JP2006085880A - Magnetic head using CPP spin valve element and magnetic recording / reproducing apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 フリー層の軟磁気特性をほとんど悪化させることなく磁気抵抗変化率を向上させることができ、素子破壊に対する耐久性を向上させたCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドおよびこれを用いた磁気記録再生装置を提供する。
【解決手段】 本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、二層以上の強磁性層の間に非磁性中間層を備え、電流を強磁性層や非磁性中間層に対して面直に通電させるCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドにおいて、前記二層以上の強磁性層のうち、少なくともその一層が、CoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])を含む層からなることを特徴とする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a magnetoresistive change rate without substantially deteriorating soft magnetic characteristics of a free layer, and to provide a magnetic head using a CPP spin valve element with improved durability against element breakdown, and a magnetic head using the same A recording / reproducing apparatus is provided.
A magnetic head using a CPP spin valve element according to the present invention includes a nonmagnetic intermediate layer between two or more ferromagnetic layers, and a current is perpendicular to the ferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer. In the magnetic head using the CPP spin valve element that is energized, at least one of the two or more ferromagnetic layers is made of a Co X Fe 100-X alloy (where X = 60 to 80 [atomic%]). ).
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、磁気ヘッドおよびこれを用いた磁気記録再生装置に関する。より詳細には、CPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドとこれを用いた磁気記録再生装置に関する。 The present invention relates to a magnetic head and a magnetic recording / reproducing apparatus using the same. More specifically, the present invention relates to a magnetic head using a CPP spin valve element and a magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head.
近年、ハードディスクドライブ(HDD)などの磁気ディスクメディアの小型化と大容量化が求められている。これらの要望を同時に満たすには、磁気ディスクメディアの高記録密度化を図る必要がある。 In recent years, magnetic disk media such as hard disk drives (HDD) are required to be reduced in size and capacity. In order to satisfy these demands simultaneously, it is necessary to increase the recording density of magnetic disk media.
従来、磁気ディスクメディアに記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用の磁気ヘッドを磁気ディスクメディアに対して相対的に移動させ、そのときに発生する電磁誘導でコイルに誘起される電流を検出する方法によって行われてきた。
しかし、高記録密度化に伴う記録ビットサイズの微小化とそれに伴う磁力の弱化によって、従来のMIG(Metal In Gap)ヘッドや薄膜(Thin Film)ヘッドといったオーソドックスなヘッドでは再生感度が不十分となり、現在では、HDDなどの磁気記録再生装置において磁気抵抗効果素子(Magneto Resistive effect element;MR素子)を用いた磁気抵抗型ヘッド(MRヘッド)が再生専用の磁気ヘッドとして使用されている。
Conventionally, information recorded on a magnetic disk medium is read out by moving a reproducing magnetic head having a coil relative to the magnetic disk medium, and generating an electric current induced in the coil by electromagnetic induction generated at that time. It has been done by a method of detecting.
However, due to the smaller recording bit size associated with higher recording density and the accompanying weakening of magnetic force, the conventional MIG (Metal In Gap) head and thin film (Thin Film) heads have insufficient reproduction sensitivity. At present, in a magnetic recording / reproducing apparatus such as an HDD, a magnetoresistive head (MR head) using a magnetoresistive effect element (MR element) is used as a read-only magnetic head.
また、最近では、より大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗効果素子(Spin Valve Giant Magneto Resistive effect element;GMR素子)を用いた巨大磁気抵抗型ヘッド(GMRヘッド)が開発され、さらなる高密度記録化への期待が高まっている。 Recently, a giant magnetoresistive head (GMR head) using a giant magnetoresistive effect element (GMR element) that exhibits a greater magnetoresistive effect has been developed to achieve higher recording density. Expectations are growing.
GMR素子は、下部電極(基板)の上に、下地層/反強磁性層/第1の強磁性層/非磁性中間層/第2の強磁性層/保護層を、それぞれ数nm〜十数nmの厚さで順次積層した構造を有する。ここで、この第1の強磁性層は、ピンド層または磁化固定層と呼ばれ、磁化方向が実質的に一方向に固定された磁性層である。また、第2の強磁性層は、フリー層または磁化自由層と呼ばれ、磁化方向が外部磁界に応じて自由に変化し得る磁性層である。 In the GMR element, an underlayer / an antiferromagnetic layer / a first ferromagnetic layer / a nonmagnetic intermediate layer / a second ferromagnetic layer / a protective layer are formed on a lower electrode (substrate) by several nanometers to several dozens, respectively. It has a structure in which the layers are sequentially stacked with a thickness of nm. Here, the first ferromagnetic layer is called a pinned layer or a magnetization fixed layer, and is a magnetic layer whose magnetization direction is substantially fixed in one direction. The second ferromagnetic layer is called a free layer or a magnetization free layer, and is a magnetic layer whose magnetization direction can be freely changed according to an external magnetic field.
通常、GMR素子は、第1の強磁性層/非磁性中間層/第2の強磁性層のサンドイッチ構造の膜において、第1の強磁性層の磁化方向と第2の強磁性層の磁化方向とが異なる向きである場合に、上部電極から下部電極へ電流を流すと、電子は非磁性中間層を流れるものの、一部の電子が第1の強磁性層に当たって散乱するので抵抗が大きくなる。また、GMR素子は、回転する磁気ディスクメディアから受ける磁界の向きによって、第2の強磁性層の磁化方向が反転し、第1の強磁性層の磁化方向と同じ向きとなると、第1の強磁性層の壁に衝突して散乱する電子の数が減って抵抗が小さくなる。このような作用を有する膜をスピンバルブ膜(非特許文献1および非特許文献2参照)といい、このようにして生じる抵抗の変化率を磁気抵抗変化率(MR変化率)という。 Usually, the GMR element has a first ferromagnetic layer / nonmagnetic intermediate layer / second ferromagnetic layer sandwich structure in which the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are the same. When the current flows from the upper electrode to the lower electrode in a different direction, electrons flow through the nonmagnetic intermediate layer, but a part of the electrons strike the first ferromagnetic layer and scatter, increasing the resistance. Also, the GMR element has a first strong magnetic field when the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is reversed depending on the direction of the magnetic field received from the rotating magnetic disk medium, and when the magnetization direction is the same as the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. The number of electrons that collide with the wall of the magnetic layer and scatter is reduced and the resistance is reduced. A film having such an action is called a spin valve film (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2), and the change rate of resistance generated in this way is called a magnetoresistance change rate (MR change rate).
GMRヘッドには、電流を(巨大)磁気抵抗効果素子膜面に対して平行方向に流すCIP(Current-In-Plane)型の構造(以下、CIP−GMRヘッド)と、電流を(巨大)磁気抵抗効果素子膜面に対して垂直方向に流すCPP(Current-Perpendicular-to-Plane)型の構造(以下、CPP−GMRヘッド)とがある。CPP−GMRヘッドは、CIP−GMRヘッドの10倍程度のMR変化率を示すとの報告(非特許文献3参照)もあることから、さらなる高密度記録化の要請に応えることができる再生ヘッドの有力な候補の1つとして期待されており、現在、大いに研究開発が進められている。 The GMR head has a current-in-plane (CIP-GMR head) structure (hereinafter referred to as a CIP-GMR head) in which a current flows in a direction parallel to the (giant) magnetoresistive element film surface, and a (giant) magnetic current. There is a CPP (Current-Perpendicular-to-Plane) type structure (hereinafter referred to as a CPP-GMR head) that flows in a direction perpendicular to the resistive effect element film surface. Since there is a report that the CPP-GMR head exhibits an MR change rate about 10 times that of the CIP-GMR head (see Non-Patent Document 3), a reproducing head that can meet the demand for higher density recording is available. It is expected to be one of the promising candidates, and research and development are currently under way.
なお、非特許文献4および特許文献1には、このCPP−GMRヘッドに用いるCPP−GMR素子の代表的な例として、Co90Fe10およびCo50Fe50を用いたCPP−GMR素子が記載されている。さらに、非特許文献5および特許文献2には、MR変化率を向上させるために電流狭窄構造を用いたCPP−GMR素子が提案されている。ここで、電流狭窄構造とは、電流の流れる経路を狭くすることにより、実効的に素子サイズを小さくして抵抗変化量を大きくさせる構造をいう。
しかし、従来のCPP−GMR素子では、磁気抵抗変化に寄与する部分の抵抗が小さいために、MR変化率を十分に大きくすることができなかった。これはすなわち、MR変化率が十分ではないために、かかるCPP−GMR素子を再生ヘッドに用いてもヘッド感度を十分に高くすることができないという問題があった。また、第2の強磁性層にCo50Fe50を用いるCPP−GMR素子とすることでMR変化率を向上させ得ることも示唆されているが、本発明者の実験の結果、軟磁気特性(外部から磁場が印加されると容易に磁化する性質をいう)が悪いということがわかった。 However, in the conventional CPP-GMR element, since the resistance of the portion contributing to the magnetoresistance change is small, the MR change rate cannot be sufficiently increased. That is, since the MR change rate is not sufficient, there is a problem that the head sensitivity cannot be sufficiently increased even when such a CPP-GMR element is used for a reproducing head. It has also been suggested that the MR change rate can be improved by using a CPP-GMR element using Co 50 Fe 50 for the second ferromagnetic layer. It was found that the property of being easily magnetized when a magnetic field is applied from the outside is poor.
また、電流狭窄構造を用いたCPP−GMR素子では、MR変化率は大きくなるものの、狭窄した部分における電流密度が大きくなるので、素子破壊(Electric migration)に対する耐久性に問題がある。 In addition, in the CPP-GMR element using the current confinement structure, although the MR change rate is large, the current density in the constricted portion is large, so that there is a problem in durability against element migration.
そこで、本発明の目的は、第2の強磁性層(いわゆるフリー層)の軟磁気特性をほとんど悪化させることなく磁気抵抗変化率(MR変化率)を向上させることができ、素子破壊に対する耐久性を向上させたCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドおよびこれを用いた磁気記録再生装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the magnetoresistance change rate (MR change rate) without substantially deteriorating the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer (so-called free layer), and to withstand the element breakdown. It is an object of the present invention to provide a magnetic head using a CPP spin-valve element with improved C and a magnetic recording / reproducing apparatus using the same.
本発明の目的は、二層以上の強磁性層の間に非磁性中間層を備え、電流を強磁性層や非磁性中間層に対して面直に通電させるCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドにおいて、前記二層以上の強磁性層のうち、少なくともその一層が、CoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])を含む層からなることを特徴とするCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッド、とすることにより達成される(請求項1)。 An object of the present invention is to provide a magnetic head using a CPP spin-valve element that includes a nonmagnetic intermediate layer between two or more ferromagnetic layers, and supplies a current to the ferromagnetic layer or the nonmagnetic intermediate layer in a plane. in, among the two or more ferromagnetic layers, at least the one layer, characterized in that a layer containing a Co X Fe 100-X alloy (where, X = 60-80 [atomic%]) CPP This is achieved by a magnetic head using a spin valve element.
このような構成とした本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドによれば、CoFe合金の組成を適正化したので、CPPスピンバルブ素子の第1の強磁性層の磁化方向と第2の強磁性層の磁化方向とが異なる向きであるときの磁気抵抗と、第1の強磁性層の磁化方向と第2の強磁性層の磁化方向とが同じ向きであるときの磁気抵抗との間における磁気抵抗変化率(MR変化率)を向上させるが、第2の強磁性層の軟磁気特性をほとんど悪化させることがない。また、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、電流狭窄構造を用いないので、素子破壊に対する耐久性を損なうことがない。 According to the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention having such a configuration, since the composition of the CoFe alloy is optimized, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer of the CPP spin valve element and the second Between the magnetoresistance when the magnetization direction of the ferromagnetic layer is different and the magnetoresistance when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are the same direction Although the magnetoresistive change rate (MR change rate) is improved, the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer are hardly deteriorated. In addition, since the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention does not use the current confinement structure, the durability against element destruction is not impaired.
また、本発明の目的は、前記CPPスピンバルブ素子は、さらに反強磁性層を有し、この反強磁性層を用いて前記二層以上の強磁性層のうちいずれか一層の磁化方向を固定したことを特徴とする請求項1に記載のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッド、とすることにより達成される(請求項2)。
このように、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、反強磁性層を用いて強磁性層を固定することで、この強磁性層の磁化方向を実質的に一定の方向に固定することができる。また、このように磁化方向を固定することで耐外部磁界耐性を向上させることができる。
Another object of the present invention is to provide the CPP spin valve element further having an antiferromagnetic layer, and using this antiferromagnetic layer, the magnetization direction of any one of the two or more ferromagnetic layers is fixed. This is achieved by a magnetic head using the CPP spin valve element according to claim 1 (claim 2).
As described above, in the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention, the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed in a substantially constant direction by fixing the ferromagnetic layer using the antiferromagnetic layer. can do. Further, by fixing the magnetization direction in this way, it is possible to improve the resistance to external magnetic fields.
また、本発明の目的は、前記反強磁性層で磁化方向が固定されていない強磁性層に、NiFe合金を積層させたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッド、とすることで達成される(請求項3)。
このように、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、反強磁性層で固定されていない強磁性層にNiFe合金を積層させたことにより、軟磁気特性が向上して磁気ヘッドの感度が向上する。
The object of the present invention is to provide a CPP spin valve according to claim 1 or 2, wherein a NiFe alloy is laminated on the ferromagnetic layer of which the magnetization direction is not fixed in the antiferromagnetic layer. This is achieved by a magnetic head using the element.
Thus, in the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention, the NiFe alloy is laminated on the ferromagnetic layer not fixed by the antiferromagnetic layer, so that the soft magnetic characteristics are improved and the magnetic head Sensitivity is improved.
また、本発明の目的は、前記反強磁性層で固定されていない強磁性層に、Cuを積層させたことを特徴とするまたは請求項2に記載のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッド、とすることにより達成される(請求項4)。
このように、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、CoFe/Cuの積層構造を有するので、マジョリティースピンとマイノリティースピンにスピン分極した電子のうち、マイノリティースピンを有する電子を、この積層構造の界面で散乱させることができるので、MR変化率が向上し、磁気ヘッドとしての感度を良くすることができる。なお、この界面が多いほどMR変化率を向上させることができる。
According to another aspect of the present invention, Cu is laminated on a ferromagnetic layer that is not fixed by the antiferromagnetic layer, or a magnetic head using a CPP spin valve element according to claim 2, (Claim 4).
As described above, since the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention has a CoFe / Cu stacked structure, among the electrons spin-polarized into majority spins and minority spins, electrons having minority spins are stacked in this stack. Since it can be scattered at the interface of the structure, the MR change rate can be improved and the sensitivity as a magnetic head can be improved. In addition, MR change rate can be improved, so that there are many this interfaces.
さらに、本発明の目的は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドを用いたことを特徴とする磁気記録再生装置、とすることで達成される(請求項5)。
このような構成とすれば、本発明に係るCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドを備えているので、第2の強磁性層(いわゆるフリー層)の軟磁気特性と、磁気抵抗変化率(MR変化率)と、素子破壊に対する耐久性に優れた磁気記録再生装置を具現することができる。
Furthermore, the object of the present invention is achieved by providing a magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head using the CPP spin valve element according to any one of claims 1 to 4. (Claim 5).
With this configuration, since the magnetic head using the CPP spin valve element according to the present invention is provided, the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer (so-called free layer) and the magnetoresistance change rate (MR) It is possible to realize a magnetic recording / reproducing apparatus having excellent change rate and durability against element destruction.
本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドによれば、第2の強磁性層(いわゆるフリー層)の軟磁気特性をほとんど悪化させることなく磁気抵抗変化率(MR変化率)を向上させることができ、素子破壊に対する耐久性を向上させることができる。
また、本発明の磁気記録再生装置によれば、第2の強磁性層(いわゆるフリー層)の軟磁気特性と、磁気抵抗変化率(MR変化率)と、素子破壊に対する耐久性に優れたものとすることができる。
According to the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention, the magnetoresistance change rate (MR change rate) is improved without substantially deteriorating the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer (so-called free layer). And the durability against device destruction can be improved.
Further, according to the magnetic recording / reproducing apparatus of the present invention, the second ferromagnetic layer (so-called free layer) has excellent soft magnetic characteristics, magnetoresistance change rate (MR change rate), and durability against element breakdown. It can be.
次に、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドについて、適宜図面を参照しつつ詳細に説明する。参照する図面において、図1の(a)は、本発明のCPPスピンバルブ素子に用いるCPPスピンバルブ積層膜の一例の構成を示す概念図であり、(b)は、本発明のCPPスピンバルブ素子に用いるCPPスピンバルブ積層膜の他の一例の構成を示す概念図である。図2は、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドの構成の一例を示す要部断面図であり、図3は、本発明のCPP−GMR素子を用いた磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装置の構成を示す構成図である。 Next, a magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1A is a conceptual diagram showing a configuration of an example of a CPP spin valve laminated film used in the CPP spin valve element of the present invention, and FIG. 1B is a CPP spin valve element of the present invention. It is a conceptual diagram which shows the structure of another example of the CPP spin-valve laminated film used for FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of the configuration of a magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention, and FIG. 3 is a magnetic recording using the magnetic head using the CPP-GMR element of the present invention. It is a block diagram which shows the structure of a reproducing | regenerating apparatus.
図1(a)の概念図に示すように、本発明のCPPスピンバルブ素子1(図2参照)に用いるCPPスピンバルブ積層膜2の一例として、同図において下方から〔基板3/下地層4/反強磁性層5/第1の強磁性層6/非磁性中間層7/第2の強磁性層8/保護層9〕で構成されている。
そして、本発明のCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13は、図2の要部断面図に示すように、前記構成のCPPスピンバルブ積層膜2の基板3の下に下部電極10を配し、保護層9の上に上部電極11を配し、さらにこのCPPスピンバルブ積層膜2の周囲をハード膜12で覆う構成となっている。したがって、基板3の下に配された下部電極10と、保護層9の上に配された上部電極11との間で一定の電流(センス電流)を通電させると、センス電流は、下部電極10と上部電極11の間に挟まれたCPPスピンバルブ積層膜2の膜面に対して垂直方向に通電することとなる。なお、下部電極10および上部電極11はNiFeなどを用いることで好適に構成することができる。
As shown in the conceptual diagram of FIG. 1A, as an example of the CPP spin valve laminated film 2 used in the CPP spin valve element 1 (see FIG. 2) of the present invention, [substrate 3 / underlayer 4 / Antiferromagnetic layer 5 / first ferromagnetic layer 6 / nonmagnetic intermediate layer 7 / second ferromagnetic layer 8 / protective layer 9].
In the magnetic head 13 using the CPP spin valve element 1 of the present invention, as shown in the sectional view of the main part of FIG. The upper electrode 11 is disposed on the protective layer 9, and the periphery of the CPP spin valve laminated film 2 is covered with the hard film 12. Therefore, when a constant current (sense current) is passed between the
このCPPスピンバルブ積層膜2の中で磁気抵抗効果を担うのは、〔第1の強磁性層6/非磁性中間層7/第2の強磁性層8〕の積層部分である。この積層部分で、スピン分極した電子に対して、スピンに依存した抵抗が生じてスピン依存抵抗が生ずる。なお、CPPスピンバルブ素子1(CPP−GMR素子)のMR変化率は、第2の強磁性層8と非磁性中間層7の間のスピン依存散乱と、第1の強磁性層6および第2の強磁性層8内のスピン依存バルク散乱によって決定される。したがって、第1の強磁性層6および第2の強磁性層8には、非磁性中間層7との関係においてスピン依存散乱が大きくなる材料を用いるのが好ましく、第2の強磁性層8内の大半を占める部分にはスピン依存バルク散乱の大きな材料を用いることが好ましい。このような構成とすれば、MR変化率を大きくすることができる。
以下、CPPスピンバルブ積層膜2の構成について説明する。
In the CPP spin valve laminated film 2, the magnetoresistive effect is a laminated portion of [first ferromagnetic layer 6 / nonmagnetic intermediate layer 7 / second ferromagnetic layer 8]. In this laminated portion, a spin-dependent resistance is generated for spin-polarized electrons, and a spin-dependent resistance is generated. Note that the MR change rate of the CPP spin valve element 1 (CPP-GMR element) is the spin-dependent scattering between the second ferromagnetic layer 8 and the nonmagnetic intermediate layer 7, the first ferromagnetic layer 6 and the second ferromagnetic layer 6. Determined by spin-dependent bulk scattering in the ferromagnetic layer 8. Therefore, it is preferable to use a material that increases spin-dependent scattering in relation to the nonmagnetic intermediate layer 7 for the first ferromagnetic layer 6 and the second ferromagnetic layer 8. It is preferable to use a material having a large spin-dependent bulk scattering for a portion that occupies most of the area. With such a configuration, the MR change rate can be increased.
Hereinafter, the configuration of the CPP spin valve laminated film 2 will be described.
基板3は、Al2O3−TiC(アルチック)を用いて構成することを好適に示すことができるが、これに限定されることはなく、Si(ケイ素)で構成することもできる。 Substrate 3 can be suitably indicate that constructed using Al 2 O 3 -TiC (AlTiC), it is not limited thereto, may be constituted by Si (silicon).
下地層4は、後記する第1の強磁性層6(ピンド層)の結晶性を改善する機能や、さらに下地層4と第1の強磁性層6の界面の平滑性を高める機能などを有する材料により形成することが望ましい。このような材料としては、例えば、Cu(銅)やTa(タンタル)を挙げることができ、CuまたはTaのみの一層で用いることもできるが、Ta/Cuの積層体として用いるのが好ましい。また、下地層4の厚さは、概ね300〜800nm程度とするのがよい。このような厚さとすれば、CPPスピンバルブ素子1内の電流分布を均一にすることができる。 The underlayer 4 has a function of improving the crystallinity of a first ferromagnetic layer 6 (pinned layer), which will be described later, and a function of improving the smoothness of the interface between the underlayer 4 and the first ferromagnetic layer 6. It is desirable to form with material. Examples of such a material include Cu (copper) and Ta (tantalum), and it is possible to use only one layer of Cu or Ta, but it is preferable to use it as a Ta / Cu laminate. Further, the thickness of the underlayer 4 is preferably about 300 to 800 nm. With such a thickness, the current distribution in the CPP spin valve element 1 can be made uniform.
なお、この下地層4の厚さは、これに限定されるものではなく、CPPスピンバルブ素子1内の電流分布を均一にすることができれば、適宜その厚さを調整することも可能である。例えば、アルチック基板などの基板3上にNiFeを1μmの厚さでメッキしたNiFe電極(磁気シールド)を有するCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13であれば、下地層4の厚さを概ね5μm程度で設けることができる。このような構成とした場合、比較的薄い厚さの下地層4であっても第1の強磁性層6の結晶性を改善する機能、下地層4と第1の強磁性層6の界面の平滑性を高める機能、CPPスピンバルブ素子1内の電流分布を均一にする機能を良好に具備することができる。 The thickness of the underlying layer 4 is not limited to this, and the thickness can be adjusted as appropriate as long as the current distribution in the CPP spin valve element 1 can be made uniform. For example, in the case of a magnetic head 13 using a CPP spin valve element 1 having a NiFe electrode (magnetic shield) plated with NiFe with a thickness of 1 μm on a substrate 3 such as an Altic substrate, the thickness of the underlayer 4 is approximately It can be provided with a thickness of about 5 μm. In such a configuration, even if the underlayer 4 has a relatively thin thickness, the function of improving the crystallinity of the first ferromagnetic layer 6 and the interface between the underlayer 4 and the first ferromagnetic layer 6 are improved. The function of improving the smoothness and the function of making the current distribution in the CPP spin valve element 1 uniform can be satisfactorily provided.
反強磁性層5は、その界面にて発生する交換結合バイアス磁界を用いて第1の強磁性層6の磁化を一方向に固定する役割を有する。このような材料としては、IrMn(イリジウムマンガン)を用いることが好ましいが、PtMn(白金マンガン)、PdPtMn(パラジウム白金マンガン)、NiMn(ニッケルマンガン)などを用いることも可能である。反強磁性層5の厚さは、IrMnであれば概ね5〜15nm程度とするのがよく、PtMnやNiMnであれば概ね5〜30nmとするのがよい。 The antiferromagnetic layer 5 has a role of fixing the magnetization of the first ferromagnetic layer 6 in one direction using an exchange coupling bias magnetic field generated at the interface. As such a material, IrMn (iridium manganese) is preferably used, but PtMn (platinum manganese), PdPtMn (palladium platinum manganese), NiMn (nickel manganese), and the like can also be used. The thickness of the antiferromagnetic layer 5 is preferably about 5 to 15 nm for IrMn, and about 5 to 30 nm for PtMn or NiMn.
第1の強磁性層6は、反強磁性層5の作用を受けて、実質的に一方向に固定した磁化を有する磁性層(ピンド層)である。第1の強磁性層6は、CoFe合金を用いて、厚さ0.5〜5nmで構成するのが好ましく、その組成比率は、CoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])とするのが好ましい。Co(コバルト)とFe(鉄)の組成比率Xが60原子%未満、または、80原子%を超えると、磁気安定性の低下が著しく(図4参照)、安定した性能の磁気ヘッドを具現することができない。第1の強磁性層6の厚さは、概ね2〜7nm程度とするのがよい。
また、この第1の強磁性層6は、CoFe/Ru/CoFeからなるシンセティックフェリのピンド層とすることもできる。
The first ferromagnetic layer 6 is a magnetic layer (pinned layer) having a magnetization substantially fixed in one direction under the action of the antiferromagnetic layer 5. The first ferromagnetic layer 6 is preferably composed of a CoFe alloy with a thickness of 0.5 to 5 nm, and the composition ratio thereof is Co X Fe 100-X alloy (where X = 60 to 80 [Atom%]) is preferable. When the composition ratio X of Co (cobalt) and Fe (iron) is less than 60 atomic% or exceeds 80 atomic%, the magnetic stability is significantly reduced (see FIG. 4), and a magnetic head with stable performance is realized. I can't. The thickness of the first ferromagnetic layer 6 is preferably about 2 to 7 nm.
The first ferromagnetic layer 6 may be a synthetic ferri pinned layer made of CoFe / Ru / CoFe.
非磁性中間層7は、第1の強磁性層6と第2の強磁性層8との磁気結合を遮断する役割を有し、さらに第1の強磁性層6から第2の強磁性層8へ流れるスピン分極した電子が散乱されないような非磁性中間層7/第1の強磁性層6の界面を形成する役割を有することが必要である。非磁性中間層7は、例えば、Cu(銅)、Au(金)、Ag(銀)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ru(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Pd(パラジウム)、Cr(クロム)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Rh(ロジウム)、Pt(白金)などを用いることができる。非磁性中間層7の厚さは、第1の強磁性層6と第2の強磁性層8との間の磁気結合が十分に遮断できる程度に厚く、第2の強磁性層8からの電子が散乱されない程度に薄いことが必要であり、非磁性中間層7を構成する材料によって異なるが、概ね0.5〜5nm程度とするのがよい。 The nonmagnetic intermediate layer 7 has a role of blocking the magnetic coupling between the first ferromagnetic layer 6 and the second ferromagnetic layer 8, and further from the first ferromagnetic layer 6 to the second ferromagnetic layer 8. It is necessary to have a role of forming an interface between the nonmagnetic intermediate layer 7 and the first ferromagnetic layer 6 so that spin-polarized electrons flowing into the surface are not scattered. The nonmagnetic intermediate layer 7 is made of, for example, Cu (copper), Au (gold), Ag (silver), Re (rhenium), Os (osmium), Ru (ruthenium), Ir (iridium), Pd (palladium), Cr (Chromium), Mg (magnesium), Al (aluminum), Rh (rhodium), Pt (platinum), or the like can be used. The thickness of the nonmagnetic intermediate layer 7 is so thick that the magnetic coupling between the first ferromagnetic layer 6 and the second ferromagnetic layer 8 can be sufficiently blocked, and the electrons from the second ferromagnetic layer 8 However, it is preferable that the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 7 is approximately 0.5 to 5 nm, although it is necessary to be as thin as possible.
第2の強磁性層8は、磁化方向が外部磁界に応じて自由に変化し得る磁性層(フリー層)である。第2の強磁性層8は、前記の第1の強磁性層6と同様に、CoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])を用いて、厚さ0.5〜7nm程度で構成するのが好ましい。Coの組成比率Xが60原子%未満であると、Feの組成比率が多くなり、軟磁気特性が悪化することにより、素子感度が低くなり、磁気ヘッドとしての感度が低下する。このような磁気ヘッドの感度の低下を防ぐには、軟磁気特性を30 Oe以下、すなわち、Feの組成比率を40原子%以下(図4参照)とする必要がある。また、Coの組成比率Xが80原子%を超えるとMR変化率が低下し、再生感度が低下する。 The second ferromagnetic layer 8 is a magnetic layer (free layer) whose magnetization direction can be freely changed according to an external magnetic field. Similar to the first ferromagnetic layer 6, the second ferromagnetic layer 8 is made of Co x Fe 100-X alloy (where X = 60 to 80 [atomic%]) and has a thickness of 0. It is preferable that the thickness is about 5 to 7 nm. When the Co composition ratio X is less than 60 atomic%, the Fe composition ratio increases and the soft magnetic characteristics deteriorate, so that the element sensitivity decreases and the sensitivity as a magnetic head decreases. In order to prevent such a decrease in the sensitivity of the magnetic head, it is necessary that the soft magnetic characteristics be 30 Oe or less, that is, the Fe composition ratio is 40 atomic% or less (see FIG. 4). On the other hand, when the Co composition ratio X exceeds 80 atomic%, the MR change rate decreases and the reproduction sensitivity decreases.
なお、第1の強磁性層6と第2の強磁性層8のいずれもがCoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])であることが好ましいが、これらの層のうちいずれか一層が、かかる組成のCoFe合金であれば本発明が所望するところの軟磁気特性、MR変化率、および素子破壊に対する耐久性を得ることが可能であるので、第1の強磁性層6または第2の強磁性層8のいずれか一層のみをCoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])とすることもできる。 Note that the first ferromagnetic layer 6 either (wherein, X = 60-80 [atomic%]) also is Co X Fe 100-X alloy of the second ferromagnetic layer 8 is preferably a, these If any one of these layers is a CoFe alloy having such a composition, it is possible to obtain the desired soft magnetic characteristics, MR change rate, and durability against element breakdown. Only one layer of the ferromagnetic layer 6 or the second ferromagnetic layer 8 may be made of a Co x Fe 100-X alloy (where X = 60 to 80 [atomic%]).
また、第2の強磁性層8は、第1の強磁性層6と同様に、CoFe合金の一層のみで構成することもできるが、NiFe合金などの軟磁気特性を向上させる層(挿入層81)を積層して、CoFe/NiFeの積層体とすることもできる。また、NiFe/CoFe、NiFe/CoFe/NiFe、CoFe/NiFe/CoFeの積層体とすることもできる。
さらに、Cuを積層してMR変化率を向上させることも可能である。
Similarly to the first ferromagnetic layer 6, the second ferromagnetic layer 8 can be composed of only one layer of a CoFe alloy, but a layer (insertion layer 81) that improves soft magnetic properties such as a NiFe alloy. ) To form a CoFe / NiFe laminate. Moreover, it can also be set as the laminated body of NiFe / CoFe, NiFe / CoFe / NiFe, and CoFe / NiFe / CoFe.
Furthermore, it is possible to improve the MR ratio by stacking Cu.
保護層9は、上部電極11の形成などに際して反強磁性層5や第1の強磁性層6、第2の強磁性層8の特性劣化防止の役割を果たす。保護層9の厚さは、概ね0.5〜5nm程度とするのがよい。 The protective layer 9 plays a role of preventing the deterioration of characteristics of the antiferromagnetic layer 5, the first ferromagnetic layer 6, and the second ferromagnetic layer 8 when the upper electrode 11 is formed. The thickness of the protective layer 9 is preferably about 0.5 to 5 nm.
以上説明した構成の積層膜を含んで構成されるCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13は、上部電極11から下部電極10へ向けてセンス電流を流すと、CPPスピンバルブ積層膜2の膜面に対して垂直方向に通電することになる。このとき、回転する磁気ディスクメディア32(図3参照)の微弱な磁化の影響を受けて、その磁化の向きを高感度に検知する。すなわち、磁気ディスクメディア32の磁化の向きによって第2の強磁性層8の磁化の向きも変わり、これを流れる電流の電気抵抗値が変化することになる(磁気抵抗変化率(MR変化率))。本発明に係るCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13は、このMR変化率が大きいので、磁気ディスクメディア32に記録されている情報を良好に再生することができる。
When the magnetic head 13 using the CPP spin valve element 1 including the multilayer film having the above-described configuration flows a sense current from the upper electrode 11 toward the
ここで、本発明で用いることのできる磁気記録再生装置30としては、CPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13以外は従来公知の磁気記録再生装置を好適に用いることができるほか、ヘッドスタックアッセンブリなどにも好適に用いることができる。
このような磁気記録再生装置30としては、例えば、ケース31内に、磁気ディスクメディア32と、磁気ヘッド13と、信号処理装置(不図示)と、ボイスコイルモータ33およびその制御部(不図示)と、スピンドルモータ(不図示)およびその制御部(不図示)と、を含む構成とすることができる。
Here, as the magnetic recording / reproducing
As such a magnetic recording / reproducing
なお、この磁気ヘッド13は、図2に示すように、磁気ディスクメディア32に信号化されたデータの書き込みを行うためのライト用磁気ヘッド部13bと、磁気ディスクメディア32に書き込まれたデータを再生するためのリード用磁気ヘッド部13aとをスライダー14の先端に備えた構成となっており、本発明に係るCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13は、このリード用磁気ヘッド部13aを構成する。リード用磁気ヘッド部13aに用いる本発明に係るCPPスピンバルブ素子1は、従来のCPPスピンバルブ素子1と比較してMR変化率が大きいので、磁気ディスクメディア32に記録されている磁気ビットの微弱な磁力の磁化方向を高感度に検知することができる。 As shown in FIG. 2, the magnetic head 13 reproduces the data written on the magnetic disk medium 32 and the write magnetic head section 13b for writing the signalized data on the magnetic disk medium 32. The magnetic head 13 using the CPP spin valve element 1 according to the present invention constitutes the magnetic head part 13a for reading. To do. Since the CPP spin valve element 1 according to the present invention used for the read magnetic head portion 13a has a larger MR change rate than the conventional CPP spin valve element 1, the magnetic bit recorded on the magnetic disk medium 32 is weak. It is possible to detect the magnetization direction of a strong magnetic force with high sensitivity.
次に、本発明のCPPスピンバルブ素子1を用いた磁気ヘッド13に関する実施例について説明する。 Next, an embodiment relating to the magnetic head 13 using the CPP spin valve element 1 of the present invention will be described.
本発明のCPPスピンバルブ素子1は、アルチック基板上にNiFe(1μm)からなる下部電極10を兼ねた磁気シールドをメッキ法によって形成した。そして、このNiFe上に本発明のCPPスピンバルブ素子1を形成するCPPスピンバルブ積層膜2を積層する。積層構造は、Ta(5nm)/Cu(5nm)/IrMn(10nm)/CoXFe100-X(4nm)/Cu(3nm)/CoXFe100-X(7nm)/Cu(5nm)/Ta(5nm)である。
これらの層は、基板3側から順次、イオンビームスパッタ装置を用いて積層した。なお、括弧書きされている値は、それぞれの層の厚さを表す。
In the CPP spin valve element 1 of the present invention, a magnetic shield serving also as the
These layers were sequentially laminated from the substrate 3 side using an ion beam sputtering apparatus. The values in parentheses represent the thickness of each layer.
また、本実施例におけるCoXFe100-Xの組成は、X=90[原子%]、75[原子%]、40[原子%]の3種類、つまり、Co90Fe10、Co75Fe25、Co40Fe60の3サンプルのCPPスピンバルブ積層膜を用意した。 Further, the composition of Co x Fe 100-X in this example has three types of X = 90 [atomic%], 75 [atomic%], and 40 [atomic%], that is, Co 90 Fe 10 and Co 75 Fe 25. Three samples of CPP spin valve laminated films of Co 40 Fe 60 were prepared.
なお、イオンビームスパッタ装置によるスパッタ条件は、温度:室温、ガス圧:4×10-4torr、ビーム電圧:850V、ビーム電流:100mAで行った。また、各層をスパッタするためのスパッタレートは、Cu:0.25nm/s、CoFe:0.08nm/s、IrMn:0.1nm/s、Ta:0.07nm/sで行った。 The sputtering conditions by the ion beam sputtering apparatus were as follows: temperature: room temperature, gas pressure: 4 × 10 −4 torr, beam voltage: 850 V, beam current: 100 mA. The sputtering rates for sputtering each layer were Cu: 0.25 nm / s, CoFe: 0.08 nm / s, IrMn: 0.1 nm / s, Ta: 0.07 nm / s.
このCPPスピンバルブ積層膜2において、基板3の上に積層されたTa/Cuは、下地層4であり、IrMnは、反強磁性層5であり、4nmのCoXFe100-Xは、第1の強磁性層6、すなわち磁化方向が固定されたピンド層であり、その上に積層されたCuは、非磁性中間層7であり、7nmのCoXFe100-Xは、第2の強磁性層8、すなわち磁化方向が外界の磁界によって変化することのできるフリー層であり、その上に積層されたTaは、保護層9である。そして、この保護層9の上に上部電極11が配置され、基板3の下に下部電極10が配置される。
In this CPP spin valve laminated film 2, Ta / Cu laminated on the substrate 3 is the underlayer 4, IrMn is the antiferromagnetic layer 5, and 4 nm of Co x Fe 100-x is the first 1 is a pinned layer in which the magnetization direction is fixed, and Cu laminated thereon is a nonmagnetic intermediate layer 7, and 7 nm of Co X Fe 100-X is a second strong layer. The magnetic layer 8 is a free layer whose magnetization direction can be changed by an external magnetic field, and Ta stacked thereon is a protective layer 9. An upper electrode 11 is disposed on the protective layer 9, and a
そして、CPPスピンバルブ積層膜2を成膜した後、反強磁性層5に一定の磁化方向を付与するため、1000 Oe(エルステッド;なお、1 Oe=(1/4π)×103A/m(アンペア毎メートル)の関係にある)の磁界を印加しつつ、260℃の温度で2時間の熱処理を行った。 Then, after the CPP spin valve laminated film 2 is formed, in order to give a certain magnetization direction to the antiferromagnetic layer 5, 1000 Oe (Oersted; 1 Oe = (1 / 4π) × 10 3 A / m) A heat treatment was performed at a temperature of 260 ° C. for 2 hours while applying a magnetic field (in a relationship of ampere per meter).
このようにして作製したCo90Fe10、Co75Fe25、Co40Fe60の3サンプルのCPPスピンバルブ積層膜2における磁気特性を振動試料型磁力計(VSM)を用いて測定した。その結果を図4に示す。図4は、Coの組成比率に対するフリー層(第2の強磁性層8)の軟磁気特性(Hc)と、ピンド層(第1の強磁性層6)のゼロ点からのシフト量(Hua)の関係を示すグラフである。なお、ゼロ点とは、磁気のない状態をいい、シフト量とは、ゼロ点からのB−H曲線の一方向異方性をいう。ゼロ点からのシフト量とは、すなわち、磁力の安定性を示す指標であり、この値が大きいほど外部磁界の影響を受けにくくなる。 The magnetic properties of the three samples of Co 90 Fe 10 , Co 75 Fe 25 , and Co 40 Fe 60 produced in this manner in the CPP spin valve laminated film 2 were measured using a vibrating sample magnetometer (VSM). The result is shown in FIG. FIG. 4 shows the soft magnetic characteristics (Hc) of the free layer (second ferromagnetic layer 8) with respect to the Co composition ratio, and the shift amount (Hua) from the zero point of the pinned layer (first ferromagnetic layer 6). It is a graph which shows the relationship. The zero point means a state without magnetism, and the shift amount means the unidirectional anisotropy of the BH curve from the zero point. The shift amount from the zero point is an index indicating the stability of magnetic force, and the larger the value, the less affected by the external magnetic field.
図4に示すように、軟磁気特性を示すフリー層のHcは、Coの組成比率を増やすにしたがって小さくなることがわかった。具体的には、Coの組成比率を40〜75原子%とすることによって、Coの組成比率が40原子%未満のときの半分以下である18.9 Oeとすることができた。なお、この軟磁気特性は、軟磁性層を積層することでさらに改善することができることが知られており、本発明においては、NiFeなどの軟磁性層を積層することで、これを改善することが可能である。 As shown in FIG. 4, it has been found that the Hc of the free layer exhibiting soft magnetic characteristics decreases as the Co composition ratio increases. Specifically, by setting the Co composition ratio to 40 to 75 atomic%, it was possible to obtain 18.9 Oe, which is half or less when the Co composition ratio is less than 40 atomic%. It is known that this soft magnetic property can be further improved by laminating a soft magnetic layer. In the present invention, this can be improved by laminating a soft magnetic layer such as NiFe. Is possible.
また、ピンド層のゼロ点からのシフト量を示すHuaは、Coの組成比率を40〜75原子%とすることで、Coの組成比率が90原子%のときよりも増大することがわかった。これはすなわち、Coの組成比率を40〜75原子%とすることでピンド層の磁気安定性を向上させることができるということである。 Further, it has been found that Hua indicating the shift amount from the zero point of the pinned layer increases when the Co composition ratio is 40 to 75 atomic%, compared to when the Co composition ratio is 90 atomic%. That is, the magnetic stability of the pinned layer can be improved by setting the Co composition ratio to 40 to 75 atomic%.
また、Coの組成比率を75原子%および90原子%としたときのCPP−GMR特性を表1に示す。かかる表からCoの組成比率を75原子%とすることで、Coの組成比率が90原子%のCPPスピンバルブ積層膜2と比較して、MR変化率は1.5倍に向上していることがわかった。 Table 1 shows the CPP-GMR characteristics when the Co composition ratio is 75 atomic% and 90 atomic%. From this table, by setting the Co composition ratio to 75 atomic%, the MR ratio is improved by 1.5 times compared to the CPP spin-valve laminated film 2 having a Co composition ratio of 90 atomic%. I understood.
以上、説明したように、本発明のCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッドは、CoXFe100-X合金の組成比率や、当該素子の積層構成を適切にしたので、軟磁気特性をほとんど悪化させることなく磁気抵抗変化率(MR変化率)を向上させることができた。 As described above, the magnetic head using the CPP spin valve element of the present invention has the soft magnetic characteristics almost deteriorated because the composition ratio of the Co X Fe 100-X alloy and the laminated structure of the element are appropriate. It was possible to improve the magnetoresistance change rate (MR change rate).
1 CPPスピンバルブ素子
2 CPPスピンバルブ積層膜
3 基板
4 下地層
5 反強磁性層
6 第1の強磁性層
7 非磁性中間層
8 第2の強磁性層
9 保護層
10 下部電極
11 上部電極
12 ハード膜
13 磁気ヘッド
13a リード用磁気ヘッド部
13b ライト用磁気ヘッド部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 CPP spin valve element 2 CPP spin valve laminated film 3 Substrate 4 Underlayer 5 Antiferromagnetic layer 6 First ferromagnetic layer 7 Nonmagnetic intermediate layer 8 Second ferromagnetic layer 9
Claims (5)
前記二層以上の強磁性層のうち、少なくともその一層が、CoXFe100-X合金(式中、X=60〜80[原子%])を含む層からなることを特徴とするCPPスピンバルブ素子を用いた磁気ヘッド。 In a magnetic head using a CPP spin-valve element that includes a nonmagnetic intermediate layer between two or more ferromagnetic layers, and passes a current to the ferromagnetic layer or the nonmagnetic intermediate layer in a plane.
Of the two or more ferromagnetic layers, at least the one layer is, CPP spin-valve, characterized in that a layer containing a Co X Fe 100-X alloy (where, X = 60-80 [atomic%]) Magnetic head using elements.
A magnetic recording / reproducing apparatus using a magnetic head using the CPP spin valve element according to claim 1.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004272458A JP2006085880A (en) | 2004-09-17 | 2004-09-17 | Magnetic head using CPP spin valve element and magnetic recording / reproducing apparatus using the same |
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JP2004272458A JP2006085880A (en) | 2004-09-17 | 2004-09-17 | Magnetic head using CPP spin valve element and magnetic recording / reproducing apparatus using the same |
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JP2004272458A Pending JP2006085880A (en) | 2004-09-17 | 2004-09-17 | Magnetic head using CPP spin valve element and magnetic recording / reproducing apparatus using the same |
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JP (1) | JP2006085880A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008059913A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetoresistance effect element, magnetic sensor and method for manufacturing magnetoresistance effect element |
-
2004
- 2004-09-17 JP JP2004272458A patent/JP2006085880A/en active Pending
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WO2008059913A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetoresistance effect element, magnetic sensor and method for manufacturing magnetoresistance effect element |
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