JP3939215B2

JP3939215B2 - 薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバー

Info

Publication number: JP3939215B2
Application number: JP2002217173A
Authority: JP
Inventors: 寛顕笠原; 望蜂須賀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP2004062954A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ディスク装置の大容量小型化、高記録密度化に伴い、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。誘導型電磁変換素子によって記録と再生を行う薄膜磁気ヘッドに代わり、書き込み用誘導型電磁変換素子を有する記録ヘッドと読出用の磁気抵抗効果素子を有する再生ヘッドとを積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。
【０００３】
磁気抵抗効果素子は、外部磁場に対して素子抵抗が変化する。磁気記録媒体における測定対象となる磁化遷移領域からの磁場以外の磁場は、検出時には不要であるため、薄膜磁気ヘッドにおいては、このような不要磁場を遮断する磁気シールドが磁気抵抗効果素子を挟んでいる。
【０００４】
このような構造の薄膜磁気ヘッドとしては、GMR（Giant Magneto Resistive）素子及びTMR（Tunnel Magneto Resistive）素子等が列挙される。なお、薄膜磁気ヘッドは電子通過方向によっても分類されており、フリー磁性層の厚み方向に沿って電子が流れる磁気検出素子構造をＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造、これに垂直な面内において流れる磁気検出素子構造をＣIＰ（Current In Plane）構造という。
【０００５】
いずれの薄膜磁気ヘッドにおいても、特性検査が行われる。１つのウエハやバー等の基体内に形成される薄膜磁気ヘッドの数は比較的多いため、全ての素子の検査を行うことは合理的ではない。したがって、幾つかの薄膜磁気ヘッドについて完成前の段階で薄膜磁気ヘッドの形成された基体を磁場内に配置し、その特性検査を行うことが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気シールドの存在により、完成前の段階で薄膜磁気ヘッドに磁場を印加しても磁気抵抗効果素子の抵抗は変化しにくく、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を生じさせるためには、非常に強い磁場を印加しなくてはならない。ところが、このような強磁場の印加された状態では、精密な特性検査は困難である。
【０００７】
また、磁気記録媒体の磁化遷移領域からの高速読出は、高速な交流磁場の読出に対応するため、このような特性検査を薄膜磁気ヘッドに適用することも期待される。ところが、薄膜磁気ヘッドを高速変化する交流磁場中に配置しても、磁気シールドのヒステリシスループによって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化が殆ど現れず、精密な特性検査はできない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小さな磁場変化で磁気抵抗が変化可能な薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る薄膜磁気ヘッド用評価素子は、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドとを備えた薄膜磁気ヘッド用評価素子において、磁気シールドの厚み方向に垂直な直交２軸をそれぞれ縦軸及び横軸とした場合、媒体対向面は横軸に沿って構成され、磁気シールドの横方向長さＹに対する縦方向長さＸの比は６以上であり、且つ、実際の薄膜磁気ヘッドとは磁気シールドの縦横比が異なることを特徴とする。
【００１０】
本願発明者らが評価素子の磁気シールドの縦横比について鋭意検討した結果、磁気シールドの縦横比を上述の如く設定すれば、この評価素子における磁気抵抗効果素子の抵抗が、測定磁場の変化に対して容易に変化するようになることが判明した。このように、小さな磁場変化を用いて評価素子を検査することにより、これと同時に形成された薄膜磁気ヘッドの特性を間接的に検査することができる。
【００１１】
また、評価素子の磁気シールドの縦横比が大きすぎると、薄膜磁気ヘッドの１ウエハ当たりの収率が低下することから、上記比は１００以下に設定されることが望ましい。
【００１２】
すなわち、本発明に係る薄膜磁気ヘッドウエハは、上記薄膜磁気ヘッド用評価素子と同時に形成され、磁気シールドの縦横比が薄膜磁気ヘッド用評価素子の磁気シールドと異なる薄膜磁気ヘッドが複数形成されてなる。
【００１３】
実際の薄膜磁気ヘッドは評価素子ではないのであるから、評価素子とは縦横比が異なるということになる。薄膜磁気ヘッドの縦横比は特性評価の観点からではなく、本来の機能に併せて最適化される。例えば、薄膜磁気ヘッドの縦横比は１とする。
【００１４】
また、薄膜磁気ヘッドバーは、上記薄膜磁気ヘッドウエハを切断・加工して、薄膜磁気ヘッド用評価素子の磁気シールドの横方向長さＹに対する縦方向長さＸの比を３以上１０未満としたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は薄膜磁気ヘッド用評価素子Ｄと薄膜磁気ヘッドＲとが形成された薄膜磁気ヘッド集合体の斜視図である。この薄膜磁気ヘッド集合体はウエハであり、このウエハを切断することで、薄膜磁気ヘッドバーが形成され、さらに、これを切断することで、最終的に個々の薄膜磁気ヘッドＲが分離され、その後、磁気記録媒体と組み合わせることでハードディスク装置等の磁気記録装置が完成する。
【００１７】
磁気記録媒体の法線方向をＸ軸とする。Ｘ軸に垂直な２軸をＹ軸及びＺ軸とする。最終的な磁気記憶装置の完成時において、磁気記録媒体に対向する面を媒体対向面（エアベアリング）ＡＢＳとする。
【００１８】
ウエハ状態の薄膜磁気ヘッド集合体においては、薄膜磁気ヘッド用評価素子Ｄは、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Dと、磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Dを厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドＵ_D，Ｌ_Dとを備えている。下部の磁気シールドＬ_Dの方が上部の磁気シールドＵ_Dよりも大きい。磁気シールドＵ_D，Ｌ_Dの形状は同様なので、ここでは一方の磁気シールドＬ_Dについてのみ説明するが、以下の説明は他方の磁気シールドＵ_Dにも適合する。
【００１９】
磁気シールドＬ_Dの厚み方向（Ｚ軸）に垂直な直交２軸をそれぞれ縦軸（Ｘ軸）及び横軸（Ｙ軸）とする。磁気シールドＬ_Dの横方向長さＹ_Dに対する縦方向長さＸ_Dの比（Ｘ_D／Ｙ_D）は６以上である。
【００２０】
磁気シールドＬ_Dの縦横比を上述の如く設定すれば、評価素子Ｄにおける磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Dの磁気抵抗が、測定磁場の変化に対して容易に変化する。評価素子Ｄの磁気抵抗は、各磁気シールドＵ_D，Ｌ_D間に供給される電流（センス電流）を一定としつつ、各磁気シールドＵ_D，Ｌ_Dに電気的に接続されたリード配線Ｕ_D1，Ｌ_D1間の電圧を検出することで、オームの法則に従って測定される。また、電圧を一定としてＵ_D、Ｌ_D間を流れる電流を検出しても良い。
【００２１】
ＴＭＲ素子に用いられる磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ膜）ＴＭＲ_Dは、例えば、下地層／ピン止め層／下部強磁性層／絶縁層（トンネルバリア層）／上部強磁性層のような多層構造からなる積層膜からなる。ここで、ピン止め層は下部強磁性層の磁化の方向を磁気記録媒体からの磁場方向に固定するためのものである。この場合、下部強磁性層をピンド層と呼び、外部磁場に対し磁化の向きが変化する上部強磁性層をフリー層と呼ぶ。
【００２２】
絶縁層の厚みは、当該強磁性層間で電子が、そのスピンを保持しながらトンネルできるほど十分に薄く設定される。フリー層とピンド層は絶縁層を挟んで対向しており、一方から他方の層に抜ける電子の割合は、お互いの磁化の向きの相対角度によって決定される。
【００２３】
すなわち、このＴＭＲ膜に上下の磁気シールドＵ_D，Ｌ_Dから電流を流した場合、絶縁膜を挟んだ強磁性層間を流れるトンネル電流は、上記相対角度に依存して変化する。この現象を強磁性トンネル効果と呼び、ＴＭＲ膜の抵抗は、スピンバルブ膜と同様に両磁性層の磁化の向きが平行のとき最小、反平行のとき最大となる。
【００２４】
評価素子Ｄをウエハ集積工程で形成する際には、評価素子Ｄは薄膜磁気ヘッドＲと全く同じ集積工程を経て形成する。つまり、ＣＰＰ構造のヘッドを集積するウエハＷでは、評価素子Ｄを薄膜磁気ヘッドＲと同様にＣＰＰ構造とし、かつ下地からの膜構成を基本的に同様とする。すなわち、評価素子ＤはＴＭＲ素子であり、同様に、薄膜磁気ヘッドＲもＴＭＲ素子である。
【００２５】
評価素子Ｄにおいて、例えば、配線用に下部シールド材料と磁気抵抗効果膜の間にリードを新たに形成した場合、測定される電磁気的特性は薄膜磁気ヘッドＲの特性を模擬しているのではなく、下部シールド／リード間に成膜された磁気抵抗効果膜の特性を見ていることになる。つまり、ＣＰＰ構造に使用される磁気抵抗効果素子は、成長前の下地の影響を受けて特性が変化してしまうことに由来する。
【００２６】
薄膜磁気ヘッドＲの磁気抵抗は、ダミーとしての評価素子Ｄの磁気抵抗変化と同じように変化する。すなわち、薄膜磁気ヘッドＲの積層構造は評価素子Ｄの積層構造と同一であり、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Rと、磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Rを厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドＵ_R，Ｌ_Rとを備えている。
【００２７】
下部の磁気シールドＬ_Rの方が上部の磁気シールドＵ_Rよりも大きく、磁気シールドＬ_Rの横方向長さＹ_Rに対する縦方向長さＸ_Rの比（Ｘ_R／Ｙ_R）は例えば１である。なお、薄膜磁気ヘッドＲの磁気シールドＵ_R，Ｌ_Rにもリード配線Ｕ_R1，Ｌ_R1が電気的に接続されており、配線間電圧が測定可能となっており、この電圧は素子が実際の磁気記憶装置に組み込まれた場合にデータ読出に用いられる。
【００２８】
上述のように、磁気シールドＬ_Dの縦横比を６以上に設定し、小さな強度変化が行われる磁場中に評価素子Ｄを配置して、その特性を検査することにより、これと同時に形成された薄膜磁気ヘッドＲの特性を間接的に検査することができる。
【００２９】
図２は上記薄膜磁気ヘッド集合体としてのウエハＷの斜視図である。このウエハＷからは、複数の薄膜磁気ヘッドバーＢが切断によって切り取られる。薄膜磁気ヘッドバーＢの切り取り後に媒体対向面ＡＢＳとなる面に機械研磨等の加工が施される。
【００３０】
すなわち、薄膜磁気ヘッドバーＢは、薄膜磁気ヘッドウエハＷをＹ方向に沿って切断・加工して、磁気シールドＬ_Dの横方向長さＹに対する縦方向長さＸの比を３以上１０未満とするが、そもそも、この比は１よりも大きいので、その後の検査においても、薄膜磁気ヘッドＲよりも有効に磁気抵抗検出を行うことができる。
【００３１】
各薄膜磁気ヘッドバーＢも複数の薄膜磁気ヘッドＲを有しており、薄膜磁気ヘッド集合体を構成している。同図中には７個の薄膜磁気ヘッドＲに対して１個の評価素子Ｄを備えた薄膜磁気ヘッドバーを示すが、実際には数十〜数百個の薄膜磁気ヘッドＲが単一の薄膜磁気ヘッドバーＢ内に含まれる。評価素子Ｄは薄膜磁気ヘッドバーＢの略中央に位置するが、これは薄膜磁気ヘッドバーＢの両端や等分割位置等にも配置することもできる。
【００３２】
以上、説明したように、本実施形態に係る薄膜磁気ヘッドウエハＷは、薄膜磁気ヘッド用評価素子Ｄと同時に形成され、縦横比が薄膜磁気ヘッド用評価素子と異なる薄膜磁気ヘッドＲが複数形成されてなる。実際の薄膜磁気ヘッドＲは評価素子ではないのであるから、評価素子Ｄとは縦横比が異なる。薄膜磁気ヘッドＲの縦横比は特性評価の観点からではなく、本来の機能に併せて最適化され、本例の場合、縦横比は例えば１に設定される。
【００３３】
図３は測定磁場（Ｏｅ）と実施例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。このグラフにおける縦横比は６である。測定磁場を僅か（±１００（Ｏｅ）以内）に変化させただけで、ＭＲ変化率は２５％変化している。
【００３４】
図４は測定磁場（Ｏｅ）と別の実施例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。このグラフにおける縦横比は１０である。測定磁場を僅か（±１０（Ｏｅ）以内）に変化させただけで、ＭＲ変化率は２５％変化している。換言すれば、評価素子Ｄの反磁界係数は略ゼロとなっている。
【００３５】
図５は測定磁場（Ｏｅ）と比較例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。このグラフにおける磁気シールドの縦横比は１である。磁気シールドのヒステリシスによって、測定磁場を大きく（±１２００（Ｏｅ）以上）変化させなければ、ＭＲ変化率は変化しない。もちろん、測定磁場が０（Ｏｅ）に近傍で交流磁場を与えてもＭＲ変化率は殆ど変化しない。
【００３６】
以上のグラフから明らかなように、比較例に係る評価素子Ｄ（実素子）においては、測定磁場に対して下部磁気シールド、上部磁気シールドが反磁界を発生し、内部の磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Dにかかる磁場をキャンセルさせて実効的にゼロにしてしまう磁場領域が存在する（磁気シールド効果）。
【００３７】
このため、測定磁場が磁気シールドの飽和磁場を超えないうちは内部に磁場が入らず、磁気抵抗効果素子ＴＭＲ_Dのピンド層とフリー層内の磁界の平行・反平行状態が不安定になる。結局、約±１２００（Ｏｅ）の磁場領域では、ＭＲ変化率の磁場依存性が乱れ、正確なＭＲ変化率を求めることができない。
【００３８】
また、比較例の素子では磁気シールド効果のため、ヘッド特性として特に重要なゼロ磁場付近の応答が測定できないという不具合が生じている。実施例では、測定磁場方向に対して、評価素子Ｄの上下の磁気シールドの縦横比を大きくしているので、上下の磁気シールドの長手方向に生じる反磁界の素子に対する影響が抑制され、磁気抵抗効果膜の磁気特性を精密に評価することができる。
【００３９】
以上、説明したように、実施形態に係る評価素子Ｄによれば、小さな磁場変化で磁気抵抗を変化させることが可能となる。また、縦横比が大きすぎると、薄膜磁気ヘッドの１ウエハ当たりの収率が低下することから、上記縦横比は１００以下に設定されることが望ましい。
【００４０】
なお、上述の評価素子Ｄのパターンは、ウエハＷ上にある周期（例えばステッパ−の１ショット単位）で配置することができ、このパターンの抵抗値をゼロ磁場中、もしくは、直流や交流磁場で測定することにより、ウエハＷ上の全素子の評価を行うことなく、ウエハＷ面内における薄膜磁気ヘッドＲの特性分布を評価することができる。また、このような電磁気的な特性をウエハＷの製造時に把握することにより、薄膜磁気ヘッドＲの良否判定、製品管理を行うことができる。
【００４１】
なお、ＣＰＰ構造のＴＭＲ素子としては様々なものが考えられるが、上記実施例に用いられた一例について説明しておく。
【００４２】
本例のＴＭＲ素子は、ＡｌＴｉＣからなる基板上に下地層／ピン止め層／下部強磁性層／絶縁層（トンネルバリア層）／上部強磁性層／保護層を順次積層してなる。
【００４３】
すなわち、下地層：「Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）」、ピン止め層：「ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）」、下部強磁性層（ピンド層）：「ＣｏＦｅ（２ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）」、絶縁層（トンネルバリア層）：「Ａｌ₂Ｏ₃（０．７５ｎｍ）」、上部強磁性層（フリー層）：「ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２．５ｎｍ）」、保護層：「Ｔａ（１０ｎｍ）」である。
【００４４】
なお、上述の薄膜磁気ヘッドＲ及び評価素子Ｄとして、磁気シールドを有するものであれば、ＣＣＰ構造のＧＭＲ素子にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーによれば、小さな磁場変化で磁気抵抗を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄膜磁気ヘッド用評価素子Ｄと薄膜磁気ヘッドＲとが形成された薄膜磁気ヘッド集合体の斜視図である。
【図２】薄膜磁気ヘッド集合体としてのウエハＷの斜視図である。
【図３】測定磁場（Ｏｅ）と実施例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。
【図４】測定磁場（Ｏｅ）と別の実施例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。
【図５】測定磁場（Ｏｅ）と比較例に係る評価素子ＤにおけるＭＲ（磁気抵抗）変化率（％）の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｂ…薄膜磁気ヘッドバー、Ｄ…薄膜磁気ヘッド用評価素子、Ｒ…薄膜磁気ヘッド（実素子）、ＴＭＲ_D，ＴＭＲ_R…磁気抵抗効果素子、Ｕ_D，Ｌ_D，Ｕ_R，Ｌ_R…磁気シールド、Ｕ_D1，Ｌ_D1，Ｕ_R1，Ｌ_R1…リード配線、Ｗ…ウエハ。

Claims

測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドとを備えた薄膜磁気ヘッド用評価素子において、前記磁気シールドの前記厚み方向に垂直な直交２軸をそれぞれ縦軸及び横軸とした場合、媒体対向面は前記横軸に沿って構成され、前記磁気シールドの横方向長さＹに対する縦方向長さＸの比は６以上であり、且つ、実際の薄膜磁気ヘッドとは磁気シールドの縦横比が異なることを特徴とする薄膜磁気ヘッド用評価素子。
前記比は１００以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜磁気ヘッド用評価素子。
請求項１に記載の薄膜磁気ヘッド用評価素子と同時に形成され、磁気シールドの縦横比が前記薄膜磁気ヘッド用評価素子の前記磁気シールドとは異なる前記薄膜磁気ヘッドが複数形成されてなる薄膜磁気ヘッドウエハ。
請求項３に記載の薄膜磁気ヘッドウエハを切断・加工して、前記薄膜磁気ヘッド用評価素子の前記磁気シールドの横方向長さＹに対する縦方向長さＸの比を３以上１０未満としたことを特徴とする薄膜磁気ヘッドバー。