JP2001176030A - スピンバルブ型薄膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッド - Google Patents

スピンバルブ型薄膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッド

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JP2001176030A JP36195599A JP36195599A JP2001176030A JP 2001176030 A JP2001176030 A JP 2001176030A JP 36195599 A JP36195599 A JP 36195599A JP 36195599 A JP36195599 A JP 36195599A JP 2001176030 A JP2001176030 A JP 2001176030A
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正路 斎藤
Kenichi Tanaka
健一 田中
Yosuke Ide
洋介 井出
Naoya Hasegawa
直也 長谷川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部磁界の検出感度を高くするとともに、シ
ャントロスの発生を抑えて磁気抵抗変化率を高くできる
スピンバルブ型薄膜磁気素子を提供する。 【解決手段】 反強磁性層２１と、反強磁性層２１に接
し、反強磁性層２１との交換結合磁界により磁化方向が
固定された固定磁性層３０と、固定磁性層３０に接する
非磁性導電層２９と、非磁性導電層２９に接するフリー
磁性層５０とを備え、フリー磁性層５０が非磁性中間層
２９と非磁性中間層２９を挟む第１、第２フリー磁性層
５１、５２からなり、第１、第２フリー磁性層５１、５
２が反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とされ、第
１、第２フリー磁性層５１、５２のいずれか一方が強磁
性絶縁膜を含んでなることを特徴とするスピンバルブ型
薄膜磁気素子１を採用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピンバルブ型薄
膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッドに関するものであり、特
に、外部磁界の検出感度と磁気抵抗変化率がともに高い
スピンバルブ型薄膜磁気素子及び薄膜磁気ヘッドに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】磁気抵抗効果型の磁気ヘッドには、磁気
抵抗効果を示す素子を備えたＭＲ（Magnetoresistive）
ヘッドと巨大磁気抵抗効果を示す素子を備えたＧＭＲ
（GiantMagnetoresistive）ヘッドとがある。ＭＲヘッ
ドにおいては、磁気抵抗効果を示す素子が磁性体からな
る単層構造とされている。一方、ＧＭＲヘッドにおいて
は、磁気抵抗効果を示す素子が複数の材料が積層されて
なる多層構造とされている。巨大磁気抵抗効果を生み出
す構造にはいくつかの種類があるが、比較的構造が単純
で、外部磁界に対して抵抗変化率が高いものとしてスピ
ンバルブ型薄膜磁気素子がある。最近では、磁気記録密
度の高密度化の要求が一段と高まっており、高記録密度
化に対応可能なスピンバルブ型薄膜磁気素子への注目が
高まっている。
【０００３】そこで、従来のスピンバルブ型薄膜磁気素
子を図面を参照して説明する。図３１に、従来のスピン
バルブ型薄膜磁気素子３０１を磁気記録媒体側からみた
断面模式図を示す。
【０００４】このスピンバルブ型薄膜磁気素子３０１の
上下には、ギャップ層を介してシールド層が形成されて
おり、スピンバルブ型薄膜磁気素子３０１、ギャップ層
及びシールド層で、再生用の薄膜磁気ヘッドが構成され
ている。また、前記薄膜磁気ヘッドの上に、記録用のイ
ンダクティブヘッドが積層されていてもよい。この薄膜
磁気ヘッドは、インダクティブヘッドと共に浮上式スラ
イダのトレーリング側端部などに設けられて薄膜磁気ヘ
ッドを構成し、ハードディスク等の磁気記録媒体の記録
磁界を検出するものである。なお、図３１において、図
示Ｚ方向は磁気記録媒体の移動方向であり、図示Ｙ方向
は磁気記録媒体からの漏れ磁界の方向であり、図示Ｘ1
方向はスピンバルブ型薄膜磁気素子３０１のトラック幅
方向である。
【０００５】図３１に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
３０１は、反強磁性層３０３、固定磁性層３０４、非磁
性導電層３０５及びフリー磁性層３１１が順次積層され
てなるボトム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子
である。図３１において符号３００はＡｌ2Ｏ3などによ
り形成された絶縁層を示し、符号３０２は、絶縁層３０
０上に積層されたＴａなどからなる下地層を示してい
る。この下地層３０２の上に反強磁性層３０３、固定磁
性層３０４、Ｃｕなどにより形成された非磁性導電層３
０５、フリー磁性層３１１が順次積層され、フリー磁性
層３１１の上にＴａなどにより形成されたキャップ層３
２０が積層されている。このように、下地層３０２から
キャップ層３２０までの各層が順次積層されてトラック
幅に対応する幅を有する断面視略台形状の積層体３２１
が構成されている。
【０００６】固定磁性層３０４は、例えばＣｏにより形
成されるもので、反強磁性層３０３に接して積層され、
固定磁性層３０４と反強磁性層３０３との界面において
交換結合磁界（交換異方性磁界）が発生し、固定磁性層
３０４の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されている。
【０００７】フリー磁性層３１１は、非磁性中間層３０
９と、非磁性中間層３０９を挟む第１フリー磁性層３１
０と第２フリー磁性層３０８から構成されている。第１
フリー磁性層３１０は、非磁性中間層３０９よりキャッ
プ層３２０側に設けられ、第２フリー磁性層３０８は、
非磁性中間層３０９より非磁性導電層３０５側に設けら
れている。また、第１フリー磁性層３１０の厚さは、第
２フリー磁性層３０８の厚さよりも若干厚くなってい
る。そして、第１フリー磁性層３１０と第２フリー磁性
層３０８は相互に反強磁性的に結合してフェリ磁性状態
となっている。
【０００８】第１フリー磁性層３１０は、ＮｉＦｅ合金
等の強磁性導電膜により形成され、非磁性中間層３０９
は、Ｒｕ等の非磁性の導電性材料により形成されてい
る。また、第２フリー磁性層３０８は、拡散防止膜３０
６と強磁性膜３０７とから構成されている。拡散防止膜
３０６及び強磁性膜３０７はいずれも強磁性導電膜であ
り、拡散防止膜３０６は例えばＣｏから形成され、強磁
性膜３０７はＮｉＦｅ合金から形成されている。拡散防
止膜３０６は、強磁性膜３０７と非磁性導電層３０５と
の相互拡散を防止し、非磁性導電層３０５の界面で生じ
るＧＭＲ効果（ΔＭＲ）を大きくするために設けられた
ものである。
【０００９】また、第１フリー磁性層３１０及び第２フ
リー磁性層３０８は、相互に反強磁性的に結合している
ため、第１フリー磁性層３１０の磁化方向がバイアス層
３３２、３３２によって図示Ｘ1方向に揃えられると、
第２フリー磁性層３０８の磁化方向が図示Ｘ1方向の反
対方向に揃えられる。このとき、第１フリー磁性層３１
０の磁化が残存した状態となり、フリー磁性層３１１全
体の磁化方向が図示Ｘ 1方向に揃えられる。このよう
に、第１フリー磁性層３１０と第２フリー磁性層３０８
は、それぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強
磁性的に結合していることから、フリー磁性層３１１は
人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri free;シン
セティックフェリフリー）とされている。またこれによ
り、フリー磁性層３１１の磁化方向と固定磁性層３０４
の磁化方向とが交差する関係となる。
【００１０】積層体３２１の両側には、バイアス層３３
２、３３２が形成されている。このバイアス層３３２、
３３２は、第１フリー磁性層３１０の磁化方向を図示Ｘ
1方向に揃えてフリー磁性層３１１を単磁区化させ、フ
リー磁性層３１１のバルクハウゼンノイズを抑制する。
【００１１】なお、符号３３４、３３４はＣｕなどで形
成された電極層を示している。この電極層は３３４、３
３４は積層体３２１にセンス電流（検出電流）を印加す
る。また、バイアス層３３２と絶縁層３００との間、及
び、バイアス層３３２と積層体３２１との間には、例え
ばＣｒからなるバイアス下地層３３１が設けられ、バイ
アス層３３２と電極層３３４との間には、例えばＴａ若
しくはＣｒからなる中間層３３３が設けられている。
【００１２】このスピンバルブ型薄膜磁気素子３０１で
は、ハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界によ
って、図示Ｘ1方向に揃えられたフリー磁性層３１１の
磁化方向が変動すると、図示Ｙ方向に固定された固定磁
性層３０４の磁化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、記録媒体から
の洩れ磁界が検出される。
【００１３】またフリー磁性層３１１は、相互に反強磁
性的に結合する第１、第２フリー磁性層３１０、３０８
から構成され、フリー磁性層３１１全体の磁化方向が僅
かな大きさの外部磁界によって変動するので、スピンバ
ルブ型薄膜磁気素子３０１の感度が高くなる。特に、第
１、第２フリー磁性層３１０、３０８の膜厚等を適宜調
整することによって、フリー磁性層３１１の実効膜厚を
小さくすることが可能となり、これによりフリー磁性層
の磁化方向が僅かな大きさの外部磁界により容易に変動
するため、スピンバルブ型薄膜磁気素子３０１の感度が
高くなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のスピ
ンバルブ型薄膜磁気素子３０１においては、フリー磁性
層３１１が第１、２フリー磁性層３１０、３０８及び非
磁性中間層３０９の３層の積層構造とされているため、
積層体３２１自体が厚くなってセンス電流の分流が生
じ、これにより非磁性導電層３０５を流れる伝導電子が
減少し、スピンバルブ型薄膜磁気素子３０１の磁気抵抗
変化率が減少するいわゆるシャントロスが発生する問題
があった。
【００１５】スピンバルブ型薄膜磁気素子のシャントロ
スを低減するにはフリー磁性層を単層構造として積層体
の厚さを低減することが有効であるが、こうした場合に
は外部磁界に対応したフリー磁性層の磁化方向の変動が
鈍化し、外部磁界の検出感度が低下してしまうという課
題があった。
【００１６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、外部磁界の検出感度を高くするとともに、シャ
ントロスの発生を抑えて磁気抵抗変化率を高くすること
が可能なスピンバルブ型薄膜磁気素子を提供するととも
に、このスピンバルブ型薄膜磁気素子を具備してなる薄
膜磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明のスピン
バルブ型薄膜磁気素子は、反強磁性層と、該反強磁性層
に接して形成されて前記反強磁性層との交換結合磁界に
より磁化方向が固定された固定磁性層と、該固定磁性層
に接する非磁性導電層と、該非磁性導電層に接するフリ
ー磁性層とを備え、前記フリー磁性層が非磁性中間層と
該非磁性中間層を挟む第１、第２フリー磁性層からな
り、前記第２フリー磁性層が前記非磁性導電層に接する
とともに前記第１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とされ、前記第１、第２フリー磁
性層のいずれか一方が強磁性絶縁膜を含んでなることを
特徴とする。
【００１８】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子におい
て、第１フリー磁性層に強磁性絶縁膜が含まれる場合に
は、第１フリー磁性層の比抵抗が高くなって、第１フリ
ー磁性層に検出電流が流れにくくなるので、検出電流の
分流が抑制されてシャントロスが低減され、スピンバル
ブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を高くすることが可
能になる。また、この強磁性絶縁膜は比抵抗が高いた
め、低比抵抗な他の層と接した場合にその界面にてポテ
ンシャル障壁を形成するので、アップスピンの伝導電子
を鏡面反射させてアップスピンの伝導電子の平均自由行
程を延ばすことができるので、スピンバルブ型薄膜磁気
素子の磁気抵抗変化率をより高くすることができる。
【００１９】また、かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子
において、第２フリー磁性層に強磁性絶縁膜が含まれる
場合には、強磁性絶縁膜によりアップスピンの伝導電子
を鏡面反射させてアップスピンの伝導電子の平均自由行
程を延ばすとともに、アップスピンの伝導電子を非磁性
導電層近傍に閉じこめることにより、センス電流の分流
を抑制してシャントロスを低減できるので、スピンバル
ブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率をより高くすること
ができる。
【００２０】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子にお
いては、前記第１フリー磁性層が前記強磁性絶縁膜のみ
からなるものであっても良く、前記第１フリー磁性層が
第１強磁性導電膜のみからなるものであっても良い。
【００２１】特に、前記第１フリー磁性層が、前記強磁
性絶縁膜と第１強磁性導電膜とが積層されてなるととも
に、該第１強磁性導電膜が前記非磁性中間層に接し、か
つ前記強磁性絶縁膜と前記第１強磁性導電膜とが強磁性
的に結合してフェロ磁性状態とされていることが好まし
く、このときの第１強磁性導電膜の厚さｓは０ｎｍ＜ｓ
≦３．０ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００２２】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子におい
ては、第１フリー磁性層を構成する強磁性絶縁膜と第１
強磁性導電膜とがフェロ磁性状態とされているので、第
１フリー磁性層全体の磁化方向を一方向に揃えることが
でき、この第１フリー磁性層が第２フリー磁性層と反強
磁性的に結合してフェリ磁性状態を形成するので、外部
磁界の検出感度を高くすることができる。また、第１強
磁性導電膜が非磁性中間層に接しているので、第１フリ
ー磁性層と第２フリー磁性層を確実に反強磁性的に結合
させてフェリ磁性状態とすることができ、外部磁界の検
出感度を高くすることができる。またこの場合に第１強
磁性導電膜の厚さｓを０ｎｍ＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲と
すれば、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層を確実に
反強磁性的に結合させることができる。
【００２３】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子においては、前記第２フリー磁性層が前記強磁性絶縁
膜のみからなるものでもよく、前記第２フリー磁性層が
第２強磁性導電膜のみからなるものであってもよい。
【００２４】特に、前記第２フリー磁性層が、前記強磁
性絶縁膜と第２強磁性導電膜とが積層されてなるととも
に、該第２強磁性導電膜が前記非磁性中間層に接し、か
つ前記強磁性絶縁膜と前記第２強磁性導電膜とが強磁性
的に結合してフェロ磁性状態とされていることが好まし
い。
【００２５】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子によれ
ば、第２フリー磁性層を構成する強磁性絶縁膜と第２強
磁性導電膜とがフェロ磁性状態とされているので、第２
フリー磁性層全体の磁化方向を一方向に揃えることがで
き、この第２フリー磁性層が第１フリー磁性層と反強磁
性的に結合してフェリ磁性状態を形成するので、外部磁
界の検出感度を高くすることができる。また、第２強磁
性膜が非磁性中間層に接しているので、第１フリー磁性
層と第２フリー磁性層とが反強磁性的に結合して確実に
フェリ磁性状態とすることができ、外部磁界の検出感度
を高くすることができる。
【００２６】また、前記第２フリー磁性層が、前記強磁
性絶縁膜と第３強磁性導電膜とが積層されてなるととも
に、該第３強磁性導電膜が前記非磁性導電層に接し、か
つ前記強磁性絶縁膜と前記第３強磁性導電膜とが強磁性
的に結合してフェロ磁性状態とされていても良い。
【００２７】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子によれ
ば、第２フリー磁性層を構成する強磁性絶縁膜と第３強
磁性導電膜とがフェロ磁性状態とされているので、第２
フリー磁性層全体の磁化方向を一方向に揃えることがで
き、この第２フリー磁性層が第１フリー磁性層と反強磁
性的に結合してフェリ磁性状態を形成するので、外部磁
界の検出感度を高くすることができる。また、第３強磁
性導電膜が非磁性導電層に接しているので、これら第３
強磁性導電膜と非磁性導電層との界面においてより大き
な巨大磁気抵抗効果を発現させることができ、スピンバ
ルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を高くすることが
できる。
【００２８】また、前記第２フリー磁性層が、前記強磁
性絶縁膜と該強磁性絶縁膜を挟む前記第２、第３強磁性
導電膜とからなるとともに、これらが強磁性的に結合し
てフェロ磁性状態とされているものであっても良い。
【００２９】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子によれ
ば、第２フリー磁性層を構成する強磁性絶縁膜と第２、
第３強磁性導電膜とがフェロ磁性状態とされているの
で、第２フリー磁性層全体の磁化方向を一方向に揃える
ことができ、この第２フリー磁性層が第１フリー磁性層
と反強磁性的に結合してフェリ磁性状態を形成するの
で、外部磁界の検出感度を高くすることができる。ま
た、第２強磁性膜が非磁性中間層に接しているので、第
１フリー磁性層と第２フリー磁性層とが反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とすることができ、外部磁界の検
出感度を高くすることができる。更に、第３強磁性導電
膜が非磁性導電層に接しているので、これら第３強磁性
導電膜と非磁性導電層との界面においてより大きな巨大
磁気抵抗効果を発現させることができ、スピンバルブ型
薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を高くすることができ
る。
【００３０】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、先に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子であっ
て、前記強磁性絶縁膜が、強磁性絶縁酸化膜または強磁
性絶縁窒化膜であることを特徴とする。
【００３１】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、先に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子であっ
て、前記強磁性絶縁膜が、Ｆｅ−Ｏで構成され、あるい
はＭ−Ｆｅ−Ｏ（ただし元素Ｍは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうちの少なくとも
１種以上である）で構成されるフェライトからなる強磁
性絶縁酸化膜であることを特徴とする。また、前記元素
Ｍとして、ＭｎとＺｎ、あるいはＮｉとＺｎが選択され
ることが好ましい。また、このフェライトからなる強磁
性絶縁膜の比抵抗は、１０μΩ・ｍ（１Ω・ｃｍ）以上
であることが好ましい。更にこのフェライトからなる強
磁性絶縁膜の飽和磁束密度は、０．２Ｔ以上であること
が好ましい。
【００３２】そして、このフェライトからなる強磁性絶
縁膜の組成は、下記の式により表されるものであること
が好ましい。 ＦｅxＭyＯz ただし、上記Ｍは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂａ、Ｓｒ、
Ｙ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうちの少なくとも１種以上の元
素であり、組成比を示すｘ、ｙ、ｚは原子％で、２０≦
ｘ≦４０、１０≦ｙ≦２０、４０≦ｚ≦７０である。
【００３３】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、先に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子であっ
て、前記強磁性絶縁膜が、平均結晶粒径１０ｎｍ以下の
ｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素Ｔまたは元素Ｔ’
とＯを多量に含む非晶質相（ただし元素Ｔは希土類元素
のうち少な くとも一種以上の元素を表し、元素Ｔ’は
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗのうちの１種以
上の元素を表す）とが混在され、全組織に占めるｂｃｃ
構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以下である強磁性
絶縁酸化膜であることを特徴とする。
【００３４】上記の強磁性絶縁酸化膜が、平均結晶粒径
１０ｎｍ以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素Ｔ
とＯを多量に含む非晶質相とが混在され、全組織に占め
るｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以下であ
る場合には、以下の組成式で示されるものであることが
好ましい。即ち、組成式がＦｅaＴbＯcで示され、Ｔは
希土類元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ）のうち少なくとも一種以上の元素であり、組成比
ａ、ｂ、ｃは原子％で、５０≦ａ≦７０、５≦ｂ≦３
０、１０≦ｃ≦３０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。上記
の組成式で示される強磁性絶縁酸化膜の比抵抗は、４〜
１０μΩ・ｍ（４００〜１０００μΩ・cm）であること
が好ましい。
【００３５】上記の強磁性絶縁酸化膜が、平均結晶粒径
１０ｎｍ以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素
Ｔ’とＯを多量に含む非晶質相とが混在され、全組織に
占めるｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以下
である場合には、以下の組成式で示されるものであるこ
とが好ましい。即ち、組成式がＦｅdＴ’eＯfで示さ
れ、Ｔ’は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの
群から選ばれた少なくとも一種以上の元素であり、組成
比ｄ、ｅ、ｆは原子％で、４５≦ｄ≦７０、５≦ｅ≦３
０、１０≦ｆ≦４０、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１００である。上記
の組成式で示される強磁性絶縁酸化膜の比抵抗は、４〜
２．０×１０3μΩ・ｍ（４００〜２.０×１０5μΩ・c
m）であることが好ましい。
【００３６】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、先に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子であっ
て、前記強磁性絶縁膜が、体心立方構造のＦｅを主成分
とする平均結晶粒径１０ｎｍ以下の微細結晶相と、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの群から選択される少な
くとも１種の元素Ｄと、Ｎの化合物を主成分とする非晶
質相からなり、前記非晶質相が組織の少なくとも５０％
以上を占めてなる強磁性絶縁窒化膜であることを特徴と
する。
【００３７】上記の強磁性絶縁窒化膜は、以下の組成式
で表されることが好ましい。即ち、組成式が、ＦｅpＤq
Ｎrで表され、Ｄは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの群
から選択される少なくとも１種以上の元素であり、組成
比ｐ、ｑ、ｒは原子％で６０≦ｐ≦８０、１０≦ｑ≦１
５、５≦ｒ≦３０である。上記の組成式で示される強磁
性絶縁窒化膜の比抵抗は、１０μΩ・ｍ以上であること
が好ましい。
【００３８】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、先に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子であっ
て、前記強磁性絶縁膜の厚さｕが０．５ｎｍ≦ｕ≦１０
ｎｍの範囲であることが好ましく、１．０ｎｍ≦ｕ≦
３．０ｎｍの範囲とすることがより好ましい。
【００３９】第２フリー磁性層が強磁性絶縁膜を含んで
なる場合に、この強磁性絶縁膜の厚さｕを０．５ｎｍ≦
ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導電層か
ら移動してきたアップスピンの伝導電子がこの強磁性絶
縁膜を突き抜けてしまうことがなく、アップスピンの伝
導電子の大部分を鏡面反射させることができる。
【００４０】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、反強磁性層と、該反強磁性層に接して形成されて
前記反強磁性層との交換結合磁界により磁化方向が固定
された固定磁性層と、該固定磁性層に接する非磁性導電
層と、該非磁性導電層に接するフリー磁性層とを備え、
前記フリー磁性層は、非磁性中間層と該非磁性中間層を
挟む第１、第２フリー磁性層からなるとともに、前記第
２フリー磁性層が前記非磁性導電層に接し、かつ前記第
１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合してフェリ磁
性状態とされ、かつ前記第２フリー磁性層は、非磁性中
間絶縁膜と、該非磁性中間絶縁膜を挟む一対の強磁性導
電膜からなり、該一対の強磁性導電膜が反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とされていることを特徴とする。
【００４１】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子におい
ては、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層とがフェリ
磁性状態とされ、かつ第２フリー磁性層を構成する一対
の強磁性導電膜が非磁性中間絶縁膜を挟んでフェリ磁性
状態とされているので、フリー磁性層全体がより安定し
てフェリ磁性状態となるとともに、高比抵抗な非磁性中
間絶縁膜と一方の強磁性導電膜との界面にてアップスピ
ンの伝導電子が鏡面反射し、アップスピンの伝導電子の
平均自由行程を延ばすことができるので、外部磁界の検
出感度を高くできるとともに磁気抵抗変化率を高くする
ことができる。
【００４２】更に、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子は、反強磁性層と、該反強磁性層に接して形成されて
前記反強磁性層との交換結合磁界により磁化方向が固定
された固定磁性層と、該固定磁性層に接する非磁性導電
層と、該非磁性導電層に接するフリー磁性層とを備え、
前記フリー磁性層が、非磁性中間絶縁層と該非磁性中間
絶縁層を挟む第１、第２フリー磁性層からなり、前記第
１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合してフェリ磁
性状態とされていることを特徴とする。
【００４３】かかるスピンバルブ型薄膜磁気素子によれ
ば、非磁性中間絶縁層を挟む第１、第２フリー磁性層が
反強磁性的に結合してフェリ磁性状態となるとともに、
この高比抵抗な非磁性中間絶縁層と第２フリー磁性層と
の界面にてアップスピンの伝導電子が鏡面反射し、アッ
プスピンの伝導電子の平均自由行程を延ばすことができ
るので、外部磁界の検出感度を高くでき、かつ磁気抵抗
変化率を高くすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３０を参照して説明する。なお、図１〜図３０にお
いて、図示Ｚ方向は磁気記録媒体の移動方向であり、図
示Ｙ方向は磁気記録媒体からの漏れ磁界の方向であり、
図示Ｘ1方向はスピンバルブ型薄膜磁気素子のトラック
幅方向である。
【００４５】（第１の実施形態）図１に、本発明の第１
の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子１を磁気
記録媒体側からみた断面模式図を示す。また、図２及び
図３にこのスピンバルブ型薄膜磁気素子１を備えた薄膜
磁気ヘッドを具備してなる浮上式磁気ヘッド１５０を示
す。
【００４６】図２に示す浮上式磁気ヘッド１５０は、ス
ライダ１５１と、スライダ１５１の端面１５１ｄに備え
られた本発明に係る薄膜磁気ヘッドｈ1及びインダクテ
ィブヘッドｈ2を主体として構成されている。符号１５
５は、スライダ１５１の磁気記録媒体の移動方向の上流
側であるリーディング側を示し、符号１５６は、トレー
リング側を示す。このスライダ１５１の媒体対向面１５
２には、レール１５１ａ、１５１ａ、１５１ｂが形成さ
れ、各レール同士間は、エアーグルーブ１５１ｃ、１５
１ｃとされている。
【００４７】図２及び図３に示すように、本発明に係る
薄膜磁気ヘッドｈ1は、スライダ１５１の端面１５１ｄ
上に形成された絶縁層１６２と、この絶縁層１６２上に
積層された下部シールド層１６３と、下部シールド層１
６３に積層された下部ギャップ層１６４と、下部ギャッ
プ層１６４上に形成されて媒体対向面１５２上に露出す
る本発明に係るスピンバルブ型薄膜磁気素子１と、スピ
ンバルブ型薄膜磁気素子１を覆う上部ギャップ層１６６
と、上部ギャップ層１６６を覆う上部シールド層１６７
とから構成されている。上部シールド層１６７は、後述
するインダクティブヘッドｈ2の下部コア層と兼用とさ
れている。
【００４８】インダクティブヘッドｈ2は、下部コア層
（上部シールド層）１６７と、下部コア層１６７に積層
されたギャップ層１７４と、コイル１７６と、コイル１
７６を覆う上部絶縁層１７７と、ギャップ層１７４に接
合され、かつコイル１７６側にて下部コア層１６７に接
合される上部コア層１７８とから構成されている。コイ
ル１７６は、平面的に螺旋状となるようにパターン化さ
れている。また、コイル１７６のほぼ中央部分にて上部
コア層１７８の基端部１７８ｂが下部コア層１６７に磁
気的に接続されている。また、上部コア層１７８には、
アルミナなどからなるコア保護層１７９が積層されてい
る。
【００４９】図１に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子１
は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層２
９、フリー磁性層５０が順次積層されてなるボトム型の
シングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。図１にお
いて符号１６４はＡｌ2Ｏ3などにより形成された下部ギ
ャップ層を示し、符号２３は下部ギャップ層１６４上に
積層されたＴａ（タンタル）などからなる下地層を示し
ている。この下地層２３の上に反強磁性層２１が積層さ
れ、反強磁性層２１の上に固定磁性層３０が積層され、
固定磁性層３０の上にＣｕなどにより形成された非磁性
導電層２９が積層され、非磁性導電層２９の上にフリー
磁性層５０が積層され、フリー磁性層５０の上にＴａな
どにより形成されたキャップ層２４が積層されている。
このように、下地層２３からキャップ層２４までの各層
が順次積層されてトラック幅に対応する幅を有する断面
視略台形状の積層体１Ａが構成されている。
【００５０】なお、フリー磁性層５０は、非磁性中間層
５３と、この非磁性中間層５３を挟んで反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層５１及
び第２フリー磁性層５２から構成されている。またフリ
ー磁性層５０全体の磁化方向は、図示Ｘ1方向に揃えら
れている。また、固定磁性層３０は、非磁性層３３と、
この非磁性層３３を挟んで反強磁性的に結合してフェリ
磁性状態とされた第１固定磁性層３１及び第２固定磁性
層３２から構成されている。また、固定磁性層３１全体
の磁化方向は図示Ｙ方向に固定されている。
【００５１】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１は、ハ
ードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界によって図
示Ｘ1方向に揃えられたフリー磁性層５０の磁化方向が
変動すると、図示Ｙ方向に固定された固定磁性層３０の
磁化との関係で電気抵抗が変化するいわゆる巨大磁気抵
抗効果を示し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化
により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００５２】積層体１Ａの図示Ｘ1方向両側、即ちトラ
ック幅方向両側には、例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白
金）合金からなる一対のバイアス層３３２、３３２が形
成されている。バイアス層３３２、３３２は、下部ギャ
ップ層１６４上から積層体１Ａの両側面１Ｂ、１Ｂに乗
り上げるようにして形成されている。このバイアス層３
３２、３３２はフリー磁性層５０の磁化方向を揃えて、
フリー磁性層５０のバルクハウゼンノイズを低減する。
【００５３】また、符号３３４、３３４に示す電極層が
バイアス層３３２、３３２の上方に積層されている。こ
の電極層３３４、３３４は積層体１Ａにセンス電流（検
出電流）を印加する。バイアス層３３２、３３２と下部
ギャップ層１６４との間、及び、バイアス層３３２、３
３２と積層体１Ａとの間には、例えば非磁性金属である
Ｃｒからなるバイアス下地層３３１が設けられている。
結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）であるＣｒから
なるバイアス下地層３３１上にバイアス層３３２を形成
することにより、バイアス層３３２の保磁力および角形
比が大きくなり、第２フリー磁性層５２の単磁区化に必
要なバイアス磁界を増大させることができる。
【００５４】更にバイアス層３３２、３３２と電極層３
３４、３３４の間には、非磁性金属であるＴａ若しくは
Ｃｒからなる中間層３３３、３３３が設けられている。
電極層３３４、３３４としてＣｒを用いた場合は、Ｔａ
の中間層３３３、３３３を設けることにより、後工程の
レジスト硬化などの熱プロセスに対して拡散バリアーと
して機能し、バイアス層３３２、３３２の磁気特性の劣
化を防ぐことができる。また、電極層３３４、３３４と
してＴａを用いる場合は、Ｃｒの中間層３３３、３３３
を設けることにより、Ｃｒの上に堆積するＴａの結晶
を、より低抵抗の体心立方構造としやすくする効果があ
る。
【００５５】フリー磁性層５０は図１に示すように、非
磁性中間層５３と、非磁性中間層５３を挟む第１フリー
磁性層５１と第２フリー磁性層５２から構成されてい
る。第１フリー磁性層５１は、非磁性中間層５３よりも
非磁性導電層２９から離れた側に設けられてキャップ層
２４に接しており、第２フリー磁性層５２は、非磁性中
間層５３よりも非磁性導電層２９側に設けられて非磁性
導電層２９に接している。
【００５６】第１フリー磁性層５１は強磁性絶縁膜から
構成されている。この強磁性絶縁膜は、強磁性であって
高い比抵抗を有するものであり、具体的には強磁性絶縁
酸化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示できる。こ
の第１フリー磁性層５１の厚さは、１〜４ｎｍの範囲で
あることが好ましい。
【００５７】非磁性中間層５３は、非磁性の導電性材料
より形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒ
ｅ、Ｃｕのうちの１種またはこれらの合金から形成され
ることが好ましく、特にＲｕにより形成されることが好
ましい。
【００５８】また、第２フリー磁性層５２は、拡散防止
膜５２Ａと強磁性膜５２Ｂから構成されている。拡散防
止膜５２Ａは、Ｃｏ等の強磁性導電膜から構成され、強
磁性膜５２Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止す
る。また強磁性膜５２Ｂは、拡散防止膜５２Ａと同様に
強磁性導電膜から構成されるもので、例えばＣｏ、Ｃｏ
Ｆｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ
合金のいずれかにより形成されるものであり、特にＮｉ
Ｆｅ合金より形成されることが好ましい。なお、第２フ
リー磁性層５２は単層で構成されていても良く、この場
合には第２フリー磁性層５２をＣｏ、ＣｏＦｅ合金、Ｎ
ｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれ
かで構成することが好ましい。なお、第２フリー磁性層
２２の厚さは、２．５〜４．５ｎｍの範囲であることが
好ましく、特に第１フリー磁性層５１よりも厚く形成す
ることが好ましい。
【００５９】第１フリー磁性層５１は、強磁性絶縁酸化
膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などに例示される比抵抗が
４〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の絶縁膜から形成され
るもので、比抵抗が０．３μΩ・ｍ程度の強磁性導電膜
（拡散防止膜５２Ａ、強磁性膜５２Ｂ）よりなる第２フ
リー磁性層５２や、比抵抗が０．１μΩ・ｍ程度の非磁
性中間層５３よりも高い比抵抗を示す。このため、第１
フリー磁性層５１にはセンス電流が流れにくくなる。従
って、積層体１Ａに流れるセンス電流は主に、非磁性導
電層２９、固定磁性層３０及び第２フリー磁性層５２に
流れることになり、センス電流の分流が抑制される。
【００６０】スピンバルブ型薄膜磁気素子１の巨大磁気
抵抗効果は主に、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層
５２及び固定磁性層３０との界面にて発現する。即ち、
外部磁界によってフリー磁性層５０の磁化方向が変動し
ているときに積層体１Ａにセンス電流を印加すると、非
磁性導電層２９中を移動する伝導電子が非磁性導電層２
９とフリー磁性層５０及び固定磁性層３０の界面で散乱
されるが、この伝導電子の散乱はフリー磁性層５０の磁
化方向により変動する。これにより伝導電子の平均自由
行程が変動し、磁気抵抗変化率が変化する。
【００６１】従って、第１フリー磁性層５１を高比抵抗
な強磁性絶縁膜により形成して、センス電流を第２フリ
ー磁性層５２及び非磁性導電層２９の周辺に流すように
構成することにより、巨大磁気抵抗効果に寄与する伝導
電子を増加させることができ、磁気抵抗変化率を高くす
ることができる。
【００６２】また、強磁性絶縁膜からなる第１フリー磁
性層５１と、非磁性金属等からなる非磁性中間層５３と
の界面では、これらの層の比抵抗に大差があるためポテ
ンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁は、
センス電流を流した際に非磁性導電層２９を移動する伝
導電子のうちのアップスピンの伝導電子を、スピンの方
向を保存させたまま鏡面反射させる。
【００６３】非磁性導電層２９を移動する伝導電子には
アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子とが
確率的にほぼ等量存在するが、そのなかでもアップスピ
ンの伝導電子は、フリー磁性層５０全体の磁化方向が固
定磁性層３０の磁化方向に対して平行になったときに、
固定磁性層３０及び非磁性導電層２９からフリー磁性層
５０に移動する確率が高くなる。そしてアップスピンの
伝導電子が第１フリー磁性層５１と非磁性中間層５３と
の界面で鏡面反射されると、その平均自由行程が延ばさ
れ、これによりアップスピンの伝導電子の平均自由行程
とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程との差が大き
くなり、スピンバルブ型薄膜磁気素子１の磁気抵抗変化
率を高くできる。
【００６４】以上のことを模式図を用いて表すと図４に
示す通りになる。図４には、反強磁性層２１、固定磁性
層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２固定
磁性層３２）、非磁性導電層２９、フリー磁性層５０
（第２フリー磁性層５２（拡散防止膜５２Ａ、強磁性膜
５２Ｂ）、非磁性中間層５３、第１フリー磁性層５１）
を順次積層した積層体１Ｇを示す。なお、図４におい
て、フリー磁性層５０は、外部磁界によりその磁化方向
が図４中左方向に向けられており、固定磁性層３０は、
反強磁性層２１との交換結合磁界によりその磁化方向が
図４中左方向に固定されている。
【００６５】図４に示す積層体１Ｇにセンス電流を流す
と、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層２９
を移動する。この伝導電子にはアップスピンとダウンス
ピンの２種類の伝導電子が確率的にほぼ等数存在し、ア
ップスピンの伝導電子を符号ｅ1で示し、ダウンスピン
の伝導電子を符号ｅ2で示している。
【００６６】アップスピンの伝導電子ｅ1については、
外部磁界により固定磁性層３０とフリー磁性層５０の磁
化方向が平行になったときに、非磁性導電層２９から第
２フリー磁性層５２を通過して非磁性中間層５３まで移
動する確率が高くなる。そしてこのアップスピンの伝導
電子ｅ1は、非磁性中間層５３と第１フリー磁性層５２
の界面まで移動し、第１フリー磁性層５２によってスピ
ンの状態を保存されたまま鏡面反射され、再び非磁性中
間層５３及び第２フリー磁性層５２中を移動する。この
ようにして、アップスピンの伝導電子ｅ1は、第２フリ
ー磁性層５２及び非磁性中間層５３をそれぞれ２度通過
することになり、平均自由行程が大幅に延びてλ+とな
る。
【００６７】一方、ダウンスピンの伝導電子ｅ2につい
ては、非磁性導電層２９とフリー磁性層５０（第２フリ
ー磁性層５２）との界面で常に散乱される確率が高く、
フリー磁性層５０に移動する確率が低いまま維持され、
その平均自由行程（λ-）はアップスピンの伝導電子ｅ1
の平均自由行程（λ+）よりも短いままである。このよ
うに外部磁界の作用によって、アップスピンの伝導電子
ｅ1の平均自由行程（λ+）がダウンスピンの伝導電子ｅ
2の平均自由行程（λ-）より大きくなり、行程差（λ+
−λ-）が大きくなって積層体１Ｇの磁気抵抗変化率が
大きくなる。
【００６８】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１は、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由行
程とダウンスピンの伝導電子ｅ2の平均自由行程との差
が大きくなり、スピンバルブ型薄膜磁気素子１の磁気抵
抗変化率を大幅に向上できる。
【００６９】第２フリー磁性層５２は、その厚さが、第
１フリー磁性層２１の厚さよりも僅かに厚くなるように
形成されることが好ましい。特に、第１フリー磁性層５
１及び第２フリー磁性層５２の厚さをそれぞれｔ1、ｔ2
とし、第１フリー磁性層２１及び第２フリー磁性層２２
の飽和磁化をそれぞれＭ1、Ｍ2とし、第１フリー磁性層
２１及び第２フリー磁性層２２の磁気的膜厚はそれぞれ
Ｍ1・ｔ1、Ｍ2・ｔ2としたとき、これらの磁気的膜厚の
関係が、Ｍ 2・ｔ2＞Ｍ1・ｔ1となるように構成されるこ
とがより好ましい。
【００７０】このように、第２フリー磁性層５２の磁気
的膜厚を、第１フリー磁性層５１の磁気的膜厚よりも大
きくすると、第１フリー磁性層５１と第２フリー磁性層
５２とが反強磁性的に結合したときに第２フリー磁性層
５２の磁化が残存した状態となる。従って、図１に示す
ように、第２フリー磁性層５２の磁化方向がバイアス層
３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第
１フリー磁性層５１の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方
向に揃えられ、このとき第２フリー磁性層２２の磁化が
残存した状態となるので、フリー磁性層５０全体の磁化
方向が図示Ｘ1方向に揃えられる。このように、第１フ
リー磁性層５１と第２フリー磁性層５２は、それぞれの
磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合し
て人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri free;シ
ンセフィックフェリフリー）となる。このようにフェリ
磁性状態とされたフリー磁性層５０は、微小な外部磁界
によってもその磁化方向を外部磁界の方向に合わせて回
転させることが可能となる。
【００７１】また、第１フリー磁性層５１と第２フリー
磁性層５２の磁気的膜厚の関係を、Ｍ2・ｔ2＞Ｍ1・ｔ1
とすることで、フリー磁性層５０のスピンフロップ磁界
を大きくすることができ、これにより、フリー磁性層５
０がフェリ磁性状態を保つ磁界の範囲が広くなり、フリ
ー磁性層５０が安定してフェリ磁性状態を保つことがで
きる。なお、スピンフロップ磁界とは、磁化方向が反平
行である２つの磁性層に対して外部磁界を印加したとき
に、２つの磁性層の磁化方向が反平行でなくなる外部磁
界の大きさである。従って、フリー磁性層５０のスピン
フロップ磁界が大きいほど、外部磁界中においてもフェ
リ磁性状態を安定して維持できる。
【００７２】第１フリー磁性層５１は強磁性絶縁膜から
なり、具体的には強磁性絶縁酸化膜あるいは強磁性絶縁
窒化膜などから構成される。第１フリー磁性層５１を構
成する強磁性絶縁酸化膜の一例として、Ｆｅ−Ｏで構成
され、あるいはＭ−Ｆｅ−Ｏ（ただし元素Ｍは、Ｍｎ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち
の少なくとも１種以上である）で構成されるフェライト
を挙げることができる。特に元素Ｍとしては、ＭｎとＺ
ｎ、あるいはＮｉとＺｎが選択されることが好ましい。
【００７３】そして、このフェライトからなる強磁性絶
縁酸化膜は、組成式ＦｅxＭyＯzで表され、ＭがＭｎ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち
の少なくとも１種以上の元素であり、組成比を示すｘ、
ｙ、ｚが原子％で、２０≦ｘ≦４０、１０≦ｙ≦２０、
４０≦ｚ≦７０であるものが好ましい。
【００７４】このフェライトからなる強磁性絶縁膜の比
抵抗は、１０μΩ・ｍ（１Ω・ｃｍ）以上となり、飽和
磁束密度は、０．２Ｔ以上となる。
【００７５】また、第１フリー磁性層５１を構成する強
磁性絶縁酸化膜の他の例として、平均結晶粒径１０ｎｍ
以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素Ｔまたは元
素Ｔ’とＯを多量に含む非晶質相（ただし元素Ｔは希土
類元素のうち少な くとも一種以上の元素を表し、元素
Ｔ’はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗのうちの
１種以上の元素を表す）とが混在され、全組織に占める
ｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以下である
強磁性絶縁酸化膜を挙げることができる。
【００７６】上記の強磁性絶縁酸化膜が、平均結晶粒径
１０ｎｍ以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素Ｔ
とＯを多量に含む非晶質相とが混在され、全組織に占め
るｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以下であ
る場合には、以下の組成式で示されるものであることが
好ましい。即ち、組成式がＦｅaＴbＯcで示され、Ｔは
希土類元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ）のうち少なくとも一種以上の元素であり、組成比
ａ、ｂ、ｃは原子％で、５０≦ａ≦７０、５≦ｂ≦３
０、１０≦ｃ≦３０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。強磁
性絶縁酸化膜を上記の組成式で示されるものとすれば、
その比抵抗を４〜１０μΩ・ｍ（４００〜１０００μΩ
・cm）程度とすることができる。
【００７７】また、上記の強磁性絶縁酸化膜が、平均結
晶粒径１０ｎｍ以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、
元素Ｔ’とＯを多量に含む非晶質相とが混在され、全組
織に占めるｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％
以下である場合には、以下の組成式で示されるものであ
ることが好ましい。即ち、組成式がＦｅdＴ’eＯfで示
され、Ｔ’は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ
の群から選ばれた少なくとも一種以上の元素であり、組
成比ｄ、ｅ、ｆは原子％で、４５≦ｄ≦７０、５≦ｅ≦
３０、１０≦ｆ≦４０、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１００である。強
磁性絶縁酸化膜を上記の組成式で示されるものとすれ
ば、その比抵抗を４〜２.０×１０3μΩ・ｍ（４００〜
２.０×１０5μΩ・cm）程度とすることができる。
【００７８】上記の強磁性絶縁酸化膜において、Ｆｅは
主成分であり、磁性を担う元素である。高飽和磁束密度
を得るためにＦｅは多いほど好ましいが、７０原子％以
上あると比抵抗が小さくなってしまう。一方、Ｆｅが４
５原子％未満であると比抵抗を大きくすることはできる
ものの、飽和磁束密度が小さくなってしまう。希土類元
素（すなわち、周期表の３Ａ族に属するＳｃ，Ｙ，ある
いは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇ
ｄ，Ｔｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕなどの
ランタノイド）である元素Ｔ、および、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗをはじめとする周期表の４Ａ
族，５Ａ族，６Ａ族の元素である元素Ｔ’は、軟磁気特
性を得るために必要なものである。これらは酸素と結合
し易く、結合することで酸化物を形成する。この酸化物
の含有量を調整することによって比抵抗を高めることが
できる。また、Ｈｆには磁歪を抑制する作用があるもの
と考えられる。
【００７９】更に、強磁性絶縁酸化膜の組織において、
全体が非晶質相であっても、一部にｂｃｃのＦｅの微結
晶相を含んでいても良い。微結晶相の結晶粒径が大きく
結晶相の割合の高いものは、比較的比抵抗が低くなり、
酸素を多量に含む非晶質相が組織の大半を占めるものは
比抵抗が大きくなる。
【００８０】また、第１フリー磁性層５１を構成する強
磁性絶縁窒化膜の一例として、体心立方構造のＦｅを主
成分とする平均結晶粒径１０ｎｍ以下の微細結晶相と、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの群から選択される少な
くとも１種の元素Ｄと、Ｎの化合物を主成分とする非晶
質相からなり、前記非晶質相が組織の少なくとも５０％
以上を占めてなる強磁性絶縁窒化膜を挙げることができ
る。
【００８１】この強磁性絶縁窒化膜は、ＦｅpＤqＮrで
表され、元素ＤがＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの群
から選択される少なくとも１種以上の元素であり、組成
比ｐ、ｑ、ｒが原子％で６０≦ｐ≦８０、１０≦ｑ≦１
５、５≦ｒ≦３０である。強磁性絶縁酸化膜を上記の組
成式で示されるものとすれば、その比抵抗を４〜２．０
×１０3μΩ・ｍ程度とすることができる。
【００８２】前記の組成において、Ｆｅ含有量を６０原
子％よりも小さくすると、飽和磁束密度が著しく小さく
なるので好ましくない。また、元素Ｄの含有量を１０原
子％よりも小さくすると、非晶質相が得られないので好
ましくなく、Ｎ（窒素）の含有量を５原子％よりも小さ
くすると比抵抗と透磁率が低くなり好ましくない。
【００８３】この強磁性絶縁窒化膜において、その組織
状態として、非晶質相を５０％以上含み、その非晶質相
の中に析出された、Ｆｅの体心立方構造の粒径１０ｎｍ
以下の微細な結晶粒と、元素Ｍの窒化物あるいはＦｅの
窒化物とが析出された構造となることが好ましい。Ｆｅ
の微細結晶粒が析出することで飽和磁束密度が向上する
とともに、非晶質相が多く存在することで比抵抗が上昇
する。
【００８４】また、組織に占めるＦｅの微細結晶粒の割
合は５０％よりも少なくすることが好ましい。結晶粒の
割合が５０％を超える場合は、高周波域での透磁率が低
下する。組織中に析出する結晶粒は、粒径が数ｎｍ〜３
０ｎｍ程度の微細なもので、その平均粒径は１０ｎｍ以
下である。このような微細な結晶粒のものを析出させる
ことで、飽和磁束密度を高くすることができる。また、
非晶質相は比抵抗の増大に寄与するものと思われ、この
非晶質相の存在により比抵抗が増大する。
【００８５】反強磁性層２１は、ＰｔＭｎ合金で形成さ
れていることが好ましい。ＰｔＭｎ合金は、従来から反
強磁性層として使用されているＮｉＭｎ合金やＦｅＭｎ
合金などに比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温
度が高く、交換結合磁界も大きい。また、反強磁性層２
１は、Ｘ−Ｍｎ（ただし、Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉ
ｒ、Ｒｈ、Ｏｓのうちから選択される１種の元素を示
す。）の式で示される合金あるいはＸ’−Ｐｔ−Ｍｎ
（ただし、Ｘ’は、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒ
ｈ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇのうちから選択される１種または
２種以上の元素を示す。）の式で示される合金で形成さ
れていてもよい。
【００８６】前記ＰｔＭｎ合金および前記Ｘ−Ｍｎの式
で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６３
原子％の範囲であることが望ましい。より好ましくは、
４４〜５７原子％の範囲である。さらにまた、Ｘ’−Ｐ
ｔ−Ｍｎの式で示される合金において、Ｘ’が３７〜６
３原子％の範囲であることが望ましい。より好ましく
は、４４〜５７原子％の範囲である。
【００８７】反強磁性層２１として上記した適正な組成
範囲の合金を使用し、これを磁場中熱処理することで、
大きな交換結合磁界を発生する反強磁性層２１を得るこ
とができる。とくに、ＰｔＭｎ合金であれば、６．４×
１０4Ａ／ｍを越える交換結合磁界を有し、交換結合磁
界を失うブロッキング温度が６５３Ｋ（３８０℃）と極
めて高い優れた反強磁性層２１を得ることができる。
【００８８】固定磁性層３０は、非磁性層３３と、この
非磁性層３３を挟む第１固定磁性層３１と第２固定磁性
層３２から構成されている。第１固定磁性層３１は、非
磁性層３３より反強磁性層２１側に設けられて反強磁性
層２１に接し、第２固定磁性層３２は、非磁性層３３よ
り非磁性導電層２９側に設けられて非磁性導電層２９に
接している。第１固定磁性層３１と反強磁性層２１の界
面では交換結合磁界（交換異方性磁界）が発生し、第１
固定磁性層３１の磁化方向が図示Ｙ方向の反対方向に固
定されている。第１固定磁性層３１と第２固定磁性層３
２の厚さは、わずかに異なる厚さとすることが好まし
く、図２では第２固定磁性層３２の厚さが第１固定磁性
層３１の厚さより大とされている。
【００８９】第１固定磁性層３１の磁化方向は、反強磁
性層２１との交換結合磁界により図示Ｙ方向の反対方向
に固定され、第２固定磁性層３２は、第１固定磁性層３
１と反強磁性的に結合してその磁化方向が図示Ｙ方向に
固定されている。第１、第２固定磁性層３１、３２の磁
化方向が互いに反平行とされているので、第１、第２固
定磁性層３１、３２の磁気モーメントが相互に打ち消し
合う関係にあるが、第２固定磁性層３２の厚さが僅かに
大きいために、固定磁性層３０自体の自発磁化が僅かに
残る結果となり、フェリ磁性状態になる。そしてこの自
発磁化が反強磁性層２１との交換結合磁界によって更に
増幅され、固定磁性層３０全体の磁化方向が図示Ｙ方向
に固定される。これにより、フリー磁性層５０の磁化方
向と固定磁性層３０の磁化方向とが交差する関係とな
る。
【００９０】第１固定磁性層３１及び第２固定磁性層３
２は、いずれも強磁性材料より形成されるもので、例え
ばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合
金、ＣｏＮｉ合金等により形成されるものであり、特に
Ｃｏより形成されることが好ましい。また、第１、第２
固定磁性層３１、３２は同一の材料で形成されることが
好ましい。また、非磁性層３３は非磁性材料より形成さ
れるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのう
ちの１種またはこれらの合金から形成されることが好ま
しく、特にＲｕにより形成されることが好ましい。
【００９１】非磁性導電層２９は、固定磁性層３０とフ
リー磁性層５０との磁気的な結合を防止し、またセンス
電流が主に流れる層であり、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇな
どに代表される導電性を有する非磁性材料より形成され
ることが好ましく、特にＣｕより形成されることが好ま
しい。
【００９２】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１は、例
えば次のようにして製造される。まず図５に示すよう
に、下部ギャップ層１６４上に、下地層２３、反強磁性
層２１、固定磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性
層３３、第２固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、フ
リー磁性層５０（第２フリー磁性層５２、非磁性中間層
５３、第１フリー磁性層５１）、キャップ層２４を順次
スパッタリング、蒸着等の手段により成膜して積層膜Ｍ
を形成したのち、積層膜Ｍ上にリフトオフレジスト１０
１を形成する。なお、第１フリー磁性層５１を構成する
強磁性絶縁酸化膜を形成する場合には成膜雰囲気を酸素
雰囲気とし、強磁性絶縁窒化膜を形成する場合には成膜
雰囲気を窒素雰囲気とすることが好ましい。
【００９３】次に図６に示すように、リフトオフレジス
ト１０１に覆われていない部分をイオンミリングにより
除去して、側面１Ｂ、１Ｂとされる傾斜面を形成して等
脚台形状の積層体１Ａを形成する。
【００９４】ついで図７に示すように、リフトオフレジ
スト１０１上及び積層体１Ａの両側に、バイアス下地層
３３１、バイアス層３３２、中間層３３３及び電極層３
３４を順次積層する。最後に図８に示すようにリフトオ
フレジスト１０１を除去することにより、スピンバルブ
型薄膜磁気素子１が得られる。
【００９５】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１によ
れば、第１フリー磁性層５１が強磁性絶縁膜により構成
されているので、第１フリー磁性層５１の比抵抗が第２
フリー磁性層５２及び非磁性中間層５３の比抵抗より高
くなってセンス電流の分流が抑制され、シャントロスを
低減することが可能となり、磁気抵抗変化率を高くする
ことができる。
【００９６】また、強磁性絶縁膜からなる第１フリー磁
性層５１と、非磁性金属等からなる非磁性中間層５３と
の界面でポテンシャル障壁が形成され、このポテンシャ
ル障壁によりアップスピンの伝導電子がスピンの方向を
保存させたまま鏡面反射されるので、アップスピンの伝
導電子の平均自由行程を伸ばしてダウンスピンの伝導電
子の平均自由行程との差を大きくすることができ、スピ
ンバルブ型薄膜磁気素子１の磁気抵抗変化率を高くでき
る。
【００９７】またフリー磁性層５０を構成する第１、第
２フリー磁性層５１、５２がフェリ磁性状態とされてい
るので、フリー磁性層５０の磁化方向を微小な外部磁界
によって変動させることができ、スピンバルブ型薄膜磁
気素子１の外部磁界の感度を高くできる。
【００９８】従って、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素
子１によれば、センス電流のシャントロスの低減とアッ
プスピンの伝導電子の鏡面反射効果とによって、磁気抵
抗変化率を大幅に高くできるとともに、フェリ磁性状態
のフリー磁性層を備えて外部磁界の検出感度を高くでき
るという格別な効果が得られる。
【００９９】（第２の実施形態）次に本発明の第２の実
施形態を図面を参照して説明する。図９に、本発明の第
２の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子２を磁
気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１００】図９に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子２
は、第１の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１と
同様に、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電
層２９、フリー磁性層５５が順次積層されてなるボトム
型のシングルスピンバルブ薄膜磁気素子である。
【０１０１】図９において符号１６４は下部ギャップ層
を示し、符号２３は下部ギャップ層１６４上に積層され
た下地層を示している。この下地層２３の上に反強磁性
層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層２９、フリー磁
性層５５、キャップ層２４が順次積層されている。この
ように、下地層２３からキャップ層２４までの各層が順
次積層されてトラック幅に対応する幅を有する断面視略
台形状の積層体２Ａが構成されている。
【０１０２】このスピンバルブ型薄膜磁気素子２が先に
説明したスピンバルブ型薄膜磁気素子１と異なる点は、
第１フリー磁性層５６が、第１強磁性絶縁膜５６Ａと、
第１強磁性導電膜５６Ｂとを積層してなる点である。
【０１０３】尚、図９に示す反強磁性層２１、非磁性導
電層２９、固定磁性層３０、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１
の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導電層、固定
磁性層、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層
と同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０１０４】フリー磁性層５５は、非磁性中間層５３
と、この非磁性中間層５３を挟んで反強磁性的に結合し
てフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層５６及び第
２フリー磁性層５２から構成されている。
【０１０５】即ち第１フリー磁性層５６は、第１強磁性
絶縁膜５６Ａと第１強磁性導電膜５６Ｂとが積層されて
なり、第１強磁性導電膜５６Ｂが非磁性中間層５３に接
し、かつ第１強磁性絶縁膜５６Ａと第１強磁性導電膜５
６Ｂとが強磁性的に結合してフェロ磁性状態とされてい
る。また、第１強磁性絶縁膜５６Ａの厚さは１ｎｍ〜４
ｎｍの範囲とされ、第１強磁性導電膜５６Ｂの厚さｓは
０ｎｍ＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲とされている。また、第
２フリー磁性層５２の厚さは２．５ｎｍ〜４．５ｎｍの
範囲とされ、第１フリー磁性層５６よりも厚く形成され
ている。
【０１０６】第１強磁性絶縁膜５６Ａは、第１の実施形
態で説明した第１フリー磁性層を構成する強磁性絶縁膜
と同等のものであり、比抵抗が４〜２．０×１０3μΩ
・ｍ程度の絶縁膜である。また第１強磁性導電膜５６Ｂ
は強磁性であって比抵抗が０．３μΩ・ｍ程度と低いも
のであり、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、
ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれかで構成でき
る。非磁性中間層５３及び第２フリー磁性層５２は、第
１の実施形態で説明した非磁性中間層及び第２フリー磁
性層と同じ構成であり、同じ材質である。
【０１０７】従って第１フリー磁性層５６を構成する第
１強磁性絶縁膜５６Ａは、強磁性導電膜（拡散防止膜５
２Ａ、強磁性膜５２Ｂ）よりなる第２フリー磁性層５２
や、非磁性中間層５３よりも極めて高い比抵抗を示し、
そのため第１フリー磁性層５６にはセンス電流が流れに
くくなる。従って、積層体２Ａに流れるセンス電流は主
に、非磁性導電層２９、固定磁性層３０及び第２フリー
磁性層５２に流れることになり、センス電流の分流が抑
制される。このように、センス電流を第２フリー磁性層
５２及び非磁性導電層２９の周辺に流すように構成する
ことにより、巨大磁気抵抗効果に寄与する伝導電子を増
加させることができ、磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１０８】また、第１強磁性絶縁膜５６Ａと第１強磁
性導電膜５６Ｂとが強磁性的に結合してフェロ磁性状態
とされているので、第１フリー磁性層５６全体の磁化方
向を一方向に揃えることができる。即ち図９において
は、第２フリー磁性層５２の磁化方向がバイアス層３３
２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えらると、第１フリ
ー磁性層５６全体の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向
に揃えられる。そして第２フリー磁性層５２の磁化が残
存してフリー磁性層５５全体の磁化方向が図示Ｘ 1方向
に揃えられる。従って第１フリー磁性層５６と第２フリ
ー磁性層５２は、それぞれの磁化方向が反平行方向とな
るように反強磁性的に結合して人工的なフェリ磁性状態
（synthetic ferri free;シンセフィックフェリフリ
ー）となる。このようにフェリ磁性状態とされたフリー
磁性層５５は、微小な外部磁界によってもその磁化方向
を外部磁界の方向に合わせて回転させることが可能とな
る。
【０１０９】また、第１強磁性導電膜５６Ｂが非磁性中
間層５３に接しているので、第１フリー磁性層５６と第
２フリー磁性層５３を確実に反強磁性的に結合させてフ
ェリ磁性状態とすることができ、外部磁界の検出感度を
高くすることができる。
【０１１０】またこの場合に第１強磁性導電膜５６Ｂの
厚さｓを０ｎｍ＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲とすれば、第１
フリー磁性層５６と第２フリー磁性層５２を確実に反強
磁性的に結合させることができる。第１強磁性導電膜５
６Ｂの厚さが３．０ｎｍを越えると、抵抗変化率が小さ
くなるので好ましくなく、第１強磁性導電膜５６Ｂの厚
さが０ｎｍであると、第１、第２フリー磁性層５６、５
２の反強磁性的な結合力が弱くなるので好ましくない。
【０１１１】また、第１強磁性絶縁膜５６Ａと第１強磁
性導電膜５６Ｂとの界面では、これらの層の比抵抗に大
差があるためポテンシャル障壁が形成さる。このポテン
シャル障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子の
うちのアップスピンの伝導電子を、スピンの方向を保存
させたまま鏡面反射する。
【０１１２】アップスピンの伝導電子が第１強磁性絶縁
膜５６Ａと第１強磁性導電膜５６Ｂとの界面で鏡面反射
されると、その平均自由行程が延ばされる。これによ
り、第１の実施形態の場合と同様に、アップスピンの伝
導電子の平均自由行程と、ダウンスピンの伝導電子の平
均自由行程との差が大きくなって、スピンバルブ型薄膜
磁気素子２の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１１３】以上のことを模式図を用いて表すと図１０
に示す通りになる。図１０には、反強磁性層２１、固定
磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２
固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、フリー磁性層５
５（ 第２フリー磁性層５２（拡散防止膜５２Ａ、強磁
性膜５２Ｂ）、非磁性中間層５３、第１フリー磁性層５
６（第１強磁性導電膜５６Ｂ、第１強磁性絶縁膜５６
Ａ））を順次積層した積層体２Ｇを示す。なお、図１０
において、フリー磁性層５５は、外部磁界によりその磁
化方向が図１０中左方向に向けられており、固定磁性層
３０は、その磁化方向が反強磁性層２１との交換結合磁
界により図１０中左方向に固定されている。
【０１１４】図１０に示す積層体２Ｇにセンス電流を流
すと、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層２
９を移動する。図１０においてはアップスピンの伝導電
子を符号ｅ1で示し、ダウンスピンの伝導電子を符号ｅ2
で示している。
【０１１５】アップスピンの伝導電子ｅ1は、外部磁界
により固定磁性層３０とフリー磁性層５５の磁化方向が
平行になったときに、非磁性導電層２９から第２フリー
磁性層５２及び非磁性中間層５３を通過して第１フリー
磁性層５６まで移動する確率が高くなる。そしてこのア
ップスピンの伝導電子ｅ1は、第１強磁性導電膜５６Ｂ
と第１強磁性絶縁膜５６Ａの界面まで移動し、ポテンシ
ャル障壁を形成する第１強磁性絶縁膜５６Ａによってス
ピンの状態を保存されたまま鏡面反射され、再び非磁性
中間層５３及び第２フリー磁性層５２中を移動する。こ
のようにして、アップスピンの伝導電子ｅ1は、第２フ
リー磁性層５２、非磁性中間層５３及び第１強磁性導電
膜５６Ｂをそれぞれ２度通過することになり、平均自由
行程が大幅に延びてλ+となる。
【０１１６】一方、ダウンスピンの伝導電子ｅ2につい
ては、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層５２との界
面で常に散乱される確率が高く、フリー磁性層５０に移
動する確率が低いまま維持され、その平均自由行程（λ
-）はアップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由行程
（λ+）よりも短いままである。このように外部磁界の
作用によって、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由
行程（λ+）がダウンスピンの伝導電子ｅ2の平均自由行
程（λ-）より大きくなり、行程差（λ+−λ-）が大き
くなって積層体２Ｇの磁気抵抗変化率が大きくなる。
【０１１７】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子２は、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由行
程とダウンスピンの伝導電子ｅ2の平均自由行程との差
が大きくなり、スピンバルブ型薄膜磁気素子２の磁気抵
抗変化率を大幅に向上できる。
【０１１８】このスピンバルブ型薄膜磁気素子２は、第
１フリー磁性層５６を第１強磁性絶縁膜５６Ａ及び第１
強磁性導電膜５６Ｂで形成すること以外は、第１の実施
形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１の場合とほぼ同様
にして製造される。
【０１１９】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子２は、
第１の実施形態で説明したスピンバルブ型薄膜磁気素子
１とほぼ同じ効果を奏するほか、以下のような効果が得
られる。即ち上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子２によ
れば、第１強磁性導電膜５６Ｂが第１強磁性絶縁膜５６
Ａと非磁性中間層５３の間に配置されているので、第１
フリー磁性層５６と第２フリー磁性層５３を確実に反強
磁性的に結合させ、より安定したフェリ磁性状態とする
ことができ、外部磁界の検出感度を高くできる。
【０１２０】（第３の実施形態）次に本発明の第３の実
施形態を図面を参照して説明する。図１１に、本発明の
第３の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子３を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１２１】図１１に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
３は、第１実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１と
同様に薄膜磁気ヘッドｈ1に備えられて浮上式磁気ヘッ
ドを構成するものである。そしてこのスピンバルブ型薄
膜磁気素子３は、フリー磁性層６０、非磁性導電層２
９、固定磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層され
てなるトップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子
である。
【０１２２】図１１において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層６０、非磁性導電層２９、固定磁性
層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体３Ａが構成されている。
【０１２３】なお、図１１に示す非磁性導電層２９、固
定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第２固定磁性層４
１、４２）、バイアス下地層３３１、バイアス層３３
２、中間層３３３、電極層３３４は、第１の実施形態で
説明した反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層（非磁
性層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地層、バイ
アス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質であるの
で、説明を省略する。
【０１２４】フリー磁性層６０は図１１に示すように、
非磁性中間層６３と、非磁性中間層６３を挟む第１フリ
ー磁性層６１と第２フリー磁性層６２から構成されてい
る。第１フリー磁性層６１は、非磁性中間層６３よりも
非磁性導電層２９から離れた側に設けられて下地層２３
に接しており、一方、第２フリー磁性層６２は、非磁性
中間層６３よりも非磁性導電層２９側に設けられて非磁
性導電層２９に接している。
【０１２５】また図１１においては、第２フリー磁性層
６２の磁化方向がバイアス層３３２、３３２により図示
Ｘ1方向に揃えられ、これにより第１フリー磁性層６１
の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向に揃えられ、第２
フリー磁性層６２の磁化が残存してフリー磁性層６０全
体の磁化方向が図示Ｘ1方向に揃えられる。このよう
に、第１フリー磁性層６１と第２フリー磁性層６２は、
それぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強磁性
的に結合されて人工的なフェリ磁性状態（synthetic fe
rri free;シンセフィックフェリフリー）となる。この
ようにフェリ磁性状態とされたフリー磁性層６０は、微
小な外部磁界によってもその磁化方向を外部磁界の方向
に合わせて回転させることが可能となる。
【０１２６】第１フリー磁性層６１は、強磁性絶縁膜か
ら構成されており、第１の実施形態で説明した第１フリ
ー磁性層と同等の材質からなり、強磁性であって高い比
抵抗を有するものである。この第１フリー磁性層６１の
厚さは、１〜４ｎｍの範囲であることが好ましい。
【０１２７】非磁性中間層６３は、第１の実施形態で説
明した非磁性中間層と同等の材質からなる。また、第２
フリー磁性層６２は、拡散防止膜６２Ａと強磁性膜６２
Ｂとから構成されており、これらは第１の実施形態で説
明した第２フリー磁性層、強磁性膜及び拡散防止膜と同
等の材質からなる。また、第２フリー磁性層６２は、強
磁性導電膜からなる単層であっても良い。
【０１２８】第１フリー磁性層６１は、強磁性導電膜
（拡散防止膜６２Ａ、強磁性膜６２Ｂ）よりなる第２フ
リー磁性層６２や、非磁性中間層６３よりも極めて高い
比抵抗を示し、この第１フリー磁性層６１にはセンス電
流が流れにくくなる。従って、積層体３Ａに流れるセン
ス電流は主に、非磁性導電層２９、固定磁性層４０及び
第２フリー磁性層６２に流れることになり、センス電流
の分流が抑制される。このように、センス電流を第２フ
リー磁性層６２及び非磁性導電層２９の周辺に流すよう
に構成することにより、巨大磁気抵抗効果に寄与する伝
導電子を増加させることができ、磁気抵抗変化率を高く
できる。
【０１２９】また、第１フリー磁性層６１と非磁性中間
層６３との界面では、これらの層の比抵抗に大差がある
ためポテンシャル障壁が形成される。このポテンシャル
障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子のうちの
アップスピンの伝導電子を、スピンの方向を保存させた
まま鏡面反射する。
【０１３０】アップスピンの伝導電子が第１フリー磁性
層６１と非磁性中間層６３との界面で鏡面反射される
と、その平均自由行程が延ばされる。これにより、第１
の実施形態の場合と同様に、アップスピンの伝導電子の
平均自由行程と、ダウンスピンの伝導電子の平均自由行
程との差を大きくすることができ、スピンバルブ型薄膜
磁気素子３の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１３１】反強磁性層２２は、その組成比が第１の実
施形態で説明した反強磁性層の組成と若干異なること以
外は、第１の実施形態で説明した反強磁性層と同等なも
のである。すなわちこの反強磁性層２２は、ＰｔＭｎ合
金またはＸ−Ｍｎ（ただし、Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、
Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓのうちから選択される１種の元素を示
す。）の式で示される合金あるいはＸ’−Ｐｔ−Ｍｎ
（ただし、Ｘ’は、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒ
ｈ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇのうちから選択される１種または
２種以上の元素を示す。）の式で示される合金で形成さ
れる。そして、前記ＰｔＭｎ合金および前記Ｘ−Ｍｎの
式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６
３原子％の範囲であることが望ましく、４７〜５７原子
％の範囲がより望ましい。またＸ’−Ｐｔ−Ｍｎの式で
示される合金においては、Ｘ’が３７〜６３原子％の範
囲であることが望ましく、７４〜５７原子％の範囲であ
ることがより望ましい。
【０１３２】このスピンバルブ型薄膜磁気素子３は、下
地層２３、フリー磁性層６０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４の順に積
層して積層膜を形成すること以外は、第１の実施形態の
スピンバルブ型薄膜磁気素子１の場合とほぼ同様にして
製造される。
【０１３３】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子３のよ
れば、第１の実施形態で説明したスピンバルブ型薄膜磁
気素子１とほぼ同じ効果が得られる。
【０１３４】（第４の実施形態）次に本発明の第４の実
施形態を図面を参照して説明する。図１２に、本発明の
第４の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子４を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１３５】図１２に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
４は、フリー磁性層６５、非磁性導電層２９、固定磁性
層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるトップ
型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０１３６】図１２において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層６５、非磁性導電層２９、固定磁性
層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体４Ａが構成されている。
【０１３７】なお、図１２に示す反強磁性層２２、非磁
性導電層２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、
第２固定磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、
バイアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第
１及び第３の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導
電層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁性
層）、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層と
同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０１３８】フリー磁性層６５は、非磁性中間層６３
と、この非磁性中間層６３を挟んで反強磁性的に結合し
てフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層６６及び第
２フリー磁性層６２から構成されている。
【０１３９】このスピンバルブ型薄膜磁気素子４が第３
の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子３と異なる点
は、第１フリー磁性層６６が強磁性絶縁膜６６Ａと、第
１強磁性導電膜６６Ｂとが積層されて構成される点であ
る。
【０１４０】第１フリー磁性層６６は、第１強磁性絶縁
膜６６Ａと第１強磁性導電膜６６Ｂとが積層されるとと
もに、第１強磁性絶縁膜６６Ａが下地層２３に接し、第
１強磁性導電膜６６Ｂが非磁性中間層６３に接し、かつ
第１強磁性絶縁膜６６Ａと第１強磁性導電膜６６Ｂとが
強磁性的に結合してフェロ磁性状態とされている。ま
た、第１強磁性絶縁膜６６Ａの厚さは１ｎｍ〜４ｎｍの
範囲とされ、第１強磁性導電膜６６Ｂの厚さｓは０ｎｍ
＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲とされている。
【０１４１】第１強磁性絶縁膜６６Ａは、第２の実施形
態で説明した第１強磁性絶縁膜と同等のものであり、比
抵抗が４〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の絶縁膜であ
る。また第１強磁性導電膜６６Ｂは、第２の実施形態で
説明した第１強磁性導電膜と同等の材料からなるもの
で、強磁性であって比抵抗が０．３μΩ・ｍ程度と低い
ものである。
【０１４２】非磁性中間層６３及び第２フリー磁性層６
２は、第３の実施形態で説明した非磁性中間層及び第２
フリー磁性層と同じ構成であり、同じ材質である。ま
た、第２フリー磁性層６２の厚さは２．５ｎｍ〜４．５
ｎｍの範囲とされ、第１フリー磁性層６６よりも厚く形
成されている。
【０１４３】このように第１フリー磁性層６６は、強磁
性導電膜（拡散防止膜６２Ａ、強磁性膜６２Ｂ）よりな
る第２フリー磁性層６２や、非磁性中間層６３よりも極
めて高い比抵抗を示し、第１フリー磁性層６６にはセン
ス電流が流れにくくなる。従って、積層体４Ａに流れる
センス電流は主に、非磁性導電層２９、固定磁性層４０
及び第２フリー磁性層６２に流れることになり、センス
電流の分流が抑制される。従ってセンス電流を第２フリ
ー磁性層６２及び非磁性導電層２９の周辺に流すように
構成することにより、巨大磁気抵抗効果に寄与する伝導
電子を増加させることができ、磁気抵抗変化率を高くで
きる。
【０１４４】また、強磁性絶縁膜６６Ａと第１強磁性導
電膜６６Ｂとが強磁性的に結合してフェロ磁性状態とさ
れているので、第１フリー磁性層６６全体の磁化方向を
一方向に揃えることができる。即ち図１２においては、
第２フリー磁性層６２の磁化方向がバイアス層３３２、
３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第１フリー
磁性層６６全体の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向に
揃えられる。そして第２フリー磁性層６２の磁化が残存
してフリー磁性層６５全体の磁化方向が図示Ｘ 1方向に
揃えられ、フェリ磁性状態とされる。このようにフェリ
磁性状態とされたフリー磁性層６５は、微小な外部磁界
によってもその磁化方向を外部磁界の方向に合わせて回
転させることが可能となる。
【０１４５】また、第１強磁性導電膜６６Ｂが、第１強
磁性絶縁膜６６Ａと非磁性中間層６３との間に配置され
ているので、第１フリー磁性層６６と第２フリー磁性層
６３を確実に反強磁性的に結合させてフェリ磁性状態と
することができ、外部磁界の検出感度を高くすることが
できる。
【０１４６】またこの場合に第１強磁性導電膜６６Ｂの
厚さｓを０ｎｍ＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲とすれば、第１
フリー磁性層６６と第２フリー磁性層６２を確実に反強
磁性的に結合させることができる。
【０１４７】また、第１強磁性絶縁膜６６Ａと第１強磁
性導電膜６６Ｂとの界面では、これらの層の比抵抗に大
差があるためポテンシャル障壁が形成される。このポテ
ンシャル障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子
のうちのアップスピンの伝導電子を、スピンの方向を保
存させたまま鏡面反射する。
【０１４８】アップスピンの伝導電子が第１強磁性絶縁
膜６６Ａと第１強磁性導電膜６６Ｂとの界面で鏡面反射
されると、その平均自由行程が延ばされる。これによ
り、第１の実施形態の場合と同様に、アップスピンの伝
導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均
自由行程との差を大きくすることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子４の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１４９】このスピンバルブ型薄膜磁気素子４は、下
地層２３、フリー磁性層６５、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４の順に積
層して積層膜を形成すること以外は、第２の実施形態の
スピンバルブ型薄膜磁気素子１の場合とほぼ同様にして
製造される。
【０１５０】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子４によ
れば、第２の実施形態で説明したスピンバルブ型薄膜磁
気素子２とほぼ同じ効果が得られる。
【０１５１】（第５の実施形態）次に本発明の第５の実
施形態を図面を参照して説明する。図１３に、本発明の
第５の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子５を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１５２】図１３に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
５は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９及びフリー磁性層７０が順次積層されてなるボトム
型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０１５３】図１３において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層７０、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体５Ａが構成されている。
【０１５４】尚、図１３に示す反強磁性層２１、非磁性
導電層２９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第
２固定磁性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１
及び第２の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導電
層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、
バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層と同等の
構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０１５５】フリー磁性層７０は、非磁性中間層７３
と、この非磁性中間層７３を挟んで反強磁性的に結合し
てフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層７１及び第
２フリー磁性層７２から構成されている。
【０１５６】第１フリー磁性層７１は、強磁性導電膜か
ら構成されるもので、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、Ｎｉ
Ｆｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれか
により形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金より形
成されることが好ましい。この第１フリー磁性層７１の
厚さは、０．５〜４ｎｍの範囲であることが好ましい。
非磁性中間層７３は、非磁性の導電性材料より形成され
るもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち
の１種またはこれらの合金から形成されることが好まし
く、特にＲｕにより形成されることが好ましい。
【０１５７】第２フリー磁性層７２は、強磁性絶縁膜か
ら構成されている。この強磁性絶縁膜は、強磁性であっ
て高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸
化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、これら
強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜は、第１の実
施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁性
層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜
と同等のものである。この第２フリー磁性層７２の厚さ
は、１．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好ましく、
特に第１フリー磁性層７１よりも厚く形成することが好
ましい。
【０１５８】第２フリー磁性層７２は強磁性であるた
め、非磁性中間層７３を介して第１フリー磁性層７１と
反強磁性的に結合する。従って、第２フリー磁性層７２
の磁化方向がバイアス層３３２、３３２により図示Ｘ1
方向に揃えられると、第１フリー磁性層７１の磁化方向
が図示Ｘ1方向の反対方向に揃えられる。そして第２フ
リー磁性層７２の磁化が残存してフリー磁性層７０全体
の磁化方向が図示Ｘ1方向に揃えられる。このように、
第１フリー磁性層７１と第２フリー磁性層７２は、それ
ぞれの磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に
結合されて人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri
free;シンセフィックフェリフリー）となる。このよう
にフェリ磁性状態とされたフリー磁性層７０は、微小な
外部磁界によってもその磁化方向を外部磁界の方向に合
わせて回転させることが可能となる。
【０１５９】また第２フリー磁性層７２は、比抵抗が４
〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜また
は強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、第１フリー磁
性層７１、非磁性中間層７３または非磁性導電層２９よ
りも極めて高い比抵抗を示す。特に第２フリー磁性層７
２と非磁性導電層２９の比抵抗の差が大きいため、第２
フリー磁性層７２と非磁性導電層２９の界面においてポ
テンシャル障壁が形成される。
【０１６０】このポテンシャル障壁は、非磁性導電層２
９を移動する伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子
をスピンの方向を保存させたまま鏡面反射し、ダウンス
ピンの伝導電子をスピンの方向を保存することなく散乱
する。従って強磁性絶縁酸化膜からなる第２フリー磁性
層７２は、アップスピンの伝導電子のみを鏡面反射す
る。
【０１６１】アップスピンの伝導電子が第２フリー磁性
層７２により鏡面反射されることにより、その平均自由
行程を延ばすことができる。これにより、第１の実施形
態の場合と同様に、アップスピンの伝導電子の平均自由
行程とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程との差を
大きくすることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子５
の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１６２】以上のことを模式図を用いて表すと図１４
に示す通りになる。図１４には、反強磁性層２１、固定
磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２
固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、フリー磁性層７
０（第２フリー磁性層７２、非磁性中間層７３、第１フ
リー磁性層７１）を順次積層した積層体５Ｇを示す。な
お、図１４において、フリー磁性層７０は、外部磁界に
よりその磁化方向が図１４中左方向に向けられており、
固定磁性層３０は、その磁化方向が反強磁性層２１との
交換結合磁界により図１４中左方向に固定されている。
【０１６３】図１４に示す積層体５Ｇにセンス電流を流
すと、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層２
９を移動する。図１４においてはアップスピンの伝導電
子を符号ｅ1で示し、ダウンスピンの伝導電子を符号ｅ2
で示している。
【０１６４】アップスピンの伝導電子ｅ1は、外部磁界
により固定磁性層３０とフリー磁性層７０の磁化方向が
平行になったときに、固定磁性層３０から非磁性導電層
２９を経て第２フリー磁性層５２まで移動する確率が高
くなる。そしてこのアップスピンの伝導電子ｅ1は、非
磁性導電層２９と第２フリー磁性層７２の界面でスピン
の状態を保存されたまま鏡面反射され、再び非磁性導電
層２９及び固定磁性層３０中を移動する。このようにし
て、アップスピンの伝導電子ｅ1は、非磁性導電層２９
及び固定磁性層３０をそれぞれ２度通過することにな
り、平均自由行程が大幅に延びてλ +となる。
【０１６５】一方、ダウンスピンの伝導電子ｅ2につい
ては、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層７２との界
面で常に散乱される確率が高く、ダウンスピンの伝導電
子ｅ 2が第２フリー磁性層７２に散乱された時点で平均
自由行程がとぎれるため、ダウンスピンの伝導電子ｅ2
の平均自由行程（λ-）はアップスピンの伝導電子ｅ1の
平均自由行程（λ+）よりも短いままである。このよう
に外部磁界の作用によって、アップスピンの伝導電子ｅ
1の平均自由行程（λ+）がダウンスピンの伝導電子ｅ2
の平均自由行程（λ-）より大きくなり、行程差（λ+−
λ-）が大きくなって積層体５Ｇの磁気抵抗変化率が大
きくなる。
【０１６６】このように、本実施形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子５は、鏡面反射効果によりアップスピンの
伝導電子ｅ1の平均自由行程を大幅に延ばすことができ
るので、ダウンスピンの伝導電子ｅ2との平均自由行程
差が大きくなって、スピンバルブ型薄膜磁気素子５の磁
気抵抗変化率を大幅に向上できる。
【０１６７】このスピンバルブ型薄膜磁気素子５は、第
２フリー磁性層７２を強磁性絶縁膜で形成し、かつ第１
フリー磁性層７１を強磁性導電膜で形成すること以外
は、第１の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１の
場合とほぼ同様にして製造される。
【０１６８】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子５によ
れば、第２フリー磁性層７２が強磁性絶縁膜により構成
されているので、この第２フリー磁性層７２によってア
ップスピンの伝導電子を鏡面反射させることができ、ア
ップスピンの伝導電子の平均自由行程を伸ばしてダウン
スピンの伝導電子の平均自由行程との差を大きくするこ
とができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子５の磁気抵抗変
化率を高くできる。
【０１６９】また、第２フリー磁性層７２によってアッ
プスピンの伝導電子を鏡面反射することにより、このア
ップスピンの伝導電子を非磁性導電層２９近傍に閉じこ
めることができるので、センス電流の分流が抑制されて
シャントロスを低減でき、スピンバルブ型薄膜磁気素子
５の磁気抵抗変化率をより高くすることができる。
【０１７０】また第２フリー磁性層７２は、強磁性絶縁
膜よりなるため強磁性を示すので、第１フリー磁性層７
１と反強磁性的に結合し、フェリ磁性状態とすることが
できる。これによりフリー磁性層７０の磁化方向を微小
な外部磁界によって変動させることができ、スピンバル
ブ型薄膜磁気素子５の外部磁界の感度を高くできる。
【０１７１】従って、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素
子５によれば、アップスピンの伝導電子の鏡面反射効果
により磁気抵抗変化率を大幅に高くできると同時に、フ
ェリ磁性状態のフリー磁性層を備えて外部磁界の検出感
度を高くできるという格別な効果が得られる。
【０１７２】（第６の実施形態）次に本発明の第６の実
施形態を図面を参照して説明する。図１５に、本発明の
第６の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子６を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１７３】図１５に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
６は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９及びフリー磁性層７５が順次積層されてなるボトム
型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０１７４】図１５において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層７５、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体６Ａが構成されている。
【０１７５】尚、図１５に示す反強磁性層２１、非磁性
導電層２９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第
２固定磁性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１
及び第２の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導電
層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、
バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層と同等の
構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０１７６】フリー磁性層７５は、非磁性中間層７３
と、この非磁性中間層７３を挟んで反強磁性的に結合し
てフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層７１及び第
２フリー磁性層７６から構成されている。
【０１７７】第１フリー磁性層７１及び非磁性中間層７
３は、第５の実施形態の第１フリー磁性層及び非磁性中
間層と同等の構成であるとともに同等の材質からなる。
【０１７８】第２フリー磁性層７６は、第２強磁性絶縁
膜７７と第３強磁性導電膜７８とが積層されて構成され
ている。第２強磁性絶縁膜７７は非磁性中間層７３に接
し、第３強磁性導電膜７８は非磁性導電層２９に接して
いる。また、第２強磁性絶縁膜７７と第３強磁性導電膜
７８は、強磁性的に結合してフェロ磁性状態とされてい
る。
【０１７９】第２強磁性絶縁膜７７は、強磁性であって
高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸化
膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、第１の実
施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁性
層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜
と同等のものである。また第３強磁性導電膜７８は、強
磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣｏ、Ｃ
ｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦ
ｅ合金のいずれかで構成され、特にＮｉＦｅ合金よりな
ることが好ましい。第２強磁性絶縁膜７７の厚さは０．
５〜１０ｎｍの範囲であることが好ましく、１〜１０ｎ
ｍの範囲がより好ましい。また、第３強磁性導電膜７８
の厚さは１．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好まし
い。そして、第２フリー磁性層７６全体の厚さｕは２．
０〜１４．５ｎｍの範囲であることが好ましく、特に第
１フリー磁性層７１よりも厚くすることが好ましい。
【０１８０】第２強磁性絶縁膜７７の厚さｕを０．５ｎ
ｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導電
層２９から移動してきたアップスピンの伝導電子がこの
第２強磁性絶縁膜７７を突き抜けてしまうことがなく、
アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射させること
ができる。
【０１８１】また、第２強磁性絶縁膜７７と第３強磁性
導電膜７８とが強磁性的に結合してフェロ磁性状態とさ
れているので、第２フリー磁性層７６全体の磁化方向を
一方向に揃えることができる。即ち図１５においては、
第２フリー磁性層７６の磁化方向がバイアス層３３２、
３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第１フリー
磁性層７１全体の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向に
揃えられる。そして第２フリー磁性層７６の磁化が残存
してフリー磁性層７５全体の磁化方向が図示Ｘ 1方向に
揃えられる。このように、第１フリー磁性層７１と第２
フリー磁性層７６は、それぞれの磁化方向が反平行方向
となるように反強磁性的に結合されて人工的なフェリ磁
性状態（synthetic ferri free;シンセフィックフェリ
フリー）となる。このようにフェリ磁性状態とされたフ
リー磁性層７５は、微小な外部磁界によってもその磁化
方向を外部磁界の方向に合わせて回転させることが可能
となる。
【０１８２】また第２フリー磁性層７６を構成する第２
強磁性絶縁膜７７は、比抵抗が４〜２．０×１０3μΩ
・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜か
ら形成されるため、第３強磁性導電膜７８よりも極めて
高い比抵抗を示す。従って第２強磁性絶縁膜７７と第３
強磁性導電膜７８の界面においてポテンシャル障壁が形
成される。このポテンシャル障壁は、非磁性導電層２９
を移動する伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子を
スピンの方向を保存させたまま鏡面反射する。
【０１８３】アップスピンの伝導電子が第２強磁性絶縁
膜７７により鏡面反射されると、その平均自由行程が延
ばされる。これにより、第１の実施形態の場合と同様
に、アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンス
ピンの伝導電子の平均自由行程との差が大きくなって、
スピンバルブ型薄膜磁気素子６の磁気抵抗変化率を高く
できる。
【０１８４】以上のことを模式図を用いて表すと図１６
に示す通りになる。図１６には、反強磁性層２１、固定
磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２
固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、第２フリー磁性
層７６（第２強磁性導電膜７８、第２強磁性絶縁膜７
７）、非磁性中間層７３、第１フリー磁性層７１を順次
積層した積層体６Ｇを示す。なお、図１６において、フ
リー磁性層７５は、外部磁界によりその磁化方向が図１
６中左方向に向けられており、固定磁性層３０は、その
磁化方向が反強磁性層２１との交換結合磁界により図１
６中左方向に固定されている。
【０１８５】図１６に示す積層体６Ｇにセンス電流を流
すと、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層２
９を移動する。図１６においてはアップスピンの伝導電
子を符号ｅ1で示し、ダウンスピンの伝導電子を符号ｅ2
で示している。
【０１８６】アップスピンの伝導電子ｅ1は、外部磁界
により固定磁性層３０とフリー磁性層７５の磁化方向が
平行になったときに、固定磁性層３０から非磁性導電層
２９を経て第２絶縁酸化膜７７まで移動する確率が高く
なる。そしてこのアップスピンの伝導電子ｅ1は、第２
強磁性絶縁膜７７と第３強磁性導電膜７８の界面でスピ
ンの状態を保存されたまま鏡面反射され、再び第３強磁
性導電膜７８、非磁性導電層２９及び固定磁性層３０中
を移動する。このようにして、アップスピンの伝導電子
ｅ1は、第３強磁性導電膜７８、非磁性導電層２９及び
固定磁性層３０をそれぞれ２度通過することになり、平
均自由行程が大幅に延びてλ+となる。
【０１８７】一方、ダウンスピンの伝導電子ｅ2につい
ては、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層７２との界
面で常に散乱される確率が高く、ダウンスピンの伝導電
子ｅ 2が第２フリー磁性層７２に散乱された時点で平均
自由行程がとぎれるため、ダウンスピンの伝導電子ｅ2
の平均自由行程（λ-）はアップスピンの伝導電子ｅ1の
平均自由行程（λ+）よりも短いままである。このよう
に外部磁界の作用によって、アップスピンの伝導電子ｅ
1の平均自由行程（λ+）がダウンスピンの伝導電子ｅ2
の平均自由行程（λ-）より大きくなり、行程差（λ+−
λ-）が大きくなって積層体６Ｇの磁気抵抗変化率が大
きくなる。
【０１８８】このように、本実施形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子６は、鏡面反射効果によりアップスピンの
伝導電子ｅ1の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子
ｅ2の平均自由行程との差が大きくなって、スピンバル
ブ型薄膜磁気素子６の磁気抵抗変化率を大幅に向上でき
る。
【０１８９】また、第３強磁性導電膜７８が非磁性導電
層２９に接しているので、これら第３強磁性導電膜７８
と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨大磁
気抵抗効果を発現させることができる。
【０１９０】このスピンバルブ型薄膜磁気素子６は、第
２フリー磁性層７６を第２強磁性絶縁膜７７と第３強磁
性導電膜７８とで形成し、かつ第１フリー磁性層７１を
強磁性導電膜で形成すること以外は、第１の実施形態の
スピンバルブ型薄膜磁気素子１とほぼ同様にして製造さ
れる。
【０１９１】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子６によ
れば、第２フリー磁性層７６が第２強磁性絶縁膜７７と
第３強磁性導電膜７８とにより構成されており、第２強
磁性絶縁膜７７によってアップスピンの伝導電子を鏡面
反射し、アップスピンの伝導電子の平均自由行程を伸ば
してダウンスピンの伝導電子の平均自由行程との差を大
きくすることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子６の
磁気抵抗変化率を高くできる。
【０１９２】また、第２強磁性絶縁膜７７によってアッ
プスピンの伝導電子を鏡面反射することにより、このア
ップスピンの伝導電子を非磁性導電層２９近傍に閉じこ
めることができるので、センス電流の分流が抑制されて
シャントロスを低減でき、スピンバルブ型薄膜磁気素子
６の磁気抵抗変化率をより高くすることができる。
【０１９３】また、第３強磁性導電膜７８が非磁性導電
層２９に接しているので、これら第３強磁性導電膜７８
と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨大磁
気抵抗効果を発現させることができ、スピンバルブ型薄
膜磁気素子６の磁気抵抗変化率をより高くすることがで
きる。
【０１９４】また第２強磁性絶縁膜７７と第３強磁性導
電膜７８とが強磁性的に結合してフェロ磁性状態となる
ので、第２フリー磁性層７６と第１フリー磁性層７１と
が反強磁性的に結合し、フェリ磁性状態とすることがで
きる。これによりフリー磁性層７５の磁化方向を微小な
外部磁界によって変動させることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子６の外部磁界の感度を高くできる。
【０１９５】従って、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素
子６によれば、アップスピンの伝導電子の鏡面反射効果
により磁気抵抗変化率を大幅に高くできると同時に、フ
ェリ磁性状態のフリー磁性層を備えて外部磁界の検出感
度を高くできるという格別な効果が得られる。
【０１９６】（第７の実施形態）次に本発明の第７の実
施形態を図面を参照して説明する。図１７に、本発明の
第７の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子７を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０１９７】図１７に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
７は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９及びフリー磁性層８０が順次積層されてなるボトム
型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０１９８】図１７において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層８０、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体７Ａが構成されている。
【０１９９】フリー磁性層８０は、非磁性中間層７３
と、この非磁性中間層７３を挟んで反強磁性的に結合す
る第１フリー磁性層７１と第２フリー磁性層８２から構
成されている。また、第２フリー磁性層８２は、第２強
磁性絶縁膜７７と第３強磁性導電膜８４とから構成され
ている。
【０２００】尚、図１７に示す反強磁性層２１、第１フ
リー磁性層７１、非磁性中間層７３、非磁性導電層２
９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第２固定磁
性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バイアス層
３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１、第２及
び第５、第６の実施形態で説明した第１フリー磁性層、
非磁性中間層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層
（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地
層、バイアス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質
であるので、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜
磁気素子７は、第２フリー磁性層８２を構成する第３強
磁性導電膜８４が、拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂ
とからなる点においてのみ第６の実施形態のスピンバル
ブ型薄膜磁気素子６と異なる。
【０２０１】即ち、第３強磁性導電膜８４は、拡散防止
膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂとからなり、拡散防止膜８４
Ａが非磁性導電層２９に接し、強磁性膜８４Ｂが第２強
磁性絶縁膜７７と接して構成されている。拡散防止膜８
４ＡはＣｏ等の強磁性導電膜から構成され、強磁性膜８
４Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止する。また強
磁性膜８４Ｂは、拡散防止膜８４Ａと同様に強磁性導電
膜から構成されるもので、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、
ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいず
れかにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金よ
り形成されることが好ましい。拡散防止膜８４Ａの厚さ
は、０．１〜１．５ｎｍの範囲であることが好ましく、
強磁性膜８４Ｂの厚さは、１．４〜４．５ｎｍの範囲で
あることが好ましい。そして、第２フリー磁性層８２全
体の厚さは、１．５〜６．０ｎｍの範囲であることが好
ましく、特に第１フリー磁性層７１よりも厚くすること
が好ましい。
【０２０２】そして、拡散防止膜８４Ａ、強磁性膜８４
及び第２強磁性絶縁膜７７が強磁性的に結合してフェロ
磁性状態とされているので、第２フリー磁性層８２全体
の磁化方向を一方向に揃えることができる。即ち図１７
においては、第２フリー磁性層８２の磁化方向がバイア
ス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられる
と、第１フリー磁性層７１全体の磁化方向が図示Ｘ1方
向の反対方向に揃えられるそして第２フリー磁性層８２
の磁化が残存してフリー磁性層８０全体の磁化方向が図
示Ｘ1方向に揃えられ、フェリ磁性状態とされる。
【０２０３】このスピンバルブ型薄膜磁気素子７は、第
３強磁性導電膜８４を拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４
Ｂとで形成すること以外は、第６の実施形態のスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子６とほぼ同様にして製造される。
【０２０４】このスピンバルブ型薄膜磁気素子７は、第
６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子６の効果と
同じ効果を奏するとともに、以下の効果が得られる。即
ち上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子７によれば、第３
強磁性導電膜８４が拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂ
とで構成されており、拡散防止膜８４Ａにより強磁性膜
８４Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止できるの
で、非磁性導電層２９と拡散防止膜７８Ａとの界面にお
いてより大きな巨大磁気抵抗効果を発現させることがで
き、磁気抵抗変化率を高くすることができる。
【０２０５】（第８の実施形態）次に本発明の第８の実
施形態を図面を参照して説明する。図１８に、本発明の
第８の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子８を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２０６】図１８に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
８は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９及びフリー磁性層９０が順次積層されてなるボトム
型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２０７】図１８において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層９０、キャップ層２４が順次積層さ
れている。このように、下地層２３からキャップ層２４
までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅を
有する断面視略台形状の積層体８Ａが構成されている。
またフリー磁性層９０は、非磁性中間層７３と、この非
磁性中間層７３を挟む第１フリー磁性層７１及び第２フ
リー磁性層９２から構成されている。
【０２０８】尚、図１８に示す反強磁性層２１、第１フ
リー磁性層７１、非磁性中間層７３、非磁性導電層２
９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第２固定磁
性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バイアス層
３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１、第２及
び第５、第６の実施形態で説明した第１フリー磁性層、
非磁性中間層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層
（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地
層、バイアス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質
であるので、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜
磁気素子８は、第２フリー磁性層９２が、第２強磁性導
電膜９３と第２強磁性絶縁膜７７の２層によって形成さ
れ点が、第６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子
６と異なる。
【０２０９】第２フリー磁性層９２は、第２強磁性導電
膜９３と第２強磁性絶縁膜７７からなり、第２強磁性導
電膜９３が非磁性中間層７３に接し、第２強磁性絶縁膜
７７が非磁性導電層２９に接し、かつ第２強磁性絶縁膜
７７と第２強磁性導電膜９３とが強磁性的に結合してフ
ェロ磁性状態となっている。
【０２１０】第２強磁性絶縁膜７７は、強磁性であって
高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸化
膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、第１の実
施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁性
層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜
と同等のものである。また第２強磁性導電膜９３は、強
磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣｏ、Ｃ
ｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦ
ｅ合金のいずれかで構成できる。
【０２１１】第２強磁性導電膜９３の厚さは１．５〜
４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また第２強磁
性絶縁膜７７の厚さｕは０．５〜１０ｎｍの範囲である
ことが好ましく、１〜１０ｎｍの範囲がより好ましい。
そして、第２フリー磁性層９２全体の厚さは、２．０〜
１４．５ｎｍの範囲であることが好ましく、特に第１フ
リー磁性層７１よりも厚くすることが好ましい。
【０２１２】第２強磁性絶縁膜７７の厚さｕを０．５ｎ
ｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導電
層２９から移動してきたアップスピンの伝導電子がこの
第２強磁性絶縁膜７７を突き抜けてしまうことがなく、
アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射させること
ができる。
【０２１３】また、第２強磁性絶縁膜７７と第２強磁性
導電膜９３とが強磁性的に結合してフェロ磁性状態とさ
れているので、第２フリー磁性層９２全体の磁化方向を
一方向に揃えることができる。即ち図１８においては、
第２フリー磁性層９２の磁化方向がバイアス層３３２、
３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第１フリー
磁性層７１の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向に揃え
られる。そして第２フリー磁性層９２の磁化が残存して
フリー磁性層９０全体の磁化方向が図示Ｘ1方向に揃え
られる。このように、第１フリー磁性層７１と第２フリ
ー磁性層９２は、それぞれの磁化方向が反平行方向とな
るように反強磁性的に結合されて人工的なフェリ磁性状
態（synthetic ferri free;シンセフィックフェリフリ
ー）となる。このようにフェリ磁性状態とされたフリー
磁性層９０は、微小な外部磁界によってもその磁化方向
を外部磁界の方向に合わせて回転させることが可能とな
る。
【０２１４】また第２強磁性絶縁膜７７は、比抵抗が４
〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜また
は強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、比抵抗が０．
３μΩ・ｍ程度の非磁性導電層２９より高い比抵抗を示
す。従って第２強磁性絶縁膜７７と非磁性導電層２９の
界面においてポテンシャル障壁が形成される。このポテ
ンシャル障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子
のうちのアップスピンの伝導電子をスピンの方向を保存
させたまま鏡面反射する。
【０２１５】アップスピンの伝導電子が第２強磁性絶縁
膜７７により鏡面反射されることにより、その平均自由
行程を更に延ばすことができる。これにより、第１の実
施形態の場合と同様に、アップスピンの伝導電子の平均
自由行程と、ダウンスピンの伝導電子の平均自由行程と
の差を大きくすることができ、スピンバルブ型薄膜磁気
素子８の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０２１６】このスピンバルブ型薄膜磁気素子８は、第
２フリー磁性層９２を第２強磁性絶縁膜７７と第２強磁
性導電膜９３により形成すること以外は、第６の実施形
態のスピンバルブ型薄膜磁気素子６とほぼ同様にして製
造される。
【０２１７】このスピンバルブ型薄膜磁気素子８は、第
６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子６の効果と
同じ効果を奏するとともに、以下の効果が得られる。即
ち上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子８によれば、第２
強磁性導電膜９３が非磁性中間層７３に接しているた
め、第１フリー磁性層７１と第２フリー磁性層９２とが
確実に反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とすること
ができ、外部磁界の検出感度をより高くすることができ
る。
【０２１８】（第９の実施形態）次に本発明の第９の実
施形態を図面を参照して説明する。図１９に、本発明の
第９の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素子９を
磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２１９】図１９に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
９は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９及びフリー磁性層１００が順次積層されてなるボト
ム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２２０】図１９において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層１００、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体９Ａが構成されてい
る。またフリー磁性層１００は、非磁性中間層７３と、
この非磁性中間層７３を挟む第１フリー磁性層７１及び
第２フリー磁性層１０２から構成されている。
【０２２１】尚、図１９に示す反強磁性層２１、第１フ
リー磁性層７１、非磁性中間層７３、非磁性導電層２
９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第２固定磁
性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バイアス層
３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第１、第２及
び第５、第６の実施形態で説明した第１フリー磁性層、
非磁性中間層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層
（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地
層、バイアス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質
であるので、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜
磁気素子９が、第６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子６と異なる点は、第２フリー磁性層１０２が、第
２強磁性導電膜９３、第２強磁性絶縁膜７７及び第３強
磁性導電膜８４によって形成され、更に第３強磁性導電
膜８４が拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂから形成さ
れる点である。
【０２２２】第２フリー磁性層１０２は、第２強磁性導
電膜９３、第２強磁性絶縁膜７７及び第３強磁性導電膜
８４からなり、第２強磁性導電膜９３が非磁性中間層７
３に接し、第３強磁性導電膜８４が非磁性導電層２９に
接し、第２強磁性絶縁膜７７が第２、第３強磁性導電膜
９３、８４に挟まれ、かつこれら第２強磁性絶縁膜７７
及び第２、第３強磁性導電膜９３、８４が強磁性的に結
合してフェロ磁性状態となっている。
【０２２３】第２強磁性導電膜９３は、第８の実施形態
において説明した第２強磁性導電膜と同様のもので、強
磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣｏ、Ｃ
ｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦ
ｅ合金のいずれかで構成できる。第２強磁性絶縁膜９３
は、強磁性であって高い比抵抗を有するもので、具体的
には強磁性絶縁酸化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを
例示でき、第１の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素
子の第１フリー磁性層を構成する強磁性絶縁酸化膜また
は強磁性絶縁窒化膜と同等のものである。
【０２２４】第３強磁性導電膜８４は、第７の実施形態
において説明した第３強磁性導電膜と同様のもので、拡
散防止膜８４Ａ及び強磁性膜８４Ｂとからなり、これら
はいずれも強磁性であって比抵抗が低いのものであり、
拡散防止膜８４Ａが非磁性導電層２９に接し、強磁性膜
８４Ｂが第２強磁性絶縁膜７７と接して構成されてい
る。また、拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂは、強磁
性的に結合してフェロ磁性状態となっている。拡散防止
膜８４Ａは、Ｃｏ等の強磁性導電膜から構成され、強磁
性膜８４Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止する。
また強磁性膜８４Ｂは、Ｃｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ
合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれかによ
り形成される強磁性導電膜であり、特にＮｉＦｅ合金よ
り形成されることが好ましい。尚、第３強磁性導電膜８
４は、第６の実施形態の第３強磁性導電膜と同様に、Ｃ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかにより形成される強磁性導電膜
の単層膜であっても良い。
【０２２５】第２強磁性導電膜９３の厚さは、０．５〜
２．０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第２強
磁性絶縁膜７７の厚さｕは０．５〜１０ｎｍの範囲であ
ることが好ましく、１〜１０ｎｍの範囲であることがよ
り好ましい。拡散防止膜８４Ａの厚さは、０．１〜１．
５ｎｍの範囲であることが好ましく、強磁性膜８４Ｂの
厚さは、１．４〜４．５ｎｍの範囲であることが好まし
く、第３強磁性導電膜８４の厚さは、１．５〜６．０ｎ
ｍの範囲であることが好ましい。そして、第２フリー磁
性層１０２全体の厚さは、２．５〜１８．０ｎｍの範囲
であることが好ましく、第１フリー磁性層７１よりも厚
くすることが好ましい。第２強磁性絶縁膜７７の厚さｕ
を０．５ｎｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、
非磁性導電層２９から移動してきたアップスピンの伝導
電子がこの第２強磁性絶縁膜７７を突き抜けてしまうこ
とがなく、アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射
させることができる。
【０２２６】第２強磁性絶縁膜７７と第２、第３強磁性
導電膜９３、８４とが強磁性的に結合してフェロ磁性状
態とされているので、第２フリー磁性層１０２全体の磁
化方向を一方向に揃えることができる。即ち図１９にお
いては、第２フリー磁性層１０２の磁化方向がバイアス
層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられる
と、、第１フリー磁性層７１の磁化方向が図示Ｘ1方向
の反対方向に揃えられる。そして第２フリー磁性層１０
２の磁化が残存してフリー磁性層１００全体の磁化方向
が図示Ｘ1方向に揃えられる。このように、第１フリー
磁性層７１と第２フリー磁性層１０２は、それぞれの磁
化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合され
て人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri free;シ
ンセフィックフェリフリー）となる。フェリ磁性状態と
されたフリー磁性層１００は、微小な外部磁界によって
もその磁化方向を外部磁界の方向に合わせて回転させる
ことが可能となる。
【０２２７】また第２強磁性絶縁膜７７は、比抵抗が４
〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜また
は強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、第３強磁性導
電膜８４よりも極めて高い比抵抗を示す。従って第２強
磁性絶縁膜７７と第３強磁性導電膜８４の界面において
ポテンシャル障壁が形成される。
【０２２８】このポテンシャル障壁は、非磁性導電層２
９を移動する伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子
をスピンの方向を保存させたまま鏡面反射する。
【０２２９】アップスピンの伝導電子が第２強磁性絶縁
膜７７により鏡面反射されると、その平均自由行程が延
ばされる。これにより第１の実施形態の場合と同様に、
アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンスピン
の伝導電子の平均自由行程との差が大きくなり、スピン
バルブ型薄膜磁気素子９の磁気抵抗変化率を高くでき
る。
【０２３０】このスピンバルブ型薄膜磁気素子９は、第
２フリー磁性層１０２を第２強磁性絶縁膜７７と第２、
第３強磁性導電膜９３、８４により形成し、更に第３強
磁性導電膜８４を拡散防止膜８４Ａと強磁性膜８４Ｂと
で形成すること以外は、第６の実施形態のスピンバルブ
型薄膜磁気素子６とほぼ同様にして製造される。
【０２３１】このスピンバルブ型薄膜磁気素子９は、第
６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子６の効果と
同じ効果を奏するとともに、以下の効果が得られる。即
ち上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子９によれば、第２
強磁性導電膜９３が非磁性中間層７３に接しているた
め、第１フリー磁性層７１と第２フリー磁性層１０２と
が確実に反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とするこ
とができ、外部磁界の検出感度をより高くすることがで
きる。また、第３強磁性導電膜８４が非磁性導電層２９
に接しているので、これら第３強磁性導電膜８４と非磁
性導電層２９との界面においてより大きな巨大磁気抵抗
効果を発現させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気
素子９の磁気抵抗変化率を更に高くすることができる。
【０２３２】更に、第３強磁性導電膜８４が拡散防止膜
８４Ａと強磁性膜８４Ｂとで構成され、拡散防止膜８４
Ａによって強磁性膜８４Ｂと非磁性導電層２９の相互拡
散を防止できるので、非磁性導電層２９と拡散防止膜８
４Ａとの界面においてより大きな巨大磁気抵抗効果を発
現させることができ、磁気抵抗変化率を高くすることが
できる。
【０２３３】（第１０の実施形態）次に本発明の第１０
の実施形態を図面を参照して説明する。図２０に、本発
明の第１０の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１０を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２３４】図２０に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１０は、フリー磁性層１７０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるト
ップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２３５】図２０において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層１７０、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１０Ａが構成されてい
る。
【０２３６】尚、図２０に示す反強磁性層２２、非磁性
導電層２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第
２固定磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第３
及び第４の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導電
層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、
バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層と同等の
構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０２３７】フリー磁性層１７０は、非磁性中間層１７
３と、この非磁性中間層１７３を挟んで反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層１７１
及び第２フリー磁性層１７２から構成されている。
【０２３８】第１フリー磁性層１７１は、強磁性導電膜
から構成されるもので、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、Ｎ
ｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれ
かにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金より
形成されることが好ましい。この第１フリー磁性層１７
１の厚さは、０．５〜３．５ｎｍの範囲であることが好
ましい。非磁性中間層１７３は、非磁性の導電性材料よ
り形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、
Ｃｕのうちの１種またはこれらの合金から形成されるこ
とが好ましく、特にＲｕにより形成されることが好まし
い。
【０２３９】第２フリー磁性層１７２は強磁性絶縁膜か
ら構成されている。この強磁性絶縁膜は、強磁性であっ
て高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸
化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、これら
強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜は、第１の実
施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁性
層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜
と同等のものである。この第２フリー磁性層１７２の厚
さは、１．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好まし
く、特に第１フリー磁性層１７１よりも厚く形成するこ
とが好ましい。
【０２４０】第２フリー磁性層１７２は強磁性であるた
め、非磁性中間層１７３を介して第１フリー磁性層１７
１と反強磁性的に結合する。従って、第２フリー磁性層
１７２の磁化方向がバイアス層３３２、３３２により図
示Ｘ1方向に揃えられると、第１フリー磁性層１７１の
磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向に揃えられる。そし
て第２フリー磁性層１７２の磁化が残存してフリー磁性
層１７０全体の磁化方向が図示Ｘ1方向に揃えられる。
このように、第１フリー磁性層１７１と第２フリー磁性
層１７２は、それぞれの磁化方向が反平行方向となるよ
うに反強磁性的に結合されて人工的なフェリ磁性状態
（synthetic ferri free;シンセフィックフェリフリ
ー）となる。フェリ磁性状態とされたフリー磁性層１７
０は、微小な外部磁界によってもその磁化方向を外部磁
界の方向に合わせて回転させることが可能となる。
【０２４１】また第２フリー磁性層１７２は、比抵抗が
４〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜ま
たは強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、第１フリー
磁性層１７１、非磁性中間層１７３または非磁性導電層
２９よりも極めて高い比抵抗を示す。特に第２フリー磁
性層１７２と非磁性導電層２９の比抵抗の差が大きいた
め、第２フリー磁性層１７２と非磁性導電層２９の界面
においてポテンシャル障壁が形成される。このポテンシ
ャル障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子のう
ちのアップスピンの伝導電子をスピンの方向を保存させ
たまま鏡面反射し、ダウンスピンの伝導電子をスピンの
方向を保存することなく散乱する。従って強磁性絶縁酸
化膜からなる第２フリー磁性層１７２は、アップスピン
の伝導電子のみを鏡面反射する。
【０２４２】このように、アップスピンの伝導電子が第
２フリー磁性層１７２により鏡面反射されると、その平
均自由行程が延ばされる。即ち、アップスピンの伝導電
子は、外部磁界により固定磁性層４０とフリー磁性層１
７０の磁化方向が平行になったときに、固定磁性層４０
から非磁性導電層２９を経て第２フリー磁性層１７２ま
で移動する確率が高くなる。そしてこのアップスピンの
伝導電子は、第２フリー磁性層１７２と非磁性導電層２
９の界面でスピンの状態を保存されたまま鏡面反射さ
れ、再び非磁性導電層２９及び固定磁性層４０中を移動
する。このようにして、アップスピンの伝導電子は、非
磁性導電層２９及び固定磁性層４０をそれぞれ２度通過
することになり、平均自由行程が大幅に延びる。
【０２４３】一方、ダウンスピンの伝導電子について
は、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層１７２との界
面で常に散乱される確率が高く、ダウンスピンの伝導電
子が第２フリー磁性層１７２に散乱された時点で平均自
由行程がとぎれるため、ダウンスピンの伝導電子の平均
自由行程はアップスピンの伝導電子の平均自由行程より
も短いままである。
【０２４４】このように、本実施形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子１０は、鏡面反射効果によりアップスピン
の伝導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の
平均自由行程との差が大きくなって、スピンバルブ型薄
膜磁気素子１０の磁気抵抗変化率を大幅に向上できる。
【０２４５】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１０は、
第２フリー磁性層１７２を強磁性絶縁膜で形成し、かつ
第１フリー磁性層１７１を強磁性導電膜で形成すること
以外は、第３の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子
３の場合とほぼ同様にして製造される。
【０２４６】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１０に
よれば、第５の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子
５とほぼ同等な効果が得られる。
【０２４７】（第１１の実施形態）次に本発明の第１１
の実施形態を図面を参照して説明する。図２１に、本発
明の第１１の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１１を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２４８】図２１に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１１は、フリー磁性層１７５、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるト
ップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２４９】図２１において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層１７５、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１１Ａが構成されてい
る。
【０２５０】尚、図２１に示す反強磁性層２２、非磁性
導電層２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第
２固定磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第３
及び第４の実施形態で説明した反強磁性層、非磁性導電
層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁性層）、
バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層と同等の
構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０２５１】フリー磁性層１７５は、非磁性中間層１７
３と、この非磁性中間層１７３を挟んで反強磁性的に結
合してフェリ磁性状態とされた第１フリー磁性層１７１
及び第２フリー磁性層１７６から構成されている。
【０２５２】第１フリー磁性層１７１及び非磁性中間層
１７３は、第１０の実施形態の第１フリー磁性層及び非
磁性中間層と同等の構成、材質からなる。
【０２５３】第２フリー磁性層１７６は、第２強磁性絶
縁膜１７７と第３強磁性導電膜１７８とが積層されて構
成されている。第２強磁性絶縁膜１７７は非磁性中間層
１７３に接し、第３強磁性導電膜１７８は非磁性導電層
２９に接している。また、第２強磁性絶縁膜１７７と第
３強磁性導電膜１７８は、強磁性的に結合してフェロ磁
性状態とされている。
【０２５４】第２強磁性絶縁膜１７７は、強磁性であっ
て高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸
化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、第１の
実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁
性層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化
膜と同等のものである。また第３強磁性導電膜１７８
は、強磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかで構成できる。第２強磁性絶縁
膜１７７の厚さｕは、０．５〜１０ｎｍの範囲であるこ
とが好ましく、１〜１０ｎｍの範囲がより好ましい。ま
た、第３強磁性導電膜１７８の厚さは１．５〜４．５ｎ
ｍの範囲であることが好ましい。そして、第２フリー磁
性層１７６全体の厚さは、２．０〜１４．５ｎｍの範囲
であることが好ましく、第１フリー磁性層１７１より厚
くすることが好ましい。
【０２５５】第２強磁性絶縁膜１７７の厚さｕを０．５
ｎｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導
電層２９から移動してきたアップスピンの伝導電子がこ
の第２強磁性絶縁膜１７７を突き抜けてしまうことがな
く、アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射させる
ことができる。
【０２５６】また、第２強磁性絶縁膜１７７と第３強磁
性導電膜１７８とが強磁性的に結合してフェロ磁性状態
とされているので、第２フリー磁性層１７６全体の磁化
方向を一方向に揃えることができる。即ち図２１におい
ては、第２フリー磁性層１７６の磁化方向がバイアス層
３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第
１フリー磁性層１７１全体の磁化方向が図示Ｘ1方向の
反対方向に揃えられる。そして第２フリー磁性層１７６
の磁化が残存してフリー磁性層１７５全体の磁化方向が
図示Ｘ1方向に揃えられる。このように、第１フリー磁
性層１７１と第２フリー磁性層１７６は、それぞれの磁
化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合され
て人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri free;シ
ンセフィックフェリフリー）となる。フェリ磁性状態と
されたフリー磁性層１７５は、微小な外部磁界によって
もその磁化方向を外部磁界の方向に合わせて回転させる
ことが可能となる。
【０２５７】また第２フリー磁性層１７６を構成する第
２強磁性絶縁膜１７７は、比抵抗が４〜２．０×１０3
μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化
膜から形成されるため、第３強磁性導電膜１７８よりも
極めて高い比抵抗を示す。従って第２強磁性絶縁膜１７
７と第３強磁性導電膜１７８の界面においててポテンシ
ャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁は、非磁
性導電層２９を移動する伝導電子のうちのアップスピン
の伝導電子をスピンの方向を保存させたまま鏡面反射す
る。
【０２５８】このように、アップスピンの伝導電子が第
２強磁性絶縁膜１７７により鏡面反射されると、その平
均自由行程が延ばされる。即ち、アップスピンの伝導電
子は、外部磁界により固定磁性層４０とフリー磁性層１
７５の磁化方向が平行になったときに、固定磁性層４０
から非磁性導電層２９を経て第２絶縁酸化膜１７７まで
移動する確率が高くなる。そしてこのアップスピンの伝
導電子は、第２強磁性絶縁膜１７７と第３強磁性導電膜
１７８の界面でスピンの状態を保存されたまま鏡面反射
され、再び第３強磁性導電膜１７８、非磁性導電層２９
及び固定磁性層４０中を移動する。このようにして、ア
ップスピンの伝導電子は、第３強磁性導電膜１７８、非
磁性導電層２９及び固定磁性層４０をそれぞれ２度通過
することになり、平均自由行程が大幅に延びる。
【０２５９】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１１は、第１の実施形態の場合と同様に、鏡面反
射効果によりアップスピンの伝導電子の平均自由行程と
ダウンスピンの伝導電子の平均自由行程との差が大きく
なるので、スピンバルブ型薄膜磁気素子１１の磁気抵抗
変化率を大幅に向上できる。
【０２６０】また、第３強磁性導電膜１７８が非磁性導
電層２９に接しているので、これら第３強磁性導電膜１
７８と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨
大磁気抵抗効果を発現させることができる。
【０２６１】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１１は、
第２フリー磁性層１７６を第２強磁性絶縁膜１７７と第
２強磁性導電膜１７８とで形成し、かつ第１フリー磁性
層１７１を強磁性導電膜で形成すること以外は、第３の
実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子３とほぼ同様に
して製造される。
【０２６２】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１１に
よれば、第６の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子
とほぼ同等な効果が得られる。
【０２６３】（第１２の実施形態）次に本発明の第１２
の実施形態を図面を参照して説明する。図２２に、本発
明の第１２の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１２を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２６４】図２２に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１２は、フリー磁性層１８０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるト
ップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２６５】図２２において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層１８０、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１２Ａが構成されてい
る。
【０２６６】フリー磁性層１８０は、非磁性中間層１７
３と、この非磁性中間層１７３を挟んで反強磁性的に結
合する第１フリー磁性層１７１と第２フリー磁性層１８
２から構成されている。また、第２フリー磁性層１８２
は、第２強磁性絶縁膜１７７と第３強磁性導電膜１８４
とから構成されている。
【０２６７】尚、図２２に示す反強磁性層２１、第１フ
リー磁性層１７１、非磁性中間層１７３、非磁性導電層
２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第２固定
磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バイアス
層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第２及び第
３の実施形態で説明した第１フリー磁性層、非磁性中間
層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層（非磁性
層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地層、バイア
ス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質であるの
で、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜磁気素子
１２は、第２フリー磁性層１８２を構成する第３強磁性
導電膜１８４が、拡散防止膜１８４Ａと強磁性膜１８４
Ｂとからなる点においてのみ第１１の実施形態のスピン
バルブ型薄膜磁気素子１１と異なる。
【０２６８】即ち、第３強磁性導電膜１８４は、拡散防
止膜１８４Ａと強磁性膜１８４Ｂとからなり、拡散防止
膜１８４Ａが非磁性導電層２９に接し、強磁性膜１８４
Ｂが第２強磁性絶縁膜１７７と接して構成されている。
拡散防止膜１８４ＡはＣｏ等の強磁性導電膜から構成さ
れ、強磁性膜１８４Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を
防止する。また強磁性膜１８４Ｂは、拡散防止膜１８４
Ａと同様に強磁性導電膜から構成されるもので、例えば
Ｃｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃ
ｏＮｉＦｅ合金のいずれかにより形成されるものであ
り、特にＮｉＦｅ合金より形成されることが好ましい。
拡散防止膜１８４Ａの厚さは、０．１〜１．５ｎｍの範
囲であることが好ましく、強磁性膜１８４Ｂの厚さは、
１．４〜４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。そし
て、第２フリー磁性層１８２全体の厚さは、１．５〜
６．０ｎｍの範囲であることが好ましく、第１フリー磁
性層１７１より厚くすることが好ましい。
【０２６９】そして、拡散防止膜１８４Ａ、強磁性膜１
８４Ｂ及び第２強磁性絶縁膜１７７が強磁性的に結合し
てフェロ磁性状態とされているので、第２フリー磁性層
１８４全体の磁化方向を一方向に揃えることができる。
即ち図２２においては、第２フリー磁性層１８２の磁化
方向がバイアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に
揃えられると、第１フリー磁性層１７１全体の磁化方向
が図示Ｘ1方向の反対方向に揃えられる。そして第２フ
リー磁性層１８２の磁化が残存してフリー磁性層１８０
全体の磁化方向が図示Ｘ1方向に揃えられ、フェリ磁性
状態とされる。
【０２７０】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１２は、
第３強磁性導電膜１８４を拡散防止膜１８４Ａと強磁性
膜１８４Ｂとで形成すること以外は、第１１の実施形態
のスピンバルブ型薄膜磁気素子１１とほぼ同様にして製
造される。
【０２７１】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１２によ
れば、第７の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子７
の効果と同じ効果が得られる。
【０２７２】（第１３の実施形態）次に本発明の第１３
の実施形態を図面を参照して説明する。図２３に、本発
明の第１３の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１３を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２７３】図２３に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１３は、フリー磁性層１９０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるト
ップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２７４】図２３において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層１９０、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１３Ａが構成されてい
る。またフリー磁性層１９０は、非磁性中間層１７３
と、非磁性中間層１７３を挟む第１フリー磁性層１７１
及び第２フリー磁性層１９２から構成されている。
【０２７５】尚、図２３に示す反強磁性層２２、第１フ
リー磁性層１７１、非磁性中間層１７３、非磁性導電層
２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第２固定
磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バイアス
層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第３及び第
４の実施形態で説明した第１フリー磁性層、非磁性中間
層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層（非磁性
層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地層、バイア
ス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質であるの
で、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜磁気素子
１３は、第２フリー磁性層１９２が、第２強磁性導電膜
１９３、第２強磁性絶縁膜１７７及び第３強磁性導電膜
１７８の３層によって形成され点が、第１１の実施形態
のスピンバルブ型薄膜磁気素子１１と異なる。
【０２７６】第２フリー磁性層１９２は、第２強磁性導
電膜１９３と第２強磁性絶縁膜１７７からなり、第２強
磁性導電膜１９３が非磁性中間層１７３に接し、第２強
磁性絶縁膜１７７が非磁性導電層２９に接し、かつ第２
強磁性絶縁膜１７７と第２強磁性導電膜１９３とが強磁
性的に結合してフェロ磁性状態となっている。
【０２７７】第２強磁性絶縁膜１７７は、強磁性であっ
て高い比抵抗を有するもので、具体的には強磁性絶縁酸
化膜あるいは強磁性絶縁窒化膜などを例示でき、第１の
実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁
性層を構成する強磁性絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化
膜と同等のものである。また第２強磁性導電膜１９３
は、強磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかで構成できる。
【０２７８】第２強磁性導電膜１９３の厚さは１．５〜
４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また第２強磁
性絶縁膜１７７の厚さｕは０．５〜１０ｎｍの範囲であ
ることが好ましく、１〜１０ｎｍの範囲であることが好
ましい。そして、第２フリー磁性層１９２全体の厚さ
は、２．０〜１４．５ｎｍの範囲であることが好まし
く、第１フリー磁性層１７１より厚くすることが好まし
い。
【０２７９】第２強磁性絶縁膜１７７の厚さｕを０．５
ｎｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導
電層２９から移動してきたアップスピンの伝導電子がこ
の第２強磁性絶縁膜１７７を突き抜けてしまうことがな
く、アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射させる
ことができる。
【０２８０】第２強磁性絶縁膜１７７と第２強磁性導電
膜１９３とが強磁性的に結合してフェロ磁性状態とされ
ているので、第２フリー磁性層１９２全体の磁化方向を
一方向に揃えることができる。即ち図２３においては、
第２フリー磁性層１９２の磁化方向がバイアス層３３
２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられると、第１フ
リー磁性層１７１の磁化方向が図示Ｘ1方向の反対方向
に揃えられる。そして第２フリー磁性層１９２の磁化が
残存してフリー磁性層１９０全体の磁化方向が図示Ｘ1
方向に揃えられる。このように、第１フリー磁性層１７
１と第２フリー磁性層１９２は、それぞれの磁化方向が
反平行方向となるように反強磁性的に結合されて人工的
なフェリ磁性状態（synthetic ferri free;シンセフィ
ックフェリフリー）となる。フェリ磁性状態とされたフ
リー磁性層１９０は、微小な外部磁界によってもその磁
化方向を外部磁界の方向に合わせて回転させることが可
能となる。
【０２８１】また第２強磁性絶縁膜１７７は、比抵抗が
４〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜ま
たは強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、非磁性導電
層２９よりも極めて高い比抵抗を示す。従って第２強磁
性絶縁膜１７７と非磁性導電層２９の界面においてポテ
ンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁は、
非磁性導電層２９を移動する伝導電子のうちのアップス
ピンの伝導電子をスピンの方向を保存させたまま鏡面反
射する。
【０２８２】このように、アップスピンの伝導電子が第
２強磁性絶縁膜１７７により鏡面反射されると、その平
均自由行程が延ばされる。即ち、アップスピンの伝導電
子は、外部磁界により固定磁性層４０とフリー磁性層１
９０の磁化方向が平行になったときに、固定磁性層４０
から非磁性導電層２９を経て第２絶縁酸化膜１７７まで
移動する確率が高くなる。そしてこのアップスピンの伝
導電子は、第２強磁性絶縁膜１７７と非磁性導電層２９
の界面でスピンの状態を保存されたまま鏡面反射され、
再び非磁性導電層２９及び固定磁性層４０中を移動す
る。このようにして、アップスピンの伝導電子は、非磁
性導電層２９及び固定磁性層４０をそれぞれ２度通過す
ることになり、平均自由行程が大幅に延びる。
【０２８３】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１３では、第１の実施形態の場合と同様に、鏡面
反射効果によりアップスピンの伝導電子の平均自由行程
とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程との差が大き
くなるので、スピンバルブ型薄膜磁気素子１３の磁気抵
抗変化率を大幅に向上できる。
【０２８４】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１３は、
第２フリー磁性層１９２を第２強磁性絶縁膜１７７と第
２強磁性導電膜１９３により形成すること以外は、第１
０の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１０とほぼ
同様にして製造される。
【０２８５】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１３によ
れば、第８の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子８
の効果と同じ効果が得られる。
【０２８６】（第１４の実施形態）次に本発明の第１４
の実施形態を図面を参照して説明する。図２４に、本発
明の第１４の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１４を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０２８７】図２４に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１４は、フリー磁性層２００、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０及び反強磁性層２２が順次積層されてなるト
ップ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２８８】図２２において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層２００、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１４Ａが構成されてい
る。またフリー磁性層２００は、非磁性中間層１７３
と、非磁性中間層１７３を挟む第１フリー磁性層１７１
及び第２フリー磁性層２０２から構成されている。
【０２８９】尚、図２４に示す反強磁性層２２、第１フ
リー磁性層１７１、非磁性中間層１７３、非磁性導電層
２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第２固定
磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バイアス
層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第３及び第
４の実施形態で説明した第１フリー磁性層、非磁性中間
層、反強磁性層、非磁性導電層、固定磁性層（非磁性
層、第１、第２固定磁性層）、バイアス下地層、バイア
ス層、中間層、電極層と同等の構成及び材質であるの
で、説明を省略する。このスピンバルブ型薄膜磁気素子
１４が、第１３の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素
子１３と異なる点は、第２フリー磁性層２０２が、第２
強磁性導電膜１９３、第２強磁性絶縁膜１７７及び第３
強磁性導電膜１８４によって形成され、更に第３強磁性
導電膜１８４が拡散防止膜１８４Ａと強磁性膜１８４Ｂ
から形成される点である。
【０２９０】第２フリー磁性層２０２は、第２強磁性導
電膜１９３、第２強磁性絶縁膜１７７及び第３強磁性導
電膜１８４からなり、第２強磁性導電膜１９３が非磁性
中間層１７３に接し、第３強磁性導電膜１８４が非磁性
導電層２９に接し、第２強磁性絶縁膜１７７が第２、第
３強磁性導電膜１９３、１８４に挟まれ、かつこれら第
２強磁性絶縁膜１７７及び第２、第３強磁性導電膜１９
３、１８４が強磁性的に結合してフェロ磁性状態となっ
ている。
【０２９１】第２強磁性導電膜１９３は、第１３の実施
形態において説明した第２強磁性導電膜と同様のもの
で、強磁性であって比抵抗が低いものであり、例えばＣ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかで構成できる。また、第２強磁
性絶縁膜１９３は、強磁性であって高い比抵抗を有する
もので、具体的には強磁性絶縁酸化膜あるいは強磁性絶
縁窒化膜などを例示でき、第１の実施形態のスピンバル
ブ型薄膜磁気素子の第１フリー磁性層を構成する強磁性
絶縁酸化膜または強磁性絶縁窒化膜と同等のものであ
る。
【０２９２】第３強磁性導電膜１８４は、第１２の実施
形態において説明した第３強磁性導電膜と同様のもの
で、拡散防止膜１８４Ａ及び強磁性膜１８４Ｂとからな
り、これらはいずれも強磁性であって比抵抗が低いのも
のであり、拡散防止膜１８４Ａが非磁性導電層２９に接
し、強磁性膜１８４Ｂが第２強磁性絶縁膜１７７と接し
て構成されている。また、拡散防止膜１８４Ａと強磁性
膜１８４Ｂは、強磁性的に結合してフェロ磁性状態とな
っている。拡散防止膜１８４Ａは、Ｃｏ等の強磁性導電
膜から構成され、強磁性膜１８４Ｂと非磁性導電層２９
の相互拡散を防止する。また強磁性膜１８４Ｂは、Ｃ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかにより形成される強磁性導電膜
であり、特にＮｉＦｅ合金より形成されることが好まし
い。尚、第３強磁性導電膜１８４は、第１１の実施形態
の第３強磁性導電膜と同様に、Ｃｏ、ＣｏＦｅ合金、Ｎ
ｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれ
かにより形成される強磁性導電膜の単層膜であっても良
い。
【０２９３】また、第２強磁性導電膜１９３の厚さは、
０．５〜２．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また
第２強磁性絶縁膜１７７の厚さｕは０．５〜１０ｎｍの
範囲であることが好ましく、１〜１０ｎｍの範囲である
ことがより好ましい。拡散防止膜１８４Ａの厚さは、
０．１〜１．５ｎｍの範囲であることが好ましく、強磁
性膜１８４Ｂの厚さは、１．４〜４．５ｎｍの範囲であ
ることが好ましく、第３強磁性導電膜１８４の厚さは、
１．５〜６．０ｎｍの範囲であることが好ましい。そし
て、第２フリー磁性層２０２全体の厚さは、２．５〜１
８．５ｎｍの範囲であることが好ましく、第１フリー磁
性層１７１よりも厚くすることが好ましい。
【０２９４】第２強磁性絶縁膜１７７の厚さｕを０．５
ｎｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲とすることにより、非磁性導
電層２９から移動してきたアップスピンの伝導電子がこ
の第２強磁性絶縁膜１７７を突き抜けてしまうことがな
く、アップスピンの伝導電子の大部分を鏡面反射させる
ことができる。
【０２９５】第２強磁性絶縁膜１７７と第２、第３強磁
性導電膜１９３、１８４とが強磁性的に結合してフェロ
磁性状態とされているので、第２フリー磁性層２０２全
体の磁化方向を一方向に揃えることができる。即ち図２
４においては、第２フリー磁性層２０２の磁化方向がバ
イアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられ
ると、第１フリー磁性層１７１の磁化方向が図示Ｘ1方
向の反対方向に揃えられる。そして第２フリー磁性層２
０２の磁化が残存してフリー磁性層２００全体の磁化方
向が図示Ｘ1方向に揃えられる。このように、第１フリ
ー磁性層１７１と第２フリー磁性層２０２は、それぞれ
の磁化方向が反平行方向となるように反強磁性的に結合
されて人工的なフェリ磁性状態（synthetic ferri fre
e;シンセフィックフェリフリー）となる。フェリ磁性状
態とされたフリー磁性層２００は、微小な外部磁界によ
ってもその磁化方向を外部磁界の方向に合わせて回転さ
せることが可能となる。
【０２９６】また第２強磁性絶縁膜１７７は、比抵抗が
４〜２．０×１０3μΩ・ｍ程度の強磁性絶縁酸化膜ま
たは強磁性絶縁窒化膜から形成されるため、第３強磁性
導電膜１８４よりも極めて高い比抵抗を示す。従って第
２強磁性絶縁膜１７７と第３強磁性導電膜１８４の界面
においてポテンシャル障壁が形成される。
【０２９７】このポテンシャル障壁は、非磁性導電層２
９を移動する伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子
をスピンの方向を保存させたまま鏡面反射する。
【０２９８】アップスピンの伝導電子が第２強磁性絶縁
膜１７７により鏡面反射されると、その平均自由行程が
延ばされる。これにより第１の実施形態の場合と同様
に、アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンス
ピンの伝導電子の平均自由行程との差を大きくすること
ができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子１４の磁気抵抗変
化率を高くできる。
【０２９９】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１４は、
第２フリー磁性層２０２を第２強磁性絶縁膜１７７と第
２、第３強磁性導電膜１９３、１８４により形成し、更
に第３強磁性導電膜１８４を拡散防止膜１８４Ａと強磁
性膜１８４Ｂとで形成すること以外は、第１０の実施形
態のスピンバルブ型薄膜磁気素子１０とほぼ同様にして
製造される。
【０３００】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１４によ
れば、第９の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子９
の効果とほぼ同じ効果が得られる。
【０３０１】（第１５の実施形態）次に本発明の第１５
の実施形態を図面を参照して説明する。図２５に、本発
明の第１５の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１５を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０３０２】図２５に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１５は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電
層２９及びフリー磁性層２１０が順次積層されてなるボ
トム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０３０３】図２５において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層２１０、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１５Ａが構成されてい
る。
【０３０４】尚、図２５に示す反強磁性層２１、非磁性
導電層２９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第
２固定磁性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第
１、第２及び第５の実施形態で説明した反強磁性層、非
磁性導電層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁
性層）、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層
と同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０３０５】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１５のフ
リー磁性層２１０は、図２５に示すように、非磁性中間
層２１６と、非磁性中間層２１６を挟む第１フリー磁性
層２１１と第２フリー磁性層２１２から構成されてい
る。第１フリー磁性層２１１と第２フリー磁性層２１２
は、非磁性中間層２１６を介して反強磁性的に結合して
いる。第１フリー磁性層２１１は、非磁性中間層２１６
よりも非磁性導電層２９から離れた側に設けられてキャ
ップ層２４に接しており、一方、第２フリー磁性層２１
２は、非磁性中間層２１６よりも非磁性導電層２９側に
設けられて非磁性導電層２９に接している。
【０３０６】第１フリー磁性層２１１は強磁性導電膜か
ら構成されている。この強磁性導電膜は比抵抗が低く強
磁性を示すもので、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦ
ｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれかに
より形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金より形成
されることが好ましい。この第１フリー磁性層２１１の
厚さは、０．５〜３．５ｎｍの範囲であることが好まし
い。
【０３０７】また、第２フリー磁性層２１２は、非磁性
中間絶縁膜２１４と、この非磁性中間絶縁膜２１４を挟
む第４強磁性導電膜２１３と第５強磁性導電膜２１５と
から構成されている。第４強磁性導電膜２１３は、非磁
性中間絶縁膜２１４よりも非磁性導電層２９から離れた
側に設けられて非磁性中間層２１６に接しており、一
方、第５強磁性導電膜２１５は、非磁性中間絶縁膜２１
４よりも非磁性導電層２９側に設けられて非磁性導電層
２９に接している。そして、第４強磁性導電膜２１３と
第５強磁性導電膜２１５は、非磁性中間絶縁膜２１４を
介して反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とされてい
る。
【０３０８】第４強磁性導電膜２１３と第５強磁性導電
膜２１５は強磁性導電膜から構成されている。この強磁
性導電膜は比抵抗が低く強磁性を示すもので、例えばＣ
ｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃｏ
ＮｉＦｅ合金のいずれかにより形成されるものであり、
特にＮｉＦｅ合金より形成されることが好ましい。ま
た、非磁性中間絶縁膜２１４は、非磁性の絶縁性材料か
ら構成されていて、第４、第５強磁性導電膜２１３、２
１５よりも比抵抗が高いものである。
【０３０９】第４強磁性導電膜２１３の厚さは、１．０
〜３．０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第５
強磁性導電膜２１５の厚さは、１．５〜４．５ｎｍの範
囲であることが好ましい。また、非磁性中間絶縁膜２１
４の厚さは、０．２〜２．０ｎｍの範囲であることが好
ましい。なお、第４強磁性導電膜２１３及び第５強磁性
導電膜２１５は、いずれか一方の膜厚が他方の膜厚より
も僅かに厚くなるように形成することが好ましく、図２
５では第４強磁性導電膜２１３が第５強磁性導電膜２１
５より厚く形成されている。そして、第２フリー磁性層
２１２全体の厚さは２．７〜９．５ｎｍの範囲であるこ
とが好ましく、第１フリー磁性層２１１よりも厚くする
ことが好ましい。
【０３１０】第４強磁性導電膜２１３と第５強磁性導電
膜２１５とが反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とさ
れているため、第５強磁性導電膜２１５の磁化方向がバ
イアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向の反対方向
に揃えられると、第４強磁性導電膜２１３の磁化方向が
図示Ｘ1方向に揃えられ、第４強磁性導電膜２１３の磁
化が残存して第２フリー磁性層２１２全体の磁化方向が
図示Ｘ1方向に揃えられる。
【０３１１】更に、第２フリー磁性層２１２と反強磁性
的に結合する第１フリー磁性層２１１の磁化方向が図示
Ｘ1方向の反対方向に揃えられ、第２フリー磁性層２１
２の磁化が残存するので、フリー磁性層２１０全体の磁
化方向が図示Ｘ1方向に揃えられるとともにフェリ磁性
状態となる。フェリ磁性状態とされたフリー磁性層２１
０は、微小な外部磁界によってもその磁化方向を外部磁
界の方向に合わせて回転させることが可能となる。
【０３１２】また、非磁性中間絶縁膜２１４と第５強磁
性導電膜２１５との界面では、これらの層の比抵抗に大
差があるためポテンシャル障壁が形成される。従って非
磁性中間絶縁膜２１４は、非磁性導電層２９を移動する
伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子を、スピンの
方向を保存させたまま鏡面反射する。
【０３１３】アップスピンの伝導電子が非磁性中間絶縁
膜２１４と第５強磁性導電膜２１５との界面で鏡面反射
されると、その平均自由行程が延ばされる。これによ
り、第１の実施形態の場合と同様に、アップスピンの伝
導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均
自由行程との差を大きくすることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子１５の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０３１４】以上のことを模式図を用いて表すと図２６
に示す通りになる。図２６には、反強磁性層２１、固定
磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２
固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、第２フリー磁性
層２１２（第５強磁性導電膜２１５、非磁性中間絶縁膜
２１４、第４強磁性導電膜２１３）、非磁性中間層２１
６、第１フリー磁性層２１１を順次積層した積層体１５
Ｇを示す。なお、図２６において、フリー磁性層２１０
は、外部磁界によりその磁化方向が図２６中左方向に向
けられており、固定磁性層３０は、その磁化方向が反強
磁性層２１との交換結合磁界により図２６中左方向に固
定されている。
【０３１５】図２６に示す積層体１５Ｇにセンス電流を
流すと、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層
２９を移動する。図２６においてはアップスピンの伝導
電子を符号ｅ1で示し、ダウンスピンの伝導電子を符号
ｅ2で示している。
【０３１６】アップスピンの伝導電子ｅ1は、外部磁界
により固定磁性層３０とフリー磁性層２１０の磁化方向
が平行になったときに、非磁性導電層２９から第５強磁
性導電膜２１５まで移動する確率が高くなる。そしてこ
のアップスピンの伝導電子ｅ1は、非磁性中間絶縁膜２
１４と第５強磁性導電膜２１５の界面まで移動し、ポテ
ンシャル障壁を形成する非磁性中間絶縁膜２１４によっ
てスピンの状態を保存されたまま鏡面反射され、再び第
５強磁性導電膜２１５中を移動する。このようにして、
アップスピンの伝導電子ｅ1は、第５強磁性導電膜２１
５、非磁性導電層２９及び固定磁性層３０をそれぞれ２
度通過することになり、平均自由行程が大幅に延びてλ
+となる。
【０３１７】一方、ダウンスピンの伝導電子ｅ2につい
ては、非磁性導電層２９と第５強磁性導電膜２１５との
界面で常に散乱される確率が高く、第５強磁性導電膜２
１５に移動する確率が低いまま維持され、その平均自由
行程（λ-）はアップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由行
程（λ+）よりも短いままである。このように外部磁界
の作用により、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由
行程（λ+）がダウンスピンの伝導電子ｅ2の平均自由行
程（λ-）より大きくなり、行程差（λ+−λ-）が大き
くなって積層体１５Ｇの磁気抵抗変化率が大きくなる。
【０３１８】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１５は、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由
行程を大幅に延ばすことができるので、ダウンスピンの
伝導電子ｅ2との平均自由行程差が大きくなって、スピ
ンバルブ型薄膜磁気素子１５の磁気抵抗変化率を大幅に
向上できる。
【０３１９】また、第５強磁性導電膜２１５が非磁性導
電層２９に接しているので、これら第５強磁性導電膜２
１５と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨
大磁気抵抗効果を発現させることができる。
【０３２０】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１５は、
第２フリー磁性層２１２を第２強磁性絶縁膜２１３と非
磁性中間絶縁膜２１４と第５強磁性導電膜２１５とで形
成すること以外は、第５の実施形態のスピンバルブ型薄
膜磁気素子５とほぼ同様にして製造される。
【０３２１】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１５に
よれば、非磁性中間絶縁膜２１４によってアップスピン
の伝導電子が鏡面反射され、アップスピンの伝導電子の
平均自由行程を伸ばしてダウンスピンの伝導電子の平均
自由行程との差を大きくすることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子１５の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０３２２】また、第５強磁性導電膜２１５が非磁性導
電層２９に接しているので、これら第５強磁性導電膜２
１５と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨
大磁気抵抗効果を発現させることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子１５の磁気抵抗変化率をより高くするこ
とができる。
【０３２３】更に、第１フリー磁性層２１１と第２フリ
ー磁性層２１２とがフェリ磁性状態とされ、かつ第２フ
リー磁性層２１２を構成する第４、第５強磁性導電膜２
１３、２１５が非磁性中間絶縁膜２１４を挟んでフェリ
磁性状態とされているので、フリー磁性層２１０全体が
より安定してフェリ磁性状態とすることができる。
【０３２４】（第１６の実施形態）次に本発明の第１６
の実施形態を図面を参照して説明する。図２７に、本発
明の第１６の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１６を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０３２５】図２７に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１６は、フリー磁性層２２０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０、反強磁性層２２が順次積層されてなるトッ
プ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０３２６】図２７において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層２２０、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２及びキャップ層２４が順次積
層されている。このように、下地層２３からキャップ層
２４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する
幅を有する断面視略台形状の積層体１６Ａが構成されて
いる。
【０３２７】尚、図２７に示す反強磁性層２２、非磁性
導電層２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第
２固定磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第
３、第４及び第１０の実施形態で説明した反強磁性層、
非磁性導電層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定
磁性層）、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極
層と同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０３２８】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１６のフ
リー磁性層２２０は、図２７に示すように、非磁性中間
層２２６と、非磁性中間層２２６を挟む第１フリー磁性
層２２１と第２フリー磁性層２２２から構成されてい
る。第１フリー磁性層２２１と第２フリー磁性層２２２
は、非磁性中間層２２６を介して反強磁性的に結合して
いる。第１フリー磁性層２２１は、非磁性中間層２２６
よりも非磁性導電層２９から離れた側に設けられて下地
層２３に接しており、一方、第２フリー磁性層２２２
は、非磁性中間層２２６よりも非磁性導電層２９側に設
けられて非磁性導電層２９に接している。
【０３２９】第１フリー磁性層２２１は強磁性導電膜か
ら構成されており、第１５の実施形態で説明した第１フ
リー磁性層と同等の材質からなる。この第１フリー磁性
層２２１の厚さは、０．５〜３．５ｎｍの範囲であるこ
とが好ましい。
【０３３０】また、第２フリー磁性層２２２は、非磁性
中間絶縁膜２２４と、この非磁性中間絶縁膜２２４を挟
む第４強磁性導電膜２２３と第５強磁性導電膜２２５と
から構成されている。第４強磁性導電膜２２３は、非磁
性中間絶縁膜２２４よりも非磁性導電層２９から離れた
側に設けられて非磁性中間層２２６に接しており、一
方、第５強磁性導電膜２２５は、非磁性中間絶縁膜２２
４よりも非磁性導電層２９側に設けられて非磁性導電層
２９に接している。そして、第４強磁性導電膜２２３と
第５強磁性導電膜２２５は、非磁性中間絶縁膜２２４を
介して反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とされてい
る。
【０３３１】また、第４強磁性導電膜２２３と第５強磁
性導電膜２２５は強磁性導電膜から構成されており、第
１５の実施形態で説明した第４強磁性導電膜及び第５強
磁性導電膜と同等の材質からなる。また、非磁性中間絶
縁膜２２４は、非磁性の絶縁性材料から構成されてい
て、第３、第５強磁性導電膜２２３、２２５よりも比抵
抗が高いものである。
【０３３２】第４強磁性導電膜２２３の厚さは、１．０
〜３．０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第５
強磁性導電膜２２５の厚さは、１．５〜４．０ｎｍの範
囲であることが好ましい。また、非磁性中間絶縁膜２２
４の厚さは、０．２〜２．０ｎｍの範囲であることが好
ましい。なお、第４強磁性導電膜２２３及び第５強磁性
導電膜２２５は、いずれか一方の膜厚が他方の膜厚より
も僅かに厚くなるように形成することが好ましく、図２
７では第４強磁性導電膜２２３が第５強磁性導電膜２２
５より厚く形成されている。そして、第２フリー磁性層
２２２全体の厚さは２．７〜９．５ｎｍの範囲であるこ
とが好ましく、第１フリー磁性層２２１よりも厚くする
ことが好ましい。
【０３３３】第４強磁性導電膜２２３と第５強磁性導電
膜２２５とが反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とさ
れているため、第５強磁性導電膜２２５の磁化方向がバ
イアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向の反対方向
に揃えられると、第４強磁性導電膜２２３の磁化方向が
図示Ｘ1方向に揃えられ、第４強磁性導電膜２２３の磁
化が残存して第２フリー磁性層２２２全体の磁化方向が
図示Ｘ1方向に揃えられる。
【０３３４】更に、第２フリー磁性層２２２と反強磁性
的に結合する第１フリー磁性層２２１の磁化方向が図示
Ｘ1方向の反対方向に揃えられ、第２フリー磁性層２２
２の磁化が残存するので、フリー磁性層２２０全体の磁
化方向が図示Ｘ1方向に揃えられるとともにフェリ磁性
状態となる。フェリ磁性状態とされたフリー磁性層２２
０は、微小な外部磁界によってもその磁化方向を外部磁
界の方向に合わせて回転させることが可能となる。
【０３３５】また、非磁性中間絶縁膜２２４と第５強磁
性導電膜２２５との界面では、これらの層の比抵抗に大
差があるためポテンシャル障壁が形成される。このポテ
ンシャル障壁は、非磁性導電層２９を移動する伝導電子
のうちのアップスピンの伝導電子をスピンの方向を保存
させたまま鏡面反射する。
【０３３６】このように、アップスピンの伝導電子が非
磁性中間絶縁膜２２４によって鏡面反射されると、その
平均自由行程が延ばされる。即ち、アップスピンの伝導
電子は、外部磁界により固定磁性層４０とフリー磁性層
２２０の磁化方向が平行になったときに、固定磁性層４
０から非磁性導電層２９を経て第５強磁性導電膜２２５
まで移動する確率が高くなる。そしてこのアップスピン
の伝導電子は、第５強磁性導電膜２２５と非磁性中間絶
縁膜２２４の界面でスピンの状態を保存されたまま鏡面
反射され、再び第５強磁性導電膜２２５、非磁性導電層
２９及び固定磁性層３０中を移動する。このようにし
て、アップスピンの伝導電子は、第５強磁性導電膜２２
５、非磁性導電層２９及び固定磁性層３０をそれぞれ２
度通過することになり、平均自由行程が大幅に延びる。
【０３３７】このように、本実施形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子１６は、第１の実施形態の場合と同様に、
鏡面反射効果によりアップスピンの伝導電子の平均自由
行程を大幅に延ばすことができるので、ダウンスピンの
伝導電子との平均自由行程差が大きくなって、スピンバ
ルブ型薄膜磁気素子１６の磁気抵抗変化率を大幅に向上
できる。
【０３３８】また、第５強磁性導電膜２２５が非磁性導
電層２９に接しているので、これら第５強磁性導電膜２
２５と非磁性導電層２９との界面においてより大きな巨
大磁気抵抗効果を発現させることができる。
【０３３９】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１６は、
第２フリー磁性層２２２を第２強磁性絶縁膜２２３と非
磁性中間絶縁膜２２４と第５強磁性導電膜２２５とで形
成すること以外は、第１０の実施形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子１０とほぼ同様にして製造される。
【０３４０】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１６によ
れば、第１５の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素子
１５の効果と同等の効果を奏することができる。
【０３４１】（第１７の実施形態）次に本発明の第１７
の実施形態を図面を参照して説明する。図２８に、本発
明の第１７の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１７を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０３４２】図２８に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１７は、反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電
層２９及びフリー磁性層２３０が順次積層されてなるボ
トム型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０３４３】図２８において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３に反強磁性層２１、固定磁性層３０、非磁性導電層
２９、フリー磁性層２３０、キャップ層２４が順次積層
されている。このように、下地層２３からキャップ層２
４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する幅
を有する断面視略台形状の積層体１７Ａが構成されてい
る。
【０３４４】尚、図２８に示す反強磁性層２１、非磁性
導電層２９、固定磁性層３０（非磁性層３３、第１、第
２固定磁性層３１、３２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第
１、第２及び第５の実施形態で説明した反強磁性層、非
磁性導電層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定磁
性層）、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極層
と同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０３４５】フリー磁性層２３０は、非磁性中間絶縁層
２３３と、この非磁性中間絶縁層２３３を挟む第１、第
２フリー磁性層２３１、２３２からなり、第１フリー磁
性層２３１と第２フリー磁性層２３２が非磁性中間絶縁
層２３３を介して反強磁性的に結合してフェリ磁性状態
とされている。
【０３４６】第１フリー磁性層２３１は強磁性導電膜か
ら構成されている。この強磁性導電膜は比抵抗が低く強
磁性を示すもので、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦ
ｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金のいずれかに
より形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金より形成
されることが好ましい。この第１フリー磁性層２３１の
厚さは、０．５〜３．５ｎｍの範囲であることが好まし
い。
【０３４７】第２フリー磁性層２３２は、拡散防止膜２
３２Ａと強磁性膜２３２Ｂとからなり、拡散防止膜２３
２Ａが非磁性導電層２９に接し、強磁性膜２３２Ｂが非
磁性中間絶縁層２３３と接して構成されている。拡散防
止膜２３２ＡはＣｏ等の強磁性導電膜から構成され、強
磁性膜２３２Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止す
る。また強磁性膜２３２Ｂは、拡散防止膜２３２Ａと同
様に強磁性導電膜から構成されるもので、例えばＣｏ、
ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉ
Ｆｅ合金のいずれかにより形成されるものであり、特に
ＣｏＦｅ合金より形成されることが好ましい。拡散防止
膜２３２Ａの厚さは、０．１〜１．５ｎｍの範囲である
ことが好ましく、強磁性膜２３２Ｂの厚さは、１．４〜
３．０ｎｍの範囲であることが好ましい。そして第２フ
リー磁性層２３２全体の厚さは、１．５〜４．５ｎｍの
範囲であることが好ましく、第１フリー磁性層２３１よ
りも厚くすることが好ましい。
【０３４８】また、非磁性中間絶縁膜２３３は、非磁性
の絶縁性材料から構成されていて、第１、第２フリー磁
性層２３１、２３２よりも比抵抗が高いものである。
【０３４９】第１フリー磁性層２３１と第２フリー磁性
層２３２とが反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とさ
れているため、第２フリー磁性層２３２の磁化方向がバ
イアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられ
ると、第１フリー磁性層２３１の磁化方向が図示Ｘ1方
向の反対方向に揃えられ、第２フリー磁性層２３２の磁
化が残存してフリー磁性層２３０全体の磁化方向が図示
Ｘ1方向に揃えられる。
【０３５０】また、第２フリー磁性層２３２（強磁性膜
２３２Ｂ）と非磁性中間絶縁層２３３との界面では、こ
れらの層の比抵抗に大差があるためポテンシャル障壁が
形成される。従って非磁性中間絶縁層２３３は、非磁性
導電層２９を移動する伝導電子のうちのアップスピンの
伝導電子を、スピンの方向を保存させたまま鏡面反射す
る。
【０３５１】アップスピンの伝導電子が強磁性膜２３２
Ｂと非磁性中間絶縁層２３３との界面で鏡面反射される
と、その平均自由行程が延ばされる。これにより、第１
の実施形態の場合と同様に、アップスピンの伝導電子の
平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程
との差を大きくすることができ、スピンバルブ型薄膜磁
気素子１５の磁気抵抗変化率を高くできる。
【０３５２】以上のことを模式図を用いて表すと図２９
に示す通りになる。図２９には、反強磁性層２１、固定
磁性層３０（第１固定磁性層３１、非磁性層３３、第２
固定磁性層３２）、非磁性導電層２９、第２フリー磁性
層２３２（拡散防止膜２３２Ａ、強磁性膜２３２Ｂ）、
非磁性中間絶縁膜層２３３、第１フリー磁性層２３１を
順次積層した積層体１７Ｇを示す。なお、図２９におい
て、フリー磁性層２３０は、外部磁界によりその磁化方
向が図２９中左方向に向けられており、固定磁性層３０
は、その磁化方向が反強磁性層２１との交換結合磁界に
より図２９中左方向に固定されている。
【０３５３】図２９に示す積層体１７Ｇにセンス電流を
流すと、伝導電子が主に電気抵抗の小さい非磁性導電層
２９を移動する。図２９においてはアップスピンの伝導
電子を符号ｅ1で示し、ダウンスピンの伝導電子を符号
ｅ2で示している。
【０３５４】アップスピンの伝導電子ｅ1は、外部磁界
により固定磁性層３０とフリー磁性層２３０の磁化方向
が平行になったときに、非磁性導電層２９から第２フリ
ー磁性層２３２まで移動する確率が高くなる。そしてこ
のアップスピンの伝導電子ｅ1は、第２フリー磁性層２
３２（強磁性膜２３２Ｂ）と非磁性中間絶縁層２３３の
界面まで移動し、ポテンシャル障壁を形成する非磁性中
間絶縁層２３３によってスピンの状態を保存されたまま
鏡面反射され、再び第２フリー磁性層２３２中を移動す
る。このようにして、アップスピンの伝導電子ｅ1は、
第２フリー磁性層２３２、非磁性導電層２９及び固定磁
性層３０をそれぞれ２度通過することになり、平均自由
行程が大幅に延びてλ+となる。
【０３５５】一方ダウンスピンの伝導電子ｅ2について
は、非磁性導電層２９と第２フリー磁性層２３２（拡散
防止膜２３２Ａ）との界面で常に散乱される確率が高
く、第２フリー磁性層２３２に移動する確率が低いまま
維持され、その平均自由行程（λ-）はアップスピンの
伝導電子ｅ1の平均自由行程（λ+）よりも短いままであ
る。このように外部磁界の作用により、アップスピンの
伝導電子ｅ1の平均自由行程（λ+）がダウンスピンの伝
導電子ｅ2の平均自由行程（λ-）より大きくなり、行程
差（λ+−λ-）が大きくなって積層体１７Ｇの磁気抵抗
変化率が大きくなる。
【０３５６】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１７は、アップスピンの伝導電子ｅ1の平均自由
行程とダウンスピンの伝導電子ｅ2の平均自由行程との
差が大きくなるので、スピンバルブ型薄膜磁気素子１７
の磁気抵抗変化率を大幅に向上できる。
【０３５７】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１７は、
非磁性中間層の代わりに非磁性中間絶縁層２３３を形成
すること以外は、第１の実施形態のスピンバルブ型薄膜
磁気素子１とほぼ同様にして製造される。
【０３５８】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１７に
よれば、非磁性中間絶縁層２３３によってアップスピン
の伝導電子が鏡面反射され、アップスピンの伝導電子の
平均自由行程を伸ばしてダウンスピンの伝導電子の平均
自由行程との差を大きくすることができ、スピンバルブ
型薄膜磁気素子１７の磁気抵抗変化率を高くできる。ま
たフリー磁性層２３０を構成する第１、第２フリー磁性
層２３１、２３２がフェリ磁性状態とされているので、
フリー磁性層２３０の磁化方向を微小な外部磁界によっ
て変動させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子
１７の外部磁界の感度を高くできる。
【０３５９】従って、上記のスピンバルブ型薄膜磁気素
子１７によれば、アップスピンの伝導電子の鏡面反射効
果によって磁気抵抗変化率を大幅に高くできるととも
に、フェリ磁性状態のフリー磁性層２３０を備えて外部
磁界の検出感度を高くできるという格別な効果が得られ
る。
【０３６０】（第１８の実施形態）次に本発明の第１８
の実施形態を図面を参照して説明する。図３０に、本発
明の第１８の実施形態であるスピンバルブ型薄膜磁気素
子１８を磁気記録媒体側からみた断面模式図を示す。
【０３６１】図３０に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
１８は、フリー磁性層２４０、非磁性導電層２９、固定
磁性層４０、反強磁性層２２が順次積層されてなるトッ
プ型のシングルスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０３６２】図３０において符号１６４は下部ギャップ
層を示し、符号２３は下地層を示している。この下地層
２３にフリー磁性層２４０、非磁性導電層２９、固定磁
性層４０、反強磁性層２２及びキャップ層２４が順次積
層されている。このように、下地層２３からキャップ層
２４までの各層が順次積層されてトラック幅に対応する
幅を有する断面視略台形状の積層体１８Ａが構成されて
いる。
【０３６３】尚、図３０に示す反強磁性層２２、非磁性
導電層２９、固定磁性層４０（非磁性層４３、第１、第
２固定磁性層４１、４２）、バイアス下地層３３１、バ
イアス層３３２、中間層３３３、電極層３３４は、第
３、第４及び第１０の実施形態で説明した反強磁性層、
非磁性導電層、固定磁性層（非磁性層、第１、第２固定
磁性層）、バイアス下地層、バイアス層、中間層、電極
層と同等の構成及び材質であるので、説明を省略する。
【０３６４】フリー磁性層２４０は、非磁性中間絶縁層
２４３と、この非磁性中間絶縁層２４３を挟む第１、第
２フリー磁性層２４１、２４２からなり、第１フリー磁
性層２４１と第２フリー磁性層２４２が非磁性中間絶縁
層２４３を介して反強磁性的に結合してフェリ磁性状態
とされている。
【０３６５】第１フリー磁性層２４１は強磁性導電膜か
ら構成されている。この強磁性導電膜は比抵抗が低く強
磁性を示すもので、第１７の実施形態の第１フリー磁性
層と同等の材質からなる。この第１フリー磁性層２４１
の厚さは、０．５〜３．５ｎｍの範囲であることが好ま
しい。
【０３６６】第２フリー磁性層２４２は、拡散防止膜２
４２Ａと強磁性膜２４２Ｂとからなり、拡散防止膜２４
２Ａが非磁性導電層２９に接し、強磁性膜２４２Ｂが非
磁性中間絶縁層２４３と接して構成されている。拡散防
止膜２４２ＡはＣｏ等の強磁性導電膜から構成され、強
磁性膜２４２Ｂと非磁性導電層２９の相互拡散を防止す
る。また強磁性膜２４２Ｂは、拡散防止膜２４２Ａと同
様に強磁性導電膜から構成されるもので、例えばＣｏ、
ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＮｉ
Ｆｅ合金のいずれかにより形成されるものであり、特に
ＮｉＦｅ合金より形成されることが好ましい。拡散防止
膜２４２Ａの厚さは、０．１〜１．５ｎｍの範囲である
ことが好ましく、強磁性膜２４２Ｂの厚さは、１．４〜
３．０ｎｍの範囲であることが好ましい。そして第２フ
リー磁性層２４２全体の厚さは、１．５〜４．５ｎｍの
範囲であることが好ましく、第１フリー磁性層２４１よ
りも厚くすることが好ましい。
【０３６７】また、非磁性中間絶縁層２４３は、非磁性
の絶縁性材料から構成されていて、第１、第２フリー磁
性層２４１、２４２よりも比抵抗が高いものである。
【０３６８】第１フリー磁性層２４１と第２フリー磁性
層２４２とが反強磁性的に結合してフェリ磁性状態とさ
れているため、第２フリー磁性層２４２の磁化方向がバ
イアス層３３２、３３２により図示Ｘ1方向に揃えられ
ると、第１フリー磁性層２４１の磁化方向が図示Ｘ1方
向の反対方向に揃えられ、第２フリー磁性層２４２の磁
化が残存してフリー磁性層２４０全体の磁化方向が図示
Ｘ1方向に揃えられる。
【０３６９】また、第２フリー磁性層２４２（強磁性膜
２４２Ｂ）と非磁性中間絶縁層２４３との界面では、こ
れらの層の比抵抗に大差があるためポテンシャル障壁が
形成される。このポテンシャル障壁は、非磁性導電層２
９を移動する伝導電子のうちのアップスピンの伝導電子
をスピンの方向を保存させたまま鏡面反射する。
【０３７０】このように、アップスピンの伝導電子が非
磁性中間絶縁層２４３によって鏡面反射されると、その
平均自由行程が延ばされる。即ち、アップスピンの伝導
電子は、外部磁界により固定磁性層４０とフリー磁性層
２４０の磁化方向が平行になったときに、固定磁性層４
０から非磁性導電層２９を経て第２フリー磁性層２４２
まで移動する確率が高くなる。そしてこのアップスピン
の伝導電子は、第２フリー磁性層２４２（強磁性膜２４
２Ｂ）と非磁性中間絶縁層２４３の界面でスピンの状態
を保存されたまま鏡面反射され、再び第２フリー磁性層
２４２、非磁性導電層２９及び固定磁性層４０中を移動
する。このようにして、アップスピンの伝導電子は、第
２フリー磁性層２４２、非磁性導電層２９及び固定磁性
層４０をそれぞれ２度通過することになり、平均自由行
程が大幅に延びる。
【０３７１】従って本実施形態のスピンバルブ型薄膜磁
気素子１８は、第１の実施形態の場合と同様に、鏡面反
射効果によりアップスピンの伝導電子の平均自由行程を
大幅に延ばすことができるので、ダウンスピンの伝導電
子との平均自由行程差が大きくなって、スピンバルブ型
薄膜磁気素子１８の磁気抵抗変化率を大幅に向上でき
る。
【０３７２】このスピンバルブ型薄膜磁気素子１８は、
非磁性中間層の代わりに非磁性中間絶縁層２４３を形成
すること以外は、第３の実施形態のスピンバルブ型薄膜
磁気素子３とほぼ同様にして製造される。
【０３７３】上記のスピンバルブ型薄膜磁気素子１８に
よれば、第１７の実施形態のスピンバルブ型薄膜磁気素
子１７の効果とほぼ同等な効果が得られる。
【０３７４】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
スピンバルブ型薄膜磁気素子によれば、フリー磁性層が
非磁性中間層と該非磁性中間層を挟む第１、第２フリー
磁性層からなり、前記第２フリー磁性層が前記非磁性導
電層に接するとともに前記第１、第２フリー磁性層が反
強磁性的に結合してフェリ磁性状態とされ、前記第１、
第２フリー磁性層のいずれか一方が強磁性絶縁膜を含ん
でなり、第１フリー磁性層に強磁性絶縁膜が含まれる場
合には、第１フリー磁性層の比抵抗が高くなって第１フ
リー磁性層に検出電流が流れにくくなるので、検出電流
の分流が抑制されてシャントロスが低減され、スピンバ
ルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を高くすることが
できる。また、この強磁性絶縁膜は比抵抗が高いため、
低比抵抗な他の層と接した場合にその界面にてポテンシ
ャル障壁を形成するので、アップスピンの伝導電子を鏡
面反射させてアップスピンの伝導電子の平均自由行程を
延ばすことができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気
抵抗変化率をより高くすることができる。
【０３７５】また本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子
において、第２フリー磁性層に強磁性絶縁膜が含まれる
場合には、強磁性絶縁膜によりアップスピンの伝導電子
を鏡面反射させてアップスピンの伝導電子の平均自由行
程を延ばすとともに、アップスピンの伝導電子を非磁性
導電層近傍に閉じこめて、センス電流の分流を抑制して
シャントロスを低減できるので、スピンバルブ型薄膜磁
気素子の磁気抵抗変化率をより高くすることができる。
【０３７６】また、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子によれば、前記フリー磁性層が、非磁性中間層と該非
磁性中間層を挟む第１、第２フリー磁性層からなるとと
もに、前記第１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合
してフェリ磁性状態とされ、かつ前記第２フリー磁性層
を構成する一対の強磁性膜が反強磁性的に結合してフェ
リ磁性状態とされているので、フリー磁性層全体がより
安定してフェリ磁性状態となるとともに、高比抵抗な非
磁性中間絶縁膜と一方の強磁性膜との界面にてアップス
ピンの伝導電子が鏡面反射してアップスピンの伝導電子
の平均自由行程を延ばすことができるので、外部磁界の
検出感度が高くなるとともに磁気抵抗変化率を高くする
ことができる。
【０３７７】更に、本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素
子のよれば、前記フリー磁性層が、非磁性中間絶縁層と
該非磁性中間絶縁層を挟む第１、第２フリー磁性層から
なり、前記第１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合
してフェリ磁性状態とされており、非磁性中間絶縁層を
挟む第１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合してフ
ェリ磁性状態となるとともに、この高比抵抗な非磁性中
間絶縁層と第２フリー磁性層との界面にてアップスピン
の伝導電子が鏡面反射し、アップスピンの伝導電子の平
均自由行程を延ばすことができるので、外部磁界の検出
感度を高くでき、かつ磁気抵抗変化率を高くすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式図
である。
【図２】 本発明の薄膜磁気ヘッドを備えた浮上式磁
気ヘッドの斜視図である、
【図３】 図２に示す浮上式磁気ヘッドの要部の断面
模式図である。
【図４】 図１に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子の
動作を説明するための模式図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子の製造方法の一工程を説明するための
模式図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子の製造方法の一工程を説明するための
模式図である。
【図７】 本発明の第１の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子の製造方法の一工程を説明するための
模式図である。
【図８】 本発明の第１の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子の製造方法の一工程を説明するための
模式図である。
【図９】 本発明の第２の実施形態であるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式図
である。
【図１０】 図９に示すスピンバルブ型薄膜磁気素子
の動作を説明するための模式図である。
【図１１】 本発明の第３の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１２】 本発明の第４の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１３】 本発明の第５の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１４】 図１３に示すスピンバルブ型薄膜磁気素
子の動作を説明するための模式図である。
【図１５】 本発明の第６の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１６】 図１５に示すスピンバルブ型薄膜磁気素
子の動作を説明するための模式図である。
【図１７】 本発明の第７の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１８】 本発明の第８の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図１９】 本発明の第９の実施形態であるスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模式
図である。
【図２０】 本発明の第１０の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２１】 本発明の第１１の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２２】 本発明の第１２の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２３】 本発明の第１３の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２４】 本発明の第１４の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２５】 本発明の第１５の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２６】 図２５に示すスピンバルブ型薄膜磁気素
子の動作を説明するための模式図である。
【図２７】 本発明の第１６の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２８】 本発明の第１７の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図２９】 図２８に示すスピンバルブ型薄膜磁気素
子の動作を説明するための模式図である。
【図３０】 本発明の第１８の実施形態であるスピン
バルブ型薄膜磁気素子を磁気記録媒体側から見た断面模
式図である。
【図３１】 従来のスピンバルブ型薄膜磁気素子を磁
気記録媒体側から見た断面模式図である。
【符号の説明】
１ スピンバルブ型薄膜磁気素子 ２１ 反強磁性層 ２９ 非磁性導電層 ３０ 固定磁性層 ３１ 第１固定磁性層 ３２ 第２固定磁性層 ３３ 非磁性層 ５０、５５、７５、９０、２１０、２３０ フリー磁性
層 ５１、５６、７１、２１１、２３１ 第１フリー磁性層 ５６Ａ 第１強磁性絶縁膜（強磁性絶縁膜） ５６Ｂ 第１強磁性導電膜（強磁性導電膜） ５２、７６、９２、２１２、２３２ 第２フリー磁性層 ５３、７３、２１６ 非磁性中間層 ７７ 第２強磁性絶縁膜（強磁性絶縁膜） ７８ 第３強磁性導電膜（強磁性導電膜） ９３ 第２強磁性導電膜（強磁性導電膜） ２１３ 第４強磁性導電膜（強磁性導電膜） ２１５ 第５強磁性導電膜（強磁性導電膜） ２１４ 非磁性中間絶縁膜 ２３３ 非磁性中間絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井出 洋介 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 (72)発明者 長谷川 直也 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 Ｆターム(参考） 5D034 BA03 BA15 CA00 DA07

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反強磁性層と、該反強磁性層に接して
    形成されて前記反強磁性層との交換結合磁界により磁化
    方向が固定された固定磁性層と、該固定磁性層に接する
    非磁性導電層と、該非磁性導電層に接するフリー磁性層
    とを備え、 前記フリー磁性層が非磁性中間層と該非磁性中間層を挟
    む第１、第２フリー磁性層からなり、前記第２フリー磁
    性層が前記非磁性導電層に接するとともに前記第１、第
    ２フリー磁性層が反強磁性的に結合してフェリ磁性状態
    とされ、 前記第１、第２フリー磁性層のいずれか一方が強磁性絶
    縁膜を含んでなることを特徴とするスピンバルブ型薄膜
    磁気素子。
  2. 【請求項２】 前記第１フリー磁性層が前記強磁性絶
    縁膜のみからなることを特徴とする請求項１に記載のス
    ピンバルブ型薄膜磁気素子。
  3. 【請求項３】 前記第１フリー磁性層は、前記強磁性
    絶縁膜と第１強磁性導電膜とが積層されてなるととも
    に、該第１強磁性導電膜が前記非磁性中間層に接し、か
    つ前記強磁性絶縁膜と前記第１強磁性導電膜とが強磁性
    的に結合してフェロ磁性状態とされていることを特徴と
    する請求項１に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  4. 【請求項４】 前記第１フリー磁性層が前記第１強磁
    性導電膜のみからなることを特徴とする請求項１に記載
    のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  5. 【請求項５】 前記第１強磁性導電膜の厚さｓが０ｎ
    ｍ＜ｓ≦３．０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求
    項３に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  6. 【請求項６】 前記第２フリー磁性層が前記強磁性絶
    縁膜のみからなることを特徴とする請求項１または請求
    項４に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  7. 【請求項７】 前記第２フリー磁性層は、前記強磁性
    絶縁膜と第２強磁性導電膜とが積層されてなるととも
    に、該第２強磁性導電膜が前記非磁性中間層に接し、か
    つ前記強磁性絶縁膜と前記第２強磁性導電膜とが強磁性
    的に結合してフェロ磁性状態とされていることを特徴と
    する請求項１または請求項４に記載のスピンバルブ型薄
    膜磁気素子。
  8. 【請求項８】 前記第２フリー磁性層は、前記強磁性
    絶縁膜と第３強磁性導電膜とが積層されてなるととも
    に、該第３強磁性導電膜が前記非磁性導電層に接し、か
    つ前記強磁性絶縁膜と前記第３強磁性導電膜とが強磁性
    的に結合してフェロ磁性状態とされていることを特徴と
    する請求項１または請求項４に記載のスピンバルブ型薄
    膜磁気素子。
  9. 【請求項９】 前記第２フリー磁性層は、前記強磁性
    絶縁膜と該強磁性絶縁膜を挟む前記第２、第３強磁性導
    電膜とからなるとともに、これらが強磁性的に結合して
    フェロ磁性状態とされていることを特徴とする請求項１
    または請求項４に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  10. 【請求項１０】 前記第２フリー磁性層が第２強磁性
    導電膜のみからなることを特徴とする請求項１、請求項
    ２、請求項３または請求項５のいずれかに記載のスピン
    バルブ型薄膜磁気素子。
  11. 【請求項１１】 前記強磁性絶縁膜が強磁性絶縁酸化
    膜または強磁性絶縁窒化膜であることを特徴とする請求
    項１ないし請求項１０のいずれかに記載のスピンバルブ
    型薄膜磁気素子。
  12. 【請求項１２】 前記強磁性絶縁膜が、Ｆｅ−Ｏで構
    成されるか、あるいはＭ−Ｆｅ−Ｏ（ただし元素Ｍは、
    Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｚｎ
    のうちの少なくとも１種以上である）で構成される強磁
    性絶縁酸化膜であることを特徴とする請求項１１に記載
    のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  13. 【請求項１３】 前記強磁性絶縁膜が、平均結晶粒径
    １０ｎｍ以下のｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相と、元素Ｍ
    または元素Ｍ’とＯを多量に含む非晶質相（ただし元素
    Ｍは希土類元素のうち少な くとも一種以上の元素を表
    し、元素Ｍ’はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ
    のうちの１種以上の元素を表す）とが混在され、全組織
    に占めるｂｃｃ構造のＦｅの微結晶相の比率が５０％以
    下である強磁性絶縁酸化膜であることを特徴とする請求
    項１１に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  14. 【請求項１４】 前記強磁性絶縁膜が、体心立方構造
    のＦｅを主成分とする平均結晶粒径１０ｎｍ以下の微細
    結晶相と、希土類金属元素およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
    Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの群から選択される少なくとも１種
    の元素Ｍと、Ｎの化合物を主成分とする非晶質相からな
    り、前記非晶質相が組織の少なくとも５０％以上を占め
    てなる強磁性絶縁窒化膜であることを特徴とする請求項
    １１に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
  15. 【請求項１５】 前記強磁性絶縁膜の厚さｕが０．５
    ｎｍ≦ｕ≦１０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求
    項６ないし請求項９のいずれか、または請求項１１ない
    し請求項１４のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜磁
    気素子。
  16. 【請求項１６】 反強磁性層と、該反強磁性層に接し
    て形成されて前記反強磁性層との交換結合磁界により磁
    化方向が固定された固定磁性層と、該固定磁性層に接す
    る非磁性導電層と、該非磁性導電層に接するフリー磁性
    層とを備え、前記フリー磁性層は、非磁性中間層と該非
    磁性中間層を挟む第１、第２フリー磁性層からなるとと
    もに、前記第２フリー磁性層が前記非磁性導電層に接
    し、かつ前記第１、第２フリー磁性層が反強磁性的に結
    合してフェリ磁性状態とされ、 かつ前記第２フリー磁性層は、非磁性中間絶縁膜と、該
    非磁性中間絶縁膜を挟む一対の強磁性導電膜からなり、
    該一対の強磁性導電膜が反強磁性的に結合してフェリ磁
    性状態とされていることを特徴とするスピンバルブ型薄
    膜磁気素子。
  17. 【請求項１７】 反強磁性層と、該反強磁性層に接し
    て形成されて前記反強磁性層との交換結合磁界により磁
    化方向が固定された固定磁性層と、該固定磁性層に接す
    る非磁性導電層と、該非磁性導電層に接するフリー磁性
    層とを備え、 前記フリー磁性層が、非磁性中間絶縁層と該非磁性中間
    絶縁層を挟む第１、第２フリー磁性層からなり、前記第
    １、第２フリー磁性層が反強磁性的に結合してフェリ磁
    性状態とされていることを特徴とするスピンバルブ型薄
    膜磁気素子。
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