(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録媒体に近接する対向面を介して前記記録媒体上に記録された信号を再生する磁気ヘッドを有する磁気記録再生装置において、
前記磁気ヘッドが＿トンネル型磁気抵抗効果素子＿を有し、
前記トンネル型磁気抵抗効果素子の構成が下部磁気シールド，下部導電ギャップ，トンネル磁気抵抗積層膜，上部導電ギャップ，上部磁気シールドが順次積層されてなり、前記トンネル磁気抵抗積層膜が、その磁化方向が固定されるように、検知すべき磁界方向に対して＿平行な方向に磁気異方性が印加されている固定側磁性膜と、前記検知すべき磁界方向に対して面内に＿直交する方向に前記固定側磁性膜に対してよりも弱く異方性が印加されている自由側磁性膜と、前記固定側磁性膜と前記自由側磁性膜の間に形成された絶縁性材料からなるバリヤ膜とを有するサンドイッチ構造を少なくとも前記トンネル型磁気抵抗効果素子の活性領域に有しており、＿
前記バリヤ膜において、バリヤ膜膜面外周部の膜厚が所定の電流に対して絶縁性を有する臨界膜厚よりも厚く、かつ膜面中央部分の膜厚が外周部よりも薄くなっていることを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項２】
記録媒体に近接する対向面を介して前記記録媒体上に記録された信号を再生する磁気ヘッドを有する磁気記録再生装置において、
前記磁気ヘッドがトンネル型磁気抵抗効果素子を有し、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の構成が下部磁気シールド，下部導電ギャップ，トンネル磁気抵抗積層膜，上部導電ギャップ，上部磁気シールドが順次積層されてなり、前記トンネル磁気抵抗積層膜が、その磁化方向が固定されるように、検知すべき磁界方向に対して平行な方向に磁気異方性が印加されている固定側磁性膜と、前記検知すべき磁界方向に対して面内に直交する方向に前記固定側磁性膜に対してよりも弱く異方性が印加されている自由側磁性膜と、前記固定側磁性膜と前記自由側磁性膜の間に形成された絶縁性材料からなるバリヤ膜とを有するサンドイッチ構造を少なくとも前記トンネル型磁気抵抗効果素子の活性領域に有しており、
前記バリヤ膜において、バリヤ膜膜面外周部の電気抵抗が所定の電圧に対して十分絶縁体で、
かつ膜面中央部分が外周部よりも電気抵抗が低い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、磁気記録再生装置に関し、特に高記録密度磁気記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平4−103014 号公報には、反強磁性体を用いた強磁性トンネル効果膜およびこれを用いた磁気抵抗効果素子の記述がある。特開平9−128714 号公報には、強磁性層の膜厚を膜面内で変えた構造の磁気トランスデユーサーの記述がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では記録密度の上昇に対応し、微細な記録からの微弱な磁気信号を十分高い感度と出力で再生するような磁気記録再生装置の再生用素子として磁気抵抗効果を用いた素子で対応しているが、現状はさらなる微細化に伴う再生感度および出力の低下，ノイズの低減の問題解決した記憶装置が技術的に必要とされている。
【０００４】
近年、強磁性金属の膜を非常に薄い絶縁層を介して積層し、膜厚方向に電流を流した際に観察されるトンネル電流に大きな磁気抵抗効果が生じることが知られている。この場合、従来知られている磁気抵抗効果，巨大磁気抵抗効果素子が膜面方向に電流を流し、外部磁界の方向によって抵抗が変化する減少を出力として測定しているのに対し、トンネル磁気抵抗効果膜では膜厚方向に電流を流す構造であり、従来とは異なるヘッド構造をとる必要がある。
【０００５】
一方、磁気構造的にはこのトンネル型磁気抵抗効果素子は従来開発されているスピンバルブという構造と類似し、中間層をはさんで２層に分離した磁性膜を有しており、その磁気的な制御の必要性はスピンバルブ構造と同様に重要なものとなる。その上、トンネル型磁気抵抗効果素子は電流の漏洩や絶縁破壊を制御することが必要である。従って、トンネル型磁気抵抗効果素子の磁気的な特性である固定層の磁化の固定と自由層の磁化回転の規定、及び、自由層の磁区発生の制御は問題である。従来の磁気抵抗効果膜では、例えばハードバイアスという機構のように磁区制御のための硬質磁性膜を磁気抵抗効果膜の両端に配置した構造が用いられていた。トンネル型磁気抵抗効果素子では電流がリークするので、この構造ではトンネル型磁気抵抗効果膜に電流を印加するのが困難である。さらに従来磁気抵抗効果膜に電流を印加するための一対の電極を磁気ギャップ内に横並びに形成していたが、トンネル型磁気抵抗効果膜では電極を厚さ方向に形成することが必要であり、作製上困難である。また、トラック幅を決定する要因として実際の膜の大きさが用いられている。
【０００６】
また、トンネル型磁気抵抗効果素子は、活性領域が極薄の絶縁膜を介した磁性膜サンドイッチ構造の厚さ方向に電流が流れるため、この部分が磁気ヘッドの対向面すなわち記録媒体に近接する面に露出した場合に、記録媒体への近接あるいは接触で電流が短絡する恐れがある。同時に対向面を加工することはこのために困難になっている。
【０００７】
また、電極の構造についても、高密度記録の実現に伴って素子サイズは微細化し、それに伴って素子自体の電気抵抗が小さくなり、出力が小さくなる問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、高密度記録に対応したトンネル型磁気抵抗効果磁気ヘッドと、これを用いた磁気記録装置を提供することにあり、具体的には、上述した微細化に伴う再生感度および出力の低下，ノイズの低減，電流短絡などの問題を解決した構造をもった記憶装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一に、対向面におけるトンネル型磁気抵抗積層膜の短絡を防ぐため、トンネル型磁気抵抗積層膜の絶縁性バリヤ膜の周辺部の膜厚を厚くする、あるいは絶縁性の高くなる処理を施すことで、周辺部の絶縁性を高くし、素子の対向面における自由側磁性膜と固定側磁性膜の間の短絡を防ぐ構造をとる。かつ、磁気的に他のプロセスの影響の及ばない領域で磁気信号を扱うことができるため、ノイズの低減などに有効と考えられる。
【００１０】
第二に、素子の電極を接続するのに、トンネル型磁気抵抗積層膜の上面を高抵抗の膜で覆い、素子の活性領域に相当する部分に穴を空け、これをコンタクトホールとして電極を作製する構造が考えられる。このコンタクトホールによって規定された領域を電流は流れることから、実効トラック幅をこのコンタクトホールで規定できると共に、周辺部の電流短絡を最少限に抑えることができる。また、この高抵抗膜に、反強磁性あるいは硬質磁性材料を選ぶことによって磁区制御を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気ヘッドは、基本的構造として磁気的なギャップを形成する一対の磁気シールドと上記磁気ギャップ内に配置したトンネル型磁気抵抗効果素子とからなる。トンネル型磁気抵抗効果素子の構成は下部磁気シールド，下部導電ギャップ，トンネル磁気抵抗積層膜，上部導電ギャップ，上部磁気シールドが順次積層されたものである。特にトンネル磁気抵抗積層膜について、トンネル型磁気抵抗積層膜を構成する薄膜は高周波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１〜６ミリトールの雰囲気で、セラミックス基板上に以下の材料を順次積層して作製した。
【００１２】
スパッタリングに用いる材料（ターゲット）としてタンタル，ニッケル２０原子％−鉄合金，銅，コバルト，クロム−マンガン合金，アルミナの各ターゲットを用いた。必要に応じて、ターゲット上に添加元素の一センチ角のチップを配置して組成を調整した。チップは白金，ニッケル，鉄，コバルトを用いた。
【００１３】
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投入して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードごと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な方向に約８０エルステッドの磁界を印加して一軸異方性をもたせるとともに、クロームマンガン膜などの交換結合磁界の方向を各々の方向に誘導した。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明にあるような同一層内での膜厚を変える方法としては次のような幾つかの方法がある。厚い層を成長して層を部分的に削る場合には、フォトレジスト工程によるパターニングや、ＣＭＰ，ＦＩＢの方法がとられる。また、膜厚の薄い部分で膜を作製し、そのうえにリフトオフパターンを作り、そのパターンの周囲に同一膜を成長させる方法がとられる。これらの方法の選択は、膜厚を変える層の面積、性質および材料による。
【００１６】
同様に、同一層内で電気抵抗を変える方法としては、酸素や窒素，炭素，硫黄等のイオンを収束イオンビームを用いて照射し部分的に反応層を作る方法と、イオン打ち込み法を用い、これらのイオンを注入した。このようにして作製した基体はスライダー加工し磁気記録装置に搭載した。
【００１７】
以下に本発明の具体的な実施例を図をおって説明する。
【００１８】
図１は本発明のトンネル型磁気ヘッドの構成例を示した概略図である。基体５０上に下部磁気シールド３５，下部導電性ギャップ３３，トンネル型磁気積層体１０１，絶縁ギャップ膜４０，上部導電性ギャップ３４，上部磁気シールド兼下部磁気コア３６，コイル４２，上部磁気コア８３を形成して構成される。上部磁気シールド３６，下部磁気シールド３５に導電性材料を用い、これらを引き出した構造にして電極にし、電流の印加と再生出力の検出を行うようにした構造をとった。このときは、上部磁気コア８３と上部磁気シールド兼下部磁気コア３６はコイル４２に電流を印加することで発生する起磁力により、記録媒体との対向面に露出して形成した書き込みギャップ周囲に書き込み磁界を発生させる。
【００１９】
対向面と基体表面によって磁気ヘッドの方位は決定し、トラック幅方向６１と素子高さ方向６２，磁気ヘッド駆動方向６３が定義される。対向面からみると下部磁気シールド３５と下部導電性ギャップ３３とトンネル型積層膜１０１は直接つながっており、また、上部導電性ギャップ３４と上部磁気シールド兼下部磁気コア３６はつながっている。下部磁気シールド３５から上部磁気シールド３６までのあいだに、挟まれたトンネル型磁気抵抗効果膜については、図２に示すような構造をもつ。このため、対向面においては固定側磁性膜１１と自由側磁性膜１２とのあいだに絶縁材料からなるバリヤ膜１７が挟まれた構造である。このバリヤ膜の材料はＡｌ2Ｏ3やＺｒ2Ｏ3，ＳｉＯ2 などの酸化物，炭化物，窒化物を用いることを特徴とする。
【００２０】
この膜の作製法としては金属薄膜を作成し、これをプラズマ照射やイオン打ち込み等で化学結合を強制的に行う場合と酸素あるいは窒素の雰囲気中で放置あるいは熱処理する方法がある。簡単のため、ここではこれらの処理を化学反応処理と呼ぶことにする。先に説明したように固定側磁性膜と自由側の絶縁バリヤ層と呼ばれる層の周囲が厚くなっており、この厚くなった部分が対向面に露出した構造となっている。
【００２１】
この作製法としては、金属膜を酸化させてバリヤ膜を作成する場合は金属膜を作成し、これをミリングやＦＩＢ（集束イオンビームミリング法）で薄く加工し、しかる後に化学反応処理を行う場合と、はじめからバリヤ膜に相当する材料からなる膜を作成し、これを加工し化学反応処理を行う方法、またはバリヤ膜に相当する材料からなる膜を作成しこれを加工したものをそのままバリヤ膜として用いる場合があるが、これらについても大きさに違いはあるが、トンネル磁気抵抗効果は認められた。また、膜厚を変えずにバリヤ膜に相当する膜の表面に部分的に導電性のイオンを打ち込むあるいは高エネルギーの軽元素を打ち込むことで酸素結合を破壊して部分的に電気伝導率を変える方法も有効である。
【００２２】
図３（ａ),（ｂ）は一般的なトンネル型磁気抵抗積層体の膜構成の一例をあげたものである。トンネル型磁気抵抗積層体１０２は自由側磁性層１２，バリヤ層１７，固定側磁性層１１を積層した構造である。固定側磁性層１１は反強磁性バイアス膜７１と固定強磁性膜７２からなり、固定強磁性膜７２は直接重ねて接合した反強磁性バイアス膜７１による交換結合により一方向異方性を印加されている。自由側磁性膜は自由強磁性膜１２と磁気分離膜兼下地膜１８，磁区制御膜１６を積層してなる。自由側磁性膜１２は単層の磁性膜であっても良い。軟磁性膜と磁気抵抗効果膜の積層体であるほうがより効果が大きい。磁区制御膜１６は硬磁性膜と下地膜からなる。下地膜は省略できるが、あったほうが硬磁性膜の特性が安定する。
【００２３】
磁気的分離膜兼下地膜１８は磁区制御膜１６と自由側磁性膜１２との膜面を介した相互作用を十分に弱め、分離する機能を持つと共に、この上に形成する膜の特性を安定させる機能をもつ。図中に本実施例で用いた各膜の組成を記してある。反強磁性バイアス膜７１としてＣｒ４５Ｍｎ４５Ｐｔ１０３０ナノメートル、固定側強磁性膜７２としてＣｏ膜３ナノメートル、バリヤ膜１７としてＡｌ2Ｏ3が１０ナノメートルを部分的に３ナノメートルまで薄くしたもの、磁気抵抗増加膜７４としてＣｏ１ナノメートル、軟磁性膜７５としてＮｉ８１Ｆｅ１９膜５ナノメートル、磁気的分離兼下地膜１８としてＴａ膜２０ナノメートル、硬磁性膜７７としてＣｏＰｔ膜１０ナノメートル、下地膜７８としてＣｒ膜５ナノメートルをそれぞれ用いた。
【００２４】
図４はトンネル型磁気抵抗積層体を構成する膜の磁気的な異方性の印加方向を示した図である。磁区制御膜１６は残留磁化がトラック幅方向６１に平行になるように着磁する。自由強磁性膜１２は検知すべき磁界が素子高さ方向６２に平行に入るのに対し、磁化が回転する機構をとるべく弱い異方性をトラック幅方向６１に平行な方向に誘導する。固定側磁性膜１１はその残留磁化が素子高さ方向６３に平行な方向になるように交換結合を誘導する。
【００２５】
上述したような構成について本発明のトンネル磁気抵抗効果素子およ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有し動作の信頼性も良好であった。
【００２６】
一方、これとは別に図５に示すようにトンネル型積層膜１０２について、固定側磁性層１１が下側、自由側磁性層１２が上部になっており、自由側磁性層１２の上に高抵抗の磁区制御膜１６が積層され、その上に上部電極兼上部磁気シールド兼下部磁気コア３６がでている構造を検討した。高抵抗磁区制御膜１６の材料にはＮＩＯを用いた。この高抵抗磁区制御膜１６の膜厚がトンネル型積層膜上で薄くなっておりシールド３６に電気的に接続している。膜中で膜厚を変える方法としてＣＭＰ（化学的機械研磨法）やＦＩＢなどを用いた。
【００２７】
このようにして磁区制御膜１６上に膜厚の部分的に薄い部分、あるいはコンタクトホールとなる穴をあけることで、磁区制御膜上部の電極とトンネル磁気抵抗効果膜を電気的に接続した構造を作成した。このとき磁区制御膜１６上に作成する穴の大きさ、特にトラック幅方向６１の長さを実際のトラック幅に相当する大きさにして、シールドの長さはトンネル磁気抵抗効果活性領域１０２のトラック幅方向６１の長さによって決まるトラック幅よりも小さくすると、実際のトラック幅は磁区制御膜１６上に作成する穴の大きさによって規定されるようになる。これは、トンネル磁気抵抗効果膜中を上部シールド３６から下部シールド３５へほぼまっすぐに電流が流れるためである。このような構造をとることで、事実上のトラック幅を規定する構造になっているものも作製した。
【００２８】
このため、トンネル磁気抵抗効果膜の膜の活性領域を十分な大きさで作成し、トラック幅を上部のコンタクトホールの大きさで決めることができ、高密度記録に対応できる構造を得ることができた。上述したような構成について、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを搭載した図６の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有し動作の信頼性も良好であった。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば良好なバイアス特性と、電気的に安定でノイズを低減したヘッドが得られ、また、再生トラック幅もトンネル磁気抵抗効果膜の活性部分の大きさとは異なる、磁区制御膜上に開口した穴の大きさで規定できる制御性が向上する事から、高い記録密度に耐えうる良好な再生出力とバイアス特性を有する磁気ヘッドおよび高記録密度再生装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトンネル型磁気抵抗ヘッドの構成例を示した斜視図である。
【図２】本発明のトンネル型磁気抵抗積層膜の構成例を示した側断面図である。
【図３】（ａ),（ｂ）は本発明のトンネル型磁気抵抗ヘッドのトンネル型磁気抵抗積層膜の構成例を示した断面図である。
【図４】本発明のトンネル型磁気抵抗効果ヘッドのトンネル型磁気抵抗積層体を構成する膜の磁気的な異方性の印加方向を示した説明図である。
【図５】本発明のトンネル型磁気抵抗効果ヘッドのトンネル型磁気抵抗積層膜の磁気異方性の構成例を示した説明図である。
【図６】本発明のトンネル型磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気再生装置の構成例を示した説明図である。
【符号の説明】
１０１…トンネル型磁気抵抗積層体露出部、１０２…活性領域のトンネル型磁気抵抗積層体、１１…固定側磁性膜、１２…自由側磁性膜、１５…自由強磁性膜、１６…磁区制御膜、１７…バリア膜、１８…磁気的分離膜兼下地膜、３３…下部導電ギャップ、３４…上部導電ギャップ、３５…下部磁気シールド、３６…上部磁気シールド、４０…絶縁ギャップ膜、４１…電極端子、４２…コイル、５０…基体、６１…トラック幅方向、６２…素子高さ方向、６３…磁気ヘッドの駆動方向、６４…対向面、６５…トンネル型磁気抵抗積層体の活性領域、６６…自由強磁性膜の異方性の方向、６７…磁区制御膜の残留磁化の方向、６８…固定側磁性膜の残留磁化の方向、７１…反強磁性膜、７２…固定強磁性膜、７４…磁気抵抗増加膜、７５…軟磁性膜、７７…硬磁性膜、７８…下地膜、８１…磁気デイスク、８２…モーター、８３…アクチュエーター、８４…制御機構、８５…データ再生複合系。
【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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