(57)【要約】【課題】狭トラック上に記録された磁化パターンを再生する高感度磁気再生素子を提供する。【解決手段】ダウントラック方向に磁化容易軸を有するセンサ膜２２、センサ膜２２に電流を流すための端子１２ａ，１２ｂ、センサ膜から発生する異常ホール電圧を検出するための端子１１ａ，１１ｂを具備し、センサ膜面内方向にバイアス磁界１４を印加する膜を備える。外部からの印加磁界３７によりセンサ膜磁化２２ａが回転することによる垂直磁化成分２２ｂの変化を、異常ホール電圧の変化として検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録媒体からの磁界を検出するための磁気再生素子において、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜からなるセンサ膜を有し、
磁気記録媒体からの磁界が印加されていない状態で、前記センサ膜の磁化は前記磁化容易軸から素子高さ方向の上方あるいは下方に傾斜しており、
前記センサ膜に発生する異常ホール電圧の変化によって磁気記録媒体からの磁界を検出することを特徴とする磁気再生素子。
【請求項２】
垂直磁化膜からなるセンサ膜と、
前記センサ膜の面内方向にバイアス磁界を印加するバイアス膜と、
前記センサ膜に電流を流すための一対の電流端子と、
前記センサ膜に発生する電圧を測定するための一対の電圧端子とを有し、
前記センサ膜の面内方向に印加された外部磁界によって前記センサ膜の磁化が回転することによる前記センサ膜の垂直磁化成分の変化を電圧の変化として検出することを特徴とする磁気再生素子。
【請求項３】
請求項２記載の磁気再生素子において、前記バイアス膜は前記センサ膜に隣接あるいは積層された面内磁化膜であり、磁界強度が同じで前記バイアス磁界と同じ方向の外部磁界と前記バイアス磁界と逆方向の外部磁界とが印加されたとき、前記バイアス磁界と同じ方向の外部磁界が印加されたときの磁化回転角の方が前記バイアス磁界と逆方向の外部磁界が印加されたときの磁化回転角より大きいことを特徴とする磁気再生素子。
【請求項４】
請求項２記載の磁気再生素子において、前記バイアス磁界は、前記センサ膜の面内で前記センサ膜の高さ方向と平行な方向に印加されることを特徴とする磁気再生素子。
【請求項５】
請求項２記載の磁気再生素子において、前記センサ膜と前記バイアス膜の間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする磁気再生素子。
【請求項６】
請求項２記載の磁気再生素子において、前記一対の電流端子は媒体対向面に対して平行な方向に配置され、前記一対の電圧端子は前記媒体対向面に対して垂直な方向に配置されていることを特徴とする磁気再生素子。
【請求項７】
磁気記録媒体に対して記録磁界を発生するための記録素子と、前記磁気記録媒体からの磁界を検出するための磁気再生素子とを備えた磁気ヘッドにおいて、
前記再生素子は、垂直磁化膜からなるセンサ膜と、前記センサ膜の面内方向にバイアス磁界を印加するバイアス膜と、前記センサ膜に電流を流すための一対の電流端子と、前記センサ膜に発生する電圧を測定するための一対の電圧端子とを有し、前記センサ膜の面内方向に印加された外部磁界によって前記センサ膜の磁化が回転することによる前記センサ膜の垂直磁化成分の変化を電圧の変化として検出することを特徴とする磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流磁気効果の一種である異常ホール効果を利用した磁気再生素子及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）を中心とする各種磁気記録装置に対する高記録密度化のニーズは益々増え続けている。高記録密度化のニーズが高まる中で、従来の面内磁気記録方式の限界を超えられる手法として垂直磁気記録方式が盛んに研究され、既にそれを用いたＨＤＤが製品化されている。垂直磁気記録方式を利用したＨＤＤの更なる高記録密度化には、より高い線記録密度と同時に高いトラック密度の実現が必要である。これまでのＨＤＤの高密度化の流れの中で、磁気抵抗効果を利用した再生ヘッドの導入が大きく貢献してきた。再生ヘッドとして巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-resistance：ＧＭＲ）やトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto-resistance：ＴＭＲ）を用いたヘッドが主に使われている。ＧＭＲやＴＭＲ素子を用いた現行再生方法の概略を図１により説明する。ＧＭＲやＴＭＲ素子は、反強磁性体によって磁化が固定された固定層３２と、媒体３０からの磁界３７によって磁化が自由に回転できる自由層３１とが、中間層３３を挟んで設けられたスピンバルブ構造を有する。固定層の磁化３２ａと自由層磁化３１ａの相対角度θによって素子全体の電気抵抗が変化することが、スピンバルブ構造素子の基本原理である。
【０００３】
現行のＧＭＲやＴＭＲ素子においては、固定層と自由層として面内磁化膜が用いられている。素子面内方向の磁気異方性の影響で、固定層と自由層の磁化は、ダウントラック方向に対して垂直方向に置かれる面内にて安定状態となる。固定層の磁化は、クロストラック方向に印加されるハードバイアス磁界の影響で、その方向に安定になる。自由層の磁化が固定層の磁化方向に対して平行か反平行かで、素子の電気抵抗が変化する。しかしながら、高ＴＰＩ（Track per inch）化に伴いトラック幅３６が狭くなり、トラックエッジや隣接トラックの情報を読み出さないようにするためには、再生素子幅３５を狭くする必要がある。しかしながら、面内方向の形状磁気異方性の効果が強く、素子のアスペクト比（クロストラック方向の素子幅対素子高さ）が小さくなると磁化の面内配列は不安定となり、膜面内で円形状の磁化状態が最も安定となる。この状態では磁気再生素子としての感度は低くなり、再生ヘッドのＳＮＲ（Signal to Noise ratio：信号対雑音比）は激減する。
【０００４】
面内磁化膜を利用した現行のメモリ素子（ＭＲＡＭ）の問題を解決する一つの方法として、非特許文献１には、垂直磁化膜を利用し、データの読み出しに素子のＴＭＲ効果を用いる方法が記載されている。一方、垂直磁化膜が示す異常ホール効果を利用した読み出しについても、特許文献１及び特許文献２に提案されている。特許文献１には、絶縁層で隔たれた二つの垂直磁化膜に記録された情報を読み出す際に、上部層のみに電流を流し、その層の異常ホール電圧を取り出す方法が記載されている。また、特許文献２には、バイアス磁界を横から印加し、磁化を傾けた状態で外部磁界がかかるとセンサ部分の磁化が上向きか下向きかで発生する異常ホール電圧の極性の違いを利用する方法が記述されている。
【０００５】
一方、現行のＴＭＲ素子においては、固定層と自由層の間に用いられる絶縁層の質が磁気再生素子の性能を決める大きな要因である。いかに質の高い絶縁膜を作製するかが重要であり、プロセスは簡単ではない。また、ＴＭＲ素子抵抗が高い問題を回避するため、電流を膜面に対して垂直方向に流すいわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＧＭＲヘッドも盛んに検討されている。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、電流が固定層と自由層を垂直に通過する際にキャリア電子は磁気的に分極（Spin-polarized）され、固定層と自由層内磁化の相対配列に乱れを発生させる。その結果、非特許文献２に記述されているように、いわゆるスピントルクノイズ（Spin Torque Noise）が発生し、ヘッドのＳＮＲを劣化させる原因となる。スピントルクノイズは、素子に流れる電流密度が高いと大きくなる傾向がある。ＴＭＲ素子構造に対して素子抵抗が小さいことがメリットであるＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造は、高密度化を実現するに当たって有効であるとされている。非特許文献３に記述されているように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造において、固定層と自由層の間にピンホールのある絶縁層を設けることで、電流密度を制御し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を高ＳＮＲ化することが図られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３０６３７６号公報
【特許文献２】特開平４−３５１７０８号公報
【非特許文献１】N. Nishimura et. al. “Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory”, Journal of Applied Physics, Vol.91, No.8, p.5246-5249, 2002
【非特許文献２】Jian-Gang Zhu et. al. “Spin transfer induced noise in CPP read Heads”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.40, No.1, p.182-188, January, 2004
【非特許文献３】Hiroyuki Katada et. al. “Spin-torque noise in CPP-GMR heads with current screen layer”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.42, No.10, p.2450-2452, October, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高ＴＰＩ化の実現に向けてはトラック幅を狭くすることが重要であり、狭トラックに対応させるためには現行のＧＭＲやＴＭＲ素子を用いた再生ヘッド幅のスケールダウンが必要である。しかしながら、面内磁化膜を用いた現行のヘッド素子においてトラック幅方向の素子幅を狭くすると磁化が素子面内でエネルギー的に安定な円形状の磁区構造をとるという状況に陥る。この状態では素子感度が低下し、再生ヘッドとしてのＳＮＲは低下する。
【０００８】
特許文献１，２に記載された方法は、いずれも磁化の完全反転を利用しており、磁化反転の過程が非可逆的であるため、結果として見えてくる異常ホール電圧特性も外部磁界に対してヒステリシスを描く。外部磁界検出手法としては、可逆的に変化するような特性が望ましいが、垂直磁化膜での磁化の完全反転を利用する限りヒステリシス的な特性となる。したがって、ＨＤＤのように高速でデータの「１」、「０」を判別する必要があるような装置において、前述のような垂直磁化膜を用いたセンサの利用は困難である。
【０００９】
ピンホールのある擬似的な絶縁層を有する素子構造の場合、ピンホールの数、形状、位置などによってスピントルクノイズの出方が変わり、素子ＳＮＲが左右される。従って、プロセス上の最適化がこのような素子構造の作製において非常に重要であり、簡単に作製することはできない。さらに、擬似的な絶縁層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造において、素子抵抗は絶縁層の特性によって決まることはＴＭＲ素子構造と基本的に同じである。高密度化に向けて高ヘッドＳＮＲを実現するに当たり、素子抵抗の低減は、ＴＭＲ構造と同様に、擬似的な絶縁層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ構造においても重要である。このようなＣＰＰ−ＧＭＲ構造において、最終的に絶縁層をなくし、いわゆるオールメタル型にすることで素子抵抗を飛躍的に低減することはできるが、スピントルクノイズの増大や発熱が大きな問題となる。
【００１０】
さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて、自由層を二つ設け、それらの出力の差分を利用するいわゆる差動型ヘッド素子も提案されているが、このような構造においても、基本的にスピントルクノイズの増大による問題は共通と考えられる。
【００１１】
また、前述したすべての再生ヘッド素子はスピンバルブを基本構造としており、一般的に下地層、固定層、中間層（あるいは絶縁層）、自由層など、数多くの層を堆積させる必要がある。特に差動型ヘッド構造では、片方のスピンバルブ構造の自由層に対して対向する形でもう一つの自由層（あるいはスピンバルブ構造全体）を作製する必要がある。その結果、ダウントラック方向の素子の膜厚は厚くなるため、高線記録密度における分解能が低下する。
【００１２】
ＨＤＤのさらなる高記録密度化を実現するに当たって、現行の再生ヘッド素子構造にはこのように数多くの課題がある。そこで、本発明では高記録密度の実現に向けて狭トラック幅に対応可能な高感度再生ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による磁気再生素子は、膜面垂直方向に磁気異方性を有する垂直磁化膜の異常ホール効果を利用する。垂直磁化膜からなるセンサ膜の磁化を、外部磁界が印加されていない状態で、磁化容易軸から素子高さ方向の上方あるいは下方に傾斜させておき、センサ膜に発生する異常ホール電圧の変化によって外部磁界を検出する。外部磁界が印加されていない状態で、センサ膜の磁化を磁化容易軸から素子高さ方向の上方あるいは下方に傾斜させるには、センサ膜の面内方向にバイアス磁界を印加するバイアス膜を用いる。そして、センサ膜の磁化が印加磁界方向に回転することによる垂直磁化成分の変化を、異常ホール効果による電圧の変化として検出する。バイアス膜は、センサ膜に隣接あるいは積層された面内磁化膜であり、バイアス膜とセンサ膜の間には絶縁膜が配置される。また、センサ膜には、媒体対向面に平行な方向に電流を流し、媒体対向面に垂直な方向に発生する電圧を検知する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、狭トラック幅対応において現行の面内磁化膜を用いた磁気再生素子が直面する問題が解決できる。外部磁界を感知するセンサ膜の磁化容易方向はダウントラック方向にあり、クロストラック方向の素子幅が減少しても磁化容易方向への影響はなく、磁化の垂直方向配列は保たれる。
【００１５】
また、本発明では外部磁界を感知する方法として垂直磁化膜が示す異常ホール電圧を用いるが、それは磁化の完全反転によるのではなく、外部磁界の影響で素子磁化が回転し、その垂直磁化成分が変化することによる。そのため、外部磁界に対する感度特性は可逆的であり、センサとして適している。
【００１６】
さらに、本発明の磁気再生素子は、従来のＧＭＲやＴＭＲ素子の基本構造であるスピンバルブ構造と全く異なり、ＧＭＲやＴＭＲの自由層に対応する層のみを基本構成とすることで、従来のＧＭＲやＴＭＲ素子に必要される層の数を圧倒的に減らすことが可能となり、生産面でも大きなメリットがある。
【００１７】
ＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲでは、膜面に垂直方向に電流が流れることが原因でスピントルクノイズが発生する。素子抵抗低減に有効であるとされているオールメタル型ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの場合、スピントルクノイズはさらに増加することが大きな問題とされている。それに対して、本発明の磁気再生素子は、膜面内方向に電流を流すため、スピントルクノイズは発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
本発明の磁気再生素子は垂直磁化膜を備え、媒体からの漏洩磁界を検出する方法として垂直磁化膜から発生する異常ホール電圧の変化を用いる。異常ホール電圧は、垂直磁化膜が示す“異常ホール効果”によって発生する。自発磁化を有する磁性膜内に電流を流すと、移動するキャリアと自発磁化との間に働くスピン−軌道相互作用により、キャリアは膜面内で進行方向と直角方向に散乱される。膜内の自発磁化つまりスピンに依存した散乱現象は、異常ホール効果として知られている。スピン依存散乱によって、電流が流れる方向に対して膜面内直角方向の両側にキャリア密度分布ができ、新たな起電力が発生する。この起電力は、異常ホール電圧として取り出すことができる。異常ホール電圧は、式（１）のように表される。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
式（１）において、ＶHは異常ホール電圧、ＲAHEは異常ホール係数、Ｉは膜に流す電流、(Ｍ)^は膜内自発磁化の膜法線方向成分（以下、“垂直磁化成分”と呼ぶ）、ｔは膜の厚さである。式（１）から分かるように、異常ホール電圧は膜に流す電流に比例する、つまり膜の電気抵抗が決まれば、膜の２点間にかける電圧に比例する。さらに、異常ホール電圧は膜中の自発磁化に比例するため、自発磁化が大きければ大きいほど、発生する異常ホール電圧も大きくなる。さらに、異常ホール電圧は膜厚に反比例する、つまり膜が薄ければ薄いほど感度がよい。式（１）内の異常ホール係数は異常ホール効果を特徴付ける重要な要因であり、これは対象とする膜の物理的な構造（例えば、構成元素の種類、組成比、均一性など）、電子構造（例えばフェルミ面の形状、キャリアの種類：電子か正孔）などに依存する。一般的に異常ホール係数が大きい場合、発生する異常ホール電圧も大きいことになる。
【００２１】
図２に、本発明による磁気再生素子の基本構造を示す。センサとして機能する素子膜２２（以下、センサ膜と呼ぶ）は垂直磁化膜であり、その磁化容易軸は媒体３０のトラック方向（ダウントラック方向）に平行である。一対の電流電極１２ａ，１２ｂを介して電流１０をセンサ膜２２に流す。異常ホール電圧ＶHは、一対の電圧電極１１ｂ，１１ａを通して電圧電極端子１１ｃ，１１ｄ間で取り出される。センサ膜２２に対して媒体３０と反対側からバイアス磁界１４が印加される。バイアス磁界１４は、センサ膜２２の自発磁化２２ａがその磁化容易軸から素子高さ方向の上方あるいは下方に傾くように印加される。図では、自発磁化２２ａが素子高さ方向下方、すなわち媒体方向に傾くように印加されているが、逆に、素子高さ方向上方、すなわち図の上方に傾くようにしてもよい。
【００２２】
本発明の磁気再生素子の動作原理を図３により説明する。図３（ａ）は、動作中の素子の物理的な状態を示すものである。初期状態、つまり媒体３０からの磁界を受けない(i)の状態では、センサ膜２２の自発磁化２２ａはバイアス磁界１４の影響でその磁化容易軸からある角度を維持した状態で安定となる。(ii)のように媒体３０から下向きの磁界３７が印加されると、媒体磁界によってセンサ膜２２内の自発磁化２２ａはその初期状態からさらに離れる方向に回転する。また、(iii)のように媒体３０から上向き磁界３７が印加されると、センサ膜２２の自発磁化２２ａは、反対方向つまり磁化容易軸方向に戻るように上向きに回転する。バイアス磁界１４が存在するため、同じ大きさの下向き磁界と上向き磁界が印加されたとき、センサ膜２２の自発磁化２２ａが磁化容易軸から離れる方向の回転量と磁化容易軸に戻る方向の回転量は異なる。図の例の場合、バイアス磁界１４が媒体３０からの下向き磁化と同じ方向にあるため、磁化容易軸から離れる方向（つまり下向き）の回転量は、反対方向つまり媒体３０から上向き磁化が印加された場合の回転量と比べて大きくなる。センサ膜２２内自発磁化２２ａの磁化容易軸からの回転角が異なると、垂直磁化成分２２ｂの大きさも変化し、電圧電極端子１１ｃ，１１ｄ間で検出される異常ホール電圧も変化する。
【００２３】
異常ホール電圧の変化を図３（ｂ）に示す。(ii)に示すように、媒体３０からの磁化が下向きの場合、センサ膜２２の自発磁化２２ａの回転角が大きく、その垂直磁化成分２２ｂも小さくなり、異常ホール電圧も小さくなる。一方、(iii)に示すように媒体３０から印加される磁界が上向きの場合、センサ膜２２の自発磁化２２ａの回転角が小さく、垂直磁化成分２２ｂも大きくなるため、異常ホール電圧も大きくなる。あるベースラインに対して検出される異常ホール電圧の大小関係を決めることで、媒体による印加磁界が“上”向きであるのか、“下”向きであるのかを検出することが可能となる。
【００２４】
次に、センサ膜へのバイアス磁界のかけ方について説明する。バイアス磁界は、センサ膜の媒体対向面と反対側からセンサ膜に印加する。センサ膜２２の媒体対向面からバイアス磁界を印加してもセンサ膜の初期状態を確定させることが可能ではあるが、再生時にバイアス磁界が媒体からの漏れ磁界に影響を与えてセンシング感度が低下するおそれがあるため、媒体対向面と反対側から印加するのが望ましい。図４に、２種類のバイアス層形成方法を示す。図４（ａ）に示した構造を縦バイアス法と呼び、図４（ｂ）に示した構造を横バイアス法と呼ぶ。図中、２１ａ，２１ｂはサイドシールドである。縦バイアス法の場合、磁化２４ａを有するバイアス層２４は浮上面側から見たときセンサ膜２２の上にあり、横バイアス法の場合、バイアス層２４とセンサ膜２２はダウントラック方向に積層されたような形になっている。
【００２５】
センサ膜２２とバイアス層の間には、絶縁層２３が設けられている。絶縁層２３は電流の流れをセンサ膜２２のみに制限し、バイアス層２４に電流が流れることによりバイアス層２４からホール電圧が発生するのを防ぐ。絶縁層２３としては高電気抵抗の材料が望ましく、例えばＡｌやＳｉの酸化膜が用いられる。絶縁層２３は電流をバイアス層に流れることを防ぐ役割が主であり、その膜厚や構成材料を最適化することで所定の絶縁性能を得ることが可能である。ＴＭＲ素子膜のように磁気抵抗効果の向上のために結晶性の高い膜は必ずしも必要ではない。絶縁層の厚さは、絶縁性能以外に、バイアス層２４からセンサ膜２２に向けてのバイアス磁界１４の誘導に影響を与える。絶縁層２３の厚さが厚くなるとバイアス層２４とセンサ膜２２間の距離が大きくなり、バイアス磁界が弱くなる可能性がある。絶縁層の厚さを調整することで、バイアス磁界のセンサ膜への誘導効率と絶縁性能の両立が可能となる。
【００２６】
センサ膜磁化の初期状態においてセンサ膜２２の磁化をその容易軸から所定の角度だけ媒体方向あるいはその逆方向に傾かせることが重要であり、これはバイアス層２４からの磁界１４とその磁界に対するセンサ膜磁化２２ａの応答の仕方により決定される。バイアス層２４には、面内磁気異方性を有する膜が用いられる。面内磁化膜としてＦｅ−Ｃｏ系合金膜、Ｃｒ合金下地層を利用したＣｏ−Ｃｒ系合金膜、Ｃｏ−Ｐｔ系合金膜などを用いることができる。バイアス層からセンサ膜に向けて一様磁界を発生させることが望ましく、バイアス層内部での磁区生成の抑制は重要である。
【００２７】
センサ膜２２の材料として垂直磁化膜が必要であり、且つその磁化が容易軸から離れる方向あるいは近づく方向に容易に回転できることが重要である。これは垂直の軟磁気特性が優れている膜を用いることで実現できる。センサ膜の磁化の回転によりその垂直磁化成分の変化が大きければ大きいほど、出力される異常ホール電圧の変化も大きくなる。なお、大きな異常ホール電圧を得るために、センサ膜として異常ホール係数の大きな材料を用いることが望ましい。垂直磁化膜で磁化が容易に回転できる薄膜材料として希土類・遷移金属、例えばＧｄを含むＦｅＣｏ膜を用いることができる。希土類・遷移金属合金材料は補償点付近で垂直磁化膜になり、異常ホール係数も大きくなるため大きな異常ホール電圧が発生する。補償点付近で希土類・遷移金属膜のスイッチング磁界も大きくなるが、補償点付近での組成と膜作製条件を最適化することで大きな異常ホール係数を保ちつつスイッチング磁界を低下させることが可能である。また、大きな異常ホール係数を有する材料として、人工格子系の多層膜構造も用いることが可能である。例えば、Ｘ／Ｙ（Ｘ＝Ｆｅ，Ｃｏ；Ｙ＝Ｐｔ，Ｐｄ）を単位周期とする多層膜構造は、その各周期内のＸとＹの膜厚や界面状態を変えることで容易に垂直磁気異方性を持たせることができる。また、多層膜の構成（例えば周期数、各層の厚さなど）や作製時の条件（例えばスパッタによる作製の場合、ガス圧、ガスの種類など）を調整することで、スイッチング磁界の低い膜作製が可能となる。
【００２８】
次に、バイアス層からの磁界１４（Ｈb）、媒体からの磁界３７（Ｈm）、そしてセンサ膜のスイッチング磁界Ｈswの間の関係について、図５を参照しながら説明する。図５の横軸は、センサ膜の磁化容易軸に対して垂直方向つまり膜面内方向に印加した外部磁界の大きさを示す。正の磁界は磁化２２ａがセンサ膜２２の磁化容易軸から離れる方向（図中の下向きの太い矢印で示した外部磁界）に印加した場合で、負の磁界は磁化２２ａがセンサ膜２２の磁化容易軸方向に回転するような方向（図中の上向きの太い矢印で示した外部磁界）に印加した場合を示す。図５の縦軸はセンサ膜２２の磁化２２ａが外部磁界の影響を受けて回転した際それに伴う異常ホール電圧の変化を示している。外部磁界がある程度以上強くなると磁化２２ａはそれ以上回転しなくなり、それに伴って異常ホール電圧もほとんど変化しなくなる。図５の縦軸は異常ホール電圧が大きく減少する領域における変化分を示している。
【００２９】
外部磁界がない状態から次第に大きくなる時の、センサ膜２２内の磁化２２ａの回転の様子を図５中の状態１，２，３の順で示す。外部磁界が強くなるにつれてセンサ膜内磁化２２ａが磁化容易方向から離れる方向に回転し、その垂直磁化成分が減少するため、状態１，２，３の順で異常ホール電圧も減少する。外部磁界が十分に強いとセンサ膜磁化２２ａはセンサ膜２２の膜面内にたおれ、その垂直磁化成分がなくなるため、異常ホール電圧もゼロとなる。異常ホール電圧がゼロとなる磁界を、センサ膜磁化のスイッチング磁界Ｈswとする。ここでバイアス磁界Ｈbと、外部磁界あるいは媒体からの磁界Ｈmの間には、ある関係が存在する。ここで媒体からの上向き磁界を負、下向き磁界を正とする。初期状態つまり媒体からの磁界が存在しない状態では、Ｈb＜Ｈswである。媒体から下向き磁界Ｈmがセンサ膜に印加されると、Ｈm＋Ｈb＞Ｈswなる状態で、センサ膜磁化はその磁化容易軸から最も離れた状態になり、異常ホール電圧も初期状態に対して最も低い状態になる。一方、媒体からの上向き磁界−Ｈmがセンサ膜に印加されると、合計で｜Ｈb−Ｈm｜の磁界がセンサ膜に加わることになる。この状態で｜Ｈb−Ｈm｜＞Ｈbとなるため、センサ膜磁化２２ａは初期状態に対して磁化容易軸方向に回転する。そのため磁化垂直成分２２ｂが増加し（図５中の４の状態）、図３の状態(iii)に示すように異常ホール電圧は初期電圧レベルより高くなる。
【００３０】
バイアス層磁界Ｈbは、バイアス層に用いる材料、絶縁層によって隔たれているセンサ膜からの距離などによって決まる。一方、スイッチング磁界Ｈsw及びセンサ膜からの異常ホール電圧は、センサ膜の材料、その軟磁気特性、垂直磁化成分の変化の度合いなどによって決定される。
【００３１】
次に、センサ膜のスイッチング磁界及びセンサ膜の磁化回転による異常ホール電圧の変化に影響を及ぼすセンサ膜のパラメータについて説明する。本実施例において作製したセンサ膜とその膜を用いた素子の特性を例に説明する。センサ膜としてＧｄx（ＦｅyＣｏ100-y）100-x（ｘ＝２０−３０at.%、ｙ＝８０−９０at.%）薄膜を、非導電性の基板上にイオンビームスパッタ法により作製した。作製した薄膜にリソグラフィによって素子形状を作製した。素子高さを５０ｎｍにし、素子幅（トラック幅方向の幅）を２０〜６０ｎｍの範囲内で変化させた。
【００３２】
バイアス層として、Ｃｏ−２５at.%Ｐｔからなる面内磁化膜を利用した。Ｃｏ−Ｐｔの合金ターゲットを用いて、ＤＣマグネトロンスパッタで製膜した。バイアス層としてＣｏ−Ｐｔ−Ｃｒなどの合金膜でもよい。これらの合金の結晶構造は、面心立方構造と稠密六方構造の混相となるのが一般的である。バイアス層２４とセンサ膜２２の間の絶縁層２３としては、アルミナや酸化シリコンを使用した。シールド膜には、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料を用いた。センサ膜２２に電流を流すための電極１２ａ，１２ｂと異常ホール電圧を取り出すための電極１１ａ，１１ｂは、Ｃｒ，Ｃｕなどの導電性材料で形成した。
【００３３】
横バイアス型の場合、非導電性基板上に下部シールド２１ｂを形成し、その上に絶縁層で絶縁してバイアス層２４を形成し、その上にさらに絶縁層２３を形成する。絶縁層２３上にセンサ膜２２を形成し、その上に電圧電極１１ａ，１１ｂを形成する。フォトリソグラフィを用いてセンサ膜２２の両側に電流電極膜１２ａ，１２ｂを形成する。電圧電極と電流電極が形成した後、上から絶縁層２３で覆い、その上に上部シールド２１ａを形成する。
【００３４】
縦バイアス型の場合には、非導電性基板上に下部シールド２１ｂを形成し、その上に絶縁膜を形成する。絶縁膜の上に、センサ膜２２とバイアス層２４を絶縁層２３で隔たれた状態で作製する。その上に、横バイアス型と同様に電圧電極と電流電極を形成し、その上に絶縁層を形成する。最後に絶縁層上に上部シールド膜２１ａを形成する。
【００３５】
本発明による磁気再生素子の感度を決定する一つの大きな要因は、センサ膜の磁化回転による異常ホール電圧の変化である。この変化が大きければ再生感度も大きいということになる。異常ホール電圧の変化は、センサ膜の磁化の回転しやすさによる。センサ膜磁化の回転しやすさは、その垂直磁気異方性エネルギー、飽和磁化、膜厚などに左右される。センサ膜磁化を回転しやすくするため、そのスイッチング磁界をなるべく低くすることが望ましい。図６、図７と図８に、５８ｎｍの素子幅を有するセンサ膜の物理パラメータを変化させた際の外部磁界に対する異常ホール電圧の変化を示す。これらの図において、横軸はセンサ膜の膜面内方向に印加した外部磁界強度を示している。正の外部印加磁界は、センサ膜磁化がその初期状態に対して磁化が容易軸方向から離れる方向に回転するように印加されていることを示し、負の外部磁界は磁化２２ａが磁化容易軸方向に回転するような方向に印加されていることを示す。外部磁界が“０”となる点は初期状態に相当する。また、図６、図７及び図８の縦軸は、異常ホール電圧の変化を示している。
【００３６】
図６は、センサ膜の垂直磁気異方性が異常ホール電圧の変化に与える影響を示したものである。センサ膜の単位体積あたりの垂直磁気異方性エネルギーが変化すると、異常ホール電圧の絶対的な変化分は変わらないが、スイッチング磁界は大きく影響を受ける。単位体積あたりの垂直磁気異方性エネルギーが小さくなると、センサ膜のスイッチング磁界は減少する。スイッチング磁界を減らすことで、より高線記録密度領域における媒体からの低い漏れ磁界に対する感度が向上し、分解能の向上が期待できる。
【００３７】
図７は、センサ膜の飽和磁化が異常ホール電圧の変化に与える影響を示している。センサ膜の飽和磁化が大きくなると、初期状態の異常ホール電圧が大きくなり、その変化分も大きくなる。この現象は、式（１）に示したように、異常ホール電圧はそれを発生させる膜の飽和磁化に比例することによる。このことが再生出力の増加に寄与する。
【００３８】
図８は、センサ膜の膜厚が異常ホール電圧の変化に与える影響を示している。センサ膜の膜厚が薄くなると初期状態の異常ホール電圧は大きくなり、外部磁界に対する変化分も大きくなる。これは、式（１）に示したように、異常ホール電圧は膜厚に反比例して増加するためである。また、わずかではあるが、センサ膜の膜厚を薄くすることでスイッチング磁界も低くなる傾向が見られる。
【００３９】
図９に、トラック幅方向の素子幅に対する出力電圧（左の縦軸）及び単位幅当たりの出力（右の縦軸）を示す。ここではセンサ膜厚を５ｎｍとし、素子幅方向に流れる電流を一定とした。素子幅を１５〜５８ｎｍの範囲で変化させたとき、出力の変化はほとんどみられず、単位幅当たりの出力は増加した。このことは垂直磁化膜であるセンサ膜は素子幅が狭くなっても影響を受けにくいことを示しており、狭トラック幅に対応できることを示している。例えば２０ｎｍ程度の狭トラックに対応可能な磁気再生素子を用いることで、１０００ｋｔｐｉ（kilo track per inch）以上のトラック密度に到達可能となる。さらに、５ｎｍ程度のセンサ膜厚はダウントラック方向のビット長に対応可能となることから、約５０００ｋｂｐｉ（kilo bit per inch）の線記録密度の実現が可能となる。
【００４０】
一方、現行の面内磁化膜を用いたスピンバルブ構造のＧＭＲヘッドは、素子幅が２０ｎｍ以下の領域では円形磁区構造の形成を防ぐにはバイアス磁界を強くするなどの工夫が必要である。しかし、バイアス磁界を強くすると自由層の磁化の回転が鈍くなり、再生出力は低下してしまう。図１０に、現行のＧＭＲ素子のバイアス磁界に対する再生出力の変化を示す。バイアス磁界の増加に伴う再生出力の低下は、素子幅が２０ｎｍ以下の領域でより顕著に現れる。
【００４１】
次に、センサ膜に電流を流すための電極と異常ホール電圧を検出するための電極の配置について説明する。図１１に横バイアス型の素子について、図１２に縦バイアス型の素子について示す。各図において（ａ）は素子の断面摸式図、（ｂ）はヘッド浮上面から見た模式図である。
【００４２】
図１１に示すように、横バイアス型の場合、下部シールド膜２１ｂの上に絶縁層２３が形成され、その上にバイアス層２４、絶縁層２３、センサ膜２２が順に堆積される。センサ膜上に電圧電極膜１１ａ，１１ｂが形成され、さらにその直角方向に電流電極１２ａ，１２ｂが形成される。電極が配置された状態で、その上を絶縁層２３で覆うようにし、その上に上部シールド膜２１ａが形成される。
【００４３】
図１２に示すように、縦バイアス型の場合は、下部シールド２１ｂ上に絶縁層２３が形成され、その上に絶縁層で隔たれた状態でセンサ膜２２とバイアス膜２４が形成される。その上に電圧電極膜１１ａ，１１ｂが形成され、その直角方向に電流電極１２ａ，１２ｂが形成される。電極が形成された状態で絶縁層２３が形成され、その上に上部シールド膜２１ａが形成される。
【００４４】
いずれの構造においても、センサ膜のトラック幅方向に電流を流し、素子高さ方向に発生する異常ホール電圧を電極１１ａ，１１ｂによって取り出した。比較例として、本実施例とは逆に、センサ膜の素子高さ方向に電流を流し、センサ膜のトラック幅方向に発生する異常ホール電圧を取り出すように電極を配置した素子も作製した。その結果、実施例の構成においてより良好な特性が得られた。
【００４５】
比較例において得られる異常ホール電圧の変化分にノイズ成分が大きく、素子感度も実施例の素子感度と比べて劣化していた。これは素子に電流を流すための端子が媒体面に近くなり、ノイズ成分増加の要因になっていると考えられる。
【００４６】
以上説明したように、本発明の磁気再生素子は、センサ膜の飽和磁化、単位体積あたりの垂直磁気異方性エネルギー、膜厚を最適化することで、再生感度を向上させることが可能となる。
【００４７】
本発明による垂直磁化膜を用いた磁気再生素子は、従来の面内磁化膜を用いた素子における狭トラック再生感度の限界を超えることができる。なお、本発明の磁気再生素子はＴＭＲあるいはＣＰＰ−ＧＭＲのようにセンサ膜面垂直方向に電流を流さないため、スピントルクノイズが発生せず、高ＳＮＲを実現できる。また、本発明の磁気再生素子は従来のＴＭＲあるいはＧＭＲ素子で用いられるスピンバルブ構造を用いておらず、積層される層数を少なくすることができ、生産効率の向上も期待できる。
【００４８】
図１３は、本発明による磁気再生素子を搭載した磁気ヘッドの概念図である。図には、垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの例を示してある。再生ヘッドとして図１１に示した横バイアス型の磁気再生素子を用い、再生ヘッドの上部に、副磁極４１、コイル４２、主磁極４３、ヨーク部４４からなる垂直記録ヘッドが形成されている。本発明は、磁気再生素子に関するものであり、記録ヘッド側が垂直記録ヘッドであっても面内記録ヘッドであっても対応可能である。しかし、垂直記録ヘッドと組み合わせることで、より有効な機能を実現することができる。
【００４９】
図１４は、磁気記録再生装置の概念図である。磁気記録再生装置は、モータ５１によって回転する磁気ディスク５２上の所定位置に、サスペンションアーム５３の先端に固定されたスライダー５４に搭載された磁気ヘッドによって磁化信号の記録再生を行う。ロータリアクチュエータ５５を駆動することにより、磁気ヘッドの磁気ディスク半径方向の位置（トラック）を選択することができる。磁気ヘッドへの記録信号及び磁気ヘッドからの読み出し信号は信号処理回路５６ａ，５６ｂにて処理される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】面内磁化膜を用いた磁気再生素子による媒体磁界検出方法の説明図。
【図２】本発明による磁気再生素子の基本構造を示す図。
【図３】本発明による磁気再生素子の動作を示す図。
【図４】磁気再生素子へのバイアス印加方法の説明図。
【図５】センサ膜のスイッチングを説明する図
【図６】センサ膜の磁気異方性強度と異常ホール電圧の変化の関係を示す図。
【図７】センサ膜の飽和磁化と異常ホール電圧の変化の関係を示す図。
【図８】異常ホール電圧の変化のセンサ膜厚依存性を示す図。
【図９】素子幅に対する素子出力の変化を示す図。
【図１０】面内磁化膜を利用した再生ヘッドの素子に印加されるバイアス磁界と再生出力の関係を異なる素子幅に対して示した図。
【図１１】素子への配線を示す図（横バイアスの場合）。
【図１２】素子への配線を示す図（縦バイアスの場合）。
【図１３】磁気ヘッドの概略図。
【図１４】磁気記憶装置の概略図。
【符号の説明】
【００５１】
１０…電流
１１ａ，１１ｂ…電圧電極
１１ｃ，１１ｄ…電圧電極端子
１２ａ，１２ｂ…電流電極
１４…バイアス磁界
２１ａ…上部シールド
２１ｂ…下部シールド
２２…センサ膜
２２ａ…センサ膜の自発磁化
２２ｂ…センサ膜磁化垂直成分
２２ｃ…センサ膜の厚さ
２３…絶縁層
２４…バイアス層
２４ａ…バイアス層磁化
３０…磁気記録媒体
３１…自由層
３１ａ…自由層磁化
３２…固定層
３２ａ…固定層磁化
３３…中間層
３５…素子幅
３６…トラック幅
３７…媒体からの磁界
４１…副磁極
４２…コイル
４３…主磁極
４４…ヨーク部
５１…モータ
５２…磁気ディスク
５３…サスペンションアーム
５４…スライダー
５５…ロータリアクチュエータ
５６ａ，５６ｂ…信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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