(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体対向面側より前記媒体対向面から離間した後方に向けて順に並ぶ第１、第２および第３の領域と、
前記第１の領域に形成され、前記媒体対向面に露出し、かつ外部磁界によって磁化が回転可能な磁化自由層と、
前記第３の領域に形成された、前記外部磁界下において実質的に所定方向の直を保持可能な磁化固着層と、
前記第２の領域に形成された、前記磁化自由層と前記磁化固着層とをつなぐ中間層と、
前記磁化自由層、前記磁化固着層および前記中間層を挟み、前記媒体対向面より前記後方に向けて伸びる一対の磁気シールドと、
前記第１の領域中の前記磁気シールドの一方と前記磁化自由層との間に形成され、前記磁気シールドの一方と前記磁化自由層とを電気的に接続する電極とを備え、
前記電極が有するトラック幅方向の幅は、前記磁化自由層が前記トラック幅方向に有する幅よりも狭いことを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項２】
前記中間層は、前記磁化自由層および前記磁化固着層と同一面上に形成され、前記磁化自由層および前記磁化固着層に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項３】
前記磁化自由層および前記磁化固着層は、前記中間層の連続する一表面に接していることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項４】
前記電極は前記媒体対向面に露出していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果ヘッドを搭載したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンバルブ素子を用いた磁気抵抗効果ヘッドおよびこの磁気抵抗効果ヘッドを記載した磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤなどの磁気記録再生装置において高記録密度化が進んでいる。高記録密度化のために、記録媒体の記録単位である記録ビットのサイズは縮小され、記録媒体から出る信号磁束も小さくなってきている。このような状況で、磁気抵抗効果を利用して媒体磁束を直接感知する高感度の磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）が実用化された。
【０００３】
現在は、磁化固着層（ピン層）／中間層（スペーサ層）／磁化自由層（フリー層）を含むスピンバルブ膜（ＳＶ）を有し、巨大な磁気抵抗効果を発生するスピンバルブ素子（ＳＶ−ＧＭＲ）がＭＲヘッドのセンサー素子となっている。
【０００４】
従来のＳＶ−ＧＭＲヘッドは、ＳＶ素子と、このＳＶ素子を一対の磁気ギャップを介して挟持する磁気シールドを備えるシールド型ＳＶヘッドであった。また、ＳＶ素子は、ＳＶ膜とこのＳＶ膜の両端に接続された一対の電極を備え、ＳＶ膜の膜表面に平行にセンス電流を通電する、いわゆるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）−ＳＶ素子だった。
【０００５】
最近では、一対の電極からＳＶ膜の膜表面に対して垂直にセンス電流を流す、いわゆるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）−ＳＶ素子が提案されている。ＣＰＰ通電により磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）が向上するため、高出力のＧＭＲヘッドの実現が期待できる。
【０００６】
上述のシールド型ＳＶヘッドでは、記録密度がさらに向上すると、トラック幅およびビット長の縮小が求められる。しかしながら、シールド型ＳＶヘッドでは磁気シールド間にＣＩＰ−ＳＶ素子やＣＰＰ−ＳＶ素子を形成する必要があることから、シールド間距離やギャップ長の縮小化（狭ギャップ化）に限界があり、ビット長の縮小要求に応えることが難しい。
【０００７】
例えば、外部磁界を感知する磁性下地層を媒体対向面からヘッド奥行き方向に伸張して形成し、媒体対向面から離間した位置に形成した磁化自由層と磁性下地層を結合させた構造が知られている。この構造では、磁化固着層や中間非磁性層は磁化自由層上に形成され、媒体対向面まで延在するのは磁性下地層のみである（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−３２５３２９号公報（図３等）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、シールド型ＧＭＲヘッドは狭ギャップ化に限界があり、磁気記録再生装置のビット長縮小要求に応えることが難しいという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて、狭ギャップ化と狭トラック化が可能であり、かつ磁性層間の望まない層間磁気結合を抑制可能な磁気抵抗効果ヘッド、およびこれを搭載した磁気記録再生装置を提供することを課題の一つとする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、媒体対向面側より前記媒体対応面から離間した後方に向けて順に並ぶ第１、第２および第３の領域と、第１の領域に形成され、前記媒体対向面に露出し、かつ外部磁界によって回転可能な磁化を備える磁化自由層と、第３の領域に形成された、外部磁界下において実質的に所定方向を保持可能な磁化を備える磁化固着層と、第２の領域に形成された、磁化自由層と磁化固着層とをつなぐ中間層と、磁化自由層、磁化固着層および中間層を挟み、媒体対向面より前記後方に向けて伸びる一対の磁気シールドと、前記第１の領域中の前記磁気シールドの一方と前記磁化自由層との間に形成され、前記磁気シールドの一方と前記磁化自由層とを電気的に接続する電極とを備え、前記電極が有するトラック幅方向の幅は、前記磁化自由層が前記トラック幅方向に有する幅よりも狭い磁気抵抗効果ヘッドを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１３】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に関わるシールド型ＧＭＲヘッドについて説明する。
【００１４】
図１（ａ）は、媒体対向面（ＡＢＳ）から奥行き方向に伸びるＧＭＲヘッドの一部断面（図１（ｂ）のＡ−Ａ断面）を示す。また、図１（ｂ）は、ＡＢＳから奥行き方向に伸びるＧＭＲヘッドの一部断面（図１（ａ）のＢ−Ｂ断面）を示す。さらに、図１（ｃ）は、ＧＭＲヘッドのＡＢＳ側面から観察した部分図である。この実施の形態のＧＭＲヘッドは、各図に示す構成のほかにこれらの構成を取り巻く絶縁性の非磁性膜や、ＳＶ素子の電極とセンス回路を結ぶ配線などを備える。また、ＡＢＳには適宜、保護層が形成され、媒体との接触などに伴う損傷から素子部の保護が図られる。このＡＢＳ保護層は形成しない例もある。
【００１５】
尚、センス回路はＧＭＲヘッドを搭載したヘッドジンバルアッセンブリ（ＨＧＡ）などに設けられることもあれば、ヘッドジンバルアッセンブリを介してＧＭＲヘッドが搭載される磁気記録再生装置に設けられることもある。
【００１６】
第１の実施の形態に関するＧＭＲヘッドは、磁気抵抗効果を発現する磁化自由層１、中間非磁性層３および磁化固着層５を備える（図１（a））。
【００１７】
ＧＭＲヘッドは、一般にＡＢＳ側とこれから後方に離間した部分を備える。ＡＢＳは図１（ｂ）のヘッドの左側面を指す。ヘッド後方部は、図１（ｂ）の右側に伸びる。この実施の形態では、ＡＢＳ側の（ＡＢＳを含む、あるいは第２および第３の領域よりもＡＢＳに近い）第１の領域と、第１の領域に隣接し、第１の領域よりもヘッド後方に形成された第２の領域と、第２の領域に隣接し、第２の領域よりもさらにヘッド後方に形成された第３の領域を用いて説明する。つまり、第１、第２および第３の領域は夫々、ＡＢＳ側からヘッド後方に向ってこの順に並ぶ直方体の領域である。
【００１８】
磁化自由層１が形成されるのは第１の領域であり、磁化固着層５が形成されるのは第３の領域である。さらに、中間非磁性層３が形成されるのは第２の領域である。
【００１９】
磁化自由層１、中間非磁性層３および磁化固着層５は、ＡＢＳからヘッドの奥行方向に順に形成されている（図１（ａ）および（ｂ））。磁化自由層１と磁化固着層５は、夫々が中間非磁性層３との間に接合面を有する。
【００２０】
この２つの接合に電流を流すと、磁化自由層１と磁化固着層５の磁化の相対角度に依存して、界面での電子の散乱が生じ、中間非磁性層３を介した磁化自由層１と磁化固着層５との間の電気抵抗が変化する（巨大磁気抵抗効果）。
【００２１】
つまり、ＡＢＳ側に位置する磁化自由層１は信号磁界等により、その磁化方向が変化し、それに応じてセンス電流中の電子のスピン情報が変化し記憶される。そして、スピン情報を記憶した電子が中間非磁性層３を通り、磁化固着層５と中間非磁性層３との界面で散乱されれば、電気抵抗が上がり、散乱されずに通過すれば電気抵抗は下がる（抵抗変化）。この際に、散乱が最大になるのは電子のもつスピン情報と磁化固着層５の磁化方向が反平行の場合であり、散乱が最小になるのは両者が互いに平行の場合である。よって、磁化自由層１と磁化固着層５の磁化が反平行であれば抵抗は最大に、平行であれば抵抗は最小になる。この抵抗値の変化は、磁化自由層１と磁化固着層５の磁化の相対角度の余弦に比例する（スピンバルブ磁気抵抗効果）。
【００２２】
磁化自由層１は、外部からの磁界に応じてその磁化の方向が変化可能な層であり、磁化固着層５は外部からの信号磁界のもとでもその磁化の方向が実質的に変わらない層である。磁化自由層１には、予定する外部磁場下において磁化が回転可能な程度の保持力を持つ強磁性材料を用いることで、外部磁場下での磁化回転を可能にすることができる。
【００２３】
また、磁化固着層５は、これと反強磁性結合する反強磁性層を磁化固着層５に隣接して形成することでその磁化を固着することができる。また、予定する外部磁場下において磁化が回転しない程度の高い保持力を持つ強磁性材料を用いて、これに所定の熱処理等を通してその磁化を固着する等して実現できる。
【００２４】
磁化自由層１と磁化固着層５は、夫々、強磁性を示す必要がある。よって、各層は強磁性材料のみを含む層とする他に、強磁性を示す程度に、強磁性材料に他の材料を混ぜた層としてもよい。また、複数の異なる強磁性材料膜の積層構造としてもよい。さらに、図２および図３を用いて後述する通り、このような強磁性層は、強磁性膜（図２および図３では磁化自由膜と磁化固着膜）に他の非磁性膜（例えば、図２および図３の下地膜や保護膜など）などを積層したものでもよい。その場合は、磁化自由膜と磁化固着膜には上述のように強磁性を示す膜を用いる。
【００２５】
磁気記録媒体等からの信号磁界を受けてＡＢＳに位置する磁化自由層１の磁化が回転すると、回転した磁化と磁化固着層５の固着された磁化との間の相対角度が変化する。上述の通り磁化自由層１と磁化固着層５との間の電気抵抗は、２つの磁化方向の相対角度の変化を受けて変化することから、磁化自由層１と磁化固着層５間の電気抵抗値を測定することにより信号磁界の変化を検知することができる。
【００２６】
この実施の形態では、磁化固着層５には第１の電極を隣接形成することで両者を電気的に接続させ、磁化自由層１にはピラー電極２１を介して磁気シールド１９に電気的に接続させている（図１（ｂ））。そして、第１電極と磁気シールド１９は端子として扱い、この端子は配線により電気抵抗を検知・演算する回路（図示せず）に接続される。尚、第１電極、ピラー電極２１および磁気シールド１９には導電性の材料を用いる。
【００２７】
さらに、磁気シールド１９と磁化自由層１とに挟まれるピラー電極２１は、非磁性導電体で形成し、媒体対向面の磁気ギャップとする。ピラー電極２１を、磁化自由層１と磁気シールド１９の間からずらして形成する際には、磁化自由層１と磁気シールド１９との間に、別途非磁性絶縁体などの磁気ギャップを設けることもできる。
【００２８】
磁化自由層１、中間非磁性層３および磁化固着層５は、磁化固着層５に隣接する第１電極７と共に、絶縁層１３、１５を介して一対の磁気シールド１７、１９間に形成される（図１（ｂ））。絶縁層１３は、下側の磁気ギャップであり、磁気シールド１７、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１電極７間を電気的に絶縁するものである。絶縁層１５は、磁気シールド１９、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１電極７間を電気的に絶縁するものである。この実施の形態では、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５が磁気ギャップである絶縁層１３上に形成されている。
【００２９】
ピラー電極２１は、図１（ａ）の点線での囲み部に示すように、磁化自由層１の上面の面積よりも一回り小さい断面を備える（図１（ａ）および図１（ｂ））。このようにすると、ピラー電極２１による実効トラック幅の規定が可能となる（実効トラック幅は、図１（ａ）のピラー電極２１がＡＢＳに面する紙面左右方向の幅になる）。その結果、磁化自由層１の幅を実効トラック幅より広くすることが可能となり磁気ヘッド再生効率を向上させることができる。
【００３０】
一般に磁性体における交換結合長は０．０５μｍ〜０．１μｍ程度であり、それより小さく磁性体を加工形成すると磁性対中の磁化スピンの動きが交換結合により抑制され、外部磁界に対する感度が急激に低下する。すると、実際の磁化自由層の感度および磁気ヘッド効率（Efficiency）が低下するおそれがある。従って、磁化自由層のトラック幅方向の長さは上記の交換結合長よりも長くすることにより、外部磁界に対する感度を確保することができる。ピラー電極を磁化自由層よりも小さく、特にトラック幅方向に小さくすることにより、磁化自由層の高感度部分にセンス電流を通電することが可能となり、磁気ヘッドの再生効率を維持しつつ、高出力を得ることが可能となる。
【００３１】
尚、磁化自由層１により十分に狭い実効トラック幅が規定できる場合や、実効トラック幅の制限が緩い場合にはピラー電極２１の断面積と磁化自由層１の上面積とを等しくしてもよい。
【００３２】
また、ピラー電極２１はＡＢＳに露出させてもよいし、磁化自由層１と接続する範囲でＡＢＳから後退させてもよい。磁化自由層１と接続させるためには少なくともその一部が前述の第１の領域に位置する必要がある。さらに磁気ギャップを狭くするためには、ピラー電極２１も磁気シールド１９と同様に導電性強磁性材料で形成することが好ましい。
【００３３】
尚、図１（ａ），（ｂ）および（ｃ）中の絶縁層９、１１、１３、１５は磁気シールド１７、１９と中間非磁性層３、磁化固着層５、第１の電極７等との電気的絶縁を図るものである。この絶縁層９、１１、１３、１５には、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの絶縁性材料を用いる。
【００３４】
この実施の形態では、ＡＢＳ側に信号磁界を受けて磁化の回転する磁化自由層１のみが形成され、中間非磁性層３、磁化固着層５、第１の電極７が絶縁層１３上に順にＧＭＲヘッドの奥行き方向に並んで形成されているため、磁気シールド１７、１９の間隔を、従来のシールド型ＧＭＲヘッドに比べて狭く設計することができる。例えば、従来のシールド型ＧＭＲヘッドでは不可能であった２０ｎｍ程度のシールド間隔も実現可能である。従って、将来の超高記録密度化に対しては非常に有効である。
【００３５】
さらに、磁化自由層１と磁化固着層５は、従来のように上下に積層されるのではなく、中間非磁性層３を介して、つまり所定の間隔を介して横方向に配置されている。そのため、両強磁性層間の静磁結合および／あるいは層間交換結合を抑制することができる。
【００３６】
また、中間層３の厚さを２．０ｎｍ以下の厚さまで薄くすることが可能となる。このように薄膜化すると、量子的な伝導効果によりスピンの非弾性散乱を抑制することも可能となる。
【００３７】
さらに、基板上の磁化自由層１の上に磁化固着層５を積層してエッチングなどによりその形状を微小に加工する場合は、磁化固着層５やその上の反強磁性層から順にエッチングが進行するため、磁化自由層１の加工形状は予定形状よりも広がってしまう。その結果、トラック幅が広がるなどの弊害が生じ得る。しかし、本実施形態の構造では、磁化自由層１と磁化固着層５の形状加工を個々に行うことができるため、良好な形状の磁化自由層１を実現することができる。
【００３８】
次に、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に磁化自由層１の３つの例を示す。尚、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１（ｂ）（あるいは図１（ｃ））の磁化自由層１を拡大した断面図である。
【００３９】
図２の各図に示すように、磁化自由層１は磁性層に、下地膜２３、磁化自由膜２５、積層バイアス膜２９および保護膜２７を組み合わせて積層することにより形成することもできる。下地膜２３は、図１各図の磁性層１３側に形成され、保護層２７はピラー電極２１側に形成される。
【００４０】
尚、磁化自由層１を磁性層のみで形成すれば、電極３との界面における電子のスピンに依存した散乱は磁化自由層１の磁性層と中間非磁性層３との接面で起こる。しかし、磁化自由層１に非磁性材料の下地膜２３、保護膜２７等を用いた場合に、電子のスピンに依存した散乱が起こるのは、中間非磁性層３と磁化自由膜２５（あるいは積層バイアス膜２９）との接面のみである。
【００４１】
磁化自由膜２５は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ、もしくはそれらのいずれかを５０原子％（ａｔ％）以上含む合金を含有する強磁性材料からなる。また、磁化自由膜２５を異なる材料あるいは異なる組成の強磁性を積層した膜としてもよい。より具体的には、Ｃｏ90Ｆｅ10（組成比はａｔ％）、ＣｏＦｅＮｉ、Ｎｉ80Ｆｅ20（組成比はａｔ％）、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどである。
【００４２】
さらに、磁化自由膜２５の内部でスピン依存散乱の効果を出すために、［強磁性層／強磁性層］の積層構造（およびその繰り返し構造）、［強磁性層／非磁性層］の積層構造（およびその繰返し構造）、この２つの積層構造を積み重ねた複合構造としてもよい。ここで、本明細書中の［Ａ／Ｂ層］は、絶縁層１３側より「Ａ層」、「Ｂ層」がこの順に形成された積層構造を示す。
【００４３】
［強磁性層／強磁性層］の積層フリーには、［ＮｉＦｅ／Ｃｏｆｅ］、［Ｆｅ／ＮｉＦｅ］、［Ｆｅ／ＣｏＦｅ］などの組み合わせを利用できる。［強磁性層／非磁性層］の積層フリーの非磁性層材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔなどの貴金属から選択できる。積層フロー内の強磁性層と非磁性層との海面での散乱を増大させる組み合わせは、［Ｎｉｆｅ／Ａｕ］、［ＮｉＦｅ／Ａｇ］、［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］、［Ｃｏ／Ｃｕ］、［Ｆｅ／Ａｕ］、［Ｎｉ／Ａｕ］などである。
【００４４】
また、磁化自由膜２５に、［磁性層／Ｒｕ／磁性層］からなるフェリカップリング層（シンセティック・フリー層）を用い、Ｍｓ・ｔ積（飽和磁化・厚み積）を調整してもよい。
【００４５】
下地膜２３としては、Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ合金、Ｔａ／Ｃｕ、Ｔａ／Ｃｕ／Ａｕ、Ｔａ／ＣｕＡｕ、Ｔａ／Ｒｕ、Ｔａ／ＮｉＦｅなどを用いる。これらの材料を用いた下地膜２３により、磁化自由膜２５の結晶が（１１１）方向に配向して、磁化自由膜２５の軟磁気特性が向上する。即ち、磁化自由層の保持力が低下し、飽和磁歪の絶対値が制御できる。
【００４６】
また、保護膜２７としては、Ｔａ層の他、ピラー形成時のＲＩＥ（Ｒｉａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法でのストッパー層として、Ｔａ／Ａｕ（あるいは、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈなど）のようなＴａ層／貴金属層の保護膜２７を用いることが好ましい。これら貴金属はＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）に対する耐性があるため、ＲＩＥによるオーバーエッチングに起因する磁化自由膜２５への損傷を抑制することができる。また、さらにピラー電極２１との接合において、接触抵抗を小さくすることが可能である。
【００４７】
次に、図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を用いて、磁化固着層５に積層構造を用いた例を説明する。尚、磁化固着層５を磁性層単層とすることもできる。
【００４８】
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１（ｂ）中の磁化固着層５の拡大図である。磁化固着層５は、下地膜３１、磁化固着膜３３、反強磁性膜３５、保護膜３７を組み合わせて積層することにより構成される（図３の各図）。尚、反強磁性膜３３と磁化固着膜３５は交換磁気結合したものである。
【００４９】
磁化固着膜３５には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる金属、またはこれらのいずれかを５０ａｔ％以上含む合金を含有する強磁性材料により形成することができる。より具体的には、Ｃｏ90Ｆｅ10（組成比はａｔ％）、ＣｏＦｅＮｉ、Ｎｉ80Ｆｅ20（組成比はａｔ％）、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどである。
【００５０】
磁化固着層内部においてスピン依存散乱の効果を出すために、［強磁性層／強磁性層］の積層構造（およびその繰り返し）、［強磁性層／非磁性層］の積層構造（およびその繰り返し）、または２つの積層構造の複合構造としてもよい。
【００５１】
［強磁性層／強磁性層］の積層磁化固着層には、［ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ］、［Ｆｅ／ＮｉＦｅ］、［Ｆｅ／ＣｏＦｅ］などの組み合わせを用いることができる。
【００５２】
［強磁性層／非磁性層］の積層磁化固着層の場合、非磁性層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、およびＰｔなどの貴金属から選択できる。界面での散乱を増大させる［強磁性層／非磁性層］の組み合わせとしては、［ＮｉＦｅ／Ａｕ］、［ＮｉＦｅ／Ａｇ］、［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］、［Ｃｏ／Ｃｕ］、［Ｆｅ／Ａｕ］、［Ｎｉ／Ａｕ］などが挙げられる。
【００５３】
また、固着耐性を向上させるために、［磁性層／Ｒｕ／磁性層］からなるフェリカップリング層（シンセティック・ピン層）を用いることが好ましい。
【００５４】
反強磁性膜３３としては、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｈＭｎ、ＣｒＭｎ、ＣｒＰｔＭｎおよびＦｅＭｎ合金などを用いることができる。
【００５５】
また、図３（ｃ）に示したように磁化固着膜３５に硬磁性材料を用いると反強磁性膜３３を省略できる。硬磁性材料として、ＣｏＰｔ、ＦｅＣｏおよびＳｍＣｏ合金などがあげられる。硬磁性層と上述の材料を用いた磁化固着膜３５を積層することにより、硬磁性層からの漏れ磁束により磁化固着膜３５の磁化を固着することもできる。
【００５６】
また、中間非磁性層３には、Ｂｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、ＲｕおよびＩｒからなる群より選択される導電性非磁性材料が主に用いられる。しかしながら、磁壁などによる磁気抵抗効果の発現を望む場合は、導電性の磁性材料を用いてもよい。また、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を利用する場合においては、中間非磁性層はＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などのような絶縁性材料とすることも可能である。本明細書では、これらの中間非磁性（導電）層３、中間磁性導電層および中間非磁性絶縁層を指して、これらを包含する用語として「中間層」を用いている。
【００５７】
中間非磁性層３に導電性非磁性材料を用いれば、約５０ｎｍ以上の十分長いスピン拡散長を得ることができる。従って、磁化自由層１から磁化固着層５までスピン情報を維持したまま、スピン電子が伝導されるためにより大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。
【００５８】
また、十分なスピン拡散長を得るために、中間非磁性層３としては、カーボン・ナノチューブなどの炭素系材料を用いることが好ましい。但し、カーボン・ナノチューブの中間非磁性（導電）層３と磁化自由層１あるいは磁化固着層５との接合が金属／半導体接合になるために注意を要する。つまり、金属／半導体接合に化合物層および酸化物層が形成されやすく、これらに起因するスピン電子伝導の障壁が形成されやすい。従って、ＰｔやＡｕなどの貴金属を金属と半導体との間に形成することが好ましい。尚、この障壁の問題は中間層に非磁性絶縁層を用いたスピントンネル伝導を利用するＴＭＲでは問題にならない。
【００５９】
さらに、中間非磁性層３に非磁性導電性材料を用いる場合、中間非磁性層３の下地膜あるいは保護膜として、鏡面反射効果のあるスペキュラー膜を用いることが望ましい。また、スペキュラー膜と中間非磁性層との繰り返しの積層構造であっても良い。スペキュラー膜の材料には、磁性材料あるいは非磁性材料の酸化物、窒化物、フッ化物あるいはホウ化物を用いることができる。これにより、中間非磁性層３内、および、下地膜および保護膜との界面での非弾性散乱成分を抑制することが可能となり、中間非磁性層中での伝導電子のスピン拡散長を伸ばすことが可能となり、ＭＲ変化率が増大する。
【００６０】
中間層に中間磁性導電層を用いた場合、中間層の厚さを約１ｎｍ以下にするか、それに加えてその幅を約１０ｎｍ程度にすると、伝導電子の電流パスが非常に小さくなり、電子の伝導が量子的になる。その結果、バリスティック効果により、より大きなＭＲ効果を発現することも可能である。中間磁性伝導層の材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ金属あるいはそれらを含む合金膜が用いられる。電子の伝導パスを小さくする方法としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを含む微細磁性粒子を含むグラニュラー膜を用いても良い。
【００６１】
また、ピラー電極２１は、磁化自由層１と磁気シールド１９の間に形成するほかに、磁化自由層１と磁気シールド１７の間に形成してもよい。この場合は、図１のピラー電極２１を磁化自由層１と磁気シールド１７の間に形成し、磁気シールド１７を電極兼用とする。そして、磁化自由層１と磁気シールド１９の間には絶縁性の非磁性材料を形成する。この非磁性材料は、絶縁層１５と一体でもよいし、別体としてもよい。さらに、電極は、絶縁層１３上において磁化自由層１に隣接形成してもよい。この場合は、磁気シールド１７、１９を電極兼用とせず、これらとは別の電極層をシールド間に形成することになる。
【００６２】
次に、図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のＧＭＲヘッドの製造方法について、図４（ａ）、（ｂ）、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）、並びに図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。尚、各図の（ａ）図は製造工程途中のヘッド上面を、（ｂ）図は同（ａ）図のＡ−Ａ断面を示す。
【００６３】
まず、アルチック（Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ）基板等の上に約２００ｎｍの厚さをもつＮｉ80Ｆｅ20層をメッキ法あるいはスパッタリング法により形成して磁気シールド１７を形成する（図４（ａ））。次に、約１０ｎｍの厚さのＡｌ2Ｏ3をＩＢＳ（イオンビームスパッタリング）法により形成して、絶縁層１３とする（図４（ｂ））。
【００６４】
その後、絶縁層１３上に磁化自由層となる約５ｎｍ厚のＴａ膜、約２ｎｍ厚のＲｕ膜（以上、下地層）、約１０ｎｍ厚のＩｒＭｎ膜、約５ｎｍ厚のＣｏＦｅ膜、約１ｎｍ厚のＣｕ膜、約２ｎｍ厚のＲｕ膜、約１ｎｍ厚のＣｕ膜（以上、積層バイアス層）、約５ｎｍ厚のＮｉＦｅ膜（以上、磁化自由層）、約５ｎｍ厚のＴａ膜および約２ｎｍ厚のＡｕ膜（以上、保護層）を絶縁層１３側より順次スパッタリング成膜法により形成する。そして、リフトオフ用Ｔ字型２段レジスト４１を用いてイオンビームエッチングにより各層のうち予定領域以外の一部を除去して磁化自由層用の積層膜４３を絶縁層１３上に残置する。その後、２段レジスト４１を除去する（図４（ａ）および（ｂ））。
【００６５】
次に、磁化固着層５を形成する。つまり、約５ｎｍ厚のＴａ、約２ｎｍ厚のＲｕ、約１５ｎｍ厚のＰｔＭｎ、約３ｎｍ厚のＣｏＦｅ、約１ｎｍ厚のＲｕ、約３ｎｍ厚のＣｏＦｅ、約５ｎｍ厚のＴａの磁化固着層用積層膜を絶縁層１３と積層膜４３上に順次スパッタリング法により形成する。その後、磁化自由層用積層膜４３上の磁化固着層用積層膜をリフトオフにより除去して、磁化自由層用積層膜４３に隣接する磁化固着層用積層膜４５を絶縁層１３上に残置する（図５（ａ）および（ｂ））。
【００６６】
次に、リフトオフ用Ｔ字型２段レジスト４７を用いたフォトリソグラフィーによるパターニングを行い、イオンビームエッチングにより磁化自由層用の積層膜４３と磁化固着層用の積層膜４５の形状を加工する（図６（ａ）および（ｂ））。
【００６７】
さらに、中間非磁性層３と第１電極７となる約３０ｎｍ厚のＣｕ膜を絶縁層１３、磁化自由層用積層膜４３および磁化固着層用積層膜４５上に成膜する。そして、磁化自由層用積層膜４３および磁化固着層用積層膜４５上のＣｕ膜をリフトオフにより除去することで、中間非磁性層用Ｃｕ膜４９と第１電極用Ｃｕ膜５１を形成する（図７（ａ）および（ｂ））。
【００６８】
次に、リフトオフ用Ｔ字型２段レジスト５３を用いたフォトリソグラフィーによりトラック幅方向（図８（ａ）の縦方向）のパターニングを行い、イオンビームエッチングにより磁化自由層用積層膜４３、中間非磁性層用Ｃｕ膜４９、磁化固着層用積層膜４５、第１電極用Ｃｕ膜５１の一部をエッチングにより除去する。このようにして、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１電極７を形成する（図８（ａ）および（ｂ））。
【００６９】
次に、約３０ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3を、絶縁層１３、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１の電極７上に形成する。そして磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１の電極７上のＡｌ2Ｏ3をリフトオフにより除去する。これにより絶縁層９、１１を形成する（図９（ａ））。
【００７０】
そして、約３０ｎｍ厚のＳｉＯ2膜を絶縁層１３、磁化自由層１、中間非磁性層３、磁化固着層５および第１の電極７上に成膜した後、ＣＭＰ（化学機械研磨）により約２０ｎｍの厚さになるまでＳｉＯ2の表面を研磨する。その後、フォトリソグラフィーによりレジスト５５を形成する。このレジスト５５をマスクにして、ＲＩＥ（反応性ガスイオンエッチング）によりＳｉＯ2の一部をエッチングしてピラー電極２１形成用の孔部５７を形成する。この孔部は直方体であり、トラック幅方向（図１０（ａ）の紙面縦方向）の幅はおよそ０．１μｍとする。また、この開口を取り巻くＳｉＯ2膜は図１の絶縁層１５に相当する。
【００７１】
次に、レジスト５５を除去して、孔部５７中および絶縁層１５上にピラー電極２１および磁気シールド１９用のＮｉＦｅ膜を約３００ｎｍの厚さに形成する。この後、第１の電極７と磁気シールド１９とセンス回路等を接続する配線を施す。さらに、磁化自由層１側の面を研磨してＡＢＳを形成し、このＡＢＳを被覆する保護層を形成する等して、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドが完成する。
【００７２】
以上説明した製造方法により、本実施の形態のＧＭＲヘッドはウェハーレベルで形成できる。
【００７３】
（第２の実施の形態）
次に、図１２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を用いて、本発明の第２の実施の形態に係るＧＭＲヘッドを説明する。尚、図１２（ａ）はＧＭＲヘッドのＡＢＳに垂直な断面であり、図１２（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す一部断面図である。図１２（ｂ）はやはりＧＭＲヘッドのＡＢＳに垂直な断面であり、図１２（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す一部断面図である。
【００７４】
図１２（ｃ）は、ＡＢＳからＧＭＲヘッドを観察した一部断面図である。この実施の形態のＧＭＲヘッドは、各図に示す構成のほか、これらを取り巻く絶縁性の非磁性膜や配線などを備える。
【００７５】
この実施の形態では、磁化自由層１の磁化自由膜２５に縦バイアスを付与する一対のハードバイアス膜５９、６１を用いる（図１２（ａ）および（ｃ））。磁化自由膜２５への効率的なバイアス付与のためには、このハードバイアス膜５９、６１を上述の第１の領域内に形成することが望ましい。
【００７６】
尚、磁化自由層１は、磁化自由膜２５の上下に下地膜２３および保護膜２７を備える（図１２（ｂ）および（ｃ））。縦バイアスは、例えば、ＡＢＳに平行かつ、磁化自由膜２５の膜面に平行な（図１２（ｃ）の紙面左右方向の）磁気バイアスである。
【００７７】
ハードバイアス層５９、６１は、磁化自由層１の両端を挟むように絶縁層上に形成される。ハードバイアス層５９、６１には、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒ、ＣｏＣｒＰｔなどのＣｏ系硬磁性材料、あるいはその他の硬磁性材料を用いることができる。ハードバイアス層５９、６１は、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ程度の厚さの下地層（Ｃｒ層等）の上に形成することができる。
【００７８】
ハードバイアス層５９、６１と磁化自由層１は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などの絶縁層９、１１により電気的に分断される事が好ましい（図１２（ａ）および（ｃ））。絶縁層には例えばＡｌ2Ｏ3を用いる。
【００７９】
電気的に絶縁するためにはハードバイアス層５９、６１と磁化自由層１の間に約２ｎｍ以上約１０ｎｍ以下の絶縁層９、１１を挿入することが望ましい。ここで、約２ｎｍ未満とするのは絶縁性を確保するためであり、約１０ｎｍ以下とするのはバイアス磁界を確保するためである。
【００８０】
ハードバイアス層５９、６１を省略して、磁化自由膜２５に反強磁性層等を積層して磁化自由膜２５に縦バイアスを付与することもできる。例えば、磁化自由膜２５に非磁性導電膜を介して反強磁性層を積層したり（長距離交換結合法：非磁性膜を挟んで反強磁性膜と強磁性膜を交換結合させる方法。）、反強磁性膜、バイアス強磁性膜、非磁性膜、磁化自由膜２５をこの順に隣接させたりして（静磁結合法：反強磁性膜により磁化固着されたバイアス強磁性膜からの漏れ磁界により、磁化自由膜の磁化方向・磁気異方性を制御する方法。）、磁化自由膜２５に縦バイアスを付与することができる。これらの積層構造は各膜が連続で積層され、上下の積層順序は問わない。
【００８１】
反強磁性膜の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ合金などを用いることができる。尚、磁化固着層５に反強磁性膜を用いる場合は、２つの反強磁性膜による磁化固着の方向を直行させることが望ましいため、ブロッキング温度の異なる反強磁性材料（異種材料、あるいは組成調整）を用いることが望ましい。あるいは、ブロッキング温度が同等の材料であっても、磁化自由層１の反強磁性膜の厚さを磁化固着層５の反強磁性膜の厚さよりも薄くすることによりブロッキング温度を調整することができる。
【００８２】
尚、図１２（ｂ）に示すように、磁化固着層５を磁化自由層１（２３、２５、２７）よりも厚く形成した。磁化固着層５はその内部に磁化固着膜３５と反強磁性膜３３の積層構造を備える。ここで、反強磁性膜３３の厚さを十分厚くすることができれば、反強磁性体膜と強磁性体膜との間の交換結合消滅温度（ブロッキング温度）をより高くすることができたり、大きい交換結合を得たりすることができる。これは、反強磁性膜を厚くすることで結晶性（（１１１）配向性、結晶粒径粗大化）が制御できて、反強磁性体膜の磁化が安定化することによると考えられる。
【００８３】
尚、本実施形態の場合、磁化固着層５を先に温度：Ｔ１、印加磁界：Ｈ１でＡＢＳに垂直方向に磁場中アニールし、次に磁化自由層１を温度：Ｔ２（＜Ｔ１）、印加磁界：Ｈ２（＜Ｈ１）でＡＢＳに平行に磁場中アニールすることにより、ゼロ磁場（イニシャル）下で磁化固着層５と磁化自由層１の磁化方向を直行関係にした。
【００８４】
（第３の実施の形態）
図１３は、本発明の第３の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの一部断面図である。この実施の形態では、中間非磁性層３は絶縁層１３上に形成され、磁化自由層１と磁化固着層５はこの中間非磁性層３上に形成されている（図１３）。磁化自由層１と磁化固着層５は離間し、絶縁層６９により電気的に絶縁されている。ＧＭＲ素子の抵抗を検知するためのセンス電流は第１の電極７と磁気シールド１９間に、固着層５、中間非磁性層３、磁化自由層１およびピラー電極２１を経由して流される（電気回路が形成される）。
【００８５】
この実施の形態では、磁化自由層１は第１の領域に磁化固着層５は第３の領域に形成され、中間非磁性層は第１乃至第３の領域にわたって形成されている。中間非磁性層は第２の領域に必ず形成されなければならず、第１および第３の領域では、磁化自由層１および磁化固着層５と同一表面において接続する。良好な電気接続が可能な限り、第１および第３の領域にわたって接合を形成する必要はなく、中間非磁性層３は第２の領域と第１の領域の一部や第３の領域の一部のみに形成してもよい。
【００８６】
この構造では中間非磁性層３は磁化自由層１と磁化固着層５の下地層とすることもできる。中間非磁性層３を下地層とすることで磁化自由層１および磁化固着層５の（１１１）結晶配向性を高めることができる。一般に、配向性はＸ線回析などにより（１１１）回析ピークのロッキングカーブの半値幅を観察することで評価できる。
【００８７】
この実施の形態ではピラー電極２１からのセンス電流がＡＢＳ近くを磁化自由層１の膜表面に垂直方向（図１３の紙面上下方向）に流れるため、スピン情報が記憶された電子が中間非磁性層３経由で効率的に磁化固着層５に供給できる。
【００８８】
また、中間非磁性層３と磁化自由層１および磁化固着層５との界面が明瞭になるため、界面における電子の弾性散乱が予想される。従って、より大きなＭＲ変化率が期待できる。
【００８９】
図１４は、本発明の第４の実施の形態に係るＧＭＲヘッドを説明するための図面である。図１４はＡＢＳと垂直な断面の一部拡大図である。被再生媒体の記録トラックは、図１４の紙面上下方向に伸びており、ＧＭＲヘッドは、この紙面上下方向のいずれかにおいて媒体に相対的に移動する。
【００９０】
本実施の形態のＧＭＲヘッドは、磁気シールド１７、１９間に第１の実施の形態のＧＭＲ素子を２つ挟んだダブル構造である。つまり、中間の絶縁層７３を介してＧＭＲ素子ＡとＧＭＲ素子Ｂが形成されている。
【００９１】
ＧＭＲ素子Ａは、磁化自由層１Ａ、中間非磁性層３Ａ、磁化固着層５Ａ、第１の電極７Ａ、ピラー電極２１Ａを備え、ピラー電極２１Ａは磁気シールド１９に電気的に接続されている。ＧＭＲ素子Ｂは、磁化自由層１Ｂ、中間非磁性層３Ｂ、磁化固着層５Ｂ、第１の電極７Ｂ、ピラー電極２１Ｂを備え、ピラー電極２１Ｂは磁気シールド１７に電気的に接続される。
【００９２】
ＧＭＲ素子Ａ、Ｂは絶縁層７３を介して面対称な構造を有する。このような構造では、ＧＭＲ素子Ａの有効な磁気ギャップは、ＡＢＳにおける磁気シールド１９と磁化自由層１Ａとの間のピラー電極２１Ａと、磁化自由層１Ａと磁化自由層１Ｂとの間の絶縁層７３である。
【００９３】
また、ＧＭＲ素子Ｂの有効な磁気ギャップは、ＡＢＳにおける磁化自由層１Ｂと磁化自由層１Ａとの間の絶縁層７３と、磁化自由層１Ｂと磁気シールド１７巻のピラー電極２１Ｂである。従って、２つの素子分の有効な磁気ギャップは他の実施の形態を２素子分形成するのに比べてさらに狭くすることが可能である。
【００９４】
尚、以上説明したようなＧＭＲヘッドは、ヘッドジンバルアッセンブリなどを介してハードディスクドライブなどの磁気記録再生装置に搭載される。ＧＭＲヘッドの磁気記録再生装置への搭載技術は周知であり、ここではその詳細な説明を省略する。
【００９５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【００９６】
また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００９７】
さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、狭ギャップ化が可能であり、かつ磁化自由層と磁化固着層との磁気結合を抑制することなどができるため、高記録密度化に対応できる磁気抵抗効果ヘッド、およびそれらを用いた磁気記録再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドを説明するための一部断面図および一部側面図である。
【図２】  第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの磁化自由層を説明するための一部断面図である。
【図３】    第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの磁化固着層を説明するための一部断面図である。
【図４】  第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図５】  図４に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図６】  図５に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図７】  図６に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図８】  図７に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図９】  図８に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図１０】  図９に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図１１】  図１０に続いて、第１の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドの製造方法を説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図１２】  本発明の第２の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドを説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図１３】  本発明の第３の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドを説明するための一部断面図および一部上面図である。
【図１４】  本発明の第４の実施の形態に関わるＧＭＲヘッドを説明するための一部断面図および一部上面図である。
【符号の説明】
１、２５・・・磁化自由層
３・・・中間非磁性層
５、６３・・・磁化固着層
７・・・第１の電極
９、１１、１３、１５、１６、６５、６９、７１、７３・・・絶縁層
１７、１９、６７・・・磁気シールド
２１・・・ピラー電極
２３・・・下地層
２７・・・保護膜
２９・・・積層バイアス膜
３１・・・下地膜
３３・・・反強磁性膜
３５・・・磁化固着膜
３７・・・保護膜
４１、４７・・・２段レジスト
４３・・・磁化自由層用の積層膜
４５・・・磁化固着層用の積層膜
４９・・・中間非磁性層用Ｃｕ膜
５１・・・第１の電極用Ｃｕ膜
５３・・・２段レジスト
５５・・・レジスト
５７・・・孔部
５９、６１・・・ハードバイアス層
【図１】
0003729498.tif 000002
【図２】
0003729498.tif 000003
【図３】
0003729498.tif 000004
【図４】
0003729498.tif 000005
【図５】
0003729498.tif 000006
【図６】
0003729498.tif 000007
【図７】
0003729498.tif 000008
【図８】
0003729498.tif 000009
【図９】
0003729498.tif 000010
【図１０】
0003729498.tif 000011
【図１１】
0003729498.tif 000012
【図１２】
0003729498.tif 000013
【図１３】
0003729498.tif 000014
【図１４】
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