JP2008293581A - Magnetism detecting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に、TMR素子やCPP−GMR素子におけるハードバイアス層と絶縁層間の最適な下地構成に関する。 The present invention particularly relates to an optimum base configuration between a hard bias layer and an insulating layer in a TMR element or a CPP-GMR element.
例えば下記の特許文献1には、CPP−GMR素子において、素子部のトラック幅方向の両側に絶縁層とハードバイアス層とが積層された膜構成が開示されている。
For example,
CPP−GMR素子では、電流が素子部を構成する各層の膜面に対して垂直方向に流され、電流が前記素子部の両側に分流するのを抑制すべく、前記素子部の両側にはAl2O3等による絶縁層が設けられている。 In the CPP-GMR element, current is applied in a direction perpendicular to the film surface of each layer constituting the element part, and Al is provided on both sides of the element part in order to prevent the current from being diverted to both sides of the element part. An insulating layer made of 2 O 3 or the like is provided.
前記絶縁層上に設けられるハードバイアス層は、前記素子部内に設けられるフリー磁性層に対してバイアス磁界を供給するためのものである。
前記ハードバイアス層の下には前記ハードバイアス層の結晶配向性を整えて、例えば、前記ハードバイアス層の保磁力Hcや角形比Sを向上させるための下地層が設けられる。従来では前記下地層には、例えばCr−Tiが用いられる。 Under the hard bias layer, a base layer for adjusting the crystal orientation of the hard bias layer and improving the coercive force Hc and the squareness ratio S of the hard bias layer, for example, is provided. Conventionally, for example, Cr—Ti is used for the underlayer.
しかしながら後述する実験によれば、下から絶縁層:Al2O3/Cr−Ti/ハードバイアス層の順に積層された構成では、ポップコーンノイズ発生率が高く、再生特性が不安定化するとともに、SN比も低下し高記録密度化を図ることが困難であった。 However, according to the experiment described later, in the configuration in which the insulating layer: Al 2 O 3 / Cr—Ti / hard bias layer is stacked in this order from the bottom, the popcorn noise generation rate is high, the reproduction characteristics become unstable, and the SN The ratio also decreased, and it was difficult to increase the recording density.
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、絶縁層とハードバイアス層間の下地構成を改良して、再生特性の安定化を図るとともに、高記録密度化に適した磁気検出素子を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention is for solving the above-described conventional problems, and in particular, by improving the base configuration between the insulating layer and the hard bias layer, it is possible to stabilize the reproduction characteristics and is suitable for increasing the recording density. An object of the present invention is to provide a magnetic detection element.
本発明は、少なくとも膜厚方向に固定磁性層、フリー磁性層及び前記固定磁性層と前記フリー磁性層の間に位置する非磁性材料層が積層されて磁気抵抗効果を発揮する素子部と、前記素子部のトラック幅方向の両側に位置して前記フリー磁性層にバイアス磁界を供給するためのハードバイアス層とを有し、電流が前記素子部を構成する各層の膜面に対して垂直方向から流される磁気検出素子において、
前記素子部のトラック幅方向の側端面上から、前記側端面の両側に広がる平坦面上にかけてAl2O3より成る絶縁層が形成され、前記絶縁層上に、下から、Ta下地層、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成された配向制御層、前記ハードバイアス層、及び保護層が順に積層されていることを特徴とするものである。
The present invention provides a magnetoresistive effect by laminating a pinned magnetic layer, a free magnetic layer, and a nonmagnetic material layer positioned between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer at least in the film thickness direction, A hard bias layer for supplying a bias magnetic field to the free magnetic layer located on both sides of the element portion in the track width direction, and a current is perpendicular to the film surface of each layer constituting the element portion. In the magnetic detection element to be flown,
An insulating layer made of Al 2 O 3 is formed from the side end surface in the track width direction of the element portion to a flat surface extending on both sides of the side end surface, and a Ta underlayer, Cr is formed on the insulating layer from below. An orientation control layer formed of 100-X Ti X (Ti composition ratio X is 0 at% or more and 13 at% or less), the hard bias layer, and the protective layer are sequentially laminated. .
本発明では、前記絶縁層と配向制御層との間にTa下地層を介在させるとともに、配向制御層を構成するCr−TiのTi組成比Xを適正化した。これによって、後述する実験に示すように、従来に比べて、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、再生特性の安定化を図ることができるともに、SN比を向上でき高記録密度化に適した磁気検出素子の構造とすることができる。 In the present invention, a Ta underlayer is interposed between the insulating layer and the orientation control layer, and the Ti composition ratio X of Cr—Ti constituting the orientation control layer is optimized. As a result, as shown in an experiment to be described later, the incidence of popcorn noise can be reduced and the reproduction characteristics can be stabilized as compared with the prior art, and the SN ratio can be improved and the magnetic detection suitable for higher recording density can be achieved. An element structure can be adopted.
また本発明では、Ti組成比Xは、5at%以上で12at%以下であることが、より適切にポップコーンノイズ発生率を低減でき好適である。 In the present invention, it is preferable that the Ti composition ratio X is 5 at% or more and 12 at% or less because the popcorn noise occurrence rate can be reduced more appropriately.
また本発明では、前記素子部のトラック幅方向の両側端面は、前記素子部の上面側から下面方向に向うにしたがって前記素子部のトラック幅方向の幅寸法が徐々に広がる傾斜面で形成され、
トラック幅方向と膜厚方向から成る面から切断した切断面にて、前記フリー磁性層の膜厚中心からトラック幅方向に引いた仮想線と前記傾斜面とが交わる点を接点とし、前記接点にて前記傾斜面に接する接線方向をAとしたとき、前記接線方向Aと、前記素子部の下面との成す傾斜角度θ1が、40°以上65°以下であることが好ましい。
In the present invention, both end faces in the track width direction of the element portion are formed as inclined surfaces in which the width dimension in the track width direction of the element portion gradually increases from the upper surface side to the lower surface direction of the element portion,
A point where a virtual line drawn in the track width direction from the film thickness center of the free magnetic layer intersects with the inclined surface at a cut surface cut from a plane composed of a track width direction and a film thickness direction is defined as a contact point. When the tangential direction in contact with the inclined surface is A, the inclination angle θ1 formed between the tangential direction A and the lower surface of the element portion is preferably 40 ° or more and 65 ° or less.
これにより、前記絶縁層と配向制御層との間にTa下地層を挿入した効果、すなわち、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、SN比を向上できる効果を適切に得ることが可能である。加えて、トラック幅Twを狭小化でき、さらに前記素子部と前記素子部のトラック幅方向における両側部間の絶縁性を適切に高めることが可能である。 Thereby, it is possible to appropriately obtain the effect of inserting the Ta underlayer between the insulating layer and the orientation control layer, that is, the effect of reducing the popcorn noise occurrence rate and improving the SN ratio. In addition, the track width Tw can be reduced, and the insulation between the element portion and both sides of the element portion in the track width direction can be appropriately increased.
本発明では、絶縁層と配向制御層との間にTa下地層を介在させるとともに、配向制御層を構成するCr−TiのTi組成比Xを適正化した。これによって、従来に比べて、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、再生特性の安定化を図ることができるともに、SN比を向上でき高記録密度化に適した磁気検出素子の構造とすることができる。 In the present invention, a Ta underlayer is interposed between the insulating layer and the orientation control layer, and the Ti composition ratio X of Cr—Ti constituting the orientation control layer is optimized. As a result, the incidence of popcorn noise can be reduced and the reproduction characteristics can be stabilized as compared with the prior art, and the S / N ratio can be improved and a structure of a magnetic detecting element suitable for higher recording density can be obtained. .
図1は本実施形態のトンネル型磁気検出素子(トンネル型磁気抵抗効果素子)を備えた薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a thin film magnetic head provided with a tunnel type magnetic sensing element (tunnel type magnetoresistive effect element) of the present embodiment, cut from a plane parallel to a surface facing a recording medium.
トンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界をトンネル型磁気抵抗効果(TMR効果)に基づいて検出するものである。なお、図中においてX方向は、トラック幅方向、Y方向は、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向(ハイト方向)、Z方向は、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気検出素子の各層の積層方向、である。 The tunnel-type magnetic detection element is provided at the trailing end of a floating slider provided in a hard disk device, and detects a recording magnetic field of a hard disk or the like based on the tunnel-type magnetoresistance effect (TMR effect). is there. In the figure, the X direction is the track width direction, the Y direction is the direction of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium (height direction), the Z direction is the moving direction of the magnetic recording medium such as a hard disk and the tunnel type magnetic detection. The stacking direction of each layer of the element.
図1の最も下に形成されているのは、例えばNi−Feで形成された下部シールド層21である。前記下部シールド層21上に素子部T1が形成されている。なお前記トンネル型磁気検出素子は、前記素子部T1と、前記素子部T1のトラック幅方向(図示X方向)の両側に形成された両側部22とで構成される。
The lowermost layer in FIG. 1 is a
前記素子部T1の最下層は、シード層1である。前記シード層1は、Ni−Fe−CrまたはCrによって形成される。前記シード層1をNi−Fe−Crによって形成すると、前記シード層1は、面心立方(fcc)構造を有し、膜面と平行な方向に{111}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、前記シード層1をCrによって形成すると、前記シード層1は、体心立方(bcc)構造を有し、膜面と平行な方向に{110}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。なお、前記シード層1の下に、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち1種または2種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層が設けられていてもよい。
The lowest layer of the element portion T1 is a
前記シード層1の上に形成された反強磁性層2は、元素α(ただしα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。
The
これら白金族元素を用いたα−Mn合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界(Hex)を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。 These α-Mn alloys using platinum group elements have excellent properties as antiferromagnetic materials, such as excellent corrosion resistance, high blocking temperature, and an increased exchange coupling magnetic field (Hex).
また前記反強磁性層2は、元素αと元素α′(ただし元素α′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とを含有する反強磁性材料で形成されてもよい。
The
前記反強磁性層2上には固定磁性層3が形成されている。前記固定磁性層3は前記反強磁性層2との界面で生じる交換結合磁界(Hex)によりハイト方向(図示Y方向)に磁化固定されている。
A pinned
図1では前記固定磁性層3は、Co−Fe等の単層構造であるが、下から第1固定磁性層(例えばCo−Fe)、非磁性中間層(例えばRu)、第2固定磁性層(例えばCo−Fe)の順に積層された積層フェリ構造であることが、前記固定磁性層3の磁化固定力を大きくでき好適である。
In FIG. 1, the pinned
前記固定磁性層3上には絶縁障壁層4が形成されている。前記絶縁障壁層4は、例えば、酸化チタン(Ti−O)や、酸化マグネシウム(Mg−O)で形成される。
An
前記絶縁障壁層4上には、フリー磁性層5が形成されている。図1では前記フリー磁性層5はNi−Fe等の単層構造であるが、前記フリー磁性層5は、例えばNi−Feで形成される軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層4との間に形成された例えばCo−Feからなるエンハンス層とで構成されることが好ましい。これにより、抵抗変化率(ΔR/R)を大きく出来る等、再生特性の向上を図ることが可能である。
A free
前記フリー磁性層5上にはTa等の非磁性金属材料で形成された保護層6が形成されている。
A
以上のようにしてトンネル型磁気抵抗効果(TMR効果)を発揮する素子部T1が前記下部シールド層21上に形成されている。前記素子部T1のトラック幅方向(図示X方向)の両側端面は、上面側から下面方向に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が大きくなるように傾斜面11,11で形成されている。前記傾斜面11は図1に示す断面において直線状あるいは湾曲状で現れる。
As described above, the element portion T1 that exhibits the tunnel magnetoresistive effect (TMR effect) is formed on the
図1に示すように、前記素子部T1の両側に広がる下部シールド層21の上面に相当する平坦面21a上から前記素子部T1の傾斜面11上にかけて絶縁層23が形成される。前記絶縁層23はAl2O3(アルミナ)で形成される。
As shown in FIG. 1, an
図1に示すように絶縁層23上には、下から、Ta下地層24、配向制御層26、ハードバイアス層27、及び保護層28が順に積層されている。
As shown in FIG. 1, a
前記両側部22は、前記絶縁層23から保護層28までの積層構造で構成される。
前記配向制御層26は、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成される。また前記ハードバイアス層27は、Co−Pt、あるいは、Co−Pt−Crで形成される。さらに、前記保護層28は非磁性材料、例えばTaで形成される。
The both
The
前記配向制御層26は、前記ハードバイアス層27の結晶配向性を向上させるために設けられたものである。前記配向制御層26を設けることで、前記ハードバイアス層27の保磁力Hc及び角形比Sを大きくすることが可能である。
The
図1に示すように、前記ハードバイアス層27は素子部T1側に向く先端部27aが先細り形状となっているが、前記先端部27aと前記絶縁層23との間には適切に前記Ta下地層24及び前記配向制御層26が介在している。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、前記素子部T1上から前記両側部22上にかけて、非磁性金属層30が形成され、前記非磁性金属層30上に上部シールド層31が形成されている。前記非磁性金属層30は、例えば、Ruで形成される。前記上部シールド層31は、例えばNi−Feで形成される。
As shown in FIG. 1, a
図1に示す実施形態では、前記下部シールド層21及び上部シールド層31が前記素子部T1に対する電極層として機能し、前記素子部T1の各層の膜面に対し垂直方向(図示Z方向と平行な方向)に電流が流される。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
前記フリー磁性層5は、前記ハードバイアス層27からのバイアス磁界を受けてトラック幅方向(図示X方向)と平行な方向に磁化されている。一方、固定磁性層3はハイト方向(図示Y方向)と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層3は磁化が固定されている(外部磁界によって磁化変動しない)が、前記フリー磁性層5の磁化は外部磁界により変動する。
The free
前記フリー磁性層5が、外部磁界により磁化変動すると、固定磁性層3とフリー磁性層5との磁化が反平行のとき、前記固定磁性層3とフリー磁性層5との間に設けられた絶縁障壁層4を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記固定磁性層3とフリー磁性層5との磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。
When the magnetization of the free
この原理を利用し、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層5の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。
Utilizing this principle, the magnetization of the free
本実施形態のトンネル型磁気検出素子の特徴的部分について説明する。図1に示すように、Al2O3で形成された絶縁層23は、前記素子部T1の傾斜面11上から下部シールド層21の平坦面21a上にかけて形成され、前記絶縁層23上に、下からTa下地層24、配向制御層26、ハードバイアス層27及び保護層28が順に積層されている。
The characteristic part of the tunnel type magnetic sensing element of this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the insulating
前記配向制御層26は、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成される。
The
このように本実施形態では、絶縁層23と配向制御層26との間にTa下地層24を介在させ、さらに配向制御層26のTi組成比Xを適正化している。これにより、従来に比べて、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、再生特性の安定化を図ることができるともに、SN比を向上でき高記録密度化に適した磁気検出素子の構造とすることができる。
As described above, in this embodiment, the
Ti組成比Xは、5at%以上で12at%以下であることが好ましい。後述する実験によれば、これにより、より効果的にポップコーンノイズ発生率を低減できる。 The Ti composition ratio X is preferably 5 at% or more and 12 at% or less. According to an experiment described later, this can more effectively reduce the popcorn noise occurrence rate.
また図1に示す断面図にて、前記フリー磁性層5の膜厚中心からトラック幅方向に引いた仮想線Bと、前記傾斜面11とが交わる点を接点Cとし、前記接点Cにて前記傾斜面11に接する接線方向をAとしたとき、前記接線方向Aと前記素子部T1の下面(図1の実施形態ではシード層1の下面)との成す傾斜角度θ1が40°以上で65°以下であることが好ましい。前記傾斜角度θ1は53°以下であることがより好ましい。
Further, in the cross-sectional view shown in FIG. 1, a point where the virtual line B drawn in the track width direction from the film thickness center of the free
これにより前記絶縁層23と前記ハードバイアス層27の先端部27aとの間に適切に前記Ta下地層24及び配向制御層26が介在し、先端部27aのハードバイアス層の磁気特性を確保でき、効果的に、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、また、SN比を向上できる。
Thereby, the
さらに前記傾斜角度θ1を40°以上に設定することで、前記素子部T1のトラック幅Twを狭小化できる。前記トラック幅Twは40〜100nm程度で形成されることが好適である。また前記傾斜角度θ1を65°以下、より好ましくは53°以下に設定することで、前記傾斜面11上にまで適切に前記絶縁層23を延出形成でき、前記素子部T1と前記両側部22間の絶縁性を確保でき、再生出力を増大させることが可能である。
Furthermore, by setting the inclination angle θ1 to 40 ° or more, the track width Tw of the element portion T1 can be reduced. The track width Tw is preferably about 40 to 100 nm. Further, by setting the inclination angle θ1 to 65 ° or less, more preferably 53 ° or less, the insulating
また、前記絶縁層23の平坦面21a上での平均膜厚は、40〜100Åの範囲内であることが好ましい。これにより前記素子部T1と両側部22間、及び両側部22と下部シールド層21間の絶縁性を良好に保つことが出来る。また前記フリー磁性層5とハードバイアス層27間の距離を適度に保つことが出来る。
The average film thickness of the insulating
また、前記Ta下地層24の平坦面21a上方での平均膜厚は、5〜30Åの範囲内であることが好ましい。また配向制御層26の平坦面21a上方での平均膜厚は、25〜50Åの範囲内であることが好ましい。これにより、より効果的に、ポップコーンノイズ発生率を低減でき、またSN比を向上できる。さらに前記フリー磁性層5とハードバイアス層27間の距離を適度に保つことが出来る。
The average film thickness above the
また前記ハードバイアス層27の平坦面21a上方での平均膜厚は、100〜300Åの範囲内で形成される。
The average thickness of the
図1に示す実施形態では、トンネル型磁気検出素子であったが、トンネル型磁気検出素子と同じように、電流を膜面に対して垂直方向へ流すCPP(current perpendicular to the plane)−GMR(巨大磁気抵抗効果)素子にも図1の形態を適用可能である。GMR素子では、図1に示す絶縁障壁層4の部分が、Cu等の非磁性金属材料で形成される。
In the embodiment shown in FIG. 1, the tunnel type magnetic sensing element is used. However, like the tunnel type magnetic sensing element, a CPP (current perpendicular to the plane) -GMR (current flowing to the film surface) is used. The embodiment shown in FIG. 1 can also be applied to a (giant magnetoresistive effect) element. In the GMR element, the insulating
本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法について説明する。図2ないし図4は、製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子を図1と同じ面から切断した部分断面図である。 A method for manufacturing the tunneling magnetic sensing element of this embodiment will be described. 2 to 4 are partial cross-sectional views of the tunnel-type magnetic sensing element cut from the same plane as that in FIG. 1 during the manufacturing process.
図2に示す工程では、下部シールド層21上に、下から、シード層1、反強磁性層2、固定磁性層3、絶縁障壁層4、フリー磁性層5及び保護層6の順に、例えばスパッタ法で成膜する。
In the process shown in FIG. 2, the
次に、図2に示すように、前記保護層6上に、リフトオフ用レジスト層32を形成し、前記リフトオフ用レジスト層32に覆われていない前記シード層1から保護層6までの素子部T1のトラック幅方向(図示X方向)における両側端部をエッチングで除去する。
Next, as shown in FIG. 2, a lift-off resist
前記素子部T1は図2に示す点線に沿ってエッチングされる。よって残される素子部T1のトラック幅方向(図示X方向)の両側端面は、下方から上方に向けて徐々にトラック幅方向の幅寸法が小さくなる傾斜面11で形成される。
The element portion T1 is etched along the dotted line shown in FIG. Therefore, both end surfaces of the remaining element portion T1 in the track width direction (X direction in the drawing) are formed with
また図2に示す断面図にて、前記フリー磁性層5の膜厚中心からトラック幅方向に引いた仮想線Bと、前記傾斜面11とが交わる点を接点Cとし、前記接点Cにて前記傾斜面11に接する接線方向をAとしたとき、前記接線方向Aと前記素子部T1の下面(図1の実施形態ではシード層1の下面)との成す傾斜角度θ1が40°以上で65°以下であることが好ましい。前記傾斜角度θ1は53°以下であることがより好ましい。
Further, in the cross-sectional view shown in FIG. 2, a point at which the virtual line B drawn in the track width direction from the film thickness center of the free
次に、図3に示すように、前記素子部T1のトラック幅方向(図示X方向)の両側に広がる前記下部シールド層21の平坦面21a上から前記素子部T1の傾斜面11上にかけて下から、Al2O3(アルミナ)から成る絶縁層23をイオンビームスパッタ法等で形成する。さらに前記絶縁層23上にTa下地層24をイオンビームスパッタ法等で成膜する。
Next, as shown in FIG. 3, from the bottom from the
前記絶縁層23を形成する際の成膜方向を、下部シールド層21の平坦面21aの垂直方向(図示Z方向)に対してθ2だけ傾けた方向とする。前記成膜角度θ2を30〜50°の範囲とすることが、適切に前記絶縁層23を、素子部T1の傾斜面11上から下部シールド層21の平坦面21a上にかけて成膜できて好適である。
The film forming direction when forming the insulating
また、前記Ta下地層を形成する際の成膜方向を、下部シールド層21の平坦面21aの垂直方向(図示Z方向)に対してθ3だけ傾けた方向とする。また前記成膜角度θ3を20〜40°の範囲とすることが、適切に前記Ta下地層24を、素子部T1の傾斜面11上に形成された絶縁層23上から下部シールド層21の平坦面21a上に形成された絶縁層23にかけて成膜できて好適である。
Further, the film forming direction when forming the Ta underlayer is set to a direction inclined by θ3 with respect to the vertical direction (Z direction in the drawing) of the
次に、図4に示す工程では、前記Ta下地層24上に、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)より成る配向制御層26をイオンビームスパッタ法等で形成し、前記配向制御層26上にCo−PtやCo−Pt−Crより成るハードバイアス層27をイオンビームスパッタ法等で形成し、さらに前記ハードバイアス層27上に例えばTaより成る保護層28をイオンビームスパッタ法等で形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4, an
前記配向制御層26を形成する際の成膜方向を、下部シールド層21の平坦面21aの垂直方向(図示Z方向)に対してθ4だけ傾けた方向とする。また、前記ハードバイアス層27を形成する際の成膜方向を、下部シールド層21の平坦面21aの垂直方向(図示Z方向)に対してθ5だけ傾けた方向とする。また前記保護層28を形成する際の成膜方向を、下部シールド層21の平坦面21aの垂直方向(図示Z方向)に対してθ6だけ傾けた方向とする。前記成膜角度θ4,θ5,θ6を20〜40°の範囲とすることが、前記素子部T1の両側近傍にまで、前記配向制御層26、ハードバイアス層27及び保護層28を成膜できて好適である。また図3,図4工程での成膜角度θ2〜θ6を上記した範囲内とすることで、前記レジスト層32のリフトオフ性を向上できる。
The film forming direction when forming the
図3,図4工程によって前記素子部T1の傾斜面11上にまで前記絶縁層23を延出形成でき、さらに前記絶縁層23と前記ハードバイアス層27の先細る先端部27aとの間にTa下地層24及びCr−Tiよりなる配向制御層26を適切に介在させることが可能である。
3 and 4, the insulating
そして前記リフトオフ用レジスト層32を除去し、前記素子部T1及び前記保護層28上に、下から順に非磁性金属層30及び上部シールド層31を形成する。
CPP−GMR素子は図2〜図4に示す製造方法に準じて製造される。
Then, the lift-off resist
The CPP-GMR element is manufactured according to the manufacturing method shown in FIGS.
本実施形態の磁気検出素子は、ハードディスク装置に内蔵される磁気ヘッドとしての用途以外に、MRAM(磁気抵抗メモリ)や磁気センサとして用いることも出来る。 The magnetic detection element of this embodiment can be used as an MRAM (magnetic resistance memory) or a magnetic sensor in addition to the use as a magnetic head built in a hard disk device.
[実施例1〜3]
素子部T1の両側に下からAl2O3による絶縁層23、Ta下地層24、Cr90at%Ti10at%より成る配向制御層26、Co78at%Pt22at%よりなるハードバイアス層27、及び、Taより成る保護層28の順に積層した図1に示すトンネル型磁気抵抗効果素子を形成した。
[Examples 1 to 3]
An insulating
前記素子部T1の総厚を551Åに統一した。また前記素子部T1の図1に示す傾斜角度θ1を43〜47°の範囲内とした。また、絶縁層23の図1に示す平坦面21a上での平均膜厚を80Åに統一した。
The total thickness of the element portion T1 was unified to 551 mm. Further, the inclination angle θ1 shown in FIG. 1 of the element portion T1 was set within a range of 43 to 47 °. Further, the average film thickness of the insulating
以下に示す表1の各欄の左側の数値は、Ta下地層24、配向制御層26、ハードバイアス層27及び保護層28の各層の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚である。また各欄の右側の数値は、各層の成膜角度(図3,図4に示す成膜角度θ3〜θ6)である。
The numerical values on the left side of each column of Table 1 below are average film thicknesses of the
表1に示すように実施例1、実施例2及び実施例3の順にハードバイアス層(Co−Pt)27の平均膜厚が厚くなるように、及び、実施例1、実施例2及び実施例3の順に保護層(Ta)28の平均膜厚が薄くなるように調整した。 As shown in Table 1, the average thickness of the hard bias layer (Co-Pt) 27 increases in the order of Example 1, Example 2, and Example 3, and Examples 1, 2, and 3 In order of 3, the average thickness of the protective layer (Ta) 28 was adjusted to be thin.
[従来例1〜3]
上記した実施例1〜3の膜構成のうちTa下地層24を形成せず、絶縁層23上に直接、Cr90at%Ti10at%より成る配向制御層26を成膜したトンネル型磁気検出素子を形成した。
[Conventional Examples 1 to 3]
A tunnel type magnetic sensing element in which the
実験では、表1に示すように従来例1のハードバイアス層及び保護層の平均膜厚を実施例1に、従来例2のハードバイアス層及び保護層の平均膜厚を実施例2に、従来例3のハードバイアス層及び保護層の平均膜厚を実施例3に夫々合わせて形成した。 In the experiment, as shown in Table 1, the average film thickness of the hard bias layer and the protective layer of Conventional Example 1 is set to Example 1, the average film thickness of the hard bias layer and the protective layer of Conventional Example 2 is set to Example 2, and The average thicknesses of the hard bias layer and the protective layer in Example 3 were formed in accordance with Example 3.
また表1に示すように、従来例1〜従来例3では、Ta下地層を形成しない代わりに、配向制御層の平均膜厚を、実施例1〜実施例3のTa下地層と配向制御層との総厚に合わせた。 Further, as shown in Table 1, in Conventional Examples 1 to 3, instead of forming the Ta underlayer, the average film thickness of the orientation control layer is set to the Ta underlayer and the alignment control layer of Examples 1 to 3. And adjusted to the total thickness.
実験では、実施例1〜実施例3及び従来例1〜従来例3の各試料を多数形成しており、各試料のポップコーンノイズ発生率、ノイズ、及びSN比を測定した。 In the experiment, many samples of Examples 1 to 3 and Conventional Examples 1 to 3 were formed, and the popcorn noise generation rate, noise, and SN ratio of each sample were measured.
表1に示すS/N合格率とはSN比が35dB以上の試料を合格としたときの比率である。ここでポップコーンノイズ発生率は、MR素子に測定電圧(150mV)を流したときの出力に対し、順に、アンプと、3〜80MHzのバンドパスフィルターとを介した後、測定される電圧を一定時間(1ms以上)の間測定し、その電圧が、90μVの閾値を超える突発的なノイズが発生した回数をカウントし、その回数を母集団である被測定試作ヘッド(60個以上)の個数で割ることにより求まるポップコーンノイズが発生するヘッドの割合のことである。また、表1の例では、スライダーに組み込まれた状態のMR素子を対象にしてQST試験の出力に対し、ローパスフィルター(30MHz以下)を介して検出されるノイズの実行値を検査値で割ることにより求まる比をSN値として定義している。これら測定の条件は特に限定されるものではない。 The S / N pass rate shown in Table 1 is a ratio when a sample having an SN ratio of 35 dB or more is passed. Here, the popcorn noise occurrence rate is obtained by applying the measured voltage to the output when the measurement voltage (150 mV) is passed through the MR element in order after passing through the amplifier and the band pass filter of 3 to 80 MHz in order. (Measured for 1 ms or more), count the number of times that sudden noise has occurred whose voltage exceeds the threshold of 90 μV, and divide the number by the number of test heads (60 or more) to be measured. This is the ratio of the head that generates popcorn noise. Further, in the example of Table 1, the effective value of noise detected through a low-pass filter (30 MHz or less) is divided by the inspection value with respect to the output of the QST test for the MR element incorporated in the slider. Is defined as the SN value. The conditions for these measurements are not particularly limited.
ポップコーンノイズ発生率については図5のグラフにまとめた。図5に示すように、実施例1〜実施例3では、いずれも従来例1〜従来例3に比べてポップコーンノイズ発生率を低減することができた。 The popcorn noise occurrence rate is summarized in the graph of FIG. As shown in FIG. 5, in each of Examples 1 to 3, the popcorn noise occurrence rate could be reduced as compared with Conventional Examples 1 to 3.
また表1に示すように、実施例1〜実施例3では、いずれも従来例1〜従来例3に比べてノイズを低減することができた。
さらに、表1に示すように、S/N合格率は実施例のほうが従来例よりも高くなった。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, noise could be reduced as compared with Conventional Examples 1 to 3.
Furthermore, as shown in Table 1, the S / N pass rate was higher in the example than in the conventional example.
以上の実験結果により、Al2O3から成る絶縁層とCr−Tiより成る配向制御層間にTa下地層を挿入することで、ポップコーンノイズ発生率やノイズを低減できるとともにSN比を向上させることが出来るとわかった。 Based on the above experimental results, by inserting a Ta underlayer between the insulating layer made of Al 2 O 3 and the orientation control layer made of Cr—Ti, the popcorn noise generation rate and noise can be reduced and the SN ratio can be improved. I knew it was possible.
[実施例4〜実施例7]
素子部T1の両側に下からAl2O3による絶縁層23、Ta下地層24、Cr100−Xat%TiXat%より成る配向制御層26、Co78at%Pt22at%よりなるハードバイアス層27、及びTaより成る保護層28の順に積層した図1に示すトンネル型磁気抵抗効果素子を形成した。
[Examples 4 to 7]
Insulating
前記素子部T1の図1に示す傾斜角度θ1を以下の表2に示す範囲内とした。また、絶縁層23の図1に示す平坦面21a上での平均膜厚を80Å、Ta下地層24の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を15Å、配向制御層26の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を35Å、ハードバイアス層27の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を200〜240Åの間、保護層28の各層の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を350〜390Åの範囲内に調整した。なおハードバイアス層27と保護層28の総厚は590Åとなるように調整した。
The inclination angle θ1 shown in FIG. 1 of the element portion T1 is set within the range shown in Table 2 below. Further, the average film thickness of the insulating
実験では、実施例4のTi組成比Xを0at%、実施例5のTi組成比Xを7at%、実施例6のTi組成比Xを10at%、実施例7のTi組成比Xを13at%に設定した。 In the experiment, the Ti composition ratio X of Example 4 was 0 at%, the Ti composition ratio X of Example 5 was 7 at%, the Ti composition ratio X of Example 6 was 10 at%, and the Ti composition ratio X of Example 7 was 13 at%. Set to.
[従来例4]
上記した実施例4〜7の膜構成のうちTa下地層24を形成せず、絶縁層23上に直接、Cr90at%Ti10at%より成る配向制御層26を成膜したトンネル型磁気検出素子を形成した。なおハードバイアス層27の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を220Å、保護層28の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を370Åに調整した。
[Conventional example 4]
A tunnel type magnetic sensing element in which the
従来例4では、Ta下地層を形成しない代わりに、配向制御層の平均膜厚を、実施例4〜実施例7のTa下地層と配向制御層との総厚に合わせた。 In Conventional Example 4, instead of forming the Ta underlayer, the average thickness of the orientation control layer was adjusted to the total thickness of the Ta underlayer and the orientation control layer in Examples 4 to 7.
[比較例1]
上記した実施例4〜7の膜構成のうち配向制御層のTi組成比を16at%としたトンネル型磁気検出素子を形成した。なおハードバイアス層27の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を200Å、保護層28の図1に示す平坦面21a上方での平均膜厚を390Åに調整した。
[Comparative Example 1]
Among the film configurations of Examples 4 to 7 described above, tunnel type magnetic sensing elements were formed in which the Ti composition ratio of the orientation control layer was 16 at%. The average film thickness of the
実施例4〜実施例7、従来例4及び比較例1の各試料のポップコーンノイズ発生率を測定した。このときの測定の条件は、表1の場合と同じである。ただし、測定電圧は170mVとした。 The popcorn noise occurrence rate of each sample of Examples 4 to 7, Conventional Example 4 and Comparative Example 1 was measured. The measurement conditions at this time are the same as in Table 1. However, the measurement voltage was 170 mV.
表2に示したポップコーンノイズ発生率は、横軸をTi組成比Xとした図6にてグラフ化した。 The popcorn noise occurrence rates shown in Table 2 are graphed in FIG. 6 with the horizontal axis representing the Ti composition ratio X.
図6に示すように、実施例では、Cr−Tiよりなる配向制御層のTi組成比Xを10at%とするとポップコーンノイズ発生率を最も小さくでき、Ti組成比Xを10at%よりも小さく、あるいはTi組成比Xを10at%よりも大きくすると、ポップコーンノイズ発生率は徐々に大きくなることがわかった。 As shown in FIG. 6, in the example, when the Ti composition ratio X of the orientation control layer made of Cr—Ti is 10 at%, the popcorn noise occurrence rate can be minimized, and the Ti composition ratio X is smaller than 10 at%, or It was found that when the Ti composition ratio X is larger than 10 at%, the popcorn noise occurrence rate gradually increases.
また図6に示す比較例1のように、Ti組成比Xを16at%まで大きくすると、Ta下地層を挿入せず、Cr−Tiよりなる配向制御層のTi組成比を10at%とした従来例4よりもポップコーンノイズ発生率が大きくなることがわかった。 Further, as in Comparative Example 1 shown in FIG. 6, when the Ti composition ratio X is increased to 16 at%, a Ta underlayer is not inserted and the Ti composition ratio of the orientation control layer made of Cr—Ti is 10 at%. It was found that the incidence of popcorn noise was higher than 4.
よって、図6に示す実験結果から、Al2O3よりなる絶縁層と、配向制御層との間にTa下地層を挿入した本実施例では、前記配向制御層を、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成することで、従来に比べて、ポップコーンノイズ発生率を効果的に低減できることがわかった。 Therefore, from the experimental results shown in FIG. 6, in this example in which the Ta underlayer was inserted between the insulating layer made of Al 2 O 3 and the orientation control layer, the orientation control layer was Cr 100-X Ti X It was found that the popcorn noise generation rate can be effectively reduced by forming with Ti composition ratio X of 0 at% or more and 13 at% or less.
また、Ti組成比Xを、5at%以上で12at%以下とすることで、より効果的に、ポップコーンノイズ発生率を低減できることがわかった。 Further, it was found that the popcorn noise generation rate can be more effectively reduced by setting the Ti composition ratio X to 5 at% or more and 12 at% or less.
[実施例8〜実施例11]
次に、Al2O3の基板上に、下からTa下地層:Ta(50)/配向制御層CrあるいはCr−Ti(50)/ハードバイアス層:Co78at%Pt22at%(200)/保護層:Ta(50)の順に積層した。括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
[Examples 8 to 11]
Next, on the substrate of Al 2 O 3 , Ta underlayer: Ta (50) / orientation control layer Cr or Cr—Ti (50) / hard bias layer: Co 78 at % Pt 22 at% (200) / protection from below Layers were stacked in the order of Ta (50). The numbers in parentheses indicate the average film thickness and the unit is Å.
実験では、配向制御層を、Cr100−XTiXで形成し、Ti組成比Xを、0at%、7at%、10at%、13at%に変化させ、このときのハードバイアス層の保磁力Hc、角形比S、Mr×t(残留磁化Mr、膜厚t)について調べた。 In the experiment, the orientation control layer is formed of Cr 100-X Ti X , and the Ti composition ratio X is changed to 0 at%, 7 at%, 10 at%, and 13 at%, and the coercive force Hc of the hard bias layer at this time, The squareness ratio S and Mr × t (residual magnetization Mr, film thickness t) were examined.
[比較例2]
上記した実施例8〜11の膜構成のうち配向制御層のTi組成比を16at%とした積層膜を形成し、ハードバイアス層の保磁力Hc、角形比S、Mr×t(残留磁化Mr、膜厚t)について調べた。
その実験結果を以下の表3に示す。
[Comparative Example 2]
Of the film configurations of Examples 8 to 11 described above, a laminated film in which the Ti composition ratio of the orientation control layer was 16 at% was formed, and the coercive force Hc, squareness ratio S, Mr × t (residual magnetization Mr, The film thickness t) was examined.
The experimental results are shown in Table 3 below.
図7は、横軸をTi組成比としたハードバイアス層の保磁力Hcの実験結果である。図8は、横軸をTi組成比としたハードバイアス層の角形比Sの実験結果である。図9は、横軸をTi組成比としたハードバイアス層のMr×tの実験結果である。 FIG. 7 shows the experimental results of the coercivity Hc of the hard bias layer with the horizontal axis representing the Ti composition ratio. FIG. 8 shows the experimental results of the squareness ratio S of the hard bias layer with the horizontal axis representing the Ti composition ratio. FIG. 9 shows the result of the Mr × t experiment of the hard bias layer with the horizontal axis representing the Ti composition ratio.
図7に示すように保磁力Hcは、0at%〜16at%のTi組成比Xに対する依存性が大きく、Ti組成比によって保磁力Hcが変動しやすいのに対し、角形比SやMr×tは、0at%〜16at%のTi組成比Xに対する依存性が小さく、ほぼ一定となることがわかった。 As shown in FIG. 7, the coercive force Hc has a large dependence on the Ti composition ratio X of 0 at% to 16 at%, and the coercive force Hc is likely to vary depending on the Ti composition ratio, whereas the squareness ratio S and Mr × t are It was found that the dependence on the Ti composition ratio X of 0 at% to 16 at% is small and almost constant.
上記のように、Al2O3よりなる絶縁層と、配向制御層との間にTa下地層を挿入した本実施例において、前記配向制御層を、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成した場合、角形比S及びMr×tを安定して高い値に設定できるとともに、1000Oe以上の保磁力Hcを確保できることがわかった。また、Ti組成比Xを5at%以上にすれば保磁力Hcを約1500Oe以上にできることがわかった。 As described above, in this example in which the Ta underlayer was inserted between the insulating layer made of Al 2 O 3 and the orientation control layer, the orientation control layer was Cr 100-X Ti X (however, the Ti composition ratio) It was found that when X is formed at 0 at% or more and 13 at% or less), the squareness ratio S and Mr × t can be stably set to high values, and a coercive force Hc of 1000 Oe or more can be secured. It was also found that the coercive force Hc can be increased to about 1500 Oe or more when the Ti composition ratio X is set to 5 at% or more.
以上により本実施例では、ハードバイアス層の特性を劣化させることなく、ポップコーンノイズ発生率やノイズを低減できるとともに、SN比を向上できることがわかった。 From the above, it was found that in this example, the popcorn noise occurrence rate and noise can be reduced and the SN ratio can be improved without deteriorating the characteristics of the hard bias layer.
1 シード層
2 反強磁性層
3 固定磁性層
4 絶縁障壁層
5 フリー磁性層
6、28 保護層
11 傾斜面
21 下部シールド層
22 両側部
23 絶縁層
24 Ta下地層
26 配向制御層
27 ハードバイアス層
30 非磁性金属層
31 上部シールド層
32 リフトオフ用レジスト層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記素子部のトラック幅方向の側端面上から、前記側端面の両側に広がる平坦面上にかけてAl2O3より成る絶縁層が形成され、前記絶縁層上に、下から、Ta下地層、Cr100−XTiX(ただしTi組成比Xは0at%以上で13at%以下)で形成された配向制御層、前記ハードバイアス層、及び保護層が順に積層されていることを特徴とする磁気検出素子。 An element portion that exhibits a magnetoresistive effect by laminating at least a pinned magnetic layer, a free magnetic layer, and a nonmagnetic material layer positioned between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer in a film thickness direction, and a track of the element portion A hard bias layer for supplying a bias magnetic field to the free magnetic layer located on both sides in the width direction, and a magnetic detection in which current flows from a direction perpendicular to the film surface of each layer constituting the element unit In the element
An insulating layer made of Al 2 O 3 is formed from the side end surface in the track width direction of the element portion to a flat surface extending on both sides of the side end surface, and a Ta underlayer, Cr is formed on the insulating layer from below. An orientation control layer formed of 100-X Ti X (Ti composition ratio X is 0 at% or more and 13 at% or less), the hard bias layer, and the protective layer are sequentially laminated. .
トラック幅方向と膜厚方向から成る面から切断した切断面にて、前記フリー磁性層の膜厚中心からトラック幅方向に引いた仮想線と前記傾斜面とが交わる点を接点とし、前記接点にて前記傾斜面に接する接線方向をAとしたとき、前記接線方向Aと、前記素子部の下面との成す傾斜角度θ1が、40°以上65°以下である請求項1又は2に記載の磁気検出素子。 Both end faces in the track width direction of the element portion are formed by inclined surfaces in which the width dimension in the track width direction of the element portion gradually increases from the upper surface side to the lower surface direction of the element portion,
A point where a virtual line drawn in the track width direction from the film thickness center of the free magnetic layer intersects with the inclined surface at a cut surface cut from a plane composed of a track width direction and a film thickness direction is defined as a contact point. 3. The magnetic field according to claim 1, wherein an inclination angle θ <b> 1 formed by the tangential direction A and the lower surface of the element portion is 40 ° or more and 65 ° or less, where A is a tangential direction in contact with the inclined surface. Detection element.
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JP2011008907A (en) * | 2009-06-24 | 2011-01-13 | Headway Technologies Inc | Hard bias structure and method of forming the same and magnetic reproducing head |
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2007
- 2007-05-24 JP JP2007137620A patent/JP2008293581A/en not_active Withdrawn
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