JP2005203063A - 磁気ヘッド及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １００ｎｍ以下の狭いトラックにおいて、読みにじみ幅を低減し、且つ安定な再生動作を示す磁気記録再生ヘッドを提供する。
【解決手段】 サイド磁気シールド４１を、非磁性分離層３１を介在とした軟磁性層３２の積層構造とし、さらに軟磁性層の磁化を互いに反対方向に向けることで、サイド磁気シールドが誘起する磁場を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置に関するものである。

磁気記録再生装置に用いられる磁気ヘッドは磁気記録ヘッドと磁気再生ヘッド（磁気再生素子）を搭載し、一般に磁気再生素子は、一対の上下磁気シールド層と、その間に配置される磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜に電気的に接続される一対の電極とを備えて構成される。面記録密度が１平方インチあたり１００ギガビットを超える磁気記録再生装置の場合には、磁気抵抗効果膜として巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）もしくはトンネル磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）といった高感度再生素子が利用される。これらの磁気抵抗効果膜は、強磁性自由層、中間層及び強磁性固定層を有し、強磁性自由層の磁化は、情報が記録されている磁気記録媒体からの漏洩磁場の変化に応じて回転する。一方、強磁性固定層の磁気モーメントの方向は、概ね固定されている。これらの磁気抵抗効果膜に感知電流を通電すると、強磁性自由層と強磁性固定層の磁化間の為す角に依存して素子の電圧が変化し、これを再生信号波形として観測する。ＧＭＲ膜では中間層は導体であるが、ＴＭＲ膜では、酸化物などの障壁層が用いられている。ＴＭＲ膜はＧＭＲ膜に比べて、素子抵抗は高いものの、再生出力は非常に大きく、磁気記録再生装置の高記録密度化に有利であると考えられる。

ＧＭＲ膜の場合、感知電流を膜面内でトラック幅方向に通電する。このタイプの素子は一般にＣＩＰ（Current in the plane）型と呼ばれる。ＣＩＰ型素子では、再生出力を確保するため、上下磁気シールド層と電極もしくはＧＭＲ膜との間に絶縁層を設けている。しかし、今後の磁気記録再生装置の高記録密度化に対応するため、上下磁気シールド間隔を狭くすると、前記絶縁層が薄くなり、電極と上下磁気シールド層との絶縁性が劣化する。その結果、再生出力が大幅に減少し、且つノイズが増加するため、磁気ヘッドの歩留まりが著しく低下することになる。そこで、これらを解決するために感知電流を膜面に対し垂直に通電するＣＰＰ（Current perpendicular to the plane）方式が注目されている。ＣＰＰ型素子では、一対の電極と上下磁気シールド層を兼用することが出来るため、それらの間の絶縁性を考慮する必要はなくなる。またＧＭＲ膜をＣＰＰ型にすることで、ＧＭＲ膜の磁気抵抗変化率をＣＩＰ型素子に比べ、より高くできることが報告されている。一方、ＴＭＲ素子では、磁気抵抗効果が発現する原理上、ＣＰＰ型にする必要があり、一対の電極と上下磁気シールドを兼ねることができる。このようにＣＰＰ−ＧＭＲ膜とＴＭＲ膜は、次世代高感度磁気再生ヘッドの有力な候補と考えられている。

磁気再生ヘッドは、強磁性自由層を単一磁区構造にするために、磁区制御層を有する構造となっている。これは、強磁性自由層の磁区が記録素子や上下磁気シールド等から磁気的に影響を受けても、単一磁区構造を維持し、記録再生装置の誤動作を防止するためである。磁区制御構造として、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に一対の永久磁石を配置する構造が一般的に用いられている（特許文献１）。この構造では、永久磁石が発生する磁場によって、強磁性自由層の磁区を単一磁区構造に保つ。またＴＭＲ膜やＣＰＰ−ＧＭＲ膜の場合には、磁区制御層を強磁性自由層に積層する構造が提案されている。この磁区制御層としては、永久磁石（特許文献２）もしくは反強磁性膜と強磁性膜との積層膜（特許文献３）が知られている。

磁気記録再生装置の高密度化のためには、記録ビットの狭小化が必要となり、これに対応するため、(1)磁気再生ヘッドの上下磁気シールドの間隔と再生トラック幅を狭くする必要がある。また、これと同時に、(2)磁気抵抗効果膜と記録媒体表面との距離である磁気的スペーシングを小さくする必要がある。何故なら、磁気的スペーシングが大きいと、各記録ビットからの媒体磁場が重ねあわされ、記録情報の正確な再生が困難になるからである。上記(1)に関しては、電極間隔や磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の幅を狭く形成することで対応してきた。一方、上記(2)に関しては、磁気ヘッドの浮上量の低減や、記録媒体の保護膜の薄膜化等で対応してきた。

特開平3-125311号公報 特開平11-259824号公報 米国特許第6,023,395号明細書

前述のとおり、磁気記録再生装置の記録密度を向上すべく、これまでは磁気ヘッドの素子サイズを微細に形成してきた。しかし、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の寸法が１００ｎｍよりも小さくなると、磁気的トラック幅はトラック幅に比例して狭くならないことが知られている。ここで磁気的トラック幅は、次のように定義される。磁気ヘッドの磁気抵抗効果膜のトラック幅よりも微細な記録トラックからの信号を用いて、再生ヘッドのオフトラック特性、すなわち再生感度分布を測定する。この再生感度分布の最大出力の１０％となる位置の幅を磁気的トラック幅とする。さらに、磁気的トラック幅と磁気抵抗効果膜のトラック幅との差分を、読みにじみ幅と呼ぶ。すると、磁気抵抗効果膜のトラック幅が１００ｎｍのヘッドでは、読みにじみ幅が約５０ｎｍ、すなわち磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の幅の５０％程度に達することがわかった。このように読みにじみ幅が大きいと、極めて微小な素子作成が必要であり、現在の技術では、そのような素子作成は極めて困難である。そこで、読みにじみ幅を低減するため、サイド磁気シールド層を磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に配置した磁気ヘッドが提案されている。

さて、サイド磁気シールド層は、軟磁性膜から構成されており、磁気抵抗膜付近では段差が生じている。そのため、サイド磁気シールド層のトラック端部近傍には、複雑な磁区が形成される。一方、サイド磁気シールド層のトラック端部には、磁荷が発生し、これは磁気抵抗効果膜の位置に磁場を誘起させる。ここで、媒体からの信号磁場、もしくは記録ヘッド部からの漏洩磁場がサイド磁気シールド層に侵入すると、サイド磁気シールド層の磁区が不可逆に移動し、これと共に前記の磁荷の分布が時間的に不規則に変化する。その結果、これらの磁荷が磁気抵抗膜の位置に時間的に不規則な磁場を生じさせ、これがバルクハウゼンノイズの増大や、再生出力の変動を引き起こすことになる。仮にこのような低ＳＮ比で、不安定な再生ヘッドを磁気記録再生装置に組み込んだ場合、装置が正常に動作しないことが容易に予測される。

そこで、サイド磁気シールド磁場の影響を避けるため、磁気抵抗効果膜とサイド磁気シールド膜とのトラック幅方向の間隔を大きくすることが考えられる。しかし、このようにすると、読みにじみ幅低減効果が小さくなってしまう。例えば本発明者らの計算によれば、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向幅が１００ｎｍのヘッドにおいて、サイド磁気シールド磁場の大きさが８ｋＡ／ｍ程度、すなわち媒体信号磁場の半分程度に抑えるには、磁気抵抗効果膜とサイド磁気シールド膜とのトラック幅方向の間隔を２０ｎｍ程度に広げる必要がある。このとき、読みにじみ幅は３４ｎｍに達する。一方、磁気抵抗効果膜とサイド磁気シールド膜とのトラック幅方向の間隔を１０ｎｍすれば、読みにじみ幅は２０ｎｍ程度に低減することができるが、サイド磁気シールド磁場の値は３４．４ｋＡ／ｍに達してしまう。これらの計算の結果、安定な再生動作を得るためには、磁気抵抗効果膜とサイド磁気シールド膜とのトラック幅方向の間隔を２０ｎｍ以上とする必要があると考えられるが、この場合、読みにじみ幅は磁気抵抗効果膜のトラック幅の３５％に達する。

このように、従来のサイド磁気シールドでは、安定な再生動作と読みにじみ低減効果とは相反の関係にある。そして、トラック幅の狭小化と共に、磁気抵抗効果膜のトラック幅に対する読みにじみ幅の割合が大きくなることを考えれば、将来の狭トラック再生ヘッドを実現することが困難であることは明らかである。

本発明の目的は、サイド磁気シールドを有する狭トラック再生ヘッドにおいて、十分な読みにじみ幅低減効果と安定な再生動作とを両立した磁気ヘッドを提供し、面記録密度が１平方センチあたり１００ギガビットを上回る磁気記録再生装置を実現することにある。

本発明は、サイド磁気シールド層を、分離層と軟磁性層とを交互に積層した構造とし、各軟磁性層の磁化を互いに反平行にせしめ、サイド磁気シールドの積層数とサイド磁気シールド層と磁気抵抗効果膜との間隔を最適に設定することにより、サイド磁気シールドが磁気抵抗効果膜に及ぼす磁気的影響を極小にし、前記目的を達成するものである。

すなわち、本発明による磁気ヘッドは、上部磁気シールド層と、下部磁気シールド層と、上部磁気シールド層及び下部磁気シールド層の間に形成された磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗膜の膜厚方向に電流を流すための電極とを備え、磁気抵抗効果膜は、外部磁界により磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性層と、磁化方向が固定されている第２の強磁性層とを有し、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の両側に、複数の軟磁性層と分離層とを交互に積層した積層膜からなる一対のサイド磁気シールド層を有する。分離層はＴａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ又はＲｈを含有し、１つの分離層の上下に位置する２つの軟磁性層は互いに反対方向の磁化を有する。サイド磁気シールド層は、３層以上の軟磁性層を備えるのが好ましい。

サイド磁気シールドを、互いに反対方向の磁化を持つ軟磁性層と分離層との積層構造にすることにより、サイド磁気シールドのトラック端部において、互いに反対符号の磁荷を交互に発生させ、これによって、磁気抵抗効果膜の位置に誘起される磁場を著しく低減し、サイド磁気シールド層の不可逆な磁区移動によるバルクハウゼンノイズを防止し、再生出力の変動を抑止することができる。その結果、磁気ヘッドを構成する磁気再生素子の再生トラック（幅）が狭小になっても実効再生トラック幅を最小限に抑えることが出来、サイドリーディングを防止することが可能となる。

本発明では、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端に、サイド磁気シールドを配置するため、磁気抵抗効果膜として垂直電流印加タイプのＴＭＲ膜もしくはＣＰＰ−ＧＭＲ膜などを採用し、さらに磁区制御層を磁気抵抗効果膜に積層する構造とした。この構造では、従来ヘッドのように、磁区制御用永久磁石を磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端に配置する必要がないからである。以下、本発明を適用した磁気ヘッド及び磁気記録再生装置の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。

〔実施例１〕
図１は、本発明による磁気ヘッドの構成例を示す図である。図１は、再生ヘッド部分の記録媒体に対向する面の拡大図である。基板上にベースアルミナを介して、厚さ３μｍのＮｉＦｅからなる下部磁気シールド１を形成した。下部磁気シールド１は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。下部磁気シールドの上には、ＴＭＲ膜を形成した。ＴＭＲ膜は、基板側から厚さ１ｎｍのＮｉＦｅと厚さ３．５ｎｍのＮｉＣｒＦｅからなる下地層１２、厚さ１５ｎｍのＭｎＰｔからなる反強磁性層１３、厚さ２ｎｍのＮｉＦｅからなる第一の強磁性固定層１４、厚さ１ｎｍのＲｕからなる非磁性分離層１５、厚さ３ｎｍのＮｉＦｅからなる第二の強磁性固定層１６、厚さ０．６ｎｍのアルミナからなる障壁層１７、厚さ４ｎｍのＮｉＦｅからなる強磁性自由層１８から構成した。本実施例では、磁気抵抗効果膜としてＴＭＲ膜を用いたが、ＴＭＲ膜の代わりにＣＰＰ−ＧＭＲ膜を用いても良い。また、場合によっては、反強磁性層１３を省略することができる。

ＴＭＲ素子の上には、強磁性自由層１８を単磁区化するため、磁区制御層を形成した。磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層２０を介して、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅからなる縦バイアス層２１と厚さ１２ｎｍからなるＰｔＭｎなどの反強磁性層２２から構成される。ここで、非磁性分離層２０は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でも良い。また、反強磁性層２２としてＩｒＭｎ等を用いることも可能である。磁区制御層は、厚さ３ｎｍ程度の非磁性分離層を介して、厚さ２ｎｍ程度のＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性体から構成しても良い。反強磁性層２２の上には、厚さ４ｎｍのＴａと厚さ６ｎｍのＲｕからなるキャップ層２３を形成した。

前記のＴＭＲ膜やＣＰＰ−ＧＭＲ膜などを構成する薄膜は、高周波マグネトロンスパッタリング装置により、１〜６ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中にて、厚さ１ｍｍのセラミックス基板に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリングターゲットとしては、Ｔａ，Ｎｉ−２０ａｔ％Ｆｅ合金、Ｃｕ，Ｃｏ，ＭｎＰｔ，Ｒｕ，アルミナ，ＮｉＭｎの各ターゲットを用いた。Ｃｏターゲット上には、Ｆｅ及びＮｉの１ｃｍ角のチップを適宜配置して組成を調整した。積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々高周波電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードに配置されたシャッターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。膜形成時には、永久磁石を用いて基板に平行におよそ６４０Ａ／ｍの磁場を印加して、一軸異方性をもたせた。 形成した膜を、真空中、磁場中で２７０℃、３時間の熱処理を行ってＭｎＰｔ反強磁性膜を相変態させ、室温での磁気抵抗を測定して評価した。また、熱処理後に室温で硬磁性膜の着磁処理を行った。

磁気抵抗効果膜は、障壁層１７のトラック幅方向の幅が所望の値になるようにパターニングして作成し、本実施例では９０ｎｍとした。パターニングは、所定の幅に形成したフォトレジストなどを磁気抵抗効果膜の上に配置し、これをマスクとして不要となる部分をエッチングして行った。その後、このマスクを除去する前に、アルミナもしくはシリコン酸化物などからなる絶縁層３０を形成した。ここで絶縁層３０の平坦部での膜厚は、２５ｎｍとした。さらに絶縁層３０の上には、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層３１と軟磁性シールド層３２の積層膜で構成される積層サイド磁気シールド４１を形成する。本実施例では、軟磁性シールド層３２の積層数を４としたが、所望の積層数に設定してもよく、積層数は３以上が望ましい。また非磁性分離層３１は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でもよい。

上記マスクを除去した後に、上記のようにパターニングされた磁気抵抗効果膜の上に、厚さ２μｍ程度のＮｉＦｅからなる上部磁気シールド２を形成した。上部磁気シールド２は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。

磁気抵抗効果膜が配置されている部分での上部磁気シールド層２と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓは５５ｎｍである。一方、強磁性自由層１８とサイド磁気シールド４１とのトラック幅方向の間隔ｔｓｐは１０ｎｍである。上下磁気シールド間隔Ｇｓの値を調整する場合には、下地層１２、反強磁性層１３、反強磁性層２２、キャップ層２３の膜厚を変化させると良い。

本実施例の積層サイド磁気シールドを搭載した磁気ヘッドを、磁気記録媒体との間の磁気的スペーシングが１５ｎｍとなるように浮上させ、その記録再生特性を評価した。ＴＭＲ膜のトラック幅方向の幅が９０ｎｍと狭いにも拘らず、検知電圧が１５０ｍＶで、２ｍＶ以上の高い再生出力が得られた。次に、磁気記録媒体上に極めて微細なトラックを作成し、再生素子のオフトラック特性（感度分布）を測定した。最大出力の１０％となる位置の感度分布の幅を磁気的トラック幅と定義したところ、約１１４ｎｍであった。従って本実施例による読みにじみは約２４ｎｍであった。また、再生動作の安定性を確認するため繰り返し記録再生動作を行い、再生出力の変化を測定した。繰り返し記録再生１０００回に対し、再生出力の変動は８．５％と概ね良好であった。ここで再生出力変動は、再生出力の最大値と最小値の差分を、平均値で割った値として定義した。

比較のために、同一磁気抵抗効果膜を用い、同一素子サイズの単層サイド磁気シールドヘッドを作製し、記録再生特性を評価した。その結果、再生出力と読みにじみは、それぞれ２ｍＶ以上、約２６ｎｍとほぼ等しい値であったが、再生出力の変化率は１５．７％と大きい値であった。従って、本実施例では、サイド磁気シールド層を積層構造にすることで、読みにじみ低減効果が大きく、且つ安定な再生動作を示す磁気ヘッドが得られた。

〔実施例２〕
本発明による磁気ヘッドは、サイド磁気シールド層の一部が、上部磁気シールドと一体に積層される構造であってもよい。その場合の一例を図２に示す。本実施例による磁気ヘッドの概要は、実施例１で説明したとおりである。

基板上にベースアルミナを介して、厚さ３μｍのＮｉＦｅからなる下部磁気シールド１を形成した。下部磁気シールド１は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。下部磁気シールドの上に、ＴＭＲ膜を形成した。ＴＭＲ膜の詳細構成は、実施例１と同じである。またＴＭＲ膜の代わりにＣＰＰ−ＧＭＲ膜を用いてもよい。ＴＭＲ素子の上には、強磁性自由層１８を単磁区化するため、磁区制御層を形成した。ここで磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層２０を介して、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅからなる縦バイアス層２１と厚さ１２ｎｍからなるＰｔＭｎなどの反強磁性層２２から構成される。非磁性分離層２０は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でも良い。また磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層を介して形成した、厚さ２ｎｍ程度のＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性体から構成しても良い。反強磁性層２２の上には、厚さ４ｎｍのＴａと厚さ６ｎｍのＲｕからなるキャップ層２３を形成した。

磁気抵抗効果膜は、障壁層１７のトラック幅方向の幅が所望の値になるようにパターニングして作成し、本実施例では９０ｎｍとした。パターニングは、所定の幅に形成したフォトレジストなどを磁気抵抗効果膜の上に配置し、これをマスクとして不要となる部分をエッチングして行った。その後、このマスクを除去する前に、アルミナもしくはシリコン酸化物などからなる絶縁層３０を形成した。ここで絶縁層３０の平坦部での膜厚は、２５ｎｍとした。上記マスクを除去した後に、絶縁層３０の上に、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層３１と軟磁性シールド層３２の積層膜で構成される積層サイド磁気シールド４１を形成した。本実施例では、軟磁性シールド層３２の積層数を４としたが、所望の積層数（３層以上）に設定してもよい。また非磁性分離層３１は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でもよい。

さらに、サイド磁気シールド層の上に、厚さ２μｍ程度のＮｉＦｅからなる上部磁気シールド２を形成した。上部磁気シールド２は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。磁気抵抗効果膜が配置されている部分での、反強磁性層２２の上部と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓは５５ｎｍである。一方、強磁性自由層１８とサイド磁気シールド４１とのトラック幅方向の間隔ｔｓｐは１０ｎｍである。

このように、サイド磁気シールドを形成する前にマスクを除去すると、レジストが残りにくくなるという、製造プロセス上の利点がある。

〔実施例３〕
本発明による磁気ヘッドは、下部シールド層を掘り込んだ構造としてもよい。その場合の一例を図３に示す。本実施例による磁気ヘッドの概要は、実施例１で説明したとおりである。

基板上にベースアルミナを介して、厚さ３μｍのＮｉＦｅからなる下部磁気シールド１を形成した。下部磁気シールド１は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。下部磁気シールドの上には、ＴＭＲ膜を形成した。ＴＭＲ膜の詳細構成は、実施例１と同じである。ＴＭＲ膜の代わりにＣＰＰ−ＧＭＲ膜を用いてもよい。ＴＭＲ素子の上には、強磁性自由層１８を単磁区化するため、磁区制御層を形成した。ここで磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層２０を介して、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅからなる縦バイアス層２１と厚さ１２ｎｍからなるＰｔＭｎなどの反強磁性層２２から構成される。非磁性分離層２０は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でも良い。また磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層を介して、厚さ２ｎｍ程度のＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性体から構成しても良い。反強磁性層２２の上には、厚さ４ｎｍのＴａと厚さ６ｎｍのＲｕからなるキャップ層２３を形成した。

磁気抵抗効果膜は、障壁層１７のトラック幅方向の幅が所望の値になるようにパターニングして作成し、本実施例では９０ｎｍとした。パターニングは、所定の幅に形成したフォトレジストなどを上記磁気抵抗効果膜の上に配置し、これをマスクとして不要となる部分をエッチングして行った。その際、同時に下部磁気シールド層１の上面の一部を適当な厚さｘだけ、エッチングにより掘り込んだ。本実施例では、掘り込み量ｘを２０ｎｍとした。その後、このマスクを除去する前に、アルミナもしくはシリコン酸化物などからなる絶縁層３０を形成した。ここで絶縁層３０の平坦部での膜厚は、２５ｎｍとした。さらに絶縁層３０の上には、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層３１と軟磁性シールド層３２の積層膜で構成される積層サイド磁気シールド４１を形成した。本実施例では、軟磁性シールド層３２の積層数を４としたが、所望の積層数に設定してもよい。また非磁性分離層３１は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でもよい。

上記マスクを除去した後に、上記のようにパターニングされた磁気抵抗効果膜の上に、厚さ２μｍ程度のＮｉＦｅからなる上部磁気シールド２を形成した。上部磁気シールド２は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。磁気抵抗効果膜が配置されている部分での上部磁気シールド層２と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓは５５ｎｍである。強磁性自由層１８とサイド磁気シールド４１とのトラック幅方向の間隔ｔｓｐは１０ｎｍである。

本実施例では、掘り込み量ｘがゼロの場合に比べて、絶縁層３０の厚さが厚くなるため、上部磁気シールド２と下部磁気シールド１との間の絶縁耐力が強くなる。従って、ヘッドの信頼性が向上するというメリットがある。その一方で、下部磁気シールド１に段差が生じるので、磁区構造がやや不安定になり、製造工程もやや複雑になる。そのため、掘り込み量は、最大で８０ｎｍ程度までが適当であり、ヘッドの信頼性と製造コストとを考慮したうえで判断されるべきである。

〔実施例４〕
本発明による磁気ヘッドは、磁気抵抗効果膜のパターンニングを、ＴＭＲ膜を構成する反強磁性層１３で止めた構造としてもよい。その場合の一例を図４に示す。本実施例による磁気ヘッドの概要は、実施例１で説明したとおりである。

基板上にベースアルミナを介して、厚さ３μｍのＮｉＦｅからなる下部磁気シールド１を形成した。下部磁気シールド１は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。下部磁気シールドの上には、ＴＭＲ膜を形成した。ＴＭＲ膜は、基板側から厚さ１ｎｍのＮｉＦｅと厚さ３．５ｎｍのＮｉＣｒＦｅからなる下地層１２、厚さ２０ｎｍのＭｎＰｔからなる反強磁性層１３、厚さ２ｎｍのＮｉＦｅからなる第一の強磁性固定層１４、厚さ０．８ｎｍのＲｕからなる非磁性分離層１５、厚さ３ｎｍのＮｉＦｅからなる第二の強磁性固定層１６、厚さ０．６ｎｍのアルミナからなる障壁層１７、厚さ４ｎｍからなるＮｉＦｅからなる強磁性自由層１８から構成した。ＴＭＲ膜の代わりにＣＰＰ−ＧＭＲ膜を用いてもよい。ＴＭＲ素子の上には、強磁性自由層１８を単磁区化するため、磁区制御層を形成した。磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層２０を介して、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅからなる縦バイアス層２１と厚さ１５ｎｍからなるＰｔＭｎなどの反強磁性層２２から構成した。ここで非磁性分離層２０は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でも良い。また磁区制御層は、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層を介して、厚さ２ｎｍ程度のＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性体から構成しても良い。反強磁性層２２の上には、厚さ４ｎｍのＴａと厚さ６ｎｍのＲｕからなるキャップ層２３を形成した。

磁気抵抗効果膜は、障壁層１７のトラック幅方向の幅が所望の値になるようにパターニングして作成し、本実施例では９０ｎｍとした。パターニングは、所定の幅に形成したフォトレジストなどを上記磁気抵抗効果膜の上に配置し、これをマスクとして不要となる部分を、反強磁性層２１が除去されないようモニタリングしながらエッチングを行った。その後、このマスクを除去する前に、アルミナもしくはシリコン酸化物などからなる絶縁層３０を形成した。ここで絶縁層３０の平坦部での膜厚は、２０ｎｍとした。さらに絶縁層３０の上には、厚さ２ｎｍのＴａからなる非磁性分離層３０と軟磁性シールド層３２の積層膜で構成される積層サイド磁気シールド４１を形成する。本実施例では、軟磁性シールド層３２の積層数を４としたが、所望の積層数に設定してもよい。また非磁性分離層３１は、厚さ１ｎｍのＣｕと厚さ１ｎｍのＲｕからなる積層膜でもよい。

上記マスクを除去した後に、上記のようにパターニングされた磁気抵抗効果膜の上に、厚さ２μｍ程度のＮｉＦｅからなる上部磁気シールド２を形成した。上部磁気シールド２は、磁気抵抗効果膜を電気的に接合する一対の電極の一部も兼ねている。磁気抵抗効果膜が配置されている部分での上部磁気シールド層２と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓは５５ｎｍである。強磁性自由層１８とサイド磁気シールド４１とのトラック幅方向の間隔ｔｓｐは１０ｎｍである。

本実施例では、反強磁性層１３の厚さを１５ｎｍとしたが、これを２０ｎｍ程度まで厚くしても良い。このようにすると反強磁性層の熱安定性が向上する。このとき上部磁気シールド層２と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓを調整するために、下地層１２、反強磁性層２２、キャップ層２３の膜厚を変化させると良い。図４のように反強磁性層１３でパターニングを止めると、反強磁性層１３と下地層１２の抵抗が、図１に示すヘッドに比べて低くなる。従って、再生ヘッド抵抗が低下し、ノイズが低減する。特に、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜は素子抵抗が小さく、反強磁性層１３からの抵抗の寄与が大きいため、ヘッド抵抗低減効果は大きい。将来、素子サイズが微細化し、素子抵抗が上昇するので、本実施例の構造は益々重要となると考えられる。

次に、サイド磁気シールドの積層数について検討した結果について説明する。図５は単層サイド磁気シールドヘッドの概念図、図６は多層サイド磁気シールドヘッドの概念図である。

図５に示す単層サイド磁気シールドヘッドでは、サイド磁気シールドのトラック端部に同一符号の磁荷が発生し、これがセンサ膜の位置に磁場を誘起する。一方、図５からわかるように、サイド磁気シールドには段差があるため、磁区構造を有する。この磁区は媒体磁場や記録ヘッドからの漏洩磁場の影響を受け、不可逆に移動する。従って、トラック端部に誘起された磁荷分布は時間的に変動するので、シールド誘起磁場も時間的に変動し、これがバルクハウゼンノイズを誘起し、再生動作の不安定性の原因になる。よって、シールド誘起磁場を減少させることが、再生動作の安定化に繋がると考えられる。

これを実現するため本発明では、図６に示すように、サイド磁気シールドを、非磁性層を介した軟磁性層の多層構造とし、各軟磁性層の磁化を互いに反対方向に向けた構造を考案した。この構造とすると、図６に示したように、サイド磁気シールドのトラック端部には、互いに反対符号の磁荷が発生し、これらが誘起する磁場は互いに打ち消し合う。ここで、各軟磁性層の磁化を互いに反平行にするのに、軟磁性層間に働く静磁気結合、もしくは反強磁性交換結合を利用する。

図７は、非磁性層で分離された軟磁性層間の結合の様子を示した概念図である。図７に示すように、静磁気結合は軟磁性層のトラック端部に働き、反強磁性的交換結合は軟磁性層の膜面内に働く。このように、サイドシールド層を互いに反平行の磁化を持つ軟磁性層の多層構造にすると、センサ膜の位置におけるシールド誘起磁場の大きさは、単層磁気シールドの場合に比べて、著しく低減できると考えられる。

次に、これらを実証するため、磁荷モデルに基づいた計算を用いて、詳細に調べた結果について述べる。図８に、サイド磁気シールドの積層数とシールド誘起磁場との関係を示す。サイド磁気シールドとセンサ膜との間隔ｔｓｐを５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍのように変化させて計算した。図８から、単層磁気シールド（積層数１）の場合、ｔｓｐが狭くなると、シールド誘起磁場が著しく増加することがわかる。また、ｔｓｐが１５ｎｍ以下の場合にシールド誘起磁場は２５ｋＡ／ｍ以上であるが、これは媒体信号磁場（数十ｋＡ／ｍ程度）の大きさと同程度である。従って、単層の場合、シールド誘起磁場は、再生動作に大きく影響すると考えられる。一方、積層数が３以上では、ｔｓｐがいずれの場合にも、シールド誘起磁場の値が１０ｋＡ／ｍ以下であり、これは媒体信号磁場よりも小さな値である。

次に、図９に、ｔｓｐと読みにじみ幅との関係を示す。図９では、積層数を３層として計算した。図９に示されているように、ｔｓｐを狭くすると読みにじみ幅が減少する。例えばｔｓｐが５ｎｍの場合の読みにじみは、２０ｎｍの場合の約３０％も低い値である。このようにｔｓｐを狭くすることは、読みにじみ幅の低減に有効である。

このように、シールドを積層数３以上にすると、ｔｓｐが５ｎｍ程度と狭くても、シールド誘起磁場が十分小さく、安定した再生動作が得られる。また、ｔｓｐをより狭くできるので、より大きな読みにじみ幅低減効果も期待できる。

ここで図８から、積層数が大きいと、ｔｓｐが５ｎｍ以下であっても、シールド誘起磁場は十分に小さいことがわかる。読みにじみ幅低減の観点からは、ｔｓｐは狭いほど良い。しかし、ｔｓｐが強磁性自由層と磁区制御層との間距離（２ｎｍ程度）と同等程度になると、出力変動が問題となりうる。図１０に、この場合の磁気抵抗効果素子とサイド磁気シールドの一部を拡大した概念図を示す。図１０に示すように、ｔｓｐが狭くなると、磁区制御層からの磁束がサイド磁気シールドに吸い込まれるため、強磁性自由層に働く磁区制御力が弱められてしまう。その結果、強磁性自由層の磁区が不安定になり、バルクハウゼンノイズが増加し、出力変動が大きくなってしまう。従って、ｔｓｐは強磁性自由層と磁区制御層との間距離（２ｎｍ程度）以上の値を選ぶのが望ましい。また、ｔｓｐは、磁気記録媒体表面と磁気再生素子のＡＢＳ（Air bearing surface）との距離、すなわち磁気スペーシングより小さい値が望ましい。媒体信号磁界のトラック幅方向への拡がりは、磁気スペーシングと同程度であるため、ｔｓｐが磁気スペーシングより大きいと、サイドシールド効果が殆ど得られなくなるからである。

図１１は、本発明による磁気ヘッドの一例の概略斜視断面図である。上部コア５１と下部コア５０の間には、磁束を発生させるためのコイル５２が形成されており、これに所望のパターンの記録電流を通電することで、記録磁場を上下コア５１，５０の間の記録ギャップに発生させ、磁気記録媒体に所望の磁化方向を有する磁化情報を書き込む。また、磁気媒体に書かれた磁化情報から漏洩する磁場を、磁気抵抗効果膜１００で検出することで、情報を再生する。上記のように、記録ヘッド部と再生ヘッド部とは、同一基板上に積層されて一体形成されており、近くに存在するので、記録ヘッド部から発生した記録磁場が再生ヘッド部に影響し、再生信号波形や出力などを変動させる原因となる。本実施例では、図１に示したように、磁気抵抗効果膜に磁区制御層２１，２２を積層したので、記録再生動作を１０００回繰り返した場合にも、再生出力の変動幅は１０％以内で、実用上十分低い値を示した。磁区制御層を省略した場合、出力は基準値の半分になったり、倍程度になったり大きく変動した。よって安定した動作を得られたのは、磁区制御層２１，２２の効果であることが確認できた。

〔実施例５〕
先の実施例では、記録素子として面内用記録素子を用いた磁気ヘッドを例示したが、本実施例では、垂直記録用磁気ヘッドの一例について説明する。

図１２は、本実施例の磁気ヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ）から見た略図である。基板（図示されていない）側から、下部シールド層１、磁気抵抗効果膜１００、上部シールド層２の順に形成されており、この再生素子の上に、厚さ５００ｎｍのアルミナからなる非磁性分離層６４を形成し、その上に、厚さ２μｍのＮｉ−Ｆｅ合金からなる副磁極７２を形成した。磁気抵抗効果膜１００のトラック幅方向の両側には、分離層と軟磁性層とを交互に積層した積層構造のサイド磁気シールドを形成した。副磁極の上部には、厚さ２００ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金からなる主磁極７１を形成した。主磁極７１は、図中に拡大して示すように、上部の幅が広く下部の幅が狭い逆台形となるように形成し、上部の幅５３を１３０ｎｍとした。ＡＢＳにおける主磁極７１と副磁極７２との間の距離は、約５μｍである。

本実施例による磁気ヘッドの概略斜視断面を図１３に示す。主磁極７１と副磁極７２の間には、磁束を発生させるためのコイル８０が形成されており、これに所望のパターンの記録電流を通電することで、記録磁界１０１を主磁極７１と副磁極７２との間の磁気ギャップに発生させ、所望のパターンで磁気記録媒体の磁気記録層２００に印加し、磁気記録層２００に磁化情報２０１を書き込む。磁気ヘッドの発生する磁界をより効果的に垂直記録に用いるため、磁気記録層２００の下地には、厚さ５ｎｍ程度の非磁性分離膜２１０と、その下に厚さ２００ｎｍ程度の軟磁性下地層２２０を形成した。また情報の再生は、磁気記録層２００に書かれた磁化情報２０１から漏洩する磁界を、磁気抵抗効果膜１００で検出することで行う。この磁気ヘッドを用いて、記録密度の高い磁気記録再生装置を実現することができる。

〔実施例６〕
実施例５には、主磁極が再生ヘッド部側にある磁気ヘッドを例示したが、本実施例では、副磁極が再生ヘッド部側にある垂直記録用磁気ヘッドの一例について説明する。

図１４は、本実施例の磁気ヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ）から見た略図である。基板（図示されていない）側から、下部シールド層１、磁気抵抗効果膜１００、上部シールド層２の順に形成されており、この再生素子の上に、アルミナからなる非磁性分離層６４を介して、厚さ２００ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金からなる主磁極７１と厚さ２μｍのＮｉ−Ｆｅ合金からなる副磁極７２を順に形成した。主磁極７１は、図中に拡大して示すように、上部の幅が広く下部の幅が狭い逆台形となるように形成し、上部の幅５３を１３０ｎｍとした。ＡＢＳにおける主磁極７１と副磁極７２との間の距離は、約５μｍである。磁気抵抗効果膜１００は、外部磁界により磁化方向が変化する強磁性自由層と、非磁性層と、磁化方向が固定されている強磁性固定層とを有し、そのトラック幅方向の両側には、分離層と軟磁性層とを交互に積層（軟磁性層は４層）した積層構造のサイド磁気シールドを形成した。強磁性自由層とサイド磁気シールド層のトラック幅方向の間隔は１０ｎｍとした。

本実施例による磁気ヘッドの概略斜視断面を図１５に示す。主磁極７１と副磁極７２の間には、磁束を発生させるためのコイル８０が形成されており、これに所望のパターンの記録電流を通電することで、記録磁界１０１を主磁極７１と副磁極７２との間の磁気ギャップに発生させ、磁気記録媒体の垂直記録用の磁気記録層２００に磁化情報２０１を書き込む。磁気ヘッドの発生する磁界をより効果的に垂直記録に用いるため、磁気記録層２００の下地には、厚さ５ｎｍ程度の非磁性分離膜２１０と、その下に厚さ２００ｎｍ程度の軟磁性下地層２２０を形成した。また情報の再生は、磁気記録層２００に書かれた磁化情報２０１から漏洩する磁界を、磁気抵抗効果膜１００で検出することで行う。この磁気ヘッドを用いて、記録密度の高い磁気記録再生装置を実現することができる。

図１６は、本発明による磁気記録再生装置の構成例を示す概略図である。この磁気記録再生装置は、磁気的に情報を記録する磁気記録層２００を有するディスク状の磁気記録媒体９１、磁気記録媒体を回転駆動するスピンドルモータ９３、磁気記録ヘッド及び磁気再生ヘッドからなる磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ９０、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ９０を駆動するアクチュエータ９２、及び記録ヘッドへの記録信号及び再生ヘッドからの再生信号を処理する信号処理系９４を備える。

磁気記録媒体９１をスピンドルモータ９３にて回転駆動し、アクチュエータ９２によってヘッドスライダ９０を磁気記録媒体９１のトラック上に誘導する。ヘッドスライダ９０上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドは、この機構によってディスク状磁気記録媒体９１上の所定の記録位置に近接し、磁気記録媒体９１に対して相対運動し、信号を順次書き込み、また読み取る。アクチュエータ９２はロータリーアクチュエータとすることができる。記録信号は信号処理系９４を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録され、再生ヘッドの出力は信号処理系９４を経て再生信号として得られる。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動するに際して、再生ヘッドからの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエータを制御して、ヘッドスライダの位置決めを行う。本図ではヘッドスライダ９０、磁気記録媒体９１を各１個ずつ示したが、これらは複数あっても構わない。また磁気記録媒体９１は両面に磁気記録層２００を有して情報を記録してもよい。情報の記録をディスク両面に行う場合、ヘッドスライダ９０もディスクの両面に配置する。

記録再生時における、磁気記録媒体の磁気記録層と磁気抵抗効果膜との間の磁気スペーシングは１５ｎｍに設定した。このように、再生ヘッドの磁気抵抗効果膜の強磁性自由層とサイド磁気シールド層のトラック幅方向の間隔を、記録再生時における、磁気記録媒体の磁気記録層と磁気抵抗効果膜との間の磁気スペーシング以下とすることにより、読みにじみ幅をトラック幅の約２６％にまで抑えることができた。このように読みにじみ幅を小さくできたので、隣に書かれた記録トラックの信号成分を読んでしまう（クロストーク）ことで生じる装置の誤動作は起こらなかった。

本発明による磁気ヘッドの一例の媒体対向面を示す拡大模式図。 本発明による磁気ヘッドの一例の媒体対向面を示す拡大模式図。 本発明による磁気ヘッドの一例の媒体対向面を示す拡大模式図。 本発明による磁気ヘッドの一例の媒体対向面を示す拡大模式図。 単層サイド磁気シールドを備えた磁気ヘッドの媒体対向面を示す概念図。 多層サイド磁気シールドを備えた磁気ヘッドの媒体対向面を示示す概念図。 ２枚の軟磁性体の間に働く静磁気結合と反強磁性交換結合の説明図。 本発明の磁気ヘッドにおける、サイド磁気シールド積層数とシールド誘起磁場との関係を示した特性図。 本発明の磁気ヘッドにおける、サイド磁気シールド−磁気抵抗効果膜間距離と読みにじみ幅との関係を示した特性図。 本発明の磁気ヘッドにおける、サイド磁気シールド−磁気抵抗効果膜間付近を拡大して示した概念図。 本発明による磁気ヘッドの一例の概略斜視断面図。 本発明による磁気ヘッドの一例の媒体対向面を示した模式図。 図１２に示した磁気ヘッドの概略斜視断面図。 本発明による磁気ヘッドの他の例の媒体対向面を示した模式図。 図１４に示した磁気ヘッドの概略斜視断面図。 本発明の磁気記録再生装置の構成例を示す図。

符号の説明

１…下部磁気シールド、２…上部磁気シールド、１２…下地層、１３…反強磁性層、１４…第一の強磁性固定層、１５…非磁性分離層、１６…第二の強磁性固定層、１７…障壁層、１８…強磁性自由層、２０…非磁性分離層、２１…縦バイアス層、２２…反強磁性層、２３…キャップ層、３０…絶縁層、３１…非磁性分離層、３２…軟磁性シールド層、４１…積層サイド磁気シールド、５０…下部コア、５１…コイル、５２…上部コア、５３…上部コア、６４…非磁性分離層、７１…主磁極、７２…副磁極、８０…コイル、９０…ヘッドスライダ、９１…磁気記録媒体、９２…アクチュエータ、９３…スピンドル、９４…信号処理系、１００…磁気抵抗効果膜、１０１…記録磁界、２００…磁気記録層、２０１…磁化情報、２１０…非磁性分離膜、２２０…軟磁性下地層

Claims (14)

1. 上部磁気シールド層と、下部磁気シールド層と、前記上部磁気シールド層及び下部磁気シールド層の間に形成された磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗膜の膜厚方向に電流を流すための電極とを備える磁気ヘッドにおいて、
   前記磁気抵抗効果膜は、外部磁界により磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性層と、磁化方向が固定されている第２の強磁性層とを有し、
   前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の両側に、複数の軟磁性層と分離層とを交互に積層した積層膜からなる一対のサイド磁気シールド層を有することを特徴とする磁気ヘッド。
2. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記分離層はＴａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ又はＲｈを含有し、１つの分離層の上下に位置する２つの軟磁性層は互いに反対方向の磁化を有することを特徴とする磁気ヘッド。
3. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記複数の軟磁性層は、トラック幅方向の端部において反強磁性的に静磁気結合していることを特徴とする磁気ヘッド。
4. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記複数の軟磁性層は、前記分離層を介して反強磁性的に交換結合していることを特徴とする磁気ヘッド。
5. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記サイド磁気シールド層は、３層以上の軟磁性層を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
6. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記一対のサイド磁気シールド層は、前記第１の強磁性層のトラック幅方向の延長線上に存在することを特徴とする磁気ヘッド。
7. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記第１の強磁性層の磁区を安定化させるための磁区制御層が、非磁性中間層を介して前記第１の強磁性層上に積層されていることを特徴とする磁気ヘッド。
8. 請求項７に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁区制御層は、軟磁性層と反強磁性層との積層膜であることを特徴とする磁気ヘッド。
9. 請求項７に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁区制御層は硬磁性膜からなることを特徴とする磁気ヘッド。
10. 請求項７に記載の磁気ヘッドにおいて、前記非磁性中間層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ又はＲｈを含有することを特徴とする磁気ヘッド。
11. 請求項７に記載の磁気ヘッドにおいて、前記第１の強磁性層と前記サイド磁気シールド層のトラック幅方向の間隔が、前記第１の強磁性層と前記磁区制御層との膜厚方向の間隔よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
12. 請求項１に記載の磁気ヘッドにおいて、前記サイド磁気シールド層の一部が、前記上部磁気シールド層と一体に積層されていることを特徴とする磁気ヘッド。
13. 磁気的に情報を記録する磁気記録層を有する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する駆動部と、磁気記録ヘッド及び磁気再生ヘッドを備える磁気ヘッドと、前記磁気記録媒体に対して前記磁気ヘッドを相対的に駆動するアクチュエータと、前記磁気ヘッドの信号を処理する信号処理系とを含む磁気記録再生装置において、
    前記磁気再生ヘッドは、上部磁気シールド層と、下部磁気シールド層と、前記上部磁気シールド層及び下部磁気シールド層の間に形成された磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗膜の膜厚方向に電流を流すための電極とを備え、前記磁気抵抗効果膜は、外部磁界により磁化方向が変化する第１の強磁性層と、非磁性層と、磁化方向が固定されている第２の強磁性層とを有し、前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の両側に、複数の軟磁性層と分離層とを交互に積層した積層膜からなる一対のサイド磁気シールド層を有することを特徴とする磁気記録再生装置。
14. 請求項１３に記載の磁気記録再生装置において、前記第１の強磁性層と前記サイド磁気シールド層のトラック幅方向の間隔が、記録再生時における、前記磁気記録媒体の磁気記録層と前記磁気抵抗効果膜との間の磁気スペーシング以下であることを特徴とする磁気記録再生装置。

Images