JP4957650B2

JP4957650B2 - 磁界検出素子

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Publication number: JP4957650B2
Application number: JP2008129623A
Authority: JP
Inventors: 友人水野; 芳弘土屋; 晋治原; 幸司島沢; 勤長
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: US20090061258A1; JP2009060079A

Description

本発明は磁界検出素子に関し、特に一対のフリー層を有する磁界検出素子の素子構造に関する。

薄膜磁気ヘッドの再生素子としてＧＭＲ(Giant Magneto-Resistance)素子が知られている。従来は、センス電流を素子の膜面と水平方向に流すＣＩＰ(Current In Plane)−ＧＭＲ素子が主に用いられてきたが、最近では、更なる高記録密度化に対応するため、センス電流を素子の膜面と直交する方向に流す素子が開発されている。このタイプの素子として、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistance)効果を利用したＴＭＲ素子、及びＧＭＲ効果を利用したＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)−ＧＭＲ素子が知られている。本明細書では、センス電流が素子の膜面と直交する方向に流れる素子を総称してＣＰＰ型素子という。

従来、ＣＰＰ型素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層（フリー層）と、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁性層（ピンド層）と、ピンド層とフリー層との間に挟まれた非磁性中間層（スペーサ層）と、を備えた積層体を有している。積層体のトラック幅方向両側には、フリー層にバイアス磁界を印加するバイアス磁界層が設けられている。フリー層はバイアス磁界層からのバイアス磁界によって単磁区化される。このため、外部磁界の変化に対する抵抗変化の線形性が高められると同時に、バルクハウゼンノイズが効果的に抑制される。フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向のなす相対角度は外部磁界に応じて変化し、これによって積層体の膜面直交方向に流れるセンス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁化が検出される。積層体の積層方向両端はシールド層によって磁気的にシールドされている。

近年、一層の高線記録密度が望まれているが、線記録密度を向上させるためには上下シールド層間の間隔（シールド間ギャップ）の低減が不可欠である。そのためには積層体の膜厚の減少が必要となる。しかし、従来のＣＰＰ型素子には、膜構成に由来する大きな制約があった。すなわち、ピンド層は磁化方向が外部磁界の影響を受けずに強固に固定されている必要があるため、通常いわゆるシンセティックピンド層が用いられている。シンセティックピンド層は、アウターピンド層と、インナーピンド層と、アウターピンド層とインナーピンド層との間に挟まれた、ＲｕまたはＲｈからなる非磁性中間層と、を有している。また、アウターピンド層の磁化方向を固定するため、アウターピンド層に接して反強磁性層が設けられている。反強磁性層は典型的にはIrMnからなる。シンセティックピンド層では、反強磁性層がアウターピンド層と交換結合することによって、アウターピンド層の磁化方向が固定される。インナーピンド層が非磁性中間層を介してアウターピンド層と反強磁性的に結合することによって、インナーピンド層の磁化方向が固定される。インナーピンド層とアウターピンド層の磁化方向は反平行となるので、ピンド層の磁化が全体として抑制される。シンセティックピンド層はこのような長所を有しているが、シンセティックピンド層を有するＣＰＰ型素子を構成するためには多数の層を設ける必要があり、積層体の膜厚低減に対する大きな制約となっていた。

近年、このような従来の積層体の膜構成とは全く異なる新しい膜構成が提案されている。特許文献１には、外部磁界に応じて磁化方向が変化する２つのフリー層と、これらのフリー層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有するＣＩＰ素子が開示されている。特許文献２には、外部磁界に応じて磁化方向が変化する２つのフリー層と、これらのフリー層の間に挟まれた非磁性中間層と、を有するＣＰＰ型素子が開示されている。これらの素子では、２つのフリー層は非磁性中間層を介してＲＫＫＹ(Rudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida)相互作用による交換結合をしている。バイアス磁性層は記録媒体対向面から見て積層体の反対側に設けられ、バイアス磁界は記録媒体対向面の直交方向に印加される。バイアス磁性層からの磁界によって、２つのフリー層の磁化方向は一定の相対角度をなす。この状態で記録媒体からの外部磁界を与えると、２つのフリー層の磁化方向が変化し、この結果２つのフリー層の磁化方向がなす相対角度が変化し、センス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁化を検出することが可能となる。このように２つのフリー層を用いた膜構成では、従来のシンセテッィクピンド層や反強磁性が不要となるため、膜構成が簡略され、シールド間ギャップの低減が容易になるポテンシャルがある。
米国特許第７，０１９，３７１号明細書米国特許第７，０３５，０６２号明細書

このような２つのフリー層を用いる素子では、非磁性中間層は磁気抵抗効果を生じさせるだけでなく、２つのフリー層をＲＫＫＹ相互作用によって反平行に結合しなければならない。このような要求を満たす材料として、例えばＣｕ等の金属材料を好適に用いることができる。

しかし、Ｃｕ等の金属材料を用いた場合、非磁性中間層の電気抵抗が小さく、積層体に大きなセンス電流が流れる。このため、スピントルク効果によりフリー層の相対角度が外部磁界によって変化しにくくなるという問題を生じる。スピントルク効果とは、フリー層にスピン偏極した電子が注入され、フリー層の磁化状態が乱される現象をいう。この現象は外部磁界に対する素子の応答性の悪化をもたらす。スピントルク効果はセンス電流の電流密度が大きいほど顕著となるため、スピントルク効果を抑えるためには、非磁性中間層としてMgO，ZnO等の半導体材料やAlO等の絶縁体を用いて、電流密度を下げる必要がある。しかし、これらの材料は、必ずしもＲＫＫＹ相互作用を生じさせる性質を備えているとは限らない。また、ＲＫＫＹ相互作用が生じる場合には、非磁性中間層はＲＫＫＹ相互作用を得るために特定の膜厚を有している必要があるが、その膜厚で十分な磁気抵抗効果が得られるとは限らない。一例として、非磁性中間層にMgOを用いた場合、膜厚０．６ｎｍで弱いＲＫＫＹ相互作用（交換結合定数２．６×１０^-12Ｊ／ｍ²）が得られるという報告があるが、この膜厚では実用的な磁気抵抗変化率は得られない。このように、２つのフリー層を用いるＣＰＰ型素子においては、非磁性中間層の材料選定及び膜厚選定に大きな制約があり、スピントルク効果を抑えつつ、十分な磁気抵抗変化率を得ることは困難である。

本発明は、複数のフリー層を備えた積層体を有し、バイアス磁界層が記録媒体対向面から見て積層体の裏側に設けられている膜構成の、ＣＰＰ型の磁界検出素子を対象とする。本発明の目的は、スピントルク効果を抑えると共に、高い磁気抵抗効果を示し、かつシールド間ギャップの低減を図ることのできる、上記膜構成を有する磁界検出素子を提供することである。本発明の他の目的は、上記磁界検出素子を用いたスライダ、ハードディスク装置等を提供することである。

本発明の一実施態様によれば、磁界検出素子は、第１、第２、第３の磁性層の順で積層されている第１、第２、第３の磁性層であって、第２の磁性層が第１の磁性層と第３の磁性層との中間に位置する第１、第２、第３の磁性層と、第１及び第２の磁性層の間に挟まれ、第１及び第２の磁性層の間で磁気抵抗効果を生じさせる第１の非磁性中間層と、第２及び第３の磁性層の間に挟まれ、無磁場中で第２の磁性層と第３の磁性層とを磁化方向が互いに反平行の向きとなるように交換結合させる第２の非磁性中間層と、を有し、センス電流が膜面直交方向に流れるようにされた積層体と、積層体の記録媒体対向面の反対面に設けられ、積層体に記録媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁性層と、を有している。第１の非磁性中間層は、第１の磁性層と第２の磁性層との間に磁気抵抗効果を生じさせる金属、絶縁体、若しくは半導体、またはこれらの組み合わせを有し、第３の磁性層の磁気膜厚は第２の磁性層の磁気膜厚よりも大きい。バイアス磁界だけが印加された状態で、第１の磁性層はバイアス磁界と同じ方向に磁化され、第３の磁性層は、バイアス磁界の方向に対して最大４０度の範囲の角度差で、バイアス磁界と同じ方向に磁化され、第２の磁性層はバイアス磁界と直交する方向に磁化されている。第２の磁性層は感磁層として機能する。他の実施態様では、上記構成において、第１、第２、第３の磁性層は、第３、第２、第１の磁性層の順で積層されている。

本願発明者は、このような膜構成の磁界検出素子にバイアス磁界を印加すると、第２の磁性層の磁化方向は大きく回転すること、第３の磁性層の磁化方向は大きく変化しないこと、及び第１の磁性層の磁化方向はバイアス磁界によって一定の方向に拘束されることを見出した。さらに、本願発明者は、バイアス磁界が印加された状態を初期状態として積層体に外部磁界を印加すると、第２の磁性層の磁化方向は初期状態の磁化方向を中心として第１の磁性層の磁化方向に近づく方向、または離れる方向に高感度で動くことを見出した。このように、第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向との間の相対角度は外部磁界に応じて高感度で変化するため、第１の非磁性中間層によって、第１の磁性層と第２の磁性層との間に大きな磁気抵抗効果が生じ、高い磁気抵抗変化率が得られる。また、この構造によれば、積層体に反強磁性層やシンセティックピンド層を設けることが不要となり、積層体の膜厚を低減することが容易となる。さらに、この構造によれば、磁気抵抗効果を生じさせる非磁性中間層と交換結合を生じさせる非磁性中間層とを独立して設けたので、各々の非磁性中間層について最適な材料を用いることができる。すなわち、第１の非磁性中間層は、第１の磁性層と第２の磁性層との間で交換結合を実現する材料である必要はなく、スピントルク効果を抑制し、高い磁気抵抗変化率が得られる材料を広範に用いることができる。従って、スピントルク効果を抑制することが容易となる。

このようにして、スピントルク効果を抑えると共に、高い磁気抵抗効果を示し、かつシールド間ギャップの低減を図ることのできる、上記膜構成を有する磁界検出素子を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るスライダは、上記磁界検出素子を備えている。

本発明の一実施形態に係るウエハには、上記磁界検出素子となるべき積層体が形成されている。

本発明の一実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリは、上記スライダと、上記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、を有している。

本発明の一実施形態に係るハードディスク装置は、上記スライダと、上記スライダを支持するとともに、上記スライダを記録媒体に対して位置決めする装置と、を有している。

本発明によれば、スピントルク効果を抑えると共に、高い磁気抵抗効果を示し、かつシールド間ギャップの低減を図ることのできる、上記膜構成を有する磁界検出素子を提供することができる。また、本発明によれば、上記磁界検出素子を用いたスライダ、ハードディスク装置等を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。本実施形態の磁界検出素子は、特にハードディスク装置の薄膜磁気ヘッドの読み込み部として好適に用いられる。図１は、本実施形態の磁界検出素子の概念的斜視図である。図２Ａは、図１の２Ａ−２Ａ方向、すなわち記録媒体対向面から見た磁界検出素子の側面図、図２Ｂは、図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿った磁界検出素子の断面図である。記録媒体対向面とは、磁界検出素子１の、記録媒体２１との対向面である。

磁界検出素子１は、積層体２と、積層体２の積層方向に積層体２を挟むように設けられた上部シールド電極層３及び下部シールド電極層４と、積層体２の記録媒体対向面Ｓの反対面に設けられたバイアス磁性層１４と、積層体２のトラック幅方向Ｔの両側に設けられAl₂O₃等からなる絶縁膜１６と、を有している。

積層体２は、上部シールド電極層３と下部シールド電極層４との間に挟まれ、先端部が記録媒体対向面Ｓに露出して配置されている。積層体２は、上部シールド電極層３と下部シールド電極層４との間にかかる電圧によって、センス電流２２が膜面直交方向Ｐに流れるようにされている。積層体２と対向する位置における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の移動方向２３への移動につれて変化する。この磁界の変化は磁気抵抗効果に基づく電気抵抗変化として検出される。磁界検出素子１は、この原理を利用して、記録媒体２１の各磁区に書き込まれた磁気情報を読み出す。

表１には、積層体２の膜構成の一例を示す。表は、下部シールド電極層４側のバッファ層５から、上部シールド電極層３側のキャップ層１１に向けて積層順に下から上に記載している。表中、組成の欄の数値は各元素の原子分率を示している。積層体２は、厚さ２μｍ程度の80Ni20Fe層からなる下部シールド電極層４の上に、バッファ層５、第１の磁性層６、第１の非磁性中間層７、第２の磁性層８、第２の非磁性中間層９、第３の磁性層１０、キャップ層１１がこの順に積層されて構成されている。

バッファ層５は第１の磁性層６の下地層として設けられている。第１の磁性層６及び第２の磁性層８は共にCoFe層からなり、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層である。CoFe層の代わりに30Co70Fe（膜厚３ｎｍ）／Cu（膜厚０．２ｎｍ）／30Co70Fe（膜厚３ｎｍ）、または30Co70Fe（膜厚３ｎｍ）／Zn（膜厚０．２ｎｍ）／30Co70Fe（膜厚３ｎｍ）の膜構成を用いてもよい。ここで、本明細書中では、Ａ／Ｂ／Ｃ／・・の表記は層Ａ，層Ｂ，層Ｃがこの順で積層されていることを示す。

第１の非磁性中間層７はCu/ZnO/Cuからなる。ZnOの両側にＣｕを設けることによって、CoFe層とＣｕ層界面のスピン分極率が大きくなり、磁気抵抗効果が増加する。第１の非磁性中間層７は、磁気抵抗効果を示す金属、半導体、または絶縁体で構成することもできるし、これらの金属、半導体、または絶縁体の組み合わせとして構成することもできる。金属の例として、Ｃｕ，Ａｎ，Ａｇ，Ａｕが挙げられる。半導体の例として、ZnO、ZnN、SiO、SiN、SiON、SiC、SnO、In₂O₃、ITO(Indium-Tin-Oxide)、GaNが挙げられる。絶縁体の例として、AlO、MgO、HfO、RuO、Cu₂Oが挙げられる。

第２の磁性層８の上には、第２の非磁性中間層９を挟んで、第３の磁性層１０が設けられている。第３の磁性層１０は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層であり、90Co10Feの他、他の組成のCoFe層、90Co10Fe（膜厚１ｎｍ）／Cu（膜厚０．２ｎｍ）／90Co10Fe（膜厚１ｎｍ）、90Co10Fe（膜厚１ｎｍ）／Zn（膜厚０．２ｎｍ）／90Co10Fe（膜厚１ｎｍ）の膜構成を用いてもよい。第３の磁性層１０の膜厚は第２の磁性層８の膜厚よりも大きい。第３の磁性層１０の磁気膜厚を厚くしておけば、第３の磁性層１０の磁化方向はバイアス方向を向くため、第３の磁性層１０と第２の磁性層８が反平行結合している状態で、バイアス磁界下で第２の磁性層８の磁化方向を第１の磁性層５の磁化方向と反平行にすることができる。

第２の非磁性中間層９は、第２の磁性層８と第３の磁性層１０とを、磁化方向が無磁場中で互いに反平行の向きとなるように交換結合させる。具体的には、第２の非磁性中間層９は、ＲＫＫＹ交換結合を実現するような材料及び膜厚が選択される。図３には、第２の非磁性中間層として好適に用いられる材料、及び各材料の膜厚と交換エネルギーとの関係を示す。キャップ層１１は、積層された各層の劣化防止のために設けられている。

キャップ層１１の上には、厚さ２μｍ程度の80Ni20Fe層からなる上部シールド電極層３が形成されている。

上部シールド電極層３及び下部シールド電極層４は、積層体２の積層方向Ｐにセンス電流を供給する電極であるとともに、記録媒体２１の同一トラック上の隣接するビットからの磁界をシールドするシールド層でもある。

図２Ｂに示すように、記録媒体対向面から見て積層体２の反対側の部分には、絶縁層１２，１３，１５を介してバイアス磁性層１４が形成されている。バイアス磁性層１４はCoPt、CoCrPt等の材料から形成される。絶縁層１２，１３，１５はAl₂O₃等からなる。バイアス磁性層１４は、記録媒体対向面Ｓと直交する方向のバイアス磁界を積層体２に及ぼし、第１の磁性層６及び第３の磁性層１０の磁化方向を拘束する。絶縁層１２，１３，１５は各々バイアス磁性層１４の下方、側方（積層体２との間）及びバイアス磁性層１４の上方に設けられ、センス電流２２がバイアス磁性層１４に流れることを防止する。

図４は、代表的な状態における第１〜第３の磁性層の磁化方向を示す模式図である。磁化方向は紙面奥に向かう方向を０度として反時計回りを正として定義している。状態Ａは磁界が全く印加されていない場合を、状態Ｂはバイアス磁界が印加された場合を、状態Ｃはバイアス磁界に加えて記録媒体からの外部磁界が印加された場合を示している。磁化が全く印加されていない状態Ａの場合、前述のように、第２の磁性層８と第３の磁性層１０はＲＫＫＹ相互作用によって、磁化方向が互いに反平行を向くように磁化される。

しかし、実際には、第２の磁性層８と第３の磁性層１０の近傍にはバイアス磁性層１４が設けられており、バイアス磁性層１４からの磁界の影響を受ける。図５は、外部磁界が印加されたときの第２、第３の磁性層の磁化方向を示す概念図である。同図では、バイアス磁性層１４からの磁界と記録媒体からの磁界とは区別されておらず、何らかの原因によって生じる外部磁界を一般的に示している。外部磁界を印加すると、第２の磁性層８の磁化方向は徐々に回転していき、回転角θが９０度の状態に達する（状態Ｂ）。さらに外部磁界を強めていくと、回転角θは９０度を下回り０度に近づく（状態Ｃ）。これに対して、第３の磁性層１０の磁化方向は概ね０度方向を向いており、高々４０度程度の範囲で動くだけである。また、上述したように、第１の磁性層６の磁化方向は概ね０度に保たれる。これは、第１の磁性層６と第２の磁性層８との間に磁気的な相互作用がなく（または、あったとしても十分に小さく）、その磁化方向はもっぱらバイアス磁性層１４からの磁界の向きに依存するからである。この結果、第１の磁性層６の磁化方向と第２の磁性層８の磁化方向とがなす相対角度は外部磁界に応じて大きく変動する。

状態Ｂにおいて記録媒体からの外部磁界が印加されると、第２の磁性層８の磁化方向は、回転角θ＝９０度の状態を中心として回転することが分かる。具体的には、バイアス磁性層１４の磁界と同じ向きの外部磁界が印加されると、第２の磁性層８の磁化方向は図中「＋」方向、すなわち磁化方向が０度に近づく方向（第１の磁性層６の磁化方向に近づく方向）に動き、バイアス磁性層と逆向きの外部磁界が印加されると、第２の磁性層８の磁化方向は図中「−」方向、すなわち磁化方向が１８０度に近づく方向（第１の磁性層６の磁化方向から離れる方向）に動く。

本実施形態の磁界検出素子は、以上述べた原理を利用して外部磁界を検出する。図６は、本実施形態の磁界検出素子の作動原理を示す概念図である。横軸は外部磁界強度、縦軸は信号出力を示す。図中第１の磁性層６の磁化方向と第２の磁性層８の磁化方向を各々ＦＬ１とＦＬ２と表記している。状態Ｂにおいて記録媒体２１からの外部磁界が印加されると、第２の磁性層８の磁化方向と第１の磁性層６の磁化方向との相対角度は、磁界の方向に応じて、増加（反平行状態に向かう）または減少（平行状態に向かう）する。反平行状態に近づくほど電極から供給される電子が散乱されやすくなり、センス電流の電気抵抗値が増加する。平行状態に近づくほど電極から供給される電子が散乱されにくくなり、センス電流の電気抵抗値が減少する。こうして、第２の磁性層８の磁化方向と第１の磁性層６の磁化方向の相対角度の変化を利用して外部磁界を検出することができる。

再び図５を参照すると、状態Ｂでは外部磁界の変化に対する回転角θの変化率が大きい。これは外部磁界の変化に対する電気抵抗変化が大きいことを示す。また、状態Ｂでは外部磁界の変化に対する回転角θの変化が直線状であり、しかも状態Ｂを中心としてほぼ対称形となっている。これは良好な線形性とアシンメトリ特性とを実現できることを示す。このように、状態Ｂは理想的な初期状態を示している。上述の説明から明らかであるように、第２の磁性層８の磁化方向はバイアス磁界層１４からの磁界強度を調整することで制御することができる。本実施形態では、２３０００Ａ／ｍ（約３００Ｏｅ）のバイアス磁界が印加されて状態Ｂが実現されている。

第２の非磁性中間層９の交換結合定数は１×１０^-13Ｊ／ｍ²以上、２×１０^-11Ｊ／ｍ²以下の範囲にあることが望ましい。交換結合定数が１×１０^-13Ｊ／ｍ²である場合、上述した理想的な初期状態は約１６００Ａ／ｍ(約２０Ｏｅ）のバイアス磁界を印加することで得られる。しかし、このバイアス磁界強度は第１〜第３の磁性層の保磁力にほぼ等しいため、これ以上交換結合定数が小さくなると、第１〜第３の磁性層がバイアス磁界に反応しなくなる。また、交換結合定数が２×１０^-11Ｊ／ｍ²である場合、上述した理想的な初期状態は約３２００００Ａ／ｍ(約４ｋＯｅ）のバイアス磁界を印加することで得られる。しかし、このバイアス磁界強度はバイアス磁性層の保磁力と同等であり、これ以上のバイアス磁界を印加することはバイアス磁性層の材料的な限界から困難である。

上述したように、磁気抵抗効果は主に第１の磁性層６と第２の磁性層８との間で生じる。ここで重要なことは、本実施形態では、第１の非磁性中間層７はＲＫＫＹ相互作用を生じさせる必要が無いことである。第１の非磁性中間層７は大きな磁気抵抗効果が得られ、スピントルク効果を抑制可能な材料の中から選択すればよい。図５に示したような第２の磁性層８の磁気特性を得るためにはＲＫＫＹ相互作用は必要ではあるが、ＲＫＫＹ相互作用は第２の非磁性中間層９を介して第３の磁性層１０との間の部分で生じている。つまり、２つの非磁性中間層７，９は各々の機能に応じた最適の材料で構成することができる。従って、スピントルク効果の抑制も容易となる。

本実施形態では、スピントルク効果は２つの方法によって抑制される。第一は、積層体の膜構成自体による抑制効果である。図７（ａ）は、２つのフリー層（第１、第２の磁性層）が設けられた従来のＣＰＰ型素子における、スピントルク効果を説明する概念図である。フリー層以外の層の図示は省略している。図７の各図では積層方向は図面左右方向であり、センス電流は図中左向きに流れている。縦向きの大きな矢印は各層の磁化方向を、縦向きの小さな矢印はスピン偏極の向きを示している。

第１の磁性層１０６は図中下向きに磁化され、第２の磁性層１０８は図中上向きに磁化されている。センス電流を担う電子はまず第１の磁性層１０６に流入する。第１の磁性層１０６は下向きに磁化されているので、第１の磁性層１０６からは下向きにスピン偏極した電子が出て第２の磁性層１０８に注入される。しかし、第２の磁性層１０８は図中上向きに磁化されているので、第２の磁性層１０８は下向きにスピン偏極した電子の影響を受けて、磁化方向が徐々に不安定となる。電流密度が高くなると、ついには第２の磁性層１０８の磁化方向が図中下向きに反転してしまう。従って、第２の磁性層１０８の磁化は不安定な状態となる。

図７（ｂ）は、第１の磁性層１０６が図中上向きに磁化され、第２の磁性層１０８が図中下向きに磁化されている状態を示している。この場合も、電子のスピン偏極の向きと第２の磁性層１０８の磁化方向とが互いに異なっているため、同様に第２の磁性層１０８の磁化は不安定な状態となる。これらの状態は、例えば第１の磁性層１０６と第２の磁性層１０８の間の非磁性中間層としてＣｕを用い、１０⁸Ａ／ｃｍ²以上の大きなセンス電流を流す場合に生じやすい。

図７（ｃ）は、本実施形態におけるスピントルク効果を説明する概念図である。図７（ｃ）では、図７（ａ）と同様、第１の磁性層６は図中下向きに磁化され、第２の磁性層８は図中上向きに磁化されている。前述のように、第３の磁性層１０はほぼ第１の磁性層６と同じ方向に磁化されているが、ここでは簡単のため、図中下向きに磁化されている。電子はまず第１の磁性層６に流入する。第１の磁性層６は下向きに磁化されているので、第１の磁性層６からは下向きにスピン偏極した電子が出て第２の磁性層８に注入される。一方、第２の磁性層８からは上向きにスピン偏極した電子が出て第３の磁性層１０に注入される。スピン偏極が生じると、スピンの角運動量保存則によって、第２の磁性層８には、第１の磁性層６から第２の磁性層８へのスピン注入効果とは逆方向のスピン注入効果が生じる（図中破線部）。この結果、第１の磁性層６からのスピン注入効果と第３の磁性層１０からのスピン注入効果とが打消し合い、第２の磁性層８へのスピントルク効果が抑制される。

図７（ｄ）は、本実施形態におけるスピントルク効果を説明する概念図である。図７（ｄ）では、図７（ｂ）と同様、第１の磁性層６は図中上向きに磁化され、第２の磁性層８は図中下向きに磁化されている。この場合も、第１の磁性層６からのスピン注入効果と第３の磁性層１０からのスピン注入効果とが打消し合い、第２の磁性層８へのスピントルク効果が抑制される。

スピントルク効果が抑制される第二の理由は、非磁性中間層７の膜構成である。上述したように、第１の非磁性中間層７はZnOの両側にＣｕ層が形成された構成を有している。ZnOは半導体であるので、第１の非磁性中間層７は第２の非磁性中間層９よりも比抵抗が大きくなり、センス電流の電流密度が抑えられる。これによってもスピントルク効果が抑制される。ZnOにはＲＫＫＹ相互作用を生じさせる機能はないが、上述の理由によって問題とならない。なお、Cu/ZnO/Cu層は磁気抵抗変化率を向上させるためにも優れた材料である。図８には、第１の非磁性中間にCu/ZnO/Cuを用いた場合と、ＳｉまたはＧｅを用いた場合の磁気抵抗変化率の違いを示す。特に外部磁界が大きくない領域で、Cu/ZnO/Cuは大きな磁気抵抗変化率を示す。

本実施形態ではさらに以下の効果が得られる。まず、積層体に反強磁性層やシンセティックピンド層を設けることが不要となるため、積層体の膜厚を低減することが容易となり、線記録密度の更なる向上に寄与する。また、従来のＣＰＰ素子では、シンセティックピンド層のうち、磁気抵抗変化に直接寄与するのはインナーピンド層だけであり、アウターピンド層や反強磁性層は磁気抵抗変化に寄与せず、むしろ磁気抵抗変化率の向上を阻害する要因となっていた。これに対して、本実施形態ではアウターピンド層や反強磁性層が不要となり、寄生抵抗が減少するため、磁気抵抗変化率のさらなる向上を図れる余地が大きい。

本実施形態の磁界検出素子は、以下の方法で製造することができる。まず、基板上に下部シールド電極層４を作成し、次に、下部シールド電極層４の上に、スパッタリングによって積層体２を構成する各層を形成する。次に、これらの各層をパターニングし、トラック幅方向Ｔの両側の部分を絶縁膜１６で埋め戻す。その後、記録媒体対向面Ｓから素子のハイトに相当する部分までを残してミリングし、バイアス磁性層１４を形成する。以上によって、積層体２のトラック幅方向Ｔの両側側面に絶縁膜１６が形成され、記録媒体対向面Ｓから見て積層体２の裏側にバイアス磁性層１４が形成される。その後上部シールド電極層３を形成する。

なお、本発明の磁界検出素子は表１に示した構成に限定されない。例えば、表１における第１の磁性層６と第３の磁性層１０とを逆にした膜構成も可能である。このような膜構成の一例を表２に示す。

この実施形態でも、第２の磁性層８ａと第３の磁性層１０ａとがＲＫＫＹ相互作用によって磁気的に結合しており、第１の磁性層６ａと第２の磁性層８ａとは磁気的に結合していない。上述の説明はこの実施形態にも該当し、第１の磁性層６ａの磁化方向と第２の磁性層８ａの磁化方向の相対角度の変化を利用して外部磁界を検出することができる。要するに、本発明の磁界検出素子は、第２の磁性層を挟んでその両側に第１の磁性層と第３の磁性層とが配置されていればよく、第１の磁性層と第３の磁性層積層のどちらが積層方向上下に位置しているかは問題ではない。

次に、上述した磁界検出素子の製造に用いられるウエハについて説明する。図９を参照すると、ウエハ１００の上には、少なくとも前述の磁界検出素子を構成する積層体が成膜されている。ウエハ１００は、記録媒体対向面ＡＢＳを研磨加工する際の作業単位である、複数のバー１０１に分割される。バー１０１は、研磨加工後さらに切断されて、薄膜磁気ヘッドを含むスライダ２１０に分離される。ウエハ１００には、ウエハ１００をバー１０１に、バー１０１をスライダ２１０に切断するための切り代（図示せず）が設けられている。

図１０を参照すると、スライダ２１０は、ほぼ六面体形状をなしており、そのうちの一面はハードディスクと対向する記録媒体対向面ＡＢＳとなっている。

図１１を参照すると、ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１と、を備えている。サスペンション２２１は、ステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられたフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４と、を有している。フレクシャ２２３にはスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与える。フレクシャ２２３の、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように、ハードディスク装置内に配置されている。ハードディスクが図１１におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、ｙ方向下向きに揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。スライダ２１０の空気流出側の端部（図１０における左下の端部）の近傍には、磁界検出素子１が形成されている。

ヘッドジンバルアセンブリ２２０をアーム２３０に取り付けたものはヘッドアームアセンブリ２２１と呼ばれる。アーム２３０は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させる。アーム２３０の一端はベースプレート２２４に取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には軸受け部２３３が設けられている。アーム２３０は、軸受け部２３３に取り付けられた軸２３４によって回動自在に支持されている。アーム２３０及び、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータは、アクチュエータを構成する。

次に、図１２及び図１３を参照して、上述したスライダが組込まれたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。ヘッドスタックアセンブリとは、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものである。図１２はヘッドスタックアセンブリの側面図、図１３はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。各アーム２５２には、ヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１の、アーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ボイスコイルモータは、コイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

図１３を参照すると、ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組込まれている。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置されている。スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０及びアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共に、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０はアクチュエータによって、ハードディスク２６２のトラック横断方向に動かされ、ハードディスク２６２に対して位置決めされる。スライダ２１０に含まれる磁界検出素子１は、記録ヘッドによってハードディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによってハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。

本発明の一実施形態に係る磁界検出素子の概念的斜視図である。図１の２Ａ−２Ａ方向から見た磁界検出素子の断面図である。図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿った磁界検出素子の断面図である。第２の非磁性中間層として好適に用いられる材料、及び各材料の膜厚と交換エネルギーとの関係を示す図である。代表的な状態における第１〜第３の磁性層の磁化方向を示す模式図である。外部磁界が印加されたときの第２、第３の磁性層の磁化方向を示す概念図である。図１に示す磁界検出素子の作動原理を示す概念図である。スピントルク効果が抑制される理由を示す概念図である。第１の非磁性中間にCu/ZnO/Cuを用いた場合と、ＳｉまたはＧｅを用いた場合の磁気抵抗変化率の違いを示す図である。本発明の磁界検出素子の製造に係るウエハの平面図である。本発明のスライダの斜視図である。本発明のスライダが組込まれたヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリの斜視図である。本発明のスライダが組込まれたヘッドアームアセンブリの側方図である。本発明のスライダが組込まれたハードディスク装置の平面図である。

符号の説明

１磁界検出素子
２積層体
３上部シールド電極層
４下部シールド電極層
５バッファ層
６，１０６第１の磁性層
７第１の非磁性中間層
８，１０８第２の磁性層
９第２の非磁性中間層
１０第３の磁性層
１１キャップ層
１２，１３，１５絶縁層
１４バイアス磁性層
１６絶縁膜
Ｐ膜面直交方向（積層方向）
Ｓ記録媒体対向面
Ｔトラック幅方向

Claims

外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１、第２、第３の磁性層であって、第１、第２、第３の磁性層の順で積層されている第１、第２、第３の磁性層と、該第１及び第２の磁性層の間に挟まれ、該第１及び第２の磁性層の間で磁気抵抗効果を生じさせる第１の非磁性中間層と、該第２及び第３の磁性層の間に挟まれ、無磁場中で該第２の磁性層と該第３の磁性層とを磁化方向が互いに反平行の向きとなるように交換結合させる第２の非磁性中間層と、を有し、センス電流が膜面直交方向に流れるようにされた積層体と、
前記積層体の記録媒体対向面の反対面に設けられ、前記積層体に該記録媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁性層と、
を有し、
前記第１の非磁性中間層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に磁気抵抗効果を生じさせる金属、絶縁体、若しくは半導体、またはこれらの組み合わせを有し、
前記第３の磁性層の磁気膜厚は前記第２の磁性層の磁気膜厚よりも大きく、
前記バイアス磁界だけが印加された状態で、前記第１の磁性層は前記バイアス磁界と同じ方向に磁化され、前記第３の磁性層は、前記バイアス磁界の方向に対して最大４０度の範囲の角度差で、前記バイアス磁界と同じ方向に磁化され、前記第２の磁性層は前記バイアス磁界と直交する方向に磁化されており、
前記第２の磁性層は感磁層として機能する、磁界検出素子。
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１、第２、第３の磁性層であって、第３、第２、第１の磁性層の順で積層されている第１、第２、第３の磁性層と、該第１及び第２の磁性層の間に挟まれ、該第１及び第２の磁性層の間で磁気抵抗効果を生じさせる第１の非磁性中間層と、該第２及び第３の磁性層の間に挟まれ、無磁場中で該第２の磁性層と該第３の磁性層とを磁化方向が互いに反平行の向きとなるように交換結合させる第２の非磁性中間層と、を有し、センス電流が膜面直交方向に流れるようにされた積層体と、
前記積層体の記録媒体対向面の反対面に設けられ、前記積層体に該記録媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁性層と、
を有し、
前記第１の非磁性中間層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に磁気抵抗効果を生じさせる金属、絶縁体、若しくは半導体、またはこれらの組み合わせを有し、
前記第３の磁性層の磁気膜厚は前記第２の磁性層の磁気膜厚よりも大きく、
前記バイアス磁界だけが印加された状態で、前記第１の磁性層は前記バイアス磁界と同じ方向に磁化され、前記第３の磁性層は、前記バイアス磁界の方向に対して最大４０度の範囲の角度差で、前記バイアス磁界と同じ方向に磁化され、前記第２の磁性層は前記バイアス磁界と直交する方向に磁化されており、
前記第２の磁性層は感磁層として機能する、磁界検出素子。
前記第２の非磁性中間層の交換結合定数は１×１０^-13Ｊ／ｍ²以上、２×１０^-11Ｊ／ｍ²以下の範囲にある、請求項１または２に記載の磁界検出素子。
前記第１の非磁性中間層の比抵抗は前記第２の非磁性中間層の比抵抗よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁界検出素子。
請求項１から４のいずれか１項に記載の磁界検出素子を備えたスライダ。
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁界検出素子となるべき積層体が形成されたウエハ。
請求項５に記載のスライダと、前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、を有するヘッドジンバルアセンブリ。
請求項５に記載のスライダと、該スライダを支持するとともに、該スライダを記録媒体に対して位置決めする装置と、を有するハードディスク装置。