JP2007095186A

JP2007095186A - 磁気抵抗効果型磁気ヘッド及び複合型磁気ヘッド

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Publication number: JP2007095186A
Application number: JP2005284186A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nishioka; 浩一西岡; Keishi Shigematsu; 恵嗣重松; Koji Kataoka; 宏治片岡; Takayoshi Otsu; 孝佳大津
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP4694332B2

Abstract

【課題】センサ膜の面積が小さくなるにつれて、センサ膜の単位面積あたりの衝撃エネルギーが増大し、固定層の磁気構造が損傷をうける。これによって、固定層の磁気モーメントが所望の方向から反転するPin Rotation現象などが発生する。
【解決手段】ＧＭＲヘッド１０は、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層の間に、スピンバルブ膜８と、スピンバルブ膜８の両端部に配置された下地層４と磁区制御層５と電極層６の積層構造とを有する。スピンバルブ膜８は反強磁性層１１の上部に４層の強磁性層１２，１４１，１４２，１４３がそれぞれの間に反強磁性結合層１３１，１３２，１３３を介して積層された固定層１９を有し、固定層１９の上部に非磁性層１５、自由層１６、キャップ層１７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗効果型磁気ヘッド及び複合型磁気ヘッドに係り、特にスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドのスピンバルブ膜の構成に関する。

磁気ディスク装置の記録密度の向上に伴い、再生ヘッドとして使用される磁気抵抗効果型磁気ヘッドには益々高感度化が求められ、近年は高出力が期待できるスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッド（ＧＭＲヘッド）が一般的に採用されるようになった。ＧＭＲヘッドは反強磁性層、固定層、非磁性層、自由層が積層されたスピンバルブ膜（センサ膜）を有する。固定層と自由層は非磁性導電層を挟むように配置され、反強磁性層は非磁性導電層と反対面に固定層と接するように配置される。固定層は単層又は２層からなる強磁性薄膜で構成され、固定層の膜面片側を反強磁性材料からなる反強磁性層と磁気的に結合させることにより磁化方向が固定されている。非磁性導電層はＣｕ等の非磁性導電材料からなる。自由層は単層又は複数層からなる強磁性薄膜で構成され、ディスク媒体に記録された信号磁界の変化を受けることで、その磁化方向は容易に回転する。ＧＭＲヘッドは自由層と固定層との磁化方向のなす相対角度によって抵抗変化する性質をもつ。ＧＭＲヘッドへ所定の検出電流を流し磁界変化による抵抗変化を電気的な信号として検出することで磁気ディスク媒体の磁気信号を再生することができる。

磁気ディスク装置の高記録密度化を実現するために、ＧＭＲヘッドのセンサ膜の微細化が進んでおり、トラック幅及び素子高さ（ＭＲハイト）が１００ｎｍ級になってきている。ＧＭＲヘッドを形成するプロセスには、偶発的に静電気的な放電（ＥＳＤ）や電気的オーバーストレス（ＥＯＳ）や機械的な衝撃が加わることがある。センサ膜が微細になればなるほど、センサ膜の単位面積あたりに加わる衝撃のエネルギーが大きくなるために、センサ膜の損傷の度合いが大きくなる。プロセス中に損傷を受けたＧＭＲヘッドの中には、損傷の度合いがひどいものは、出来上がりでヘッド出力の反転(Negative Amplitude)が現れる。損傷の度合いが小さくても、実使用時にヘッド出力が変化する現象が生じることがある。これらの損傷を受けたＧＭＲヘッドの中には、固定層が損傷を受けたものが見られており、これは、固定層の磁気モーメントを固定するための各種エネルギーが、衝撃のエネルギーに耐えられなくなるためである。

非特許文献１には、下地層の上に、反強磁性層と、固定層（第１の強磁性層、反強磁性結合層、第２の強磁性層の積層）と、非磁性層と、自由層が積層されたＧＭＲセンサ膜において、固定層の強化策として反強磁性層の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ（AFM）を大きくして反強磁性層の磁気構造を安定化すること、第１の強磁性層と第２の強磁性層の交換結合エネルギー定数Ｅｊと、反強磁性層と第１の強磁性層の交換結合エネルギー定数Ｅｕを大きくすることが記載されている。

西岡浩一、他５名「ＧＭＲヘッド固定層磁化挙動解析と改善策」、社団法人日本応用磁気学会、第１４０回研究会資料、層間磁気結合、平成１７年２月１５日、資料番号１４０−８、ｐ４９−５８

高密度化が進むにつれてセンサ膜の寸法が１００ｎｍ級からさらに微細化する傾向にある。センサ膜を形成する反強磁性層は複数の結晶からなっており。その平均結晶粒径は１０〜３０ｎｍである。センサの寸法が微細化してくるとセンサの反強磁性層を構成する結晶粒の数が減少してくるため物性値が統計的な扱いができなくなることに起因する特徴が生じ始める。例えば、その一つとして、センサ膜の再生信号の非対称性が、素子寸法が減少するにつれて大きなばらつきを生じ、結果的に素子の歩留り劣化につながり、生産に悪影響を及ぼす。また、別の悪影響の例としては、センサ寸法の微細化に伴い、センサの出力信号レベルが記録/再生動作を行わなくても変動するという現象も生じる。このような現象は再生信号を識別する上で障害となるためノイズの一種であり、グリッジノイズあるいはランダムテレグラムノイズと呼ばれる。
本発明の目的は、センササイズの微細化によって生じる悪影響、即ちセンサの再生信号の非対称性の劣化、及びグリッジノイズの増大を改善した磁気抵抗効果型ヘッド及び複合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、本発明の代表的な磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいては、外部磁界により磁化方向が変化する自由層と、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層の間に配置された非磁性層と、前記固定層の磁化方向を固定する反強磁性層とを有するセンサ膜と、前記センサ膜の両端部に配置された下地層と磁区制御層と電極層の積層体と、前記センサ膜と前記積層体の上下に配置された下部磁気シールド層と上部磁気シールド層とを有し、前記固定層は反強磁性結合層を介して積層された４層以上の強磁性層を有することを特徴とする。

本発明によれば、センササイズの微細化によって生じる再生信号の非対称性の劣化、及びグリッジノイズの増大を改善した磁気抵抗効果型ヘッド及び複合型磁気ヘッドを提供することができる。

まず図２を参照してＣＩＰ(Current In the Plane)型のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッド（ＧＭＲヘッド）の構成を説明する。図２では基板、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層を省略してある。ＧＭＲヘッドは、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層の間に、スピンバルブ膜２と、スピンバルブ膜２の両端部に配置された下地層４と磁区制御層（永久磁石）５と電極層６の積層構造とを有する。永久磁石５はスピンバルブ膜２の自由層にトラック幅方向のバイアス磁界７を印加する。スピンバルブ膜２のトラック幅方向の幅が実質的にリードセンサ幅３となる。

図３にスピンバルブ膜２をトラック幅方向（Ｘ方向）から見た図を示す。スピンバルブ膜２は反強磁性層１１上に第１強磁性層１２、反強磁性結合層１３、第２強磁性層１４が積層され、第２強磁性層１４上に非磁性層（スペーサ層）１５、自由層１６、保護層（Ｃａｐ層）１７が積層されている。反強磁性結合層１３を挟む第１強磁性層１２と第２強磁性層１４で固定層１８を構成している。これらの層のうち磁性材料は、反強磁性層１１、第１強磁性層１２、第２強磁性層１４及び自由層１６であり、これらには、磁気モーメントの方向を矢印で示してある。

反強磁性層１１内部では、原子レベルの周期で磁気モーメントが互いに反平行を向いており、反強磁性層１１は自発磁化を持たず外部磁界に対して直接相互作用しない。隣接する第１強磁性層１２を交換結合力により安定に固定することが求められるために、反強磁性層１１を構成する各結晶は大きな磁気異方性を有し、磁気構造を容易に変化させないことが求められる。磁気異方性エネルギー定数をＥｋ(AFM)として表す。結晶内部の磁化の容易方向（主軸）は結晶の対称性に応じて２回対称であったり、６回対称であったりする可能性がある。また、反強磁性層１１は、多結晶系でその方位は膜面内でランダムである（図５にはその様子を表す）。第１強磁性層１２の磁気モーメントとの交換結合エネルギー定数が正とすると、反強磁性層１１の界面の原子磁気モーメントは各結晶内部でＭＲハイト方向Ｙに最も近い容易軸を向いていると考えられる。

反強磁性層１１と第１強磁性層１２の界面には交換相互作用が働き磁気的に結合している。第１強磁性層１２からみると、反強磁性層１１から大きな一方向のバイアス磁界をＭＲハイト方向Ｙに受ける。反強磁性層１１と第１強磁性層１２の交換結合エネルギー定数をＥｕで表す。第１強磁性層１２は強磁性であり、その磁気モーメント２０をＭ(AP1)で表す。また、図４に示すようにスピンバルブ膜２には下地層４と永久磁石５と電極層６の積層構造からトラック幅方向に圧縮応力σ２５が働くために、磁気弾性効果による応力誘起の誘導磁気異方性(一軸磁気異方性)が生じる。第１強磁性層１２の磁歪定数λ_ＡＰ１は正であるため、その向きはＭＲハイト方向Ｙである。磁気異方性エネルギー定数をＥｋ(AP1)で表す。また、磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(AP1)は（3/2 λ_ＡＰ１ σ）で表すことができる。ここで、エネルギー定数及び磁気モーメントはすべて単位面積あたりである。

第１強磁性層１２上には反強磁性結合層１３が積層され、反強磁性結合層１３上には第２強磁性層１４が積層される。反強磁性結合層１３はＲＫＫＹ相互作用により第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の磁化を反平行結合させる働きをする。第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の交換結合エネルギー定数をＥｊで表す。第２強磁性層１４は第１強磁性層１２と同様に強磁性であり、その磁気モーメント２１をＭ(AP2)で表す。また、第１強磁性層１２と同様に磁歪定数λ_ＡＰ２は正であるため、磁気弾性効果による応力誘起の一軸磁気異方性がＭＲハイト方向に生じる。磁気異方性エネルギー定数をＥｋ(AP2)で表す。また、磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(AP2)は（3/2 λ_ＡＰ２ σ）で表すことができる。

図４に、スピンバルブ膜２に、下地層４と永久磁石５と電極層６の積層構造からトラック幅方向に働く圧縮応力σ２５の他に、第１強磁性層１２の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(AP1)の容易軸方位２３と、第２強磁性層１４の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(AP2)の容易軸方位２４を示す。

図３に戻る。第２強磁性層１４に接して非磁性層１５が積層され、非磁性層１５上に自由層１６が積層される。第２強磁性層１４と自由層１６との間には弱い交換結合が存在する。そのエネルギー定数をＥintで表す。自由層１６は強磁性材料であり、その磁気モーメントをＭ(Free)で表す。また、自由層１６にはトラック幅方向に一軸異方性を誘起させる。さらに、隣接する永久磁石５からのバイアス磁界７もトラック幅方向に印加される。永久磁石５からのバイアス磁界７は一方向性であるが、ＭＲハイト方向の磁化過程には一方向性も一軸異方性も同じに見てよいのでこれらを合わせてトラック幅方向の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(Free)として表す。

図５は、ＧＭＲヘッドのリードセンサ幅３が広い場合の反強磁性層１１表面の磁気モーメントを表す概念図である。結晶内部の磁化の容易方向（主軸）４２は結晶の対称性に応じて２回対称である例であり、その方位は結晶ごとにばらばら（ランダム）である。各結晶粒４１の界面の磁気モーメント４３は、磁気ヘッドの作成プロセスの中のひとつである＋Ｙ方向の磁界中での熱処理によってＹ＞０となる容易軸方位を向いておりＹ＞０の領域でランダムに分布する。反強磁性層１１内の結晶粒４１の数が十分に多いので、これら界面磁気モーメント４３の平均磁気モーメント４４の方向はＭＲハイト方向+Ｙとなる。図６に各層の磁気モーメントの方位を示す。

図６は、各層の磁気モーメントの方位が理解し易いように、積層構造を平面に展開した図である。第１強磁性層１２の磁気モーメントには反強磁性層１１の界面の磁気モーメントと平行になろうとする交換結合力と第１強磁性層１２自身の内部の磁気モーメントを平行にしようとする強磁性交換結合力が働くために、その磁気モーメント２０は平均磁気モーメント４４の方向と平行となる。したがって、第１強磁性層１２の磁気モーメント２０の方位もＭＲハイト方向Ｙとなる。第２強磁性層１４の磁気モーメント２１の方位は、第２強磁性層１４が反強磁性結合層１３により第１強磁性層１２と反平行結合しているので第１強磁性層１２の磁気モーメント２０の方位と逆方向である。

図７に、リードセンサ幅３が１００ｎｍ以下に狭くなり、ＭＲハイトも１００ｎｍ以下となった場合の反強磁性層１１表面の磁気モーメントの概念図を示す。リードセンサ幅３が狭くなり、ＭＲハイトも小さくなると、反強磁性層１１に含まれる結晶粒４１の数が少なくなる。各結晶粒４１の界面の磁気モーメント４３は反強磁性層１１のトラック幅方向Ｘ及びＭＲハイト方向Ｙにランダムに分布するが、結晶粒４１の数が少ないと、反強磁性層界面の平均磁気モーメント４４がＹ方向から変位するＧＭＲヘッドが出現する。反強磁性層界面の平均磁気モーメント４４がＹ方向から変位すると、図８に示すように、第１強磁性層１２の磁気モーメント２０もＹ方向から変位し、第１強磁性層１２と反平行結合している第２強磁性層１４の磁気モーメント２１もＹ方向から変位することになる。第２強磁性層１４の磁気モーメント２１がＹ方向から変位すると、正の媒体磁化と負の媒体磁化を再生した場合の再生信号の大きさに違いが生じ、再生信号の対称性が損なわれる。特に、変位が大きい場合には、再生信号のエラーが発生することになる。

上記、磁気モーメントのＭＲハイト方向Ｙからの変位を防止するひとつの方法は、センササイズが微細化して統計平均が十分MRハイト方向Ｙとなるように、反強磁性層１１の結晶粒径を微細化することである。しかしながら、反強磁性層１１の粒径を微細化すると、反強磁性層が容易に熱励起により揺らぐためにその温度特性を現すブロッキング温度の低下を招く。したがって、それと接触しその交換結合によって磁気モーメントが固定される固定層１２と１４の磁気モーメントも不安定化するために、結晶粒径の微細化は望ましい解決策とはならない。

上記、磁気モーメントのＭＲハイト方向Ｙからの変位を防止する他の方法はＥｋ(AP1)、Ｅｋ(AP2)を大きくすることである。なぜなら、図４に示すように、これらの一軸異方性の磁化容易軸がＭＲハイト方向でなるために、ＭＲハイト方向に固定層の磁気モーメントを揃える働きがあるからである。Ｅｋ(AP1)とＥｋ(AP2)は第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の材料組成に依存し、これらの膜厚に比例する。適正な材料組成を見出すには、多大な探索作業を必要とするが膜厚を大きくすることは容易である。膜厚を厚くすることによってＥｋ(AP1)、Ｅｋ(AP2)を大きくすることは容易である。しかしながら、第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の膜厚を厚くすると、固定層１８の外部磁界に対する耐力である磁化反転磁界Ｈ_５０が低下することになる。図９に固定層１８の磁化反転磁界Ｈ_５０の定義を示すが、−5000Ｏｅ(−400KA/m)の外部磁界が加わると、固定層１８の磁気モーメントが変位し、出力が反転し始めることを示している。磁化反転磁界Ｈ_５０は概ね次の式で表すことができる。
Ｈ_５０＝Ｅｊ／[0.5＊（Ｍｓ_ＡＰ１＊ｔ_ＡＰ１＋Ｍｓ_ＡＰ２＊ｔ_ＡＰ２））]
Ｍｓ_ＡＰ１：第１強磁性層１２の磁化
ｔ_ＡＰ１：第１強磁性層１２の膜厚
Ｍｓ_ＡＰ２：第２強磁性層１４の磁化
ｔ_ＡＰ２：第２強磁性層１４の膜厚
Ｈ_５０は概ね第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の平均の膜厚に逆比例する。したがって、第１強磁性層１２と第２強磁性層１４の膜厚を厚くするとＨ_５０が低下する。

本発明は固定層の磁化反転磁界Ｈ_５０を低下させることなく、固定層の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋを大きくするものであり、以下に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図１に本発明の実施例によるＣＩＰ(Current In the Plane)型のスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッド（ＧＭＲヘッド）１０の構成を示す。図１０は、各層の磁気モーメントの方位が理解し易いように、積層構造を平面に展開した図である。ＧＭＲヘッド１０は、センサ膜８の構成以外は図２で説明したＧＭＲヘッドと同じ構成である。図２同様、基板、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層を省略してある。ＧＭＲヘッド１０は、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層の間に、スピンバルブ膜８と、スピンバルブ膜８の両端部に配置された下地層４と磁区制御層（永久磁石）５と電極層６の積層構造とを有する。スピンバルブ膜８は反強磁性層１１の上部に４層の強磁性層１２，１４１，１４２，１４３がそれぞれの間に反強磁性結合層１３１，１３２，１３３を介して積層された固定層１９を有し、固定層１９の上部に非磁性層１５、自由層１６、キャップ層１７を有する。永久磁石５はスピンバルブ膜８の自由層１６にトラック幅方向のバイアス磁界７を印加している。スピンバルブ膜８のトラック幅方向の幅が実質的にリードセンサ幅３となり、リードセンサ幅３は１００ｎｍ以下、ＭＲハイト（ｈＭＲ）は１００ｎｍ以下である。

反強磁性層１１には、ＰｔとＭｎの規則合金材料または、ＭｎとＩｒの合金が用いられ、第１〜第４強磁性層にはＣｏ−Ｆｅ合金またはＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金が用いられる。これらの強磁性層は磁歪定数λができるだけ大きいことが望ましく、Ｃｏ−５０ａｔ％Ｆｅ近傍の合金を用いるのが望ましい。第１〜第３反強磁性結合層にはＲｕ材料が用いられる。ＰｔＭｎの反強磁性層１１とＣｏ合金の第１強磁性層１２の交換結合エネルギー定数Ｅｕは、0.3erg/cm²(室温)であり、ブロッキング温度は３２０°Ｃである。第１強磁性層１２と第２強磁性層１４１の交換結合エネルギー定数Ｅｊ_１は、0.6〜1.6erg/cm²(室温)である。第２強磁性層１４１と第３強磁性層１４２の交換結合エネルギー定数Ｅｊ_２、第３強磁性層１４２と第４強磁性層１４３の交換結合エネルギー定数Ｅｊ_３も0.6〜1.6erg/cm²(室温)である。また、センサ膜８にはトラック幅方向に圧縮応力σが誘起され、第１〜第４強磁性層の磁歪定数λが正であるので、トラック幅方向に一軸磁気異方性が誘起される。この単位面積あたりの磁気異方性エネルギー定数Ｅｋ(AP1)、Ｅｋ(AP2)、Ｅｋ(AP3)、Ｅｋ(AP4)は約0.２erg/cm²(室温)程度と見積られる。

リードセンサ幅３が１００ｎｍ以下と狭く、ＭＲハイト（ｈＭＲ）も１００ｎｍ以下になると、図８に示したように、反強磁性層１１界面の平均磁気モーメント４４がＹ方向から変位しているものがあり、この場合は、反強磁性層１１の上部に積層される固定層の磁気モーメントもＹ方向から変位する。しかしながら、上記実施例の構成によれば、固定層１９の各強磁性層の膜厚は厚くしないで、トータルの厚さを厚くしているので、トータルの磁気異方性エネルギー定数Ｅｋが、Ｅｋ＝Ｅｋ(AP1)＋Ｅｋ(AP2)＋Ｅｋ(AP3)＋Ｅｋ(AP4)と増加する。固定層１９の磁化反転磁界Ｈ_５０は、強磁性層の積層数をＮとすると、次式で与えられ、
Ｈ_５０＝Ｅｊ／1/N＊（Ｍｓ_ＡＰ１＊ｔ_ＡＰ１＋・・・＋Ｍｓ_ＡＰＮ＊ｔ_ＡＰＮ）））
Ｈ_５０は各層の平均の膜厚にほぼ比例するため、Ｈ_５０の低下は生じない。

図１０に各層の磁気モーメントの方位を示すが、固定層１９のトータルの磁気異方性エネルギー定数Ｅｋが大きくなっているので、反強磁性層１１の磁気モーメント４４がＹ方向から変位していても、各強磁性層の磁気モーメントの変位は上部に向かって徐々に矯正され、最上部の第４強磁性層１４３の磁気モーメント２１３はＹ方向に対して平行になっている。

したがって、上記実施例の構成によれば、固定層の磁化反転磁界Ｈ_５０を低下させることなく、固定層の磁気異方性エネルギー定数Ｅｋを大きくすることができるので、固定層の磁気モーメントをＭＲハイト方向Ｙに固定することができる。これにより、再生信号の非対称性の劣化を改善したＧＭＲヘッドを得ることができる。なお、上記実施例では、固定層を４層構成としたが、これに限られることはなく４層以上であっても良い。ただし、偶数層とするのが望ましい。

上記実施例のＧＭＲヘッドは、ＣＩＰ型ＧＭＲヘッドであるが、上記多層固定層はＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)型ＧＭＲヘッド、固定層と自由層に挟まれる非磁性層が酸化物からなるＴＭＲ(Tunneling Magnetoresistive)ヘッドへの適用も可能である。ただし、ＣＩＰ型ＧＭＲヘッドの場合は、固定層のＮ層の強磁性層のうち、非磁性層と隣接しないＮ−１層以下の強磁性層は磁気抵抗変化に寄与せず、センス電流を分流するシャント層になるので、Ｎ−１層以下強磁性層の比抵抗をできるだけ大きくすることが重要である。比抵抗を大きくするためには、Ｖ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏなどの元素を添加するのが効果的である。

図１１に上記実施例で説明した固定層の膜構成、膜組成、膜厚を変化させた場合を、Waf#01〜08として示し、図１２〜図１５にその評価結果を示す。図１１において、Waf#01と05は強磁性層が２層のサンプルである。Waf#01は１層目の強磁性層(AP3)にCo-21at%Fe-6at%Vを用い、２層目の強磁性層(AP4)にCo-10at%Feを用いている。Waf#05は１層目の強磁性層(AP3)にCo-47at%Fe-6at%Vを用い、２層目の強磁性層(AP4)にCo-10at%Feを用いている。Waf#01，05とも中間の反強磁性結合層にはＲｕを用いている。Waf#02〜04は第１強磁性層(AP1)、第２強磁性層(AP2)、第３強磁性層(AP3)にCo-21at%Fe-6at%Vを用い、第４強磁性層(AP4)にCo-10at%Feを用いている。Waf#06〜08は第１強磁性層(AP1)、第２強磁性層(AP2)、第３強磁性層(AP3)にCo-47at%Fe-6at%Vを用い、第４強磁性層(AP4)にCo-10at%Feを用いている。Waf#02〜04，Waf#06〜08の各層の中間の反強磁性結合層にはＲｕを用いている。

図１２に固定層の強磁性層にＶを添加した場合の比抵抗ρの変化と、磁気モーメントMs/Msoの変化を示す。比抵抗ρはＶを添加することにより急激に増大している。磁気モーメントは、4at%〜8at%の添加であれば、低下はするが問題のない範囲である。これらの結果からＶの添加量は、4at%〜8at%が適切な範囲である。

図１３は固定層の各強磁性層間の交換結合エネルギー定数Ｅｊと、反強磁性結合層Ｒｕの膜厚との関係を示している。交換結合エネルギー定数Ｅｊは反強磁性結合層Ｒｕの膜厚を薄くするにつれて増大し、３．５オングストロームで最大となっている。図１１及び図１３から反強磁性結合層Ｒｕの膜厚の適切な範囲は、２．５〜９．０オングストロームであり、望ましくは２．５〜５．０オングストロームである。２．５オングストローム以下が使えない理由はＡＰ１とＡＰ２の間の結合に強磁性成分が現れてくるために、ＡＰ１とＡＰ２の反並行の磁気構造が保てないためである。

図１４はWaf#01〜08の磁気抵抗(Rmin)、抵抗変化率(GMR)、磁化反転磁界Ｈ_５０と第１強磁性層(AP1)の膜厚との関係を示す図である。Waf#02,03,04,06,08の結果から、第１強磁性層(AP1)の膜厚は９．０〜１８．３であれば、これらの磁気特性はそれほど低下していないことがわかる。特にWaf#02,03,04は磁化反転磁界Ｈ_５０の低下が少ないことがわかる。図１１及び図１４から各強磁性層の膜厚の適切な範囲は、９．０〜２６．１オングストロームである。また、Ｈ_５０のグラフにおいて、Waf#07のＨ_５０が2300 Oe(184 KA/m)と他のものに比べて小さくなっている理由は、図１１からわかるように反強磁性結合膜Ｒｕをすべて８．０オングストロームと他のウエハに比べて厚くしたためである。他のウエハでは、２層目は８．０オングストロームと同じであるが、Ｒｕの１層目と３層目のＲｕは５．０オングストローム以下と薄くしているために図１３に示すようにＲｕの１層目と３層目のＥｊが1.0erg/cm2以上と大きくなっているためである。したがって、Ｒｕの膜厚は５．０オングストローム以下に薄くするのが望ましい。磁気ヘッドの作成プロセスの中のひとつであるＭＲハイト方向の磁界中での熱処理によって反強磁性層の界面の磁気モーメントをＭＲハイト方向に向ける際に、固定層の磁気モーメントをＭＲハイト方向に飽和させる必要がある。本検討で第２層目のＲう膜厚を８．０オングストロームと厚く設定した理由は、用いた磁界が14 kOe(1120 KA/m)であるのためである。例えば30 kOe(2400 KA/m)以上のの強磁界を用いればＲｕ膜厚をすべて５．０オングストロームにすることが可能である。

図１５は固定層が４層構造（実施例）と２層構造（従来例）の場合の、ＧＭＲヘッドの再生出力(Ｖ)と、波形の非対称性(Asym)と、Glitch Noise抑止率とを示す図である。再生出力(Ｖ)、波形の非対称性(Asym)、Glitch Noise抑止率とも実施例の４層構造の方が優れていることがわかる。Glitch Noiseは、リード動作を行わないでセンス電流を通じた状態で、出力電圧レベルを測定することによって観測することができる。リード動作を行わないので、センサには磁界が生じないためにその出力レベルは一定となるのが理想であるが、実際のヘッドを観測すると、出力レベルが時間とともに変動することがある。多くの場合、その出力レベルはヘッドによって決まった２つないしは複数のレベルの間を遷移するのが普通である。このような安定な複数のレベルが存在するひとつの理由は、固定層に安定方位が複数存在することである。

図７に示したように、トラック幅が狭くなると反強磁性層から固定層がうける交換結合磁界がＭＲハイト方向Ｙから顕著に傾く場合が生じ、固定層はＭＲハイト方向Ｙから傾いた方向に一方向性の磁化容易軸を有することになる。また、固定層は図４に示したように磁気弾性効果によってＭＲハイト方向Ｙに一軸性の誘導磁気異方性を有する。反強磁性層から固定層がうける交換結合エネルギーＥｕが磁気弾性効果による一軸性のエネルギーＥｋ（ＡＰ１）と同程度の場合、安定なエネルギーレベルがＭＲハイト方向ＹとＭＲハイト方向Ｙから傾いた別の方位の２つに存在することとなり、２つの方位を固定層（ＡＰ１）磁気モーメントが遷移する可能性が出てくる。したがって、Glitch Noiseが現れる。

上記実施例では、固定層を４層構成とすることで、磁気弾性効果による一軸性のエネルギーＥｋを反強磁性層からの交換結合エネルギーＥｕより大きくするため、固定層磁化の安定方位はＭＲハイト方向Ｙのみとなるために、Glitch Noiseの発生を抑止することができる。

上記実施例の説明では、上下の磁気シールド層を省略したセンサ膜について説明したが、上記センサ膜を実装したＧＭＲヘッド１０と、ＧＭＲヘッド１０に隣接して配置される記録ヘッド５０とで構成される複合型磁気ヘッドの構成を図１６に示す。センサ膜を構成するスピンバルブ膜８及び下地層４，永久磁石層５，電極層６の積層体は、下部ギャップ層１０４及び上部ギャップ層１０６を介して下部磁気シールド層１０２と上部磁気シールド層１０８の間に配置される。上部磁気シールド１０８の上に絶縁層３０が設けられ、その上部に誘導型記録ヘッド５０を構成する下部磁極層５１と、下部磁極層４１の先端部に位置する下部磁極突起部４２と、磁気ギャップ層５３を介して下部磁極突起部５２に対向する上部磁極先端部５４と、上部磁極先端部５４の磁気ヨークとなる上部磁極層５５とが設けられ、下部磁極層５１と上部磁極層５５の間に層間絶縁層５６を介して導体コイル５７が設けられる。誘導型記録ヘッド５０の上部は図示はしないが硬質保護層で覆われる。

図１７は、上記実施例によるセンサ膜が適用されるＣＰＰ型ＧＭＲヘッドの概略構成図である。センサ膜３０３の両側に絶縁体３０６，３０７を介して磁区制御層３０４が設けられ、センサ膜３０３及び絶縁体３０６，３０７の上下に下部電極層３０１と上部電極層３０２が設けられ、センス電流は下部電極層３０１と上部電極層３０２の間をセンサ膜３０３に垂直に流れる構成である。なお、この構成においては、下部電極層３０１を磁性材で構成することにより下部磁気シールド層と兼用することができる。同様に上部電極層３０２を磁性材で構成することにより上部磁気シールド層と兼用することができる。

本発明の実施例によるＣＩＰ型ＧＭＲヘッドのセンサ膜の構成を示す斜視図である。ＣＩＰ型ＧＭＲヘッドのセンサ膜の構成を示す斜視図である。スピンバルブ膜をトラック幅方向（Ｘ方向）から見た構成を磁気パラメータとともに示す図である。スピンバルブ膜のトラック幅方向に働く圧縮応力と固定層の磁気異方性エネルギー定数の容易軸方位を示す図である。リードセンサ幅が広い場合の反強磁性層の磁化容易軸と反強磁性層表面の磁気モーメントを表す概念図である。ＧＭＲヘッドの各層の磁気モーメントの方位を示す図で積層構造を平面に展開した図である。リードセンサ幅が狭い場合の反強磁性層の磁化容易軸と反強磁性層表面の磁気モーメントを表す概念図である。ＧＭＲヘッドの各層の磁気モーメントの方位の変位を示す図である。固定層の磁化反転磁界Ｈ_５０の定義を説明するための図である。本発明の実施例によるＧＭＲヘッドの各層の磁気モーメントの方位を示す図である。ＧＭＲヘッドの固定層の膜構成、膜組成、膜厚のサンプルを示す図である。固定層の強磁性層にＶを添加した場合の比抵抗と磁気モーメントの変化を示す図である。固定層の各強磁性層間の交換結合エネルギー定数Ｅｊと、反強磁性結合層Ｒｕの膜厚との関係を示す図である。各サンプルの磁気抵抗(Rmin)、抵抗変化率(GMR)、磁化反転磁界Ｈ_５０と第１強磁性層(AP1)の膜厚との関係を示す図である。固定層が４層構造と２層構造の場合の、ＧＭＲヘッドの再生出力(Ｖ)と、波形の非対称性(Asym)と、Glitch Noise抑止率とを示す図である。ＧＭＲヘッドと誘導型記録ヘッドを有する複合磁気ヘッドの構成図である。ＣＰＰ型ＧＭＲヘッドの概略構成図である。

符号の説明

３…リードトラック幅、
４…下地層、
５…永久磁石層、
６…電極層、
８…スピンバルブ膜、
１０…ＧＭＲヘッド、
１１…反強磁性層、
１２…第１強磁性層、
１３１…第１反強磁性結合層、
１３２…第２反強磁性結合層、
１３３…第３反強磁性結合層、
１４１…第２強磁性層、
１４２…第３強磁性層、
１４３…第４強磁性層、
１５…非磁性層、
１６…自由層、
１７…キャップ層、
１９…固定層、
２０，２１１，２１２，２１３…磁気モーメントの方位、
２３，２４１，２４２，２４３…誘導磁気異方性の方位、
３０…絶縁層、
４４…反強磁性層界面の平均磁気モーメント、
５０…誘導型記録ヘッド、
１００…基板、
１０２…下部磁気シールド層、
１０４…下部ギャップ層、
１０６…上部ギャップ層、
１０８…上部磁気シールド層。

Claims

外部磁界により磁化方向が変化する自由層と、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層の間に配置された非磁性層と、前記固定層の磁化方向を固定する反強磁性層とを有するセンサ膜と、前記センサ膜の両端部に配置された下地層と磁区制御層と電極層の積層体と、前記センサ膜と前記積層体の上下に配置された下部磁気シールド層と上部磁気シールド層とを有し、前記固定層は反強磁性結合層を介して積層された４層以上の強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
前記４層以上の強磁性層は偶数層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磁気ヘッド。
前記４層以上の強磁性層は、それぞれの膜厚が９．０〜２６．１オングストローム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磁気ヘッド。
前記反強磁性結合層の膜厚は、２．５〜９．０オングストロームであることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
前記反強磁性結合層の膜厚は、２．５〜５．０オングストロームであることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
前記４層以上の強磁性層は、磁歪定数が正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磁気ヘッド。
前記４層以上の強磁性層は、最上層の強磁性層の比抵抗に対して他の強磁性層の比抵抗が大きいことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
前記４層以上の強磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ合金からなり、最上層を除く強磁性層はさらにＶ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏの群の中から選ばれる１種類以上の元素を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
外部磁界により磁化方向が変化する自由層と、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層の間に配置された非磁性層と、前記固定層の磁化方向を固定する反強磁性層とを有するセンサ膜と、前記センサ膜の両端部に絶縁体を介して配置された磁区制御層と、前記センサ膜と前記絶縁体の上下に配置された下部電極層と上部電極層とを有し、前記固定層は反強磁性結合層を介して積層された４層以上の強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
前記下部電極層は下部磁気シールド層であり、前記上部電極層は上部磁気シールド層であることを特徴とする請求項９記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
外部磁界により磁化方向が変化する自由層と、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層の間に配置された非磁性層と、前記固定層の磁化方向を固定する反強磁性層とを有するセンサ膜と、前記センサ膜の両端部に配置された下地層と磁区制御層と電極層の積層体と、前記センサ膜と前記積層体の上下に配置された下部磁気シールド層と上部磁気シールド層とを有し、前記固定層は反強磁性結合層を介して積層された４層以上の強磁性層を有する磁気抵抗効果型磁気ヘッドと、
前記磁気抵抗効果型磁気ヘッドに隣接して配置された誘導型磁気記録ヘッドと、を有することを特徴とする複合型磁気ヘッド。
前記磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、前記センサ膜の両端部に絶縁体を介して配置された磁区制御層を有し、前記下部磁気シールド層は下部電極層であり、前記上部磁気シールド層は上部電極層であることを特徴とする請求項１１記載の複合型磁気ヘッド。