JP2005347512A - Magnetoresistive effect element, thin-film magnetic head, head gimbal assembly, head arm assembly, and magnetic disk device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、ならびに、この磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、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, and a thin film magnetic head, a head gimbal assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk apparatus having the magnetoresistive effect element.
近年、磁気ディスク装置の面記録密度の向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。薄膜磁気ヘッドとしては、基板に対して、読み出し用の磁気抵抗効果素子(以下、MR(Magnetoresistive)素子とも記す。)を有する再生ヘッドと書き込み用の誘導型電磁変換素子を有する記録ヘッドとを積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。 In recent years, with the improvement of the surface recording density of magnetic disk devices, there has been a demand for improved performance of thin film magnetic heads. As a thin film magnetic head, a reproducing head having a magnetoresistive effect element for reading (hereinafter also referred to as MR (Magnetoresistive) element) and a recording head having an inductive electromagnetic transducer for writing are laminated on a substrate. A composite thin film magnetic head having the above structure is widely used.
MR素子としては、異方性磁気抵抗(Anisotropic Magnetoresistive)効果を用いたAMR素子や、巨大磁気抵抗(Giant Magnetoresistive)効果を用いたGMR素子や、トンネル磁気抵抗(Tunnel-type Magnetoresistive)効果を用いたTMR素子等がある。 As the MR element, an AMR element using an anisotropic magnetoresistive effect, a GMR element using a giant magnetoresistive effect, and a tunnel-type magnetoresistive effect are used. There are TMR elements.
再生ヘッドの特性としては、高感度および高出力であることが要求される。この要求を満たす再生ヘッドとして、既に、スピンバルブ型GMR素子を用いたGMRヘッドが量産されている。最近では、面記録密度の更なる向上に対応するために、TMR素子を用いた再生ヘッドの開発が進められている。 The characteristics of the reproducing head are required to be high sensitivity and high output. As a reproducing head that satisfies this requirement, GMR heads using spin-valve GMR elements have already been mass-produced. Recently, in order to cope with the further improvement of the surface recording density, development of a reproducing head using a TMR element has been advanced.
スピンバルブ型GMR素子は、一般的には、互いに反対側を向く2つの面を有する非磁性導電層と、この非磁性導電層の一方の面に隣接するように配置されたフリー層と、非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置されたピンド層と、このピンド層における非磁性導電層とは反対側の面に隣接するように配置された反強磁性層とを有している。フリー層は信号磁界に応じて磁化の方向が変化する層である。ピンド層は、磁化の方向が固定された強磁性層である。反強磁性層は、ピンド層との交換結合により、ピンド層における磁化の方向を固定する層である。 Generally, a spin valve type GMR element includes a nonmagnetic conductive layer having two surfaces facing away from each other, a free layer disposed adjacent to one surface of the nonmagnetic conductive layer, and a non-magnetic layer. A pinned layer disposed adjacent to the other surface of the magnetic conductive layer, and an antiferromagnetic layer disposed adjacent to the surface opposite to the nonmagnetic conductive layer in the pinned layer. Yes. The free layer is a layer whose magnetization direction changes according to the signal magnetic field. The pinned layer is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed. The antiferromagnetic layer is a layer that fixes the direction of magnetization in the pinned layer by exchange coupling with the pinned layer.
ところで、従来のGMRヘッドでは、磁気的信号検出用の電流(以下、センス電流という。)を、GMR素子を構成する各層の面に対して平行な方向に流す構造になっていた。このような構造は、CIP(Current In Plane)構造と呼ばれる。これに対し、センス電流を、GMR素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流す構造のGMRヘッドの開発も進められている。このような構造は、CPP(Current Perpendicular to Plane)構造と呼ばれる。以下、CPP構造の再生ヘッドに用いられるGMR素子をCPP−GMR素子と呼び、CIP構造の再生ヘッドに用いられるGMR素子をCIP−GMR素子と呼ぶ。なお、前述のTMR素子を用いた再生ヘッドもCPP構造となる。 By the way, the conventional GMR head has a structure in which a current for magnetic signal detection (hereinafter referred to as a sense current) flows in a direction parallel to the surface of each layer constituting the GMR element. Such a structure is called a CIP (Current In Plane) structure. On the other hand, development of a GMR head having a structure in which a sense current is caused to flow in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the GMR element is underway. Such a structure is called a CPP (Current Perpendicular to Plane) structure. Hereinafter, the GMR element used for the reproducing head having the CPP structure is called a CPP-GMR element, and the GMR element used for the reproducing head having the CIP structure is called a CIP-GMR element. Note that the reproducing head using the above-described TMR element also has a CPP structure.
CPP−GMR素子は、TMR素子に比べて抵抗が小さいことや、トラック幅が小さくなったときにCIP−GMR素子に比べて大きな出力が得られること等の利点があることから、高い将来性を持つものとして期待されている。 The CPP-GMR element has advantages such as a smaller resistance than the TMR element and a larger output than the CIP-GMR element when the track width is reduced. Expected to have.
ところで、CPP−GMR素子における磁気抵抗変化は、磁性層内におけるスピンに依存した電子の散乱(以下、バルク散乱と言う。)と、隣接する2つの層の界面におけるスピンに依存した電子の散乱(以下、界面散乱と言う。)とに起因する。バルク散乱による磁気抵抗変化は、磁性層内における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性によって生じる。同様に、界面散乱による磁気抵抗変化は、界面における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性によって生じる。 Incidentally, the magnetoresistance change in the CPP-GMR element is caused by the scattering of electrons depending on the spin in the magnetic layer (hereinafter referred to as bulk scattering) and the scattering of electrons depending on the spin at the interface between two adjacent layers ( Hereinafter, it is referred to as interface scattering. The magnetoresistance change due to bulk scattering is caused by the asymmetry between the electrical conductivity of the upward spin and the electrical conductivity of the downward spin in the magnetic layer. Similarly, the magnetoresistance change due to interface scattering is caused by the asymmetry between the electrical conductivity of the upward spin and the electrical conductivity of the downward spin at the interface.
磁性層内における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性は、バルク散乱係数βで表される。具体的には、磁性層内における上向きスピンの電気伝導率をσb↑、磁性層内における下向きスピンの電気伝導率をσb↓とすると、バルク散乱係数βは、以下の式で表される。 The asymmetry between the electrical conductivity of the upward spin and the electrical conductivity of the downward spin in the magnetic layer is represented by a bulk scattering coefficient β. Specifically, when the electrical conductivity of the upward spin in the magnetic layer is σ b ↑ and the electrical conductivity of the downward spin in the magnetic layer is σ b ↓, the bulk scattering coefficient β is expressed by the following equation: .
β=(σb↑−σb↓)/(σb↑+σb↓) β = (σ b ↑ −σ b ↓) / (σ b ↑ + σ b ↓)
同様に、界面における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性は、界面散乱係数γで表される。具体的には、界面における上向きスピンの電気伝導率をσi↑、界面における下向きスピンの電気伝導率をσi↓とすると、界面散乱係数γは、以下の式で表される。 Similarly, the asymmetry between the electrical conductivity of the upward spin and the electrical conductivity of the downward spin at the interface is represented by the interface scattering coefficient γ. Specifically, when the electrical conductivity of the upward spin at the interface is σ i ↑ and the electrical conductivity of the downward spin at the interface is σ i ↓, the interface scattering coefficient γ is expressed by the following equation.
γ=(σi↑−σi↓)/(σi↑+σi↓) γ = (σ i ↑ −σ i ↓) / (σ i ↑ + σ i ↓)
バルク散乱係数βの絶対値が大きいほど磁気抵抗変化は大きくなる。同様に、界面散乱係数γの絶対値が大きいほど磁気抵抗変化は大きくなる。 The larger the absolute value of the bulk scattering coefficient β, the larger the magnetoresistance change. Similarly, the larger the absolute value of the interface scattering coefficient γ, the larger the magnetoresistance change.
バルク散乱係数βは、磁性層を構成する材料に依存し、界面散乱係数γは、隣接する2つの層を構成する材料の組み合わせに依存する。非特許文献1には、各種の材料についてバルク散乱係数βおよび界面散乱係数γを求めた結果が示されている。
The bulk scattering coefficient β depends on the material constituting the magnetic layer, and the interface scattering coefficient γ depends on the combination of the materials constituting the two adjacent layers.
ところで、CPP−GMR素子では、CIP−GMR素子とは異なり、磁気抵抗変化に対して、界面散乱の寄与のみならず、磁性体中を電子が伝導することによるバルク(体積)散乱の寄与も無視できない効果を持つ。そのため、CPP−GMR素子において大きな磁気抵抗効果を得るためには、磁性層であるフリー層の厚さを大きくし、バルク散乱を利用することが効果的である。しかしながら、フリー層の厚さを大きくすると、フリー層の磁化が大きくなる。その結果、フリー層の磁化の方向を、ハードバイアス磁界によってピンド層の磁化の方向に直交する方向に向けることが難しくなる。そのため、フリー層の厚さを大きくした場合には、磁性層の厚さの増加によるGMR素子の出力電圧の増加は期待できるが、GMR素子の出力波形は著しく劣化するという問題が生じる。 By the way, in the CPP-GMR element, unlike the CIP-GMR element, not only the contribution of interface scattering but also the contribution of bulk (volume) scattering due to conduction of electrons in the magnetic material is ignored for the magnetoresistance change. Has an effect that can not be. Therefore, in order to obtain a large magnetoresistance effect in the CPP-GMR element, it is effective to increase the thickness of the free layer, which is a magnetic layer, and use bulk scattering. However, increasing the thickness of the free layer increases the magnetization of the free layer. As a result, it is difficult to orient the magnetization direction of the free layer in the direction orthogonal to the magnetization direction of the pinned layer by the hard bias magnetic field. For this reason, when the thickness of the free layer is increased, an increase in the output voltage of the GMR element can be expected due to an increase in the thickness of the magnetic layer, but there arises a problem that the output waveform of the GMR element is significantly deteriorated.
そこで、例えば特許文献1に示されるように、フリー層をシンセティック構造とすることも提案されている。このシンセティック構造のフリー層は、2つの磁性層が非磁性結合層を介してRKKY相互作用によって反強磁性的に結合した構造になっている。このシンセティック構造のフリー層では、シンセティック構造ではない通常のフリー層に比べて、実効的な磁化を小さくすることができる。以下、シンセティック構造のフリー層における2つの磁性層のうち、ピンド層から遠い方の磁性層を第1磁性層と呼び、ピンド層に近い方の磁性層を第2磁性層と呼ぶ。
Therefore, for example, as shown in
特許文献1には、シンセティック構造のフリー層の第1磁性層に2つの領域を設ける技術が記載されている。2つの領域のうち、非磁性結合層から遠い方の領域はCr等、比抵抗を上げる元素を含有し、非磁性結合層に近い方の領域は、そのような元素を含有していない。特許文献1に記載された技術によれば、CIP−GMR素子において、センス電流が第1磁性層に分流することによる抵抗変化率の低下を防止できると共にフリー層における2つの磁性層のRKKY相互作用による結合磁界を大きくすることができる。
シンセティック構造のフリー層を有するCPP−GMR素子では、以下のような固有の問題点がある。すなわち、このCPP−GMR素子では、第1磁性層の磁化と第2磁性層の磁化は互いに逆方向を向いている。このCPP−GMR素子における磁気抵抗変化は、主に第2磁性層の磁化の方向の変化に伴う磁気抵抗変化である。しかし、CPP−GMR素子では、GMR素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流が流れる。そのため、CPP−GMR素子の出力電圧は、第2磁性層の磁気抵抗と、これに直列に接続される第1磁性層の磁気抵抗との合成抵抗に依存する。ここで、第2磁性層の磁化の方向がピンド層の磁化の方向に対して反平行であるときに、第1磁性層の磁化の方向はピンド層の磁化の方向に対して平行になる。また、一般的に、第1磁性層と第2磁性層のバルク散乱係数βは、いずれも正の値である。これらのことから、第1磁性層は、CPP−GMR素子の磁気抵抗変化を減少させる働きを持ってしまう。そのため、従来は、シンセティック構造のフリー層を有するCPP−GMR素子の磁気抵抗変化を大きくすることが難しかった。 The CPP-GMR element having a synthetic structure free layer has the following inherent problems. That is, in this CPP-GMR element, the magnetization of the first magnetic layer and the magnetization of the second magnetic layer are opposite to each other. The magnetoresistance change in the CPP-GMR element is mainly a magnetoresistance change accompanying a change in the magnetization direction of the second magnetic layer. However, in the CPP-GMR element, a current flows in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the GMR element. For this reason, the output voltage of the CPP-GMR element depends on the combined resistance of the magnetic resistance of the second magnetic layer and the magnetic resistance of the first magnetic layer connected in series therewith. Here, when the magnetization direction of the second magnetic layer is antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer, the magnetization direction of the first magnetic layer is parallel to the magnetization direction of the pinned layer. In general, the bulk scattering coefficients β of the first magnetic layer and the second magnetic layer are both positive values. For these reasons, the first magnetic layer has a function of reducing the magnetoresistance change of the CPP-GMR element. Therefore, conventionally, it has been difficult to increase the change in magnetoresistance of a CPP-GMR element having a synthetic structure free layer.
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、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができるようにした磁気抵抗効果素子、ならびに、この磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、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 problems, and its object is to obtain a large change in magnetoresistance when a current is passed in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the magnetoresistive element. It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element and a thin film magnetic head, a head gimbal assembly, a head arm assembly, and a magnetic disk device having the magnetoresistive effect element.
本発明の磁気抵抗効果素子は、互いに反対側を向く2つの面を有する非磁性導電層と、非磁性導電層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層と、非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層とを備えている。本発明において、フリー層は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第1および第2の磁性層と、第1および第2の磁性層の間に配置された非磁性材料よりなる結合層とを有し、第2の磁性層は、第1の磁性層よりもピンド層に近い位置に配置され、第1および第2の磁性層は、結合層を介して反強磁性的に結合している。また、第1の磁性層のバルク散乱係数は負の値であり、第2の磁性層のバルク散乱係数は正の値である。 The magnetoresistive element of the present invention is disposed so as to be adjacent to one surface of the nonmagnetic conductive layer having two surfaces facing to each other and the nonmagnetic conductive layer, and has a magnetization direction according to an external magnetic field. A free layer that changes, and a pinned layer that is disposed adjacent to the other surface of the nonmagnetic conductive layer and has a fixed magnetization direction. In the present invention, the free layer has first and second magnetic layers each including a layer made of a magnetic material, and a coupling layer made of a non-magnetic material disposed between the first and second magnetic layers. The second magnetic layer is disposed closer to the pinned layer than the first magnetic layer, and the first and second magnetic layers are antiferromagnetically coupled via the coupling layer. Further, the bulk scattering coefficient of the first magnetic layer is a negative value, and the bulk scattering coefficient of the second magnetic layer is a positive value.
本発明の磁気抵抗効果素子では、フリー層における第1の磁性層のバルク散乱係数が負の値であり、フリー層における第2の磁性層のバルク散乱係数が正の値であることから、第1の磁性層の磁化の方向の変化は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化を増加させるように働く。 In the magnetoresistive element of the present invention, the bulk scattering coefficient of the first magnetic layer in the free layer is a negative value, and the bulk scattering coefficient of the second magnetic layer in the free layer is a positive value. The change in the magnetization direction of one magnetic layer works to increase the magnetoresistance change of the magnetoresistive element.
本発明の磁気抵抗効果素子において、第1の磁性層のバルク散乱係数の絶対値は、0.1以上であってもよい。 In the magnetoresistive element of the present invention, the absolute value of the bulk scattering coefficient of the first magnetic layer may be 0.1 or more.
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第1の磁性層は、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかを含むがクロム、バナジウム、マンガンのいずれをも含まない磁性合金よりなる第1の磁性合金層と、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかおよびクロム、バナジウム、マンガンのいずれかを含む磁性合金よりなる第2の磁性合金層とを、それぞれ1層以上有する積層体からなるものであってもよい。 In the magnetoresistive element of the present invention, the first magnetic layer is formed of a magnetic alloy containing any one of cobalt, iron, and nickel but not containing chromium, vanadium, or manganese. And a laminate having at least one second magnetic alloy layer made of a magnetic alloy containing any one of cobalt, iron, nickel and chromium, vanadium, or manganese.
第2の磁性合金層は、鉄をa原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが50以上、80以下である磁性合金よりなるものであってもよい。 The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of iron and (100-a) atomic% of chromium, where a is 50 or more and 80 or less.
また、第2の磁性合金層は、鉄をa原子%、バナジウムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなるものであってもよい。 The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of iron and (100-a) atomic% of vanadium, and a is 60 or more and 80 or less.
また、第2の磁性合金層は、ニッケルをa原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが50以上、70以下である磁性合金よりなるものであってもよい。 The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of nickel and (100-a) atomic% of chromium, and a is 50 or more and 70 or less.
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第1の磁性層は、コバルトを0.9×a原子%、鉄を0.1×a原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。 In the magnetoresistive element of the present invention, the first magnetic layer contains 0.9 × a atomic% of cobalt, 0.1 × a atomic% of iron, and (100−a) atomic% of chromium, and a May have a layer made of a magnetic alloy having a thickness of 60 or more and 80 or less.
また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第1の磁性層は、コバルトを0.9×a原子%、鉄を0.1×a原子%、バナジウムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。 In the magnetoresistive element of the invention, the first magnetic layer contains 0.9 × a atomic% of cobalt, 0.1 × a atomic% of iron, (100−a) atomic% of vanadium, and a May have a layer made of a magnetic alloy having a thickness of 60 or more and 80 or less.
本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面と、記録媒体からの信号磁界を検出するために媒体対向面の近傍に配置された本発明の磁気抵抗効果素子と、磁気的信号検出用の電流を、磁気抵抗効果素子に対して、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極とを備えたものである。 The thin film magnetic head of the present invention includes a medium facing surface facing the recording medium, a magnetoresistive element of the present invention disposed in the vicinity of the medium facing surface for detecting a signal magnetic field from the recording medium, and a magnetic signal. It comprises a pair of electrodes for flowing a detection current in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the magnetoresistive effect element.
本発明のヘッドジンバルアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションとを備えたものである。また、本発明のヘッドアームアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションと、スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームとを備え、サスペンションがアームに取り付けられているものである。 The head gimbal assembly of the present invention includes the thin film magnetic head of the present invention, and includes a slider disposed so as to face the recording medium and a suspension that elastically supports the slider. The head arm assembly of the present invention includes the thin film magnetic head of the present invention, a slider disposed so as to face the recording medium, a suspension that elastically supports the slider, and the slider in the track transverse direction of the recording medium. And a suspension attached to the arm.
本発明の磁気ディスク装置は、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを支持すると共に記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを備えたものである。 The magnetic disk device of the present invention includes the thin film magnetic head of the present invention, a slider disposed so as to face a disk-shaped recording medium that is driven to rotate, and a positioning that supports the slider and positions the recording medium. Device.
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または磁気ディスク装置では、フリー層における第1の磁性層のバルク散乱係数が負の値であり、フリー層における第2の磁性層のバルク散乱係数が正の値であることから、第1の磁性層の磁化の方向の変化は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化を増加させるように働く。これにより、本発明によれば、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることが可能になるという効果を奏する。 In the magnetoresistive element, thin film magnetic head, head gimbal assembly, head arm assembly, or magnetic disk apparatus of the present invention, the bulk scattering coefficient of the first magnetic layer in the free layer is a negative value, and the second Since the bulk scattering coefficient of the magnetic layer is a positive value, the change in the magnetization direction of the first magnetic layer works to increase the magnetoresistance change of the magnetoresistive element. Thus, according to the present invention, it is possible to obtain a large change in magnetoresistance when a current is passed in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the magnetoresistive element.
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。始めに、図2および図3を参照して、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの構成および製造方法の概略について説明する。図2は薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面および基板に垂直な断面を示す断面図、図3は薄膜磁気ヘッドの磁極部分のエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the configuration of a thin film magnetic head and an outline of a manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the air bearing surface and the substrate of the thin film magnetic head, and FIG. 3 is a cross sectional view showing a cross section parallel to the air bearing surface of the magnetic pole portion of the thin film magnetic head.
本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの製造方法では、まず、アルティック(Al2O3・TiC)等のセラミック材料よりなる基板1の上に、スパッタリング法等によって、アルミナ(Al2O3)等の絶縁材料よりなる絶縁層2を、例えば1〜5μmの厚さに形成する。次に、絶縁層2の上に、めっき法等によって、NiFe、FeAlSi等の磁性材料よりなる再生ヘッド用の第1のシールド層3を、所定のパターンに形成する。次に、図示しないが、全体に、例えばアルミナよりなる絶縁層を形成する。次に、例えば化学機械研磨(以下、CMPという。)によって、第1のシールド層3が露出するまで絶縁層を研磨して、第1のシールド層3および絶縁層の上面を平坦化する。
In the method of manufacturing a thin film magnetic head according to the present embodiment, first, alumina (Al 2 O 3 ) is formed on a
次に、第1のシールド層3の上に、再生用のMR素子5を形成する。次に、図示しないが、MR素子5の2つの側部および第1のシールド層3の上面を覆うように絶縁膜を形成する。絶縁膜は、アルミナ等の絶縁材料によって形成される。次に、絶縁膜を介してMR素子5の2つの側部に隣接するように2つのバイアス磁界印加層18を形成する。次に、MR素子5およびバイアス磁界印加層18の周囲に配置されるように絶縁層7を形成する。絶縁層7は、アルミナ等の絶縁材料によって形成される。
Next, the reproducing
次に、MR素子5、バイアス磁界印加層18および絶縁層7の上に、磁性材料からなり、記録ヘッドの下部磁極層を兼ねた再生ヘッドの第2のシールド層8を形成する。なお、第2のシールド層8に用いる磁性材料は、NiFe、CoFe、CoFeNi、FeN等の軟磁性材料である。第2のシールド層8は、例えばめっき法またはスパッタリング法によって形成される。なお、第2のシールド層8の代わりに、第2のシールド層と、この第2のシールド層の上にスパッタリング法等によって形成されたアルミナ等の非磁性材料よりなる分離層と、この分離層の上に形成された下部磁極層とを設けてもよい。
Next, on the
次に、第2のシールド層8の上に、スパッタリング法等によって、アルミナ等の非磁性材料よりなる記録ギャップ層9を、例えば50〜300nmの厚さに形成する。次に、磁路形成のために、後述する薄膜コイルの中心部分において、記録ギャップ層9を部分的にエッチングしてコンタクトホール9aを形成する。
Next, the
次に、記録ギャップ層9の上に、例えば銅(Cu)よりなる薄膜コイルの第1層部分10を、例えば2〜3μmの厚さに形成する。なお、図2において、符号10aは、第1層部分10のうち、後述する薄膜コイルの第2層部分15に接続される接続部を表している。第1層部分10は、コンタクトホール9aの周囲に巻回される。
Next, a
次に、薄膜コイルの第1層部分10およびその周辺の記録ギャップ層9を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層11を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層11の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層11の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。
Next, an insulating
次に、絶縁層11のうちの後述するエアベアリング面20側の斜面部分からエアベアリング面20側にかけての領域において、記録ギャップ層9および絶縁層11の上に、記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層12のトラック幅規定層12aを形成する。上部磁極層12は、このトラック幅規定層12aと、後述する連結部分層12bおよびヨーク部分層12cとで構成される。
Next, in a region from the slope portion on the
トラック幅規定層12aは、記録ギャップ層9の上に形成され、上部磁極層12の磁極部分となる先端部と、絶縁層11のエアベアリング面20側の斜面部分の上に形成され、ヨーク部分層12cに接続される接続部とを有している。先端部の幅は記録トラック幅と等しくなっている。接続部の幅は、先端部の幅よりも大きくなっている。
The track
トラック幅規定層12aを形成する際には、同時に、コンタクトホール9aの上に磁性材料よりなる連結部分層12bを形成すると共に、接続部10aの上に磁性材料よりなる接続層13を形成する。連結部分層12bは、上部磁極層12のうち、第2のシールド層8に磁気的に連結される部分を構成する。
When the track
次に、磁極トリミングを行う。すなわち、トラック幅規定層12aの周辺領域において、トラック幅規定層12aをマスクとして、記録ギャップ層9および第2のシールド層8の磁極部分における記録ギャップ層9側の少なくとも一部をエッチングする。これにより、図3に示したように、上部磁極層12の磁極部分、記録ギャップ層9および第2のシールド層8の磁極部分の少なくとも一部の各幅が揃えられたトリム(Trim)構造が形成される。このトリム構造によれば、記録ギャップ層9の近傍における磁束の広がりによる実効的なトラック幅の増加を防止することができる。
Next, magnetic pole trimming is performed. That is, in the peripheral region of the track
次に、全体に、アルミナ等の無機絶縁材料よりなる絶縁層14を、例えば3〜4μmの厚さに形成する。次に、この絶縁層14を、例えばCMPによって、トラック幅規定層12a、連結部分層12bおよび接続層13の表面に至るまで研磨して平坦化する。
Next, the insulating
次に、平坦化された絶縁層14の上に、例えば銅(Cu)よりなる薄膜コイルの第2層部分15を、例えば2〜3μmの厚さに形成する。なお、図2において、符号15aは、第2層部分15のうち、接続層13を介して薄膜コイルの第1層部分10の接続部10aに接続される接続部を表している。第2層部分15は、連結部分層12bの周囲に巻回される。
Next, a
次に、薄膜コイルの第2層部分15およびその周辺の絶縁層14を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層16を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層16の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層16の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。
Next, an insulating
次に、トラック幅規定層12a、絶縁層14,16および連結部分層12bの上に、パーマロイ等の記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層12のヨーク部分を構成するヨーク部分層12cを形成する。ヨーク部分層12cのエアベアリング面20側の端部は、エアベアリング面20から離れた位置に配置されている。また、ヨーク部分層12cは、連結部分層12bを介して第2のシールド層8に接続されている。
Next, a
次に、全体を覆うように、例えばアルミナよりなるオーバーコート層17を形成する。最後に、上記各層を含むスライダの機械加工を行って、記録ヘッドおよび再生ヘッドを含む薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面20を形成して、薄膜磁気ヘッドが完成する。
Next, an
このようにして製造される薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面としてのエアベアリング面20と再生ヘッドと記録ヘッドとを備えている。再生ヘッドの構成については、後で詳しく説明する。
The thin film magnetic head manufactured in this way includes an
記録ヘッドは、エアベアリング面20側において互いに対向する磁極部分を含むと共に、互いに磁気的に連結された下部磁極層(第2のシールド層8)および上部磁極層12と、この下部磁極層の磁極部分と上部磁極層12の磁極部分との間に設けられた記録ギャップ層9と、少なくとも一部が下部磁極層および上部磁極層12の間に、これらに対して絶縁された状態で配設された薄膜コイル10,15とを有している。この薄膜磁気ヘッドでは、図2に示したように、エアベアリング面20から、絶縁層11のエアベアリング面20側の端部までの長さが、スロートハイトTHとなる。なお、スロートハイトとは、エアベアリング面20から、2つの磁極層の間隔が開き始める位置までの長さ(高さ)をいう。
The recording head includes magnetic pole portions opposed to each other on the
次に、図1を参照して、再生ヘッドの構成について詳しく説明する。図1は再生ヘッドのエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。 Next, the configuration of the reproducing head will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section parallel to the air bearing surface of the read head.
本実施の形態における再生ヘッドは、所定の間隔を開けて配置された第1のシールド層3および第2のシールド層8と、第1のシールド層3と第2のシールド層8との間に配置されたMR素子5と、MR素子5の2つの側部および第1のシールド層3の上面を覆う絶縁膜6と、絶縁膜6を介してMR素子5の2つの側部に隣接する2つのバイアス磁界印加層18とを備えている。絶縁膜6は、例えばアルミナによって形成される。バイアス磁界印加層18は、硬磁性層(ハードマグネット)や、強磁性層と反強磁性層との積層体等を用いて構成される。具体的には、バイアス磁界印加層18は、例えばCoPtやCoCrPtによって形成される。
In the reproducing head in the present embodiment, the
本実施の形態における再生ヘッドは、CPP構造の再生ヘッドである。第1のシールド層3と第2のシールド層8は、センス電流を、MR素子5に対して、MR素子5を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極を兼ねている。なお、第1のシールド層3および第2のシールド層8とは別に、MR素子5の上下に一対の電極を設けてもよい。MR素子5は、スピンバルブ型GMR素子である。MR素子5は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて抵抗値が変化する。センス電流は、MR素子5を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。MR素子5の抵抗値はセンス電流より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
The reproducing head in the present embodiment is a reproducing head having a CPP structure. The
MR素子5は、第1のシールド層3の上に順に積層された下地層21、反強磁性層22、ピンド層23、非磁性導電層24、フリー層25および保護層26を備えている。ピンド層23は磁化の方向が固定された層であり、反強磁性層22は、ピンド層23との交換結合により、ピンド層23における磁化の方向を固定する層である。下地層21は、その上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させ、特に、反強磁性層22とピンド層23との交換結合を良好にするために設けられる。フリー層25は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて磁化の方向が変化する層である。保護層26は、その下の各層を保護するための層である。
The
下地層21の厚さは、例えば2〜6nmである。下地層21としては、例えばTa層とNiFeCr層との積層体が用いられる。
The thickness of the
反強磁性層22の厚さは、例えば5〜30nmである。反強磁性層22は、例えば、Pt、Ru、Rh、Pd、Ni、Cu、Ir、CrおよびFeからなる群のうちの少なくとも1種MIIと、Mnとを含む反強磁性材料により構成されている。このうちMnの含有量は35原子%以上95原子%以下、その他の元素MIIの含有量は5原子%以上65原子%以下であることが好ましい。この反強磁性材料には、熱処理しなくても反強磁性を示し、強磁性材料との間に交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。この反強磁性層22は、そのどちらにより構成されていてもよい。
The thickness of the
なお、非熱処理系反強磁性材料にはγ相を有するMn合金等があり、具体的には、RuRhMn、FeMnあるいはIrMn等がある。熱処理系反強磁性材料には規則結晶構造を有するMn合金等があり、具体的には、PtMn、NiMnおよびPtRhMn等がある。 The non-heat-treatment type antiferromagnetic material includes a Mn alloy having a γ phase, and specifically, RuRhMn, FeMn, IrMn, and the like. The heat-treated antiferromagnetic material includes a Mn alloy having a regular crystal structure, and specifically includes PtMn, NiMn, PtRhMn, and the like.
ピンド層23では、反強磁性層22との界面における交換結合により、磁化の向きが固定されている。本実施の形態におけるピンド層23は、反強磁性層22の上に順に積層された第2ピンド層AP2、結合層30および第1ピンド層AP1を有し、いわゆるシンセティックピンド層になっている。第1ピンド層AP1と第2ピンド層AP2は、例えば、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む強磁性材料により構成された磁性層を含んでいる。特に、この強磁性材料の(111)面は積層方向に配向していることが好ましい。第1ピンド層AP1および第2ピンド層AP2を構成する材料には、B等の添加物が加えられていてもよい。第1ピンド層AP1と第2ピンド層AP2は、反強磁性的に結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。第1ピンド層AP1の厚さは、例えば3〜7nmである。第2ピンド層AP2の厚さは、例えば3〜7nmである。
In the pinned
また、第1ピンド層AP1は、1つの磁性層によって構成されていてもよいし、磁性層の他にCu層等の非磁性層を含む複数の層によって構成されていてもよい。例えば、第1ピンド層AP1は、CoFe層とCu層を交互に2〜5回繰り返し積層した上にCoFe層を積層した構造であってもよい。この例において、CoFe層を構成するCoFeの組成は、例えば、Co:90原子%、Fe:10原子%や、Co:50原子%、Fe:50原子%である。このように、第1ピンド層AP1を、磁性層の他にCu層等の非磁性層を含む複数の層によって構成することにより、第1ピンド層AP1の中に、界面散乱係数γが比較的大きな界面を多く形成でき、その結果、MR素子5の磁気抵抗変化を大きくすることが可能になる。
Further, the first pinned layer AP1 may be constituted by a single magnetic layer, or may be constituted by a plurality of layers including a nonmagnetic layer such as a Cu layer in addition to the magnetic layer. For example, the first pinned layer AP1 may have a structure in which a CoFe layer and a Cu layer are alternately and repeatedly stacked 2 to 5 times and then a CoFe layer is stacked. In this example, the composition of CoFe constituting the CoFe layer is, for example, Co: 90 atomic%, Fe: 10 atomic%, Co: 50 atomic%, and Fe: 50 atomic%. In this way, by configuring the first pinned layer AP1 with a plurality of layers including a nonmagnetic layer such as a Cu layer in addition to the magnetic layer, the interface scattering coefficient γ is relatively small in the first pinned layer AP1. Many large interfaces can be formed. As a result, the magnetoresistance change of the
ピンド層23における結合層30の厚さは、例えば0.2〜1.2nmである。結合層30は、例えば、Ru、Rh、Ir、Re、Cr、ZrおよびCuからなる群のうち少なくとも1種を含む非磁性材料により構成されている。この結合層30は、第1ピンド層AP1と第2ピンド層AP2の間に反強磁性交換結合を生じさせ、第1ピンド層AP1の磁化と第2ピンド層AP2の磁化とを互いに逆方向に固定するためのものである。なお、第1ピンド層AP1の磁化と第2ピンド層AP2の磁化が互いに逆方向というのは、これら2つの磁化の方向が互いに180°異なる場合のみならず、2つの磁化の方向が180°±20°異なる場合を含む。
The thickness of the
非磁性導電層24の厚さは、例えば1.0〜4.0nmである。非磁性導電層24は、例えば、Cu、AuおよびAgからなる群のうち少なくとも1種を80重量%以上含む非磁性の導電性材料により構成されている。
The thickness of the nonmagnetic
本実施の形態におけるフリー層25は、非磁性導電層24の上に順に積層された第2の磁性層F2、結合層40および第1の磁性層F1を有している。磁性層F1,F2は、それぞれ磁性材料よりなる層を含んでいる。結合層40の厚さは、例えば0.2〜1.2nmである。結合層40は、例えば、Ru、Rh、Ir、Re、Cr、ZrおよびCuからなる群のうち少なくとも1種を含む非磁性材料により構成されている。結合層40の具体例としては、0.4〜0.8nmのRu層や、0.6〜0.8nmのRh層が挙げられる。第2の磁性層F2は、第1の磁性層F1よりもピンド層23に近い位置に配置されている。第1および第2の磁性層F1,F2は、結合層40を介してRKKY相互作用によって反強磁性的に結合している。すなわち、第1の磁性層F1の磁化の方向と第2の磁性層F2の磁化の方向は、互いに逆方向になっている。ただし、第2の磁性層F2の磁化の大きさは、第1の磁性層F1の磁化の大きさよりも大きい。そのため、信号磁界がない状態では、第2の磁性層F2の磁化の方向がバイアス磁界の方向に揃えられている。
The
第1の磁性層F1の厚さは、例えば1.0〜4.0nmである。第1の磁性層F1の特徴については、後で詳しく説明する。第2の磁性層F2の厚さは、例えば2.0〜6.0nmである。第2の磁性層F2は、例えば、Ni、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む磁性材料により構成されている。具体的には、第2の磁性層F2は、(111)面が積層方向に配向しているCoxFeyNi100-(x+y)により構成されることが好ましい。式中、x,yはそれぞれ原子%で70≦x≦100、0≦y≦25の範囲内である。 The thickness of the first magnetic layer F1 is, for example, 1.0 to 4.0 nm. The characteristics of the first magnetic layer F1 will be described in detail later. The thickness of the second magnetic layer F2 is, for example, 2.0 to 6.0 nm. The second magnetic layer F2 is made of, for example, a magnetic material containing at least Co from the group consisting of Ni, Co, and Fe. Specifically, the second magnetic layer F2 is preferably composed of Co x Fe y Ni 100- (x + y) whose (111) plane is oriented in the stacking direction. In the formula, x and y are in atomic% within the range of 70 ≦ x ≦ 100 and 0 ≦ y ≦ 25, respectively.
保護層26の厚さは、例えば0.5〜10nmである。保護層26としては、例えば、厚さ5.0nmのCu層と厚さ5.0nmのRu層との積層体が用いられる。
The thickness of the
MR素子5を構成する各層は、例えばスパッタリング法によって形成される。また、MR素子5の形成工程では、MR素子5を構成する各層を形成した後、ピンド層23における磁化方向を固定するために、磁界中で、例えば270℃、4時間のアニール(熱処理)を行なう。MR素子5の上面の形状は、例えば、縦0.1μm、横0.1μmの正方形である。なお、MR素子5の層の構成は、図1に示した構成と上下が逆の構成であってもよい。
Each layer constituting the
次に、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの作用について説明する。薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって記録媒体に情報を記録し、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。 Next, the operation of the thin film magnetic head according to the present embodiment will be described. The thin film magnetic head records information on a recording medium with a recording head, and reproduces information recorded on the recording medium with a reproducing head.
再生ヘッドにおいて、バイアス磁界印加層18によるバイアス磁界の方向は、エアベアリング面20に垂直な方向と直交している。MR素子5において、信号磁界がない状態では、フリー層25における第2の磁性層F2の磁化の方向は、バイアス磁界の方向に揃えられている。フリー層25における第1の磁性層F1の磁化の方向は、第2の磁性層F2の磁化の方向に対して逆方向になっている。ピンド層23の磁化の方向は、エアベアリング面20に垂直な方向に固定されている。
In the reproducing head, the direction of the bias magnetic field by the bias magnetic
MR素子5では、記録媒体からの信号磁界に応じてフリー層25における磁性層F1,F2の磁化の方向が変化し、これにより、磁性層F1,F2の磁化の方向とピンド層23の磁化の方向との間の相対角度が変化し、その結果、MR素子5の抵抗値が変化する。MR素子5の抵抗値は、第1および第2のシールド層3,8によってMR素子5にセンス電流を流したときのシールド層3,8間の電位差より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。
In the
次に、本実施の形態に係るMR素子5の特徴について説明する。本実施の形態に係るMR素子5は、互いに反対側を向く2つの面を有する非磁性導電層24と、非磁性導電層24における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層25と、非磁性導電層24の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層23とを備えている。
Next, features of the
本実施の形態におけるフリー層25は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第1の磁性層F1および第2の磁性層F2と、第1および第2の磁性層F1,F2の間に配置された非磁性材料よりなる結合層40とを有している。第2の磁性層F2は、第1の磁性層F1よりもピンド層23に近い位置に配置されている。第1および第2の磁性層F1,F2は、結合層40を介してRKKY相互作用によって反強磁性的に結合している。第1の磁性層F1のバルク散乱係数βは負の値であり、第2の磁性層F2のバルク散乱係数βは正の値である。第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は、0.1以上であることが好ましい。
The
第1の磁性層F1は、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)のいずれかを含むがクロム(Cr)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)のいずれをも含まない磁性合金よりなる第1の磁性合金層と、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかおよびクロム、バナジウム、マンガンのいずれかを含む磁性合金よりなる第2の磁性合金層とを、それぞれ1層以上有する積層体からなるものであってもよい。なお、第1の磁性層F1を、第1の磁性合金層と第2の磁性合金層とをそれぞれ1層以上有する積層体によって構成する場合には、第1の磁性層F1と第2の磁性層F2とが結合層40を介して良好に反強磁性的に結合するように、第1の磁性合金層が結合層40に接することが好ましい。
The first magnetic layer F1 includes any one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni), but does not include any of chromium (Cr), vanadium (V), and manganese (Mn). A laminated body having at least one first magnetic alloy layer and at least one second magnetic alloy layer made of a magnetic alloy containing any one of cobalt, iron, nickel and chromium, vanadium, or manganese. It may be. In the case where the first magnetic layer F1 is constituted by a laminated body having one or more first magnetic alloy layers and second magnetic alloy layers, the first magnetic layer F1 and the second magnetic layer The first magnetic alloy layer is preferably in contact with the
第2の磁性合金層は、鉄をa原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが50以上、80以下である磁性合金よりなるものであってもよい。また、第2の磁性合金層は、鉄をa原子%、バナジウムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなるものであってもよい。また、第2の磁性合金層は、ニッケルをa原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが50以上、70以下である磁性合金よりなるものであってもよい。これらの第2の磁性合金層の組成は、後で示す実施例から導かれたものである。 The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of iron and (100-a) atomic% of chromium, where a is 50 or more and 80 or less. The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of iron and (100-a) atomic% of vanadium, and a is 60 or more and 80 or less. The second magnetic alloy layer may be made of a magnetic alloy containing a atomic% of nickel and (100-a) atomic% of chromium, and a is 50 or more and 70 or less. The composition of these second magnetic alloy layers is derived from examples shown later.
また、第1の磁性層F1は、コバルトを0.9×a原子%、鉄を0.1×a原子%、クロムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。また、第1の磁性層F1は、コバルトを0.9×a原子%、鉄を0.1×a原子%、バナジウムを(100−a)原子%含み、aが60以上、80以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。上記の各磁性合金の組成も、後で示す実施例の結果から導かれたものである。 The first magnetic layer F1 contains 0.9 × a atomic% of cobalt, 0.1 × a atomic% of iron, and (100-a) atomic% of chromium, and a is 60 or more and 80 or less. You may have the layer which consists of magnetic alloys. The first magnetic layer F1 contains 0.9 × a atomic% of cobalt, 0.1 × a atomic% of iron, (100-a) atomic% of vanadium, and a is 60 or more and 80 or less. You may have the layer which consists of magnetic alloys. The composition of each of the above magnetic alloys is also derived from the results of Examples shown later.
また、第2の磁性層F2は、磁性合金層の他にCu層等の非磁性層を含んでいてもよい。例えば、第2の磁性層F2は、厚さ1.0nmのCoFe層と厚さ0.2nmのCu層を交互に4回繰り返し積層した構造で、全体の厚さが4.8nmの層としてもよい。このように、第2の磁性層F2中に非磁性層を挿入することにより、第2の磁性層F2中に、界面散乱係数γが比較的大きな界面を多く形成でき、その結果、MR素子5の磁気抵抗変化を大きくすることが可能になる。
The second magnetic layer F2 may include a nonmagnetic layer such as a Cu layer in addition to the magnetic alloy layer. For example, the second magnetic layer F2 has a structure in which a CoFe layer having a thickness of 1.0 nm and a Cu layer having a thickness of 0.2 nm are alternately and repeatedly stacked four times, and the total thickness is 4.8 nm. Good. Thus, by inserting the nonmagnetic layer into the second magnetic layer F2, it is possible to form many interfaces having a relatively large interface scattering coefficient γ in the second magnetic layer F2, and as a result, the
本実施の形態では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βが負の値であり、第2の磁性層F2のバルク散乱係数βが正の値であることから、第1の磁性層F1の磁化の方向の変化は、MR素子5の磁気抵抗変化を増加させるように働く。これにより、本実施の形態によれば、MR素子5を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができる。
In the present embodiment, since the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is a negative value and the bulk scattering coefficient β of the second magnetic layer F2 is a positive value, the first magnetic layer F1 The change in the direction of magnetization of the
以下、本実施の形態によってMR素子5の磁気抵抗変化が大きくなる原理について詳しく説明する。
Hereinafter, the principle of increasing the magnetoresistance change of the
まず、図8および図9を参照して、バルク散乱による磁気抵抗変化について説明する。ここでは、図8および図9に示したように、磁性層51,52と、この磁性層51,52の間に配置された非磁性導電層53からなる積層体50を、上向きスピンと下向きスピンが、各層51〜53の面に垂直な方向に通過する場合について考える。磁性層51,52は、MR素子5におけるピンド層23とフリー層25に対応する。図8は、磁性層51,52の磁化がいずれも上向きとなる平行状態を表している。図9は、磁性層51の磁化が上向き、磁性層52の磁化が下向きとなる反平行状態を表している。なお、ここでは、説明を簡単にするために、非磁性導電層53の電気抵抗を無視する。図8および図9では、上向きスピンを記号e↑で表し、下向きスピンをe↓で表している。また、図8および図9において、上向きスピンと下向きスピンの電気伝導率の大きさを、幅を有する矢印の幅によって模式的に表している。
First, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the change in magnetoresistance due to bulk scattering will be described. Here, as shown in FIGS. 8 and 9, the
まず、磁化が上向きの磁性層を、上向きスピンと下向きスピンが通過する場合について考える。磁性層内における上向きスピンの電気伝導率σb↑と下向きスピンの電気伝導率σb↓は、バルク散乱係数βを用いて、以下の式で表される。なお、ρは、磁性層の比抵抗である。 First, consider a case where upward spins and downward spins pass through a magnetic layer with upward magnetization. Spin-up of the electrical conductivity sigma b ↑ and the electrical conductivity of the down spin sigma b ↓ is in the magnetic layer, using a bulk scattering coefficient beta, it is expressed by the following equation. Note that ρ is the specific resistance of the magnetic layer.
σb↑=(1/2ρ)+xβ
σb↓=(1/2ρ)−yβ
σ b ↑ = (1 / 2ρ) + xβ
σ b ↓ = (1 / 2ρ) −yβ
完全に分極している場合(β=1)を考えると、σb↓=0となるため、y=1/2ρとなる。更に、σb↑+σb↓=1/ρであるから、x=1/2ρとなる。よって、各スピンのσb↑、σb↓は、以下の式で表される。 Considering the case of complete polarization (β = 1), σ b ↓ = 0, so y = 1 / 2ρ. Furthermore, since σ b ↑ + σ b ↓ = 1 / ρ, x = 1 / 2ρ. Therefore, σ b ↑ and σ b ↓ of each spin are expressed by the following equations.
σb↑=(1+β)/2ρ
σb↓=(1−β)/2ρ
σ b ↑ = (1 + β) / 2ρ
σ b ↓ = (1-β) / 2ρ
ここで、上向きスピンに対する磁性層の比抵抗をρ↑とし、下向きスピンに対する磁性層の比抵抗をρ↓とする。ρ↑=1/σb↑、ρ↓=1/σb↓であるから、上式を変形して、以下の式が得られる。 Here, the specific resistance of the magnetic layer with respect to the upward spin is ρ ↑, and the specific resistance of the magnetic layer with respect to the downward spin is ρ ↓. Since ρ ↑ = 1 / σ b ↑ and ρ ↓ = 1 / σ b ↓, the following equation is obtained by modifying the above equation.
ρ↑=2ρ/(1+β) …(1)
ρ↓=2ρ/(1−β) …(2)
ρ ↑ = 2ρ / (1 + β) (1)
ρ ↓ = 2ρ / (1-β) (2)
ここで、説明を簡単にするために、磁性層51,52が同じ物質によって構成されていると仮定する。この場合には、磁性層51,52の比抵抗ρは等しく、磁性層51,52のバルク散乱係数βも等しい。
Here, in order to simplify the explanation, it is assumed that the
図8に示した平行状態のときの上向きスピンに対する積層体50の比抵抗をρ↑(平行)とすると、これは、以下の式で表される。
When the specific resistance of the stacked
ρ↑(平行)=2ρ/(1+β)+2ρ/(1+β)=4ρ/(1+β) ρ ↑ (parallel) = 2ρ / (1 + β) + 2ρ / (1 + β) = 4ρ / (1 + β)
同様に、平行状態のときの下向きスピンに対する積層体50の比抵抗をρ↓(平行)とすると、これは、以下の式で表される。
Similarly, when the specific resistance of the stacked
ρ↓(平行)=2ρ/(1−β)+2ρ/(1−β)=4ρ/(1−β) ρ ↓ (parallel) = 2ρ / (1-β) + 2ρ / (1-β) = 4ρ / (1-β)
ここで、平行状態のときの積層体50の比抵抗をρ(平行)とする。積層体50中の電流路は、上向きスピンの電流路と下向きスピンの電流路の並列回路だと考えることができる。従って、ρ(平行)は、以下の式で表される。
Here, the specific resistance of the stacked
ρ(平行)=(ρ↑(平行)×ρ↓(平行))/(ρ↑(平行)+ρ↓(平行))
=2ρ
ρ (parallel) = (ρ ↑ (parallel) × ρ ↓ (parallel)) / (ρ ↑ (parallel) + ρ ↓ (parallel))
= 2ρ
次に、図9に示した反平行状態について考える。この反平行状態のときの上向きスピンに対する積層体50の比抵抗をρ↑(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。
Next, consider the antiparallel state shown in FIG. When the specific resistance of the stacked
ρ↑(反平行)=2ρ/(1+β)+2ρ/(1−β) ρ ↑ (antiparallel) = 2ρ / (1 + β) + 2ρ / (1-β)
同様に、反平行状態のときの下向きスピンに対する積層体50の比抵抗をρ↓(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。
Similarly, when the specific resistance of the stacked
ρ↓(反平行)=2ρ/(1−β)+2ρ/(1+β) ρ ↓ (antiparallel) = 2ρ / (1-β) + 2ρ / (1 + β)
よって、反平行状態のときの積層体50の比抵抗をρ(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。
Therefore, when the specific resistance of the
ρ(反平行)=(ρ↑(反平行)×ρ↓(反平行))/(ρ↑(反平行)+ρ↓(反平行))=2ρ/(1−β2) ρ (antiparallel) = (ρ ↑ (antiparallel) × ρ ↓ (antiparallel)) / (ρ ↑ (antiparallel) + ρ ↓ (antiparallel)) = 2ρ / (1-β 2 )
ここで、Δρ=ρ(反平行)−ρ(平行)と定義すると、Δρは以下の式で表される。 Here, if Δρ = ρ (antiparallel) −ρ (parallel) is defined, Δρ is expressed by the following equation.
Δρ=2ρ/(1−β2)−2ρ=2ρβ2/(1−β2) Δρ = 2ρ / (1-β 2 ) -2ρ = 2ρβ 2 / (1-β 2 )
上式から、バルク散乱係数βが大きいほど、Δρが大きくなり、その結果、磁気抵抗変化が大きくなることが分かる。 From the above equation, it can be seen that Δρ increases as the bulk scattering coefficient β increases, and as a result, the change in magnetoresistance increases.
次に、図10および図11を参照して、界面散乱による磁気抵抗変化について説明する。ここでは、図10および図11に示したように、磁性層61,62が接してできる界面63を、上向きスピンと下向きスピンが界面63に対して垂直な方向に通過する場合について考える。図10は、磁性層61,62の磁化がいずれも上向きとなる平行状態を表している。図11は、磁性層61の磁化が上向き、磁性層62の磁化が下向きとなる反平行状態を表している。また、ここでは、界面63における電子の散乱に起因した抵抗が生じる磁性層61,62中の領域を界面領域64とする。また、この界面領域64の界面63に垂直な方向の長さを界面長さLとする。図10および図11では、上向きスピンを記号e↑で表し、下向きスピンをe↓で表している。また、図10および図11において、上向きスピンと下向きスピンの電気伝導率の大きさを、幅を有する矢印の幅によって模式的に表している。
Next, with reference to FIG. 10 and FIG. 11, a change in magnetoresistance due to interface scattering will be described. Here, as shown in FIGS. 10 and 11, a case is considered in which upward spins and downward spins pass through the
まず、図10に示した平行状態について考える。界面における上向きスピンの電気伝導率σi↑と下向きスピンの電気伝導率σi↓は、界面散乱係数γを用いて、以下の式で表される。なお、ρiは、界面における比抵抗である。 First, consider the parallel state shown in FIG. The electrical conductivity σ i ↑ of the upward spin at the interface and the electrical conductivity σ i ↓ of the downward spin are expressed by the following equations using the interface scattering coefficient γ. Note that ρ i is a specific resistance at the interface.
σi↑=(1/2ρi)+xγ
σi↓=(1/2ρi)−yγ
σ i ↑ = (1 / 2ρ i ) + xγ
σ i ↓ = (1 / 2ρ i ) −yγ
完全に分極している場合(γ=1)を考えると、σi↓=0となるため、y=1/2ρiとなる。更に、σi↑+σi↓=1/ρiであるから、x=1/2ρiとなる。よって、各スピンのσi↑、σi↓は、以下の式で表される。 Considering the case of complete polarization (γ = 1), σ i ↓ = 0, so y = 1 / 2ρ i . Furthermore, since σ i ↑ + σ i ↓ = 1 / ρ i , x = 1 / 2ρ i . Therefore, σ i ↑ and σ i ↓ of each spin are expressed by the following equations.
σi↑=(1+γ)/2ρi
σi↓=(1−γ)/2ρi
σ i ↑ = (1 + γ) / 2ρ i
σ i ↓ = (1-γ) / 2ρ i
ここで、上向きスピンに対する界面の抵抗をR↑、上向きスピンに対する界面の比抵抗をρi↑、下向きスピンに対する界面の抵抗をR↓、下向きスピンに対する界面の比抵抗をρi↓とする。オーム則より、抵抗R↑、R↓は以下の式で表される。なお、Aは、界面の面積(界面領域の断面積)である。 Here, it is assumed that the interface resistance with respect to the upward spin is R ↑, the specific resistance of the interface with respect to the upward spin is ρ i ↑, the resistance of the interface with respect to the downward spin is R ↓, and the specific resistance of the interface with respect to the downward spin is ρ i ↓. From Ohm's law, the resistances R ↑ and R ↓ are expressed by the following equations. A is the area of the interface (cross-sectional area of the interface region).
R↑=ρi↑・L/A
R↓=ρi↓・L/A
R ↑ = ρ i ↑ ・ L / A
R ↓ = ρ i ↓ · L / A
上式を変形すると、以下の式が得られる。R↑Aは、上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗であり、R↓Aは、下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗である。 When the above equation is modified, the following equation is obtained. R ↑ A is the interface resistance per unit area for upward spins, and R ↓ A is the interface resistance per unit area for downward spins.
R↑A=ρi↑・L
R↓A=ρi↓・L
R ↑ A = ρ i ↑ ・ L
R ↓ A = ρ i ↓ · L
ここで、ρi↑=1/σi↑=2ρi/(1+γ)、ρi↓=1/σi↓=2ρi/(1−γ)であるから、上式を変形して、以下の式が得られる。 Here, ρ i ↑ = 1 / σ i ↑ = 2ρ i / (1 + γ) and ρ i ↓ = 1 / σ i ↓ = 2ρ i / (1-γ). The following equation is obtained.
R↑A=2ρiL/(1+γ)
R↓A=2ρiL/(1−γ)
R ↑ A = 2ρ i L / (1 + γ)
R ↓ A = 2ρ i L / (1-γ)
更に、界面の全抵抗Rとすると、ρiL=RAであるから、上式を変形して、以下の式が得られる。 Further, assuming that the total resistance R of the interface is ρ i L = RA, the above equation is modified to obtain the following equation.
R↑A=2RA/(1+γ)
R↓A=2RA/(1−γ)
R ↑ A = 2RA / (1 + γ)
R ↓ A = 2RA / (1-γ)
ここで、R*=R/(1−γ2)と定義する。すると、上式を変形して、以下の式が得られる。 Here, R * = R / (1-γ 2 ) is defined. Then, the above equation is modified to obtain the following equation.
R↑A=2R*A(1−γ) …(3)
R↓A=2R*A(1+γ) …(4)
R ↑ A = 2R * A (1-γ) (3)
R ↓ A = 2R * A (1 + γ) (4)
次に、磁性層61の界面抵抗をR1、磁性層62の界面抵抗をR2とする。また、R1 *=R1/(1−γ2)、R2 *=R2/(1−γ2)と定義する。
Next, the interface resistance of the
平行状態のときの上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をR↑A(平行)とすると、これは、以下の式で表される。 When the resistance of the interface per unit area to the upward spin in the parallel state is R ↑ A (parallel), this is expressed by the following equation.
R↑A(平行)=2R1 *A(1−γ)+2R2 *A(1−γ) R ↑ A (parallel) = 2R 1 * A (1−γ) + 2R 2 * A (1−γ)
同様に、平行状態のときの下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をR↓A(平行)とすると、これは、以下の式で表される。 Similarly, when the resistance of the interface per unit area to the downward spin in the parallel state is R ↓ A (parallel), this is expressed by the following equation.
R↓A(平行)=2R1 *A(1+γ)+2R2 *A(1+γ) R ↓ A (parallel) = 2R 1 * A (1 + γ) + 2R 2 * A (1 + γ)
よって、平行状態のときの単位面積当たりの界面の全抵抗をRA(平行)とすると、これは、以下の式で表される。 Therefore, when the total resistance of the interface per unit area in the parallel state is RA (parallel), this is expressed by the following equation.
RA(平行)
=(R↑A(平行)×R↓A(平行))/(R↑A(平行)+R↓A(平行))
={1/2(2R1 *A+2R2 *A)}・4A2(1−γ2)(R1 *+R2 *)2
RA (parallel)
= (R ↑ A (parallel) × R ↓ A (parallel)) / (R ↑ A (parallel) + R ↓ A (parallel))
= {1/2 (2R 1 * A + 2R 2 * A)} · 4A 2 (1-γ 2 ) (R 1 * + R 2 * ) 2
次に、図11に示した反平行状態について考える。この反平行状態のときの上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をR↑A(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。 Next, consider the antiparallel state shown in FIG. If the resistance of the interface per unit area to the upward spin in this antiparallel state is R ↑ A (antiparallel), this is expressed by the following equation.
R↑A(反平行)=2R1 *A(1−γ)+2R2 *A(1+γ) R ↑ A (antiparallel) = 2R 1 * A (1−γ) + 2R 2 * A (1 + γ)
同様に、反平行状態のときの下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をR↓A(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。 Similarly, when the resistance of the interface per unit area to the downward spin in the antiparallel state is R ↓ A (antiparallel), this is expressed by the following equation.
R↓A(反平行)=2R1 *A(1+γ)+2R2 *A(1−γ)
R ↓ A (antiparallel) = 2R 1 * A (1 + γ) +
よって、反平行状態のときの単位面積当たりの界面の全抵抗をRA(反平行)とすると、これは、以下の式で表される。 Therefore, when the total resistance of the interface per unit area in the antiparallel state is RA (antiparallel), this is expressed by the following equation.
RA(反平行)
=(R↑A(反平行)×R↓A(反平行))/(R↑A(反平行)+R↓A(反平行))
={1/2(2R1 *A+2R2 *A)}・{4(R1 *A)2(1−γ2)+4R1 *R2 *A2(1+γ)2+4R1 *R2 *A2(1−γ)2+4(R2 *A)2(1−γ2)}
RA (anti-parallel)
= (R ↑ A (antiparallel) × R ↓ A (antiparallel)) / (R ↑ A (antiparallel) + R ↓ A (antiparallel)))
= {1/2 (2R 1 * A +
以上のことから、単位面積当たりの磁気抵抗変化AΔRは、以下の式で表される。 From the above, the magnetoresistance change AΔR per unit area is expressed by the following equation.
AΔR=RA(反平行)−RA(平行)
=4・4γ2R1 *R2 *A2/2(2R1 *A+2R2 *A)
=4γ2R1 *R2 *A/(R1 *+R2 *)
AΔR = RA (anti-parallel) -RA (parallel)
= 4 · 4γ 2 R 1 *
= 4γ 2 R 1 * R 2 * A / (R 1 * + R 2 * )
ここで、説明を簡単にするために、磁性層61,62が同じ物質によって構成されていると仮定すると、R1=R2となる。上式に、R1 *=R1/(1−γ2)、R2 *=R2/(1−γ2)を代入し、更に、R1=R2を用いると、AΔRは、以下の式で表される。
Here, for the sake of simplicity, assuming that the
AΔR=4γ2R1 *R2 *A/(R1 *+R2 *)=2γ2AR/(1−γ2) AΔR = 4γ 2 R 1 * R 2 * A / (R 1 * + R 2 * ) = 2γ 2 AR / (1-γ 2 )
上式から、界面散乱係数γが大きいほど、単位面積当たりの磁気抵抗変化AΔRが大きくなることが分かる。 From the above equation, it can be seen that the larger the interface scattering coefficient γ, the larger the magnetoresistance change AΔR per unit area.
次に、図12および図13を参照して、本実施の形態に係るMR素子5における磁気抵抗変化について考察する。図12および図13は、MR素子5を構成する各層を表している。層中の矢印は磁化の方向を表している。また、符号70で示す矢印は、センス電流を模式的に表している。図12は、第1ピンド層AP1の磁化と第2の磁性層F2の磁化が同じ方向に向いた平行状態を表している。図13は、第1ピンド層AP1の磁化と第2の磁性層F2の磁化が互いに逆方向に向いた反平行状態を表している。
Next, with reference to FIGS. 12 and 13, the change in magnetoresistance in the
ここでは、説明を簡単にするために、第1の磁性層F1のうちの結合層40と接する部分、第2の磁性層F2、第1ピンド層AP1および第2ピンド層AP2が、いずれもCoFeによって構成されているものとする。また、非磁性導電層24はCuによって構成され、結合層30,40はRuによって構成されているものとする。また、下地層21と反強磁性層22とを合わせてバッファ層と称する。
Here, in order to simplify the description, the portion of the first magnetic layer F1 that is in contact with the
また、以下の説明では、第2ピンド層AP2の比抵抗をρCF(AP2)、第1ピンド層AP1の比抵抗をρCF(AP1)、第2の磁性層F2の比抵抗をρCF(F2)、第1の磁性層F1の比抵抗をρCF、結合層30,40の比抵抗をρRu、非磁性導電層24の比抵抗をρCuと表す。なお、バッファ層と保護層26の抵抗は無視する。
In the following description, the specific resistance of the second pinned layer AP2 is ρ CF (AP2) , the specific resistance of the first pinned layer AP1 is ρ CF (AP1) , and the specific resistance of the second magnetic layer F2 is ρ CF ( F2) , the specific resistance of the first magnetic layer F1 is represented by ρ CF , the specific resistance of the coupling layers 30 and 40 is represented by ρ Ru , and the specific resistance of the nonmagnetic
また、第2ピンド層AP2の厚さをtCF(AP2)、第1ピンド層AP1の厚さをtCF(AP1)、第2の磁性層F2の厚さをtCF(F2)、第1の磁性層F1の厚さをtF1、結合層30,40の厚さをtRu、非磁性導電層24の厚さをtCuと表す。
The thickness of the second pinned layer AP2 is t CF (AP2) , the thickness of the first pinned layer AP1 is t CF (AP1) , the thickness of the second magnetic layer F2 is t CF (F2) , the first The thickness of the magnetic layer F1 is represented by t F1 , the thickness of the coupling layers 30 and 40 is represented by t Ru , and the thickness of the nonmagnetic
また、第2ピンド層AP2のバルク散乱係数をβCF(AP2)、第1ピンド層AP1のバルク散乱係数をβCF(AP1)、第2の磁性層F2のバルク散乱係数をβCF(F2)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数をβF1と表す。 The bulk scattering coefficient of the second pinned layer AP2 is β CF (AP2) , the bulk scattering coefficient of the first pinned layer AP1 is β CF (AP1) , and the bulk scattering coefficient of the second magnetic layer F2 is β CF (F2). The bulk scattering coefficient of the first magnetic layer F1 is represented as β F1 .
また、バッファ層と第2ピンド層AP2の界面の抵抗をRBuf/CF(AP2)、第2ピンド層AP2と結合層30の界面の抵抗をRCF(AP2)/Ru、結合層30と第1ピンド層APの界面の抵抗をRRu/CF(AP1)、第1ピンド層APと非磁性導電層24の界面の抵抗をRCF(AP1)/Cu、非磁性導電層24と第2の磁性層F2の界面の抵抗をRCu/CF(F2)、第2の磁性層F2と結合層40の界面の抵抗をRCF(F2)/Ru、結合層40と第1の磁性層F1の界面の抵抗をRRu/F1、第1の磁性層F1と保護層26の界面の抵抗をRF1/CAPと表す。
Further, the resistance at the interface between the buffer layer and the second pinned layer AP2 is R Buf / CF (AP2) , the resistance at the interface between the second pinned layer AP2 and the
また、第2ピンド層AP2と結合層30の界面の界面散乱係数をγCF(AP2)/Ru、結合層30と第1ピンド層APの界面の界面散乱係数をγRu/CF(AP1)、第1ピンド層APと非磁性導電層24の界面の界面散乱係数をγCF(AP1)/Cu、非磁性導電層24と第2の磁性層F2の界面の界面散乱係数をγCu/CF(F2)、第2の磁性層F2と結合層40の界面の界面散乱係数をγCF(F2)/Ru、結合層40と第1の磁性層F1の界面の界面散乱係数をγRu/F1と表す。また、MR素子5の各層の面に平行なMR素子5の断面の断面積をAとする。
Further, the interface scattering coefficient at the interface between the second pinned layer AP2 and the
前述のように、上向きスピンに対する磁性層の比抵抗ρ↑と、下向きスピンに対する磁性層の比抵抗ρ↓は、前出の式(1),(2)で表される。ここで、ρ*=ρ/(1−β2)と定義すると、式(1),(2)を変形して、以下の式が得られる。 As described above, the resistivity ρ ↑ of the magnetic layer with respect to the upward spin and the resistivity ρ ↓ of the magnetic layer with respect to the downward spin are expressed by the above formulas (1) and (2). Here, if defined as ρ * = ρ / (1-β 2 ), the following equations are obtained by modifying equations (1) and (2).
ρ↑=2ρ*(1−β)
ρ↓=2ρ*(1+β)
ρ ↑ = 2ρ * (1-β)
ρ ↓ = 2ρ * (1 + β)
磁性層の厚さをtとすると、上向きスピンに対する磁性層の単位面積当たりの抵抗ρ↑tと、下向きスピンに対する磁性層の単位面積当たりの抵抗ρ↓tは、それぞれ、以下の式で表される。 When the thickness of the magnetic layer is t, the resistance ρ ↑ t per unit area of the magnetic layer for the upward spin and the resistance ρ ↓ t per unit area of the magnetic layer for the downward spin are respectively expressed by the following equations. The
ρ↑t=2ρ*t(1−β) …(5)
ρ↓t=2ρ*t(1+β) …(6)
ρ ↑ t = 2ρ * t (1-β) (5)
ρ ↓ t = 2ρ * t (1 + β) (6)
一方、R*=R/(1−γ2)と定義すると、上向きスピンに対する界面の単位面積当たりの抵抗AR↑と、下向きスピンに対する界面の単位面積当たりの抵抗AR↓は、それぞれ、以下の式で表される。なお、以下の式は、前出の式(3),(4)と実質的に同じである。 On the other hand, when R * = R / (1-γ 2 ) is defined, the resistance AR ↑ per unit area of the interface with respect to the upward spin and the resistance AR ↓ per unit area of the interface with respect to the downward spin are respectively expressed by the following equations: It is represented by The following formula is substantially the same as the above formulas (3) and (4).
AR↑=2AR*(1−γ) …(7)
AR↓=2AR*(1+γ) …(8)
AR ↑ = 2AR * (1-γ) (7)
AR ↓ = 2AR * (1 + γ) (8)
なお、式(5)〜(8)は、ρ、ρ*、t、β、R、R*、γに添字が付いた場合にも成り立つ。 Equations (5) to (8) are also valid when ρ, ρ * , t, β, R, R * , and γ are suffixed.
次に、MR素子5における磁気抵抗変化を求める。CPP−GMR素子であるMR素子5では、センス電流の電流密度が一定の場合、出力電圧は、反平行状態のときのMR素子5の比抵抗と平行状態のときのMR素子5の比抵抗の差ΔρMRとMR素子5の厚さtMRの積ΔρMRtMRに比例する。反平行状態のときのMR素子5の抵抗と平行状態のときのMR素子5の抵抗の差をΔRMRとすると、オーム則から、ΔρMRtMRは、AΔRMRに等しい。
Next, the change in magnetoresistance in the
ところで、磁性体中では、上向きスピンと下向きスピンが交じり合わずに並列に流れていると考えることができる。従って、磁性体中の電流路は、上向きスピンの電流路と下向きスピンの電流路の並列回路だと考えることができる。従って、AΔRMRは、平行状態のときの上向きスピンに対するMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR↑(平行)と、平行状態のときの下向きスピンに対するMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR↓(平行)と、反平行状態のときの上向きスピンに対するMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR↑(反平行)と、反平行状態のときの下向きスピンに対するMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR↓(反平行)とを用いて求めることができる。
By the way, in a magnetic material, it can be considered that upward spins and downward spins flow in parallel without intermingling. Therefore, the current path in the magnetic material can be considered as a parallel circuit of an upward spin current path and a downward spin current path. Therefore, AΔR MR is a resistance AR ↑ (parallel) per unit area of the
AR↑(平行)、AR↓(平行)、AR↑(反平行)、AR↓(反平行)は、以下の式(9)〜(12)で表される。 AR ↑ (parallel), AR ↓ (parallel), AR ↑ (antiparallel), and AR ↓ (antiparallel) are expressed by the following equations (9) to (12).
AR↑(平行)=2{AR* Buf/CF(AP2)
+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)(1+βCF(AP2))
+AR* CF(AP2)/Ru(1+γCF(AP2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/CF(AP1)(1−γRu/CF(AP1))
+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)(1−βCF(AP1))
+AR* CF(AP1)/Cu(1−γCF(AP1)/Cu)+ρCutCu
+AR* Cu/CF(F2)(1−γCu/CF(F2))
+ρ* CF(F2)tCF(F2)(1−βCF(F2))
+AR* CF(F2)/Ru(1−γCF(F2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/F1(1+γRu/F1)
+ρ* F1tF1(1+βF1)+AR* F1/CAP} …(9)
AR ↑ (Parallel) = 2 {AR * Buf / CF (AP2)
+ Ρ * CF (AP2) t CF (AP2) (1 + β CF (AP2) )
+ AR * CF (AP2) / Ru (1 + γ CF (AP2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / CF (AP1) (1-γ Ru / CF (AP1) )
+ Ρ * CF (AP1) t CF (AP1) (1-β CF (AP1) )
+ AR * CF (AP1) / Cu (1-γ CF (AP1) / Cu ) + ρ Cu t Cu
+ AR * Cu / CF (F2) (1-γ Cu / CF (F2) )
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) (1-β CF (F2) )
+ AR * CF (F2) / Ru (1-γ CF (F2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / F1 (1 + γ Ru / F1 )
+ Ρ * F1 t F1 (1 + β F1 ) + AR * F1 / CAP } (9)
AR↓(平行)=2{AR* Buf/CF(AP2)
+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)(1−βCF(AP2))
+AR* CF(AP2)/Ru(1−γCF(AP2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/CF(AP1)(1+γRu/CF(AP1))
+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)(1+βCF(AP1))
+AR* CF(AP1)/Cu(1+γCF(AP1)/Cu)+ρCutCu
+AR* Cu/CF(F2)(1+γCu/CF(F2))
+ρ* CF(F2)tCF(F2)(1+βCF(F2))
+AR* CF(F2)/Ru(1+γCF(F2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/F1(1−γRu/F1)
+ρ* F1tF1(1−βF1)+AR* F1/CAP} …(10)
AR ↓ (Parallel) = 2 {AR * Buf / CF (AP2)
+ Ρ * CF (AP2) t CF (AP2) (1-β CF (AP2) )
+ AR * CF (AP2) / Ru (1-γ CF (AP2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / CF (AP1) (1 + γ Ru / CF (AP1) )
+ Ρ * CF (AP1) t CF (AP1) (1 + β CF (AP1) )
+ AR * CF (AP1) / Cu (1 + γ CF (AP1) / Cu ) + ρ Cu t Cu
+ AR * Cu / CF (F2) (1 + γ Cu / CF (F2) )
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) (1 + β CF (F2) )
+ AR * CF (F2) / Ru (1 + γ CF (F2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / F1 (1-γ Ru / F1 )
+ Ρ * F1 t F1 (1−β F1 ) + AR * F1 / CAP } (10)
AR↑(反平行)=2{AR* Buf/CF(AP2)
+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)(1+βCF(AP2))
+AR* CF(AP2)/Ru(1+γCF(AP2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/CF(AP1)(1−γRu/CF(AP1))
+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)(1−βCF(AP1))
+AR* CF(AP1)/Cu(1−γCF(AP1)/Cu)+ρCutCu
+AR* Cu/CF(F2)(1+γCu/CF(F2))
+ρ* CF(F2)tCF(F2)(1+βCF(F2))
+AR* CF(F2)/Ru(1+γCF(F2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/F1(1−γRu/F1)
+ρ* F1tF1(1−βF1)+AR* F1/CAP} …(11)
AR ↑ (antiparallel) = 2 {AR * Buf / CF (AP2)
+ Ρ * CF (AP2) t CF (AP2) (1 + β CF (AP2) )
+ AR * CF (AP2) / Ru (1 + γ CF (AP2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / CF (AP1) (1-γ Ru / CF (AP1) )
+ Ρ * CF (AP1) t CF (AP1) (1-β CF (AP1) )
+ AR * CF (AP1) / Cu (1-γ CF (AP1) / Cu ) + ρ Cu t Cu
+ AR * Cu / CF (F2) (1 + γ Cu / CF (F2) )
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) (1 + β CF (F2) )
+ AR * CF (F2) / Ru (1 + γ CF (F2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / F1 (1-γ Ru / F1 )
+ Ρ * F1 t F1 (1−β F1 ) + AR * F1 / CAP } (11)
AR↓(反平行)=2{AR* Buf/CF(AP2)
+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)(1−βCF(AP2))
+AR* CF(AP2)/Ru(1−γCF(AP2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/CF(AP1)(1+γRu/CF(AP1))
+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)(1+βCF(AP1))
+AR* CF(AP1)/Cu(1+γCF(AP1)/Cu)+ρCutCu
+AR* Cu/CF(F2)(1−γCu/CF(F2))
+ρ* CF(F2)tCF(F2)(1−βCF(F2))
+AR* CF(F2)/Ru(1−γCF(F2)/Ru)+ρRutRu
+AR* Ru/F1(1+γRu/F1)
+ρ* F1tF1(1+βF1)+AR* F1/CAP} …(12)
AR ↓ (antiparallel) = 2 {AR * Buf / CF (AP2)
+ Ρ * CF (AP2) t CF (AP2) (1-β CF (AP2) )
+ AR * CF (AP2) / Ru (1-γ CF (AP2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / CF (AP1) (1 + γ Ru / CF (AP1) )
+ Ρ * CF (AP1) t CF (AP1) (1 + β CF (AP1) )
+ AR * CF (AP1) / Cu (1 + γ CF (AP1) / Cu ) + ρ Cu t Cu
+ AR * Cu / CF (F2) (1-γ Cu / CF (F2) )
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) (1-β CF (F2) )
+ AR * CF (F2) / Ru (1-γ CF (F2) / Ru ) + ρ Ru t Ru
+ AR * Ru / F1 (1 + γ Ru / F1 )
+ Ρ * F1 t F1 (1 + β F1 ) + AR * F1 / CAP } (12)
平行状態のときのMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR(平行)は、並列の抵抗AR↑(平行)、AR↓(平行)の合成抵抗であるから、以下の式で表される。
Since the resistance AR (parallel) per unit area of the
AR(平行)=(AR↑(平行)・AR↓(平行))/(AR↑(平行)+AR↓(平行)) AR (Parallel) = (AR ↑ (Parallel), AR ↓ (Parallel)) / (AR ↑ (Parallel) + AR ↓ (Parallel))
同様に、反平行状態のときのMR素子5の単位面積当たりの抵抗AR(反平行)は、並列の抵抗AR↑(反平行)、AR↓(反平行)の合成抵抗であるから、以下の式で表される。
Similarly, the resistance AR (antiparallel) per unit area of the
AR(反平行)=(AR↑(反平行)・AR↓(反平行))/(AR↑(反平行)+AR↓(反平行)) AR (antiparallel) = (AR ↑ (antiparallel) · AR ↓ (antiparallel)) / (AR ↑ (antiparallel) + AR ↓ (antiparallel)))
MR素子5の磁気抵抗変化AΔRMRは、以下の式で求められる。
The magnetoresistance change AΔR MR of the
AΔRMR=AR(反平行)−AR(平行)
=(AR↑(反平行)・AR↓(反平行)−AR↑(平行)・AR↓(平行))/(AR↑(平行)+AR↓(平行))
AΔR MR = AR (antiparallel) -AR (parallel)
= (AR ↑ (antiparallel) · AR ↓ (antiparallel)-AR ↑ (parallel) · AR ↓ (parallel)) / (AR ↑ (parallel) + AR ↓ (parallel))
ここで、AR* CF(AP2)/Ru=AR* Ru/CF(AP1)=AR* CF(F2)/Ru=AR* Ru/F1=AR* CF/Ruとする。また、AR* CF(AP1)/Cu=AR* Cu/CF(F2)=AR* CF/Cuとする。また、γCF(AP2)/Ru=γRu/CF(AP1)=γCF(F2)/Ru=γRu/F1とする。また、γCF(AP1)/Cu=γCu/CF(F2)=γCF/Cuとする。これらを用いると、式(9)〜(12)より、以下の式(13),(14)が導かれる。 Here, AR * CF (AP2) / Ru = AR * Ru / CF (AP1) = AR * CF (F2) / Ru = AR * Ru / F1 = AR * CF / Ru . Also, AR * CF (AP1) / Cu = AR * Cu / CF (F2) = AR * CF / Cu . Further, γ CF (AP2) / Ru = γ Ru / CF (AP1) = γ CF (F2) / Ru = γ Ru / F1 . In addition, γ CF (AP1) / Cu = γ Cu / CF (F2) = γ CF / Cu . When these are used, the following formulas (13) and (14) are derived from the formulas (9) to (12).
AR↑(平行)+AR↓(平行)=AR↑(反平行)+AR↓(反平行)
=4{AR* Buf/CF(AP2)+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)+4AR* CF/Ru
+2ρRutRu+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)+2AR* CF/Cu+ρCutCu
+ρ* CF(F2)tCF(F2)+ρ* F1tF1+AR* F1/CAP} …(13)
AR ↑ (Parallel) + AR ↓ (Parallel) = AR ↑ (Anti-parallel) + AR ↓ (Anti-parallel)
= 4 {AR * Buf / CF (AP2) + ρ * CF (AP2) t CF (AP2) + 4AR * CF / Ru
+ 2ρ Ru t Ru + ρ * CF (AP1) tCF (AP1) + 2AR * CF / Cu + ρ Cu t Cu
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) + ρ * F1 t F1 + AR * F1 / CAP} ... (13)
(AR↑(反平行)・AR↓(反平行)−AR↑(平行)・AR↓(平行))
=16(βCF(AP1)ρ* CF(AP1)tCF(AP1)+γCF/CuAR* CF/Cu
−βCF(AP2)ρ* CF(AP2)tCF(AP2))×(βCF(F2)ρ* CF(F2)tCF(F2)
+γCF/CuAR* CF/Cu−βF1ρ* CF1tF1) …(14)
(AR ↑ (antiparallel), AR ↓ (antiparallel)-AR ↑ (parallel), AR ↓ (parallel))
= 16 (β CF (AP1) ρ * CF (AP1) t CF (AP1) + γ CF / Cu AR * CF / Cu
-Β CF (AP2) ρ * CF (AP2) t CF (AP2) ) × (β CF (F2) ρ * CF (F2) t CF (F2)
+ Γ CF / Cu AR * CF / Cu− β F1 ρ * CF1 t F1 ) (14)
ここで、以下のように、式(13)の右辺の1/4をE2とする。 Here, let ¼ be the right side of equation (13) as E2 as follows.
E2=AR* Buf/CF(AP2)+ρ* CF(AP2)tCF(AP2)+4AR* CF/Ru
+2ρRutRu+ρ* CF(AP1)tCF(AP1)+2AR* CF/Cu+ρCutCu
+ρ* CF(F2)tCF(F2)+ρ* F1tF1+AR* F1/CAP …(15)
E2 = AR * Buf / CF (AP2) + ρ * CF (AP2) t CF (AP2) + 4AR * CF / Ru
+ 2ρ Ru t Ru + ρ * CF (AP1) tCF (AP1) + 2AR * CF / Cu + ρ Cu t Cu
+ Ρ * CF (F2) t CF (F2) + ρ * F1 t F1 + AR * F1 / CAP (15)
また、以下のように、式(14)の右辺の1/4をE1とする。 Moreover, let ¼ be the right side of equation (14) as E1 as follows.
E1=4(βCF(AP1)ρ* CF(AP1)tCF(AP1)+γCF/CuAR* CF/Cu
−βCF(AP2)ρ* CF(AP2)tCF(AP2))×(βCF(F2)ρ* CF(F2)tCF(F2)
+γCF/CuAR* CF/Cu−βF1ρ* CF1tF1) …(16)
E1 = 4 (β CF (AP1) ρ * CF (AP1) t CF (AP1) + γ CF / Cu AR * CF / Cu
-Β CF (AP2) ρ * CF (AP2) t CF (AP2) ) × (β CF (F2) ρ * CF (F2) t CF (F2)
+ Γ CF / Cu AR * CF / Cu− β F1 ρ * CF1 t F1 ) (16)
MR素子5の磁気抵抗変化AΔRMRは、以下の式で求められる。
The magnetoresistance change AΔR MR of the
AΔRMR=E1/E2 …(17) AΔR MR = E1 / E2 (17)
式(17)の右辺の分子E1(式(16))において、最初の括弧内には、外部磁界の変化に対して磁化の方向が変化しない部分(第2ピンド層AP2および第1ピンド層AP1)に関わる項が現れる。分子E1(式(16))において、後の括弧内には、外部磁界の変化に対して磁化の方向が変化する部分(第2の磁性層F2および第1の磁性層F1)に関わる項が現れる。後の括弧内の第2の磁性層F2のバルク散乱係数βCF(F2)は正の値である。ここで、後の括弧内の第1の磁性層F1のバルク散乱係数βF1も正の値であると、後の括弧内の[−βF1ρ* CF1tF1]の項は、負の値となって、磁気抵抗変化AΔRMRを減少させるように働く。しかし、本実施の形態では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βF1が負の値であるので、[−βF1ρ* CF1tF1]の項は、正の値となり、磁気抵抗変化AΔRMRを増加させるように働く。従って、本実施の形態に係るMR素子5によれば、MR素子5を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができる。
In the molecule E1 (equation (16)) on the right side of the equation (17), a portion where the magnetization direction does not change with respect to the change of the external magnetic field (the second pinned layer AP2 and the first pinned layer AP1) ) Will appear. In the molecule E1 (formula (16)), a term related to a portion (the second magnetic layer F2 and the first magnetic layer F1) in which the magnetization direction changes with respect to the change of the external magnetic field is shown in parentheses. appear. The bulk scattering coefficient β CF (F2) of the second magnetic layer F2 in the parentheses later is a positive value. Here, if the bulk scattering coefficient β F1 of the first magnetic layer F1 in the parentheses after is also a positive value, the term [−β F1 ρ * CF1 t F1 ] in the parentheses is a negative value. Thus, the magnetic resistance change AΔR MR is reduced. However, in this embodiment, since the bulk scattering coefficient beta F1 of the first magnetic layer F1 is a negative value, - the section [β F1 ρ * CF1 t F1 ] is a positive value, the magnetoresistance change Works to increase AΔR MR . Therefore, according to the
以下、本実施の形態に係るMR素子5の実施例と、この実施例と比較するための比較例とについて、特性を比較した結果について説明する。MR素子5の磁気抵抗は、第1のシールド層3に一方の電流供給用端子と一方の電圧検出用端子とを接続し、第2のシールド層8に他方の電流供給用端子と他方の電圧検出用端子とを接続して、四端子法によって測定した。
Hereinafter, the result of comparing the characteristics of the example of the
まず、下記の表に、比較例と実施例1〜5のMR素子の基本構成を示す。なお、下記の表において、第1列および第2列はMR素子の各層を示し、第3列は各層の具体的な構成を示し、第4列は第3列に記載された各層の厚さ(nm)を示している。第2列において、例えば“Ru”はRu層を表している。また、第3列における各層の上下関係は、MR素子における各層の上下関係と一致している。フリー層25の第1の磁性層F1の構成は、比較例および実施例1〜5毎に異なるため、別の表に示す。
First, the basic composition of the MR element of the comparative example and Examples 1 to 5 is shown in the following table. In the following table, the first column and the second column indicate the layers of the MR element, the third column indicates the specific configuration of each layer, and the fourth column indicates the thickness of each layer described in the third column. (Nm). In the second column, for example, “Ru” represents a Ru layer. In addition, the vertical relationship between the layers in the third row is the same as the vertical relationship between the layers in the MR element. Since the configuration of the first magnetic layer F1 of the
次に、下記の表に、比較例および実施例1〜5における第1の磁性層F1の構成を示す。下記の表において、第1列、第3列、第5列、第7列、第9列、第11列は第1の磁性層F1の構成を示し、第2列、第4列、第6列、第8列、第10列、第12列は、それぞれ、それらの左側の列に記載された層の厚さ(nm)を示している。 Next, the following table shows the configuration of the first magnetic layer F1 in the comparative example and Examples 1 to 5. In the following table, the first column, the third column, the fifth column, the seventh column, the ninth column, and the eleventh column indicate the configuration of the first magnetic layer F1, and the second column, the fourth column, and the sixth column. The column, the eighth column, the tenth column, and the twelfth column respectively indicate the thickness (nm) of the layers described in the left column.
比較例における第1の磁性層F1は、CoFe層のみによって構成されている。このCoFe層を構成するCoFeの組成は、Co:90原子%、Fe:10原子%である。下記の表に、比較例における単位面積当たりの抵抗RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)および第1の磁性層F1のバルク散乱係数βを示す。 The first magnetic layer F1 in the comparative example is composed of only a CoFe layer. The composition of CoFe constituting this CoFe layer is Co: 90 atomic% and Fe: 10 atomic%. The table below shows the resistance RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), and bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 in the comparative example.
実施例1における第1の磁性層F1は、厚さ0.5nmのCoFe層、厚さXnmのFeCr層および厚さ0.5nmのCoFe層を積層した構成としている。2つのCoFe層は第1の磁性合金層に対応し、FeCr層は第2の磁性合金層に対応する。CoFe層を構成するCoFeの組成は、Co:90原子%、Fe:10原子%である。ここで、FeCr層を構成するFeCrの組成を、Fe:a原子%、Cr:(100−a)原子%とする。下記の表に、aおよびXの値の組み合わせが異なる4つの例について、RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βおよびFeCr層の磁化(emu/cc)を示す。4つの例のいずれにおいても、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βは負の値になっている。FeCrにおけるFeの割合aが小さくなるほどFeCr層の磁化が小さくなるので、下記の例では、aが小さくなるほどFeCr層の厚さXを大きくしている。下記の表から、実施例1のMR素子5では、少なくともaが50以上、80以下の範囲において、比較例のMR素子に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第2の磁性合金層が、Fe:a原子%、Cr:(100−a)原子%の組成のFeCrよりなる場合には、aが50以上、80以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例1において、aが50以上、80以下の範囲では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であると考えられる。このことから、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であることが好ましい。
The first magnetic layer F1 in Example 1 has a configuration in which a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm, a FeCr layer having a thickness of X nm, and a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm are stacked. The two CoFe layers correspond to the first magnetic alloy layer, and the FeCr layer corresponds to the second magnetic alloy layer. The composition of CoFe constituting the CoFe layer is Co: 90 atomic% and Fe: 10 atomic%. Here, the composition of FeCr constituting the FeCr layer is set to Fe: a atomic% and Cr: (100-a) atomic%. In the following table, RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), bulk scattering of the first magnetic layer F1 for four examples with different combinations of values of a and X The coefficient β and the magnetization (emu / cc) of the FeCr layer are shown. In any of the four examples, the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is a negative value. Since the magnetization of the FeCr layer decreases as the Fe ratio a in FeCr decreases, in the following example, the thickness X of the FeCr layer increases as a decreases. From the following table, it can be seen that the
実施例2における第1の磁性層F1は、厚さ0.5nmのCoFe層、厚さXnmのFeV層および厚さ0.5nmのCoFe層を積層した構成としている。2つのCoFe層は第1の磁性合金層に対応し、FeV層は第2の磁性合金層に対応する。CoFe層を構成するCoFeの組成は、Co:90原子%、Fe:10原子%である。ここで、FeV層を構成するFeVの組成を、Fe:a原子%、V:(100−a)原子%とする。下記の表に、aおよびXの値の組み合わせが異なる4つの例について、RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βおよびFeV層の磁化(emu/cc)を示す。4つの例のいずれにおいても、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βは負の値になっている。FeVにおけるFeの割合aが小さくなるほどFeV層の磁化が小さくなるので、下記の例では、aが小さくなるほどFeV層の厚さXを大きくしている。下記の表から、実施例2のMR素子5では、少なくともaが60以上、80以下の範囲において、比較例のMR素子に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第2の磁性合金層が、Fe:a原子%、V:(100−a)原子%の組成のFeVよりなる場合には、aが60以上、80以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例2において、aが60以上、80以下の範囲では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であると考えられる。このことから、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であることが好ましい。
The first magnetic layer F1 in Example 2 has a configuration in which a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm, a FeV layer having a thickness of X nm, and a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm are stacked. The two CoFe layers correspond to the first magnetic alloy layer, and the FeV layer corresponds to the second magnetic alloy layer. The composition of CoFe constituting the CoFe layer is Co: 90 atomic% and Fe: 10 atomic%. Here, the composition of FeV constituting the FeV layer is Fe: a atomic% and V: (100-a) atomic%. In the following table, RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), bulk scattering of the first magnetic layer F1 for four examples with different combinations of values of a and X The coefficient β and the magnetization (emu / cc) of the FeV layer are shown. In any of the four examples, the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is a negative value. Since the FeV layer magnetization decreases as the Fe ratio a in FeV decreases, in the following example, the thickness X of the FeV layer increases as a decreases. From the following table, it can be seen that the
実施例3における第1の磁性層F1は、厚さXnmのCoFe層、厚さ0.5nmのNiCr層および厚さXnmのCoFe層を積層した構成としている。2つのCoFe層は第1の磁性合金層に対応し、NiCr層は第2の磁性合金層に対応する。CoFe層を構成するCoFeの組成は、Co:90原子%、Fe:10原子%である。ここで、NiCr層を構成するNiCrの組成を、Ni:a原子%、Cr:(100−a)原子%とする。下記の表に、aおよびXの値の組み合わせが異なる4つの例について、RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βおよび第1の磁性層F1の磁化(emu/cc)を示す。4つの例のいずれにおいても、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βは負の値になっている。NiCrにおけるNiの割合aが小さくなるほど第1の磁性層F1の磁化が小さくなるので、下記の例では、aが小さくなるほどCoFe層の厚さXを大きくしている。下記の表から、実施例3のMR素子5では、少なくともaが50以上、70以下の範囲において、比較例のMR素子に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第2の磁性合金層が、Ni:a原子%、Cr:(100−a)原子%の組成のNiCrよりなる場合には、aが50以上、70以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例3において、aが50以上、70以下の範囲では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であると考えられる。このことから、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であることが好ましい。
The first magnetic layer F1 in Example 3 has a configuration in which a CoFe layer having a thickness of X nm, a NiCr layer having a thickness of 0.5 nm, and a CoFe layer having a thickness of X nm are stacked. The two CoFe layers correspond to the first magnetic alloy layer, and the NiCr layer corresponds to the second magnetic alloy layer. The composition of CoFe constituting the CoFe layer is Co: 90 atomic% and Fe: 10 atomic%. Here, the composition of NiCr constituting the NiCr layer is Ni: a atomic% and Cr: (100-a) atomic%. In the following table, RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), bulk scattering of the first magnetic layer F1 for four examples with different combinations of values of a and X The coefficient β and the magnetization (emu / cc) of the first magnetic layer F1 are shown. In any of the four examples, the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is a negative value. Since the magnetization of the first magnetic layer F1 decreases as the Ni ratio a in NiCr decreases, in the following example, the thickness X of the CoFe layer increases as a decreases. As can be seen from the table below, in the
実施例4における第1の磁性層F1は、厚さXnmのCoFeCr層によって構成されている。ここで、CoFeCr層を構成するCoFeCrの組成を、Co:0.9×a原子%、Fe:0.1×a原子%、Cr:(100−a)原子%とする。下記の表に、aおよびXの値の組み合わせが異なる4つの例について、RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βおよび第1の磁性層F1の磁化(emu/cc)を示す。CoFeCrにおけるCoFeの割合aが小さくなるほどCoFeCr層の磁化が小さくなるので、下記の例では、aが小さくなるほどCoFeCr層の厚さXを大きくしている。下記の表から、実施例4のMR素子5では、少なくともaが40以上、80以下の範囲において、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βが負の値になると考えられる。また、下記の表から、実施例4のMR素子5では、少なくともaが60以上、80以下の範囲において、比較例のMR素子に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。なお、実施例4において、aが60以上、80以下の範囲では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であると考えられる。
The first magnetic layer F1 in Example 4 is configured by a CoFeCr layer having a thickness of X nm. Here, the composition of CoFeCr constituting the CoFeCr layer is Co: 0.9 × a atomic%, Fe: 0.1 × a atomic%, and Cr: (100-a) atomic%. In the following table, RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), bulk scattering of the first magnetic layer F1 for four examples with different combinations of values of a and X The coefficient β and the magnetization (emu / cc) of the first magnetic layer F1 are shown. Since the CoFeCr layer magnetization decreases as the CoFe ratio a in CoFeCr decreases, in the following example, the thickness X of the CoFeCr layer increases as a decreases. From the table below, it is considered that in the
実施例5における第1の磁性層F1は、厚さXnmのCoFeV層によって構成されている。ここで、CoFeV層を構成するCoFeVの組成を、Co:0.9×a原子%、Fe:0.1×a原子%、V:(100−a)原子%とする。下記の表に、aおよびXの値の組み合わせが異なる4つの例について、RA(Ωμm2)、磁気抵抗変化AΔR(mΩμm2)、抵抗変化率(%)、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βおよび第1の磁性層F1の磁化(emu/cc)を示す。CoFeVにおけるCoFeの割合aが小さくなるほどCoFeV層の磁化が小さくなるので、下記の例では、aが小さくなるほどCoFeV層の厚さXを大きくしている。下記の表から、実施例5のMR素子5では、少なくともaが40以上、80以下の範囲において、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βが負の値になると考えられる。また、下記の表から、実施例5のMR素子5では、少なくともaが60以上、80以下の範囲において、比較例のMR素子に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。なお、実施例5において、aが60以上、80以下の範囲では、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であると考えられる。
The first magnetic layer F1 in Example 5 is configured by a CoFeV layer having a thickness of X nm. Here, the composition of CoFeV constituting the CoFeV layer is Co: 0.9 × a atom%, Fe: 0.1 × a atom%, and V: (100−a) atom%. In the following table, RA (Ωμm 2 ), magnetoresistance change AΔR (mΩμm 2 ), resistance change rate (%), bulk scattering of the first magnetic layer F1 for four examples with different combinations of values of a and X The coefficient β and the magnetization (emu / cc) of the first magnetic layer F1 are shown. Since the CoFeV layer magnetization decreases as the CoFe ratio a in CoFeV decreases, in the following example, the thickness X of the CoFeV layer increases as a decreases. From the table below, in the
ここで、実施例1〜3のように、第1の磁性層F1を、第1の磁性合金層と第2の磁性合金層とを有する積層体によって構成する場合における第2の磁性合金層の厚さについて考察する。シンセティック構造のフリー層25では、第1の磁性層F1と第2の磁性層F2とを結合層40を介して良好に反強磁性的に結合させる必要がある。第1の磁性層F1と第2の磁性層F2の結合の大きさは、第1の磁性層F1と結合層40との界面の状態および第2の磁性層F2と結合層40との界面の状態に依存する。ここで、第1の磁性層F1における第2の磁性合金層の厚さが大きくなるほど、第1の磁性層F1における結合層40側の面の粗さが増加する。そのため、第2の磁性合金層の厚さを大きくすることには限界がある。第2の磁性合金層の厚さの上限は、結合層40に接する第1の磁性合金層の厚さの2倍程度となる。実施例1,2を例に取ると、第2の磁性合金層であるFeCr層やFeV層の厚さの上限は、第1の磁性合金層であるCoFe層の厚さ0.5nmの2倍程度、すなわち1.0nm程度となる。また、この場合、FeCr層やFeV層の磁化の下限は、700(emu/cc)程度となる。
Here, as in Examples 1 to 3, the second magnetic alloy layer in the case where the first magnetic layer F1 is formed of a laminate including the first magnetic alloy layer and the second magnetic alloy layer. Consider the thickness. In the
次に、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値について考察する。実施例1〜3から、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値は0.1以上であることが好ましいことが分かる。しかし、実施例4,5においてaが40の場合のように、第1の磁性層F1のバルク散乱係数βの絶対値が0.1以上であっても、比較例に比べて、磁気抵抗変化AΔRおよび抵抗変化率が小さくなる場合もある。これは、第1の磁性層F1の磁化が小さすぎて、シンセティック構造のフリー層25としての機能が十分に発揮されないためであると考えられる。このことから、実施例4,5のように、第1の磁性層F1がCoFeCr層やCoFeV層によって構成される場合には、CoFeCrやCoFeVの組成には、好ましい範囲がある。
Next, the absolute value of the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 will be considered. From Examples 1 to 3, it can be seen that the absolute value of the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is preferably 0.1 or more. However, even when the absolute value of the bulk scattering coefficient β of the first magnetic layer F1 is 0.1 or more, as in the case where a is 40 in Examples 4 and 5, the change in magnetoresistance compared to the comparative example. In some cases, AΔR and the rate of change in resistance are small. This is presumably because the magnetization of the first magnetic layer F1 is too small and the function as the synthetic structure
以下、本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリおよび磁気ディスク装置について説明する。まず、図4を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ210について説明する。磁気ディスク装置において、スライダ210は、回転駆動される円盤状の記録媒体である磁気ディスクに対向するように配置される。このスライダ210は、主に図2における基板1およびオーバーコート層17からなる基体211を備えている。基体211は、ほぼ六面体形状をなしている。基体211の六面のうちの一面は、磁気ディスクに対向するようになっている。この一面には、エアベアリング面20が形成されている。磁気ディスクが図4におけるz方向に回転すると、磁気ディスクとスライダ210との間を通過する空気流によって、スライダ210に、図4におけるy方向の下方に揚力が生じる。スライダ210は、この揚力によって磁気ディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図4におけるx方向は、磁気ディスクのトラック横断方向である。スライダ210の空気流出側の端部(図4における左下の端部)の近傍には、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド100が形成されている。
Hereinafter, a head gimbal assembly and a magnetic disk device according to the present embodiment will be described. First, the
次に、図5を参照して、本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリ220について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ220は、スライダ210と、このスライダ210を弾性的に支持するサスペンション221とを備えている。サスペンション221は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム222、このロードビーム222の一端部に設けられると共にスライダ210が接合され、スライダ210に適度な自由度を与えるフレクシャ223と、ロードビーム222の他端部に設けられたベースプレート224とを有している。ベースプレート224は、スライダ210を磁気ディスク262のトラック横断方向xに移動させるためのアクチュエータのアーム230に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム230と、このアーム230を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ223において、スライダ210が取り付けられる部分には、スライダ210の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。
Next, the
ヘッドジンバルアセンブリ220は、アクチュエータのアーム230に取り付けられる。1つのアーム230にヘッドジンバルアセンブリ220を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ220を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。
The
図5は、本実施の形態に係るヘッドアームアセンブリを示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム230の一端部にヘッドジンバルアセンブリ220が取り付けられている。アーム230の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル231が取り付けられている。アーム230の中間部には、アーム230を回動自在に支持するための軸234に取り付けられる軸受け部233が設けられている。
FIG. 5 shows a head arm assembly according to the present embodiment. In this head arm assembly, a
次に、図6および図7を参照して、ヘッドスタックアセンブリの一例と本実施の形態に係る磁気ディスク装置について説明する。図6は磁気ディスク装置の要部を示す説明図、図7は磁気ディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ250は、複数のアーム252を有するキャリッジ251を有している。複数のアーム252には、複数のヘッドジンバルアセンブリ220が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ251においてアーム252とは反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル253が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ250は、磁気ディスク装置に組み込まれる。磁気ディスク装置は、スピンドルモータ261に取り付けられた複数枚の磁気ディスク262を有している。各磁気ディスク262毎に、磁気ディスク262を挟んで対向するように2つのスライダ210が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ250のコイル253を挟んで対向する位置に配置された永久磁石263を有している。
Next, an example of the head stack assembly and the magnetic disk device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is an explanatory view showing a main part of the magnetic disk device, and FIG. 7 is a plan view of the magnetic disk device. The
スライダ210を除くヘッドスタックアセンブリ250およびアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ210を支持すると共に磁気ディスク262に対して位置決めする。
The
本実施の形態に係る磁気ディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ210を磁気ディスク262のトラック横断方向に移動させて、スライダ210を磁気ディスク262に対して位置決めする。スライダ210に含まれる薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって、磁気ディスク262に情報を記録し、再生ヘッドによって、磁気ディスク262に記録されている情報を再生する。
In the magnetic disk device according to the present embodiment, the
本実施の形態に係る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は、前述の本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドと同様の効果を奏する。 The head gimbal assembly, the head arm assembly, and the magnetic disk device according to the present embodiment have the same effects as the thin film magnetic head according to the above-described present embodiment.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明において、ピンド層23はシンセティックピンド層に限らない。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible. For example, in the present invention, the pinned
また、各実施の形態では、基体側に再生ヘッドを形成し、その上に、記録ヘッドを積層した構造の薄膜磁気ヘッドについて説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。 In each embodiment, a thin film magnetic head having a structure in which a reproducing head is formed on the substrate side and a recording head is stacked thereon has been described. However, the stacking order may be reversed.
また、読み取り専用として用いる場合には、薄膜磁気ヘッドを、再生ヘッドだけを備えた構成としてもよい。 When used as a read-only device, the thin film magnetic head may be configured to include only the reproducing head.
1…基板、2…絶縁層、3…第1のシールド層、5…MR素子、7…絶縁層、8…第2のシールド層、9…記録ギャップ層、10…薄膜コイルの第1層部分、12…上部磁極層、15…薄膜コイルの第2層部分、17…オーバーコート層、18…バイアス磁界印加層、20…エアベアリング面、21…下地層、22…反強磁性層、23…ピンド層、24…非磁性導電層、25…フリー層、40…結合層、F1…第1の磁性層、F2…第2の磁性層。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記非磁性導電層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層と、
前記非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層とを備え、
前記フリー層は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第1および第2の磁性層と、前記第1および第2の磁性層の間に配置された非磁性材料よりなる結合層とを有し、
前記第2の磁性層は、前記第1の磁性層よりも前記ピンド層に近い位置に配置され、
前記第1および第2の磁性層は、前記結合層を介して反強磁性的に結合し、
前記第1の磁性層のバルク散乱係数は負の値であり、
前記第2の磁性層のバルク散乱係数は正の値であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A nonmagnetic conductive layer having two faces facing away from each other;
A free layer disposed adjacent to one surface of the nonmagnetic conductive layer, the direction of magnetization changing according to an external magnetic field;
A pinned layer disposed adjacent to the other surface of the nonmagnetic conductive layer and having a fixed magnetization direction;
The free layer has first and second magnetic layers each including a layer made of a magnetic material, and a coupling layer made of a non-magnetic material disposed between the first and second magnetic layers,
The second magnetic layer is disposed closer to the pinned layer than the first magnetic layer;
The first and second magnetic layers are antiferromagnetically coupled via the coupling layer,
The bulk scattering coefficient of the first magnetic layer is a negative value,
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the bulk scattering coefficient of the second magnetic layer is a positive value.
前記記録媒体からの信号磁界を検出するために前記媒体対向面の近傍に配置された請求項1ないし8のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
磁気的信号検出用の電流を、前記磁気抵抗効果素子に対して、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極と
を備えたことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。 A medium facing surface facing the recording medium;
The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 8, which is disposed in the vicinity of the medium facing surface in order to detect a signal magnetic field from the recording medium,
And a pair of electrodes for flowing a current for detecting a magnetic signal in a direction perpendicular to the surface of each layer constituting the magnetoresistive effect element. Thin film magnetic head.
前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと
を備えたことを特徴とするヘッドジンバルアセンブリ。 A slider including the thin film magnetic head according to claim 9 and arranged to face a recording medium;
A head gimbal assembly comprising a suspension for elastically supporting the slider.
前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、
前記スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームと
を備え、前記サスペンションが前記アームに取り付けられていることを特徴とするヘッドアームアセンブリ。 A slider including the thin film magnetic head according to claim 9 and arranged to face a recording medium;
A suspension for elastically supporting the slider;
An arm for moving the slider in a direction across the track of the recording medium, and the suspension is attached to the arm.
前記スライダを支持すると共に前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置と
を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
A slider including the thin film magnetic head according to claim 9 and disposed so as to face a disk-shaped recording medium driven to rotate.
A magnetic disk drive comprising: a positioning device that supports the slider and positions the slider relative to the recording medium.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070807 |