(57)【要約】      （修正有） 【課題】ＧＭＲ素子の熱安定性の改善とスピントランスファー効果の低減。【解決手段】磁気抵抗ヘッドの読み取り素子は、グラニュラー状フリー層１０１を含む。この磁気抵抗ヘッドは膜面垂直電流種用であり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）方式或いはバリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）方式のいずれにも使用することができる。グラニュラー状フリー層１０１は、絶縁性マトリクス１１０、例えば酸化アルミニウムと、金属磁性粒子１１１、例えばニッケルとコバルト・鉄とニッケル・鉄とを含む。金属粒子１１１の寸法は約１０〜３０ｎｍであり、これらの粒子を絶縁性マトリクス１１０内に散在させることにより低磁化を有するより柔軟なグラニュラー状フリー層１０１を提供する。グラニュラー状フリー層１０１は約５〜１０ｎｍ台のより厚肉とし、全体的な熱安定性を改善し、スピントランスファー効果を低減し、出力読み取り信号を改善する。【選択図】  図８
2006157027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界に応答して磁化方向が変化し、非磁性絶縁性マトリクスに磁性粒子を有するグラニュラー状フリー層と、
実質的に磁化方向が固定されたピン層と、
前記ピン層と前記グラニュラー状フリー層との間に挟持したスペーサとを含む、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁性粒子は、約１０ｎｍ乃至３０ｎｍの断面直径を有する、請求項１記載の磁性粒子。
【請求項３】
前記グラニュラー状フリー層は、約５ｎｍ乃至１０ｎｍの膜厚を有する、請求項１記載の磁性粒子。
【請求項４】
前記ピン層は、前記スペーサに当接しピン層スペーサにより第２の副ピン層と仕切られた第１の副ピン層を有する合成ピン層であり、前記第１の副ピン層は、前記第２の副ピン層とは逆の磁化方向を有する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記ピン層に隣接配置した反強磁性（ＡＦＭ）層と、
前記ＡＦＭ層に隣接配置したバッファ層と、
前記グラニュラー状フリー層に隣接配置したキャップと、をさらに含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記ＡＦＭ層は、白金・マンガンとイリジウム・マンガンと白金・鉛・マンガンと鉄・マンガンのうちの少なくとも一つを含む、請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記スペーサは、（ａ）導電材と、（ｂ）（ｉ）少なくとも一つの導電性ナノ−パスと（ｉｉ）少なくとも一つの導電材の一方を含む絶縁性マトリクスとのうちの一方を含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記導電材は、銅と銀とクロムのうちの一つを含む、請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記絶縁性マトリクスは、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素と四窒化三シリコンのうちの少なくとも一つを含み、前記ナノ−コンタクトはニッケルとコバルトとコバルト・鉄とコバルト・鉄・ニッケルのうちの少なくとも一つを含む、請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記ピン層はコバルトと鉄とニッケルのうちの少なくとも一つを含み、前記磁性粒子はコバルトと鉄とニッケルのうちの前記ピン層内に存在しない少なくとも別の一つを含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記グラニュラー状フリー層はさらに、前記グラニュラー状フリー層の上面と下面のうちの少なくとも一方に隣接配置した副フリー層を含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記副フリー層は、強磁性材を含む、請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記下位フリー層は、前記グラニュラー状フリー層上側の第１の連続する強磁性副層と、前記第１の連続する強磁性副層上側の副フリー層スペーサと、前記第１の連続する強磁性副層とは逆の磁化方向を有し、前記副フリー層スペーサ上側に配置される第２の連続する強磁性副層とを含む、請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１の連続する強磁性副フリー層と前記第２の連続する強磁性副フリー層は、ニッケルとコバルトとニッケル・鉄とコバルト・鉄・ニッケルとコバルト・鉄のうちの一つを含む、請求項１３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記ピン層は、前記スペーサに当接する副ピン層と、前記スペーサに対向配置したピン層スペーサと、前記副ピン層に対向して前記ピン層スペーサの一側にある硬質磁石とを含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記硬質磁石は、コバルト・白金とコバルト・クロム・白金のうちの少なくとも一つを含む、請求項１５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記グラニュラー状フリー層は、２０Ｏｅ以下の保磁力と２．０ｋＧ以下の飽和磁化を有する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
（ａ）前記磁気抵抗効果素子の少なくとも側面に位置するハードバイアスと、（ｂ）前記グラニュラー状フリー層上側の強磁性層として適用され、非磁性交換減結合スペーサにより前記グラニュラー状フリー層から仕切られた積層バイアスとのうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記磁気抵抗効果素子は、ボトム型スピンバルブとトップ型スピンバルブと複式スピンバルブのうちの一つである、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記グラニュラー状フリー層は、プラズマスパッタリングとイオンビーム蒸着の一方により作成する、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
外部磁界に応答して磁化方向が変化し、非磁性絶縁性マトリクスに磁性粒子を有するグラニュラー状フリー層と、
実質的に磁化方向が固定されたピン層と、
前記ピン層と前記グラニュラー状フリー層との間に挟持したスペーサとを含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗（ＭＲ；ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドの磁気抵抗効果素子（すなわち、読み取りヘッド）に係る。より詳しくは、本発明はスペーサによりピン層と仕切ったグラニュラー状フリー層を有するＭＲ読み取りヘッドのスピンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク装置等の磁気記録技術では、ヘッドは、相互に独立して動作する読み取り素子と書き込み素子とを含みている。図１（ａ），（ｂ）は、磁気記録方式を例示する図である。記録媒体１は、複数ビット３とトラック幅５を有するとともに、記録媒体面に平行な磁化７を有する。その結果、ビット３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「水平方向磁気記録」と呼ばれる。
【０００３】
誘導書き込み素子９により記録媒体１へ情報が書き込まれ、データは読み取り素子１１により記録媒体１から読み取られる。巻線１６を用いて誘導書き込み素子９へ書き込み電流１７を供給し、読み取り素子１１へは読み取り電流１５が供給される。個々の読み取り信号と書き込み信号の間の干渉を排除すべく、酸化アルミニウムで出来た絶縁層（明瞭さに配慮し図示せず）が読み取り素子１１と書き込み素子９との間に配置させてある。
【０００４】
読み取り素子１１は、センサの磁化方向が変化した際に抵抗変化を検出することにより動作するセンサである。シールド１３が媒体から到来する不要磁界を低減し、隣接ビットの不要磁束が読み取り素子１１が現在読み取ろうとしているビット３のうちの一つに干渉しないようにしてある。
【０００５】
図１（ｂ）の磁気記録方式は、ビット及びトラック密度を増大させて、より高効率かつより高速で読み取り可能とするために開発されたものである。この方式にあっては、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体１の面に垂直である。これは「垂直磁気記録」としても周知である。この設計は、より高密度で安定した記録データをもたらす。また、書き込み磁界効率を増大させるのに軟質磁性下層（図示せず）が必要である。さらに、中間層（明瞭さに配慮し図示せず）を用いて記録層１と軟質磁性下層との間の交換結合を制御することができる。
【０００６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」として公知の上記磁気記録方式用の各種背景技術読み取り素子を示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１が読み取りセンサとして機能し、記録データを記録媒体１から読み取る。フリー層２１と合成ピン層２５の間には、スペーサ２３が配置してある。合成ピン層２５の他側には反強磁性（ＡＦＭ；ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層２７が存在する。図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置を逆転させてある。
【０００７】
図２（ｃ）は、複式スピンバルブを示す。層２１乃至２５は、図２（ａ）〜（ｂ）に関連して前記したものとほぼ同じである。しかしながら、フリー層２１の他側には追加のスペーサ２９が配設してあり、その上に第２のピン層３１と第２のＡＦＭ層３３が配置してある。第２のピン層３１が供給する上乗せ分の信号が、抵抗変化ΔＲを増大させる。
【０００８】
ピン層２５内の磁化方向はほぼ固定されているが、フリー層２１内の磁化方向は例えば（ただし、限定ではなく）記録媒体１等の外部磁界の影響に応じて変化することがある。
【０００９】
ここで、背景技術読み取りヘッドの周知概念の概要を説明する。分極電子が強磁性薄膜に衝突すると、その電子は磁気モーメントにより棄損され、散乱させられる。電子エネルギの損失は、エネルギ保存の法則に基づき磁気モーメントヘ転化される。このエネルギ転化は、強磁性体薄膜上に作用するトルクとして現れる。フリー層の磁化は、高電流密度、低磁化、薄肉磁気薄膜、交換剛性や減衰率を含む固有パラメータ等の特定の条件下において摂動させ、切り替えることさえもできる。
【００１０】
図３に示す如く、平面（ｘｏｙ）内にて想定される如く電子をＰ方向に分極させた場合、またフリー層磁化Ｍが平面（ｘｏｙ）内にあるとも仮定した場合、そのときはスピントランスファートルクがＭに対し平面外方向ｚへ向け作用する。
【００１１】
外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化が変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正のときはフリー層２１の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負のときはフリー層２１の磁化は下向きに回転させられる。印加外部磁界がフリー層２１磁化方向を切り替えて合成ピン層２５と同様式で整列配置させた場合、そのときは層間抵抗は低く、電子はこれらの層２１，２５間をより簡単に移動することができる。
【００１２】
しかしながら、フリー層２１が合成ピン層２５とは逆の磁化方向を有すると、層間抵抗は高くなる。この高抵抗が発生するのは、層２１，２５間を電子が移動するのがより困難になるからである。外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が交換結合をもたらし、合成ピン層２５の磁化をほぼ一定に保つ。
【００１３】
高感度読み取り素子が得るには、層２１，２５が平行であるときと反平行であるときとの抵抗変化ΔＲが高くなければならない。媒体ビットは大きさを減らしつつあり、相応して媒体ビットからの磁界はより微弱になっている。その結果、フリー層は大きさの低下したこの媒体磁束を読み取る必要がある。それ故、フリー層に低減された膜厚をもたせ、フリー層に十分な感度を維持させることが重要である。非常に微弱な磁界を読み取ることのできる高感度センサを提供する上で、１５０〜２００ギガビット／平方インチの面積記録密度の場合、これはフリー層膜厚を約３ｎｍまで低減することで達成される。
【００１４】
しかしながら、フリー層の薄肉化の結果、より強いスピントランスファー効果の問題がある。スピントランスファー効果は、薄膜の膜厚にほぼ逆比例する。かくして、フリー層の安定性は低下する。さらに、背景技術読み取りヘッドの層２１，２５間の高抵抗変化ΔＲに対する要望も存在する。以下により詳しく説明する如く、より厚肉のフリー層はより高い値のΔＲに帰結する。
【００１５】
ここで、の読み取りヘッドの動作をより詳しく説明する。記録媒体１内では、水平方向磁気記録の場合、隣接ビットの極性に基づいて磁束が生成される。隣接する二つのビットがそれらの境界において負極性を有する場合、磁東は負となる。他方、両ビットがそれらの境界において正極性を有する場合、磁束は正となる。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決定する。
【００１６】
上記の読み取りヘッドは、様々な問題と欠点を有する。例えば、限定するものではないが、上記の背景技術読み取りヘッドでは、磁気薄膜が十分に小さな磁化を有するときにエネルギ転化（運動量転化）に対するその磁化抵抗は微弱であり、その磁化方向は斯く変化することがある。さらに、交換剛性（磁気モーメントとその近傍との間の交換エネルギ）が小さいと、一部モーメントが他よりも先に切り替わることになる。
【００１７】
図４は、合成スピンバルブを示す。フリー層２１とスペーサ２３とＡＦＭ層２７は、上記とほぼ同じである。しかしながら、合成ピン層２５はさらにピン層スペーサ３７により第２の副ピン層３９から仕切られた第１の副ピン層３５を含む。第１の副ピン層３５は、合成ピン層２５についての上記原理に従って動作する。第２の副ピン層３９は、第１の副ピン層３５に対し逆のスピン状態を有する。その結果、合成ピン層モーメント総体は第１の副ピン層３５と第２の副ピン層３９の間の反強磁性結合に起因して低下する。合成読み取りヘッドは磁束総計が零に近い合成ピン層を有し、かくして単一ピン層構造を含むものよりも大きな安定性と高ピンニング磁界を達成することができる。良好なスピンバルブ成長に向けバッファ層２８がＡＦＭ層２７の下側に付着させてあり、フリー層２１の上面にキャップ４０が配設してある。
【００１８】
図５は、シールド付き読み取りヘッドを示す。前記の如く、所与のビットの読み取り期間中は隣接ビットからの意図しない磁束の検出を回避することが重要である。フリー層２１の上面にはキャップ（保護）層４０が配設してあり、別個のシステム内での電気メッキによりトップシールド４３の付着前にスピンバルブを酸化から護る。同様に、バッファ層２８の下面にはボトムシールド４５が配設してある。
【００１９】
磁気記録方式は膜面垂直電流（ＣＰＰ；ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ）ヘッドを用いており、そこではスピンバルブ面に垂直に検出電流が流れる。その結果、読み取りヘッドの寸法は出力読み取り信号の損失なしで低減することができる。ＣＰＰ方式内で動作する各種背景技術スピンバルブが図６（ａ）〜（ｃ）に示してあり、以下により詳しく説明する。これらのスピンバルブは、主にそれらのスペーサ２３の組成において構造的に異なる。それらの組成とこれらの効果の作用に生ずる差異を、以下により詳しく説明する。
【００２０】
図６（ａ）は、ＣＰＰ方式用のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッドを示す。ＴＭＲヘッドでは、スペーサ２３は絶縁体、すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、スペーサ２３である非常に薄肉の障壁の場合、電子はスピン方向を変えることなくフリー層２１からピン層２５へ、或いはその逆へ移動することができる。本ＴＭＲヘッドは、約３０〜５０％台の増大した磁気抵抗（ＭＲ）を有する。
【００２１】
図６（ｂ）はＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを示す。この場合、スペーサ２３は導体として機能する。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、高周波応答を有するには大抵抗変化ΔＲと適度な素子抵抗が必要である。小媒体磁界が検出できるよう、低フリー層保磁力もまた必要である。ピンニング磁界は、大強度もまた持たねばならない、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。
【００２２】
図６（ｃ）は、バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ；ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドを示す。絶縁体として作用するスペーサ２３内において、強磁性領域４７がピン層２５とフリー層２１を接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。これは、ナノ−パス或いはナノ−コンタクトと呼ばれる。この結果、このナノ−コンタクト内に作られる区壁における電子散乱に起因して相当に高いＭＲが存在する。他の因子には、強磁性体のスピン分極やＢＭＲヘッドにナノ−コンタクトする区域の構造が含まれる。
【００２３】
上記のヘッドでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲについて絶縁体、ＧＭＲについては導体、ＢＭＲについては磁気ナノ−コンタクトを有する絶縁体となる。ＴＭＲスペーサは一般にアルミナ等の絶縁材を含んで構成されているが、ＧＭＲスペーサは一般に銅等の導電金属を含んで構成されている。
【００２４】
ＧＭＲヘッドでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（またはスピン状態）が平行になると抵抗が最小となり、磁化方向が逆になると最大となる。前述の如く、フリー層２１は方向を変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲヘッドはピン層磁化の不要な切り替えを最小化することでヘッド出力信号の摂動を回避する。
【００２５】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極度とそれらの個別磁化間角度に依存する。スピン分極は、フリー層とピン層のそれぞれの中におけるスピン状態（上向き又は下向き）の差に依存する。フリー層２１が磁気記録媒体から磁束を受けると、磁束の方向に応じてフリー層磁化が小さな角度だけ一方向もしくは他方向へ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗変化は、前記した如く、フリー層２１とピン層２５のモーメント間角度に比例する。抵抗変化と読み取り素子出力信号との間には、一つの関係が存在する。
【００２６】
ＧＭＲヘッドは、各種要件を有する。例えば、限定するものではないが、高出力信号の生成には大きな抵抗変化ΔＲが必要である。大きな抵抗変化ΔＲを生成するには、より厚肉のフリー層を有することが望ましい。この関係が、図７（ａ）に示してある。同様の関係が、図７（ｂ）に示す如く、ＭＲ比とフリー層膜厚との間に存在する。それ故、より微弱な信号を用いてより小さな媒体ビットを検出するのに必要なより薄肉のフリー層もまた、ＣＰＰ方式にあってはより低いＭＲ及びＡΔＲを有する。その結果、スピントランスファー効果問題は大きくなる。
【００２７】
先の図には示していないが、ピン層膜厚についても同様の関係が存在する。合成スピンバルブヘッドでは、スペーサ２３に最も近いピン層の副層の膜厚が前記関係を有する。
【００２８】
小さな媒体磁界が検出できるよう、低保磁力のフリー層もまた望まれる。高ピンニング磁界強度を用いることで、フリー層とピン層との間の反強磁性構造は良好に規定される。ピン層とフリー層の間の中間層結合が低いと、検出層はピン層により悪影響を受けない。さらに、フリー層に対する応力を最小化するには低磁気歪が望まれる。
【００２９】
背景技術研究にあっては、例えば物理評論誌データ（非特許文献１）から、磁性薄膜厚の減少が磁化減少をもたらし得る。この種の膜厚減少はΔＲを減らし、スピントランスファー効果が故に摂動を最大化し得る。
【００３０】
記録媒体ビットの寸法が小さくなるに従い、より薄肉のフリー層もまた必要になる。将来、フリー層膜厚を低減する必要性が続くものと思料される。また、磁気記録技術ではますます小型化するビットを非常に高い周波数（つまり、高データレート）にて検出する必要性もまた存在する。
【００３１】
【非特許文献１】エス・ホープ（Ｓ．Ｈｏｐｅ）その他著、「フィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ５５，１１４２２」（１９９７年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
上記のスピンバルブでは、様々な問題と欠点が存在する。例えば、限定するものではないが、高消磁界から生ずる熱的不安定性の課題が存在する。加えて、フリー層の低減された膜厚及び媒体磁界に対し高感度を生成する対応低磁化から高スピントランスファー効果が生まれる。より著しいスピントランスファー効果は、安定性を低下させる。従って、より小さな媒体ビットを読み取るのに十分感応し、しかも安定しており、スピントランスファー効果等の背景技術の上記の課題ならびに不利を蒙らないフリー層に関する未対処の要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の一つの目的は、背景技術の課題ならびに不利を克服することにある。しかしながら、この種の目的やどんな目的も本発明中で達成する必要はない。
【００３４】
従って、磁気抵抗効果素子を記録媒体の読み取り用に配設し、スピンバルブを含ませる。この磁気抵抗効果素子はさらに、外部磁界に応答して調整可能な磁化を有するグラニュラー状フリー層であって、非磁性絶縁性マトリクスとその中に付着させた磁性材を含む磁性粒子を包含するグラニュラー状フリー層と、実質的に磁化方向が固定されたピン層と、ピン層とグラニュラー状フリー層との間に挟持したスペーサとを含む。上記は、デバイス内に実装することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明は、本願明細書に記載した例示的な非限定実施形態と当業者には知り得るその等価物に従い新規のグラニュラー状フリー層により可能とされる大膜厚だけでなく低磁化と低異方性材もまた有する読み取りヘッドを含む。グラニュラー状は、非磁性マトリクスとそこに埋設した磁性粒子とを含むよう規定するものである。
【００３６】
本発明では、用語「読み取りヘッド」は用語「磁気センサ」と相互交換可能に用いられ、記録媒体からデータを検出する装置全体を指す。この点で、「磁気センサ」は「磁気抵抗効果素子」の一特定種であり、明細書中で磁気センサを用いる場合、そこでは当業者には知られる如く他の磁気抵抗効果素子（例えば、随時読み書き可能メモリ等）で置換することができる。
【００３７】
加えて、用語「磁気抵抗効果素子」は本技術分野において当業者には理解される如く、「磁気抵抗効果素子」及び／又は「磁気抵抗素子」を含むよう定義してある。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者には理解される如く本発明範囲を狭めることなく他の定義をそれ用に置換することができる。さらに、用語「スピンバルブ」は読み取りヘッド層で出来上がった特別な構造を指すのに用いるものである。
【００３８】
フリー層用にニッケル−酸化アルミニウム或いはコバルト・鉄−酸化アルミニウム等（酸化アルミニウムで出来たマトリクスと粒子はニッケルやコバルト・鉄或いはそれらの等価物を含んで構成されている）のグラニュラー状の強磁性薄膜を用いることで、ほぼ同じ膜厚を有する背景技術連続フリー層に対して磁化は約４分の１に低減する。それ故、背景技術のスピントランスファー効果を低減させることで、グラニュラー状フリー層の膜厚を増して安定性を改善することができる。さらに、膜内の粒状金属の百分率を増やすと（例えば、２０から３０％ヘ）改善された性能が観察される。
【００３９】
本発明にあっては、グラニュラー状フリー層の成果は改善された柔軟性と低磁化と良好な結晶成長である。かくして、より小さな媒体ビット寸法に対し改善された感度を有するより厚肉のフリー層を得ることができる。従って、より厚肉の連続フリー層を有する背景技術の利点を、この種のより厚肉の連続フリー層の背景技術の課題ならびに不利を伴うことなく得ることができる。フリー層とヘッドの安定性は、概ね斯く改善される。
【００４０】
図８と図９は、本発明の第１と第２の例示的な非限定実施形態を示すものである。図８は、膜面垂直電流・巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）型の磁気ヘッドに関するものであり、図９はＣＰＰバリスティック磁気抵抗（ＣＰＰ−ＢＭＲ）型の磁気ヘッドに関するものである。これらの実施形態は共に、スペーサ１０２により第１の副ピン層１０４とピン層スペーサ１０５と第２の副ピン層１０６とを有するピン層（すなわち、合成ピン層）１０３からスペーサ１０２により仕切られたグラニュラー状フリー層１０１を含む。このフリー層１０１はハードディスク等の媒体から生成する外部磁界に応答して磁化方向が変化し、ピン層１０３はほぼ（例えば、本発明を適用するデバイスからの「雑音」等の外部磁化効果を除く）固定された磁化方向を有する。
【００４１】
第１の副ピン層１０４はスペーサ１０２に当接しており、第２の副ピン層１０６とはピン層スペーサ１０５により仕切られている。第１の副ピン層１０４は第２の副ピン層１０６とは逆の磁化方向を有する。単一層からなるピン層（図示せず）を、合成ピン層１０３に代えて用いることができる。
【００４２】
反強磁性（ＡＦＭ）層１０７は、バッファ層１０８上に成長する。ＡＦＭ層１０７は、第２の副ピン層１０６に隣接配置されており、バッファ層１０８がＡＦＭ層１０７に隣接配置されている。ＡＦＭ層１０７は、白金・マンガンやイリジウム・マンガンや白金・鉛・マンガンや鉄・マンガン或いは当業者に周知のその等価物のうちの少なくとも一つで構成されている。バッファ層１０８は、ニッケル・クロムとニッケル・鉄・クロムと（タンタル／ニッケル・鉄）複式層で構成されている。グラニュラー状フリー層１０１の上面には、キャップ層１０９が配設されている。
【００４３】
ＣＰＰ−ＧＭＲとＣＰＰ−ＢＭＲヘッドは、それらのスペーサ１０２の点で互いに構造的に異なる。ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドのスペーサ１０２は導電性であるが、図９に示すＣＰＰ−ＢＭＲのスペーサ１０２は電流フロー用ナノ−パス１１５に沿う部分を除き絶縁性である。
【００４４】
より具体的には、ＣＰＰ−ＧＭＲの場合、スペーサ１０２は導電材（例えば、銅や銀やクロム或いは当業者に周知の等価な材料）から作成することができる。ＣＰＰ−ＢＭＲの場合、絶縁性マトリクスとして絶縁材（例えば、酸化アルミニウムや二酸化ケイ素や三窒化シリコン或いは当業者に周知の等価な材料）を配設する。絶縁性マトリクスを配設する場合、スペーサ１０２には絶縁性マトリクス内に埋設する磁性導電材を含むナノ−パス１１５を含ませ、電流拘束路を形成することができる。別種のＣＰＰでは、スペーサ１０２に絶縁性マトリクス内に埋設された非磁性導電材を含ませ、電流拘束路ヘッドを形成することができる。複数の磁性及び非磁性導電ナノ−コンタクトを使用することができるが、１又は他種のナノ−コンタクト１１５が好ましい。
【００４５】
図１０は、グラニュラー状フリー層１０１の概略図である。グラニュラー状フリー層１０１内には、好ましくは絶縁体１１０（或いは絶縁性マトリクス）を磁性粒子１１１間に散在させてある。例えば、限定するものではないが、絶縁体１１０は酸化アルミニウムや二酸化ケイ素や四窒化三シリコンや窒化アルミニウムとし、磁性粒子１１１をニッケルとコバルトと鉄のうちの一つ、好ましくはニッケル・鉄やコバルト・鉄やコバルト・ニッケルやコバルト・鉄・ニッケルとすることができる。好ましくは、磁性粒子１１１は約１０〜３０ｎｍの平均直径を有する。好ましくは、グラニュラー状フリー層１０１の膜厚は約５〜１０ｎｍであり、これに対し背景技術連続フリー層の最大の膜厚は３ｎｍである。粒子の少なくとも１つは、グラニュラー状フリー層の両面に到達する。グラニュラー状フリー層１０１は、ＶＳＭ（試料振動磁気計）により測定される如く、低減された磁化のお陰でより大きな膜厚を有することができる。
【００４６】
追加の連続ピン層にグラニュラー状フリー層１０１を含め、飽和磁気と保持力を相当に小さく保ったまま、フリー層残留磁気（すなわち、磁界を取り除いた後に材料内に残る磁気誘導）を増大させることもできる。これらの実施形態は、以下により詳しく説明し、図１１〜１３に図示する。
【００４７】
副ピン層１０４（と随意選択的には副ピン層１０６）と粒子１１１とナノ−コンタクト１１５はコバルトと鉄とニッケルのうちの少なくとも一つを含み、かくして副ピン層１０４と粒子１１１とナノ−コンタクト１１５は同一材料で作成することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。副ピン層１０４とグラニュラー状フリー層１０１は、単一層か又は強磁性層積層体を含む合成層のいずれにもできる。さもなくば、二つの副層を互いに反強磁性的に結合させることもできる。
【００４８】
図１１は、本発明のフリー層の別の例示的な非限定実施形態を示すものであり、それぞれ図８と図９に示し前述したＣＰＰ−ＧＭＲ或いはＣＰＰ−ＢＭＲのいずれの構造にも組み込むことができる。なお、すでに説明済みの参照記号に関する説明は、簡潔さに配慮し省略する。図１１の実施形態は合成フリー層１３０を含み、ここではグラニュラー状フリー層１０１の磁化を改善すべくグラニュラー状フリー層１０１上方に副フリー層１２０が追加してある。磁性粒子の寸法は変動することがあり、時として磁性粒子は小さくなり過ぎて十分な強磁性体とならないことから、この副フリー層１２０が交換結合によりグラニュラー状フリー層１０１を強磁性体とするのに役立つ。
【００４９】
図１５（ｂ）に示す如く、たった２０％の膜厚の連続するコバルト・鉄が超常磁性粒子の残留磁気を相当に改善することができる。この実施形態は２０Åのコバルト・鉄と１００Åのコバルト・鉄−酸化アルミニウムに対応する。例えば、限定するわけではないが、導電磁性粒子の寸法が小さくかつ／又はニッケルの百分率を減らした場合（例えば、ニッケルを３０％ではなく２０％に）、第１の副フリー層１２０はグラニュラー状フリー層１０１の強磁性特性を改善し、かくして安定性を増大させる。
【００５０】
図１２は、本発明のさらに別の例示的な非限定実施形態を示す。既に説明済みの参照符号に関する説明と図示は、簡潔さに配慮し省略する。この例示実施形態では、合成フリー層１３０が前述のグラニュラー状フリー層１０１と副フリー層１２１とを含み、この副フリー層がグラニュラー状フリー層１０１上方の第１の連続する強磁性副層１２２と、第１の連続する強磁性副層１２２上方の副フリー層スペーサ１２３と、副フリー層スペーサ１２３上方の第２の連続する強磁性副層１２４とを含む。第２の連続する強磁性副層１２４は、第１の連続する強磁性副層１２２とは逆の磁化方向を有する。
【００５１】
第１の連続する強磁性副層１２２と第２の連続する強磁性副層１２４は、ニッケルやコバルトやニッケル・鉄やコバルト・鉄・ニッケルやコバルト・鉄、又はそれらの等価物等の組成で出来ており、フリー下位スペーサ１２３は、ルテニウムやロジウムや銀、又はそれらの等価物を含んで構成されている。上記の合成副フリー層１２１の結果として、フリー層１３０内の粒状部は高残留磁気付き強磁性状態にある。さらに、フリー層１３０全体の磁化総体は相当に小さく、かくして高感度及び熱安定性に通ずる。
【００５２】
図１３（ａ）〜（ｂ）は追加の例示的な合成フリー層１３０の非限定的構成を示すものであり、グラニュラー状フリー層１０１と各種副フリー層が含まれる。図１３（ａ）に示す如く、副フリー層１２５がグラニュラー状フリー層１０１のボトムに追加してある。図１３（ｂ）では、第１の副フリー層１２６がグラニュラー状フリー層１０１のボトムヘ追加してあり、第２の副フリー層１２７がグラニュラー状フリー層１０１のトップに追加してある。随意選択的ではあるが、図１３（ａ）の副フリー層１２５と図１３（ｂ）の第１と第２の副フリー層１２６，１２７は下位フリー層１０１内の粒子１１１に接触させることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５３】
上記と同様、図１３（ａ）〜（ｂ）に示した実施形態はＣＰＰ−ＢＭＲヘッドであるが、図８に示したＣＰＰ−ＧＭＲヘッドはヘッド性能に対しほぼ同様の強い影響力（例えば、さらなる磁区安定化）を有する実施形態をもってＣＰＰ−ＢＭＲヘッドと置換することもできる。
【００５４】
フリー層の上記例示的な非限定実施形態に加え、図１４は修正された合成ピン層１０３を含む本発明の例示的な非限定実施形態を示す。スペーサ１０２に当接する第１の副ピン層１０４と、第１の副ピン層１０４下側の好ましくはロジウム及び／又はルテニウムで出来たピン層スペーサ１０５は、前述した例示的な非限定実施形態とほぼ同一である。これらの及び他の既に開示した非限定実施形態の説明は、簡潔さに配慮し省略してある。しかしながら、この例示的な非限定実施形態は、ピン層スペーサ１０５下側に前記の第２の副ピン層１０６とＡＦＭ層１０７に代えて硬質磁石１４０を配設した点で、前述の実施形態とは異なる。かくして、第１の副ピン層１０４が本実施形態における唯一の副ピン層となる。硬質磁石１４０は、コバルト・サマリウムとＸ・白金とＸ・白金・クロムとＸ・白金・クロム・ホウ素のうちの少なくとも一つを含む材料で出来ており、ここでＸは鉄かコバルトか鉄・コバルトであり、好ましくはコバルト・白金や鉄・白金やコバルト・クロム・白金又は当業者に周知であろうそれらの等価物である。バッファ層１０８が、硬質磁石１４０の下側に配設してある。
【００５５】
この修正の結果、高保磁力付きの硬質磁石１４０の磁化方向は媒体磁界の下で殆ど変化しない。さらに、硬質磁石１４０と第１の副ピン層１０４との間の強烈な反強磁性結合が故に、ピン層１０３はその磁化方向をほぼ固定され、その磁化総体を低減される。その結果、ピン層全体の安定性が実質的に改善される。本実施形態は「自己ピンニング」方式として知られ、前記し図８〜１４に記載した本発明の前述の例示的な非限定実施形態のいずれとも使用することができる。
【００５６】
図１５（ａ）〜（ｂ）は、本発明になるフリー層の磁気特性を示すものである。図１５（ａ）には、磁界の関数としての磁化がニッケル−酸化アルミニウムの組成を有するグラニュラー状フリー層について示してある。本実施形態の磁性粒子寸法は、約１６ｎｍである。この結果は低保磁力（約１０Ｏｅ）の強磁性特性と低飽和磁化（約１．５ｋＧ未満）を有するグラニュラー状フリー層となる。本発明では、当業者に周知のように、酸化アルミニウム絶縁層は等価絶縁層でもって置換できることに留意されたい。さらに、電気的な絶縁層の使用に代え、導電性材料を代用することもできる。さらに、磁性粒子１１１用の金属としてのニッケルの使用に代え、コバルトやコバルト・鉄やニッケル・鉄やコバルト・鉄・ニッケル等の他の金属を使用することもできる。好ましくは、グラニュラー状フリー層は約２０Ｏｅ以下の保磁力と約２．０ｋＧ以下の飽和磁化とを有する。
【００５７】
図１５（ｂ）は、各種の合成フリー層についての外部磁界と磁化との間の関係を示す。粒状部フリー層１０１は１００Åのほぼ固定された膜厚を有し、一方で連続する下位フリー層は図１１に示す如く様々な膜厚を有する。その上にバックアップ層を一切もたないグラニュラー状フリー層１０１の場合、磁気残留状態は一切存在しない。
【００５８】
グラニュラー状フリー層１０１上側の連続するフリー層１２０の膜厚が増すにつれ、相応してフリー層１３０全体の残留磁気が増加する。低モーメント磁性粒子と薄肉連続強磁性体層との間交換結合により、磁性粒子自体は図１５（ｂ）に示す如く強磁性となる。
【００５９】
本発明では、読み取り素子ヘッド側にハードバイアスを用いることでフリー層（粒状及び／又は粒状薄膜と連続薄膜との合成物）を安定化することができる。さもなくば、ａｍｉｎ−ｓｔａｃｋ  ｂｉａｓフリー層（粒状及び／又は合成物）トップに付着させた強磁性層として適用し、非磁性体交換減結合スペーサによりそこから分離することができる。上記の図面にはバイアス構造は図示していないが、これらの構造は背景技術に周知であり、当業者であれば上記バイアスを本発明に組み込むことができるものと思料される。
【００６０】
加えて、本発明のグラニュラー状フリー層１０１は、ピン層の前にフリー層を配置するトップ型スピンバルブや、ピン層をフリー層の前に配置するボトム型スピンバルブや、フリー層を二つのピン層の間に配置する複式スピンバルブに用いられる。
【００６１】
本発明はグラニュラー状フリー層１０１と合成フリー層１３０を含むその変形例とに関するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、限定はしないが、粒状薄膜は同様の特性が望まれる他の層に用いることができる。
【００６２】
本発明は、様々な利点を有する。例えば、限定するものではないが、本発明になるヘッドのグラニュラー状フリー層は増大した柔軟性と対応するより低い磁気歪を有する。さらに、本発明では低磁化と良好な結晶成長が生じる。その結果、本発明のグラニュラー状フリー層は相当により厚肉とすることができる。前述した様々な連続層を追加することで、合成フリー層もまた形成して性能を高めることができる。
【００６３】
グラニュラー状フリー層は、プラズマのスパッタリングやイオンビーム蒸着法や当業者に周知の等価方法により作成することができる。
【００６４】
加えて、前述の実施形態は概ね磁気抵抗読み取りヘッド用の磁気抵抗素子に関するものである。この磁気抵抗読み取りヘッドは、任意数のデバイスに随意選択的に用いることができる。例えば、限定するわけではないが、前記の如く、読み取りヘッドはハードディスク装置（ＨＤＤ）磁気記録デバイス内に含めることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、バリスティック磁気抵抗効果を用いる他のデバイスもまた本発明の磁気抵抗素子で構成することができる。例えば、限定するわけではないが、磁気ＲＡＭ（すなわち、ナノ−コンタクト構造を含む磁気メモリデバイス）もまた本発明を採用することができる。本発明のこの種の応用例は、本発明範囲内にある。
【００６５】
本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。特許請求範囲に規定する本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく、本発明に対し多くの改変をなし得ることは熟慮されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は膜面内磁化と膜面垂直磁化をそれぞれ有する背景技術磁気記録方式を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は背景技術のボトム型とトップ型と複式のスピンバルブを示す図である。
【図３】背景技術のスピントランスファー効果を示す図である。
【図４】磁気抵抗読み取りヘッド用の背景技術合成スピンバルブを示す図である。
【図５】シールド構造を有する背景技術読み取りヘッドを示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は各種の背景技術磁気抵抗効果素子システムを示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｂ）はそれぞれＣＰＰ方式内のフリー層膜厚に対するＡΔＲとＭＲの依存度を示す図である。
【図８】本発明の第１の例示的な非限定実施形態になるＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気抵抗ヘッドを示す図である。
【図９】本発明の第２の例示的な非限定的実施形態になるＣＰＰ−ＢＭＲ型磁気抵抗ヘッドを示す図である。
【図１０】本発明の例示的な非限定実施形態になるフリー層の概略上面図である。
【図１１】本発明の例示的な非限定実施形態になる読み取りヘッドを示す図である。
【図１２】本発明の別の例示的な非限定実施形態になる読み取りヘッドを示す図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｂ）は本発明の例示的な非限定実施形態になる追加のフリー層の構成を示す図である。
【図１４】本発明の例示的な非限定実施形態になる代替ピンニング方式を示す図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｂ）は本発明の各種例示的な非限定実施形態用の正規化磁化と印加磁界との間の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  記録媒体
３  ビット
５  トラック幅
７  磁化
９  誘導書き込み素子
１１  読み取り素子
１３  シールド
１５  読み取り電流
１７  書き込み電流
１９  磁化
２１  フリー層
２３  スペーサ
２５  ピン層
２７  反強磁性（ＡＦＭ）層
２８  バッファ層
２９  スペーサ
３１  第２のピン層
３３  第２のＡＦＭ層
３５  第１の副ピン層
３７  ピン層スペーサ
３９  第２の副ピン層
４０  キャップ
４３  トップシールド
４５  ボトムシールド
４７  強磁性領域
１０１  グラニュラー状フリー層
１０２  スペーサ
１０３  ピン層
１０４  第１の副ピン層
１０５  ピン層スペーサ
１０６  第２の副ピン層
１０７  反強磁性（ＡＦＭ）層
１０８  バッファ層
１０９  キャップ層
１１０  絶縁体
１１１  磁性粒子
１１５  ナノ−コンタクト
１２０  副フリー層
１２１  副フリー層
１２２  第１の連続する強磁性副層
１２３  副フリー層スペーサ
１２４  第２の連続する強磁性副層
１２５  副フリー層
１２６  第１の副フリー層
１２７  第２の副フリー層
１３０  合成フリー層
【図１】
2006157027.tif 000003
【図２】
2006157027.tif 000004
【図３】
2006157027.tif 000005
【図４】
2006157027.tif 000006
【図５】
2006157027.tif 000007
【図６】
2006157027.tif 000008
【図７】
2006157027.tif 000009
【図８】
2006157027.tif 000010
【図９】
2006157027.tif 000011
【図１０】
2006157027.tif 000012
【図１１】
2006157027.tif 000013
【図１２】
2006157027.tif 000014
【図１３】
2006157027.tif 000015
【図１４】
2006157027.tif 000016
【図１５】
2006157027.tif 000017