JP2007115347A - Ｇｍｒスクリーン層を用いたｃｐｐ−ｇｍｒ磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁気抵抗効果と高い再生出力を安定して実現することが出来る電流絞り込み型ＣＰＰスピンバルブ型磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】GMRスクリーン層160は強磁性金属と酸化物層161の複合体からなり、酸化物層161が下層の強磁性金属層を穴あき状態で覆い、下層の強磁性金属層の一部が上層の酸化物層161の穴あき部分を介して突出部162を構成し、強磁性金属の突出部162と半被覆酸化物層161からなるGMRスクリーン層160で、GMR効果と膜厚方向に流す電流を絞り込む電流絞込効果を同時に発現させることで高い再生出力と高い安定性を両立する構成を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気記録再生装置及びそれに搭載する磁気ヘッドに関し、特に、高記録密度磁気記録再生装置用の磁気ヘッドと、その製造方法に関するものである。

磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、ハードディスクを主体とする高記録密度磁気記録技術のなかで再生センサとして用いられ、磁気記録技術の性能を大きく作用する部分である。磁気記録装置の記録密度が急速に高まるなかで、従来の技術では、記録密度の充分に高い磁気記録装置、特にその再生部に外部磁界に対して十分な感度と出力で作用する磁気抵抗効果型磁気ヘッドを実現し、さらに十分に安定性の良い良好な特性を得ることができず、記憶装置としての機能を実現することが困難であった。

近年、強磁性金属層を、非磁性金属層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果、いわゆる巨大磁気抵抗、が大きいことが知られている。従来、この磁気抵抗効果を磁気ヘッドとして用いる際には、積層膜の面内で電流を通電する、いわゆるCIP-GMRが用いられている。さらに、電流を積層膜の膜厚方向に流す、垂直電流型巨大磁気抵抗効果、いわゆるCPP-GMRも最近研究されている。本発明は、CPP-GMRを用いた磁気抵抗効果型スピンバルブセンサ、磁気ヘッドに関するものである。

特開2003−204094号公報 特開2002−208744号公報 特開2004−355682号公報

従来の磁気抵抗効果型磁気センサを用いた磁気ヘッドの欠点は、高い出力が実現できない点である。特に、電流絞込型CPP-GMRと呼ばれる技術における問題点として、電流を膜厚方向に部分的に流すための微細なピンホール構造の作製が制御できないことである。このように膜厚方向に電流を部分的に流すための構成を、ここではスクリーン層と呼ぶことにする。特許文献１及び２には具体的にスクリーン層をCPP−GMR積層膜の一部分に導入する構成が記載されている。スクリーン層は膜厚方向に流れる電流を絞り込むことで電気抵抗の値を部分的に拡大して高い出力を得る技術であるから、スクリーン層の電流を流す領域の形状やサイズ、そしてスクリーン層のある位置は電流絞込型CPP-GMR積層膜の再生出力を大きく左右する。一方で、スクリーン層を含めてCPP-GMR積層膜の構成要素である薄膜層は極めて薄いものである。GMR効果は、この数ナノメートル程度の厚さの領域で発生する電子のスピン依存散乱効果である。スクリーン層は、電流を単純に絞り込むのではなく、GMRの原理である電子のスピン依存散乱効果を阻害せず、かつ、GMRの発生している領域で電流の絞り込みを行って磁気抵抗効果を拡大した抵抗に反映させなければならない。したがって、GMRの基本部分の構成を壊さずに、かつこの基本部分に極近接して微細な穴の開いた構造を制御よく作らなくてはならない。このため、従来の技術では電流絞込型CPP-GMRの出力を高く向上させることができないのである。

本発明は、高い磁気抵抗効果と高い再生出力を安定して実現することのできる電流絞込型CPP-GMRを提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決する手段として、電流絞込効果と、GMR効果を併せ持ったGMRスクリーン層、を有する磁気抵抗効果積層膜を用いる。従来別々であった上記２つの効果を単一の構造で実現することにより、電流絞込効果を、GMR効果を損なうことなく効果的に行うことが可能になる。

上記２つの効果を併せ持たせるために、GMRスクリーン層は、強磁性金属層と酸化物層との複合体からなり、酸化物層が下層の強磁性金属層を穴あき状態で覆い、下層の強磁性金属層の一部が上層の酸化物層の穴あき部分を介して露出する構造とする。

軟磁性自由層、非磁性中間層、GMRスクリーン層を順次隣接して積層する構成により、GMRスクリーン層の強磁性金属層の一部は、酸化物層の穴あき部分を通して非磁性中間層との界面に露出もしくは突出し、軟磁性自由層/非磁性中間層/強磁性金属層突出部の部分がGMR効果を発現できる。このような構造により、GMRスクリーン層は膜厚方向に流れる電流の経路を適切に狭める電流絞込構造と、酸化物層の穴あき部分を通して露出した強磁性金属層と軟磁性自由層が相互作用するGMR効果を同時に実現できる。なお、以下では、上記強磁性金属層の露出もしくは突出した部分について、突起状強磁性金属と述べる場合もある。

GMRスクリーン層は、分離結合層を介して強磁性固定層と積層する。分離結合層は、GMRスクリーン層を強磁性固定層と物理的に分離することによってGMRスクリーン層の穴あき部分を有する酸化物層の電流絞込効果を決定する微細な穴構造を制御よく作る機能を発揮する。また同時に、分離結合層は、GMRスクリーン層と強磁性固定層との間に強磁性的な結合力を働かせ、GMRスクリーン層の磁化の方向を一方向にそろえる効果を発揮させる。なお、以下では、上記穴あき部分を有する酸化物層を、半被覆酸化物層と述べる場合もある。

強磁性固定層として一般的な積層フェリ型構成を用いた例では、本発明の典型的な構成は、基体側から、反強磁性膜／第一の強磁性固定層／反平行結合層／第二の強磁性固定層／分離結合層／GMRスクリーン層／非磁性中間層／軟磁性自由層、となる。上記第一の強磁性固定層及び第二の強磁性固定層は、GMRスクリーン層の磁化の方向性をつけるために機能する部分であり、実質的にGMR効果には寄与しない。

GMRスクリーン層の典型的な材料は、Co、CoFe、あるいはCo合金のいずれかのプレカーソル強磁性金属材料とその酸化物とすると、良好なGMRスクリーン層が得られる。GMRスクリーン層の微細な穴あき構造、及び酸化物と強磁性金属の混合した構造は、分離結合層上にプレカーソル強磁性金属層を形成し、適切な量、酸化処理し、非磁性中間層及び軟磁性自由層等を形成した後に適切な熱処理を行うことによって形成する。GMRスクリーン層は、酸化層部分及び強磁性金属層部分共に結晶質で形成する。このような構成を用いて、GMRスクリーン層を介して上下に積層された強磁性固定層と非磁性中間層及び軟磁性自由層の結晶的な連続性を保たせる。すなわち、結晶粒構造又は結晶配向を強磁性固定層と非磁性中間層及び軟磁性自由層の間で連続にする。

分離結合層を介して、GMRスクリーン層と強磁性固定層の間に磁気的結合を発生させ、これによりGMRスクリーン層の磁化の方向性をそろえて効率よくGMR効果を発現させる。

以上の手段により、電流絞込効果とGMR効果を同時に兼ね備えたGMRスクリーン層を有したCPP-GMR磁気センサを実現できる。

本発明によると、CPP型磁気抵抗効果積層膜に電流絞込効果とGMR効果を同時に発現するGMRスクリーン層を用いた構造とすることで、高い磁気抵抗効果と高い再生出力を実現できる。これを再生ヘッドとした磁気記録再生装置において、高記録密度、すなわち記録媒体上に記録される記録波長が短く、また、記録トラックの幅が狭い記録を実現して、十分な再生出力を得、記録を良好に保つことができる。

本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜を構成する薄膜は、ｄｃマグネトロンスパッタリング装置により以下のように作製した。アルゴン0.2から3ミリトールの雰囲気中にて、セラミックス基板に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリングターゲットとしてタンタル、ニッケル−鉄合金、銅、CoFe、MnPt、ルテニウム、の各ターゲットを用いた。積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々ｄｃ電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードに配置されたシャッターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。

膜形成時には、永久磁石を用いて基板に平行におよそ80エルステッドの磁界を印加して、一軸異方性をもたせた。形成した膜を、真空中、磁場中で270℃、３時間の熱処理を行ってMnPt反強磁性膜を相変態させた。基体上の素子の形成はフォトレジスト工程によってパターニングした。その後、基体はスライダー加工し、磁気記録装置に搭載した。

図１に、本発明の代表的な磁気抵抗効果型再生センサの積層構造を示す。磁気抵抗効果積層膜10は、非磁性中間層12を介して軟磁性自由層13とGMRスクリーン層160を積層してなる。GMRスクリーン層160は、突起状強磁性金属162を有し、突起状強磁性金属162は酸化物層161にある部分的な穴から露出もしくは突出している。すなわち、酸化物層161はその下の強磁性金属層を穴あき状態で覆い、強磁性金属層の一部が酸化物層161の穴あき部分に凸状に充填され、その穴あき部分を介して隣接する非磁性中間層に対して露出し、接触している。本構造により、GMRスクリーン層160は、膜厚方向に流れる電流の通電領域を制限する電流絞込効果と、GMR効果を起こすスピン依存散乱体としての機能を同時に満たす。分離結合層163は、GMRスクリーン層160の一方の界面に接し、この一方の界面とは、非磁性中間層12に接する側とは反対側の界面である。この分離結合層163により、GMRスクリーン層160は強磁性固定層15と分離され、半被覆酸化物層161の被覆率を適切な値に制御することができる。

強磁性固定層15は、第一の強磁性固定層151、反平行結合層154、及び第二の強磁性固定層152からなり、反強磁性膜11との交換結合によって、感知すべき磁界に対して実質的に磁化が固定されてなる。GMRスクリーン層160の磁化は、分離結合層163を介した強磁性的な結合力によって実質的に固定されてなる。

図２に、本発明のGMRスクリーン層の詳細な構造を示した。GMRスクリーン層は強磁性金属層とその強磁性金属層を穴あき状態で覆った酸化物層との複合体からなる。強磁性金属層は、その上の酸化物層の穴の部分に入り込んだ部分、すなわち、突起状強磁性金属162を有する。突起状強磁性金属162は、酸化物層161にある部分的な穴からGMRスクリーン層の表面に露出している。酸化物層161は、その下の強磁性金属層を半ば被覆し、穴の部分において上記突起部を露出又は突出させる。突起状強磁性金属162は、層状強磁性金属部166と連続してつながった一つの強磁性金属部分の構成要素である。

図３に、本発明のGMRスクリーン層及びこれを用いた磁気抵抗効果積層構造の作製方法を示した。図３（ａ）に示すように、基体上に下地膜14、反強磁性膜11、第一の強磁性固定層151、反平行結合層154、第二の強磁性固定層152を形成し、分離結合層163を介してプレカーソル強磁性金属層167を形成する。次に、同一真空装置中において酸素雰囲気に晒す。酸化工程を適切にすることで、図３（ｂ）に示すように、プレカーソル強磁性金属層167は、酸化されない結晶質非酸化層164の上に酸化した結晶質酸化層165が形成された構造となる。次に、図３（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果積層膜の残部として、非磁性中間層12、軟磁性自由層13、及び保護・キャップ膜17を形成する。非磁性中間層12及び軟磁性自由層13は、結晶質酸化層165及び結晶質非酸化層164を介して強磁性固定層15と結晶学的に連続に形成できる。ここで結晶学的に連続とは、結晶粒界で規定される結晶粒構造が連続であること、及び個々の結晶粒において膜厚方向に結晶方位が同一もしくは特定の関係にある間接的なエピタキシャル構造のことである。詳細は図８の説明において述べる。このように形成した積層構造に熱処理を行うことで、図３（ｄ）に示すように、酸化物層が強磁性金属層を穴あき状態で覆った複合体、すなわち、所定の被覆率を有する突起状強磁性金属162と半被覆酸化物層161を得ることができる。

図４を参照して、このGMRスクリーン層160の形成原理について説明する。
(1) Coは、酸化されると酸化を表面だけで停止させるいわゆる不動体皮膜を形成する金属である。このため、CoもしくはCoを主成分とする合金をプレカーソル（前駆）強磁性層として形成し、酸素雰囲気に晒すと、表面に所定の厚さの結晶質酸化層が形成され、この酸化層の厚さは酸化圧力や酸化時間に対して比較的安定で制御しやすい。
(2) 結晶質酸化層は、下のプレカーソル強磁性層の非酸化部分（結晶質非酸化層）とエピタキシャルである。この上に非磁性中間層及び軟磁性自由層を積層する（以下、これらの部分を上部構造と呼ぶ）と、上部構造と結晶質酸化層、及び結晶性非酸化層はエピタキシャル関係を維持した構造になる。
(3) 半被覆化熱処理を行うと、熱的に安定な状態に向かって結晶質酸化層から上部構造及び結晶質非酸化層に酸素が拡散する。部分的に還元された酸化物は強磁性金属となり、表面エネルギーの低い結晶質非酸化部（強磁性金属）界面に析出する。
(4) 半被覆化熱処理の時間と温度を調整することで、熱平衡状態に向かう反応の速度と進行度を調節でき、これにより、半被覆性酸化層及び突起状強磁性金属部分を有するGMRスクリーン層が形成される。

また、分離結合層163には結晶質酸化層165の半被覆化熱処理時の分解を促進する効果がある。これは、結晶質酸化層165の熱分解が、隣接する金属層からの応力的な拘束に依存するためと考えられ、分離結合層163が無い場合には結晶質酸化層165の熱処理による分解は隣接する強磁性固定層の強い拘束により抑制され、結果、GMRスクリーン層の微細組織、すなわち突起状強磁性金属162と半被覆酸化物層161の構造が所望通りに形成されない。また、分離結合層163は、酸素が強磁性固定層15へ不必要に拡散するのを防止し、強磁性固定層15の安定性を高く保つ機能も有する。

本発明の製造方法を用いることによる特徴は以下のようである。
(1) 従来技術のように、穴状の構造を成膜時に形成すると、穴状構造は本質的に膜面内に不均一な構成であるから、穴状構造の上側に形成する構造が不均一になってしまう。すなわち、非磁性中間層又は軟磁性自由層の構造に凹凸や、結晶配向の不均一（穴の上部と穴でない部分の上部での違い）を生じてしまい、軟磁気特性の劣化などの悪影響が生じる。本発明の方法では、薄膜形成時には穴状構造がなく、膜面内に均質な非磁性中間層及び軟磁性自由層を得ることができる。
(2) 従来技術のように、薄膜形成時に穴状の構造を形成しようとすると、穴のサイズや数が不均一・不安定になり制御が困難である。これは薄膜生成による微細構造の作製が不連続組織の形成に負っていることが原理的にばらつきを生むためと考えられる。一方で本発明の形成方法では、薄膜形成及び酸化工程時には均質な構造で形成を行い、その後の熱処理によって熱安定的に金属と酸化物の量の比率を規定することができる。このため本発明の製造方法は、電流絞込効果を安定に得ることができる。
(3) さらに本発明の方法は、非磁性中間層及び軟磁性自由層を形成した後に熱処理することで、化学的安定性を増す効果が得られる。プレカーソル層のみの時点で熱処理した場合には、酸素の拡散できる領域は強磁性固定層側のみで、その後に形成される非磁性中間層及び軟磁性自由層は酸素の影響を受けていない。したがってその後の工程で酸素の拡散が生じる場合があれば、酸素は新たに非磁性中間層よび軟磁性自由層に移動を始め、このため磁気抵抗効果積層構成の特性は安定しない。本発明の製造方法では、磁気抵抗効果積層構成は半被覆化熱処理より以前に形成されており、熱処理によって非磁性中間層及び軟磁性自由層は予め酸素の拡散経路の一部として機能する。このことからさらに温度が上昇するか電流が通じる状態となっても、酸素の拡散は進行せず、一定の電流絞込効果と、軟磁性自由層の磁気特性の安定が達成できる。

図１、２、３に示した積層膜の構成に用いる具体的な材料の例を以下に示す。下地膜14：Ni52Fe13Cr35（5nm）、反強磁性膜11：Mn52Pt48（15nm）、第一の強磁性固定層151：Co90Fe10（3nm）、反平行結合層154：Ru（0.8nm）、第二の強磁性固定層152：Co90Fe10（2nm）、分離結合層163：Cu（0.5nm）、プレカーソル強磁性金属層167：Co90Fe10（1.5〜3nm）、非磁性中間層12：Cu（2nm）、軟磁性自由層13：Co90Fe10（1nm）/Ni80Fe20（2nm）、保護・キャップ層Cu（1nm）/Ru（5nm）である。

図５に、本発明及び従来構造のGMR領域の概念図を示した。図５（ａ）は本発明の構造を示す。図５（ｂ）は比較例として非磁性中間層に電流絞込層を入れた従来構造1を示し、図５（ｃ）は比較例として強磁性固定層に電流絞込層を入れた従来構造2を示す。

本発明の構造では、図５（ａ）のように、GMRスクリーン層160と軟磁性自由層13が非磁性中間層12の厚さ分だけ離れて隣接し、したがって再生信号を発生させるGMR現象が起きる部分の電子の必要移動距離は、非磁性中間層12の厚さ程度である。非磁性中間層12の厚さは、軟磁性自由層13とGMRスクリーン層160の間の磁気結合を十分小さく保つ程度にまで薄くできる。具体的には2 nm程度にまで薄くしても、軟磁性自由層13とGMRスクリーン層160の間の磁気結合はゼロ近傍にできる。GMR領域である二層間での電子のスピン情報のやりとりがGMR効果であるので、本発明の構成ではGMR効果を大きくすることができる。

比較のため、図５（ｂ）に示した従来構造1について同様にGMR領域の構造を見ると、スピン情報をやりとりする軟磁性自由層と強磁性固定層の間には電流絞込層を挟みこんだ非磁性中間層がある。従来構造１では、電流絞込層を挟み込むことで非磁性中間層の合計厚さは厚くなり、スピン情報をやりとりするのに必要な距離が長くなる。

図５（ｃ）に示した強磁性固定層内部に電流絞込層を挟み込んだ従来構造２においても同様である。電流絞込は近傍の電気抵抗の寄与を拡大するから、従来構造２のGMR領域は軟磁性自由層と、強磁性固定層のうちの電流絞込層周辺部の距離を考えればよい。スピン情報のやりとりは、非磁性中間層と強磁性固定層の一部の厚さの合計だけ離れて行われる。

このような原理から、本発明の構造を用いることによるMR比の増大効果が従来構造に比べて高いことが理解できる。

図６に、プレカーソル強磁性金属層の厚さを変えた場合の磁気抵抗効果積層構造におけるGMRスクリーン層の磁化量の変化を示した。ここでGMRスクリーン層の磁化量は、磁気抵抗効果積層構成を作製し、全体の磁化量から、軟磁性自由層、強磁性固定層の磁化量を差し引いた値である。比較のため、酸化工程を行わなかった場合の磁化量も併せて示した。

GMRスクリーン層（酸化工程なし）の磁化量は、プレカーソル強磁性金属層の厚さに比例して原点を通り線形に増加する。GMRスクリーン層（酸化工程あり）の場合では、プレカーソル強磁性金属層の厚さが１nmの時、GMRスクリーン層の磁化はゼロであり、1 nmのプレカーソル強磁性金属層はすべて酸化したことわかる。プレカーソル強磁性金属層をさらに厚くしていくと、酸化工程なしの場合と同じ傾きを持った直線関係を示して増加した。この結果から、本発明の図３に示した製造方法を用いることによって、プレカーソル強磁性金属層は1 nm程度分のみ酸化し、残りは強磁性金属の状態を保持してGMRスクリーン層を形成していることがわかる。

図７に、本発明のGMRスクリーン層を観察したTEM写真を示す。本発明の構造のような、ごく薄い平面に局所的な混合部分を有する構造を実験的に観察することは大変困難であるが、鋭意観察を行った結果、本発明のGMRスクリーン層の構造像を捉えることができた。

図７の断面観察像では、観察領域の全般に結晶格子が観察され、本発明の磁気抵抗効果積層体が高い結晶配向度を有することがわかる。図７で観察された格子像の面間隔を測定し、積層した設計構成と比較することで、図７で観察された各部分の構造を知ることができる。面間隔0.25 nmはCoOを代表とする酸化物の面間隔とほぼ一致し、この部分がCo−OもしくはCoFe-Oからなる結晶性酸化物であることがわかる。この結晶性酸化物の領域、すなわち、本発明で半被覆酸化物層と称する構造は、図７に点線で示したようにおよそ層状に広がっており、かつ、部分的な「穴」を有することがわかる。この穴の部分は同様に結晶質で、その面間隔は、CoFe（１１１）面と一致する0.21 nmであり、図６の説明で述べたGMRスクリーン層の強磁性金属の状態を保持している部分に該当する。このGMRスクリーン層の上下は、それぞれ非磁性中間層（Cu）及び強磁性固定層（CoFe）である。

以上の結果から、本発明のGMRスクリーン層は図７下部に示した模式図のような構造をとっていると考えられる。プレカーソル強磁性金属層の1 nm程度の部分は結晶性酸化物となり、酸化状態にない部分を半ば覆った半被覆酸化層になっている。酸化状態にない強磁性金属は層状の部分と、半被覆酸化物に突出した突起状強磁性金属からなる。

さらに、GMRスクリーン層の上下の積層部分の結晶状態に着目すると、エピタキシャル関係が認められる。図８は、図７と同じTEM像について、強磁性固定層と、非磁性中間層及び軟磁性自由層の結晶状態に着目して示した図である。図中８にA及びA’として示したように、強磁性固定層と非磁性中間層には強く配向した（１１１）面の格子像が観察され、強磁性金属突出部を介して連続につながっていることがわかる。軟磁性自由層も非磁性中間層に連続した結晶構造を有している(A”)。B及びB’として示した部分は間に半被覆酸化物層を介しているが、この場合も同様にBとB’、及びB”は強く配向した（１１１）面の格子像を示しており、B、B’及びB”は結晶的に同一の関係を保っていることがわかる。さらに、B、B’及びB”近傍の結晶粒界を図中に点線で示したが、結晶粒界の位置関係も半被覆酸化物層を介して上下の強磁性固定層と非磁性中間層、軟磁性自由層とで一致している。

以上のように、本発明の磁気抵抗効果積層構成は、GMRスクリーン層を介して上下の結晶の連続性を保って構成される。これはGMRスクリーン層のうち、強磁性金属突出部の部分でも、半被覆酸化物層の部分でも同様であって、結果、軟磁性自由層の結晶性を高く保つことができる。軟磁性自由層の磁気特性を良好に保つことができるとともに、GMRスクリーン層の結晶的な安定性が上下の膜との連続性によって強化されるため、本発明のGMRスクリーン層は高い長期信頼性を発揮することができるのである。

図９に、プレカーソル強磁性金属層の厚さと構造の概念図を示す。この構造は図３に示した熱処理工程後の構造である。プレカーソル強磁性金属層の厚さが薄い場合（図９a））、図６の磁化量からわかるようにプレカーソル強磁性金属層がすべて酸化膜になった構造となる。この酸化膜にはごく小さなピンホールがあいており、電流絞込は可能であるが、強磁性金属部分を有さないためにこの部分はGMR効果を発現しない。この構造で観測されるGMR効果は、上記酸化物層を通過して軟磁性自由層と強磁性固定層間で生じるGMR効果であり、両者の距離が広いため高いMR比が得られない。プレカーソル強磁性金属層をこれより厚くすると、磁気抵抗効果積層構成の熱処理後の構造は、図９（ｂ）のように、酸化物と強磁性金属粒子が混在した構造になる。この構造では、強磁性金属粒子があるためGMR効果が存在できるが、強磁性金属粒子のボリュームあるいは厚さが小さいために、その磁化が不安定であるのに加えて、電子の散乱確率が小さい。

図９（ｃ）に示す本発明のGMRスクリーン層の構造は、プレカーソル強磁性金属層をさらに厚く形成し、適切な酸化処理、積層処理及び熱処理を行うことで、形成される。結晶性酸化物によって電流絞込効果を得ると共に、強磁性突起部が結晶性酸化物の非被覆部から突出して高いGMR効果を発現し、さらに強磁性金属が層状に突起部を繋いで強磁性金属のボリュームを増強して磁気的な安定と高い散乱効果を実現するのである。結果、本発明のGMRスクリーン層は、軟磁性自由層との間で効率的に電子のスピン情報をやりとりすることができ、高いMR比を発現することができる。図９（ａ）（ｂ）の構造においては、GMR効果が軟磁性自由層と強磁性固定層との間のスピン情報のやり取りで起きるのに対し、本発明の構造ではGMRスクリーン層と軟磁性自由層との間でGMR効果を生じるのである。本構造のGMRスクリーン層の形成に厚いプレカーソル強磁性金属層を用いることは、電流絞込効果を高める効果もあり、これについては別途図１０及び図１１を参照して後述する。

図１０は、GMRスクリーン層を用いた場合のCPP-GMR素子の面積抵抗RAとMR比（抵抗変化率）の関係を示した図である。図中A、B、Cはそれぞれ、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に対応し、プレカーソル強磁性層の厚さはそれぞれ、0.8〜1.2 nm、1.2〜1.5 nm、1.5〜4 nmであった。プレカーソル強磁性金属層がすべて酸化物になっている厚さのグループAの素子では、得られたMR比は1.5〜2％程度であった。プレカーソル強磁性金属層が金属微粒子を含むと考えられるグループBの素子では、MR比はやや増大したが３％以下であった。本発明のGMRスクリーン層の構造としたグループCでは、MR比は4〜７％以上と大きく向上した。このように本発明のGMRスクリーン層の構造は、MR比の向上に有効であることがわかる。

ここで、図１０の面積抵抗RAの値に着目する。グループAでは面積抵抗RA〜0.1Ωμm²であって、この値は電流絞込効果を用いない場合の値の1.5倍程度と低く、グループAの構造の電流絞込効果がかなり弱いことがわかる。グループBでは面積抵抗RAは0.2Ωμm²程度と電流絞込効果が増大し、さらにグループCではさらに大きな0.5〜0.8Ωμm²の面積抵抗が得られた。面積抵抗RAは0.2〜1Ωμm²程度であることが望ましいのでグループCは望ましい特性を示していることがわかる一方、電流絞込の効果が３つのグループで大きく変わっていることがわかる。図６に示したように酸化物の形成量はプレカーソル強磁性層の厚さにかかわらずほぼ一定であるから、この違いはプレカーソル層の厚さを変えたことによって、形態、すなわち穴のサイズと数が異なるためと考えられる。その詳細な機構は明らかでないが、おそらくは熱処理時における酸化物の分解による非被覆化の進行が、図９のような３つの形態において異なり、強磁性金属層が多く隣接するほど、非被覆化の進行が抑制される効果があると考えられる。

同様の面積抵抗制御効果は分離結合層についても認められた。図１１に分離結合層の厚さと面積抵抗の関係を示す。分離結合層の厚さがゼロ、すなわち分離結合層を用いない場合、面積抵抗は1Ωμm²を上回り、このような高い面積抵抗は磁気ヘッドへの応用上ノイズを増大させるとともに素子特性のばらつきやESD破壊の頻度を増加させるため好ましくない。分離結合層を0.2 nm入れると面積抵抗は若干低下するが、0.8Ωμm²以上である。分離結合層が0.5 nm以上では面積抵抗は0.3〜0.4Ωμm²に低下し、応用上好ましい値が得られることがわかる。これは、分離結合層の厚さが0.2 nmとは単原子層の厚さであるために連続膜に形成するのが難しいため効果が低く、0.5 nm程度以上に厚くすることで、分離結合層が連続した層として機能するためと考えられる。結果、分離結合層の機能とは、プレカーソル強磁性金属層を所定の厚さ形成し、図３に示した形成方法でGMRスクリーン層を所望の構造に形成する際に、プレカーソル強磁性金属層と強磁性固定層を物理的に分離することにあると考えられる。強磁性固定層とプレカーソル強磁性金属層は共に強磁性金属元素から成り、したがって類似の元素構成を有する。なんとなればこのような磁気ヘッド応用分野に使用される強磁性元素はFe、Co、Niの３元素に限られるからである。特に本実施例では同一のCoFe系合金を用いており、これは薄膜形成上大きなメリットである。

分離結合層がないか、もしくは薄すぎて機能を果たさない場合には、プレカーソル強磁性層は強磁性固定層、特に図１の構造で説明すると第二の強磁性固定層と直接密着してしまう。これはすなわち、プレカーソル強磁性金属層が厚いことと同様の効果をもたらす。図１０に示したように、プレカーソル強磁性金属層の厚さが厚くなると形成される酸化物による電流絞込効果が極めて高くなることが実験的にわかっており、過剰に高い面積抵抗は応用上のデメリットである。このように我々は、分離結合層が、このようなプレカーソル強磁性金属層と強磁性固定層の物理的接触を断つことで、面積抵抗を適度な値に制御する機能を持つことを見出したのである。

分離結合層の第二の機能について以下に述べる。図１２（ａ）に分離結合層の厚さを0.5 nmと適切な値とした場合のMR曲線を示し、図１２（ｂ）に比較のため厚さを2 nmとした場合のMR曲線を示した。分離結合層が正常に機能する厚さは0.5 nmから1.5 nmであるが、この範囲のMR曲線は図１２（ａ）のように正常なスピンバルブ動作を示す。すなわち、MR比がゼロ磁界近傍でステップ関数的に変化すると共に、その正負両側でフラットな領域を有する。これは分離結合層が強磁性固定層とGMRスクリーン層を磁気的に結合させる機能を有しており、このためにGMRスクリーン層の磁化が実質的に外部の磁界に対して固定されることによって発現される。一方、分離結合層の厚さが2 nmの場合は、図１２（ｂ）のように角状の変化領域が現れ、スピンバルブとしてのMR曲線の形状を損なっていることがわかる。このような角状部は磁気ヘッドのような応用においては再生信号に寄与せず、実質的にはMR比として機能しないのである。この角状部は、GMRスクリーン層の磁化が外部磁界に対して動いていることに起因しており、すなわち、分離結合層の第二の機能はGMRスクリーン層と強磁性固定層を磁気的に結合させることである。

図１３に、分離結合層の適切な厚さ範囲を示した。図１２の結果から、分離結合層の厚さは0.3 nmより厚くすると面積抵抗の制御効果がある。また、分離結合層の厚さを1.5 nmより厚くすると磁気的な結合が維持できない。以上の結果から、分離結合層の適切な厚さは0.3 nm〜1.5 nm程度である。

ここで、本発明の物理的な意味を説明するために、分離結合層の厚さが適切でなかった場合の実験結果を用いてGMRスクリーン層の機能について述べる。図１４は、分離結合層の厚さを2 nmとした場合のMR曲線の例である。図１２（ｂ）と同様に、明確な角状のピークが認められる。これは、分離結合層が適切な厚さより厚いために、GMRスクリーン層が外部磁界に対して磁化回転してしまったケースであるが、そのため、GMRスクリーン層のGMR効果への寄与を端的に知ることができる。図１４の右に簡単な原理説明図を記載した。GMRスクリーン層がひとつの磁性膜として機能する結果、GMR効果を発現する組み合わせとして、GMRスクリーン層と強磁性固定層との間、及び、MRスクリーン層と軟磁性自由層との間の２つがあることがわかる。図１４のグラフにはGMRスクリーン層と、対強磁性固定層との間で生じるGMR効果と、対軟磁性自由層との間で生じるGMR効果が同時に観察されているのである。このように本発明のGMRスクリーン層が、単なる電流絞込層ではなく、高いGMR効果を示すことがこの結果から明確にわかるのである。

図１５に、プレカーソル強磁性金属層の材料を変えた結果を示す。比較のため、Co90Fe10プレカーソル強磁性金属層を用いた場合の従来技術例も示した。ここで従来技術１及び２は、図５の従来構造１及び２に相当する。従来構造では、抵抗変化率MR比が1〜３％の結果が得られたのに対し、本発明の構造では、プレカーソル強磁性金属層の材料を同じCo90Fe10とした場合、抵抗変化率MR比で5〜6％が、面積抵抗RAの低い領域（〜0.2Ωμm²）で得られている。したがって本発明のGMRスクリーン層構造は磁気ヘッドとしての良好な特性がえられることがわかる。次に、プレカーソル強磁性金属層をCoにした場合についてみると、Coを用いた場合にもMR比５％以上は得られていることがわかる。さらに、プレカーソル強磁性金属層にCo/CoFe積層膜を用いた場合を示した。MR比は5〜６％の安定した高い数値を示した。以上のように、本発明の構造の効果を実験した結果、Coを主成分とする合金について高いMR比が得られた。

図１６は、本発明の磁気抵抗効果積層膜を用いた磁気抵抗効果素子を搭載した再生磁気ヘッドの概念図である。磁気記録媒体に対向する面から見た図となっている。スライダーを兼ねる基体50上に下部磁気シールド兼電極35、下部導電性ギャップ711、磁気抵抗効果積層膜10、導電性保護膜41、上部導電性ギャップ721、上部磁気シールド兼電極36を形成してなる。高保磁力バイアス膜46は磁気抵抗効果積層膜10の両脇に配置して単磁区化効果をもたせる。単磁区化効果を実現するために、本図に記載の構造以外の構造を用いたとしても本発明の主旨を損なうものではない。再生ギャップ43は上部磁気シールド兼電極36と下部磁気シールド兼電極35の間の空間で定義され、間に磁気抵抗効果積層膜10を配置して形成される。

図１７は、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体50上に磁気抵抗効果積層膜10、下部磁気シールド兼電極35、上部磁気シールド兼電極36、副磁極86、コイル42、主磁極85を形成してなり、記録媒体に対向する対向面63を形成してなる。図１６の高保磁力バイアス膜46に相当する単磁区化構造を配置することが望ましいが、本図では記載を省略した。本発明の磁気ヘッドは再生部分の能力を高めるものであるので、垂直記録及び従来の面内記録の双方に対応できる技術であるが、特に垂直磁気記録ヘッドと組み合わせることでより有効な機能を実現することができる。

図１８は、本発明の磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装置の構成例である。磁気的に情報を記録する記録媒体91を保持するディスク95をスピンドルモーター93にて回転させ、アクチュエーター92によってヘッドスライダー90をディスク95のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においては、ヘッドスライダー90上に形成した再生ヘッド、及び記録ヘッドがこの機構に依ってディスク95上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取る。アクチュエーター92はロータリーアクチュエーターであることが望ましい。記録信号は信号処理系94を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系94を経て信号として得る。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、本再生ヘッドからの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエーターを制御して、ヘッドスライダーの位置決めを行うことができる。本図ではヘッドスライダー90、ディスク95を各１個示したが、これらは複数であっても構わない。またディスク95は両面に記録媒体91を有して情報を記録してもよい。情報の記録がディスク両面の場合ヘッドスライダー90はディスクの両面に配置する。

上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。特に、所定の電圧を印加して長時間動作試験を行った結果、本発明の磁気ヘッドは良好な動作寿命を示した。図１９は、本発明の磁気ヘッドを高温環境下で加速試験を行った結果である。環境温度150℃において、磁気ヘッドに印加電圧を120mV印加したたところ、磁気ヘッドの自己発熱による温度上昇はおよそ60℃であった。この状態で長時間動作試験を行ったところ、本発明の磁気ヘッドには、抵抗Rの低下及び出力に相当する抵抗変化ΔRの低下がそれぞれの動作時間の後に認められた（図１９左図）。動作試験前及び30min、90min試験後の磁気ヘッドの磁気応答曲線には、形状の変化が認められず、磁気的な異常は起きていないことがわかる。このような抵抗と抵抗変化の低下は、GMRスクリーン層の電流絞込効果の大きさが加速試験によって変化するためと考えられる。

図２０に、GMRスクリーン層の電流絞込効果の大きさと抵抗及び抵抗変化の関係を示した。GMRスクリーン層のすべての突起状強磁性層の面積を電流が流れると仮定し、この面積が変化した場合に抵抗及び抵抗変化がどのような関係になるかを見積もった。図２０左図のように単純なモデルを用いて計算すると、磁気ヘッドの電気抵抗は次式のように表される。

磁気ヘッドの抵抗＝電流通過部の面積×電流通過部の面積抵抗＋それ以外の抵抗
GMRスクリーン層の電流通過部のみ、磁気抵抗効果があるとして計算すると、図２０図右の直線の関係となった。実測の値（○）はモデル計算の値とよく一致しており、高温環境下での加速試験の結果が、GMRスクリーン層の通電部分（突起状強磁性金属）の面積が変わることに依存していることがわかる。

図２１は、同様に環境温度を変えて測定した本発明の磁気ヘッドの電気抵抗の時間変化を示した図である。電気抵抗は時間と共に低下するが、環境温度が高いほど低下の度合いが高いことがわかる。電気抵抗の変化を、例えば５％抵抗が低下することを目安に規定すると、環境温度220℃では0.5ｍｉｎであるが、180℃では62ｍｉｎ、150℃では333minと、環境温度と時間の関係が変化することがわかる。

図２２は、環境温度と磁気ヘッドの抵抗が5％低下する時間の関係をアレニウスプロットで示した図である。図２２では測定値が直線に乗っており、すなわち、本発明の磁気ヘッドの高温加速試験における変化が熱活性化的であることを示している。最小二乗法で求めた直線の傾きはおよそ2.3ｅＶに相当し、これはCoの自己拡散のエネルギー2.8Ｖに近い。

本発明の磁気ヘッドはGMRスクリーン層をCo又はCo合金及びその酸化物から形成しているため、Co原子の熱拡散が本発明の磁気ヘッドの寿命を決めていると考えることが出来る。このような微細な構造を作製すると、熱拡散は通常の拡散に比べて高速な、界面散乱や粒界散乱によって律速されてしまい、十分な信頼性が得られないことが多分にある。しかし本発明の磁気ヘッドは図２２の直線を外挿すると、ハードディスクドライブ（HDD）内部相当の70℃＋自己発熱60℃の条件下において200年もの寿命を示すことがわかった。これは、本発明のGMRスクリーン層が金属部及び酸化部、さらにはその上下の層を含めて高い結晶性を有し、互いに結晶性がよく連続した構造になっているため、粒界拡散などが抑制され、GMRスクリーン層の構造的安定によって高い信頼性を実現できたものと考えられる。

本発明の代表的な磁気抵抗効果型再生センサの積層構造を示した図である。 本発明のGMRスクリーン層の詳細な構造を示した図である。 本発明のGMRスクリーン層及びこれを用いた磁気抵抗効果積層構造の作製方法を示した図である。 本発明のGMRスクリーン層の形成過程を示した図である。 本発明及び従来構造のGMR領域の概念図を示した図である。 プレカーソル強磁性金属層の厚さを変えた場合の磁気抵抗効果積層構造におけるGMRスクリーン層の磁化量の変化を示した図である。 本発明のGMRスクリーン層を観察したTEM写真である。 本発明のGMRスクリーン層を観察したTEM写真の結晶構造について着目した図である。 プレカーソル強磁性金属層の厚さと構造の概念図である。 GMRスクリーン層を用いた場合のCPP-GMR素子の面積抵抗RAとMR比（抵抗変化率）の関係を示した図である。 分離結合層の厚さと面積抵抗の関係を示した図である。 分離結合層の厚さを0.5 nmと適切な値としたMR曲線と、比較のため厚さを2 nmとした場合のMR曲線を示す図である。 分離結合層の適切な厚さ範囲を示した図である。 本発明のGMRスクリーン層のGMR効果を実験的に示した図である。 本発明の構造とGMRスクリーン層の組成についての実験結果を示した図である。 磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図である。 垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの構成例を示す図である。 磁気記録再生装置の構成例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの高温加速試験の結果の一例を示した図である。 本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの高温加速試験の結果を抵抗と抵抗変化との比較で示した図である。 本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの高温加速試験の結果を示した図である。 本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの高温加速試験の結果をアレニウスプロットで示した図である。

符号の説明

１０ 磁気抵抗効果積層膜
１１ 反強磁性膜
１２ 非磁性中間層
１３ 軟磁性自由層
１４ 下地膜
１５ 強磁性固定層
１５０ 傾斜結晶粒構造強磁性固定層
１５１ 第一の強磁性固定層
１５２ 第二の強磁性固定層
１５４ 反平行結合層
１６０ GMRスクリーン層
１６１ 半被覆酸化物層
１６２ 突起状強磁性金属
１６３ 分離結合層
１６４ 結晶質非酸化層
１６５ 結晶質酸化層
１６６ 層状強磁性金属部
１６７ プレカーソル強磁性金属層
１７ 保護・ギャップ膜
３５ 下部磁気シールド兼電極
３６ 上部磁気シールド兼電極
３７1 下部磁気シールド
３８1 上部磁気シールド
４０ 電極
４１ 導電性保護膜
４２ コイル
４３ 再生ギャップ
４６ 高保磁力バイアス膜
５０ 基体
６３ 対向面
７１１ 下部導電性ギャップ
７２１ 上部導電性ギャップ
８５ 主磁極
８６ 副磁極
９０ ヘッドスライダー
９１ 記録媒体
９２ アクチュエーター
９３ スピンドル
９４ 信号処理系
９５ 磁気ディスク

Claims (9)

1. 磁化の方向が外部磁界に応じて変化する軟磁性自由層と、非磁性中間層と、GMRスクリーン層とが積層された構造を有し、
   前記GMRスクリーン層は、強磁性金属層と前記強磁性金属層を穴あき状態で覆った酸化物層との複合体からなり、前記酸化物層の穴あき部分には前記強磁性金属層が凸状に充填され、膜厚方向に流れる電流を前記穴あき部分を介して部分的に通過させることで電流を絞り込む機能と、当該GMRスクリーン層の磁化と前記軟磁性自由層の磁化との相対的な角度差に応じた磁気抵抗効果を生じる機能とを有することを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
2. 磁化の方向が外部磁界に応じて変化する軟磁性自由層と、非磁性中間層と、強磁性金属層と酸化物層との複合体からなるGMRスクリーン層と、分離結合層と、磁化の方向が実質的に一方向に固定された強磁性固定層とを有する磁気抵抗効果膜と、
   前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流す一対の電極とを備え、
   前記GMRスクリーン層は、前記強磁性固定層と前記非磁性中間層の間に形成され、前記分離結合層を介して前記強磁性固定層と磁気的に結合していることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
3. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記酸化物層は前記強磁性金属層を穴あき状態で覆い、前記強磁性金属層の一部が前記酸化物層の穴あき部分を介して隣接する非磁性中間層に対して露出していることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
4. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記酸化物層は前記強磁性金属層を穴あき状態で覆い、前記酸化物層の穴あき部分には前記強磁性金属層が凸状に充填され、前記強磁性金属層は前記酸化物層の穴あき部分を介して隣接する非磁性中間層に接していることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
5. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記GMRスクリーン層はCo、CoFeもしくはCo合金のいずれかの金属と、その酸化物からなることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
6. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記分離結合層は厚さ0.3〜1.5 nmのCu層であることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
7. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記GMRスクリーン層を介して積層された前記強磁性固定層と前記非磁性中間層及び前記軟磁性自由層の結晶粒構造又は結晶配向が、前記酸化物層の存在する部分及び前記酸化物層の穴あき部分のいずれにおいても前記GMRスクリーン層を介して連続していることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
8. 請求項２記載の磁気抵抗効果型再生ヘッドにおいて、前記GMRスクリーン層の強磁性金属層及び酸化物層はいずれも結晶構造を有し、前記強磁性固定層と前記非磁性中間層及び前記軟磁性自由層の結晶粒構造又は結晶配向が、前記GMRスクリーン層と連続的であることを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッド。
9. 基体上に、下地層、反強磁性膜、第一の強磁性固定層、反平行結合層、第二の強磁性固定層、分離結合膜、及びプレカーソル強磁性金属層を順次形成する工程と、
   前記プレカーソル強磁性金属層を部分的に酸化する工程と、
   前記部分的に酸化したプレカーソル強磁性金属層の上に非磁性中間層、及び軟磁性自由層を順次形成する工程と、
   その後、熱処理を行って上記プレカーソル強磁性金属層を、酸化層が非酸化層を穴あき状態で覆った構造を有するGMRスクリーン層に形成する工程と
   を有することを特徴とする磁気抵抗効果型再生ヘッドの製造方法。

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