JP2010080535A - Magnetoresistance effect element, magnetic head and magnetic recording and reproducing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic head, and a magnetic recording / reproducing apparatus.
磁気抵抗効果素子(Magnetoresistive effect element)は、磁場センサ、磁気ヘッド(MRヘッド)として用いられている。MRヘッドは、磁気記録再生装置に搭載され、ハードディスクドライブ等の磁気記録媒体からの情報を読み取る。このハードディスク等ではとくにスピンバルブ(spin valve)構造の膜を用いた再生素子が一般に使用されている。 Magnetoresistive effect elements are used as magnetic field sensors and magnetic heads (MR heads). The MR head is mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus and reads information from a magnetic recording medium such as a hard disk drive. In this hard disk or the like, a reproducing element using a film having a spin valve structure is generally used.
スピンバルブ膜は、2層の強磁性層で非磁性層を挟んだサンドイッチ構造の多層膜である。強磁性層の一方は、反強磁性層からの交換バイアス磁場により、その磁化方向が固定され、「ピン層」あるいは「磁化固着層」と称される。強磁性層の他方は、外部磁場(信号磁場等)により、その磁化方向が回転可能であり、「フリー層」あるいは「磁化自由層」とも称される。非磁性層は、「スペーサ層」あるいは「中間層」と称される。 The spin valve film is a multilayer film having a sandwich structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between two ferromagnetic layers. One of the ferromagnetic layers has its magnetization direction fixed by an exchange bias magnetic field from the antiferromagnetic layer, and is called a “pinned layer” or “magnetization pinned layer”. The other ferromagnetic layer can be rotated in its magnetization direction by an external magnetic field (signal magnetic field or the like), and is also referred to as a “free layer” or a “magnetization free layer”. The nonmagnetic layer is referred to as a “spacer layer” or “intermediate layer”.
このようなスピンバルブ膜は、外部磁界により、これら2つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度が変化することで、大きな磁気抵抗効果が得られる。 Such a spin valve film can obtain a large magnetoresistance effect by changing the relative angle of the magnetization directions of these two ferromagnetic layers by an external magnetic field.
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には、CIP(Current-in-Plane)型と、CPP(Current Perpendicular to Plane)型とがある。前者ではスピンバルブ膜の膜面の平行方向にセンス電流を流し、後者ではスピンバルブ膜の膜面の垂直方向にセンス電流を流す。以前にはCIP型が用いたれていたが、出力電圧の必要性や空間分解能の必要性から現在では、CPP型の磁気ヘッドが広く用いられるようになった。 Magnetoresistance effect elements using a spin valve film include a CIP (Current-in-Plane) type and a CPP (Current Perpendicular to Plane) type. In the former, a sense current flows in a direction parallel to the film surface of the spin valve film, and in the latter, a sense current flows in a direction perpendicular to the film surface of the spin valve film. Previously, the CIP type was used, but CPP type magnetic heads are now widely used because of the need for output voltage and spatial resolution.
現在、CPP型のTMR効果(tunneling magneto resistive effect)を用いた磁気ヘッドが一般的であるが、さらにハードディスクの性能(記録密度)を高めるためには高出力・低抵抗のヘッドが必要で、そういったCPP型のGMR効果(giant magneto resistive effect)を含む、CPP型のTMR効果以外のスピンバルブ膜も研究されている。その中で磁壁MR効果、磁性金属接合部をもったMR効果に関して、Ni細線同士の微少接合を用いて、高い磁気抵抗変化率の磁気抵抗効果が観測されている(非特許文献1参照)。実際のヘッドとして応用できる膜として、磁性金属接合部をもったスピンバルブ膜に関しても報告されている(非特許文献2参照)。 At present, magnetic heads using the CPP type TMR effect (tunneling magneto resistive effect) are common, but in order to further improve the performance (recording density) of the hard disk, a head with high output and low resistance is required, and such a head is used. Spin valve films other than the CPP-type TMR effect including the CPP-type GMR effect (giant magneto resistive effect) have also been studied. Among them, regarding the MR effect with the domain wall MR effect and the magnetic metal junction, a magnetoresistive effect with a high magnetoresistance change rate has been observed using a fine junction between Ni thin wires (see Non-Patent Document 1). As a film that can be applied as an actual head, a spin valve film having a magnetic metal junction has also been reported (see Non-Patent Document 2).
磁性金属接合部を有するスピンバルブ膜においては、例えば、前述の磁化自由層とピン層との間に微小な金属層を含む絶縁層を挿入することにより、前記磁化自由層と前記ピン層との間に磁気微小結合の三次元構造を設け、この磁気結合中の磁壁によるスピン依存散乱によるMR効果を利用する。 In a spin valve film having a magnetic metal junction, for example, an insulating layer including a minute metal layer is inserted between the above-described magnetization free layer and the pinned layer, whereby the magnetization free layer and the pinned layer are separated from each other. A three-dimensional structure of magnetic micro-coupling is provided between them, and the MR effect due to spin-dependent scattering by the domain wall in the magnetic coupling is used.
上述のような磁気微小結合を三次元構造に展開した磁気抵抗効果素子の開発が進められており、特許文献1には3次元方向のナノコンタクトの作製法、つまり穴あけ法として、EB(Electron Beam)照射プロセス、FIB(Focused Ion Beam)照射プロセス、AFM(Atomic Force Microscope)技術などが開示されている。 Development of a magnetoresistive effect element in which the above-described magnetic micro-coupling is developed into a three-dimensional structure is underway, and Patent Document 1 discloses EB (Electron Beam) as a method for producing a nanocontact in a three-dimensional direction, that is, as a hole-piercing method. ) An irradiation process, an FIB (Focused Ion Beam) irradiation process, an AFM (Atomic Force Microscope) technique, and the like are disclosed.
スピンバルブ構造の磁気抵抗効果膜を再生素子として機能させるには、膜面に略垂直にバイアス電流(センス電流)を流す。この際、前記バイアス電流を流すことによって、伝導電子も前記バイアス電流と逆方向に流れるようになるが、その際、最初に通過した磁性膜のスピン角運動量は伝導電子のスピン角運動量を介して次に通過する磁性膜に流れ込み、その磁化にトルクを与える。 In order for the magnetoresistive film having the spin valve structure to function as a reproducing element, a bias current (sense current) is passed substantially perpendicularly to the film surface. At this time, by flowing the bias current, conduction electrons also flow in the opposite direction to the bias current. At this time, the spin angular momentum of the magnetic film that first passes through the spin angular momentum of the conduction electrons. Next, it flows into the passing magnetic film and gives torque to its magnetization.
例えば、上記伝導電子が前記磁化固着層から前記磁化自由層に流れる場合は、前記磁化固着層を通過した際の角運動量が前記磁化自由層中の磁化にトルクを与えるようになる。また、上記伝導電子が前記磁化自由層から前記磁化固着層に流れる場合は、前記磁化自由層を通過した際の角運動量が前記磁化固着層中の磁化にトルクを与えるようになる。 For example, when the conduction electrons flow from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer, the angular momentum when passing through the magnetization fixed layer gives a torque to the magnetization in the magnetization free layer. In addition, when the conduction electrons flow from the magnetization free layer to the magnetization pinned layer, the angular momentum when passing through the magnetization free layer gives torque to the magnetization in the magnetization pinned layer.
上述のようにして発生するトルクは、いわゆるスピントランスファートルクと呼ばれるものである。このスピントランスファートルクはMRAM (Magnetic Random Access Memory)の様に、積極的にメモリの記録に用いることもあるが、上述したハードディスク等で用いる再生素子に対しては、上記磁化自由層の磁化に大きな影響を及ぼし、上記磁気抵抗効果膜において大きなノイズとなる場合がある。これを以下に説明する。 The torque generated as described above is so-called spin transfer torque. This spin transfer torque is actively used for memory recording, such as MRAM (Magnetic Random Access Memory). However, for the reproducing element used in the above-mentioned hard disk or the like, the spin transfer torque is large in the magnetization of the magnetization free layer. In some cases, the magnetoresistive film has a large noise. This will be described below.
スピントルクの受け渡し効率は電流の向きと磁化自由層磁化と磁化固着層磁化の相対角度に大きく依存する。バイアス電流が磁化自由層から磁化固着層に(伝導電子が磁化固着層から磁化自由層)流れるときは両層の磁化の相対角度は180度に近いほうが、上記受け渡し効率が良くなる。一方、バイアス電流が磁化固着層から磁化自由層(伝導電子が磁化自由層から磁化固着層)に流れるときは、両層の磁化の相対角度は0度に近いほうが、上記受け渡し効率が良くなる。 The transfer efficiency of the spin torque greatly depends on the direction of the current and the relative angle between the magnetization free layer magnetization and the magnetization pinned layer magnetization. When the bias current flows from the magnetization free layer to the magnetization fixed layer (conduction electrons from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer), the transfer efficiency is improved when the relative angle of magnetization of both layers is close to 180 degrees. On the other hand, when a bias current flows from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer (conduction electrons flow from the magnetization free layer to the magnetization fixed layer), the transfer efficiency is improved when the relative angle of magnetization of both layers is close to 0 degrees.
前者の場合は、上記伝導電子のスピンが磁化固着層の磁化に平行で、磁化自由層の磁化に反平行であり、前記磁化固着層の磁化と平行なスピンを有する伝導電子が前記磁化固着層を透過して、前記磁化自由層に至るためである。後者の場合は、上記伝導電子のスピンは前記磁化固着層及び前記磁化自由層の磁化に平行であるが、前記磁化固着層の磁化に反平行なスピンを有する伝導電子が前記磁化固着層で反射されて、前記磁化自由層に入り込むためである。 In the former case, the conduction electron spin is parallel to the magnetization of the magnetization pinned layer and antiparallel to the magnetization of the magnetization free layer, and the conduction electron having a spin parallel to the magnetization of the magnetization pinned layer This is because it passes through and reaches the magnetization free layer. In the latter case, the spin of the conduction electron is parallel to the magnetization of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer, but the conduction electron having a spin antiparallel to the magnetization of the magnetization pinned layer is reflected by the magnetization pinned layer. This is to enter the magnetization free layer.
このように前記磁化自由層の磁化は、上述のようにして上記磁化自由層中に取り込まれたスピンに起因したトルクを受けるようになるので、前記磁化自由層の磁化が乱雑に動いて不安定となり、これがノイズとなって再生出力が十分に出力されなくなってしまう場合がある。したがって、磁化自由層磁化と磁化固着層磁化の相対角度を考慮して、前記バイアス電流の流す方向を変え、上述したスピントルクの受け渡し効率を減少させれば、上述したスピントルクの受け渡し効率をある程度は減少させることができる。 As described above, the magnetization of the magnetization free layer is subjected to torque caused by the spin taken into the magnetization free layer as described above, and therefore, the magnetization of the magnetization free layer is unstable and unstable. As a result, there is a case where the reproduction output is not sufficiently output due to noise. Therefore, if the direction in which the bias current flows is changed in consideration of the relative angle between the magnetization free layer magnetization and the magnetization pinned layer magnetization, and the spin torque delivery efficiency is reduced, the spin torque delivery efficiency described above is improved to some extent. Can be reduced.
しかしながら、上述したスピントランファートルクは、上記バイアス電流値にも依存し、バイアス電流値の増大とともに顕著になるので、上述のように単にバイアス電流の流す方向を変えたのみでは、前記スピントランファートルクの影響を十分に低減することはできない。 However, the spin transfer torque described above also depends on the bias current value and becomes conspicuous as the bias current value increases. Therefore, the spin transfer torque is simply changed by changing the direction in which the bias current flows as described above. The influence of torque cannot be reduced sufficiently.
一方、前記バイアス電流値を小さくすれば、前記バイアス電流を流す方向を考慮することなく、前記スピントランスファートルクを低減することができる。具体的には、107(A/cm2)以下のオーダとすれば、前記スピントランスファートルクの影響を低減することができる。 On the other hand, if the bias current value is reduced, the spin transfer torque can be reduced without considering the direction in which the bias current flows. Specifically, if the order is 10 7 (A / cm 2 ) or less, the influence of the spin transfer torque can be reduced.
しかしながら、上記バイアス電流値は磁気抵抗効果素子に要求される特性に大きく関わり、前記バイアス電流値が増大すれば、前記磁気抵抗効果素子のMR比が小さくても大きな再生出力を得ることができる。したがって、前記バイアス電流値が107(A/cm2)以下のオーダのような場合には、十分な再生出力を得るには前記磁気抵抗効果素子のMR比が十分高いことが要求され、現在のTMR及びGMRではかかるMR比を満足することができない。 However, the bias current value is greatly related to the characteristics required of the magnetoresistive effect element, and if the bias current value increases, a large reproduction output can be obtained even if the MR ratio of the magnetoresistive effect element is small. Therefore, when the bias current value is on the order of 10 7 (A / cm 2 ) or less, it is required that the MR ratio of the magnetoresistive element is sufficiently high in order to obtain a sufficient reproduction output. Such TMR and GMR cannot satisfy such MR ratio.
本発明は、スピントランスファートルクを低減し、比較的小さいMR比でも十分な再生出力を出力することが可能な新規な磁気抵抗効果素子、並びにこの磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することを目的とする。 The present invention relates to a novel magnetoresistive element capable of reducing spin transfer torque and outputting a sufficient reproduction output even with a relatively small MR ratio, and a magnetic head and a magnetic recording / reproducing using the magnetoresistive element An object is to provide an apparatus.
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する強磁性金属層を含む複合スペーサ層を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の厚さ方向に沿った上面及び下面に設けられた一対の電極層とを具え、前記一対の電極層を介し、前記磁気抵抗効果膜の前記磁化固着層から前記磁化自由層へ向けてセンス電流を流すように構成したことを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。 In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes a magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction, a magnetization free layer in which the magnetization direction changes in response to an external magnetic field, and the magnetization pinned A magnetoresistive effect film having a composite spacer layer including an insulating layer and a ferromagnetic metal layer penetrating the insulating layer, and provided along the thickness direction of the magnetoresistive effect film. A pair of electrode layers provided on the upper and lower surfaces, and configured to cause a sense current to flow from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer of the magnetoresistive effect film via the pair of electrode layers. The present invention relates to a magnetoresistive effect element.
また、本発明の他の態様は、上記磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気ヘッドに関する。 Another aspect of the present invention relates to a magnetic head comprising the magnetoresistive element.
さらに、本発明のその他の態様は、磁気記録媒体と、上記磁気ヘッドとを具えることを特徴とする、磁気記録再生装置に関する。 Furthermore, another aspect of the present invention relates to a magnetic recording / reproducing apparatus comprising a magnetic recording medium and the magnetic head.
上記態様によれば、スピントランスファートルクを低減し、比較的小さいMR比でも十分な再生出力を出力することが可能な新規な磁気抵抗効果素子を提供することができる。 According to the above aspect, it is possible to provide a novel magnetoresistive element capable of reducing spin transfer torque and outputting sufficient reproduction output even with a relatively small MR ratio.
以下、図面を参照して,本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(磁気抵抗効果素子)
図1は、本発明の一実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の概略構成を表す模式的断面図である。
(Magnetoresistive element)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
図1に示す磁気抵抗効果素子10は、下電極LE及び上電極UEを有し、これらの間に積層膜が配置されてなる。この積層膜は、下電極LE上に、下地層11、反強磁性層12、複合ピン層(磁化固着層)13(ピン層131、磁化反平行結合層132及びピン層133)、複合スペーサ層14、フリー層(磁化自由層)15、及び保護層16が順次に積層されてなる。ここで、複合ピン層13、複合スペーサ層14及びフリー層15がスピンバルブ膜を構成する。
The
下電極LE及び上電極UEは、スピンバルブ膜の略垂直方向にセンス電流を通電するためのものであり、磁気抵抗効果素子10は、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すCPP(Current Perpendicular to Plane)型の磁気抵抗効果素子を構成する。
The lower electrode LE and the upper electrode UE are for applying a sense current in a direction substantially perpendicular to the spin valve film, and the
下地層11は、例えば、バッファ層11a、シード層11bの2層構造とすることができる。バッファ層11aは、下電極LE表面の荒れを緩和したりするための層であり、例えば、Ta,Ti,W,Zr,Hf,Crまたはこれらの合金を用いることができる。シード層11bは、スピンバルブ膜の結晶配向を制御するための層であり、例えば、Ru、(FexNi100−x)100−yXy(X=Cr,V,Nb,Hf,Zr,Mo,15<x<25,20<y<45)を用いることができる。
The
バッファ層11aの膜厚は2〜10nm程度が好ましく、3〜5nm程度がより好ましい。バッファ層11aの厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。シード層12bの膜厚としては、結晶配向を向上させる機能を十分発揮するために、1〜5nmが好ましく、1.5〜3nmがより好ましい。 The thickness of the buffer layer 11a is preferably about 2 to 10 nm, and more preferably about 3 to 5 nm. If the buffer layer 11a is too thin, the buffer effect is lost. The film thickness of the seed layer 12b is preferably 1 to 5 nm and more preferably 1.5 to 3 nm in order to sufficiently exhibit the function of improving the crystal orientation.
反強磁性層12は、複合ピン層13に一方向異方性(unidirectional anisotropy)を付与して磁化を固着する機能を有する反強磁性材料(例えば、PtMn,PdPtMn,IrMn,RuRhMn)が用いられる。
The
十分な強さの一方向異方性を付与するために、反強磁性層12の膜厚を適切に設定する。反強磁性層12の材料がPtMnやPdPtMnの場合には、膜厚として、8〜20nm程度が好ましく、10〜15nmがより好ましい。反強磁性層12の材料がIrMnの場合には、PtMnなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、3〜12nmが好ましく、4〜10nmがより好ましい。
In order to provide sufficient unidirectional anisotropy, the film thickness of the
複合ピン層(磁化固着層)13は、磁化方向が実質的に固着された2つの強磁性体の膜(ここでは、ピン層131及び133)を有し、これらの間に配置される磁化反平行結合層132から構成される。なお、この複合ピン層13に換えて、単一のピン層を用いることもできる。磁化反平行結合層132の上下のピン層131及び133は、磁化反平行結合層132を介して、磁化の向きが互いに反平行になるように磁気結合している。
The composite pinned layer (magnetization pinned layer) 13 has two ferromagnetic films (here, pinned
なお、ピン層131及び133には、強磁性体(例えば,Fe,Co,Ni,FeCo合金,FeNi合金)が用いられる。磁化反平行結合層132は、ピン層131及び133を反強磁性結合するものであり、例えば、Ru,Ir,Rhが用いられる。
The pinned layers 131 and 133 are made of a ferromagnetic material (for example, Fe, Co, Ni, FeCo alloy, FeNi alloy). The magnetization antiparallel coupling layer 132 is for antiferromagnetic coupling of the pinned
ピン層131に用いられる磁性層の膜厚は1.5〜4nm程度が好ましい。これは、反反強磁性層12(例えば、IrMn)による一方向異方性磁界強度および磁気結合層132(例えば、Ru)を介したピン層133との反強磁性結合磁界強度の観点に基づく。ピン層131が薄すぎるとMR変化率が小さくなる。一方、ピン層131が厚すぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。なお、同様の理由から、ピン層133に用いられる磁性層の膜厚も1.5〜4nm程度が好ましい。
The thickness of the magnetic layer used for the pinned
複合スペーサ層14は、絶縁層141及び強磁性金属層(強磁性金属部)142を有する。
The
絶縁層141は、電流を絶縁する機能を有する材料を適宜に利用できる。具体的には、Al,Mg,Li,Si,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Se,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Ba,Ka,Hf,Ta,W,Re,Pt,Hg,Pb,Bi,ランタノイド元素の少なくとも一種を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物等から構成することができる。
As the insulating
絶縁層141は、ピン層133及びフリー層15のスペーサとしての機能も有するため、その厚さは1〜3.5nmが好ましく、1.5〜3nmの範囲がより好ましい。
Since the insulating
強磁性金属層142は、複合スペーサ層14の層垂直方向に電流を流す通路(パス)であり、Fe,Co,Ni等の強磁性体または合金からなる金属層を用いることができる。
The
フリー層15は、上述したピン層131等と同様に、強磁性体(例えば,Fe,Co,Ni,FeCo合金,FeNi合金)が用いられる。
The
保護層16は、上記スピンバルブ膜を保護するためのものであり、複数の金属層、例えば、Cu層とRu層の2層構造(Cu[1nm]/Ru[10nm])とすることができる。保護層16として、Ruをフリー層15側に配置したRu/Cu層なども用いることができる。この場合、Ruの膜厚は0.5〜2nm程度が好ましい。この構成の保護層16は、特に、フリー層15がNiFeからなる場合に望ましい。RuはNiと非固溶な関係にあるので、フリー層15と保護層16との間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できるからである。
The
なお、本態様の磁気抵抗効果素子は汎用の方法で製造することができる。特に、複合スペーサ層14を形成するに際しては、例えば、強磁性金属層142を構成する第1の金属層及び第2の金属層を順次形成した後、表面酸化処理あるいは表面窒化処理を実施して、前記第2の金属層中に前記第1の金属層の一部を侵入させるとともに、前記第2の金属層を絶縁層に変換して行う。具体的には、特開P2006−54257号公報に開示されたような手法に基づいて実施する。
In addition, the magnetoresistive effect element of this aspect can be manufactured by a general purpose method. In particular, when forming the
(磁気抵抗効果素子の再生)
次に、上記態様における磁気抵抗化素子10の再生原理について説明する。図2及び3は、前記再生原理を説明するための図であり、ピン層133、複合スペーサ層14及びフリー層15を拡大して示している。
(Regeneration of magnetoresistive effect element)
Next, the reproduction principle of the
本態様では、図1に示すように、磁気抵抗効果素子10に対してピン層133からフリー層15に向けて電流を流す。したがって、伝導電子はフリー層15からピン層133に向けて流れることになる。
In this aspect, as shown in FIG. 1, a current is passed from the pinned
図2に示すように、ピン層133の磁化M1とフリー層15の磁化M2が互いに平行(本態様では互いに上向き)、すなわち磁化M1及びM2の相対角度が0度の場合、複合スペーサ層14の強磁性金属層142内に磁壁が生じることがない。したがって、フリー層15から流入した伝導電子E1及びE2は、そのまま強磁性金属層142を通過してピン層133に流入するようになるので、フリー層15におけるスピントルクの受け渡し効率は低くなる。
As shown in FIG. 2, when the magnetization M1 of the pinned
一方、ピン層133の磁化M1とフリー層15の磁化M2とが平行からずれてくると、複合スペーサ層14の強磁性金属層142内には磁壁DWが形成されるようになる。磁壁DWのピン層133側では磁化M1と同方向の磁化m1が生成し、磁壁DWのフリー層142側では磁化M2と同方向の磁化m2が生成するようになる。このため、磁壁DWは、伝導電子E1及びE2に対して反射層として機能するようになる。
On the other hand, when the magnetization M1 of the pinned
例えば、フリー層15に導入された伝導電子E1及びE2のスピン方向は、それぞれ磁壁DWの、ピン層133側の磁化m1の方向と相異なるようになるので、伝導電子E1及びE2は磁壁DWにおいて反射されるようになる。したがって、フリー層15のスピントルクの受け渡し効率が増大するようになる。
For example, the spin directions of the conduction electrons E1 and E2 introduced into the
しかしながら、図3に示すように、ピン層133の磁化M1とフリー層15の磁化M2とが反平行(本態様では、磁化M1が上向きで、磁化M2が下向き)になると、フリー層15に導入された伝導電子E1及びE2の内、磁壁DWのピン層133側の磁化m1の方向と同方向のスピンを有する伝導電子E1は磁壁DWで反射されることなく透過する。一方、磁化m1の方向と反対方向のスピンを有する伝導電子E2は磁壁DWで反射されるが、そのスピン方向はフリー層15の磁化M2の方向と同じである。
However, as shown in FIG. 3, when the magnetization M1 of the pinned
したがって、フリー層15における実質的なスピントルクの受け渡しは生じないようになる。したがって、スピントルクの受け渡し効率は小さくなる。
Accordingly, no substantial spin torque is transferred in the
本態様に従って、磁気抵抗効果素子10に対してピン層133からフリー層15に向けて電流を流す、すなわち、伝導電子をフリー層15からピン層133に向けて流すことによって、ピン層133の磁化M1とフリー層15の磁化M2とが平行又は反平行の際はスピントルクの受け渡し効率が十分に小さくなる。
According to this embodiment, the magnetization of the pinned
図4は、本態様におけるスピントルクの受け渡し効率(スピントルク起因のノイズ強度)と、フリー層15及びピン層133におけるそれぞれの磁化M2及びM1の相対角度依存性を示したものである。
FIG. 4 shows the spin torque delivery efficiency (noise intensity due to spin torque) and the relative angular dependence of the magnetizations M2 and M1 in the
図4から明らかなように、相対角度90度近傍でスピントルクの受け渡し効率(スピントルク起因のノイズ強度)が若干増大するものの、0度(平行)及び180度(反平行)に近づくにつれて、前記スピントルクの受け渡し効率(スピントルク起因のノイズ強度)が減少することが分かる。なお、このグラフはシミュレーションに基づくものである。 As is clear from FIG. 4, the spin torque delivery efficiency (noise intensity due to the spin torque) is slightly increased near the relative angle of 90 degrees, but as the angle approaches 0 degrees (parallel) and 180 degrees (antiparallel), It can be seen that the delivery efficiency of spin torque (noise intensity caused by spin torque) decreases. This graph is based on simulation.
したがって、このように要件を満足する磁気抵抗効果素子10の出力波形は、例えば図5に示すような良好なサインカーブとなる。一方、上記スピントルクの受け渡し効率(スピントルク起因のノイズ強度)が大きい場合は、例えば図中の破線で示すようなカーブとなり、良好な出力電圧を得ることができない場合がある。
Therefore, the output waveform of the
(磁気抵抗効果素子の応用)
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の応用について説明する。
(Application of magnetoresistive effect element)
Hereinafter, application of the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) according to the embodiment of the present invention will be described.
(磁気ヘッド)
図6および図7は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図6は、磁気記録媒体(図示せず)に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図7は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ABSに対して垂直な方向に切断した断面図である。
(Magnetic head)
6 and 7 show a state in which the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is incorporated in a magnetic head. FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element cut in a direction substantially parallel to a medium facing surface facing a magnetic recording medium (not shown). FIG. 7 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element cut in a direction perpendicular to the medium facing surface ABS.
図6および図7に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド(hard abutted)構造を有する。磁気抵抗効果膜10の上下には、下電極LEと上電極UEとがそれぞれ設けられている。図6において、磁気抵抗効果膜10の両側面には、バイアス磁界印加膜41と絶縁膜42とが積層して設けられている。図7に示すように、磁気抵抗効果膜10の媒体対向面には保護層43が設けられている。
The magnetic head illustrated in FIGS. 6 and 7 has a so-called hard abutted structure. A lower electrode LE and an upper electrode UE are provided above and below the
磁気抵抗効果膜10に対するセンス電流は、その上下に配置された下電極LE、上電極UEによって矢印Aで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜41、41により、磁気抵抗効果膜10にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜10のフリー層15の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ(Barkhausen noise)を抑制することができる。磁気抵抗効果膜10のS/N比が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
The sense current for the
(ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー)
図6および図7に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
(Hard disk and head gimbal assembly)
The magnetic head shown in FIGS. 6 and 7 can be incorporated into a recording / reproducing integrated magnetic head assembly and mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus.
図8は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本実施形態の磁気記録再生装置150は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク200は、スピンドル152に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Aの方向に回転する。本実施形態の磁気記録再生装置150は、複数の磁気ディスク200を備えてもよい。
FIG. 8 is a main part perspective view illustrating a schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing
磁気ディスク200に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ153は、薄膜状のサスペンション154の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ153は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
A
磁気ディスク200が回転すると、ヘッドスライダ153の媒体対向面(ABS)は磁気ディスク200の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク200と接触するいわゆる「接触走行型」でもよい。
When the
サスペンション154はアクチュエータアーム155の一端に接続されている。アクチュエータアーム155の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ156が設けられている。ボイスコイルモータ156は、ボビン部に巻かれた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
The
アクチュエータアーム155は、スピンドル157の上下2箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ156により回転摺動が自在にできるようになっている。
The
図9は、アクチュエータアーム155から先のヘッドジンバルアセンブリーをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、アセンブリ160は、アクチュエータアーム155を有し、アクチュエータアーム155の一端にはサスペンション154が接続されている。サスペンション154の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ153が取り付けられている。サスペンション154は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線164を有し、このリード線164とヘッドスライダ153に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中165はアセンブリ160の電極パッドである。
FIG. 9 is an enlarged perspective view of the head gimbal assembly ahead of the
本実施形態によれば、上述の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備することにより、高い記録密度で磁気ディスク200に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
According to the present embodiment, by providing the magnetic head including the magnetoresistive element described above, it is possible to reliably read information magnetically recorded on the
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention. The specific structure of the magnetoresistive film, and other shapes and materials of the electrode, bias application film, insulating film, etc., are appropriately implemented by those skilled in the art, and the present invention is similarly implemented. The effect of can be obtained. For example, when applying a magnetoresistive element to a reproducing magnetic head, the detection resolution of the magnetic head can be defined by providing magnetic shields above and below the element.
また、本発明の実施形態は、長手磁気記録方式のみならず、垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても適用できる。さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。 The embodiment of the present invention can be applied not only to a longitudinal magnetic recording system but also to a perpendicular magnetic recording system magnetic head or magnetic reproducing apparatus. Furthermore, the magnetic reproducing apparatus of the present invention may be a so-called fixed type having a specific recording medium constantly provided, or a so-called “removable” type in which the recording medium can be replaced.
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。 In addition, all magnetoresistive elements, magnetic heads, magnetic storage / reproduction devices, and magnetic memories that can be appropriately designed and implemented by those skilled in the art based on the magnetic head and magnetic storage / reproduction device described above as embodiments of the present invention Are also within the scope of the present invention.
10…磁気抵抗効果膜、LE…下電極、11…下地層、11a…バッファ層、11b…シード層、12…反強磁性層、13…複合ピン層、131,133…ピン層、132…磁化反平行結合層、15…フリー層、16…保護層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、
前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する強磁性金属層を含む複合スペーサ層を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の厚さ方向に沿った上面及び下面に設けられた一対の電極層とを具え、
前記一対の電極層を介し、前記磁気抵抗効果膜の前記磁化固着層から前記磁化自由層へ向けてセンス電流を流すように構成したことを特徴とする、磁気抵抗効果素子。 A magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction;
A magnetization free layer whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field;
A magnetoresistive film having a composite spacer layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer and including an insulating layer and a ferromagnetic metal layer penetrating the insulating layer;
A pair of electrode layers provided on the upper and lower surfaces along the thickness direction of the magnetoresistive film,
A magnetoresistive effect element configured to cause a sense current to flow from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer of the magnetoresistive effect film through the pair of electrode layers.
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JP2012169448A (en) * | 2011-02-14 | 2012-09-06 | Toshiba Corp | Magnetoresistance effect element, magnetic head assembly, and magnetic recording/reproducing device |
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2008
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