JP2006237154A - Magnetoresistive element and magnetic head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気トンネル効果素子又は巨大磁気抵抗効果素子を使用した磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドに係わり、再生用の磁気ヘッドに適用して好適なものである。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element using a magnetic tunnel effect element or a giant magnetoresistive effect element, and a magnetic head using the magnetoresistive effect element, and is suitable for application to a reproducing magnetic head.
ハードディスク装置用の磁気再生ヘッドには、高出力を得るために磁気抵抗効果素子が一般に使用されている。 In a magnetic reproducing head for a hard disk device, a magnetoresistive element is generally used to obtain a high output.
記録密度を向上させディスク装置の記録要領を向上させるためには、磁気再生ヘッドの再生出力を高める必要があり、そのために、磁気抵抗効果(MR効果)の大きな磁気抵抗効果素子が求められている。 In order to improve the recording density and the recording procedure of the disk device, it is necessary to increase the reproduction output of the magnetic reproducing head. For this purpose, a magnetoresistive element having a large magnetoresistive effect (MR effect) is required. .
磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子としては、NiFe合金を使用した異方性磁気抵抗効果素子(AMR素子)、スピンバルブ構造を持った巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)、そしてトンネル磁気抵抗効果を使用したトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)等の開発が行われており、素子の出力を表す磁気抵抗変化率(MR比)は、それぞれ2〜3%、5〜20%、50〜200%と、後者の素子ほど大きな出力が期待できる。 The magnetoresistive effect element for the magnetic head includes an anisotropic magnetoresistive effect element (AMR element) using a NiFe alloy, a giant magnetoresistive effect element (GMR element) having a spin valve structure, and a tunnel magnetoresistive effect. The tunnel magnetoresistive effect element (TMR element) used has been developed, and the magnetoresistance change rate (MR ratio) representing the output of the element is 2 to 3%, 5 to 20%, and 50 to 200%, respectively. And the larger output can be expected for the latter element.
一般的なGMR素子を使用した磁気ヘッドの模式図(斜視図)を、図3に示す。
スライダーとなるアルチック等の基板101の表面に、下層シールドとなる軟磁性体層102及び絶縁層103が重ねて形成され、絶縁層103の上に、トラック幅程度に加工された磁気抵抗効果素子104と、その両端に接続される電極105,106とが形成されている。
さらにその上に、上部ギャップとなる絶縁層107と、上層シールドとなる軟磁性体層108とが形成されている。
A schematic diagram (perspective view) of a magnetic head using a general GMR element is shown in FIG.
A
Further thereon, an
この構成の磁気ヘッドの信号検出は、2つの電極105,106間に電圧を印加して、流れる電流を検出することにより、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を検出する。このため、電流面内型(CIP型、Current In Planeの略)検出方式と呼ばれている。
この電流面内型(CIP型)検出方式の磁気ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、AMR素子又はGMR素子が用いられる。
In the signal detection of the magnetic head having this configuration, a change in resistance of the magnetoresistive effect element is detected by applying a voltage between the two
In the current in-plane type (CIP type) magnetic head, an AMR element or a GMR element is used as the magnetoresistive element.
次に、TMR素子を使用する一般的な磁気ヘッドの模式図(斜視図)を、図4に示す。
スライダーとなるアルチック等の基板101の表面に、下層シールド兼下部電極112が重ねて形成され、その表面上に、下部ギャップ兼下部接続電極となる導体層114、トラック幅程度に加工された磁気抵抗効果素子115とが形成されている。
さらにその上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる導体層116と、上層シールド兼上部電極118とが形成されている。
Next, a schematic diagram (perspective view) of a general magnetic head using a TMR element is shown in FIG.
A lower layer shield /
Further thereon, a
この構成の磁気ヘッドの信号検出は、下層シールド兼下部電極113と上層シールド兼上部電極118との間に電圧を印加して、流れる電流を検出することにより、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を検出する。このため、電流面直型(CPP型、Current Perpendicular to the Planeの略)検出方式と呼ばれている。
この電流面直型(CPP型)検出方式の磁気ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、TMR素子又はGMR素子が用いられる。
The signal detection of the magnetic head having this configuration detects a change in resistance of the magnetoresistive effect element by applying a voltage between the lower layer shield / lower electrode 113 and the upper layer shield /
In the current surface direct type (CPP type) detection type magnetic head, a TMR element or a GMR element is used as a magnetoresistive effect element.
TMR素子の典型的な膜構成は、下層から例えば、下地層/反強磁性層/磁化固定層/トンネルバリア層(トンネル絶縁層)/磁化自由層/キャップ層の各層から構成される。なお、この膜構成の上下を逆にした構成も可能である。
TMR素子を磁気ヘッドに用いる場合には、磁化自由層を磁気の検出に使用して、記録媒体等において記録された情報に対応して発生する磁束を検出する。即ち、磁化自由層を、記録媒体等に記録された情報に基く信号を検出する、信号検出層とする。
A typical film configuration of the TMR element is composed of, for example, a base layer / an antiferromagnetic layer / a magnetization fixed layer / a tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) / a magnetization free layer / a cap layer from the lower layer. A configuration in which the film configuration is upside down is also possible.
When a TMR element is used for a magnetic head, a magnetic free layer is used for magnetic detection to detect a magnetic flux generated corresponding to information recorded on a recording medium or the like. That is, the magnetization free layer is a signal detection layer that detects a signal based on information recorded on a recording medium or the like.
ここで、TMR素子から成る磁気抵抗効果素子の積層膜の断面模式図の一例を図5に示す。
この磁気抵抗効果素子50は、図示しない基板上に、下地層51、磁化固定層61、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)56、磁化自由層(信号検出層)57、キャップ層58が積層形成されている。磁化固定層61は、反強磁性層52と、その上に形成された強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の3層の積層膜とから成る。
磁化固定層61では、反強磁性層52により下層の強磁性層53の磁化M53の向きが固定され、強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の反強磁性的結合作用により、上層の強磁性層55の磁化M55の向きが下層の強磁性層53の磁化M53とは逆向きに固定される。
磁化自由層(信号検出層)57は、強磁性層により構成され、磁気抵抗効果素子の外部からの磁界の作用により、その磁化Mの向きを変化させたり反転させたりすることが可能な構成とされている。
そして、例えば外部からの磁界として、記録媒体において記録された情報に対応して発生する磁束(磁界)を検出することにより、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
この磁気記憶素子50を製造する際には、真空装置内で、下地層51からキャップ層58までの各層を連続的に形成する。
なお、この例では、磁化固定層61を上下の磁性層が反強磁性的に結合した、強磁性層53/非磁性導体層54/強磁性層55の3層構造の積層膜で構成しているが、1層の強磁性層のみから磁化固定層を構成しても問題はない。
Here, FIG. 5 shows an example of a schematic cross-sectional view of a laminated film of magnetoresistive effect elements made of TMR elements.
In this
In the magnetization
The magnetization free layer (signal detection layer) 57 is composed of a ferromagnetic layer, and can change or reverse the direction of the magnetization M by the action of a magnetic field from the outside of the magnetoresistive effect element. Has been.
Then, for example, a signal based on information recorded on the recording medium can be detected by detecting a magnetic flux (magnetic field) generated corresponding to information recorded on the recording medium as an external magnetic field.
When manufacturing the
In this example, the magnetization fixed
ところで、電流面直型(CPP型)の磁気ヘッドにおいては、センス電流により信号検出層(磁化自由層)の磁化状態が不安定になり、ある一定以上のセンス電流を流すことによって、信号検出層が磁化反転を引き起こす、スピン注入磁化反転という現象が起こることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。 By the way, in the current surface direct type (CPP type) magnetic head, the magnetization state of the signal detection layer (magnetization free layer) becomes unstable due to the sense current, and a sense current of a certain level or more flows, so that the signal detection layer It is known that a phenomenon called spin injection magnetization reversal occurs that causes magnetization reversal (see, for example, Non-Patent Document 1).
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、その磁化状態を変化させるものである。
例えば、2層以上の磁性体が、導体層もしくはトンネル障壁層を介して配置される巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すCPP型の素子において、センス電流がこれらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化状態を変化させる現象であり、磁化が反転する現象や、磁化が高周波で振動する現象として観測される(例えば、非特許文献2参照)。
Magnetization reversal by spin injection is to change the magnetization state by injecting spin-polarized electrons that have passed through a magnetic material into another magnetic material.
For example, two or more magnetic materials are perpendicular to the film surface of a giant magnetoresistive effect element (GMR element) or magnetic tunnel junction element (MTJ element) disposed via a conductor layer or a tunnel barrier layer. In CPP-type devices that pass current in the direction, the sense current is a phenomenon that changes the magnetization state of at least a part of the magnetic layer of these elements, and is observed as a phenomenon that the magnetization is reversed or that the magnetization vibrates at a high frequency. (See, for example, Non-Patent Document 2).
磁気抵抗効果素子を磁気再生ヘッドに使用する場合、信号検出層の磁化状態は、記録媒体からの漏れ磁界のみに反応して、それ以外の擾乱を受けにくくすることが、読み出し信号の信号対雑音比(S/N比)を高めるために必要である。 When a magnetoresistive element is used in a magnetic reproducing head, the magnetization state of the signal detection layer reacts only to the leakage magnetic field from the recording medium and is less susceptible to other disturbances. It is necessary to increase the ratio (S / N ratio).
そして、前述したスピン注入現象による信号検出層の磁化状態の変化は、信号検出層に擾乱を与えてノイズとなるため、S/N比の低下を招く。
このため、電流面直型(CPP型)の磁気再生ヘッドにおいて、高いS/N比を実現するためには、スピン注入現象の影響を減少させる必要がある。
The change in the magnetization state of the signal detection layer due to the above-described spin injection phenomenon disturbs the signal detection layer and becomes noise, which causes a reduction in the S / N ratio.
For this reason, in a current surface direct type (CPP type) magnetic reproducing head, in order to realize a high S / N ratio, it is necessary to reduce the influence of the spin injection phenomenon.
本発明は、電流を流してもノイズの増加が少なく、良好なS/N比を得ることのできる磁気抵抗効果素子、及びこの磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供するものである。 The present invention provides a magnetoresistive element capable of obtaining a good S / N ratio with little increase in noise even when a current is passed, and a magnetic head using the magnetoresistive element.
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に設けられた非磁性層とを少なくとも有する積層膜が形成され、この積層膜の膜面に略垂直な方向に電流が流されるものであり、磁化自由層の近傍に導体層が設けられ、この導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とするものである。
また、本発明の磁気ヘッドは、上記本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置されたものである。
The magnetoresistive effect element of the present invention is provided between a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. A laminated film having at least a nonmagnetic layer is formed, a current flows in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film, a conductor layer is provided in the vicinity of the magnetization free layer, and the conductor layer is formed of Pd. , Pt, Nd, Sm, Tb, Dy, and Ho.
The magnetic head of the present invention comprises the magnetoresistive effect element of the present invention, and magnetic shields are arranged above and below the magnetoresistive effect element via a nonmagnetic conductor layer.
上述の本発明の磁気抵抗効果素子の構成によれば、磁化自由層の近傍に導体層が設けられ、この導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とすることにより、導体層が重金属元素や希土類元素等の伝導電子数の多い元素を主成分としているので、スピン散乱が大きい。これにより、導体層から磁化自由層に対して大きなスピンポンピング効果を及ぼして磁化自由層のダンピング定数を増大させ、前述したスピン注入磁化反転の発生を抑制することが可能になることから、スピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる。
また、本発明の磁気ヘッドの構成によれば、上記本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された構成であることにより、磁気抵抗効果素子がスピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる構成であるため、センス電流を流してもノイズの増加を少なくすることができる。
According to the configuration of the magnetoresistive effect element of the present invention described above, a conductor layer is provided in the vicinity of the magnetization free layer, and the conductor layer includes at least one selected from Pd, Pt, Nd, Sm, Tb, Dy, and Ho. By using the main component, the conductor layer contains an element having a large number of conduction electrons, such as a heavy metal element or a rare earth element, so that spin scattering is large. As a result, it is possible to increase the damping constant of the magnetization free layer by exerting a large spin pumping effect from the conductor layer to the magnetization free layer, and to suppress the occurrence of the above-described spin injection magnetization reversal. Generation of noise due to magnetization reversal can be reduced.
According to the configuration of the magnetic head of the present invention, the magnetoresistive effect element of the present invention is provided, and magnetic shields are arranged above and below the magnetoresistive effect element via a nonmagnetic conductor layer. As a result, the magnetoresistive element is configured to reduce the generation of noise due to the spin injection magnetization reversal, so that the increase in noise can be reduced even when a sense current is passed.
上述の本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドによれば、スピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができ、センス電流を流してもノイズの増加が少ないことから、良好なS/N比を得ることができる。
従って、本発明により、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
According to the magnetoresistive effect element and the magnetic head of the present invention described above, it is possible to reduce the occurrence of noise due to spin injection magnetization reversal, and the increase in noise is small even when a sense current is passed. A ratio can be obtained.
Therefore, according to the present invention, a magnetic head having a good S / N ratio and generating less noise during reproduction can be realized.
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。 First, prior to description of specific embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described.
前述したように、スピン注入現象による信号検出層の磁化状態の変化は、信号検出層に擾乱を与えてノイズとなって、S/N比の低下を招くため、電流面直型(CPP型)の磁気再生ヘッドにおいて高いS/N比を実現するためには、スピン注入現象の影響を減少させる必要がある。 As described above, the change in the magnetization state of the signal detection layer due to the spin injection phenomenon causes disturbance to the signal detection layer, resulting in noise and a reduction in the S / N ratio. Therefore, the current plane direct type (CPP type) In order to realize a high S / N ratio in the magnetic read head, it is necessary to reduce the influence of the spin injection phenomenon.
スピン注入現象において、磁化反転を生じさせる閾値電流を与える理論式は、下記の式1のようになることが理論的に導かれており、この式を利用すると、ダンピング定数を増加させれば磁化反転が起きる閾値電流が増加し、このために同じ大きさのセンス電流を流した場合は磁化状態が安定化されることが、理論的に計算される(J. Z. Sun,Phys. Rev. B,Vol.62,p.570,2000年参照)。 In the spin injection phenomenon, it is theoretically derived that a theoretical formula that gives a threshold current for causing magnetization reversal is as shown in the following formula 1. Using this formula, if the damping constant is increased, It is theoretically calculated that the threshold current at which inversion occurs increases, and for this reason, when the same sense current is applied, the magnetization state is stabilized (JZ Sun, Phys. Rev. B, Vol. .62, p.570, 2000).
また、磁性層に接している導体層が、スピンポンピングと呼ばれる現象により、磁性層の材料特性であるダンピング定数に対し影響を与えて、磁性層のダンピング定数を増加させることが報告されている(例えば、Yaroslav他,Phys.Rev.B,Vol.66,P.224403,2002年や、Mizukami他,J.Magn.Magn.Mater.,Vol.226-230,P.1640,2001年参照)。 In addition, it has been reported that the conductor layer in contact with the magnetic layer increases the damping constant of the magnetic layer by affecting the damping constant, which is the material property of the magnetic layer, due to a phenomenon called spin pumping ( (For example, see Yaroslav et al., Phys. Rev. B, Vol. 66, P. 224403, 2002, Mizukami et al., J. Magn. Magn. Mater., Vol. 226-230, P. 1640, 2001).
本発明においては、磁気抵抗効果素子の材料構成を工夫することによって、スピンポンピング効果によりダンピング定数を増加させるように設定して、電流を流してもノイズの増加が少なく、良好なS/N比を得ることのできる磁気抵抗効果素子、及びこの磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを実現するものである。 In the present invention, the material configuration of the magnetoresistive effect element is devised to set the damping constant to be increased by the spin pumping effect. And a magnetic head using the magnetoresistive effect element can be realized.
そのために、本発明の磁気抵抗効果素子では、2つ以上の磁性体を有する磁気抵抗効果素子(GMR素子もしくはTMR素子等)において、外部磁界により磁化の方向が変化する磁化自由層(信号検出層)に対して、その近傍に磁化自由層(信号検出層)のダンピング定数を増加させる効果を持つ導体層を設けることを特徴とする。この導体層は、磁化自由層(信号検出層)に直接接していてもよく、また他の薄い膜を介して配置されていてもよい。
また、本発明の磁気ヘッドは、この本発明の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子に対して非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された構成である。
Therefore, in the magnetoresistive effect element of the present invention, in a magnetoresistive effect element (GMR element or TMR element or the like) having two or more magnetic bodies, a magnetization free layer (signal detection layer) whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. ), A conductor layer having an effect of increasing the damping constant of the magnetization free layer (signal detection layer) is provided in the vicinity thereof. This conductor layer may be in direct contact with the magnetization free layer (signal detection layer), or may be disposed via another thin film.
The magnetic head according to the present invention includes the magnetoresistive effect element according to the present invention, and a magnetic shield is disposed above and below the magnetoresistive effect element via a nonmagnetic conductor layer.
磁化自由層(信号検出層)のダンピング定数を増加させる効果を持つ導体層の材料としては、大きいスピンポンピング効果が得られるように、スピン散乱の大きい材料を用いる。例えば、伝導電子数の多い重金属や希土類を用いることが望ましい。
具体的には、例えば、Pd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物等が挙げられる。
As a material of the conductor layer having an effect of increasing the damping constant of the magnetization free layer (signal detection layer), a material having a large spin scattering is used so as to obtain a large spin pumping effect. For example, it is desirable to use heavy metals or rare earths with a large number of conduction electrons.
Specifically, for example, each element of Pd, Pt, Nd, Sm, Tb, Dy, and Ho, and an alloy / compound mainly composed of one or more selected from these elements can be given.
例えば、NiFe合金層にPt層を隣接して配置した場合に、NiFe層のダンピング定数が増加する実験結果が示されている(例えば、前述したMizukami他,J.Magn.Magn.Mater.,Vol.226-230,P.1640,2001年参照)。
従って、磁化自由層(信号検出層)をNiFe層とし、これに隣接してPt層を配置すると、前述したスピンポンピング効果により、前述した式1に従って、スピン注入磁化反転効果を減少させることができる。
このため、電流を流した場合の磁化自由層(信号検出層)の磁化状態を安定化でき、そのために信号検出時のスピン注入現象によるノイズを減少させることができる。
For example, there is shown an experimental result in which the damping constant of the NiFe layer increases when a Pt layer is disposed adjacent to the NiFe alloy layer (for example, Mizukami et al., J. Magn. Magn. Mater., Vol. .226-230, P.1640, 2001).
Therefore, when the magnetization free layer (signal detection layer) is a NiFe layer and a Pt layer is disposed adjacent to the NiFe layer, the spin injection magnetization reversal effect can be reduced according to the above-described equation 1 by the above-described spin pumping effect. .
For this reason, the magnetization state of the magnetization free layer (signal detection layer) when a current is passed can be stabilized, and therefore noise due to the spin injection phenomenon at the time of signal detection can be reduced.
ところが、一般に、NiFe層にPt層を積層し、さらに300℃程度以上の熱処理を行うと、NiFeとPtとが界面で反応し、NiFeの保磁力が増加する。
磁気ヘッドの製造工程では、一般に、磁化固定層の磁化の向きを配向させるための熱処理が行われており、温度は300℃前後である。
このように磁化自由層(信号検出層)のNiFeの保磁力が増加した状態の磁気抵抗効果素子を、磁気ヘッドに使用すると、信号検出層の保磁力が増大して軟磁気特性が損なわれているため、バルクハウゼンノイズが増大することになる。
Ptに限らず、前述した導体層の他の材料、即ちPd,Nd,Sm,Tb,Dy,Ho等を用いた場合にも、同様に信号検出層の保磁力が増大してバルクハウゼンノイズが増大することが懸念される。
However, generally, when a Pt layer is stacked on a NiFe layer and heat treatment is performed at about 300 ° C. or more, NiFe and Pt react at the interface, and the coercive force of NiFe increases.
In the manufacturing process of the magnetic head, heat treatment for orienting the magnetization direction of the magnetization fixed layer is generally performed, and the temperature is around 300.degree.
When a magnetoresistive element with the increased NiFe coercivity of the magnetization free layer (signal detection layer) is used in a magnetic head, the coercivity of the signal detection layer increases and the soft magnetic characteristics are impaired. Therefore, Barkhausen noise increases.
Not only Pt but also other materials of the above-described conductor layer, that is, when Pd, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho, etc. are used, the coercive force of the signal detection layer is similarly increased and Barkhausen noise is generated. There is concern about the increase.
この現象を防止する方法としては、熱処理による界面拡散が起こっても、磁化自由層(信号検出層)を構成する強磁性体の磁気特性が劣化しないように、第2の導体材料を強磁性体に接して配置して、この第2の導体材料を介してPt等の導体を配置することが考えられる。
この場合、第2の導体材料が、Pt等の導体によるスピンポンピング効果を妨げないようにする。
As a method for preventing this phenomenon, the second conductor material is made of a ferromagnetic material so that the magnetic properties of the ferromagnetic material constituting the magnetization free layer (signal detection layer) do not deteriorate even if interface diffusion occurs due to heat treatment. It is conceivable to arrange a conductor such as Pt through this second conductor material.
In this case, the second conductor material should not interfere with the spin pumping effect by the conductor such as Pt.
そこで、本発明の磁気抵抗効果素子において、より好ましくは、直接接触した導体層の影響で磁化自由層(信号検出層)の磁気特性が劣化することのないように、磁化自由層(信号検出層)と導体層(第1の導体層)との間に、別種の導体層(第2の導体層)を挿入する。 Therefore, in the magnetoresistive effect element of the present invention, more preferably, the magnetization free layer (signal detection layer) is prevented from deteriorating the magnetic characteristics of the magnetization free layer (signal detection layer) due to the influence of the conductor layer in direct contact. ) And a conductor layer (first conductor layer), a different kind of conductor layer (second conductor layer) is inserted.
この別種の導体層(第2の導体層)の材料としては、スピン拡散長が長く、スピンポンピング効果が小さい材料を用いる。さらに、磁化自由層(信号検出層)に接触しても、その磁気特性を悪化させない材料であることが望ましい。即ち、軽元素や、磁性体の主成分となるFe,Co,Ni等の遷移金属元素に電子状態が近いものが望ましい。
具体的には、例えば、Ti,Cr,Cu,Ag,Au,Nb,Taの元素やこれらの元素から選ばれる1種以上を主成分とする合金・化合物が挙げられる。
As a material for this different type of conductor layer (second conductor layer), a material having a long spin diffusion length and a small spin pumping effect is used. Furthermore, it is desirable that the material does not deteriorate the magnetic characteristics even when it comes into contact with the magnetization free layer (signal detection layer). That is, it is desirable that the electronic state is close to that of a light element or a transition metal element such as Fe, Co, or Ni that is a main component of a magnetic substance.
Specifically, for example, Ti / Cr / Cu / Ag / Au / Nb / Ta elements and alloys / compounds containing at least one selected from these elements as main components can be mentioned.
また、さらに、この別種の導体層(第2の導体層)は、厚さを1nm以上20nm以下とすることが望ましい。
厚さをこの範囲内とすることにより、第1の導体層によるスピンポンピング効果を妨げることなく、かつ製造時の熱処理による界面拡散が生じても第2の導体層が残存し、磁化自由層(信号検出層)の磁性材料と第1の導体層の導体材料との拡散による信号検出層の磁気特性の劣化を抑制する効果が充分に得られる。
Furthermore, it is desirable that the thickness of this different type of conductor layer (second conductor layer) be 1 nm or more and 20 nm or less.
By setting the thickness within this range, the second conductor layer remains without interfering with the spin pumping effect by the first conductor layer, and even if interface diffusion occurs due to heat treatment during manufacturing, and the magnetization free layer ( The effect of suppressing the deterioration of the magnetic characteristics of the signal detection layer due to the diffusion of the magnetic material of the signal detection layer and the conductive material of the first conductor layer can be sufficiently obtained.
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の磁気抵抗効果素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この磁気抵抗効果素子10は、図示しない基板上に、下地層11、反強磁性層12、強磁性層13、非磁性導体層14、強磁性層15、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16、磁化自由層(信号検出層)17、導体層18、キャップ層19が積層形成されて構成されている。
このうち、反強磁性層12と、強磁性層13、非磁性導体層14、強磁性層15の3層の積層膜とにより、磁性体の磁化の向きが固定された磁化固定層21が構成されている。
Subsequently, specific embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an embodiment of a magnetoresistive element of the present invention.
The
Among these, the
磁化固定層21では、反強磁性層12により下層の強磁性層13の磁化M13の向きが固定され、強磁性層13/非磁性導体層14/強磁性層15の反強磁性的結合作用により、上層の強磁性層15の磁化M15の向きが下層の強磁性層13の磁化M13とは逆向きに固定される。
図1の磁気抵抗効果素子10では、下層の強磁性層13の磁化M13の向きが右向きに固定され、上層の強磁性層15の磁化M15の向きが左向きに固定されている。
In the magnetization fixed
In the
磁化自由層(信号検出層)17は、強磁性層により構成され、磁気抵抗効果素子の外部からの磁界の作用により、その磁化Mの向きを変化させたり反転させたりすることが可能な構成とされている。
そして、例えば外部からの磁界として、記録媒体において記録された情報に対応して発生する磁束(磁界)を検出することにより、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
The magnetization free layer (signal detection layer) 17 is composed of a ferromagnetic layer, and can change or reverse the direction of the magnetization M by the action of a magnetic field from the outside of the magnetoresistive effect element. Has been.
Then, for example, a signal based on information recorded on the recording medium can be detected by detecting a magnetic flux (magnetic field) generated corresponding to information recorded on the recording medium as an external magnetic field.
また、磁化固定層21と、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16と、磁化自由層(信号検出層)17とにより、トンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)が構成される。
このTMR素子に対して、積層膜の膜面に略垂直な方向に電流を流すと、磁化固定層21の磁化M13,M15の向きと磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きとの関係によって、電流に対する抵抗値が変化する、トンネル磁気抵抗効果を生じる。
このトンネル磁気抵抗効果を利用して、磁界を検出することができ、例えば、記録媒体に記録された情報に基く信号を検出することができる。
具体的には、磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きが、磁化固定層21の上層の強磁性層15の磁化M15の向きに対して、平行であるとき(図1では磁化Mが左向きのとき)は抵抗値が低くなり、反平行であるとき(図1では磁化Mが右向きのとき)は抵抗値が高くなる。
The magnetization fixed
When a current is passed through the TMR element in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film, the direction of the magnetizations M13 and M15 of the magnetization fixed
Using this tunnel magnetoresistance effect, a magnetic field can be detected, for example, a signal based on information recorded on a recording medium can be detected.
Specifically, when the direction of the magnetization M of the magnetization free layer (signal detection layer) 17 is parallel to the direction of the magnetization M15 of the upper
磁化固定層21を構成する強磁性層13,15には、例えばFe,Ni,Coの1種以上から成る材料を用いることができる。
磁化自由層(信号検出層)17の材料としては、バルクハウゼンノイズを低減するために軟磁気特性に優れている必要があるが、その条件を満たすならば、特に限定されず、任意の強磁性体を使用することができる。例えば、Fe,Ni,Coの1種以上から成る材料(例えば、NiFe合金やCoFe合金)を用いることができる。
For the
The material of the magnetization free layer (signal detection layer) 17 needs to be excellent in soft magnetic characteristics in order to reduce Barkhausen noise. The body can be used. For example, a material composed of one or more of Fe, Ni, and Co (for example, NiFe alloy or CoFe alloy) can be used.
さらに、これらの強磁性層13,15,17の合金に、NbやZr等の遷移金属元素、BやC等の軽元素を含有させることもできる。
これらの強磁性層13,15,17の飽和磁化量Msの値は、一般に200emu/cc以上2000emu/cc以下の範囲が適当である。
Further, these
In general, the value of the saturation magnetization Ms of the
反強磁性層12の材料としては、例えば、PtMn,RhMn,RuMn,FeMn,IrMn等のMn化合物を使用することができる。
磁化固定層21を構成する非磁性導体層14の材料としては、Ru,Cu,Rh,Cr等の、磁性層間に反強磁性層間結合を生じる材料を使用することができる。
トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16の材料としては、Al2O3,MgO,HfO,SiO,SiO2,SiNや、これらの混合物を用いることができる。
下地層11とキャップ層19の材料は、特に制限されないが、一般的には、Ta,Cr,Ti等の金属が使用される。
As the material of the
As a material of the
As a material of the tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) 16, Al 2 O 3 , MgO, HfO, SiO, SiO 2 , SiN, or a mixture thereof can be used.
The material of the
本実施の形態の磁気抵抗効果素子10においては、特に、磁化自由層(信号検出層)17の上に接して、導体層18を設けている。
この導体層18の材料としては、前述した例えば、Pd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物等を用いる。
これにより、導体層18から磁化自由層(信号検出層)17に大きなスピンポンピング効果を作用させて、磁化自由層(信号検出層)17のダンピング定数を大きくして、前述したスピン注入磁化反転現象を抑制することができる。
In the
As the material of the
As a result, a large spin pumping effect is applied from the
本実施の形態の磁気抵抗効果素子10は、下地層11からキャップ層19までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により磁気抵抗効果素子10のパターンを形成することにより、製造することができる。
The
また、本実施の形態の磁気抵抗効果素子10を用いて、図4に示した磁気ヘッドと同様の構成の磁気ヘッドを構成することができる。
即ち、磁気抵抗効果素子10の下に、下部ギャップ兼下部接続電極となる非磁性導体層を介して、下層磁気シールド兼下部電極を配置し、また、磁気抵抗効果素子10の上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる非磁性導体層を介して上層磁気シールド兼上部電極を配置して磁気ヘッドを構成する。
そして、上部電極と下部電極との間にセンス電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子10の積層膜の膜面に略垂直な方向にセンス電流を流して、磁気抵抗効果素子10の磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きに対応する抵抗値の変化を検出することができる。これにより、磁気ヘッドに外部から加わった磁界を検出することができる。
従って、例えば、記憶媒体に記録された情報に基づく磁界を検出して、記録された情報を読み出す、又は再生することができる。
In addition, a magnetic head having the same configuration as the magnetic head shown in FIG. 4 can be configured using the
That is, a lower magnetic shield / lower electrode is disposed under the
Then, by passing a sense current between the upper electrode and the lower electrode, the sense current is caused to flow in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film of the
Therefore, for example, a magnetic field based on information recorded on the storage medium can be detected, and the recorded information can be read or reproduced.
上述の本実施の形態の磁気抵抗効果素子10の構成によれば、磁化自由層(信号検出層)17の上に接して導体層18を設け、この導体層18がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物を用いて構成されていることにより、導体層18が重金属元素や希土類元素等の伝導電子数の多い元素を主成分としているので、スピン散乱が大きくなっており、導体層18から磁化自由層(信号検出層)17に対して大きなスピンポンピング効果を及ぼして磁化自由層(信号検出層)17のダンピング定数を増大させる。これにより、前述したスピン注入磁化反転の発生を抑制することが可能になることから、スピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる。
According to the configuration of the
そして、このようにスピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる磁気抵抗効果素子10を備えて磁気ヘッドを構成することにより、センス電流を流してもノイズの増加が少ないことから、良好なS/N比を得ることができる。
従って、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
In addition, since the magnetic head is provided with the
Therefore, a magnetic head having a good S / N ratio and generating less noise during reproduction can be realized.
続いて、本発明の磁気抵抗効果素子の他の実施の形態の概略構成図(断面図)を図2に示す。
この磁気抵抗効果素子20は、先の実施の形態の磁気抵抗効果素子10の構成に対して、磁化自由層(信号検出層)17と導体層18との間に、さらに第2の導体層22を設けている。
この第2の導体層22は、導体層(第1の導体層)18と磁化自由層(信号検出層)17とが高温熱処理により界面の拡散を生じて磁化自由層(信号検出層)17の磁気特性が劣化する現象を抑制するために設けられている。
Next, FIG. 2 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of another embodiment of the magnetoresistance effect element of the present invention.
This
The second conductor layer 22 includes a conductor layer (first conductor layer) 18 and a magnetization free layer (signal detection layer) 17 that are diffused at the interface by high-temperature heat treatment, so that the magnetization free layer (signal detection layer) 17 It is provided to suppress the phenomenon that the magnetic characteristics deteriorate.
この第2の導体層22の材料としては、前述した例えば、Ti,Cr,Cu,Ag,Au,Nb,Taの元素やこれらの元素から選ばれる1種以上を主成分とする合金・化合物を用いることができる。 Examples of the material of the second conductor layer 22 include the above-described elements such as Ti, Cr, Cu, Ag, Au, Nb, Ta, and alloys / compounds mainly composed of one or more selected from these elements. Can be used.
また、より好ましくは、第2の導体層22の厚さを、1nm以上20nm以下とする。
これにより、第1の導体層18によるスピンポンピング効果を妨げることなく、かつ製造時の熱処理による界面拡散が生じても第2の導体層22が残存し、磁化自由層(信号検出層)17の磁性材料と第1の導体層18の導体材料との拡散による磁化自由層(信号検出層)17の磁気特性の劣化を抑制する効果が充分に得られる。
More preferably, the thickness of the second conductor layer 22 is 1 nm or more and 20 nm or less.
As a result, the second conductor layer 22 remains without interfering with the spin pumping effect by the
その他の構成は、先の実施の形態の磁気抵抗効果素子10と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
Other configurations are the same as those of the
また、本実施の形態の磁気抵抗効果素子20を用いて、図4に示した磁気ヘッドと同様の構成の磁気ヘッドを構成することができる。
即ち、磁気抵抗効果素子20の下に、下部ギャップ兼下部接続電極となる非磁性導体層を介して、下層磁気シールド兼下部電極を配置し、また、磁気抵抗効果素子20の上に、上部ギャップ兼上部接続電極となる非磁性導体層を介して上層磁気シールド兼上部電極を配置して磁気ヘッドを構成する。
そして、上部電極と下部電極との間にセンス電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子20の積層膜の膜面に略垂直な方向にセンス電流を流して、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層(信号検出層)17の磁化Mの向きに対応する抵抗値の変化を検出することができる。これにより、磁気ヘッドに外部から加わった磁界を検出することができる。
従って、例えば、記憶媒体に記録された情報に基づく磁界を検出して、記録された情報を読み出す、又は再生することができる。
In addition, a magnetic head having the same configuration as the magnetic head shown in FIG. 4 can be configured using the
That is, a lower magnetic shield / lower electrode is disposed under the
Then, by passing a sense current between the upper electrode and the lower electrode, the sense current is caused to flow in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film of the
Therefore, for example, a magnetic field based on information recorded on the storage medium can be detected, and the recorded information can be read or reproduced.
上述の本実施の形態の磁気抵抗効果素子20の構成によれば、磁化自由層(信号検出層)17の上方に導体層(第1の導体層)18を設け、この第1の導体層18がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoの各元素や、これらの元素から選ばれる一種以上を主成分とする合金・化合物を用いて構成されていることにより、先の実施の形態の磁気抵抗効果素子10と同様に、第1の導体層18から磁化自由層(信号検出層)17に対して大きなスピンポンピング効果を及ぼして磁化自由層(信号検出層)17のダンピング定数を増大させる。これにより、前述したスピン注入磁化反転の発生を抑制することが可能になることから、スピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる。
According to the configuration of the
そして、このようにスピン注入磁化反転によるノイズの発生を低減することができる磁気抵抗効果素子20を備えて磁気ヘッドを構成することにより、センス電流を流してもノイズの増加が少ないことから、良好なS/N比を得ることができる。
従って、良好なS/N比を有し、再生時のノイズの発生の少ない磁気ヘッドを実現することができる。
Further, since the magnetic head is configured by including the
Therefore, a magnetic head having a good S / N ratio and generating less noise during reproduction can be realized.
また、本実施の形態の磁気抵抗効果素子20の構成によれば、磁化自由層(信号検出層)17と第1の導体層18との間に、第2の導体層22を設け、この第2の導体層22がTi,Cr,Cu,Ag,Au,Nb,Taの元素やこれらの元素から選ばれる1種以上を主成分とする合金・化合物を用いて構成されていることにより、第2の導体層22が軽元素又は磁性遷移金属元素(Fe,Co,Ni等)に電子状態が近い元素を主成分としているので、第2の導体層22のスピン拡散長が長くスピンポンピング効果が小さい。
これにより、磁化自由層(信号検出層)17と第2の導体層22とが高温熱処理により界面で拡散し合ったとしても、磁化自由層(信号検出層)17の軟磁気特性が劣化しにくい。
従って、製造時に高温熱処理が行われても、磁化自由層(信号検出層)17の軟磁気特性の劣化が抑制され、バルクハウゼンノイズの増大を抑制することができる。
Further, according to the configuration of the
Thereby, even if the magnetization free layer (signal detection layer) 17 and the second conductor layer 22 diffuse at the interface due to high-temperature heat treatment, the soft magnetic characteristics of the magnetization free layer (signal detection layer) 17 are unlikely to deteriorate. .
Therefore, even if high-temperature heat treatment is performed during manufacturing, deterioration of the soft magnetic characteristics of the magnetization free layer (signal detection layer) 17 is suppressed, and an increase in Barkhausen noise can be suppressed.
なお、上述の各実施の形態では、磁化固定層21を、反強磁性層12と、上下の強磁性層が反強磁性的に結合した強磁性層13/非磁性導体層14/強磁性層15の3層構造の積層膜とにより構成しているが、反強磁性層と単層の強磁性層とにより磁化固定層を構成しても構わない。
また、上述の各実施の形態では、磁化固定層21と磁化自由層(信号検出層)18との間をトンネルバリア層(トンネル絶縁層)17としてトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)を構成したが、本発明では、磁化固定層と磁化自由層(信号検出層)との間を非磁性導体層として、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)を構成してもよい。
In each of the above-described embodiments, the magnetization fixed
In each of the above-described embodiments, the tunnel magnetoresistive element (TMR element) is configured with the tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) 17 between the magnetization fixed
また、磁化固定層と磁化自由層(信号検出層)との積層順序が、上述の各実施の形態とは逆であってもよい。
即ち、反強磁性層が最上層にあって、下層から磁化自由層(信号検出層)・非磁性層・磁化固定層の順序で積層されている構成としてもよい。
Further, the stacking order of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer (signal detection layer) may be the reverse of the above-described embodiments.
In other words, the antiferromagnetic layer may be the uppermost layer, and the magnetization free layer (signal detection layer), nonmagnetic layer, and magnetization fixed layer may be stacked in that order from the bottom layer.
ここで、本発明の磁気抵抗効果素子を実際に作製して、その特性を調べた。 Here, the magnetoresistive effect element of the present invention was actually manufactured and its characteristics were examined.
(サンプル1:比較例)
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に、厚さ2μmの熱酸化膜を形成し、その上に図5に示した構成の磁気抵抗効果素子50を形成した。
具体的には、図5に示した構成の磁気抵抗効果素子50において、各層の材料及び膜厚を、下地膜51を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層52を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層61を構成する強磁性層53を膜厚2nmのCoFe膜、磁化固定層61を構成する非磁性導体層54を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層61を構成する強磁性層55を膜厚4nmのCoFe膜、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)56を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化自由層(信号検出層)57を膜厚2nmのCoFe膜、キャップ層58を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜51と反強磁性層52との間に図示しない膜厚100nmのCu膜を設けて、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、磁気抵抗効果素子50の積層膜を作製した。
膜構成1:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Ta(5nm)
上記膜構成において、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成るトンネルバリア層56以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−Ox)膜から成るトンネルバリア層56は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により0.5nm堆積させて、その後に酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を10Torrとして、自然酸化法により金属Al層を酸化させた。酸化時間は10分とした。
さらに、磁気抵抗効果素子50の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・260℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層52のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
(Sample 1: Comparative example)
First, a thermal oxide film having a thickness of 2 μm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.575 mm, and the
Specifically, in the
That is, the laminated film of the
Membrane configuration 1:
Ta (3nm) / Cu (100nm) / PtMn (20nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (4nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2nm) / Ta (5nm)
In the above film configuration, the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), and the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%).
Each layer other than the
The
Further, after each layer of the
次に、この積層膜を用いて磁気抵抗効果素子50を作製した。
まず、下部電極となる部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、下部電極以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、下部電極を形成した。この際に、下部電極部分以外は基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により磁気抵抗効果素子50のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、磁気抵抗効果素子50を形成した。磁気抵抗効果素子50の部分以外は、Cu層直上までエッチングした。このとき、磁気抵抗効果素子50のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの長方形状とした。
なお、磁気再生ヘッドにおいては、高周波応答特性を確保するためにTMR素子のトンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要があるため、磁気抵抗効果素子50の面積・抵抗値積(Ω・μm2)が10Ω・μm2となるようにした。
次に、磁気抵抗効果素子50の部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極を形成した。
このようにして、サンプル1の磁気抵抗効果素子の試料(比較例)を作製した。
Next, the
First, after masking the portion to be the lower electrode by photolithography, the lower electrode was formed by performing selective etching with Ar plasma on the laminated film other than the lower electrode. At this time, the portion other than the lower electrode portion was etched to a depth of 5 nm of the substrate.
Thereafter, a mask of a pattern of the
In the magnetic reproducing head, since it is necessary to suppress the resistance value of the tunnel insulating layer of the TMR element in order to ensure high frequency response characteristics, the area / resistance value product (Ω · μm 2 ) of the
Next, the part other than the
Then, the upper electrode was formed using photolithography.
In this way, a sample (comparative example) of the magnetoresistive effect element of Sample 1 was produced.
(サンプル2:実施例1)
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に、厚さ2μmの熱酸化膜を形成し、その上に図1に示した構成の磁気抵抗効果素子10を形成した。
具体的には、図1に示した構成の磁気抵抗効果素子10において、各層の材料及び膜厚を、下地膜11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚20nmのPtMn膜、磁化固定層21を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCoFe膜、磁化固定層21を構成する非磁性導体層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層21を構成する強磁性層15を膜厚4nmのCoFe膜、トンネルバリア層(トンネル絶縁層)16を膜厚0.5nmのAl膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化自由層(信号検出層)17を膜厚2nmのCoFe膜、導体層18を膜厚20nmのPt膜、キャップ層19を膜厚5nmのTa膜と選定し、また下地膜11と反強磁性層12との間に図示しない膜厚100nmのCu膜を設けて、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2)として、磁気抵抗効果素子10の積層膜を作製した。
膜構成2:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Pt(20nm)/Ta(5nm)
上記膜構成において、PtMn膜の組成はPt50Mn50(原子%)、CoFe膜の組成はCo90Fe10(原子%)とした。
酸化アルミニウム膜から成るトンネルバリア層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム(Al−Ox)膜から成るトンネルバリア層16は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により0.5nm堆積させて、その後に酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を10Torrとして、自然酸化法により金属Al層を酸化させた。酸化時間は10分とした。
さらに、磁気抵抗効果素子10の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、10kOe・260℃・4時間の熱処理を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理を行った。
(Sample 2: Example 1)
First, a thermal oxide film having a thickness of 2 μm was formed on a silicon substrate having a thickness of 0.575 mm, and the
Specifically, in the
That is, the laminated film of the
Membrane configuration 2:
Ta (3nm) / Cu (100nm) / PtMn (20nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (4nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2nm) / Pt (20nm) / Ta (5nm)
In the above film configuration, the composition of the PtMn film was Pt50Mn50 (atomic%), and the composition of the CoFe film was Co90Fe10 (atomic%).
Each layer other than the
The
Further, after each layer of the
次に、この積層膜を用いて磁気抵抗効果素子10を作製した。
まず、下部電極となる部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、下部電極以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、下部電極を形成した。この際に、下部電極部分以外は基板の深さ5nmまでエッチングされた。
その後、電子ビーム描画装置により磁気抵抗効果素子10のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、磁気抵抗効果素子10を形成した。磁気抵抗効果素子10の部分以外は、Cu層直上までエッチングした。このとき、磁気抵抗効果素子10のパターンを、短軸0.09μm×長軸0.18μmの長方形状とした。なお、磁気再生ヘッドにおいては、高周波応答特性を確保するためにTMR素子のトンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要があるため、磁気抵抗効果素子10の面積・抵抗値積(Ω・μm2)が10Ω・μm2となるようにした。
次に、磁気抵抗効果素子10の部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極を形成した。
このようにして、サンプル2の磁気抵抗効果素子の試料(実施例1)を作製した。
Next, the
First, after masking the portion to be the lower electrode by photolithography, the lower electrode was formed by performing selective etching with Ar plasma on the laminated film other than the lower electrode. At this time, the portion other than the lower electrode portion was etched to a depth of 5 nm of the substrate.
Thereafter, a mask of the pattern of the
Next, the part other than the
Then, the upper electrode was formed using photolithography.
In this manner, a sample (Example 1) of the magnetoresistive effect element of Sample 2 was produced.
(サンプル3:実施例2)
図2に示した磁気抵抗効果素子20の構成とし、第1の導体層18を膜厚20nmのPt膜、第2の導体層22を膜厚6nmのCu膜と選定し、その他の構成はサンプル2(実施例1)と同様にして、磁気抵抗効果素子20の積層膜を作製した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成3)として、磁気抵抗効果素子20の積層膜を作製した。
膜構成3:
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(4nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFe(2nm)/Cu(6nm)/Pt(20nm)/Ta(5nm)
その後も、サンプル2(実施例1)と同様にして、サンプル3の磁気抵抗効果素子の試料(実施例2)を作製した。
(Sample 3: Example 2)
The
That is, the laminated film of the
Membrane configuration 3:
Ta (3nm) / Cu (100nm) / PtMn (20nm) / CoFe (2nm) / Ru (0.8nm) / CoFe (4nm) / Al (0.5nm) -Ox / CoFe (2nm) / Cu (6nm) / Pt (20nm) / Ta (5nm)
Thereafter, a sample (Example 2) of the magnetoresistive effect element of Sample 3 was produced in the same manner as Sample 2 (Example 1).
(ノイズの測定)
サンプル1〜サンプル3の各試料のノイズの測定を行った。
具体的には、信号検出の際のセンス電流として0.5mAの電流を流し、この状態で、外部磁界を与えない場合と、静止評価装置にて外部擬似信号磁界を与えた場合とにおいて、それぞれ出力に含まれるノイズを、スペクトルアナライザを使用して測定した。
測定した2つのスペクトル(磁界なしと磁界あり)を比較することにより、ノイズ信号を求めた。
そして、サンプル1(比較例)の試料のノイズ信号を1(基準値)として、ノイズ信号の相対値を求めた。
結果をまとめて表1に示す。
(Measurement of noise)
The noise of each sample of sample 1 to sample 3 was measured.
Specifically, a current of 0.5 mA is passed as a sense current at the time of signal detection, and in this state, when an external magnetic field is not applied and when an external pseudo signal magnetic field is applied by a stationary evaluation apparatus, Noise contained in the output was measured using a spectrum analyzer.
The noise signal was determined by comparing the two measured spectra (without magnetic field and with magnetic field).
Then, the relative value of the noise signal was obtained by setting the noise signal of the sample of Sample 1 (Comparative Example) to 1 (reference value).
The results are summarized in Table 1.
表1の結果から、サンプル2及びサンプル3のように、磁化自由層(信号検出層)に対して導体層を設けた本発明の構成とすることにより、ノイズの発生を抑制することが可能であることがわかる。 From the results in Table 1, it is possible to suppress the occurrence of noise by adopting the configuration of the present invention in which the conductor layer is provided for the magnetization free layer (signal detection layer) as in Sample 2 and Sample 3. I know that there is.
次に、同じ膜構成において、340℃・1時間という、より高温の熱処理を行った磁気抵抗効果素子の試料(サンプル1〜サンプル3)を作製し、同様にノイズの測定を行った。
結果を表2に示す。
Next, samples of the magnetoresistive effect element (sample 1 to sample 3) subjected to higher temperature heat treatment at 340 ° C. for 1 hour in the same film configuration were prepared, and noise was similarly measured.
The results are shown in Table 2.
表2の結果より、熱処理温度が高温になった場合、サンプル2(実施例1)ではバルクハウゼンノイズの増加によってノイズ信号が増加しているが、第2の導体層22を設けたサンプル3(実施例2)の場合はノイズの増加がなく、良好な特性を維持していることがわかる。
即ち、第2の導体層22を設けることにより、高温熱処理による磁化自由層(信号検出層)の磁気特性の劣化を抑制することがわかる。
From the results of Table 2, when the heat treatment temperature becomes high, the noise signal increases due to the increase in Barkhausen noise in Sample 2 (Example 1), but Sample 3 (2) provided with the second conductor layer 22 ( In the case of Example 2), it can be seen that there is no increase in noise and that good characteristics are maintained.
That is, it can be seen that the provision of the second conductor layer 22 suppresses the deterioration of the magnetic characteristics of the magnetization free layer (signal detection layer) due to the high-temperature heat treatment.
本発明は、上述の各実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various other configurations can be employed without departing from the gist of the present invention.
10,20 磁気抵抗効果素子、11 下地層、12 反強磁性層、13,15 強磁性層、14 非磁性導体層、16 トンネルバリア層(トンネル絶縁層)、17 磁化自由層(信号検出層)、18 導体層(第1の導体層)、19 キャップ層、21 磁化固定層、22 第2の導体層 10, 20 Magnetoresistive effect element, 11 Underlayer, 12 Antiferromagnetic layer, 13, 15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic conductor layer, 16 Tunnel barrier layer (tunnel insulating layer), 17 Magnetization free layer (signal detection layer) , 18 Conductor layer (first conductor layer), 19 Cap layer, 21 Magnetization fixed layer, 22 Second conductor layer
Claims (4)
前記積層膜の膜面に略垂直な方向に電流が流される磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層の近傍に、導体層が設けられ、
前記導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とする
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 It has at least a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and a nonmagnetic layer provided between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer A laminated film is formed,
A magnetoresistive effect element in which a current flows in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film,
A conductor layer is provided in the vicinity of the magnetization free layer,
The magnetoresistive effect element characterized in that the conductor layer contains as a main component at least one selected from Pd, Pt, Nd, Sm, Tb, Dy, and Ho.
前記磁気抵抗効果素子に対して、非磁性の導体層を介して上下に磁気シールドが配置された磁気ヘッドであって、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層の近傍に、導体層が設けられ、前記導体層がPd,Pt,Nd,Sm,Tb,Dy,Hoから選ばれる一種以上を主成分とする
ことを特徴とする磁気ヘッド。 It has at least a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and a nonmagnetic layer provided between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer A laminated film is formed, and includes a magnetoresistive effect element in which a current flows in a direction substantially perpendicular to the film surface of the laminated film,
With respect to the magnetoresistive effect element, a magnetic head in which magnetic shields are arranged above and below via a nonmagnetic conductor layer,
The magnetoresistive effect element is provided with a conductor layer in the vicinity of the magnetization free layer, and the conductor layer is mainly composed of one or more selected from Pd, Pt, Nd, Sm, Tb, Dy, and Ho. Characteristic magnetic head.
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