JP2008078214A

JP2008078214A - 磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JP2008078214A
Application number: JP2006253069A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mukoyama; 直樹向山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】媒体磁界に応答する自由磁性層の磁化回転角度の分布を効率的にし、自由磁性層の平均磁化回転角度を大きくすることで、高い再生出力の磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【解決手段】自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２の磁化を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４と、自由磁性層１１に縦バイアス磁界を印加する強磁性層１５とからなる磁気抵抗効果素子であって、少なくとも自由磁性層１１の縦バイアス方向の幅を媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で狭くする、或いは自由磁性層１１と強磁性層１５との間隔を媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で広くする、或いは強磁性層１５の膜厚を媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で薄くすることで、自由磁性層の平均磁化回転角度を大きくする。
【選択図】図６

Description

本願発明は磁気抵抗効果素子に関する。さらに詳しくは、磁気抵抗効果素子の媒体磁界に対する平均感度を向上させることで、高い再生出力が得られる磁気抵抗効果素子に関する。

磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッドの構造を図１に示す。この磁気ヘッドは、リードヘッド４とライトヘッド９から構成される。リードヘッド４は下部シールド層１と上部シールド層３とで再生用の磁気抵抗効果素子２（ＭＲ素子、GＭＲ素子、ＴＭＲ素子）を挟む構造である。ライトヘッド９はライトギャップ６を挟んで配置される下部磁極５及び上部磁極７と、記録用のコイル８からなる構造である。

磁気ヘッドに用いられる従来の磁気抵抗効果素子の構造を図２に示す。図２は媒体対向面を媒体側から見た磁気抵抗効果素子の斜面図である。磁界を検知する素子部１０は、自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４から構成される。固定磁性層１２の磁化は反強磁性層１３により一定方向に固定されている。自由磁性層１１は媒体磁界に応答して磁化角度が変化する。非磁性層１４はCu等の導体材料又はAl₂O₃等の絶縁材料からなる。また、素子部１０の両側には縦バイアス磁界を印加するための強磁性層１５がＣｒ等の下地層１６を介して配置されている。

ここで、従来の技術では、磁気抵抗効果素子の媒体対向面側の縦バイアス方向の幅１７は、媒体対向面に対向する面側の縦バイアス方向の幅１８と概ね等しい。また、媒体対向面側の自由磁性層１１と強磁性層１５との間隔１９は、媒体対向面に対向する面側の自由磁性層１１と強磁性層１５との間隔２０と概ね等しい。さらに、媒体対向面側の強磁性層１５の膜厚２１は、媒体対向面に対向する面側の強磁性層１５の膜厚２２と概ね等しい。

従来技術での媒体磁界に応答する自由磁性層の磁化回転角度のX-Y面内の分布の模式図を図３に示す。ここで、縦バイアス磁界の方向をX方向、媒体対向面に垂直な方向をY方向、これらのX方向及びY方向に直交する方向をZ方向とする。自由磁性層の磁化回転角度は、縦バイアス方向(X方向)では中央部で大きく、素子両端部で小さい。これはバルクハウゼンノイズを抑制するため、磁気抵抗効果素子の縦バイアス方向の両端部の磁化を、強磁性層からの縦バイアス磁界で抑えているからである。また、素子高さ方向(Y方向)では、媒体対向面部で大きく、媒体対向面に対向する面部で小さくなっている。これは、媒体対向面部から媒体対向面に対向する面部に近づくに従い媒体からの磁界が弱くなっているからである。

すなわち、縦バイアス方向(X方向)の素子両端部で、かつ素子高さ方向(Y方向)の媒体対向面に対向する面部に該当する低感度部分２３では自由磁性層の磁化回転が小さく、当該部分の出力への関与は少ない。この場合、自由磁性層全体の平均磁化回転角度は小さくなり、高い再生出力を得ることができない。

特に近年では磁気記録装置の大容量化が進み、ハードディスクの高密度化が必要とされており、磁気ディスクに記録された微小の磁気情報を読取るため、磁気抵抗効果素子においてもますます小型化の要求が大きくなっている。したがって、要求される再生ヘッドのコア幅もますます狭くなっており、強磁性層からのバイアス磁界により自由磁性層の媒体磁界に対する平均回転角度は急激に低下している。
特開平2005-78666号公報

ここで、自由磁性層の磁化回転角度を大きくすれば、高い再生出力を得ることができるが、一方で、縦バイアス方向(X方向)の素子端部での自由磁性層の磁化回転が大きくなるとバルクハウゼンノイズを生じる問題がある。したがって、縦バイアス磁界の強度調整などにより自由磁性層の磁化回転角度を一様に全面的に大きくするのではなく、自由磁性層の磁化回転角度の小さい低感度部分２３についてのみ、その回転角度を大きくできれば高い再生出力を得ることができる。本願発明は、媒体磁界に応答する自由磁性層の磁化回転角度の分布を効率的にし、自由磁性層の平均磁化回転角度を大きくすることで、高い再生出力の磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

そこで、自由磁性層の平均磁化回転角度を大きくするため以下の手段を説明する。

自由磁性層と、固定磁性層と、固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、自由磁性層と固定磁性層の間の非磁性層と、自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、少なくとも自由磁性層の縦バイアス方向の幅が媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で狭くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。

自由磁性層の形状を膜面に垂直方向から見て台形にすることで、自由磁性層の磁化回転角度が小さい部分を除外し、自由磁性層全体の平均磁化回転角度を大きくするものである。

また、自由磁性層と、固定磁性層と、固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、自由磁性層と固定磁性層の間の非磁性層と、自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、自由磁性層と強磁性層との間隔が、媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で広くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子でもよい。

これは、自由磁性層の磁化回転角度が小さい部分の縦バイアス磁界を弱めることで、当該部分の自由磁性層の磁化回転角度を大きくして、自由磁性層全体の平均磁化回転角度を大きくするものである。

同様に、自由磁性層と、固定磁性層と、固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、自由磁性層と固定磁性層の間の非磁性層と、自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、強磁性層の膜厚が、媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で薄くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子であってもよい。
かかる場合も、自由磁性層の磁化回転角度が小さい部分の縦バイアス磁界を弱めることで、当該部分の自由磁性層の磁化回転角度を大きくして、自由磁性層全体の平均磁化回転角度を大きくするものである。

本願発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、自由磁性層の平均磁化回転角度を大きくすることで、高い再生出力を得ることができ、高密度化に対応した高感度の磁気抵抗効果素子を提供することができる。

以下、添付した図面に基づき本願発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４は、本願発明に係る磁気抵抗効果素子の第１の実施形態の構成を示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２の磁化を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４と、自由磁性層１１に縦バイアス磁界を印加する強磁性層１５とを有し、素子部１０が媒体対向面側の幅１７よりも媒体対向面に対向する面側の幅１８で狭くなっている。

ここで、固定磁性層１２はRu等の中間材料を介した二層構造をとる場合もある。また、反強磁性層１３にはTa等の下地層を設ける場合もある。また、自由磁性層１１にはTa等のキャップ層を設ける場合もある。また、これらの磁気抵抗効果素子は逆順に積層される場合もある。なお、第２の実施形態及び第３の実施形態においてもこれらは同様である。

図５に本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を示す。図５は本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造工程を（ａ）〜（ｅ）に分けて説明した図であり、左側に媒体対向面に垂直な方向から見た平面図を、右側に膜面に垂直な方向から見た平面図が示されている。

まず、図５（ａ）で示すように、磁気抵抗効果膜を積層する。次に、図５（ｂ）に示すように、レジストを積層体上に塗布した後、露光と現像により台形状にパターニングしてマスクを形成する。このマスクに基づきイオンミリング処理を行い、磁気抵抗効果膜を所定寸法に加工する。本実施形態では、ステッパを使用して、レジストの厚さ1.0umのパターンを形成した。その後、アルゴン(Ar)イオンが基板の面に対して垂直に入射する角度を設定してイオンミリング処理を行い、レジスト２４によりマスクされていない磁気抵抗効果膜の切削加工を行った。

次に、図５（ｃ）に示すように、前記レジスト２４をマスクとして用いて中間層２８を成膜し、レジスト２４を除去する。本実施形態では、中間層２８としてCrをスパッタリング法で成膜し、O2プラズマ処理或いはレジスト剥離液を用いてレジスト２４を除去する。なお、図５（ｃ）は、レジスト２４を除去した状態を示している。

次に、図５（ｄ）に示すように、レジスト２５を積層体上に塗布した後、露光と現像によりパターニングして前記工程とは異なる長方形状のマスクを形成し、このマスクに基づきイオンミリング処理を行い、中間層２８を所定寸法に加工する。

次に、図５（ｅ）に示すように、前記レジスト２５をマスクとして用いて下地層１６及び強磁性層１５を連続成膜し、レジスト２５を除去する工程を示す。本実施形態では、下地層１６としてCr、強磁性層１５としてCoPtをスパッタリング法で成膜し、O2プラズマ処理或いはレジスト剥離液を用いてレジスト２５を除去する。なお、図５（ｅ）はレジスト２５を除去した状態を示している。これで、本実施形態の磁気抵抗効果素子が製造される。

第１の実施形態の磁気抵抗効果素子の自由磁性層が媒体磁界に応答して磁化が回転する場合、その磁化回転角度は図６の模式図に示すような分布となる。縦バイアス方向の素子両端部で、かつ素子高さ方向の媒体対向面に対向する面部では、自由磁性層の磁化回転角度が小さいため、当該部分を除外した素子形状とすることで平均の磁化回転角度を大きくしている。なお、前記台形形状とすることで、媒体磁界に対するコア幅方向(X方向)の読取り幅が狭くなると考えられるが、素子全体のコア幅方向の寸法を大きくすることで調整することができる。

（第２の実施形態）
図７は、本願発明に係る磁気抵抗効果素子の第２の実施形態の構成を示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２の磁化を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４と、自由磁性層１１に縦バイアス磁界を印加する強磁性層１５とを有し、自由磁性層１１と強磁性層１５との間隔において、媒体対向面側の間隔１９よりも媒体対向面に対向する面側の間隔２０が広くなっている。

第１の実施形態における磁気抵抗効果素子の製造工程において、レジストをパターニングする形状を変えることで、同様の工程により第２の実施形態における磁気抵抗効果素子を製造することができる。

第２の実施形態の磁気抵抗効果素子の自由磁性層１１が媒体磁界に応答して磁化が回転する場合、その磁化回転角度は図８の模式図に示すような分布となる。従来技術に比べて縦バイアス方向の素子両端部で、かつ素子高さ方向の媒体対向面に対向する面部で、自由磁性層の磁化回転が大きくなっているため、平均の磁化回転角度も大きくなっている。これは、磁気抵抗効果素子とその磁気抵抗効果素子の縦バイアス方向の両側に配置された強磁性層との間隔が、媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で広くなっているため、素子高さ方向の媒体対向面に対向する面側での縦バイアス磁界が媒体対向面側に比べて小さいからである。このように自由磁性層の磁化回転が小さい低感度部分２３を少なくすることで、自由磁性層の平均磁化回転を大きくして再生出力を向上させることができる。

（第３の実施形態）
図９は、本願発明に係る磁気抵抗効果素子の第３の実施形態の構成を示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、自由磁性層１１と、固定磁性層１２と、固定磁性層１２の磁化を固定する反強磁性層１３と、自由磁性層１１と固定磁性層１２の間の非磁性層１４と、自由磁性層１１に縦バイアス磁界を印加する強磁性層１５とを有し、強磁性層１５の膜厚において、媒体対向面側の膜厚２１よりも媒体対向面に対向する面側の膜厚２２が薄くなっている。

図１０に本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を示す。図１０は本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造工程を（ａ）〜（ｅ）に分けて説明した図であり、左側に媒体対向面に垂直な方向から見た平面図を、右側に膜面に垂直な方向から見た平面図が示されている。また、図１０（ｆ）は図１０（ｅ）のＩ-Ｉ方向の断面図を示している。

まず、図１０（ａ）で示すように、磁気抵抗効果膜を積層する。次に、図１０（ｂ）に示すように、レジスト２６を積層体上に塗布した後、露光と現像によりパターニングしてマスクを形成する。このマスクに基づきイオンミリング処理を行い、磁気抵抗効果膜を所定寸法に加工する。本実施形態では、ステッパを使用して、レジストの厚さ1.0umのパターンを形成した。その後、アルゴン(Ar)イオンが基板の面に対して垂直に入射する角度を設定してイオンミリング処理を行い、レジスト２６によりマスクされていない磁気抵抗効果膜の切削加工を行った。

次に、図１０（ｃ）に示すように、前記レジスト２６をマスクとして用いて下地層１６を成膜し、レジスト２６を除去する。本実施形態では、下地層としてCrをスパッタリング法で成膜し、O2プラズマ処理或いはレジスト剥離液を用いてレジスト２６を除去する。なお、図１０（ｃ）は、レジスト２６を除去した状態を示している。

次に、図１０（ｄ）に示すように、レジスト２７を塗布した後、露光と現像によりパターニングしてマスクを形成する。

次に、図１０（ｅ）（ｆ）に示すように、前記レジスト２７をマスクとして用いて強磁性層１５を素子高さ方向の斜めから成膜し、レジスト２７を除去する。本実施形態では、強磁性層１５としてCoPtをスパッタリング法で成膜し、O2プラズマ処理或いはレジスト剥離液を用いてレジスト２７を除去する。なお、図１０（ｅ）はレジストを除去する前の状態を示している。

第３の実施形態の磁気抵抗効果素子の自由磁性層が媒体磁界に応答して磁化が回転する場合、その磁化回転角度は図１１の模式図に示すような分布となる。従来技術に比べて縦バイアス方向の素子両端部で、かつ素子高さ方向の媒体対向面に対向する面部で、自由磁性層の磁化回転が大きくなっているため、平均の磁化回転角度も大きくなっている。これは、磁気抵抗効果素子のコア幅方向の両側に配置された強磁性層の膜厚が、媒体対向面側よりも媒体対向面に対向する面側で薄くなっているため、素子高さ方向の媒体対向面に対向する面側での縦バイアス磁界が媒体対向面側に比べて小さいからである。このように自由磁性層の磁化回転が小さい低感度部分２３を少なくすることで、自由磁性層の平均磁化回転を大きくして再生出力を向上させることができる。

なお、本願発明に係る磁気抵抗効果素子は、ＭＲ型素子、スピンバルブ型素子、トンネル抵抗効果型素子等の媒体磁界に反応して自由に磁化方向が変化する層(自由磁性層)を備える磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置について、共通に適用することができる。

磁気ヘッドの構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子の従来の構成を示す斜面図である。従来の構成における、自由磁性層の磁化回転角度分布の模式図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第１の実施形態の構成を示す斜面図である。第１の実施形態における磁気抵抗効果素子の製造工程の説明図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第１の実施形態における、自由磁性層の磁化回転角度分布の模式図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第２の実施形態の構成を示す斜面図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第２の実施形態における、自由磁性層の磁化回転角度分布の模式図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第３の実施形態の構成を示す斜面図である。第３の実施形態における磁気抵抗効果素子の製造工程の説明図である。本願発明の磁気抵抗効果素子の第３の実施形態における、自由磁性層の磁化回転角度分布の模式図である。図１１に示す磁気抵抗効果素子のII-II方向の断面図である。図１１に示す磁気抵抗効果素子のIII-III方向の断面図である。

符号の説明

1下部シールド
2磁気抵抗効果素子
3上部シールド
4リードヘッド
5下部磁極
6ライトギャップ
7上部磁極
8コイル
9ライトヘッド
10素子部
11自由磁性層
12固定磁性層
13反強磁性層
14非磁性層
15強磁性層
16下地層
17磁気抵抗効果素子の媒体対向面側の縦バイアス方向の幅
18磁気抵抗効果素子の媒体対向面に対向する面側の縦バイアス方向の幅
19自由磁性層と強磁性層の媒体対向面側の間隔
20自由磁性層と強磁性層の媒体対向面に対向する面側の間隔
21強磁性層の媒体対向面側の膜厚
22強磁性層の媒体対向面に対向する面側の膜厚
23自由磁性層の磁化回転が小さい低感度部分
24レジスト
25レジスト
26レジスト
27レジスト
28中間層

Claims

自由磁性層と、固定磁性層と、前記固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、前記自由磁性層と前記固定磁性層の間の非磁性層と、前記自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、
少なくとも前記自由磁性層の縦バイアス方向の幅が媒体対向面側よりも媒体対向面と対向する面側で狭くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
自由磁性層と、固定磁性層と、前記固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、前記自由磁性層と前記固定磁性層の間の非磁性層と、前記自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、
前記自由磁性層と前記強磁性層との間隔が、媒体対向面側よりも媒体対向面と対向する面側で広くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
自由磁性層と、固定磁性層と、前記固定磁性層の磁化を固定する反強磁性層と、前記自由磁性層と前記固定磁性層の間の非磁性層と、前記自由磁性層に縦バイアス磁界を印加する強磁性層とを有し、
前記強磁性層の膜厚が、媒体対向面側よりも媒体対向面と対向する面側で薄くなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。