JP2010140524A - 差動型磁気抵抗効果ヘッド及び磁気記録再生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】２つの磁気抵抗効果素子の出力差をなくして、ベースラインシフトの生じない差動型再生ヘッドを得る。
【解決手段】第１の固定層６、第１の中間層７、第１の自由層８から構成された第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と、第２の固定層１２、第２の中間層１１、第２自由層１０から構成された第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子がスペーサー層９を介して積層された積層構造を有し、第１の固定層の膜厚をtp1、第２の固定層の膜厚をtp2とするとき、tp2＞tp1とする。もしくは、第１の中間層の膜厚をti1、第２の中間層の膜厚をti2とするとき、ti2＜ti1とする。
【選択図】図３
【解決手段】第１の固定層６、第１の中間層７、第１の自由層８から構成された第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と、第２の固定層１２、第２の中間層１１、第２自由層１０から構成された第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子がスペーサー層９を介して積層された積層構造を有し、第１の固定層の膜厚をtp1、第２の固定層の膜厚をtp2とするとき、tp2＞tp1とする。もしくは、第１の中間層の膜厚をti1、第２の中間層の膜厚をti2とするとき、ti2＜ti1とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、高い磁気記録密度に対応した磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド、並びに磁気記録再生装置に関するものである。
近年、インターネットの浸透や通信速度の急速な発展にともない、情報の電子化やウェブコンテンツの大容量化が進んでいる。それに伴い、世界中で使われる電子情報は爆発的な勢いで増加の一途を辿っている。このような流れの中、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気記録再生装置は急速に記録密度が向上し、磁気ヘッドや磁気メディア等も高記録密度を実現するものが求められている。近年の磁気記録再生装置に再生素子として搭載される磁気抵抗効果ヘッドは、強磁性金属層と非磁性層を積層した多層膜の磁気抵抗効果を利用した、スピンバルブと呼ばれる構造が用いられている。磁気抵抗効果とは、非磁性中間層を挟んだ２層の強磁性層の磁化と磁化のなす角によって電気抵抗が変化する現象である。磁気抵抗効果を用いたスピンバルブは、反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の構造を有し、反強磁性層／強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により反強磁性層と接した強磁性層の磁化を実質的に固定し、他方の強磁性層の磁化が外部磁界によって自由に回転することで出力を得る。磁化が反強磁性層により実質的に固定される強磁性層は固定層、磁化が外部磁場によって回転する強磁性層は自由層と呼ばれる。
従来、磁気抵抗効果を利用したスピンバルブには、電流を積層膜の面内方向に流して用いるＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）ヘッドが採用されてきた。現在では、積層膜の膜厚方向に電流を流して用いるＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistive）ヘッドや、ＣＰＰ（Current perpendicular to Plane）−ＧＭＲヘッドへと移行しつつある。
ＣＩＰ−ＧＭＲヘッドからＴＭＲヘッドやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドへ移行している背景として、主に２つの理由が挙げられる。１つ目は、ＣＩＰ−ＧＭＲヘッドよりもＴＭＲヘッドやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、再生出力を大きくすることが可能であるために、高いＳＮＲ（出力／ノイズ比）が実現できる点である。２つ目は、電流を積層膜の面内方向に流すＣＩＰ方式よりも、電流を積層膜の垂直方向に流すＣＰＰ方式の方が、線記録密度向上の点において有利である点である。線記録密度とは、磁気記録媒体の円周方向のビット密度である。なお、磁気記録媒体の半径方向のビット密度はトラック密度と呼び、両者を増大することで磁気記録再生装置の面記録密度が向上する。線記録密度を高くするためには再生分解能の向上が必須である。再生分解能とは、高記録密度記録時における再生出力が、低記録密度記録時と比較してどの程度の大きさを維持できるかを示す指標である。
ところで、現状の磁気抵抗効果ヘッドは、下部磁気シールドと上部磁気シールドで磁気抵抗効果膜を挟む構成となっているが、線記録密度方向の再生分解能は、この上下磁気シールド間隔に大きく依存する。即ち、上下磁気シールド間隔を狭くするほど、線記録密度方向の分解能が高くなり、高い面記録密度を実現することができる。従来のＣＩＰ−ＧＭＲヘッドは、磁気抵抗効果膜と上部及び下部磁気シールドを電気的に絶縁する必要があったので、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要があり、上下磁気シールド間隔の狭小化が困難であった。一方、積層膜の膜厚方向に電流を流すＴＭＲヘッドや、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要がない為、上下磁気シールド間隔の狭小化の点で有利である。このように、高出力化と再生分解能の向上を目指して、磁気抵抗効果ヘッドはＣＩＰ−ＧＭＲヘッドから、ＴＭＲヘッドやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドに移行しつつある。
しかし、現行のＣＰＰ型磁気抵抗効果膜の膜厚は、多層構造であることと各層の磁気特性を維持するのに必要な最小膜厚が存在することにより、２５ｎｍ程度以下にすることは非常に困難であり、再生分解能の向上には近い将来に限界が生じると考えられている。このため、現行構造の再生ヘッドでは上下磁気シールド間隔は２５ｎｍ程度より狭くすることができず、高い面記録密度実現に向けた大きな障害となっている。
そこで、線記録密度方向の分解能を向上する手段として、差動型再生ヘッドが提案されている。面内磁気記録方式では、磁気記録媒体に書かれた記録ビットに対して、磁化反転領域からのみ信号磁界が生じるのに対して、垂直磁気記録方式では、各記録ビットから必ず信号磁界が生じる。従って、垂直磁気記録方式は差動型再生ヘッドの使用に対して都合が良い。特許文献１には、垂直磁気記録方式を用いた磁気記録再生装置において、一対の磁気抵抗効果膜を、導電層を介して直列接続し、差動動作させる再生ヘッド構造が開示されている。一対の磁気抵抗効果膜のうち、信号磁界の感磁部となる２層の自由層を導電層を介して隣接対面するように配置し、一対の磁気抵抗効果膜の抵抗変化特性が、同じ向きの磁界に対して逆極性になるように設定することで、差動動作させることが可能となる。この場合、線記録密度方向の分解能は、上下磁気シールド間隔よりも自由層間の内側の距離に大きく影響を受ける。したがって、上下磁気シールド間隔の狭小化ができなくても、一対の磁気抵抗効果膜間に介在する導電層の膜厚を薄膜化することで、線記録密度方向の高い再生分解能が得られる。さらに、特許文献２には、２層の自由層が同じ向きの磁界に対して逆極性の抵抗変化特性が得られる、さらに詳細な差動型再生ヘッドの構造が開示されている。
特許文献３には、一対の磁気抵抗効果膜のうち、一方の磁気抵抗効果膜が負の磁気抵抗を示す差動型再生ヘッドの構造が開示されている。また、自由層を薄くすることで出力の低い側の磁気抵抗効果膜の利用率を向上させ、実効的に出力を等しくする構成についての記載がある。しかし、自由層を薄くすることは、媒体磁界に対する感度を向上させる効果はあるものの、磁区制御による自由層への一方向異方性も強くなるため、自由層と磁区制御の２つの相関を持つパラメータを制御する必要があり、設計上の困難が伴う。
また、上下磁気シールドを有さなくても高い分解能を実現する再生ヘッド構造が特許文献４開示されている。
差動型再生ヘッドには、２つの磁気抵抗効果素子の出力に差があると、再生波形にベースラインシフトを生じる問題がある。図１に、一方の磁気抵抗効果素子の出力波形１に対して、他方の磁気抵抗効果素子の出力波形２が相対的に小さい場合の合成出力波形３を示す。ペースラインシフトとは、２つの磁気抵抗効果素子に同相の媒体磁界が入った時に、媒体磁界の正負に応じて、基準となる出力（ベースライン）が出力の大きい側もしくは小さい側にシフトする現象である。ベースラインシフトが発生すると、再生出力、分解能、ＳＮＲなどには影響を与えないが、ビットエラーレートを劣化させることが最近の研究で分かってきている。したがって、差動型ヘッドでは、２つの磁気抵抗効果素子の出力をできるだけ等しく設計する必要がある。
しかし、２つの磁気抵抗効果素子を膜厚方向に積層する差動型の磁気抵抗効果素子では、基板側から順に、第１の磁気抵抗効果素子、第２の磁気抵抗効果素子と作製した場合、第２の磁気抵抗効果素子の結晶性と平坦性が悪化する問題がある。実際に作製した素子の断面ＴＥＭ写真を、図２に示す。図２から分かるように、第１の磁気抵抗効果素子１１１の界面に比べて、明かに第２の磁気抵抗効果素子１１２の界面の平坦性が悪化している。これは、成膜装置の精度や、結晶粒径や結晶配向のばらつきに起因した結晶成長のばらつきが影響している。このような結晶性や平坦性の悪化は、成膜する膜厚が厚くなるほど顕著になるため、２つの磁気抵抗効果素子を積層した差動型の磁気抵抗効果素子では、第２の磁気抵抗効果素子の結晶性及び平坦性が、第１の磁気抵抗効果素子の平坦性に比べて悪化することは避けられない。したがって、単純に一対の同様な膜厚を有する磁気抵抗効果素子を積層した場合、第２の磁気抵抗効果素子の出力は、第１の磁気抵抗効果素子の出力に比べて低くなる。その結果、ベースラインシフトが発生する。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。
本発明の差動型磁気抵抗効果素子は、第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の上に第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子がスペーサー層を介して積層された積層構造を有し、第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を示すことで差動動作する。第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、第１の固定層、第１の中間層、第１の自由層から構成され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、第２の固定層、第２の中間層、第２の自由層から構成される。ここで、第１の固定層の膜厚をtp1、第２の固定層の膜厚をtp2とするとき、tp2＞tp1である。もしくは、第１の中間層の膜厚をti1、第２の中間層の膜厚をti2とするとき、ti2＜ti1である。
本発明によれば、第２の固定層の膜厚tp2を第１の固定層の膜厚tp1に比べて厚くすることで、tp2のスピン依存バルク散乱効果が大きくなり、第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が大きくなる。これにより、第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の抵抗変化を同じにすることが可能である。
また、第２の中間層の膜厚ti2を第１の中間層の膜厚ti1に比べて薄くすることで、中間層を流れるスピン偏極電子が、中間層内で非弾性散乱を起こしスピン情報が失われる確率が減少するため、第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が大きくなる。これにより、第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の抵抗変化を実質的に等しくすることが可能である。
以上により、ベースラインシフトの発生しない差動型磁気抵抗効果素子を実現することができる。
また、この差動型磁気抵抗効果素子を適用した再生ヘッドと誘導型薄膜磁気ヘッドあるいは垂直記録ヘッドを組み合わせることにより良好な磁気ヘッドが得られる。さらに、この磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置は優れた特性を有する。
以下に本発明の実施例を挙げ、図面を参照しながらさらに具体的に説明する。
なお、実施例中の膜厚とは、各層の成膜レートから求めた膜厚を指す。この膜厚は、断面ＴＥＭ像の隣り合う層の界面のラフネスの中間値を界面と定義して評価した膜厚と一致する。成膜レートは、材料によらずおおよそ０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度になるように制御しているため、装置の制御に起因したばらつきを考慮しても、装置起因の膜厚ばらつきは０．２ｎｍ未満である。
図３は、本発明の差動型磁気抵抗効果素子を、ＡＢＳ（Air Bearing Surface）からみた見たときの模式図である。
具体的には、下部シールド１５の上に、第１の下地層４、第１の反強磁性層５、第１の固定層６、第１の中間層７、第１の自由層８、スペーサー層９、第２の自由層１０、第２の中間層１１、第２の固定層１２、第２の反強磁性層１３、キャップ１４、上部シールド１６を形成する。ここで、第１の下地層４は、その上に続く膜の結晶配向性を制御するために重要で、本実施例ではＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）多層膜を用いた。他にも、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｒｕ，ＮｉＦｅ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒなどの単層膜もしくはこれらの材料からなる多層膜を用いてもよい。第１の反強磁性層５及び第２の反強磁性層１３としては、ＭｎＩｒを用いたが、他にもＭｎＩｒＣｒ，ＭｎＰｔなどの反強磁性材料を用いることができる。
第１の固定層６及び第２の固定層１２は、単層の強磁性層を用いることもできるが、固定層の外部磁界耐性を向上させるためには、積層フェリ構成を用いることが望ましい。積層フェリ構成とは、２層の強磁性層が非磁性層を介して反平行に磁気的な結合を有する構成で、基本構成は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる。強磁性層としては、ＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする合金や、ホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金を用いる場合は、界面の相互拡散や結晶配向性を制御する目的で、ホイスラー合金と他層の界面にＣｏＦｅやＮｉＦｅをベースとする材料を挿入した多層構造を用いてもよい。また、同相の外部磁界に対して逆位相の抵抗変化を示すには、第１の固定層６及び第２の固定層１２のどちらか一方は強磁性層を偶数層積層し、もう一方は奇数層積層する必要がある。ただし、積層数が増えるほど、固定層が外部磁界に対して変動しやすくなってしまうため、２層から５層程度までが望ましい。本実施例では、積層フェリ構成として、第１の固定層６には、積層順の下側からＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（６ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＭｎＧｅ（ｘｎｍ：ｘは変数）を用い、第２の固定層１２には、積層順の下側からＣｏＭｎＧｅ（ｙｎｍ：ｙは変数）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）を用いた。（）内の数値は膜厚を示す。
第１の中間層７及び第２の中間層１１としてはＣｕ（２．５ｎｍ）を用いた。中間層の材料としては、他にも、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒなどを用いることができる。
第１の自由層８及び第２の自由層１０としては、ＣｏＭｎＧｅ（３ｎｍ）を用いた。自由層としては、このほかにも、ホイスラー合金を含む多層膜構造、ＣｏＦｅやＮｉＦｅを主とする合金、積層フェリ構成の自由層を用いてもよい。
本実施例では、スペーサー層９としてＲｕ（１５ｎｍ）を用いた。スペーサー層９の膜厚は、媒体のグレインサイズに応じて最適な値を選択する必要があり、１〜３０ｎｍ程度の厚さを用いることができる。スペーサー層９の具体的な構成としては、他にも、Ｃｒ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ、又はこれらの元素を含む合金もしくは多層構造を用いることができる。これらの元素は、できるだけ低抵抗で、第２の磁気抵抗効果素子の結晶性を乱しにくい材料を選択すればよい。
本実施例に示される構成の場合、記録密度が向上し媒体のグレインサイズが小さくなっていったときには、スペーサー層９の膜厚を小さくすることで容易に高記録密度化に対応できるというメリットがある。
図４に、作製した差動型磁気抵抗効果素子の面積抵抗変化dRAと外部磁界Ｈの関係を示す。
第１の磁気抵抗効果素子の面積抵抗変化をdRA1とし、第２の磁気抵抗効果素子の面積抵抗変化をdRA2とした場合、外部磁界Ｈが負で面積抵抗が最も大きいときは、第１の磁気抵抗効果素子の自由層と固定層が反平行状態となり、第２の磁気抵抗効果素子の自由層と固定層が平行状態にあることに対応する。したがって、外部磁界Ｈが負の時の抵抗の最小値と最大値の差がdRA1に対応する。また、外部磁界Ｈが正で面積抵抗が最も大きいときは、第１の磁気抵抗効果素子の自由層と固定層が平行状態となり、第２の磁気抵抗効果素子の自由層と固定層が反平行状態にあることに対応する。したがって、外部磁界Ｈが正の時の抵抗の最小値と最大値の差がdRA2に対応する。以上の評価により、dRA1及びdRA2を見積もることが可能である。
図５には、第１の固定層６の膜厚tp1を３ｎｍに固定して、第２の固定層１２の膜厚tp2を横軸にとった時の、dRA1及びdRA2を示す。固定層が積層フェリ構成で複数層からなる場合は、tp1は第１の固定層６を構成する強磁性層のうち、第１の中間層７と隣接する連続した強磁性層の総膜厚をさし、tp2は、第２の固定層１２を構成する強磁性層のうち、第２の中間層１１と隣接する連続した強磁性層の総膜厚をさす。
図５によると、tp1＝tp2＝３ｎｍのときは、dRA1とdRA2の差が１．２ｍΩμｍ2ある。これは第２の磁気抵抗効果素子の結晶性の劣化による出力低下であると考えられる。また、tp2の膜厚を厚くしていくと、dRA2のみが増加し、dRA1には影響しない。このことから、tp2の膜厚を制御することで、dRA1とは独立にdRA2を制御可能であることが分かる。tp1＝３ｎｍで固定したときは、tp2が５ｎｍの時、つまりtp2−tp1＝２ｎｍのときに、dRA1＝dRA2となることが分かる。
次に、図６には、tp1の膜厚が３〜１０ｎｍの時、dRA1＝dRA2となるtp2の膜厚を示している。これによると、２．０ｎｍ≧tp2−tp1≧０．２ｎｍの範囲に、dRA1＝dRA2となるtp2膜厚があることが分かる。ここで、tp1の下限である３ｎｍは、磁気抵抗効果素子の出力が十分確保できる膜厚の下限である。また、ＣＰＰタイプの磁気抵抗効果素子においては、一般的に磁性層の膜厚が厚いほどスピンのバルク散乱効果が増え、ある程度の厚さまでは出力が増大する。しかし、第１の固定層６の膜厚が厚すぎると、反強磁性層及び積層フェリ構造による固定層の固定力が低下し、外部磁界に対して固定層が動きやすくなってしまうため、tp1の上限は１０ｎｍ程度である。
本実施例では第１の中間層７（膜厚ti1）と第２の中間層１１（膜厚ti2）としてti1＝ti2＝２．５ｎｍを用いたが、ti1とti2の膜厚を変化させたときは、第１の磁気抵抗効果素子及び第２の磁気抵抗効果素子ともに、固定層と自由層の距離が近づくほどdRAが大きくなる。よって、後述の実施例２に示すように、２．０ｎｍ≧ti1−ti2≧０．２ｎｍの範囲でti1に対してti2を小さくすることでdRA1とdRA2の差を低減させることもできる。このようにti1及びti2の膜厚を制御することでdRA1及びdRA2を制御した場合は、ti1＝ti2を用いた場合に比べて、そもそもdRA1とdRA2の差が小さくなるため、本実施例で示した２．０ｎｍ≧tp2−tp1の範囲の中に、やはりdRA1＝dRA2となるtp1，tp2膜厚がある。
以上により、２．０ｎｍ≧tp2−tp1≧０．２ｎｍとすることでdRA1＝dRA2を有する差動型磁気抵抗効果素子を実現できる。
本発明の、別の構成例を示す。差動型磁気抵抗効果素子の積層順は実施例１に示した構成と同じであるが、本実施例では、実施例１において、第１の固定層６を構成する強磁性層のうち、第１の中間層７と隣接する連続した強磁性層の総膜厚tp1を３ｎｍに固定し、第２の固定層１２を構成する強磁性層のうち、第２の中間層１１と隣接する連続した強磁性層の総膜厚tp2も３ｎｍに固定する。その代り、第１の中間層７の膜厚をti1、第２の中間層１１の膜厚をti2とした（ti1，ti2は変数）。
図７には、第１の中間層の膜厚ti1を３ｎｍに固定し、第２の中間層１１の膜厚ti2を横軸にとった時の、dRA1及びdRA2を示す。
図７によると、tp1＝tp2＝３ｎｍのときは、dRA1とdRA2の差が０．４ｍΩμｍ2ある。これは第２の磁気抵抗効果素子の結晶性の劣化による出力低下であると考えられる。また、ti2の膜厚を薄くしていくと、dRA2のみが増加し、dRA1には影響しない。このことから、ti2の膜厚を制御することで、dRA1とは独立にdRA2を制御可能であることが分かる。ti1＝３ｎｍで固定したときは、ti2が２．３ｎｍのときに、dRA1＝dRA2となる。
次に、図８には、ti1の膜厚が１．５〜６ｎｍの時、dRA1＝dRA2となるti2の膜厚を示している。これによると、３．０ｎｍ≧ti1−ti2≧０．２ｎｍの範囲に、dRA1＝dRA2となるti2膜厚があることが分かる。
ここで、ti1の下限である１．５ｎｍは、固定層と自由層が磁気的に強く結合しないために必要な中間層膜厚の下限である。また、ti1が厚くなるとdRAが減少するため、上限の６ｎｍは、センサとして十分な出力を得ることのできる上限の膜厚である。
本実施例では固定層としてtp1＝tp2＝３．０ｎｍを用いたが、tp1とtp2の膜厚を変化させたときは、第１の磁気抵抗効果素子及び第２の磁気抵抗効果素子ともに、固定層が厚くなるほどdRAが大きくなる。よって、前述の実施例１に示したように、２．０ｎｍ≧tp2−tp1≧０．２ｎｍの範囲で、tp1に対してtp2を大きくすることでdRA1とdRA2の差を低減させることができる。このようにtp1及びtp2の膜厚を制御することでdRA1及びdRA2を制御した場合は、tp1＝tp2を用いた場合に比べて、そもそもdRA1とdRA2の差が小さくなるため、本実施例で示した３．０ｎｍ≧ti1−ti2の範囲の中に、dRA1＝dRA2となるti1、ti2膜厚がある。
以上により、３．０ｎｍ≧ti1−ti2≧ｎｍ０．２とすることでdRA1＝dRA2を有する差動型磁気抵抗効果素子を実現できる。
本発明の別の実施形態を図９に示す。図９は、本実施例の差動型磁気抵抗効果素子の構造をＡＢＳ（Air Bearing Surface）面からみた見たときの模式図である。
具体的には、下部シールド１５の上に、下から順番に、第１の下地層４、第１の反強磁性層５、第１の固定層６、第１の中間層７、第１の自由層８、スペーサー層９、第２の下地層１７、第２の反強磁性層１３、第２の固定層１２、第２の中間層１１、第２の自由層１０、キャップ１４、上部シールド１６を形成する。このような構成の場合、スペーサー層９から第２の中間層１１までの膜厚が、媒体のグレインサイズと対応するように膜厚を調整する必要がある。また、第２の下地層１７は、その上に積層される膜の結晶配向性を制御するために最適な材料を選択する必要がある。本実施例ではＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）多層膜を用いた。他にも、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｒｕ，ＮｉＦｅ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒなどの単層膜もしくはこれらの材料からなる多層膜を用いてもよい。
本構成は、第１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子と第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子がそれぞれ同じ積層順で作製されるため、第２のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の結晶配向性が、実施例１のような厚いスペーサー層９によって乱されることがなく、第２のスピンバルブ磁気抵抗効果素子の結晶配向性を制御しやすくなるため、比較的特性劣化が少ないというメリットがある。
図１０には、本構成において、dRA1＝dRA2となるtp1とtp2の関係を示す。ここで、tp1の下限である３ｎｍは、磁気抵抗効果素子の出力が十分確保できる膜厚の下限である。また、ＣＰＰタイプの磁気抵抗効果素子においては、一般的に磁性層の膜厚が厚いほどスピンのバルク散乱効果が増え、ある程度の厚さまでは出力が増大する。しかし、第１の固定層６の膜厚が厚すぎると、反強磁性層及び積層フェリ構造による固定層の固定力が低下し、外部磁界に対して固定層が動きやすくなってしまうため、tp1の上限は１０ｎｍ程度である。
図１０によると、本構成では、１．５ｎｍ≧tp2−tp1≧０．８ｎｍの範囲に、dRA1＝dRA2となるtp2膜厚がある。これは、実施例１に示される２．０ｎｍ≧tp2−tp1≧０．２ｎｍの範囲に含まれる。
図１１には、本構成において、dRA1＝dRA2となるti1とti2の関係を示す。ここで、ti1の下限である１．５ｎｍは、固定層と自由層が磁気的に強く結合しないために必要な中間層膜厚の下限である。また、ti1が厚くなるとdRAが減少するため、上限の６ｎｍは、センサとして十分な出力が観測できる上限の膜厚である。
図１１によると、本構成では、２．０ｎｍ≧ti1−ti2≧０．２ｎｍの範囲に、dRA1＝dRA2となるti2膜厚があることが分かる。これは、実施例１に示される３．０ｎｍ≧ti1−ti2≧０．２ｎｍの範囲に含まれる。
図１２は、本発明の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。スライダーを兼ねる基体上に形成された下部シールド２１１、差動型磁気抵抗効果素子２１２、絶縁ギャップ膜２１３、磁区制御膜２１４、上部シールド２１５から再生ヘッドは構成される。再生ヘッドの上部側に、副磁極２１６、コイル２１７、主磁極２１８、ヨーク部２１９からなる垂直記録ヘッドが構成されている。
本発明は、磁気抵抗効果ヘッドに関するものであるから、記録ヘッド側は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。
実施例４で作製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１３は磁気ディスク装置の概略図であり、図１３（ａ）は概略平面図、図１３（ｂ）はそのＡＡ’断面図である。磁気的に情報を記録する磁気記録媒体３１１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。磁気記録媒体３１１をスピンドルモーター３１２にて回転させ、アクチュエーター３１４によってヘッド３１３を記録媒体３１１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３１３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３１１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。記録信号は信号処理系３１５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３１５を経て信号として得る。
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。
１１１ 第１の磁気抵抗効果素子
１１２ 第２の磁気抵抗効果素子
４ 第１の下地層
５ 第１の反強磁性層
６ 第１の固定層
７ 第１の中間層
８ 第１の自由層
９ スペーサー層
１０ 第２の自由層
１１ 第２の中間層
１２ 第２の固定層
１３ 第２の反強磁性層
１４ キャップ
１５ 下部シールド
１６ 上部シールド
１７ 第２の下地層
２１１ 第１シールド
２１２ 差動型磁気抵抗効果素子
２１３ 絶縁ギャップ膜
２１４ 磁区制御層
２１５ 上部シールド
２１６ 副磁極
２１７ コイル
２１８ 主磁極
２１９ ヨーク部
３１１ 磁気記録媒体
３１２ スピンドルモーター
３１３ 磁気ヘッド
３１４ アクチュエーター
３１５ 信号処理系
１１２ 第２の磁気抵抗効果素子
４ 第１の下地層
５ 第１の反強磁性層
６ 第１の固定層
７ 第１の中間層
８ 第１の自由層
９ スペーサー層
１０ 第２の自由層
１１ 第２の中間層
１２ 第２の固定層
１３ 第２の反強磁性層
１４ キャップ
１５ 下部シールド
１６ 上部シールド
１７ 第２の下地層
２１１ 第１シールド
２１２ 差動型磁気抵抗効果素子
２１３ 絶縁ギャップ膜
２１４ 磁区制御層
２１５ 上部シールド
２１６ 副磁極
２１７ コイル
２１８ 主磁極
２１９ ヨーク部
３１１ 磁気記録媒体
３１２ スピンドルモーター
３１３ 磁気ヘッド
３１４ アクチュエーター
３１５ 信号処理系
Claims (9)
- 第１の固定層、第１の中間層、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子の上に、第２の固定層、第２の中間層、第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子がスペーサー層を介して積層された構造を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を示して差動動作する差動型磁気抵抗効果素子において、
前記第１の固定層の膜厚をtp1、前記第２の固定層の膜厚をtp2とするとき、tp2＞tp1であることを特徴とする差動型磁気抵抗効果素子。 - 請求項１に記載の差動型磁気抵抗効果素子において、２．０ｎｍ≧tp2−tp1≧０．２ｎｍであることを特徴とする、差動型磁気抵抗効果素子。
- 第１の固定層、第１の中間層、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子の上に、第２の固定層、第２の中間層、第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子がスペーサー層を介して積層された構造を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を示して差動動作する差動型磁気抵抗効果素子において、
前記第１の中間層の膜厚をti1、前記第２の中間層の膜厚をti2とするとき、ti2＜ti1であることを特徴とする差動型磁気抵抗効果素子。 - 請求項２に記載の差動型磁気抵抗効果素子において、３．０ｎｍ≧ti1−ti2≧０．２ｎｍであることを特徴とする、差動型磁気抵抗効果素子。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の差動型磁気抵抗効果素子において、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が、ともにＣＰＰ−ＧＭＲ素子であることを特徴とする差動型磁気抵抗効果素子。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の差動型磁気抵抗効果素子において、前記第１の磁気抵抗効果素子は、基板側から第１の固定層、第１の中間層、第１の自由層の順で積層され、前記第２の磁気抵抗効果素子は、スペーサー層側から第２の自由層、第２の中間層、第２の固定層の順で積層されていることを特徴とする差動型磁気抵抗効果素子。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の差動型磁気抵抗効果素子において、前記第１の磁気抵抗効果素子は、基板側から第１の固定層、第１の中間層、第１の自由層の順で積層され、前記第２の磁気抵抗効果素子は、スペーサー層側から第２の固定層、第２の中間層、第２の自由層の順で積層されていることを特徴とする差動型磁気抵抗効果素子。
- 記録ヘッドと再生ヘッドを有する磁気ヘッドにおいて、前記再生ヘッドは請求項１〜７のいずれか１項に記載の差動型磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
- 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、記録ヘッドと再生ヘッドを備える磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所望のトラックに位置決めするヘッド駆動部とを有する磁気記録再生装置において、
前記磁気ヘッドとして請求項８に記載の磁気ヘッドを用いたことを特徴とする磁気記録再生装置。
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- 2009-12-01 US US12/628,577 patent/US8570689B2/en active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017097935A (ja) * | 2015-11-25 | 2017-06-01 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 磁気抵抗素子、その製造方法及びその使用方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8570689B2 (en) | 2013-10-29 |
| US20100142101A1 (en) | 2010-06-10 |
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