JP3934881B2 - 垂直通電型磁気抵抗効果素子、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気記録再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直通電型磁気抵抗効果素子、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の記録密度が飛躍的に向上しているが、さらに高記録密度化が望まれている。高記録密度化に伴う記録ビットサイズの微小化により、従来のインダクティブ型薄膜ヘッドでは再生感度が不十分になっていた。
【０００３】
１９８０年代、バルク磁性材料の異方性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）が開発された。さらに感度向上を目指した結果、１９９０年代初頭には、より大きな磁気抵抗効果を示す人工格子膜が発見された。その後、人工格子膜の実用上の問題を解決するためにスピンバルブ（ＳＶ）型巨大磁気抵抗効果ヘッド（ＳＶヘッド）が開発され、現在実用化されている。
【０００４】
ＳＶ膜は、磁化方向が固着されたピン層と、媒体磁界により磁化が回転（センス）する感磁層をなすフリー層と、それらの層に挟まれる非磁性中間層（スペーサー層）を含む。ピン層は反強磁性層により一方向に磁化が固着される。上記の層以外にも保護膜、下地層、配向制御膜、スペキュラー（鏡面反射）膜などが形成される。
【０００５】
図９に、現在実用化されている磁気抵抗効果ヘッドの再生部を示す。この磁気抵抗効果ヘッドは、ＳＶ膜の膜面に沿ってセンス電流が通電されるので、ＣＩＰ(current in plane)−ＭＲヘッドと呼ばれる。図９（ａ）はＣＩＰ−ＭＲヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ面）近傍の、これと平行な断面を示す図である。図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【０００６】
図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、下シールド膜１上に絶縁膜からなる下ギャップ膜２が形成されている。下ギャップ膜２上には、ＳＶ膜３と、トラック幅方向（図９（ａ）の紙面左右方向）に沿ってＳＶ膜３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）４、４が形成されている。ＳＶ膜３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜４、４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与されている。一方、ＳＶ膜３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている。このような構成はフリー層とピン層の磁化方向が互いに直交することから一般に直交磁化と呼ばれる。ハードバイアス膜４、４上には一対の電極（リード）５、５がＳＶ膜３を挟み込むように形成され、ハードバイアス膜４、４も電極５、５の一部として機能する。最近では、電極５、５をＳＶ膜３の上にオーバーラップされたリード・オーバーレイド構造が用いられている。これらの電極５、５によりＳＶ膜３の膜面に沿ってセンス電流が通電される。ＳＶ膜３および電極５、５上には絶縁膜からなる上ギャップ膜６が形成されている。上ギャップ膜６上には上シールド膜７が形成されている。
【０００７】
このＣＩＰ−ＭＲヘッドは、ＳＶ膜３が軟磁性体からなる下シールド膜１と上シールド膜７との間に絶縁膜からなる下ギャップ膜２および上ギャップ膜６を介して配置された、いわゆるシールド型ＳＶヘッドである。このＣＩＰ−ＭＲヘッドでは、フリー層における媒体磁化のセンス領域を、一対のハードバイアス膜４、４間の間隔および一対の電極５、５間の間隔を調整することによって制御する。現状では、ハードバイアス膜４、４間の間隔を詰めることは困難になっているため、電極５、５間の間隔によりセンス領域を制御している。しかし、記録密度が１００Ｇｂｐｓｉでは電極間隔は約０．２μｍ、２００Ｇｂｐｓｉでは約０．１μｍとなるため、電極５、５どうしを導通させないように加工するのは極めて困難になる。また、下ギャップ膜２および上ギャップ膜６についても、絶縁を維持したまま薄膜化することが困難となってきている。
【０００８】
上記の課題を解決するために、最近、ＭＲ膜面に垂直方向に電流を通電する垂直通電型(current perpendicular to plane)磁気抵抗効果ヘッド、すなわちＣＰＰ−ＭＲヘッドが考案されている。垂直通電型では電極を同一面内ではなく、ＳＶ膜の上部および下部に個別に形成するので、電極形成が容易になる。しかも、シールドと電極との絶縁を保つ必要がなくなるため、絶縁膜の薄膜化に関連する上記の制約は問題にならない。
【０００９】
図１０（ａ）および（ｂ）に、代表的なＣＰＰ−ＭＲヘッドの再生部を示す。図１０（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ面）近傍の、これと平行な断面を示す図である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【００１０】
図１０（ａ）および（ｂ）に示されるように、下シールド膜１１上に下電極１２が形成されている。下電極１２上には、ＳＶ膜１３と、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜１４、１４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与され、ＳＶ膜１３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている（直交磁化）。ハードバイアス膜１４、１４上にはＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５によりハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４と絶縁されて、ＳＶ膜１３と接続するように上電極１６が形成されている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。下シールド膜１１および上シールド膜１７は下電極１２および上電極１６の一部としても機能する。
【００１１】
図示したように一般にＣＰＰ−ＭＲヘッドでは、ピラー（柱）と呼ばれる上電極１６の突出部がＳＶ膜１３に接続され、ピラーの断面積によって外部磁束または媒体磁束のセンス領域が規定される。ピラーの周囲には絶縁膜１５が形成されている。センス電流は、上電極１６から下電極１２へＳＶ膜１３の膜面に垂直に通電される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般的によく知られているように、ＣＰＰ−ＭＲ膜はＣＩＰ−ＭＲ膜より大きなＭＲ変化率を示すが、膜厚方向に通電するため抵抗が小さくなり、抵抗変化量も小さくなる。この場合、オームの法則すなわちΔＶ＝Ｉ・ΔＲによれば、大きな出力電圧（ΔＶ）を得るためには、大きな電流を通電する必要がある。
【００１３】
ＣＰＰ−ＭＲヘッドに大きな電流を通電した場合、ピラーのエッジ部外側には非常に大きな電流磁界が印加される。この電流磁界は電極周囲のＭＲ膜面内に電極中心の円周方向に印加される。このため、外部磁界をセンスする感磁層のＭ−Ｈループにヒステリシスが現れ、バルクハウゼンノイズが生じるとともに、外部磁界（媒体磁束）感度が低下する問題が明らかになった。また、電流磁界の方向が左右上下で逆方向となり、ヘッド出力波形の対称性が損なわれるという問題も明らかになった。
【００１４】
本発明の目的は、垂直通電型磁気抵抗効果膜の感磁領域に印加されるセンス電流磁界を抑制し、高出力、高Ｓ／Ｎ比を実現できる垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の垂直通電型磁気抵抗効果素子は、外部磁界中において磁化方向が変化する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に通電するために前記磁気抵抗効果膜の上下に形成された第１電極および第２電極とを具備し、前記第１または第２電極は、前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された外側電極、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面において前記外側電極より内側において前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された内側電極を備え、前記磁気抵抗効果膜の膜面でトラック幅方向に沿って前記外側電極は前記内側電極によって分断されており、前記内側電極は前記外側電極よりも電気抵抗率が低いことを特徴とする。
【００１６】
上記の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドにおいては、前記内側電極または前記外側電極が、２層以上の多層構造を有していてもよい。前記内側電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、ＲｈおよびＡｌからなる群より選択される少なくとも１種の元素からなる金属または合金を含有することが好ましい。
【００１７】
上記の磁気抵抗効果膜は、例えば外部磁界がゼロの状態において第１の方向の磁化を備え、所定の外部磁界中において磁化が回転する磁化フリー層と、前記外部磁界がゼロの状態及び前記所定の外部磁界中において第２の方向の磁化を保持する磁化ピン層と、前記磁化フリー層と前記磁化ピン層との間に形成された非磁性層とを備える。
【００１８】
本発明の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドは、上記の垂直通電型磁気抵抗効果素子と、前記垂直通電型磁気抵抗効果素子を上下から挟む１対の磁気シールドとを具備したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドとを具備したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果膜（ＳＶ膜）は少なくとも磁化フリー層（以下、単にフリー層とする）と磁化ピン層（以下、単にピン層とする）とそれらに挟まれるスペーサー層を含む。ＳＶ膜は、磁化ピン層の磁化を交換結合によって固着する反強磁性層が基板側に形成されるボトム型および前記反強磁性層が基板と反対側に形成され、磁化フリー層が基板側に形成されるトップ型のいずれでもよい。ＳＶ膜としては、ピン層／スペーサー層／フリー層／スペーサー層／ピン層の構造を有するデュアルＳＶ膜を用いることもできる。ピン層は、強磁性層／Ｒｕ／強磁性層の三層膜からなる反強磁性結合ピン層でもよい。なお、この実施形態中では磁気抵抗効果膜にＳＶ膜を用いて説明するが、この他に人工格子膜、トンネル磁気抵抗効果膜を用いることができる。人工格子膜は強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造等を用いることができ、非磁性層を挟む強磁性層は互いに強磁性結合、反強磁性結合していてもよく、あるいは磁気的に非結合でもよい。トンネル磁気抵抗効果膜は絶縁性の非磁性層を強磁性層で挟んだ構造を有し、両強磁性層は人工格子と同様の結合系あるいは非結合系とできる。これらの強磁性材料、非磁性材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、特許第２，６３７，３６０に詳細に記載されており、その対応の記載をこの明細書の一部として引用する。
【００２１】
本実施形態において用いられる磁気抵抗効果膜には、上述した各層の他に、下地層、保護層、ＭＲ変化率を向上させるために伝導電子を鏡面反射させる鏡面反射層などを設けてもよい。
【００２２】
磁気抵抗効果膜の上下に形成される第１電極または第２電極は、磁気抵抗効果膜に接続された外側電極と内側電極から構成され、内側電極は外側電極よりも電気抵抗率が低い。具体的には、外側電極の電気抵抗率ρoutと内側電極の電気抵抗率ρinとの比（ρout／ρin）が２以上であることが好ましい。
【００２３】
表１中に、各種元素の電気抵抗率を示す。表１に示されるように、内側電極の材料には電気抵抗率が低いＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を用いることができる。また、これらの金属のいずれかを含む合金でもよい。なお、電極が複数層からなる多層構造を有する場合には、複数層の材料の並列化により求めた電気抵抗率を用いる。
【００２４】
【表１】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）の再生部を示す。図１（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドのＡＢＳ面近傍におけるこれと平行な断面を示す図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。このＣＰＰ−ＭＲヘッドは、いわゆるシールド型ヘッドである。
【００２６】
図１（ａ）〜（ｃ）に示されるように、下シールド膜１１上に１種類の材料からなる下電極（第１電極）１２が形成されている。下電極１２上には、スピンバルブ膜（ＳＶ膜）１３と、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜１３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜１４、１４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与され、ＳＶ膜１３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている（直交磁化）。ハードバイアス膜１４、１４上にはＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５によりハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４と絶縁されて、ＳＶ膜１３上でテーパー形状をなしＳＶ膜１３に向かって収束してＳＶ膜１３と接続するように上電極（第２電極）１６が形成されている。この上電極１６は外側電極１６１と内側電極１６２から構成されており、内側電極１６２は外側電極１６１よりも電気抵抗率が低い材料からなっている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。下シールド膜１１および上シールド膜１７は下電極１２および上電極１６の一部としても機能する。センス電流は、上電極１６と下電極１２を通じてＳＶ膜１３の膜面に垂直に通電される。なお、図１（ａ）の下シールド膜１１側がリーディング側で、上シールド膜１７側がトレーリング側である。
【００２７】
上述したようにＳＶ膜はボトム型でもトップ型でもよい。ただし、センス電流が分散することなくフリー層に通電されるように、収束電極側すなわち本実施形態の場合には上電極１６側にフリー層を配置するボトム型が好ましい。このような構造では、センス電流が高い電流密度で感磁層であるフリー層に通電され、大きな抵抗変化と高い感度が実現される。
【００２８】
内側電極１６２はＳＶ膜１３の中央領域（センス領域）に接続される。外側電極１６１は、ハード膜１４、１４によって中央領域よりも強く異方性制御（ほとんど一方向に磁化固着）されたＳＶ膜１３の端部領域に接続される。このため、外側電極１６１に通電される電流は再生信号の増大にはほとんど寄与せず、内側電極１６２の端部に生じるセンス電流磁界を緩和するのに寄与する。従って、内側電極１６２に通電電流の大部分を流すように、内側電極１６２の電気抵抗率が外側電極１６１の電気抵抗率よりも小さくなるように材料設計することができる。
【００２９】
以下、内側電極１６２と外側電極１６１の電極材料および構造について、電流分流の観点から説明する。電流分流量は、内側電極１６２と外側電極１６１の抵抗比で決まると考えられる。ただし、ここでは外側電極１６１および内側電極１６２とＳＶ膜１３との単位面積当たりの接触抵抗、およびＳＶ膜１３の外部磁束センス動作中の抵抗は考慮しない。
【００３０】
図２に本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜１３の上電極１６との接合部を拡大して示す。この図に示されるように、ＳＶ膜１３に対する外側電極１６１および内側電極１６２の接触面積をそれぞれＳ１（＝２×Ｌ１×Ｄ）およびＳ２（＝Ｌ２×Ｄ）とする。ＳＶ膜１３に対する外側電極１６１の接触部は２ヶ所に分断されているが、Ｓ１はこれらを合計した面積とする。また、外側電極１６１および内側電極１６２の電気抵抗率をそれぞれρ１およびρ２、通電するセンス電流をＩとする。
【００３１】
ＳＶ膜１３の各領域Ｓ１およびＳ２に通電されるセンス電流ＩS1およびＩS2（全センス電流Ｉ＝ＩS1＋ＩS2）は、外側電極１６１および内側電極１６２の電気抵抗率に依存してそれぞれ式（１）および式（２）のように表される。
【００３２】
ＩS1＝Ｉ・Ｓ２・ρ２／（ρ１・Ｓ１＋ρ２・Ｓ２） （１）
ＩS2＝Ｉ・Ｓ１・ρ１／（ρ１・Ｓ１＋ρ２・Ｓ２） （２）
上記のＩS1は分流電流であり出力にはほとんど寄与しない電流であるから、できるだけ小さいことが好ましい。したがって、センス電流の分流率をαとすると、α＝ＩS1／Ｉと表される。実際には、ＣＰＰ−ＭＲ膜のＭＲ変化量（ＭＲ）を考慮して電極材料およびＳ１とＳ２との面積比が決定される。
【００３３】
ここで、ρ１＝β・ρ２、Ｓ１＝γ・Ｓ２とすると、
α＝１／（１＋β・γ）
と表される。
【００３４】
電流分流量を考慮すると、分流率αはα≦０．５とすることが好ましい。この条件では出力低下を５０％以下に抑えることができる。また、電気抵抗率の比率βはβ≧２とすることが好ましい。この条件では分流部分の面積が大きくなっても分流量を抑制できる。これらの関係を満たすように電極材料および接触面積を決定すればよい。
【００３５】
実際に、１００Ｇｂｐｓｉ対応のＣＰＰ−ＭＲヘッドを想定して、ＳＶ膜形状をＬ＝０．１５μｍ、Ｄ＝０．１５μｍに設定した。外側電極１６１に電気抵抗率が１３．１μΩｃｍであるＴａ、内側電極１６２に電気抵抗率が１．７０μΩｃｍであるＣｕを用い、Ｌ１を０．０５μｍ、Ｌ２を０．０５μｍとして本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドを設計した。一方、Ｃｕのみからなる上電極を用いて従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドを設計した。
【００３６】
これらのＣＰＰ−ＭＲヘッドについて、５ｍＡのセンス電流を通電したときの上電極端部でのセンス電流磁界の強度を比較した。なお、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドについては、内側電極１６２に５ｍＡのセンス電流が通電されるように調整し、内側電極１６２端部でのセンス電流磁界を測定した。その結果、従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドでは上電極端部におよそ１７０（Ｏｅ）の最大電流磁界が印加されるのに対し、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドでは内側電極１６２端部での最大電流磁界がおよそ８０（Ｏｅ）まで低下することが確認できた。
【００３７】
また、マイクロマグネティクス計算によりフリー層のＭ−Ｈカーブを評価した。その結果、従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドではセンス電流磁界の影響を受けてＭ−Ｈカーブにヒステリシスが生じるのに対し、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドではＭ−Ｈカーブにヒステリシスが生じないことが確認された。
【００３８】
さらに、この計算結果は、ヘッド試作による出力のＳ／Ｎ比および出力の大きさとほぼ等価な関係であることが明らかとなった。
【００３９】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）の工程断面図を参照して、第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第１のプロセスについて説明する。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＣ等の基板１０上に、５ｎｍＴａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる下シールド膜１１を成膜する。この下部シールド膜１１は下電極の一部として機能する。下シールド膜１１上に、５ｎｍＴａ／Ｃｕ／Ｔａからなる下電極１２を成膜する。下層のＴａは密着性を向上させる機能を有し、上層のＴａは後工程に備えた保護層としての機能を有する。下電極１２の厚さは適宜調整される。この下電極１２は下部磁気ギャップを規定する。
【００４１】
次に、図３（ｂ）の工程を説明する。下電極１２上にＳＶ膜１３を成膜する。ＳＶ膜１３は、例えば下地層としてＴａ、反強磁性層としてＮｉＦｅＣｒ／ＰｔＭｎ、ピン層として［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ、スペーサー層としてＣｕ、フリー層として［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ、保護層としてＴａを有する。このＳＶ膜１３の総膜厚はおよそ３０ｎｍである。
【００４２】
ＳＶ膜１３のデプス規定（Ｄ方向）のためのパターニングを行う。具体的には、ＳＶ膜１３上にＴ型レジスト（図示せず）を形成した後、ＩＢＥ(Ion Beam Etching)によりエッチングを行う。なお、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)などの他のドライエッチングを用いてもよい。その後、エッチング部に厚さ約１００ｎｍのＡｌＯｘ膜からなる絶縁膜を成膜し、Ｔ型レジストを除去する。
【００４３】
ＳＶ膜１３の幅規定（Ｌ方向）のためのパターニングを行う。具体的には、ＳＶ膜１３上にＴ型レジスト２１を形成した後、ＩＢＥによりエッチングを行う。その後、５ｎｍＣｒ／５０ｎｍＣｏＣｒＰｔからなるハード膜１４を成膜する。ハード膜１４のｔ・Ｍｒ（膜厚・残留磁化の積）とフリー層のｔ・Ｍｓ-free（膜厚・飽和磁化の積）は、ｔ・Ｍｒ／ｔ・Ｍｓ-free＞２となるように設定する。その後、５０ｎｍのＡｌＯｘ膜からなる絶縁膜１５を成膜する。上記のハード膜１４およびＡｌＯｘからなる絶縁膜１５はＴ型レジスト２１下部への回り込みが小さくなるように、指向性の良好な成膜装置を用いて指向性が良好になる条件で成膜する。指向性の良好な成膜方法としてはＩＢＳ(Ion Beam Sputtering)やコリーメーション付きスパッタリングなどを用いる。その後、今度はＴ型レジスト２１下部への回り込みが大きくなるような条件で、Ｔａからなる外側電極１６１を成膜する。Ｔａの膜厚は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが望ましい。３ｎｍ未満の場合にはＴ型レジスト下部への回り込みが十分でなく、１００ｎｍより厚い場合にはレジスト除去が困難になる。外側電極１６１がＳＶ膜１３でオーバーラップする長さ（Ｌ１）はおよび０．０５μｍに設定する。その後、Ｔ型レジスト２１を除去する。
【００４４】
次に、図３（ｃ）に示すように、Ｔａ（１６２ａ）／Ｃｕ（１６２ｂ）の二層構造を有する内側電極１６２を形成する。Ｔａは下地層であり、その膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。内側電極１６２上にＴａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる上シールド膜１７を形成する。このようにしてＣＰＰ−ＭＲヘッドを作製する。
【００４５】
図４に上記のプロセスで得られるＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜１３と上電極１６との接合部を拡大して示す。図３のプロセスでは、ＳＶ膜１３の保護層、外側電極１６１および内側電極１６２の下地層１６２ａがいずれもＴａで形成される。この場合、ＬＯすなわち（外側電極１６１のオーバーラップ長さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）が、ｔ１すなわち（ＳＶ膜１３のＴａ保護層の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）よりも厚いことが望ましい（ＬＯ≧ｔ１）。また、ｔ１すなわち（ＳＶ膜１３のＴａ保護層の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）が、ｔ２すなわち（Ｔａ外側電極１６１の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）よりも薄いことが望ましい（ｔ１≦ｔ２）。これらの条件を満たさない場合には、分流電流量が極端に小さくなり、センス電流磁界の低減効果を得ることが困難になる。
【００４６】
次に、図５（ａ）〜（ｃ）の工程断面図を参照して、第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第２のプロセスについて説明する。
【００４７】
図５（ａ）に示す構造は、第１のプロセスと同様の膜構成と工程により得られる。すなわち、基板１０上に、下シールド膜１１、下電極１２、ＳＶ膜１３を形成し、ＳＶ膜１３のデプス規定を行う。Ｔ型レジストを形成した後にＩＢＥによりエッチングして、ＳＶ膜１３の幅規定を行う。ハード膜１４を成膜した後、Ｔ型レジストを除去する。その後、厚さ約５０ｎｍのＴａからなる外側電極１６１を成膜する。
【００４８】
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより外側電極１６１上にレジストパターン２２を形成し、ＲＩＥにより外側電極１６１をエッチングして内側電極のコンタクトホールを形成する。その後、レジストパターン２２を除去する。
【００４９】
次いで、図５（ｃ）に示すように、Ｔａ／Ｃｕからなる内側電極１６２を成膜する。その後、Ｔａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる上シールド膜１７を成膜する。
【００５０】
（第２の実施形態）
図６に第２の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）のＡＢＳ面近傍の、これと平行な断面図を示す。本実施形態では、下電極が外側電極および内側電極から構成されている。
【００５１】
図６に示されるように、下シールド膜１１上に下電極（第１電極）１２が形成されている。この下電極１２は外側電極１２１および内側電極１２２からなっている。内側電極１２２は外側電極１２１よりも電気抵抗率が低い材料からなっている。これらの外側電極１２１および内側電極１２２は、上部のＳＶ膜との接合部がテーパー形状に形成されている。外側電極１２１および内側電極１２２のテーパー部を囲むようにＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。下電極１２の外側電極１２１および内側電極１２２に接続するようにＳＶ膜１３が形成されている。絶縁膜１５上には、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜１３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３およびハードバイアス膜１４、１４上には上電極（第２電極）１６が形成されている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。この場合も、下シールド膜１１側がリーディング側で、上シールド膜１７側がトレーリング側である。
【００５２】
このＣＰＰ−ＭＲヘッドでも、第１の実施形態と同様に、内側電極１２２端部での最大電流磁界を低減するとともに、Ｍ−Ｈカーブにヒステリシスを生じさせなくすることができ、出力のＳ／Ｎ比および出力の大きさを改善できる。
【００５３】
図７を参照して、図６のＣＰＰ−ＭＲヘッドの作製するためのプロセスについて説明する。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、基板１０上にＮｉＦｅからなる下シールド膜１１およびＴａ／Ｃｕからなる内側電極１２２を成膜する。フォトリソグラフィーにより内側電極１２２上にレジストパターン（図示せず）を形成し、ＩＢＥによりエッチングすることにより、内側電極１２２を凸形状に加工する。その後、レジストパターンを除去する。
【００５５】
次に、図７（ｂ）に示すように、内側電極１２２上に、Ｔａからなる外側電極１２１とＡｌＯｘからなる絶縁膜１５を成膜する。
【００５６】
次に、図７（ｃ）に示すように、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化加工を行い、内側電極１２２の上面を露出させる。なお、外側電極１２１および絶縁膜１５を形成した後、ＩＢＥまたはＲＩＥによりエッチバックして平坦化加工を行ってもよい。第１の実施形態と同様に、ＳＶ膜１３を形成し、Ｔ型レジストを用いたＳＶ膜１３のデプス規定およびＴ型レジスト２３を用いた幅規定を行った後、ハード膜１４を形成する。その後、Ｔ型レジスト２３を除去する。
【００５７】
さらに、Ｔａ／Ｃｕからなる上電極１６を成膜し、Ｔａ／ＮｉＦｅからなる上シールド膜１７を形成する。このようにして図６に示すＣＰＰ−ＭＲヘッドを作製する。
【００５８】
上述した第１及び第２の実施形態に示した２層構造電極を有するＣＰＰ−ＭＲ膜は、ＡＢＳ面から後退配置されて、ＡＢＳ面から伸びるヨークにより信号磁界の伝達を受けるヨーク型磁気ヘッド用の磁気抵抗効果膜として適用可能である。この場合には、ヨークと磁気抵抗効果膜とが充分な磁気結合を備えていると好ましい。
【００５９】
次に、本発明に係るＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ、およびこの磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置について説明する。
【００６０】
図８（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム２０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム２０１の一端にはサスペンション２０２が固定されている。サスペンション２０２の先端にはＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ２０３が取り付けられている。また、サスペンション２０２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線２０４が配線され、このリード線２０４の一端はヘッドスライダ２０３に組み込まれたＣＰＰ−ＭＲヘッドの各電極に接続され、リード線２０４の他端は電極パッド２０５に接続されている。
【００６１】
図８（ｂ）は図８（ａ）に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク２１１はスピンドル２１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３に固定され、サスペンション２０２およびその先端のヘッドスライダ２０３を支持している。磁気ディスク２１１が回転すると、ヘッドスライダ２０３の媒体対向面は磁気ディスク２１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。アクチュエータアーム２０１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ２１４が設けられている。ボイスコイルモータ２１４はアクチュエータアーム２０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３の上下２個所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００６２】
【発明の効果】
以上で説明したように本発明によれば、垂直通電型磁気抵抗素子の磁気抵抗効果膜に２層構造の電極を接続することにより、感磁領域に印加されるセンス電流磁界を抑制し、高出力、高Ｓ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）をＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図２】第１の実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜の上電極との接合部を拡大して示す断面図。
【図３】第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第１のプロセスを示す断面図。
【図４】第１のプロセスで得られるＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜と上電極との接合部を拡大して示す断面図。
【図５】第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第２のプロセスを示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）をＡＢＳ面近傍の、ＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図７】第２の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するためのプロセスを示す図。
【図８】本発明に係るＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図、および磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
【図９】従来のＣＩＰ−ＭＲヘッドをＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図１０】従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドをＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【符号の説明】
１…下シールド膜
２…下ギャップ膜
３…ＳＶ膜
４…ハードバイアス膜（ハード膜）
５…電極（リード）
６…上ギャップ膜
７…上シールド膜
１０…基板
１１…下シールド膜
１２…下電極（第１電極）
１２１…外側電極
１２２…内側電極
１３…ＳＶ膜
１４…ハードバイアス膜
１５…絶縁膜
１６…上電極（第２電極）
１６１…外側電極
１６２…内側電極
１７…上シールド膜
２１…Ｔ型レジスト
２２…レジストパターン
２３…Ｔ型レジスト
２０１…アクチュエータアーム
２０２…サスペンション
２０３…ヘッドスライダ
２０４…リード線
２０５…電極パッド
２１１…磁気ディスク
２１２…スピンドル
２１３…固定軸
２１４…ボイスコイルモータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直通電型磁気抵抗効果素子、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の記録密度が飛躍的に向上しているが、さらに高記録密度化が望まれている。高記録密度化に伴う記録ビットサイズの微小化により、従来のインダクティブ型薄膜ヘッドでは再生感度が不十分になっていた。
【０００３】
１９８０年代、バルク磁性材料の異方性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）が開発された。さらに感度向上を目指した結果、１９９０年代初頭には、より大きな磁気抵抗効果を示す人工格子膜が発見された。その後、人工格子膜の実用上の問題を解決するためにスピンバルブ（ＳＶ）型巨大磁気抵抗効果ヘッド（ＳＶヘッド）が開発され、現在実用化されている。
【０００４】
ＳＶ膜は、磁化方向が固着されたピン層と、媒体磁界により磁化が回転（センス）する感磁層をなすフリー層と、それらの層に挟まれる非磁性中間層（スペーサー層）を含む。ピン層は反強磁性層により一方向に磁化が固着される。上記の層以外にも保護膜、下地層、配向制御膜、スペキュラー（鏡面反射）膜などが形成される。
【０００５】
図９に、現在実用化されている磁気抵抗効果ヘッドの再生部を示す。この磁気抵抗効果ヘッドは、ＳＶ膜の膜面に沿ってセンス電流が通電されるので、ＣＩＰ(current in plane)−ＭＲヘッドと呼ばれる。図９（ａ）はＣＩＰ−ＭＲヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ面）近傍の、これと平行な断面を示す図である。図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【０００６】
図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、下シールド膜１上に絶縁膜からなる下ギャップ膜２が形成されている。下ギャップ膜２上には、ＳＶ膜３と、トラック幅方向（図９（ａ）の紙面左右方向）に沿ってＳＶ膜３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）４、４が形成されている。ＳＶ膜３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜４、４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与されている。一方、ＳＶ膜３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている。このような構成はフリー層とピン層の磁化方向が互いに直交することから一般に直交磁化と呼ばれる。ハードバイアス膜４、４上には一対の電極（リード）５、５がＳＶ膜３を挟み込むように形成され、ハードバイアス膜４、４も電極５、５の一部として機能する。最近では、電極５、５をＳＶ膜３の上にオーバーラップされたリード・オーバーレイド構造が用いられている。これらの電極５、５によりＳＶ膜３の膜面に沿ってセンス電流が通電される。ＳＶ膜３および電極５、５上には絶縁膜からなる上ギャップ膜６が形成されている。上ギャップ膜６上には上シールド膜７が形成されている。
【０００７】
このＣＩＰ−ＭＲヘッドは、ＳＶ膜３が軟磁性体からなる下シールド膜１と上シールド膜７との間に絶縁膜からなる下ギャップ膜２および上ギャップ膜６を介して配置された、いわゆるシールド型ＳＶヘッドである。このＣＩＰ−ＭＲヘッドでは、フリー層における媒体磁化のセンス領域を、一対のハードバイアス膜４、４間の間隔および一対の電極５、５間の間隔を調整することによって制御する。現状では、ハードバイアス膜４、４間の間隔を詰めることは困難になっているため、電極５、５間の間隔によりセンス領域を制御している。しかし、記録密度が１００Ｇｂｐｓｉでは電極間隔は約０．２μｍ、２００Ｇｂｐｓｉでは約０．１μｍとなるため、電極５、５どうしを導通させないように加工するのは極めて困難になる。また、下ギャップ膜２および上ギャップ膜６についても、絶縁を維持したまま薄膜化することが困難となってきている。
【０００８】
上記の課題を解決するために、最近、ＭＲ膜面に垂直方向に電流を通電する垂直通電型(current perpendicular to plane)磁気抵抗効果ヘッド、すなわちＣＰＰ−ＭＲヘッドが考案されている。垂直通電型では電極を同一面内ではなく、ＳＶ膜の上部および下部に個別に形成するので、電極形成が容易になる。しかも、シールドと電極との絶縁を保つ必要がなくなるため、絶縁膜の薄膜化に関連する上記の制約は問題にならない。
【０００９】
図１０（ａ）および（ｂ）に、代表的なＣＰＰ−ＭＲヘッドの再生部を示す。図１０（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを媒体対向面（ＡＢＳ面）近傍の、これと平行な断面を示す図である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【００１０】
図１０（ａ）および（ｂ）に示されるように、下シールド膜１１上に下電極１２が形成されている。下電極１２上には、ＳＶ膜１３と、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜１４、１４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与され、ＳＶ膜１３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている（直交磁化）。ハードバイアス膜１４、１４上にはＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５によりハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４と絶縁されて、ＳＶ膜１３と接続するように上電極１６が形成されている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。下シールド膜１１および上シールド膜１７は下電極１２および上電極１６の一部としても機能する。
【００１１】
図示したように一般にＣＰＰ−ＭＲヘッドでは、ピラー（柱）と呼ばれる上電極１６の突出部がＳＶ膜１３に接続され、ピラーの断面積によって外部磁束または媒体磁束のセンス領域が規定される。ピラーの周囲には絶縁膜１５が形成されている。センス電流は、上電極１６から下電極１２へＳＶ膜１３の膜面に垂直に通電される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般的によく知られているように、ＣＰＰ−ＭＲ膜はＣＩＰ−ＭＲ膜より大きなＭＲ変化率を示すが、膜厚方向に通電するため抵抗が小さくなり、抵抗変化量も小さくなる。この場合、オームの法則すなわちΔＶ＝Ｉ・ΔＲによれば、大きな出力電圧（ΔＶ）を得るためには、大きな電流を通電する必要がある。
【００１３】
ＣＰＰ−ＭＲヘッドに大きな電流を通電した場合、ピラーのエッジ部外側には非常に大きな電流磁界が印加される。この電流磁界は電極周囲のＭＲ膜面内に電極中心の円周方向に印加される。このため、外部磁界をセンスする感磁層のＭ−Ｈループにヒステリシスが現れ、バルクハウゼンノイズが生じるとともに、外部磁界（媒体磁束）感度が低下する問題が明らかになった。また、電流磁界の方向が左右上下で逆方向となり、ヘッド出力波形の対称性が損なわれるという問題も明らかになった。
【００１４】
本発明の目的は、垂直通電型磁気抵抗効果膜の感磁領域に印加されるセンス電流磁界を抑制し、高出力、高Ｓ／Ｎ比を実現できる垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の垂直通電型磁気抵抗効果素子は、外部磁界中において磁化方向が変化する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に通電するために前記磁気抵抗効果膜の上下に形成された第１電極および第２電極とを具備し、前記第１または第２電極は、前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された外側電極、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面において前記外側電極より内側において前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された内側電極を備え、前記磁気抵抗効果膜の膜面でトラック幅方向に沿って前記外側電極は前記内側電極によって分断されており、前記内側電極は前記外側電極よりも電気抵抗率が低いことを特徴とする。
【００１６】
上記の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドにおいては、前記内側電極または前記外側電極が、２層以上の多層構造を有していてもよい。前記内側電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、ＲｈおよびＡｌからなる群より選択される少なくとも１種の元素からなる金属または合金を含有することが好ましい。
【００１７】
上記の磁気抵抗効果膜は、例えば外部磁界がゼロの状態において第１の方向の磁化を備え、所定の外部磁界中において磁化が回転する磁化フリー層と、前記外部磁界がゼロの状態及び前記所定の外部磁界中において第２の方向の磁化を保持する磁化ピン層と、前記磁化フリー層と前記磁化ピン層との間に形成された非磁性層とを備える。
【００１８】
本発明の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドは、上記の垂直通電型磁気抵抗効果素子と、前記垂直通電型磁気抵抗効果素子を上下から挟む１対の磁気シールドとを具備したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドとを具備したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果膜（ＳＶ膜）は少なくとも磁化フリー層（以下、単にフリー層とする）と磁化ピン層（以下、単にピン層とする）とそれらに挟まれるスペーサー層を含む。ＳＶ膜は、磁化ピン層の磁化を交換結合によって固着する反強磁性層が基板側に形成されるボトム型および前記反強磁性層が基板と反対側に形成され、磁化フリー層が基板側に形成されるトップ型のいずれでもよい。ＳＶ膜としては、ピン層／スペーサー層／フリー層／スペーサー層／ピン層の構造を有するデュアルＳＶ膜を用いることもできる。ピン層は、強磁性層／Ｒｕ／強磁性層の三層膜からなる反強磁性結合ピン層でもよい。なお、この実施形態中では磁気抵抗効果膜にＳＶ膜を用いて説明するが、この他に人工格子膜、トンネル磁気抵抗効果膜を用いることができる。人工格子膜は強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造等を用いることができ、非磁性層を挟む強磁性層は互いに強磁性結合、反強磁性結合していてもよく、あるいは磁気的に非結合でもよい。トンネル磁気抵抗効果膜は絶縁性の非磁性層を強磁性層で挟んだ構造を有し、両強磁性層は人工格子と同様の結合系あるいは非結合系とできる。これらの強磁性材料、非磁性材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、特許第２，６３７，３６０に詳細に記載されており、その対応の記載をこの明細書の一部として引用する。
【００２１】
本実施形態において用いられる磁気抵抗効果膜には、上述した各層の他に、下地層、保護層、ＭＲ変化率を向上させるために伝導電子を鏡面反射させる鏡面反射層などを設けてもよい。
【００２２】
磁気抵抗効果膜の上下に形成される第１電極または第２電極は、磁気抵抗効果膜に接続された外側電極と内側電極から構成され、内側電極は外側電極よりも電気抵抗率が低い。具体的には、外側電極の電気抵抗率ρoutと内側電極の電気抵抗率ρinとの比（ρout／ρin）が２以上であることが好ましい。
【００２３】
表１中に、各種元素の電気抵抗率を示す。表１に示されるように、内側電極の材料には電気抵抗率が低いＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を用いることができる。また、これらの金属のいずれかを含む合金でもよい。なお、電極が複数層からなる多層構造を有する場合には、複数層の材料の並列化により求めた電気抵抗率を用いる。
【００２４】
【表１】
【００２５】
（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）の再生部を示す。図１（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドのＡＢＳ面近傍におけるこれと平行な断面を示す図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。このＣＰＰ−ＭＲヘッドは、いわゆるシールド型ヘッドである。
【００２６】
図１（ａ）〜（ｃ）に示されるように、下シールド膜１１上に１種類の材料からなる下電極（第１電極）１２が形成されている。下電極１２上には、スピンバルブ膜（ＳＶ膜）１３と、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜１３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３のフリー層はその両側に配置されたハードバイアス膜１４、１４によりトラック幅方向に平行な方向に磁気異方性が付与され、ＳＶ膜１３のピン層は反強磁性層により媒体対向面に垂直な方向に磁化が固着されている（直交磁化）。ハードバイアス膜１４、１４上にはＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５によりハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４と絶縁されて、ＳＶ膜１３上でテーパー形状をなしＳＶ膜１３に向かって収束してＳＶ膜１３と接続するように上電極（第２電極）１６が形成されている。この上電極１６は外側電極１６１と内側電極１６２から構成されており、内側電極１６２は外側電極１６１よりも電気抵抗率が低い材料からなっている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。下シールド膜１１および上シールド膜１７は下電極１２および上電極１６の一部としても機能する。センス電流は、上電極１６と下電極１２を通じてＳＶ膜１３の膜面に垂直に通電される。なお、図１（ａ）の下シールド膜１１側がリーディング側で、上シールド膜１７側がトレーリング側である。
【００２７】
上述したようにＳＶ膜はボトム型でもトップ型でもよい。ただし、センス電流が分散することなくフリー層に通電されるように、収束電極側すなわち本実施形態の場合には上電極１６側にフリー層を配置するボトム型が好ましい。このような構造では、センス電流が高い電流密度で感磁層であるフリー層に通電され、大きな抵抗変化と高い感度が実現される。
【００２８】
内側電極１６２はＳＶ膜１３の中央領域（センス領域）に接続される。外側電極１６１は、ハード膜１４、１４によって中央領域よりも強く異方性制御（ほとんど一方向に磁化固着）されたＳＶ膜１３の端部領域に接続される。このため、外側電極１６１に通電される電流は再生信号の増大にはほとんど寄与せず、内側電極１６２の端部に生じるセンス電流磁界を緩和するのに寄与する。従って、内側電極１６２に通電電流の大部分を流すように、内側電極１６２の電気抵抗率が外側電極１６１の電気抵抗率よりも小さくなるように材料設計することができる。
【００２９】
以下、内側電極１６２と外側電極１６１の電極材料および構造について、電流分流の観点から説明する。電流分流量は、内側電極１６２と外側電極１６１の抵抗比で決まると考えられる。ただし、ここでは外側電極１６１および内側電極１６２とＳＶ膜１３との単位面積当たりの接触抵抗、およびＳＶ膜１３の外部磁束センス動作中の抵抗は考慮しない。
【００３０】
図２に本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜１３の上電極１６との接合部を拡大して示す。この図に示されるように、ＳＶ膜１３に対する外側電極１６１および内側電極１６２の接触面積をそれぞれＳ１（＝２×Ｌ１×Ｄ）およびＳ２（＝Ｌ２×Ｄ）とする。ＳＶ膜１３に対する外側電極１６１の接触部は２ヶ所に分断されているが、Ｓ１はこれらを合計した面積とする。また、外側電極１６１および内側電極１６２の電気抵抗率をそれぞれρ１およびρ２、通電するセンス電流をＩとする。
【００３１】
ＳＶ膜１３の各領域Ｓ１およびＳ２に通電されるセンス電流ＩS1およびＩS2（全センス電流Ｉ＝ＩS1＋ＩS2）は、外側電極１６１および内側電極１６２の電気抵抗率に依存してそれぞれ式（１）および式（２）のように表される。
【００３２】
ＩS1＝Ｉ・Ｓ２・ρ２／（ρ１・Ｓ１＋ρ２・Ｓ２） （１）
ＩS2＝Ｉ・Ｓ１・ρ１／（ρ１・Ｓ１＋ρ２・Ｓ２） （２）
上記のＩS1は分流電流であり出力にはほとんど寄与しない電流であるから、できるだけ小さいことが好ましい。したがって、センス電流の分流率をαとすると、α＝ＩS1／Ｉと表される。実際には、ＣＰＰ−ＭＲ膜のＭＲ変化量（ＭＲ）を考慮して電極材料およびＳ１とＳ２との面積比が決定される。
【００３３】
ここで、ρ１＝β・ρ２、Ｓ１＝γ・Ｓ２とすると、
α＝１／（１＋β・γ）
と表される。
【００３４】
電流分流量を考慮すると、分流率αはα≦０．５とすることが好ましい。この条件では出力低下を５０％以下に抑えることができる。また、電気抵抗率の比率βはβ≧２とすることが好ましい。この条件では分流部分の面積が大きくなっても分流量を抑制できる。これらの関係を満たすように電極材料および接触面積を決定すればよい。
【００３５】
実際に、１００Ｇｂｐｓｉ対応のＣＰＰ−ＭＲヘッドを想定して、ＳＶ膜形状をＬ＝０．１５μｍ、Ｄ＝０．１５μｍに設定した。外側電極１６１に電気抵抗率が１３．１μΩｃｍであるＴａ、内側電極１６２に電気抵抗率が１．７０μΩｃｍであるＣｕを用い、Ｌ１を０．０５μｍ、Ｌ２を０．０５μｍとして本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドを設計した。一方、Ｃｕのみからなる上電極を用いて従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドを設計した。
【００３６】
これらのＣＰＰ−ＭＲヘッドについて、５ｍＡのセンス電流を通電したときの上電極端部でのセンス電流磁界の強度を比較した。なお、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドについては、内側電極１６２に５ｍＡのセンス電流が通電されるように調整し、内側電極１６２端部でのセンス電流磁界を測定した。その結果、従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドでは上電極端部におよそ１７０（Ｏｅ）の最大電流磁界が印加されるのに対し、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドでは内側電極１６２端部での最大電流磁界がおよそ８０（Ｏｅ）まで低下することが確認できた。
【００３７】
また、マイクロマグネティクス計算によりフリー層のＭ−Ｈカーブを評価した。その結果、従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドではセンス電流磁界の影響を受けてＭ−Ｈカーブにヒステリシスが生じるのに対し、本実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドではＭ−Ｈカーブにヒステリシスが生じないことが確認された。
【００３８】
さらに、この計算結果は、ヘッド試作による出力のＳ／Ｎ比および出力の大きさとほぼ等価な関係であることが明らかとなった。
【００３９】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）の工程断面図を参照して、第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第１のプロセスについて説明する。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＣ等の基板１０上に、５ｎｍＴａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる下シールド膜１１を成膜する。この下部シールド膜１１は下電極の一部として機能する。下シールド膜１１上に、５ｎｍＴａ／Ｃｕ／Ｔａからなる下電極１２を成膜する。下層のＴａは密着性を向上させる機能を有し、上層のＴａは後工程に備えた保護層としての機能を有する。下電極１２の厚さは適宜調整される。この下電極１２は下部磁気ギャップを規定する。
【００４１】
次に、図３（ｂ）の工程を説明する。下電極１２上にＳＶ膜１３を成膜する。ＳＶ膜１３は、例えば下地層としてＴａ、反強磁性層としてＮｉＦｅＣｒ／ＰｔＭｎ、ピン層として［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ、スペーサー層としてＣｕ、フリー層として［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］ｘ／ＣｏＦｅ、保護層としてＴａを有する。このＳＶ膜１３の総膜厚はおよそ３０ｎｍである。
【００４２】
ＳＶ膜１３のデプス規定（Ｄ方向）のためのパターニングを行う。具体的には、ＳＶ膜１３上にＴ型レジスト（図示せず）を形成した後、ＩＢＥ(Ion Beam Etching)によりエッチングを行う。なお、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)などの他のドライエッチングを用いてもよい。その後、エッチング部に厚さ約１００ｎｍのＡｌＯｘ膜からなる絶縁膜を成膜し、Ｔ型レジストを除去する。
【００４３】
ＳＶ膜１３の幅規定（Ｌ方向）のためのパターニングを行う。具体的には、ＳＶ膜１３上にＴ型レジスト２１を形成した後、ＩＢＥによりエッチングを行う。その後、５ｎｍＣｒ／５０ｎｍＣｏＣｒＰｔからなるハード膜１４を成膜する。ハード膜１４のｔ・Ｍｒ（膜厚・残留磁化の積）とフリー層のｔ・Ｍｓ-free（膜厚・飽和磁化の積）は、ｔ・Ｍｒ／ｔ・Ｍｓ-free＞２となるように設定する。その後、５０ｎｍのＡｌＯｘ膜からなる絶縁膜１５を成膜する。上記のハード膜１４およびＡｌＯｘからなる絶縁膜１５はＴ型レジスト２１下部への回り込みが小さくなるように、指向性の良好な成膜装置を用いて指向性が良好になる条件で成膜する。指向性の良好な成膜方法としてはＩＢＳ(Ion Beam Sputtering)やコリーメーション付きスパッタリングなどを用いる。その後、今度はＴ型レジスト２１下部への回り込みが大きくなるような条件で、Ｔａからなる外側電極１６１を成膜する。Ｔａの膜厚は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが望ましい。３ｎｍ未満の場合にはＴ型レジスト下部への回り込みが十分でなく、１００ｎｍより厚い場合にはレジスト除去が困難になる。外側電極１６１がＳＶ膜１３でオーバーラップする長さ（Ｌ１）はおよび０．０５μｍに設定する。その後、Ｔ型レジスト２１を除去する。
【００４４】
次に、図３（ｃ）に示すように、Ｔａ（１６２ａ）／Ｃｕ（１６２ｂ）の二層構造を有する内側電極１６２を形成する。Ｔａは下地層であり、その膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。内側電極１６２上にＴａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる上シールド膜１７を形成する。このようにしてＣＰＰ−ＭＲヘッドを作製する。
【００４５】
図４に上記のプロセスで得られるＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜１３と上電極１６との接合部を拡大して示す。図３のプロセスでは、ＳＶ膜１３の保護層、外側電極１６１および内側電極１６２の下地層１６２ａがいずれもＴａで形成される。この場合、ＬＯすなわち（外側電極１６１のオーバーラップ長さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）が、ｔ１すなわち（ＳＶ膜１３のＴａ保護層の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）よりも厚いことが望ましい（ＬＯ≧ｔ１）。また、ｔ１すなわち（ＳＶ膜１３のＴａ保護層の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）が、ｔ２すなわち（Ｔａ外側電極１６１の厚さ＋内側電極１６２のＴａ下地層１６２ａの厚さ）よりも薄いことが望ましい（ｔ１≦ｔ２）。これらの条件を満たさない場合には、分流電流量が極端に小さくなり、センス電流磁界の低減効果を得ることが困難になる。
【００４６】
次に、図５（ａ）〜（ｃ）の工程断面図を参照して、第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第２のプロセスについて説明する。
【００４７】
図５（ａ）に示す構造は、第１のプロセスと同様の膜構成と工程により得られる。すなわち、基板１０上に、下シールド膜１１、下電極１２、ＳＶ膜１３を形成し、ＳＶ膜１３のデプス規定を行う。Ｔ型レジストを形成した後にＩＢＥによりエッチングして、ＳＶ膜１３の幅規定を行う。ハード膜１４を成膜した後、Ｔ型レジストを除去する。その後、厚さ約５０ｎｍのＴａからなる外側電極１６１を成膜する。
【００４８】
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより外側電極１６１上にレジストパターン２２を形成し、ＲＩＥにより外側電極１６１をエッチングして内側電極のコンタクトホールを形成する。その後、レジストパターン２２を除去する。
【００４９】
次いで、図５（ｃ）に示すように、Ｔａ／Ｃｕからなる内側電極１６２を成膜する。その後、Ｔａ／Ｎｉ80Ｆｅ20（ａｔ％）からなる上シールド膜１７を成膜する。
【００５０】
（第２の実施形態）
図６に第２の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）のＡＢＳ面近傍の、これと平行な断面図を示す。本実施形態では、下電極が外側電極および内側電極から構成されている。
【００５１】
図６に示されるように、下シールド膜１１上に下電極（第１電極）１２が形成されている。この下電極１２は外側電極１２１および内側電極１２２からなっている。内側電極１２２は外側電極１２１よりも電気抵抗率が低い材料からなっている。これらの外側電極１２１および内側電極１２２は、上部のＳＶ膜との接合部がテーパー形状に形成されている。外側電極１２１および内側電極１２２のテーパー部を囲むようにＡｌＯｘなどの絶縁膜１５が形成されている。下電極１２の外側電極１２１および内側電極１２２に接続するようにＳＶ膜１３が形成されている。絶縁膜１５上には、トラック幅方向に沿ってＳＶ膜１３を両側から挟む一対のハードバイアス膜（ハード膜）１４、１４が形成されている。ＳＶ膜１３およびハードバイアス膜１４、１４上には上電極（第２電極）１６が形成されている。上電極１６上には上シールド膜１７が形成されている。この場合も、下シールド膜１１側がリーディング側で、上シールド膜１７側がトレーリング側である。
【００５２】
このＣＰＰ−ＭＲヘッドでも、第１の実施形態と同様に、内側電極１２２端部での最大電流磁界を低減するとともに、Ｍ−Ｈカーブにヒステリシスを生じさせなくすることができ、出力のＳ／Ｎ比および出力の大きさを改善できる。
【００５３】
図７を参照して、図６のＣＰＰ−ＭＲヘッドの作製するためのプロセスについて説明する。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、基板１０上にＮｉＦｅからなる下シールド膜１１およびＴａ／Ｃｕからなる内側電極１２２を成膜する。フォトリソグラフィーにより内側電極１２２上にレジストパターン（図示せず）を形成し、ＩＢＥによりエッチングすることにより、内側電極１２２を凸形状に加工する。その後、レジストパターンを除去する。
【００５５】
次に、図７（ｂ）に示すように、内側電極１２２上に、Ｔａからなる外側電極１２１とＡｌＯｘからなる絶縁膜１５を成膜する。
【００５６】
次に、図７（ｃ）に示すように、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化加工を行い、内側電極１２２の上面を露出させる。なお、外側電極１２１および絶縁膜１５を形成した後、ＩＢＥまたはＲＩＥによりエッチバックして平坦化加工を行ってもよい。第１の実施形態と同様に、ＳＶ膜１３を形成し、Ｔ型レジストを用いたＳＶ膜１３のデプス規定およびＴ型レジスト２３を用いた幅規定を行った後、ハード膜１４を形成する。その後、Ｔ型レジスト２３を除去する。
【００５７】
さらに、Ｔａ／Ｃｕからなる上電極１６を成膜し、Ｔａ／ＮｉＦｅからなる上シールド膜１７を形成する。このようにして図６に示すＣＰＰ−ＭＲヘッドを作製する。
【００５８】
上述した第１及び第２の実施形態に示した２層構造電極を有するＣＰＰ−ＭＲ膜は、ＡＢＳ面から後退配置されて、ＡＢＳ面から伸びるヨークにより信号磁界の伝達を受けるヨーク型磁気ヘッド用の磁気抵抗効果膜として適用可能である。この場合には、ヨークと磁気抵抗効果膜とが充分な磁気結合を備えていると好ましい。
【００５９】
次に、本発明に係るＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ、およびこの磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置について説明する。
【００６０】
図８（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム２０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム２０１の一端にはサスペンション２０２が固定されている。サスペンション２０２の先端にはＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ２０３が取り付けられている。また、サスペンション２０２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線２０４が配線され、このリード線２０４の一端はヘッドスライダ２０３に組み込まれたＣＰＰ−ＭＲヘッドの各電極に接続され、リード線２０４の他端は電極パッド２０５に接続されている。
【００６１】
図８（ｂ）は図８（ａ）に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク２１１はスピンドル２１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３に固定され、サスペンション２０２およびその先端のヘッドスライダ２０３を支持している。磁気ディスク２１１が回転すると、ヘッドスライダ２０３の媒体対向面は磁気ディスク２１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。アクチュエータアーム２０１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ２１４が設けられている。ボイスコイルモータ２１４はアクチュエータアーム２０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３の上下２個所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００６２】
【発明の効果】
以上で説明したように本発明によれば、垂直通電型磁気抵抗素子の磁気抵抗効果膜に２層構造の電極を接続することにより、感磁領域に印加されるセンス電流磁界を抑制し、高出力、高Ｓ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）をＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図２】第１の実施形態のＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜の上電極との接合部を拡大して示す断面図。
【図３】第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第１のプロセスを示す断面図。
【図４】第１のプロセスで得られるＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるＳＶ膜と上電極との接合部を拡大して示す断面図。
【図５】第１の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するための第２のプロセスを示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）をＡＢＳ面近傍の、ＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図７】第２の実施形態の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを作製するためのプロセスを示す図。
【図８】本発明に係るＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図、および磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
【図９】従来のＣＩＰ−ＭＲヘッドをＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【図１０】従来のＣＰＰ−ＭＲヘッドをＡＢＳ面近傍の、この面に平行な断面図、およびＡＢＳ面と直交する面の断面図。
【符号の説明】
１…下シールド膜
２…下ギャップ膜
３…ＳＶ膜
４…ハードバイアス膜（ハード膜）
５…電極（リード）
６…上ギャップ膜
７…上シールド膜
１０…基板
１１…下シールド膜
１２…下電極（第１電極）
１２１…外側電極
１２２…内側電極
１３…ＳＶ膜
１４…ハードバイアス膜
１５…絶縁膜
１６…上電極（第２電極）
１６１…外側電極
１６２…内側電極
１７…上シールド膜
２１…Ｔ型レジスト
２２…レジストパターン
２３…Ｔ型レジスト
２０１…アクチュエータアーム
２０２…サスペンション
２０３…ヘッドスライダ
２０４…リード線
２０５…電極パッド
２１１…磁気ディスク
２１２…スピンドル
２１３…固定軸
２１４…ボイスコイルモータ
Claims (6)
- 外部磁界中において磁化方向が変化する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向に通電するために前記磁気抵抗効果膜の上下に形成された第１電極および第２電極とを具備し、前記第１または第２電極は、前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された外側電極、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面において前記外側電極より内側において前記磁気抵抗効果膜の膜面に接続された内側電極を備え、前記磁気抵抗効果膜の膜面でトラック幅方向に沿って前記外側電極は前記内側電極によって分断されており、前記内側電極は前記外側電極よりも電気抵抗率が低いことを特徴とする垂直通電型磁気抵抗効果素子。
- 前記内側電極または前記外側電極が、２層以上の多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直通電型磁気抵抗効果素子。
- 前記内側電極が、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、ＲｈおよびＡｌからなる群より選択される少なくとも１種の元素からなる金属または合金を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の垂直通電型磁気抵抗効果素子。
- 前記磁気抵抗効果膜が、外部磁界がゼロの状態において第１の方向の磁化を備え、所定の外部磁界中において磁化が回転する磁化フリー層と、前記外部磁界がゼロの状態及び前記所定の外部磁界中において第２の方向の磁化を保持する磁化ピン層と、前記磁化フリー層と前記磁化ピン層との間に形成された非磁性層とを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の垂直通電型磁気抵抗効果素子と、前記垂直通電型磁気抵抗効果素子を上下から挟む１対の磁気シールドとを具備したことを特徴とする垂直通電型磁気抵抗効果ヘッド。
- 磁気記録媒体と、請求項５に記載の垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドとを具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
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