(57)【要約】【課題】  再生出力の高さと安定性を両立させる構成のスピンバルブ型磁気ヘッドを提供する。【解決手段】  反強磁性結合した磁化量の等しい第一の磁区制御層１９及び第二の磁区制御層２１を軟磁性自由層１７上に積層した磁区制御構造を有するスピンバルブ型磁気ヘッドで高い再生出力と高い安定性を両立することを実現した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性固定層と軟磁性自由層との間に非磁性中間層が形成されたスピンバルブ素子と、
前記軟磁性自由層の上に形成された磁区制御構造と、
前記スピンバルブ素子にセンス電流を印加する電極とを有し、
前記磁区制御構造は、前記軟磁性自由層の上に形成された第一の反平行結合層と、前記第一の反平行結合層の上に形成された第一の磁区制御層と、前記第一の磁区制御層の上に形成された第二の反平行結合層と、前記第二の反平行結合層の上に形成された第二の磁区制御層とを有し、
前記第一の磁区制御層の磁化量と前記第二の磁区制御層の磁化量は実質的に等しく、
前記第一の反平行結合層は、前記軟磁性自由層と第一の磁区制御層との間に、感知すべき磁場に対して実質的に同程度もしくはそれより弱い反強磁性結合を生じさせ、
前記第二の反平行結合層は、前記第一の磁区制御層と第二の磁区制御層との間に、感知すべき磁場に対して十分強い反強磁性的な結合を生じさせ、
前記軟磁性自由層の磁化量の絶対値をM1、第一の磁区制御層の磁化量の絶対値をM2、第二の磁区制御層の磁化量の絶対値をM3とするとき、M1−M2＋M3＞0を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】
強磁性固定層と軟磁性自由層との間に非磁性中間層が形成されたスピンバルブ素子と、
前記軟磁性自由層の上に形成された磁区制御構造と、
前記スピンバルブ素子にセンス電流を印加する電極とを有し、
前記磁区制御構造は、前記軟磁性自由層の上に形成された第一の反平行結合層と、前記第一の反平行結合層の上に形成された第一の磁区制御層と、前記第一の磁区制御層の上に形成された第二の反平行結合層と、前記第二の反平行結合層の上に形成された第二の磁区制御層とを有し、
前記第一の磁区制御層と第二の磁区制御層は略同じ膜厚を有し、
前記第一の反平行結合層は、前記軟磁性自由層と第一の磁区制御層との間に、交換結合磁界が100から600エルステッド（8から48 kA/m）である反強磁性結合を生じさせるものであり、
前記第二の反平行結合層は、前記第一の磁区制御層と第二の磁区制御層との間に、交換結合磁界が1 キロエルステッド（80 kA/m）以上である反強磁性的な結合を生じさせるものであり、
前記軟磁性自由層の磁化量の絶対値をM1、第一の磁区制御層の磁化量の絶対値をM2、第二の磁区制御層の磁化量の絶対値をM3とするとき、M1−M2＋M3＞0を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項３】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の反平行結合層は、膜厚0.2から1.0nmのRu、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Pt、もしくはこれらの合金と、膜厚0.3から0.6nmのCu、Au、Ag、Ta、Ti、もしくはこれらの合金の積層体からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項４】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の反平行結合層は、膜厚0.2から1.0nmのRu、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Pt、もしくはこれらの合金と、膜厚0.3から0.6nmのCu、Au、Ag、Ta、Ti、もしくはこれらの合金の積層体からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二の反平行結合層は、膜厚0.2から1.0nmのRu、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Pt、もしくはこれらの合金からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項６】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二の反平行結合層は、膜厚0.2から1.0nmのRu、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Pt、もしくはこれらの合金からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項７】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記電極は、前記スピンバルブ素子の膜厚方向に配設されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記電極は、前記スピンバルブ素子の膜厚方向に配設されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記電極は、前記スピンバルブ素子の膜面内方向に配設されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記電極は、前記スピンバルブ素子の膜面内方向に配設されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層は、100エルステッド（8 kA/m）以上の磁気異方性もしくは保持力を有するCo合金、Fe-Co合金からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層は、100エルステッド（8 kA/m）以上の磁気異方性もしくは保持力を有するCo合金、Fe-Co合金からなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１３】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層の磁化方向は、感知すべき磁場に対して略直交した方向に実質的に固定されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１４】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層の磁化方向は、感知すべき磁場に対して略直交した方向に実質的に固定されていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１５】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記軟磁性自由層、第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層の磁化状態は、感知すべき磁場がゼロ近傍の状態において、前記軟磁性自由層の磁化と前記第一の磁区制御層の磁化とが反平行、かつ、前記第一の磁区制御層の磁化と前記第二の磁区制御層の磁化とが反平行であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１６】
請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記軟磁性自由層、第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層の磁化状態は、感知すべき磁場がゼロ近傍の状態において、前記軟磁性自由層の磁化と前記第一の磁区制御層の磁化とが反平行、かつ、前記第一の磁区制御層の磁化と前記第二の磁区制御層の磁化とが反平行であ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、磁気記録再生装置に搭載される磁気ヘッドに関し、特に、高記録密度磁気記録再生装置用の磁気ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、ハードディスクを主とした高記録密度磁気記録技術のなかで再生センサとして用いられ、磁気記録技術の性能を大きく左右する部分である。近年、強磁性金属層を、非磁性金属層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果、いわゆる巨大磁気抵抗（GMR）効果、が大きいことがよく知られている。この場合、非磁性中間層を挟んだ２層の強磁性層の磁化と磁化のなす角によって電気抵抗が変化する。この巨大磁気抵抗効果を磁気抵抗素子に用いる場合には、スピンバルブとよばれる構造が提唱されている。スピンバルブは、反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の構造を有し、反強磁性層／強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により反強磁性層と接した強磁性層の磁化を実質的に固定し、他方の強磁性層の磁化が外部磁界によって自由に回転することで出力を得ることができる。上記磁化が反強磁性層により実質的に固定される強磁性層を強磁性固定層、上記磁化が外部磁場によって回転する強磁性層を軟磁性自由層と呼ぶことにする。
【０００３】
上記基本構成は、現在応用に供されているGMR、詳細にはCIP-GMRやトンネル磁気抵抗効果素子いわゆるTMR、及び垂直通電型GMRいわゆるCPP-GMRについて共通である。したがって、本発明の構成は、CIP-GMR、TMR、CPP-GMRに関するが、特にCPP-GMR及びTMRの、垂直電流型磁気抵抗効果センサに有効である。また、再生センサでは、すべての外部磁界から感知すべき磁界を選択するために上記磁気抵抗効果素子を挟むように一対の磁気シールドが設けられている。
【０００４】
磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、軟磁性自由層を単磁区化するための磁区制御構造を有する。この磁区制御構造は、軟磁性自由層を単磁区状態にし、感知すべき磁界に対してヒステリシスのない出力をもたせる機能を有する。代表的な磁区制御構造として、ハードバイアスと呼ばれる構造が知られている。さらに、高記録密度に対応した磁区制御構造として、積層型の磁区制御構造が提唱されている。積層型磁区制御構造は、磁区制御膜となる単磁区化強磁性反平行層を磁気抵抗効果膜に積層して配置し、およそ同一のトラック幅に形成することで位置のそろった端部を形成し、磁区制御を行う構造である。
【０００５】
上記積層型磁区制御を用いたスピンバルブでは、軟磁性自由層／弱反平行結合層／単磁区化強磁性反平行層／単磁区化反強磁性層からなる構造が提唱されている（特許文献１、２）。この積層型磁区制御では、単磁区化反強磁性層と単磁区化強磁性反平行層が反強磁性結合して単磁区化強磁性反平行層が単磁区化し、単磁区化強磁性反平行層が弱反平行結合層を介して軟磁性自由層と静磁気結合、もしくは反強磁性結合により感知すべき磁場に対して実質的に同程度、もしくは小さい結合し、単磁区化強磁性反平行層と軟磁性自由層が閉磁路を形成し、軟磁性自由層を単磁区化する構造である。
【０００６】
一方、単磁区化反強磁性膜を用いない構造が提唱されており（特許文献３）、以下の構成を有する。これは、強磁性固定層／非磁性中間層／軟磁性自由層／弱反平行結合層／強磁性平行層／強反平行結合層／強磁性反平行層からなる構造で、強磁性平行層と強磁性反平行層が強反平行結合層を介して反強磁性結合して、感知すべき磁界に対して実質的に固定しており、強磁性反平行層が弱反平行結合層を介して軟磁性自由層と静磁気結合、もしくは反強磁性結合により感知すべき磁場に対して実質的に同程度、もしくは小さく強磁性結合し、軟磁性自由層と強磁性反平行層と強磁性平行層の磁化の総和が実質的にゼロとなるように閉磁路を構成し、軟磁性自由層を単磁区化する構造である。すなわち、（１）所定の磁気異方性を有した単磁区化強磁性及び強磁性平行層に、磁化方向を固定させる役割をもたせる、（２）軟磁性層を含めた3層で閉磁路構造をとることによって反磁界を低減し、外部磁界による強磁性反平行層及び強磁性平行層の磁化の所定の方向からの逸脱を防止するのである。
【０００７】
【特許文献１】特開2002-367124号公報
【特許文献２】米国特許第6,473,279号
【特許文献３】特開2002-025013号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の積層型磁区制御構造をもつ磁気抵抗効果センサでは、より高い記録密度と高い出力と安定な動作を全て満たすスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた再生ヘッドの実現が困難である。前述の積層型磁区制御構造（特許文献1，2）で問題となるのは、単磁区化反強磁性層により上記ハードバイアス構造より磁気抵抗効果素子の総膜厚が大きくなる、具体的にはおよそ10〜20nm大きくなるために、磁気シールドの間隔が広がり、高記録密度での読み出しが困難になる点である。加えて、単磁区化反強磁性層により磁気抵抗効果素子の全体の抵抗が増加するために、軟磁性自由層の磁化と強磁性固定層の磁化のなす角の変化から生じる抵抗変化が見かけ上、低下する、すなわち出力が低下する問題が生じる。
【０００９】
一方、単磁区化反強磁性膜を用いない積層型磁区制御構造（特許文献3）の課題は、軟磁性自由層と強磁性反平行層と強磁性平行層の3層の磁化の総和を実質的にゼロにする、すなわち軟磁性自由層の磁化と強磁性反平行層の磁化の和を強磁性平行層の磁化とおよそ等しくした、閉磁路構造を有する点である。それは、上記3層で閉磁路を構成することによって安定化を図ることの反作用として、強磁性反平行層と強磁性平行層の2層の磁化については磁化量が等しくないことが必然となるためである。その結果、感知すべき磁界に対して実質的に固定されるべき強磁性反平行層と強磁性平行層の磁化を固定する機能について改善の余地がある。
【００１０】
本発明は、高記録密度読み出しと、高出力と、高い安定性の全てを満たす磁気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】
【００１１】
本発明は、目的を達成するために、以下の構成を用いる。（１）軟磁性自由層の磁区制御構造として、軟磁性自由層の上に第一の反平行結合層、第一の磁区制御層、第二の反平行結合層、第二の磁区制御層を積層した構造を採用する。（２）軟磁性自由層と第一の磁区制御層は、第一の反平行結合層を介して積層し、互いの磁化が反平行に配列するよう作用する構成とする。同様に第二の磁区制御層と第一の磁区制御層は第二の反平行結合層を介して積層し、互いの磁化が反平行に配列するよう作用する構成とする。（３）軟磁性自由層、第一の磁区制御層、及び第二の磁区制御層の磁化量の絶対値をそれぞれM1、M2、M3としたときに、M2とM3をおよそM2=M3となるようにほぼ同一の膜厚に構成する。また当然、軟磁性自由層の磁化量M1は、M1＞0である。
【００１２】
以上の（１）（２）（３）により、所定の感磁幅に対応したほぼ同一のトラック幅に形成した素子積層部のトラック端部において、（M1−M2＋M3）＞０となる不完全な閉磁路構造を実現できる。
【００１３】
この結果、第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層はM3−M2≒０である局所的な閉磁路を実現して感知すべき磁界に対して磁化が変動、変化しない安定した磁化状態を実現でき、かつ第一の磁区制御層が軟磁性自由層と磁気的に結合して軟磁性自由層を単磁区化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、磁化量を等しくした第一の磁区制御層と第二の磁区制御層が反強磁性的に結合した構造により、感知すべき磁界に対して第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層の磁化が実質的に固定した構造を実現でき、かつ、磁化状態の安定な強磁性反平行層と磁気的に結合することで軟磁性自由層の磁化を安定に磁区制御することができ、高い安定性と出力を兼ね備えた磁気抵抗効果型磁気センサを実現することができる。また、このセンサを再生ヘッドとした磁気記録再生装置において、高記録密度、すなわち記録媒体上に記録される記録波長が短く、また、記録トラックの幅が狭い記録を実現して、十分な再生出力を得、記録を良好に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、高記録密度に対応した巨大磁気抵抗効果を用いた磁気センサを磁気ヘッドに搭載した磁気記録装置を提供するために、上記磁気センサとして、反強磁性膜／強磁性固定層／非磁性中間層／軟磁性自由層／第一の反平行結合層／第一の磁区制御層／第二の反平行結合層／第二の磁区制御層の積層構造を有する磁気抵抗効果素子を用いる。ここで反強磁性膜は強磁性固定層の磁化を実質的に固定するための交換結合バイアスを印加するものであって、直接強磁性固定層に密着して形成するか、あるいは間接的に磁気的結合を経て効果をもたらしてもよい。あるいは反強磁性膜の替わりに他のバイアス印加手段、例えば、硬磁性膜の残留磁化を用いたり、電流バイアスを用いたりしてもよい。
【００１６】
第一の反平行結合層は、第一の磁区制御層と軟磁性自由層との間に互いに反平行結合するような磁気的な弱い結合を発生させる機能を有する。ここで弱い結合とは、感知すべき磁界に対して同桁もしくは弱い結合力を有することである。すなわち磁界がゼロ近傍のとき、軟磁性自由層と第一の磁区制御層の互いの磁化は反平行になり、かつ、感知すべき磁界に対して軟磁性自由層と第一の磁区制御層の互いの磁化のなす角度が変化する程度の結合力を有することである。具体的には、数十から数百エルステッド程度の反平行結合磁界を有するよう構成する。これにより、感知すべき磁界の印加によって軟磁性自由層の磁化は単磁区化状態を維持したまま、磁化方向が印加磁界方向に沿って回転する作用が生じ、単磁区化の機能と磁界に対して感度を有するという機能を同時に果たすことができる。
【００１７】
上述の磁区制御構成により、本発明の積層型磁区制御の磁化状態は、磁界がゼロ近傍のとき、第二の磁区制御層、第一の磁区制御層、軟磁性自由層の磁化状態は、隣接した互いの磁化が反平行の磁化状態を有している。
【００１８】
軟磁性自由層、第一の反平行結合層、第一の磁区制御層、第二の反平行結合層、第二の磁区制御層は、ほぼ同一のトラック幅に加工形成されて、ほぼ同一位置の端部を有し、第一の磁区制御層はトラック幅方向残留磁化により磁化を発生させ、トラック幅方向の端部で軟磁性自由層及び第二の磁区制御層のトラック幅方向の残留磁化と静磁気的に結合して軟磁性自由層の単磁区化の効果を得ることができる。強磁性固定層の磁化は感知すべき磁界の方向と略平行に、また、第一の磁区制御層の磁化は感知すべき磁界の方向と略垂直に方向付ける。
【００１９】
以上のような構成を実現することで本発明の磁気センサは狭小なセンササイズにおいて磁化状態を規定することができ、安定な動作を実現することができるのである。
【００２０】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。本発明の巨大磁気抵抗効果積層膜を構成する薄膜は、DCマグネトロンスパッタリング装置により、アルゴン1から6ミリトール（0.1から0.8パスカル）の雰囲気中にて、セラミックス基板に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリングターゲットとしてタンタル、ニッケル−20at%鉄合金、銅、Co-Fe、MnPt、ルテニウム、アルミナ、マグネタイト、MnIrの各ターゲットを用いた。積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々高周波電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードに配置されたシャッターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。膜形成時には永久磁石を用いて基板に平行におよそ80エルステッド（6.4 kA/m）の磁界を印加して、一軸異方性をもたせた。 形成した膜を、真空中、磁場中で270 ℃、3時間の熱処理を行ってMnPt反強磁性膜を相変態させ、室温での磁気抵抗を測定して評価した。基体上の素子の形成はフォトレジスト工程によってパターニングした。その後、基体はスライダー加工し、磁気記録装置に搭載した。
【００２１】
また、磁区制御構造の構成を評価するため、LLG(ランダウ−リフシッツ−ギルバート)法による磁化過程シミュレーションを行って、磁気ヘッドの安定性と出力について比較検討した。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の垂直通電方式の巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図である。図は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式図である。基体50上に下部電極43を形成し、その上に下部磁気シールド41を形成し、その上に磁気抵抗効果膜10が形成されており、さらに上部磁気シールド42を形成して再生ギャップを形成している。上部磁気シールド42の上に上部電極44を形成している。図１の構造では、下部電極43は下部磁気シールド41で兼用することが可能である。また上部電極44は、上部磁気シールド42で兼用することが可能である。
【００２３】
図２は、発明の面内通電方式の本巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図である。図は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式図である。基体50上に下部磁気シールド41を形成し、その上に下部絶縁層71を形成し、その上に磁気抵抗効果膜10が形成されており、磁気抵抗効果膜10の両端に電極45を形成し、その上に上部絶縁層72を形成し、さらに上部磁気シールド42を形成して、再生ギャップを形成している。
【００２４】
図１及び図２における磁気抵抗効果膜10は、以下のような構成を有する。すなわち、下地膜11、反強磁性膜12、強磁性固定層31、非磁性中間層16、軟磁性自由層17、第一の反平行結合層18、第一の磁区制御層19、第二の反平行結合層20、第二の磁区制御層21を連続して形成してなる。保護膜22は耐食性等の向上に寄与するが、省略しても本発明の主旨に反するものではない。下地膜11は結晶性、抵抗変化率及び軟磁気特性の向上に寄与するが、省略しても本発明の主旨に反するものではない。
【００２５】
この構成例では強磁性固定層31は、第一の強磁性膜13と反平行結合膜14、及び第二の強磁性膜15の積層体からなる。反平行結合膜14は、第一の強磁性膜13と第二の強磁性膜15の磁化を互いに反平行に配列させる交換結合を印加して、強磁性固定層の実質的な磁化の量を第一の強磁性膜13と第二の強磁性膜15の磁化量の差分に制御する効果がある。ここで、強磁性固定層31を単層の磁性体から形成したり、2層や4層以上の積層体から形成したりしても本発明の主旨に反するものではないが、本図の構成例は磁気センサから出力される信号波形の対称性の向上に有効である。また軟磁性自由層17は、単層の磁性体から形成したり、図中には記載していないが2層以上の積層体から形成したりしても磁気的に一体構造とみなせるので、本発明の主旨に反するものではない。
【００２６】
磁気抵抗効果積層膜10の軟磁性自由層17と、これに積層した第一の反平行結合層18、第一の磁区制御層19、第二の反平行結合層20、第二の磁区制御層21はほぼ同一のトラック幅方向のサイズに形成してなる。
【００２７】
第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の両者の磁化量が等しくなるように、膜厚と材料を選ぶ。例えば、第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21を構成する材料が同じ場合が最も容易な実施の形態であるが、この場合には両者の膜厚を等しくする。図３に磁化配列の模式図を示す。軟磁性自由層17の磁化量をM1、第一の磁区制御層19の磁化量をM2、及び第二の磁区制御21の磁化量をM3とすると、M2≒M3、すなわちM3−M2≒0とする。これにより第一の磁区制御層19と第二の磁区制御21の磁化は、トラック端部（図中左右方向の端部）において局所的な閉磁路を形成し、この閉磁路構造によって外部からの磁界によって磁化の変化をきわめて生じにくいという効果を発生させることができる。一方で、軟磁性自由層17の磁化M1は第一の磁区制御層19の磁化M2と反平行であり、トラック幅端部で互いの磁化が打ち消しあう効果を有する。当然M1＞0であり、軟磁性自由層17、第一の磁区制御層19、第二の磁区制御層21の3層の磁化全体では、合計で（M1−M2＋M3）＞０の端部の磁荷が発生した不完全な閉磁路を形成する。
【００２８】
このようにM1とM2、M2とM3についてはそれぞれ局所的には互いの端部磁荷を打ち消す構造を実現し、かつ全体では（M1−M2＋M3）＞０の端部の磁荷が発生した不完全な閉磁路を形成する構成を本発明では実現する。一例として、第一の磁区制御層19、第二の磁区制御層21の双方に、飽和磁化が1400 emu/cm3（1.8 テスラ）であるCoFe合金を用いた場合、第一の磁区制御層19、第二の磁区制御層21の膜厚は両方とも3nmとすると好適である。このとき軟磁性自由層17の磁化量は、第一の磁区制御層19、第二の磁区制御層21と必ずしも等しくする必要はないので、最も出力が大きくなる材料・膜厚を選択することが可能である。例えば、膜厚2.5nmのNiFe合金（飽和磁化800 emu/cm3 （1 テスラ））に膜厚１nmのCoFe合金（飽和磁化1400 emu/cm3（1.8 テスラ））を積層した合計膜厚3.5nmの積層体が好適である。
【００２９】
第二の反平行結合層20は、第二の反平行結合層20を介して面で接する第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21との面内の反強磁性的な結合を発生させるために、室温及び磁気ヘッドの動作温度において自発磁化を有さない材料から構成し、かつ特定の材料を特定の厚さで作製する。Ru、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Ptなどの材料では、厚さを適切に選ぶことで、第二の反平行結合層20を介した第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21間に面で結合した強い反強磁性的な結合が発生させることができる。反強磁性的な結合の大きさは数キロエルステッド以上、すなわち数百kA/mに達する。本発明の第二の反平行結合層20では反強磁性的な結合の大きさが1 キロエルステッド以上、すなわち80 kA/m以上の強い反強磁性的な結合が望ましいから、第二の反平行結合層20には上記のRuのような材料を0.2から1.0nmのような所定の厚さで構成することが望ましい。
【００３０】
第一の反平行結合層18は、軟磁性自由層17と第一の磁区制御層19との間に面内の弱い反強磁性的な結合を発生させる。第一の反平行結合層18は軟磁性自由層17と第一の磁区制御層19の層間に弱い磁気的な交換結合を生じさせて軟磁性自由層17と第一の磁区制御層19の両者が弱く反強磁性的に結合した、すなわちゼロ磁界で反平行の磁化配列状態を実現する機能を発生させる。しかしながら、本発明の第一の反平行結合層18は、既に述べたように、上記の第二の反平行結合層20よりも弱い効果が望ましい。これは感知すべき磁界に対して軟磁性自由層17の磁化が回転して再生信号を発生できるように結合力を適切に調整する必要があるからである。具体的には、膜厚0.2から1.0nmのRu、Ir、Cr、Rh、Re、Os、Ptなどの材料に、膜厚0.3から0.6nmのCu、Au、Ag、Ta、Ti、などの材料を積層した積層体を用いることで100から600 エルステッド（8から48 kA/m）の所定の強さの反平行結合を実現することができる。
【００３１】
このような構成により、第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の磁化を、第二の反平行結合層20を介した反強磁性結合、及び第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の端部に発生した磁荷による静磁気的な結合により、互いに反平行方向になるようにトラック幅方向に固定し、軟磁性自由層17と第一の磁区制御層19の磁化を第一の反平行結合層18を介した反強磁性結合、及び軟磁性自由層17と第一の磁区制御層19の端部に発生した磁荷による静磁気的な結合により、感知すべき磁界がゼロのときに互いに反平行方向になるように結合することにより軟磁性自由層の安定な単磁区化が可能になるのである。
【００３２】
図１で素子のトラック幅方向の両側の上下の磁気シールド間の間隔は再生ギャップ10より狭く構成されており、いわゆるサイドシールド構造として、感知すべき磁界の読みにじみを低減する機能を持たせることが望ましい。しかしながら、素子のトラック幅方向の両側の上下の磁気シールド間の間隔を再生ギャップ10より狭く構成しなくとも、本発明の主旨を損なうものではない。
【００３３】
図４は、本発明による巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおける出力と抵抗の関係と、軟磁性自由層／弱反平行結合層／強磁性反平行層／単磁区化反強磁性層からなる磁区制御構造を有する従来構造（特許文献 1、2）の巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおける出力を示したものである。単磁区化反強磁性層の抵抗がその他の層の抵抗に比べて大きいため、従来構造では、磁気ヘッド全体の抵抗が増加する。軟磁性自由層の磁化と強磁性固定層の磁化のなす角の変化から生じる抵抗変化量は一定値であるため、ヘッド全体の抵抗が増加すると、抵抗変化率すなわち磁気ヘッドの出力が低下してしまう。これに対して、本発明の構造は抵抗の大きい単磁区化反強磁性層を用いていないために、ヘッドの抵抗が小さく、従来構造のような出力の低下が観察されない。
【００３４】
図５に、計算機シミュレーションによる、本発明の巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおける磁界応答出力曲線と、従来構造（特許文献 3）の巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおける磁界応答出力曲線を示す。ここで従来構造は、軟磁性自由層／弱反平行結合層／強磁性平行層／強反平行結合層／強磁性反平行層からなる磁区制御構造を有する。従来構造の磁界応答出力曲線は、感知すべき信号磁場に対してヒステリシスを伴う応答をしている。これは従来構造では、強磁性平行層と強磁性反平行層の磁化量が等しくないために、磁界に対して強磁性反平行層と強磁性平行層の2層の磁化は十分な安定を保つことが困難になり、外部磁界によって所定の磁化方向からの逸脱が発生してしまうためである。
【００３５】
図６に、計算機シミュレーションにより求めた従来構造（特許文献 3）における軟磁性自由層の磁化状態を示す。図６に示すように、従来構造ではトラック端部（特に図中の破線の内部）において所定の磁化方向からの逸脱、すなわち中央部における磁化の方向に比べて著しい角度差が顕著に現れている。したがって図５に示したように、感知すべき磁場に対する磁気抵抗効果素子の出力は、ヒステリシスを有する不安定な応答曲線になるのである。
【００３６】
これに対して、本発明の構造による磁界応答出力曲線は、感知すべき信号磁場に対してヒステリシスがなく線形性の高い応答をしている。これは強磁性反平行層と強磁性平行層の磁化量が等しいことにより、2層の磁化が局所的な閉磁路を実現して感知すべき信号磁場に対して磁化が変動、変化しない安定した磁化状態を実現しており、かつ強磁性反平行層が軟磁性自由層と磁気的に結合して軟磁性自由層を単磁区化しているためである。
【００３７】
図７に、計算機シミュレーションにより求めた本発明の構造における軟磁性自由層の磁化状態を示す。図７に示すように、本発明の構造では、軟磁性自由層の磁化は全面にわたってほぼ同一方向を向いており、トラック端部の磁化方向の逸脱は図５の従来技術の場合に比べて著しく抑制できていることがわかる。以上の結果は、本発明の構造が安定した単磁区状態を実現できることを示している。
【００３８】
本発明の構造では、第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層として、一軸磁気異方性磁界あるいは保磁力を100エルステッド（8 kA/m）以上有するCo合金、FeCo合金を用いることにより、安定な磁区制御が実現でき、一軸磁気異方性磁界あるいは保磁力が大きいほどより安定な磁区制御を実現できる。
【００３９】
図８に、本発明の構造において一軸磁気異方性磁界を変化させたときの磁界応答出力曲線を計算機シミュレーションした結果を示す。図８には一例として、一軸磁気異方性磁界が100エルステッド（8 kA/m）、及び400エルステッド（32 kA/m）の場合の結果を示した。図８に示すように、一軸磁気異方性磁界が大きくなるほど、磁界応答出力曲線の線形性が良くなる。これは第一の磁区制御層と第二の磁区制御層の一軸磁気異方性磁界あるいは保磁力が大きいほど、2層の磁化が感知すべき信号磁場に対して磁化が変動、変化しない安定した磁化状態となるためである。しかし、図８に示すように、一軸磁気異方性磁界が大きくなるほど出力が低下する。したがって、一軸磁気異方性磁界は100から400エルステッド（8から32 kA/m）とするのが好適である。
【００４０】
100エルステッド（8 kA/m）以上の一軸磁気異方性磁界あるいは保磁力を有する第一の磁区制御層及び第二の磁区制御層は、例えば以下の手法により実現することができる。（1）Co合金、FeCo合金にCr、Pt、Pd、Taなどの材料を適量添加する方法。（2）Co合金、FeCo合金を形成するスパッタリングの時に、斜入射薄膜形成を行う方法。あるいは逆磁気弾性効果による磁気異方性などを用いても良い。
【実施例２】
【００４１】
図９は、本発明の別構成例を示す図である。図は磁気媒体に対向する対向面から眺めた模式図である。弱反平行結合層18に隣接して、第一の磁区制御層19／第二の反平行結合層20／第二の磁区制御層21から構成される単磁区化強磁性層35を、第二の反平行結合層20を介してn回（nは2以上）積層した構成を有する。
【００４２】
一例として、本図では単磁区化強磁性層35を2回積層した場合を示している。本構成においても、図１及び図２で示した構成と同様に、第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の両者の磁化量が等しくなるように、膜厚と材料を選ぶ。例えば、第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21を構成する材料が同じ場合が最も容易な実施の形態であるが、この場合には両者の膜厚を等しくする。また、第二の反平行結合層20は第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の層間に磁気的な交換結合を生じさせて第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21が反強磁性的に結合した、すなわち反平行の磁化配列状態を実現する機能を発生させる。図１０に、磁化配列の模式図を示す。図１で示した構成と同様に本構成においても、軟磁性自由層17の磁化量をM1、第一の磁区制御層19の磁化量をM2、及び第二の磁区制御層21の磁化量をM3とすると、M2≒M3、すなわちM3−M2≒0とする。
【００４３】
このような構成により、図１及び図２で示した構成と全く同じ原理により、第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の磁化を、第二の反平行結合層20を介した反強磁性結合、及び第一の磁区制御層19と第二の磁区制御層21の端部に発生した磁荷による静磁気的な結合により、互いに反平行方向になるようにトラック幅方向に固定する。また、軟磁性自由層17と軟磁性自由層17に最も近い第一の磁区制御層19の磁化を、第一の反平行結合層18を介した反強磁性結合、及び軟磁性自由層17と軟磁性自由層17に最も近い第一の磁区制御層19の端部に発生した磁荷による静磁気的な結合により、感知すべき磁界がゼロのときに互いに反平行方向になるように結合することにより軟磁性自由層の安定な単磁区化が可能になるのである。
【実施例３】
【００４４】
図１１は、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体50上に、磁気抵抗効果積層膜10、下部磁気シールド41、上部磁気シールド42、下部磁気コア61、コイル63、上部磁極コア62を形成してなり、対向面81を形成してなる。本図では上部磁気シールドと下部磁気コアを備えた構造になっているが、上部磁気シールドと下部磁気コアとを兼用した構造としても本発明の主旨を損なうものではない。同様に本図では電極を兼用した上部磁気シールドと下部磁気シールドを通じて膜厚方向に電流を通じる構造となっているが、そのほかの通電方式、通電方向にしても本発明の主旨を損なうものではない。
【００４５】
図１２は、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドを垂直磁気記録装置に用いた場合の概念図である。スライダーを兼ねる基体50上に下部磁気シールド41、磁気抵抗効果積層膜10、上部磁気シールド42、副磁極66、コイル63、主磁極65を形成してなり、対向面81を形成してなる。本図では上部磁気シールドと副磁極を備えた構造になっているが、上部磁気シールドと副磁極とを兼用した構造としても本発明の主旨を損なうものではない。
【００４６】
図１３は、本発明で垂直磁気記録を用いた磁気記録再生装置の構成例である。磁気的に情報を記録する記録媒体95を保持するディスク91をスピンドルモーター93にて回転させ、アクチュエーター92によってヘッドスライダー90をディスク91のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においては、ヘッドスライダー90上に形成した再生ヘッド、及び記録ヘッドがこの機構に依ってディスク91上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。アクチュエーター92はロータリーアクチュエーターであることが望ましい。記録信号は信号処理系94を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系94を経て信号として得る。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、本再生ヘッドからの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエーターを制御して、ヘッドスライダーの位置決めを行うことができる。本図ではヘッドスライダー90、ディスク91を各１個示したが、これらは複数であっても構わない。またディスク91は両面に記録媒体95を有して情報を記録してもよい。情報の記録がディスク両面の場合ヘッドスライダー90はディスクの両面に配置する。
【００４７】
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、良好なバイアス特性を示し、また動作の信頼性も良好であった。
【００４８】
本発明の反強磁性結合した磁化量の等しい2層の強磁性層を利用した磁区制御構造は、CPP-GMRと呼ばれる垂直電流型巨大磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気ヘッドの他、トンネル磁気抵抗効果、及び従来用いられているCIP（面内電流型）-GMR巨大磁気抵抗効果の磁気センサ、磁気ヘッドにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の垂直通電方式の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２】本発明の面内通電方式の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図３】磁化配列の模式図。
【図４】従来技術及び本発明の磁気ヘッドの特性例を示す図。
【図５】従来技術及び本発明の磁気ヘッドの磁界応答出力曲線を示す図。
【図６】従来構造における軟磁性自由層の磁化状態を示す図。
【図７】本発明の磁気ヘッドの軟磁性自由層の磁化状態を示す図。
【図８】本発明の磁気ヘッドの特性例を示す図。
【図９】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの他の構成例を示す図。
【図１０】磁化配列の模式図。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの概念図。
【図１２】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの概念図。
【図１３】磁気記録再生装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１０  磁気抵抗効果積層膜
１１  下地膜
１２  反強磁性膜
１３  第一の強磁性固定層
１４  反平行結合膜
１５  第二の強磁性固定層
１６  非磁性中間層
１７  軟磁性自由層
１８  第一の反平行結合層
１９  第一の磁区制御層
２０  第二の反平行結合層
２１  第二の磁区制御層
２２  保護膜
３１  強磁性固定層
４１  下部磁気シールド
４２  上部磁気シールド
４３  下部電極
４４  上部電極
４５  電極 
５０  基体
６１  下部磁極コア
６２  上部磁極コア
６３  コイル
６５  主磁極
６６  副磁極
７１  下部絶縁層
７２  上部絶縁層
８１  記録媒体対向面
９０  ヘッドスライダー
９１  ディスク
９２  アクチュエーター
９３  スピンドルモーター
９４  信号処理回路
９５  磁気記録媒体
M1  軟磁性自由層の磁化
M2  第一の磁区制御層の磁化
M3  第二の磁区制御層の磁化
M4  強磁性固定層の磁化
【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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