JP4360958B2 - Magnetoresistive element, thin film magnetic head, head gimbal assembly, head arm assembly, and magnetic disk apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、巨大磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子ならびにそれを搭載した薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置に関し、特に、使用時において積層方向に電流が流れるように構成された磁気抵抗効果素子ならびにそれを備えた薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element that exhibits a giant magnetoresistive effect, and a thin film magnetic head, a head gimbal assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk device having the magnetoresistive effect element mounted thereon. The present invention relates to a configured magnetoresistive effect element, and a thin film magnetic head, a head gimbal assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk apparatus including the magnetoresistive element.
従来より、ハードディスクなどの磁気記録媒体の情報を再生するにあたっては、磁気抵抗(MR:Magnetoresistive)効果を示すMR素子を備えた薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。近年では、磁気記録媒体の高記録密度化が進んでおり、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistive)効果を示す巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)利用した薄膜磁気ヘッドが一般的である。このようなGMR素子としては、例えば、スピンバルブ(SV:spin valve)型のGMR素子がある。 Conventionally, in reproducing information on a magnetic recording medium such as a hard disk, a thin film magnetic head including an MR element exhibiting a magnetoresistive (MR) effect has been widely used. In recent years, the recording density of magnetic recording media has been increasing, and a thin film magnetic head using a giant magnetoresistive element (GMR element) exhibiting a giant magnetoresistive (GMR: Giant Magnetoresistive) effect is common. An example of such a GMR element is a spin valve (SV) type GMR element.
このSV型のGMR素子は、非磁性の中間層を介して、磁化方向が一定方向に固着された磁性層(磁化固着層)と、磁化方向が外部からの信号磁界に応じて変化する磁性層(磁化自由層)とが積層された構造のSV膜を有しており、再生動作の際には、例えばセンス電流が積層面内方向に流れるように構成されている。このようなGMR素子は、特に、CIP(Current in Plane)−GMR素子と呼ばれる。この場合、SV膜の2つの磁性層(磁化固着層および磁化自由層)における磁化方向の相対角度に応じてセンス電流を流した際に電気抵抗(すなわち電圧)が変化するようになっている。 This SV type GMR element includes a magnetic layer (magnetization pinned layer) in which the magnetization direction is fixed in a fixed direction via a nonmagnetic intermediate layer, and a magnetic layer in which the magnetization direction changes in response to a signal magnetic field from the outside. In the reproduction operation, for example, a sense current flows in the in-plane direction of the stacked layer. Such a GMR element is particularly called a CIP (Current in Plane) -GMR element. In this case, the electric resistance (that is, the voltage) changes when a sense current is passed according to the relative angle of the magnetization direction in the two magnetic layers (magnetization pinned layer and magnetization free layer) of the SV film.
最近では、さらなる記録密度の向上に対応するため、再生動作の際に、センス電流がSV膜の積層方向に流れるように構成されたCPP(Current Perpendicular to the Plane)−GMR素子を有する薄膜磁気ヘッドの開発が進められている。このようなCPP−GMR素子は、一般的に、SV膜と、このSV膜を、絶縁膜を介して再生トラック幅方向に対応する方向に挟んで対向するように配置された一対の磁区制御膜と、これらSV膜および一対の磁区制御膜を積層方向に沿って挟むように形成された上部および下部電極とを有している。上部および下部電極は、上部および下部シールド膜を兼ねている。このような構成を有するCPP−GMR素子は、再生トラック幅方向の寸法を小さくした場合にCIP−GMR素子と比べて高出力が得られるなどの利点を有している。具体的には、CIP−GMR素子では、面内方向にセンス電流を流すので、再生トラック幅方向の寸法が狭小化するのに伴いセンス電流が通過する感磁部分が微小となり、電圧変化量が小さくなってしまうのに対し、CPP−GMR素子であれば積層方向にセンス電流を流すので、再生トラック幅方向の狭小化による電圧変化量に対する影響は少ないのである。このような背景から、CPP−GMR素子は、さらなる記録密度の向上に対応可能なものとしての期待が高まっている。 Recently, a thin film magnetic head having a CPP (Current Perpendicular to the Plane) -GMR element configured to allow a sense current to flow in the direction of stacking of the SV film during a reproducing operation in order to cope with further improvement in recording density. Development is underway. Such a CPP-GMR element generally includes an SV film and a pair of magnetic domain control films disposed so as to face each other with the SV film sandwiched in a direction corresponding to the reproduction track width direction via an insulating film. And upper and lower electrodes formed so as to sandwich the SV film and the pair of magnetic domain control films along the stacking direction. The upper and lower electrodes also serve as upper and lower shield films. The CPP-GMR element having such a configuration has an advantage that a high output can be obtained as compared with the CIP-GMR element when the dimension in the reproduction track width direction is reduced. Specifically, in the CIP-GMR element, since the sense current flows in the in-plane direction, the magnetosensitive part through which the sense current passes becomes minute as the size in the reproduction track width direction is narrowed, and the voltage change amount is small. On the other hand, in the case of a CPP-GMR element, a sense current flows in the stacking direction, so that there is little influence on the amount of voltage change due to narrowing in the reproduction track width direction. From such a background, the CPP-GMR element is expected to be capable of dealing with further improvement in recording density.
特に、磁化固着層が、互いに反平行に固着された磁化方向を有する2つの強磁性膜(第1および第2の磁化固着膜)とこの間に設けられた非磁性膜とを有する3層構造のシンセティック型をなす場合には、そのネットモーメントが低減されて外部磁界が印加されても磁化方向は回転し難くなるうえ、2つの強磁性膜同士の交換結合が生じるので、磁化方向が安定する。加えて、ネットモーメントが低減することにより、磁気ヘッド内の静磁界が小さくなり、出力波形の対称性が改善される。このようなシンセティック型の磁化固着層を備えたシンセティック型CPP−GMR素子は、その構造上の特徴により、磁気記録情報の再生手段として優れた性能を発揮することができる。 In particular, the magnetization fixed layer has a three-layer structure having two ferromagnetic films (first and second magnetization fixed films) having magnetization directions fixed in antiparallel to each other and a nonmagnetic film provided therebetween. In the case of a synthetic type, the net moment is reduced and the magnetization direction becomes difficult to rotate even when an external magnetic field is applied, and exchange coupling between two ferromagnetic films occurs, so that the magnetization direction is stabilized. In addition, since the net moment is reduced, the static magnetic field in the magnetic head is reduced, and the symmetry of the output waveform is improved. A synthetic CPP-GMR element having such a synthetic magnetization pinned layer can exhibit excellent performance as a means for reproducing magnetic recording information due to its structural characteristics.
CPP−GMR素子に関する先行技術としては、例えば、磁化自由層や磁化固着層を、強磁性膜と非磁性膜とが交互に積層した多層構造としたものが開示されている(例えば特許文献1参照。)。このような多層構造とすることでスピン依存散乱効果を高め、大きな出力を得るようにしている。また、シンセティック型の磁化固着層を備え、この磁化固着層を構成する2つの磁化固着膜のうちの少なくとも一方が、ニッケル鉄合金(NiFe)からなる中間層を含むマルチ構造(具体的には「コバルト(Co)/NiFe/コバルト(Co)」という構造)を有するようにしたCIP−GMR素子が、例えば特許文献2に開示されている。この場合、自由層と磁化固着層との間の強磁性結合磁界を低減し、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。さらに、バルク散乱係数βが負である材料を自由層および磁化固着層のうちの少なくとも一方に用いると共に、界面散乱係数γが負である材料を自由層および磁化固着層の間に挟まれた非磁性中間層に用いるようにしたシンセティック型のCPP−GMR素子が、例えば特許文献3に開示されている。このような構成は、より大きな磁気抵抗変化率を得ることを目的としている。
しかしながら、従来のシンセティック型CPP−GMR素子では、第1および第2の磁化固着層の磁化が互いに反平行に結合した構造を有していることから、ネットモーメントが低減されて磁化方向の安定化を図ることができる一方で、SV膜に対して積層方向に電流を流すことから、その構造上の特徴に起因して、その抵抗変化量の一部を損失してしまうという問題を生じていた。すなわち、第1の磁化固着膜と磁化自由層との間に生じるGMR効果による抵抗変化量(電圧変化量)と、第1の磁化固着膜とは反対向きの磁化方向を示す第2の磁化固着膜と磁化自由層との間に生じるGMR効果による抵抗変化量(電圧変化量)とが、互いにその一部を打ち消し合うこととなっていた。 However, since the conventional synthetic CPP-GMR element has a structure in which the magnetizations of the first and second magnetization fixed layers are coupled antiparallel to each other, the net moment is reduced and the magnetization direction is stabilized. On the other hand, since a current flows in the stacking direction with respect to the SV film, there is a problem that a part of the resistance change amount is lost due to the structural feature. . That is, the resistance change amount (voltage change amount) due to the GMR effect generated between the first magnetization pinned film and the magnetization free layer, and the second magnetization pinion showing the magnetization direction opposite to that of the first magnetization pinned film. A resistance change amount (voltage change amount) due to the GMR effect generated between the film and the magnetization free layer cancels a part of each other.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より大きな抵抗変化量が得られ、高記録密度化に対応可能な磁気抵抗効果素子ならびにそれを搭載した薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive element capable of obtaining a larger amount of resistance change and corresponding to a higher recording density, a thin film magnetic head equipped with the magnetoresistive element, and a head gimbal. To provide an assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk device.
本発明の磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を示す第1の磁化固着膜と、この第1の磁化固着膜の磁化方向とは反対方向に固着された磁化方向を示すと共に0.25以下のバルク散乱係数を示す第2の磁化固着膜とを有する磁化固着層と、第1の磁化固着膜の、第2の磁化固着膜とは反対側に設けられ、外部磁界に応じて変化する磁化方向を示す磁化自由層と、磁化固着層および磁化自由層に対し、積層面と直交する方向にセンス電流を流す電流経路とを備えるように構成されたものである。また、本発明の薄膜磁気ヘッドは上記の磁気抵抗効果素子を有するものであり、本発明のヘッドジンバルアセンブリは、そのような薄膜磁気ヘッドが一側面に設けられた磁気ヘッドスライダと、この磁気ヘッドスライダが一端に取り付けられたサスペンションとを有するものである。本発明のヘッドアームアセンブリは、上記のヘッドジンバルアセンブリと、上記のサスペンションの他端を支持するアームとを含むようにしたものである。さらに、本発明の磁気ディスク装置は、磁気記録媒体と、上記のヘッドアームアセンブリとを備えるようにしたものである。 Magnetoresistive effect element of the present invention show a first magnetization pinned film exhibiting anchored magnetization direction in a predetermined direction, the magnetization direction is fixed in the opposite direction to the magnetization direction of the first magnetization pinned layer And a magnetization pinned layer having a second magnetization pinned film exhibiting a bulk scattering coefficient of 0.25 or less and a first magnetization pinned film on the opposite side of the second magnetization pinned film, A magnetization free layer showing a magnetization direction that changes accordingly, and a current path through which a sense current flows in a direction orthogonal to the laminated surface with respect to the magnetization pinned layer and the magnetization free layer are configured. Further, the thin film magnetic head of the present invention are those having a magnetoresistive element described above, f head gimbal assembly of the present invention, a magnetic head slider such a thin film magnetic head is provided on one side surface, The magnetic head slider has a suspension attached to one end. F head arm assembly of the present invention has to include an arm for supporting the above head gimbal assembly, the other end of the suspension. Furthermore, magnetic disk device of the present invention has as comprising a magnetic recording medium, and said head arm assembly.
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置では、第1および第2の磁化固着膜のうち磁化自由層から遠い側の第2の磁化固着膜が0.25以下のバルク散乱係数を示すように構成したので、磁化自由層と第1の固着膜との間で発生する抵抗変化量を打ち消すように作用する第2の磁化固着膜によるバルク散乱効果が抑制される。 Magnetoresistive effect element of the present invention, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, the head arm assembly and a magnetic disk apparatus, the second magnetization pinned layer farther from the magnetization free layer of the first and second magnetization pinned layer Is configured to exhibit a bulk scattering coefficient of 0.25 or less, so that the bulk scattering by the second magnetization pinned film acting so as to cancel out the resistance change amount generated between the magnetization free layer and the first pinned film. The effect is suppressed.
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置では、第2の磁化固着膜が特に0.20以下のバルク散乱係数を示すように構成することが望ましい。 Magnetoresistive effect element of the present invention, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, the head arm assembly and a magnetic disk device, that the second magnetization pinned film is particularly configured to exhibit bulk scattering coefficient of 0.20 or less desirable.
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置では、磁化固着層における第2の磁化固着膜が、タンタル,クロムおよびバナジウムのうちの少なくとも1つを含むようにするとよい。In the magnetoresistive element, the thin film magnetic head, the head gimbal assembly, the head arm assembly, and the magnetic disk device of the present invention, the second magnetization pinned film in the magnetization pinned layer includes at least one of tantalum, chromium, and vanadium. It is good to do so.
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置では、タンタルの含有量が、第2の磁化固着膜のうちの1原子パーセント以上11.8原子パーセント以下であり、クロムの含有量が、第2の磁化固着膜のうちの13原子パーセント以上26.5原子パーセント以下であり、バナジウムの含有量が、第2の磁化固着膜のうちの13原子パーセント以上29.4原子パーセント以下であることが望ましい。第2の磁化固着膜は、さらに、鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1つを含むものによって構成することできる。その場合、コバルトと鉄との組成比は、例えば9:1である。
Magnetoresistive effect element of the present invention, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, the head arm assembly and a magnetic disk device, the content of tantalum, 11.8
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置では、第1および第2の磁化固着膜が、非磁性膜を介して互いに交換結合していることが望ましい。さらに、第2の磁化固着膜の、第1の磁化固着膜と反対側に、第2の磁化固着膜の磁化方向を固着する反強磁性層を有することが好ましい。さらに、磁化固着層と磁化自由層との間には中間層を備えている。また、電流経路は、積層面と直交する方向に磁化固着層および磁化自由層を挟むように対向配置された第1および第2の電極層によって構成されている。 Magnetoresistive effect element of the present invention, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, the head arm assembly and a magnetic disk apparatus, the first and second magnetization pinned film, are exchange-coupled to each other via a nonmagnetic layer Is desirable. Furthermore, it is preferable to have an antiferromagnetic layer that fixes the magnetization direction of the second magnetization pinned film on the side opposite to the first magnetization pinned film of the second magnetization pinned film. Furthermore, an intermediate layer is provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer. Further, the current path is constituted by first and second electrode layers arranged to face each other so as to sandwich the magnetization fixed layer and the magnetization free layer in a direction orthogonal to the laminated surface.
本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置によれば、一定方向に固着された磁化方向を示す第1の磁化固着膜と、この第1の磁化固着膜の磁化方向とは反対方向に固着された磁化方向を示すと共に0.25以下のバルク散乱係数を示す第2の磁化固着膜とを含む磁化固着層と、第1の磁化固着膜の、第2の磁化固着膜とは反対側に設けられ、外部磁界に応じて変化する磁化方向を示す磁化自由層と、磁化固着層および磁化自由層に対し、積層面と直交する方向にセンス電流を流す電流経路とを備えるようにしたので、第2の磁化固着膜に起因する抵抗変化量の減少を抑制することができる。したがって、全体としての抵抗変化量が増加することにより抵抗変化率が向上し、より高い記録密度に対応することが可能となる。特に、第2の磁化固着膜が0.20以下のバルク散乱係数を示すように構成すると、より大きな抵抗変化量が得られ、よりいっそうの高記録密度化への対応が可能となる。 Magnetoresistive effect element of the present invention, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, according to the head arm assembly and a magnetic disk device, a first magnetization pinned film exhibiting anchored magnetization direction in a predetermined direction, the first A magnetization pinned layer including a second magnetization pinned film showing a magnetization direction pinned in a direction opposite to the magnetization direction of the magnetization pinned film and having a bulk scattering coefficient of 0.25 or less; and A magnetization free layer provided on the opposite side of the second magnetization pinned film and exhibiting a magnetization direction that changes in response to an external magnetic field, and a sense current in a direction perpendicular to the stack surface with respect to the magnetization pinned layer and the magnetization free layer Since a current path through which a current flows is provided, it is possible to suppress a decrease in resistance change caused by the second magnetization pinned film. Therefore, the resistance change rate is improved by increasing the overall resistance change amount, and it becomes possible to cope with a higher recording density. In particular, when the second magnetization pinned film is configured so as to exhibit a bulk scattering coefficient of 0.20 or less, a larger resistance change amount can be obtained, and it is possible to cope with a higher recording density.
本発明の第2の観点の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置によれば、一定方向に固着された磁化方向を示す第1の磁化固着膜と、この第1の磁化固着膜の磁化方向とは反対向きに固着された磁化方向を示すと共にタンタル(Ta),クロム(Cr)およびバナジウム(V)のうちの少なくとも1つを含む第2の磁化固着膜とを含む磁化固着層と、第1の磁化固着膜の、第2の磁化固着膜とは反対側に設けられ、外部磁界に応じて変化する磁化方向を示す磁化自由層と、磁化固着層および磁化自由層に対し、積層面と直交する方向にセンス電流を流す電流経路とを備えるようにしたので、第2の磁化固着膜に起因する抵抗変化量の減少を抑制することができる。したがって、全体としての抵抗変化量が増加することにより抵抗変化率が向上し、より高い記録密度に対応することが可能となる。 According to the magnetoresistive effect element, the thin film magnetic head, the head gimbal assembly, the head arm assembly, and the magnetic disk device according to the second aspect of the present invention, the first magnetization pinned film showing the magnetization direction fixed in a certain direction; A second magnetization pinned which shows a magnetization direction fixed opposite to the magnetization direction of the first magnetization pinned film and contains at least one of tantalum (Ta), chromium (Cr) and vanadium (V) A magnetization pinned layer including a film, a magnetization free layer provided on the opposite side of the first magnetization pinned film to the second magnetization pinned film, and showing a magnetization direction that changes according to an external magnetic field, and a magnetization pinned layer In addition, since the magnetic free layer is provided with a current path through which a sense current flows in a direction orthogonal to the laminated surface, it is possible to suppress a decrease in the resistance change amount caused by the second magnetization pinned film. Therefore, the resistance change rate is improved by increasing the overall resistance change amount, and it becomes possible to cope with a higher recording density.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
最初に、図1ないし図5を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子ならびにそれを備えた薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置の構成について以下に説明する。 First, referring to FIG. 1 to FIG. 5, the configurations of a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention, and a thin film magnetic head, a head gimbal assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk device having the same are described below. Explained.
図1は、本実施の形態に係る磁気ディスク装置の内部構成を表す斜視図である。この磁気ディスク装置は、図1に示したように、例えば筐体100の内部に、情報が記録されることとなる磁気記録媒体としての磁気記録媒体200と、この磁気記録媒体200への情報の記録およびその情報の再生を行うためのヘッドアームアセンブリ(HAA;Head Arm Assembly)300とを備えるようにしたものである。HAA300は、ヘッドジンバルアセンブリ(HGA;Head Gimbals Assembly)2と、このHGA2の基部を支持するアーム3と、このアーム3を回動させる動力源としての駆動部4とを備えている。HGA2は、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド1(後出)が一側面に設けられた磁気ヘッドスライダ(以下、単に「スライダ」という。)2Aと、このスライダ2Aが一端に取り付けられたサスペンション2Bとを有するものである。このサスペンション2Bの他端(スライダ2Aとは反対側の端部)は、アーム3によって支持されている。アーム3は、筐体100に固定された固定軸5を中心軸としてベアリング6を介して回動可能なように構成されている。駆動部4は、例えばボイスコイルモータなどからなる。なお、通常、磁気ディスク装置は、図1に示したように複数の磁気記録媒体200を備えており、各磁気記録媒体200の記録面(表面および裏面)のそれぞれ対応してスライダ2Aが配設されるようになっている。各スライダ2Aは、各磁気記録媒体200の記録面と平行な面内において、再生トラックを横切る方向(X方向)に移動することができる。一方、磁気記録媒体200は、筐体100に固定されたスピンドルモータ7を中心とし、X方向に対してほぼ直交する方向に回転するようになっている。磁気記録媒体200の回転およびスライダ2Aの移動により磁気記録媒体200に情報が記録され、または記録された情報が読み出されるようになっている。
FIG. 1 is a perspective view showing the internal configuration of the magnetic disk apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the magnetic disk device includes, for example, a magnetic recording medium 200 as a magnetic recording medium on which information is recorded, and information stored in the magnetic recording medium 200. A head arm assembly (HAA) 300 for recording and reproducing the information is provided. The
図2は、図1に示したスライダ2Aの構成を表すものである。このスライダ2Aは、例えば、アルティック(Al2O3・TiC)よりなるブロック状の基体8を有している。この基体8は、例えば、ほぼ六面体状に形成されており、そのうちの一面が磁気記録媒体200の記録面に近接して対向するように配置されている。磁気記録媒体200の記録面と対向する面が記録媒体対向面(エアベアリング面ともいう。)9であり、磁気記録媒体200が回転すると、記録面と記録媒体対向面9との間に生じる空気流に起因する揚力により、スライダ2Aが記録面との対向方向(Y方向)に沿って記録面から浮上し、記録媒体対向面9と磁気記録媒体200との間に一定の隙間ができるようになっている。基体8の記録媒体対向面9に対する一側面には、薄膜磁気ヘッド1が設けられている。
FIG. 2 shows the configuration of the slider 2A shown in FIG. The slider 2A has a block-shaped
図3は、薄膜磁気ヘッド1の構成を分解して表す斜視図である。図4は、図3に示したIV−IV線に沿った矢視方向の構造を表す断面図である。図3および図4に示したように、薄膜磁気ヘッド1は、磁気記録媒体200に記録された磁気情報を再生する再生ヘッド部1Aと、磁気記録媒体200の記録トラックに磁気情報を記録する記録ヘッド部1Bとが一体に構成されたものである。
FIG. 3 is an exploded perspective view showing the configuration of the thin film
図3および図4に示したように、再生ヘッド部1Aは、積層方向にセンス電流が流れるように構成されたCPP(Current Perpendicular to the Plane)−GMR(Giant Magnetoresistive)構造をなす磁気抵抗効果素子(以下、MR素子という。)10を有している。具体的には、記録媒体対向面9に露出した面において、例えば基体8の上に、下部電極11と、MR膜20および一対の磁区制御膜12と、絶縁膜13と、上部電極14とが順に積層された構造となっている。なお、図3および図4では図示しないが、後述するように、一対の磁区制御膜12とMR膜20との間および一対の磁区制御膜12と下部電極11との間には一対の絶縁膜15が設けられている。また、絶縁膜13は、XY平面において、記録媒体対向面9を除くMR膜20の周囲を取り囲むように設けられており、詳細には、MR膜20をX方向に挟んで対向する第1の部分13A(図3参照)と、MR膜20を挟んで記録媒体対向面9とは反対側の領域を占める第2の部分13B(図4参照)との2つの部分から構成されている。下部電極11および上部電極14は、例えば、厚みがそれぞれ1μm〜3μmであり、ニッケル鉄合金(NiFe)などの磁性金属材料によりそれぞれ構成されている。これら下部電極11および上部電極14は、MR膜20を積層方向(Z方向)に挟んで対向し、MR膜20に不要な磁界の影響が及ばないように機能する。さらに、下部電極11はパッド11Pと接続され、上部電極14はパッド14Pと接続されており、MR膜20に対して積層方向(Z方向)に電流を流す電流経路としての機能も有している。MR膜20は、磁性材料を含む金属膜が多数積層されたシンセティック型スピンバルブ(SV)構造を有し、磁気記録媒体200に記録された磁気情報を読み出す機能を有するものである。一対の磁区制御膜12は、磁気記録媒体200の再生トラック幅方向に対応する方向(X方向)に沿ってMR膜20を挟んで対向するように配置されている。このような構成をなす再生ヘッド部1Aでは、磁気記録媒体200からの信号磁界に応じてMR膜20の電気抵抗が変化することを利用して、記録情報を読み出すようになっている。このMR膜20の詳細な構成については後述する。絶縁膜13および絶縁層16は、例えば厚みがそれぞれ10nm〜100nmであり、酸化アルミニウム(Al2O3)または窒化アルミニウム(AlN)などの絶縁材料によりそれぞれ構成されている。絶縁膜13は、主に、下部電極11と上部電極14とを電気的に絶縁するためのものであり、絶縁層16は、再生ヘッド部1Aと記録ヘッド部1Bとを電気的に絶縁するものである。
As shown in FIGS. 3 and 4, the reproducing
続いて、記録ヘッド部1Bの構成について説明する。図3および図4に示したように、記録ヘッド部1Bは、再生ヘッド部1Aの絶縁層16の上に形成されており、下部磁極41と、記録ギャップ層42、ポールチップ43、コイル44、絶縁層45、連結部46および上部磁極47を有している。
Next, the configuration of the
下部磁極41は、例えば、NiFeなどの磁性材料よりなり、絶縁層16の上に形成されている。記録ギャップ層42は、Al2O3などの絶縁材料よりなり、下部磁極41の上に形成されている。この記録ギャップ層42は、XY平面におけるコイル44の中心部に対応する位置に、磁路形成のための開口部42Aを有してる。記録ギャップ層42の上には、記録媒体対向面9の側から順に、ポールチップ43、絶縁層45および連結部46が同一平面内に形成されている。絶縁層45にはコイル44が埋設されている。コイル44は、記録ギャップ層42上に開口部42Aを中心とするように形成されており、例えば銅(Cu)または金(Au)により構成されたものである。なお、コイル44の両端末はそれぞれ電極44S,44Eに接続されている。上部磁極47は、例えば、NiFeなどの磁性材料よりなり、記録ギャップ層42、ポールチップ43,絶縁層45および連結部46の上に形成されている(図4参照)。この上部磁極47は、開口部42Aを介して下部磁極41と接触しており、磁気的に連結している。なお、図示しないが、Al2O3などからなるオーバーコート層が記録ヘッド部1Bの上面全体を覆うように形成されている。
The lower magnetic pole 41 is made of a magnetic material such as NiFe and is formed on the insulating
このような構成を有する記録ヘッド部1Bは、コイル44に流れる電流により、主に下部磁極41と上部磁極47とによって構成される磁路内部に磁束を生じ、記録ギャップ層42の近傍に生ずる信号磁界によって磁気記録媒体200を磁化し、情報を記録するようになっている。
The
次に、図5を参照して、本実施の形態の薄膜磁気ヘッド1におけるMR素子10の詳細な構成について以下に説明する。図5は、MR素子10の、図4におけるV矢視方向から眺めた構造を表す断面図である。
Next, a detailed configuration of the
図5に示したように、MR素子10は、下部磁極11の側から順に、下地層21と、反強磁性層22と、磁化固着層23と、中間層24と、磁化自由層25と、保護層26とが積層されたMR膜20を有している。下地層(バッファ層ともいう。)21は、例えば、5nmの厚みを有するタンタル(Ta)等からなり、反強磁性層22と磁化固着層23(より正確には、後述する第2の磁化固着膜233)との交換結合が良好に行われるように機能するものである。反強磁性層22は、例えば、白金マンガン合金(PtMn)またはイリジウムマンガン合金(IrMn)等の反強磁性を示す材料により、例えば7nm以上15nm以下の厚みで構成される。反強磁性層22は、磁化固着層23の磁化方向を固定する、いわゆるピンニング層として機能するものである。
As shown in FIG. 5, the
磁化固着層23は、いわゆるシンセティック構造と呼ばれる3層構造をなしており、第1の磁化固着膜231と、第2の磁化固着膜233と、これら第1および第2の磁化固着膜231,233の間に設けられた非磁性膜232とを有している。より詳細には、第1の磁化固着膜231は、一定方向に固着された磁化方向J231を示し、例えば3nm〜4nmの厚みをなしている。第2の磁化固着膜233は、磁化方向J231とは反対方向に固着された磁化方向J233を示すと共に0.25以下のバルク散乱係数βを示し、例えば3nmの厚みをなすものである。さらに、非磁性膜232は、銅、金、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)などの非磁性金属材料からなり、例えば0.8nmの厚みをなしている。ここで第2の磁化固着膜233は、第1の磁化固着膜231を挟んで磁化自由層25とは反対側に形成されている。第1および第2の磁化固着膜231,233は、非磁性膜232を介して互いに反強磁性的な交換結合をしており、それらの磁化方向J231,J233が反強磁性層22によって固着されている。ここで、第2の磁化固着膜233のバルク散乱係数βは0.20以下であることが特に望ましい。
The magnetization pinned
第2の磁化固着膜233は、例えば鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1つを含む強磁性材料を基盤材料として構成されている。コバルトと鉄との好ましい組成比は9:1である。さらに、第2の磁化固着膜233は、添加物質として、例えばタンタル(Ta),クロム(Cr)およびバナジウム(V)のうちの少なくとも1つを含むように構成されている。その場合、タンタルの含有量は、第2の磁化固着膜233全体のうちの1原子パーセント(以降、「at%」と表記する。)以上11.8at%以下であることが望ましい。また、クロムの含有量は、第2の磁化固着膜233全体の13at%以上26.5at%以下であり、バナジウムの含有量は、第2の磁化固着膜233全体の13at%以上29.4at%以下であることが望ましい。これらの数値範囲の意義については、後述する実施例において説明する。
The second magnetization pinned
この第2の磁化固着膜233は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。例えば、コバルト鉄タンタル合金(CoFeTa)、コバルト鉄ニッケルクロム合金(CoFeNiCr)、コバルト鉄クロム合金(CoFeCr)もしくはコバルト鉄バナジウム合金(CoFeV)といった成分からなる単一層としてもよいし、または、CoFe、Ta、NiCr、FeCrもしくはFeVといった異なった成分からなる単一層が、いくつか積層された構造(例えば、「CoFe/Ta」,「CoFe/FeCr」,「CoFe/FeV」など)としてもよい。
The second magnetization pinned
第2の磁化固着膜233と同様に、第1の磁化固着層231についても、単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。例えば、CoFeからなる単一層としてもよいし、CoFeと銅とを交互に繰り返し積層した積層構造としてもよい。後述するように、磁性体と非磁性体との界面においても磁気抵抗効果が期待できるので、上記のように「CoFe/Cu」等の多層構造をなすことにより磁気抵抗効果による抵抗変化量の向上が期待される。
Similar to the second magnetization pinned
中間層24は、例えば銅や金などの高い電気伝導率を有する(電気抵抗の小さな)非磁性金属材料からなり、その厚みは例えば、3.2nmである。中間層24は、主に、磁化自由層25と磁化固着層23(第1の磁化固着膜231)との磁気結合を切り離すように機能するものである。読出動作時に流れるセンス電流は、下部電極11から第1の磁化固着膜231を経由したのち、この中間層24を通過して磁化自由層25に達する。このとき、そのセンス電流の受ける散乱を最小限に抑える必要があることから、上述した電気抵抗の小さな材料により中間層24を構成することが好ましい。磁化自由層25は、外部磁界に応じて変化する磁化方向を示すものであり、第1の磁化固着膜231を挟んで第2の磁化固着膜233とは反対側に形成されている。磁化自由層25は、例えば、コバルト鉄合金(CoFe)やニッケル鉄合金(NiFe)などからなる強磁性膜251,253の間に銅などからなる非磁性膜252が形成された3層構造をなしている。強磁性膜251,253の厚みは、例えば1.5nm(15Å)であり、非磁性膜252の厚みは、例えば0.3nm(3Å)である。この磁化自由層25における強磁性膜251,253が、外部磁界(本実施の形態では磁気記録媒体200からの信号磁界)の向きや大きさに応じて変化する磁化方向を示す。なお、磁化自由層25は、コバルト鉄合金(CoFe)やニッケル鉄合金(NiFe)などの強磁性材料からなる単層構造であってもよい。さらに、保護層26は、例えば、1nm〜5nmの厚みを有する銅やタンタルなどにより構成され、製造過程において、成膜後のMR素子10を保護するように機能する。
The
磁区制御膜12は、下部電極11の上に絶縁膜15を介して形成された下地層121と、この上に形成された磁区制御層122とによって構成されたものである。磁区制御膜12は、X方向(再生トラック幅に対応する方向)においてMR膜20を挟むように対向配置され、磁化自由層25に縦バイアス磁界を印加するものである。より詳細には、下地層121は、例えば、クロムチタン合金(CrTi)やタンタル(Ta)からなり、製造過程において、磁区制御層122の成長性を向上させるように機能する。磁区制御層122は、例えば、コバルト白金合金(CoPt)などからなり、磁化自由層25の単磁区化を促進し、バルクハウゼンノイズの発生を抑制するように機能する。ここで、一対の磁区制御膜12とMR膜20との間および一対の磁区制御膜12と下部磁極11との間には一対の絶縁膜15が設けられている。一対の絶縁膜15は、例えば、Al2O3またはAlNなどの電気絶縁性を有する材料によって構成され、MR膜20の両端面S20から下部磁極11の上面S11にかけて連続的に覆うように形成されている。このため、一対の磁区制御膜12と、MR膜20および下部磁極11とは電気的に絶縁される。
The magnetic
図5に示したように、下部および上部電極11,14は、上記のような構成を有するMR膜20を積層面と直交する方向(Z方向)に挟むように対向配置されており、磁気記録媒体200の磁気情報を読み出す際には、MR膜20に対してZ方向にセンス電流を流すための電流経路として機能する。
As shown in FIG. 5, the lower and
次に、このように構成されたMR素子10および薄膜磁気ヘッド1の再生動作について、図3ないし図5を参照して説明する。
Next, the reproducing operation of the
この薄膜磁気ヘッド1では、再生ヘッド部1Aにより磁気記録媒体200に記録された情報を読み出す。記録情報を読み出す際には、記録媒体対向面9が磁気記録媒体200の記録面と対向しており、この状態で、磁気記録媒体200からの信号磁界がMR素子10に到達する。この際、MR膜20には予め、下部電極11および上部電極14を介して積層方向(Z方向)にセンス電流が流されている。すなわち、MR膜20の内部を、下地層21、反強磁性層22、磁化固着層23、中間層24、磁化自由層25および保護層26の順に、あるいは、その逆の順にセンス電流が流されている。MR膜20においては、信号磁界によって磁化方向が変化する磁化自由層25と、反強磁性層22によって磁化方向がほぼ一定方向に固定され、信号磁界の影響を受けない磁化固着層23との間で、相対的な磁化の向きが変化する。その結果、伝導電子のスピン依存散乱の変化が起こり、MR膜20の電気抵抗に変化が生じる。この電気抵抗の変化は出力電圧の変化をもたらし、この電流変化を検知することにより、磁気記録媒体200の記録情報を読み出すようになっている。また、一対の絶縁膜15を設けることにより、下部シールド11と上部シールド14との間を流れるセンス電流が、一対の磁区制御膜12に洩れにくくなる。すなわち、センス電流がX方向に広がることなく確実にMR膜20の幅に限定されて通過することとなるので、磁化自由層25の磁化方向変化によるセンス電流の抵抗変化を、より高感度に検出することができる。なお、図5では、一対の絶縁膜15が、MR膜20における一対の端面S20を覆うと共に、下部磁極11の上面S11を、X方向に延在して覆うようにしたが、少なくとも一対の端面S20Bを覆うようにすればよく、これにより、上記の効果が得られる。
In the thin film
続いて、本実施の形態のMR素子10における作用を説明する。
Next, the operation of the
上記したように、従来のシンセティック型CPP−GMR素子では、第1の磁化固着膜と磁化自由層との間で生み出した抵抗変化量の十分な利用が図れておらず、その改善が望まれていた。図6から図8を参照して、その要因および解決方法について説明する。 As described above, in the conventional synthetic CPP-GMR element, the resistance change generated between the first magnetization fixed film and the magnetization free layer cannot be sufficiently utilized, and an improvement thereof is desired. It was. The factor and the solution method will be described with reference to FIGS.
既に述べたようにCPP−GMR素子では、積層面と直交する方向にセンス電流が流れる。したがって、図6に示したような形成面積Aを有すると共に厚みtをなすMR素子に対して、積層面と直交する方向(−Z方向)にセンス電流Iを流した際の電圧変化ΔVは、比抵抗変化Δρと厚みtとの積、すなわち、物体の体積に依存する。よって、
ΔV=Δρ・t・J ……(1)
と表される。ここで、「J」は電流密度である。式(1)は、MR素子の形成面積Aと、単位面積当たりの抵抗変化量ΔRとを用いて、式(2)のように表すことができる。
ΔV=A・ΔR・J ……(2)
式(2)より、電圧変化ΔVは、MR素子全体の抵抗変化量AΔRによって決まることがわかる。
As already described, in the CPP-GMR element, a sense current flows in a direction perpendicular to the laminated surface. Therefore, with respect to the MR element having the formation area A as shown in FIG. 6 and the thickness t, the voltage change ΔV when the sense current I flows in the direction (−Z direction) perpendicular to the laminated surface is It depends on the product of the specific resistance change Δρ and the thickness t, ie, the volume of the object. Therefore,
ΔV = Δρ · t · J (1)
It is expressed. Here, “J” is the current density. Expression (1) can be expressed as Expression (2) using the MR element formation area A and the resistance change amount ΔR per unit area.
ΔV = A ・ ΔR ・ J (2)
From equation (2), it can be seen that the voltage change ΔV is determined by the resistance change amount AΔR of the entire MR element.
一般に、薄膜中を伝導する電子が、そのスピンを保持したまま薄膜体積中を伝導する際の電気伝導率σ(体積)は、体積中を伝導する電子のスピン依存散乱の強度を表す量であるバルク散乱係数βと、薄膜の比抵抗ρを用いて、以下のように表すことができる。具体的には、アップスピンの電気伝導率σ↑(体積)およびダウンスピンの電気伝導率σ↓(体積)は、それぞれ次のようになる。
σ↑(体積)=(1+β)/2ρ ……(3)
σ↓(体積)=(1−β)/2ρ ……(4)
このバルク散乱係数βは、アップスピンの電気伝導率σ↑(体積)とダウンスピンの電気伝導率σ↓(体積)との非対称性を表すものであり、
β=(σ↑−σ↓)/(σ↑+σ↓) ……(5)
と書ける。
In general, the electrical conductivity σ (volume) when electrons conducted through a thin film conduct through the volume of the thin film while maintaining its spin is an amount representing the intensity of spin-dependent scattering of electrons conducted through the volume. It can be expressed as follows using the bulk scattering coefficient β and the specific resistance ρ of the thin film. Specifically, the electrical conductivity σ ↑ (volume) of up-spin and the electrical conductivity σ ↓ (volume) of down-spin are as follows.
σ ↑ (volume) = (1 + β) / 2ρ (3)
σ ↓ (volume) = (1-β) / 2ρ (4)
This bulk scattering coefficient β represents the asymmetry between the electrical conductivity σ ↑ (volume) of up-spin and the electrical conductivity σ ↓ (volume) of down-spin,
β = (σ ↑ −σ ↓) / (σ ↑ + σ ↓) (5)
Can be written.
ここで、図7に示したモデルにより、上記のバルク散乱係数βを用いて、一般的なスピンバルブ構造におけるバルク散乱効果による比抵抗変化Δρについて考える。図7は、中間層MLを挟んで対向する磁化自由層FLおよび磁化固着層PLにおける磁化方向の関係を概念的に表したものである。より詳細には、図7(A)は互いの磁化方向が平行である低抵抗状態に対応し、図7(B)は互いの磁化方向が反平行である高抵抗状態に対応する。なお、簡単のため、ここでは中間層MLの電気抵抗は無視する。まず、図7(A)の低抵抗状態において、上向きスピンS↑および下向きスピンS↓がそれぞれ磁化自由層FLおよび磁化固着層PLを通過する場合の比抵抗ρ(平行)を考える。上向きスピンS↑の比抵抗ρ↑(平行)は、
ρ↑(平行)={2ρ/(1+β)}+{2ρ/(1+β)}
=4ρ/(1+β) ……(6)
となる。一方の下向きスピンS↓の比抵抗ρ↓(平行)は、
ρ↓(平行)={2ρ/(1−β)}+{2ρ/(1−β)}
=4ρ/(1−β) ……(7)
となる。低抵抗状態における上向きスピンS↑および下向きスピンS↓の双方を考慮した比抵抗ρ(平行)は、
ρ(平行)=(ρ↑(平行)・ρ↓(平行))/(ρ↑(平行)+ρ↓(平行))
と表すことができるので、式(6)および式(7)から、
ρ(平行)=2ρ ……(8)
となる。同様に、図7(B)の高抵抗状態において、上向きスピンS↑および下向きスピンS↓がそれぞれ磁化自由層FLおよび磁化固着層PLを通過する場合の比抵抗ρ(反平行)を考える。上向きスピンS↑の比抵抗ρ↑(反平行)は、
ρ↑(反平行)={2ρ/(1+β)}+{2ρ/(1−β)}
=4ρ/(1−β2) ……(9)
となる。一方の下向きスピンS↓の比抵抗ρ↓(反平行)は、
ρ↓(反平行)={2ρ/(1−β)}+{2ρ/(1+β)}
=4ρ/(1−β2) ……(10)
となる。高抵抗状態における上向きスピンS↑および下向きスピンS↓の双方を考慮した比抵抗ρ(反平行)は、
ρ(反平行)=(ρ↑(反平行)・ρ↓(反平行))/(ρ↑(反平行)+ρ↓(反平行))
と表すことができるので、式(9)および式(10)から、
ρ(反平行)=2ρ/(1−β2) ……(11)
となる。したがって、スピンバルブ構造におけるバルク散乱効果による比抵抗変化Δρ(体積)は、式(8)および式(11)から、
Δρ(体積)=ρ(反平行)−ρ(平行)
={2ρ/(1−β2)}−2ρ
=2ρβ2/(1−β2) ……(12)
となる。よって、バルク散乱係数βが大きいほど比抵抗変化Δρが大きくなるといえる。
Here, based on the model shown in FIG. 7, the specific resistance change Δρ due to the bulk scattering effect in a general spin valve structure is considered using the above-described bulk scattering coefficient β. FIG. 7 conceptually shows the relationship between the magnetization directions in the magnetization free layer FL and the magnetization pinned layer PL facing each other with the intermediate layer ML interposed therebetween. More specifically, FIG. 7A corresponds to a low resistance state in which the magnetization directions are parallel to each other, and FIG. 7B corresponds to a high resistance state in which the magnetization directions are antiparallel to each other. For simplicity, the electrical resistance of the intermediate layer ML is ignored here. First, the specific resistance ρ (parallel) when the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ pass through the magnetization free layer FL and the magnetization pinned layer PL in the low resistance state of FIG. The specific resistance ρ ↑ (parallel) of the upward spin S ↑ is
ρ ↑ (parallel) = {2ρ / (1 + β)} + {2ρ / (1 + β)}
= 4ρ / (1 + β) (6)
It becomes. The specific resistance ρ ↓ (parallel) of one downward spin S ↓ is
ρ ↓ (parallel) = {2ρ / (1-β)} + {2ρ / (1-β)}
= 4ρ / (1-β) (7)
It becomes. The specific resistance ρ (parallel) considering both the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ in the low resistance state is
ρ (parallel) = (ρ ↑ (parallel) ・ ρ ↓ (parallel)) / (ρ ↑ (parallel) + ρ ↓ (parallel))
From the equations (6) and (7),
ρ (parallel) = 2ρ (8)
It becomes. Similarly, the specific resistance ρ (antiparallel) when the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ pass through the magnetization free layer FL and the magnetization pinned layer PL in the high resistance state of FIG. 7B will be considered. The specific resistance ρ ↑ (antiparallel) of the upward spin S ↑ is
ρ ↑ (antiparallel) = {2ρ / (1 + β)} + {2ρ / (1-β)}
= 4ρ / (1-β 2 ) (9)
It becomes. The specific resistance ρ ↓ (antiparallel) of one downward spin S ↓ is
ρ ↓ (antiparallel) = {2ρ / (1-β)} + {2ρ / (1 + β)}
= 4ρ / (1-β 2 ) (10)
It becomes. The specific resistance ρ (antiparallel) considering both the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ in the high resistance state is
ρ (antiparallel) = (ρ ↑ (antiparallel) · ρ ↓ (antiparallel)) / (ρ ↑ (antiparallel) + ρ ↓ (antiparallel))
From the equations (9) and (10),
ρ (antiparallel) = 2ρ / (1-β 2 ) (11)
It becomes. Therefore, the specific resistance change Δρ (volume) due to the bulk scattering effect in the spin valve structure is expressed by the following equations (8) and (11):
Δρ (volume) = ρ (antiparallel)-ρ (parallel)
= {2ρ / (1-β 2 )}-2ρ
= 2ρβ 2 / (1-β 2 ) (12)
It becomes. Therefore, it can be said that the specific resistance change Δρ increases as the bulk scattering coefficient β increases.
また、多層構造では、各層間の界面における界面散乱効果に起因する抵抗が存在する。CPP−GMR素子においては、これらの界面と直交するようにセンス電流Iが流れるので、この効果を考慮する必要がある。 In the multilayer structure, there is a resistance due to the interface scattering effect at the interface between the layers. In the CPP-GMR element, since the sense current I flows so as to be orthogonal to these interfaces, it is necessary to consider this effect.
一般に、ある界面における電気伝導率σ(界面)は、界面散乱係数γを用いて表せる。具体的には、アップスピンの電気伝導率σ↑(界面)およびダウンスピンの電気伝導率σ↓(界面)は、それぞれ次のようになる。ここで、Rkはセンス電流Iの通過する単位面積あたりの界面抵抗である。
σ↑(界面)=(1+γ)/2Rk・A ……(13)
σ↓(界面)=(1−γ)/2Rk・A ……(14)
この界面散乱係数γは、アップスピンの電気伝導率σ↑(界面)とダウンスピンの電気伝導率σ↓(界面)との非対称性を表すものであり、
γ=(σ↑−σ↓)/(σ↑+σ↓) ……(15)
と書ける。
In general, the electrical conductivity σ (interface) at an interface can be expressed using an interface scattering coefficient γ. Specifically, the electrical conductivity σ ↑ (interface) of upspin and the electrical conductivity σ ↓ (interface) of downspin are as follows. Here, Rk is the interface resistance per unit area through which the sense current I passes.
σ ↑ (interface) = (1 + γ) / 2Rk · A (13)
σ ↓ (interface) = (1-γ) / 2Rk · A (14)
This interface scattering coefficient γ represents the asymmetry between the electrical conductivity σ ↑ (interface) of the up spin and the electrical conductivity σ ↓ (interface) of the down spin.
γ = (σ ↑ −σ ↓) / (σ ↑ + σ ↓) (15)
Can be written.
バルク散乱効果と同様に図7に示したモデルにより、上記の界面散乱係数γを用いて、一般的なスピンバルブ構造における界面散乱効果による界面抵抗変化ΔRk・Aについて考える。まず、図7(A)の低抵抗状態において、上向きスピンS↑および下向きスピンS↓がそれぞれ磁化自由層FLおよび磁化固着層PLを通過する場合の界面抵抗Rk・A(平行)を考える。上向きスピンS↑の界面抵抗Rk・A↑(平行)は、
Rk・A↑(平行)={2Rk・A/(1+γ)}+{2Rk・A/(1+γ)}
=4Rk・A/(1+γ) ……(16)
となる。一方の下向きスピンS↓の界面抵抗Rk・A↓(平行)は、
Rk・A↓(平行)={2Rk・A/(1−γ)}+{2Rk・A/(1−γ)}
=4Rk・A/(1−γ) ……(17)
となる。低抵抗状態における上向きスピンS↑および下向きスピンS↓の双方を考慮した界面抵抗Rk・A(平行)は、
Rk・A(平行)=(Rk・A↑(平行)・Rk・A↓(平行))/(Rk・A↑(平行)+Rk・A↓(平行))
と表すことができるので、式(16)および式(17)から、
Rk・A(平行)=2Rk・A ……(18)
となる。同様に、図7(B)の高抵抗状態において、上向きスピンS↑および下向きスピンS↓がそれぞれ磁化自由層FLおよび磁化固着層PLを通過する場合の界面抵抗Rk・A(反平行)を考える。上向きスピンS↑の界面抵抗Rk・A↑(反平行)は、
Rk・A↑(反平行)={2Rk・A/(1+γ)}+{2Rk・A/(1−γ)}
=4Rk・A/(1−γ2) ……(19)
となる。一方の下向きスピンS↓の界面抵抗Rk・A↓(反平行)は、
Rk・A↓(反平行)={2Rk・A/(1−γ)}+{2Rk・A/(1+γ)}
=4Rk・A/(1−γ2) ……(20)
となる。高抵抗状態における上向きスピンS↑および下向きスピンS↓の双方を考慮した界面抵抗Rk・A(反平行)は、
Rk・A(反平行)=(Rk・A↑(反平行)・Rk・A↓(反平行))/(Rk・A↑(反平行)+Rk・A↓(反平行))
と表すことができるので、式(19)および式(20)から、
Rk・A(反平行)=2Rk・A/(1−γ2) ……(21)
となる。したがって、スピンバルブ構造における界面抵抗変化ΔRk・Aは、式(18)および式(21)から、
ΔRk・A=Rk・A(反平行)−Rk・A(平行)
={2Rk・A/(1?γ2)}?2Rk・A
=2Rk・A・γ2/(1−γ2) ……(22)
となる。よって、界面散乱係数γが大きいほど界面抵抗変化ΔRk・Aが大きくなるといえる。
Similar to the bulk scattering effect, the interface resistance change ΔRk · A due to the interface scattering effect in a general spin valve structure is considered using the above-described interface scattering coefficient γ by the model shown in FIG. First, the interface resistance Rk · A (parallel) when the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ pass through the magnetization free layer FL and the magnetization pinned layer PL in the low resistance state of FIG. The interface resistance Rk · A ↑ (parallel) of the upward spin S ↑ is
Rk · A ↑ (parallel) = {2Rk · A / (1 + γ)} + {2Rk · A / (1 + γ)}
= 4Rk · A / (1 + γ) (16)
It becomes. The interface resistance Rk · A ↓ (parallel) of one downward spin S ↓ is
Rk · A ↓ (parallel) = {2Rk · A / (1-γ)} + {2Rk · A / (1-γ)}
= 4Rk · A / (1-γ) (17)
It becomes. Interfacial resistance Rk · A (parallel) considering both upward spin S ↑ and downward spin S ↓ in the low resistance state is
Rk · A (parallel) = (Rk · A ↑ (parallel) · Rk · A ↓ (parallel)) / (Rk · A ↑ (parallel) + Rk · A ↓ (parallel))
From the equations (16) and (17),
Rk · A (parallel) = 2Rk · A (18)
It becomes. Similarly, the interface resistance Rk · A (antiparallel) when the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ pass through the magnetization free layer FL and the magnetization pinned layer PL, respectively, in the high resistance state of FIG. 7B is considered. . The interface resistance Rk · A ↑ (antiparallel) of the upward spin S ↑ is
Rk · A ↑ (antiparallel) = {2Rk · A / (1 + γ)} + {2Rk · A / (1-γ)}
= 4Rk · A / (1-γ 2 ) (19)
It becomes. The interface resistance Rk · A ↓ (anti-parallel) of one downward spin S ↓ is
Rk · A ↓ (antiparallel) = {2Rk · A / (1-γ)} + {2Rk · A / (1 + γ)}
= 4Rk · A / (1-γ 2 ) (20)
It becomes. The interface resistance Rk · A (anti-parallel) considering both the upward spin S ↑ and the downward spin S ↓ in the high resistance state is
Rk · A (antiparallel) = (Rk · A ↑ (antiparallel) · Rk · A ↓ (antiparallel)) / (Rk · A ↑ (antiparallel) + Rk · A ↓ (antiparallel)))
From the equations (19) and (20),
Rk · A (antiparallel) = 2Rk · A / (1-γ 2 ) (21)
It becomes. Therefore, the interfacial resistance change ΔRk · A in the spin valve structure is obtained from the equations (18) and (21):
ΔRk · A = Rk · A (antiparallel) -Rk · A (parallel)
= {2Rk · A / (1? Γ 2 )}? 2Rk · A
= 2Rk · A · γ 2 / (1-γ 2 ) (22)
It becomes. Therefore, it can be said that the interface resistance change ΔRk · A increases as the interface scattering coefficient γ increases.
ここで、MR素子10について、図8(A)に示したようにMR素子10全体として比較的、低抵抗な状態を示す場合と、図8(B)に示したようにMR素子10全体として比較的、高抵抗な状態を示す場合とを考える。図8(A),(B)における各矢印は、各層の相対的な磁化方向を示す。但し、反強磁性層22では、互いに反平行な磁化が打ち消し合うことにより巨視的には磁化方向が現れない様子を示している。詳細には、図8(A)では、磁化自由層25の磁化方向が+X方向であり、第1の磁化固着膜231の磁化方向と平行、かつ、第2の磁化固着膜233の磁化方向と反平行となっている。一方、図8(B)では、磁化自由層25の磁化方向が−X方向であり、第1の磁化固着膜231の磁化方向と反平行、かつ、第2の磁化固着膜233の磁化方向と平行となっている。ここで、図8(A)の低抵抗状態と図8(B)の高抵抗状態との差としてMR素子10の抵抗変化量AΔRが現れると考える。
Here, with respect to the
抵抗変化量AΔRを、磁化自由層25と第1の磁化固着膜231との関係および磁化自由層25と第2の磁化固着膜233との関係の2つの関係に分けて考える。まず、磁化自由層25と第1の磁化固着膜231とは、図8(A)では互いに平行な磁化方向をなすので比較的低い抵抗r1を示すと共に図8(B)では互いに反平行な磁化方向をなすので比較的高い抵抗R1を示す(すなわち、r1<R1。)。一方の磁化自由層25と第2の磁化固着膜233とは、図8(A)では互いに反平行な磁化方向をなすので比較的高い抵抗R2を示すと共に図8(B)では互いに平行な磁化方向をなすので比較的低い抵抗r2を示す(すなわち、R2>r2。)。したがって、例えば図8(A)の低抵抗状態から図8(B)の高抵抗状態へ移行するときの抵抗変化量AΔRは、磁化自由層25と第1の磁化固着膜231とのGMR効果に起因する成分と、磁化自由層25と第2の磁化固着層233とのGMR効果に起因する成分との和に比例するので、
AΔR∝A(R1−r1)+A(r2−R2) ……(23)
と表すことができる。ここで、第1項「A(R1−r1)」が磁化自由層25と第1の磁化固着膜231とのGMR効果による抵抗変化量を表し、第2項「A(r2−R2)」が磁化自由層25と第2の磁化固着膜233との間のGMR効果による抵抗変化量を表す。ここで、R1>r1であることから、第1項「A(R1−r1)」は正の値を示す。一方、第2項「A(r2−R2)」は、R2>r2であることから負の値を示すこととなる。これは、磁化自由層25と第2の磁化固着膜233との磁化方向の関係が、磁化自由層25と第1の磁化固着膜231との磁化方向の関係と常に反対の状態となることに起因している。この式(23)をもとに比抵抗ρ、界面抵抗Rk、バルク散乱係数βおよび界面散乱係数γなどを用いて抵抗変化量AΔRを表すと、以下に示す数1のようになる。
The resistance change amount AΔR is divided into two relations: a relation between the magnetization
AΔR∝A (R1-r1) + A (r2-R2) (23)
It can be expressed as. Here, the first term “A (R1-r1)” represents the resistance change amount due to the GMR effect between the magnetization
数1において、ρ*は、ρ/(1−β2)を表し、Rk*は、Rk/(1−γ2)を表す。第1の固着膜231、第2の磁化固着膜233、磁化自由層25、中間層24、非磁性膜232における厚みtを、それぞれtAP1,tAP2,tF,tS,tRと表す。但し、数1では同様に、第1の固着膜231、第2の磁化固着膜233、磁化自由層25、中間層24、非磁性膜232における比抵抗ρを、それぞれρAP1,ρAP2,ρF,ρS,ρRと表し、数1におけるρ* AP1,ρ* AP2,ρ* F,ρ* S,ρ* Rと対応させている。βAP1,βAP2,βFは、それぞれ、第1の固着膜231、第2の磁化固着膜233、磁化自由層25のバルク散乱係数である。また、下地層21および反強磁性層22と、第2の固着膜233との間の界面抵抗をARkBuf/AP2とし、非磁性膜232と第1の磁化固着膜231との間の界面抵抗をARkR/AP1とし、第1の磁化固着膜231と中間層24との間の界面抵抗をARkAP1/Sとし、中間層24と磁化自由層25との間の界面抵抗をARkS/Fとし、磁化自由層25と保護層26との間の界面抵抗をARkF/Capとし、数1におけるARk* Buf/AP2,ARk* R/AP1,ARk* AP1/S,ARk* S/F,ARk* F/Capに対応させている。γAP1/Sは第1の磁化固着膜231と中間層24との間の界面散乱係数であり、γS/Fは中間層24と磁化自由層25との間の界面散乱係数である。
In
数1において、式(23)の第2項「A(r2−R2)」の影響が、「−βAP2ρ* AP2tAP2」の項における係数“−1”に現れている。通常、MR素子に用いられる材料のバルク散乱係数βおよび界面散乱係数γは正(β,γ>0)である(例えば、従来の磁化固着膜に用いられたCoFe合金のバルク散乱係数βは約0.65である。)。このため、負の符号が付く「−βAP2ρ* AP2tAP2」の項は、抵抗変化量AΔRを減少させるように働く成分となるので、可能な限り絶対値を小さくしたい。このような理由から、本実施の形態では、従来より小さなバルク散乱係数β(具体的には0.25以下、特に0.20以下)を示す強磁性材料を第2の磁化固着膜233に用いることとしている。この結果、従来のシンセティック型CPP−GMR素子において生じていた、抵抗変化量AΔRの損失を低減することができるので、抵抗変化率ΔR/Rが大きくなり、信号磁界をより高感度に検出することが可能となる。
In
以上のように、本実施の形態のMR素子10は、一定方向に固着された磁化方向を示す第1の磁化固着膜231と、これとは反対方向に固着された磁化方向を示すと共に例えばタンタル(Ta),クロム(Cr)およびバナジウム(V)のうちの少なくとも1つを含むことにより0.25以下のバルク散乱係数βを示す第2の磁化固着膜233とを有する磁化固着層23と、第1の磁化固着膜231の、第2の磁化固着膜233とは反対側に設けられると共に外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層25とを含むMR膜20を備え、このMR素膜20に対し、下部および上部電極11,14を介して積層面と直交する方向にセンス電流Iが流れるように構成したものである。これにより、磁化自由層25と第1の固着膜231との間で発生する抵抗変化量(R1−r1)を打ち消すように作用する第2の磁化固着膜233によるバルク散乱効果が抑制される。したがって、抵抗変化量が減少してしまうのを抑制することができ、抵抗変化率ΔR/Rが向上し、より高い記録密度で記録された磁気情報の読み出しに対応することが可能となる。特に、第1および第2の磁化固着膜231,233が非磁性膜232を介して互いに交換結合するようにしたり、第2の磁化固着膜233の、第1の磁化固着膜231と反対側に第2の磁化固着膜233の磁化方向を固着する反強磁性層22をさらに設けるようにしたので、磁化固着層23における磁化方向の安定性が向上し、より安定した抵抗変化量AΔRを得ることができ、より高い記録密度に対応することができる。
As described above, the
続いて、図9から図13を参照して、薄膜磁気ヘッド1の製造方法について説明する。ここでは、主にMR素子10を形成する部分について詳細に説明する。
Next, a method for manufacturing the thin film
本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの製造方法は、基体8上に下部電極11を形成する工程と、この下部電極11の上に、下部電極11の側から反強磁性層22と磁化固着層23と中間層24と磁化自由層25とが順に配設された構造を含む多層膜20Zを形成する工程と、この多層膜20Zの上に、素子幅を規定する部分に対応する領域を保護するように選択的にフォトレジストパターン61を形成する工程と、このフォトレジストパターン61をマスクとして利用し、多層膜20Zを選択的にエッチングすることによりMR素子10を形成する工程と、絶縁膜と強磁性膜とを選択的に形成したのち、フォトレジストパターン61を除去することにより絶縁膜15を介した一対の磁区制御膜12を形成する工程と、この一対の磁区制御膜12の上に絶縁膜13を形成する工程と、フォトレジストパターン61を除去したのち、全面に亘って上部電極14を形成する工程とを含むものである。以下、各工程について、より詳細に説明する。
In the method of manufacturing the thin film magnetic head according to the present embodiment, the step of forming the
まず、図9に示したように、基体8の一側面上に形成された下部電極11上に全面に亘って多層膜20Zを形成する。具体的には、スパッタリング等を用いて、下地層21、反強磁性層22、磁化固着層23、中間層24、磁化自由層25および保護層26とを順に積層する。この多層膜20Zは、のちにMR膜20となるものである。なお、図9〜図13においては、MR膜20ならびにその形成過程における多層膜20Zの内部構造については図示を省略するが、いずれも上記した図5に示したMR膜20と対応する内部構造を有している。
First, as shown in FIG. 9, the
続いて、図10に示したように、多層膜20Zの上に、素子幅を規定する部分に対応する幅Wをなすように選択的にフォトレジストパターン61を形成する。この場合、所定の溶剤を使用してフォトレジストパターン61の端部を一部除去し、アンダーカットを形成するようにしてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 10, a
こののち、多層膜20Zを、例えば、イオンミリングやRIE等のドライエッチングによりフォトレジストパターン61をマスクとして利用して選択的に除去する。この場合、下部電極11に達するまでドライエッチングを行う。これにより、図11に示したように、幅Twを有するMR膜20が形成される。この幅Twは、MR膜20の平均的な素子幅である。MR膜20を形成したのち、図12に示したように、これをX方向に挟んで両側に隣接するように、一対の絶縁膜15および一対の磁区制御膜12を形成する。具体的には、例えば、スパッタリング等により、全面に亘って、絶縁膜15と下地層121と磁区制御層122を順に形成する。さらに、この磁区制御膜12の上に、スパッタリングにより絶縁膜13を形成する。次いで、フォトレジストパターン61をリフトオフすることにより、MR膜20と、これを挟んで対向する一対の絶縁膜15と、下地層121および磁区制御層122からなる一対の磁区制御膜12とが現れる。
Thereafter, the
フォトレジストパターン61を除去したのち、図13に示したように、全面に亘って上部電極14を形成する。これにより、MR素子10が一応完成する。こののち、図3および図4に示したように、全面に亘って絶縁層16を形成することにより、再生ヘッド部1Aが一応完成する。続いて、再生ヘッド部1Aの上に、下部磁極41と記録ギャップ層42とを順に形成し、記録ギャップ層42の上に選択的にコイル44を形成する。こののち、記録ギャップ層42の一部をエッチングすることにより開口部42Aを形成する。次いで、コイル44を覆うように絶縁層45を形成し、さらに、ポールチップ43および連結部分46を順次形成する。最後に全体を覆うように上部磁極47を形成することにより記録ヘッド部1Bが一応完成する。こののち、例えば、スライダ2Aを機械加工して記録媒体対向面2Fを形成するなど、所定の工程を経ることにより、薄膜磁気ヘッド1が完成する。
After removing the
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples of the present invention will be described.
以下に述べる本発明の第1,第2の実施例(実施例1,2)は、上記実施の形態において説明した製造方法に基づき、図5に示した断面構造を有するMR素子10を備えた薄膜磁気ヘッド1のサンプルを形成し、これらのサンプルについて特性調査をおこなったものである。以下、表1〜表5および図14を参照して詳細を説明する。各実施例1,2のサンプルは、以下に示す共通の構成を有している。ここで、MR素子10(MR膜20)の形成面積Aは、いずれも0.01μm2(0.1μm×0.1μm)である。
The first and second examples (Examples 1 and 2) of the present invention described below include the
<共通構成>
Ta1/NiFeCr5/IrMn7/「AP2」/Ru0.8/[CoFe1/Cu0.2]2/CoFe1/Cu3.2/CoFe1.5/Cu0.3/CoFe1.5/Cap
<Common configuration>
Ta1 / NiFeCr5 / IrMn7 / "AP2" /Ru0.8/[CoFe1/Cu0.2]2/CoFe1/Cu3.2/CoFe1.5/Cu0.3/CoFe1.5/Cap
上記の共通構成において、各材料名に付した数値は、各層の厚み(単位はナノメートル:nm)を示す。但し、[CoFe1/Cu0.2]2は、厚み1nmのCoFe層と厚み0.2nmの銅層とが交互に2回繰り返し積層された構造を示す。上記の共通構成では、1nm厚のTa層と5nm厚のNiFeCr層との積層構造(Ta1/NiFeCr5)が下地層21に相当し、7nm厚のIrMn層(IrMn7)が反強磁性層22に相当する。さらに、第2の磁化固着膜233(「AP2」)と、0.8nm厚のルテニウム(Ru0.8)からなる非磁性膜232と、上述した構成をなす[CoFe1/Cu0.2]2および1nm厚のCoFeからなる第1の磁化固着膜23Aとが磁化固着層23を構成している。さらに、3.2nm厚の銅層(Cu3.2)が中間層24に相当し、1.5nm厚のCoFe(CoFe1.5)からなる2つの強磁性膜251,253と0.3nm厚の銅(Cu0.3)からなる非磁性膜252とが磁化自由層25を構成している。
In the above common configuration, the numerical value given to each material name indicates the thickness (unit: nanometer: nm) of each layer. However, [CoFe1 / Cu0.2] 2 indicates a structure in which a CoFe layer having a thickness of 1 nm and a copper layer having a thickness of 0.2 nm are alternately and repeatedly stacked twice. In the above-described common configuration, a laminated structure (Ta1 / NiFeCr5) of a 1 nm thick Ta layer and a 5 nm thick NiFeCr layer corresponds to the
各実施例1,2のサンプルは、上記の共通構成のうち「AP2」で示した第2の磁化固着膜233の構成のみ互いに異なっている。ここでは、タンタル、クロムおよびバナジウムのうちのいずれか1つを含む添加物質XをCoFeに添加した合金材料を用いて、それぞれ異なる組成の第2の磁化固着膜233を形成した。これをまとめてCoFeX(X=Ta,Cr,V)と表す。CoFeXの全体の厚みは3nmとなるようにした。なお、上記の共通構成では、CoFeにおける組成比は全てCo:Fe=9:1である。このように作成した各実施例サンプルにつき、素子全体の抵抗RA(Ω・μm2)、抵抗変化量AΔR(mΩ・μm2)、抵抗変化率MR(%)および第2の磁化固着膜233におけるバルク散乱係数βの各値を求めた。抵抗RAおよび抵抗変化量AΔRは、一般的な4端子法により測定した。なお、バルク散乱係数βの算出方法については後述する。
The samples of Examples 1 and 2 differ from each other only in the configuration of the second pinned
<実施例1>
本実施例は、X=Taとした場合、すなわち、コバルト鉄タンタル合金(CoFeTa)を用いて第2の磁化固着膜233(「AP2」)を構成した場合について調査したものである。ここで、タンタルの含有量は、第2の磁化固着膜233全体に対して0.8at%,1.0at%,5.0at%および10.0at%の4種類とした。その結果を表1に示す。
<Example 1>
In this example, the case where X = Ta, that is, the case where the second magnetization fixed film 233 (“AP2”) is configured using a cobalt iron tantalum alloy (CoFeTa) is investigated. Here, the content of tantalum was set to four types of 0.8 at%, 1.0 at%, 5.0 at%, and 10.0 at% with respect to the entire second magnetization pinned
<実施例2>
本実施例は、X=CrまたはX=Vとした場合、すなわち、コバルト鉄クロム合金(CoFeCr)またはコバルト鉄バナジウム合金(CoFeV)を用いて第2の磁化固着膜233(「AP2」)を構成した場合について調査したものである。ここで、クロムおよびバナジウムの各含有量は、いずれも、第2の磁化固着膜233全体に対して11at%,13at%,16at%および19at%の4種類とした。その結果を表2に示す。
<Example 2>
In this embodiment, when X = Cr or X = V, that is, the second magnetization pinned film 233 (“AP2”) is configured using a cobalt iron chromium alloy (CoFeCr) or a cobalt iron vanadium alloy (CoFeV). This is a survey of cases where Here, each content of chromium and vanadium was set to four types of 11 at%, 13 at%, 16 at%, and 19 at% with respect to the entire second magnetization pinned
<比較例1>
ここで、タンタル、クロム、バナジウムなどの他の物質を含まず、CoFeのみを用いて第2の磁化固着膜(「AP2」)を構成したものを上記各実施例に対する比較例1とし、各実施例と同様の項目について調査した。この比較例1は、第2の磁化固着膜以外については実施例の共通構成と全く同じである。その結果を表3に示す。
<Comparative Example 1>
Here, the second magnetization pinned film (“AP2”) which is composed of only CoFe and does not contain other materials such as tantalum, chromium, vanadium, and the like is referred to as Comparative Example 1 for each of the above examples. The same items as in the example were investigated. The comparative example 1 is exactly the same as the common configuration of the examples except for the second magnetization fixed film. The results are shown in Table 3.
バルク散乱係数βは、材料組成によって定まる固有の値である。表1〜表3における「β」の欄に示した値は、以下の補助実験を行うことにより求めたものである。 The bulk scattering coefficient β is a specific value determined by the material composition. The values shown in the column of “β” in Tables 1 to 3 are obtained by performing the following auxiliary experiment.
第2の磁化固着膜233におけるバルク散乱係数βを求めるにあたっては、単純化のため、シンセティック型ではなく単層の磁化固着層を有する(コンベンショナル型の)スピンバルブ構造のサンプルを各組成毎に4種類の組成比について作製して抵抗変化量AΔRを測定し、さらにそれらの比例関係から算出するようにした(実施例3)。また、この場合においても、磁化固着層がCoFeのみからなる比較例(比較例2とする)を作製した。
In obtaining the bulk scattering coefficient β in the second magnetization pinned
<実施例3>
補助実験をおこなった各サンプルの詳細な構成は、
Ta1/NiFeCr5/IrMn7/CoFeX5/Cu3/CoFe2/Cap
である。なお、各層の材料名に付した数字は各層の厚み(nm)を表す。具体的には、「Ta/NiFeCr」が下地層21、「IrMn」が反強磁性層22、「CoFeX」が磁化固着層23、「Cu」が中間層24、「CoFe」が磁化自由層25、「Cap」が保護層25にそれぞれ相当する。ここで、Xは、Ta,Cr,Vのうち、いずれか1種を表す添加物質である。各含有量は、いずれも、磁化固着膜(CoFeX5)全体に対して4種類とした。その場合の抵抗変化量AΔRの測定値を表4に示す。
<Example 3>
The detailed configuration of each sample for which the auxiliary experiment was conducted is as follows:
Ta1 / NiFeCr5 / IrMn7 / CoFeX5 / Cu3 / CoFe2 / Cap
It is. In addition, the number attached | subjected to the material name of each layer represents the thickness (nm) of each layer. Specifically, “Ta / NiFeCr” is the
<比較例2>
また、実施例3に対する比較例2としてのサンプルの構成は、
Ta1/NiFeCr5/IrMn7/CoFe5/Cu3/CoFe2/Cap
である。「CoFe5」が磁化固着層23に相当する部分である。
<Comparative example 2>
Moreover, the structure of the sample as the comparative example 2 with respect to Example 3 is as follows.
Ta1 / NiFeCr5 / IrMn7 / CoFe5 / Cu3 / CoFe2 / Cap
It is. “CoFe5” corresponds to the magnetization pinned
比較例2のサンプルにおける抵抗変化量をAΔR(比2)とし、実施例3のサンプルにおける抵抗変化量をAΔR(実3)とすると、これらの比は、以下の式(24)のように表すことができる。 When the resistance change amount in the sample of Comparative Example 2 is AΔR (ratio 2) and the resistance change amount in the sample of Example 3 is AΔR (actual 3), these ratios are expressed as in the following formula (24). be able to.
AΔR(比2):AΔR(実3)
={β(CoFe)ρ*(CoFe)t(CoFe)+γ(CoFe/Cu)ARk*(CoFe/Cu)}
:{β(X)ρ*(X)t(X)+γ(CoFe/Cu)ARk*(CoFe/Cu)} ……(24)
AΔR (ratio 2): AΔR (actual 3)
= {Β (CoFe) ρ * (CoFe) t (CoFe) + γ (CoFe / Cu) ARk * (CoFe / Cu)}
: {Β (X) ρ * (X) t (X) + γ (CoFe / Cu) ARk * (CoFe / Cu)} (24)
すでに、文献等により、下記の数値が得られている。
AΔR(比2)=0.94(mΩμm2),
β(CoFe)=0.65,
ρ*(CoFe)t(CoFe)=0.578,
γ(CoFe/Cu)=0.75,
ARk*(CoFe/Cu)=0.52(mΩμm2)
これらの数値を式(24)に代入すると、以下の式(25)のように書き換えられる。
The following numerical values have already been obtained from literature and the like.
AΔR (ratio 2) = 0.94 (mΩμm 2 ),
β (CoFe) = 0.65
ρ * (CoFe) t (CoFe) = 0.578,
γ (CoFe / Cu) = 0.75
ARk * (CoFe / Cu) = 0.52 (mΩμm 2 )
Substituting these numerical values into the equation (24), the equation can be rewritten as the following equation (25).
AΔR(実3)
=0.94×{β(X)ρ*(X)t(X)+0.75×0.52}
/(0.65×0.578+0.75×0.52)
≒1.23×β(X)ρ*(X)t(X)+0.48 ……(25)
この式(25)と表4の結果とから、表1〜表3に示した各材料組成におけるバルク散乱係数βを求めることができた。
AΔR (actual 3)
= 0.94 × {β (X) ρ * (X) t (X) + 0.75 × 0.52}
/(0.65×0.578+0.75×0.52)
≒ 1.23 × β (X) ρ * (X) t (X) +0.48 (25)
From this formula (25) and the results of Table 4, the bulk scattering coefficient β in each material composition shown in Tables 1 to 3 could be obtained.
以上、表1,表2に示した実施例1,2を、表3に示した比較例1を基準として比べてみると、いずれも添加物質Xの含有量が増加すると抵抗変化量AΔRおよび抵抗変化率MRの各値が向上する傾向にあることがわかった。詳細には、実施例1の場合、タンタルの含有量が1.0at%以上であれば、抵抗変化量AΔRおよび抵抗変化率MR比の各値が比較例1よりも向上する。同様に、実施例2の場合、クロムおよびバナジウムの含有量がそれぞれ13at%以上であれば、抵抗変化量AΔRが比較例よりも向上することがわかった。すなわち、実施例1,2のいずれにおいても、第2の磁化固着膜233におけるバルク散乱係数βを0.25以下(特に好ましくは0.20以下)とすることで、より大きな抵抗変化量AΔRが得られることが確認できた。
As described above, when Examples 1 and 2 shown in Table 1 and Table 2 are compared on the basis of Comparative Example 1 shown in Table 3, when the content of additive substance X increases, resistance change amount AΔR and resistance are increased. It was found that each value of the rate of change MR tends to improve. Specifically, in the case of Example 1, when the tantalum content is 1.0 at% or more, each value of the resistance change amount AΔR and the resistance change rate MR ratio is improved as compared with Comparative Example 1. Similarly, in the case of Example 2, it was found that when the chromium and vanadium contents were 13 at% or more, the resistance change AΔR was improved as compared with the comparative example. That is, in any of Examples 1 and 2, by setting the bulk scattering coefficient β in the second magnetization pinned
ところで、スピンバルブ型のMR素子として機能するためには、第1および第2の磁化固着膜231,233が非磁性膜232を介して反強磁性的に交換結合している必要がある。ところが第2の磁化固着膜233における添加物質Xの含有量が増加するにしたがい、スピン散乱が活発となり抵抗変化量AΔRは向上する一方で、磁化M(AP2)は低下してしまう。この第2の磁化固着膜233における磁化M(AP2)は、交換結合の相手である第1の磁化固着膜231の磁化M(AP1)とほぼ同等の大きさとすることが望ましい。実際には、各々の体積を考慮した磁化の総和が互いに等しければよいので、
M(AP1)×t(AP1)=M(AP2)×t(AP2)
となればよい。ここで、t(AP1)は第1の磁化固着膜231の膜厚を表し、t(AP2)は第2の磁化固着膜233の膜厚を表す。したがって、添加物質Xの含有量の増加によって磁化M(AP2)低下した分だけ膜厚t(AP2)を増加すればよい。しかし、膜厚t(AP2)を厚くすると界面粗さが増大し、反強磁性的な交換結合が難しくなるので膜厚t(AP1)の1.5倍程度が限度である。このため、磁化M(AP2)の上限は930×103A/m(=930emu/cm3)程度と考えられる。ここで、添加物質Xの含有量と磁化M(AP2)との関係を、実施例1,2についてそれぞれ図14(A),図14(B)に示す。
By the way, in order to function as a spin valve MR element, the first and second magnetization fixed
M (AP1) × t (AP1) = M (AP2) × t (AP2)
If it becomes. Here, t (AP1) represents the film thickness of the first magnetization pinned
図14(A),図14(B)では、横軸を添加物質Xの含有量[at%]とし、縦軸を磁化M(AP2)[×103A/m]とした。図14(A),図14(B)の結果から、磁化M(AP2)の上限930×103A/mに相当する添加物質Xの含有量は、タンタルの場合は11.8at%,クロムの場合は26.5at%,バナジウムの場合は29.4at%となる。したがって、表1,表2および図14(A),図14(B)の結果から、各添加物質Xの含有量における好ましい範囲は、タンタルでは1.0at%〜11.8at%となり、クロムでは13at%〜26.5at%となり、バナジウムでは13at%〜29.4at%となることがわかった。 14A and 14B, the horizontal axis represents the content [at%] of the additive substance X, and the vertical axis represents the magnetization M (AP2) [× 10 3 A / m]. 14A and 14B, the content of additive substance X corresponding to the upper limit 930 × 10 3 A / m of magnetization M (AP2) is 11.8 at% in the case of tantalum, chromium Is 26.5 at% for vanadium, and 29.4 at% for vanadium. Therefore, from the results shown in Tables 1 and 2 and FIGS. 14A and 14B, the preferable range of the content of each additive substance X is 1.0 at% to 11.8 at% for tantalum, and for chromium, It was found to be 13 at% to 26.5 at%, and for vanadium, 13 at% to 29.4 at%.
以上、実施の形態およびいくつかの実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態および実施例に限定されず、種々変形可能である。例えば、本実施の形態および実施例では、ボトム型のシンセティックスピンバルブ構造をなすMR素子を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、トップ型であってもよい。また、本実施の形態および実施例では、シンセティック磁化固着層を1つ備えたシングルスピンバルブ型のMR素子を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、シンセティック磁化固着層を2つ備えたデュアルスピンバルブ型のMR素子とすることも可能である。この場合にも各磁化固着層における2つの磁化固着膜のうち、磁化自由層から遠い側の磁化固着膜を0.25以下のバルク散乱係数を示す材料によって構成することにより高い抵抗変化率が得られ、より高い記録密度に対応することが可能となる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and some examples, the present invention is not limited to these embodiments and examples and can be variously modified. For example, in the present embodiment and examples, the MR element having the bottom type synthetic spin valve structure has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the top type may be used. In the present embodiment and example, a single spin valve MR element having one synthetic magnetization pinned layer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the synthetic magnetization pinned layer is not limited to this. It is also possible to provide a dual spin valve type MR element having two. Also in this case, a high resistance change rate can be obtained by forming the magnetization pinned film far from the magnetization free layer out of the two magnetization pinned films in each magnetization pinned layer with a material having a bulk scattering coefficient of 0.25 or less. Therefore, it becomes possible to cope with a higher recording density.
1…薄膜磁気ヘッド、2…ヘッドジンバルアセンブリ(HGA)、2A…スライダ、2B…サスペンション、3…アーム、4…駆動部、5…固定軸、6…ベアリング、7…スピンドルモータ、8…基体、9…記録媒体対向面、10…磁気抵抗効果(MR)素子、11…下部電極、12…磁区制御膜、13,15…絶縁膜、14…上部電極、16…絶縁層、20…MR膜、21…下地層、22…反強磁性層、23…磁化固着層、231…第1の磁化固着膜、232…非磁性膜、233…第2の磁化固着膜、24…中間層、25…磁化自由層、26…保護層、41…下部磁極、42…記録ギャップ層、43…ポールチップ、44…コイル、45…絶縁層、46…連結部、47…上部磁極、100…筐体、200…磁気記録媒体、300…ヘッドアームアセンブリ(HAA)。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記第1の磁化固着膜の、前記第2の磁化固着膜とは反対側に設けられ、外部磁界に応じて変化する磁化方向を示す磁化自由層と、
前記磁化固着層および磁化自由層に対し、積層面と直交する方向にセンス電流を流す電流経路と
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first magnetization pinned film showing a magnetization direction fixed in a fixed direction, a magnetization direction fixed in a direction opposite to the magnetization direction of the first magnetization fixed film, and a bulk scattering coefficient of 0.25 or less A magnetization pinned layer having a second magnetization pinned film shown;
A magnetization free layer provided on a side opposite to the second magnetization pinned film of the first magnetization pinned film and showing a magnetization direction that changes according to an external magnetic field;
A magnetoresistive effect element comprising: a current path through which a sense current flows in a direction perpendicular to the laminated surface with respect to the magnetization fixed layer and the magnetization free layer.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetoresistive effect element is provided.
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。 4. The magnetoresistive element according to claim 3 , wherein a content of the tantalum (Ta) is 1 atomic percent or more and 11.8 atomic percent or less of the second magnetization pinned film.
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。 4. The magnetoresistive element according to claim 3 , wherein a content of the chromium (Cr) is not less than 13 atomic percent and not more than 26.5 atomic percent of the second magnetization pinned film.
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。 4. The magnetoresistive element according to claim 3 , wherein a content of the vanadium (V) is not less than 13 atomic percent and not more than 29.4 atomic percent of the second magnetization pinned film.
鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 The second magnetization pinned film further includes:
The magnetoresistance effect according to any one of claims 3 to 6 , comprising at least one of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and manganese (Mn). element.
固着膜の磁化方向を固着する反強磁性層を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 The anti-ferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the second magnetization pinned film is further provided on the opposite side of the second magnetization pinned film to the first magnetization pinned film. The magnetoresistive effect element of any one of Claim 1-9.
ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 10 , further comprising an intermediate layer between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer.
に対向配置された第1および第2の電極層である
ことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 The current path claims 1 to 11, characterized in that in the direction perpendicular to the stacking surface the a first and second electrode layers which are opposed so as to sandwich the magnetization pinned layer and the magnetization free layer The magnetoresistive effect element of any one of these.
この磁気ヘッドスライダが一端に取り付けられたサスペンションと
を有することを特徴とするヘッドジンバルアセンブリ。 A magnetic head slider having a thin film magnetic head having the magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12 provided on one side surface;
A head gimbal assembly, wherein the magnetic head slider has a suspension attached to one end.
この磁気ヘッドスライダが一端に取り付けられたサスペンションと、
このサスペンションの他端を支持するアームと
を含むことを特徴とするヘッドアームアセンブリ。 A magnetic head slider having a thin film magnetic head having the magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12 provided on one side surface;
A suspension in which the magnetic head slider is attached to one end;
An arm that supports the other end of the suspension.
前記ヘッドアームアセンブリは、
請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘ
ッドが一側面に設けられた磁気ヘッドスライダと、
この磁気ヘッドスライダが一端に取り付けられたサスペンションと、
このサスペンションの他端を支持するアームと、
を含むことを特徴とする磁気ディスク装置。 A magnetic disk drive comprising a magnetic recording medium and a head arm assembly,
The head arm assembly includes:
A magnetic head slider having a thin film magnetic head having the magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 12 provided on one side surface;
A suspension in which the magnetic head slider is attached to one end;
An arm that supports the other end of the suspension;
A magnetic disk drive comprising:
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