磁気リード・ヘッド
【課題】高いＭＲ比で低磁歪のＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現する。
【解決手段】本発明の一実施形態において、リード・ヘッドは、磁気抵抗センサ膜の積層方向（膜面に垂直な方向）にセンス電流が流れるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のリード・ヘッドである。本形態のＣＰＰ磁気ヘッドは、その磁気抵抗センサ膜における自由層構造に特徴を有している。本形態の自由層は積層された複数層から構成されており、ホイスラ合金層と、Ｃｏ系アモルファス金属層とを有している。この自由層構造を有することにより、低磁歪で高いＭＲ比を得ることができ、ノイズ特性にも優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【解決手段】本発明の一実施形態において、リード・ヘッドは、磁気抵抗センサ膜の積層方向（膜面に垂直な方向）にセンス電流が流れるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のリード・ヘッドである。本形態のＣＰＰ磁気ヘッドは、その磁気抵抗センサ膜における自由層構造に特徴を有している。本形態の自由層は積層された複数層から構成されており、ホイスラ合金層と、Ｃｏ系アモルファス金属層とを有している。この自由層構造を有することにより、低磁歪で高いＭＲ比を得ることができ、ノイズ特性にも優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型磁気リード・ヘッドの構造に関し、特に、ＣＰＰ磁気リード・ヘッドにおける自由層の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）は、磁気記録媒体と磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体上のデータは磁気ヘッドによって読み書きされる。ＨＤＤ中にある磁気ヘッドは、磁気記録媒体（磁気ディスク）に磁化信号として情報を記録するライト・ヘッドと、磁気記録媒体に磁化信号として記録された信号を読み取るリード・ヘッドとから構成されている。リード・ヘッドは複数の磁性薄膜及び非磁性薄膜からなる磁気抵抗効果積層体から構成されており、磁気抵抗効果を利用して信号を読み取るため、磁気抵抗効果ヘッドと呼ばれる。
【０００３】
磁気抵抗効果ヘッドの積層構造にはいくつかの種類があり、その用いる磁気抵抗の原理からＡＭＲヘッド、ＧＭＲヘッド、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッドなどに分類される。それぞれ、ＡＭＲ（磁気抵抗効果）、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果（Current Perpendicular to Plane GMR効果）、ＴＭＲ効果（トンネル磁気抵抗効果）を用いて、磁気記録媒体からリード・ヘッドに入ってくる入力磁界信号を電圧変化として取り出している。
【０００４】
現在、記録情報の高密度化の進展により、より高感度な情報信号の再生方式が必要とされている。記録密度５００（Ｇｂ／ｉｎ２）〜２（Ｔｂ／ｉｎ２）では、ＭＲ比が非常に高いＴＭＲリード・ヘッドが感度向上の面から有利である。そして、２（Ｔｂ／ｉｎ２）を超える超高記録密度に対してはＣＰＰ−ＧＭＲリード・ヘッド等が主流になると考えられる。ＣＰＰ−ＧＭＲは、磁気抵抗効果積層体の膜面に対して平行にセンス電流が流れるＣＩＰ−ＧＭＲ（Current In Plane GMR）と異なり、素子センサ膜面に垂直な方向、つまり素子センサ膜面の積層方向にセンス電流を流す方式である。このような方式をＣＰＰ方式と呼ぶ。また、そのようなリード・ヘッドをＣＰＰリード・ヘッドと呼ぶ。
【０００５】
磁気抵抗効果積層体は、磁化方向が固定された固定層と、外部磁界により磁化方向が変化する自由層とを有している。磁気抵抗変化は自由層のスピン分極率が大きいほど増加し、出力が増加する。スピン分極率が１００％またはそれに近いハーフメタルとして、ホイスラ合金が知られている。このホイスラ合金を自由層に用いることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
しかし、ホイスラ合金を自由層として用いた場合、磁歪が大きく素子として不安定になりやすい。そこで、特許文献１は、ホイスラ合金層と軟磁性、そして、ホイスラ合金層と軟磁性との間に磁歪低減層を有する自由層構造を提案している。磁歪低減層は、４族元素、５族元素、または６族元素で構成される。このような自由層構造により、高いＭＲ比と低磁歪とを実現することができると指摘している。
【特許文献１】特開２００８−２２７４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１においては、具体的に、磁歪低減層を、Ｈｆ膜、Ｔｉ膜、Ｚｒ膜、Ｔａ膜、またはＷ膜によって構成することを開示している。しかし、ホイスラ合金層と軟磁性層との間に中間層を形成する場合、ホイスラ合金層と軟磁性層との磁気的カップリングを考慮することが重要である。
【０００８】
上記特許文献１に開示されている材料のように、ホイスラ合金層と軟磁性層との間の中間層が非磁性膜であると、ホイスラ合金層と軟磁性層との磁気的結合が分断されるために磁気的に一体となって動作せず互いに独立に動作する。このために一体となって動く場合に比べて各々の磁気的な体積が小さくなるために、熱励起による磁気揺らぎが大きくなる。この揺らぎがリード・ヘッドの再生時のノイズを増大させ、エラーレートを悪化させる。そこで中間層としてはホイスラ合金層と軟磁性層とが磁気的に一体となって動作する特性を有することが望ましい。つまり中間層として非磁性材料は好ましくなく、磁性材料であることが望ましい。
【０００９】
従って、ホイスラ合金層を含む自由層を有するＣＰＰ磁気リード・ヘッドにおいて、高いＭＲ比と低磁歪を実現すると共に、ノイズ特性の優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、磁気抵抗センサを有し、前記磁気抵抗センサの積層方向に検知電流を流す磁気リード・ヘッドである。前記磁気抵抗センサ膜は、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層と、前記自由層と積層されており、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層との間にある非磁性中間層とを有する。前記自由層は、ホイスラ合金層と、Ｃｏ系アモルファス金属層とを有する。
【００１１】
好ましい構成において、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの少なくとも一つの元素を含む。好ましい構成において、前記自由層は、さらに、金属結晶の軟磁性層を有し、前記軟磁性層と前記ホイスラ合金層との間に前記Ｃｏ系アモルファス金属層が形成されている。さらに、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｃ−Ｆｅ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素である。さらに、前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みは、前記軟磁性層及び前記ホイスラ合金層の厚みよりも一桁以上薄い。あるいは、前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みの桁数は、前記ホイスラ合金層の厚みの桁数以上である。
【００１２】
好ましい構成において、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｃ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素である。また、前記固定層はホイスラ合金層を含む。前記自由層は、さらに、ＢＣＣ構造をもつナノ磁性層を有し、非磁性中間層、前記ナノ磁性層、前記ホイスラ合金層の順に形成され、前記ナノ磁性層の厚みは、前記ホイスラ合金層の厚みよりも１桁以上薄い。前記ナノ磁性層がＣｏ−Ｆｅ合金で、Ｆｅ組成が３０ａｔ％以上である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高いＭＲ比で低磁歪のＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。なお、以下に説明する実施の形態は、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）のリード・ヘッドに対して本発明を適用したものである。本形態のリード・ヘッドは、磁気抵抗センサ膜の積層方向（膜面に垂直な方向）にセンス電流が流れるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のリード・ヘッドである。
【００１５】
本形態のＣＰＰ磁気ヘッドは、その磁気抵抗センサ膜における自由層構造に特徴を有している。本形態の自由層は積層された複数層から構成されており、ホイスラ合金層と、そのホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを有している。この自由層構造を有することにより、低磁歪で高いＭＲ比を得ることができ、ノイズ特性にも優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【００１６】
本形態のＣＰＰ磁気リード・ヘッドの特徴点について説明する前に、まず、磁気ヘッドの全体構成について説明する。図１は、磁気ヘッド１の構造を模式的に示す断面図である。磁気ヘッド１は、磁気ディスク３との間で磁気データを読み書きする。磁気ヘッド１は、その走行方向側（リーディング側）から、リード・ヘッド１１とライト・ヘッド１２とを有している。磁気ヘッド１は、スライダ２のトレーイング側（リーディング側の反対側）に形成されている。リード・ヘッド１１は、リーディング側から、下部シールド１１１、磁気抵抗センサ１１２、上部シールド１１３を有している。
【００１７】
ライト・ヘッド１２は、薄膜コイル１２１と記録磁極１２２とを有している。薄膜コイル１２１は、絶縁体１２３に囲まれている。ライト・ヘッド１２は、薄膜コイル１２１を流れる電流で記録磁極１２２間に磁界を発生し、磁気データを磁気ディスク３に記録するインダクティブ素子である。リード・ヘッド１１は磁気抵抗型の素子であって、磁気異方性を有する磁気抵抗センサ１１２を備え、磁気ディスク３からの磁界によって変化するその抵抗値によって磁気ディスク３に記録されている磁気データを読み出す。本形態のリード・ヘッドはＣＰＰリード・ヘッドであり、下部シールド１１１及び上部シールド１１３がセンス電流を磁気抵抗センサ１１２に供給する電極として使用される。
【００１８】
磁気ヘッド１はスライダ２を構成するアルチック（ＡｌＴｉＣ）基板に、薄膜形成プロセスを用いて形成される。磁気ヘッド１とスライダ２とが、ヘッド・スライダを構成する。ヘッド・スライダは磁気ディスク３上を浮上しており、その磁気ディスク対抗面２１をＡＢＳ（Air Bearing Surface）と呼ぶ。磁気ヘッド１はライト・ヘッド１２とリード・ヘッド１１の周囲にアルミナなどの保護膜１３を備え、磁気ヘッド１全体はその保護膜１３で保護されている。
【００１９】
図２は、本形態の磁気抵抗センサ構造を適用可能なＣＰＰリード・ヘッド１１の構造・構成の一例を模式的に示す断面図である。図２は、ヘッド・スライダのＡＢＳ面２１側から見た断面構造を模式的に示している。図２における下側がリーディング側であり、上側がトレーリング側となる。本明細書においては、リード・ヘッド１１が形成されるアルチック基板側、つまりスライダ２側を下側とし、その反対側であるトレーリング側を上側とする。リード・ヘッド１１の各層は、下側から順次形成されていることになる。本形態のリード・ヘッド１１は、ＣＰＰ−ＭＲ（Magneto Resistance）ヘッド（ＣＰＰリード・ヘッド）であり、センス電流は、膜面の積層方向（図２における上下方向であって、膜面に垂直な方向）に流れる。
【００２０】
磁気抵抗センサ１１２は複数の層からなる多層膜であり、下部シールド１１１と上部シールド１１３との間にある。下部シールド１１１と上部シールド１１３とは、磁気シールドとして機能すると共に、磁気抵抗センサ１１２にセンス電流を供給する下部電極と上部電極として兼用される。なお、上部シールド１１３の下には、導体からなる上部磁気隔離膜１１４が形成されている。
【００２１】
磁気抵抗センサ１１２は、下層側から順次積層された、センサ下地層２１１、反強磁性膜２１２、固定層２１３、非磁性中間層２１４、自由層２１５及びセンサ・キャップ膜２１６を有している。各層は、隣接する層と物理的に接触している。センサ下地層２１１はＴａや、ＮｉＦｅＣｏ合金などの非磁性材料で形成され、単層で形成する、あるいは積層構造としてもよい。
【００２２】
固定層２１３には、反強磁性膜２１２との交換相互作用が働き、その磁化方向が固定される。自由層２１５のトラック幅はＴｗｆで示されている。磁気抵抗効果ヘッドは、固定層２１３の磁化方向に対する自由層２１５の相対的な磁化方向の変化によって抵抗が変化する事を利用し動作する。すなわち、固定層２１３の磁化方向に対し自由層２１５の磁化方向が、磁気ディスクからの情報磁界によって変化すると、磁気抵抗センサ１１２の抵抗値（電流値）が変化する。リード・ヘッド１１は、磁気抵抗センサ１１２の抵抗値（電流値）を検知する事により、狭小化した外部情報磁界を検出することができる。
【００２３】
磁気抵抗センサ素子１１２の左右両側には、自由層２１５の磁区不均一性に起因するバルクハウゼン・ノイズなどを抑制するため、ハードバイアス膜１１５が存在する。典型的には、ハードバイアス膜１１５はＣｏ合金で形成されており、ＣｏＣｒＰｔ合金やＣｏＰｔ合金などで形成されている。ハードバイアス膜１１５からのバイアス磁界が、自由層２１５に印加され、自由層２１５を単磁区化するように働き、自由層の磁化動作を安定化させる。
【００２４】
ハードバイアス膜１１５は、ハードバイアス下地膜１１６の上に形成されている。ハードバイアス下地膜１１６の下層として、ジャンクション絶縁膜１１７が形成されている。絶縁膜１１７は、ハードバイアス下地膜１１６と下部シールド膜１１１及び磁気抵抗センサ１１２の間に存在し、センス検知電流が磁気抵抗センサ１１２の外側を流れないようにする。絶縁膜１１７は、例えば、Ａｌ２Ｏ３で形成する。なお、本形態の磁気抵抗センサは、他のハードバイアス膜構造を有するリード・ヘッドに適用することができる。
【００２５】
図３（ａ）、（ｂ）は、本形態の磁気抵抗センサ１１２の積層構造を模式的に示す図である。図２を参照して説明したように、磁気抵抗センサ１１２は、下層側から、反強磁性層２１２、固定層２１３、非磁性中間層２１４、自由層２１５、そしてキャップ層２１６を有している。なお、キャップ層２１６を除く層の積層順序を逆にしてもよい。つまり、下層側から、自由層、非磁性中間層、固定層、反強磁性層の順で各層を積層してもよい。
【００２６】
反強磁性層２１２はＰｔＭｎやＭｎＩｒなどの反強磁性材料で形成される。固定層２１３は一般に積層固定層であり、ＣｏＦｅ合金などからなる二層の強磁性層と、それらの間のＲｕなどからなる非磁性層とから構成されている。二層の強磁性層は交換相互作用によって結合し、磁化の固定が安定化される。下層側の強磁性層には、反強磁性層２１２との交換相互作用が働き、その磁化方向が固定される。なお、固定層２１３を単層構造としてもよい。非磁性中間層２１４は、一般に、Ｃｕなどの非磁性導体を使用して形成される。センサ・キャップ膜２１６はＴａなどの非磁性導電材料で形成される。
【００２７】
本形態の磁気抵抗センサ１１２の特徴として、自由層２１５がホイスラ合金層５１１とＣｏ系アモルファス金属層５１２とを有している。図３（ａ）の構造においては、自由層２１５はホイスラ合金層５１１とＣｏ系アモルファス金属層５１２とで構成されている。図３（ｂ）の構造においては、自由層２１５は、ホイスラ合金層５１１、金属結晶の軟磁性層５１３、そして、それらの間のＣｏ系アモルファス金属層５１２で構成されている。自由層２１５に、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とを含めることで、高いＭＲ比で低磁歪のＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【００２８】
図３（ａ）及び（ｂ）の構造において、自由層２１５は、図示されている以外の金属層をさらに有していてもよい。また、自由層２１５は、複数層のホイスラ合金層、金属結晶軟磁性層あるいはＣｏ系アモルファス金属層を有していてもよい。
【００２９】
図３（ａ）の自由層構造において、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とは、接触して界面を形成している。これにより、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１との強い磁気的結合を得ることができる。あるいは、これら二つの層が磁気的に強く結合している場合は、二つの層の間に中間層を挿入してもよい。具体的には、金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層を、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１の間に配置してもよい。金属結晶軟磁性層としては、強磁性元素Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらの合金からなる層がある。また、反強磁性結合層としては、ＣｒやＲｕからなる層がある。
【００３０】
図３（ｂ）の自由層構造において、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とは接触して界面を形成している。また、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と金属結晶軟磁性層５１３とは接触して界面を形成している。これにより、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３との間において、強い磁気的結合を得ることができる。あるいは、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３が磁気的に強く結合している場合は、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と上記二つの層のそれぞれとの間に中間層を挿入してもよい。中間層としては、図３（ａ）を参照した説明と同様に、金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層を形成することができる。
【００３１】
図３（ａ）の構造において、好ましくは、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みの桁数は、ホイスラ合金層５１１の厚みの桁数以上である。実際の設計においては、これらの桁数が一致していることが好ましい。例えば、ホイスラ合金層５１１の厚みが１０Åの桁数であれば、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みも１０Åの桁数である。この構造においては、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、ホイスラ合金層５１１と共に、ＭＲ出力に積極的に寄与する。
【００３２】
これに対して、図３（ｂ）の自由層構造においては、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３との間の中間層としての機能を目的としている。そのため、好ましくは、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みは、ホイスラ合金層５１１及び金属結晶軟磁性層５１３の厚みよりも１桁以上薄い。例えば、ホイスラ合金層５１１及び金属結晶軟磁性層５１３が数十Åの厚みを有する場合、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みは数Åあるいはそれ以下である。膜厚については、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と他の層との間の中間層として使用する金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層についても同様である。
【００３３】
図３（ａ）、（ｂ）に示す自由層構造においては、ホイスラ合金層５１１が非磁性中間層２１４側に形成され、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と非磁性中間層２１４との間にホイスラ合金層５１１が形成されている。ホイスラ合金層５１１によりＭＲ出力を高めるためには、ホイスラ合金層５１１がＣｏ系アモルファス金属層５１２よりも非磁性中間層２１４の近い位置にあることが好ましい。また、ホイスラ合金５１１により高ＭＲ出力を得るためには、ＢＣＣ構造をもちホイスラ合金５１１の厚みよりも１桁以上薄い厚みのナノ磁性層をホイスラ合金層の形成前に形成する、つまり、ナノ磁性層、ホイスラ合金層の順に形成することが好ましい。更にナノ磁性層は、ＢＣＣ構造が得られるＦｅ組成が３０ａｔ％以上のＣｏ−Ｆｅ合金層が高ＭＲ比の点で好ましい。
【００３４】
図４は、図３（ａ）の積層構造を有する磁気抵抗センサ１１２の好ましい例を示している。反強磁性層２１２はＭｎ２２Ｉｒで形成されている。固定層２１３は、上層の第１固定層３１１と下層の第２固定層３１２を有し、それぞれ、ホイスラ合金のＣｏＭｎＧｅとＣｏ２５Ｆｅで形成されている。二つの固定層３１１、３１２の間には、反強磁性結合層のＲｕ層が形成されている。固定層２１３は、ホイスラ合金層を有していることが好ましい。これにより、より高いＭＲ比を得ることができる。典型的には、固定層２１３内のホイスラ合金層は、自由層２１５におけるホイスラ合金層と同一組成である。非磁性中間層２１４は、上下のＣｕ層とそれらの間のＡｌ１０Ｃｕ層で構成されている。キャップ層２１６は、Ｃｕ層とＲｕ層で構成されている。
【００３５】
自由層２１５において、ホイスラ合金層５１１はＣｏＭｎＧｅ層である。ホイスラ合金としては異なる構造のものが知られているが、Ｘ２ＹＺというＬ２１構造もしくはＢ１２構造を有するホイスラ合金を使用することが好ましい。ＸとしてはＣｏ、ＹとしてはＭｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、そして、ＺとしてはＧｅ、Ａｌ、Ｓｉを使用することができる。特に、Ｃｏ２ＭｎＧｅは、製造が容易であることから好ましいホイスラ合金である。なお、ＣｏＭｎＧｅとの表記は、構成元素の組成を限定していない。また、本発明のホイスラ合金はＣｏＭｎＧｅに限定されるものではない。
【００３６】
図７はホイスラ合金層の組成比に対するＭＲ出力の測定データを示している。ここでホイスラ合金層の組成はＣｏ２Ｍｎ対Ｇｅの比率で変化させ、Ｇｅの組成で表記してある。一般的に言われるＣｏ２ＭｎＧｅとされる組成のみではなく、Ｇｅ組成比が２３〜３５ａｔ％の広い範囲にわたって優れたＭＲ特性が実現できる、これらの中ではＧｅ３０ａｔ％が最も高いＭＲ出力を与えるので好ましい。
【００３７】
Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、Ｃｏ−Ｘ：Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂ、あるいは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ：Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂ、である。Ｃｏ−ＸあるいはＣｏ−Ｆｅ−Ｘは、上記元素の内の一つもしくは複数を含む。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｘの組成比は、特定のものに限定されない。但しＸが１２〜２５ａｔ％であることが好ましい。Ｘが１２ａｔ％以下である場合はＣｏ系アモルファス金属層が結晶化し好ましくない。またＸが２５ａｔ％以下である場合はＣｏ系アモルファス金属層が非磁性化するので好ましくない。Ｃｏ−Ｘ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘの表記は、構成元素の組成比を限定しない。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２としてこれらの材料は、高いＭＲ比と低い磁歪を達成する上で、好ましい材料である。
【００３８】
図４に示す積層構造の各層の膜厚の例としては、下層側から、Ｍｎ２２Ｉｒが６０Å、Ｃｏ２５Ｆｅが２０Å、Ｒｕが４．５Å、ＣｏＭｎＧｅが２５Å、Ｃｕが５Å、Ａｌ１０Ｃｕが１５Å、Ｃｕが５Å、ＣｏＭｎＧｅが３５Å、Ｃｏ−Ｘ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘが３５Å、Ｃｕが２０Å、Ｒｕが１０Åである。
【００３９】
図４の構造にように、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２がホイスラ合金層５１１と同等の厚みを有する場合、Ｃｏ−Ｆｅ−ＸよりもＣｏ−Ｘを使用することが好ましい。Ｃｏ−Ｘは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘと比較して、より低い磁歪定数を有しているからである。Ｃｏ−Ｘを使用することで、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の膜厚が厚くなっても、磁気抵抗センサ１１２のより優れた低磁歪特性を実現することができる。
【００４０】
図５は、図３（ｂ）の積層構造を有する磁気抵抗センサ１１２の好ましい例を示している。自由層２１５の構造以外は、図４に示した積層構造と同一である。図５の磁気抵抗センサ１１２において、自由層２１５における金属結晶軟磁性層５１３は、ＮｉＦｅ合金で形成されている。金属結晶軟磁性層５１３としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれの元素を有する軟磁性金属を使用してもよい。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１の材料は、図４のものと同じである。
【００４１】
自由層２１５を構成する各層の膜厚は、例えば、ＣｏＭｎＧｅが３５Å、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ／Ｃｏ−Ｘが５Å、そしてＮｉＦｅが３５Åである。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２が中間層として機能する場合も、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ／Ｃｏ−Ｘにより、高いＭＲ比と低い磁歪を達成することができる。
【００４２】
Ｃｏ−Ｆｅ−ＸとＣｏ−Ｘとでは、Ｘが同一濃度の場合、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘがより高いキュリー温度と単位体積当たりの磁気モーメント（磁化）を有している。一方、磁歪については、Ｃｏ−ＸがＣｏ−Ｆｅ−Ｘよりも優れている。従って、磁気抵抗センサ１１２の設計においては、磁歪特性と、磁化及びキュリー温度の特性との観点から、より好ましい方の材料をＣｏ系アモルファス金属層５１２に使用する。
【００４３】
以下において、本形態の自由層構造を有する磁気抵抗センサと従来構造の自由層を有する磁気抵抗センサとを比較して測定データを示す。図６（ａ）はＭＲ出力の測定データを示し、図６（ｂ）は磁歪の測定データを示している。自由層以外の層構造を同一とし、自由層の積層構造を変化させて測定を行った。具体的には、６０ÅのＣｏＭｎＧｅからなる自由層、３７ÅのＣｏＭｎＧｅと３７ÅのＮｉＦｅの積層構造からなる自由層、３２ÅのＣｏＭｎＧｅ、５ÅのＣｏ８Ｆｅ２０Ｂ、３２ÅのＮｉＦｅの積層構造からなる自由層、そして、３３ÅのＣｏＭｎＧｅと３３ÅのＣｏ８Ｔａ２０Ｚｒの積層構造からなる自由層、のそれぞれのＭＲ出力と磁歪とを測定した。
【００４４】
図６（ａ）のグラフに示すように、３７ÅのＣｏＭｎＧｅと３７ÅのＮｉＦｅの積層構造と比較して、他の自由層構造は、高いＭＲ出力を示している。図６（ｂ）の磁歪を示すデータにおいて、ＣｏＭｎＧｅ単層の自由層と比較して、他の構造の自由層は低い磁歪を示している。つまり、ホイスラ合金層のみの自由層は、高いＭＲ出力を示すが、磁歪も大きくなっている。また、ホイスラ合金層と金属結晶軟磁性層とからなる自由層は、低い磁歪を示すが、ＭＲ出力も小さい値となっている。
【００４５】
これらに対して、ホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを有する自由層は、ホイスラ合金層と金属結晶軟磁性層の自由層よりも高いＭＲ出力を有し、さらに、ホイスラ合金層のみの自由層よりも低い磁歪を示すことが確認できた。このように、ホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを合わせて使用することで、高いＭＲ出力と低い磁歪とを示す磁気抵抗センサを実現することができた。
【００４６】
以上、本発明を好ましい実施形態を例として説明したが、本発明が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態において、磁気ヘッドの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施形態において、磁気抵抗センサ構造を適用可能なＣＰＰリード・ヘッドの構造・構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施形態において、磁気抵抗センサの積層構造を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態において、図３（ａ）の積層構造を有する磁気抵抗センサの好ましい例を示す図である。
【図５】本実施形態において、図３（ｂ）の積層構造を有する磁気抵抗センサの好ましい例を示す図である。
【図６】本実施形態の自由層構造を有する磁気抵抗センサと従来構造の自由層を有する磁気抵抗センサとを比較した測定データを示す図である。
【図７】本実施形態において、ホイスラ合金層の組成比に対するＭＲ出力の測定データを示している。
【符号の説明】
【００４８】
１ 磁気ヘッド、２ スライダ、３ 磁気ディスク、１１ リード・ヘッド
１２ ライト・ヘッド、１３ 保護膜、２１ 磁気ディスク対抗面
１１１ 下部シールド、１１２ 磁気抵抗センサ、１１３ 上部シールド
１１４ 上部磁気隔離膜、１１５ ハードバイアス膜、１１６ ハードバイアス下地膜
１１７ ジャンクション絶縁膜、１２１ 薄膜コイル、１２２ 記録磁極
１２３ 絶縁体、２１１ センサ下地層、２１２ 反強磁性層、２１３ 固定層
２１４ 非磁性中間層、２１５ 自由層、２１６ キャップ層、３１１ 第１固定層
３１２ 第２固定層、５１１ ホイスラ合金層、５１２ Ｃｏ系アモルファス金属層
５１３ 金属結晶軟磁性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型磁気リード・ヘッドの構造に関し、特に、ＣＰＰ磁気リード・ヘッドにおける自由層の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）は、磁気記録媒体と磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体上のデータは磁気ヘッドによって読み書きされる。ＨＤＤ中にある磁気ヘッドは、磁気記録媒体（磁気ディスク）に磁化信号として情報を記録するライト・ヘッドと、磁気記録媒体に磁化信号として記録された信号を読み取るリード・ヘッドとから構成されている。リード・ヘッドは複数の磁性薄膜及び非磁性薄膜からなる磁気抵抗効果積層体から構成されており、磁気抵抗効果を利用して信号を読み取るため、磁気抵抗効果ヘッドと呼ばれる。
【０００３】
磁気抵抗効果ヘッドの積層構造にはいくつかの種類があり、その用いる磁気抵抗の原理からＡＭＲヘッド、ＧＭＲヘッド、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッドなどに分類される。それぞれ、ＡＭＲ（磁気抵抗効果）、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果（Current Perpendicular to Plane GMR効果）、ＴＭＲ効果（トンネル磁気抵抗効果）を用いて、磁気記録媒体からリード・ヘッドに入ってくる入力磁界信号を電圧変化として取り出している。
【０００４】
現在、記録情報の高密度化の進展により、より高感度な情報信号の再生方式が必要とされている。記録密度５００（Ｇｂ／ｉｎ２）〜２（Ｔｂ／ｉｎ２）では、ＭＲ比が非常に高いＴＭＲリード・ヘッドが感度向上の面から有利である。そして、２（Ｔｂ／ｉｎ２）を超える超高記録密度に対してはＣＰＰ−ＧＭＲリード・ヘッド等が主流になると考えられる。ＣＰＰ−ＧＭＲは、磁気抵抗効果積層体の膜面に対して平行にセンス電流が流れるＣＩＰ−ＧＭＲ（Current In Plane GMR）と異なり、素子センサ膜面に垂直な方向、つまり素子センサ膜面の積層方向にセンス電流を流す方式である。このような方式をＣＰＰ方式と呼ぶ。また、そのようなリード・ヘッドをＣＰＰリード・ヘッドと呼ぶ。
【０００５】
磁気抵抗効果積層体は、磁化方向が固定された固定層と、外部磁界により磁化方向が変化する自由層とを有している。磁気抵抗変化は自由層のスピン分極率が大きいほど増加し、出力が増加する。スピン分極率が１００％またはそれに近いハーフメタルとして、ホイスラ合金が知られている。このホイスラ合金を自由層に用いることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
しかし、ホイスラ合金を自由層として用いた場合、磁歪が大きく素子として不安定になりやすい。そこで、特許文献１は、ホイスラ合金層と軟磁性、そして、ホイスラ合金層と軟磁性との間に磁歪低減層を有する自由層構造を提案している。磁歪低減層は、４族元素、５族元素、または６族元素で構成される。このような自由層構造により、高いＭＲ比と低磁歪とを実現することができると指摘している。
【特許文献１】特開２００８−２２７４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１においては、具体的に、磁歪低減層を、Ｈｆ膜、Ｔｉ膜、Ｚｒ膜、Ｔａ膜、またはＷ膜によって構成することを開示している。しかし、ホイスラ合金層と軟磁性層との間に中間層を形成する場合、ホイスラ合金層と軟磁性層との磁気的カップリングを考慮することが重要である。
【０００８】
上記特許文献１に開示されている材料のように、ホイスラ合金層と軟磁性層との間の中間層が非磁性膜であると、ホイスラ合金層と軟磁性層との磁気的結合が分断されるために磁気的に一体となって動作せず互いに独立に動作する。このために一体となって動く場合に比べて各々の磁気的な体積が小さくなるために、熱励起による磁気揺らぎが大きくなる。この揺らぎがリード・ヘッドの再生時のノイズを増大させ、エラーレートを悪化させる。そこで中間層としてはホイスラ合金層と軟磁性層とが磁気的に一体となって動作する特性を有することが望ましい。つまり中間層として非磁性材料は好ましくなく、磁性材料であることが望ましい。
【０００９】
従って、ホイスラ合金層を含む自由層を有するＣＰＰ磁気リード・ヘッドにおいて、高いＭＲ比と低磁歪を実現すると共に、ノイズ特性の優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、磁気抵抗センサを有し、前記磁気抵抗センサの積層方向に検知電流を流す磁気リード・ヘッドである。前記磁気抵抗センサ膜は、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層と、前記自由層と積層されており、磁化方向が固定された固定層と、前記自由層と前記固定層との間にある非磁性中間層とを有する。前記自由層は、ホイスラ合金層と、Ｃｏ系アモルファス金属層とを有する。
【００１１】
好ましい構成において、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの少なくとも一つの元素を含む。好ましい構成において、前記自由層は、さらに、金属結晶の軟磁性層を有し、前記軟磁性層と前記ホイスラ合金層との間に前記Ｃｏ系アモルファス金属層が形成されている。さらに、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｃ−Ｆｅ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素である。さらに、前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みは、前記軟磁性層及び前記ホイスラ合金層の厚みよりも一桁以上薄い。あるいは、前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みの桁数は、前記ホイスラ合金層の厚みの桁数以上である。
【００１２】
好ましい構成において、前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｃ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素である。また、前記固定層はホイスラ合金層を含む。前記自由層は、さらに、ＢＣＣ構造をもつナノ磁性層を有し、非磁性中間層、前記ナノ磁性層、前記ホイスラ合金層の順に形成され、前記ナノ磁性層の厚みは、前記ホイスラ合金層の厚みよりも１桁以上薄い。前記ナノ磁性層がＣｏ−Ｆｅ合金で、Ｆｅ組成が３０ａｔ％以上である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高いＭＲ比で低磁歪のＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。なお、以下に説明する実施の形態は、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ）のリード・ヘッドに対して本発明を適用したものである。本形態のリード・ヘッドは、磁気抵抗センサ膜の積層方向（膜面に垂直な方向）にセンス電流が流れるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のリード・ヘッドである。
【００１５】
本形態のＣＰＰ磁気ヘッドは、その磁気抵抗センサ膜における自由層構造に特徴を有している。本形態の自由層は積層された複数層から構成されており、ホイスラ合金層と、そのホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを有している。この自由層構造を有することにより、低磁歪で高いＭＲ比を得ることができ、ノイズ特性にも優れたＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【００１６】
本形態のＣＰＰ磁気リード・ヘッドの特徴点について説明する前に、まず、磁気ヘッドの全体構成について説明する。図１は、磁気ヘッド１の構造を模式的に示す断面図である。磁気ヘッド１は、磁気ディスク３との間で磁気データを読み書きする。磁気ヘッド１は、その走行方向側（リーディング側）から、リード・ヘッド１１とライト・ヘッド１２とを有している。磁気ヘッド１は、スライダ２のトレーイング側（リーディング側の反対側）に形成されている。リード・ヘッド１１は、リーディング側から、下部シールド１１１、磁気抵抗センサ１１２、上部シールド１１３を有している。
【００１７】
ライト・ヘッド１２は、薄膜コイル１２１と記録磁極１２２とを有している。薄膜コイル１２１は、絶縁体１２３に囲まれている。ライト・ヘッド１２は、薄膜コイル１２１を流れる電流で記録磁極１２２間に磁界を発生し、磁気データを磁気ディスク３に記録するインダクティブ素子である。リード・ヘッド１１は磁気抵抗型の素子であって、磁気異方性を有する磁気抵抗センサ１１２を備え、磁気ディスク３からの磁界によって変化するその抵抗値によって磁気ディスク３に記録されている磁気データを読み出す。本形態のリード・ヘッドはＣＰＰリード・ヘッドであり、下部シールド１１１及び上部シールド１１３がセンス電流を磁気抵抗センサ１１２に供給する電極として使用される。
【００１８】
磁気ヘッド１はスライダ２を構成するアルチック（ＡｌＴｉＣ）基板に、薄膜形成プロセスを用いて形成される。磁気ヘッド１とスライダ２とが、ヘッド・スライダを構成する。ヘッド・スライダは磁気ディスク３上を浮上しており、その磁気ディスク対抗面２１をＡＢＳ（Air Bearing Surface）と呼ぶ。磁気ヘッド１はライト・ヘッド１２とリード・ヘッド１１の周囲にアルミナなどの保護膜１３を備え、磁気ヘッド１全体はその保護膜１３で保護されている。
【００１９】
図２は、本形態の磁気抵抗センサ構造を適用可能なＣＰＰリード・ヘッド１１の構造・構成の一例を模式的に示す断面図である。図２は、ヘッド・スライダのＡＢＳ面２１側から見た断面構造を模式的に示している。図２における下側がリーディング側であり、上側がトレーリング側となる。本明細書においては、リード・ヘッド１１が形成されるアルチック基板側、つまりスライダ２側を下側とし、その反対側であるトレーリング側を上側とする。リード・ヘッド１１の各層は、下側から順次形成されていることになる。本形態のリード・ヘッド１１は、ＣＰＰ−ＭＲ（Magneto Resistance）ヘッド（ＣＰＰリード・ヘッド）であり、センス電流は、膜面の積層方向（図２における上下方向であって、膜面に垂直な方向）に流れる。
【００２０】
磁気抵抗センサ１１２は複数の層からなる多層膜であり、下部シールド１１１と上部シールド１１３との間にある。下部シールド１１１と上部シールド１１３とは、磁気シールドとして機能すると共に、磁気抵抗センサ１１２にセンス電流を供給する下部電極と上部電極として兼用される。なお、上部シールド１１３の下には、導体からなる上部磁気隔離膜１１４が形成されている。
【００２１】
磁気抵抗センサ１１２は、下層側から順次積層された、センサ下地層２１１、反強磁性膜２１２、固定層２１３、非磁性中間層２１４、自由層２１５及びセンサ・キャップ膜２１６を有している。各層は、隣接する層と物理的に接触している。センサ下地層２１１はＴａや、ＮｉＦｅＣｏ合金などの非磁性材料で形成され、単層で形成する、あるいは積層構造としてもよい。
【００２２】
固定層２１３には、反強磁性膜２１２との交換相互作用が働き、その磁化方向が固定される。自由層２１５のトラック幅はＴｗｆで示されている。磁気抵抗効果ヘッドは、固定層２１３の磁化方向に対する自由層２１５の相対的な磁化方向の変化によって抵抗が変化する事を利用し動作する。すなわち、固定層２１３の磁化方向に対し自由層２１５の磁化方向が、磁気ディスクからの情報磁界によって変化すると、磁気抵抗センサ１１２の抵抗値（電流値）が変化する。リード・ヘッド１１は、磁気抵抗センサ１１２の抵抗値（電流値）を検知する事により、狭小化した外部情報磁界を検出することができる。
【００２３】
磁気抵抗センサ素子１１２の左右両側には、自由層２１５の磁区不均一性に起因するバルクハウゼン・ノイズなどを抑制するため、ハードバイアス膜１１５が存在する。典型的には、ハードバイアス膜１１５はＣｏ合金で形成されており、ＣｏＣｒＰｔ合金やＣｏＰｔ合金などで形成されている。ハードバイアス膜１１５からのバイアス磁界が、自由層２１５に印加され、自由層２１５を単磁区化するように働き、自由層の磁化動作を安定化させる。
【００２４】
ハードバイアス膜１１５は、ハードバイアス下地膜１１６の上に形成されている。ハードバイアス下地膜１１６の下層として、ジャンクション絶縁膜１１７が形成されている。絶縁膜１１７は、ハードバイアス下地膜１１６と下部シールド膜１１１及び磁気抵抗センサ１１２の間に存在し、センス検知電流が磁気抵抗センサ１１２の外側を流れないようにする。絶縁膜１１７は、例えば、Ａｌ２Ｏ３で形成する。なお、本形態の磁気抵抗センサは、他のハードバイアス膜構造を有するリード・ヘッドに適用することができる。
【００２５】
図３（ａ）、（ｂ）は、本形態の磁気抵抗センサ１１２の積層構造を模式的に示す図である。図２を参照して説明したように、磁気抵抗センサ１１２は、下層側から、反強磁性層２１２、固定層２１３、非磁性中間層２１４、自由層２１５、そしてキャップ層２１６を有している。なお、キャップ層２１６を除く層の積層順序を逆にしてもよい。つまり、下層側から、自由層、非磁性中間層、固定層、反強磁性層の順で各層を積層してもよい。
【００２６】
反強磁性層２１２はＰｔＭｎやＭｎＩｒなどの反強磁性材料で形成される。固定層２１３は一般に積層固定層であり、ＣｏＦｅ合金などからなる二層の強磁性層と、それらの間のＲｕなどからなる非磁性層とから構成されている。二層の強磁性層は交換相互作用によって結合し、磁化の固定が安定化される。下層側の強磁性層には、反強磁性層２１２との交換相互作用が働き、その磁化方向が固定される。なお、固定層２１３を単層構造としてもよい。非磁性中間層２１４は、一般に、Ｃｕなどの非磁性導体を使用して形成される。センサ・キャップ膜２１６はＴａなどの非磁性導電材料で形成される。
【００２７】
本形態の磁気抵抗センサ１１２の特徴として、自由層２１５がホイスラ合金層５１１とＣｏ系アモルファス金属層５１２とを有している。図３（ａ）の構造においては、自由層２１５はホイスラ合金層５１１とＣｏ系アモルファス金属層５１２とで構成されている。図３（ｂ）の構造においては、自由層２１５は、ホイスラ合金層５１１、金属結晶の軟磁性層５１３、そして、それらの間のＣｏ系アモルファス金属層５１２で構成されている。自由層２１５に、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とを含めることで、高いＭＲ比で低磁歪のＣＰＰ磁気リード・ヘッドを実現することができる。
【００２８】
図３（ａ）及び（ｂ）の構造において、自由層２１５は、図示されている以外の金属層をさらに有していてもよい。また、自由層２１５は、複数層のホイスラ合金層、金属結晶軟磁性層あるいはＣｏ系アモルファス金属層を有していてもよい。
【００２９】
図３（ａ）の自由層構造において、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とは、接触して界面を形成している。これにより、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１との強い磁気的結合を得ることができる。あるいは、これら二つの層が磁気的に強く結合している場合は、二つの層の間に中間層を挿入してもよい。具体的には、金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層を、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１の間に配置してもよい。金属結晶軟磁性層としては、強磁性元素Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらの合金からなる層がある。また、反強磁性結合層としては、ＣｒやＲｕからなる層がある。
【００３０】
図３（ｂ）の自由層構造において、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１とは接触して界面を形成している。また、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と金属結晶軟磁性層５１３とは接触して界面を形成している。これにより、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３との間において、強い磁気的結合を得ることができる。あるいは、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３が磁気的に強く結合している場合は、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と上記二つの層のそれぞれとの間に中間層を挿入してもよい。中間層としては、図３（ａ）を参照した説明と同様に、金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層を形成することができる。
【００３１】
図３（ａ）の構造において、好ましくは、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みの桁数は、ホイスラ合金層５１１の厚みの桁数以上である。実際の設計においては、これらの桁数が一致していることが好ましい。例えば、ホイスラ合金層５１１の厚みが１０Åの桁数であれば、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みも１０Åの桁数である。この構造においては、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、ホイスラ合金層５１１と共に、ＭＲ出力に積極的に寄与する。
【００３２】
これに対して、図３（ｂ）の自由層構造においては、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、ホイスラ合金層５１１と金属結晶軟磁性層５１３との間の中間層としての機能を目的としている。そのため、好ましくは、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みは、ホイスラ合金層５１１及び金属結晶軟磁性層５１３の厚みよりも１桁以上薄い。例えば、ホイスラ合金層５１１及び金属結晶軟磁性層５１３が数十Åの厚みを有する場合、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の厚みは数Åあるいはそれ以下である。膜厚については、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と他の層との間の中間層として使用する金属結晶軟磁性層あるいは反強磁性結合層についても同様である。
【００３３】
図３（ａ）、（ｂ）に示す自由層構造においては、ホイスラ合金層５１１が非磁性中間層２１４側に形成され、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２と非磁性中間層２１４との間にホイスラ合金層５１１が形成されている。ホイスラ合金層５１１によりＭＲ出力を高めるためには、ホイスラ合金層５１１がＣｏ系アモルファス金属層５１２よりも非磁性中間層２１４の近い位置にあることが好ましい。また、ホイスラ合金５１１により高ＭＲ出力を得るためには、ＢＣＣ構造をもちホイスラ合金５１１の厚みよりも１桁以上薄い厚みのナノ磁性層をホイスラ合金層の形成前に形成する、つまり、ナノ磁性層、ホイスラ合金層の順に形成することが好ましい。更にナノ磁性層は、ＢＣＣ構造が得られるＦｅ組成が３０ａｔ％以上のＣｏ−Ｆｅ合金層が高ＭＲ比の点で好ましい。
【００３４】
図４は、図３（ａ）の積層構造を有する磁気抵抗センサ１１２の好ましい例を示している。反強磁性層２１２はＭｎ２２Ｉｒで形成されている。固定層２１３は、上層の第１固定層３１１と下層の第２固定層３１２を有し、それぞれ、ホイスラ合金のＣｏＭｎＧｅとＣｏ２５Ｆｅで形成されている。二つの固定層３１１、３１２の間には、反強磁性結合層のＲｕ層が形成されている。固定層２１３は、ホイスラ合金層を有していることが好ましい。これにより、より高いＭＲ比を得ることができる。典型的には、固定層２１３内のホイスラ合金層は、自由層２１５におけるホイスラ合金層と同一組成である。非磁性中間層２１４は、上下のＣｕ層とそれらの間のＡｌ１０Ｃｕ層で構成されている。キャップ層２１６は、Ｃｕ層とＲｕ層で構成されている。
【００３５】
自由層２１５において、ホイスラ合金層５１１はＣｏＭｎＧｅ層である。ホイスラ合金としては異なる構造のものが知られているが、Ｘ２ＹＺというＬ２１構造もしくはＢ１２構造を有するホイスラ合金を使用することが好ましい。ＸとしてはＣｏ、ＹとしてはＭｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、そして、ＺとしてはＧｅ、Ａｌ、Ｓｉを使用することができる。特に、Ｃｏ２ＭｎＧｅは、製造が容易であることから好ましいホイスラ合金である。なお、ＣｏＭｎＧｅとの表記は、構成元素の組成を限定していない。また、本発明のホイスラ合金はＣｏＭｎＧｅに限定されるものではない。
【００３６】
図７はホイスラ合金層の組成比に対するＭＲ出力の測定データを示している。ここでホイスラ合金層の組成はＣｏ２Ｍｎ対Ｇｅの比率で変化させ、Ｇｅの組成で表記してある。一般的に言われるＣｏ２ＭｎＧｅとされる組成のみではなく、Ｇｅ組成比が２３〜３５ａｔ％の広い範囲にわたって優れたＭＲ特性が実現できる、これらの中ではＧｅ３０ａｔ％が最も高いＭＲ出力を与えるので好ましい。
【００３７】
Ｃｏ系アモルファス金属層５１２は、Ｃｏ−Ｘ：Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂ、あるいは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ：Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂ、である。Ｃｏ−ＸあるいはＣｏ−Ｆｅ−Ｘは、上記元素の内の一つもしくは複数を含む。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｘの組成比は、特定のものに限定されない。但しＸが１２〜２５ａｔ％であることが好ましい。Ｘが１２ａｔ％以下である場合はＣｏ系アモルファス金属層が結晶化し好ましくない。またＸが２５ａｔ％以下である場合はＣｏ系アモルファス金属層が非磁性化するので好ましくない。Ｃｏ−Ｘ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘの表記は、構成元素の組成比を限定しない。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２としてこれらの材料は、高いＭＲ比と低い磁歪を達成する上で、好ましい材料である。
【００３８】
図４に示す積層構造の各層の膜厚の例としては、下層側から、Ｍｎ２２Ｉｒが６０Å、Ｃｏ２５Ｆｅが２０Å、Ｒｕが４．５Å、ＣｏＭｎＧｅが２５Å、Ｃｕが５Å、Ａｌ１０Ｃｕが１５Å、Ｃｕが５Å、ＣｏＭｎＧｅが３５Å、Ｃｏ−Ｘ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘが３５Å、Ｃｕが２０Å、Ｒｕが１０Åである。
【００３９】
図４の構造にように、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２がホイスラ合金層５１１と同等の厚みを有する場合、Ｃｏ−Ｆｅ−ＸよりもＣｏ−Ｘを使用することが好ましい。Ｃｏ−Ｘは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘと比較して、より低い磁歪定数を有しているからである。Ｃｏ−Ｘを使用することで、Ｃｏ系アモルファス金属層５１２の膜厚が厚くなっても、磁気抵抗センサ１１２のより優れた低磁歪特性を実現することができる。
【００４０】
図５は、図３（ｂ）の積層構造を有する磁気抵抗センサ１１２の好ましい例を示している。自由層２１５の構造以外は、図４に示した積層構造と同一である。図５の磁気抵抗センサ１１２において、自由層２１５における金属結晶軟磁性層５１３は、ＮｉＦｅ合金で形成されている。金属結晶軟磁性層５１３としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれの元素を有する軟磁性金属を使用してもよい。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２とホイスラ合金層５１１の材料は、図４のものと同じである。
【００４１】
自由層２１５を構成する各層の膜厚は、例えば、ＣｏＭｎＧｅが３５Å、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ／Ｃｏ−Ｘが５Å、そしてＮｉＦｅが３５Åである。Ｃｏ系アモルファス金属層５１２が中間層として機能する場合も、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘ／Ｃｏ−Ｘにより、高いＭＲ比と低い磁歪を達成することができる。
【００４２】
Ｃｏ−Ｆｅ−ＸとＣｏ−Ｘとでは、Ｘが同一濃度の場合、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｘがより高いキュリー温度と単位体積当たりの磁気モーメント（磁化）を有している。一方、磁歪については、Ｃｏ−ＸがＣｏ−Ｆｅ−Ｘよりも優れている。従って、磁気抵抗センサ１１２の設計においては、磁歪特性と、磁化及びキュリー温度の特性との観点から、より好ましい方の材料をＣｏ系アモルファス金属層５１２に使用する。
【００４３】
以下において、本形態の自由層構造を有する磁気抵抗センサと従来構造の自由層を有する磁気抵抗センサとを比較して測定データを示す。図６（ａ）はＭＲ出力の測定データを示し、図６（ｂ）は磁歪の測定データを示している。自由層以外の層構造を同一とし、自由層の積層構造を変化させて測定を行った。具体的には、６０ÅのＣｏＭｎＧｅからなる自由層、３７ÅのＣｏＭｎＧｅと３７ÅのＮｉＦｅの積層構造からなる自由層、３２ÅのＣｏＭｎＧｅ、５ÅのＣｏ８Ｆｅ２０Ｂ、３２ÅのＮｉＦｅの積層構造からなる自由層、そして、３３ÅのＣｏＭｎＧｅと３３ÅのＣｏ８Ｔａ２０Ｚｒの積層構造からなる自由層、のそれぞれのＭＲ出力と磁歪とを測定した。
【００４４】
図６（ａ）のグラフに示すように、３７ÅのＣｏＭｎＧｅと３７ÅのＮｉＦｅの積層構造と比較して、他の自由層構造は、高いＭＲ出力を示している。図６（ｂ）の磁歪を示すデータにおいて、ＣｏＭｎＧｅ単層の自由層と比較して、他の構造の自由層は低い磁歪を示している。つまり、ホイスラ合金層のみの自由層は、高いＭＲ出力を示すが、磁歪も大きくなっている。また、ホイスラ合金層と金属結晶軟磁性層とからなる自由層は、低い磁歪を示すが、ＭＲ出力も小さい値となっている。
【００４５】
これらに対して、ホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを有する自由層は、ホイスラ合金層と金属結晶軟磁性層の自由層よりも高いＭＲ出力を有し、さらに、ホイスラ合金層のみの自由層よりも低い磁歪を示すことが確認できた。このように、ホイスラ合金層とＣｏ系アモルファス金属層とを合わせて使用することで、高いＭＲ出力と低い磁歪とを示す磁気抵抗センサを実現することができた。
【００４６】
以上、本発明を好ましい実施形態を例として説明したが、本発明が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態において、磁気ヘッドの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施形態において、磁気抵抗センサ構造を適用可能なＣＰＰリード・ヘッドの構造・構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施形態において、磁気抵抗センサの積層構造を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態において、図３（ａ）の積層構造を有する磁気抵抗センサの好ましい例を示す図である。
【図５】本実施形態において、図３（ｂ）の積層構造を有する磁気抵抗センサの好ましい例を示す図である。
【図６】本実施形態の自由層構造を有する磁気抵抗センサと従来構造の自由層を有する磁気抵抗センサとを比較した測定データを示す図である。
【図７】本実施形態において、ホイスラ合金層の組成比に対するＭＲ出力の測定データを示している。
【符号の説明】
【００４８】
１ 磁気ヘッド、２ スライダ、３ 磁気ディスク、１１ リード・ヘッド
１２ ライト・ヘッド、１３ 保護膜、２１ 磁気ディスク対抗面
１１１ 下部シールド、１１２ 磁気抵抗センサ、１１３ 上部シールド
１１４ 上部磁気隔離膜、１１５ ハードバイアス膜、１１６ ハードバイアス下地膜
１１７ ジャンクション絶縁膜、１２１ 薄膜コイル、１２２ 記録磁極
１２３ 絶縁体、２１１ センサ下地層、２１２ 反強磁性層、２１３ 固定層
２１４ 非磁性中間層、２１５ 自由層、２１６ キャップ層、３１１ 第１固定層
３１２ 第２固定層、５１１ ホイスラ合金層、５１２ Ｃｏ系アモルファス金属層
５１３ 金属結晶軟磁性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗センサを有し、前記磁気抵抗センサの積層方向に検知電流を流す磁気リード・ヘッドであって、前記磁気抵抗センサ膜は、
外部磁界によって磁化方向が変化する自由層と、
前記自由層と積層されており、磁化方向が固定された固定層と、
前記自由層と前記固定層との間にある非磁性中間層とを有し、
前記自由層は、
ホイスラ合金層と、
Ｃｏ系アモルファス金属層と、
を有する、磁気リード・ヘッド。
【請求項２】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの少なくとも一つの元素を含む、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項３】
前記自由層は、さらに、金属結晶の軟磁性層を有し、
前記軟磁性層と前記ホイスラ合金層との間に前記Ｃｏ系アモルファス金属層が形成されている、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項４】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、
Ｃ−Ｆｅ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素、
である、請求項３に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項５】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みは、前記軟磁性層及び前記ホイスラ合金層の厚みよりも一桁以上薄い、
請求項４に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項６】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みの桁数は、前記ホイスラ合金層の厚みの桁数以上である、
請求項３に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項７】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、
Ｃ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素
である、請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項８】
前記固定層はホイスラ合金層を含む、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項９】
前記自由層は、さらに、ＢＣＣ構造をもつナノ磁性層を有し、
非磁性中間層、前記ナノ磁性層、前記ホイスラ合金層の順に形成され、
前記ナノ磁性層の厚みは、前記ホイスラ合金層の厚みよりも１桁以上薄い、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項１０】
前記ナノ磁性層がＣｏ−Ｆｅ合金で、Ｆｅ組成が３０ａｔ％以上である、
請求項９に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項１】
磁気抵抗センサを有し、前記磁気抵抗センサの積層方向に検知電流を流す磁気リード・ヘッドであって、前記磁気抵抗センサ膜は、
外部磁界によって磁化方向が変化する自由層と、
前記自由層と積層されており、磁化方向が固定された固定層と、
前記自由層と前記固定層との間にある非磁性中間層とを有し、
前記自由層は、
ホイスラ合金層と、
Ｃｏ系アモルファス金属層と、
を有する、磁気リード・ヘッド。
【請求項２】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの少なくとも一つの元素を含む、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項３】
前記自由層は、さらに、金属結晶の軟磁性層を有し、
前記軟磁性層と前記ホイスラ合金層との間に前記Ｃｏ系アモルファス金属層が形成されている、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項４】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、
Ｃ−Ｆｅ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素、
である、請求項３に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項５】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みは、前記軟磁性層及び前記ホイスラ合金層の厚みよりも一桁以上薄い、
請求項４に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項６】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層の厚みの桁数は、前記ホイスラ合金層の厚みの桁数以上である、
請求項３に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項７】
前記Ｃｏ系アモルファス金属層は、
Ｃ−Ｘ：ＸはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｂの内の一つもしくは複数の元素
である、請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項８】
前記固定層はホイスラ合金層を含む、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項９】
前記自由層は、さらに、ＢＣＣ構造をもつナノ磁性層を有し、
非磁性中間層、前記ナノ磁性層、前記ホイスラ合金層の順に形成され、
前記ナノ磁性層の厚みは、前記ホイスラ合金層の厚みよりも１桁以上薄い、
請求項１に記載の磁気リード・ヘッド。
【請求項１０】
前記ナノ磁性層がＣｏ−Ｆｅ合金で、Ｆｅ組成が３０ａｔ％以上である、
請求項９に記載の磁気リード・ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４６６５０（Ｐ２０１０−１４６６５０Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３４７３（Ｐ２００８−３２３４７３）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
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