JP4308109B2 - 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、およびハードディスク装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、およびハードディスク装置 Download PDF

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Description

本発明は磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、およびハードディスク装置に関し、特にハードディスク装置の等の磁気記録装置の薄膜磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子に関する。
磁気記録の高密度化に対応するため、再生素子としてＧＭＲ(Giant Magneto-resistive)膜を用いた磁気ヘッドが広く利用されている。とりわけ、スピンバルブ膜(以下、ＳＶ膜という。)を用いたＧＭＲ素子は、記録媒体の記録を読み出すために素子に流されるセンス電流に対する抵抗変化が大きく、より高感度の磁気ヘッドを提供することができる。ここでＳＶ膜とは、磁化の方向が一方向に固定された強磁性膜（以下、ピンド層ともいう。）と、記録媒体が発生する外部磁界に応じて磁化の方向を変える強磁性膜（以下、フリー層ともいう。）との間に非磁性のスペーサ層を挟んで構成された積層膜である。
ＳＶ膜を使用したＭＲ素子は、従来、膜面に平行にセンス電流を流すＣＩＰ(Current in Plane)-ＧＭＲ素子が中心であったが、最近では、更なる高密度化に対応するため、膜面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)-ＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの開発が進められている。ＣＰＰタイプの素子としては、他にＴＭＲ(Tunnnel Magneto-resistance)膜を用いたＴＭＲ素子があるが、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子と比較して低抵抗であること、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子と比較して狭トラック幅での読み取りでも高出力が得られることから、高いポテンシャルを持つ素子として期待されている。
しかしながら、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子では、センス電流は膜面すなわち界面を垂直に通過するため、界面におけるスピン依存散乱が十分に生じず、磁気抵抗変化自体が小さいという問題がある。そこで、大きな磁気抵抗変化を得るため、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子においては、一般に以下の２つの対策がとられている。一つは、界面の数を増やして、界面散乱効果を高める方法である。界面散乱係数は、界面を形成する材料の組み合わせによって決まるため、膜構成が重要であり、例えば、２つのピンド層のうちの少なくとも一方がNiFeからなる中間層を有する多層膜構成（Co/NiFe/Co等）が、適切な膜構成として開示されている（特許文献１、２参照。）。もう一つは、フリー層、非磁性中間層、ピンド層等を厚くして、各層内部の伝導電子の散乱、すなわちバルク散乱による抵抗を増やす方法である。この場合は膜構成よりもむしろ膜厚が重要となり、実際、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜厚は、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子のそれと比べ、かなり厚くされることが多い。
ところで、ＧＭＲ素子のピンド層には、いわゆるシンセティックピンド層が用いられることがある。シンセティックピンド層とは、磁性層であるアウターピンド層と、RuやRhからなる非磁性金属層と、磁性層であるインナーピンド層とがこの順で積層され、アウターピンド層とインナーピンド層とが非磁性金属層によって反強磁性的に結合したピンド層である。すなわち、ＳＶ膜全体は、バッファ層/反強磁性層/アウターピンド層/非磁性中間層/インナーピンド層/スペーサ層/フリー層/保護層の順に積層して構成される。シンセティックピンド層では、アウターピンド層とインナーピンド層の磁化の向きが反平行となるので、ピンド層の磁化が抑制、安定化される。また、ヘッドの読み取り素子として用いる場合、ピンド層からの静磁界によるバイアスポイントのずれを回避することができる。
シンセティックピンド層は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子への適用も検討されているが、上述の理由によって、ピンド層の膜厚、すなわちアウターピンド層とインナーピンド層の膜厚も厚くなる傾向となる。
特開２００３−８１０３号公報 特開２００１−５２３１７号公報
しかしながら、シンセティックピンド層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、上述のようにピンド層の膜厚を大きくしていくと、アウターピンド層とインナーピンド層との反強磁性的結合の確保が難しくなるという問題がある。これは、膜厚が増えるにしたがい、アウターピンド層とインナーピンド層の磁気モーメントが増え、非磁性中間層の交換結合強度、すなわちアウターピンド層とインナーピンド層とを反強磁性的に結合させる結合力が不足するためである。
シンセティックピンド層はアウターピンド層とインナーピンド層の磁化の向きが反平行で、全体としての実効磁化が０となるのが理想であるが、このようにピンド層が厚くなると、非磁性中間層がアウターピンド層とインナーピンド層とを反強磁性的に結合できる有効磁場範囲が減少してしまい、さらにはピンド層の反強磁性結合を高温下で維持する温度も低下してしまう。結果として、大きな磁気抵抗変化をより広い磁場範囲、温度範囲で安定に得ることが難しくなってしまうという問題があった。
本発明は、以上の状況に鑑みて、シンセティックピンド層を用いたＣＰＰ-ＧＭＲ素子において、シンセティックピンド層の反強磁性的結合を強化し、大きな磁気抵抗変化を得るとともに、再生出力の品質を高めることのできる磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド等を提供することを目的とする。
本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対して磁化方向が変化するフリー層と、外部磁界に対して磁化方向が固定されたアウターピンド層と、膜厚０．４ｎｍのルテニウムからなる非磁性中間層と、非磁性中間層を介してアウターピンド層と反強磁性的に結合することによって外部磁界に対して磁化方向が固定される、膜厚３ｎｍ以上のインナーピンド層との積層体を有するピンド層と、フリー層とインナーピンド層とに挟まれたスペーサ層とを有し、ピンド層、スペーサ層、およびフリー層の各層を略積層方向にセンス電流が流れる、磁気抵抗効果素子である。磁気抵抗効果素子は、ピンド層のフリー層との対向面の反対側となる面に接して設けられ、アウターピンド層と交換結合して、アウターピンド層の磁化方向を外部磁界に対して固定する、イリジウムマンガン合金よりなる反強磁性層を有し、アウターピンド層とインナーピンド層はともに、コバルト鉄合金からなっている。アウターピンド層は、反強磁性層と接し平均コバルト原子分率が６５％以上７５％以下であるコバルト鉄合金からなる反強磁性層隣接層と、非磁性中間層と接しコバルト原子分率が９０％以上１００％以下であるコバルト鉄合金からなる非磁性中間層アウター隣接層と、を有し、インナーピンド層は、非磁性中間層と接しコバルト原子分率が９０％以上１００％以下であるコバルト鉄合金からなる非磁性中間層インナー隣接層と、スペーサ層と接しコバルト原子分率が１０％以上７０％以下であるコバルト鉄合金からなるスペーサ層隣接層と、を有している。
このような磁気抵抗効果素子においては、アウターピンド層とインナーピンド層の各々が非磁性中間層との境界面に近接する部分は、アウターピンド層とインナーピンド層との反強磁性的結合に直接寄与するため、コバルト原子分率を増加することによって、アウターピンド層とインナーピンド層との間の交換結合強度を高めることができる。一方、非磁性中間層との境界面から離れた部分は、アウターピンド層とインナーピンド層との反強磁性的結合への寄与が少ないため、コバルト原子分率を増加させる必要性が小さい。そこで、反強磁性層との境界面に近い部分は、反強磁性層との交換結合を重視し、反強磁性層との交換結合がより強くなるコバルト原子分率とするのが望ましい。また、スペーサ層との境界面に近い部分は、バルク散乱を重視し、バルク散乱を生じやすいコバルト原子分率とするのが望ましい。このように、ピンド層におけるコバルト原子分率を、非磁性中間層の近傍において最大となり、反強磁性層およびスペーサ層との境界面に近づくにつれて減少するような分布とすることによって、ピンド層の磁化方向を外部磁界に対して強固に固定するとともに、磁気抵抗変化率を増大させることが可能となる。
また、反強磁性層隣接層は、コバルト鉄合金からなる複数の層を有し、複数の層に渡るコバルトの平均原子分率が６５％以上７５％以下であるように構成することができる。
さらに、インナーピンド層は、非磁性中間層インナー隣接層とスペーサ層隣接層との間に、コバルト原子分率が１０％以上７０％以下であり、２〜５層の銅層が互いに離れた位置に挿入されているコバルト鉄合金中間層を有するように構成してもよい。
本発明のヘッドジンバルアセンブリは、上記の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションとを有する。
本発明のハードディスク装置は、上記の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを支持するとともに記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを有する。
以上説明したように、本発明によれば、特にシンセティックピンド層を用いたＣＰＰ-ＧＭＲ素子において、シンセティックピンド層の反強磁性的結合を強化し、再生出力の線形性を向上させるとともに、大きな磁気抵抗変化を得て、再生出力の品質を高めることができるので、薄膜磁気ヘッドやハードディスク装置の性能を向上させることができる。
本発明の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ素子という。）の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明の磁気抵抗素子を用いた薄膜磁気ヘッド１の部分斜視図である。薄膜磁気ヘッド１は読み込み専用のヘッドでもよく、記録部をさらに有するＭＲ／インダクティブ複合ヘッドでもよい。ＣＰＰ素子２は、上部電極兼シールド層３と下部電極兼シールド層４との間に挟まれ、先端部が記録媒体２１と対向する面（以下、媒体対向面２４という。）に配置されている。ＣＰＰ素子２には、図１中の矢印に示すように、上部電極兼シールド層３と下部電極兼シールド層４との間にかかる電圧によって、上部電極兼シールド層３からＣＰＰ素子２を積層方向に貫通して下部電極兼シールド層４に向かうセンス電流２２が流れている。ＣＰＰ素子２との対向面における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の記録媒体移動方向２３への移動につれて変化する。ＣＰＰ素子２は、この磁界の変化を、ＧＭＲ効果によって得られるセンス電流２２の電気抵抗変化として検出することにより、記録媒体２１の各磁区に書き込まれた磁気情報を読み出すことができる。
図２にはＣＰＰ素子２の断面構成を示す。本断面は図１におけるＡ−Ａ方向の断面図であり、媒体対向面２４から見た積層構造を示している。
ＣＰＰ素子２は下部電極兼シールド層４から順に、バッファ層５、反強磁性層６、アウターピンド層７、非磁性中間層８、インナーピンド層９、スペーサ層１０、フリー層１１、保護層１２の順に積層され、保護層１２の上には上部電極兼シールド層３が形成されている。ＣＰＰ素子２の側方には、絶縁膜１３を介して硬質磁性膜１４が形成されている。
アウターピンド層７は、反強磁性層６との交換結合によって、外部磁界に対して磁化方向が固定され、インナーピンド層９は非磁性中間層８を介してアウターピンド層７と反強磁性的に結合し、アウターピンド層７と反平行の向きに磁化されている。フリー層１１は外部磁界に対して磁化方向が変化する。
以下、各層について詳細に説明する。なお、本明細書では、膜構成を示すのにＡ／Ｂ／（Ｃ／Ｄ）ｘ／Ｅ／Ｆなる表記をする場合がある。ここでｘは整数であり、例えばｘ＝２の場合、積層体は、層Ａ、層Ｂ、層Ｃ、層Ｄ，層Ｃ、層Ｄ，層Ｅ、層Ｆの順に積層されていることを示す。各層がＡ(1nm)等のように括弧付きで記載されている場合、括弧内の数値はその層の膜厚を示す。また、Co70Fe30等の記載は原子分率（数値の単位は％）を意味する。
下部電極兼シールド層４は、再生素子のシールドと書き込み素子の電極とを兼ね、例えば層厚２μｍ程度のNiFe層を用いることができる。
バッファ層５の組成は、反強磁性層６とその上に積層されるアウターピンド層７との交換結合が良好になるように選ばれ、例えばTa/NiFeCrを用いることができる。
反強磁性層６には、膜厚７ｎｍ程度のIrMn層を用いることができる。
アウターピンド層７は、反強磁性層６に接する反強磁性層隣接層７１と、非磁性中間層８に接する非磁性中間層アウター隣接層７２とを有している。反強磁性層隣接層７１はCoFe層からなり、Co原子分率は反強磁性層６との良好な交換結合を得るため、６５％以上７５％以下、特に７０％程度とするのが好ましい。非磁性中間層アウター隣接層７２もCoFe層からなり、Co原子分率は７０％以上１００％以下とするのが好ましい。アウターピンド層７の代表的な膜構成および膜厚は、Co70Fe30(2nm)/Co90Fe10(3nm)である。なお、Co原子分率として１００％を選択した場合、非磁性中間層アウター隣接層７２はCo層となるが、上記のCoFe層はこのような組成も含んでいる。これらの組成比の根拠については後述する。
反強磁性層隣接層７１は、平均Co原子分率が６５％以上７５％以下、特に７０％となる、Co原子分率の異なる薄いCoFe層の多層構造としてもよい。この場合のアウターピンド層７の代表的な膜構成および膜厚は、Co90Fe10(0.5nm)/Co30Fe70(0.5nm)/Co90Fe10(5nm)である。本願発明者は、この膜構成において、反強磁性層６との界面からおよそ１．６ｎｍ程度までの範囲が反強磁性層６との交換結合に有効に働く範囲であることを確認している。したがって、この場合、Co90Fe10膜(0.5nm)とCo30Fe70膜(0.5nm)の全部、およびCo90Fe10膜(5nm)のうちの０．６ｎｍの範囲が反強磁性層隣接層７１となり、反強磁性層６との界面から１．６ｎｍの範囲での平均Co原子分率が約７０％となる。
非磁性中間層８としては、膜厚略０．４ｎｍのRu層を用いることが好ましい。膜厚略０．４ｎｍの根拠については後述する。ただし、シンセティックピンド層の膜厚によっては膜厚略０．８ｎｍのRu層を用いることも可能である。
インナーピンド層９は、界面散乱効果により大きな抵抗変化を得るためにCu層が挿入された、CoFe層とCu層との多層膜である。インナーピンド層９は、非磁性中間層８に隣接する非磁性中間層インナー隣接層９１、中間Cu層９２、中間CoFe層９３、中間Cu層９４、中間CoFe層９５、中間Cu層９６、スペーサ層１０に隣接するスペーサ層隣接層９７がこの順で積層されている。また、大きなバルク散乱効果を得るために、これらの膜厚の合計値は３ｎｍ以上とすることが望ましい。非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率は７０％以上１００％以下、スペーサ層隣接層９７のCo原子分率は１０％以上７０％以下とするのが好ましい。代表的な組成および膜厚は、Co90Fe10(1nm)/[(Cu(0.2nm)/Co50Fe50(1.3nm)]x（ただし、ｘ＝２〜５）であり、上記の膜構成はｘ＝３に相当する。これらの組成比の根拠は後述する。
スペーサ層１０には膜厚１．５〜３ｎｍのCu層が用いられ、AuまたはAgを用いることもできる。
フリー層１１は、記録媒体の信号磁界に対して磁化方向が変化する膜である。フリー層１１の代表的な膜構成は、CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFeであるが、CoＦe/NiFeの膜構成や、軟磁気特性をより確実にするため、NiFe層をベースとしCoFe層で両面を覆ったCoFe/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/CoFeの膜構成を用いることもできる。
保護層１２は積層部の劣化防止のために設けられ、例えば膜厚１〜５ｎｍのCu層とRu層との積層体を用いることができる。
上部電極兼シールド層３は、下部電極シールド層４と同様再生素子のシールドを兼ねており、例えば層厚２μｍ程度のNiFe層を用いることができる。
絶縁膜１３にはAl2O3等の酸化膜を用いることができる。絶縁膜１３を介した側方には、ハードバイアス磁界をフリー層１１に印加してフリー層１１を単磁区化する磁区制御膜であって、CoPt,CoCrPt等からなる硬質磁性膜１４が形成されている。
以上を整理して、表１にはＣＰＰ素子２の一般的な膜構成と代表的な膜構成を示す。表１は、下部電極兼シールド層４に接するバッファー層５のTa層から、上部電極兼シールド層３に接する保護層１０のRu層に向けて積層順に下から上に、各層の組成と膜厚とを記載している。なお、インナーピンド層９の中間Cu層の層数はここでは３としたが、前述の通り２〜５の範囲で選定できる。
Figure 0004308109
次に、本発明に係る膜構成および膜厚の根拠について検討した結果を説明する。
（検討１）まず、非磁性中間層８の膜厚の根拠について述べる。非磁性中間層８には上述のとおりRu層を用いているが、Ruは膜厚略０．４ｎｍと略０．８ｎｍで、ＲＫＫＹ的反強磁性結合のピークを有し、これらの特定の膜厚で、アウターピンド層７とインナーピンド層９とが反強磁性的に特に強く結合し、インナーピンド層９が外部磁界に対して強く固定されることが知られている。この結合強度は交換結合強度と呼ばれ、Ruの交換結合強度は膜厚略０．８ｎｍよりも略０．４ｎｍにおいてより大きいことが知られている。
従来は、膜厚の小さいＣＩＰ−ＧＭＲ素子が主流であり(膜厚１．５ｎｍ程度)、膜厚の大きい(３ｎｍ程度)ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合でもそれほど膜厚が大きくなかった。このため、十分広い有効磁場範囲(±８０ｋＡ／ｍ程度)とプロセス可能な飽和磁場(６４０ｋＡ／ｍ程度)を有する膜厚略０．８ｎｍのRu層が用いられてきた。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において高い磁気抵抗変化率を得るために、厚膜、多層のシンセティックピンド層を用いると、従来の膜厚略０．８ｎｍのRu層であると十分広い有効磁場範囲で反強磁性結合を確保することが難しくなる。この結果、膜厚略０．８ｎｍのRu層のような弱い交換結合の非磁性中間層では小さい磁場でピンド層の磁化方向が傾き、高磁場での波形直線性を損なってしまう。したがって、ハードディスクヘッドとしての実用の観点からは、同じ磁気抵抗変化率であっても強い交換結合強度を有する非磁性中間層を用いることが必要となる。
膜厚略０．４ｎｍのRu層は、このような観点から好ましいものである。しかし、膜厚略０．４ｎｍのRuの交換結合定数は、Co/Ru/Coの膜構成で０．５μＪ／ｃｍ2であることはわかっているが[S.S.P.Parkin,Phys.Rev.Lett.64,2304 (1990)]、本願発明のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、磁気抵抗変化の向上のために、Coよりも大きなバルク散乱係数を持つCoFeを用いており、表１に示す膜構成におけるRu層の膜厚が素子の読み込み特性に及ぼす影響は確認されていない。そこで、CoFeでインナーピンド層およびアウターピンド層が構成される膜構成を対象に、ベタ膜としての特性と、素子としての特性とについて検討した。
（検討１−１）まず、ベタ膜で、Ru層厚が略０．４ｎｍと略０．８ｎｍの場合について、交換結合定数の比較をおこなった。表２に検討に用いたピンド層の膜構成を示す。
Figure 0004308109
上表のピンド層を有するベタ膜に磁界を印加し、ピンド層の磁性層反転磁界を求めた。交換結合定数は磁性層反転磁界に比例するので、この測定から交換結合定数の値を見積もることができ、０．２７μＪ／ｃｍ2の値が得られた。図３には、印加磁界と磁気抵抗との関係を、計算結果と実験結果とを対比して示す。計算結果は交換結合定数が０．２７μＪ／ｃｍ2のときに実験結果を良好に再現しており、計算結果からも０．２７μＪ／ｃｍ2の妥当性が確認できた。一方、上表でRu層厚を略０．８ｎｍにすると、交換結合定数は０．１１μＪ／ｃｍ2となり、膜厚を略０．４ｎｍとすることにより、交換結合定数が大きく向上することがわかった。この値は、Co90Fe10(6nm)相当の磁気モーメントを有する磁性層を反強磁性的に結合させるのに十分な値である。なお、得られた交換結合定数からピンド層のアニール磁場を見積もると、約５２５０００Ａ／ｍとなり、現行のアニーラーで十分飽和させることができる。
図４には、Ru層厚が略０．４ｎｍと略０．８ｎｍの場合の印加磁界と磁気抵抗との関係を示す。Ru層厚略０．４ｎｍの場合、略０．８ｎｍの場合と比べて交換結合定数が大きいため、有効磁場範囲が増加していることが確認された。なお、図中２本の線は印加磁界の増加時、減少時に対応する。
（検討１−２）次に、以上のベタ膜レベル実験の結果を踏まえて素子レベルで、Ru層厚が略０．４ｎｍと略０．８ｎｍの性能比較をおこなった。
用いたヘッドの膜構成は表１の代表例２に示したもので、ジャンクションのサイズは０．１×０．１μｍ、硬質磁性膜は膜厚２５ｎｍのCoCrPt層を用い、４００ｋＡ／ｍの磁界で着磁した。なお、バードバイアス磁界を印加しない場合についても検討した。また、確認時のセンス電流は５ｍＡ、ピンド層の印加磁界は±３２ｋＡ／ｍとした。
図５Ａには、Ru層厚が略０．４ｎｍのときの、図５Ｂには、Ru層厚が略０．８ｎｍのときのＭＲ曲線を各々示す。ハードバイアス磁界が印加されない場合のＭＲ波形は、図４と同様の傾向を示している。また、Ru層厚を略０．４ｎｍにすると、ハードバイアス磁界を印加した場合に、出力電圧が良好な線形性を有することがわかった。これは、膜厚略０．４ｎｍのRuの持つ大きな交換結合定数によって有効磁場範囲が増大するため、ハードバイアス磁界を受けてもピンド層の磁性層反転が生じにくいためであると考えられる。
（検討２）次に、反強磁性層隣接層７１の最適組成を検討した。表３には、検討に用いた反強磁性層隣接層７１の組成および膜厚を示す。ＣＰＰ素子全体の膜構成は、反強磁性層隣接層７１を除いて表１の代表例１，２と同一とし、反強磁性隣接層７１を構成する複数のCoFe層の膜厚x、y、zを変化させて、反強磁性隣接層７１全体の平均Co原子分率を変化させた。
Figure 0004308109
図６Ａ，６Ｂには、非磁性中間層８として膜厚略０．４ｎｍのRu層を用いたときの、反強磁性層隣接層７１の平均Co原子分率と、ピンド層７と反強磁性層６間の交換結合磁界の関係を示す。同図より、交換結合磁界は、平均Co原子分率が６５％から７５％の間で良好な値を示し、７０％の時に最大値を示すことが分かる。また、図示しないが、反強磁性隣接層７１がCo70Fe30単層の場合も同等の交換結合磁界を示すことを確認した。
（検討３）次に、非磁性中間層アウター隣接層７２、非磁性中間層インナー隣接層９１の組成の最適範囲を検討した。ＣＰＰ素子全体の膜構成は表１の代表例１と同一とし、非磁性中間層アウター隣接層７２および非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率を、互いに同一の値で、５０％から１００％の間で変動させた。また、実際の環境温度での交換結合強度を評価するため、室温である２９３Ｋ（２０℃）と作動温度を考慮したストレス温度である６２３Ｋ（３５０℃）でのデータを採取した。
交換結合強度の評価基準値は０．２μＪ／ｃｍ2とした。この値は、表１に示す膜構成において、実用上必要とされる有効磁場範囲の目安値である±８０ｋＡ／ｍの範囲で十分な交換結合を得るために必要な値である。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子の場合、ピンド層の膜厚は90Co10Fe換算で通常２ｎｍ程度であり、Ru層厚略０．８ｎｍで得られる交換結合強度０．１２μＪ／ｃｍ2で十分であるが、表１に示すＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合、インナーピンド層とアウターピンド層の膜厚は、大きな磁気抵抗変化率を得るために、90Co10Fe換算で６ｎｍ程度となっている。このため、より大きな交換結合強度が必要になる。
図７Ａ，７Ｂには、非磁性中間層８として膜厚略０．４ｎｍのRu層を用いたときの、非磁性中間層アウター隣接層７２および非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率と、インナーピンド層７とアウターピンド層９間の交換結合強度との関係を示す。図からわかる通り、交換結合強度は非磁性中間層アウター隣接層７２および非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率に依存しており、実用に耐えうる交換結合強度を持つには、室温において６０％程度以上のCo原子分率が必要である。さらにヘッド素子としてハードディスク内の環境温度で作動させる場合を考えると、十分な交換結合強度を持つには、７０％程度以上のCo原子分率が必要である。これより、非磁性中間層アウター隣接層７２および非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率は７０％以上１００％以下が好ましいことがわかった。なお、ＣＰＰ素子全体の膜構成を表１の代表例２とした場合についても検討したが、ほぼ同様の結果が得られた。
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作成するプロセスのアニール条件は７４８ｋＡ／ｍ，５４３Ｋ（２７０℃）である。このアニール条件下で、非磁性中間層８との界面に70Co30Feを用いると、交換結合定数が強すぎてピンド層の磁化が磁場方向に飽和せずアニールしきれない。結果として、ピンド層の磁化がある角度をもって反強磁性層６に対して固定されてしまうため、低磁場領域でフリー層と良好な反平行状態を実現できず、実素子にした時に、線形性を保つ出力電圧の有効磁場範囲が著しく減少してしまう。図８には、室温時におけるベタ膜の外部磁界と磁気抵抗変化率（規準化）との関係を示すが、90CoFe,100Coではゼロ磁場から８０ｋＡ／ｍ付近までフラットな領域が存在するが、70Co30Feではこの領域が１６ｋＡ／ｍ付近であり小さい。このため、実素子としての性能を考えると、非磁性中間層アウター隣接層７２および非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率は９０〜１００％とするのがより好ましい。
（検討４）次に、スペーサ層隣接層９７の最適組成を検討した。ここで、中間CoFe層９３，９５の組成は、磁気特性の調整のために適宜設定することもできるが、本検討では、スペーサ層隣接層９７と同じとした。その理由は、中間CoFe層９３、９５に要求される特性は、スペーサ層隣接層９７と同様、界面におけるスピン散乱が大きいことと、バルク散乱が大きいことであり、中間CoFe層９３，９５についても、スペーサ層隣接層９７と同じ組成のCoFeを用いることが効果的であるためである。
表４には、検討に用いたインナーピンド層９の組成および膜厚を示す。ＣＰＰ素子全体の膜構成は表１の代表例２と同一とし、表４には、ピンド層の膜構成を示す。非磁性中間層インナー隣接層９１のCoFeの原子分率を９０％とし、中間CoFe層９３，９５およびスペーサ層隣接層９７のCoFeの原子分率をパラメータとして、Co原子分率の影響を検討した。評価項目は、上記の観点から磁気抵抗変化率依存性とした。
Figure 0004308109
図９Ａ，９Ｂには、中間CoFe層９３，９５およびスペーサ層隣接層９７Co原子分率と、磁気抵抗変化率との関係を示す。図から明らかなように、CoFeとCuの多層構造の場合、中間CoFe層９３，９５、スペーサ層隣接層９７におけるCo原子分率をあまり高くすることは得策でなく、１０％〜７０％の範囲に抑えるほうが磁気抵抗変化が大きくなることがわかる。
（検討５）最後に、図１に示した素子構造を有する磁気抵抗素子をヘッド素子として組み込んだ時のヘッドの性能を、ｒ−Ｈ曲線によって検証した。用いたヘッドの膜構成は表１の代表例２に示したもので、ジャンクションのサイズは０．１×０．１μｍ、硬質磁性膜は膜厚２５ｎｍのCoCrPt層を用い、４００ｋＡ／ｍの磁界で着磁した。また、確認時のセンス電流は５ｍＡ、ピンド層の印加磁界は±３２ｋＡ／ｍとした。なお、ｒ−Ｈ曲線とは外部磁界に対する抵抗変化を表した曲線であり、ピンド層の磁気特性はそのままｒ−Ｈ曲線に現れるので、動的な性能で比較するよりも本願発明の効果を検証しやすいと考えられる。
図１０Ａ、１０Ｂに代表的なｒ−Ｈ曲線の例を示す。図１０Ａは本願発明の、図１０Ｂは従来技術の磁気抵抗素子を用いたときのｒ−Ｈ曲線である。図中２本の線は印加磁界の増加時、減少時に対応する。図１０Ｂのｒ−Ｈ曲線は谷型の曲線を示しており、印加磁界の範囲で良好な直線性を維持できていない。この例は谷型であるが、山型になる場合もある。このように直線性を維持できない要因は、シンセティックピンド層の反強磁性的結合が弱く、ピンド層が回転し始めているためと考えられる。一方、図１０Ａのｒ−Ｈ曲線は印加磁界の範囲で良好な直線性を維持しており、本願発明の効果が現れている。
また、表５には、表１の代表例１を基準として、中間層９３，９５とスペーサ隣接層９７のCo原子分率を変えたときの、印加磁界３２ｋＡ／ｍでの再生出力とピンド層反転確率の比較を示す。同様に、表６には、表１の代表例２を基準として、非磁性中間層８に隣接する非磁性中間層アウター隣接層７２と非磁性中間層インナー隣接層９１のCo原子分率を高めたときの同じ評価項目についての比較を示す。
Figure 0004308109
Figure 0004308109
これらの比較より、表５のように、非磁性中間層８であるRu層を挟む２つのCoFe層のCo原子分率が小さい場合には反強磁性的結合が弱く、ピンド層が反転しやすい。また、表６のように、インナーピンド層のCo原子分率が大きい場合には再生出力で劣る。以上より、本願発明の磁気抵抗素子は、再生ヘッドに適用した場合においても、より良い再生特性が得られることが確認された。
以上説明したとおり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のシンセティックピンド層として上述の膜構成を用いることにより、大きな磁気抵抗変化率と同時に、ピンド層の反強磁性膜６との強い交換結合磁界と、非磁性中間層８を介してのピンド層内の強い反強磁性的結合磁界が得られる。なお、以上の説明は非磁性中間層として膜厚略０．４ｎｍのRu層を用いた場合を前提におこなったが、同様の効果は膜厚略０．８ｎｍのRu層を用いた場合にも得られ、本発明を膜厚略０．４ｎｍのRu層を用いた場合に限定する趣旨ではない。
次に、上述したＣＰＰ素子２をヘッド素子とした薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるウエハについて説明する。図１１はウエハの概念的な平面図である。ウエハ１５０は複数の薄膜磁気変換素子集合体１５１に区画される。薄膜磁気変換素子集合体１５１は、ＣＰＰ素子２が積層された薄膜磁気変換素子１５２を含み、媒体対向面２４を研磨加工する際の作業単位となる。薄膜磁気変換素子集合体１５１間および薄膜磁気変換素子１５２間には切断のための切り代（図示せず）が設けられている。
次に、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置について説明する。まず、図１２を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ２１０について説明する。ハードディスク装置において、スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように配置される。スライダ２１０は、主に基板およびオーバーコート層（図示せず）からなる基体２１１を備えている。基体２１１は、ほぼ六面体形状をなしている。基体２１１の六面のうちの一面は、ハードディスクに対向するようになっている。この一面には、媒体対向面となる媒体対向面２４が形成されている。ハードディスクが図１２におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、図１２におけるｙ方向の下方に揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図１２におけるｘ方向は、ハードディスクのトラック横断方向である。スライダ２１０の空気流出側の端部（図１２における左下の端部）の近傍には、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いた薄膜磁気ヘッド１００が形成されている。
次に、図１３を参照して、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドジンバルアセンブリ２２０について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１とを備えている。サスペンション２２１は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられると共にスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与えるフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４とを有している。ベースプレート２２４は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させるためのアクチュエータのアーム２３０に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム２３０と、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ２２３において、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。
ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、アクチュエータのアーム２３０に取り付けられる。１つのアーム２３０にヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。
図１３は、ヘッドアームアセンブリの一例を示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム２３０の一端部にヘッドジンバルアセンブリ２２０が取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には、アーム２３０を回動自在に支持するための軸２３４に取り付けられる軸受け部２３３が設けられている。
次に、図１４および図１５を参照して、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。図１４はハードディスク装置の要部を示す説明図、図１５はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。複数のアーム２５２には、複数のヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１においてアーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組み込まれる。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ２５０のコイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。
スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０およびアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共にハードディスク２６２に対して位置決めする。
本ハードディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって、ハードディスク２６２に情報を記録し、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いた再生ヘッドによって、ハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。
本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ薄膜磁気ヘッドの斜視図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子を媒体対向面から見た断面図である。 ＳＶ膜をベタ膜として形成したときの、Ru層の膜厚と磁気抵抗との関係を示す説明図である。 ＳＶ膜をベタ膜として形成したときの、Ru層の膜厚と磁気抵抗との関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ磁気ヘッドにおける、Ru層の膜厚と磁気抵抗との関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ磁気ヘッドにおける、Ru層の膜厚と磁気抵抗との関係を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子の反強磁性層隣接層のCo原子分率と、交換結合磁界強度の関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の反強磁性層隣接層のCo原子分率と、交換結合磁界強度の関係を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子のRu層隣接層のCo原子分率と、交換結合磁界強度の関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子のRu層隣接層のCo原子分率と、交換結合磁界強度の関係を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子の非磁性中間層アウター隣接層および非磁性中間層インナー隣接層のCo原子分率と、磁気抵抗変化率の関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の中間CoFe層およびスペーサ層隣接層のCo原子分率と、磁気抵抗変化率の関係を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の中間CoFe層およびスペーサ層隣接層のCo原子分率と、磁気抵抗変化率の関係を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子のｒ−Ｈ曲線を示す説明図である。 従来技術の磁気抵抗効果素子のｒ−Ｈ曲線を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ薄膜磁気ヘッドの製造に係るウエハの平面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダを示す斜視図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリを示す斜視図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだハードディスク装置の要部を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだハードディスク装置の平面図である。
符号の説明
１ 薄膜磁気ヘッド
２ ＣＰＰ素子
３ 上部電極兼シールド層
４ 下部電極兼シールド層
５ バッファ層
６ 反強磁性層
７ アウターピンド層
７１ 反強磁性層隣接層
７２ 非磁性中間層アウター隣接層
８ 非磁性中間層
９ インナーピンド層
９１ 非磁性中間層インナー隣接層
９２，９４，９６ 中間Cu層
９３，９５ 中間CoFe層
９７ スペーサ層隣接層
１０ スペーサ層
１１ フリー層
１２ 保護層
１３ 絶縁膜
１４ 硬質磁性膜
１４ 上部下地層
１５ 下部下時層
１８ ＳＶ膜
１９ 側面
２１ 記録媒体
２２ センス電流
２３ 記録媒体移動方向

Claims (6)

  1. 外部磁界に対して磁化方向が変化するフリー層と、
    前記外部磁界に対して磁化方向が固定されたアウターピンド層と、膜厚０．４ｎｍのルテニウムからなる非磁性中間層と、該非磁性中間層を介して該アウターピンド層と反強磁性的に結合することによって前記外部磁界に対して磁化方向が固定される、膜厚３ｎｍ以上のインナーピンド層との積層体を有するピンド層と、
    前記フリー層と前記インナーピンド層とに挟まれたスペーサ層とを有し、
    該ピンド層、該スペーサ層、および該フリー層の各層を略積層方向にセンス電流が流れる、磁気抵抗効果素子であって、
    前記ピンド層の前記フリー層との対向面の反対側となる面に接して設けられ、前記アウターピンド層と交換結合して、該アウターピンド層の磁化方向を前記外部磁界に対して固定する、イリジウムマンガン合金よりなる反強磁性層を有し、
    前記アウターピンド層と前記インナーピンド層はともに、コバルト鉄合金からなり、
    前記アウターピンド層は、前記反強磁性層と接し平均コバルト原子分率が６５％以上７５％以下であるコバルト鉄合金からなる反強磁性層隣接層と、前記非磁性中間層と接しコバルト原子分率が９０％以上１００％以下であるコバルト鉄合金からなる非磁性中間層アウター隣接層と、を有し、
    前記インナーピンド層は、前記非磁性中間層と接しコバルト原子分率が９０％以上１００％以下であるコバルト鉄合金からなる非磁性中間層インナー隣接層と、前記スペーサ層と接しコバルト原子分率が１０％以上７０％以下であるコバルト鉄合金からなるスペーサ層隣接層と、を有する、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記反強磁性層隣接層は、コバルト鉄合金からなる複数の層を有し、該複数の層に渡るコバルトの平均原子分率が６５％以上７５％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記インナーピンド層は、前記非磁性中間層インナー隣接層と前記スペーサ層隣接層との間に、コバルト原子分率が１０％以上７０％以下であり、２〜５層の銅層が互いに離れた位置に挿入されているコバルト鉄合金中間層を有する、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記媒体対向面に、前記記録媒体に記録されたデータを読み取る請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド。
  5. 請求項４に記載の薄膜磁気ヘッドを含み、前記記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、
    を有するヘッドジンバルアセンブリ。
  6. 請求項４に記載の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを支持するとともに前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置と、
    を有するハードディスク装置。
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