JP2004095584A - Magnetic detector - Google Patents
Magnetic detector Download PDFInfo
- Publication number
- 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
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- magnetic layer
- magnetic
- free magnetic
- free
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Images
Abstract
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Al2O3、SiO2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、Al2O3やSiO2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、Ni97Cr3のスピン拡散長は50Å、Fe95Cr5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SiO2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、Al2O3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Al2O3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
[0004]
The
[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
[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
[0018]
The
[0019]
The nonmagnetic intermediate layer 5b is formed of Ru. At this time, the value of γ at the interface between the first free
[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
[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
[0022]
However, referring to FIG. 11, the fixed
[0023]
Up-spin conduction at the interface between the
[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
[0047]
The
[0048]
The
[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
[0050]
The
[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
[0052]
In this embodiment, the fixed
The layers denoted by
[0053]
An exchange anisotropic magnetic field is generated between the
[0054]
For example, when the magnetization of the first fixed
[0055]
For example, the first pinned
[0056]
Note that the fixed
[0057]
The
[0058]
The free
[0059]
The first free
[0060]
For example, in FIG. 1, since the magnetic thickness of the first free
[0061]
The total magnetic thickness of the free
[0062]
The materials and thicknesses of the first free
[0063]
As shown in FIG. 1, insulating
[0064]
The
[0065]
On the insulating
[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
[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
[0070]
The
[0071]
As a result, the hard bias layers 33, 33 and the free
[0072]
In the magnetic sensing element of FIG. 1, the first free
[0073]
Also, as shown in FIG. 1, insulating
[0074]
A
[0075]
In this embodiment, a sense current flows from the
[0076]
When a detection current (sense current) is applied to the free
[0077]
The magnetic sensing element shown in FIG. 1 has a multi-layered film T1 composed of an
[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
[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
[0082]
Therefore, it is only necessary to consider the easiness of the flow of conduction electrons between the first free
[0083]
Specifically, it is only necessary to consider the sign of β of the magnetic material forming the first free
[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
[0086]
FIG. 2 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element shown in FIG. Arrows marked on the
[0087]
In FIG. 2, the positive and negative signs of γ at the interface between the first fixed
[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
[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
[0091]
Since the film thickness of the first free
[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
[0093]
The combination of the first free
[0094]
In the case of the combination of materials of
[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
[0099]
Further, in the present embodiment, the sign of β of the second free
[0100]
In the present invention, the positive / negative relationship of β of the first free
[0101]
FIG. 3 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the second pinned
[0102]
In FIG. 3, the positive and negative signs of γ at the interface between the second pinned
[0103]
In
[0104]
For example, in the case of the combination of materials of
[0105]
Further, in the case of the combination of the materials of
[0106]
Also here, since the thickness of the first free
[0107]
That is, the combination of β and γ shown in
[0108]
In order to realize the positive / negative combination of γ in
[0109]
Also in this embodiment, the sign of β of the second free
[0110]
In case 1 to
[0111]
In the present invention, the thickness t5 of the second fixed
[0112]
When the thickness t5 of the second pinned
[0113]
Therefore, it is only necessary to consider the ease of conduction electrons flowing from the first free
[0114]
Specifically, it is only necessary to consider the sign of β of the magnetic material forming the first free
[0115]
FIG. 4 summarizes the positive and negative relationship of β of the magnetic material forming the first free
[0116]
FIG. 4 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the first pinned
[0117]
In FIG. 4, the positive and negative signs of γ at the interface between the second fixed
[0118]
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the positive and negative signs of β of the first free
[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
[0120]
Since the thickness of the second fixed
[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
[0122]
The combination of the first free
[0123]
In the case of the combination of the materials of the case 6, between the first free
[0124]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 5 of FIG. 4, the material of the
[0125]
In the present embodiment, the positive and negative signs of β of the first fixed
[0126]
In the present invention, the positive / negative relationship of β of the magnetic material forming the first free
[0127]
FIG. 5 schematically shows layers related to the magnetoresistance effect of the magnetic sensing element. Arrows marked on the first pinned
[0128]
In FIG. 5, the positive and negative signs of γ at the interface between the second fixed
[0129]
In the
[0130]
For example, in the case of the combination of the materials of the
[0131]
Further, in the case of the combination of the materials of the
[0132]
Also here, since the thickness of the second pinned
[0133]
That is, the combination of β and γ shown in
[0134]
In order to realize the positive / negative combination of γ in
[0135]
Also in the present embodiment, the sign of β of the first pinned
[0136]
In the above-described embodiment, both the free
[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
[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
[0141]
The in-
[0142]
In this embodiment, a longitudinal bias magnetic field (static magnetic field) is supplied from both ends of the in-
[0143]
Further, the magnetic moment per unit area of the second free
[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
[0145]
Although the magnetic sensing element shown in FIG. 6 has the in-
[0146]
However, in order to make the magnetization directions of the first free
[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
[0149]
The free
[0150]
When the free
[0151]
In the magnetic sensing element of the present embodiment, the thickness t10 of the first free
[0152]
If the thickness t10 of the first free
[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
[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
[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
[0157]
In FIG. 8, when the magnetization direction of the first free
[0158]
8 and FIG. 9, the positive and negative signs of γ at the interface between the second pinned
[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
[0161]
For example, in the case of the combination of materials of Case 1, from the first free
[0162]
Since the thickness t10 of the first free
[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
[0164]
The first free
[0165]
In the case of the combination of the materials of
[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
[0168]
In the case of the combination of the materials of
[0169]
Further, in the case of the combination of the materials of the
[0170]
The combination of β and γ shown in
[0171]
In order to realize the positive / negative combination of γ in case 1 of FIG. 8, the material of the
[0172]
In order to realize the combination of positive and negative γ in
[0173]
Further, in the present embodiment, the positive and negative signs of β of the second free
[0174]
Therefore, the material of the nonmagnetic
[0175]
A method for manufacturing the magnetic sensing element shown in FIG. 1 will be described.
First, an
[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
[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
[0179]
Next, the multilayer film T1 from the free
[0180]
Next, from the
[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
[0182]
After laminating the layers from the insulating
[0183]
Thereafter, the
[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)
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.
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.
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.)
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.)
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).
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.
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.)
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.)
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).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002250670A JP2004095584A (en) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | Magnetic detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002250670A JP2004095584A (en) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | Magnetic detector |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004095584A true JP2004095584A (en) | 2004-03-25 |
Family
ID=32057440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002250670A Ceased JP2004095584A (en) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | Magnetic detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004095584A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7466525B2 (en) | 2004-09-03 | 2008-12-16 | Tdk Corporation | Magnetic sensing element including laminated film composed of half-metal and NiFe alloy as free layer |
US7616410B2 (en) | 2005-03-02 | 2009-11-10 | Tdk Corporation | Magnetic detecting element having free layer formed of NiFe alloy and method of manufacturing the same |
-
2002
- 2002-08-29 JP JP2002250670A patent/JP2004095584A/en not_active Ceased
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7466525B2 (en) | 2004-09-03 | 2008-12-16 | Tdk Corporation | Magnetic sensing element including laminated film composed of half-metal and NiFe alloy as free layer |
US7616410B2 (en) | 2005-03-02 | 2009-11-10 | Tdk Corporation | Magnetic detecting element having free layer formed of NiFe alloy and method of manufacturing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4245318B2 (en) | Magnetic detection element | |
JP3974587B2 (en) | CPP type giant magnetoresistive head | |
US7599155B2 (en) | Self-pinned CPP giant magnetoresistive head with antiferromagnetic film absent from current path | |
US7295408B2 (en) | Dual type magnetic sensing element wherein ΔR×A in upstream part in flow direction of electric current is smaller than ΔR×A in downstream part | |
JP2004031545A (en) | Magnetic detector and its manufacturing method | |
JP4237991B2 (en) | Magnetic detection element | |
JP2004335931A (en) | Cpp-type giant magnetoresistance effect element | |
JP2003218428A (en) | Magnetic detecting element | |
JP2003008100A (en) | Magnetic detecting element and thin film magnetic head using the same | |
JP2003309305A (en) | Magnetic detection element | |
JP2004335071A (en) | Cpp giant magnetoresistive head | |
US7229706B2 (en) | Magnetic detecting element having pinned magnetic layers disposed on both sides of free magnetic layer | |
JP2006253451A (en) | Magnetic sensing element | |
JP2006073688A (en) | Magnetism detecting element | |
JP4674498B2 (en) | Magnetic detection element | |
JP2004221302A (en) | Magnetic detection element | |
JP2008192827A (en) | Tunnel-type magnetism detecting element | |
JPH10284769A (en) | Magnetoresistive-effect multilayered film | |
JP2004095587A (en) | Magnetic detector | |
JP2004095584A (en) | Magnetic detector | |
JP4359566B2 (en) | Thin film magnetic head | |
GB2413856A (en) | GMR magnetic sensor | |
JP2004221299A (en) | Magnetic detection element | |
JP2001216613A (en) | Spin valve type thin film magnetic element, thin film magnetic head, floating magnetic head amd method for manufacturing spin valve type thin film magnetic element | |
JP2001209911A (en) | Spin valve type thin film magnetic element, thin film magnetic head, floating magnetic head, and manufacturing method of spin valve type thin film magnetic element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050425 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080304 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090203 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090326 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090825 |
|
A045 | Written measure of dismissal of application [lapsed due to lack of payment] |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A045 Effective date: 20091222 |