JP2004128026A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子において、外部磁界を検知する磁性層（自由磁性層）の磁区生成により生ずるバルクハウゼンノイズを抑制するための磁区制御層が必要であった。
【解決手段】軟磁性層１１の非磁性層１２とは反対側（１１ａ）の磁化は磁化固着層１０により固着され、軟磁性層１１の非磁性層１２側（１１ｂ）の磁化は電流を膜面に印加することで、非磁性層１２を介した磁化固定層１３とのスピン偏極電流により可逆的な磁化回転が可能となり、磁化固定層１３の磁化と軟磁性層１１の非磁性層１２側（１１ａ）の磁化が略垂直となり、磁区制御層を必要としなくても信号磁界に対する磁気抵抗の線形応答性に優れた磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度磁気記録再生ヘッド（磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ等）に用いられる磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及により急速な情報化革新の進展と、高度通信網が発展するにしたがい、大量の情報が高速に扱う必要性が高まってきている。中でもハードディスク装置（ＨＤＤ）は大量の情報を格納し、しかも高速転送が可能な外部記録装置である。ＨＤＤの大容量化は巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ　：　ＧＭＲ効果）を利用した再生ヘッド性能の向上をはじめとする技術革新によりその記録密度は年率６０％〜１００％で伸びている。また、現在は携帯電話やノートパソコンといったモバイル通信機器が日常生活に不可欠のものとなり、モバイル機器を通じて文字情報や動画情報等の様々な情報のやりとりがなされている。このモバイル機器に於いても、大量の情報を瞬時に格納し転送するため、高記録密度磁気記録装置がますます必要となっている。記録密度の向上には、再生ヘッドの再生出力の向上が必達であり、近年ではＧＭＲ膜を用いることで記録密度の向上が成されている。
【０００３】
ＧＭＲは［磁性層／非磁性層／磁性層］といった多層膜において非磁性層を介して隣り合う磁性層の磁化方向が平行、反平行の場合に電気伝導度が電子スピンに依存した散乱により異なるために起こる現象である。磁化が平行の場合は磁気散乱確率が小さいので抵抗値が小さく、反平行の場合は磁気散乱確率が高いので抵抗値は大きくなる（例えば非特許文献１参照。）。また、このＧＭＲを微小磁界で動作するデバイスとして利用するには、スピンバルブと呼ばれる磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が提案された（例えば、非特許文献２参照。）。スピンバルブとは非磁性層を介して２つの強磁性層が積層されており、一方の磁性層（固定磁性層）の磁化方向をＦｅ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ等の反強磁性層により交換バイアス磁界で磁化方向を固定し、もう一方の磁性層（自由磁性層）の磁化方向を外部磁界に対して自由に動かすことにより、固定磁性層と自由磁性層の磁化方向の相対角度を外部磁界に対して変化させて電気抵抗の変化を生じさせるものである。上述のＧＭＲ膜を実際の磁気ヘッドとして用いるためには、外部からの信号磁界を検知する自由磁性層に対して、センス電流に対して平行にバイアス磁界を印加する必要がある。このバイアス磁界は自由磁性層の磁区生成に起因するバルクハウゼンノイズを抑制する効果がある（例えば特許文献１参照）。図１２には信号磁界方向からみた従来の再生磁気ヘッド部８０の断面図を示す。固定磁性層９６／非磁性層９７／自由磁性層９８を含むＭＲ素子部８１は下部シールドギャップ部８６と上部シールドギャップ部８３の間に配置されており、さらに外側には検知すべき信号磁界のＭＲ素子部８１への進入を防ぐための下部シールド８７と上部シールド８２とが配置されている。バイアス磁界を印加するためにＭＲ素子部８１の自由磁性層９８の両端部には磁区制御層８５が配置されており、自由磁性層９８の磁化は平行にバイアスされている。ＭＲ素子部８１の両側には電極部８４が配置されてＭＲ素子部８１の出力を読み出す。この２つの電極部８４の幅がトラック幅８８を規定する。磁区制御層８５には通常、高保磁力材料であるＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔ等が用いられる。また、ＧＭＲ膜の自由磁性層と固定磁性層の磁化方向を直交化させる手法により外部磁界に対する抵抗変化の線形応答性を得ているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
高記録密度を実現するためには、記録媒体が小さくなることに対応して再生ヘッド部のトラック幅８８（素子幅）やＭＲ高さ（素子高さ：図１２においてＭＲ素子部８１の紙面垂直方向）の低下と磁気抵抗変化率の更なる向上が要求される。トラック密度の向上により、電極間距離（トラック幅）が小さくなるため出力の低下が問題となる。
【０００５】
そこで、ＧＭＲ膜よりも大きな磁気抵抗変化率（以下ＭＲ比とよぶ）の得られる、非磁性層にＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁体を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子が次世代の磁気ヘッド材料として注目されている。ＴＭＲ素子は絶縁層を介して電子がトンネルするときのトンネル確率が２つの磁性層の磁化方向に依存して異なることから生ずる現象であり、磁化が平行の場合はトンネル抵抗が小さく、反平行の場合はトンネル抵抗が大きい。
【０００６】
現在の磁気ヘッドに用いられるＧＭＲ膜は、電流が膜面内に流れるＣＩＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｉｎ　Ｐｌａｎｅ　−　ＧＭＲ）と呼ばれる、電極層を膜面内に配置した構成となっている。伝導電子は片方の磁性層から、非磁性層を通じて、他方の磁性層へ効率よく伝導することで大きなＭＲ比を得ることが可能であるが、ＣＩＰ−ＧＭＲの場合は、磁気抵抗に関与しない層への電流損が大きいため小さなＭＲ比しか得られない。大きなＭＲ比を得るために、電流を膜面に垂直方向に流すように電極を配置したＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ　−　ＧＭＲ）が提案されている。しかしながら、ＧＭＲ膜は数ｎｍ〜数十ｎｍといった非常に膜厚の薄い金属多層膜であることから、膜面垂直方向の抵抗値が非常に小さいため、大きなＭＲ比を得ることは可能であっても抵抗変化量は非常に小さく実用的ではなかった。近年、微細加工技術の発展により素子サイズがサブμｍ以下の非常に小さな素子を作製することで素子断面積が微小なＣＰＰ−ＧＭＲを得て、抵抗の大きな素子を作製することが可能となり、磁気抵抗変化量を増大できる。しかも、高密度化によりトラック幅およびＭＲ高さの低下、即ち、素子サイズの微細化とも対応可能となることからＴＭＲ膜と同様にＣＰＰ−ＧＭＲも次世代の磁気ヘッド材料への期待が高まりつつある。
【０００７】
上述のように従来のＣＩＰ−ＧＭＲ素子では高密度化に対応した出力を得ることが困難なことから、大きなＭＲ比を得ることができるＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子への磁気ヘッドへの実用化検討が行われている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は膜面に対して電流を垂直に流すために、素子の膜の上下に電極層を配置し、上下の電極層の短絡を防ぐことと、素子を構成する固定磁性層と自由磁性層とは電気的な短絡を生じさせないために、素子の周囲を絶縁層で覆わなければならない。図１３にＭＲ素子の膜面に垂直に電流を流すために上下に電極を配置した素子構成を示す。上部電極部９２と下部電極部９５との間にＭＲ素子部９１が配置されており、層間絶縁層部９３によりＭＲ素子部９１の周囲を絶縁し、上部電極部９２と下部電極部９５との短絡を防いでいる。ＭＲ素子部９１のＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の自由磁性層の磁区生成を抑制するために磁区制御層部９４を必要とし、磁区制御層部９４は素子の周囲を囲っている層間絶縁層部９３を介して配置しなければならない。図１３では層間絶縁層部９３の一部を介して磁区制御層部９４が配置された模式図を示している（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５０１８０３７号公報
【特許文献２】
米国特許第５１５９５１３号公報
【特許文献３】
米国特許第５７２９４１０号公報
【非特許文献１】
Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．６１　（１９９８）　ｐ２４７２−２４７５．
【非特許文献２】
Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　Ｖｏｌ．４３　（１９９１）　ｐ１２９７−１３００．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示すように層間絶縁層部９４を介するために磁区制御層部９４による自由磁性層へのバイアス印加効果は、弱くなってしまうという問題が生じる。しかも図１３のように磁区制御層部９４を層間絶縁層部９３の中に埋め込んだ構造とするためには複雑なプロセスを経なければならず、特に、ＭＲ素子部のサイズはサブμｍ以下と非常に微細であるため、作成上大きな困難を伴うことから歩留まりが悪くなる問題が生ずる。十分なバイアス磁界を印加するために図１４のように自由磁性層９８もしくはその一部のみに磁区制御層部９４を接触させた構造が提案されている。しかしながら図１４のような構造を形成するためには数多くのプロセス行程を必要とし、製造が困難であるばかりではなく、信号磁界の検知部である自由磁性層９８への磁気抵抗に寄与しない不均質な電流分布が生じるために出力の低下が問題となる。
【００１０】
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、素子抵抗が小さいので電流量を多くして出力電圧を大きくすることが可能である。しかしながら、素子サイズが０．１〜０．０１μｍ^２以下の微細な形状となると、スピン偏極電流による自由磁性層の磁化反転が問題となる。これは、２つの磁性層１と磁性層２が非磁性層を介して積層した多層膜において、例えば磁性層１は磁性層２よりも磁化回転しにくいとした場合、磁性層１から非磁性層を通じて磁性層２へ伝導電子が流れるようにすると、磁性層１でスピン偏極した伝導電子が、非磁性層を介して磁性層２へ流れる。スピン偏極した伝導電子は磁気モーメントを持っているため、磁性層２の磁化に対してトルクを生じさせて、磁性層１と磁性層２の磁化が平行となる。一方、逆向きに電子を流すようにすると、磁性層２から磁性層１へスピン偏極した伝導電子が流れ込むが、磁性層１の磁化とは反対向きのスピンをもつ電子は非磁性層と磁性層１との界面で反射されて、磁性層２へ戻って磁性層２に対してトルクを与えるために、磁性層１と磁性層２は反対向きの磁化配列となる。このようなスピン反転現象は素子に用いられる磁性体の材料にもよるが、素子に流れる電流密度が１０^６〜１０^７Ａ／ｃｍ^２以上になると顕著になり、サブμｍ以下の微細な素子において大きな問題となる。なぜなら、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を磁気ヘッドに用いる場合、再生出力の線形性を得るためには自由磁性層と固定磁性層の磁化方向は互いに直交している必要があるが、垂直電流型ＭＲ素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）のサイズがサブμｍ以下の微細な素子となると上述のような自由磁性層の磁化方向に対して、固定磁性層と平行もしくは反平行に向くようなトルクが生じるために互いの磁化を直交化させることが困難となる問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる磁気抵抗効果素子は外部磁界に対して容易に磁化回転する軟磁性層と、非磁性層と、外部磁界に対して自由磁性層より磁化回転が困難な磁化固定層とが順に積層し、軟磁性層と磁化固定層の磁化の相対角度が異なることで磁気抵抗が生じる磁気抵抗効果素子であって、さらに膜面に対して概略垂直に電流を印加するための電極部を有し、前記軟磁性層の前記非磁性層の界面とは反対側に磁化固着層が設けられ、電流を印加することにより非磁性層に隣接する軟磁性層の磁化は可逆的に磁化回転し、さらに前記磁化固定層の磁化が概略直交することにより上記目的が達成される。
【００１２】
前記軟磁性層と磁化固定層の磁化容易軸方向は同方向であるとよい。
【００１３】
前記磁化固着層は高保磁力層、もしくは反強磁性層、もしくは非磁性層側から順に第１磁性層、反強磁性層が積層した多層膜、もしくは軟磁性層側から順に第１磁性層、反強磁性交換結合用非磁性層、第２磁性層が積層した多層膜、もしくは軟磁性層側から順に第１磁性層、反強磁性交換結合用非磁性層、第２磁性層、反強磁性層が積層した多層膜でであることで前記目的は達成される。
【００１４】
上記磁化固着層と軟磁性層との間に膜厚が０．２ｎｍから２ｎｍの非磁性中間層が挿入されていてもよい。
【００１５】
前記磁化固定層は、非磁性層から順に強磁性層、反強磁性層が積層した多層膜であってもよい。さらに前記磁化固定層は、非磁性層から順に第１固定磁性層、第１非磁性層、第２固定磁性層、反強磁性層が積層した多層膜であってもよい。
【００１６】
上記本発明にかかる磁気抵抗効果素子に対して、印加する外部磁界（信号磁界）は、磁化固定層の磁化容易軸方向と概略平行であることが望ましい。
【００１７】
本発明にかかる上記磁気抵抗効果素子の素子サイズ面積が０．１μｍ^２以下であることにより上記目的が達成される。
【００１８】
本発明にかかる磁気抵抗効果型ヘッドは、磁気記録媒体からの信号磁界を検知する磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む２つのシールド部と、前記２つのシールド部の間のギャップ内に設けられる上記本発明の磁気抵抗効果素子とを備え、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
本発明にかかる他の磁気抵抗効果型ヘッドは、磁気記録媒体からの信号磁界を検知する磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む磁束ガイド部と、前記磁束ガイド部により導かれた信号磁界を検知する上記本発明の磁気抵抗効果素子とを備え、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】
本発明にかかる磁気記録装置は、記録媒体に記録された信号を読みとる本発明の磁気ヘッドと、磁気記録媒体と、前記磁気ヘッドを搭載したアームと、前記アームを駆動する駆動部と、前記信号を処理して磁気ヘッドに供給する信号処理部とを備え、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッドについて図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図の一例である。図１に示した磁気抵抗効果素子部１（以下ＭＲ素子とよぶ）は、外部磁界を検知するための軟磁性層１１と、非磁性層１２と、外部磁界に対して磁化回転することが困難な磁化固定層１３とが順に積層した多層膜からなり、軟磁性層１１は非磁性層１２とは反対側の界面に軟磁性層の磁化と交換結合が生じている磁化固着層１０がさらに積層されている。このＭＲ素子１の上下には膜面に対して略垂直に電流を流すための上部電極部４と下部電極部２が配置されている。ＭＲ素子部１は上部電極部４および下部電極部２との電気的な短絡を防ぐために層間絶縁層部３で周囲を覆われている。電流を印加しない状態では磁化固定層１３と軟磁性層１１の磁化容易軸は略平行になっている。図２に図１で示した磁気抵抗効果素子部１の拡大図を示す。ここで図２に示すように軟磁性層１１の非磁性層１２側の領域部を軟磁性層１１ａ、磁化固着層１０側の領域部を軟磁性層１１ｂとする。磁化固定層１３と軟磁性層１１との磁化方向が平行（反平行）である場合、電流を磁化固定層１３側（軟磁性層１１側）から電流を印加することで軟磁性層１１ａの磁化に反平行（平行）向きのトルクかかり、磁化回転が生ずる。軟磁性層１１ａはスピン偏極電流によるトルクにより磁化回転するが、軟磁性層１１ｂの磁化は交換結合により固定されているため、非磁性層１２側の軟磁性層１１ａの磁化が回転する。従って軟磁性層１１ａの磁化は磁化固定層１３の磁化と直交化させることが可能となる。図２にスピン偏極電流による軟磁性層１１の磁化方向と磁化固定層１３の磁化方向の模式図を示す。図２では電流を印加しない状態では磁化固定層１３と軟磁性層１１（軟磁性層１１ａおよび軟磁性層１１ｂを含む）の磁化方向は略平行の状態である。図２は図１に示した磁化固定層１３、非磁性層１２、軟磁性層１１（軟磁性層１１ａおよび軟磁性層１１ｂを含む）、磁化固着層１０が積層した多層膜を示しており、この多層膜に電流を磁化固定層１３側から流した時の磁化状態を示している。スピン偏極電流により生じたトルクにより非磁性層１２側の軟磁性層１１ａの磁化は固定磁性層１３の磁化とは反対方向に回転する。しかしながら、磁化固着層１０側の軟磁性層１１ｂの磁化は交換結合により固定され、図２では左方向を向いており、軟磁性層１１中の隣接する原子層間では各原子層間の交換エネルギーや磁気異方性エネルギーにより層間では角度を持ちうるために、図２に示すように、軟磁性層１１において、軟磁性層１１ａ（非磁性層１２側）と軟磁性層１１ｂ（磁化固着層１３側）とで磁化方向は略垂直に磁化が向く状態が実現する。この状態で外部磁界Ｈ（ここでいう外部磁界とは検知すべき磁界のことを示す。）を印加すると、軟磁性層１１ａの磁化がさらに回転することで磁化固定層１３との相対磁化が変化するので磁気抵抗が生ずる。さらに軟磁性層１１ａの磁化は、スピン偏極電流によるいわゆるバイアス磁界が印加された状態であるため、磁化回転は可逆となり、磁区生成により生ずるバルクハウゼンノイズからの出力ノイズを抑制することが可能となる。本発明のＭＲ素子は外部磁界に対して線形に応答する。従って、本発明のＭＲ素子は電流を印加した状態で磁化固定層１３と外部磁界Ｈを検知する層である軟磁性層１１（特に軟磁性層１１ａ）の磁化方向を直交化することが可能となり、従来のように図１３および図１４に示した自由磁性層９８の磁区を制御するための磁区制御層部９４を必要せず、構造およびプロセスを簡略化することが可能となる。外部磁界の検知は磁化検知層中の軟磁性層の磁化方向が変化することで固定磁性層との相対角度が変化することで磁気抵抗を生じ、外部磁界に対する信号出力はバルクハウゼンノイズのない線形性を得ることが可能となる。なお、図２では電流を印加しない状態で磁化固定層１３と軟磁性層１１の磁化方向がお互いに平行の場合での説明であり、磁化方向が反平行を向いた状態である場合には電流は軟磁性層１１側から流れるようにすればよい。なお、磁化固定層１３と軟磁性層１１の磁化方向とは、特に非磁性層１２に隣接する層について述べているものであり、後述するように磁化固定層１３が複数の磁性層で構成される場合は、磁化固定層１３の磁化方向は非磁性層１２に隣接する層の磁化方向を示し、軟磁性層１１の磁化方向も同様に非磁性層１２隣接する層の磁化方向を示している。
【００２３】
上述のスピン偏極電流による軟磁性層１１へのバイアス印加効果は、素子サイズ面積が０．１μｍ^２以下であると効果的にスピン偏極電流によるトルクが生ずる。
【００２４】
軟磁性層１１は例えばパーマロイやセンダストといった結晶磁気異方性の小さい磁気的にソフトな磁性材料を用いる。軟磁気特性に優れ磁歪が小さい材料としてＮｉ_ｘＣｏ_ｙＦｅ_ｚ（０．６≦ｘ≦０．９、０≦ｙ≦０．４、０≦ｚ≦０．３）もしくはＮｉ_ｘ’Ｃｏ_ｙ’Ｆｅ_ｚ’（０≦ｘ’≦０．４、０．２≦ｙ’≦０．９５、０≦ｚ’≦０．５）を用いることが望ましい。軟磁性層は単一組成の材料を用いる場合や、異なる磁性材料からなる積層膜であってももちろんよい。
【００２５】
磁化固着層１０には、図３に示すように軟磁性層１１よりも保磁力が大きく一軸異方性の大きな高保磁力層１４を用いるとよい。高保磁力層１４との強磁性的交換結合により非磁性層と反対側の界面の軟磁性層の磁化を固定することが可能となる。高保磁力材料として、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ合金やＣｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｔａ−Ｐｔ合金等や、Ｃｏ−Ｓｍ、Ｆｅ−Ｔｂ等の遷移金属−希土類合金等が望ましい。この高保磁力層の一軸磁気異方性を付与するために、下地層にＣｒ、Ｒｕ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ層を付与して結晶磁気異方性を制御したり、磁界中で膜を形成、または、膜形成後に磁界中熱処理を実施することによっても一軸磁気異方性を付与することができる。
【００２６】
磁化固着層１０として他に図４に示すように反強磁性層１５を用いてもよい。反強磁性層１５との界面により生ずる交換バイアス磁界により軟磁性層１１の磁化は固定される。反強磁性材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ等のＡ−Ｍｎ系金属反強磁性体（ＡはＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種）を用いるとよい。
【００２７】
また、図５に示すように磁化固着層１０として、軟磁性層１１側から順に第１磁性層１６、反強磁性交換結合用非磁性層１７、第２磁性層１８が積層した多層膜を用いてもよい。第１磁性層１６と第２磁性層１８は反強磁性的交換結合用非磁性層１７を介した反強磁性交換結合によりお互いの磁化が反平行を向く状態が安定である。この反強磁性的交換結合用非磁性層１７にはＣｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種の材料を用いると適当な膜厚（０．５ｎｍ〜３ｎｍ）で第１磁性層１６と第２磁性層１８との間に反強磁性的交換結合を生じさせることが可能となる。第１磁性層１６および第２磁性層１８には種々の磁性材料を用いることができる。軟磁性層１１の磁化を固着するためには、第２磁性層１８には一軸磁気異方性の大きな磁性材料を用いることが望ましく、例えばＦｅもしくはＣｏもしくはＣｏ−Ｆｅ合金もしくは、Ｆｅ−ＰｔやＣｏ−Ｐｔ等のＭ−Ｔ合金（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種、ＴはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種）、もしくはＣｏ−Ｔａ−Ｐｔ合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金等のＭ−Ｔ−Ｔ’合金（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種、ＴはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種、Ｔ’はＣｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｎ、Ｗから選ばれる少なくとも一種）、もしくはＦｅ−ＴｂやＣｏ−Ｓｍ等の遷移磁性金属―希土類合金等を用いるとよい。また第１磁性層１６は軟磁性層１１と同種の磁性材料を用いてもよい。さらに、図５の第２磁性層１８側に反強磁性層１９を付与した図６に示す構成としてもよい。この反強磁性層１９により第２磁性層１８には一方向異方性が付与されて、さらに反強磁性的交換結合用非磁性層１７を介した反強磁性的な交換結合により第１磁性層１６との磁化は反平行状態が安定となり、第１磁性層１６と磁気的な交換結合を生ずる軟磁性層１１の磁化を固着することが可能となる。
【００２８】
以上図３から図６に示した本発明のＭＲ素子において、軟磁性層１１と磁化固着層１０との間の界面に生ずる交換結合力を制御するために、軟磁性層１１と磁化固着層１０との界面に非磁性中間層２０を挿入してもよい。図７に図４で示した反強磁性層１５と軟磁性層１１との界面に非磁性中間層２０を挿入した場合を、図８に図６で示した第１磁性層１６と軟磁性層１１との間に非磁性中間層２０を挿入した場合を示す。非磁性中間層２０を挿入することにより軟磁性層との交換結合の大きさを制御することが可能となる。非磁性中間層にはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｒｕ等を用いるとよく、軟磁性層１１の非磁性層１２と反対側の界面の磁化を固着するのに十分な交換結合を得るためには０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下がよい。
【００２９】
軟磁性層１１と磁化固着層１０における外部磁界に対するそれぞれの磁化過程について、軟磁性層１１と磁化固着層１３の積層膜について図１１（ａ）を用いて説明する。軟磁性層１１と磁化固着層１０との界面は交換結合により磁化固着層１０側の軟磁性層１１（図１１（ａ）では軟磁性層１１ｂ）の磁化は固定されているが、磁化固着層１０との界面から遠い軟磁性層１１（図１１（ａ）では軟磁性層１１ａ）の磁化ほど外部磁界に対して容易に磁化回転する働きがある。つまり軟磁性層１１において、交換結合により磁化方向が磁化固着層１３により固定されている軟磁性層１１ｂの磁化方向とは逆向きに外部磁界を印加すると、磁化固着層１０との界面から遠い軟磁性層１１ａの磁化から徐々に磁化回転をする現象であり、この軟磁性層１１の磁気特性は可逆的な磁化回転過程を示す。
【００３０】
軟磁性層１１にＮｉＦｅ（パーマロイ）と、磁化固着層１０にパーマロイよりも高い保磁力を示すＣｏＰｔとを積層した場合を例に軟磁性層１１と磁化固着層１０の磁化過程について図１１（ｂ）を用いて説明する。図１１（ｂ）には軟磁性層１１と磁化固着層１０の磁化方向を模式図で示す。（Ｉ）と（ＩＩＩ）の状態では両層の磁化は飽和しており磁化は揃っている。この状態で逆向きの磁界を印加するとある磁界（図中でＨａ、−Ｈａ）において軟磁性層１１の磁化が回転し始めることに対応して磁化が減少する。さらに磁界を大きくすると、磁化固着層１０との界面から遠い軟磁性層１１ａの磁化が回転し、最後には磁化固着層１０の磁化が反転して（図中でＨｂ、−Ｈｂ）、急激な磁化の減少を示す。この例では、磁化固着層１０の磁化回転は非可逆であるのに対し、軟磁性層１１の磁化回転は可逆的であり図中で｜Ｈａ｜＜Ｈ＜｜Ｈｂ｜の磁界範囲に相当する。このようにＮｉＦｅとＣｏ−Ｐｔの積層体において、ＣｏＰｔとは反対側の界面のＮｉＦｅの磁化を回転させるには外部磁界により制御することができるが、本発明の磁気抵抗効果素子では非磁性層１２を介して磁化固定層１３と軟磁性層１１とがスピン偏極電流により生ずるトルクにより非磁性層１２側の軟磁性層１１（軟磁性層１１ａ）の磁化を制御することが可能となる。
【００３１】
磁化固定層１３には一軸磁気異方性が大きく高保磁力材料であるＦｅもしくはＣｏもしくはＣｏ−Ｆｅ合金もしくは、Ｆｅ−ＰｔやＣｏ−Ｐｔ等のＭ−Ｔ合金（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種、ＴはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種）、もしくはＣｏ−Ｔａ−Ｐｔ合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金等のＭ−Ｔ−Ｔ’合金（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種、ＴはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種、Ｔ’はＣｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｎ、Ｗから選ばれる少なくとも一種）、もしくはＦｅ−ＴｂやＣｏ−Ｓｍ等の遷移磁性金属―希土類合金等を用いるとよい。また、図９に示すように磁化固定層１３を非磁性層１２側から順に固定磁性層３０、反強磁性層３１が積層し、反強磁性層３１からの交換バイアス磁界により固定磁性層３０の磁化を固定するようにしてもよい。この場合、固定磁性層３０には種々の磁性材料を用いることができる。反強磁性層３１には種々の反強磁性材料を用いることが可能であるが、特にＡ−Ｍｎ系金属反強磁性体（ＡはＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種）を用いると大きな交換バイアスを得ることができ、磁化固定層１３としての機能を果たす役割がある。さらに図１０に示すように図９に示した固定磁性層３０が、非磁性層１２側から順に第１固定磁性層３５、固定非磁性層３６、第２固定磁性層３７が積層した多層構造をしてもよい。この第１および第２固定磁性層３５および３７は固定非磁性層３６を介して反強磁性的交換結合によりお互いの磁化が反平行に向くことが安定な磁化配列をする。第１固定磁性層３５および第２固定磁性層３７には種々の磁性材料を用いることが可能であり、固定非磁性層３６にはＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｉｒ等から選ばれる少なくとも一種の非磁性金属層を用い、膜厚は０．６〜３ｎｍの範囲であればよい。
【００３２】
非磁性層１２には磁化固定層１３と軟磁性層１１との間に磁気抵抗が生ずる非磁性体であれば何でもよく、中でもＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｃｒ等は大きな磁気抵抗変化率を得るには有利な非磁性体である。膜厚は、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であればよい。さらに、非磁性層１２と軟磁性層１１との界面に磁気抵抗が大きくなる磁性材料、即ちスピン分極率の大きな磁性材料を用いてもよく、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｍ−Ｔ合金（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種、ＴはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種）、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２等が上げられる。しかしながらこれらスピン分極率の大きな磁性材料は一般に軟磁性層１１に用いる磁性材料よりも磁気的にハードであるため、膜厚として２ｎｍ以下、より望ましくは１ｎｍ以下とすることで軟磁性層１１の軟磁気特性の劣化は生じない。
【００３３】
なお、図３〜９に示した膜構成は積層順に限定されるものではなく、逆からの積層順であってももちろんよい。
【００３４】
本発明のＭＲ素子の膜形成には、パルスレ−ザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ムまたはＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ法等で作成することが可能である。
【００３５】
本発明のＭＲ素子を図１に示すように、膜面に対して概略垂直方向に電流を流す構造とするには、半導体プロセスや、ＧＭＲヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、ＦＩＢ（フォーカスイオンビーム）、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）等の物理的あるいは化学的エッチング法や、微細パタ−ン形成のためにステッパ−、電子ビーム（ＥＢ）を用いた露光法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を組み合わせて微細加工することで図１のような素子を作成することが可能である。電極材料として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、ＴｉＮを初め、抵抗率が１００μΩｃｍ以下の低抵抗材料を用いればよい。層間絶縁層には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡｌＮ等の絶縁特性に優れた材料を用いればよい。
【００３６】
本発明のＭＲ素子を用いて図１５および図１６に示すような高出力磁気ヘッドが可能となる。図１５の磁気ヘッドはいわゆるシールド型磁気ヘッドの一例を示す。図１５では磁性体からなる２つのシールド（上部シールド２０３と下部シールド２０２）を有し、この２つのシールド部の再生ギャップ２０４内にＭＲ素子部２０１を設けるように構成されている。記録は巻線部２０５に電流を流して記録用磁極２０６と上部シールド２０３の間の記録ギャップ２０７からの漏洩磁界により信号を記録媒体（図示せず）に書き込み再生は記録媒体（図示せず）からの信号磁界Ｈを再生ギャップ２０４（シールドギャップ）間に設けられた本発明のＭＲ素子部２０１により読みとることにより行われる。ＭＲ素子部２０１には電極部２０５、２０６が膜の上下に接続され、上下の電極部と上下のシールドとは絶縁層により電気的に絶縁してもよいし、上下の電極部を上下シールドと接続して、上下のシールドも電極部をかねる構造としてもよい。上部および下部のシールド２０３、２０２にはＮｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ合金などの軟磁性膜が使われる。絶縁部２０８としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２等の絶縁膜が使われる。
【００３７】
また図１６に示すように磁性体よりなる磁束ガイド（ヨーク）部３０２が上下シールド３０３，３０４で形成された再生ギャップ間３０５に設けられ、検知すべき記録媒体（図示せず）からの信号磁界Ｈはこのヨーク部３０２により本発明のＭＲ素子部３０１に導入されることで、ＭＲ素子部３０１で信号磁界の読みとりを行う。図１６のようなヨーク部３０２を用いることで再生ギャップ長を短くすることが可能となるため短波長化に対応した再生ヘッドを提供することができる。図１６に示した本発明のヨーク型ヘッドはヨ−クを用いるため感度では図１５のシールド型ヘッドより劣るが、図１５のようにシ−ルドギャップ中にＭＲ素子を置く必要がないため超狭ギャップ化では有利である。さらにＭＲ素子部３０１が記録媒体（図示せず）には露出した構造ではないため、不意に再生ヘッドが記録媒体と接触するような場合や、例えば記録媒体として磁気テープを用い、テープと再生ヘッドを接触させて情報読み出しを行うような場合ではシールド型ヘッドと比較してヘッドの破損や摩耗による特性劣化といった信頼性という面で優れている。ヨーク部３０２に用いる磁性材料としては透磁率の高い磁性材料を用いることが望ましく、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ等がよい。ヨーク部３０２と上下シールド３０３、３０４との間には非磁性の絶縁材料で絶縁する必要がある。図１６のヨーク型磁気ヘッドは読みとり専用の再生ヘッドなので、通常書き込み用の誘導型磁気ヘッドと組み合わせて用いられる。以上図１５、図１６に示した本発明の磁気抵抗効果型ヘッドを用いることにより磁区制御層が無くても再生波形の優れ、高出力の磁気ヘッドを提供することが可能となる。
【００３８】
これら本発明の再生ヘッドを有する磁気ヘッドを用いてＨＤＤ等の磁気記録装置を構成することが可能である。図１７に示すように、本発明の磁気ヘッド４０１、その駆動部４０２、情報を記録する磁気記録媒体４０３、及び信号処理部４０４を用いて高記録密度に対応した磁気記録装置４００を構成することが可能となる。
（実施例１）
本発明の実施の一形態として、図１および図３、図９に示したＭＲ素子について説明する。到達真空度が１×１０^−８Ｔｏｒｒ以下の成膜チャンバー中において５００ｎｍの熱酸化膜付きＳｉ基板上にＤＣおよびＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭＲ膜を作製した。まず基板上に下部電極部２としてＴａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｒ（３ｎｍ）を積層した。その上に磁化固着層１０としてＣｏ_０．５−Ｐｔ_０．５（１０ｎｍ）を、軟磁性層１１としてＮｉ−Ｆｅ（２０ｎｍ）を、非磁性層１２としてＣｕ（２０ｎｍ）、磁化固定層１３としてＣｏ（３ｎｍ）／Ｉｒ−Ｍｎ（８ｎｍ）を積層して図３、図９に示す膜構成のＭＲ素子を形成した。ここで磁化固定層１３を構成するＣｏ層およびＩｒ−Ｍｎ層は図９においてそれぞれ固定磁性層３０および反強磁性層３１に対応する。これらの試料膜上に保護層兼上部電極部の一部としてＴａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（１０ｎｍ）を形成した後に、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いて図１に示すようなＭＲ素子とした。なお本実施例では磁化固着層１０のＣｏ−Ｐｔの一軸磁気異方性を付与するために下地層にＣｒ層を下部電極の一部として設けている。層間絶縁層部３にはＡｌ_２Ｏ_３をスパッタすることで形成し、上部電極部４にはＴａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｐｔ（１０ｎｍ）を用いた。ＭＲ素子部１のセル形状は０．１μｍ×０．２μｍである。図１に示すＭＲ素子を作製した後、２５０℃で５ｋＯｅの磁界をセルの長手方向に印加して３時間磁界中熱処理を実施して、軟磁性層１１および磁化固定層１３の磁化容易軸を同方向とした。作製したＭＲ素子を実施例１とする。実施例１に熱処理時に印加した磁界と同方向に５ｋＯｅの磁界を印加して軟磁性層１１と磁化固定層１３の磁化方向を平行とした。その後に、電流を磁化固定層から軟磁性層へ電流を流して、外部磁界を最大１００Ｏｅ印加して磁気抵抗を測定した。電流量が０．１ｍＡと１０ｍＡの場合の磁気抵抗曲線を図１８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。電流量が０．１ｍＡの場合では図１８（ａ）から若干のヒステリシスと動作点中心が零磁界よりずれが生じていることが分かる。これは電流量が少ないために、スピン偏極電流により生ずる軟磁性層へのトルクが小さく軟磁性層の磁化はスピン偏極電流によるバイアス効果はほとんど生じていないことに起因すると考えられる。これは図１８（ａ）の零磁界での抵抗値がほとんど最小値を示していることからも分かる。一方、さらに電流量を増加した図１８（ｂ）の場合では、磁気抵抗曲線にヒステリシスは生じていない。しかも、零磁界での抵抗値は磁界を正および負に印加した場合の抵抗値と比較してほぼ中間の値を示していることから非磁性層１２側の軟磁性層１１（軟磁性層１１ａ）の磁化と磁化固定層１３の磁化は零磁界において略垂直であると考えられる。このように電流量を増加することで、スピン偏極電流により生ずるトルクが大きくなり、軟磁性層１１（軟磁性層１１ａ）の磁化が磁化固定層１３に対してほぼ垂直となり、バイアス磁界をスピン偏極電流で印加した効果が生じていると考えられる。
（実施例２）
本発明の実施の一形態として、実施例１と同様な手法で図１に示すようなＭＲ素子を作製した。図１のＭＲ素子の膜構成は図４に示した構成とした。以下に膜構成を示す。下部電極２上に磁化固定層１３としてＰｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（３ｎｍ）を形成した。この磁化固定層１３は図１０で示した膜構成であり、Ｐｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）は図１０において反強磁性層３１に対応し、Ｃｏ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（３ｎｍ）は固定磁性層３０に対応する。さらにこの固定磁性層３０を構成するの２つのＣｏ層は第１固定磁性層３５および第２固定磁性層３７に、Ｒｕ層は固定非磁性層３６に対応する。また、第１固定磁性層３５および第２固定磁性層３７の２つのＣｏ層は固定非磁性層３６を介して反強磁性的な交換結合によりお互いの磁化が反平行に向いている。さらにこの膜上に非磁性層１２としてＣｕ（１０ｎｍ）、軟磁性層１１としてＣｏ_９０Ｆｅ_１０（８ｎｍ）を形成し、磁化固着層１０として反強磁性体であるＩｒ−Ｍｎ（３ｎｍ）を積層して図４もしくは図１０に示す膜構成のＭＲ素子を実施例１と同様にしてフォトリソグラフィーおよいびイオンミリング法等の微細加工技術を用いて図１に示すようなＭＲ素子を形成した。なお層間絶縁層３にはＳｉＮをＡｒと窒素の混合雰囲気中でスパッタすることで形成し、下部電極２にはＴａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）、上部電極４にはＴａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｐｔ（１０ｎｍ）を用いた。この試料を実施例２−１とする。同様にして図８に示す膜構成の別のＭＲ素子も作製した。ＭＲ素子部の膜構成は、下地電極２上に磁化固着層１０として反強磁性層１９のＰｔ−Ｍｎ（１０ｎｍ）、第２磁性層１８のＣｏ−Ｆｅ（４ｎｍ）、反強磁性交換結合用非磁性層１７のＲｕ（０．９ｎｍ）、第１磁性層１６のＣｏ−Ｆｅ（４ｎｍ）、非磁性中間層２０としてＣｕ（０．５ｎｍ）　を順に積層し、軟磁性層１１としてＮｉ_８１Ｆｅ_１９（５ｎｍ）、非磁性層１２としてＣｕ（１５ｎｍ）、磁化固定層１３としてＣｏ−Ｆｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（２ｎｍ）／Ｐｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）を順次積層した。ここで磁化固着層１０の第１磁性層１６と第２磁性層１８の２つのＣｏ−Ｆｅ層と磁化固定層１３の２つのＣｏ−ＦｅはＲｕを介して反強磁性的な交換結合のためにお互いの磁化が反平行となっている。また磁化固定層１３の積層体は図１０に示すように、固定磁性層３０と反強磁性層３１とからなり、さらに固定磁性層３０は第１固定磁性層３５、固定非磁性層３６、第２固定磁性層３７からなる膜構成となっている。以上の膜構成のＭＲ素子を実施例２−２とする。実施例２−１および実施例２−２のセル形状は０．０６μｍ×０．１５μｍとした。図１に示すＭＲ素子を作製した後、２８０℃で１０ｋＯｅの磁界をセルの長手方向に印加して５時間磁界中熱処理を実施して、軟磁性層１１および磁化固定層１３の磁化容易軸を同方向とした。この磁界中熱処理により実施例２−１の２つの反強磁性層（Ｐｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）およびＩｒ−Ｍｎ（３ｎｍ））に隣接する磁性層（磁化固定層１３中のＰｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）に隣接するＣｏ（３ｎｍ）、磁化固着層１０であるＩｒ−Ｍｎ（３ｎｍ）に隣接するＣｏ_９０Ｆｅ_１０（８ｎｍ））の磁化は反強磁性層からの交換バイアス磁界のために同方向である。同じく、実施例２−２の２つの反強磁性層（Ｐｔ−Ｍｎ（１０ｎｍ）およびＰｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ））に隣接する層（磁化固定層１３中のＰｔ−Ｍｎ（１５ｎｍ）（反強磁性層３１）に隣接するＣｏ−Ｆｅ（２ｎｍ）（第２固定磁性層３７）、および、磁化固着層１０であるＰｔ−Ｍｎ（１０ｎｍ）（反強磁性層１５）に隣接するＣｏ−Ｆｅ（４ｎｍ）（第２磁性層１８））の磁化は反強磁性層からの交換バイアス磁界により同方向を向いている。従って、実施例２−１では非磁性層１２であるＣｕ（１０ｎｍ）にそれぞれ隣接するＣｏ_９０Ｆｅ_１０（８ｎｍ）（軟磁性層１１）とＣｏ（３ｎｍ）（磁化固定層１３を構成する第１固定磁性層３５）の磁化は反平行であり、実施例２−２では非磁性層１２であるＣｕ（１５ｎｍ）にそれぞれ隣接するＮｉ_８１Ｆｅ_１９（５ｎｍ）（軟磁性層１１）とＣｏ−Ｆｅ（３ｎｍ）（磁化固定層１３を構成する第１固定磁性層３５）の磁化は平行である。つまりスピン偏極電流により軟磁性層１１の磁化を回転させるためには実施例２−１では軟磁性層１１から磁化固定層１３へ、実施例２−２では磁化固定層１３から軟磁性層１１へ電流を流す。実施例２−１および実施例２−２に電流を印加した状態で最大１００Ｏｅの外部磁界を磁化固定層１３の容易軸方向に印加して磁気抵抗を測定した。電流量を０．０１ｍＡから２０ｍＡまで変化させて、各電流量に対する磁気抵抗を測定したところ、実施例２−１では１ｍＡ〜１０ｍＡの電流量の範囲で、実施例２−２では３ｍＡ〜１５ｍＡの電流量の範囲でヒステリスのない線形応答性に優れた磁気抵抗曲線が得られ、スピン偏極電流による軟磁性層へのバイアス磁界効果が寄与しているものと考えられる。
【００３９】
また、従来例として図１３に示すような磁気抵抗効果素子を作製した。この試料を従来例２−１とする。作成方法は実施例２−１と同様の手法で実施した。熱酸化膜基板上に形成されたＴａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）下部電極部９５上に磁気抵抗効果素子部９１を以下の膜構成で形成した。自由磁性層９８にＮｉ_８１−Ｆｅ_１９（３ｎｍ）、非磁性層９７にＡｌ_２Ｏ_３（１ｎｍ）、固定磁性層９６にＣｏ_７５−Ｆｅ_２５（３ｎｍ）／Ｐｔ−Ｍｎ（２０ｎｍ）を用いた。非磁性層９７はＡｌ層を０．４ｎｍ形成した後に、２００Ｔｏｒｒの純酸素雰囲気中で３分間自然酸化してＡｌ_２Ｏ_３（０．４ｎｍ）形成した。ここでＡｌ２Ｏ３（０．４ｎｍ）の括弧内の膜厚は酸化前のＡｌ層の膜厚を示す。同様にして、Ａｌ_２Ｏ_３（０．３ｎｍ）を２回形成してＡｌ_２Ｏ_３（１ｎｍ）の非磁性層９７を作製した。磁気抵抗効果素子部９１の膜を形成した後に、一旦磁界中熱処理を実施して固定磁性層９６および自由磁性層９８の磁化容易軸を直交化させるために、磁界中熱処理を以下のように実施した。まず２８０℃の温度で５ｋＯｅの磁界を膜面内で図１３の紙面に対して垂直方向に印加して固定磁性層９６に磁気異方性を付与した後、２００℃の温度で１００Ｏｅの磁界を膜面内で先ほどの５ｋＯｅの磁界方向とは９０°回転した方向（つまり図１３の紙面に平行）に印加して自由磁性層９８の磁化容易軸を付与した。このようにして自由磁性層９８と固定磁性層９６の磁化容易軸を直交化させた。その後、実施例１と同様にしてフォトリソグラフィーとイオンミリング等の微細加工技術により図１３のような磁気抵抗効果素子を形成した。上部電極部９２にはＴａ（１５ｎｍ）／Ｐｔ（１０ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）を用いた。自由磁性層９８の磁区生成によるヒステリシスを抑制するためにＣｏ−Ｐｔからなる磁区制御層部９４を用いてバイアス磁界を印加するようにした。従来例２−１は非磁性層９７がＡｌ_２Ｏ_３絶縁層からなり、所謂トンネル磁気抵抗効果素子である。なお、従来例２−１で磁区制御層部９４がない従来例２−２の磁気抵抗効果素子も同時に作製した。従来例２―１と従来例２−２の素子サイズは０．５μｍ×１μｍとした。また従来例２−１において磁区制御層部９４と自由磁性層９８との間の距離は約１００ｎｍであった。従来例２−１、２−２の固定磁性層９６の磁化容易軸方向（即ち磁界中熱処理を行った際、５ｋＯｅの磁界を印加した方向）に最大２００Ｏｅの磁界を印加して磁気抵抗を測定した。図１９に従来例２−１の試料の外部磁界に対する抵抗の関係を示す。従来例２−１ではヒステリシスのある磁気抵抗曲線が得られ、磁区生成による抵抗の飛び（増減）も観測された。この原因は磁区制御層部９４と自由磁性層９８とが層間絶縁層部９４を介して距離が離れているためにバイアス磁界効果が弱いためであると考えられる。従って、磁区制御層部９４のない従来例２−２の磁気抵抗曲線からは、従来例２−１よりもヒステリシスが大きいことに加えて、磁区生成による抵抗の増減が大きい結果が得られた。そこで従来例２−１において磁区制御層部９４と自由磁性層９８との層間距離を短くして自由磁性層の磁区生成を抑制することを実施したところ、確かに層間距離を短くすることで磁区生成により生ずるバルクハウゼンノイズを低減することが可能であったが、非磁性層９７と磁区制御層部９４との間で電気的な短絡が生じ、層間距離が短くなるにつれて歩留まりが悪くなる傾向にあり、素子形成プロセスが非常に困難であることが分かった。
【００４０】
以上より、本発明の磁気抵抗効果素子は外部磁界に対して従来の磁気抵抗効果素子よりもヒステリシスのない線形応答性に優れていることと、素子形成プロセスの簡略化が容易であり、歩留まりもよいことが分かった。
【００４１】
【発明の効果】
自由磁性層／非磁性層／固定磁性層からなる従来の磁気抵抗効果素子において、自由磁性層の磁区生成により発生するバルクハウゼンノイズを抑制するために従来では磁区制御層を必要としていたが、本発明の磁気抵抗効果素子を用いることで、この磁区制御層を必要とせず、磁気抵抗の線形応答性に優れ、高出力の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、および磁気記録装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す図
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の垂直方向に電流を印加した場合の、磁化固定層と軟磁性層の磁化方向を説明する図
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図１１】本発明の磁化固着層にＣｏＰｔを、軟磁性層にＮｉＦｅを用いた積層膜の磁化曲線および磁化構造を説明する図
【図１２】従来の磁気抵抗効果型ヘッドの断面の模式図
【図１３】従来の磁気抵抗効果型素子の断面の模式図
【図１４】従来の磁気抵抗効果型ヘッドの断面の模式図
【図１５】本発明のシールドを有する磁気ヘッドの一例を示す図
【図１６】本発明のヨークを有する磁気ヘッドの一例を示す図
【図１７】本発明の磁気記録装置の一例を示す図
【図１８】本発明の磁気抵抗効果素子の電流量が異なる場合の外部磁界に対する抵抗変化の関係を示す図
【図１９】従来の磁気抵抗効果素子の外部磁界に対する抵抗変化を示す図
【符号の説明】
１：磁気抵抗効果素子部
１０：磁化固着層
１１：軟磁性層
１２：非磁性層
１３：磁化固定層
１４：高保磁力層
１５：反強磁性層
１６：第１磁性層
１７：反強磁性交換結合用非磁性層
１８：第２磁性層
１９：反強磁性層
２０：非磁性中間層
３０：固定磁性層
３１：反強磁性層
３５：第１固定磁性層
３６：固定非磁性層
３７：第２固定磁性層
２：下部電極部
３：層間絶縁層部
４：上部電極部
８０：再生磁気ヘッド部
８１：ＭＲ素子部
８２：上部シールド
８３：上部シールドギャップ部８３
８４：電極部
８５：磁区制御層
８６：下部シールドギャップ部
８７：下部シールド
８８：トラック幅
９１：ＭＲ素子部
９２：上部電極部
９３：層間絶縁層部
９４：磁区制御層部
９５：下部電極部
９６：固定磁性層
９７：非磁性層
９８：自由磁性層
２０１：磁気抵抗効果素子部
２０２：下部シールド
２０３：上部シールド
２０４：再生ギャップ
２０５：電極部
２０６：電極部
２０７：巻線部
２０８：記録用磁極
２０９：記録ギャップ
２１０：絶縁部
３０１：磁気抵抗効果素子部
３０２：ヨーク部
３０３：上部シールド
３０４：下部シールド
３０５：再生ギャップ
３０６：電極部
３０７：電極部
４００：磁気記録装置
４０１：磁気抵抗効果型ヘッド
４０２：駆動部
４０３：磁気記録媒体
４０４：信号処理部

Claims (15)

1. 外部磁界に対して容易に磁化回転する軟磁性層と、非磁性層と、外部磁界に対して自由磁性層より磁化回転が困難な磁化固定層とが順に積層し、軟磁性層と磁化固定層の磁化の相対角度が異なることで磁気抵抗が生じる磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗効果素子は膜面に対して概略垂直に電流を印加するための電極部を有し、前記軟磁性層の前記非磁性層の界面とは反対側に磁化固着層が設けられ、電流を印加することにより非磁性層に隣接する軟磁性層の磁化は可逆的に磁化回転し、さらに前記磁化固定層との磁化が概略直交することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記軟磁性層と磁化固定層の磁化容易軸方向は同方向であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 磁化固着層は高保磁力層であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁化固着層は反強磁性層であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記磁化固着層は非磁性層側から順に第１磁性層、反強磁性層が積層した多層膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記磁化固着層は軟磁性層側から順に第１磁性層、反強磁性交換結合用非磁性層、第２磁性層が積層した多層膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項６に記載の第２磁性層にさらに反強磁性層が積層していることを特徴とする請求項１または２または５に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記磁化固着層と軟磁性層との間に膜厚が０．２ｎｍから２ｎｍの非磁性中間層が挿入されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記磁化固定層は、非磁性層から順に固定磁性層、反強磁性層が積層した多層膜であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記磁化固定層は、非磁性層から順に第１固定磁性層、第１非磁性層、第２固定磁性層、反強磁性層が積層した多層膜であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１から１０の何れか記載の磁気抵抗効果素子に印加する外部磁界は、前記磁気抵抗効果素子を構成する磁化固定層の磁化容易軸方向と概略平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
12. 請求項１から１１の何れか記載の磁気抵抗効果素子の素子サイズ面積が０．１μｍ^２以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
13. 磁気記録媒体からの信号磁界を検知する磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む２つのシールド部と、前記２つのシールド部の間のギャップ内に設けられる請求項１〜１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子とを備えた磁気抵抗効果型ヘッド。
14. 磁気記録媒体からの信号磁界を検知する磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む磁束ガイド部と、前記磁束ガイド部により導かれた信号磁界を検知する請求項１〜１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子とを備えた磁気抵抗効果型ヘッド。
15. 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に記録された信号を読み出す磁気ヘッドと、磁気ヘッドを搭載したアームと、前記アームを駆動する駆動部と、前記信号を処理して前記磁気ヘッドに供給する信号処理部とを備える磁気記録装置。

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