(57)【要約】【課題】線記録密度方向の高い再生分解能及び安定した応答特性を有する差動動作型磁気抵抗効果ヘッドを提供する。【解決手段】第一の磁気抵抗効果膜（固定層／中間層／自由層）１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜（自由層／中間層／固定層）１２０からなる差動動作型の磁気抵抗効果膜において、導電性ギャップ層を、第一の自由層及び第二の自由層に対して、トラック方向に縦バイアス磁界を印加する為の、バイアス磁界付与層で構成する。バイアス磁界付与層は、２層の非磁性層に挟まれた、トラック幅方向に磁化が固定された強磁性層からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の固定層／第一の中間層／第一の自由層を順に積層してなる第一の磁気抵抗効果膜と、
前記第一の磁気抵抗効果膜の上に形成された導電性ギャップ層と、
前記導電性ギャップ層の上に形成され、第二の自由層／第二の中間層／第二の固定層を順に積層してなる第二の磁気抵抗効果膜と、
前記第一の磁気抵抗効果膜、前記導電性ギャップ層及び前記第二の磁気抵抗効果膜を貫く方向に電流を流すための一対の電極とを有し、
前記第一の磁気抵抗効果膜と前記第二の磁気抵抗効果膜が同一方向の磁界に対して逆位相の抵抗変化を示すことで差動動作する磁気抵抗効果ヘッドであって、
前記導電性ギャップ層は、前記第一の自由層及び前記第二の自由層に対して、トラック幅方向に縦バイアス磁界を印加する為の、少なくとも１層の強磁性層を含む層を一対の非磁性層で挟持した構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記導電性ギャップ層の膜厚が３０nm以下，特に２０ｎｍ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記導電性ギャップ層は、第一の非磁性層／第一の強磁性層／反強磁性層／第二の強磁性層／第二の非磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項４】
請求項３記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記第一の固定層及び前記第二の固定層の磁化が略素子高さ方向に固定されており、前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の磁化が略トラック幅方向に固定されており、前記第一の自由層／前記第一の非磁性層／前記第一の強磁性層／前記反強磁性層／前記第二の強磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の自由層が略等しいトラック幅に加工されており、
前記第一の自由層と前記第一の強磁性層の磁化、及び前記第二の強磁性層と前記第二の自由層の磁化が、トラック端部において静磁結合することで、前記第一の自由層及び前記第二の自由層に、トラック幅方向に略平行な方向に縦バイアス磁界が付与されていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項５】
請求項３記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記第一の自由層と前記第一の強磁性層は前記第一の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有し、前記第二の強磁性層と前記第二の自由層は前記第二の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有しており、前記反強磁性的な層間結合が、前記第一の自由層及び前記第二の自由層への、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス磁界印加効果を助長していることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項６】
請求項１記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記導電ギャップ層は、第一の非磁性層／硬磁性層／第二の非磁性層から成ることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項７】
請求項６記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記第一の固定層及び前記第二の固定層の磁化が略素子高さ方向に固定されており、前記硬磁性層の磁化が略トラック幅方向に設定されており、前記第一の自由層／前記第一の非磁性層／前記硬磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の自由層が略等しいトラック幅に加工されており、
前記第一の自由層と前記硬磁性層の磁化、及び前記硬磁性層と前記第二の自由層の磁化が、トラック端部において静磁結合することで、前記第一の自由層及び前記第二の自由層に、トラック幅方向に略平行な方向に縦バイアス磁界が付与されていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項８】
請求項６記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記第一の自由層と前記硬磁性層が前記第一の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有し、前記硬磁性層と前記第二の自由層が前記第二の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有しており、前記反強磁性的な層間結合が、前記第一の自由層及び前記第二の自由層への、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス磁界印加効果を助長していることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項９】
請求項１記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記導電ギャップ層は、第一の非磁性層／第一の強磁性層／第一の９０度結合層／第二の強磁性層／反強磁性層／第三の強磁性層／第二の９０度結合層／第四の強磁性層／第二の非磁性層から成り、前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層は前記第一の９０度結合層を介して互いの磁化が略直交方向に配列しようとする層間結合を有し、前記第三の強磁性層と第四の強磁性層は前記第二の９０度結合層を介して互いの磁化が略直交方向に配列しようとする層間結合を有していることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、
前記第一の固定層、前記第二の固定層、前記第二の強磁性層及び前記第三の強磁性層の磁化が略素子高さ方向に固定されており、
前記第一の強磁性層及び前記第四の強磁性層の磁化が、それぞれ前記第二の強磁性層及び前記第三の強磁性層に対して、前記第一の９０度結合層及び前記第二の９０度結合層を介して、磁化が略直交方向配列しようとする層間結合によって、略トラック幅方向に固定されており、
前記第一の自由層／前記第一の非磁性層／前記第一の強磁性層／前記第一の９０度結合層／前記第二の強磁性層／前記反強磁性層／前記第三の強磁性層／前記第二の９０度結合層／前記第四の強磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の自由層が略等しいトラック幅に加工されており、
前記第一の自由層と前記第一の強磁性層の磁化、及び前記第四の強磁性層と前記第二の自由層の磁化が、トラック端部において静磁結合することで、前記第一の自由層及び前記第二の自由層に、トラック幅方向に略平行な方向に縦バイアス磁界が付与されていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項１１】
請求項９記載の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記第一の自由層と前記第一の強磁性層が前記第一の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有し、前記第四の強磁性層と前記第二の自由層が前記第二の非磁性層を介して反強磁性的な層間結合を有しており、前記反強磁性的な層間結合が、前記第一の自由層及び前記第二の自由層への、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス磁界印加効果を助長していることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項１２】
請求項１記載の磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記第一の磁気抵抗効果膜／前記導電性ギャップ層／前記第二の磁気抵抗効果膜を、真空を破らずに同一工程内で成膜し、
前記第一の磁気抵抗効果膜／前記導電性ギャップ層／前記第二の磁気抵抗効果膜を、同一の工程内で所定の形状に加工することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。
【請求項１３】
請求項３記載の磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記第一の磁気抵抗効果膜／前記第一の非磁性層／前記第一の強磁性層／前記反強磁性層／前記第二の強磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の磁気抵抗効果膜からなる積層構造を成膜する工程と、
素子高さ方向に磁界を印加しながら行う第一の磁界中熱処理により、前記第一の固定層及び前記第二の固定層の磁化を略素子高さ方向に固定する工程と、
トラック幅方向に磁界を印加しながら行う第二の磁界中熱処理により、前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の磁化を略トラック幅方向に固定する工程とを含み、
前記第一の磁界中熱処理と前記第二の磁界中熱処理にて異なる熱処理温度を用いることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。
【請求項１４】
請求項６記載の磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記第一の磁気抵抗効果膜／前記第一の非磁性層／前記硬磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の磁気抵抗効果膜からなる積層構造を成膜する工程と、
素子高さ方向に磁界を印加しながら行う磁界中熱処理により、前記第一の固定層及び前記第二の固定層の磁化を略素子高さ方向に固定する工程と、
前記磁界中熱処理工程の後に、トラック幅方向に静磁界を印加することで、前記硬磁性層の磁化を略トラック幅方向に設定する工程と
を有することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。
【請求項１５】
請求項９記載の磁気抵抗効果ヘッドの製造方法において、
前記第一の磁気抵抗効果膜／前記第一の非磁性層／前記第一の強磁性層／前記第一の９０度結合層／前記第二の強磁性層／前記反強磁性層／前記第三の強磁性層／前記第二の９０度結合層／前記第四の強磁性層／前記第二の非磁性層／前記第二の磁気抵抗効果膜からなる積層構造を成膜する工程と、
素子高さ方向に磁界を印加しながら行う磁界中熱処理により、前記第一の固定層、前記第二の固定層、前記第二の強磁性層及び前記第三の強磁性層の磁化を略素子高さ方向に固定する工程とを有することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。
【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、磁気記録媒体に記録された情報を再生する磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置に再生素子として搭載する磁気抵抗効果ヘッドには、特開平４−３５８３１０号公報に記載されているスピンバルブ型磁気抵抗効果膜に、電流を積層膜の面内方向に流して用いるＣＩＰ（Current In the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）ヘッドが採用されてきた。現在では、積層膜の膜厚方向に電流を流して用いるＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistive）ヘッドや、ＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲヘッドへと移行しつつある。
【０００３】
スピンバルブ型磁気抵抗効果膜は、強磁性層/非磁性中間層/強磁性層/反強磁性層の基本構成からなる。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜において、反強磁性層との交換結合によって磁化方向が一方向に固定されている強磁性層は固定層と呼ばれ、もう一方の強磁性層は、外部磁界に応じて自由にその磁化方向を変えることができるため、自由層と呼ばれる。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果ヘッドは、固定層と自由層の磁化のなす角度に応じて電気抵抗が変化する現象を利用し、磁気記録媒体から生じる信号磁界を電圧変化又は電流変化として出力する。
【０００４】
一般に、スピンバルブ型磁気抵抗効果膜を磁気記録再生装置に搭載される再生磁気センサとして機能させる際には、固定層の磁化方向は磁気記録媒体に対して垂直な方向（以下“素子高さ方向”と記す）に固定される。一方、自由層の磁化方向は、外部磁界がゼロの状態でトラック幅方向に設定される。こうすることによって、磁気記録媒体からの信号磁界の符号に対して対称な応答特性を得ることができる。更に、ノイズが少なく、良好な線形応答特性を得る為には、自由層が単磁区構造を有するように、自由層に対してトラック幅方向に縦バイアス磁界を印加する必要がある。この縦バイアス磁界印加手法としては、スピンバルブ膜の両端部に硬磁性膜あるいは強磁性層と反強磁性層との積層膜を配置し、自由層に縦バイアス磁界を印加して単磁区化する方法が特開平７−５７２２３号公報に記載されている。特に前者はハードバイアス構造と呼ばれ、現在の磁気抵抗効果ヘッド構造の主流となっている。
【０００５】
自由層に縦バイアス磁界を印加する他の手段として、特開２００１−２５０２０５号公報には、反強磁性層/固定層/非磁性導電層/自由層からなるスピンバルブ膜を形成した後、自由層に接して、バイアス非磁性層/バイアス強磁性層/バイアス反強磁性層の積層膜からなる積層バイアス膜を形成する方法が記載されている。この構成では、バイアス強磁性層の磁化方向がバイアス反強磁性層との交換結合によってトラック幅方向へ固定されている。更に、自由層がバイアス非磁性層を介して、バイアス強磁性層と強磁性的あるいは反強磁性的に結合することで、実質的に自由層に縦バイアス磁界を印加することができる（以下、この縦バイアス磁界印加手法を“積層バイアス構造”と呼ぶ）。
【０００６】
磁気記録再生装置において、面記録密度を向上する為には、線記録密度（磁気記録媒体の円周方向のビット密度）とトラック密度（磁気記録媒体の半径方向のビット密度）を増大する必要がある。現状の磁気抵抗効果ヘッドは、下部磁気シールドと上部磁気シールドで磁気抵抗効果膜を挟む構成（いわゆるシールド型再生ヘッド）となっている。線記録密度方向の再生分解能は、この上下磁気シールド間隔に大きく依存する。即ち、上下磁気シールド間隔を狭くするほど、線記録密度方向の分解能が大きくなり、高い面記録密度を実現することができる。従来のＣＩＰ−ＧＭＲヘッドは、磁気抵抗効果膜と下部磁気シールドを電気的に絶縁する必要があったので、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要があった為、上下磁気シールド間隔の狭小化が困難であった。一方、積層膜の膜厚方向に電流を流すＴＭＲヘッドや、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要がない為、上下磁気シールド間隔の狭小化の点で有利である。しかしながら、磁気抵抗効果膜の膜厚を、３０あるいは２５ｎｍ程度以下にするのは大変困難と考えられる。従って、上下磁気シールド間隔は３０あるいは２５ｎｍ程度より狭くすることができず、高い面記録密度実現に向けた大きな障害となることが予想される。
【０００７】
特に、上述した積層バイアス構造を採用した磁気抵抗効果ヘッドは、磁気抵抗効果膜／積層バイアス層を積層することになる為、総膜厚が厚くなり、上下磁気シールド間隔が大きくなる。従って、再生分解能という観点からは、不利な構造と言うことができる。
【０００８】
線記録密度方向の分解能を向上する手段として、いわゆる差動動作型再生ヘッドが提案されている。面内磁気記録方式では、磁気記録媒体に書かれた記録ビットに対して、磁化反転領域からのみ信号磁界が生じるのに対して、垂直磁気記録方式では、各記録ビットから必ず信号磁界が生じる。従って、垂直磁気記録方式は差動動作型再生ヘッドの使用に対して都合が良い。特開２００２−１８３９１５号公報には、垂直磁気記録方式を用いた磁気記録再生装置において、一対の磁気抵抗効果膜を導電層を介して直列接続し、差動動作させる再生ヘッド構造が開示されている。一対の磁気抵抗効果膜のうち、信号磁界の感磁部となる２層の強磁性自由層が導電層を介して隣接対面するように配置され、一対の磁気抵抗効果膜の抵抗変化特性が、同じ向きの磁界に対して逆極性になるように設定することで、差動動作させることが可能となる。この場合、線記録密度方向の分解能は、上下磁気シールド間隔よりも一対の磁気抵抗効果膜間に介在する導電層の膜厚に大きく影響を受ける。即ち、上下磁気シールド間隔の狭小化ができなくても一対の磁気抵抗効果膜間に介在する導電層の膜厚を適切に設定することで、線密度方向の高い再生分解能が得られ、結果的に面記録密度を向上することができる。
【０００９】
特開平９−２７０１０８号公報、特開平１０−３４０４２９号公報には、縦バイアス磁界印加機能を有する絶縁性ギャップ層を介して配置した一対の磁気抵抗効果素子を用いた差動動作型ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistive）ヘッドが記載されている。この開示例では、第一の磁気抵抗効果膜を成膜した後、所定形状へのパターニング及び電極形成、引き続き、絶縁性ギャップ層／第二の磁気抵抗効果膜を成膜した後、所定形状へのパターニング及び電極形成という煩雑なプロセスフローを用いる。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−３５８３１０号公報
【特許文献２】特開平７−５７２２３号公報
【特許文献３】特開２００１−２５０２０５号公報
【特許文献４】特開２００３−６９１０９号公報
【特許文献５】特開２００４−２２７７４９号公報
【特許文献６】特開２００２−１８３９１５号公報
【特許文献７】特開平９−２７０１０８号公報
【特許文献８】特開平１０−３４０４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＴＭＲヘッドや、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドのような積層膜の膜厚方向に電流を流すＣＰＰ型ヘッドを用いることを前提としても、磁気抵抗効果膜自体の更なる薄膜化が困難になっていることから、シールド型再生ヘッドにおいて線密度方向の再生分解能を向上することは困難になっていく。その為、差動動作型再生ヘッドが、面記録密度の向上を実現する上で今後重要となってくることが予想される。差動動作型再生ヘッドでは、２つの磁気抵抗効果素子の出力特性（磁界に対する極性を除く）がほぼ同一であることが重要である。なぜならば、２つの磁気抵抗効果素子の出力絶対値が異なると、再生波形においてベースライン・シフトなどを生じ好ましくないからである。
【００１２】
個々の磁気抵抗効果素子の出力は、利用率、磁気抵抗変化率、センス電圧の積に比例する。従って、個々の磁気抵抗効果素子に対して、縦バイアス磁界、磁気抵抗変化率、素子抵抗が略等しくなることが重要となる。前述した、磁気抵抗効果膜のトラック端部に硬磁性膜を配置するハードバイアス構造では、２つの磁気抵抗効果素子に対して略等しい縦バイアス磁界を付与することは困難である。なぜならば、硬磁性膜は、磁気抵抗効果膜をパターニングした後、リフト・オフ法を用いてトラック端面に絶縁膜を介して形成される為、自由層と硬磁性膜のトラック幅方向の距離及び自由層と硬磁性膜の膜厚方向の幾何的位置関係を同一にすることができないからである。従って、２つの磁気抵抗効果素子は異なる利用率を有し、結果として異なる出力を示すことになる。
【００１３】
また、特開平９−２７０１０８号公報、特開平１０−３４０４２９号公報に開示されていたように、一対の磁気抵抗効果素子を用いた差動動作型再生ヘッドにおいて、第一の磁気抵抗効果膜の成膜及び微細加工／電極形成と第二の磁気抵抗効果膜の成膜及び微細加工／電極形成とがそれぞれ独立工程で行われると、個々の磁気抵抗効果膜の特性乖離や個々の磁気抵抗効果素子の寸法ずれ（結果的に、素子抵抗の乖離）が生じる懸念がある。更には、第一及び第二の磁気抵抗効果膜の成膜工程の間に、フォトリソグラフィやエッチングなどの微細加工工程が介在すると、意図せぬ接触抵抗が生じて磁気抵抗効果特性の劣化を招いたり、磁気的な交換結合特性が低下し、十分な、またばらつきの小さい縦バイアス効果を得ることが困難になる。
【００１４】
本発明は、線記録密度方向の高い再生分解能を有する差動動作型の磁気抵抗効果ヘッドにおいて、２つの磁気抵抗効果素子に対して略等しい縦バイアス磁界を付与し、２つの磁気抵抗効果素子の出力特性を略等しくして、再生波形にベースライン・シフトを生じない良好な応答特性を示す磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法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】
【００１５】
本発明では、上記課題を解決する為に、垂直磁気記録方式を前提として、第一の磁気抵抗効果膜（第一の固定層／第一の中間層／第一の自由層）／導電性ギャップ層／第二の磁気抵抗効果膜（第二の自由層／第二の中間層／第二の固定層）からなる差動動作型の磁気抵抗効果膜において、導電性ギャップ層が、第一の自由層及び第二の自由層に対して、トラック方向に縦バイアス磁界を印加する為の、少なくとも１層の強磁性層を含む層を一対の非磁性層で挟持した、バイアス磁界付与層からなる構成を用いる。ここで、第一の磁気抵抗効果膜／導電性ギャップ層／第二の磁気抵抗効果膜は真空を破らず、ひとつの成膜工程で形成される。
【００１６】
バイアス磁界付与層は、第一の非磁性層／第一の強磁性層／反強磁性層／第二の強磁性層／第二の非磁性層という構成とし、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の磁化は、反強磁性層との交換結合により、トラック幅方向に固定する。第一の自由層／第一の非磁性層／第一の強磁性層／反強磁性層／第二の強磁性層／第二の非磁性層／第二の自由層を略等しいトラック幅に同一の工程で加工すると、第一の自由層と第一の強磁性層の磁化、及び第二の強磁性層と第二の自由層の磁化が、トラック端部において静磁結合することで、第一の自由層及び第二の自由層に、トラック幅方向に略平行な方向に縦バイアス磁界が付与される。更には、第一の自由層と第一の強磁性層及び、第二の強磁性層と第二の自由層が、それぞれ第一の非磁性層及び第二の非磁性層を介して、反強磁性的な層間結合を有するようにすると、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス効果が助長される。
【００１７】
本発明の構造の大きな利点は、縦バイアス磁界の大きさが、微小な素子形状の相違に依存せず、ほぼバイアス磁界付与層の磁気特性で決定されることにある。即ち、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の磁化量と、第一の非磁性層及び第二の非磁性層を介した第一の自由層と第一の強磁性層間及び第二の強磁性層と第二の自由層間に作用する反強磁性的層間結合磁界が縦バイアス磁界の支配因子となる。これらの磁化量や反強磁性的層間結合磁界は、これらに寄与する各構成層の膜厚を調整することで、容易に制御することが可能である。結果として、第一の自由層及び第二の自由層に印加される縦バイアス磁界の大きさを、容易に略等しく設定することができる。
【００１８】
他のバイアス磁界付与層の構成例として、非磁性層／硬磁性層／非磁性層とすることもできる。この場合も上述したと同様な原理によって、２層の自由層にトラック幅方向に縦バイアス磁界を付与し、更に、その大きさを容易に略等しく設定することができる。
【００１９】
また、バイアス磁界付与層を、第一の非磁性層／第一の強磁性層／第一の９０度結合層／第二の強磁性層／反強磁性層／第三の強磁性層／第二の９０度結合層／第四の強磁性層／第二の非磁性層とすることもできる。ここでは、第二の強磁性層及び第三の強磁性層の磁化が、反強磁性層との交換結合により素子高さ方向に固定されている。２層の自由層に対して実質的に縦バイアス磁界を付与する第一の強磁性層及び第四の強磁性層は、それぞれ第一の９０度結合層及び第二の９０度結合層を介して、第二の強磁性層及び第三の強磁性層の磁化に対して、略直交方向に層間結合を有するようにする。これにより、第一の強磁性層及び第四の強磁性層の磁化は、トラック幅方向に規定されることになり、２層の自由層に対して縦バイアス磁界を付与する。縦バイアス磁界印加の動作原理や、その大きさの容易制御性については、他の二例と同様である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、２つの磁気抵抗効果素子を用いた差動動作型再生ヘッドにおいて、２つの磁気抵抗効果素子に対して略等しい縦バイアス磁界を付与し、２つの磁気抵抗効果素子が略等しい出力特性を有することで、再生波形にベースライン・シフトを生じない良好な応答特性を実現することができる。従って、線記録密度方向の高い再生分解能及び安定した応答特性を有する磁気抵抗効果ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。
【００２２】
まず、図１６に、通常のシールド型再生ヘッドと差動動作型再生ヘッドの構造概略図と再生信号波形を比較して示す。（Ａ）がシールド型、（Ｂ）が差動型である。磁気記録媒体５００上に、下部シールド１０及び上部シールド４０に挟持された磁気抵抗効果素子が浮上している。（Ａ）のシールド型では一つの、（Ｂ）の差動型では二つの磁気抵抗効果素子を有している（図では、簡略化して、磁気抵抗効果素子の構成要素である自由層１０４，１２４のみを示した）。シールド型における再生信号波形は、磁気記録媒体５００に記録された磁化状態に応じて矩形型波形となる。一方、差動型における再生信号波形は、一対の磁気抵抗効果素子の差動出力であり（詳細は後述する）、単峰型波形となる。
【００２３】
〔実施例１〕
図１に、本発明の第１の実施例である磁気抵抗効果ヘッドのＡＢＳ（Air bearing surface）面から見た概略図を示す。また、図２には、図１のトラック中心における素子高さ方向の断面図を示す。尚、図中には各強磁性層の磁化方向を矢印で付記してある。ヘッド作製手順の概略とあわせて構造を以下に説明する。
【００２４】
基板（図示せず）上に、下部シールド１０を形成した後、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を順次、連続成膜する。詳細構成は後述する。真空を破らずに同一工程でこれらを成膜することで、第一の磁気抵抗効果膜１００及び第二の磁気抵抗効果膜１２０において、略等しい磁気抵抗効果特性を容易に得ることができる。第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０に含まれる一部の強磁性層の磁化方向を所望の方向に固定することを目的として、適宜、磁界中熱処理を施す。フォトリソグラフィとイオンミリングや反応性イオンエッチングを用いて、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を素子高さ方向の所望の形状にパターニングする。
【００２５】
次に、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０の両端部にリフトオフ法を用いて絶縁膜２０を形成する。トラック幅方向についても同様に、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０をフォトリソグラフィとイオンミリングや反応性イオンエッチングを用いて所望の形状にパターニングし、リフトオフ法を用いて絶縁膜３０を形成する。尚、上述したパターニングについては、素子高さ方向とトラック幅方向の順序が入れ替わっても差し支えはない。次に、上部シールド４０を形成する。
【００２６】
下部シールド１０と上部シールド４０は、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０の膜厚方向に電流を供給する一対の電極を兼ねており、磁気記録媒体からの信号磁界に対する磁気抵抗効果膜の電気抵抗変化の検出を行う。従って、下部シールド１０と第一の磁気抵抗効果膜１００間及び第二の磁気抵抗効果膜１２０と上部シールド４０間には、電気的な接触抵抗を極力含まないことが望ましい。この影響を低減する為には、第一の磁気抵抗効果膜１００及び上部シールド４０を形成する直前に、プラズマエッチングやイオンビームエッチング等を用いて、表面酸化膜や表面付着/吸着物を除去しておくと効果的である。また、絶縁膜２０及び３０は、下部シールド１０と上部シールド４０が電気的に短絡しないよう配置してある。下部シールド１０と上部シールド４０の電気的な絶縁を確保できる範囲で絶縁膜３０の膜厚を薄くすると、上部シールド４０の一部をいわゆる“サイドシールド”として機能させることが可能となり、磁気的な実効トラック幅の狭小化に効果があり、より好ましい。
【００２７】
図３に、磁気抵抗効果膜のＡＢＳ面から見た構成例の更に詳細な図を示す。第一の磁気抵抗効果膜１００の基本構成は、下部シールド１０に近い側から順に、反強磁性層１０１／固定層１０２／中間層１０３／自由層１０４である。勿論、最下層に適切な下地層を形成しても何ら差し支えはない。同様に、第二の磁気抵抗効果膜１２０の基本構成は、導電性ギャップ層１１０に近い側から順に、自由層１２４／中間層１２３／固定層１２２／反強磁性層１２１である。最上層に適切な保護層を形成しても何ら差し支えはない。ここで、固定層１０２は、ｍ層（ｍ：偶数）の強磁性層と（ｍ−１）層の反強磁性的層間結合層を交互に積層したいわゆる積層フェリ構造、固定層１２２は、ｎ層（ｎ：奇数）の強磁性層と（ｎ−１）層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造とする。こうすることによって、反強磁性層１０１，１２１に接している強磁性層（固定層１０２，１２２の構成要素）の磁化を同一方向に固定した場合、実質的に磁気抵抗効果に寄与する、中間層１０３，１２３に接する強磁性層（固定層１０２，１２２の構成要素）の磁化は反平行な方向に固定される。従って、第一の磁気抵抗効果膜１００と第二の磁気抵抗効果膜１２０が同一方向の信号磁界に対して、逆位相の抵抗変化特性を示す。
【００２８】
図４に、マイクロマグネティック・シミュレーションによって求めた第一の磁気抵抗効果膜１００単体、第二の磁気抵抗効果膜１２０単体及びこれらを導電性ギャップ層１１０を介して直列接続した差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの孤立波形を示す。第一の磁気抵抗効果膜１００単体、第二の磁気抵抗効果膜１２０単体の孤立波形は、シールド型磁気抵抗効果ヘッドを模擬して計算した結果である。第一の磁気抵抗効果膜１００単体、第二の磁気抵抗効果膜１２０単体の孤立波形は、図示したように、垂直磁気記録方式特有の矩形型の再生波形となる。一方、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの孤立波形は、第一の磁気抵抗効果膜１００単体、第二の磁気抵抗効果膜１２０単体の孤立波形に見られた出力変化点（記録ビットの磁化反転領域に対応）において出力ピークとなる単峰型の再生波形となる。これは、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドでは、導電性ギャップ層１１０の膜厚だけ離間した２層の自由層による、個々の信号磁界検出に基づく差動出力となるから、微分的な再生波形となる為である。
【００２９】
図５に、規格化出力の線記録密度依存性の計算結果を示す。通常のシールド型磁気抵抗効果ヘッド（単体の磁気抵抗効果膜を使用）と、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドを比較して示してある。尚、通常のシールド型磁気抵抗効果ヘッドの上下シールド間隔は２０ｎｍ、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの上下シールド間隔は６０ｎｍ、導電性ギャップ層１１０の膜厚は２０ｎｍとした。線記録密度の増大に伴う規格化出力の低下が小さい方が、高い再生分解能を有しているということになる。従って、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの方が、高い再生分解能を示している。シールド型磁気抵抗効果ヘッドにおいて、上下シールド間隔は磁気抵抗効果膜の膜厚で決まり、その薄膜化限界は３０から２５ｎｍ程度と考えられ、２０ｎｍ以下とするのは極めて困難である。一方で、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの導電性ギャップ層１１０の膜厚を２０ｎｍあるいはそれ以下に設定するのは容易であるから、今後、高い再生分解能を実現するにあたって、差動動作型磁気抵抗効果ヘッドが適した構造であることが分かる。
【００３０】
先に述べたように、磁気抵抗効果ヘッドにおいて、安定な応答特性を得る為には、自由層にトラック幅方向に縦バイアス磁界を印加する必要がある。仮に、現在用いられているハードバイアス構造を差動動作型磁気抵抗効果ヘッドに適用した場合の、ＡＢＳ面から見た概略図を図６に示す。第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０をトラック幅方向にパターニングした後、リフト・オフ法を用いて、絶縁膜３０／硬磁性膜５０が順に形成される。ここで、硬磁性膜５０は絶縁膜３０を介して、磁気抵抗効果膜のトラック端面に形成されることになるので、２層の自由層に対して、略等しい縦バイアス磁界を付与することは困難を極める。なぜならば、２層の自由層に対して、硬磁性膜５０の幾何的配置を同様にする（トラック幅方向及び膜厚方向）ことが難しいからである。
【００３１】
２層の自由層に付与される縦バイアス磁界が異なると、第一の磁気抵抗効果膜１００及び第二の磁気抵抗効果膜１２０の単体素子の利用率が異なり、結果的に出力が異なってしまう。これによる問題点について、計算した孤立波形を用いて説明する。第一の磁気抵抗効果膜１００の出力に対して、第二の磁気抵抗効果膜１２０の出力が、利用率の相違によって２割小さいと仮定し、図７に、第一の磁気抵抗効果膜１００単体、第二の磁気抵抗効果膜１２０単体及びこれらを導電性ギャップ層１１０を介して直列接続した差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの孤立波形を示す。図から、差動出力の孤立波形において、ベースライン・シフトが生じているのが分かる。これは、再生動作中において読み取り不良を招く恐れがあり、好ましくない。従って、本発明ではハードバイアス構造ではなく、導電性ギャップ層１１０が２層の自由層に対して、トラック幅方向に縦バイアス磁界を印加する為の、少なくとも１層の強磁性層を含む積層構造を非磁性層で挟持した、バイアス磁界付与層からなる構成を用いる。
【００３２】
図８に、バイアス磁界付与層の第一の構成例をＡＢＳ面から見た概略図として示す。図中には、２層の自由層に縦バイアス磁界が印加される様子を、各強磁性層の磁化方向を表す矢印及びトラック端部における磁束の流れを表す矢印によって示してある。
【００３３】
具体的には、バイアス磁界付与層を、非磁性層２０１／強磁性層２０２／反強磁性層２０３／強磁性層２０４／非磁性層２０５という構成とし、強磁性層２０２，２０４の磁化は、反強磁性層２０３との交換結合により、トラック幅方向に固定する。自由層１０４／非磁性層２０１／強磁性層２０２／反強磁性層２０３／強磁性層２０４／非磁性層２０５／自由層１２４を略等しいトラック幅に加工すると、自由層１０４と強磁性層２０２の磁化、及び強磁性層２０４と自由層１２４の磁化が、トラック端部において静磁結合することで、自由層１０４，１２４に、トラック幅方向に略平行な方向に縦バイアス磁界が付与される。更には、自由層１０４と強磁性層２０２及び、強磁性層２０４と自由層１２４が、それぞれ非磁性層２０１，２０５を介して、反強磁性的な層間結合を有するようにすると、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス効果が助長される。
【００３４】
この構造の大きな利点は、縦バイアス磁界の大きさが、微小な素子形状の相違に依存せず、ほぼバイアス磁界付与層の磁気特性で決定されることにある。即ち、強磁性層２０２，２０４の磁化量と、非磁性層２０１，２０５を介した自由層１０４と強磁性層２０２間及び強磁性層２０４と自由層１２４間に作用する反強磁性的層間結合磁界が縦バイアス磁界の支配因子となる。これらの磁化量や反強磁性的層間結合磁界は、これらに寄与する各構成層の膜厚を調整することで、容易に制御することが可能である。結果として、自由層１０４及び自由層１２４に印加される縦バイアス磁界の大きさを、容易に略等しく設定することができる。
【００３５】
マイクロマグネティック・シミュレーションを用いた計算によって、適切な縦バイアス磁界を見積もった。図２１に、規格化再生出力の縦バイアス磁界付与を担う強磁性層の磁化量／自由層の磁化量（以下、縦バイアス比と略す）依存性を示す。また、磁気抵抗効果曲線の典型例を、図２２（ａ）に正常な場合、図２２（ｂ）にヒステリシスを生じた場合として示す。規格化再生出力は、縦バイアス比が増大するにつれて、単調に減少しているのが分かる。これは、縦バイアス磁界の増大によって、利用率が低下した為と理解される。しかしながら、縦バイアス比が１以下の場合、磁気抵抗効果曲線は図２２（ｂ）に示したようにヒステリシスを示すことが確認された。即ち、これは縦バイアス磁界印加が十分でなく、自由層の磁化状態が不安定であることを示唆しており、好ましくない。一方で、縦バイアス比が２以上の場合にも、磁気抵抗効果曲線にヒステリシスが見られることを確認した。これは、縦バイアス磁界付与を担う強磁性層の磁化量が増大することによって、この強磁性層の磁化状態が不安定になったことに起因する。従って、計算から、好適な縦バイアス比は１．２から１．８であったので、強磁性層２０２の磁化量／自由層１０４の磁化量及び強磁性層２０４の磁化量／自由層１２４の磁化量は略等しくし、１．２から１．８の範囲とすることが望ましい。
【００３６】
次に、図１及び図８に示した差動動作型磁気抵抗効気ヘッドの各構成要素について詳述する。基板、下部シールド１０及び上部シールド４０、絶縁膜２０，３０については、本発明において特別な限定を要するものではない為、一般的に用いられている材料を一例として挙げておく。基板としては、ＡｌＴｉＣ，ＳｉＣ又はそれらにＡｌ2Ｏ3を被覆したもの、下部シールド１０及び上部シールド４０としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金及びその窒化物、Ｃｏ−Ｚｒ又はＣｏ−Ｈｆ又はＣｏ−Ｔａ系非晶質合金等の単層又は多層膜を用いればよい。これらは、スパッタ法やめっき法で形成するのが簡便である。絶縁膜２０，３０としては、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＡｌＮ，ＳｉＮやこれらの混合物及び多層膜を用いることで、下部シールド１０と上部シールド４０の短絡を防止することができる。これらは、スパッタ法で形成するのが簡便で好ましい。
【００３７】
第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０の形成は、膜厚及び合金組成の制御性や量産効率の観点から、スパッタ法により作製するのが好ましい。第一の磁気抵抗効果膜１００の膜構成例は、例えば、Ｔａ（３）/Ｒｕ（２）/Ｍｎ80Ｉｒ20（６）/Ｃｏ75Ｆｅ25（２）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ90Ｆｅ10（１）/Ｎｉ85Ｆｅ15（３）などが好ましい一例である。（  ）内の数値は膜厚を示し、単位はｎｍである。また、元素の添え字で示した各合金組成の単位は、ａｔ％である。Ｔａ（３）/Ｒｕ（２）が下地層に、Ｍｎ80Ｉｒ20（６）が反強磁性層１０１に、Ｃｏ75Ｆｅ25（２）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）が固定層１０２に、ＭｇＯ（１）が中間層１０３に、Ｃｏ90Ｆｅ10（１）/Ｎｉ85Ｆｅ15（３）が自由層１０４にそれぞれ相当する。尚、ここでは中間層としてＭｇＯを用いたＴＭＲ膜の例を示した。ＭｇＯ以外にも、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａなどを含む酸化物あるいは窒化物を中間層材料として用いても差し支えない。また、中間層にＣｕ、Ａｇ、Ａｕやそれを主成分とした合金を用いる構成とすると、そのままＣＰＰ−ＧＭＲ膜として使用し得る。更には、中間層をＡｌ2Ｏ3のような絶縁性材料の中にＣｕなどの金属的ピンホールによる伝導パスを形成したいわゆる「電流狭窄型」の構成としても良い。
【００３８】
同様に、第二の磁気抵抗効果膜１２０の膜構成例は、例えば、Ｎｉ85Ｆｅ15（３）/Ｃｏ90Ｆｅ10（１）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（４）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ75Ｆｅ25（１．５）/Ｍｎ80Ｉｒ20（６）のようにすると良い。概ね、第一の磁気抵抗効果膜１００の積層順を対称にしたような構成にすることで、ほぼ同等な磁気抵抗変化特性を得ることができる。面積抵抗や磁気抵抗変化率を微調整する為には、主に中間層の膜厚を適宜最適化すれば良い。
【００３９】
唯一異なるのが、固定層の構成である。第一の磁気抵抗効果膜１００中の固定層１０２は、Ｃｏ75Ｆｅ25（２）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）としているのに対し、第二の磁気抵抗効果膜１２０中の固定層１２２は、Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（４）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ75Ｆｅ25（１．５）としてある。どちらも、Ｃｏ−Ｆｅ強磁性層と反強磁性的な層間結合をもたらすＲｕ層を交互に積層した、いわゆる「積層フェリ」構成となっている。第一の磁気抵抗効果膜１００中の固定層１０２は２層のＣｏ−Ｆｅ層、第二の磁気抵抗効果膜１２０中の固定層１２２は３層のＣｏ−Ｆｅ層を含んでいる点に相違がある。即ち、一方の固定層１０２は、ｍ層（ｍ：偶数）の強磁性層と（ｍ−１）層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造、他方の固定層１２２は、ｎ層（ｎ：奇数）の強磁性層と（ｎ−１）層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造としてある。こうすることによって、第一の反強磁性層１０１及び第二の反強磁性層１２１に接している強磁性層（固定層１０２，１２２の構成要素）の磁化を同一方向に固定した場合、実質的に磁気抵抗効果に寄与する、中間層１０３，１２３に接する強磁性層（固定層１０２，１２２の構成要素）の磁化は反平行な方向に固定される。従って、第一の磁気抵抗効果膜１００と第二の磁気抵抗効果膜１２０が同一方向の信号磁界に対して、逆位相の抵抗変化特性を示し、差動動作に適した形態となる。尚、ｍ：奇数、ｎ：偶数と置き換えても何ら差し支えはない。
【００４０】
バイアス磁界付与層からなる導電性ギャップ層１１０の具体的構成例は、Ｃｕ（０．６５）/Ｒｕ（０．８）/Ｃｏ75Ｆｅ25（３）/Ｍｎ72Ｉｒ22Ｃｒ6（６）/Ｃｏ75Ｆｅ25（３）/Ｒｕ（０．８）/Ｃｕ（０．６５）である。順に、Ｃｕ（０．６５）/Ｒｕ（０．８）が非磁性層２０１に、Ｃｏ75Ｆｅ25（３）が強磁性層２０２に、Ｍｎ72Ｉｒ22Ｃｒ6（６）が反強磁性層２０３に、Ｃｏ75Ｆｅ25（３）が強磁性層２０４に、Ｒｕ（０．８）/Ｃｕ（０．６５）が非磁性層２０５に、それぞれ相当する。強磁性層２０２：Ｃｏ75Ｆｅ25（３）と強磁性層２０４：Ｃｏ75Ｆｅ25（３）は、反強磁性層２０３：Ｍｎ72Ｉｒ22Ｃｒ6（６）との交換結合により、トラック幅方向に磁化が固定されている。ここで重要なのは、第一の磁気抵抗効果膜１００及び第二の磁気抵抗効果膜１２０に用いた反強磁性層１０１，１２１とは、異なるブロッキング温度（交換結合磁界が消失する温度）を有する反強磁性材料を、バイアス磁界付与層の反強磁性層２０３に用いることである。ここでは前者にＭｎ80Ｉｒ20（６）、後者にＭｎ72Ｉｒ22Ｃｒ6（６）に用いた例を示した。
【００４１】
図９に、両材料に関する交換結合エネルギーの温度特性を示す。ブロッキング温度はそれぞれ、Ｍｎ80Ｉｒ20（６）の場合２５５℃、Ｍｎ72Ｉｒ22Ｃｒ6（６）の場合２２５℃と見積もれる。従って、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を成膜した後、まず素子高さ方向に磁界を印加しながら、２７０℃で３時間、磁界中熱処理を施し、固定層１０２，１２２の磁化を素子高さ方向に固定する。この時、一時的にバイアス磁界付与層を構成する強磁性層２０２，２０４の磁化も素子高さ方向に固定されることになる。ここで、熱処理時に印加する磁界は、全ての強磁性層の磁化が磁気的に飽和するのに十分な大きさを用いる。ここでは、４ＭＡ／ｍの磁界を用いた。次に、トラック幅方向に磁界を印加しながら、２３０℃で３時間、磁界中熱処理を施し、バイアス磁界付与層を構成する強磁性層２０２，２０４の磁化のみトラック幅方向に固定する。この時、固定層１０２，１２２の磁化は、熱処理温度よりも高いブロッキング温度を有している為、素子高さ方向に固定されたままである。ここでの熱処理に印加する磁界は、自由層１０４，１２４、強磁性層２０２，２０４の磁化が磁気的に飽和する大きさで十分である。ここでは、４０ｋＡ／ｍの磁界を用いた。このような方法で、固定層１０２，１２２の磁化は素子高さ方向に、バイアス磁界付与層を構成する強磁性層２０２，２０４の磁化はトラック幅方向に固定することができる。ブロッキング温度は、反強磁性材料及びその膜厚・組成などで制御することができる。過度にブロッキング温度の低い反強磁性層構成とすると、信頼性に問題を生じる懸念があるので、適宜調整することが望ましい。これらのプロセスフローを、本実施例に対する製造方法として、図１７にまとめて示す。
【００４２】
非磁性層２０１は、自由層１０４と強磁性層２０２の磁性層間に反強磁性的な層間結合を与える構成：Ｃｕ（０．６５）/Ｒｕ（０．８）である。ここでの反強磁性的な層間結合は、本質的にＲｕ（０．８）より生じているものである。この反強磁性的な層間結合は、自由層に対して縦バイアス磁界として作用する。従って、この反強磁性的な層間結合が強過ぎると、自由層の磁化が磁気記録媒体からの信号磁界によって回転しにくくなり、出力の低下を招く。この大きさを調整する為に、Ｒｕ（０．８）に適切な厚さのＣｕ膜を挿入した構成を採用することができる。
【００４３】
図１０に、自由層１０４と強磁性層２０２の磁性層間に作用する反強磁性的な層間結合磁界のＣｕ膜厚依存性を示す。非磁性層２０１の構成は、Ｃｕ（ｔ）/Ｒｕ（０．８）である。Ｃｕ膜厚が厚くなるほど、反強磁性的な層間結合磁界は単調に、かつ連続的に小さくなっている。従って、Ｃｕ膜厚を最適化することで、反強磁性的な層間結合磁界を調整し、好適な縦バイアス効果を実現することができる。尚、反強磁性的な層間結合磁界を得る他の非磁性層材料の例として、Ｃｒ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ等やこれらの合金及び多層膜を用いることができる。注意すべきことは、非磁性層２０１を介して、自由層１０４と強磁性層２０２間で、磁気抵抗効果が生じないような材料系とする点である。非磁性層２０５についても、同様な考え方を適用できるので、説明は省略する。
【００４４】
以上説明してきた方法によって、高い再生分解能の実現に適した差動動作型磁気抵抗効果ヘッドに関し、２層の自由層に対して、略等しい縦バイアス磁界を容易に制御しつつ付与できる。その結果、２つの磁気抵抗効果素子は略等しい出力特性（磁界に対する極性は反対）を有する為、差動出力波形におけるベースライン・シフトを抑制し、安定した再生動作を実現することができる。
【００４５】
〔実施例２〕
図１１に、本発明の第２の実施例である、第一の磁気抵抗効果膜１３０／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１４０を、ＡＢＳ面から見た概略図を示す。磁気抵抗効果ヘッドとしては、第１の実施例中の磁気抵抗効果膜１００及び１２０を、磁気抵抗効果膜１３０及び１４０に置き換えるだけなので、ヘッド構成の詳細は省略する。
【００４６】
本実施例では、第１の実施例中の第一及び第二の磁気抵抗効果膜から反強磁性層１０１，１２１を除いた構成になっている。即ち、固定層１３２，１４２が、いわゆる“自動ピン止め”構成となっている。従って、固定層１３２，１４２の磁化を固定する為の磁界中熱処理工程が不要となる。この場合、固定層１３２，１４２を形成する際に、静磁界を印加しながら成膜を行うことでその磁化方向を素子高さ方向に設定することができる。自動ピン止め構成から成る固定層１３２，１４２の磁化方向を、外部磁界が印加されても強固に固定する為には、以下に示す４つの方法が効果的である。
（１）固定層１３２，１４２を構成する複数の強磁性層のうち、少なくとも１層を硬質磁性体で構成する。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ合金の場合、Ｆｅ組成が５０ａｔ％付近でＣｏ−Ｆｅの保磁力Ｈｃは最大値を示し、２５ｋＡ／ｍ程度の大きな値が得られる。更には、ＰｔやＰｄ等の貴金属やＶ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ等の元素を添加すると、更に保磁力を増大させることができ、より効果的である。
（２）反強磁性結合層を介して積層された２層以上の強磁性層が磁気的に反平行配列した際に、実質的な磁化量がほぼゼロとなるように膜厚を設定する。
（３）反強磁性結合を強くする。大きな反強磁性結合を示す反強磁性結合層材料としては、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｉｒが好ましい。また、反強磁性結合層の膜厚を薄くした方が、より大きな反強磁性結合が得られる。例えば、Ｒｕを反強磁性結合層として用いる場合には、通常は膜厚を０．８ｎｍ付近に設定することが多いが、膜厚を０．３５から０．４５ｎｍとした方が、より大きな反強磁性結合が得られる。
（４）強磁性層１/反強磁性結合層１/強磁性層２/反強磁性結合層２/強磁性層３/反強磁性結合層３/強磁性層４のように積層回数を増加させる。
【００４７】
これら４つの方法を組み合わせると、固定層１３２，１４２の磁化方向を強固に固定することができる。例えばＣｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．３５）/Ｃｏ50Ｆｅ50（２．１５）の膜構成においては、±８０ｋＡ／ｍの磁界が印加されても、Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．３５）/Ｃｏ50Ｆｅ50（２．１５）の磁化方向が変化しない。更に、Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．３５）/Ｃｏ50Ｆｅ50（２．１５）/Ｒｕ（０．３５）/Ｃｏ90Ｆｅ10（２．５）/Ｒｕ（０．３５）/Ｃｏ50Ｆｅ50（２．１５）とした場合には、±１２０ｋＡ／ｍの磁界が印加されても、その磁化方向が変化しない。
【００４８】
尚、第１の実施例では、２つの磁気抵抗効果素子の出力極性を反対にする（実質的な固定層の磁化方向を反対にする）為、固定層を構成する強磁性層の数を一方は偶数、他方は奇数とする必要があった。本実施例では、固定層の膜構成を変える必要はなく、磁気抵抗効果膜の成膜時に印加する静磁界の方向でこれを制御することができる。
【００４９】
導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）１１０の構成は、第１の実施例と同じであり、自由層に対してトラック幅方向に縦バイアス磁界を付与する原理も同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５０】
第１の実施例では、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を成膜した後、２回の磁界中熱処理が必要であった。即ち、磁気抵抗効果膜の構成要素である固定層の磁化を素子高さ方向に固定する磁界中熱処理工程と、導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の構成要素である強磁性層の磁化をトラック幅方向に固定する磁界中熱処理工程を要した。一方で、本実施例では、成膜時に固定層の磁化は素子高さ方向に規定され、第一の磁気抵抗効果膜１３０／導電性ギャップ層１１０／第二の磁気抵抗効果膜１４０の成膜後には、導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の構成要素である強磁性層の磁化をトラック幅方向に固定する磁界中熱処理工程のみで磁化方向制御が完了する。これらのプロセスフローを、本実施例に対する製造方法として、図１８にまとめて示す。
【００５１】
〔実施例３〕
図１２に、本発明の第３の実施例である、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１５０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を、ＡＢＳ面から見た概略図を示す。磁気抵抗効果ヘッドとしては、本発明の第１の実施例中の導電性ギャップ層１１０を、他の導電性ギャップ層１５０に置き換えるだけなので、ヘッド構成の詳細は省略する。
【００５２】
第一の磁気抵抗効果膜１００と第二の磁気抵抗効果膜１２０については、第１の実施例と同じであるので、説明は省略する。他のバイアス磁界付与層の構成例として、本実施例では、導電性ギャップ層１５０として、非磁性層２１１／硬磁性層２１２／非磁性層２１３を用いる。硬磁性層２１２には、ハードバイアス構造に使用されているような、Ｃｏ−ＰｔやこれにＣｒ等を添加した材料やＦｅ−Ｐｔなどの材料を用いることができる。尚、硬磁性層２１２として、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｐｔ／Ｃｏ−Ｆｅのように、あまり保磁力の大きくない強磁性層でＣｏ−Ｐｔ層などを挟持した構成も用いることができる。Ｃｏ−Ｐｔのような硬磁性層は、薄い非磁性層を介して、軟磁性層に磁区構造を転写し、その軟磁気特性を劣化させる懸念がある。即ち、ここでは、自由層の軟磁気特性を劣化させる可能性がある。従って、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｐｔ／Ｃｏ−Ｆｅのような構成とすることで、このような問題を緩和することができて、好ましい。
【００５３】
本実施例においても、非磁性層２１１，２１３を介して、自由層１０４と硬磁性層２１２及び、硬磁性層２１２と自由層１２４が、反強磁性的な層間結合を有するようにすると、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス効果が助長され、好ましい。従って、第１及び第２の実施例と同様に、非磁性層２１１，２１３には、Ｃｕ／ＲｕのようなＣｒ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ等やこれらの合金及び多層膜を用いると良い。
【００５４】
本実施例では、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１５０／第二の磁気抵抗効果膜１２０の成膜後に、磁気抵抗効果膜の構成要素である固定層の磁化を素子高さ方向に固定する磁界中熱処理を施す。その後、トラック幅方向に静磁界を印加することで、導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の構成要素である硬磁性層の磁化をトラック幅方向に規定することができる。ここでの、静磁界印加は、硬磁性層の磁化が磁気的に飽和するような条件とすれば良いので、室温にて８００ｋＡ／ｍなどの条件とすれば目的は達成される。これらのプロセスフローを、本実施例に対する製造方法として、図１９にまとめて示す。
【００５５】
自由層に対してトラック幅方向に縦バイアス磁界を付与する原理は、第１及び第２の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。尚、本実施例においては、実施例１と同様な理由から、硬磁性層２１２の磁化量／自由層１０４及び自由層１２４の磁化量の和が１．２から１．７の範囲にあるように設定すると、再生感度と安定性の両立が図れ、望ましい。
【００５６】
〔実施例４〕
図１３に、本発明の第４の実施例である、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１６０／第二の磁気抵抗効果膜１２０を、ＡＢＳ面から見た概略図を示す。磁気抵抗効果ヘッドとしては、本発明の第１の実施例中の導電性ギャップ層１１０を、他の導電性ギャップ層１６０に置き換えるだけなので、ヘッド構成の詳細は省略する。
【００５７】
第一の磁気抵抗効果膜１００と第二の磁気抵抗効果膜１２０については、第１の実施例と同一であるので、説明は省略する。他のバイアス磁界付与層の構成例として、本実施例では、導電性ギャップ層１６０として、非磁性層２２１／強磁性層２２２／９０度結合層２２３／強磁性層２２４／反強磁性層２２５／強磁性層２２６／９０度結合層２２７／強磁性層２２８／非磁性層２２９を用いる。ここで、強磁性層２２４，２２６の磁化は、反強磁性層２２５との交換結合により素子高さ方向に固定されている。強磁性層２２２，強磁性層２２８は、それぞれ９０度結合層２２３，２２７を介して、強磁性層２２４，２２６の磁化に対して、略直交方向に層間結合を有するようにする。これにより、強磁性層２２２及び強磁性層２２８の磁化は、トラック幅方向に規定されることになり、２層の自由層１０４及び１２４に対してトラック幅方向に縦バイアス磁界を付与する。
【００５８】
本実施例においても、非磁性層２２１，２２９を介して、自由層１０４と強磁性層２２２及び、強磁性層２２８と自由層１２４が、反強磁性的な層間結合を有するようにすると、トラック幅方向に略平行な方向の縦バイアス効果が助長され、好ましい。従って、これまでの述べた実施例と同様に、非磁性層２２１，２２９には、Ｃｕ／ＲｕのようなＣｒ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ等やこれらの合金及び多層膜を用いると良い。
【００５９】
９０度結合層２２３，２２７としては、Ｍｎ−Ｘ（ＸはＣｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔの少なくとも１種類の元素）で表される材料や、Ｃｒ単体あるいはＭｎ単体や、｛Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ｝からなる群の内、少なくとも１種類以上の元素を含む酸化膜を用いることができる。即ち、導電性ギャップ層１６０の具体的構成例は、Ｃｕ（０．６５）/Ｒｕ（０．８）/Ｃｏ75Ｆｅ25（３）/Ｍｎ49Ｐｔ51（１．２）/Ｃｏ75Ｆｅ25（１．５）/Ｍｎ72Ｉｒ22（６）/Ｃｏ75Ｆｅ25（１．５）/Ｍｎ49Ｐｔ51（１．２）/Ｃｏ75Ｆｅ25（３）/Ｒｕ（０．８）/Ｃｕ（０．６５）などとすることができる。
【００６０】
本実施例では、第一の磁気抵抗効果膜１００／導電性ギャップ層１６０／第二の磁気抵抗効果膜１２０の成膜後に、磁気抵抗効果膜の構成要素である固定層の磁化と、導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の構成要素である強磁性層２２４，２２６の磁化を素子高さ方向に固定する磁界中熱処理を施す。この時、導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の構成要素である強磁性層２２２，２２８の磁化は９０度層間結合により、トラック幅方向に規定される。結果的に、強磁性層２２２，２２８の磁化は、２層の自由層に対して、縦バイアス磁界をトラック幅方向に付与する。これらのプロセスフローを、本実施例に対する製造方法として、図２０にまとめて示す。
【００６１】
自由層に対してトラック幅方向に縦バイアス磁界を付与する原理は、これまで述べてきた他の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。尚、本実施例においては、実施例１と同様な理由から、強磁性層２２２の磁化量／自由層１０４の磁化量、強磁性層２２８の磁化量／自由層１２４の磁化量が略等しく、この比が１．２から１．７の範囲にあるように設定すると、再生感度と安定性の両立が図れ、望ましい。
【００６２】
〔実施例５〕
本発明を適用した記録再生複合磁気ヘッドの概略図を図１４に示す。上述したような方法で磁気抵抗効果ヘッド（再生ヘッド）を作製した後、主に磁極６０とコイル７０から成る記録ヘッドを作製した。尚、先に記録ヘッドを作製し、その上に磁気抵抗効果ヘッド（再生ヘッド）を作製しても差し支えない。ウエハプロセス終了後、切断工程、ＡＢＳ面加工工程やアセンブリー工程を経て、磁気記録再生装置に組み込まれると磁気記録媒体に情報を記録/再生することができる。
【００６３】
図１５は本発明による磁気記録再生装置の概略図である。磁気的に情報が記録される磁気記録媒体５００をスピンドルモータ６００にて回転駆動し、アクチュエータ８００によってヘッドスライダ７００を磁気記録媒体５００のトラック上に誘導する。即ち磁気記録再生装置においては、ヘッドスライダ７００上に形成した再生ヘッド及び記録ヘッドが磁気記録媒体５００上の所望の位置に近接して相対運動し、信号を順次記録/再生する。記録信号は信号処理系９００を通じて記録ヘッドにて磁気記録媒体５００上に記録し、磁気記録媒体５００に記録された磁気信号を再生ヘッドにて電磁変換し、信号処理系９００を経て電気信号として得る。ヘッドスライダ７００を磁気記録媒体５００の所望の記録トラック上へ移動させる為には、再生ヘッドによってトラック上の位置信号を検出し、アクチュエータ８００を制御して位置決めを行う。図では磁気記録媒体５００の両面に磁気信号が記録される場合を想定し、ヘッドスライダ７００が２つ搭載された場合を示したが、勿論、磁気記録媒体５００の片面のみに磁気信号が記録されるようにしてもよく、その場合には１つのヘッドスライダ７００が搭載されることになる。また、磁気記録媒体５００は１枚のみ示したが、複数枚あっても構わない。
【００６４】
上述したような本発明の磁気ヘッドおよびこれを搭載した磁気記録再生装置においては、高い再生分解能を示し、また安定した再生動作をすることが確認された。また、自由層への縦バイアス磁界の大きさを容易に制御できた為、作製時の歩留りも良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による差動動作型磁気抵抗効果ヘッドをＡＢＳ面から見た概略図。
【図２】本発明による差動動作型磁気抵抗効果ヘッドの素子高さ方向の断面図。
【図３】本発明による磁気抵抗効果膜及び導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の積層構造をＡＢＳ面から見た概略図。
【図４】シールド型ヘッドと差動動作型ヘッドの孤立波形を比較して示した図。
【図５】規格化出力の線記録密度依存性をシールド型ヘッドと差動動作型ヘッドで比較して示した図。
【図６】従来のハードバイアス構造を適用した差動動作型磁気抵抗効果ヘッドをＡＢＳ面から見た概略図。
【図７】出力の異なる２つの磁気抵抗効果素子を用いて差動動作させた際に見られる孤立波形におけるベースライン・シフトを示した図。
【図８】本発明による磁気抵抗効果膜及び導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の積層構造をＡＢＳ面から見た概略図（実施例１）。
【図９】交換結合エネルギーの温度依存性をＭｎＩｒとＭｎＩｒＣｒで比較して示した図。
【図１０】Ｒｕ（０．８ｎｍ）/Ｃｕを介した反強磁性的な層間結合磁界のＣｕ膜厚依存性を示した図。
【図１１】本発明による他の磁気抵抗効果膜及び導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の積層構造をＡＢＳ面から見た概略図（実施例２）。
【図１２】本発明による他の磁気抵抗効果膜及び導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の積層構造をＡＢＳ面から見た概略図（実施例３）。
【図１３】本発明による他の磁気抵抗効果膜及び導電性ギャップ層（バイアス磁界付与層）の積層構造をＡＢＳ面から見た概略図（実施例４）。
【図１４】本発明を適用した記録再生複合磁気ヘッドの概略図。
【図１５】本発明を適用した磁気記録再生装置の概略図。
【図１６】ヘッドの概略構造と再生信号波形の比較図であり、（Ａ）はシールド型ヘッドの図、(Ｂ)は差動型ヘッドの図。
【図１７】実施例１に関する製造方法のプロセスフローを示した図。
【図１８】実施例２に関する製造方法のプロセスフローを示した図。
【図１９】実施例３に関する製造方法のプロセスフローを示した図。
【図２０】実施例４に関する製造方法のプロセスフローを示した図。
【図２１】規格化再生出力の縦バイアス比（縦バイアス磁界付与を担う強磁性層の磁化量／自由層の磁化量）依存性を示した図。
【図２２】磁気抵抗効果曲線の典型例（ａ）正常な場合、（ｂ）ヒステリシスを生じた場合を比較して示した図。
【符号の説明】
【００６６】
１０：下部シールド
２０，３０：絶縁膜
４０：上部シールド
５０：硬磁性膜
１００：第一の磁気抵抗効果膜
１１０，１５０，１６０：導電性ギャップ層
１２０：第二の磁気抵抗効果膜
１３０：第一の磁気抵抗効果膜
１４０：第二の磁気抵抗効果膜
１０１：反強磁性層
１０２：固定層
１０３：中間層
１０４：自由層
１２１：反強磁性層
１２２：固定層
１２３：中間層
１２４：自由層
１３２：固定層
１３３：中間層
１３４：自由層
１４２：固定層
１４３：中間層
１４４：自由層
２０１：非磁性層
２０２：強磁性層
２０３：反強磁性層
２０４：強磁性層
２０５：非磁性層
２１１：非磁性層
２１２：硬磁性層
２１３：非磁性層
２２１：非磁性層
２２２：強磁性層
２２３：９０度結合層
２２４：強磁性層
２２５：反強磁性層
２２６：強磁性層
２２７：９０度結合層
２２８：強磁性層
２２９：非磁性層
６０：磁極
７０：コイル
５００：磁気記録媒体
６００：スピンドルモータ
７００：ヘッドスライダ
８００：アクチュエータ
９００：信号処理系
【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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【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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