JP2008130112A - 磁気抵抗効果型再生磁気ヘッド及びその再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置 - Google Patents

磁気抵抗効果型再生磁気ヘッド及びその再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置 Download PDF

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Abstract

【課題】二つの自由磁性層からなり、強磁性層による出力低下が少ない構造の高感度の磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供すること。
【解決手段】磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドにおいて、感知用の電流磁界により二つの自由磁性層の磁化を、互いに反対方向であって、媒体対向面に対し凡そ45°とすることで、従来に比べて約2倍の再生出力を得る。また、強磁性層を媒体対向面と対向する面側にのみ配置することで、媒体対向面側の自由磁性層の感度を高くして、より大きな再生出力を得る。
【選択図】図６

Description

本願発明は再生磁気ヘッド及びその再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置に関する。さらに詳しくは、高感度の磁気抵抗効果型再生磁気ヘッドの構造に関する。
近年、デジタル化や情報化により大容量記録装置が必要とされ、ＨＤＤなどの磁気記録装置は急速に高密度化が進んでいる。それに伴い、磁気記録媒体（以下、記録媒体、又は単に媒体という。）に記録されるビットサイズも小さくなっており、記録媒体からの信号磁束が微小になっている。従来のリングコアを通じて電磁誘導効果により媒体信号を読み取るインダクティブヘッドでは、小さな信号を十分に読み取ることができない。
そこで、磁性薄膜の磁化が媒体磁界に応答して回転することで媒体信号を抵抗変化として読み取る磁気抵抗効果型再生磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が用いられるようになった。中でも自由磁性層と非磁性層と固定磁性層の積層構造により従来の磁気抵抗効果素子よりも約２倍の感度を有する巨大磁気抵抗効果素子すなわちスピンバルブ型再生磁気ヘッドが多く用いられている。
しかし、さらに大容量の記録装置が求められ、スピンバルブ型再生磁気ヘッドでも感知できない程度に高密度化が進んでいる。そこで、さらに高感度であるトンネル磁気抵抗効果型再生磁気ヘッドや膜面垂直方向に電流を流す垂直通電型（ＣＰＰ）の磁気抵抗効果型再生磁気ヘッドも採用されてきている。
図１に従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を示す。図１（ａ）は従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を膜面垂直方向から見た側面図、図１（ｂ）は従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を素子中央部で切断した断面図、図１（ｃ）は従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を媒体対向面から見た側面図である。素子部１は、媒体磁界に応答して回転する自由磁性層２と、固定されている固定磁性層３と、自由磁性層２と固定磁性層３の間の非磁性層５と、交換結合により固定磁性層３を固定する反強磁性層４とから構成され、素子部１の左右に自由磁性層２にバイアス磁界を印加するためのバイアス印加層６が下地層７を介して配置されている。このバイアス印加層６によりバイアス磁界を印加し、自由磁性層２を磁区制御してバルクハウゼンノイズを抑えている。また、通常はバイアス印加層６に電流端子（図示しない）が電気的に接続されている。
次に、図２に従来のスピンバルブ型再生磁気ヘッドの自由磁性層及び固定磁性層の磁化状態の模式図を示す。なお、図２には自由磁性層及び固定磁性層以外の層は図示していない。図２（ａ）は媒体磁界がない場合の磁化状態を示している。磁気異方性やバイアス印加層６からのバイアス磁界により自由磁性層２の磁化は凡そ媒体対向面に平行な方向を向いており、固定磁性層３の磁化は反強磁性層４との交換結合により媒体対向面に凡そ垂直な方向に固定されている。なお、固定磁性層の磁化の向きは180°反対方向であっても良い。
一方、媒体磁界８がある場合には、図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すように、媒体磁界８に応答して自由磁性層２の磁化が上下に回転するが、固定磁性層３の磁化は反強磁性層４との交換結合により媒体対向面に垂直な方向に固定されたままである。したがって、自由磁性層と固定磁性層の磁化の相対角度は媒体磁界８により変化し、磁気抵抗効果により素子の抵抗も変化する。この抵抗変化を用いて記録媒体上の磁気情報を電気信号に変換している。
このように、従来のスピンバルブ型再生磁気ヘッドやトンネル磁気抵抗効果型再生磁気ヘッドでは、固定磁性層３は媒体磁界に応答せず、単一の軟磁性層(自由磁性層２)のみが媒体磁界に応答して回転することで媒体信号を抵抗変化として読み取っている。
ところが、２つの軟磁性層の磁化のそれぞれが媒体磁界に応答して互いに反対回りに回転すれば、２つの軟磁性層の磁化の相対角度は従来に比べて約２倍変化するため、再生出力も約２倍の出力を得ることができる。かかる構造の再生磁気ヘッドとしては、図３（ａ）に示すように、第１の自由磁性層１０と第２の自由磁性層１１から構成され、媒体磁界のない場合には、各自由磁性層１０、１１の磁化が互いに反対方向を向き、媒体対向面に対し仰角が凡そ45°となるように設計されている。なお、図３には第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層以外の層は図示していないが、第１の自由磁性層と第２の自由磁性層の間には非磁性層が配置され、磁気抵抗効果素子を構成している。
一方、媒体磁界８がある場合には、図３（ｂ）又は図３（ｃ）に示すように、媒体磁界８に応答して各自由磁性層１０、１１の磁化がそれぞれ上下に回転する。このような再生磁気ヘッドの構造として、特許第3657916号公報に、ブロッキング温度の異なる２つの反強磁性層を用いた構造が垂直媒体用の再生磁気ヘッドの構造として開示されている。
特許第3657916号公報
しかし、ブロッキング温度の異なる２つの反強磁性層を用いて第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の両端部を固定する場合、反強磁性層の膜厚はそれぞれ5nm〜20nm程度必要であり、高密度記録を実現するため狭ギャップ化を図る際に大きな問題となる。
また、従来はバルクハウゼンノイズを抑制するため素子の両側にバイアス印加層を配置して、自由磁性層にバイアス磁界を印加しているが、これは自由磁性層の媒体磁界に対する感度を下げる効果もあり、再生出力の低下を招く。
図４に素子コア幅の異なる再生磁気ヘッドにおける自由磁性層へのバイアス磁界のコア幅方向の分布図を示す。図４は素子コア幅方向の寸法が88nm、148nm及び200nm、素子高さ方向の寸法が112nm、バイアス印加層である強磁性層のtBrが190Gumの条件でのシミュレーション結果である。素子コア幅が148nm及び200nmの場合には、素子中央部でのバイアス磁界が20Oe以下であるのに対し、素子コア幅が88nmの場合には、強磁性層からのバイアス磁界により磁区制御されている領域が多く、素子中央部でのバイアス磁界が100Oe以上となっている。なお、以下、図１の矢印ａの方向を素子コア幅方向、矢印ｂの方向を素子高さ方向と呼ぶ。
特に近年では磁気記録装置の大容量化が進みハードディスクの高密度化が必要とされ、磁気ディスクに記録された微小の磁気情報を読取るため、磁気抵抗効果素子もさらに小型化されており、バイアス印加層からのバイアス磁界による出力低下が大きな問題となっている。
したがって、これらの問題を解消すべく、２つの自由磁性層から構成される高感度の磁気抵抗効果型再生磁気ヘッド及びその再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置を提供することを目的とする。また、バイアス印加層による出力低下が少ない構造の高感度の磁気抵抗効果型再生磁気ヘッド及びその再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置を提供することを目的とする。
本願発明の再生磁気ヘッドは、第１の自由磁性層と、第２の自由磁性層と、前記第１の自由磁性層と前記第２の自由磁性層の間の非磁性層と、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の媒体対向面に垂直な方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加層と、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層に電気的に接続された電極とを有し、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び非磁性層に媒体対向面に垂直な方向に電流を流すことで生じる電流磁界により、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化が、各自由磁性層の膜面内であって互いに反対方向に媒体対向面に垂直な方向から傾いていることを特徴とする。
かかる構造においては、バイアス印加層からのバイアス磁界と電流磁界により、第１の自由磁性層と第２の自由磁性層の磁化は互いに反対方向であって、媒体対向面に対し所望の仰角を有して傾く。また、通常、軟磁性膜は磁区を生じるが、バイアス印加層からのバイアス磁界により第１の自由磁性層と第２の自由磁性層の磁化は磁区を生じない。
したがって、媒体磁界に対し各自由磁性層の磁化が応答し、平行又は反平行となるように回転し、第１の自由磁性層と第２の自由磁性層の磁化の相対角度は、従来構造の再生磁気ヘッドに比べ約２倍となり、再生出力も約２倍の出力を得ることが出来る。
また、本願発明の再生磁気ヘッドは、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化の傾きが、各自由磁性層の膜面内において、互いに反対向きに、それぞれ媒体対向面に対して仰角が30〜60°であることを特徴とする。かかる条件において良好な再生出力を得ることができる。
さらに、本願発明の再生磁気ヘッドは、前記バイアス印加層が、媒体対向面の反対側で前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層と電気的に接続していることを特徴とする。このようにバイアス印加層を媒体対向面に対向する面側に配置することで、媒体磁界に対する感度が大きい媒体対向面付近の各自由磁性層への磁区制御を少なくしているため、磁区制御による出力低下を防ぐことができる。また、バイアス印加層が電極を兼ねることができる。
さらに、本願発明の磁気記録装置は、磁気ディスクと、前記磁気ディスクから記録された情報を読取るための、第１の自由磁性層と、第２の自由磁性層と、前記第１の自由磁性層と前記第２の自由磁性層の間の非磁性層と、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の媒体対向面に垂直な方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加層と、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層に電気的に接続された電極とを有し、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び非磁性層に媒体対向面に垂直な方向に電流を流すことで生じる電流磁界により、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化が、各自由磁性層の膜面内であって互いに反対方向に媒体対向面に垂直な方向から傾いている再生磁気ヘッドと、前記再生磁気ヘッドに接合される、可撓性を有するサスペンションと、前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記再生磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気ディスクから前記再生磁気ヘッドが読み込んだ電気信号を検出する検出回路装置とを有することを特徴とする。本願発明の再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置である。
本願発明に係る磁気抵抗効果型再生磁気ヘッドによれば、高出力を得ることができ、高密度化に対応した再生磁気ヘッド及び大容量の磁気記録装置を提供することができる。
以下、添付した図面に基づき本願発明の実施形態を詳細に説明する。
図５に本願発明に係る再生磁気ヘッドの第１の実施形態の構成を示す。図５（ａ）は本願発明に係る再生磁気ヘッドを膜面垂直方向から見た側面図、図５（ｂ）は本願発明に係る再生磁気ヘッドを素子中央部で切断した断面図、図５（ｃ）は本願発明に係る再生磁気ヘッドを媒体対向面から見た側面図である。
再生磁気ヘッドは、例えば、基板となるAl2O3-TiCの上に、NiFe等の下部シールド層及びAl2O3等の絶縁層を積層し、さらに第１の自由磁性層１０として4nmのCoFe、非磁性層５として1.5nmのCu、第２の自由磁性層１１として4nmのCoFeを順次所望の形状に積層及び加工し、媒体対向面と対向する面ｄ側に1.5nmのCrからなる下地層７を介して、第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層にバイアス磁界を印加するバイアス印加層６として15nmのCoCrPtを、媒体対向面ｃ側に電流端子１２として80nmのTiを配置した構造をとる。
バイアス印加層６はCoPt等の強磁性層やPdPtMn、IrMn等の反強磁性層とNiFe、CoFe等の軟磁性層の積層構造であってもよく、下地層７を設けることなく配置される場合もある。また、電流端子１２はW等、第１の自由磁性層又は第２の自由磁性層はNiFe等、非磁性層はAl2O3、MgO等の絶縁材料からなる場合もある。さらに、Ta等の下地層およびTa等のキャップ層を設ける場合もある。
本実施形態の再生磁気ヘッドは、バイアス印加層６が電流端子を兼ねており、電流端子に電流を流していない状態においては、図６（ａ）に示すように、第１の自由磁性層１０及び第２の自由磁性層１１はそれぞれバイアス印加層６からのバイアス磁界により媒体対向面に対して垂直な方向を向いている。この再生磁気ヘッドに電流端子を兼ねたバイアス印加層６及び電流端子１２を通じて電流１３を流すと、電流磁界１４が発生し、図６（ｂ）に示すように、第１の自由磁性層１０及び第２の自由磁性層１１の磁化は互いに反対向きに媒体対向面に対して仰角が凡そ45°の状態となる。
次に、本願発明の再生磁気ヘッドの磁化の媒体磁界に対する応答について説明する。まず、媒体磁界のない場合には、図３（ａ）に示すように、第１の自由磁性層１０および第２の自由磁性層１１の磁化は電流磁界及びバイアス印加層からのバイアス磁界により、互いに反対方向に媒体対向面に対して仰角が凡そ45°となっている。
次に、図３（ｂ）のような媒体磁界８が入った場合には、第１の自由磁性層１０および第２の自由磁性層１１は共に、媒体対向面に対する仰角が鋭角になる方向に回転し、それらの相対角度は大きくなる。一方、図３（ｃ）のような媒体磁界が入った場合には、第１の自由磁性層１０および第２の自由磁性層１１は共に、媒体対向面に対する仰角が鈍角になる方向に回転し、それらの相対角度は小さくなる。
従来では、自由磁性層のみが媒体磁界に応答して回転しているが、本願発明の再生磁気ヘッドであれば、第１の自由磁性層１０および第２の自由磁性層１１が媒体磁界に応答してそれぞれ反対方向に回転するため、それらの相対角度の変化は従来に比べ約２倍となり、再生出力も従来に比べ約２倍の出力を得ることができる。
図７に従来の再生磁気ヘッドにおける自由磁性層の回転角度及び再生波形の非対称性とバイアス印加層のtBrとの関係を示す。自由磁性層の回転角度とは、媒体磁界に対応して自由磁性層が回転する最大の回転角度を意味する。図７は再生磁気ヘッドのコア幅を84nm、素子高さを80nm及び120nm、再生磁気ヘッド−媒体距離を14nmとして再生シミュレーションを行った結果である。
バイアス印加層のtBrを小さくすると、自由磁性層に印加されるバイアス磁界が小さくなり、媒体磁界に対応した自由磁性層の回転角度は大きくなるが、一方で、自由磁性層の磁区制御が弱くなり、バルクハウゼンノイズを生じるおそれがある。バルクハウゼンノイズが生じると再生波形の非対称性が大きくなることから、非対称性は±5%以内に設定することが望ましい。図７より非対称性を±5%とした場合の自由磁性層の回転角度は凡そ30°〜34°となっている。
ここで、再生磁気ヘッドの再生出力は以下の（１）式で表される。
V=(1/2)×ΔR×(1-COSθ)×Is （１）
Vは再生出力、ΔRは磁気抵抗変化、θは第１の自由磁性層と第２の自由磁性層の相対角度、Isはセンス電流を示す。段落００３２の記載より第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化は媒体磁界に対して30°以下の回転で使用することが望ましいから、第１の自由磁性層１０及び第２の自由磁性層１１の磁化は媒体磁界がない場合において、媒体対向面ｃに対して仰角を30〜60°の範囲に設定することで良好な再生出力を得ることができる。これは、媒体対向面ｃに対する仰角を30°以下とすると媒体磁界により第１の自由磁性層と第２の自由磁性層が反平行となり、媒体対向面ｃに対する仰角を60°以上とすると媒体磁界により第１の自由磁性層と第２の自由磁性層が平行となり、線形な再生出力が得られなくなるからである。
また、従来は図１に示すように素子両端部に配置されたバイアス印加層６の磁界により素子両端部での自由磁性層２の磁化の回転は少なくなっているが、特に狭コア幅の再生磁気ヘッドにおいては、素子中央部においても自由磁性層２の磁化の回転は少なくなっている。しかし、本実施形態では、バイアス印加層の磁界により強く磁区制御されているのは、媒体対向面に対向する面ｄ側であり、媒体磁界に対する感度が大きい媒体対向面ｃ側では、第１の自由磁性層１０及び第２の自由磁性層１１の磁化はバイアス印加層に磁区制御されることなく回転し、大きな出力を得ることができる。
なお、本実施形態では、第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化は素子コア幅方向に向くことなく動作しているため、大きな反磁界を受けることもなく、バイアス印加層を素子の両端部に配置しなくても、バルクハウゼンノイズを生じることはない。
ここで、実施例で示した再生磁気ヘッドを搭載した磁気記録装置について簡単に説明する。図８は本実施形態の再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置の斜視図である。磁気ディスク１６は、磁気情報を含み、スピンドルモータ１５によって高速で回転する。アクチュエータアーム１７には、可撓性のステンレスで作られたサスペンション１８が取り付けられている。また、アクチュエータアーム１７は、支軸１９により回転自在に筐体２１に固定され、磁気ディスク１６の略半径方向に移動する。これにより、サスペンション１８に取り付けられたスライダ２２が磁気ディスク１６上を移動して、所定のトラック上で情報の記録/再生を行う。筐体２１の中には、記録/再生信号を検出する検出回路装置が固定されており、検出回路装置は、センス(感知)電流を再生磁気ヘッド中の磁気抵抗効果素子に通すことにより、そして磁気抵抗効果素子での電圧変化を測定することによって、その抵抗値の変化を検出し媒体からの情報を復元する。
図９（ａ）は、図８に示したサスペンション１８、スライダ２２及び図５及び図６で示した本実施形態の再生磁気ヘッドの位置関係を示した概略図である。スライダ２２はサスペンション１８の下でサスペンション１８に取付けられヘッドサスペンション組立体を構成する。高速で磁気ディスク１６が回転することで、空気をスライダ２２と磁気ディスク１６の間に引き込んで、その加圧によりスライダ２２が浮動する。スライダ２２の先端に取り付けられた再生磁気ヘッドは、サスペンション１８上及びアクチュエータアーム１７上の絶縁されている導電線２０を介して検出回路装置に電気的に接続されている。
図９（ｂ）は、図５及び図６で示した本実施形態の再生磁気ヘッド及び書込み磁気ヘッドの構造を示す。再生磁気ヘッド２４は、下部シールド２３と上部シールド２５とで挟まれた構造であり、ライトギャップ２６を挟んで配置される上部シールドを兼ねた下部磁極２５及び上部磁極２７と、記録用のコイル２８からなる書込み磁気ヘッドに隣接して配置される。
記録された磁気情報に応じて磁気ディスク１６から漏れる媒体磁界が、下部シールド２３と上部シールド２５に挟まれた本実施形態の再生磁気ヘッド２４に印加されると、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化がそれぞれ独立して回転することで、第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化の相対角度変化は従来の再生磁気ヘッドに比べ約２倍となる。この磁化の相対角度に応じた抵抗変化を電気信号として導電線２０を通じて検出回路装置で検出することで、高密度化された大容量の磁気記録装置を提供することが可能となる。
磁気抵抗効果素子の従来の構成を示す側面図及び断面図である。 従来のスピンバルブ型再生磁気ヘッドの自由磁性層及び固定磁性層の磁化状態の模式図である。 第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層から構成される再生磁気ヘッドの第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化状態の模式図である。 自由磁性層におけるバイアス磁界の長手方向の分布図である。 第１の実施形態の再生磁気ヘッドの構造を示す側面図及び断面図である。 第１の実施形態の再生磁気ヘッドの第１の自由磁性層及び第２の自由磁性層の磁化状態の模式図である。 自由磁性層の回転角度及び再生波形の非対称性とバイアス印加層のtBrとの関係図である。 本願発明の再生磁気ヘッドを用いた磁気記録装置の斜視図である。 サスペンション、スライダ及び本願発明の再生磁気ヘッドの位置関係並びに再生磁気ヘッド及び書込み磁気ヘッドの構造を示す概略図である。
符号の説明
1素子部
2自由磁性層
3固定磁性層
4反バイアス印加層
5非磁性層
6バイアス印加層
7下地層
8媒体磁界
9記録媒体上のトラック
10第１の自由磁性層
11第２の自由磁性層
12電流端子
13電流
14電流磁界
15スピンドルモータ
16磁気ディスク
17アクチュエータアーム
18サスペンション
19支軸
20導電線
21筐体
22スライダ
23下部シールド
24再生磁気ヘッド
25上部シールド（下部磁極）
26ライトギャップ
27上部磁極
28コイル

Claims (4)

  1. 第１の自由磁性層と、第２の自由磁性層と、前記第１の自由磁性層と前記第２の自由磁性層の間の非磁性層と、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の媒体対向面に垂直な方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加層と、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層に電気的に接続された電極とを有し、
    前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び非磁性層に媒体対向面に垂直な方向に電流を流すことで生じる電流磁界により、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化が、各自由磁性層の膜面内であって互いに反対方向に媒体対向面に垂直な方向から傾いていることを特徴とする再生磁気ヘッド。
  2. 前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化の傾きが、各自由磁性層の膜面内において、互いに反対向きに、それぞれ媒体対向面に対して仰角が30〜60°であることを特徴とする、請求項１に記載の再生磁気ヘッド。
  3. 前記バイアス印加層が、媒体対向面の反対側で前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層と電気的に接続していることを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の再生磁気ヘッド。
  4. 磁気ディスクと、
    前記磁気ディスクから記録された情報を読取るための、第１の自由磁性層と、第２の自由磁性層と、前記第１の自由磁性層と前記第２の自由磁性層の間の非磁性層と、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の媒体対向面に垂直な方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加層と、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び前記非磁性層に電気的に接続された電極とを有し、前記第１の自由磁性層、前記第２の自由磁性層及び非磁性層に媒体対向面に垂直な方向に電流を流すことで生じる電流磁界により、前記第１の自由磁性層及び前記第２の自由磁性層の磁化が、各自由磁性層の膜面内であって互いに反対方向に媒体対向面に垂直な方向から傾いている再生磁気ヘッドと、
    前記再生磁気ヘッドに接合される、可撓性を有するサスペンションと、
    前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、
    前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記再生磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気ディスクから前記再生磁気ヘッドが読み込んだ電気信号を検出する検出回路装置と、を有することを特徴とする磁気記録装置。
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