JP2008135493A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本願発明では強磁性層の保持力及び残留磁束密度を高い値に維持したままで、感知層(自由磁性層)に均一なバイアス磁界を印加した磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供すること。
【解決手段】外部磁界に応答して磁化が回転する感知層(自由磁性層)１１と、その感知層(自由磁性層)１１にバイアス磁界を印加するバイアス印加層１５と、からなる素子部(磁気抵抗効果素子)１０であって、その感知層(自由磁性層)１１と強磁性層１５の間に磁性層２２が配置される。この磁性層２２が小さな粒径を形成することにより、バイアス印加層１５からのバイアス磁界をその小さな粒を通じて感知層(自由磁性層)１１に伝えることで、バイアス磁界の素子高さ方向成分を打ち消し合い、感知層に対してコア幅方向に安定したバイアス磁界を印加し、バルクハウゼンノイズを防ぐ。
【選択図】図６

Description

本願発明は磁気抵抗効果素子に関する。さらに詳しくは、外部磁界に応答して磁化方向が回転する感知層にバイアス磁界を与えるバイアス印加層の構造に関する。
磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッドの構造を図１に示す。この磁気ヘッドは、リードヘッド４とライトヘッド９から構成される。リードヘッド４は下部シールド層１と上部シールド層３とで再生用の磁気抵抗効果素子２（ＡＭＲ素子、GＭＲ素子、ＴＭＲ素子）を挟む構造である。ライトヘッド９はライトギャップ６を挟んで配置される下部磁極５及び上部磁極７と、記録用のコイル８からなる構造である。
磁気ヘッドに用いられる従来の巨大磁気抵抗効果素子の構造を図２に示す。図２は媒体対向面を媒体側から見た巨大磁気抵抗効果素子の側面図である。磁界を検知する素子部１０は、感知層である自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４から構成される。固定磁性層１２の磁化は反強磁性層１３により一定方向に固定されている。自由磁性層１１は媒体磁界に応答して磁化角度が変化する。非磁性層１４はCu等の導体材料からなる。
自由磁性層の磁化はバイアス方向の両端部では反磁界を受けバイアス方向を向きにくい状態になっている。したがって、媒体磁界に対する応答もヒステリシスをもったものとなり、バルクハウゼンノイズを生じるおそれがある。そこで、素子部１０の両側にはバイアス印加層として、CoCrPt等の強磁性層１５がＣｒ等の下地層１６を介して配置されている。このバイアス磁界により自由磁性層の磁化を抑えてバルクハウゼンノイズを防いでいる。
また、磁気ヘッドは、図２及び図３に示すように、素子部１０の上下に絶縁層１８、１９を介して上部シールド３及び下部シールド１を有し、電極１７、ボンディングパッド２０及び導電線トレース(図示せず)を通じて外部の検出回路装置に電気的に接続される。このように磁気ヘッドにより、磁気ディスク上に書き込まれた磁気情報を磁気抵抗効果素子を通じて電気信号に変換している。なお、図３は、磁気ヘッドを膜面垂直方向から見た説明図である。
近年、磁気記録密度の更なる高密度化に対応するため、リードヘッドにおいて、より一層の狭ギャップ化、狭トラック化が求められている。しかしながら、狭ギャップ化や狭トラック化によって磁気抵抗効果素子に対して有効にバイアス磁界を印加することが難しくなってきており、強磁性層の保持力及び残留磁束密度はさらに高い値が必要とされている。
特開平9-282612号公報 特開2005-38508号公報 特開平9-282612号公報において、軟磁性層と硬磁性層からなるバイアス磁界印加層に関する技術が、特開2005-38508号公報において、硬質磁性層と強磁性層と下地層からなるバイアス磁界印加層に関する技術が開示されているが、これらの技術は、軟磁性層(硬質磁性層)と硬磁性層(強磁性層)を多層又は積層とすることで保持力及び残留磁束密度を高く保持することを特徴とする。
しかし、強磁性層の保持力および残留磁束密度の値を大きくすることは、磁化の交換結合力を大きくすることになり、如いては強磁性層の粒径を大きくすることにも繋がる。一方で磁気記録装置の高密度化により素子サイズは200nm×200nm以下に縮小されているため、素子高さ方向中の強磁性層１５の粒は10個以下となっている。図４は、従来の強磁性層の結晶粒径及び磁化を示す説明図である。図４に示すように、強磁性層１５の結晶粒子の磁化は完全にはバイアス方向を向いておらず、粒毎にバラツキをもっている。したがって、素子高さ方向中の強磁性層１５の粒が10個以下程度になると素子の場所によって磁場方向２１が異なり、自由磁性層１１(感知層)が不安定となり、如いてはバルクハウゼンノイズを生じることとなる。
よって、本願発明では強磁性層の保持力及び残留磁束密度を高い値に維持したままで、感知層に均一なバイアス磁界を印加することを目的とする。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、外部磁界に応答して磁化が回転する感知層と、下地層を介して前記感知層にバイアス磁界を印加するバイアス印加層とを有し、前記下地層と前記バイアス印加層の間に磁性層が配置され、前記磁性層の結晶粒径が前記バイアス印加層の結晶粒径より小さいことを特徴としている。
磁性層の結晶粒径を強磁性層の結晶粒径より小さくすることにより、強磁性層からのバイアス磁界をその小さな粒を通じて感知層に伝えることで、バイアス磁界の素子高さ方向成分を打ち消し合い、感知層に対してコア幅方向に安定したバイアス磁界を印加し、バルクハウゼンノイズを防いでいる。
また、磁性層の結晶粒径は20nm以下とすることが好ましい。かかる条件において安定した再生波形が得られる。
また、磁性層は軟磁性層であることが好ましい。軟磁性層は保持力が小さく、その結晶粒径も強磁性層に比べて十分に小さくすることができるからである。
また、磁性層はFe、Co、Niの少なくともいずれか一つを含む金属であることが好ましい。このように構成した場合、飽和磁束密度の大きい軟磁性層を形成することができる。
本願発明に係る磁気ヘッドは、外部磁界に応答して磁化が回転する感知層と、下地層を介して前記感知層にバイアス磁界を印加するバイアス印加層とを有し、前記下地層と前記バイアス印加層の間に磁性層が配置され、前記磁性層の結晶粒径が前記バイアス印加層の結晶粒径より小さい磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を通電するための一対の電極と、前記一対の電極を介して前記磁気抵抗効果素子から読み込んだ電気信号を外部に伝達するための一対の導電線と、を配置して構成される磁気ヘッドである。本願発明に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドである。
本発明に係る磁気記録装置は、磁気ディスクと、外部磁界に応答して磁化が回転する感知層と、下地層を介して前記感知層にバイアス磁界を印加するバイアス印加層とを有し、前記下地層と前記バイアス印加層の間に磁性層が配置され、前記磁性層の結晶粒径が前記バイアス印加層の結晶粒径より小さい磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を通電するための一対の電極と、前記一対の電極を介して前記磁気抵抗効果素子から読み込んだ電気信号を外部に伝達するための一対の導電線と、を配置して構成される磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドに接合される、可撓性を有する導電性のサスペンションと、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と前記一対の導電線に電気的に接続され、前記磁気ディスクから前記磁気抵抗効果素子が読み込んだ電気信号を検出する検出回路装置と、を有する磁気記録装置である。本願発明に係る磁気抵抗効果素子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素子によれば、素子サイズが200nm×200nm以下の場合でも、バルクハウゼンノイズを抑制した磁気抵抗効果素子、並びに当該磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド及び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は、本願発明に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの実施形態の構成を示す。本実施形態の磁気ヘッドは、下部シールド層１、下部ギャップ層１８、素子部１０、下地層１６、強磁性層１５、磁性層２２、電極１７、上部ギャップ層１９、及び上部磁気シールド層３等を備えている。なお、図５は本願発明に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを媒体対向面から見た側面図である。
下部シールド層１はNiFe、FeCo、FeCoNi等の軟磁性材料を用い、その膜厚は1〜4um程度で、例えば3umに設定される。その上に下部ギャップ層１８としてAl2O3、AlN、SiO2などの非磁性絶縁層を成膜する。その膜厚は5〜25nm程度に設定される。
素子部１０は、例えば巨大磁気抵抗効果(GMR)膜やトンネル磁気抵抗効果(TMR)膜を用いることができるが、本実施例では巨大磁気抵抗効果(GMR)膜であって、図４に示すように、感知層である自由磁性層１１、固定磁性層１２、固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層１３などから構成されている。
素子部１０は、下部ギャップ層１８上に、下地層(図示せず)、反強磁性層１３、固定磁性層１２、非磁性層１４、自由磁性層１１、保護層(図示せず)を順次積層して形成されている。自由磁性層１１は媒体磁界に応答して磁化が回転する。一方、固定磁性層１２は反強磁性層１３との交換結合により一定方向に固定されており、媒体磁界には応答しない。また、自由磁性層１１の磁化はバイアス方向を向いており、固定磁性層１２の磁化と概ね直交している。
自由磁性層１１は3〜5nmのNiFe、CoFe等の軟磁材料を用い、固定磁性層１２は2〜3nm のCoFe等の軟磁性材料を用い、反強磁性層１３は10〜30nmのPdPtMn、IrMn、NiO、FeMn等の反強磁性材料を用いる。非磁性層１４は1〜2nmのCu、Ru、Ir等の非磁性材料を用いるが、トンネル磁気抵抗効果膜においては0.5nm程度のAl2O3、MgO等の絶縁材料を用いる。保護層(図示せず)は10〜20nmのTa、Al2O3を用いる。なお、固定磁性層１２はRu等の中間層を介したCoFe/Ru/CoFe等の二層構造を用いる場合もある。
強磁性層１５は、磁気抵抗効果膜を挟むように、バイアス方向の両側に下地層１６を介して配置されており、下地層１６と強磁性層１５の間には磁性層２２として軟磁性層が配置されている。図６に本願発明の強磁性層及び軟磁性体の粒径および磁化を示す説明図を示す。自由磁性層１１の近郊に配置された軟磁性層は、その結晶粒径が強磁性層１５の結晶粒径に比べて小さく20nm以下である。したがって、強磁性層からのバイアス磁界をその小さな粒を通じて感知層に伝えることで、バイアス磁界の素子高さ方向成分を打ち消し合い、感知層に対してコア幅方向に安定したバイアス磁界を印加し、バルクハウゼンノイズを防いでいる。このように自由磁性層１１にバイアス磁界を印加してバルクハウゼンノイズを抑制している。
図７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６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。いずれの条件においても両端部で1500Oe程度のバイアス磁界が印加されているが、素子中央部に近づくに従いその強度は急激に減少している。両端部から凡そ20nm以内において、両端部のバイアス磁界である1500Oeが半値以下に急激に減少している。したがって、軟磁性層の粒径も同程度以下にすることで、バイアス磁界の素子高さ方向へのバラツキを小さくすることができる。
強磁性層１５には10nm〜30nmのCoPt、CoCrPt等の強磁性体を用いる。また、下地層１６には1〜2nmのCr、Ti、W等の非磁性層を用い、強磁性層１５の磁化を膜面内に配向させている。ここで、磁性層２２には軟磁性層としてFe、Co、Niのうち少なくともいずれか一つを含む金属を用いている。
また、強磁性層１５はバイアス方向に着磁されている。このとき、 磁性層２２の磁化がバイアス方向を向くために、磁性層２２の保持力は500Oe以下であることが好ましい。さらに、十分なバイアス磁界を自由磁性層１１に印加するためには、磁性層２２の飽和磁束密度は5000G以上であることが好ましい。このような条件において結晶粒径が小さくなるからである。
ここで、実施例で示した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は本願発明の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２４は、磁気情報を含み、スピンドルモータ２３によって高速で回転する。アクチュエータアーム２５には、可撓性のステンレスで作られたサスペンション２６が取り付けられている。また、アクチュエータアーム２５は、支軸２７により回転自在に筐体２９に固定され、磁気ディスク２４の略半径方向に移動する。これにより、サスペンション２６に取り付けられたスライダ３０が磁気ディスク２４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２９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。
スライダ３０はサスペンション２６の下でサスペンション２６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２４が回転することで、空気をスライダ３０と磁気ディスク２４の間に引き込んで、その加圧によりスライダ３０が浮動する。スライダ３０の先端に取り付けられた磁気ヘッドは、サスペンション２６上及びアクチュエータアーム２５上の絶縁されている導電線２８を介して検出回路装置に電気的に接続されている。
本願発明に係る磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置は、スピンバルブ型素子、トンネル抵抗効果型素子等の媒体磁界に反応して自由に磁化方向が変化する軟磁性層(自由磁性層)を備える磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置について、共通に適用することができる。
また、本願発明に係る磁気抵抗効果素子は、媒体磁界を読み取る磁気ヘッドに限らず、MRAMなどの磁気デバイスにも利用することができる。さらに、本願発明に係る磁気抵抗効果素子は、図１に示すようないわゆる面内記録型の磁気ヘッドに限らず、垂直記録型の磁気ヘッドについても、これらのリードヘッドに設けられる磁気抵抗効果素子として利用することができる。
磁気ヘッドの構成を示す断面図である。 磁気ヘッドに用いられる巨大磁気抵抗効果素子の従来の構成を示す側面図である。 従来の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを膜面垂直方向から見た説明図である。 従来の強磁性層の粒径及び磁化を示す説明図である。 本願発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの実施形態の構成を示す側面図である。 本願発明の強磁性層及び軟磁性体の粒径および磁化を示す説明図である。 自由磁性層におけるバイアス磁界のコア幅方向の分布図である。 本願発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録装置の斜視図である。
符号の説明
1下部シールド
2磁気抵抗効果素子
3上部シールド
4リードヘッド
5下部磁極
6ライトギャップ
7上部磁極
8コイル
9ライトヘッド
10素子部
11自由磁性層
12固定磁性層
13反強磁性層
14非磁性層
15強磁性層
16下地層
17電極
18下部ギャップ層
19上部ギャップ層
20ボンディングパッド
21バイアス磁界
22磁性層
23スピンドルモータ
24磁気ディスク
25アクチュエータアーム
26サスペンション
27支軸
28導電線
29筐体
30スライダ

Claims (6)

  1. 外部磁界に応答して磁化が回転する感知層と、下地層を介して前記感知層にバイアス磁界を印加するバイアス印加層とを有し、
    前記下地層と前記バイアス印加層の間に磁性層が配置され、
    前記磁性層の結晶粒径が前記バイアス印加層の結晶粒径より小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 前記磁性層の結晶粒径が20nm以下であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記磁性層が軟磁性層であ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項に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記軟磁性層がFe、Co、Niのうち少なくともいずれか一つを含む金属で形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子に電流を通電するための一対の電極と、
    前記一対の電極を介して前記磁気抵抗効果素子から読み込んだ電気信号を外部に伝達するための一対の導電線と、を配置して構成される磁気ヘッド。
  6. 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請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を通電するための一対の電極と、前記一対の電極を介して前記磁気抵抗効果素子から読み込んだ電気信号を外部に伝達するための一対の導電線と、を配置して構成される磁気ヘッドと、
    前記磁気ヘッドに接合される、可撓性を有する導電性のサスペンションと、
    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と前記一対の導電線に電気的に接続され、前記磁気ディスクから前記磁気抵抗効果素子が読み込んだ電気信号を検出する検出回路装置と、を有する磁気記録装置。
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