JP2006092649A - 磁気抵抗効果型ヘッド及び記録再生分離型磁気ヘッド - Google Patents

磁気抵抗効果型ヘッド及び記録再生分離型磁気ヘッド Download PDF

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Abstract

【課題】センサが微小化しても大きな外部磁界に対して固定層磁気モーメントが安定で、浮上面加工時に生じる固定層の損傷を極力小さくするための再生ヘッド構成を提供すること、さらにハード・ディスク内部での実使用時の固定層の磁気構造の劣化を生じることのない再生ヘッドを提供すること。
【解決手段】自由層４４，４５と、積層固定層５０と、これらの間に導電性の非磁性スペーサ層４３を有するスピンバルブ効果に基づく磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、積層固定層５０は３つの強磁性膜５２、５４、５６とこれらの間の反強磁性結合膜５３、５５とからなり、このうちの５２と５４の強磁性膜が高保磁力かつ高比抵抗を有し、５６の強磁性膜は高磁気抵抗効果を与える材料からなり、積層固定層５０の磁気モーメントの和が実質的にゼロである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果型ヘッド及び記録再生分離型磁気ヘッドに係り、特に積層型固定層を有する磁気抵抗効果型ヘッドに関する。
近年の磁気記録装置の高記録密度化に伴い、再生用の磁気ヘッドには、スピンバルブ型磁気抵抗センサが用いられている。スピンバルブ型磁気抵抗センサは、固定層と呼ばれる強磁性層と、自由層と呼ばれる強磁性軟磁性層と、これら２層に直接隣接して挟まれた導電層と、固定層に直接接触する交換結合層が基本構成で、交換結合層には通常反強磁性材料を用いる。また、これらの層に電流を通じる電極と、バルクハウゼン・ノイズ（Barkhausen Noise）と呼ばれる自由層磁化の不均一性に起因するノイズを抑制するための縦バイアス磁界を印加する縦バイアス層を有する。縦バイアス層には通常Ｃｏ基永久磁石膜を用いる。このセンサが、磁気シールドと呼ばれる２つの強磁性体で挟まれる微小空間（再生ギャップと呼ぶ）内に設けられて磁気抵抗効果型ヘッドが構成され、記録媒体の磁化信号を高分解能で再生する。
固定層は、記録媒体対向面（磁気ヘッド浮上面）と垂直方向に磁化が固定されており、媒体磁界及び記録時にセンサ膜に加わる磁界に対してその磁化方向を変化させない。自由層磁化は、記録媒体からの磁界に応じてその向きを変え、その結果、固定層磁化と自由層磁化の成す角度に変化を生じることにより磁気抵抗変化を生じる。この抵抗変化を信号として再生するのがスピンバルブ型ヘッド（磁気抵抗効果型ヘッド）である。
交換結合層は、固定層と隣接し固定層に強いバイアス磁界を与える。このバイアス磁界によって固定層の磁化が固定されることにより、記録媒体からの磁界や記録ヘッドからの磁界によってその磁化方向は変化しない。交換結合層には、通常、反強磁性材料が用いられ、センサの動作温度範囲で固定層に与える交換結合磁界が十分大きいことが必要である。この要求を満足するために白金（Ｐｔ）とマンガン（Ｍｎ）の１：１組成の規則合金が主に実用化されている。
上記交換結合層は、交換結合磁界を大きくするために膜厚を厚くする必要があり（約６０ｎｍ）、高密度記録再生のために再生ギャップ長を狭小化できない原因の一つである。固定層に隣接する交換結合層を無くした構造の磁気抵抗効果型ヘッドが特許文献１及び２開示されている。
米国特許第５５８３７５２号明細書 特開２０００−１１３４１８号公報
磁気抵抗センサ膜は、媒体に記録された磁気ビットからの磁界を有効に感知するために、磁気ヘッドの媒体対向面に露出しており、その上にはＡＢＳ保護膜が形成されている。磁気ヘッドをこの構成にするため、基板上にヘッド素子を形成する工程と、複数のヘッド素子が形成された基板から個々のヘッド素子を切り出し、スライダと呼ばれる記録媒体上に浮上させるのに適した形状に加工するスライダ加工工程がある。スライダ加工工程では、機械加工によってバーとよばれる複数のヘッド素子のついた小単位のブロックに基板が切り出される。バーは、コンピュータ・ラップと呼ばれる研磨工程によって研磨され、媒体対向面に磁気抵抗センサが露出する。この工程を浮上面加工工程と称する。
１００Ｇビット／（インチ）２級の高密度記録化を実現するためには磁気抵抗センサ膜の微細化が必要であり、トラック幅０．１ミクロン以下、センサ高さ０．１ミクロン以下に微細化する試みが行われている。ここでセンサ高さとはセンサ膜の媒体対向面と垂直な方向の幅のことである。このような微細化の過程で大きな問題となるのは、センサ高さを０．１ミクロン以下の寸法にまで浮上面加工する際に、センサ膜の交換結合層及び固定層が損傷を受けるということである。この固定層の損傷は、交換結合層が固定層に与えるバイアス磁界の方向が所望の方向から外れ、結果として固定層の磁化方向も所望の方向から外れるために、再生信号の強度の低下及び、再生素子間での信号強度のばらつき及び信号の対称性のばらつきを大きくする。この固定層の損傷はセンサ膜の微細化をすればするほど顕著となるためにセンサ膜の微細化を困難にしており、高密度記録化に対して大きな障害となる。
浮上面加工時の固定層損傷の原因は、浮上面加工工程での研磨によりスライダ材であるセラミックスを削る際に大きな歪が加わり、磁気弾性効果によって固定層の磁化が方位を変化することによることがわかってきた。
ＰｔＭｎを交換結合層に用いたスピンバルブ・センサ膜を有するヘッドの場合、固定層の損傷は、強磁界中で２００°Ｃ以上に加熱すればある程度回復することは分かっているが、高温に曝すと記録ヘッドのポールが浮上面に飛び出すという、別の副作用が生じる。
一方、上記特許文献１及び２に記載された交換結合層のない型のスピンバルブ型ヘッドの固定層は反強磁性材料からなる交換結合層を有しておらず、２つの反平行状態に結合した強磁性層を有しており、２つの強磁性層が反平行となっているためにみかけの磁気モーメントが小さく、みかけの磁気異方性磁界（Magnetic anisotropy field）が増大することで、外部磁界に対して変化しにくい構造となっている。この構造でも、浮上面加工時に固定層が磁気的な損傷を受けることによって磁化が望ましい方向と異なる方向に向いても、反強磁性材料の交換結合層を有しないために、高温度に曝さなくても室温で磁界を印加することによって所望の磁化状態に回復できる可能性がある。しかしながら、この型のヘッドでは、ハード・ディスク・ドライブの内部で実際の使用時に、たとえば、ヘッドが緊急避難的にディスク面から退避する緊急アンロードの際に受ける衝撃によって固定層の磁化が反転するということが起こり、衝撃による固定層の磁化反転が生じるという問題点があることがわかってきた。この型のヘッドは固定層の磁化構造が十分に強い構成となっていない。
本発明の目的は、固定層の磁気構造の劣化を極力小さくすることができる磁気抵抗効果型ヘッドを提供することである。
本発明の他の目的は、高密度記録に適した記録再生分離型磁気ヘッドを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果型ヘッドにおいては、基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜は高磁気抵抗特性を有し、その他の強磁性膜は前記高磁気抵抗強磁性膜よりも高保磁力かつ高比抵抗特性を有することを特徴とする。
前記積層型固定層を構成する強磁性膜の磁化方向は、互いに反平行である。
前記積層型固定層の磁気モーメントの和が実質的にゼロである。
前記その他の強磁性膜の保磁力は１６ＫＡ／ｍ以上であり、比抵抗は４０μΩｃｍ以上であることが望ましい。
前記積層型固定層は前記基板側に配置され、前記自由層は前記積層型固定層よりも前記基板から離れた位置に配置される。
前記自由層は前記基板側に配置され、前記積層型固定層は前記自由層よりも前記基板から離れた位置に配置される。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果型ヘッドにおいては、基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、
前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜の組成が、
Ｃｏ100-ＺＦｅＺ、２０≧Ｚ(at%)≧０
であり、
前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜を除く他の強磁性膜の組成が、
（Ｃｏ1-YＦｅY）100-XＭX 、0.8≧Ｙ（ａt%）≧0.4、１２≧Ｘ(at%)≧２
であり、ここでＭはＶ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａのうちから選ばれる元素であることを特徴とする。
前記積層固定層を形成する強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接するする強磁性膜を除く他の強磁性膜の各膜厚が１．２ｎｍ以上であることが望ましい。
前記反強磁性はＲｕであり、その膜厚が０．３〜０．４ｎｍの範囲にあることが望ましい。
前記積層型固定層は下地膜の上に配置され、該下地膜はＮｉＦｅＣｒ膜とＮｉＦｅ膜の積層膜である。
上記他の目的を達成するために、本発明の記録再生分離型磁気ヘッドにおいては、基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜は高磁気抵抗特性を有し、その他の強磁性膜は前記高磁気抵抗強磁性膜よりも高保磁力かつ高比抵抗特性を有する磁気抵抗効果型ヘッドと、
前記磁気抵抗効果型ヘッドに隣接して設けられ、下部磁性膜と、磁気ギャップ膜と、前記磁気ギャップ膜を介して前記下部磁性膜に対向する磁極を有し後部において前記下部磁性膜に接続される上部磁性膜と、前記下部磁性膜と上部磁性膜の間に絶縁体を介して配置された導体コイルとを有する磁気記録ヘッドと、
を有することを特徴とする。
本発明によれば、固定層の磁気構造の劣化を極力小さくすることができる磁気抵抗効果型ヘッドを提供することができる。
さらに本発明によれば、高密度記録に適した記録再生分離型磁気ヘッドを提供することができる。
図４に本発明の一実施例による記録再生分離型磁気ヘッドを搭載した磁気ディスク装置１０の構成を示す。ベース２に固定されたスピンドル・モータの回転軸３に磁気ディスク４が装着され、回転駆動される。ピボット５にアクチュエータ・アーム６が軸支され、アクチュエータ・アーム６の一端にはサスペンション７が取り付けられ、他端には、ボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）８を構成するコイル（図示せず）が取り付けられている。サスペンション７の先端には記録再生分離型磁気ヘッド１が取り付けられている。ベース２にはランプ機構９が設けられており、磁気ディスク４の外周側に位置している。ランプ機構９は記録再生分離型磁気ヘッド１のアンロード時に、リフト・タブ（図示せず）が乗り上げるスロープが形成されている。
ＶＣＭ８のコイルに通電することによりアクチュエータ・アーム６に回転トルクが発生し、アクチュエータ・アーム６に取り付けられているサスペンション７が磁気ディスク４の半径方向に移動される。この回転動作によりサスペンション７の先端に取り付けられている記録再生分離型磁気ヘッド１が、磁気ディスク４の半径方向位置の任意の位置に移動され、データの記録、再生を行う。記録再生分離型磁気ヘッド１のアンロード時には、リフト・タブがランプ機構９のスロープに乗り上げるように移動され、ロード時は、ランプ機構９に待機中の状態から、磁気ディスク４の記録面にロードされる。
図３を用いて、本発明の一実施例による磁気抵抗効果型ヘッドと、記録再生分離型磁気ヘッドの概略構成を説明する。スライダとなる基板２０の上部に再生ヘッドである磁気抵抗効果型ヘッド３０が形成され、磁気抵抗効果型ヘッド３０の上部に絶縁体の分離膜７０を介して誘導型磁気記録ヘッド８０が形成される。磁気抵抗効果型ヘッド３０は、下部磁気シールド膜３１と、下部磁気シールド膜３１の上部に形成された下部ギャップ膜（図示せず）と、下部ギャップ膜の上部に形成されたスピンバルブ・センサ膜３２と、スピンバルブ・センサ膜３２の両端部で下部ギャップ膜の上部に形成された磁区制御膜６２，６３と、磁区制御膜６２，６３の上部に形成された電極膜６４，６５と、これら各膜の上部に上部ギャップ膜（図示せず）を介して形成された上部磁気シールド膜３３とを有する。
誘導型磁気記録ヘッド８０は、下部磁性膜８１と、磁気ギャップ膜８２を介して下部磁性膜８１に対向して形成された上部磁極８３と、上部磁極８３のヨークでありバック・ギャップ部で下部磁性膜８１に接続される上部磁性膜８４と、下部磁性膜８１と上部磁性膜８４の間に形成された導体コイル８５とを有する。誘導型磁気記録ヘッド８０の上部は硬質の保護膜（図示せず）で覆われる。
図３には、磁気ディスク４の一部分である記録トラック１３がＺ軸に沿って、記録再生分離型磁気ヘッド１に対して、相対的な運動方向１４を有することが示されている。磁性媒体である磁気ディスク４は、Ｚ軸方向の記録トラック１３に沿って複数の磁区を有し、その磁界ｈは、ＶＣＭ８により記録再生分離型磁気ヘッド１がＸ軸に沿って相対的に動くことによって、記録再生分離型磁気ヘッド１のＹ軸に沿って変化する。この磁界の変動が磁気抵抗効果型ヘッド３０によって読み出される。
基板２０は、セラミックスまたはセラミックス上に誘電体の膜を堆積したものを用いることができる。上部及び下部磁気シールド膜３１及び３３には、パーマロイやセンダストや軟磁性を示すＣｏ基非晶質材料または、軟磁性を示す微結晶系の強磁性材料等を用いることができる。
図１に、磁気抵抗効果型ヘッド３０のスピンバルブ・センサ膜３２及びその周辺の具体的構成を示す。図１の構成を参照して説明すると、スピンバルブ・センサ膜３２は、磁界に対して比較的応答し易い第１の強磁性層（以下、自由層と呼び、例えばＣｏ膜４４及びパーマロイ膜４５に相当する）と、磁界に対して比較的応答し難い第２の強磁性層（以下、固定層と呼び、積層型固定層５０に相当する）と、これらの間に導電性の非磁性スペーサ層（例えば、Ｃｕ膜４３に相当する）を有する。また、積層型固定層５０の下には結晶形態を調整し抵抗変化を大きくするための下地層４２を有する。さらに強磁性膜４４及び４５で構成される自由層の上にはキャップ層（例えば、Ｃｕ／Ｔａキャップ４６に相当する）を有する。図中、積層型固定層５０の各強磁性膜の磁化方向は５７，５８，５９で示されている。自由層の磁化方向は矢印で示されるように積層型固定層５０の磁化方向に直交する方向である。
本実施例では、固定層に、３つの強磁性膜（例えば、強磁性膜AP0：５２、強磁性膜AP1：５４、強磁性膜AP2：５６に相当する）と、これらの強磁性膜（５２と５４と５６）の間に反強磁性結合膜（例えば、Ｒｕ膜５３、５５に相当する）とを用いた積層固定層５０を採用し、磁気記録装置に用いるためのスピンバルブ型再生ヘッドとして機能する構成を与える。固定層を３つの強磁性膜から構成しているのは、固定層の耐力を増加させるためである。ここで本構成では固定層に隣接する交換結合層をもたない。
スピンバルブ・センサ膜３２は下部ギャップ膜４１の上部に形成され、両端部には下地膜６０，６１が形成され、下地膜６０，６１の上部には自由層４４，４６に隣接して磁区制御膜６２，６３が形成され、磁区制御膜６２，６３の上部には電極膜６４，６５が形成される。
以下、固定層を３つの強磁性膜で構成した場合の利点を、２つの強磁性膜で構成した場合との比較で説明する。図２（ａ）には固定層が強磁性膜ＡＰ１とＡＰ２の２層からなるスピンバルブ・センサ膜の強磁性膜を抽出して示している。強磁性膜の磁化方向が分かるように図１の側面から見た状態を示す。固定層の外部磁界耐力を大きくするためにＡＰ１とＡＰ２はほぼ同じ磁気モーメントとし、Ｒｕなどの反強磁性結合膜を間に有し、ＡＰ１とＡＰ２は反平行に強く結合した構成となっている。磁気抵抗効果は自由層（Free）とＡＰ２の磁気モーメントのなす角度によって生じ、この効果をできるだけ大きくするためにＣｏーＦｅ合金のＦｅ組成を０〜２０％とする。この組成域のＡＰ２の保磁力は高々８００Ａ／ｍ（１０ Ｏｅ）であるためにＡＰ２のみでは外部磁界で容易に磁化反転してしまい固定層として外部磁界及び機械的衝撃に対する耐力が不十分である。そこで、ＡＰ１を高保磁力とすることによって外部磁界及び機械的衝撃に対する耐力を向上することを検討した。しかしながら、後述するが、ＡＰ１の保磁力はＣｏーＦｅ系合金を用いた場合、高々、３２ＫＡ／ｍ（４００ Ｏｅ）であり上記の性能を満足するには不十分である。
そこで、本発明では、固定層の外部磁界及び機械的衝撃に対する耐力を向上するために、ＡＰ１の背後に高保磁力膜ＡＰ０を付加する構成とした。ＡＰ０とＡＰ１の間にはＲｕなどの反強磁性結合膜を有することで、ＡＰ０とＡＰ１は互いに反平行に強く結合した構成とする。図２（ｂ）にその強磁性膜のみを抽出した構成を示す。ＡＰ０とＡＰ１が高保磁力膜であり、ＡＰ０，ＡＰ１及びＡＰ２からなる固定層を固定するための内部エネルギーを与える層の働きをする。ＡＰ２は磁気抵抗効果を大きくする働きをする。磁気抵抗を大きくするためにＡＰ２はＦｅ組成０〜２０at％のＣｏ−Ｆｅ合金層であり、従ってＡＰ２は結果として低保磁力となっており、固定層を固定するための保磁力の内部エネルギーには寄与しない。また、ＡＰ０とＡＰ１は反平行結合し、ＡＰ１とＡＰ２も反平行結合し、ＡＰ０，ＡＰ１及びＡＰ２のトータルの磁気モーメントは相殺され、ほぼゼロになるように各膜厚を選択する。
従ってこれら３つの強磁性膜からなる固定層は外部磁界によって生じる磁気トルクが互いに相殺することによって外部磁界に対して容易に磁気反転しにくい構成となる。機械的衝撃による磁気反転に対する耐力は、これら３つの強磁性膜の持つ保磁力のエネルギーによって決まる。ＡＰ２は上述のように保磁力のエネルギーが小さく寄与はほとんどなく、保磁力の大きなＡＰ０とＡＰ１との２層が機械的衝撃に起因する磁気反転に対する耐力を決定する。従ってＡＰ０とＡＰ１の体積（膜厚）が大きいほうがこの耐力は向上する。
ＡＰ１とＡＰ０のトータルの磁気モーメントは、図２（ａ）の場合と同様、ＡＰ２の磁気モーメントとほぼ等しくなるように設定する。図２（ａ）の２層固定層構造のＡＰ１のみの場合と本発明のＡＰ０とＡＰ１の２層構成を比較すると、本発明（３層固定層構造）のＡＰ０とＡＰ１の２層構成は、トータルの磁気モーメントが２層固定層構造のＡＰ１と同じで膜厚が２ｄ０厚い構成となっている。したがって、蓄えられている保磁力のエネルギーはその分大きくなり、固定層の外部磁界及び機械的衝撃力に対する耐力を増大することができる。以下具体的に説明する。
まず、図２（ａ）の２層固定層において固定層の外部磁界及び機械的衝撃力に対する耐力を最大化するためにＡＰ１の高保磁力化を図った。
（１）ＡＰ１の保磁力を調査するために次の構成の膜を基板上に作成した。
下地膜：Ni-12at%Fe-40at%Cr:Xnm(膜厚)/Ni-15at%Fe:0.6nm
ＡＰ１：Co-Yat%Fe:2nm
キャップ層: Ru:80nm/Ta:2nm
図５にはＡＰ１のＦｅ組成依存性をＮｉＦｅＣｒの膜厚Ｘを種々変えて検討した結果を示す。Ｆｅ組成の増加につれてＡＰ１の保磁力は増加し６０at％のところで最大をとる。また、ＮｉＦｅＣｒの膜厚が厚くなるにつれて保磁力は増大し、４ｎｍが最大値３２ＫＡ／ｍ（４００ Ｏｅ）をとる。保磁力が最大値のＡＰ１のＦｅ組成として６０at％を用い、ＮｉＦｅＣｒ膜厚４ｎｍを用いて巨大磁気抵抗膜（ＧＭＲ膜）を作成した。
（２）基板上に次の構成のＧＭＲ膜を作製した。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
固定層：Co-60at%Fe:Xnm/Ru:0.35nm/Co-10at%Fe:2nm (X:1.5〜1.8)
スペーサ層：Cu:1.75nm
自由層：CoFe:1nm/NiFe:1.5nm
キャップ層：Cu:0.6nm/Ta:2nm
図６には得られたＭＲ曲線とＭＲ％のＡＰ１の膜厚依存性を示す。ＡＰ１の膜厚１．６ｎｍ以上でＭＲ比１２〜１３％の良好な特性が得られる。
（３）次に、ＡＰ１の背後にＡＰ０を設けた３層固定層の検討を行った。ＡＰ０及びＡＰ１にはともにＣｏ-６０at％Ｆｅを用い、ＡＰ２にはＣｏ−１０at％Ｆｅを用いた。具体的な膜構成は次のようにし、ＡＰ０及びＡＰ１の膜厚を変化させた。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
固定層：Co-60at%Fe:Xnm/Ru:0.35nm/Co-60at%Fe:1.6+Xnm/Ru:0.35nm/Co-10at%Fe:2nm
スペーサ層：Cu:1.75nm
自由層：CoFe:1nm/NiFe:1.5nm
キャップ層：Cu:0.6nm/Ta:2nm
その結果、ＡＰ０及びＡＰ１の膜厚を上記関係にて厚くすると急激に抵抗変化及びＭＲ比が低下し、Ｘ＝２ｎｍではＭＲ比は半分にまで低下した。顕著にＭＲ比が低下しセンサの感度が著しく低下してしまうという悪影響生じた。このようにＭＲ比の急激な低下の原因はＡＰ０及びＡＰ１を流れる電流はＧＭＲのセンサ膜の磁気抵抗変化に寄与しないためである。
このような３層固定層によるＭＲ比の低下を防ぐためにＡＰ０及びＡＰ１の高比抵抗化を検討した。
（４）ＡＰ０及びＡＰ１をＣｏ−６０ａｔ％Ｆｅ合金をベースにバナジウム（Ｖ）を添加して形成した。ＧＭＲ膜構成をつぎのようにした。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
固定層：(Co 0.4 Fe 0.6)100-X V X:Ynm/Ru:0.35nm/(Co 0.4 Fe 0.6)100-X V X:Znm/Ru:0.35nm /Co-10at%Fe:2nm
スペーサ層：Cu:1.75nm
自由層：CoFe:1nm/NiFe:1.5nm
キャップ層：Cu:0.6nm/Ta:2nm
バナジウム組成を0at%, 4.4at%, 6.7at%, 8.2at%の４種類とし、Ｙ及びＺの値をさまざまに変化させ膜のシート抵抗を調べた。図７にはバナジウム組成とＡＰ０及びＡＰ１の比抵抗及び磁化の相対変化の関係を示す。Ｖの組成６．７at%では比抵抗は８０μΩcmで磁化は添加量ゼロのときの８８％になり、Ｖ（バナジウム）の組成８．２at%では比抵抗は１００μΩcmで磁化は添加量ゼロのときの８４％になる。磁化の減少が少ないのに比べて、比抵抗の増加が急激であるためにバナジウムの添加は電流の分流損失を抑止するのに有効であることがわかった。
（５）バナジウム（Ｖ）を添加した場合のＣｏ−Ｆｅ膜の保磁力の変化を調べた。次の構成の膜を作成しＶ添加量に対する保磁力の変化を調べた。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.60nm
強磁性膜：(Co １-Y Fe Y)100-X V X:2nm
キャップ層:Ru:0.8nm/Ta:2nm
図８に保磁力のＶ（バナジウム）組成依存性を示す。いずれのＦｅ組成Ｙに対しても傾向は同じであり、保磁力はＶ（バナジウム）添加量が１２at％まではほぼ一定であり、１２at％を超えると減少し始める。したがってバナジウムの添加量としては１２at％以下とするのが適切である。また、保磁力が１６ＫＡ／ｍ（２００ Ｏｅ）以上とするには、次の式を満足する必要がある。
(Co １-Y Fe Y)100-X V X
0.4 < Y < 0.8
0 < X <12.0
バナジウムの代わりに、Ｃｒ,Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａなどの元素を用いても同様の効果が得られる。
図９には次の膜構成で固定層の膜厚と保磁力の関係を調べた結果を示す。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
強磁性膜：(Co 0.4 Fe 0.6)96 V 4:Xnm
キャップ層:Ru:0.8nm/Ta:2nm
膜厚ｄ（Ｘ）が１．４ｎｍ以下になると急激に小さくなり、１ｎｍ以下では１６ＫＡ／ｍ（２００ Ｏｅ）より小さい値となる。したがって、強磁性膜の膜厚は１．２ｎｍ以上とするのが望ましい。また、上記典型的なＧＭＲ膜の構成例（３）で、Ｘが１．２ｎｍ以上となることから、ＡＰ０とＡＰ１の膜厚の和は４ｎｍとなる。これはＡＰ０がない場合のＡＰ１のみの膜厚１．６ｎｍの２．５倍の膜厚である。このことから比抵抗の値をＶ添加がない場合の２．５倍の値にしておけば、ほぼＡＰ０とＡＰ１の抵抗は、ＡＰ０のない場合の上記（２）の構成例のＡＰ１の抵抗と同等となり、（２）の場合と同等の磁気抵抗変化率を与えるものと期待できる。従ってＡＰ０とＡＰ１を構成する強磁性膜の比抵抗値は１６×２．５＝４０μΩcm以上とするのが望ましい。また、図７のデータからＶの組成は２．０at％以上とするのが望ましい。
本発明の３つの強磁性膜からなる固定層の磁気反転に対する耐力は、主としてＡＰ０とＡＰ１の高保磁力層によって決まることを先に述べたが、これら２つの強磁性膜の保磁力のエネルギーがどのように蓄えられるかを以下に説明する。
（６）ＡＰ０とＡＰ１に蓄えられる保磁力のエネルギーを評価するために、主としてＡＰ０及びＡＰ１からなる構成を作成し保磁力を測定した。作成した膜構成は次のとおりである。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
ＡＰ０＆ＡＰ１：(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :Xnm/Ru:0.35nm/(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :2.25+X nm
キャップ層：Ru:0.8nmÅ/Cu:0.6nm/Ta:2nm
Ｘ＝０、１．１５nm、１．４４nm、１．７２nm、２．３０nmの５種類の膜を作成した。Ｘ＝０とは、上記の構成においてＡＰ０がない場合である。
ここでＡＰ１とＡＰ０の膜厚差は２．２５nmに一定になるようにしている。図１０にはこれらの膜の保磁力をＡＰ０の膜厚に対してプロットした例及びＭ−Ｈ曲線の例を示す。ＡＰ０の膜厚ゼロの場合３２ＫＡ／ｍ（４００ Ｏｅ）の保磁力が、ＡＰ０が０．５ｎｍでは一旦低下している。これは、先に述べたがＡＰ０の臨界膜厚である１．２ｎｍよりも薄いためにＡＰ０が保磁力が小さくなっているためである。ＡＰ０の膜厚が１．１５ｎｍとなると保磁力は再び３２ＫＡ／ｍ（４００ Ｏｅ）まで回復し、さらに膜厚が厚くなると保磁力が増大し、膜厚が２．３ｎｍになると保磁力は７２ＫＡ／ｍ（９００ Ｏｅ）にまで達している。この値はＡＰ０がない場合の２倍以上であり、ＡＰ０層を設けることにより保磁力のエネルギーが増加していることがわかる。この結果からもＡＰ０の膜厚を１．２ｎｍ以上にする必要があることがわかる。
以上の結果をもとにスピンバルブ・センサ膜を作成した。膜構成は次のとおりとし、ＡＰ０の膜厚を変化させた。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
固定層：(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :Xnm/Ru:0.35nm/(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :2.25+Xnm /Ru0.35nm/Co0.9Fe0.1 :2nm
スペーサ層：Cu:1.8nm
自由層：Co-Fe:1nm/Ni-Fe:1.5nm
キャップ膜：Cu:0.6nm/Ta:2nm
図１１にはＡＰ０の膜厚Ｘを０ｎｍ、１．４４ｎｍ、１．７２ｎｍ、２．３０ｎｍと変えた場合のトランスファーカーブを示す。Ｘが増加するにつれて抵抗変化率は徐々に低下するものの、Ｘが２．３０ｎｍの場合、即ちAP０とＡＰ１の膜厚が４．７５ｎｍと厚くても抵抗変化率１０％を超える高い値となっており、ＭＲ比の低下の割合は１５％以下と小さく抑えられており、バナジウムの添加によるＡＰ０とＡＰ１の高比抵抗化が効果があることが確認された。
次に非磁性スペーサ層と直接接触するＡＰ２の組成を適正化するために次の構成のスピンバルブ膜を作成し、ＡＰ２のＣｏ−Ｆｅ合金のＦｅ組成と磁気抵抗変化率との関係を調べた。
図１２にＡＰ２のＦｅ組成と抵抗変化率との関係を示す。Ｆｅ組成が２０％を超えると抵抗変化率が急激に低下する。これはＦｅ組成２０％以下では、ＡＰ２の結晶構造が面心立方構造であるものが、２０％を超えると体心立方構造をもつものが混在して来るために、非磁性スペーサ層のＣｕの体心立方構造との格子の周期性の異なる成分が現れるため電子の散乱が増大するためである。従って非磁性スペーサ層と直接接触するＡＰ２のＦｅ組成は２０at%以下が望ましい。
次に積層型固定層を構成する強磁性膜を互いに反平行結合させる反強磁性結合膜のRuの膜厚について述べる。以下に示す積層型固定層を作成し、Ｒｕの膜厚を変化させ、交換結合磁界を調べた。図１３にその結果を示す。ここではＲｕを介しての交換結合磁界を調べるために積層型固定層を２層構成としている。
下地膜：NiFeCr:4nm/NiFe:0.6nm
固定層：(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :1.72nm/Ru:0.35nm/(Co 0.5 Fe 0.5)93.3 V 6.7 :1.72nm
スペーサ層：Cu:1.75nm
自由層：CoFe:1nm/NiFe:1.5nm
キャップ層：Cu:0.6nm/Ta:2nm
図から分かるように交換結合磁界はＲuの膜厚が０．３〜０．４ｎｍのときに最大となる。交換結合磁界は固定層の反平行構成を保持する外部磁界に対する強さを現し、この値が強いほうが望ましい。従ってRu膜厚は０．３〜０．４ｎｍを用いるのが望ましい。
上記実施例においては、積層型固定層は基板側に配置され、積層型固定層の上部に非磁性スペーサ層及び自由層が配置された構成であるが、この構成に限られるものではなく、自由層が基板側に配置され、その上部に非磁性スペーサ層及び積層型固定層が配置される構成であっても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
本発明の一実施例による磁気抵抗効果型ヘッドのスピンバルブ・センサ膜の構成をヘッド浮上面側から示す図である。 本発明の一実施例による積層型固定層を３つの強磁性膜で構成した場合の有効性を、２つの強磁性膜で構成した場合との比較で説明するための図である。 本発明の一実施例による磁気抵抗効果型ヘッドと磁気記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型磁気ヘッドの浮上面側の構成を示す斜視図である。 記録再生分離型磁気ヘッドが搭載される磁気ディスク装置の概略構成図である。 ２層固定層における強磁性膜ＡＰ１の保磁力のＦｅ組成依存性を、下地膜のＮｉＦｅＣｒの膜厚を種々変えて検討した結果を示すグラフである。 ２層固定層における強磁性膜ＡＰ１に保磁力の大きな膜を用いた場合の磁気抵抗変化の膜厚依存性を示すグラフと代表的トランスファーカーブを現すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ０とＡＰ１の比抵抗及び磁化の相対変化のバナジウム依存性を示すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ０とＡＰ１の保磁力のＦｅ組成及びバナジウム組成依存性を示すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ０とＡＰ１の膜厚と保磁力の関係を示すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ０とＡＰ１の、保磁力のＡＰ０膜厚依存性を表すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ０の膜厚Ｘを変えた場合のトランスファーカーブを示すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層のうちのＡＰ２のＦｅ組成と磁気抵抗変化の間の関係を示すグラフである。 本発明の一実施例による積層型固定層の反強磁性結合膜Ruの膜厚と交換結合磁界の強さの関係を示すグラフである。
符号の説明
１…記録再生分離型磁気ヘッド、１３…記録トラック、２０…基板、３０…磁気抵抗効果型ヘッド、３１…下部磁気シールド膜、３２…スピンバルブ・センサ膜、３３…上部磁気シールド膜、４１…下部ギャップ膜（絶縁膜）、４２…下地層、４３…非磁性スペーサ層、４４，４５…自由層、４６…キャップ層、５０…積層型固定層、５２…強磁性膜ＡＰ０、５４…強磁性膜ＡＰ１、５６…強磁性膜ＡＰ２、５３,５５…反強磁性結合膜、５７，５８, ５９…磁化方向、６０，６１…下地膜、６２，６３…磁区制御膜（永久磁石膜）、６４，６５…電極膜、７０…分離膜、８０…誘導型磁気記録ヘッド、８１…下部磁性膜、８２…磁気ギャップ膜、８３…上部磁極、８４…上部磁性膜、８５…導体コイル。

Claims (11)

  1. 基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜は高磁気抵抗特性を有し、その他の強磁性膜は前記高磁気抵抗強磁性膜よりも高保磁力かつ高比抵抗特性を有することを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  2. 前記積層型固定層を構成する強磁性膜の磁化方向は、互いに反平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  3. 前記積層型固定層の磁気モーメントの和が実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  4. 前記その他の強磁性膜の保磁力は１６ＫＡ／ｍ以上であり、比抵抗は４０μΩｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  5. 前記積層型固定層は前記基板側に配置され、前記自由層は前記積層型固定層よりも前記基板から離れた位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  6. 前記自由層は前記基板側に配置され、前記積層型固定層は前記自由層よりも前記基板から離れた位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  7. 基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、
    前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜の組成が、
    Ｃｏ100-ＺＦｅＺ、２０≧Ｚ(at%)≧０
    であり、
    前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜を除く他の強磁性膜の組成が、
    （Ｃｏ1-YＦｅY）100-XＭX 、0．8≧Ｙ（ａt%）≧0．4、１２≧Ｘ(at%)≧２
    であり、ここでＭはＶ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａのうちから選ばれる元素であることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  8. 前記積層固定層を形成する強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接するする強磁性膜を除く他の強磁性膜の各膜厚が１．２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  9. 前記反強磁性結合膜はＲｕであり、その膜厚が０．３〜０．４ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  10. 前記積層型固定層は下地膜の上に配置され、該下地膜はＮｉＦｅＣｒ膜とＮｉＦｅ膜の積層膜であることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  11. 基板と、前記基板の上部に配置された下部磁気シールド膜及び上部磁気シールド膜と、前記下部磁気シールド膜と上部磁気シールド膜の間に配置された積層型固定層及び自由層と、前記積層型固定層と自由層の間に配置された非磁性スペーサ層と、前記自由層の両端部に配置された磁区制御膜と、前記磁区制御膜の上部に配置された電極膜とを有し、前記積層型固定層は少なくとも３つの強磁性膜と、前記強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、前記強磁性膜のうち前記非磁性スペーサ層に隣接する強磁性膜は高磁気抵抗特性を有し、その他の強磁性膜は前記高磁気抵抗強磁性膜よりも高保磁力かつ高比抵抗特性を有する磁気抵抗効果型ヘッドと、
    前記磁気抵抗効果型ヘッドに隣接して設けられ、下部磁性膜と、磁気ギャップ膜と、前記磁気ギャップ膜を介して前記下部磁性膜に対向する磁極を有し後部において前記下部磁性膜に接続される上部磁性膜と、前記下部磁性膜と上部磁性膜の間に絶縁体を介して配置された導体コイルとを有する磁気記録ヘッドと、
    を有することを特徴とする記録再生分離型磁気ヘッド。
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