JP3823028B2 - 磁気ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関するものである。わけても、本願発明はトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド及びこれを用いた磁気記録再生装置に関するものである。本願発明の磁気記録再生装置は電子計算機及び情報処理装置に用いて有用である。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化に伴い、高感度な再生用磁気ヘッドが求められている。こうした用途に、現在その再生ヘッドとして異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用した磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が用いられている。このMRヘッドの感磁部の材料にはＮｉＦｅが用いられている。この材料の磁気抵抗変化率は約２％で、実現可能な記録密度は数Ｇｂ／ｉｎ2である。さらに、最近では巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用したスピンバルブ型磁気ヘッド（ＧＭＲヘッド）も製品に用いられ始めた。このＧＭＲヘッドは、２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ構造を有している。この構造では一方の強磁性層の磁化を固定させて２つの強磁性層の磁化方向のなす角度によって高い磁気抵抗変化率が得られる。ＧＭＲヘッドの抵抗変化率は約４〜５％で、数十Ｇｂ／ｉｎ2クラスの記録も可能となった。しかし、今後更に記録密度を向上させるには、より大きな磁気抵抗変化率を有する磁気ヘッドが必要となる。
【０００３】
このような高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果センサとして、２つの強磁性層の間にトンネル障壁層が挟まれたトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ）が注目されている。このトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果膜は高密度記録を実現する上で好適と目されている。このＴＭＲではＦｅ膜の間にＡｌ酸化膜が挟まれた構造で、室温で約１８％の大きな抵抗変化率が得られたと報告されている。この報告としては、例えば、ジャーナル オヴ マグネティズム アンド マグネティック マテリアルズ（第１３９巻、２３１頁、１９９５年）を挙げることが出来る。また、特開平４−１０３０１４号公報には、一方の強磁性層に反強磁性層を接して強磁性層の磁化方向を固定させた、スピンバルブタイプのＴＭＲを開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、トンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果センサにおいて、バルクハウゼンノイズを抑制し、安定性のある磁気抵抗効果センサを提供することにある。以下、その背景を説明する。
【０００５】
ＴＭＲの場合、従来知られている磁気抵抗効果素子が磁性膜の膜面内方向に電流を流すのに対して、膜厚方向に電流を流す構成を有している。この構成の実現には、従来とは異なる磁気ヘッド構造が必要になると考えられる。その反面ＴＭＲは、磁気的には、従来開発されているスピンバルブ構造と類似した２つの強磁性層を有しており、これらの強磁性層の磁気的制御は当然必要とされる。さらに、膜厚方向に電流が流れるために、素子の大きさで素子抵抗が決定されてしまう。
【０００６】
例えば、従来の磁気抵抗効果素子と同様のハードバイアス構造では、磁区制御のための硬磁性膜を素子の周囲に配置する。この為、ＴＭＲでこの構造を用いた場合には、硬磁性膜に電流がリークしてしまい、ＴＭＲの感磁部に正確に電流を印加することが難しくなる。また、ＴＭＲの感磁部には極薄のトンネル障壁層が露出する事になる。従って、対向面の加工において２つの強磁性層との短絡を防ぐために、極めて困難な加工技術が要求される。さらに、トラック幅が０．５μｍ程度になってくると、素子の抵抗は数１００〜数ｋΩと桁違いに大きくなってしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した従来の諸問題を解決するためには、従来の対向面に露出した構造ではなく、対向面から引っ込めた構造とする事が有効である。しかしながらその場合、ＴＭＲの感磁部の強磁性層に加えて、ＴＭＲに媒体対向面から磁束を導くための磁束ガイドの磁気的制御も当然必要となってくる。本願発明はこの問題を併せて解決するものである。
【０００８】
本願発明の第１の形態で、基本となる形態は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを有し、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であり、且つ前記トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層及び前記磁束ガイド双方の磁区を併せ制御が可能なる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【０００９】
本願発明の代表例は、前記トンネル磁気抵抗効果膜の自由層及び前記磁束ガイドの磁区を制御するために、前記自由層及び前記磁束ガイドにバイアスをかけるための磁区制御層を同一平面内に備えた形態である。
【００１０】
本願発明の別な例は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを備えた磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されており、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御が可能な磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の諸形態を説明するに先だって、本願発明の主な諸形態の概要を列挙する。
【００１２】
本願発明の第１の形態で、基本となる形態は前述した。
【００１３】
磁気抵抗効果センサの構成には、磁束ガイドの磁区制御を行う方法に大きく分けて２つの方法に大別される。それらは、いわゆるハード・バイアス構造と積層構造とである。しかし、本願発明がいずれの構造の磁気抵抗効果センサの場合にも適用出来ることは言うまでもない。
【００１４】
本願発明の前提となるこれらの構造はこれまで知られたものであるが、簡潔にそれらの特徴を説明する。ハード・バイアス構造では、当該磁束ガイドの両端に磁区制御層を配置する方法、いわゆる磁束ガイド（ヨーク：ｙｏｋｅ）と磁区制御層とが同じ面内に配置されている。この場合の磁区制御層は高抵抗を有する材料で構成される。従って、電流は所定の限られた領域にのみ流れる、即ち、所定のトンネル型磁気抵抗効果膜のみの領域に流れることとなる。他方、積層構造では、磁束ガイドと磁区制御層とが積層されている。この場合、磁束ガイドに磁区制御層を直接積層する方法、あるいは磁束ガイドに磁区制御層を中間層を介して積層する方法などがある。直接積層する場合、磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、磁化の方向が平行に向いている。更に、磁束ガイドに磁区制御層を中間層を介して積層する場合、その中間層の設け方によって、２つの状態に分けられる。その第１は、磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、磁化の方向が平行に向いている場合である。この構造は前記の積層型と類似するものである。あるいは、前記の積層型の一変形と言うことが出来る。第２は磁束ガイドと磁区制御層との端部で静磁結合している場合である。従って、この場合には、磁束ガイドと磁区制御層との各々の面内磁化の方向は反平行となっている。このように、前記積層構造の第１と第２の形態では、磁束ガイドと磁区制御層との磁化の方向の決定のされ方が異なっている。
【００１５】
本願発明の骨子は、これらの諸構造によらず、磁束ガイドの磁区を制御することと、磁気抵抗効果膜の自由層をも併せて磁区制御を行う点にある。以下、その概念を説明する。
【００１６】
図１２は上述の各種形態を説明する概念図であり、磁束ガイドと磁区制御層の配置の諸例を示す断面を示している。断面は磁気抵抗素子の幅方向の断面である。図１２は３つの代表的な形態の概念を示している。図１２の（ａ）は磁束ガイドの両端に磁区制御層を配置する方法である。いわゆる磁束ガイド１００の磁区制御層１０１とが同じ面内に配置されている。図１２の（ｂ）は磁束ガイド１００と磁区制御層１０１とが積層されている例である。この場合、極めて薄い中間層を磁束ガイド１００と磁区制御層１０１との間に挿入する場合もある。これらの例では、上述のように磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、双方の磁化の方向１０４、１０５とが平行に向いている。一方、図１２の（ｃ）は磁束ガイド１００と中間層１０８、磁区制御層１０１とが積層された例である。磁束ガイドと磁区制御層との端部１０２、１０３で静磁結合している場合である。この場合には、磁束ガイドと磁区制御層との各々の面内磁化の方向１０６、１０７は反平行となっている。
【００１７】
一方、図１３はＴＭＲの磁区制御の骨子を説明するための断面図である。これらの関係においても、磁束ガイド１００とＴＭＲ膜１１０とが直接積層されている場合（図１３の（ａ））と、これらの間に中間層１１１が挿入されている場合（図１３の（ｂ））がある。しかし、いずれの場合も磁束ガイド１００とＴＭＲ膜１１０との磁気的結合が存在する。従って、磁束ガイド１００の磁区を制御することで、ＴＭＲ膜中の自由層の磁区が制御される。こうして本願発明では、磁束ガイドの磁区をその磁区制御膜によって制御することで、ＴＭＲ膜中の自由層の磁区が併せて制御される。
【００１８】
以上の一般的説明を踏まえ、本願発明の更なる主な諸形態を列挙する。 本願発明の第２の形態は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを有し、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜の自由層にバイアス磁界を印加するための磁区制御層と、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が同一平面内に形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。この第２の形態は、磁束ガイドの両端に磁区制御層が配置された方法である。
【００１９】
第３の形態はより実際的なものである。即ち、この場合の磁気抵抗効果センサでは、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁気抵抗効果膜と磁束ガイドのトラック幅方向の両端部に磁区制御層が形成されている。
【００２０】
第４の形態は、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側とその対向面側とに分離されている例である。
【００２１】
第５の形態は、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側から対向面まで連続して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２２】
第６の形態は、前記磁束ガイドと前期磁気抵抗効果膜の自由層との間に中間層が配置されており、前記磁束ガイドと前記自由層とが中間層を介して磁気的に結合されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２３】
第７の形態は、前記磁束ガイドが高抵抗軟磁性層からなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２４】
第８の形態は、前記磁気抵抗抵抗効果膜と前記磁束ガイドが絶縁層を介して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２５】
第９の形態は、前記磁区制御層が前記磁気抵抗効果膜及び前記磁束ガイドに渡って形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２６】
第１０形態は、前記磁区制御層が絶縁層を介して前記磁気抵抗効果膜及び前記磁束ガイドに渡って形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２７】
第１１の形態は、前記磁区制御層が酸化物化合物を有してなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２８】
第１２の形態は、既に触れた積層構造の形態の例である。この例の骨子は、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されている。この場合、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御されるのである。より具体的に構造を示せば、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを備えた磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されており、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御が可能な磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２９】
第１３の形態は、前記第第１２の形態の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドと磁気抵抗効果膜とが中間層を介して磁気的に結合している磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３０】
第１４の形態は、前記第１２及び第１３の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドと磁区制御層とが中間層を介して積層されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３１】
上記の構造においては、前記磁束ガイドと磁区制御層とが磁気的に結合されている。従って、磁区制御層が磁束ガイドの磁区を制御することによって、併せて磁気抵抗効果膜の自由層の磁区を制御するものである。
【００３２】
第１５の形態は、前記第１２から第１４の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側とその対向面側とに分離されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。本例はより実際的な形態である。
【００３３】
第１６の形態は、前記第１２から第１４に記載の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側から対向面まで連続して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３４】
第１７の形態は、前記第１２から第１６の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが高抵抗軟磁性層を有してなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３５】
これまで列挙してきた各種磁気抵抗効果センサを再生素子として用いて、記録再生ヘッドを構成することが出来る。更に、こうした記録再生ヘッドを搭載して、磁気記録再生装置を構成することが出来る。これらの記録再生ヘッドあるいは磁気記録再生装置は、十分信号ノイズが小さい。従って、本願発明に係る記録再生ヘッドあるいは磁気再生記録装置は極めて安定した記録再生特性を得ることが出来る。
【００３６】
磁気抵抗型再生ヘッド自体の基本構成は通例のもので十分である。即ち、その代表的形態は、磁性体からなる下部磁気シールド、下部層間絶縁膜、磁気抵抗効果により磁界を検出する磁気抵抗型素子及び上部層間絶縁膜及び磁性体からなる上部磁気シールドが、基板上に形成されている。
【００３７】
図１０に本願発明の係る磁気記録再生ヘッドの主要部の斜視図を示す。図１０の例に即して述べれば、磁気ディスク５３摺動面に対向して磁気記録再生ヘッドが配される。尚、図中の６４は磁気ディスクの記録媒体での磁気記録の状態をモデルとして示す。スライダ６１は基板を構成し、この上部に磁気抵抗効果素子が配置される。即ち、下部磁気シールド６５に磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）１３が搭載される。そして、絶縁膜６７を介して、下部磁気コア６６が配される。再生ヘッド１３は第１のシ−ルド６７と第２のシ−ルド膜６５の間に挟まれており、周囲からの漏洩磁界を遮断して、目標直下の情報のみを再生しやすくした構造となっている。尚、この下部磁気コア６６は上部磁気シールドならびに電極を兼ねた役割を有している。更に、励磁コイル６３を挟んで上部磁気コア（記録ヘッド）６２が配される。第１の磁極６６、絶縁膜、および第２の磁極（記録磁極）６２が積層された一方の面が摺動面を構成する。前記の絶縁膜が記録ギャップを構成する。
【００３８】
図７に本願発明の係る磁気記録再生装置の例の概略説明図を示す。情報が記録された磁気ディスク５３がスピンドル・モータ５４によって回転させられる。この磁気ディスク５３の摺動面に対向してスライダ５５が配される。このスライダ５５に磁気記録再生部が内蔵されている。そして、この磁気記録再生部等は信号処理部５７によって制御されている。信号処理部５７には例えばデータ再生及び復号系あるいは機構制御系等の電気制御系等が納められている。機構制御系やスライダ等はアクチュエータ５６に接続されている。尚、こうした磁気記録再生装置の信号処理、回転制御等の電気系は基本的に従来の技術を用いて十分である。ここではその詳細な説明は省略する。
【００３９】
実施の形態１
図１は第１の実施例である磁気抵抗効果センサ２０の主要部の斜視図である。図１に示すように、基板１０上に、下部磁気シールド膜１１、下部ギャップ膜１２、トンネル磁気抵抗効果膜（以下、この膜をＴＭＲ膜（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｌａｙｅｒ）と称す）１３、磁束ガイド１４、磁区制御膜１５、上部ギャップ膜１６、及び上部磁気シールド膜兼下部磁気コア１７が順次形成される。通例、図に示されるように、上部磁気シールド膜１７及び下部磁気シールド膜１１は、それぞれ引き出し電極端子部１８を有しており、ＴＭＲ膜１３の膜厚方向に電流を流すための電極を兼ねている。この磁気抵抗効果センサの断面の詳細は図２Ａおよび図２Ｂに示される。
【００４０】
磁気抵抗効果センサの方位を、トラック幅方向１０１、素子高さ方向１０２、磁気ヘッド駆動方向１０３と定義すると、図中の線Ａ及び線Ｂでの断面はそれぞれ、素子高さ方向１０２及びトラック幅方向１０１に平行な断面を示している。図２Ａは上記磁気抵抗効果センサ２０の素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図２Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。図１１は磁気抵抗効果センサ２０の平面図である。 基板１０上に下部磁気シールド膜１１、下部ギャップ膜１２が所望の形状に形成されている。下部ギャップ膜１２上の一部には、浮上面から離れた位置にＴＭＲ膜１３が配置されている。そして、このＴＭＲ膜１３の端部に乗り上げて１組の磁束ガイド１４が、浮上面側から素子高さ方向（１０２）に伸びて配置されている。
磁束ガイド１４は媒体からの磁束をＴＭＲ膜１３に誘導する軟磁性膜である。
このＴＭＲ膜１３は、具体的には例えば、下側から順に下地膜２１、反強磁性膜２２、第１の強磁性膜（固定層と称する）２３、トンネル障壁層２４、第２の強磁性膜（自由層と称する）２５を有して構成されている。自由層２５と固定層２３の面内磁化は、外部磁界が印加されていない状態でお互いに対して９０度傾いた方向に向けられている。固定層２３は反強磁性膜２２によって、好ましい方向に磁化が固定されている。この面内磁化が固定されているという意味で、前記第１の強磁性膜２３は固定層と称される。一方、媒体から磁束ガイド１４を通る磁界により、自由層２５の磁化は自由に回転する。そして、この磁化の回転により抵抗変化が生じて、当該素子の出力が発生する。この面内磁化が自由に回転するという意味で、前記第２の強磁性膜２５は自由層と称される。
【００４１】
図１１に見られるように、ＴＭＲ膜１３の摺動方向に沿った両側部には磁区制御膜１５が、ＴＭＲ膜１３の摺動面２００に交差する方向の両側部には磁束ガイド１４が配置されている。
【００４２】
本実施の形態では、ＴＭＲ膜１３に流れる電流が磁束ガイド１４及び磁区制御膜１５にリークしないために、いずれもＴＭＲ膜１３よりも高抵抗でなければならない。
【００４３】
図２Ｂに示されるように、ＴＭＲ膜１３と磁束ガイド１４とのトラック幅方向１０１の両脇には、両端部に乗り上げるようにそれぞれ磁区制御膜１５が配置されている。磁区制御膜１５は、磁束ガイド１４及び自由層２５の磁区の発生を抑制するために、バイアス磁界を加える強磁性膜である。
【００４４】
ＴＭＲ膜１３、及びこれに一部重畳されて形成されている磁束ガイド１４、及び磁区制御膜１５の上には、上部ギャップ膜１６、及び上部磁気シールド膜１７が形成されている。前記上部ギャップ膜１６は、貫通孔１９の部分でのみＴＭＲ膜１３と接している。この貫通孔１９の両側は前記磁束ガイド１４、及び前記磁区制御膜１５で構成されている。前記下部磁気シールド膜１１及び上部磁気シールド膜１７は、それぞれ引き出し電極端子部１８を有している。この電気端子の接続により、電流の印加および再生出力の検出を行う。電極端子部１８に電流を流すと、電流は貫通孔１９をとおってＴＭＲ膜１３にのみ流れる。
【００４５】
次に各種の材料の例を具体的に説明する。
【００４６】
下部磁気シールド膜１１自体は通例の材料を用いて十分であるが、これに適した材料をかかげれば、CoNbZr等のCo系非晶質合金、NiFe合金、FeAlSi合金あるいはCoNiFe合金などをあげることが出来る。下部磁気シールド膜１１の膜厚は概ね１〜５μmである。上部磁気シールド膜１７自体は通例の材料を用いて十分であるが、これに適した材料をかかげれば、NiFe合金やCoNiFe合金の他、強磁性膜と酸化物との多層膜や、BやPなどの半金属を含む強磁性合金膜などをあげることが出来る。この上部磁気シールド膜１７は記録磁気ヘッドの下部コアを兼用することが出来る。
【００４７】
下部ギャップ膜１２は、ＴＭＲ膜１３の下地膜となるので、ＴＭＲ膜１３の特性が安定かつ高抵抗変化量となるよう、その表面は平滑かつ清浄面であることが望ましい。下部ギャップ膜１２に適した材料をかかげれば、例えば、Ta、Nb、Ru、Mo、Pt、Ir、あるいはこれらの元素を含む合金、またはW、Cu、Alとの合金、さらに異なる元素からなる多層構造、などをあげることが出来る。前記異なる元素からなる多層構造の一例は、例えばTa／Pt／Ta、Ta／Cu／Taである。前記各種元素の積層を用いることが出来ることは言うまでもない。
【００４８】
また下部ギャップ膜１２として、前記列挙した元素、例えば、Ta、Nb、Ru、Mo、Pt、Ir、あるいはこれらの元素を含む合金、またはW、Cu、Alとの合金、さらに異なる元素からなる多層構造と、強磁性材料との積層構造を用いることも出来る。この例は例えばTa／NiFeである。この下部ギャップ膜１２の膜厚は概ね３ｎｍ〜３０ｎｍである。通例、下部磁気シールド膜１１と上部磁気シールド膜１７の間隔によって、この下部ギャップ膜１２の膜厚は所望に設定される。上部ギャップ膜１６は、上記下部ギャップ膜１２と同種の材料か、或いはAu、Alなどで形成される。 下地膜２１は反強磁性膜２２の結合磁界を大きくするためのものである。下地膜２１に適した材料の例をかかげれば、Ta、NiFeあるいはこれらの積層膜Ｔａ／ＮｉＦｅなどをあげることが出来る。
【００４９】
反強磁性膜２２に適した材料の例をかかげれば、MnIr、MnPt、FeMn、CrMn系合金、MnPtPd、NiMn系合金などをあげることが出来る。
【００５０】
固定層２３及び自由層２５は、NiFe合金、Co合金、CoFe合金、CoNiFe合金のいずれかの強磁性からなる単層構造か、もしくは上記強磁性膜の多層構造、などで形成される。前記強磁性膜の多層構造は複数層、例えば２層あるいは３層などを用いることが出来る。前記強磁性膜の多層構造の例は例えばCoFe／NiFe、あるいはCoFe／NiFe／CoFeなどである。又、前記強磁性膜の多層構造として、強磁性膜と非磁性層との積層構造をも用いることが出来る。強磁性膜と非磁性層との積層構造の例は、例えばCo／Ru／Co、CoFe／Ru／CoFeなどである。これら強磁性膜の諸多層構造は界面での拡散防止、異方性分散の抑制のために有効である。下地膜２１の膜厚は概ね３ｎｍ〜１０ｎｍ、反強磁性膜２２は概ね２ｎｍ〜２５ｎｍ、固定層２３及び自由層２５は概ね１ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００５１】
トンネル障壁層２４の例は、各種絶縁物層、例えば、酸化物層、或いは窒化物層、これらの諸材料の積層膜等を用いることが出来る。トンネル障壁層２４の例をかかげれば、例えばＡｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｏ等の単層膜あるいはこれらの材料の積層膜等で強磁性膜を挟んだ積層構造をあげることが出来る。この積層構造の具体例は、例えばＡｌ−Ｏ／Ｃｏ／Ａｌ−Ｏである。これらの諸酸化物の作製方法は、直接形成してもよいし、酸素雰囲気中あるいはプラズマにより酸化させてもよい。例えば、その一例は金属膜、例えばＡｌ膜を形成し酸化させるのである。トンネル障壁層２４の膜厚は概ね０.５ｎｍ〜３.０ｎｍと極薄である。
磁束ガイド１４は上部ギャップ膜１６から流れる電流が下部ギャップ膜１２にリークしないようにする領域である。磁束ガイド１４に適した材料をかかげれば、高抵抗な軟磁性膜、例えば強磁性材と絶縁材との多層構造をあげることが出来る。強磁性材と絶縁材との多層構造の例をあげれば、CoFe／Al2O3／CoFe、あるいはCoFe／SiO2／CoFeなどをあげることが出来る。磁束ガイド１４の膜厚は概ね５ｎｍ〜１５ｎｍとする。前記高抵抗な軟磁性膜の例を掲げれば、ＭｎＺｎＦｅ2Ｏ3、ＮｉＺｎＦｅ2Ｏ3、ＦｅＳｉＯ、ＣｏＡｌＯなどである。更にはこれらの積層膜をも用いることが出来る。
【００５２】
磁区制御膜１５も上記磁束ガイド１４と同様、上部ギャップ１６から流れる電流が下部ギャップ膜１２にリークしないようににする領域である。磁束ガイド１４に適した材料をかかげれば、高抵抗の材料、例えばFe2O3、Fe3O4、NiO、CoOなどをあげることが出来る。磁束ガイド１４の膜厚は概ね１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
【００５３】
次に上記磁気抵抗効果センサ２０の作製方法を説明する。
【００５４】
まず、基板１０上にスパッタリング法あるいはメッキ法により下部磁気シールド膜１１を形成した後、下部ギャップ膜１２をスパッタリング法で形成する。下部ギャップ膜１２の表面をイオンクリーニングした後、スパッタリング法でＴＭＲ膜１３の下地膜２１、反強磁性膜２２、固定層２３、及びトンネル障壁層１４を形成するための膜を順に連続で形成する。その後、真空を破らずに数十Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中で数十分自然酸化させて、トンネル障壁層２４を作製する。さらに、この上部に、自由層２５を形成する。こうして、本願発明に係わるＴＭＲ膜１３が形成される。
【００５５】
その後、前記ＴＭＲ膜の上部にレジスト膜を所望形状に形成し、次いでイオンミリングによりＴＭＲ膜１３を所定の形状に加工する。ＴＭＲ膜１３の表面を軽くイオンクリーニングした後、レジストを剥がさずに磁束ガイド１４をスパッタリング法あるいはメッキ法で形成し、レジストを除去する。この工程、即ち、いわゆるリフトオフ法によって、所望形状のＴＭＲ膜１３および磁束ガイド１４用の膜が形成される。さらにＴＭＲ膜１３及び磁束ガイド１４上にレジストを所定の形状に形成し、磁区制御膜１５をスパッタリング法で加工し、レジストをリフトオフする。上部ギャップ膜１６をスパッタリング法あるいは蒸着法により形成する。最後に上部磁気シールド膜１７をスパッタリング法或いはメッキ法により形成して、図２に示すような磁気抵抗効果センサ２０が完成する。
【００５６】
また、本実施例では、ＴＭＲ膜１３は下側から順に下地膜２１、反強磁性膜２２、第１の強磁性膜（固定層）２３、トンネル障壁層２４、第２の強磁性膜（自由層）２５と積層されている。しかし、このＴＭＲ膜は、下側から第２の強磁性層（自由層）２５、トンネル障壁層２４、第１の強磁性層（固定層）２３、反強磁性層２２と反対に積層することも可能である。ただしこの場合、下地層２１は自由層２５の磁気特性を向上するための目的で形成される。また、磁束ガイド１４は自由層２５に隣接させなければならないため、ＴＭＲ膜１３の下側に形成する。
【００５７】
上記磁気抵抗効果センサ２０を用いて再生ヘッドを作製し、再生特性を測定した。その結果、良好で安定な再生出力が得られ、バルクハウゼンノイズなどのノイズや、ベースラインシフト等の波形歪みも見られなかった。なお再生信号の上下非対称性は±５％程度であり，実用上問題にならないレベルであった。
【００５８】
実施の形態２
図３Ａ及び図３Ｂは、各々第２の実施例である磁気抵抗効果センサ３０の断面図である。図３Ａは素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図３Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図３Ａ及び図３Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００５９】
図３Ａ及び図３Ｂの磁気抵抗効果センサ３０が、図２Ａ及び図２Ｂの磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁束ガイド１４の上下あるいはどちらか一方に絶縁膜３１が形成されていることである。従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６０】
このような構造では、磁束ガイド１４を通して上部ギャップ膜１６から下部ギャップ膜１２への電流のリークが防止することが出来る。この為、本例においては、磁束ガイド１４は、必ずしも高抵抗の材料で形成される必要はない。したがって、磁束ガイド１４として、NiFe合金、CoNiFe合金、FeSiAl合金などの金属、合金材料を用いることもできる。絶縁膜３１の材料として、Al2O3、SiO2、あるいはAl2O3とSiO2の混合体などが好適な材料である。絶縁膜３１の膜厚は耐圧を考えて少なくとも１０ｎｍ以上必要である。
実施の形態３
図４Ａ及び図４Ｂは、各々第２の実施例である磁気抵抗効果センサ３０の断面図である。図４Ａは素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図４Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図４Ａ及び図４Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６１】
図４Ａ及び図４Ｂの磁気抵抗効果センサ３２が図２の磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁区制御膜１５の上下あるいはどちらか一方に絶縁膜３３が形成されていることである。従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６２】
このような構造では、磁区制御膜１５を通して上部ギャップ膜１６から下部ギャップ膜１２への電流のリークが防止することが出来る。この為、本例においては、磁区制御膜１５は、必ずしも高抵抗の材料で形成される必要はない。磁区制御膜１５の材料として、MnIr、MnPt、FeMn、CrMn系合金、MnPtPd、NiMn系合金等の反強磁性材料か、あるいはCoCrPt合金等の硬磁性材料などを用いることができる。この場合、これらの結合磁界及び保持力を大きくするために磁区制御膜１５の下に下地膜３４を形成してもよい。下地膜３４にはTa、Nb、Ru、Hf、NiFe、Crまたこれらの積層構造、例えばTa／NiFeを用いる。絶縁膜３３の材料はAl2O3、SiO2、あるいはAl2O3とSiO2の混合体などが好適な材料である。下地膜３４の膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ、絶縁膜３３の膜厚は耐圧を考えて少なくとも１０ｎｍ以上必要である。
【００６３】
実施の形態４
図５Ａ及び図５Ｂは、各々第４の実施例である磁気抵抗効果センサ３５の断面図である。図５Ａは素子高さ方向に平行な断面図を、図５Ｂはトラック幅方向に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図５Ａ及び図５Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６４】
図５Ａ及び図５Ｂの磁気抵抗効果センサ３５が図２の磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁束ガイド１４がＴＭＲ膜１３の媒体面からその対向面に連続して伸びており、ＴＭＲ膜１３の自由層２６と磁束ガイド１４との間に中間層３６が形成されていることである。この場合、磁束ガイド１４と自由層２６は中間層３６を介して強磁性的あるいは反磁性的に結合されている。本例では、中間層３６には膜厚０．５ｎｍ〜１ｎｍのＲｕを用いた。
【００６５】
従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６６】
実施の形態５
図６Ａ及び図６Ｂは、各々第４の実施例である磁気抵抗効果センサ３７の断面図である。図６Ａは素子高さ方向に平行な断面図を、図６Ｂはトラック幅方向に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図６Ａ及び図６Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂに示した磁気抵抗効果センサ３７では、磁区制御膜１５の上部に磁束ガイド１４が積層されている。又、ＴＭＲ膜１３の媒体面からその対向面に連続して伸びて形成されている。ここで、磁束ガイド１４は磁区制御膜１５上に直接形成されてもよいし、結合を調整するための第１の中間層３８を介して形成されてもよい。
【００６８】
また、ＴＭＲ膜１３の自由層２６と磁束ガイド１４との間に第２の中間層３６を形成することも可能である。この場合、磁束ガイド１４と自由層２６は中間層３６を介して磁気的に結合されている。この構成では、磁区制御膜１５が磁束ガイド１４の磁区を制御することで、同時に自由層２６の磁区も制御出来る。
【００６９】
実施の形態６
図８は実施の形態６の磁気抵抗効果センサの斜視図である。
【００７０】
基板４０上に下地膜４１、保護膜４２、ＴＭＲ膜４３、第１の磁束ガイド４４、磁区制御膜４５、絶縁ギャップ膜４８、第２の磁束ガイド４９が形成されている。下地膜４１と第２の磁束ガイド４９は、それぞれ引き出し電極端子部５０を有している。この引き出し電極端子部５０はＴＭＲ膜４３の膜厚方向に電流を流すための電極を兼ねている。
【００７１】
磁気磁気抵抗効果センサの方位を、トラック幅方向１０１、素子高さ方向１０２、磁気ヘッド駆動方向１０３と定義すると、図中のＡ及びＢはそれぞれ、素子高さ方向１０２及びトラック幅方向１０１に平行な断面を示している。
【００７２】
図９Ａは、上記磁気抵抗効果センサ３９の素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図９Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。
【００７３】
本例では、基板４０上に下地膜４１が所定の形状に形成されている。下地膜４１上には、浮上面から離れた位置にＴＭＲ膜４３が配置されている。この例では、ＴＭＲ膜４３の端部に乗り上げないように保護膜４２が形成されている。ＴＭＲ膜４３の構成は図２に示すＴＭＲ膜１３と同じ構成である。
【００７４】
更に、第１の中間層４６、第１の磁束ガイド４４、第２の中間層４７及び磁区制御膜４５が下から順に形成され、ＴＭＲ膜４３の上に浮上面側から素子高さ方向１０２に連続して伸びて配置されている。 第１の磁束ガイド４４は媒体からの磁束をＴＭＲ膜４３に誘導する軟磁性膜であり、第１の中間層４６を介してＴＭＲ膜４３と磁気的に結合している。磁区制御膜４５は、磁束ガイド１４及びＴＭＲ膜の自由層２５の磁区の発生を抑制するために、バイアス磁界を加える強磁性膜であり、第２の中間層４７によってその大きさを変える。ＴＭＲ膜４３、磁束ガイド４４、磁区制御膜４５の上には、これらを囲むように絶縁ギャップ膜４８が配置されている。さらに絶縁ギャップ膜４８の上に、第２の磁束ガイド４９が配置されてる。第１の磁束ガイド４４と第２の磁束ガイド４９は、浮上面と反対側５１で接している。また、第２の磁束ガイド４９と下地膜４１はそれぞれ引き出し電極端子部５０を有しており、電気端子の接続により、電流の印加および再生出力の検出を行う。これらの電極端子部５０に電流を流すと、第２の磁束ガイド４９から接続部５１を通って第１の磁束ガイド４４、ＴＭＲ膜４３の膜厚方向にへ流れる。
【００７５】
次に各種の材料を説明する。
【００７６】
下地膜４１は、ＴＭＲ膜４３の特性が安定かつ高抵抗変化量となるよう、その表面は平滑かつ清浄面であることが望ましく、実施例１（図２）の下部ギャップ膜１２と同種の材料で形成される。この下地膜４１の膜厚は３〜３０ｎｍである。
【００７７】
第１及び第２の磁束ガイド４４、４９は電極を兼ねているので、低抵抗な軟磁性膜、例えばNiFe合金、CoNiFe合金、FeSiAl合金で形成される。膜厚は５〜２０ｎｍである。保護膜４２および絶縁ギャップ膜４８は、Al2O3、ＳｉO2、Al2O3・ＳｉO2で形成される。膜厚は耐圧を考えて少なくとも２０ｎｍ以上必要である。その他第１及び第２の中間層４６、４７、磁区制御膜４５、ＴＭＲ膜４３は、実施例１〜５で説明したものと同種の材料で形成される。
【００７８】
本実施例では、下側から順に下地膜４１、ＴＭＲ膜４３、第１の磁束ガイド４４、絶縁ギャップ膜４６、第２の磁束ガイドと積層されているが、逆に積層することも可能である。また、本実施例では、第２の磁束ガイド４９に電極端子部５０が配置されているが、第１の磁束ガイド４４に設けてもよい。さらに、本実施例のように第１及び第２の２つの磁束ガイドにより形成されている磁気抵抗効果センサでは、第１及び第２の磁束ガイドの両方を磁区制御してもよい。
【００７９】
本実施例では、磁区制御膜４５と磁束ガイド４４が積層された構造であるが、実施例１〜４で示された構造を実施例６に適用することもできる。
【００８０】
上記磁気抵抗効果センサ３９を用いて再生ヘッドを作製し、再生特性を測定した。その結果、良好で安定な再生出力が得られ、バルクハウゼンノイズなどのノイズや、ベースラインシフト等の波形歪みも見られなかった。なお再生信号の上下非対称性は５％程度であり，実用上問題にならないレベルであった。
【００８１】
実施の形態７
図７は本発明を適用した磁気抵抗効果センサ２０を備えた磁気ディスク装置の概略を表したものである。スピンドルモータ５４により高速回転する金属又はガラス円盤等の磁気ディスク５３の表面にはCoCrPt系合金膜からなる記録媒体が、例えばスパッタ法により堆積されている。この装置では、ディスクの回転にともなう空気流を受けて浮上するセラミックスのチップ（スライダ）５５上に形成された薄膜磁気ヘッドを用いて記録媒体上にディジタル信号を記録・再生することが出来る。薄膜磁気ヘッドの例はNiFe系合金の磁極とCuのコイルからなる誘導型記録ヘッドと、実施例１記載のヨーク型磁気ヘッドからなる。
【００８２】
さらに上記セラミックスのチップは可動式アームに取り付けられており、アームはボイス・コイル・モータを備えたアクチュエータ５６によって実質的に半径方向に移動できるようになっている。したがって薄膜磁気ヘッドはほぼディスク全面にアクセスすることが可能である。また，記録媒体上には記録信号の他にトラック位置を指定するサーボ信号があり，再生ヘッドが再生したサーボ信号をアクチュエータにフィードバックすることによってヘッドの位置決めを閉ループ制御で高精度におこなうことができる。また、再生信号やサーボ信号を処理したり機構系の制御をおこなうデータ信号記録・再生系５７及び電気回路系５８も備えている。本装置では、先に開示した薄膜磁気ヘッドを用いることにより、高い記録密度を達成することができた。その結果小型かつ大容量の装置を実現することができた。
【００８３】
また、ここではディスクを１枚持つ装置を開示したが、複数枚のディスクを持つ装置でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００８４】
【発明の効果】
本願発明により、トンネル磁気抵抗効果膜を用いたヨーク型の磁気抵抗効果センサにおいて、バルクハウゼンノイズを抑制し、安定性のある磁気抵抗効果センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の例に係る磁気抵抗効果センサの斜視図である。
【図２】図２Ａは本発明第１の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、図２Ｂは本発明第１の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図３】図３Ａは本発明第２の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図３Ｂは本発明第２の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図４】図４Ａは本発明第３の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図４Ｂは本発明第３の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図５】図５Ａは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図５Ｂは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図６】図６Ａは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図６Ｂは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図７】図７は本発明による磁気記録再生装置の構成を例示する図である。
【図８】図８は本発明による磁気抵抗効果センサの別な例の斜視図である。
【図９】図９Ａは本発明に係る別な例の磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図９Ｂは本発明に係る別な例の磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図１０】図１０は本発明による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】図１１は本発明の第１の例に係る磁気抵抗効果センサの平面図である。
【図１２】図１２は磁束ガイドと磁区制御層の配置の諸例を示す断面図である。
【図１３】図１３はＴＭＲの磁区制御の骨子を説明する断面図である。
【符号の説明】
１３、４３・・トンネル磁気抵抗効果膜、２５・・強磁性膜（自由層）、２４・・トンネル障壁層、２３・・強磁性膜（固定層）、２２・・反強磁性膜、２１、３４、４２・・下地膜、１０、４０・・基板、１１・・下部磁気シールド膜、１２・・下部ギャップ膜、１４、４４、４９・・磁束ガイド、１５、４５・・磁区制御膜、１６・・上部ギャップ膜、１７・・上部磁気シールド膜、１８、５０・・電極端子部、１９・・貫通穴、３１、３３・・絶縁膜、３６、３８、４６、４７・・中間層、４８・・絶縁ギャップ膜、４２・・保護膜、２０、３０、３２、３５、３７、３９・・磁気抵抗効果センサ、５２・・磁気記録再生装置、５３・・磁気ディスク、５４・・スピンドルモータ、５５・・スライダ、５６・・アクチュエータ、５７・・信号処理回路。
【発明の属する技術分野】
本願発明は磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関するものである。わけても、本願発明はトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド及びこれを用いた磁気記録再生装置に関するものである。本願発明の磁気記録再生装置は電子計算機及び情報処理装置に用いて有用である。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化に伴い、高感度な再生用磁気ヘッドが求められている。こうした用途に、現在その再生ヘッドとして異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用した磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が用いられている。このMRヘッドの感磁部の材料にはＮｉＦｅが用いられている。この材料の磁気抵抗変化率は約２％で、実現可能な記録密度は数Ｇｂ／ｉｎ2である。さらに、最近では巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用したスピンバルブ型磁気ヘッド（ＧＭＲヘッド）も製品に用いられ始めた。このＧＭＲヘッドは、２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ構造を有している。この構造では一方の強磁性層の磁化を固定させて２つの強磁性層の磁化方向のなす角度によって高い磁気抵抗変化率が得られる。ＧＭＲヘッドの抵抗変化率は約４〜５％で、数十Ｇｂ／ｉｎ2クラスの記録も可能となった。しかし、今後更に記録密度を向上させるには、より大きな磁気抵抗変化率を有する磁気ヘッドが必要となる。
【０００３】
このような高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果センサとして、２つの強磁性層の間にトンネル障壁層が挟まれたトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ）が注目されている。このトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果膜は高密度記録を実現する上で好適と目されている。このＴＭＲではＦｅ膜の間にＡｌ酸化膜が挟まれた構造で、室温で約１８％の大きな抵抗変化率が得られたと報告されている。この報告としては、例えば、ジャーナル オヴ マグネティズム アンド マグネティック マテリアルズ（第１３９巻、２３１頁、１９９５年）を挙げることが出来る。また、特開平４−１０３０１４号公報には、一方の強磁性層に反強磁性層を接して強磁性層の磁化方向を固定させた、スピンバルブタイプのＴＭＲを開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、トンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果センサにおいて、バルクハウゼンノイズを抑制し、安定性のある磁気抵抗効果センサを提供することにある。以下、その背景を説明する。
【０００５】
ＴＭＲの場合、従来知られている磁気抵抗効果素子が磁性膜の膜面内方向に電流を流すのに対して、膜厚方向に電流を流す構成を有している。この構成の実現には、従来とは異なる磁気ヘッド構造が必要になると考えられる。その反面ＴＭＲは、磁気的には、従来開発されているスピンバルブ構造と類似した２つの強磁性層を有しており、これらの強磁性層の磁気的制御は当然必要とされる。さらに、膜厚方向に電流が流れるために、素子の大きさで素子抵抗が決定されてしまう。
【０００６】
例えば、従来の磁気抵抗効果素子と同様のハードバイアス構造では、磁区制御のための硬磁性膜を素子の周囲に配置する。この為、ＴＭＲでこの構造を用いた場合には、硬磁性膜に電流がリークしてしまい、ＴＭＲの感磁部に正確に電流を印加することが難しくなる。また、ＴＭＲの感磁部には極薄のトンネル障壁層が露出する事になる。従って、対向面の加工において２つの強磁性層との短絡を防ぐために、極めて困難な加工技術が要求される。さらに、トラック幅が０．５μｍ程度になってくると、素子の抵抗は数１００〜数ｋΩと桁違いに大きくなってしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した従来の諸問題を解決するためには、従来の対向面に露出した構造ではなく、対向面から引っ込めた構造とする事が有効である。しかしながらその場合、ＴＭＲの感磁部の強磁性層に加えて、ＴＭＲに媒体対向面から磁束を導くための磁束ガイドの磁気的制御も当然必要となってくる。本願発明はこの問題を併せて解決するものである。
【０００８】
本願発明の第１の形態で、基本となる形態は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを有し、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であり、且つ前記トンネル型磁気抵抗効果膜の自由層及び前記磁束ガイド双方の磁区を併せ制御が可能なる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【０００９】
本願発明の代表例は、前記トンネル磁気抵抗効果膜の自由層及び前記磁束ガイドの磁区を制御するために、前記自由層及び前記磁束ガイドにバイアスをかけるための磁区制御層を同一平面内に備えた形態である。
【００１０】
本願発明の別な例は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを備えた磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されており、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御が可能な磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の諸形態を説明するに先だって、本願発明の主な諸形態の概要を列挙する。
【００１２】
本願発明の第１の形態で、基本となる形態は前述した。
【００１３】
磁気抵抗効果センサの構成には、磁束ガイドの磁区制御を行う方法に大きく分けて２つの方法に大別される。それらは、いわゆるハード・バイアス構造と積層構造とである。しかし、本願発明がいずれの構造の磁気抵抗効果センサの場合にも適用出来ることは言うまでもない。
【００１４】
本願発明の前提となるこれらの構造はこれまで知られたものであるが、簡潔にそれらの特徴を説明する。ハード・バイアス構造では、当該磁束ガイドの両端に磁区制御層を配置する方法、いわゆる磁束ガイド（ヨーク：ｙｏｋｅ）と磁区制御層とが同じ面内に配置されている。この場合の磁区制御層は高抵抗を有する材料で構成される。従って、電流は所定の限られた領域にのみ流れる、即ち、所定のトンネル型磁気抵抗効果膜のみの領域に流れることとなる。他方、積層構造では、磁束ガイドと磁区制御層とが積層されている。この場合、磁束ガイドに磁区制御層を直接積層する方法、あるいは磁束ガイドに磁区制御層を中間層を介して積層する方法などがある。直接積層する場合、磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、磁化の方向が平行に向いている。更に、磁束ガイドに磁区制御層を中間層を介して積層する場合、その中間層の設け方によって、２つの状態に分けられる。その第１は、磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、磁化の方向が平行に向いている場合である。この構造は前記の積層型と類似するものである。あるいは、前記の積層型の一変形と言うことが出来る。第２は磁束ガイドと磁区制御層との端部で静磁結合している場合である。従って、この場合には、磁束ガイドと磁区制御層との各々の面内磁化の方向は反平行となっている。このように、前記積層構造の第１と第２の形態では、磁束ガイドと磁区制御層との磁化の方向の決定のされ方が異なっている。
【００１５】
本願発明の骨子は、これらの諸構造によらず、磁束ガイドの磁区を制御することと、磁気抵抗効果膜の自由層をも併せて磁区制御を行う点にある。以下、その概念を説明する。
【００１６】
図１２は上述の各種形態を説明する概念図であり、磁束ガイドと磁区制御層の配置の諸例を示す断面を示している。断面は磁気抵抗素子の幅方向の断面である。図１２は３つの代表的な形態の概念を示している。図１２の（ａ）は磁束ガイドの両端に磁区制御層を配置する方法である。いわゆる磁束ガイド１００の磁区制御層１０１とが同じ面内に配置されている。図１２の（ｂ）は磁束ガイド１００と磁区制御層１０１とが積層されている例である。この場合、極めて薄い中間層を磁束ガイド１００と磁区制御層１０１との間に挿入する場合もある。これらの例では、上述のように磁束ガイドと磁区制御層とが強磁性的に層間結合して、双方の磁化の方向１０４、１０５とが平行に向いている。一方、図１２の（ｃ）は磁束ガイド１００と中間層１０８、磁区制御層１０１とが積層された例である。磁束ガイドと磁区制御層との端部１０２、１０３で静磁結合している場合である。この場合には、磁束ガイドと磁区制御層との各々の面内磁化の方向１０６、１０７は反平行となっている。
【００１７】
一方、図１３はＴＭＲの磁区制御の骨子を説明するための断面図である。これらの関係においても、磁束ガイド１００とＴＭＲ膜１１０とが直接積層されている場合（図１３の（ａ））と、これらの間に中間層１１１が挿入されている場合（図１３の（ｂ））がある。しかし、いずれの場合も磁束ガイド１００とＴＭＲ膜１１０との磁気的結合が存在する。従って、磁束ガイド１００の磁区を制御することで、ＴＭＲ膜中の自由層の磁区が制御される。こうして本願発明では、磁束ガイドの磁区をその磁区制御膜によって制御することで、ＴＭＲ膜中の自由層の磁区が併せて制御される。
【００１８】
以上の一般的説明を踏まえ、本願発明の更なる主な諸形態を列挙する。 本願発明の第２の形態は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを有し、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜の自由層にバイアス磁界を印加するための磁区制御層と、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が同一平面内に形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。この第２の形態は、磁束ガイドの両端に磁区制御層が配置された方法である。
【００１９】
第３の形態はより実際的なものである。即ち、この場合の磁気抵抗効果センサでは、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁気抵抗効果膜と磁束ガイドのトラック幅方向の両端部に磁区制御層が形成されている。
【００２０】
第４の形態は、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側とその対向面側とに分離されている例である。
【００２１】
第５の形態は、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側から対向面まで連続して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２２】
第６の形態は、前記磁束ガイドと前期磁気抵抗効果膜の自由層との間に中間層が配置されており、前記磁束ガイドと前記自由層とが中間層を介して磁気的に結合されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２３】
第７の形態は、前記磁束ガイドが高抵抗軟磁性層からなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２４】
第８の形態は、前記磁気抵抗抵抗効果膜と前記磁束ガイドが絶縁層を介して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２５】
第９の形態は、前記磁区制御層が前記磁気抵抗効果膜及び前記磁束ガイドに渡って形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２６】
第１０形態は、前記磁区制御層が絶縁層を介して前記磁気抵抗効果膜及び前記磁束ガイドに渡って形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２７】
第１１の形態は、前記磁区制御層が酸化物化合物を有してなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２８】
第１２の形態は、既に触れた積層構造の形態の例である。この例の骨子は、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されている。この場合、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御されるのである。より具体的に構造を示せば、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、記録媒体面からの磁束を前記磁気抵抗効果膜に導くための磁束ガイドを備えた磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁気抵抗効果膜は強磁性層を含む自由層と、トンネル障壁層と、強磁性層を含む固定層と、前記固定層の磁化を固定する反強磁性層とを備えたトンネル型磁気抵抗効果膜であって、前記磁気抵抗効果膜が媒体面に露出しない位置に形成され、媒体面からとその対向面に伸びている前記磁束ガイドに接し、前記磁束ガイドにバイアス磁界を印加するための磁区制御層が積層されており、前記磁束ガイドを磁区制御することによって前記自由層も同時に磁区制御が可能な磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００２９】
第１３の形態は、前記第第１２の形態の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドと磁気抵抗効果膜とが中間層を介して磁気的に結合している磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３０】
第１４の形態は、前記第１２及び第１３の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドと磁区制御層とが中間層を介して積層されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３１】
上記の構造においては、前記磁束ガイドと磁区制御層とが磁気的に結合されている。従って、磁区制御層が磁束ガイドの磁区を制御することによって、併せて磁気抵抗効果膜の自由層の磁区を制御するものである。
【００３２】
第１５の形態は、前記第１２から第１４の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側とその対向面側とに分離されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。本例はより実際的な形態である。
【００３３】
第１６の形態は、前記第１２から第１４に記載の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側から対向面まで連続して形成されている磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３４】
第１７の形態は、前記第１２から第１６の磁気抵抗効果センサにおいて、前記磁束ガイドが高抵抗軟磁性層を有してなる磁気抵抗効果センサを有することを特徴とする磁気ヘッドである。
【００３５】
これまで列挙してきた各種磁気抵抗効果センサを再生素子として用いて、記録再生ヘッドを構成することが出来る。更に、こうした記録再生ヘッドを搭載して、磁気記録再生装置を構成することが出来る。これらの記録再生ヘッドあるいは磁気記録再生装置は、十分信号ノイズが小さい。従って、本願発明に係る記録再生ヘッドあるいは磁気再生記録装置は極めて安定した記録再生特性を得ることが出来る。
【００３６】
磁気抵抗型再生ヘッド自体の基本構成は通例のもので十分である。即ち、その代表的形態は、磁性体からなる下部磁気シールド、下部層間絶縁膜、磁気抵抗効果により磁界を検出する磁気抵抗型素子及び上部層間絶縁膜及び磁性体からなる上部磁気シールドが、基板上に形成されている。
【００３７】
図１０に本願発明の係る磁気記録再生ヘッドの主要部の斜視図を示す。図１０の例に即して述べれば、磁気ディスク５３摺動面に対向して磁気記録再生ヘッドが配される。尚、図中の６４は磁気ディスクの記録媒体での磁気記録の状態をモデルとして示す。スライダ６１は基板を構成し、この上部に磁気抵抗効果素子が配置される。即ち、下部磁気シールド６５に磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）１３が搭載される。そして、絶縁膜６７を介して、下部磁気コア６６が配される。再生ヘッド１３は第１のシ−ルド６７と第２のシ−ルド膜６５の間に挟まれており、周囲からの漏洩磁界を遮断して、目標直下の情報のみを再生しやすくした構造となっている。尚、この下部磁気コア６６は上部磁気シールドならびに電極を兼ねた役割を有している。更に、励磁コイル６３を挟んで上部磁気コア（記録ヘッド）６２が配される。第１の磁極６６、絶縁膜、および第２の磁極（記録磁極）６２が積層された一方の面が摺動面を構成する。前記の絶縁膜が記録ギャップを構成する。
【００３８】
図７に本願発明の係る磁気記録再生装置の例の概略説明図を示す。情報が記録された磁気ディスク５３がスピンドル・モータ５４によって回転させられる。この磁気ディスク５３の摺動面に対向してスライダ５５が配される。このスライダ５５に磁気記録再生部が内蔵されている。そして、この磁気記録再生部等は信号処理部５７によって制御されている。信号処理部５７には例えばデータ再生及び復号系あるいは機構制御系等の電気制御系等が納められている。機構制御系やスライダ等はアクチュエータ５６に接続されている。尚、こうした磁気記録再生装置の信号処理、回転制御等の電気系は基本的に従来の技術を用いて十分である。ここではその詳細な説明は省略する。
【００３９】
実施の形態１
図１は第１の実施例である磁気抵抗効果センサ２０の主要部の斜視図である。図１に示すように、基板１０上に、下部磁気シールド膜１１、下部ギャップ膜１２、トンネル磁気抵抗効果膜（以下、この膜をＴＭＲ膜（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｌａｙｅｒ）と称す）１３、磁束ガイド１４、磁区制御膜１５、上部ギャップ膜１６、及び上部磁気シールド膜兼下部磁気コア１７が順次形成される。通例、図に示されるように、上部磁気シールド膜１７及び下部磁気シールド膜１１は、それぞれ引き出し電極端子部１８を有しており、ＴＭＲ膜１３の膜厚方向に電流を流すための電極を兼ねている。この磁気抵抗効果センサの断面の詳細は図２Ａおよび図２Ｂに示される。
【００４０】
磁気抵抗効果センサの方位を、トラック幅方向１０１、素子高さ方向１０２、磁気ヘッド駆動方向１０３と定義すると、図中の線Ａ及び線Ｂでの断面はそれぞれ、素子高さ方向１０２及びトラック幅方向１０１に平行な断面を示している。図２Ａは上記磁気抵抗効果センサ２０の素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図２Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。図１１は磁気抵抗効果センサ２０の平面図である。 基板１０上に下部磁気シールド膜１１、下部ギャップ膜１２が所望の形状に形成されている。下部ギャップ膜１２上の一部には、浮上面から離れた位置にＴＭＲ膜１３が配置されている。そして、このＴＭＲ膜１３の端部に乗り上げて１組の磁束ガイド１４が、浮上面側から素子高さ方向（１０２）に伸びて配置されている。
磁束ガイド１４は媒体からの磁束をＴＭＲ膜１３に誘導する軟磁性膜である。
このＴＭＲ膜１３は、具体的には例えば、下側から順に下地膜２１、反強磁性膜２２、第１の強磁性膜（固定層と称する）２３、トンネル障壁層２４、第２の強磁性膜（自由層と称する）２５を有して構成されている。自由層２５と固定層２３の面内磁化は、外部磁界が印加されていない状態でお互いに対して９０度傾いた方向に向けられている。固定層２３は反強磁性膜２２によって、好ましい方向に磁化が固定されている。この面内磁化が固定されているという意味で、前記第１の強磁性膜２３は固定層と称される。一方、媒体から磁束ガイド１４を通る磁界により、自由層２５の磁化は自由に回転する。そして、この磁化の回転により抵抗変化が生じて、当該素子の出力が発生する。この面内磁化が自由に回転するという意味で、前記第２の強磁性膜２５は自由層と称される。
【００４１】
図１１に見られるように、ＴＭＲ膜１３の摺動方向に沿った両側部には磁区制御膜１５が、ＴＭＲ膜１３の摺動面２００に交差する方向の両側部には磁束ガイド１４が配置されている。
【００４２】
本実施の形態では、ＴＭＲ膜１３に流れる電流が磁束ガイド１４及び磁区制御膜１５にリークしないために、いずれもＴＭＲ膜１３よりも高抵抗でなければならない。
【００４３】
図２Ｂに示されるように、ＴＭＲ膜１３と磁束ガイド１４とのトラック幅方向１０１の両脇には、両端部に乗り上げるようにそれぞれ磁区制御膜１５が配置されている。磁区制御膜１５は、磁束ガイド１４及び自由層２５の磁区の発生を抑制するために、バイアス磁界を加える強磁性膜である。
【００４４】
ＴＭＲ膜１３、及びこれに一部重畳されて形成されている磁束ガイド１４、及び磁区制御膜１５の上には、上部ギャップ膜１６、及び上部磁気シールド膜１７が形成されている。前記上部ギャップ膜１６は、貫通孔１９の部分でのみＴＭＲ膜１３と接している。この貫通孔１９の両側は前記磁束ガイド１４、及び前記磁区制御膜１５で構成されている。前記下部磁気シールド膜１１及び上部磁気シールド膜１７は、それぞれ引き出し電極端子部１８を有している。この電気端子の接続により、電流の印加および再生出力の検出を行う。電極端子部１８に電流を流すと、電流は貫通孔１９をとおってＴＭＲ膜１３にのみ流れる。
【００４５】
次に各種の材料の例を具体的に説明する。
【００４６】
下部磁気シールド膜１１自体は通例の材料を用いて十分であるが、これに適した材料をかかげれば、CoNbZr等のCo系非晶質合金、NiFe合金、FeAlSi合金あるいはCoNiFe合金などをあげることが出来る。下部磁気シールド膜１１の膜厚は概ね１〜５μmである。上部磁気シールド膜１７自体は通例の材料を用いて十分であるが、これに適した材料をかかげれば、NiFe合金やCoNiFe合金の他、強磁性膜と酸化物との多層膜や、BやPなどの半金属を含む強磁性合金膜などをあげることが出来る。この上部磁気シールド膜１７は記録磁気ヘッドの下部コアを兼用することが出来る。
【００４７】
下部ギャップ膜１２は、ＴＭＲ膜１３の下地膜となるので、ＴＭＲ膜１３の特性が安定かつ高抵抗変化量となるよう、その表面は平滑かつ清浄面であることが望ましい。下部ギャップ膜１２に適した材料をかかげれば、例えば、Ta、Nb、Ru、Mo、Pt、Ir、あるいはこれらの元素を含む合金、またはW、Cu、Alとの合金、さらに異なる元素からなる多層構造、などをあげることが出来る。前記異なる元素からなる多層構造の一例は、例えばTa／Pt／Ta、Ta／Cu／Taである。前記各種元素の積層を用いることが出来ることは言うまでもない。
【００４８】
また下部ギャップ膜１２として、前記列挙した元素、例えば、Ta、Nb、Ru、Mo、Pt、Ir、あるいはこれらの元素を含む合金、またはW、Cu、Alとの合金、さらに異なる元素からなる多層構造と、強磁性材料との積層構造を用いることも出来る。この例は例えばTa／NiFeである。この下部ギャップ膜１２の膜厚は概ね３ｎｍ〜３０ｎｍである。通例、下部磁気シールド膜１１と上部磁気シールド膜１７の間隔によって、この下部ギャップ膜１２の膜厚は所望に設定される。上部ギャップ膜１６は、上記下部ギャップ膜１２と同種の材料か、或いはAu、Alなどで形成される。 下地膜２１は反強磁性膜２２の結合磁界を大きくするためのものである。下地膜２１に適した材料の例をかかげれば、Ta、NiFeあるいはこれらの積層膜Ｔａ／ＮｉＦｅなどをあげることが出来る。
【００４９】
反強磁性膜２２に適した材料の例をかかげれば、MnIr、MnPt、FeMn、CrMn系合金、MnPtPd、NiMn系合金などをあげることが出来る。
【００５０】
固定層２３及び自由層２５は、NiFe合金、Co合金、CoFe合金、CoNiFe合金のいずれかの強磁性からなる単層構造か、もしくは上記強磁性膜の多層構造、などで形成される。前記強磁性膜の多層構造は複数層、例えば２層あるいは３層などを用いることが出来る。前記強磁性膜の多層構造の例は例えばCoFe／NiFe、あるいはCoFe／NiFe／CoFeなどである。又、前記強磁性膜の多層構造として、強磁性膜と非磁性層との積層構造をも用いることが出来る。強磁性膜と非磁性層との積層構造の例は、例えばCo／Ru／Co、CoFe／Ru／CoFeなどである。これら強磁性膜の諸多層構造は界面での拡散防止、異方性分散の抑制のために有効である。下地膜２１の膜厚は概ね３ｎｍ〜１０ｎｍ、反強磁性膜２２は概ね２ｎｍ〜２５ｎｍ、固定層２３及び自由層２５は概ね１ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００５１】
トンネル障壁層２４の例は、各種絶縁物層、例えば、酸化物層、或いは窒化物層、これらの諸材料の積層膜等を用いることが出来る。トンネル障壁層２４の例をかかげれば、例えばＡｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｏ等の単層膜あるいはこれらの材料の積層膜等で強磁性膜を挟んだ積層構造をあげることが出来る。この積層構造の具体例は、例えばＡｌ−Ｏ／Ｃｏ／Ａｌ−Ｏである。これらの諸酸化物の作製方法は、直接形成してもよいし、酸素雰囲気中あるいはプラズマにより酸化させてもよい。例えば、その一例は金属膜、例えばＡｌ膜を形成し酸化させるのである。トンネル障壁層２４の膜厚は概ね０.５ｎｍ〜３.０ｎｍと極薄である。
磁束ガイド１４は上部ギャップ膜１６から流れる電流が下部ギャップ膜１２にリークしないようにする領域である。磁束ガイド１４に適した材料をかかげれば、高抵抗な軟磁性膜、例えば強磁性材と絶縁材との多層構造をあげることが出来る。強磁性材と絶縁材との多層構造の例をあげれば、CoFe／Al2O3／CoFe、あるいはCoFe／SiO2／CoFeなどをあげることが出来る。磁束ガイド１４の膜厚は概ね５ｎｍ〜１５ｎｍとする。前記高抵抗な軟磁性膜の例を掲げれば、ＭｎＺｎＦｅ2Ｏ3、ＮｉＺｎＦｅ2Ｏ3、ＦｅＳｉＯ、ＣｏＡｌＯなどである。更にはこれらの積層膜をも用いることが出来る。
【００５２】
磁区制御膜１５も上記磁束ガイド１４と同様、上部ギャップ１６から流れる電流が下部ギャップ膜１２にリークしないようににする領域である。磁束ガイド１４に適した材料をかかげれば、高抵抗の材料、例えばFe2O3、Fe3O4、NiO、CoOなどをあげることが出来る。磁束ガイド１４の膜厚は概ね１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
【００５３】
次に上記磁気抵抗効果センサ２０の作製方法を説明する。
【００５４】
まず、基板１０上にスパッタリング法あるいはメッキ法により下部磁気シールド膜１１を形成した後、下部ギャップ膜１２をスパッタリング法で形成する。下部ギャップ膜１２の表面をイオンクリーニングした後、スパッタリング法でＴＭＲ膜１３の下地膜２１、反強磁性膜２２、固定層２３、及びトンネル障壁層１４を形成するための膜を順に連続で形成する。その後、真空を破らずに数十Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中で数十分自然酸化させて、トンネル障壁層２４を作製する。さらに、この上部に、自由層２５を形成する。こうして、本願発明に係わるＴＭＲ膜１３が形成される。
【００５５】
その後、前記ＴＭＲ膜の上部にレジスト膜を所望形状に形成し、次いでイオンミリングによりＴＭＲ膜１３を所定の形状に加工する。ＴＭＲ膜１３の表面を軽くイオンクリーニングした後、レジストを剥がさずに磁束ガイド１４をスパッタリング法あるいはメッキ法で形成し、レジストを除去する。この工程、即ち、いわゆるリフトオフ法によって、所望形状のＴＭＲ膜１３および磁束ガイド１４用の膜が形成される。さらにＴＭＲ膜１３及び磁束ガイド１４上にレジストを所定の形状に形成し、磁区制御膜１５をスパッタリング法で加工し、レジストをリフトオフする。上部ギャップ膜１６をスパッタリング法あるいは蒸着法により形成する。最後に上部磁気シールド膜１７をスパッタリング法或いはメッキ法により形成して、図２に示すような磁気抵抗効果センサ２０が完成する。
【００５６】
また、本実施例では、ＴＭＲ膜１３は下側から順に下地膜２１、反強磁性膜２２、第１の強磁性膜（固定層）２３、トンネル障壁層２４、第２の強磁性膜（自由層）２５と積層されている。しかし、このＴＭＲ膜は、下側から第２の強磁性層（自由層）２５、トンネル障壁層２４、第１の強磁性層（固定層）２３、反強磁性層２２と反対に積層することも可能である。ただしこの場合、下地層２１は自由層２５の磁気特性を向上するための目的で形成される。また、磁束ガイド１４は自由層２５に隣接させなければならないため、ＴＭＲ膜１３の下側に形成する。
【００５７】
上記磁気抵抗効果センサ２０を用いて再生ヘッドを作製し、再生特性を測定した。その結果、良好で安定な再生出力が得られ、バルクハウゼンノイズなどのノイズや、ベースラインシフト等の波形歪みも見られなかった。なお再生信号の上下非対称性は±５％程度であり，実用上問題にならないレベルであった。
【００５８】
実施の形態２
図３Ａ及び図３Ｂは、各々第２の実施例である磁気抵抗効果センサ３０の断面図である。図３Ａは素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図３Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図３Ａ及び図３Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００５９】
図３Ａ及び図３Ｂの磁気抵抗効果センサ３０が、図２Ａ及び図２Ｂの磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁束ガイド１４の上下あるいはどちらか一方に絶縁膜３１が形成されていることである。従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６０】
このような構造では、磁束ガイド１４を通して上部ギャップ膜１６から下部ギャップ膜１２への電流のリークが防止することが出来る。この為、本例においては、磁束ガイド１４は、必ずしも高抵抗の材料で形成される必要はない。したがって、磁束ガイド１４として、NiFe合金、CoNiFe合金、FeSiAl合金などの金属、合金材料を用いることもできる。絶縁膜３１の材料として、Al2O3、SiO2、あるいはAl2O3とSiO2の混合体などが好適な材料である。絶縁膜３１の膜厚は耐圧を考えて少なくとも１０ｎｍ以上必要である。
実施の形態３
図４Ａ及び図４Ｂは、各々第２の実施例である磁気抵抗効果センサ３０の断面図である。図４Ａは素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図４Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図４Ａ及び図４Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６１】
図４Ａ及び図４Ｂの磁気抵抗効果センサ３２が図２の磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁区制御膜１５の上下あるいはどちらか一方に絶縁膜３３が形成されていることである。従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６２】
このような構造では、磁区制御膜１５を通して上部ギャップ膜１６から下部ギャップ膜１２への電流のリークが防止することが出来る。この為、本例においては、磁区制御膜１５は、必ずしも高抵抗の材料で形成される必要はない。磁区制御膜１５の材料として、MnIr、MnPt、FeMn、CrMn系合金、MnPtPd、NiMn系合金等の反強磁性材料か、あるいはCoCrPt合金等の硬磁性材料などを用いることができる。この場合、これらの結合磁界及び保持力を大きくするために磁区制御膜１５の下に下地膜３４を形成してもよい。下地膜３４にはTa、Nb、Ru、Hf、NiFe、Crまたこれらの積層構造、例えばTa／NiFeを用いる。絶縁膜３３の材料はAl2O3、SiO2、あるいはAl2O3とSiO2の混合体などが好適な材料である。下地膜３４の膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ、絶縁膜３３の膜厚は耐圧を考えて少なくとも１０ｎｍ以上必要である。
【００６３】
実施の形態４
図５Ａ及び図５Ｂは、各々第４の実施例である磁気抵抗効果センサ３５の断面図である。図５Ａは素子高さ方向に平行な断面図を、図５Ｂはトラック幅方向に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図５Ａ及び図５Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６４】
図５Ａ及び図５Ｂの磁気抵抗効果センサ３５が図２の磁気抵抗効果センサ２０と異なるのは、磁束ガイド１４がＴＭＲ膜１３の媒体面からその対向面に連続して伸びており、ＴＭＲ膜１３の自由層２６と磁束ガイド１４との間に中間層３６が形成されていることである。この場合、磁束ガイド１４と自由層２６は中間層３６を介して強磁性的あるいは反磁性的に結合されている。本例では、中間層３６には膜厚０．５ｎｍ〜１ｎｍのＲｕを用いた。
【００６５】
従って、以下の説明では、異なる諸点のみ説明し、他の部材の説明は省略する。その他の構造、材料選択などは実施の形態１に述べたものと同様に構成して十分である。
【００６６】
実施の形態５
図６Ａ及び図６Ｂは、各々第４の実施例である磁気抵抗効果センサ３７の断面図である。図６Ａは素子高さ方向に平行な断面図を、図６Ｂはトラック幅方向に平行な断面図を示す。これらの断面図は、図１に磁気抵抗効果センサの断面の切り方を示したものと同様である。図６Ａ及び図６Ｂの構成において、図２Ａ及び図２Ｂと同じ層及び膜については同じ記号を付している。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂに示した磁気抵抗効果センサ３７では、磁区制御膜１５の上部に磁束ガイド１４が積層されている。又、ＴＭＲ膜１３の媒体面からその対向面に連続して伸びて形成されている。ここで、磁束ガイド１４は磁区制御膜１５上に直接形成されてもよいし、結合を調整するための第１の中間層３８を介して形成されてもよい。
【００６８】
また、ＴＭＲ膜１３の自由層２６と磁束ガイド１４との間に第２の中間層３６を形成することも可能である。この場合、磁束ガイド１４と自由層２６は中間層３６を介して磁気的に結合されている。この構成では、磁区制御膜１５が磁束ガイド１４の磁区を制御することで、同時に自由層２６の磁区も制御出来る。
【００６９】
実施の形態６
図８は実施の形態６の磁気抵抗効果センサの斜視図である。
【００７０】
基板４０上に下地膜４１、保護膜４２、ＴＭＲ膜４３、第１の磁束ガイド４４、磁区制御膜４５、絶縁ギャップ膜４８、第２の磁束ガイド４９が形成されている。下地膜４１と第２の磁束ガイド４９は、それぞれ引き出し電極端子部５０を有している。この引き出し電極端子部５０はＴＭＲ膜４３の膜厚方向に電流を流すための電極を兼ねている。
【００７１】
磁気磁気抵抗効果センサの方位を、トラック幅方向１０１、素子高さ方向１０２、磁気ヘッド駆動方向１０３と定義すると、図中のＡ及びＢはそれぞれ、素子高さ方向１０２及びトラック幅方向１０１に平行な断面を示している。
【００７２】
図９Ａは、上記磁気抵抗効果センサ３９の素子高さ方向１０２に平行な断面図を、図９Ｂはトラック幅方向１０１に平行な断面図を示す。
【００７３】
本例では、基板４０上に下地膜４１が所定の形状に形成されている。下地膜４１上には、浮上面から離れた位置にＴＭＲ膜４３が配置されている。この例では、ＴＭＲ膜４３の端部に乗り上げないように保護膜４２が形成されている。ＴＭＲ膜４３の構成は図２に示すＴＭＲ膜１３と同じ構成である。
【００７４】
更に、第１の中間層４６、第１の磁束ガイド４４、第２の中間層４７及び磁区制御膜４５が下から順に形成され、ＴＭＲ膜４３の上に浮上面側から素子高さ方向１０２に連続して伸びて配置されている。 第１の磁束ガイド４４は媒体からの磁束をＴＭＲ膜４３に誘導する軟磁性膜であり、第１の中間層４６を介してＴＭＲ膜４３と磁気的に結合している。磁区制御膜４５は、磁束ガイド１４及びＴＭＲ膜の自由層２５の磁区の発生を抑制するために、バイアス磁界を加える強磁性膜であり、第２の中間層４７によってその大きさを変える。ＴＭＲ膜４３、磁束ガイド４４、磁区制御膜４５の上には、これらを囲むように絶縁ギャップ膜４８が配置されている。さらに絶縁ギャップ膜４８の上に、第２の磁束ガイド４９が配置されてる。第１の磁束ガイド４４と第２の磁束ガイド４９は、浮上面と反対側５１で接している。また、第２の磁束ガイド４９と下地膜４１はそれぞれ引き出し電極端子部５０を有しており、電気端子の接続により、電流の印加および再生出力の検出を行う。これらの電極端子部５０に電流を流すと、第２の磁束ガイド４９から接続部５１を通って第１の磁束ガイド４４、ＴＭＲ膜４３の膜厚方向にへ流れる。
【００７５】
次に各種の材料を説明する。
【００７６】
下地膜４１は、ＴＭＲ膜４３の特性が安定かつ高抵抗変化量となるよう、その表面は平滑かつ清浄面であることが望ましく、実施例１（図２）の下部ギャップ膜１２と同種の材料で形成される。この下地膜４１の膜厚は３〜３０ｎｍである。
【００７７】
第１及び第２の磁束ガイド４４、４９は電極を兼ねているので、低抵抗な軟磁性膜、例えばNiFe合金、CoNiFe合金、FeSiAl合金で形成される。膜厚は５〜２０ｎｍである。保護膜４２および絶縁ギャップ膜４８は、Al2O3、ＳｉO2、Al2O3・ＳｉO2で形成される。膜厚は耐圧を考えて少なくとも２０ｎｍ以上必要である。その他第１及び第２の中間層４６、４７、磁区制御膜４５、ＴＭＲ膜４３は、実施例１〜５で説明したものと同種の材料で形成される。
【００７８】
本実施例では、下側から順に下地膜４１、ＴＭＲ膜４３、第１の磁束ガイド４４、絶縁ギャップ膜４６、第２の磁束ガイドと積層されているが、逆に積層することも可能である。また、本実施例では、第２の磁束ガイド４９に電極端子部５０が配置されているが、第１の磁束ガイド４４に設けてもよい。さらに、本実施例のように第１及び第２の２つの磁束ガイドにより形成されている磁気抵抗効果センサでは、第１及び第２の磁束ガイドの両方を磁区制御してもよい。
【００７９】
本実施例では、磁区制御膜４５と磁束ガイド４４が積層された構造であるが、実施例１〜４で示された構造を実施例６に適用することもできる。
【００８０】
上記磁気抵抗効果センサ３９を用いて再生ヘッドを作製し、再生特性を測定した。その結果、良好で安定な再生出力が得られ、バルクハウゼンノイズなどのノイズや、ベースラインシフト等の波形歪みも見られなかった。なお再生信号の上下非対称性は５％程度であり，実用上問題にならないレベルであった。
【００８１】
実施の形態７
図７は本発明を適用した磁気抵抗効果センサ２０を備えた磁気ディスク装置の概略を表したものである。スピンドルモータ５４により高速回転する金属又はガラス円盤等の磁気ディスク５３の表面にはCoCrPt系合金膜からなる記録媒体が、例えばスパッタ法により堆積されている。この装置では、ディスクの回転にともなう空気流を受けて浮上するセラミックスのチップ（スライダ）５５上に形成された薄膜磁気ヘッドを用いて記録媒体上にディジタル信号を記録・再生することが出来る。薄膜磁気ヘッドの例はNiFe系合金の磁極とCuのコイルからなる誘導型記録ヘッドと、実施例１記載のヨーク型磁気ヘッドからなる。
【００８２】
さらに上記セラミックスのチップは可動式アームに取り付けられており、アームはボイス・コイル・モータを備えたアクチュエータ５６によって実質的に半径方向に移動できるようになっている。したがって薄膜磁気ヘッドはほぼディスク全面にアクセスすることが可能である。また，記録媒体上には記録信号の他にトラック位置を指定するサーボ信号があり，再生ヘッドが再生したサーボ信号をアクチュエータにフィードバックすることによってヘッドの位置決めを閉ループ制御で高精度におこなうことができる。また、再生信号やサーボ信号を処理したり機構系の制御をおこなうデータ信号記録・再生系５７及び電気回路系５８も備えている。本装置では、先に開示した薄膜磁気ヘッドを用いることにより、高い記録密度を達成することができた。その結果小型かつ大容量の装置を実現することができた。
【００８３】
また、ここではディスクを１枚持つ装置を開示したが、複数枚のディスクを持つ装置でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００８４】
【発明の効果】
本願発明により、トンネル磁気抵抗効果膜を用いたヨーク型の磁気抵抗効果センサにおいて、バルクハウゼンノイズを抑制し、安定性のある磁気抵抗効果センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の例に係る磁気抵抗効果センサの斜視図である。
【図２】図２Ａは本発明第１の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、図２Ｂは本発明第１の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図３】図３Ａは本発明第２の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図３Ｂは本発明第２の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図４】図４Ａは本発明第３の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図４Ｂは本発明第３の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図５】図５Ａは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図５Ｂは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図６】図６Ａは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図６Ｂは本発明第４の例に係る磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図７】図７は本発明による磁気記録再生装置の構成を例示する図である。
【図８】図８は本発明による磁気抵抗効果センサの別な例の斜視図である。
【図９】図９Ａは本発明に係る別な例の磁気抵抗効果センサの高さ方向の断面図であり、 図９Ｂは本発明に係る別な例の磁気抵抗効果センサのトラック幅方向の断面図である。
【図１０】図１０は本発明による磁気記録再生装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】図１１は本発明の第１の例に係る磁気抵抗効果センサの平面図である。
【図１２】図１２は磁束ガイドと磁区制御層の配置の諸例を示す断面図である。
【図１３】図１３はＴＭＲの磁区制御の骨子を説明する断面図である。
【符号の説明】
１３、４３・・トンネル磁気抵抗効果膜、２５・・強磁性膜（自由層）、２４・・トンネル障壁層、２３・・強磁性膜（固定層）、２２・・反強磁性膜、２１、３４、４２・・下地膜、１０、４０・・基板、１１・・下部磁気シールド膜、１２・・下部ギャップ膜、１４、４４、４９・・磁束ガイド、１５、４５・・磁区制御膜、１６・・上部ギャップ膜、１７・・上部磁気シールド膜、１８、５０・・電極端子部、１９・・貫通穴、３１、３３・・絶縁膜、３６、３８、４６、４７・・中間層、４８・・絶縁ギャップ膜、４２・・保護膜、２０、３０、３２、３５、３７、３９・・磁気抵抗効果センサ、５２・・磁気記録再生装置、５３・・磁気ディスク、５４・・スピンドルモータ、５５・・スライダ、５６・・アクチュエータ、５７・・信号処理回路。
Claims (3)
- 第１の磁性層と第２の磁性層とが非磁性トンネル障壁層を介して形成されている磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極と、
外部磁界によりその磁化方向が変化して前記外部磁界を前記第１の磁性層へ導く磁束ガイドと、
前記磁気抵抗効果膜及び磁束ガイドのトラック幅方向の両端部に形成され、且つ前記磁気抵抗効果膜の両端部に磁気的に接続するよう配置され、前記磁気抵抗効果膜の前記第１の磁性層及び前記磁束ガイドの磁区を併せて制御する磁区制御層と、
前記磁束ガイドの厚み方向の上面又は下面の少なくとも一方に配置され、前記磁気抵抗効果膜に接している絶縁層とを有し、
前記磁気抵抗効果膜と磁束ガイドとの間に形成された中間層を備え、
前記磁束ガイドは、前記磁気抵抗効果膜の媒体面側から対向面側に連続して配置されており、
前記第１の磁性層は、前記磁束ガイドの磁化の方向に応じてその磁化の方向が変化することを特徴とする磁気ヘッド。 - 前記磁区制御層が高抵抗材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
- 更に、前記磁気抵抗効果膜を磁気的に分離する一対の磁気シールドを有し、前記磁気シールドには電極端子が接続されていることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の磁気ヘッド。
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