JP5322559B2 - 磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は磁性発振素子を磁気センサーとして用いた磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は目覚しい速度で向上してきた。ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆるスピンバルブ膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。スピンバルブ膜の膜面に電流を流して抵抗変化を検出するＣＩＰ−ＧＭＲ素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流して抵抗変化を検出するＣＰＰ−ＧＭＲ素子が開発されている。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子およびＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗比（ＭＲ比）は両者とも数％程度であり、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ²程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。

より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜からなり、強磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。ＴＭＲ素子のＭＲ比は最大で１００％程度である。ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が大きいため、信号電圧も大きくなる。

しかし、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくならないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗の平方根に比例して増大する。従って、ショットノイズを抑えて必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くしてトンネル抵抗を低減する必要がある。記録密度が高密度化するほど、素子サイズを記録ビットと同程度に小さくする必要がある。このため、高密度になるほど、トンネル絶縁層の接合抵抗を小さくする、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ²の記録密度では１Ω・ｃｍ²以下の接合抵抗が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。トンネル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭＲ比の低下を招くため、ＴＭＲ素子の製造は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によってＴＭＲ素子の記録密度は３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ²程度が限界であろうと見積もられている。

上に述べた素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を利用しているが、これらのＭＲ素子に共通した磁気的白色雑音（ホワイトノイズ）の問題が近年急浮上している。この磁気的白色雑音は、上に述べたショットノイズなどの電気的ノイズとは異なり、磁化の熱ゆらぎに起因して生じるため素子の微細化に伴ってより支配的となり、２００〜３００Ｇｂｐｓｉ対応の素子では電気的雑音を凌駕すると考えられている。

最近では磁気的白色雑音を回避し、磁気記録の記録密度をさらに高めるために従来のＧＭＲ素子に比較してより高い感度をもつ磁性発振素子を用いた磁気センサーの提案がなされている（特許文献１）。

磁性発振素子を用いた磁気センサーは媒体磁場による発振周波数の変化を利用するが、出力電圧が大きい大振幅発振時に強い非線形性を示すため振幅雑音が位相雑音に変換（コンバージョン）されて位相雑音が増大する。磁性発振素子の特性は位相雑音に大きく依存するため、特に大振幅発振時の位相雑音を低減してＳ／Ｎ比を高めることが重要な課題となっている。
特開２００８−８４８７９号公報

本発明の目的は、磁性発振素子の大振幅発振時の位相雑音を低減してＳ／Ｎ比を高めることができる磁気ヘッド、およびこのような磁気ヘッドを有する磁気記録再生装置を提供することにある。

本発明の一実施形態によれば、磁性発振素子を磁気センサーとして用いた磁気ヘッドであって、磁化固定層、第１の非磁性層、および磁化フリー層が積層された磁性発振素子と、前記磁性発振素子の磁化フリー層上に積層された第２の非磁性層および強磁性層とを有し、前記強磁性層の面積が前記磁化フリー層の面積よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッドが提供される。

本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドによれば、磁性発振素子の磁化フリー層上に非磁性層を介して大面積の強磁性層を設けたことにより、磁化フリー層の磁化運動により強磁性層中にスピン波を励振することができ、振幅雑音が減少する結果、コンバージョンに伴う位相雑音の増大を抑制することができ、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

上述したように、磁性発振素子を磁気センサーとして用いた磁気ヘッドにおいて、Ｓ／Ｎ比などの特性を向上させるためには、磁性発振素子の位相雑音すなわち発振線幅を低減することが重要である。

磁性発振素子の発振線幅Δωは磁化運動の振幅Ａが小さい場合には線形位相雑音理論により（１）式で記述されることが知られている。

ここで、α，Ｍ，Ｖはそれぞれ磁化フリー層の減衰定数、飽和磁化、体積であり、ｋ，Ｔ，γはそれぞれボルツマン定数、温度、磁気回転比である。しかし、十分な出力電圧を得るために振幅Ａを増大させると、反磁場に起因して素子の非線形性が増大するため、振幅雑音の位相雑音への変換（コンバージョン）が生じ、発振線幅が増大する。

大振幅時の発振線幅Δω_Lは（２）式で与えられる。

ここで、ＮおよびΓはそれぞれ発振周波数ω₀および減衰定数αの振幅依存性を表すパラメタである。（２）式から大振幅時の発振線幅Δω_Lを低減するには、発振周波数ω₀の振幅依存性Ｎの低減または減衰定数の振幅依存性Γの増大が有効であることがわかる。

本発明の実施形態に係る磁性発振素子では振幅依存性Γを増大させることによりΔω_Lを低減する。磁性発振素子の定常発振状態ではスピントルクによる励振と減衰が釣り合って一定の振幅を保っている。一般に減衰定数は振幅とともに増大するので、何らかの原因で振幅が増大すると減衰定数αが増大して振幅を減少させるように復元力が働き、他方、振幅が減少するとαが減少して振幅を増大させるように復元力が働く。

図１に減衰定数αの振幅依存性を示す。図１において、Ａ₀およびα₀はそれぞれスピントルクが減衰と釣合った定常状態における振幅および減衰定数である。曲線（ａ）はΓが大きい場合、（ｂ）はΓが小さい場合に相当する。Γが大きい場合には強い復元力が働き、振幅Ａは定常状態における振幅Ａ₀からずれにくくなるため、振幅ゆらぎすなわち振幅雑音が小さくなる。

（２）式によるとΓが増大すると発振線幅が減少する。その理由は、Γの増大により振幅雑音が減少し、その結果、上記コンバージョンに伴う位相雑音も減少するためである。磁化の大振幅運動における減衰機構はバルク磁性体に関して古くから研究がなされ、Ｓｕｈｌにより提案された減衰機構が主要な要因であることが知られている。Ｓｕｈｌ機構は振幅がある閾値を超えるとスピン波励起により発振エネルギーが減衰する機構であり、減衰定数αは図１の曲線（ａ）のように閾値以上で振幅Ａに強く依存する。

図２に従来の磁性発振素子の断面図を示す。この磁性発振素子は、下部電極１、磁化固定層２、第１の非磁性層３、磁化フリー層４、上部電極７が積層された構造を有する。この磁性発振素子は、磁化フリー層４が僅かに数十ｎｍのサイズであり、磁化フリー層内のスピン波が量子化されるため、上述したＳｕｈｌ機構は働かない。このため、減衰定数の振幅依存性は図１（ｂ）のように緩やかになってしまう。すなわち、従来の磁性発振素子では、（２）式のΓが小さくなる結果、大振幅時の発振線幅が広がる。

図３に実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。この磁性発振素子は、下部電極１、磁化固定層２、第１の非磁性層３、磁化フリー層４、第２の非磁性層５、強磁性層６、上部電極７が積層された構造を有する。すなわち、図２の構成に加えて、磁化フリー層４上に第２の非磁性層５を介して大面積の強磁性層６が設けられている。磁化フリー層４の磁化と強磁性層６の磁化との間には磁気双極子相互作用が働いている。

実施形態に係る磁性発振素子においては、大面積の強磁性層６でスピン波が量子化されないため、磁化フリー層４に磁化の大振幅発振が生じると、磁気双極子相互作用により結合した強磁性層６内にスピン波が励起される。すなわち、図３に示した実施形態の磁性発振素子では、Ｓｕｈｌ機構が働くため式（２）のΓが増大し大振幅時の発振線幅Δω_Lが減少する。

上述したように、強磁性層６内でスピン波が量子化されず連続スペクトルとなるためには、隣り合うスピン波モードの振動数の差δωがスピン波スペクトルの線幅Δω _s より小さくなることが必要である。後者はパーマロイなどの通常の磁性体では５００ＭＨｚ程度であり、前者は磁性膜の大きさに依存する。スピン波が進む方向の磁性体の一辺の長さをLとするとδωは（３）式で与えられる。

δω＝ω_ex（πａ／Ｌ） （３）
（ここで、ω_exはスピン間の交換相互作用に対応した交換振動数、ａはスピン間の距離である。）
δω＜Δωの条件から
Ｌ＞πａω _ex ／Δω _s （４）
が得られるが、通常の磁性体では（４）式の右辺は５００ｎｍ程度なので、強磁性膜６の少なくとも一辺のサイズが５００ｎｍ以上であることが好ましい。

磁気双極子相互作用により強磁性層６内にスピン波を効率よく励起するためには、磁化フリー層４と強磁性層６との間に介在する第２の非磁性層５の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

磁性発振素子の出力を増大させるためには、第１の非磁性層４は金属酸化物からなるトンネル絶縁層であることが好ましい。素子抵抗を低減するためには、第２の非磁性層６は非磁性金属層であることが好ましい。

実施例１
図４に、本実施例の磁気ヘッドに用いられる磁性発振素子１０の断面図を示す。各層は、スパッタ成膜と光および電子線リソグラフィーを用いて形成される。

図４に示すように、シリコン基板（図示せず）上に、下部電極１１、ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層１２、ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）の人工フェリ磁性体からなる磁化固定層１３、ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる第１の非磁性層（トンネル絶縁膜）１４、ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）の面内磁化膜からなる磁化フリー層１５、Ｒｕ（４ｎｍ）からなる第２の非磁性層１６、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）からなる強磁性層１７、および上部電極１８が積層されている。

約２０００Ｏｅの磁場印加の下でアニールを行い、磁化固定層１３と磁化フリー層１５の異方性軸を一致させた。

磁化固定層１３、第１の非磁性層１４、磁化フリー層１５を加工したピラーの面積は７０×１２０ｎｍ²とした。強磁性層１７の面積は１５０×５００ｎｍ²とした。素子抵抗は５８Ω、ＭＲ比は２．５％であった。

この磁性発振素子１０の下部電極１１と上部電極１８との間で垂直通電すると、磁化フリー層１５の磁化が発振する。この発振周波数は媒体磁場によって変化するので、発振周波数の変化を検出することにより媒体磁場を検出することができ、この原理により磁気ヘッドとして動作することができる。

図５に、磁性発振素子の発振出力の測定系を示す。磁性発振素子１０からの高周波発振を伝送する導波路１１０に、プローバ１１１を介してバイアスティー１１２を接続し、バイアスティー１１２の出力端に増幅器１１３の入力端を接続し、増幅器１１３の出力端にスペクトルアナライザー１１４を接続する。また、バイアスティー１１２に電圧源１１５および電流源１１６を接続する。

磁性発振素子１０の面内の容易軸方向に沿って５００Ｏｅのバイアス磁場Ｈを印加し、バイアスティー１１２を介して磁性発振素子１０に１．５ｍＡの電流を流し、発振出力をスペクトルアナライザーにより測定した。その結果、周波数１０．２１ＧＨｚに鋭い発振が観測された。発振線幅は約１ＭＨｚであった。

図６に、バイアス磁場に加えて外部磁場を印加し、発振周波数の外部磁場依存性を測定した結果を示す。約３ＭＨｚ／Ｏｅの磁場感度を示した。

比較例
実施例１と同様の方法でシリコン基板上に図６に示した磁性発振素子を作製した。

図７の磁性発振素子は、図４（実施例１）の磁性発振素子と異なり、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）からなる強磁性層が設けられておらず、Ｒｕ（４ｎｍ）からなる第２の非磁性層１６の上に直接上部電極１８が形成されている。素子抵抗は５３Ω、ＭＲ比は２．８％であった。

実施例１と同様にして、この磁性発振素子の発振出力を測定した。容易軸方向に５００Ｏｅのバイアス磁場を印加し、１．５ｍＡの電流を流した状態で、発振出力を測定した。その結果、周波数１０．９ＧＨｚに発振が観測された。しかし、発振線幅は約１５ＭＨｚであり、実施例１の磁性発振素子に比較して位相雑音の増大が認められた。

次に、図８に実施形態に係る磁気記録再生装置１５０の斜視図を示す。磁気ディスク１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘッドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、上記で説明した磁性発振素子を磁気センサーとして用いた磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。

磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。

減衰定数αの振幅依存性を示す図。 従来の磁性発振素子の断面図。 本発明の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。 実施例１の磁性発振素子の断面図。 実施例１の磁性発振素子の発振出力の測定系を示す構成図。 実施例１の磁性発振素子について発振周波数の外部磁場依存性を示す図。 比較例の磁性発振素子の断面図。 本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。

符号の説明

１…下部電極、２…磁化固定層、３…第１の非磁性層、４…磁化フリー層、５…第２の非磁性層、６…強磁性層、７…上部電極、１１…下部電極、１２…反強磁性層、１３…磁化固定層、１４…第１の非磁性層、１５…磁化フリー層、１６…第２の非磁性層、１７…強磁性層、１８…上部電極、１１０…導波路、１１１…プローバ、１１２…バイアスティー、１１３…増幅器、１１４…スペクトルアナライザー、１１５…電圧源、１１６…電流源、１５０…磁気記録再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ。

Claims (7)

1. 磁性発振素子を磁気センサーとして用いた磁気ヘッドであって、磁化固定層、第１の非磁性層、および磁化フリー層が積層された磁性発振素子と、前記磁性発振素子の磁化フリー層上に積層された第２の非磁性層および強磁性層とを有し、前記強磁性層の面積が前記磁化フリー層の面積よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
2. 前記第１の非磁性層がトンネル絶縁層であり、第２の非磁性層が非磁性金属層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
3. 前記第２の非磁性層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
4. 前記強磁性層の少なくとも一辺Ｌが下記の不等式
   Ｌ＞πａω _ex ／Δω _s
   （ただし、ω_exは強磁性体内のスピン間の交換相互作用に対応した交換振動数、ａはスピン間の距離、Δω _s はスピン波スペクトルの線幅である。）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
5. 前記強磁性層の少なくとも一辺が５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
6. 前記磁化フリー層と強磁性層とが磁気双極子相互作用により結合していることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気ヘッドを有することを特徴とする磁気記録再生装置。

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