JP3075253B2 - スピンバルブ型感磁素子及びこれを用いた磁気ヘッド並びに磁気ディスク装置 - Google Patents

スピンバルブ型感磁素子及びこれを用いた磁気ヘッド並びに磁気ディスク装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気ディスク装置の
磁気ヘッドとその感磁素子の技術に関し、特にスピンバ
ルブ型感磁素子及びそれを用いた磁気ヘッドならびに磁
気ディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録の高密度化に伴って、信号磁界
感度の大きいヘッドが必要とされてきた。当初の、磁気
誘導型の薄膜ヘッドでは、高々１Ｇｂ／平方インチの記
録密度までしか対応できなかった。これに代わり、再生
感度の高いヘッドとして、強磁性金属薄膜の磁気抵抗効
果を用いたＭＲヘッドが出現した。しかしながら、この
ＭＲヘッドにおいても、３Ｇｂ／平方インチ以上の高記
録密度領域の磁気記録再生を行うには、再生感度の不足
を来すことが分かり、これをしのぐ高感度磁気ヘッドの
実現が待たれていた。
【０００３】この時、１９９４年にスピンバルブ構造の
磁気素子を用いた磁気ヘッドの提案がなされ、いくつか
の実験的検討が為された。
【０００４】これらの磁気ヘッドの構造の概略を以下に
説明する。
【０００５】図１に示すスライダー状の磁気ヘッドは、
磁界を検出するヘッドエレメント２が、図２に示すスピ
ンバルブ型感磁素子（磁界センサ）１８と、複数回巻き
のコイルパターン７とこれを囲う軟磁性の磁気ヨーク
（図示せず）からなるインダクティブ型記録素子（図示
せず）をあわせて有している。
【０００６】図２に示す記録媒体２０すなわち磁気ディ
スク上にこの磁気ヘッドを設置して、再生出力を得る場
合は、図１の空気ばね面３（以下、ＡＢＳ３（エア・ベ
アリング・サーフェス）という。）に垂直な方向の信号
磁界５を検出する。この信号磁界の検出原理を図２に示
す。一般にスピンバルブ型感磁素子１８は、図２に示す
ように磁化固定層１１と磁化フリー層１３が２〜３ｎｍ
の導体層（図示せず）を介して対置する構造となってい
る。記録媒体２０からの信号磁界により、磁化フリー層
１３の磁化の方向が振動的に回転する。この時、磁化フ
リー層１３の磁化Ｍと磁化固定層１１の固定磁化１７と
のなす角度θとすると、抵抗変化δＲはδＲ＝−（１／
２）ΔＲ・ｃｏｓθで表わされる。ここで、ΔＲは最大
抵抗変化（図３参照）を示す。
【０００７】通常は信号磁界に対する、抵抗変化δＲの
応答の程度が、そのスピンバルブ型感磁素子の磁界応答
感度を示す。検査工程において、磁気ヘッドとしての良
否を判定する場合にも、信号方向の磁界を外部から印加
して、その素子のδＲを評価する。ここで信号磁界と垂
直なトラック幅方向の磁界に対する感度は、これまで素
子の動作には関係がないため、上記の従来技術では全く
開示されてはいなかった。
【０００８】これらの従来例のスピンバルブ型感磁素子
構造の概念図を図９に示す。
【０００９】これらの従来例では、信号磁界５に感度を
持つ磁化フリー層１３の磁化容易軸２７（一軸異方性）
は、磁化フリー層１３が単磁区化し易いように信号磁界
５と垂直に設けられ、更に、単磁区化を確実にするため
に信号磁界５と垂直な方向（トラック幅方向２８）に永
久磁石膜にて縦バイアス磁界Ｈｔ２８が印加されてい
た。
【００１０】その結果、図１０に示すように、スピンバ
ルブ素子の抵抗変化δＲの信号磁界方向の磁界に対する
応答曲線にはヒステリシスは生じない構成となってい
た。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来例における磁界応答感度（ＭＲ感度）はいわゆる一斉
磁化回転モデルを用いたシミュレーション結果によれば
図１１に示すように、１より小さいものである。ただ
し、ここでＭＲ感度＝１とは、Ｈｋに等しい信号磁界強
度Ｈｙを印加したときの抵抗変化δＲが最大抵抗変化Δ
Ｒの１／２に等しい場合を意味するものである。縦バイ
アス磁界Ｈｔを印加するにつれて、そのＭＲ感度は単調
に減少し、高々Ｈｔ＝Ｈｋ（Ｈｋは一軸異方性）の縦バ
イアス磁界により感度は１／２以下に劣化するという問
題点があることが、発明者の研究の結果明らかになっ
た。又、図９に示されるような磁化容易軸２７の方向に
した配置では、信号磁界方向の抵抗変化δＲの磁界応答
感度は、これに垂直な磁界応答の感度よりも小さくなる
という問題点があることも発明者の検討により明確にな
った。
【００１１】せっかくの高感度を目標とするスピンバル
ブヘッドにおいて、安定動作をさせる手段を講じること
により、その感度を低下させる問題点が従来例には存在
した。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明のスピンバルブ型
感磁素子は、磁気ディスクから磁界を検出して信号の読
み取りを行うスピンバルブ型感磁素子であり、前記磁気
ディスクからの信号の磁界方向（以下、信号磁界方向と
いう）に平行に磁化された磁化固定層と、信号読み取り
のための抵抗変化を検出するために外部から電流を印加
される導電層と、磁化容易軸が信号磁界方向に平行であ
る磁化フリー層とを備え、この磁化フリー層に信号磁界
方向と垂直な磁界を印加する縦バイアス層を前記フリー
層の両側に配置したことを特徴とする。
【００１３】本発明のスピンバルブ型感磁素子は、磁気
ディスクから磁界を検出して信号の読み取りを行うスピ
ンバルブ型感磁素子であり、信号磁界方向に平行に磁化
された磁化固定層と、信号読み取りのための抵抗変化を
検出するために外部から電流を印加される導電層と、磁
化容易軸が信号磁界方向に平行である磁化フリー層とを
備え、該磁化フリー層が磁気ディスクからの信号磁界に
より磁化の方向が変化し、前記信号磁界方向のＭＲ感度
が前記信号磁界に垂直な方向に対するＭＲ感度よりも大
きいことを特徴とする。
【００１４】
【００１５】本発明のスピンバルブ型感磁素子は、縦バ
イアス磁界の強度が前記磁化フリー層の一軸異方性磁界
強度より大きく、かつ一軸異方性磁界の強度の２倍より
小さければなお好ましい構成である。
【００１６】いかにスピンバルブ素子といえども、材料
の選択のみにより磁界応答感度を無限に大きくすること
はできない。本発明は同じスピンバルブ材料を用いて
も、より大きな磁界応答感度を得ることができる素子構
造を提供するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】図４及び図５を用いて本発明の実
施の形態を説明する。
【００１８】本発明のスピンバルブ型感磁素子は、図４
（スライダー１のＡＢＳ３から見た図）に示すように、
非磁性の基板１６の上にＴａ下地膜（３ｎｍ図示せ
ず）、磁気ディスクからの信号磁界により磁化の方向が
振動的に回転する磁化フリー層１３としてＮｉＦｅ（６
ｎｍ）及びＣｏＦｅ（２ｎｍ）、信号読み取りのための
抵抗変化を検出するために外部から電流を印加される導
電層１２としてＣｕ（２．５ｎｍ）、磁化固定層１１と
してＣｏＦｅ（４ｎｍ）、磁化を固定するための反強磁
性交換結合層１０としてＮｉＭｎ層（２０ｎｍ）、カバ
ー層としてＴａ（３ｎｍ：図示せず）を順次スパッタ成
膜し、所定のトラック幅に露光及びエッチング手法で形
成する。その両側に磁化フリー層１３の単磁区安定化の
ための縦バイアス層１４としてのＣｏＣｒＰｔ（４０ｎ
ｍ）の成膜パタニングを行う。
【００１９】図４に示すように成膜・パタニングを実施
した後、ＮｉＭｎ反強磁性交換結合層１０の安定化と磁
化固定層１１の磁化方向の決定のために、１０００エル
ステッド磁界中、２６０℃、５時間アニールを行う。そ
の結果、図５に示すように、磁化固定層１１の磁化は反
強磁性交換結合のために信号磁界方向のうち上か下かど
ちらかの一方向を向く。磁化フリー層１３の磁化容易軸
２９（一軸異方性磁界強度はＨｋ）は、磁化固定層１１
の磁化方向と平行に形成される。
【００２０】次に、この素子を常温に戻し、磁化固定層
１１の磁化方向に対し垂直（磁気記録ではトラック幅方
向に相当）に３０００Ｏｅの磁界を印加して、縦バイア
ス層１４（磁石膜）を着磁する。縦バイアス層１４から
は強度Ｈｔの強度が発生する。この時、前記の膜厚関係
では、Ｈｔ＞Ｈｋとなっている。
【００２１】本発明の動作の説明を、上記の実施形態を
用いて説明する。
【００２２】本実施形態の磁化フリー層１３の磁化容易
軸２９（一軸異方性磁界強度はＨｋ）は、図６に示すよ
うに、信号磁界５の方向を向いていることが特徴となっ
ている。すなわち、磁化容易方向すなわち磁化容易軸２
９が信号磁界５の方向と一致している。
【００２３】一般に、磁化容易軸の方向に信号磁界が印
加されると、その磁化安定方向は、一斉磁化回転モデル
を用いて計算することが出来る。磁化安定方向（角度
θ）が定まると、スピンバルブ動作素子では、その抵抗
値変化δＲは、δＲ＝−（１／２）ΔＲ・ｃｏｓθであ
らわされる。そのδＲの信号磁界方向の印加磁界Ｈｙに
対する応答は、図７に示すような大きなヒステリシスを
示す。
【００２４】このようなヒステリシスは、このスピンバ
ルブ素子を磁気ヘッドとして用いるときには、再生信号
波形においてベースラインシフトが発生し、バルクハウ
ゼンノイズの発生を引き起こして、実用上の問題とな
る。
【００２５】本発明の実施の形態では、更に、図５に示
すようにスピンバルブ素子の両側に永久磁石膜を設置し
て縦バイアス磁界Ｈｔを印加する。このＨｔの強度を予
め定めた適当な値に選ぶと、そのスピンバルブ素子の抵
抗変化δＲの信号磁界応答３１は、図３に示したように
ヒステリシスはなくなる。このδＲの信号磁界応答３１
は、磁化容易軸方向の磁化反転に基づくものであるの
で、本質的に磁界に対する感度は高い。信号磁界と垂直
な方向の磁界に対するδＲの応答は、図３のトラック幅
方向磁界応答３２に示すように磁界に対する感度は、信
号磁界方向の磁界に対する応答よりも低いところが特徴
となっている。
【００２６】信号磁界方向の磁界に対するδＲの応答感
度ΔＲ／（２・Ｈｓｖ）すなわちＭＲ感度は、一斉磁化
回転モデルを用いたシミュレーション結果によれば図８
に示すように縦バイアス磁界Ｈｔを変化すると大きく変
わる。Ｈｔ＜Ｈｋでの場合はδＲの磁界応答にはヒステ
リシスが生じる。Ｈｔ＞Ｈｋで、さらにＨｔが増大する
とＭＲ感度は低下する。Ｈｔ＞２ＨｋとなるとＨｔの増
大によるＭＲ感度の低下率は減少する。
【００２７】しかしながら、Ｈｔ＞２Ｈｋであってもこ
のＭＲ感度は、後述するように、従来のスピンバルブ素
子のＭＲ感度よりは大幅に大きい。
【００２８】本発明の特徴は、図３に示すように、トラ
ック幅方向の磁界に対するδＲの応答での感度、すなわ
ち最大抵抗変化ΔＲとΔＲの抵抗変化に要する磁界強度
２・Ｈｓｐの比（ΔＲ／（２・Ｈｓｐ））よりも、信号
方向磁界に対するδＲの応答感度、すなわちΔＲとΔＲ
の抵抗変化に要する磁界強度２・Ｈｓｖの比（ΔＲ／
（２・Ｈｓｖ））が大きいことである。
【００２９】更に、本発明においては、スピンバルブ感
磁素子の磁化フリー層の一軸磁気異方性（強度Ｈｋ）の
方向が、信号磁界方向に平行であり、かつ、同感磁素子
の両サイドに設置した縦バイアス磁石膜の発生磁界（Ｈ
ｔ）は、Ｈｔ≧Ｈｋであることが特徴である。更に、Ｈ
ｔ＜２Ｈｋであれば、なお好ましい構成である。
【００３０】本発明の効果は、図８に示すようにＭＲ感
度が、従来の磁化フリー層１３のトラック幅方向に平行
な磁化容易軸の配置に比べて高いことである。特に、縦
バイアス磁界ＨｔがＨｋと２Ｈｋの間では、ＭＲ感度が
１より大きい。ただし、ＭＲ感度＝１とは、Ｈｋに等し
い信号磁界強度Ｈｙを印加したときの抵抗変化δＲが最
大抵抗変化ΔＲに等しい場合を意味するものである。
【００３１】さらに言うまでもないことであるが、δＲ
の信号磁界応答にはヒステリシスは生じない。
【００３２】
【発明の効果】本発明の効果は、従来の磁化フリー層１
３の磁化容易軸をトラック幅方向に平行に配置した場合
と比べＭＲ感度が高いことであり、これにより高密度記
録を更に進めた場合でも再生出力が大きくとれ、Ｓ／Ｎ
の改善もできることである。
【００３３】その理由は、磁化容易軸の方向が信号磁界
の方向に平行だからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例および本発明の磁気ヘッド共通の構造を
示す斜視図。
【図２】従来例および本発明のスピンバルブ型感磁素子
共通の構造を示す図。
【図３】本発明の抵抗変化δＲのトラック幅方向の磁界
に対する応答および信号磁界方向の磁界に対する応答を
示す図。
【図４】本発明のスピンバルブ型感磁素子構造を示す断
面図。
【図５】本発明のスピンバルブ型感磁素子構造を示す概
念図。
【図６】本発明のスピンバルブ型感磁素子構造を示す概
念図。
【図７】従来例の信号磁界方向の磁界に対する抵抗変化
δＲの応答を示す図。
【図８】本発明の縦バイアス磁界Ｈｔと、信号磁界方向
の磁界に対する抵抗変化δＲの応答感度の関係を示す
図。
【図９】従来例のスピンバルブ型感磁素子の構造を示す
概念図。
【図１０】従来例の信号磁界方向の磁界に対する抵抗変
化δＲの応答を示す図（ヒステリシスのない場合）。
【図１１】従来例の縦バイアス磁界Ｈｔと、信号磁界方
向の磁界に対する抵抗変化δＲの応答感度の関係を示す
図。
【符号の説明】
１ スライダ ２ ヘッドエレメント ３ 空気バネ面（ＡＢＳ） ４ 電極端子 ５ 信号磁界 ６ トラック方向磁界 ７ コイルパターン １０ 反強磁性交換結合層 １１ 磁化固定層 １２ 導電層 １３ 磁化フリー層 １４ 縦バイアス層 １５ 電極 １６ 基板 １７ 固定磁化 １８ スピンバルブ型感磁素子 １９ 媒体磁化 ２０ 記録媒体 ２６ 磁化回転 ２７ 磁化容易軸（一軸異方性） ２８ 縦バイアス磁界Ｈｔ ２９ 磁化容易軸（一軸異方性） ３１ 信号磁界方向 ３２ トラック幅方向磁界応答
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 5/39

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁気ディスクから磁界を検出して信号の読
    み取りを行うスピンバルブ型感磁素子であり、前記磁気
    ディスクからの信号の磁界方向（以下、信号磁界方向と
    いう）に平行に磁化された磁化固定層と、信号読み取り
    のための抵抗変化を検出するために外部から電流を印加
    される導電層と、磁化容易軸が信号磁界方向に平行であ
    る磁化フリー層とを備え、該磁化フリー層に信号磁界方
    向と垂直な磁界を印加する縦バイアス層を前記フリー層
    の両側に配置したことを特徴とするスピンバルブ型感磁
    素子。
  2. 【請求項２】請求項１記載のスピンバルブ型感磁素子で
    あり、磁気ディスクからの信号磁界により磁化の方向が
    変化する前記磁化フリー層とを備え、前記信号磁界方向
    のＭＲ感度が前記信号磁界に垂直な方向に対するＭＲ感
    度よりも大きいことを特徴とするスピンバルブ型感磁素
    子。
  3. 【請求項３】請求項１または２記載のスピンバルブ型感
    磁素子であり、縦バイアス磁界の強度が前記磁化フリー
    層の一軸異方性磁界強度より大きいことを特徴とするス
    ピンバルブ型感磁素子。
  4. 【請求項４】請求項１または２記載のスピンバルブ型感
    磁素子であり、縦バイアス磁界の強度が前記磁化フリー
    層の一軸異方性磁界強度より大きく、かつ一軸異方性磁
    界の強度の２倍より小さいことを特徴とするスピンバル
    ブ型感磁素子。
  5. 【請求項５】請求項１，２、３または４記載のスピンバ
    ルブ型感磁素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
  6. 【請求項６】請求項５記載の磁気ヘッドを備えることを
    特徴とする磁気ディスク装置。
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