JPH09212829A - 磁気抵抗効果素子と、それを用いた磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼性の記録密度の高い磁気記録装置、およ
び高い感度と良好な線形性を有する磁気抵抗効果型記録
再生分離ヘッドを提供する。 【解決手段】磁気抵抗効果多層膜２０に横バイアス膜２
２と、反強磁性膜による交換結合バイアスを印加して、
線形性と単磁区化をした磁気抵抗効果型ヘッドを搭載し
た磁気記録再生装置。

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係り、特に、高記録密度磁気
記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平2−61572号公報は、中間層によっ
て分離した強磁性薄膜の、その磁化の互いになす角度に
よって電気抵抗が変化する積層膜およびそれを用いた磁
場センサ，磁気記録装置の記載がある。

【０００３】特開平6−60336号公報には磁性層の磁化の
方向が垂直になるような手段、特に硬磁性膜を有する磁
気抵抗感知システムの記載がある。

【０００４】米国特許第5206590 号には非磁性膜で分離
された強磁性膜の積層体に反強磁性膜が密着し、かつ積
層体の端部に硬磁性材料が接触した構成の記載がある。

【０００５】特開昭50−1712号公報には永久磁石薄膜を
バイアス膜に用いた磁気抵抗効果素子の記載がある。

【０００６】

【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、さらに充分に対称性の良い良好な特性を
得ることが出来ず、記録装置としての機能を実現するこ
とが困難であった。

【０００７】記録密度の向上には記録媒体上の記録領域
の１単位が狭くなることおよび磁気記録装置再生部の細
小化が必要である。このような問題の解決策として、薄
膜磁気ヘッドの再生部に磁気抵抗効果素子を配置し、磁
気抵抗効果による電気抵抗の変化を出力として用いる方
法が知られている。この場合、問題となるのは小さい磁
気抵抗効果素子では再生信号の対称性のわずかな悪化が
出力をひずませ、性能劣化につながる点である。即ち、
素子の外部磁界に対する出力特性が、磁界ゼロを中心に
対称であるようにすることが重要である。従来の技術と
しては、例えばＳＡＬ膜と呼ばれる磁性膜を磁気抵抗効
果膜に積層して設け、素子の横バイアスを修正する手段
が知られている。このような素子の横バイアス特性を修
正するために設ける膜を横バイアス膜と呼ぶ。

【０００８】近年、強磁性金属膜を非磁性金属膜を介し
て積層した多層膜の磁気抵抗効果、いわゆる巨大磁気抵
抗効果で、従来の単層の強磁性薄膜に比べて抵抗の変化
が大きいことが知られている。この場合、磁気抵抗効果
は、非磁性膜で隔てられた強磁性膜の、磁化と磁化のな
す角度によって電気抵抗が変化する。非磁性膜で隔てら
れた強磁性膜の間には、お互いの磁化を反平行状態にし
ようとする、反強磁性的な結合力が働いている。磁気抵
抗効果素子として用いる場合、必要な特性は二つある。
外部磁界に対して線形な出力があること、および、磁壁
移動などで発生するノイズのないことである。多層膜の
巨大磁気抵抗効果で線形な出力を得るには、公知例で指
摘されているように、磁界ゼロの状態で、各々の強磁性
膜の磁化の方向が互いに直角である必要がある。例え
ば、感知すべき磁界の方向に対して、各々の磁化が交互
に±４５度をむいているようにすることで、磁気抵抗効
果の出力を線形性よく得ることができる。磁気ディスク
装置で言うならば、感知すべき磁界の方向は素子高さ方
向である。線形性をよくする、または素子の磁界応答点
を調整する目的で、磁気抵抗効果膜に素子高さ方向にバ
イアスを印加する膜を横バイアス膜と呼ぶ。

【０００９】磁気抵抗素子の磁壁移動に起因するノイズ
の抑制方法として、強磁性膜の単磁区化が一般的であ
る。例えば、感知すべき磁界の方向に対して垂直方向
に、磁気抵抗効果膜にバイアス磁界を印加して単磁区化
することが有効である。即ち、磁壁を消失すると共に磁
化の方向を、磁化過程が磁化回転によって生じるように
設定できるからである。このバイアスを印加する手段
は、磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の端部に接触し
て、硬磁性膜もしくは反強磁性膜で交換結合を印加され
た強磁性膜を配置し、その残留磁化により漏洩する静磁
界を用いる方法が知られている。この場合、残留磁化あ
るいは交換結合の方向は感知すべき磁界と垂直方向，磁
気ディスク装置で言うトラック幅方向である。このバイ
アスを印加するための膜を縦バイアス膜と呼ぶ。また、
強磁性膜を単磁区化する目的の膜を単磁区化膜と呼ぶ。

【００１０】このように、高記録密度に対応した磁気ヘ
ッドは巨大磁気抵抗効果を応用し、磁気抵抗効果多層膜
に、縦バイアス膜を適応する構成が望ましいが、問題は
先に述べた、単磁区化である。

【００１１】一般に、強磁性膜を単磁区化するには、単
磁区化膜として縦バイアス膜を用いることができる。す
なわち、強磁性膜にバイアス磁界を印加して単磁区化す
ることができるが、磁気抵抗効果膜が多層膜である場
合、これは困難である。即ち、前述したように、線形な
出力を得るためには多層膜の強磁性膜が素子高さ方向に
対して交互に正負の方向に並んでいるべきだが、これ
は、単磁区化がそれぞれこの方向に行われるべきことを
示している。従来の方法で、多層膜に縦バイアス膜を適
応して単磁区化を図ると、強磁性膜の磁化はすべて一つ
の方向を向いてしまい、多層膜の磁気抵抗効果を線形に
は生じなくなってしまうのである。

【００１２】本発明の目的は高密度記録に対応した磁気
記録装置および充分な出力と線形性、特にバイアス特性
を改善した多層膜からなる磁気抵抗効果素子を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果
多層膜の表面（または底面）に位置する強磁性膜の面に
密着して一方向異方性を印加する単磁区化膜、特に反強
磁性膜を配置した。さらに多層膜に隣接して、線形性を
適性とするための横バイアス手段、特に横バイアス膜を
積層した。すなわち、磁気抵抗効果多層膜を構成する強
磁性膜すべての磁化を素子高さ方向の一方向に向ける横
バイアス膜と、磁気抵抗効果多層膜の表面に位置する一
つ或いは二つの強磁性膜の磁化を固定し、単磁区化す
る。この結果、横バイアス，単磁区化、および多層膜の
強磁性膜の間に働く反強磁性的な結合力の相互作用によ
り、上記強磁性膜の磁化の方向は、単磁区化膜に近い側
で±１８０度に近く、単磁区化膜から離れるにつれて±
４５度に近づく配列が安定になる。

【００１４】本発明ではこのように単純な構成で、多層
膜磁気抵抗効果膜を効果的に磁気抵抗効果素子として機
能させ、これを再生部とした磁気記録再生装置で、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、記録を良好に保つことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の磁気抵抗効果素子を構成
する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３ミリトールの雰囲気
中にて、厚さ１mm，直径３インチのセラミックス基板に
以下の材料を順に積層して作製した。スパッタリングタ
ーゲットとして酸化ニッケル，タンタル，クロム，ニッ
ケル−２０ａｔ％鉄合金，コバルト−２０％白金，銅の
ターゲットを用いた。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
ッタを一つずつ開閉して順次各層を形成した。膜形成時
には基板面内で直交する二対の電磁石を用いて基板に平
行におよそ５０エルステッドの磁界を印加して、一軸異
方性を持たせるとともに、酸化ニッケル膜の交換結合バ
イアスの方向をそれぞれの方向に誘導した。

【００１６】異方性の誘導は、積層膜形成後に反強磁性
膜のネール温度近くから磁界中冷却を行い、反強磁性バ
イアスの方向を磁界の方向に誘導した。さらに、室温で
３キロエルステッドの磁化処理を行って硬磁性膜の磁化
方向を誘導した。

【００１７】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、基体はスライダ加
工し、磁気記録装置に搭載した。

【００１８】以下に本発明の具体的な実施例を図を追っ
て説明する。

【００１９】図１は本発明の磁気抵抗効果素子の第一例
の構造を示す説明図である。

【００２０】磁気抵抗効果多層膜１０は複数の強磁性膜
１１，１２，１３，１４，１５，１６を非磁性導電膜を
介して積層した膜からなり、各々の強磁性膜の間には反
強磁性的な結合力が働いている。磁気抵抗効果多層膜１
０の片面の強磁性膜１１には、直接、積層して単磁区化
膜２１が配置され、強磁性膜１１に交換結合バイアスを
印加している。交換結合バイアスの印加方向６６はトラ
ック幅方向６７とほぼ平行とする。感知すべき磁界の方
向は素子高さ方向６５とほぼ平行であり、横バイアス膜
２２のバイアス磁界は、この膜の残留磁化の方向６１
を、素子高さ方向とすることで得られる。横バイアス膜
２２は磁気抵抗効果多層膜１０と適切な非磁性層を介し
て積層、または隣接した位置に配置され、磁気抵抗効果
多層膜１０に横バイアス磁界を印加する。

【００２１】ここで、強磁性膜はＮｉ−Ｆｅ膜，非磁性
導電膜はＣｕ膜を用いた。単磁区化膜２１は酸化ニッケ
ル膜，横バイアス膜２２はＣｏ−Ｐｔ膜を用いた。

【００２２】図中、強磁性膜の部分に印した矢印は、外
部磁界がない状態の強磁性膜の磁化の方向を示してい
る。強磁性膜の磁化の方向は、強磁性膜１５では、単磁
区化膜２１の異方性の方向、即ちトラック幅方向６７に
ほぼ平行であるが、単磁区化膜２１から離れるにつれて
磁化の方向は素子高さ方向６５に近づき、強磁性膜１
４，１５，１６ではほぼ４５度程度にすることができ
る。

【００２３】このように、磁気抵抗効果膜２０は、磁気
抵抗効果多層膜１０，単磁区化膜２１および横バイアス
膜２２からなる。横バイアス膜２２は磁気抵抗効果膜と
厚さ方向に積層してなるか、または素子高さ方向に端部
を接するように配置しても良い。その場合は横バイアス
膜２２の残留磁化の方向は図１の逆方向となる。

【００２４】図２は本発明の磁気抵抗効果膜２０の膜構
造の一例を示す説明図である。磁気抵抗効果多層膜１０
は強磁性膜１１，１２，１３，１４，１５，１６と非磁
性導電膜３１，３２，３３，３４，３５を交互に積層し
てなる。単磁区化膜２１は磁気抵抗多層膜１０の表面の
強磁性膜１１に直接密着して形成し、交換結合による一
方向異方性を発生させる。横バイアス膜２２は磁気抵抗
効果多層膜１０と、中間膜２３を介して積層する。横バ
イアス膜２２の基体側には下地膜２５を配置すると横バ
イアス膜２２の特性を安定にできる。ここでは、中間膜
２３はタンタル、下地膜２５はクロムを用いた。ここで
は横バイアス膜２２に対して、単磁区化膜２１が基体５
０の側の構成を示したが、この位置関係は逆でも特性を
損なわない。その場合、下地膜２５の積層位置は、横バ
イアス膜２２の基体側に配置する。

【００２５】図３は本発明の磁気抵抗効果膜２０の膜構
造の第二例を示す説明図である。磁気抵抗効果多層膜１
０は強磁性膜１１，１２，１３，１４，１５，１６と非
磁性導電膜３１，３２，３３，３４，３５を交互に積層
してなる。単磁区化膜２１は磁気抵抗多層膜１０の表面
の強磁性膜１１に直接密着して形成し、交換結合による
一方向異方性を発生させる。横バイアス膜２２は磁気抵
抗効果多層膜１０と、単磁区化膜２１及び中間膜２４を
介して積層する。横バイアス膜２２の基体側には下地膜
２５を配置すると横バイアス膜２２の特性を安定にでき
る。ここでは、中間膜２４はタンタル、下地膜２５はク
ロムを用いた。ここでは磁気抵抗効果多層膜１０に対し
て、単磁区化膜２１および横バイアス膜２２が基体５０
の側の構成を示したが、この位置関係は逆でも特性を損
なわない。その場合、下地膜２５の積層位置は、横バイ
アス膜２２の基体側に配置する。横バイアス膜２２は硬
磁性膜、または反強磁性膜と交換結合した軟磁性膜から
形成することで所定の着磁工程によって残留磁化を所定
の方向に向けることができる。同様に単磁区化膜２１は
反強磁性膜または硬磁性膜にて形成し、直接積層した強
磁性膜に、所定の着磁工程によって所定の方向の異方性
を誘起することができる。

【００２６】図４は磁気抵抗効果多層膜１０のみで測定
した磁気抵抗効果曲線である。磁気抵抗効果曲線は磁界
の正負に対称で、線形性が得られていない。さらに磁界
の往復でヒステリシスが生じ、ノイズの原因となる。図
５は磁気抵抗効果多層膜１０に横バイアス膜２２及び単
磁区化膜２１を用いた場合の磁気抵抗効果曲線である。
信号は線形性を有し、かつヒステリシスのない良好な応
答が得られた。

【００２７】図６は本発明の磁気抵抗効果素子を用いた
磁気ヘッド装置の説明図である。表面に記録媒体を有し
たディスク９１には所定のトラック幅４４でトラック状
に情報が記録されている。磁気的に記録された信号は漏
洩磁場６４として現われ、磁気ヘッドスライダ９０は対
向面６３をディスク９１面上に近接して、搭載した磁気
抵抗効果素子に漏洩磁界６４を導入して信号に変換す
る。磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果膜２０と電極４０
からなり、磁界の変化を電気信号に変換する。図中記録
用ヘッドは描かれていないが、同一のスライダ上に記録
ヘッドを形成して、それぞれ記録及び再生を行わせるこ
とが出来る。

【００２８】横バイアス膜の残留磁化の方向６１および
単磁区化膜２１の異方性の方向６６は、それぞれ、ヘッ
ドスライダ９０の対向面６３にそれぞれ垂直及び平行な
方向として定義され、素子高さ方向６５及びトラック幅
方向６７とほぼ同一である。電極４０はこの磁気抵抗効
果積層膜１０に電流を通じるとともに、外部磁界によっ
て変化する磁気抵抗効果積層膜１０の電気抵抗を電気信
号、特に電圧として取り出す。

【００２９】図７は本発明の磁気記録再生装置の説明図
である。磁気的に情報を記録する記録媒体を面上に形成
したディスク９１をスピンドルモータ９３にて回転さ
せ、アクチュエータ９２によってヘッドスライダ９０を
記録媒体９１のトラック上に誘導する。即ち、磁気ディ
スク装置ではヘッドスライダ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記録媒体９１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。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させるに際して、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、アクチュエータを制御して、ヘッドスライ
ダ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９０，ディスク９１を各１個示したが、これらは複
数であってもよい。また記録媒体はディスク９１の両面
に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９０はディスク９１の両面に配置す
る。

【００３０】図８は本発明の磁気抵抗効果素子の第二例
の構造を示す説明図である。磁気抵抗効果多層膜１０は
複数の強磁性膜１１，１２，１３，１４，１５，１６を
非磁性導電膜を介して積層した膜からなり、各々の強磁
性膜の間には反強磁性的な結合力が働いている。磁気抵
抗効果多層膜１０の両面の強磁性膜１１および１６に
は、直接、積層して単磁区化膜２１，２５が配置され、
強磁性膜１１および１６に交換結合バイアスを印加して
いる。交換結合バイアスの印加方向６６，６８はトラッ
ク幅方向６７とほぼ平行で互いに逆方向とする。感知す
べき磁界の方向は素子高さ方向６５とほぼ平行であり、
横バイアス膜２２のバイアス磁界は、この膜の残留磁化
の方向６１を、素子高さ方向とすることで得られる。横
バイアス膜２２は単磁区化膜２５と適切な非磁性層を介
して積層するか、または素子高さ方向の隣接した位置に
端部を接して配置され、磁気抵抗効果多層膜１０に横バ
イアス磁界を印加する。

【００３１】図９は本発明の磁気抵抗効果素子の第三例
の構造を示す説明図である。磁気抵抗効果多層膜１０は
複数の強磁性膜１１，１２，１３，１４，１５，１６，
１７を非磁性導電膜を介して積層した膜からなり、各々
の強磁性膜の間には反強磁性的な結合力が働いている。
磁気抵抗効果多層膜１０の両面の強磁性膜１１および１
７には、直接、積層して単磁区化膜２１，２５が配置さ
れ、強磁性膜１１および１７に交換結合バイアスを印加
している。交換結合バイアスの印加方向６６，６８はト
ラック幅方向６７とほぼ平行で互いに逆方向とする。感
知すべき磁界の方向は素子高さ方向６５とほぼ平行であ
り、横バイアス膜２２のバイアス磁界は、この膜の残留
磁化の方向６１を、素子高さ方向とすることで得られ
る。横バイアス膜２２は単磁区化膜２５と適切な非磁性
層を介して積層するか、または素子高さ方向の隣接した
位置に端部を接して配置され、磁気抵抗効果多層膜１０
に横バイアス磁界を印加する。このように本発明の磁気
抵抗効果素子の多層膜の膜数は強磁性膜が三枚以上であ
れば奇数でも偶数でもよく、特に４から１０枚の強磁性
膜を含む多層膜を用いると良い。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば磁区制御された、線形性
の良い出力を得られる磁気抵抗効果素子が得られ、高信
頼性の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】本発明による磁気抵抗効果素子の第一例の説明
図。

【図２】本発明による磁気抵抗効果多層膜の第一例の説
明図。

【図３】本発明による磁気抵抗効果多層膜の第二例の説
明図。

【図４】磁気抵抗効果多層膜のみを用いた場合の磁界応
答の特性図。

【図５】本発明による磁気抵抗効果素子の磁界応答の特
性図。

【図６】本発明による磁気ヘッドの説明図。

【図７】本発明の磁気記録再生装置の説明図。

【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の第二例の説明図。

【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の第三例の説明図。

【符号の説明】

１０…磁気抵抗効果膜、１１，１２，１３，１４，１
５，１６…強磁性膜、２０…磁気抵抗効果多層膜、２１
…単磁区化膜、２２…横バイアス膜、６１…横バイアス
膜の残留磁化の方向、６５…素子高さ方向、６６…単磁
区化膜の異方性の方向、６７…トラック幅方向。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三枚以上の強磁性膜を、非磁性導電膜を介
   して順次、かつ、直接に積層した多層膜であって、上記
   非磁性導電膜を介して隣接する上記強磁性膜の互いの磁
   化のなす角度によって電気抵抗が変化し、上記非磁性導
   電膜を介して隣接する上記強磁性膜の間には互いの磁化
   を反平行の方向に向けようとする反強磁性的な結合力が
   存在する磁気抵抗効果多層膜を用いた磁気抵抗効果素子
   において、検出しようとする磁界の方向に対して略平行
   な成分を有する静磁界バイアス印加手段と、上記磁気抵
   抗効果多層膜を構成する上記強磁性膜のうち、最上面も
   しくは最下面の強磁性膜に直接密着して、上記最上面も
   しくは上記最下面の強磁性膜に、上記検出しようとする
   磁界の方向に対して略垂直な方向に一方向異方性を誘起
   する一方向性バイアス膜とを有することを特徴とする磁
   気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】上記強磁性膜が積層された順序によって、
   各々、膜厚と磁束密度の積が異なる請求項１の磁気抵抗
   効果素子。
3. 【請求項３】上記静磁界バイアス手段が、上記磁気抵抗
   効果多層膜と非磁性層を介して積層された、硬磁性膜か
   らなる請求項１または２の磁気抵抗効果素子。
4. 【請求項４】上記静磁界バイアス手段が、上記磁気抵抗
   効果多層膜と非磁性層を介して積層された、軟磁性膜
   と、上記軟磁性膜と直接積層して一方向異方性を誘起す
   る反強磁性膜からなる請求項１または２の磁気抵抗効果
   素子。
5. 【請求項５】上記一方向性バイアス膜が反強磁性膜から
   なる請求項１，２，３または４の磁気抵抗効果素子。
6. 【請求項６】上記一方向性バイアス膜が硬磁性膜からな
   る請求項１，２，３，４または５の磁気抵抗効果素子。
7. 【請求項７】上記反強磁性膜が酸化ニッケル膜である請
   求項４または５の磁気抵抗効果素子。
8. 【請求項８】上記硬磁性膜が、コバルト系合金と、酸化
   物，窒化物，炭化物，硼化物などの共有結合性化合物な
   どの絶縁体あるいは半導体との混合分散膜である請求項
   ４または７の磁気抵抗効果素子。
9. 【請求項９】信号を磁気的に記録した強磁性記録媒体を
   有するディスクと、上記ディスクにに対向面を近接し
   て、上記記録媒体から漏洩する磁界を磁気抵抗効果素子
   によって検出する磁気ヘッドとを有し、上記磁気抵抗効
   果素子が、請求項１の上記磁気抵抗効果素子である磁気
   記録再生装置。