JP2002117508A

JP2002117508A - 磁気ヘッドおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2002117508A
Application number: JP2000313117A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hoshiya; 裕之星屋; Kenichi Meguro; 賢一目黒; Takao Imagawa; 尊雄今川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2002-04-19
Also published as: US6603643B2; US20020041473A1

Abstract

(57)【要約】【課題】出力が高く着磁が容易かつ安定なスピンバル
ブ型磁気ヘッドを提供する。【解決手段】強磁性固定層に酸化物層と反平行結合層
を挿入し、適切な強磁性膜の厚さと着磁磁界で熱処理す
ることで磁化量の制御された巨大磁気抵抗効果が高いス
ピンバルブ膜を得る。【効果】安価な設備、工程で狭ギャップ、狭トラックで
高出力、波形対称性の良い磁気ヘッドが得られ、高記録
密度の磁気記録再生装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録再生装置
および磁気抵抗効果素子に関し、特に、高記録密度磁気
記録再生装置と、その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平９−１６９２０には積層逆平行ピ
ン止め層と反強磁***換バイアス層を用いたスピンバル
ブ磁気抵抗センサの記載がある。

【０００３】特開平７−１６９０２６には反強磁性的結
合膜を用いたスピンバルブセンサの記載がある。

【０００４】特開平６―２３６５２７には磁界に応答す
るフィルタ層の背後に導電性の背後層を設けた磁気抵抗
センサの記述がある。

【０００５】特開平６−１１１２５２には反強磁性体の
層と強磁性層の間に軟磁性体の中間層を付着した磁気抵
抗センサの記述がある。

【０００６】米国特許ＵＳＰ５７６８０７１には反強磁
性膜と強磁性膜の間にＣｕなどの薄い不連続な非磁性層
を挿入して交換結合を改良したスピンバルブ型再生ヘッ
ドの記載がある。

【０００７】特開２０００−１５６５３０には磁化が実
質的に固定された第二の磁性層に酸化物などの第三の層
を含んだ磁気抵抗効果素子の記述がある。また、日本応
用磁気学会第２３回学術講演概要集６aA-5に極薄酸化層
を含んだ磁化固着層を有するスピンバルブ膜の記載があ
る。

【０００８】Digests of Intermag 2000、 FA-08には薄
い酸化物も用いた巨大磁気抵抗効果（GMR）膜の記載が
ある。同じくFA-07には酸化物の保護膜を自由層に積層
したGMR膜の記載がある。同じくBQ-12には酸化物の保護
膜を自由層に積層したGMR膜の記載がある。同じくFA-09
には磁性酸化層を用いたスピンバルブ膜の記載がある。

【０００９】Digests of Intermag 1999、 DB-01には酸
化層を挿入した固定層を用いたスピンバルブ膜の記載が
ある。

【００１０】Physcal Review B53、9108 (1996)およびJ
ounal of Applie Physics、 79、 5277 (1997)には酸化
物との界面の効果で巨大磁気抵抗効果が増加している旨
の記載がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】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
素子を実現し、さらに十分に対称性の良い良好な特性を
得ることが出来ず、記憶装置としての機能を実現するこ
とが困難であった。

【００１２】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。この場合、磁気抵抗
効果は、非磁性層で隔てられた強磁性層の、磁化と磁化
のなす角度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効果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。即ち、反
強磁性膜／強磁性層／非磁性層／軟磁性層の構造を有
し、反強磁性膜／強磁性層界面に発生する交換結合磁界
によって反強磁性膜と密着した強磁性層の磁化を実質的
に固定し、他方の軟磁性層が外部磁界によって磁化回転
することで出力を得ることができる。上記固定の効果を
固定バイアス、この効果を生じる反強磁性膜を固定バイ
アス膜とよぶことにする。また、上記磁化が実質的に固
定される強磁性層を固定層、もしくは強磁性固定層と呼
ぶことにする。同様に外部磁場によって磁化回転する軟
磁性膜を自由層もしくは軟磁性自由層と呼ぶことにす
る。固定層は、感知すべき磁界に対して、実質的に磁化
が固定されていることがその機能であり、反強磁性膜の
代わりに硬磁性膜、すなわち比較的大きな磁界が加わら
ない限り磁化が変化しない材料で代換することもでき
る。

【００１３】上記のようなスピンバルブ型磁気抵抗効果
積層膜を用いた磁気ヘッドでは、固定層の厚さとその磁
化の量が重要な因子となる。すなわち、対向面を露出す
る磁気ヘッドでは、外部磁界に対する再生ヘッドの波形
の対称性の一因子として固定層の磁化の量、すなわち磁
化と厚さの積に応じて膜の端部から磁界が漏洩し、自由
層の磁化方向に影響を与えるからである。近年の磁気記
録再生装置の高記録密度化に伴って、再生素子としての
スピンバルブセンサのサイズはますます細小化し、固定
層の端部の磁界漏洩の影響は大きくなっている。これに
対応するためには固定層の磁化の量を低減する、すなわ
ち、固定層の厚さを低減するか、固定層の磁束密度を低
減する必要がある。しかしながら、スピンバルブ積層膜
の固定層を単純に薄くすると、表面散乱の影響が大きく
なり、抵抗変化率の低下をもたらすため、再生センサと
しての性能を損なうことになる。同様にスピンバルブ積
層膜の固定層の磁束密度を低減するように固定層の組成
を変更すると、巨大磁気抵抗効果を損なうことになって
抵抗変化率の低下をもたらすため、やはり再生センサと
しての性能を損なうことになる。このような問題は自由
層についても同様で、特開平６―２３６５２７にはフィ
ルタ層と称する自由層の背後に導電層を設けて表面散乱
効果による抵抗変化率の低下を抑制する構成が提唱され
ている。また、一方でＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ
およびＪｏｕｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓには、酸化物の効果により、巨大磁気抵抗効果の向
上が見られることが指摘されており、さらに日本応用磁
気学会学術講演集には固定層中に酸化層を形成したスピ
ンバルブ膜の抵抗変化率が高いことが報告されている。

【００１４】しかしながらスピンバルブ型磁気抵抗効果
積層膜を磁気ヘッド、特に高記録密度の磁気記録再生装
置用の磁気ヘッドに適用するために、固定層に酸化物と
ともに反平行結合層を挿入すると、固定層は最低で３つ
の磁性膜と酸化物膜、さらに反平行結合層を積層した5
層以上の複雑な構成になってしまうことが容易に予想さ
れる。複雑な固定層の構造は、磁気抵抗効果素子として
の機能を達成するための一つの障害となる。スピンバル
ブ構造の動作に必要不可欠な固定バイアスを誘導して作
製することが困難になるのである。すなわち、磁気ヘッ
ドとして機能する際には前述したように所定の方向に固
定バイアスを印加するのであるが、磁気抵抗効果膜に磁
界を印加し、反強磁性膜に接する磁性膜の磁化を所定の
方向に飽和せしめた状態で熱処理を行って固定バイアス
を印加するのがその製造方法である。しかるに、固定層
が複雑な構成を有し、さらにその中には隣接した磁性膜
の磁化状態を反平行方向に強く保とうとする性質の反平
行結合層を有するので、従来の技術を組み合わせただけ
の磁気抵抗効果素子を作製しても、必要な特性を得るこ
とができない。

【００１５】そこで本発明の目的は高密度記録に対応し
た長期信頼性の高い磁気記録装置もしくは磁気センサー
を用いた磁気ヘッドを提供することにあり、より具体的
には、反強磁性膜などのバイアス印加手段を用いた固定
層の一部に薄い酸化層と反平行結合層をいれることで磁
化の量を低減しつつ抵抗変化率の高いスピンバルブ型磁
気センサーを提供し、さらに固定バイアスを所定の方向
に正確に印加せしめる構成と、その製造方法を開発し、
これを磁気ヘッドに用いた磁気記録再生装置を提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明では高記録密度に
対応した巨大磁気抵抗効果を用いた磁気センサーを磁気
ヘッドに搭載した磁気記録装置を提供するために、上記
磁気センサーとして用いるスピンバルブ型の巨大磁気抵
抗効果積層膜、すなわち、反強磁性膜／強磁性固定層／
非磁性導電層／軟磁性自由層から構成される積層構造を
有する磁気抵抗効果素子を用いる。ここで反強磁性膜は
強磁性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、直接強磁性固定層に
密着して形成するか、あるいは間接的に磁気的結合を経
て効果をもたらしてもよい。あるいは反強磁性膜の代わ
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てもよい。本発明で
は上記課題を解決して高記録密度に対応した磁気セン
サ、磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を得るため
に、上記強磁性固定層を少なくとも、第一の強磁性膜／
反平行結合層／第二の強磁性膜／酸化物層／第三の強磁
性膜の積層体として形成した構成を採用する。ここで固
定層を構成する第一の強磁性膜は反強磁性膜に接し、ま
た第三の強磁性膜は非磁性導電層に接する。反平行結合
層は隣接する強磁性膜の互いの磁化が反平行に配列する
ように、反平行結合層を介して反強磁性的に結合するよ
うな材料、厚さで作製される。また、酸化物層は、隣接
する第二の強磁性膜と第三の強磁性膜の磁性層が強磁性
的に結合して、感知すべき磁界（磁気記録媒体からの磁
界）に対して互いの磁化が平行に配列するような材料、
厚さで作製される。酸化物層はさらに、隣接する強磁性
膜との間に平滑な界面を形成し、非磁性導電層近傍で生
じる磁気的な散乱現象を増幅する機能を有する。このよ
うな積層構成を有する強磁性固定層を所定の状態に着磁
するために、第一の強磁性膜および第二の強磁性膜を飽
和せしめるのに適切な磁界を印加する。この適切な磁
界、とは、反平行結合層が発生する交換結合エネルギー
と、第一の強磁性膜の磁化の量、および第二の強磁性膜
の磁化の量によって決まる磁界であって、反強磁性膜に
よる交換結合磁界によって実質的に固定されるべき第一
の強磁性膜の磁化の方向を所定の方向に向ける機能を有
する。このような磁界状態において、反強磁性膜からの
交換結合磁界を所定の方向に誘導するための熱処理を、
真空中、あるいは不活性ガス中などで行う。

【００１７】上記の構成で第一の強磁性膜の磁化の方向
を所定方向に誘導するには２つの方法がある。一つは十
分に大きな磁界を印加して第一の強磁性膜および第二の
強磁性膜を飽和させる方法である。この場合、必要な磁
界は以下の式で表される。

【００１８】Ｈｓ＝−μ₀・Ｊ×（Ｍ１ｔ１＋Ｍ２ｔ２）
／（Ｍ１・Ｍ２・ｔ１・ｔ２）第一および第二の強磁性膜が同じ飽和磁束密度Ｍを有す
ると、Ｈｓ＝−μ₀・Ｊ×（ｔ１＋ｔ２）／（ｔ１・ｔ２）／ＭここでＨｓは飽和磁界、Ｊは反平行結合層の誘起する交
換結合エネルギー、Ｍ１、Ｍ２は第一および第二の強磁
性膜の飽和磁束密度、ｔ１、ｔ２はそれぞれ第一および
第二の強磁性膜の膜厚である。代表的な構成と値を示す
と、Ｒｕの反平行結合層０．８ナノメートル、第一、第
二の強磁性膜がＣｏ合金の場合、Ｊ＝−１．０×１０^-3
Ｊ／ｍ²、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ＝１．８Ｔである。したがっ
てｔ１＝２×１０^-9ｍ、ｔ２＝１×１０^-9ｍとすると、
Ｈｓはおよそ１．０Ｔとなる。なお、簡便のため、磁界
を空間の磁束密度で表記し、テスラ単位で示すことにす
る。このことから、上記のような構成の磁気抵抗効果積
層膜の着磁工程には１．０Ｔ以上の磁界を印加する必要
があることがわかる。同様に、ｔ１＝１×１０^-9ｍ、ｔ
２＝０．５×１０^-9ｍとすると、Ｈｓは１．８Ｔにもお
よび、通常使用されるよりも大きな磁界を発生する着磁
熱処理機構、たとえば超伝導磁石を用いた磁界中熱処理
装置が必要になる。また、磁気ヘッドにおいては磁気抵
抗効果積層膜は一般に、磁気シールドと呼ばれる一対の
軟磁性膜のギャップ内に配置されるため、磁気抵抗効果
積層膜二効果的に磁界を印加するための実質的な外部磁
界は１．５倍程度大きいと考えるべき場合がある。

【００１９】次に、強磁性膜の磁化の方向を所定方向に
誘導する第二の方法として、比較的弱い磁界を印加する
方法について述べる。数十ミリテスラ程度の弱い磁界を
印加すると、第一の強磁性膜及び第二の強磁性膜の磁化
の方向は、互いに反平行な状態を保ったまま回転し、そ
の磁化の差分が磁界の方向に向くように配列する。した
がって、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜に所定の磁化
の量の差分がつくように、膜厚の差を設定しておき、反
平行結合層の反強磁性的な結合磁界に対しては十分小さ
く、かつ、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化量の
差分の磁化が磁界の方向に配列する程度に大きい磁界を
印加すれば、第一の強磁性膜の磁化の方向を規定し、着
磁熱処理を行うことができるのである。具体的な適切な
磁界の大きさは、もちろん、磁性膜の飽和磁束密度、膜
厚の設定と反平行結合層の交換結合エネルギーの大きさ
によって決定されるが、概略０．０１から０．１テスラ
の磁界がよい。

【００２０】また、本発明では上記課題を解決する別の
手段として、強磁性固定層を、第一の強磁性膜／着磁磁
界制御層／第二の強磁性膜／反平行結合層／第三の強磁
性膜から構成される積層体として形成する。ここで強磁
性固定層を構成する第一の強磁性膜は反強磁性膜に接
し、また第三の強磁性膜は非磁性導電層に接するもので
ある。さらに別の手段として、強磁性固定層を、第一の
強磁性膜／着磁磁界制御層／第二の強磁性膜／反平行結
合層／第三の強磁性膜／酸化物層／第四の強磁性膜から
構成される積層体として形成する。ここで強磁性固定層
を構成する第一の強磁性膜は反強磁性膜に接し、また第
四の強磁性膜は非磁性導電層に接するものである。反平
行結合層は隣接する強磁性膜の互いの磁化が反平行に配
列するように、変平行結合層を介して反強磁性的に結合
するような材料、厚さで作製される。また、酸化物層
は、隣接する強磁性膜が強磁性的に結合して、感知すべ
き磁界に対して互いの磁化が平行配列であるような材
料、厚さで作製される。酸化物層はさらに、隣接する強
磁性膜との間に平滑な界面を形成し、非磁性導電層近傍
で生じる磁気的な散乱現象を増幅する機能を有する。さ
らに着磁磁界制御層は、隣接する強磁性膜の互いの磁化
を平行方向に配列するように強磁性的な結合を生じ、こ
の強磁性的な結合の大きさを反平行結合層の結合に対し
て比較的弱く設定する。これによって着磁磁界制御層と
反強磁性膜との間に形成した第一の強磁性膜の磁化を比
較的弱い磁界、すなわち、反平行結合層に隣接する強磁
性膜の磁化を飽和させるに必要な磁界に対して十分弱い
磁界、で飽和することを可能にするのである。この場合
の着磁熱処理に必要な磁界は0.1テスラから1テスラ程度
である。

【００２１】上記のようなさまざまな構成と着磁手段を
特定することで強磁性固定層の中に強磁性層／酸化物層
界面を形成して電子のスピン依存散乱効果を高め、固定
層を形成する磁性膜の実質的な磁化の量の適正に規定
し、さらに反強磁性膜の隣接する固定層中の磁性膜に所
定の方向に交換結合磁界を分散なく印加して、感知すべ
き磁界を効果的に抵抗変化として捉える構成を実現でき
る。

【００２２】酸化物層の材料としては、巨大磁気抵抗効
果を増強せしめるために、固定層、自由層を形成する強
磁性体と類似の材料、すなわち、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの酸
化物あるいはこれらの酸化物の混合体などが適してい
る。特に、Ｆｅ３Ｏ４(マグネタイト)、ＣｏＦｅＯなど
は適している。酸化物層は磁性膜を酸化処理して形成し
てもよいが、酸化物ターゲットを用いてスパッタリング
法などで形成すると酸化物層の組成と厚さ、構造をよく
制御できるので特に適している。

【００２３】反平行結合層の材料としては、Ｒｕ、Ｏ
ｓ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈおよびこれらの合金から形成する
のが適している。さらに、反平行結合の交換結合エネル
ギーを調整するために、適切な他の元素を添加するとよ
い。添加元素としてはＰｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅなどを１原子％以上、５０原子％以下
程度添加するとよい。

【００２４】着磁磁界制御層の材料としては、Ｃｕ、Ｒ
ｕ、Ｐｄ、Ｃｒなどの非強磁性金属やその合金および、
３ｄ遷移元素の酸化物などがよい。特に酸化物を用いる
と電気的な分流が少なくてよい。酸化物として巨大磁気
抵抗効果を増強せしめる結晶性改善効果や電子反射効果
のあるものを用いてもよい。

【００２５】本発明において、強磁性固定層、軟磁性自
由層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏの合金が望ましく、また、これ
らの合金の積層膜であってもよい。軟磁性自由層は例え
ばＮｉ８０Ｆｅ２０（3ナノメートル）／Ｃｏ９０Ｆｅ
１０（0.5ナノメートル）の積層膜として非磁性中間層
の側にＣｏＦｅを配置したとすると軟磁気特性を得、か
つ巨大磁気抵抗効果が大きくなって望ましい。あるいは
厚さ2ナノメートル程度のＣｏ８５Ｆｅ１５合金薄膜を
軟磁性自由層に用いてもよく、さらに、Ｃｏ合金薄膜に
適当な酸化膜などを挿入したものを用いてもよい。

【００２６】本発明ではこのような材料、構成、を用い
た磁気抵抗効果型磁気センサと、これを所定の方向に異
方性を誘導する磁界中熱処理を行って、再生部を作製し
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
て、記録を良好に保つことができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の巨大磁気抵抗積層膜を構
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。アルゴン０．５から６ミリ
トールの雰囲気中にて、厚さ１ミリ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
ターゲットとしてタンタル、ニッケル−２０ａｔ％鉄合
金、銅、コバルト、ＭｎＰｔ、ルテニウム、マグネタイ
ト、ヘマタイト、酸化コバルト、酸化ニッケルの各ター
ゲットを用いた。Ｃｏターゲット上には、ＦｅおよびＮ
ｉの１センチ角のチップを適宜配置して組成を調整し
た。同様に、酸化物ターゲット上にはＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｍｎなど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。酸化層の形成には、上述した
酸化物ターゲットによる膜形成の手法と、また他に磁性
膜を形成して別室にて所定の酸素雰囲気、時間で暴露
し、その後続けて成膜を行う方法でも形成した。膜形成
後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
理を行って反強磁性膜を相変態させ、１００℃以下まで
磁界中で冷却した後取り出して、室温での磁気抵抗を測
定して評価した。印加する磁界は０．０１テスラから
１．５テスラの範囲で、積層膜の構成似よって磁界の大
きさを調整した。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。

【００２８】以下に本発明の具体的な実施例を、図を追
って説明する。

【００２９】まず、本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の
構成を説明するために、各構成の要素部分の特性を評価
した結果について、図１、２を用いて述べる。

【００３０】図1は単層固定層を有するスピンバルブ膜
の特性を示した図である。固定層の厚さには2つの限定
がある事がわかる。ひとつは反強磁性膜との交換結合エ
ネルギーである。反強磁性膜に接する固定層の厚さが２
ナノメートルより薄くなると図1に示したように交換結
合エネルギーは急激に低下し、１．５ナノメートルより
薄い構成ではスピンバルブ膜としての機能を果たすに十
分な固定バイアスが得られない。第二に、抵抗変化率が
低下する。

【００３１】固定層が2ナノメートルより薄くなると抵
抗変化率は低下し、また、逆に3ナノメートルより厚く
なると、やはり抵抗変化率が低下しはじめ、同時に膜の
シート抵抗が低下するために、出力の目安となるΔＲ、
すなわち、シート抵抗と抵抗変化率の積の値が低下して
しまうことがわかる。このことは、本発明の巨大磁気抵
抗効果積層膜において、それぞれ反強磁性膜に接する磁
性膜の厚さと、非磁性導電層に接する磁性膜の厚さに限
定があることを示している。たとえば、本発明において
巨大磁気抵抗効果積層膜が、反強磁性膜／第一の強磁性
膜／反平行結合層／第二の強磁性膜／酸化物層／第三の
強磁性膜／非磁性中間層／軟磁性自由層から構成されて
いる場合、巨大磁気抵抗効果積層膜が正常に動作するた
めには反強磁性膜に接する第一の強磁性膜の厚さが１．
５ナノメートル以上、非磁性中間層に接する第三の強磁
性膜の厚さが１ナノメートル以上３ナノメートル以下と
する必要があることがわかる。

【００３２】同様に磁性膜を飽和させるために必要な磁
界について述べる。図２は反平行結合層によって結合し
た磁性膜の厚さと、飽和磁界の関係を示した図である。
反平行結合層の反強磁性的な交換結合エネルギーの値を
−１ｍＪ／ｍ²として計算してある。

【００３３】反強磁性的に結合した磁性膜１と磁性膜2
の厚さの差を０、０．５、１ナノメートルとした結果を
示してあるが、磁性膜の厚さが薄くなるほど飽和磁界が
大きくなることがわかる。磁性膜1の厚さが1ナノメート
ル以下では、飽和磁界は１テスラ以上となり、磁気シー
ルドによる印加磁界の低減を考えると、着磁に必要な磁
界は１から１．５テスラ以上と大きな値になってしまう
ことがわかる。一般に、１Ｔより大きな磁界を印加して
着磁熱処理するには大規模で高額な着磁熱処理設備が必
要となり、必要な磁界の大きさの値とそれに対応した積
層膜の構成を適正化することが製造上重要である。

【００３４】以上の構成を把握した上で、固定層の膜厚
を設定してその出力を以下に検討する。図３は本発明の
巨大磁気抵抗効果積層膜の構成例である。巨大磁気抵抗
効果積層膜は基体５０上に反強磁性膜１１／第一の強磁
性膜１５１／反平行結合層１５０／第二の強磁性膜１５
２／酸化物層１５５／第三の強磁性膜１５３／非磁性中
間層１２／軟磁性自由層１３の構成からなる。強磁性固
定層１５は積層構成から成る。また、ここでは軟磁性自
由層１３は第一の軟磁性膜１３１および第二の軟磁性膜
１３２の積層構成からなる例を示した。同様に保護膜３
７についてもＣｕおよびＴａの積層構成からなる例を示
した。この極薄いＴａ保護膜は大気中で自然酸化して酸
化膜になっている。図中、各層の材料例および膜厚例を
示してある。第一、第二および第三の強磁性膜は図中の
記号で示したように互いに反平行および平行に配列した
関係になるように反平行結合層１５０および酸化物層１
５５を介して互いに磁気的に交換結合する構造となって
いる。図３の構成の積層膜の特性について次に述べる。
図４は本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の膜厚とΔＲの
関係例を示した図である。固定層の実質的な差分、すな
わち第三の強磁性膜の磁化量+第二の強磁性膜の磁化量-
第一の強磁性膜の磁化量、を1nm・T（ナノメートル・テ
スラ）に固定して求めた。横軸に第二の強磁性膜の厚さ
ｔ２を取り、各シンボルは図中に示したように第一の強
磁性膜の厚さｔ１を1.0、1.5、2、2.5、3.0および3.5ナ
ノメートルにしたときのΔＲを示してある。ΔRの値は
第二の強磁性膜の厚さによって変わり、特定の厚さでΔ
Ｒが極大を取っているが、極大となる第二の強磁性膜の
厚さはｔ１＝1.0の時ｔ２＝0.5、ｔ１＝1.5の時ｔ２＝
1.0、ｔ１＝2の時ｔ２＝1.5 となっており、第一の強
磁性膜の厚さとともにシフトしていくことがわかる。そ
こでｔ２-ｔ１、すなわち、（第一の強磁性膜の厚さ-第
二の強磁性膜の厚さ）の値を横軸にとってΔＲを示した
のが図５である。図から明らかなように（第一の強磁性
膜の厚さ-第二の強磁性膜の厚さ）の値が0.5周辺の膜厚
構成、特に0から1ナノメートルの範囲で良好な値を示
し、また、第一および第二の強磁性膜の厚さｔ１、ｔ２
を２ナノメートル以下とすることで高いΔＲを示すこと
がわかる。同様に図６に前記本発明の巨大磁気抵抗効果
膜の膜厚と飽和磁界の関係を示す。第二の強磁性膜の膜
厚に対して、飽和磁界はほぼ特定の値を示し、高いΔＲ
の値が得られる膜厚、例えばｔ１＝1.0、ｔ２＝0.5では
飽和磁界はおよそ２Ｔとなっているように大きな飽和磁
界を必要とすることがわかる。

【００３５】一方で図７は前記本発明の構成の巨大磁気
抵抗効果膜の着磁前の磁化曲線を計算で求めた結果であ
る。比較のため第一の強磁性膜の膜厚-第二の強磁性膜
の膜厚を2ナノメートルと大きく設定した膜の磁化曲線
も示した。それぞれ、第一の強磁性膜の厚さが1.5ナノ
メートル、第二の強磁性膜の厚さが0.5ナノメートルお
よび第一の強磁性膜の厚さが2.5ナノメートル、第二の
強磁性膜の厚さが0.5ナノメートルとして計算した。差
分1ナノメートルの場合、高磁界の磁化曲線から、磁界
が0.2テスラから0.7テスラの範囲、および1.8テスラ以
上の範囲で第一の強磁性膜の磁化が外部磁界と順平行も
しくは反平行に配列していることがわかる。また、低磁
界の磁化曲線では0.03テスラ以下で同様に第一の強磁性
膜の磁化が外部磁界方向に配列している領域が安定にあ
ることがわかる。以上の領域の磁界を着磁磁界として設
定すれば、上記の第一の強磁性膜の厚さが1.5ナノメー
トル、第二の強磁性膜の厚さが0.5ナノメートルの積層
膜の着磁が安定にできることがわかる。構成の第一の強
磁性膜の膜厚-第二の強磁性膜の膜厚を0.5ナノメートル
とした前記構成では比較的弱い磁界の範囲、例えば30ミ
リテスラ付近で第一の強磁性膜の磁化が外部磁界と反平
行方向に配列している領域が存在しており、飽和磁界の
ような大きな磁界なしでも、この磁界領域で熱処理する
事で安定な着磁あるいは後行程の熱処理を行うことがで
きることがわかる。一方で、磁性膜の厚さの差を大きく
設定した場合の低磁界の磁化曲線では上述したような磁
化状態が安定する領域が存在せず、このような第一の強
磁性膜の厚さと第二の強磁性膜の厚さの差が大きい構成
では弱磁界による熱処理を安定に行うことができないこ
とがわかる。

【００３６】図８は同様の構成で固定層の実質的な差
分、すなわち、第三の強磁性膜の磁化量＋第二の強磁性
膜の磁化量−第一の強磁性膜の磁化量の値、を2nm・T
（ナノメートル・テスラ）に固定して求めた前記本発明
の巨大磁気抵抗効果積層膜の厚さとΔＲの関係例であ
る。固定層の差分が異なっていても、ΔＲがピークを持
つ第一の強磁性膜の厚さと第二の強磁性膜の厚さには同
様の関係があり、第一の強磁性膜の厚さ-第二の強磁性
膜の厚さの値を-1から0ナノメートルとすることで高い
出力を得ることができることがわかる。図５の結果との
比較で強磁性膜の厚さの差が異なっているのは固定層の
実質的な差分の設定が異なっているためである。

【００３７】一方で図９は前記第一の強磁性膜の膜厚-
第二の強磁性膜の膜厚を-0.5ナノメートルと設定した本
発明の構成の巨大磁気抵抗効果膜の着磁前の磁化曲線を
計算で求めた結果である。第一の強磁性膜の膜厚-第二
の強磁性膜の膜厚の値が負になっているため、比較的弱
い磁界の範囲、具体的には0.3テスラ以下の広い範囲で
第一の強磁性膜の磁化が外部磁界と反平行方向に配列し
ている領域が安定に存在しており、飽和磁界のような大
きな磁界なしでも、この磁界領域で熱処理する事で安定
な着磁あるいは後行程の熱処理を行うことができること
がわかる。

【００３８】さらに高記録密度で必要とされる固定層の
磁化量を図１０に示す。図１０は固定層の磁化量と磁気
ヘッドの波形対称性の関係である。磁気ヘッド再生部の
電流を３ミリアンペアでの結果では磁化量を１ナノメー
トルテスラとすると波形対称性はほぼゼロとなって良好
な波形が得られることがわかる。さらに電流を６ミリア
ンペアとすると磁化量はおよそ2ナノメートルテスラで
波形対称性がおよそゼロになっている。

【００３９】以上のことから磁気ヘッドに要求される電
流量で波形対称性を良好に保つには、第一の強磁性膜の
膜厚-第二の強磁性膜の膜厚の値を-1から0、あるいは0
から1ナノメートルの範囲に設定することで高いΔＲ、
すなわち高い出力と、着磁の安定性が得られることがわ
かる。第一、第二の強磁性膜としてはおよそ1.8テスラ
の飽和磁束密度を有するＣｏ合金薄膜が適しているの
で、実質的に磁化量としては-1.8ナノメートル・テスラ
から1.8ナノメートル・テスラである。また第一及び第
二の強磁性膜を２ナノメートル以下の厚さにすると高い
出力が得られることがわかる。

【００４０】図１１に本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜
の別の構成を示す。巨大磁気抵抗効果積層膜１０は基体
５０上に、反強磁性膜１１／第一の強磁性膜１５１／着
磁磁界制御層１５６／第二の強磁性膜１５２／反平行結
合層１５０／第三の強磁性膜１５３／非磁性中間層１２
／軟磁性自由層１３の構成からなる。強磁性固定層１５
は積層構成から成る。また、ここでは軟磁性自由層１３
は第一の軟磁性膜１３１および第二の軟磁性膜１３２の
積層構成からなる例を示した。同様に保護膜３７につい
てもＣｕおよびＦｅ３Ｏ４の積層構成からなる例を示し
た。図中、各層の材料例および膜厚例を示してある。第
一、第二および第三の強磁性膜は図中の記号で示したよ
うに互いに反平行および平行に配列した関係になるよう
に反平行結合層１５０および着磁磁界制御層１５６を介
して互いに磁気的に交換結合する構造となっている。着
磁磁界制御層１５６は第一の強磁性膜１５１と第二の強
磁性膜１５２の間に比較的弱い強磁性的結合を生じる機
能を有する。ここで比較的弱い、とは、反平行結合層１
５０によって発生する第二の強磁性膜１５２と第三の強
磁性膜１５３との間の反強磁性的結合に比較して結合磁
界が弱い旨を意味する。外部磁界を印加すると、第二の
強磁性膜１５２及び第三の強磁性膜１５３の反強磁性的
な結合が飽和するより小さな磁界で第一の強磁性膜１５
１が外部磁界の方向に飽和し、着磁磁界制御層１５６の
適用により着磁磁界を低減することができる。

【００４１】同様に図１２に本発明の巨大磁気抵抗効果
積層膜のさらに別の構成を示す。巨大磁気抵抗効果積層
膜１０は反強磁性膜１１／第一の強磁性膜１５１／着磁
磁界制御層１５６／第二の強磁性膜１５２／反平行結合
層１５０／第三の強磁性膜１５３／酸化物層１５５／第
四の強磁性膜１５４／非磁性中間層１２／軟磁性自由層
１３の構成からなる。強磁性固定層１５は積層構成から
成る。また、ここでは軟磁性自由層１３は第一の軟磁性
膜１３１および第二の軟磁性膜１３２の積層構成からな
る例を示した。同様に保護膜３７についてもＣｕおよび
Ｆｅ３Ｏ４の積層構成からなる例を示した。図中、各層
の材料例および膜厚例を示してある。第一、第二、第三
および第四の強磁性膜は図中の記号で示したように互い
に反平行および平行に配列した関係になるように反平行
結合層１５０、酸化物層１５５および着磁磁界制御層１
５６を介して互いに磁気的に交換結合する構造となって
いる。着磁磁界制御層１５６は第一の強磁性膜１５１と
第二の強磁性膜１５２の間に比較的弱い強磁性的結合を
生じる機能を有する。ここで比較的弱い、とは、反平行
結合層１５０によって発生する第二の強磁性膜１５２と
第三の強磁性膜１５３との間の反強磁性的結合に比較し
て結合磁界が弱い旨を意味する。外部磁界を印加する
と、第二の強磁性膜１５２及び第三の強磁性膜１５３の
反強磁性的な結合が飽和するより小さな磁界で第一の強
磁性膜１５１が外部磁界の方向に飽和し、着磁磁界制御
層１５６の適用により着磁磁界を低減することができ
る。酸化物層１５５は第四の強磁性膜の膜質を改善し、
熱処理による再結晶過程を促進し、また電子の反射作用
を発生して巨大磁気抵抗効果を向上させる。

【００４２】では、以下、より具体的に本発明の膜構成
とその着磁処理について実施例別に示していく。

【００４３】[実施例1]図１３は着磁磁界を変えた基板
／MnPt 12 nm/CoFe 1.5 nm/Ru 0.8 nm/CoFe 0.5nm/Fe3O
4-x 1.4 nm/CoFe 2 nm/Cu 2.1 nm/CoFe 0.5 nm/NiFe 3
nm/Cu 0.4 nm/Ta 1 nmの構成の膜の磁気抵抗曲線であ
る。着磁磁界３０ミリテスラ、および１．８Ｔの磁気抵
抗曲線は良好な特性を示しており、抵抗変化率も高い。
これに対して着磁磁界１テスラの磁気抵抗曲線は形状が
異常であり、抵抗変化率も低く、着磁による固定バイア
スの所定方向への誘導が良好でないことがわかる。図１
４にｔ１＝1.5、ｔ２＝0.5の場合の着磁磁界と抵抗変化
率の関係を示す。ｔ１＝1.5、ｔ２＝0.5では着磁磁界と
して0.03テスラ、および1.8テスラ近傍とすると良いこ
とがわかる。

【００４４】[実施例２]図１５は基板／MnPt 12 nm/CoF
e 1.5 nm/Ru 0.8 nm/CoFe 1 nm/Fe3O4-x 1.4 nm/CoFe
2.5 nm/Cu 2.1 nm/CoFe 0.5 nm/NiFe 3 nm/Cu 0.4 nm/T
a 1 nmの構成の膜の着磁磁界と抵抗変化率を示した図で
ある。着磁磁界0.03テスラ、および１．５テスラ以上で
抵抗変化率が高く、良好な特性が得られていることがわ
かる。

【００４５】[実施例３]図１６はRuおよびRu-Cr反平行
結合層の反強磁性的交換結合エネルギーを示した図であ
る。Ruを反平行結合層に用いると、Ruが0.8ナノメート
ルで交換結合エネルギーJは−１．０ｍＪ／ｍ²である
が、RuにCrを加えたRu-Cr反平行結合層ではＪはRuの場
合のおよそ半分になっていることがわかる。このように
Ru-Cr反平行結合層の適用で本発明の巨大磁気抵抗効果
積層膜の飽和着磁磁界を半分にすることができ、同様に
適切な添加物、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ、
Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒを加えることでＲｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒ
ｅ、Ｒｈなどの反強磁性的な交換結合エネルギーＪの値
を制御して、飽和磁界を適宜調整することができる。

【００４６】[実施例４]図１７は本発明の巨大磁気抵抗
効果積層膜の一つの構成例である。反強磁性膜／第一の
強磁性膜／反平行結合層／第二の強磁性膜／酸化物層／
第三の強磁性膜／非磁性中間層／軟磁性自由層の構成
で、第一の強磁性膜および第二の強磁性膜は共にCoFe膜
とNiFe膜の積層膜からなり、NiFe膜が反平行結合層に接
する構造と成る。このような構成とすることで反平行結
合層が第一の強磁性膜および第二の強磁性膜に発生させ
る交換結合エネルギーがCoFe膜だけを用いた場合の従来
の値の1/4程度の-0.3J/m²まで小さくできた。これによ
り、飽和磁界が低減できるため、CoFe膜のみの場合で不
良となった着磁磁界が1テスラでの熱処理工程によって
良好な特性を示すようにすることができた。

【００４７】[実施例４]酸化物ターゲットを用いて酸化
物層を形成した。図１８は本発明の巨大磁気抵抗効果積
層膜における各種の酸化物層の厚さと特性を示した図で
ある。同様に図１９にFe2O3膜を用いた本発明の巨大磁
気抵抗効果積層膜の特性を示す。図１９では軟磁性自由
層としてCoFe膜単層を用いた結果を示した。また、保護
膜として薄いCoFe膜を用いた結果を示した。このCoFe膜
は大気中で自然酸化して酸化膜になっている。酸化膜と
して（Co-Fe）O膜、Fe3O4膜、Fe2O3膜を用いたデータを
示したが、それぞれ、酸化物層を挿入することで抵抗変
化率は酸化物層なしに比べて増大しており、出力増大の
効果があることがわかる。酸化物層の厚さに対して抵抗
変化率は適切な厚さ、およそ1ナノメートルから1.5ナノ
メートルの範囲でピークを取っていることがわかる。図
２０はFe3O4膜にFeを加えた場合の本発明の巨大磁気抵
抗効果積層膜の酸化物層の厚さと特性を示した図であ
る。酸化物の酸素量の分析は困難であるので、１ｃｍ角
のFeチップを配置した枚数を示して添加量の目安として
ある。酸化物層の厚さに対して抵抗変化率は1ナノメー
トルから2ナノメートルの範囲の特定の厚さでピークを
取るが、その厚さはFeの添加量が増えると厚くなってい
ることがわかる。Feを大量に添加するとその厚さは2ナ
ノメートルより厚くなり、2.5ナノメートルにもなって
いる。また、Feを加えると、見かけの交換結合磁界、す
なわち巨大磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線で、外部磁界
によって固定層の磁化が変化し、抵抗変化がピーク値の
半分になる外部磁界の値、が増加することがわかる。こ
れは酸化物層を介して強磁性膜が強磁性的に結合してお
り、その強さが酸化物の組成と厚さによって制御されて
いることを示している。見かけの交換結合磁界として観
測されるのは主にこの強磁性的な結合と考えられる。図
２１に第二の強磁性膜の厚さと本発明の巨大磁気抵抗効
果積層膜の抵抗変化率の関係を示す。第二の強磁性膜の
厚さが0.5ナノメートルまで薄くとも抵抗変化率を高く
保つことができることができる。この膜の磁化の測定の
結果からは、第一、第二、第三の強磁性膜の磁化の合計
はほぼ膜厚設定通りであることが確認できており、酸化
物層と強磁性膜の境界で大きな拡散、混合がない界面が
できていて磁気ヘッドの作製に重要な強磁性膜の磁化の
設計が正確にできることがわかった。

【００４８】[実施例６]図２２は本発明の着磁磁界制御
層を用いた巨大磁気抵抗効果積層膜の着磁磁界と磁気抵
抗曲線の関係を示した図である。巨大磁気抵抗効果積層
膜は反強磁性膜／第一の強磁性膜／着磁磁界制御層／第
二の強磁性膜／反平行結合層／第三の強磁性膜／非磁性
中間層／軟磁性自由層の構成である。着磁磁界30ミリテ
スラの磁気抵抗曲線では、不良な曲線と成り、固定バイ
アスが所定の方向に誘導されていないことがわかるが、
着磁磁界0.3テスラ以上では正常な磁気抵抗曲線が観察
され、着磁磁界制御層の導入によって固定バイアスが正
常に設定できていることがわかる。

【００４９】同様に本発明の着磁磁界制御層と酸化物層
を用いた、反強磁性膜／第一の強磁性膜／着磁磁界制御
層／第二の強磁性膜／反平行結合層／第三の強磁性膜／
酸化物層／第四の強磁性膜／非磁性中間層／軟磁性自由
層の構成の巨大磁気抵抗効果積層膜についても着磁磁界
0.3テスラで作製した積層膜が良好な磁気抵抗効果を示
した。

【００５０】[実施例７]図２３は本発明の巨大磁気抵抗
効果積層膜の酸化物層を酸素雰囲気暴露にて形成した場
合の酸素圧力と抵抗変化率の関係を示した図である。暴
露時間は30秒とした。着磁磁界は1.5テスラで良好な特
性が得られた。酸素圧力を1パスカル程度まで上げると
抵抗変化率が11％程度まで向上した。このとき、積層膜
の磁化は酸化によって0.7ナノメートル分程度減少して
おり、X線反射率による測定ではおよそ２ナノメートル
程度の酸化膜が形成されていることがわかった。

【００５１】以下、本発明の磁気ヘッドについて詳細に
述べる。

【００５２】図２４は本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜
を用いた巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例であ
る。図は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式図に
なっている。基体５０上に下部磁気シールド３５、下部
ギャップ膜７１を形成し、その上に、巨大磁気抵抗効果
積層膜１０が形成されてなり、さらに上部ギャップ膜７
２、上部磁気シールド３６を形成して、再生信号を検出
する再生ギャップ４３を形成してなる。電極４０は、巨
大磁気抵抗効果積層膜１０に接触して配置し、感知電流
の印加と電気抵抗の変化の検出を行う。磁区制御膜４１
は、硬磁性膜あるいは残留磁化を有する磁性膜などから
形成して巨大磁気抵抗効果積層膜１０に隣接して配置
し、巨大磁気抵抗効果積層膜１０に単磁区化のためのバ
イアス効果を及ぼす機能を有する。電極４０および磁区
制御膜４１の形成方法およびその形状は、ここではいわ
ゆるハードバイアス構造で記述してあるが他にさまざま
な方法が利用できる。図２４の構成例では巨大磁気抵抗
華積層膜１０は以下のような構造を有する。下地膜１
４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性導電層
１２、軟磁性自由層１３、保護膜３７を連続して形成し
てなる。図２２では軟磁性自由層１３を第一の軟磁性膜
１３２と第二の軟磁性膜１３１の積層体として示したが
これは軟磁性自由層を単層の磁性体から形成したり、3
層以上の積層体から形成しても何ら本発明の趣旨に反す
るものではない。あるいは酸化物を含んだり、酸化物層
を積層して成っても本発明の趣旨に反するものではな
い。同様に保護膜３７に加えて磁歪制御膜を含んだ構成
を採用しても本発明の趣旨に反するものではない。図中
矢印で示したように軟磁性自由層１３の磁化の方向は、
感知すべき磁界がゼロの状態で、略トラック幅の方向に
なるよう磁気異方性の大きさなどを設定する。図２４の
構成例においても、本発明のもっとも重要な主旨は、強
磁性固定層１５の構成にあり、上述までの構成例で述べ
た通りであるが、図２４では強磁性固定層１５は、反強
磁性膜１１と接する第一の強磁性膜１５１、非磁性導電
層１２に接する第三の強磁性膜１５３、第一および第三
の強磁性膜の間に積層された第二の強磁性膜１５２、第
一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化を互いに反平行に
交換結合させる反平行結合層１５０、および第二の強磁
性膜と第三の強磁性膜の間に強磁性的な結合を発生さ
せ、また、磁気抵抗効果を向上させる酸化物層１５５、
から成る。

【００５３】図２５は本発明の磁気抵抗効果素子による
磁気センサーを搭載した磁気ヘッドの概念図である。基
体５０上に磁気抵抗効果積層膜１０、磁区制御膜４１、
電極４０、下部シールド３５、上部シールド３６、下部
磁気コア８２、コイル４２、上部磁気コア８３を形成し
てなり、対向面６３を形成してなる。本図では上部シー
ルド３６と下部磁気コア８２を形成した構造になってい
るが、上部シールドと下部コアとを兼用して形成した構
造としても本発明の主旨を損なうものではない。

【００５４】図２６は本発明の磁気ヘッドを用いた磁気
記録再生装置の概念図である。ヘッドスライダー９０を
兼ねる基体５０上に磁気抵抗効果積層膜１０、磁区制御
膜４１、電極４０を形成し、これらからなる磁気ヘッド
を記録媒体９１を有するディスク９５上に記録トラック
４４上に位置決めして再生を行う。上記再生部は磁性膜
によって形成された再生ギャップ内に配置されることが
望ましいが、ここでは、図面上では省略してある。ヘッ
ドスライダー９０はディスク９５の上を、対向面６３を
対向して数１０ナノメートル、もしくはこれ以下の高さ
に浮上、もしくは接触して相対運動する。この機構によ
り、磁気抵抗効果積層膜１０はディスク９５上の記録媒
体９１に記録された磁気的信号を、記録媒体９１の漏れ
磁界６４から読み取ることができるのである。

【００５５】図２７は本発明の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９
０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。

【００５６】上述したような構成について、本発明の磁
気ヘッドおよ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。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば高
い出力と良好なバイアス特性の磁気センサを安定な着
磁、製造方法で安価に製造できる。さらにこれを用いた
磁気ヘッドが得られ、特に高い記録密度において良好で
安定な再生出力とバイアス特性を有する磁気ヘッドおよ
び高密度磁気記録再生装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単層固定層を有するスピンバルブ膜の特性を示
した図である。

【図２】反平行結合層によって結合した磁性膜の厚さ
と、飽和磁界の関係を示した図である。

【図３】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の構成例であ
る。

【図４】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の膜厚とΔＲ
の関係例を示した図である。

【図５】第一の強磁性膜の厚さー第二の強磁性膜の厚さ
の値とΔＲの関係を示した図である。

【図６】本発明の巨大磁気抵抗効果膜の膜厚と飽和磁界
の関係を示した図である。

【図７】本発明の構成の巨大磁気抵抗効果膜の着磁前の
磁化曲線を計算で求めた結果である。

【図８】固定層の実質的な差分を2nm・Tに固定して求め
た本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の厚さとΔＲの関係
例である。

【図９】固定層の実質的な差分を1nm・Tとした場合の本
発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の着磁前の磁化曲線を計
算で求めた結果である。

【図１０】高記録密度磁気記録に置ける固定層の磁化量
と磁気ヘッドの波形対称性の関係を示した図である。

【図１１】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の別の構成
例である。

【図１２】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜のさらに別
の構成例である。

【図１３】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の着磁磁界
を変えた場合の磁気抵抗曲線を示した図である。

【図１４】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の着磁磁界
と抵抗変化率の関係を示した図である。

【図１５】本発明の別の構成の巨大磁気抵抗効果積層膜
の着磁磁界と抵抗変化率の関係を示した図である。

【図１６】ＲｕおよびＲｕ−Ｃｒ反平行結合層の反強磁
性的交換結合エネルギーを示した図である。

【図１７】強磁性膜にＮｉＦｅ膜を積層した本発明の巨
大磁気抵抗効果積層膜の構成例である。

【図１８】酸化膜として（Co-Fe）O膜、Fe3O4膜を用い
た本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の酸化膜層の厚さと
特性の関係を示した図である。

【図１９】酸化膜として（Fe2O3膜を用いた本発明の巨
大磁気抵抗効果積層膜の酸化膜層の厚さと特性の関係を
示した図である。

【図２０】Fe3O4膜にFeを加えた場合の本発明の巨大磁
気抵抗効果積層膜の酸化物層の厚さと特性を示した図で
ある。

【図２１】第二の強磁性膜の厚さと本発明の巨大磁気抵
抗効果積層膜の抵抗変化率の関係を示した図である。

【図２２】本発明の着磁磁界制御層を用いた巨大磁気抵
抗効果積層膜の着磁磁界と磁気抵抗曲線の関係を示した
図である。

【図２３】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜の酸化物層
を酸素雰囲気暴露にて形成した場合の酸素圧力と抵抗変
化率の関係を示した図である。

【図２４】本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜を用いた巨
大磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例である。

【図２５】本発明の磁気抵抗効果素子による磁気センサ
ーを搭載した磁気ヘッドの概念図である。

【図２６】本発明の磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装
置の概念図である。

【図２７】本発明の磁気記録再生装置の構成例である。

【符号の説明】

１０・・巨大磁気抵抗効果積層膜、１１・・反強磁性
膜、１２・・非磁性導電層、１３・・軟磁性自由層、１
３１・・第二の軟磁性膜、１３２・・第一の軟磁性膜、
１４・・下地膜、１５・・強磁性固定層、１５０・・
反平行結合層、１５１・・第一の強磁性膜、１５２・・
第二の強磁性膜、１５３・・第三の強磁性膜、１５４・
・第四の強磁性膜、１５５・・酸化物層、１５６・・着
磁磁界制御層、３０・・保護膜、３５・・下部磁気シー
ルド、３６・・上部シールド、３７・・保護膜、４０・
・電極、４１・・磁区制御膜、４２・・コイル、４３・
・再生ギャップ、４４・・記録トラック、５０・・基
体、６３・・対向面、６４・・漏洩磁界、７１・・下部
ギャップ膜、７２・・上部ギャップ膜、８２・・下部磁
気コア、８３・・上部磁気コア、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今川尊雄神奈川県小田原市国府津2880番地株式会社日立製作所ストレージシステム事業部内Ｆターム(参考） 5D034 BA03 BA04 BA08 DA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反強磁性膜によりバイアス磁界を印加され
た第一の強磁性膜と、金属中間層を介して前記第一の強
磁性膜と反強磁性的に結合した第二の強磁性膜と、酸化
物層を介して前記第二の強磁性膜と強磁性的に結合した
第三の強磁性膜と、非磁性中間層により磁気的に分離さ
れ、外部磁界に対応してその磁化方向が変化する軟磁性
膜とを有する積層膜を備え、外部磁界に対応して前記積
層膜の磁気抵抗が変化し、該積層膜の積層方向に対して
垂直方向に電流を供給することにより当該磁気抵抗の変
化を検出することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】反強磁性膜と該反強磁性膜上に形成された
強磁性固定層と該強磁性固定層上に形成された非磁性中
間層と該非磁性中間層上に形成された軟磁性自由層とを
有する積層膜と、該積層膜の両端に形成された一対の電
極とを備え、外部の磁界に応じて前記軟磁性自由層の磁
化が回転し、前記軟磁性自由層の磁化と、前記強磁性固
定層の磁化との相対角度が変わることによって前記積層
膜が磁気抵抗効果を生じ、前記強磁性固定層が、前記反
強磁性膜と交換結合することにより外部磁界に対して実
質的に平行な一方向に着磁されて固定された第一の強磁
性膜と、前記非磁性中間層に接する第三の強磁性膜と、
前記第一および第三の強磁性膜の間に形成された第二の
強磁性膜と、前記第一及び第二の強磁性膜の互いの磁化
を反強磁性的に結合させる金属中間層と、前記第二およ
び第三の強磁性膜の間に比較的弱い強磁性的結合を発生
せしめる酸化物層とすることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項３】反強磁性膜上に形成された第一の強磁性膜
と、該第一の強磁性膜上に形成された第二の強磁性膜
と、前記第一の強磁性膜及び第二の強磁性膜の互いの磁
化に対して反強磁性的結合を発生せしめる反平行結合層
と、前記第二の強磁性膜上に形成された酸化物層と、該
酸化物層上に形成された第三の強磁性膜と、該第三の強
磁性膜上に形成された非磁性中間層と該非磁性中間層上
に形成された軟磁性層とを有する積層膜を備え、当該積
層膜の積層方向に対して垂直方向へ電流を供給すること
により外部磁界を検出することを特徴とする磁気ヘッ
ド。
【請求項４】上記酸化物層がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎま
たはＣｒの酸化物あるいはこれらの酸化物であって、
０．４ナノメートルから３ナノメートルの厚さであるこ
とを特徴とする請求項1乃至３記載の磁気ヘッド。
【請求項５】上記酸化物層がＦｅ３Ｏ４−ｘの組成を有
していて０．４ナノメートルから３ナノメートルの厚さ
であることを特徴とする請求項1乃至４記載の磁気ヘッ
ド。
【請求項６】前記第一の強磁性膜の膜厚をｔ１（ｎ
ｍ）、前記第二の強磁性膜の膜厚をｔ２（ｎｍ）、前記
第三の強磁性膜の膜厚をｔ３（ｎｍ）とすると、ｔ１−
ｔ２が‐１以上０以下もしくは０以上１．５以下である
ことを特徴とする請求項1乃至５記載の磁気ヘッド。
【請求項７】前記第一の強磁性膜の膜厚をｔ１（ｎ
ｍ）、前記第二の強磁性膜の膜厚をｔ２（ｎｍ）とする
と、ｔ２が１以上２以下であることを特徴とする請求項
1乃至6記載の磁気ヘッド。
【請求項８】前記第一の強磁性膜の膜厚をｔ１（ｎ
ｍ）、前記第二の強磁性膜の膜厚をｔ２（ｎｍ）とする
と、ｔ２が０．２以上１以下であることを特徴とする請
求項1乃至6記載の磁気ヘッド。
【請求項９】前記第一、第二および第三の強磁性膜がＣ
ｏもしくはＣｏを主成分とする合金からなることを特徴
とする請求項1乃至８記載の磁気ヘッド。
【請求項１０】前記第一、第二の強磁性膜は前記金属中
間層と接する側の界面の少なくとも一部にＮｉ合金層が
形成されていることを特徴とする請求項1乃至９記載の
磁気ヘッド。
【請求項１１】前記金属中間層は、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、
Ｒｅ、Ｒｈからなる第一のグループから選ばれる少なく
とも1種に加えて、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒからなる第二のグループから選ば
れる少なくとも1種が１原子％以上５０原子％以下で混
合された合金層であることを特徴とする請求項1乃至１
０記載の磁気ヘッド。
【請求項１２】請求項1乃至11記載の磁気ヘッドを真空
もしくは不活性ガス中で200℃以上350℃以下に保持し、
０．５Ｔ以下の磁界中に保持する熱処理を行うことによ
り製造することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
【請求項１３】請求項1乃至11記載の磁気ヘッドを真
空、もしくは不活性ガス中で200℃以上、350℃以下の温
度、１Ｔ以上の磁界中で所定時間に保持した後、磁界中
で100℃以下まで冷却する熱処理を行うことにより製造
することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
【請求項１４】反強磁性膜によりバイアス磁界を印加さ
れた第一の強磁性膜と、中間層を介して前記第一の強磁
性膜と強磁性的に結合した第二の強磁性膜と、金属中間
層を介して第二の強磁性膜と反強磁性的に結合した第三
の強磁性膜と非磁性中間層により磁気的に分離され、外
部磁界に対応してその磁化方向が変化する軟磁性膜とを
有する積層膜を備え、外部磁界に対応して前記積層膜の
磁気抵抗が変化し、該積層膜の積層方向に対して垂直方
向に電流を供給することにより当該磁気抵抗の変化を検
出することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１５】前記積層膜は、酸化物層を介して前記第
三の強磁性膜と強磁性的に結合した第四の強磁性膜を有
することを特徴とする請求項14記載の磁気ヘッド。
【請求項１６】前記酸化物層がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍ
ｎ、Ｃｒの酸化物あるいはこれらの混合の酸化物であっ
て、０．４ナノメートルから３ナノメートルの厚さであ
ることを特徴とする請求項14または１５記載の磁気ヘッ
ド。
【請求項１７】前記酸化物層がＦｅ３Ｏ４−ｘの組成を
有し、０．４ナノメートル以上３ナノメートル以下の厚
さであることを特徴とする請求項14乃至16記載の磁気ヘ
ッド。
【請求項１８】前記中間層がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、
Ｃｒの酸化物あるいはこれらの混合の酸化物であって、
０．４ナノメートル以上３ナノメートル以下の厚さであ
ることを特徴とする請求項14乃至1７記載の磁気ヘッ
ド。
【請求項１９】前記中間層が、Ｆｅ３Ｏ４−ｘの組成を
有していて０．４ナノメートル以上３ナノメートル以下
の厚さであることを特徴とする請求項14乃至1７記載の
磁気ヘッド。
【請求項２０】前記金属中間層が、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、
Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇからなる第一のグループから選ばれる
少なくとも一種からなる金属膜、前記第一のグループか
ら選ばれる少なくとも一種を含有する合金膜もしくは、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅからなる第二のグループと前記第一の
グループとからそれぞれ少なくもと1種を含有する合金
膜からなることを特徴とする請求項14乃至1９記載の磁
気ヘッド。
【請求項２１】請求項14乃至２０記載の磁気ヘッドを、
真空、もしくは不活性ガス中で200℃以上、350℃以下の
温度、０．０５Ｔ以上、１．５Ｔ以下の磁界中で所定時
間に保持した後、磁界中で100℃以下まで冷却する熱処
理を行うことを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
【請求項２２】前記酸化層を酸化物ターゲットを用いて
スパッタリングなどの真空薄膜形成技術によって形成し
たことを特徴とする請求項21記載の磁気ヘッドの製造方
法。
【請求項２３】前記酸化層を、金属薄膜層を形成し、前
記金属薄膜層を酸素雰囲気中に暴露して酸化せしめて形
成したことを特徴とする請求項21記載の磁気ヘッドの製
造方法。