JP2009259354A - 磁気ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生動作が安定で、且つ磁気揺らぎノイズが少ない再生ヘッドを有する磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】自由層を、非磁性中間層１９を介して反強磁性的に結合する２層の強磁性層（自由層１，自由層２）からなる構造とし、自由層１（１８）の磁化量を自由層２（２０）の磁化量より大きく設定する。また、自由層１（１８）と磁区制御膜４１との距離SP1より、自由層２（２０）と磁区制御膜４１との距離SP2を広くして、磁区制御膜４１の磁化量を調整することにより、自由層１（１８）と自由層２（２０）の磁区を同時に安定化させ、さらに自由層全体の体積を大きくすることで、磁気揺らぎノイズが大幅に減少させ、高ＳＮ比を示す再生ヘッド１００を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気記録再生装置に用いられる磁気ヘッド及びその製造方法に係り、特に磁気再生ヘッドの構成及び製造方法に関する。

一般に磁気再生ヘッドは、一対の上下磁気シールド層と、その間に配置される磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜に電気的に接続される一対の電極から構成される。面記録密度が１平方インチあたり３００ギガビットを超える磁気記録再生装置の場合には、磁気抵抗効果膜としてトンネル磁気抵抗効果膜（TMR膜）もしくは垂直通電型巨大磁気抵抗効果膜（CPP-GMR）といった高感度再生素子が利用される。これらの磁気抵抗効果膜は、自由層，中間層および固定層を有し、自由層の磁化は、記録媒体からの信号磁場の変化に応じて回転する。一方、固定層の磁気モーメントの方向は、概ね固定されている。これらの磁気抵抗効果膜に感知電流を通電すると、自由層の磁気モーメントと固定層の磁気モーメントの為す角に依存して素子の電極間の電圧が変化し、これを再生信号として検出する。CPP-GMR膜では中間層は導体であり、TMR膜では酸化物などが用いられる。

磁気再生ヘッドは、自由層を単一磁区構造にするために、もしくは磁区移動を防止するために、磁区制御膜を自由層のトラック幅方向両端部に配置する。これは、自由層の磁区が記録素子や上下磁気シールド等から磁気的に影響を受けた場合に、磁区移動が原因の出力変動等で生じる記録再生装置の誤動作を防止するためである。このような磁区制御膜として永久磁石が一般的に用いられている（特許文献１）。一方、TMR膜やCPP-GMR膜の場合には、磁区制御膜を強磁性自由層に積層する構造も提案されている。この場合、磁区制御膜として、永久磁石（特許文献２）もしくは反強磁性膜と強磁性膜との積層膜（特許文献３）が知られている。

磁気記録再生装置の高密度化のためには、記録ビットの狭小化が必要となり、これに対応するため、磁気再生ヘッドの上下磁気シールド間隔と再生トラック幅を狭くすることが必要とされている。

特開平3-125311号公報 特開平11-259824号公報 米国特許第6023395号明細書

前述のとおり、磁気記録再生装置の記録密度を向上すべく、これまでは磁気再生ヘッドの再生トラック幅を微細に形成してきた。一般に再生トラック幅が狭くなる程、再生出力が低下していく。さらに、再生素子の微細化が進むと、磁化揺らぎノイズが顕在化することが指摘されている。磁化揺らぎノイズは自由層磁化の熱揺らぎによって生じるノイズである。一般に磁性体の体積が減少すると、磁化の熱的な揺らぎが大きくなる。従って、素子が微小になると、自由層の体積が減少し、自由層磁化の熱揺らぎが大きくなる。すると、自由層磁化と固定層磁化の間の相対角度が大きく揺らぎ、その結果、ノイズが増加する。更に、磁化揺らぎノイズは出力に比例して増加するという特徴を持つ。これは、磁化揺らぎノイズ自身を抑制しない限り、単に出力を高くしても、信号ノイズ比の向上は期待できないことを意味する。

そこで、磁気揺らぎノイズを有効に低減させる構造として、積層フェリ自由層が提案されている。積層フェリ自由層は、２層の強磁性膜（自由層１と自由層２）を、非磁性金属を介して積層させ、互いの磁化を反平行に維持するものである。従って、実効磁化は、自由層１の磁化量と自由層２の磁化量の差分で決まる。積層フェリ自由層の特徴は、自由層の全体積を維持しつつ、実効磁化を小さくできる点にある。このように、自由層の全体積を大きくし、且つ実効磁化を小さくすると、高い再生感度を維持し且つ磁化揺らぎノイズを抑制することが可能となる。

積層フェリ自由層では、磁化量が大きい層（自由層１）の磁化方向と磁区制御膜の磁化方向が概ね一致する。従って、自由層２の磁化方向は磁区制御膜の磁化方向に対し反平行になる。さらに、自由層１と自由層２の間の反強磁性結合は有限であるから、磁区制御磁場が大きいと、自由層１磁化と自由層２磁化を互いに反平行に維持できない領域が生じる。このような領域があると、媒体信号磁場印加時に自由層２磁化の動作が不安定となり、ノイズ増加及び再生出力変動の原因となる。一方、磁区制御磁場が弱いと、自由層１の動作が不安定になる。即ち、現状の磁区制御構造では、積層フェリ自由層の自由層１と自由層２を同時に安定に制御することは困難である。

このように、磁気揺らぎノイズを有効に抑制できる積層フェリ自由層を用いても、現状の磁区制御構造では、ノイズ増加やヘッド動作の不安定性が懸念される。仮にこのような磁気ヘッドを磁気記録再生装置に組み込んだ場合、装置が正常に動作しないことは明らかである。

本発明の目的は、再生時の磁化揺らぎノイズが少なく、且つ安定に動作する磁気ヘッドを提供することである。
本発明の他の目的は、再生時の磁化揺らぎノイズが少なく、且つ安定に動作する磁気ヘッドの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の磁気ヘッドにおいては、下部磁気シールド層と、
上部磁気シールド層と、前記下部磁気シールド層と上部磁気シールド層の間に設けられた、固定層と中間層と自由層を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に設けられた磁区制御膜と、を有し、
前記自由層は非磁性中間層を介して積層された自由層１と自由層２を有し、前記自由層１は前記固定層に前記中間層を介して積層されており、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、前記自由層１の磁化量は前記自由層２の磁化量よりも大きく、
さらに、前記自由層１と前記磁区制御膜との距離をSp1、前記自由層２と前記磁区制御膜との距離をSp2としたとき、Sp2＞Sp1を満たすものである。

前記Sp1とSp2の関係が、Sp2＞２×Sp1であることが望ましい。

前記Sp1は前記自由層１の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であり、前記Sp2は前記自由層２の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であることが望ましい。

前記下部磁気シールド層の上部に下部電極層を有し、前記上部磁気シールド層の下部に上部電極層を有することが望ましい。

前記自由層１及び自由層２それぞれは、非磁性金属層を介した２層以上の強磁性層で構成されても良く、その場合、各強磁性層の磁化は平行である。

前記非磁性中間層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ及びＲｈからなる群から選択される少なくとも一種の元素であることが望ましい。

前記上部磁気シールド層に隣接して記録ヘッドを設けることにより、記録再生ヘッドを構成することができる。

上記目的を達成するために、本発明の磁気ヘッドにおいては、下部磁気シールド層と、上部磁気シールド層と、前記下部磁気シールド層と上部磁気シールド層の間に設けられた、固定層と中間層と自由層を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に設けられた磁区制御膜と、を有し、
前記自由層は非磁性中間層を介して積層された自由層１と自由層２を有し、前記自由層１は前記固定層に前記中間層を介して積層されており、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、前記自由層１の飽和磁束密度と膜厚の積(Bs・t)₁は前記自由層２の飽和磁束密度と膜厚の積(Bs・t)₂よりも大きく、
さらに、前記自由層１と前記磁区制御膜との距離をSp1、前記自由層２と前記磁区制御膜との距離をSp2、前記自由層１と前記上部磁気シールドとの距離をts、前記磁区制御膜の残留磁束密度と膜厚との積を(Br・t)_PM、前記自由層２に印加される反強磁性結合磁場をH_AF2、前記自由層２に印加される磁区制御磁場をH_bias2としたとき、(Br・t)_PM ≧(9×Sp1/ts)×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }且つH_AF2＞H_bias2を満たすものである。

前記H_AF2＞H_bias2の関係は、前記Sp1とSp2の関係をSp2＞Sp1とすることで達成する。

上記他の目的を達成するために、本発明の磁気ヘッドの製造方法においては、下部磁気シールド層を形成する工程と、前記下部磁気シールド層の上部に固定層と中間層と自由層１と非磁性中間層と自由層２を積層して磁気抵抗効果膜を形成する工程であって、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、且つ前記自由層１の磁化量が前記自由層２の磁化量よりも大きい磁気抵抗効果膜を形成する工程と、前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に磁区制御膜を形成する工程であって、前記自由層１の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離をSp1、前記自由層２の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜の間の距離をSp2としたとき、Sp2＞Sp1を満たす磁区制御膜を形成する工程と、前記磁気抵抗効果膜及び磁区制御膜の上部に上部磁気シールド層を形成する工程と、を有するものである。

前記磁区制御膜を形成する工程は、前記Sp2＞Sp1を満たすようにスパッタされた磁性粒子の入射方向を調整する工程を含むものである。

前記磁区制御膜を形成する工程は、硬磁性膜を形成する工程と、前記Sp2＞Sp1を満たすように前記硬磁性膜をイオンミリングによりパターニングする工程とを含むものである。

本発明によれば、積層フェリ自由層の、自由層１に印加される磁区制御磁場を十分に確保しつつ、自由層２に印加される磁区制御磁場を低減することができるので、自由層１と自由層２を同時に十分に磁区制御することができ、磁化揺らぎノイズが十分抑制され且つ動作が安定な磁気ヘッドを提供することができる。

まず、図１を用いて本発明に係る磁気ヘッドの特徴部の構成について説明する。図１は再生ヘッドの媒体対向面から見た概念図である。図１には、上下磁気シールド層，磁区制御膜，及び積層フェリ自由層のみを示しており、また、説明を簡単にするために一対の磁区制御膜のうちの片方のみを示してある。自由層１と自由層２の間には非磁性中間層が配置され、自由層１の磁化と自由層２の磁化は反強磁性的に強く結合している。自由層１と自由層２の磁化量（飽和磁束密度と膜厚の積）をそれぞれ(Bs・t)₁，(Bs・t)₂とし、(Bs・t)₁＞(Bs・t)₂となるように互いに積層させる。自由層１の磁化と自由層２の磁化が互いに反平行を概ね維持するため、磁化量の差分(Bs・t)₁-(Bs・t)₂ は1T・nm以上が望ましい。このとき、磁区制御膜の磁化と自由層１の磁化の方向は概ね一致する。一方、磁区制御膜の磁化と自由層２の磁化の方向は反対方向になる。

仮に自由層２に印加される磁区制御磁場が、自由層１と自由層２の間の反強磁性結合磁場を上回った場合、自由層２の磁化も磁区制御磁場と同じ方向になる。このような場合、もはや積層フェリ自由層構造とはならず、再生感度も著しく低いものになってしまう。従って磁区制御磁場は、自由層２に印加される反強磁性結合磁場より小さいものとする必要がある。

ここで、自由層１の膜厚方向中心と磁区制御膜の距離をSp1，自由層２の膜厚方向中心と磁区制御膜の距離をSp2とし、まずSp1=Sp2の場合を考える。このとき、自由層1に印加される磁区制御磁場と自由層２に印加される磁区制御磁場は概ね等しくなる。すると自由層１の磁化と磁区制御磁場は同方向であり、磁区制御磁場が十分確保されれば、自由層１の磁区は安定化もしくは単磁区化される。一方、自由層２の磁化は磁区制御磁場と反対方向であり、自由層２に印加される正味の磁場は、反強磁性結合磁場からこの磁区制御磁場を引いたものとなる。従って、磁区制御磁場が強いと自由層２に印加される正味の磁場は小さくなり、自由層２の磁区は安定化されなくなる。結局、Sp1=Sp2では、自由層１と自由層２の磁区を同時に安定化するのは困難となる。

そこで、Sp2＞Sp1となるように磁区制御膜を形成する。Sp1を狭くすると、自由層１に印加される磁区制御磁場を強くすることができる。同時にSp２を広くすると、自由層２に印加される磁区制御磁場を小さくするようにコントロールできる。

具体的には、自由層１と上部磁気シールドとの距離をts、磁区制御膜の磁化量（残留磁束密度と膜厚の積）を(Br・t)_PMとして、
(Br・t)_PM ≧(9×Sp1/ts)×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }
を満たすようにSp1と(Br・t)_PMを調整すると、自由層１の磁区は安定化される。一方、自由層２に印加される反強磁性結合磁場をH_AF2とし、自由層２に印加される磁区制御磁場をH_bias2とすれば、H_AF2＞H_bias2を満たすようにSp2を調整すると自由層２の磁区が安定化される。次に上記のことを、シミュレーションの結果を基に定量的に説明する。

図２に磁区制御磁場Hbias（Hard Bias Field）の各自由層内での分布の計算結果を示す。図２に示すグラフの横軸の零点が自由層のトラック端部を表している。図２ではGs=36nm，Sp1=5nm，Sp2=10nm，(Br・t)_PM＝16Tnm，(Bs・t)₁ =5Tnm，(Bs・t)₂ =2Tnm、 ts=5nmと設定した。ここで、Gsは上部磁気シールド層と下部磁気シールド層との距離である。図２から、自由層１では、Hbiasはトラック端部において最大となり、トラック中心に近くなるにつれ減衰することがわかる。一方、自由層２ではトラック端部からやや内側でHbiasが最大となり、さらにトラック中心に近づくと減衰する。

次に、図２の結果を用いて、ＬＬＧ（ランダウ−リフシッツ−ギルバート）方程式を用いたマイクロマグネティクスシミュレーションを行った。このシミュレーションではH_AF2=1500 Oe(120kA/m)と設定した。その結果、自由層１，自由層２の磁化が安定動作することが分かった。なお、Sp2を10nm未満にして同様なマイクロマグネティクスシミュレーションを行ったが、自由層２の磁化が安定動作しないことがわかった。従って、今、H_AF2=1500 Oe(120kA/m)，H_bias2の最大値が1370 Oe(110kA/m)であるから、H_AF2＞H_bias2が満たされていることがわかる。更に、(Br・t)_PMの最適値をトランスファ−曲線（電磁応答曲線）を計算し検討した。一般に自由層の磁区を安定化するのに必要な(Br・t)_PM は、(Br・t)_PM ≧F×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }、F≧1で表される。Ｆは磁区制御の位置やヘッド構造に依存する形状因子である。Gsもしくはtsが十分大きく、Sp1=0 nm、非磁性中間層が十分小さい場合はF=1となる。この場合、自由層のトラック方向端部に誘起される磁荷と磁区制御膜によって完全に打ち消される。しかし、実際のヘッドでは自由層と磁区制御磁場が有限の距離だけ離れている。さらに、Gsもしくはtsが狭くなると、磁区制御磁場がシールドに吸収されてしまう。従って、(Br・t)_PMを大きくする（F>1）必要がある。磁区制御磁場はSp1を小さくすると増加し、tsを狭くすると減少するので、自由層の磁区安定化に必要な(Br・t)_PM は、(Br・t)_PM＞(Ｇ×Sp1/ts){ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }と表すことができる。ここで係数GはFとG=F/(Sp1/ts)の関係にある。 図３に各Ｇの値に対するトランスファー曲線を示す。図３から分かるように、G <9のとき、トランスファ−曲線にヒステリシスが生じる。このようなヒステリシスは出力変動や装置動作不安定性の原因となる。一方、G ≧9ではトランスファー曲線に異常は見られない。以上の結果から、
(Br・t)_PM ≧(9×Sp1/ts)×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }且つSp2＞2×Sp1
であれば、自由層１と自由層２の磁化の動作が同時に安定することが分かる。

このように積層フェリ自由層構造において、安定な動作が確認された。積層フェリ自由層では、自由層１と自由層２の磁化の差分を一定に維持しつつ、全体積もしくは全磁化量を大きくできる。このとき磁気揺らぎノイズの理論式は次式で与えられる。

ここで、Vmagは磁気揺らぎノイズ電圧，Isは感知電流，ΔRは磁気抵抗変化量，Hstiffはスティフネス磁場，αは減衰定数，k_Bはボルツマン定数，Ｔは温度，μ₀は真空中の透磁率，Ｍｓは飽和磁化，Ｖは体積，γは磁化回転比である。上記の式からわかるように、磁化揺らぎノイズ電圧は、磁性体の体積の平方根に反比例している。ここで、本発明に係る再生ヘッドの自由層の全磁化量を、従来ヘッドの２〜３倍に設定する。本発明に係る再生ヘッドでは磁化揺らぎノイズは、従来ヘッドに比べ0.58倍〜0.7倍に低減できることがわかる。一方、積層フェリ自由層では、全磁化量を増加させてもヘッドの利用率を高く維持できるため、従来ヘッドに見られるような出力の低下はない。従来ヘッドと例え同一の磁気抵抗比を示す磁気抵抗効果膜を用いたとしても、本発明に係る再生ヘッドの信号ノイズ比は、３〜５ｄＢ高いと見積もられる。以下、実施例について説明する。
＜実施例１＞
実施例１では、 (Br・t)_PM ≧(9×Sp1/ts)×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ }且つSp2＞2×Sp1を満たすように磁区制御膜ならびに磁気抵抗効果膜を形成する。磁気抵抗効果膜として垂直電流印加型のＴＭＲ膜を採用した。磁区制御膜として永久磁石を、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に配置した。

図４は、実施例１による再生ヘッドを記録媒体に対向する面から拡大して示した図である。再生ヘッド１００は、図示しない基板上にベースアルミナを介して設けられた厚さ３μｍのＮｉＦｅ等からなる下部磁気シールド層１と、下部磁気シールド層１の上に設けられた下部電極層３と、下部電極層３の上に設けられたＴＭＲ膜１０と、ＴＭＲ膜１０のトラック幅方向両端部に設けられた磁区制御膜４１と、ＴＭＲ膜１０の上及び磁区制御膜４１の上部に設けられた上部電極層４と、上部電極層４の上に設けられた厚さ２μｍのＮｉＦｅ等からなる上部磁気シールド層２を有する。上記構成において、下部電極層３と上部電極層４は、ＴＭＲ膜１０と電気的に接合されている。また、ＴＭＲ膜１０の周囲、及び磁区制御膜４１と上部及び下部電極層３，４の間には、絶縁層３０が設けられている。なお、上記構成において、下部磁気シールド１が下部電極層３を兼ねる構成、上部磁気シールド２が上部電極層４を兼ねる構成でも良い。

ＴＭＲ膜１０は、下部磁気シールド層１側から下地層１２，厚さ１５ｎｍのＭｎＰｔ等からなる反強磁性層１３，厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ等からなる第一の強磁性固定層１４，厚さ１ｎｍのＲｕ等からなる非磁性分離層１５，厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ等からなる第二の強磁性固定層１６，厚さ１ｎｍのアルミナ等からなる障壁層１７，厚さ５ｎｍのＮｉＦｅ等からなる自由層１（１８），厚さ0.8ｎｍのＲｕ等からなる非磁性中間層１９，厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ等からなる自由層２（２０），キャップ層２１から構成される。第一の強磁性固定層１４，非磁性分離層１５，第二の強磁性固定層１６で固定層が構成されている。なお、上記の例では、磁気抵抗効果膜としてＴＭＲ膜１０を用いたが、ＴＭＲ膜の代わりにＣＰＰ−ＧＭＲ膜を用いても良い。また、場合によっては、反強磁性層１３を省略することができる。

前記のＴＭＲ膜やＣＰＰ−ＧＭＲ膜などを構成する薄膜は、高周波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。１〜６ミリトールのＡｒガス雰囲気中にて、厚さ１ｍｍの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Ｔａ，Ｎｉ−２０ａｔ％Ｆｅ合金，Ｃｕ，Ｃｏ，ＭｎＰｔ，Ｒｕ，アルミナ，ＮｉＭｎの各ターゲットを用いた。Ｃｏターゲット上には、ＦｅおよびＮｉの１センチ角のチップを適宜配置して組成を調整した。積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々高周波電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードごと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６４０Ａ／ｍの磁場を印加して、一軸異方性をもたせた。形成した膜を、真空中、磁場中で、２７０°Ｃ，３時間の熱処理を行ってＭｎＰｔ反強磁性膜１３を相変態させ、室温での磁気抵抗を測定して評価した。

ＴＭＲ膜１０は、障壁層１７のトラック幅方向の幅が所望の値になるようにパターニングして作成し、本実施例では８０ｎｍとした。パターニングは、所定の幅に形成したフォトレジストなどをパターニング前のＴＭＲ膜の上に配置し、これをマスクとして不要となる部分をエッチングした。その後、ＴＭＲ膜１０のトラック幅方向両端部には、厚さ４０ｎｍ程度のＣｏＣｒＰｔ等の磁区制御膜４１となる硬磁性膜を形成した。ここで、Sp2=5nm，Sp1=10nmとなるように硬磁性膜の形状を調整した。硬磁性膜の形状は、レジストマスクの高さとイオンビームスパッタの際のスパッタされた粒子の入射方向を調整することによって実現した。もしくは、トラック幅方向の絶縁膜と硬磁性膜を形成した後、再度イオンビームによって所望の形状にエッチングしても良い。熱処理後に室温で硬磁性膜の着磁処理を行い、磁区制御膜４１として永久磁石を形成した。ＴＭＲ膜１０が配置されている部分での上部磁気シールド層２と下部磁気シールド層１との間隔Ｇｓは約３６ｎｍである。

上記実施例１においては、自由層１及び自由層２は、ＮｉＦｅ等の単層であるが、これらは、非磁性金属層を介した２層以上の強磁性層で構成され、各強磁性層の磁化が平行である多層膜であっても良い。また、前記非磁性中間層にはＲｕを使用したが、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ及びＲｈからなる群から選択される少なくとも一種の元素であれば良い。

上記のようにして作製した再生ヘッド１００と、垂直記録ヘッド１５０を組み合わせた垂直記録用磁気ヘッド１８０の媒体対向面から見た構成を図５に示す。垂直記録ヘッド１５０は、再生ヘッド１００の上部に厚さ５００ｎｍのアルミナ等からなる非磁性分離層６４を介して設けられた厚さ約２μｍのＮｉＦｅ合金等からなる副磁極７２と、副磁極７２の上部に磁気ギャップ７３を介して設けられた厚さ２００ｎｍのＦｅＣｏ合金等からなる主磁極７１を有する。主磁極７１と副磁極７２の間には、コイル８０（図６参照）が設けられている。主磁極７１は、上部の幅が広く下部の幅が狭い逆台形に形成されており、上部の幅５３は約１３０ｎｍである。浮上面（ＡＢＳ）における主磁極７１と副磁極７２との間の距離（磁気ギャップ７３の厚さ）は、約５μｍである。

図６に上記磁気ヘッド１８０を用いた垂直磁気記録の様子を模式的に示す。主磁極７１と副磁極７２の間のコイル８０に、所望のパターンの記録電流を通電することで、記録磁界１０１を主磁極７１と副磁極７２との間の磁気ギャップに発生させ、所望のパターンで垂直磁気記録媒体２００に印加し、記録層２１０上に磁化情報２０１を書き込む。主磁極７１が発生する磁界をより効果的に垂直記録に用いるため、記録層２１０の下地には、厚さ５ｎｍ程度の非磁性分離膜２３０と、その下に厚さ２００ｎｍ程度の軟磁性下地層２２０が形成されている。また、情報の再生は、記録層２１０に書かれた磁化情報２０１から漏洩する磁界を、ＴＭＲ膜１０で検出することで行う。

本実施例１の磁気ヘッド１８０を、垂直磁気記録媒体２００との間の磁気的スペーシングが１２ｎｍとなるように浮上させ、その記録再生特性を評価した。再生動作の安定性を確認するため繰り返し記録再生動作を行い、再生出力の変化を測定した。繰り返し記録再生１００００００回に対し、再生出力の変動は２．５％と良好であった。ここで再生出力変動を、再生出力の最大値と最小値の差分を、平均値で割った値として定義した。この結果から、安定な再生動作をしていることがわかった。次に、再生ヘッド１００のＳＮ比を測定したところ、約３１ｄＢと高い値を示した。ここで再生ヘッドのＳＮ比の計算で用いたノイズは、トータルノイズから媒体ノイズを差し引いたものである。比較のために、同一磁気抵抗効果膜を用い、同一素子サイズで従来構造の磁気ヘッドを作製し、記録再生特性を評価した。その結果、再生ヘッドＳＮ比は、約２８ｄＢと、本実施例の磁気ヘッドと比較して３ｄＢ低い値であった。このように、本実施例によれば、再生動作が安定で且つ高ＳＮ比を示す磁気ヘッドが得られる。

上記実施例１による磁気ヘッドの変形例を図７に示す。この磁気ヘッド１８０′は、主磁極７１のまわりにラップアラウンドシールド７４を有する構成であり、その他の構成は実施例１と同じである。ラップアラウンドシールド７４とは、主磁極７１のトレーリング側と両サイドに一体に設けられた磁気シールドのことである。ラップアラウンドシールド７４を設けることにより、主磁極７１からの記録磁界の磁界勾配を急峻にし、トラック幅方向の記録にじみを抑制することができる。勿論、トレーリングシールドと、サイドシールドとが別々に形成されても機能は同じである。ラップアラウンドシールド７４は、主磁極７１の上部及び両サイドにアルミナ等の非磁性層を介して、ＮｉＦｅ等からなる磁性層を形成することにより形成する。
＜実施例２＞
図８に実施例２による磁気ヘッドの概略斜視断面を示す。この磁気ヘッド３００は、面内記録用磁気ヘッドであり、上記実施例１による再生ヘッド１００と面内記録ヘッド３１０とを組み合わせたものである。面内記録ヘッド３１０は、再生ヘッド１００の上部に厚さ５００ｎｍのアルミナ等からなる非磁性分離層５４を介して設けられた下部コア５０と、上部コア５１と、これらのコア間に設けられた磁束を発生させるためのコイル５２を有している。コイル５２に所望のパターンの記録電流を通電することで、記録磁場を上下コア５１，５０の間の記録ギャップに発生させ、所望のパターンで磁気媒体に印加し、磁気媒体に所望の磁化方向を有する磁化情報を書き込む。また、磁気媒体に書かれた磁化情報から漏洩する磁場を、磁気抵抗効果膜１０で検出することで、情報を再生する。この磁気ヘッドにおいても、再生動作が安定で且つ高ＳＮ比を示す。

図９は上記実施例１あるいはその変形例あるいは実施例２による磁気ヘッドを搭載した磁気ディスク装置の構成例である。磁気的に情報を記録する記録媒体９６を保持するディスク９５をスピンドルモータ９３にて回転させ、アクチュエータ９２によってヘッドスライダ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９０上に形成された上記実施例１あるいはその変形例あるいは実施例２による磁気ヘッドが、アクチュエータ９２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、及び読み取るのである。アクチュエータ９２はロータリーアクチュエータ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、ヘッドスライダ９０を所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、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９２を制御して、ヘッドスライダ９０の位置決めを行うことができる。図９においては、ヘッドスライダ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９６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９０はディスクの両面に配置する。この磁気ディスク装置は、上記各実施例による磁気ヘッドを搭載することにより、高記録密度を実現することができる。また、実施例１あるいは変形例による垂直磁気記録ヘッドと垂直磁気記録ディスクを搭載することにより、面記録密度が１平方センチあたり300ギガビットを上回る磁気ディスク装置を実現することができる。

本発明に係る再生ヘッドを媒体対向面から拡大して示した概念図である。 本発明に係る再生ヘッドの自由層における磁区制御磁場の分布を示した図である。 本発明に係る再生ヘッドの電磁応答曲線を示した図である。 実施例１による再生ヘッドを媒体対向面から拡大して示した図である。 実施例１による垂直記録用磁気ヘッドを媒体対向面から見た図である。 実施例１による垂直記録用磁気ヘッドの垂直磁気記録の様子を模式的に示す図である。 実施例１の変形例による垂直記録用磁気ヘッドを媒体対向面から見た図である。 実施例２による面内記録用磁気ヘッドの概略斜視図である。 実施例による磁気ヘッドを搭載した磁気ディスク装置の概略構成図である。

符号の説明

１…下部磁気シールド層、２…上部磁気シールド層、３…下部電極層、４…上部電極層、１０…磁気抵抗効果膜、１２…下地層、１３…反強磁性層、１４…第一の強磁性固定層、１５…非磁性分離層、１６…第二の強磁性固定層、１７…障壁層、１８…自由層１、１９…非磁性中間層、２０…自由層２、２１…キャップ層、３０…絶縁層、４１…磁区制御膜、５０…下部コア、５１…上部コア、５２…コイル、５４…非磁性分離層、６４…非磁性分離層、７１…主磁極、７２…副磁極、７３…磁気ギャップ層、７４…ラップアラウンドシールド、８０…コイル、１００…再生ヘッド、１０１…記録磁界、１５０…垂直記録ヘッド、１８０，１８０′…垂直記録磁気ヘッド、２００…磁気ディスク、２０１…磁化情報、２１０…記録層、２２０…軟磁性下地層、２３０…非磁性分離膜、３００…面内記録磁気ヘッド、３１０…面内記録ヘッド。

Claims (16)

1. 下部磁気シールド層と、
   上部磁気シールド層と、
   前記下部磁気シールド層と上部磁気シールド層の間に設けられた、固定層と中間層と自由層を有する磁気抵抗効果膜と、
   前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に設けられた磁区制御膜と、を有し、
   前記自由層は非磁性中間層を介して積層された自由層１と自由層２を有し、前記自由層１は前記固定層に前記中間層を介して積層されており、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、前記自由層１の磁化量は前記自由層２の磁化量よりも大きく、
   さらに、前記自由層１と前記磁区制御膜との距離をSp1、前記自由層２と前記磁区制御膜との距離をSp2としたとき、Sp2＞Sp1であることを特徴とする磁気ヘッド。
2. 前記Sp1とSp2の関係が、Sp2＞２×Sp1であることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
3. 前記Sp1は前記自由層１の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であり、前記Sp2は前記自由層２の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
4. 前記下部磁気シールド層の上部に下部電極層を有し、前記上部磁気シールド層の下部に上部電極層を有することを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
5. 前記自由層１及び自由層２は、非磁性金属層を介した２層以上の強磁性層で構成され、各強磁性層の磁化は平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
6. 前記非磁性中間層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ及びＲｈからなる群から選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
7. 前記上部磁気シールド層に隣接して記録ヘッドを有することを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
8. 下部磁気シールド層と、
   上部磁気シールド層と、
   前記下部磁気シールド層と上部磁気シールド層の間に設けられた、固定層と中間層と自由層を有する磁気抵抗効果膜と、
   前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に設けられた磁区制御膜と、を有し、
   前記自由層は非磁性中間層を介して積層された自由層１と自由層２を有し、前記自由層１は前記固定層に前記中間層を介して積層されており、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、前記自由層１の飽和磁束密度と膜厚の積(Bs・t)₁は前記自由層２の飽和磁束密度と膜厚の積(Bs・t)₂よりも大きく、
   さらに、前記自由層１と前記磁区制御膜との距離をSp1、前記自由層２と前記磁区制御膜との距離をSp2、前記自由層１と前記上部磁気シールドとの距離をts、前記磁区制御膜の残留磁束密度と膜厚との積を(Br・t)_PM、前記自由層２に印加される反強磁性結合磁場をH_AF2、前記自由層２に印加される磁区制御磁場をH_bias2としたとき、(Br・t)_PM ≧(9×Sp1/ts)×{ (Bs・t)₁-(Bs・t)₂ } 且つH_AF2＞H_bias2を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
9. 前記H_AF2＞H_bias2を満たすために、前記Sp1とSp2の関係がSp2＞Sp1であることを特徴とする請求項８記載の磁気ヘッド。
10. 前記Sp1とSp2の関係が、Sp2＞２×Sp1であることを特徴とする請求項９記載の磁気ヘッド。
11. 前記Sp1は前記自由層１の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であり、前記Sp2は前記自由層２の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離であることを特徴とする請求項８記載の磁気ヘッド。
12. 前記下部磁気シールド層の上部に下部電極層を有し、前記上部磁気シールド層の下部に上部電極層を有することを特徴とする請求項８記載の磁気ヘッド。
13. 前記上部磁気シールド層に隣接して記録ヘッドを有することを特徴とする請求項８記載の磁気ヘッド。
14. 下部磁気シールド層を形成する工程と、
    前記下部磁気シールド層の上部に固定層と中間層と自由層１と非磁性中間層と自由層２を積層して磁気抵抗効果膜を形成する工程であって、前記自由層１の磁化と前記自由層２の磁化は互いに反平行であり、且つ前記自由層１の磁化量が前記自由層２の磁化量よりも大きい磁気抵抗効果膜を形成する工程と、
    前記磁気抵抗効果膜のトラック幅方向両端部に磁区制御膜を形成する工程であって、前記自由層１の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜との間の距離をSp1、前記自由層２の膜厚方向の中心と前記磁区制御膜の間の距離をSp2としたとき、Sp2＞Sp1を満たす磁区制御膜を形成する工程と、
    前記磁気抵抗効果膜及び磁区制御膜の上部に上部磁気シールド層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
15. 前記磁区制御膜を形成する工程は、前記Sp2＞Sp1を満たすようにスパッタされた磁性粒子の入射方向を調整する工程を含むことを特徴とする請求項１４記載の磁気ヘッドの製造方法。
16. 前記磁区制御膜を形成する工程は、硬磁性膜を形成する工程と、前記Sp2＞Sp1を満たすように前記硬磁性膜をイオンミリングによりパターニングする工程とを含むことを特徴とする請求項１４記載の磁気ヘッドの製造方法。

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