JP2002542618A - 自由層の鏡電子散乱によるスピンバルブ・センサ - Google Patents

自由層の鏡電子散乱によるスピンバルブ・センサ

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Abstract

(57)【要約】 強磁性自由層(76)と、強磁性ピン止め層(80)と、自由層(76)とピン止め層(80)との間に位置する非強磁性材の層(78)と、ピニング層(82)がピン止め層(80)と直接接触するようにピン止め層(80)に隣接して位置する反強磁性ピニング層(82)とを含むスピンバルブ・センサ(70)が開示される。自由層(76)は、第1及び第2強磁性副層(94と98)との間に位置する非磁性絶縁スペーサ(96)を含む複数層スタックを含む。非磁性絶縁スペーサ(96)は鏡電子散乱効果を与える。第1及び第2強磁性副層(94と98)の各々は中央能動域により分離された受動端部域を有する。スピンバルブ・センサ(70)は、受動端部域の第1及び第2強磁性副層(94と98)との間に位置するバイアス装置(86と88)をさらに含む。バイアス装置(86と88)は強磁性副層(94と98)の能動中央域を単一領域状態に保持するのに十分なレベルの長手方向バイアスを受動端部域に発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の背景) 本発明は磁場を感知するするためのスピンバルブ(spin valve)効果を基にし
た磁気抵抗(MR)センサに概して関係し、特に鏡電子散乱による積層強磁性結
合の自由層と、クロストーク雑音抑止用に改良された長手方向バイアスとを有す
るセンサに関係する。
【0002】 (関連技術の説明) 磁気読取りヘッドは磁気媒体、すなわちディスク上に記憶された磁気コード化
情報を検索する。磁気読取りヘッドは、上部シールド、下部シールド、及び上下
シールド間に位置する読取りヘッドとを含むいくつかの層から通常形成される。
読取りセンサは一般的に、巨大磁気抵抗(GMR)読取りセンサのような型式の
磁気抵抗センサである。GMR読取りセンサが磁気読取りヘッドで使用されて磁
気媒体の近くに位置する時、GMR読取りセンサの抵抗値は磁気媒体から発生す
る磁場に応答して変動する。GMR読取りセンサに感知電流を与えることにより
、GMR読取りセンサの抵抗値を外部回路により測定使用し、磁気媒体上に記憶
された情報が復号可能である。
【0003】 一般的なGMR読取りセンサ構成はスピンバルブ構成であり、ここでGMR読
取りセンサは、強磁性自由層と、強磁性ピン止め(pinned)層と、自由層とピン
止め層との間に位置する非磁性スペーサ層から形成される多層構造である。ピン
止め層の磁化方向は一般的にスピンバルブ・ヘッドの空気浮上面と垂直の所定の
方向に固定され、一方、自由層の磁化方向は外部磁場に応答して自由に振動する
。自由層の容易軸は一般的にピン止め層の磁化方向とは垂直に設定される。スピ
ンバルブ読取りセンサの抵抗値は自由層の磁化方向とピン止め層の磁化方向との
間で形成される角度の関数として変化する。この多層スピンバルブ構成は異方性
磁気抵抗(AMR)読取りセンサで可能となるものより突出した磁気抵抗効果を
可能とする。
【0004】 標準的には、ピン止め層の磁化は、ピン止め層との反強磁性ピニング(pinnin
g)層の交換結合により所定の方向に固定される。反強磁性ピニング層は、ピン
止め層と自由層がGMRスピンバルブの末端を形成するように強磁性ピン止め層
上に配置される。
【0005】 米国特許第5、206、590号(‘590号特許)はスピンバルブ効果を基
にした磁気抵抗センサとして参照されるスピンバルブ・センサを開示している。
‘590号特許に開示されたスピンバルブは50−100Åの範囲の厚さを有す
る自由層を含む。‘590号特許は自由層の領域構造を安定化するための2つの
長手方向バイアス方式を開示する。この方式の1つは自由層の縁部に蒸着した強
固な強磁性フィルムの印加を基にしている。または、‘590号特許は、自由層
の縁部に蒸着したフィルムが反強磁性材であるものを開示している。
【0006】 ‘590号特許に開示されたスピンバルブ・センサの自由層の相対的に大きな
厚さは感知回路のシャントにより巨大磁気抵抗の減少を生じ、これは出力信号を
減少させる。従来技術によるスピンバルブ・センサはまた媒体上に記録された隣
接トラックからのクロストーク雑音に対して感度を増加している。
【0007】 (発明の要約) 自由層と、強磁性材料のピン止め層と、自由層とピン止め層との間に位置する
反強磁性材の層と、ピニング゛層と、このピニング層がピン止め層と隣接して位
置し、ピニング層がピン止め層と直接接続するようにすることを含むスピンバル
ブ・センサが開示される。自由層は、第1及び第2強磁性副層の間に位置する非
磁性絶縁スペーサを含む複数層を含む。非磁性絶縁スペーサは鏡(specular)電
子散乱効果を与える。第1及び第2強磁性副層の各々は中央能動域により分離さ
れた受動端部域を有する。スピンバルブ・センサはさらに受動端部域の第1及び
第2強磁性副層間に位置するバイアス装置を含む。バイアス装置は中央能動域を
単一の領域状態に保持するのに十分なレベルの長手方向バイアスを受動端部域に
発生する。
【0008】 本発明のスピンバルブ・センサは従来技術のスピンバルブ・センサより大きな
GMR比とクロストーク雑音に対する小さな感度を与える。増大したGMR比は
、自由層で鏡電子散乱効果を開始し、これによりスピン依存散乱が最大である自
由層の部分内に電子を局在化することにより与えられる。クロストーク雑音に対
する感度の減少は、自由層スタックの薄い強磁性副層の端部域間に長手方向バイ
アスを発生する装置を配置することにより与えられる。
【0009】 (詳細な説明) 本発明のスピンバルブ・センサを説明する前に、従来技術のスピンバルブ・セ
ンサのいくつかの特定実施例を説明する。図1は米国特許第5、206、590
号に開示されたスピンバルブ・センサを図示する。スピンバルブは、非磁性金属
スペーサ14により分離された2つの強磁性層12と16から形成される複数層
を含む。強磁性層12は磁場に応答して自由に振動し、一方強磁性層16は反強
磁性層18によりピン止めされる。‘590号特許は自由層12の領域構造を安
定化する2つの長手方向バイアス方式を開示している。方式の1つは自由層12
の縁部に蒸着した強固な強磁性フィルム26の印加を基にしている。または、‘
590号特許は、フィルム26が反強磁性材であるものを開示している。自由層
12の厚さは50−100Åの範囲である。
【0010】 図2は従来技術のスピンバルブ・センサ40のスピン依存散乱の図を示す。ス
ピンバルブ40は強磁性ピン止め層42、非磁性スペーサ層44および強磁性自
由層46を含む。スピンバルブ40の感度と熱安定性を改善するために、自由層
46は、互いに直接接触している、Co/NiFeのような2つの強磁性層48
と50から構成される。図2の矢印により示されるように、特定条件下で、強磁
性層42と46の磁化方向は反平行となり得る。その大きな厚さのため、強磁性
層42と46は電子52に大きな平均自由行程を与え、これは低いGMR比を生
じる。平均自由行程は強磁性層42の上部と強磁性層50の下部との境界散乱の
存在により最も制限される。
【0011】 巨大磁気抵抗は反強磁性的に結合した強磁性層での電子のスピン依存散乱の産
物である。上向きスピン電子が下向きスピン電子とは異なって散乱されるためこ
の散乱はスピン依存である。上向きスピン電子が下向き磁化の強磁性層と出会う
と、電子は散乱されやすくなり、平均自由行程が減少し、抵抗が増加する。反対
に、上向きスピン電子が上向きの磁化の強磁性層と出会った場合、散乱の確率は
減少し、抵抗は減少する。同様に、下向きスピン電子は上向き磁化の強磁性層に
より頻繁に散乱され、下向き磁化の強磁性層により少なく散乱される。
【0012】 スピン依存散乱は、非磁性層44との強磁性/非磁性インターフェースに隣接
する強磁性層42と46のいくつかの単分子層で最も局在化される。スピン依存
散乱が大きければ大きいほど、GMR比は大きくなる。スピン依存散乱とGMR
の確率はピン止めまたは自由層厚の増加により減少する。
【0013】 図3は(Co(t)/Cu(19Å))20複数層スタックでのCo層厚(水平
軸)に対するΔRまたはGMR(垂直軸)のグラフを図示する。図3に示すよう
に、巨大磁気抵抗の最大は約10−15Åの厚さで発生する。GMRは強磁性層
厚の増加に従って減少する。
【0014】 小さいGMRの発生に加えて、厚い強磁性自由層はまた‘590号特許の層2
6のように(図1参照)、長手方向バイアス装置との交換結合場の減少も生じる
。交換結合場の減少はクロストーク雑音に対する自由層の感度の減少を生じる。
【0015】 本発明によるスピンバルブ・センサ70の望ましい実施例は図4に図示されて
いる。スピンバルブ・センサ70は基板72、シード層74、強磁性自由層76
、非磁性スペーサ78、強磁性ピン止め層80、反強磁性ピニング層82、キャ
ッピング層84、反強磁性タブ86と88、及び導線90と92を含む。自由層
76は、非磁性絶縁スペーサ96により分離された強磁性副層94と98を含む
複数層構造であることが望ましい。強磁性副層94と98はNiFe、Co、C
oFe、NiFeCo、CoZrと共にその他の同様な軟磁性材から作成できる
。望ましい実施例では、強磁性副層94はNiFeで強磁性副層98はCoFe
である。強磁性副層98はまたCo/NiFe、CoFe/NiFe、Co/N
iFeCoまたはCoFe/NiFeCoのような、2つの強磁性層を含む複数
層構造を含んでもよい。このような場合、強磁性副層94のCoまたはCoFe
層はスペーサ78と隣接して位置することが望ましい。非磁性金属スペーサ78
はCu、AgまたはAuであることが望ましい。
【0016】 ピン止め層80の磁化方向をABSと直角に保持するために、ピン止め層80
は反強磁性ピニング層82と交換結合される。Taから作成されることが望まし
いキャッピング層84がピニング層82上に蒸着されてセンサ70の複数層構造
を酸化から保護する。センサ70、電流源及び感知装置(図示せず)との間の回
路を形成するため導線90と92が設けられる。
【0017】 シード層74は自由層76の蒸着の前に蒸着される。シード層74はTa、N
iFeCr、RuまたはCrVから作成されることが望ましい。シード層74は
シャント効果を最小化するため高抵抗を有することが望ましい。シード層74の
目的は以後の層のテクスチャ、粒径寸法及び形態(morphology)を最適化するこ
とである。例えば、強磁性層80とスペーサ78の間、強磁性層76とスペーサ
78との間のインターフェースにはある程度の粗さを有することが望ましい。こ
の粗さは、スピン依存散乱が発生している強磁性層76と78へスペーサからの
電子の転送を容易にする。しかしながら、インターフェースは粗すぎてはならず
、さもないとGMR効果が失われる。形態は大きなGMR効果を得る際に重要で
ある、何故ならこれは非常に薄い自由層76と非磁気スペーサ78の使用を可能
とするからである。
【0018】 本発明のスピンバルブ・センサ70では、自由層の従来の単一層またはCo/
NiFe2層構造は、強磁性副層94と98間の強磁性結合を与える薄い絶縁フ
ィルム96により分離された少なくとも2つの強磁性副層94と98を含む積層
構造により置き換えられる。本発明による積層自由層76はCo/MOx/Ni
Feの全体構造を有することが望ましく、ここでMOxは絶縁体である。絶縁フ
ィルム96は2つの強磁性フィルム94と98が互いに強磁性的に結合すること
を可能とするような適切な型式と厚さである。望ましい実施例では、絶縁フィル
ム96は約2−10Å厚のAl23フィルムである。代わりに、絶縁スペーサ9
6はFe23、Fe34、NiO、Ta25、SiO2、Si34、CoO、T
iO2、またはその他の絶縁材の薄膜から作成可能である。積層構造の自由層7
6は、強磁性フィルム94と98との間の強磁性結合により2層または単一層構
造より低い保磁力とより安定な領域構造を有する。
【0019】 さらに、絶縁スペーサ96を有する自由層76の積層構造はスピンバルブ・セ
ンサ70のGMR効果を改善する。絶縁スペーサ96は強磁性層98とのインタ
ーフェースでの鏡電子散乱効果を開始する。スピンバルブの鏡電子散乱は、エッ
チ・ジェー・エム・スワッテン(H.J.M.Swagten)、ジー・ジェー・スト
リカー(G.J.Strijkers)、アール・エッチ・ジェー・エヌ・ビター(R.
H.J.H.Bitter)、ダブリュー・ジェー・エム・ド ヨング(W.J.M.
de Jonge)、ジェー・シー・エス・クールス(J.C.S.Kools)の、「Ni
O層により囲まれたスピンバルブの鏡反射」、磁性IEEE会誌、第34巻、第
4号、948−953頁(1998年)に開示されている。強磁性副層94と9
8との間に絶縁スペーサ96を配置することにより、自由層76の電子の平均自
由行程は、図5に見られるように、著しく減少する。
【0020】 図5は、強磁性ピン止め層80、非磁性スペーサ層78、強磁性副層98と絶
縁スペーサ96と強磁性副層94とを有する自由層76を含む、スピンバルブ・
センサ70の一部を示す。図5の矢印は各種の強磁性層の磁化方向を表す。電子
100は、スピン依存散乱が最大である、金属非磁性スペーサ78に隣接する強
磁性フィルム98により形成された自由層76の薄い部分に局在化される。強磁
性フィルム98の局在化電子100はスピン依存散乱と巨大磁気抵抗の増加を生
じる。絶縁スペーサ96は非磁性スペーサ78と強磁性層98との間のインター
フェースに近接して配置して、高スピン依存散乱の領域を通過する電子100の
行程数を増加することが望ましい。強磁性フィルム98は10−20Å厚の範囲
であることが望ましく、これは図3で示すように最大GMRを発生する厚さであ
る。強磁性フィルム94は20−60Å厚であることが望ましい。
【0021】 再び図4を参照すると、自由層76の矢印により指示するように単一領域状態
に自由層76を保持するために長手方向バイアスを発生する装置が設けられる。
図示の特定実施例では、長手方向バイアスを発生する装置86と88は、高ブロ
ックキング温度を有しかつ強磁性フィルム94と98と高い交換結合を示す反強
磁性材の層を含む。反強磁性タブ86と88は強磁性フィルム94と98の端部
域の間に位置し直接接触している。各強磁性フィルム94と98の厚さはこれら
のフィルムと絶縁スペーサ96とから構成される自由層76の全体厚さより小さ
い。
【0022】 図6はこれらの層厚に対する強磁性層94と98の端部域の保磁力(HCE)の
グラフを図示する。図7は強磁性副層94と98の厚さに対する反強磁性タブ8
6と88と強磁性副層94と98との間の交換結合強度(HEX)のグラフを図示
する。図6と図7の破線は可変厚のNiFe強磁性フィルム98と30nm厚の
NiMn反強磁性タブ86に対するデータを表す。図6と図7の全線は可変厚の
NiFe強磁性フィルム94と30nm厚のNiMn反強磁性タブ86に対する
データを表す。従って、破線に対しては、強磁性フィルムは反強磁性タブより上
に位置し、全線に対しては、強磁性フィルムは反強磁性タブの下に位置する。
【0023】 図6と図7に示すように、交換結合場(HEX)と保磁力(HCE)は強磁性副層
94と98の厚さの減少に従って増加する。本発明では、反強磁性タブ86と8
8は自由層76を形成する強磁性フィルム94と98との間に配置される。各強
磁性副層94と98の厚さは自由層76の全体厚より小さく、従来技術の自由層
の厚さより小さい。従って、薄い強磁性副層94と98の端部域の交換結合HEX と保磁力HCEは従来技術より非常に高い。結果として、本発明による自由層76
の端部域の磁気感度は従来技術より著しく低く、これはクロストーク雑音のより
よい抑止を生じる。
【0024】 本発明は望ましい実施例を参照して説明して来たが、発明の要旨と範囲から逸
脱することなく形式と詳細に変更を加えうることを当業者は認識できるはずであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術のスピンバルブ・センサの第1の実施例。
【図2】 従来技術のスピンバルブ・センサでのスピン依存散乱の図。
【図3】 (Co(t)/Cu(19Å))20複数層スタックでのCo層厚に対するGM
R強度のグラフ。
【図4】 本発明によるスピンバルブ・センサの望ましい実施例。
【図5】 本発明のスピンバルブ・センサの部分でのスピン依存散乱の図。
【図6】 これらの副層の厚さに対する自由層の強磁性副層の端部域の保持力のグラフ。
【図7】 副層の厚さに対する反強磁性バイアス層と自由層の強磁性副層の端部域との間
の交換結合強度のグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01F 10/32 G01R 33/06 R (72)発明者 マック、アンソニー、エム アメリカ合衆国 ミネソタ、ミネアポリ ス、ザークシーズ アベニュー サウス 4429 Fターム(参考) 2G017 AA01 AD55 AD65 5D034 BA03 BA04 BA05 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC05 BA16 CB02 DB12

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スピンバルブ・センサにおいて、 自由層を含むスピンバルブ・スタックと、 鏡電子散乱効果を与えるための自由層内に位置する手段と、 を備えたスピンバルブ・センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のスピンバルブ・センサにおいて、自由層は、 第1及び第2強磁性副層間に位置する非磁性絶縁スペーサを含む複数層スタッ
    クを有し、非磁性絶縁スペーサが鏡電子散乱効果を与えることを含む、スピンバ
    ルブ・センサ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、スピンバル
    ブ・スタックは、 ピン止め層と、 自由層とピン止め層との間に位置する非強磁性材の層を有し、該非強磁性材の
    層が自由層の第1強磁性副層と直接接触し、 ピニング層がピン止め層に隣接して位置するようにピニング層がピン止め層と
    直接接触するようにすること、を含む、スピンバルブ・センサ。
  4. 【請求項4】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、第1及び第
    2強磁性副層の各々は中央能動域により分離された受動端部域を有し、スピンバ
    ルブ・センサは第1及び第2強磁性副層の受動端部域で第1および第2強磁性副
    層間に位置するバイアス手段をさらに含み、該バイアス手段は中央能動域を単一
    領域状態に保持するのに十分なレベルの長手方向バイアスを受動端部域に発生す
    る、スピンバルブ・センサ。
  5. 【請求項5】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、第1及び第
    2強磁性副層は各々NiFe、Co、CoFe、NiFeCo及びCoZrのど
    れかである、スピンバルブ・センサ。
  6. 【請求項6】 請求項3記載のスピンバルブ・センサにおいて、第1強磁性
    副層は第1及び第2強磁性層を有する複数層構造を含む、スピンバルブ・センサ
  7. 【請求項7】 請求項6記載のスピンバルブ・センサにおいて、第1強磁性
    副層の第1強磁性層はCoとCoFeのうちの一方であり、第1強磁性副層の第
    2強磁性層はNiFeとNiFeCoのうちの一方であり、第1強磁性副層の第
    1強磁性層は非強磁性材の層に隣接して位置している、スピンバルブ・センサ。
  8. 【請求項8】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、非磁性絶縁
    スペーサはSiO2、Fe23、Fe34、NiO、Ta25、Al23、Si34、CoO、及びTiO2のうちの1つである、スピンバルブ・センサ。
  9. 【請求項9】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、非磁性絶縁
    スペーサは第1及び第2強磁性副層間の強磁性結合を可能とする適切な厚さであ
    る、スピンバルブ・センサ。
  10. 【請求項10】 請求項9記載のスピンバルブ・センサにおいて、非磁性絶
    縁スペーサは約2−10Å厚である、スピンバルブ・センサ。
  11. 【請求項11】 請求項2記載のスピンバルブ・センサにおいて、第1強磁
    性副層は約10−20Å厚である、スピンバルブ・センサ。
  12. 【請求項12】 請求項11記載のスピンバルブ・センサにおいて、第2強
    磁性副層は約20−60Å厚である、スピンバルブ・センサ。
  13. 【請求項13】 請求項3記載のスピンバルブ・センサにおいて、非強磁性
    材の層はCu、Ag及びAuのうちの1つである、スピンバルブ・センサ。
  14. 【請求項14】 スピンバルブ・センサにおいて、 自由層を含むスピンバルブ・スタックを有し、該自由層は第1及び第2強磁性
    副層を含む複数層スタックを有し、第1及び第2強磁性副層の各々は中央能動域
    により分離された受動端部域を有し、 第1及び第2強磁性副層の受動端部域の第1および第2強磁性副層間に位置す
    るバイアス手段を有し、該バイアス手段は中央能動域を単一領域状態に保持する
    のに十分なレベルの長手方向バイアスを受動端部域に発生させる、スピンバルブ
    ・センサ。
  15. 【請求項15】 請求項14記載のスピンバルブ・センサにおいて、自由層
    は、第1及び第2強磁性副層の中央能動域で第1及び第2強磁性副層間に位置す
    るスペーサ副層をさらに含む、スピンバルブ・センサ。
  16. 【請求項16】 請求項15記載のスピンバルブ・センサにおいて、スペー
    サ副層は鏡電子散乱効果を与える、スピンバルブ・センサ。
  17. 【請求項17】 請求項14記載のスピンバルブ・センサにおいて、スピン
    バルブ・スタックは、 ピン止め層を有し、 自由層とピン止め層との間に位置する非強磁性材の層を有し、 ピニング層がピン止め層と隣接して位置し、ピニング層がピン止め層と接触す
    るようにすることを含む、スピンバルブ・センサ。
  18. 【請求項18】 スピンバルブ・センサにおいて、 自由層を含むスピンバルブ・スタックと、 スピン依存散乱の確率が最大となる自由層の部分内に電子を局在化する手段と
    、を備えたスピンバルブ・センサ。
JP2000612769A 1999-04-20 1999-09-02 自由層の鏡電子散乱によるスピンバルブ・センサ Withdrawn JP2002542618A (ja)

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