JP2004095587A - 磁気検出素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ΔＲ・Ａの大きなデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子を提供する。
【解決手段】人工フェリ構造のフリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１及び第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）より大きくすることにより、磁気検出素子内を伝導電子のスピンが同一性を保って移動している間の電気抵抗を低減させることができ、これによって、磁気検出素子の最小抵抗値と最大抵抗値の差、すなわち、磁気抵抗変化を大きくすることができる。従って、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａの大きなＣＰＰ型デュアルスピンバルブ磁気検出素子を提供できる。
【選択図】 図１
【解決手段】人工フェリ構造のフリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１及び第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）より大きくすることにより、磁気検出素子内を伝導電子のスピンが同一性を保って移動している間の電気抵抗を低減させることができ、これによって、磁気検出素子の最小抵抗値と最大抵抗値の差、すなわち、磁気抵抗変化を大きくすることができる。従って、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａの大きなＣＰＰ型デュアルスピンバルブ磁気検出素子を提供できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ）型の磁気検出素子に係り、特に単位面積当たりの抵抗変化（ΔＲ・Ａ）の向上を効果的に図ることが可能な磁気検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の磁気検出素子を示す断面図である。
【０００３】
このスピンバルブ型磁気検出素子は、下から、反強磁性層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、第１フリー磁性層５ａ、非磁性中間層５ｂ、第２フリー磁性層５ｃからなるシンセティックフェリ型のフリー磁性層５、非磁性材料層６、固定磁性層７、反強磁性層８から構成された多層膜９、多層膜９の下と上に形成された電極層１及び電極層１０と、フリー磁性層５の両側部に形成されたハードバイアス層１１，１１及びハードバイアス層１１，１１の上下に形成された絶縁層１２，１２並びに絶縁層１３，１３からなっている。
【０００４】
反強磁性層２、８はＰｔＭｎ、固定磁性層３、７、及びフリー磁性層５の第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃはＣｏＦｅ、フリー磁性層５の非磁性中間層５ｂはＲｕ、非磁性材料層４、６はＣｕ、ハードバイアス層１１はＣｏＰｔなどの硬磁性材料、絶縁層１２、１３はアルミナ、電極層１、１０はＣｒなどの導電性材料によって形成されている。
【０００５】
図１０に示す磁気検出素子は、フリー磁性層５の上下のそれぞれに非磁性材料層４、固定磁性層３、及び非磁性材料層６、固定磁性層７が形成されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子と呼ばれるものであり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【０００６】
なお、図１０に示される磁気検出素子は、多層膜９の各層の膜面と垂直方向に電流が流れるＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅｐｌａｎｅ）型の磁気検出素子である。
【０００７】
固定磁性層３の磁化方向は図示Ｙ方向に固定され、固定磁性層７の磁化方向は図示Ｙ方向と反平行方向に固定されている。例えば、第２フリー磁性層５ｃの磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）が第１フリー磁性層５ａの磁気的膜厚よりも大きいとき、外部磁界が印加されていない状態の第２フリー磁性層５ｃの磁化方向は、ハードバイアス層１１，１１からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向（図示Ｘ方向）に向けられて単磁区化し、第１フリー磁性層５ａの磁化方向はトラック幅方向に反平行な方向に向けられる。フリー磁性層５全体の磁化方向は、磁気的膜厚の大きい第２フリー磁性層５ｃの磁化方向になる。外部磁界が印加されると第１フリー磁性層５ａと第２フリー磁性層５ｃの磁化が人工フェリ状態を維持したまま回転し、多層膜９の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電圧変化または電流変化として取り出すことにより外部磁界を検出する。
【０００８】
磁性材料に電流を流すと、この磁性材料中では、メジャーリティの伝導電子に対する比抵抗とマイノリティの伝導電子に対する比抵抗が異なる値になる。
【０００９】
磁性材料を構成する磁性原子は、主に３ｄ軌道または４ｆ軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。磁性原子の３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在する電子は、基本的にアップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち数が多い方の電子のスピンをメジャーリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。
【００１０】
一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子がほぼ同数含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のメジャーリティスピンと同じスピンを有する方をメジャーリティの伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティの伝導電子という。
【００１１】
ここでρ↓をマイノリティの伝導電子に対する磁性材料の比抵抗値とし、ρ↑をメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料に固有の値βを定義できる。
【００１２】
ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）
すなわち、磁性材料のβの値が正（β＞０）のとき、ρ↓＞ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、磁性材料のβの値が負（β＜０）のとき、ρ↓＜ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００１３】
また、磁性材料からなる磁性層に非磁性材料からなる非磁性層が積層されると、磁性層と非磁性層の界面に界面抵抗が発生する。
【００１４】
この界面抵抗も、メジャーリティの伝導電子に対する値とマイノリティの伝導電子に対する値が異なる。
【００１５】
ｒ↓をマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値とし、ｒ↑を伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料と非磁性材料の組み合わせに固有の値γを定義できる。
【００１６】
ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）
すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００１７】
図１０に示される磁気検出素子は、固定磁性層２、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、固定磁性層７がすべて同じ組成の磁性材料ＣｏＦｅによって形成されている。ＣｏＦｅのβは正の値を示す。すなわち、固定磁性層２、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、及び固定磁性層８中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子である。
【００１８】
また、非磁性材料層４及び非磁性材料層６は両方ともＣｕによって形成されている。このとき、非磁性材料層４と固定磁性層３の界面のγの値、非磁性材料層４と第１フリー磁性層５ａの界面のγの値、非磁性材料層６と第２フリー磁性層５ｃの界面のγの値、非磁性材料層６と固定磁性層７の界面のγの値は、全て正の値を示す。
【００１９】
非磁性中間層５ｂはＲｕによって形成されている。このとき、第１フリー磁性層５ａと非磁性中間層５ｂの界面のγの値と第２フリー磁性層５ｃと非磁性中間層５ｂの界面のγの値は、両方とも負の値を示す。
【００２０】
各磁性層とβとγの値の関係を図１１にまとめる。図１１には、図１０に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。固定磁性層３、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、及び固定磁性層７に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向（Ｙ方向）を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５ａと第２フリー磁性層５ｃの磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
磁気検出素子の抵抗変化ΔＲを大きくするためには、フリー磁性層５の磁化方向が図１１に示される方向を向いているときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層（非磁性材料層４、６及び非磁性中間層５ｂ）との界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい（または、全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層（非磁性材料層４、６及び非磁性中間層５ｂ）との界面における、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい）。
【００２２】
しかし、図１１をみると、メジャーリティスピンがアップスピンでありβ＞０である固定磁性層３及び第１フリー磁性層５ａは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値が小さくなっているが、メジャーリティスピンがダウンスピンであり、β＞０である第２フリー磁性層５ｃ及び固定磁性層７はアップスピンの伝導電子に対する抵抗値が大きくなっている。
【００２３】
また、非磁性材料層４と固定磁性層３の界面、非磁性材料層４と第１フリー磁性層５ａの界面、第２フリー磁性層５ｃと非磁性中間層５ｂの界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも小さくなっている。しかし、第１フリー磁性層５ａと非磁性中間層５ｂの界面、非磁性材料層６と第２フリー磁性層５ｃの界面、非磁性材料層６と固定磁性層７の界面におけるアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも大きくなっている。
【００２４】
このように、従来の磁気検出素子は、伝導電子の流れ方の制御の効率が低いものであった。
【００２５】
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることによって、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる磁気検出素子を提供することを目的としている。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層の上に第２フリー磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚は前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【００２７】
導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【００２８】
本発明のように、前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚は前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００２９】
従って、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、及び第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００３０】
また、本発明では、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号が同じものであることが好ましい。
【００３１】
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【００３２】
本発明のように、前記第１フリー磁性層、前記第２フリー磁性層、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層（以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ）それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに反平行になる方向に固定されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３３】
または、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている組み合わせでもよい。
【００３４】
本発明のように、各磁性層を形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに平行になる方向に固定されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３５】
さらに、本発明では、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と前記上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【００３６】
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。
【００３７】
本発明のように、γを規定すると、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面、又は前記上部非磁性材料層と前記上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第２フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における，ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３８】
また、本発明は、フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層、非磁性中間層、第２フリー磁性層、非磁性中間層、及び第３フリー磁性層順に積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚は前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【００３９】
本発明のように、前記第１フリー磁性層の膜厚が前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚は前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層内、第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００４０】
従って、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層内、第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００４１】
本発明では、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであることが好ましい。
【００４２】
本発明のように、前記第１フリー磁性層、前記第３フリー磁性層、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層（以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ）それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに平行になる方向に固定されている３層人工フェリフリー型のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４３】
または、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている組み合わせでもよい。
【００４４】
本発明のように、各磁性層を形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに反平行になる方向に固定されている３層人工フェリ型のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４５】
また、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第３フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は２つの非磁性中間層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【００４６】
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。
【００４７】
本発明のようにγを規定すると、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面、又は前記上部非磁性材料層と上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第３フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における，ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４８】
なお、上記のようにγを規定するためには、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号を異ならせることが必要になる場合があるが、本発明では、前記非磁性材料層を、種類の異なる非磁性材料からなる２層構造とすることによってそのような問題を解決できる。
【００４９】
なお、本発明では、前記下部固定磁性層及び上部固定磁性層は、２層の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであることが好ましい。
【００５０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明における第１実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【００５１】
図１に示す磁気検出素子は、いわゆるデュアル型のスピンバルブ型薄膜素子である。
【００５２】
第１の電極層２０の中央上面には、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０と５２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層５１からなる３層フェリ構造の下部固定磁性層２４、下部非磁性材料層２５及びフリー磁性層２６が形成されている。フリー磁性層２６は、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５とその間に形成された非磁性中間層５４からなる３層フェリ構造である。さらにフリー磁性層２６の上面に上部非磁性材料層２７、磁性層６０と６２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層６１からなる３層フェリ構造の上部固定磁性層２８、上部反強磁性層２９、及び第２の電極層３０が順次積層されている。
【００５３】
第１の電極層２０は、例えばα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。下地層２１は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１種以上で形成されることが好ましい。下地層２１は５０Å以下程度の膜厚で形成される。ただし、この下地層２１は形成されていなくても良い。
【００５４】
シード層２２は、主として面心立方晶から成り、次に説明する下部反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向されている。シード層２２は、Ｃｒ、ＮｉＦｅ合金、あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｙ合金（ただしＹは、Ｃｒ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉから選ばれる少なくとも１種以上）で形成されることが好ましい。これらの材質で形成されたシード層２２はＴａ等で形成された下地層２１上に形成されることにより下部反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向しやすくなる。シード層２２は、例えば３０Å程度で形成される。
【００５５】
なお本発明における磁気検出素子は各層の膜面と垂直方向にセンス電流が流れるＣＰＰ型であるため、シード層２２にも適切にセンス電流が流れる必要性がある。よってシード層２２は比抵抗の高い材質でないことが好ましい。すなわちＣＰＰ型ではシード層２２はＮｉＦｅ合金などの比抵抗の低い材質で形成されることが好ましい。ただし、シード層２２は形成されなくても良い。
【００５６】
下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。あるいは下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、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Ｍｎを含有する反強磁性材料により形成されることが好ましい。
【００５７】
これらの反強磁性材料は、耐食性に優れしかもブロッキング温度も高く次に説明する下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８との界面で大きな交換異方性磁界を発生し得る。また下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は８０Å以上で３００Å以下，例えば２００Åの膜厚で形成されることが好ましい。
【００５８】
この実施形態では下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８は３層のフェリ構造で形成されている。
【００５９】
下部固定磁性層２４を構成する符号５０及び５２の層は磁性層である。磁性層５０、５２間には非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。同様に、上部固定磁性層２８の磁性層６０及び６２の間には、非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。下部固定磁性層２４、上部固定磁性層２８の材料については後述する。
【００６０】
下部反強磁性層２３と磁性層５０の間及び上部反強磁性層２９と磁性層６２の間には、交換異方性磁界が発生している。
【００６１】
例えば磁性層５０の磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）に固定された場合、もう一方の磁性層５２はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向と逆方向に磁化され固定される。また、磁性層６２の磁化がハイト方向と逆方向に固定された場合、もう一方の磁性層６０はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向に磁化され固定される。
【００６２】
この構成により下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８の磁化を安定した状態にでき、また下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８の磁化方向を強固に固定できる。
【００６３】
なお、磁性層５０、５２及び磁性層６０、６２の膜厚はそれぞれ１０〜７０Å程度で形成される。また非磁性中間層５１及び非磁性中間層６１の膜厚は３Å〜１０Å程度で形成される。
【００６４】
なお下部固定磁性層２４、上部固定磁性層２８はフェリ構造ではなく単層膜あるいは磁性層のみからなる積層膜で形成されていても良い。
【００６５】
下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７は電気抵抗の低い導電性材料によって形成される。下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７は例えば２５Å程度の膜厚で形成される。下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７の材料については後述する。
【００６６】
フリー磁性層２６は、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５とその間に形成された非磁性中間層５４からなる３層フェリ構造である。
【００６７】
第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５は磁性材料からなり、非磁性中間層５４は非磁性材料からなる。トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されているハードバイアス層３３，３３からの縦バイアス磁界によって、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５のうち、磁気的膜厚（単位面積当たりの磁気モーメント；飽和磁束密度Ｍｓ×膜厚ｔ）の大きい方の磁化が図示Ｘ方向に揃えられ、他方の磁化は図示Ｘ方向と反平行方向を向く。
【００６８】
例えば、図１では、第２フリー磁性層５５の磁気的膜厚の方が、第１フリー磁性層５３の磁気的膜厚より大きくなっているので、 第２フリー磁性層５５の磁化が図示Ｘ方向にそろえられる。そして、ＲＫＫＹ相互作用によって、第１フリー磁性層５３の磁化方向が図示Ｘ方向と反平行方向に向けられる。
【００６９】
フリー磁性層２６の合計の磁気的膜厚は、第１フリー磁性層５３の磁気的膜厚と第２フリー磁性層５５の磁気的膜厚の差になる。従って、本実施の形態のような人工フェリ型のフリー磁性層２６であれば、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５を安定して成膜できる膜厚で形成しても、フリー磁性層２６の実質的な磁気的膜厚を減少させることができ、磁気検出素子の磁界検出感度を向上させることができる。
【００７０】
第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、非磁性中間層５４の材料及び膜厚については後述する。
【００７１】
多層膜Ｔ１のトラック幅方向の両側領域の第１の電極層２０上には、絶縁層３１，３１が形成されている。絶縁層３１，３１は例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２など一般的な絶縁材料で形成される。
【００７２】
絶縁層３１，３１の上面３１ａ，３１ａは、フリー磁性層２６の下面２６ａよりも図示下側（図示Ｚ方向とは逆方向）に形成されていることが好ましい。
【００７３】
絶縁層３１，３１の上には、バイアス下地層３２，３２が形成されている。またバイアス下地層３２，３２の上にはハードバイアス層３３，３３が形成されている。ハードバイアス層３３，３３は、フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂに対向する位置に形成される。ハードバイアス層３３，３３は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されている。
【００７４】
バイアス下地層３２，３２はハードバイアス層３３，３３の特性（保磁力Ｈｃ、角形比Ｓ）を向上させるために設けられたものである。
【００７５】
本発明では、バイアス下地層３２，３２は、結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜で形成されることが好ましい。なおこのときバイアス下地層３２，３２の結晶配向は（１００）面が優先配向するのが好ましい。
【００７６】
またハードバイアス層３３，３３は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金などで形成される。これら合金の結晶構造は、稠密六方構造（ｈｃｐ）単相あるいは面心立方構造（ｆｃｃ）と稠密六方構造（ｈｃｐ）の混相となっている。
【００７７】
ここで上記の金属膜で形成されたバイアス下地層３２，３２とハードバイアス層３３，３３を構成するＣｏＰｔ系合金のｈｃｐ構造の界面での原子配列が近くなるために、ＣｏＰｔ系合金はｆｃｃ構造を形成しづらくｈｃｐ構造で形成されやすくなる。このときｈｃｐ構造のｃ軸はＣｏＰｔ系合金とバイアス下地層の境界面内に優先配向される。ｈｃｐ構造はｆｃｃ構造に比べてｃ軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、ハードバイアス層３３，３３に磁界を与えたときの保磁力Ｈｃは大きくなる。さらにｈｃｐのｃ軸はＣｏＰｔ系合金とバイアス下地層との境界面内で優先配向となっているため、残留磁化が増大し、残留磁化／飽和磁束密度で求められる角形比Ｓは大きくなる。その結果、ハードバイアス層３３，３３の特性を向上させることができ、ハードバイアス層３３，３３から発生するバイアス磁界を増大させることができる。結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｔａのいずれか１種または２種以上の元素で形成されることが好ましい。
【００７８】
また、バイアス下地層３２はハードバイアス層３３，３３の下側にのみ形成されていることが好ましいが、フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂとハードバイアス層３３，３３間にも若干介在してもよい。フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂとハードバイアス層３３，３３間に形成されるバイアス下地層３２，３２のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における膜厚は１ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７９】
これによりハードバイアス層３３，３３とフリー磁性層２６とを磁気的に連続体にでき、フリー磁性層２６の端部が反磁界の影響を受けるバックリング現象などの問題も発生せず、フリー磁性層２６の磁区制御を容易にできる。
【００８０】
図１の磁気検出素子は、ハードバイアス層３３，３３によって、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３及び第２フリー磁性層５５が単磁区化されるものであるが、本実施の形態のように第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化方向が互いに反平行方向を向くものであるときは、ハードバイアス層３３，３３の内側端面３３ａ，３３ａが、第１フリー磁性層５３及び第２フリー磁性層５５のいずれか一方の端部とのみ対向していることが好ましい。図１では、ハードバイアス層３３，３３の内側端面３３ａ，３３ａが第２フリー磁性層５５の端部５５ａ，５５ａにのみ対向している。これによって、ハードバイアス層３３，３３から供給されるトラック幅方向（図示Ｘ方向）の縦バイアス磁界は第２フリー磁性層５５にのみ直接作用し、トラック幅方向と反平行方向の磁化を有する第１フリー磁性層５３の磁化に乱れが生じることを抑制または防止できる。
【００８１】
また図１に示すように、ハードバイアス層３３，３３の上には絶縁層３４，３４が形成されている。絶縁層３４，３４は、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの一般的な絶縁材料で形成される。なおこの実施形態では、絶縁層３４，３４の上面と上部反強磁性層２９の上面とが連続面となっている。
【００８２】
絶縁層３４，３４及び上部反強磁性層２９の上には、第２の電極層３０が形成されている。
【００８３】
この実施形態では、第２の電極層３０から第１の電極層２０に向けてセンス電流が流れるが、第１の電極層２０から第２の電極層３０に向けてセンス電流が流れても良い。従ってセンス電流は、磁気検出素子の各層を膜面と垂直方向に流れ、このようなセンス電流の流れ方向はＣＰＰ型と呼ばれる。
【００８４】
上部固定磁性層２８、上部非磁性材料層２７、フリー磁性層２６、下部非磁性材料層２５及び下部固定磁性層２４に検出電流（センス電流）が与えられ、走行方向がＺ方向であるハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層２６の磁化が図示Ｘ方向からＹ方向へ向けて変化する。第１フリー磁性層５３の磁化方向と下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向の関係、及び第２フリー磁性層５５と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向の関係で電気抵抗が変化し（これを磁気抵抗効果という）、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００８５】
図１に示される磁気検出素子は、下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、下部固定磁性層２４、下部非磁性材料層２５、フリー磁性層２６、上部非磁性材料層２７、上部固定磁性層２８、上部反強磁性層２９からなる多層膜Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側端面Ｓ１，Ｓ１が連続した傾斜面となっている。
【００８６】
図１に示された磁気検出素子の特徴部分について説明する。
本実施の形態の磁気検出素子では、第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１は第１フリー磁性層５３を形成している磁性材料のスピン拡散長（ＳｐｉｎＤｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２は第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【００８７】
磁性材料を含む導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【００８８】
例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０のスピン拡散長は１５０Å、Ｎｉ８０Ｆｅ２０のスピン拡散長は１２０Å、Ｎｉ９７Ｃｒ３のスピン拡散長は５０Å、Ｆｅ９５Ｃｒ５のスピン拡散長は９０Å、Ｆｅ８０Ｃｒ２０のスピン拡散長は４０Å、Ｃｕのスピン拡散長は１０００Å、Ｃｒのスピン拡散長は１００Åである。
【００８９】
第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１が第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２が第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００９０】
従って、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００９１】
具体的には、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【００９２】
ここで、βとは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【００９３】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図２にまとめる。
【００９４】
図２には、図１に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【００９５】
なお、図２には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面におけるγの正負の符号と、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【００９６】
ここで、γとは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である）。すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００９７】
図２に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにしている。
【００９８】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【００９９】
第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ１内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の内部でスピン方向が逆転する。このため、図２のケース１のように、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１００】
すなわち、図２のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ１を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１０１】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号が同じで、かつ第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号が同じになる組み合わせ、及び磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図２のケース２、３、４に示す。
【０１０２】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０３】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０４】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０５】
以下に、β＞０である磁性材料を示す。
β＞０：ＮｉＸ合金（ただし、ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＴ合金（ただし、Ｔは、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆから選ばれる１種の元素である）、ＦｅＺ合金（ただし、ＺはＮｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる１種の元素である）、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金（ただし、ＤはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる１種の元素である）。ＮｉＸ合金の具体的組成として例えばＮｉ８０Ｆｅ２０をあげることができる。
【０１０６】
次に、β＜０である磁性材料を示す。
β＜０：ＮｉＭ合金（ただし、ＭはＣｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＱ合金（ただし、ＱはＭｎ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）、またはＦｅＡ合金（ただし、ＡはＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）。ＦｅＡ合金の具体的組成として例えばＦｅ９０Ｃｒ１０をあげることができる。
【０１０７】
なお、図２のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｕにすればよく、ケース２におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｒにすればよい。また、ケース３におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｒで、上部非磁性材料層２７をＣｕで形成すればよく、ケース４におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｕで、上部非磁性材料層２７をＣｒで形成すればよい。
【０１０８】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層５３と非磁性中間層５４との界面、非磁性中間層５４と第２フリー磁性層５５の界面のγの正負の符号は任意でよい。図２では、γの正負の符号が任意であることを（×）で表している。従って、非磁性中間層５４の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５間のＲＫＫＹ相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層５４の材料をＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金から任意に選択できる。
【０１０９】
なお、図２では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は反平行方向を向いている。
【０１１０】
図３は本発明における第２実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１１１】
図３の磁気検出素子が図１の磁気検出素子と異なる点は、上部非磁性材料層２７が２層構造になっている点である。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が平行方向を向いている。
【０１１２】
図３に示す磁気検出素子も、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１と第２フリー磁性層の膜厚ｔ２が、それぞれを形成する磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１１３】
従って、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１１４】
具体的には、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【０１１５】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料５２のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図４にまとめる。
【０１１６】
図４には、図１に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１１７】
なお、図４には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面におけるγの正負の符号と、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１１８】
図４では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものである。また、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号は上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている。
【０１１９】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２０】
第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ１内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の内部でスピン方向が逆転する。このため、図４のケース１のように、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までの区間はアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの区間もアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１２１】
すなわち、図４のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ２を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１２２】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβの正負の符号が同じものであって、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっており、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図４のケース２、３、４に示す。
【０１２３】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２４】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２５】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２６】
β＞０である磁性材料の具体例として上記したＮｉＸ合金、ＣｏＴ合金、ＦｅＺ合金、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金を挙げることが出来る。また、β＜０である磁性材料としては、上記したＮｉＭ合金、ＣｏＱ合金、またはＦｅＡ合金を挙げることが出来る。
【０１２７】
なお、図４のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース２の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース３の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース４の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。
【０１２８】
以上、図４では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであって、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている組み合わせを示した。
【０１２９】
ただし、本発明では、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８の磁性層６０のβは正負の符号が同じものであり、第１フリー磁性層５３を形成している磁性層のβの正負の符号は下部固定磁性層２４の磁性層５２と異なっている組み合わせも含まれる。このときも、当然、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなることが好ましい。
【０１３０】
なお、図４では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は平行方向を向いている。
【０１３１】
図５は本発明における第３実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１３２】
図５に示された磁気検出素子は図１に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層２６に縦バイアスを与える方式が、図１に示された磁気検出素子と異なっている。
【０１３３】
なお、図１と同じ符号で示される層は、特に説明がない限り図１と同じ材料及び膜厚で形成された同一の層である。
【０１３４】
図５に示される磁気検出素子では、フリー磁性層２６の両側領域にハードバイアス層が形成されず、かわりに上部反強磁性層２９上に、中間層８１を介してインスタックバイアス層８２が形成されている。下地層２１からインスタックバイアス層８２まで重ねられた各層によって多層膜Ｔ３が形成されている。
【０１３５】
このインスタックバイアス層８２はＣｏＰｔなどの硬磁性材料によって形成され、図示Ｘ方向と反平行方向に着磁されている。なお、インスタックバイアス層８２と中間層８１の間に、Ｃｒからなる下地層が形成されてもよい。中間層８１の材料はＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕなどの非磁性導伝性材料である。
【０１３６】
この実施形態では、インスタックバイアス層８２の両側端部からフリー磁性層２６に向けて縦バイアス磁界（静磁界）が供給され（矢印Ｍで示す）、フリー磁性層２６の第２フリー磁性層５５の磁化が図示Ｘ方向に向けられている。
【０１３７】
また、第２フリー磁性層５５の単位面積当たりの磁気モーメントが、第１フリー磁性層５３の単位面積当たりの磁気モーメントより大きくなり、第２フリー磁性層５５の磁化がインスタックバイアス層８２から与えられる縦バイアス磁界と同じ方向を向いている状態を安定化させている。
【０１３８】
図５に示されるインスタックバイアス層８０が設けられた磁気検出素子は、フリー磁性層２６が強固に磁化されることがなくフリー磁性層２６の磁区制御を適正化でき、フリー磁性層２６の外部磁界に対する磁化変動を良好にすることが可能である。また多層膜Ｔ３の両側端面Ｓ３，Ｓ３の両側領域にはアルミナまたはＳｉＯ２からななる絶縁層８３，８３のみが形成されている。したがってセンス電流の分流ロスを低減させることが可能である。
【０１３９】
なお、図５に示される磁気検出素子は、上部反強磁性層２９上にのみインスタックバイアス層８２を形成しているが、下部反強磁性層２３の下にインスタックバイアス層を設けてもよいし、上部反強磁性層２９上と下部反強磁性層２３の下の両方にインスタックバイアス層を設けてもよい。
【０１４０】
ただし、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化方向を反平行にさせるために、上部反強磁性層２９の上または下部反強磁性層２３の下のどちらか一方にのみインスタックバイアス層を設けることが好ましい。その上で、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５のうち、インスタックバイアス層に近い方の膜厚を厚くすることがより好ましい。
【０１４１】
図６は本発明における第３実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１４２】
図６に示された磁気検出素子は図５に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層８４が３層の人工フェリ構造である点で図７に示された磁気検出素子と異なっている。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が平行方向を向いている。
【０１４３】
フリー磁性層８４は、第１フリー磁性層８５、非磁性中間層８６、第２フリー磁性層８７、非磁性中間層８８、第３フリー磁性層８９からなっている。第１フリー磁性層８５と第２フリー磁性層８７の磁化方向は、非磁性中間層８６を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。同様に、第２フリー磁性層８７と第３フリー磁性層８９の磁化方向も、非磁性中間層８８を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。
【０１４４】
フリー磁性層８４を３層の人工フェリ構造にすると、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化方向を互いに反平行方向に固定するスピンフロップ磁界が、図１ないし図５に示された２層の人工フェリ構造のフリー磁性層２６に比べて２倍以上になる。従って、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化方向の反平行状態が縦バイアス磁界によって崩されることを防止でき、フリー磁性層全体の単磁区構造が安定化し、バルクハウゼンノイズを著しく低減できる。
【０１４５】
本実施の形態の磁気検出素子では、第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０は第１フリー磁性層８５を形成している磁性材料のスピン拡散長（ＳｐｉｎＤｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１は第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１４６】
第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０が第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１が第３フリー磁性層８９を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、下部固定磁性層２４の磁性層５２から第１フリー磁性層８５までの間と第３フリー磁性層８９から上部固定磁性層２８の磁性層６０までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【０１４７】
従って、第１フリー磁性層８５と第３フリー磁性層８９の磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１４８】
ここで、βとは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【０１４９】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層８７のβの正負、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図７にまとめる。
【０１５０】
図７には、図６に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１５１】
なお、図７には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面におけるγの正負の符号と、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１５２】
ここで、γとは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である）。すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【０１５３】
図７に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにしている。
【０１５４】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１５５】
第１フリー磁性層８５の膜厚及び第３フリー磁性層８９の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ３内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層８５の内部及び第３フリー磁性層８９の内部でスピン方向が逆転する。このため、図７のケース１のように、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１５６】
すなわち、図７のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ４を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１５７】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにし、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７の界面、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図７のケース２、３、４に示す。
【０１５８】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１５９】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１６０】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１６１】
以下に、β＞０である磁性材料を示す。
β＞０：ＮｉＸ合金（ただし、ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＴ合金（ただし、Ｔは、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆから選ばれる１種の元素である）、ＦｅＺ合金（ただし、ＺはＮｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる１種の元素である）、または、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｄ合金（ただし、ＤはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる１種の元素である）。ＮｉＸ合金の具体的組成として例えばＮｉ８０Ｆｅ２０をあげることができる。
【０１６２】
次に、β＜０である磁性材料を示す。
β＜０：ＮｉＭ合金（ただし、ＭはＣｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＱ合金（ただし、ＱはＭｎ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）、またはＦｅＡ合金（ただし、ＡはＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）。ＦｅＡ合金の具体的組成として例えばＦｅ９０Ｃｒ１０をあげることができる。
【０１６３】
なお、図７のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｕにすればよく、ケース２におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｒにすればよい。また、ケース３におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｒで、上部非磁性材料層２７をＣｕで形成すればよく、ケース４におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｕで、上部非磁性材料層２７をＣｒで形成すればよい。
【０１６４】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５と非磁性中間層８６との界面、非磁性中間層８８と第３フリー磁性層８９の界面のγの正負の符号は任意でよい。さらに、非磁性中間層８６と第２フリー磁性層８７の界面、及び第２フリー磁性層８７と非磁性中間層８８の界面のγの正負の符号及び、第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のβの正負の符号も任意でよい。図２では、β及びγの正負の符号が任意であることを（×）で表している。
【０１６５】
なお、図７では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は平行方向を向いている。
【０１６６】
図８は本発明における第４実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１６７】
図８の磁気検出素子が図６の磁気検出素子と異なる点は、上部非磁性材料層２７が２層構造になっている点である。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が反平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が反平行方向を向いている。
【０１６８】
図８に示す磁気検出素子も、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０と第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１が、それぞれを形成する磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１６９】
従って、下部固定磁性層２４の磁性層５２から第１フリー磁性層８５までの間、第３フリー磁性層８９から上部固定磁性層２８の磁性層６０までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１７０】
具体的には、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの正負と、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８の磁性層のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【０１７１】
第１フリー磁性層８５、下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層８７のβの正負と、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８の磁性層６０のβの正負の関係を図９にまとめる。
【０１７２】
図９には、図８に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１７３】
なお、図９には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面におけるγの正負の符号と、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１７４】
図９に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を異ならせている。
【０１７５】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１７６】
第１フリー磁性層８５の膜厚及び第３フリー磁性層８９の膜厚はそれぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ４内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層８５の内部及び第３フリー磁性層８９の内部でスピン方向が逆転する。このため、図９のケース１のように、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１７７】
すなわち、図９のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ５を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１７８】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を異ならせ、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７の界面、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図９のケース２、３、４に示す。
【０１７９】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間は、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８０】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８１】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８２】
β＞０である磁性材料の具体例として上記したＮｉＸ合金、ＣｏＴ合金、ＦｅＺ合金、、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金を挙げることが出来る。また、β＜０である磁性材料としては、上記したＮｉＭ合金、ＣｏＱ合金、またはＦｅＡ合金を挙げることが出来る。
【０１８３】
なお、図９のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース２の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース３の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース４の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。
【０１８４】
以上、図９では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであって、第３フリー磁性層８９を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている組み合わせを示した。
【０１８５】
ただし、本発明では、第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８の磁性層６０のβの正負の符号が同じものであり、第１フリー磁性層８５のβの正負の符号が、下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの符号と異なっている組み合わせも含まれる。このときも、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなることが好ましい。
【０１８６】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５と非磁性中間層８６との界面、非磁性中間層８８と第３フリー磁性層８９の界面のγの正負の符号は任意でよい。また、非磁性中間層８６と第２フリー磁性層８７の界面、及び第２フリー磁性層８７と非磁性中間層８８の界面のγの正負の符号、第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のβの正負の符号も任意でよい。図９では、β、γの正負の符号が任意であることを（×）で表している。
【０１８７】
なお、図９では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は反平行方向を向いている。
【０１８８】
図１に示された磁気検出素子の製造方法について説明する。
まず、第１の電極層２０の中央上に、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０、非磁性中間層５１、磁性層５２（下部固定磁性層２４）、下部非磁性材料層２５、第１フリー磁性層５３、非磁性中間層５４、第２フリー磁性層５５（フリー磁性層２６）、上部非磁性材料層２７、磁性層６０、非磁性中間層６１、磁性層６２（上部固定磁性層２８）、上部反強磁性層２９を真空中でベタ膜状に連続成膜して多層膜Ｔ１の積層構造を形成する。各層の材料及び膜厚は、図１に示された完成後の磁気検出素子と同じである。
【０１８９】
多層膜Ｔ１をハイト方向（図示Ｙ方向）の磁場中でアニールして、下部反強磁性層２３と下部固定磁性層２４の磁性層５０間及び上部反強磁性層２９と上部固定磁性層２８の磁性層６２間に交換結合磁界を発生させる。
【０１９０】
磁場中アニールの温度は例えば２７０℃であり、磁界の大きさは、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界の大きさより弱い磁界、例えば８〜３０（ｋＡ／ｍ）（本実施の形態では２４（ｋＡ／ｍ）にしている）である。
【０１９１】
下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より大きく（ｔ４＞ｔ５）し、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より小さく（ｔ７＜ｔ６）している。
【０１９２】
これによって、磁性層５０の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層５２の単位面積当たりの磁気モーメント、かつ磁性層６２の単位面積当たりの磁気モーメント＜磁性層６０の単位面積当たりの磁気モーメントとする。
【０１９３】
上記８〜３０（ｋＡ／ｍ）の磁場中アニールによって、磁性層５０及び磁性層６０の磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）に向いている状態で固定され、非磁性中間層５１または非磁性中間層６１を介したＲＫＫＹ相互作用によって磁性層５２及び磁性層６２の磁化がハイト方向と反平行方向に固定される。
【０１９４】
本実施の形態では、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８の膜厚を上記の如く調節し、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界の大きさより弱い磁場中でアニールを１回行うだけで、磁性層５２と磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。
【０１９５】
次に、反強磁性層２９上に、磁気検出素子の光学的な素子面積と同程度かあるいはそれよりも若干小さい面積を覆うリフトオフ用のレジスト層を形成する。
【０１９６】
次に、前記レジスト層に覆われていない、反強磁性層２９から下地層２１までの多層膜Ｔ１をイオンミリングなどで除去する。これにより第１の電極層２０の上面中央には、下地層２１から反強磁性層２９までで構成される多層膜Ｔ１が略台形状となって残される。なおイオンミリング後、多層膜Ｔ１の両側端面Ｓ１，Ｓ１にはミリングで除去された物質の一部が再付着するので、再付着物をサイドミリングで除去することが好ましい。
【０１９７】
次に、第１の電極層２０上から多層膜Ｔ１の両側端面Ｓ１，Ｓ１上にかけて、Ａｌ２Ｏ３などで形成された絶縁層３１，３１、Ｃｒなどで形成されたバイアス下地層３２，３２、ＣｏＰｔＣｒなどで形成されたハードバイアス層３３，３３及びＡｌ２Ｏ３などで形成された絶縁層３４，３４をスパッタ成膜する。
【０１９８】
なお、絶縁層３１，３１から絶縁層３４，３４までの各層のスパッタ成膜の際におけるスパッタ粒子照射角度は基板に対しほぼ垂直方向Ｇとすることが好ましい。
【０１９９】
多層膜Ｔ１の両側領域に絶縁層３１，３１から絶縁層３４，３４までの各層を積層した後、前記レジスト層Ｒ１を除去する。
【０２００】
その後、絶縁層３４，３４上から多層膜Ｔ１の反強磁性層２９上にかけて第２の電極層３０をスパッタ成膜することにより、図１に示された磁気検出素子を形成できる。
【０２０１】
なお、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より小さく（ｔ４＜ｔ５）し、また、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より大きく（ｔ７＞ｔ６）しても、１回の磁場中アニールによって、磁性層５２と磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。
【０２０２】
また、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向を反平行にする他の方法として以下に示す製造方法を用いることができる。
【０２０３】
まず、第１の電極層２０の中央上に、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０、非磁性中間層５１、磁性層５２（下部固定磁性層２４）、下部非磁性材料層２５、第１フリー磁性層５３、非磁性中間層５４、第２フリー磁性層５５（フリー磁性層２６）、上部非磁性材料層２７、磁性層６０、非磁性中間層６１、磁性層６２（上部固定磁性層２８）、及び上部反強磁性層２９の一部（反強磁性が生じない厚さ、例えば５０Å以下）、を真空中でベタ膜状に連続成膜し、第１の磁場中アニールを行う。
【０２０４】
第１の磁場中アニール後、上部反強磁性層２９を反強磁性が生じる膜厚以上に厚くして、第１の磁場中アニール時の磁場の方向と反平行方向の磁場で第２の磁場中アニールをする。
【０２０５】
２回の磁場中アニールを行う方法であれば、下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５以上にし（ｔ４≧ｔ５）、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６以上（ｔ７≧ｔ６）にしても、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。または、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５以下にし（ｔ４≦ｔ５）、また、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６以下（ｔ７≦ｔ６）にした場合でも同様である。
【０２０６】
ｔ４≧ｔ５かつｔ７≧ｔ６、またはｔ４≦ｔ５かつｔ７≦ｔ６の構成であると、下部反強磁性層２３と下部固定磁性層２４間の一方向性異方性磁界Ｈｅｘ＊と上部反強磁性層２９と上部固定磁性層２８間の一方向性異方性磁界Ｈｅｘ＊の大きさを同程度の値に合わせやすくなる。
【０２０７】
図３に示される磁気検出素子を形成するときには、下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より大きくし、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より大きく形成する。
【０２０８】
すなわち、磁性層５０の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層５２の単位面積当たりの磁気モーメント、かつ磁性層６２の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層６０の単位面積当たりの磁気モーメントにする。
【０２０９】
そして、例えば２７０℃の温度中で磁場中アニールを１回行う。磁界の大きさは、下部固定磁性層２４と上部固定磁性層２８の飽和磁界より大きい、例えば８００ｋＡ／ｍの強磁場か、または下部固定磁性層２４と上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界より小さい、８〜３０（ｋＡ／ｍ）、例えば２４（ｋＡ／ｍ）の弱磁場である。
【０２１０】
または、多層膜Ｔ２を下地層２１から反強磁性層２９の途中まで連続成膜した後、１回目の磁場中アニールを行い、反強磁性層２９を付け足し成膜した後、２回目の磁場中アニールを行う方法を用いてもよい。
【０２１１】
図６及び図８に示された磁気検出素子も同様の製法によって形成できる。
なお、上述した実施の形態では、磁性層及び非磁性材料からなる層のβ、γ両方の正負をアップスピンまたはダウンスピンの伝導電子に対する比抵抗や界面抵抗の観点から最適化するように調節した。ただし、本発明には、磁性層のβのみ実施の形態に示したように調節したり、界面のγのみを調節したものも含まれる。例えば、各磁性層を実施の形態に示したβの組み合わせになる材料で形成し、各非磁性材料層はＣｕ、各非磁性中間層はＲｕで形成するという形態でもよい。
【０２１２】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明では、前記第１フリー磁性層の膜厚を前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚を前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくしている（フリー磁性層が２層の人工フェリ構造のとき）。
【０２１３】
従って、前記下部固定磁性層から前記第１フリー磁性層までの間、及び前記第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０２１４】
あるいは、前記第１フリー磁性層の膜厚を前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚を前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくしている（フリー磁性層が３層の人工フェリ構造のとき）。
【０２１５】
従って、前記下部固定磁性層から前記第１フリー磁性層までの間、及び前記第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
さらに、本発明では、前記第１フリー磁性層、第２フリー磁性層、第３フリー磁性層、下部固定磁性層、または上部固定磁性層と、前記非磁性材料層または前記非磁性中間層の界面におけるγの正負の符号を、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくすることにより、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【０２１６】
なお、上記のようにγを規定するためには、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号を異ならせることが必要になる場合があるが、本発明では、前記非磁性材料層を、種類の異なる非磁性材料からなる２層構造とすることによってそのような問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図３】本発明における第２の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図４】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図５】本発明における第３の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図６】本発明における第４の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図７】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図８】本発明における第５の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図９】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図１０】従来の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図１１】従来の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせを示す様式図、
【符号の説明】
２０ 第１の電極層
２１ 下地層
２２ シード層
２３、２９ 反強磁性層
２４、２８ 固定磁性層
２５、２７ 非磁性材料層
２６、８４ フリー磁性層
５３ 磁性層
５４ 非磁性中間層
５５ 磁性層
３０ 第２の電極層
３１、３４ 絶縁層
３２ バイアス下地層
３３ ハードバイアス層
８０、８２ インスタックバイアス層
８１ 中間層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ）型の磁気検出素子に係り、特に単位面積当たりの抵抗変化（ΔＲ・Ａ）の向上を効果的に図ることが可能な磁気検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の磁気検出素子を示す断面図である。
【０００３】
このスピンバルブ型磁気検出素子は、下から、反強磁性層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、第１フリー磁性層５ａ、非磁性中間層５ｂ、第２フリー磁性層５ｃからなるシンセティックフェリ型のフリー磁性層５、非磁性材料層６、固定磁性層７、反強磁性層８から構成された多層膜９、多層膜９の下と上に形成された電極層１及び電極層１０と、フリー磁性層５の両側部に形成されたハードバイアス層１１，１１及びハードバイアス層１１，１１の上下に形成された絶縁層１２，１２並びに絶縁層１３，１３からなっている。
【０００４】
反強磁性層２、８はＰｔＭｎ、固定磁性層３、７、及びフリー磁性層５の第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃはＣｏＦｅ、フリー磁性層５の非磁性中間層５ｂはＲｕ、非磁性材料層４、６はＣｕ、ハードバイアス層１１はＣｏＰｔなどの硬磁性材料、絶縁層１２、１３はアルミナ、電極層１、１０はＣｒなどの導電性材料によって形成されている。
【０００５】
図１０に示す磁気検出素子は、フリー磁性層５の上下のそれぞれに非磁性材料層４、固定磁性層３、及び非磁性材料層６、固定磁性層７が形成されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子と呼ばれるものであり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【０００６】
なお、図１０に示される磁気検出素子は、多層膜９の各層の膜面と垂直方向に電流が流れるＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅｐｌａｎｅ）型の磁気検出素子である。
【０００７】
固定磁性層３の磁化方向は図示Ｙ方向に固定され、固定磁性層７の磁化方向は図示Ｙ方向と反平行方向に固定されている。例えば、第２フリー磁性層５ｃの磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）が第１フリー磁性層５ａの磁気的膜厚よりも大きいとき、外部磁界が印加されていない状態の第２フリー磁性層５ｃの磁化方向は、ハードバイアス層１１，１１からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向（図示Ｘ方向）に向けられて単磁区化し、第１フリー磁性層５ａの磁化方向はトラック幅方向に反平行な方向に向けられる。フリー磁性層５全体の磁化方向は、磁気的膜厚の大きい第２フリー磁性層５ｃの磁化方向になる。外部磁界が印加されると第１フリー磁性層５ａと第２フリー磁性層５ｃの磁化が人工フェリ状態を維持したまま回転し、多層膜９の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電圧変化または電流変化として取り出すことにより外部磁界を検出する。
【０００８】
磁性材料に電流を流すと、この磁性材料中では、メジャーリティの伝導電子に対する比抵抗とマイノリティの伝導電子に対する比抵抗が異なる値になる。
【０００９】
磁性材料を構成する磁性原子は、主に３ｄ軌道または４ｆ軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。磁性原子の３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在する電子は、基本的にアップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち数が多い方の電子のスピンをメジャーリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。
【００１０】
一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子がほぼ同数含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のメジャーリティスピンと同じスピンを有する方をメジャーリティの伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティの伝導電子という。
【００１１】
ここでρ↓をマイノリティの伝導電子に対する磁性材料の比抵抗値とし、ρ↑をメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料に固有の値βを定義できる。
【００１２】
ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）
すなわち、磁性材料のβの値が正（β＞０）のとき、ρ↓＞ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、磁性材料のβの値が負（β＜０）のとき、ρ↓＜ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００１３】
また、磁性材料からなる磁性層に非磁性材料からなる非磁性層が積層されると、磁性層と非磁性層の界面に界面抵抗が発生する。
【００１４】
この界面抵抗も、メジャーリティの伝導電子に対する値とマイノリティの伝導電子に対する値が異なる。
【００１５】
ｒ↓をマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値とし、ｒ↑を伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値とすると以下に示す関係式によって、磁性材料と非磁性材料の組み合わせに固有の値γを定義できる。
【００１６】
ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）
すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００１７】
図１０に示される磁気検出素子は、固定磁性層２、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、固定磁性層７がすべて同じ組成の磁性材料ＣｏＦｅによって形成されている。ＣｏＦｅのβは正の値を示す。すなわち、固定磁性層２、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、及び固定磁性層８中を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子である。
【００１８】
また、非磁性材料層４及び非磁性材料層６は両方ともＣｕによって形成されている。このとき、非磁性材料層４と固定磁性層３の界面のγの値、非磁性材料層４と第１フリー磁性層５ａの界面のγの値、非磁性材料層６と第２フリー磁性層５ｃの界面のγの値、非磁性材料層６と固定磁性層７の界面のγの値は、全て正の値を示す。
【００１９】
非磁性中間層５ｂはＲｕによって形成されている。このとき、第１フリー磁性層５ａと非磁性中間層５ｂの界面のγの値と第２フリー磁性層５ｃと非磁性中間層５ｂの界面のγの値は、両方とも負の値を示す。
【００２０】
各磁性層とβとγの値の関係を図１１にまとめる。図１１には、図１０に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。固定磁性層３、第１フリー磁性層５ａ、第２フリー磁性層５ｃ、及び固定磁性層７に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向（Ｙ方向）を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５ａと第２フリー磁性層５ｃの磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
磁気検出素子の抵抗変化ΔＲを大きくするためには、フリー磁性層５の磁化方向が図１１に示される方向を向いているときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層（非磁性材料層４、６及び非磁性中間層５ｂ）との界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい（または、全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、また、全ての磁性層と非磁性材料からなる層（非磁性材料層４、６及び非磁性中間層５ｂ）との界面における、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さいことが好ましい）。
【００２２】
しかし、図１１をみると、メジャーリティスピンがアップスピンでありβ＞０である固定磁性層３及び第１フリー磁性層５ａは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値が小さくなっているが、メジャーリティスピンがダウンスピンであり、β＞０である第２フリー磁性層５ｃ及び固定磁性層７はアップスピンの伝導電子に対する抵抗値が大きくなっている。
【００２３】
また、非磁性材料層４と固定磁性層３の界面、非磁性材料層４と第１フリー磁性層５ａの界面、第２フリー磁性層５ｃと非磁性中間層５ｂの界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも小さくなっている。しかし、第１フリー磁性層５ａと非磁性中間層５ｂの界面、非磁性材料層６と第２フリー磁性層５ｃの界面、非磁性材料層６と固定磁性層７の界面におけるアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗は、ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗よりも大きくなっている。
【００２４】
このように、従来の磁気検出素子は、伝導電子の流れ方の制御の効率が低いものであった。
【００２５】
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることによって、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる磁気検出素子を提供することを目的としている。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層の上に第２フリー磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚は前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【００２７】
導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【００２８】
本発明のように、前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚は前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００２９】
従って、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、及び第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００３０】
また、本発明では、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号が同じものであることが好ましい。
【００３１】
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【００３２】
本発明のように、前記第１フリー磁性層、前記第２フリー磁性層、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層（以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ）それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに反平行になる方向に固定されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３３】
または、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている組み合わせでもよい。
【００３４】
本発明のように、各磁性層を形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに平行になる方向に固定されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３５】
さらに、本発明では、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と前記上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【００３６】
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。
【００３７】
本発明のように、γを規定すると、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面、又は前記上部非磁性材料層と前記上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第２フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における，ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３８】
また、本発明は、フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層、非磁性中間層、第２フリー磁性層、非磁性中間層、及び第３フリー磁性層順に積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚は前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とするものである。
【００３９】
本発明のように、前記第１フリー磁性層の膜厚が前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚は前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層内、第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００４０】
従って、前記下部固定磁性層から第１フリー磁性層までの間、第２フリー磁性層内、第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００４１】
本発明では、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであることが好ましい。
【００４２】
本発明のように、前記第１フリー磁性層、前記第３フリー磁性層、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層（以下これらをまとめて呼ぶときは単に磁性層と呼ぶ）それぞれを形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに平行になる方向に固定されている３層人工フェリフリー型のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４３】
または、前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている組み合わせでもよい。
【００４４】
本発明のように、各磁性層を形成する磁性材料のβを規定すると、前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層の磁化が、互いに反平行になる方向に固定されている３層人工フェリ型のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、全ての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるか、または全ての磁性層においてダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４５】
また、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第３フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は２つの非磁性中間層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しいことが好ましい。
【００４６】
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。
【００４７】
本発明のようにγを規定すると、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子において、抵抗値が最も低くなるようにフリー磁性層の磁化が変化したときに、前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面、又は前記上部非磁性材料層と上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第３フリー磁性層の界面における、アップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなるか、または、前記界面における，ダウンスピンの伝導電子に対する界面抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する界面抵抗値よりも小さくなり、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００４８】
なお、上記のようにγを規定するためには、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号を異ならせることが必要になる場合があるが、本発明では、前記非磁性材料層を、種類の異なる非磁性材料からなる２層構造とすることによってそのような問題を解決できる。
【００４９】
なお、本発明では、前記下部固定磁性層及び上部固定磁性層は、２層の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであることが好ましい。
【００５０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明における第１実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【００５１】
図１に示す磁気検出素子は、いわゆるデュアル型のスピンバルブ型薄膜素子である。
【００５２】
第１の電極層２０の中央上面には、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０と５２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層５１からなる３層フェリ構造の下部固定磁性層２４、下部非磁性材料層２５及びフリー磁性層２６が形成されている。フリー磁性層２６は、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５とその間に形成された非磁性中間層５４からなる３層フェリ構造である。さらにフリー磁性層２６の上面に上部非磁性材料層２７、磁性層６０と６２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層６１からなる３層フェリ構造の上部固定磁性層２８、上部反強磁性層２９、及び第２の電極層３０が順次積層されている。
【００５３】
第１の電極層２０は、例えばα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。下地層２１は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１種以上で形成されることが好ましい。下地層２１は５０Å以下程度の膜厚で形成される。ただし、この下地層２１は形成されていなくても良い。
【００５４】
シード層２２は、主として面心立方晶から成り、次に説明する下部反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向されている。シード層２２は、Ｃｒ、ＮｉＦｅ合金、あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｙ合金（ただしＹは、Ｃｒ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉから選ばれる少なくとも１種以上）で形成されることが好ましい。これらの材質で形成されたシード層２２はＴａ等で形成された下地層２１上に形成されることにより下部反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向しやすくなる。シード層２２は、例えば３０Å程度で形成される。
【００５５】
なお本発明における磁気検出素子は各層の膜面と垂直方向にセンス電流が流れるＣＰＰ型であるため、シード層２２にも適切にセンス電流が流れる必要性がある。よってシード層２２は比抵抗の高い材質でないことが好ましい。すなわちＣＰＰ型ではシード層２２はＮｉＦｅ合金などの比抵抗の低い材質で形成されることが好ましい。ただし、シード層２２は形成されなくても良い。
【００５６】
下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。あるいは下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、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Ｍｎを含有する反強磁性材料により形成されることが好ましい。
【００５７】
これらの反強磁性材料は、耐食性に優れしかもブロッキング温度も高く次に説明する下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８との界面で大きな交換異方性磁界を発生し得る。また下部反強磁性層２３及び上部反強磁性層２９は８０Å以上で３００Å以下，例えば２００Åの膜厚で形成されることが好ましい。
【００５８】
この実施形態では下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８は３層のフェリ構造で形成されている。
【００５９】
下部固定磁性層２４を構成する符号５０及び５２の層は磁性層である。磁性層５０、５２間には非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。同様に、上部固定磁性層２８の磁性層６０及び６２の間には、非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。下部固定磁性層２４、上部固定磁性層２８の材料については後述する。
【００６０】
下部反強磁性層２３と磁性層５０の間及び上部反強磁性層２９と磁性層６２の間には、交換異方性磁界が発生している。
【００６１】
例えば磁性層５０の磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）に固定された場合、もう一方の磁性層５２はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向と逆方向に磁化され固定される。また、磁性層６２の磁化がハイト方向と逆方向に固定された場合、もう一方の磁性層６０はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向に磁化され固定される。
【００６２】
この構成により下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８の磁化を安定した状態にでき、また下部固定磁性層２４及び上部固定磁性層２８の磁化方向を強固に固定できる。
【００６３】
なお、磁性層５０、５２及び磁性層６０、６２の膜厚はそれぞれ１０〜７０Å程度で形成される。また非磁性中間層５１及び非磁性中間層６１の膜厚は３Å〜１０Å程度で形成される。
【００６４】
なお下部固定磁性層２４、上部固定磁性層２８はフェリ構造ではなく単層膜あるいは磁性層のみからなる積層膜で形成されていても良い。
【００６５】
下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７は電気抵抗の低い導電性材料によって形成される。下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７は例えば２５Å程度の膜厚で形成される。下部非磁性材料層２５及び上部非磁性材料層２７の材料については後述する。
【００６６】
フリー磁性層２６は、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５とその間に形成された非磁性中間層５４からなる３層フェリ構造である。
【００６７】
第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５は磁性材料からなり、非磁性中間層５４は非磁性材料からなる。トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されているハードバイアス層３３，３３からの縦バイアス磁界によって、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５のうち、磁気的膜厚（単位面積当たりの磁気モーメント；飽和磁束密度Ｍｓ×膜厚ｔ）の大きい方の磁化が図示Ｘ方向に揃えられ、他方の磁化は図示Ｘ方向と反平行方向を向く。
【００６８】
例えば、図１では、第２フリー磁性層５５の磁気的膜厚の方が、第１フリー磁性層５３の磁気的膜厚より大きくなっているので、 第２フリー磁性層５５の磁化が図示Ｘ方向にそろえられる。そして、ＲＫＫＹ相互作用によって、第１フリー磁性層５３の磁化方向が図示Ｘ方向と反平行方向に向けられる。
【００６９】
フリー磁性層２６の合計の磁気的膜厚は、第１フリー磁性層５３の磁気的膜厚と第２フリー磁性層５５の磁気的膜厚の差になる。従って、本実施の形態のような人工フェリ型のフリー磁性層２６であれば、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５を安定して成膜できる膜厚で形成しても、フリー磁性層２６の実質的な磁気的膜厚を減少させることができ、磁気検出素子の磁界検出感度を向上させることができる。
【００７０】
第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、非磁性中間層５４の材料及び膜厚については後述する。
【００７１】
多層膜Ｔ１のトラック幅方向の両側領域の第１の電極層２０上には、絶縁層３１，３１が形成されている。絶縁層３１，３１は例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２など一般的な絶縁材料で形成される。
【００７２】
絶縁層３１，３１の上面３１ａ，３１ａは、フリー磁性層２６の下面２６ａよりも図示下側（図示Ｚ方向とは逆方向）に形成されていることが好ましい。
【００７３】
絶縁層３１，３１の上には、バイアス下地層３２，３２が形成されている。またバイアス下地層３２，３２の上にはハードバイアス層３３，３３が形成されている。ハードバイアス層３３，３３は、フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂに対向する位置に形成される。ハードバイアス層３３，３３は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されている。
【００７４】
バイアス下地層３２，３２はハードバイアス層３３，３３の特性（保磁力Ｈｃ、角形比Ｓ）を向上させるために設けられたものである。
【００７５】
本発明では、バイアス下地層３２，３２は、結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜で形成されることが好ましい。なおこのときバイアス下地層３２，３２の結晶配向は（１００）面が優先配向するのが好ましい。
【００７６】
またハードバイアス層３３，３３は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金などで形成される。これら合金の結晶構造は、稠密六方構造（ｈｃｐ）単相あるいは面心立方構造（ｆｃｃ）と稠密六方構造（ｈｃｐ）の混相となっている。
【００７７】
ここで上記の金属膜で形成されたバイアス下地層３２，３２とハードバイアス層３３，３３を構成するＣｏＰｔ系合金のｈｃｐ構造の界面での原子配列が近くなるために、ＣｏＰｔ系合金はｆｃｃ構造を形成しづらくｈｃｐ構造で形成されやすくなる。このときｈｃｐ構造のｃ軸はＣｏＰｔ系合金とバイアス下地層の境界面内に優先配向される。ｈｃｐ構造はｆｃｃ構造に比べてｃ軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、ハードバイアス層３３，３３に磁界を与えたときの保磁力Ｈｃは大きくなる。さらにｈｃｐのｃ軸はＣｏＰｔ系合金とバイアス下地層との境界面内で優先配向となっているため、残留磁化が増大し、残留磁化／飽和磁束密度で求められる角形比Ｓは大きくなる。その結果、ハードバイアス層３３，３３の特性を向上させることができ、ハードバイアス層３３，３３から発生するバイアス磁界を増大させることができる。結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｔａのいずれか１種または２種以上の元素で形成されることが好ましい。
【００７８】
また、バイアス下地層３２はハードバイアス層３３，３３の下側にのみ形成されていることが好ましいが、フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂとハードバイアス層３３，３３間にも若干介在してもよい。フリー磁性層２６の両側端面２６ｂ，２６ｂとハードバイアス層３３，３３間に形成されるバイアス下地層３２，３２のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における膜厚は１ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７９】
これによりハードバイアス層３３，３３とフリー磁性層２６とを磁気的に連続体にでき、フリー磁性層２６の端部が反磁界の影響を受けるバックリング現象などの問題も発生せず、フリー磁性層２６の磁区制御を容易にできる。
【００８０】
図１の磁気検出素子は、ハードバイアス層３３，３３によって、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３及び第２フリー磁性層５５が単磁区化されるものであるが、本実施の形態のように第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化方向が互いに反平行方向を向くものであるときは、ハードバイアス層３３，３３の内側端面３３ａ，３３ａが、第１フリー磁性層５３及び第２フリー磁性層５５のいずれか一方の端部とのみ対向していることが好ましい。図１では、ハードバイアス層３３，３３の内側端面３３ａ，３３ａが第２フリー磁性層５５の端部５５ａ，５５ａにのみ対向している。これによって、ハードバイアス層３３，３３から供給されるトラック幅方向（図示Ｘ方向）の縦バイアス磁界は第２フリー磁性層５５にのみ直接作用し、トラック幅方向と反平行方向の磁化を有する第１フリー磁性層５３の磁化に乱れが生じることを抑制または防止できる。
【００８１】
また図１に示すように、ハードバイアス層３３，３３の上には絶縁層３４，３４が形成されている。絶縁層３４，３４は、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの一般的な絶縁材料で形成される。なおこの実施形態では、絶縁層３４，３４の上面と上部反強磁性層２９の上面とが連続面となっている。
【００８２】
絶縁層３４，３４及び上部反強磁性層２９の上には、第２の電極層３０が形成されている。
【００８３】
この実施形態では、第２の電極層３０から第１の電極層２０に向けてセンス電流が流れるが、第１の電極層２０から第２の電極層３０に向けてセンス電流が流れても良い。従ってセンス電流は、磁気検出素子の各層を膜面と垂直方向に流れ、このようなセンス電流の流れ方向はＣＰＰ型と呼ばれる。
【００８４】
上部固定磁性層２８、上部非磁性材料層２７、フリー磁性層２６、下部非磁性材料層２５及び下部固定磁性層２４に検出電流（センス電流）が与えられ、走行方向がＺ方向であるハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層２６の磁化が図示Ｘ方向からＹ方向へ向けて変化する。第１フリー磁性層５３の磁化方向と下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向の関係、及び第２フリー磁性層５５と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向の関係で電気抵抗が変化し（これを磁気抵抗効果という）、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００８５】
図１に示される磁気検出素子は、下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、下部固定磁性層２４、下部非磁性材料層２５、フリー磁性層２６、上部非磁性材料層２７、上部固定磁性層２８、上部反強磁性層２９からなる多層膜Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側端面Ｓ１，Ｓ１が連続した傾斜面となっている。
【００８６】
図１に示された磁気検出素子の特徴部分について説明する。
本実施の形態の磁気検出素子では、第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１は第１フリー磁性層５３を形成している磁性材料のスピン拡散長（ＳｐｉｎＤｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２は第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【００８７】
磁性材料を含む導電性材料の中を電流が流れるとき、伝導電子はある距離だけ進むとスピンの向きが変化する。導電性材料の中を伝導電子がスピンを変えずに進む距離をスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）という。スピン拡散長は導電性材料によって特有の値を示す。
【００８８】
例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０のスピン拡散長は１５０Å、Ｎｉ８０Ｆｅ２０のスピン拡散長は１２０Å、Ｎｉ９７Ｃｒ３のスピン拡散長は５０Å、Ｆｅ９５Ｃｒ５のスピン拡散長は９０Å、Ｆｅ８０Ｃｒ２０のスピン拡散長は４０Å、Ｃｕのスピン拡散長は１０００Å、Ｃｒのスピン拡散長は１００Åである。
【００８９】
第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１が第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第２フリー磁性層５５の膜厚ｔ２が第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【００９０】
従って、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【００９１】
具体的には、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【００９２】
ここで、βとは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【００９３】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図２にまとめる。
【００９４】
図２には、図１に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【００９５】
なお、図２には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面におけるγの正負の符号と、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【００９６】
ここで、γとは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である）。すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【００９７】
図２に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにしている。
【００９８】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【００９９】
第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ１内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の内部でスピン方向が逆転する。このため、図２のケース１のように、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１００】
すなわち、図２のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ１を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１０１】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号が同じで、かつ第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号が同じになる組み合わせ、及び磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図２のケース２、３、４に示す。
【０１０２】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０３】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０４】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１０５】
以下に、β＞０である磁性材料を示す。
β＞０：ＮｉＸ合金（ただし、ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＴ合金（ただし、Ｔは、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆから選ばれる１種の元素である）、ＦｅＺ合金（ただし、ＺはＮｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる１種の元素である）、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金（ただし、ＤはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる１種の元素である）。ＮｉＸ合金の具体的組成として例えばＮｉ８０Ｆｅ２０をあげることができる。
【０１０６】
次に、β＜０である磁性材料を示す。
β＜０：ＮｉＭ合金（ただし、ＭはＣｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＱ合金（ただし、ＱはＭｎ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）、またはＦｅＡ合金（ただし、ＡはＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）。ＦｅＡ合金の具体的組成として例えばＦｅ９０Ｃｒ１０をあげることができる。
【０１０７】
なお、図２のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｕにすればよく、ケース２におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｒにすればよい。また、ケース３におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｒで、上部非磁性材料層２７をＣｕで形成すればよく、ケース４におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｕで、上部非磁性材料層２７をＣｒで形成すればよい。
【０１０８】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層５３と非磁性中間層５４との界面、非磁性中間層５４と第２フリー磁性層５５の界面のγの正負の符号は任意でよい。図２では、γの正負の符号が任意であることを（×）で表している。従って、非磁性中間層５４の材料を選択するときにγの値を考慮しなくともよく、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５間のＲＫＫＹ相互作用を最適にする材料を適宜選択できる。具体的には、非磁性中間層５４の材料をＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金から任意に選択できる。
【０１０９】
なお、図２では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は反平行方向を向いている。
【０１１０】
図３は本発明における第２実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１１１】
図３の磁気検出素子が図１の磁気検出素子と異なる点は、上部非磁性材料層２７が２層構造になっている点である。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が平行方向を向いている。
【０１１２】
図３に示す磁気検出素子も、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３の膜厚ｔ１と第２フリー磁性層の膜厚ｔ２が、それぞれを形成する磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１１３】
従って、下部固定磁性層２４から第１フリー磁性層５３までの間、第２フリー磁性層５５から上部固定磁性層２８までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１１４】
具体的には、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【０１１５】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４を形成している磁性材料５２のβの正負と、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図４にまとめる。
【０１１６】
図４には、図１に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層５３、第２フリー磁性層５５、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１１７】
なお、図４には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面におけるγの正負の符号と、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１１８】
図４では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものである。また、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号は上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている。
【０１１９】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２０】
第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ１内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層５３の膜厚及び第２フリー磁性層５５の内部でスピン方向が逆転する。このため、図４のケース１のように、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までの区間はアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの区間もアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１２１】
すなわち、図４のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ２を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１２２】
第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβの正負の符号が同じものであって、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっており、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図４のケース２、３、４に示す。
【０１２３】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２４】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２５】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層５３から下部固定磁性層２４の磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第２フリー磁性層５５までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層５４、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１２６】
β＞０である磁性材料の具体例として上記したＮｉＸ合金、ＣｏＴ合金、ＦｅＺ合金、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金を挙げることが出来る。また、β＜０である磁性材料としては、上記したＮｉＭ合金、ＣｏＱ合金、またはＦｅＡ合金を挙げることが出来る。
【０１２７】
なお、図４のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース２の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース３の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース４の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。
【０１２８】
以上、図４では、第１フリー磁性層５３及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであって、第２フリー磁性層５５を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている組み合わせを示した。
【０１２９】
ただし、本発明では、第２フリー磁性層５５及び上部固定磁性層２８の磁性層６０のβは正負の符号が同じものであり、第１フリー磁性層５３を形成している磁性層のβの正負の符号は下部固定磁性層２４の磁性層５２と異なっている組み合わせも含まれる。このときも、当然、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層５３の界面、第２フリー磁性層５５と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなることが好ましい。
【０１３０】
なお、図４では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は平行方向を向いている。
【０１３１】
図５は本発明における第３実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１３２】
図５に示された磁気検出素子は図１に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層２６に縦バイアスを与える方式が、図１に示された磁気検出素子と異なっている。
【０１３３】
なお、図１と同じ符号で示される層は、特に説明がない限り図１と同じ材料及び膜厚で形成された同一の層である。
【０１３４】
図５に示される磁気検出素子では、フリー磁性層２６の両側領域にハードバイアス層が形成されず、かわりに上部反強磁性層２９上に、中間層８１を介してインスタックバイアス層８２が形成されている。下地層２１からインスタックバイアス層８２まで重ねられた各層によって多層膜Ｔ３が形成されている。
【０１３５】
このインスタックバイアス層８２はＣｏＰｔなどの硬磁性材料によって形成され、図示Ｘ方向と反平行方向に着磁されている。なお、インスタックバイアス層８２と中間層８１の間に、Ｃｒからなる下地層が形成されてもよい。中間層８１の材料はＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕなどの非磁性導伝性材料である。
【０１３６】
この実施形態では、インスタックバイアス層８２の両側端部からフリー磁性層２６に向けて縦バイアス磁界（静磁界）が供給され（矢印Ｍで示す）、フリー磁性層２６の第２フリー磁性層５５の磁化が図示Ｘ方向に向けられている。
【０１３７】
また、第２フリー磁性層５５の単位面積当たりの磁気モーメントが、第１フリー磁性層５３の単位面積当たりの磁気モーメントより大きくなり、第２フリー磁性層５５の磁化がインスタックバイアス層８２から与えられる縦バイアス磁界と同じ方向を向いている状態を安定化させている。
【０１３８】
図５に示されるインスタックバイアス層８０が設けられた磁気検出素子は、フリー磁性層２６が強固に磁化されることがなくフリー磁性層２６の磁区制御を適正化でき、フリー磁性層２６の外部磁界に対する磁化変動を良好にすることが可能である。また多層膜Ｔ３の両側端面Ｓ３，Ｓ３の両側領域にはアルミナまたはＳｉＯ２からななる絶縁層８３，８３のみが形成されている。したがってセンス電流の分流ロスを低減させることが可能である。
【０１３９】
なお、図５に示される磁気検出素子は、上部反強磁性層２９上にのみインスタックバイアス層８２を形成しているが、下部反強磁性層２３の下にインスタックバイアス層を設けてもよいし、上部反強磁性層２９上と下部反強磁性層２３の下の両方にインスタックバイアス層を設けてもよい。
【０１４０】
ただし、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５の磁化方向を反平行にさせるために、上部反強磁性層２９の上または下部反強磁性層２３の下のどちらか一方にのみインスタックバイアス層を設けることが好ましい。その上で、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層５３と第２フリー磁性層５５のうち、インスタックバイアス層に近い方の膜厚を厚くすることがより好ましい。
【０１４１】
図６は本発明における第３実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１４２】
図６に示された磁気検出素子は図５に示された磁気検出素子に類似しており、フリー磁性層８４が３層の人工フェリ構造である点で図７に示された磁気検出素子と異なっている。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が平行方向を向いている。
【０１４３】
フリー磁性層８４は、第１フリー磁性層８５、非磁性中間層８６、第２フリー磁性層８７、非磁性中間層８８、第３フリー磁性層８９からなっている。第１フリー磁性層８５と第２フリー磁性層８７の磁化方向は、非磁性中間層８６を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。同様に、第２フリー磁性層８７と第３フリー磁性層８９の磁化方向も、非磁性中間層８８を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。
【０１４４】
フリー磁性層８４を３層の人工フェリ構造にすると、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化方向を互いに反平行方向に固定するスピンフロップ磁界が、図１ないし図５に示された２層の人工フェリ構造のフリー磁性層２６に比べて２倍以上になる。従って、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化方向の反平行状態が縦バイアス磁界によって崩されることを防止でき、フリー磁性層全体の単磁区構造が安定化し、バルクハウゼンノイズを著しく低減できる。
【０１４５】
本実施の形態の磁気検出素子では、第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０は第１フリー磁性層８５を形成している磁性材料のスピン拡散長（ＳｐｉｎＤｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１は第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１４６】
第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０が第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１が第３フリー磁性層８９を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくなっていると、磁気抵抗効果に関与する伝導電子が例えばアップスピンの伝導電子のとき、このアップスピンの伝導電子がスピンの方向の同一性を保持したまま流れることができるのは、下部固定磁性層２４の磁性層５２から第１フリー磁性層８５までの間と第３フリー磁性層８９から上部固定磁性層２８の磁性層６０までの間のそれぞれの区間内だけになる。
【０１４７】
従って、第１フリー磁性層８５と第３フリー磁性層８９の磁性材料のβの正負をそれぞれ独立に考えることができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１４８】
ここで、βとは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【０１４９】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層８７のβの正負、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の関係を図７にまとめる。
【０１５０】
図７には、図６に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１５１】
なお、図７には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面におけるγの正負の符号と、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１５２】
ここで、γとは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャーリティの伝導電子に対する界面抵抗値である）。すなわち、γの値が正（γ＞０）のとき、ｒ↓＞ｒ↑となり、界面を流れやすいのはメジャーリティの伝導電子の方になる。一方、γの値が負（γ＜０）のとき、ｒ↓＜ｒ↑となり、界面を流れやすいのはマイノリティの伝導電子の方になる。
【０１５３】
図７に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにしている。
【０１５４】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１５５】
第１フリー磁性層８５の膜厚及び第３フリー磁性層８９の膜厚は、それぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ３内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層８５の内部及び第３フリー磁性層８９の内部でスピン方向が逆転する。このため、図７のケース１のように、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１５６】
すなわち、図７のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ４を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１５７】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を同じにし、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７の界面、上部非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図７のケース２、３、４に示す。
【０１５８】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１５９】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１６０】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１６１】
以下に、β＞０である磁性材料を示す。
β＞０：ＮｉＸ合金（ただし、ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＴ合金（ただし、Ｔは、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆから選ばれる１種の元素である）、ＦｅＺ合金（ただし、ＺはＮｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる１種の元素である）、または、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｄ合金（ただし、ＤはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる１種の元素である）。ＮｉＸ合金の具体的組成として例えばＮｉ８０Ｆｅ２０をあげることができる。
【０１６２】
次に、β＜０である磁性材料を示す。
β＜０：ＮｉＭ合金（ただし、ＭはＣｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａから選ばれる１種の元素である）、ＣｏＱ合金（ただし、ＱはＭｎ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）、またはＦｅＡ合金（ただし、ＡはＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗから選ばれる１種の元素である）。ＦｅＡ合金の具体的組成として例えばＦｅ９０Ｃｒ１０をあげることができる。
【０１６３】
なお、図７のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｕにすればよく、ケース２におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５と上部非磁性材料層２７の材料を両方ともＣｒにすればよい。また、ケース３におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｒで、上部非磁性材料層２７をＣｕで形成すればよく、ケース４におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、下部非磁性材料層２５をＣｕで、上部非磁性材料層２７をＣｒで形成すればよい。
【０１６４】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５と非磁性中間層８６との界面、非磁性中間層８８と第３フリー磁性層８９の界面のγの正負の符号は任意でよい。さらに、非磁性中間層８６と第２フリー磁性層８７の界面、及び第２フリー磁性層８７と非磁性中間層８８の界面のγの正負の符号及び、第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のβの正負の符号も任意でよい。図２では、β及びγの正負の符号が任意であることを（×）で表している。
【０１６５】
なお、図７では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は平行方向を向いている。
【０１６６】
図８は本発明における第４実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
【０１６７】
図８の磁気検出素子が図６の磁気検出素子と異なる点は、上部非磁性材料層２７が２層構造になっている点である。また、下部固定磁性層２４の磁性層５０の磁化と上部固定磁性層２８の磁性層６２の磁化が反平行方向に固定されており、その結果、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化が反平行方向を向いている。
【０１６８】
図８に示す磁気検出素子も、フリー磁性層２６の第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０と第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１が、それぞれを形成する磁性材料のスピン拡散長より大きくなっている。
【０１６９】
従って、下部固定磁性層２４の磁性層５２から第１フリー磁性層８５までの間、第３フリー磁性層８９から上部固定磁性層２８の磁性層６０までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０１７０】
具体的には、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの正負と、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８の磁性層のβの正負をそれぞれ独立に考えることが出来る。
【０１７１】
第１フリー磁性層８５、下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの正負と、第２フリー磁性層８７のβの正負と、第３フリー磁性層８９及び上部固定磁性層２８の磁性層６０のβの正負の関係を図９にまとめる。
【０１７２】
図９には、図８に示された磁気検出素子の磁気抵抗効果に関係ある層を模式的に示している。下部固定磁性層２４の磁性層５２、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９、及び上部固定磁性層２８の磁性層６０に記された矢印はそれぞれの磁性層の磁化方向を示している。ここで、磁化が図示右方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはアップスピンであり、磁化が図示左方向を向いている磁性層の磁性に関わる電子のメジャーリティスピンはダウンスピンであるとする。なお、第１フリー磁性層８５、第２フリー磁性層８７、第３フリー磁性層８９の磁化は、磁気検出素子の抵抗値が最も低くなるときの方向を向いている。
【０１７３】
なお、図９には、下部固定磁性層２４の磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面におけるγの正負の符号と、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、非磁性材料層２７と上部固定磁性層２８の磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなっていることも示されている。
【０１７４】
図９に示されるように、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、かつ第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を異ならせている。
【０１７５】
例えば、ケース１の材料の組み合わせのときは、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１７６】
第１フリー磁性層８５の膜厚及び第３フリー磁性層８９の膜厚はそれぞれのスピン拡散長よりも大きいので、多層膜Ｔ４内を流れる伝導電子は、第１フリー磁性層８５の内部及び第３フリー磁性層８９の内部でスピン方向が逆転する。このため、図９のケース１のように、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなる組み合わせは、磁気抵抗が最も低い状態の一つである。
【０１７７】
すなわち、図９のケース１に示されたβとγの組み合わせは、低抵抗状態における伝導電子の流れやすさと高抵抗状態における伝導電子の流れやすさの差を大きくすることができ、単位面積当たりの磁気抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるものである。しかも、第１フリー磁性層８５から下部固定磁性層２４の磁性層５２までのβとγの選択は、上部固定磁性層２８の磁性層６０から第３フリー磁性層８９までのβとγの選択に左右されず独立に行うことができ、多層膜Ｔ５を構成する各層の材料の選択の自由度が増す。
【０１７８】
第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４を形成している磁性層５２のβの正負の符号を同じにし、第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８を形成している磁性層６０のβの正負の符号を異ならせ、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７の界面、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなる他の組み合わせを、図９のケース２、３、４に示す。
【０１７９】
ケース２の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間は、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８０】
ケース３の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、ダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８１】
ケース４の材料の組み合わせのとき、第１フリー磁性層８５から磁性層５２までは、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さく、磁性層６０から第３フリー磁性層８９までの間も、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、各磁性層と非磁性材料からなる層（下部非磁性材料層２５、非磁性中間層８６、上部非磁性材料層２７）の材料が選択されている。
【０１８２】
β＞０である磁性材料の具体例として上記したＮｉＸ合金、ＣｏＴ合金、ＦｅＺ合金、、またはＣｏ−Ｍｎ−Ｄ合金を挙げることが出来る。また、β＜０である磁性材料としては、上記したＮｉＭ合金、ＣｏＱ合金、またはＦｅＡ合金を挙げることが出来る。
【０１８３】
なお、図９のケース１におけるγの正負の組み合わせを実現するためには、非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース２の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース３の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｒにし、上部非磁性材料層２７をＣｒからなる第１層７２とＣｕからなる第２層７３の積層構造にすればよい。ケース４の場合には、下部非磁性材料層２５の材料をＣｕにし、上部非磁性材料層２７をＣｕからなる第１層７２とＣｒからなる第２層７３の積層構造にすればよい。
【０１８４】
以上、図９では、第１フリー磁性層８５及び下部固定磁性層２４の磁性層５２を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであって、第３フリー磁性層８９を形成している磁性材料のβの正負の符号が上部固定磁性層２８の磁性層６０のβと異なっている組み合わせを示した。
【０１８５】
ただし、本発明では、第３フリー磁性層８９と上部固定磁性層２８の磁性層６０のβの正負の符号が同じものであり、第１フリー磁性層８５のβの正負の符号が、下部固定磁性層２４の磁性層５２のβの符号と異なっている組み合わせも含まれる。このときも、磁性層５２と下部非磁性材料層２５との界面、下部非磁性材料層２５と第１フリー磁性層８５の界面、第３フリー磁性層８９と上部非磁性材料層２７、上部非磁性材料層２７と磁性層６０の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくなることが好ましい。
【０１８６】
また、本実施の形態では、第１フリー磁性層８５と非磁性中間層８６との界面、非磁性中間層８８と第３フリー磁性層８９の界面のγの正負の符号は任意でよい。また、非磁性中間層８６と第２フリー磁性層８７の界面、及び第２フリー磁性層８７と非磁性中間層８８の界面のγの正負の符号、第２フリー磁性層８７を形成している磁性材料のβの正負の符号も任意でよい。図９では、β、γの正負の符号が任意であることを（×）で表している。
【０１８７】
なお、図９では、下部固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向は反平行方向を向いている。
【０１８８】
図１に示された磁気検出素子の製造方法について説明する。
まず、第１の電極層２０の中央上に、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０、非磁性中間層５１、磁性層５２（下部固定磁性層２４）、下部非磁性材料層２５、第１フリー磁性層５３、非磁性中間層５４、第２フリー磁性層５５（フリー磁性層２６）、上部非磁性材料層２７、磁性層６０、非磁性中間層６１、磁性層６２（上部固定磁性層２８）、上部反強磁性層２９を真空中でベタ膜状に連続成膜して多層膜Ｔ１の積層構造を形成する。各層の材料及び膜厚は、図１に示された完成後の磁気検出素子と同じである。
【０１８９】
多層膜Ｔ１をハイト方向（図示Ｙ方向）の磁場中でアニールして、下部反強磁性層２３と下部固定磁性層２４の磁性層５０間及び上部反強磁性層２９と上部固定磁性層２８の磁性層６２間に交換結合磁界を発生させる。
【０１９０】
磁場中アニールの温度は例えば２７０℃であり、磁界の大きさは、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界の大きさより弱い磁界、例えば８〜３０（ｋＡ／ｍ）（本実施の形態では２４（ｋＡ／ｍ）にしている）である。
【０１９１】
下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より大きく（ｔ４＞ｔ５）し、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より小さく（ｔ７＜ｔ６）している。
【０１９２】
これによって、磁性層５０の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層５２の単位面積当たりの磁気モーメント、かつ磁性層６２の単位面積当たりの磁気モーメント＜磁性層６０の単位面積当たりの磁気モーメントとする。
【０１９３】
上記８〜３０（ｋＡ／ｍ）の磁場中アニールによって、磁性層５０及び磁性層６０の磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）に向いている状態で固定され、非磁性中間層５１または非磁性中間層６１を介したＲＫＫＹ相互作用によって磁性層５２及び磁性層６２の磁化がハイト方向と反平行方向に固定される。
【０１９４】
本実施の形態では、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８の膜厚を上記の如く調節し、下部固定磁性層２４または上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界の大きさより弱い磁場中でアニールを１回行うだけで、磁性層５２と磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。
【０１９５】
次に、反強磁性層２９上に、磁気検出素子の光学的な素子面積と同程度かあるいはそれよりも若干小さい面積を覆うリフトオフ用のレジスト層を形成する。
【０１９６】
次に、前記レジスト層に覆われていない、反強磁性層２９から下地層２１までの多層膜Ｔ１をイオンミリングなどで除去する。これにより第１の電極層２０の上面中央には、下地層２１から反強磁性層２９までで構成される多層膜Ｔ１が略台形状となって残される。なおイオンミリング後、多層膜Ｔ１の両側端面Ｓ１，Ｓ１にはミリングで除去された物質の一部が再付着するので、再付着物をサイドミリングで除去することが好ましい。
【０１９７】
次に、第１の電極層２０上から多層膜Ｔ１の両側端面Ｓ１，Ｓ１上にかけて、Ａｌ２Ｏ３などで形成された絶縁層３１，３１、Ｃｒなどで形成されたバイアス下地層３２，３２、ＣｏＰｔＣｒなどで形成されたハードバイアス層３３，３３及びＡｌ２Ｏ３などで形成された絶縁層３４，３４をスパッタ成膜する。
【０１９８】
なお、絶縁層３１，３１から絶縁層３４，３４までの各層のスパッタ成膜の際におけるスパッタ粒子照射角度は基板に対しほぼ垂直方向Ｇとすることが好ましい。
【０１９９】
多層膜Ｔ１の両側領域に絶縁層３１，３１から絶縁層３４，３４までの各層を積層した後、前記レジスト層Ｒ１を除去する。
【０２００】
その後、絶縁層３４，３４上から多層膜Ｔ１の反強磁性層２９上にかけて第２の電極層３０をスパッタ成膜することにより、図１に示された磁気検出素子を形成できる。
【０２０１】
なお、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より小さく（ｔ４＜ｔ５）し、また、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より大きく（ｔ７＞ｔ６）しても、１回の磁場中アニールによって、磁性層５２と磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。
【０２０２】
また、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向を反平行にする他の方法として以下に示す製造方法を用いることができる。
【０２０３】
まず、第１の電極層２０の中央上に、下から下地層２１、シード層２２、下部反強磁性層２３、磁性層５０、非磁性中間層５１、磁性層５２（下部固定磁性層２４）、下部非磁性材料層２５、第１フリー磁性層５３、非磁性中間層５４、第２フリー磁性層５５（フリー磁性層２６）、上部非磁性材料層２７、磁性層６０、非磁性中間層６１、磁性層６２（上部固定磁性層２８）、及び上部反強磁性層２９の一部（反強磁性が生じない厚さ、例えば５０Å以下）、を真空中でベタ膜状に連続成膜し、第１の磁場中アニールを行う。
【０２０４】
第１の磁場中アニール後、上部反強磁性層２９を反強磁性が生じる膜厚以上に厚くして、第１の磁場中アニール時の磁場の方向と反平行方向の磁場で第２の磁場中アニールをする。
【０２０５】
２回の磁場中アニールを行う方法であれば、下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５以上にし（ｔ４≧ｔ５）、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６以上（ｔ７≧ｔ６）にしても、下部固定磁性層２４の磁性層５２と上部固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向を反平行にすることができる。または、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５以下にし（ｔ４≦ｔ５）、また、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６以下（ｔ７≦ｔ６）にした場合でも同様である。
【０２０６】
ｔ４≧ｔ５かつｔ７≧ｔ６、またはｔ４≦ｔ５かつｔ７≦ｔ６の構成であると、下部反強磁性層２３と下部固定磁性層２４間の一方向性異方性磁界Ｈｅｘ＊と上部反強磁性層２９と上部固定磁性層２８間の一方向性異方性磁界Ｈｅｘ＊の大きさを同程度の値に合わせやすくなる。
【０２０７】
図３に示される磁気検出素子を形成するときには、下部固定磁性層２４の磁性層５０と磁性層５２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層５０の膜厚ｔ４を磁性層５２の膜厚ｔ５より大きくし、また、上部固定磁性層２８の磁性層６０と磁性層６２を同じ組成の磁性材料を用いて形成し、磁性層６２の膜厚ｔ７を磁性層６０の膜厚ｔ６より大きく形成する。
【０２０８】
すなわち、磁性層５０の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層５２の単位面積当たりの磁気モーメント、かつ磁性層６２の単位面積当たりの磁気モーメント＞磁性層６０の単位面積当たりの磁気モーメントにする。
【０２０９】
そして、例えば２７０℃の温度中で磁場中アニールを１回行う。磁界の大きさは、下部固定磁性層２４と上部固定磁性層２８の飽和磁界より大きい、例えば８００ｋＡ／ｍの強磁場か、または下部固定磁性層２４と上部固定磁性層２８のスピンフロップ磁界より小さい、８〜３０（ｋＡ／ｍ）、例えば２４（ｋＡ／ｍ）の弱磁場である。
【０２１０】
または、多層膜Ｔ２を下地層２１から反強磁性層２９の途中まで連続成膜した後、１回目の磁場中アニールを行い、反強磁性層２９を付け足し成膜した後、２回目の磁場中アニールを行う方法を用いてもよい。
【０２１１】
図６及び図８に示された磁気検出素子も同様の製法によって形成できる。
なお、上述した実施の形態では、磁性層及び非磁性材料からなる層のβ、γ両方の正負をアップスピンまたはダウンスピンの伝導電子に対する比抵抗や界面抵抗の観点から最適化するように調節した。ただし、本発明には、磁性層のβのみ実施の形態に示したように調節したり、界面のγのみを調節したものも含まれる。例えば、各磁性層を実施の形態に示したβの組み合わせになる材料で形成し、各非磁性材料層はＣｕ、各非磁性中間層はＲｕで形成するという形態でもよい。
【０２１２】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明では、前記第１フリー磁性層の膜厚を前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚を前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくしている（フリー磁性層が２層の人工フェリ構造のとき）。
【０２１３】
従って、前記下部固定磁性層から前記第１フリー磁性層までの間、及び前記第２フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
【０２１４】
あるいは、前記第１フリー磁性層の膜厚を前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長（Ｓｐｉｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚を前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きくしている（フリー磁性層が３層の人工フェリ構造のとき）。
【０２１５】
従って、前記下部固定磁性層から前記第１フリー磁性層までの間、及び前記第３フリー磁性層から上部固定磁性層までの間のそれぞれの区間内における伝導電子の流れやすさを別々に考慮することができ、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの大きな磁気検出素子の設計が容易になる。
さらに、本発明では、前記第１フリー磁性層、第２フリー磁性層、第３フリー磁性層、下部固定磁性層、または上部固定磁性層と、前記非磁性材料層または前記非磁性中間層の界面におけるγの正負の符号を、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しくすることにより、磁気検出素子の単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【０２１６】
なお、上記のようにγを規定するためには、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号を異ならせることが必要になる場合があるが、本発明では、前記非磁性材料層を、種類の異なる非磁性材料からなる２層構造とすることによってそのような問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図３】本発明における第２の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図４】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図５】本発明における第３の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図６】本発明における第４の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図７】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図８】本発明における第５の実施形態の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図９】本発明の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせの例を示す様式図、
【図１０】従来の磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図１１】従来の磁気検出素子の磁性層のβの正負と、磁性層と非磁性材料からなる層の界面におけるγの組み合わせを示す様式図、
【符号の説明】
２０ 第１の電極層
２１ 下地層
２２ シード層
２３、２９ 反強磁性層
２４、２８ 固定磁性層
２５、２７ 非磁性材料層
２６、８４ フリー磁性層
５３ 磁性層
５４ 非磁性中間層
５５ 磁性層
３０ 第２の電極層
３１、３４ 絶縁層
３２ バイアス下地層
３３ ハードバイアス層
８０、８２ インスタックバイアス層
８１ 中間層
Claims (10)
- フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層の上に第２フリー磁性層が、非磁性中間層を介して積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きく、かつ前記第２フリー磁性層の膜厚は前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とする磁気検出素子。 - 前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものである請求項１記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。 - 前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第２フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第２フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料のβは正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている請求項１記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。 - 前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と前記上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しい請求項２または３記載の磁気検出素子。
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。 - フリー磁性層の下に下部非磁性材料層、下部固定磁性層、及び下部反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の上に上部非磁性材料層、上部固定磁性層、及び上部反強磁性層が積層されている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層、非磁性中間層、第２フリー磁性層、非磁性中間層、及び第３フリー磁性層順に積層されたものであり、
前記第１フリー磁性層の膜厚は前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きく、かつ前記第３フリー磁性層の膜厚は前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のスピン拡散長より大きいことを特徴とする磁気検出素子。 - 前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、かつ前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものである請求項５記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。 - 前記第１フリー磁性層及び前記下部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、前記第３フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記上部固定磁性層のβと異なっているか、または、前記第３フリー磁性層及び前記上部固定磁性層を形成している磁性材料はβの正負の符号が同じものであり、前記第１フリー磁性層を形成している磁性材料のβの正負の符号は前記下部固定磁性層のβと異なっている請求項５記載の磁気検出素子。
ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する比抵抗値である）。 - 前記下部非磁性材料層と下部固定磁性層の界面及び前記下部非磁性材料層と第１フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は前記上部非磁性材料層と上部固定磁性層の界面及び前記上部非磁性材料層と第３フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号、又は２つの非磁性中間層と第２フリー磁性層の界面におけるγの正負の符号が、その界面に接している磁性層のβの正負の符号と等しい請求項６または７記載の磁気検出素子。
ただし、γは、ｒ↓／ｒ↑＝（１＋γ）／（１−γ）（−１≦γ≦１）の関係式を満たす界面に固有の値である（なお、ｒ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する界面抵抗値であり、ｒ↑は、伝導電子のうちメジャリティーの伝導電子に対する界面抵抗値である）。 - 前記非磁性材料層が、種類の異なる非磁性材料からなる２層構造を有することにより、前記非磁性材料層の上面と磁性層の界面におけるγの正負の符号と、前記非磁性材料層の下面と磁性層の界面におけるγの正負の符号が異なっている請求項４または８記載の磁気検出素子。
- 前記下部固定磁性層及び上部固定磁性層は、２層の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものである請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。
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| JP2008010509A (ja) * | 2006-06-27 | 2008-01-17 | Fujitsu Ltd | 磁気抵抗効果素子及び磁気ディスク装置 |
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| US7616410B2 (en) | 2005-03-02 | 2009-11-10 | Tdk Corporation | Magnetic detecting element having free layer formed of NiFe alloy and method of manufacturing the same |
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