(57)【要約】【課題】ピン層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子を備え、電流の密度が高くてもノイズを充分に抑制できる磁気ヘッドを提供する。【解決手段】磁気ヘッド１０は、第１のピン層１４と、絶縁体を含む第１のスペーサ層１６と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層１８と、導電性の第２のスペーサ層２０と、第２のピン層２２と、を有してなり、これらの層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に第１のピン層１４の磁化方向Ｄｍ１が実質的に固定され、第１のピン層１４の磁化方向と反対の方向に第２のピン層２２の磁化方向Ｄｍ２が固定された磁気抵抗効果素子１２を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のピン層と、
絶縁体を含む第１のスペーサ層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、
導電性の第２のスペーサ層と、
第２のピン層と、を有してなり、これらの層がこの順で積層され、
積層方向に対して垂直な一方向に前記第１のピン層の磁化方向が実質的に固定され、
該第１のピン層の磁化方向と反対の方向に前記第２のピン層の磁化方向が固定された磁気抵抗効果素子
を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２のスペーサ層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＣｒから選択される少なくとも一の元素を含むことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第２のピン層は、厚さｔＰ２（ｎｍ）が、
１≦ｔＰ２≦４
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、例えばハードディスクの再生等に用いられる磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクは磁気記録密度が急速に増大し、この進歩に追従するため、サイズの小さい高感度な磁気ヘッドに対するニーズが高まっている。最近の磁気ヘッドはＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を採用している。ＴＭＲ素子は通常、磁化方向が実質的に固定されたピン層と、絶縁性のスペーサ層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、を備えている（例えば、特許文献１、２参照）。ＴＭＲ素子は、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向と平行である場合に、積層方向に通電されるセンス電流の抵抗値が最小となり、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向と反平行である場合には、センス電流の抵抗値が最大となる。再生ヘッドの感度は抵抗値の最大値と最小値との差に比例する。
【０００３】
ところで、センス電流の電子のうち、スピン方向がピン層のスピン方向と同じ電子はピン層を通過する。一方、スピン方向が反対の電子はピン層で散乱される。言い換えれば、スピンバルブの場合、ピン層は電子の分極源として作用する。このように同じスピン方向の電子がフリー層を通過すると、センス電流の密度、フリー層の磁化の大きさ、フリー層の厚さ等の条件によってはフリー層の磁化が不安定になり、フリー層の磁化方向が変化することがある。
【０００４】
この現象はスピントランスファー効果として知られている。スピントランスファーが、強磁性層の磁化方向を変化させたり、スピンウェイブを生じさせることは予測され、実験的にも観察されている（例えば、非特許文献１参照）。フリー層の磁化方向が外部磁界により変化する際、このようなスピントランスファー効果によるフリー層の励振に起因するノイズが生ずることがある。サイズが比較的大きく、電流の密度が１０７Ａ／ｃｍ２よりも小さい磁気抵抗ヘッドでは、このようなノイズは、通常は無視しうるレベルである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４５４９７号公報
【特許文献２】特開２００２−５７３８０号公報
【非特許文献１】S.I. Kiselev et al., “Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized currency”, Nature, (2003) Vol. 425, p.380-383
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなるにつれてノイズが大きくなると共にノイズの収束時間も長くなり、ノイズが許容できないレベルに達することがある。これは磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなるにつれてセンス電流の密度が大きくなり、スピントランスファー効果が増大するためである。
【０００７】
ハードディスクは記録密度の向上に加え、記録されたデータを高い周波数（短い周期）で再生させたいというニーズがある。この場合、例えば外部磁場が印加された場合にフリー層（センシング層）の磁化が短時間で収束する必要がある。
【０００８】
例えば、ハードディスクでは、記録／再生時の最高周波数を１〜５ＧＨｚ程度まで高めることが想定されており、この場合ノイズを１ＧＨｚに相当する６ｎｓ（２π／１ＧＨｚ＝６．２８ｎｓ）よりも短い時間で収束させる必要があるが、磁気抵抗効果素子の磁化の大きさと時間との関係をマイクロマグネティックシミュレーションで計算したところ、図５に示されるようにフリー層の面積Ａが８０００ｎｍ２（例えば、１００ｎｍ×８０ｎｍ）の場合にノイズの収束時間が約１０ｎｓになり、これよりも面積Ａが小さいとノイズの収束時間が１０ｎｓを超えることがわかった。面積Ａが５０００ｎｍ２よりも小さい場合には、ノイズの収束に数十ｎｓの時間を要すると推測される。
【０００９】
本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、ピン層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子を備え、電流の密度が高くてもノイズを充分に抑制できる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】
【００１０】
本発明は、第１のピン層と、絶縁体を含む第１のスペーサ層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、導電性の第２のスペーサ層と、第２のピン層と、を有してなり、これらの層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に第１のピン層の磁化方向が実質的に固定され、第１のピン層の磁化方向と反対の方向に第２のピン層の磁化方向が固定された磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドにより上記目的を達成する。
【００１１】
このような構成の磁気抵抗効果素子を備えることで磁気ヘッドのノイズが抑制される原理は必ずしも明らかではないが、概ね以下のように推察される。
【００１２】
センス電流の電子が第１のピン層を通過することで電子のスピン方向が例えばアップに揃えられた場合、スピン方向がアップに揃えられた電子はフリー層を通過する。一方、スピンの向きが反対のダウンの電子は磁化方向が第１のピン層の磁化方向と反対の方向に固定された第２のピン層からフリー層に向かう。
【００１３】
このように、スピン方向がアップの電子が一方側からフリー層に供給されダウンの電子が他方側からフリー層に供給されることにより、フリー層におけるスピントランスファー効果が減殺され、フリー層の磁化方向の振動によるノイズが抑制されると考えられる。
【００１４】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１５】
（１）第１のピン層と、絶縁体を含む第１のスペーサ層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、導電性の第２のスペーサ層と、第２のピン層と、を有してなり、これらの層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に前記第１のピン層の磁化方向が実質的に固定され、該第１のピン層の磁化方向と反対の方向に前記第２のピン層の磁化方向が固定された磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【００１６】
（２）  （１）において、前記第２のスペーサ層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＣｒから選択される少なくとも一の元素を含むことを特徴とする磁気ヘッド。
【００１７】
（３）  （１）又は（２）において、前記第２のピン層は、厚さｔＰ２（ｎｍ）が、
１≦ｔＰ２≦４
であることを特徴とする磁気ヘッド。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ピン層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子のフリー層の断面の面積が例えば８０００ｎｍ２以下であってもノイズを充分に抑制できる磁気ヘッドを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に示されるように、本発明の第１実施形態例に係る磁気ヘッド１０は、磁気抵抗効果素子１２を備え、この磁気抵抗効果素子１２の構成に特徴を有している。他の構成については本第１実施形態例の理解に特に必要とは思われないため説明を適宜省略する。
【００２０】
磁気抵抗効果素子１２は、第１のピン層１４と、絶縁体を含む第１のスペーサ層１６と、再生磁界ＨＲ（外部磁界）に応じて磁化方向が変化するフリー層１８と、導電性の第２のスペーサ層２０と、第２のピン層２２と、を有してなり、これらの層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に第１のピン層１４の磁化方向Ｄｍ１が実質的に固定され、第１のピン層１４の磁化方向と反対の方向に第２のピン層２２の磁化方向Ｄｍ２が固定された構成である。
【００２１】
第１のピン層１４は、強磁性材料で構成されている。第１のピン層１４の構造としては、１層の強磁性層からなる単層構造、合成構造（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕ等の非磁性スペーサにより隔離された状態で、反強磁性的に結合された少なくとも２つの強磁性層から構成される）、又、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ等の２層以上の強磁性層部からなる多層構造等を挙げることができる。ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅで表わされる強磁性層は、実質的にＣｏとＦｅからなるＣｏＦｅ層部、実質的にＮｉとＦｅからなるＮｉＦｅ層部、の２層部を積層した多層構造を意味する。
【００２２】
強磁性層の材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＭｎＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌのような実質的にＣｏ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ａｌのような実質的にＣｏ、Ｃｒ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＭｎＡｌのような実質的にＣｏ、Ｍｎ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＦｅＡｌのような実質的にＣｏ、Ｆｅ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＭｎＧｅのような実質的にＣｏ、Ｍｎ及びＧｅからなる材料等を用いることができる。尚、必要に応じて第１のピン層１４に接して第１のピン層１４の磁化方向を固定する反強磁性層が備えられる。反強磁性層の材料としては、ＭｎやＰｔを含む合金等を用いることができる。
【００２３】
第１のスペーサ層１６の材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＭｇＯ又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む材料等を用いることができる。
【００２４】
第１のスペーサ層１６の厚さｔｓ１（ｎｍ）は、
０＜ｔｓ１≦１
であることが好ましい。
【００２５】
フリー層１８の材料としては、第１のピン層１４を構成する磁性材料と同様の材料を用いることができる。尚、フリー層１８には、積層方向に垂直であり、且つ、第１のピン層１４の磁化方向と垂直な方向にバイアス磁界をハードバイアス（図示省略）から印加してもよい。これによりフリー層１８は単磁区構造となり、バルクハウゼンノイズが低減される。
【００２６】
第２のスペーサ層２０の材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ又はこれらのうち少なくとも一の元素を含む材料等を用いることができる。
【００２７】
第２のスペーサ層２０の厚さｔｓ２（ｎｍ）は、
２≦ｔｓ２≦４
であることが好ましい。
【００２８】
第２のピン層２２は、第１のピン層１４と同様に強磁性材料で構成されている。第２のピン層２２は、第２のピン層２２に接して第２のピン層２２の磁化方向を再生プロセスにおいて固定するための反強磁性層を備えてもよい。尚、第２のピン層２２の構造は第１のピン層１４と同様であるが、第２のピン層２２の材料、第２のピン層２２と反強磁性結合される反強磁性層の材料は、第１のピン層１４の材料、第１のピン層１４と反強磁性結合される反強磁性層の材料とブロッキング温度が異なる材料である。このようにブロッキング温度が異なる反強磁性層を用いることで、第１のピン層１４と第２のピン層２２とを異なる温度条件下で反対の方向に磁化させることができる。
【００２９】
第２のピン層２２の厚さｔＰ２（ｎｍ）は、
１≦ｔＰ２≦４
であることが好ましい。
【００３０】
次に、磁気ヘッド１０の作用について説明する。
【００３１】
磁気ヘッド１０は、磁気抵抗効果素子１２に第１のピン層１４から第２のピン層２２の方向に電子が流れるようにセンス電流が供給される。
【００３２】
第１のピン層１４を通過した電子の多数は第１のピン層１４と同じスピン方向（例えばアップ）を有する。尚、第１のピン層１４を通過した電子の少数は反対のスピン方向（例えばダウン）を有する。スピン方向がアップの電子とダウンの電子との比率は第１のピン層１４の分極の度合いによる。
【００３３】
ここでは、便宜上、電子は第１のピン層１４を通過することで、スピン方向が概ねアップに揃えられることとして説明する。
【００３４】
フリー層１８に磁気記録媒体（図示省略）の再生磁界ＨＲ（外部磁界）が印加されると、フリー層１８の磁化方向が再生磁界に応じて変化する。
【００３５】
フリー層１８の磁化方向が第１のピン層１４の磁化方向と一致すると、磁気抵抗効果素子１２の抵抗値が最小となり、フリー層１８の磁化方向が第１のピン層１４の磁化方向と反対（反平行）となると、磁気抵抗効果素子１２の抵抗値が最大となる。この抵抗値の差が大きい場合、磁気ヘッド１０は高い感度が得られる。
【００３６】
フリー層１８を通過した電子は、導電性の第２のスペーサ層２０を通って、第２のピン層２２に向かう。
【００３７】
ところで、分極された電子がフリー層１８を通過することにより、これらの電子のスピンの角運動モーメントの一部がフリー層１８に移動すると考えられる。このスピントランスファーと呼ばれる効果は、フリー層１８の磁化の移動をもたらす。
【００３８】
フリー層１８の磁化の不安定さは、磁気抵抗効果素子１２のノイズの原因であるスピンウェイブを発生させる。フリー層１８の（積層方向に対して垂直な）断面の面積Ａが例えば、Ａ≦８０００ｎｍ２と小さい場合、センス電流の密度は１０７Ａ／ｃｍ２の高い値に達し、スピントランスファー効果によるノイズも大きくなると考えられる。
【００３９】
しかしながら、磁化方向が第１のピン層の磁化方向と反対の方向に固定された第２のピン層からスピンの向きがダウンの電子がフリー層１８に向かうことにより、フリー層１８におけるスピントランスファー効果が減殺され、フリー層１８の磁化方向の振動が抑制されると考えられる。従って、ノイズが抑制される。
【００４０】
尚、磁気抵抗効果素子１２における、フリー層１８、導電性の第２のスペーサ層２０及び第２のピン層２２の部分はＣＰＲ−ＧＭＲ(current-perpendicular-to the plane giant magnetoresistive element)として機能する。ＣＰＲ−ＧＭＲの磁気抵抗比はフリー層又はピン層の厚さに比例することが知られている。厚いＣＰＲ−ＧＭＲは磁気抵抗効果素子１２の底部のＴＭＲ効果を低減するので好ましくない。従って、第２のピン層２２はできるだけ薄いことが好ましい。しかし、第２のピン層２２が１ｎｍよりも薄いと、効率が低い不連続なフィルムとなる。従って、第２のピン層２２の厚さｔＰ２（ｎｍ）は、
１≦ｔＰ２≦４であることが好ましい。
【００４１】
本第１実施形態例では便宜上、第１のピン層１４を通過す大部分の電子はスピン方向がアップであることとしたが、第１のピン層１４を通過した電子のスピン方向がダウンである場合も、磁化方向が第１のピン層１４の磁化方向と反対（反平行）である第２のピン層２２からスピン方向がアップである電子がフリー層１８に向かうことで、上記と同様にノイズを抑制する効果が得られると考えられる。
【００４２】
次に、本発明の第２実施形態例について説明する。
【００４３】
図２に示されるように、本第２実施形態例は、前記第１実施形態に係る磁気ヘッド１０のより具体的な構成の一例である。
【００４４】
磁気抵抗効果素子１２は、第１のピン層１４側から第２のピン層２２側に幅が次第に狭くなる形状である。
【００４５】
第１のピン層１４は、強磁性層１４Ａ、非磁性のスペーサ層１４Ｂ、強磁性層１４Ｃがこの順で第２のピン層２２側に積層された合成構造である。尚、第１のピン層１４の強磁性層１４Ｃに接して反強磁性層１３が成膜されている。
【００４６】
強磁性層１４Ａと強磁性層１４Ｃとはスペーサ層１４Ｂに誘発される反強磁性結合により磁化方向が反対になっているので第１のピン層１４全体の磁気モーメントは小さい。従って、第１のピン層１４の磁化は安定し、フリー層１８の良好なバイアス制御が達成される。
【００４７】
第２のピン層２２も、強磁性層２２Ａ、非磁性のスペーサ層２２Ｂ、強磁性層２２Ｃ、がこの順で第１のピン層１４側に積層された合成構造である。尚、第１のピン層１４の強磁性層１４Ｃに接して反強磁性層１３が成膜されている。
【００４８】
この磁気抵抗効果素子１２は、下部シールド２４と上部シールド２６との間に挟まれて設置されている。これらのシールドは電極として作用する。尚、下部シールド２４と反強磁性層１３との間にはバッファ層２８が設けられ、第２のピン層２２と上部シールド２６との間にはキャップ層３０が設けられている。
【００４９】
又、磁気抵抗効果素子１２における第１のピン層１４から第２のスペーサ層２０までの部分の幅方向（センス電流の通電方向に垂直な方向）両側には、絶縁材３２を介して磁石層（ハードバイアス）３４が設けられている。
【００５０】
本第２実施形態例も、前記第１実施形態例と同様に、フリー層１８を通過した電子の一部が第２のピン層２２と第２のスペーサ層の境界において反射され、再びフリー層１８に向かうことにより、フリー層１８におけるスピントランスファー効果が減殺され、フリー層１８の磁化の振動が抑制されると考えられ、ノイズが抑制される。
【００５１】
[シミュレーション例１]
上記第１実施形態例の磁気抵抗効果素子１２について以下の条件でシミュレーションを実行し、磁気抵抗効果素子１２の動的磁化特性（フリー層１８の磁化の大きさと時間との関係）を計算した。
【００５２】
供給電流の大きさ：２（ｍＡ）
磁気抵抗効果素子１２の断面（積層方向に垂直な断面）形状：長方形
同断面の短辺の長さ：８０（ｎｍ）
同断面の長辺の長さ：１００（ｎｍ）
第１のピン層１４の厚さ：３（ｎｍ）
第１のピン層１４の飽和磁化：７００（ｅｍｕ／ｃｍ３）
フリー層１８の厚さ：３（ｎｍ）
フリー層１８の磁気異方性エネルギー：５×１０４（ｅｒｇ／ｃｍ３）
第２のピン層２２の厚さ：４（ｎｍ）
第２のピン層２２の飽和磁化：８００（ｅｍｕ／ｃｍ３）
バイアス磁界：２５０（Ｏｅ）
再生磁界：−６０（Ｏｅ）（第１のピン層１４の磁化方向と反対方向）
第１のピン層１４、フリー層１８及び第２のピン層２２の交換結合の強さ：１．２５×１０−６（ｅｒｇ／ｃｍ）
【００５３】
図３は、スライダ表面に垂直な方向のフリー層１８の磁化の大きさと時間との関係を示すグラフである。図３に示されるように、このシミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子１２は、フリー層１８の磁化が３ｎｓよりも早く安定し平衡状態に収束することが確認された。即ち、フリー層１８の磁化の振動によるスピントランスファーノイズは、３ｎｓ以上は存在しない。
【００５４】
尚、このシミュレーション例１の条件では、第１のピン層１４からフリー層１８に向かう電子に対し、これらの電子とスピン方向が反対で第２のピン層からフリー層１８に向かう電子の数は約５０％と推定される。
【００５５】
[シミュレーション例２]
上記シミュレーション例１に対し、第２のピン層２２の厚さ、第２のピン層２２の飽和磁化を以下のように設定してシミュレーションを実行し、磁気抵抗効果素子１２内のフリー層１８の磁化の大きさと時間との関係を計算した。尚、他の条件は総て上記シミュレーション例１と等しくした。
【００５６】
第２のピン層２２の厚さ：７（ｎｍ）
第２のピン層２２の飽和磁化：１２００（ｅｍｕ／ｃｍ３）
【００５７】
図４に示されるように、このシミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子１２は、上記シミュレーション例１よりもフリー層１８の磁化の収束に要する時間が短く、磁化の安定に要する時間は２ｎｓ以内であることが確認された。尚、このシミュレーション例２の条件では、第１のピン層１４からフリー層１８に向かう電子に対し、これらの電子とスピン方向が反対で第２のピン層からフリー層１８に向かう電子の数は約８０％と推定される。
【００５８】
[シミュレーション例３]
上記シミュレーション例１に対し、第２のスペーサ層２０、第２のピン層２２を省略した構成の比較例の磁気抵抗効果素子のシミュレーションを実行し、フリー層１８の磁化の大きさと時間との関係を計算した。尚、他の条件は総て上記シミュレーション例１と等しくした。
【００５９】
図５に示されるように、このシミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子は、上記シミュレーション例１よりもフリー層１８の磁化の収束時間が長く、ノイズが収束するまでに１０ｎｓ以上を要することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、例えばハードディスク等の磁気ヘッドに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る磁気ヘッドの構成を模式的に示す側面図
【図２】本発明の第２実施形態例に係る磁気ヘッドの構成を模式的に示す側断面図
【図３】本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子が発する磁界と時間との関係を示すシミュレーション例１のグラフ
【図４】本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子が発する磁界と時間との関係を示すシミュレーション例２のグラフ
【図５】比較例に係る磁気抵抗効果素子が発する磁界と時間との関係を示すシミュレーション例３のグラフ
【符号の説明】
【００６２】
１０…磁気ヘッド
１２…磁気抵抗効果素子
１４…第１のピン層
１４Ａ、１４Ｃ、２２Ａ、２２Ｃ…強磁性層
１６…第１のスペーサ層
１８…フリー層
２０…第２のスペーサ
２２…第２のピン層
２４…下部シールド
２６…上部シールド
２８…バッファ層
３０…キャップ層
３２…絶縁材
３４…磁石層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007184082.tif 000005
【図４】
2007184082.tif 000006
【図５】
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