JP3607629B2

JP3607629B2 - Spin valve thin film element and thin film magnetic head using the spin valve thin film element

Info

Publication number: JP3607629B2
Application number: JP2001066127A
Authority: JP
Inventors: 芳彦柿原; 正路斎藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: JP2001320110A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定磁性層（ピン（Ｐｉｎｎｅｄ）磁性層）の磁化の方向と外部磁界の影響を受けるフリー（Ｆｒｅｅ）磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するいわゆるスピンバルブ型薄膜素子に係り、特に、フリー磁性層に安定したバイアス磁界を与えてバルクハウゼンノイズの発生を低減させたスピンバルブ型薄膜素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ハードディスクからの記録磁界を検出するスピンバルブ型薄膜素子（スピンバルブ型薄膜磁気ヘッド）の従来の構造を示す断面図である。
【０００３】
図に示すように、反強磁性層１１，固定磁性層（ピン（Ｐｉｎｎｅｄ）磁性層）２，非磁性導電層３及びフリー（Ｆｒｅｅ）磁性層４が積層され、その両側にはハードバイアス層６，６が形成されている。
【０００４】
従来は、反強磁性層１１にはＦｅＭｎ（鉄―マンガン）合金膜、固定磁性層２及びフリー磁性層４にはＦｅＮｉ（鉄―ニッケル；パーマロイ）合金膜、非磁性導電層３にはＣｕ（銅）膜、またハードバイアス層６にはＣｏＰｔ（コバルト―白金）合金膜などが一般に使用されている。なお、符号７，８はＴａ（タンタル）などの非磁性材料で形成された下地層及び保護層である。
【０００５】
図４に示すスピンバルブ型薄膜素子の製造方法としては、まず下地層７から保護層８までの６層が成膜され、その後イオンミリングなどのエッチング工程で、前記６層の側部が傾斜面となるように削り取られ、その後に、前記６層の両側にハードバイアス層６が成膜される。ハードバイアス層６の表面は、他の層と平行な上面である水平面６′と、前記６層の両側の傾斜面に添う傾斜面６″とが連続する。前記水平面６′の部分ではハードバイアス層６は一定の膜厚ｈ１で形成されるのに対し、傾斜面６″の部分では、ハードバイアス層６の膜厚は、上方に向かうにしたがって徐々に薄くなる。
【０００６】
前記固定磁性層２は反強磁性層１１と接して形成され、前記固定磁性層２は、反強磁性層１１との界面での交換結合による交換異方性磁界により、Ｙ方向へ単磁区化され、磁化の方向がＹ方向へ固定される。
【０００７】
また、フリー磁性層４の磁化方向は、Ｘ方向に磁化されているハードバイアス層６の影響を受け、Ｘ方向へ揃えられる。
【０００８】
このスピンバルブ型薄膜素子では、ハードバイアス層６，６上にタンタルなどの中間層９，９を介して形成された導電層１０，１０から、固定磁性層２，非磁性導電層３及びフリー磁性層４に定常電流（検出電流）が与えられる。ハードディスクなどの磁気記録媒体の走行方向はＺ方向であり、前記磁気記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層４の磁化の方向がＸからＹ方向へ向けて変化する。このフリー磁性層４内での磁化の方向の変動と、固定磁性層２の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁気記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このスピンバルブ型薄膜素子では、固定磁性層２，非磁性導電層３及びフリー磁性層４は比較的薄い膜厚で形成されるが、反強磁性層１１はかなり厚い膜厚で形成される。例えば、固定磁性層２，非磁性導電層３及びフリー磁性層４はそれぞれが１００オングストローム以下で形成されるのに対し、反強磁性層１１は３００オングストローム程度の膜厚で形成される。このため、下から反強磁性層１１，固定磁性層２，非磁性導電層３及びフリー磁性層４が積層され、前記４層の側部にハードバイアス層６が形成される従来のスピンバルブ型薄膜素子では、厚さ寸法ｈ１を有する水平面６′の部分のハードバイアス層６は、フリー磁性層４よりもかなり下方に形成され、水平面６′は、フリー磁性層４の下面よりも下方に位置し、前記フリー磁性層４の側面には、傾斜面６″の部分でハードバイアス層６が薄く残るだけである。
【００１０】
前記ハードバイアス層６はその保磁力によりＸ方向に磁化されている層であるが、傾斜面６″が形成されているｈ２の部分ではＸ方向へハードバイアス層６の膜厚が薄いために、この部分からフリー磁性層４にＸ方向への十分なバイアス磁界を与えることができない構造となっている。したがって、前記フリー磁性層４の磁化の方向がＸ方向へ安定しにくく、バルクハウゼンノイズが発生しやすい欠点がある。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、ハードバイアス層の水平面がフリー磁性層に接近し、好ましくはフリー磁性層の下面よりも上方に形成されるようにして、前記フリー磁性層の磁化方向がＸ方向に揃いやすくし、その結果バルクハウゼンノイズの発生を低減できるようにしたスピンバルブ型薄膜素子を提供することを目的としている。
【００１２】
また本発明は、前記バイアス層と反強磁性層との間にＣｒ（クロム）などで緩衝膜および配向膜を形成することにより、安定したバイアス磁界を発生させることが可能となったスピンバルブ型薄膜素子を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反強磁性層の上に、前記反強磁性層との交換異方性結合により磁化方向が固定される固定磁性層が形成され、その上に非磁性導電層、およびフリー磁性層が順に積層され、少なくとも前記フリー磁性層の両側に位置して前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層と、固定磁性層と非磁性導電層とフリー磁性層に検出電流を与える導電路とが設けられているスピンバルブ型薄膜素子において、
前記反強磁性層は、固定磁性層、非磁性導電層およびフリー磁性層よりもさらに両側の領域に延び、この両側に延びている前記反強磁性層の上面は、前記固定磁性層の下面よりも低い位置にあり、この反強磁性層の上に前記バイアス層が形成され、かつ前記反強磁性層がＰｔＭｎ合金で形成されており、
前記反強磁性層とバイアス層との間には、体心立方構造で且つ（１００）配向の金属膜が形成され、前記金属膜は、Ｃｒ，Ｔｉ，ＭｏまたはＷ ₅₀ Ｍｏ ₅₀ のいずれか１種以上で形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
または、本発明は、反強磁性層の上に、前記反強磁性層との交換異方性結合により磁化方向が固定される固定磁性層が形成され、その上に非磁性導電層、およびフリー磁性層が順に積層され、少なくとも前記フリー磁性層の両側に位置して前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層と、固定磁性層と非磁性導電層とフリー磁性層に検出電流を与える導電路とが設けられているスピンバルブ型薄膜素子において、
前記反強磁性層は、固定磁性層、非磁性導電層およびフリー磁性層よりもさらに両側の領域に延び、この両側に延びている前記反強磁性層の上面は、固定磁性層の下面よりも低い位置にあり、この反強磁性層の上に前記バイアス層が形成され、かつ前記反強磁性層がＰｔ−Ｍｎ−Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｃｏ）合金で形成されており、
前記反強磁性層とバイアス層との間には、体心立方構造で且つ（１００）配向の金属膜が形成され、前記金属膜は、Ｃｒ，Ｔｉ，ＭｏまたはＷ ₅₀ Ｍｏ ₅₀ のいずれか１種以上で形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、前記金属膜の膜厚の好ましい範囲は、１８オングストローム以上で５５オングストローム以下である。さらに好ましい前記金属膜の膜厚の範囲は、２０オングストローム以上で５０オングストローム以下である。
【００１６】
また、各層の重なり方向を検出ギャップ方向としたときに、前記バイアス層の他の層と平行な上面は、フリー磁性層の下面よりも前記検出ギャップ方向での上側に位置していることが好ましく、バイアス層の前記上面と、フリー磁性層の下面との検出ギャップ方向の距離は、フリー磁性層の膜厚寸法の６０％以上であることがさらに好ましい。
【００１７】
本発明では、固定磁性層、非磁性導電層、およびフリー磁性層の両側に、その下層となる反強磁性層が延びており、ハードバイアス層が反強磁性層の上に形成されている。したがって、反強磁性層の膜厚が大きくても、ハードバイアス層を従来の位置よりも高い位置でフリー磁性層に近い位置に形成することができ、ハードバイアス層の他の層と平行な上面すなわち水平面６′（図４のｈ１の部分）をフリー磁性層の下面よりも上方に位置させることも可能である。
【００１８】
ハードバイアス層の水平面６′の部分をフリー磁性層に接近させ、さらに好ましくは、ハードバイアス層の水平面６′を、フリー磁性層の下面よりも上側の位置に形成することにより、フリー磁性層に対して水平方向（縦バイアス方向；Ｘ方向）に対して強いバイアス磁界を与えることができる。よって、前記フリー磁性層は、従来に比べて固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に単磁区化されやすくなり、バルクハウゼンノイズの発生を低減させることが可能となる。
【００１９】
前記バイアス層下に、結晶構造が体心立方構造で且つ（１００）配向のＣｒなどで形成された金属膜が緩衝膜および配向膜として成膜されているため、バイアス層の保磁力及び角形比が大きくなり、フリー磁性層の磁化を固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に単磁区化させるためのバイアス磁界を増大させることができる。また、前記金属膜の膜厚が１８から５５オングストロームの範囲内であれば、バルクハウゼンノイズの発生をより低減させることができる。さらに、前記金属膜の膜厚を２０から５０オングストロームの範囲とすれば、よりバルクハウゼンノイズの発生を低減させることができる。
【００２０】
また、本発明の薄膜磁気ヘッドは、上述した本発明のスピンバルブ型薄膜素子を用いることを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す断面図である。図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。
【００２２】
この薄膜磁気ヘッドは、ハードディスク装置に設けられる浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられてハードディスクなどの記録磁界を検出するものであり、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００２３】
図１の最も下に形成されているのはＴａ（タンタル）などの非磁性材料で形成された下地層７である。この下地層７上に、ＰｔＭｎ（白金―マンガン）合金で形成された反強磁性層１、ＦｅＮｉ（鉄―ニッケル）合金で形成された固定磁性層（ピン磁性層）２が積層されている。前記固定磁性層２上に、Ｃｕ（銅）など電気抵抗の低い非磁性導電層３が形成され、前記非磁性導電層３上にＦｅＮｉ合金のフリー磁性層４が形成され、さらに前記フリー磁性層４上にＴａ（タンタル）などの保護層８が形成されている。また、前記固定磁性層２、非磁性導電層３及びフリー磁性層４は、前記反強磁性層１に対して薄い膜厚で形成されている。例えば固定磁性層２の膜厚は４０オングストローム、非磁性導電層３の膜厚は２５オングストローム、フリー磁性層４の膜厚は８０オングストローム程度であるが、反強磁性層１の膜厚は３００オングストローム程度である。
【００２４】
前記反強磁性層１と固定磁性層２とが積層された状態で、所定の大きさの磁界中で熱処理を施すことにより、前記両層の界面で交換異方性磁界が得られ、前記固定磁性層の磁化の方向がＹ方向に単磁区化され固定される。
【００２５】
本発明では、反強磁性層１にＰｔＭｎ合金を使用したが、前記ＰｔＭｎ合金は従来から使用されているＦｅＭｎ合金に比べて、以下の効果を期待することができる。
【００２６】
まず、ＰｔＭｎ合金は、ＦｅＭｎ合金に比べて耐食性に優れており、スピンバルブ型薄膜素子の製造工程における各種の溶剤や洗浄剤においても腐食が全く進行せず、過酷な環境下でのスピンバルブ型薄膜素子の動作においても化学的に安定している。
【００２７】
また、ＰｔＭｎ合金は、ＦｅＭｎ合金に比べてブロッキング温度が高く、よって薄膜磁気ヘッドの動作時の温度が高くなっても、安定した交換異方性磁界を発生でき、読取り精度が安定する。
【００２８】
さらに、ＰｔＭｎ合金の成膜後の熱処理温度は２３０℃以下でも十分な交換異方性磁界を得ることができる。熱処理温度が特に２５０℃以上になると、非磁性導電層３と、固定磁性層２及びフリー磁性層４との界面で拡散が発生しやすいが、ＰｔＭｎ合金を使用することによって、前記拡散を未然に防止することができる。
【００２９】
また、ＰｔＭｎ合金に代えて、ＰｄＭｎ（パラジウム―マンガン）合金、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｃｏ）合金を使用しても、上記の効果を得ることが可能である。
【００３０】
また、固定磁性層２をＦｅＮｉ合金に代えてＣｏ（コバルト），Ｆｅ―Ｃｏ（鉄―コバルト）合金，Ｆｅ―Ｃｏ―Ｎｉ（鉄―コバルト―ニッケル）合金で形成しても、反強磁性層１との界面で交換異方性磁界を得ることができる。またフリー磁性層４もこれらの磁性材料で形成できる。
【００３１】
この積層体の製造方法は、下地層７から保護層８までの６層がスパッタにより成膜された後、前記固定磁性層２、非磁性導電層３、フリー磁性層４及び保護膜８をＸ方向の中心に残し、その両側部分がイオンミリングなどの乾式エッチング工程、またはこれと湿式エッチングとの併用により除去される。このとき、反強磁性層１もエッチングの影響を受けて深さ寸法ｄ１の部分で削り取られる。その結果、固定磁性層２から保護膜８までの層の両側部が角度θ１の傾斜面となり、さらに反強磁性層１の両側部分の削り込み部分にも傾斜面１′，１′が形成される。反強磁性層１の両側部分を削り込むことにより、金属膜５が形成される部分に固定磁性層２が残るのを防止できる。
【００３２】
符号５は、Ｃｒ（クロム）などで形成された緩衝膜および配向膜となる金属膜であり、この金属膜５は、固定磁性層２などからさらに両側に延びる部分である反強磁性層１のＴ１の領域の上面から、前記反強磁性層１の傾斜面１′及び固定磁性層２、非磁性導電層３、フリー磁性層４の側面にかけて成膜される。
【００３３】
そして、前記金属膜５上にＣｏＰｔ（コバルト―白金）合金などで形成されるハードバイアス層６が成膜される。図に示すように前記ハードバイアス層６の表面には、他の層と平行な上面である水平面６′と、前記の角度θ１の傾斜面に沿って形成される傾斜面６″が形成されており、前記水平面６′はフリー磁性層４の下面４′よりも上方に形成されている。すなわち層の重なる方向であるＺ方向を検出ギャップ方向としたときに、ハードバイアス層６の水平面（他の層と平行な上面）６′は、フリー磁性層４の下面４′よりも検出ギャップ方向での上方に位置している。
【００３４】
特に前記フリー磁性層４の下面４′から水平面６′までの前検出ギャップ方向の距離（オーバラップ量）をｄ２とし、前記フリー磁性層４の膜厚をｄ３としたとき、ｄ２／ｄ３から求められるオーバーラップの比が６０％以上であることが好ましい。本発明では、前記ハードバイアス層６が金属膜５を介して膜厚の厚い反強磁性層１の上に形成されているため、前記ハードバイアス層６の膜厚ｈ１が薄くても、水平面６′をフリー磁性層４の下面４′に接近させ、好ましくは下面４′よりも上方に形成することが可能になる。
【００３５】
このように、体積の大きいｈ１部分のハードバイアス層６の一部分が、フリー磁性層４の両側に位置してフリー磁性層４の両側面と対向しまたは接触することにより、ｈ１部分のハードバイアス層の側部から発生する強いＸ方向へのバイアス磁界がフリー磁性層４に与えられ、前記フリー磁性層４の磁化方向がＸ方向に容易に単磁区化される。よってバルクハウゼンノイズは発生しにくくなり、記録媒体への再生・録音の精度が向上する。
【００３６】
ここで、前記金属膜５の役割について説明する。
金属膜５を形成するＣｒはその結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ）で且つ（１００）配向となっており、またハードバイアス層を形成するＣｏＰｔ系合金の結晶構造は面心立方構造（ｆｃｃ）と稠密六方構造（ｈｃｐ）の混相となっている。
【００３７】
ここでＣｒの格子定数とＣｏＰｔ合金のｈｃｐの格子定数は近い値となっているために、前記ＣｏＰｔ合金はｆｃｃ構造を形成しづらくｈｃｐ構造で形成されやすくなっている。このときｈｃｐのｃ軸はＣｏＰｔ合金―Ｃｒの境界面内に優先配向される。前記ｈｃｐはｆｃｃに比べてｃ軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、ハードバイアス層に磁界を与えたときの保磁力Ｈｃは大きくなる。さらにｈｃｐのｃ軸はＣｏＰｔ合金―Ｃｒの境界面内で優先配向となっているため残留磁化（Ｂｒ）は増大し、残留磁化（Ｂｒ）／飽和磁束密度（Ｂｓ）で求められる角形比Ｓは大きな値になる。その結果、ハードバイアス層から発生するバイアス磁界を増大させることが可能となり、フリー磁性層４を単磁区化しやすくなる。
【００３８】
また、前記金属膜５の膜厚は１８オングストローム以上で５５オングストローム以下の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは２０オングストローム以上で５０オングストローム以下の範囲内である。この範囲内で前記金属膜５を形成すると、バルクハウゼンノイズの発生が著しく低下する。金属膜５の膜厚が前記範囲よりも大きいと、フリー磁性層４のＸ方向の側面とハードバイアス層６との間に介在する前記金属膜５の影響により、ハードバイアス層６からフリー磁性層４に与えられるバイアス磁界が低下してしまう。逆に、金属膜５の膜厚が前記範囲よりも小さいと、反強磁性層１とハードバイアス層６とが交換結合を生じ、両層の磁化が互いに影響を受け、反強磁性層１の磁化方向とハードバイアス層６の磁化方向との直交性が低下する。
【００３９】
なお、結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ）で且つ（１００）配向となる金属膜５としては、Ｃｒ以外にＴｉ（チタン），Ｗ（タングステン），Ｍｏ（モリブデン）またはＷ５０Ｍｏ５０（５０，５０はａｔ％）の、いずれか１種または２種以上で形成されてもよい。また、ハードバイアス層６はＣｏＰｔ合金以外に、Ｃｏ―Ｃｒ―Ｔａ（コバルト―クロム―タンタル）合金で形成されていてもよい。
【００４０】
なお、ハードバイアス層６，６の上にはＴａ（タンタル）などの非磁性材料で形成された中間層９，９が形成され、前記中間層９，９上にはＷ（タングステン）、Ｃｕ（銅）などにより形成された導電層１０，１０が形成されている。
【００４１】
以上上述したスピンバルブ型薄膜素子では、導電層１０から固定磁性層２、非磁性導電層３及びフリー磁性層４に定常電流（検出電流）が与えられ、しかも記録媒体からＹ方向へ磁界が与えられると、フリー磁性層４の磁化方向がＸ方向からＹ方向へ向けて変化する。このとき、フリー磁性層４と固定磁性層２のうち片方の層から他方へ移動しようとする電子が、非磁性導電層３と固定磁性層２との界面、または非磁性導電層３とフリー磁性層４との界面で散乱を起こし、電気抵抗が変化する。よって定常電流が変化し、検出出力を得ることができる。
【００４２】
また、本発明では、ハードバイアス層６を反強磁性層１の表面から固定磁性層２、非磁性導電層３及びフリー磁性層４の側部にかけて形成することで、ハードバイアス層６と、反強磁性層１からフリー磁性層４までの前記４層との接触面積を大きくすることができ、よってスピンバルブ型薄膜素子の直流抵抗（ＤＣＲ）を小さくすることが可能となる。このため、検出出力は大きくなり、読み取り精度が安定する。
【００４３】
【実施例】
図１に示す形状のスピンバルブ型薄膜素子を製作し、バルクハウゼンノイズに関して測定した。
【００４４】
まず、金属膜５の膜厚とバルクハウゼンノイズとの関係について実験を行った。以下に実験時における図１の符号１から８までの層の材質と膜厚について説明する。
【００４５】
反強磁性層１はＰｔＭｎ（白金―マンガン）合金で形成し、膜厚を３００オングストロームとした。ただし削り込みの深さ寸法ｄ１は１００オングストロームであったため幅寸法Ｔ１における反強磁性層１の膜厚は２００オングストロームとなった。
【００４６】
固定磁性層２はＦｅＮｉ（鉄―ニッケル）合金で形成し、膜厚を４０オングストロームとした。
【００４７】
非磁性導電層３はＣｕ（銅）で形成し、膜厚を２５オングストロームとした。
フリー磁性層４はＦｅＮｉ（鉄―ニッケル）合金で形成し、膜厚を８０オングストロームとした。
【００４８】
ハードバイアス層６はＣｏＰｔ（コバルト―白金）合金で形成し、水平面６′の部分の膜厚ｈ１を３００オングストロームとした。
【００４９】
下地層７はＴａ（タンタル）で形成し、膜厚を４０オングストロームとした。
保護膜８はＴａ（タンタル）で形成し、膜厚を５０オングストロームとした。
【００５０】
なお、中間層９はＴａ（タンタル）で、導電層１０はＣｒ（クロム）で形成した。
【００５１】
また、図の垂直方向と固定磁性層２から保護層８の側部に形成される傾斜面との角度θ１は２０°であった。
【００５２】
そして、金属膜５をＣｒ（クロム）で形成し、膜厚を１０，１５，２０，３０，４０，５０，６０，７０オングストロームとした８種類の薄膜磁気ヘッドをそれぞれ２０個づつ製作し、２０個中いくつの薄膜磁気ヘッドに顕著なバルクハウゼンノイズが発生したかについて調べた。その結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
図２は、表１を元にして作成した金属膜５の膜厚とバルクハウゼンノイズの発生率との関係を示すグラフである。
【００５５】
図に示すように、金属膜５の膜厚が厚くなるにつれてバルクハウゼンノイズ発生率は徐々に小さくなっていき、膜厚が約３５オングストロームのとき、前記バルクハウゼンノイズ発生率は最も小さくなる。膜厚が３５オングストローム以上になると徐々に前記バルクハウゼンノイズ発生率が大きくなっている。この実験結果により本発明では金属膜５の膜厚が１８オングストロームから５５オングストロームであれば、バルクハウゼンノイズの発生率を２０％以下に抑制できることが確認できた。
【００５６】
さらに、金属膜５の膜厚が２０オングストロームから５０オングストロームであれば、バルクハウゼンノイズの発生率を１０％以下に抑制できより好ましい。
【００５７】
金属膜５が１８オングストローム以下であると、バルクハウゼンノイズ発生率が大きくなっているのは、ハードバイアス層６のＣｏＰｔ膜と反強磁性層１のＰｔＭｎ膜との界面で交換結合が起こり、ハードバイアス層がＸ方向に単磁区化されにくくなり、フリー磁性層４の磁化をＸ方向に揃えることが困難になるためであると考えられる。
【００５８】
また、金属膜５が５５オングストローム以上になると、バルクハウゼンノイズ発生率が大きくなるのは、ハードバイアス層６とフリー磁性層４の間に介在する金属膜５の膜厚があまり厚くなり、ハードバイアス層６からのバイアス磁界がフリー磁性層４にかかりにくくなり、前記フリー磁性層４の磁化がＸ方向に揃わなくなるためであると考えられる。
【００５９】
次にハードバイアス層６の膜厚を変化させて、ハードバイアス層６とフリー磁性層４とのオーバーラップ量ｄ２とフリー磁性層４の膜厚ｄ３との比（ｄ２／ｄ３）と、バルクハウゼンノイズ量との関係について調べた。
【００６０】
金属膜５の膜厚を３０オングストロームに固定して、ハードバイアス層６以外の層の材質及び膜厚は上記に記したものを使用した。
【００６１】
前記ハードバイアス層６の膜厚をオーバーラップ量の比（ｄ２／ｄ３）が１００％，８０％，６０％，４０％，２０％となるようにし、それぞれのオーバーラップ量の比となる薄膜磁気ヘッドを２０個づつ製作し、２０個中いくつの薄膜磁気ヘッドに顕著なバルクハウゼンノイズが発生したかについて調べた。
【００６２】
【表２】

【００６３】
図３は、表２を元にして作成したオーバーラップ量の比（ｄ２／ｄ３）とバルクハウゼンノイズの発生率との関係を示したグラフである。
【００６４】
図３に示すように、オーバーラップ量の比（％）が大きくなるにつれて、バルクハウゼンノイズ発生率が減少していることがわかる。特にオーバーラップ量の比（％）が６０％以上であると、バルクハウゼンノイズの発生率を２０％以下に抑制することができる。さらにオーバーラップ量の比（％）を８０％以上にすることにより、バルクハウゼンノイズの発生率を１０％以下に抑制することができより好ましい。
【００６５】
オーバーラップ量の比（％）が小さくなるとバルクハウゼンノイズが発生しやすくなるのは、ハードバイアス層６からのバイアス磁界が、フリー磁性層４にかかりづらくなり、前記フリー磁性層４の磁化がＸ方向に揃いにくくなるためである。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、反強磁性層上に、フリー磁性層へバイアス磁界を与えるバイアス層を形成することにより、水平面を有するハードバイアス層をフリー磁性層の側面に接近させやすくなり、フリー磁性層に強いバイアス磁界を与えやすくなる。このため前記フリー磁性層の磁化を固定磁性層の磁化方向と交叉する方法に揃えやすくなり、その結果バルクハウゼンノイズの発生を低減させることが可能となる。
【００６７】
特にフリー磁性層の膜厚をｄ３、前記フリー磁性層の底面からバイアス層の水平部までの前記バイアス層の膜厚をｄ２としたとき、ｄ２／ｄ３から求められるオーバーラップ量の比が６０％以上であると、よりバルクハウゼンノイズの発生を抑えることができる。
【００６８】
また、前記バイアス層下に結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ）の緩衝膜および配向膜を形成することにより、前記バイアス層の保磁力及び角形比が大きくなりフリー磁性層の単磁区化に必要なバイアス磁界を増大させることが可能となり、特に前記緩衝膜および配向膜の膜厚が１８から５５オングストロームの範囲内であると、フリー磁性層に強いバイアス磁界を与えることができ、よりバルクハウゼンノイズの発生を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す断面図、
【図２】緩衝膜および配向膜の膜厚とバルクハウゼンノイズ発生率との関係を示す線図、
【図３】オーバーラップ量の比とバルクハウゼンノイズ発生率との関係を示す線図、
【図４】従来のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す断面図、
【符号の説明】
１反強磁性層
２固定磁性層
３非磁性導電層
４フリー磁性層
５金属膜（緩衝膜および配向膜）
６ハードバイアス層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a so-called spin-valve type thin film in which the electric resistance changes depending on the relationship between the magnetization direction of a pinned magnetic layer (Pinned magnetic layer) and the magnetization direction of a free magnetic layer affected by an external magnetic field. More particularly, the present invention relates to a spin-valve type thin film element in which the generation of Barkhausen noise is reduced by applying a stable bias magnetic field to a free magnetic layer.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a sectional view showing a conventional structure of a spin valve thin film element (spin valve thin film magnetic head) for detecting a recording magnetic field from a hard disk.
[0003]
As shown in the figure, an antiferromagnetic layer 11, a pinned magnetic layer (Pinned magnetic layer) 2, a nonmagnetic conductive layer 3 and a free magnetic layer 4 are laminated, and a hard bias layer 6 is formed on both sides thereof. , 6 are formed.
[0004]
Conventionally, the antiferromagnetic layer 11 has an FeMn (iron-manganese) alloy film, the pinned magnetic layer 2 and the free magnetic layer 4 have an FeNi (iron-nickel; permalloy) alloy film, and the nonmagnetic conductive layer 3 has a Cu ( A copper) film and a CoPt (cobalt-platinum) alloy film are generally used for the hard bias layer 6. Reference numerals 7 and 8 denote an underlayer and a protective layer made of a nonmagnetic material such as Ta (tantalum).
[0005]
As a method of manufacturing the spin valve thin film element shown in FIG. 4, first, six layers from the underlayer 7 to the protective layer 8 are formed, and then the side portions of the six layers are inclined surfaces in an etching process such as ion milling. Then, the hard bias layer 6 is formed on both sides of the six layers. The surface of the hard bias layer 6 is continuous with a horizontal plane 6 ′ which is an upper surface parallel to the other layers, and an inclined plane 6 ″ which follows the inclined planes on both sides of the six layers. While the layer 6 is formed with a constant film thickness h1, the film thickness of the hard bias layer 6 gradually decreases in the inclined surface 6 ″ as it goes upward.
[0006]
The pinned magnetic layer 2 is formed in contact with the antiferromagnetic layer 11, and the pinned magnetic layer 2 is converted into a single magnetic domain in the Y direction by an exchange anisotropic magnetic field due to exchange coupling at the interface with the antiferromagnetic layer 11. The magnetization direction is fixed in the Y direction.
[0007]
Further, the magnetization direction of the free magnetic layer 4 is aligned in the X direction under the influence of the hard bias layer 6 magnetized in the X direction.
[0008]
In this spin-valve type thin film element, the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3 and the free magnetic layer are formed from the

conductive layers

10 and 10 formed on the hard bias layers 6 and 6 via

intermediate layers

9 and 9 such as tantalum. A steady current (detection current) is applied to the layer 4. The traveling direction of a magnetic recording medium such as a hard disk is the Z direction. When a leakage magnetic field from the magnetic recording medium is applied in the Y direction, the magnetization direction of the free magnetic layer 4 changes from the X to the Y direction. The electrical resistance changes depending on the relationship between the change in the magnetization direction in the free magnetic layer 4 and the fixed magnetization direction of the pinned magnetic layer 2, and the voltage change based on the change in the electric resistance value causes a change from the magnetic recording medium. A leakage magnetic field is detected.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In this spin-valve type thin film element, the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3 and the free magnetic layer 4 are formed with a relatively thin film thickness, while the antiferromagnetic layer 11 is formed with a considerably thick film thickness. For example, the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer 4 are each formed with a thickness of 100 angstroms or less, while the antiferromagnetic layer 11 is formed with a film thickness of about 300 angstroms. Therefore, an antiferromagnetic layer 11, a pinned magnetic layer 2, a nonmagnetic conductive layer 3 and a free magnetic layer 4 are laminated from below, and a conventional spin valve type in which a hard bias layer 6 is formed on the side of the four layers. In the thin film element, the hard bias layer 6 in the horizontal plane 6 ′ having the thickness dimension h 1 is formed substantially below the free magnetic layer 4, and the horizontal plane 6 ′ is positioned below the lower surface of the free magnetic layer 4. On the side surface of the free magnetic layer 4, only the hard bias layer 6 remains thin at the inclined surface 6 ″.
[0010]
The hard bias layer 6 is a layer that is magnetized in the X direction by its coercive force, but since the thickness of the hard bias layer 6 is thin in the X direction in the portion h2 where the inclined surface 6 ″ is formed, From this portion, a structure in which a sufficient bias magnetic field in the X direction cannot be applied to the free magnetic layer 4. Therefore, the magnetization direction of the free magnetic layer 4 is difficult to stabilize in the X direction, and Barkhausen noise is generated. There are drawbacks that are likely to occur.
[0011]
The present invention is to solve the above-described conventional problems, and the free magnetic layer is formed such that the horizontal plane of the hard bias layer is close to the free magnetic layer, preferably above the lower surface of the free magnetic layer. An object of the present invention is to provide a spin-valve type thin film element in which the magnetization direction of the layers can be easily aligned in the X direction, and as a result, generation of Barkhausen noise can be reduced.
[0012]
Further, the present invention provides a spin valve type in which a stable bias magnetic field can be generated by forming a buffer film and an alignment film with Cr (chromium) or the like between the bias layer and the antiferromagnetic layer. It aims at providing a thin film element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed by exchange anisotropic coupling with the antiferromagnetic layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer and a free magnetic layer are formed thereon. Are sequentially stacked, a bias layer that is positioned at least on both sides of the free magnetic layer and aligns the magnetization direction of the free magnetic layer in a direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer, a pinned magnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer, In a spin valve thin film element provided with a conductive path for supplying a detection current to the free magnetic layer,
The antiferromagnetic layer extends to regions on both sides of the pinned magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the free magnetic layer, and the upper surface of the antiferromagnetic layer extending on both sides is lower than the lower surface of the pinned magnetic layer. The bias layer is formed on the antiferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer is formed of a PtMn alloy.And
A metal film having a body-centered cubic structure and (100) orientation is formed between the antiferromagnetic layer and the bias layer, and the metal film is made of Cr, Ti, Mo, or W. ₅₀ Mo ₅₀ Formed of any one or more ofIt is characterized by being.
[0014]
Alternatively, in the present invention, a pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed by exchange anisotropic coupling with the antiferromagnetic layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer and a free magnetic layer are formed thereon. A magnetic layer is sequentially stacked, a bias layer positioned at least on both sides of the free magnetic layer and aligning the magnetization direction of the free magnetic layer in a direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer, a pinned magnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer In a spin valve thin film element in which a conductive path for providing a detection current to the layer and the free magnetic layer is provided,
The antiferromagnetic layer extends to regions on both sides of the pinned magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the free magnetic layer, and the upper surface of the antiferromagnetic layer extending on both sides is more than the lower surface of the pinned magnetic layer. The bias layer is formed on the antiferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer is formed of a Pt—Mn—X (X = Ni, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) alloy. BeenAnd
A metal film having a body-centered cubic structure and (100) orientation is formed between the antiferromagnetic layer and the bias layer, and the metal film is made of Cr, Ti, Mo, or W. ₅₀ Mo ₅₀ Formed of any one or more ofIt is characterized by being.
[0015]
further,PreviousA preferable range of the thickness of the metal film is 18 angstroms or more and 55 angstroms or less. A more preferable range of the thickness of the metal film is 20 angstroms or more and 50 angstroms or less.
[0016]
Further, when the overlapping direction of the layers is the detection gap direction, the upper surface parallel to the other layers of the bias layer is preferably located above the lower surface of the free magnetic layer in the detection gap direction. The distance in the detection gap direction between the upper surface of the bias layer and the lower surface of the free magnetic layer is more preferably 60% or more of the film thickness dimension of the free magnetic layer.
[0017]
In the present invention, an antiferromagnetic layer as a lower layer extends on both sides of the fixed magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the free magnetic layer, and the hard bias layer is formed on the antiferromagnetic layer. Therefore, even if the film thickness of the antiferromagnetic layer is large, the hard bias layer can be formed at a position higher than the conventional position and close to the free magnetic layer, and the upper surface parallel to the other layers of the hard bias layer. That is, the horizontal surface 6 ′ (the portion h1 in FIG. 4) can be positioned above the lower surface of the free magnetic layer.
[0018]
A portion of the horizontal plane 6 ′ of the hard bias layer is brought close to the free magnetic layer, and more preferably, the horizontal plane 6 ′ of the hard bias layer is formed at a position above the lower surface of the free magnetic layer. On the other hand, a strong bias magnetic field can be applied in the horizontal direction (longitudinal bias direction; X direction). Therefore, the free magnetic layer is easily made into a single magnetic domain in the direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer as compared with the conventional case, and the generation of Barkhausen noise can be reduced.
[0019]
PreviousUnder the bias layer, a metal film made of Cr having a body-centered cubic structure and (100) orientation is formed as a buffer film and an orientation film.BecauseThus, the coercive force and the squareness ratio of the bias layer are increased, and the bias magnetic field for making the magnetization of the free magnetic layer into a single magnetic domain in the direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer can be increased. Further, if the thickness of the metal film is in the range of 18 to 55 angstroms, the generation of Barkhausen noise can be further reduced. Furthermore, if the thickness of the metal film is in the range of 20 to 50 angstroms, the generation of Barkhausen noise can be further reduced.
[0020]
The thin film magnetic head of the present invention uses the above-described spin valve thin film element of the present invention.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a spin valve thin film element of the present invention. In FIG. 1, only the central portion of the element extending in the X direction is shown broken.
[0022]
This thin film magnetic head is provided at the trailing end of a floating slider provided in a hard disk device and detects a recording magnetic field of a hard disk or the like. The moving direction of a magnetic recording medium such as a hard disk is the Z direction. The direction of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium is the Y direction.
[0023]
The bottom layer of FIG. 1 is an underlayer 7 made of a nonmagnetic material such as Ta (tantalum). On the underlayer 7, an antiferromagnetic layer 1 made of PtMn (platinum-manganese) alloy and a pinned magnetic layer (pinned magnetic layer) 2 made of FeNi (iron-nickel) alloy are laminated. A nonmagnetic conductive layer 3 such as Cu (copper) having a low electric resistance is formed on the pinned magnetic layer 2, a free magnetic layer 4 of FeNi alloy is formed on the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer A protective layer 8 such as Ta (tantalum) is formed on 4. The pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer 4 are formed to be thinner than the antiferromagnetic layer 1. For example, the pinned magnetic layer 2 has a thickness of 40 Å, the nonmagnetic conductive layer 3 has a thickness of 25 Å, and the free magnetic layer 4 has a thickness of about 80 Å, while the antiferromagnetic layer 1 has a thickness of 300 Å. Degree.
[0024]
In a state where the antiferromagnetic layer 1 and the pinned magnetic layer 2 are laminated, heat treatment is performed in a magnetic field having a predetermined magnitude, thereby obtaining an exchange anisotropic magnetic field at the interface between the two layers. The magnetization direction of the magnetic layer is fixed in a single domain in the Y direction.
[0025]
In the present invention, a PtMn alloy is used for the antiferromagnetic layer 1. However, the PtMn alloy can be expected to have the following effects as compared with a conventionally used FeMn alloy.
[0026]
First, PtMn alloy is superior to FeMn alloy in corrosion resistance, and corrosion does not proceed at all in various solvents and cleaning agents in the manufacturing process of the spin valve thin film element, and the spin valve type in a harsh environment. The operation of the thin film element is also chemically stable.
[0027]
In addition, the PtMn alloy has a higher blocking temperature than the FeMn alloy. Therefore, even when the temperature during the operation of the thin film magnetic head is increased, a stable exchange anisotropic magnetic field can be generated, and the reading accuracy is stabilized.
[0028]
Furthermore, a sufficient exchange anisotropy magnetic field can be obtained even when the heat treatment temperature after film formation of the PtMn alloy is 230 ° C. or lower. When the heat treatment temperature is 250 ° C. or more, diffusion is likely to occur at the interface between the nonmagnetic conductive layer 3, the pinned magnetic layer 2, and the free magnetic layer 4. However, by using a PtMn alloy, the diffusion can be performed in advance. Can be prevented.
[0029]
Further, the above effect can be obtained even when a PdMn (palladium-manganese) alloy or a Pt—Mn—X (X = Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) alloy is used instead of the PtMn alloy. It is possible to obtain.
[0030]
Further, even if the pinned magnetic layer 2 is formed of Co (cobalt), Fe—Co (iron-cobalt) alloy, or Fe—Co—Ni (iron-cobalt-nickel) alloy instead of the FeNi alloy, the antiferromagnetic layer may be used. An exchange anisotropic magnetic field can be obtained at the interface with 1. The free magnetic layer 4 can also be formed of these magnetic materials.
[0031]
In this laminated body manufacturing method, after the six layers from the underlayer 7 to the protective layer 8 are formed by sputtering, the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, the free magnetic layer 4 and the protective film 8 are coated with X. It is left in the center of the direction, and both side portions thereof are removed by a dry etching process such as ion milling or a combination of this and wet etching. At this time, the antiferromagnetic layer 1 is also cut off at the depth dimension d1 under the influence of etching. As a result, both sides of the layers from the pinned magnetic layer 2 to the protective film 8 become inclined surfaces having an angle θ1, and inclined surfaces 1 ′ and 1 ′ are also formed in the etched portions on both sides of the antiferromagnetic layer 1. The By cutting away both side portions of the antiferromagnetic layer 1, it is possible to prevent the pinned magnetic layer 2 from remaining in the portion where the metal film 5 is formed.
[0032]
Reference numeral 5 denotes a metal film serving as a buffer film and an alignment film formed of Cr (chromium) or the like. The film is formed from the upper surface of the region T 1 to the inclined surface 1 ′ of the antiferromagnetic layer 1 and the side surfaces of the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer 4.
[0033]
Then, a hard bias layer 6 made of a CoPt (cobalt-platinum) alloy or the like is formed on the metal film 5. As shown in the figure, the surface of the hard bias layer 6 is formed with a horizontal surface 6 'which is an upper surface parallel to the other layers, and an inclined surface 6 "formed along the inclined surface of the angle θ1. The horizontal plane 6 'is formed above the lower surface 4' of the free magnetic layer 4. That is, when the Z direction, which is the overlapping direction of the layers, is taken as the detection gap direction, 6 ′ is located above the lower surface 4 ′ of the free magnetic layer 4 in the detection gap direction.
[0034]
In particular, when the distance (overlap amount) in the front detection gap direction from the lower surface 4 'of the free magnetic layer 4 to the horizontal plane 6' is d2, and the film thickness of the free magnetic layer 4 is d3, the distance is obtained from d2 / d3. The overlap ratio is preferably 60% or more. In the present invention, since the hard bias layer 6 is formed on the thick antiferromagnetic layer 1 with the metal film 5 interposed therebetween, the horizontal plane 6 can be obtained even if the hard bias layer 6 has a small thickness h1. 'Can be brought close to the lower surface 4' of the free magnetic layer 4, and preferably formed above the lower surface 4 '.
[0035]
In this way, a part of the hard bias layer 6 in the h1 portion having a large volume is located on both sides of the free magnetic layer 4 so as to face or be in contact with both side surfaces of the free magnetic layer 4. A strong bias magnetic field in the X direction generated from the side of the magnetic field is applied to the free magnetic layer 4, and the magnetization direction of the free magnetic layer 4 is easily made into a single magnetic domain in the X direction. Therefore, Barkhausen noise is less likely to occur, and the accuracy of reproduction / recording on the recording medium is improved.
[0036]
Here, the role of the metal film 5 will be described.
Cr forming the metal film 5 has a body-centered cubic structure (bcc) and a (100) orientation, and the CoPt alloy forming the hard bias layer has a face-centered cubic structure (fcc). ) And a dense hexagonal structure (hcp).
[0037]
Here, since the lattice constant of Cr and the lattice constant of hcp of the CoPt alloy are close to each other, the CoPt alloy is difficult to form the fcc structure and is easily formed with the hcp structure. At this time, the c-axis of hcp is preferentially oriented within the CoPt alloy-Cr interface. Since hcp produces a larger magnetic anisotropy in the c-axis direction than fcc, the coercive force Hc when a magnetic field is applied to the hard bias layer is increased. Further, since the c axis of hcp is preferentially oriented in the CoPt alloy-Cr interface, the residual magnetization (Br) increases, and the squareness ratio S obtained by the residual magnetization (Br) / saturation magnetic flux density (Bs) is Great value. As a result, the bias magnetic field generated from the hard bias layer can be increased, and the free magnetic layer 4 can be easily made into a single magnetic domain.
[0038]
The thickness of the metal film 5 is preferably in the range of 18 angstroms to 55 angstroms, more preferably in the range of 20 angstroms to 50 angstroms. If the metal film 5 is formed within this range, the generation of Barkhausen noise is significantly reduced. If the thickness of the metal film 5 is larger than the above range, the hard magnetic bias layer 6 and the free magnetic layer are affected by the influence of the metal film 5 interposed between the side surface in the X direction of the free magnetic layer 4 and the hard bias layer 6. 4 is reduced. On the other hand, when the thickness of the metal film 5 is smaller than the above range, the antiferromagnetic layer 1 and the hard bias layer 6 cause exchange coupling, and the magnetizations of both layers are influenced by each other. The orthogonality between the magnetization direction and the magnetization direction of the hard bias layer 6 is lowered.
[0039]
As the metal film 5 having a body-centered cubic structure (bcc) and a (100) orientation, Ti (titanium), W (tungsten), Mo (molybdenum), or W50Mo50 (50, 50 is other than Cr). at%) of any one or more of them. The hard bias layer 6 may be formed of a Co—Cr—Ta (cobalt-chromium-tantalum) alloy in addition to the CoPt alloy.
[0040]
On the hard bias layers 6 and 6,

intermediate layers

9 and 9 made of a nonmagnetic material such as Ta (tantalum) are formed. On the

intermediate layers

9 and 9, W (tungsten) and Cu ( Conductive layers 10 and 10 formed of copper) or the like are formed.
[0041]
In the spin valve thin film element described above, a steady current (detected current) is applied from the conductive layer 10 to the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer 4, and a magnetic field is applied from the recording medium in the Y direction. As a result, the magnetization direction of the free magnetic layer 4 changes from the X direction to the Y direction. At this time, electrons that are going to move from one of the free magnetic layer 4 and the pinned magnetic layer 2 to the other are the interfaces between the nonmagnetic conductive layer 3 and the pinned magnetic layer 2 or the nonmagnetic conductive layer 3 and the free magnetic layer. Scattering occurs at the interface with the layer 4, and the electrical resistance changes. Accordingly, the steady current changes and a detection output can be obtained.
[0042]
In the present invention, the hard bias layer 6 is formed from the surface of the antiferromagnetic layer 1 to the sides of the pinned magnetic layer 2, the nonmagnetic conductive layer 3, and the free magnetic layer 4. The contact area with the four layers from the ferromagnetic layer 1 to the free magnetic layer 4 can be increased, and therefore the direct current resistance (DCR) of the spin valve thin film element can be reduced. For this reason, a detection output becomes large and reading accuracy is stabilized.
[0043]
【Example】
A spin-valve thin film element having the shape shown in FIG. 1 was manufactured and measured for Barkhausen noise.
[0044]
First, an experiment was conducted on the relationship between the thickness of the metal film 5 and Barkhausen noise. The material and film thickness of the layers 1 to 8 in FIG. 1 in the experiment will be described below.
[0045]
The antiferromagnetic layer 1 was formed of a PtMn (platinum-manganese) alloy and had a thickness of 300 angstroms. However, since the depth d1 of cutting was 100 angstroms, the film thickness of the antiferromagnetic layer 1 in the width dimension T1 was 200 angstroms.
[0046]
The pinned magnetic layer 2 was formed of a FeNi (iron-nickel) alloy and had a thickness of 40 angstroms.
[0047]
The nonmagnetic conductive layer 3 was made of Cu (copper) and had a thickness of 25 angstroms.
The free magnetic layer 4 was formed of an FeNi (iron-nickel) alloy and had a thickness of 80 Å.
[0048]
The hard bias layer 6 was formed of a CoPt (cobalt-platinum) alloy, and the film thickness h1 of the horizontal plane 6 'was 300 angstroms.
[0049]
The underlayer 7 is made of Ta (tantalum) and has a thickness of 40 angstroms.
The protective film 8 is made of Ta (tantalum) and has a thickness of 50 angstroms.
[0050]
The intermediate layer 9 was made of Ta (tantalum), and the conductive layer 10 was made of Cr (chromium).
[0051]
The angle θ1 between the vertical direction in the figure and the inclined surface formed on the side portion of the protective layer 8 from the pinned magnetic layer 2 was 20 °.
[0052]
The metal film 5 is formed of Cr (chromium), and the film thicknesses are 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, and 70 angstroms. The number of thin-film magnetic heads in each of the magnetic heads was examined for the remarkable Barkhausen noise. The results are shown in Table 1.
[0053]
[Table 1]

[0054]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the film thickness of the metal film 5 created based on Table 1 and the occurrence rate of Barkhausen noise.
[0055]
As shown in the figure, the Barkhausen noise generation rate gradually decreases as the thickness of the metal film 5 increases. When the film thickness is about 35 Å, the Barkhausen noise generation rate is the smallest. When the film thickness exceeds 35 angstroms, the Barkhausen noise generation rate gradually increases. From this experimental result, it was confirmed in the present invention that the Barkhausen noise generation rate can be suppressed to 20% or less when the thickness of the metal film 5 is 18 angstroms to 55 angstroms.
[0056]
Furthermore, if the thickness of the metal film 5 is 20 angstroms to 50 angstroms, it is more preferable that the Barkhausen noise generation rate can be suppressed to 10% or less.
[0057]
When the metal film 5 is 18 angstroms or less, the Barkhausen noise generation rate is large because exchange coupling occurs at the interface between the CoPt film of the hard bias layer 6 and the PtMn film of the antiferromagnetic layer 1. This is probably because the bias layer is less likely to be a single domain in the X direction, and it is difficult to align the magnetization of the free magnetic layer 4 in the X direction.
[0058]
When the metal film 5 is 55 angstroms or more, the Barkhausen noise generation rate increases because the film thickness of the metal film 5 interposed between the hard bias layer 6 and the free magnetic layer 4 becomes too thick. This is presumably because the bias magnetic field from the layer 6 is less likely to be applied to the free magnetic layer 4 and the magnetization of the free magnetic layer 4 is not aligned in the X direction.
[0059]
Next, by changing the film thickness of the hard bias layer 6, the ratio (d2 / d3) of the overlap amount d2 between the hard bias layer 6 and the free magnetic layer 4 and the film thickness d3 of the free magnetic layer 4 is determined. The relationship with the amount of noise was investigated.
[0060]
The film thickness of the metal film 5 was fixed at 30 angstroms, and the materials and film thicknesses of the layers other than the hard bias layer 6 were as described above.
[0061]
The film thickness of the hard bias layer 6 is such that the ratio of overlap amount (d2 / d3) is 100%, 80%, 60%, 40%, 20%, and the thin film magnetism with the respective overlap amount ratios. Twenty heads were manufactured, and the number of thin-film magnetic heads out of the 20 was examined to determine whether significant Barkhausen noise occurred.
[0062]
[Table 2]

[0063]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the overlap ratio (d2 / d3) created based on Table 2 and the Barkhausen noise generation rate.
[0064]
As shown in FIG. 3, it can be seen that the Barkhausen noise generation rate decreases as the overlap ratio (%) increases. In particular, when the ratio (%) of the overlap amount is 60% or more, the Barkhausen noise generation rate can be suppressed to 20% or less. Furthermore, by setting the ratio (%) of the overlap amount to 80% or more, the occurrence rate of Barkhausen noise can be suppressed to 10% or less, which is more preferable.
[0065]
When the ratio (%) of the overlap amount is small, Barkhausen noise is likely to occur. The bias magnetic field from the hard bias layer 6 is difficult to be applied to the free magnetic layer 4, and the magnetization of the free magnetic layer 4 is X This is because it becomes difficult to align in the direction.
[0066]
【The invention's effect】
According to the present invention described in detail above, by forming a bias layer for applying a bias magnetic field to the free magnetic layer on the antiferromagnetic layer, the hard bias layer having a horizontal plane can be easily brought close to the side surface of the free magnetic layer. It is easy to apply a strong bias magnetic field to the free magnetic layer. For this reason, it becomes easy to align the magnetization of the free magnetic layer with the magnetization direction of the pinned magnetic layer, and as a result, generation of Barkhausen noise can be reduced.
[0067]
In particular, when the thickness of the free magnetic layer is d3 and the thickness of the bias layer from the bottom surface of the free magnetic layer to the horizontal portion of the bias layer is d2, the ratio of the overlap amount obtained from d2 / d3 is 60%. If it is above, the generation of Barkhausen noise can be further suppressed.
[0068]
In addition, a coercive force and a squareness ratio of the bias layer are increased by forming a buffer film and an alignment film having a body-centered cubic (bcc) crystal structure under the bias layer, which is necessary for making a free magnetic layer into a single magnetic domain. In particular, when the thickness of the buffer film and the alignment film is within the range of 18 to 55 angstroms, a strong bias magnetic field can be applied to the free magnetic layer, and more Barkhausen noise can be obtained. Can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a spin valve thin film element of the present invention,
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the buffer film and the alignment film and the Barkhausen noise generation rate;
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the ratio of overlap amount and the Barkhausen noise occurrence rate;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional spin valve thin film element;
[Explanation of symbols]
1 Antiferromagnetic layer
2 Fixed magnetic layer
3 Nonmagnetic conductive layer
4 Free magnetic layer
5 Metal film (buffer film and alignment film)
6 Hard bias layer

Claims

A pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed by exchange anisotropic coupling with the antiferromagnetic layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer and a free magnetic layer are sequentially stacked thereon. A bias layer that is positioned at least on both sides of the free magnetic layer and aligns the magnetization direction of the free magnetic layer in a direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer; a pinned magnetic layer, a nonmagnetic conductive layer, and a free magnetic layer; In a spin valve thin film element provided with a conductive path for providing a detection current,
The antiferromagnetic layer extends to regions on both sides further than the pinned magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the free magnetic layer, and the upper surface of the antiferromagnetic layer extending on both sides is lower than the lower surface of the pinned magnetic layer. The bias layer is formed on the antiferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer is formed of a PtMn alloy ,
A metal film having a body-centered cubic structure and (100) orientation is formed between the antiferromagnetic layer and the bias layer, and the metal film is any one of Cr, Ti, Mo, and W ₅₀ Mo _50. A spin-valve type thin film element characterized by being formed of seeds or more .

A pinned magnetic layer whose magnetization direction is fixed by exchange anisotropic coupling with the antiferromagnetic layer is formed on the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic conductive layer and a free magnetic layer are sequentially stacked thereon. A bias layer that is positioned at least on both sides of the free magnetic layer and aligns the magnetization direction of the free magnetic layer in a direction crossing the magnetization direction of the pinned magnetic layer; a pinned magnetic layer, a nonmagnetic conductive layer, and a free magnetic layer; In a spin valve thin film element provided with a conductive path for providing a detection current,
The antiferromagnetic layer extends to regions on both sides of the pinned magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the free magnetic layer, and the upper surface of the antiferromagnetic layer extending on both sides is more than the lower surface of the pinned magnetic layer. The bias layer is formed on the antiferromagnetic layer at a low position, and the antiferromagnetic layer is formed of a Pt—Mn—X (X = Ni, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) alloy. Has been
A metal film having a body-centered cubic structure and (100) orientation is formed between the antiferromagnetic layer and the bias layer, and the metal film is any one of Cr, Ti, Mo, and W ₅₀ Mo _50. A spin-valve type thin film element characterized by being formed of seeds or more .

The spin valve thin film element according to claim 1 or 2 , wherein the metal film has a thickness of 18 angstroms or more and 55 angstroms or less.

4. The spin valve thin film element according to claim 3 , wherein the metal film has a thickness of 20 angstroms or more and 50 angstroms or less.

When the overlapping direction of the layers was detected gap direction, parallel to the upper surface and other layers of the bias layer, claims 1 and above the inlet in the detection gap direction than the lower surface of the free magnetic layer 4 The spin valve thin film element according to any one of the above.

6. The spin valve thin film element according to claim 5 , wherein the distance in the detection gap direction between the upper surface of the bias layer and the lower surface of the free magnetic layer is 60% or more of the film thickness dimension of the free magnetic layer.

A thin-film magnetic head using the spin-valve type thin-film element according to any one of claims 1 to 6 .