JP2011114151A - Exchange-coupling film with high exchange-coupling energy, magneto-resistance effect head, magnetic sensor, and magnetic memory using the same, as well as method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、反強磁性層と固定層とからなる交換結合膜、それを用いた磁気抵抗効果ヘッド、磁気センサおよび磁気メモリに関するものである。本発明は、特に、高記録密度磁気記録再生装置用磁気抵抗効果ヘッドおよび大容量磁気ランダムアクセスメモリへの応用に適している。 The present invention relates to an exchange coupling film composed of an antiferromagnetic layer and a fixed layer, a magnetoresistive head using the same, a magnetic sensor, and a magnetic memory. The present invention is particularly suitable for application to a magnetoresistive head for a high recording density magnetic recording / reproducing apparatus and a large-capacity magnetic random access memory.
ハードディスクドライブを主体とする磁気記録装置では年々高記録密度化が進んでおり、再生ヘッドとして用いられる磁気抵抗効果ヘッドの高感度化および小型化が求められている。磁気抵抗効果ヘッドとしては、例えば巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistance)型磁気抵抗効果ヘッドやトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistance)型磁気抵抗効果ヘッドがある。これらの磁気抵抗効果ヘッドは、通常外部磁場により自由に磁化の角度を変えられる強磁性自由層（以下、自由層）と、反強磁性層により磁気的に一方向に磁化の角度が固定され外部磁場に対して安定な強磁性固定層（以下、固定層）とで構成される。このような構成はスピンバルブ構造と呼ばれている。そして、反強磁性層と固定層の間に働くエネルギーは交換結合エネルギー（Jk）で表される。 Magnetic recording apparatuses mainly composed of hard disk drives have been increasing in recording density year by year, and there is a demand for higher sensitivity and miniaturization of magnetoresistive heads used as reproducing heads. Examples of the magnetoresistive head include a giant magnetoresistive head and a tunnel magnetoresistive head. These magnetoresistive heads usually have a ferromagnetic free layer (hereinafter referred to as free layer) whose magnetization angle can be freely changed by an external magnetic field, and an antiferromagnetic layer that has a magnetization angle fixed in one direction magnetically. It is composed of a ferromagnetic fixed layer (hereinafter referred to as a fixed layer) that is stable against a magnetic field. Such a configuration is called a spin valve structure. The energy acting between the antiferromagnetic layer and the fixed layer is represented by exchange coupling energy (Jk).
ところで、スピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッド（以下、スピンバルブ膜）では、磁気的に固定された固定層と外部磁場により応答する自由層との磁化の相対角の差により抵抗が変わることで情報を読み出している。すなわち、固定層が外部磁場に対して十分に強固に固定されていない場合、相対磁化角度のずれによる出力の不安定性や固定層起因のノイズの増大が生じ、記録ビット情報の読出しエラーを引き起こす原因となってしまう。さらに、記録密度向上により磁気抵抗効果ヘッドは小型化することになり、これに伴う熱揺らぎの増大に対して、固定層の磁気的な安定性確保、すなわち交換結合エネルギーの増大が重要な課題となっている。また、スピンバルブ型の磁気抵抗効果を利用した角度センサなどの磁気センサや磁気メモリについても同様に高い固定層の安定性と固定力が求められている。 By the way, in the spin valve type magnetoresistive head (hereinafter referred to as “spin valve film”), the resistance is changed by the difference in the relative angle of magnetization between the magnetically fixed fixed layer and the free layer that responds by an external magnetic field. Reading out. That is, if the fixed layer is not fixed sufficiently firmly against the external magnetic field, the output instability due to the relative magnetization angle shift and the noise caused by the fixed layer will increase, causing the read error of the recorded bit information. End up. In addition, the magnetoresistive head will be downsized due to the increased recording density, and securing the magnetic stability of the fixed layer, that is, increasing the exchange coupling energy is an important issue against the increase in thermal fluctuations accompanying this. It has become. Similarly, high stability and fixing force of a fixed layer are required for a magnetic sensor such as an angle sensor using a spin valve magnetoresistive effect and a magnetic memory.
また、反強磁性層および固定層に求められる別な課題として、その膜厚を減少させることが挙げられる。これは、磁気抵抗効果ヘッドとしてはより狭い磁気ギャップ内に配置可能にして高い分解能を実現するためである。また、磁気センサとしては感知電流の分流を減らしてセンサの出力を高めるためである。しかしながら、一般に反強磁性層は一定の臨界膜厚以下では膜厚の減少に伴い交換結合エネルギーが極端に減少してしまう。従って、反強磁性層においては、薄い膜厚でも交換結合エネルギーを向上することが求められている。 Another problem required for the antiferromagnetic layer and the fixed layer is to reduce the film thickness. This is because the magnetoresistive head can be arranged in a narrower magnetic gap to achieve high resolution. In addition, the magnetic sensor is intended to increase the output of the sensor by reducing the shunt current. However, in general, the antiferromagnetic layer has an exchange coupling energy extremely reduced as the film thickness decreases below a certain critical film thickness. Therefore, in the antiferromagnetic layer, it is required to improve the exchange coupling energy even with a thin film thickness.
固定層の交換結合エネルギーを増大する方法としては、反強磁性層と固定層の界面に薄い界面層を挿入することが報告されている。例えば特許文献１には反強磁性層と体心立方格子を有する固定層との間に薄い面心立方構造を有する強磁性層を挿入する構造が記載されている。また、特許文献２にはMnを挿入する構造が記載されている。また、特許文献３には薄いアモルファス層を挿入する方法が記載されている。
As a method for increasing the exchange coupling energy of the fixed layer, it has been reported that a thin interface layer is inserted at the interface between the antiferromagnetic layer and the fixed layer. For example,
また、加熱プロセスにより交換結合エネルギーを増大する方法も報告されている。例えば特許文献４および５では、反強磁性層を加熱しながら成膜するプロセスにより反強磁性層の結晶構造を規則化することができ、交換結合エネルギーを増大できることが開示されている。特許文献６および７には固定層中に拡散防止層を形成することで、交換結合エネルギーの劣化なくMnの拡散を抑えられることが記載されている。また、非特許文献1には、250℃での約100時間の長時間ポストアニールにより交換結合エネルギーを増大できることが記載されている。
A method for increasing the exchange coupling energy by a heating process has also been reported. For example,
上記従来技術においては、交換結合エネルギーの増大は十分とはいえない。本発明は上記事情を鑑みて、高い交換結合力と安定性を有した交換結合膜を提供することを目的とする。また、量産可能な熱処理時間で高い交換結合力と安定性を有した交換結合膜を搭載した磁気抵抗効果ヘッドを実現し、高い安定性と低ノイズを実現した磁気抵抗効果ヘッドを提供することを目的としている。さらに、高い交換結合力と安定性を有した交換結合膜を搭載した磁気センサあるいは磁気メモリを提供することを目的とする。 In the above prior art, the increase in exchange coupling energy is not sufficient. In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an exchange coupling membrane having high exchange coupling force and stability. In addition, to realize a magnetoresistive head equipped with an exchange coupling film having high exchange coupling force and stability in a heat treatment time capable of mass production, and to provide a magnetoresistive head realizing high stability and low noise. It is aimed. It is another object of the present invention to provide a magnetic sensor or a magnetic memory equipped with an exchange coupling film having high exchange coupling force and stability.
上記課題を解決するため、本発明の交換結合膜は、反強磁性層と固定層とが積層され、前記反強磁性層により前記固定層の磁化方向が一方向に磁気的に固定されている交換結合膜において、前記反強磁性層は面心立方構造を有し、且つ前記固定層は体心立方構造を有する強磁性材料で構成され、前記固定層の少なくとも一部の層がCo-Fe-Mnからなることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the exchange coupling film of the present invention includes an antiferromagnetic layer and a fixed layer stacked, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer. In the exchange coupling film, the antiferromagnetic layer has a face-centered cubic structure, and the fixed layer is made of a ferromagnetic material having a body-centered cubic structure, and at least a part of the fixed layer is Co-Fe. It is characterized by comprising -Mn.
固定層の少なくとも一部に体心立方構造を有するCo-Fe-Mnを具備することにより、従来よりも高い交換結合エネルギーを提供することができ、固定層起因のノイズ発生を抑え安定性を向上させることができる。 By providing Co-Fe-Mn with a body-centered cubic structure in at least a part of the fixed layer, it is possible to provide higher exchange coupling energy than before and improve the stability by suppressing noise generation due to the fixed layer. Can be made.
本発明の交換結合膜において、前記反強磁性層と前記固定層の一部の層であるCo-Fe-Mn層の間に、面心立方構造を有する強磁性材料よりなる界面層を有してもよい。そして、前記界面層は、Ｃｏでよい。 The exchange coupling film of the present invention has an interface layer made of a ferromagnetic material having a face-centered cubic structure between the antiferromagnetic layer and the Co-Fe-Mn layer which is a part of the fixed layer. May be. The interface layer may be Co.
本発明の交換結合膜において、前記固定層は、積層フェリ構造でよい。また、前記固定層は、少なくとも一部の層がCo-Fe-Mn層である第一の固定層と、反強磁性結合膜と、第二の固定層とからなる積層フェリ構造でよい。 In the exchange coupling membrane of the present invention, the fixed layer may have a laminated ferri structure. The fixed layer may have a laminated ferrimagnetic structure including a first fixed layer, at least a part of which is a Co—Fe—Mn layer, an antiferromagnetic coupling film, and a second fixed layer.
本発明の交換結合膜において、前記反強磁性層は、Mn-X（X＝Ir,Rh,Ru）で構成されてよい。 In the exchange coupling film of the present invention, the antiferromagnetic layer may be made of Mn-X (X = Ir, Rh, Ru).
本発明の交換結合膜において、前記固定層の一部であるCo-Fe-Mn層のMn組成は、5 at.%<Mn<20 at.%でよい。 In the exchange coupling membrane of the present invention, the Mn composition of the Co—Fe—Mn layer that is a part of the fixed layer may be 5 at.% <Mn <20 at.%.
本発明の交換結合膜において、前記固定層であるCo-Fe-Mn層のCo-Feの組成比はCo1-xFex (0.4<x<0.7)でよい。 In the exchange coupling membrane of the present invention, the Co—Fe composition ratio of the Co—Fe—Mn layer, which is the fixed layer, may be Co1-xFex (0.4 <x <0.7).
本発明の交換結合膜において、前記Co-Fe-Mn層は、膜厚方向にMn濃度が変調されているものでよい。そして、前記Co-Fe-Mn層は、前記反強磁性層側がMn濃度が低くその逆方向は濃度が高い、または、前記反強磁性層側がMn濃度が高くその逆方向は濃度が低いものでよい。 In the exchange coupling film of the present invention, the Co—Fe—Mn layer may have a Mn concentration modulated in the film thickness direction. The Co-Fe-Mn layer has a low Mn concentration on the antiferromagnetic layer side and a high concentration in the opposite direction, or a high Mn concentration on the antiferromagnetic layer side and a low concentration in the reverse direction. Good.
本発明の交換結合膜の製造方法は、反強磁性層と固定層とが積層され、前記反強磁性層により前記固定層の磁化方向が一方向に磁気的に固定されている交換結合膜の製造方法において、前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、固定層として少なくとも一層の体心立方構造のCo-Fe-Mn合金を積層する工程とを含むことを特徴とするものである。 The method for producing an exchange coupling film of the present invention includes an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a fixed layer are stacked, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer. In the manufacturing method, a step of laminating face-centered cubic Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) as the antiferromagnetic layer, and at least one body-centered cubic Co-Fe-Mn alloy as the fixed layer And laminating the layers.
また、本発明の交換結合膜の製造方法は、反強磁性層と固定層とが積層され、前記反強磁性層により前記固定層の磁化方向が一方向に磁気的に固定されている交換結合膜の製造方法において、前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、固定層にMnを含有しない少なくとも一層の体心立方構造のCo-Fe合金を積層する工程と、前記固定層形成直後にin-situ熱処理する工程とを有し、前記熱処理により、前記Mn-XのMnを固定層に拡散させCo-Fe-Mn層を形成することを特徴とするものである。
固定層形成直後にin-situ熱処理する工程とにより、前記Mn-IrのMnを固定層に拡散させCo-Fe-Mn層を形成した場合にも高い交換結合エネルギーを提供することができる。
In addition, in the method for manufacturing an exchange coupling film of the present invention, an antiferromagnetic layer and a fixed layer are laminated, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer. In the method for producing a film, a step of laminating Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) having a face-centered cubic structure as the antiferromagnetic layer, and at least one body-centered cubic structure not containing Mn in the fixed layer A step of laminating a Co-Fe alloy, and a step of performing in-situ heat treatment immediately after the formation of the fixed layer. By the heat treatment, the Mn-X Mn is diffused in the fixed layer to form a Co-Fe-Mn layer. It is characterized by forming.
By the in-situ heat treatment step immediately after forming the fixed layer, high exchange coupling energy can be provided even when Mn—Ir Mn is diffused into the fixed layer to form a Co—Fe—Mn layer.
本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、反強磁性層、固定層、中間層、および自由層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドであって、反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が前記の交換結合膜より構成されているものである。 The magnetoresistive head of the present invention is a spin valve magnetoresistive head having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer, wherein the exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer is the above-mentioned It is comprised from the exchange coupling film | membrane of this.
また、本発明の磁気センサは、反強磁性層、固定層、中間層、および自由層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果センサであって、反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が前記の交換結合膜より構成されているものである。 The magnetic sensor of the present invention is a spin valve magnetoresistive sensor having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer, wherein the exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer is It is comprised from the exchange coupling film | membrane of this.
また、本発明の磁気メモリは、反強磁性層、固定層、中間層、および自由層を有するスピンバルブ型の磁気抵抗効果メモリであって、反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が前記の交換結合膜より構成されているものである。 The magnetic memory of the present invention is a spin-valve magnetoresistive effect memory having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer, and an exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer is provided. It is comprised from the said exchange coupling film | membrane.
また、本発明の磁気抵抗効果ヘッドの製造方法は、反強磁性層、固定層、中間層、および自由層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドの製造方法であって、前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、前記固定層として少なくとも一層のMnを含有しない体心立方構造のCo-Fe合金を積層する工程と、前記固定層形成直後にin-situ熱処理する工程とを含み、前記熱処理により、前記Mn-X（X＝Ir,Rh,Ru）のMnを固定層に拡散させCo-Fe-Mn層を形成するものである。 A method for manufacturing a magnetoresistive head according to the present invention is a method for manufacturing a spin-valve magnetoresistive head having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer. A step of laminating face-centered cubic Mn-X (X = Ir, Rh, Ru), a step of laminating a Co-Fe alloy having a body-centered cubic structure not containing at least one layer of Mn as the fixed layer; Including in-situ heat treatment immediately after formation of the fixed layer, and by the heat treatment, Mn of the Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) is diffused into the fixed layer to form a Co-Fe-Mn layer It is.
本発明によると、反強磁性層と固定層とからなる交換結合膜において、従来よりも高い交換結合エネルギーを実現できる。また、それを用いた磁気抵抗効果ヘッドでは、固定層起因のノイズを低減でき、磁気抵抗効果ヘッドのシグナルノイズ比（ＳＮ比）と安定性を向上できる。また、本発明の交換結合膜を有する磁気メモリと磁気センサでは、隣接ビットセルもしくは外部磁場による固定層への影響を減らすことができ、安定した磁気メモリおよび磁気センサを提供できる。 According to the present invention, an exchange coupling film composed of an antiferromagnetic layer and a fixed layer can realize higher exchange coupling energy than conventional ones. Moreover, in the magnetoresistive head using the same, noise due to the fixed layer can be reduced, and the signal-noise ratio (SN ratio) and stability of the magnetoresistive head can be improved. In addition, in the magnetic memory and magnetic sensor having the exchange coupling film of the present invention, the influence of the adjacent bit cell or the external magnetic field on the fixed layer can be reduced, and a stable magnetic memory and magnetic sensor can be provided.
はじめに、本発明の交換結合膜およびそれを有するスピンバルブ膜の作製方法について説明する。本発明の交換結合膜およびスピンバルブ膜は、DCマグネトロンスパッタリング装置を用いて、セラミックス基板上に作製した。作製した交換結合膜およびスピンバルブ膜は、真空磁場中で250℃、3時間の熱処理を行い、MnIr反強磁性膜の誘導磁気異方性を付与した。作製した交換結合膜およびスピンバルブ膜の磁化測定と構造評価には、振動試料型磁力計とＸ線装置を用いた。ここで、数１に示すように、本発明の交換結合エネルギーＪｋの導出には、図１に示したように固定層のヒステレシスループのシフト量Ｈｅｘに飽和磁化Ｂｓを積算することで求めた。（図1参照）
First, a method for producing the exchange coupling film of the present invention and a spin valve film having the exchange coupling film will be described. The exchange coupling film and the spin valve film of the present invention were produced on a ceramic substrate using a DC magnetron sputtering apparatus. The produced exchange coupling film and spin valve film were heat-treated at 250 ° C. for 3 hours in a vacuum magnetic field to impart the induced magnetic anisotropy of the MnIr antiferromagnetic film. A vibration sample magnetometer and an X-ray apparatus were used for the magnetization measurement and structural evaluation of the produced exchange coupling film and spin valve film. Here, as shown in
ここで、Ｊｋは交換結合エネルギーを、Ｂｓは固定層の飽和磁束密度を、ｔは固定層の膜厚を、Ｈｅｘは交換結合磁場を表す。 Here, Jk represents the exchange coupling energy, Bs represents the saturation magnetic flux density of the fixed layer, t represents the film thickness of the fixed layer, and Hex represents the exchange coupling magnetic field.
図２に、本発明の代表的な交換結合膜の断面構造を示す。本発明の交換結合膜10は、下地層11と、反強磁性層12と、固定層13とを積層されてなり、酸化防止層としてキャップ層16を有している。また、図２に、本発明の代表的なスピンバルブ膜の断面構造を示す。スピンバルブ膜1は、上記交換結合膜10と、中間層14と、自由層15とを積層されてなり、同じく酸化防止層としてキャップ層16を有している。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a typical exchange coupling film of the present invention. The
下地層11は、反強磁性層12の結晶成長制御層として好ましい構成例であり、２層以上からなる積層膜や磁性層から構成されていても良い。結晶制御層として用いられる下地層は、例えばTaとRuからなる積層膜から構成される。
The
上記反強磁性層は、固定層の磁化を一方向に磁気的に固定する役割を有し、この固定力が高いほど固定層が外乱に対して強固になるため好適である。一般的にはMnを含む面心立方格子のMn-X (X=Ir, Rh, Ru)で構成され、（111）配向させて用いる。 The antiferromagnetic layer has a role of magnetically pinning the magnetization of the pinned layer in one direction, and the higher the pinning force, the more preferable the pinned layer becomes stronger against disturbance. Generally, it is composed of Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) of a face-centered cubic lattice containing Mn, and is used with (111) orientation.
上記固定層は、反強磁性層12によって磁気的に固定され、感知すべき磁界に対して実質的に磁化が固定されてなる。また、固定層に第一の強磁性固定層と、反平行結合層と、第二の強磁性固定層からなる反平行結合固定層を用いた場合、外部磁場に対してより安定になるので、本発明においても好ましい構成例である。また、上記固定層は２層以上の磁性層から構成される積層膜であってもよい。
The fixed layer is magnetically fixed by the
中間層14は、固定層13と自由層15との間を磁気的に分離するとともに、固定層13と自由層15との間を通過する電子を固定層13と自由層15の磁化状態に応じて散乱・透過・または反射させ、磁気抵抗効果を生じさせる役割を有する。中間層14は、Cu、Cr、Ag、Auなどの巨大磁気抵抗効果を発現する非磁性導電層の他、Cu、Ag、Auなどのメタル材料とAl-Ox、MgOなどの絶縁材料の混合層から形成される電流狭窄層、あるいはMgO、Al-Ox、Ti-Ox、ZnOなどのトンネルバリア絶縁層であってもよい。
The
自由層15は、図示していないが2種類あるいはそれ以上の薄膜の積層体であってもよい。また、自由層15は中間層側から順に第一の強磁性自由層と、反平行結合中間層と、第二の強磁性自由層と、からなる反平行結合自由層であってもよい。
Although not shown, the
ここで本発明の特徴的な構成について述べる。本発明によれば、交換結合膜およびそれを有する磁気抵抗効果ヘッドにおいて、固定層の少なくとも一部に、体心立方構造を有するCo-Fe-Mn合金を用いることで従来よりも交換結合エネルギーを増大することができ、固定層起因の安定性の低下およびノイズの発生を抑えることができる。 Here, a characteristic configuration of the present invention will be described. According to the present invention, in an exchange coupling film and a magnetoresistive head having the same, at least a part of the fixed layer is made of a Co-Fe-Mn alloy having a body-centered cubic structure, so that the exchange coupling energy can be increased. It is possible to increase, and it is possible to suppress a decrease in stability and noise due to the fixed layer.
なお、本発明で得られる効果は、スピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドだけではなく、磁気センサおよび磁気メモリへの応用も可能である。 The effect obtained by the present invention can be applied not only to a spin valve magnetoresistive head but also to a magnetic sensor and a magnetic memory.
上記特許文献１〜５では、主に反強磁性層と固定層の間に界面極薄層の挿入ならびに加熱成膜プロセスによるMnIrの規則化により、交換結合エネルギーの増大を可能にしている。しかしながら、本発明の構成では固定層の磁性材料の構成によって交換結合エネルギーの増大が得られる。一方、特許文献６〜７では、拡散防止層を挿入し、磁気抵抗効果の劣化を防ぐ方法が提示されているが、本発明ではMnの拡散を利用して交換結合エネルギーを増大することができる。また、非特許文献1では100時間と長い加熱時間を要するが、本発明では交換結合の増大が短時間で得られ、量産に好適である。
In
以下、具体的な本発明の実施例を挙げ、詳細に説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be given and described in detail.
表1に、本発明の代表的な構成のひとつである交換結合膜の積層構造と各膜厚を示す。 Table 1 shows the laminated structure and each film thickness of the exchange coupling film which is one of the typical structures of the present invention.
反強磁性層にはMn78Ir22を用い、（111）の配向性を高めるために下地層としてTaとRuを用いた。また、キャップ層はRuとTaとした。ここで、キャップ層の材料や膜厚を変えると強磁性固定層に導入される歪みが変わり交換結合エネルギーの大きさに違いが現れるが、種々のキャップ層を検討した結果、本発明の構成による交換結合エネルギーは、どのキャップ層の構成においても特性向上が得られることを確認している。また、固定層はCo-FeにMnを添加したCo-Fe-Mn単層膜、およびCo-Fe-Mn層とCo界面層から構成される積層膜の2種類の構成とした。また、ここではCoとFeの組成比は1:1とした。全ての交換結合膜は成膜後、250℃で磁場中熱処理を行った。 Mn78Ir22 was used for the antiferromagnetic layer, and Ta and Ru were used for the underlayer in order to enhance the (111) orientation. The cap layer was Ru and Ta. Here, when the material and film thickness of the cap layer are changed, the strain introduced into the ferromagnetic pinned layer changes and a difference appears in the magnitude of exchange coupling energy. As a result of examining various cap layers, the structure of the present invention It has been confirmed that the exchange coupling energy can be improved in any cap layer configuration. The fixed layer has two types of configuration: a Co—Fe—Mn single layer film in which Mn is added to Co—Fe, and a laminated film composed of a Co—Fe—Mn layer and a Co interface layer. Here, the composition ratio of Co and Fe was 1: 1. All the exchange coupling films were subjected to heat treatment in a magnetic field at 250 ° C. after film formation.
図４に表1記載の構成で作製した交換結合膜の実験例、およびMnが含まれないCo-Feを用いた比較例を示す。Co界面層の有無に関わらず、Mnの添加とともに交換結合エネルギーＪｋが増大し、Mnの添加量が約20 at.%を超えると減少した。交換結合エネルギーはMnが含まれないものと比較して、Co界面層有では最大で約1割、Co界面層無では約2割の向上が見られた。 FIG. 4 shows an experimental example of an exchange coupling film manufactured with the configuration shown in Table 1, and a comparative example using Co—Fe that does not contain Mn. Regardless of the presence or absence of the Co interface layer, the exchange coupling energy Jk increased with the addition of Mn, and decreased when the amount of Mn added exceeded about 20 at.%. The exchange coupling energy was improved by about 10% at maximum with the Co interface layer and about 20% without the Co interface layer, compared with the case where Mn was not included.
これは次に説明する要因によるものと推察される。通常、面心立方構造の反強磁性層は(111)配向し、この（111）配向した面心立方構造の反強磁性層上にはCo-Feなどの体心立方構造の強磁性層が（110）配向して形成される。この場合、面心立方構造と体心立方構造との間には、結晶構造の違いによりミスフィットを最小限に抑えるように、ある方向には結晶格子が縮み、ある方向には伸びるような一方向のひずみが発生する。図５は近年磁気抵抗効果ヘッド用再生ヘッドで用いられる反強磁性層である面心立方構造のMn-Irと、固定層である体心立方構造のCo-Feを一例に、これらが積層されたときの界面での原子配列と歪みの様子を面直方向からの視点で示す。図中のx方向は歪みが小さいものの、y方向にはCo-Feに強い引っ張り応力が発生しており、このとき体積変化が小さくなるように面直方向の面間隔が減少することで、交換結合エネルギーを減少させてしまうものと考えられる。特許文献1で記載されている、面心立方構造を有する強磁性層を界面に挿入することで交換結合エネルギーが増大できる要因は、上記の視点から考察すると、同一の原理に基づいて反強磁性層と固定層の間に発生した歪みを界面層の挿入により部分的に減少できるためと推察される。また、本発明の交換結合膜に体心立方構造を有するCo-Fe-Mnを固定層に用いることで交換結合エネルギーを増大できるのは、Co-FeにMnを添加することで図６に示すように固定層の格子定数を添加量に応じて変化させ、図５のxおよびy方向の歪みの差分を減らして膜面直方向に寄与する応力を減らすことができるためである。
This is presumably due to the following factors. Usually, a face-centered cubic antiferromagnetic layer is (111) oriented, and a (111) -oriented face-centered cubic antiferromagnetic layer has a body-centered cubic ferromagnetic layer such as Co-Fe. (110) Oriented and formed. In this case, between the face-centered cubic structure and the body-centered cubic structure, the crystal lattice contracts in one direction and extends in another direction so as to minimize misfit due to the difference in crystal structure. Directional distortion occurs. Figure 5 shows an example of Mn-Ir with a face-centered cubic structure, which is an antiferromagnetic layer used in a reproducing head for a magnetoresistive head in recent years, and Co-Fe with a body-centered cubic structure, which is a fixed layer. Shows the atomic arrangement at the interface and the state of distortion at the point of view. Although the strain in the x direction in the figure is small, a strong tensile stress is generated in Co-Fe in the y direction. At this time, the surface spacing in the perpendicular direction is reduced so that the volume change is small. It is thought that the binding energy is reduced. The factor that can increase the exchange coupling energy by inserting a ferromagnetic layer having a face-centered cubic structure into the interface described in
また、本発明でMnを添加する利点はMnが磁性を担う元素であるためであると推察される。一方、磁性を担わないIrなどを添加した場合には歪みの減少には有効であるが、交換結合エネルギーは減少してしまう。これは磁性を担わない元素が増えたために反強磁性層の実効的な交換結合エネルギーが反強磁性層と固定層の界面で薄まったためと考えられる。つまり、添加元素は磁性を担い、かつ格子定数を広げられる材料であるMnであることが望ましい。 The advantage of adding Mn in the present invention is presumed to be because Mn is an element responsible for magnetism. On the other hand, the addition of Ir or the like that does not bear magnetism is effective in reducing the strain, but the exchange coupling energy is reduced. This is presumably because the effective exchange coupling energy of the antiferromagnetic layer was reduced at the interface between the antiferromagnetic layer and the fixed layer due to an increase in elements that do not carry magnetism. That is, it is desirable that the additive element is Mn, which is a material that takes on magnetism and expands the lattice constant.
このように、磁性を担うMn添加による交換結合エネルギーの増大は、面心立方構造を有する反強磁性層と体心立方構造を有する強磁性体間の歪みを減らすことにあるので、Co-Feの組成比が1:1の場合だけではなく、Co-Feが体心立方構造を有する組成範囲(30 at.%<Fe<100 at.%)であれば、同様の増大効果が得られる。特に、Co-FeにおけるFeの組成比率が40 at.%<Fe<70のとき、交換結合エネルギーが増大するので、この組成の構成とすることが望ましい。また、界面に、例えばＣｏからなる、面心立方構造の極薄強磁性層を挿入した場合にも、または固定層を反平行結合固定層とした場合にも同様の効果が得られる。 Thus, the increase in exchange coupling energy due to the addition of Mn, which plays a role in magnetism, is to reduce the strain between the antiferromagnetic layer having the face-centered cubic structure and the ferromagnetic body having the body-centered cubic structure. The same increase effect can be obtained if the composition ratio of Co—Fe has a body-centered cubic structure (30 at.% <Fe <100 at.%). In particular, when the composition ratio of Fe in Co—Fe is 40 at.% <Fe <70, the exchange coupling energy increases. Therefore, the composition of this composition is desirable. Further, the same effect can be obtained when an ultrathin ferromagnetic layer having a face-centered cubic structure made of, for example, Co is inserted at the interface, or when the fixed layer is an antiparallel coupled fixed layer.
表２に本発明の代表的な構成のひとつである交換結合膜の積層構造とプロセス、および膜厚を示す。 Table 2 shows the laminated structure and process of the exchange coupling film, which is one of the typical configurations of the present invention, and the film thickness.
反強磁性層にはMn78Ir22を用い、（111）の配向性を高めるために下地層としてTaとRuを用いた。また、キャップ層はRuとTaとした。ここで、キャップ層の材料や膜厚を変えると強磁性固定層に導入される歪みが変わり交換結合エネルギーの大きさに違いが現れるが、種々のキャップ層を検討した結果、本発明の構成による交換結合エネルギーは、どのキャップ層の構成においても特性向上が得られることを確認している。また、固定層はCo-Fe単層膜、もしくはCo-Fe層とCo界面層から構成される積層膜の2種類の構成とした。また、ここではCoとFeの組成比は1:1とした結果を示す。固定層もしくはキャップ層形成後には180〜450℃のin-situ熱処理（成膜チャンバー内熱処理）を行い、Mn-IrのMnを固定層中に拡散させた。さらに、全ての交換結合膜は成膜後、250℃で磁場中熱処理を行った。 Mn78Ir22 was used for the antiferromagnetic layer, and Ta and Ru were used for the underlayer in order to enhance the (111) orientation. The cap layer was Ru and Ta. Here, when the material and film thickness of the cap layer are changed, the strain introduced into the ferromagnetic pinned layer changes and a difference appears in the magnitude of exchange coupling energy. As a result of examining various cap layers, the structure of the present invention It has been confirmed that the exchange coupling energy can be improved in any cap layer configuration. In addition, the fixed layer has two types of configuration: a Co—Fe single layer film, or a laminated film composed of a Co—Fe layer and a Co interface layer. Here, the results are shown in which the composition ratio of Co and Fe is 1: 1. After the fixed layer or cap layer was formed, in-situ heat treatment (heat treatment in the deposition chamber) at 180 to 450 ° C. was performed, and Mn—Ir Mn was diffused in the fixed layer. Further, all the exchange coupling films were subjected to heat treatment in a magnetic field at 250 ° C. after the film formation.
図７に交換結合エネルギーＪｋとin-situ 熱処理A (固定層成膜直後のin-situ熱処理)温度との関係を示す。Co界面層の有無に関わらず、どちらの場合も固定層成膜後のin-situ熱処理により交換結合エネルギーが増大し、Co界面層を有する場合には最大で0.92 erg/cm2と、加熱無のものに比較して約2割の向上が見られた。 FIG. 7 shows the relationship between the exchange coupling energy Jk and the in-situ heat treatment A (in-situ heat treatment immediately after forming the fixed layer) temperature. Regardless of the presence or absence of the Co interface layer, in both cases, the exchange coupling energy is increased by the in-situ heat treatment after the formation of the fixed layer, and in the case of having the Co interface layer, 0.92 erg / cm2 at maximum, An improvement of about 20% was seen compared to the product.
この交換結合エネルギー増大のメカニズムは実施例１の原理と同様に、反強磁性層および固定層の歪みの緩和によるものと推察される。図８に370℃でin-situ熱処理を施したときのＳＩＭＳによるMn組成の膜厚方向プロファイルを示す。本発明の体心立方構造を有するCo-Fe上でin-situ熱処理を施した場合には、反強磁性中のMnが固定層へ拡散する。つまり、in-situ熱処理により、実施例１と同様に固定層がMnを含有することで格子定数が増大した結果、歪みが緩和し交換結合エネルギーが増大するのである。さらに、図８より、Mn組成は膜厚方向に変調しており、特にMn濃度が固定層上部、すなわち、反強磁性膜から遠い側で高いことがわかる。このような変調構造は、in-situ熱処理によって生じるMnの拡散が、応力が大きい箇所にMnがより拡散することで歪の影響を効果的に減少させるためと考えられ、この変調構造が、交換エネルギーを増大するのに効果的なのである。in-situ熱処理無しの場合には固定層にはMnの強度が弱く、Mnが固定層中に拡散していない。図中で50％より弱く強度がみられる部分はラフネスやエッチングレートの面内ばらつきの影響によるノイズである。 The mechanism for increasing the exchange coupling energy is presumed to be due to the relaxation of the distortion of the antiferromagnetic layer and the fixed layer, as in the principle of the first embodiment. FIG. 8 shows the film thickness direction profile of the Mn composition by SIMS when in-situ heat treatment is performed at 370 ° C. When in-situ heat treatment is performed on Co-Fe having the body-centered cubic structure of the present invention, Mn in antiferromagnetism diffuses into the fixed layer. That is, as a result of the in-situ heat treatment, the fixed layer containing Mn increases the lattice constant as in Example 1. As a result, the strain is relaxed and the exchange coupling energy is increased. Further, FIG. 8 shows that the Mn composition is modulated in the film thickness direction, and in particular, the Mn concentration is high at the upper portion of the fixed layer, that is, on the side far from the antiferromagnetic film. Such a modulation structure is thought to be due to the fact that the diffusion of Mn caused by in-situ heat treatment effectively reduces the influence of strain by more diffusing Mn in places where the stress is large. It is effective to increase energy. In the case of no in-situ heat treatment, the strength of Mn is weak in the fixed layer, and Mn is not diffused in the fixed layer. In the figure, the portion where the intensity is weaker than 50% is noise due to the influence of in-plane variation in roughness and etching rate.
このように、Mn添加による交換結合エネルギーの増大は、面心立方構造を有する反強磁性層と体心立方構造を有する強磁性体間の歪みを減らすことにあるので、Co-Feの組成比が1:1の場合だけではなく、Co-Feが体心立方構造を有する組成範囲(30 at.%<Fe<100 at.%)であれば、同様の増大効果が得られる。特に、Co-FeにおけるFeの組成比率が40 at.%<Fe<70のとき、交換結合エネルギーが増大するので、この組成の構成とすることが望ましい。 Thus, the increase in exchange coupling energy due to the addition of Mn is to reduce the strain between the antiferromagnetic layer having the face-centered cubic structure and the ferromagnetic body having the body-centered cubic structure, so the composition ratio of Co-Fe If the composition range is such that Co—Fe has a body-centered cubic structure (30 at.% <Fe <100 at.%), The same increase effect can be obtained. In particular, when the composition ratio of Fe in Co—Fe is 40 at.% <Fe <70, the exchange coupling energy increases. Therefore, the composition of this composition is desirable.
次にキャップ上でin-situ熱処理Bを行った結果を図９に示す。キャップ上で加熱した場合にもMnの拡散が起こり交換結合エネルギーは増大するものの、その増大率は4%と小さい。また、Mnは固定層より上部にも拡散しCPP-GMRやTMRなどの特性を劣化させてしまうため、磁気抵抗効果ヘッドにキャップ上で加熱するプロセスを用いるメリットは少ない。 Next, the results of in-situ heat treatment B on the cap are shown in FIG. Even when heated on the cap, diffusion of Mn occurs and exchange coupling energy increases, but the increase rate is as small as 4%. In addition, Mn diffuses to the upper part of the fixed layer and deteriorates characteristics such as CPP-GMR and TMR. Therefore, there is little merit in using the process of heating the magnetoresistive head on the cap.
このin-situ熱処理を施す箇所の違いにより増大率が異なる原因は、固定層上部に他の層が形成される前の状態で熱処理するか否かで、その層の応力によりMnの拡散挙動が変わり、固定層歪みの開放されやすさが異なるためであると推察される。この際、固定層上部が開放された状態でin-situ熱処理を施した場合には、応力が減少するようにMn組成が膜厚方向により効果的に変調するため、交換結合エネルギーを増大することができると考えられる。 The reason why the increase rate differs depending on the location where this in-situ heat treatment is performed is whether the heat treatment is performed before the other layer is formed on the fixed layer or not, and the Mn diffusion behavior depends on the stress of the layer. It is inferred that this is because the ease of releasing the fixed layer strain is different. At this time, if in-situ heat treatment is performed with the fixed layer upper part open, the Mn composition is more effectively modulated in the film thickness direction so that the stress is reduced, so that the exchange coupling energy is increased. It is thought that you can.
以上の結果を踏まえると、固定層直上でin-situ熱処理を施す製造方法が重要であり、反強磁性層からMnを固定層へ拡散させることで固定層の歪みが効果的に緩和し、結果として交換結合エネルギーを増大できると考えられる。 Based on the above results, a manufacturing method that performs in-situ heat treatment directly on the pinned layer is important, and by diffusing Mn from the antiferromagnetic layer to the pinned layer, the strain of the pinned layer is effectively relieved, resulting in a result. It is considered that the exchange coupling energy can be increased.
以上のように、固定層上をin-situ熱処理することで交換結合エネルギーを増大できるが、加熱中の真空度が低い装置の場合、固定層表面が酸化してしまう場合がある。この場合、固定層表面をArやXeなどの不活性ガスでクリーニングすることにより、交換結合エネルギーを減少させることなく、酸化汚染層を取り除くことができる。また、膜厚が減少した分をCo-Feなどで埋め戻した場合にも交換結合エネルギーを減少することなく固定層表面を清浄にできるため好適な方法である。 As described above, the exchange coupling energy can be increased by performing in-situ heat treatment on the fixed layer. However, in the case of a device having a low degree of vacuum during heating, the surface of the fixed layer may be oxidized. In this case, by cleaning the surface of the fixed layer with an inert gas such as Ar or Xe, the oxidized contamination layer can be removed without reducing the exchange coupling energy. In addition, this is a preferred method because the surface of the fixed layer can be cleaned without reducing the exchange coupling energy even when the reduced thickness is backfilled with Co-Fe or the like.
表３に本発明の代表的な構成のひとつである交換結合膜の積層構造および膜厚を示す。 Table 3 shows the laminated structure and film thickness of the exchange coupling film, which is one of the typical structures of the present invention.
反強磁性層にはMn78Ir22を用い、(111)配向性を高めるために下地層としてTaとRuを用いた。また、キャップ層はRuとTaとした。ここで、キャップ層の材料や膜厚を変えると強磁性固定層に導入される歪みが変わり交換結合エネルギーの大きさに違いが現れるが、種々のキャップ層を検討した結果、本発明の構成による交換結合エネルギーは、どのキャップ層の構成においても特性向上が得られることを確認している。また、固定層はMn濃度を膜厚方向に変調させたCo-Fe-Mn層、もしくは上記Mn濃度変調Co-Fe-Mn層とCo界面層から構成される積層膜の2種類の構成とした。また、ここではCoとFeの組成比は1:1とした結果を示す。全ての交換結合膜は成膜後、250℃で磁場中熱処理を行った。 Mn78Ir22 was used for the antiferromagnetic layer, and Ta and Ru were used for the underlayer to improve the (111) orientation. The cap layer was Ru and Ta. Here, when the material and film thickness of the cap layer are changed, the strain introduced into the ferromagnetic pinned layer changes and a difference appears in the magnitude of exchange coupling energy. As a result of examining various cap layers, the structure of the present invention It has been confirmed that the exchange coupling energy can be improved in any cap layer configuration. In addition, the fixed layer has two types of configurations: a Co-Fe-Mn layer in which the Mn concentration is modulated in the film thickness direction, or a laminated film composed of the Mn concentration-modulated Co-Fe-Mn layer and the Co interface layer. . Here, the results are shown in which the composition ratio of Co and Fe is 1: 1. All the exchange coupling films were subjected to heat treatment in a magnetic field at 250 ° C. after film formation.
次に、表３記載の固定層の詳細な構成と、その構成で得られる交換結合エネルギーを表４に示す。Mn濃度変調Co-Fe-Mn層は、反強磁性層側から順にバルク第一層、バルク第二層、バルク第三層の三層で構成し、Mn濃度を一方向に傾斜させた。同じ平均Mn濃度で比較した場合、例えば実験例1-1のように単層のCo47Fe46Mn7を用いるよりも、実験例1-2および1-3で示すようにMnの濃度を変調させた場合には交換結合エネルギーの増大が確認された。同様に、実験例1-4〜1-12で示すように平均Mn濃度や界面層の有無に依らず、Mnの濃度を変調させることで交換結合エネルギーが増大した。 Next, Table 4 shows the detailed configuration of the fixed layer described in Table 3 and the exchange coupling energy obtained by the configuration. The Mn concentration-modulated Co—Fe—Mn layer was composed of three layers of a bulk first layer, a bulk second layer, and a bulk third layer in order from the antiferromagnetic layer side, and the Mn concentration was inclined in one direction. When compared with the same average Mn concentration, for example, when using a single layer Co47Fe46Mn7 as in Experimental Example 1-1 and modulating the Mn concentration as shown in Experimental Examples 1-2 and 1-3, An increase in exchange coupling energy was confirmed. Similarly, as shown in Experimental Examples 1-4 to 1-12, the exchange coupling energy increased by modulating the Mn concentration regardless of the average Mn concentration or the presence or absence of the interface layer.
この交換結合エネルギー増大のメカニズムは実施例１の原理と同様に、反強磁性層および固定層の歪みの緩和によるものと推察される。本発明の体心立方構造を有するCo-FeにMn濃度を変調させて添加することで、反強磁性層と固定層間、および固定層とキャップ層間の歪みを傾斜的に減らすことができる。これにより、固定層に単純に均質にMnを添加する場合よりも交換結合エネルギーを増大できるのである。また、ここでは示していないが、固定層の反強磁性に接する側およびキャップ層側の両方でMn添加量を大きくした場合でも交換結合エネルギーを増大できることを確認している。これは、反強磁性層と固定層間、および固定層とキャップ層間の歪みを傾斜的、段階的に減らすことができるためであると考えられる。また、歪みを傾斜的に減少させることが交換結合エネルギーの増大に有効であるので、Mnの変調構造として、積層数や膜厚を変更したものでも同様効果が期待できる。 The mechanism for increasing the exchange coupling energy is presumed to be due to the relaxation of the distortion of the antiferromagnetic layer and the fixed layer, as in the principle of the first embodiment. By adding the Mn concentration to Co—Fe having the body-centered cubic structure of the present invention in a modulated manner, the strain between the antiferromagnetic layer and the fixed layer and between the fixed layer and the cap layer can be reduced in a gradient manner. Thereby, the exchange coupling energy can be increased as compared with the case where Mn is simply and uniformly added to the fixed layer. Although not shown here, it has been confirmed that the exchange coupling energy can be increased even when the Mn addition amount is increased on both the side of the fixed layer in contact with the antiferromagnetism and the side of the cap layer. This is considered to be because the strain between the antiferromagnetic layer and the fixed layer and between the fixed layer and the cap layer can be reduced in a stepwise manner. In addition, since it is effective for increasing the exchange coupling energy to decrease the strain in an inclined manner, the same effect can be expected even when the number of layers and the film thickness are changed as the modulation structure of Mn.
このように、面心立方構造を有する反強磁性層と体心立方構造を有する強磁性体間の歪みを減らすことで交換結合エネルギーが増大することから、Mn濃度変調Co-Fe-Mn層のCo-Fe組成比は1:1の場合だけではなく、Co-Feが体心立方構造を有する組成範囲(30 at.%<Fe<100 at.%)であれば、同様の増大効果が得られる。特に、Co-FeにおけるFeの組成比率が40 at.%<Fe<70のとき、交換結合エネルギーが増大するので、この組成の構成とすることが望ましい。 In this way, the exchange coupling energy is increased by reducing the strain between the antiferromagnetic layer having the face-centered cubic structure and the ferromagnetic material having the body-centered cubic structure, so that the Mn concentration-modulated Co-Fe-Mn layer Not only when the Co-Fe composition ratio is 1: 1, but if the Co-Fe composition range has a body-centered cubic structure (30 at.% <Fe <100 at.%), The same increase effect can be obtained. It is done. In particular, when the composition ratio of Fe in Co—Fe is 40 at.% <Fe <70, the exchange coupling energy increases. Therefore, the composition of this composition is desirable.
表５に本発明のひとつである交換結合膜で、固定層を積層フェリ構成とした場合の代表的な積層構造および膜厚を示す。 Table 5 shows a typical laminated structure and film thickness when the fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure in the exchange coupling film which is one of the present invention.
反強磁性層にはMn78Ir22を用い、(111)の配向性を高めるために下地層としてTaとRuを用いた。また、キャップ層はRuとTaとした。ここで、キャップ層の材料や膜厚を変えると強磁性固定層に導入される歪みが変わり交換結合エネルギーの大きさに違いが現れるが、種々のキャップ層を検討した結果、本発明の構成による交換結合エネルギーは、どのキャップ層の構成においても特性向上が得られることを確認している。また、固定層は第一の固定層と、反強磁性結合膜と、第二の固定層とから構成される積層フェリ構造とした。ここで第一の固定層は、反強磁性側からCo界面層、Co-Fe-Mn、Co50Fe50とした。また、Co-Fe-MnのCoとFeの組成比は1:1とした。全ての交換結合膜は成膜後、250℃で磁場中熱処理を行った。 Mn78Ir22 was used for the antiferromagnetic layer, and Ta and Ru were used for the underlayer in order to enhance the (111) orientation. The cap layer was Ru and Ta. Here, when the material and film thickness of the cap layer are changed, the strain introduced into the ferromagnetic pinned layer changes and a difference appears in the magnitude of exchange coupling energy. As a result of examining various cap layers, the structure of the present invention It has been confirmed that the exchange coupling energy can be improved in any cap layer configuration. The fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure composed of a first fixed layer, an antiferromagnetic coupling film, and a second fixed layer. Here, the first fixed layer was a Co interface layer, Co—Fe—Mn, and Co50Fe50 from the antiferromagnetic side. The Co—Fe composition ratio of Co—Fe—Mn was 1: 1. All the exchange coupling films were subjected to heat treatment in a magnetic field at 250 ° C. after film formation.
表６に、表５に記載構成で作製した交換結合膜の磁化曲線から反強磁性層と第一の固定層間の交換結合エネルギーと反強磁性結合膜を介して第一の固定層と第二の固定層間にはたらく反平行結合エネルギーとを考慮し、フィッティングにより得られた交換結合エネルギーを示す。Co界面層の有無に関わらず、固定層を積層フェリ構成とした場合にもCo-FeへMnを添加することにより交換結合エネルギーが増大した。これは表１記載の構成で得られる交換結合エネルギーと同様の傾向であり、積層フェリ構成とした場合でもMn添加により反強磁性層と固定層間の歪みを緩和でき、結果として交換結合エネルギーを増大できるのである。このとき、Co-Feの組成比は1:1の場合だけではなく、Co-Feが体心立方構造を有する組成範囲(30 at.%<Fe<100 at.%)であれば、同様にMn添加により交換結合エネルギーを増大することができる。特に、Co-FeにおけるFeの組成比率が40 at.%<Fe<70のとき、交換結合エネルギーが増大するので、この組成の構成とすることが望ましい。 Table 6 shows the exchange coupling energy between the antiferromagnetic layer and the first pinned layer and the first pinned layer and the second through the antiferromagnetic coupling film based on the magnetization curve of the exchange coupling film manufactured in the configuration shown in Table 5. The exchange coupling energy obtained by fitting is shown in view of the antiparallel coupling energy acting between the fixed layers. Regardless of the presence or absence of the Co interface layer, the exchange coupling energy was increased by adding Mn to Co-Fe even when the fixed layer had a laminated ferrimagnetic structure. This is the same tendency as the exchange coupling energy obtained in the configuration shown in Table 1. Even when the laminated ferrimagnetic configuration is adopted, the strain between the antiferromagnetic layer and the fixed layer can be alleviated by adding Mn, resulting in an increase in the exchange coupling energy. It can be done. At this time, the composition ratio of Co-Fe is not only 1: 1, but if the composition range where Co-Fe has a body-centered cubic structure (30 at.% <Fe <100 at.%), The same applies. The exchange coupling energy can be increased by adding Mn. In particular, when the composition ratio of Fe in Co—Fe is 40 at.% <Fe <70, the exchange coupling energy increases. Therefore, the composition of this composition is desirable.
また、ここでは示していないが、第一の固定層を形成後in-situ熱処理を施した交換結合膜やMn濃度変調Co-Fe-Mnを用いた積層フェリ構成の交換結合膜においても交換結合エネルギーの増大が確認できており、固定層より上側の構成に依らず、同様の効果を得ることができる。 Although not shown here, exchange coupling is also possible in exchange coupling membranes that have been subjected to in-situ heat treatment after the formation of the first fixed layer, and in exchange coupling membranes having a laminated ferri structure using Mn concentration-modulated Co-Fe-Mn. The increase in energy has been confirmed, and the same effect can be obtained regardless of the configuration above the fixed layer.
表７は本発明の代表的なスピンバルブ膜の膜構成を示す。反強磁性層にはMn78Ir22を用い、(111)配向性を高めるために下地層としてTaとRuを用いた。固定層は第一の固定層と、反強磁性結合膜と、第二の固定層とからなる積層フェリ構成とし、第一の固定層にはin-situ熱処理を施した。また、酸化汚染層の清浄化のため、固定層を0.5nm分クリーニングを行った後、さらに0.5nmのCo-Feを形成した。このクリーニング工程は必ずしも必要というわけではないが、界面汚染による特性劣化を防ぐために好適な方法である。中間層にはCuを用い、自由層はCoFe層、Co-Mn-Ge層、CoFe層の3層構造とし、キャップ層にはCuとRuを用いた。 Table 7 shows a film configuration of a typical spin valve film of the present invention. Mn78Ir22 was used for the antiferromagnetic layer, and Ta and Ru were used for the underlayer to improve the (111) orientation. The pinned layer had a laminated ferrimagnetic structure composed of a first pinned layer, an antiferromagnetic coupling film, and a second pinned layer, and the first pinned layer was subjected to in-situ heat treatment. Further, in order to clean the oxidized contamination layer, the fixed layer was cleaned for 0.5 nm, and then 0.5 nm of Co—Fe was formed. Although this cleaning step is not always necessary, it is a suitable method for preventing characteristic deterioration due to interface contamination. Cu was used for the intermediate layer, the free layer was a three-layer structure of CoFe layer, Co-Mn-Ge layer, and CoFe layer, and Cu and Ru were used for the cap layer.
図１０に、表7記載の構成で、in-situ熱処理温度を変えて作製したスピンバルブ膜の交換結合エネルギーＪｋとin-situ熱処理温度の関係を示す。ここで交換結合エネルギーは、スピンバルブ膜の磁化曲線から反強磁性層と第一の固定層間の交換結合エネルギーと、反強磁性結合膜を介して第一の固定層と第二の固定層間にはたらく反平行結合エネルギーとを考慮し、フィッティングにより算出した。交換結合エネルギーＪｋはin-situ熱処理温度Ｔとともに増大し、最大で0.86 erg/cm2となった。この傾向は実施例２で示したものと同等の結果であり、スピンバルブ構成であってもin-situ熱処理により交換結合エネルギーを増大でき、またin-situ熱処理およびクリーニングを施しても特性劣化がないことを示している。 FIG. 10 shows the relationship between the exchange coupling energy Jk and the in-situ heat treatment temperature of a spin valve film manufactured by changing the in-situ heat treatment temperature in the configuration shown in Table 7. Here, the exchange coupling energy is determined based on the magnetization curve of the spin valve film, the exchange coupling energy between the antiferromagnetic layer and the first fixed layer, and the first fixed layer and the second fixed layer via the antiferromagnetic coupling film. It was calculated by fitting in consideration of the working antiparallel bond energy. The exchange coupling energy Jk increased with the in-situ heat treatment temperature T and reached a maximum of 0.86 erg / cm2. This tendency is the same result as that shown in Example 2. Even in the spin valve configuration, the exchange coupling energy can be increased by in-situ heat treatment, and the characteristic deterioration is also caused by in-situ heat treatment and cleaning. It shows no.
この交換結合エネルギー増大のメカニズムは実施例１の原理と同様に、反強磁性層および固定層の歪みの緩和によるものと推察される。これは、実施例２に示したように本発明の体心立方構造を有するCo-Fe上でin-situ熱処理を施した際に、反強磁性中のMnが固定層へ拡散し固定層の格子定数が増大した結果、歪みが緩和して交換結合エネルギーが増大したのである。 The mechanism for increasing the exchange coupling energy is presumed to be due to the relaxation of the distortion of the antiferromagnetic layer and the fixed layer, as in the principle of the first embodiment. As shown in Example 2, when in-situ heat treatment is performed on Co-Fe having a body-centered cubic structure according to the present invention, Mn in antiferromagnetism diffuses into the fixed layer and As a result of the increased lattice constant, the strain was relaxed and the exchange coupling energy increased.
このように、スピンバルブ構成であっても、Mn添加により面心立方構造を有する反強磁性層と体心立方構造を有する強磁性体間の歪みを減らすことで交換結合エネルギーを増大できるので、Co-Feの組成比が1:1の場合だけではなく、Co-Feが体心立方構造を有する組成範囲(30 at.%<Fe<100 at.%)であれば、同様の増大効果が得られる。特に、Co-FeにおけるFeの組成比率が40 at.%<Fe<70のとき、交換結合エネルギーが増大するので、この組成の構成とすることが望ましい。 Thus, even in the spin valve configuration, the exchange coupling energy can be increased by reducing the strain between the antiferromagnetic layer having the face-centered cubic structure and the ferromagnetic body having the body-centered cubic structure by adding Mn. Not only when the composition ratio of Co-Fe is 1: 1, but if the composition range where Co-Fe has a body-centered cubic structure (30 at.% <Fe <100 at.%), The same increase effect is obtained. can get. In particular, when the composition ratio of Fe in Co—Fe is 40 at.% <Fe <70, the exchange coupling energy increases. Therefore, the composition of this composition is desirable.
図１１に、表7のスピンバルブ膜のＭＲ比とin-situ熱処理温度の関係を示す。MR比はin-situ 熱処理により劣化することなくほぼ一定の値を維持している。これは、in-situ熱処理を第一の固定層上で施しており、Mnが中間層まで拡散しないためである。このように、反強磁性層と固定層の歪みを緩和することによりMR比を劣化させることなく、交換結合エネルギーを増大することができる。 FIG. 11 shows the relationship between the MR ratio of the spin valve film in Table 7 and the in-situ heat treatment temperature. The MR ratio remains almost constant without deterioration due to in-situ heat treatment. This is because in-situ heat treatment is performed on the first fixed layer, and Mn does not diffuse to the intermediate layer. Thus, the exchange coupling energy can be increased without degrading the MR ratio by relaxing the distortion of the antiferromagnetic layer and the fixed layer.
実施例５では、第二の固定層および自由層にCoFeとCo-Mn-Ge、中間層にはCuを用いた結果を示したが、固定層の交換結合エネルギーはこれらの材料構成に限定されることなく本発明の固定層構成とすることで同様の特性向上が得られる。また、Cu、Ag、Auなどのメタル材料とAl-Ox、MgOなどの絶縁材料の混合層から形成される電流狭窄層を有する面直通電型巨大磁気抵抗膜、あるいはMgO、Al-Ox、Ti-Ox、ZnOなどのトンネルバリア絶縁層を有するトンネル接合膜などにおいて、本発明の交換結合膜を具備した場合にも同様の特性向上が得られることは自明である。 In Example 5, the result of using CoFe and Co-Mn-Ge for the second fixed layer and the free layer and Cu for the intermediate layer was shown. However, the exchange coupling energy of the fixed layer is limited to these material configurations. The same improvement in characteristics can be obtained by using the fixed layer configuration of the present invention without any problem. In addition, a surface direct conduction type giant magnetoresistive film having a current confinement layer formed from a mixed layer of a metal material such as Cu, Ag, Au and an insulating material such as Al-Ox, MgO, or MgO, Al-Ox, Ti It is obvious that the same characteristic improvement can be obtained even when the tunnel junction film having a tunnel barrier insulating layer such as -Ox or ZnO is provided with the exchange coupling film of the present invention.
図１２は、本発明の交換結合膜10を備えたスピンバルブ膜1からなる磁気抵抗効果ヘッド2の断面構造である。ここで形状や膜厚は必ずしも図示した通りである必要はない。本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、下部シールド電極100および上部シールド電極103に挟み込まれるように配置され、下地層11、反強磁性層12、固定層13、中間層14、自由層15、キャップ層16を積層してなる。絶縁層101によってスピンバルブ膜１と電気的に分離されたハードバイアス層102は、自由層にトラック幅方向のバイアス磁界を印加し、自由層の磁化を単磁区化するために用いられる。ハードバイアス層102には、例えばCo-Cr-Pt合金などが用いられる。絶縁層101には、例えばAl2O3やSiO2などを用いることができる。
FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a
図１３は本発明の交換結合膜10を備えたスピンバルブ膜1から形成された磁気抵抗効果ヘッド2を搭載した垂直記録用記録再生分離型磁気抵抗効果ヘッドの概念図である。スライダーを兼ねる基体20上に下部磁気シールド兼電極100、磁気抵抗効果ヘッド2、上部磁気シールド兼電極103、副磁極30、コイル31、主磁極32を形成してなり、記録媒体に対向する対向面40を形成してなる。図１２記載の絶縁層101およびハードバイアス層102に相当する構造については本図では記載を省略した。本発明の磁気抵抗効果ヘッドは再生部分の能力を高めるものであるので、垂直記録及び従来の面内記録の双方に対応できる技術であるが、特に垂直磁気記録ヘッドと組み合わせることでより高い記録密度を実現することができる。
FIG. 13 is a conceptual diagram of a recording / reproducing separated magnetoresistive head for perpendicular recording equipped with a
図１４は、本発明の磁気抵抗効果ヘッドを用いた磁気記録再生装置の構成例である。磁気的に情報を記録する記録媒体51を備えたディスク55をスピンドルモーター53にて回転させ、アクチュエーター52によってヘッドスライダー50をディスク55のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置においては、ヘッドスライダー50上に形成した再生ヘッド、及び記録ヘッドがこの機構に依ってディスク55上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取る。アクチュエーター52はロータリーアクチュエーターであることが望ましい。記録信号は信号処理系54を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、再生ヘッドの出力を、信号処理系54を経て信号として得る。さらに再生ヘッドを所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、本再生ヘッドからの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエーターを制御して、ヘッドスライダーの位置決めを行うことができる。本図ではヘッドスライダー50、ディスク55を各１個示したが、これらは複数であっても構わない。またディスク55は両面に記録媒体51を有して情報を記録してもよい。情報の記録がディスク両面の場合ヘッドスライダー50はディスクの両面に配置する。
FIG. 14 shows a configuration example of a magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetoresistive head of the present invention. A
上述したような構成について、本発明の交換結合膜を備えたスピンバルブ膜からなる磁気抵抗効果ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、従来よりも高い安定性と高いシグナルノイズ比が確認され、また作製時の歩留まりも良好であった。 As a result of testing the magnetoresistive head composed of the spin valve film having the exchange coupling film of the present invention and the magnetic recording / reproducing apparatus equipped with the magnetoresistive head for the configuration as described above, the stability and the signal-to-noise ratio are higher than the conventional one. In addition, the yield at the time of production was also good.
図１５は、磁気センサのひとつである磁気式エンコーダに本発明の交換結合膜を有するスピンバルブ膜を配置した構成例である。磁気式エンコーダは、等間隔に着磁された磁気ドラム501と磁気センサ502の組み合わせよりなり、着磁パターンの境界で反転する磁界により自由層の相対角が変化することを利用して角度変化を読み出す磁気センサである。磁気センサ502は、交換結合膜10と自由層15からなるスピンバルブ膜を備えている。磁気センサ502に高い交換結合力を有する本発明の交換結合膜10を用いた場合、磁気ドラム501からの外部磁場に対し固定層がより安定になるので、出力のバラツキを抑えることができるため好ましい構成例である。
FIG. 15 shows a configuration example in which a spin valve film having an exchange coupling film of the present invention is arranged on a magnetic encoder which is one of magnetic sensors. The magnetic encoder is composed of a combination of a
図１６は、本発明の交換結合膜を有する磁気メモリMRAM(Magnetic Random Access Memory)の構成例である。本発明の交換結合膜10を有するスピンバルブ膜1はビット線601と素子配線602とに接続されており、ゲート電極603を有する選択用トランジスタ604で読み出しセルを選択して通電し、抵抗の大小で記録情報を読み出す。また、セルへの書き込み用には書き込み用ワード線605を具備している。ここで、書き込み用ワード線605は必須の構成ではなく、例えばスピン注入磁化反転などの技術を使って書き込みを行うこともできる。
FIG. 16 shows a configuration example of a magnetic memory MRAM (Magnetic Random Access Memory) having the exchange coupling film of the present invention. The
上述したような構成について、本発明の交換結合膜を備えた磁気メモリを試作、検証した結果、外部磁場や衝撃に対する安定性の向上が確認され、また作製時の歩留まりも良好であった。 As a result of trial manufacture and verification of the magnetic memory provided with the exchange coupling film of the present invention for the above-described configuration, the improvement in stability against an external magnetic field and impact was confirmed, and the yield at the time of manufacture was also good.
本発明の交換結合膜は、スピンバルブ構造を備えた磁気抵抗効果ヘッドに用いることができ、高い安定性と低ノイズを実現できる。また、スピンバルブ型磁気抵抗効果ヘッドだけではなく、磁気センサおよび磁気メモリへの応用も可能である。 The exchange coupling film of the present invention can be used for a magnetoresistive head having a spin valve structure, and can realize high stability and low noise. Further, it can be applied not only to a spin valve type magnetoresistive head but also to a magnetic sensor and a magnetic memory.
１…スピンバルブ膜、２…磁気抵抗効果ヘッド、１０…交換結合膜、１１…下地層、１２…反強磁性層、１３…固定層、１４…中間層、１５…自由層、１６…キャップ層、
２０…基体、３０…副磁極、３１…コイル、３２…主磁極、４０…対向面、５０…ヘッドスライダー、５１…記録媒体、５２…アクチュエーター、５３…スピンドル、５４…信号処理系、５５…磁気ディスク、
１００…下部磁気シールド兼電極、１０１…絶縁層、１０２…磁区制御バイアス膜、１０３…上部磁気シールド兼電極、
５０１…磁気ドラム、５０２…磁気センサ、
６０１…ビット線、６０２…素子配線、６０３…ゲート電極、６０４…選択用トランジスタ、６０５…書き込み用ワード線。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
501 ... Magnetic drum, 502 ... Magnetic sensor,
601: Bit line, 602: Element wiring, 603: Gate electrode, 604: Selection transistor, 605: Write word line.
Claims (17)
前記反強磁性層は面心立方構造を有し、且つ前記固定層は体心立方構造を有する強磁性材料で構成され、前記固定層の少なくとも一部の層がCo-Fe-Mnからなることを特徴とする交換結合膜。 In an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a fixed layer are laminated, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer,
The antiferromagnetic layer has a face-centered cubic structure, and the fixed layer is made of a ferromagnetic material having a body-centered cubic structure, and at least a part of the fixed layer is made of Co—Fe—Mn. An exchange coupling membrane characterized by
前記反強磁性層と前記固定層の一部の層であるCo-Fe-Mn層の間に、面心立方構造を有する強磁性材料よりなる界面層を有することを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to claim 1,
An exchange coupling film comprising an interface layer made of a ferromagnetic material having a face-centered cubic structure between the antiferromagnetic layer and the Co—Fe—Mn layer which is a part of the fixed layer.
前記界面層が、Coであることを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to claim 2,
The exchange coupling film, wherein the interface layer is Co.
前記固定層を、積層フェリ構造としたことを特徴とする交換結合膜。 In the exchange coupling membrane according to any one of claims 1 to 3,
An exchange coupling film, wherein the fixed layer has a laminated ferri structure.
前記固定層を、少なくとも一部の層がCo-Fe-Mn層である第一の固定層と、反強磁性結合膜と、第二の固定層とからなる積層フェリ構造としたことを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to claim 4,
The fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure including a first fixed layer, at least a part of which is a Co-Fe-Mn layer, an antiferromagnetic coupling film, and a second fixed layer. Exchange coupling membrane.
前記反強磁性層が、Mn-X（X＝Ir,Rh,Ru）で構成されていることを特徴とする交換結合膜。 In the exchange coupling membrane according to any one of claims 1 to 5,
An exchange coupling film, wherein the antiferromagnetic layer is made of Mn-X (X = Ir, Rh, Ru).
前記固定層の一部であるCo-Fe-Mn層のMn組成は、5 at.%<Mn<20 at.%であることを特徴とする交換結合膜。 In the exchange coupling membrane according to any one of claims 1 to 6,
The exchange coupling film, wherein the Mn composition of the Co—Fe—Mn layer which is a part of the fixed layer is 5 at.% <Mn <20 at.%.
前記固定層であるCo-Fe-Mn層のCo-Feの組成比はCo1-xFex (0.4<x<0.7)であ
ることを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to any one of claims 1 to 7,
An exchange coupling film, wherein the Co—Fe—Mn layer, which is the fixed layer, has a Co—Fe composition ratio of Co 1−x Fex (0.4 <x <0.7).
前記Co-Fe-Mn層は、膜厚方向にMn濃度が変調していることを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to any one of claims 1 to 8,
The Co-Fe-Mn layer is an exchange coupling film characterized in that the Mn concentration is modulated in the film thickness direction.
前記Co-Fe-Mn層は、前記反強磁性層側がMn濃度が低くその逆方向は濃度が高いことを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to claim 9,
The Co-Fe-Mn layer has an Mn concentration on the antiferromagnetic layer side and a high concentration in the opposite direction.
前記Co-Fe-Mn層は、前記反強磁性層側がMn濃度が高くその逆方向は濃度が低いことを特徴とする交換結合膜。 The exchange coupling membrane according to claim 9,
The Co-Fe-Mn layer has an Mn concentration on the antiferromagnetic layer side and a low concentration in the opposite direction.
前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、固定層として少なくとも一層の体心立方構造のCo-Fe-Mn合金を積層する工程とを含むことを特徴とする交換結合膜の製造方法。 In the method of manufacturing an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a fixed layer are stacked, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer,
A step of laminating Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) having a face-centered cubic structure as the antiferromagnetic layer, and a step of laminating at least one body-centered cubic Co-Fe-Mn alloy as the fixed layer And a method for producing an exchange coupling membrane.
前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、固定層にMnを含有しない少なくとも一層の体心立方構造のCo-Fe合金を積層する工程と、前記固定層形成直後にin-situ熱処理する工程とを有し、前記熱処理により、前記Mn-XのMnを固定層に拡散させCo-Fe-Mn層を形成することを特徴とする交換結合膜の製造方法。 In the method of manufacturing an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a fixed layer are stacked, and the magnetization direction of the fixed layer is magnetically fixed in one direction by the antiferromagnetic layer,
Lamination of face-centered cubic Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) as the antiferromagnetic layer and laminating at least one body-centered cubic Co-Fe alloy not containing Mn in the fixed layer And in-situ heat treatment immediately after forming the fixed layer, and by the heat treatment, Mn of Mn-X is diffused into the fixed layer to form a Co-Fe-Mn layer. A method for producing an exchange coupling membrane.
前記反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の交換結合膜より構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。 A spin-valve magnetoresistive head having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer,
The magnetoresistive head according to claim 1, wherein the exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer is formed of the exchange coupling film according to claim 1.
前記反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の交換結合膜より構成されていることを特徴とする磁気センサ。 A spin valve magnetoresistive sensor having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer,
A magnetic sensor, wherein the exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer comprises the exchange coupling film according to any one of claims 1 to 11.
前記反強磁性層および固定層からなる交換結合膜が請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の交換結合膜より構成されていることを特徴とする磁気メモリ。 A spin-valve magnetoresistive memory having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer,
12. A magnetic memory, wherein the exchange coupling film comprising the antiferromagnetic layer and the fixed layer comprises the exchange coupling film according to claim 1.
前記反強磁性層として面心立方構造のMn-X（X＝Ir,Rh,Ru）を積層する工程と、前記固定層として少なくとも一層のMnを含有しない体心立方構造のCo-Fe合金を積層する工程と、前記固定層形成直後にin-situ熱処理する工程とを含み、前記熱処理により、前記Mn-X（X＝Ir,Rh,Ru）のMnを固定層に拡散させCo-Fe-Mn層を形成することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッドの製造方法。 A method of manufacturing a spin valve magnetoresistive head having an antiferromagnetic layer, a fixed layer, an intermediate layer, and a free layer,
A step of laminating Mn—X (X = Ir, Rh, Ru) having a face-centered cubic structure as the antiferromagnetic layer, and a body-centered cubic Co—Fe alloy containing no Mn as the fixed layer. And laminating Mn-X (X = Ir, Rh, Ru) into the fixed layer by the heat treatment, including a step of laminating and an in-situ heat treatment immediately after forming the fixed layer. A method of manufacturing a magnetoresistive head, comprising forming an Mn layer.
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