(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果ヘッドの再生出力を低下させることなくマグノイズを低減し、磁気抵抗効果ヘッドのＳＮを向上させる。【解決手段】磁気抵抗効果ヘッドに積層フェリ自由層を用い、膜厚と飽和磁化が小さい方の自由層１のトラック幅方向の端部に結合磁界により印加される磁界が、バイアス層２１により印加される磁界よりも大きくなるようにする。【選択図】図１
2008186496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性固定層と、
強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
前記強磁性自由層のトラック幅方向の両側に設けられたバイアス層とを有し、
前記強磁性自由層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層よりも磁化と膜厚の積が大きな第２強磁性層とが、自由層反平行結合層を介して磁気的に反平行に結合した積層フェリ構造を有し、
前記強磁性自由層のそれぞれの方向に対する幅で規定される素子高さとトラック幅が、実質的に同程度の長さであって、
前記自由層反平行結合層を介する交換結合により前記第１強磁性層に印加される磁界が、前記第１強磁性層のトラック幅方向の端部に前記バイアス層から印加されるトラック幅方向のバイアス磁界よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】
強磁性固定層と、
強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
前記強磁性自由層のトラック幅方向の両側に設けられたバイアス層とを有し、
前記強磁性自由層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層よりも磁化と膜厚の積が大きな第２強磁性層とが、自由層反平行結合層を介して磁気的に反平行に結合した積層フェリ構造を有し、
素子高さとトラック幅の比（素子高さ/トラック幅）が０．７以上２以下であり、
前記自由層反平行結合層を介する交換結合により前記第１強磁性層に印加される磁界が、前記第１強磁性層のトラック幅方向の端部に前記バイアス層から印加されるトラック幅方向のバイアス磁界よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項３】
強磁性固定層と、
強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
前記強磁性自由層のトラック幅方向の両側に設けられたバイアス層とを有し、
前記強磁性自由層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層よりも磁化と膜厚の積が大きな第２強磁性層とが、自由層反平行結合層を介して磁気的に反平行に結合した積層フェリ構造を有し、
前記自由層反平行結合層を介する交換結合により前記第１強磁性層に印加される磁界が、前記第１強磁性層のトラック幅方向の端部に前記バイアス層から印加されるトラック幅方向のバイアス磁界と前記第１強磁性層の形状異方性磁界のトラック幅方向成分の和よりも大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項４】
強磁性固定層と、
強磁性自由層と、
前記強磁性固定層と強磁性自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
前記強磁性自由層のトラック幅方向の両側に設けられたバイアス層とを有し、
前記強磁性自由層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層よりも磁化と膜厚の積が大きな第２強磁性層とが、自由層反平行結合層を介して磁気的に反平行に結合した積層フェリ構造を有し、
前記自由層反平行結合層を介する交換結合により前記第１強磁性層に印加される磁界が、前記第１強磁性層のトラック幅方向の端部に前記バイアス層から印加されるトラック幅方向のバイアス磁界よりも大きく、
前記第２強磁性層と前記バイアス層の間に非磁性体が設けられていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記強磁性自由層に近接する前記バイアス層の端部の中心位置が、前記第１強磁性層よりも前記第２強磁性層に近いことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項６】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．７０ｎｍから０．８５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚をｔf（ｎｍ）、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）をｔrとするとき、ｔrは０．５以上１００以下であり、ｔrとｔfは以下の関係式を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
ｔf＜３．９×ｔr-0.38
【請求項７】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．７０ｎｍから０．８５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上１５以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．７０ｎｍから０．８５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上３．５以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．７０ｎｍから０．８５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上１．２以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．３５ｎｍから０．４５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚をｔf（ｎｍ）、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）をｔrとするとき、ｔrは０．５以上１００以下であり、ｔrとｔfは以下の関係式を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
ｔf＜８．６×ｔr-0.38
【請求項１１】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．３５ｎｍから０．４５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が３．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上６以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．３５ｎｍから０．４５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上２０以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１３】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、前記自由層反平行結合層は膜厚が０．３５ｎｍから０．４５ｎｍのＲｕからなり、前記第１強磁性層の膜厚が０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、前記バイアス層の膜厚と前記非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）が０．５以上１００以下であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１４】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、検出電流を薄膜の厚さ方向に印加するＣＰＰ構造であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１５】
請求項３記載の磁気ヘッドにおいて、検出電流を薄膜の厚さ方向に印加するＣＰＰ構造であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１６】
請求項４記載の磁気ヘッドにおいて、検出電流を薄膜の厚さ方向に印加するＣＰＰ構造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用いら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抵抗効果型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として用いる場合には、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。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第１の固定層、上記磁化が外部磁場によって回転する強磁性層を自由層と呼ぶことにする。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（ＴＭＲ）、及び垂直通電型ＧＭＲ（ＣＰＰ−ＧＭＲ）について共通である。
【０００３】
上記のようなさまざまな磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドのＳ／Ｎ比（信号／雑音比）を向上させることを目的として開発された構造である。磁気ヘッドのＳ／Ｎ比を向上させるためには、信号の増大とノイズの低減が必要である。磁気ヘッドのノイズとしては、バルクハウゼンノイズのような磁気的なノイズと、ジョンソンノイズやショットノイズ等の電気的なノイズが知られている。バルクハウゼンノイズは自由層磁化が磁区を持つことにより発生する。バルクハウゼンノイズは、磁気ヘッドの多層膜のトラック幅方向の両側にバイアス層を設けることにより抑制可能である。一方、電気的なノイズは主に抵抗に依存する。このため、磁気ヘッドのＳ／Ｎ比を向上させるために、磁区の発生などを抑制するための磁区制御、及び磁性膜の低抵抗化とＴＭＲ素子などの磁性膜の開発に代表される高出力化が進められてきた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−３０９３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年磁気ヘッドのノイズは、上記ノイズの他に自由層磁化が熱的に揺らぐことにより生じるノイズ（マグノイズ）があることが論じられている。マグノイズ（Ｎmag）は、理論的に次式から計算することができる（K. B. Klaassen, X. Xing and J. C. L. Peppen: IEEE Trans. Magn., 41. 2307 (2005)）。
【０００６】
【数１】
2008186496.tif 000003
【０００７】
ここでΔＲは磁気センサの最大抵抗変化量、Ｈstiffは磁気センサが受ける実効的なバイアス磁界、ＫBはBoltzman定数（＝１．３８×１０-23Ｊ／Ｋ）、Ｔは素子温度、αはGilbert damping定数、μ0は真空の透磁率、Ｍｓは自由層の飽和磁化、Ｖは自由層の体積、γ（＝２．７８×１０3ｍ／Ａｓ）はジャイロ磁気定数である。このマグノイズノイズの特徴は、再生出力に比例すること、及び、自由層体積の平方根に反比例することである。ハードディスク装置の記録密度を増加させるためには、磁気センサを微小化、つまり自由層体積を小さくしなければならない。つまり、記録密度の増加に伴い本質的にマグノイズが大きくなる。
【０００８】
マグノイズが信号／ヘッドアンプ雑音比（ＳＮ比）にどのような影響を与えるかを考えるために、ＳＮ比と出力（ＭＲ比）の関係について検討する。磁気ヘッドのノイズが従来知られているノイズだけであるとすると、ヘッド、アンプＳＮ比は出力と共に増加し続ける。これはノイズが出力に依存しないためである。このため、ヘッドアンプＳＮ比を向上させるためには、磁気ヘッドの高出力化が有効だと考えられてきた。しかし、本発明者は、マグノイズを考慮したヘッドアンプＳＮ比を新たに計算することにより、ＭＲ比が増加しても、ヘッドアンプＳＮ比はある値以上は向上しないことを新たに見出した。これは、将来磁気センサが微小化しマグノイズが増大すると、再生出力を向上させても、十分なヘッドアンプＳＮ比を確保できなくなることを示している。つまり、十分なヘッドアンプＳＮ比を得るためには、再生出力を低下させることなく、マグノイズを低減することが必要である。また、マグノイズを低減すると同時に、バルクハウゼンノイズなどのノイズを抑制することも必要である。ノイズとはマグノイズと、他の電気的、磁気的なノイズの二乗和平方根であるからである。すなわち、再生出力の低下を招くことなくマグノイズを低減する構造と、バルクハウゼンノイズ等を抑制する良好な磁区制御・バイアス構造の、すべてを同時に満たす必要があるのである。
【０００９】
本発明の目的は、磁気抵抗効果ヘッドの再生出力を低下させることなくマグノイズを低減し、磁気抵抗効果ヘッドのＳＮを向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
磁気抵抗効果ヘッドにおける磁気抵抗効果素子の微小化と、再生出力の増大に伴うマグノイズの増大によるヘッドアンプＳＮ比の低下を解決し、高記録密度化を実現するために、本発明では以下の手段を用いる。
【００１１】
磁気抵抗効果ヘッドとして、反強磁性層／強磁性固定層／非磁性中間層／強磁性自由層の積層構造を有するスピンバルブ型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しても、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。強磁性固定層は、第１の固定層と第２の固定層が反平行結合層を介してお互いの磁化が反平行になるように結合した、積層フェリ固定層を用いてもよい。このとき、その結合は感知すべき磁場に対して十分に大きいことが必要である。具体的な反平行結合磁界の大きさは数百から数千エルステッド程度である。その結果、第２の固定層の磁化は感知すべき磁場に対して固定している。強磁性自由層は感知すべき磁場に対応して磁化の方向を変化させる。感知すべき磁場に対応して方向を変化させる強磁性自由層の磁化と感知すべき磁場に対して固定している強磁性固定層あるいは第２の固定層の磁化の相対角度により出力が発生する。また、強磁性自由層を単磁区化するために、バイアス層を配置する。このバイアス層は、望ましくは感知すべき磁界に対して十分大きな保磁力を有する高保磁力膜を、強磁性自由層のトラック幅方向の端部に互いの端部が近接するように配置したものである。
【００１２】
このような磁気抵抗効果型ヘッドについて、本発明ではさらに、以下の構成を採用する。
強磁性自由層は、自由層反平行結合層を介して磁気的に反平行に結合した２層の強磁性層を有する、積層フェリ構造とする。２層の強磁性自由層の中で、磁化と膜厚の積が小さい方の強磁性自由層を第１強磁性層、磁化と膜厚の積が大きい方の強磁性自由層を第２強磁性層と称することとする。このとき、自由層反平行結合層を介した交換結合により第１強磁性層に印加させる磁界が、第１強磁性層のトラック幅方向の端部にバイアス層から印加される磁界よりも大きくなるようにする。第１強磁性層が形状異方性を有する場合には、自由層反平行結合層を介した交換結合により第１強磁性層に印加させる磁界が、第１強磁性層のトラック幅方向の端部にバイアス層から印加される磁界とトラック幅方向成分の形状異方性磁界の和よりも大きくなるようにする。
【００１３】
より具体的には、以下のような構成とする。
（１）強磁性自由層に近接するバイアス層の端部の中心を、第１強磁性層よりも第２強磁性層に近く設定する。
（２）自由層反平行結合層を膜厚が０．７０ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下のＲｕとし、第１強磁性層の膜厚をｔf（ｎｍ）、バイアス層の膜厚と、バイアス層と第１強磁性層の間に形成した非磁性体の厚さとの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）をｔrとするとき、ｔrは０．５以上１００以下であり、ｔrとｔfが以下の関係式を満たすようにする。
ｔf＜３．９×ｔr-0.38
（３）自由層反平行結合層を膜厚が０．３５ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下のＲｕとし、第１強磁性層の膜厚をｔf（ｎｍ）、バイアス層の膜厚と、バイアス層と第１強磁性層の間に形成した非磁性体の厚さの比（バイアス層の膜厚／非磁性体の厚さ）をｔrとするとき、ｔrは０．５以上１００以下であり、ｔrとｔfが以下の関係式を満たすようにする。
ｔf＜８．６×ｔr-0.38
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、再生出力を低下させることなく、かつ自由層磁区によるバルクハウゼンノイズの発生を抑制すると共にマグノイズを低減することができ、ヘッドＳＮ比を向上させて高記録密度を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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以下のように作製した。アルゴン１〜６mTorr（０．１〜０．８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、ＭｎＩｒ、又はＭｎＩｒＣｒ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（６．４ｋＡ／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、ＭｎＩｒ、あるいはＭｎＩｒＣｒ反強磁性膜の交換結合磁界を着磁処理し、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。
【００１６】
また、磁気ヘッドの構成を評価するため、熱による磁化の揺らぎを考慮した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、磁気ヘッドの出力とノイズについて比較検討した。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の磁気抵抗効果ヘッドの構成例を示す模式図である。この磁気抵抗効果ヘッドは以下の構成を有する。反強磁性膜５、第１強磁性固定層４、固定層反平行結合層１３、第２強磁性固定層３、非磁性中間層１２、第２強磁性層２、自由層反平行結合層１１、第１強磁性層１と保護膜６を連続して形成している。ここで、第２強磁性層２は、第１強磁性層１よりも膜厚と磁化の積が大きい。第１強磁性層１と第２強磁性層２は自由層反平行結合層１１を介して反強磁性的に結合させ、結合磁界により第１強磁性層１に印加される磁界が、第１強磁性層１のトラック幅方向の端部にバイアス層２１により印加される磁界よりも大きくなるように設定している。第１強磁性層１と第２強磁性層２と自由層反平行結合層１１は総じて、以後積層フェリ自由層と称する。
【００１８】
第１強磁性層１と第２強磁性層２はＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金の積層膜から形成しているが、ＣｏＦｅＢ合金やＣｏＭｎＧｅホイスラー合金、ＣｏＭｎＳｉホイスラー合金、ＣｏＣｒＡｌホイスラー合金、ＣｏＦｅＡｌ合金の単層膜、あるいはこれらを組み合わせた積層膜を用いてもよい。非磁性中間層１２には巨大磁気抵抗効果を発生させるためにＣｕを用いているが、ＡｕやＡｇ、あるいはこれらの合金を用いてもよい。又はトンネル磁気抵抗効果を発生させるためにアルミナ、チタン酸化物、ＭｇＯを用いてもよい。第２強磁性固定層３、第１強磁性固定層４にはＣｏＦｅ合金を用いているが、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＭｎＧｅホイスラー合金、ＣｏＭｎＳｉホイスラー合金、ＣｏＣｒＡｌホイスラー合金、ＣｏＦｅＡｌ合金の単層膜、あるいはこれらを組み合わせた積層膜を用いてもよい。第２強磁性固定層３と第１強磁性固定層４に同一材料を使用しても良いし、異なる材料を用いても良い。
【００１９】
固定層反平行結合層１３には、第２強磁性固定層の磁化Ｍ３と第１強磁性固定層磁化Ｍ４を反強磁性的に結合させるために、厚さを適切に選んだＲｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｐｔなどの材料を用いれば良い。反強磁性的な結合の大きさは１キロエルステッド、すなわち８０ｋＡ／ｍ以上の強い反強磁性的な結合が望ましい。固定層反平行結合層１３は、第１強磁性固定層４の磁化Ｍ４と第２強磁性固定層３の磁化Ｍ３を互いに反平行に配列させる交換結合を印加して、第２強磁性固定層３の磁化Ｍ３を感知すべき磁場に対して固定する効果がある。ここで第１強磁性固定層４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。
【００２０】
磁気抵抗効果膜のトラック幅方向の両側にはバイアス層２１が設けられている。バイアス層２１と第２強磁性層２との間には非磁性体２２を形成する。バイアス層２１は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金で形成される。これらの合金の結晶構造は、面心立方構造と稠密六方構造の混相となるのが一般的である。非磁性体２２は、磁気ヘッドが垂直通電型であれば絶縁材料で形成され、面内通電型であれば導電性材料を用いる。絶縁材料には、一般的なアルミナや酸化シリコンなどが用いられる。導電性材料としては、Ｃｒ，Ｃｕのような金属が用いられる。
【００２１】
第１強磁性層１と第２強磁性層２にはバイアス層２１からの磁界が印加されている。一方、第１強磁性層１と第２強磁性層２は自由層反平行結合層１１を介して反強磁性結合している。この反強磁性結合による磁界を結合磁界と呼ぶ。ここで、第２強磁性層２の方が第１強磁性層１よりも膜厚と磁化の積が大きいので、第２強磁性層の磁化Ｍ２はバイアス層２１の磁化方向と同方向を向く。本発明では、第１強磁性層１に結合磁界により印加される磁界を、第１強磁性層１のトラック幅方向の端部においてバイアス層２１から印加される磁界よりも大きくなるように設定することで、すべての第１強磁性層の磁化Ｍ１は、バイアス層２１から印加される磁界と反平行状態を保っている。よって、第１強磁性層の磁化Ｍ１はすべてほぼ同方向を向いているために、磁区の形成などで生じるバルクハウゼンなどのノイズは生じない。
【００２２】
また、磁気ヘッドの素子高さとトラック幅が大きく異なるときには、トラック幅方向に形状異方性磁界が生じる。このときには、第１強磁性層１に結合磁界により印加される磁界を、第１強磁性層１のトラック幅方向の端部においてバイアス層２１から印加される磁界とトラック幅方向の形状異方性磁界の和よりも大きくなるように設定することで、すべての第１強磁性層の磁化Ｍ１は、バイアス層２１から印加されるバイアス磁界と反平行状態を保つことが可能となり、バルクハウゼンノイズなどのノイズを生じない。
【００２３】
図２に、本発明構造におけるトラック幅と素子高さがほとんど等しいときの膜厚方向に垂直な面から見た、トラック幅方向と素子高さ方向の第１強磁性層の磁化Ｍ１の磁化状態の計算機によるシミュレーション結果を示す。第１強磁性層１の微視的な磁化状態は、全域にわたって均一に一方向に揃い、単磁区化されていることがわかる。これは、第２強磁性層２から自由層反平行結合層１１を介して第１強磁性層１に印加される結合磁界が、バイアス層２１から第１強磁性層１に印加されるバイアス磁界より、全域にわたって大きいことによるもので、本発明の構成のノイズ低減効果の特色である。
【００２４】
同様に、図３に従来の積層フェリ自由層構造の第１強磁性層における、膜厚方向に垂直な面から見たトラック幅方向と素子高さ方向の磁化状態を示す。従来構造では、第１強磁性層の磁化Ｍ１には、バイアス層２１から印加される磁界方向と大きな角度を持つものが多数存在する。この傾向は、トラック幅方向の端部において特に顕著である。これは、バイアス層２１から第１強磁性層１に印加される磁界は、トラック幅方向の端部において最も大きく、この磁界が結合磁界により第１強磁性層１に印加される磁界よりも大きいためである。このように、従来構造では、第１強磁性層の磁化Ｍ１は磁区を生じ、ノイズの原因となることがわかる。
【００２５】
図４は、第１強磁性層１の端部にバイアス層２１から印加される磁界（ＨHB）と再生出力（Output）及びノイズ（Noise）の関係を示す図である。ここで、結合磁界により第１強磁性層１に印加される磁界は約３５００エルステッド（２７７．８ｋＡ／ｍ）である。再生出力はバイアス層２１から印加される磁界が大きいほど減少する。一方、マグノイズは再生出力に比例するので、バイアス層２１から印加される磁界が大きいほど減少するはずである。しかし、バイアス層２１から印加される磁界が結合磁界により印加される磁界よりも大きくなると、ノイズは反対に増大する。これは、積層フェリ自由層の結合磁界が小さいときには、第１強磁性層の磁化Ｍ１がバイアス層２１からの磁界により傾けられ、第１強磁性層１に磁区が生じ、ノイズとなるためである。
【００２６】
図５に、第１強磁性層１の端部にバイアス層２１から印加される磁界とヘッドアンプＳＮの関係を示す。第１強磁性層１のトラック幅方向の端部にバイアス層２１から印加される磁界が結合磁界により印加される磁界よりも大きいときは、ヘッドアンプＳＮは磁区の発生によるノイズのために低下するが、第１強磁性層１のトラック幅方向の端部にバイアス層２１から印加される磁界が結合磁界により印加される磁界よりも小さくなるような構成を採用することにより、積層フェリ自由層特有のノイズを抑制することが可能であり、ヘッドアンプＳＮの低下を招かない。
【００２７】
図６に、本発明の積層フェリ自由層を設けた磁気ヘッドの構造と積層フェリでない磁気ヘッド構造のマグノイズと出力の関係を示す。ここで積層フェリでない磁気ヘッド構造とは、図７の模式図に示すように、積層フェリ自由層の代わりに単層の強磁性層３１を設けた構造である。今後、図７の構造を単層自由層構造と称す。図６の実験結果において、本発明構造と単層自由層構造の相違点は、自由層の構成だけである。図６から分かるように、本発明構造は単層自由層構造よりも同じ出力のときにマグノイズが小さいことを見出した。積層フェリ自由層を設けた磁気ヘッドの方が単層自由層を設けた磁気ヘッドよりもマグノイズが低減するのは、以下のような理由である。積層フェリ自由層の２層の強磁性自由層は自由層反平行結合層１１を介し磁気的に結合しており、実効的な自由層体積が単層自由層３１の体積よりも増加していると考えられる。マグノイズは式（１）から明らかなように、自由層体積の平方根に反比例するので、積層フェリ自由層を設けることにより、自由層体積が実効的に増加する効果が現れ、マグノイズが低減していると考えられるのである。また、この効果を得るためには、第１強磁性層１と第２強磁性層２の自由層反平行結合層１１を介した結合磁界が１キロエルステッド（８０ｋＡ／ｍ）以上であることが望ましい。第１強磁性層１と第２強磁性層２の結合磁界が十分に強くないと自由層の実効的な体積は増加しないためである。
【００２８】
図８に、本発明構造と単層自由層を用いた磁気ヘッドのヘッドアンプＳＮとＭＲ比の関係を示す。本発明構造も単層自由層構造も、ヘッドアンプＳＮはＭＲ比の増加により、飽和してしまう。このヘッドアンプＳＮの飽和は、マグノイズが出力に比例する性質を持つことから本質的に不可避である。さらに、マグノイズは自由層体積の平方根に反比例する性質を持つため、ハードディスクドライブの記録密度が増加し、再生ヘッドが微小化すると、ヘッドアンプＳＮの飽和値は減少する。そのため、今後ハードディスクドライブを高記録密度化するためには、ヘッドアンプＳＮの飽和値を向上させることが重要である。図８に示すように、本発明構造では単層自由層構造よりもヘッドアンプＳＮの飽和値が約２ｄＢ向上する。本発明構造は、自由層を積層フェリ構造とし、積層フェリ自由層特有の第１強磁性層１が磁区を発生することによるノイズを抑制することでヘッドアンプＳＮの向上を実現することができる。
【００２９】
以下に、本発明の磁気抵抗効果ヘッドの積層フェリ強磁性自由層の結合磁界を第１強磁性層の端部におけるバイアス磁界よりも大きくするための、具体的な構造例について述べる。
【００３０】
第１強磁性層１にバイアス層２１から印加される磁界を制御する方法としては、バイアス層２１の材料を選択することにより飽和磁化を制御することや、バイアス層２１の膜厚を制御することが一般的である。しかし、バイアス層２１の飽和磁化は、材料に依存するため、自由に飽和磁化を変化させることは非常に難しい。また、バイアス層２１の膜厚を制御することも、近年の磁気ヘッドに要求される狭いトラック幅と狭い磁気ギャップを実現する必要があり、磁気ヘッド製造プロセスの観点から制限があるのに加え、バイアス層２１の磁気特性を適正に保つ必要性からも極端に薄く、あるいは厚く形成することはできなかった。しかし、本発明構造では、積層フェリ自由層とバイアス層２１の間に非磁性体２２を設け、非磁性体２２の膜厚を制御することにより、従来よりも高い自由度で、バイアス層２１から第１強磁性層１に印加される磁界を制御することが可能になった。さらに、垂直通電型磁気ヘッドにおいては、積層膜とバイアス膜２１の短絡を防止する必要があるために、非磁体２２には絶縁材料を用いることが必要である。非磁性体は、電気的短絡を防止するために０．５ｎｍ以上の膜厚を確保することが好ましい。
【００３１】
磁気抵抗効果ヘッドの結合磁界により第１強磁性層１に印加される磁界（Ｈcoupl）を第１強磁性層１の端部におけるバイアス磁界（ＨHB）とトラック幅方向の形状異方性磁界（Ｈshape）の和よりも大きくするためには、次式（ａ）を満たす必要がある。
Ｈcoupl＞ＨHB＋Ｈshape                  （ａ）
【００３２】
ここで、第１強磁性層１の膜厚をｔf（ｎｍ）、飽和磁化をＭ（Gauss）、第１強磁性層１と第２強磁性層２の交換結合エネルギーをＪ（ｅｒｇ／ｃｍ2）、バイアス層２１の磁化をＢr（Ｏｅ）、バイアス層２１の膜厚と非磁性体２２の厚さ（バイアス層２１と第１強磁性層１間のトラック幅方向の距離）の比をｔr（＝バイアス層２１の膜厚／非磁性体の厚さ）、積層フェリ自由層のトッラク幅をTw、素子高さをSHとするとき、
【００３３】
【数２】
2008186496.tif 000004
の関係を満たす。ここで式（ｃ）は、有限要素法を用いた磁気ヘッドの磁界計算により算出したバイアス磁界を用いて導き出した近似式、式（ｄ）は電磁気学的に磁気ヘッドの磁界を計算し導き出した近似式である。有限要素法によるバイアス磁界計算の一例を図９に示す。図９はバイアス層による磁気ヘッドのトラック幅と素子高さ方向の磁界分布を示している。計算に用いた磁気ヘッドは、トラック幅が６０ｎｍ、第１強磁性層１の飽和磁化が１００００ガウスであり、非磁性体２２の厚さが５ｎｍである。近似式（ｃ）は有限要素法による詳細な計算結果をよく再現していることがわかる。図１０は、トラック幅が６０ｎｍ、第１強磁性層１の飽和磁化が１００００ガウスの磁気ヘッドに対して、有限要素法と式（ｃ）を用いて計算した第１強磁性層１の端部にバイアス層２１から印加される磁界と、バイアス層２１と第１強磁性層１間の非磁性体の厚さの比の関係を示す図である。
【００３４】
ここでより具体的な構成、すなわち、それぞれの膜の厚さなどを具体的に記述するため、式（ｂ）（ｃ）（ｄ）に、本発明の構造として代表的な構造特性を代入する。第１強磁性層１の飽和磁化は９０００〜１１０００ガウス（０．９〜１．１テスラ）、バイアス層２１の飽和磁化は１００００〜１２０００ガウス（１．０〜１．２テスラ）である。これらの数値は、本発明の構成の代表的な磁気ヘッド材料として、強磁性自由層１にＮｉＦｅ合金を、バイアス層２１にＣｏＣｒＰｔ合金薄膜を用いた値である。自由層反平行結合層１１としては、磁気ヘッドで一般的に用いられる物質としてＲｕを用いる。自由層反平行結合層１１の交換結合エネルギーは、図１１に示すようにＲｕの膜厚t_Ruに強く依存する。式（ａ）を満たすためには、自由層反平行結合エネルギーは大きい方が良い。同時に、厚さ数ｎｍの構造で反平行結合エネルギーが変化する構成で安定な製造を行うには、厚さに対してピークをもつような、厚さ依存性の弱い部分を使うことが有効である。そこで、選択肢の一つは自由層反平行結合エネルギーの第２のピークの領域である自由層反平行結合層１１の膜厚が０．７０ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下の領域を用いる。図１１より、このとき自由層反平行結合層の交換結合エネルギーはおよそ０．５５ｅｒｇ／ｃｍ2である。図１１に示したこの第２のピーク（Ｒｕの膜厚が０．７０ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下のピーク）は、Ｒｕの膜厚が０．３５ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下の第１のピークよりも、自由層反平行結合エネルギーのＲｕの膜厚の変化に対する変化が緩やかであり、比較的高い反平行結合エネルギーを比較的容易に実現しやすい特徴を有する。以下に説明する図１３〜１６の例は、Ｒｕの厚さとして０．７０ｎｍ以上０．８５ｎｍを用いた場合の構成例である。
【００３５】
バイアス磁界（ＨHB）と、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔr（バイアス層２１の膜厚／非磁性体の厚さ）の関係を、図１２に示す。同様に、図１３に、反平行結合エネルギー（０．５５ｅｒｇ／ｃｍ2）により第１強磁性層１に印加される磁界Ｈcouplと第１強磁性層の膜厚ｔfの関係を示す。
【００３６】
上記、図１２と図１３から、式（ａ）を満たすためのバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrと第１強磁性層の膜厚ｔfの条件は、式（ｅ）で表すことができる。
ｔf＜３．９×ｔr-0.38                  （ｅ）
【００３７】
式（ｅ）は式（ａ）に式（ｂ）と式（ｃ）を代入し、第１強磁性層１の飽和磁化Ｍに１００００ガウスを，バイアス層２１の飽和磁化Ｂrに１１０００ガウス自由層反平行結合層の交換結合エネルギーJに０．５５ｅｒｇ／ｃｍ2を代入することで導出できる。図１４に、式（ｄ）で表される第１強磁性層１の膜厚が４ｎｍ、トラック幅８０ｎｍのときのトラック幅方向の形状異方性磁界（Ｈshape）と、素子高さとトラック幅（素子高さ/トラック幅）の比の関係を示す。本実施例では、磁気ヘッドの素子高さ（SH）とトラック幅（Tw）の比（素子高さ/トラック幅）は０．７以上２以下とする。このとき、式（ａ）の形状異方性磁界は最大でもバイアス磁界の１／１０程度となり、無視することができる。素子高さ（SH）とトラック幅（Tw）の比（素子高さ/トラック幅）の条件は、バイアス磁界は図１２に示されるようにおよそ２０００Ｏｅ以上であるので、図１４に示すように磁気ヘッドの素子高さ（SH）とトラック幅（Tw）の比（素子高さ/トラック幅）を０．７以上２以下とすることで形状異方性磁界が−２００Ｏｅ以上２００Ｏｅ以下になるようにすることができる。
【００３８】
さらに詳細に各要素の具体的な厚さについて記述する。バイアス層２１の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設計する必要がある。これは、第２強磁性層２を単磁区化するために、バイアス層２１の膜厚は、第２強磁性層２の膜厚の１．５〜２．０倍よりも大きい必要があることが静磁気的に要求されるからである。積層フェリ自由層の第２強磁性層は最大で５．０〜７．０ｎｍであるのが一般的であるので、バイアス層２１の膜厚は１０ｎｍ以上に設計することが望ましい。また、バイアス層の膜厚が５０ｎｍより大きいときは、バイアス層２１の保磁力が低下し、かつ、残留磁化が低下するので、バイアス層２１の厚さは５０ｎｍ以下が望ましい。加えて、バイアス層２１を磁気抵抗効果膜の両脇に配置して残部を除去するリフトオフ工程において、余剰部の剥離が困難になることもバイアス層２１の上限の厚さを５０ｎｍとする理由の一つである。また、非磁性体２２の第１強磁性層１付近の厚さは０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下にすることが必要である。なぜなら、非磁性体２２の厚さが０．５ｎｍ未満となると、実質的単原子層程度の厚さになってしまい、非磁性体２２の機能であるところのバイアス層２１と第１強磁性層１の磁気的な分離が機能しなくなる。一方、非磁性体２２の厚さが極端に厚いと、バイアス層２１の発生するバイアス磁界が第２強磁性層２を単磁区化するという機能を果たせなくなる。したがって非磁性体２２の厚さは実質的に２０ｎｍ以下が望ましいのである。よって、バイアス層２１の膜厚と非磁性体２２の厚さの比ｔrは０．５以上１００以下が望ましい。また、第１強磁性層の厚さは、０．５ｎｍ以下になると実質的に単原子層かそれに匹敵する薄となり、磁気薄膜としての機能が十全に発揮されにくいため、下限がある。式（ｅ）を満たすための第１強磁性層の膜厚ｔfとバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの条件は、したがって、図１５に示すとおりとなる。
【００３９】
上述の関係を満たす磁気ヘッドの具体的な構成を示す。第１強磁性層の膜厚ｔfは、磁気ヘッドのシールド間距離の狭小化の要求とマグノイズ低減の観点から０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下にすることが好ましい。しかし、図１５から第１強磁性層の膜厚ｔfの最小値は３．５ｎｍである。よって、本構成例は、第１強磁性層の膜厚ｔfは０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。この第１強磁性層の膜厚ｔfに対応する図１５に記載のバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの範囲をできるだけ正確かつ具体的な構成の数値で示したい。しかし、図１５に示す本構成の条件の範囲は指数関数であるため、単純に厚さなどの正確な数値で規定することは難しい。そこで、本構成の条件の範囲を以下に示すように３つの範囲に分割する。これにより分割の閾値は本構成の条件をできるだけ広く得られるように設定した。
【００４０】
（１）第１強磁性層の膜厚ｔfが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上１５以下である構成。
（２）第１強磁性層の膜厚ｔfが１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上３．５以下である構成。
（３）第１強磁性層の膜厚ｔfが２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上１．２以下である構成。
【００４１】
上記構成例（１）の場合、式（ａ）を満たすためのバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの典型的条件を図１６に示す。構成例としては、第１強磁性層の材料がＮｉＦｅ合金であり、膜厚が１．０ｎｍであり、第２強磁性層の材料がＮｉＦｅとＣｏＦｅ合金であり、膜厚が３．０ｎｍの場合である。この構成によって、式（ａ）を満たすことが可能であり、積層フェリ自由層特有の、第１強磁性層が磁区を持つことによるノイズが発生しない。第１強磁性層の厚さを１．５ｎｍ以下と極薄く形成し、非磁性体の厚さを薄く形成することで、ハードバイアス層の膜厚の許容範囲を大きくとることができる。反面、非磁性体の厚さを極薄く、かつ正確に形成する必要がある。以上のように本実施例によれば、磁区制御を良好に保ちつつ積層フェリ自由層の体積増大効果を得ることが出来、狭小なセンササイズを用いた高記録密度ハードディスク装置においてもＳ／Ｎの高い再生ヘッドを実現することができる。
【００４２】
上記構成例（２）の場合、典型的には、第１強磁性層の膜厚を１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とし、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrを０．５〜３．５の範囲とする。この構成の範囲を図１７に示す。構成例としては、第１強磁性層の材料がＮｉＦｅ合金であり、膜厚が２．０ｎｍであり、第２強磁性層の材料がＮｉＦｅとＣｏＦｅ合金であり、膜厚が４．０ｎｍの場合である。
【００４３】
上記構成例（３）の場合、典型的には、第１強磁性層の厚さを２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下とし、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrを０．５から１．２の範囲で構成すると、良好な磁区制御効果とマグノイズ低減効果が得られる。この構成の範囲を図１８に示す。このとき、第１強磁性層の厚さは３．５ｎｍ以下とするとよい。これを超えない範囲内で、第１、第２強磁性層の代表的な膜構成の例を挙げると、第１強磁性層の膜厚が３．０ｎｍのＮｉＦｅ合金で、第２強磁性層が膜厚５．０ｎｍのＮｉＦｅとＣｏＦｅ合金の場合である。
【実施例２】
【００４４】
本発明の第２の構成例を以下に示す。本構成例では、自由層反平行結合層１１の膜厚を０．３５ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下とする。これは、図１９に示したように自由層反平行結合層１１の膜厚が第１ピークの構成に該当する。このとき交換結合エネルギーが１．２（ｅｒｇ／ｃｍ2）と大きく得られ、これにより自由層反平行結合層１１の膜厚を実施例１よりもより広い膜厚構成で良好な磁区制御とマグノイズ低減を実現できる。以下に示す図２０〜２３は、自由層反平行結合層１１の厚さを０．３５ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下とした構成例である。
【００４５】
図１９に、交換結合エネルギーと自由層反平行結合層１１の膜厚t_Ruの関係を示す。図１９より、自由層反平行結合層１１の厚さを０．３５ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下とすることにより、自由層反平行結合層の交換結合エネルギーは１．１〜１．３ｅｒｇ／ｃｍ2となり、自由層反平行結合層１１の厚さが０．７０ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下のときよりも飛躍的に増大する。すなわち、本構成により、結合磁界により第１強磁性層１に印加される磁界（Ｈcoupl）を実施例１の構成よりも増大することが可能である。
【００４６】
上記のパラメータにより、式（ａ）を満たすためのバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrと第１強磁性層の膜厚ｔfの条件は式（ｆ）で表すことができる。
ｔf＜８．６×ｔr-0.38              （ｆ）
【００４７】
式（ｆ）は式(ａ)に式（ｂ）と式（ｃ）を代入し、第１強磁性層１の飽和磁化Mに１００００ガウスを、バイアス層２１の飽和磁化Ｂrに１１０００ガウス自由層反平行結合層の交換結合エネルギーJに１．２ｅｒｇ／ｃｍ2を代入することで導出できる。式（ｆ）より、第１強磁性層１の膜厚を実施例１よりも大きくすることが可能であり、よりマグノイズを低減することが可能となる。ここで、実施例１と同様の理由により、第１強磁性層の膜厚ｔfは、０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下が好ましい。同様に、バイアス層２１の膜厚と非磁性体２２の厚さの比ｔrは０．５以上１００以下である必要がある。よって、式（ｆ）を満たすための第１強磁性層の膜厚ｔfと、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの条件は、図２０に示すとおりとなる。実施例１の場合と同様に、第１強磁性層の膜厚ｔfとバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの範囲をできるだけ正確な数値の規定で示すために、本構成の条件の範囲を以下に示すように３つの範囲に分割する。分割の閾値は本構成の条件をできるだけ広く得られるように設定した。
【００４８】
（１）第１強磁性層の膜厚ｔfが３．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上６.以下である構成。
（２）第１強磁性層の膜厚ｔfが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上２０以下である構成。
（３）第１強磁性層の膜厚ｔfが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrが０．５以上１００以下である構成。
【００４９】
図２１に、第１強磁性層の膜厚が３．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下において、式（ｆ）を満たすためのバイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの条件を示す。図示するように、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrを０．５以上６以下、第１強磁性層の膜厚を０．５ｎｍ以上、４．０ｎｍ以下とすることで良好な磁区制御と、マグノイズの低減効果を得ることができる。本構成例は、積層フェリ自由層の第１強磁性層１を膜厚３．５ｎｍのＮｉＦｅとした場合、第２強磁性層２の材料をＮｉＦｅとＣｏＦｅの合金とし、膜厚５．５ｎｍとすることで実現できる。
【００５０】
図２２は、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比を０．５以上２０以下、第１強磁性層の厚さを１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることで、良好な磁区制御とマグノイズ低減効果を両立する例を示す図である。本構成例を満たす具体的な材料と厚さの例を挙げると、第１強磁性層１が膜厚２．５ｎｍのＮｉＦｅ、第２強磁性層２が膜厚４．５ｎｍのＮｉＦｅとＣｏＦｅの合金の場合である。
【００５１】
また、図２３に示すように、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比を０．５以上１００以下とし、第１強磁性層の厚さを０．５ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下とすることで、良好な磁区制御とマグノイズ低減効果を実現することができる。図２３の範囲を満たす具体的な膜構成の例は、第１強磁性層１が膜厚１．０ｎｍのＮｉＦｅ、第２強磁性層２が膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅとＣｏＦｅの合金の場合である。
【００５２】
本発明の第３の構成例を図２４、図２５、図２６に示す。この構成例では、バイアス層２１の膜厚方向の中心が第１強磁性層１の膜厚方向の中心よりも第２強磁性層２の中心に近い位置に配置されている。ここで、バイアス層２１の膜厚方向の中心は、第２強磁性層２に最も近接する面を２等分する位置と定義する。本構成によると、第１強磁性層１のトラック幅の端部にバイアス層２１から印加される磁界が小さく、第２強磁性層２にバイアス層２１から印加される磁界が大きくなる。バイアス層２１から印加される磁界は、バイアス層２１からの距離に大きく依存することから、バイアス層２１を第１強磁性層より第２強磁性層に近い非対称な位置に配置することで、より安定した磁区制御構造を実現できる。
【００５３】
図２４に浮上面形状を示した磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、基板上に積層されたＭＲ素子のトラック幅方向の幅が上方にいくほど狭くなっている例である。図２５に浮上面形状を示した磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、基板上に積層されたＭＲ素子のトラック幅方向の幅が膜厚方向でほぼ一定になっている例である。また、図２６に浮上面形状を示した磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、基板に近い箇所ではＭＲ素子のトラック幅方向の幅が上方にいくほど狭い台形状をなし、その上方では素子のトラック幅方向の幅が膜厚方向でほぼ一定になっている例である。
【００５４】
いずれの例においても、第１強磁性層１の膜厚方向の中心は中心線１で示した位置にあり、第２強磁性層２の膜厚方向の中心は中心線２で示した位置にある。また、バイアス層２１の膜厚方向の中心は、中心線２１で示した位置にある。図示するように、バイアス層２１の膜厚方向の中心は第２強磁性層２の膜厚方向の中心の近くに位置し、バイアス層２１からの磁界は、第１強磁性層１より第２強磁性層２に対してより強く印加される構造になっている。図２６に記載の構成例におけるバイアス磁界の計算例を図２７に示す。図２７からわかるように、トラック幅の端部におけるバイアス磁界はバイアス層２１の膜厚方向の中心が第１強磁性層１の膜厚方向の中心よりも第２強磁性層２の中心に近い位置に配置されている構造の方が、バイアス層２１の膜厚方向の中心と第１強磁性層１の膜厚方向の中心が一致している構造よりも小さい。
【００５５】
前述したように、第１強磁性層１の磁化Ｍ１がバイアス層２１から印加される磁界により傾くことによるノイズの発生を抑制するためには、第１強磁性層に印加されるバイアス磁界を第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性結合により第１強磁性層に印加される磁界よりも小さくする必要がある。しかし、バイアス磁界をある値よりも小さくすると、第２強磁性層の磁区が制御できずに、再生波形の非線形化等が問題になる。しかし、実施例３によると、積層フェリ自由層特有の第１強磁性層のノイズの抑制と、第２強磁性層の最適な磁区制御の両方をより確実に実現できる。
【実施例３】
【００５６】
本構成例は実施例１の構成例において形状異方性磁界（Ｈshape）がハードバイアス磁界に対して無視できない構成例である。本構成例では以下に示す式（f）を満たす必要がある。
【００５７】
【数３】
2008186496.tif 000005
【００５８】
式（ｇ）は式（ａ）に式（ｂ）と式（ｃ）を代入し、第１強磁性層１の飽和磁化Mに１００００ガウスを、バイアス層２１の飽和磁化Ｂrに１１０００ガウス自由層反平行結合層の交換結合エネルギーJに０．５５ｅｒｇ／ｃｍ2を代入することで導出できる。本発明の構成例を図２８に示す。本構成例の積層フェリ自由層のトラック幅は８０ｎｍであり素子高さは３０ｎｍである。形状異方性磁界（Hshape）は図１４より７００Ｏｅである。本構成例は形状異方性磁界の効果により、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比（ｔr）と第１強磁性層の膜厚ｔfを実施例１よりも大きく設定することができる。例えば第１強磁性層の膜厚が１．５ｎｍから２．５ｎｍのときには、バイアス層２１の膜厚と非磁性体の厚さの比（ｔr）は０．５以上７以下にすることが可能である。
【実施例４】
【００５９】
図２９は、本発明の磁気抵抗効果膜を搭載した垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドの概念図であり、磁気媒体に対向する対向面から眺めた図である。スライダーを兼ねる基体５０上に第２の導電性電極５１を形成し、その上に下部磁気シールド４１を形成し、その上に下地層７１、磁気抵抗効果膜３０、保護膜７５が順次形成されており、さらに上部シールド下地層７２、上部シールド４２を形成して再生ギャップ３５を形成している。上部シールド４２の上に第１の導電性電極５２を形成している。磁気抵抗効果膜３０の動作を安定化させるために磁気抵抗効果膜３０の両脇に硬磁性体を用いた一対のバイアス層４５を形成している。下地層７１は磁気抵抗効果膜３０の結晶性、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。保護膜７５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。上部シールド下地層７２は上部シールド４２の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。本図では第２の導電性電極と下部磁気シールドを備えた構造になっているが、第２の導電性電極５１と下部磁気シールド４１を兼用とした構造としてもよい。同様に第１の導電性電極５２は上部磁気シールド４２で兼用することが可能である。
【００６０】
図３０は、本発明の磁気抵抗効果膜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３０、上部磁気シールド４２、副磁極６４、コイル６３、主磁極６１、主磁極を囲む磁気シールドであるラップアラウンドシールド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よい。また、ラップアラウンドシールド６２を有さない構造としても本発明の主旨を損なうものではない。
【００６１】
図３１は、垂直磁気記録を用いた磁気記録再生装置の構成例を示す概略図である。磁気的に情報を記録する磁気記録層９５を有するディスク９１をスピンドルモータ９３にて回転させ、アクチュエータ９２によってヘッドスライダ９０をディスク９１のトラック上に誘導する。ヘッドスライダ９０上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドは、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。アクチュエータ９２はロータリアクチュエータ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、アクチュエータを制御して、ヘッドスライダ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は両面に磁気記録層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９０はディスクの両面に配置される。
【００６２】
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、マグノイズを低減することが可能となりヘッドアンプＳＮが向上した。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の構造は、ＧＭＲと呼ばれる巨大磁気抵抗効果を用いた面内電流型、あるいは垂直電流型の磁気センサ、磁気ヘッド、及びトンネル磁気抵抗効果の磁気センサ、磁気ヘッドに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２】本発明の第１強磁性層の磁化状態を示す図。
【図３】従来技術の第１強磁性層の磁化状態を示す図。
【図４】再生出力及びノイズと、第１強磁性層の端部に結合磁界により印加される磁界とバイアス層から印加される磁界の大きさの関係を示す図。
【図５】ヘッドＳＮと、第１強磁性層の端部に結合磁界により印加される磁界とバイアス層２１から印加される磁界の大きさの関係を示す図。
【図６】積層フェリ自由層を用いた磁気ヘッド及び単層自由層を用いた磁気ヘッドの、マグノイズと再生出力の関係を示す図。
【図７】単層自由層を用いた磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図８】本発明構造と従来構造のヘッドアンプＳＮとＭＲ比の関係を示す図。
【図９】有限要素法によるバイアス磁界の計算例を示す図。
【図１０】第１強磁性層の端部にバイアス層から印加される磁界と、バイアス層と非磁性体の厚さの比の関係を示す図。
【図１１】交換結合エネルギーと自由層反平行結合層の膜厚の関係を示す図。
【図１２】第１強磁性層の端部にバイアス層から印加される磁界と、バイアス層と非磁性体の厚さの比の関係を示す図。
【図１３】交換結合エネルギーと自由層反平行結合層の膜厚の関係を示す図。
【図１４】トラック幅方向の形状異方性磁界と、トラック幅と素子高さの比の関係を示す図。
【図１５】第１強磁性層の膜厚ｔfと、バイアス層の膜厚と非磁性体の厚さの比ｔrの条件を示す図。
【図１６】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図１７】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図１８】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図１９】交換結合エネルギーと自由層反平行結合層の膜厚の関係を示す図。
【図２０】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図２１】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図２２】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図２３】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図２４】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの別の構成例を示す図。
【図２５】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの別の構成例を示す図。
【図２６】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの別の構成例を示す図。
【図２７】有限要素法によるバイアス磁界の計算例を示す図。
【図２８】ｔfとｔrの条件を示す図。
【図２９】本発明の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図３０】垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図３１】磁気記録再生装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００６５】
１    第１強磁性層
２    第２強磁性層
３    第２強磁性固定層
４    第１強磁性固定層
５    反強磁性膜
６    保護膜
１１  自由層反平行結合層
１２  非磁性中間層
１３  固定層反平行結合層
２１  バイアス層
２２  非磁性体
Ｍ１  第１強磁性層の磁化
Ｍ２  第２強磁性層の磁化
Ｍ３  第２強磁性固定層の磁化
Ｍ４  第１強磁性固定層の磁化
Ｍ４  バイアス膜の磁化
３０  磁気抵抗効果膜
３５  再生ギャップ
４１  下部磁気シールド
４２  上部磁気シールド
４５  バイアス層
５０  基体
５１  第２の導電性電極
５２  第１の導電性電極
６１  主磁極
６２  ラップアラウンドシールド
６３  コイル
６４  副磁極
７１  下地層
７２  上部磁気シールド下地層
７５  保護膜
８１  対向面
９０  ヘッドスライダ
９１  ディスク
９２  アクチュエータ
９３  スピンドルモータ
９４  信号処理回路
９５  磁気記録層
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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