JP2012234602A - 磁気ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン蓄積効果を用いた再生ヘッドの漏洩磁場検出部を狭小化する。
【解決手段】自由層となる磁性導電層４と固定層となる磁性導電層５とを、障壁層２，３を介して、非磁性導電層１上に積層した構造とする。磁性導電層の磁化は反強磁性導電層６によって固定する。導電性磁気シールド１２は、コンタクト１１を介して、非磁性導電層と電気的に接合されている。電流は、第１の導電性磁気シールドから第２の導電性磁気シールド１３へと通電する。記録媒体対向面には、非磁性導電層、障壁層、及び、磁性導電層が露出しており、これらは、導電性磁気シールド１２，１４とで挟まれた構造となっている。導電性磁気シールドは、磁性導電層と接合されており、磁性導電層の電位を検出する電圧端子となっている。導電性磁気シールドは、電気的に接合されていない。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド、及びそれを用いた磁気記録再生装置に関する。

磁気記録再生装置市場においては、年率４０％超の記録密度向上が要求されており、現在の成長率に従うと面記録密度は２０１５年頃には数テラbit/in²に到達すると推測される。超テラビット級の磁気記録再生装置に対し、磁気記録再生ヘッドには、今まで以上の高出力化・高分解能化が求められる。

現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance）ヘッドやＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）ヘッドが提案されている。これらスピンバルブタイプの再生ヘッドは、媒体からの漏洩磁界を検出する手段として磁化が自由に回転する磁性体（自由層）を用いており、一方向に磁化を固着した磁性体（固定層）と自由層と間の相対的な磁化の向きに応じて抵抗が変化する。

現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドに関して、分解能を高めるためには構成膜を薄くする必要がある。特にビット長が小さくなってくると、高い分解能を得るためにはギャップ幅Ｇｗを狭小化しなくてはならない。例えば、２Ｔbit/in²の媒体に対する再生ヘッドはＧｗ＝１８ｎｍとなり、素子の構成膜の合計を１８ｎｍ以下にする必要がある。そこで、テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに関しては、高分解能かつ高出力の外部磁界センサが必要となっている。

高分解能かつ低ノイズの外部磁界センサとして、スピン蓄積効果を応用した再生ヘッドが提案されている（特許文献１，２，３）。スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性金属に電流を流した際に、スピン拡散長の範囲内で、非磁性金属中にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。ここで、スピン拡散長とは、スピンの情報が消失する（スピンが反転する）距離を表しており、物質固有の値である。この効果は、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）をもつため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極した電子が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因したスピン流が発生する。この蓄積されたスピン流のため、非磁性導電層は、スピン拡散長の範囲内で、強磁性的な振る舞いをすることが知られている。

この効果を利用した再生ヘッドは、スピン流を注入する磁性体を固定層、他方の磁性体を記録媒体に対向する自由層として利用する（特許文献１）。スピン蓄積効果により、固定層と自由層とをスピン拡散長（スピン情報を伝達可能な距離）の範囲内で離れた位置に配置することが出来るため、記録媒体に対向するシールド間距離（ギャップ長）を狭小化することが可能となる。例えば、本構造の場合、媒体に対向する面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）において、シールド間に挟まれた膜の最小構成は、コンタクト、非磁性細線、障壁層、磁性体（自由層）、延長電極、層間絶縁膜となるため、記録媒体対向面のシールド内には、固定層と反強磁性層が不要となっている。

特開２００４−３４２２４１号公報 特開２００７−２９９４６７号公報 特開２００９−３０１６２５号公報

しかし、記録媒体の高記録密度化が更に進むと、従来の構造では、ギャップ長を狭くすることが困難となる。例えば、特許文献１の場合、電流を印加する端子は、固定層側の非磁性細線と固定層が電流供給回路の一部となるように配置されている。また、電圧を検出する端子は、自由層側の非磁性細線と自由層との電位差を検出する構造となっている。そのため、記録媒体に対向する面では、コンタクト及び延長電極は必須の構成となり、これらの層の存在のため、ギャップ長を狭くすることが困難となる。また、特許文献２の場合、非磁性細線と自由層との電位差を検出する構造において、上記特許文献１における延長電極はないものの、代わりに強磁性自由層が延長電極の役割をしている。この構造では、自由層の磁化に、記録媒体に垂直な成分を持たせることは困難であり、また自由層の磁化を安定化させるためのハードバイアス機構を設けることも困難である。また、特許文献３の場合、スピン蓄積が起きる非磁性層が媒体に対向する面（ＡＢＳ）内で広がった構造になっており、この構造ではスピン蓄積された電子密度が低くなるため十分な出力を得ることは困難である。

上記課題を克服するために、本発明は、電圧端子と電流端子の一端を共通化した３端子スピン蓄積素子を提案する。すなわち、一端が自由層に配置された電圧検出端子の他端を、一端が固定層に配置された電流端子の他端と共通にし、共通端子を接地された構造とする。

一例として、自由層と固定層を、それぞれ障壁層を介して非磁性導電層の片側に積層した構造とする。非磁性導電層を挟むようにして、一方の側に第１の導電性磁気シールドを配置し、反対側に第２と第３の導電性磁気シールドを配置する。第１の導電性磁気シールドは、コンタクトを介して非磁性導電層に電気的に接合する。第２の導電性磁気シールドと第３の導電性磁気シールドは電気的に絶縁した構造とし、固定層は第２の導電性磁気シールドに、自由層は第３の導電性磁気シールドに、それぞれ電気的に接続する。記録媒体対向面には、第１と第３の導電性磁気シールドで挟まれて、非磁性導電層、障壁層及び自由層が露出している。電流は、第１の導電性磁気シールドから第２の導電性磁気シールドへと通電する。非磁性導電層と自由層の間の電圧は、第１の導電性磁気シールドと第３の導電性磁気シールドを端子として検出する。この場合、第１の導電性磁気シールドは、電流通電用と電圧検出用の共通端子として機能する。

電圧端子と電流端子の一端を共通化することで、記録媒体対向面の磁気シールド間には、コンタクト及び延長電極が不要となる。そのため、少なくとも、これらの層の厚さ分、シールド間隔を狭くすることができる。また、３端子構造にすることで、電圧端子へのスピン流の散逸を低減でき、素子単体で高出力化が可能となる。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

従来の４端子スピン蓄積素子の断面模式図。 従来の４端子スピン蓄積素子の記録媒体対向面の模式図。 本発明による３端子スピン蓄積素子の一例を示す断面模式図。 本発明による３端子スピン蓄積素子の一例の記録媒体対向面の模式図。 ４端子スピン蓄積素子の出力電圧の磁場依存性を示す図。 ３端子スピン蓄積素子の出力電圧の磁場依存性を示す図。 ４端子スピン蓄積素子における純スピン流分布の模式図。 ４端子スピン蓄積素子における純スピン流の等価回路図。 ３端子スピン蓄積素子における純スピン流分布の模式図。 ３端子スピン蓄積素子における純スピン流の等価回路図。 出力信号のスピン拡散長依存性を示す図。 出力信号の界面スピン分極率依存性を示す図。 ３端子スピン蓄積素子を備えた再生ヘッドの一例を示す模式図。 図８に示した再生ヘッドの上面模式図。 図８に示した再生ヘッドの側断面模式図。 図８に示した再生ヘッドの底面模式図。 ３端子スピン蓄積素子を備えた再生ヘッドの他の例を示す模式図。 図１０に示した再生ヘッドの上面模式図。 図１０に示した再生ヘッドの側断面模式図。 図１０に示した再生ヘッドの底面模式図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の他の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の他の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の他の例を示す図。 本発明による再生ヘッドの作製方法の他の例を示す図。 本発明による磁気ヘッドの概略図。 本発明による磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置の概略図。

以下、本発明を適用するのに好ましいスピン蓄積素子、及び、それを利用した再生ヘッドについて、詳細に説明する。

図１Ａは従来の４端子スピン蓄積素子の断面模式図であり、図１Ｂは記録媒体対向面の模式図である。その基本構造は、２つの磁性導電層４，５が、障壁層２，３を介して、非磁性導電層１上に積層された構造である。磁性導電層５は、反強磁性導電層６によって磁化方向が一方向に固着されており、再生ヘッドにおける固定層の役割を果たす。また、電流を導電性磁気シールド１０より、固定層５を通じて非磁性導電層１に流す構造となっているため、前述の通り、一方向に偏極したスピン流が注入され、非磁性導電層１の内部にスピン流が蓄積される。一方、磁性導電層４は、記録媒体に対向した面に露出した構造となっており、再生ヘッドにおける自由層として機能する。磁性導電層４の磁化方向は、記録媒体からの漏洩磁場によって変化し、非磁性導電層１に蓄積されたスピン流の偏極方向に対する相対的な向きに依存した出力電圧が発生する。この出力電圧は、磁性導電層４に接合された延長電極７と、非磁性導電層１に電気的に接合された導電性磁気シールド９との電位差に対応する。なお、導電性磁気シールド９は、コンタクト８を介して非磁性導電層１に接合されている。以下、本構造の素子を４端子スピン蓄積素子と呼ぶ。

図２Ａは本発明による３端子スピン蓄積素子の一例を示す断面模式図であり、図２Ｂはその記録媒体対向面の模式図である。その基本構造は、２つの磁性導電層４，５が、障壁層２，３を介して、非磁性導電層１上に積層された構造である。また、図１Ａと同様に、反強磁性導電層６によって磁化が固定された磁性導電層５が固定層として機能し、媒体対向面に露出した磁性導電層４が自由層として機能する。電流の印加方向は、図１Ａと異なり、導電性磁気シールド１２から導電性磁気シールド１３へと電流が流れる方向である。導電性磁気シールド１２は、コンタクト１１を介して、非磁性導電層１と電気的に接合されている。コンタクト１１の材料としては、一般的な非磁性導電体が用いられる。

本構造によると、電流を膜面に対して垂直方向に印加でき、大電流を印加することも可能となる。ただし、コンタクト１１は必ずしも磁性導電層５の真下になくてもよく、非磁性導電層１上の磁性導電層５と異なる位置で、磁性導電層５と同じ側にあって別途電極をとっても良い。一方、記録媒体対向面に関しては、非磁性導電層１、障壁層２、及び、磁性導電層４が露出しており、これらは、導電性磁気シールド１２，１４で挟まれた構造となっている。導電性磁気シールド１４は、磁性導電層４と接合されており、磁性導電層４の電位を検出する電圧端子となっている。なお、導電性磁気シールド１３，１４は、電気的に絶縁されている。以下、本構造の素子を３端子スピン蓄積素子と呼ぶ。

３端子スピン蓄積素子は、図１Ａ、図１Ｂに示した４端子スピン蓄積素子と比較して、電圧端子である延長電極７とコンタクト８が不要となるため、記録媒体対向面において、シールド間距離を狭小化可能となる。また、本構造では、延長電極７がないために、自由層の磁区制御用のハードバイアス層を配置することが容易となる。以上の点から、狭ギャップ再生ヘッドを提供可能となる。

図３Ａに４端子スピン蓄積素子の出力電圧の磁場依存性を示し、図３Ｂに３端子スピン蓄積素子の出力電圧の磁場依存性を示す。なお、図中の実線及び破線は、磁場の増加過程及び減少過程に対する出力電圧を示す。４端子スピン蓄積素子においては、前述の通り、蓄積されたスピン流の偏極方向と磁性導電層４との磁化の向きに依存した電圧が観測される。そのため、磁性導電層（自由層）４と磁性導電層（固定層）５の磁化の向きが反平行の場合、ΔＶ／２だけ高い電位となり、自由層と固定層の磁化の向きが平行の場合、ΔＶ／２だけ低い電位となる。そのため、非磁性導電層１が接地された場合、出力電圧は図３Ａのように、自由層の磁化反転に伴って、ΔＶの電位差が生じる。この電位差を出力信号と呼ぶ。一方、３端子スピン蓄積素子においては、非磁性導電層１の電位は、コンタクト１１と導電性磁気シールド１２の膜厚方向に発生する電圧降下のため、正の有限値Ｖ₀をとる。また、磁性導電層４の電位は、自由層と固定層の磁化の向きが平行・反平行で、Ｖ₀＋ΔＶ／２とＶ₀−ΔＶ／２の値をとるため、自由層の磁化反転に伴いΔＶの出力信号が観測される。

続いて、それぞれの出力信号の大きさに関して説明を行う。図４Ａ及び図５Ａは、４端子スピン蓄積素子と３端子スピン蓄積素子における純スピン流分布の模式図である。スピン蓄積効果は、固定層５よりスピンを注入することで、非磁性導電層１にスピン流が発生するが、その大きさをＩ_sとする。４端子スピン蓄積素子においては、図４Ａに示すように、電圧検出部でこのスピン流が分流する。いま、磁性導電層４の方向に流れるスピン流をＩ_s1、導電性磁気シールド９の方向に流れるスピン流をＩ_s2とすると、図４Ｂの等価回路図を参照して、スピン流Ｉ_s1，Ｉ_s2は以下のように表すことができる。

Ｉ_s＝Ｉ_s1＋Ｉ_s2 …(1)
Ｉ_s1＝Ｒ_sF／（Ｒ_sF＋Ｒ_sN）×Ｉ_s …(2)
Ｉ_s2＝Ｒ_sN／（Ｒ_sF＋Ｒ_sN）×Ｉ_s …(3)
ただし、Ｒ_sF及びＲ_sNは、磁性導電層４とコンタクト８のスピン抵抗を表す。Phys. Rev. B, 72, 014461(2005) によると、スピン抵抗Ｒ_sFとＲ_sNは、
Ｒ_sF＝λ_F×（１−Ｐ）×ρ_F／Ａ_hF …(4)
Ｒ_sN＝λ_bN×ρ_bN／Ａ_hN …(5)
と表される。ただし、λ_F，Ｐ，ρ_F，Ａ_hFは、磁性導電層４のスピン拡散長、スピン分極率、電気抵抗値、非磁性導電層１との接合面積を表す。また、λ-_bN，ρ_bN，Ａ_hNは、コンタクト８のスピン拡散長、電気抵抗値、非磁性導電層１との接合面積を表す。

一方、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、３端子スピン蓄積素子においては、コンタクト８が存在しないため、導電性磁気シールド１２へのスピン流の散逸は無視できる。そのため、従来の４端子スピン蓄積素子と本発明の３端子スピン蓄積素子を比較した場合、本発明の方が、（λ_F・ρ_F／λ-_bN・ρ_bN）×（Ａ_hN／Ａ_hF）×（１−Ｐ）×Ｉ_s分だけ、スピン流の散逸を抑制できる構造である。一般的に、非磁性体のスピン拡散長は磁性体のそれより数百倍大きいことから、スピン流の散逸を数十％低減することが可能である。そのため、本発明による３端子スピン蓄積素子にすることで、素子レベルでの出力信号ΔＶが増大する。

図６及び図７は、本発明の３端子スピン蓄積素子及び従来の４端子スピン蓄積素子における出力信号ΔＶのスピン拡散長依存性及び界面スピン分極率依存性を示す図である。出力信号ΔＶは
ΔＶ＝Ｐ×Ｐ×λ_N／（Ａ_N×σ_N）×exp(−ｄ／λ_N)×Ｉ_s …(6)
で表され、この値はスピン流Ｉ_sに比例する。ここで、Ａ_N及びσ_Nは、非磁性導電体１の断面積及び電気伝導度を表す。よって、４端子スピン蓄積素子の場合の出力信号ΔＶ’は、
ΔＶ’＝ΔＶ×（λ_F・ρ_F／λ_N・ρ_N）×（Ａ_hN／Ａ_hF）×（１−Ｐ） …(7)
で表される。一方、３端子スピン蓄積素子の出力信号ΔＶ”は、前記の通り、導電性磁気シールド１２へのスピン流の散逸は無視できるので、式(6)と同値のΔＶ”＝ΔＶとなる。

図６及び図７の中の実線は本発明による３端子スピン蓄積素子に対する計算結果を示し、破線は従来の４端子スピン蓄積素子に対する計算結果を示す。また、二点鎖線は、本発明によって得られる出力信号の増大分（＝ΔＶ”−ΔＶ’）を表す。なお、これらの計算値は、後述の実施例２で得られた結果を基に算出している。図６は、スピン分極率Ｐ＝０．５の場合の結果を示すが、非磁性導電層のスピン拡散長が増大するに従って、本発明によって得られる効果は増大していく。また、更にスピン拡散長が増大すると、その効果は次第に飽和する傾向にある。一方、スピン分極率に関しては、図７に示すように、非磁性導電層のスピン拡散長λ_N＝７００ｎｍの場合、Ｐ＝０．７付近で本発明によって得られる効果は最大値をとり、検出部の磁性導電層４が完全分極の状態（Ｐ＝１）では、効果は得られない。なお、本発明による効果が最大となるスピン分極率の値は、非磁性導電層１と磁性導電層４のスピン拡散長λ_N，λ_F、伝導率ρ_N，ρ_F、及び、接合部面積Ａ_hN，Ａ_hFの大きさで規定される。以上のように、適切なスピン分極率を持つ材料を選択することで、本発明の効果として、出力信号の増大が期待される。

こうして、本発明によると、超テラビット級磁気記録装置対応の高分解能・高出力磁気再生センサが実現される。

図８は、本発明による３端子スピン蓄積素子を備えた再生ヘッドの一例を示す図であり、再生ヘッドを中央部分で切断した断面模式図である。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、図８に示した再生ヘッドの上面模式図、側断面模式図、及び底面模式図である。図８に示した断面は、図９Ｂの断面に対応する。図中、１は非磁性導電層、２及び３は障壁層、４及び５は磁性導電層、６は反強磁性導電層、１２，１３，１４は第１、第２、第３の導電性磁気シールド、１５は非導電性磁気シールドを表す。これらの構成は、図２Ａ及び図２Ｂに示した３端子スピン蓄積素子の基本構造と同じである。

磁性導電層４は端面が記録媒体対向面に露出しており、漏洩磁場を検出する自由層として機能する。自由層の両脇には、第１のバードバイアス層１６が配置されている。自由層の磁化は第１のハードバイアス層１６によって制御されており、漏洩磁場の変化によって、磁化方向が変化する。第１のハードバイアス層の材料としては、Ｃｏ−Ｐｔ合金等を用いることができる。一方、磁性導電層５は、反強磁性導電層６によってその磁化方向が一方向に固定されており、固定層として機能する。また、非導電性磁気シールド１５は、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂などに代表される絶縁性を示す磁性体から構成されており、第２の磁気シールド１３と第３の磁気シールド１４の間に挿入することで、両者の磁気的な結合を保つが、第２の磁気シールド１３と第３の磁気シールド１４を電気的に絶縁する役割を担っている。これは、センシング部分の微細化に伴い、自由層４に接合された第３の磁気シールド１４の体積が小さくなるため、磁気シールドとしての機能を保つ必要があるためである。１７はキャップ層、１８は層間絶縁層である。この再生ヘッドは、第１の導電性磁気シールド１２から第２の導電性磁気シールド１３へと電流を印加する電流源２０と、第３の導電性磁気シールド１４の電位を検出する電圧計２１を備え、電流源２０と電圧計２１の共通端子が接地された構造を特徴とする。

図１０は、本発明による３端子スピン蓄積素子を備えた再生ヘッドの別の例を示す図であり、再生ヘッドを中央部分で切断した断面模式図である。図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、図１０に示した再生ヘッドの上面模式図、側断面模式図、底面模式図である。図１０に示した断面は、図１１Ｂの断面図に相当する。図中、１は非磁性導電層、２及び３は障壁層、４及び５は磁性導電層、１２，１３及び１４は導電性磁気シールドを表す。１５は非導電性磁性シールド、１６は第１のハードバイアス層、１７はキャップ層、１８は層間絶縁層である。電流源２０と電圧計２１は、図８に示した再生ヘッドと同じ構成である。

この再生ヘッドは、反強磁性導電層の代わりに、磁性導電層（固定層）５の両脇に配置した第２のハードバイアス層１９によって固定層の磁区を制御することが特徴である。なお、第１のハードバイアス層１６、及び、第２のハードバイアス１９の材料は、Ｃｏ−Ｐｔ合金等として、それぞれの組成比や形状を変化させることで、自由層４と固定層５に印加されるバイアス磁界の強度を異ならせる。なお、自由層４と比較し、固定層５に印加されるバイアス磁界の強度が強い。図１０に示した再生ヘッドの構造とすることで、反強磁性導電層６が不要となり、作製プロセスが容易となる。

図１４は、本発明の再生ヘッドを備えた磁気ヘッドの模式図である。図中、３１はスライダアーム、３２は記録ヘッド、３３は本発明による再生ヘッドである。なお、記録ヘッド３２と再生ヘッド３３を纏めて、磁気ヘッド３４と呼ぶ。

図１５は、本発明の磁気ヘッドを備えた磁気記録再生装置の概略図である。長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった磁気記録層を有する磁気記録媒体３６と、磁気記録媒体３６を回転させるための駆動部３８からの運動を伝達する回転棒３７、磁気記録媒体に対して情報の記録再生を行う図１４に示した磁気ヘッド３４、磁気ヘッド３４を磁気記録媒体上の所望のトラックに位置決めするアクチュエータ３５及びスライダアーム３１、磁気ヘッド３４からの出力信号を処理する手段、磁気ヘッド３４に送る記録信号を処理する手段を備える。

［実施例１］
図１２Ａから図１２Ｄを参照して、本発明の再生ヘッドの作製方法の例について説明する。図１２Ａ〜図１２Ｄは、図８及び図９Ａ〜図９Ｃに示した再生ヘッドの作製工程図である。なお、図中のＡ断面は固定層側（電流注入部）、Ｂ断面は素子断面、Ｃ断面は自由層側（媒体対向面の検出部）をそれぞれ表す。

（第１工程）第１シールド作成
第１工程は、第１の導電性磁気シールド１２の作製工程である。本実施例では、ＡｌＴｉＣ基板を用い、めっき法にて第１の導電性磁気シールド１２であるＮｉＦｅを１．５μｍ形成し、その表面を化学機械研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化した。その後、層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（２ｎｍ）をスパッタにより形成し、Ａ断面（固定層側）にコンタクトホール（１×１μｍ²）を形成した。なお、（）内の数値は膜厚あるいは面積を表す。

（第２工程）多層膜製膜
第２工程では、非磁性細線、及び、磁性ピラー用の多層膜を形成する。非磁性導電層１としてＡｇ（４ｎｍ）、障壁層２としてＭｇＯ（０．８ｎｍ）、磁性導電層としてＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）、反強磁性導電層６としてＭｎＩｒ（８ｎｍ）、キャップ層１７としてＴａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）をスパッタ法によって、第１工程で作製された基板上に形成した。

（第３工程）非磁性細線加工
第３工程では、非磁性細線の細線パターンを加工した。第２工程で作製した多層膜上に、電子線描画用ネガレジストをスピンコートし、電子線描画にて非磁性細線パターンを作成した。非磁性細線のパターンとして、線幅２０ｎｍ×長さ３μｍの描画を行った。その後、レジストパターンをマスクとし、イオンミリングによって、第１の導電性磁気シールドが露出するまでエッチングを行った。本工程で作製された非磁性細線パターン上に層間絶縁膜１８を積層し、リフトオフ法によって細線上のレジストパターンごと剥離する。なお、本工程では層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（４０ｎｍ）形成した。

（第４工程）磁性ピラー加工
第４工程では、磁性ピラー加工を行った。まず、電子線描画により、２つの磁性細線パターンを作製した。作製したパターンは、Ａ断面（固定層）が線幅２０ｎｍ×長さ２００ｎｍ、Ｂ断面（自由層）が線幅２０ｎｍ×長さ１００ｎｍである。なお、固定層と自由層との距離は、１００ｎｍとした。その後、アルゴンミリングにより、自由層と固定層のパターンを形成した。なお、アルゴンミリングは、ＭｇＯ障壁層が露出するまで、エッチングを行った。加工後のパターン上に層間絶縁膜１８を積層し、リフトオフ法によって細線上のレジストパターンごと剥離した。なお、本工程では層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（２０ｎｍ）形成した。更に、自由層上の反強磁性導電層ＭｎＩｒを除去する目的で、自由層のパターンホールを、電子線ポジレジストにて形成し、イオンミリングによって、自由層上のＭｎＩｒ膜８ｎｍとキャップ膜を除去した。その後、キャップ膜を再度形成し、リフトオフにより、キャップ膜を形成した。その後、自由層側にハードバイアス層１６のパターンを作製した。

（第５工程）磁区制御層形成
第５工程では、磁区制御用のハードバイアス層を形成した。第４工程で作成されたハードバイアス用のパターンにＣｏ−Ｐｔ合金をスパッタ法にて５０ｎｍ形成した。

（第６工程）磁区制御層加工
第６工程では、その後、ＣＭＰ平坦化を行い、ハードバイアス層１６を完成した。

（第７工程）第２、第３磁気シールド作製
第７工程では、第２及び第３の導電性磁気シールドの作製を行った。第６工程で作製された基板上にスパッタ法を用いてＮｉＦｅを１．５μｍ形成した。

（第８工程）磁気シールド分離
第８工程では、電子線フォトレジストを用い、第２及び第３の磁気シールドを分離するパターンを形成し、その後、イオンミリングによって、第２の導電性磁気シールドと第３の導電性磁気シールドとを分離した。なお、ミリングによるエッチングは、層間絶縁膜１８が露出するまでエッチングを行った。

（第９工程）非導電性磁気シールド膜形成
第９工程では、非導電性磁気シールドの作製を行う。非導電性磁気シールド１５として、スパッタ法によって、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂を２μｍ形成した。その後、ＣＭＰ処理によって、平坦化を行った。ただし、平坦化の工程は、必ずしも必要とはしない。

（第１０工程）保護膜形成
第１０工程では、保護膜を形成した。保護膜２２として、Ａｌ₂Ｏ₃をスパッタ法により２μｍ形成し、その後、ＣＭＰによる平坦化を行った。

（第１１工程）スライダー加工
第１１工程では、スライダーの形状に加工した。本工程では、ＣＭＰ処理による平坦化を行うが、浮上面に対応するＣ断面の平坦化により、自由層４の形状をコントロールする。本実施例では、自由層の形状が、線幅２０ｎｍ×長さ１００ｎｍから線幅２０ｎｍ×長さ３０ｎｍになるように、ＣＭＰ工程を進めた。

（第１２工程）電流・電圧端子配線
第１２工程では、それぞれのシールドにコンタクト用の配線を施し、電流源２０と電圧計２１を配線した。コンタクトホールのパターンは、フォト露光によって形成し、イオンミリングによる加工を行った。電流源２０は、第１の導電性磁気シールド１２と第２の導電性磁気シールド間に電流を印加できるように配線した（Ａ断面）。また、電圧計２１を、その一端が第３の磁気シールドに接続され、もう一端が接地される様に配線した（Ｃ断面）。なお、本実施例では、第１の導電性磁気シールドに配線された電流源２０の接地端子と電圧計２１の接地端子を共通とした。

以上の工程で作製された再生ヘッドに関して、効果を検証した。なお、比較のために、４端子スピン蓄積素子の再生ヘッドの出力信号の結果も示す。４端子スピン蓄積素子の基本構造は、図１Ａ及び図１Ｂに示した通りであり、非磁性導電層１、自由層４、固定層５、及び、反強磁性層６のサイズと材料は、実施例１と同様とした。ただし、記録媒体対向面の構成としては、図１Ａ及び図１Ｂに示したコンタクト８層と延長電極７として、Ａｌが２ｎｍ、Ｃｕが５ｎｍ積層された構造である。また、導電性磁気シールド９，１０の間隔は２０ｎｍとした。

まず、比較用の４端子スピン蓄積素子に関して、素子を構成する非磁性導電層１であるＡｇと磁性導電層４であるＣｏＦｅＢの抵抗値ρとスピン拡散長λを測定したところ、ρ_N＝３．６μΩｃｍ、λ_N＝７００ｎｍ、及び、ρ_F＝３０．０μΩｃｍ、λ_F＝５ｎｍとなった。また、ＭｇＯ障壁層とＡｇ細線の界面スピン分極率Ｐは、Ｐ＝０．５と見積もられる。電流Ｉ＝０．１ｍＡを印加し、出力信号ΔＶ’を非局所測定法により測定したところ、ＣｏＦｅＢの磁化反転に伴い、ΔＶ’＝６．５３ｍＶの出力信号を得た。

一方、本発明による３端子スピン蓄積素子における物性値は、前記４端子スピン蓄積素子とほぼ同値であるが、電流Ｉ＝０．１ｍＡを印加した場合の出力信号ΔＶ”を測定したところ、ΔＶ”＝６．８２ｍＶと比較例に対し、０．３ｍＶの高出力化に成功した。また、記録媒体対向面に関して、第１及び第３の導電性磁気シールド間の距離は１３ｎｍとした。これは、３端子スピン蓄積素子にすることで、図１Ａ及び図１Ｂに示したコンタクト８と延長電極７が不要になった結果である。また、自由層４には、ハードバイアス層１６による磁区制御が可能なため、磁場に対する応答性も向上した。以上より、本実施例による効果として、比較例に対して約５％の出力増大と、３５％の狭ギャップ化が可能となった。

［実施例２］
図１３Ａから図１３Ｄを用いて、本発明の再生ヘッドの作製方法の他の例について説明する。図１３Ａ〜図１３Ｄは、図１０及び図１１Ａ〜図１１Ｃに示した再生ヘッドの作製工程図である。なお、図中のＡ断面は固定層側（電流注入部）、Ｂ断面は素子断面、Ｃ断面は自由層側（媒体対向面の検出部）をそれぞれ表す。

（第１工程）第１シールド作製
第１工程は、第１の導電性磁気シールド１２の作製工程である。本実施例では、ＡｌＴｉＣ基板を用い、めっき法にて第１の導電性磁気シールド１２であるＮｉＦｅを１．５μｍ形成し、その表面を化学機械研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化した。その後、層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（２ｎｍ）をスパッタにより形成し、Ａ断面（固定層側）にコンタクトホール（１×１μｍ²）を形成した。なお、（）内の数値は膜厚あるいは面積を表す。

（第２工程）多層膜製膜
第２工程では、非磁性細線、及び、磁性ピラー用の多層膜を形成した。非磁性導電層１としてＡｇ（４ｎｍ）、障壁層２としてＭｇＯ（０．８ｎｍ）、磁性導電層としてＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）、キャップ層１７としてＴａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）をスパッタ法によって、第１工程で作製された基板上に形成した。

（第３工程）非磁性細線加工
第３工程では、非磁性細線の細線パターンを加工した。第２工程で作製した多層膜上に、電子線描画用ネガレジストをスピンコートし、電子線描画にて非磁性細線パターンを形成した。非磁性細線のパターンとして、線幅２０ｎｍ×長さ３μｍの描画を行った。その後、レジストパターンをマスクとし、イオンミリングによって、第１の磁気シールドが露出するまでエッチングを行った。本工程で作製された非磁性細線パターン上に層間絶縁膜１８を積層し、リフトオフ法によって細線上のレジストパターンごと剥離した。なお、本工程では層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（４０ｎｍ）形成した。

（第４工程）磁性ピラー加工
第４工程では、磁性ピラー加工を行った。まず、電子線描画により、２つの磁性細線パターンを作製した。作製したパターンは、Ａ断面（固定層）が線幅２０ｎｍ×長さ２００ｎｍ、Ｂ断面（自由層）が線幅２０ｎｍ×長さ１００ｎｍとした。なお、固定層と自由層との距離は、１００ｎｍとした。その後、アルゴンミリングにより、自由層と固定層のパターンを形成した。なお、アルゴンミリングは、ＭｇＯ障壁層２が露出するまで、エッチングを行った。加工後のパターン上に層間絶縁膜１８を積層し、リフトオフ法によって細線上のレジストパターンごと剥離した。なお、本工程では層間絶縁膜１８として、Ａｌ₂Ｏ₃（２０ｎｍ）形成した。その後、自由層側にハードバイアス層１６、固定層側にハードバイアス層１９のパターンを作製した。

（第５工程）磁区制御層形成
第５工程では、磁区制御用のハードバイアス層を形成した。第４工程で作成されたハードバイアス用のパターンにＣｏ−Ｐｔ合金をスパッタ法にて５０ｎｍ形成した。

（第６工程）磁区制御層加工
その後、ＣＭＰ平坦化を行い、第１のハードバイアス層１６と第２のハードバイアス層１９を完成した。

（第７工程）第２、第３磁気シールド作製
第７工程では、第２及び第３の導電性磁気シールドの作製を行った。第６工程で作製された基板上にスパッタ法を用いてＮｉＦｅを１．５μｍ形成した。

（第８工程）磁気シールド分離
第８工程では、電子線フォトレジストを用い、第２及び第３の導電性磁気シールドを分離するパターンを形成し、その後、イオンミリングによって、第２の導電性磁気シールドと第３の導電性磁気シールドを分離した。なお、ミリングによるエッチングは、層間絶縁膜１８が露出するまでエッチングを行った。

（第９工程）非導電性磁気シールド膜形成
第９工程では、非導電性磁気シールドの作製を行った。非導電性磁気シールド１５として、スパッタ法によって、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂を２μｍ形成した。その後、ＣＭＰ処理によって平坦化を行った。ただし、平坦化の工程は、必ずしも必要とはしない。

（第１０工程）保護膜形成
第１０工程では、保護膜２２を形成した。保護膜２２として、Ａｌ₂Ｏ₃をスパッタ法により２μｍ形成し、その後ＣＭＰによる平坦化を行った。

（第１１工程）スライダー加工
第１１工程では、スライダーの形状に加工した。本工程では、ＣＭＰ処理による平坦化を行うが、浮上面に対応するＣ断面の平坦化により、自由層４の形状をコントロールした。本実施例では、自由層の形状が、線幅２０ｎｍ×長さ１００ｎｍから線幅２０ｎｍ×長さ３０ｎｍになるように、ＣＭＰ工程を進めた。

（第１２工程）電流・電圧端子配線
第１２工程では、それぞれのシールドにコンタクト用の配線を施し、電流源２０と電圧計２１を配線した。コンタクトホールのパターンは、フォト露光によって形成し、イオンミリングによる加工を行った。電流源２０は、第１の導電性磁気シールド１２と第２の導電性磁気シールド１３間に電流を印加できるように配線した（Ａ断面）。また、電圧計２１が、その一端が第３の導電性磁気シールド１４に接続され、もう一端が接地される様に配線した（Ｃ断面）。なお、本実施例では、第１の磁気シールドに配線された電流源２０の接地端子と電圧計２１の接地端子を共通とした。本実施例では、実施例１と比較し、反強磁性体６を作製する工程が省略できたため、第４工程の簡素化が可能となった。

以上の工程で作製された第２の再生ヘッドに関して、効果を検証した。本実施例では、電流Ｉ＝０．１ｍＡを印加し、出力信号ΔＶ”を非局所測定法により測定したところ、ΔＶ”＝６．７０ｍＶとなった。実施例１と比較すると、０．１ｍＶ出力信号が小さくなっているが、これは、利用効率の違いによって生じた差異であると考えられる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 非磁性導電層
２，３ 障壁層
４，５ 磁性導電層
６ 反強磁性導電層
７ 延長電極
８，１１ コンタクト
９，１０，１２，１３，１４ 導電性磁気シールド
１５ 非導電性磁気シールド
１６ 第１のハードバイアス層
１７ キャップ層
１８ 層間絶縁層
１９ 第２のハードバイアス層
２０ 電流源
２１ 電圧計
３１ スライダアーム
３２ 記録ヘッド
３３ 再生ヘッド
３４ 磁気ヘッド
３５ アクチュエータ
３６ 記録媒体
３７ 回転棒
３８ 駆動部

Claims (7)

1. 非磁性導電層と、
   前記非磁性導電層の一端に、第１の障壁層を介して積層された第１の磁性導電層と、
   前記非磁性導電層の他端に、第２の障壁層を介して積層された第２の磁性導電層と、
   前記第２の障壁層を介して前記非磁性導電層と前記第２の磁性導電層との間に電流を印加する電流印加手段と、
   前記非磁性導電層と前記第１の磁性導電層との間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
   前記電流印加手段の前記非磁性導電層側の端子と、前記電圧検出手段の前記非磁性導電層側の端子は共通端子であり、
   前記電圧検出手段は、外部磁界によって変化する前記第１の磁性導電層の磁化の向きに応じて、前記非磁性導電層と前記第１の磁性導電層との間に生じる電圧を検出することを特徴とする磁気ヘッド。
2. 請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、
   前記非磁性導電層の一方の側面に、電圧測定端子である第１の導電性磁気シールドと電流端子である第２の導電性磁気シールドが配置され、
   前記非磁性導電層の他方の側面に、前記共通端子である第３の導電性磁気シールドが配置され、
   前記第１の導電性磁気シールドは前記第１の磁性導電層と電気的に接続されており、
   前記第２の導電性磁気シールドは前記第２の磁性導電層と電気的に接続されており、
   前記第１の導電性磁気シールドと前記第２の導電性磁気シールドとは電気的に絶縁されており、
   前記第３の導電性磁気シールドは前記非磁性導電層と電気的に接続されていることを特徴とする磁気ヘッド。
3. 請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第１の導電性磁気シールド及び前記第２の導電性磁気シールドは、間に非導電性磁気シールドを介して磁気的に結合されていることを特徴とする磁気ヘッド。
4. 請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第３の導電性磁気シールドと前記非磁性導電層とを電気的に接合するコンタクト部分が、前記第１の磁性導電層の前記第２の磁性導電層側の端部よりも、前記第２の磁性導電層の方向に離れた場所に配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
5. 請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、
   前記第１の磁性導電層の両脇に当該第１の磁性導電層の磁化を制御するハードバイアス層が配置され、
   前記第２の磁性導電層に積層して、当該第２の磁性導電層の磁化を一方向に固着させるための反強磁性体層が配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
6. 請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、
   前記第１の磁性導電層の両脇に当該第１の磁性導電層の磁化を制御する第１のハードバイアスが配置され、
   前記第２の磁性導電層の両脇に当該第２の磁性導電層の磁化を制御する第２のハードバイアス層が配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
7. 磁気記録層を備える磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を回転駆動する駆動部と、前記磁気記録媒体に対して情報の記録再生を行う磁気ヘッドと、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し、
   前記磁気ヘッドは、非磁性導電層と、前記非磁性導電層の一端に第１の障壁層を介して積層された第１の磁性導電層と、前記非磁性導電層の他端に第２の障壁層を介して積層された第２の磁性導電層と、前記第２の障壁層を介して前記非磁性導電層と前記第２の磁性導電層との間に電流を印加する電流印加手段と、前記非磁性導電層と前記第１の磁性導電層との間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記電流印加手段の前記非磁性導電層側の端子と、前記電圧検出手段の前記非磁性導電層側の端子は共通端子であり、前記電圧検出手段は、外部磁界によって変化する前記第１の磁性導電層の磁化の向きに応じて、前記非磁性導電層と前記第１の磁性導電層との間に生じる電圧を検出することを特徴とする
   磁気記録再生装置。

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