JP2002261351A

JP2002261351A - スピンバルブ型薄膜磁気素子及びこれを用いた薄膜磁気ヘッド

Info

Publication number: JP2002261351A
Application number: JP2001060753A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hasegawa; 直也長谷川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】外部磁界の変化に対する抵抗変化率を保持し
たまま、より微弱な外部磁界にも対応できるスピンバル
ブ型薄膜磁気素子、及びこれを用いた薄膜磁気ヘッドを
提供する。【解決手段】反強磁性層１１と、反強磁性層に接触し
て積層された固定磁性層Ｐと、固定磁性層と非磁性導電
層１５を介して対抗するフリー磁性層Ｆとを有する積層
体と、積層体の両側に設けられた一対の電極層を有する
スピンバルブ型薄膜磁気素子において、フリー磁性層の
軟磁性層１８をＣｕ添加したＮｉＦｅ合金として、フリ
ー磁性層の飽和磁化を低下さたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部磁界により磁
化の向きが回転するフリー磁性層と、磁化の向きが固定
された固定磁性層を有し、フリー磁性層の磁化の向きに
より電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜磁気素子及
びこれを用いた薄膜磁気ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２に示す従来のスピンバルブ型薄膜
磁気素子は、下地層７０と、反強磁性層７１と、固定層
Ｐ７と、非磁性導電層７５と、フリー磁性層Ｆ７と、保
護層７９が順次積層された積層体Ｃ７を有し、固定層Ｐ
７は、反強磁性層７１との界面に発生する交換異方性磁
界により、磁化の向きが固定されており、フリー磁性層
Ｆ７は、非磁性導電層７５側のＣｏやＣｏ−Ｆｅからな
る拡散防止層７７と、拡散防止層７７上に形成されて、
Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる軟磁性層７８とから構成されて
いる。

【０００３】積層体Ｃ７の両側には、ハードバイアス層
８１と、ハードバイアス層８１上に形成された電極層８
０が設けられており、電極層８０からは、積層体Ｃ７に
センス電流が印加される。ハードバイアス層８１から
は、フリー磁性層Ｆ７にバイアス磁界が印加されて、外
部磁界がないとき、フリー磁性層Ｆ７の磁化の向きはバ
イアス磁界の向きに揃えられている。

【０００４】フリー磁性層Ｆ７の磁化の向きは、外部磁
界により回転して、外部磁界の向きと平行に近くなる。
そして、フリー磁性層Ｆ７の磁化の向きにより、センス
電流の伝導電子の平均自由行程が変化するＧＭＲ（Gian
t Magnetoresistive)効果が生じ、ＧＭＲ効果により電
極層８０間の電気抵抗値（Ｒ）が変化して、抵抗変化率
（ΔＲ／Ｒ）から外部磁界の変化を検出することができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】フリー磁性層Ｆ７の磁
化の向きが、より微弱な外部磁界によっても回転するた
めには、フリー磁性層Ｆ７が単位面積に有する磁気モー
メントを低下させて、フリー磁性層Ｆ７の磁化の向きが
回転し易くする必要がある。

【０００６】フリー磁性層Ｆ７が単位面積に有する磁気
モーメントは、フリー磁性層Ｆ７の飽和磁化（Ｍｓ）と
フリー磁性層Ｆ７の膜厚（ｔ）の積（Ｍｓ・ｔ）により
表されれるので、フリー磁性層Ｆ７の膜厚（ｔ）を薄く
することにより、磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）の低減を
図ってきた。

【０００７】特に、スピンバルブ型薄膜磁気素子が、ハ
ード磁気ディスク装置に搭載される薄膜磁気ヘッドに用
いられるとき、ハード磁気ディスク装置の高記録密度化
に伴って、記録媒体から漏れる磁界の強度がより微弱と
なる傾向があり、微弱な記録磁界にも対応できるよう
に、フリー磁性層Ｆ７の磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）
を、より低減させる必要がある。

【０００８】しかし、フリー磁性層Ｆ７の磁気モーメン
ト（Ｍｓ・ｔ）を低減させるために、フリー磁性層Ｆ７
の膜厚（ｔ）を薄くすると、外部磁界の変化に対するＧ
ＭＲ効果による抵抗変化率が低減したり、特に、フリー
磁性層Ｆ７の膜厚が３ｎｍに満たないと、フリー磁性層
Ｆ７の軟磁気特性の劣化により保磁力が上昇して、フリ
ー磁性層Ｆ７の磁化の回転が阻害されたり、フリー磁性
層Ｆ７の結晶性の劣化により磁気異方性分散が増大し
て、バルクハウゼンノイズの原因になる等、再生特性が
不安定になる問題があり、フリー磁性層Ｆ７の磁気モー
メント（Ｍｓ・ｔ）を約３．８Ｔ・ｎｍ以下にすること
は出来なかった。本発明は、フリー磁性層の軟磁気特
性、結晶性、及び外部磁界の変化に対する抵抗変化率を
保持したまま、より微弱な外部磁界にも対応できるスピ
ンバルブ型薄膜磁気素子、及びこの薄膜磁気素子を用い
た薄膜磁気ヘッドを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のスピンバルブ型
薄膜磁気素子は、反強磁性層と、該反強磁性層に接触し
て積層された固定磁性層と、該固定磁性層と非磁性導電
層を介して対向するフリー磁性層とを有する積層体と、
該積層体の両側に設けられた一対の電極層とを有し、固
定磁性層は、磁化の向きが揃えられて前記反強磁性層と
の磁気的結合により固定されていると共に、前記固定磁
性層と前記フリー磁性層とは前記非磁性導電層により磁
気的に分離されており、前記フリー磁性層は、Ｃｕが添
加されたＮｉＦｅ合金からなる軟磁性層と、該軟磁性層
と前記非磁性導電層との間に介在するＣｏ、或いはＣｏ
−Ｆｅ合金からなる拡散防止層とからなり、前記軟磁性
層は、組成式を（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_1-yＣｕ_yとして表すと
き、ｘ、ｙを原子比率として、０．１≦ｘ≦０．３、
０．０１≦ｙ≦０．５３であり、前記積層体には前記電
極層から前記固定磁性層の磁化方向と交叉するセンス電
流が印加されて、前記フリー磁性層の磁化の向きが、外
部磁界の向きに回転することにより、前記電極層間の電
気抵抗が変化する。このようなスピンバルブ型薄膜磁気
素子は、フリー磁性層の軟磁性層にＣｕが添加されるこ
とにより、軟磁性層の飽和磁化が低下して、フリー磁性
層の磁気モーメントが低下するので、フリー磁性層の磁
化の向きは、より微弱な外部磁界に対しても、外部磁界
の向きと平行に近くなるように回転して、より微弱な外
部磁界を検出可能なスピンバルブ型薄膜素子とすること
ができる。

【００１０】このとき、フリー磁性層の磁気モーメント
を低下させるために、フリー磁性層の膜厚を薄くする必
要がないので、スピンバルブ型薄膜素子は、より微弱な
外部磁界が検出可能であると共に、フリー磁性層の結晶
性の劣化がなく、フリー磁性層の磁気異方性分散が抑制
されてバルクハウゼンノイズが増大することがなく、且
つ、軟磁気特性の劣化がなく、フリー磁性層の保磁力が
上昇することがないので、フリー磁性層の磁化の向き
は、外部磁界の変化に対応して速やかに回転することが
できる。また、フリー磁性層の膜厚を保持することによ
り、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive)効果による抵抗
変化率が保持されて、スピンバルブ型薄膜素子の感度を
保持することができる。

【００１１】また、軟磁性層に添加するＣｕは、良導電
元素であるから、軟磁性層の電気抵抗値が著しく上昇す
ることがなく、抵抗変化率の劣化がなく、また、Ｃｕは
Ｎｉと全率固溶するので、フリー磁性層中において、ス
ピンが散乱されるような異種結晶相が析出されず、ＧＭ
Ｒ効果による抵抗変化率が低下することなく、感度が保
持される。

【００１２】Ｃｕは、ＮｉＦｅ合金に添加する量が少量
であっても、軟磁性層の飽和磁化を低下させる効果が現
れるので、軟磁性層の軟磁気特性や電気特性の変化が少
ない。Ｃｕの添加量が、原子比率において、０．０１に
満たないとき、飽和磁化を低下させる効果が不十分であ
り、０．５３を越えると、室温においても軟磁性層の磁
性が消失する。

【００１３】ＮｉＦｅ合金のＮｉとＦｅの割合は、Ｆｅ
が０．１原子％から０．３原子％の間において、ＮｉＦ
ｅ合金の軟磁気特性及び磁歪特性が最適となる。

【００１４】本発明の薄膜磁気素子は、前記積層体が、
下部反強磁性層と、下部固定磁性層と、下部非磁性導電
層と、フリー磁性層と、上部非磁性導電層と、上部固定
磁性層と、上部反強磁性層が順次積層されており、前記
下部固定磁性層の前記フリー磁性層との界面における磁
化の向きと、前記上部固定磁性層の前記フリー磁性層と
の界面における磁化の向きが平行であり、前記フリー磁
性層は、前記軟磁性層が前記拡散防止層に挟まれた三層
構造である。このようなスピンバルブ型薄膜素子では、
下部非磁性導電層を中心とするセンス電流の経路と、上
部非磁性導電層を中心とするセンス電流経路があり、そ
れぞれのセンス電流経路において、ＧＭＲ効果による抵
抗の変化が一致しているので、ＧＭＲ効果による抵抗変
化率が倍増されて、高感度なスピンバルブ型薄膜素子と
することができる。

【００１５】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、
前記反強磁性層が、元素ＸとＭｎを含有する合金からな
り、元素Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓの
うちいずれか１種または２種以上の元素である。このよ
うなスピンバルブ型薄膜磁気素子では、反強磁性層と固
定磁性層の磁気的な結合（交換異方性磁界）が大きく、
且つ、耐食性に優れ、ブロッキング温度が高いので、外
部磁界や環境温度の上昇によっても、固定磁性層の磁化
方向が変動することがなく、信頼性の高いスピンバルブ
型薄膜磁気素子とすることができる。

【００１６】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、
前記反強磁性層と固定磁性層の界面構造が、非整合状態
である。このようなスピンバルブ型薄膜磁気素子では、
反強磁性層と固定磁性層の磁気的な結合（交換異方性磁
界）がさらに大きくなり、固定磁性層の磁化が変動する
ことなく、信頼性をさらに高めたスピンバルブ型薄膜磁
気素子とすることができる。

【００１７】本発明のスピンバルブ型薄膜素子は、前記
反強磁性層が、Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’合金からなり、Ｘは、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのうちいずれか１種
または２種以上の元素であり、Ｘ’は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋ
ｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚ
ｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉ
ｒ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｂ、及び希
土類のうち１種または２種以上の元素であり、Ｘ−Ｍｎ
空間格子の隙間に元素Ｘ’が侵入しているか、Ｘ−Ｍｎ
結晶格子の一部が元素Ｘ’に置換されている。このよう
なスピンバルブ型薄膜磁気素子では、反強磁性層と固定
磁性層の界面構造を、確実に非整合状態とすることがで
きる。

【００１８】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、
前記固定磁性層が、強磁性材料からなる第１の固定磁性
層と、非磁性材料からなる非磁性層と、前記第１の固定
磁性層と同様な強磁性材料からなる第２の固定磁性層か
らなり、前記第１、第２の固定磁性層は、前記非磁性層
を挟んで、人工的なフェリ磁性状態を形成している。こ
のようなスピンバルブ型薄膜磁気素子では、固定磁性層
の磁化状態が安定して、固定磁性層の磁化が変動するこ
となく、より信頼性の高いスピンバルブ型薄膜磁気素子
とすることができる。

【００１９】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子は、
前記第１、第２の固定磁性層が、Ｃｏ、ＮｉＦｅ合金、
ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金のいず
れかであり、前記非磁性層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ
ｒ、Ｒｅ、Ｃｕのいずれかである。このようなスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子では、第１、第２の固定磁性層の磁
化状態がさらに安定化する。

【００２０】本発明の薄膜磁気ヘッドは、前記いずれか
に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子が、軟磁性材料か
らなるシールド層間に設けられている。このような薄膜
磁気ヘッドでは、シールド層間以外の磁界がシールド層
に吸収されて、スピンバルブ型薄膜磁気素子は、シール
ド層間に現れた磁界のみを検出する。スピンバルブ型薄
膜磁気素子は、磁界が微弱であっても、ＧＭＲ効果によ
る抵抗変化（ΔＲ）が現れるので、ハード磁気ディスク
装置の高密度記録化に伴って、微弱になった記録媒体か
らの漏れ磁界にも対応可能な薄膜磁気ヘッドとすること
ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の薄膜磁気ヘッド
が形成されたスライダを示す説明図、図２は、本発明の
薄膜磁気ヘッドの一例の概略図、図３は、本発明の薄膜
磁気ヘッドの一例の断面図、図４は、本発明のスピンバ
ルブ型素子の第１の実施の形態の説明図、図５は、Ｎｉ
ＦｅＣｕ合金のＣｕ濃度と飽和磁化の関係を示すグラ
フ、図６、図７は、ＧＭＲ効果の説明図、図８は、本発
明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の抵抗変化率とフリー
磁性層の磁気モーメントの関係を示すグラフ、図９は、
本発明のスピンバルブ型素子の第２の実施の形態の説明
図、図１０、１１は、第２の実施の形態におけるＧＭＲ
効果の説明図である。

【００２２】図４は、本発明の第１の実施の形態のスピ
ンバルブ型薄膜磁気素子を示し、このスピンバルブ型薄
膜磁気素子は、下地層２２、反強磁性層１１、固定磁性
層Ｐ、非磁性導電層１５、フリー磁性層Ｆ、保護層１９
が順次積層された積層体Ｃと、積層体Ｃの両側に、ハー
ドバイアス層２１と、ハードバイアス層２１上に形成さ
れた電極層２０とを備えている。

【００２３】反強磁性層１１は、固定磁性層Ｐとの界面
に生じる交換異方性磁界により、固定磁性層Ｐの磁化の
向きを固定する役割を果たしており、Ｘ−Ｍｎ合金（た
だし、Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのう
ち１種または２種以上の元素）からなり、膜厚は８〜２
０ｎｍ程度、元素Ｘの組成は、３７〜６３原子％、より
好ましくは４４〜５７原子％である。

【００２４】このような反強磁性層１１は、耐食性に優
れており、また、固定磁性層Ｐとの界面に生じる交換異
方性磁界が強いので、固定磁性層Ｐの磁化の向きをより
確実に固定することができる。さらに、ブロッキング温
度が高く、高温まで交換異方性磁界が消失することがな
い。

【００２５】Ｘ−Ｍｎ合金のなかでも、Ｐｎ−Ｍｎ合金
は、特に耐食性に優れ、ブロッキング温度が３８０℃と
特に高く、交換異方性磁界が６．４×１０⁴（Ａ／ｍ）
を越える。反強磁性層１１をＰｔ−Ｍｎ合金としたとき
には、反強磁性層１１と固定磁性層Ｐとの界面に熱拡散
層を形成する必要がある。

【００２６】このような反強磁性層１１と固定磁性層Ｐ
との界面の熱拡散層は、スピンバルブ型薄膜素子の製造
工程において、下地層２２、反強磁性層１１、固定磁性
層Ｐ、非磁性導電層１５、フリー磁性層Ｆ、保護層１９
をスパッタ成膜した後の、磁場中熱処理工程により形成
される。

【００２７】なお、反強磁性層１１は、Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’
合金（ただし、Ｘ’は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂ
ｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｄ、及び希土類元素のうち１種
または２種以上の元素である）としてもよい。

【００２８】Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’合金は、元素Ｘ’が侵入し
た侵入型固溶体であり、あるいは、元素ＸとＭｎとで構
成される結晶格子の格子点の一部が、元素Ｘ’に置換さ
れた置換型固溶体であることが好ましい。これによっ
て、反強磁性層１１の格子定数を大きくすることがで
き、反強磁性層１１と固定磁性層Ｐとの界面において、
反強磁性層１１と固定磁性層Ｐの原子配列が１対１に対
応しない原子配列（非整合状態）を形成することができ
る。

【００２９】このように、反強磁性層１１を、Ｘ−Ｍｎ
−Ｘ’として、反強磁性層１１の大きな格子定数とする
手法等により、反強磁性層１１と第１の固定磁性層１４
との界面における原子配列を非整合状態とすれば、反強
磁性層１１と固定磁性層Ｐの交換結合磁界を、さらに強
固なものとできる。

【００３０】固定磁性層Ｐは、反強磁性層１１と接触し
て形成された第１の固定磁性層１２から順に、非磁性層
１３、第２の固定磁性層１４が積層された三層構造であ
る。

【００３１】第１の固定磁性層１２は、Ｃｏ、ＮｉＦｅ
合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金
等の強磁性材料からなり、膜厚は、１〜５ｎｍであるこ
とが好ましい。

【００３２】非磁性層１３は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ
ｒ、Ｒｅ、Ｃｕ等の非磁性導電材料からなり、膜厚が
０．７〜１．０ｎｍであることが好ましい。

【００３３】第２の固定磁性層１４は、第１の固定磁性
層１２と同じ強磁性材料からなる。第２の固定磁性層１
４の膜厚は、第１の固定磁性層１２の膜厚よりも厚く、
３〜７ｎｍであることが好ましい。第１の固定磁性層１
２の膜厚の第２の固定磁性層１４の膜厚に対する比は、
０．３３〜０．９５、より好ましくは、０．５３〜０．
９５である。

【００３４】第１の固定磁性層１２は、反強磁性層１１
との界面に生じる交換磁気異方性磁界により、磁化の向
きが固定されている。第２の固定磁性層１４は、第１の
固定磁性層１２と非磁性層１３を介して磁気的に結合し
ており、第２の固定磁性層１４の磁化の向きは、第１の
固定磁性層１２の磁化の向きと反平行に固定されてい
る。このように、第１、第２の固定磁性層１２、１４
は、磁化の向きが互いに反平行であり、第２の固定磁性
層１４の磁気モーメントが、第１の固定磁性層１２より
も大きい人工的なフェリ磁性状態を形成している。図４
中に示すように、第１の固定磁性層１２の磁化の向き
を、＋ｚ方向、第２の固定磁性層１４の磁化の向きを、
−ｚ方向とする。

【００３５】固定磁性層Ｐの磁化の向きは、反強磁性層
１１との強い交換異方性磁界により固定されており、外
部磁界や高い環境温度によっても変動することがない。
さらに、固定磁性層Ｐがフェリ磁性状態であるから、固
定磁性層Ｐの磁化状態は、熱的により安定して、磁化の
向きが変動することがない。

【００３６】なお、第１、第２の固定磁性層１２、１４
がフェリ磁性状態を形成するとき、第２の固定磁性層１
４の膜厚は、第１の固定磁性層１２の膜厚よりも薄くて
も良い。このとき、第１の固定磁性層１２の膜厚は、３
〜７ｎｍであることが好ましく、一方、第２の固定磁性
層１４の膜厚は、第１の固定磁性層よりも薄く、１〜５
ｎｍであることが好ましく、第１の固定磁性層１２の膜
厚の第２の固定磁性層１４の膜厚に対する比が１．０５
〜３、より好ましくは、１．０５〜１．８である。

【００３７】このような固定磁性層Ｐの磁化状態は、反
強磁性層１１と固定磁性層Ｐの界面に熱拡散層を形成す
る磁場中熱処理工程において、印加磁界の大きさ、方向
により決められる。

【００３８】磁場中熱処理工程において、第１の固定磁
性層１２は、印加磁界方向に磁化されて、磁化の向きが
反強磁性層１１との交換異方性磁界により固定される。
このとき、第２の固定磁性層１４は、非磁性層１３を介
して第１の固定磁性層１２と磁気的に結合して、第１の
固定磁性層１２と反平行状態に磁化され、第２の固定磁
性層１４の磁化の向きは、第１の固定磁性層１２の磁化
の向きと反平行に固定される。

【００３９】このように、固定磁性層Ｐをフェリ磁性状
態に形成すると、固定磁性層Ｐの磁化状態を、熱的によ
り安定させることができるが、固定磁性層Ｐは、三層構
造でなくても、Ｃｏ、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、Ｃ
ｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等からなる一層のみとし
ても良い。

【００４０】非磁性導電層１５は、Ｃｕ等の良導電材料
からなり、固定磁性層Ｐとフリー磁性層Ｆの間に挟まれ
て、固定磁性層Ｐとフリー磁性層Ｆを磁気的に分離する
役割と、センス電流の主な経路としての役割を果たして
おり、膜厚は、１．５〜４ｎｍに形成されている。

【００４１】フリー磁性層Ｆは、非磁性導電層１５上に
拡散防止層１７、軟磁性層１８が順次積層された二層構
造であり、３〜８ｎｍの膜厚に形成されている。

【００４２】軟磁性層１８は、ＮｉＦｅ合金にＣｕが添
加されてなり、組成は（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_1-yＣｕ_yと表さ
れ、ｘ、ｙは、原子比率で、０．１≦ｘ≦０．３、０．
０１≦ｙ≦０．３である。

【００４３】ＮｉＦｅ合金の組成は、Ｆｅの原子比率を
０．１乃至０．３としたときに軟磁気特性が優れてお
り、磁歪も小さい。

【００４４】軟磁性層１８に添加されたＣｕは、析出さ
れることなく、ＮｉＦｅ合金のＮｉと全率固溶体を形成
して、軟磁性層１８中に均一に固溶している。よって、
軟磁性層１８の組成は均一であり、電子が散乱されるよ
うな異種材料界面が存在しない。

【００４５】軟磁性層１８に添加されたＣｕは、軟磁性
層１８の飽和磁化を低下させる役割を果たしている。図
５のグラフは、ＮｉＦｅＣｕ合金のＮｉとＦｅの原子比
率を一定としてＮｉ：Ｆｅ＝８２：１８であるとき、Ｎ
ｉＦｅＣｕ合金のＣｕ濃度と飽和磁化の関係を示す。Ｃ
ｕを添加しないＮｉＦｅ合金では、飽和磁化が１．０Ｔ
程度であるのに対し、Ｃｕを添加したＮｉＦｅ合金で
は、Ｃｕ濃度を原子比率で０．２としたとき、飽和磁化
が０．７Ｔ程度まで低下する。

【００４６】ＮｉＦｅ合金のＣｕ添加による飽和磁化の
低下は、Ｃｕ濃度の原子比率が０．０１程度で明確にな
り、Ｃｕ濃度の増大と共に飽和磁化は低下して、Ｃｕ濃
度が原子比率で０．５３を越えると、常温（約２０℃）
においても磁性が消失する。添加物の量が少ないと、Ｎ
ｉＦｅ合金の電気特性や軟磁気特性等を劣化させるおそ
れがない。

【００４７】このように、少量のＣｕを添加しても、飽
和磁化の明かな低下がみられるのは、Ｃｕの添加によ
り、ＮｉＦｅ合金の電子状態が変化したものと考えられ
る。

【００４８】拡散防止層１７は、ＣｏやＣｏＦｅ合金か
らなり、軟磁性層１８のＮｉ原子が非磁性導電層１５に
相互拡散することを防いでおり、０．５ｎｍ以上の膜厚
が必要である。

【００４９】フリー磁性層Ｆの磁化は外部磁界により回
転する。フリー磁性層Ｆの磁化の回転は、軟磁性層１８
が主導的であり、拡散防止層１７の磁化は、軟磁性層１
８の磁化に追従して回転し、拡散防止層１７の磁化の向
きと軟磁性層１８の磁化の向きは一致する。拡散防止層
１７は、Ｃｏの保磁力が大きく、厚くしすぎるとフリー
磁性層Ｆの磁化回転を阻害することになるので、１ｎｍ
程度とする。

【００５０】フリー磁性層Ｆの磁化の向きは、磁気モー
メントが小さいほど、より微弱な外部磁界に対しても回
転しやすくなる。フリー磁性層Ｆの磁気モーメントは、
フリー磁性層Ｆの飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で
表される。

【００５１】フリー磁性層Ｆの飽和磁化は、軟磁性層１
８の飽和磁化がＣｕの添加により低下しているので、低
下している。よって、フリー磁性層Ｆの磁気モーメント
は、フリー磁性層の飽和磁化（Ｍｓ）の低下により減少
している。

【００５２】このとき、フリー磁性層Ｆの磁気モーメン
ト（Ｍｓ・ｔ）は、フリー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）を４ｎ
ｍ、軟磁性層１８へのＣｕ添加量を原子比率で０．３と
したとき、３．６Ｔ・ｎｍとなる。

【００５３】このように、フリー磁性層Ｆの磁気モーメ
ント（Ｍｓ・ｔ）の低下が、フリー磁性層Ｆの膜厚
（ｔ）を薄くすることなく成されているので、フリー磁
性層Ｆの結晶性の劣化がなく、磁気異方性分散は抑制さ
れている。また、フリー磁性層Ｆの軟磁気特性の劣化が
なく、フリー磁性層Ｆの保磁力が上昇することがない。

【００５４】フリー磁性層の上には、Ｔａ、Ｃｒ等から
なる保護層１９が形成されている。下地層２２、反強磁
性層１１、固定磁性層Ｐ、非磁性導電層１５、フリー磁
性層Ｆ、保護層１９が順次積層された積層体Ｃの両側に
は、ハードバイアス層２１が積層体Ｃと接触して形成さ
れており、ハードバイアス層２１は、高保磁力である永
久磁石材料、例えば、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐ
ｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金等より成る。

【００５５】ハードバイアス層２１は、フリー磁性層Ｆ
に固定磁性層Ｐの磁化方向（ｚ方向）と垂直な方向（図
４に示すｘ方向）にバイアス磁界を印加する役割を果た
している。フリー磁性層Ｆは、磁気異方性分散が抑制さ
れているので、外部磁界がないとき、ｘ方向に印加され
たバイアス磁界によって、ｘ方向に揃えられている。ハ
ードバイアス層２１は、フリー磁性層Ｆの両側に設けら
れているので、フリー磁性層Ｆにバイアス磁界を効率良
く印加することができる。

【００５６】電極層２０は、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒ
ｈ、Ｉｒから選ばれる１種またはそれ以上からなる単層
膜、もしくは多層膜に形成されており、積層体Ｃの両側
で、ハードバイアス層２１上に形成されている。

【００５７】積層体Ｃには、両側の電極層２０から、固
定磁性層Ｐの磁化方向と直交する方向（ｘ方向）に、セ
ンス電流が印加される。

【００５８】このようなセンス電流によりセンス電流磁
界が誘導されるが、センス電流磁界の向きが、固定磁性
層Ｐの位置において、第１の固定磁性層１２の磁気モー
メントの向き（図４に示す＋ｚ方向）と一致するよう
に、センス電流の印加方向を定めると、固定磁性層Ｐの
磁化状態が、熱的にさらに安定化する。

【００５９】また、センス電流は、積層体Ｃのうち最も
電気抵抗の低い非磁性導電層１５を中心として、主に、
固定磁性層Ｐのうち第２の固定磁性層１４、及びフリー
磁性層Ｆを流れ、電気抵抗の高い反強磁性層１１への分
流比率は比較的低い。また、固定磁性層Ｐにおいて、第
１の固定磁性層１２、非磁性層１３は、一般的に、第２
の固定磁性層１４より薄いので、これらへのセンス電流
の分流比率は低い。また、フリー磁性層Ｆにおいて、拡
散防止層１７の比抵抗は、軟磁性層１８の比抵抗より低
いので、拡散防止層１７には、軟磁性層１８よりも多く
のセンス電流が流れる。

【００６０】次に、第１の実施の形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子が、外部磁界を検出するときについて説明
する。

【００６１】外部磁界が印加されると、フリー磁性層Ｆ
の磁化の向きは、外部磁化の向きと平行に近づくように
回転する。このとき、フリー磁性層Ｆは、軟磁性層１８
の飽和磁化が、Ｃｕの添加により低下しているので、フ
リー磁性層Ｆ全体の飽和磁化（Ｍｓ）も低下している。
よって、フリー磁性層Ｆの飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚
（ｔ）の積である磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）が小さ
く、外部磁界が微弱であっても、フリー磁性層Ｆの磁化
の向きは、外部磁界の向きと平行に近づくように回転す
る。

【００６２】このとき、フリー磁性層Ｆは、磁化の向き
がバイアス磁界により揃えられており、磁化の向きが回
転するときに、磁区の乱れを伴わないので、バルクハウ
ゼンノイズを生じることがない。

【００６３】また、フリー磁性層Ｆの軟磁性層１８は、
ＮｉＦｅ合金へのＣｕ添加量が少量であるから、ＮｉＦ
ｅ合金の優れた軟磁気特性が保持されて、低保磁力であ
るから、フリー磁性層Ｆの磁化は、外部磁界の変化に対
応して、速やかに回転することができる。

【００６４】フリー磁性層Ｆの磁化が回転すると、ＧＭ
Ｒ（Giant Magnetoresistive)効果によって、積層体Ｃ
を挟む電極層２２間の電気抵抗値（Ｒ）が変化する。こ
のような電極層２０間の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）から、
外部磁界の変化を検出することができる。以下、ＧＭＲ
効果について説明する。

【００６５】ＧＭＲ効果は、センス電流の伝導電子が、
非磁性導電層１５とフリー磁性層Ｆの界面において、ス
ピンの向きによって散乱される確率が異なるスピン依存
性散乱によるものである。

【００６６】図６に示すように、フリー磁性層Ｆの磁化
と、第２の固定磁性層１４の磁化（以下、固定磁化）の
向きが平行である場合において、センス電流の伝導電子
が、非磁性導電層１５側からフリー磁性層Ｆとの界面に
入射したとき、downスピンでは散乱される確率が高く、
upスピンでは散乱される確率が低くなる。（スピン依存
性散乱）

【００６７】即ち、センス電流の伝導電子は、upスピン
に関して、非磁性導電層１５とフリー磁性層Ｆの界面で
散乱されることなくフリー磁性層Ｆに入射する確率が高
い。

【００６８】フリー磁性層Ｆの軟磁性層１８にはＣｕが
添加されているが、Ｃｕは良導電元素であり、且つＣｕ
の添加量は少量であるから、フリー磁性層Ｆの電気抵抗
は、軟磁性層１８へのＣｕの添加により著しく増大する
ことがない。また、軟磁性層１８に添加されたＣｕは、
ＮｉＦｅ合金のＮｉと全率固溶体を形成するので、フリ
ー磁性層Ｆ中に異種結晶相が析出されることがない。よ
って、フリー磁性層Ｆでは、伝導電子が散乱されるよう
な電気抵抗の増加や異種結晶相がない。

【００６９】フリー磁性層Ｆの膜厚が厚すぎると、フリ
ー磁性層Ｆ中においてupスピンが散乱される確率が増大
するので、フリー磁性層Ｆの膜厚は５ｎｍ以下である。
このようなフリー磁性層Ｆでは、フリー磁性層Ｆに入射
したupスピンが、フリー磁性層Ｆ中で散乱されることな
くフリー磁性層Ｆを通り抜けて、フリー層Ｆと保護層１
９の界面まで至る。

【００７０】一方、図７に示すように、フリー磁性層Ｆ
の磁化と、固定磁化の向きが反平行である場合におい
て、センス電流の伝導電子は、非磁性導電層１５側から
フリー磁性層Ｆとの界面に入射したとき、downスピン、
upスピンともに、散乱される確率が高く、フリー磁性層
Ｆに入射することができない。

【００７１】このように、センス電流の伝導電子は、フ
リー磁性層Ｆの磁化と固定磁化の向きが平行であると
き、upスピンがフリー磁性層Ｆを通り抜けて、フリー磁
性層Ｆと保護層１９の界面に至るので、平均自由行程が
長く、一方、フリー磁性層Ｆの磁化と固定磁化の向きが
反平行であるとき、upスピンもdownスピンも非磁性導電
層１５とフリー磁性層Ｆの界面を通り抜けることが出来
ないので、平均自由行程が短い。

【００７２】よって、フリー磁性層Ｆの磁化と固定磁化
の向きが平行であるとき、ｕｐスピン電子の平均自由行
程が長いので、電極層２０間の電気抵抗（Ｒ）は低くな
り、一方、フリー磁性層Ｆの磁化と固定磁化の向きが反
平行であるとき、ｕｐスピン、downスピン電子両方の平
均自由行程が短いので、電極層２０間の電気抵抗（Ｒ）
は高くなる。（ＧＭＲ効果）

【００７３】このようなＧＭＲ効果による電極層２０間
の抵抗変化（ΔＲ）から、外部磁界の変化を検出するこ
とができる。このとき、ＧＭＲ効果による抵抗変化率
（ΔＲ／Ｒ）が大きいほど、検出感度は向上する。

【００７４】ＧＭＲ効果による抵抗変化（ΔＲ）は、セ
ンス電流伝導電子の平均自由行程差、即ち、フリー磁性
層Ｆの磁化と固定磁化の向きが平行であるとき、upスピ
ンが非磁性導電層１５とフリー磁性層Ｆの界面を通過し
て、フリー磁性層１５と保護層１９との界面に至るまで
の長さにより決まる。したがって、抵抗変化（ΔＲ）
は、フリー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）が、ある膜厚よりも薄
くなると低下する。

【００７５】フリー磁性層Ｆは、軟磁性層１８へのＣｕ
の添加により飽和磁化（Ｍｓ）が低下して、飽和磁化
（Ｍｓ）の低下に伴い、磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）が
低下している。よって、フリー磁性層Ｆは、膜厚（ｔ）
を、高い抵抗変化（ΔＲ）が保持できる適切な範囲（３
〜５ｎｍ）に保持した状態で、より微弱な外部磁界に対
しても磁化の向きが回転するようになっている。

【００７６】また、ＧＭＲ効果による抵抗変化率（ΔＲ
／Ｒ）が明確に現れるためには、ＧＭＲ効果による抵抗
変化（ΔＲ）に対して、電極層２０間の抵抗（Ｒ）が大
きすぎないことが必要である。フリー磁性層Ｆの軟磁性
層１８にはＣｕが添加されているが、Ｃｕは良導電元素
であるから、軟磁性層１８の電気抵抗が、Ｃｕの添加に
より著しく上昇することがなく、電極層２０間の抵抗
（Ｒ）は低く保持されている。また、フリー磁性層Ｆに
おいて、軟磁性層１８よりも非磁性導電層１５に接触す
る拡散防止層１７側により多くのセンス電流が流れるの
で、軟磁性層１８の電気抵抗値は、電極層２２間の抵抗
（Ｒ）への影響が大きくない。

【００７７】図８のグラフに模式的に示すように、フリ
ー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）が５ｎｍ以下の範囲であると
き、フリー磁性層Ｆの磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）の上
昇と共に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇する。一方、
フリー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）が５ｎｍを越えると、フリ
ー磁性層Ｆ内でupスピン電子が散乱すると共に、ＧＭＲ
効果に寄与しないセンス電流成分が増加するので、フリ
ー磁性層Ｆの磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）の上昇と共
に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下する。フリー磁性層
Ｆの膜厚（ｔ）が、３〜５ｎｍの範囲であれば、抵抗変
化率（ΔＲ／Ｒ）は、フリー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）の増
加に伴って上昇するので、フリー磁性層Ｆの飽和磁化
（Ｍｓ）が低いとき、フリー磁性層Ｆの飽和磁化（Ｍ
ｓ）が高い場合と比べて、フリー磁性層Ｆの膜厚（ｔ）
が等しく、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が同等であっても、
より低い磁気モーメント（Ｍｓ・ｔ）を得ることができ
る。

【００７８】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図９に示すように、第２の実施の形態のスピンバル
ブ型薄膜磁気素子は、下地層３２、下部反強磁性層３
１、下部固定磁性層Ｐ１、下部非磁性導電層２５、フリ
ー磁性層Ｆ１、上部非磁性導電層３５、上部固定磁性層
Ｐ２、上部反強磁性層４１、保護層２９が、順次積層さ
れた積層体Ｃ１と、積層体Ｃ１の両側に、ハードバイア
ス層４２と、ハードバイアス層４２上に形成された電極
層４３を有するデュアルスピンバルブ型薄膜磁気素子で
ある。

【００７９】下部反強磁性層３１の材料、膜厚は、第１
の実施の形態の反強磁性層１１と同様である。

【００８０】下部固定磁性層Ｐ１は、第１の反強磁性層
３１と接触して形成された第１の固定磁性層２２から、
非磁性層２３、第２の固定磁性層２４が、順次積層され
た三層構造であり、第１の固定磁性層２２、非磁性導電
層２３、第２の固定磁性層２４の材料、膜厚は、第１の
実施の形態の固定磁性層Ｐと同様である。

【００８１】また、下部固定磁性層Ｐ１は、第１の実施
の形態の固定磁性層Ｐと同様、人工的なフェリ磁性状態
を形成しており、第１の固定磁性層２２の磁化の向きと
第２の固定磁性層２４の磁化の向きは互いに反平行であ
り、第１の固定磁性層２２の磁気モーメントが第２の固
定磁性層２４の磁気モーメントよりも小さくなってい
る。このとき、図９中に示すように、第１の固定磁性層
２２の磁化の向きを、＋ｚ方向、第２の固定磁性層２４
の磁化の向きを、−ｚ方向とする。

【００８２】下部非磁性導電層２５は、第１の実施の形
態の非磁性導電層１５と、同様な材料、膜厚である。

【００８３】フリー磁性層Ｆ１は、軟磁性層２８と、軟
磁性層２８を挟んで対向する一対の拡散防止層２７とか
ら構成される三層構造であり、膜厚は３〜５ｎｍであ
る。軟磁性層２８は、第１の実施の形態と同様に、Ｃｕ
を添加したＮｉＦｅ合金からなり、Ｃｕの添加により飽
和磁化が低下している。拡散防止層２７は、第１の実施
の形態と同様な材料、膜厚に形成されている。

【００８４】上部非磁性導電層３５は、下部非磁性導電
層２５と同様な材料、膜厚に形成されている。

【００８５】上部固定磁性層Ｐ２は、上部反強磁性層４
１と接触して形成された第１の固定磁性層３２側から、
非磁性層３３、第２の固定磁性層３４を順次有する三層
構造であり、第２の固定磁性層３４が、非磁性導電層２
５を挟んでフリー磁性層Ｆ１と対向している。

【００８６】上部固定磁性層Ｐ２は、第１、第２の固定
磁性層３２、３４の材料が、下部固定磁性層Ｐ１の第
１、第２の固定磁性層２２、２４の材料と同様であり、
非磁性層３３の材料、膜厚が、下部固定磁性層Ｐ１の非
磁性層と同様である。また、第１の固定磁性層３２の膜
厚は、下部固定磁性層Ｐ１の第１の固定磁性層２２の膜
厚と等しく、第２の固定磁性層３４の膜厚は、下部固定
磁性層Ｐ１の第２の固定磁性２４の膜厚と等しくなって
おり、第２の固定磁性層３４の膜厚は、第１の固定磁性
層３２の膜厚よりも厚い。

【００８７】上部固定磁性層Ｐ２は、人工的なフェリ磁
性状態を形成しており、第１の固定磁性層３２の磁化の
向きと第２の固定磁性層３４の磁化の向きは互いに反平
行であり、第１の固定磁性層３２の磁気モーメントは、
第２の固定磁性層３４の磁気モーメントよりも小さい。

【００８８】このとき、上部固定磁性層Ｐ２の第１の固
定磁性層３２は、磁化の向きが、下部固定磁性層Ｐ１の
第１の固定磁性層２２の磁化の向きと平行で、＋ｚ方向
であると共に、上部固定磁性層Ｐ２の第２の固定磁性層
３４は、磁化の向きが、下部固定磁性層Ｐ１の第２の固
定磁性層２４の磁化の向きと平行で、−ｚ方向であり、
下部固定磁性層Ｐ１のフリー磁性層Ｆとの界面における
磁化の向きと、上部固定磁性層Ｐ２のフリー磁性層Ｆと
の界面における磁化の向きは、平行になっている。

【００８９】また、下部固定磁性層Ｐ１の合成磁気モー
メントと、上部固定磁性層Ｐ２の合成磁気モーメント
は、平行になっている。

【００９０】なお、下部、上部固定磁性層Ｐ１、Ｐ２
が、共に人工的なフェリ磁性状態を形成しているとき、
下部固定磁性層Ｐ１において、第１の固定磁性層２２が
第２の固定磁性層２４よりも厚く、上部固定磁性層Ｐ２
において、第２の固定磁性層３４が第１の固定磁性層３
２よりも薄くても良い。

【００９１】但し、いずれの場合においても、下部固定
磁性層Ｐ１の第２の固定磁性層２４の磁化の向きと、上
部固定磁性層Ｐ２の第２の固定磁性層３４の磁化の向き
が平行となることが必要である。

【００９２】上部固定磁性層４１の材料、膜厚は、下部
反強磁性層３１と同様であり、ハードバイアス層４２、
電極層４３の材料は、それぞれ、第１の実施の形態のハ
ードバイアス層２１、電極層２０の材料と同様である。

【００９３】積層体Ｃ１には、両側の電極層４３から、
固定磁性層Ｐ１の磁化方向と直交する方向（図９に示す
ｘ方向）に、センス電流が印加される。

【００９４】このようなセンス電流によりセンス電流磁
界が誘導されるが、センス電流磁界の向きが、下部固定
磁性層Ｐ１の位置において、下部固定磁性層Ｐ１の第１
の固定磁性層２２の磁気モーメントの向き（図９に示す
＋ｚ方向）と一致すると共に、上部固定磁性層Ｐ２の位
置において、上部固定磁性層Ｐ２の第２の固定磁性層３
４の磁気モーメントの向き（図９に示す−ｚ方向）と一
致するように、センス電流の印加方向を定めると、下
部、上部固定磁性層Ｐ１、Ｐ２の磁化状態が、熱的にさ
らに安定化する。

【００９５】また、図１０、１１に示すように、センス
電流は、下部非磁性導電層２５を中心として、主に、下
部固定磁性層Ｐ１のうち第２の固定磁性層２４、及びフ
リー磁性層Ｆ１を流れる第１の経路Ｓ１と、上部非磁性
導電層３５を中心として、主に、上部固定磁性層Ｐ２の
うち第２の固定磁性層３４、及びフリー磁性層Ｆ１を流
れる第２の経路Ｓ２を有する。

【００９６】次に、第２の実施の形態のスピンバルブ型
薄膜磁気素子が、外部磁界を検出するときについて説明
する。

【００９７】外部磁界が印加されると、フリー磁性層Ｆ
１の磁化の向きは、第１の実施の形態と同様に、外部磁
化の向きと平行に近くなるように回転する。

【００９８】フリー磁性層Ｆの磁化が回転すると、ＧＭ
Ｒ効果によって、積層体Ｃを挟む電極層２２間の電気抵
抗値（Ｒ）が変化する。このような電極層２２間の抵抗
変化率（ΔＲ／Ｒ）から、外部磁界の変化を検出するこ
とができる。以下、ＧＭＲ効果について、デュアルスピ
ンバルブ型の特徴を説明する。

【００９９】図１０に示すように、フリー磁性層Ｆ１の
磁化の向きが、下部固定磁性層Ｐ１の第２の固定磁性層
２４の磁化（以下、第１の固定磁化）の向きと平行であ
る場合、第１の電流経路Ｓ１において、センス電流の伝
導電子は、スピン依存性散乱により、upスピンに関し
て、非磁性導電層２５とフリー磁性層Ｆ１の界面で散乱
されることなくフリー磁性層Ｆ１に入射する確率が高
い。

【０１００】また、このとき、フリー磁性層Ｆ１の磁化
の向きが、第１の固定磁化の向きと平行であるとき、フ
リー磁性層Ｆ１の磁化の向きは、上部固定磁性層Ｐ２の
第２の固定磁性層３４の磁化（以下、第２の固定磁化）
の向きとも平行であるから、第２の電流経路Ｓ２におい
ても、センス電流の伝導電子は、スピン依存性散乱によ
り、upスピンが非磁性導電層２５とフリー磁性層Ｆ１の
界面で散乱されることなく、フリー磁性層Ｆ１に入射す
る確率が高い。

【０１０１】一方、図１１に示すように、フリー磁性層
Ｆ１の磁化の向きが第１の固定磁化の向きと反平行であ
る場合、第１の電流経路において、センス電流の伝導電
子は、スピン依存性散乱により、upスピン、downスピン
ともに、非磁性導電層２５とフリー磁性層Ｆ１の界面で
散乱されて、フリー磁性層Ｆ１に入射することができな
い。

【０１０２】また、このとき、フリー磁性層Ｆ１の磁化
の向きが第２の固定磁化の向きとも反平行であるから、
第２の電流経路においても、センス電流の伝導電子は、
スピン依存性散乱により、upスピン、downスピンとも
に、非磁性導電層２５とフリー磁性層Ｆ１の界面で散乱
されて、フリー磁性層Ｆ１に入射することができない。

【０１０３】このように、フリー磁性層Ｆ１の磁化の向
きが、第１、第２の固定磁化の向きと平行であるとき、
第１の電流経路Ｓ１と第２の電流経路Ｓ２では、共にup
スピン電子の平均自由行程が長い。

【０１０４】一方、フリー磁性層Ｆ１の磁化の向きが、
第１、第２の固定磁化の向きと反平行であるとき、第１
の電流経路Ｓ１と第２の電流経路Ｓ２では、共にupスピ
ン、downスピン電子両方の平均自由行程が短い。

【０１０５】よって、フリー磁性層Ｆ１の磁化の向き
が、第１、第２の固定磁化の向きと平行であるとき、up
スピン電子の平均自由行程が長く、電極層４３間の電気
抵抗（Ｒ）は低くなる。一方、フリー磁性層Ｆ１の磁化
の向きが、第１、第２の固定磁化の向きと反平行である
とき、センス電流伝導電子の平均自由行程が短く、電極
層４３間の電気抵抗（Ｒ）は高くなる。（ＧＭＲ効果）

【０１０６】ＧＭＲ効果による電極層４３間の抵抗変化
（ΔＲ）から、記録媒体からの漏れ磁界の向きを検知し
て、記録データの再生を行うことができる。このとき、
ＧＭＲ効果による抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きいほ
ど、感度の高い再生特性を得ることができる。

【０１０７】このようなデュアルスピンバルブ型では、
第１の電流経路Ｓ１と第２の電流経路Ｓ２において、Ｇ
ＭＲ効果による抵抗の変化が一致しているので、ＧＭＲ
効果による抵抗変化（ΔＲ）が倍増されて、高感度なス
ピンバルブ型薄膜素子とすることができる。

【０１０８】このとき、下部固定磁性層Ｐ１の第２の固
定磁性層２４と、上部固定磁性層Ｐ２の第２の固定磁性
層３４の磁化の向きが反平行であると、ＧＭＲ効果によ
る抵抗変化（ΔＲ）が低下するので、好ましくない。

【０１０９】次に、このような本発明のスピンバルブ型
薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドを説明する。本発明の
薄膜磁気ヘッドは、図１のように、セラミックスからな
る矩形状のスライダ６１のヘッド形成面６１ａ上に形成
されている。スライダ６１は、ヘッド形成面６１ａと略
垂直な磁気ディスク対向面６１ｂを有している。

【０１１０】本発明の薄膜磁気ヘッドは、複合磁気ヘッ
ドである場合、図２、３に示すように、スライダ６１の
ヘッド形成面６１ａ上に、再生部ｈ１と記録部ｈ２とが
積層して形成されている。再生部ｈ１において、本発明
のスピンバルブ型薄膜磁気素子１は、パーマロイ等の軟
磁性材料からなる上部、下部シールド層２、３間に、絶
縁層４を介して挟持されている。

【０１１１】再生部ｈ１上に積層された記録部ｈ２は、
上部シールド層２と兼用される下部コア層と、上部シー
ルド層２上に形成された無機絶縁材料からなる磁気ギャ
ップ層８と、磁気ギャップ層８上に無機絶縁層５を介し
て形成され、スパイラル状であるコイル層９と、コイル
層９を覆う有機絶縁層７と、有機絶縁層７上からコイル
層９を覆うパーマロイ等の軟磁性材料からなる上部コア
層１０とを有し、上部コア層１０は、スライダ６１の磁
気ディスク対向面６１ｂ側において、磁気ギャップ層８
表面に接触して形成され、上部シールド層２と、磁気ギ
ャップ層８を挟持している。また、上部コア層１０は、
コイル層９の巻き中心部近傍において、上部シールド層
２と接続されている。

【０１１２】なお、上記薄膜磁気ヘッドでは、再生部ｈ
１と記録部ｈ２を備えた複合型ヘッドを説明したが、記
録部ｈ２を形成せず、再生部ｈ１のみの再生専用ヘッド
でも良い。

【０１１３】次に、このような薄膜磁気ヘッドがハード
磁気ディスク装置に搭載されて、記録磁界の検出を行う
場合を説明する。ハード磁気ディスク装置には、記録磁
化パターンが付与された記録媒体である磁気ディスク
（図示せず）が内蔵されており、スライダ６１は、磁気
ディスクの記録磁化パターンが付与された面に、磁気デ
ィスク対向面６１ｂが対向するように取り付けられてい
る。

【０１１４】再生ヘッド部ｈ１には、磁気ディスクから
の漏れ磁界が、磁気ディスク対向面６１ｂと直交する方
向（図３に示すハイト方向）に印加される。

【０１１５】このとき、上部シールド層３と下部シール
ド層２間以外の漏れ磁界は、下部、上部シールド層２、
３に吸収されて、スピンバルブ型薄膜磁気素子１に検出
されることがなく、スピンバルブ型薄膜磁気素子１は、
上部シールド層３と下部シールド層２間の漏れ磁界のみ
を検出することができる。

【０１１６】磁気ディスクから漏れる磁界の向きは、ス
ピンバルブ型薄膜磁気素子１が、図４に示す本発明の第
１の実施の形態である場合、固定磁性層Ｐの第２の固定
磁性層１４の磁化の向き（図４に示す−ｚ方向）と、平
行、或いは反平行になっている。また、スピンバルブ型
薄膜磁気素子１が、図９に示す本発明の第２の実施の形
態である場合、記録磁界の向きは、下部固定磁性層Ｐ１
の第２の固定磁性層１４と上部固定磁性層Ｐ２の第２の
固定磁性層２４の磁化の向き（図９に示す−ｚ方向）
と、平行、或いは反平行になっている。

【０１１７】磁気ディスクが回転すると、上部シールド
層３と下部シールド層２間に現れる磁気ディスクの漏れ
磁界は変化して、漏れ磁界の変化は、スピンバルブ型薄
膜磁気素子１のＧＭＲ効果による抵抗変化（ΔＲ）とし
て検出される。

【０１１８】スピンバルブ型薄膜磁気素子１は、記録磁
界が微弱であっても、ＧＭＲ効果による抵抗変化（Δ
Ｒ）が現れるので、ハード磁気ディスク装置の高密度記
録化に伴って、微弱になった記録磁界にも対応可能な薄
膜磁気ヘッドとすることができる。

【０１１９】また、ハード磁気ディスク装置の高密度記
録化に伴って、検出感度を上げるために、センス電流が
増大する傾向があるが、スピンバルブ型薄膜磁気素子１
は、固定磁性層Ｐ、Ｐ１、Ｐ２の磁化状態は、センス電
流の発熱によって変動することがなく、信頼性の高い薄
膜磁気ヘッドとすることができる。

【０１２０】

【発明の効果】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子
は、反強磁性層と、該反強磁性層に接触して積層された
固定磁性層と、該固定磁性層と非磁性導電層を介して対
向するフリー磁性層とを有する積層体と、該積層体の両
側に設けられた一対の電極層とを有し、固定磁性層は、
磁化の向きが揃えられて前記反強磁性層との磁気的結合
により固定されていると共に、前記固定磁性層と前記フ
リー磁性層とは前記非磁性導電層により磁気的に分離さ
れており、前記フリー磁性層は、Ｃｕが添加されたＮｉ
Ｆｅ合金からなる軟磁性層と、該軟磁性層と前記非磁性
導電層との間に介在するＣｏ、或いはＣｏ−Ｆｅ合金か
らなる拡散防止層とからなり、前記軟磁性層は、組成式
を（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_1-yＣｕ_yとして表すとき、ｘ、ｙを
原子比率として、０．１≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦
０．５３であり、前記積層体には前記電極層から前記固
定磁性層の磁化方向と交叉するセンス電流が印加され
て、前記フリー磁性層の磁化の向きが、外部磁界の向き
に回転することにより、前記電極層間の電気抵抗が変化
する。このようなスピンバルブ型薄膜磁気素子は、フリ
ー磁性層の軟磁性層にＣｕが添加されることにより、軟
磁性層の飽和磁化が低下して、フリー磁性層の磁気モー
メントが低下するので、フリー磁性層の磁化の向きは、
より微弱な外部磁界に対しても、外部磁界の向きと平行
に近くなるように回転して、より微弱な外部磁界を検出
可能なスピンバルブ型薄膜素子とすることができる。

【０１２１】このとき、フリー磁性層の膜厚を薄くする
ことなく、フリー磁性層の磁気モーメントが低下するの
で、スピンバルブ型薄膜素子は、より微弱な外部磁界が
検出可能であると共に、フリー磁性層の軟磁気特性、結
晶性の劣化がなく、フリー磁性層の保磁力、磁気異方性
分散が低く抑えられて、信頼性の高いスピンバルブ型薄
膜磁気素子とすることができる。また、フリー磁性層の
膜厚を保持することにより、ＧＭＲ効果による抵抗変化
率が保持されて、スピンバルブ型薄膜素子の感度を保持
することができる。

【０１２２】本発明の薄膜磁気ヘッドは、前記いずれか
に記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子が、軟磁性材料か
らなるシールド層間に設けられている。このような薄膜
磁気ヘッドでは、シールド層間以外の磁界がシールド層
に吸収されて、スピンバルブ型薄膜磁気素子は、シール
ド層間に現れた磁界のみを検出する。スピンバルブ型薄
膜磁気素子は、磁界が微弱であっても、ＧＭＲ効果によ
る抵抗変化（ΔＲ）が現れるので、ハード磁気ディスク
装置の高密度記録化に伴って、微弱になった記録媒体か
らの漏れ磁界にも対応可能な薄膜磁気ヘッドとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜磁気ヘッドが形成されたスライダ
を示す説明図。

【図２】本発明の薄膜磁気ヘッドの一例の概略図。

【図３】本発明の薄膜磁気ヘッドの一例の断面図。

【図４】本発明のスピンバルブ型素子の第１の実施の形
態の説明図。

【図５】ＮｉＦｅＣｕ合金のＣｕ濃度と飽和磁化の関係
を示すグラフ。

【図６】ＧＭＲ効果の説明図。

【図７】ＧＭＲ効果の説明図。

【図８】本発明のスピンバルブ型薄膜磁気素子の抵抗変
化率とフリー磁性層の磁気モーメントの関係を示すグラ
フ。

【図９】本発明のスピンバルブ型素子の第２の実施の形
態の説明図。

【図１０】第２の実施の形態におけるＧＭＲ効果の説明
図。

【図１１】第２の実施の形態におけるＧＭＲ効果の説明
図。

【図１２】従来のスピンバルブ型素子の説明図。

【符号の説明】

Ｐ固定磁性層Ｐ１下部固定磁性層Ｐ２上部固定磁性層Ｆ、Ｆ１フリー磁性層１スピンバルブ型薄膜磁気素子２上部シールド層３下部シールド層１１反強磁性層１２、２２、３２第１の固定磁性層１３、２３、３３非磁性層１４、２４、３４第２の固定磁性層１５、２５非磁性導電層１７拡散防止層１８軟磁性層３１下部反強磁性層４１上部反強磁性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｆ 10/32 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反強磁性層と、該反強磁性層に接触して積
層された固定磁性層と、該固定磁性層と非磁性導電層を
介して対向するフリー磁性層とを有する積層体と、該積
層体の両側に設けられた一対の電極層とを有し、固定磁
性層は、磁化の向きが揃えられて前記反強磁性層との磁
気的結合により固定されていると共に、前記固定磁性層
と前記フリー磁性層とは前記非磁性導電層により磁気的
に分離されており、前記フリー磁性層は、Ｃｕが添加さ
れたＮｉＦｅ合金からなる軟磁性層と、該軟磁性層と前
記非磁性導電層との間に介在するＣｏ、或いはＣｏ−Ｆ
ｅ合金からなる拡散防止層とからなり、前記軟磁性層
は、組成式を（Ｎｉ_1-xＦｅ_x）_1-yＣｕ_yとして表すと
き、ｘ、ｙを原子比率として、０．１≦ｘ≦０．３、
０．０１≦ｙ≦０．５３であり、前記積層体には前記電
極層から前記固定磁性層の磁化方向と交叉するセンス電
流が印加されて、前記フリー磁性層の磁化の向きが、外
部磁界の向きに回転することにより、前記電極層間の電
気抵抗が変化することを特徴とするスピンバルブ型薄膜
磁気素子。
【請求項２】前記積層体は、下部反強磁性層と、下部固
定磁性層と、下部非磁性導電層と、フリー磁性層と、上
部非磁性導電層と、上部固定磁性層と、上部反強磁性層
が順次積層されており、前記下部固定磁性層の前記フリ
ー磁性層との界面における磁化の向きと、前記上部固定
磁性層の前記フリー磁性層との界面における磁化の向き
が平行であり、前記フリー磁性層は、前記軟磁性層が前
記拡散防止層に挟まれた三層構造であることを特徴とす
る請求項１記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
【請求項３】前記反強磁性層は、元素ＸとＭｎを含有す
る合金からなり、元素Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、
Ｒｕ、Ｏｓのうちいずれか１種または２種以上の元素で
あることを特徴とする請求項１または２記載のスピンバ
ルブ型薄膜磁気素子。
【請求項４】前記反強磁性層と固定磁性層の界面構造
は、非整合状態であることを特徴とする請求項３記載の
スピンバルブ型薄膜磁気素子。
【請求項５】前記反強磁性層は、Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’合金か
らなり、Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓの
うちいずれか１種または２種以上の元素であり、Ｘ’
は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、
Ａｕ、Ｐｂ、及び希土類のうち１種または２種以上の元
素であり、Ｘ−Ｍｎ空間格子の隙間に元素Ｘ’が侵入し
ているか、Ｘ−Ｍｎ結晶格子の一部が元素Ｘ’に置換さ
れていることを特徴とする請求項４記載のスピンバルブ
型薄膜磁気素子。
【請求項６】前記固定磁性層は、強磁性材料からなる第
１の固定磁性層と、非磁性材料からなる非磁性層と、前
記第１の固定磁性層と同様な強磁性材料からなる第２の
固定磁性層からなり、前記第１、第２の固定磁性層は、
前記非磁性層を挟んで、人工的なフェリ磁性状態を形成
していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに
記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
【請求項７】前記第１、第２の固定磁性層は、Ｃｏ、Ｎ
ｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮ
ｉ合金のいずれかであり、前記非磁性層は、Ｒｕ、Ｒ
ｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのいずれかであることを特
徴とする請求項６記載のスピンバルブ型薄膜磁気素子。
【請求項８】前記請求項１乃至７のいずれかに記載のス
ピンバルブ型磁気素子が、軟磁性材料からなる一対のシ
ールド層間に設けられていることを特徴とする薄膜磁気
ヘッド。