JPH08315323A - 巨大磁気抵抗効果に基づくデジタル磁気抵抗センサ - Google Patents
巨大磁気抵抗効果に基づくデジタル磁気抵抗センサInfo
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Abstract
ル磁気抵抗(MR)センサを提供する。 【解決手段】 このセンサは、デジタル信号出力を提供
する。GMRセンサ内の強磁性層と非強磁性スペーサ層
の交互の多層スタックは、本質的に単結晶性の構造を有
し、したがって各強磁性層が本質的に一軸性の磁気異方
性を示す、すなわち強磁性層の磁気モーメントは、単一
の軸に平行かまたは逆平行しかない。すべての磁気モー
メントが外部磁界の影響を同時に受けるGMR多層とは
異なり、このGMRセンサでは、各強磁性層の磁気モー
メントが、他の強磁性層の磁気モーメントが反応する磁
界強度とは異なる外部磁界強度に反応する。これによ
り、各強磁性層の磁化方向が、他の強磁性層と無関係
に、平行から逆平行にまたは逆平行から平行に反転す
る。
Description
抵抗(GMR)効果に基づく磁気抵抗(MR)センサに
関する。特に、磁気記録データ記憶システムで使用する
ためのそのようなセンサに関する。
イブなどの磁気記録データ記憶システムで磁気読取りセ
ンサまたは「ヘッド」として使用される。MRセンサ
は、磁性材料で製造された読取り要素の抵抗が、読取り
素子によって感知される磁束の強度および方向の関数と
して変化することによって磁界信号を検出する。従来の
MRセンサは、読取り素子の抵抗の成分が、読取り素子
の磁化と読取り素子を通る感知電流の方向との間の角度
のコサインの2乗として変化する、異方性磁気抵抗(A
MR)効果に基づいて動作する。記録された媒体からの
外部磁界(信号磁界)が、読取り素子の磁化方向の変化
を引き起こし、これが読取り素子の抵抗の変化と、感知
される電流または電圧の対応する変化とを引き起こすた
め、記録されたデータを磁気媒体から読み取ることがで
きる。したがって、AMR効果に基づく従来のMRセン
サは、本質的にアナログの信号出力を提供し、その抵抗
は、したがって信号出力は、感知される磁界の強度に直
接関係する。
り顕著な磁気抵抗が、様々な磁性多層構造内で観測され
た。この構造の重要な特徴は、少なくとも2つの強磁性
金属層が非強磁性金属層によって分離されていることで
ある。このGMR効果は、強磁性層の強い反強磁性結合
を示す鉄/クロム、コバルト/銅、コバルト/ルテニウ
ムの多層など、さまざまな系で観察されている。これら
の種類の多層構造についてもこのGMR効果が観測され
たが、米国特許第5134533号、およびK.イノマ
タ他のJ.Appl.Phys.74(6)(1993
年9月15日)に記載されているように、これらの強磁
性層は、単結晶構造を有し、したがって一軸磁気異方性
を示す。GMR効果の物理的な起源は、外部磁界を印加
すると強磁性層のすべての磁気モーメントが再配向する
ことである。これが、伝導電子のスピン依存性散乱の変
化を、したがって多層構造の電気抵抗の変化を引き起こ
す。したがって、強磁性層の磁化の相対的整列が変化す
ると、構造の抵抗が変化する。GMR効果に基づくMR
センサも、本質的にアナログの信号出力を提供する。
に、磁気記録ディスクで使用されるディスク・ブランク
など、基板上に付着したコバルト・ベースの磁性合金で
ある薄いデータ層内に記憶される。データは、ディスク
上の磁性層内の同心円トラック中に磁区または「ビッ
ト」の形で記憶される。データは、それを囲む薄膜コイ
ルに電流を通すことによって磁化された軟磁性の磁極か
らなる、誘導書込みヘッドによって書き込まれる。書き
込まれたデータは、AMR効果に基づく従来のMR読取
りヘッドによって読み取られる。このようなシステム内
に記憶できるデータの量は、磁気ビットの大きさ、すな
わち記録される情報の最小単位と、ディスク上の使用可
能なデータ域とによって制限される。
ク・ドライブ技法では、単位面積当たりの媒体に記憶さ
れるデータ(面データ密度)が著しく増加した。これ
は、主として、読取りヘッドおよび書込みヘッドの大き
さを小さくし、かつヘッドとディスクの間隔を小さくし
て、磁気ビットの大きさを小さくすることによって生じ
た。同時に、ディスク・ドライブの大きさが、したがっ
てディスクの大きさも減少し続けた。その結果、データ
用に使用可能な磁気面積の量が常に減少することになっ
た。従来のディスク・ドライブでは、データは、ディス
ク基板の両面上の単一のデータ層内に記憶される。
きさを小さくするのではなく、ディスク基板上に形成さ
れる複数の独立した、磁気的に遮断された磁気データ層
を使用することによって、面データ密度を増加させると
有利になるであろう。しかしながら、AMR効果に基づ
く従来のMRセンサを使用しても、提案したGMR効果
に基づくMRセンサを使用しても、そのようなセンサ
は、多重データ層からの重畳データによって生じる離散
的な磁界レベルを直接区別できないアナログ出力信号を
生成するので、多数の磁気データ層からデータを同時に
読み取ることはできない。
基づくデジタルMRセンサである。GMR素子を構成す
る多層スタックは単結晶構造を有し、したがって強磁性
層はそれぞれ一軸磁気異方性を示す。すなわち、強磁性
層の磁気モーメントは、単一の軸に対して平行かまたは
逆平行でしかない。すべての磁気モーメントが外部磁界
の影響を同時に受けるGMR多層とは異なり、このGM
Rセンサでは、各強磁性層は、その磁気モーメントが、
他の強磁性層の磁気モーメントが反応する磁界強度とは
異なる外部磁界強度に反応する。これにより、各強磁性
層の磁化方向が、他の強磁性層と無関係に、平行から逆
平行にまたは逆平行から平行に反転する。好ましい実施
例では、このような各強磁性層の独特な特性は、例えば
結晶成長時にひずみを変化させることによって、各強磁
性層を異なる一軸磁気異方性エネルギーを有するように
選択することによって達成される。あるいは、例えば非
強磁性金属スペーサ層の厚さを変化させることによっ
て、各強磁性層を異なる値の反強磁性交換結合エネルギ
ーにすることもできる。その結果、GMRセンサの抵抗
は、外部磁界が変化すると段階的に増分して変化し、し
たがってデジタル信号出力が得られる。
層磁気記録データ記憶システムで読取りヘッドとして使
用できる。ディスク・ドライブの一実施形態では、磁気
記録ディスクは、2つの磁気的に遮断されかつ減結合さ
れた磁気データ層を有する。データ層に使用される材料
の保磁力と誘導書込みヘッド内の書込み電流の強度を適
切に選択することによって、データをそれぞれのデータ
層内に独立して記録できる。任意のデータ層に独立に書
き込む一実施形態では、データ層は、異なる保磁力/温
度依存性を有する磁性材料で製造され、ディスクは、デ
ータ層のうちの1つの層のみに影響を及ぼす書込み磁界
による書込みの前に加熱される(または加熱されな
い)。各データ層内の記録されたデータからの磁界強度
は、他のデータ層の磁界強度と異なっており、したがっ
てデータがデジタルGMRセンサによって区別できる。
デジタルGMRセンサは、両方のデータ層からの書き込
まれたデータ・ビットを同時に読み取る。2つのデータ
層内のビットからの磁束は、正または負であり、したが
って1組の離散的な磁界強度の組合せが生じる。これら
の離散的な磁界強度または値が、デジタルGMRセンサ
によって感知され、2つのデータ層内の重なった磁界か
ら遮断された磁界強度の独自の組合せに対応する離散的
な信号出力が提供される。次いで、デジタルGMRセン
サの出力信号が、従来の論理回路によって復号されて、
各データ層内に記録された別々のデータを提供する。
するため、以下の詳細な説明を添付の図面とともに参照
されたい。
ついて、図1に示すような磁気記録ディスク・データ記
憶システムに関して説明するが、このセンサは、磁気テ
ープ記録システムなどの他の磁気記録システム、および
磁気抵抗素子がビット・セルの役目をする磁界センサや
磁気ランダム・アクセス・メモリ・システムなどの他の
技法にも応用できる。
ドおよびAMR効果に基づくMRセンサを使用する形式
の従来技術のディスク・ドライブの概略が断面で示され
ている。ディスク・ドライブは、ディスク・ドライブ・
モータ12とアクチュエータ14が固定されるベース1
0、およびカバー11を含む。ベース10とカバー11
は、ディスク・ドライブ用の実質上密封されたハウジン
グを形成する。一般に、ベース10とカバー11の間に
はガスケット13があり、ディスク・ドライブの内側と
外部環境の間には圧力を均等にするための小さい息抜き
口(図示せず)がある。従来の単一コバルト合金磁性層
を有する磁気記録ディスク16は、ハブ18によってド
ライブ・モータ12に結合され、ディスク・ドライブ・
モータ12によって回転するようにハブ18に取り付け
られる。薄い潤滑膜50は、一般に、ディスク16の表
面上に保持される。読取り書込みヘッドまたはトランス
デューサ25は、エア・ベアリング・スライダ20など
のキャリヤの後端上に形成される。読取り書込みトラン
スデューサ25は、誘導書込みヘッドと磁気抵抗(M
R)読取りトランスデューサを含む。スライダ20は、
剛性アーム22とサスペンション24によってアクチュ
エータ14に結合される。サスペンション24は、スラ
イダ20を記録ディスク16の表面上に押し付けるバイ
アス付与力を提供する。ディスク・ドライブの動作中、
ドライブ・モータ12は、ディスク16を一定の速度で
回転させ、通常は直線形または回転形ボイス・コイル・
モータ(VCM)であるアクチュエータ14が、スライ
ダ20を一般にディスク16の表面を横切って半径方向
に移動させ、したがって読取り書込みトランスデューサ
25が、ディスク16上の異なるデータ・トラックにア
クセスできるようになる。
・ドライブの内部の上面図であり、スライダ20をディ
スク16に押し付ける力をスライダ20に与えるサスペ
ンション24をより詳細に示す。サスペンションは、I
BMに譲渡された米国特許第4167765号に記載さ
れている周知のワトラス・サスペンションなどの従来形
式のサスペンションである。この形式のサスペンション
はまた、スライダのジンバル式アタッチメントを形成
し、スライダがエア・ベアリング上に載る際に縦揺れお
よび横揺れできるようにする。トランスデューサ25の
MR読取りヘッドによってディスク16から検出された
データは、アーム22上にある集積回路チップ30内の
信号増幅処理回路によって処理されてデータ・リードバ
ック信号になる。トランスデューサ25からの信号は、
フレックス・ケーブル32を介してチップ30に伝わ
り、チップ30がその出力信号をケーブル34に送る。
ての上記説明、および添付の図1および図2は、例示を
目的とするものにすぎない。一般に、磁性層は、ディス
ク基板の両面上に形成され、したがってディスク16の
両面には、それと関連した1つまたは複数のスライダが
設けられる。また、ディスク・ドライブはいくつかのデ
ィスクおよびアクチュエータを含み、各アクチュエータ
はいくつかのスライダを支持する。
16)の代わりに多重データ層磁気ディスク200と、
従来のMR読取りヘッド(図1のトランスデューサ25
のMR読取りヘッド)の代わりにデジタルGMR読取り
センサ400を有する、本発明のディスク・ドライブの
概略断面図である。本発明の一実施例では、ランプ13
0などのヒータを使用して、ディスク200を局部加熱
する。ヒータは、紫外線加熱ランプが好ましい。あるい
は、集束レンズを有する半導体層を使用することもでき
る。ヒータは、ここに記載する方法で多重データ層ディ
スク200内の特定の磁性層への選択的書込みを可能に
する。
す。センサは、基板401、基板401上に形成された
シード層403、およびシード層403上に形成された
強磁性層と非磁性金属スペーサ層の交互のスタック41
0を含む。スタック410は、少なくとも3つの強磁性
層と2つの非磁性層とを含み、この場合、後述するよう
に、センサは、零外部磁界を中心とする3つのレベルの
デジタル出力を提供する。ただし、図4の実施例では、
9層の磁性層421〜429が8層の非磁性金属層43
1〜438によって分離されており、この場合、センサ
400は、零外部磁界を中心とする9つのレベルのデジ
タル出力を提供する。センサ400は、保護層または被
覆層440と、電気リード450、452を含む。リー
ド450、452は、電流源460および信号感知回路
462への電気的接続を行う。上部強磁性層(429)
または底部強磁性層(421)はまた、その磁化が個別
のバイアス付与層(図示せず)によって固定される。
(Co)またはパーマロイ(NixFe1-x、ただしxは
約0.81)の強磁性層421〜429と、銅(Cu)
の非磁性金属スペーサ層431〜438から形成するこ
とが好ましい。他の強磁性材料は、Coとニッケル(N
i)と鉄(Fe)の二元または三元合金であり、他の非
磁性材料は、銀(Ag)、金(Au)、およびCuとA
gとAuの合金である。そのような多層構造は、強磁性
層がスペーサ層を横切って反強磁性結合し、かつ強磁性
層の磁化の相対的な整列が外部磁界が存在する場合には
変化するので、GMRを示す。ただし、前述のGMR構
造と異なり、多層スタック410は、強磁性層421〜
429がそれぞれ離散的な外部磁界レベルでその磁化配
向を独立にかつ個々に反転させる性質を有するように製
造される。
421〜429がそれぞれ固有二重面内一軸磁気異方性
を有するように成長させた結晶多層である。これは、外
部磁界が存在しない場合に、各強磁性層の結晶構造が単
一の軸に対して平行か逆平行のどちらかに整列する磁化
を誘導することを意味する。分子線エピタキシ(MB
E)を使用して、結晶多層を調製することができる。し
かしながら、最近、例えば、ハープ(Harp)および
パーキン(Parkin)のAppl.Phys.Le
tt.65(24)、3063(1994年12月12
日)に記載されているように、スパッタ付着というより
簡単な方法によって結晶多層を形成できることが分かっ
た。
マグネシウム(MgO)の結晶であることが好ましい。
シード層403は、鉄(Fe)膜404と白金(Pt)
膜405の二重層を含む。最初に、Fe層403を約5
〜10オングストロームの厚さにスパッタ付着させ、次
に白金(Pt)膜405を約30〜50オングストロー
ムの厚さにスパッタ付着させる。Fe膜およびPt膜
は、最良の多層結晶化度を得るために、すなわち基板内
の異なる金属の大きな相互拡散を防ぐために、約500
℃またはそれ以上の温度で成長させる。各強磁性層42
1〜429の一軸磁気異方性は、結晶多層の結晶学的対
称性を反映するので、多層スタック410の本質的に単
一の結晶学的配向を得ることが重要である。特に、11
0方向に沿って配向した、パーマロイまたはCoの強磁
性層を含む多層の場合、各強磁性層421〜429は、
大きい面内一軸磁気異方性を示す。
80〜483によって示されるように、交互の強磁性層
421〜429は、外部磁界が存在しない場合、それら
の磁化が逆平行に配向している。この逆平行整列は、固
有の一軸異方性と、Cuスペーサ層431〜438を横
切る反強磁性結合とに起因する。
は、パーマロイ、Co、または関連する強磁性層が反強
磁性結合する限られた範囲内に入るように選択する必要
がある。スペーサ層の厚さのそのような範囲でGMRが
観測される。図5は、マグネトロン・スパッタ付着を使
用して成長させた本質的に単結晶性の110方向に配向
した多層内の、室温でのCo/Cu多層内の飽和GMR
の依存性を示す。図5のデータを得るのに使用したCo
/Cu多層は、3.3ミリトルのアルゴン中で約50℃
で、約2オングストローム/秒の付着速度で付着させ
た。5オングストロームのFeのシード層と50オング
ストロームのPtのシード層は、110MgOの基板上
で500℃で成長させた。センサ400の好ましい実施
例では、強磁性層421〜429は、厚さ15オングス
トロームのパーマロイであり、スペーサ層431〜43
8は、スパッタ付着させた厚さ19.5オングストロー
ムのCuである。図5の曲線と同様な曲線からのデータ
を使用して、センサ400用のCuの厚さを選択した。
110面の二重対称性と整合する。二重対称性を有する
他の結晶面も、面内一軸磁気異方性磁界を引き起こす。
この大きい面内一軸磁気異方性を利用することによっ
て、構造内の各強磁性層が、別々の外部磁界レベルでそ
の磁化方向を反転するように、多層構造を製造すること
ができる。Co/Cuおよびパーマロイ/CuのGMR
多層の場合、これにより、異なる離散的な磁界強度範囲
で外部磁界の検出および識別が可能な、GMR効果に基
づくデジタルMRセンサが得られる。強磁性層の個数
は、様々な数の磁界強度範囲が検出できるように選択で
きる。
性を直接決定する、構造の磁化の大きさの外部磁界への
依存性は、主として外部磁界中の各強磁性層のゼーマン
・エネルギー、隣接する強磁性層の間の磁気層間反強磁
性交換結合エネルギー、および各強磁性層の磁気異方性
エネルギーを含む、いくつかのエネルギーによって決ま
る。その他のエネルギー寄与には、減磁界、強磁性層間
の静磁気結合、構造中を流れる感知電流の自己磁界、お
よび他のバイアス付与層やセンサのバイアス付与素子か
ら強磁性層に印加されるバイアス付与磁界がある。
層の厚さをti、x軸に沿った強磁性層の平面内で印加
される外部磁界をHext、i番目の層の磁気モーメント
がx軸となす角度をΘiとする。強磁性層の磁気モーメ
ントは、層の平面内にある減磁界がそれを保証できるほ
ど層が厚いためである。最初に、大きいエネルギーがゼ
ーマン・エネルギーと層間反強磁性結合エネルギーだけ
である簡単な場合について考える。層iのゼーマン・エ
ネルギーは次のように書くことができる。 Ez i=−MiHextcos(Θi) 層iの層間反強磁性結合エネルギーは次のように書くこ
とができる。 Eaf i=−Ji,i+1cos(Θi−Θi+1)+−Ji,i-1c
os(Θi−Θi-1) ただし、iは1からNまでの範囲内であり、Nは強磁性
層の個数である。Ji,jは、i番目の層とj番目の層の
間の磁気結合の強さである。強磁性層は反強磁性結合す
るので、Jは符号が負である。また、Haf i,j=Ji,j/
Mjtjである。ここで、Haf i,jは、層jが層iに及ぼ
す反強磁性交換結合磁界である。強磁性層が大きい磁気
異方性エネルギーを有していないこの簡単な例では、強
磁性層の個々の磁気モーメントは、外部磁界中で連続的
に回転し、したがってΘiは、外部磁界が変化するにつ
れて連続的に変化する。Hext>Haf i,jとなる十分大き
い磁界を印加すると、磁気モーメントはすべてx方向に
沿って平行に整列するようになる。Hextがこの大きい
値から減少するにつれて、強磁性層の磁気モーメント
は、x方向から離れて連続的に回転し、ついには隣接す
る強磁性層が互いに逆平行に整列して、零外部磁界付近
でx方向に対して90度で交互に整列するようになる。
きい一軸磁気異方性を示す場合について考える。この異
方性エネルギーは次のように書ことができる。 Ek i=Kitisin2(Θi) ただし、Kiは、i番目の強磁性層の一軸異方性定数で
あり、関係式Ki=Hk iMi/2によって、i番目の層の
異方性磁界Hk iと関連づけられる。したがって、各強磁
性層の磁気モーメントは、x方向すなわち磁気容易軸に
沿っていることが好ましい。Hk iの大きさが零から変化
しても、i番目の層のモーメントは、外部磁界が変化す
るにつれて連続的に回転しなくなる。その代わり、i番
目の層のモーメントは、狭い磁界範囲にわたって、(x
方向に平行からx方向に逆平行に、またはx方向に逆平
行からx方向に平行に)180度回転または反転するよ
うになる。ただし、磁界範囲は、Haf i,i+1およびHaf
i,i-1、すなわち2つの隣接する強磁性層によってi番
目の層に印加される2つの反強磁性結合磁界と比較した
Hk iの大きさによって決まる。Hk iが、Haf i,i+1とH
af i,i-1の和に等しいかまたはそれよりも大きい場合
に、急激な反転が得られる。多層構造の抵抗は強磁性層
のモーメントの形状に依存するので、1つの強磁性層が
急激に反転すると、多層構造の抵抗が変化するようにな
る。したがって、多層構造内の個々の磁気モーメント
は、Hk iと、Haf i,i+1とHaf i,i-1の和との比に応じ
て、異なる外部磁界の値で独立に反転するようになる。
強磁性層が異なる磁気特性を有し、その結果、各強磁性
層が異なる外部磁界でその磁気モーメントを反転する、
一軸磁気異方性を示す強磁性層を有する多層GMR構造
を製造する方法はいくつかある。
れる結晶ひずみを変化させることによって、個々の強磁
性層の一軸磁気異方性エネルギーを、異なる値を有する
ように選択する。所定の強磁性層の結晶格子は、厚い層
内またはバルク・フォーム内で、層のエピタキシャル成
長によって下地の層に課されるひずみによって、同じ材
料が示す完全な結晶格子から変形する。ひずみは、基板
上のシード層上に直接成長させた層内で最大となる。ひ
ずみは、強磁性層のシード層からの間隔が大きくなり、
かつ結晶格子がバルク材料の結晶格子へと緩和するにつ
れて減少する。図4のセンサ400は、MgOの110
結晶面上の5オングストロームのFeシード層と50オ
ングストロームのPtシード層上に成長させた、Ni
1-xFex合金の強磁性層とCuの非磁性スペーサ層とか
ら構成される多層スタック410を有する。シード層か
らの連続する各強磁性層421〜429は、その下の層
よりも次々にひずみが小さくなり、したがって一軸磁気
異方性エネルギーが減少する。
せる(したがってHk iを変化させる)別法として、
Hk i、Ji,i+1およびJi,i-1を含む、個々の強磁性層の
いくつかの磁気特性を変化させることによって独立に反
転するように、個々の強磁性層を製造することができ
る。これは、 強磁性層の厚さ、ti 強磁性層の磁化、Mi スペーサ層の厚さ 磁性層または非磁性層の組成 層の詳細な構造形態 のうちのいずれかを変化させることによって達成でき
る。
て、例えばスパッタリング圧力や付着速度や付着温度を
変えること、成長時に層を(例えば、低エネルギーの約
100電子ボルトのアルゴン・イオンで)イオン衝撃す
ること、または界面の粗さと組成を変えることによって
変えることができる。これは、強磁性層と非磁性層との
界面に他の材料の薄い層を挿入すること、層を付着した
後で層をイオン衝撃すること、成長後に多層を焼きなま
すこと、または成長時に多層の一部を焼きなますことに
よって達成できる。
は、特性、特にその磁気異方性の強度、対称性および配
向、ならびにその隣接する強磁性層との反強磁性交換結
合の強度の独自の組合せを有する。これらの特性によっ
て、多層内の強磁性層の磁気モーメントが反転する外部
磁界の強度と、反転が起こる速さの両方が決まる。
めに構造を変えることの他に、前述の方法で構造を変え
ることによって、同様にして特定の強磁性層の磁性反転
に関連する抵抗の様々な変化を引き起こすように構造を
変えることもできる。
/銅多層スタック410を有するセンサ400の代表的
な磁気抵抗対磁界のデータを示す。図6は、抵抗が磁界
の増大または減少とともに一連の段を示すことを示す。
図7は、磁気モーメント対磁界の同様な関係を示す。図
7は、多層スタック410の磁化が異なる外部磁界範囲
に対して一連の段を示すことを示す。この挙動は、個々
の磁性層421〜429の個々の磁気モーメントが、外
部磁界が−200エルステッド(Oe)から+200エ
ルステッドまで変化するにつれて、独立にかつ連続的に
反転するためである。
への書込み 多重データ層記憶媒体がディスク200として図8に示
されている。ディスク基板201は、ガラスや、ニッケ
ル・リン(NiP)の表面被覆を有するアルミニウム合
金のディスク・ブランクなど、従来の基板である。ディ
スク基板201は、従来のスパッタ付着したコバルト合
金でできたいくつかの薄い層を支持する。これらの層
は、例えば、アルミナ(Al2O3)やタンタル(Ta)
などの電気絶縁体や金属でできた薄い非磁性体減結合層
によって互いに磁気的に減結合される。減結合層220
によって分離された、独立に記録可能な2つの磁気デー
タ層210、230が図8に示されている。クロムやそ
の他の適切な材料の下層202が、基板201と第1の
データ層210の間に形成される。磁気データ層21
0、230および減結合層220は、下部磁性層210
内の隣接する磁気ビット間の境界からの磁界が十分であ
り、これらのビットをデジタルGMRセンサ400(図
3)によって上部磁性層230の上で分析できるよう
に、十分薄くなければならない。図8には、例示および
説明が容易なように、2つの磁気的に遮断された磁気デ
ータ層のみが示されているが、本発明では、3つまたは
それ以上のデータ層を使用することもできる。
たは各磁性層が適切な磁気モーメント、磁気異方性およ
び保磁力を有するように選択した、材料は同じであるが
組成の異なるもので構成することが好ましい。多重デー
タ層からの重なった磁束をセンサが受け取った場合に、
センサ出力が異なるデータ層からのデータを区別できる
ように、データ層は、異なる磁気モーメントを有する必
要がある。同様に、前に他のデータ層に書き込まれたデ
ータに影響を及ぼすことなく、独立して各磁性層に書き
込むことができるように、データ層は、異なる保磁力を
有する必要がある。磁性層の必要な特性は、その書込み
方式によって異なる。書込み方式には、以下に説明する
ように、連続層書込み方式および選択層書込み方式と呼
ばれる2つの方式がある。
る保磁力を有する。これは、例えば、各種のCo−Pt
−Cr、Co−Pr−Cr−Bやその他の同様な合金で
異なる磁性材料または合金組成のデータ層を形成するこ
とによって、または磁性層の厚さを変えることによって
達成される。最初に、最大保磁力を有する磁性層に、誘
導書込みヘッドへの高い書込み電流で書き込み、誘導書
込みヘッドへの書込み電流を適宜減少させることによ
り、磁気保磁力を小さくして、他の磁性層に次々に書き
込む。ただし、この方式では、前に書き込まれた磁性層
の1つに新しいデータを書き込む場合、小さい磁気保磁
力を有する他の磁性層も再書込みされる。それにもかか
わらず、この方式は、底部層210など、最大磁気保磁
力を有するヘッド・サーボ位置決め情報が磁性層に予め
書き込まれた2つの磁性層の多重データ層ディスクに特
に有用である。サーボ・データは、ディスク・ドライブ
の動作中に再書込みされることはなく、したがってすべ
てのユーザ・データは、層210内の予め書き込まれた
サーボ・データに影響を及ぼさないほど十分に小さい書
込み磁界によって上部磁性層230内に書き込まれる。
サーボ・データを含む底部高保磁力磁性層を有する二層
磁気記録ディスクは、周知であり、「埋込みサーボ」と
呼ばれるが、サーボ・データの読取りは、別の専用サー
ボ・ヘッドによって行われる。オペレーティング・シス
テム・データなど他の種類のデータを、再書込みされな
い底部層210内に記録することもできる。
の磁性層とも無関係に書き込むことができる。これは、
異なる温度依存性磁気保磁力を有する材料を磁性層に使
用することによって達成される。例えば、磁性層は、強
磁性金属、例えば希土類元素と第III族遷移金属の合
金、例えばTb−Fe−Coで製造できる。合金の特定
の組成を選択することによって、補償温度、すなわち保
磁力が比較的高くなる温度も選択できる。補償温度がデ
ィスク・ドライブの動作温度(Toper)より高い合金の
場合、温度がToper以上に上昇すると保磁力が増大す
る。逆に、補償温度がToperより低い合金の場合、温度
がToper以上に上昇すると保磁力が減少する。これが図
9に示されている。この場合、底部磁性層210内の材
料は、実線で示される温度依存性を有し、上部磁性層2
30は、点線で示される温度依存性を有する。ランプ1
30(図3)を使用して磁性層の温度を変えることによ
って、層210の保磁力が、磁性層230の保磁力より
も(温度がToper付近のT1である場合に)小さくな
り、または(温度がToperより高いT2である場合に)
大きくなるようにすることができる。したがって、図9
に示すように、固定した書込み電流を誘導書込みヘッド
に印加して、固定した書込み磁界Hwを発生させる。層
210にデータを書き込みたい場合、ランプ130は点
灯せず、Toper付近の温度T1で書込みが行われる。こ
の温度では、書込み磁界が層230の保磁力よりも小さ
いので、層230上のデータは影響を受けない。同様
に、層230にデータを書き込みたい場合、ランプ13
0を点灯してディスクを加熱し、温度T2で書込みを行
う。この温度では、書込み磁界が層210の保磁力より
も小さいので、層210上のデータは影響を受けない。
たは減少の速度が異なるように磁性層の組成を変えるこ
とによって、異なる温度依存性磁気保磁力を達成でき
る。これを図10に示す。この場合、データ層210
(実線)もデータ層230(破線)も、温度とともに減
少する温度依存性保磁力を有するが、減少の速度は、デ
ータ層230内の材料のほうが速い。したがって、デー
タ層210、230のどちらも、誘導ヘッドへの適切な
レベルの書込み電流を使用して、他方と無関係に書き込
むことができる。層210にデータを書き込みたい場
合、ランプ130は点灯せず、書込み磁界Hw1を発生す
る書込み電流によってToper付近の温度T1で書込みが
行われる。この温度では、書込み磁界が層230の保磁
力よりも小さいので、層230上のデータは影響を受け
ない。同様に、層230にデータを書き込みたい場合、
ランプ130が点灯してディスクを加熱し、書込み磁界
Hw2を発生する書込み電流によって温度T2で書込みが
行われる。この温度では、書込み磁界が層210の保磁
力よりも小さいので、層210上のデータは影響を受け
ない。
の材料の保磁力の温度依存性を利用するには、データ層
が、どちらもランプ130によって適切に加熱されるよ
うに、熱的に結合することが望ましい。しかし、石英な
どやはり熱伝導率の低い磁性体減結合層220を使用し
て底部層210から上部層230を熱的に減結合するこ
とによって、一方のデータ層を他方のデータ層よりもか
なり多く加熱することができる。これにより、磁性層が
本質的に同じ磁性材料でできている場合でも、または本
質的に同じ保磁力温度関係を有する場合でも、加熱する
ことによって磁性層の保磁力を変化させることができ
る。
ライブの実施形態の磁性体減結合層220用の適切な材
料とは、強磁性層をその上と下で磁気的に減結合するだ
けではなく、強磁性層間の光熱結合を実現し、かつ温度
サイクルのもとで隣接する層との相互作用に関して安定
である材料である。減結合層220は、アルミナなどの
電気絶縁体で形成することが好ましい。アルミナは、非
常に薄く(約20オングストローム)、かつピンホール
がほとんどないように製造できる。強磁性層を確実に減
結合するためには、減結合層220にピンホールがない
ことが重要である。あるいは、減結合層220を薄い金
属層で製造することもできる。減結合層が非常に薄い金
属である場合、適切な金属は、軽い第III族、第IV
族または第V族の遷移金属およびそれらの合金のうちの
いずれかである。これは、Parkin、Phys.R
ev.Lett.67,3598(1991)に記載さ
れているように、これらの金属が引き起こす強磁性層間
の固有磁性層間交換結合が弱いためである。減結合が厚
い金属である場合、クロム(Cr)やレニウム(Re)
を含む他の金属が適切である。
トは、一般に、上部データ層および底部データ層内で互
いに垂直に整列している。これは、両方のデータ層内の
ビットをデジタルGMRセンサによって磁気ワードとし
て同時に読み取るために必要である。データの書込み時
に隣接したディスク・データ層内のビットをこのように
整列させるのは、従来の単一データ層ディスク内に単一
のビットを再生可能に書き込むことほど困難ではない。
ディスク・ドライブは、書込みヘッドの位置決めを制御
するのに使用されるサーボ・ヘッド位置決め情報を含ん
でおり、データ・ビットがサーボ・データに対して本質
的に同じ位置に書き込まれることを保証する。このサー
ボ情報は、データ層にデータが書き込まれる前に書き込
まれ、多重データ層ディスク内のデータ層のうちの1つ
に書き込まれる。
の読取り 再び図8を参照すると、2つのデータ層に対して、上部
磁性層と底部磁性層内のディスク上の所与の位置で磁気
ビットの9つの可能な組合せがある。これらの9つの組
合せには、4つの「正」またはディスク磁束外レベル、
4つの「負」またはディスク磁束内レベル、およびどち
らのデータ層にも磁気ビットの遷移がない場合に対応す
る1つの零磁束レベルが含まれる。本発明では、これら
のビットの各組合せ、すなわち磁気ワードが、デジタル
GMRセンサ400によって読み取られる。デジタルG
MR読取りヘッドは、抵抗が変化するために、これらの
組合せのうちのどの組合せを読み取っているかを一意に
識別するデジタル出力を提供する。9つの可能な磁気ワ
ードの6つの代表例を示す図8に示すように、磁気ビッ
トは、水平磁気記録や垂直磁気記録の場合と同様に、そ
れらのモーメントがディスクの平面に平行に配向してい
る。この場合、デジタルGMR読取りヘッドは、2つの
データ層の各層内の隣接する磁気ビット間の遷移または
境界から出る磁束の重畳を感知する。読取りヘッドによ
って感知される個々の磁性層内のビット間の境界からの
磁束は、各ビットの磁化に依存し、各ビットは、その層
内の材料の磁化と、その層のヘッドからの距離とに依存
する。したがって、層内の磁気ビットの様々な配列に対
応する、隣接する磁気ビットの変化が、読取りヘッドで
感知される磁束の強度によって区別できる。
00の上に示された磁気ビットの遷移からの6つの異な
る磁界または磁束の値を示す。この例では、底部層21
0は、その層内の単一の磁気ビットからの磁束値が上部
ユーザ・データ層230内の単一の磁気ビットの磁束値
の3倍となるように、高い磁気モーメントを有する磁性
層内に予め書き込まれたサーボ・データであると仮定す
る。したがって、2つの層からの磁束の異なる重畳は、
隣接するビットの異なる組合せを引き起こす。磁気ワー
ドが、上部データ層内と底部データ層内の両方のヘッド
間磁気ビットの遷移に対応する(1、1)である場合、
最大の正信号が得られる。重畳された磁束への唯一の寄
与が上部ユーザ・データ層からのものであり、下部サー
ボ・データ層には磁気ビットの遷移がない場合は(0、
1)の磁気ワードに対応し、ワード(1、1)の1/3
の値を有するより小さい信号が得られる。
ク200からの9つの可能な磁束レベル(図12)、9
強磁性層デジタル・センサ400(図4)の抵抗の変化
(図13)、および可能な各磁束レベルについての9つ
の強磁性層それぞれの磁気モーメントの配向(図11)
を示す。この例でも、下部データ層はサーボ・データで
あり、上部データ層はユーザ・データであり、サーボ層
はデータ層よりも大きい磁気モーメントを有し、かつサ
ーボ層内のみの逆平行ビット対からの磁束は、ユーザ層
内のみの逆平行ビット対からの磁束の3倍であると仮定
する。水平記録の場合、層内の隣接するビットが逆平行
であると、それらの磁性層から磁束が漏れる。
て、それらの固有一軸異方性と反強磁性結合のために逆
平行に整列した場合に最大となる。これは、外部磁界が
存在しない場合であり、センサの0デジタル・レベル
(0、0ワード値)に対応する。センサの抵抗は、最大
外部磁界で、すなわちセンサ内の9つの強磁性層がすべ
て平行に整列した場合に最小となる。これは、図13に
示すように、最小抵抗値に対応する。したがって、最大
外部磁界は、ユーザ・データ層内のビット対とサーボ・
データ層内のビット対の両方が逆平行となる点で発生す
る。これは、それぞれ−4と+4のデジタル・センサ値
に対応するものとして、図12に示されている。磁束
は、データ層の一方または両方のビット対が平行に整列
した場合に減少し、磁気遷移を示さなくなる。図13
は、連続的な強磁性層がディスクからの磁束の変化に起
因して逆平行から平行に反転する際の、9つの強磁性層
のデジタルGMRセンサの段階的な応答を示す。段は、
必ずしも大きさが等しいとは限らないが、抵抗の変化
は、図5の実際のデータに示されるように変化する。
を感知して出力信号Vsigを発生し、出力信号をユーザ
・データとサーボ・データに復調する感知回路462
(図4)の図である。検出回路の第1のステップは、セ
ンサの抵抗の変化を電圧Vsigに変換することである。
これは、例えば、センサを増幅器502の帰還ループ中
に置くことによって行われる。これにより、抵抗の変化
による直線的な電圧の変化(利得)が得られる。増幅
後、高域通過フィルタ504が信号の雑音を減らす。
層用の別々の信号に変化する必要がある。ろ過された信
号は、センサの抵抗に比例する。信号は、図13の抵抗
出力に示されているように、それぞれ離散的なセンサ抵
抗状態T0〜T7のしきい値特性にプリセットされた一
組の比較器510〜517に分配される。比較器の出力
は、センサのレベルをディスク上の各データ層について
の独自の磁束遷移情報に復調する論理回路520に入力
される。論理回路520は、図15の論理テーブルによ
って示される出力を発生する。論理出力は、磁束外、遷
移零、および磁束内に対応する各データ層(1、0、−
1)の3つの状態を有する。論理回路は、データ層上の
多数の0(遷移の連続的な欠如)を追跡するクロック入
力(図14には図示せず)も有する。
いて、水平記録の場合について説明した。しかしなが
ら、本発明は、媒体内の個々の磁界が媒体基板に直角に
配向する垂直または直角記録にも適用できる。磁気ビッ
トが基板と直角に整列する場合、状況は簡単になり、デ
ジタルGMRセンサで感知される磁束は、磁気ワード値
に直接対応する。したがって、直角記録の実施例で磁性
層が2つである場合、可能な磁気ワード値は4つしかな
い。
て詳細に示し説明したが、当業者は、本発明の精神およ
び範囲から逸脱することなく、形式および詳細の様々な
変更が可能であることを理解するであろう。
の事項を開示する。
を有する、基板上に形成した強磁性層と非磁性金属スペ
ーサ層の交互の多層スタックとを含み、各強磁性層が、
隣接するスペーサ層を横切って隣接する強磁性層に反強
磁性結合し、その磁化が、外部磁界が存在しない場合
に、前記隣接する強磁性層の磁化と逆平行に整列し、各
強磁性層が本質的に一軸性の磁気異方性を有し、その磁
化が、他の強磁性層の磁化が反転可能である磁界強度と
は異なる外部磁界強度で、前記逆平行整列から平行整列
に反転可能であり、それによって、外部磁界の増加に応
答して電気抵抗が減少する離散的段階を有する、磁気抵
抗センサ。 (2)前記基板が、その上に多層スタックが形成される
本質的に110の結晶面を有することを特徴とする、上
記(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (3)前記基板がMgOであることを特徴とする、上記
(2)に記載の磁気抵抗センサ。 (4)さらに、前記基板と前記多層スタックの間の基板
上に直接形成されたシード層を含むことを特徴とする、
上記(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (5)前記シード層が、前記基板上に直接形成された鉄
の第1の膜と、該鉄膜上に直接形成された白金の第2の
膜とを含むことを特徴とする、上記(4)に記載の磁気
抵抗センサ。 (6)前記強磁性層が本質的にパーマロイからなること
を特徴とする、上記(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (7)前記スペーサ層が本質的に銅からなることを特徴
とする、上記(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (8)各強磁性層が、他の強磁性層の磁気異方性とは異
なる磁気異方性を有することを特徴とする、上記(1)
に記載の磁気抵抗センサ。 (9)隣接する強磁性層の任意の対の反強磁性結合磁界
の強度が、隣接する強磁性層の他の対の反強磁性結合磁
界の強度と異なることを特徴とする、上記(1)に記載
の磁気抵抗センサ。 (10)各スペーサ層の厚さが、他のスペーサ層の厚さ
と異なることを特徴とする、上記(1)に記載の磁気抵
抗センサ。 (11)さらに、前記基板から最も近いまたは最も遠い
強磁性層と接触して、前記最も近いまたは最も遠い強磁
性層の磁化を固定するバイアス層を含むことを特徴とす
る、上記(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (12)さらに、前記センサの電気抵抗を電圧信号に変
換する感知回路を含むことを特徴とする、上記(1)に
記載の磁気抵抗センサ。 (13)本質的に単結晶性の結晶面を有する基板と、基
板の結晶面上に形成されたシード層と、少なくとも3つ
のパーマロイ層と2つの銅スペーサ層を有し、隣接する
パーマロイ層が、中間銅スペーサ層を横切って互いに反
強磁性結合する、シード層上に形成されたパーマロイ層
と銅スペーサ層の交互の多層スタックとを含み、各パー
マロイ層の磁気モーメントが、外部磁界が存在しない場
合に、隣接するパーマロイ層の磁気モーメントと逆平行
に整列し、各パーマロイ層が、他のパーマロイ層の磁気
異方性とは異なる本質的に一軸性の磁気異方性を有し、
それによって、各パーマロイ層の磁気モーメントが、他
のパーマロイ層の磁気モーメントが反転可能である磁界
強度とは異なる外部磁界強度で、前記逆平行整列から平
行整列に反転可能であり、そのため外部磁界の増加に応
答して電気抵抗が減少する離散段を有する、磁気抵抗セ
ンサ。 (14)前記基板が110の結晶面を有することを特徴
とする、上記(13)に記載の磁気抵抗センサ。 (15)前記基板がMgOであることを特徴とする、上
記(14)に記載の磁気抵抗センサ。 (16)前記シード層が、基板上に直接形成された鉄の
第1の膜と、該鉄膜上に直接形成された白金の第2の膜
とを含むことを特徴とする、上記(13)に記載の磁気
抵抗センサ。 (17)さらに、前記基板から最も近いかまたは最も遠
い強磁性層と接触して、前記最も近いまたは最も遠い強
磁性層の磁化を固定するバイアス層を含むことを特徴と
する、上記(13)に記載の磁気抵抗センサ。 (18)さらに、前記センサの電気抵抗を電圧信号に変
換する感知回路を含むことを特徴とする、上記(13)
に記載の磁気抵抗センサ。
化した断面図である。
ドライブの上面図である。
ドライブの簡略化した断面図である。
図である。
室温飽和磁気抵抗とスペーサ層の厚さの典型的な関係を
示し、かつ110結晶方向に沿って配向した結晶コバル
ト/銅多層についての具体的関係を示す図である。
層スタックを有するデジタルGMRセンサの磁気抵抗と
平面内磁化の磁界依存性を示す図である。
層スタックを有するデジタルGMRセンサの磁気抵抗と
平面内磁化の磁界依存性を示す図である。
タ層ディスクと、デジタルGMRセンサによって遮断さ
れた場合の対応する信号出力の概略図である。
力温度依存性を有する2つの異なる磁性材料について、
保磁力のグラフに関連する固定した書込み磁界のレベル
を温度の関数として示す図である。
する2つの異なる磁性材料について、保磁力のグラフに
関連する可変の書込み磁界の2つのレベルを温度の関数
として示す図である。
について、デジタルGMRセンサの9つの強磁性層それ
ぞれの磁気モーメントの配向を示す図である。
ド値、およびそれらの対応する磁束レベルについて、ビ
ット遷移の9つの可能な組合せを示す図である。
層ディスクからの異なる磁束レベルに応答して変化する
際の離散的段階を示す図である。
ついて、センサの出力信号を別々のデータ出力信号に変
換する検出回路のブロック図である。
ク・ドライブ例の検出回路用の論理テーブルである。
Claims (18)
- 【請求項1】基板と、 少なくとも3つの強磁性層を有する、基板上に形成した
強磁性層と非強磁性金属スペーサ層の交互の多層スタッ
クとを含み、 各強磁性層が、隣接するスペーサ層を横切って隣接する
強磁性層に反強磁性結合し、その磁化が、外部磁界が存
在しない場合に、前記隣接する強磁性層の磁化と逆平行
に整列し、 各強磁性層が本質的に一軸性の磁気異方性を有し、その
磁化が、他の強磁性層の磁化が反転可能である磁界強度
とは異なる外部磁界強度で、前記逆平行整列から平行整
列に反転可能であり、 それによって、外部磁界の増加に応答して電気抵抗が減
少する離散的段階を有する、磁気抵抗センサ。 - 【請求項2】前記基板が、その上に多層スタックが形成
される本質的に110の結晶面を有することを特徴とす
る、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項3】前記基板がMgOであることを特徴とす
る、請求項2に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項4】さらに、前記基板と前記多層スタックの間
の基板上に直接形成されたシード層を含むことを特徴と
する、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項5】前記シード層が、前記基板上に直接形成さ
れた鉄の第1の膜と、該鉄膜上に直接形成された白金の
第2の膜とを含むことを特徴とする、請求項4に記載の
磁気抵抗センサ。 - 【請求項6】前記強磁性層が本質的にパーマロイからな
ることを特徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項7】前記スペーサ層が本質的に銅からなること
を特徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項8】各強磁性層が、他の強磁性層の磁気異方性
とは異なる磁気異方性を有することを特徴とする、請求
項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項9】隣接する強磁性層の任意の対の反強磁性結
合磁界の強度が、隣接する強磁性層の他の対の反強磁性
結合磁界の強度と異なることを特徴とする、請求項1に
記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項10】各スペーサ層の厚さが、他のスペーサ層
の厚さと異なることを特徴とする、請求項1に記載の磁
気抵抗センサ。 - 【請求項11】さらに、前記基板から最も近いまたは最
も遠い強磁性層と接触して、前記最も近いまたは最も遠
い強磁性層の磁化を固定するバイアス層を含むことを特
徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項12】さらに、前記センサの電気抵抗を電圧信
号に変換する感知回路を含むことを特徴とする、請求項
1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項13】本質的に単結晶性の結晶面を有する基板
と、 基板の結晶面上に形成されたシード層と、 少なくとも3つのパーマロイ層と2つの銅スペーサ層を
有し、隣接するパーマロイ層が、中間銅スペーサ層を横
切って互いに反強磁性結合する、シード層上に形成され
たパーマロイ層と銅スペーサ層の交互の多層スタックと
を含み、 各パーマロイ層の磁気モーメントが、外部磁界が存在し
ない場合に、隣接するパーマロイ層の磁気モーメントと
逆平行に整列し、 各パーマロイ層が、他のパーマロイ層の磁気異方性とは
異なる本質的に一軸性の磁気異方性を有し、 それによって、各パーマロイ層の磁気モーメントが、他
のパーマロイ層の磁気モーメントが反転可能である磁界
強度とは異なる外部磁界強度で、前記逆平行整列から平
行整列に反転可能であり、そのため外部磁界の増加に応
答して電気抵抗が減少する離散段を有する、磁気抵抗セ
ンサ。 - 【請求項14】前記基板が110の結晶面を有すること
を特徴とする、請求項13に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項15】前記基板がMgOであることを特徴とす
る、請求項14に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項16】前記シード層が、基板上に直接形成され
た鉄の第1の膜と、該鉄膜上に直接形成された白金の第
2の膜とを含むことを特徴とする、請求項13に記載の
磁気抵抗センサ。 - 【請求項17】さらに、前記基板から最も近いかまたは
最も遠い強磁性層と接触して、前記最も近いまたは最も
遠い強磁性層の磁化を固定するバイアス層を含むことを
特徴とする、請求項13に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項18】さらに、前記センサの電気抵抗を電圧信
号に変換する感知回路を含むことを特徴とする、請求項
13に記載の磁気抵抗センサ。
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