(57)【要約】【課題】高面記録密度の磁気ディスクを再生可能な再生磁気ヘッドおよびこの再生磁気ヘッドを備える磁気ディスク装置を提供すること。【解決手段】再生磁気ヘッド１０は、垂直磁化膜からなる第１のピン層１３と、交換結合制御層１４と、第１のフリー層１５と、絶縁体からなるバリア層１６と、第２のフリー層１７と、交換結合制御層１８と、垂直磁化膜からなる第２のピン層１９と、が順に積層されている。外部磁場がない場合、第１のピン層と第１のフリー層、および第２のピン層と第２のフリー層とがそれぞれ強磁性結合することで、ピン層とフリー層の磁化方向が同一となる。また、積層体の側面に、磁気シールド層２３が設けられる。【選択図】図１
2010080008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第１のピン層と、
磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第１のフリー層と、
絶縁体からなるバリア層と、
磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第２のフリー層と、
磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第２のピン層と、
が順に積層され、かつ外部磁場がない場合、前記第１のピン層と前記第１のフリー層及び前記第２のピン層と前記第２のフリー層が強磁性的結合することで前記第１および第２のピン層および前記第１および第２のフリー層のすべての磁化方向が同一となる積層体を有し、前記積層体の積層面に直交する方向にセンス電流が流れる再生磁気ヘッド。
【請求項２】
前記第１のピン層と前記第１のフリー層、および前記第２のピン層と前記第２のフリー層との間には交換結合制御層が介在する請求項１に記載の再生磁気ヘッド。
【請求項３】
前記積層体の側面に、磁気シールド層が設けられている請求項１または請求項２に記載の再生磁気ヘッド。
【請求項４】
磁気ディスクと、
支持軸の回りに回転して、前記磁気ディスク面を半径方向に移動するアクチュエータと、
前記アクチュエータに支持され、前記磁気ディスク面に対向するヘッドスライダと、
前記ヘッドスライダの前端側面に配置される再生磁気ヘッドであって、
磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第１のピン層と、
磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第１のフリー層と、
絶縁体からなるバリア層と、
磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第２のフリー層と、
磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第２のピン層と、
が順に積層され、かつ外部磁場がない場合、前記第１のピン層と前記第１のフリー層及び前記第２のピン層と前記第２のフリー層が強磁性的結合することで前記第１および第２のピン層および前記第１および第２のフリー層のすべての磁化方向が同一となる積層体を有し、前記積層体の積層面に直交する方向にセンス電流が流れる再生磁気ヘッドと、
を備える磁気ディスク装置。
【請求項５】
前記再生磁気ヘッドは、前記第１のピン層と前記第１のフリー層、および前記第２のピン層と前記第２のフリー層との間に交換結合制御層が介在する請求項４に記載の磁気ディスク装置。
【請求項６】
前記再生磁気ヘッドは、前記積層体の側面に、磁気シールド層が設けられている請求項４または請求項５に記載の磁気ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果を用いたＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子を用いた再生磁気ヘッド、およびこの再生磁気ヘッドを備える磁気ディスク装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ディスク用再生ヘッドとしてＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子を用いた再生磁気ヘッド（以下、「ＴＭＲヘッド」という。）が実用化している。
【０００３】
ＴＭＲ素子は、外部磁場の影響により磁化の方向が変化するフリー層と、外部磁場の影響を受けても磁化の方向が変化しないピン層と、フリー層とピン層とを隔てる非磁性絶縁層であるバリア層とで形成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）構造を備える。ＴＭＲヘッドは、磁気ディスク面に対抗するスライダの前端面にＴＭＲ素子を配置して、磁気ディスクの磁化方向の変化を読み取る。
【０００４】
図６は、従来のＴＭＲヘッドの磁気ディスクの浮上面に平行な概略断面を示す図である。図６に示すように、従来のＴＭＲヘッド７０は、下部シールド層７１、バッファ層７２、反強磁性層７３、強磁性体であるピン層７４、絶縁体であるバリア層７５、強磁性体であるフリー層７６、キャップ層７７、上部シールド層７８を有する。ここで、バリア層７５は、トンネル電流が通過可能な厚みをもつ非磁性絶縁体からなり、その他の層はすべて金属からなる。さらに、積層方向の側面には絶縁膜８１を介して磁区制御膜であるハードバイアス層８２が配置されている。
【０００５】
ピン層７４に隣接する反強磁性層７３は、ピン層７４の磁化方向を固定する機能を有する。すなわち、ピン層７４の磁化方向は、反強磁性層７３によって所定の方向に固定される。したがって、外部磁場の影響を受けても磁化方向は変化しない。フリー層７６の磁化方向は、磁気ディスクの磁場に影響を受け、変化する。
【０００６】
外部磁場がなくなると、フリー層７６の磁化方向は、エネルギー最小の磁化方向に向く。外部磁場のない場合のフリー層７６の磁化方向を所定の方向にそろえるために、ハードバイアス層８２が設けられている。図６の矢印で示すように、フリー層７６の磁化方向は、ハードバイアス層６２の磁化方向にそろえられ、図の面内にある。ピン層７４の磁化方向は、フリー層の磁化方向と直交しており、図６では、図の裏面から表面に向いている。
【０００７】
磁気ディスクのデータを検出するためのセンス電流は、積層面に直交する方向に、下部シールド層７１と上部シールド層７２間を流れる。フリー層７６の磁化方向は、磁気ディスクの磁場に影響を受け変化する。フリー層７６の磁化方向がピン層７４の磁化方向と同じ向きになるとき、ピン層７４とフリー層７６間に介在するバリア層７５の磁気トンネル接合抵抗は小さい。これに対して、フリー層７６の磁化方向がピン層７４の磁化方向と逆になると、バリア層７５の磁気トンネル接合抵抗は大きくなる。したがって、外部磁場の変化をセンス電流の変化として取り出すことができる。
【０００８】
磁気ディスクの面記録密度をさらに向上させるためには、円周方向のビット密度、半径方向のトラック密度ともに高くすることが必要である。しかしながら、ビット密度を高めると、磁気ディスク表面のより小さな範囲のデータを再生する必要がある。したがって、高ビット密度の磁気ディスクのデータを再生するためには、上部磁気シールド７１と下部磁気シールド７８間のリードギャップを狭める必要がある。リードギャップを狭めるためには、現状で最も厚い反強磁性層７３の膜厚を薄くすることが考えられる。しかし、反強磁性層７３の膜厚を薄くするとピン層７４の磁化方向を固定することが困難となり、外部磁場耐性が低下する。また、反強磁性層７３の膜厚を薄くすると、ブロッキング温度が低下することから、磁気ディスク装置の使用中に高温の影響を受けやすくなる。
【０００９】
また、トラック密度が高まれば、隣接トラックからの影響が無視できなくなる。ＴＭＲ素子７０のトラック側のサイドに磁気シールド膜を設ける対策が考えられるが、現状ではフリー層７６の磁区制御のためのハードバイアス層８２があるため実現できない。
【００１０】
具体的には、１平方インチ当たり５００ギガビットから１テラビット級の面記録密度のディスクを再生するためには、リードギャップは３５ｎｍ〜２５ｎｍ程度、トラック幅は、３５ｎｍ〜２５ｎｍ程度にする必要があると考えられ、このサイズでも上記問題が生じないようにすることが課題となっている。
【００１１】
なお、垂直磁化膜を用いたＴＭＲ素子が提案されているが（非特許文献１参照）、磁気メモリを想定しており、再生磁気ヘッドに用いることを開示するものではなく、磁気メモリのためのＴＭＲ素子は、そのまま再生磁気ヘッドとしては使えない。
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−１９６８９２号公報
【特許文献２】特開２００６−１３４９３１号公報
【非特許文献１】「日経エレクトロニクス」2007.12.17, P.107.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記問題点に鑑み、高面記録密度の磁気ディスクを再生可能な再生磁気ヘッドおよびこの再生磁気ヘッドを備える磁気ディスク装置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】
【００１４】
この再生磁気ヘッドは、磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第１のピン層と、磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第１のフリー層と、絶縁体からなるバリア層と、磁化方向が外部磁場の影響を受けて変化する磁化膜からなる第２のフリー層と、磁化方向が固定される垂直磁化膜からなる第２のピン層と、が順に積層され、かつ外部磁場がない場合、前記第１のピン層と前記第１のフリー層及び前記第２のピン層と前記第２のフリー層が強磁性的結合することで前記第１および第２のピン層および前記第１および第２のフリー層のすべての磁化方向が同一となる積層体を有し、前記積層体の積層面に直交する方向にセンス電流が流れる。
【００１５】
前記第１のピン層と前記第１のフリー層、および前記第２のピン層と前記第２のフリー層との間には交換結合制御膜が介在するようにできる。
【００１６】
前記積層体の側面に、磁気シールド層を設けることもできる。
【００１７】
磁気ディスク装置は、磁気ディスクと、支持軸の回りに回転して、前記磁気ディスク面を半径方向に移動するアクチュエータと、前記アクチュエータに支持され、前記磁気ディスク面に対向するヘッドスライダと、前記ヘッドスライダの前端側面に配置された再生磁気ヘッドと、を備え、この再生磁気ヘッドとして、上述の再生磁気ヘッドを用いるものである。
【発明の効果】
【００１８】
この再生磁気ヘッドでは、従来ではピン層の固定に必要だった反強磁性層を不要にできる。この結果、リードギャップの幅を大きく低減できる。また、外部磁場がない場合、フリー層の磁化方向はピン層との強磁性的交換結合によってピン層の磁化方向と同一方向になるため、従来フリー層の固定のために用いられたハードバイアス層が必要なくなる。さらに、ハードバイアス層を形成していた箇所に磁気シールド層を配置すれば、隣接するトラックからの漏洩磁場をシールドすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本実施形態のＴＭＲヘッドの主要構成部分を示す図である。
ＴＭＲヘッド１０の積層構造は、図１に示すとおり、下部シールド層１１上のバッファ層１２を介して第１のピン層１３が配置される。第１のピン層１３の上には、第１の交換結合制御層１４を介して第１のフリー層１５が配置される。第１のフリー層１５の上には、バリア層１６を介して第２のフリー層１７が配置される。第２のフリー層１７の上には、第２の交換結合制御層１８を介して第２のピン層１９が配置される。第２のピン層１９の上にはキャップ層２０を介して上部シールド層２１が配置される。図１の各層の左右には絶縁層２２を介して、磁気シールド層２３が配置される。ＴＭＲヘッド１０は、通常のスパッタリング法を用いる成膜により形成することができる。
【００２０】
ＴＭＲヘッド１０の第１のピン層１３、第２のピン層１９は、膜面に垂直に磁化される垂直磁化膜が採用される。図１では、各層の磁化方向を矢印で示す。
【００２１】
バリア層７５は、トンネル電流が通過可能な厚みをもつ非磁性絶縁体であり、センス電流は、上部及び下部シールド層１１、２１間を各層に直交するように流れる。第１のフリー層１５と第２のフリー層１７の磁化方向は、磁気ディスクの磁場に影響を受け変化する。第１のフリー層１５と第２のフリー層１７の磁化方向が同じ向きになるとき、バリア層１６の磁気トンネル接合抵抗は小さい。これに対して、第１のフリー層１５と第２のフリー層１７の磁化方向が逆になると、バリア層１６の磁気トンネル接合抵抗は大きくなる。したがって、外部磁場の変化をセンス電流の変化として取り出すことができる。
【００２２】
垂直磁化膜で形成した第１および第２のピン層１３、１９は十分大きな保磁力を持たせると、磁気ディスク表面の磁界から影響を受けないようにすることができる。したがって、従来必要であった反強磁性層を省略することができ、ＴＭＲヘッド１０の積層方向のギャップ幅を小さくできる。
【００２３】
さらに、第１のフリー層１５は第１のピン層１３の磁界に規制されるので、外部磁界がない場合第１のフリー層１５の磁化方向は第１のピン層１３の磁化方向に整列する。第２のフリー層１７についても同様であり、外部磁界がない場合第２のフリー層１７の磁化方向は第２のピン層１９の磁化方向に整列する。これにより、従来フリー層の磁区を制御するために必要であった磁区制御膜すなわちハードバイアス層を省略することができる。省略したハードバイアス層の代わりに、磁気シールド層２３を配置することができ、隣接トラックからの影響を避けることができる。
【００２４】
なお、第１のピン層１３と第１のフリー層１５との間の交換結合層１４、および第２のフリー層１７と第２のピン層１９との間の交換結合層１８は、ピン層とフリー層とを強磁性結合させる役割を担う。交換結合層１４、１８の膜厚を調整することで交換結合力を制御することができる。
【００２５】
具体的な材料は、第１のピン層１３はＴｂＦｅＣｏで形成され、第１のピン層１３の膜厚は２ｎｍである。交換結合制御層１４はＲｕで形成され、交換結合制御層１４の膜厚は０．１ｎｍである。第１のフリー層１５はＣｏＦｅＢで形成され、第１のフリー層１５の膜厚は１．７ｎｍである。バリア層１６はＭｇＯで形成され、バリア層１６の膜厚は０．９６ｎｍである。第２のフリー層１７はＣｏＦｅＢで形成され、第２のフリー層１７の膜厚は１．７ｎｍである。交換結合制御層１８はＲｕで形成され、交換制御層１８の膜厚は０．１ｎｍである。第２のピン層１９はＴｂＦｅＣｏで形成され、第２のピン層１９の膜厚は２ｎｍである。いずれも通常のスパッタリング法により成膜した。第１および第２のピン層１３、１９は、室温で十分大きな保磁力Ｈｃ例えば１０ｋＯｅを有する垂直磁化膜である。
【００２６】
第１および第２のピン層１３、１９にはＴｂＦｅＣｏ以外にもＤｙＦｅＣｏ、ＴｂＤｙＦｅＣｏ、［Ｔｂ／ＦｅＣｏ］ｎ積層膜、［Ｄｙ／ＦｅＣｏ］ｎ積層膜、［ＴｂＤｙ／ＦｅＣｏ］ｎ積層膜、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ積層膜、［Ｆｅ／Ｐｔ］ｎ積層膜などを用いることができる。磁化調整、酸化防止等のため、第１および第２のピン層１３、１９にＣｒ、Ｂ、Ｃなどを微量添加してもよい。
【００２７】
交換結合制御層にはＲｕ以外にもＲｕＣｏを用いることができる。交換結合層は、ピン層とフリー層とを強磁性結合させる役割を担うため０．１ｎｍと薄いが、反強磁性結合する厚さである０．３ｎｍまでの範囲で膜厚を調整することで交換結合力を制御する。第１および第２のフリー層１５、１７には従来と同じＣｏＦｅＢ層を用いることができる。
【００２８】
バッファ層１２とキャップ層２０は、いずれもＴａで膜厚３ｎｍに形成されている。さらに磁気シールド層２３は、ＮｉＦｅで形成されている。製造方法は従来のハードバイアス層と同じ手法で行うことができる。上下シールド層１１、２１間に積層して形成されるＴＭＲ膜の両側面に磁気シールド層２３があるため、隣接トラック方向からの磁場の影響を抑制することができる。
【００２９】
図２は、本実施形態による磁気ヘッドによるデータの再生を説明するための模式図である。図２では、ＴＭＲヘッド１０は、エアギャップ４０を介して磁気媒体３０に対向している。
【００３０】
磁気ディスク媒体として、垂直磁化膜３０を図２に示した。磁気媒体３０の領域ｄ１〜ｄ５では、交互に磁化方向が変化している。ＴＭＲヘッド１０に対向する磁気媒体３０の面を表面とすると、領域ｄ１の磁化方向は、矢印で示されているように、表面から裏面に向いている。次の領域ｄ２では、磁化方向は裏面から表面に向いている。
【００３１】
図２では、ＴＭＲヘッド１０は、簡略化して、第１のピン層１３、第１のフリー層１５、バリア層１６、第２のフリー層１７、第２のピン層１９のみを示す。磁気媒体３０からは、磁気媒体３０上の磁化方向と同方向に漏洩磁場が出ており、ＴＭＲヘッド１０のフリー層１５、１７の磁化方向は、漏洩磁場の方向に向くように変化する。
【００３２】
磁気ディスク３０の回転にともなって、ＴＭＲヘッド１０は、図２の上部から下部へ移動し、ディスク面の領域ｄ１〜ｄ２の漏洩磁場を検出してゆく。図２では、時刻ｔ１〜ｔ９におけるＴＭＲヘッド１０の磁化方向を図示している。
【００３３】
まず時刻ｔ１では、ヘッド１０は、領域ｄ１上に位置する。その結果第１のフリー層１５と第２のフリー層１７はともに、領域ｄ１の漏洩磁場に影響を受ける。したがって、第１および第２のフリー層１５、１７双方の磁化方向は同一方向に変化する。時刻ｔ２になると、第１のフリー層１５のみが領域ｄ２上に位置する。したがって、第１のフリー層１５のみが、領域ｄ２の漏洩磁場により磁化方向を変化させる。領域ｄ１の漏洩磁場と、領域ｄ２の漏洩磁場の方向は逆であるので、第１のフリー層１５の磁化方向は、第２のフリー層１７の磁化方向とは逆になる。第１のフリー層１５の磁化方向が第２のフリー層１７の磁化方向とは逆になれば、第１のフリー層１５の磁化方向と第２のフリー層１７の磁化方向とが同方向に向けられている場合より抵抗値が高くなる。
【００３４】
時刻ｔ２を過ぎると、第２のフリー層１７も領域ｄ２の漏洩磁場の影響を受けて、第２のフリー層１７の磁化方向は第１のフリー層１５の磁化方向にそろうように変化し、低抵抗の状態に変化する。
【００３５】
抵抗値の変化は、図２の下部に、横軸が時間で、縦軸が抵抗であるグラフに示されている。時刻ｔ２で急激に抵抗値が高くなり、時刻ｔ２を過ぎるとすぐに抵抗値が低くなっていることが分る。抵抗値が高くなる時点で、ＴＭＲヘッド１０の積層面に直交して流れるセンス電流は減少する。ＴＭＲヘッド１０は、センス電流の変化あるいは定電流印加の場合、電圧変化として磁気媒体に書き込まれた情報を読み取ることができる。
【００３６】
その後時刻ｔ３では、第２のフリー層１７も第１のフリー層１５と同様に領域ｄ２の漏洩磁場の影響を受けているので、第１および第２のフリー層の磁化方向は同一であり、低抵抗の状態にある。
【００３７】
次ぎの時刻ｔ４になると、第１のフリー層１５が領域ｄ３上に位置する。したがって、第１のフリー層１５は、領域ｄ３の漏洩磁場により磁化方向を変化させる。領域ｄ３の漏洩磁場と、領域ｄ２の漏洩磁場の方向は逆であるので、第１のフリー層１５の磁化方向は、第２のフリー層１７の磁化方向とは逆になる。したがって、抵抗は低抵抗の状態から高抵抗の状態へと変化する。図２では、磁気媒体３０の隣接領域の磁化方向が交互に変化しているので、ヘッドが移動するにつれて、低抵抗から高抵抗へ周期的に変化する。低抵抗から高抵抗への変化は、図２の下部のグラフに示すように、本実施形態のＴＭＲヘッド１０の隣接するフリー層１５、１７の磁化方向が非平行になる時点で生じる。
【００３８】
図３は、本実施形態のＴＭＲヘッドが搭載される磁気ディスク装置の一例を示す図である。図４は、図３の磁気記録装置に用いられるアクチュエータを、磁気ディスク面から見た図である。
【００３９】
磁気記録装置５０の筐体５１には、スピンドルモータ３１により回転する少なくとも１枚の磁気ディスク３０が搭載されている。また、筐体５１には、データの読み書きを行うために磁気ディスク３０にアクセスするためのアクチュエータ４０が配置されている。
【００４０】
図４に示すように、ＴＭＲヘッド１０は、ヘッドスライダ４２の前端側面に配置される。図５は、ヘッドスライダに設けられた本実施形態のＴＭＲヘッドと磁気ディスクとの関係を説明する図である。図５に示すように、ヘッドスライダ４２の前端面に配置されたＴＭＲヘッドは、磁気ディスク３０の所望のトラックＴｒに位置づけられる。ＴＭＲヘッドの積層方向はトラック方向に一致するので、磁気ディスク３０の回転によって、トラックを細分したセクタのデータを読み取ることができる。積層膜の側面に配置された磁気シールド層２３が隣接トラックの磁場の影響を遮断する。
図４に戻り、ヘッドスライダ４２は、ヘッドサスペンション４３に支持されている。ヘッドスライダの一端は、キャリッジアーム４４に結合している。キャリッジアーム４４は、軸受け４１を介して、支軸の回りに回転可能である。さらにキャリッジアーム４４の一端には、ボイスコイル４５が備わっている。ボイスコイル４５に流す電流を制御することにより、アクチュエータ４は、ヘッドスライダ４２したがってＴＭＲヘッド１０を磁気ディスク装置の所定のトラックに位置づけられる。
【００４１】
以上のように、本実施形態では、従来ピン層の固定に必要だった反強磁性層を不要にできる。この結果、リードギャップを約４０％低減できる。さらに、フリー層の磁化方向はピン層によって固着されるので、従来フリー層の固定のために用いられたハードバイアス層が必要なくなる。したがって、ハードバイアス層を形成していた箇所に磁気シールド層を配置することができ、隣接するトラックからの漏洩磁場をシールドすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態によるＴＭＲヘッドの浮上面に平行な概略断面図である。
【図２】本実施形態によるＴＭＲヘッドの動作を説明する図である。
【図３】本実施形態によるＴＭＲ磁気ヘッドを備える磁気ディスク装置を示す図である。
【図４】図３の磁気ディスク装置のアクチュエータを示す図である。
【図５】図３の磁気ディスク装置のヘッドスライダに設けられたＴＭＲヘッドと磁気ディスクとの関係を説明する図である。
【図６】従来のＴＭＲヘッドの浮上面に平行な概略断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ＴＭＲヘッド
１１    下部シールド層
１２    バッファ層
１３    第１のピン層
１４    第１の交換結合制御層
１５    第１のフリー層
１６    バリア層
１７    フリー層
１８    交換結合制御層
１９    ピン層
２０    キャップ層
２１    上部シールド層
２２    絶縁層
２３    磁気シールド層
３０    磁気媒体
３１    スピンドルモータ
４０    アクチュエータ
４１    軸受け
４２    ヘッドスライダ
４３    ヘッドサスペンション
４４    キャリッジアーム
４５    ボイスコイル
５０    磁気ディスク装置
５１    筐体
【図１】
2010080008.tif 000003
【図２】
2010080008.tif 000004
【図３】
2010080008.tif 000005
【図４】
2010080008.tif 000006
【図５】
2010080008.tif 000007
【図６】
2010080008.tif 000008