットオフ周波数及び絶縁破壊の双方の改善をもたらすことが可能となる。
【００２９】
図６は、本発明の他の実施形態におけるＴＭＲヘッドの構成を素子形成面側から概略的に示す立面図である。
【００３０】
本実施形態においては、抵抗体６３がＴＭＲヘッドに電気的に接続されているリード導体６７及び６８間にＴＭＲ素子と並列に接続されている。抵抗体をＴＭＲ素子の端子電極６９及び７０間にこのＴＭＲ素子と並列に接続してもよいは明らかである。
【００３１】
本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は図１の実施形態の場合とほぼ同様である。
【００３２】
本発明において、ＴＭＲ素子の構造及び抵抗体の構造は、前述した実施形態のものに限定されるものではなく、他の種々の構造を適用可能であることはいうまでもない。
【００３３】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【００３４】
【発明の効果】
ＴＭＲヘッドの使用環境を考慮して製品の信頼性を確保するために、その素子破壊電圧は３００ｍＶ以上必要であるが、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２とすることにより、この要求を満足させることができる。また、Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωとすることにより、１ＧＨｚ以上のカットオフ周波数を得ることができる。高記録密度対応のＴＭＲ素子の光学トラック幅Ｗ_ＴＭＲがＷ_ＴＭＲ＝０．１１μｍ以下であり、素子高さＷ_ＨがＷ_Ｈ＝０．１１μｍ以下であるため、ＲＡ≧３Ω・μｍ^２の場合、ＴＭＲ素子の抵抗値はＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωとなる。この場合、抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡはＲ_ＰＡＲＡ≦４８０Ωとなる。この条件で並列の抵抗体を設けることにより、ＴＭＲ素子の静電破壊を防止できかつカットオフ周波数を高めるという互いに相反する要求を満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるＴＭＲ素子部分の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の実施形態のＴＭＲ素子の膜構成の一例を示す断面図である。
【図３】ＴＭＲ素子自体の抵抗値Ｒ_ＴＭＲとＴＭＲ素子の断面積との積ＲＡに対するＴＭＲ素子の破壊電圧の特性図である。
【図４】ＴＭＲ素子と抵抗体との合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}に対するＴＭＲヘッドのカットオフ周波数の特性図である。
【図５】ＴＭＲ素子自体の抵抗値Ｒ_ＴＭＲに対する抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡの特性図である。
【図６】本発明の他の実施形態におけるＴＭＲヘッドの構成を素子形成面側から概略的に示す立面図である。
【符号の説明】
１０下部電極膜
１１上部電極膜
１２ＴＭＲ多層膜
１２ａ下地層
１２ｂピン層
１２ｃピンド層
１２ｄトンネルバリア層
１２ｅフリー層
１３、６３抵抗体
１４、１６絶縁膜
１５キャップ体
６７、６８リード導体
６９、７０端子電極

Claims

トンネル磁気抵抗効果素子と、該トンネル磁気抵抗効果素子に並列接続された抵抗体とを備えた薄膜磁気ヘッドであって、前記トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲがＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、該トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値と断面積との積ＲＡがＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、前記抵抗体の抵抗値Ｒ_ＰＡＲＡがＲ_ＰＡＲＡ≦４８０Ωであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド。
トンネル磁気抵抗効果素子と、該トンネル磁気抵抗効果素子に並列接続された抵抗体とを備えた薄膜磁気ヘッドであって、前記トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値Ｒ_ＴＭＲがＲ_ＴＭＲ≧２４０Ωであり、該トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値と断面積との積ＲＡがＲＡ≧３Ω・μｍ^２であり、該トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値と前記抵抗体の抵抗値との合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}がＲ_{ＴＯＴＡＬ}≦１６０Ωであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド。
前記抵抗体が、前記トンネル磁気抵抗効果素子の上部電極膜及び下部電極膜間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜磁気ヘッド。
前記抵抗体が、前記トンネル磁気抵抗効果素子と端子電極とを接続するリード導体間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜磁気ヘッド。