JP2004289144A - 磁気センサおよび磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁界に対して敏感な軟磁性自由層を用いた磁気センサおよびこれを搭載した磁気記録再生装置を提供する。
【解決手段】磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出するスピンバルブ膜構造を有し、該スピンバルブ膜中に酸化膜層またはアモルファス層が挿入され、該酸化物層またはアモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角度が±５度の範囲にあり、前記軟磁性自由層の結晶の積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が、１ｎｍから１５ｎｍの範囲にある磁気センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗型センサおよび磁気記録再生装置に係わり、特に記録密度の高い再生装置に関する。

近年、記録密度の向上を目的に巨大磁気抵抗効果を利用した磁気センサの開発が進められている。このセンサはスピンバルブ構造と呼ばれる軟磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層の積層構造である。

強磁性層／反強磁性層界面に発生する交換結合磁界によって磁性層の磁化が固定され、軟磁性層の磁化が外部磁界によって回転することで、非磁性層で隔てられた磁性層間の磁化の角度に依存する抵抗変化が生じ、高い信号出力を得ることができる。磁化が固定されている強磁性層を固定層，磁化が回転する軟磁性層を自由層と呼ぶ。

スピンバルブ膜の感度は、自由層が外部磁界に対して敏感に回転することに依存する。外部磁界に対して自由層の磁化がどの程度回転したかを示す、磁気特性として
Ｈｃ(Ｈcross) がある。

固定層の磁化の向きと９０゜の角度で外部磁界Ａ（例えば１０Ｏｅ）印加した状態で、強磁性層の磁化と平行な方向に印加した外部磁界Ｂを変化させたときのＭＨループを測定し、そのときの保持力をＨｃ(Ｈcross ＝１０Ｏｅ)と表す。この値が小さい程、外部磁界に対して容易に自由層の磁化が回転することを表している。

過去の経験から、自由層の結晶粒径を小さくすると、外部磁界に対して容易に自由層の磁化が回転すると考えられている。従来は基板上に結晶配向や粒径を制御するための下地膜を成膜し、その上に結晶粒径と配向を制御したスピンバルブ膜を形成していた。

下地膜の結晶粒径＝自由層の結晶粒径として、Ｈｃ(cross) との相関を得ていた。しかし、最近では、下地膜を用いた粒径制御では自由層の結晶粒径を十分小さくできなくなってきた。

なお、磁気記録媒体表面の磁性膜の粒径分布に関しては、Ａｌ板にＮｉＰメッキを施した基板上にＣｒ下地膜を成膜し、その上にＣｏＣｒＰｔ合金を積層した膜構造を斜入射Ｘ線回折により測定した例がある（例えば、非特許文献１参照）。

Shapon Li 他８名"Detrmination og grain size distribution inMagnetic Recording Media by Grazing Incidence X-ray Diffraction.（斜入射Ｘ線回折による磁気記録媒体の粒径分布測定）"：IEEE Transcations on Magnetics, U.S.A. IEEE発行２００１年７月 Vol.37 No.4 p1947〜1949。

下地膜からの粒径制御が困難なため、自由層の結晶粒径を微細化する方法が検討されている。しかし、自由層の膜厚は数ｎｍと非常に薄いため、その粒径を直接計測することは困難である。このため断面ＴＥＭ像のコントラストから平均粒径を推定していたが、この方法では正確な平均粒径が得られないため、自由層の粒径を制御することは困難である。

また、非特許文献１に記載された試料は、Ａｌ板にＮｉＰメッキした基板上にＣｒ（結晶構造：体心立方構造［ｂｃｃ］）下地膜を成膜し、その上にＣｏＣｒＰｔＴａ合金（結晶構造：六方稠密構造［ｈｃｐ］）を成膜した試料（以下、試料α）と、膜厚１ｎｍの
Ｐｄ（面心立方構造［ｆｃｃ］）と膜厚０.３８ｎｍのＣｏ（結晶構造：ｆｃｃ）のペアを１３回繰り返した試料（以下、試料β）である。

この例では、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金，［Ｐｄ／Ｃｏ］ｘ１３ペア全てからの面内回折を測定している。ＮｉＰはアモルファスであり、Ｃｒ下地膜の回折線はｈｃｐのCoCrPtTaやｆｃｃの［Ｐｄ／Ｃｏ］ｘ１３ペアの回折線と重ならないため、入射角を高精度に制御する必要がない。

しかしながら、Ｎｉ合金下地膜上に反強磁性層、その上に固定層１(結晶構造：ｆｃｃ)，Ｒｕ（結晶構造：ｈｃｐ），固定層２（結晶構造：ｆｃｃ），非磁性層（Ｃｕ；結晶構造：ｆｃｃ），自由層（結晶構造：ｆｃｃ）と積層した試料（以下、試料γ）では、高精度に入射角を制御しなければ、非磁性層や固定層，下地膜の回折線が自由層の回折線と重なるため、自由層の結晶粒径だけを測定することができない。

さらに、試料αのＣｏＣｒＰｔ合金は＜００１＞配向のｈｃｐ構造のため、非特許文献１が使用しているＣｕＫα線(波長：０.１５４２ｎｍ)でも、面内回折として、(１０ｈ)の指数系である、（１０１），（１０２），（１０３），（１０４）と４本の回折線が測定可能であり、これらを用いて歪を取り除いて粒径とその分布を求めることができる。また試料βの場合は配向が低いため、（１１１）と（２２２），（２００）と（４００）の同じ指数系の回折線が複数測定でき、これらを用いて歪を取り除いて粒径とその分布を求めることができる。

一方、試料γは＜１１１＞配向しているｆｃｃ構造のため、（ｈｈ０）系の指数しか面内回折として測定できない。しかもＣｕＫα線(波長：０.１５４２ｎｍ)では、(４４０)回折は原理的に測定できない。また（４４０）回折線の強度は非常に弱いため、通常のＸ線源を用いて測定することは非常に困難である。

非特許文献１に記載された試料は、入射角を高精度に制御することなく、よく使用されているＸ線を用いて複数の面内回折線が測定可能なため、粒径解析が容易な試料であり、このような試料の粒径解析は一般的である。

しかし、試料γの場合、通常の測定では（２２０）回折しか測定できないため、粒径と歪を分離することが困難である。また、（４４０）回折を測定するためには、波長の短いＸ線を用いる必要があり、しかも非磁性層とそれより下層の回折線が測定されないように、入射角を高精度で制御する必要もある。これらの事情から、本発明における試料γのような構造体について、表面付近の層の粒径解析をした例はない。

そこで本発明の課題は、磁気記録媒体などの外部磁界に対して、敏感に磁化が回転する自由層を用いた、ＣＰＰ型，ＣＩＰ型の高感度磁気センサおよびこれを搭載した磁気記録再生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の磁気センサは、磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出するスピンバルブ構造を有し、該スピンバルブ構造は軟磁性自由層，非磁性層，強磁性固定層，反強磁性層を含む積層構造であり、前記反強磁性層が前記強磁性固定層の磁化を交換結合で固定し、前記軟磁性自由層の磁化が外部磁界に応じて回転して、該軟磁性自由層の磁化と前記強磁性固定層の磁化との相対角度が変化すると磁気抵抗が変化する、巨大磁気抵抗型であり、特に電流を面内方向に流す（Current In−Plane ：ＣＩＰ）
ＣＩＰ型磁気センサにおいて、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１０ｎｍ範囲にあることを特徴とするものである。

また、本発明の磁気センサは、巨大磁気抵抗型の磁気センサで、特に電流を成膜方向に流す（Current Perpendicular Plane ：ＣＰＰ）ＣＰＰ型磁気センサにおいて、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１５ｎｍ範囲にあることを特徴とするものである。

より具体的には、前記記載のアモルファス層は前記スピンバルブ構造の非磁性層、または、固定層、または、反強磁性層の間に挿入されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、軟磁性自由層の結晶方位とスピンバルブ膜の積層方向とのなす角度、および軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の平均結晶粒径を、上記のように所定範囲に設定することにより、軟磁性自由層の磁気特性［Ｈｃ(cross) ］が小さくなり、磁気記録媒体などの外部磁界に対して敏感に回転するスピンバルブ膜となる。また、その実現は、例えば、Ｒｕ酸化物や、Ｆｅ酸化物，Ｃｕ酸化物のような酸化物や、Ｃｏシリサイドのような金属シリサイド，ＣｏＺｒＮｂ(ｘ)Ｔａ(１−ｘ)のように、アモルファス構造である薄膜層をスピンバルブ膜中に挿入することにより有効となる。

また、上記構成の磁気センサ、すなわち、磁気特性［Ｈｃ(cross) ］を改善した磁気センサを組み込んだ磁気ヘッドを用いることにより、高記録密度の磁気記録再生装置が得られる。

本発明によれば、Ｈｃ(cross) の小さな自由層をもつスピンバルブ膜が提供でき、外部磁界に対する感度が充分な磁気センサおよび信頼性の高い磁気記録再生装置が可能となる。

本発明の実施形態の概要は、磁気記録媒体に記録された情報を読み出すスピンバルブ膜構造の磁気センサおよび該磁気センサを搭載した磁気記録再生装置において、磁気センサのスピンバルブ膜構造に次の３つの特徴を有するものである。

（１）スピンバルブ膜中の軟磁性自由層の結晶方位とスピンバルブの積層方向とのなす角度を一定範囲内に設定。（２）軟磁性自由層の積層方向と垂直な方向の平均結晶粒径を一定範囲内に設定。（３）スピンバルブ膜中にアモルファス層を挿入。

特に、軟磁性自由層の結晶方位＜１１１＞または＜１１０＞とスピンバルブの積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、かつ、軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の平均結晶粒径が１〜１０ｎｍの範囲の場合、磁気記録媒体などの外部磁界に対して、軟磁性自由層の磁化が回転しやすい高感度の磁気センサおよび高記録密度の磁気記録再生装置が得られる。以下、本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の一実施形態として、図１に、平均結晶粒径が７ｎｍの自由層を用いた磁気センサ、および、この磁気センサを組み込んだ磁気ヘッド構造、および、該磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の概略図を示す。

図１（ａ）は、磁気記録再生装置の概略図で、情報が書き込まれる磁気記録媒体１と、磁気信号を読み出す磁気センサおよび磁気信号を書き込む記録ヘッドからなる磁気ヘッド３が先端に搭載されているアーム２とを示している。円板中心を軸に回転する媒体１と円板の半径方向に駆動するアーム２とにより、媒体のすべての場所に情報を記録したり再生したりできる。

図１（ｂ）は、磁気ヘッド３の概略構成を示し、磁極４，コイル５，電極６等を具備し、図中○で囲んだ部位が磁気センサ７で、この面が媒体１に近接した状態で記録信号を読み出す。

図１(ｃ)は、本発明における要部で、磁気センサ７の膜構造を示している。媒体１に書き込まれた磁化の漏れ磁界による電極間の電気抵抗変化により、磁化信号を読み出す構造である。磁気センサ７の膜構造は、前述のスピンバルブ膜と同じ構成で、ＲｕとＣｏＦｅの間にＦｅ酸化物を入れた構造とした。

すなわち、基板１０上の下地層１１に、反強磁性層１２（ＭｎＰｔ），強磁性固定層
１３（ＣｏＦｅ），非磁性金属層１４（Ｒｕ），強磁性固定層１６（ＣｏＦｅ），酸化物層１５（Ｆｅ），強磁性固定層１６（ＣｏＦｅ），非磁性層１７（Ｃｕ），軟磁性自由層
１８（ＣｏＦｅ），キャップ層１９が、この順で積層されている。なお、符号２０は磁区制御膜である。

尚、強磁性固定層１３，非磁性金属層１４，強磁性固定層１６は、併せて積層フェリ構造型固定層という場合がある。

なお、このスピンバルブ膜のＨｃ(cross＝１０Ｏｅ) は０.１０３Ｏｅ 、平均結晶粒径は７.３ｎｍ である。このような膜構造の磁気センサを磁気ヘッドに組み込み、該磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な感度が得られ、動作の信頼性も良好であった。

以下に、本発明になる磁気センサの膜構造のＸ線回折と、その計測結果を説明する。スピンバルブ膜はマグネトロンスパッタ装置で基板上に、下地膜／反強磁性層（ＭｎＰｔ）／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／キャップ膜の順に成膜した。このとき、Ｒｕ／／ＣｏＦｅの間にＦｅ酸化物を挿入したスピンバルブ膜（試料Ａ）と酸化物を挿入しない試料（試料Ｂ）を作成した。

Ｘ線回折法により、スピンバルブ膜の配向を調べた。スピンバルブ膜に積層したCoFeは、Ｆｅの濃度によって、原子が面の中心に位置するＦＣＣ構造と、体の中心に位置する
ＢＣＣ構造をとる。ＦＣＣ構造の場合、＜１１１＞方向に、ＢＣＣ構造の場合は＜110＞に配向する。

図２は、ＦＣＣ構造のＣｏＦｅ（１１１）面回折のロッキングカーブである。ロッキングカーブの幅が配向の幅を表しているので、ＣｏＦｅは＜１１１＞配向し、配向の幅は酸化膜の有無に関係なく±２.８゜であることが分かった。ＢＣＣ構造のＣｏＦｅ(１１０)面回折でロッキングカーブを測定しても、その幅は同じであった。

結晶粒径を計測するためには、面内Ｘ線回折を測定する必要が有る。＜１１１＞配向のＦＣＣ構造の場合は面内で計測でき、結晶粒径とランダム歪を分離できる回折面は(220)，（４４０）だけである。＜１１０＞配向のＢＣＣ構造の場合は幾つか組み合わせがあるが、（１１０）,(２２０）が結晶粒径とランダム歪を分離するのに適当である。

自由層の結晶粒径とランダム歪を分離して評価するために、試料すれすれ（入射角＝
０.２５）にＸ線を入射し、(２２０) 面と（４４０）面からの面内回折を計測した。図３にその回折プロファイルを示す。

入射角をすれすれに設定したことにより、ＭｎＰｔからの回折がほとんど検出されていない。これは得られた回折強度のほとんどが、酸化膜より上の磁性層からであるからと考えられる。酸化膜より上の磁性層の結晶粒径はほぼ同じと考えられるので、面内回折を解析することで得られる結晶粒径は、自由層の結晶粒径に等しいと考えてよい。

解析ではＨｏｌｌプロットを用いて、結晶粒径とランダム歪を分離し、粒径分布が正規分布であることを仮定して平均粒径を求めた。その結果、試料Ａの平均粒径は８.５ｎｍ、試料Ｂは１１.５ｎｍとなった。

次に、同じ試料の断面ＴＥＭ観察と平面ＴＥＭ観察を行った。その観察結果を図４に示す。断面ＴＥＭ観察では、自由層の粒径を決めることは困難である。自由層表面の凹凸で粒径を決めると、３０％ほど、Ｘ線の結果より大きくなった(図４（ａ）,（ｂ）参照)。

平面ＴＥＭ観察は、ＭｎＰｔ側から薄片化して平面試料を作成し、その後、上面側を
Ａｒミリングし、キャップ膜を薄くしてＴＥＭ観察を行った。観察時にＴＥＭ−ＥＤＸを用い、Ｐｔ，Ｍｎがないことと、キャップ膜の主成分であるＴａが減っていることを確認できた視野についてＴＥＭ観察を行った（図４（ｃ）,（ｄ）参照）。

上記により得られた平面ＴＥＭ像を基に粒径分布解析を行った結果、試料Ａは平均粒径７.３ｎｍ，分散１.７ｎｍ、試料Ｂは粒径１２.５ｎｍ，分散２.４ｎｍであった。これは面内Ｘ線回折の結果と比較的よく一致していた（表１参照）。

次に、挿入する酸化物を、Ｆｅ酸化物，ＣｏＦｅ酸化物，Ｒｕ酸化物に変えた試料と、酸化物を入れない試料とを作成した。結晶粒径は酸化物なしの試料が大きく、他の３種類は似た大きさになると考えられるので、Ｈｃ(cross) は、酸化物なし＞酸化物あり、の順になると予測された。

これら試料のＨｃ(cross＝１０Ｏｅ) を計測した結果、Ｈｃ(cross) の大きさは、CoFe酸化物＞酸化物なし＞Ｒｕ酸化物＞Ｆｅ酸化物、の順になった。従来の方法では、この原因がスピンバルブ膜にあるのか自由層の粒径にあるのかは判断できなかった。

先に示した面内Ｘ線回折法を用い、４試料の自由層の平均粒径を求めた。計測された回折プロファイルを図５に示す。平均粒径はＨｃ(cross) 同様、ＣｏＦｅ酸化物＞酸化物なし＞Ｒｕ酸化物＞Ｆｅ酸化物、の順になった。この相関を図６に示す。Ｈｃ(cross＝１０Ｏｅ) ＝０.２Ｏｅ 以下にするためには、自由層の結晶粒径を１０ｎｍ以下にする必要があることが分かる。

以上の結果より、自由層の磁化が外部磁界に敏感に回転するためには、自由層の粒径を１０ｎｍ以下にする必要が有ることが分かった。また、その実現には、Ｒｕ酸化物やＦｅ酸化物のような酸化物を挿入することが有効で有ることが分かった。

なお以上では、自由層を構成する結晶の粒径について説明したが、自由層の積層(膜厚)方向は１個のみの結晶で構成され、その形状は必ずしも直立した円柱ではないがほぼ柱状となっている。

図１に記載された構造で、平均粒径１５ｎｍの自由層を用いた磁気センサを搭載した磁気記録再生装置を作成した。図１(ｄ)に記載された磁気センサ７の膜構造は後述のＣＰＰ−ＧＭＲ構造である。尚、ＣＩＰ−ＧＭＲ構造でも同じ効果が得られる。

スピンバルブ膜はマグネトロンスパッタ装置で基板上に、下部電極／下地膜／反強磁性層（ＭｎＰｔ／／ＭｎＰｔ）／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／上部電極の順に成膜した。この膜構造はＣＰＰ型のＧＭＲセンサの膜構造である。ＣＰＰ型の場合、アモルファス層の電気抵抗が、大きな問題になるため、アモルファス層として、酸化物ではなく、Ｃｏシリサイドを用いた。アモルファス層は、ＭｎＰｔ／／ＭｎＰｔの間に挿入した。ＭｎＰｔ層は成膜後、熱処理することにより、規則化し反強磁性をもつ。この熱処理でも結晶化しにくいと考え、金属シリサイドをアモルファス層として選択した。

Ｘ線回折法により、スピンバルブ膜の配向を調べた。スピンバルブ膜に積層したCoFeは、上のＮｉＦｅ層との関係から、ＦＣＣ構造とした。ＦＣＣ構造の場合、＜１１１＞方向に配向する。ｆｃｃ(１１１)面のロッキングカーブを測定した結果、配向の幅が±2.4゜であることが分かった。

結晶粒径を計測するためには、面内Ｘ線回折を測定する必要が有る。本実施例の場合、ＭｎＰｔにアモルファス層を挿入した試料のため、ＭｎＰｔの粒径に違いがあると考えられる。そこで、ＭｎＰｔの面内回折を（１１０）面，（２２０）面，（２０２）面，
（３３０）面，（４４０）面と測定し、ＭｎＰｔの粒径を測定した。その結果を図７に示す。比較のため、アモルファス層のないＭｎＰｔ層の上にＧＭＲ膜を成膜した試料のMnPtの粒径も測定した。解析の結果、アモルファス層のないＭｎＰｔの粒径は１７ｎｍであったのに対して、アモルファス層の挿入により、１５ｎｍに小さくなっていた。ＭｎＰｔ層の粒径は全体の平均となるため、アモルファス層の上／下の粒径も平均化される。このため、アモルファス層より上のＭｎＰｔ層の粒径は１５ｎｍより小さいはずである。この上に成膜された磁性層の粒径も小さくなると考えられる。

そこで次に、自由層の粒径を測定した。自由層の結晶粒径とランダム歪を分離して評価するために、試料すれすれ（入射角＝０.２５）にＸ線を入射し、(２２０)面と(４４０)面からの、面内回折を計測した。ＭｎＰｔからの回折がほとんど検出されないように入射角をすれすれに設定した。これにより得られた回折強度がＭｎＰｔ層より上の磁性層からであると考えられる。アモルファス層より上の磁性層の結晶粒径はほぼ同じと考えられるので、面内回折を解析することで得られる結晶粒径＝自由層の結晶粒径と考えてよい。解析ではＨａｌｌプロットを用いて、結晶粒径とランダム歪を分離し、粒径分布が正規分布であることを仮定し平均粒径を求めた。その結果、試料の平均粒径は１４ｎｍとなった。この試料をＨｃ(cross＝１０Ｏｅ) )を計測した結果、Ｈｃ(cross) の大きさ０.２０Ｏｅとなり、外部磁界に対して敏感な磁気センサを作ることができた。ＣＩＰ−ＧＭＲよりも、大きな粒径で小さいＨｃが得られたことは膜構造の違いによると考えられる。前記実施例はＣｏシリサイドを用いたが、Ｎｉシリサイドでも同様の効果が得られた。

以上のように、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造の場合、粒径が１５ｎｍ以下であれば、Ｈc(cross)が十分小さいことが分かった。この結果より、自由層の結晶粒径が１５ｎｍ以下であれば、高感度化が実現できる。またその実現のためには、散化物や金属シリサイド等のアモルファス層を、非磁性層，固定層，反強磁性層に挿入することが有効で有ることが分かった。

本発明の別の実施例を説明する。スピンバルブ膜はマグネトロンスパッタ装置で基板上に、下部電極／下地膜／反強磁性層（ＭｎＰｔ）／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／上部電極の順に成膜した。この膜構造はＣＰＰ型のＧＭＲセンサの膜構造である。ＣＰＰ型の場合、アモルファス層の電気抵抗が、大きな問題になるため、アモルファス層として、酸化物ではなく、ＣｏＺｒＮｂ(ｘ)Ｔａ(１−ｘ)を用いた。アモルファス層は、Ｒｕ／／ＣｏＦｅの間に挿入した。

Ｘ線回折法により、スピンバルブ膜の配向を調べた。スピンバルブ膜に積層したCoFeは、上のＮｉＦｅ層との関係から、ＦＣＣ構造とした。ＦＣＣ構造の場合、＜１１１＞方向に配向する。ｆｃｃ(１１１)面のロッキングカーブを測定した結果、配向の幅が±3.0゜であることが分かった。

結晶粒径を計測するためには、面内Ｘ線回折を測定する必要が有る。＜１１１＞配向のＦＣＣ構造の場合、面内で計測でき、結晶粒径とランダム歪を分離できる回折面は(220)，（４４０）だけである。

自由層の結晶粒径とランダム歪を分離して評価するために、試料すれすれ（入射角＝
０.２５ ）にＸ線を入射し、（２２０）面と（４４０）面からの、面内回折を計測した。図８にその回折プロファイルを示す。入射角をすれすれに設定したことにより、ＭｎＰｔからの回折がほとんど検出されていない。これは得られた回折強度のほとんどがアモルファス層より上の磁性層からであると考えられる。アモルファス層より上の磁性層の結晶粒径はほぼ同じと考えられるので、面内回折を解析することで得られる結晶粒径＝自由層の結晶粒径と考えてよい。解析ではＨａｌｌプロットを用いて、結晶粒径とランダム歪を分離し、粒径分布が正規分布であることを仮定し平均粒径を求めた。その結果、試料の平均粒径は１２ｎｍとなった。この試料をＨｃ(cross＝１０Ｏｅ) を計測した結果、
Ｈｃ(cross) の大きさ０.１２Ｏｅとなり、外部磁界に対して敏感な磁気センサを作ることができた。ＣＩＰ−ＧＭＲよりも、大きな粒径で小さいＨｃが得られたことは膜構造の違いによると考えられる。

本発明の別の実施例を説明する。スピンバルブ膜はマグネトロンスパッタ装置で基板上に、下地膜／反強磁性層（ＭｎＰｔ）／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ／
ＮｉＦｅ／上部電極の順に成膜した。この膜構造はＣＩＰ型のＧＭＲセンサの膜構造である。ＣＰＰ型と同様に、Ｒｕ／／ＣｏＦｅの間にアモルファス層として、
ＣｏＺｒＮｂ(ｘ)Ｔａ(１−ｘ)を挿入した。

Ｘ線回折法により、スピンバルブ膜の配向を調べた。スピンバルブ膜に積層したCoFeは、上のＮｉＦｅ層との関係から、ＦＣＣ構造とした。ＦＣＣ構造の場合、＜１１１＞方向に配向する。ｆｃｃ(１１１)面のロッキングカーブを測定した結果、配向の幅が±2.8゜であることが分かった。

結晶粒径を計測するためには、面内Ｘ線回折を測定する必要が有る。＜１１１＞配向のＦＣＣ構造の場合、面内で計測でき、結晶粒径とランダム歪を分離できる回折面は(220)，（４４０）だけである。

自由層の結晶粒径とランダム歪を分離して評価するために、試料すれすれ（入射角＝
０.２５ ）にＸ線を入射し、（２２０）面と（４４０）面からの、面内回折を計測した。ＭｎＰｔからの回折がほとんど検出されないように、入射角をすれすれに設定した。これにより得られた回折強度のほとんどがアモルファス層より上の磁性層からであると考えられる。アモルファス層より上の磁性層の結晶粒径はほぼ同じと考えられるので、面内回折を解析することで得られる結晶粒径＝自由層の結晶粒径と考えてよい。解析ではＨａｌｌプロットを用いて、結晶粒径とランダム歪を分離し、粒径分布が正規分布であることを仮定し平均粒径を求めた。その結果、試料の平均粒径は１２ｎｍとなった。この試料を
Ｈｃ(cross＝１０Ｏｅ) を計測した結果、Ｈｃ(cross) の大きさ０.２２Ｏｅとなり、外部磁界に対して敏感な磁気センサを作ることができた。

本発明の別の実施例を説明する。スピンバルブ膜はマグネトロンスパッタ装置で基板上に、下地膜／反強磁性層（ＭｎＰｔ）／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／／Ｃｕ／CoFe／キャップ膜の順に成膜した。この膜構造はＣＩＰ型のＧＭＲセンサの膜構造である。
ＣＩＰ型の場合、アモルファス層の抵抗は、大きな問題にならないため、Ｃｕ／／Ｃｕの間にＣｕ酸化物を挿入してスピンバルブ膜を作製した。

Ｘ線回折法により、スピンバルブ膜の配向を調べた。スピンバルブ膜に積層したCoFeはＦｅの濃度によってＦＣＣとＢＣＣ構造をとる。ＦＣＣ構造の場合、＜１１１＞方向に、ＢＣＣの場合は＜１１０＞に配向する。図９はＦＣＣ構造のＣｏＦｅ（１１１）回折と
ＢＣＣ構造のＣｏＦｅ（１１０）回折のロッキングカーブである。ロッキングカーブの幅が配向の幅を表しているので、ＣｏＦｅはそれぞれ、＜１１１＞，＜１１０＞に配向し、配向の幅はそれぞれ、２.１゜，２.９゜であることが分かった。

結晶粒径を計測するためには、面内Ｘ線回折を測定する必要が有る。＜１１１＞配向のＦＣＣ構造の場合、面内で計測でき、結晶粒径とランダム歪を分離できる回折面は(220)，（４４０）だけである。＜１１０＞配向のＢＣＣ構造の場合は幾つか組み合わせがあるが、（１１０），（２２０）が結晶粒径とランダム歪を分離するのに適当である。

自由層の結晶粒径とランダム歪を分離して評価するために、試料すれすれ（入射角＝
０.２５ ）にＸ線を入射し、（２２０）面と（４４０）面からの、面内回折を入射角を変えながら計測した。図１０に、面内回折からＨａｌｌプロットを用いて、結晶粒径とランダム歪を分離し、粒径分布が正規分布であることを仮定して得た平均粒径と、侵入深さの関係を示した。入射角をすれすれにすることにより、Ｃｕ酸化膜より上の磁性層からの情報だけを取り出すことが可能と考えられるので、面内回折を解析することで得られた結晶粒径＝自由層の結晶粒径と考えた。その結果、試料の平均粒径は７.８ｎｍ となった。この試料のＨｃ(cross＝１０Ｏｅ) を計測した結果、Ｈｃ(cross) の大きさ０.１１Ｏｅ となり、外部磁界に対して敏感な磁気センサを作ることができた。

次に、平均結晶粒径が１４ｎｍの自由層を用いたＣＰＰ型ＧＭＲ磁気センサおよび、このセンサを組み込んだ磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を作成した。概略図を図１に示す。（ａ）は情報が書き込まれる磁気記録媒体と磁気信号を読み出す磁気センサおよび磁気信号を書き込む記録ヘッドからなる磁気ヘッドが先端に搭載されるアームを示している。円板中心を軸に回転する媒体と円板の半径方向に駆動するアームにより媒体のすべての場所に情報を記録・再生できる。（ｂ）は磁気センサと記録ヘッドの構造を示しており、○で囲んだ部位が磁気センサで、この面が媒体に近接した状態で記録信号を読み出す。（ｃ），（ｄ）は磁気センサの膜構造を示している。媒体に書き込まれた磁化の漏れ磁界による電極間の電気抵抗変化により磁化信号を読み出す構造である。磁気センサの膜構造は前述のＣＰＰ型のＧＭＲ膜と同じ構成で、ＭｎＰｔ層の間にＣｏシリサイドを入れた構造とした。このスピンバルブ膜のＨｃ(cross＝１０Ｏｅ)は０.２０Ｏｅ、平均結晶粒径は１４.０ｎｍ である。これを用いた磁気センサを組み込んだ磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な感度が得られ、動作の信頼性も良好であった。

（ａ）は本発明における磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の概略を示す説明図、（ｂ）は本発明における磁気センサを組み込んだ磁気ヘッドの構成図、 （ｃ），（ｄ）は本発明における磁気センサの膜構造の一例。 酸化膜の有無によるスピンバルブ膜のロッキングカーブの違いを示す図。 酸化膜の有無によるスピンバルブ膜の面内回折プロファイルを示す図。 （ａ）は試料Ａのスピンバルブ膜の断面ＴＥＭ像、（ｂ）は試料Ｂの断面 ＴＥＭ像、（ｃ）は試料Ａの平面ＴＥＭ像、（ｄ）は試料Ｂの平面ＴＥＭ像の写真映像を示す図。 挿入した酸化物を変えた場合の試料からの面内回折を示す図。 軟磁性自由層の結晶粒径と磁気特性(Ｈｃ(Ｈcross＝１０Ｏｅ)) との相関を示す特性図。 スピンバルブ膜のＭｎＰｔ層からの面内回折プロファイル。 スピンバルブ膜の自由層からの面内回折プロファイル。 ＦＣＣ構造のＣｏＦｅ（１１１）回折とＢＣＣ構造のＣｏＦｅ（１１０）回折のロッキングカーブ。 結晶粒径と侵入深さとの相関。

符号の説明

１…磁気記録媒体、２…アーム、３…磁気ヘッド、４…磁極、５…コイル、６…電極、７…磁気センサ、１０…基板、１１…下地層、１２…反強磁性膜（ＭｎＰｔ）、１３，
１６…強磁性固定層（ＣｏＦｅ）、１４…非磁性金属層（Ｒｕ）、１５…酸化物層，アモルファス層、１７…非磁性層（Ｃｕ）、１８…軟磁性自由層（ＣｏＦｅ）、１９…キャップ層、２０…磁区制御膜、２１…下部電極、２２…上部電極。

Claims (10)

1. 磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出するスピンバルブ膜構造を有し、該スピンバルブ膜中に酸化膜層またはアモルファス層が挿入され、該酸化物層またはアモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角度が±５度の範囲にあり、前記軟磁性自由層の結晶の積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
2. 磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出するスピンバルブ膜構造を有し、該スピンバルブ膜構造は、軟磁性自由層・非磁性層・強磁性固定層・反強磁性層を含む積層構造であり、前記反強磁性層が前記強磁性固定層に交換結合磁界を印加し、前記軟磁性自由層の磁化が外部磁界に応じて回転して、該軟磁性自由層の磁化と前記強磁性固定層の磁化との相対角度が変化する磁気抵抗型の磁気センサにおいて、前記スピンバルブ膜中に酸化物層またはアモルファス層が挿入され、該酸化物層またはアモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層の結晶の積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
3. 前記軟磁性自由層は、積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が１０ｎｍ以下で、かつ積層方向には１個のみの柱状結晶からなる請求項１〜２のうちいずれか１項に記載の磁気センサ。
4. 情報を磁気信号として記録した磁気記録媒体と、該磁気記録媒体に対して相対運動をして前記情報を読み出す磁気ヘッドとを備えた磁気記録再生装置であって、前記磁気ヘッドは、前記磁気信号を検出するスピンバルブ膜構造の磁気センサを具備し、該磁気センサは、前記スピンバルブ膜中に酸化膜層が挿入され、該酸化物層またはアモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角度が±５度の範囲にあり、前記軟磁性自由層の結晶の積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にある磁気センサであることを特徴とする磁気記録再生装置。
5. 情報を磁気信号として記録した磁気記録媒体と、該磁気記録媒体に対して相対運動をして前記情報を読み出す磁気ヘッドとを備えた磁気記録再生装置であって、前記磁気ヘッドは、前記磁気信号を検出するスピンバルブ膜構造の磁気センサを具備し、該磁気センサは、前記スピンバルブ膜構造が、軟磁性自由層・非磁性層・強磁性固定層・反強磁性層を含む積層構造であり、前記反強磁性層が前記強磁性固定層に交換結合磁界を印加し、前記軟磁性自由層の磁化が外部磁界に応じて回転して、該軟磁性自由層の磁化と前記強磁性固定層の磁化との相対角度が変化する磁気抵抗型で、前記スピンバルブ膜中に酸化物層またはアモルファス層が挿入され、該酸化物層またはアモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層の結晶の積層方向に対して垂直な方向の平均結晶粒径が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にある磁気センサであることを特徴とする磁気記録再生装置。
6. 磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出する磁気センサにおいて、スピンバルブ構造を有し、該スピンバルブ構造は軟磁性自由層，非磁性層，強磁性固定層，反強磁性層を含む積層構造であり、前記反強磁性層が前記強磁性固定層の磁化を交換結合で固定し、前記軟磁性自由層の磁化が外部磁界に応じて回転して、該軟磁性自由層の磁化と前記強磁性固定層の磁化との相対角度が変化すると磁気抵抗が変化する、巨大磁気抵抗型の磁気センサにおいて、特に電流を面内方向に流すＣＩＰ型磁気センサにおいて、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１０ｎｍ範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
7. 磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出する磁気センサにおいて、スピンバルブ構造を有し、該スピンバルブ構造は軟磁性自由層，非磁性層，強磁性固定層，反強磁性層を含む積層構造であり、前記反強磁性層が前記強磁性固定層の磁化を交換結合で固定し、前記軟磁性自由層の磁化が外部磁界に応じて回転して、該軟磁性自由層の磁化と前記強磁性固定層の磁化との相対角度が変化すると磁気抵抗が変化する、巨大磁気抵抗型の磁気センサにおいて、特に電流を成膜方向に流すＣＰＰ型磁気センサにおいて、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１５ｎｍ範囲にあることを特徴とする磁気センサ。
8. 前記請求項６又は７記載のアモルファス層は前記スピンバルブ構造の非磁性層、または、固定層、または、反強磁性層の間に挿入されていることを特徴とする磁気センサ。
9. 情報を磁気信号として記録した磁気記録媒体と、該磁気記録媒体に対して相対運動をして前記情報を読み出す磁気ヘッドとを備えた磁気記録再生装置であって、前記磁気ヘッドは、電流を面内方向に流すＣＩＰ型磁気センサで、前記磁気信号を読み出すスピンバルブ構造の巨大磁気抵抗型磁気センサを具備し、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１０ｎｍ範囲にあることを特徴とする磁気記録再生装置。
10. 情報を磁気信号として記録した磁気記録媒体と、該磁気記録媒体に対して相対運動をして前記情報を読み出す磁気ヘッドとを備えた磁気記録再生装置であって、前記磁気ヘッドは、電流を成膜方向に流すＣＰＰ型磁気センサで、前記磁気信号を読み出すスピンバルブ構造の巨大磁気抵抗型磁気センサを具備し、該スピンバルブ膜中にアモルファス層が挿入され、該アモルファス層より上層の軟磁性自由層を構成する結晶の方位が＜１１１＞または＜１１０＞と、前記スピンバルブ膜の積層方向とのなす角が±５度の角度範囲にあり、前記軟磁性自由層がその積層方向と垂直な方向の結晶粒径の平均が１ｎｍから１５ｎｍ範囲にあることを特徴とする磁気記録再生装置。
    
    

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