JP2006202784A - Magnetoresistive film, and magnetization control method of pinned layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シンセティックピンド構造の磁気抵抗効果膜、並びに、そのピンド層の磁化制御方法に関するものである。 The present invention relates to a magnetoresistive film having a synthetic pinned structure and a magnetization control method for the pinned layer.
従来から、ハードディスクの高密度化に伴い、高感度化、高出力化されたヘッドが要求されており、この要求に応えるものとして、スピンバルブヘッドが考案されている。通常、スピンバルブにおいては、非磁性金属からなる非磁性層の上下に強磁性金属からなるフリー層及びピンド層が設けられている。また、ピンド層における非磁性層と逆側の面には反強磁性層が設けられている。そして、ヘッドの出力等の特性は、フリー層及びピンド層の磁化方向のなす角度によって定まる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a high-sensitivity and high-powered head has been demanded as the density of hard disks increases, and a spin valve head has been devised to meet this demand. Usually, in a spin valve, a free layer and a pinned layer made of a ferromagnetic metal are provided above and below a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic metal. An antiferromagnetic layer is provided on the surface of the pinned layer opposite to the nonmagnetic layer. The characteristics such as the output of the head are determined by the angle formed by the magnetization directions of the free layer and the pinned layer.
フリー層の磁化方向は、記録媒体などから提供される外部磁界の方向に容易に向くようになっている。また、ピンド層の磁化方向は、反強磁性層との交換結合によって一方向に固定されている。この交換結合力や交換結合力の熱安定性は、ヘッドの特性や信頼性に大きな影響を及ぼすことから、できるだけ大きな交換結合力を獲得することが好ましい。 The magnetization direction of the free layer is easily oriented in the direction of an external magnetic field provided from a recording medium or the like. The magnetization direction of the pinned layer is fixed in one direction by exchange coupling with the antiferromagnetic layer. The exchange coupling force and the thermal stability of the exchange coupling force greatly affect the characteristics and reliability of the head. Therefore, it is preferable to obtain as large an exchange coupling force as possible.
上述した観点から、通常、単層構造であるピンド層を、強磁性膜、非磁性金属膜及び強磁性膜からなる三層構造とする、いわゆるシンセティックピンド（synthetic pinned）構造がある（特許文献１参照）。このシンセティックピンド構造では、二つの強磁性膜間に強い交換結合を与え、反強磁性層からの交換結合力を実効的に増大させ、ピンド層から発生する静磁界がフリー層に及ぼす影響を減少させる効果がある。
スピンバルブヘッドにおいては、研磨加工工程や実使用時におけるＨＤＩ（Head Disk Interface）ダメージ等のストレスによって、ピンド層の磁化方向が反転する不具合が発生し得る。かかる不具合を回避するために、シンセティックピンド構造が採用されることもあるが、なお、十分な安定性（信頼性）が得られてなく更なる工夫が求められている。 In the spin valve head, there is a problem that the magnetization direction of the pinned layer is reversed due to stress such as HDI (Head Disk Interface) damage during the polishing process or actual use. In order to avoid such a problem, a synthetic pind structure may be employed, but sufficient stability (reliability) is not obtained and further contrivance is required.
そこで、本出願人は、パルス電流が発生する熱と磁界を用いて、反転したピンド層の磁化方向を当初企図した方向にリセットする手法について鋭意検討を行ってきた。しかし、かかる手法では、ピンド層が通常のように単層構造である場合には磁化方向を容易にリセットできるにしても、シンセティックピンド構造の場合にはうまくリセットできないケースが存在していた。 Therefore, the present applicant has intensively studied a method of resetting the magnetization direction of the inverted pinned layer to the originally intended direction using heat and a magnetic field generated by a pulse current. However, with such a technique, there is a case where the magnetization direction can be easily reset when the pinned layer has a single-layer structure as usual, but cannot be reset well with the synthetic pinned structure.
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、シンセティックピンド構造でありながら、画一的に、ピンド層の磁化方向をリセットもしくはより安定化できる、磁気抵抗効果膜を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a magnetoresistive film that can uniformly reset the magnetization direction of the pinned layer or stabilize the pinned layer even though it has a synthetic pinned structure. Objective.
上述した課題を解決するため、本発明に係る磁気抵抗効果膜は、磁化方向が自由に動くフリー層と、磁化方向が一方向に固定されているピンド層と、前記フリー層及びピンド層の間に配置された非磁性層とを備え、前記ピンド層は、相互に膜厚の異なる二つの強磁性膜を少なくとも有し、相対的に膜厚の厚い強磁性膜の磁歪定数が、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数よりも大きい、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a magnetoresistive film according to the present invention includes a free layer in which the magnetization direction freely moves, a pinned layer in which the magnetization direction is fixed in one direction, and between the free layer and the pinned layer. The pinned layer has at least two ferromagnetic films having different thicknesses, and the magnetostriction constant of the relatively thick ferromagnetic film has a thickness of It is characterized by being larger than the magnetostriction constant of the thin ferromagnetic film.
同課題を解決するための本発明に係るピンド層の磁化制御方法は、フリー層と、非磁性層と、相互に膜厚の異なる二つの強磁性膜を少なくとも有するピンド層とを備えた磁気抵抗効果膜において、前記二つの強磁性膜のうち、相対的に膜厚が厚い強磁性膜の磁歪定数が、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数よりも大きくなるよう、前記ピンド層を設け、前記ピンド層に、磁化リセット方向又は磁化維持方向の制御磁界を与える、ことを特徴とする。 In order to solve the same problem, a pinned layer magnetization control method according to the present invention includes a free layer, a nonmagnetic layer, and a magnetoresistor having at least two ferromagnetic films having different thicknesses from each other. In the effect film, the pinned layer is provided so that the magnetostriction constant of the relatively thick ferromagnetic film of the two ferromagnetic films is larger than the magnetostriction constant of the thin ferromagnetic film, A control magnetic field in a magnetization reset direction or a magnetization maintenance direction is applied to the pinned layer.
上述した本発明の磁気抵抗効果膜、及び、ピンド層の磁化制御方法によれば、何らかのストレスによって磁化方向が本来の方向に対して反転してしまったとしても、磁化リセット方向の適切な大きさの制御磁界をかけることによってシンセティックピンド構造でありながら本来の反平行な状態に画一的にリセットすることができる。 According to the above-described magnetoresistive effect film and pinned layer magnetization control method of the present invention, even if the magnetization direction is reversed with respect to the original direction due to some stress, an appropriate magnitude of the magnetization reset direction is obtained. By applying the control magnetic field, it is possible to uniformly reset to the original antiparallel state while having a synthetic pinned structure.
さらに、本来の磁化方向が反転していない場合には、磁化維持方向の適切な大きさの制御磁界をかけ、磁化方向を安定化させて維持することもできる。 Furthermore, when the original magnetization direction is not reversed, a control magnetic field having an appropriate magnitude in the magnetization maintaining direction can be applied to stabilize and maintain the magnetization direction.
なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。 The other features of the present invention and the operational effects thereof will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
以下、この発明に係る磁気抵抗効果膜を、ハードディスクの薄膜磁気ヘッドの読み取り素子の構成に適用した実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。 Hereinafter, an embodiment in which a magnetoresistive film according to the present invention is applied to the configuration of a reading element of a thin film magnetic head of a hard disk will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
図１に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果膜を有する読み取り素子の構成を概略的に示す。読み取り素子１は、磁気抵抗効果膜３と、一対の磁区制御膜５、７と、一対の電極膜９、１１とを備えている。なお、保護膜や下地膜などは図示省略する。 FIG. 1 schematically shows a configuration of a reading element having a magnetoresistive film according to the present embodiment. The reading element 1 includes a magnetoresistive effect film 3, a pair of magnetic domain control films 5 and 7, and a pair of electrode films 9 and 11. The protective film and the base film are not shown in the figure.
一対の磁区制御膜５、７は、磁気抵抗効果膜３の両側に設けられている。本実施の形態では、磁区制御膜５、７として硬磁性膜を用いており、具体的にはＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ等を用いることができる。なお、これに限定されず、磁区制御膜としては、反強磁性膜、あるいは、軟磁性膜及び反強磁性膜の積層膜、を用いることもできる。一対の電極膜９、１１は、一対の磁区制御膜５、７の上面に積層されており、磁気抵抗効果膜３にセンス電流を供給するために用いられる。 The pair of magnetic domain control films 5 and 7 are provided on both sides of the magnetoresistive effect film 3. In this embodiment, hard magnetic films are used as the magnetic domain control films 5 and 7, and specifically, CoPt, CoPtCr, or the like can be used. However, the present invention is not limited to this, and as the magnetic domain control film, an antiferromagnetic film or a laminated film of a soft magnetic film and an antiferromagnetic film can also be used. The pair of electrode films 9 and 11 are stacked on the upper surfaces of the pair of magnetic domain control films 5 and 7 and are used to supply a sense current to the magnetoresistive effect film 3.
磁気抵抗効果膜３は、外部から印加される磁界に応答する膜であり、本実施の形態では、シンセティックピンド構造（積層フェリ構造）のシングルスピンバルブとして構成されている。磁気抵抗効果膜３は、基本的な層として、反強磁性層１３、ピンド層１５、非磁性層１７、フリー層１９を備えている。 The magnetoresistive film 3 is a film that responds to a magnetic field applied from the outside, and is configured as a single spin valve having a synthetic pinned structure (laminated ferrimagnetic structure) in the present embodiment. The magnetoresistive film 3 includes an antiferromagnetic layer 13, a pinned layer 15, a nonmagnetic layer 17, and a free layer 19 as basic layers.
図１に示されるように、ピンド層１５とフリー層１９との間に非磁性層１７が介在されており、また、ピンド層１５における非磁性層１７との逆側に、反強磁性層１３が設けられている。ピンド層１５は、少なくとも三層構造、すなわち、順に下部強磁性膜２１、非磁性膜２３、上部強磁性膜２５の積層構造を備えている。 As shown in FIG. 1, a nonmagnetic layer 17 is interposed between the pinned layer 15 and the free layer 19, and the antiferromagnetic layer 13 is opposite to the nonmagnetic layer 17 in the pinned layer 15. Is provided. The pinned layer 15 has at least a three-layer structure, that is, a laminated structure of a lower ferromagnetic film 21, a nonmagnetic film 23, and an upper ferromagnetic film 25 in order.
ピンド層１５の磁化方向は、反強磁性層１３との交換結合によって一方向に固定されている。一方、フリー層１９の磁化方向は、外部から印加される磁界に応答して自由に動くことができる。磁気抵抗効果膜３においては、ピンド層１５の上部強磁性膜２５の磁化方向と、フリー層１９の磁化方向とが同方向であるときには抵抗値が最小になり、逆方向であるときには抵抗値が最大になる。したがって、この抵抗変化特性を利用して、外部磁界を検出する。 The magnetization direction of the pinned layer 15 is fixed in one direction by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 13. On the other hand, the magnetization direction of the free layer 19 can freely move in response to a magnetic field applied from the outside. In the magnetoresistive effect film 3, the resistance value is minimized when the magnetization direction of the upper ferromagnetic film 25 of the pinned layer 15 and the magnetization direction of the free layer 19 are the same direction, and the resistance value when the magnetization direction is opposite. Become the maximum. Therefore, an external magnetic field is detected using this resistance change characteristic.
図２の（ａ）に示されるように、ピンド層１５において、下部強磁性膜２１の膜厚は、上部強磁性膜２５の膜厚よりも厚く設定されている。また、上部強磁性膜２５の磁化方向Ｍ１と下部強磁性膜２１の磁化方向Ｍ２とは反平行を指向している。 As shown in FIG. 2A, in the pinned layer 15, the film thickness of the lower ferromagnetic film 21 is set larger than the film thickness of the upper ferromagnetic film 25. The magnetization direction M1 of the upper ferromagnetic film 25 and the magnetization direction M2 of the lower ferromagnetic film 21 are antiparallel.
また、強磁性膜の磁歪定数に関しては、相対的に膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数をλ１とし厚い強磁性膜の磁歪定数をλ２とする。よって、図２の（ａ）から分かるように、上部強磁性膜２５及び下部強磁性膜２１の磁歪定数はそれぞれλ１及びλ２となる。 Regarding the magnetostriction constant of the ferromagnetic film, the magnetostriction constant of the relatively thin ferromagnetic film is λ1, and the magnetostriction constant of the thick ferromagnetic film is λ2. Therefore, as can be seen from FIG. 2A, the magnetostriction constants of the upper ferromagnetic film 25 and the lower ferromagnetic film 21 are λ1 and λ2, respectively.
ところで、磁気抵抗効果膜においては、様々なストレス、例えば、スピンバルブヘッドならば研磨加工工程や実使用時におけるＨＤＩ（Head Disk Interface）ダメージ等のストレスによって、ピンド層の磁化方向が反転する不具合が発生し得る。すなわち、本実施の形態の構造ならば、図２の（ｂ）に示されるように、上部強磁性膜２５の磁化方向Ｍ１と下部強磁性膜２１の磁化方向Ｍ２とが、それぞれ図２の（ａ）に示した方向と逆方向を指向する。 By the way, in the magnetoresistive effect film, there is a problem that the magnetization direction of the pinned layer is reversed due to various stresses, for example, stress such as polishing process or HDI (Head Disk Interface) damage in actual use in the case of a spin valve head. Can occur. That is, in the structure of the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the magnetization direction M1 of the upper ferromagnetic film 25 and the magnetization direction M2 of the lower ferromagnetic film 21 are respectively shown in FIG. The direction is opposite to the direction shown in a).
そこで、本出願人は鋭意検討を行った結果、本発明では、次のようにしてかかる不具合を解消及び予防するような構成を採用するに至った。 Therefore, as a result of intensive studies by the present applicant, the present invention has adopted a configuration that eliminates and prevents such problems as follows.
まず、単層構造のピンド層においては、強い磁場をかけると磁化方向はその磁場方向を指向するように変化する。シンセティックピンド構造のピンド層においても、その磁化方向が磁場の影響で変化することは同様であるが、実際に強い磁場を印加すると、上部強磁性膜２５の磁化Ｍ１の方向と下部強磁性膜２１の磁化Ｍ２の方向とが、双方とも、印加磁界と同方向に向い、印加磁界をゼロにした場合、図２の（ａ）に示した反平行関係には復帰しない場合が存在することが分かった。 First, in a pinned layer having a single layer structure, when a strong magnetic field is applied, the magnetization direction changes so as to be directed to the magnetic field direction. Even in a pinned layer having a synthetic pinned structure, the magnetization direction is changed by the influence of a magnetic field. However, when a strong magnetic field is actually applied, the direction of the magnetization M1 of the upper ferromagnetic film 25 and the lower ferromagnetic film 21 are changed. It can be seen that there is a case where the direction of the magnetization M2 is not in the antiparallel relationship shown in FIG. 2A when both directions are in the same direction as the applied magnetic field and the applied magnetic field is zero. It was.
そこで、本出願人は、シンセティックピンド構造のピンド層のエネルギＥと、層構成と、磁歪と、磁化方向との関係について調べた。エネルギＥは、以下の式、すなわち、
Ｅ＝−Ｍ１・Ｈ・ｃｏｓθ１−Ｍ２・Ｈ・ｃｏｓθ２＋Ｊ・ｃｏｓ（θ１−θ２）
＋Ｋ１・ｓｉｎ2θ１＋Ｋ２・ｓｉｎ2θ２・・・（１）式
で表される。（１）式の第１項及び第２項は、シンセティックピンド構造の強磁性膜の磁気エネルギを示し、第３項は、交換結合エネルギを示し、第４項及び第５項は磁歪エネルギを示している。
Therefore, the present applicant investigated the relationship between the energy E of the pinned layer having the synthetic pinned structure, the layer configuration, the magnetostriction, and the magnetization direction. The energy E is given by the following equation:
E = −M1 · H · cos θ1−M2 · H · cos θ2 + J · cos (θ1−θ2)
+ K1 · sin 2 θ1 + K2 · sin 2 θ2 (1) The first and second terms in the equation (1) indicate the magnetic energy of the ferromagnetic film having the synthetic pinned structure, the third term indicates the exchange coupling energy, and the fourth and fifth terms indicate the magnetostrictive energy. ing.
また、（１）式において、Ｍ１及びＭ２はそれぞれ、上部強磁性膜２５及び下部強磁性膜２１の磁気膜厚Ｍｓｔ（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）を示し、Ｈは印加する制御磁界の強さを示し、Ｊは上部強磁性膜２５及び下部強磁性膜２１の交換結合エネルギを示し、Ｋ１及びＫ２はそれぞれ、上部強磁性膜２５及び下部強磁性膜２１において磁歪による１軸異方性定数を示し、θ１及びθ２はそれぞれ、Ｍ１及びＭ２のＨに対する磁化方向の角度を示している。 In equation (1), M1 and M2 indicate the magnetic film thickness Mst (Ms is saturation magnetization and t is film thickness) of the upper ferromagnetic film 25 and the lower ferromagnetic film 21, respectively, and H is the control magnetic field to be applied. J represents the exchange coupling energy of the upper ferromagnetic film 25 and the lower ferromagnetic film 21, and K1 and K2 are uniaxially anisotropic due to magnetostriction in the upper ferromagnetic film 25 and the lower ferromagnetic film 21, respectively. And θ1 and θ2 indicate the angles of the magnetization directions of M1 and M2 with respect to H, respectively.
（１）式のエネルギＥの値を計算した結果を図３に示す。縦軸及び横軸にはそれぞれ、θ１及びθ２［ｄｅｇ］がとられており、図３は、θ１及びθ２を個別に０〜３６０度まで変化させた結果を、３６０×３６０のマトリックスとして表したものといえる。また、条件としては、Ｍ１＝０．２２５［ｍＡ］、Ｍ２＝０．３［ｍＡ］、Ｊ＝０．８×１０-3［Ｊ／ｍ2］、Ｋ１＝０．０×１０-3［Ｊ／ｍ2］、Ｋ２＝０．２×１０-3［Ｊ／ｍ2］に設定し、Ｈ＝７．９［ｋＡ／ｍ］の制御磁界を印加している。また、下部強磁性膜の磁歪定数λ２の方が上部強磁性膜の磁歪定数λ１よりも大きくなるように構成した。 The result of calculating the value of energy E in equation (1) is shown in FIG. Θ1 and θ2 [deg] are taken on the vertical axis and the horizontal axis, respectively, and FIG. 3 shows the result of changing θ1 and θ2 individually from 0 to 360 degrees as a 360 × 360 matrix. It can be said that. Further, as conditions, M1 = 0.225 [mA], M2 = 0.3 [mA], J = 0.8 × 10 −3 [J / m 2 ], K1 = 0.0 × 10 −3 [ J / m 2 ], K2 = 0.2 × 10 −3 [J / m 2 ], and a control magnetic field of H = 7.9 [kA / m] is applied. Further, the magnetostriction constant λ2 of the lower ferromagnetic film is configured to be larger than the magnetostriction constant λ1 of the upper ferromagnetic film.
図３（同態様の図４〜図１３並びに図１５〜図２４も同様）は、地よりもいったん淡色になり更に中心に向けて濃色に変化する目玉状の濃淡変化部に関して、次のような変化を表現している。周辺の地よりもいったん淡色になっている部分は、周辺の部分よりもエネルギＥの値が負の値に大きくなっており、更に、淡色部分から中心の濃色部分に近づくほどエネルギＥの値が負の値に大きくなっている。すなわち、地の部分に対して濃淡が変化している部分は、目玉状の中心に行くほど（濃色が強まるほど）エネルギＥの値が負の値に大きくなっていることを表している。また、シンセティックピンド構造のピンド層における磁化Ｍ１及びＭ２の方向は、エネルギＥが負の値に大きくなっている領域ほど、その状態で安定しやすい。 FIG. 3 (same as FIGS. 4 to 13 and FIGS. 15 to 24 of the same embodiment) is as follows regarding the eyeball-shaped light / dark change portion that once becomes lighter than the ground and further changes to dark toward the center. Expresses change. In the portion that is lighter than the surrounding ground, the value of energy E is larger in the negative value than the surrounding portion, and further, the value of energy E becomes closer to the dark portion in the center from the light colored portion. Has increased to a negative value. That is, the portion where the light and shade changes with respect to the ground portion indicates that the value of the energy E increases to a negative value as it goes to the center of the eyeball (the darker the color becomes stronger). In addition, the directions of the magnetizations M1 and M2 in the pinned layer having the synthetic pinned structure are more stable in a state where the energy E is a negative value.
よって、図３に示されるように、磁化方向が安定しやすいポイントは二つあり、一つはθ１＝１８０度、θ２＝０度のポイントであり、もう一つはθ１＝０度、θ２＝１８０度のポイントである。前者は、図２の（ａ）に示す状態であり、後者は、図２の（ｂ）に示す状態である。また、これより、シンセティックピンド構造のピンド層においては、本来、図２の（ａ）に示す状態であった磁化方向が、ひとたび図２の（ｂ）に示すように反転してしまうと、その反転した状態は、磁化が安定しやすく、図２の（ａ）に示す本来の磁化方向にはリセットされにくいことが分かる。 Therefore, as shown in FIG. 3, there are two points where the magnetization direction is easy to stabilize, one is the point of θ1 = 180 degrees and θ2 = 0 degrees, the other is θ1 = 0 degrees, θ2 = The point is 180 degrees. The former is the state shown in FIG. 2A, and the latter is the state shown in FIG. Further, from this, in the pinned layer having the synthetic pinned structure, when the magnetization direction originally in the state shown in FIG. 2A is reversed as shown in FIG. In the reversed state, it can be seen that the magnetization is easily stabilized and is not easily reset to the original magnetization direction shown in FIG.
次に、図３の条件から制御磁界だけを順次増加させ、Ｈ＝４０、７９、１１９、１５８、１９８、２３７、３１６、３９５、４７４、５５３［ｋＡ／ｍ］としたときの結果をそれぞれ図４〜図１３に示す。これらの結果をみると、本来の磁化方向から反転した図２の（ｂ）の磁化状態（すなわちθ１＝０度、θ２＝１８０度）は、図３では十分、エネルギＥが負の値として大きな値であり、安定しているといえるが、図４、図５、図６と制御磁界が増加するにつれて、エネルギＥは徐々に負の値として小さくなっていき、図７に至っては、他のθ１、θ２の磁化状態と同様なエネルギＥの状態となる。 Next, when only the control magnetic field is sequentially increased from the conditions of FIG. 3 and H = 40, 79, 119, 158, 198, 237, 316, 395, 474, 553 [kA / m], the results are shown in the figure. 4 to 13. From these results, the magnetization state of FIG. 2B reversed from the original magnetization direction (that is, θ1 = 0 degree, θ2 = 180 degree) is sufficient in FIG. Although it is a value and can be said to be stable, the energy E gradually decreases as a negative value as the control magnetic field increases as shown in FIGS. 4, 5, and 6. The state of energy E is the same as the magnetization state of θ1 and θ2.
これは、図２の（ｂ）の磁化状態（すなわちθ１＝０度、θ２＝１８０度）は、もはや磁化方向が容易に変化しやすい状態にあるといえ、最終的には、エネルギＥが負の値として大きなθ１＝１８０度、θ２＝０度で示される磁化状態に遷移し、その状態に落ち着く。すなわち、これは、図６から図７に至る過程で、磁化状態が図２の（ｂ）の状態から図２の（ａ）の状態に変化したことを意味し、ピンド層においては、反転していた磁化状態が本来の磁化状態へとリセットされたことを意味する。 This is because the magnetization state in FIG. 2B (that is, θ1 = 0 degree, θ2 = 180 degree) is already in a state in which the magnetization direction is easily changed. Transition to a magnetized state represented by θ1 = 180 degrees and θ2 = 0 degrees as the values of, and settles in that state. That is, this means that in the process from FIG. 6 to FIG. 7, the magnetization state has changed from the state of FIG. 2 (b) to the state of FIG. 2 (a). It means that the magnetized state that has been reset to the original magnetized state.
さらに、図８〜図１３に示されるようにその後の経過をみると、制御磁界を増加させるにつれて、エネルギＥが負の値として大きなポイントは、θ１＝０度、θ２＝０度の位置へと徐々に移っていき、図１３の状態でθ１＝０度、θ２＝０度の位置に達する。これは、ある程度強い磁場をかけると、上部強磁性膜２５の磁化Ｍ１の方向と下部強磁性膜２１の磁化Ｍ２の方向とが、双方とも、制御磁界Ｈと同方向に揃うことを示している。以上より、図７の状態で制御磁界をゼロにすることで、反転していた磁化状態を本来の磁化状態にリセットすることが可能となる。 Further, as shown in FIGS. 8 to 13, when the control magnetic field is increased as shown in FIGS. 8 to 13, the point where the energy E is a negative value increases to the position of θ1 = 0 degrees and θ2 = 0 degrees. Gradually, the position reaches θ1 = 0 ° and θ2 = 0 ° in the state of FIG. This indicates that the direction of the magnetization M1 of the upper ferromagnetic film 25 and the direction of the magnetization M2 of the lower ferromagnetic film 21 are both aligned in the same direction as the control magnetic field H when a strong magnetic field is applied. . As described above, by setting the control magnetic field to zero in the state of FIG. 7, the reversed magnetization state can be reset to the original magnetization state.
続いて、図１４に比較例を示す。比較例のシンセティックピンド構造のピンド層においては、下部強磁性膜の膜厚は、上部強磁性膜の膜厚よりも厚く設定されており、本実施の形態である図２とは逆に、上部強磁性膜の磁歪定数λ１の方が下部強磁性膜の磁歪定数λ２よりも大きくなるように構成されている。そして、本実施の形態と同様に、本来、図１４の（ａ）に示す状態であった磁化方向が図１４の（ｂ）に示すように反転してしまった場合に、制御磁界を作用させることで図１４の（ａ）に示す状態にリセットできるかを調べた。（１）式に用いる計算条件は、Ｋ１＝２．０×１０-3［Ｊ／ｍ2］、Ｋ２＝０．０×１０-3［Ｊ／ｍ2］としたこと以外は、前記の実施の形態の場合と同様である。その結果を、図１５〜図２４に示す。 Next, a comparative example is shown in FIG. In the pinned layer of the synthetic pinned structure of the comparative example, the film thickness of the lower ferromagnetic film is set to be thicker than the film thickness of the upper ferromagnetic film. The magnetostriction constant λ1 of the ferromagnetic film is configured to be larger than the magnetostriction constant λ2 of the lower ferromagnetic film. Then, as in the present embodiment, when the magnetization direction that was originally in the state shown in FIG. 14A is reversed as shown in FIG. 14B, a control magnetic field is applied. Thus, it was investigated whether or not the state shown in FIG. The calculation conditions used in the equation (1) are the same as those described above except that K1 = 2.0 × 10 −3 [J / m 2 ] and K2 = 0.0 × 10 −3 [J / m 2 ]. This is the same as the case of the form. The results are shown in FIGS.
まず、図１５に示されるように、磁化方向が安定しやすいポイントは図３と同様に二つあり、一つはθ１＝１８０度、θ２＝０度のポイントであり、もう一つはθ１＝０度、θ２＝１８０度のポイントである。前者は、図１４の（ａ）に示す状態であり、後者は、図１４の（ｂ）に示す状態である。これより、本実施の形態と同様、本来、図１４の（ａ）に示す状態であった磁化方向が、ひとたび図１４の（ｂ）に示すように反転してしまうと、その反転した状態は、磁化が安定しやすく、図１４の（ａ）に示す本来の磁化方向にはリセットされにくいことが分かる。 First, as shown in FIG. 15, there are two points where the magnetization direction is easy to be stabilized as in FIG. 3, one is θ1 = 180 degrees and θ2 = 0 degrees, and the other is θ1 = The point is 0 degree and θ2 = 180 degrees. The former is the state shown in FIG. 14 (a), and the latter is the state shown in FIG. 14 (b). Thus, as in the present embodiment, once the magnetization direction that was originally in the state shown in FIG. 14A is reversed as shown in FIG. 14B, the inverted state is It can be seen that the magnetization is easily stabilized and is not easily reset to the original magnetization direction shown in FIG.
次に、図１５の条件から制御磁界だけを順次増加させ、Ｈ＝４０、７９、１１９、１５８、１９８、２３７、３１６、３９５、４７４［ｋＡ／ｍ］としたときの結果をそれぞれ図１６〜図２４に示す。 Next, only the control magnetic field is sequentially increased from the conditions of FIG. 15, and the results when H = 40, 79, 119, 158, 198, 237, 316, 395, 474 [kA / m] are obtained, respectively. It shows in FIG.
これらの結果をみると、図１７から図１８にかけて、θ１＝０度、θ２＝１８０度のポイントにおけるエネルギＥは、徐々に負の値として小さくなっていき、磁化方向が変化しやすい状態に遷移していることは見受けられる。 Looking at these results, from FIG. 17 to FIG. 18, the energy E at the point of θ1 = 0 ° and θ2 = 180 ° gradually decreases as a negative value and transitions to a state in which the magnetization direction is likely to change. You can see that
しかし、本実施の形態（λ２＞λ１）では磁化が反転した制御磁界Ｈ＝１５８［ｋＡ／ｍ］においても、図１９に示されるように、θ１＝２９０〜３００度、θ２＝６０〜７０度のポイントに、周囲よりもエネルギＥが負の値として比較的大きな箇所がある。このため、磁化Ｍ１及びＭ２の方向は、図１４の（ａ）を示すθ１＝１８０度、θ２＝０度まで反転せず、θ１＝２９０〜３００度、θ２＝６０〜７０度の方向に落ち着くことになる。 However, in the present embodiment (λ2> λ1), even in the control magnetic field H = 158 [kA / m] in which the magnetization is reversed, as shown in FIG. 19, θ1 = 290 to 300 degrees and θ2 = 60 to 70 degrees. There is a point where the energy E is relatively larger than the surroundings as a negative value. Therefore, the directions of the magnetizations M1 and M2 are not reversed until θ1 = 180 degrees and θ2 = 0 degrees shown in FIG. 14A, but settle in the directions of θ1 = 290 to 300 degrees and θ2 = 60 to 70 degrees. It will be.
さらに、その後の経過をみると、図２０〜図２２に示されるように、エネルギＥが負の値として大きな値のポイントが図１４の（ａ）を示すθ１＝１８０度、θ２＝０度のポイントに集中していく傾向にはない。 Further, as shown in FIGS. 20 to 22, the points where the energy E is a negative value and a large value are θ1 = 180 degrees and θ2 = 0 degrees shown in FIG. There is no tendency to concentrate on points.
さらに、その後の経過を含む、図２０〜図２４までの経過を総合すると、エネルギＥが負の値として大きなポイントは、θ１＝０度、θ２＝０度の位置へと徐々に移っていくことが分かり、図２４の状態でθ１＝０度、θ２＝０度の位置に達する。 Furthermore, when the processes from FIG. 20 to FIG. 24 including the subsequent processes are combined, the point where the energy E is a negative value gradually shifts to the positions of θ1 = 0 degrees and θ2 = 0 degrees. Thus, in the state of FIG. 24, the positions θ1 = 0 degrees and θ2 = 0 degrees are reached.
本実施の形態（λ２＞λ１）の図３〜図１３の結果でも述べたように、ある程度強い磁場をかけ、上部強磁性膜の磁化Ｍ１の方向と下部強磁性膜の磁化Ｍ２の方向とが、双方とも制御磁界Ｈと同方向に揃った状態に帰結したことを示している。 As described in the results of FIGS. 3 to 13 of the present embodiment (λ2> λ1), a strong magnetic field is applied to some extent, and the direction of the magnetization M1 of the upper ferromagnetic film and the direction of the magnetization M2 of the lower ferromagnetic film are Both show the result of being aligned in the same direction as the control magnetic field H.
したがって、比較例（λ２＜λ１）では、制御磁場をかけても、図１４の（ｂ）に示すように反転した磁化方向は、図１４の（ａ）に示す本来の磁化方向にはリセットされることなく、双方とも制御磁界Ｈと同方向に揃った状態に至ることが分かる。 Therefore, in the comparative example (λ2 <λ1), even when the control magnetic field is applied, the reversed magnetization direction as shown in FIG. 14B is reset to the original magnetization direction shown in FIG. It can be seen that both of them are aligned in the same direction as the control magnetic field H.
以上のように、図３〜図１３に示したλ２＞λ１の条件では、ピンド層に適切な制御磁界を付与することで磁化Ｍ１及びＭ２の方向を、反転していた状態から本来の反平行な状態へとリセットすることができるが、図１５〜図２４に示したλ２＜λ１の条件では、ピンド層にいかなる制御磁界を付与しても磁化Ｍ１及びＭ２の方向は、本来の反平行な状態にはリセットされず、双方とも制御磁界と同方向に揃ってしまう。従って、比較例においては、制御磁界をゼロにしても本来の磁化状態にリセットすることはできない。 As described above, under the condition of λ2> λ1 shown in FIG. 3 to FIG. However, under the condition of λ2 <λ1 shown in FIGS. 15 to 24, the directions of the magnetizations M1 and M2 are essentially antiparallel regardless of the control magnetic field applied to the pinned layer. They are not reset to the state, and both are aligned in the same direction as the control magnetic field. Therefore, in the comparative example, even if the control magnetic field is zero, it cannot be reset to the original magnetization state.
このため、本実施の形態では、相対的に膜厚の厚い下部強磁性膜２１の磁歪定数λ２は、膜厚の薄い上部強磁性膜２５の磁歪定数λ１よりも大きくなる関係に設定してある。よって、本実施の形態では、ピンド層１５において、何らかのストレスによって磁化Ｍ１及びＭ２の方向が本来の方向に対して反転してしまったとしても、磁化リセット方向の適切な大きさの制御磁界をかけることによってシンセティックピンド構造でありながら本来の反平行な状態に画一的にリセットすることができる。 Therefore, in the present embodiment, the magnetostriction constant λ2 of the relatively thick lower ferromagnetic film 21 is set to be larger than the magnetostriction constant λ1 of the thin upper ferromagnetic film 25. . Therefore, in the present embodiment, even if the direction of the magnetizations M1 and M2 is reversed with respect to the original direction due to some stress in the pinned layer 15, a control magnetic field having an appropriate magnitude in the magnetization reset direction is applied. This makes it possible to uniformly reset to the original antiparallel state while having a synthetic pinned structure.
なお、磁歪λ１及びλ２はピンド層を構成する層の組成で制御することができ、また、適切な制御磁界Ｈの値は磁歪λ１及びλ２に起因して得られるため、それらの条件は実験などによって適宜、設定することができる。また、ピンド層１５に制御磁界Ｈを付与する態様としては、制御磁界を付与する専用の手段を用意することも可能であるが、電極膜９、１１を介して付与する電流で磁界を発生させ、その磁界を制御磁界として機能させると好適である。 The magnetostriction λ1 and λ2 can be controlled by the composition of the layers constituting the pinned layer, and the appropriate control magnetic field H value is obtained due to the magnetostriction λ1 and λ2. Can be set as appropriate. Moreover, as a mode for applying the control magnetic field H to the pinned layer 15, it is possible to prepare a dedicated means for applying the control magnetic field, but the magnetic field is generated by the current applied through the electrode films 9 and 11. The magnetic field preferably functions as a control magnetic field.
さらに、本出願人は、上述した図３〜図１３（本実施の形態）及び図１５〜図２４（比較例）の結果を確認すべく、本実施の形態及び比較例を具現化した実物サンプルを用いて、実際に反転した磁化方向を本来の状態にリセットできるか否かを試験した。 Further, the applicant of the present invention has realized a real sample in which the present embodiment and the comparative example are embodied in order to confirm the results of FIGS. 3 to 13 (the present embodiment) and FIGS. 15 to 24 (the comparative example). Was used to test whether the actually reversed magnetization direction could be reset to the original state.
まず、試験に供するスピンバルブは、基本的構成として、下から順に、ＮｉＣｒ（５０Å）からなる下地層、ＩｒＭｎ（７０Å）からなる反強磁性層、シンセティックピンド層、Ｃｕ（１９Å）からなる非磁性層、ＣｏＦｅ（１０Å）及びＮｉＦｅ（２０Å）からなるフリー層、Ｒｕ（５Å）からなる層、Ｔａ（２０Å）からなる保護層を備える。シンセティックピンド層は、ＣｏＦｅ（１８Å）からなる上部強磁性膜と、Ｒｕ（８Å）からなる非磁性膜と、ＣｏＦｅ（１５Å）からなる下部強磁性膜とを有する。なお、各組成のカッコ内の値はそれぞれの厚みを示す。 First, the spin valve used for the test has, as a basic structure, in order from the bottom, an underlayer made of NiCr (50Å), an antiferromagnetic layer made of IrMn (70Å), a synthetic pinned layer, and a nonmagnetic material made of Cu (19Å). A free layer made of CoFe (10Å) and NiFe (20Å), a layer made of Ru (5Å), and a protective layer made of Ta (20Å). The synthetic pinned layer has an upper ferromagnetic film made of CoFe (18Å), a nonmagnetic film made of Ru (8Å), and a lower ferromagnetic film made of CoFe (15Å). In addition, the value in the parenthesis of each composition shows each thickness.
また、本実施の形態に対応するサンプルのシンセティックピンド層は、膜厚の厚い強磁性膜の磁歪定数λ２が、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数λ１よりも大きくなるように構成する必要があり、そのために、上部強磁性膜におけるＣｏとＦｅとの組成比は９０：１０に設定し、下部強磁性膜におけるＣｏとＦｅとの組成比は８３：１７に設定した。これによって、下部強磁性膜の磁歪定数λ１は１．１×１０-6であり、上部強磁性膜の磁歪定数λ２は３．０×１０-6であって、すなわち、λ２＞λ１である。 Further, the synthetic pinned layer of the sample corresponding to this embodiment needs to be configured such that the magnetostriction constant λ2 of the thick ferromagnetic film is larger than the magnetostriction constant λ1 of the thin ferromagnetic film. Therefore, the composition ratio of Co and Fe in the upper ferromagnetic film was set to 90:10, and the composition ratio of Co and Fe in the lower ferromagnetic film was set to 83:17. Thus, the magnetostriction constant λ1 of the lower ferromagnetic film is 1.1 × 10 −6 , and the magnetostriction constant λ2 of the upper ferromagnetic film is 3.0 × 10 −6 , that is, λ2> λ1.
一方、比較例に対応するサンプルのシンセティックピンド層は、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数λ１が、膜厚の厚い強磁性膜の磁歪定数λ２よりも大きくなるように構成する必要があり、そのために、上部強磁性膜におけるＣｏとＦｅとの組成比は９０：１０に設定し、下部強磁性膜におけるＣｏとＦｅとの組成比は７０：３０に設定した。これによって、下部強磁性膜の磁歪定数λ１は１９．５×１０-6であり、上部強磁性膜の磁歪定数λ２は３．０×１０-6であって、すなわち、λ１＞λ２である。 On the other hand, the synthetic pinned layer of the sample corresponding to the comparative example needs to be configured such that the magnetostriction constant λ1 of the thin ferromagnetic film is larger than the magnetostriction constant λ2 of the thick ferromagnetic film, Therefore, the composition ratio of Co and Fe in the upper ferromagnetic film was set to 90:10, and the composition ratio of Co and Fe in the lower ferromagnetic film was set to 70:30. Thus, the magnetostriction constant λ1 of the lower ferromagnetic film is 19.5 × 10 −6 , and the magnetostriction constant λ2 of the upper ferromagnetic film is 3.0 × 10 −6 , that is, λ1> λ2.
上記のように構成された本実施の形態及び比較例に対応するサンプルにつき、１５０ｎｓのパルス電流を与えることで制御磁界（膜厚の厚い強磁性膜の磁化方向と反平行な方向）を印加し、シンセティックピンド層における二つの強磁性膜の磁化方向が本来の反平行な方向に反転するか否かを調べた。本実施の形態及び比較例の対応サンプルをそれぞれ６つずつ用意して行った。その結果を図２５及び図２６に示す。 A control magnetic field (a direction parallel to the magnetization direction of the thick ferromagnetic film) is applied to the sample corresponding to the present embodiment and the comparative example configured as described above by applying a pulse current of 150 ns. Then, it was investigated whether the magnetization directions of the two ferromagnetic films in the synthetic pinned layer were reversed to the original antiparallel direction. Six corresponding samples of this embodiment and comparative examples were prepared and performed. The results are shown in FIGS.
図２５は、本実施の形態に対応するサンプルに関する結果である。６つのサンプルに対応する６つのグラフのそれぞれの左側の縦軸は素子の抵抗値［Ω］、右側の縦軸は出力値［Ｖ］である。横軸は付与したパルス電流のピーク電流［ｍＡ］を示している。円形プロットは左側縦軸で読み取られる抵抗値であり、四角形プロットは右側縦軸で読み取られる出力値である。 FIG. 25 shows the results regarding the sample corresponding to the present embodiment. In each of the six graphs corresponding to the six samples, the left vertical axis represents the resistance value [Ω] of the element, and the right vertical axis represents the output value [V]. The horizontal axis represents the peak current [mA] of the applied pulse current. The circular plot is the resistance value read on the left vertical axis, and the square plot is the output value read on the right vertical axis.
円形プロットの抵抗値は、急激に増加しているところで実質的に素子破壊が生じていることを示している。したがって、素子破壊が生じる前にシンセティックピンド層の二つの強磁性膜の磁化方向が反転する必要がある。また、二つの強磁性膜の磁化方向が反転したか否かは、四角形プロットの出力値から検知することができる。すなわち、出力値が正の値から負の値へ移行したことをもって二つの強磁性膜の磁化方向が反転したことを知ることができる。そして、図２５の結果をみると、本実施の形態に対応するサンプルにおいては、６つのサンプルはすべて出力値が正から負の値へきれいに移行しており、所定の制御磁界によって、強磁性膜の磁化方向が反転していることが分かる。よって、本実施の形態によれば、磁界によって二つの強磁性膜の磁化方向を制御できることが分かる。 The resistance value of the circular plot shows that the element is substantially destroyed at the point where it rapidly increases. Therefore, it is necessary to reverse the magnetization directions of the two ferromagnetic films of the synthetic pinned layer before element breakdown occurs. Whether the magnetization directions of the two ferromagnetic films are reversed can be detected from the output value of the square plot. That is, it can be known that the magnetization directions of the two ferromagnetic films are reversed when the output value shifts from a positive value to a negative value. As seen from the results of FIG. 25, in the samples corresponding to the present embodiment, the output values of all six samples are clearly shifted from positive to negative values, and the ferromagnetic film is generated by a predetermined control magnetic field. It can be seen that the magnetization direction of is reversed. Therefore, according to the present embodiment, it can be seen that the magnetization directions of the two ferromagnetic films can be controlled by the magnetic field.
これに対して、図２６に示された比較例に対応するサンプルでは、幾つかのグラフでは出力値が正から負の値へきれいに移行しているものもあるが、他のグラフでは出力値が正から負の値に移行していないものや、正の値と負の値との間で反転を繰り返し安定しないものもある。したがって、比較例のようにλ１＞λ２であるシンセティックピンド構造では、磁界をかけても二つの強磁性膜の磁化方向を制御することが不可能であることが分かる。 On the other hand, in the samples corresponding to the comparative example shown in FIG. 26, there are some graphs in which the output value clearly shifts from a positive value to a negative value, but in other graphs the output value is Some have not shifted from a positive value to a negative value, and others are not stable due to repeated inversions between a positive value and a negative value. Therefore, it can be seen that in the synthetic pinned structure in which λ1> λ2 as in the comparative example, it is impossible to control the magnetization directions of the two ferromagnetic films even when a magnetic field is applied.
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。 Although the contents of the present invention have been specifically described with reference to the preferred embodiments, various modifications can be made by those skilled in the art based on the basic technical idea and teachings of the present invention. It is self-explanatory.
本発明は、実施の形態として説明したシングルスピンバルブに限らず、デュアルスピンバルブやセルフピン型スピンバルブに実施することも可能である。 The present invention is not limited to the single spin valve described as the embodiment, but can be implemented in a dual spin valve or a self-pin type spin valve.
また、上記実施の形態では、シンセティックピンド構造のピンド層の磁化方向のリセットとしての態様で説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、反転していない本来の磁化方向を何らかのストレスが作用しても反転しないよう、磁化維持方向の適切な大きさの制御磁界をかけ、磁化方向を安定化させて維持する態様として実施することも可能である。 In the above embodiment, the description has been given of the mode of resetting the magnetization direction of the pinned layer having the synthetic pinned structure. However, the present invention is not limited to this. For example, some stress acts on the original magnetization direction that is not reversed. However, it is also possible to implement a mode in which a control magnetic field having an appropriate magnetization maintaining direction is applied and the magnetization direction is stabilized and maintained so as not to reverse.
３ 磁気抵抗効果膜
１５ ピンド層
１７ 非磁性層
１９ フリー層
２１、２５ 強磁性膜
λ１、λ２ 磁歪定数
Ｈ 制御磁界
3 magnetoresistive effect film 15 pinned layer 17 nonmagnetic layer 19 free layer 21, 25 ferromagnetic film λ1, λ2 magnetostriction constant H control magnetic field
Claims (2)
磁化方向が一方向に固定されているピンド層と、
前記フリー層及びピンド層の間に配置された非磁性層とを備え、
前記ピンド層は、相互に膜厚の異なる二つの強磁性膜を少なくとも有し、
相対的に膜厚の厚い強磁性膜の磁歪定数が、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数よりも大きい、
ことを特徴とする磁気抵抗効果膜。 A free layer whose magnetization direction moves freely,
A pinned layer whose magnetization direction is fixed in one direction;
A nonmagnetic layer disposed between the free layer and the pinned layer,
The pinned layer has at least two ferromagnetic films having different thicknesses from each other,
The magnetostriction constant of the relatively thick ferromagnetic film is larger than the magnetostriction constant of the thin ferromagnetic film,
A magnetoresistive film characterized by the above.
前記二つの強磁性膜のうち、相対的に膜厚が厚い強磁性膜の磁歪定数が、膜厚の薄い強磁性膜の磁歪定数よりも大きくなるよう、前記ピンド層を設け、
前記ピンド層に、磁化リセット方向又は磁化維持方向の制御磁界を与える、
ことを特徴とする、ピンド層の磁化制御方法。 A method for controlling magnetization of a pinned layer in a magnetoresistive film comprising a free layer, a nonmagnetic layer, and a pinned layer having at least two ferromagnetic films having different thicknesses from each other,
Among the two ferromagnetic films, the pinned layer is provided so that the magnetostriction constant of the relatively thick ferromagnetic film is larger than the magnetostriction constant of the thin ferromagnetic film,
A control magnetic field in a magnetization reset direction or a magnetization maintenance direction is applied to the pinned layer.
A method for controlling magnetization of a pinned layer.
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