JP2725987B2 - 磁気抵抗センサ - Google Patents
磁気抵抗センサInfo
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- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
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- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、全般的に磁気媒体に記
録された情報信号を読み取るための磁気変換器に関し、
より詳細には、多層スピン・バルブ構造とセンサ感知電
流を利用してセンサの非信号動作点を設定する、改良型
の磁気抵抗読取りセンサに関する。
録された情報信号を読み取るための磁気変換器に関し、
より詳細には、多層スピン・バルブ構造とセンサ感知電
流を利用してセンサの非信号動作点を設定する、改良型
の磁気抵抗読取りセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術では、磁気抵抗（ＭＲ）センサ
または磁気抵抗ヘッドと呼ばれる磁気読取り変換器が開
示されている。これは、大きな線形密度で磁気表面から
データを読み取ることができることが判っている。ＭＲ
センサは、読取り素子によって感知される磁束の強さと
方向に応じて、磁性体から製造された読取り素子の抵抗
変化により磁界信号を検出する。こうした従来技術のＭ
Ｒセンサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づいて
動作する。異方性磁気抵抗効果とは、読取り素子の抵抗
の一成分が、磁化方向と素子中を流れる感知電流の方向
の角度差の余弦の２乗（ｃｏｓ2）に比例して変化する
ものである。ＡＭＲ効果のさらに詳しい説明は、Ｄ．
Ａ．トムソン（Thompson）他の論文"Memory, Storage,
and RelatedApplications", IEEE Trans. Mag. MAG-11,
p.1039(1975)に出ている。
または磁気抵抗ヘッドと呼ばれる磁気読取り変換器が開
示されている。これは、大きな線形密度で磁気表面から
データを読み取ることができることが判っている。ＭＲ
センサは、読取り素子によって感知される磁束の強さと
方向に応じて、磁性体から製造された読取り素子の抵抗
変化により磁界信号を検出する。こうした従来技術のＭ
Ｒセンサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づいて
動作する。異方性磁気抵抗効果とは、読取り素子の抵抗
の一成分が、磁化方向と素子中を流れる感知電流の方向
の角度差の余弦の２乗（ｃｏｓ2）に比例して変化する
ものである。ＡＭＲ効果のさらに詳しい説明は、Ｄ．
Ａ．トムソン（Thompson）他の論文"Memory, Storage,
and RelatedApplications", IEEE Trans. Mag. MAG-11,
p.1039(1975)に出ている。
【０００３】米国特許第４８９６２３５号は、非磁気層
で分離された第１と第２の磁気層を備え、少くとも一方
の磁気層がＡＭＲ効果を示す材料でできている、ＡＭＲ
を利用した多層磁気センサを開示している。各磁気層中
の磁化容易軸は、ＭＲセンサ素子のセンサ電流が磁化容
易軸に平行な磁気層中に磁界を生成し、それによってセ
ンサ中のバルクハウゼン雑音がなくなるまたは最小限に
抑えられるように、印加される磁気信号に対して垂直に
設定される。Ｈ．スヤマ他の論文"Thin Film MR Head f
or High Density Rigid Disk Drive", IEEE Trans. Ma
g., Vol.24, No.6(1988), pp.2612-2614にも、上記の米
国特許第４８９６２３５号に開示されたものと類似の多
層ＭＲセンサが開示されている。
で分離された第１と第２の磁気層を備え、少くとも一方
の磁気層がＡＭＲ効果を示す材料でできている、ＡＭＲ
を利用した多層磁気センサを開示している。各磁気層中
の磁化容易軸は、ＭＲセンサ素子のセンサ電流が磁化容
易軸に平行な磁気層中に磁界を生成し、それによってセ
ンサ中のバルクハウゼン雑音がなくなるまたは最小限に
抑えられるように、印加される磁気信号に対して垂直に
設定される。Ｈ．スヤマ他の論文"Thin Film MR Head f
or High Density Rigid Disk Drive", IEEE Trans. Ma
g., Vol.24, No.6(1988), pp.2612-2614にも、上記の米
国特許第４８９６２３５号に開示されたものと類似の多
層ＭＲセンサが開示されている。
【０００４】さらに最近になって、さらに顕著な異なる
磁気抵抗効果が記載されている。これは、積層磁気セン
サの抵抗の変化が、非磁気層を介する磁気層間の伝導電
子のスピン依存性透過と、それに付随する、層界面及び
強磁性体層内でのスピン依存性散乱によるものとされて
いる。この磁気抵抗効果は、「巨大磁気抵抗」効果ある
いは「スピン・バルブ」効果とも呼ばれている。適当な
材料で製造したこのような磁気抵抗センサは、ＡＭＲ効
果を利用したセンサで観察されるよりも高い感度と大き
な抵抗変化を示す。この種のＭＲセンサでは、非磁気層
で分離された１対の強磁性体層間の平面内抵抗が、２つ
の層中の磁化方向の角度差の余弦（ｃｏｓ）に比例して
変化する。
磁気抵抗効果が記載されている。これは、積層磁気セン
サの抵抗の変化が、非磁気層を介する磁気層間の伝導電
子のスピン依存性透過と、それに付随する、層界面及び
強磁性体層内でのスピン依存性散乱によるものとされて
いる。この磁気抵抗効果は、「巨大磁気抵抗」効果ある
いは「スピン・バルブ」効果とも呼ばれている。適当な
材料で製造したこのような磁気抵抗センサは、ＡＭＲ効
果を利用したセンサで観察されるよりも高い感度と大き
な抵抗変化を示す。この種のＭＲセンサでは、非磁気層
で分離された１対の強磁性体層間の平面内抵抗が、２つ
の層中の磁化方向の角度差の余弦（ｃｏｓ）に比例して
変化する。
【０００５】米国特許第４９４９０３９号は、磁気層中
での磁化の反平行整列によってＭＲ効果が強化された積
層磁気構造を記載している。上記特許明細書には、この
積層構造中で使用できる材料として、強磁性の遷移金属
及び合金が挙げられているが、ＭＲ信号振幅の点で優れ
た好ましい材料は示されていない。上記特許明細書では
さらに、反強磁性型交換結合を使用して、隣接する強磁
性体層が薄いＣｒまたはＹの中間層で分離された、反平
行整列を得ることを記載している。
での磁化の反平行整列によってＭＲ効果が強化された積
層磁気構造を記載している。上記特許明細書には、この
積層構造中で使用できる材料として、強磁性の遷移金属
及び合金が挙げられているが、ＭＲ信号振幅の点で優れ
た好ましい材料は示されていない。上記特許明細書では
さらに、反強磁性型交換結合を使用して、隣接する強磁
性体層が薄いＣｒまたはＹの中間層で分離された、反平
行整列を得ることを記載している。
【０００６】１９９０年１２月１１日に出願され、本出
願人に譲渡された、同時係属の米国特許出願第０７／６
２５３４３号は、２つの減結合強磁性体層の間の抵抗が
２つの層の磁化方向の角度差の余弦に比例して変化する
ことが観察され、センサ中を流れる電流の方向とは独立
である、ＭＲセンサを開示している。この機構は、スピ
ン・バルブ効果に基づき、材料の組合せをうまく選択す
ればＡＭＲより大きくなる、磁気抵抗を生成する。
願人に譲渡された、同時係属の米国特許出願第０７／６
２５３４３号は、２つの減結合強磁性体層の間の抵抗が
２つの層の磁化方向の角度差の余弦に比例して変化する
ことが観察され、センサ中を流れる電流の方向とは独立
である、ＭＲセンサを開示している。この機構は、スピ
ン・バルブ効果に基づき、材料の組合せをうまく選択す
ればＡＭＲより大きくなる、磁気抵抗を生成する。
【０００７】１９９１年２月８日に出願され、本出願人
に譲渡された、同時係属の米国特許出願第０７／６５２
８５２号は、上記の効果に基づくＭＲセンサを開示して
いる。このセンサは、非磁性体金属の薄膜層で分離され
た強磁性体の２つの薄膜層を含み、少くとも一方の強磁
性体層がコバルトまたはコバルト合金からなる。その強
磁性体層の磁化方向は、外部印加磁界がゼロのとき、反
強磁性体層への交換結合により他方の強磁性体層の磁化
方向に対して垂直に維持される。
に譲渡された、同時係属の米国特許出願第０７／６５２
８５２号は、上記の効果に基づくＭＲセンサを開示して
いる。このセンサは、非磁性体金属の薄膜層で分離され
た強磁性体の２つの薄膜層を含み、少くとも一方の強磁
性体層がコバルトまたはコバルト合金からなる。その強
磁性体層の磁化方向は、外部印加磁界がゼロのとき、反
強磁性体層への交換結合により他方の強磁性体層の磁化
方向に対して垂直に維持される。
【０００８】上記に引用した米国特許出願に記載されて
いるスピン・バルブ構成では、一方の強磁性体層中の磁
化方向を選択した配向に固定して、非信号条件下で他方
の強磁性体層中の磁化方向がこの固定された層の磁化方
向に対して垂直となるようにする必要がある。センサに
外部磁気信号が印加されるとき、固定されない「自由」
層中の磁化方向が、固定された層中の磁化方向に対して
回転する。このとき、センサの出力は、自由層の磁化方
向が回転する角度の余弦に比例する。固定された層中の
磁化方向を維持するために、磁化方向を固定する手段が
必要である。たとえば、上記に引用した特許出願に記載
されているように、磁化方向が固定された強磁性体層に
接して追加の反強磁性体の層を形成して、交換結合バイ
アス磁界を生じることができる。あるいは隣接する強磁
性体層を利用して、磁化方向の固定された強磁性体層に
対するハード・バイアスを生じることもできる。
いるスピン・バルブ構成では、一方の強磁性体層中の磁
化方向を選択した配向に固定して、非信号条件下で他方
の強磁性体層中の磁化方向がこの固定された層の磁化方
向に対して垂直となるようにする必要がある。センサに
外部磁気信号が印加されるとき、固定されない「自由」
層中の磁化方向が、固定された層中の磁化方向に対して
回転する。このとき、センサの出力は、自由層の磁化方
向が回転する角度の余弦に比例する。固定された層中の
磁化方向を維持するために、磁化方向を固定する手段が
必要である。たとえば、上記に引用した特許出願に記載
されているように、磁化方向が固定された強磁性体層に
接して追加の反強磁性体の層を形成して、交換結合バイ
アス磁界を生じることができる。あるいは隣接する強磁
性体層を利用して、磁化方向の固定された強磁性体層に
対するハード・バイアスを生じることもできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、１
つまたは複数の強磁性体層中の磁化方向を固定するため
の追加の構造手段を設ける必要のない、スピン・バルブ
効果に基づくＭＲセンサを提供することにある。
つまたは複数の強磁性体層中の磁化方向を固定するため
の追加の構造手段を設ける必要のない、スピン・バルブ
効果に基づくＭＲセンサを提供することにある。
【００１０】本発明の他の目的は、両方の強磁性体層中
の磁化が、印加された磁気信号に応答し、それによって
増強された測定信号を提供する、ＭＲセンサを提供する
ことにある。
の磁化が、印加された磁気信号に応答し、それによって
増強された測定信号を提供する、ＭＲセンサを提供する
ことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記その他の目的及び利
点は、本発明の原理に従って達成される。すなわち、ス
ピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは、適当な
基板上に形成された積層構造を備え、この積層構造は、
センサの感知電流によって所望の非信号点にバイアスさ
れる非磁性体金属の薄膜層で分離された、強磁性体の第
１と第２の薄膜層を含む。強磁性体層は、その好ましい
磁化軸または磁化容易軸が、隣接する記憶媒体上のデー
タ・トラックの幅に対して垂直で、センサ中を流れる感
知電流の方向に平行となる方向に配向される。センサに
感知電流が印加されると、感知電流に伴う磁界が、各強
磁性体層に対するバイアス磁界をもたらし、それによっ
て各層中の磁化方向が磁化容易軸に対して大きさが等し
く方向が逆の角度に向くようになる。この磁化はどちら
の強磁性体層中でも固定されず、自由に印加磁界に応答
することができる。印加された磁気信号は、両方の強磁
性体層中の磁化方向を、磁気容易軸に対して大きさがほ
ぼ等しく方向が逆の角度で回転させ、したがって、一方
の強磁性体層が固定される従来技術のスピン・バルブＭ
Ｒセンサに比べて、層の磁化方向の角度差を２倍変化さ
せる効果がある。電流源から感知電流がＭＲセンサに送
られ、ＭＲセンサは、読取り素子の両端間で強磁性体層
中の磁化方向が感知された外部印加磁界に応じて回転す
ることによるＭＲセンサの抵抗の変化に比例する電圧降
下を発生させる。読取りセンサの抵抗変化の大きさは、
磁気媒体中に記憶されるデータ・ビットを代表する磁界
など、外部印加磁界に応答する層中の磁化方向の角度差
の変化の余弦の関数である。
点は、本発明の原理に従って達成される。すなわち、ス
ピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは、適当な
基板上に形成された積層構造を備え、この積層構造は、
センサの感知電流によって所望の非信号点にバイアスさ
れる非磁性体金属の薄膜層で分離された、強磁性体の第
１と第２の薄膜層を含む。強磁性体層は、その好ましい
磁化軸または磁化容易軸が、隣接する記憶媒体上のデー
タ・トラックの幅に対して垂直で、センサ中を流れる感
知電流の方向に平行となる方向に配向される。センサに
感知電流が印加されると、感知電流に伴う磁界が、各強
磁性体層に対するバイアス磁界をもたらし、それによっ
て各層中の磁化方向が磁化容易軸に対して大きさが等し
く方向が逆の角度に向くようになる。この磁化はどちら
の強磁性体層中でも固定されず、自由に印加磁界に応答
することができる。印加された磁気信号は、両方の強磁
性体層中の磁化方向を、磁気容易軸に対して大きさがほ
ぼ等しく方向が逆の角度で回転させ、したがって、一方
の強磁性体層が固定される従来技術のスピン・バルブＭ
Ｒセンサに比べて、層の磁化方向の角度差を２倍変化さ
せる効果がある。電流源から感知電流がＭＲセンサに送
られ、ＭＲセンサは、読取り素子の両端間で強磁性体層
中の磁化方向が感知された外部印加磁界に応じて回転す
ることによるＭＲセンサの抵抗の変化に比例する電圧降
下を発生させる。読取りセンサの抵抗変化の大きさは、
磁気媒体中に記憶されるデータ・ビットを代表する磁界
など、外部印加磁界に応答する層中の磁化方向の角度差
の変化の余弦の関数である。
【００１２】したがって、本発明は、両方の強磁性体層
中の磁化が自由に印加信号に応答でき、センサの感知電
流が両方の層の磁化を磁化容易軸に対して大きさが同じ
で方向が逆の角度にバイアスさせる、スピン・バルブＭ
Ｒセンサを提供する。両方の強磁性体層中の磁化方向が
自由に回転できるので、交換バイアス層や、ハード・バ
イアス層などの固定手段は不要になる。両方の強磁性体
層が印加磁気信号に応答するので、センサの感度が大幅
に増大する。さらに、交換バイアス磁界を生成するため
に通常使用される材料は比較的腐食しやすいが、センサ
の空気軸受面で露出する１つまたは複数の交換バイアス
層が不要になると、センサの製造及び動作に伴う腐食の
問題が大いに軽減される。
中の磁化が自由に印加信号に応答でき、センサの感知電
流が両方の層の磁化を磁化容易軸に対して大きさが同じ
で方向が逆の角度にバイアスさせる、スピン・バルブＭ
Ｒセンサを提供する。両方の強磁性体層中の磁化方向が
自由に回転できるので、交換バイアス層や、ハード・バ
イアス層などの固定手段は不要になる。両方の強磁性体
層が印加磁気信号に応答するので、センサの感度が大幅
に増大する。さらに、交換バイアス磁界を生成するため
に通常使用される材料は比較的腐食しやすいが、センサ
の空気軸受面で露出する１つまたは複数の交換バイアス
層が不要になると、センサの製造及び動作に伴う腐食の
問題が大いに軽減される。
【００１３】
【実施例】ここで図１を参照すると、本発明は、図１に
示すように磁気ディスク記憶システム中で実施されるも
のとして説明するが、たとえば磁気テープ記録システム
など他の磁気記録システムにも適用できることは明らか
であろう。少くとも１枚の回転可能な磁気ディスク１２
が、スピントル１４上に支持され、ディスク駆動モータ
１８によって回転される。各ディスク上の磁気記録媒体
は、ディスク１２上の同心データ・トラックの環状パタ
ーン（図示せず）の形をしている。
示すように磁気ディスク記憶システム中で実施されるも
のとして説明するが、たとえば磁気テープ記録システム
など他の磁気記録システムにも適用できることは明らか
であろう。少くとも１枚の回転可能な磁気ディスク１２
が、スピントル１４上に支持され、ディスク駆動モータ
１８によって回転される。各ディスク上の磁気記録媒体
は、ディスク１２上の同心データ・トラックの環状パタ
ーン（図示せず）の形をしている。
【００１４】少くとも１つのスライダ１３がディスク１
２上に位置し、各スライダ１３は、１つまたは複数の磁
気読み書き変換器２１（通常、読み書きヘッドと呼ばれ
る）を支持する。ディスクが回転すると、スライダ１３
はディスク表面２２の上を半径方向に内外に働き、ディ
スクの所望のデータが記録されている様々な部分にヘッ
ド２１がアクセスできるようになる。各スライダ１３
は、懸架装置１５によってアクチュエータ・アーム１９
に取り付けられている。懸架装置１５は、僅かなばね力
を発生し、それによってスライダ１３がディスク表面２
２に押し付けられる。各アクチュエータ・アーム１９
は、アクチュエータ手段２７に取り付けられている。図
１に示すアクチュエータ手段は、たとえばボイス・コイ
ル・モータ（ＶＣＭ）でよい。ボイス・コイル・モータ
は、固定磁界内を移動可能なコイルを備え、コイルの移
動の方向と速度は制御装置から提供されるモータ電流信
号によって制御される。
２上に位置し、各スライダ１３は、１つまたは複数の磁
気読み書き変換器２１（通常、読み書きヘッドと呼ばれ
る）を支持する。ディスクが回転すると、スライダ１３
はディスク表面２２の上を半径方向に内外に働き、ディ
スクの所望のデータが記録されている様々な部分にヘッ
ド２１がアクセスできるようになる。各スライダ１３
は、懸架装置１５によってアクチュエータ・アーム１９
に取り付けられている。懸架装置１５は、僅かなばね力
を発生し、それによってスライダ１３がディスク表面２
２に押し付けられる。各アクチュエータ・アーム１９
は、アクチュエータ手段２７に取り付けられている。図
１に示すアクチュエータ手段は、たとえばボイス・コイ
ル・モータ（ＶＣＭ）でよい。ボイス・コイル・モータ
は、固定磁界内を移動可能なコイルを備え、コイルの移
動の方向と速度は制御装置から提供されるモータ電流信
号によって制御される。
【００１５】ディスク記憶システムの動作中、ディスク
１２の回転によって、スライダ１３とディスク表面２２
の間に空気軸受ができ、スライダに上向きの力を加え
る。こうして空気軸受は懸架装置１５の僅かなばね力と
の釣合いをとり、動作中、スライダ１３をディスク表面
の僅か上方にほぼ一定の小さな間隔で支持する。
１２の回転によって、スライダ１３とディスク表面２２
の間に空気軸受ができ、スライダに上向きの力を加え
る。こうして空気軸受は懸架装置１５の僅かなばね力と
の釣合いをとり、動作中、スライダ１３をディスク表面
の僅か上方にほぼ一定の小さな間隔で支持する。
【００１６】ディスク記憶システムの様々な構成要素
は、アクセス制御信号や内部クロック信号など制御装置
２９が発生する制御信号によって動作中に制御される。
通常、制御装置２９は、たとえば論理制御回路、記憶手
段、及びマイクロ・プロセッサを含んでいる。制御装置
２９は、線２３上の駆動モータ制御位置や線２８上のヘ
ッド位置・シーク制御信号など、様々なシステム動作を
制御するための制御信号を発生する。線２８上の制御信
号は、選択されたスライダ１３を関連するディスク１２
上の所望のデータ・トラックへと最適に移動させ位置す
るための、所望の電流プロフィルを提供する。読取り信
号及び書込み信号は、記録チャネル２５によって読み書
きヘッド２１との間でやり取りされる。
は、アクセス制御信号や内部クロック信号など制御装置
２９が発生する制御信号によって動作中に制御される。
通常、制御装置２９は、たとえば論理制御回路、記憶手
段、及びマイクロ・プロセッサを含んでいる。制御装置
２９は、線２３上の駆動モータ制御位置や線２８上のヘ
ッド位置・シーク制御信号など、様々なシステム動作を
制御するための制御信号を発生する。線２８上の制御信
号は、選択されたスライダ１３を関連するディスク１２
上の所望のデータ・トラックへと最適に移動させ位置す
るための、所望の電流プロフィルを提供する。読取り信
号及び書込み信号は、記録チャネル２５によって読み書
きヘッド２１との間でやり取りされる。
【００１７】代表的磁気ディスク記憶システムに関する
上記の説明及び図１の図は、例示のためのものにすぎな
い。ディスク記憶システムが多数のディスク及びアクチ
ュエータを含むことができ、各アクチュエータが多数の
スライダを支持できることは明らかである。
上記の説明及び図１の図は、例示のためのものにすぎな
い。ディスク記憶システムが多数のディスク及びアクチ
ュエータを含むことができ、各アクチュエータが多数の
スライダを支持できることは明らかである。
【００１８】次に図２、３、４を参照すると、本発明の
原理によるスピン・バルブＭＲセンサは、たとえばガラ
ス、セラミック、半導体など適当な基板３１上に付着さ
れた、ＭＲ素子３０を形成する、軟磁性体の第１の薄膜
層３３と非磁性体金属材料の薄膜層３５と軟磁性体の第
２の薄膜層３７を備えている。ＭＲ素子３０の上に、バ
ルクハウゼン雑音を最小にするため、磁性体層３３、３
７の能動領域中に単一磁区状態を確保するための縦バイ
アス磁界を発生させるために、バイアス導体４３を形成
する。バイアス導体４３は、適当な材料の絶縁層でＭＲ
素子３０から電気的に絶縁される。バイアス導体４３
は、ＭＲ素子３０に対して、バイアス導体４３中を流れ
る電流がＭＲ素子３０中で磁化容易軸に平行な磁界を発
生させるような向きに配向される。適当な導電性材料の
電気リード３９と４１が、ＭＲ素子３０と電流源５７及
び信号感知手段５５との間に回路経路を形成するため
に、ＭＲ素子３０の端部領域の上に付着される。
原理によるスピン・バルブＭＲセンサは、たとえばガラ
ス、セラミック、半導体など適当な基板３１上に付着さ
れた、ＭＲ素子３０を形成する、軟磁性体の第１の薄膜
層３３と非磁性体金属材料の薄膜層３５と軟磁性体の第
２の薄膜層３７を備えている。ＭＲ素子３０の上に、バ
ルクハウゼン雑音を最小にするため、磁性体層３３、３
７の能動領域中に単一磁区状態を確保するための縦バイ
アス磁界を発生させるために、バイアス導体４３を形成
する。バイアス導体４３は、適当な材料の絶縁層でＭＲ
素子３０から電気的に絶縁される。バイアス導体４３
は、ＭＲ素子３０に対して、バイアス導体４３中を流れ
る電流がＭＲ素子３０中で磁化容易軸に平行な磁界を発
生させるような向きに配向される。適当な導電性材料の
電気リード３９と４１が、ＭＲ素子３０と電流源５７及
び信号感知手段５５との間に回路経路を形成するため
に、ＭＲ素子３０の端部領域の上に付着される。
【００１９】製造中に、破線の矢印４９で示す磁化容易
軸が、ＭＲ素子３０の長軸に平行となるように設定さ
れ、ＭＲ素子３０は、その縦軸が、したがって両方の強
磁性体層３３、３７の磁化容易軸４９が、磁気記憶媒体
中に形成されたデータ・トラック４５の幅Ｗに垂直に向
くように物理的に配置される。ＭＲ素子３０中を電流が
流れないときは、２つの強磁性体層３３、３７の磁化方
向は、磁化容易軸４９に沿った向きになり、平行であ
る。矢印４４で示すようにＭＲ素子３０に感知電流が印
加されると、従来技術で周知のように（たとえば、米国
特許第４８３３５６０号を参照のこと）、それぞれの強
磁性体層３３、３７中を流れる感知電流によって生じる
磁界が、非磁性体金属のスベーサ層３５中を流れる電流
と相まって、他方の強磁性体層用のバイアス磁界を発生
させ、それによって、両方の層３３、３７中の磁化方向
が、矢印５１で示すように、磁化容易軸４９に対して大
きさが等しく方向が逆の角度θだけ回転する。さらに、
強磁性体の第１の層３３及び第２の層３７中の磁化は、
外部印加磁界（図２に示す磁界ｈなど）に応答して、自
由にその方向を回転することができる。各強磁性体層３
３、３７中の磁化は、外部印加磁界に応答して、大きさ
が等しいが方向が逆の角度δθで回転し、そのためＭＲ
素子の抵抗がＣＯＳ（２δθ）に比例して変化する。Ｍ
Ｒ素子３０中を流れる電流の方向は、非信号動作点の設
定に関して重要であるが、ＭＲ素子３０の抵抗の変動は
その中を流れる電流の方向とは無関係であり、印加磁界
に応答した２つの強磁性体層３３、３７の磁化方向の角
度差の変化のみに依存することに留意されたい。
軸が、ＭＲ素子３０の長軸に平行となるように設定さ
れ、ＭＲ素子３０は、その縦軸が、したがって両方の強
磁性体層３３、３７の磁化容易軸４９が、磁気記憶媒体
中に形成されたデータ・トラック４５の幅Ｗに垂直に向
くように物理的に配置される。ＭＲ素子３０中を電流が
流れないときは、２つの強磁性体層３３、３７の磁化方
向は、磁化容易軸４９に沿った向きになり、平行であ
る。矢印４４で示すようにＭＲ素子３０に感知電流が印
加されると、従来技術で周知のように（たとえば、米国
特許第４８３３５６０号を参照のこと）、それぞれの強
磁性体層３３、３７中を流れる感知電流によって生じる
磁界が、非磁性体金属のスベーサ層３５中を流れる電流
と相まって、他方の強磁性体層用のバイアス磁界を発生
させ、それによって、両方の層３３、３７中の磁化方向
が、矢印５１で示すように、磁化容易軸４９に対して大
きさが等しく方向が逆の角度θだけ回転する。さらに、
強磁性体の第１の層３３及び第２の層３７中の磁化は、
外部印加磁界（図２に示す磁界ｈなど）に応答して、自
由にその方向を回転することができる。各強磁性体層３
３、３７中の磁化は、外部印加磁界に応答して、大きさ
が等しいが方向が逆の角度δθで回転し、そのためＭＲ
素子の抵抗がＣＯＳ（２δθ）に比例して変化する。Ｍ
Ｒ素子３０中を流れる電流の方向は、非信号動作点の設
定に関して重要であるが、ＭＲ素子３０の抵抗の変動は
その中を流れる電流の方向とは無関係であり、印加磁界
に応答した２つの強磁性体層３３、３７の磁化方向の角
度差の変化のみに依存することに留意されたい。
【００２０】強磁性体層３３、３７は、コバルト（Ｃ
ｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びそれらの合
金、たとえばニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケル・コバ
ルト（ＮｉＣｏ）、鉄コバルト（ＦｅＣｏ）など、任意
の適当な磁性体から製造することができる。非磁性体金
属スペーサ層３５は、たとえば銅（Ｃｕ）、または銀
（Ａｇ）、金（Ａｕ）やそれらの合金などの適当な貴金
属を含む。金属スペーサ層３５の厚さは、２つの強磁性
体層３３、３７の大きな磁気減結合を保証するのに十分
な程度に厚く、しかも伝導電子の平均自由行程よりも小
さくなるのに十分な程度に薄い。センサ読取り素子が強
磁性体／非磁性体／強磁性体積層構成を備える、スピン
・バルブ効果に基づくＭＲセンサは、参照により本明細
書に組み込まれる前記の米国特許出願第０７６２５３４
３号により詳しく記載されている。
ｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びそれらの合
金、たとえばニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケル・コバ
ルト（ＮｉＣｏ）、鉄コバルト（ＦｅＣｏ）など、任意
の適当な磁性体から製造することができる。非磁性体金
属スペーサ層３５は、たとえば銅（Ｃｕ）、または銀
（Ａｇ）、金（Ａｕ）やそれらの合金などの適当な貴金
属を含む。金属スペーサ層３５の厚さは、２つの強磁性
体層３３、３７の大きな磁気減結合を保証するのに十分
な程度に厚く、しかも伝導電子の平均自由行程よりも小
さくなるのに十分な程度に薄い。センサ読取り素子が強
磁性体／非磁性体／強磁性体積層構成を備える、スピン
・バルブ効果に基づくＭＲセンサは、参照により本明細
書に組み込まれる前記の米国特許出願第０７６２５３４
３号により詳しく記載されている。
【００２１】引き続き図４を参照すると、図２に対した
好ましい実施例の、ＭＲ素子３０の縦軸に沿って切断し
た側面図が示されている。第１の強磁性体層３３を付着
する前に、たとえばＴａ、Ｒｕ、ＣｒＶなどの適当な下
層５９を基板３１上に付着することができる。下層５９
の目的は、以後の各層のテキスチャ、粒度、形態を最適
化することである。スピン・バルブ構造の特徴である大
きなＭＲ効果を得るために、形態が決定的に重要なこと
がある。というのは、それによって、２つの強磁性体層
３３と３７の間に非常に薄い非磁性体金属スペース層３
５の使用が可能になるからである。また下層５９は、電
流分岐効果を最小に抑えるために高い抵抗率をもたなけ
ればならない。基板３１が十分に高い抵抗率を有する材
料でできており、十分に平面な表面を有し、適切な結晶
構造を有する場合は、下層５９を省略することができ
る。
好ましい実施例の、ＭＲ素子３０の縦軸に沿って切断し
た側面図が示されている。第１の強磁性体層３３を付着
する前に、たとえばＴａ、Ｒｕ、ＣｒＶなどの適当な下
層５９を基板３１上に付着することができる。下層５９
の目的は、以後の各層のテキスチャ、粒度、形態を最適
化することである。スピン・バルブ構造の特徴である大
きなＭＲ効果を得るために、形態が決定的に重要なこと
がある。というのは、それによって、２つの強磁性体層
３３と３７の間に非常に薄い非磁性体金属スペース層３
５の使用が可能になるからである。また下層５９は、電
流分岐効果を最小に抑えるために高い抵抗率をもたなけ
ればならない。基板３１が十分に高い抵抗率を有する材
料でできており、十分に平面な表面を有し、適切な結晶
構造を有する場合は、下層５９を省略することができ
る。
【００２２】軟磁性体の第１の薄膜層３３と、非磁性体
金属の薄膜層３５と、軟磁性体の第２の薄膜層３７を下
層５９の上に付着する。ＭＲセンサと電流源５７及び信
号感知手段５５との間に回路経路を形成するために、電
気リード３９、４１を設ける。前述のように、ＭＲ素子
３０は、その縦軸が、したがって磁化容易軸が、隣接す
る磁気メモリ１２（図１に示されている）中に形成され
る記憶トラックの幅Ｗに対して垂直になるように物理的
に配向されている。そのため、一端だけが、たとえば媒
体１２に関して下側の端部が、センサ空気軸受表面（Ａ
ＢＳ）に露出され、空気軸受表面に露出したＭＲ素子の
端部の幅によって読取りトラック幅が画定される。バル
クハウゼン効果を削減するため、ＭＲ素子３０の、セン
サ空気軸受表面から離れた側の端部上に縦バイアス層４
２を付着する。このバイアス層は、交換結合によってバ
イアス磁界を形成するように強磁性体層の端部領域と直
接接触して付着された、たとえばマンガン鉄やニッケル
・マンガンなどの反常磁性体とすることができ、あるい
は、当技術分野で知られているようにハード・バイアス
を提供する軟磁性体層とすることもできる。バイアス層
４２は、空気軸受表面から離れた所にあるので、腐食の
可能性のある材料が空気軸受表面で露出されず、したが
ってそのような材料が空気軸受表面に存在するときに通
常発生する腐食の問題が最小限に抑えられる。あるいは
別法として、図２に関して述べたように、ＭＲ素子３０
の上に二酸化シリコン（ＳｉＯ2）など適当な材料の絶
縁層（図示せず）でそれから分離して、バイアス導体４
２を形成することもできる。また、たとえばＴａやＺｒ
などの高抵抗率材料のキャップ層（図示せず）をＭＲセ
ンサの上に付着することもできる。
金属の薄膜層３５と、軟磁性体の第２の薄膜層３７を下
層５９の上に付着する。ＭＲセンサと電流源５７及び信
号感知手段５５との間に回路経路を形成するために、電
気リード３９、４１を設ける。前述のように、ＭＲ素子
３０は、その縦軸が、したがって磁化容易軸が、隣接す
る磁気メモリ１２（図１に示されている）中に形成され
る記憶トラックの幅Ｗに対して垂直になるように物理的
に配向されている。そのため、一端だけが、たとえば媒
体１２に関して下側の端部が、センサ空気軸受表面（Ａ
ＢＳ）に露出され、空気軸受表面に露出したＭＲ素子の
端部の幅によって読取りトラック幅が画定される。バル
クハウゼン効果を削減するため、ＭＲ素子３０の、セン
サ空気軸受表面から離れた側の端部上に縦バイアス層４
２を付着する。このバイアス層は、交換結合によってバ
イアス磁界を形成するように強磁性体層の端部領域と直
接接触して付着された、たとえばマンガン鉄やニッケル
・マンガンなどの反常磁性体とすることができ、あるい
は、当技術分野で知られているようにハード・バイアス
を提供する軟磁性体層とすることもできる。バイアス層
４２は、空気軸受表面から離れた所にあるので、腐食の
可能性のある材料が空気軸受表面で露出されず、したが
ってそのような材料が空気軸受表面に存在するときに通
常発生する腐食の問題が最小限に抑えられる。あるいは
別法として、図２に関して述べたように、ＭＲ素子３０
の上に二酸化シリコン（ＳｉＯ2）など適当な材料の絶
縁層（図示せず）でそれから分離して、バイアス導体４
２を形成することもできる。また、たとえばＴａやＺｒ
などの高抵抗率材料のキャップ層（図示せず）をＭＲセ
ンサの上に付着することもできる。
【００２３】上述のように、２つの強磁性体層３３、３
７は、センサ感知電流が印加されない場合、その磁化方
向が、磁化容易軸に対して平行となり、かつ互いに平行
となる。さらに、バイアス層４２またはバイアス導体４
３によって発生する縦バイアス磁界も磁化容易軸に平行
となる。ＭＲ素子３０に感知電流が印加されたときは、
発生する磁界は磁化容易軸に対して垂直になる。したが
って、その結果生じる磁化方向は、バイアス磁界の相対
強度に応じて、磁化容易軸に対して角度θをなすことに
なる。各磁性体層３３、３７中の磁化は、大きさが等し
く方向が逆になるので、２つの層３３、３７中の磁化方
向は、外部印加磁界がない場合、角度２θだけ離れるこ
とになる。
７は、センサ感知電流が印加されない場合、その磁化方
向が、磁化容易軸に対して平行となり、かつ互いに平行
となる。さらに、バイアス層４２またはバイアス導体４
３によって発生する縦バイアス磁界も磁化容易軸に平行
となる。ＭＲ素子３０に感知電流が印加されたときは、
発生する磁界は磁化容易軸に対して垂直になる。したが
って、その結果生じる磁化方向は、バイアス磁界の相対
強度に応じて、磁化容易軸に対して角度θをなすことに
なる。各磁性体層３３、３７中の磁化は、大きさが等し
く方向が逆になるので、２つの層３３、３７中の磁化方
向は、外部印加磁界がない場合、角度２θだけ離れるこ
とになる。
【００２４】上述のように、強磁性体層３３、３７は、
適当な任意の磁性体で製造することができ、約１０〜１
５０オングストロームの範囲の厚さとすることが好まし
い。非磁性体スペーサ層４５は、高導電率の金属とする
ことが好ましい。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの合金属は、大
きなＭＲ応答を与え、Ｐｔ、Ｐｄは小さなＭＲ応答を与
え、Ｃｒ、Ｔａは非常に小さなＭＲ応答を示す。スペー
サ層４５の厚さは、約１０〜４０オングストロームの範
囲内とすることが好ましい。次にまた図５と６を参照す
ると、本発明のスピン・バルブ・センサのＭＲ特性が、
２つのバイアス条件に関して示されている。図の曲線
は、厚さ２０オングストロームのＣｕ非磁性体層で分離
された厚さ５０オングストロームの２つのＮｉＦｅ層か
らなり、トラック幅が４μｍの感知要素に１５ｍＡの感
知電流を印加したときの相対抵抗変化を非遮蔽デバイス
の均一な印加磁界に対してブロットしたものである。図
５は縦バイアス磁界が１０Ｏｅの場合の結果を示し、図
６は縦バイアス磁界が０Ｏｅの場合の結果を示す。
適当な任意の磁性体で製造することができ、約１０〜１
５０オングストロームの範囲の厚さとすることが好まし
い。非磁性体スペーサ層４５は、高導電率の金属とする
ことが好ましい。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの合金属は、大
きなＭＲ応答を与え、Ｐｔ、Ｐｄは小さなＭＲ応答を与
え、Ｃｒ、Ｔａは非常に小さなＭＲ応答を示す。スペー
サ層４５の厚さは、約１０〜４０オングストロームの範
囲内とすることが好ましい。次にまた図５と６を参照す
ると、本発明のスピン・バルブ・センサのＭＲ特性が、
２つのバイアス条件に関して示されている。図の曲線
は、厚さ２０オングストロームのＣｕ非磁性体層で分離
された厚さ５０オングストロームの２つのＮｉＦｅ層か
らなり、トラック幅が４μｍの感知要素に１５ｍＡの感
知電流を印加したときの相対抵抗変化を非遮蔽デバイス
の均一な印加磁界に対してブロットしたものである。図
５は縦バイアス磁界が１０Ｏｅの場合の結果を示し、図
６は縦バイアス磁界が０Ｏｅの場合の結果を示す。
【００２５】好ましい実施例を非遮蔽デバイスとして説
明したが、本発明のＭＲセンサは遮蔽構造または磁束案
内構造にも同様に適用できる。
明したが、本発明のＭＲセンサは遮蔽構造または磁束案
内構造にも同様に適用できる。
【図１】本発明を実施する磁化ディスク記憶システムの
簡略化した構成図である。
簡略化した構成図である。
【図２】本発明の原理に基づく磁気抵抗センサの好まし
い実施例の透視図である。
い実施例の透視図である。
【図３】図２に示した磁気抵抗センサの磁性体層の磁化
方向を示す分解透視図である。
方向を示す分解透視図である。
【図４】図２に示した磁気抵抗センサの好ましい実施例
の曲面図である。
の曲面図である。
【図５】図２に示す磁気抵抗センサに縦バイアス磁界を
印加した場合の、磁気抵抗と印加磁気信号の関係を示す
グラフである。
印加した場合の、磁気抵抗と印加磁気信号の関係を示す
グラフである。
【図６】図２に示す磁気抵抗センサに縦バイアス磁界を
印加しない場合の、磁気抵抗と印加磁気信号の関係を示
すグラフである。
印加しない場合の、磁気抵抗と印加磁気信号の関係を示
すグラフである。
３０ 磁気抵抗（ＭＲ）素子 ３１ 基板 ３３ 強磁性体層 ３５ 非磁性体金属スペーサ ３７ 強磁性体層 ４３ バイアス導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルナール・ディエニ フランス、グルノーブル・クレデック ス、セントル・ナショナル・ドラ・ルシ ェルシュ・シエンティクィック 166エ ックス 38042 (72)発明者 ロバート・エドワード・フォンタナ・ジ ュニア アメリカ合衆国95120、カリフォルニア 州サンノゼ、ノースリッジ・ドライブ 6596 (72)発明者 ヴァージル・サイモン・スペリオス アメリカ合衆国95119、カリフォルニア 州サンノゼ、セイント・ジュリー・ドラ イブ 351
Claims (13)
- 【請求項１】非磁性体金属の層で分離された強磁性体の
第１の層と第２の層を備え、前記強磁性体の第１の層及
び第２の層中の磁化容易軸が実質上平行であり、磁気抵
抗センサ中の感知電流によって発生した磁界に応答する
前記強磁性体の第１の層及び第２の層の磁化方向が、そ
れぞれ前記磁化容易軸に対して大きさが等しく方向が逆
の角度に向き、印加磁界に応答する前記磁気抵抗センサ
の抵抗変化が、前記強磁性体の第１の層及び第２の層中
の前記磁化の方向の角度差の変化の関数であり、前記強
磁性体の第１の層及び第２の層のそれぞれの磁化が、前
記印加磁界に応答することを特徴とする磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項２】前記強磁性体の第１の層及び第２の層が、
鉄、コバルト、ニッケル、及び鉄、コバルト、ニッケル
の合金からなる群から選択された強磁性体からなること
を特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項３】前記強磁性体の第１の層及び第２の層のそ
れぞれの磁化容易軸が、前記強磁性体の第１の層及び第
２の層の縦軸と平行に整列することを特徴とする、請求
項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項４】前記強磁性体の第１の層及び第２の層のそ
れぞれの磁化容易軸が、磁気記憶媒体上で画定されるデ
ータ・トラックのトラック幅に対して実質上垂直に整列
することを特徴とする、請求項３に記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項５】前記強磁性体の第１の層及び第２の層と前
記非磁性体金属層が、ある長さと幅を有する多層磁気抵
抗感知素子を形成し、前記磁気抵抗感知素子が、その縦
軸が前記磁気抵抗センサの空気軸受表面に対して実質上
垂直となるような向きに配向することを特徴とする、請
求項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項６】前記磁気抵抗感知素子の下端が、前記空気
軸受表面と同じ面にあり、前記磁気抵抗感知素子の前記
下端が前記空気軸受表面で露出することを特徴とする、
請求項５に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項７】さらに、前記磁気抵抗感知素子の、前記空
気軸受表面から離れた位置で、前記磁気抵抗感知素子中
に縦バイアス磁界を発生させるためのバイアス層を備え
ることを特徴とする、請求項５に記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項８】前記バイアス層が、反強磁性−強磁性交換
結合によって前記縦バイアス磁界を提供するため、前記
強磁性体層の１つと直接接触して付着された反強磁性体
の層を備えることを特徴とする、請求項７に記載の磁気
抵抗センサ。 - 【請求項９】前記強磁性体の第１の層及び第２の層の厚
さが、約１０ないし１５０オングストロームの範囲内で
あることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項１０】前記非磁性体金属スペーサ層の厚さが、
前記非磁性体金属スペーサ層中の伝導電子の平均自由行
程よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の磁
気抵抗センサ。 - 【請求項１１】さらに、前記強磁性体の第１の層及び第
２の層にそれらの第１及び第２の端部で接続された１対
の導電性リード線を備え、前記リード線が、前記磁気抵
抗センサを外部回路に結合し、前記感知電流を前記磁気
抵抗センサに提供するためのものであることを特徴とす
る、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１２】さらに、前記強磁性体の第１及び第２の
層に隣接する、前記強磁性体の第１の層及び第２の層中
に縦バイアス磁界を提供するためのバイアス導体を備え
ることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項１３】複数のデータ記録用トラックを有する磁
気記憶媒体と、 磁気変換器と前記磁気記憶媒体の間での相対移動中に前
記磁気記憶媒体に対して密接した間隔の位置に維持され
る磁気変換器であって、 磁気抵抗感知素子を形成する、非磁性体金属の層で分離
された強磁性体の第１の層と第２の層を備え、前記強磁
性体の第１の層及び第２の層中の磁化容易軸が実質上平
行であり、磁気抵抗センサ中の感知電流によって発生し
た磁界に応答する前記強磁性体の第１の層及び第２の層
の磁化方向が、それぞれ前記磁化容易軸に対して大きさ
が等しく方向が逆の角度に向き、印加磁界に応答する前
記磁気抵抗センサの抵抗変化が、前記強磁性体の第１の
層及び第２の層中の前記磁化の方向の角度差の変化の関
数であり、前記強磁性体の第１の層及び第２の層のそれ
ぞれの磁化が、前記印加磁界に応答し、前記磁気抵抗感
知素子の縦軸が前記磁気記憶媒体中で画定されるデータ
・トラックのトラック幅に対して垂直となるような向き
に配向し、前記磁気抵抗感知素子の下端が、前記磁気記
憶媒体に対向することを特徴とする磁気抵抗センサと、 それぞれ前記磁気抵抗感知素子の前記下端及び上端に接
続された、前記磁気抵抗センサを外部回路に接続し、前
記感知電流を前記磁気抵抗感知素子に結合するための導
電性リード線と、 前記磁気抵抗感知素子に隣接して形成された、前記磁気
抵抗感知素子中で縦バイアス磁界を提供するためのバイ
アス手段とを備える、磁気変換器と、 前記磁気変換器に結合された、前記磁気変換器を前記磁
気記憶媒体上の選択されたデータ・トラックへ移動させ
るためのアクチュエータ手段と、 前記磁気抵抗センサに結合された、前記磁気抵抗センサ
によってインターセプトされた、前記磁気記憶媒体中に
記録されたデータ・ビットを表す、印加された磁界に応
答して、前記磁気抵抗材料中の抵抗変化を検出するため
の検出手段とを備える磁気記憶システム。
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