JP2002123912A

JP2002123912A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ディスク装置

Info

Publication number: JP2002123912A
Application number: JP2000317623A
Authority: JP
Inventors: Hidema Uchishiba; 秀磨内柴
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子及び磁気ディスク装置に関
し、磁区制御膜の膜厚をそれほど厚くすることなく、フ
リー層に十分な磁界を印加する。【解決手段】スピンバルブ膜１の両端に一対の硬質磁
性膜２を接合させるとともに、スピンバルブ膜１との接
合部と反対側の端部に軟質磁性膜３を接合させ、この軟
質磁性膜３の硬質磁性膜２との接合部との反対側の側端
部に張出部４を設け、この張出部４を磁気回路が形成さ
れる程度に近接させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気抵抗効果素子及
び磁気ディスク装置に関するものであり、特に、ハード
ディスクドライブ（ＨＤＤ）等の磁気ディスク装置の再
生ヘッド（リードヘッド）に用いるスピンバルブ膜を構
成するフリー層を単磁区化するための磁界印加構造に特
徴のある磁気抵抗効果素子及び磁気ディスク装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータの外部記憶装置であ
るハードディスク装置等の小型化，大容量化の要請の高
まりに伴い、リードヘッド素子の高感度化・微細化が求
められており、現行の異方性磁気抵抗効果を用いたＭＲ
ヘッドでは限界があり、ＭＲヘッドよりも数倍以上の高
感度が期待される新しい物理現象である巨大磁気抵抗効
果（ＧＭＲ：ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔ
ａｎｃｅ）を利用したＧＭＲヘッドの使用が不可欠とな
っている。

【０００３】このＧＭＲ膜は強磁性膜と非磁性膜の多層
構造で形成されており、非磁性膜を挟んで隣り合う強磁
性膜の磁化配列が平行の時と反平行の時とで、スピンに
依存した散乱によりその電気伝導度が異なり抵抗値が変
わることを利用するものである。

【０００４】この様な巨大磁気抵抗効果を示す膜の中で
も、構造が単純で、低磁界での線型動作が得られやすい
スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が実用化されてお
り、このスピンバルブ膜はフリー（ｆｒｅｅ）層となる
強磁性膜、非磁性中間層、ピンド（ｐｉｎｎｅｄ）層と
なる強磁性膜、及び、反強磁性層の積層構造からなり、
ピンド層は隣接する反強磁性層からの交換結合磁界によ
りその磁気モーメントが固着されている。

【０００５】このスピンバルブ膜を用いたリードヘッド
における再生原理は、磁気記録媒体等から外部磁場が印
加された場合、磁化が固定されていないフリー層の磁化
方向が外部磁場に一致して自由に回転するため、磁化が
固定されたピンド層の磁化方向と角度差を生ずることに
なる。

【０００６】この角度差に依存して、上述のように伝導
電子のスピンに依存した散乱が変化し、電気抵抗値が変
化するので、この電気抵抗値の変化をスピンバルブ膜に
接続するリード電極から定電流のセンス電流を流して電
圧値の変化として検出することによって、外部磁場の状
況、即ち、磁気記録媒体からの信号磁場を取得するもの
であり、このスピンバルブ膜を用いたリードヘッドの磁
気抵抗変化率は約５％程度となる。

【０００７】また、この様な磁気抵抗効果素子において
高感度化を目指す場合、スピンバルブ膜を構成するフリ
ー層が単磁区にならないとバルクハウゼンノイズが発生
して再生出力が大きく変動するので、フリー層の磁壁を
消滅させるために、フリー層の両端に磁区制御膜或いは
ハードバイアス膜と呼ばれる硬質強磁性膜を設けてい
る。

【０００８】ここで、図７を参照して、従来のスピンバ
ルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子を説明する。図７参照図７は、従来の磁気抵抗効果素子の概略的平面図であ
り、スライダーの母体となるＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板上
に、Ａｌ₂Ｏ₃膜を介してＮｉＦｅ合金等からなる下部
磁気シールド層を設け、Ａｌ₂Ｏ₃等の下部リードギャ
ップ層（いずれも図示を省略）を介して、フリー層、非
磁性中間層、ピンド層、及び、反強磁性層からなるスピ
ンバルブ膜３１を設け、このスピンバルブ膜３１を所定
の形状にパターニングしたのち、スピンバルブ膜３１の
両端にＣｏＣｒＰｔ等の高保磁力の硬質磁性膜からなる
磁区制御膜３２を設け、次いで、磁区制御膜３２を覆う
ようにＷ／Ｔｉ／Ｔａ多層膜等からなる導電膜を堆積さ
せて電極端子３３を形成する。

【０００９】次いで、図示を省略するものの、再び、Ａ
ｌ₂Ｏ₃等の上部リードギャップ層を介してＮｉＦｅ合
金等からなる上部磁気シールド層を設けることによっ
て、リードヘッドの基本構成が完成する。なお、この場
合、磁区制御膜３２の形状は、電極端子３３の形状とほ
ぼ相似形となっている。

【００１０】しかし、この様なスピンバルブ膜を用いた
ＧＭＲヘッドにおいては、磁区制御膜３２の磁束の漏洩
が大きく、磁区制御膜３２によるフリー層への単磁区化
磁界が弱いため、単磁区化発生用の磁区制御膜の膜厚を
厚くして、磁区制御膜の体積を大きくすることによって
発生磁界を大きくしようとしていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、磁区制御膜の
膜厚を厚くすると、磁区制御膜の形状異方性が弱くな
り、磁化が膜面から立ち上がってしまい、その結果、フ
リー層に十分な単磁区化磁界が印加されなくなり、磁区
制御膜の体積を増加することによる磁界の増加が期待値
より小さいという結果になるので、この様子を図８及び
図９を参照して説明する。

【００１２】図８参照図８は、ＭＦＭ（磁気力顕微鏡）像を理解しやすくする
ために参照した従来の磁気抵抗効果素子の磁区制御膜３
２を図において矢印の方向に着磁した後のスピンバルブ
膜３１の近傍のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像であり、図
７に示した概略的平面図と同様の形状が確認される。

【００１３】図９参照図９は、従来の磁気抵抗効果素子の磁区制御膜３２を着
磁した後のスピンバルブ膜３１の近傍のＭＦＭ像であ
り、スピンバルブ膜３１との接合端部に磁極が表れてお
り、図において黒い部分がＮ極、白い部分がＳ極を示し
ている。

【００１４】図から明らかなように、スピンバルブ膜３
１と接する近傍において、磁区制御膜３２の左側の接合
端部はＮ極になっており、一方、右側の接合端部はＳ極
になっており、スピンバルブ膜３１を構成するフリー層
を右から左の向きに磁化しているのが理解される。

【００１５】しかし、接合端部以外の磁区制御膜３２の
側端部３４においても磁極が表れ、この部分から磁束が
漏洩していると考えられ、このような現象が起こるとス
ピンバルブ膜３１の接合端部に十分な磁界が印加されな
くなり、フリー層の単磁区化が不完全となってリード信
号にバルクハウゼンノイズが入ることになる。

【００１６】そのため、従来においては、磁区制御膜３
２の膜厚を厚くして体積を大きくすることによって磁束
の漏洩分を補うように試みていたが、膜厚が厚くなると
形状異方性の効果が小さくなって、磁区制御膜面内の磁
束が表面に漏れ出てくるので、結果的に磁束の改善には
ならないという問題がある。

【００１７】図において、磁区制御膜３２の表面全体に
表れる白黒の斑模様は、面内で立ち上がった磁束による
磁極が表れたものであり、磁区制御膜３２の表面におい
て磁束が漏洩しているのが理解される。

【００１８】したがって、本発明は、磁区制御膜の膜厚
をそれほど厚くすることなく、フリー層に十分な磁界を
印加することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図１は、
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子の概略的平面
図である。図１参照上述の目的を達成するために、本発明は、スピンバルブ
膜１の両端に一対の硬質磁性膜２を接合させるととも
に、スピンバルブ膜１との接合部と反対側の端部に軟質
磁性膜３を接合させ、この軟質磁性膜３の硬質磁性膜２
との接合部との反対側の側端部に張出部４を設け、この
張出部４を磁気回路が形成される程度に、例えば、側端
部の間隔ｄが、０＜ｄ≦３μｍになるように近接させた
ことを特徴とする。

【００２０】この様に、磁区制御膜となる一対の硬質磁
性膜２に軟質磁性膜３を接合させるとともに、接合部の
反対側の側端部に張出部４を設け、この張出部４を図に
おいて矢印で示す磁気回路、即ち、閉磁路が形成される
程度に近接させることによって、磁束の漏洩を抑制し、
それによって、スピンバルブ膜１との接合部に磁束を集
中させ、スピンバルブ膜１を構成するフリー層に十分な
磁界を与えることができる。

【００２１】即ち、図において矢印で示す閉磁路が形成
されることによって、軟質磁性膜３の長手方向における
磁化は長手方向を向くので、軟質磁性膜３の側端部に磁
極が表れることがなく、軟質磁性膜３の側端部における
磁束の漏洩が抑制される。

【００２２】また、この様に閉磁路を形成することによ
って、硬質磁性膜２の膜厚を厚くする必要はなく、例え
ば、磁束が立ち上がる臨界膜厚は３００Åであるので、
硬質磁性膜２の膜厚としては３００Å以下にすることに
よって、形状異方性を十分生かすことができる。なお、
この硬質磁性膜２と軟質磁性膜３の上には、スピンバル
ブ膜１に電流を流すための電極端子膜５が設けられてい
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】ここで、図２乃至図６を参照し
て、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を説明す
る。なお、図２は本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素
子の概略的平面図であり、図３（ａ）は図２におけるＡ
−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図であり、図
３（ｂ）は図３（ａ）における破線の円内の拡大図であ
り、また、図３（ｃ）は図２におけるＢ−Ｂ′を結ぶ一
点鎖線に沿った概略的断面図である。

【００２４】図２乃至図３（ｃ）参照まず、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板１１上にスパッタリング
法を用いて厚さが、例えば、２μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜１２
を堆積させたのち、選択電解メッキ法を用いて、１００
〔Ｏｅ〕の磁界を印加しながら、厚さが、１〜３μｍ、
例えば、３μｍのＮｉＦｅ膜を形成して下部磁気シール
ド層１３とし、次いで、スパッタリング法を用いて、厚
さが、例えば、５００ÅのＡｌ₂Ｏ₃膜を堆積させたの
ち、所定形状にパターニングすることによって下部リー
ドギャップ層１４を形成し、次いで、磁気抵抗効果素子
を構成するためのスピンバルブ膜１５を堆積させる。

【００２５】このスピンバルブ膜１５としては、図３
（ｂ）に示すように、例えば、８０〔Ｏｅ〕の磁界を印
加しながらスパッタリング法を用いて、下地層となる厚
さが、例えば、５０ÅのＴａ層２１を形成したのち、厚
さが、例えば、４０ÅのＮｉＦｅフリー層２２、厚さ
が、例えば、２５ÅのＣｏＦｅフリー層２３、厚さが、
例えば、２５ÅのＣｕ中間層２４、厚さが、例えば、２
５ÅのＣｏＦｅピンド層２５、及び、厚さが２０〜３０
０Å、例えば、２５０ÅのＰｄＰｔＭｎ膜からなる反強
磁性層２６を順次積層させて形成する。なお、この場合
のＮｉＦｅの組成は、例えば、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉であり、Ｃ
ｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀であり、また、
ＰｄＰｔＭｎの組成は、例えば、Ｐｄ₃₁Ｐｔ₁₇Ｍｎ₅₂で
ある。

【００２６】次いで、真空中において、成膜時に印加し
た磁界と直交する方向の１００〔Ｏｅ〕以上、例えば、
２５００〔Ｏｅ〕の直流磁場を印加しながら、真空中で
２５０〜２８０℃、例えば、２８０℃で０．５〜５時
間、例えば、３時間の熱処理を行う。この磁場を印加し
た状態における熱処理によって、反強磁性層２６の磁化
方向を印加した直流磁場の方向として、ＣｏＦｅピンド
層２５の磁化方向を固定する。

【００２７】次いで、レジストパターン（図示せず）を
設け、Ａｒイオンを用いたイオンミリングを施すことに
よって、スピンバルブ膜１５を所定形状にパターニング
したのち、スパッタリング法を用いて全面に、厚さが３
００Å以下、例えば、２００ÅのＣｏＣｒＰｔ膜からな
る磁区制御膜１６を堆積させる。なお、この場合の磁区
制御膜１６を構成するＣｏＣｒＰｔの組成は、例えば、
Ｃｏ₇₈Ｃｒ₁₀Ｐｔ₁₂である。

【００２８】次いで、リフトオフ法によってレジストパ
ターンと共に、レジストパターン上に堆積したＣｏＣｒ
Ｐｔ膜を除去したのち、再び、新たにレジストパターン
（図示を省略）を設けたのち、スパッタリング法によっ
て、厚さが、５０〜３００Å、例えば、２００ÅのＮｉ
Ｆｅからなる軟磁性膜１７を形成して、図２における破
線で示す位置で磁区制御膜１６と接合させる。

【００２９】この場合、軟磁性膜１７の反対側の側端部
に張出部１８を設け、この張出部１８の間隔ｄが、０＜
ｄ≦３μｍ、例えば、ｄ＝０．５μｍなるように軟磁性
膜１７を形成する。この場合、完全な磁気回路を形成す
るためには、ｄ＝０とすれば良いが、そうするとスピン
バルブ膜１５に電流を流すための電極端子１９が電気的
に短絡するのでｄ＞０μｍとする必要がある。

【００３０】次いで、レジストパターンを除去したの
ち、スパッタリング法を用いてリード電極を構成するた
めに厚さが、例えば、１００ｎｍ（＝１０００Å）のＡ
ｌ膜を全面に堆積させ、次いで、コア幅に対応する開口
部を有するレジストパターンをマスクとしてＡｒイオン
を用いたイオンミリングを施すことによって、Ａｌ膜の
露出部を除去することによって磁区制御膜１６及び反磁
性膜１７を被覆するとともに、スピンバルブ膜１５に電
流を流すための電極端子１９を形成する。

【００３１】以降は、図示を省略するものの、再び、ス
パッタリング法によって、厚さが、例えば、５００Åの
Ａｌ₂Ｏ₃膜を堆積したのち、イオンミリング法を用い
て所定形状にパターニングすることによって上部リード
ギャップ層を形成し、次いで、選択電解メッキ法によっ
て、厚さが１〜３μｍ、例えば、３μｍのＮｉＦｅ膜を
成膜して上部磁気シールド層とすることによってシング
ルスピンバルブ素子を磁気抵抗効果素子としたＭＲヘッ
ドの基本構成が完成する。

【００３２】このように、本発明の実施の形態において
は、張出部１８を有する軟磁性膜１７を設けて磁気回路
を構成しているので、電極端子１９の側端部における磁
束の漏洩を抑制することができ、それによって、磁区制
御膜１６の膜厚を３００Å以下の膜厚にすることができ
るので、形状異方性が強く作用して磁化が面内で立ち上
がることがない。

【００３３】ここで、図４乃至図６を参照して、磁区制
御膜１６の膜面内の磁極分布の膜厚依存性を説明する
が、各図における図（ｂ）は図（ａ）を６倍に拡大した
ものである。図４参照図４は、磁区制御膜の厚さを５０４Åにした場合の着磁
後の膜面内の磁極分布を示すＭＦＭ像であり、白黒の斑
が明瞭に見られるように、形状異方性が弱くなって表面
に磁極が露出している。なお、この場合の下地として
は、２０２ÅのＣｒ膜を設けており、以下、同じであ
る。

【００３４】図５参照図５は、磁区制御膜の厚さを２０３Åにした場合の着磁
後の膜面内の磁極分布を示すＭＦＭ像であり、白黒の斑
は図４に比べて不鮮明になっており、膜厚が薄くなるこ
とによって、形状異方性が作用していることが理解され
る。

【００３５】図６参照図６は、磁区制御膜の厚さを５８Åにした場合の着磁後
の膜面内の磁極分布を示すＭＦＭ像であり、白黒の斑は
ほとんど見られず、膜厚が極めて薄くなることによっ
て、形状異方性が強く作用していることが理解される。
したがって、磁区制御膜１６の膜厚を薄くすることによ
る作用効果は明らかである。

【００３６】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるもの
ではなく、各種の変更が可能である。例えば、実施の形
態の説明においては、磁気抵抗効果素子としてＮｉＦｅ
／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／ＰｄＰｔＭｎからなるシ
ングルスピンバルブ素子を用いているが、この様なシン
グルスピンバルブ素子に限られるものではなく、例え
ば、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ等の他の積層
構造のシングルスピンバルブ素子を用いても良いもので
あり、さらには、デュアルスピンバルブ素子を用いても
良いものである。

【００３７】また、上記の実施の形態の説明において
は、磁区制御膜１６としてＣｏＣｒＰｔを用いている
が、ＣｏＣｒＰｔに限られるものではなく、ＣｏＰｔ，
ＣｏＣｒ等の他の高保磁力の硬質磁性膜を用いても良
い。

【００３８】また、上記の実施の形態においては、Ｎｉ
Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＰｄＰｔＭｎ、及び、ＣｏＣｒＰｔと
して、夫々、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀、Ｐｄ₃₁Ｐｔ
₁₇Ｍｎ₅₂、及び、Ｃｏ₇₈Ｃｒ₁₀Ｐｔ₁₂を用いているが、
この様な組成比に限られるものではなく、必要とする磁
気特性及び加工特性等に応じて適宜組成比を選択すれば
良いものである。

【００３９】また、上記の実施の形態においては、磁区
制御膜１６と軟磁性膜１７とが綺麗に接合しているよう
に図示しているが、磁区制御膜１６と軟磁性膜１７とは
磁気的に接触していれば良いものであるので、接合部に
おいて磁区制御膜１６と軟磁性膜１７とが重なるように
しても良いものであり、それによって、レジストパター
ンの形成工程における位置合わせ精度を緩和することが
できる。

【００４０】また、上記の実施の形態においては、軟磁
性膜１７としてＮｉＦｅを用いているが、組成比として
はＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀やＮｉ₅₀Ｆｅ₅₀等のいずれの組成比のＮ
ｉＦｅ膜でも良く、さらには、ＮｉＦｅ以外の他の軟磁
性膜を用いても良いものである。

【００４１】また、上記の実施の形態においては、軟磁
性膜に設ける張出部の長さを、電極端子の長手方向の１
／２程度としているが、張出部の長さは、磁気特性に余
り影響を与えるものでないので、張出部の長さは任意で
あり、張出部の間隔ｄが重要となる。但し、張出部の長
さがあまり短いと、磁束が漏れやすくなるので、注意を
要する。

【００４２】また、本発明の実施の形態の説明において
は、単独のＭＲヘッド構造として説明しているが、本発
明はこの様な単独のＭＲヘッドに限られるものではな
く、誘導型の薄膜磁気ヘッドと積層した複合型薄膜磁気
ヘッドにも適用されるものであることは言うまでもない
ことである。

【００４３】ここで、再び、図１を参照して、本発明の
詳細な特徴を説明する。図１参照（付記１）スピンバルブ膜１の両端に一対の硬質磁性
膜２を接合させるとともに、前記スピンバルブ膜１との
接合部と反対側の端部に軟質磁性膜３を接合させ、前記
軟質磁性膜３の前記硬質磁性膜２との接合部との反対側
の側端部に張出部４を設け、前記張出部４を磁気回路が
形成される程度に近接させたことを特徴とする磁気抵抗
効果素子。（付記２）上記張出部４の側端部の間隔ｄが、０＜ｄ
≦３μｍであることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗
効果素子。（付記３）上記硬質磁性膜２の膜厚が、３００Å以下
であることを特徴とする付記１または２に記載の磁気抵
抗効果素子。（付記４）付記１乃至３のいずれか１に記載の磁気抵
抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ディスク装
置。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、薄膜磁気ヘッドを構成
する磁気抵抗効果素子のフリー層を単磁区化するための
硬質磁性膜に軟質磁性膜を接合させ、この軟質磁性膜の
反対側の側端部に張出部を設けて磁気回路が形成される
ようにしているので、硬質磁性膜の膜厚をあまり厚くす
ることなく、フリー層に十分な磁界を与えることがで
き、それによって、リード信号のバルクハウゼンノイズ
による情報の読み取り誤差をなくすことができ、ひいて
は、磁気ディスク装置の性能向上に寄与するところが大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の概略
的平面図である。

【図３】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の概略
的断面図である。

【図４】磁区制御膜を５０４Åにした場合の着磁後のＭ
ＦＭ像である。

【図５】磁区制御膜を２０３Åにした場合の着磁後のＭ
ＦＭ像である。

【図６】磁区制御膜を５８Åにした場合の着磁後のＭＦ
Ｍ像である。

【図７】従来の磁気抵抗効果素子の概略的平面図であ
る。

【図８】従来の磁気抵抗効果素子の磁区制御膜着磁後の
ＡＦＭ像である。

【図９】従来の磁気抵抗効果素子の磁区制御膜着磁後の
ＭＦＭ像である。

【符号の説明】

１スピンバルブ膜２硬質磁性膜３軟質磁性膜４張出部５電極端子膜１１Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板１２Ａｌ₂Ｏ₃膜１３下部磁気シールド層１４下部リードギャップ層１５スピンバルブ膜１６磁区制御膜１７軟磁性膜１８張出部１９電極端子２１Ｔａ膜２２ＮｉＦｅフリー層２３ＣｏＦｅフリー層２４Ｃｕ中間層２５ＣｏＦｅピンド層２６反強磁性層３１スピンバルブ膜３２磁区制御膜３３電極端子３４磁区制御膜の側端部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スピンバルブ膜の両端に一対の硬質磁性
膜を接合させるとともに、前記スピンバルブ膜との接合
部と反対側の端部に軟質磁性膜を接合させ、前記軟質磁
性膜の前記硬質磁性膜との接合部との反対側の側端部に
張出部を設け、前記張出部を磁気回路が形成される程度
に近接させたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】上記張出部の側端部の間隔ｄが、０＜ｄ
≦３μｍ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。
【請求項３】請求項１または２に記載の磁気抵抗効果
素子を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。