JP4942445B2 - 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、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置 - 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、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置 Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、ならびにこの磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置に関する。
近年、磁気ディスク装置の面記録密度の向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。薄膜磁気ヘッドとしては、基板に対して、読み出し用の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ（Magnetoresistive）素子とも記す。）を有する再生ヘッドと書き込み用の誘導型電磁変換素子を有する記録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。
ＭＲ素子としては、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magnetoresistive）効果を用いたＡＭＲ素子や、巨大磁気抵抗（Giant Magnetoresistive）効果を用いたＧＭＲ素子や、トンネル磁気抵抗（Tunneling Magnetoresistive）効果を用いたＴＭＲ素子等がある。
再生ヘッドの特性としては、高感度および高出力であることが要求される。この要求を満たす再生ヘッドとして、既に、スピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いたＧＭＲヘッドが量産されている。最近では、面記録密度の更なる向上に対応するために、ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドの開発が進められている。
スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、一般的には、自由層と、固定層と、これらの間に配置された非磁性導電層と、固定層における非磁性導電層とは反対側に配置された反強磁性層とを有している。自由層は信号磁界に応じて磁化の方向が変化する強磁性層である。固定層は、磁化の方向が固定された強磁性層である。反強磁性層は、固定層との交換結合により、固定層における磁化の方向を固定する層である。
ところで、従来のＧＭＲヘッドでは、磁気的信号検出用の電流（以下、センス電流という。）を、ＧＭＲ素子を構成する各層の面に対して平行な方向に流す構造になっていた。このような構造は、ＣＩＰ（Current In Plane）構造と呼ばれる。これに対し、センス電流を、ＧＭＲ素子を構成する各層の面と交差する方向、例えばＧＭＲ素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流す構造のＧＭＲヘッドの開発も進められている。このような構造は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造と呼ばれる。以下、ＣＰＰ構造の再生ヘッドに用いられるＧＭＲ素子をＣＰＰ−ＧＭＲ素子と呼び、ＣＩＰ構造の再生ヘッドに用いられるＧＭＲ素子をＣＩＰ−ＧＭＲ素子と呼ぶ。
前述のＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドもＣＰＰ構造となる。ＴＭＲ素子は、一般的には、自由層と、固定層と、これらの間に配置されたトンネルバリア層と、固定層におけるトンネルバリア層とは反対側に配置された反強磁性層とを有している。トンネルバリア層は、トンネル効果によりスピンを保存した状態で電子が通過できる非磁性絶縁層である。自由層、固定層および反強磁性層については、スピンバルブ型ＧＭＲ素子と同様である。ＴＭＲ素子では、スピンバルブ型ＧＭＲ素子に比べて、抵抗に対する磁気抵抗変化の比率である磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ比と記す。）を大きくできることが期待されている。
特許文献１には、非磁性の絶縁膜による第２層を、それぞれ金属性強磁性体薄膜による第１層と第３層とで挟んだ構造のＴＭＲ素子が記載されている。このＴＭＲ素子では、第２層のスピン偏極率を、第１層および第３層のスピン偏極率の１／１０以下となるようにしている。第２層としては、絶縁膜としてのＺｎＯｘ薄膜（ｘ＝０．９５〜１．０５）が用いられている。
また、特許文献２には、スピン偏極した電子の作用により磁化方向が変化する自由層と、磁化方向が固定された固着層と、固着層と自由層との間に設けられ、非磁性材料よりなる中間層とを備えた磁気記録素子が記載されている。特許文献２には、中間層の材料として、非磁性金属、絶縁材料および半導体材料が挙げられている。この磁気記録素子では、自由層にスピン偏極した電子を注入することにより、自由層の磁化方向を変化させるようになっている。
また、特許文献３には、磁化方向が固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、磁化固着層と磁化自由層との間に設けられたスペーサ層とを備え、スペーサ層が、絶縁層と、この絶縁層を貫通する電流パスとを含むＣＰＰ−ＧＭＲ素子が記載されている。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、絶縁層は例えばＡｌ2Ｏ3によって形成され、電流パスは例えばＣｕによって形成されている。このようなＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、例えば、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子と呼ばれている。
また、特許文献４には、磁化方向が固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、磁化固着層と磁化自由層との間に設けられた非磁性金属中間層と、磁化固着層と磁化自由層との間に設けられ、伝導キャリア数が１０22個／ｃｍ３以下の材料からなる抵抗調節層とを備えたＣＰＰ−ＧＭＲ素子が記載されている。特許文献４には、抵抗調節層の材料として半導体または半金属が望ましい旨が記載されている。
なお、非特許文献１，２には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子における自由層や固定層として用いられるＣｏＦｅ層とＣＰＰ−ＧＭＲ素子における非磁性導電層として用いられるＣｕ層との界面の面積抵抗の値として、０．２ｍΩμｍ２という値が記載されている。また、非特許文献３には、ＺｎＯ膜についての抵抗等の特性が記載されている。
特開２００２−８４０１４号公報 特開２００６−８６４７６号公報 特開２００６−５４２５７号公報 特開２００３−８１０２号公報 T.Valet and A.Fert,Phys.Rev.B 48,7099(1993) J.Bass and W.P.Pratt Jr.,J.Magn.Mater.200,274(1999) 日本学術振興会 透明酸化物 光・電子材料166委員会編，透明導電膜の技術，ｐ．１３９
ところで、ＴＭＲ素子を再生ヘッドに用いる場合には、ＴＭＲ素子の低抵抗化が要求される。以下、その理由について説明する。磁気ディスク装置では、記録密度の向上とデータ転送レートの向上が要求されている。それに伴い、再生ヘッドには、高周波応答性がよいことが要求される。ところが、ＴＭＲ素子の抵抗値が大きいと、ＴＭＲ素子およびそれに接続される回路において発生する浮遊容量が大きくなり、再生ヘッドの高周波応答性が低下してしまう。そのため、ＴＭＲ素子には低抵抗化が要求される。
一般的に、ＴＭＲ素子の低抵抗化のためには、トンネルバリア層の厚みを小さくすることが有効である。しかしながら、トンネルバリア層の厚みを小さくしすぎると、トンネルバリア層に多くのピンホールが生じることによってＴＭＲ素子の寿命が短くなったり、自由層と固定層との間で磁気的な結合が生じることによってノイズの増大やＭＲ比の低下といったＴＭＲ素子の特性の劣化が生じたりするという問題が発生する。ここで、再生ヘッドにおいて発生するノイズをヘッドノイズと言う。ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドにおいて発生するヘッドノイズには、ＧＭＲ素子を用いた再生ヘッドでは発生しないノイズ成分であるショットノイズが含まれる。そのため、ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドでは、ヘッドノイズが大きいという問題点がある。
特許文献１には、第２層である非磁性の絶縁膜をＺｎＯｘ薄膜（ｘ＝０．９５〜１．０５）により形成することにより、絶縁膜のばらつきの許容度を高めて、ＴＭＲ素子の信頼性を向上させることができる旨が記載されている。しかし、特許文献１では、ＴＭＲ素子の低抵抗化については考慮されていない。
一方、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、十分に大きなＭＲ比が得られないという問題点がある。その原因としては、非磁性導電層と磁性層との界面や、非磁性導電層中において、スピン偏極電子が散乱されるためと考えられる。
また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、抵抗値が小さいため、抵抗変化量も小さくなる。そのため、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いて大きな再生出力を得るためには、素子に印加する電圧を大きくする必要がある。しかし、素子に印加する電圧を大きくすると、以下のような問題が発生する。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、各層の面に対して垂直な方向に電流が流される。すると、自由層から固定層へ、あるいは固定層から自由層へスピン偏極電子が注入される。このスピン偏極電子は、自由層または固定層において、それらの磁化を回転させるトルクを発生させる。本出願において、このトルクをスピントルクと言う。このスピントルクは電流密度に比例する。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子に印加する電圧を大きくすると、電流密度が増加し、その結果、スピントルクが大きくなる。スピントルクが大きくなると、固定層の磁化の方向が変化してしまうという問題が発生する。
特許文献２に記載された磁気記録素子では、上記のスピントルクを利用して自由層の磁化方向を変化させるようにしている。しかし、再生ヘッドに用いられるＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、上述のように、スピントルクが大きくなることは、固定層の磁化の方向が変化して再生ヘッドの特性が劣化するため、好ましくない。
例えば特許文献３に記載されているような電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子によれば、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて、抵抗値および抵抗変化量を大きくすることができる。しかし、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、以下のような問題点がある。すなわち、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子のスペーサ層における絶縁層は、例えば酸化処理を用いて形成される。この場合、絶縁層の酸化状態のばらつきが大きくなるため、スペーサ層を安定して形成することが難しい。そのため、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、特性のばらつきが大きくなるという問題点がある。また、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、スペーサ層においてスピン偏極電子が散乱されるため、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲ素子と同様に、十分に大きなＭＲ比が得られないという問題点がある。
特許文献４に記載されたＣＰＰ−ＧＭＲ素子によれば、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて、抵抗値および抵抗変化量を大きくすることができる。ところで、特許文献４には、抵抗調節層中でのスピンの緩和を防ぐためには、抵抗調節層の厚みは小さい方がよく、１ｎｍ以下であることが望ましい旨が記載されている。しかしながら、特許文献４には、ノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得るために、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の抵抗値あるいは抵抗調節層の厚みがどのような範囲内にあればよいかは記載されていない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得ることができるようにした磁気抵抗効果素子、ならびにこの磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置を提供することにある。
本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層と、磁化の方向が固定された固定層と、自由層と固定層との間に配置されたスペーサ層とを備え、磁気的信号検出用の電流が、上記各層の面と交差する方向に流されるものである。スペーサ層は、それぞれ非磁性金属材料によって形成された第１および第２の非磁性金属層と、酸化物半導体を含む材料によって形成され、第１の非磁性金属層と第２の非磁性金属層との間に配置された半導体層とを有している。本発明の磁気抵抗効果素子の面積抵抗は、０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であり、スペーサ層の導電率は、１３３〜３４４Ｓ／ｃｍの範囲内である。
本発明の磁気抵抗効果素子の面積抵抗は、０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることがより好ましい。
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、酸化物半導体は酸化亜鉛であってもよい。この場合、半導体層の厚みは、１．２〜２ｎｍの範囲内であることがより好ましく、１．６〜２ｎｍの範囲内であることが更に好ましい。
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第１および第２の非磁性金属層は、それぞれ、Ｃｕによって形成されている。
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第１および第２の非磁性金属層の厚みは、それぞれ、０．３〜２ｎｍの範囲内であることが好ましい。
本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面と、記録媒体からの信号磁界を検出するために媒体対向面の近傍に配置された本発明の磁気抵抗効果素子と、磁気的信号検出用の電流を磁気抵抗効果素子に流すための一対の電極とを備えたものである。
本発明のヘッドジンバルアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように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備えたものである。
本発明のヘッドアームアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように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、スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームとを備え、サスペンションがアームに取り付けられているものである。
本発明の磁気ディスク装置は、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを支持すると共に記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを備えたものである。
本発明の磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が第１および第２の非磁性金属層と、これらの間に配置された半導体層とを有し、面積抵抗が０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であり、スペーサ層の導電率は、１３３〜３４４Ｓ／ｃｍの範囲内である。これにより、本発明の磁気抵抗効果素子、あるいはこの磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリまたは磁気ディスク装置によれば、磁気抵抗効果素子において、ノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得ることができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図２および図３を参照して、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの構成および製造方法の概略について説明する。図２は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面および基板に垂直な断面を示す断面図、図３は薄膜磁気ヘッドの磁極部分の媒体対向面に平行な断面を示す断面図である。
本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面２０を備えている。また、薄膜磁気ヘッドは、アルティック（Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＣ）等のセラミック材料よりなる基板１と、この基板１の上に配置されたアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の絶縁材料よりなる絶縁層２と、この絶縁層２の上に配置された磁性材料よりなる第１のシールド層３と、この第１のシールド層３の上に配置されたＭＲ素子５と、このＭＲ素子５の２つの側部に隣接するように配置された２つのバイアス磁界印加層６と、ＭＲ素子５およびバイアス磁界印加層６の周囲に配置された絶縁層７とを備えている。ＭＲ素子５は、媒体対向面２０の近傍に配置されている。絶縁層７は、アルミナ等の絶縁材料によって形成されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、ＭＲ素子５、バイアス磁界印加層６および絶縁層７の上に配置された磁性材料よりなる第２のシールド層８と、この第２のシールド層８の上に配置されたアルミナ等の非磁性材料よりなる分離層１８と、この分離層１８の上に配置された磁性材料よりなる下部磁極層１９とを備えている。第２のシールド層８および下部磁極層１９に用いる磁性材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＦｅＮ等の軟磁性材料である。なお、第２のシールド層８、分離層１８および下部磁極層１９の代わりに、下部磁極層を兼ねた第２のシールド層を設けてもよい。
薄膜磁気ヘッドは、更に、下部磁極層１９の上に配置されたアルミナ等の非磁性材料よりなる記録ギャップ層９を備えている。記録ギャップ層９には、媒体対向面２０から離れた位置においてコンタクトホール９ａが形成されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、記録ギャップ層９の上に配置された薄膜コイルの第１層部分１０を備えている。第１層部分１０は、銅（Ｃｕ）等の導電材料によって形成されている。なお、図２において、符号１０ａは、第１層部分１０のうち、後述する薄膜コイルの第２層部分１５に接続される接続部を表している。第１層部分１０は、コンタクトホール９ａの周囲に巻回されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、薄膜コイルの第１層部分１０およびその周辺の記録ギャップ層９を覆うように配置された絶縁材料よりなる絶縁層１１と、磁性材料よりなる上部磁極層１２と、接続部１０ａの上に配置された導電材料よりなる接続層１３とを備えている。接続層１３は、磁性材料によって形成されていてもよい。絶縁層１１の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となっている。
上部磁極層１２は、トラック幅規定層１２ａと連結部分層１２ｂとヨーク部分層１２ｃとを有している。トラック幅規定層１２ａは、絶縁層１１のうちの媒体対向面２０側の斜面部分から媒体対向面２０側にかけての領域において、記録ギャップ層９および絶縁層１１の上に配置されている。トラック幅規定層１２ａは、記録ギャップ層９の上に形成され、上部磁極層１２の磁極部分となる先端部と、絶縁層１１の媒体対向面２０側の斜面部分の上に形成され、ヨーク部分層１２ｃに接続される接続部とを有している。先端部の幅は記録トラック幅と等しくなっている。接続部の幅は、先端部の幅よりも大きくなっている。
連結部分層１２ｂは、コンタクトホール９ａが形成された位置において、下部磁極層１９の上に配置されている。ヨーク部分層１２ｃは、トラック幅規定層１２ａと連結部分層１２ｂとを連結している。ヨーク部分層１２ｃの媒体対向面２０側の端部は、媒体対向面２０から離れた位置に配置されている。また、ヨーク部分層１２ｃは、連結部分層１２ｂを介して下部磁極層１９に接続されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、連結部分層１２ｂおよび連結部分層１２ｂの周囲に配置されたアルミナ等の無機絶縁材料よりなる絶縁層１４を備えている。トラック幅規定層１２ａ、連結部分層１２ｂ、接続層１３および絶縁層１４の上面は平坦化されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、絶縁層１４の上に配置された薄膜コイルの第２層部分１５を備えている。第２層部分１５は、銅（Ｃｕ）等の導電材料によって形成されている。なお、図２において、符号１５ａは、第２層部分１５のうち、接続層１３を介して薄膜コイルの第１層部分１０の接続部１０ａに接続される接続部を表している。第２層部分１５は、連結部分層１２ｂの周囲に巻回されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、薄膜コイルの第２層部分１５およびその周辺の絶縁層１４を覆うように配置された絶縁層１６を備えている。絶縁層１６の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となっている。ヨーク部分層１２ｃの一部は、絶縁層１６の上に配置されている。
薄膜磁気ヘッドは、更に、上部磁極層１２を覆うように配置されたオーバーコート層１７を備えている。オーバーコート層１７は、例えばアルミナによって構成されている。
次に、本実施の形態における薄膜磁気ヘッドの製造方法の概略について説明する。本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの製造方法では、まず、基板１の上に、スパッタ法等によって絶縁層２を、例えば０．２〜５μｍの厚みに形成する。次に、絶縁層２の上に、めっき法等によって第１のシールド層３を、所定のパターンに形成する。次に、図示しないが、全体に、例えばアルミナよりなる絶縁層を形成する。次に、例えば化学機械研磨（以下、ＣＭＰという。）によって、第１のシールド層３が露出するまで絶縁層を研磨して、第１のシールド層３および絶縁層の上面を平坦化する。
次に、第１のシールド層３の上に、ＭＲ素子５と、２つのバイアス磁界印加層６と、絶縁層７とを形成する。次に、ＭＲ素子５、バイアス磁界印加層６および絶縁層７の上に、第２のシールド層８を形成する。第２のシールド層８は、例えばめっき法またはスパッタ法によって形成される。次に、第２のシールド層８の上に、スパッタ法等によって、分離層１８を形成する。次に、この分離層１８の上に、例えばめっき法またはスパッタ法によって、下部磁極層１９を形成する。
次に、下部磁極層１９の上に、スパッタ法等によって、記録ギャップ層９を、例えば５０〜３００ｎｍの厚みに形成する。次に、磁路形成のために、後に形成される薄膜コイルの中心部分において、記録ギャップ層９を部分的にエッチングしてコンタクトホール９ａを形成する。
次に、記録ギャップ層９の上に、薄膜コイルの第１層部分１０を、例えば２〜３μｍの厚みに形成する。第１層部分１０は、コンタクトホール９ａの周囲に巻回される。
次に、薄膜コイルの第１層部分１０およびその周辺の記録ギャップ層９を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層１１を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層１１の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層１１の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。
次に、絶縁層１１のうちの後述する媒体対向面２０側の斜面部分から媒体対向面２０側にかけての領域において、記録ギャップ層９および絶縁層１１の上に、上部磁極層１２のトラック幅規定層１２ａを形成する。
トラック幅規定層１２ａを形成する際には、同時に、コンタクトホール９ａが形成された位置において下部磁極層１９の上に連結部分層１２ｂを形成すると共に、接続部１０ａの上に接続層１３を形成する。
次に、磁極トリミングを行う。すなわち、トラック幅規定層１２ａの周辺領域において、トラック幅規定層１２ａをマスクとして、記録ギャップ層９および下部磁極層１９の磁極部分における記録ギャップ層９側の少なくとも一部をエッチングする。これにより、図３に示したように、上部磁極層１２の磁極部分、記録ギャップ層９および下部磁極層１９の磁極部分の少なくとも一部の各幅が揃えられたトリム（Trim）構造が形成される。このトリム構造によれば、記録ギャップ層９の近傍における磁束の広がりによる実効的なトラック幅の増加を防止することができる。
次に、ここまでの工程によって形成された積層体の上面全体の上に絶縁層１４を、例えば３〜４μｍの厚みに形成する。次に、この絶縁層１４を、例えばＣＭＰによって、トラック幅規定層１２ａ、連結部分層１２ｂおよび接続層１３の表面に至るまで研磨して平坦化する。
次に、平坦化された絶縁層１４の上に、薄膜コイルの第２層部分１５を、例えば２〜３μｍの厚みに形成する。第２層部分１５は、連結部分層１２ｂの周囲に巻回される。
次に、薄膜コイルの第２層部分１５およびその周辺の絶縁層１４を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層１６を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層１６の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層１６の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。次に、トラック幅規定層１２ａ、絶縁層１４，１６および連結部分層１２ｂの上に、ヨーク部分層１２ｃを形成する。
次に、ここまでの工程によって形成された積層体の上面全体を覆うように、オーバーコート層１７を形成する。次に、オーバーコート層１７の上に配線や端子等を形成する。最後に、上記各層を含むスライダの機械加工を行って媒体対向面２０を形成して、記録ヘッドおよび再生ヘッドを含む薄膜磁気ヘッドが完成する。
このようにして製造される薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面２０と再生ヘッドと記録ヘッドとを備えている。再生ヘッドは、記録媒体からの信号磁界を検出するために媒体対向面２０の近傍に配置されている。再生ヘッドの構成については、後で詳しく説明する。
記録ヘッドは、媒体対向面２０側において互いに対向する磁極部分を含むと共に、互いに磁気的に連結された下部磁極層１９および上部磁極層１２と、この下部磁極層１９の磁極部分と上部磁極層１２の磁極部分との間に設けられた記録ギャップ層９と、少なくとも一部が下部磁極層１９および上部磁極層１２の間に、これらに対して絶縁された状態で配設された薄膜コイル１０，１５とを有している。この薄膜磁気ヘッドでは、図２に示したように、媒体対向面２０から、絶縁層１１の媒体対向面２０側の端部までの長さが、スロートハイトＴＨとなる。なお、スロートハイトとは、媒体対向面２０から、２つの磁極層の間隔が大きくなり始める位置までの長さ（高さ）をいう。なお、図２および図３には、長手磁気記録方式用の記録ヘッドを示したが、本実施の形態における記録ヘッドは、垂直磁気記録方式用の記録ヘッドであってもよい。
次に、図１を参照して、本実施の形態における再生ヘッドの構成について詳しく説明する。図１は再生ヘッドの媒体対向面に平行な断面を示す断面図である。図１に示したように、再生ヘッドは、所定の間隔を開けて配置された第１のシールド層３および第２のシールド層８と、第１のシールド層３と第２のシールド層８との間に配置されたＭＲ素子５とを備えている。ＭＲ素子５および第２のシールド層８は第１のシールド層３に積層されている。
再生ヘッドは、更に、ＭＲ素子５の２つの側部に隣接するように配置され、ＭＲ素子５に対してバイアス磁界を印加する２つのバイアス磁界印加層６と、第１のシールド層３およびＭＲ素子５とバイアス磁界印加層６との間に配置された絶縁層４とを備えている。
バイアス磁界印加層６は、硬磁性層（ハードマグネット）や、強磁性層と反強磁性層との積層体等を用いて構成される。具体的には、バイアス磁界印加層６は、例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔによって形成される。絶縁層４は、例えばアルミナによって形成される。
本実施の形態に係るＭＲ素子５は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子になっている。このＭＲ素子５には、磁気的信号検出用の電流であるセンス電流が、ＭＲ素子５を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に流される。第１のシールド層３と第２のシールド層８は、センス電流を、ＭＲ素子５に対して、ＭＲ素子５を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極を兼ねている。なお、第１のシールド層３および第２のシールド層８とは別に、ＭＲ素子５の上下に一対の電極を設けてもよい。ＭＲ素子５は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて抵抗値が変化する。ＭＲ素子５の抵抗値はセンス電流より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
図１には、ＭＲ素子５の構成の一例を示している。このＭＲ素子５は、信号磁界に応じて磁化の方向が変化する強磁性層である自由層２５と、磁化の方向が固定された強磁性層である固定層２３と、自由層２５と固定層２３との間に配置されたスペーサ層２４とを備えている。図１に示した例では、固定層２３と自由層２５のうち、固定層２３の方が第１のシールド層３に近い位置に配置されている。しかし、逆に、自由層２５の方が第１のシールド層３に近い位置に配置されていてもよい。ＭＲ素子５は、更に、固定層２３におけるスペーサ層２４とは反対側に配置された反強磁性層２２と、第１のシールド層３と反強磁性層２２との間に配置された下地層２１と、自由層２５と第２のシールド層８との間に配置された保護層２６とを備えている。図１に示したＭＲ素子５では、第１のシールド層３の上に、下地層２１、反強磁性層２２、固定層２３、スペーサ層２４、自由層２５および保護層２６が順に積層されている。
反強磁性層２２は、固定層２３との交換結合により、固定層２３における磁化の方向を固定する層である。下地層２１は、その上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させ、特に、反強磁性層２２と固定層２３との交換結合を良好にするために設けられる。保護層２６は、その下の各層を保護するための層である。
下地層２１の厚みは、例えば２〜６ｎｍである。下地層２１としては、例えばＴａ層とＲｕ層との積層体が用いられる。
反強磁性層２２の厚みは、例えば５〜３０ｎｍである。反強磁性層２２は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｉｒ、ＣｒおよびＦｅからなる群のうちの少なくとも１種ＭIIと、Ｍｎとを含む反強磁性材料により構成されている。このうちＭｎの含有量は３５原子％以上９５原子％以下、その他の元素ＭIIの含有量は５原子％以上６５原子％以下であることが好ましい。この反強磁性材料には、熱処理しなくても反強磁性を示し、強磁性材料との間に交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。この反強磁性層２２は、そのどちらにより構成されていてもよい。非熱処理系反強磁性材料にはγ相を有するＭｎ合金等があり、具体的には、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎあるいはＩｒＭｎ等がある。熱処理系反強磁性材料には規則結晶構造を有するＭｎ合金等があり、具体的には、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎおよびＰｔＲｈＭｎ等がある。
なお、固定層２３における磁化の方向を固定する層として、上記のような反強磁性層２２の代わりに、ＣｏＰｔ等の硬磁性材料よりなる硬磁性層を設けてもよい。この場合には、下地層２１の材料としては、Ｃｒ、ＣｒＴｉ、ＴｉＷ等が用いられる。
固定層２３では、反強磁性層２２との界面における交換結合により、磁化の向きが固定されている。本実施の形態における固定層２３は、反強磁性層２２の上に順に積層されたアウター層３１、非磁性中間層３２およびインナー層３３を有し、いわゆるシンセティック固定層になっている。アウター層３１およびインナー層３３は、例えば、ＣｏおよびＦｅからなる群のうちの少なくともＣｏを含む強磁性材料により構成された強磁性層を含んでいる。アウター層３１とインナー層３３は、反強磁性的に結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。アウター層３１の厚みは、例えば３〜７ｎｍである。インナー層３３の厚みは、例えば３〜１０ｎｍである。
非磁性中間層３２の厚みは、例えば０．３５〜１．０ｎｍである。非磁性中間層３２は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、ＺｒおよびＣｕからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性材料により構成されている。この非磁性中間層３２は、インナー層３３とアウター層３１の間に反強磁性交換結合を生じさせ、インナー層３３の磁化とアウター層３１の磁化とを互いに逆方向に固定するためのものである。なお、インナー層３３の磁化とアウター層３１の磁化が互いに逆方向というのは、これら２つの磁化の方向が互いに１８０°異なる場合のみならず、２つの磁化の方向が１８０°±２０°異なる場合を含む。
本実施の形態におけるスペーサ層２４は、それぞれ非磁性金属材料によって形成された第１の非磁性金属層４１および第２の非磁性金属層４３と、酸化物半導体を含む材料によって形成され、第１の非磁性金属層４１と第２の非磁性金属層４３との間に配置された半導体層４２とを有している。第１の非磁性金属層４１はインナー層３３に接し、第２の非磁性金属層４３は自由層２５に接している。
半導体層４２に用いられる酸化物半導体としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）または酸化インジウム（ＩｎＯ）のいずれかを用いることができる。このうち、半導体層４２に用いられる酸化物半導体としては、特にＺｎＯが好ましい。半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯの場合には、半導体層４２の厚みは、１〜２ｎｍの範囲内であることが好ましく、１．２〜２ｎｍの範囲内であることがより好ましく、１．６〜２ｎｍの範囲内であることが更に好ましい。半導体層４２は、酸化物半導体の他に添加物を含む材料によって形成されていてもよい。
非磁性金属層４１，４３に用いられる非磁性金属材料としては、例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＡｕＣｕ、ＣｕＺｎ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈのいずれかを用いることができる。このうち、非磁性金属層４１，４３に用いられる非磁性金属材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇが好ましく、特にＣｕが好ましい。非磁性金属層４１，４３の各厚みは、０．３〜２ｎｍの範囲内であることが好ましい。
自由層２５の厚みは、例えば２〜１０ｎｍである。自由層２５は、保磁力が小さい強磁性層によって構成されている。自由層２５は、積層された複数の強磁性層を含んでいてもよい。
保護層２６の厚みは、例えば０．５〜２０ｎｍである。保護層２６としては、例えばＴａ層やＲｕ層が用いられる。また、保護層２６は、Ｔａ層、Ｒｕ層等の組み合わせの２積層構造や、Ｔａ層、Ｒｕ層、Ｔａ層の組み合わせや、Ｒｕ層、Ｔａ層、Ｒｕ層の組み合わせ等の３積層構造としてもよい。
なお、インナー層３３と自由層２５の少なくとも一方は、ホイスラー合金層を含んでいてもよい。
本実施の形態に係るＭＲ素子５の面積抵抗（resistance-area product；ＲＡ）は、０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが好ましく、０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることがより好ましく、０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが更に好ましい。
次に、図１に示した再生ヘッドの製造方法について説明する。この再生ヘッドの製造方法では、まず、絶縁層２の上に、めっき法等によって、所定のパターンの第１のシールド層３を形成する。次に、第１のシールド層３の上に、例えばスパッタ法によって、ＭＲ素子５を構成する各層となる膜を順に形成し、これらの膜の積層体を形成する。次に、この積層体に対して、所定の温度で加熱する熱処理を施す。この熱処理の温度は、２００〜３００℃の範囲内であることが好ましい。次に、積層体をエッチングによってパターニングして、ＭＲ素子５を形成する。次に、例えばスパッタ法によって、絶縁層４とバイアス磁界印加層６を順に形成する。次に、ＭＲ素子５およびバイアス磁界印加層６の上に、例えばめっき法またはスパッタ法によって、第２のシールド層８を形成する。
なお、上記の熱処理は、スペーサ層２４を構成する各層となる膜を加熱することを目的として行われる。従って、この熱処理は、スペーサ層２４を構成する各層となる膜の形成後であれば、どの段階で行ってもよい。例えば、上記積層体をパターニングした後に熱処理を行ってもよい。
次に、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの作用について説明する。薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって記録媒体に情報を記録し、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。
再生ヘッドにおいて、バイアス磁界印加層６によるバイアス磁界の方向は、媒体対向面２０に垂直な方向と直交している。ＭＲ素子５において、信号磁界がない状態では、自由層２５の磁化の方向は、バイアス磁界の方向に揃えられている。一方、固定層２３の磁化の方向は、媒体対向面２０に垂直な方向に固定されている。
ＭＲ素子５では、記録媒体からの信号磁界に応じて自由層２５の磁化の方向が変化し、これにより、自由層２５の磁化の方向と固定層２３の磁化の方向との間の相対角度が変化し、その結果、ＭＲ素子５の抵抗値が変化する。ＭＲ素子５の抵抗値は、第１および第２のシールド層３，８によってＭＲ素子５にセンス電流を流したときのシールド層３，８間の電位差より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
本実施の形態に係るＭＲ素子５において、スペーサ層２４は、２つの非磁性金属層４１，４３と、これらの間に配置された半導体層４２とを有している。そのため、本実施の形態では、スペーサ層２４が半導体層４２を含まない場合に比べて、ＭＲ素子５の面積抵抗を大きくすることができる。前述のＭＲ素子５の面積抵抗、スペーサ層２４の導電率および半導体層４２の厚みの好ましい範囲は、後で説明する第１の実験の結果に基づいて決定されている。また、前述の非磁性金属層４１，４３の各厚みの好ましい範囲は、後で説明する第４の実験の結果に基づいて決定されている。
本実施の形態によれば、後で説明する第１の実験の結果から分かるように、ＭＲ素子５において、ヘッドノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得ることができる。
また、半導体層４２に用いられる酸化物半導体は、酸化物であることから、安価に製造可能であり、大気中で安定であり、他の化合物半導体よりも環境に調和するといった特徴を有している。また、酸化物半導体を用いて形成される半導体層４２は、ＭＲ素子５を構成する他の層と同様に、スパッタ法等を用いて容易に形成することができる。半導体層４２に用いられる酸化物半導体としては、特に、上記の酸化物半導体の特徴を顕著に有するＺｎＯが好ましい。酸化物半導体としてのＺｎＯは、約３．４ｅＶの禁制帯幅を有する。また、酸化物半導体としてのＺｎＯは、ｎ型半導体になりやすいが、ｐ型半導体とすることも可能である。
半導体層４２は、酸化物半導体の他に添加物を含む材料によって形成されていてもよい。添加物の役割は、半導体層４２中にドナーやアクセプタを形成して、半導体層４２におけるキャリア密度を増加させることである。そのため、添加物によってＭＲ素子５の面積抵抗を制御することができる。添加物としては、例えば、ＧａＯ、ＩｎＯ、ＢＯ、ＡｌＯ、ＣｏＯ、ＦｅＯ、ＭｎＯのうちの１種以上を用いることができる。半導体層４２を構成する材料に含まれる酸化物半導体の割合を１００重量％としたときに、半導体層４２を構成する材料に含まれる添加物の割合は、１〜５重量％の範囲内であることが好ましい。
次に、前述の第１の実験について説明する。この実験では、試料１〜１２の１２種類のＭＲ素子の試料を作製し、これらの試料（ＭＲ素子）の面積抵抗（Ω・μｍ２）、ＭＲ比（％）、ヘッドノイズ（μＶrms／√Ｈｚ）、電流密度（Ａ／ｃｍ２）および固定層２３の交換結合磁界（Ｏｅ）を求めた。なお、１Ｏｅは、７９．６Ａ／ｍである。また、電流密度は、ＭＲ素子５に対する印加電圧を１００ｍＶとしたときの値である。
試料２〜１１の膜構成は、図１に示した本実施の形態に係るＭＲ素子５と同様である。試料２〜１１の具体的な膜構成を、以下の表１に示す。表１に示したように、試料２〜１１では、半導体層４２の材料をＺｎＯとし、第１の非磁性金属層４１および第２の非磁性金属層４３の材料をＣｕとしている。また、試料２〜１１では、半導体層４２の厚みＴ１が互いに異なっている。試料１の膜構成は、半導体層４２を有していない点を除いて、試料２〜１１と同様である。試料１２の膜構成は、試料２〜１１における半導体層４２の代りに、厚み１．０ｎｍの酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏｘ)膜が設けられたものになっている。従って、試料１２は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子ではなく、ＴＭＲ素子になっている。
Figure 0004942445
試料１〜１１を作製する際には、ＭＲ素子５を構成する各層となる膜を順に形成し、これらの膜の積層体を形成した後、この積層体に対して熱処理を施した。この熱処理は、１．０×１０-4Ｐａ以下の真空中において、２５０℃の温度で５時間行った。
各試料の上から見た形状は、幅０．０６μｍ、長さ０．１０μｍの長方形である。この形状は、実際に再生ヘッドに用いられるＭＲ素子５の形状とほぼ同じである。なお、上記の「幅」とはトラック幅方向の長さであり、「長さ」とは媒体対向面２０に垂直な方向の長さである。各試料の面積抵抗とＭＲ比は、直流四端子法によって測定した。各試料のヘッドノイズは、スペクトラムアナライザーによって測定した。測定したヘッドノイズは、信号の周波数２０ＭＨｚにおいて、信号の帯域幅を１Ｈｚとしたときの値である。各試料の電流密度は、面積抵抗に基づいて計算によって求めた。各試料における固定層２３の交換結合磁界は、磁気抵抗効果曲線より求めた。なお、以下で説明するような第１の実験の結果から判明した傾向は、試料の形状によらずにほぼ同じであった。
第１の実験の結果を、以下の表２に示す。なお、表２において、「半導体層の厚み」の項目における試料１２についての欄には、半導体層４２の代わりに設けられた酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏｘ)膜の厚みを記載している。図８は、試料１〜１１についての半導体層４２の厚みと面積抵抗との関係を示している。図９は、試料１〜１１についての半導体層４２の厚みとＭＲ比との関係を示している。図１０は、試料１〜１１についての半導体層４２の厚みとヘッドノイズとの関係を示している。
Figure 0004942445
試料１〜１１において、半導体層４２の厚みが大きくなるほど、面積抵抗は大きくなり、電流密度は小さくなる。試料１２は、試料１〜１１に比べて、面積抵抗が極端に大きい。
試料１〜１１において、半導体層４２の厚みが１ｎｍ以上の範囲では固定層２３の交換結合磁界が１５００Ｏｅ以上であるが、半導体層４２の厚みが１ｎｍよりも小さくなると固定層２３の交換結合磁界は１５００Ｏｅ未満となる。これは、半導体層４２の厚みが１ｎｍよりも小さくなると、ＭＲ素子５の面積抵抗が小さくなりすぎ、その結果、電流密度が大きくなりすぎて、固定層２３の磁化に対するスピントルクの影響が顕著に現れるためと考えられる。固定層２３の交換結合磁界の低下を防止するために、半導体層４２の厚みは１ｎｍ以上で、面積抵抗は０．１Ω・μｍ２以上であることが好ましい。
一方、半導体層４２の厚みが大きくなりすぎると、面積抵抗も大きくなりすぎ、その結果、ＭＲ素子全体の抵抗も大きくなりすぎる。また、半導体層４２の厚みが２ｎｍよりも大きくなると、ＭＲ比が低下する。これは、半導体層４２の厚みが２ｎｍよりも大きくなると、半導体層４２中でのスピン偏極電子の散乱が顕著に発生するためと考えられる。更に、半導体層４２の厚みが２ｎｍよりも大きくなると、ヘッドノイズが急激に増加する。これらのことから、半導体層４２の厚みは２ｎｍ以下で、面積抵抗は０．３Ω・μｍ２以下であることが好ましい。
以上のことから、半導体層４２の厚みは１〜２ｎｍの範囲内で、ＭＲ素子５の面積抵抗は０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが好ましい。
なお、ＭＲ素子５によるヘッドノイズは、主に、スペーサ層２４においてスピン偏極電子のトンネル伝導が生じることによって発生するショットノイズであると考えられる。ここで、信号の帯域幅をΔｆ（Ｈｚ）としたときのヘッドノイズＶｓは、電子の電荷（１．６×１０-19クーロン）ｅ、ＭＲ素子５に流れる電流Ｉ（Ａ）、信号の帯域幅Δｆ（Ｈｚ）、ＭＲ素子５の抵抗値Ｒ（Ω）を用いて、以下の式で表される。
Ｖｓ＝Ｒ×√（２ｅＩΔｆ）
なお、前述のように、第１の実験で求めたヘッドノイズは、信号の周波数２０ＭＨｚにおいて、信号の帯域幅Δｆを１Ｈｚとしたときの値である。半導体層４２の厚みが大きくなってくると、半導体層４２においてスピン偏極電子のトンネル伝導が生じて、ヘッドノイズが顕著に発生する。このときの理論的に予想されるヘッドノイズの値は、４．７×１０-4μＶrms／√Ｈｚである。従って、試料のヘッドノイズの値が４．７×１０-4μＶrms／√Ｈｚを超えていると、その試料では、スペーサ層２４においてスピン偏極電子のトンネル伝導が生じていると考えられる。本実施の形態に係るＭＲ素子５は、ＴＭＲ素子ではなくＣＰＰ−ＧＭＲ素子であるので、スペーサ層２４において、トンネル伝導ではなくオーミックな伝導を生じさせる必要がある。図１０から分かるように、第１の実験の結果では、半導体層４２の厚みが２ｎｍ以下の範囲ではヘッドノイズは小さく、半導体層４２の厚みが２．２ｎｍ以上になるとヘッドノイズが急激に増加している。このことから、少なくとも半導体層４２の厚みが２ｎｍ以下の範囲では、スペーサ層２４において、トンネル伝導ではなくオーミックな伝導が生じていると考えられる。
半導体層４２の厚みが１〜２ｎｍの範囲内で、ＭＲ素子５の面積抵抗が０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であるとき、ＭＲ比は１０％以上となる。従って、ＭＲ比を大きくする観点からも、半導体層４２の厚みは１〜２ｎｍの範囲内で、ＭＲ素子５の面積抵抗は０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが好ましい。
ここで、以下の表３に、試料１〜１１について、半導体層４２の厚み（ｎｍ）、面積抵抗（Ω・μｍ２）、ＭＲ比（％）、スペーサ層２４の抵抗率（Ω・ｃｍ）およびスペーサ層２４の導電率（Ｓ／ｃｍ）を示す。スペーサ層２４の抵抗率と導電率は、以下のようにして求めた。まず、ＭＲ素子５の面積抵抗から、スペーサ層２４の面積抵抗以外の面積抵抗を引いて、スペーサ層２４の面積抵抗を求めた。スペーサ層２４の面積抵抗以外の面積抵抗は、スペーサ層２４と固定層２３との界面の面積抵抗と、スペーサ層２４と自由層２５との界面の面積抵抗と、ＭＲ素子５におけるスペーサ層２４以外の層の面積抵抗とを含む。スペーサ層２４と固定層２３との界面の面積抵抗と、スペーサ層２４と自由層２５との界面の面積抵抗の値は、非特許文献１，２に記載されている０．２ｍΩμｍ２とした。次に、スペーサ層２４の面積抵抗をスペーサ層２４の厚みで除算して、スペーサ層２４の抵抗率を求めた。スペーサ層２４の導電率は、スペーサ層２４の抵抗率の逆数である。
Figure 0004942445
表３から分かるように、半導体層４２の厚みが１〜２ｎｍの範囲内で、ＭＲ素子５の面積抵抗が０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であるとき、スペーサ層２４の導電率は、１３３〜４３２Ｓ／ｃｍの範囲内である。従って、スペーサ層２４の導電率は、１３３〜４３２Ｓ／ｃｍの範囲内であることが好ましい。
ところで、本実施の形態では、ＭＲ素子５の製造過程において、スペーサ層２４を構成する各層となる膜を加熱するための熱処理を行っている。この熱処理を行うことによって、上述のように半導体層４２の厚みが１〜２ｎｍの範囲内で、ＭＲ素子５の面積抵抗が０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内となるＭＲ素子５を実現することができる。この熱処理の必要性については、後で、第２の実験の結果を参照しながら、詳しく説明する。
以上説明したように、第１の実験の結果から、ＭＲ素子５において、ヘッドノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得るためには、スペーサ層２４中に半導体層４２を設けるだけでは不十分で、ＭＲ素子５の面積抵抗を適切に制御することが必要で、そのためには半導体層４２の厚みを適切に制御することが必要であることが分かる。
前述のように、第１の実験の結果から、ＭＲ素子５の面積抵抗は０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが好ましく、スペーサ層２４の導電率は、１３３〜４３２Ｓ／ｃｍの範囲内であることが好ましい。また、半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯの場合には、ＭＲ素子５の面積抵抗を０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内の値とするために、半導体層４２の厚みは１〜２ｎｍの範囲内であることが好ましい。半導体層４２の厚みが１〜２ｎｍの範囲内のときにＭＲ比が大きくなるのは、半導体層４２の厚みが１〜２ｎｍの範囲内のときに、スペーサ層２４中でのスピン偏極電子の散乱が抑制されるためと考えられる。また、ＭＲ素子５に対する印加電圧を１００ｍＶとしたときのＭＲ素子５の電流密度が１×１０８Ａ／ｃｍ２よりも大きくなると、固定層２３の磁化に対するスピントルクの影響が顕著になり、固定層２３の交換結合磁界が低下する。そのため、電流密度は１×１０８Ａ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
また、ＭＲ素子５の面積抵抗が０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内のときにはＭＲ比が１０％よりも大きくなるため、ＭＲ素子５の面積抵抗は０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることがより好ましく、スペーサ層２４の導電率は、１３３〜３４４Ｓ／ｃｍの範囲内であることがより好ましい。また、半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯの場合には、ＭＲ素子５の面積抵抗を０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内の値とするために、半導体層４２の厚みは１．２〜２ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
また、ＭＲ素子５の面積抵抗が０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内のときにはＭＲ比が１２％以上になるため、ＭＲ素子５の面積抵抗は０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることが更に好ましく、スペーサ層２４の導電率は、１３３〜１９３Ｓ／ｃｍの範囲内であることが更に好ましい。また、半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯの場合には、ＭＲ素子５の面積抵抗を０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内の値とするために、半導体層４２の厚みは１．６〜２ｎｍの範囲内であることが更に好ましい。
なお、上述の第１の実験では、半導体層４２に用いられる酸化物半導体をＺｎＯとし、非磁性金属層４１，４３の材料をＣｕとしている。しかし、上述のＭＲ素子５の面積抵抗の好ましい範囲およびスペーサ層２４の導電率の好ましい範囲は、半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯであって非磁性金属層４１，４３の材料がＣｕである場合以外の場合にも当てはまる。半導体層４２に用いられる酸化物半導体がＺｎＯであって非磁性金属層４１，４３の材料がＣｕである場合以外の場合においても、半導体層４２の厚みを適切に制御することによって、ＭＲ素子５の面積抵抗およびスペーサ層２４の導電率を上述の好ましい範囲内の値とすることができる。そして、これにより、ＭＲ素子５において、ヘッドノイズを抑制し、且つスピントルクの影響を抑制しながら大きなＭＲ比を得ることができる。
次に、前述の第２の実験について説明する。この第２の実験では、タイプ１〜１１の１１種類のＭＲ素子の試料を、異なる熱処理の条件毎に作製し、それらの試料（ＭＲ素子）の面積抵抗（Ω・μｍ２）およびＭＲ比（％）を求めた。タイプ１〜１１のＭＲ素子の膜構成は、第１の実験における試料１〜１１と同じである。熱処理の条件は、「熱処理なし」、「１８０℃で熱処理」、「２１０℃で熱処理」、「２５０℃で熱処理」の４通りである。熱処理は、いずれも、１．０×１０-4Ｐａ以下の真空中において５時間行った。従って、「２５０℃で熱処理」の条件で作製したタイプ１〜１１の試料は、第１の実験における試料１〜１１と同じである。第２の実験の結果を以下の表４に示す。なお、表４において、「厚み」は半導体層４２の厚みを表している。また、表４における面積抵抗の単位は、Ω・μｍ２である。
Figure 0004942445
以下、半導体層４２を有するタイプ２〜１１の試料について、熱処理と、面積抵抗およびＭＲ比との関係について考察する。「熱処理なし」の場合には、「２５０℃で熱処理」の場合に比べて、面積抵抗が１０倍〜２０倍程度大きく、ＭＲ比は極端に小さい。「１８０℃で熱処理」の場合には、「熱処理なし」の場合に比べると、面積抵抗は小さくなり、ＭＲ比は大きくなっているものの、「２５０℃で熱処理」の場合に比べると、やはり、面積抵抗は大きく、ＭＲ比は小さい。「２１０℃で熱処理」の場合には、「２５０℃で熱処理」の場合と同等の面積抵抗およびＭＲ比が得られている。
この第２の実験から分かるように、第１の非磁性金属層４１、半導体層４２、第２の非磁性金属層４３を成膜してスペーサ層２４を構成しただけでは、面積抵抗は大きくなりすぎると共に、大きなＭＲ比は得られない。これに対し、第１の非磁性金属層４１、半導体層４２、第２の非磁性金属層４３を成膜した後、これらに対して熱処理を施して、スペーサ層２４を構成した場合には、面積抵抗を適度な大きさまで小さくすることができると共に、大きなＭＲ比を得ることができる。このように熱処理によって面積抵抗が小さくなるのは、熱処理によって、第１の非磁性金属層４１と半導体層４２との界面および半導体層４２と第２の非磁性金属層４３との界面において原子の再配列が生じ、その結果、表３に示したようにスペーサ層２４の導電率が大きくなるためと考えられる。
第２の実験と同様の実験を、熱処理の温度を変えて行った結果、２００℃以上の温度で熱処理を行うことにより、面積抵抗を０．１〜０．３Ω・μｍ２の範囲内の値にすることができることが分かった。また、熱処理の時間を変えても面積抵抗はあまり変化しないことも分かった。
ただし、ＭＲ素子５を再生ヘッドに使用する場合には、３００℃よりも高い温度で熱処理を行うと、第１のシールド層３の結晶が肥大化し、第１のシールド層３の透磁率が低下するという問題が発生する。以下、このことを示す第３の実験について説明する。第３の実験では、熱処理の温度と、熱処理後における第１のシールド層３の結晶粒径と、熱処理後の第１のシールド層３におけるヒステリシスジャンプの発生率との関係を調べた。この実験において、第１のシールド層３はＮｉＦｅ層とした。第１のシールド層３の結晶粒径は、ＮｉＦｅ層の面心立方構造における（１１１）面のＸ線回折パターンにおける半値幅からScherrerの式を使って求めた。ヒステリシスジャンプとは、擬似静的試験（Quasi static test：ＱＳＴ）によって得られるＱＳＴカーブにおいて発生する不連続な変化を言う。ヒステリシスジャンプの発生率は、１００個の試料について擬似静的試験を行って求めた。第１のシールド層３においてヒステリシスジャンプが発生すると、再生ヘッドの出力の変動や再生信号の波形における歪が生じる。そのため、第１のシールド層３におけるヒステリシスジャンプの発生率が高いと、再生ヘッドの歩留まりが低下する。第３の実験の結果を以下の表５に示す。
Figure 0004942445
表５から分かるように、熱処理の温度が３００℃以下の場合にはヒステリシスジャンプの発生率は十分に低いが、熱処理の温度が３００℃を超えるとヒステリシスジャンプの発生率が高くなる。従って、ＭＲ素子５を再生ヘッドに使用する場合には、熱処理の温度は３００℃以下であることが好ましい。
なお、上記の熱処理と同様の効果は、プラズマ処理や、高エネルギー光の照射処理によっても得ることができる。
次に、前述の第４の実験について説明する。この実験では、試料２１〜２６の６種類のＭＲ素子の試料を作製し、これらの試料（ＭＲ素子）の面積抵抗（Ω・μｍ２）およびＭＲ比（％）を求めた。試料２１〜２６の膜構成は、図１に示した本実施の形態に係るＭＲ素子５と同様である。試料２１〜２６の具体的な膜構成を、以下の表６に示す。表６に示したように、試料２１〜２６では、半導体層４２の材料をＺｎＯとし、第１の非磁性金属層４１および第２の非磁性金属層４３の材料をＣｕとしている。各試料２１〜２６において、第１の非磁性金属層４１の厚みＴ１と第２の非磁性金属層４３の厚みＴ３は等しい。この非磁性金属層４１，４３の厚みＴ１，Ｔ３は、試料毎に異なっている。第４の実験における試料の形状や、面積抵抗およびＭＲ比の求め方は、第１の実験と同様である。また、第４の実験の結果を表７に示す。
Figure 0004942445
Figure 0004942445
表７から分かるように、非磁性金属層４１，４３の厚みが０．３ｎｍよりも小さくなると、ＭＲ比が低下する。これは、非磁性金属層４１，４３の厚みが０．３ｎｍよりも小さくなると、非磁性金属層４１，４３が連続的に成長せずに島状になり、その結果、非磁性金属層４１，４３と半導体層４２との界面近傍の断面において金属と半導体とが混在する状態が生じ、これによりスピン偏極電子の散乱が発生しやすくなるためと考えられる。また、非磁性金属層４１，４３の厚みが２ｎｍよりも大きくなっても、ＭＲ比が低下する。これは、非磁性金属層４１，４３中でのスピン偏極電子の散乱が顕著に発生するためと考えられる。これらのことから、非磁性金属層４１，４３の厚みは、０．３〜２ｎｍの範囲内であることが好ましい。この非磁性金属層４１，４３の厚みの好ましい範囲は、非磁性金属層４１，４３の材料がＣｕ以外の場合にも当てはまる。また、非磁性金属層４１の厚みと非磁性金属層４３の厚みは、それぞれ０．３〜２ｎｍの範囲内であれば、等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。
また、本実施の形態によれば、半導体層４２の厚みと非磁性金属層４１，４３の厚みを、それぞれ前述の好ましい範囲内の値にすることにより、スペーサ層が非磁性金属層のみによって構成された一般的なＣＰＰ−ＧＭＲ素子に比べて、ＭＲ比を大きくすることができる。これは、例えば、半導体層４２を含まない試料１のＭＲ比と、半導体層４２を含み且つ半導体層４２の厚みと非磁性金属層４１，４３の厚みがそれぞれ好ましい範囲内の値となっている試料４〜９および試料２２〜２５のＭＲ比とを比較すると分かる。本実施の形態では、各層４１〜４３の厚みをそれぞれ好ましい範囲内の値にすることにより、各層４１〜４３においてスピン偏極電子の散乱を抑制でき、これによりＭＲ比が大きくなると考えられる。
以下、本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置について説明する。まず、図４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。磁気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磁気ディスクに対向するように配置される。このスライダ２１０は、主に図２における基板１およびオーバーコート層１７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、磁気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２０が形成されている。磁気ディスクが図４におけるｚ方向に回転すると、磁気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４におけるｙ方向の下方に揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によって磁気ディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図４におけるｘ方向は、磁気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４における左下の端部）の近傍には、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド１００が形成されている。
次に、図５を参照して、本実施の形態に係る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、このスライダ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、このロードビーム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を磁気ディスク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、このアーム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５は、本実施の形態に係るヘッドアームアセンブリを示している。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６および図７を参照して、ヘッドスタックアセンブリの一例と本実施の形態に係る磁気ディスク装置について説明する。図６は磁気ディスク装置の要部を示す説明図、図７は磁気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とは反対側には、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、磁気ディスク装置に組み込まれる。磁気ディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚の磁気ディスク２６２を有している。各磁気ディスク２６２毎に、磁気ディスク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を支持すると共に磁気ディスク２６２に対して位置決めする。
本実施の形態に係る磁気ディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０を磁気ディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、スライダ２１０を磁気ディスク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、磁気ディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによって、磁気ディスク２６２に記録されている情報を再生する。
本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置は、前述の本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドと同様の効果を奏する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、固定層２３はシンセティック固定層に限らない。また、実施の形態では、基体側に再生ヘッドを形成し、その上に、記録ヘッドを積層した構造の薄膜磁気ヘッドについて説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。
また、読み取り専用として用いる場合には、薄膜磁気ヘッドを、再生ヘッドだけを備えた構成としてもよい。
本発明の一実施の形態における再生ヘッドの媒体対向面に平行な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの媒体対向面および基板に垂直な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの磁極部分の媒体対向面に平行な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る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。 本発明の一実施の形態に係るヘッドアームアセンブリを示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る磁気ディスク装置の要部を説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態に係る磁気ディスク装置の平面図である。 第１の実施例のＭＲ素子における半導体層の厚みと面積抵抗との関係を示す特性図である。 第１の実施例のＭＲ素子における半導体層の厚みとＭＲ比との関係を示す特性図である。 第１の実施例のＭＲ素子における半導体層の厚みとショットノイズとの関係を示す特性図である。
符号の説明
１…基板、２…絶縁層、３…第１のシールド層、４…絶縁層、５…ＭＲ素子、６…バイアス磁界印加層、７…絶縁層、８…第２のシールド層、９…記録ギャップ層、１０…薄膜コイルの第１層部分、１２…上部磁極層、１５…薄膜コイルの第２層部分、１７…オーバーコート層、１８…分離層、１９…下部磁極層、２０…媒体対向面、２２…反強磁性層、２３…固定層、２４…スペーサ層、２５…自由層、４１…第１の非磁性金属層、４２…半導体層、４３…第２の非磁性金属層。

Claims (9)

  1. 外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層と、
    磁化の方向が固定された固定層と、
    前記自由層と固定層との間に配置されたスペーサ層とを備え、
    磁気的信号検出用の電流が、前記各層の面と交差する方向に流される磁気抵抗効果素子であって、
    前記スペーサ層は、それぞれＣｕによって形成された第１および第２の非磁性金属層と、ＺｎＯを含む材料によって形成され、前記第１の非磁性金属層と第２の非磁性金属層との間に配置された半導体層とを有し、
    前記半導体層は、スパッタ法によって形成されたものであり、
    前記スペーサ層は、スペーサ層を構成する各層となる膜の形成後に２１０〜２５０℃の範囲内の温度で熱処理されて形成されたものであり、
    前記半導体層の厚みは、１．２〜２ｎｍの範囲内であり、
    磁気抵抗効果素子の面積抵抗が、０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であり、
    前記スペーサ層の導電率が、１３３〜３４４Ｓ／ｃｍの範囲内であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 前記面積抵抗は、０．２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記半導体層の厚みは、１．６〜２ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第１および第２の非磁性金属層の厚みは、それぞれ、０．３〜２ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 記録媒体に対向する媒体対向面と、
    前記記録媒体からの信号磁界を検出するために前記媒体対向面の近傍に配置された請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気的信号検出用の電流を前記磁気抵抗効果素子に流すための一対の電極と
    を備えたことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
  6. 請求項５記載の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように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
    を備えたことを特徴とするヘッドジンバルアセンブリ。
  7. 請求項５記載の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように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、
    前記スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームと
    を備え、前記サスペンションが前記アームに取り付けられていることを特徴とするヘッドアームアセンブリ。
  8. 請求項５記載の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される記録媒体に対向するように配置されるスライダと、
    前記スライダを支持すると共に前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置と
    を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
  9. 外部磁界に応じて磁化の方向が変化する自由層と、
    磁化の方向が固定された固定層と、
    前記自由層と固定層との間に配置されたスペーサ層とを備え、
    前記スペーサ層は、それぞれＣｕによって形成された第１および第２の非磁性金属層と、ＺｎＯを含む材料によって形成され、前記第１の非磁性金属層と第２の非磁性金属層との間に配置された半導体層とを有し、
    前記半導体層の厚みは、１．２〜２ｎｍの範囲内であり、
    面積抵抗が、０．１２〜０．３Ω・μｍ２の範囲内であり、
    前記スペーサ層の導電率が、１３３〜３４４Ｓ／ｃｍの範囲内であり、
    磁気的信号検出用の電流が、前記各層の面と交差する方向に流される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    前記自由層、固定層、スペーサ層を形成する各工程を備え、
    前記半導体層は、スパッタ法によって形成され、
    前記スペーサ層は、スペーサ層を構成する各層となる膜の形成後に２１０〜２５０℃の範囲内の温度で熱処理されて形成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
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