JP2004282054A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 固定磁性層の磁化を、固定磁性層自体の一軸異方性によって固定する磁気検出素子であって、固定磁性層の磁歪が大きく、磁気弾性効果の大きな磁気検出素子を提供する。
【解決手段】
固定磁性層２３の第１磁性層２３ａを非磁性金属層２２の上に形成する。非磁性金属層２２は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなるものである。第１磁性層２３ａを構成する原子と非磁性金属層２２を構成する原子は互いに重なり合いつつも、それぞれの結晶構造に歪みが生じる。第１磁性層２３ａの結晶構造に歪を生じさせることによって磁歪定数λを大きくさせ、磁気弾性効果の大きな磁気検出素子を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層を有する磁気検出素子に係り、特に固定磁性層自体の一軸異方性によって固定磁性層の磁化を固定する磁気検出素子に関する。

磁気記録再生装置に搭載されている磁気へッドの現在の主流は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を応用したスピンバルブ型磁気検出素子を用いたものである。

スピンバルブ型磁気検出素子は、固定磁性層と呼ばれる強磁性膜とフリー磁性層と呼ばれる強磁性軟磁性膜が、非磁性材料層と呼ばれる非磁性膜を介して積層されたものである。

フリー磁性層の磁化は、硬磁性体からなるハードバイアス層などからの縦バイアス磁界によって一方向に揃えられる。そして記録媒体からの外部磁界に対し、フリー磁性層の磁化が感度良く変動する。一方、前記固定磁性層の磁化は、前記フリー磁性層の磁化方向と交叉する方向に固定されている。

フリー磁性層の磁化方向の変動と、固定磁性層の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化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。

従来、前記固定磁性層を、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料からなる反強磁性層に重ねて形成し、前記固定磁性層と前記反強磁性層との間に一方向の交換結合磁界を発生させることによって，前記固定磁性層の磁化を固定させていた。

反強磁性層と固定磁性層との界面に発生する交換結合磁界は、製造工程中の磁界印加や記録媒体からの洩れ磁界による固定磁性層の磁化方向の変動を防ぐことができる程度に充分大きくできる。また、反強磁性層自体は、外部に磁場を発生させないため、磁気検出素子の設計が容易になるという利点を有していた。

しかし、前記反強磁性層と前記固定磁性層の界面に充分な大きさの交換結合磁界を発生させるためには、前記反強磁性層の膜厚を２００Å程度にする必要があった。

磁気検出素子を構成する積層体の中に存在する、膜厚の大きい反強磁性層は、センス電流の分流損失の主な原因となる。記録媒体の高記録密度化に対応するためには、磁気検出素子の出力を向上させることが必要であるが、上述したセンス電流の分流損失は磁気検出素子の出力向上の妨げになる。

また、磁気検出素子の上下には、検出対象の記録信号を効率的に読み取るために、軟磁性材料からなるシールド層が設けられる。記録媒体の高線記録密度化に対応するためには、上下のシールド層間距離を短くする必要がある。膜厚の大きな前記反強磁性層は、上下のシールド層間距離を短くするときの妨げにもなっていた。

そこで、図１７に示されるように、反強磁性層を省略し、固定磁性層自体の一軸異方性によって固定磁性層の磁化を固定する磁気検出素子が提案された。

図１７に、示される磁気検出素子は、アルミナなどの絶縁材料からなる下部ギャップ層１上に、下から順に下地層２、第１の磁性層３ａと第２の磁性層３ｃが、非磁性中間層３ｂを介して積層された人工フェリ構造の固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５、保護層６からなる多層膜Ｔの両側７，７にバイアス下地層８，８、ハードバイアス層９，９、電極層１０，１０が形成されている。

図１７に示される磁気検出素子は、固定磁性層３に重なる反強磁性層が形成されておらず、固定磁性層３自体の一軸異方性によって固定磁性層の磁化が図示Ｙ方向に固定されている。従って、反強磁性層を有する従来の磁気検出素子に比べて分流損失を少なくできるので、磁気検出素子の磁界検出出力を２０〜３０％向上させることができる。また、磁気検出素子の上下に設けられるシールド層間の距離も短くなるので、記録媒体のさらなる高線記録密度化に対応することもできる。

図１７に示されるような磁気検出素子は、以下に示す特許文献１及び特許文献２に記載されている。
特開平８−７２３５号公報（第８頁、第９頁、第５図） 特開２０００−１１３４１８号公報（第７頁、第８頁、図４、図５、図６、図７）

特許文献１に記載されている磁気検出素子は、タンタル（Ｔａ）からなるバッファ層６２を下地として、その上に、ピン止め強磁性層７０が積層されたものである。ピン止め強磁性層７０は、第１のコバルト（Ｃｏ）フィルム７２と第２のコバルト（Ｃｏ）フィルム７４が、ルテニウム（Ｒｕ）フィルム７３を介して積層されたものである。第１のコバルト（Ｃｏ）フィルム７２と第２のコバルト（Ｃｏ）フィルム７４は各々の異方性磁界によって磁化が固定されている。第１のコバルト（Ｃｏ）フィルム７２と第２のコバルト（Ｃｏ）フィルム７４は反強磁性結合しており、互いに反平行方向に磁化されている。

しかし、特許文献１に記載されている磁気検出素子のように、タンタルからなるバッファ層上にＣｏフィルムを積層する構成では、ピン止め強磁性層７０の磁化方向を適切に固定できないことがわかった。このことは、特許文献２においても指摘されている。

特許文献２に記載の磁気検出素子は、特許文献１の問題を解決することを目的として発明されたものである。この磁気検出素子では、積層フェリ固定層の強磁性膜をＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＮｉによって形成することによって誘導異方性を向上させている。

なお、特許文献２には、積層フェリ固定層の下にＴａからなる下地層を設けることも記載されているが、Ｔａ下地を設けた場合とＴａ下地を設けない場合を比較した実験結果（特許文献２の図４、図５、図６、図７）をみると、強磁性層にＣｏＦｅ合金を用いたときには、Ｔａ下地を設けない方が磁気抵抗変化も保磁力も大きくなることが示されている。

特許文献２には、積層フェリ固定層の誘導異方性を大きくするために、強磁性膜にＣｏＦｅ合金を使用すること、及び強磁性膜の磁歪を正にすることが記載されている。

自己固定式の固定磁性層の磁化を固定するために、最も重要な要素の一つは固定磁性層の磁気弾性エネルギーに由来する一軸異方性である。特に固定磁性層の磁歪を最適化することが重要である。しかし、特許文献２には、固定磁性層の磁歪を最適化する機構に関する考察がなく、固定磁性層の磁歪を最適化するための具体的構成に関する記載はなされていない。

また前記磁歪と共に前記固定磁性層の保磁力も大きくできればより好ましい。前記保磁力が小さいと、メカニカルストレス（媒体表面に衝突した場合や製造過程時に生じるストレス）によってハイト方向に固定されていた固定磁性層の磁化が容易に反転しやすく、再生特性が不安定化し信頼性の低下を招く。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、自己固定式の固定磁性層を有する磁気検出素子において、固定磁性層の磁歪を制御する機構を明らかにし、該磁歪や保磁力を適切に制御するために、前記固定磁性層に接する非磁性膜の材料や膜厚等を適切に選択することによって、固定磁性層の磁化を強固に固定することのできる磁気検出素子を提供することを目的とする。

本発明は、固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層が、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなる非磁性金属層に接しており、前記非磁性金属層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とするものである。

本発明は、固定磁性層自体の一軸異方性によって固定磁性層の磁化が固定される、いわゆる自己固定式の磁気検出素子である。

従って、膜厚２００Åの厚い反強磁性層を有する磁気検出素子に比べて分流損失を少なくできるので、磁気検出素子の磁界検出出力を２０〜３０％向上させることができる。また、磁気検出素子の上下に設けられるシールド層間の距離も短くなるので、記録媒体のさらなる高線記録密度化に対応することもできる。

強磁性体膜の磁気異方性磁界を決める要素には、結晶磁気異方性、誘導磁気異方性、及び磁気弾性効果がある。このうち、結晶磁気異方性は保磁力を大きくすることで大きくすることが出来る。一方、誘導磁気異方性は成膜時または熱処理時に一方向の磁場を与えることによって一軸性を帯び、磁気弾性効果は一軸性の応力を加えることによって一軸性を帯びる。

本発明の第１形態は、固定磁性層の磁化を固定する一軸異方性を決める磁気弾性効果に着目してなされたものである。

磁気弾性効果は、磁気弾性エネルギーに支配される。磁気弾性エネルギーは、固定磁性層にかかる応力と固定磁性層の磁歪定数によって規定される。

本発明では、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されているので、応力の対称性がくずれて、前記固定磁性層には、素子高さ方向（ハイト方向；前記対向面に対する法線方向）に引張り応力が働く。本発明では、固定磁性層の磁歪定数を大きくすることによって磁気弾性エネルギーを大きくし、これによって、固定磁性層の一軸異方性を大きくするものである。固定磁性層の一軸異方性が大きくなると、固定磁性層の磁化は一定の方向に強固に固定され、磁気検出素子の出力が大きくなりかつ出力の安定性や対称性も向上する。

具体的には，前記固定磁性層を構成する前記複数の磁性層のうち前記第１の磁性層を、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなる非磁性金属層と、エピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態で接合させることによって、前記第１の磁性層の結晶構造に歪みを生じさせて前記第１の磁性層の磁歪定数λを大きくさせている。これにより前記固定磁性層の磁歪定数を大きく出来る。

または本発明は、固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層は、反強磁性層に接しており、前記反強磁性層は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなり、しかも前記第１の磁性層との間で一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じず、前記反強磁性層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とするものである。

上記の発明では、第１の磁性層に反強磁性層を接して形成している。前記反強磁性層は、前記第１の磁性層との間で反強磁性的な交換結合は生じているが、一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）は発生していない。これは前記反強磁性層と第１の磁性層の結晶は交換結合しているものの、第１の磁性層のスピンが回転すると共に反強磁性層のスピンもそれに引きずられて回転してしまうために反強磁性層の結晶磁気異方性の影響で前記第１の磁性層が異方性分散を起こしていることによる。

上記発明では、固定磁性層の磁歪を大きくできると共に、前記反強磁性層の影響で第１の磁性層が異方性分散を起こしているために保磁力Ｈｃも大きく出来る。これによって磁気弾性エネルギーと共に、実質的な結晶磁気異方性も大きくでき、前記固定磁性層の一軸異方性あるいは硬質磁気特性を、効果的に大きくできる。

また前記非磁性金属層または反強磁性層の膜厚は、５Å以上５０Å以下であることが好ましい。前記膜厚をこの範囲内に設定することで、固定磁性層の磁歪を大きくでき、またシャントロスを適切に低減でき再生出力を高めることが出来る。

また前記反強磁性層の膜厚は、５Å以上１８Å以下であることが好ましい。後述する実験によれば、固定磁性層の保磁力を高めることが出来ると共に、ＰＬＲ（Pinned Layer Reversal）の発生率及びベースラインノイズの発生率を適切に低減できる。

また本発明では、前記反強磁性層の膜厚は、１４Å以上１８Å以下であることが好ましい。これにより前記固定磁性層の保磁力をより効果的に高めることが出来ると共に、前記ＰＬＲの発生率をより適切に低減させることが出来る。

あるいは本発明は、固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層は、反強磁性層に接しており、前記反強磁性層は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなり、しかも前記反強磁性層の膜厚は５Å以上１８Å以下であり、前記反強磁性層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とするものである。

上記の発明では、第１の磁性層に反強磁性層を接して形成している。前記反強磁性層は薄い膜厚であるため反強磁性層の結晶磁気異方性によるスピンの拘束力が弱く、よって一方向性交換結合が弱く、結果として第１の磁性層が異方性分散を起こしている。

本発明では、固定磁性層の磁歪を大きくできると共に、前記反強磁性層の影響で第１の磁性層が異方性分散を起こしているために保磁力Ｈｃも大きく出来る。これによって磁気弾性エネルギーと共に、実質的な結晶磁気異方性も大きくでき、前記固定磁性層の一軸異方性あるいは硬磁性を、効果的に大きくできる。

また本発明では、前記反強磁性層の膜厚は１４Å以上１８Å以下であることが好ましい。これにより、前記固定磁性層の保磁力をより効果的に高めることが出来ると共に、ベースラインノイズの発生率及びＰＬＲ（Pinned Layer Reversal）の発生率を適切に低減させることが出来る。

また本発明では、前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ，ＲｕＭｎあるいはＲｈＭｎであることが好ましい。これらはいずれも不規則系反強磁性層でネール温度が室温以上である。

前記反強磁性層は、Ｍｎを除く元素の組成比が１５原子％以上２９原子％以下であることが好ましい。これにより固定磁性層の磁歪と共に保磁力を大きく出来る。

またＸ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量は、４５原子％以上９９原子％以下であることが好ましい。これにより前記固定磁性層の磁歪を大きくすることができる。

なお、Ｐｔ１００ａｔ％でも、磁歪を大きくすることは可能である。しかし、Ｐｔ１００ａｔ％だと、抵抗値が小さくなりセンス電流の分流損失が大きくなって出力が低下しやすい。したがって、Ｍｎを１％以上添加して比抵抗を大きくするすることが好ましい。

本発明では、前記非磁性金属層または反強磁性層が、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金によって形成されると、前記非磁性金属層または反強磁性層は、前記固定磁性層の第１の磁性層側の界面付近、あるいは全領域において、面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記非磁性金属層の下にＮｉＦｅＣｒなどの適切なシード層を配した場合に、前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向する形態を一形態として提供することが出来る。

前記フリー磁性層と前記固定磁性層の両側端部には、フリー磁性層に縦バイアス磁界を供給するバイアス層が設けられていることが好ましい。

本発明では、前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近あるいは全領域において面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。

上記のように、本発明における前記非磁性金属層は、ｆｃｃ構造をとり前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向している形態を一形態として提供することが出来る。

従って、前記第１の磁性層が、ｆｃｃ構造をとり前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものであると、前記第１の磁性層を構成する原子と前記非磁性金属層または反強磁性層を構成する原子が互いに重なりあいやすくなる。

しかし、前記第１の磁性層の{１１１}面内の最近接原子間距離と、前記非磁性金属層または反強磁性層の{１１１}面内の最近接原子間距離には、一定以上の差が生じるので、前記第１の磁性層と前記非磁性金属層または反強磁性層の界面付近では、前記第１の磁性層を構成する原子と前記非磁性金属層または反強磁性層を構成する原子が互いに重なり合いつつも、それぞれの結晶構造に歪みが生じている。すなわち、前記第１の磁性層の結晶構造に歪を生じさせることによって磁歪定数λを大きくさせることができる。

例えば、前記固定磁性層の第１の磁性層を、ＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００、ｘ及びｙはat％）によって形成すると、前記第１の磁性層を、ｆｃｃ構造をとり前記界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向するものにできる。

または、前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近あるいは全領域において体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向している形態を一形態として提供できる。

前記第１の磁性層が、ｂｃｃ構造をとり前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものであっても、前記第１の磁性層を構成する原子と前記非磁性金属層または反強磁性層を構成する原子が互いに重なりあいやすくなる。

このときも、前記第１の磁性層の{１１０}面内の最近接原子間距離と、前記非磁性金属層または反強磁性層の{１１１}面内の最近接原子間距離には、一定以上の差が生じ、前記第１の磁性層と前記非磁性金属層または反強磁性層の界面付近では、前記第１の磁性層を構成する原子と前記非磁性金属層または反強磁性層を構成する原子が互いに重なり合いつつも、それぞれの結晶構造に歪みが生じる。すなわち、前記第１の磁性層の結晶構造に歪を生じさせることによって磁歪定数λを大きくさせることができる。

例えば、前記固定磁性層の第１の磁性層を、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００、ｘ及びｙはat％）によって形成すると、前記第１の磁性層を、ｂｃｃ構造をとり前記界面と平行な方向に{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向するものにできる。なお、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）は、ｆｃｃ構造をとるＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）より、特にｙ＝５０付近で、磁歪定数λの値が大きいので、より大きな磁気弾性効果を発揮することができる。また、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）は、保磁力が大きく、前記固定磁性層の磁化固定を強固にすることができる。

また、本発明では、前記固定磁性層の第１の磁性層の、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近は面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しており、前記非磁性中間層側の界面付近は体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。

前記非磁性中間層側の界面付近をｂｃｃ構造にすることにより、磁歪定数λの値を大きくし、大きな磁気弾性効果を発揮させることができる。一方、前記第１の磁性層の前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近をｆｃｃ構造にすると、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層の結晶配向性が一定になりやすく、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。

例えば、前記固定磁性層の第１の磁性層の、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近の組成をＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）またはＣｏにし、前記非磁性中間層側の界面付近の組成をＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）にすることによって、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近は、ｆｃｃ構造であって、前記界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向し、前記非磁性中間層側の界面付近は、（ｂｃｃ）構造であって、前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものにできる。

また、前記非磁性中間層側の界面付近の組成が、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）であると、前記非磁性中間層を介した第１の磁性層と他の磁性層間のＲＫＫＹ相互作用が強くなるので好ましい。

なお、前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面から前記非磁性中間層側の界面に向かうに連れて、Ｆｅ濃度が徐々に大きくなるものであってもよい。

本発明では、前記非磁性金属層または反強磁性層を構成する原子と前記第１の磁性層の原子とを、重なり合わせつつ、結晶構造に歪みを生じさせるために、前記界面と平行な面内における、前記非磁性金属層または反強磁性層の最近接原子間距離と、前記固定磁性層の第１の磁性層の最近接原子間距離の差を、前記第１の磁性層の最近接原子間距離で割った値を、０．０５以上０．２０以下にすることが好ましい。

また前記第１の磁性層は磁歪定数が正の値である磁性材料によって形成されていることが好ましい。

なお、フリー磁性層、非磁性材料層、及び前記固定磁性層の両側部に、Ｃｒ、α−Ｔａ、またはＲｈからなる電極層が形成されていると、前記固定磁性層にかかるトラック幅方向の圧縮応力（すなわちハイト方向の引張り応力）を大きくできるので好ましい。

前記電極層の結晶格子面の膜面平行方向の面間隔がＣｒの場合で０．２０４４ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、α−Ｔａの場合で０．２３３７ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、Ｒｈの場合で０．２２００ｎｍ以上（ｆｃｃ構造の｛１１１｝面間隔）であることが好ましい。

本発明は、磁気検出素子の小型化を進めたときに特に有効になる。特に、前記固定磁性層の光学的トラック幅寸法が、０．１５μｍ以下であることが好ましい。

本発明では、自己固定式の固定磁性層を有する磁気検出素子において、固定磁性層の磁歪を制御する機構を明らかにし、前記固定磁性層に接する非磁性金属層の材料を適切に選択することによって、該磁歪を適切に制御して、固定磁性層の磁化を強固に固定することのできる磁気検出素子を提供できる。

具体的には、前記固定磁性層を、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものとし、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層を、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなる前記非磁性金属層と接合させる。

これにより、前記第１の磁性層の結晶構造に歪みを生じさせて前記第１の磁性層の磁歪定数λを大きくさせることができる。固定磁性層の磁歪定数を大きくすることによって磁気弾性エネルギーを大きくし、固定磁性層の一軸異方性を大きくできる。

固定磁性層の一軸異方性が大きくなると、固定磁性層の磁化は一定の方向に強固に固定され、磁気検出素子の出力が大きくなりかつ出力の安定性や対称性も向上する。

また本発明では、前記非磁性金属層に代えて反強磁性層を用いてもよい。前記反強磁性層の膜厚は非常に薄いために前記第１の磁性層との間で一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）は生じていないか、あるいは生じていても極めて弱い。そして前記反強磁性層の膜厚が薄いことで、前記反強磁性層の結晶磁気異方性によるスピンの拘束力の低下により第１の磁性層が異方性分散を生じており、この結果、前記第１の磁性層の保磁力Ｈｃを増大させることが出来る。かかる形態では、前記固定磁性層の磁歪のみならず保磁力も大きく出来るので、より効果的に前記固定磁性層の磁化をハイト方向に固定でき、メカニカルストレスの発生があっても前記固定磁性層の磁化反転を適切に抑制でき、安定した再生特性を得ることができ信頼性の高い磁気検出素子を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の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である。

図１に示される磁気検出素子では、アルミナなどの絶縁性材料からなる下部ギャップ層２０上に多層膜Ｔ１が形成されている。

図１に示す実施形態では、多層膜Ｔ１は、下からシードレイヤ２１、非磁性金属層２２、固定磁性層２３、非磁性材料層２４、フリー磁性層２５及び保護層２６の順に積層されたものである。

シードレイヤ２１は、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金あるいはＣｒ、Ｔａなどで形成されている。シードレイヤ２１は、例えば（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）_60at%Ｃｒ_40at%の膜厚３５Å〜６０Åで形成される。

シードレイヤ２１があると、非磁性金属層２２の{１１１}配向が良好になる。
非磁性金属層２２については、後述する。

固定磁性層２３は、第１磁性層（第１の磁性層）２３ａと第２磁性層２３ｃが非磁性中間層２３ｂを介して積層された人工フェリ構造を有している。固定磁性層２３は、固定磁性層２３自体の一軸異方性によって磁化が、ハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。

非磁性材料層２４は、固定磁性層２３とフリー磁性層２５との磁気的な結合を防止する層であり、Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇなど導電性を有する非磁性材料により形成されることが好ましい。特にＣｕによって形成されることが好ましい。非磁性材料層の膜厚は１７Å〜３０Åである。

フリー磁性層２５は、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金等の磁性材料で形成される。図１に示す実施形態では特にフリー磁性層２５がＮｉＦｅ合金で形成されるとき、フリー磁性層２５と非磁性材料層２４との間にＣｏやＣｏＦｅなどからなる拡散防止層（図示しない）が形成されていることが好ましい。フリー磁性層２５の膜厚は２０Å〜６０Åである。また、フリー磁性層２５は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造であってもよい。

保護層２６はＴａなどからなり、多層膜Ｔ１の酸化の進行を抑える。保護層２６の膜厚は１０Å〜５０Åである。

図１に示す実施形態では、シードレイヤ層２１から保護層２６までの多層膜Ｔ１の両側にはバイアス下地層２７、ハードバイアス層２８及び電極層２９が形成されている。ハードバイアス層２８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層２５の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

バイアス下地層２７，２７はＣｒ，Ｗ，Ｔｉで、ハードバイアス層２８，２８は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成されており、電極層２９，２９は、Ｃｒ，Ｔａ，Ｒｈ，ＡｕやＷ（タングステン）などで形成されている。

バイアス下地層２７，２７の膜厚は２０Å〜１００Å、ハードバイアス層２８，２８の膜厚は１００Å〜４００Å、電極層２９，２９の膜厚は４００Å〜１５００Åである。

電極層２９，２９、及び保護層２６上には、アルミナなどの絶縁性材料からなる上部ギャップ層３０が積層される。なお、図示はしないが、下部ギャップ層２０の下には下部シールド層が設けられ、上部ギャップ層上には上部シールド層が設けられる。下部シールド層及び上部シールド層はＮｉＦｅなどの軟磁性材料によって形成される。上部ギャップ層及び下部ギャップ層の膜厚は５０Å〜３００Åである。

フリー磁性層２５の磁化は、ハードバイアス層２８，２８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）に揃えられる。そして記録媒体からの信号磁界（外部磁界）に対し、フリー磁性層２５の磁化が感度良く変動する。一方、固定磁性層２３の磁化は、ハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。

フリー磁性層２５の磁化方向の変動と、固定磁性層２３の固定磁化方向（特に第２磁性層２３ｃの固定磁化方向）との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化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。

本実施の形態の特徴部分について述べる。
図１に示される磁気検出素子の固定磁性層２３は、第１磁性層（第１の磁性層）２３ａと第２磁性層２３ｃが非磁性中間層２３ｂを介して積層された人工フェリ構造を有している。第１磁性層２３ａの磁化と第２磁性層２３ｃの磁化は、非磁性中間層２３ｂを介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向に向けられている。

第１磁性層２３ａは、第２磁性層２３ｃより非磁性材料層２４から離れた位置に形成されており、非磁性金属層２２に接している。

非磁性金属層２２は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金によって形成されている。
非磁性金属層２２の膜厚は、５Å以上５０Å以下であることが好ましい。

Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）からなる非磁性金属層２２の膜厚がこの範囲内であると、非磁性金属層２２の結晶構造は、成膜時の状態である面心立方構造（ｆｃｃ）を維持しつづける。なお、非磁性金属層２２の膜厚が、５０Åより大きくなると、２５０℃以上の熱が加わったときに、非磁性金属層２２の結晶構造がＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態するので好ましくない。ただし、非磁性金属層２２の膜厚が、５０Åより大きくても、２５０℃以上の熱が加わらなければ、非磁性金属層の結晶構造は、成膜時の状態である面心立方構造（ｆｃｃ）を維持しつづける。

またＣｕＡｕＩ型の規則相への変態の過程で原子の再配列が起こると、第１の磁性層との界面での原子間の整合関係が崩れるので、磁歪を増強させる観点では前記の再配列が起こるのは好ましくないが、一部のみ規則相へ変態するのであれば磁歪の低下は小さく、なおかつ反強磁性化による第１の磁性層２３ａの保磁力の増大効果が付与されるので、前記非磁性金属層２２が一部、規則化しても良い。

そして、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）からなる非磁性金属層２２が面心立方構造（ｆｃｃ）の結晶構造を有するとき、この非磁性金属層２２と第１磁性層２３ａとの界面には交換結合磁界は発生しないか、または極めて弱く、交換結合磁界によって第１磁性層２３ａの磁化方向を固定することはできない。

また前記非磁性金属層２２は、室温以下では反強磁性を帯びるが、前記非磁性金属層２２の大部分は室温より低いブロッキング温度（Ｔ_Ｂ）を有しており、このため室温では前記非磁性金属層２２の大部分は非磁性となっている。なお前記非磁性金属層２２の一部に、室温より高いブロッキング温度を有する反強磁性相があってもかまわない。

図１に示される磁気検出素子は、固定磁性層２３自体の一軸異方性によって固定磁性層２３の磁化が固定されている。図１に示される磁気検出素子は、自己固定式の磁気検出素子と呼ばれる。

自己固定式の磁気検出素子は、２００Å程度の厚い膜厚の反強磁性層を有する磁気検出素子に比べて分流損失を少なくできるので、磁気検出素子の磁界検出出力を２０〜３０％向上させることができる。また、磁気検出素子の上下に設けられるシールド層間の距離も短くなるので、記録媒体のさらなる高線記録密度化に対応することもできる。

本実施の形態では、第２磁性層２３ｃの膜厚の方が、第１磁性層２３ａの膜厚より大きくなっている。第２磁性層２３ｃの磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）を向き、第１磁性層２３ａの磁化はハイト方向と反平行方向を向いた状態で磁化が固定されている。

第１磁性層２３ａの膜厚は１０Å〜３０Åであり、第２磁性層２３ｃの膜厚は１５Å〜３５Åである。第１磁性層２３ａの膜厚を厚くすると、保磁力は大きくなる。しかし、第１磁性層２３ａの膜厚が大きいと分流損失が大きくなる。また、後述するように、第１磁性層２３ａは、非磁性金属層２２と整合することによって結晶構造に歪みが生じ、この歪みによって磁歪定数λ及び一軸異方性を大きくしている。しかし、第１磁性層２３ａの膜厚が大きすぎると、第１磁性層２３ａに生じる歪みが小さくなり、磁歪定数λ及び一軸異方性も小さくなってしまう。

図１に示す第１の実施形態では、固定磁性層２３の磁化を固定する一軸異方性を決める、誘導磁気異方性と磁気弾性効果のうち、磁気弾性効果を主に利用している。

磁気弾性効果は、磁気弾性エネルギーに支配される。磁気弾性エネルギーは、固定磁性層２３にかかる応力σと固定磁性層２３の磁歪定数λによって規定される。

図２は、図１に示された磁気検出素子を図示上側（図示Ｚ方向と反対方向）からみた平面図である。磁気検出素子の多層膜Ｔ１は一対のバイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８及び電極層２９，２９の間に形成されている。なお、バイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８は、電極層２９，２９の下に設けられているので、図２には図示されていない。多層膜Ｔ１と、バイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８及び電極層２９，２９の周囲は、斜線で示される絶縁材料層３１によって埋められている。

また、多層膜Ｔ１、バイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８、及び電極層２９，２９の記録媒体との対向面側の端面Ｆは露出しているか、またはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などからなる膜厚２０Å〜５０Å薄い保護層で覆われているだけであり、開放端となっている。

従って、もともと２次元的に等方的であった下部ギャップ層２０及び上部ギャップ層３０からの応力が端面Ｆで開放された結果、対称性がくずれて、多層膜Ｔ１には、ハイト方向（図示Ｙ方向）に平行な方向に、引っ張り応力が加えられている。また、バイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８、及び電極層２９，２９の積層膜が圧縮性の内部応力を有している場合には、電極層などが面内方向に延びようとするため、多層膜Ｔ１には、トラック幅方向に（図示Ｘ方向）に平行な方向及び反平行な方向に圧縮応力を加えられている。

すなわち、記録媒体との対向面側の端面Ｆが開放されている固定磁性層２３には、ハイト方向の引張り応力とトラック幅方向の圧縮応力が加えられる。そして、第１磁性層２３ａは、磁歪定数が正の値である磁性材料によって形成されているので、磁気弾性効果によって、第１磁性層２３ａの磁化容易軸は磁気検出素子の奥側（ハイト方向；図示Ｙ方向）に平行方向となり、第１磁性層２３ａの磁化方向がハイト方向と平行方向または反平行方向に固定される。第２磁性層２３ｃの磁化は、非磁性中間層２３ｂを介したＲＫＫＹ相互作用によって第１磁性層２３ａの磁化方向と反平行方向を向いた状態で固定される。

第１の実施形態では、固定磁性層２３の磁歪定数λを大きくすることによって磁気弾性エネルギーを大きくし、これによって、固定磁性層２３の一軸異方性を大きくするものである。固定磁性層２３の一軸異方性が大きくなると、固定磁性層２３の磁化は一定の方向に強固に固定され、磁気検出素子の出力が大きくなりかつ出力の安定性や対称性も向上する。

具体的には、固定磁性層２３を構成する第１磁性層２３ａを、非磁性金属層２２と接合させることによって、第１磁性層２３ａの結晶構造に歪みを生じさせて第１磁性層２３ａの磁歪定数λを大きくさせている。

先に述べたように、非磁性金属層２２は、例えばｆｃｃ構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向するものである。

一方、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａがＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）によって形成されていると、第１磁性層２３ａは面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとる。また、第１磁性層２３ａは、界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向している。

従って、第１磁性層２３ａを構成する原子と非磁性金属層２２を構成する原子が互いに重なりあいやすくなり、非磁性金属層２２内の結晶と固定磁性層２３内の結晶はエピタキシャルな状態になっている。

しかし、第１磁性層２３ａの{１１１}面内の最近接原子間距離と、非磁性金属層２２の{１１１}面内の最近接原子間距離には、一定以上の差があることが必要である。

非磁性金属層２２を構成する原子と第１磁性層２３ａの原子とを重なり合わせつつ、結晶構造に歪みを生じさせ、第１磁性層２３ａの磁歪を大きくするために、非磁性金属層２２の材料である前記Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量を調節することが好ましい。

例えば、前記Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量を、５１原子％以上にすると、非磁性金属層２２に重なる第１磁性層２３ａの磁歪が急激に増加する。また、Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量が、４５原子％以上９９原子％以下であると、前記第１磁性層の磁歪が大きな値をとりつつ安定する。なお前記含有量は５５原子％以上で９９原子％以下であることがより好ましい。

また、非磁性金属層２２の{１１１}面内の最近接原子間距離と、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａの{１１１}面内の最近接原子間距離との差を、第１磁性層２３ａの{１１１}面内の最近接原子間距離で割った値（以下ミスマッチ値と呼ぶ）を、０．０５以上０．２０以下にすることが好ましい。

本実施の形態の磁気検出素子では、図３に模式的に示すように、非磁性金属層２２を構成する原子と第１磁性層２３ａの原子とが重なり合いつつも、界面付近で結晶構造に歪みが生じている状態になる。

図３において符号Ｎ１は第１磁性層２３ａの{１１１}面内の最近接原子間距離を示しており、符号Ｎ２は非磁性金属層２２の{１１１}面内の最近接原子間距離を示している。Ｎ１及びＮ２は、非磁性金属層２２と第１磁性層２３ａの界面から離れた歪みの影響の少ないところで測定する。

このように、第１磁性層２３ａの結晶構造に歪みが生じると、第１磁性層２３ａの磁歪定数λを大きくすることができるので、大きな磁気弾性効果を発揮することができる。

ここで、非磁性金属層２２と第１磁性層２３ａのミスマッチ値が小さすぎると、図４に模式的に示すように、非磁性金属層２２の原子と第１磁性層２３ａの原子が重なりあったとき、界面付近の結晶構造に歪みが生じなくなり、第１磁性層２３ａの磁歪定数λを大きくすることができなくなる。

また、非磁性金属層２２と第１磁性層２３ａのミスマッチ値が大きくなりすぎると、図５に模式的に示すように、非磁性金属層２２の原子と第１磁性層２３ａの原子が重なりあわなくなり、非整合または非エピタキシャルな状態になる。非磁性金属層２２の原子と第１磁性層２３ａの原子が非整合または非エピタキシャルな状態になるときも、界面付近の結晶構造に歪みが生じなくなり、第１磁性層２３ａの磁歪定数λを大きくすることができなくなる。

また、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａが、体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものであってもよい。

例えば、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａがＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）によって形成されていると、第１磁性層２３ａは体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとる。

上述したように、非磁性金属層２２は、例えばｆｃｃ構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものである。

ｂｃｃ構造を有する結晶の{１１０}面として表される等価な結晶面の原子配列とｆｃｃ構造を有する結晶の{１１１}面として表される等価な結晶面の原子配列は類似しており、ｂｃｃ構造を有する結晶とｆｃｃ構造を有する結晶を、各々の原子が重なり合った整合状態、いわゆるヘテロエピタキシャルな状態にすることができる。

さらに、第１磁性層２３ａの{１１０}面内の最近接原子間距離と、非磁性金属層２２の{１１１}面内の最近接原子間距離には、一定以上の差が生じている。このため、第１磁性層２３ａと非磁性金属層２２の界面付近では、第１磁性層２３ａを構成する原子と非磁性金属層２２を構成する原子が互いに重なり合いつつも、それぞれの結晶構造に歪みが生じる。従って、第１磁性層２３ａの結晶構造に歪を生じさせることによって磁歪定数λを大きくさせることができる。

なお、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）は、ｆｃｃ構造をとるＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）より、特に、ｙ＝５０付近の組成において、磁歪定数λの値が大きいので、より大きな磁気弾性効果を発揮することができる。また、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）は、保磁力が大きく、固定磁性層２３の磁化固定を強固にすることができる。

なお、本発明では、第１磁性層２３ａと非磁性金属層２２の界面付近で、第１磁性層２３ａを構成する原子と、非磁性金属層２２を構成する原子の大部分が互いに重なり合う整合状態になっていればよい。例えば、図３に模式的に示すように、一部に、第１磁性層２３ａを構成する原子と、非磁性金属層２２を構成する原子が重なり合わない領域があってもよい。

また、第２磁性層２３ｃの材料には、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）、ｆｃｃ構造をとるＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）のどちらを用いてもよい。

第２磁性層２３ｃの材料に、ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）を用いると、正磁歪を大きくすることができる。ｂｃｃ構造をとるＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）は、保磁力が大きく、固定磁性層２３の磁化固定を強固にすることができる。また、非磁性中間層２３ｂを介した第１磁性層２３ａと第２磁性層２３ｃ間のＲＫＫＹ相互作用が強くなる。

一方、第２磁性層２３ｃは、非磁性材料層２４に接しており、磁気抵抗効果に大きな影響を及ぼす層なので、ｆｃｃ構造をとるＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）を用いて形成すると磁気抵抗効果の劣化が少ない。

図６ないし図８は、固定磁性層２３の他の様態を示す部分断面図である。
図６に示されるように、固定磁性層２３を構成する第１磁性層２３ａが、非磁性金属層２２側にｆｃｃ磁性層２３ａ１が設けられ、非磁性中間層側にｂｃｃ磁性層２３ａ２が設けられたものであってもよい。

ｆｃｃ磁性層２３ａ１とは、面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向する磁性層であり、ｂｃｃ磁性層２３ａ２とは、体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向している磁性層である。

ｆｃｃ磁性層２３ａ１は、ＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）を用いて形成され、ｂｃｃ磁性層２３ａ２は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）によって形成される。

第１磁性層２３ａの非磁性中間層２３ｂ側の界面付近をｂｃｃ構造にすることにより、磁歪定数λの値を大きくし、大きな磁気弾性効果を発揮させることができる。また、非磁性中間層２３ｂ側の組成が、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）であると、非磁性中間層２３ｂを介した第１磁性層２３ａと第２磁性層２３ｃ間のＲＫＫＹ相互作用が強くなる。

一方、第１磁性層２３ａの非磁性金属層２２側の界面付近をｆｃｃ構造にすると、固定磁性層２３、非磁性材料層、フリー磁性層の結晶配向性が一定になり、結晶粒も大きくなって磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。

また、図７に示されるように、固定磁性層２３を構成する第２磁性層２３ｃは、非磁性材料層２４側にｆｃｃ磁性層２３ｃ２が設けられ、非磁性中間層２３ｂ側にｂｃｃ磁性層２３ｃ１が設けられたものであってもよい。

ｆｃｃ磁性層２３ｃ２とは、面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向する磁性層であり、ｂｃｃ磁性層２３ｃ１とは、体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向している磁性層である。

ｆｃｃ磁性層２３ｃ２は、ＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）を用いて形成され、ｂｃｃ磁性層２３ｃ１は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）によって形成される。

第２磁性層２３ｃの非磁性中間層２３ｂ側の界面付近をｂｃｃ構造にすることにより、磁歪定数λの値を大きくし、大きな磁気弾性効果を発揮させることができる。また、非磁性中間層２３ｂ側の組成が、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）であると、非磁性中間層２３ｂを介した第１磁性層２３ａと第２磁性層２３ｃ間のＲＫＫＹ相互作用が強くなる。

一方、第１磁性層２３ａの非磁性金属層２２側の界面付近をｆｃｃ構造にすることによって、磁気抵抗効果の劣化を抑えることができる。

または、図８に示されるように、固定磁性層２３を構成する第１磁性層２３ａは、非磁性金属層２２側にｆｃｃ磁性層２３ａ１が設けられ、非磁性中間層側にｂｃｃ磁性層２３ａ２が設けられたものであり、かつ、第２磁性層２３ｃは、非磁性材料層２４側にｆｃｃ磁性層２３ｃ２が設けられ、非磁性中間層２３ｂ側にｂｃｃ磁性層２３ｃ１が設けられたものであってもよい。

なお、図６ないし図８では、第１磁性層２３ａをｆｃｃ磁性層２３ａ１とｂｃｃ磁性層２３ａ２とが積層された構造にし、または、第２磁性層２３ｃを、ｂｃｃ磁性層２３ｃ１とｆｃｃ磁性層２３ｃ２とが積層された構造にしている。

しかし、本発明では、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａが、非磁性金属層２２側の界面付近で、面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向し、非磁性中間層２３ｂ側の界面付近で、体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向していればよい。

従って、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａは、非磁性金属層２２側の界面付近でＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）の組成を有し、ｆｃｃ構造をとり、界面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向し、非磁性金属層２２側の界面付近から非磁性中間層２３ｂ側の界面に向かうに連れて、Ｆｅ濃度が徐々に大きくなって、非磁性中間層２３ｂ側の界面付近で、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）の組成を有し、体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向したものであってもよい。

また、第２磁性層２３ｃも同様に、非磁性材料層２４側の界面付近から非磁性中間層２３ｂ側の界面に向かうに連れて、Ｆｅ濃度が徐々に大きくなるＣｏＦｅ合金で形成されてよい。

図９は、本発明の第２の実施の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である。

図９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、多層膜Ｔ１の代わりに、多層膜Ｔ２が形成されている点で図１に示された磁気検出素子と異なっている。多層膜Ｔ２は、下から順にシードレイヤ２１、フリー磁性層２５、非磁性材料層２４、第２磁性層２３ｃ、非磁性中間層２３ｂ、第１磁性層２３ａからなる固定磁性層２３、非磁性金属層２２、及び保護層２６が積層されたものである。すなわち、多層膜Ｔ２は、多層膜Ｔ１の各層の積層順序を逆にしたものである。

本実施の形態の磁気検出素子でも、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａが非磁性金属層２２に接している。

本実施の形態でも、非磁性金属層２２の結晶構造は、例えば成膜時の状態である面心立方構造（ｆｃｃ）を維持しつづける。

従って、非磁性金属層２２を構成する原子と、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａを構成する原子とが互いに重なりあいやすくなり、非磁性金属層２２内の結晶と第１磁性層２３ａ内の結晶がエピタキシャルな整合状態になりやすくなる。

しかも、第１磁性層２３ａの{１１１}面内または{１１０}面内の最近接原子間距離と、非磁性金属層２２の{１１１}面内の最近接原子間距離には、一定以上の差が生じている。このため、第１磁性層２３ａと非磁性金属層２２の界面付近では、第１磁性層２３ａを構成する原子と非磁性金属層２２を構成する原子が互いに重なり合いつつも、それぞれの結晶構造に歪みが生じる。従って、第１磁性層２３ａの結晶構造に歪を生じさせることによって磁歪定数λを大きくさせることができる。

固定磁性層２３の磁気弾性効果に基づく異方性を大きくするためには、多層膜Ｔ１またはＴ２に対して、バイアス下地層２７，２７、ハードバイアス層２８，２８、及び電極層２９，２９からトラック幅方向に（図示Ｘ方向）に平行な方向及び反平行な方向に加わる圧縮応力を大きくすることが好ましい。

例えば、電極層２９，２９がＣｒ（クロム）、α−Ｔａ、またはＲｈで形成され、しかも電極層２９，２９の結晶格子面の膜面平行方向の面間隔がＣｒの場合で０．２０４４ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、α−Ｔａの場合で０．２３３７ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、Ｒｈの場合で０．２２００ｎｍ以上（ｆｃｃ構造の｛１１１｝面間隔）であると、多層膜Ｔ１またはＴ２に加わる圧縮応力を大きくすることができる。このとき、図２に示される矢印方向、すなわち電極層２９，２９の外側方向に向けて、電極層２９，２９が延伸し、多層膜Ｔ１またはＴ２に対し、トラック幅方向に（図示Ｘ方向）に平行な方向及び反平行な方向に圧縮応力が加えられる。

電極層２９，２９の結晶格子面の膜面平行方向の面間隔は、Ｘ線回折や電子線回折によって測定することができる。なお、バルク状態のＣｒ、α−Ｔａ、またはＲｈは、結晶格子面の膜面平行方向の面間隔がＣｒの場合で０．２０４０ｎｍ（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、α−Ｔａの場合で０．２３３２ｎｍ（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、Ｒｈの場合で０．２１９６ｎｍ（ｆｃｃ構造の｛１１１｝面間隔）であり、前記面間隔がこの値以上になると電極層２９，２９が多層膜Ｔ１に対し圧縮応力を与えるように作用する。

電極層２９，２９をＣｒによって形成したときと、Ａｕのような軟い金属材料によって形成したときとでは、前記圧縮応力に以下のような違いが生じる。

例えば、下から順に、バイアス下地層：Ｃｒ（５０Å）／ハードバイアス層：ＣｏＰｔ（２００Å）／中間層：Ｔａ（５０Å）／電極層：Ａｕ（８００Å）／保護層：Ｔａ（５０Å）が積層された膜が生じさせる圧縮応力は、２８０ＭＰａである。

これに対し、下から順に、バイアス下地層：Ｃｒ（５０Å）／ハードバイアス層：ＣｏＰｔ（２００Å）／中間層：Ｔａ（５０Å）／電極層：Ｃｒ（１４００Å）／保護層：Ｔａ（５０Å）が積層された膜が生じさせる圧縮応力は、６７０ＭＰａである。

なお、中間層Ｔａ（５０Å）と保護層Ｔａ（５０Å）は図１には示されていないが、それぞれ、電極層の配向性を整える層と酸化防止層として機能する。

なお、電極層２９，２９をスパッタ成膜するときには、イオンビームスパッタ法を用い、スパッタ装置内のＡｒ，Ｘｅ，Ｋｒなどの圧力を５×１０^−３〜１×１０^−１（Ｐａ）と小さくする。スパッタ装置内のＡｒ，Ｘｅ，Ｋｒなどの圧力が小さいと、電極層を形成するＣｒ，Ｔａ，Ｒｈ原子がＡｒ原子に衝突する確率が減少するので、Ｃｒなどの原子は高いエネルギーを保持したまま堆積していく。既に成膜されているＣｒなどの膜に、ターゲットから飛来したなどのＣｒ原子が大きなエネルギーをもって衝突して埋め込まれていくと、電極層２９，２９が外側方向に向けて延伸する。

固定磁性層２３のトラック幅方向の両端部はハードバイアス層２８，２８が発生する縦バイアス磁界によって磁化方向が傾きやすくなっている。しかし、固定磁性層２３のトラック幅方向の両端部には大きな圧縮応力が加わる。従って、固定磁性層２３のトラック幅方向の両端部は、磁気弾性効果による異方性が大きくなり、磁化方向が一方向に強く固定される。

第１，第２の実施形態は、固定磁性層２３の両側からの圧縮応力と磁歪との関係に基づく一軸異方性によって、固定磁性層２３の磁化方向を固定するものであり、固定磁性層にかかる圧縮応力は固定磁性層２３の光学的トラック幅方向の両端部で強く、中央部で弱い。従って、固定磁性層２３の光学的トラック幅方向の幅寸法が大きいと、固定磁性層２３の中央部付近の磁化方向固定力が小さくなる。従って、固定磁性層２３の光学的トラック幅寸法Ｗ１は、０．１５μｍ以下であることが好ましい。

なお、フリー磁性層２５の磁歪は負磁歪にすることが好ましい。上記したように、磁気検出素子の多層膜Ｔ１には、両側から圧縮応力が加わっているので、負磁歪のフリー磁性層２５は磁気弾性効果によって、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に平行または反平行方向が磁化容易軸になりやすくなる。

フリー磁性層２５のトラック幅方向の両端部は反磁界によって磁化が不安定になりやすい。しかし、フリー磁性層２５のトラック幅方向の両端部は、ハードバイアス層２８，２８に近く、大きな圧縮応力が加わる。従って、フリー磁性層２５のトラック幅方向の両端部は、磁気弾性効果による異方性が大きくなり、磁化方向が安定化する。

従って、ハードバイアス層２８，２８の膜厚を小さくして、縦バイアス磁界を小さくしてもフリー磁性層２５を安定した単磁区状態にすることができる。ハードバイアス層２８，２８の膜厚を小さくして、縦バイアス磁界を小さくできると、固定磁性層２３のハイト方向への磁化固定状態を安定化できる。

なお、フリー磁性層２５の中央部付近の圧縮応力は、両端部の圧縮応力よりも小さいので、磁界検出感度の低下を抑えることができる。

フリー磁性層２５の磁歪定数λは、−８×１０^−６≦λ≦−０．５×１０^−６の範囲であることが好ましい。また、ハードバイアス層２８，２８の膜厚ｔは１００Å≦ｔ≦２００Åであることが好ましい。フリー磁性層２５の磁歪λが小さすぎると、或はハードバイアス層２８，２８の膜厚ｔが厚すぎると磁気検出素子の再生感度が低下する。一方、フリー磁性層２５の磁歪λが大きすぎると、或はハードバイアス層２８，２８の膜厚ｔが薄すぎると磁気検出素子の再生波形に乱れが生じやすい。

図１、図９に示された本実施の形態の磁気検出素子は、スパッタ法又は蒸着法による薄膜形成及びレジストフォトリゾグラフィーによるパターン形成によって製造される。スパッタ法及びレジストフォトリゾグラフィーは磁気検出素子を形成するときに、通常用いられる方法を使用する。

ただし、第１磁性層２３ａを構成する原子と、非磁性金属層２２を構成する原子とを互いに重なり合わせつつ、それぞれの結晶構造に歪みを生じさせるために、非磁性金属層２２並びに第１磁性層２３ａを成膜するときには、例えば、以下の条件下で成膜することが好ましい。

ＤＣマグネトロンスパッタ法
ターゲットへの入力電力：１０〜１００Ｗ
Ａｒ圧力：０．０１〜０．５Ｐａ
ターゲット／基板間距離：１００〜３００ｍｍ

また、図１に示される磁気検出素子を形成するときには、非磁性金属層２２を成膜するときの基板温度よりも第１磁性層２３ａを成膜するときの基板温度が高くなるようにすると熱膨張の効果によって、より大きな整合歪みを生じさせることができる。図９に示される磁気検出素子を形成するときには、非磁性金属層２２を成膜するときの基板温度を第１磁性層２３ａを成膜するときの基板温度より高くなるようにすることが好ましい。

多層膜Ｔ１の両側にハードバイアス層２８，２８が設けられた、図１の磁気検出素子を形成後、ハイト方向に例えば１２００（ｋＡ／ｍ）の強磁場を印加して、第１磁性層２３ａ、第２磁性層２３ｃ、及びハードバイアス層２８，２８の磁化をハイト方向に向ける。その後、印加磁場を連続的に減少させ、第１磁性層２３ａと第２磁性層２３ｃのスピンフロップ磁界より小さくして、第１磁性層２３ａと第２磁性層２３ｃの磁化を互いに反平行方向に向ける。ハイト方向の磁場を取り去った後、さらに、トラック幅方向にハードバイアス層２８，２８の保磁力より大きな磁場を印加してハードバイアス層２８，２８を着磁する。

トラック幅方向の磁場を除くと、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａ及び第２磁性層２３ｃの磁化は、主に磁気弾性効果によってハイト方向に反平行方向または平行方向を向く。また、フリー磁性層２５はハードバイアス層２８，２８からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向に単磁区化される。

なお、固定磁性層２３の成膜時にハイト方向の磁場を印加して、固定磁性層２３の第１磁性層２３ａ及び第２磁性層２３ｃに、誘導異方性を付与してもよい。

ただし、固定磁性層２３の光学的トラック幅寸法Ｗ１が、０．１５μｍ以下になると磁気弾性効果の影響が非常に大きくなる。特に本発明では、第１磁性層２３ａ及び第２磁性層２３ｃの磁歪定数λ及びトラック幅方向に多層膜に加わる圧縮応力を大きくしているので、固定磁性層２３の磁化の固定は主に磁気弾性効果によっている。

第１，第２の実施の形態では、多層膜Ｔ１、Ｔ２の両側部にハードバイアス層２８，２８と電極層２９，２９の積層体が形成され、この積層体によって多層膜Ｔ１，Ｔ２に圧縮応力が加えられている。ただし、多層膜Ｔ１，Ｔ２の両側部にはハードバイアス層２８，２８がなくてもよい。例えば、多層膜Ｔ１，Ｔ２の両側部に、軟磁性材料層と反強磁性層の積層体が設けられていてもよいし、多層膜Ｔ１，Ｔ２の両側部が絶縁層であってもよい。

なお、本発明は、多層膜Ｔ１，Ｔ２の膜厚垂直方向にセンス電流が流されるトンネル型磁気抵抗効果素子やＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子に用いてもよい。この場合、電極層は、多層膜Ｔ１，Ｔ２の上下にそれぞれ形成されることになる。

次に本発明における第３の実施形態の磁気検出素子について以下に説明する。図１，図９を用いて説明した磁気検出素子と異なるのは、前記非磁性金属層２２が、反強磁性層４０で形成されている点である。

ただし前記反強磁性層４０は、前記第１磁性層２３ａとの間で一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じないか、あるいは生じても極めて弱く前記交換結合磁界によって前記第１磁性層２３ａの磁化をハイト方向に強固に固定することは出来ない。

前記反強磁性層４０は、前記第１磁性層２３ａとの間で反強磁性的な交換結合を生じている。しかし前記反強磁性層４０の膜厚は５Å以上で５０Å以下、好ましくは５Å以上で１８Å以下、より好ましくは１４Å以上で１８Å以下といった非常に薄い膜厚で形成されているから、反強磁性層４０のＫ_ＡＦ（結晶磁気異方性）・ｔが、Ｊｋ（反強磁性体と強磁性体との界面における界面交換結合エネルギー）（なおＫ_ＡＦ・ｔ，Ｊｋはいずれも単位がＪ／ｍ^２である）より小さいため、強磁性スピンと共に反強磁性スピンも回るが、前記Ｋ_ＡＦの分、前記第１磁性層２３ａに異方性分散が生じるものと考えられる。

上記のように前記反強磁性層４０の影響で第１の磁性層２３ａに異方性分散が生じている結果、前記第１磁性層２３ａとの間で一方向の交換結合磁界を生じないか、あるいは極めて弱い一方向の交換結合磁界しか生じないようになっているが、前記異方性分散により前記第１磁性層２３ａの保磁力Ｈｃは大きくなる。

上記したように前記反強磁性層４０の膜厚を５Å以上で１８Å以下にすることで、前記固定磁性層２３の保磁力Ｈｃを高くすることが出来ると共に、ベースラインノイズの発生率を適切に低減させることが出来る。またＰＬＲ（Pinned Layer Reversal、固定磁性層の磁化反転）の発生率を低減させることが出来る。

また前記反強磁性層４０の膜厚を１４Å以上で１８Å以下にすれば、前記固定磁性層２３の保磁力Ｈｃをより確実に高く出来ると共に、ＰＬＲ（Pinned Layer Reversal、固定磁性層の磁化反転）の発生率もより効果的に低減させることが出来る。

なお前記反強磁性層４０の膜厚は１６Å以上で１８Å以下であることが最も好ましい。これにより前記固定磁性層２３の保磁力Ｈｃを極めて高い値に確実に設定でき（具体的には６００Ｏｅ＝約４．７４×１０^４Ａ／ｍ）、またＰＬＲ（Pinned Layer Reversal、固定磁性層の磁化反転）の発生率をほぼゼロに設定できる。

本発明では、前記反強磁性層４０の材質としては、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金を提示できる。

ただしこれら合金のうち、上記のような薄い膜厚で、第１の磁性層２３ａに異方性分散を適切に生じさせるには不規則系反強磁性層を用いることが好ましく、例示すればＩｒＭｎ合金，ＲｕＭｎ合金，ＲｈＭｎ合金である。

上記したように、前記Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量は、４５原子％以上９９原子％以下であることが好ましいと説明したが、反強磁性層４０として使用する場合には、前記Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量は、１５原子％以上２９原子％以下であることが好ましい。これにより、上記のように薄い膜厚にしたときでも、異方性分散を適切に生じた反強磁性層を形成出来る。

なお非磁性金属層２２に代えて反強磁性層４０を用いた場合でも、第１磁性層２３ａとの間には図３で説明したのと同様に、反強磁性層４０を構成する原子と第１磁性層２３ａの原子とが重なり合いつつも、界面付近で結晶構造に歪みが生じている状態になる。

このように、反強磁性層４０を用いた場合でも、第１磁性層２３ａの結晶構造に歪みが生じ、第１磁性層２３ａの磁歪定数λを大きくすることができるので、大きな磁気弾性効果を発揮することができる。

このように前記非磁性金属層２２に代えて反強磁性層４０を用いた場合には、前記第１磁性層２３ａの磁歪定数λのみならず保磁力Ｈｃをも大きく出来る。

反強磁性層４０との相互作用の影響で第１の磁性層２３ａの異方性分散を大きく出来るため、前記固定磁性層２３の保磁力Ｈｃを大きく出来る。このため、磁気検出素子をメディア上に走行させた時に、前記磁気検出素子がメディア上の突起等に衝突するなどし、または製造過程中に生じたメカニカルストレスによっても、ハイト方向に向けられていた固定磁性層２３の磁化は反転しなくなり、仮に反転したとしてもトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向にまで磁化反転を起こさなくなるから、前記ストレスが除去されれば再び元の磁化状態に適切に（スムーズに）戻る。この結果、再生特性を前記メカニカルストレスが生じた場合でも安定したものにでき、磁気検出素子の信頼性を向上させることが出来る。

なお反強磁性層４０の結晶配向等は、図１や図９で説明した非磁性金属層２２と同じであり、またその他の構成においても図１と図９で説明したものと変らない。

以上本発明をその好ましい実施例に関して述べたが、本発明の範囲から逸脱しない範囲で様々な変更を加えることができる。

なお、上述した実施例はあくまでも例示であり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。

ＰｔＭｎ層にＣｏＦｅ層を積層し、ＰｔＭｎ層の組成比を変化させたときのＣｏＦｅの磁歪の変化を調べた。

以下の多層膜を成膜し、２９０℃で４時間アニールした。
シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／Ｐｔ_xＭｎ_100-x（３０Å）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２０Å）／Ｒｕ（９Å）

本実施例では、第２磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層などを省略することによって、第１磁性層２３ａの磁歪を正確に測定するようにしている。

磁歪の測定には光梃子法を用いた。レーザ光線を上記多層膜の表面に当てた状態で、前記多層膜の膜面平行方向に磁界を印加する。磁歪による多層膜の曲がりをレーザ光線の反射角度の変化として読み取り、多層膜の磁歪定数を検出する。

結果を図１０に示す。図１０に示されるように、ＰｔＭｎ層のＰｔ濃度が高くなる程、多層膜の磁歪定数λｓが大きくなる。特に、Ｐｔ濃度が５１原子％以上になると、磁歪定数が急激に増加し、Ｐｔ濃度が５５原子％以上になると磁歪定数の増加率が緩やかになる。

これは、ＰｔＭｎ層のＰｔ濃度が高くなる程、ＰｔＭｎの結晶格子定数が大きくなり、ＰｔＭｎ層とＣｏＦｅ層の界面付近の歪みが大きくなるためであると考えられる。

次に、ＰｔＭｎ層にＣｏＦｅ層を積層したときと、ＰｔＭｎ層にＣｏ層を積層したときのＣｏ及びＣｏＦｅの磁歪定数を比較した。

以下の多層膜を成膜し、２９０℃で４時間アニールした。
シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀（０Åまたは３０Å）／Ｐｉｎ１（ＸÅ）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｕ（８５Å）／Ｔａ（３０Å）（ただし、Ｐｉｎ１はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀またはＣｏ）
磁歪の測定には光梃子法を用いた。

結果を図１１に示す。Ｐｉｎ１がＣｏであっても、ＣｏＦｅであっても、ＰｔＭｎ層が下層にあるほうが、ＰｔＭｎ層がないものに比べて磁歪定数が大きくなっている。また、Ｐｉｎ１がＣｏであるほうが、ＣｏＦｅであるものよりも磁歪定数λｓが大きくなっている。

また、Ｐｉｎ１をＣｏとし、Ｐｉｎ１の下層にＰｔＭｎ層（３０Å）を設けたとき、Ｐｉｎ１の膜厚を大きくしていくと、Ｐｉｎ１の膜厚が１６Åから２０Åの範囲で磁歪定数λｓの増加が見られるが、Ｐｉｎ１の膜厚が２０Åより大きくなると磁歪定数λｓが減少している。

これは、Ｐｉｎ１が厚くなりすぎると、Ｐｉｎ１とＰｔＭｎ層の界面付近に生じた歪みによる磁歪定数増大の効果が小さくなることを示している。

次に、Ｐｉｎ１の上にＰｔＭｎ層を形成して、Ｃｏ及びＣｏＦｅの磁歪定数を比較した。

以下の多層膜を成膜し、２９０℃で４時間アニールした。
シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／Ｃｕ（８５Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｐｉｎ１（ＸÅ）／Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀（０Åまたは３０Å）／Ｔａ（３０Å）（ただし、Ｐｉｎ１はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀またはＣｏ）
磁歪の測定には光梃子法を用いた。

結果を図１２に示す。Ｐｉｎ１の上にＰｔＭｎ層を形成したときも、Ｐｉｎ１の下にＰｔＭｎ層を形成したときの結果と同様の傾向をしめした。

すなわち、Ｐｉｎ１がＣｏであっても、ＣｏＦｅであっても、ＰｔＭｎ層が上層にあるほうが、ＰｔＭｎ層がないものに比べて磁歪定数λｓが大きくなっている。また、Ｐｉｎ１がＣｏであるほうが、ＣｏＦｅであるものよりも磁歪定数λｓが大きくなっている。また、Ｐｉｎ１をＣｏとし、Ｐｉｎ１の上層にＰｔＭｎ層（３０Å）を設けたとき、Ｐｉｎ１の膜厚を大きくしていくと、Ｐｉｎ１の膜厚が１６Åから２０Åの範囲で磁歪定数λｓの増加が見られるが、Ｐｉｎ１の膜厚が２０Åより大きくなると磁歪定数が減少している。

次に、積層人工フェリ構造の多層膜にＰｎＭｎ層を重ねて磁歪を測定した。
以下の多層膜を成膜し、２９０℃で４時間アニールした。
シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀（３０Å）／Ｐｉｎ１（１６Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｐｉｎ２（４０Å）／Ｃｕ（８５Å）／Ｔａ（３０Å）（ただし、Ｐｉｎ１、Ｐｉｎ２はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀、Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀またはＣｏ）

なお、本実施の形態では、Ｐｉｎ２層の厚さを現実的に好ましい厚さよりも厚く設定することによって、Ｐｉｎ１とＰｉｎ２間のスピンフロップ磁界を大きくし、磁歪を測定しやすくしている。

磁歪の測定にはベンディング法を用いた。ベンディング法とは、上記多層膜を湾曲させて一軸性の歪みを与え、逆磁歪効果による一軸異方性の変化から磁歪定数を測定する方法である。
結果を表１に示す。

この実験結果から、Ｐｉｎ１、Ｐｉｎ２がＣｏであるほうが、ＣｏＦｅであるものよりも磁歪定数λｓが大きくなることがわかる。

次に、非磁性金属層の膜厚を変化させたときの、Ｃｏ及びＣｏＦｅの磁歪定数を比較した。

以下の多層膜を成膜し、２９０℃で４時間アニールした後、磁歪を測定した。
シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／非磁性金属層／Ｐｉｎ１／Ｒｕ（９Å）／Ｐｉｎ２（４０Å）／Ｃｕ（８５Å）／Ｔａ（３０Å）

本実施例では、第２磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層などを省略することによって、第１磁性層２３ａの磁歪を正確に測定するようにしている。

なお、非磁性金属層＝ＲｕまたはＰｔ_５０Ｍｎ_５０（ａｔ％）、Ｐｉｎ１＝Ｃｏ、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（ａｔ％）またはＦｅ_５０Ｃｏ_５０（ａｔ％）、Ｐｉｎ２＝Ｃｏ、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（ａｔ％）である。なお、以下において、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（ａｔ％）を単に「ＣｏＦｅ」と、Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０（ａｔ％）を単に「ＦｅＣｏ」と略記する。

磁歪の測定にはベンディング法を用いた。ベンディング法とは、上記多層膜を湾曲させて一軸性の歪みを与え、逆磁歪効果による一軸異方性の変化から磁歪定数を測定する方法である。

結果を図１３に示す。この実験結果から、非磁性金属層がＲｕとＰｔ_５０Ｍｎ_５０（ａｔ％）のいずれであっても、Ｐｉｎ１がＣｏまたはＦｅＣｏであるほうが、ＣｏＦｅであるものよりも磁歪定数λｓが大きくなることがわかる。ＣｏＦｅはＣｏやＦｅＣｏに比べて、歪みが発生しても磁歪が変化しにくい材料であることがその理由であると考えられる。

また、非磁性金属層が形成されたものは、非磁性金属層が形成されないものより磁歪定数が大きくなることもわかる。

Ｐｉｎ１がＣｏであるときは、非磁性金属層がＲｕとＰｔ_５０Ｍｎ_５０（ａｔ％）のいずれであっても同じくらい磁歪が増大する。

Ｐｉｎ１がＦｅＣｏであるときは、非磁性金属層がＰｔ_５０Ｍｎ_５０（ａｔ％）であるときのほうが、Ｒｕであるときより、磁歪が増大する。

なおＰｉｎ１がＣｏまたはＦｅＣｏであるとき、非磁性金属層の膜厚を５Å以上にすると、それより薄い膜厚の場合に比べて、磁歪を効果的に大きく出来ることがわかった。

ただし、あまり非磁性金属層の膜厚を厚くしすぎると、磁歪定数は減少する傾向にある。これは、非磁性金属層の膜厚が厚くなると、非磁性金属層とＰｉｎ１の界面が非整合状態になりやすくなるためと考えられる。逆にいうと、非磁性金属層の膜厚が薄くなると、非磁性金属層の格子定数が変化しやすくなり、非磁性金属層とＰｉｎ１の界面が歪みをともなう整合状態になりやすくなると考えられる。

図１３には、さらにもう一つの実験結果が掲載されている。上記と同じ多層膜の膜構成を用い、ただし非磁性金属層をＩｒ_２７Ｍｎ_７３（下付きの数値はａｔ％）に変更して前記多層膜を形成した。なおＰｉｎ１にはＦｅ_６０Ｃｏ_４０（下付きの数値はａｔ％）を、Ｐｉｎ２にはＣｏを用いた。

図１３に示すように、ＩｒＭｎを用いた多層膜では磁歪定数λｓが他の多層膜の構成に比べて非常に高い値を示し、またＩｒＭｎの膜厚を３０Å程度まで大きくしても安定した磁歪定数を得ることが出来ることがわかった。

前記ＩｒＭｎは、図１３で非磁性金属層として用いたＰｔＭｎやＲｕと異なり反強磁性層であると考えられる。それは次の保磁力Ｈｃの実験結果のところで説明する。

図１４（ａ）（ｂ）は、シリコン基板／アルミナ（１０００Å）／Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀（５２Å）／Ｉｒ_２７Ｍｎ_７３あるいはＰｔ_５０Ｍｎ_５０／ＦｅＣｏ／Ｒｕ（９Å）／Ｃｕ（８５Å）／Ｔａ（３０Å）の膜構成からなる多層膜を形成し、Ｉｒ_２７Ｍｎ_７３あるいはＰｔ_５０Ｍｎ_５０の膜厚と保磁力Ｈｃ及び一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示す実験結果である。

なお上記多層膜を成膜した後、２９０℃で４時間のアニールを施した。
図１４（ａ）に示すように、ＩｒＭｎ合金を用いた場合、前記ＩｒＭｎの膜厚を１２Å以上にすると急激に保磁力Ｈｃが増大し、好ましくは１４Å以上にすると６００Ｏｅ（約４．７４×１０^４Ａ／ｍ）以上、より好ましくは１６Å以上にすると８００Ｏｅ（約６．３２×１０^４Ａ／ｍ）以上の保磁力Ｈｃが得られることがわかった。

一方、図１４（ａ）に示すようにＩｒＭｎの膜厚を１８Å以上にすると、一方向性の交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じることがわかった。

また図１４（ｂ）に示すように、ＰｔＭｎ合金を用いた場合、ＰｔＭｎ合金の膜厚を５５Å以上にすると一方向性の交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じることがわかった。

前記一方向性の交換結合磁界は反強磁性層が十分な膜厚でないと熱的に不安定であるが、本発明では前記一方向性の交換結合磁界を生じない厚さに調整するので、ＩｒＭｎ合金を用いた場合の膜厚は１８Åより薄く、ＰｔＭｎ合金を用いた場合は５５Åより薄いことが好ましいことがわかった。

また図１４（ａ）（ｂ）に示すように、ＩｒＭｎ及びＰｔＭｎの膜厚が０（すなわちこれらの下地層が設けられていない）の場合、保磁力Ｈｃはそれなりに大きな値となるが、図１３に示すようにこれら下地を設けていないと磁歪定数λが非常に小さくなってしまう。前記下地は最低でも５Å以上ないと十分な磁歪定数λが得られず、本発明としては、下地の膜厚を５Å以上で、しかも一方向性の交換結合磁界が生じず、且つシャントロスが十分に小さくなるように前記下地の膜厚を調整することが必要である。

図１５は、図１４の実験で使用した多層膜を用い、超音波メカストレス印加試験でのＩｒＭｎあるいはＰｔＭｎの膜厚と、ＰＬＲ（Pinned Layer Reversal、固定磁性層の磁化反転）の発生率（％）との関係を求めたグラフである。実験では、上記多層膜を備えた磁気ヘッドを超音波洗浄して、故意にメカニカルストレスを生じさせた状態で、ＰＬＲ発生率を測定した。

図１５に示すように、Ｐｉｎ１の下地としてＩｒＭｎを用いた場合、ＩｒＭｎの膜厚を約５Å以上にするとＰＬＲ発生率を５％程度にまで低下させることができ、またＩｒＭｎの膜厚を１４Å以上にするとＰＬＲ発生率を５％以下に抑えることができ、さらにＩｒＭｎの膜厚を１６Å以上にするとＰＬＲ発生率をほぼ０％にできることがわかった。

図１５のグラフと図１４のグラフとを照らし合わせると、ほぼ対称関係にあることがわかる。すなわち図１４のグラフで示すように保磁力Ｈｃが大きくなるとＰＬＲ発生率は低下することがわかった。

このように保磁力とＰＬＲ発生率との間には密接な関係がある。Ｐｉｎ１の下地としてＰｔＭｎを用いた場合にはＰＬＲ発生率が高く、メカニカルストレスに弱い磁気検出素子しか製造できないが、Ｐｉｎ１の下地としてＩｒＭｎを用いれば、メカニカルストレスが生じても固定磁性層の磁化反転を抑制でき、より信頼性に優れた磁気検出素子を製造できることがわかった。

図１６は、図１４の実験で使用した多層膜を用い、ＩｒＭｎあるいはＰｔＭｎの膜厚と、これらの多層膜を備えた磁気ヘッドのベースラインノイズの発生率（％）との関係を求めたグラフである。

実験では実際の磁気ヘッドの、再生出力のベースラインに乗るベースラインノイズがある閾値を越える不良ヘッドの発生率を測定した。

図１６に示すように、Ｐｉｎ１の下地としてＩｒＭｎを用いたとき、前記ＩｒＭｎの膜厚が１８Å以上になると急激にベースラインノイズが増大することがわかった。

図１３ないし図１６に示す実験結果から次のことを導き出すことが出来る。Ｐｉｎ１に接して形成される非磁性金属層あるいは反強磁性層の膜厚としては５Å以上であることが好ましい。これによって磁歪定数λｓを適切に大きくすることが可能である（図１３を参照）。また反強磁性層の場合は、保磁力増大に貢献でき、ＰＬＲ発生率の低減を図ることが出来る（図１４，図１５を参照）。また非磁性金属層あるいは反強磁性層の膜厚が５０Å以上になるとシャントロスが増大して出力低下に繋がり好ましくない。

よって前記非磁性金属層あるいは反強磁性層の膜厚は５Å以上で５０Å以下であることが好ましい。

次に、反強磁性層（ＩｒＭｎ）を用いる場合には、５Å以上で１８Å以下の膜厚であることが好ましい。反強磁性層（ＩｒＭｎ）の膜厚を１８Å以下にするとベースラインノイズの発生を適切に抑制することが出来る（図１６を参照）。また保磁力Ｈｃも大きくすることが出来る（図１４を参照）。また下地としてＩｒＭｎを用いた場合、一方向性の交換結合磁界（Ｈｅｘ）の発生を０に出来る。なおベースラインノイズはＩｒＭｎのブロッキング温度の低さに起因した熱ゆらぎノイズである可能性があるので、ブロッキン温度の高い反強磁性層を用いた場合は膜厚を１８Åより厚くしてもよい可能性がある。

また前記反強磁性層の膜厚の下限値は１４Å以上であることが好ましく、より好ましくは、１６Å以上である。これにより、より適切に保磁力Ｈｃの増大を図ることができ、ＰＬＲ発生率も適切に低減できる。特に反強磁性層の膜厚を１６Å以上にすればＰＬＲ発生率をほぼ０にすることが出来る（図１４，図１５を参照）。また図１４（ａ）に示すように、保磁力を８００Ｏｅ（約６．３２×１０^４Ａ／ｍ）以上得ることが出来る。

本発明の第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断面図、 図１に示された磁気検出素子の平面図、 非磁性金属層と固定磁性層が整合しつつ、歪みが生じている状態を示す模式図、 非磁性金属層と固定磁性層が整合している状態を示す模式図、 非磁性金属層と固定磁性層が非整合している状態を示す模式図、 本発明の磁気検出素子の固定磁性層付近の部分断面図、 本発明の磁気検出素子の固定磁性層付近の部分断面図、 本発明の磁気検出素子の固定磁性層付近の部分断面図、 本発明の第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断面図、 ＰｔＭｎ層にＣｏＦｅ層を積層し、ＰｔＭｎ層の組成比を変化させたときのＣｏＦｅの磁歪の変化を示すグラフ、 ＰｔＭｎ層にＣｏＦｅ層を積層したときと、ＰｔＭｎ層にＣｏ層を積層したときのＣｏ及びＣｏＦｅの磁歪定数を示すグラフ、 ＣｏＦｅ層の上にＰｔＭｎ層を積層したときと、Ｃｏ層の上にＰｔＭｎ層を積層したときのＣｏ及びＣｏＦｅの磁歪定数を示すグラフ、 非磁性金属層（ＰｔＭｎ，Ｒｕ）あるいは反強磁性層（ＩｒＭｎ）と強磁性層を積層した多層膜の磁歪を測定した結果を示すグラフ、 ＩｒＭｎと強磁性層を積層した多層膜の保磁力、及び一方向性交換結合磁界（Ｈｅｘ）を測定した結果を示すグラフ、 ＰｔＭｎと強磁性層を積層した多層膜の保磁力、及び一方向性交換結合磁界（Ｈｅｘ）を測定した結果を示すグラフ、 ＰｔＭｎあるいはＩｒＭｎと強磁性層を積層した多層膜のＰＬＲ発生率を測定した結果を示すグラフ、 ＰｔＭｎあるいはＩｒＭｎと強磁性層を積層した多層膜のベースラインノイズ発生率を測定した結果を示すグラフ、 従来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断面図、

符号の説明

２０ 下部ギャップ層
２１ シードレイヤ
２２ 非磁性金属層
２３ 固定磁性層
２３ａ 第１磁性層
２３ｂ 非磁性中間層
２３ｃ 第２磁性層
２４ 非磁性材料層
２５ フリー磁性層
２６ 保護層
２７ バイアス下地層
２８ ハードバイアス層
２９ 電極層
３０ 上部ギャップ層
４０ 反強磁性層

Claims (24)

1. 固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
   前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層が、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなる非磁性金属層に接しており、前記非磁性金属層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とする磁気検出素子。
2. 固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
   前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層は、反強磁性層に接しており、前記反強磁性層は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなり、しかも前記第１の磁性層との間で一方向の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じず、前記反強磁性層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とする磁気検出素子。
3. 前記非磁性金属層または反強磁性層の膜厚は、５Å以上５０Å以下である請求項１または２記載の磁気検出素子。
4. 前記反強磁性層の膜厚は、５Å以上１８Å以下である請求項２記載の磁気検出素子。
5. 前記反強磁性層の膜厚は、１４Å以上１８Å以下である請求項４記載の磁気検出素子。
6. 固定磁性層とフリー磁性層が非磁性材料層を介して積層されている磁気検出素子において、
   前記固定磁性層は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層されたものであって、前記複数の磁性層のうち前記非磁性材料層から最も離れた位置に形成されている第１の磁性層は、反強磁性層に接しており、前記反強磁性層は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金からなり、しかも前記反強磁性層の膜厚は５Å以上１８Å以下であり、前記反強磁性層内の結晶と前記第１の磁性層内の少なくとも一部の結晶はエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルな状態であり、前記固定磁性層の記録媒体との対向面側の端面が開放されていることを特徴とする磁気検出素子。
7. 前記反強磁性層の膜厚は１４Å以上１８Å以下である請求項６記載の磁気検出素子。
8. 前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ，ＲｕＭｎあるいはＲｈＭｎである請求項２，４，５，６，７のいずれかに記載の磁気検出素子。
9. Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量は、１５原子％以上２９原子％以下である請求項２，４，５，６，７，８のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. Ｘ―Ｍｎ合金中のＸ元素の含有量は、４５原子％以上９９原子％以下である請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出素子。
11. 前記非磁性金属層または反強磁性層は、前記固定磁性層の第１の磁性層側の界面付近あるいは全領域において面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向している請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁気検出素子。
12. 前記フリー磁性層と前記固定磁性層の両側端部には、フリー磁性層に縦バイアス磁界を供給するバイアス層が設けられている請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁気検出素子。
13. 前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近あるいは全領域において面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向している請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子。
14. 前記固定磁性層の第１の磁性層は、ＣｏまたはＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）からなる請求項１３に記載の磁気検出素子。
15. 前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近あるいは全領域において体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向している請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子。
16. 前記固定磁性層の第１の磁性層は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）からなる請求項１５記載の磁気検出素子。
17. 前記固定磁性層の第１の磁性層の、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近は面心立方構造（ｆｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しており、前記非磁性中間層側の界面付近は体心立方格子（ｂｃｃ）構造をとり、前記界面と平行な方向に、{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向している請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子。
18. 前記固定磁性層の第１の磁性層の、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面付近の組成はＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）またはＣｏであり、前記非磁性中間層側の界面付近の組成はＣｏ_ｘＦｅ_ｙ（ｙ≧２０，ｘ＋ｙ＝１００）である請求項１７記載の磁気検出素子。
19. 前記固定磁性層の第１の磁性層は、前記非磁性金属層側または反強磁性層側の界面から前記非磁性中間層側の界面に向かうに連れて、Ｆｅ濃度が徐々に大きくなる請求項１８記載の磁気検出素子。
20. 前記界面と平行な面内における、前記非磁性金属層または反強磁性層の最近接原子間距離と、前記固定磁性層の第１の磁性層の最近接原子間距離の差を、前記第１の磁性層の最近接原子間距離で割った値が、０．０５以上０．２０以下である請求項１ないし１９のいずれかに記載の磁気検出素子。
21. 前記第１の磁性層は磁歪定数が正の値である磁性材料によって形成されている請求項１ないし２０のいずれかに記載の磁気検出素子。
22. フリー磁性層、非磁性材料層、及び前記固定磁性層の両側部には、Ｃｒ、α−Ｔａ、またはＲｈからなる電極層が形成されている請求項１ないし２１のいずれかに記載の磁気検出素子。
23. 前記電極層の結晶格子面の膜面平行方向の面間隔がＣｒの場合で０．２０４４ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、α−Ｔａの場合で０．２３３７ｎｍ以上（ｂｃｃ構造の｛１１０｝面間隔）、Ｒｈの場合で０．２２００ｎｍ以上（ｆｃｃ構造の｛１１１｝面間隔）である請求項２２記載の磁気検出素子。
24. 前記固定磁性層の光学的トラック幅寸法が、０．１５μｍ以下である請求項１ないし２３のいずれかに記載の磁気検出素子。

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