【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗センサ、それを搭載した磁気ヘッド、ならびに磁気記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に、従来技術のスピンバルブ構造の磁気抵抗センサの基本構成をしめす。この構造は非磁性層２を介して軟磁気特性を持つ自由層１と磁化の方向が固定されている固定層４の積層体である。固定層４には反強磁性層５が積層され、固定層の磁化方向を固定している。また、積層体は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両側には自由層１の磁化方向を制御するための永久磁石層（ハード層）１５、センス電流を流すための電極層７の積層体が設けられる。
【０００３】
本磁気抵抗センサは磁気抵抗効果のひとつである巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を検知するセンサである。ＧＭＲ効果は自由層と固定層の磁化方向の角度差に応じて抵抗が変化する現象である。磁化方向が同方向の角度零で抵抗が最も低くなり、反平行の角度１８０度で抵抗は最大になる。外部磁界が印加されていない時、その角度が９０度になるように固定層の磁化はトラック方向に対して垂直方向に固定される。自由層の磁化方向は上記永久磁石層（ハード膜）からの磁界（ハードバイアス）と膜自体の容易軸異方性により、トラック方向に向く。外部磁界の正負に応じて、磁化方向の角度差は変化し、抵抗が変化し、センス電流により、素子両端の電圧が変化して、磁気抵抗センサとして動作する。
【０００４】
高密度化が進み、トラック幅が狭くなると上記構造の出力は急激に低下する。この原因は永久磁石層１５の強い磁界のために、磁気センサの感知部のトラック幅の端部には信号磁界に対する感度が低下する不感帯領域が存在するためである。狭トラックで感度を向上するためには従来のハードバイアスとは異なる構造が必要であり、最近、解決ためのいくつかの構造が提案されている。
【０００５】
図３はハードバイアスに替わる交換結合型磁区制御構造の典型的な例である。自由層１の両端上部に反強磁性層１６を積層し、反強磁性下の自由層１の磁化を交換結合磁界によって、トラック幅方向に固定する。また、反強磁性層に積層して、電極層７が設けられる。この場合、自由層の両端には図２のようなバイアスによる不感帯はなく、トラックの端部も感度が高くなるため、狭トラックでも高感度になる。学会誌（ＩＥＥＥ、２００１年４月号ｐｐ１７２３）には、図３の交換結合型の磁区制御構造は図２の従来構造に比較して、約２倍の出力が期待できることが、計算により示されている。
【０００６】
図４には交換結合型の磁区制御構造の別な例を示した。これは２００１年の８月にＩＥＥＥ学会主催で開催されたＴＭＲＣのダイジェスト（ＤＩＧＥＳＴ ＯＦ ＴＨＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＲＥＣＯＲＤＩＮＧ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ２００１ Ａ３ ＩＥＥＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＳＯＣＩＥＴＹ）に開示されている例である。この構造では非磁性層２を介して２層の自由層１、３が設けられている。図３の構造と異なり、固定層はなく、代わりに外部磁界により、磁化が自由に動作できる２つの自由層１、３が設けられている。自由層の磁化方向は互いに反平行を向くように設定されている。トラック方向に垂直にバイアス磁界を印加し、外部磁界がない時、自由層１と自由層３の磁化の角度はトラック方向に対して正負４５度、角度差で９０度となる。図３の構造と同様に、トラックの両端部に不感帯領域はなく、外部磁界で磁化の角度は変化し、高い出力がえられることが、計算により示されている。以下このＧＭＲ構造を２層自由層構造とよぶことにする。
【０００７】
しかし、これら図３、４の交換結合型では反強磁性層下に自由層が存在するため、トラック端からの磁界の進入を防止することはむずかしい。このため、読みにじみがおおきくなり、磁気的に狭いトラック幅を実現するにはさらに狭い光学トラック幅を必要とする。この読みにじみのため、これら交換結合型も狭トラックには適していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、狭トラックで高感度を実現するためにはハードバイアス磁区制御構造で発生するトラック両端部の不感帯領域を低減する必要がある。しかし、不感帯領域のない交換結合型磁区制御構造では高感度は実現できるが、読みにじみが発生するため、磁気的に狭いトラックを得ることが難しくなる。ハードバイアス構造に比較して、光学的に狭いトラック幅で形成しないと、磁気的に同等なトラック幅を実現できない。一方、ハードバイアス構造では光学的には交換結合型より広いトラック幅で、磁気的に同等のトラック幅を実現できるが、上述したようにトラック幅が狭くなると必要感度を実現できなくなる。
【０００９】
狭トラック化が進むに応じて、出力を維持しながら、読みにじみを低減しなければならない。上記のように、この課題は現状の構造では容易に実現できない。計算によると、トラック幅が０．３μｍ以下の領域では、磁気的なトラック幅は光学的に短縮した幅の約半分しか短縮できない。また、浮上量、シールド間隔の短縮によって縮められるが、その量はわずかである。以上述べてきたように、ハードバイアス構造は狭トラックでは高感度を実現することがむずかしく、交換結合型は読みにじみが多く磁気的に狭いトラックのヘッドを実現するには適していない。
【００１０】
一方、磁区制御層を従来のように、感知部のトラック両端に配置するのでなく、自由層に非磁性層を介して、反強磁性層を積層し、一方向異方性を付与して、自由層の磁化方向をトラック幅方向に揃え、磁区制御する方法の提案もある。この方式を感知部磁区制御と呼ぶことにする。感知部磁区制御方式は必ずしも新規な考え方ではなく、スピンバルブ構造においての試行例が上記ＴＭＲＣのダイジェスト（ＤＩＧＥＳＴ ＯＦ ＴＨＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＲＥＣＯＲＤＩＮＧＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ２００１ Ａ６ ＩＥＥＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＳＯＣＩＥＴＹ）に開示されている。しかしながらスピンバルブでは固定層の磁化を固定するためにすでに反強磁性層が用いられており、かつ、磁区制御に用いられる反強磁性層と固定層に用いられる反強磁性層は磁化を固定する方向を直交しなければならない。このため、ブロッキング温度Ｔｂの異なる２種類の反強磁性材料を必要とし、Ｔｂの高い方から順に磁化方向を固定することになる。この場合、Ｔｂの低い材料の磁化固定は温度特性がわるくなる。したがって、感知部磁区制御方式をスピンバルブ構造に適用する場合、実用上の問題が発生する。
【００１１】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、不感帯領域と読みにじみがない、高感度で、磁気的に狭トラックが実現できる高線密度再生に適した実用的磁気抵抗センサ、および該磁気抵抗センサに記録ヘッドを積層した磁気ヘッド、並びに該磁気ヘッドを搭載した磁気記録装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の非磁性層と、該第１の非磁性層によって隔てられ、同方向の磁化容易軸を有する第１および第２の強磁性自由層と、該第１および第２の強磁性自由層の磁化容易軸方向と直交する方向に所定の磁界を印加して、第１および第２の強磁性自由層の磁化の角度を制御する磁界印加制御手段と、上記第１および第２の強磁性自由層と上記第１の非磁性層とよりなる多層膜に電流を流し、磁気抵抗変化を検知する手段を有する磁気抵抗素子において、前記第１および第２の強磁性自由層の磁化方向をトラック幅方向に揃える磁区制御手段として第１および第２の強磁性自由層のすくなくともその一方に隣接して形成された第２の非磁性層を介して反強磁性材料からなる磁区制御層を設けるようにした。
【００１３】
また、前記第１の非磁性層の膜厚は、前記第１および第２の強磁性自由層間に反強磁性結合が生ずる厚さであるようにした。
【００１４】
さらに、前記第１および第２の強磁性自由層のいずれか一方が第３の非磁性層をはさんだ、３層構造とし、該強磁性層が反強磁性結合するようにした。
【００１５】
さらにまた、前記第１の非磁性層と、該第１の非磁性層によって隔てられた第１および第２の強磁性自由層からなる多層膜の両端部に軟磁気特性を有する強磁性材料からなるシールド層を配置するようにした。
【００１６】
また、前記シールド層に該シールド層の磁化方向を揃える機能を有する反強磁性あるいは永久磁石膜が積層されているようにした。
【００１７】
さらに、第１の非磁性層と、該非磁性層によって隔てられ、同方向の磁化容易軸を有する第１および第２の強磁性自由層からなる多層膜の両端部に、該多層膜面に平行あるいは垂直にセンス電流を流す電極層を配置するようにした。
【００１８】
さらにまた、第１の非磁性層を絶縁層として、トンネル電流の磁界依存性を利用して磁気抵抗変化を検知する手段を有するようにした。
【００１９】
また、前記磁界印加手段は、絶縁層を介した導電性の永久磁石膜、もしくは高抵抗の永久磁石膜であるようにした。
【００２０】
さらに、前記反強磁性層がＰｔＭｎおよびＩｒＭｎの少なくともいずれかで形成され、前記非磁性層がＣｕおよびＲｕの少なくともいずれかで形成されているようにした。
【００２１】
また、上記の磁気抵抗センサにおいて、該センサの上下両側に軟磁気特性を有する磁性材料よりなる磁気シールド膜を備え、該磁気シールド膜に記録ヘッドを積層するようにした。
【００２２】
さらにまた、磁気ディスク装置において、少なくとも一枚の磁気ディスクと、該磁気ディスクを回転させる回転手段と、該磁気ディスクにデータの書き込みと読み取りのできる上記のヘッドのいずれかと、該磁気ヘッドを制御する制御手段を有するようにした。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図５に、本発明の磁気抵抗センサの基本構成をしめす。感知部の膜構成は下地層１０６、反強磁性層１０５、第２の非磁性層１０４、第２の強磁性自由層１０３、第１の非磁性層１０２、第１の強磁性自由層１０１、キヤップ層１００が順に積層されている。積層膜は所定の幅（トラック幅）に形成され、その両端には電極層１０７が配置されている。この例では下地層１０６はＴａ（膜厚２ｎｍ）／ＮｉＦｅＣｒ（５ｎｍ）で形成し、反強磁性膜１０５はＰｔＭｎ（膜厚１２ｎｍ）である。第２の非磁性層１０４はＣｕ（膜厚０．２ｎｍ）で、第２の強磁性自由層１０３はＮｉＦｅ（膜厚２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（膜厚０．５ｎｍ）の２層膜である。さらに、第１の非磁性層１０２はＣｕ（膜厚２ｎｍ）で、その上の第１の強磁性自由層１０１はＣｏＦｅ（膜厚０．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（膜厚２ｎｍ）、キャップ層１００はＴａ（膜厚３ｎｍ）である。以下、この構成を積層順にＴａ２ｎｍ／ＮｉＦｅＣｒ５ｎｍ／ＰｔＭｎ１２ｎｍ／Ｃｕ０．２ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＣｏＦｅ０，５ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／Ｔａ３ｎｍと表す。電極層１０７はＴａである。また、感知部の後部には図７に示すような永久磁石（ハード）膜（図７は図５を９０度回転してみた断面図）が配置され、図中に示すバイアス磁界がトラック幅と直交する方向に印加されている。
【００２４】
次に、この磁気抵抗センサの動作を説明する。第２の強磁性自由層１０３の磁化方向は反強磁性１０５により所定の方向に向けられる。これは反強磁性膜によって、一軸異方性が付与されるためである。第２の強磁性自由層１０３はトラック幅の両端で静磁気結合されるため、第１の強磁性自由層１０１と反対方向に磁化は向く。この時、後端より所定のバイアス磁界を印加して、両層の磁化角度差を９０度に設定する。媒体の磁界がバイアス磁界と同方向の時は、両層の角度差は小さくなり、それに対応して感知部の抵抗は小さくなる。逆に、媒体磁界の方向がバイアス磁界と逆の場合は両層の角度差は大きくなり、感知部の抵抗は大きくなる。トラック両端の電極より、センス電流を通電して、電圧変化を得る。
【００２５】
ここで、重要な点は第１の強磁性自由層１０１と第２の強磁性自由層１０３の磁化方向が、バイアス磁界零の状態で反平行を向いていることである。上述したように、トラック両端での静磁気的結合により、反平行になるが、さらに、これを確実にする方法がある。第一の方法は自由層間の結合を反強磁性結合にすることである。これを実現するためには自由層間を隔てている非磁性層Ｃｕの厚さを選ぶことである。下地の平坦性が必要であるが、Ｃｕ厚さ２ｎｍ前後に選ぶと約１０ Ｏｅの反強磁性結合を得ることができる。第２の方法は自由層の両側に反強磁性層を設ける方法である。この方法は図８で後述する。
【００２６】
図６はトラック両端にシールド層１０８、すなわちサイドシールド層を設けた構造である。上述したように、従来のハードバイアス磁区制御構造ではトラック端部にはハード膜を必要とするため、基本的にサイドシールドを設けられないが、磁区制御はすでに感知部のなかに設けられているため、トラック端部に軟磁性層を設けることができる。シールド層を置くと読みにじみは大幅に低減される。磁気的なトラック幅と光学的なトラック幅はほぼ同じ値となる。シールドのない構造では光学幅は少なくとも０．０５μｍ程度狭くする必要がある。すでに、トラック幅が０．２μｍ以下になってきており、０．０５μｍ狭くする必要がないことはプロセスおよび感度において、大きな利点である。磁気的なトラック幅０．１μｍ以下はサイドシールドなくして、実現できないといえる。
【００２７】
サイドシールドについては単層の軟磁性層の構成がもっとも簡単であるが、サイドシールドの磁化回転が感知部に影響するとノイズとなる。この磁気的ノイズを低減するためにはサイドシールドは多層膜が望ましい。多層化によりサイドシールドのトラック端部の正味の磁荷量が零となるようにすることにより、シールドの磁化回転のともなう感知部への影響を大幅に低減できる。また、シールド層に永久磁石（ハード）膜、あるいは反強磁性層を積層してシールド層の磁化の方向を揃えることも、磁気的ノイズ低減する上で効果がある。たとえば２層のシールド層で反強磁性層を積層する場合、下地１０９、シールド層１０８、電極層１０７の順に下からＴａ３ｎｍ／ＮｉＦｅ２０ｎｍ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ２０ｎｍ／Ｃｕ／ＰｔＭｎ１０ｎｍ／ＴａＷ２０ｎｍ／Ｔａ１００ｎｍで構成される。Ｒｕ層は厚さによりシールド層間で反強磁性結合化も可能である。またＣｕ層はＰｔＭｎとＮｉＦｅの結合の調整の役割をはたしている。ただし、ＮｉＦｅが厚いため、結合磁界は大きくならないため、場合によってはなくても良い。さらに、シールド層を２層以上にすることも当然可能である。また、上層には電極となるＴａＷ／Ｔａ層が積層されている。ここで、重要なことは感知部の自由層の横の位置にシールド層となる軟磁性層がおかれていることである。位置がずれるとサイドシールドの効果は急激に失われる。このため下地１０９を適切な値に選択する。なお、この構造の形成はこれまでのハードバイアス磁区制御構造の形成と同様なプロセスを用い、膜構成が異なるだけであるから、製造上の問題はない。
【００２８】
また、感知部の後端に設けられる磁界印加制御手段（バイアス機構）は図７に示されるように従来のハードバイアスと類似の構造で構成される。感知部を構成する１００から１０６までの各層で構成されるＧＭＲ膜の後端部をミリングで除去し、絶縁のため絶縁層１１８としてＡｌ２Ｏ３を約２０ｎｍスパッタし、その上に下地として膜厚５ｎｍのＣｒ膜を含む永久磁石（ハード）膜１１９（ＣｏＣｒＰｔ）をスパッタする。永久磁石（ハード）膜の厚さはバイアス磁界の大きさを決めるので、反強磁性層による自由層の異方性の強さにあわせて膜厚を調整する。この永久磁石（ハード）膜はＣｏＣｒＰｔ・ＺｒＯ２のような高抵抗な永久磁石（ハード）膜に置き換えることも可能である。この場合は、検出電流の分流が小さいのでＡｌ２Ｏ３の絶縁層は必要なくなり、プロセスが簡略化される。
【００２９】
図１は他の実施形態である。第１の強磁性自由層１０１は非磁性層を介した積層フェリ自由層に置き換えられる。第１の強磁性自由層１０１／第３の非磁性層１１０／第３の強磁性自由層１１１で構成され、具体例としては第１の強磁性自由層１０１としてＣｏＦｅ０．５ｎｍ／ＮｉＦｅ３ｎｍの２層構造とし、第３の非磁性層１１０としてＲｕ０．８ｎｍ、第３の強磁性自由層１１１としてＮｉＦｅ０．５ｎｍを用い、下から順に示すとＣｏＦｅ０．５ｎｍ／ＮｉＦｅ３ｎｍ／Ｒｕ０．８ｎｍ／ＮｉＦｅ０．５ｎｍとなる。この場合、第１の強磁性自由層１０１と第３の強磁性自由層１１１は１０００Ｏｅを超える磁界で強固に反強磁性結合する。該積層フェリ磁性層に非磁性層１１２を介して、反強磁性層１１３を積層する。ここで、反強磁性層１１３と１０５は同じ材料、たとえば、ＰｔＭｎ等を用い、磁界中熱処理を行うと、積層フェリの作用により、第１の非磁性層１０２を挟んだ第１の強磁性自由層１０１と第２の強磁性自由層１０３の磁化方向は反平行となる。この場合は上記、第１の非磁性層１０２の膜厚を選んで反強磁性結合させる上記第一の方法は必ずしも必要ではない。また、第１の強磁性自由層１０１と第２の強磁性自由層１０３のバイアス磁界に対する磁化回転角度の絶対値が同じになるように、積層フェリの正味のＢｓｔは第１の強磁性自由層１０１とほぼ同じ値にえらぶ、また、第２の非磁性層１０４と１１２の厚さを選んで、それぞれの自由層に付与する異方性磁界を同等の値に調整する。これによって、第１の強磁性自由層１０１と第２の強磁性自由層１０３は反強磁性層１０５、１１３により磁区制御され、安定に動作する。反強磁性層による異方性磁界が大きいほど安定性はよくなるが、あまり強くなりすぎると感度が低下する。この構造ではトラック端部は静磁気的に同等のＢｓｔで結合しており、磁区制御で問題となる端部の強い反磁界は発生しないため、１００Ｏｅ以下の弱い異方性磁界の付与で十分安定に動作可能であり、高い感度を実現できる。
【００３０】
なお、積層フェリを用いないで、第１の強磁性自由層１０１に非磁性層を介して反強磁性層を設けることで同様な動作を期待できる。しかし、この場合、反強磁性により付与される異方性の方向は第２の強磁性自由層１０３と反平行にする必要がある。つまり、ブロッキング温度の異なる２種類の反強磁性材料を必要とし、実用上、温度特性の良い素子を実現することが難しくなる。
ＰｔＭｎのような温度特性の良い反強磁性材料を一種類で形成できるのが、本実施例の特長である。
【００３１】
電極を流す端子の取り方で、電流垂直通電型（ＣＰＰ）構造、トンネル磁気抵抗型（ＴＭＲ）への展開も可能である。図８はその実施例である。電極層１１７は感知部の上下部に設けられ、センス電流は膜厚方向に流れる。感知部の両側には薄い絶縁層１２０が設けられ、その外側にシールド層１０８を配置する。磁化の動作は図１と同様である。この構造はシールド間がＧＭＲ膜厚まで低減でき、より高密度に対応可能なポテンシァルを有している。また、ＴＭＲは第１の非磁性層１０２をＡｌ酸化膜とすることで実現される。
【００３２】
磁気ヘッドは、図１に示した磁気抵抗センサを、下部磁気シールド層と下部ギャップ膜からなる基板上に配置し、その上部に上部ギャップ膜と上部シールド層を積層して、再生部が形成される。さらに、非磁性層を介して記録ヘッドが形成され、記録再生機能を備えた複合磁気ヘッドが実現される。
【００３３】
本発明の磁気抵抗センサを搭載した磁気記録装置はディスク・ドライブ・モータによって回転するスピンドルに備えつけられた磁気ディスクを有し、磁気ヘッドはボイスコイルモータ、ロータリー・アクチエター・アーム、サスペンション、およびスライダーを介してディスク面に対して動くように取り付けられ、ディスク上のトラックの磁気データを読み書きする。本発明では不感帯領域と読みにじみがなく、実効的なトラック幅が０．１ｕｍ以下のヘッドが実現でき、面記録密度１００Ｇｂ／ｉｎ２を越える高密度磁気記録装置を実現することができた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、狭トラック化による急激な感度の低下を防ぐことができる。磁区制御は感知部の全面に一様に設けられており、ハードバイアス磁区制御のようなトラック端部の不感帯が存在しないためである。結果として、トラック幅が狭くても、高感度化は実現できる。また、磁区制御をトラック端部に設ける必要がないため、サイドシールドを備える事ができる。この結果、読みにじみは低減され、磁気的な再生幅と光学的な幅は同等となる。線記録密度に対して広い光学幅で対応できるため、結果として高感度化が実現できる。また、必要な反強磁性材料は一種類で、実現でき、温度特性の良い材料で実現できるため、実用的で信頼性の高い磁気ヘッドを得ることができる。したがって、その磁気ヘッドを磁気記録装置に搭載して高記録密度の装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例を示す構成図である。
【図２】従来のハードバイアス磁区制御方式の構成図である。
【図３】従来の交換結合磁界型磁区制御方式の構成図である。
【図４】従来の２層フリー層型の磁気抵抗センサの構成図である。
【図５】本発明の基本構造をしめす構成図である。
【図６】本発明の基本構造にサイドシールド層を設けた構造をしめす構成図である。
【図７】本発明の磁界印加制御手段（バイアス機構）の構成図である。
【図８】本発明をＣＰＰ構造，ＴＭＲ構造に応用した構成図である。
【符号の説明】
１…自由層、２…非磁性層、３…自由層、４…固定層、５…反強磁性層、６…下地層、７…電極層、９、１０…下地層、１１、１６…反強磁性層、１５…永久磁石層、１００…ギャップ層、１０１…第１の強磁性自由層、１０２…第１の非磁性層、１０３…第２の強磁性自由層、１０４…第２の非磁性層、１０５…反強磁性層、１０６…下地層、１０７…電極層、１０８…シールド層、１０９…下地、１１０…第２の非磁性層、１１１…第３の強磁性自由層、１１２…非磁性層、１１３…反強磁性層、１１４…固定層、１１５…永久磁石、１１６…反強磁性層、１１７…電極層、１１８…絶縁層、１１９…永久磁石膜、１２０…絶縁層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistance sensor using a giant magnetoresistance effect, a magnetic head equipped with the sensor, and a magnetic recording device.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows a basic configuration of a conventional magnetoresistive sensor having a spin valve structure. This structure is a laminate of a free layer 1 having soft magnetic properties via a nonmagnetic layer 2 and a fixed layer 4 in which the direction of magnetization is fixed. An antiferromagnetic layer 5 is laminated on the fixed layer 4 to fix the magnetization direction of the fixed layer. The laminate is formed to have a predetermined width (track width). On both sides of the laminate, a permanent magnet layer (hard layer) 15 for controlling the magnetization direction of the free layer 1 and an electrode layer 7 for flowing a sense current are formed. A laminate is provided.
[0003]
The present magnetoresistive sensor is a sensor that detects a giant magnetoresistive effect (GMR effect), which is one of the magnetoresistive effects. The GMR effect is a phenomenon in which the resistance changes according to the angle difference between the magnetization directions of the free layer and the fixed layer. The resistance becomes the lowest when the magnetization direction is the same direction at an angle of zero, and the resistance becomes the maximum when the magnetization direction is 180 degrees antiparallel. When no external magnetic field is applied, the magnetization of the fixed layer is fixed in a direction perpendicular to the track direction so that the angle is 90 degrees. The magnetization direction of the free layer is oriented in the track direction due to the magnetic field (hard bias) from the permanent magnet layer (hard film) and the easy axis anisotropy of the film itself. The angle difference in the magnetization direction changes according to the positive or negative of the external magnetic field, the resistance changes, and the voltage across the element changes due to the sense current, thereby operating as a magnetoresistive sensor.
[0004]
As the recording density increases and the track width decreases, the output of the above-described structure sharply decreases. The reason for this is that due to the strong magnetic field of the permanent magnet layer 15, there is a dead zone in which the sensitivity to the signal magnetic field is reduced at the end of the track width of the sensing unit of the magnetic sensor. In order to improve sensitivity in a narrow track, a structure different from the conventional hard bias is required, and several structures for solving the problem have been recently proposed.
[0005]
FIG. 3 shows a typical example of the exchange-coupling type magnetic domain control structure replacing the hard bias. An antiferromagnetic layer 16 is stacked on both ends of the free layer 1, and the magnetization of the free layer 1 under the antiferromagnetism is fixed in the track width direction by an exchange coupling magnetic field. The electrode layer 7 is provided so as to be stacked on the antiferromagnetic layer. In this case, there is no dead zone due to the bias as shown in FIG. 2 at both ends of the free layer, and the end of the track also has a high sensitivity. In an academic journal (IEEE, April 2001, pp 1723), calculations show that the exchange coupled magnetic domain control structure of FIG. 3 can be expected to output about twice as much as the conventional structure of FIG. ing.
[0006]
FIG. 4 shows another example of the exchange-coupling type magnetic domain control structure. This is an example disclosed in a digest of TMRC (DIGEST OF THE MAGNETIC RECORDING CONFERENCE 2001 A3 IEEE MAGNETIC SOCIETY) held in August 2001 by the IEEE Society. In this structure, two free layers 1 and 3 are provided via a nonmagnetic layer 2. Unlike the structure of FIG. 3, there is no fixed layer, and instead two free layers 1, 3 whose magnetization can freely operate by an external magnetic field are provided. The magnetization directions of the free layers are set to be antiparallel to each other. When a bias magnetic field is applied perpendicularly to the track direction and there is no external magnetic field, the magnetization angle of the free layer 1 and the free layer 3 is 45 degrees with respect to the track direction, and the angle difference is 90 degrees. Similar to the structure of FIG. 3, the calculation shows that there is no dead zone at both ends of the track, the magnetization angle changes with an external magnetic field, and a high output is obtained. Hereinafter, this GMR structure is referred to as a two-layer free layer structure.
[0007]
However, in the exchange-coupling type shown in FIGS. 3 and 4, since a free layer exists below the antiferromagnetic layer, it is difficult to prevent a magnetic field from entering from the track end. For this reason, the readability becomes large, and a narrower optical track width is required to realize a magnetically narrow track width. Because of this readability, these exchange-coupled types are also not suitable for narrow tracks.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to realize high sensitivity in a narrow track, it is necessary to reduce dead zones at both ends of the track generated by the hard bias magnetic domain control structure. However, although the exchange-coupling-type magnetic domain control structure having no dead zone can achieve high sensitivity, it has difficulty in obtaining a magnetically narrow track because of bleeding. A magnetically equivalent track width cannot be realized unless the track width is optically narrower than the hard bias structure. On the other hand, in the hard bias structure, a track width optically larger than that of the exchange coupling type can be realized magnetically equivalent to the track width. However, if the track width is reduced as described above, the required sensitivity cannot be realized.
[0009]
As the track narrowing progresses, it is necessary to reduce the read bleed while maintaining the output. As described above, this problem cannot be easily realized with the current structure. According to calculations, in the region where the track width is 0.3 μm or less, the magnetic track width can be reduced only about half of the optically reduced width. In addition, it is reduced by reducing the flying height and the shield interval, but the amount is small. As described above, it is difficult for the hard bias structure to realize high sensitivity in a narrow track, and the exchange-coupling type is not suitable for realizing a head of a magnetically narrow track because of a large amount of readout.
[0010]
On the other hand, instead of arranging the magnetic domain control layer at both ends of the track of the sensing unit as in the related art, an antiferromagnetic layer is stacked on the free layer via a non-magnetic layer to impart unidirectional anisotropy, There is also proposed a method of aligning the magnetization direction of the free layer in the track width direction and controlling magnetic domains. This method will be referred to as sensing section magnetic domain control. The sensing part magnetic domain control method is not necessarily a new idea, and an example of trial in a spin valve structure is disclosed in the digest of the TMRC (DIGEST OF THE MAGNETIC RECORDING CONFERENCE 2001 A6 IEEE MAGNETIC SOCIETY). However, the spin valve already uses an antiferromagnetic layer to fix the magnetization of the fixed layer, and the antiferromagnetic layer used for controlling the magnetic domain and the antiferromagnetic layer used for the fixed layer fix the magnetization. The directions must be orthogonal. For this reason, two types of antiferromagnetic materials having different blocking temperatures Tb are required, and the magnetization directions are fixed in order from the higher Tb. In this case, the magnetization characteristics of a material having a low Tb have poor temperature characteristics. Therefore, when the magnetic domain control method of the sensing unit is applied to the spin valve structure, a practical problem occurs.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, to provide a practical magnetoresistive sensor suitable for high linear density reproduction capable of realizing a magnetically narrow track with high sensitivity without a dead zone and reading, and the magnetoresistive sensor. An object of the present invention is to provide a magnetic head in which a recording head is stacked on a sensor, and a magnetic recording device in which the magnetic head is mounted.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a first nonmagnetic layer, and first and second ferromagnetic free layers separated by the first nonmagnetic layer and having easy axes of magnetization in the same direction. A magnetic field application control for applying a predetermined magnetic field in a direction orthogonal to the easy axis direction of the first and second ferromagnetic free layers to control the angles of magnetization of the first and second ferromagnetic free layers. A magnetoresistive element having means for detecting a change in magnetoresistance by flowing a current through a multilayer film including the first and second ferromagnetic free layers and the first nonmagnetic layer. As a magnetic domain control means for aligning the magnetization direction of the second ferromagnetic free layer in the track width direction, via a second non-magnetic layer formed at least adjacent to one of the first and second ferromagnetic free layers. A magnetic domain control layer made of an antiferromagnetic material is provided.
[0013]
The thickness of the first nonmagnetic layer is set to a thickness at which antiferromagnetic coupling occurs between the first and second ferromagnetic free layers.
[0014]
Further, one of the first and second ferromagnetic free layers has a three-layer structure sandwiching a third nonmagnetic layer, and the ferromagnetic layers are antiferromagnetically coupled.
[0015]
Furthermore, a ferromagnetic material having soft magnetic properties is provided at both ends of a multilayer film including the first nonmagnetic layer and the first and second ferromagnetic free layers separated by the first nonmagnetic layer. Shield layers are arranged.
[0016]
Further, an antiferromagnetic or permanent magnet film having a function of aligning the magnetization direction of the shield layer is laminated on the shield layer.
[0017]
Further, at both ends of a multilayer film composed of a first nonmagnetic layer and first and second ferromagnetic free layers separated by the nonmagnetic layer and having an easy axis of magnetization in the same direction, parallel to the multilayer film surface. Alternatively, an electrode layer through which a sense current flows vertically is arranged.
[0018]
Furthermore, the first nonmagnetic layer is provided as an insulating layer, and a means for detecting a change in magnetoresistance utilizing the magnetic field dependence of the tunnel current is provided.
[0019]
Further, the magnetic field applying means is a conductive permanent magnet film via an insulating layer or a high-resistance permanent magnet film.
[0020]
Further, the antiferromagnetic layer is formed of at least one of PtMn and IrMn, and the nonmagnetic layer is formed of at least one of Cu and Ru.
[0021]
In the above-described magnetoresistive sensor, a magnetic shield film made of a magnetic material having soft magnetic properties is provided on both upper and lower sides of the sensor, and a recording head is laminated on the magnetic shield film.
[0022]
Still further, in the magnetic disk device, at least one magnetic disk, a rotating unit for rotating the magnetic disk, any one of the above-described heads capable of writing and reading data on the magnetic disk, and controlling the magnetic head It has a control means.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 5 shows the basic configuration of the magnetoresistive sensor of the present invention. The film configuration of the sensing unit is as follows: an underlayer 106, an antiferromagnetic layer 105, a second nonmagnetic layer 104, a second ferromagnetic free layer 103, a first nonmagnetic layer 102, a first ferromagnetic free layer 101, The cap layers 100 are sequentially stacked. The laminated film is formed to have a predetermined width (track width), and electrode layers 107 are arranged at both ends. In this example, the underlayer 106 is formed of Ta (2 nm thick) / NiFeCr (5 nm), and the antiferromagnetic film 105 is PtMn (12 nm thick). The second nonmagnetic layer 104 is Cu (0.2 nm thick), and the second ferromagnetic free layer 103 is a two-layer film of NiFe (2 nm thick) / CoFe (0.5 nm thick). Further, the first nonmagnetic layer 102 is made of Cu (2 nm in thickness), the first ferromagnetic free layer 101 thereon is CoFe (0.5 nm in thickness) / NiFe (2 nm in thickness), and the cap layer 100 is Ta (thickness: 3 nm). Hereinafter, this configuration is expressed as Ta2 nm / NiFeCr5 nm / PtMn12 nm / Cu0.2 nm / NiFe2 nm / CoFe0.5 nm / Cu2 nm / CoFe0.5 nm / NiFe2 nm / Ta3 nm in the order of lamination. The electrode layer 107 is Ta. Further, a permanent magnet (hard) film as shown in FIG. 7 (FIG. 7 is a cross-sectional view obtained by rotating FIG. 5 by 90 degrees) is disposed at the rear of the sensing unit, and the bias magnetic field shown in FIG. It is applied in the direction orthogonal to the direction.
[0024]
Next, the operation of this magnetoresistive sensor will be described. The magnetization direction of the second ferromagnetic free layer 103 is directed to a predetermined direction by the antiferromagnet 105. This is because uniaxial anisotropy is provided by the antiferromagnetic film. Since the second ferromagnetic free layer 103 is magnetostatically coupled at both ends of the track width, the magnetization is directed in a direction opposite to that of the first ferromagnetic free layer 101. At this time, a predetermined bias magnetic field is applied from the rear end, and the magnetization angle difference between the two layers is set to 90 degrees. When the magnetic field of the medium is in the same direction as the bias magnetic field, the angle difference between the two layers is reduced, and the resistance of the sensing unit is correspondingly reduced. Conversely, when the direction of the medium magnetic field is opposite to the bias magnetic field, the angle difference between the two layers increases, and the resistance of the sensing unit increases. A sense current is supplied from the electrodes at both ends of the track to obtain a voltage change.
[0025]
The important point here is that the magnetization directions of the first ferromagnetic free layer 101 and the second ferromagnetic free layer 103 are antiparallel with no bias magnetic field. As described above, the magneto-static coupling at both ends of the track makes the tracks antiparallel, but there is a method for further ensuring this. The first method is to make the coupling between the free layers antiferromagnetic. To achieve this, the thickness of the nonmagnetic layer Cu that separates the free layers must be selected. The flatness of the underlayer is necessary, but if the Cu thickness is selected to be around 2 nm, antiferromagnetic coupling of about 10 Oe can be obtained. The second method is to provide antiferromagnetic layers on both sides of the free layer. This method will be described later with reference to FIG.
[0026]
FIG. 6 shows a structure in which shield layers 108, that is, side shield layers are provided at both ends of the track. As described above, the conventional hard bias magnetic domain control structure requires a hard film at the track end, so that basically no side shield can be provided, but the magnetic domain control is already provided in the sensing unit. Therefore, a soft magnetic layer can be provided at the track end. When the shield layer is provided, the read bleeding is greatly reduced. The magnetic track width and the optical track width have substantially the same value. In a structure without a shield, the optical width needs to be narrowed by at least about 0.05 μm. The track width has already been reduced to 0.2 μm or less, and the necessity of making the width as small as 0.05 μm is a great advantage in process and sensitivity. It can be said that a magnetic track width of 0.1 μm or less cannot be realized without the side shield.
[0027]
For the side shield, the simplest soft magnetic layer configuration is the simplest. However, when the magnetization rotation of the side shield affects the sensing unit, noise occurs. To reduce the magnetic noise, the side shield is desirably a multilayer film. By making the net magnetic charge at the track end of the side shield zero by multi-layering, the influence of the magnetization rotation of the shield on the sensing unit can be significantly reduced. In addition, stacking a permanent magnet (hard) film or an antiferromagnetic layer on the shield layer and aligning the magnetization directions of the shield layer is also effective in reducing magnetic noise. For example, when an antiferromagnetic layer is stacked with two shield layers, the base layer 109, the shield layer 108, and the electrode layer 107 are composed of Ta3nm / NiFe20nm / Ru / NiFe20nm / Cu / PtMn10nm / TaW20nm / Ta100nm in this order from the bottom. The Ru layer can also have antiferromagnetic coupling between the shield layers depending on the thickness. The Cu layer plays a role in adjusting the bond between PtMn and NiFe. However, since the coupling magnetic field does not increase because NiFe is thick, it may not be necessary depending on the case. Further, it is naturally possible to form two or more shield layers. Further, a TaW / Ta layer serving as an electrode is laminated on the upper layer. What is important here is that a soft magnetic layer serving as a shield layer is provided at a position beside the free layer of the sensing unit. If the position shifts, the effect of the side shield is rapidly lost. Therefore, the base 109 is selected to an appropriate value. The formation of this structure uses the same process as that of the conventional hard bias magnetic domain control structure, and differs only in the film configuration, so that there is no problem in manufacturing.
[0028]
The magnetic field application control means (bias mechanism) provided at the rear end of the sensing unit has a structure similar to that of a conventional hard bias as shown in FIG. The rear end of the GMR film composed of each layer from 100 to 106 constituting the sensing portion is removed by milling, Al2O3 is sputtered as an insulating layer 118 for about 20 nm as an insulating layer for insulation, and a 5 nm-thick film is formed thereon as an underlayer. A permanent magnet (hard) film 119 (CoCrPt) including a Cr film is sputtered. Since the thickness of the permanent magnet (hard) film determines the magnitude of the bias magnetic field, the thickness is adjusted according to the strength of the anisotropy of the free layer formed by the antiferromagnetic layer. This permanent magnet (hard) film can be replaced with a high-resistance permanent magnet (hard) film such as CoCrPt.ZrO2. In this case, since the shunt of the detection current is small, the insulating layer of Al2O3 is not required, and the process is simplified.
[0029]
FIG. 1 shows another embodiment. The first ferromagnetic free layer 101 is replaced with a laminated ferrimagnetic free layer via a nonmagnetic layer. It is composed of a first ferromagnetic free layer 101 / third nonmagnetic layer 110 / third ferromagnetic free layer 111. As a specific example, the first ferromagnetic free layer 101 has two layers of CoFe0.5 nm / NiFe3 nm. The structure is such that Ru is 0.8 nm as the third nonmagnetic layer 110 and NiFe is 0.5 nm as the third ferromagnetic free layer 111. CoFe0.5nm / NiFe3nm / Ru0.8nm / NiFe0.5nm . In this case, the first ferromagnetic free layer 101 and the third ferromagnetic free layer 111 are strongly antiferromagnetically coupled with a magnetic field exceeding 1000 Oe. An antiferromagnetic layer 113 is laminated on the laminated ferrimagnetic layer via a nonmagnetic layer 112. Here, when the antiferromagnetic layers 113 and 105 are made of the same material, for example, PtMn and subjected to a heat treatment in a magnetic field, the first ferromagnetic free layer sandwiching the first nonmagnetic layer 102 is formed by the action of the laminated ferrimagnetic layer. The magnetization directions of the layer 101 and the second ferromagnetic free layer 103 are antiparallel. In this case, the first method for selecting the thickness of the first nonmagnetic layer 102 and performing antiferromagnetic coupling is not always necessary. The net Bst of the laminated ferrimagnetic layer is the first ferromagnetic free layer 101 such that the absolute value of the magnetization rotation angle with respect to the bias magnetic field of the first ferromagnetic free layer 101 and the second ferromagnetic free layer 103 becomes the same. The thickness of the second nonmagnetic layers 104 and 112 is selected to be substantially the same as that of 101, and the anisotropic magnetic field applied to each free layer is adjusted to the same value. As a result, the first ferromagnetic free layer 101 and the second ferromagnetic free layer 103 are magnetically controlled by the antiferromagnetic layers 105 and 113 and operate stably. The stability increases as the anisotropic magnetic field due to the antiferromagnetic layer increases, but if the strength is too high, the sensitivity decreases. In this structure, the track ends are magnetostatically coupled at the same Bst, and a strong demagnetizing field at the ends which is problematic in magnetic domain control is not generated. And high sensitivity can be realized.
[0030]
A similar operation can be expected by providing an antiferromagnetic layer on the first ferromagnetic free layer 101 via a nonmagnetic layer without using a laminated ferrimagnetic layer. However, in this case, the direction of the anisotropy imparted by the antiferromagnet needs to be antiparallel to the second ferromagnetic free layer 103. That is, two types of antiferromagnetic materials having different blocking temperatures are required, and it becomes difficult to realize a device having good temperature characteristics in practical use.
It is a feature of this embodiment that one kind of antiferromagnetic material having good temperature characteristics such as PtMn can be formed.
[0031]
Depending on the arrangement of the terminals through which the electrodes flow, it is also possible to develop a current vertical conduction type (CPP) structure or a tunnel magnetoresistive type (TMR). FIG. 8 shows the embodiment. The electrode layers 117 are provided above and below the sensing unit, and the sense current flows in the film thickness direction. A thin insulating layer 120 is provided on both sides of the sensing unit, and a shield layer 108 is disposed outside the thin insulating layer 120. The operation of magnetization is the same as in FIG. In this structure, the distance between the shields can be reduced to the GMR film thickness, and the potential has a higher density. TMR is realized by forming the first nonmagnetic layer 102 as an Al oxide film.
[0032]
In the magnetic head, the reproducing section is formed by disposing the magnetoresistive sensor shown in FIG. 1 on a substrate composed of a lower magnetic shield layer and a lower gap film, and laminating the upper gap film and the upper shield layer on the substrate. You. Further, a recording head is formed via the non-magnetic layer, and a composite magnetic head having a recording / reproducing function is realized.
[0033]
A magnetic recording apparatus equipped with the magnetoresistive sensor of the present invention has a magnetic disk mounted on a spindle rotated by a disk drive motor, and a magnetic head includes a voice coil motor, a rotary actuator arm, a suspension, and a slider. It is mounted to move with respect to the disk surface, and reads and writes magnetic data of tracks on the disk. According to the present invention, it is possible to realize a head having an effective track width of 0.1 μm or less without a dead zone and read bleed, and a high-density magnetic recording apparatus exceeding an areal recording density of 100 Gb / in 2 .
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent a sharp decrease in sensitivity due to a narrow track. This is because the magnetic domain control is provided uniformly over the entire surface of the sensing unit, and there is no dead zone at the track end unlike the hard bias magnetic domain control. As a result, high sensitivity can be achieved even when the track width is narrow. Further, since it is not necessary to provide the magnetic domain control at the track end, a side shield can be provided. As a result, the read bleeding is reduced, and the magnetic reproduction width becomes equal to the optical width. Since a wide optical width can be applied to the linear recording density, high sensitivity can be realized as a result. Also, since only one kind of necessary antiferromagnetic material can be realized and a material having good temperature characteristics can be realized, a practical and highly reliable magnetic head can be obtained. Therefore, the magnetic head can be mounted on a magnetic recording apparatus to realize a high recording density apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a specific embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional hard bias magnetic domain control system.
FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional exchange coupling magnetic field type magnetic domain control system.
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional two-layer free layer type magnetoresistive sensor.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a basic structure of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a structure in which a side shield layer is provided in the basic structure of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a magnetic field application control means (bias mechanism) of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram in which the present invention is applied to a CPP structure and a TMR structure.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 free layer, 2 nonmagnetic layer, 3 free layer, 4 fixed layer, 5 antiferromagnetic layer, 6 underlayer, 7 electrode layer, 9, 10 underlayer, 11, 16 antilayer Ferromagnetic layer, 15: permanent magnet layer, 100: gap layer, 101: first ferromagnetic free layer, 102: first nonmagnetic layer, 103: second ferromagnetic free layer, 104: second non-magnetic layer Magnetic layer, 105 antiferromagnetic layer, 106 base layer, 107 electrode layer, 108 shield layer, 109 base, 110 second nonmagnetic layer, 111 third free ferromagnetic layer, 112 Nonmagnetic layer, 113 antiferromagnetic layer, 114 fixed layer, 115 permanent magnet, 116 antiferromagnetic layer, 117 electrode layer, 118 insulating layer, 119 permanent magnet film, 120 insulating layer.
