磁阻效应元件和 磁阻效应型磁头 【技术领域】
本发明涉及既能防止灵敏度下降又能力图使输出稳定的磁阻效应元件和磁阻效应型磁头。
背景技术
自旋阀型电阻效应(以下称SV型GMR)元件或隧道型磁阻效应(以下称TN型MR)元件的磁检测器和磁头在由软磁性材料构成的自由层的磁化响应外部磁场回转时，通过由抗强磁性层等随着与固定磁化的固定层间的相对角的变化产生地磁场变化检测外部磁场的变化。
这时为了高效率检测外部磁场，而利用磁场中成膜或磁场中退火等办法，使自由层具有在与外部磁场进入的方向正交的方向具有一轴的磁各向异性，因此自由层的磁化具有朝沿着该磁各向异性的两个方向(沿施加各向异性的磁场的方向或反方向)的倾向，但在无外部磁场时，不能确定向两方向中的哪个方向。因此不能再现性良好检测外部磁场的变化。
另外，在自由层与上述的磁各向异性的方向垂直的端部(以下称下侧端部)中，由于磁化随着反向磁场使各向异性方向变成各种各样方向而产生磁畴，使应答外部磁场时磁化回转变成不连续，形成所谓巴克好森噪声的原因。
因此，通常对自由层的侧端部相对置地施加朝自由层的上述磁各向异性的方向的一个指向施加偏移磁砀，在自由层上不加另外磁场的状态下，使该磁化方向规定在一定的方向上，力图使自由层的单磁畴化，可以通过防止在上述的自由层端部的产生磁畴来努力做到防止巴克好森噪声，实现检测磁场引起的电阻变化的再现性和稳定性。
虽然该偏移磁场如上所述那样必需具有使自由层单磁畴化的充分的磁场强度，但一旦其强度过大，则响应外界磁场的自由层的磁化回转角就变小，因引起灵敏度下降，而应选定硬性层材料和膜厚，以便能得到适当的灵敏度。
可是如图12所示那样，在利用在垂直于磁阻效应元件本体的膜面即垂直自由层膜面的方向通过读出电流IS的CPP(Current Perpendicular to Planne)构成的情况下，由该读出电流IS在自由层中产生的电流磁场HI沿着膜面旋转地产生。
这时，在检测磁场引入侧的自由层的前方端侧1F，与其相反的后方端1R的各中心部上，变成为与检测磁场HB的施加方向平行并互相反向。
因此如上所述那样，在磁场B施加在磁阻效应元件MR的自由层上时，电流磁场HI在自由层的前端中心和后端中心中的任何一个上使偏移磁场HB加强的方向起作用，而在另一方使偏移磁场HB减弱的方向起作用。
因此，为了使自由层单磁畴化，而必需在向电流磁场HI减少偏移磁场的方向起作用的部分上施加不能抵消偏移磁场程度的偏移磁场。
可是，该偏移磁场在电流磁场增强偏移磁场的方向起作用的部分上变得过剩，引起这部上的灵敏度下降，从而引起输出下降。
【发明内容】
本发明提供一种如上所述的既能防止因读出电流产生的磁场引起的灵敏度下降又能使输出稳定的磁阻效应元件和把磁阻效应元件作为感磁部的磁阻效应型磁头。
在本发明中，通过把规定在与施加有偏移磁场的磁阻效应元件的膜面交叉例如垂直方向通上读出电流方向的指向规定在特定的指向，使被偏移磁场抵消电流磁场的不平衡的部分引起灵敏度下降减少，也就是说构成稳定而高输出的磁阻效应元件和磁阻效应型的磁头。
在本发明的磁阻效应元件中，变成在由相对置的软磁件构成的第一与第二磁屏蔽之间配置磁阻效应的元件本体、和在该本体上施加偏移磁场的硬磁性层的构成。
磁阻效应元件本体至少由层叠响应外部磁场磁化回转的自由层、固定层、固定该固定层的磁化的抗强磁性层和介于上述自由层与上述固定层之间的隔离层的磁阻效应元件本体的层叠构造构成。
然后把磁阻效应元件本体变成能在与该层叠膜的膜面交叉的方向通上读出电流的CPP型的构成，并且能沿着层叠膜的膜方向引入检测磁场，且使偏移磁场几乎与上述的检测磁场的引入方向交叉且沿膜的方向施加。
在本发明中，在该构成中，特别是在其自由层中，在检测磁场不施加的状态下，设定在该检测磁场的引入侧的前方端和其后方端上实际施加的磁场，具体地说主要由上述的读出电流产生的感应磁场(以下称电流磁场HI)和偏移磁场HB确定的磁场，使它们变成相同的方向。
另外，本发明的磁阻效应型磁头是其感应部由上述本发明磁阻效应元件构成的磁头。
如上所述，在本发明中，作为在第一和第二磁屏蔽之间配置有磁阻效应元件的磁屏蔽型构成，并作为CPP型构成，在该构成上不施加检测磁场的状态下，在自由层的前方端与后方端上，实际上在这所述的前方端与后方端的中心部上施加在该自由层上的磁场的指向HF和HR由于变成同一指向而可以在自由层的侧端部的几乎全区域防止产生磁畴，因此可以构成有效地抑制巴克好森噪声、稳定的，再现性好的磁阻效应元件和磁对置效应型磁头。
于是，在该构成中，通过基本上使|HF|＞|HR|，即使与检测磁场正交的方向的磁场在检测磁通量大的前方变大的构成是实现稳化的构成，并且与此相反，在|HF|＜|HR|时可以提高灵敏度。
因此，例如如后面所描述那样，通过变成设置磁通引入的构造等在选定HF与HR在同一指向的状态下，可以任意的选定该磁场HF和HR与灵敏度和稳定性的关系设定。
【附图说明】
图1是本发明的磁阻效应元件和磁头的一例的概略立体图。
图2是本发明的磁阻效应元件和磁头的另一例的概略立体图。
图3是本发明的磁阻效应元件本体一例的概略剖面图。
图4是本发明的磁阻效应元件本体另一例的概略剖面图。
图5是本发明的磁阻效应元件和磁头的一例的概略立体图。
是本发明的磁阻效应元件和磁头又一例的概略剖面图。
是表示用于说明本发明的构成的自由层的读出电流引起的感应电流的图。
图8是表示用于说明本发明的座标系的图。
图9A、9B和9C是表示磁阻效应元件的自由层的深度方向的磁场分布曲线图和规格化的磁通分布曲线的图。
图10是表示磁阻抗效应元件的深度方向的磁场分布的图。
图11是利用本发明的磁头的记录再生磁头的一例的概略立体图
图12是表示读出电流和电流磁场的图。
【具体实施方式】
下面说明本发明的磁阻效应(MR)元件和用该磁阻元件的MR型磁头。
图1和图2分别表示本发明的MR元件10和用该MR元件的MR型磁头100的概略立体图。
MR元件10是在相对置的第一和第二磁屏蔽例如具有兼电极的导电性的软磁性的第一和第二兼电极的磁屏蔽21和22之间配置MR元件本体11和把偏移磁场加在其上面的硬磁性层12。
在图1所示的例子中，在该MR元件本体11面临检测磁场引入面即前方表面13配置时，图2作为下述的构成：MR元件本体11配置在从其前方表面13向深度方向后退的位置上，从前方表面13引入的磁场，即磁头上来自磁记录媒体(未示出)的记录部的信号磁场，通过磁通引入层14引入到MR元件本体上。
该磁通引入层14可以作为自由层兼磁通引入层，也可以通过接合在自由层上形成。
另外在图1和2中，最好制成在各MR元件本体11的后方也配置磁通引入层14或延长设置的构成。
另外，在第一与第二电极兼磁屏蔽21与22之间埋入例如由Al2O3形成的非磁性绝缘层15。
(第一实施方式)
在本实施方式中，在由单SV型GMR构成的情况下，这时该MR元件本体11如在图中的概略剖面图所示那样，至少层叠有：响应检测磁场磁化回转的自由层1、固定层2、固定该固定层2的磁化的抗强磁性层3、和介于自由层1与固定层之间的隔离层4。在图4的例中，在抗强磁性层3的下面上形成底层5，在自由层1上形成磁通引入层14、磁顶层6、和顶层7的构成。
该MR元件11如图1或图2所示那样，配置在兼第一与第二电极兼磁屏蔽21与22之间，使MR元件本体10的各层的面方向与屏蔽21和22平行。
这时，在例如由厚度100μm构成的碳化铝钛(AlTiC)基片16上通过例如电镀由NiFe形成厚度为2μm的第一电极兼磁屏蔽21，在该磁屏蔽21上溅射图3所示的底层5，接着顺次溅射形成构成MR元件10的MR元件本体11的抗强磁性层3、固定层2、隔离层4、自由层1，形成所述的抗强磁性层3、固定层2、隔离层4、自由层的层叠膜后，通过把该层叠膜制成沿着例如磁道方向延伸的条状图形而形成第一条状部。
为了埋入该第一条状部而形成例如SiO2或Al2O3的绝缘层15，形成面对第一自由层1的平坦化表面，在该表面上形成例如构成磁通引入层14的例如NiFe层，包含该层和下层的上述的条状部在厚度方向通过进行制成为沿着与上述条状方向正交的方向延长的条状图形而形成第二条状部。
这样，只在第一和第二条部的交叉部上残留上述的层叠膜，并构成由例如边长100nm的正方形的上述抗强磁性层3、固定层2、隔离层4、自由层1的层叠构造部形成的MR元件本体11。
然后，形成条状的磁通引入层14，为了使而构成有上述的层叠构造部的MR元件本体11的第二条状部埋入在该引入层14之下，首先为了被覆在例如该第二条部的两侧面上，而层叠例如由SiO2或Al2O3形成的绝缘层15、磁性层12和同样的绝缘层15，通过例如蚀刻法选择地除去第二条部上的绝缘层15和硬磁性层12进行表面平坦化，另外，在其上面形成例如由厚度2μm的NiFe镀层的电极兼磁屏蔽22。
这样，例如选择图3所示的顶层7的厚度，使形成在第一与第二电极兼磁屏蔽21与22间的MR元件本体11的自由层和磁通引入层14大致位于第一与第二电极兼磁屏蔽2l与22间的中央位上。
然后在与该自由层1的两端部对置的位置上相对置地配置硬磁性层12。
自由层1和固定层2可以分别由例如厚度5nm的CoFe构成。
在自由层1上，在用例如500[Oe]的磁场的磁场中进行成膜和200℃、1000[Oe]，1小时的真空中退火，使自由层1在例如由图1中箭头a所示的膜面方向各向异性磁场5[Oe]左右的单轴各向异性。
介于自由层1和固定层2间的隔离层4由可以由导电层例如具有厚度3nm的例如Cu构成。
另外，抗强磁性层3可以由例如具有厚度34.5nm的例如PtMn构成。
硬磁性层12如图1和图2所示那样，在与自由层的各向异性磁场同方向的一个指向进行以箭头B表示的磁化。
该硬磁性层12被绝缘层15埋入与MR元件本体11电气分离时，可由具有导电性的例如具有厚度40nm的CoCrPt构成。由该CoCrPt形成的硬磁性层12的残留磁化为670[emu/cm3]。并且该硬磁性层12在与MR元件本体11电气分离的情况下，可以由高阻的Co-Fe2O3构成。
底层5和顶层7可分别由例如厚度3nm的Ta构成。
磁顶层6可由厚度34.5nm的非磁性的例如Cu构成。
在该构成中，可以制成利用磁通引入层14兼自由层1的构造。
然后进行形成该构成的前方表面13的研磨，如图1所示那样，使MR元件本体11直接面临研磨面，变成使磁通引入层14向元件本体11后方延伸的构成，或者如图2所示那样，使磁通引入层14的前方端面临该前方表面13，变成使MR元件本体11配置在向该前方表面的深度方向后退过的位置上的构成。
在用该MR元件10的磁头100中，该前方表面13构成与磁记录媒体对接或对置面。
例如在浮上型磁头中，该前方表面通过与磁记录媒体例如磁盘的磁头的相对转移引起的空气流构成从记录媒体面以隔开规定的间隔浮上的所谓ABS面(Air Bearing Surface)。
于是，在本发明中，在该构成中，在第一与第二电极兼磁屏蔽21与22之间，即在MR元件本体11上变成向与该层叠层的膜面交叉的方向通上读出电流的CPP型构成。
另外，沿着层叠膜的膜面方向引入检测磁场，且与硬磁性层12有关的偏移磁场HB如图1和图2所示，与上述的检测磁场的引入方向几乎交叉，并且沿膜面沿用自由层的箭头a所示的各向异性磁场方向例如用箭头b所示的方向施加。
另外，在本发明中，例如是在这样的构成中，特别是在自由层中，将进行后面的详细描述，在检测磁场不施加的状态下，设定在该检测磁场的导入侧的前方端和其后方端上实际施加的磁场，具体的说主要是由上述的读出电流的感应的磁场即由电流磁场HI和上述的偏移磁场HB确定的磁场，使所述前方端和后方端上磁场方向相同。
(第二实施方式)
在该第一实施方式中，在图5和图6中，如所示出的图1和图2的概略纵剖面图那样，是作为由隔着公共的磁通引入层或兼自由层的磁通引入层14构成对称的SV型GMR构成的MR元件本体11A和11B层叠的构成的所谓对偶型SV型GMR元件10构成的情况。
也就是说，在这种情况下，如在图4所示出的该MR元件本体11的概略剖面图所示那样，作为隔着兼自由层1A和自由层1B的磁通引入层14在其两面上配置构成各元件本体11A和11B的隔离层4A和4B、固定层2A和2B、抗强磁性层3A和3B的构成。
在图4中在与图3的对应部分附予同一符号并省略重复的说明。
自由层兼磁通引入层14、隔离层4A和4B、固定层2A和2B、抗强磁性层3A和3B可以制成与上述的第一实施方式中的各自由层1或磁通引入层14、隔离层4、固定层2、抗强磁性层3相同的构成。
另外，在该实施方式中，在利用该MR元件10的磁头100上其前方表面13也构成与磁记录媒体的对接的或对置的面。在例如浮上型的磁头上，其前方表面通过与磁记录媒体例如与磁盘的磁头的相对转移引起的空气流从记录媒体表面以隔开规定的间隔构成所谓ABS面(Air Bearing Surface)。
另外，在该情况下，作为在兼第一和第二电极的磁屏蔽21和22之间即在MR元件本体11上使读出电流在与该层叠的膜面交叉的方向通过的CPP型构成。
另外，沿着层叠膜的膜面方向进行引入检测磁场，并且使由硬磁性层12引起的偏移磁场HB与上述检测磁场的引入方向几乎交叉，并且沿着膜面即沿着用自由层的箭头示出的各向异性磁场方向例如用箭头b所示的一个指向施加。
在本发明中，例如是这样构成的，特别对其自由层将在后面详细描述，在检测磁场不施加的状态，设定在该检测磁场的引入侧的前方端和其后方端上实际施加的磁场，具体地说主要由上述读出电流引起的感应磁场即电流磁场HI和上述的偏移磁场HB确定的磁场，使该磁场在所述的前后端上的方向相同。
(第三实施方式)
在本实施方式中，在制成为TN型MR构成的情况下，在本实施方式中，除了使上述第一实施方式中的隔离层4通过利用阳极氧化厚度0.6的Al形成的Al2O3构成所谓的隧道势垒层这一点之外，与第一实施方式的构成相同。
(第四实施方式)
在本实施方式中，是作为TN型MR构成的情况，在本实施方式中，除了使上述第二实施方式中的隔离层4通过利用阳极氧化厚度0.6的Al形成的Al2O3构成所谓隧道势垒层形成之外，与第二实施方式的构成相同。
如上所述，本发明的MR元件10或磁头100将在后面就自由层详细描述，在不施加检测磁场的状态下，设定实际施加在该检测磁场的引入侧的前方端和其后方端上的磁场，具体地说主要由上述的读出电流引起的感应磁场即由电流磁场HI和上述的偏移磁场确定的磁场，使该磁场在所述的前、后两端上的方向相同。下面对此进行说明。
图7表示施加在自由层1上的偏移磁场的方向HB和利用根据有限元素法的数值求出的膜面内的电流磁场(箭头C)。在图7中示出了与纸面垂直的上方通入读出电流Is的状态。
在本发明中，施加给该自由层1的在该自由层1的前方端1F和后方端1R的各中央部上磁场方向沿自由层1的各向异性磁场并在同一指向。
下面对此进行说明。
当根据毕奥·沙发定律和从图8所示那样的座标系导出的下述的数1计算出与平行于自由层的外部磁场(检测磁场)Hsig的中心线A上的电流磁场HI的外部磁场Hsig垂直的方向X的分量Hx时，则在图9A中象虚线算出那样。这时，在分量Hx中，设与偏移磁场HB同方向的极性为正。
[数1]
这时，在前端即前方端1F上的电流磁场分量Hx是-120[Oe]，因为比磁各向异性磁场大，所以显然在自由层1的单磁畴化中偏移磁场HB的施加是不可缺少的。而且，在这时，在磁场分量Hx达到最大的中心线A上使电流磁场分量Hx与偏移磁场HB的合成磁场的方向变成一个方向那样的偏移磁场强度是最低限度的需要。
在此，通过调整硬性层12的材料特性和膜厚，以使施加在中心线A上的偏移磁场超过120[Oe]的例如130[Oe]。结果在中心线A上的合成磁场在图9A中变形成实线曲线。
通过这样的设计，使电流磁场HI和偏移磁场HB的合成磁场不仅在中心线A上，而且在自由层1的全区域上都变成与外部磁场(检测磁场)Hsig的方向交叉例如正交的方向相同的方向，使自由层1可以在其整个区域中单磁畴化。
因此，这时在自由层的后端1R上，据认为由于施加有270[Oe]这样大的合成磁场，而在自由层1的后端上会发生灵敏度下降。
可是在上述的本发明构成中，通过形成为通过第一和第二磁屏蔽21和22夹着MR元件10的构成，即所谓的屏蔽型构成，限制检测磁场的引入区域即检测空间，使其分辩率提高。在形成为该屏蔽型构成的情况下，在检测磁场的磁通从自由层的前方端(前端)向后方端传送时，通常因磁通向邻接的屏蔽21和22的漏泄而使磁通发生衰减。
该磁场衰减的合适度可以从使用被下述的数2定义的磁通进入特性长度λ用数3表示得知。
[数2]
[数3]
在上述本发明的构成中，象图9C中那样地计算，从图9C中可以看出，磁通在自由层1的后方端部上已完全衰减掉。也就是说，可以看出，在自由层1中与其前方端1F相比，对后方端1R中的磁阻变化的贡献是很少的。因此，如上述那样，在自由层1的后端部上即使X方向成分的磁场显著变大，也能回避由此产生的不合适之处。
另外，作为在与图7所示的读出电流Is的通电方向逆向的通电方向的情况下，当计算出与相同的中心线A上的外部磁场Hsig垂直的方向X的分量Hx时，在图9B中如虚线那样计算出。而当为使自由层1单磁畴化而施加必要的偏移磁场时，变成图9B中的实线那样。
在这时，虽然灵敏度在自由层1的后端部1R附近变高，但由于上述的磁通的衰减的效果，几乎不能享受其利益。
也就是说，在本发明中，通过先定偏移磁场HB的方向和强度与读出电流的通电方向和通电电流的流大小即电流磁场HI的方向和强度的相对关系，可以效率更高地检测出检测磁场Hsig的变化，即能实现高的再生输出。
另外，在参照图10说明时，在该图中，表示对MR元件本体11A和11B夹着自由层1兼磁通引入层14配置的双重型MR元件中的磁场分布。在图10中，曲线31表示在只由读出电流的通电产生的即不施加偏移磁场的状态的电流磁场HI的磁场分布，曲线32是在相对该电流磁场HI施加在与自由层1的前方端1F中的磁场HI同向的偏移磁场HB的情况下，虽然分别是在前方端侧和后方端侧的电流磁场HI和偏移磁场HB的各自的总和(以下称为总磁场)的磁场HF和HR变成同一方向，但是设这两个电流磁场的大小为|HF|＞|HR|的情况下。
另外，虽然曲线33是施加与曲线32的情况相反的偏移磁场HB，同样使后方端侧的磁场HR与前方端侧HF为同一方向，但是设电流磁场的大小为|HF|＜|HR|的情况下。
如上所述，从力图提高元件的灵敏度方面看，最好在变成|HF|＜|HR|的曲线33的状态下，并且在具有如图10所示那样的磁通引入层14的磁阻效应元件的情况下，施加在磁通引入层14上的电流磁场HI和偏移磁场HB对元件的再生力有影响。也就是说，在曲线33的状态下，虽然因为|HF|小，所以可以使在磁通效率高的前方端上灵敏度提高，但因为|HR|大，而使磁通引入层14的外在元件本体11A和11B的后方端的部分上的磁通引出效果变小，使从元件本体11A和11B中向磁屏蔽直接漏泄的磁通增加。
另外，在曲线32的状态下，虽然因为|HF|大，所以在磁通效率高的前方端上灵敏度变低，但因为|HR|小，所以使磁通引出效果变大，可以减少从元件本体11A和11B向磁屏蔽直接漏泄的磁通减少。
也就是说，就元件灵敏度虽大但磁通漏泄多的曲线33的状态和元件灵敏度虽小，但磁通漏泄小的曲线32的状态，不能一概而论其中哪个再生输出高，是随着元件的构造而变化的。因此应根据元件的构造、尺寸决定选择哪个构成。
另外，在曲线32的状态与曲线33的状态中的再生输出的差不太大的情况下，最好选择在对再生输出高的贡献高的前方端上电流磁场HI与偏移磁场HB的和大，并且变成稳定性优良的曲线22状态的构成。
也就是说，按照本发明构成，因为使总磁场在自由层1的前方和后方的全区域变成同一方向，使单磁畴化在整个区域中实现，所以可以有效地防止贝克好森噪声。并且通过使该总的磁场的大小在前方端大，或者在后方端变大，可以使灵敏度更加提高，或产生提高稳定性的效果。
另外，本发明的磁头100可以作为来自磁记录媒体的信号检出即再生磁头使用，但在构成记录再生磁头的情况下，通过在例如在图1或图2中的例如第二磁屏蔽兼电极22上配置感应型薄膜记录头可以变成一体化的构成。
图11是表示本发明磁头一例的立体图，在该例中，可以通过在把本发明的MR元件作为感磁部的本发明的磁头100上层叠例如电磁感应型的薄膜磁记录头130作为磁记录再生头构成。
另外，在面邻前方表面13的部分上形成由构成记录磁头130的磁间隙的例如SiO2等形成的非磁性层131。
另外在后方表面上形成通对导电层制成图形而形成线圈132，在该线圈132的中心部上在绝缘层和非磁性层131中穿设通孔133，使第二屏蔽兼电极2露出。
另外，在非磁性层131上形成面临前方表面3的前方端并与在横切线圈132的形成部上、通过通孔133露出的第二屏蔽兼电极层接触的磁芯层134。
这样构成形成有被磁芯层134的前方端与第二屏蔽兼电极层2之间的非磁性层131的厚度限定的磁隙g的电磁感应型的薄膜记录磁头130。
在该磁头130上如点划线所示那样，形成作为绝缘层的保护层135。
这样可以构成通过层叠本发明的磁阻效应型的再生磁头100和薄膜形的记录头130一体化形成的记录再生磁头。
另外，本发明不受上述实施例的限定，例如制成作为所谓把固定层作为层叠铁磁构成的合成型、单或双重型构成等，并且各种构成材料、厚度也可以不受上述的例子限定地在各种构成上进行变更。
如上所述，按照本发明制成在第一和第二磁屏蔽之间配置磁阻效应元件的磁屏蔽型构成，并且制成CPP型构成，在上面不加检测磁场的状态下，在自由层的前方端和后方端上实际上在整个的前方端和后方端上通过使加在该自由层上的磁场的方向即总磁场变成同一方向，可以在自由层的侧端部的全区域上变成单磁畴区构成，从而能有效地防止巴克好森噪声。
另外，通过使在自由层的前方端和后方端上的各个总磁场|HF|和|HR|变为|HF|＜|HR|或|HF|＞|HR|可以实现更稳定化和灵敏度提高，并且可以构成把该磁阻效应元件作为感磁部磁头。