JP5383145B2

JP5383145B2 - 磁気再生ヘッド

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Authority: JP
Inventors: 裕之片田; 正人椎本; 裕之星屋
Original assignee: エイチジーエスティーネザーランドビーブイ
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Filing date: 2008-10-15
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Description

本発明は磁気記録再生装置及び磁気ヘッドに関し、特に、高記録密度磁気記録再生装置に用いる磁気再生ヘッド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とした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左右する部分である。

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効果、が大きいことがよく知られている。この場合、磁気抵抗効果は非磁性中間層を挟んだ２層の強磁性層の磁化と磁化のなす角によって電気抵抗が変化する。この巨大磁気抵抗効果を磁気抵抗素子として用いる場合には、スピンバルブとよばれる構造が提唱されている。スピンバルブ構造は、反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の構造を有し、反強磁性層／強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により反強磁性層と接した強磁性層の磁化を実質的に固定し、他方の強磁性層の磁化が外部磁界によって自由に回転することで出力を得ることができる。上記磁化が反強磁性層により実質的に固定される強磁性層を磁化固定層、上記磁化が外部磁場によって回転する強磁性層を磁化自由層と呼ぶことにする。

上記基本構成は現在応用に供されているＧＭＲ、詳細にはＣＩＰ−ＧＭＲやトンネル磁気抵抗効果素子いわゆるＴＭＲ、及び垂直通電型ＧＭＲいわゆるＣＰＰ−ＧＭＲについて共通である。また、再生センサでは、すべての外部磁界から感知すべき磁界を選択するために、上記磁気抵抗効果素子を挟むように一対の磁気シールドが設けられている。

磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいては、主に磁化自由層の磁化が熱によりランダムに揺らぐことによりノイズが発生することが良く知られており、これはマグノイズと呼ばれている。マグノイズの大きさは磁化自由層の体積の逆数の平方根に比例する。ハードディスクを主とする磁気記録再生装置の記憶容量が大きくなる、すなわち磁気記録再生装置に搭載される記録媒体に書き込まれる情報の記録密度が高まるほど、それを読み出す磁気抵抗効果型磁気ヘッドのサイズは小さくなる。したがって、記録密度が高くなるほど磁化自由層の体積も減少するためマグノイズが大きくなってしまう。その結果、再生センサの信号対ヘッドノイズ比（ヘッドＳＮ比）を劣化させてしまうという問題が生じる。

特開２００２−１５１７５８号公報

マグノイズの増加によるヘッドＳＮ比の劣化を抑制するために、磁化自由層の膜厚を厚くして体積を増加させようとする場合には以下の問題が生じる。一つ目は記録媒体からの感知すべき信号磁界の大きさに対する磁化自由層の磁化量の比が大きくなってしまい、磁化自由層の感知すべき信号磁界に対する感度、すなわち再生出力が低下してしまう点である。その結果、マグノイズの増加を抑えることができても、磁気抵抗効果型磁気ヘッドの出力が低下してしまうためにＳＮ比は劣化してしまう。二つ目は磁化自由層を磁区制御しているバイアス層からの印加磁界が相対的に低下してしまい、磁化自由層の実効的な異方性磁界が低減してしまう。その結果、磁化自由層の体積を増加させてもマグノイズは低減しないという問題が生じる。

本発明は、出力を劣化させることなく磁気抵抗効果型磁気ヘッドに発生するマグノイズを低下でき、高いヘッドＳＮ比を実現できる磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することを目的とする。

磁気抵抗効果型磁気ヘッドに発生するマグノイズを低下させ、高いＳＮ比を実現して高記録密度化を達成するために、本発明では以下の手段を用いる。

磁気抵抗効果ヘッドとして、反強磁性層／磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層／磁化安定層の積層構造を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いる。ここで反強磁性層は磁化固定層の磁化を実質的に固定するための交換結合バイアスを印加するものであって、直接磁化固定層に密着して形成しても、間接的に磁気的結合を経て効果をもたらしてもよい。あるいは反強磁性層の替わりに他のバイアス印加手段、例えば、硬磁性膜の残留磁化を用いたり、電流バイアスを用いたりしてもよい。磁化固定層は、第１の固定層と第２の固定層が反平行結合層を介してお互いの磁化が反平行になるように結合した、積層フェリ固定層を用いてもよい。このとき、その結合は感知すべき磁場に対して十分に大きいことが必要である。具体的な反平行結合磁界の大きさは数百から数千エルステッド程度である。その結果、第２の磁化固定層の磁化は感知すべき磁場に対して固定している。磁化自由層は感知すべき磁場に対応して磁化の方向を変化させる。感知すべき磁場に対応して方向を変化させる磁化自由層の磁化と感知すべき磁場に対して固定している磁化固定層あるいは第２の固定層の磁化の相対角度により出力が発生する。また、磁化自由層を単磁区化するために、バイアス層を配置してもよい。このバイアス層は、望ましくは感知すべき磁界に対して十分大きな保磁力を有する高保磁力膜を、磁化自由層のトラック幅方向の端部に互いの端部が近接するように配置したものである。

本発明の重要な点は、磁化自由層に隣接して磁化安定層を設置する点である。磁化安定層は積層構造であり、非磁性結合層／第一の強磁性安定層／反平行結合層／第二の強磁性安定層からなる。磁化自由層と磁化安定層の非磁性結合層が隣接している。ここで第一の強磁性安定層の磁化量と第二の強磁性安定層の磁化量は実質的に略等しく、第一の強磁性安定層の磁化と第二の強磁性安定層の磁化は反平行結合層を通じて各々の磁化が反平行方向になるように磁気的結合を有している。その結合は感知すべき磁場に対して十分に大きいことが必要である。第一の強磁性安定層の磁化と磁化自由層は非磁性結合層を介して、各々の磁化が磁気的に結合している。このとき、磁化自由層の磁化と第一の強磁性安定層の磁化が反平行になるように反強磁性的に結合してもよいし、あるいは平行になるように強磁性的に結合してもよい。その結合は感知すべき磁場に対して十分に大きいことが必要である。

本発明の構造では、磁化自由層、第一の強磁性安定層、ならびに第二の強磁性安定層の磁化は互いに磁気的に結合するため一体として動くようになる。したがって、磁化安定層の設置は磁化自由層の実効的な体積の増加と等価であり、マグノイズを低減できるのである。また、信号磁界に対する感度という観点から見ると、第一の強磁性安定層の磁化と第二の強磁性安定層の磁化は大きさが略等しく、かつ互いに反平行方向であるため、これらの磁化量は実質的に相殺されるため、再生ヘッドの感度は磁化自由層の磁化量だけで決定される、すなわち磁化安定層がない場合と同じ出力が得られる。このように磁化安定層を有する磁気抵抗効果型ヘッドは、出力を一定に保ったままヘッドノイズのみを低減することができるので、高いヘッドＳＮ比を実現できるのである。

磁気抵抗効果型ヘッドは一般的にスピンバルブ素子を挟むように一対の磁気シールドを有する。磁化自由層側の磁気シールドを第一の磁気シールド、磁化固定層側の磁気シールドを第二の磁気シールドと呼ぶことにする。第一の磁気シールドと磁化安定層の距離が近い場合、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層の磁化を実質的に相殺するためには両者の磁化量に差をつけた方が良い場合がある。理由は次の通りである。第一の磁気シールドと第二の強磁性安定層が離れている場合には、第二の強磁性安定層のトラック端部から発生する磁場と第一の強磁性安定層のトラック端部から発生する磁場は閉磁路を構成している。ところが第二の強磁性安定層と第一の磁気シールドの距離が近い場合には、第二の強磁性安定層のトラック端部から発生する磁場の一部が第一の磁気シールドに吸われる。その結果、閉磁路のバランスが崩れ、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層の静磁結合が弱まってしまうために、磁化自由層、第一の強磁性安定層、第二の強磁性安定層が一体として動かなくなるためにノイズが増加してしまうのである。このような場合、第二の強磁性安定層の磁化量を、例えば膜厚を増やしたり飽和磁化の大きな材料を用いたりすることにより適度に増加させ、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層と第一の磁気シールドにて閉磁路を構成することによって、実質的に第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層の磁化量を相殺することができる。具体的には、第一の磁気シールドと第二の強磁性安定層の間隔をｄとし、第一の強磁性安定層の磁化をＭ３とし、第二の強磁性安定層の磁化をＭ５としたとき、

となる関係式を満たせばよい。

磁化安定層の別構成として、強磁性安定層を２層以上の多層構造とし、各々の層間に反平行結合層を挿入した構成でもよい。この場合も、反平行結合層を介した強磁性安定層の磁化が反平行に結合し、全体として実質的に磁化量が相殺され、閉磁路を構成する構成が望ましい。

本発明によると、再生出力を低下させることなく、熱揺らぎノイズを低減することができ、高いヘッドＳＮ比を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
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１〜６ｍＴｏｒｒ（０．１〜０．８パスカル）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−２０ａｔ％鉄合金、銅、Ｃｏ−Ｆｅ、ＭｎＰｔ、ルテニウム、アルミナ、ＭｎＩｒ又はＭｎＩｒＣｒ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（６．４ｋＡ／ｍ）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、ＭｎＩｒ、あるいはＭｎＩｒＣｒ反強磁性膜の交換結合磁界を着磁処理し、室温での磁気抵抗を測定して評価した。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。

作製した磁気ヘッドの出力は、回転する磁気ディスク上にロードさせた状態で、ディスク上に書かれた１００ｋＦＣＩの信号を再生して測定した。ヘッドノイズは、磁気ヘッドを磁気ディスクからアンロードした状態でスペクトラムアナライザーを用いて測定した。

図１は、本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を記録媒体対向面から見たときの模式図である。この磁気抵抗効果ヘッドは以下の構成を有する。反強磁性層２５、第一の磁化固定層２４、固定層反平行結合層２３、第二の磁化固定層２２、非磁性中間層２１、磁化自由層１、非磁性結合層２、第一の強磁性安定層３、反平行結合層４、第二の強磁性安定層５、保護層２６を連続して形成している。非磁性結合層２、第一の磁化安定層３、反平行結合層４、第二の磁化安定層５を総じて磁化安定層１１と呼ぶ。

磁化自由層１の磁化と第一の強磁性安定層３の磁化は非磁性結合層２を介して反強磁性的に結合しており、第一の強磁性安定層３の磁化と第二の強磁性安定層５の磁化は反平行結合層４を介して反強磁性的に結合している。

磁化自由層１、第一の強磁性安定層３、第二の強磁性安定層５はＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金の積層膜から形成しているが、ＣｏＦｅＢ合金やＣｏＭｎＧｅホイスラー合金、ＣｏＭｎＳｉホイスラー合金、ＣｏＣｒＡｌホイスラー合金、ＣｏＦｅＡｌ合金の単層膜、あるいはこれらを組み合わせた積層膜を用いてもよい。非磁性中間層２１には巨大磁気抵抗効果を発生させるためにＣｕを用いているが、ＡｕやＡｇ、あるいはこれらの合金を用いてもよい。また、トンネル磁気抵抗効果を発生させるためにアルミナ、チタン酸化物、ＭｇＯを用いてもよい。第一の磁化固定層２４、第二の磁化固定層２２にはＣｏＦｅ合金を用いているが、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金、ＣｏＭｎＳｉホイスラー合金、ＣｏＣｒＡｌホイスラー合金、ＣｏＦｅＡｌ合金の単層膜、あるいはこれらを組み合わせた積層膜を用いてもよい。第一の磁化固定層２４と第二の磁化固定層２２に同一材料を使用しても良いし、異なる材料を用いても良い。

固定層反平行結合層２３には、第一の磁化固定層２４の磁化と第二の磁化固定層２２の磁化を反強磁性的に結合させるために、厚さを適切に選んだＲｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔなどの材料を用いれば良い。反強磁性的な結合の大きさは１キロエルステッド、すなわち８０ｋＡ／ｍ以上の強い反強磁性的な結合が望ましい。固定層反平行結合層２３は、第一の磁化固定層２４の磁化と第二の磁化固定層２２の磁化を互いに反平行に配列させる交換結合を印加して、第二の磁化固定層２２の磁化を感知すべき磁場に対して固定する効果がある。ここで第一の磁化固定層２４を単層の磁性体から形成したり、２層や４層以上の積層体から形成したりしても本発明の主旨に反するものではない。

非磁性結合層２には、磁化自由層１と第一の強磁性安定層３の磁化を反強磁性的に結合させるために、膜厚０．４ｎｍのＲｕを用いているが、厚さを適切に選んだＩｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔなどの材料を用いてもよい。

反平行結合層４には、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化を反強磁性的に結合させるために、膜厚０．４ｎｍのＲｕを用いているが、厚さを適切に選んだＩｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔなどの材料を用いてもよい。

なお、各層の形成順序を逆転させて、第二の強磁性安定層、反平行結合層、第一の強磁性安定層、非磁性結合層、磁化自由層、非磁性中間層、第二の磁化固定層、固定層反平行結合層、第一の磁化固定層、反強磁性層の順に形成してもよい。

磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の両側にはバイアス層２７が設けられている。バイアス層２７と磁化自由層１との間には非磁性体２８を形成する。バイアス層２７から印加される磁場によって磁化自由層１は磁区制御され、感知すべき磁場に対して所望の利用率で動作する。バイアス層２７は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金で形成される。これらの合金の結晶構造は、面心立方構造と稠密六方構造の混相となるのが一般的である。非磁性体２８は、磁気ヘッドが垂直通電型であれば絶縁材料で形成され、面内通電型であれば導電性材料を用いる。絶縁材料には、一般的なアルミナや酸化シリコンなどが用いられる。導電性材料としては、Ｃｒ，Ｃｕのような金属が用いられる。

再生ヘッドに生じるヘッドノイズＮ_hは、次式で表される。
Ｎ_h＝（Ｎ_e ²＋Ｎ_mag ²）^1/2 （１）
Ｎ_eは電気的ノイズであり、巨大磁気抵抗効果を発現する素子の場合はジョンソンノイズに対応し、トンネル磁気抵抗効果を発現する素子の場合はショットノイズに対応する。Ｎ_magは熱揺らぎノイズ（マグノイズ）であり、次式のように表される。

ここでΔＲは磁気センサの最大抵抗変化量、Ｈ_stiffは磁気センサが受ける実効的な異方性磁界、ｋ_B（＝１．３８×１０^-23Ｊ／Ｋ）はBoltzman定数、Ｔは素子温度、αはGilbert damping定数、μ₀は真空の透磁率、Ｍｓは自由層の飽和磁化、Ｖは磁化自由層の体積、γ（＝２．７８×１０³ｍ／Ａｓ）はジャイロ磁気定数である。

図２は、従来技術と本発明の第一の構造におけるヘッドノイズの一例を示す図である。（Ａ）は磁化安定層のない従来技術による構造で、磁化自由層は膜厚３ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³である。（Ａ）を記録媒体対向面から見たときの模式図を図３に示す。（Ｂ）は磁化安定層を有する本発明の第一の構造で、磁化自由層は（Ａ）と同じく膜厚３ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³で、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層がともに膜厚２ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³となる構成である。図１が（Ｂ）に対応する。（Ｃ）は磁化安定層のない従来技術による構造であるが、自由層膜厚７ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³とし、磁化量が（Ｂ）と同等になる構成である。（Ｃ）を記録媒体対向面から見たときの模式図を図４に示す。

本発明の構造である（Ｂ）のヘッドノイズは、従来技術（Ａ）に比べて小さくなっている。これは（Ｂ）においては磁化自由層１の磁化Ｍ１と第一の強磁性安定層３の磁化Ｍ３は非磁性結合層２を介して磁気的に結合しているため一体として動き、また第一の強磁性安定層３の磁化Ｍ３と第二の強磁性安定層５の磁化Ｍ５は反平行結合層を介して磁気的に結合しているため一体として動くために、Ｍ１とＭ３とＭ５は一体として動く。したがって、（Ｂ）におけるマグノイズの式（２）中のＶの値は（Ａ）に比べて７．３倍大きくなり、その結果マグノイズが（１／７．３）^1/2に低下するためにヘッドノイズが低下するのである。一方、（Ｃ）の磁性層は（Ｂ）の磁性層と同じ体積を持っているにもかかわらず、（Ｂ）と同等までノイズが低減していない。（Ｃ）は（Ａ）に比べて磁化自由層膜厚が厚いためにＶが大きいのであるが、磁化自由層膜厚が厚いために、磁化自由層の磁化量が増加し、バイアス層から印加される磁化自由層を安定化させる磁界が（Ａ）に比べて相対的に小さくなってしまっている。したがって、（Ｃ）では磁化自由層の安定度を示す指標である、実効的な磁気異方性磁界Ｈ_stiffが小さくなってしまうため、マグノイズの式（２）からも明らかなように、Ｖを大きくしているにもかかわらず、マグノイズの低減効果が小さいのである。本発明の構造である（Ｂ）においては、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化量が略等しいため、マクロに見るとこれらの磁化量が相殺されるために実効的な磁気異方性磁界Ｈ_stiffの大きさは従来技術である（Ａ）と同等の大きさを維持することができる。このように本発明の構造である（Ｂ）では、Ｈ_stiffを小さくすることなく体積Ｖのみを増加させることができるので、マグノイズを低減し、結果ヘッドノイズを低減することができるのである。

図５に、第一の強磁性安定層３の磁化量Ｍ３と第二の強磁性安定層５の磁化量Ｍ５の比を変えたときのヘッドノイズの変化を示す。各層における磁化量は各層を構成する材料の飽和磁化と層の体積の積であらわされる。したがって各層の飽和磁化を変化させてもよいし、膜厚を変化させてもよいし、あるいは飽和磁化と膜厚の双方を変化させてもよい。図５には、第二の磁化安定層５と第一の磁気シールド３１間の距離が４ｎｍの場合の結果を示している。また、図中には磁化安定層のない従来技術の構造の再生ヘッドにおけるヘッドノイズの値をあわせて示した。

第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化比Ｍ５／Ｍ３が０．９より大きい場合では、従来技術より低いヘッドノイズが観察された。これは先述したように、磁化自由層１と第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化が一体となっていることにより、実効的な体積が増加することでマグノイズが低減しているからである。

Ｍ５／Ｍ３が１以下の場合、第二の強磁性安定層５のトラック端部から第一の強磁性安定層３のトラック端部へ印加される静磁界の大きさが相対的に小さくなってしまう、すなわち第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層間５の静磁結合が弱まってしまう。トラック端部では反磁界が大きく、トラック端部での静磁結合の劣化は第一の磁化安定層３と第二の磁化安定層５の結合を劣化させやすい。第一の強磁性安定層３の磁化は、バイアス層２７から印加される磁界方向と逆方向であるため、特にトラック端部において結合が劣化しやすい。このように磁化自由層１と第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５が完全に一体として動かなくなるために、マグノイズは従来技術と同程度まで大きくなってしまうのである。

第二の強磁性安定層５の磁化量が第一の強磁性安定層３の磁化量を上回る場合、すなわちＭ５／Ｍ３が１以上の場合では、第二の強磁性安定層５に印加される静磁界の大きさが相対的に小さくなってしまう。しかし、第二の強磁性安定層５の磁化方向は、バイアス層２７から印加される磁界と同じ方向であるため、トラック端部が不安定になってマグノイズが大きくなることはない。

図６に第一の強磁性安定層３の磁化量Ｍ３と第二の強磁性安定層５の磁化量Ｍ５の比を変えたときの再生出力の変化を示す。図６には、第二の強磁性安定層５と第一の磁気シールド間３１の距離が４ｎｍの場合の結果を示している。また、図中には磁化安定層１１のない従来技術の構造の再生ヘッドにおける再生出力の値をあわせて示した。

磁化比Ｍ５／Ｍ３が１．４以下の範囲において、従来技術による構造と同等の出力が観察された。
出力Ｖ_p-pは
Ｖ_p-p＝ｅ・Ｖｂ・ＭＲ（３）
と表される。ここでｅは利用率であり、ディスクからの信号磁界により変化する抵抗量を最大抵抗変化量で割った値である。Ｖｂは再生ヘッドの駆動電圧、ＭＲは最大抵抗変化率である。

Ｍ５／Ｍ３が１以上、すなわち第二の強磁性安定層の磁化量が第一の強磁性安定層の磁化量より大きな場合であっても、Ｍ５／Ｍ３が１．４以下の範囲では、第二の強磁性安定層５のトラック端部から発生する静磁界の一部は第一の磁気シールドに吸収されるために、閉磁路を形成しており、互いに反平行を向いた第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化は実質的に略相殺されている。その結果、ヘッド全体の利用率ｅは、磁化安定層１１があっても、磁化自由層１の磁化量で決定される。したがってこの範囲では利用率ｅは磁化安定層１１のない従来技術の構造と略等しくなる。

一方、第二の強磁性安定層５の磁化量が第一の強磁性安定層３の磁化量の１．４倍より大きくなると、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化は相殺できなくなる。この場合、第二の強磁性安定層５と磁化自由層１の磁化方向が等しいために、磁化自由層１の磁化方向と同じ磁化量が増加したことに対応する。感知すべき信号磁場に対して磁化自由層１の磁化量が増加するため、利用率ｅが低下し、出力が低下するのである。

第二の強磁性安定層５と第一の磁気シールド３１の間隔ｄが小さくなるにつれて、第二の強磁性安定層５のトラック端部から発生する静磁界がより多く第一の磁気シールド３１に吸収されるようになるため、ヘッドノイズが増加し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３、ならびに出力が低下し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３は大きくなっていく。

またトラック幅や素子高さが変化しても、ヘッドノイズが増加し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３とｄの関係、ならびに出力が低下し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３とｄの関係は変わらない。ノイズの増加の要因はトラック端部での静磁結合の低下である。すなわちトラック端部に発生する磁化のみが重要である。また、出力の低下の原因は、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化が実質的に相殺されなくなることある。すなわち、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化の比のみが重要である。したがって、層の長さ、つまりトラック幅や素子高さ、には依存しないのである。また、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化比のみが重要であるから、磁化自由層１の磁化量、飽和磁化、膜厚にも依存しない。

図７は、図５示したノイズと図６で示した出力から計算したヘッドＳＮ比と磁化比Ｍ５／Ｍ３の関係（ｄ＝４ｎｍ）を示す。

ヘッドＳＮ比は次の式で表される。
Head SN＝２０×log（Ｖ_0-p／Ｎ_h）（４）
ヘッドＳＮ比はＭ５／Ｍ３が１．０以上１．４以下の範囲で、磁化安定層のない従来技術に比べて高い値を示しており、この範囲が再生出力を低下させることなくマグノイズを低減できる範囲である。

図８には、ｄを変化させたとき、図７に示すようなヘッドＳＮ比が従来技術に比べて高い値を示す磁化比Ｍ５／Ｍ３の範囲を斜線で示した。従来技術より高いヘッドＳＮ比を示すｄと磁化比の関係の下限はｄ＝０．９／（Ｍ５／Ｍ３−０．７）であり、上限はｄ＝１．１／（Ｍ５／Ｍ３−１．１）であった。したがって、

となる条件を満たす磁化安定層を用いることにより、再生出力を低下させることなくマグノイズを低減でき、高いヘッドＳＮ比を得ることができるのである。

図９は、本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの第二の構造を記録媒体対向面から見たときの模式図である。

反強磁性層２５、第一の磁化固定層２４、固定層反平行結合層２３、第二の磁化固定層２２、非磁性中間層２１、磁化自由層１、非磁性結合層２、第一の強磁性安定層３、反平行結合層４、第二の強磁性安定層５、保護層２６を連続して形成している。

磁化自由層１の磁化Ｍ１と第一の強磁性安定層３の磁化Ｍ３は非磁性結合層２を介して強磁性的に結合しており、第一の強磁性安定層３の磁化Ｍ３と第二の強磁性安定層５の磁化Ｍ５は反平行結合層４を介して反強磁性的に結合している。

非磁性結合層２には、磁化自由層１と第一の強磁性安定層３の磁化を強磁性的に結合させるために、膜厚０．６ｎｍのＲｕを用いているが、厚さを適切に選んだＩｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｃｕなどの材料を用いてもよい。反平行結合層４には、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化を反強磁性的に結合させるために、膜厚０．４ｎｍのＲｕを用いているが、厚さを適切に選んだＩｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔなどの材料を用いてもよい。

図１０は、従来技術と本発明の第一の構造と第二の構造におけるヘッドノイズの一例を示す。（Ａ）は磁化安定層のない従来技術による構造の一例で、磁化自由層は膜厚３ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³である。（Ａ）を記録媒体対向面から見たときの模式図を図３に示す。（Ｂ）は図１で示した磁化安定層を有する本発明の第一の構造の一例で、実施例１で示したものである。磁化自由層は（Ａ）と同じく膜厚３ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³で、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層がともに膜厚２ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³となる構成である。磁化自由層と第一の強磁性安定層は非磁性結合層を介して反強磁性的に結合している。（Ｄ）は図９で示した本発明の第二の構造の一例である。磁化自由層は（Ａ）と同じく膜厚３ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³で、第一の強磁性安定層と第二の強磁性安定層がともに膜厚２ｎｍ、飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ³となる構成である。磁化自由層と第一の強磁性安定層は、非磁性結合層を介して強磁性的に結合している。

本発明の第二の構造である（Ｄ）のヘッドノイズは従来技術（Ａ）に比べて小さくなっており、本発明の第一の構造である（Ｂ）と同等である。これは（Ｄ）においても（Ｂ）と同様に、磁化自由層の磁化Ｍ１と第一の強磁性安定層の磁化Ｍ３は非磁性結合層を介して磁気的に結合しているため一体として動き、また第一の強磁性安定層の磁化Ｍ３と第二の強磁性安定層の磁化Ｍ５は反平行結合層を介して磁気的に結合しているため一体として動くために、Ｍ１とＭ３とＭ５は一体として動く。したがって、（Ｄ）におけるマグノイズの式（２）中のＶの値は（Ａ）に比べて７．３倍大きくなり、その結果マグノイズが（１／７．３）^1/2に低下するためにヘッドノイズが低下するのである。

図１１に、第一の強磁性安定層の磁化量Ｍ３と第二の強磁性安定層の磁化量Ｍ５の比を変えたときのヘッドノイズの変化を示す。各層における磁化量は、各層を構成する材料の飽和磁化と層の体積の積であらわされる。したがって各層の飽和磁化を変化させてもよいし、膜厚を変化させてもよいし、あるいは飽和磁化と膜厚の双方を変化させてもよい。図１１には、第二の強磁性安定層５と第一の磁気シールド間３１の距離が４ｎｍの場合の結果を示している。また、図中には磁化安定層１１のない従来技術の構造の再生ヘッドにおけるヘッドノイズの値をあわせて示した。

第一の強磁性安定層３と第二の磁化安定層５の磁化比Ｍ５／Ｍ３が１．４以下の場合では従来技術より低いヘッドノイズが観察された。これは先述したように、磁化自由層１と第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化が一体となっていることにより、実効的な体積が増加することでマグノイズが低減しているからである。

Ｍ５／Ｍ３が１以上の場合であっても、１．４以下の場合には、第二の強磁性安定層５のトラック端部から発生する静磁界の一部は第一の磁気シールド３１に吸収されるため、第二の強磁性安定層５と第一の強磁性安定層３は閉磁路を形成する。しかし、Ｍ５／Ｍ３が１．４以上の場合、閉磁路が崩れ、第一の強磁性安定層３のトラック端部から第二の強磁性安定層５のトラック端部へ印加される静磁界の大きさが相対的に小さくなってしまう、すなわち第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５間の静磁結合が弱まってしまう。トラック端部では反磁界が大きく、トラック端部での静磁結合の劣化は第一の磁化安定層３と第二の磁化安定層５の結合を劣化させやすい。第二の強磁性安定層５の磁化は、バイアス層２７から印加される磁界方向と逆方向であるため、特にトラック端部において結合が劣化しやすい。このように磁化自由層１と第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５が完全に一体として動かなくなるために、マグノイズは従来技術と同程度まで大きくなってしまうのである。

第一の磁化安定層３の磁化量が第二の磁化安定層５の磁化量を上回る場合、すなわちＭ５／Ｍ３が１より小さい場合では、第二の磁化安定層５に印加される静磁界の大きさが相対的に小さくなってしまう。しかし、第一の磁化安定層３の磁化方向は、バイアス層から印加される磁界と同じ方向であるため、トラック端部が不安定になってマグノイズが大きくなることはない。

図１２に、第一の強磁性安定層３の磁化量Ｍ３と第二の強磁性安定層５の磁化量Ｍ５の比を変えたときの再生出力の変化を示す。図１２には、第二の強磁性安定層５と第一の磁気シールド３１間の距離が４ｎｍの場合の結果を示している。また、図中には磁化安定層１１のない従来技術の構造の再生ヘッドにおける再生出力の値をあわせて示した。

Ｍ５／Ｍ１が０．８以下になると、再生出力は従来技術に比べて低下する。第一の強磁性安定層３の磁化量が第二の強磁性安定層５の磁化量を上回り、磁化量を相殺できなくなると、第一の強磁性安定層３の磁化方向は磁化自由層と等しいため、磁化自由層１の磁化方向と同じ磁化量が増加したことに対応する。その結果、利用率が低下し、出力が低下するのである。

実施例１と同様に、第二の磁化安定層５と第一の磁気シールド３１の間隔ｄが小さくなるにつれて、第二の強磁性安定層５のトラック端部から発生する静磁界がより多く第一の磁気シールド３１に吸収されるようになるため、ヘッドノイズが増加し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３、ならびに出力が低下し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３は大きくなっていく。

またトラック幅や素子高さが変化しても、ヘッドノイズが増加し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３とｄの関係、ならびに出力が低下し始める磁化比Ｍ５／Ｍ３とｄの関係は変わらない。ノイズの増加の要因はトラック端部での静磁結合の低下である。すなわちトラック端部に発生する磁化のみが重要である。また、出力の低下の原因は、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化が実質的に相殺されなくなることある。すなわち、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化の比のみが重要である。したがって、層の長さ、つまりトラック幅や素子高さには依存しないのである。また、第一の強磁性安定層３と第二の強磁性安定層５の磁化比のみが重要であるから、磁化自由層１の磁化量、飽和磁化、膜厚にも依存しない。

図１３は、図１１で示したノイズと図１２で示した出力から計算したヘッドＳＮ比と磁化比Ｍ５／Ｍ３の関係（ｄ＝４ｎｍ）を示す。

ヘッドＳＮ比は次の式であらわされる。
Head SN＝２０×log（V_0-p／Ｎ_h）
ヘッドＳＮ比はＭ５／Ｍ３が０．８以上で１．４以下の範囲で、磁化安定層のない従来技術に比べて高い値を示しており、この範囲が再生出力を低下させることなくマグノイズを低減できる範囲であると言える。実施例１と同様に、第一の磁化安定層と第二の磁化安定層が閉磁路を形成し、これらの磁化が実効的に相殺される場合において従来技術より高いヘッドＳＮ比を得ることができるのである。

図１４には、ｄを様々に変化させたとき、図１３に示すようなヘッドＳＮ比が従来技術に比べて高い値を示す磁化比Ｍ５／Ｍ３の範囲を斜線で示した。実施例１と同様に、従来技術より高いヘッドＳＮ比を示すｄと磁化比の関係の下限はｄ＝０．９／（Ｍ５／Ｍ３−０．７）であり、上限はｄ＝１．１／（Ｍ５／Ｍ３−１．１）であった。したがって、

図１５は、本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの第三の構成例を記録媒体対向面から見たときの模式図である。

反強磁性層２５、第一の磁化固定層２４、固定層反平行結合層２３、第二の磁化固定層２２、非磁性中間層２１、磁化自由層１、磁化安定層１１からなり、磁化自由層１に隣接する磁化安定層１１はｎ層の強磁性体層と非磁性層の積層であり、非磁性結合層２／第一の磁強磁性安定層３／第一の反平行結合層４／・・・／第ｎ−１の強磁性安定層６／第ｎ−１の反平行結合層７／第ｎの強磁性安定層８という構成からなる。ｎは偶数とする。磁化自由層１と第一の強磁性安定層３は非磁性結合層２を介して反強磁性的に結合している。

磁化安定層１１を多層からなる強磁性体と反平行結合層で構成した場合においても、実施例１と同様に磁化安定層全体の磁化量が相殺され、閉磁路を形成していることが求められる。したがって、第一の磁化安定層３から第ｎ−１の磁化安定層６までの各層の磁化量が略等しいこと、ならびに、第ｎの磁化安定層８と第一の磁気シールド３１間の距離をｄとするとき、第ｎ−１の磁化安定層６の磁化Ｍ６と第ｎの磁化安定層８の磁化Ｍ７は実施例１で示した次の関係を満たす必要がある。

図１６は、本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの第四の構成例を記録媒体対向面から見たときの模式図である。

反強磁性層２５、第一の磁化固定層２４、固定層反平行結合層２３、第二の磁化固定層２２、非磁性中間層２１、磁化自由層１、磁化安定層１１からなり、磁化自由層１に隣接する磁化安定層１１はｎ層の強磁性体層と非磁性層の積層であり、非磁性結合層２／第一の磁強磁性安定層３／第一の反平行結合層４／・・・／第ｎ−１の強磁性安定層６／第ｎ−１の反平行結合層７／第ｎの強磁性安定層８という構成からなる。ｎは偶数とする。磁化自由層１と第一の強磁性安定層３は非磁性結合層２を介して強磁性的に結合している。

磁化安定層１１を多層からなる強磁性体と反平行結合層で構成した場合においても、実施例２と同様に磁化安定層全体の磁化量が相殺され、閉磁路を形成していることが求められる。したがって、第一の磁化安定層３から第ｎ−１の磁化安定層６までの各層の磁化量が略等しいこと、ならびに、第ｎの磁化安定層８と第一の磁気シールド３１間の距離をｄとするとき、第ｎ−１の磁化安定層６の磁化Ｍ６と第ｎの磁化安定層８の磁化Ｍ７は実施例２で示した次の関係を満たす必要がある。

図１７は、本発明の磁気抵抗効果膜を搭載した磁気ヘッドを垂直磁気記録装置に用いた場合の概念図である。スライダーを兼ねる基体５０上に第二の磁気シールド３２、磁気抵抗効果積層膜３０、第一の磁気シールド３１、副磁極６４、コイル６３、主磁極６１、主磁極を囲む磁気シールドであるラップアラウンドシールド６２を形成してなり、対向面８１を形成してなる。本図では第一の磁気シールドと副磁極を備えた構造になっているが、第一の磁気シールドと副磁極とを兼用した構造としても本発明の主旨を損なうものではない。また、ラップアラウンドシールド６２を有さない構造としても本発明の主旨を損なうものではない。

図１８は、本発明で垂直磁気記録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９５を保持するディスク９１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９１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９１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９１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９１は、両面に記録媒体９５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、マグノイズを低減することが可能となりヘッドＳＮ比が向上した。

本発明の構造は、ＧＭＲと呼ばれる巨大磁気抵抗効果を用いた面内電流型、あるいは垂直電流型の磁気センサ、磁気ヘッド、及びトンネル磁気抵抗効果の磁気センサ、磁気ヘッドに利用できる。

本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術による磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。従来技術による磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術及び本発明の特性例である。本発明の特性例である。本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術及び本発明の特性例である。従来技術及び本発明の特性例である。本発明の特性例である。本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。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。

符号の説明

１磁化自由層
２非磁性結合層
３第一の強磁性安定層
４反平行結合層
５第二の強磁性安定層
６第ｎ−１の強磁性安定層
７第ｎ−１の反平行結合層
８第ｎの強磁性安定層
１１磁化安定層
２１非磁性中間層
２２第二の磁化固定層
２３固定層反平行結合層
２４第一の磁化固定層
２５反強磁性層
２６保護層
２７バイアス層
２８非磁性体
３０磁気抵抗効果膜
３１第一の磁気シールド
３２第二の磁気シールド
５０基体
５１第二の導電性電極
５２第一の導電性電極
６１主磁極
６２ラップアラウンドシールド
６３コイル
６４副磁極
７１下地層
７２第一の磁気シールド下地層
７５保護膜
８１対向面
９０ヘッドスライダー
９１ディスク
９２アクチュエーター
９３スピンドルモーター
９４信号処理回路
９５磁気記録媒体
Ｍ１磁化自由層の磁化
Ｍ３第一の強磁性安定層の磁化
Ｍ５第二の強磁性安定層の磁化
Ｍ６第ｎ−１の強磁性安定層の磁化
Ｍ７第ｎの強磁性安定層の磁化

Claims

磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子挟む一対の磁気シールドとを備える磁気再生ヘッドにおいて、
前記磁気抵抗効果素子が磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層／磁化安定層からなる積層構造を有し、
前記磁化安定層が非磁性結合層／第一の強磁性安定層／反平行結合層／第二の強磁性安定層からなる構成を有し、
前記反平行結合層を介して前記第一の強磁性安定層の磁化と前記第二の強磁性安定層の磁化が反平行に結合しており、
前記非磁性結合層を介して前記磁化自由層の磁化と前記第一の磁化安定層の磁化が反平行に結合しており、
前記一対の磁気シールドのうち前記磁化自由層に近い側の磁気シールドを第一の磁気シールド、前記磁化固定層に近い側の磁気シールドを第二の磁気シールドとし、前記第一の磁気シールドと前記第二の強磁性安定層の間隔をｄ、前記第一の強磁性安定層の磁化をＭ３、前記第二の強磁性安定層の磁化をＭ５としたとき、次式を満たすことを特徴とする磁気再生ヘッド。
磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子挟む一対の磁気シールドとを備える磁気再生ヘッドにおいて、
前記磁気抵抗効果素子が磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層／磁化安定層からなる積層構造を有し、
前記磁化安定層が非磁性結合層／第一の強磁性安定層／反平行結合層／第二の強磁性安定層からなる構成を有し、
前記反平行結合層を介して前記第一の強磁性安定層の磁化と前記第二の強磁性安定層の磁化が反平行に結合しており、
前記非磁性結合層を介して前記磁化自由層の磁化と前記第一の磁化安定層の磁化が平行に結合しており、
前記一対の磁気シールドのうち前記磁化自由層に近い側の磁気シールドを第一の磁気シールド、前記磁化固定層に近い側の磁気シールドを第二の磁気シールドとし、前記第一の磁気シールドと前記第二の強磁性安定層の間隔をｄ、前記第一の強磁性安定層の磁化をＭ５、前記第二の強磁性安定層の磁化をＭ３としたとき、次式を満たすことを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項１記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性結合層及び反平行結合層にＲｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔを用いたことを特徴とする磁気再生ヘッド。
請求項２記載の磁気再生ヘッドにおいて、前記非磁性結合層及び反平行結合層にＲｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｃｕを用いたことを特徴とする磁気再生ヘッド。
磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子挟む一対の磁気シールドとを備える磁気再生ヘッドにおいて、
前記磁気抵抗効果素子が磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層／磁化安定層からなる積層構造を有し、
前記磁化安定層が非磁性結合層／第一の強磁性安定層／第一の反平行結合層／第二の強磁性安定層／・・・／第ｎ−１の反平行結合層／第ｎの強磁性安定層からなる構成を有し、
前記反平行結合層を介して隣り合う強磁性安定層の磁化が反平行に結合しており、
前記磁化自由層と前記第一の強磁性安定層は前記非磁性結合層を介して各々の磁化が反平行になるように結合しており、
前記第一の強磁性安定層から第ｎ−１の強磁性安定層までの磁化量がほぼ等しく、
前記一対の磁気シールドのうち前記磁化自由層に近い側の磁気シールドを第一の磁気シールド、前記磁化固定層に近い側の磁気シールドを第二の磁気シールドとし、前記第一の磁気シールドと前記第ｎの強磁性安定層の間隔をｄとし、前記第ｎ−１の強磁性安定層の磁化をＭ６、前記第ｎの強磁性安定層の磁化をＭ７としたとき、次式を満たすことを特徴とする磁気再生ヘッド。
磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子挟む一対の磁気シールドとを備える磁気再生ヘッドにおいて、
前記磁気抵抗効果素子が磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層／磁化安定層からなる積層構造を有し、
前記磁化安定層が非磁性結合層／第一の強磁性安定層／第一の反平行結合層／第二の強磁性安定層／・・・／第ｎ−１の反平行結合層／第ｎの強磁性安定層からなる構成を有し、
前記反平行結合層を介して隣り合う強磁性安定層の磁化が反平行に結合しており、
前記磁化自由層と前記第一の強磁性安定層は前記非磁性結合層を介して各々の磁化が平行になるように結合しており、
前記第一の強磁性安定層から第ｎ−１の強磁性安定層までの磁化量がほぼ等しく、
前記一対の磁気シールドのうち前記磁化自由層に近い側の磁気シールドを第一の磁気シールド、前記磁化固定層に近い側の磁気シールドを第二の磁気シールドとし、前記第一の磁気シールドと前記第ｎの強磁性安定層の間隔をｄとし、前記第ｎ−１の強磁性安定層の磁化をＭ６、前記第ｎの強磁性安定層の磁化をＭ７としたとき、次式を満たすことを特徴とする磁気再生ヘッド。