JP2005004942A - 低動作温度の磁気抵抗センサー - Google Patents
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Abstract
【課題】ＭＲ読取センサーの適切な継続的動作と、読取り・書込みヘッドの適切な電気的性能にとって必要な低い動作温度に維持するのできるＣＰＰ型ＭＲ読取センサーの提供。
【解決手段】動作温度が低くなされる磁気抵抗（ＭＲ）センサーが開示されている。ＭＲ読取センサーは、磁気抵抗層を有するＭＲ積層体（１００）を含み、ＣＰＰモードで動作するように構成され、検知電流が磁気抵抗層の長手方向面にほぼ直角方向に流される。ＭＲ読取センサーは、ＭＲ積層体に配置された熱シンク層（１０２ａ）（１１２ｂ）をさらに含み、ＭＲ読取センサーの動作温度を低下させる。熱シンク層（１０２ａ）（１１２ｂ）は、高熱伝導率を有する材料で形成され、ＭＲ積層体からは金属キャップ層または金属シード層により分離されていることが好ましい。
【選択図】図５
【解決手段】動作温度が低くなされる磁気抵抗（ＭＲ）センサーが開示されている。ＭＲ読取センサーは、磁気抵抗層を有するＭＲ積層体（１００）を含み、ＣＰＰモードで動作するように構成され、検知電流が磁気抵抗層の長手方向面にほぼ直角方向に流される。ＭＲ読取センサーは、ＭＲ積層体に配置された熱シンク層（１０２ａ）（１１２ｂ）をさらに含み、ＭＲ読取センサーの動作温度を低下させる。熱シンク層（１０２ａ）（１１２ｂ）は、高熱伝導率を有する材料で形成され、ＭＲ積層体からは金属キャップ層または金属シード層により分離されていることが好ましい。
【選択図】図５
Description
本発明は、広義の概念で言えば、磁気再生ヘッドに用いられる磁気抵抗センサーに係わり、具体的には、低動作温度の面直角電流（ＣＰＰ）型磁気抵抗センサーに関するものである。
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサーを含む磁気抵抗読取センサーが、磁気データ記録装置の磁気ディスクのような磁気データ記録媒体に記録されている磁気信号情報を検出するために用いられている。磁気媒体からの時間依存性磁界により、ＧＭＲ読取センサーの抵抗が磁界に応じて変化する。ＧＭＲ読取センサーの抵抗の変化は、検知電流（sense current）をＧＭＲ読取センサーに流し、ＧＭＲ読取センサーの両端の電圧を計測することにより検出することができる。検知電流は、デバイスの構造により、デバイスの層の面内を流されるか（ＣＩＰ型）、またはデバイスの層の面に対して直角方向に流される（ＣＰＰ型）。検出信号が、信号化された情報を磁気媒体から読み取るために用いられる。
典型的なＧＭＲ読取センサーはスピンバルブ型であり、合成反強磁性（ＳＡＦ）層と強磁性フリー層との間、または二層の強磁性フリー層間に非磁性間隔層が配置された積層構造をしている。前者の場合、ＳＡＦ層の磁化方向は一般にＧＭＲヘッドの空気支承面に対して垂直な方向に固定され、フリー層の磁化方向は外部磁界に応じて回転自在である。ＳＡＦ層は、結合層を介して磁性結合された基準層とピン層とを含み、基準層の磁化方向はピン層の磁化方向とは逆向きになっている。後者の場合、二層のフリー層の磁化方向は外部磁界に応じて回転自在である。ＧＭＲヘッドの抵抗は、フリー層の磁化方向とＳＡＦ層の基準層の磁化方向とのなす角の関数として、または二層のフリー層の磁化方向のなす角の関数として変化する。このように積層スピンバルブ型にすることにより、単層の強磁性体で通常構成される異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサーでは不可能であった顕著な磁気抵抗効果、すなわち、高い感度と大きい振幅の抵抗値、が得られる。
トンネル接合（ＴＭＲ）センサーは、ＣＰＰスピンバルブ型ＧＭＲ読取センサーに類似の構造をしているが、デバイスの物理的構成は異なっている。ＴＭＲ読取センサーの場合、間隔層の代わりに障壁層がフリー層とＳＡＦ層との間、または二層のフリー層間に配置されている。電子はトンネル効果により障壁層を通過する。ＴＭＲ読取センサーの層の面に対して直角方向に流れる検知電流には抵抗がかかり、その大きさはフリー層の磁化方向とＳＡＦ層の基準層の磁化方向とのなす角、または二層のフリー層の磁化方向のなす角のコサイン（余弦）に比例する。
ピン化層がＳＡＦ層のピン層に典型的には交換結合されることにより、ピン層の磁化は所定方向に固定される。ピン化層は、一般に反強磁性材料で形成される。反強磁性材料においては、隣接する原子面の磁気モーメントが相互方向に発生するために、全体としては材料内の磁気モーメントがゼロとなる。
通常、下地層が配置され、その上部に形成されるピン化層のテクスチャーを向上させる。下地層は、一般に強磁性材料で形成され、その原子構造、または配置が所望の結晶方向と一致する材料が用いられる。
通常、シード層（種層）が配置され、その上部に形成される下地層の粒子成長を増進させる。とりわけ、シード層は、所望の粒子組織とサイズを付与する。
磁気記憶・検索読取・書込み装置の大容量化が進展するに従い、面記録密度が高くなった。面ビットサイズを縮小することにより、面記録密度の増大に対応してきた。小さいビットサイズを有し超高密度媒体に記憶されたデータを検索するには、狭い読取り幅にする必要がある。読取り間隔（ギャップ）が面記録密度の増大に対応して狭くなるに従い、ＭＲ読取センサーの磁気抵抗素子の感度を向上させる必要がある。読取り間隔の縮小は、動作時に磁気抵抗素子から発生する熱量を増加させる。ＭＲ読取センサーは高温に晒されると、電気的応力および熱応力によりＭＲ読取センサーを構成する薄膜の信頼性が低下し、熱破損する可能性が高くなる。ＭＲ読取センサーの機能は、デバイスの動作温度の上昇に伴い急激に低下する。
ＭＲ読取センサーが直面している別の課題は、動作時の静電気放電（ＥＳＤ）または電気的過大応力（ＥＯＳ）による過渡電流、およびサーマルアスペリティ現象（thermal asperity events）に起因する温度スパイク（spikes）である。磁気センサーは、ＥＳＤまたはＥＯＳにより破損したり、エラーを発生させる可能性が極めて高い。
ＭＲ読取センサーの適切な動作と、電気的性能とを継続して確保するには、低い動作温度に維持することが必須である。本発明は、動作温度がそのような低い温度に維持されたＣＰＰ型ＭＲ読取センサーを提供するものである。
本発明は、低い動作温度のＭＲ読取センサーに関するものである。ＭＲ読取センサーは、磁気抵抗層を有するＭＲ積層体を含み、面直角電流（ＣＰＰ）モードで動作するように構成され、検知電流が磁気抵抗層の長手方向面にほぼ直角方向に流される。ＭＲ読取センサーは、ＭＲ積層体に配置された熱シンク層をさらに含み、ＭＲ読取センサーの動作温度を低下させる。熱シンク層は、高熱伝導率を有する材料で形成され、ＭＲ積層体からは金属キャップ層または金属シード層により分離されていることが好ましい。
図１は、磁気読取・書込みヘッド１０の空気支承面１４に垂直な面で切断した磁気読取・書込みヘッド１０と磁気ディスク１２との断面図である。磁気読取・書込みヘッド１０の空気支承面１４は、磁気ディスク１２のディスク面１６に対向している。磁気ディスク１２は、磁気読取・書込みヘッド１０に対して矢印Ａで示す方向に走行、または回転する。空気支承面１４とディスク面１６との間隔は、磁気読取・書込みヘッド１０とディスク面１６との接触が回避できる最小限まで低減されることが好ましい。
磁気読取・書込みヘッド１０の記録部は、上部電極１８、絶縁層２０、導電性コイル２２、および下部電極／上層シールド２４を含む。導電性コイル２２は、上部電極１８と上層シールド２４との間に絶縁層２０により支持されている。図１において、導電性コイル２２は二層のコイルとして示されているが、磁気読取・書込みヘッド設計の分野においては周知のとおり層数を変更することは可能である。
磁気読取・書込みヘッド１０の再生部は、下部電極／上層シールド２４、下層シールド２８、およびＭＲ積層体３０を含む。ＭＲ積層体３０は、下部電極２４終端と下層シールド２８終端との間に配置されている。下部電極／上層シールド２４は、シールド層としての機能と、上部電極１８と対をなす電極としての機能とを兼ねる構造になっている。
図２は、磁気読取・書込みヘッド１０の空気支承面１４の層を示す。図２には、図１の磁気読取・書込みヘッド１０の空気支承面１４に沿って見ることができる磁気読取・書込みヘッド１０の磁気的に重要な層が示されている。見やすくするために、磁気読取・書込みヘッド１０の全ての間隔層と絶縁層とが、図２では省略されている。下層シールド２８と下部電極／上層シールド２４とは間隔が空けられ、ＭＲ積層体３０が配置されている。検知電流が、下部電極／上層シールド２４と下層シールド２８とを介してＭＲ積層体３０に流される。図１と図２において、検知電流は下部電極／上層シールド２４と下層シールド２８とを介して取込まれるようになっているが、別の構成においては、ＭＲ積層体３０が下部電極／上層シールド２４と下層シールド２８から電気的に絶縁され、ＭＲ積層体３０に別の電極を介して検知電流が流される。検知電流がＭＲ積層体３０に流されると、ＭＲ読取センサーの抵抗に変化が現れ、出力側電圧が変動する。検知電流がＭＲ積層体３０の面に対して直角方向に流れるために、磁気読取・書込みヘッド１０の再生部はＣＰＰ型デバイスと呼ばれる。磁気読取・書込みヘッド１０は単に例示であり、本発明においては異なる構成のＣＰＰ型デバイスを用いることもできる。
図３は、永久磁石硬質磁性層４２を備えた従来技術によるＣＰＰ型ＭＲ積層体４０の空気支承面を示す。ＭＲ積層体４０は、金属キャップ層４４、フリー層４６、非磁性層４８、ピン層５０、反強磁性ピン化層５２、および金属シード層５４を含む。ＭＲ積層体４０は、上層シールド２４と下層シールド２８との間に配置されている。永久磁石硬質磁性層４２は、フリー層４６とピン層５０とにバイアス磁界を印加して反強磁性ピン化層５２を安定させる機能を有する。
図４は、従来技術による三層構造のＣＰＰ型ＭＲ積層体７０の空気支承面を示す。ＭＲ積層体７０は、金属キャップ層７２、第一フリー層７４、非磁性層７６、第二フリー層７８、および金属シード層８０を含む。ＭＲ積層体７０は、上層シールド２４と下層シールド／電極２８との間に配置されている。
簡潔のために、図３と図４とに示した従来技術によるデバイスの動作を同時に説明する。動作時、図３と図４とに示すように検知電流ＩがＣＰＰ型ＭＲ積層体４０，７０に流される。検知電流Ｉは、ＭＲヘッドの層に対して直角方向に流されると抵抗を受け、その大きさはフリー層の磁化方向とＳＡＦ層（図３）の基準層の磁化方向とのなす角、または二層のフリー層（図４）の磁化方向のなす角のコサインに比例する。ＣＰＰ型ＭＲ積層体の両端間の電圧を計測して抵抗値の変化を求め、その信号を用いて磁気媒体から信号化された情報が再生される。
前記の通り、小さい面ビットサイズを有し、超高密度に記録されたデータを再生するには、狭い再生トラック幅にすることが必要である。面記録密度が高くなるに従い再生シールド間隔（リードギャップ）が減少するため、ＭＲ読取センサーの磁気抵抗素子の感度を向上させることが必要である。再生シールド間隔の縮小は、動作時に磁気抵抗素子から発生する熱量を増加させる。この熱は何らかの方法により放熱することにより、ＭＲ読取センサーの薄膜の信頼性が低下し、電気的応力および熱応力により熱破損する可能性が高くなることを防止しなければならない。ＭＲ読取センサーの機能は、デバイスの動作温度の上昇に伴い急激に低下する。
図３と図４に示した従来技術によるＣＰＰ型ＭＲ積層体においては、金属キャップ層と金属シード層とがＭＲ積層体の両端に配置されている。これらの層はＭＲ積層体をシールドから分離している。これらの相対的に厚い層が従来技術による設計には一般に取り入れられ、適度な再生シールド間隔を構成するとともに、ＣＰＰ型ＭＲ積層体を保護している。しかし、従来技術によるＣＰＰ型ＭＲ積層体の金属キャップ層と金属シード層には、製造上の理由からベータ相タンタル（Ｔａ）のような低熱伝導率の材料が用いられている。低熱伝導率の材料は、ＭＲ積層体の熱を十分に放熱することが不可能で、信頼性が低く、熱破損を起こす可能性の高いＭＲ読取センサーになる。さらに、ＭＲ積層体と電極とを分離するために低熱伝導率の層を用いると、静電気放電（ＥＳＤ）または過大応力（ＥＯＳ）による過渡電流、およびサーマルアスペリティ現象に起因する熱スパイクが動作時に発生する可能性が高くなる。磁気ヘッドは、ＥＳＤまたはＥＯＳにより破損したり、エラーを発生する可能性が極めて高い。
図５に、本発明による改良された熱伝導特性を有する第一の下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００の空気支承面を示す。下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００は、キャップ二重層１０２、フリー層１０４、非磁性層１０６、ピン層１０８、反強磁性ピン化層１１０、およびシード二重層１１２を含む。非磁性層１０６は磁気抵抗効果を呈し、例えば、磁気トンネル（ＴＭＲ）デバイスの場合にはトンネル障壁層、またはスピンバルブ型のような巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスの場合には非磁性金属である。キャップ二重層１０２は、熱シンク・キャップ層１０２ａと金属キャップ層１０２ｂとを含み、シード二重層１１２は、金属シード層１１２ａと熱シンク・シード層１１２ｂとを含む。ＭＲ積層体１００は、上層シールド２４と下層シールド２８との間に配置されている。永久磁石硬質磁性層１２０は、フリー層１０４とピン層１０８とにバイアス磁界を印加し、反強磁性ピン化層１１０を安定させる機能を有する。永久磁石硬質磁性層１２０は、非磁性絶縁層（図示せず）によりＣＰＰ型ＭＲ積層体１００から一般に分離されている。金属キャップ層１０２ｂと金属シード層１１２ａは、一般にキャップ二重層１０２とシード二重層１１２の各々に含まれ、再生シールド間隔を適度な距離に維持するとともに、ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００を保護している。
動作時、検知電流ＩがＣＰＰ型ＭＲ積層体１００の長手方向面に対して直角方向に流される。検知電流Ｉは抵抗を受け、その大きさはフリー層１０４の磁化方向とピン層１０８の磁化方向とのなす角のコサインに比例する。面記録密度の増加に応じ、ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００の磁気抵抗素子の感度を向上させることが必要である。このため、動作時に、ジュール発熱により非磁性層１０６から発生する熱量が増加する。高熱伝導率（５０Ｗ／ｍ°Ｋ超であることが好ましい）の材料により成膜された熱シンク・キャップ層１０２ａと熱シンク・シード層１１２ｂとを追加することにより、この熱がＣＰＰ型ＭＲ積層体１００の熱に対して高い感応性を有する層に達する前にその大部分を放熱することができる。磁気抵抗素子の温度を低下させることにより、ＭＲ読取センサーの信頼性と製品寿命とが著しく向上する。
図６は、本発明による改良された熱伝導特性を有する第二の下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０の空気支承面を示す。下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０は、キャップ二重層１５２、フリー層１５４、非磁性層１５６、合成反強磁性（ＳＡＦ）ピン層１５８、およびシード二重層１６０を含む。非磁性層１５６は磁気抵抗効果を呈し、例えば、磁気トンネル（ＴＭＲ）デバイスの場合にはトンネル障壁層、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスの場合には非磁性金属である。キャップ二重層１５２は、熱シンク・キャップ層１５２ａと金属キャップ層１５２ｂとを含み、シード二重層１６０は、金属シード層１６０ａと熱シンク・シード層１６０ｂとを含む。ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０は、上層シールド２４と下層シールド２８との間に配置されている。永久磁石硬質磁性層１７０は、フリー層１５４とＳＡＦピン層１５８とにバイアス磁界を印加する機能を有する。永久磁石硬質磁性層１７０は、非磁性絶縁層（図示せず）によりＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０から一般に分離されている。金属キャップ層１５２ｂと金属シード層１６０ａは、一般にキャップ二重層１５２とシード二重層１６０の各々に含まれ、再生シールド間隔を適度な距離に維持するとともに、ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０を保護している。
ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０は、ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００と同様に動作する。検知電流ＩがＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０の長手方向面に対して直角方向に流される。検知電流Ｉは抵抗を受け、その大きさはフリー層１５４の磁化方向とＳＡＦピン層１５８の磁化方向とのなす角のコサインに比例する。面記録密度の増加に応じ、ＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０の磁気抵抗素子の感度を向上させることが必要である。このため、動作時に、ジュール発熱により非磁性層１５６から発生する熱量が増加する。高熱伝導率（５０Ｗ／ｍ°Ｋ超であることが好ましい）の材料により成膜された熱シンク・キャップ層１５２ａと熱シンク・シード層１６０ｂとを追加することにより、この熱がＣＰＰ型ＭＲ積層体１５０の熱に対して高い感応性を有する層に達する前にその大部分を放熱することができる。磁気抵抗素子の温度を低下させることにより、ＭＲ読取センサーの信頼性と製品寿命とが著しく向上する。
図７の線図１８０は、キャップ層とシード層とに用いる材料を変更した場合の、下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体の動作温度と動作電圧との関係を示す。線図１８０において、縦軸は動作温度（°Ｃ）で、横軸は動作電圧（ｍＶ）である。周囲境界温度は８０°Ｃである。線図１８０には、折線１８２ａ，１８２ｂ，１８４ａ，１８４ｂ，１８６ａ，１８６ｂが示されている。折線１８２ａ，１８２ｂは、比較的に低い熱伝導率（５Ｗ／ｍＫ）を有するベータ相タンタル（Ｔａ）で成膜されたキャップ層とシード層とが設けられた下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体の各々ピーク動作温度と平均動作温度である。折線１８２ａ，１８２ｂは、図３に示した従来技術による下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体４０の動作温度上昇に対応する。図が示すように、動作温度は、デバイスの動作電圧が上がると急激に上昇する。この急激な温度上昇により、ＣＰＰ型ＭＲ積層体の機能が破壊される。
折線１８４ａ，１８４ｂは、ロジウム（Ｒｈ）の層を含むキャップ層とシード層とが設けられた下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体の各々ピーク動作温度と平均動作温度である。折線１８６ａ，１８６ｂは、アルミニウム（Ａｌ）の層を含むキャップ層とシード層とが設けられた下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体の各々ピーク動作温度と平均動作温度である。ロジウムとアルミニウムはともに、比較的に高い熱伝導率を有する（Ｒｈ−１５０Ｗ／ｍ°Ｋ；Ａｌ−２３７Ｗ／ｍＫ）。折線１８４ａ，１８４ｂ，１８６ａ，１８６ｂは、図５と図６に示した本発明による下層固定ＣＰＰ型ＭＲ積層体１００，１５０の動作温度上昇に対応する。図が示すように、ＣＰＰ型ＭＲ積層体の動作温度は、ＣＰＰ型ＭＲ積層体のキャップ層とシード層とに高い熱伝導率を有する層を配置することにより著しく低下する。
図８は、本発明による改良された熱伝導特性を有する三層構造のＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の空気支承面を示す。ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、キャップ二重層２０２、第一フリー層２０４、非磁性層２０６、第二フリー層２０８、およびシード二重層２１０を含む。非磁性層２０６は磁気抵抗効果を呈し、例えば、磁気トンネル（ＴＭＲ）デバイスの場合にはトンネル障壁層、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスの場合には非磁性金属である。キャップ二重層２０２は、熱シンク・キャップ層２０２ａと金属キャップ層２０２ｂとを含み、シード二重層２１０は、金属シード層２１０ａと熱シンク・シード層２１０ｂとを含む。ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、上層シールド２４と下層シールド２８との間に配置されている。金属キャップ層２０２ｂと金属シード層２１０ａは、一般にキャップ二重層２０２とシード二重層２１０の各々に含まれ、再生シールド間隔を適度な距離に維持するとともに、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００を保護している。
動作時、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、回転する磁気ディスクの面上を磁気読取・書込みヘッドの一部として飛行する。ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００が磁気ディスク面上を通過するときに、磁気ディスクからはそこに記録されたデータの種類に対応する種々の磁界方向を有する磁束が漏れている。これは、ビットフラックスとして知られている。ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の空気支承面が磁気ディスクから漏れる磁束を横切ると、第一フリー層２０４の磁化方向と第二フリー層２０８の磁化方向とのなす角が、磁気ディスクから漏れている磁界の方向に応じて（すなわち、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の空気支承面に対向するデータの種類に応じて）変化する。両フリー層の磁化方向のなす角が変化すると、ヘッドの電気抵抗もまた変化する。検知電流Ｉを第一フリー層２０４と第二フリー層２０８との間に流すことにより、空気支承面における磁界の変化に対応した電気抵抗の変化が検出される。
面記録密度の増加に応じ、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の磁気抵抗素子の感度を向上させることが必要である。このため、動作時に、ジュール発熱により非磁性層２０６から発生する熱量が増加する。高熱伝導率（５０Ｗ／ｍ°Ｋ超であることが好ましい）の材料により成膜された熱シンク・キャップ層２０２ａと熱シンク・シード層２１０ｂとを追加することにより、この熱がＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の熱に対して高い感応性を有する層に達する前にその大部分を放熱することができる。磁気抵抗素子部の温度を低下させることにより、ＭＲ読取センサーの信頼性と製品寿命とが著しく向上する。
図９は、本発明による改良された熱伝導特性を有し、異なる三層構造のＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の空気支承面を示す。三層構造のＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、図８に示したＣＰＰ型ＭＲ積層体と同一の構成要素を有する。図９の構成においては、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００に隣接する位置に熱シンク体２３０が追加されている。熱シンク体２３０は、上層シールド２４と下層シールド２８との間に配置されている。
ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、水平方向のバイアス磁界を印加する必要がないため、永久磁石層が占めていた空間に熱シンク体２３０を配置することができる。熱シンク体２３０は、限定するものではないが、Ｒｈ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ、またはその合金で形成される。熱シンク体２３０は、設計上の要請により変わるものの、２００から６００オングストローム（Å）の範囲の幅を有することが好ましい。
ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００と熱シンク体２３０との間、および再生シールド２４，２８と熱シンク体２３０との間には薄い絶縁層が配置され、再生ヘッドの導電性構成要素間のショートを防止している。薄い絶縁層には種々の材料を用いることができるが、薄い絶縁層用材料は、良好な電気絶縁性と比較的高い熱伝導率とを兼備えていることが好ましい。例えば、ダイアモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）は、この両特性を有している。
図９に示すＣＰＰ型ＭＲ積層体２００は、図８に示したＣＰＰ型ＭＲ積層体２００と同様に動作する。面記録密度の増加に応じ、ＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の磁気抵抗素子の感度を向上させることが必要である。このため、動作時に、ジュール発熱により非磁性層２０６から発生する熱量が増加する。高熱伝導率（５０Ｗ／ｍ°Ｋ超であることが好ましい）の材料により作成された熱シンク体２３０を熱シンク・キャップ層２０２ａと熱シンク・シード層２１０ｂとに追加して配置することにより、この熱がＣＰＰ型ＭＲ積層体２００の熱に対して高い感応性を有する層に達する前にその大部分を放熱することができる。磁気抵抗素子部の温度を低下させることにより、ＭＲ読取センサーの信頼性と製品寿命とが著しく向上する。
図１０の線グラフ３００は、キャップ層とシード層とに用いる材料を変更した場合の、ＣＰＰ型ＭＲ読取器の抵抗値と面積の積（ＲＡ積）と上昇温度との関係を示している。線グラフ３００において、縦軸はＣＰＰ型ＭＲ積層体の上昇温度（°Ｃ）で、横軸は抵抗値と接合面積との積（Ωμｍ2）である。線グラフ３００を作図するために用いたＣＰＰ型ＭＲ積層体は、２５０オングストロームの熱シンク層、５０オングストロームのタンタル製キャップ／シード層、７００オングストロームのＣＰＰ型磁気抵抗（ＭＲ）素子、５０オングストロームのキャップ層、および２５０オングストロームの熱シンク層を有している。ＭＲ積層体の両端に１４０ｍＶのバイアス電圧を印加した。また、ＭＲ積層体は２００Ｇｂｐｓｉの面記録密度に対応し、高さは１１０ナノメートルである。当実験には特定寸法のＭＲ積層体を用いたが、異なる寸法や高熱伝導特性を有する熱シンク層に異なる層を配置して低い動作温度を達成することも可能である。
線グラフ３００は、折線３０２，３０４，３０６，３０８，３１０を含み、各々Ｔａ，ＮｉＦｅ，Ｒｈ，Ａｌ、およびＣｕで形成された熱シンク層を有するＣＰＰ型ＭＲ積層体に対応する。図が示すように、線図３００の五種類の材料中で最も低い熱伝導率を有するタンタル（Ｔａ）が、ＣＰＰ型ＭＲ積層体の全てのＲＡ積値についてかなり高い温度上昇を示している。このように、高い熱伝導率を有する材料を用いて熱シンク層を形成することにより、ＣＰＰ型ＭＲ積層体内部への熱伝導をかなり低減することができる。これにより、熱応力によりヘッドの機能が低下する危険性を小さくすることができる。高い熱伝導率を有し、同様の放熱効果を得ることができる材料としては他に、Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ、およびこれらのうちのいずれかの合金がある。
図１１ａは、従来技術によるＣＰＰ型ＭＲ積層体に種々の動作電圧が印加されている時の静電気放電（ＥＳＤ）電流に起因する上昇温度を示す線図であり、図１１ｂは、同様に本発明によるＣＰＰ型ＭＲ積層体に種々の動作電圧が印加されている時の静電気放電（ＥＳＤ）電流に起因する上昇温度を示す線図である。図１１ａ、および図１１ｂにおいて、縦軸はＣＰＰ型ＭＲ積層体の上昇温度（°Ｃ）で、横軸は静電気放電時間（ナノセカンド）である。また、周囲境界温度は２５°Ｃである。
静電気放電は、異なる電位を有する物体間の電荷移動である。静電気放電により、機能が低下したり、破損するなど半導体デバイスの電気的特性が変化する。静電気放電は、また、装置の不調やエラーを発生させるなど電子機器の正常な動作を阻害する。さらに、静電気放電は、ＣＰＰ型ＭＲ積層体内における瞬間的ではあるが著しい温度上昇の原因となり、デバイスに有害な熱応力を発生させ、装置の不調やエラー発生の原因となる。
図１１ａに、ベータ相タンタル（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ）で形成したキャップ層を含むＣＰＰ型ＭＲ積層体を用いて行った静電気放電の実験結果を示す。同様に、図１１ｂに、アルミニウム（熱伝導率：２３７Ｗ／ｍＫ）で形成したキャップ層を含むＣＰＰ型ＭＲ積層体を用いて行った静電気放電の実験結果を示す。図が示すように、高熱伝導率の材料を用いて形成されたキャップ層を配置することにより、全ての動作電圧時においてＣＰＰ型ＭＲ積層体内の温度スパイクを著しく低下させることができる。事実、高熱伝導率の材料をＣＰＰ型ＭＲ積層体に採用することにより、典型的な動作電圧において温度スパイクを最高２００°Ｃまで低下させることができる。温度スパイクをこのように低下させることにより、ＣＰＰ型ＭＲ積層体の信頼性と製品寿命とが著しく向上する。
要約すると、本発明は磁気抵抗（ＭＲ）センサーに関し、磁気抵抗層を有するＭＲ積層体を含み、ＣＰＰ型で作動するように構成され、検知電流が磁気抵抗層の長手方向面に対してほぼ直角方向に流される。磁気抵抗層は、磁気トンネル（ＴＭＲ）デバイスの場合にはトンネル障壁層、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスの場合には非磁性金属であることが好ましい。ＭＲ読取センサーは、ＭＲ積層体に配置される熱シンク層をさらに含み、ＭＲ読取センサーの動作温度を低下させる。熱シンク層は、高熱伝導率の材料で形成され、製造上の要請により金属キャップ層、またはシード層によりＭＲ積層体から分離されていることが好ましい。
以上、選好実施例を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく形状や詳細を変更できることを理解するであろう。例えば、本発明による改良された熱伝導方法は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子、巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）素子、および弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）素子を含む異なる種類の磁気抵抗素子を用いる磁気読取・書込みヘッドにも適用することができる。
１０ 磁気読取・書込みヘッド
１２ 磁気ディスク
１４ 空気支承面
１６ ディスク面
１８ 上部電極
２０ 絶縁層
２２ 導電性コイル
２４ 下部電極／上層シールド
２８ 下層シールド
３０ 磁気抵抗（ＭＲ）積層体
４０ ＣＰＰ型磁気抵抗（ＭＲ）積層体
４２ 永久磁石硬質磁性層
４４ 金属キャップ層
４６ フリー層
４８ 非磁性層
５０ ピン層
５２ 反強磁性ピン化層
５４ 金属シード層
７０ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
７２ 金属キャップ層
７４ 第一フリー層
７６ 非磁性層
７８ 第二フリ−層
８０ 金属シード層
１００ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
１０２ キャップ二重層
１０２ａ 熱シンク・キャップ層
１０２ｂ 金属キャップ層
１０４ フリー層
１０６ 非磁性層
１０８ ピン層
１１０ 反強磁性ピン化層
１１２ シード二重層
１１２ａ 金属シード層
１１２ｂ 熱シンク・シード層
１２０ 永久磁石硬質磁性層
１５０ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
１５２ キャップ二重層
１５２ａ 熱シンク・キャップ層
１５２ｂ 金属キャップ層
１５４ フリー層
１５６ 非磁性層
１５８ 合成反強磁性（ＳＡＦ）ピン層
１６０ シード二重層
１６０ａ 金属シード層
１６０ｂ 熱シンク・シード層
１７０ 永久磁石硬質磁性層
２００ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
２０２ キャップ二重層
２０２ａ 熱シンク・キャップ層
２０２ｂ 金属キャップ層
２０４ 第一フリー層
２０６ 非磁性層
２０８ 第二フリー層
２１０ シード二重層
２１０ａ 金属シード層
２１０ｂ 熱シンク・シード層
２３０ 熱シンク体
１２ 磁気ディスク
１４ 空気支承面
１６ ディスク面
１８ 上部電極
２０ 絶縁層
２２ 導電性コイル
２４ 下部電極／上層シールド
２８ 下層シールド
３０ 磁気抵抗（ＭＲ）積層体
４０ ＣＰＰ型磁気抵抗（ＭＲ）積層体
４２ 永久磁石硬質磁性層
４４ 金属キャップ層
４６ フリー層
４８ 非磁性層
５０ ピン層
５２ 反強磁性ピン化層
５４ 金属シード層
７０ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
７２ 金属キャップ層
７４ 第一フリー層
７６ 非磁性層
７８ 第二フリ−層
８０ 金属シード層
１００ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
１０２ キャップ二重層
１０２ａ 熱シンク・キャップ層
１０２ｂ 金属キャップ層
１０４ フリー層
１０６ 非磁性層
１０８ ピン層
１１０ 反強磁性ピン化層
１１２ シード二重層
１１２ａ 金属シード層
１１２ｂ 熱シンク・シード層
１２０ 永久磁石硬質磁性層
１５０ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
１５２ キャップ二重層
１５２ａ 熱シンク・キャップ層
１５２ｂ 金属キャップ層
１５４ フリー層
１５６ 非磁性層
１５８ 合成反強磁性（ＳＡＦ）ピン層
１６０ シード二重層
１６０ａ 金属シード層
１６０ｂ 熱シンク・シード層
１７０ 永久磁石硬質磁性層
２００ ＣＰＰ型ＭＲ積層体
２０２ キャップ二重層
２０２ａ 熱シンク・キャップ層
２０２ｂ 金属キャップ層
２０４ 第一フリー層
２０６ 非磁性層
２０８ 第二フリー層
２１０ シード二重層
２１０ａ 金属シード層
２１０ｂ 熱シンク・シード層
２３０ 熱シンク体
Claims (35)
- 非磁性層を有し、検知電流が前記非磁性層の長手方向面に対してほぼ直角方向に流される面直角電流（ＣＰＰ）モードで動作するように構成されている磁気抵抗（ＭＲ）積層体と、
動作温度を下げるために前記ＭＲ積層体との関連で配置された、高熱伝導率を有する材料で形成された放熱手段とを含む磁気抵抗センサー。 - 前記高熱伝導率を有する材料が、少なくとも約５０Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率を有する請求項１に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記高熱伝導率を有する材料が、Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ、およびそれらのうちのいずれかの合金から成る群から選択される請求項１に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記放熱手段が、少なくとも約２５０オングストロームの厚さを有する請求項１に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、二層の強磁性フリー層を前記非磁性層により分離することにより形成された三層構造の積層体である請求項１に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、前記ＭＲ積層体の両端で前記ＭＲ積層体内に配置されたキャップ層とシード層をさらに含む請求項５に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記放熱手段が、前記キャップ層および前記シード層に含まれる熱シンク層を含む請求項６に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、前記非磁性層により分離された強磁性フリー層とピン層とを含む請求項１に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、前記ＭＲ積層体の両端で前記ＭＲ積層体内に配置されたキャップ層とシード層とをさらに含む請求項８に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記放熱手段が、前記キャップ層および前記シード層に含まれる熱シンク層を含む請求項９に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ピン層の磁化方向が、前記ＭＲ積層体に隣接して配置された少なくとも一つの永久磁石により所定方向に固定されている請求項８に記載された磁気抵抗センサー。
- 動作温度が低くなされる磁気抵抗センサーにおいて、
非磁性層を有し、検知電流が前記非磁性層の長手方向面に対してほぼ直角方向に流される面直角電流（ＣＰＰ）モードで動作するように構成されている磁気抵抗（ＭＲ）積層体と、
前記ＭＲ積層体の最上層面、および最下層面に配置された第一金属層、および第二金属層と、
高熱伝導率を有する材料で形成され、前記第一金属層と前記第二金属層とに各々配置された第一熱シンク層と第二熱シンク層とを含む磁気抵抗センサー。 - 前記高熱伝導率を有する材料が、少なくとも約５０Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率を有する請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記高熱伝導率を有する材料が、Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ、およびそれらの合金から成る群から選択される請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記第一熱シンク層と前記第二熱シンク層とが、少なくとも約２５０オングストロームの厚さを有する請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、二層の強磁性フリー層を前記非磁性層により分離することにより形成された三層構造の積層体である請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 請求項１６に記載された磁気抵抗センサーにおいて、前記ＭＲ積層体の外部にあって、非磁性層にと関連して配置された第一熱シンク体および第二熱シンク体をさらに含む磁気抵抗センサー。
- 前記第一熱シンク体お前記第二熱シンク体が、前記ＭＲ積層体から絶縁層により絶縁されている請求項１７に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、前記非磁性層により分離された強磁性フリー層とピン層とを含む請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ピン層の磁化方向が、前記ＭＲ積層体に隣接して配置された少なくとも一つの永久磁石により所定方向に固定されている請求項１９に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ピン層が、合成反強磁性（ＳＡＦ）層である請求項１９に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記第一金属層と前記第二金属層とが、非磁性金属を用いて形成された請求項１２に記載された磁気抵抗センサー。
- 動作温度が低くなされる面直角電流（ＣＰＰ）型磁気抵抗（ＭＲ）センサーにおいて、
導電性下部電極と、
高熱伝導率を有する材料で形成され、前記導電性下部電極上に配置された第一熱シンク層と、
前記第一熱シンク層上に配置され、磁気抵抗層を有して検知電流が前記磁気抵抗層の長手方向面に対してほぼ直角方向に流される面直角電流（ＣＰＰ）モードで動作するように構成されている磁気抵抗（ＭＲ）積層体と、
前記ＭＲ積層体上に配置された導電性上部電極とを含む磁気抵抗センサー。 - 請求項２３に記載された磁気抵抗センサーにおいて、高熱伝導率を有する材料で形成され、前記ＭＲ積層体と前記導電性上部電極との間に配置された第二熱シンク層をさらに含む磁気抵抗センサー。
- 前記高熱伝導率を有する材料が、少なくとも約５０Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率を有する請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記高熱伝導率を有する材料が、Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ、およびそれらの合金から成る群から選択される請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記第一熱シンク層と前記第二熱シンク層とが、少なくとも約２５０オングストロームの厚さを有する請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記磁気抵抗層が、トンネル障壁層である請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 請求項２４に記載された磁気抵抗センサーにおいて、前記ＭＲ積層体と前記第一熱シンク層との間に配置された第一非磁性金属層と、前記ＭＲ積層体と前記第二熱シンク層との間に配置された第二非磁性金属層とをさらに含む磁気抵抗センサー。
- 請求項２４に記載された磁気抵抗センサーにおいて、前記ＭＲ積層体の外側にあって、磁気抵抗層と関連して配置された第一熱シンク体および第二熱シンク体をさらに含む磁気抵抗センサー。
- 前記第一熱シンク体と前記第二熱シンク体とが、約２００から６００オングストロームの範囲の厚さを有する請求項３０に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、第一強磁性フリー層と、第二強磁性フリー層と、前記第一強磁性フリー層と前記第二強磁性フリー層との間に配置された前記磁気抵抗層とをさらに含む請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ＭＲ積層体が、強磁性フリー層と、ピン層と、前記強磁性フリー層と前記ピン層との間に配置された前記磁気抵抗層とをさらに含む請求項２３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ピン層が、合成反強磁性（ＳＡＦ）ピン層を含む請求項３３に記載された磁気抵抗センサー。
- 前記ピン層の磁化方向が、前記ＭＲ積層体に隣接して配置された二つの永久磁石により固定されている請求項３３に記載された磁気抵抗センサー。
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