JP2006128453A - Magnetoresistance effect element, thin film magnetic head having the magnetoresistance effect element, head gimbal assembly having the thin film magnetic head, and magnetic disc device having the head gimbals assembly - Google Patents
Magnetoresistance effect element, thin film magnetic head having the magnetoresistance effect element, head gimbal assembly having the thin film magnetic head, and magnetic disc device having the head gimbals assembly Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、信号磁界を検出して磁界強度に応じた抵抗変化を示す磁気抵抗(MR)効果素子、このMR効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド、この薄膜磁気ヘッドを備えたヘッドジンバルアセンブリ(HGA)及びこのHGAを備えた磁気ディスク装置に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive (MR) effect element that detects a signal magnetic field and shows a resistance change according to the magnetic field strength, a thin film magnetic head including the MR effect element, and a head gimbal assembly (HGA) including the thin film magnetic head. And a magnetic disk drive equipped with the HGA.
ハードディスク装置(HDD)の大容量小型化に伴い、高感度かつ高出力の薄膜磁気ヘッドが要求されている。この要求に対応するため、巨大磁気抵抗(GMR)効果を利用した読み出しヘッド素子を有するGMRヘッドの特性改善が進んでいる。一方では、さらなる高記録密度化に対応すべく、GMR効果の2倍以上の抵抗変化率が期待できるトンネル磁気抵抗(TMR)効果が注目されている。現在、このTMR効果を利用した読み出しヘッド素子を有するTMRヘッドの開発も積極的に行われている。 As the capacity of a hard disk drive (HDD) is reduced, a thin film magnetic head with high sensitivity and high output is required. In order to meet this demand, characteristics of a GMR head having a read head element utilizing a giant magnetoresistance (GMR) effect are being improved. On the other hand, the tunnel magnetoresistance (TMR) effect, which can be expected to have a resistance change rate more than twice the GMR effect, is attracting attention in order to cope with higher recording density. At present, development of a TMR head having a read head element using the TMR effect has been actively carried out.
読み出し用のTMR効果素子は、磁化方向が固定されている磁化固定層と印加される磁界に応じて磁化方向が可変の磁化自由層との間に、トンネルバリアとして作用する非磁性中間層が挟まれた構造を有している。このTMR素子において、MR変化率をより高めるために、磁化自由層の非磁性中間層に接する側に、高い分極率を有する強磁性材料からなる高分極率膜を設ける試みがなされている。例えば、特許文献1には、磁化自由層である強磁性層が、トンネルバリア層側に薄いCoFe高分極率膜を備えた構成が開示されている。
上述したごとき高分極率膜を備えたTMR素子によると、この高分極率膜を構成する強磁性材料の特性によって、磁化自由層の磁歪が増大してしまう。従って、この高分極率膜の存在によって高められたMR変化率を十分に引き出すために磁化自由層の層厚や高分極率膜の膜厚をある程度大きくした場合、磁化自由層の内部応力及び隣接層からの外的応力による逆磁歪効果がより顕著となる。この逆磁歪効果によって磁化自由層内の磁気異方性は一般に分散することになり、磁化自由層の単磁区化が妨げられる。この結果、磁界検出の際に出力ノイズが発生したり、素子の検出動作が不良となる等の不都合が発生する。これへの対策として、このような高分極率膜と低磁歪のパーマロイ(NiFe)膜等との積層構造を用いることも検討されているが、この構造によっても実用に耐えるほどの十分小さい磁歪を得ることが非常に困難になっている。 According to the TMR element including the high polarizability film as described above, the magnetostriction of the magnetization free layer is increased due to the characteristics of the ferromagnetic material constituting the high polarizability film. Therefore, when the layer thickness of the magnetization free layer and the film thickness of the high polarizability film are increased to some extent in order to sufficiently draw out the MR ratio increased by the presence of this high polarizability film, the internal stress and adjacent The inverse magnetostrictive effect due to external stress from the layer becomes more prominent. Due to this inverse magnetostriction effect, the magnetic anisotropy in the magnetization free layer is generally dispersed, and the magnetization free layer is prevented from becoming a single domain. As a result, inconveniences such as output noise occurring during magnetic field detection and defective element detection operations occur. As a countermeasure against this, it is also considered to use a laminated structure of such a high polarizability film and a low magnetostrictive permalloy (NiFe) film, etc., but this structure also has a sufficiently small magnetostriction enough to withstand practical use. It has become very difficult to get.
従って、本発明の目的は、非磁性中間層との界面に存在する磁性材料に見合ったMR変化率を実現しながら、磁化自由層の磁歪を抑制して単磁区化を妨げないことによって、低ノイズで良好な検出動作を示すMR効果素子、このMR効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド、この薄膜磁気ヘッドを備えたHGA及びこのHGAを備えた磁気ディスク装置を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to reduce the magnetostriction of the magnetization free layer by preventing the magnetostriction of the magnetization free layer while preventing an MR change corresponding to the magnetic material existing at the interface with the nonmagnetic intermediate layer. An object of the present invention is to provide an MR effect element that exhibits a good detection operation with noise, a thin film magnetic head including the MR effect element, an HGA including the thin film magnetic head, and a magnetic disk device including the HGA.
本発明について説明する前に、明細書において用いられる用語の定義を行う。薄膜磁気ヘッドのスライダ基板の素子形成面に形成された素子又は層構造等において、基準物よりも素子形成面側にあるものは「下部」とし、又は「下」にあるとし、素子形成面とは反対側にあるものは「上部」とし、又は「上」にあるとする。従って、例えば「磁化自由層上に積層された非磁性導電層」は、磁化自由層の素子形成面とは反対側の層面上に積層された層となる。 Before describing the present invention, terms used in the specification will be defined. In the element or layer structure formed on the element formation surface of the slider substrate of the thin film magnetic head, the element located on the element formation surface side with respect to the reference is defined as “lower” or “lower”. The one on the opposite side is “upper” or “upper”. Therefore, for example, the “nonmagnetic conductive layer laminated on the magnetization free layer” is a layer laminated on the layer surface opposite to the element formation surface of the magnetization free layer.
本発明によれば、磁化方向が固定されている磁化固定層と、この磁化固定層上に積層された非磁性中間層と、この非磁性中間層上に積層されており印加される磁界に応じて磁化方向が可変の磁化自由層とを有するMR積層体を備えており、磁化自由層が、非磁性中間層に接する側とは反対側に、CoFeを含む磁歪調整膜を備えているMR効果素子が提供される。 According to the present invention, the magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, the nonmagnetic intermediate layer laminated on the magnetization fixed layer, and the magnetic field laminated on the nonmagnetic intermediate layer and applied thereto MR effect including a magnetostriction adjusting film including CoFe on the side opposite to the side in contact with the nonmagnetic intermediate layer. An element is provided.
磁化固定層、非磁性中間層及び磁化自由層から構成されるMR積層体においては、磁化自由層内の非磁性中間層との界面に存在する磁性材料が有する分極率に見合ったMR変化率が実現される。しかしながら、この高分極率膜を構成する強磁性材料の特性によって磁化自由層の磁歪が増大し、逆磁歪効果によって磁化自由層の単磁区化が妨げられて、出力ノイズや検出動作不良が引き起こされてしまう。これに対して、本発明においては、磁化自由層が、非磁性中間層に接する側とは反対側にCoFeを含む磁歪調整膜を備えているので、非磁性中間層との界面に存在する磁性材料に見合ったMR変化率を維持しながら、磁化自由層の磁歪を抑制して単磁区化を妨げないことによって、低ノイズで良好な検出動作を示すMR効果素子を実現することができる。 In an MR stack composed of a magnetization fixed layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a magnetization free layer, the MR change rate corresponding to the polarizability of the magnetic material existing at the interface with the nonmagnetic intermediate layer in the magnetization free layer is Realized. However, the magnetostriction of the magnetization free layer increases due to the characteristics of the ferromagnetic material constituting the high polarizability film, and the inverse magnetostriction effect prevents the magnetization free layer from becoming a single domain, causing output noise and detection failure. End up. On the other hand, in the present invention, the magnetization free layer has a magnetostriction adjusting film containing CoFe on the side opposite to the side in contact with the nonmagnetic intermediate layer. An MR effect element exhibiting a good detection operation with low noise can be realized by suppressing the magnetostriction of the magnetization free layer and preventing the single magnetic domain while maintaining the MR change rate suitable for the material.
磁歪調整膜のCoFe組成が、Co1−XFeX(0.43≦X≦1)であることが好ましい。このような組成を有するCoFe磁歪調整膜を用いた場合、磁化自由層の有する飽和磁歪定数λSの低減効果がより顕著となり、磁化自由層の単磁区状態をより一層安定させることが可能となる。さらに、Xが、0.454以上において、この磁歪低減効果が高い状態に達して安定する。従って、Xが、0.454以上であることがより好ましい。 The CoFe composition of the magnetostriction adjusting film is preferably Co 1−X Fe X (0.43 ≦ X ≦ 1). When a CoFe magnetostriction adjusting film having such a composition is used, the effect of reducing the saturation magnetostriction constant λ S of the magnetization free layer becomes more remarkable, and the single domain state of the magnetization free layer can be further stabilized. . Further, when X is 0.454 or more, this magnetostriction reducing effect reaches a high level and becomes stable. Therefore, it is more preferable that X is 0.454 or more.
磁化自由層が、非磁性中間層に接する側に高分極率膜を備えていることが好ましい。さらに、この高分極率膜がCoFe膜であることが好ましい。本発明によれば、磁化自由層が磁歪調整膜を備えているので、MR変化率向上を目的として非磁性中間層に接する側にCoFe等の高分極率膜を配置しても、この高分極率膜による飽和磁歪定数λSの増大を抑制することができる。従って、MR変化率の向上を実現しながら、磁化自由層の磁歪を抑制して単磁区化を妨げないことによって、低ノイズで良好な検出動作を示すMR効果素子が得られる。 The magnetization free layer preferably includes a high polarizability film on the side in contact with the nonmagnetic intermediate layer. Further, the high polarizability film is preferably a CoFe film. According to the present invention, since the magnetization free layer includes the magnetostriction adjusting film, even if a high polarizability film such as CoFe is disposed on the side in contact with the nonmagnetic intermediate layer for the purpose of improving the MR ratio, this high polarization An increase in the saturation magnetostriction constant λ S due to the rate film can be suppressed. Therefore, an MR effect element that exhibits a good detection operation with low noise can be obtained by suppressing the magnetostriction of the magnetization free layer and preventing the formation of a single magnetic domain while improving the MR ratio.
また、高分極率膜の膜厚が、1nm以下であってもよい。高分極率膜の膜厚を1nm以下としても、非磁性中間層との界面を介したTMR効果は十分に維持した上で、飽和磁歪定数λSの増分を抑えて磁歪調整膜による磁歪低減効果をより有効にすることができる。 Further, the film thickness of the high polarizability film may be 1 nm or less. Even if the film thickness of the high polarizability film is 1 nm or less, the TMR effect through the interface with the nonmagnetic intermediate layer is sufficiently maintained, and the magnetostriction reducing effect by the magnetostriction adjusting film is suppressed by suppressing the increment of the saturation magnetostriction constant λ S. Can be made more effective.
さらに、磁歪調整膜の膜厚が、高分極率膜の膜厚以上であることが好ましい。磁歪調整膜の膜厚を高分極率膜の膜厚以上にすることによって、高分極率膜による飽和磁歪定数λSの増分を少なくとも抑えて磁歪調整膜による磁歪低減効果をより有効にし、さらに、CoFe等からなる磁歪調整膜が十分な膜厚を持つことによって、MR変化率を、各膜の構成材料が達成し得る本来の値にまで向上させることができる。 Furthermore, it is preferable that the thickness of the magnetostriction adjusting film is equal to or greater than the thickness of the high polarizability film. By making the film thickness of the magnetostriction adjustment film equal to or greater than the film thickness of the high polarizability film, the magnetostriction reduction effect by the magnetostriction adjustment film is made more effective by suppressing at least the increment of the saturation magnetostriction constant λ S by the high polarizability film, When the magnetostriction adjusting film made of CoFe or the like has a sufficient film thickness, the MR change rate can be improved to an original value that can be achieved by the constituent material of each film.
また、非磁性中間層がAl酸化膜であることが好ましい。 The nonmagnetic intermediate layer is preferably an Al oxide film.
さらに、磁化自由層上に、Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cu、Pt、Au、Ag、Al及びSiのうちの1つ又は2つ以上からなる非磁性導電層が積層されていることも好ましい。これらの材料からなる非磁性導電層を介して磁化自由層に交換バイアス磁界を印加して、磁化自由層の単磁区化をより一層促進させることも可能となる。 Furthermore, one or two of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, W, Ru, Rh, Ir, Cr, Re, Cu, Pt, Au, Ag, Al, and Si are formed on the magnetization free layer. It is also preferable that at least two nonmagnetic conductive layers are laminated. By applying an exchange bias magnetic field to the magnetization free layer through the nonmagnetic conductive layer made of these materials, it becomes possible to further promote the single domain of the magnetization free layer.
磁気抵抗積層体内の各層面に垂直な方向に電流が流れることが好ましい。 It is preferable that a current flows in a direction perpendicular to each layer surface in the magnetoresistive laminate.
本発明によれば、さらに、上述したMR効果素子を少なくとも1つ備えている薄膜磁気ヘッドが提供される。 According to the present invention, there is further provided a thin film magnetic head including at least one MR effect element described above.
本発明によれば、さらにまた、上述した薄膜磁気ヘッドと、この薄膜磁気ヘッドの磁気抵抗効果素子への信号線と、この薄膜磁気ヘッドを支持する支持機構とを備えているHGAが提供される。 According to the present invention, there is further provided an HGA comprising the above-described thin film magnetic head, a signal line to the magnetoresistive effect element of the thin film magnetic head, and a support mechanism for supporting the thin film magnetic head. .
本発明によれば、さらにまた、上述したHGAを少なくとも1つ備えている磁気ディスク装置が提供される。 According to the present invention, there is further provided a magnetic disk device including at least one HGA as described above.
本発明によれば、非磁性中間層との界面に存在する磁性材料に見合ったMR変化率を実現しながら、磁化自由層の磁歪を抑制して単磁区化を妨げないことによって、低ノイズで良好な検出動作を実現することができる。 According to the present invention, the MR ratio corresponding to the magnetic material existing at the interface with the nonmagnetic intermediate layer is realized, and the magnetostriction of the magnetization free layer is suppressed to prevent the single domain, thereby reducing the noise. A good detection operation can be realized.
以下に、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一の要素は、同一の参照番号を用いて示されている。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated in detail, referring an accompanying drawing. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明による磁気ディスク装置の一実施形態における要部の構成を概略的に示す斜視図であり、図2は本発明によるHGA全体を表す斜視図であり、図3はHGAの先端部に装着されている薄膜磁気ヘッド(スライダ)の斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part in an embodiment of a magnetic disk apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing the entire HGA according to the present invention, and FIG. 3 is a front end of the HGA. It is a perspective view of the thin film magnetic head (slider) with which the part was mounted | worn.
図1において、10はスピンドルモータ11の回転軸の回りを回転する複数の磁気ディスク、12は薄膜磁気ヘッド(スライダ)を磁気ディスク10のトラック上に位置決めするためのアセンブリキャリッジ装置、13は薄膜磁気ヘッドの読み書き動作を制御するための記録再生回路をそれぞれ示している。
In FIG. 1,
アセンブリキャリッジ装置12には、複数の駆動アーム14が設けられている。これらの駆動アーム14は、ボイスコイルモータ(VCM)15によってピボットベアリング軸16を中心にして角揺動可能であり、この軸16に沿った方向にスタックされている。各駆動アーム14の先端部には、HGA17が取り付けられている。各HGA17には、スライダが、各磁気ディスク10の表面に対向するように設けられている。スライダは、書き込み又は読み出し動作時には回転する磁気ディスク10の表面上において流体力学的に所定の間隙をもって浮上している。磁気ディスク10、駆動アーム14、HGA17及び薄膜磁気ヘッド(スライダ)は、単数であっても良い。
The
図2に示すように、HGAは、サスペンション20の先端部に、磁気ヘッド素子を有するスライダ21を固着し、さらにそのスライダ21の端子電極に配線部材25の一端を電気的に接続して構成される。
As shown in FIG. 2, the HGA is configured by fixing a
サスペンション20は、ロードビーム22と、このロードビーム22上に固着され支持された弾性を有するフレクシャ23と、ロードビーム22の基部に設けられたベースプレート24と、フレクシャ23上に設けられておりリード導体及びその両端に電気的に接続された接続パッドからなる配線部材25とから主として構成されている。
The
本発明のHGAにおけるサスペンションの構造は、以上述べた構造に限定されるものではないことは明らかである。なお、図示されていないが、サスペンション20の途中にヘッド駆動用ICチップを装着してもよい。
It is obvious that the suspension structure in the HGA of the present invention is not limited to the structure described above. Although not shown, a head driving IC chip may be mounted in the middle of the
図3に示すように、本実施形態における薄膜磁気ヘッド(スライダ)は、互いに積層された書き込み磁気ヘッド素子及び読み出し磁気ヘッド素子30と、これらの素子に接続された4つの信号端子電極31とを、その素子形成面32上に備えている。33はスライダの浮上面(ABS)である。なお、これらの端子電極の数及び位置は、図3の形態に限定されるものではない。図3において端子電極は4つであるが、例えば、電極を3つとした上でグランドをスライダ基板に接地した形態でもよい。
As shown in FIG. 3, the thin film magnetic head (slider) in this embodiment includes a write magnetic head element and a read
図4は本発明による薄膜磁気ヘッドの一実施形態における、読み出し用のMR効果素子及び書き込み用のインダクティブ素子の層構成を概略的に示す断面図であり、図3の薄膜磁気ヘッド(スライダ)のABSに垂直なA−A線断面を示している。 FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the layer structure of the MR effect element for reading and the inductive element for writing in one embodiment of the thin film magnetic head according to the present invention. An AA line cross section perpendicular to the ABS is shown.
図4において、40はスライダの主要部をなすスライダ基板であり、例えばアルティック(Al2O3−TiC)等から構成される。41は、スライダ基板40のABS40aを底面とした際の一つの側面(素子形成面)に、図示しない下地膜を介して形成されている厚さ約0.3μm〜約3μmの下部シールド層であり、例えばNiFe、NiFeCo、CoFe、FeN又はFeZrN等の高透磁率磁性材料から構成される。42は、例えば厚さ約0.3μm〜約4μmのNiFe、NiFeCo、CoFe、FeN又はFeZrN等から形成されている上部シールド層である。なお、上下部シールド層42及び41の間隔である再生ギャップ長は、約0.03μm〜約1μmである。44はMR積層体であり、下部シールド層41及び上部シールド層42間に、ABS40aに沿って伸長するように形成されている。430は、Al2O3等からなる絶縁層である。
In FIG. 4,
431は、上部シールド層42上に積層された例えばAl2O3等からなる厚さ約0.1μm〜約2.0μmの絶縁層である。下部磁極層45は、絶縁層431上に積層されており、例えば厚さ約0.3μm〜約3μmのNiFe、NiFeCo、CoFe、FeN又はFeZrN等から形成されている。なお、上部シールド層42と下部磁極層45とが一体となって、1つの層で両層の機能を兼ねてもよく、この場合、絶縁層431は省略される。46は、例えばNiFe、NiFeCo、CoFe、FeN又はFeZrN等からなる厚さ約0.5μm〜約5μmの上部磁極層、47は、熱硬化レジスト等の有機樹脂で構成された厚さ約0.1μm〜約5μmの絶縁層48に取り囲まれた、例えばCu又はNiFe等からなるコイル導電層、49は、下部磁極層45上に積層された例えばAl2O3又はDLC等からなる厚さ約0.03μm〜約0.5μm(記録ギャップ長に相当)のギャップ層、50は例えばAl2O3等からなるオーバーコート層をそれぞれ示している。
下部磁極層45及び上部磁極層46の先端部は、ギャップ層49を隔てて対向するポール部45a及び46aを構成しており、これらポール部45a及び46aにおいて書き込みが行われる。ヨーク部を構成する下部磁極層45及び上部磁極層46のポール部45a及び46aとは反対側にはバックギャップ部が設けられており、磁気回路を完成させるように互いに結合されている。コイル導電層47は、絶縁層48上に、ヨーク部の結合部のまわりを渦巻状に回るように形成されている。
The tip portions of the lower
図5は、本発明による薄膜磁気ヘッドの一実施形態におけるMR積層体44の層構成を概略的に示す断面図であり、図4のABS10a方向から見たB−B線断面を示している。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the layer structure of the
図5において、440は下部金属層、441は反強磁性層、442は磁化固定層、443はトンネルバリアとなる非磁性中間層、444は磁化自由層、445は上部金属層をそれぞれ示している。ここで、下部金属層440は、下部電極となる下部シールド層41上に形成されており、MR積層体44を下部シールド層41に電気的に接続する。さらに、上部金属層445は、この上に上部電極となる上部シールド層42が形成されることによって、MR積層体44を上部シールド層42に電気的に接続する。従って本実施形態において、磁界検出の際には、電流は上下部電極間においてMR積層体内の各層面に対して垂直な方向に流れることになる。また、絶縁層430は、MR積層体44の周囲を取り囲むように形成されている。
In FIG. 5, 440 is a lower metal layer, 441 is an antiferromagnetic layer, 442 is a magnetization fixed layer, 443 is a nonmagnetic intermediate layer serving as a tunnel barrier, 444 is a magnetization free layer, and 445 is an upper metal layer. . Here, the
反強磁性層441は、下部金属層440との界面側に、図示されていないNiFe又はNiCr等からなる下地膜を有していてもよい。反強磁性層441上に積層された磁化固定層442において、この反強磁性層441側から、第1の強磁性膜442a、非磁性膜442b、第2の強磁性膜442cが順次成膜されて積み重なっており、いわゆるシンセティックフェリ構造となっている。第1の強磁性膜442aには、反強磁性層441との交換結合により交換バイアス磁界が印加されて、これにより磁化固定層442全体の磁化が安定的に固定される。
The
非磁性中間層443上に積層された磁化自由層444は、この非磁性中間層443側から、高分極率膜444a、軟磁性膜444b、磁歪調整膜444cが順次成膜されて積み重なった構成となっている。磁化自由層444は、印加される信号磁界に応答して磁化方向が変化するが、磁化固定層442との間で非磁性中間層443をトンネルバリアとした強磁性トンネル結合を形成している。従って、磁化自由層444の磁化方向が信号磁界に応答して変化すると、磁化自由層444のアップ及びダウンスピンバンドの状態密度の変動によってトンネル電流が増減し、結果としてMR積層体の電気抵抗値が変化する。この変化量を計測することによって、微弱な信号磁界を検出することができる。磁化自由層444内の磁歪調整膜444cは、非磁性中間層との界面に存在する高分極率膜444aに見合ったMR変化率を維持しながら、磁化自由層444の磁歪を抑制して磁化自由層444の単磁区状態を維持する機能を有する。ここで、高分極率膜444aは必ずしも必要ではなく省略可能である。省略した場合、非磁性中間層との界面に存在することになる軟磁性膜444b相当のMR変化率が実現することになる。磁歪調整膜444c及び高分極率膜444aの機能及び効果については、後に詳述する。
The magnetization
なお、図示されていないが、図5の絶縁層430の位置に、絶縁材料ではなく硬磁性材料からなる層を設けて、さらにこの硬磁性材料の層とMR積層体44との間に薄い絶縁層を介在させることによって、磁化自由層444にハードバイアス方式によるバイアス磁界を印加してもよい。又は、磁歪調整膜444cと上部金属層445との間に、バイアス非磁性層、バイアス強磁性層及びバイアス反強磁性層が順次積層されたインスタックバイアス(in-stack bias)積層体、その他のバイアス手段が設けられていてもよい。これらのバイアス手段は、磁化自由層444に交換バイアス磁界を印加して磁化自由層444の単磁区化をより一層促進させる。
Although not shown, a layer made of a hard magnetic material instead of an insulating material is provided at the position of the insulating
図6(A)〜(C)は、本発明による薄膜磁気ヘッドの一実施形態におけるMR積層体を形成する一部工程を示す断面図であり、図5と同様に、図4のABS10a方向から見たB−B線断面を示している。 6A to 6C are cross-sectional views showing a part of the process of forming the MR laminated body in one embodiment of the thin film magnetic head according to the present invention. Like FIG. 5, from the direction of the ABS 10a in FIG. A cross section taken along line B-B is shown.
図6(A)に示すように、まず、図示しないスライダ基板上に形成されたこれも図示しない絶縁層上に、例えばNiFe等からなる厚さ2μmの下部電極兼下部シールド層41をめっき等の方法で成膜し、さらにその上に、例えばTa、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo又はW等からなる厚さ5nmの下部金属層440と、例えばNiFe又はNiCr等からなる厚さ2nmの下地膜441aと、例えばPtMn、NiMn、IrMn、RuRhMn等からなる厚さ15nmの反強磁性層441と、例えばCoFe等からなる厚さ2nmの第1の強磁性膜442aと、例えばRu、Rh、Ir、Cr、Re又はCu等からなる厚さ0.8nmの非磁性膜442bと、例えばCoFe等からなる厚さ3nmの第2の強磁性膜442cと、例えばAl等からなる金属膜を真空装置内に酸素を導入した雰囲気中で酸化させたAl酸化膜等からなる厚さ0.6nmの非磁性中間層443と、例えばCoFe等からなる厚さ1nmの高分極率膜444aと、例えばNiFe等からなる厚さ2nmの軟磁性膜444bと、例えばCoFe等からなる厚さ1nmの磁歪調整膜444cと、例えばTa、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo又はW等からなる厚さ16nmの上部金属層445とが順次、スパッタ法等によって成膜される。
As shown in FIG. 6A, first, a 2 μm-thick lower electrode /
なお、図示されていないが、上述したように、磁歪調整膜444cと上部金属層445との間に、インスタックバイアス積層体を設ける場合、CoFeの磁歪調整膜444c上に、例えばTa、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cu、Pt、Au、Ag、Al又はSi等からなる厚さ1nmのバイアス非磁性層、例えばCoFe等からなる厚さ5nmのバイアス強磁性層、及び例えばIrMn等からなる厚さ7nmのバイアス反強磁性層が順次、スパッタ法等によって積層される。
Although not shown, as described above, when an in-stack bias stack is provided between the
次いで、図6(B)に示すように、その上に例えばリフトオフ用のフォトレジスト層を露光現像することによってフォトレジストパターン60が形成される。その後、このフォトレジストパターン60をマスクとする斜め入射イオン61によるイオンミリング法等によって、図6(B)中の斜線で示された領域62が除去される。その後、この上に例えばAl2O3等からなる絶縁膜がスパッタ法等によって成膜され、さらにフォトレジストパターン60を剥離するリフトオフ法によって、図6(C)に示すように絶縁層430が形成される。さらに、この上に例えばNiFe等からなる厚さ2μmの上部電極兼上部シールド層42が、めっき等の方法で成膜される。
Next, as shown in FIG. 6B, a
なお、図示されていないが、上述したように、絶縁層430の位置にハードバイアス手段を設ける場合、上記の斜め入射によるイオンミリング処理の後、まず、例えばAl2O3等からなる厚さ5〜15nmの絶縁膜がスパッタ法によって成膜され、次いで、例えばCoPt又はCoCrPt等からなる硬磁性層が積層される。その後、フォトレジストパターン60を剥離するリフトオフ法によって、絶縁層430にハードバイアス手段が形成される。
Although not shown, when the hard bias means is provided at the position of the insulating
本実施形態における反強磁性層441、磁化固定層442、非磁性中間層443及び磁化自由層444を構成する各膜の材料及び膜厚は、上述したものに限定されることなく、種々の材料及び膜厚が適用可能である。また、磁化固定層442においては、3つの膜からなる3層構造の他に、強磁性膜からなる単層構造又はその他の層数の多層構造を採用することもできる。さらに磁化自由層444においても、3層構造の他に、高分極率膜444aの存在しない2層構造又は4層以上の多層構造を採用することができる。
The materials and film thicknesses of the respective films constituting the
以下、磁歪調整膜444cが磁化自由層444の磁歪に与える効果について説明する。
Hereinafter, the effect of the
上述した高分極率膜を備えたMR積層体においては、この高分極率膜を構成する強磁性材料の特性によって、磁化自由層の磁歪が増大してしまう。従って、この高分極率膜の存在によって高められたMR変化率を十分に引き出すために磁化自由層の層厚や高分極率膜の膜厚をある程度大きくした場合、磁化自由層の内部応力及び隣接層からの外的応力による逆磁歪効果がより顕著となる。この逆磁歪効果によって磁化自由層内の磁気異方性は一般に分散することになり、磁化自由層の単磁区化が妨げられる。この結果、磁界検出の際に出力ノイズが発生したり、素子の検出動作が不良となる等の不都合が発生する。従って、MR積層体においては、磁化自由層を単磁区化して安定した磁界検出を行うために、磁化自由層のλSはできるだけ小さくなるように設計されなければならない。 In the MR laminate including the above-described high polarizability film, the magnetostriction of the magnetization free layer increases due to the characteristics of the ferromagnetic material constituting the high polarizability film. Therefore, when the layer thickness of the magnetization free layer and the film thickness of the high polarizability film are increased to some extent in order to sufficiently draw out the MR ratio increased by the presence of this high polarizability film, the internal stress and adjacent The inverse magnetostrictive effect due to external stress from the layer becomes more prominent. Due to this inverse magnetostriction effect, the magnetic anisotropy in the magnetization free layer is generally dispersed, and the magnetization free layer is prevented from becoming a single domain. As a result, inconveniences such as output noise occurring during magnetic field detection and defective element detection operations occur. Therefore, in the MR multilayer, the λ S of the magnetization free layer must be designed to be as small as possible in order to make the magnetization free layer a single magnetic domain and perform stable magnetic field detection.
図7(A)〜(C)は、MR積層体44における磁化自由層444の構成と飽和磁歪定数λSとの関係を示している。ここで、飽和磁歪定数λSの測定は、短冊状の基板上に形成したAl酸化層/磁化自由層/上部金属層に所定の磁界を印加して、発生した撓みを光学的に計測して行われた。
7A to 7C show the relationship between the configuration of the magnetization
図7(A)において、磁化自由層444は、Al酸化膜からなる非磁性中間層443に接する側に1nm厚のCo30Fe70膜を備えており、さらにこの上に2nm厚のNi82Fe18膜を設けた構成となっている。この磁化自由層のλSは1.23×10−5であった。この構成において、図7(B)のように、非磁性中間層443に接するCo30Fe70膜を2nmと厚くすると、λSは2.33×10−5に増大した。すなわち、λSは、非磁性中間層443に接するCo30Fe70膜の膜厚の増加と共に増大してしまう。
In FIG. 7A, the magnetization
しかしながら、さらにこの構成において、図7(C)のように、Co30Fe70膜とNi82Fe18膜とを入れ換えて、Ni82Fe18膜を非磁性中間層443に接する位置に設けた場合、図7(B)の構成と比較して各膜を構成する材料組成及び膜厚が全く同一であるにもかかわらず、λSは1.62×10−5と、約30%低減した。
However, in this configuration, as shown in FIG. 7C, the Co 30 Fe 70 film and the Ni 82 Fe 18 film are interchanged, and the Ni 82 Fe 18 film is provided at a position in contact with the nonmagnetic
以上の結果から、磁化自由層のλSは、Co30Fe70膜のような高分極率膜を非磁性中間層443に接する側とは反対側に配置することによって低下することがわかる。
From the above results, it can be seen that λ S of the magnetization free layer is lowered by disposing a high polarizability film such as a Co 30 Fe 70 film on the side opposite to the side in contact with the nonmagnetic
次いで、λSだけではなく、MR変化率を考慮したMR積層体44の構成について、磁歪調整膜444cが与える効果について説明する。
Then, lambda not only S, the configuration of the
図8(A)及び(B)は、MR積層体44における磁化自由層444の構成とλS及びMR変化率との関係を示している。
8A and 8B show the relationship between the configuration of the magnetization
図8(A)において、磁化自由層444は、Al酸化膜からなる非磁性中間層443に接する側に2nm厚のCo30Fe70膜を備えており、さらにこの上に2nm厚のNi82Fe18膜を設けた構成となっている。この構成のMR積層体において、磁化自由層のλSを測定したところ、2.33×10−5と若干大きい値を示した。また、MR変化率は、20.71%であった。
In FIG. 8A, the magnetization
ここで、このようなMR積層体において、MR変化率を損なわずに磁歪を低減することを考える。上述したように、磁化自由層444の非磁性中間層443に接する側に強磁性の高分極率膜を設けることによってMR変化率をより高い値にすることが可能である。すなわち、磁化自由層444と非磁性中間層443との界面に存在する強磁性材料膜の分極率が、このMR積層体のTMR効果の大枠を規定する。従って、磁化自由層444の非磁性中間層443に接する側に強磁性の高分極率膜であるCo30Fe70膜を設けておくことは、MR変化率を維持向上させるために必要となる。
Here, in such an MR laminated body, it is considered to reduce magnetostriction without impairing the MR change rate. As described above, the MR change rate can be increased by providing a ferromagnetic high polarizability film on the side of the magnetization
一方、上述したように、磁化自由層444のλSは、高分極率膜を非磁性中間層443に接する側とは反対側に配置することによって低下する。従って、図8(B)に示したように、図8(A)の構成における2nm厚のCo30Fe70膜のうち、1nm分を非磁性中間層443に接する側にそのまま残し、残りの1nm分を、磁化自由層444の非磁性中間層443に接する側とは反対側に配置して磁歪調整膜444cとした。
On the other hand, as described above, λ S of the magnetization
この構成のMR積層体において、MR変化率を測定したところ、20.72%であり、図8(A)の構成とほぼ同じ値を示した。これは、磁化自由層444と非磁性中間層443との界面に高分極率のCo30Fe70膜を高分極率膜444aとして維持した効果と、磁化自由層444全体を構成する強磁性材料膜の種類及び各全厚を維持した効果とによると考えられる。すなわち、高分極率膜444aとしてのCoFe膜の膜厚は1nmであってもMR変化率を維持可能であることがわかる。さらに、実際には1nm以下の膜厚であっても、非磁性中間層との界面が同様に形成されていれば、所定の十分なMR変化率を示すことは明らかである。一方、磁化自由層444のλSを測定したところ、1.13×10−5であって、図8(A)の構成に比べて約52%減少し、非常に良好な値となった。これは、図7(A)〜(C)において考察した、高分極率膜を非磁性中間層443に接する側とは反対側に配置して磁歪調整膜444cとしたことによるλS低減効果を裏付ける結果であることが理解される。この際、磁歪調整膜444cとしてのCoFe膜の膜厚は、CoFeからなる高分極率膜444aによる磁歪の増大を抑制するためには、大きいほど好ましいことは明らかである。
In the MR laminated body having this configuration, the MR change rate was measured and found to be 20.72%, which was almost the same value as the configuration of FIG. This is because the high polarizability Co 30 Fe 70 film is maintained as the high polarizability film 444a at the interface between the magnetization
次いで、磁歪調整膜444cとして用いるCoFe膜の組成とλSとの関係について説明する。CoFe膜は組成によって分極率が変化し、本発明者等によれば、CoFe膜の膜質にも依存するが、Fe組成比が高い領域で分極率が向上する傾向にある。
Next, the relationship between the composition of the CoFe film used as the
図9(A)及び(B)は、磁歪に対する磁歪調整膜444cの組成の影響を明らかにするための、2つの異なった磁化自由層444の構成をそれぞれ示している。
FIGS. 9A and 9B show configurations of two different magnetization
図9(A)の磁化自由層444は、Al酸化膜からなる非磁性中間層443側から、種々のFe組成比を持つ1nm厚のCoFe膜と、2nm厚のCo30Fe70膜と、2nm厚のNi82Fe18膜とが順次積層された構成を有している。一方、図9(B)の磁化自由層444は、非磁性中間層443側から、2nm厚のCo30Fe70膜、2nm厚のNi82Fe18膜、及び種々のFe組成比を持つ1nm厚のCoFe膜が順次積層されており、図9(A)の磁化自由層444内において、種々のFe組成比を持つ1nm厚のCoFe膜を、非磁性中間層443と接する側からこの接する側とは反対側に移動させた構成となっている。ここで、1nm厚のCoFe膜のFe組成比を変化させて、図9(A)の磁化自由層の飽和磁歪定数λSAと図9(B)の磁化自由層の飽和磁歪定数λSBとを測定した。この際、両者の差ΔλS=λSA―λSBが大きいほど、図9(A)の構成に比べて図9(B)の構成の持つ磁歪低減効果が高いことになる。
9A includes a 1 nm thick CoFe film, a 2 nm thick Co 30 Fe 70 film, and a 2 nm thick film having various Fe composition ratios from the non-magnetic
図10(A)は、CoFe膜のFe組成比と図9(A)及び(B)の各構成における磁化自由層444の磁歪との関係を示している。また、図10(B)は、CoFe膜のFe組成比とΔλSとの関係を示している。なお、これらの関係における実測値を表1に示す。
図10(A)において、横軸は、磁化自由層444の非磁性中間層443に接する側(図9(A))、又は非磁性中間層443に接する側とは反対側(図9(B))に設けられたCoFe膜におけるFe組成比であり、縦軸は、CoFe膜の各Fe組成比におけるλSA及びλSBである。図10(A)によれば、λSAはFe組成比が増加するに従って単調に増大しており、Fe組成比が15原子%以上において2×10−5以上の値となる。一方、λSBはFe組成比が増加して35.6原子%に達するまではほぼ単調に増加するが、その後Fe組成比が増加しても頭打ちとなり、概ね1×10−5台の比較的小さな値にとどまっている。
10A, the horizontal axis represents the side of the magnetization
図10(B)において、横軸は、図10(A)と同じFe組成比であり、縦軸は、各Fe組成比におけるΔλSである。図10(B)によれば、ΔλSは、Fe組成比43原子%を変曲点として、この変曲点以上の組成比において顕著な増加を示す。実際に、Fe組成比が45.4原子%以上において、ΔλSは5〜6×10−6台の大きな値に達している。この結果から、図9(B)に示した構成の持つ磁歪低減効果は、CoFe膜のFe組成比が43原子%以上において顕著になり、Fe組成比が45.4原子%以上において高い状態に達して安定することがわかる。ここで、図9(B)の非磁性中間層443に接する側とは反対側に設けられたCoFe膜は、磁歪調整膜に相当することから、磁歪調整膜としてのCoFe膜は、Fe組成比が43原子%以上であることが好ましく、さらに、Fe組成比が45.4原子%以上であることがより好ましいことがわかる。
In FIG. 10B, the horizontal axis represents the same Fe composition ratio as in FIG. 10A, and the vertical axis represents Δλ S at each Fe composition ratio. According to FIG. 10 (B), Δλ S shows a remarkable increase in the composition ratio above the inflection point, with the Fe composition ratio being 43 atomic%. Actually, Δλ S reaches a large value of 5-6 × 10 −6 when the Fe composition ratio is 45.4 atomic% or more. From this result, the magnetostriction reducing effect of the configuration shown in FIG. 9B becomes significant when the Fe composition ratio of the CoFe film is 43 atomic% or more, and is high when the Fe composition ratio is 45.4 atomic% or more. It can be seen that it reaches and stabilizes. Here, since the CoFe film provided on the side opposite to the side in contact with the nonmagnetic
なお、以上の結果は、上述した各膜の組成及び膜厚に限定されないことは明らかであり、さらに磁化固定層等のMR積層体を構成する他の構成要素に関しても、上述の形態に限定されるものではないことは明らかである。 In addition, it is clear that the above results are not limited to the composition and film thickness of each film described above, and other components constituting the MR laminated body such as the magnetization fixed layer are also limited to the above-described form. Obviously it is not.
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 All the embodiments described above are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting, and the present invention can be implemented in other various modifications and changes. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.
10 磁気ディスク
11 スピンドルモータ
12 アセンブリキャリッジ装置
13 記録再生回路
14 駆動アーム
15 ボイスコイルモータ(VCM)
16 ピボットベアリング軸
17 ヘッドジンバルアセンブリ(HGA)
20 サスペンション
21 スライダ
22 ロードビーム
23 フレクシャ
24 ベースプレート
25 配線部材
30 磁気ヘッド素子
31 信号端子電極
32 素子形成面
33 浮上面(ABS)
40 スライダ基板
41 下部シールド層
42 上部シールド層
430、431 絶縁層
44 MR積層体
440 下部金属層
441 反強磁性層
441a 下地膜
442 固定磁化層
442a 第1の強磁性膜
442b 非磁性膜
442c 第2の強磁性膜
443 非磁性中間層
444 磁化自由層
444a 高分極率膜
444b 軟磁性膜
444c 磁歪調整膜
445 上部金属層
45 下部磁極層
46 上部磁極層
47 コイル導電層
48 絶縁層
49 ギャップ層
50 オーバーコート層
60 フォトレジストパターン
61 入射イオン
62 除去される領域
DESCRIPTION OF
16
20
40
Claims (12)
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