JP2009146530A - Method for adjusting head resistance of current-confined-path cpp-gmr head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流狭窄効果を利用した磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a magnetoresistive head utilizing a current confinement effect and a manufacturing method thereof.
磁気記録の高密度化に伴い、HDD装置の再生ヘッドとして、出力の高いトンネル磁気抵抗効果素子が用いられている(例えば特許文献1)。トンネル磁気抵抗効果素子は、2枚の磁性層の間に絶縁層が形成された構造を有し、膜面に垂直方向に電流を流す。この2枚の磁性層の磁化の平行/反平行状態によって、磁気抵抗効果素子の電気抵抗が変化する現象を利用しており、出力が非常に高いのが特徴である。トンネル磁気抵抗効果素子には、素子サイズの狭小化に伴うヘッド抵抗の増加や、高周波記録に対する読み出し特性の劣化などの課題がある。特許文献2には、電圧もしくは電流によるストレスを印加してトンネル磁気抵抗効果ヘッド抵抗を下げる方法が開示されている。
Along with the increase in the density of magnetic recording, a tunnel magnetoresistive element having a high output is used as a reproducing head of an HDD device (for example, Patent Document 1). The tunnel magnetoresistive element has a structure in which an insulating layer is formed between two magnetic layers, and a current flows in a direction perpendicular to the film surface. The phenomenon is that the electric resistance of the magnetoresistive effect element changes depending on the parallel / antiparallel state of magnetization of the two magnetic layers, and the output is very high. The tunnel magnetoresistive effect element has problems such as an increase in head resistance accompanying a reduction in element size and deterioration of read characteristics for high frequency recording.
一方、トンネル磁気抵抗効果素子の代替素子として、CPP(Current-Perpendicular to the Plane)−GMRが提案されている(例えば、非特許文献1)。CPP−GMR素子は2枚の磁性層の間にCuなどの金属層が形成された構造を有し、電流を膜面に対して垂直方向に流し、外部磁界によって、2枚の磁性層の磁化が平行/反平行に変化することにより電気抵抗が変化する現象を用いている。しかし、この構造ではCPP−GMRの出力は低く、再生ヘッドへの適用が難しい。 On the other hand, as an alternative element of the tunneling magnetoresistive element, CPP (C urrent- P erpendicular to the P lane) -GMR has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). The CPP-GMR element has a structure in which a metal layer such as Cu is formed between two magnetic layers. A current flows in a direction perpendicular to the film surface, and the magnetization of the two magnetic layers is caused by an external magnetic field. A phenomenon is used in which the electrical resistance changes due to the change in parallel / antiparallel. However, in this structure, the output of CPP-GMR is low and it is difficult to apply to a reproducing head.
これに対し、高出力が得られるCPP−GMR構造として、電気抵抗の低いピンホールを有する絶縁膜を素子中に形成したCPP−GMRが開示されている(非特許文献2)。以降、ピンホールを有する絶縁層をスクリーン層と呼ぶことにする。このスクリーン層内のピンホールで膜厚方向に流れる電流を絞り込むことにより、高い出力が得られており、スクリーン層を適用したCPP−GMR素子は、十分に再生ヘッドに適用できる。 On the other hand, as a CPP-GMR structure capable of obtaining a high output, CPP-GMR in which an insulating film having a pinhole with low electric resistance is formed in an element is disclosed (Non-patent Document 2). Hereinafter, the insulating layer having pinholes is referred to as a screen layer. By narrowing the current flowing in the film thickness direction by pinholes in the screen layer, high output is obtained, and the CPP-GMR element to which the screen layer is applied can be sufficiently applied to a reproducing head.
特許文献3にはスクリーン層として、相分離する材料を適用し、2つの相の電気抵抗の差により電流を絞り込む方法が開示されている。特許文献4には、絶縁膜をCPP−GMRの上部又はCPP−GMR内に形成し、高い電圧を印加して絶縁破壊を発生させてピンホールを形成する方法が開示されている。
スクリーン層を適用したCPP−GMRは出力が高い反面、スクリーン層内のピンホールを制御することが難しい。高記録密度に対応した再生ヘッドに適用する場合、今後ますます素子サイズが小さくなると、スクリーン層内に存在するピンホールの大きさや個数によりヘッド抵抗が大きくばらつく。 CPP-GMR to which a screen layer is applied has high output, but it is difficult to control pinholes in the screen layer. When applied to a reproducing head compatible with high recording density, the head resistance varies greatly depending on the size and number of pinholes existing in the screen layer as the element size becomes smaller in the future.
上記特許文献4では、絶縁層を形成後、絶縁破壊によりピンホールを形成している。特に磁気ヘッドの場合、スライダーに加工して、浮上面の保護膜を形成後、電圧を印加すると保護膜が導電性であるために浮上面付近に電流が流れ、浮上面付近の絶縁層が破壊されて、浮上面付近にピンホールが形成されるとしている。スクリーン層を適用したCPP−GMRの特性として、高い磁気抵抗変化率を得るためには、ピンホールの電気抵抗率をできるだけ小さくする必要があるが、絶縁膜を破壊してピンホールを形成する場合、低い電気抵抗率を有するピンホールを形成することが難しい。また、絶縁破壊時には、一瞬高い電流が流れることによるマイグレーションが発生するため、磁気抵抗変化率の低下を招く。この結果、ヘッド出力が低くなり、信頼性の高いヘッドは望めない。
In
前述の特許文献2には、トンネル磁気抵抗効果素子に電流又は電圧などによるストレスを印加してヘッド抵抗を低減させる方法が記述されている。この場合、スクリーン層とは異なり、ピンホールのない絶縁膜である。特許文献2には、ストレスを印加して抵抗が低減できるメカニズムに関しては一切述べられていないが、おそらく絶縁膜の欠陥がなくなる、あるいはピンホール消失などにより良好な絶縁膜が形成され、トンネル電流が流れやすくなったためと推測できる。従って、スクリーン層を適用したCPP−GMRのヘッド抵抗調整には、別のメカニズムを考える必要がある。
本発明は、スクリーン層を適用したCPP−GMR素子において、素子サイズが小さくなるに従って発生する抵抗のばらつきを抑えるための方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for suppressing variation in resistance that occurs as the element size decreases in a CPP-GMR element to which a screen layer is applied.
本発明の対象となる垂直電流型磁気抵抗効果ヘッドは、固定層、自由層、固定層と自由層に挟まれた中間層、絶縁膜の中に電気抵抗の低いピンホールが埋め込まれたスクリーン層を有したCPP−GMR素子と、CPP−GMR素子の上下に電極を兼ねたシールドとを備える。本発明では、この磁気ヘッドの製造過程において、ウエハ工程(フォトリソグラフィー技術を用いて、1枚の基板上に多数の磁気ヘッドを形成する工程:図2)完了後の磁気ヘッドあるいは素子高さを調整するための浮上面研磨後のバー上の磁気ヘッドのいずれかの工程において、ヘッド抵抗が所望の抵抗範囲より高いヘッドに対して抵抗調整用の電流を流すことにより、磁気抵抗変化率を大きく劣化させることなくヘッド抵抗を所望の範囲に調整する。ヘッド抵抗が高いのは、スクリーン層のピンホールの数が少ない、もしくは小さいためであると考えられる。所望の抵抗を有するヘッドのスクリーン層内のピンホールに流れる電流密度と比較すると、抵抗の高いヘッドのスクリーン層内のピンホールに流れる電流密度は大きいので、熱が発生することになる。この熱により、ピンホールの大きさが徐々に拡大してヘッド抵抗が減少すると考えられる。このため、ヘッド抵抗のばらつきが低減し、歩留まりが向上する。 The perpendicular current type magnetoresistive head to which the present invention is applied includes a fixed layer, a free layer, an intermediate layer sandwiched between the fixed layer and the free layer, and a screen layer in which a pinhole having a low electric resistance is embedded in an insulating film. And a shield that also serves as an electrode above and below the CPP-GMR element. In the present invention, in the manufacturing process of the magnetic head, the height of the magnetic head or the element after completion of the wafer process (step of forming a large number of magnetic heads on one substrate using photolithography technology: FIG. 2) is determined. In any step of the magnetic head on the bar after polishing the air bearing surface for adjustment, the magnetoresistance change rate is increased by passing a resistance adjustment current to the head whose head resistance is higher than the desired resistance range. The head resistance is adjusted to a desired range without deteriorating. It is considered that the head resistance is high because the number of pinholes in the screen layer is small or small. Compared with the current density flowing in the pinhole in the screen layer of the head having a desired resistance, the current density flowing in the pinhole in the screen layer of the head having a high resistance is large, so heat is generated. This heat is thought to increase the pinhole size gradually and reduce the head resistance. For this reason, variation in head resistance is reduced and yield is improved.
本発明では、抵抗の高い磁気ヘッドに、抵抗調整用の電流をステップ状に増加させて印加し、ヘッド抵抗を観測する。ヘッド抵抗が所望の大きさに達したとき、抵抗調整用の電流を止め、出力を確認する。ヘッド抵抗の増加がピンホールの数や大きさに起因したものであれば、本発明の工程により、磁気抵抗変化率を低下させることなくヘッド抵抗を低減できる。 In the present invention, a resistance adjustment current is applied in a stepwise manner to a magnetic head having high resistance, and the head resistance is observed. When the head resistance reaches a desired magnitude, the resistance adjustment current is stopped and the output is checked. If the increase in head resistance is caused by the number and size of pinholes, the head resistance can be reduced by the process of the present invention without reducing the magnetoresistance change rate.
また、本発明では、抵抗調整用に印加する電流値を、所望のヘッド抵抗になっている磁気ヘッドにおいて、ヘッド抵抗の劣化が起こる電流値よりも低く設定する。こうすることにより、バー上のヘッド全て、あるいはウエハ上のヘッド全てに抵抗調整用の電流を流しても、抵抗が所望の範囲になっているヘッドの特性を劣化させることなく、抵抗の高いヘッドのみ所望の抵抗まで下げることができる。この方法を用いると、ヘッドの選別をする必要がなく簡便に抵抗調整を行うことができる。 In the present invention, the current value applied for resistance adjustment is set lower than the current value at which the head resistance is deteriorated in the magnetic head having the desired head resistance. By doing this, even if a current for resistance adjustment is applied to all the heads on the bar or all the heads on the wafer, the head having a high resistance without deteriorating the characteristics of the head whose resistance is in the desired range. Only the desired resistance can be lowered. When this method is used, it is not necessary to select the head, and the resistance can be adjusted easily.
スクリーン層としては、Co、CoFeもしくはCo合金のいずれかの金属と、その酸化物からなる層を適用することが好ましい。これは、金属とその酸化物とからなるスクリーン層では熱による酸素の移動ができるので、ピンホールを比較的容易に広げることが出来るからである。また、その他の非磁性金属材料、例えばCu,Au,Ag,Pt,Pd,Rh,Ir,Ruと、絶縁材料であるAl酸化物、Si酸化物などが混合されたスクリーン層を適用してもほぼ同様な効果が得られる。 As the screen layer, it is preferable to apply a layer made of any metal of Co, CoFe or Co alloy and its oxide. This is because in the screen layer made of a metal and its oxide, oxygen can be moved by heat, so that the pinhole can be expanded relatively easily. In addition, a screen layer in which other nonmagnetic metal materials such as Cu, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, and Ru and Al oxide, Si oxide, etc., which are insulating materials are mixed may be applied. Almost the same effect can be obtained.
このCPP−GMRを適用した磁気抵抗効果ヘッドは、誘導型薄膜磁気記録ヘッドあるいは垂直記録ヘッドを組み合わせて磁気記録再生装置に搭載される。 A magnetoresistive head to which this CPP-GMR is applied is mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus in combination with an inductive thin film magnetic recording head or a perpendicular recording head.
本発明によると、酸化層の中に電気抵抗の低いピンホールが存在するスクリーン層を適用したCPP−GMRを用いた磁気ヘッドにおいて、所望の抵抗値よりも高い抵抗を示す磁気ヘッドの抵抗を、磁気抵抗変化率を低減することなく、ヘッド抵抗を低下させることができ、歩留まりを向上させることができる。 According to the present invention, in a magnetic head using a CPP-GMR to which a screen layer in which a pinhole having a low electrical resistance exists in an oxide layer is applied, the resistance of the magnetic head exhibiting a resistance higher than a desired resistance value is obtained. The head resistance can be lowered and the yield can be improved without reducing the magnetoresistance change rate.
以下に本発明の一実施例を挙げ、図表を参照しながらさらに具体的に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described and more specifically described with reference to the drawings.
図1は、本発明による磁気抵抗効果ヘッドを浮上面から見た概略図である。図1に示すように、スクリーン層を用いたCPP−GMRヘッドは、電極を兼ねた下部シールド11上に、下地層121、反強磁性層122、第1の強磁性固定層123、反平行結合層124、第2の強磁性固定層125、酸化防止層126、スクリーン層127、中間層128、強磁性自由層129、キャップ層130を形成する。ここで、スクリーン層127は、酸化部分131と金属部分132からなり、金属部分132のうち、酸化層で覆われていない突出した部分がピンホールとなる。下地層121からキャップ層130までがCPP−GMRであり、CPP−GMR膜をフォトリソグラフィーでパターニングした後、電極を兼ねた下部シールド11と電極を兼ねた上部シールド16との導通を防ぐための絶縁膜14、及び強磁性自由層129の磁区制御をするためのハードバイアス層15を形成し、最後に電極を兼ねた上部シールド16が形成される。
FIG. 1 is a schematic view of a magnetoresistive head according to the present invention as viewed from the air bearing surface. As shown in FIG. 1, a CPP-GMR head using a screen layer has an
本実施例では、下部シールド11には厚さ1μmのNiFeめっき膜、下地層121にはTa(2nm)/NiFeCr(3nm)/NiFe(1nm)を、反強磁性層122にはMn−20at%Ir(6nm)、第1の強磁性固定層123にはCo−25at%Fe(3.7nm)を、反平行結合層124にはRu(0.8nm)を、第2の強磁性固定層125にはCo−10at%Fe(3nm)を、酸化防止層126にはCu(0.5nm)を用いた。スクリーン層127には、Co(2nm)を700Paの酸化ガス圧力中にて1分間自然酸化することにより形成された、Co酸化部分131とCo金属部分132からなる層を用いた。さらに、中間層128にはCu(2nm)を、強磁性自由層129にはCoFe(1nm)/NiFe(2.5nm)からなる2層自由層を用いた。キャップ層130としては、Cu(2nm)/Ru(7nm)/Ta(2nm)を形成した。このキャップ層は、上部シールド16を形成する前に、接触抵抗を低減するため、クリーニングを行う。このため、実際のヘッドのキャップ層では、Ta及びRuの一部は削られている。絶縁膜14としては、厚さ8nmのAl2O3膜を形成した。実際のCPP−GMR近傍の膜厚は、約4nm程度まで薄くなっている。ハードバイアス層15には、CoCrPtを形成し、CoCrPtの膜厚で強磁性自由層に印加される磁区制御磁界の大きさを変化させている。
In this embodiment, the
図2に、本発明の一実施形態として、CPP−GMR素子を有した磁気ヘッドの工程の一部を示す。図2(a)のように、ウエハ21上に多数の磁気ヘッド22がマトリクス状に作製されている。磁気ヘッド22は、スクリーン層を備えるCPP−GMR素子を用いた再生用の磁気ヘッドと、記録用の垂直磁気記録ヘッドが重ねて搭載されている。図2(b)は、一つの磁気ヘッドをウエハ上面から見た概略拡大図である。先に説明したように、磁気ヘッド22には再生ヘッドと記録ヘッドの2つのヘッドが搭載されているため、それぞれに対して2つの電極端子、合計で4個の電極端子が配置されている。それ以外に配置されている他の目的の電極端子はここでは省略した。ここでは右側の2つの端子23が再生ヘッド用の電極端子である。図2(c)は、この2つの電極端子23にプローブ24をコンタクトさせて、素子の抵抗、出力を観測している状態を示している。
FIG. 2 shows a part of a process of a magnetic head having a CPP-GMR element as one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, a large number of
再生ヘッドに適用したCPP−GMR素子の面積抵抗(RA)のサイズ依存性を図3に、磁気抵抗変化率(MR ratio)のサイズ依存性を図4に示す。ここで、面積抵抗とは、素子面積と抵抗との積である。同じ素子面積のヘッドで比較すると、面積抵抗が高いほど、ヘッド抵抗が高いことになる。図3に示すように、素子の面積抵抗のばらつきは、素子サイズが小さくなるに従い、大きくなった。これに対し、磁気抵抗変化率は、図4に示すように、サイズに依存せずほぼ一定の値を示した。素子の面積抵抗のばらつきの最も大きな要因は、スクリーン層内のピンホールの大きさや個数によるものと考えられる。そこで、最もサイズの小さな素子に対して以下の実験を行った。 FIG. 3 shows the size dependency of the sheet resistance (RA) of the CPP-GMR element applied to the reproducing head, and FIG. 4 shows the size dependency of the magnetoresistance change rate (MR ratio). Here, the area resistance is a product of the element area and the resistance. When comparing heads having the same element area, the higher the sheet resistance, the higher the head resistance. As shown in FIG. 3, the variation in the sheet resistance of the element increased as the element size decreased. On the other hand, as shown in FIG. 4, the magnetoresistance change rate showed a substantially constant value regardless of the size. The largest cause of variation in the area resistance of the element is considered to be due to the size and number of pinholes in the screen layer. Therefore, the following experiment was performed on the smallest element.
ウエハ上の素子の、基準の測定電流を2mAとする。基準電流値で素子の面積抵抗を測定後、高い電流値を3秒間印加したのち、再び基準電流値で面積抵抗を測定する。ここで、間欠的に印加する電流値を徐々に増加させた。このプロセスを示したのが図5である。このようにして測定した幾つかの素子における面積抵抗RAと印加電流の変化を図6で示す。ここでは、面積が約0.1μm2である素子を評価した。図6中の面積抵抗の高い素子は、ピンホール面積が小さいもしくはピンホール数が少ない素子と考えられる。従って、他の面積抵抗の低い素子と比較して、同じ電流値を印加した場合、ピンホールに流れる電流密度が実効的に高くなり、熱が発生しやすいと考えられる。電流値を図5に示すように徐々に上げると、ピンホールが拡大し始めるので、ピンホール部分の電気抵抗は徐々に低くなる。従って、図6に見るように、面積抵抗の高い素子ほど低い電流値で抵抗が下がり始め、電流値を上げていくことにより全ての素子の面積抵抗が同じ値を示すようになった。 The reference measurement current of the element on the wafer is 2 mA. After measuring the area resistance of the element with the reference current value, after applying a high current value for 3 seconds, the area resistance is measured again with the reference current value. Here, the current value applied intermittently was gradually increased. This process is shown in FIG. FIG. 6 shows changes in sheet resistance RA and applied current in several elements measured in this way. Here, an element having an area of about 0.1 μm 2 was evaluated. The element having a high area resistance in FIG. 6 is considered to be an element having a small pinhole area or a small number of pinholes. Therefore, when the same current value is applied as compared with other elements having low sheet resistance, it is considered that the current density flowing through the pinhole is effectively increased and heat is likely to be generated. When the current value is gradually increased as shown in FIG. 5, the pinhole begins to expand, and the electrical resistance of the pinhole portion gradually decreases. Therefore, as shown in FIG. 6, the resistance starts to decrease at a lower current value as the element has a higher area resistance, and the area resistance of all the elements shows the same value by increasing the current value.
図7に、図6に示した素子における面積抵抗の分散を平均で割った値RAσ/ave、及び磁気抵抗変化率の分散を平均で割った値MRσ/aveの印加電流依存性を示す。これらの値は、面積抵抗と磁気抵抗変化率のばらつきを示す指数である。本実施例の場合、図7のように、40mA以上の電流を印加すると、RAσ/aveの値は下がり始める。すなわち、ばらつきが小さくなっていく。これに対し、RAσ/aveの値が下がり始めてもMRσ/aveの値は変化しないが、60mAを越える電流を印加すると、磁気抵抗変化率がばらつき始める。これは、磁気抵抗変化率が劣化し始めたことを示している。すなわち、CPP−GMR素子に電流を多く印加しても、CPP−GMRの磁気抵抗を発生する部分へのダメージは少なく、単純にスクリーン層のピンホールが拡大していると解釈できる。本実施例では、60mA程度の電流を印加することにより、面積抵抗の高くなった素子の磁気抵抗変化率を低減させること無く、素子抵抗を減少させることができる。 FIG. 7 shows the applied current dependence of the value RAσ / ave obtained by dividing the variance of the sheet resistance by the average in the element shown in FIG. 6 and the value MRσ / ave obtained by dividing the variance of the magnetoresistance change rate by the average. . These values are indexes indicating variations in sheet resistance and magnetoresistance change rate. In this embodiment, as shown in FIG. 7, when a current of 40 mA or more is applied, the value of RA σ / ave starts to decrease. That is, the variation becomes smaller. On the other hand, the MR σ / ave value does not change even when the value of RA σ / ave starts to decrease, but when a current exceeding 60 mA is applied, the magnetoresistance change rate starts to vary. This indicates that the magnetoresistance change rate has started to deteriorate. That is, even if a large amount of current is applied to the CPP-GMR element, the damage to the portion of the CPP-GMR that generates the magnetic resistance is small, and it can be interpreted that the pinhole of the screen layer is simply enlarged. In this embodiment, by applying a current of about 60 mA, the element resistance can be reduced without reducing the rate of change in magnetoresistance of the element having an increased area resistance.
抵抗調整用に印加する電流は、所望の素子抵抗を有している素子の抵抗が劣化し始める電流値が上限となる。例えば、図6の例では、ウエハの所望の面積抵抗RAは0.23Ωμm2なので、そのRA付近の素子抵抗が劣化し始める60mAが上限である。この電流値よりも低い電流を印加しても、所望の面積抵抗値を有する素子を劣化させることはない。一方で、面積抵抗の高い素子抵抗は、磁気抵抗効果率を低減させることなく、所望の面積抵抗値に調整することができる。 The upper limit of the current applied for resistance adjustment is the current value at which the resistance of an element having a desired element resistance starts to deteriorate. For example, in the example of FIG. 6, since the desired sheet resistance RA of the wafer is 0.23 Ωμm 2 , the upper limit is 60 mA at which the element resistance near the RA starts to deteriorate. Even if a current lower than this current value is applied, an element having a desired sheet resistance value is not deteriorated. On the other hand, the element resistance having a high area resistance can be adjusted to a desired area resistance value without reducing the magnetoresistance effect ratio.
図8は、図6の横軸を電流ではなく、電圧値で示したものである。電圧値で示した場合、全てのヘッドは、ほぼ同じ電圧値で面積抵抗の低下が始まる。すなわち、抵抗にばらつきのある磁気ヘッドに一定の電流値を印加する場合には、抵抗が高い磁気ヘッドに印加されている電圧は、所望のヘッド抵抗を有する磁気ヘッドに印加されている電圧よりも高くなっていることを示す。従って、抵抗調整用の印加電流の最大値は、所望のそのヘッド抵抗を有する磁気ヘッドにおいて、素子抵抗が劣化し始める電圧値をヘッド抵抗で除した値とも言いかえることできる。本実施例において評価した素子のウエハ上の面積は約0.1μm2であったが、素子面積を半分にした場合には、素子抵抗が2倍になるので、抵抗調整のために印加できる最大の電流は半分である30mAとなる。素子面積を1/4にした場合には、素子抵抗が4倍になるので、抵抗調整のために印加で切る最大の電流は1/4である15mAとなる。 FIG. 8 shows the horizontal axis of FIG. 6 not by current but by voltage value. In the case of the voltage value, the reduction in sheet resistance starts at almost the same voltage value for all heads. In other words, when a constant current value is applied to a magnetic head having variations in resistance, the voltage applied to the magnetic head having a high resistance is higher than the voltage applied to the magnetic head having a desired head resistance. Indicates that it is high. Therefore, the maximum value of the applied current for resistance adjustment can be said to be a value obtained by dividing the voltage value at which the element resistance starts to deteriorate in the magnetic head having the desired head resistance by the head resistance. The area on the wafer of the element evaluated in this example was about 0.1 μm 2 , but when the element area is halved, the element resistance is doubled, so the maximum that can be applied for resistance adjustment Current is half, 30 mA. When the element area is reduced to ¼, the element resistance is quadrupled, so that the maximum current cut off by application for resistance adjustment is ¼, 15 mA.
また、磁気ヘッドをオペレーションするときのバイアス電圧は、信頼性の観点から素子が劣化してしまう電圧の5割から7割にすることが多い。従って、抵抗調整用の印加電流の最大値は、オペレーションする際のバイアス電圧値を0.5から0.7で除した値を、さらに素子抵抗で除した値となる。従って、抵抗調整用の印加電流は、典型的には、バイアス電圧値の2倍をヘッド抵抗で除した値ということもできる。 In many cases, the bias voltage when operating the magnetic head is 50 to 70% of the voltage at which the element deteriorates from the viewpoint of reliability. Therefore, the maximum value of the applied current for resistance adjustment is a value obtained by dividing the bias voltage value at the time of operation by 0.5 to 0.7 and further dividing by the element resistance. Therefore, it can be said that the applied current for resistance adjustment is typically a value obtained by dividing twice the bias voltage value by the head resistance.
本実施例では、図5に示したように抵抗調整用の電流を印加する時間を3秒としたが、1秒以上とすることがこのましい。前述のように熱によるピンホールの拡大によって抵抗を調整しているので、長時間電流を印加しても構わないが、ヘッド工程短縮の観点から、印加電流時間はできるだけ短い方がこのましい。しかし、電流の印加時間を1秒以下とすると、印加電流によるピンホール部の熱による温度上昇が少ないため、抵抗調整用の印加電流値をさらに上げていく必要がある。この場合、電流密度が高くなり、マイグレーションによる磁気抵抗変化率の低下を招くので、印加時間は1秒以上とすることが良い。また、本実施例では、ステップ状に電流値を変化させたが、素子抵抗調整用の電流値を1回だけ印加しても構わない。これにより、ヘッド工程の短縮ができる。 In this embodiment, the time for applying the resistance adjustment current is 3 seconds as shown in FIG. 5, but it is preferable to set it to 1 second or longer. As described above, the resistance is adjusted by enlarging the pinhole by heat, so that a current may be applied for a long time. However, from the viewpoint of shortening the head process, the applied current time is preferably as short as possible. However, if the current application time is 1 second or less, the temperature rise due to the heat of the pinhole portion due to the applied current is small, and it is necessary to further increase the applied current value for resistance adjustment. In this case, the current density is increased and the rate of change in magnetoresistance due to migration is reduced, so the application time is preferably set to 1 second or longer. In this embodiment, the current value is changed stepwise, but the current value for adjusting the element resistance may be applied only once. Thereby, the head process can be shortened.
また、本実施例では、スクリーン層としてCoを自然酸化したものを用いたが、Co,Fe,あるいはこれらの合金、CoFeを主成分とする合金を用いても同様な効果が得られる。これは、金属とその酸化物からなるスクリーン層は、熱による酸素の移動が比較的容易にでき、ピンホールを広げることが出来るためである。また、反応性スパッタでスクリーン層を形成しても構わない。 Further, in this embodiment, the natural oxidation of Co is used as the screen layer, but the same effect can be obtained by using Co, Fe, or an alloy thereof, or an alloy containing CoFe as a main component. This is because a screen layer made of a metal and its oxide can move oxygen relatively easily by heat and can widen a pinhole. Further, the screen layer may be formed by reactive sputtering.
また、本実施例では、反強磁性膜としてMnIrを用いたが、MnPt,MnPtPd,MnRhなどの反強磁性材料を用いても同様な効果が得られる。また、磁性層には、Co,CoFeあるいはCo,CoFeにMn,Cr,Al,Si,Ga,Ge,In,Sn,Zn,Au,Ag,Auを添加した膜を適用すると、高い磁気抵抗変化率が得られるので好ましい。また、ホイスラー合金と呼ばれているCo2MnGeやCo2MnSiなどを用いても高い磁気抵抗変化率が得られる。 In this embodiment, MnIr is used as the antiferromagnetic film, but the same effect can be obtained by using an antiferromagnetic material such as MnPt, MnPtPd, or MnRh. Further, when a film in which Mn, Cr, Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, Zn, Au, Ag, Au is added to Co, CoFe or Co, CoFe is applied to the magnetic layer, a high magnetoresistance change is achieved. This is preferable because the rate is obtained. Further, even when Co 2 MnGe or Co 2 MnSi called Heusler alloy is used, a high magnetoresistance change rate can be obtained.
本発明の素子抵抗調整工程を、素子高さを形成する加工後の磁気ヘッドに適用した。図9(a)に示すように、ウエハ31上に多数のCPP−GMRを有した磁気ヘッドがマトリクス状に作製されている。磁気ヘッド32には、スクリーン層を備えるCPP−GMRを用いた再生用の磁気ヘッドと、垂直磁気記録ヘッドが重ねて形成されている。ヘッドウエハプロセスを完了したのち、磁気ヘッドが列状に並んでいる複数のバー33に切断する。図9(b)は、切り出したバー33の一つを示している。このバーの浮上面側を研磨して、素子高さが所望の値になるようにする。素子高さが所望の値になった後、浮上面に保護膜を形成する。レール加工後、バーを切断すると、図9(c)に示すヘッドスライダーチップが得られる。図9(b)の磁気ヘッド32が列状に複数並んだバー33の状態において、素子高さの研磨工程と、浮上面の保護膜形成、レール加工後、本発明のヘッド抵抗低減プロセスを行った。図9(d)に示すように、電流印加用のプローブ35を、実施例1の場合と同様に、再生ヘッドの電極端子にコンタクトさせた。
The element resistance adjusting process of the present invention was applied to a processed magnetic head for forming the element height. As shown in FIG. 9A, a magnetic head having a large number of CPP-GMRs is produced on a
図10に、プロセスフローを示す。バー33に形成された素子全てに対して、基準のセンス電流(ここでは0.4mAとする。)で素子抵抗及び出力を測定する。このあと、0.4mAステップで印加電流を増加させ、そのたびに基準のセンス電流0.4mAに戻してヘッド抵抗及び出力を測定する。ここで、印加電流の上限を設定しておかないと、異常な磁気ヘッドが存在した場合、良好な素子まで壊してしまう。ここでは、上限値を2.4mAとした。今回、バーの端の素子に対して電流をステップ状に印加し、素子抵抗が所望の値の範囲に入っていれば次の素子の素子抵抗を調整するステップにて行った。全ての素子の評価が完了した後、ヘッドスライダーチップへの切断が行われる。
FIG. 10 shows a process flow. With respect to all the elements formed on the
実際の磁気ヘッドで抵抗調整を行った結果を、図11に示す。図11の横軸はヘッド抵抗、縦軸は頻度である。素子サイズは、60nm角をターゲットとし、RAは0.5Ωμm2である膜を用いた。これらから導き出されるヘッド抵抗は140Ωであり、許容抵抗値は200Ωとした。本実施例で用いた磁気抵抗効果素子の抵抗が低下し始める電圧は約300mVであった。図11に示すように、最大印加電流を2.4mAまで増やすことにより、ヘッド抵抗が200Ω以上であった素子が、全て200Ω以下となった。 FIG. 11 shows the result of resistance adjustment with an actual magnetic head. In FIG. 11, the horizontal axis represents head resistance, and the vertical axis represents frequency. The element size used was a film having a target of 60 nm square and RA of 0.5 Ωμm 2 . The head resistance derived from these was 140Ω, and the allowable resistance value was 200Ω. The voltage at which the resistance of the magnetoresistive element used in this example starts to decrease was about 300 mV. As shown in FIG. 11, by increasing the maximum applied current to 2.4 mA, all the elements having a head resistance of 200Ω or more became 200Ω or less.
また、図12に、ヘッド抵抗が200Ω以上であった素子において、抵抗調整電流を徐々に増加して印加したときの、磁気抵抗変化率と磁気ヘッド抵抗の変化を示す。図のように、抵抗調整用の印加電流を増やすことにより、ほとんどの素子が磁気抵抗変化率を大きく減らすことなく、ヘッド抵抗を減らすことができた。若干磁気抵抗変化率が下がっているのは、ピンホールの拡大に伴い、電流狭窄効果がわずかに減るためである。図12中で、磁気抵抗変化率が落ちている2本の磁気ヘッドグループ41は、スクリーン層以外のところで余剰抵抗が付与されていると考えられ、不良として選別できる。
FIG. 12 shows the change rate of the magnetoresistance and the change of the magnetic head resistance when the resistance adjustment current is gradually increased and applied in the element having the head resistance of 200Ω or more. As shown in the figure, by increasing the applied current for resistance adjustment, most of the elements could reduce the head resistance without greatly reducing the rate of change in magnetoresistance. The reason why the magnetoresistance change rate is slightly decreased is that the current confinement effect is slightly reduced as the pinhole is enlarged. In FIG. 12, the two
ここで、磁気ヘッド抵抗が下がり始める電圧値300mVが実施例1の値150mVと異なる理由は、スクリーン層の膜厚が異なることや、素子サイズ、ヘッド構造が異なることによる熱引きの効果が異なるためと考えられる。これらが変化しても、実質的に高抵抗の素子を、磁気抵抗変化率を低下させることなく、素子抵抗を所望の抵抗まで下げる効果には、影響がない。 Here, the reason why the voltage value of 300 mV at which the magnetic head resistance starts decreasing is different from the value of 150 mV in Example 1 is that the effect of heat sinking is different due to the difference in the film thickness of the screen layer, the difference in element size, and the head structure. it is conceivable that. Even if these change, the effect of lowering the element resistance to a desired resistance without lowering the magnetoresistance change rate of the element having substantially high resistance is not affected.
本実施例では、バー上に形成されたCPP−GMRヘッド1個ごとに電流を印加するプロセスを適用した。これにより簡便にヘッドばらつきを低減することができ、歩留まりが向上する。工程短縮のために、所望の抵抗値から高くなったヘッドのみ本プロセスを適用してヘッド抵抗を調整しても構わない。また、全素子一度に適度な電流値を印加して、ヘッド抵抗を調整するプロセス工程を用いると、さらに工程短縮が可能である。 In this example, a process of applying a current to each CPP-GMR head formed on the bar was applied. As a result, head variations can be easily reduced, and the yield is improved. In order to shorten the process, the head resistance may be adjusted by applying this process only to the head that has become higher than the desired resistance value. Further, the process can be further shortened by using a process step of adjusting the head resistance by applying an appropriate current value to all elements at once.
本実施例では、浮上面研磨工程が行われた後であれば、どの工程で本発明の工程を用いても同じ効果が得られる。また、ヘッドスライダーに切断後に、抵抗の高いヘッドのみを抽出してそれぞれのヘッドに所望の電流を印加して電気抵抗のばらつきを抑えることも出来る。この場合良好なヘッドを間違って破壊することがないので好ましい。 In the present embodiment, the same effect can be obtained regardless of the process of the present invention after the air bearing surface polishing process is performed. Further, after cutting into head sliders, only the heads with high resistance can be extracted and a desired current can be applied to each head to suppress variations in electrical resistance. This is preferable because a good head is not destroyed by mistake.
実施例1と別のCPP−GMR膜を検討した。本実施例CPP−GMRを有する再生ヘッドは、スクリーン層の材料にAl2O3とCuの混合層を適用した以外は、実施例1,2で用いた再生ヘッドの膜構成とほぼ同じである。本実施例では、実施例2と同様にヘッドウエハをバーに切り出して検討を行った。素子サイズは、60nm角をターゲットとし、RAは0.3Ωμm2である膜を用いた。これらから導き出されるヘッド抵抗は83Ωであり、許容抵抗値は160Ωとした。 A CPP-GMR film different from that in Example 1 was examined. The reproducing head having this example CPP-GMR is almost the same as the film structure of the reproducing head used in Examples 1 and 2 except that a mixed layer of Al 2 O 3 and Cu is applied as the material of the screen layer. . In this example, the head wafer was cut into a bar and examined in the same manner as in Example 2. The element size used was a film with a target of 60 nm square and RA of 0.3 Ωμm 2 . The head resistance derived from these was 83Ω, and the allowable resistance value was 160Ω.
これらのヘッドに、図10で示したプロセス工程を適用して、ヘッド抵抗の調整を行った。その結果を図13に示す。図13のように、ほとんどのヘッドが100Ω付近までは磁気抵抗変化率の低下がほとんどなく、ヘッド抵抗が低減でき、本実施例のスクリーン層材料によっても効果が得られることが分かった。また、図13中の2本の磁気ヘッドのグループ41は、最初から磁気抵抗変化率が低下しており、スクリーン層以外の部分で余剰抵抗が付与されていると考えられる。ただし、実施例1と比較すると、急激に磁気抵抗変化率が低下する磁気ヘッドが多く見られた(図中グループ42)。これは、もともと、相分離されたスクリーン材料であり、最初はピンホールとなるCu部分の酸素が抜けることにより、磁気抵抗変化率を大きく低減させることなく素子抵抗を低減できるが、発熱によるCuとAl2O3のミキシング、あるいはAl2O3のマイグレーションが発生するため、CoFeを主成分とするスクリーン層と比較すると、磁気抵抗変化率が突然低下すると思われる。このため、スクリーン層材料を変えた場合には、印加電流の上限値に注意をする必要がある。
The head resistance was adjusted by applying the process steps shown in FIG. 10 to these heads. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 13, it was found that the magnetoresistance change rate hardly decreased to almost 100 Ω in the vicinity of the head, the head resistance could be reduced, and the effect was also obtained by the screen layer material of this example. Further, in the
本実施例ではCuとAl2O3の混合層をスクリーンとして利用したが、他の金属材料であるAu,Agと、SiO2,MgO,Ta2O5,Nb2O5,HfOなどの混合層をスクリーンとして適用しても同様な効果が得られる。 In this embodiment, a mixed layer of Cu and Al 2 O 3 was used as a screen. However, a mixture of Au, Ag, which are other metal materials, and SiO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , HfO, or the like. A similar effect can be obtained by applying the layer as a screen.
図14は、本発明によって素子抵抗を調整した磁気抵抗効果素子を搭載した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概念図である。再生ヘッドは、スライダーを兼ねる基体上に形成した電極兼下部1シールド51、スクリーン層を有するCPP−GMR膜52、絶縁膜53、磁区制御膜54、導電性ギャップ膜55及び上部シールド56から構成される。再生ヘッドの上部側に、副磁極57、コイル58、主磁極59、ヨーク部60からなる垂直記録ヘッドが形成されている。
FIG. 14 is a conceptual diagram of a recording / reproducing separated magnetic head for perpendicular recording equipped with a magnetoresistive effect element whose element resistance is adjusted according to the present invention. The reproducing head is composed of an electrode / lower 1
本発明は、磁気抵抗効果ヘッドに関するものであり、記録ヘッド側が垂直記録ヘッドであっても面内記録ヘッドであっても対応可能である。しかし、垂直記録ヘッドと組み合わせることで、より有効な機能を実現することができる。 The present invention relates to a magnetoresistive head, and can be applied to whether the recording head side is a perpendicular recording head or an in-plane recording head. However, a more effective function can be realized by combining with a perpendicular recording head.
図14に示した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置を作製した。図15に、磁気ディスク装置の概略図を示す。図15(a)は磁気ディスク装置の概略平面図、図15(b)はそのAA’断面図である。磁気記録媒体61には、CoCrPtとSiO2からなる垂直記録用グラニュラ媒体を用いた。磁気ヘッド63には図14に示したヘッドを用いた。磁気的に情報を記録する記録媒体61をスピンドルモーター62にて回転させ、アクチュエーター64によってヘッド63を記録媒体61のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においてはヘッド63上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドがこの機構に依って記録媒体61上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。記録信号は、信号処理系65を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系65を経て信号として得る。
A magnetic disk device using the recording / reproducing separated magnetic head for perpendicular recording shown in FIG. 14 was produced. FIG. 15 shows a schematic diagram of a magnetic disk device. FIG. 15A is a schematic plan view of the magnetic disk device, and FIG. 15B is a sectional view taken along line AA ′. As the
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。これは、本発明によって素子抵抗を調整したスクリーン層適用CPP−GMRヘッドを用いたためである。 As a result of testing the magnetic head of the present invention and the magnetic recording / reproducing apparatus equipped with the magnetic head of the present invention as described above, it showed sufficient output, good bias characteristics, and good operation reliability. This is because the screen layer-applied CPP-GMR head with the element resistance adjusted according to the present invention was used.
11,51 電極兼下部シールド
121 下地層
122 反強磁性層
123 第1の強磁性固定層
124 反平行結合層
125 第2の強磁性固定層
126 酸化防止層
127 スクリーン層
128 中間層
129 強磁性自由層
130,25 キャップ層
131 金属部
132 酸化部
21,31 磁気ヘッドウエハ
22,32 磁気ヘッド
23,34 再生ヘッド用端子
24,35 電流、電圧印加用プローブ
33 バー
14,53 絶縁層
15,54 磁区制御層
16,56 電極兼上部シールド層
52 CPP−GMR
57 副磁極
58 コイル
59 主磁極
60 ヨーク
61 磁気記録媒体
62 スピンドルモーター
63 磁気ヘッド
64 アクチュエーター
65 記録再生信号処理系
11, 51 Electrode and
57 Sub
Claims (9)
前記磁気抵抗効果素子の膜面に垂直方向に電流を印加することにより、素子抵抗を低減させる第2の工程と
を有することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。 Between the upper and lower shields also serving as electrodes, a fixed layer, a free layer, an intermediate layer sandwiched between the fixed layer and the free layer, and a screen layer having a pinhole with low electric resistance in the insulating film are provided. A first step of forming a magnetoresistive element;
And a second step of reducing element resistance by applying a current in a direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive effect element.
前記磁気抵抗効果素子の膜面に垂直方向に電流を印加することにより、素子抵抗を低減させる第2の工程とを経て製造された磁気抵抗効果ヘッドを備えることを特徴とする磁気ヘッド。 Between the upper and lower shields also serving as electrodes, a fixed layer, a free layer, an intermediate layer sandwiched between the fixed layer and the free layer, and a screen layer having a pinhole with low electric resistance in the insulating film are provided. A first step of forming a magnetoresistive element;
A magnetic head comprising: a magnetoresistive head manufactured through a second step of reducing element resistance by applying a current in a direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive element.
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