JP2007299512A - 反平行フリー層構造および低電流誘起ノイズの面直電流型（ｃｐｐ）磁気抵抗センサ - Google Patents

反平行フリー層構造および低電流誘起ノイズの面直電流型（ｃｐｐ）磁気抵抗センサ Download PDF

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Abstract

【課題】磁気抵抗効果やセンサ分解能を低下させることなく電流誘起ノイズを最小限に抑えたCPPセンサが求められている。
【解決手段】反平行フリー(APF)構造を備え、センス電流の方向を特定の方向に限定した面直電流型（CPP）磁気抵抗センサ２００は、第１フリー強磁性層（FL1）２０１、第２フリー強磁性層（FL2）２０２、および、反平行結合APC層２０３から成り、APC層２０３は、FL1とFL2を反強磁性的に結合し、その結果、FL1とFL2がほぼ反平行の磁化方向を有し、磁界が存在すると一致して回転する。FL1とFL2の厚さは、センサのフリー層全体(APF)として望ましい磁気モーメント／面積が得られるように設定する。FL1の厚さは、バルクスピン依存散乱を増加させてセンサ信号を大きくするためにFL1材料における電子のスピン拡散距離よりも大きくすることが好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、広くは、その多層膜センサを形成する各層の垂直方向に流れるセンス電流で動作する面直電流型(CPP: current-perpendicular-to-the panel)磁気抵抗センサに関し、特に、電流誘起ノイズを抑制したCPPセンサに関する。
磁気記録ディスク装置において再生ヘッドとして使用される従来の磁気抵抗センサの一種として、「スピンバルブ」(SV: Spin Valve)センサがある。SV磁気抵抗センサは積層構造を有し、非磁性伝導スペーサ層、一般には銅(Cu)で分離した２層の強磁性層を含む。一方の強磁性層は、その磁化方向が、隣接した反強磁性層との交換結合によるピニングなどによって固定され、他方の強磁性層の磁化方向は、外部磁界が存在すると「フリー」に回転する。センサにセンス電流を印加した状態で、固定層の磁化に対するフリー層の磁化の回転が電気抵抗の変化として検出することができる。
磁気記録装置において、SV再生センサすなわちヘッドは、その多層膜が磁気シールド間の再生「ギャップ」に配置されている。固定層すなわちピン層の磁化は一般に、ディスク面に垂直であり、フリー層の磁化は一般に、外部磁界がなければディスク面に平行である。ディスク上の記録データからの外部磁界にさらされると、フリー層の磁界が回転し、電気抵抗の変化を生じる。SVを流れるセンス電流の方向が多層膜センサの各層に平行であれば、そのセンサは、面内電流型(CIP: current-in-plane)センサと呼ばれ、センス電流が多層膜センサの各層に対して垂直方向であれば、面直電流型(CPP: current0-perpendicular-to-the-plane)センサと呼ばれる。
CPP-SV再生ヘッドについては、非特許文献１に記載されている。他の種類のCPPセンサとしては、非磁性スペーサ層が極めて薄い非磁性トンネル障壁層である磁気トンネル接合(MTJ: magnetic tunnel junction)センサがある。MTJ磁気抵抗再生ヘッドにおいては、スペーサ層は電気的に絶縁性であり、一般的にはアルミナ(Al2O3)である。CPP-SV磁気抵抗再生ヘッドにおけるスペーサ層は導電性であり、一般的には銅である。
CPPセンサは、電流に起因するノイズや変動を生じやすい。スピン偏極電流が強磁性層を垂直に流れ、局所磁化にスピントランスファートルクを生じさせる。これにより、磁化の連続的旋回運動が生じる可能性があり、センス電流が一定のレベルを越えていれば、実質的に低周波磁性ノイズとなる。この現象については、非特許文献２に記載さている。関連する文献では、実証はされていないものの、フリー層のスピントルクに起因する変動に対する低耐性は、デュアルスピンバルブの採用によって低減可能であることが示唆されている（非特許文献３）。
A. Tanaka et al. "Spin-valve heads in the current-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 38(1): 84-88 Part 1 JAN 2002 、J.-G. Zhu et al., "Spin transfer induced noise in CPP read heads," IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 40, No. 4, pp. 182-188, JAN 2004) J.-G. Zhu et al., "Current induced noise in CPP spin valves," IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 40, No. 4, pp. 2323-2325, JUL 2004）
デュアルスピンバルブは、フリー層上に第２のスペーサ層が必要であり、また、第２スペーサ層上に第２の固定層が必要であるため、シールド間の再生ギャップが大きくなって、センサの分解能が低下することになる。
したがって、磁気抵抗効果やセンサ分解能を低下させることなく電流誘起ノイズを最小限に抑えたCPPセンサが求められている。
本発明は、反平行フリー(APF: antiparallel free)構造を備えることにより、また、印加バイアスすなわちセンス電流を一方向に限定することによって、磁気抵抗効果の増大だけでなく、さらに重要な、電流に起因する変動と雑音の低減がなされたCPP磁気抵抗センサである。この(APF)構造は、第１フリー強磁性層（FL1）、第２フリー強磁性層（FL2）、および、反平行(AP: antiparallel)結合(APC: antiparallel coupling)層から成り、APC層は、FL1とFL2を反強磁性的に結合し、その結果、FL1とFL2がほぼ反平行の磁化方向を有する。反強磁性的に結合されたFL1とFL2は、磁気記録媒体に記録されたデータからの磁界等、磁界が存在すると一致して回転する。FL1とFL2の厚みは、センサのフリー層全体として望ましい磁気モーメント／面積が得られるように選択するが、最新のCPP再生ヘッドにおける磁気モーメント／面積は、約１００オングストロームのNiFeのそれ以下である。このセンサは、適当なAPF構造を有するCPPセンサにおいては、センス電流が固定層からAPF構造に向けて印加されている場合、それを越えると電流誘起ノイズが急増する臨界電流値が高くなるという発見に基づいている。つまり、このセンサは、基準強磁性層からAPF構造へ流れるセンス電流Is(一般的に表現される電流であって電子流Ieの向きとは逆）で動作させて、スピントルク効果を抑制し、その結果、電流誘起ノイズが抑制される。これにより、センス電流を大幅に高く設定することが可能となり、センサ出力電圧を高めることができる。また、FL1の厚みを、FL1材料における電子のスピン拡散距離よりも大きくすることにより、FL1内におけるバルクのスピン依存散乱を増加させてセンサ信号を大きくすることができる。
本発明の本質と利点をより十分に理解するためには、添付の図面と合わせて下記の詳細な説明を参照することが望ましい。
本発明によれば、電流誘起ノイズを抑制することができるので、これにより、センス電流を大幅に高く設定することが可能となり、センサ出力電圧を高めることができる。
CPP-SV再生ヘッドは、磁気記録ディスク装置用に用途がある。以下、図１−３を参照しながら、磁気記録ディスク装置の動作を簡単に説明する。図１は、従来の磁気記録ハードディスク装置のブロック図である。該ディスク装置は、磁気記録ディスク１２と、ボイスコイルモータ(VCM: voice coil motor)によるロータリアクチュエータ１４を備える。ロータリアクチュエータ１４は、ディスク装置のハウジングすなわちベース１６で支えられている。ディスク１２は、回転中心１３を有し、ベース１６に取り付けられたスピンドルモータ（不図示）によって方向１５に回されている。アクチュエータ１４は、軸１７を中心に旋回し、剛性のアクチュエータアーム１８を備える。全体的に可撓性のサスペンジョン２０はフレキシャ部２３を備え、アーム１８の端部に取り付けられている。ヘッドキャリアすなわち浮上スライダ２２は、フレキシャ２３に取り付けられている。磁気記録／再生ヘッド２４は、スライダ２２の後端面２５に形成されている。フレキシャ２３とサスペンジョン２０により、回転ディスク１２によって生成されるエアベアリング上におけるスライダの「縦揺れ」(pitch)、「横揺れ」(roll)が可能になっている。通常は、スピンドルモータで回転されるハブに複数のディスクが積み重ねられており、記録／再生ヘッド付きのスライダが１個づつ、各ディスク面に割り当てられている。
図２は、図１の２−２から見たスライダの拡大図とディスク断面を示す。スライダ２２はフレキシャ２３に取り付けられており、ディスク１２に対向する浮上面（ABS: air-bearing surface）２７と、ABSにほぼ垂直の後端面２５を有する。ABS２７により、回転ディスク１２からの空気流でエアベアリングが生成されることになり、このエアベアリングによって、スライダ２２がディスク１２の表面に極めて近い位置、すなわち、接触すれすれの高さに保持される。記録／再生ヘッド２４は、後端面25に形成され、後端面２５の端子パッド２９との電気接続によってディスク装置の記録／再生電子回路へ接続されている。
図３は、図２の３−３の方向から見た図であり、ディスク１２から見た記録／再生ヘッド２４の端面が示されている。記録／再生ヘッド２４は、スライダ２２の後端面２５に堆積しリソグラフィによってパターニングした一連の薄膜である。記録ヘッドは、記録ギャップ３０で分離された記録磁極P1/S2とP2を備えている。CPP-SV磁気抵抗センサすなわち再生ヘッド１００は、２つの磁気シールドS1とP1/S2の間に配置されている。P1/S2は記録ヘッド用の第１記録磁極の役割も持つ。シールドS1とS2は透磁性材料で形成されているが、導電性を有し、再生ヘッド１００への電気配線としても機能できる。別の電気配線を用いることも可能で、その場合は、シールドS1とS2に接した導電性配線材料層（タンタル、金、銅など）へ接した状態で再生ヘッド１００を形成する。
図４は、センサ１００を構成する各層をセンサの浮上面(ABS: air bearing surface)から見た拡大断面図である。センサ１００は、２つの磁気シールドS１とS2の間に積み重ねて形成した層から成るCPP-SV再生ヘッドである。磁気シールドS1とS2は、通常の電気メッキで形成したNiFe合金膜である。下部シールドS1は通常、センサ積層膜の成長のために滑らかな素地を提供するため、化学機械研磨(CMP: chemical mechanical polishing)によって研磨する。CMPにより酸化被膜が形成される場合があるが、これは、センサを堆積する直前に軽いエッチングで除去することができる。センサ層には、固定強磁性層１２０、フリー強磁性層１１０および導電性スペーサ層１３０が含まれる。固定強磁性層１２０の磁気モーメントすなわち磁化方向１２１は、ABSのほぼ垂直方向（紙面に向かう方向）に固定されている。フリー強磁性層１１０の磁気モーメントすなわち磁化方向１１１は、ABSにほぼ平行であり、ディスク１２からの横断外部磁界に反応して層１１０の面内で回転することができる。導電性スペーサ層１３０は通常、銅(Cu)から成り、固定層１２０とフリー層１１０の間に形成される。
CPP−SVセンサにおける固定強磁性層は、単層の固定層であっても、反平行(AP: antiparallel)固定構造であってもよい。AP固定構造は、第１強磁性層(AP1)と第２強磁性層（AP2）が非磁性の反平行結合（APC: antiparallel coupling）層で分離されており、２つのAP固定強磁性層の磁化方向がほぼ反平行である。AP2層は、一方が非磁性APC層に他方がセンサの導電性スペーサ層１３０に接しており、一般的に基準層と呼ばれる。AP1層は一般に、一方が反強磁性体もしくは硬質磁性体の固定層、他方が非磁性APC層に接しており、一般的には固定層と呼ばれる。AP固定構造は、基準／固定層とCPP-SVフリー強磁性層間の全体的な静磁結合を最小限に抑える。AP固定構造は「積層」(laminated)固定層とも呼ばれ、また、合成反強磁性体（SAF: synthetic antiferromagnet）と呼ばれることもある。AP固定構造については、米国特許第464,185号明細書に記載されている。
図４のCPP-SVセンサにおける固定層は、AP固定構造であり、基準強磁性層１２０（AP2）と下部強磁性層１２２（AP1）がAP結合（APC:AP coupling）層１２３を挟んで反強磁性的に結合している。APC層１２３は、一般的にはRu，Ir，Rh，Crあるいはこれらの合金である。フリー強磁性層１１０、スペーサ層１３０およびAP2層１２０によって、センサの「アクティブ領域」と呼ばれる領域を形成する。AP1とAP2の強磁性層は、お互いに反平行の磁化方向１２７、１２１をそれぞれ有する。AP1層１２２は、反強磁性(AF: antiferromagnetic)層１２４との交換結合により、その磁化方向を図４に示すように固定することができる。あるいは、AP固定構造は、「自己固定」（self-pinned）とすることも、Co100-xPtxやCo100-xPtxCry（ｘは原子百分率でおよそ8~30）などの硬質磁性層によって固定することもできる。「自己固定」センサにおいては一般に、AP1とAP2の磁化方向１２７と１２１が、作製したセンサ内に存在する磁気歪と残留応力によってディスク表面にほぼ垂直方向になるように設定する。AP1とAP2がほぼ同じモーメントを持つことが望ましい。これにより、AP固定構造全体としての磁気モーメントが確実に小さく抑えられるため、フリー層との静磁結合が最小限に抑えられ、AP固定構造全体の磁化にほぼ逆比例するAF層１２４の実効固定磁界が高く維持される。硬質磁性体の固定層の場合には、AP1とAP2のモーメントの均衡を取りフリー層との静磁結合を最小限にするうえで、硬質磁性体層のモーメントを考慮に入れる必要がある。
下部シールド層S1とAP固定構造の間には、下部電気配線１２６とシード層１２５が配されている。シード層１２５は、単層膜でもよいし、異なる材料層から成る多層膜であってもよい。フリー強磁性層１１０と上部シールド層S2の間には、キャッピング層１１２と上部電気配線１１３が配されている。キャッピング層１１２は、単層膜でもよいし、Cu/Ru/Ta３層膜など、異なる材料層から成る多層膜であってもよい。
対象範囲の外部磁界、すなわちディスク１２上の記録データからの磁界が存在すると、フリー層１１０の磁化方向１１１が回転するが、基準層１２０の磁化方向１２１はほぼ固定されたままであり回転しない。基準層の磁化１２１に対するフリー層の磁化１１１の回転により、電気抵抗が変化することになる。したがって、センス電流Isが上部配線１１３と下部配線１２６の間に印加されていると、抵抗変化が、ディスク上の記録データからの磁気的信号場の強度に比例した電圧信号として検出される。
配線１２６、１１３は一般にTaまたはRhであるが、低抵抗であればどの材料でもよい。これら配線の形成は必須ではなく、シールドからシールド間の間隔調整に利用される。配線１２６と１１３を形成しない場合、上部、下部のシールドS1とS2が配線として利用される。シード層１２５は一般に、NiFeCrやNiFe, Ta, Cu, Ruの単層膜もしくは多層膜である。AF層１２４は一般に、PtMn, NiMn, FeMn, IrMn, IrMnCr, PdMn, PtPdMn, RhMnなどのMn合金である。硬質磁性体層をAF層の代わりに形成する場合は、CoPtCrなどのCoPt合金やFePt合金が一般に使用される。キャッピング層１１２は、腐食を防止し、一般的にはRuもしくはTaで形成する。
強磁性層１２２（AP1）、１２０（AP2）、１１０（フリー層）は一般に、結晶質のCoFeやNiFeの合金で形成、もしくは、CoFe/NiFe２層膜など、これら材料の多層膜と形成する。これらの合金の磁気モーメントMとバルク電子散乱パラメータβは十分に高いが、電気抵抗率ρは比較的低い。AP2層はまた、積層構造にして、スピン依存界面散乱を高めることもできる。たとえば、AP2層は、FM/XX/FM/…/XX/FM積層膜にすることができる。ここで、強磁性（FM: ferromagnetic）層は、Co, Fe, Ni, もしくはこれらの合金で形成するか、あるいは、CoFe-NiFe-CoFe３層膜など、これら材料の多層膜として形成し、XX層は非磁性層で、一般にはCu，Ag，Auもしくはこれらの合金で、隣接FM層間の強磁性結合が強固になるよう十分に薄く形成される。
例えば、AP2層１２０は、厚さが一般に１０〜３０オングストロームのCoFe合金層とすればよい。また、フリー強磁性層１１０は、例えば、スペーサ層１３０上に形成する厚さが一般に１０〜１５オングストロームのCoFe合金層と、そのCoFe合金層上に形成する厚さが一般に１０〜３０オングストロームのNiFe合金層から成る２層膜とすればよい。AP固定構造におけるAPC層は一般にRuまたはIrで、厚さがおよそ４〜１０オングストロームである。
AP固定構造が「自己固定」型の場合、反強磁性固定層は不要である。反強磁性層や硬質磁性層が無い自己固定構造では、AP1層がセンサ基板上のシード層に接触している。
フリー強磁性層１１０の磁性安定化あるいは長手方向のバイアス印加のため、CoPt層やCoCrPt層などの硬質磁性バイアス層（不図示）をセンサ積層体の外部（フリー強磁性層１１０の両端付近）あるいは内部に含めてもよい。
また、フリー層１１０、AP2層１２０、キャッピング層１１２および導電非磁性スペーサ層１３０にそれぞれ、アクティブ領域の電流路を狭窄して実効抵抗を増大させるためのナノ酸化物層(NOL: nano-oxide layer)を包含させてもよい。たとえば、CoFe NOLは、CoFeをフリー層、AP2層、キャッピング層あるいは導電スペーサ層内の一定の場所ににいくらか堆積した後にそれを中断して、0.1〜10 TorrのO2もしくはO2/Arガス中で表面を数分間酸化することによって形成することができる。NOLは、Cu/Al合金、Cu/Ti合金、あるいはこれらの多層膜など、他の材料を酸化することによっても形成できる。
図４に示した再生ヘッド１００は、AP固定構造がフリー層１１０の下に位置した「底部固定」再生ヘッドであるが、フリー層１１０をAP固定構造の下に位置づけることもできる。そのような配置では、AP固定構造を構成する層の順番が逆になり、AP2層１２０をスペーサ層１３０の上面に接した状態にする。
本発明のCPPセンサは上述したCPPセンサに似ているが、フリー層として反平行フリー（APF: antiparallel-free）構造を有し、印加バイアスすなわちセンス電流の向きが限定されており、その結果、磁気抵抗効果の増大と電流に起因する変動とノイズの低減が得られている。以下、本発明をCPP-SV再生ヘッドに関して述べるが、MTJセンサなどの他の種類のCPP磁気抵抗効果センサや、NOL付きCPPセンサにも本発明を適用することができる。
本発明のCPP-SVセンサをセンサ２００として図５に示した。フリー層は、第１フリー強磁性層２０１（FL1）、第２フリー強磁性層２０２（FL2）および反平行（AP: antiparallel）結合(APC: AP coupling)層２０３から成る反平行フリー（APF: antiparallel free）構造である。APC層２０３は、薄い（約４〜１０オングストローム）Ru膜などであり、FL1とFL2を互いに反強磁性的に結合し、その結果、それぞれ矢印２１１と２１２で示したように、FL1とFL2がほぼ反平行の磁化方向を保持する。反強磁性結合されたFL1とFL2は、磁気記録媒体に記録されたデータからの磁界などの磁界があると、磁化方向が一緒に回転する。APF構造全体としての磁気モーメント／面積（矢印２１１と２１２の長短差で表現されている）は、（M1×t1-M2×t2）となる。ここで、M1とｔ1は、FL1の飽和磁化と厚さ、M2とｔ2は、FL2の飽和磁化と厚さである。したがって、FL1とFL2の厚みは、センサのフリー層全体として望ましい磁気モーメント／面積が得られるように選択する。最新のCPP再生ヘッドにおいては、フリー層全体としての磁気モーメント／面積（M1×t1-M2×t2）は、約１００オングストロームのNiFeのそれ以下であることが望ましい。
CIPセンサにおけるフリー層としてのAPF構造は米国特許第5,408,377号明細書に最初に記載された。譲受人が本出願と同じ米国特許出願公開第2005/0243477号明細書には、CPPセンサにおけるフリー層としての具体的なFe系APF構造が記載されている。この出願に記載されたセンサにおいては、高い磁気抵抗効果が目的であり、スペーサ層近傍のフリー層材料がFeでありスペーサ層はしたがってCrでなければならない。Fe/Cr多層膜が巨大磁気抵抗効果を示す構造としてよく知られているからである。スペーサ層近傍のフリー層に純Feを使用すると、スペーサ層から遠い第２フリー層によってFe系APFの保磁力を低減することが要求され、さらに保磁力を低減するために窒素（N）を混ぜることが要求される。しかしながら、フリー層やCPPの他のいずれのアクティブ磁性層にも、Feなどの単元素材料を使用することは好ましくない。むしろ、電子散乱を増加させスピン拡散長を短くするには、FeCo合金といった合金を使用する方が好ましい。これは、薄い磁性層で高い磁気抵抗効果を得るうえで重要であり、その結果、高分解能の薄いセンサとなる。また、純Feは腐食しやすく、信頼性の理由からも避けるべきである。
本発明においては、スペーサ層２３０はCrで形成しない。好ましくは、CoxFe1-x (50<x<100(原子百分率))やNixFe1-x(50<x<100(原子百分率))の磁性層と接触してより高いCPP磁気抵抗効果を生じるCu, AuもしくはAgを使用する。また、本発明においては、FL1とFL2は、浮上面が腐食しやすくなるため、FeやFeNで形成せず、結晶状合金のCoFeやNiFeあるいは、CoFe/NiFe２層など、これら材料の多層膜で形成する。FL1とFL2はまた、比較的高抵抗のアモルファス合金で形成してもよい。たとえば、Co, Fe, Niのうち１種類以上の元素から成り、結晶性合金をアモルファス状にする分量の非磁性元素を少なくとも１種類含んだ合金がそうである。そのようなFL1およびFL2用のアモルファス合金の例としては、Co(100-x-y)FexXyやNi(100-x-y)FexXyが挙げられる。ここで、XはB, SiあるいはTb、ｙは原子百分率でおよそ５〜４０パーセント(at.%)である。FL1とFL2はまた、強磁性ホイスラ合金、すなわち、ホイスラ合金結晶構造を有する金属化合物で形成してもよい。FL1およびFL2用のホイスラ合金の例としては、Co2MnX(XはAl, Sb, SiまたはGe)、NiMnSb、PtMnSb、Co2FexCr(1-x)Al (xは０〜１)などが挙げられる。FL1およびFL2はまた、スピン拡散長の短い（＜１００オングストローム）CoFeやNiFe合金にCu, Mg, Al, Si, Su, AgあるいはBを１種類以上添加して形成した高抵抗強磁性結晶質合金であってもよい。かなりのCPP磁気抵抗効果が得られる。本発明においてはまた、APC層２０３はCrでは形成しない。Ru, Ir, Rhまたは、これらの合金で形成するのが好ましい。
本発明においては、FL1の組成と厚みを、FL1材料における電子のスピン拡散長よりもFL1の膜厚が長くなるように選択すれば、電子のバルク中のスピン依存散乱の最大化と、それによるセンサ信号の最大化の点で有利である。FL1の膜厚がスピン拡散長（NiFeの場合は４０オングストローム）よりもかなり薄い場合には、FL1が信号最大化の制約要因となる。また、FL2もスピンバルブ効果に関与可能であり、磁化がFL1の反対であるため、磁気抵抗効果を低減する原因となり得る。FL1が十分に厚ければ（スピン拡散長よりもかなり厚ければ、すなわちスピン拡散長の１１０％以上であれば）、FL1からの信号は最大限に近く、FL2によるスピンバルブに対する負の影響は認められない。スピン拡散長は磁性材料に依存し、およそ、NiFeで４０オングストローム、Coで５００オングストローム、Co90Fe10で１２０オングストロームである。スピン拡散長の大きい材料をFL1に使用した場合、APF構造を厚くすることによって最適な信号振幅を得ることができるが、これは、センサのシールドからシールドまでの全長を増大させることになる。どの材料であれ、そのスピン拡散長は、対象材料の膜厚に対するCPPスピンバルブ効果の依存性を測定する一連の実験を通じて確定される。スピン拡散長を確定した材料は、スペーサ層に含めたり、いずれかの強磁性層の代わりに用いてもよい。たとえば、A.C. Reilly et al., J. Mag. Mat. 195, L269-L274(1999)を参照されたい。上記の実験は多少難しく単調であるため、まだかなりの材料のスピン拡散長が未知である。一般的な傾向としては、スピン拡散長は、電気抵抗率とは逆方向に変化する。すなわち、高電気抵抗率の材料はスピン拡散長が短い。一般に、合金は、純金属すなわち単元素金属よりも高い抵抗率を有し、したがって、スピン拡散長が短い。つまり、合金は電子散乱の増大が原因で各構成金属よりも大きな抵抗率を有するため、単元素金属よりもスピン拡散長が短いのが一般的である。
本発明においては、センス電流Is（一般的に表現される電流であって、向きは電子流の逆）の方向が図５に示したように、AP固定構造からAPF構造へ向かう方向（下部配線１２６から上部配線１１３へ向かう方向）に限定されている。これにより、スピントルク効果およびその結果として生じる電流誘起ノイズが抑制される。これについては後述する。また、FL1とFL2の膜厚は、センサのフリー層全体としての磁気モーメント／面積が望ましい値になるように設定するが、本発明におけるFL2の膜厚も一定の厚み以上に設定される。下記の実験データより、FL2は、少なくともFL1の２５％程度の厚さ、NiFeの場合は１５オングストローム以上の厚さを持たせるべきである。
本発明のAPF構造を有するCPPテストサンプル（図５と同様）と単層フリー層を有するCPP対照サンプル（図４と同様）を比較した。フリー層の材料は２at.%のTbを含んだNiFe(Ni83Fe15Tb2)である。添え字（at.%）は原子百分率を示す。対照サンプルは、フリー層の膜厚が４０オングストローム、ΔRAが約0.75mOhm-μm2、ΔR/Rが約２．３％である。CPPテストサンプルのΔRAは、APF構造がFL1=５０オングストローム、FL2=１０オングストロームの場合に対照サンプルのそれと有意な差がなかった。これは、おそらく、厚いFL1（対照サンプルの４０オングストロームに対して５０オングストローム）のポジティブな効果がFL2層のネガティブな効果によって相殺されているためである。しかし、FL2がより厚いと（FL2=２０オングストローム、FL1=６０オングストロームあるいはFL2=３０オングストローム、FL1=７０オングストローム）、ΔRA信号は対照サンプルよりも大きい（FL1=６０オングストロームで0.87mOhm-μm2, FL1=7０オングストロームで0.90mOhm-μm2）。ただし、FL1がNiFeやNiFeTbにおけるスピン拡散長（せいぜい約４０〜５０オングストローム）よりもかなり厚いため、また、Ru APC層（図５の層２０３）がさらに電子スピンを混ぜ合わせるため、FL2の厚みを増してもΔRAはほとんど減少しない。それゆえ、FL2はFL1基準層（図５の層１２０）から「分離」（disconnected）されスピンバルブ効果にほとんど関与しない。FL1=５０オングストローム、FL2=１０オングストロームを有するテストサンプルの場合、ΔR/Rは対照サンプルの値２．３５％から２．１５％に減少したが、FL1=６０オングストローム、FL2=２０オングストロームのテストサンプルでは、ΔR/Rが約２．５％へ増加した。（FL2とFL1の膜厚差を約４０オングストロームに維持したまま）FL1をさらに厚くした場合には、上記の議論から、ΔRAがほぼ一定の値で飽和し、ΔR/Rは一旦飽和するものの最終的には層の厚みが増すにつれてRAが増大するため減少することが推測される。磁気抵抗特性の最適化の観点からは、テストサンプルよりも厚いFL1層（FL1=６０オングストロームまたはFL1=７０オングストローム）を有するCPPセンサが望ましい。
もう一組のテストサンプルとして、３層膜のFL1（CoFe(6オングストローム) / NiFe(t1)/CoFe(2オングストローム)と２層膜のFL2(CoFe(2オングストローム) / NiFe(t2))から成るAPF層構造を有するサンプルを使用した。ｔ１とｔ２は、APF構造全体のモーメント／面積（M1×t1-M2×t2）が約４５オングストロームのNiFeと同等の一定値になるように設定した。対照サンプルは、単層のフリー層（FL2なし、FL1= 6オングストロームCoFe/38オングストロームNiFe/2オングストロームCoFe）を有し、ΔR/Rが約２．１３％のサンプルである。APF構造を有しｔ２が５オングストローム〜４５オングストローム（ｔ１は４５オングストローム〜８５オングストローム）のテストサンプルの場合、ΔR/Rが約２．７％〜２．８％に増加した。ΔRAは、単層フリー層構造を有する対照サンプルの０．６８mOhm-μm2に比べ、ｔ２＝１５オングストロームのNiFeを有するAPF構造のテストサンプルでは０．９３mOhm-μm2に増加した。
本発明の大きな特長は、磁気抵抗効果の向上に加え、バイアスすなわちセンス電流Iｓが固定層からAFP構造（図５における配線１２６から配線１１３）の方向のときに、CPPセンサが電流誘起ノイズに対して大きな耐性を示すことである。この実用時のセンス電流方向は、図６−７に示されている「負の」電子流Ie（すなわちAPF構造から固定層に電子が流れている状態）に対応する。
図６に、フリー層が単層構造（FL2＝なし、t1=38オングストローム NiFe）の対照サンプルにおけるノイズの電力スペクトル密度(PSD: power spectral density)を示した。正の印加磁界（曲線３００）は、固定層全体の磁化とフリー層全体の磁化を反平行化する磁界に対応し、負の印加磁界（曲線３１０）は、固定層全体の磁化とフリー層全体の磁化を平行化する磁界に対応する。電子流Ieが「正の」場合（センス電流Isが図４においてフリー層から固定層、すなわち、上から下へ流れている状態）、約０．６ｍAの「臨界電流値」を越えると反平行化曲線３００がノイズ電力の大きな増加を示すことがわかる。同様に、電子流が負の場合、平行化において（曲線３１０）１．５ｍAの臨界電流値を超えるとノイズが増大する。この挙動は、スピンバルブ構造での電流誘起ノイズを把握することによって予測される。図６と比較して、図７は、本発明の同様のAPF構造（t1=65オングストローム NiFe、t2=25オングストローム NiFe）を有するサンプルに対する電力スペククトル密度を示している。正の印加磁界（曲線４００）は、固定層全体の磁化とフリー層全体の磁化を反平行化する磁界に対応し、負の印加磁界（曲線４１０）は、固定層全体の磁化とフリー層全体の磁化を平行化する磁界に対応する。
図６と７を比較すると、正の電子流における挙動は定性的に同じ（すなわち、約0.6mAの臨界電流を越えるとノイズ電力が大幅に増加する）であるが、負の電子流における挙動が予想外でユニークなものであることがわかる。具体的には、図７においては、ノイズ電力が、平行化、反平行化いずれにおいても、（測定方法上の制限から厳密な値はわからないが、臨界電流値約６．５mAよりも「さらに負」の）大電子流に至るまで極めて低い。
図８は、スピントルク誘起ノイズに対する正、負の臨界電子流をFL2の厚さの関数として示したグラフである。（負の電子流は電子がAPF構造から固定層へ流れる電子流であり、固定層からAPF構造へのバイアスすなわちセンス電流に対応する）。FL2がNiFe換算の最小膜厚よりも厚い構造であれば、図７に示した挙動が良好に最適化される。たとえば、図８に示されているように、FL2が薄い（NiFe=5オングストロームおよびNiFe=15オングストローム）サンプルは前記効果を示さず電流誘起ノイズに対する耐性が低いが、FL2が厚い（NiFe=25オングストローム以上）サンプルは前記挙動を示した。図８からわかるように、ｔNiFe(FL2)>=15オングストロームのセンサにおける負の対スピントルクノイズ臨界電流は大きい。したがって、改善された磁気抵抗特性に加え、負の電子流（対応するバイアスすなわちセンス電流Isの方向は固定層からAPF構造）においてこうした電流誘起ノイズ耐性を有する（FL1およびFL2が適切なNiFe換算膜厚の）一定範囲のAPF構造が存在する。
したがって、本発明によるCPPセンサは、センス電流Isが固定層からAPF構造の方向へ印加されていれば（電子流IeはAPF構造から固定層）、電流誘起ノイズを生じることなくかなり大きなバイアスすなわちセンス電流を印加することができる。電流誘起ノイズについての臨界電流が３倍以上大きくなり、センサの出力電圧もそれに相応して大きくできる。
本発明における臨界電流増大化（３倍以上）がセンサ動作に与える潜在的効果は、APF構造によって磁気抵抗特性が向上し（１０〜３０％）出力電圧が増大するだけにとどまらず、結果的に、センサの厚みを薄くすること（またはフリー層の磁化を大幅に小さくすること）ができるというさらに大きな利点がある。FL2が上述の臨界膜厚よりも厚い限り、より薄いFL1層とFL2層から成る（磁気抵抗効果の小さい）APF構造であっても、センス電流を上げてセンサ出力電圧を大きく出来るからである。
以上、好適な実施例を参照しながら、本発明を詳細に示したが、当業者は、発明の趣旨と範囲を逸脱しないで形状や内容の様々な変更が可能であることを理解するであろう。したがって、開示された発明は、発明を説明する以上のものでなく、発明の範囲は添付した特許請求の範囲でのみ規定されるものである。
従来の磁気記録ハードディスク装置の模式図であり、カバーを取り外して上から見た図である。 図１の２−２から見たスライダの拡大図であり、ディスクの断面も示す。 図２の３−３から見た図であり、ディスクから見た記録／再生ヘッドの端部を示している。 CPP-SV再生ヘッドの模式断面図であり、磁気シールド層間の積層膜を示している。 本発明によるCPP-SV再生ヘッドの模式断面図である。 フリー層が単層膜である従来の対照サンプルに正負の磁界を印加した状態において生じるノイズの電力スペククトル密度(PSD: power spectral density)を電子流Ieの関数として示したグラフである。 反平行フリー構造を有する本発明によるサンプルに正負の磁界を印加した状態において生じるノイズの電力スペククトル密度(PSD: power spectral density)を電子流Ieの関数として示したグラフである。 スピントルク誘起ノイズに関する正負の臨界電子流IecritをFL2の膜厚の関数として示したグラフである。
符号の説明
１１２…キャッピング層、
１１３…上部電気配線、
１２０…強磁性層(AP2)、
１２１…AP2の磁化方向、
１２２…強磁性層(AP1)、
１２３…AP結合層(APC)、
１２４…反強磁性層(AF)、
１２５…シード層、
１２６…下部電気配線、
１２７…AP1の磁化方向、
２００…CPP-SVセンサ、
２０１…第１フリー強磁性層(FL1)、
２０２…第２フリー強磁性層(FL2)、
２０３…反平行結合層(APC)、
２１１…FL1の磁化方向、
２１２…FL2の磁化方向、
２３０…スペーサ層。

Claims (24)

  1. センス電流源に接続するための電気配線を有する磁気抵抗センサであって、
    面内磁化方向を有する固定強磁性層と、
    面内磁化方向を有する第１フリー強磁性層(FL1)、該FL1の磁化方向に対してほぼ反平行の面内磁化方向を有し、前記FL1の磁気モーメントよりも小さな磁気モーメントを有する第２フリー強磁性層（FL2）、および、前記FL1と前記FL2の両者に接触した状態で挟まれ、Ru, Ir, Rhあるいはそれらの合金のいずれかを主材料とするAP結合（APC: AP coupling）層から成る反平行フリー（APF: antiparallel free）構造と、
    前記固定強磁性層と前記FL1の間にあって、Cu, AgおよびAuのいずれかの元素を主材料とする導電性スペーサ層と、を備え、
    センス電流がセンサ内の各層に対して垂直に前記固定強磁性層から前記APF構造の方向に印加されているときに外部磁界を検出可能な磁気抵抗センサ。
  2. 請求項１記載のセンサであって、さらに、基板と、該基板上の第１電気配線層と、第２電気配線層を備えたセンサ。
  3. 請求項２記載のセンサであって、前記固定強磁性層が前記第１配線層上に、前記スペーサ層が前記固定強磁性層上に、前記FL1が前記スペーサ層上に、前記第２配線層が前記APF構造上に配置され、センス電流が前記第１配線層から前記第２配線層の方向に印加されるセンサ。
  4. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1が、Feとともに、Ni、Coのうち少なくとも１つを含む結晶性合金を含むセンサ。
  5. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1が、非磁性元素Xとともに、Co, Ni, Feのうち少なくとも１つを含むアモルファス強磁性合金を含むセンサ。
  6. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1が強磁性ホイスラ合金を含むセンサ。
  7. 請求項１記載のセンサであって、前記APF構造全体の磁気モーメント／面積が、１００オングストロームのNiFeの磁気モーメント／面積よりも小さいセンサ。
  8. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1の厚さが、該FL1を形成している材料のスピン拡散長の１１０％以上であるセンサ。
  9. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1が主としてNiFeで形成され、厚さが４５オングストローム以上であるセンサ。
  10. 請求項１記載のセンサであって、前記FL1と前記FL2がほぼ同じ材料で形成され、前記FL2の厚さがFL1の厚さの２５％よりも大きいセンサ。
  11. 請求項１記載のセンサであって、センス電流がセンサ内の各層に対して垂直に前記固定強磁性方向から前記APF構造の向きに印加されているときのセンサの電流誘起ノイズが、センス電流がセンサ内の各層に対して垂直に前記APF構造から前記固定強磁性層の方向に印加されているときのセンサの電流誘起ノイズよりも実質的に小さいセンサ。
  12. 請求項１記載のセンサであって、前記固定強磁性層が、面内磁化方向を有する第１AP固定強磁性層（AP1）と、該AP1の磁化方向に対してほぼ反平行の面内磁化方向を有する第２AP固定強磁性層（AP2）と、前記AP1とAP2の両者に接触した状態で挟まれたAP結合（APC: AP coupling）層から成る反平行（AP: Antiparallel）固定構造を有し、前記導電性スペーサ層が前記AP2層上に配置されたセンサ。
  13. 請求項１２記載のセンサであって、前記AP固定構造が自己固定構造であるセンサ。
  14. 請求項１２記載のセンサであって、さらに、前記AP1層の磁化方向を固定するために前記AP1層に交換結合された反強磁性層を備えたセンサ。
  15. 請求項１２記載のセンサであって、さらに、前記AP1層の磁化方向を固定するための硬質磁性体層を前記AP1層に接触した状態で備えたセンサ。
  16. 請求項１記載のセンサであって、磁気的に記録されたデータを磁気記録媒体上のトラックから読み取るための磁気抵抗再生ヘッドであり、前記電気配線が透磁性材料で形成されたシールドであるセンサ。
  17. 磁気的に記録されたデータを磁気記録媒体上のトラックから読み取るための面直電流型磁気抵抗再生ヘッドであって、第１電気配線から第２電気配線の方向にセンス電流が印加されるヘッドであって、
    基板と、
    前記基板上の第１電気配線層と、
    前記第１電気配線層上の固定強磁性層であって、面内磁化方向を有する固定強磁性層と、
    前記固定強磁性層上の導電性スペーサ層であって、主としてCu, Ag, Auのいずれかの元素から成るスペーサ層と、
    前記スペーサ層上にあって面内磁化方向を有する第１強磁性層(FL1)と、該FL1の磁化方向に対してほぼ反平行の面内磁化方向と、該FL1の磁気モーメントよりも小さな磁気モーメントを有する第２フリー強磁性層（FL2）と、前記FL1と前記FL2の両者に接触した状態で挟まれ、Ru, Ir, Rhあるいはそれらの合金のいずれかを主材料とするAP結合（APC: AP coupling）層から成る反平行フリー（APF: antiparallel free）構造であって、前記FL1と前記FL2のそれぞれが、Feとともに、NiとCoのいずれか１つまたは両方を含んだ合金で形成され、前記FL２の厚さが前記FL1の厚さの２５％を越えるAPF構造と、
    前記FL２上の第２電気配線層とを備えたヘッド。
  18. 請求項１７記載のヘッドであって、前記FL1および前記FL2の合金のうち少なくとも１つが非磁性元素を含んだアモルファス強磁性合金であるヘッド。
  19. 請求項１７記載のヘッドであって、前記FL1が非磁性元素Xとともに、Co, Ni, Feのうち少なくとも１つを含むアモルファス強磁性合金を含むヘッド。
  20. 請求項１７記載のヘッドであって、前記APF構造全体の磁気モーメント／面積が、１００オングストロームのNiFeの磁気モーメント／面積よりも小さいヘッド。
  21. 請求項１７記載のヘッドであって、前記FL1の厚さが、FL1を形成している材料のスピン拡散長の１１０％以上であるヘッド。
  22. 請求項１７記載のヘッドであって、前記FL1が主としてNiFeで形成され、厚さが４５オングストローム以上であるヘッド。
  23. 請求項１７記載のヘッドであって、センス電流が前記第１電気配線層から前記第２電気配線層の方向に印加されているときのヘッドの電流誘起ノイズが、センス電流が前記第２電気配線層から前記第１電気配線層の方向に印加されているときのヘッドの電流誘起ノイズよりも実質的に小さいヘッド。
  24. 請求項１７記載のヘッドであって、前記固定強磁性層が、面内磁化方向を有する第１AP固定強磁性層（AP1）と、該AP1の磁化方向に対してほぼ反平行の面内磁化方向を有する第２AP固定強磁性層（AP2）と、前記AP1とAP2の両者に接触した状態で挟まれたAP結合（APC: AP coupling）層から成る反平行（AP: Antiparallel）固定構造を有し、前記導電性スペーサ層が前記AP２層上に配置されたヘッド。
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