JP2008084430A

JP2008084430A - 磁気ヘッド及び磁気記録装置

Info

Publication number: JP2008084430A
Application number: JP2006262796A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Shimizu; 豊清水
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】磁気ヘッドを構成する膜の熱揺らぎによるノイズの発生を回避できて、トラック密度のより一層の高密度化に対応できる磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供する。
【解決手段】磁気ヘッドには、磁気記録媒体の記録面の相互に隣接する２本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子（ＴＭＲ素子）１２ａと、相互に隣接する３本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子（ＴＭＲ素子）１２ｂとが設けられている。磁気記録装置内に設けられた信号同期／差分演算部は、これらの読み取り素子１２ａ，１２ｂから出力される信号の同期をとり、それらの信号の差分を演算した結果を、読み出し信号として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気記録媒体にデータを磁気的に記録する磁気ヘッド及び磁気記録装置に関し、特にトラック密度の高密度化に対応できる磁気ヘッド及び磁気記録装置に関する。

近年、磁気記録装置（ハードディスクドライブ）は、コンピュータだけでなく、ハードディスクビデオレコーダ等の映像記録装置にも使用されるようになった。それに伴い、磁気記録装置のより一層の大容量化が要求されている。現在の磁気記録装置では、一般的に面記録密度が１００〜１３０Ｇｂｐｓｉ（ギガビット／平方インチ）程度の記録媒体が用いられている。この面記録密度では、磁気記録媒体の半径方向の記録単位であるトラック密度は約１２０〜１５０ｋＴＰＩ（キロトラック／インチ）となり、磁気記録媒体の円周方向の記録単位であるビットサイズは約１５０ｎｍ×３０ｎｍとなる。

このような微小サイズの記録ビットにＳ／Ｎ比（信号とノイズとの比）が良好な状態でデータを記録するためには、記録媒体の磁性粒子の平均粒径を１０ｎｍ程度にする必要がある。しかしながら、このような微小サイズの磁性粒子では、室温においても熱揺らぎにより磁化反転が発生し、データが消失してしまうおそれがある。

熱揺らぎは磁性粒子の体積の平方根に反比例するため、熱揺らぎによる磁化反転を防止するためには磁性粒子の体積を大きくする必要がある。近年注目されている垂直磁気記録方式の記録媒体（磁気ディスク）では、磁性粒子を記録媒体の厚さ方向に配向させており、ビットサイズを小さくしても磁性粒子の体積を大きくすることができるため、熱揺らぎによるデータの消失が回避されるという利点がある。

一方、上述したような微小サイズの記録ビットからの極めて弱い信号磁界を良好な感度で検出可能な読み取りヘッドとして、磁気抵抗変化が大きいトンネル磁気抵抗素子（以下、「ＴＭＲ素子」という）が注目されている。微小トラックの信号を隣接するトラックからのクロストークの影響を受けずに読み出すためには、ＴＭＲ素子の幅を１００ｎｍ程度まで微細化することが要求される。また、ＴＭＲ素子の媒体対向面直上方向の長さ（素子高さ）は、信号磁界の侵入長及び再生出力の最大化を考慮すると、１００ｎｍ程度とすることが要求される。

ＴＭＲ素子は、通常、反強磁性層と、その反強磁性層との交換相互作用により磁化方向が固定されたピン層と、ピン層の上に形成されたトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上に形成されて外部磁界により磁化方向が変化するフリー層とにより構成される。

反強磁性層は、例えばＰｔＭｎ及びＩｒＭｎ等の金属系反強磁性材料により形成される。その上のピン層は、一対の強磁性層と、それらの強磁性層の間に配置された反強磁性結合層とにより構成され、一対の強磁性層の磁化方向が反平行方向になるように磁気的に結合したいわゆる積層フェリピン構造を有している。反強磁性結合層としては、例えば厚さが０．６〜０．８ｎｍのＲｕ膜が用いられる。また、一対の強磁性層のうちトンネルバリア層に隣接する強磁性層はリファレンス層と呼ばれ、反強磁性層に隣接する強磁性層はピンド層と呼ばれる。

トンネルバリア層としては、一般的に、厚さが０．５〜１ｎｍのアルミニウム酸化膜が用いられている。しかし、近年、トンネルバリア層としてマグネシウム酸化膜を使用すると、アルミニウム酸化膜を使用した場合には磁気抵抗比が最大で８０％程度であるのに対し、４００％以上の大きな磁気抵抗比が得られることが判明したため、今後はトンネルバリア層としてマグネシウム酸化膜を使用することが主流になると予想される。

フリー層としては、一般的に線形動作の確保と再生感度の向上のために、保磁力の小さいｆｃｃ（face-centered cubic lattice：面心立方）構造のＣｏＦｅ層、ＮｉＦｅ層又はそれらの層の積層膜が用いられている。

なお、本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１には、素子幅が同一の第１及び第２の磁気抵抗素子が非磁性の中間ギャップ層を介して積層された構造の磁気ヘッドが記載されている。この特許文献１の磁気ヘッドでは、第１及び第２の磁気抵抗素子の差動出力を磁気センサの出力として取り出すことにより、トラックの延びる方向に並んだ磁区の磁化状態の検出分解能を向上させている。
特開２００３−６９１０９号公報

磁気記録装置のより一層の大容量化のためには記録媒体のトラック密度をより一層高密度化する必要があり、それに伴って読み取りヘッド（ＴＭＲ素子）の素子サイズを小さくすることが必要になる。しかし、読み取りヘッドの素子サイズがある程度以上に小さくなると、記録媒体と同様に、磁性粒子の体積の平方根に反比例する熱揺らぎの影響が無視できなくなってくる。

本願発明者等の研究から、ＴＭＲ素子では、熱揺らぎの影響により、磁気記録媒体の記録遷移領域に起因する遷移ノイズを主成分とする媒体ノイズの約１／２のノイズパワーを生じていることが判明している。従って、今後、更にＴＭＲ素子の素子サイズを縮小した場合は、磁気抵抗比の如何にかかわらず、フリー層の熱揺らぎにより十分なＳ／Ｎ比がとれなくなることが予想される。このため、ＴＭＲ素子の素子サイズは、現状の１００ｎｍ程度が限界であると考えられる。この素子サイズではトラック密度を２００ｋＴＰＩとするのが限界であり、それ以上の面記録密度の向上は困難である。

本発明の目的は、磁気ヘッドを構成する膜の熱揺らぎによるノイズの発生を回避できて、トラック密度のより一層の高密度化に対応できる磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、磁気記録媒体に記録された磁気信号を読み取る磁気ヘッドにおいて、基板と、前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子と、前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子とを有する磁気ヘッドが提供される。

本発明の磁気ヘッドは、磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子と、Ｎ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子とを備えている。後述するように、これらの第１及び第２の読み取り素子の出力の差分を演算すると、１本のトラックからの磁気信号を取り出すことができる。この場合、第１の読み取り素子の素子幅をほぼＮトラック分、第２の読み取り素子の素子幅をほぼＮ＋１トラック分に設定すればよいので、トラック密度が高くなっても素子幅が広い読み取り素子を用いることができる。これにより、読み取り素子を構成する膜の熱揺らぎによるノイズの発生を回避できて、磁気記録媒体のトラック密度のより一層の高密度化に対応することができる。

第１及び第２の読み取り素子として、磁気抵抗変化が大きいトンネル磁気抵抗素子を用いることが好ましい。特に磁気抵抗膜の面に対し垂直方向に電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型トンネル磁気抵抗素子では、駆動電圧が一定であれば、素子幅が変わってもほぼ同一の再生出力が得られるため、前述の１トラック分の磁気信号を演算するときの処理が容易になるという利点がある。

本発明の他の観点によれば、磁気信号を記録する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子、及び前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子が設けられた磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の記録面に沿って移動させる磁気ヘッド移動機構と、前記第１及び第２の読み取り素子から出力される信号の同期をとり、それらの信号の差分を演算して読み出し信号を出力する信号同期／差分演算部とを有する磁気記録装置が提供される。

本発明の磁気記録装置においては、上述した第１及び第２の読み取り素子を有する磁気ヘッドを使用し、信号同期／差分演算部により第１及び第２の読み取り素子から出力される信号の同期をとって、それらの信号の差分を演算し読み出し信号として出力する。これにより、トラック幅よりも幅広の読み出し素子を用いて高密度化された磁気記録媒体から１トラック分の磁気信号を取り出すことができる。そのため、読み取り素子を構成する膜の熱揺らぎによるノイズの発生を回避でき、大容量且つ信頼性の高い磁気記録装置が得られる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

本発明の実施形態に係る磁気記録装置においては、１つの磁気ヘッドに２つのＴＭＲ素子（読み取り素子）が設けられている。図１は、これらのＴＭＲ素子の素子幅と磁気記録媒体のトラック幅との関係を示す模式図である。また、図２は各トラックの磁気信号とＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの出力との関係を示す図である。ＴＭＲ素子の構造については後述するが、ここではＴＭＲ素子１２ａの素子幅（フリー層の幅）をＬ１、ＴＭＲ素子１２ｂの素子幅（フリー層の幅）をＬ２としている。また、図１において、Ｔは１トラック分の幅を示している。

図１に示すように、本実施形態では、ＴＭＲ素子１２ａの素子幅がＮトラック分（但し、Ｎは２以上の整数）の幅に設定され、ＴＭＲ素子１２ｂの素子幅がＮ＋１トラック分の幅に設定されている。本実施形態では、Ｎ＝２としている。従って、ＴＭＲ素子１２ａの素子幅Ｌ１は２Ｔであり、ＴＭＲ素子１２ｂの素子幅は３Ｔである。また、ＴＭＲ素子１２ａがトラック２，３からの信号を検出するときにＴＭＲ素子１２ｂがトラック１，２，３からの信号を検出するように、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの位置が決定されている。

ＴＭＲ素子１２ａによりトラック２，３の磁気信号を検出する場合、ＴＭＲ素子１２ａからはトラック２，３の磁気信号の平均が出力され、３水準の値をとると考えられる。つまり、図２の「トラック２〜３の平均」の欄に示すように、トラック２，３に記録された磁気信号がいずれも０のときはＴＭＲ素子１２ａの出力が０となり、トラック２，３に記録された磁気信号のいずれか一方が０、他方が１のときはＴＭＲ素子１２ａの出力が０．５となり、トラック２，３に記録された磁気信号がいずれも１のときはＴＭＲ素子１２ａの出力が１となる。

これと同様に、ＴＭＲ素子１２ｂによりトラック１，２，３の磁気信号を検出する場合、ＴＭＲ素子１２ｂからはトラック１，２，３の磁気信号の平均が出力され、４水準の値をとると考えることができる。つまり、図２の「トラック１〜３の平均」の欄に示すように、トラック１，２，３の磁気信号がいずれも０のときはＴＭＲ素子１２ｂの出力が０となり、トラック１，２，３の磁気信号のうちのいずれか１つが１のときにはＴＭＲ素子１２ｂの出力が０．３３となり、トラック１，２，３の磁気信号のうちのいずれか２つが１のときはＴＭＲ素子１２ｂの出力が０．６７となり、トラック１，２，３の磁気信号がいずれも１のときはＴＭＲ素子１２ｂの出力が１となる。

ＴＭＲ素子を構成する膜の面に対し垂直方向に電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＴＭＲ素子では、ＴＭＲ素子の幅（より正確には面積）が変わっても、駆動電圧を一定にすることにより、同一の信号磁界であればほぼ同一の再生出力値が得られる。面積Ａと抵抗Ｒとの積（ＲＡ）が３Ωμｍ²、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が１００％のＴＭＲ素子を用いて磁気記録装置を製造した場合の再生出力を図２に併せて示す。なお、ＴＭＲ素子１２ａの素子幅Ｌ１は１００ｎｍ、ＴＭＲ素子１２ｂの素子幅Ｌ２は１５０ｎｍ、ＴＭＲ素子１２ａ、１２ｂの再生効率はいずれも２４％としている。

この図２に示すように、ＴＭＲ素子１２ｂの出力（Ｖhead2）は、前述の４水準の値に対応して、-18000μＶ、-6000μＶ、6000μＶ及び18000μＶのいずれかの値になる。また、ＴＭＲ素子１２ａの出力（Ｖhead1）は、前述の３水準の値に対応して、-18000μＶ、０μＶ及び18000μＶのいずれかの値になる。

更に、図２に示すように、（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２）を演算すると、トラック２，３の磁気信号の状態の如何にかかわらず、トラック１の磁気信号が０のときは-18000μＶ、トラック１の磁気信号が１のときは18000μＶとなり、その差は36000μＶとなる。このように、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの出力が読み取りトラックからの磁気信号の平均であるとすると、各ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの出力に読み取りトラック数を乗じた値の差を演算することにより、単一再生素子と同様のダイナミックレンジでトラック１の磁気信号を検出することができる。

実際には、ＴＭＲ素子のトラック幅方向の両端部では、隣接するハードバイアス層からのバイアス磁界により、検出感度が低下する。検出感度の素子幅方向依存性をシミュレーション計算により求めた結果を図３に示す。図３は、横軸に素子の幅方向の位置をとり、縦軸に感度をとって、フリー層の磁化回転角から素子幅が１００ｎｍのＴＭＲ素子と素子幅が５０ｎｍのＴＭＲ素子の検出感度を位置毎にシミュレーション計算した結果を示している。なお、図３では、素子の幅方向の中心位置を５０ｎｍの位置としている。

近年の狭トラックに対応した素子幅が５０〜８０ｎｍのＴＭＲ素子では、ＴＭＲ素子を構成する積層膜の両端に隣接するハードバイアス層の磁化減衰が十分でないため、図３に示すように素子の中央部でも再生感度が低下する。しかし、この図３から、素子幅が１００ｎｍ以上であれば、素子の中央部ではハードバイアス層からのバイアス磁界の影響が小さく、最大の磁界感度が得られることがわかる。また、素子の中央部（中央の１／３の領域）の感度を１としたときに、素子の両端部（右端側の１／３の領域及び左端側の１／３の領域）では平均感度が０．７〜０．７５程度となる。この素子の両端部での感度低下を考慮して図２と同様に再生出力を計算した結果を、図４に示す。なお、図４では、素子の両端部の感度は、中央部の感度の０．７倍としている。

この図４から、トラック１，２，３の信号磁界に応じて（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２）の値は図３と異なる値となるものの、トラック１が０のときは（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２）の値は負となり、トラック１が１のときは（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２）の値は正となり、その差は14400μＶ以上となることがわかる。

このとき、出力差分の分解能は単一再生ヘッドを用いた場合の４０％（（14400μＶ／36000μＶ）×１００％）に劣化する。しかしながら、現行の素子幅が約１００ｎｍのＴＭＲ素子を用いたときのＳ／Ｎ比は、図５のＭＲ比（磁気抵抗変化率）とＳ／Ｎ比との関係を示す図からわかるように、ＭＲ比が２２％以上であればほぼ一定になる。これは、ＴＭＲ素子のＭＲ比の増加に伴って媒体ノイズ及びヘッドノイズが増加するためであると考えられる。従って、本実施形態で使用するＴＭＲ素子の再生分解能は、単一再生ヘッドの約４０％（１００％（ＭＲ比）×０．４（素子幅端部での感度低下分））と見積もられるが、磁気記録装置のＳ／Ｎ比としては十分な値である。

図６は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る磁気記録装置の磁気ヘッド１２には、前述したように２つのＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂ（図１参照）が設けられており、これらのＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂにより磁気記録媒体（磁気ディスク）１１に記録されたデータ（磁気信号）を検出する。また、磁気ヘッド１２には、磁気記録媒体１１に対しデータの書き込みを行う書き込みヘッドが設けられている。

本実施形態においては、磁気記録媒体１１として垂直磁気記録方式の記録媒体を使用する。また、磁気ヘッド１２は、磁気記録媒体１１の回転により発生する風圧により磁気記録媒体１１の表面から若干浮上し、その状態で磁気記録媒体１１に対しデータの書き込み及び読み取りを行う。

磁気ヘッド１２はサスペンションアーム１３の先端部に配置されている。このサスペンションアーム１３はボイスコイルモータ（ＶＣＭ）により構成されるヘッド位置決め機構１４により駆動されて、磁気ヘッド１２を磁気記録媒体１１の表面に沿って移動させる。

磁気ヘッド１２に設けられたＴＭＲ素子１２ａの出力はヘッドアンプ１５ａで増幅され、ＴＭＲ素子１２ｂの出力はヘッドアンプ１５ｂで増幅される。位置検出回路１６は、ヘッドアンプ１５ａ，１５ｂの出力信号を入力し、これらの出力信号から磁気ヘッド１２の位置を検出する。サーボ復調／ＶＣＭ制御部１７は、位置検出回路１６から出力される信号に基づいてヘッド位置決め機構１４を駆動制御する。

一方、データ復調部１８ａは、ヘッドアンプ１５ａの出力信号を復調して２トラック分の磁気信号（図２，図４参照）を出力する。このデータ復調部１８ａの出力は、同期回路１９で一時記録（キャッシュ）され、所定のタイミングで差分演算回路２０に出力される。また、データ復調部１８ｂは、ヘッドアンプ１５ｂの出力信号を復調して３トラック分の磁気信号（図２，図４参照）を差分演算回路２０に出力する。

差分演算回路２０は、同期回路１９を介して入力されたデータ復調部１８ａの出力信号と、データ復調部１８ｂの出力信号との差分（図２，図４の（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２））を演算し、その結果に基づいて読み出し信号を出力する。

本実施形態においては、サスペンションアーム１３、ヘッド位置決め機構１４及びサーボ復調／ＶＣＭ制御回路１７により、磁気ヘッド１２を磁気記録媒体１１の表面に沿って移動させる磁気ヘッド移動機構を構成している。また、同期回路１９及び差分演算回路２０により、信号同期／差分演算部を構成している。

上述したように、本実施形態においては、磁気ヘッド１２に素子幅が１トラックに相当する分だけ異なる２つの読み取り素子（ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂ）を配置し、これらの読み取り素子の出力の差分を演算して読み出し信号とするので、素子幅が１００ｎｍ以上の読み取り素子を用いてトラック幅が１００ｎｍ以下の狭トラックからの磁気信号を検出することができる。また、読み取り素子の素子幅が１００ｎｍ以上でよいため、熱揺らぎに起因するノイズの発生や信頼性の低下が回避される。

以下、図７〜図１２を参照して、本実施形態に係る磁気ヘッドの製造方法を説明する。なお、以下の説明では、素子幅がＬ２のＴＭＲ素子１２ｂの上に素子幅がＬ１のＴＭＲ素子１２ａを積層した構造の磁気ヘッドの製造方法について説明している。しかし、磁気ヘッドは、素子幅がＬ１のＴＭＲ素子１２ａの上に素子幅がＬ２のＴＭＲ素子１２ｂを積層した構造としてもよい
最初に、図７に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、アルチック等の非磁性材料からなる基板３０の上に、ＮｉＦｅ等により下部シールド兼電極層３１を例えば１０００ｎｍの厚さに形成する。そして、この下部シールド兼電極層３１の上に、磁気抵抗効果膜４０を形成する。

磁気抵抗効果膜４０は例えば、厚さが４ｎｍのＲｕからなる配向制御層（下地層）４１と、厚さが１０ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層４２と、厚さが１．６ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層（ピンド層）４３と、厚さが０．７ｎｍのＲｕからなる非磁性反強磁性結合層４４と、厚さが２．３ｎｍのＣｏＦｅＢからなる強磁性層（リファレンス層）４５と、厚さが０．６ｎｍのＭｇＯ（マグネシウム酸化膜）からなるトンネルバリア層（非磁性中間層）４７と、厚さが４ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層４８と、厚さが２ｎｍのＴａからなる保護層４９とを下からこの順で積層することにより形成される。これらの層の成膜には、一般的なマグネトロンスパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置、又は真空蒸着装置などを用いることができる。

配向制御層４１は、その上に積層される反強磁性層４２の配向性を向上させるために形成する。本実施形態では反強磁性層４２としてＩｒＭｎを用いているため、配向制御層４１として厚さが４ｎｍのＲｕ膜を形成している。配向制御層４１として、上述のＲｕ膜に替えて、Ｔａ／Ｒｕ積層膜、ＮｉＦｅ合金膜、ＮｉＦｅＣｒ合金膜、又はＴａ／ＮｉＦｅ積層膜を形成してもよい。

反強磁性層４２はその上の強磁性層４３と交換結合し、強磁性層４３の磁化方向を固定するという作用がある。反強磁性層４２は、前述のＩｒＭｎに替えて、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ又はＰｄＰｔＭｎ等により形成してもよい。

強磁性層４３，４５及びそれらの間に配置された非磁性反強磁性結合層４４により、いわゆる積層フェリピン構造のピン層４６が構成される。非磁性反強磁性結合層４４により誘起される反強磁性結合は極めて大きく、反強磁性層４２と強磁性層４３との界面での交換結合磁界と相俟って、積層フェリピン構造のピン層４６の磁化固定作用が大きくなる。

非磁性反強磁性結合層４４は、上述のＲｕに替えて、Ｉｒ、Ｒｈ及びＲｕの少なくとも１種を含む合金により形成することもできる。また、非磁性反強磁性結合層４４の膜厚は、非磁性反強磁性結合層４４の材料によって膜厚に対する強磁性／反強磁性結合周期が異なるため、材料に合わせて適切に設定することが重要である。

なお、本実施形態では、上述したように積層フェリピン構造のピン層４６を用いているが、線記録密度分解能向上を目的として素子膜厚の低減を図るために、強磁性層４５及び非磁性反強磁性結合層４４を積層せず、強磁性層４３のみとすることも可能である。

強磁性層４５は、その上に積層されるトンネルバリア層４７の結晶性及び配向性に関係する。本実施形態では、強磁性層４５の材料としてＣｏ、Ｆｅ及びＢの組成比が６０：２０：２０のＣｏＦｅＢ合金（以下、「Ｃｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０合金」という）を用いている。このＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０合金は、スパッタリング法により成膜するとアモルファス構造となるため、その上に積層されるトンネルバリア層４７の結晶を（００２）配向させることが可能になる。

本実施形態では、トンネルバリア層４７としてＭｇＯ膜を形成している。（００２）配向したＭｇＯ膜をトンネルバリア層４７として使用したＴＭＲ素子は、ＴＭＲ素子の面積Ａとその抵抗値Ｒとの積（ＲＡ）が１Ωμｍ²程度と低い場合においても、２００％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が得られることが知られている。これにより、トラック密度が高い磁気記録媒体からの極めて弱い磁気信号を感度よく検出することができる。

トンネルバリア層４７として、酸化アルミニウム又は酸化チタン等により形成された膜を使用することもできる。トンネルバリア層４７としてアルミニウム酸化膜を使用した場合には、酸化アルミニウムの被覆性がよいため、界面平坦化性の向上や、ピンホールの発生を回避するなどの効果が期待できる。また、トンネルバリア層４７に替えて、Ｃｕ等の導電性の非磁性中間層を用いたいわゆるＣＰＰ−ＳＶ（Current Perpendicular to Plane Spin Valve）構造とすることも可能である。

本実施形態では、フリー層４８をＣｏＦｅ合金により形成している。Ｃｏを多く含むＣｏＦｅ合金はｆｃｃ構造の膜を形成し、低抗磁力（低Ｈｃ）かつ低磁歪層となって、ＴＭＲ素子全体としての感度向上が期待できる。フリー層４８として、ＣｏＦｅ膜とＮｉＦｅ膜との積層膜を用いても同様の効果を得ることができる。

保護層４９は、フリー層４８の表面の酸化及び腐食を防止するために形成される。また、保護層４９は、リードギャップを形成するときのＣＭＰ（化学機械研磨）工程においてストッパ層として作用する。保護層４９の材料としては、上述のＴａの他にＲｕ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌなど、多くの材料から選択することができる。

このようにして磁気抵抗効果膜４０を形成した後、反強磁性層４２の交換結合磁界方向を制御するために、ＡＢＳ（Air Bearing Surface）面に垂直な方向に２Ｔ（テスラ）の一様な磁界を印加しながら、２７０〜２９０℃の温度で３時間の真空熱処理を施す。

次に、図８に示す構造を形成するまでの工程について説明する。本実施形態においては、リフトオフ法によりハードバイアス層を形成する。そのために、磁気抵抗効果膜４０を形成した後、図８に示すように、磁気抵抗効果膜４０の上にリフトオフ用フォトレジストパターン３３を形成する。このフォトレジストパターン３３は、例えば感度が異なる２種類のフォトレジスト膜を積層して使用し、上部の幅がＬ２であって下部の幅が上部の幅よりも狭い形状に形成する。その後、このフォトレジストパターン３３をマスクとして磁気抵抗素子効果膜４０をイオンミーリングし、下部シールド兼電極層３１を露出させる。

次に、図９に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述したように磁気抵抗素子効果膜４０をイオンミーリングした後、全面に厚さが３〜１０ｎｍのアルミナ膜（絶縁膜）３４を形成する。このアルミナ膜３４は、下部シールド兼電極層３１と後述する上部シールド兼電極層３７との間でＴＭＲ素子以外の部分での導通を防ぐために形成される。このアルミナ膜３４は、通常のＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成してもよいが、磁気抵抗効果膜４０の側壁に沿って均一な厚さで成膜することが可能なＡＬＤ（アトミックレイヤーデポジッション）法により形成することが好ましい。

次に、アルミナ膜３４の上に、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ又はＭｏなどからなるバイアス下地層３５を例えば３ｎｍの厚さに形成し、更にその上にＣｒＰｔ又はＣｏＣｒＰｔなどの硬質磁性材料からなるハードバイアス層３６を例えば２５ｎｍの厚さに形成する。バイアス下地層３５は、その上のハードバイアス層３６の結晶配向を制御するために形成される。ハードバイアス層３６の角形比を大きくするために、バイアス下地層３５には上述したＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ又はＭｏ等の金属が用いられる。ハードバイアス層３６のバイアス磁界を効率的にフリー層４８に作用させるために、バイアス下地層３５をＦｅＭｏ等の磁性体により形成してもよい。なお、図９に示すように、アルミナ膜３４、バイアス下地層３５及びハードバイアス層３６は、下部シールド兼電極層３１の上だけでなく、フォトレジストパターン３３の表面上にも付着する。

次に、図１０，図１１，図１２に示す構造を形成するまでの工程について説明する。上述したようにハードバイアス層３６を形成した後、図１０に示すように、フォトレジスト膜３３をその表面上に形成されたアルミナ膜３４、バイアス下地層３５及びハードバイアス層３６とともに除去する。その後、ハードバイアス層３６をＣＭＰ研磨して、表面を平坦化する。このＣＭＰ研磨工程においては、保護層４９を構成するＴａとハードバイアス層３６を構成するＣｏＰｔ又はＣｏＣｒＰｔとのポリッシングレートが１００倍程度異なるので、ハードバイアス層３６の表面が保護層４９の表面と同じ高さになるまで研磨されると、研磨速度が著しくて低下してＣＭＰ研磨が終了する。この場合、保護層４９の膜厚が殆ど変化しないので、ＴＭＲ素子のリードギャップを精度よく制御することができる。

次いで、図１１に示すように、全面にＮｉＦｅからなる上部シールド兼電極層３７を例えば１０００ｎｍの厚さに形成した後、電極端子加工を行う。このようにして、素子幅がＬ２のＴＭＲ素子１２ｂが形成される。

次いで、図１２に示すように、ＴＭＲ素子１２ｂの上（上部シールド兼電極層３７の上）に、例えばアルミナからなる絶縁膜３８を５０ｎｍの厚さに形成する。その後、ＴＭＲ素子１２ｂと同様の方法により、素子幅がＬ１のＴＭＲ素子１２ａを形成する。更に、ＴＭＲ素子１２ｂの上に、公知の方向により書き込み素子（図示せず）を形成する。書き込み素子としては、狭トラック型のシングルポールヘッド、トレーリングシールド付ヘッド、又は熱アシストシングルポールヘッド等を用いることが可能である。このようにして、本実施形態に係る磁気ヘッドが完成する。

なお、本実施形態においては、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂを、いずれもフリー層を非磁性中間層（トンネルバリア層４７）の上側に配置したいわゆるボトム型スピンバルブ構造としているが、フリー層を非磁性中間層の下側に配置したいわゆるトップ型スピンバルブ構造としても同様の効果が得られる。また、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂのいずれか一方をボトム型スピンバルブ構造とし、他方をトップ型スピンバルブ構造としてもよい。

ところで、図１に示すようにＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの一方の側の端部の位置（図１では右端部）が完全に一致している場合は、ＴＭＲ素子１２ａでトラック２，３からの磁気信号を検出するのと殆ど同時にＴＭＲ素子１２ｂでトラック１，２，３からの磁気信号を検出することができる。

しかし、現在実用化されている高性能の露光装置（ＡｒＦ、ＫｒＦスキャナ）を用いても、ウエハ面内のバラつきを考慮すると、露光プロセスにおける位置合わせ精度は２０〜３０ｎｍ程度（３σの値：σは標準偏差）である。このため、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂの素子端（図１では右端）の位置が±１５ｎｍ程度ずれることが考えられる。

図１３（ａ）に読み取りトラック幅に対するＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂ間のずれ量と再生出力との関係をシミュレーション計算した結果を示す。この図１３（ａ）において横軸のシグナルパターン１〜１６は、図１３（ｂ）に示すようにトラック１〜４の磁気信号の状態を示している。また、図１３（ａ）の縦軸ＶμＶは、（Ｖhead2×３−Ｖhead1×２）の値を示している。

この図１３（ａ）に示すように、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂのずれ量が１０％の場合は出力差分の分解能ΔＶは9360μＶとなり、単一再生ヘッドを用いた場合の２６％（＝（9360μＶ／36000μＶ）×１００％）に劣化する。また、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂのずれ量が２０％の場合は出力差分の分解能ΔＶは4320μＶとなり、単一再生ヘッドを用いた場合の１２％（＝（4320μＶ／36000μＶ）×１００％）に劣化する。ＭＲ比が１００％の磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）を用いた場合、ずれ量が１０％であればＭＲ比が２６％相当のＳ／Ｎ比が得られることから、Ｓ／Ｎ比の低下は小さく（図５参照）、ＴＭＲ素子１２ａによりトラック２，３の磁気信号を検出するのとほぼ同時に、ＴＭＲ素子１２ｂによりトラック１，２，３の磁気信号を検出することができる。しかし、それ以上のずれが生じた場合は、Ｓ／Ｎ比の低下が大きいため、ＴＭＲ素子１２ａでトラック２，３の磁気信号を検出するのとほぼ同時にＴＭＲ素子１２ｂでトラック１，２，３の磁気信号を検出することは困難である。

読み取りトラック幅を５０ｎｍ（４００ｋＴＰＩ相当）とした場合、ずれ量の許容量を１０％とするとＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂのずれ量の許容値は５ｎｍとなり、現状の露光装置の精度では図１に示すようにＴＭＲ１２ａ，１２ｂの端部の位置が同一の磁気ヘッドを歩留良く作製することは困難である。しかし、ＴＭＲ素子１２ａ，１２ｂのずれ量が大きい場合であっても、例えばＴＭＲ素子１２ａでトラック２，３の磁気信号を検出した後に磁気ヘッド１２の位置を調整し、その後ＴＭＲ素子１２ｂでトラック１，２，３の磁気信号を検出するという動作を行うことによって、トラック１からの信号を検出することができる。この場合はアクセス速度の低下を伴うが、本実施形態の磁気記録装置では磁気記録媒体１１のトラック密度を従来の１０倍程度まで高密度化できるので、小型で大容量の記録装置が得られるという効果を奏する。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）磁気記録媒体に記録された磁気信号を読み取る磁気ヘッドにおいて、
基板と、
前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子と、
前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子と
を有することを特徴とする磁気ヘッド。

（付記２）前記第１及び第２の読み取り素子が前記基板上に積層して形成され、且つ前記第１及び第２の読み取り素子の幅方向の一方の端部の位置が一致していることを特徴とする付記１に記載の磁気ヘッド。

（付記３）前記第１及び第２の読み取り素子が、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のトンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする付記１に記載の磁気ヘッド。

（付記４）前記トンネル磁気抵抗素子が、第１及び第２の強磁性層と、それらの第１及び第２の強磁性層の間に配置された非磁性反強磁性結合層とにより構成される積層フェリピン構造のピン層を有することを特徴とする付記３に記載の磁気ヘッド。

（付記５）前記トンネル磁気抵抗素子のトンネルバリア層が、マグネシウム酸化膜により構成されていることを特徴とする付記３に記載の磁気ヘッド。

（付記６）前記第１及び第２の読み取り素子の素子幅が、１００ｎｍ以上であることを特徴とする付記１に記載の磁気ヘッド。

（付記７）前記第１及び第２の読み取り素子のうちの少なくとも一方が、下部シールド兼電極層の上に、下地膜、反強磁性層、ピン層、トンネルバリア層、フリー層、保護層及び上部シールド兼電極層をこの順に積層して構成されるボトム型のトンネル磁気抵抗素子により構成されていることを特徴とする付記１に記載の磁気ヘッド。

（付記８）前記第１及び第２の読み取り素子のうちの少なくとも一方が、下部シールド兼電極層の上に、下地層、フリー層、トンネルバリア層、ピン層、反強磁性層、保護層及び上部シールド兼電極層をこの順に積層して構成されるトップ型のトンネル磁気抵抗素子により構成されていることを特徴とする付記１に記載の磁気ヘッド。

（付記９）磁気信号を記録する磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子、及び前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子が設けられた磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の記録面に沿って移動させる磁気ヘッド移動機構と、
前記第１及び第２の読み取り素子から出力される信号の同期をとり、それらの信号の差分を演算して読み出し信号を出力する信号同期／差分演算部と
を有することを特徴とする磁気記録装置。

（付記１０）前記磁気記録媒体が、垂直磁気記録方式の記録媒体であることを特徴とする付記９に記載の磁気記録装置。

（付記１１）前記信号同期／差分演算部は、前記第１及び第２の読み取り素子の出力に各読み取り素子の読み取りトラック数を乗じた値の差を演算することを特徴とする付記９に記載の磁気記録装置。

（付記１２）前記第１及び第２の読み取り素子が積層して形成され、且つ前記第１及び第２の読み取り素子の幅方向の一方の端部の位置が一致していることを特徴とする付記９に記載の磁気記録装置。

（付記１３）前記第１及び第２の読み取り素子が、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のトンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする付記９に記載の磁気記録装置。

図１は、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドに設けられた第１及び第２の読み取り素子（ＴＭＲ素子）の素子幅と磁気記録媒体のトラック幅との関係を示す模式図である。図２は、各トラックの磁気信号と第１及び第２の読み取り素子（ＴＭＲ素子）の出力との関係を示す図である。図３は、フリー層の磁化回転角から素子幅が１００ｎｍのＴＭＲ素子と素子幅が５０ｎｍのＴＭＲ素子の検出感度を位置毎にシミュレーション計算した結果を示す図である。図４は、素子の両端部での感度低下を考慮したときの各トラックの磁気信号と第１及び第２の読み取り素子（ＴＭＲ素子）の出力との関係を示す図である。図５は、ＭＲ比（磁気抵抗変化率）とＳ／Ｎ比との関係を示す図である。図６は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置の構成を示すブロック図である。図７は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その１）である。図８は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その２）である。図９は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その３）である。図１０は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その４）である。図１１は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その５）である。図１２は、実施形態の磁気ヘッドの製造方法を示す断面図（その６）である。図１３（ａ）は読み取りトラック幅に対する第１及び第２の読み取り素子（ＴＭＲ素子）間のずれ量と再生出力との関係をシミュレーション計算した結果を示す図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のシグナルパターンを示す図である。

符号の説明

１１…磁気記録媒体、
１２…磁気ヘッド、
１２ａ，１２ｂ…ＴＭＲ素子（読み取り素子）
１３…サスペンションアーム、
１４…ヘッド位置決め機構、
１５ａ，１５ｂ…ヘッドアンプ、
１６…位置検出回路、
１７…サーボ復調／ＶＣＭ制御部、
１８ａ，１８ｂ…データ復調部、
１９…同期回路、
２０…差分演算回路、
３０…基板、
３１…下部シールド兼電極層、
３３…フォトレジストパターン、
３４…アルミナ膜、
３５…バイアス下地膜、
３６…ハードバイアス層、
３７…上部シールド兼電極層、
３８…絶縁膜、
４０…磁気抵抗効果膜、
４１…配向制御層、
４２…反強磁性層、
４３，４５…強磁性層、
４４…非磁性反強磁性層、
４６…ピン層、
４７…トンネルバリア層、
４８…フリー層、
４９…保護層。

Claims

磁気記録媒体に記録された磁気信号を読み取る磁気ヘッドにおいて、
基板と、
前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子と、
前記基板上に形成されて前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子と
を有することを特徴とする磁気ヘッド。
前記第１及び第２の読み取り素子が前記基板上に積層して形成され、且つ前記第１及び第２の読み取り素子の幅方向の一方の端部の位置が一致していることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
前記第１及び第２の読み取り素子の素子幅が、１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
磁気信号を記録する磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ本（但し、Ｎは２以上の整数）のトラックからの磁気信号を同時に検出する第１の読み取り素子、及び前記磁気記録媒体の記録面の相互に隣接するＮ＋１本のトラックからの磁気信号を同時に検出する第２の読み取り素子が設けられた磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の記録面に沿って移動させる磁気ヘッド移動機構と、
前記第１及び第２の読み取り素子から出力される信号の同期をとり、それらの信号の差分を演算して読み出し信号を出力する信号同期／差分演算部と
を有することを特徴とする磁気記録装置。
前記信号同期／差分演算部は、前記第１及び第２の読み取り素子の出力に各読み取り素子の読み取りトラック数を乗じた値の差を演算することを特徴とする請求項４に記載の磁気記録装置。