JP4359566B2

JP4359566B2 - 薄膜磁気ヘッド

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Publication number: JP4359566B2
Application number: JP2005000051A
Authority: JP
Inventors: 健一田中; 善明清水; 友宏山下; 拓哉清野; 高橋　　彰; 直也長谷川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-01-04
Also published as: JP2006190360A

Description

本発明は、磁気抵抗効果を発揮するスピンバルブ膜のトラック幅方向の両側に磁区制御層を備えた薄膜磁気ヘッドに関する。

スピンバルブ構造の薄膜磁気ヘッドは、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：ＧｉａｎｔＭｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＥｆｆｅｃｔ）を発揮するスピンバルブ膜を有している。スピンバルブ膜は、周知のようにフリー層／導電層／ピンド層／反強磁性層の積層構造をもち、媒体対向面に積層膜面が垂直で且つ一辺がトラック方向を向くように配置されている。ピンド層の磁化方向は反強磁性層との間に生じる交換結合磁界により一方向に固定され、このピンド層に導電層を介して対向するフリー層の磁化方向が外部磁界に応じて回転するようになっており、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とのなす角度によってスピンバルブ膜の抵抗が変化する。薄膜磁気ヘッドは、一定のセンス電流をスピンバルブ膜に与えることにより、該スピンバルブ膜の抵抗変化を電圧変化として検出する。

上記薄膜磁気ヘッドでは、バルクハウゼンノイズを抑制するため、スピンバルブ膜のトラック幅方向の両側に、磁区制御層を備えることが従来から知られている。磁区制御層は、外部磁界のないときにスピンバルブ膜のフリー層の磁区状態を制御するもので、反強磁性体を用いる態様、強磁性体を用いる態様、及び反強磁性体と強磁性体の積層体を用いる態様など、種々存在している。
特開２０００−７６６２５号公報

高記録密度化が進められている近年では、磁気記録媒体上のトラック方向のサイドリード低減効果のあるサイドシールドが注目されており、反強磁性体と強磁性体の積層体からなる磁区制御層の強磁性体として例えばＮｉＦｅ合金を用いると、サイドシールド効果を発揮することが実験的に検証されている。しかしながら、このＮｉＦｅ強磁性体を例えばＩｒＭｎからなる反強磁性体と積層して磁区制御層を構成した場合には、該ＮｉＦｅ強磁性体とＩｒＭｎ反強磁性体との界面に生じる交換結合磁界が弱く、実用化に向けての磁区制御層として使いづらいことが問題となっている。

本発明は、サイドシールド効果により磁気的トラック幅を小さくすること及び磁区制御層によりフリー層の磁区状態を良好に制御することを両立でき、ヘッド特性を向上させる薄膜磁気ヘッドを得ることを目的としている。

本発明は、磁区制御層の強磁性層として、反強磁性層との間に大きな交換結合磁界を生じさせる磁化増強層と、磁気シールド効果を発揮する軟磁性材料層とを積層して用いれば、磁気的トラック幅を小さくしつつフリー層の磁区状態を良好に制御できることに着目したものである。

すなわち、本発明は、巨大磁気抵抗効果を発揮するスピンバルブ膜のトラック幅方向の両側に、強磁性層と反強磁性層を積層してなる磁区制御層を備えた薄膜磁気ヘッドにおいて、強磁性層は、反強磁性層と直に接する第１の磁性層と、該第１の磁性層の直下位置に設けた第２の磁性層との２層構造で形成され、反強磁性層は、ＩｒＭｎ合金により形成され、第１の磁性層は、Ｆｅ _x Ｃｏ _100-x 合金（２０ａｔ％≦ｘ≦５０ａｔ％）で形成され、第２の磁性層は、Ｎｉ−Ｆｅ系合金、又は、Ｆｅ _y Ｃｏ _100-y 合金（０ａｔ％≦ｙ≦２０ａｔ％）により形成されている。

Ｆｅ_xＣｏ_100-x合金中のＦｅ濃度ｘが上記範囲内であれば、反強磁性層との界面に大きな交換結合磁界を生じさせることができ、フリー層の磁区を良好に制御可能である。Ｆｅ_yＣｏ_100-y合金は、Ｆｅ濃度ｙが上記範囲内であれば軟磁性特性を有し、磁気シールド効果を発揮することができる。

軟磁性材料層の直下には、Ｔａ、ＮｉＦｅＣｒ及びＮｉＣｒのうち１種または２種以上により形成された下地層を備えることができる。下地層を備えることにより、軟磁性材料層及び磁化増強層の結晶配向性を上げることができ、磁化増強層と反強磁性層との界面に生じる交換結合磁界が増大する。

反強磁性層には、ＩｒＭｎ合金を用いることができる。特にＩｒＭｎ合金を用いる場合には、磁化増強層との間に大きな交換結合磁界が得られるように、その組成がＩｒ_zＭｎ_100-z合金（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。

本発明によれば、サイドシールド効果により磁気的トラック幅を小さくすること及び磁区制御層によりフリー層の磁区状態を良好に制御することを両立でき、ヘッド特性を向上させる薄膜磁気ヘッドを得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明を説明する。各図において、Ｘ方向はトラック幅方向、Ｙ方向は記録媒体からの漏れ磁界方向、Ｚ方向は記録媒体の移動方向及びスピンバルブ膜を構成する各層の積層方向である。

図１は、本発明の第１実施形態による薄膜磁気ヘッドの構造を、記録媒体との対向面側から見て示す模式断面図である。この第１実施形態による薄膜磁気ヘッドは、巨大磁気抵抗効果を発揮するシングルスピンバルブ膜１を有しており、このシングルスピンバルブ膜１の膜面に対して平行にセンス電流が与えられるＣＩＰ型薄膜磁気ヘッドである。

シングルスピンバルブ膜１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁材料からなる下部ギャップ層２上に形成されていて、下部ギャップ層２側から順にシード層３、反強磁性層４、ピンド層（固定磁性層）５、導電層（非磁性材料層）６、フリー層（フリー磁性層）７及び保護層８を有している。シード層３は、反強磁性層４及び該反強磁性層４より上の層の結晶成長を整える下地層であり、ＮｉＦｅＣｒ合金、ＮｉＣｒ合金やＣｒなどで形成される。このシード層３と下部ギャップ層２の間にはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素を含む非磁性材料で形成された下地層が備えられてもよく、該下地層がシード層３の代わりに形成されていてもよい。反強磁性層４は、熱処理されることでピンド層５との間に大きな交換結合磁界を発生させ、ピンド層５の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。この反強磁性層４は、ＩｒＭｎ合金やＰｔＭｎ合金により形成されている。ピンド層５及びフリー層７は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｃｏまたはこれらの合金による、単層構造あるいは多層構造の磁性膜である。導電層６は、例えばＣｕで形成され、ピンド層５とフリー層７の磁気的な結合を防止する層であると共に、センス電流が主に流れる層である。保護層８はＴａ等により形成されている。図示されていないが、下部ギャップ層２の下には、アルチック基板側から順にアルミナ等の絶縁層、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ等からなる下地層、及びＮｉＦｅ系合金等からなる下部シールド層が形成されている。

シングルスピンバルブ膜１のトラック幅方向の両側には、下部ギャップ層２側から順に下地層９、磁区制御層１０及び電極層２０が備えられている。下地層９は、例えばＴａ、ＮｉＦｅＣｒ、またはＮｉＣｒにより形成され、磁区制御層１０を構成する強磁性層１１及び反強磁性層１２の結晶配向を整える機能を有している。電極層２０は、α−Ｔａ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｗ、Ｒｈ等で形成されている。

磁区制御層１０は、下地層９の上に形成された強磁性層１１と反強磁性層１２の積層体から構成されており、この強磁性層１１と反強磁性層１２の界面に生じる交換結合磁界をフリー層７に与えることで、該フリー層７の磁化をトラック幅方向に揃える。反強磁性層１２は、その結晶構造が面心立方構造であるＩｒ_zＭｎ_100-z合金（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）からなり、３０Å以上２００Å以下、より好ましくは３０Å以上８０Å以下の膜厚で形成されている。この膜厚範囲では、ＩｒＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界の方が、ＰｔＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界よりも大きくなる。ＩｒＭｎ合金は、ブロッキング温度が比較的高くかつブロッキング温度の低温成分が少なく、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。この反強磁性層１２はＰｔＭｎ合金により形成されていてもよい。

上記薄膜磁気ヘッドでは、磁区制御層１０を構成する強磁性層１１が、反強磁性層１２と直に接する磁化増強層（第１の磁性層）１１Ａと、この磁化増強層１１Ａと下地層９の間に介在する軟磁性材料層（第２の磁性層）１１Ｂとの２層構造で形成されている。

磁化増強層１１Ａは、反強磁性層１２との界面に大きな交換結合磁界を生じさせるべく、Ｆｅ_xＣｏ_100-x合金（２０ａｔ％≦ｘ≦５０ａｔ％）により形成されている。Ｆｅ_xＣｏ_100-x合金は、図２のグラフに示すようにＦｅ濃度ｘが２０ａｔ％≦ｘ≦５０ａｔ％の範囲内であれば、反強磁性層１２との間に生じる交換結合磁界の大きさが極大になることが明らかであり、フリー層７の磁化状態を良好に制御することができる。

軟磁性材料層１１Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ系合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ_yＣｏ_100-y合金（０ａｔ％≦ｙ≦２０ａｔ％）等の軟磁性材料により形成されている。この軟磁性材料層１１Ｂは、スピンバルブ膜１のトラック幅方向の両側に位置することで該スピンバルブ膜１のサイドシールド層として作用し、薄膜磁気ヘッドの磁気的トラック幅を狭小化させることができる。Ｆｅ_yＣｏ_100-y合金は、Ｆｅ濃度ｙが０ａｔ％≦ｙ≦２０ａｔ％を満たしていれば軟磁性特性を示し、Ｎｉ−Ｆｅ系合金やＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金と同様の磁気シールド効果を発揮する。図１に示されるように軟磁性材料層１１Ｂの膜厚は、磁化増強層１１Ａの膜厚よりも厚くなっている。

上記構成の第１実施形態による薄膜磁気ヘッドは、例えば、下部ギャップ層２の上にシングルスピンバルブ膜１を所定形状で形成し、このシングルスピンバルブ膜１の表面を覆うレジストを形成してから下地膜９、軟磁性材料層１１Ｂ、磁化増強層１１Ａ、反強磁性層１２及び電極層２０を順に積層形成し、レジストをリフトオフにより除去することで形成可能である。

以上のように第１実施形態では、磁区制御層１０の強磁性層１１が、ＩｒＭｎ反強磁性層１２に直に接して大きな交換結合磁界を生じさせる磁化増強層１１Ａと該磁化増強層１１Ａの直下位置に設けた磁気シールド効果を発揮する軟磁性材料層１１Ｂとの２層構造で形成されているので、軟磁性材料層１１Ｂによるサイドシールド効果により磁気的トラック幅を狭小化しつつ、磁化増強層１１ＡとＩｒＭｎ反強磁性層１２の界面に生じる大きな交換結合磁界によりスピンバルブ膜１のフリー層７の磁区状態を良好に制御することができる。上記サイドシールド効果としては、具体的に、トラック幅寸法１００ｎｍの薄膜磁気ヘッドにおいて約５〜１０％程度の磁気的トラック幅の改善効果が確認されている。これにより、更なる高記録密度化に向けて非常に有効なヘッド特性を有しているといえる。

図３は、本発明の第２実施形態による薄膜磁気ヘッドの構造を、記録媒体との対向面側から見て示す模式断面図である。この第２実施形態による薄膜磁気ヘッドは、巨大磁気抵抗効果を発揮するデュアルスピンバルブ膜１００を有しており、このデュアルスピンバルブ膜１００の膜面に対して垂直にセンス電流が与えられるＣＰＰ型薄膜磁気ヘッドである。本第２実施形態は、スピンバルブ膜の構造がデュアルタイプであること及びスピンバルブ膜と下地層の間に絶縁層を設けたこと以外の構成は、第１実施形態と同一である。

デュアルスピンバルブ膜１００は、ＮｉＦｅ合金等からなり電極層としても機能する下部シールド層１０１と上部シールド層１１５の間に形成されていて、下部シールド層１０１側から順にシード層１０３、下部反強磁性層１０４Ａ、下部ピンド層（下部固定磁性層）１０５Ａ、下部導電層（下部非磁性材料層）１０６Ａ、フリー層（フリー磁性層）１０７、上部導電層（上部非磁性材料層）１０６Ｂ、上部ピンド層（上部固定磁性層）１０５Ｂ、上部反強磁性層１０４Ｂ及び保護層１０８を有している。上記シード層１０３、下部反強磁性層１０４Ａ及び上部反強磁性層１０４Ｂ、下部ピンド層１０５Ａ及び上部ピンド層１０５Ｂ、下部導電層１０６Ａ及び上部導電層１０６Ｂ、フリー層１０７及び保護層１０８の構成や機能は、それぞれ第１実施形態のシード層３、反強磁性層４、ピンド層５、導電層６、フリー層７及び保護層８と実質的に同様である。

デュアルスピンバルブ膜１００のトラック幅方向の両側には、下部シールド層１０１側から順に絶縁層１１４、下地層１０９、磁区制御層１１０及び保護層１１３が備えられている。磁区制御層１１０は強磁性層１１１と反強磁性層１１２による積層体で形成されていて、さらに強磁性層１１１は、反強磁性層１１２に直に接して該反強磁性層１１２との間に生じる交換結合磁界を増強させる磁化増強層１１１Ａと、この磁化増強層１１１Ａ及び下地層１０９の間に例えばＮｉＦｅ合金により形成された軟磁性材料層１１１Ｂとの２層構造で形成されている。上記下地膜１０９及び磁区制御層１１０（磁化増強層１１１Ａ、軟磁性材料層１１１Ｂ、反強磁性層１１２）の構成及び機能は、それぞれ第１実施形態の下地層９及び磁区制御層１０（磁化増強層１１Ａ、軟磁性材料層１１Ｂ、反強磁性層１２）と実質的に同一である。保護層１１３は、例えばＴａ等の耐食性に優れた非磁性金属材料または絶縁材料で形成されている。この保護層１１３は形成されていてもいなくても特に構わない。

絶縁層１１４は、例えばＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の絶縁材料により形成され、デュアルスピンバルブ膜１００のフリー層１０７を覆う形状でデュアルスピンバルブ膜１００と下地層１０９の間に介在していることが好ましい。この絶縁層１１４が存在することにより、デュアルスピンバルブ膜１００に与えられたセンス電流の分流が抑制され、ヘッド出力を高めることができる。

上記構成の第２実施形態による薄膜磁気ヘッドは、例えば、下部シールド層１０１の上にデュアルスピンバルブ膜１００を所定形状で形成し、このデュアルスピンバルブ膜１００の表面を覆うレジストを形成してから絶縁層１１４、下地層１０９、軟磁性材料層１１１Ｂ、磁化増強層１１１Ａ、反強磁性層１１２及び保護層１１３を順に積層形成し、レジストをリフトオフにより除去することで形成可能である。

以上のようにＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ薄膜磁気ヘッドに本発明を適用した第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、軟磁性材料層１１１Ｂのサイドシールド効果により磁気的トラック幅を狭小化しつつ、磁化増強層１１１Ａと反強磁性層１１２の界面に生じる大きな交換結合磁界によりデュアルスピンバルブ膜１００のフリー層１０７の磁区状態を良好に制御することができる。

以上では、ＣＩＰ構造のシングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッド及びＣＰＰ構造のデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドに本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明は、スピンバルブ膜自体の構成を問わずに適用可能である。つまり、本発明はデュアルスピンバルブ型にもシングルスピンバルブ型にも適用可能であり、またＣＩＰ型にもＣＰＰ型にも適用可能であり、さらにトップスピンバルブ型及びボトムスピンバルブ型のいずれにも適用可能である。

本発明の第１実施形態によるシングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッド（ＣＩＰ型ＧＭＲヘッド）の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す断面図である。Ｆｅ_xＣｏ_100-x合金中のＦｅ濃度と、積層したＩｒＭｎ反強磁性層とＦｅ_xＣｏ_100-x合金との間に発生する交換結合磁界の大きさとの関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態によるデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッド（ＣＰＰ型ＧＭＲヘッド）の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す断面図である。

符号の説明

１シングルスピンバルブ膜
２下部ギャップ層
３シード層
４反強磁性層
５ピンド層（固定磁性層）
６導電層（非磁性材料層）
７フリー層
８保護層
９下地層
１０磁区制御層
１１強磁性層
１１Ａ磁化増強層（Ｆｅ_xＣｏ_100-x合金）
１１Ｂ軟磁性材料層
１２反強磁性層
２０電極層
１００デュアルスピンバルブ膜
１０１下部シールド層（下部電極層兼用）
１０３シード層
１０４Ａ下部反強磁性層
１０４Ｂ上部反強磁性層
１０５Ａ下部ピンド層（下部固定磁性層）
１０５Ｂ上部ピンド層（上部固定磁性層）
１０６Ａ下部導電層（下部非磁性材料層）
１０６Ｂ上部導電層（上部非磁性材料層）
１０７フリー層（フリー磁性層）
１０８保護層
１０９下地層
１１０磁区制御層
１１１強磁性層
１１１Ａ磁化増強層
１１１Ｂ軟磁性材料層
１１２反強磁性層
１１３保護層
１１４絶縁層
１１５上部シールド層（上部電極層兼用）

Claims

巨大磁気抵抗効果を発揮するスピンバルブ膜のトラック幅方向の両側に、強磁性層と反強磁性層を積層してなる磁区制御層を備えた薄膜磁気ヘッドにおいて、
前記強磁性層は、前記反強磁性層と直に接する第１の磁性層と、該第１の磁性層の直下位置に設けた第２の磁性層との２層構造で形成され、
前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ合金により形成され、
前記第１の磁性層は、Ｆｅ _x Ｃｏ _100-x 合金（２０ａｔ％≦ｘ≦５０ａｔ％）により形成され、
前記第２の磁性層は、Ｎｉ−Ｆｅ系合金、又は、Ｆｅ _y Ｃｏ _100-y 合金（０ａｔ％≦ｙ≦２０ａｔ％）により形成されていることを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
請求項１記載の薄膜磁気ヘッドにおいて、前記軟磁性材料層の直下に、Ｔａ、ＮｉＦｅＣｒ、及びＮｉＣｒのうち１種または２種以上により形成された下地層を備えた薄膜磁気ヘッド。
請求項２記載の薄膜磁気ヘッドにおいて、前記下地層と前記スピンバルブ膜との間に、絶縁層が介在している薄膜磁気ヘッド。
請求項１〜３の何れか一項記載の薄膜磁気ヘッドにおいて、前記反強磁性層は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z合金（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％）で形成されている薄膜磁気ヘッド。
請求項１〜３の何れか一項記載の薄膜磁気ヘッドにおいて、前記反強磁性層は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z合金（ｚはａｔ％で１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）で形成されている薄膜磁気ヘッド。