JP2004095584A - Magnetic detector - Google Patents

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JP2004095584A
JP2004095584A JP2002250670A JP2002250670A JP2004095584A JP 2004095584 A JP2004095584 A JP 2004095584A JP 2002250670 A JP2002250670 A JP 2002250670A JP 2002250670 A JP2002250670 A JP 2002250670A JP 2004095584 A JP2004095584 A JP 2004095584A
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Masaji Saito
斎藤 正路
Yosuke Ide
井出 洋介
Naoya Hasegawa
長谷川 直也
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Alps Alpine Co Ltd
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Alps Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin valve magnetic detector having a large (▵R×A). <P>SOLUTION: The film thickness t1 of a first free magnetic layer 53 of a free magnetic layer 26 having a synthetic ferrimagnetic structure is set larger than a spin diffusion length, whereby the magnetic detector can be reduced in electric resistance while conduction electrons move through the magnetic detector as their spin kept identical. By this setup, the difference between the minimum resistance value and maximum resistance value of the magnetic detector or a magnetoresistance change in the magnetic detector can be made large. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CPP(current perpendicular to the plane)型の磁気検出素子に係り、特に単位面積当たりの抵抗変化(ΔR・A)の向上を効果的に図ることが可能な磁気検出素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
図10は、従来の磁気検出素子を示す断面図である。
【0003】
このスピンバルブ型磁気検出素子は、下から、反強磁性層2、固定磁性層3、非磁性材料層4、第1フリー磁性層5a、非磁性中間層5b、第2フリー磁性層5cからなるシンセティックフェリ型のフリー磁性層5からなる多層膜6、多層膜6の下と上に形成された電極層1及び電極層7と、フリー磁性層5の両側部に形成されたハードバイアス層8,8及びハードバイアス層8,8の上下に形成された絶縁層9,9並びに絶縁層10,10からなっている。
【0004】
反強磁性層2はPtMn、固定磁性層3、及びフリー磁性層5の第1フリー磁性層5a、第2フリー磁性層5cはCoFe、フリー磁性層5の非磁性中間層5bはRu、非磁性材料層4はCu、ハードバイアス層8はCoPtなどの硬磁性材料、絶縁層9、10はアルミナ、電極層1、7はCrなどの導電性材料によって形成されている。
【0005】
図10に示す磁気検出素子は、スピンバルブ型磁気検出素子と呼ばれるものであり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【0006】
なお、図10に示される磁気検出素子は、多層膜6の各層の膜面と垂直方向に電流が流れるCPP(current perpendicular to the plane)型の磁気検出素子である。
【0007】
固定磁性層3の磁化方向は図示Y方向に固定されている。例えば、第2フリー磁性層5cの磁気的膜厚(飽和磁化Ms×膜厚t)が第1フリー磁性層5aの磁気的膜厚よりも大きいとき、外部磁界が印加されていない状態の第2フリー磁性層5cの磁化方向は、ハードバイアス層8,8からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向(図示X方向)に向けられて単磁区化し、第1フリー磁性層5aの磁化方向はトラック幅方向に反平行な方向に向けられる。フリー磁性層5全体の磁化方向は、磁気的膜厚の大きい第2フリー磁性層5cの磁化方向になる。外部磁界が印加されると第1フリー磁性層5aと第2フリー磁性層5cの磁化が人工フェリ状態を維持したまま回転し、多層膜6の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電圧変化または電流変化として取り出すことにより外部磁界を検出する。
【0008】
磁性材料に電流を流すと、この磁性材料中では、メジャーリティの伝導電子に対する比抵抗とマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗が異なる値になる。
【0009】
磁性材料を構成する磁性原子は、主に3d軌道または4f軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。基本的に、磁性原子の3d軌道または4f軌道に存在する電子は、アップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この3d軌道または4f軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち数が多い方の電子のスピンをメジャーリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。
【0010】
一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子がほぼ同数含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のメジャーリティスピンと同じスピンを有する方をメジャーリティ(    majority)の伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティー(minority)の伝導電子という。
【0011】
ここでρ↓をマイノリティーの伝導電子に対する磁性材料の比抵抗値とし、ρ↑をメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料に固有の値βを定義できる。
【0012】
ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)
すなわち、磁性材料のβの値が正(β>0)のとき、ρ↓>ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、磁性材料のβの値が負(β<0)のとき、ρ↓<ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはマイノリティーの伝導電子の方になる。
【0013】
また、磁性材料からなる磁性層に非磁性材料からなる非磁性層が積層されると、磁性層と非磁性層の界面に界面抵抗が発生する。
【0014】
この界面抵抗も、メジャーリティの伝導電子に対する値とマイノリティーの伝導電子に対する値が異なる。
【0015】
r↓をマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値とし、r↑を伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料と非磁性材料の組み合わせに固有の値γを定義できる。
【0016】
r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)
すなわち、γの値が正(γ>0)のとき、r↓>r↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負(γ<0)のとき、r↓<r↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティーの伝導電子の方になる。
【0017】
図10に示される磁気検出素子は、固定磁性層2、第1フリー磁性層5a、第2フリー磁性層5cがすべて同じ組成の磁性材料CoFeによって形成されている。CoFeのβは正の値を示す。すなわち、固定磁性層2、第1フリー磁性層5a、第2フリー磁性層5c中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子である。
【0018】
また、非磁性材料層4はCuによって形成されている。このとき、非磁性材料層4と固定磁性層3の界面のγの値、非磁性材料層4と第1フリー磁性層5aの界面のγの値は、両方とも正の値を示す。
【0019】
非磁性中間層5bはRuによって形成されている。このとき、第1フリー磁性層5aと非磁性中間層5bの界面のγの値と第2フリー磁性層5cと非磁性中間層5bの界面のγの値は、両方とも負の値を示す。
【0020】
各磁性層とβとγの値の関係を図11にまとめる。図11には、図10に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。固定磁性層3、第1フリー磁性層5a、第2フリー磁性層5cに記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層5aと第2フリー磁性層5cの磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
磁気検出素子の抵抗変化ΔRを大きくするためには、フリー磁性層5の磁化方向が図11に示される方向を向いているときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層(非磁性材料層4及び非磁性中間層5b)との界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい(または、全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層(非磁性材料層4及び非磁性中間層5b)との界面における、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい)。
【0022】
しかし、図11をみると、メジャーリティスピンがアップスピンでありβ>0である固定磁性層3及び第1フリー磁性層5aは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値が小さくなっているが、メジャーリティスピンがダウンスピンであり、β>0である第2フリー磁性層5cはアップスピンの伝導電子に対する抵抗値が大きくなっている。
【0023】
また、非磁性材料層4と固定磁性層3の界面、非磁性材料層4と第1フリー磁性層5aの界面、及び非磁性中間層5bと第2フリー磁性層5cの界面におけるアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも小さくなっている。しかし、第1フリー磁性層5aと非磁性中間層5bの界面におけるアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも大きくなっている。
【0024】
このように、従来の磁気検出素子は、伝導電子の流れ方の制御の効率が低いものであった。
【0025】
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることによって、単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる磁気検出素子を提供することを目的としている。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層が順に積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第1フリー磁性層の上に第2フリー磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第1フリー磁性層の膜厚は前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【0027】
または、前記フリー磁性層は、第1フリー磁性層、非磁性中間層、第2フリー磁性層、非磁性中間層、及び第3フリー磁性層が順に積層されたものであり、
前記第1フリー磁性層の膜厚は前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【0028】
導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長(Spin Diffusion Length)という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【0029】
本発明のように、前記第1フリー磁性層の膜厚が前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記固定磁性層から第1フリー磁性層までの間の区間内だけになる。
【0030】
従って、前記固定磁性層から第1フリー磁性層までの間の区間内における伝導電子の流れやすさを考慮するだけでよいので、ΔR・Aの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【0031】
本発明では、前記第1フリー磁性層、前記固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであっても、異なるものであってもよい。ただし、前記第1フリー磁性層と前記固定磁性層の磁化方向が平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最小になるときは、前記第1フリー磁性層、前記固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じであることが好ましい。また、前記第1フリー磁性層と前記固定磁性層の磁化方向が反平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最小になるときは、前記第1フリー磁性層、前記固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が異なることが好ましい。
【0032】
なお、βは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
【0033】
本発明のように、前記第1フリー磁性層、及び固定磁性層(以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ)それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、スピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、磁気抵抗効果に関与する全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0034】
さらに、前記非磁性材料層と固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記第1フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【0035】
ただし、γは、r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)の関係式を満たす界面に固有の値である(なお、r↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、r↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である)。
【0036】
本発明のように、γを規定すると、スピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記非磁性材料層と固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記第1フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における,ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0037】
また、本発明は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層が順に積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記固定磁性層が、第1固定磁性層の上に第2固定磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第2固定磁性層の膜厚は前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【0038】
本発明のように、前記第2固定磁性層の膜厚が前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記第2固定磁性層からフリー磁性層までの間の区間内だけになる。
【0039】
従って、前記第2固定磁性層からフリー磁性層までの間の区間内における伝導電子の流れやすさを考慮するだけでよいので、ΔRの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【0040】
また、前記第2固定磁性層、前記フリー磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであっても、異なるものであってもよい。ただし、前記フリー磁性層と前記第2固定磁性層の磁化方向が平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最小になるときは、前記フリー磁性層、前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じであることが好ましい。また、前記フリー磁性層と前記第2固定磁性層の磁化方向が反平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最小になるときは、前記フリー磁性層、前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が異なることが好ましい。
【0041】
本発明のように、前記フリー磁性層、及び第2固定磁性層(以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ)それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、スピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、磁気抵抗効果に関与する全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0042】
さらに、前記非磁性材料層と第2固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【0043】
本発明のように、γを規定すると、スピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記非磁性中間層と第2固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における,ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
図1は本発明における第1実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【0045】
図1に示す磁気検出素子は、いわゆるシングル型のスピンバルブ型薄膜素子である。
【0046】
第1の電極層20の中央上面には、下から下地層21、シード層22、反強磁性層23、第1固定磁性層50と第2固定磁性層52とその間に形成されたRuなどの非磁性中間層51からなる3層フェリ構造の固定磁性層24、非磁性材料層25及びフリー磁性層26が形成されている。フリー磁性層26は、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55とその間に形成された非磁性中間層54からなる3層フェリ構造である。
【0047】
第1の電極層20、及び第2の電極層30は、例えばα−Ta、Au、Cr、Cu(銅)やW(タングステン)などで形成されている。下地層21は、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち少なくとも1種以上で形成されることが好ましい。下地層21は50Å以下程度の膜厚で形成される。ただし、この下地層21は形成されていなくても良い。
【0048】
シード層22は、主として面心立方晶から成り、次に説明する反強磁性層23との界面と平行な方向に(111)面が優先配向されている。シード層22は、Cr、NiFe合金、あるいはNi−Fe−Y合金(ただしYは、Cr,Rh,Ta,Hf,Nb,Zr,Tiから選ばれる少なくとも1種以上)で形成されることが好ましい。これらの材質で形成されたシード層22はTa等で形成された下地層21上に形成されることにより反強磁性層23との界面と平行な方向に(111)面が優先配向しやすくなる。シード層22は、例えば30Å程度で形成される。
【0049】
なお本発明における磁気検出素子は各層の膜面と垂直方向にセンス電流が流れるCPP型であるため、シード層22にも適切にセンス電流が流れる必要性がある。よってシード層22は比抵抗の高い材質でないことが好ましい。すなわちCPP型ではシード層22はNiFe合金などの比抵抗の低い材質で形成されることが好ましい。ただし、シード層22は形成されなくても良い。
【0050】
反強磁性層23は、元素X(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。あるいは反強磁性層23は、元素Xと元素X′(ただし元素X′は、Ne,Ar,Kr,Xe,Be,B,C,N,Mg,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Zr,Nb,Mo,Ag,Cd,Sn,Hf,Ta,W,Re,Au,Pb、及び希土類元素のうち1種または2種以上の元素である)とMnを含有する反強磁性材料により形成されることが好ましい。
【0051】
これらの反強磁性材料は、耐食性に優れしかもブロッキング温度も高く次に説明する固定磁性層24との界面で大きな交換異方性磁界を発生し得る。また反強磁性層23は80Å以上で300Å以下,例えば200Åの膜厚で形成されることが好ましい。
【0052】
この実施形態では、固定磁性層24が3層のフェリ構造で形成されている。
固定磁性層24を構成する符号50及び52の層は磁性層である。第1固定磁性層50,第2固定磁性層52間には非磁性材料によって形成された非磁性中間層51が介在している。固定磁性層24の材料については後述する。
【0053】
反強磁性層23と第1固定磁性層50の間には交換異方性磁界が発生している。
【0054】
例えば第1固定磁性層50の磁化がハイト方向(図示Y方向)と逆方向に固定された場合、もう一方の第2固定磁性層52はRKKY相互作用により、ハイト方向に磁化され固定される。この構成により固定磁性層24の磁化を安定した状態にでき、また固定磁性層24の磁化方向を強固に固定できる。
【0055】
なお例えば、第1固定磁性層50,第2固定磁性層52の膜厚はそれぞれ10〜70Å程度で形成される。また非磁性中間層51及び非磁性中間層61の膜厚は3Å〜10Å程度で形成される。
【0056】
なお固定磁性層24はフェリ構造ではなく単層膜あるいは磁性層のみからなる積層膜で形成されていても良い。
【0057】
非磁性材料層25は電気抵抗の低い導電性材料によって形成される。非磁性材料層25は例えば25Å程度の膜厚で形成される。非磁性材料層25は、第1層40と第2層41が積層された2層構造である。非磁性材料層25の材料については後述する。
【0058】
フリー磁性層26は、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55とその間に形成された非磁性中間層54からなる3層フェリ構造である。
【0059】
第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55は磁性材料からなり、非磁性中間層54は非磁性材料からなる。トラック幅方向(図示X方向)に磁化されているハードバイアス層33,33からの縦バイアス磁界によって、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55のうち、磁気的膜厚(単位面積当たりの磁気モーメント;飽和磁束密度Ms×膜厚t)の大きい方の磁化が図示X方向に揃えられ、他方の磁化は図示X方向と反平行方向を向く。
【0060】
例えば、図1では、第1フリー磁性層53の磁気的膜厚の方が、第2フリー磁性層55の磁気的膜厚より大きくなっているので、 第1フリー磁性層53の磁化が図示X方向にそろえられる。そして、RKKY相互作用によって、第2フリー磁性層55の磁化方向が図示X方向と反平行方向に向けられる。
【0061】
フリー磁性層26の合計の磁気的膜厚は、第1フリー磁性層53の磁気的膜厚と第2フリー磁性層55の磁気的膜厚の差になる。従って、本実施の形態のような人工フェリ型のフリー磁性層26であれば、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55を安定して成膜できる膜厚で形成しても、フリー磁性層26の実質的な磁気的膜厚を減少させることができ、磁気検出素子の磁界検出感度を向上させることができる。
【0062】
第1フリー磁性層53、第2フリー磁性層55、非磁性中間層54の材料及び膜厚については後述する。
【0063】
図1に示すように、多層膜T1のトラック幅方向の両側領域の第1の電極層20上には、絶縁層31,31が形成されている。絶縁層31,31は例えばAl、SiOなど一般的な絶縁材料で形成される。
【0064】
絶縁層31,31の上面31a,31aは、フリー磁性層26の下面26aよりも図示下側(図示Z方向とは逆方向)に形成されていることが好ましい。
【0065】
絶縁層31,31の上には、バイアス下地層32,32が形成されている。またバイアス下地層32,32の上にはハードバイアス層33,33が形成されている。ハードバイアス層33,33は、フリー磁性層26の両側端面26b,26bに対向する位置に形成される。ハードバイアス層33,33は、トラック幅方向(図示X方向)に磁化されている。
【0066】
バイアス下地層32,32はハードバイアス層33,33の特性(保磁力Hc、角形比S)を向上させるために設けられたものである。
【0067】
本発明では、バイアス下地層32,32は、結晶構造が体心立方構造(bcc構造)の金属膜で形成されることが好ましい。なおこのときバイアス下地層32,32の結晶配向は(100)面が優先配向するのが好ましい。
【0068】
またハードバイアス層33,33は、CoPt合金やCoPtCr合金などで形成される。これら合金の結晶構造は、稠密六方構造(hcp)単相あるいは面心立方構造(fcc)と稠密六方構造(hcp)の混相となっている。
【0069】
ここで上記の金属膜で形成されたバイアス下地層32,32とハードバイアス層33,33を構成するCoPt系合金のhcp構造の界面での原子配列が近くなるために、CoPt系合金はfcc構造を形成しづらくhcp構造で形成されやすくなる。このときhcp構造のc軸はCoPt系合金とバイアス下地層の境界面内に優先配向される。hcp構造はfcc構造に比べてc軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、ハードバイアス層33,33に磁界を与えたときの保磁力Hcは大きくなるのである。さらにhcpのc軸はCoPt系合金とバイアス下地層との境界面内で優先配向となっているため、残留磁化が増大し、残留磁化/飽和磁束密度で求められる角形比Sは大きくなる。その結果、ハードバイアス層33,33の特性を向上させることができ、ハードバイアス層33,33から発生するバイアス磁界を増大させることができる。結晶構造が体心立方構造(bcc構造)の金属膜は、Cr,W,Mo,V,Mn,Nb,Taのいずれか1種または2種以上の元素で形成されることが好ましい。
【0070】
また、バイアス下地層32はハードバイアス層33,33の下側にのみ形成されていることが好ましいが、フリー磁性層26の両側端面26b,26bとハードバイアス層33,33間にも若干介在してもよい。フリー磁性層26の両側端面26b,26bとハードバイアス層33,33間に形成されるバイアス下地層32,32のトラック幅方向(図示X方向)における膜厚は1nm以下であることが好ましい。
【0071】
これによりハードバイアス層33,33とフリー磁性層26とを磁気的に連続体にでき、フリー磁性層26の端部が反磁界の影響を受けるバックリング現象などの問題も発生せず、フリー磁性層26の磁区制御を容易にできる。
【0072】
図1の磁気検出素子は、ハードバイアス層33,33によって、フリー磁性層26の第1フリー磁性層53及び第2フリー磁性層55が単磁区化されるものであるが、本実施の形態のように第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55の磁化方向が互いに反平行方向を向くものであるときは、ハードバイアス層33,33の内側端面33a,33aが、第1フリー磁性層53及び第2フリー磁性層55のいずれか一方の端部とのみ対向していることが好ましい。図1では、ハードバイアス層33,33の内側端面33a,33aが第1フリー磁性層53の端部53a,53aにのみ対向している。これによって、ハードバイアス層33,33から供給されるトラック幅方向(図示X方向)の縦バイアス磁界は第1フリー磁性層53にのみ直接作用し、トラック幅方向と反平行方向の磁化を有する第2フリー磁性層55の磁化に乱れが生じることを抑制または防止できる。
【0073】
また図1に示すように、ハードバイアス層33,33の上には絶縁層34,34が形成されている。絶縁層34,34は、AlやSiOなどの一般的な絶縁材料で形成される。なおこの実施形態では、絶縁層34,34の上面とフリー磁性層26の上面とが連続面となっている。
【0074】
絶縁層34,34及びフリー磁性層26の上には、第2の電極層30が形成されている。
【0075】
この実施形態では、第2の電極層30から第1の電極層20に向けてセンス電流が流れるが、第1の電極層20から第2の電極層30に向けてセンス電流が流れても良い。従ってセンス電流は、磁気検出素子の各層を膜面と垂直方向に流れ、このようなセンス電流の流れ方向はCPP型と呼ばれる。
【0076】
フリー磁性層26、非磁性材料層25及び固定磁性層24に検出電流(センス電流)が与えられ、走行方向がZ方向であるハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界がY方向に与えられると、フリー磁性層26の磁化が図示X方向からY方向へ向けて変化する。第1フリー磁性層53と固定磁性層24の第2固定磁性層52の磁化方向の関係で電気抵抗が変化し(これを磁気抵抗効果という)、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【0077】
図1に示される磁気検出素子は、下地層21、シード層22、反強磁性層23、固定磁性層24、非磁性材料層25、フリー磁性層26からなる多層膜T1のトラック幅方向(図示X方向)の両側端面S1,S1が連続した傾斜面となっている。
【0078】
図1に示された磁気検出素子の特徴部分について説明する。
本実施の形態の磁気検出素子では、第1フリー磁性層53の膜厚t1は第1フリー磁性層53を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっている。
【0079】
導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長(Spin Diffusion Length)という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【0080】
例えば、Co90Fe10のスピン拡散長は150Å、Ni80Fe20のスピン拡散長は120Å、Ni97Crのスピン拡散長は50Å、Fe95Crのスピン拡散長は90Å、Fe80Cr20のスピン拡散長は40Å、Cuのスピン拡散長は1000Å、Crのスピン拡散長は100Åである。
【0081】
第1フリー磁性層53の膜厚t1が第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間だけになる。なお、非磁性材料層25の膜厚は、そのスピン拡散長より小さくなっている。
【0082】
従って、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間における伝導電子の流れやすさを考慮するだけでよくなり、ΔR・Aの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【0083】
具体的には、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負を考えるだけでよい。
【0084】
ここで、βとは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
【0085】
第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負の関係を図2にまとめる。
【0086】
図2には、図1に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。第1固定磁性層24の磁性層52、第1フリー磁性層53、第2フリー磁性層55に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。図2では、第1フリー磁性層53と第2固定磁性層52の磁化方向が平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなっている。
【0087】
なお、図2には、第1固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【0088】
ここで、γとは、r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)の関係式を満たす界面に固有の値である(なお、r↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、r↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である)。すなわち、γの値が正(γ>0)のとき、r↓>r↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負(γ<0)のとき、r↓<r↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【0089】
図2に示されるように、本実施の形態では、第1フリー磁性層53及び第1固定磁性層52のβの正負の符号を同じにしている。
【0090】
例えば、ケース1の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間で、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0091】
第1フリー磁性層53の膜厚は、第1フリー磁性層53のスピン拡散長よりも大きいので、多層膜T1内を流れる伝導電子は、第1フリー磁性層53内部でスピン方向が逆転する。このため、図2のケース1のように、第1フリー磁性層53から第1固定磁性層24の磁性層52の間でアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【0092】
すなわち、図2のケース1に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層53から第1固定磁性層24の磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T1を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0093】
第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の符号が同じになる組み合わせ、及び第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図2のケース2に示す。
【0094】
ケース2の材料の組み合わせのとき、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間で、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0095】
以下に、β>0である磁性材料を示す。
β>0:NiX合金(ただし、XはCo、Fe、Mn、Zr、Hf、Cu、Auから選ばれる1種の元素である)、CoT合金(ただし、Tは、Fe、Zr、Ta、Hfから選ばれる1種の元素である)、FeZ合金(ただし、ZはNi、Co、Rh、Pt、Ir、Be、Al、Si、Ga、Geから選ばれる1種の元素である)、またはCo−Mn−D合金(ただし、DはAl、Ga、Si、Ge、Snから選ばれる1種の元素である)。
【0096】
次に、β<0である磁性材料を示す。
β<0:NiM合金(ただし、MはCr、Rh、Ru、Mo、Nb、Pt、Ir、Os、Re、W、Taから選ばれる1種の元素である)、CoQ合金(ただし、QはMn、Cr、Ru、Mo、Ir、Os、Re、Wから選ばれる1種の元素である)、またはFeA合金(ただし、AはMn、Cr、V、Ti、Ru、Mo、Os、Re、Wから選ばれる1種の元素である)。
【0097】
NiX合金の1例としてNi80Fe20合金をあげることができ、FeA合金の1例としてFe90Cr10合金をあげることができる。
【0098】
なお、図2のケース1におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCuにすればよく、ケース2におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCrにすればよい。
【0099】
また、本実施の形態では、第2フリー磁性層55のβの正負の符号、第1フリー磁性層53と非磁性中間層54との界面、非磁性中間層54と第2フリー磁性層55の界面のγの正負の符号は任意でよい。図2では、βまたはγの正負の符号が任意であることを(×)で表している。従って、非磁性中間層54の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55間のRKKY相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層54の材料をRu、Rh、Ir、Os、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金から任意に選択できる。
【0100】
本発明では、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の関係、及び第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の関係が図3のケース3、ケース4に示されるものであってもよい。
【0101】
図3には、磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。第2固定磁性層52、第1フリー磁性層53、第2フリー磁性層55に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層53の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。図3では、第1フリー磁性層53と第2固定磁性層52の磁化方向が反平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなっている。
【0102】
なお、図3には、第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【0103】
図3のケース3及びケース4では、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を異ならせている。
【0104】
例えば、ケース3の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の区間において、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性中間層54の材料が選択されている。
【0105】
また、ケース4の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の区間において、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0106】
ここでも、第1フリー磁性層53の膜厚は、第1フリー磁性層53のスピン拡散長よりも大きいので、多層膜T1内を流れる伝導電子は、第1フリー磁性層53内部でスピン方向が逆転する。このため、図3のケース3及びケース4のβ及びγの組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【0107】
すなわち、図3のケース3及びケース4に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T1を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0108】
なお、図3のケース3におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40及び第2層41の積層構造にし、第1層40の材料をCuにし、第2層41の材料をCrにすればよい。また、ケース4におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40及び第2層41の積層構造にし、第1層40の材料をCrにし、第2層41の材料をCuにすればよい。
【0109】
また、本実施の形態でも、第2フリー磁性層55のβの正負の符号、第1フリー磁性層53と非磁性中間層54との界面、非磁性中間層54と第2フリー磁性層55の界面のγの正負の符号は任意でよい。図3では、βまたはγの正負の符号が任意であることを(×)で表している。従って、非磁性中間層54の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55間のRKKY相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層54の材料をRu、Rh、Ir、Os、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金から任意に選択できる。
【0110】
上述したケース1からケース4は、第1フリー磁性層53の膜厚t1をスピン拡散長より大きくしたものであった。
【0111】
本発明では、固定磁性層24の第1固定磁性層50の第2固定磁性層52の膜厚t5をスピン拡散長より大きくしてもよい。
【0112】
第2固定磁性層52の膜厚t5が第2固定磁性層52を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、第2固定磁性層52からフリー磁性層26の第1フリー磁性層53までの間だけになる。なお、非磁性材料層25の膜厚は、そのスピン拡散長より小さくなっている。
【0113】
従って、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52までの間における伝導電子の流れやすさを考慮するだけでよくなり、ΔR・Aの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【0114】
具体的には、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負を考えるだけでよい。
【0115】
第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負の関係を図4にまとめる。
【0116】
図4には、磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。第1固定磁性層50、第2固定磁性層52、第1フリー磁性層53に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層53の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。図4では、第1フリー磁性層53と第2固定磁性層52の磁化方向が平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなっている。
【0117】
なお、図4には、第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【0118】
図4に示されるように、本実施の形態では、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を同じにしている。
【0119】
例えば、ケース5の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間で、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0120】
第2固定磁性層52の膜厚は、第2固定磁性層52のスピン拡散長よりも大きいので、多層膜T1内を流れる伝導電子は、第2固定磁性層52内部でスピン方向が逆転する。このため、図4のケース5のように、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【0121】
すなわち、図4のケース5に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T1を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0122】
第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の符号が同じになる組み合わせ、及び第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図4のケース6に示す。
【0123】
ケース6の材料の組み合わせのとき、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の間で、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0124】
なお、図4のケース5におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCuにすればよく、ケース6におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCrにすればよい。
【0125】
また、本実施の形態では、第1固定磁性層50のβの正負の符号、第1固定磁性層50と非磁性中間層51との界面、非磁性中間層51と第2固定磁性層52の界面のγの正負の符号は任意でよい。図4では、βまたはγの正負の符号が任意であることを(×)で表している。従って、非磁性中間層51の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第1固定磁性層50と第2固定磁性層52間のRKKY相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層51の材料をRu、Rh、Ir、Os、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金から任意に選択できる。
【0126】
本発明では、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負の関係、及び第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の関係が図5のケース7、ケース8に示されるものであってもよい。
【0127】
図5には、磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。第1固定磁性層50、第2固定磁性層52、第1フリー磁性層53に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層53の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。図5では、第1フリー磁性層53と第2固定磁性層52の磁化方向が反平行であるときに、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなっている。
【0128】
なお、図5には、第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層53の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【0129】
図5のケース7及びケース8では、第1フリー磁性層53及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を異ならせている。
【0130】
例えば、ケース7の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の区間において、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0131】
また、ケース8の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52の区間において、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0132】
ここでも、第2固定磁性層52の膜厚は、第2固定磁性層52のスピン拡散長よりも大きいので、多層膜T1内を流れる伝導電子は、第2固定磁性層52内部でスピン方向が逆転する。このため、図5のケース7及びケース8のβ及びγの組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【0133】
すなわち、図5のケース7及びケース8に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層53から第2固定磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T1を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0134】
なお、図5のケース7におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40及び第2層41の積層構造にし、第1層40の材料をCuにし、第2層41の材料をCrにすればよい。また、ケース8におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40及び第2層41の積層構造にし、第1層40の材料をCrにし、第2層41の材料をCuにすればよい。
【0135】
また、本実施の形態でも、第1固定磁性層50のβの正負の符号、第1固定磁性層50と非磁性中間層51との界面、非磁性中間層51と第2固定磁性層52の界面のγの正負の符号は任意でよい。図5では、βまたはγの正負の符号が任意であることを(×)で表している。従って、非磁性中間層51の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第1固定磁性層50と第2固定磁性層52間のRKKY相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層51の材料をRu、Rh、Ir、Os、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金から任意に選択できる。
【0136】
なお、上述した実施の形態では、フリー磁性層26及び固定磁性層24の両方が人工フェリ構造であるものとした。ただし、ケース1から4の場合には固定磁性層24は単層また磁性層のみの積層体であってもよく、ケース5から8の場合には、フリー磁性層26が単層または磁性層のみの積層体であってもよい。
【0137】
図6は本発明における第2実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【0138】
図6に示された磁気検出素子は図1に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層26に縦バイアスを与える方式が、図1に示された磁気検出素子と異なっている。
【0139】
なお、図1と同じ符号で示される層は、特に説明がない限り図1と同じ材料及び膜厚で形成された同一の層である。
【0140】
図6に示される磁気検出素子では、フリー磁性層26の両側領域にハードバイアス層が形成されず、かわりにフリー磁性層26上に、中間層81を介してインスタックバイアス層82が形成されている。下地層21からインスタックバイアス層82まで重ねられた各層によって多層膜T2が形成されている。
【0141】
このインスタックバイアス層82はCoPtなどの硬磁性材料によって形成され、図示X方向に着磁されている。なお、インスタックバイアス層82と中間層81の間に、Crからなる下地層が形成されてもよい。中間層81の材料はTa、W、Mo、Cr、Cuなどの非磁性導伝性材料である。
【0142】
この実施形態では、インスタックバイアス層82の両側端部からフリー磁性層26に向けて縦バイアス磁界(静磁界)が供給され(矢印Mで示す)、フリー磁性層26の第2フリー磁性層55の磁化が図示X方向と反平行方向に向けられている。
【0143】
また、第2フリー磁性層55の単位面積当たりの磁気モーメントが、第1フリー磁性層53の単位面積当たりの磁気モーメントより大きくなり、第2フリー磁性層55の磁化がインスタックバイアス層82から与えられる縦バイアス磁界と同じ方向を向いている状態を安定化させている。
【0144】
図6に示されるインスタックバイアス層80が設けられた磁気検出素子は、フリー磁性層26が強固に磁化されることがなくフリー磁性層26の磁区制御を適正化でき、フリー磁性層26の外部磁界に対する磁化変動を良好にすることが可能である。また多層膜T2の両側端面S2,S2の両側領域にはアルミナまたはSiOからななる絶縁層83,83のみが形成されている。したがってセンス電流の分流ロスを低減させることが可能である。
【0145】
なお、図6に示される磁気検出素子は、フリー磁性層26上にのみインスタックバイアス層82を形成しているが、反強磁性層23の下にインスタックバイアス層を設けてもよいし、フリー磁性層26上と反強磁性層23の下の両方にインスタックバイアス層を設けてもよい。
【0146】
ただし、フリー磁性層26の第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55の磁化方向を反平行にさせるために、フリー磁性層26の上または反強磁性層23の下のどちらか一方にのみインスタックバイアス層を設けることが好ましい。その上で、フリー磁性層26の第1フリー磁性層53と第2フリー磁性層55のうち、インスタックバイアス層に近い方の膜厚を厚くすることがより好ましい。
【0147】
図7は本発明における第3実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【0148】
図7に示された磁気検出素子は図5に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層84が3層の人工フェリ構造である点で図7に示された磁気検出素子と異なっている。
【0149】
フリー磁性層84は、第1フリー磁性層85、非磁性中間層86、第2フリー磁性層87、非磁性中間層88、第3フリー磁性層89からなっている。第1フリー磁性層85と第2フリー磁性層87の磁化方向は、非磁性中間層86を介したRKKY相互作用によって互いに反平行方向になっている。同様に、第2フリー磁性層87と第3フリー磁性層89の磁化方向も、非磁性中間層87を介したRKKY相互作用によって互いに反平行方向になっている。
【0150】
フリー磁性層84を3層の人工フェリ構造にすると、第1フリー磁性層85、第2フリー磁性層87、第3フリー磁性層89の磁化方向を互いに反平行方向に固定するスピンフロップ磁界が、図1ないし図6に示された2層の人工フェリ構造のフリー磁性層26に比べて2倍以上になる。従って、第1フリー磁性層85、第2フリー磁性層87、第3フリー磁性層89の磁化方向の反平行状態が縦バイアス磁界によって崩されることを防止でき、フリー磁性層全体の単磁区構造が安定化し、バルクハウゼンノイズを著しく低減できる。
【0151】
本実施の形態の磁気検出素子では、第1フリー磁性層85の膜厚t10は第1フリー磁性層85を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっている。また、非磁性材料層25の膜厚t11は、そのスピン拡散長よりも小さくなっている。
【0152】
第1フリー磁性層85の膜厚t10が第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、第2固定磁性層52から第1フリー磁性層85までの間だけになる。
【0153】
従って、第1フリー磁性層85と第2固定磁性層52の磁性材料のβの正負を考えるだけで、ΔRの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【0154】
ここで、βとは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
【0155】
第1フリー磁性層85及び第2固定磁性層52を形成している磁性材料のβの正負の関係を図8及び図9にまとめる。
【0156】
図8及び図9には、図7に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。第2固定磁性層52、第1フリー磁性層85、第2フリー磁性層87、第3フリー磁性層89に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第1フリー磁性層85、第2フリー磁性層87、第3フリー磁性層89の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【0157】
なお、図8では、第1フリー磁性層85の磁化方向と第2固定磁性層52の磁化方向が平行であるとき、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなる。また、図9では、第1フリー磁性層85の磁化方向と第2固定磁性層52の磁化方向が反平行であるとき、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなる。
【0158】
さらに、図8及び図9には、第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層85の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【0159】
ここで、γとは、r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)の関係式を満たす界面に固有の値である(なお、r↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、r↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である)。すなわち、γの値が正(γ>0)のとき、r↓>r↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負(γ<0)のとき、r↓<r↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【0160】
図8に示される実施の形態では、第1フリー磁性層85及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を同じにしている。
【0161】
例えば、ケース1の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52まで、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0162】
第1フリー磁性層85の膜厚t10は、そのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜T3内を流れる伝導電子は、第1フリー磁性層85の内部でスピン方向が逆転する。このため、図8のケース1のように、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52の間でアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【0163】
すなわち、図8のケース1に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T2を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0164】
第1フリー磁性層85及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を同じにし、第2固定磁性層52と非磁性材料層25との界面、非磁性材料層25と第1フリー磁性層85の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図8のケース2に示す。
【0165】
ケース2の材料の組み合わせのとき、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52の間で、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0166】
β>0である磁性材料として、前述したNiX合金、CoT合金、またはFeZ合金をあげることができ、β<0である磁性材料としては、前述したNiM合金、CoQ合金、FeA合金をあげることができる。NiX合金の1例としてNi80Fe20合金をあげることができ、FeA合金の1例としてFe90Cr10合金をあげることができる。
【0167】
また、図9に示される実施の形態では、第1フリー磁性層85及び第2固定磁性層52のβの正負の符号を異ならせている。
【0168】
ケース3の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52まで、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0169】
また、ケース4の材料の組み合わせのときは、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52の間で、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料層25の材料が選択されている。
【0170】
図9のケース3及びケース4に示されたβとγの組み合わせも、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができるものである。しかも、第1フリー磁性層85から第2固定磁性層52までのβとγの選択をするだけでよいので、多層膜T2を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【0171】
なお、図8のケース1におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCuにすればよく、ケース2におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25の材料をCrにすればよい。
【0172】
また、ケース3におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40と第2層41の積層構造とし、第1層40をCuで第2層41をCrで形成すればよい。さらに、ケース4におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層25を第1層40と第2層41の積層構造とし、第1層40をCrで第2層41をCuで形成すればよい。
【0173】
また、本実施の形態では、第2フリー磁性層87及び第3フリー磁性層89のβの正負の符号、並びに第1フリー磁性層85と非磁性中間層86との界面、非磁性中間層86と第2フリー磁性層87との界面、第2フリー磁性層87と非磁性材料層88との界面、非磁性材料層88と第3フリー磁性層89の界面のγの正負の符号は任意でよい。図2では、βまたはγの正負の符号が任意であることを(×)で表している。
【0174】
従って、非磁性中間層86及び非磁性中間層88の材料をRu、Rh、Ir、Os、Cr、Re、Cuのうち1種あるいは2種以上の合金から任意に選択できる。非磁性中間層86及び非磁性中間層88を上記Ruなどの金属で形成すると、第1フリー磁性層85と第2フリー磁性層87間のRKKY相互作用、及び第2フリー磁性層87と第3フリー磁性層89間のRKKY相互作用を強くすることが出来る。
【0175】
図1に示された磁気検出素子の製造方法について説明する。
まず、第1の電極層20の中央上に、下から下地層21、シード層22、反強磁性層23、第1固定磁性層50、非磁性中間層51、第2固定磁性層52(固定磁性層24)、非磁性材料層25、第1フリー磁性層53、非磁性中間層54、第2フリー磁性層55(フリー磁性層26)を真空中でベタ膜状に連続成膜して多層膜T1の積層構造を形成する。各層の材料及び膜厚は、図1に示された完成後の磁気検出素子と同じである。
【0176】
多層膜T1をハイト方向(図示Y方向)の磁場中でアニールして、反強磁性層23と固定磁性層24の第1固定磁性層50間に交換結合磁界を発生させる。
【0177】
磁場中アニールの温度は例えば270℃であり、磁界の大きさは、800kA/mの強磁場で行うか、または8〜30(kA/m)、例えば24(kA/m)である。
【0178】
次に、フリー磁性層26上に、磁気検出素子の光学的な素子面積と同程度かあるいはそれよりも若干小さい面積を覆うリフトオフ用のレジスト層を形成する。
【0179】
次に、前記レジスト層に覆われていない、フリー磁性層26から下地層21までの多層膜T1をイオンミリングなどで除去する。これにより第1の電極層20の上面中央には、下地層21からフリー磁性層までで構成される多層膜T1が略台形状となって残される。なおイオンミリング後、多層膜T1の両側端面S1,S1にはミリングで除去された物質の一部が再付着するので、再付着物をサイドミリングで除去することが好ましい。
【0180】
次に、第1の電極層20上から多層膜T1の両側端面S1,S1上にかけて、Alなどで形成された絶縁層31,31、Crなどで形成されたバイアス下地層32,32、CoPtCrなどで形成されたハードバイアス層33,33及びAlなどで形成された絶縁層34,34をスパッタ成膜する。
【0181】
なお、絶縁層31,31から絶縁層34,34までの各層のスパッタ成膜の際におけるスパッタ粒子照射角度は基板に対しほぼ垂直方向Gとすることが好ましい。
【0182】
多層膜T1の両側領域に絶縁層31,31から絶縁層34,34までの各層を積層した後、前記レジスト層R1を除去する。
【0183】
その後、絶縁層34,34上から多層膜T1のフリー磁性層26上にかけて第2の電極層30をスパッタ成膜することにより、図1に示された磁気検出素子を形成できる。
【0184】
なお、上述した実施の形態では、磁性層及び非磁性材料からなる層のβ、γ両方の正負をアップスピンまたはダウンスピンの伝導電子に対する比抵抗や界面抵抗の観点から最適化するように調節した。ただし、本発明には、磁性層のβのみ実施の形態に示したように調節したり、界面のγのみを調節したものも含まれる。例えば、各磁性層を実施の形態に示したβの組み合わせになる材料で形成し、各非磁性材料層はCu、各非磁性中間層はRuで形成するという形態でもよい。
【0185】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明では、前記第1フリー磁性層の膜厚を前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくしている(フリー磁性層が2層の人工フェリ構造のとき)。
【0186】
あるいは、前記第2固定磁性層の膜厚を前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長(Spin Diffusion Length)より大きくしている。
【0187】
これにより、本発明では、前記第2固定磁性層から前記第1フリー磁性層までの間における伝導電子の流れやすさを考慮するだけで、ΔR・Aの大きな磁気検出素子の設計をすることができる。
【0188】
また、本発明では、前記第1フリー磁性層及び前記第2固定磁性層を形成する磁性材料のβを規定することにより、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0189】
さらに、本発明では、前記第1フリー磁性層と前記非磁性材料層または前記第2固定磁性層と前記非磁性材料層の界面におけるγの正負の符号を、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくすることにより、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔR・Aを大きくすることができる。
【0190】
なお、上記のようにγを規定するためには、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号を異ならせることが必要になる場合があるが、本発明では、前記非磁性材料層を、種類の異なる非磁性材料からなる2層構造とすることによってそのような問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における第1の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図2】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図3】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図4】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図5】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図6】本発明における第2の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図7】本発明における第3の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図8】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図9】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図10】従来の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図11】従来の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせを示す様式図、
【符号の説明】
20 第1の電極層
21 下地層
22 シード層
23 反強磁性層
24 固定磁性層
25 非磁性材料層
26、84 フリー磁性層
53 第1フリー磁性層
54 非磁性中間層
55 第2フリー磁性層
30 第2の電極層
31、34 絶縁層
32 バイアス下地層
33 ハードバイアス層
82 インスタックバイアス層
81 中間層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a CPP (current perpendicular to the plane) type magnetic sensing element, and more particularly to a magnetic sensing element capable of effectively improving a resistance change per unit area (ΔR · A).
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 is a sectional view showing a conventional magnetic sensing element.
[0003]
This spin-valve type magnetic detecting element includes an antiferromagnetic layer 2, a fixed magnetic layer 3, a nonmagnetic material layer 4, a first free magnetic layer 5a, a nonmagnetic intermediate layer 5b, and a second free magnetic layer 5c from below. A multilayer film 6 composed of a synthetic ferri-type free magnetic layer 5, electrode layers 1 and 7 formed below and above the multilayer film 6, and hard bias layers 8 formed on both sides of the free magnetic layer 5; 8 and insulating layers 9, 9 and insulating layers 10, 10 formed above and below the hard bias layers 8, 8, respectively.
[0004]
The antiferromagnetic layer 2 is made of PtMn, the fixed magnetic layer 3 and the first free magnetic layer 5a and the second free magnetic layer 5c of the free magnetic layer 5 are made of CoFe, the nonmagnetic intermediate layer 5b of the free magnetic layer 5 is made of Ru, and The material layer 4 is formed of Cu, the hard bias layer 8 is formed of a hard magnetic material such as CoPt, the insulating layers 9 and 10 are formed of alumina, and the electrode layers 1 and 7 are formed of a conductive material such as Cr.
[0005]
The magnetic detecting element shown in FIG. 10 is called a spin-valve magnetic detecting element, and detects a recording magnetic field from a recording medium such as a hard disk.
[0006]
The magnetic sensing element shown in FIG. 10 is a CPP (current perpendicular to the plane) type magnetic sensing element in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface of each layer of the multilayer film 6.
[0007]
The magnetization direction of the fixed magnetic layer 3 is fixed in the illustrated Y direction. For example, when the magnetic film thickness (saturation magnetization Ms × film thickness t) of the second free magnetic layer 5c is larger than the magnetic film thickness of the first free magnetic layer 5a, the second free magnetic layer 5c in the state where no external magnetic field is applied is formed. The magnetization direction of the free magnetic layer 5c is directed in the track width direction (X direction in the drawing) by the longitudinal bias magnetic field from the hard bias layers 8, 8 to form a single magnetic domain, and the magnetization direction of the first free magnetic layer 5a is the track width direction. Oriented in a direction anti-parallel to The magnetization direction of the entire free magnetic layer 5 is the magnetization direction of the second free magnetic layer 5c having a large magnetic film thickness. When an external magnetic field is applied, the magnetizations of the first free magnetic layer 5a and the second free magnetic layer 5c rotate while maintaining the artificial ferrimagnetic state, and the electric resistance of the multilayer film 6 changes. An external magnetic field is detected by extracting a change in the electric resistance as a voltage change or a current change.
[0008]
When an electric current is passed through the magnetic material, the specific resistance of the majority to the conduction electrons and the specificity of the minority to the conduction electrons have different values.
[0009]
The magnetic moment of the magnetic atoms constituting the magnetic material is mainly determined by the orbital magnetic moment and the spin magnetic moment of the electron in the 3d orbit or the 4f orbit. Basically, electrons present in the 3d orbit or 4f orbit of a magnetic atom have different numbers of up spins and down spins. Of the up spin electrons and down spin electrons existing in the 3d orbit or 4f orbit, the spin of the electron with the larger number is called the majority spin, and the spin of the smaller electron is called the minority spin.
[0010]
On the other hand, the current flowing through the magnetic material contains approximately the same number of up-spin conduction electrons and down-spin conduction electrons. Of the up-spin conduction electrons and down-spin conduction electrons, the one with the same spin as the majority spin of the magnetic material is called the majority conduction electron, and the one with the same spin as the minority spin of the magnetic material is called It is called minority conduction electrons.
[0011]
Here, if ρ ↓ is the specific resistance of the magnetic material to the minority conduction electrons, and ρ ↑ is the specific resistance to the majority conduction electrons, a value β specific to the magnetic material can be defined by the following relational expression.
[0012]
ρ ↓ / ρ ↑ = (1 + β) / (1-β) (-1 ≦ β ≦ 1)
That is, when the value of β of the magnetic material is positive (β> 0), ρ ↓> ρ ↑, and the conduction electrons of the majority are more likely to flow in the magnetic material. On the other hand, when the value of β of the magnetic material is negative (β <0), ρ ↓ <ρ ↑, and the minority conduction electrons are more likely to flow in the magnetic material.
[0013]
When a non-magnetic layer made of a non-magnetic material is laminated on a magnetic layer made of a magnetic material, an interface resistance is generated at the interface between the magnetic layer and the non-magnetic layer.
[0014]
This interface resistance is also different in the value of the majority for the conduction electrons and the value of the minority for the conduction electrons.
[0015]
If r ↓ is the interface resistance value for minority conduction electrons, and r ↑ is the interface resistance value for majority conduction electrons among conduction electrons, the value specific to the combination of magnetic and non-magnetic materials is given by the following equation. γ can be defined.
[0016]
r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1-γ) (−1 ≦ γ ≦ 1)
That is, when the value of γ is positive (γ> 0), r ↓> r ↑, and the conduction electrons of the majority are more likely to flow at the interface. On the other hand, when the value of γ is negative (γ <0), r ↓ <r ↑, and the minority conduction electrons are more likely to flow at the interface.
[0017]
In the magnetic sensing element shown in FIG. 10, the fixed magnetic layer 2, the first free magnetic layer 5a, and the second free magnetic layer 5c are all formed of the magnetic material CoFe having the same composition. Β of CoFe indicates a positive value. That is, it is the conduction electrons of the majority that easily flow in the fixed magnetic layer 2, the first free magnetic layer 5a, and the second free magnetic layer 5c.
[0018]
The nonmagnetic material layer 4 is formed of Cu. At this time, the value of γ at the interface between the nonmagnetic material layer 4 and the pinned magnetic layer 3 and the value of γ at the interface between the nonmagnetic material layer 4 and the first free magnetic layer 5a are both positive values.
[0019]
The nonmagnetic intermediate layer 5b is formed of Ru. At this time, the value of γ at the interface between the first free magnetic layer 5a and the non-magnetic intermediate layer 5b and the value of γ at the interface between the second free magnetic layer 5c and the non-magnetic intermediate layer 5b both show negative values.
[0020]
FIG. 11 summarizes the relationship between each magnetic layer and the values of β and γ. FIG. 11 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element shown in FIG. Arrows marked on the fixed magnetic layer 3, the first free magnetic layer 5a, and the second free magnetic layer 5c indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetizations of the first free magnetic layer 5a and the second free magnetic layer 5c are oriented in the direction in which the resistance value of the magnetic sensing element becomes the lowest.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
In order to increase the resistance change ΔR of the magnetic sensing element, when the magnetization direction of the free magnetic layer 5 is in the direction shown in FIG. The interface resistance to the up-spin conduction electrons at the interface between all the magnetic layers and the layer made of the non-magnetic material (the non-magnetic material layer 4 and the non-magnetic intermediate layer 5b) is smaller than the resistance to the spin conduction electrons. Preferably, the value is smaller than the interfacial resistance to down-spin conduction electrons (or the resistance to down-spin conduction electrons in all magnetic layers is smaller than the resistance to up-spin conduction electrons). At the interface between the magnetic layer and the layer made of the non-magnetic material (the non-magnetic material layer 4 and the non-magnetic intermediate layer 5b), the conduction electrons of the down spins That it is preferred interfacial resistance value is less than the interfacial resistance for the spin-up conduction electrons).
[0022]
However, referring to FIG. 11, the fixed magnetic layer 3 and the first free magnetic layer 5a in which the majority spin is an upspin and β> 0 have smaller resistance values for conduction electrons of the upspin, The second free magnetic layer 5c having the down spin of the right spin and β> 0 has a large resistance value to the conduction electrons of the up spin.
[0023]
Up-spin conduction at the interface between the nonmagnetic material layer 4 and the pinned magnetic layer 3, the interface between the nonmagnetic material layer 4 and the first free magnetic layer 5a, and the interface between the nonmagnetic intermediate layer 5b and the second free magnetic layer 5c. The interface resistance to electrons is lower than the interface resistance to down-spin conduction electrons. However, the interface resistance between the up-spin conduction electrons at the interface between the first free magnetic layer 5a and the nonmagnetic intermediate layer 5b is larger than the interface resistance with the down-spin conduction electrons.
[0024]
As described above, the conventional magnetic sensing element has a low efficiency of controlling the flow of conduction electrons.
[0025]
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and by increasing the difference between the ease of flow of conduction electrons in a low resistance state and the ease of flow of conduction electrons in a high resistance state, the resistance per unit area is increased. It is an object of the present invention to provide a magnetic sensing element capable of increasing the change ΔR · A.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a multilayer film in which an antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, and a free magnetic layer are sequentially stacked, and a magnetic detection in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface of each layer of the multilayer film. In the element
The free magnetic layer has a second free magnetic layer laminated on a first free magnetic layer via a non-magnetic intermediate layer,
The thickness of the first free magnetic layer is larger than the spin diffusion length of the magnetic material forming the first free magnetic layer.
[0027]
Alternatively, the free magnetic layer is formed by sequentially stacking a first free magnetic layer, a non-magnetic intermediate layer, a second free magnetic layer, a non-magnetic intermediate layer, and a third free magnetic layer.
The thickness of the first free magnetic layer is larger than the spin diffusion length of the magnetic material forming the first free magnetic layer.
[0028]
When a current flows through a conductive material, the direction of spin changes when a conduction electron travels a certain distance. The distance that a conduction electron travels in a conductive material without changing its spin is called a spin diffusion length (Spin Diffusion Length). The spin diffusion length shows a specific value depending on the conductive material.
[0029]
As in the present invention, when the thickness of the first free magnetic layer is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer, the first free magnetic layer is involved in the magnetoresistance effect. When the conduction electrons to be generated are, for example, up-spin conduction electrons, the up-spin conduction electrons can flow while maintaining the identity of the spin direction between the fixed magnetic layer and the first free magnetic layer. Only within the section of.
[0030]
Therefore, it is only necessary to consider the ease of the flow of conduction electrons in the section from the pinned magnetic layer to the first free magnetic layer, so that it is easy to design a magnetic sensing element having a large ΔR · A.
[0031]
In the present invention, β of the magnetic material forming the first free magnetic layer and the pinned magnetic layer may have the same or different positive and negative signs. However, when the magnetization direction of the first free magnetic layer and the pinned magnetic layer are parallel to each other and the resistance of the magnetic sensing element is minimized, the first free magnetic layer and the fixed magnetic layer are formed. It is preferable that β of the magnetic material has the same sign. Further, when the magnetization direction of the first free magnetic layer and the pinned magnetic layer is antiparallel and the resistance value of the magnetic sensing element is minimized, the first free magnetic layer and the fixed magnetic layer are formed. It is preferable that the positive and negative signs of β of the magnetic material are different.
[0032]
Here, β is a value specific to the magnetic material satisfying the relational expression of ρ ↓ / ρ ↑ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is a conduction electron Is the resistivity of the minority to the conduction electrons, and ρ ↑ is the resistivity of the conduction electrons to the majority conduction electrons.)
[0033]
As in the present invention, when the β of the magnetic material forming each of the first free magnetic layer and the pinned magnetic layer (hereinafter simply referred to as a magnetic layer) is defined, a spin-valve magnetic sensing element In the above, when the magnetization of the free magnetic layer changes so that the resistance becomes the lowest, in all the magnetic layers involved in the magnetoresistance effect, the resistance to up-spin conduction electrons is smaller than the resistance to down-spin conduction electrons. Or the resistance to down-spin conduction electrons in all magnetic layers is smaller than the resistance to up-spin conduction electrons, and the resistance change per unit area of the magnetic sensing element ΔR · A is increased. Can be.
[0034]
Further, the sign of γ at the interface between the nonmagnetic material layer and the pinned magnetic layer and the interface between the nonmagnetic material layer and the first free magnetic layer is the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface. Is preferably equal to
[0035]
Here, γ is a value specific to the interface satisfying the relational expression of r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1−γ) (−1 ≦ γ ≦ 1) (where r ↓ is the conduction electron Among them, the interface resistance value for the minority conduction electrons, and r で is the interface resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons).
[0036]
As in the present invention, when γ is defined, in the spin valve type magnetic sensing element, when the magnetization of the free magnetic layer changes so that the resistance value becomes the lowest, the interface between the nonmagnetic material layer and the fixed magnetic layer and At the interface between the non-magnetic material layer and the first free magnetic layer, the interface resistance value for up spin conduction electrons becomes smaller than the interface resistance value for down spin conduction electrons, or the down spin at the interface. The interface resistance value for the conduction electrons becomes smaller than the interface resistance value for the upspin conduction electrons, and the resistance change ΔR · A per unit area of the magnetic sensing element can be increased.
[0037]
Further, the present invention has a multilayer film in which an antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, and a free magnetic layer are sequentially stacked, and a current flows in a direction perpendicular to the film surface of each layer of the multilayer film. In the magnetic sensing element,
Wherein the fixed magnetic layer has a second fixed magnetic layer laminated on a first fixed magnetic layer via a non-magnetic intermediate layer;
The thickness of the second pinned magnetic layer is larger than the spin diffusion length of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer.
[0038]
As in the present invention, when the film thickness of the second pinned magnetic layer is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer, the second pinned magnetic layer is involved in the magnetoresistance effect. When the conduction electrons to be generated are, for example, up-spin conduction electrons, the up-spin conduction electrons can flow while maintaining the identity of the spin direction during the period from the second pinned magnetic layer to the free magnetic layer. Only within the section of.
[0039]
Therefore, it is only necessary to consider the easiness of the flow of the conduction electrons in the section from the second pinned magnetic layer to the free magnetic layer, so that it is easy to design a magnetic detection element having a large ΔR.
[0040]
Further, β of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer and the free magnetic layer may have the same or different positive and negative signs. However, when the magnetization direction of the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer are parallel to each other and the resistance of the magnetic sensing element is minimized, the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer are formed. It is preferable that β of the magnetic material has the same sign. When the resistance of the magnetic sensing element is minimized when the magnetization directions of the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer are antiparallel, the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer are formed. It is preferable that the positive and negative signs of β of the magnetic material are different.
[0041]
As in the present invention, when the β of the magnetic material forming each of the free magnetic layer and the second pinned magnetic layer (hereinafter, simply referred to as a magnetic layer) is defined, a spin-valve magnetic sensing element is provided. In the above, when the magnetization of the free magnetic layer changes so that the resistance value becomes the lowest, in all the magnetic layers involved in the magnetoresistance effect, the resistance value for the up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons. Or the resistance to down-spin conduction electrons in all magnetic layers is smaller than the resistance to up-spin conduction electrons, and the resistance change per unit area of the magnetic sensing element ΔR · A is increased. Can be.
[0042]
Further, the sign of the sign of γ at the interface between the nonmagnetic material layer and the second pinned magnetic layer and the interface between the nonmagnetic material layer and the free magnetic layer is the sign of the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface. Is preferably equal to
[0043]
When γ is defined as in the present invention, when the magnetization of the free magnetic layer changes so that the resistance value becomes lowest in the spin valve type magnetic sensing element, the nonmagnetic intermediate layer and the second fixed magnetic layer At the interface and at the interface between the nonmagnetic material layer and the free magnetic layer, the interface resistance value for up spin conduction electrons becomes smaller than the interface resistance value for down spin conduction electrons, or the down spin at the interface. The interface resistance value for the conduction electrons becomes smaller than the interface resistance value for the up-spin conduction electrons, and the resistance change ΔR · A per unit area of the magnetic sensing element can be increased.
[0044]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of the structure of a magnetic sensing element according to a first embodiment of the present invention, as viewed from a surface facing a recording medium.
[0045]
The magnetic sensing element shown in FIG. 1 is a so-called single-type spin-valve thin-film element.
[0046]
On the upper surface of the center of the first electrode layer 20, from below, the underlayer 21, the seed layer 22, the antiferromagnetic layer 23, the first pinned magnetic layer 50, the second pinned magnetic layer 52, and Ru formed therebetween. A fixed magnetic layer 24 having a three-layer ferrimagnetic structure composed of a nonmagnetic intermediate layer 51, a nonmagnetic material layer 25, and a free magnetic layer 26 are formed. The free magnetic layer 26 has a three-layer ferrimagnetic structure including a first free magnetic layer 53, a second free magnetic layer 55, and a non-magnetic intermediate layer 54 formed therebetween.
[0047]
The first electrode layer 20 and the second electrode layer 30 are formed of, for example, α-Ta, Au, Cr, Cu (copper), W (tungsten), or the like. The underlayer 21 is preferably formed of at least one of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W. Underlayer 21 is formed with a thickness of about 50 ° or less. However, the underlayer 21 may not be formed.
[0048]
The seed layer 22 is mainly made of a face-centered cubic crystal, and the (111) plane is preferentially oriented in a direction parallel to an interface with the antiferromagnetic layer 23 described below. The seed layer 22 is preferably formed of Cr, a NiFe alloy, or a Ni—Fe—Y alloy (where Y is at least one selected from Cr, Rh, Ta, Hf, Nb, Zr, and Ti). . Since the seed layer 22 made of these materials is formed on the underlayer 21 made of Ta or the like, the (111) plane is easily oriented preferentially in a direction parallel to the interface with the antiferromagnetic layer 23. . The seed layer 22 is formed, for example, at about 30 °.
[0049]
Since the magnetic sensing element according to the present invention is of a CPP type in which a sense current flows in a direction perpendicular to the film surface of each layer, it is necessary that a sense current appropriately flows through the seed layer 22. Therefore, it is preferable that the seed layer 22 is not made of a material having a high specific resistance. That is, in the case of the CPP type, the seed layer 22 is preferably formed of a material having a low specific resistance such as a NiFe alloy. However, the seed layer 22 need not be formed.
[0050]
The antiferromagnetic layer 23 is formed of an antiferromagnetic material containing the element X (where X is one or more of Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, and Os) and Mn. Preferably. Alternatively, the antiferromagnetic layer 23 is composed of an element X and an element X ′ (wherein the element X ′ is Ne, Ar, Kr, Xe, Be, B, C, N, Mg, Al, Si, P, Ti, V, Cr). , Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Hf, Ta, W, Re, Au, Pb, and rare earth elements, or at least two of them And an Mn-containing antiferromagnetic material.
[0051]
These antiferromagnetic materials have excellent corrosion resistance and a high blocking temperature, and can generate a large exchange anisotropic magnetic field at the interface with the fixed magnetic layer 24 described below. Further, the antiferromagnetic layer 23 is preferably formed to have a thickness of 80 ° or more and 300 ° or less, for example, 200 °.
[0052]
In this embodiment, the fixed magnetic layer 24 has a three-layer ferrimagnetic structure.
The layers denoted by reference numerals 50 and 52 constituting the fixed magnetic layer 24 are magnetic layers. A non-magnetic intermediate layer 51 formed of a non-magnetic material is interposed between the first fixed magnetic layer 50 and the second fixed magnetic layer 52. The material of the pinned magnetic layer 24 will be described later.
[0053]
An exchange anisotropic magnetic field is generated between the antiferromagnetic layer 23 and the first pinned magnetic layer 50.
[0054]
For example, when the magnetization of the first fixed magnetic layer 50 is fixed in the direction opposite to the height direction (Y direction in the drawing), the other second fixed magnetic layer 52 is magnetized and fixed in the height direction by RKKY interaction. With this configuration, the magnetization of the fixed magnetic layer 24 can be stabilized, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer 24 can be firmly fixed.
[0055]
For example, the first pinned magnetic layer 50 and the second pinned magnetic layer 52 are each formed to have a thickness of about 10 to 70 °. The thickness of the non-magnetic intermediate layer 51 and the non-magnetic intermediate layer 61 is about 3 to 10 degrees.
[0056]
Note that the fixed magnetic layer 24 may not be formed of a ferrimagnetic structure but may be formed of a single layer film or a laminated film including only magnetic layers.
[0057]
The non-magnetic material layer 25 is formed of a conductive material having a low electric resistance. The non-magnetic material layer 25 is formed, for example, with a thickness of about 25 °. The nonmagnetic material layer 25 has a two-layer structure in which a first layer 40 and a second layer 41 are stacked. The material of the nonmagnetic material layer 25 will be described later.
[0058]
The free magnetic layer 26 has a three-layer ferrimagnetic structure including a first free magnetic layer 53, a second free magnetic layer 55, and a non-magnetic intermediate layer 54 formed therebetween.
[0059]
The first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 are made of a magnetic material, and the non-magnetic intermediate layer 54 is made of a non-magnetic material. The magnetic film thickness (per unit area) of the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 is generated by the longitudinal bias magnetic field from the hard bias layers 33, 33 magnetized in the track width direction (X direction in the drawing). The magnetization having the larger magnetic moment of saturation magnetic flux density Ms × film thickness t) is aligned in the X direction in the drawing, and the other magnetization is in the antiparallel direction to the X direction in the drawing.
[0060]
For example, in FIG. 1, since the magnetic thickness of the first free magnetic layer 53 is larger than the magnetic thickness of the second free magnetic layer 55, the magnetization of the first free magnetic layer 53 is shown in FIG. Can be aligned in any direction. Then, due to the RKKY interaction, the magnetization direction of the second free magnetic layer 55 is directed in a direction antiparallel to the X direction in the drawing.
[0061]
The total magnetic thickness of the free magnetic layer 26 is the difference between the magnetic thickness of the first free magnetic layer 53 and the magnetic thickness of the second free magnetic layer 55. Therefore, in the case of the artificial ferri-type free magnetic layer 26 as in the present embodiment, even if the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 are formed to have a film thickness capable of forming a stable film, The substantial magnetic film thickness of the magnetic layer 26 can be reduced, and the magnetic field detection sensitivity of the magnetic detection element can be improved.
[0062]
The materials and thicknesses of the first free magnetic layer 53, the second free magnetic layer 55, and the nonmagnetic intermediate layer 54 will be described later.
[0063]
As shown in FIG. 1, insulating layers 31 are formed on the first electrode layer 20 in both side regions in the track width direction of the multilayer film T1. The insulating layers 31, 31 are made of, for example, Al. 2 O 3 , SiO 2 For example, it is formed of a general insulating material.
[0064]
The upper surfaces 31a of the insulating layers 31, 31 are preferably formed below the lower surface 26a of the free magnetic layer 26 (in a direction opposite to the Z direction in the drawing).
[0065]
On the insulating layers 31, 31, bias underlayers 32, 32 are formed. Hard bias layers 33, 33 are formed on the bias underlayers 32, 32. The hard bias layers 33, 33 are formed at positions opposing the both end surfaces 26b, 26b of the free magnetic layer 26. The hard bias layers 33 are magnetized in the track width direction (X direction in the figure).
[0066]
The bias underlayers 32 are provided to improve the characteristics (coercive force Hc, squareness S) of the hard bias layers 33,33.
[0067]
In the present invention, the bias underlayers 32, 32 are preferably formed of a metal film having a body-centered cubic structure (bcc structure). At this time, it is preferable that the crystal orientation of the bias underlayers 32 is preferentially oriented in the (100) plane.
[0068]
The hard bias layers 33 are formed of a CoPt alloy, a CoPtCr alloy, or the like. The crystal structure of these alloys is a dense hexagonal structure (hcp) single phase or a mixed phase of a face-centered cubic structure (fcc) and a dense hexagonal structure (hcp).
[0069]
Here, since the atomic arrangement at the interface of the hcp structure of the CoPt-based alloy constituting the bias underlayers 32, 32 formed of the metal film and the hard bias layers 33, 33 becomes close, the CoPt-based alloy has the fcc structure. Is difficult to form, and is easily formed in the hcp structure. At this time, the c-axis of the hcp structure is preferentially oriented in the interface between the CoPt-based alloy and the bias underlayer. Since the hcp structure generates a larger magnetic anisotropy in the c-axis direction than the fcc structure, the coercive force Hc when a magnetic field is applied to the hard bias layers 33 is increased. Further, since the c-axis of hcp is preferentially oriented in the interface between the CoPt-based alloy and the bias underlayer, the residual magnetization increases, and the squareness ratio S calculated by the residual magnetization / saturation magnetic flux density increases. As a result, the characteristics of the hard bias layers 33 can be improved, and the bias magnetic field generated from the hard bias layers 33 can be increased. The metal film having a body-centered cubic structure (bcc structure) is preferably formed of one or more of Cr, W, Mo, V, Mn, Nb, and Ta.
[0070]
The bias underlayer 32 is preferably formed only below the hard bias layers 33, 33, but is slightly interposed between the both end surfaces 26 b, 26 b of the free magnetic layer 26 and the hard bias layers 33, 33. You may. It is preferable that the thickness of the bias underlayers 32, 32 formed between the both end surfaces 26b, 26b of the free magnetic layer 26 and the hard bias layers 33, 33 in the track width direction (X direction in the drawing) is 1 nm or less.
[0071]
As a result, the hard bias layers 33, 33 and the free magnetic layer 26 can be magnetically continuous, and there is no problem such as a buckling phenomenon in which the ends of the free magnetic layer 26 are affected by the demagnetizing field. Magnetic domain control of the layer 26 can be facilitated.
[0072]
In the magnetic sensing element of FIG. 1, the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 of the free magnetic layer 26 are made into a single magnetic domain by the hard bias layers 33, 33. As described above, when the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 are antiparallel to each other, the inner end surfaces 33a, 33a of the hard bias layers 33, 33 become the first free magnetic layer. It is preferable that only one end of the second free magnetic layer 55 is opposed to the other end. In FIG. 1, the inner end faces 33a, 33a of the hard bias layers 33, 33 face only the ends 53a, 53a of the first free magnetic layer 53. Thus, the longitudinal bias magnetic field in the track width direction (X direction in the drawing) supplied from the hard bias layers 33, 33 directly acts only on the first free magnetic layer 53, and has a magnetization in the anti-parallel direction with the track width direction. Disturbance in the magnetization of the two-free magnetic layer 55 can be suppressed or prevented.
[0073]
Also, as shown in FIG. 1, insulating layers 34, 34 are formed on the hard bias layers 33, 33. The insulating layers 34, 34 are made of Al 2 O 3 And SiO 2 It is formed of a general insulating material such as. In this embodiment, the upper surfaces of the insulating layers 34 and 34 and the upper surface of the free magnetic layer 26 are continuous surfaces.
[0074]
A second electrode layer 30 is formed on the insulating layers 34 and 34 and the free magnetic layer 26.
[0075]
In this embodiment, a sense current flows from the second electrode layer 30 to the first electrode layer 20, but a sense current may flow from the first electrode layer 20 to the second electrode layer 30. . Therefore, the sense current flows in each layer of the magnetic sensing element in a direction perpendicular to the film surface, and such a sense current flow direction is called a CPP type.
[0076]
When a detection current (sense current) is applied to the free magnetic layer 26, the nonmagnetic material layer 25, and the fixed magnetic layer 24, and a leakage magnetic field from a recording medium such as a hard disk whose traveling direction is the Z direction is applied in the Y direction, The magnetization of the free magnetic layer 26 changes from the illustrated X direction to the Y direction. The electric resistance changes due to the relationship between the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second fixed magnetic layer 52 of the fixed magnetic layer 24 (this is called a magnetoresistance effect), and a voltage change or a current based on the change in the electric resistance value. Due to the change, a leakage magnetic field from the recording medium is detected.
[0077]
The magnetic sensing element shown in FIG. 1 has a multi-layered film T1 composed of an underlayer 21, a seed layer 22, an antiferromagnetic layer 23, a fixed magnetic layer 24, a nonmagnetic material layer 25, and a free magnetic layer 26 in the track width direction (shown in FIG. Both end surfaces S1 and S1 (in the X direction) are continuous inclined surfaces.
[0078]
The features of the magnetic sensing element shown in FIG. 1 will be described.
In the magnetic sensing element of the present embodiment, the thickness t1 of the first free magnetic layer 53 is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53.
[0079]
When a current flows through a conductive material, the direction of spin changes when a conduction electron travels a certain distance. The distance that a conduction electron travels in a conductive material without changing its spin is called a spin diffusion length (Spin Diffusion Length). The spin diffusion length shows a specific value depending on the conductive material.
[0080]
For example, Co 90 Fe 10 Has a spin diffusion length of 150 ° and Ni 80 Fe 20 Has a spin diffusion length of 120 ° and Ni 97 Cr 3 Has a spin diffusion length of 50 ° and Fe 95 Cr 5 Has a spin diffusion length of 90 ° and Fe 80 Cr 20 Has a spin diffusion length of 40 °, Cu has a spin diffusion length of 1000 °, and Cr has a spin diffusion length of 100 °.
[0081]
When the film thickness t1 of the first free magnetic layer 53 is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer, conduction electrons involved in the magnetoresistance effect increase, for example. In the case of spin conduction electrons, the up-spin conduction electrons can flow while maintaining the same spin direction only between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52. The thickness of the nonmagnetic material layer 25 is smaller than its spin diffusion length.
[0082]
Therefore, it is only necessary to consider the easiness of the flow of conduction electrons between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52, and the design of a magnetic detection element having a large ΔR · A becomes easy.
[0083]
Specifically, it is only necessary to consider the sign of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52.
[0084]
Here, β is a value peculiar to a magnetic material satisfying a relational expression of ρ ↓ / ρ ↑ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is Among the conduction electrons, it is the specific resistance value for the minority conduction electrons, and ρ で is the specific resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons.)
[0085]
FIG. 2 summarizes the positive and negative relationship of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52.
[0086]
FIG. 2 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element shown in FIG. Arrows marked on the magnetic layer 52, the first free magnetic layer 53, and the second free magnetic layer 55 of the first pinned magnetic layer 24 indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetizations of the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 are oriented in a direction in which the resistance value of the magnetic sensing element becomes the lowest. In FIG. 2, when the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are parallel, the resistance value of the magnetic sensing element is the lowest.
[0087]
In FIG. 2, the positive and negative signs of γ at the interface between the first fixed magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25 and at the interface between the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer 53 are in contact with the interface. It is also shown that the positive and negative signs of β of the magnetic layer are equal.
[0088]
Here, γ is a value peculiar to an interface satisfying a relational expression of r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1−γ) (−1 ≦ γ ≦ 1) (where r ↓ is conduction The interface resistance value for the minority conduction electrons among the electrons, and r ↑ is the interface resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons. That is, when the value of γ is positive (γ> 0), r ↓> r ↑, and the conduction electrons of the majority are more likely to flow at the interface. On the other hand, when the value of γ is negative (γ <0), r ↓ <r ↑, and the conduction electrons of the minority are more likely to flow at the interface.
[0089]
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the positive and negative signs of β of the first free magnetic layer 53 and the first pinned magnetic layer 52 are the same.
[0090]
For example, in the case of the combination of materials of Case 1, the resistance value for the up-spin conduction electrons becomes smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0091]
Since the film thickness of the first free magnetic layer 53 is larger than the spin diffusion length of the first free magnetic layer 53, the conduction electrons flowing in the multilayer film T1 have their spin directions reversed inside the first free magnetic layer 53. Therefore, as in Case 1 of FIG. 2, the resistance value for the up-spin conduction electrons between the first free magnetic layer 53 and the magnetic layer 52 of the first pinned magnetic layer 24 is smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons. The combination in which is also small is one of the states where the magnetic resistance is the lowest.
[0092]
That is, the combination of β and γ shown in Case 1 of FIG. 2 can increase the difference between the ease of flow of conduction electrons in the low resistance state and the ease of flow of conduction electrons in the high resistance state. Can be increased. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 53 to the magnetic layer 52 of the first pinned magnetic layer 24, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T1 is increased.
[0093]
The combination of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 having the same positive and negative signs of β, the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25, the nonmagnetic material layer 25 and the first Another combination in which the sign of γ at the interface of the free magnetic layer 53 is equal to the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface is shown in Case 2 of FIG.
[0094]
In the case of the combination of materials of Case 2, between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for down-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for up-spin conduction electrons. The material of each magnetic layer and the non-magnetic material layer 25 is selected.
[0095]
Hereinafter, a magnetic material having β> 0 will be described.
β> 0: NiX alloy (where X is one element selected from Co, Fe, Mn, Zr, Hf, Cu and Au), CoT alloy (where T is Fe, Zr, Ta, Hf Or a FeZ alloy (where Z is one element selected from Ni, Co, Rh, Pt, Ir, Be, Al, Si, Ga, and Ge), or Co -Mn-D alloy (where D is one element selected from Al, Ga, Si, Ge and Sn).
[0096]
Next, magnetic materials satisfying β <0 will be described.
β <0: NiM alloy (where M is one element selected from Cr, Rh, Ru, Mo, Nb, Pt, Ir, Os, Re, W, and Ta), CoQ alloy (where Q is Mn, Cr, Ru, Mo, Ir, Os, Re, W is one kind of element selected from W, or FeA alloy (where A is Mn, Cr, V, Ti, Ru, Mo, Os, Re, W is one kind of element selected from W).
[0097]
Ni is an example of NiX alloy. 80 Fe 20 Alloys. One example of an FeA alloy is Fe. 90 Cr 10 Alloys can be given.
[0098]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 1 of FIG. 2, the material of the non-magnetic material layer 25 may be Cu, and in order to realize the positive / negative combination of γ in case 2, The material of the magnetic material layer 25 may be Cr.
[0099]
Further, in the present embodiment, the sign of β of the second free magnetic layer 55, the interface between the first free magnetic layer 53 and the non-magnetic intermediate layer 54, the difference between the non-magnetic intermediate layer 54 and the second free magnetic layer 55. The sign of γ at the interface may be arbitrary. In FIG. 2, (x) indicates that the sign of β or γ is arbitrary. Therefore, it is not necessary to consider the value of γ when selecting the material of the non-magnetic intermediate layer 54, and the material for optimizing the RKKY interaction between the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 is appropriately selected. it can. Specifically, the material of the nonmagnetic intermediate layer 54 can be arbitrarily selected from one or more alloys of Ru, Rh, Ir, Os, Cr, Re, and Cu.
[0100]
In the present invention, the positive / negative relationship of β of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52, the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25, the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer The positive / negative relationship of γ at the interface of the magnetic layer 53 may be as shown in Case 3 and Case 4 in FIG.
[0101]
FIG. 3 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the second pinned magnetic layer 52, the first free magnetic layer 53, and the second free magnetic layer 55 indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetization of the first free magnetic layer 53 is oriented in a direction in which the resistance value of the magnetic sensing element becomes the lowest. In FIG. 3, when the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are antiparallel, the resistance value of the magnetic sensing element is the lowest.
[0102]
In FIG. 3, the positive and negative signs of γ at the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25 and the interface between the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer 53 are in contact with the interface. It is also shown that the positive and negative signs of β of the magnetic layer are equal.
[0103]
In case 3 and case 4 of FIG. 3, the signs of β of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are different.
[0104]
For example, in the case of the combination of materials of Case 3, in the section from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for down-spin conduction electrons. As described above, the material of each magnetic layer and the non-magnetic intermediate layer 54 is selected.
[0105]
Further, in the case of the combination of the materials of Case 4, in the section from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for down-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for up-spin conduction electrons. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0106]
Also here, since the thickness of the first free magnetic layer 53 is larger than the spin diffusion length of the first free magnetic layer 53, the conduction electrons flowing in the multilayer film T1 have a spin direction within the first free magnetic layer 53. Reverse. For this reason, the combination of β and γ in Cases 3 and 4 in FIG. 3 is one of the states where the magnetic resistance is the lowest.
[0107]
That is, the combination of β and γ shown in Case 3 and Case 4 in FIG. 3 can increase the difference between the ease of conduction electron flow in the low resistance state and the ease of conduction electron flow in the high resistance state. It is possible to increase the magnetoresistance change ΔR · A per unit area. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T1 is increased.
[0108]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 3 of FIG. 3, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, and the material of the first layer 40 is Cu. The material of the second layer 41 may be Cr. In addition, in order to realize the positive / negative combination of γ in case 4, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, the material of the first layer 40 is Cr, and the material of the first layer 40 is Cr. The material of 41 may be Cu.
[0109]
Also in this embodiment, the sign of β of the second free magnetic layer 55, the interface between the first free magnetic layer 53 and the non-magnetic intermediate layer 54, the difference between the non-magnetic intermediate layer 54 and the second The sign of γ at the interface may be arbitrary. In FIG. 3, (x) indicates that the sign of β or γ is arbitrary. Therefore, it is not necessary to consider the value of γ when selecting the material of the non-magnetic intermediate layer 54, and the material for optimizing the RKKY interaction between the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 is appropriately selected. it can. Specifically, the material of the nonmagnetic intermediate layer 54 can be arbitrarily selected from one or more alloys of Ru, Rh, Ir, Os, Cr, Re, and Cu.
[0110]
In case 1 to case 4 described above, the film thickness t1 of the first free magnetic layer 53 was larger than the spin diffusion length.
[0111]
In the present invention, the thickness t5 of the second fixed magnetic layer 52 of the first fixed magnetic layer 50 of the fixed magnetic layer 24 may be larger than the spin diffusion length.
[0112]
When the thickness t5 of the second pinned magnetic layer 52 is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer 52, conduction electrons involved in the magnetoresistance effect are generated, for example. In the case of up-spin conduction electrons, the up-spin conduction electrons can flow while maintaining the same spin direction because the second pinned magnetic layer 52 to the first free magnetic layer 53 of the free magnetic layer 26 Until only until. The thickness of the nonmagnetic material layer 25 is smaller than its spin diffusion length.
[0113]
Therefore, it is only necessary to consider the ease of conduction electrons flowing from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, which facilitates the design of a magnetic detection element having a large ΔR · A.
[0114]
Specifically, it is only necessary to consider the sign of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52.
[0115]
FIG. 4 summarizes the positive and negative relationship of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52.
[0116]
FIG. 4 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the first pinned magnetic layer 50, the second pinned magnetic layer 52, and the first free magnetic layer 53 indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetization of the first free magnetic layer 53 is oriented in a direction in which the resistance value of the magnetic sensing element becomes the lowest. In FIG. 4, when the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are parallel, the resistance value of the magnetic sensing element is the lowest.
[0117]
In FIG. 4, the positive and negative signs of γ at the interface between the second fixed magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25 and at the interface between the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer 53 are in contact with the interface. It is also shown that the positive and negative signs of β of the magnetic layer are equal.
[0118]
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the positive and negative signs of β of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are the same.
[0119]
For example, in the case of the material combination of the case 5, the resistance value for the up-spin conduction electrons becomes smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0120]
Since the thickness of the second fixed magnetic layer 52 is larger than the spin diffusion length of the second fixed magnetic layer 52, the conduction electrons flowing in the multilayer film T <b> 1 have their spin directions reversed inside the second fixed magnetic layer 52. Therefore, as in the case 5 of FIG. 4, the combination in which the resistance value for the up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52 is as follows. This is one of the states where the magnetic resistance is the lowest.
[0121]
That is, the combination of β and γ shown in Case 5 of FIG. 4 can increase the difference between the ease of the flow of conduction electrons in the low resistance state and the ease of the flow of conduction electrons in the high resistance state. Can be increased. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T1 is increased.
[0122]
The combination of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 having the same positive and negative signs of β, the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25, the nonmagnetic material layer 25 and the first Another combination in which the sign of the sign of γ at the interface of the free magnetic layer 53 is equal to the sign of the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface is shown in Case 6 in FIG.
[0123]
In the case of the combination of the materials of the case 6, between the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52, the resistance to the down-spin conduction electrons is smaller than the resistance to the up-spin conduction electrons. The material of each magnetic layer and the non-magnetic material layer 25 is selected.
[0124]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 5 of FIG. 4, the material of the nonmagnetic material layer 25 may be Cu, and in order to realize the positive / negative combination of γ in case 6, The material of the magnetic material layer 25 may be Cr.
[0125]
In the present embodiment, the positive and negative signs of β of the first fixed magnetic layer 50, the interface between the first fixed magnetic layer 50 and the non-magnetic intermediate layer 51, the difference between the non-magnetic intermediate layer 51 and the second fixed magnetic layer 52 The sign of γ at the interface may be arbitrary. In FIG. 4, (x) indicates that the sign of β or γ is arbitrary. Therefore, the value of γ does not need to be considered when selecting the material of the nonmagnetic intermediate layer 51, and a material that optimizes the RKKY interaction between the first fixed magnetic layer 50 and the second fixed magnetic layer 52 is appropriately selected. it can. Specifically, the material of the nonmagnetic intermediate layer 51 can be arbitrarily selected from one or more alloys of Ru, Rh, Ir, Os, Cr, Re, and Cu.
[0126]
In the present invention, the positive / negative relationship of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52, the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the non-magnetic material layer 25, the non-magnetic The positive / negative relationship of γ at the interface between the material layer 25 and the first free magnetic layer 53 may be as shown in Cases 7 and 8 in FIG.
[0127]
FIG. 5 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the first pinned magnetic layer 50, the second pinned magnetic layer 52, and the first free magnetic layer 53 indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetization of the first free magnetic layer 53 is oriented in a direction in which the resistance value of the magnetic sensing element becomes the lowest. In FIG. 5, when the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are antiparallel, the resistance value of the magnetic sensing element is the lowest.
[0128]
In FIG. 5, the positive and negative signs of γ at the interface between the second fixed magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25 and at the interface between the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer 53 are in contact with the interface. It is also shown that the positive and negative signs of β of the magnetic layer are equal.
[0129]
In the case 7 and the case 8 in FIG. 5, the signs of β of the first free magnetic layer 53 and the second pinned magnetic layer 52 are different.
[0130]
For example, in the case of the combination of the materials of the case 7, in the section from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for the up-spin conduction electrons becomes smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0131]
Further, in the case of the combination of the materials of the case 8, in the section from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for down-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for up-spin conduction electrons. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0132]
Also here, since the thickness of the second pinned magnetic layer 52 is larger than the spin diffusion length of the second pinned magnetic layer 52, the conduction electrons flowing in the multilayer film T1 have the spin direction inside the second pinned magnetic layer 52. Reverse. For this reason, the combination of β and γ in Case 7 and Case 8 in FIG. 5 is one of the states where the magnetic resistance is the lowest.
[0133]
That is, the combination of β and γ shown in Cases 7 and 8 of FIG. 5 can increase the difference between the ease of conduction electron flow in the low resistance state and the ease of conduction electron flow in the high resistance state. It is possible to increase the magnetoresistance change ΔR · A per unit area. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 53 to the second pinned magnetic layer 52, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T1 is increased.
[0134]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 7 of FIG. 5, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, and the material of the first layer 40 is Cu. The material of the second layer 41 may be Cr. In order to realize the combination of positive and negative γ in case 8, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, the material of the first layer 40 is Cr, and the material of the first layer 40 is Cr. The material of 41 may be Cu.
[0135]
Also in the present embodiment, the sign of β of the first pinned magnetic layer 50, the interface between the first pinned magnetic layer 50 and the non-magnetic intermediate layer 51, the position of the non-magnetic intermediate layer 51 and the The sign of γ at the interface may be arbitrary. In FIG. 5, (x) indicates that the sign of β or γ is arbitrary. Therefore, the value of γ does not need to be considered when selecting the material of the nonmagnetic intermediate layer 51, and a material that optimizes the RKKY interaction between the first fixed magnetic layer 50 and the second fixed magnetic layer 52 is appropriately selected. it can. Specifically, the material of the nonmagnetic intermediate layer 51 can be arbitrarily selected from one or more alloys of Ru, Rh, Ir, Os, Cr, Re, and Cu.
[0136]
In the above-described embodiment, both the free magnetic layer 26 and the pinned magnetic layer 24 have an artificial ferrimagnetic structure. However, in cases 1 to 4, the pinned magnetic layer 24 may be a single layer or a laminate of only magnetic layers. In cases 5 to 8, the free magnetic layer 26 may be a single layer or only a magnetic layer. May be used.
[0137]
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the structure of a magnetic sensing element according to a second embodiment of the present invention, as viewed from a surface facing a recording medium.
[0138]
The magnetic sensing element shown in FIG. 6 is similar to the magnetic sensing element shown in FIG. 1, and a method of applying a longitudinal bias to the free magnetic layer 26 is different from the magnetic sensing element shown in FIG. .
[0139]
The layers denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same layers formed of the same material and thickness as those in FIG. 1 unless otherwise specified.
[0140]
In the magnetic sensing element shown in FIG. 6, a hard bias layer is not formed on both sides of the free magnetic layer 26, and an in-stack bias layer 82 is formed on the free magnetic layer 26 via an intermediate layer 81. I have. A multilayer film T2 is formed by the layers stacked from the underlayer 21 to the in-stack bias layer 82.
[0141]
The in-stack bias layer 82 is formed of a hard magnetic material such as CoPt, and is magnetized in the X direction in the drawing. Note that an underlayer made of Cr may be formed between the in-stack bias layer 82 and the intermediate layer 81. The material of the intermediate layer 81 is a non-magnetic conductive material such as Ta, W, Mo, Cr, and Cu.
[0142]
In this embodiment, a longitudinal bias magnetic field (static magnetic field) is supplied from both ends of the in-stack bias layer 82 toward the free magnetic layer 26 (indicated by an arrow M), and the second free magnetic layer 55 of the free magnetic layer 26 is provided. Are directed in the anti-parallel direction to the X direction shown.
[0143]
Further, the magnetic moment per unit area of the second free magnetic layer 55 becomes larger than the magnetic moment per unit area of the first free magnetic layer 53, and the magnetization of the second free magnetic layer 55 is applied from the in-stack bias layer 82. This stabilizes the state in which it faces in the same direction as the vertical bias magnetic field.
[0144]
The magnetic sensing element provided with the in-stack bias layer 80 shown in FIG. 6 can optimize the magnetic domain control of the free magnetic layer 26 without the free magnetic layer 26 being strongly magnetized, It is possible to improve magnetization fluctuation with respect to a magnetic field. Alumina or SiO 2 is provided on both side regions of both side surfaces S2 and S2 of the multilayer film T2. 2 Only the insulating layers 83 made of are formed. Therefore, it is possible to reduce the shunt loss of the sense current.
[0145]
Although the magnetic sensing element shown in FIG. 6 has the in-stack bias layer 82 formed only on the free magnetic layer 26, the in-stack bias layer may be provided below the antiferromagnetic layer 23, An in-stack bias layer may be provided both on the free magnetic layer 26 and below the antiferromagnetic layer 23.
[0146]
However, in order to make the magnetization directions of the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 of the free magnetic layer 26 antiparallel, either the upper side of the free magnetic layer 26 or the lower side of the antiferromagnetic layer 23 is provided. It is preferable to provide only an in-stack bias layer. Then, it is more preferable to increase the thickness of the first free magnetic layer 53 and the second free magnetic layer 55 of the free magnetic layer 26 that is closer to the in-stack bias layer.
[0147]
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the structure of a magnetic sensing element according to a third embodiment of the present invention as viewed from the side facing a recording medium.
[0148]
The magnetic sensing element shown in FIG. 7 is similar to the magnetic sensing element shown in FIG. 5, and differs from the magnetic sensing element shown in FIG. 7 in that the free magnetic layer 84 has a three-layer artificial ferristructure. Is different.
[0149]
The free magnetic layer 84 includes a first free magnetic layer 85, a nonmagnetic intermediate layer 86, a second free magnetic layer 87, a nonmagnetic intermediate layer 88, and a third free magnetic layer 89. The magnetization directions of the first free magnetic layer 85 and the second free magnetic layer 87 are antiparallel to each other due to RKKY interaction via the nonmagnetic intermediate layer 86. Similarly, the magnetization directions of the second free magnetic layer 87 and the third free magnetic layer 89 are antiparallel to each other due to RKKY interaction via the nonmagnetic intermediate layer 87.
[0150]
When the free magnetic layer 84 has an artificial ferrimagnetic structure of three layers, a spin-flop magnetic field for fixing the magnetization directions of the first free magnetic layer 85, the second free magnetic layer 87, and the third free magnetic layer 89 in antiparallel directions is obtained. This is twice as large as that of the free magnetic layer 26 having the two-layer artificial ferrimagnetic structure shown in FIGS. Therefore, the antiparallel state of the magnetization direction of the first free magnetic layer 85, the second free magnetic layer 87, and the third free magnetic layer 89 can be prevented from being collapsed by the longitudinal bias magnetic field, and the single magnetic domain structure of the entire free magnetic layer can be reduced. Stabilization and Barkhausen noise can be significantly reduced.
[0151]
In the magnetic sensing element of the present embodiment, the thickness t10 of the first free magnetic layer 85 is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer 85. The thickness t11 of the nonmagnetic material layer 25 is smaller than its spin diffusion length.
[0152]
If the thickness t10 of the first free magnetic layer 85 is larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer, conduction electrons involved in the magnetoresistance effect increase, for example. In the case of spin conduction electrons, the up-spin conduction electrons can flow while maintaining the same spin direction only between the second pinned magnetic layer 52 and the first free magnetic layer 85. .
[0153]
Therefore, it is easy to design a magnetic detecting element having a large ΔR only by considering the sign of β of the magnetic material of the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52.
[0154]
Here, β is a value peculiar to a magnetic material satisfying a relational expression of ρ ↓ / ρ ↑ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is Among the conduction electrons, it is the specific resistance value for the minority conduction electrons, and ρ で is the specific resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons.)
[0155]
The positive and negative relations of β of the magnetic material forming the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52 are summarized in FIGS.
[0156]
8 and 9 schematically show layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element shown in FIG. Arrows marked on the second pinned magnetic layer 52, the first free magnetic layer 85, the second free magnetic layer 87, and the third free magnetic layer 89 indicate the magnetization directions of the respective magnetic layers. Here, the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is directed to the right in the figure is the up spin, and the majority spin of the electrons related to the magnetism of the magnetic layer whose magnetization is facing the left in the figure is up spin. Suppose it is down spin. Note that the magnetizations of the first free magnetic layer 85, the second free magnetic layer 87, and the third free magnetic layer 89 are oriented in the direction in which the resistance of the magnetic sensing element becomes the lowest.
[0157]
In FIG. 8, when the magnetization direction of the first free magnetic layer 85 and the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 52 are parallel, the resistance of the magnetic sensing element becomes the lowest. In FIG. 9, when the magnetization direction of the first free magnetic layer 85 and the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 52 are anti-parallel, the resistance of the magnetic sensing element becomes the lowest.
[0158]
8 and FIG. 9, the positive and negative signs of γ at the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25 and the interface between the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer 85 are shown at the interface. It is also shown that the positive and negative signs of β of the magnetic layer in contact with.
[0159]
Here, γ is a value peculiar to an interface satisfying a relational expression of r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1−γ) (−1 ≦ γ ≦ 1) (where r ↓ is conduction The interface resistance value for the minority conduction electrons among the electrons, and r ↑ is the interface resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons. That is, when the value of γ is positive (γ> 0), r ↓> r ↑, and the conduction electrons of the majority are more likely to flow at the interface. On the other hand, when the value of γ is negative (γ <0), r ↓ <r ↑, and the conduction electrons of the minority are more likely to flow at the interface.
[0160]
In the embodiment shown in FIG. 8, the positive and negative signs of β of the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52 are the same.
[0161]
For example, in the case of the combination of materials of Case 1, from the first free magnetic layer 85 to the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for down-spin conduction electrons. The material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0162]
Since the thickness t10 of the first free magnetic layer 85 is larger than its spin diffusion length, the spin direction of the conduction electrons flowing in the multilayer film T3 is reversed inside the first free magnetic layer 85. Therefore, as in Case 1 of FIG. 8, a combination in which the resistance value for the up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons between the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52. Is one of the states with the lowest magnetic resistance.
[0163]
That is, the combination of β and γ shown in Case 1 of FIG. 8 can increase the difference between the ease of conduction electron flow in the low resistance state and the ease of conduction electron flow in the high resistance state. Can be increased. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 85 to the second pinned magnetic layer 52, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T2 is increased.
[0164]
The first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52 have the same positive and negative signs of β, and the interface between the second pinned magnetic layer 52 and the nonmagnetic material layer 25, the nonmagnetic material layer 25 and the first free magnetic layer Another combination in which the sign of γ at the interface 85 is equal to the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface is shown in Case 2 of FIG.
[0165]
In the case of the combination of the materials of Case 2, between the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52, the resistance value for down-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for up-spin conduction electrons. The material of each magnetic layer and the non-magnetic material layer 25 is selected.
[0166]
Examples of the magnetic material having β> 0 include the above-described NiX alloy, CoT alloy, and FeZ alloy, and examples of the magnetic material having β <0 include the above-described NiM alloy, CoQ alloy, and FeA alloy. it can. Ni is an example of NiX alloy. 80 Fe 20 Alloys. One example of an FeA alloy is Fe. 90 Cr 10 Alloys can be given.
[0167]
In the embodiment shown in FIG. 9, the signs of β of the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52 are different.
[0168]
In the case of the combination of the materials of Case 3, each of the materials from the first free magnetic layer 85 to the second pinned magnetic layer 52 is set so that the resistance value for the up-spin conduction electrons is smaller than the resistance value for the down-spin conduction electrons. The materials of the magnetic layer and the non-magnetic material layer 25 are selected.
[0169]
Further, in the case of the combination of the materials of the case 4, the resistance value for the down-spin conduction electrons becomes smaller than the resistance value for the up-spin conduction electrons between the first free magnetic layer 85 and the second pinned magnetic layer 52. Thus, the material of each magnetic layer and the nonmagnetic material layer 25 is selected.
[0170]
The combination of β and γ shown in Cases 3 and 4 in FIG. 9 can also increase the difference between the ease of conduction electron flow in the low-resistance state and the ease of conduction electron flow in the high-resistance state. This makes it possible to increase the magnetic resistance change ΔR · A per hit. Moreover, since it is only necessary to select β and γ from the first free magnetic layer 85 to the second pinned magnetic layer 52, the degree of freedom in selecting the material of each layer constituting the multilayer film T2 is increased.
[0171]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 1 of FIG. 8, the material of the non-magnetic material layer 25 may be Cu, and to realize the positive / negative combination of γ in case 2, The material of the magnetic material layer 25 may be Cr.
[0172]
In order to realize the combination of positive and negative γ in Case 3, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, the first layer 40 is made of Cu, and the second layer 41 is made of Cr. What is necessary is just to form. Further, in order to realize the combination of positive and negative γ in case 4, the nonmagnetic material layer 25 has a laminated structure of the first layer 40 and the second layer 41, the first layer 40 is made of Cr, and the second layer 41 is made of Cu. What is necessary is just to form.
[0173]
Further, in the present embodiment, the positive and negative signs of β of the second free magnetic layer 87 and the third free magnetic layer 89, the interface between the first free magnetic layer 85 and the nonmagnetic intermediate layer 86, the nonmagnetic intermediate layer 86 The sign of γ at the interface between the second free magnetic layer 87 and the interface between the second free magnetic layer 87 and the nonmagnetic material layer 88 and the interface between the nonmagnetic material layer 88 and the third free magnetic layer 89 is arbitrary. Good. In FIG. 2, (x) indicates that the sign of β or γ is arbitrary.
[0174]
Therefore, the material of the nonmagnetic intermediate layer 86 and the nonmagnetic intermediate layer 88 can be arbitrarily selected from one or more alloys of Ru, Rh, Ir, Os, Cr, Re, and Cu. When the nonmagnetic intermediate layer 86 and the nonmagnetic intermediate layer 88 are formed of a metal such as Ru, the RKKY interaction between the first free magnetic layer 85 and the second free magnetic layer 87 and the second free magnetic layer 87 and the third The RKKY interaction between the free magnetic layers 89 can be strengthened.
[0175]
A method for manufacturing the magnetic sensing element shown in FIG. 1 will be described.
First, an underlayer 21, a seed layer 22, an antiferromagnetic layer 23, a first pinned magnetic layer 50, a non-magnetic intermediate layer 51, and a second pinned magnetic layer 52 (pinned from above) are formed on the center of the first electrode layer 20 from below. The magnetic layer 24), the non-magnetic material layer 25, the first free magnetic layer 53, the non-magnetic intermediate layer 54, and the second free magnetic layer 55 (free magnetic layer 26) are continuously formed as a solid film in vacuum to form a multilayer. A laminated structure of the film T1 is formed. The material and thickness of each layer are the same as those of the completed magnetic sensing element shown in FIG.
[0176]
The multilayer film T1 is annealed in a magnetic field in the height direction (Y direction in the drawing) to generate an exchange coupling magnetic field between the antiferromagnetic layer 23 and the first fixed magnetic layer 50 of the fixed magnetic layer 24.
[0177]
The annealing temperature in a magnetic field is, for example, 270 ° C., and the magnitude of the magnetic field is performed at a strong magnetic field of 800 kA / m, or 8 to 30 (kA / m), for example, 24 (kA / m).
[0178]
Next, a resist layer for lift-off is formed on the free magnetic layer 26 so as to cover an area approximately equal to or slightly smaller than the optical element area of the magnetic detection element.
[0179]
Next, the multilayer film T1 from the free magnetic layer 26 to the underlayer 21 which is not covered with the resist layer is removed by ion milling or the like. As a result, a multilayer film T1 including the underlayer 21 and the free magnetic layer is left in a substantially trapezoidal shape at the center of the upper surface of the first electrode layer 20. After ion milling, a part of the material removed by the milling is reattached to both side surfaces S1 and S1 of the multilayer film T1, and it is preferable to remove the re-adhered matter by the side milling.
[0180]
Next, from the first electrode layer 20 to the both end surfaces S1 and S1 of the multilayer film T1, Al 2 O 3 Insulating layers 31 and 31 formed of, for example, bias underlayers 32 and 32 formed of Cr and the like, hard bias layers 33 and 33 formed of CoPtCr and the like, and Al 2 O 3 The insulating layers 34 formed by, for example, are formed by sputtering.
[0181]
In addition, it is preferable that the irradiation angle of the sputtered particles in the sputter deposition of each of the layers from the insulating layers 31, 31 to the insulating layers 34, 34 be substantially G in the direction perpendicular to the substrate.
[0182]
After laminating the layers from the insulating layers 31, 31 to the insulating layers 34, 34 on both sides of the multilayer film T1, the resist layer R1 is removed.
[0183]
Thereafter, the second electrode layer 30 is formed by sputtering from the insulating layers 34, 34 to the free magnetic layer 26 of the multilayer film T1, whereby the magnetic sensing element shown in FIG. 1 can be formed.
[0184]
In the above-described embodiment, the positive and negative of both β and γ of the magnetic layer and the layer made of the non-magnetic material are adjusted so as to be optimized from the viewpoint of the specific resistance and the interface resistance to the up-spin or down-spin conduction electrons. . However, the present invention includes those in which only β of the magnetic layer is adjusted as described in the embodiment or only γ of the interface is adjusted. For example, each magnetic layer may be formed of a material having a combination of β shown in the embodiment, each nonmagnetic material layer may be formed of Cu, and each nonmagnetic intermediate layer may be formed of Ru.
[0185]
【The invention's effect】
In the present invention described in detail above, the thickness of the first free magnetic layer is made larger than the spin diffusion length (Spin Diffusion Length) of the magnetic material forming the first free magnetic layer (free magnetic layer). Is a two-layer artificial ferri structure).
[0186]
Alternatively, the thickness of the second pinned magnetic layer is made larger than the spin diffusion length of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer.
[0187]
Thus, in the present invention, it is possible to design a magnetic sensing element having a large ΔR · A only by considering the ease of the flow of conduction electrons from the second pinned magnetic layer to the first free magnetic layer. it can.
[0188]
Further, in the present invention, by defining β of the magnetic material forming the first free magnetic layer and the second pinned magnetic layer, it is possible to increase the resistance change ΔR · A per unit area of the magnetic sensing element. it can.
[0189]
Further, in the present invention, the sign of γ at the interface between the first free magnetic layer and the non-magnetic material layer or the interface between the second pinned magnetic layer and the non-magnetic material layer is changed to the magnetic layer in contact with the interface. By making the sign equal to the positive or negative sign of β, the resistance change ΔR · A per unit area of the magnetic sensing element can be increased.
[0190]
In order to define γ as described above, the sign of γ at the interface between the upper surface of the nonmagnetic material layer and the magnetic layer and the sign of γ at the interface between the lower surface of the nonmagnetic material layer and the magnetic layer. However, in the present invention, such a problem can be solved by forming the non-magnetic material layer into a two-layer structure made of different types of non-magnetic materials.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic sensing element according to a first embodiment of the present invention as viewed from a surface facing a recording medium;
FIG. 2 is a pattern diagram showing an example of a combination of positive and negative of β of a magnetic layer of a magnetic sensing element of the present invention and γ at an interface between a magnetic layer and a layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 3 is a pattern diagram showing an example of a combination of positive and negative β in the magnetic layer of the magnetic sensing element of the present invention and γ at the interface between the magnetic layer and the layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 4 is a pattern diagram showing an example of a combination of positive and negative β in the magnetic layer of the magnetic sensing element of the present invention and γ at the interface between the magnetic layer and the layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 5 is a pattern diagram showing an example of a combination of the sign of β of the magnetic layer of the magnetic sensing element of the present invention and γ at the interface between the magnetic layer and the layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a magnetic sensing element according to a second embodiment of the present invention, as viewed from a surface facing a recording medium;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetic sensing element according to a third embodiment of the present invention as viewed from a surface facing a recording medium;
FIG. 8 is a pattern diagram showing an example of a combination of the sign of β of the magnetic layer of the magnetic sensing element of the present invention and γ at the interface between the magnetic layer and the layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 9 is a pattern diagram showing an example of a combination of positive and negative of β of the magnetic layer of the magnetic sensing element of the present invention and γ at the interface between the magnetic layer and the layer made of a nonmagnetic material.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional magnetic sensing element viewed from a surface facing a recording medium;
FIG. 11 is a pattern diagram showing a combination of positive and negative of β of a magnetic layer of a conventional magnetic sensing element and γ at an interface between a magnetic layer and a layer made of a nonmagnetic material;
[Explanation of symbols]
20 First electrode layer
21 Underlayer
22 Seed layer
23 Antiferromagnetic layer
24 Fixed magnetic layer
25 Non-magnetic material layer
26, 84 Free magnetic layer
53 1st free magnetic layer
54 Non-magnetic intermediate layer
55 Second Free Magnetic Layer
30 Second electrode layer
31, 34 insulating layer
32 bias underlayer
33 Hard bias layer
82 In-stack bias layer
81 Middle class

Claims (9)

反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層が順に積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第1フリー磁性層の上に第2フリー磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第1フリー磁性層の膜厚は前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とする磁気検出素子。
An antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, and a multilayer film in which a free magnetic layer is sequentially stacked, and in a magnetic sensing element in which a current flows in a direction perpendicular to a film surface of each layer of the multilayer film,
The free magnetic layer has a second free magnetic layer laminated on a first free magnetic layer via a non-magnetic intermediate layer,
The magnetic sensing element according to claim 1, wherein a film thickness of the first free magnetic layer is larger than a spin diffusion length of a magnetic material forming the first free magnetic layer.
反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層が順に積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第1フリー磁性層、非磁性中間層、第2フリー磁性層、非磁性中間層、及び第3フリー磁性層が順に積層されたものであり、
前記第1フリー磁性層の膜厚は前記第1フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とする磁気検出素子。
An antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, and a multilayer film in which a free magnetic layer is sequentially stacked, and in a magnetic sensing element in which a current flows in a direction perpendicular to a film surface of each layer of the multilayer film,
The free magnetic layer includes a first free magnetic layer, a nonmagnetic intermediate layer, a second free magnetic layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a third free magnetic layer, which are sequentially stacked;
The magnetic sensing element according to claim 1, wherein a film thickness of the first free magnetic layer is larger than a spin diffusion length of a magnetic material forming the first free magnetic layer.
前記第1フリー磁性層、前記固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものである請求項1または2記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
3. The magnetic sensor according to claim 1, wherein β of the magnetic material forming the first free magnetic layer and the magnetic material forming the pinned magnetic layer has the same sign.
Here, β is a value specific to the magnetic material satisfying the relational expression of ρ ↓ / ρ ↓ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is a conduction electron Is the resistivity of the minority to the conduction electrons, and ρ ↑ is the resistivity of the conduction electrons to the majority conduction electrons.)
前記第1フリー磁性層、前記固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が異なっている請求項1または2記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
3. The magnetic sensing element according to claim 1, wherein β of the magnetic material forming the first free magnetic layer and the fixed magnetic layer has different signs.
Here, β is a value specific to the magnetic material satisfying the relational expression of ρ ↓ / ρ ↓ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is a conduction electron Is the resistivity of the minority to the conduction electrons, and ρ ↑ is the resistivity of the conduction electrons to the majority conduction electrons.)
前記非磁性材料層と固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記第1フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しい請求項3または4に記載の磁気検出素子。
ただし、γは、r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)の関係式を満たす界面に固有の値である(なお、r↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、r↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である)。
The sign of the sign of γ at the interface between the nonmagnetic material layer and the pinned magnetic layer and the interface between the nonmagnetic material layer and the first free magnetic layer is equal to the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface. The magnetic sensing element according to claim 3.
Here, γ is a value specific to the interface satisfying the relational expression of r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1−γ) (−1 ≦ γ ≦ 1) (where r ↓ is the conduction electron Among them, the interface resistance value for the minority conduction electrons, and r で is the interface resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons).
反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層が順に積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記固定磁性層は、第1固定磁性層の上に第2固定磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第2固定磁性層の膜厚は前記第2固定磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とする磁気検出素子。
An antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, and a multilayer film in which a free magnetic layer is sequentially stacked, and in a magnetic sensing element in which a current flows in a direction perpendicular to a film surface of each layer of the multilayer film,
The pinned magnetic layer is a layer in which a second pinned magnetic layer is laminated on a first pinned magnetic layer via a non-magnetic intermediate layer,
The magnetic sensing element according to claim 1, wherein a thickness of the second pinned magnetic layer is larger than a spin diffusion length of a magnetic material forming the second pinned magnetic layer.
前記第2固定磁性層、前記フリー磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものである請求項6に記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
7. The magnetic sensing element according to claim 6, wherein β of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer and the free magnetic layer has the same sign.
Here, β is a value specific to the magnetic material satisfying the relational expression of ρ ↓ / ρ ↓ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is a conduction electron Is the resistivity of the minority to the conduction electrons, and ρ ↑ is the resistivity of the conduction electrons to the majority conduction electrons.)
前記第2固定磁性層、前記フリー磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が異なっている請求項6に記載の磁気検出素子。。
ただし、βは、ρ↓/ρ↑=(1+β)/(1−β) (−1≦β≦1)の関係式を満たす磁性材料に固有の値である(なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である)。
7. The magnetic sensing element according to claim 6, wherein β of the magnetic material forming the second pinned magnetic layer and the free magnetic layer has different signs. .
Here, β is a value specific to the magnetic material satisfying the relational expression of ρ ↓ / ρ ↓ = (1 + β) / (1-β) (−1 ≦ β ≦ 1) (where ρ ↓ is a conduction electron Is the resistivity of the minority to the conduction electrons, and ρ ↑ is the resistivity of the conduction electrons to the majority conduction electrons.)
前記非磁性材料層と第2固定磁性層の界面及び前記非磁性材料層と前記フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しい請求項7または8に記載の磁気検出素子。
ただし、γは、r↓/r↑=(1+γ)/(1−γ)(−1≦γ≦1)の関係式を満たす界面に固有の値である(なお、r↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、r↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である)。
The sign of γ at the interface between the nonmagnetic material layer and the second pinned magnetic layer and the interface between the nonmagnetic material layer and the free magnetic layer is equal to the sign of β of the magnetic layer in contact with the interface. A magnetic detecting element according to claim 7.
Here, γ is a value specific to the interface satisfying the relational expression of r ↓ / r ↑ = (1 + γ) / (1−γ) (−1 ≦ γ ≦ 1) (where r ↓ is the conduction electron Among them, the interface resistance value for the minority conduction electrons, and r で is the interface resistance value for the majority conduction electrons among the conduction electrons).
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