KR20020095037A - 폐자로 자구 제어막을 포함하는 스핀 밸브 헤드 - Google Patents

폐자로 자구 제어막을 포함하는 스핀 밸브 헤드 Download PDF

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KR20020095037A
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하따따니마사히꼬
기무라히사시
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 협트랙에서도 재생 출력이 높고 안정성이 높은 스핀 밸브형 자기 헤드를 제공하는 것으로, 연자성 자유층 상에 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층이 형성되고, 상기 연자성 자유층과 상기 단자구화 강자성층이 트랙 폭 단부에서 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성하여 상기 연자성층이 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직교 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖는 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비한다.

Description

폐자로 자구 제어막을 포함하는 스핀 밸브 헤드{SPIN-VALVE HEAD CONTAINING CLOSED FLUX-STRUCTURE DOMAIN CONTROL FILMS}
본 발명은, 자기 기록 재생 장치 및 자기 저항 효과 소자에 관한 것으로, 특히 고기록 밀도 자기 기록 재생 장치와 그 제조 방법에 관한 것이다.
미국 특허 USP5408377에는 반강자성적으로 결합된 자유층을 이용한 스핀 밸브형 자기 저항 소자가 기재되어 있다.
특개평7-73416에는 연질 능동층에 익스체인지층을 인접한 MR형 판독 변환기가 기재되어 있다.
특개평7-169026에는 반강자성적 결합막을 이용한 스핀 밸브(밸브) 센서가 기재되어 있다.
특개평10-173252에는 고전기 저항 자성층을 적층한 자기 저항 센서가 기재되어 있다.
특개평10-284768에는 프리 강자성층에 인접한 보조 자화 반전층을 갖는 자기 저항 효과 소자가 기재되어 있다.
특개평11-259824에는 경자성막을 자유층에 적층한 터널형 자기 저항 효과 헤드의 기재가 있다.
종래의 기술에서는 기록 밀도가 충분히 높은 자기 기록 장치, 특히 그 재생부에 외부 자계에 대하여 충분한 감도와 출력으로 작용하는 자기 저항 효과형 자기 헤드를 실현하고, 또한 충분히 대칭성이 좋은 양호한 특성을 얻을 수 없어, 기억 장치로서의 기능을 실현하는 것이 곤란하였다.
최근, 강자성 금속층을 비자성 금속층을 통해 적층한 다층막의 자기 저항 효과, 소위 거대 자기 저항이 큰 것이 알려져 있다. 이 경우, 자기 저항 효과는 비자성 도전층으로 사이에 둔 강자성층의, 자화와 자화가 이루는 각도에 의해 전기 저항이 변화한다. 이 거대 자기 저항 효과를 자기 저항 효과 소자로서 이용하는 경우에는 스핀 밸브라고 불리는 구조가 제창되어 있다. 즉, 반강자성막/강자성층/비자성 도전층/연자성 자유층의 구조를 갖고, 반강자성막/강자성층 계면에 발생하는 교환 결합 자계에 의해 반강자성막과 밀착된 강자성층의 자화를 실질적으로 고정하고, 다른 쪽의 연자성 자유층이 외부 자계에 의해 자화 회전함으로써 출력을 얻을 수 있다. 상기 고정의 효과를 고정 바이어스라 하고, 이 효과를 일으키는 반강자성막을 고정 바이어스막이라 부르기로 한다. 또한, 상기 자화가 실질적으로 고정되는 강자성층을 고정층, 또는 강자성 고정층이라 부르기로 한다. 마찬가지로 외부 자장에 의해 자화 회전하는 연자성막을 자유층 또는 연자성 자유층이라 부르기로 한다. 고정층은 감지해야 할 자계에 대하여, 실질적으로 자화가 고정되어 있는 것이 그 기능이고, 반강자성막 대신에 경자성막, 즉 비교적 큰 자계가 가해지지 않는 한 자화가 변화하지 않는 재료로 대체할 수도 있다. 최근, 스페큘러 효과(specular effect)나 또는 Synthetic ferrimagnet이라 불리는 강자성 고정층을 다층 구조로 하는 구조도 제창되어 있지만, 비자성 중간층에 직접 접합하는 계면의 강자성층의 자화가 실질적으로 고정되어 있다는 점에서는 전부 마찬가지다.
자기 저항 효과형 자기 헤드에는 상기 연자성 자유층을 단자구화하기 위한 자구 제어 구조를 갖는다. 상기 연자성 자유층을 단자구 상태로 하고, 감지해야 할 자계에 대하여 히스테리시스가 없는 출력을 갖게 하는 기능을 갖는다. 대표적인 자구 제어 구조인 하드 바이어스라 불리는 구성은 이하의 구성을 갖는다. 감지 영역의 폭, 즉 트랙 폭에 형성된 자기 저항 효과막의 양단부에 경자성막을 소정의 두께로 배치한다. 경자성막의 자화는 착자(magnetizing) 공정에 의해 트랙 폭 방향으로 잔류 자화를 갖도록 설정되고, 상기 잔류 자화에 의해 트랙 폭 방향의 단부에 발생하는 자하가 상기 연자성 자유층의 단부에 발생하는 자하와 상쇄됨으로써 정자기 에너지(magnetostatic energy)를 떨어뜨려, 상기 연자성 자유층을 단자구화하는 것이다. 상기 하드 바이어스 구조에 의한 단자구화에 있어서 과제가 되는 것은 자기 저항 효과 소자의 트랙 폭이 좁아졌을 때, 구체적으로는 0.2 내지는 0.1㎛ 이하가 되었을 때에 경자성막의 단자구화 효과가 지나치게 강해져서, 감지해야 할 자계에 대한 연자성 자유층의 자화 과정을 저해하는 것이다. 이러한 감도의 저하를 방지하기 위해서는 경자성막의 자화의 양, 즉 잔류 자화량을 극력 낮게 하는 것이 중요하지만, 이러한 자화량의 저감에는 연자성 자유층의 단자구화의 효과를 저하시켜서 소자의 변동이 발생할 우려가 높아진다. 종래, 이러한 고감도와 안정성의 경합은 안정성이 얻어지는 최저한의 자화량을 채용함으로써 대응된 것이지만, 트랙 폭이 협소해지므로 안정성이 얻어질 때의 감도가 충분하지 않게 되는 현상이 생기는 것이다.
상기한 바와 같은 안정성과 고감도의 양립을 달성하기 위해서, 경자성막 등의 자하를 자기 저항 효과 적층막의 트랙 폭의 단부의 정확한 위치에 최저한의 양을 배치할 필요가 있다. 그러나, 종래형의 자구 제어 구조에서는 최근의 협소한 트랙 폭의 자기 헤드에 대하여 이를 실현할 수 없었다.
그래서, 본 발명의 목적은 고밀도 기록에 대응한 장기간 신뢰성이 높은 자기 기록 장치 또는 자기 센서를 이용한 자기 헤드를 제공하는 데 있으며, 보다 구체적으로는 연자성 자유층의 단부의 자하를 상쇄하는 단자구화 자성막을 자기 저항 효과막에 적층 형성하고, 트랙 폭을 대개 동일 형상으로 형성함으로써 안정적이며 고감도 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 이용한 재생 출력의 높은 스핀 밸브형 자기 헤드를 제공하고, 또한 이를 이용한 자기 기록 재생 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 구성예.
도 2는 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 다른 구성예.
도 3은 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 또 다른 구성예.
도 4는 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 또 다른 구성예.
도 5는 종래의 하드 바이어스 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도.
도 6은 종래의 하드 바이어스 구조의 자구 제어막의 자화량과 헤드 출력의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 7은 종래 기술의 패턴드 익스체인지 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도.
도 8은 종래 기술의 패턴드 익스체인지 구조의 교환 결합 자계와 마이크로 트랙 곡선의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도.
도 10은 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 단자구화 강자성층의 자화량과 헤드 출력의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 마이크로 트랙 곡선의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 12는 종래 기술에 따른 하드 바이어스 구조의 연자성 자유층의 자화 분포의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명에 따른 폐자로 자구 제어 구조에서의 연자성 자유층의 자화 분포의 계산 결과를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명에 따른 자기 헤드의 착자 방법의 일례를 나타낸 개념도.
도 15는 마그네타이트막의 자화 곡선.
도 16은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제1 적층 구성예.
도 17은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제2 적층 구성예.
도 18은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제3 적층 구성예.
도 19는 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제4 적층 구성예.
도 20은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제5 적층 구성예.
도 21은 본 발명의 터널 자기 저항 효과형 자기 헤드의 구성예.
도 22는 본 발명의 터널 자기 저항 효과형 자기 헤드의 다른 구성예.
도 23은 본 발명의 자기 저항 효과 소자에 의한 자기 센서를 탑재한 자기 헤드의 구성예의 개념도.
도 24는 본 발명의 자기 기록 재생 장치의 구성예.
도 25는 종래 기술의 구조 및 본 발명의 구조의 자기 헤드의 재생 트랙 폭과 재생 출력의 관계를 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 거대 자기 저항 효과 적층막
101 : 터널 자기 저항 효과 적층막
11, 46 : 반강자성막
12 : 비자성 도전층
121 : 비자성 절연 갭층
13 : 연자성 자유층
131 : 제1 자유층 연자성막
132 : 제2 자유층 연자성막
133 : 제1 연자성 자유층
134 : 제2 연자성 자유층
14 : 하지막
15 : 강자성 고정층
151 : 제1 강자성막
152 : 제2 강자성막
154 : 반평행 결합층
35 : 하부 자기 실드
36 : 상부 자기 실드
37 : 보호막
40 : 전극
41 : 자구 제어막
411 : 비자성 분리층
412 : 강자성층
413 : 반강자성층
414 : 경자성층
415 : 결합층
416 : 연자성 완충층
42 : 코일
43 : 재생 갭
44 : 기록 트랙
45 : 단자구화 강자성층
50 : 기체
63 : 대향면
64 : 누설 자계
71 : 하부 갭막
711 : 하부 도전성 갭막
72 : 상부 갭막
721 : 상부 도전성 갭막
73 : 절연막
83 : 상부 자기 코어
84 : 하부 자기 코어
90 : 헤드 슬라이더
91 : 기록 매체
92 : 액튜에이터
93 : 스핀들
94 : 신호 처리계
95 : 자기 디스크
본 발명에서는 고기록 밀도에 대응한 거의 자기 저항 효과를 이용한 자기 센서를 자기 헤드에 탑재한 자기 기록 장치를 제공하기 위해서, 상기 자기 센서로서 이용하는 스핀 밸브형 거대 자기 저항 효과 적층막, 즉, 연자성 자유층/비자성 도전층/강자성 고정층/반강자성막의 적층 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자를 이용한다. 여기서, 반강자성막은 강자성 고정층의 자화를 실질적으로 고정하기 위한 교환 결합 바이어스를 인가하는 것으로, 직접 강자성 고정층에 밀착하여 형성하거나, 또는 간접적으로 자기적 결합을 거쳐 효과를 가져와도 무방하다. 또는 반강자성막 대신에 다른 바이어스 인가 수단, 예를 들면, 경자성막의 잔류 자화를 이용하거나, 전류 바이어스를 이용해도 된다. 본 발명에서는 과제를 해결하여 고기록 밀도에 대응한 자기 센서, 자기 헤드를 탑재한 자기 기록 재생 장치를 얻기 위해서, 상기 연자성 자유층에 적층하여, 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층을 형성한다. 비자성 분리층은 단자구화 강자성층과 연자성 자유층 사이에 자기적인 결합이 없도록 분리하는 기능을 갖는다. 즉, 강자성 고정층과 비자성 중간층과 연자성 자유층과 비자성 분리층과 단자구화 강자성층이 이 순서로 적층되어 소정의 감자(感磁) 폭에 대응한 거의 동일한 트랙 폭에 형성된 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 상기 비자성 분리층을 통해 상기 연자성 자유층과 상기 단자구화 강자성층이 면 내에서 실질적으로 강자성적 또는 반강자성적인 결합을 갖지 않고, 트랙 폭단부에서 상기 단자구화 강자성층의 자화와 연자성 자유층의 자화가 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성하고 있으며, 상기 연자성 자유층은 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖고 단자구화되고, 상기 강자성 고정층이 감지해야 할 자계에 대하여 실질적으로 그 자화 방향이 고정되고, 외부 자계에 따라 상기 연자성 자유층의 자화가 회전하고, 상기 연자성 자유층의 자화와 상기 강자성 고정층의 자화와의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과 소자에 자기 저항 변화가 생겨, 한 쌍의 전극에 의해 자기 저항 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드로 한다. 또는, 상기 소자 적층 구성이 소정의 감자폭에 대응한 거의 동일한 트랙 폭에 형성되어 있어, 상기 트랙 폭의 방향으로 병렬 배치된 경자성막 등의 자구 제어 구조를 갖지 않고, 상기 트랙 폭 단부에서 상기 단자구화 강자성층의 자화와 연자성 자유층의 자화가 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성하여 이루어지는 구성으로 한다.
또한, 감지해야 할 외부 자계에 대하여 실질적으로 그 자화 방향이 고정된 강자성층과 감지해야 할 외부 자계에 따라 그 자화가 회전할 수 있는 연자성층이 비자성 중간층을 통해 적층된 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 감지해야 할 외부 자계에 따라 상기 연자성층의 자화가 회전하고, 상기 연자성층의 자화 방향과 상기 강자성층의 자화 방향과의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과를 일으키는 자기 헤드에 있어서, 상기 연자성층 상에 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층이 형성되고, 상기 연자성층과 상기 단자구화 강자성층이 트랙 폭 단부에서 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성하여 상기 연자성층이 감지해야 할 자계에대하여 대략 직교한 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드로 한다.
또한, 강자성 고정층과 연자성 자유층이 비자성 중간층을 통해 적층된 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 외부 자계에 따라 상기 연자성 자유층의 자화가 회전하고, 상기 연자성 자유층의 자화와 상기 강자성 고정층의 자화와의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과를 일으키고, 상기 연자성 자유층 상에 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층이 형성되고, 상기 비자성 분리층을 통해 상기 연자성 자유층과 상기 단자구화 강자성층이 트랙 폭 단부에서 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성함으로써 상기 단자구화 강자성층은 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖도록 상기 연자성 자유층을 단자구화하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드로 한다.
여기서, 단자구화 강자성층, 비자성 분리층 및 연자성 자유층은 거의 동일한 트랙 폭에 가공 형성되어 거의 동일 위치의 단부를 구비하고, 단자구화 강자성층은 트랙 폭 방향으로 잔류 자화를 계속 지님으로써 트랙 폭 방향의 단부에서 연자성 자유층의 단부의 자하를 상쇄하여 단자구화하는 효과를 갖는다. 단자구화 강자성층은 연자성 자유층과 거의 동일한 자화량을 갖거나, 단자구화 강자성층과 연자성 자유층이 비자성 분리층에 의해 분리되어 있어 손실되는 분량을 보충하기 위해서 연자성 자유층의 자화량보다 크게 설정한다. 상기한 바와 같은 단자구화 구성에 의해, 다른 자구 제어 구조, 예를 들면 자기 저항 효과막의 트랙 폭 방향의 측 단부에 경자성막을 배치하도록 한 구조가 없어도 단자구화의 효과를 얻을 수 있다.
단자구화 강자성층은 소정의 크기의 자하를 트랙 폭 방향으로 발생시키기 위해서 강자성체를 포함하는 구성으로 한다. 자하의 발생 방법으로서는 반강자성막을 이용할 수 있다. 즉, 반강자성막/강자성막의 구성으로서, 강자성막에 반강자성막으로부터 교환 결합 자계를 발생시켜서, 이 교환 결합 자계의 방향을 트랙 폭 방향으로 함으로써 달성할 수 있다. 또는, 단자구화 강자성층을, 경자성막을 이용하여 구성할 수도 있다. 경자성막을 트랙 폭 방향으로 착자하고, 잔류 자화에 의해 단자구화 효과를 얻는다. 이 경우, 경자성막의 자화의 분산이 연자성 자유층에 전사되어 보자력을 증대시킬 우려가 있다. 보자력의 증대를 방지하기 위해서 단자구화 강자성층을 경자성막/결합층/강자성층의 적층 구성으로 하고, 경자성막의 자화의 분산을 강자성층에서 흡수하고, 또한 경자성막과 강자성층의 자하의 합계로 단자구화 효과를 얻을 수 있다. 결합층은 단자구화 강자성층과 강자성층을 반강자성적으로 결합하거나, 약하게 강자성적으로 결합시켜, 경자성막의 자화의 분산으로부터 발생하는 자계를 강자성층이 흡수하는 효과를 갖도록 하는 것이다.
단자구화 강자성층은, 면 내에 전류가 통할 경우, 자기 저항 효과막의 분류에 의한 출력의 저하를 억제하기 위해서 높은 전기 저항을 갖는 박막으로 형성하는 것이 바람직하다. 고저항 강자성막으로서는 마그네타이트 Fe3O4로 대표되는 페라이트 박막이 있으며, Fe, Ni, Mn, Co 등의 산화물로 이루어진다. 또는, 비 도전체와 강자성 금속의 혼합체라도 고저항 자성막을 형성할 수 있다. 특히, 비 도전체로서는 알루미나나 산화 실리콘, 자성 금속으로서는 Ni-75∼85Fe, Co-1∼12Fe,Co-2∼15Fe, 1∼30Ni, 등이 바람직하다. 마찬가지로 반도체와 강자성 금속의 혼합체라도 무방하다. 반도체로서는 Si, Ge, 이들의 화합물 등을 이용할 수 있다. 혼합 박막의 형성 방법은 종래의 진공 박막 형성법을 이용하여, 동시 성막해도 되지만, 특히 비 도전체와 자성 금속을 교대로 1㎚ 정도의 극히 얇은 단위 설정 두께로 적층 형성하면, 실제로는 섬 형상 조직의 형성에 의한 자성 금속의 분산 구조를 형성할 수 있어, 바람직한 특성을 얻을 수 있다.
강자성 고정층의 자화는 감지해야 할 자계의 방향과 대략 평행하게, 또한 단자구화 강자성층의 자화는 감지해야 할 자계의 방향과 대략 수직으로 방향을 설정할 필요가 있다. 이를 착자라고 하는데, 각각의 소정의 방향으로 착자하는 착자 공정을 제조 방법의 프로세스로서 구성한다.
그래서, 상기 자기 헤드의 제조 방법으로서는 강자성 고정층의 자화 방향을 착자하는 공정과, 단자구화 강자성층의 자화 방향을 착자하는 공정을 포함하는 것이 특징이다. 또한, 강자성 고정층의 자화 방향을 착자하는 공정과, 단자구화 강자성층의 자화 방향을 착자하는 공정은 서로 다른 착자 온도에서 행하는 것이 유효하다.
착자 공정에는 상온에서 행하는 착자 공정과, 열 처리로나 핫 플레이트 등으로 소정의 온도로 가열, 열 처리하여 행하는 착자 공정이 있다. 상기 각각의 다른 방향에의 자화의 착자는 상온에서의 착자 공정과 열 처리 착자 공정을 조합하거나, 또는 온도가 다른 열 처리 착자 공정을 조합함으로써 달성할 수 있다. 즉, 강자성 고정층의 고정 바이어스 인가 수단과 단자구화 강자성층의 자화의 고정 수단을 동일한 재료·수단으로 행하기보다, 서로 다른 재료·수단으로 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 강자성 고정층에 반강자성막을 이용하여 착자 열 처리를 행하는 한편, 단자구화 강자성층을 경자성막으로 형성하여 실온에서 착자 처리를 행할 수 있다. 또는 경자성 고정층에 교환 결합 자계가 고온까지 유지할 수 있는 MnPt 반강자성막을 이용하여 250∼300℃ 정도의 높은 온도로 착자 열 처리를 행하고, 단자구화 강자성층을 MnIr 반강자성층에서 고정된 자성막으로 구성하여 200℃에서 서로 다른 방향으로의 착자 열 처리를 행함으로써 바람직한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소인 비자성 분리층은, 비자성 분리층을 통해 면에서 접하는 연자성 자유층과 단자구화 강자성층과의 사이의 면 내의 자기적인 결합을 없애는 기능을 갖는다. 이 기능을 실현하기 위해서, 비자성 분리층은 실온 및 자기 헤드의 동작 온도에 있어서 자발 자화를 갖지 않는 재료로 구성하여, 연자성 자유층과 단자구화 강자성층과의 사이에 강자성적인 결합이 발생하지 않도록 구성한다. 이 경우, 비자성 분리층의 두께는 적어도 0.2㎚ 이상, 일반적으로는 1㎚ 이상 필요하다. 그러나, 비자성 분리층의 두께가 극단적으로 두꺼우면 폐자로 구조를 충분히 실현할 수 없다. 연자성 자유층 및 단자구화 강자성층의 강자성체로 이루어지는 부분의 막 두께보다 충분히 두꺼운 간극이 비자성 분리층을 위해서 존재하면 누설 자계를 무시할 수 없기 때문이다. 따라서, 비자성 분리층의 두께는 5㎚보다 두꺼운 것이 바람직하다. 한편, Ru, Ir, Os, Re, Rh 등의 재료로서는 Co/Ru/Co과 같은 샌드위치 구조를 특정한 Ru의 두께, 예를 들면 0.8㎚로 구성하면 Co 막 사이에 면으로 결합한 강한 반강자성적인 결합이 발생하는 것이 알려져 있다. 반강자성적인 결합의 크기는 수 킬로 에르스테드, 즉, 수백 KA/m에 달한다. 본 발명에서는 이러한 강한 반강자성적인 결합은 바람직하지 않으므로, 비자성 분리층에 상기한 Ru와 같은 재료를 0.8㎚과 같은 소정의 두께로 구성하는 것은 바람직하지 않다. 여러가지의 이유에서 Ru 등의 재료를 비자성 분리층에 이용할 경우에는 두께를, 예를 들면 2㎚ 등으로 설정함으로써 반강자성적인 결합을 없애고, 단부에서의 정적 자기 결합에 기초한 특성을 얻을 수도 있다. 또는, 비자성 분리층을 Ru/Ta층과 같이 적층 구성으로서, Ru층에 의한 반강자성적인 결합의 발생을 억제한 구성을 취할 수도 있다. 한편, Cr 등의 재료를 특정 두께, 예를 들면 0.9 내지 1㎚의 두께로 이용하면, Cr을 통한 강자성층 사이에 상당히 약한 반강자성적인 결합이 있다. 이 경우의 결합의 크기는 겨우 수십 에르스테드, 즉 수 KA/m 정도로 상당히 약하기 때문에, 본 발명의 주된 취지에 상반되는 것은 아니다.
비자성 분리층은 자기 저항 효과 적층막의 상부에 배치하는 경우, 자기 저항 효과 적층막의 보호막으로서의 기능을 겸할 수도 있다. 최근, 자기 저항 효과 적층막의 보호막을 산화물 또는 금속과 산화물과의 적층체로 구성하면 저항 변화율 등이 향상된다는 취지의 보고가 있지만, 본 발명의 비자성 분리층이 상기 구성, 즉, 산화물, 산화물과 금속의 적층체 등의 구성을 포함하고 있어도 본 발명의 주된 취지에 상반되는 것이 아니므로, 적절한 구성을 채용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이러한 재료, 구성을 이용한 자기 저항 효과형 자기 헤드와, 이를 재생부로 한 자기 기록 재생 장치에 있어서, 고기록 밀도, 즉 기록 매체 상에 기록되는 기록 파장이 짧고, 또한 기록 트랙의 폭이 좁은 기록을 실현하여, 충분한재생 출력을 얻어, 기록을 양호하게 유지할 수 있다.
〈실시예〉
본 발명의 거대 자기 저항 효과 적층막을 구성하는 박막은 고주파 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해 다음과 같이 제작하였다. 아르곤 1 내지 6밀리토르의 분위기 속에서, 두께 1밀리의 세라믹스 기판에 이하의 재료를 순차적으로 적층하여 제작하였다. 스퍼터링 타깃으로서 탄탈, 니켈-20at% 철 합금, 구리, 코발트, MnPt, 루테늄, 알루미나, 마그네타이트, MnIr, NiMn의 각 타깃을 이용하였다. Co 타깃 상에는 Fe 및 Ni의 1센티 각의 칩을 적절하게 배치하여 조성을 조정하였다. 또한, 마그네타이트 타깃 상에는 Fe 칩을 배치하여 Fe-O막의 조성을 조정하였다. 적층막은 각 타깃을 배치한 캐소드에 각각 고주파 전력을 인가하여 장치 내에 플라즈마를 발생시켜 두고, 각 캐소드마다 배치된 셔터를 하나씩 개폐하여 순차적으로 각 층을 형성하였다. 막 형성 시에는 영구 자석을 이용하여 기판에 평행하게 대략 80 에르스테드의 자계를 인가하여, 일축 이방성을 갖도록 하였다. 형성한 막을 진공 중, 자장 중에서 270℃, 3시간의 열처리를 행하여 MnPt 반강자성막을 상변태시켜, 실온에서의 자기 저항을 측정하여 평가하였다. MnPt 이외의 반강자성막을 병용하는 경우에는 서로 다른 온도의 착자 열 처리를 병용하였다. 또한, 경자성막을 이용한 구성에서는 열 처리 후에 실온에서 착자 처리를 행하였다. 기체 상의 소자의 형성은 포토레지스트 공정에 의해 패터닝하였다. 그 후, 기체는 슬라이더 가공하고, 자기 기록 장치에 탑재하였다.
또한, 자구 제어 구조의 구성을 평가하기 위해서, LLG(Landau LifshitzGilibert)법에 의한 자화 과정 시뮬레이션을 행하여, 자기 헤드의 안정성과 출력에 대하여 비교 검토하였다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 구성예로서, 대향면에 평행한 단면도로 나타내었다. 도 1은 자기 매체에 대향하는 대향면에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 갭막(71)을 형성하고, 그 위에 거대 자기 저항 효과 적층막(10)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 갭막(72), 상부 자기 실드(36)를 형성하여, 재생 신호를 검출하는 재생 갭(43)을 형성하여 이루어진다. 전극(40)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 트랙 폭 방향의 양단부에 접촉하여 배치되고, 감지 전류의 인가와 전기 저항의 변화의 검출을 행한다. 전극(40)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법으로 제작한 구조로 기술되어 있지만, 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)은 도 1에서는 이하의 구성예와 같은 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 도전층(12), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는, 강자성 고정층 (15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나,2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막 및 제2 자유층 연자성막의 적층체로 이루어지지만, 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 특히, 비자성 도전층(12)에 가까운 측을 Co 합금, 반대측을 NiFe 합금으로 형성하면, 연자기 특성과 높은 저항 변화율을 양립할 수 있어서 바람직하다. 본 발명에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층(412), 반강자성층(413) 및 보호막 (37)으로 이루어진다. 여기서, 보호막(37)을 생략한 구성으로 해도 본 발명의 취지에 반하는 것이 아니다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합된 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는, 예를 들면 Ta 1㎚의 층을 약간 산화시킨 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 된다. 반강자성층(413)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 강자성층(412)에 교환 결합을 인가하여 강자성층(412)의 자화를 감지해야 할 자계가 제로 상태에서 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 강자성층(412)의 자화와 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되고, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합, 폐자로를 형성하여 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 자화량은 거의 동일해도 무방하다. 이들 간의 거리가 멀어지면 강자성층(412)의 자화량은 연자성 자유층에 달하기까지 손실되는 분량을 가미하여 연자성 자유층의 자화량보다 많이 설정한다.
도 1에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 연자성 자유층(13)의 자화의 방향은 단자구화 강자성층(45)의 자화와 반평행하게 되고, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층 (15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
도 2는 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 다른 구성예로서, 대향면에 평행한 단면도로 나타내었다. 도 2는 자기 매체에 대향하는 대향면에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 갭막(71)을 형성하고, 그 위에 거대 자기 저항 효과 적층막(10)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 갭막(72), 상부 자기 실드(36)를 형성하여 재생 신호를 검출하는 재생 갭 (43)을 형성하여 이루어진다. 전극(40)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 트랙폭 방향의 양단부에 접촉하여 배치되어, 감지 전류의 인가와 전기 저항의 변화의 검출을 행한다. 전극(40)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법에 의해 제작한 구조로 기술되어 있지만 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)은 도 1과 마찬가지로 도 2에서는 이하의 구성예와 같은 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 도전층(12), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는, 강자성 고정층 (15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막 및 제2 자유층 연자성막의 적층체로 이루어지지만, 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 특히, 비자성 도전층(12)에 가까운 측을 Co 합금, 반대측을 NiFe 합금으로 형성하면, 연자기 특성과 높은 저항 변화율을 양립할 수 있어서 바람직하다. 본 발명에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 경자성층(414) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 여기서, 보호막(37)을 생략한 구성으로 해도 본 발명의 취지에 반하는 것이 아니다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 경자성층(414) 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합한 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는, 예를 들면 Ta 1㎚의 층을 약간 산화시킨 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 무방하다. 경자성층(414)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 감지해야 할 자계나 외란에 대해서도 경자성층(414)의 자화를 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 경자성층(414)의 보자력은 이 기능을 하기 위해서 40kOe 이상, 특히 160kOe 이상으로 하는 것이 바람직하다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 경자성층(414)의 자화와 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되어, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합, 폐자로를 형성하여 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13)과 경자성층(414)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)과 경자성층(414)의 자화량은 거의 동일해서 좋다. 이들 간의 거리가 멀어지면 경자성층(414)의 자화량은 연자성 자유층(13)에달하기까지 손실되는 분량을 가미하여 연자성 자유층(13)의 자화량보다 많이 설정한다.
도 2에서 화살표로 나타낸 바와 같이 연자성 자유층(13)의 자화의 방향은 단자구화 강자성층(45)의 자화, 즉 경자성층(414)의 자화와 반평행하게 되고, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층(15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
도 3은 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 또 다른 구성예로서, 대향면에 평행한 단면도로 나타내었다. 도 3은 자기 매체에 대향하는 대향면에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 갭막(71)을 형성하고, 그 위에 거대 자기 저항 효과 적층막(10)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 갭막(72), 상부 자기 실드(36)를 형성하여 재생 신호를 검출하는 재생 갭(43)을 형성하여 이루어진다. 전극(40)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 트랙 폭 방향의 양단부에 접촉하여 배치되어, 감지 전류의 인가와 전기 저항의 변화의 검출을 행한다. 전극(40)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법에 의해 제작한 구조로 기술되어 있지만 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)은 도 1, 도 2와 마찬가지로 도 3에서는 이하의 구성예와 같은 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 도전층(12), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는 강자성 고정층(15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막 및 제2 자유층 연자성막의 적층체로 이루어지지만 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 특히, 비자성 도전층(12)에 가까운 측을 Co 합금, 반대측을 NiFe 합금으로 형성하면, 연자기 특성과 높은 저항 변화율을 양립할 수 있어서 좋다. 본 발명에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층 (45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층 (13)과 접하는 비자성 분리층(411), 연자성 완충층(416), 결합층(415), 경자성층 (414) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 여기서, 보호막(37)을 생략한 구성으로 해도 본 발명의 취지에 반하는 것이 아니다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 연자성 완충층(416)의 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합한 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는 예를 들면 Ta 1㎚의 층을 약간 산화시킨 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 무방하다. 본 구성예에서는 연자성 완충층(416)은 결합층(415)을 통해 경자성막 (414)과 강자성적으로 결합하고, 결합층(415)은 이 강자성적 결합을 적절한 크기로 제어하는 기능을 갖는다. 결합층(415)으로서는 Ta, 알루미나 등의 막을 이용할 수 있다. 연자성 완충층(416)은 경자성막(414)의 자화의 분산에 의해 발생하는 자계를 흡수하여, 연자성 자유층(13)의 자기 특성의 악화를 방지한다.
경자성층(414)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 감지해야 할 자계나 외란에 대해서도 경자성층(414)의 자화 및 연자성 완충층(416)의 자화를 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 경자성층(414)의 보자력은 이 기능을 하기 위해서 40kOe 이상, 특히 160kOe 이상으로 하는 것이 바람직하다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층 (45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 연자성 완충층(416)의 자화, 경자성층(414)의 자화와 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되고, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합하고, 합계의 자화가 폐자로를 형성하여 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13)과, 연자성 완충층(416) 및 경자성층 (414)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)의 자화량과, 연자성 완충층(416)과 경자성층(414)의 자화량의 합계는 거의 동일해서 좋다. 이들 간의 거리가 멀어지면 연자성 완충층(416)과 경자성층(414)의 자화량의 합계는 연자성 자유층(13)에 달하기까지 손실하는 분량을 가미하여 연자성 자유층(13)의 자화량보다 많이 설정한다.
도 3에서 화살표로 나타낸 바와 같이 연자성 자유층(13)의 자화의 방향은 단자구화 강자성층(45)의 자화, 즉 연자성 완충층(416)과 경자성층(414)의 자화와 반평행하게 되어, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층(15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
도 4는 본 발명의 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드의 또 다른 구성예로서,대향면에 평행한 단면도로 나타내었다. 도 4는 자기 매체에 대향하는 대향면에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 갭막(71)을 형성하고, 그 위에 거대 자기 저항 효과 적층막(10)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 갭막(72), 상부 자기 실드(36)를 형성하여 재생 신호를 검출하는 재생 갭(43)을 형성하여 이루어진다. 전극(40)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 트랙 폭 방향의 양단부에 접촉하여 배치되어, 감지 전류의 인가와 전기 저항의 변화의 검출을 행한다. 전극(40)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법에 의해 제작한 구조로 기술하고 있지만 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)은 도 1 내지 도 3과 마찬가지로 도 4에서는 이하의 구성예와 같은 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 도전층(12), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는 강자성 고정층(15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막 및 제2 자유층 연자성막의 적층체로 이루어지지만 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 특히, 비자성 도전층(12)에 가까운 측을 Co 합금, 반대측을 NiFe 합금으로 형성하면, 연자기 특성과 높은 저항 변화율을 양립할 수 있어서 바람직하다. 본 발명에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 연자성 완충층(416), 결합층(415), 경자성층 (414) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 여기서, 보호막(37)을 생략한 구성으로 해도 본 발명의 취지에 반하는 것이 아니다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 연자성 완충층(416)의 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합한 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는, 예를 들면 Ta 1㎚의 층을 약간 산화시킨 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 무방하다. 본 구성예와 도 3의 예와의 차이는 결합층(415) 및 연자성 완충층(416)의 자화 방향에 있다. 본 구성예에서는 연자성 완충층(416)은 결합층(415)을 통해 경자성막(414)과 반강자성적으로 결합하고, 결합층(415)은 이 반강자성적 결합을 발생시키는 기능을 갖는다. 결합층(415)으로서는 Ru, Ir 등의 막을 소정의 두께로 하여 이용할 수 있다. 연자성 완충층(416)은 경자성막(414)의 자화의 분산에 의해 발생하는 자계를 흡수하여, 연자성 자유층(13)의 자기 특성의 악화를 방지한다.
경자성층(414)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 감지해야 할 자계나 외란에 대해서도 경자성층(414)의 자화 및 연자성 완충층(416)의 자화를 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 경자성층(414) 및 연자성 완충층(416)의 적층막에서의 보자력은 이 기능을 하기 위해서 40kOe 이상, 특히 160kOe 이상으로 하는 것이 바람직하다. 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 거대 자기 저항 효과 적층막(10)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 경자성층(414)의 자화와, 연자성 완충층(416)의 자화 및 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되어, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합하고, 합계의 자화가 폐자로를 형성하여 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13) 및 연자성 완충층(416)과, 경자성층(414)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)의 자화량과, 경자성층(414)의 자화량과 연자성 완충층(416)의 자화량의 차분과는 거의 동일해서 좋다. 이들 간의 거리가 멀어지면 경자성층(414)의 자화량은 연자성 자유층(13)에 달하기까지 손실하는 분량을 가미하여 경자성층(414)의 자화량과 연자성 완충층(416)의 자화량의 차분을 연자성 자유층(13)의 자화량보다 많이 설정한다.
도 4에서 화살표로 나타낸 바와 같이 연자성 자유층(13) 및 연자성 완충층 (416)의 자화의 방향은 경자성층(414)의 자화와 반평행하게 되어, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층(15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
이하, 도 5 내지 도 8에서는 비교를 위해 종래 기술의 구조의 자기 헤드에 대하여 서술한다.
도 5는 종래의 하드 바이어스 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도이다. 도 5의 상부는 사시도이고, 도 5의 하부는 단면 방향에서 본 도면으로 나타내고 있다. 자구 제어막(41)은 경자성막 또는 잔류 자화를 갖는 자성막 등으로 형성하여 거대 자기 저항 효과 적층막 내의 연자성 자유층(13)에 인접하여 배치하고, 연자성 자유층(13)에 단자구화를 위한 바이어스 효과를 미치게 하는 기능을 갖는다. 이상적으로는 연자성 자유층(13)의 자화량과 자구 제어막(41)의 자화량, 또는 잔류 자화량은 거의 동일하게 하여 서로의 단부의 정자장을 상쇄하는 것이 바람직하지만, 실제로는 도 5의 하부에 도시한 바와 같은 위치 어긋남이 제조 상 어떻게 해도 발생하기 때문에, 연자성 자유층(13)을 안정적으로 단자구화하기 위해서는 자구 제어막(41)의 자화량을 연자성 자유층(13)의 자화량의 수배 이상으로 설정할 필요가 있다.
도 6은 종래의 하드 바이어스 구조의 자구 제어막의 자화량과 헤드 출력의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 자구 제어막의 자화량이 연자성 자유층의 자화량의 10배 정도로 크면 지나친 단자구화 바이어스 때문에 연자성 자유층이 감지해야 할 자계에 대하여 자화하기 어렵게 되어, 헤드 출력이 낮은 것을 알 수 있다. 이 헤드 출력의 저하는 트랙 폭이 좁을수록 현저하고, 고기록 밀도의 자기 헤드에 있어서 매우 중요하다. 자구 제어막의 자화량을 저감하면, 지나친 단자구화 바이어스가 저감되기 때문에 출력이 증가하지만, 자구 제어막의 자화량이 연자성 자유층의 자화량의 5배 이하 정도가 되면 LLG 계산이 수렵하지 않게 되어, 결과를 얻을 수 없었다. 이는 연자성 자유층이 다자구 상태로 되어 일정한 평형 상태를 계산 상에서 얻을 수 없었기 때문에, 즉 하드 바이어스 구조에 있어서 자구 제어막의 자화량이 연자성 자유층의 자화량의 수배 이하에서는 자기 헤드의 출력이 불안정한 것을 나타내고 있다. 따라서, 하드 바이어스 구조에서는 협트랙에 있어서 충분한 출력을 안정적으로 얻을 수 없음을 알 수 있다.
마찬가지로, 도 7은 종래 기술의 패턴드 익스체인지 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도이다. 도 7의 상부는 사시도이고, 도 7의 하부는 단면 방향에서 본 도면으로 도시하였다. 연자성 자유층(13)은 트랙 폭보다 넓게 형성되고, 반강자성막(46)은 연자성 자유층(13)의 트랙 폭보다 외측의 부분에 접촉해서, 또한 적층하여 형성되어 연자성 자유층(13)의 비감자 영역에 교환 결합 자계를 인가하여 자기적으로 트랙 폭을 규정한다. 즉, 연자성 자유층(13) 상의 양단부의 반강자성막(46)의 간격이 트랙 폭을 규정하는 것이다. 이 구조에서는 하드 바이어스 구조와 같은 위치 어긋남이나 자화량의 증가와 같은 문제는 생기지 않지만, 다른 종류의 문제가 존재하는 것을 시뮬레이션으로부터 알 수 있다. 이상적으로는 연자성 자유층(13) 상의 양단부의 반강자성막(46)의 간격으로 트랙 폭이 규정되는 것이지만, 실제로는 반강자성막(46)의 교환 결합 자계로 고정된 부분과 중앙부 감자 영역의 부분의 연자성 자유층(13)은 상호 간섭하는 것이다. 도 8은 종래 기술의 패턴드 익스체인지 구조의 교환 결합 자계와 마이크로 트랙 곡선의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 교환 결합 자계가 400㎄/m로 충분히 큰 경우, 연자성 자유층의 비감자 영역의 자화는 고정되어 출력에 기여하지 않아, 좁고 양호한 마이크로 트랙 곡선이 얻어지고 있다. 그러나 출력은 낮다. 이는 고정된 비감자 영역의 자화가 근방의 중앙 감자 영역의 연자성 자유층의 자화와 정자기적으로 또한 교환 결합적으로 상호 작용하여 중앙 감자 영역의 단부 근처의 영역이 감지해야 할 자계에 대한 감도를 저하시키기 때문이다. 따라서, 트랙 폭이 좁을수록 이러한 영향은 강한 것을 알 수 있다. 한편, 교환 결합 자계를 80㎄/m로 저하시킨 결과로서는 높은 출력이 얻어지는 반면, 마이크로 트랙 곡선은 반강자성막의 간격으로 설정된 트랙 폭의 간격보다 넓어진 출력 곡선을 나타내었다. 이는 교환 결합 자계를 낮게 설정한 결과, 반강자성막의 하부의 비감자 영역의 연자성 자유층의 자화가 감지해야 할 자계에 대하여 자화하도록 되어, 중앙 감자 영역의 연자성 자유층의 감도를 저하시키지 않게 된 반면, 비감자 영역의 연자성 자유층이 자화함에 따른 출력이 발생하여, 소위 「판독 흐림」이 발생했기 때문이다. 이상과 같이 협트랙의 패턴드 익스체인지 구조에 있어서 단부 반강자성막의 교환 결합 자계를 크게 설정하면 출력이 저하되고, 교환 결합 자계를 낮게 설정하면 판독 흐림이 발생하기 때문에 충분한 출력과 트랙 폭 방향의 분해능을 동시에 얻을 수 없음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 자기 저항 효과 소자의 개념도이다. 도 9의 상부는 사시도이며, 도 9의 하부는 단면 방향에서 본 도면으로 나타내고 있다. 단자구화 강자성층(45)은 반강자성막으로 교환 결합이 인가된 강자성막, 경자성막 또는 잔류 자화를 갖는 자성막 등으로 형성하여 거대 자기 저항 효과 적층막 내의 연자성 자유층(13)에 면을 통한 자기적인 결합을 절단하여 적층 배치하고, 연자성 자유층(13)에 단자구화를 위한 바이어스 효과를 미치게 하는 기능을 갖는다. 하드 바이어스 구조와 달리, 이상적으로는 연자성 자유층(13)의 자화량과 단자구화 강자성층(45)의 자화량을 거의 동일하게 하여 서로의 단부의 정자장을 상쇄시킬 수 있다. 이는 본 발명의 구조가 적층 배치하여 거의 동일한 트랙 폭 형상으로 형성함으로써, 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45)의 단부에 위치 어긋남이 없어, 사이에 끼워지는 막의 두께 정도의 간극밖에 형성되지 않기 때문이다. 또한, 단자구화 강자성층(45)의 자화량을 연자성 자유층(13)보다 약간 크게 설정하여, 보다 안정적으로 설계할 수도 있다. 도 10은 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 단자구화 강자성층의 자화량과 헤드 출력의 관계의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 단자구화 강자성층의 자화량이 큰 영역으로부터 작은 영역의 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출력이 있으며, 단자구화강자성층의 자화량이 연자성 자유층의 자화량의 1배로 작게 함으로써 높은 출력을 안정적으로 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이 헤드 출력은 종래 기술에 비하여 트랙 폭이 좁아도 저하되지 않는 경향이 현저하여, 고기록 밀도의 자기 헤드에 있어서 매우 중요하다. 또한, 단자구화 강자성층의 자화량을 저감하여 연자성 자유층의 자화량의 1배보다 작아지면 LLG 계산이 수렵하지 않게 되어, 결과을 얻을 수 없었다. 이는 연자성 자유층이 다자구 상태로 되어 일정한 평형 상태가 계산 상에서 얻어지지 않았기 때문이다. 종래 기술의 하드 바이어스 구조에서는 자구 제어막의 자화량이 연자성 자유층의 5배보다 작은 값으로 다자구 상태가 된 반면, 본 발명의 구조에서는 다자구 강자성층의 자화량이 연자성 자유층의 1배까지 단자구화 상태를 유지할 수 있고, 이 때문에 좁은 트랙 폭에 있어서 하드 바이어스 구조보다 수배 높은 출력을 안정적으로 얻을 수 있는 것이다. 도 11은 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드의 마이크로 트랙 곡선의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 단자구화 강자성층의 자화량을 연자성 자유층의 자화량과의 비율에 대하여 변화시킨 결과를 나타내고 있다. 연자성 자유층이 트랙 폭의 사이즈로 패터닝되어 있으며, 또한 폐자로 자구 제어 구조에 의해 단부로부터의 자속 누설에 의한 감도의 저하가 없기 때문에, 기하 트랙 폭이 0.18㎛로 협소함에도 불구하고 본 발명의 자기 헤드의 마이크로 트랙 곡선은 트랙 폭이 협소함에도 불구하고 단부에서 매우 급경사로 양호한 특성과 높은 출력을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 단자구화 강자성층의 자화량을 연자성 자유층의 3배까지 크게 설정해도, 마이크로 트랙 곡선의 폭은 거의 변화하지 않고, 출력의 저하도 종래의 하드 바이어스 구조에 비하여 작은 것을 알 수 있다. 이상과 같이 본 발명의 구조에 의해 협트랙의 자기 헤드에 있어서 판독 흐림이 발생하지 않는, 안정적이고 높은 출력을 달성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 마찬가지의 계산을 트랙 폭의 크기를 바꾸어 행한 결과, 본 발명의 자기 헤드는 트랙 폭이 0.2㎛보다 좁은 영역에서 종래 구조보다 높은 출력과 분해능을 갖고, 트랙 폭이 0.1㎛ 이하, 0.05㎛ 정도까지 높은 출력을 갖는 것을 알 수 있었다.
도 12 및 도 13에서는 종래 기술의 하드 바이어스 구조와 본 발명의 자화 분포의 차이를 나타내어 상기 특성의 원인에 대하여 서술한다. 도 12는 종래 기술의 하드 바이어스 구조의 연자성 자유층의 자화 분포의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 기하 트랙 폭을 0.18㎛, 소자 높이를 0.16㎛로 계산한 결과를 0.1㎛마다 분할하여 나타내었다. 하나 하나의 화살표는 그 장소에서의 자화의 방향을 나타내고 있다. 3개의 분포도는 감지해야 할 자계를 제로, 플러스, 및 마이너스에 가한 경우의 자화 분포를 나타내고 있으며, 단적으로 말하면 플러스의 경우와 마이너스의 경우의 화살표의 회전 차분이 그 자화 부분의 자계 감도의 높이를 나타내고 있어도 된다. 종래 기술의 하드 바이어스 구조의 자화 분포는 트랙 폭의 중앙부에서는 트랙 폭 방향(도 12에서 바로 옆의 방향)으로부터 크게 흔들리고 있으며, 감지해야 할 자계에 의해 자화가 회전하고 있는, 즉 감도가 있는 것을 도 12에 나타내고 있다. 한편, 트랙 폭의 단부 주변에서는, 화살표는 트랙 폭 방향에서 그다지 흔들리지 않고, 감지해야 할 자계에 의해서도 자화가 회전하지 않는, 감도가 저하된 상태로 있는 것을 알 수 있다. 자기 저항 효과형 자기 헤드의 출력은 이들 연자성 자유층의자화 분포의 총계이므로, 하드 바이어스 구조의 자기 헤드는 트랙 폭이 좁으면 감도가 저하되는 것이다.
한편, 도 13은 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조에서의 연자성 자유층의 자화 분포의 계산 결과를 나타낸 도면이다. 도 12와 마찬가지로 각 화살표는 그 장소에서의 자화의 방향을 나타내고 있다. 기하 트랙 폭을 0.18㎛, 소자 높이를 0.16㎛로 계산한 결과를 0.2㎛마다 분할하여 나타내었다. 자화 분포는 트랙 폭의 중앙부 및 단부의 어떤 장소에서도 트랙 폭 방향(도 13에서 바로 옆의 방향)으로부터 크게 흔들리고 있으며, 감지해야 할 자계에 의해 자화가 회전하고 있는, 즉 감도가 높은 것을 나타내고 있다. 자기 저항 효과형 자기 헤드의 출력은 이들 연자성 자유층의 자화 분포의 총계이므로, 본 발명의 폐자로 자구 제어 구조의 자기 헤드는 좁은 트랙 폭에 있어서도 단부에 기인한 감도 저하가 없어, 안정적인 출력과 급준한 마이크로 트랙 특성을 달성할 수 있는 것이다.
도 14는 본 발명의 자기 헤드의 착자 방법의 일례를 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시한 본 발명의 구성예와 같이 거대 자기 저항 효과막의 강자성 고정층의 자화의 고정에 반강자성막을 이용하고, 또한 단자구화 강자성층의 자화의 고정을 반강자성막으로 행하는 경우에는 서로의 교환 결합 자계를 각각 소자 높이 방향, 트랙 폭 방향으로 설정할 필요가 있다. 도 14의 하부의 도면은 종류가 다른 반강자성막 MnPt 및 MnIr막을 이용한 경우의 교환 결합 에너지의 온도 의존성을 나타낸 도면이다. MnIr막은 250℃ 정도의 블로킹 온도, 즉 교환 결합 자계의 상한 온도를 나타내지만, MnPt막은 더 높은 330℃ 정도의 블로킹 온도를 나타내고 있다. 이 온도 특성의 차이를 이용하여, 예를 들면 MnPt막을 소정의 자장 내에서 270℃에서 열 처리하여, 230℃ 정도까지 냉각하고, 그 후, 자장의 방향을 바꾸어 실온까지 냉각하면, MnPt막의 교환 결합을 당초의 자장 방향으로, MnIr막의 교환 결합을 실온까지의 냉각 시의 자장의 방향으로 착자할 수 있다. 이와 같이 반강자성막의 종류를 바꾸고, 온도 범위를 적절하게 선택하면 각각의 교환 결합 자계의 방향을 서로 다른 방향으로 착자할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 15는 마그네타이트막의 자화 곡선이다. 두께 10㎚로 전기 저항은 5000 마이크로 오옴 센티미터 이상, 보자력 40㎄/m 이상이다. 이러한 전기 저항이 높은 자성막을 본 발명의 단자구화 강자성층에 이용하면 저항 변화율이 높은, 즉 보다 출력이 높은 자기 헤드를 얻을 수 있다. 단자구화 강자성층으로서는 도 1에 도시한 강자성층(412)이나, 도 2, 3, 4에 도시한 경자성층(414), 또한 도 3, 4의 예인 연자성 완충층(416)에 이용하면 된다. 마그네타이트막의 형성 방법으로서는 예를 들면, 마그네타이트의 스퍼터링 타깃을 이용하여 박막 형성하는 것이 바람직하다. 결정성이 양호한 마그네타이트를 얻기 위해서는 기판 가열이나 이온 빔 어시스트 등의 기술을 이용할 수 있다. 또는 마그네타이트와 Fe 등의 금속을 동시 스퍼터 등의 방법으로 혼합하여 박막 형성하고, 열 처리에 의해 마그네타이트를 석출시켜도 된다. 이와 같이 마그네타이트는 화학양론 조성이 아니어도 되고, 금속 등과의 혼상 상태이어도 본 발명의 주된 취지에 반하는 것이 아니고, 마찬가지로 조성이 다른 강자성의 페라이트 박막을 이용해도 된다.
도 16 내지 도 20에는 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막및 단자구화 강자성층의 적층 구성예에 대하여 기재하였다.
도 16은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제1 적층 구성예이다. 본 구성은 도 1의 구조예의 구체예에 상당한다. 기체(50) 상에 하지막(14)으로서 Ta 3㎚, NiFe 3㎚, 반강자성막(11)으로서 MnPt 1㎚, 제2 강자성막(152)으로서 CoFe 1.5㎚, 반평행 결합막(154)으로서 Ru 0.8㎚, 제1 강자성막(151)으로서 CoFe 2.5㎚, 비자성 도전층(12)으로서 Cu 2.1㎚, 제2 자유층 연자성막(132)으로서 CoFe 0.5㎚, 제1 자유층 연자성막(131)으로서 NiFe 4㎚, 보호막겸 비자성 분리층(411)으로서 Cu 1㎚, Ta/Ta-O 1.0㎚, 강자성층(412)으로서 CoFe 3㎚, 반강자성층(413)으로서 MnIr 7㎚, 및 보호막(37)으로서 Ta 3㎚을 연속해서 형성하여 이루어진다.
본 구성예에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)에 있어서 강자성 고정층 (15)은 반평행 결합막(154), 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)으로 이루어진다. 반평행 결합막(154)인 Ru층은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막인 NiFe 및 제2 자유층 연자성막인 CoFe의 적층체로 이루어진다. 마찬가지로, 여기서 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층 (412), 반강자성층(413) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 비자성 분리층(411)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막을 겸하고 있어도 되고, 보호막과 비자성분리층(411)의 명확한 경계는 특별히 존재하지 않아도 된다. 비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 사이에 면을 통한 자기적인 결합이 생기지 않도록 하는 기능을 갖고, 또한 트랙 폭 방향에서의 단부에서의 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 정자기적인 결합을 양호하게 유지하기 위해서 비자성 분리층(411)의 두께는 합계로 2㎚로 얇게 구성하여 이루어진다.
도 17은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제2 적층 구성예이다. 본 구성은 도 1의 구조예의 구체예에 상당한다. 기체(50) 상에 하지막(14)으로서 Ta 3㎚, NiFe 3㎚, 반강자성막(11)으로서 MnPt 12㎚, 제2 강자성막(152)으로서 CoFe 1.5㎚, 반평행 결합막(154)으로서 Ru 0.8㎚, 제1 강자성막(151)으로서 CoFe 2.5㎚, 비자성 도전층(12)으로서 Cu 2.1㎚, 제2 자유층 연자성막(132)으로서 CoFe 0.5㎚, 제1 자유층 연자성막(131)으로서 NiFe 4㎚, 보호막겸 비자성 분리층(411)으로서 Cu 1㎚, Ta/Ta-O 1.0㎚, 강자성층(412)으로서 CoFe/Al2O3혼합막 6㎚ 및 CoFe 1㎚, 반강자성층(413)으로서 MnIr 7㎚, 및 보호막 (37)으로서 Ta 3㎚을 연속해서 형성하여 이루어진다.
본 구성예에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)에 있어서 강자성 고정층 (15)은 반평행 결합막(154), 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)으로 이루어진다. 반평행 결합막(154)인 Ru층은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막인 NiFe 및 제2 자유층 연자성막인 CoFe의 적층체로 이루어진다. 마찬가지로, 여기서 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층 (412), 반강자성층(413) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 비자성 분리층(411)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막을 겸하고 있어도 되고, 보호막과 비자성 분리층(411)의 명확한 경계는 특별히 존재하지 않아도 된다. 비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 사이에 면을 통한 자기적인 결합이 생기지 않도록 하는 기능을 갖고, 또한 트랙 폭 방향에서의 단부에서의 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 정자기적인 결합을 양호하게 유지하기 위해서 비자성 분리층(411)의 두께는 합계로 2㎚로 얇게 구성하여 이루어진다. 강자성층(412)은 일부가 CoFe/Al2O3혼합막으로 이루어지고, 전기 저항을 부분적으로 높임으로써 출력을 향상시키는 효과가 있다.
도 18은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제3 적층 구성예이다. 본 구성은 도 2의 구조예의 구체예에 상당한다. 기체(5) 상에 하지막(14)으로서 Ta 3㎚, NiFe 3㎚, 반강자성막(11)으로서 MnPt 12㎚, 제2 강자성막(152)으로서 CoFe 1.5㎚, 반평행 결합막(154)으로서 Ru 0.8㎚, 제1 강자성막(151)으로서 CoFe 2.5㎚, 비자성 도전층(12)으로서 Cu 2.1㎚, 제2 자유층 연자성막(132)으로서 CoFe 0.5㎚, 제1 자유층 연자성막(131)으로서 NiFe 4㎚, 보호막겸 비자성 분리층(411)으로서 Cu 1㎚, Ta/Ta-O 1.0㎚ 및 Al2O31㎚, 경자성층 (414)으로서 Fe3O48㎚, 및 보호막(37)으로서 Ta 3㎚을 연속해서 형성하여 이루어진다.
본 구성예에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)에 있어서 강자성 고정층 (15)은 반평행 결합막(154), 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)으로 이루어진다. 반평행 결합막(154)인 Ru층은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막인 NiFe 및 제2 자유층 연자성막인 CoFe의 적층체로 이루어진다. 마찬가지로, 여기서 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 경자성층 (414) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 비자성 분리층(411)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막을 겸하고 있어도 되고, 보호막과 비자성 분리층(411)의 명확한 경계는 특별히 존재하지 않아도 된다. 비자성 분리층(411)은 연자성 자유층 (13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 경자성층(414)과의 사이에 면을 통한 자기적인 결합이 생기지 않도록 하는 기능을 갖고, 또한 트랙 폭 방향에서의 단부에서의 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 경자성층(414)과의 정자기적인 결합을 양호하게 유지하기 위해서 비자성 분리층(411)의 두께는 합계로 3㎚로 얇게구성하여 이루어진다. 또한, 경자성층(414)은 Fe3O4로 기재하였지만 엄밀하게 화학양론 조성일 필요는 없고, 또는 금속 등이 혼합해도 본 구성예의 주된 취지를 이탈하는 것은 아니다. 도 19는 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제4 적층 구성예이다. 본 구성은 도 3의 구조예의 구체예에 상당한다. 기체(50) 상에 하지막(14)으로서 Ta 3㎚, NiFe 3㎚, 반강자성막(11)으로서 MnPt 12㎚, 제2 강자성막(152)으로서 CoFe 1.5㎚, 반평행 결합막(154)으로서 Ru 0.8㎚, 제1 강자성막(151)으로서 CoFe 2.5㎚, 비자성 도전층(12)으로서 Cu 2.1㎚, 제2 자유층 연자성막(132)으로서 CoFe 0.5㎚, 제1 자유층 연자성막(131)으로서 NiFe 4㎚, 보호막겸 비자성 분리층(411)으로서 Cu 1㎚, Ta/Ta-O 1.0㎚ 및 Al2O31㎚, 연자성 완충층(416)으로서 CoFe 1㎚, 결합층(415)으로서 Al2O31㎚, 경자성층 (414)으로서 Fe3O48㎚을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 예에서는 보호막을 특별히 이용하지 않아도 문제는 없다.
본 구성예에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)에 있어서 강자성 고정층 (15)은 반평행 결합막(154), 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)으로 이루어진다. 반평행 결합막(154)인 Ru층은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막인 NiFe 및 제2 자유층 연자성막인 CoFe의 적층체로 이루어진다. 마찬가지로, 여기서 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 연자성 완충층(416), 결합층(415), 경자성층(414)으로 이루어진다. 비자성 분리층(411)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막을 겸하고 있어도 되고, 보호막과 비자성 분리층(411)의 명확한 경계는 특별히 존재하지 않아도 된다. 비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 연자성 완충층(416) 사이에 면을 통한 자기적인 결합이 생기지 않도록 하는 기능을 갖고, 또한 트랙 폭 방향에서의 단부에서의 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 연자성 완충층 (416)과의 정자기적인 결합을 양호하게 유지하기 위해서 비자성 분리층(411)의 두께는 합계로 3㎚로 얇게 구성하여 이루어진다. 또한, 경자성층(414)은 Fe3O4로 기재하였지만 엄밀하게 화학양론 조성일 필요는 없고, 또는 금속 등이 혼합해도 본 구성예의 주된 취지를 이탈하는 것이 아니다.
결합층(415)은 경자성층(414)과 연자성 완충층(416) 사이의 자기적인 결합을 제어한다. 여기서는 Al2O3을 이용하여 경자성층(414)과 연자성 완충층(416) 사이에 강자성적인 결합을 발생시키는 예를 나타내었다. 결합층(415)에 Ru 등의 반강자성적인 결합을 발생시키는 재료를 선택하면 도 4에 기재된 구성예를 실현할 수 있다.
도 20은 본 발명의 자기 헤드의 거대 자기 저항 효과 적층막 및 단자구화 강자성층의 제5 적층 구성예이다. 본 구성은 도 1의 구조예를 기체에 대하여 상하 반대로 한 구체예에 상당한다. 기체(50) 상에 하지막(14)으로서 Ta 3㎚, NiFe 3㎚, 반강자성층(413)으로서 NiMn 20㎚, 강자성층(412)으로서 CoFe 3㎚, 비자성 분리층(411)으로서 Ru 0.4㎚ 및 Cu 1㎚, 제1 자유층 연자성막(131)으로서 NiFe 4㎚, 제2 자유층 연자성막(132)으로서 CoFe 0.5㎚, 비자성 도전층(12)으로서 Cu 2.1㎚, 제1 강자성막(151)으로서 CoFe 2.5㎚, 반평행 결합막(154)으로서 Ru 0.8㎚, 제2 강자성막(152)으로서 CoFe 1.5㎚, 반강자성막(11)으로서 MnPt 12㎚, 및 보호막(37)으로서 Ta 3㎚을 연속해서 형성하여 이루어진다.
본 구성예에서는 거대 자기 저항 효과 적층막(10)에 있어서 강자성 고정층 (15)은 반평행 결합막(154), 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)으로 이루어진다. 반평행 결합막(154)인 Ru층은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막인 NiFe 및 제2 자유층 연자성막인 CoFe의 적층체로 이루어진다. 마찬가지로, 여기서 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층 (412), 반강자성층(413) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 비자성 분리층(411)은 거대 자기 저항 효과 적층막(10)의 보호막을 겸하고 있어도 되고, 보호막과 비자성 분리층(411)의 명확한 경계는 특별히 존재하지 않아도 된다. 비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 사이에 면을 통한 자기적인 결합이 생기지 않도록 하는 기능을 갖고, 또한 트랙 폭 방향에서의 단부에서의 연자성 자유층(13)과 단자구화 강자성층(45), 특히 강자성층(412)과의 정자기적인 결합을 양호하게 유지하기 위해서 비자성 분리층(411)의 두께는합계로 1.4㎚로 얇게 구성하여 이루어진다.
도 21은 본 발명을 적용한 터널 자기 저항 효과형 자기 헤드의 구성예로서, 대향면에 평행한 단면도로 나타내었다. 도 21은 자기 매체에 대향하는 대향면에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 도전성 갭막(711)을 형성하고, 그 위에 터널 자기 저항 효과 적층막(101)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 도전성 갭막(721), 상부 자기 실드(36)를 형성하여 재생 신호를 검출하는 재생 갭(43)을 형성하여 이루어진다. 절연막(73)은 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 트랙 폭 방향의 양단부에 접촉하여 배치되어, 감지 전류가 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 막 두께 방향으로 흐르도록, 다른 부분을 절연한다. 절연막(73)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법에 의해 제작한 구조로 기술하고 있지만, 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 터널 자기 저항 효과 적층막(101)은 도 21에서는 이하의 구성예와 같은 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 절연 갭층(121), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는 강자성 고정층(15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막 (152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 자유층 연자성막 및 제2 자유층 연자성막의 적층체로 이루어지지만, 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 본 발명에서는 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 터널 자기 저항 효과 적층막(101)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층(412), 반강자성층(413) 및 보호막(37)으로 이루어진다. 여기서, 보호막(37)을 생략한 구성으로 해도 본 발명의 취지에 반하는 것이 아니다. 또한, 반강자성층(413) 및 강자성층(412) 대신에 도 2나 도 3과 같이 경자성막 및 경자성막과 연자성막의 조합을 이용해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합한 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는 예를 들면 Ta 1㎚의 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 단, Ru 등을 단층으로, 강자성체 사이에 0.8㎚ 등의 소정의 두께로 배치하면, 강자성체 사이에 면 내에 기능하는 강한 반강자성적인 결합을 발생하게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 비자성 분리층(411)을 통해 인접하는 강자성체 부분으로부터 자기 저항 효과가 발생하면 신호 파형이 변형할 우려가 있어 바람직하지 않다. 따라서, 비자성 분리층(411)의 부분이, 예를 들면 Cu 2㎚ 단층이고, 또한 강자성체에 끼여 있도록 한 구성은 본 발명의 주된 취지로하는 것이 아니다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 무방하다. 반강자성층(413)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 강자성층(412)에 교환 결합을 인가하여 강자성층(412)의 자화를 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 터널 자기 저항 효과 적층막(101)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 강자성층(412)의 자화와 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되어, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합, 폐자로를 형성하여 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 자화량은 거의 동일해서 좋다. 이들 간의 거리가 멀어지면 강자성층(412)의 자화량은 연자성 자유층에 달하기까지 손실하는 분량을 가미하여 연자성 자유층의 자화량보다 많이 설정한다.
도 21에서 화살표로 나타낸 바와 같이 연자성 자유층(13)의 자화의 방향은 단자구화 강자성층(45)의 자화와 반평행하게 되고, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층(15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
도 21에서는 비자성 절연 갭층(121)을 이용한 터널 자기 저항 헤드의 예를 나타내었지만, 비자성 절연 갭층(121) 대신에 도전성 중간층을 이용하여 거대 자기저항 효과 적층막에 두께 방향으로 전류를 흘리는 CPP형 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드로 해도 본 도면과 거의 동일한 구성으로 양호한 효과를 얻을 수 있다.
도 22는 본 발명을 적용한 터널 자기 저항 효과형 자기 헤드의 다른 구성예로서, 대향면에 수직인 단면도로 나타내었다. 도 22는 자기 매체에 대향하는 대향면과 기판면에 수직인 단면을 트랙 폭 방향에서 바라 본 모식도로 되어 있다. 기체(50) 상에 하부 자기 실드(35), 하부 도전성 갭막(711)을 형성하고, 그 위에 터널 자기 저항 효과 적층막(101)이 형성되어 이루어지고, 다시 상부 도전성 갭막 (721), 상부 자기 실드(36)를 형성하여 재생 신호를 검출하는 재생 갭(43)을 형성하여 이루어진다. 절연막(73)은 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 트랙 폭 방향 및 소자 높이 방향의 양단부에 접촉하여 배치되고, 감지 전류가 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 막 두께 방향으로 흐르도록, 다른 부분을 절연한다. 절연막(73)의 형성 방법 및 그 형상은 여기서는, 소위 리프트 오프법에 의해 제작한 구조로 기술하고 있지만 그 외에 여러가지의 방법을 이용할 수 있다. 터널 자기 저항 효과 적층막(101)은 도 22에서는 이하의 구성예의 구조를 갖는다.
하지막(14), 반강자성막(11), 강자성 고정층(15), 비자성 절연 갭층(121), 연자성 자유층(13)을 연속해서 형성하여 이루어진다. 본 구성예에서는 강자성 고정층(15)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152), 및 반평행 결합막(154)의 적층체로 이루어진다. 반평행 결합막(154)은 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막 (152)의 자화를 상호 반평행하게 배열시키는 교환 결합을 인가하여, 강자성 고정층의 실질적인 자화의 양을 제1 강자성막(151)과 제2 강자성막(152)의 자화량의 차분으로 제어하는 효과가 있다. 여기서, 강자성 고정층(15)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층이나 4층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 또한, 여기서 연자성 자유층(13)은 제1 연자성 자유층(133) 및 제2 연자성 자유층(134)의 적층체로 이루어진다. 연자성 자유층(13)을 단층의 자성체로 형성하거나, 2층 이상의 적층체로 형성해도 본 발명의 취지에 조금도 반하는 것이 아니다. 여기서, 연자성 자유층(13)의 일부, 특히 도 22의 예에서는 제2 연자성 자유층(134)은 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 다른 부분보다 소자 높이 방향으로 큰 형상으로 형성되어, 대향면(63)까지 확장 배치되어, 대향면(63)으로부터 자속을 유도하는 플럭스 가이드의 기능을 갖는다. 도 22의 예에서는 제1 연자성 자유층(133)의 자화의 양에 대하여 제2 연자성 자유층(134)의 자화의 양을 크게 설정하고 실질적으로 제2 연자성 자유층(134)의 자화가 지배적이도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 연자성 자유층(13), 특히 실질적으로 지배적인 제2 연자성 자유층에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 터널 자기 저항 효과 적층막(101)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어진다. 여기서, 단자구화 강자성층(45)은 연자성 자유층(13)과 접하는 비자성 분리층(411), 강자성층(412), 및 반강자성층(413)으로 이루어진다. 또한, 반강자성층(413) 및 강자성층(412) 대신에 도 2나 도 3과 같이 경자성막 및 경자성막과 연자성막의 조합을 이용해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
비자성 분리층(411)은 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 층간의 자기적인 접합을 차단하여 이들이 강자성적으로 결합한 자화 과정을 취하는 것을 방지한다. 비자성 분리층(411)으로서는 예를 들면 Ta 1㎚의 층이나, 또한 Ru, Cu 등을 적층한 막 등을 이용할 수 있다. 비자성 분리층(411) 또는 그 일부는 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 보호막으로서의 기능을 겸해도 된다. 반강자성층(413)은 감지해야 할 자계와 수직인 트랙 폭 방향으로 착자되고, 강자성층(412)에 교환 결합을 인가하여 강자성층(412)의 자화를 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 트랙 폭 방향으로 설정하는 기능을 갖는다. 터널 자기 저항 효과 적층막(101)의 연자성 자유층(13)에 적층하여 단자구화 강자성층(45)을 배치하고, 터널 자기 저항 효과 적층막(101)과 거의 동일한 트랙 폭 방향의 사이즈로 형성하여 이루어짐으로써, 강자성층(412)의 자화와 연자성 자유층(13)의 자화가 상호 반평행하게 되어, 트랙 폭 방향의 단부에서 정자기적으로 결합, 폐자로를 형성하여 플럭스 가이드를 겸하는 연자성 자유층(13)을 단자구화하는 것이다. 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 단부의 거리가 충분히 가까운 경우, 연자성 자유층(13)과 강자성층(412)의 자화량은 거의 동일해서 좋다. 이들 간의 거리가 멀어지면 강자성층(412)의 자화량은 연자성 자유층에 달하기까지 손실하는 분량을 가미하여 연자성 자유층의 자화량보다 많이 설정한다.
도 22에서 화살표 등으로 나타낸 바와 같이 연자성 자유층(13)의 자화의 방향은 단자구화 강자성층(45)의 자화와 반평행하게 되어, 감지해야 할 자계가 제로인 상태에서 대략 트랙 폭의 방향이 되도록 자기 이방성, 검지 전류의 크기, 강자성 고정층(15)의 자화량, 소자의 깊이 사이즈인 소자 높이 등을 설정하여 바이어스 특성이 대칭이 되도록 설정한다.
도 22에서는 비자성 절연 갭층(121)을 이용한 터널 자기 저항 헤드의 예를 나타내었지만, 비자성 절연 갭층(121) 대신에 도전성 중간층을 이용하여 거대 자기 저항 효과 적층막에 두께 방향으로 전류를 흘리는 CPP형 거대 자기 저항 효과형 자기 헤드로 해도 본 도면과 거의 동일한 구성으로 양호한 효과를 얻을 수 있다.
도 23은 본 발명의 자기 저항 효과 소자에 의한 자기 센서를 탑재한 자기 헤드의 구성예의 개념도이다. 기체(50) 상에 자기 저항 효과 적층막(10), 단자구화 강자성층(45), 전극(40), 하부 자기 실드(35), 상부 자기 실드(36), 하부 자기 코어(84), 코일(42), 상부 코어(83)를 형성하여 이루어지고, 대향면(63)을 형성하여 이루어진다. 도 23에서는 개별적으로 상부 실드와 하부 코어를 형성한 구조로 되어 있지만, 상부 실드가 하부 코어를 겸한 구조로 해도 본 발명의 주된 취지를 손상시키는 것이 아니다. 하부 자기 코어(84), 코일(42), 상부 자기 코어(83)는 기록 헤드를 구성하고, 전자 유도 효과에 의해 발생하는 자계를 대항면(63)의 기록 갭으로부터 발생하여 자기 디스크 상의 기록 매체에 기록한다.
도 24는 본 발명의 자기 기록 재생 장치의 구성예이다. 자기적으로 정보를 기록하는 기록 매체(91)를 보유하는 디스크(95)를 스핀들 모터(93)로 회전시켜, 액튜에이터(92)에 의해 헤드 슬라이더(90)를 디스크(95)의 트랙 상에 유도한다. 즉, 자기 디스크 장치에서는 헤드 슬라이더(90) 상에 형성된 재생 헤드, 및 기록 헤드가 이 기구에 따라 디스크(95) 상의 소정의 기록 위치에 근접하여 상대 운동하여, 신호를 순차적으로 기입 및 판독하는 것이다. 액튜에이터(92)는 로터리 액튜에이터인 것이 바람직하다. 기록 신호는 신호 처리계(94)를 통해 기록 헤드에 의해 매체 상에 기록되고, 재생 헤드의 출력을 신호 처리계(94)를 거쳐 신호로서 얻는다. 또한, 재생 헤드를 원하는 기록 트랙 상으로 이동시킴에 있어서, 본 재생 헤드로부터의 고감도 출력을 이용하여 트랙 상의 위치를 검출하고, 액튜에이터를 제어하여 헤드 슬라이더의 위치 결정을 행할 수 있다. 도 24에서는 헤드 슬라이더(90), 디스크(95)를 각 1개 나타내었지만, 이들은 복수이어도 상관없다. 또한, 디스크(95)는 양면에 기록 매체(91)를 갖고 정보를 기록해도 된다. 정보의 기록이 디스크 양면인 경우, 헤드 슬라이더(90)는 디스크의 양면에 배치한다.
상술한 바와 같은 구성에 대하여, 본 발명의 자기 헤드 및 이를 탑재한 자기 기록 재생 장치를 시험한 결과, 충분한 출력과, 양호한 바이어스 특성을 나타내고, 또한 동작의 신뢰성도 양호하였다.
도 25는 종래 기술의 구조 및 본 발명의 구조의 자기 헤드의 재생 트랙 폭과 재생 출력의 관계를 나타낸 것이다. 면 내에 전류가 흐르는 종래형의 거대 자기 저항 효과 소자를 이용한 자기 헤드의 결과를 나타내었다. 종래 기술의 하드 바이어스 구조의 자기 헤드에서는 재생 트랙 폭이 넓을 때에는 높은 출력이 얻어지고 있지만, 재생 트랙 폭이 좁게 되면 재생 출력은 저하되고, 특히 재생 트랙 폭이 0.2㎛ 이하에서는 재생 출력은 절반 이하로 되어 있다. 이에 대하여 본 발명의 자기 헤드에서는 전류의 분류에 의한 손실 때문에 재생 트랙 폭이 넓을 때에는 재생 출력이 낮지만, 재생 트랙 폭이 좁아져도 거의 재생 출력의 저하가 없고, 그 결과 종래 기술의 자기 헤드와 비교하여 높은 재생 출력을 얻을 수 있다. 특히, 재생 트랙 폭이 0.2㎛ 이하인 자기 헤드에서는 종래 헤드보다 1할부터 수배 이상 높은출력을 얻을 수 있는 것이다. 이상과 같이 본 발명은 자기 헤드로서 높은 성능을 나타내고, 특히 기록 밀도가 높은 자기 기록 재생 장치를 실현할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 안정된 특성과, 출력이 높은 자기 센서와, 이를 이용한 자기 헤드를 얻을 수 있으며, 특히 높은 기록 밀도에서 양호한 재생 출력을 갖는 자기 헤드 및 고밀도 자기 기록 재생 장치를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 감지해야 할 외부 자계에 대하여 실질적으로 그 자화 방향이 고정된 강자성층과 감지해야 할 외부 자계에 따라 그 자화가 회전할 수 있는 연자성층이 비자성 중간층을 통해 적층된 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비하고,
    감지해야 할 외부 자계에 따라 상기 연자성층의 자화가 회전하고, 상기 연자성층의 자화 방향과 상기 강자성층의 자화 방향과의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과를 일으키는 자기 헤드에 있어서,
    상기 연자성층 상에 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층이 형성되고,
    상기 연자성층과 상기 단자구화 강자성층이
    화와 상기 강자성 고정층의 자화와의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과를 일으키고,
    상기 연자성 자유층 상에 비자성 분리층을 통해 단자구화 강자성층이 형성되어,
    상기 비자성 분리층을 통해 상기 연자성 자유층과 상기 단자구화 강자성층이 트랙 폭 단부에서 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성함으로써,
    상기 단자구화 강자성층은 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖도록 상기 연자성 자유층을 단자구화하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  2. 강자성 고정층과 비자성 중간층과 연자성 자유층과 비자성 분리층과 단자구화 강자성이 이 순서로 적층되어 소정의 감자(感磁) 폭에 대응한 거의 동일한 트랙 폭에 형성된 스핀 밸브형 자기 저항 효과 소자를 구비하고,
    상기 비자성 분리층을 통해 상기 연자성 자유층과 상기 단자구화 강자성층이 면 내에서 실질적으로 강자성적 또는 반강자성적인 결합을 갖지 않고, 트랙 폭 단부에서 상기 단자구화 강자성층의 자화와 연자성 자유층의 자화가 정자기적으로 결합하여 폐자로를 형성하고 있으며,
    상기 연자성 자유층은 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 실질적으로 고정된 자화를 갖고 단자구화되고,
    상기 강자성 고정층이 감지해야 할 자계에 대하여 실질적으로 그 자화 방향이 고정되고, 외부 자계에 따라 상기 연자성 자유층의 자화가 회전하고, 상기 연자성 자유층의 자화와 상기 강자성 고정층의 자화와의 상대 각도가 변하여 자기 저항 효과 소자에 자기 저항 변화가 생겨, 한 쌍의 전극에 의해 자기 저항 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 고정층과, 반강자성막 또는 경자성층막이 적층되어 교환 결합함으로써, 상기 강자성 고정층으로 바이어스 자계가 인가되어 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 착자되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단자구화 강자성층은 경자성막으로 이루어지고, 상기 경자성막이 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 착자되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단자구화 강자성층은 경자성막과 연자성 완충층과의 사이에 결합막을 통해 강자성적 또는 반강자성적인 결합을 갖는 적층막으로 이루어지고, 상기 경자성막의 자화 및 상기 연자성 완충층의 자화가 감지해야 할 자계에 대하여 대략 직행한 방향으로 착자되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단자구화 강자성층은 Fe, Co, Ni 또는 Mn을 포함하는 산화물로 이루어지는 경자성막을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단자구화 강자성층은 산화물과 강자성 금속과의 혼합체로 이루어지는 경자성막을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단자구화 강자성층은 반도체와 강자성 금속과의 혼합체로 이루어지는 경자성막을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비자성 분리층이 Ta, Hf, Nb, Ti, W 및 이들 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비자성 분리층이 Cu, Au, Ag, Pt, Re, Ru, Ir, Os, Ta, Hf, Nb, Ti, W 중 적어도 하나를 포함하는 층 또는 이들을 포함하는 층의 적층체와 산화물로 이루어지는 층과의 적층체, 또는 Cu, Au, Ag, Pt, Re, Ru, Ir, Os, Ta, Hf, Nb, Ti, W 중 적어도 하나와 산화물을 갖는 혼합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
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