(57)【要約】【課題】抵抗変化率やＳＮＲを維持しつつ、高い再生分解能を得る。【解決手段】磁気センサ１は、ＡＢＳに露出したスタック２と、スタック２の、ＡＢＳと反対側に位置する永久磁石層２１とを備える。スタック２は、磁気フリー層２９と非磁性層２０と磁気フリー層２８とが順に積層されたものである。永久磁石層２１からのバイアス磁場２４により磁化２２，２３が互いにほぼ直交した状態となる。スタック２は、条件式（１）を満たす矩形状の平面形状を有する。非磁性層２０は磁気フリー層２９と磁気フリー層２８との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さを有する。１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）【選択図】図１
2010092579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の上に、第１の磁気フリー層と、非磁性層と、第２の磁気フリー層とを順に積層することにより積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をパターニングすることにより、平面形状が下記の条件式（１）を満たす矩形状の積層体を形成する工程と、
前記積層体から所定の距離を隔てた位置に強磁性層を形成する工程と、
前記第１および第２の磁気フリー層の各々の磁化方向が互いに交差するように、前記強磁性層を磁化することにより前記第１および第２の磁気フリー層に対して一定方向に固着された磁場を印加する工程と
を含み、
前記非磁性層を、前記第１の磁気フリー層と前記第２の磁気フリー層との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さとなるように形成する
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの形成方法。
１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）
但し、
ＳＨ：ＭＲハイト
ＴＷ：トラック幅方向の長さ
とする。
【請求項２】
前記第１および第２の磁気フリー層を、互いに等しい大きさの総磁気モーメントを有するように形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項３】
前記反強磁性結合を静磁結合とすることを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項４】
前記非磁性層として酸化物層を形成し、
前記反強磁性結合を、前記酸化物層を通過する電子のスピン偏極トンネリングによって生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項５】
前記非磁性層として１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みの銅層を形成し、
前記反強磁性結合として前記銅層を介して生じるＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合を生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項６】
前記強磁性結合の強度を２００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］以下とすることを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項７】
アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ），亜鉛（Ｚｎ）またはそれらの合金を酸化処理することにより、前記非磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項８】
前記非磁性層を、銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種を用いて形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項９】
前記非磁性層を、
アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ），亜鉛（Ｚｎ）またはそれらの合金を酸化処理することにより形成した酸化物層と、
銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種を用いて形成した金属層と
をそれぞれ少なくとも１層ずつ含むように形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項１０】
鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），硼素（Ｂ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），ハフニウム（Ｈｆ），銅（Ｃｕ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ）およびそれらの合金のうちの１種または２種以上を用いて、前記第１および第２の磁気フリー層をそれぞれ形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気再生ヘッドの形成方法。
【請求項１１】
基体上に、
第１の磁気フリー層と、非磁性層と、第２の磁気フリー層とが順に積層された積層体と、
前記積層体から所定距離を隔てて配置された永久磁石層と
を備え、
前記積層体は、下記の条件式（１）を満たす矩形状の平面形状を有し、
前記非磁性層は、前記第１の磁気フリー層と前記第２の磁気フリー層との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さを有する
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）
但し、
ＳＨ：ＭＲハイト
ＴＷ：トラック幅方向の長さ
とする。
【請求項１２】
前記第１および第２の磁気フリー層は、互いに等しい大きさの総磁気モーメントを有する
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１３】
前記反強磁性結合は静磁結合であることを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１４】
前記反強磁性結合は、前記非磁性層としての酸化物層を通過する電子のスピン偏極トンネリングに起因して生じるものである
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１５】
前記反強磁性結合は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みの銅層を介して生じるＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合である
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１６】
前記強磁性結合の強度は２００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１７】
前記非磁性層は、アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ）および亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１種を含む金属の酸化物からなる
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１８】
前記非磁性層は、銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種からなる
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１９】
前記非磁性層は、
アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ）および亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１種を含む金属の酸化物からなる酸化物層と、
銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種からなる金属層と
をそれぞれ少なくとも１層ずつ有する
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２０】
前記第１および第２の磁気フリー層は、
鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），硼素（Ｂ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），ハフニウム（Ｈｆ），銅（Ｃｕ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ）およびそれらの合金のうちの１種または２種以上からなる
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気再生ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistive）素子もしくはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistive) 素子を備えた磁気再生ヘッドおよびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）におけるデータの面密度向上に対する要求は増加の一途をたどっている。これに伴い、再生素子として使用される磁気抵抗効果（ＭＲ）センサは、適度な信号対雑音比（ＳＮＲ）を維持しつつ、より優れた空間分解能（spatial resolution）を有することがますます求められている。
【０００３】
図６は、ＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）型のＭＲ素子を備えた従来の磁気再生ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）の代表的な構造例を表している。今日のハードディスクドライブにおいては、ＣＰＰ−ＭＲヘッドとして、主にＣＰＰ−ＧＭＲ(giant-magneto-resistive) ヘッドもしくはＴＭＲ (tunneling-magneto-resistive) ヘッドが採用されている。
【０００４】
図６に示したＣＰＰ−ＭＲヘッドは、上部および下部シールド層１１，１２を備えている。上部および下部シールド層１１，１２の間には、ＭＲ素子であるスタック１４が設けられており、そのスタック１４をトラック幅方向（紙面横方向）に挟むように一対のハードバイアス（ＨＢ）マグネット層１３が配置されている。ＨＢマグネット層１３は、縦方向の磁化１５を有し、スタック１４に対して縦バイアス磁界を印加するように機能する。その機能により、スタック１４に含まれるフリー層の磁化１６が、縦方向へ方向付けされる。  今日のハードディスクドライブにおいては、磁気記録媒体表面からの磁気ヘッドの浮上高さは１０ｎｍ未満となっており、５ｎｍ未満に達しようとしている。このため、再生分解能の向上を図るために浮上高さをさらに低減することは限界に近づいている。したがって、現状では、再生分解能を向上させるための試みは、再生ヘッドにおける読出シールド間隔１７（ＲＳＳ；reader-shield-spacing）を減少させることに集中している。
【０００５】
ＲＳＳを減少させるために、スタック１４およびＨＢマグネット層１３の双方における厚さを低減することが求められる。しかしながら、ＨＢマグネット層１３の厚みを薄くすると、フリー層の端部に及ぶピンニング磁界（縦バイアス磁界）が低下し、その結果、センサとしてのＳＮＲの低下を招いてしまうおそれがある。その上、ＣＰＰ−ＭＲヘッドにおけるスタック１４は、フリー層と近接して設けられた多層構造のリファレンス層を有している。その多層構造のリファレンス層は、読出動作の際、フリー層の磁化１６の回転の基準となる方向を規定するものである。スタック１４のさらなる薄型化は、リファレンス層によって制限される。これは、多層構造のリファレンス層の厚さが減少すると、その動作が不安定となり、ノイズを発生することとなるからである。
【０００６】
これまでに、２つのフリー層と、その間に挟まれた非磁性層とによって構成された３層構造のセンサが提案されている（特許文献１，２参照）。この２つのフリー層は、実質的に同一の磁気モーメント、厚さおよび体積を有している。また、非特許文献１，２には、非磁性層を介した２つの磁性層間に生じる静磁結合もしくは反強磁性（ＡＦＭ）結合による反強磁性的結合磁界に関する記述がある。なお、ＭＲセンサに関する上記以外の先行技術文献としては、以下に示す特許文献３〜５および非特許文献３〜６が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１０５２１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００８８７８９号明細書
【特許文献３】米国特許第７１７７１２２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０００２０３５号明細書
【特許文献５】米国特許第７１６０５７２号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.F.Egelhoff Jr.およびM.K.Kief著、「Antiferromagnetic coupling in Fe/Cu/Fe and Co/Cu/Co multilayers on Cu(111)」、Phys. Rev., B  vol.45 , p.p. 7795, (1992)
【非特許文献２】S.S.P.Parkin、R.BhadraおよびK.P.Roche著、「Oscillatory magnetic exchange coupling through thin copper layers」、Phys. Rev. Lett., vol. 66, p.p. 2152, (1991)
【非特許文献３】Y. Zhou著、「Thermally Excited Low Frequency Magnetic Noise in CPP structure MR heads」、IEEE Trans. Magn., vol.43, pp. 2187, 2007
【非特許文献４】J. Faure-Vincent et al., "Antiferromagnetic coupling by spin polarized tunneling" J.A.P. vol. 93, p. 7519 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の状況から、磁気再生ヘッドにおいてＲＳＳを減少させるためには、より薄く、かつリファレンス構造や大きな強度のハードバイアス磁界を必要としないスタックを備えた磁気再生ヘッドが求められる。ところが、特許文献１，２などに開示された３層構造のセンサでは、外部磁場が存在しない状態（零磁場状態）では２つのフリー層の磁化は互いに反平行となっている。このため、外部磁場に対する感度が不十分であると考えられる。このような３層構造タイプのＭＲセンサにおいてその感度を最大化するには、零磁場状態において２つの磁化方向が互いにほぼ直交していることが要求される。すなわち、零磁場状態において、２つのフリー層の磁化がそれぞれエアベアリング面に対して４５°をなしていることが望ましい。
【００１０】
なお、上記先行技術文献では、そのような３層構造における相対的な物理的寸法が様々に変化した場合において、あるいは、そのような変化が実際の磁気再生ヘッドへの適用可能性における重要な役割を果たす場合において、その３層構造のセンサがどのように振る舞うか、について何ら言及されていない。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、抵抗変化率ｄＲ／ＲやＳＮＲを損なうことなく高い再生分解能を発揮することのできる磁気再生ヘッドを提供することにある。本発明の第２の目的は、そのような磁気再生ヘッドを形成するための磁気再生ヘッドの形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらの目的は、一の非磁性層を挟むように対向配置された一対の磁気フリー層を有する構造を採用することにより実現される。具体的には、本発明の磁気再生ヘッドは、基体上に、第１の磁気フリー層と非磁性層と第２の磁気フリー層とが順に積層された積層体と、この積層体から所定距離を隔てて配置された永久磁石層とを備えるものである。積層体は下記の条件式（１）を満たす矩形状の平面形状を有し、非磁性層は第１の磁気フリー層と第２の磁気フリー層との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さを有するものである。
１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）
但し、ＳＨはＭＲハイトを表し、ＴＷはトラック幅方向の長さを表す。この構造は、従来のＧＭＲセンサにおけるリファレンス層や縦バイアス層を必要としないものである。
【００１３】
また、本発明の磁気再生ヘッドの形成方法は、基体の上に第１の磁気フリー層と非磁性層と第２の磁気フリー層とを順に積層することにより積層膜を形成する工程と、この積層膜をパターニングすることにより平面形状が下記の条件式（１）を満たす矩形状の積層体を形成する工程と、積層体から所定の距離を隔てた位置に強磁性層を形成する工程と、第１および第２の磁気フリー層の各々の磁化方向が互いに交差するように強磁性層を磁化することにより第１および第２の磁気フリー層に対して一定方向に固着された磁場を印加する工程とを含み、非磁性層を、第１の磁気フリー層と第２の磁気フリー層との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さとなるように形成するものである。
１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）
但し、ＳＨはＭＲハイトを表し、ＴＷはトラック幅方向の長さを表す。
【００１４】
永久磁石層（強磁性層）は、第１および第２の磁気フリー層の各々における磁化に対してバイアス磁場を印加し、その結果、双方の磁化が互いにほぼ直交するようにしている。ここで、第１の磁気フリー層と第２の磁気フリー層との間には弱い反強磁性モードにより静磁結合が生じている。このモードでは、第１および第２の磁気フリー層の間における強磁性結合が最小限に抑えられ、一対のフリー層の各々において発生する低周波ノイズが互いにキャンセルし合う状態となっている。
【００１５】
本発明の磁気再生ヘッドおよびその形成方法では、第１および第２の磁気フリー層を、互いに等しい大きさの総磁気モーメントを有するように構成するとよい。また、第１の磁気フリー層と第２の磁気フリー層との間の反強磁性結合を静磁結合とするとよい。あるいは、上記反強磁性結合は、非磁性層としての酸化物層を通過する電子のスピン偏極トンネリングに起因して生じるものであってもよい。さらには、上記反強磁性結合が、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みの銅層を介して生じるＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合であってもよい。また、強磁性結合の強度については２００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］以下とすることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の磁気再生ヘッドおよびその形成方法では、アルミニウム，マグネシウム，チタン，ハフニウム，ジルコニウム，亜鉛またはそれらの合金を酸化処理することにより非磁性層を形成するとよい。非磁性層については、銅，銀，金，ルテニウムおよびマグネシウムのうちの少なくとも１種を用いて形成するとよい。あるいは、アルミニウム，マグネシウム，チタン，ハフニウム，ジルコニウム，亜鉛またはそれらの合金を酸化処理することにより得られる酸化物層と、銅，銀，金，ルテニウムおよびマグネシウムのうちの少なくとも１種からなる金属層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ含むように構成してもよい。
【００１７】
また、本発明の磁気再生ヘッドおよびその形成方法では、第１および第２の磁気フリー層を、鉄，コバルト，ニッケル，硼素，マンガン，クロム，ハフニウム，銅，ジルコニウム，タンタル，チタンおよびそれらの合金のうちの１種または２種以上を用いてそれぞれ構成するとよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の磁気再生ヘッドおよびその形成方法によれば、積層体における一対の磁気フリー層が、永久磁石層（強磁性層）からのバイアス磁場によって非磁性層を介して互いに反強磁性結合している。このような構成により、積層体の一部構成要素としてリファレンス層を設けなくとも、２つの磁気フリー層における低周波ノイズスペクトルが互いにキャンセルしあうようになる。このため、高い感度を確保しつつ、ＲＳＳを減少させることができる。さらに、条件式（１）を満足することにより、良好なＳＮＲを得ることができる。すなわち、本発明によれば、抵抗変化率ｄＲ／ＲやＳＮＲを損なうことなく高い再生分解能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態としての磁気センサの構成を表す断面図および上面図である。
【図２】図１に示した磁気センサの構成を説明するための他の断面図および上面図である。
【図３】図１に示した磁気センサにおいて発生するノイズの周波数依存性を表す特性図である。
【図４】図１に示した磁気センサにおけるＳＮＲとＳＨ／ＴＷとの関係を表す特性図である。
【図５】図１に示した磁気センサにおけるｄＲ／Ｒの信号磁場依存性、およびスタックへ印加される横磁場に対する低周波領域におけるノイズ出力を表す特性図である。
【図６】従来の磁気再生ヘッド（ＣＰＰ−ＭＲヘッド）の代表的な構造例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、一の非磁性層を挟んで対向するように配置された２つの磁気フリー層を有するＭＲセンサ（デュアル・フリー層（ＤＦＬ）−ＭＲセンサ）に関するものであり、実効的な磁気ノイズの除去処理をどのように実現するか、について開示したものである。  このノイズ除去処理は、２つの磁気フリー層の間に生じる非磁性層を介した静磁相互作用、または交換結合によりもたらされる反強磁性結合によって実現される。磁気ノイズ消去効果は、ＳＮＲを向上させるものである。
【００２１】
本出願人は、３層構造のＭＲセンサ（スタック）が、その平面形状における特定の寸法比において非常に低い磁気ノイズを示すことを見出した。さらに、２つの磁気フリー層と接する非磁性層の表面粗さにより、異なったタイプの結合磁界が発生することも実証した。大きな磁気ノイズが発生するのはいわゆる「オレンジピール」結合として知られる強磁性結合である。よって、本発明では、最適なパフォーマンスを発揮するためにこの種の強磁性結合を最小化するようにしている。
【００２２】
ＤＦＬ構造において適切なノイズ消去効果が得られるならば、サイズに関連するノイズ増加はＭＲセンサのさらなる縮小化を行うにあたっての問題ではなくなる。通常、ＤＦＬ構造に存在する熱に起因する磁気ノイズは、センサの寸法とは無関係に、ノイズ消去技術により最終的な信号の一部とはならないであろう。
【００２３】
上記のノイズ除去処理を十分に効果的なものとするため、物理的寸法比（ＭＲハイトＳＨと、トラック幅方向の寸法ＴＷとの比、ここでは便宜的にＳＴＲと呼ぶ）を制御することが重要である。仮にＳＴＲが適切な数値範囲に維持されない場合、ノイズ除去効果を十分に得ることができなくなる。さらに、不適切な値のＳＴＲは動作中におけるＭＲセンサの熱ノイズを招くだけでなく、非熱ノイズの増大による他のノイズを生み出すこととなる。  本出願人は、そのような他のノイズの原因が、２つのフリー層間の強磁性型結合であることにあることを特定した。一対の磁気フリー層間における強磁性型結合磁場を極めて低く、ほぼゼロとする点が本発明の重要な特徴である。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１（Ａ），１（Ｂ）に示したように、本実施の形態の磁気センサ１は、互いに対向する２つの磁気フリー層の間に非磁性層が挿入された構造を有する。具体的には、図示しない基体上に、磁気フリー層２９と、非磁性層２０と、磁気フリー層２８とが順に積層されたスタック２と、スタック２のＡＢＳとは反対側に、スタック２から所定距離を隔てて配置された永久磁石層２１とを備える。この磁気センサ１では、永久磁石層２１によって矢印２４の方向のハードバイアス磁場が発生し、スタック２に及ぶようになっている。なお、図１（Ａ）は磁気センサ１のＡＢＳと平行な断面構造を表し、図１（Ｂ）は磁気センサ１を上方から眺めた平面構造を表している。
【００２５】
磁気フリー層２８，２９は、例えば鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），硼素（Ｂ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），ハフニウム（Ｈｆ），銅（Ｃｕ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ）およびそれらの合金のうちの１種または２種以上によって構成されるものである。磁気フリー層２８，２９は、それぞれ矢印２２，２３で表す方向の磁化を有している。また、磁気フリー層２８，２９は、互いに等しい大きさの総磁気モーメントを有することが望ましい。
【００２６】
非磁性層２０は、磁気センサ１がＣＰＰ−ＧＭＲヘッドである場合には、例えば、非磁性金属元素である銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種によって構成される金属層である。一方、磁気センサ１がＴＭＲヘッドである場合には、非磁性層２０は例えばアルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ）および亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１種を含む金属の酸化物からなる酸化物層である。なお磁気センサ１がＴＭＲヘッドの場合には、非磁性層２０を、上記の金属層と酸化物層との積層構造としてもよい。
【００２７】
磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との間には、非磁性層２０を介して反強磁性（ＡＦＭ）結合磁場が発生している。非磁性層２０は、磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さを有している。
【００２８】
磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との強磁性結合磁場の強度は２００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］以下であることが望ましい。磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との反強磁性結合は、非磁性層２０として例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みの銅層を用いた場合（ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの場合）、ＲＫＫＹ(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)相互作用に基づく交換結合である。ＲＫＫＹ結合は、金属中の核磁気モーメント（あるいは局在した内殻電子スピンの、伝導電子を介して行われる相互作用に基づく結合メカニズムである。一般にＧＭＲ型のデバイスにおいては、非磁性層によって分離された一対の磁性材料薄膜の間に生じる結合が、一対の磁性材料薄膜同士の間隔（距離）に応じて強磁性的であったり反強磁性的であったり交互に変化する様子が観察される。このような挙動は、ＲＫＫＹ理論によって予測される。その場合の非磁性層２０の厚さは、ＲＫＫＹ交換結合磁場強度と厚さとの関係を表す曲線におけるいくつかの極小値から選択され、その結果、ネット反強磁性結合がもたらされる。あるいは、非磁性層２０としてトンネルバリア層を用いた場合（ＴＭＲヘッドの場合）、磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との反強磁性結合は、そのトンネルバリア層を通過する電子のスピン偏極トンネリングに起因して生じるものである。
【００２９】
図２（Ａ），２（Ｂ）は、磁気センサ１を説明するための他の構成図であり、図１（Ａ），１（Ｂ）と同様に、図２（Ａ）が磁気センサ１のＡＢＳと平行な断面構造を表し、図２（Ｂ）は磁気センサ１を上方から眺めた平面構造を表している。図２（Ａ）には、スタック２を構成する磁気フリー層２９，２８および非磁性層２０の各々における厚さ（Ｚ軸方向の寸法）ｔ３，ｔ８，ｔ１０が示されている。また、図２（Ｂ）にはトラック幅方向（Ｘ軸方向）の寸法ＴＷと、ＡＢＳと直交する方向（Ｙ軸方向）の寸法、すなわちＭＲハイトＳＨが示されている。寸法ＴＷはスタック２をＡＢＳから眺めたときの物理的寸法であり、ＭＲハイトＳＨはＡＢＳと直交する断面における物理的寸法である。ここで、スタック２は、下記の条件式（１）を満たす矩形状の平面形状を有している。
１／３≦（ＳＨ／ＴＷ）≦２／３  ……（１）
【００３０】
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、磁気センサ１のノイズスペクトルに関するマイクロマグネティック・シミュレーションの結果を表すものである。ここでは、ＳＨ／ＴＷ比を変化させたときのノイズスペクトルの比較を行った。また、２つの磁気フリー層２８，２９は、互いに同一の構成材料からなり、同じ厚さおよび同じ平面寸法を有するものとした。永久磁石層２１は、少なくとも５００emu／cm3 以上、好ましくは８００〜１０００emu／cm3 程度の磁気モーメントを有するものとした。このような大きさの磁気モーメントであれば、２つの磁気フリー層２８，２９に対して十分な大きさのバイアス磁場２４を付与することができる。その結果、図１（Ｂ）に示したように、それぞれの磁化２２，２３の向きが互いにほぼ直交する関係となる。このような条件下では、２つの磁気フリー層２８，２９は、反強磁性型結合をもたらす静磁場（magnetostatic field）を互いに感じる状態となる。
【００３１】
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示したノイズスペクトルは、いわゆる熱励起磁気ノイズスペクトルと呼ばれるものであり、０〜２ＧＨｚの領域部分が再生動作中において観察可能な磁気ノイズに相当する。図３（Ａ）は磁気フリー層２８の磁気ノイズを表し、図３（Ｂ）は磁気フリー層２９の磁気ノイズを表し、図３（Ｃ）は磁気フリー層２８および磁気フリー層２８の合計の実効センサノイズを表している。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）において横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は磁気ノイズの強度（相対値）を表す。
【００３２】
図３（Ａ）および３（Ｂ）に示したように、ＳＨ＝ＴＷ×（１／３）の場合、磁気フリー層２８，２９の磁気ノイズはいずれも７ＧＨｚ付近に大きなピークを示している。しかしながら、合計の実効センサノイズのスペクトルでは、図３（Ｃ）に示したように７ＧＨｚにピークを示さなかった。この７ＧＨｚ付近のピークの消滅は、２つの磁気フリー層２８，２９の間でのノイズのキャンセル効果を示すものと考えられる。磁気ノイズの熱励起（thermal excitation）が生じている場合、一方の磁気フリー層の磁化の変動は他方の磁気フリー層の磁化の変動とほとんど同じ振幅および位相を示す。これは、反強磁性型結合であることの現れである。したがって、反強磁性結合の場合には２つの磁気フリー層の磁化が互いに同じように変動することから、磁化の相対角度はあまり変化せず、全体のノイズは低いものとなる。
【００３３】
また、ＳＨ＝ＴＷ×（２／３）の場合、およびＳＨ＝ＴＷの場合には、ＳＨがＴＷに近づくに従い、次第にノイズキャンセル効果が弱まり、結果としてスペクトルの低周波領域におけるノイズ（前述の７ＧＨｚ付近のピーク）が出現している。ノイズキャンセル効果の低下により、より高いＳＨ／ＴＷ比においてセンサノイズ（例えば矢印４１で示した部分）が顕著に現れる。
【００３４】
図４は、ＳＮＲのシミュレーション結果を表す。縦軸は、ＳＮＲ、すなわち、０〜１ＧＨｚの範囲のノイズスペクトルから算出したノイズ出力に対する、記録媒体上のデータからの単音（single tone）の読出信号の比を表す。横軸はＳＨ／ＴＷを表す。ＳＮＲは、ＳＨ／ＴＷの値に依存して変化する。図４では、ＳＨ／ＴＷの値が１／３から１の範囲におけるＳＮＲを示している。ＳＨ／ＴＷの値が１／３から１へ変化するに伴い、ＳＮＲは３ｄＢ以上低下している。このＳＮＲの低下は、形状異方性の低下、および磁気結合効果の低下の双方に起因するものと考えられる。
【００３５】
上記のノイズキャンセル効果に関する議論から、以下のことが明確となる。すなわち、何らかの静磁的な反強磁性結合がノイズキャンセル効果に寄与しており、低ノイズおよび高ＳＮＲを実現するためには、強磁性型結合の存在はどのようなものであっても常に好ましくないことが理解される。
【００３６】
図５（Ａ）は、ＤＦＬ構造を有する磁気センサ１の、ＳＨ／ＴＷ＝１／３のときの印加磁場（信号磁場）に対する抵抗変化率の変化曲線のシミュレーション例を表している。また、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、ＳＨ／ＴＷ＝１／３または２／３のときの、スタック２へ印加される横磁場（永久磁石層によって発生するＡＢＳと直交する方向のバイアス磁場）に対する１ＧＨｚ未満の低周波領域におけるノイズ出力を表している。図５（Ｂ）および図５（Ｃ）では、異なる強磁性結合磁場Ｈｅｘに関する各ノイズレベルを比較して示している。図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、強磁性結合磁場Ｈｅｘが大きくなると、ＳＨ／ＴＷ＝１／３のときにＳＨ／ＴＷ＝２／３のときよりも低い横磁場においてノイズレベルが増加することを意味している。ＤＦＬ構造の磁気センサ１では、一対のフリー層における磁化方向が互いに反平行である状態においてノイズキャンセル効果が最も強く現れるので、磁気ノイズは最小となる。磁化方向が平行な状態に近づくほどノイズキャンセル効果が減少し、ノイズが増大することとなり、完全に平行な状態においてノイズが最大となる。
【００３７】
さらに強磁性結合磁場Ｈｅｘが増加するほど、変化曲線に沿った最大ノイズパワーが著しく増加するだけでなく、最大ノイズピークが零磁場へ向けて移動するので、零磁場におけるノイズレベルが上昇することとなる。零磁場でのノイズレベルは、ＭＲセンサにおける実効的なＳＮＲを決定する制御因子であり、再生動作中において２つの磁気ビットを分離する磁気ビットトランジションポイント（magnetic bit transition point）に対応するものである。したがって、強磁性結合磁場Ｈｅｘの強度が大きい場合には、ＤＦＬ構造におけるＳＮＲは著しく低下するであろう。弱い強磁性結合磁場Ｈｅｘであっても、ＤＦＬ構造においては望ましいものではない。
【００３８】
ＤＦＬ構造における利点は以下の通りである。
（１）ハードバイアス磁場の安定性を損なうことなく、再生シールド層間のスペースを縮小可能であること。
（２）ハードバイアス磁場は、フリー層の端部における磁化を固定することなく、均質な強度を有するものである。ハードバイアス磁場とフリー層との間の極めて狭いスペースを要求するものではない。
（３）ノイズキャンセル効果により、磁気センサの寸法縮小に起因するノイズ増大が回避される。
（４）静磁結合または他の反強磁性型結合が、一対の磁気フリー層間におけるノイズに対するキャンセル効果を向上させることとなる。
【００３９】
このような磁気センサ１は、例えば以下の手順によって形成される。
【００４０】
まず、図示しない基体の上に、磁気フリー層２９、非磁性層２０、磁気フリー層２８を順に積層することにより積層膜を形成する。次に、その積層膜をパターニングすることにより、平面形状が条件式（１）を満たす矩形状のスタック２を形成する。続いて、スタック２のＡＢＳと反対側の領域における、スタック２から所定の距離を隔てた位置に強磁性層を形成する。この強磁性層を磁化することにより永久磁石層２１を形成し、それによって磁気フリー層２８，２９の各々の磁化２３，２２の向きが互いに交差するように、磁気フリー層２８，２９に対して一定方向に固着されたバイアス磁場２４を印加する。非磁性層２０については、磁気フリー層２８と磁気フリー層２９との強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さとなるように形成する。
【００４１】
その際、非磁性層２０として上記の材料からなる酸化物層を形成し、反強磁性結合を、その酸化物層を通過する電子のスピン偏極トンネリングによって生じさせるようにする。あるいは、非磁性層２０として１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みの銅層を形成し、反強磁性結合として、その銅層を介して生じるＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合を生じさせるようにしてもよい。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態の磁気センサ１およびその形成方法によれば、スタック２における一対の磁気フリー層２８，２９が、永久磁石層２１からのバイアス磁場２４によって非磁性層２０を介して互いに反強磁性結合するようにしたので、スタック２の構成要素の一部として従来のようなリファレンス層を設けなくとも、２つの磁気フリー層２８，２９における低周波ノイズスペクトルが互いにキャンセルしあうようになる。このため、磁気センサ１において高い感度を確保しつつ、ＲＳＳを減少させることができる。さらに、条件式（１）を満足することにより、良好なＳＮＲを得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば、抵抗変化率ｄＲ／ＲやＳＮＲを損なうことなく高い再生分解能を発揮する磁気センサ１を得ることができる。
【００４３】
以上、特定の実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１…磁気センサ、２…スタック、２０…非磁性層、２１…永久磁石層、２２，２３…磁化、２４…ハードバイアス磁場、２８，２９…磁気フリー層。
【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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