JP2006260685A

JP2006260685A - 磁気抵抗効果型ヘッド

Info

Publication number: JP2006260685A
Application number: JP2005077454A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hashimoto; 淳一橋本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-09-28
Also published as: CN1835085A; US20060209474A1; KR20060101144A; CN100431007C

Abstract

【課題】磁区制御層の磁化方向を安定化させ、磁気抵抗効果膜の自由層に作用させるバイアス磁界を固定してバルクハウゼンノイズ等のノイズの発生を抑え、安定した動作が可能な磁気抵抗効果型ヘッドを提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子１０と、磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層１２および上電極層１４と、前記磁気抵抗効果素子１０の側方に絶縁膜１８ａ、１８ｂを介して配置され、前記磁気抵抗効果素子１０に設けられた自由層の磁区を制御するバイアス磁界を作用させる磁区制御層１６ａ、１６ｂとを備えたＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、前記磁区制御層１６ａ、１６ｂの上に積層して、前記磁区制御層のバイアス磁界を固定する反強磁性層２０ａ、２０ｂが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗効果型ヘッドに関し、より詳細には、ＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)型の磁気抵抗効果型ヘッドに関する。

図７は、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドをヘッドスライダーの浮上面側から見た構成を示す。この磁気抵抗効果型ヘッドは、磁気抵抗効果素子１０と、磁気抵抗効果素子１０を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層１２および上電極層１４と、磁気抵抗効果素子１０を両側方から挟む配置に設けられた磁区制御層１６ａ、１６ｂとを備える。
下電極層１２および上電極層１４はともにＮｉＦｅ等の軟磁性材からなり、磁気シールド層として作用するとともに、磁気抵抗効果素子１０の積層面に垂直方向に電流を流す電流端子として用いられる。下電極層１２と上電極層１４とを電気的に絶縁するため、磁気抵抗効果素子１０の両側面から下電極層１２の上面にわたってアルミナ等からなる絶縁層１８ａ、１８ｂが設けられている。

磁気抵抗効果素子１０は、固定層および自由層等を積層した構造からなり、上述した磁区制御層１６ａ、１６ｂは自由層の磁区を制御するにバイアス磁界を作用させることにより、磁場が作用しないときの自由層の磁化方向をコア幅方向に向けるために設けられている。このため、磁区制御層１６ａ、１６ｂには、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｔといった永久磁化を有する強磁性材が用いられる。
特開平１１−３１６９１９号公報

上述したように、磁区制御層１６ａ、１６ｂは磁気抵抗効果素子１０に形成されている自由層の磁化方向を所定の基準方向（コア幅方向）に向けるために設けられているが、下記のような要因によって磁区制御層１６ａ、１６ｂによるバイアス磁界が自由層に的確に作用しないことが考えられ、これによってバルクハウゼンノイズ等を誘発することが懸念される。

すなわち、磁区制御層１６ａ、１６ｂは絶縁層１８ａ、１８ｂを介して磁気抵抗効果素子１０の側方に配置されるため、磁気抵抗効果素子１０の自由層に作用する磁界の作用が抑制されることが考えられる。
また、磁区制御層１６ａ、１６ｂの磁気抵抗効果素子１０に対向する面が傾斜面に形成されることから、磁気抵抗効果素子１０に対向する面での磁区の方向が不均一（不揃い）になり、これによって自由層に的確なバイアス磁界が作用しなくなることが考えられる。磁区制御層１６ａ、１６ｂから自由層に作用するバイアス磁界は、磁気抵抗効果素子１０の端面に主として作用するから、磁区制御層１６ａ、１６ｂの端面における磁区方向は重要である。

また、下電極層１２と上電極層１４は軟磁性体であり、下電極層１２と上電極層１４を介して磁気抵抗効果素子１０に作用するバイアス磁界、とくに上電極層１４を介して作用するバイアス磁界も問題になる。磁区制御層１６ａ、１６ｂのバイアス磁界は下電極層１２および上電極層１４を介して磁気抵抗効果素子１０に作用するが、磁区制御層１６ａ、１６ｂの磁区方向が不安定になると、下電極層１２および上電極層１４を介して磁気抵抗効果素子１０に作用するバイアス磁界も不安定となり、ノイズを発生させる原因になると考えられる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、磁気抵抗効果型ヘッド、とくにＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、磁区制御層の磁化方向を安定化させ、これによって磁気抵抗効果膜の自由層の磁化方向を的確に揃え、バルクハウゼンノイズ等のノイズの発生を抑えて、より安定した動作が可能な磁気抵抗効果型ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層および上電極層と、前記磁気抵抗効果素子の側方に絶縁膜を介して配置され、前記磁気抵抗効果素子に設けられた自由層の磁区を制御するバイアス磁界を作用させる磁区制御層とを備えたＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、前記磁区制御層の上に積層して、前記磁区制御層のバイアス磁界を固定する反強磁性層が設けられていることを特徴とする。

また、前記磁気抵抗効果素子として、固定層、絶縁層、自由層を備えたＴＭＲ素子が用いられる。
また、前記磁気抵抗効果素子として、固定層、非磁性中間層、自由層を備えたスピンバルブ型のＧＭＲ素子が用いられる。
また、前記反強磁性層は、前記磁区制御層との界面に配置した、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介して前記磁区制御層と磁気的に結合していることにより、反強磁性層と磁区制御層との磁気的結合が補強される。
また、前記反強磁性層は、前記上電極層との界面に配置した、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介して前記上電極層と磁気的に結合していることにより、反強磁性層と上電極層との磁気的結合が補強される。

また、回転駆動手段により回転駆動される磁気記録ディスクと、記録再生ヘッドが形成されたヘッドスライダーを支持するヘッドサスペンションおよびキャリッジアームを含む支持手段と、該支持手段を駆動して前記ヘッドスライダーをシーク動作させる制御部とを備える磁気ディスク装置であって、前記記録再生ヘッドは、再生ヘッドとして、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層および上電極層と、前記磁気抵抗効果素子の側方に絶縁膜を介して配置され、前記磁気抵抗効果素子に設けられた自由層の磁区を制御するバイアス磁界を作用させる磁区制御層とを備え、前記磁区制御層の上に積層して、前記磁区制御層のバイアス磁界を固定する反強磁性層が設けられたＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドが設けられていることを特徴とする。

本発明に係る磁気抵抗効果型ヘッドは、磁区制御層に積層して反強磁性層を設けたことにより、バルクハウゼンノイズ等のノイズを抑制し、安定した動作が可能な再生ヘッドとして提供することができる。また、この磁気抵抗効果型ヘッドを記録再生ヘッドに用いた磁気ディスク装置によれば、安定した信頼性の高い情報の記録再生動作が可能になる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１は本発明に係る磁気抵抗効果型ヘッドの断面構造を示す。本実施形態の磁気抵抗効果型ヘッド３０は、図７に示す従来の磁気抵抗効果型ヘッドと同様に、磁気抵抗効果素子１０、および下電極層１２、上電極層１４、および磁区制御層１６ａ、１６ｂを備える。磁気抵抗効果素子１０と磁区制御層１６ａ、１６ｂとの間、磁区制御層１６ａ、１６ｂと下電極層１２との間は電気的な絶縁層１８ａ、１８ｂによって電気的に絶縁される。

なお、磁気抵抗効果素子１０は、固定層、絶縁層、自由層を有するＴＭＲ素子、あるいは固定層、非磁性中間層、自由層を有するスピンバルブ型のＧＭＲ素子によって形成される。自由層は磁区制御層１６ａ、１６ｂによるバイアス磁界の作用により、磁界が作用しないときには固定層の磁化方向とは直交する方向に磁化方向が揃えられている。この自由層は、磁気記録媒体に記録されている磁気情報の磁化に応じて磁化方向が回転し、下電極層１２と上電極層１４により磁気抵抗効果素子１０の抵抗変化が検出される。

本実施形態の磁気抵抗効果型ヘッド３０において特徴的な構成は、磁気抵抗効果素子１０の両側に配置された磁区制御層１６ａ、１６ｂの上に積層する配置に反強磁性層２０ａ、２０ｂを設けたことにある。反強磁性層２０ａ、２０ｂは、磁気抵抗効果素子１０に形成された自由層の磁化方向を前記固定層の磁化方向と直交する方向（コア幅方向）に揃える向きに、磁区制御層１６ａ、１６ｂのバイアス磁界を固定するために設けられている。
上電極層１４は、反強磁性層２０ａ、２０ｂを設けたことにより、磁気抵抗効果素子１０の上面と反強磁性層２０ａ、２０ｂの上面を被覆するように設けられる。

図２は、図１に示す磁気抵抗効果型ヘッドにおける磁化方向を説明的に示している。
ＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドにおける磁気抵抗効果素子１０の膜構造はさまざまであるが、前述したように、固定層１０１と中間層１０２と自由層１０３を基本構造として備えている。

固定層１０１は磁気記録媒体の磁化によって磁化方向が変動しないように磁化方向が固定された磁性層からなる。固定層１０１の下層に反強磁性層を設け、磁気交換結合により固定層１０１の磁化方向を固定することが行われている。固定層１０１は、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金あるいは強磁性層と非磁性層の積層構造等によって形成される。反強磁性層は、ＭｎＰｔ、ＭｎＰｔＰｄ、ＭｎＩｒ、ＭｎＦｅ、ＭｎＮｉ、ＮｉＯ等によって形成される。
中間層１０２である絶縁層はＴＭＲ素子の場合に、下電極層１２と上電極層１４との間で電流を流した際に電流をトンネルさせて流すためのもので、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＴｉＯ、ＭｇＯ、ＨｆＯ等が用いられる。なお、ＧＭＲ素子の場合は、中間層１０２として絶縁層にかえて非磁性層が用いられる。
自由層１０３は磁気記録媒体の磁化方向によって磁化方向が回転するように設けられた磁性層からなる。自由層１０３はＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金等を用いた単層膜あるいは多層膜として形成される。

磁区制御層１６ａ、１６ｂは前述したように、自由層１０３の磁化方向を固定層１０１の磁化方向と直交する方向に揃えるバイアス磁界を作用させるためのものである。磁区制御層１６ａ、１６ｂは、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｔ等の硬質強磁性材によって形成され、自由層１０３の磁化方向が固定層１０１の磁化方向に対して直交する向きとなるバイアス磁界が生じるように磁化方向が設定される。

反強磁性層２０ａ、２０ｂは、この磁区制御層１６ａ、１６ｂによるバイアス磁界を固定するように作用する。反強磁性層２０ａ、２０ｂによって磁区制御層１６ａ、１６ｂのバイアス磁界を固定させるようにする作用は、反強磁性層２０ａ、２０ｂと磁区制御層１６ａ、１６ｂとの界面において生じる磁気交換結合作用によって磁区制御層１６ａ、１６ｂを一方向に揃えるようにする作用によって生じる。
こうして、反強磁性層２０ａ、２０ｂを設けることにより、磁気抵抗効果素子１０の側面に対向する磁区制御層１６ａ、１６ｂの端面の磁区が不均一となる問題が改善され、磁区制御層１６ａ、１６ｂは、より的確に自由層１０３の磁化方向を揃えることが可能になる。

また、反強磁性層２０ａ、２０ｂは軟磁性材からなる上電極層１４に対しても、その界面で上電極層１４の磁化方向を磁区制御層１６ａ、１６ｂの磁化方向と同方向に揃えるように作用する。
すなわち、反強磁性層２０ａ、２０ｂは上電極層１４の磁化方向を自由層１０３の基準磁化方向に向けて保持する作用を有し、これによって自由層１０３の磁化方向が不安定になることを防止し、バルクハウゼンノイズ等のノイズを抑制して、安定して動作する磁気抵抗効果型ヘッドとして提供することが可能となる。

なお、反強磁性層２０ａ、２０ｂと磁区制御層１６ａ、１６ｂとの間の磁気的結合を補強するため、反強磁性層２０ａ、２０ｂと磁区制御層１６ａ、１６ｂの界面に、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介在させる構成とすることも有効である。また、同様に、反強磁性層２０ａ、２０ｂと上電極層１４との間の磁気的結合を補強するため、上電極層１４と反強磁性層２０ａ、２０ｂの界面に、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介在させることも有効である。強磁性材料はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか１つ以上を含む合金であり、非磁性材料は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ等の単膜もしくはそれらの材料を含む合金膜である。２つの強磁性層の間に非磁性層を挟むことによって、２つの強磁性層を反強磁性結合させることにより、磁気的結合を補強することができる。

図３および図４は、上述した磁気抵抗効果型ヘッドの製造工程を示す。以下、図３、４にしたがって、磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法について説明する。
図３(a)は、磁気抵抗効果型ヘッドの基体となる基板上に下電極層１２を形成した状態を示す。下電極層１２は一方の電流端子として使用するとともに、磁気抵抗効果素子１０の磁気シールドとしても使用するものであり、軟磁性材によって形成する。下電極層１２はたとえば、めっきによりＮｉＦｅを１〜２μｍの厚さに形成する。めっき後、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)により下電極層１２の表面を平坦化する。

次いで、下電極層１２の表面に磁気抵抗効果膜１００を形成する。磁気抵抗効果膜１００は、上述したように反強磁性層、固定層、絶縁層、自由層、キャップ層等の各層を、スパッタリングにより、順次、積層することによって形成する。磁気抵抗効果膜１００の厚さは５０ｎｍ程度である。磁気抵抗効果膜１００を成膜した後、固定層１０１の磁化方向を浮上面に垂直方向に向けるためのピンアニール処理を行う。

図３(ｃ)は、次に、磁気抵抗効果膜１００をエッチングして磁気抵抗効果素子１０を形成するためのリフトオフパターン４０を形成した状態を示す。リフトオフパターン４０は磁気抵抗効果膜１００の表面に感光性レジストを被着し、露光および現像して、ひさし形状に形成する。
図３(d)は、リフトオフパターン４０をマスクとして、イオンミリングにより磁気抵抗効果膜１００をエッチングした状態を示す。イオンミリングの角度を調節することにより、磁気抵抗効果素子１０は側面が傾斜面にエッチングされる。

図４(ａ）は、磁気抵抗効果素子１０の上にリフトオフパターン４０が形成されている状態で、絶縁層１８ａ、１８ｂと、磁区制御層１６ａ、１６ｂと、反強磁性層２０ａ、２０ｂをこの順に成膜した状態を示す。絶縁層１８ａ、１８ｂの膜厚は５〜２０ｎｍ、磁区制御層１６ａ、１６ｂの膜厚は２００〜４００ｎｍ、反強磁性層２０ａ、２０ｂの膜厚は１０ｎｍ程度である。
本実施形態では、絶縁層１８としてアルミナを使用し、磁区制御層１６としてＣｏＣｒＰｔを使用し、反強磁性層２０としてＰｄＰｔＭｎを使用した。

絶縁層と磁区制御層と反強磁性層とを成膜した後、リフトオフすることにより、図４（ｂ）に示すように、下電極層１２上に、磁気抵抗効果素子１０と、磁区制御層１６ａ、１６ｂおよび反強磁性層２０ａ、２０ｂが残される。磁区制御層１６ａ、１６ｂと磁気抵抗効果素子１０および下電極層１２との界面には絶縁層１８ａ、１８ｂが介在する。
図４(ｃ)は、次に、磁気抵抗効果素子１０の表面と反強磁性層２０ａ、２０ｂの表面に上電極層１４を形成した状態を示す。上電極層１４は軟磁性体によって形成するもので、たとえば、ＮｉＦｅを１〜２μｍの厚さにめっきして形成することができる。

最後に、アニール処理により磁区制御層１６ａ、１６ｂと反強磁性層２０ａ、２０ｂと上電極層１４を自由層１０３の所定の基準磁化方向（固定層１０１の磁化方向と直交する方向）に磁化させる（図４(ｄ)）。このアニール処理では、あらかじめ磁化方向を決めてある固定層１０１の磁化方向が曲がらない程度に行う。
こうして、各部の磁化方向が図２に示す構成を備えた磁気抵抗効果型ヘッドが得られる。

上述した磁気抵抗効果型ヘッドは磁気ディスク装置に用いられる記録再生ヘッドの再生ヘッド部分を構成する。記録再生ヘッドは、上述した磁気抵抗効果型ヘッドの上層に、記録用のヘッドを形成して得られる。記録用ヘッドは、コイルと磁気ヨークとを組み合わせ、コイルによる誘導磁界を利用して磁気記録媒体に情報を記録する構成を備える。この記録用ヘッドは磁性材等を成膜等する公知の方法によって形成される。

図５は、上記の磁気抵抗効果型ヘッドを備えた記録再生ヘッドを使用した磁気ディスク装置の一例を示す。磁気ディスク装置５０は、矩形の箱状に形成されたケーシング５１内に、スピンドルモータ５２によって回転駆動される複数の磁気記録ディスク５３を備える。磁気記録ディスク５３の側方には、ディスク面に平行に揺動可能に支持されたキャリッジアーム５４が配置されている。キャリッジアーム５４の先端には、キャリッジアーム５４の延長方向にヘッドサスペンション５５が取り付けられ、ヘッドサスペンション５５の先端にヘッドスライダー６０が取り付けられる。ヘッドスライダー６０は、ヘッドサスペンション５５のディスク面に対向する面に取り付けられる。

図６は、ヘッドスライダー６０の斜視図を示す。ヘッドスライダー６０の磁気ディスクに対向する面（ＡＢＳ面）には、スライダー本体６１の側縁に沿ってヘッドスライダー６０を磁気ディスク面から浮上させるための浮上用レール６２ａ、６２ｂが設けられている。磁気抵抗効果型ヘッドを備える記録再生ヘッド６３は、ヘッドスライダー６０の前端側（気流が流出する側）に磁気ディスクに対向して配置されている。記録再生ヘッド６３は保護膜６４によって被覆して保護されている。

ヘッドスライダー６０は、ヘッドサスペンション５５によりディスク面に弾性的に押圧され、磁気記録ディスク５３の回転が停止している際にはディスク面に接触している。スピンドルモータ５２により磁気記録ディスク５３が回転駆動されると、磁気記録ディスク５３の回転によって生じた気流によってヘッドスライダー６０がディスク面から離間するように浮上する。ヘッドスライダー６０に設けられた記録再生ヘッドにより磁気記録ディスク５３に情報を記録し、情報を再生する動作は、アクチュエータ５６によりキャリッジアーム５４を所定位置に揺動させる操作（シーク動作）によってなされる。

本発明に係る磁気抵抗効果型ヘッドの構成を示す断面図である。磁気抵抗効果型ヘッドの磁化方向を示す説明図である。磁気抵抗効果型ヘッドの製造工程を示す説明図である。磁気抵抗効果型ヘッドの製造工程を示す説明図である。磁気ディスク装置の全体構成を示す平面図である。ヘッドスライダーの斜視図である。磁気抵抗効果型ヘッドの従来の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０磁気抵抗効果素子
１２下電極層
１４上電極層
１６、１６ａ、１６ｂ磁区制御層
１８、１８ａ、１８ｂ絶縁層
２０、２０ａ、２０ｂ反強磁性層
３０磁気抵抗効果型ヘッド
４０リフトオフパターン
５０磁気ディスク装置
５３磁気記録ディスク
５４キャリッジアーム
５５ヘッドサスペンション
６０ヘッドスライダー
６３記録再生ヘッド

Claims

磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層および上電極層と、前記磁気抵抗効果素子の側方に絶縁膜を介して配置され、前記磁気抵抗効果素子に設けられた自由層の磁区を制御するバイアス磁界を作用させる磁区制御層とを備えたＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、
前記磁区制御層の上に積層して、前記磁区制御層のバイアス磁界を固定する反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
前記磁気抵抗効果素子は、固定層、絶縁層、自由層を備えたＴＭＲ素子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。
前記磁気抵抗効果素子は、固定層、非磁性中間層、自由層を備えたスピンバルブ型のＧＭＲ素子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。
前記反強磁性層は、前記磁区制御層との界面に配置した、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介して前記磁区制御層と磁気的に結合してい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。
前記反強磁性層は、前記上電極層との界面に配置した、強磁性層、非磁性層、強磁性層を介して前記上電極層と磁気的に結合してい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。
回転駆動手段により回転駆動される磁気記録ディスクと、記録再生ヘッドが形成されたヘッドスライダーを支持するヘッドサスペンションおよびキャリッジアームを含む支持手段と、該支持手段を駆動して前記ヘッドスライダーをシーク動作させる制御部とを備える磁気ディスク装置であって、
前記記録再生ヘッドは、再生ヘッドとして、
磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟む配置に設けられた下電極層および上電極層と、前記磁気抵抗効果素子の側方に絶縁膜を介して配置され、前記磁気抵抗効果素子に設けられた自由層の磁区を制御するバイアス磁界を作用させる磁区制御層とを備え、前記磁区制御層の上に積層して、前記磁区制御層のバイアス磁界を固定する反強磁性層が設けられたＣＰＰ型の磁気抵抗効果型ヘッドが設けられていることを特徴とする磁気ディスク装置。