JP2016071922A - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】非磁性層、磁性層の結晶性を確保することができるとともに、低抵抗かつ高い出力を得ることができる磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を提供する。【解決手段】本実施形態による磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層上の第１領域に設けられ磁化方向が固定されかつ前記第１磁性層の磁化方向と反平行である第２磁性層と、前記非磁性層の前記第１領域と異なる第２領域上でかつ前記非磁性層の対向する２つの端面のうちの一方の端面の近傍に設けられ磁化方向が外部磁界に応じて変化する第３磁性層と、を有する積層体を備え、前記非磁性層の下面は、前記第１磁性層の上面に接している。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
磁気記録装置の記録密度は、垂直磁気記録方式の発展やＣＰＰ−ＧＭＲ(Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance)素子やＴＭＲ(Tunneling Magneto Resistance)素子を用いた磁気ヘッド技術により、将来的にＴｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ２が実現されると予想されている。ここで、ＢＰＩ（Bits Per Inch）方向の分解能を高めるには、シールド間のギャップを狭める必要があるが、シールド間は反強磁性層、固定層、非磁性層、自由層など多くの層から素子が構成されるため、ギャップを狭めることが困難である。
一方、ＴＰＩ方向の分解能を高めるには、トラック幅を小さくする、すなわち素子サイズを小さくする必要があるが、素子サイズの微細化による発熱の影響があるため、低抵抗かつ高出力化が望まれる。しかし、ＴＭＲ素子では低抵抗化が困難であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では高出力化が困難な状況でＴｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ２級の再生ヘッドを得るには至っていない。
これらの課題を解決する方法として、スピン蓄積効果を用いた再生ヘッドが提案されている。該スピン蓄積効果を用いた再生ヘッドは、高出力化が課題である。
本出願人によって、高出力化することのできるスピン蓄積効果を用いた再生ヘッドが出願されている。この出願された再生ヘッドは、後述するように、非磁性層、磁性層において良質な結晶性が得ることが困難となり、非磁性層におけるスピン拡散長の劣化や、磁性層における分極率劣化を抑制することが困難である。
従って、従来のスピンバルブ素子には無い構造のメリットを有し、低抵抗かつ高い出力の素子を得る構造の設計と非磁性層、磁性層の結晶性確保の両立が重要となっていた。
特開２００９−１４６５１２号公報 特開２０１２−２３４６０２号公報
本実施形態は、非磁性層、磁性層の結晶性を確保することができるとともに、低抵抗かつ高い出力を得ることができる磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を提供する。
本実施形態の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層上の第１領域に設けられ磁化方向が固定されかつ前記第１磁性層の磁化方向と反平行である第２磁性層と、前記非磁性層の前記第１領域と異なる第２領域上でかつ前記非磁性層の対向する２つの端面のうちの一方の端面の近傍に設けられ磁化方向が外部磁界に応じて変化する第３磁性層と、を有する積層体を備え、前記非磁性層の下面は、前記第１磁性層の上面に接している。
第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第２実施形態による磁気再生ヘッドを示す断面図。 第３実施形態による磁気再生ヘッドを示す断面図。 第４実施形態による磁気再生ヘッドを示す断面図。 第５実施形態による磁気再生ヘッドを示す断面図。 図６（ａ）乃至６（ｄ）は、第６実施形態による磁気再生ヘッドの製造方法を示す図。 図７（ａ）乃至７（ｄ）は、第６実施形態による磁気再生ヘッドの製造方法を示す図。 図８（ａ）乃至８（ｄ）は、第６実施形態による磁気再生ヘッドの製造方法を示す図。 図９（ａ）乃至９（ｄ）は、第６実施形態による磁気再生ヘッドの製造方法を示す図。 図１０（ａ）乃至１０（ｄ）は、第６実施形態による磁気再生ヘッドの製造方法を示す図。 電流密度を固定した場合における固定層の面積と出力の関係を示す図。 第７実施形態による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図。 ヘッドスタックアッセンブリを示す斜視図。 ヘッドスタックアッセンブリを示す分解斜視図。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
まず、実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。
前述したように、高出力化することのできるスピン蓄積効果を用いた再生ヘッドが本出願人よって出願されている（特願２０１３−１５６０１７号）。この出願された再生ヘッドは、互いに反平行になるように固着された２つの固定層と、反強磁性層とを磁気ディスク対向面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）から後退させ、上記固定層間にチャージ電流を流し、非磁性層を介してＡＢＳにある自由層までスピン偏極した電子を注入し、この自由層において、電流が流れない非局所電圧測定を行う構造を有している。これにより、出力を低下させずにシールド間ギャップを狭めて磁気抵抗効果を得ることができる。
しかし、このスピン蓄積効果を用いた再生ヘッドを実現させるためには、非磁性層のスピン拡散長を長くすることと、磁性層の分極率を上げることが不可欠となる。しかし、従来のスピンバルブ構造と比べて複雑な素子構造を有している。このため、非磁性層、磁性層において良質な結晶性が得ることが困難となり、非磁性層におけるスピン拡散長の劣化や、磁性層における分極率劣化を抑制することが困難であった。
そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、非磁性層、磁性層において良質な結晶性が得ることができるとともに、非磁性層におけるスピン拡散長の劣化および磁性層における分極率劣化を抑制することのできるスピン蓄積効果を用いた磁気抵抗効果素子および再生ヘッドを得ることが可能となった。これらの磁気抵抗効果素子および再生ヘッドについて以下の実施形態で説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図を図１に示す。この第１実施形態の磁気抵抗効果素子は、スピン蓄積効果を用いた磁気抵抗効果素子であって、磁気シールドを兼用する電極２０と、この電極２０上に設けられた例えばＩｒＭｎからなる反強磁性層１５と、この反強磁性層１５上に設けられた磁化方向が固定された磁性層を含む固定層１４と、この固定層１４上に設けられた界面層１２ａと、この界面層１２ａ上に設けられた非磁性層１０と、この非磁性層１０上に設けられた界面層１２ｂと、この界面層１２ｂの第１領域上に設けられ磁化方向が固定された磁性層を含む固定層１６と、この固定層１６上に設けられた例えばＩｒＭｎからなる反強磁性層１７と、この反強磁性層１７上に設けられ磁気シールドを兼用する電極２４と、界面層１２ｂの上記第１領域と異なる第２領域上に設けられ磁化方向が可変の磁性層を含む自由層１８と、この自由層１８上に設けられ磁気シールドを兼用する電極２２と、を備えている。
固定層１４は、反強磁性層１５上に設けられた磁性層１４ａと、この磁性層１４ａ上に設けられた例えばＲｕからなる磁気結合層１４ｂと、この磁気結合層１４ｂ上に設けられた磁性層１４ｃと、を備えている。磁性層１４ａと磁性層１４ｃは磁気結合層１４ｂを介して反強磁性結合している。すなわち、シンセティックピン構造を有している。なお、界面層１２ａ、１２ｂは無くてもよい。この場合、非磁性層１０は第２磁性層１４ｃに接して設けられ、固定層１６および自由層１８は非磁性層１０に接して設けられる。
また、固定層１４および固定層１６はそれぞれ反強磁性層１５および反強磁性層１７によって互いに反平行になるように固着される。自由層１８の磁性層は磁化方向が外部磁場の影響を受けて自由に回転する。
本実施形態においては、非磁性層１０は、固定層１４上に設けられているので、非磁性層１０の下面は実質的に全てが固定層１４の上面に接している。ここで、「実質的に全て」という意味は、製造プロセスでは非磁性層１０の下面が全て固定層１０の上面に接するように製造されるが、製造された磁気抵抗効果素子においては、非磁性層１０の下面全てが固定層１０の上面に接していなくとも本実施形態と同様に効果を得ることができるならば良いと云う意味である。
これに対して、従来は、非磁性層は必ず絶縁膜上に形成される箇所が存在していた。このため、非磁性層の結晶性を得ることができず、欠陥によるスピン散乱が生じるとともに出力の低下が見られていた。更に、非磁性層上の磁性層も界面平坦性や、エピタキシャル性の観点で良質な結晶性を得ることができず、スピン分極率の低下が見られていた。
一方、本実施形態においては、非磁性層１０の下面は全て磁性層が存在する。このため、電極２０の下地層、固定層１４、非磁性層１０、固定層１６、および自由層１８は一貫で成膜可能となり、現行のＴＭＲヘッドと同様の良質な結晶性を得ることができる。ここで、非磁性層１０の下面の全てに磁性層が存在するため、非磁性層１０を流れるスピン偏極された電子が十分拡散されずに、下部にある固定層１４に吸収されてしまうといった問題が発生するが、自由層１８に対して、固定層１６の幅（図面上で奥行き方向の長さ）を大きくすることで、スピン流を増やすことが可能であり、上述のスピンの流出を補償することができる。すなわち、非磁性層１０と固定層１４との接合面積Ａ１と、非磁性層１０固定層１６との接合面積Ａ２と、非磁性層１０と自由層１８との接合面積Ａ３との関係は、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３であることが好ましい。
固定層１４、固定層１６、および自由層１８のそれぞれに含まれる磁性層としては、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅから選択された元素からなる単体、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を含む合金（例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉ、ＦｅＡｌＳｉ等）、軟磁性層、あるいはＣｏＦｅＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＧａＧｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、およびＣｏＭｎＡｌ等からなる群から選択される１つのホイスラー合金を適宜用いることができる。ここで、固定層１４と固定層１６は磁化方向を互いに反平行になるように固着される。このため、磁気結合層（例えば、Ｒｕ層）を用いて、固定層１４、固定層１６は、反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を有していても良い。
また、固定層１４は下地層を含んでいてもよい。下地層として、例えば、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆなどの非磁性金属材料を用いることができる。非磁性層１０との界面には界面層１２ａ、１２ｂとして、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＧａＯ、またはＺｎＯ等を用いることもできる。
反強磁性層１５、１７として、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、またはＲｈＭｎ等を用いることができる。
非磁性層１０として、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｉｒなど、非磁性導電性金属を用いることができる。また、ＣｕＺｎ、ＣｕＳｉ、ＣｕＡｌ等の合金材料を用いることもできる。
以上説明したように、第１実施形態によれば、非磁性層１０およびその上に設けられる磁性層、すなわち自由層１８および固定層１６の結晶性を向上させることができる。その結果、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化および磁性層のスピン分極率の劣化を抑制することができる。これにより、低抵抗かつ高い出力を得ることにできる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態による磁気再生ヘッドについて図２を参照して説明する。この第２実施形態の磁気再生ヘッドは、図２に示すように、磁気記録媒体３００に対向するスライダ２００を備えており、このスライダ２００は磁気再生素子として、磁気抵抗効果素子１Ａを備えている。この磁気抵抗効果素子１Ａは、図１に示す磁気抵抗効果素子１において、電極２０の代わりに磁気シールド２０Ａを設けるとともに、電極２２、２４の代わりに磁気シールド２６を設けた構成を有している。なお、磁気記録媒体３００に対向する磁気抵抗効果素子の面がＡＢＳ（Air Bearing Surface）となる。
磁気シールド２０Ａは、図１に示す電極２０と同じ形状を有している。磁気シール２６は、自由層１８上に設けられた第１部分と、この第１部分に接続し、固定層１６の方向すなわち磁気記録媒体３００とは反対側の方向に沿って延在するとともに反強磁性層１７と接しない構造の第２部分とを備えている。磁気シールド２６の第２部分は反強磁性層１７の上方に延在している。
この第２実施形態による磁気再生ヘッドにおいて、固定層１４と固定層１６性層との間で電流の流し、非磁性層１０中にスピン偏極された電子を拡散させる。更に、磁気記録媒体３００からの外部磁場の影響を受けて磁化方向が回転する自由層１８と固定層１６との間で電圧の検出を行う。
以上説明したように、第２実施形態においては、電圧計および電流源に接続される磁性体を含む３端子、すなわち固定層１４、固定層１６、および自由層１８で構成された３端子構造を用いている。磁性体中のスピン緩和長は非磁性体中のスピン緩和長に比べると非常に短い。このため、全ての端子を磁性体にすることで、磁気抵抗効果素子のサイズを極めて小さくすることが可能となる。
また、本実施形態においては、非磁性体からなる端子が無いため、スピン蓄積効果が小さな非磁性層１０中に集中させることが可能となり、非磁性層１０からのスピンの流出を極力抑えることが可能となり、大きな出力を得ることができる。
以上説明したように、第２実施形態も第１実施形態と同様に、非磁性層１０およびその上に設けられる磁性層、すなわち自由層１８および固定層１６の結晶性を向上させることができる。その結果、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化および磁性層のスピン分極率の劣化を抑制することができる。これにより、低抵抗かつ高い出力を得ることにできる磁気再生ヘッドを提供することができる。
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気再生ヘッドについて図３を参照して説明する。この第３実施形態の磁気再生ヘッドは、図３に示すように、磁気記録媒体３００に対向するスライダ２００Ａを備えており、このスライダ２００Ａは磁気抵抗効果素子１Ｂを備えている。この磁気抵抗効果素子１Ｂは、図２に示す磁気抵抗効果素子１Ａにおいて、磁気シールド２６を磁気シールド２６Ａに置き換えた構成を有している。
この磁気シールド２６Ａは、自由層１８上に設けられた第１部分と、この第１部分に接続し、固定層１６の方向すなわち磁気記録媒体３００とは反対側の方向に沿って延在するとともに反強磁性層１７に接する構造の第２部分とを備えている。すなわち、固定層１６このように、固定層１６と自由層１８のそれぞれの電極線を共通化することで、第３実施形態の磁気ヘッドは、全ての端子が磁性体で構成された２端子構造を有することになる。
この第３実施形態において、固定層１４から非磁性層１０を介して固定層１６に第１電流を流し、この第１電流よりも小さい第２電流を、固定層１４から非磁性層１０を介して自由層１８に流す。このとき、固定層１６と自由層１８に流れる電流の比は、面積抵抗ＲＡが同じ場合は、非磁性層１０との接合面積で調節可能である。しかし、固定層１６および自由層１８のそれぞれの面積抵抗自体を変えても良い。固定層１６と自由層１８の電極ラインを共通化することで、図２に示した３端子構造を有する第２実施形態と比較して出力は低下する。しかし、現行の磁気再生ヘッドに用いられているローカルスピンバルブ構造と同じ端子数とすることができる。また、現行の磁気再生ヘッドの再生素子としても散られるＴＭＲ素子は、トラック幅方向の密度ＴＰＩを高めるため、素子幅の減少による抵抗増加分をシャントパスで抑制している。しかし、本実施形態においては、固定層１４および固定層１６がシャントパスと同様の効果を持つと同時にスピン流の印加機能を併せ持つため、従来のスピン蓄積効果を用いずに、ＴＭＲ素子を再生素子としてもちいた場合に比べて出力が増加する効果を有している。
第３実施形態も第１実施形態と同様に、非磁性層１０およびその上に設けられる磁性層、すなわち自由層１８および固定層１６の結晶性を向上させることができる。その結果、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化および磁性層のスピン分極率の劣化を抑制することができる。これにより、低抵抗かつ高い出力を得ることにできる磁気再生ヘッドを提供することができる。
（第４実施形態）
第４実施形態による磁気再生ヘッドについて図４を参照して説明する。この第４実施形態の磁気再生ヘッドは、図４に示す磁気抵抗効果素子１Ｃを備えている。この磁気抵抗効果素子１Ｃは、図３に示す磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、反強磁性層１５をＡＢＳから後退させるとともに磁気シールド２０Ａを磁気シールド２０Ｂに換えた構造を有している。 磁気シールド２０Ｂは、磁気シールド２０Ａと、この磁気シールド２０Ａに接続し反強磁性層１５がＡＢＳから後退した領域に設けられた部分とを備えている。
このように構成したことにより、第３実施形態に比べて磁気ギャップ、すなわち磁気シールドと磁気シールド２６ＡとのＡＢＳにおける距離を狭くすることが可能となり、第３実施形態に比べて分解能を高くすることができる。
第４実施形態も第３実施形態と同様に、非磁性層１０およびその上に設けられる磁性層、すなわち自由層１８および固定層１６の結晶性を向上させることができる。その結果、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化および磁性層のスピン分極率の劣化を抑制することができる。これにより、低抵抗かつ高い出力を得ることにできる磁気再生ヘッドを提供することができる。
なお、この第４実施形態のように反強磁性層１５をＡＢＳから後退させた構造を第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａに適用してもよい。
（第５実施形態）
第５実施形態による磁気再生ヘッドについて図５（ａ）、５（ｂ）を参照して説明する。この第５実施形態の磁気再生ヘッドは、図３に示す第３実施形態の磁気再生ヘッドにおいて、磁気抵抗効果素子１Ｂを磁気抵抗効果素子１Ｄに置き換えた構成を有している。この磁気抵抗効果素子１Ｄは、磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、自由層１８を自由層１８Ａに置き換えた構成を有している。この自由層１８Ａは、図５（ｂ）に示すように、非磁性層１０上に設けられた磁化方向が可変の磁性層１８ａと、この磁性層１８ａ上に設けられた例えばＲｕからなる非磁性層１８ｂと、非磁性層１８ｂ上に設けられ磁化方向は可変の磁性層１８ｃと、この磁性層１８ｃ上に設けられた、例えばＩｒＭｎからなる反強磁性層１８ｄとを備えている。すなわち、自由層１８Ａは、積層フェリ構造を有している。
磁性層１８ｃは反強磁性層１８ｄによって一方向のバイアス磁界がトラック幅方向に付与される。さらに、自由層１Ｄのトラック幅方向側面に対向して配置され、初期状態での磁化方向が固定されたサイドシールドを備えている（図示せず）。サイドシールドと上部シールドは磁気的に結合しており、上部シールドをＩｒＭｎ等の反強磁性膜と積層することにより、サイドシールドの磁化をトラック幅方向に揃える。
ここで、サイドシールドから磁性層１８ａと１８ｃに磁界が印加され、この磁界の方向が磁性層１８ａの磁化の方向と略平行で、磁性層１８ｃの磁化の磁化に加わる前記バイアス磁界方向と略反平行であり、磁性層１８ａの磁気ボリューム、すなわち飽和磁化Ｍｓと体積Ｖの積は、磁性層１８ｃの磁気ボリュームと異なることが好ましい。その結果、媒体記録磁化方向が遷移する領域では、磁性層１８ａと磁性層１８ｃに逆方向の媒体対向面に垂直方向の磁界が加わり、反平行磁化配列の関係を維持した状態で、急峻に磁性層１８ａと磁性層１８ｃの磁化が回転する。上下シールドの間隔が広くても、媒体記録磁界の遷移領域のみの信号を検出、すなわち、高分解能再生が実現できる。なお、反強磁性層１８ｄに代わる他の手段により、サイドシールドバイアス磁界と反対方向に磁性層１８ｃにバイアス磁界を加えてもよい。磁性層１８ａと磁性層１８ｃの反平行磁化状態を安定化することが、高分解能再生のポイントとなる。
第４実施形態も第３実施形態と同様に、非磁性層１０およびその上に設けられる磁性層、すなわち自由層１８および固定層１６の結晶性を向上させることができる。その結果、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化および磁性層のスピン分極率の劣化を抑制することができる。これにより、低抵抗かつ高い出力を得ることにできる磁気再生ヘッドを提供することができる。
なお、この第５実施形態のように積層フェリ構造を有する自由層１８Ａを第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａ、または第４実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｃに適用してもよい。
（第６実施形態）
次に、磁気再生素子の製造方法について図６（ａ）乃至図１０（ｄ）を参照して説明する。この第４実施形態の製造方法は、図３に示す第３実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂを製造する。図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）は、各製造工程における磁気抵抗効果素子１の上面図、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）は、各製造工程における磁気抵抗効果素子１のＡ−Ａ断面図、図６（ｃ）、図７（ｃ）、図８（ｃ）、図９（ｃ）、図１０（ｃ）は、各製造工程における磁気抵抗効果素子１のＢ−Ｂ断面図、図６（ｄ）、図７（ｄ）、図８（ｄ）、図９（ｄ）、図１０（ｄ）は、各製造工程における磁気抵抗効果素子１のＣ−Ｃ断面図である。
各工程のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面はそれぞれ、対応する工程の上面図に示す切断線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃによって切断した断面である。
図６（ａ）乃至（ｄ）に示すように、基板（図示せず）上に電極となるシールドとしてＮｉＦｅ層をめっき法にて形成する。その後、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を用いてＮｉＦｅ層の上面を平坦化し、磁気シールド２０を形成する。続いて、磁気シールド２０上に、例えばＩｒＭｎからなる反強磁性のバイアス層１５、固定層１４となる磁性層１４、非磁性層１０、固定層１６および自由層１８となる磁性層１９からなる積層膜を、スパッタ法を用いて成膜する。
次に、図７（ａ）乃至７（ｄ）に示すように、ＩＢＥ(Ion Beam Etching)法を用いて、固定層１４の形状を画定するエッチングを行う。エッチングマスクとして、所定の形状のレジストパタンを形成する。レジストパタンはステッパーを用いて形成することができるが、電子線による描画やナノインプリントにより形成することもできる。また、レジストパタンは加工のアスペクト比を稼ぐため、ハードマスクに転写しても良い。また、エッチング除去部分はリフトオフ法等で、図７（ａ）、７（ｃ）に示すように、層間絶縁膜またはハードバイアス膜２１を形成しても良い。
次に、図８（ａ）乃至８（ｄ）に示すように、ＩＢＥ法を用いて、固定層１６と自由層１８の分離を行う。
その後、図９（ａ）乃至９（ｄ）に示すように、固定層１６上に、例えばＩｒＭｎからなる反強磁性層１７を成膜する。ここで、図６（ａ）乃至６（ｄ）において磁性層１９上に反強磁性層１７を成膜し、固定層１６と自由層１８の分離を行った後に、自由層１８上の反強磁性層１７をミリングで除去しても良い（図示せず）。
最後に、図１０（ａ）乃至１０（ｄ）に示すように、電極となるシールドで覆って、本実施形態による非磁性層の下部全面に固定層１４を具備する構造を得る。
（実施例）
実施例１として第２実施形態による磁気再生ヘッドと、比較例として第２実施形態の磁気再生ヘッドにおいて非磁性層１０の下部に設けられる固定層１４を非磁性層１０の上部に設けられる固定層１６と同じ平面形状（サイズ）、すなわち同じ面積とした磁気再生ヘッドとについて、３次元モデルのシミュレーションにより計算した結果を図１１に示す。図１１は、自由層１８の面積（ＡＦｒｅｅ）を固定して、非磁性層１０の上部に配置された固定層１６の面積（ＡＰｉｎ２）を変えることで、出力の面積比（ＡＰｉｎ２／ＡＦｒｅｅ）の依存性を示した。出力は電流密度を１６０ＭＡ／ｃｍ２と固定し、比較例の出力（ｄＶ０）で規格化した。
図１１からわかるように、固定層１６の面積を増やすことにより、実施例の磁気再生ヘッドの出力低下率が抑制されていることが確認され、固定層１６の面積を自由層１８の１０倍程度に増やすことで、比較例と略同程度の出力が得られることが確認できる。これは、非磁性層１０の下部の固定層１４へスピン流が吸収されてしまうことによる出力の損失分が、固定層１６の長さを増やすことによるスピン流の増加分で補われていることが考えられる。
ここで、シミュレーションでは理想的な系での出力を計算しているため、比較例においては、実際は非磁性層１０、非磁性層１０の上部の固定層１６および自由層１８の界面平坦性および結晶性において劣化が発生する。したがって、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化、磁性層１６、１８におけるスピン分極率の低下による出力低下を考慮する必要がある。
以上説明したように、本実施例によれば、非磁性層１０の下部全面に固定層１４を配置させ、自由層１８に対して固定層１６の面積を広げることで、比較例に比べてスピン流の損失の影響が少なく、非磁性層１０のスピン拡散長の劣化、磁性層１８、１６のスピン分極率の低下による出力低下が抑制可能となる。
（第７実施形態）
次に、第７実施形態による磁気記録再生装置について説明する。
上述した第２乃至第５実施形態のいずれかに記載の磁気再生ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置（ＨＤＤ）に搭載することができる。なお、本実施形態による磁気記録再生装置は、再生機能を有することもできるし、記録機能と再生機能の両方を有することもできる。
図１２は第７実施形態による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図である。図１２に示すように、磁気記録再生装置は、筐体１１０を備えている。筐体１１０は、上面の開口した矩形箱状のベース１１２と、複数のねじ１１１によりベース１１２にねじ止めされてベース１１２の上端開口を閉塞したトップカバー１１４と、を有している。ベース１１２は、矩形状の底壁１１２ａと、底壁１１２ａの周縁に沿って立設された側壁１１２ｂとを有している。
筐体１１０内には、磁気記録媒体として１枚の磁気ディスク１１６、およびこの磁気ディスク１１６を支持および回転させる駆動部としてのスピンドルモータ１１８が設けられている。スピンドルモータ１１８は、底壁１１２ａ上に配設されている。なお、筐体１１０は、複数枚、例えば、２枚の磁気ディスクを収容可能な大きさに形成され、スピンドルモータ１１８は、２枚の磁気ディスクを支持および駆動可能に形成されている。
筐体１１０内には、磁気ディスク１１６に対して情報の記録、再生を行なう複数の磁気ヘッド１１７と、これらの磁気ヘッド１１７を磁気ディスク１１６に対して移動自在に支持したヘッドスタックアッセンブリ（以下ＨＳＡともいう）１２２と、ＨＳＡ１２２を回動および位置決めするボイスコイルモータ（以下ＶＣＭともいう）１２４と、磁気ヘッド１１７が磁気ディスク１１６の最外周に移動した際、磁気ヘッドを磁気ディスク１１６から離間した退避位置に保持するランプロード機構１２５と、ＨＤＤに衝撃などが作用した際、ＨＳＡ１２２を退避位置に保持するラッチ機構１２６と、プリアンプなどを有する基板ユニット１２１と、が収納されている。ベース１１２の底壁１１２ａ外面には、図示しないプリント回路基板がねじ止めされている。プリント回路基板は、基板ユニット１２１を介してスピンドルモータ１１８、ＶＣＭ１２４、および磁気ヘッド１１７の動作を制御する。ベース１１２の側壁には、可動部の稼動によって筐体内に発生した塵埃を捕獲する循環フィルタ１２３が設けられ、磁気ディスク１１６の外側に位置している。
磁気ディスク１１６は、例えば、直径６５ｍｍ（２．５インチ）に形成され、上面および下面に磁気記録層を有している。磁気ディスク１１６は、スピンドルモータ１１８の図示しないハブに互いに同軸的に嵌合されているとともにクランプばね１２７によりクランプされ、ハブに固定されている。これにより、磁気ディスク１１６は、ベース１１２の底壁１１２ａと平行に位置した状態に支持されている。そして、磁気ディスク１１６は、スピンドルモータ１１８により所定の速度、例えば、５４００ｒｐｍあるいは７２００ｒｐｍの速度で回転される。
図１３は、本実施形態の磁気記録再生装置のヘッドスタックアッセンブリ（ＨＳＡ）１２２を示す斜視図、図１４はＨＳＡ１２２を示す分解斜視図である。図１３、図１４に示すように、ＨＳＡ１２２は、回転自在な軸受部１２８と、軸受部から延出した２本のヘッドジンバルアッセンブリ（以下、ＨＧＡと称する）１３０と、ＨＧＡ１３０間に積層配置されたスペーサリング１４４と、ダミースペーサ１５０とを備えている。
軸受部１２８は、ベース１１２の長手方向に沿って磁気ディスク１１６の回転中心から離間して位置しているとともに、磁気ディスク１１６の外周縁近傍に配置されている。軸受部１２８は、ベース１１２の底壁１１２ａに立設される枢軸１３２と、枢軸に軸受１３４を介して回転自在にかつ枢軸と同軸的に支持された円筒形状のスリーブ１３６とを有している。スリーブ１３６の上端には環状のフランジ１３７が形成され、下端部外周には、ねじ部１３８が形成されている。軸受部１２８のスリーブ１３６は、最大本数として、例えば４本のＨＧＡと、隣り合う２つのＨＧＡ１４０間に位置するスペーサとを積層状態で取付け可能な大きさ、ここでは取付け可能な軸方向長さを有して形成されている。
本実施形態において、磁気ディスク１１６は１枚に設定されていることから、取付け可能な最大本数である４本よりも少ない２本のＨＧＡ１３０が軸受部１２８に設けられている。各ＨＧＡ１３０は、軸受部１２８から延出したアーム１４０、アームから延出したサスペンション１４２、およびサスペンションの延出端にジンバル部を介して支持された磁気ヘッド１１７を有している。
アーム１４０は、例えば、ステンレス、アルミニウム、ステンレスを積層して薄い平板状に形成され、その一端、つまり、基端には円形の透孔１４１が形成されている。サスペンション１４２は、細長い板ばねにより構成され、その基端がスポット溶接あるいは接着によりアーム１４０の先端に固定され、アームから延出している。なお、サスペンション１４２およびアーム１４０は、同一材料で一体に形成してもよい。
磁気再生ヘッド１１７は、第２乃至第５実施形態のいずれか１つ磁気再生ヘッドであって、図示しないほぼ矩形状のスライダとこのスライダに形成された記録ヘッドを備えている。この磁気再生ヘッド１１７は、サスペンション１４２の先端部に形成されたジンバル部に固定されている。また、磁気再生ヘッド１１７は、図示しない４つの電極を有している。アーム１４０およびサスペンション１４２上には図示しない中継フレキシブルプリント回路基板（以下、中継ＦＰＣと称する）が設置され、磁気再生ヘッド１１７は、この中継ＦＰＣを介してメインＦＰＣ１２１ｂに電気的に接続される。
スペーサリング１４４は、アルミニウムなどにより所定の厚さおよび所定の外径に形成されている。このスペーサリング１４４には、合成樹脂からなる支持フレーム１４６が一体的に成形され、スペーサリングから外方に延出している。支持フレーム１４６には、ＶＣＭ１２４のボイスコイル１４７が固定されている。
ダミースペーサ１５０は、環状のスペーサ本体１５２と、スペーサ本体から延出したバランス調整部１５４とを有し、例えば、ステンレスなどの金属に一体的に形成されている。スペーサ本体１５２の外径は、スペーサリング１４４の外径と等しく形成されている。
すなわち、スペーサ本体１５２のアームと接触する部分の外径は、スペーサリング１４４がアームに接触する部分の外径と同一に形成されている。また、スペーサ本体１５２の厚さは、ＨＧＡの最大本数よりも少ない本数分、ここでは、２本のＨＧＡにおけるアームの厚さ、つまり、２本のアーム分の厚さと、これらアーム間に配設されるスペーサリングの厚さとを合計した厚さに形成されている。
ダミースペーサ１５０、２本のＨＧＡ１３０、スペーサリング１４４は、スペーサ本体１５２の内孔、アーム１４０の透孔１４１、スペーサリングの内孔に軸受部１２８のスリーブ１３６が挿通された状態でスリーブの外周に嵌合され、スリーブの軸方向に沿ってフランジ１３７上に積層配置されている。ダミースペーサ１５０のスペーサ本体１５２は、フランジ１３７と一方のアーム１４０との間、およびスペーサリング１４４は、２本のアーム１４０間にそれぞれ挟まれた状態でスリーブ１３６の外周に嵌合されている。更に、スリーブ１３６の下端部外周には、環状のワッシャ１５６が嵌合されている。
スリーブ１３６の外周に嵌合されたダミースペーサ１５０、２本のアーム１４０、スペーサリング１４４、ワッシャ１５６は、スリーブ１３６のねじ部１３８に螺合されたナット１５８とフランジ１３７との間に挟持され、スリーブの外周上に固定保持されている。
２本のアーム１４０は、スリーブ１３６の円周方向に対して互いに所定位置に位置決めされ、スリーブから同一の方向へ延出している。これにより、２本のＨＧＡは、スリーブ１３６と一体的に回動可能となっているとともに、磁気ディスク１１６の表面と平行に、かつ、互いに所定の間隔を置いて向かい合っている。また、スペーサリング１４４と一体の支持フレーム１４６は、軸受部１２８からアーム１４０と反対の方向へ延出している。
支持フレーム１４６からはピン状の２本の端子１６０が突出し、これらの端子は、支持フレーム１４６内に埋め込まれた図示しない配線を介してボイスコイル１４７に電気的に接続されている。
サスペンション１４２は信号の書き込み及び読み取り用のリード線（図示しない）を有し、このリード線とスライダに組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、図示しない電極パッドが、磁気ヘッドアセンブリ１３０に設けられる。
そして、磁気ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う、図示しない信号処理部が設けられる。この信号処理部は、例えば、図１６に示した磁気記録再生装置の図面中の背面側に設けられる。上記信号処理部の入出力線は、電極パッドに接続され、磁気ヘッドと電気的に結合される。
このように、本実施形態に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、第２乃至第５実施形態のいずれかによる磁気再生ヘッドと、磁気記録媒体と磁気再生ヘッドとを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部（移動制御部）と、磁気再生ヘッドを磁気記録媒体の所定記録位置に位置合せする位置制御部と、磁気ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。すなわち、上記の磁気記録媒体として、記録用媒体ディスク１１６が用いられる。上記の可動部は、スライダを含むことができる。また、上記の位置制御部は、ＨＳＡ１２２を含むことができる。
磁気ディスク１１６を回転させ、ボイスコイルモータ１２４にアクチュエータアーム１４０を回転させてスライダを磁気ディスク１１６上にロードすると、磁気再生ヘッドに搭載したスライダの媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１１６の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１１６に記録された情報を読み出すことができる。
この第７実施形態の磁気記録再生装置は、第２乃至第６実施形態のいずれかの磁気再生ヘッドを用いているので、出力電圧を増大することができるとともにシールド間のギャップを狭めることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 磁気抵抗効果素子
１０ 非磁性層
１２ａ、１２ｂ 界面層
１４ 固定層
１４ａ 磁性層
１４ｂ 磁気結合層
１４ｃ 磁性層
１５ 反強磁性層
１６ 固定層
１７ 反強磁性層
１８ 自由層
１８Ａ 積層フェリ構造の自由層
１８ａ 磁性層
１８ｂ 非磁性層
１８ｃ 磁性層
１８ｄ 反強磁性層
２０ 電極
２０Ａ 磁気シールド
２２ 電極
２４ 電極
２６、２６Ａ 磁気シールド

Claims (13)

  1. 磁化方向が固定された第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層上の第１領域に設けられ磁化方向が固定されかつ前記第１磁性層の磁化方向と反平行である第２磁性層と、前記非磁性層の前記第１領域と異なる第２領域上でかつ前記非磁性層の対向する２つの端面のうちの一方の端面の近傍に設けられ磁化方向が外部磁界に応じて変化する第３磁性層とを有する積層体を備え、
    前記非磁性層の下面は、前記第１磁性層の上面に接している、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記非磁性層と前記第１磁性層との接合面積をＡ１、前記非磁性層と前記第２磁性層との接合面積をＡ２、前記非磁性層と前記第３磁性層との接合面積をＡ３とすると、
    Ａ１＞Ａ２＞Ａ３
    の関係を満たす請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第１磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第１界面層と、前記第２磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２界面層と、前記第３磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第３界面層とを更に備えた請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記積層体を挟むように配置された第１および第２磁気シールドを更に備え、前記第１磁気シールドは前記第１磁性層に接続し、前記第２磁気シールドは前記第３磁性層に接続する請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記第１磁気シールドと前記第１磁性層との間に設けられ、前記第１磁性層の磁化方向を固定する第１反強磁性層と、
    前記第２磁性層上に設けられ、前記第２磁性層の磁化方向を固定する第２反強磁性層と、
    を更に備え、
    前記第１反強磁性層は前記非磁性層の前記一方の端面から後退して設けられ、前記第１反強磁性層が後退した領域に前記第１磁気シールドが延在して設けられている請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記第３磁性層は、少なくとも第１磁性体、非磁性体、第２磁性体を有する積層構造を具備し、前記第１および第２磁性体は反平行に磁化配列し、外部磁界に応じて、それぞれ逆方向に磁化回転する場合に出力信号を得る、請求項４または５記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第１磁気シールドと前記第１磁性層との間に設けられ、前記第１磁性層の磁化方向を固定する第１反強磁性層と、
    前記第２磁性層上に設けられ、前記第２磁性層の磁化方向を固定する第２反強磁性層と、
    を更に備え、
    前記第２磁気シールドは、前記第２反強磁性層の上方に延在している請求項４乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記第１磁気シールドと前記第１磁性層との間に設けられ、前記第１磁性層の磁化方向を固定する第１反強磁性層と、
    前記第２磁性層上に設けられ、前記第２磁性層の磁化方向を固定する第２反強磁性層と、
    を更に備え、
    前記第２磁気シールドは、前記第２反強磁性層に接続している請求項４乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を再生素子として備えた磁気再生ヘッドであって、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間で、前記非磁性層にスピン電子を蓄積させるための電流を流し、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間で電圧の検出を行う磁気再生ヘッド。
  10. 請求項１乃至６および請求項８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を再生素子として備えた磁気再生ヘッドであって、
    前記第２磁性層および前記第３磁性層のそれぞれと、前記第１磁性層との間で電流を流しかつ電圧の検出を行う磁気再生ヘッド。
  11. 請求項９または１０記載の磁気再生ヘッドと、
    前記磁気再生ヘッドが搭載されたヘッドスライダーと、
    前記ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、
    前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、
    を備えた磁気ヘッドアセンブリ
  12. 磁気記録媒体と、
    請求項１１記載の磁気ヘッドアセンブリと、
    前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気記録ヘッドを用いて前記磁気記録媒体へ信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、
    を備えた磁気記録装置。
  13. 基板上に第１磁性層、非磁性層、および磁性材料層を含む積層膜を順次成膜する工程と、
    前記積層膜をエッチングし、前記第１磁性層の形状を画定する工程と、
    第磁性材料層をパターニングし第２磁性層および第３磁性層を分割形成する工程と、
    を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法。
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