JP2005347418A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁界検出感度の高い磁気検出素子を提供する。
【解決手段】 固定磁性層１４において、前記ホイスラー合金層１４ｃ２の下に前記下地層１４ｃ１を設けることによって磁気検出素子の単位面積当りの抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。すなわち、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。本発明によって磁気検出素子の磁界検出感度が向上する理由は下地層１４ｃ１とホイスラー合金層１４ｃ２は前述したミスフィット率が小さいため、ホイスラー合金層１４ｃ２の結晶性あるいは規則性が向上するためであると考えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気検出素子に係り、特に、磁界検出感度を大きくすることのできる磁気検出素子に関する。

図１０は従来における磁気検出素子（スピンバルブ型薄膜素子）を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した部分断面図である。

図１０に示す符号１はＴａからなる下地層であり、下地層１の上にＣｒなどのｂｃｃ構造（体心立方構造）の金属からなるシード層２が形成されている。

シード層２の上には、フリー磁性層３、非磁性材料層４、固定磁性層５、反強磁性層６、保護層７が順次積層された多層膜Ｔが形成されている。

フリー磁性層３はＮｉＦｅ、非磁性材料層４はＣｕ、固定磁性層５はＣｏ_２ＭｏＡｌなどのホイスラー合金、反強磁性層６はＰｔＭｎ、保護層７はＴａによって形成されている。

反強磁性層６と固定磁性層５との界面で交換結合磁界が発生し、前記固定磁性層５の磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）に固定される。

フリー磁性層３の両側にはＣｏＰｔなどの硬磁性材料からなるハードバイアス層８が形成され、ハードバイアス層８の上下及び端部は絶縁層９によって絶縁されている。ハードバイアス層８からの縦バイアス磁界によりフリー磁性層３の磁化は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

図１０に示される磁気検出素子に、外部磁界が印加されると、フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の磁化方向に対して相対的に変動して、多層膜の抵抗値が変化する。一定の電流値のセンス電流が流れている場合には、この抵抗値の変化を電圧変化として検出することにより、外部磁界を検知する。

ホイスラー合金からなる固定磁性層を有する磁気検出素子は、特許文献１に記載されている。
特開２００３−３０９３０５号公報（第８頁、図４）

特許文献１には、固定磁性層がホイスラー合金からなる磁性層とＣｏＦｅ合金からなる磁性層の積層構造を有している磁気検出素子が記載されている。

しかし、特許文献１にはＣｏＦｅ合金の組成や結晶構造についての記載がない。すなわち、特許文献１に記載の発明は、磁気検出素子の磁界検出能を高めるために、ホイスラー合金を積層するＣｏＦｅ合金の組成、結晶構造を適切に設定するという視点がないものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、固定磁性層の材料にハーフメタル合金を用いる磁気検出素子の磁界検出能を向上させ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、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気検出素子において、
前記固定磁性層が下地層と前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して積層されたハーフメタル合金層を有しており、前記下地層は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、組成式がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘ（ｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５）で表されるＣｏＦｅ合金で形成されることを特徴とするものである。

本発明は、前記固定磁性層中に前記ハーフメタル合金層を設けるときに、前記ハーフメタル合金層の下に前記下地層を設けることによって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ものである。

「ハーフメタル（Half-metal）」とは、片方のスピンの伝導電子に対して金属的な振る舞いをし、他方のスピンの伝導電子に対して絶縁体的な振る舞いをする磁性体のことをいう。

本発明によって磁気検出素子の磁界検出感度が向上する理由は、前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して前記ハーフメタル合金層を積層すると前記ハーフメタル合金層の結晶性あるいは規則性が向上するためであると考えられる。

或は、本発明は、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気抵抗効果素子において、
前記固定磁性層が下地層と前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して積層されたハーフメタル合金層を有しており、前記ハーフメタル合金層の主格子線のｄ値ａと前記下地層の主格子線のｄ値ｂのミスフィット率Ｒが０％以上１．１％以下であることを特徴とするものである。ただし前記ミスフィット率ＲはＲ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）である。

本発明でも、前記固定磁性層中に前記ハーフメタル合金層を設けるときに、前記ハーフメタル合金層の下に前記下地層を設けることによって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。

本発明によって磁気検出素子の磁界検出感度が向上する理由も前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して前記ハーフメタル合金層を積層すると前記ハーフメタル合金層の結晶性あるいは規則性が向上するためであると考えられる。

前記ミスフィット率を規定する発明では、前記下地層が体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＣｏＦｅ合金であることが好ましい。特に、前記下地層がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘによって形成されていることがより好ましい。ただしｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５である。

本発明では、前記ハーフメタル合金層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{２２０}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。

また本発明では、前記固定磁性層が第１固定磁性層と第２固定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を有しており、前記第２固定磁性層の非磁性中間層側に前記下地層が形成され、この下地層の上に前記ハーフメタル合金層が形成されていることが好ましい。

或は、前記固定磁性層が第１固定磁性層と第２固定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を有しており、前記第１固定磁性層の非磁性中間層側に前記下地層が形成され、前記第２固定磁性層に前記ハーフメタル合金層が形成されていることが好ましい。

なお、前記ハーフメタル合金層の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上であることが好ましい。

前記ハーフメタル合金層は例えばホイスラー合金によって形成されるホイスラー合金層である。

前記ホイスラー合金層を形成するための材料の具体例を以下に示す。
１．組成式がＸ_２ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。

２．組成式がＣｏ_２ＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅのうち１種または２種以上の元素である。

３．組成式がＣｏ_２ＭｎＺで表される金属化合物、ただし前記ＺはＳｉ又はＧｅである。

また、本発明では、例えば、前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．７Å以上５．８５Å以下であることが好ましい。前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．７Å以上５．８５Å以下であると前記ホイスラー合金はＬ２_１構造に規則化しているとみなすことができる。

または、前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金によって形成されており、このＣｏ_２ＭｎＧｅ合金中のＧｅ濃度がａｔ％で２０ａｔ％以上３０ａｔ％以下であることが好ましい。

あるいは、前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＳｉで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．６Å以上５．７５Å以下であることが好ましい。前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．６Å以上５．７５Å以下であると前記前記ホイスラー合金はＬ２_１構造に規則化しているとみなすことができる。

本発明の磁気検出素子の具体的構成は、例えば、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有するシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子である。

あるいは、本発明の磁気検出素子の具体的構成は、前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有するデュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子である。このとき、一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を有することができる。

本発明は、前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子やＣＰＰ−ＴＭＲ（トンネル効果磁気抵抗効果素子）に用いると効果的である。

ホイスラー合金は、ホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型やＣＰＰ−ＴＭＲ型の磁気検出素子のフリー磁性層または固定磁性層の材料としてホイスラー合金を用いると、外部磁界が印加される前と後におけるスピン依存バルク散乱の変化に基づいた、磁気検出素子内部の伝導電子のスピン拡散長または平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、磁気検出素子の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。

本発明は、前記固定磁性層中に前記ホイスラー合金層を設けるときに、前記ホイスラー合金層の下に前記下地層を設けることによって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ものである。

本発明では、前記下地層は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、組成式がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘ（ｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５）で表されるＣｏＦｅ合金で形成される。

あるいは、前記ホイスラー合金層の主格子線のｄ値ａと前記下地層の主格子線のｄ値ｂのミスフィット率Ｒが０％以上１．１％以下となる前記下地層を形成しても、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。ここで、前記ミスフィット率ＲはＲ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）である。

図１は、本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の全体構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。

このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。

図１の最も下に形成されているのはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層１１である。この下地層１１の上に、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層１４、非磁性材料層１５、フリー磁性層１６、保護層１７からなる多層膜Ｔ１が積層されている。図１に示される磁気検出素子は、フリー磁性層１６の下に反強磁性層１３が設けられているいわゆるボトムスピンバルブ型のＧＭＲ型磁気検出素子である。

シード層１２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。シード層１２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、シード層１２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{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になる。また、シード層１２をＣｒによって形成すると、シード層１２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{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なる。

なお、下地層１１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１１は形成されなくともよい。

前記シード層１２の上に形成された反強磁性層１３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。

反強磁性層１３は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有するもの、または、面心正方（ｆｃｔ）構造を有するものになる。

これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。特に白金族元素のうちＰｔを用いることが好ましく、例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金を使用することができる。

また本発明では、前記反強磁性層１３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とを含有する反強磁性材料で形成されてもよい。

なお前記元素Ｘ′には、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、広い範囲にわたって、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。

侵入型固溶体あるいは置換型固溶体とすることで、前記Ｘ−Ｍｎ合金膜の格子定数に比べて、前記Ｘ−Ｍｎ−Ｘ′合金の格子定数を大きくすることができる。これによって反強磁性層１３の格子定数と固定磁性層１４の格子定数との差を広げることができ、前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面構造を非整合状態にしやすくできる。ここで非整合状態とは、前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面で前記反強磁性層１３を構成する原子と前記固定磁性層１４を構成する原子とが一対一に対応しない状態である。

また特に置換型で固溶する元素Ｘ′を使用する場合は、前記元素Ｘ′の組成比が大きくなりすぎると、反強磁性としての特性が低下し、固定磁性層１４との界面で発生する交換結合磁界が小さくなってしまう。特に本発明では、侵入型で固溶し、不活性ガスの希ガス元素（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち１種または２種以上）を元素Ｘ′として使用することが好ましいとしている。希ガス元素は不活性ガスなので、希ガス元素が、膜中に含有されても、反強磁性特性に大きく影響を与えることがなく、さらに、Ａｒなどは、スパッタガスとして従来からスパッタ装置内に導入されるガスであり、ガス圧を適正に調節するのみで、容易に、膜中にＡｒを侵入させることができる。

なお、元素Ｘ′にガス系の元素を使用した場合には、膜中に多量の元素Ｘ′を含有することは困難であるが、希ガスの場合においては、膜中に微量侵入させるだけで、熱処理によって発生する交換結合磁界を、飛躍的に大きくできる。

なお本発明では、好ましい前記元素Ｘ′の組成範囲は、ａｔ％（原子％）で０．２から１０であり、より好ましくは、ａｔ％で、０．５から５である。また本発明では前記元素ＸはＰｔであることが好ましく、よってＰｔ−Ｍｎ−Ｘ′合金を使用することが好ましい。

また本発明では、反強磁性層１３の元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′のａｔ％を４５（ａｔ％）以上で６０（ａｔ％）以下に設定することが好ましい。より好ましくは４９（ａｔ％）以上で５６．５（ａｔ％）以下である。これによって成膜段階において、固定磁性層１４との界面が非整合状態にされ、しかも前記反強磁性層１３は熱処理によって適切な規則変態を起すものと推測される。

固定磁性層１４は、第１固定磁性層１４ａ、非磁性中間層１４ｂ、第２固定磁性層１４ｃからなる多層膜構造である。前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層１４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層１４ａと第２固定磁性層１４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる人工フェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層１４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層１４と反強磁性層１３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。

ただし前記固定磁性層１４は第２固定磁性層１４ｃのみから構成され人工フェリ磁性結合状態になっていない状態でもよい。

なお前記第１固定磁性層１４ａは例えば１５〜３５Å程度で形成され、非磁性中間層１４ｂは８Å〜１０Å程度で形成され、第２固定磁性層１４ｃは２０〜５０Å程度で形成される。

第１固定磁性層１４ａはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層１４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。

第２固定磁性層１４ｃは下地層１４ｃ１とホイスラー合金層（ハーフメタル合金層）１４ｃ２の積層体である。本実施の形態では、第２固定磁性層１４ｃの非磁性中間層１４ｂ側に下地層１４ｃ１が形成されている。

下地層１４ｃ１は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、組成式がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘ（ｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５）で表されるＣｏＦｅ合金で形成されている。

ホイスラー合金層１４ｃ２を形成する材料を以下に例示する。
１．組成式がＸ_２ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。

２．組成式がＣｏ_２ＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅのうち１種または２種以上の元素である。

具体的には、Ｃｏ_２ＭｎＧａＧｅ合金、Ｃｏ_２ＭｎＡｌＳｉ合金、Ｃｏ_２ＣｒＦｅＡｌ合金、Ｃｏ_２ＣｒＦｅＧａ合金がある。

３．組成式がＣｏ_２ＭｎＺで表される金属化合物、ただし前記ＺはＳｉ又はＧｅである。

また、本発明では、例えば、前記ホイスラー合金層１４ｃ２は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層１４ｃ２の格子定数の値が５．７Å以上５．８５Å以下であることが好ましい。

または、前記ホイスラー合金層１４ｃ２は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金によって形成されており、このＣｏ_２ＭｎＧｅ合金中のＧｅ濃度がａｔ％で２０ａｔ％以上３０ａｔ％以下であることが好ましい。

あるいは、前記ホイスラー合金層１４ｃ２は、組成式がＣｏ_２ＭｎＳｉで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層１４ｃ２の格子定数の値が５．６Å以上５．７５Å以下であることが好ましい。

なお、前記ホイスラー合金層１４ｃ２の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上、より好ましくは１００Å以上、であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができる。

さらに、ホイスラー合金層１４ｃ２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{２２０}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。

また、ホイスラー合金層１４ｃ２の主格子線のｄ値ａと下地層１４ｃ１の主格子線のｄ値ｂのミスフィット率Ｒが０％以上１．１％以下であることが好ましい。ここで、前記ミスフィット率ＲはＲ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）である。ミスフィット率Ｒがこの範囲であれば、下地層１４ｃ１はＣｏＦｅＮｉ合金でもよい。

前記固定磁性層１４の上に形成された非磁性材料層１５は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成されている。Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成された非磁性材料層１５は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向している。

さらにフリー磁性層１６が形成されている。本実施の形態では、フリー磁性層１６はＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金、前述したホイスラー合金層によって形成されている。

図１に示す実施形態では、フリー磁性層１６の両側にハードバイアス層１８，１８が形成されている。前記ハードバイアス層１８，１８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層１６の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。ハードバイアス層１８，１８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いる。

ハードバイアス層１８，１８の上下及び端部は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ１の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。

電極層２０，２０はα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）、Ｒｈ、Ｉｒ、ＲｕやＷ（タングステン）などで形成されている。

図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、下地層１１から保護層１７を積層後、熱処理を施し、これによって前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面に交換結合磁界を発生させる。このとき磁場を図示Ｙ方向と平行な方向に向けることで、前記固定磁性層１４の磁化は図示Ｙ方向と平行な方向に向けられ固定される。なお図１に示す実施形態では前記固定磁性層１４は積層フェリ構造であるため、第１固定磁性層１４ａが例えば図示Ｙ方向に磁化されると、第２固定磁性層１４ｃ及び磁性層２３は図示Ｙ方向と逆方向に磁化される。
また、上記熱処理によって固定磁性層１４のホイスラー合金層１４ｃ２が規則化する。

図１に示された磁気検出素子は、固定磁性層とフリー磁性層の磁化が直交関係にある。記録媒体からの洩れ磁界が磁気検出素子の図示Ｙ方向に侵入し、フリー磁性層の磁化が感度良く変動し、こ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。

固定磁性層１４のホイスラー合金層１４ｃ２の材料であるホイスラー合金は、ホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子がホイスラー合金層を有すると、外部磁界が印加される前と後における、伝導電子のスピン拡散長又は平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。

本発明では、固定磁性層１４において、前記ホイスラー合金層１４ｃ２の下に前記下地層１４ｃ１を設けることによって磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。すなわち、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。

本発明によって磁気検出素子の磁界検出感度が向上する理由は下地層１４ｃ１とホイスラー合金層１４ｃ２は前述したミスフィット率が小さく、ホイスラー合金層１４ｃ２の結晶性あるいは規則性が向上するためであると考えられる。

なお、ホイスラー合金層１４ｃ２の結晶の格子定数が適切な値をとるとホイスラー合金層１４ｃ２の飽和磁化Ｍｓが大きくなり、飽和磁化Ｍｓが大きくなると磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなることが確認されている。

本実施の形態では、フリー磁性層１６を単層のものとして形成した。ただし、フリー磁性層を、磁性層の多層膜構造として形成してもよい。また、フリー磁性層を、強磁性材料からなる層やホイスラー合金層が非磁性材料からなる非磁性中間層を介したＲＫＫＹ的相互作用によって反強磁性的に結合する人工フェリ構造を有するものとして形成してもよい。

なお、多層膜Ｔ１は図１に示されるように、上層ほどトラック幅方向が小さくなる台形形状を有している。本実施の形態のボトムスピンバルブ型の磁気検出素子のように、フリー磁性層１６が反強磁性層１３、固定磁性層１４の上に位置していると、磁気検出素子のトラック幅を規定するフリー磁性層１６のトラック幅方向寸法（図示Ｘ方向寸法）を、後述するトップスピンバルブ型磁気検出素子より小さくすることが容易である。

図２は本発明の第２の実施の形態のシングルスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。

図２に示される磁気検出素子は図１に示される磁気検出素子とほぼ同じ構成を有しており固定磁性層１４の構造のみ異なっている。図２に示される磁気検出素子では、固定磁性層１４の第１固定磁性層１４ａが磁性層１４ａ１と下地層１４ａ２の積層体であり、第２固定磁性層１４ｃがホイスラー合金層（ハーフメタル合金層）になっている。なお、第２固定磁性層１４ｃがＣｏＦｅ合金層とホイスラー合金層の積層体であってもよい。その他の図１と同一の符号をつけた層の構成及び材料は図１の磁気検出素子と同じなので説明を省略する。

また、第１固定磁性層１４ａの下地層１４ａ２は図１に示された磁気検出素子の下地層１４ｃ１と同じ材料によって形成されている。ホイスラー合金層である第２固定磁性層１４ｃは図１に示された磁気検出素子のホイスラー合金層１４ｃ２と同じ材料によって形成され同じ構造を有している。

本実施の形態では、下地層１４ａ２の上に非磁性中間層１４ｂを介してホイスラー合金層である第２固定磁性層１４ｃが積層されている。

本実施の形態の磁気検出素子でも、磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくすることができる。すなわち、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。

本発明によって磁気検出素子の磁界検出感度が向上する理由は下地層１４ａ２と第２固定磁性層（ホイスラー合金層）１４ｃは前述したミスフィット率が小さいため、第２固定磁性層（ホイスラー合金層）１４ｃの結晶性あるいは規則性が向上するためであると考えられる。

図３は本発明におけるデュアルスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。

図３に示すように、下から下地層１１、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層３１、非磁性材料層１５、およびフリー磁性層１６が連続して積層されている。さらにフリー磁性層１６の上には、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３、および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ２が形成されている。

また、フリー磁性層１６の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ２の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。

なお、図３において、図１と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。
図３に示される磁気検出素子の固定磁性層３１は、第１固定磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、第２固定磁性層３１ｃが積層された構造である。第１固定磁性層３１ａはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成されている。

第２固定磁性層３１ｃは下地層３１ｃ１の上にホイスラー合金層（ハーフメタル合金層）３１ｃ２が積層された構成である。本実施の形態では、第２固定磁性層３１ｃの非磁性中間層３１ｂ側に下地層３１ｃ１が形成されている。

下地層３１ｃ１は図１に示された磁気検出素子の下地層１４ｃ１と同じ材料、同じ構造を有している。また、ホイスラー合金層３１ｃ２は図１に示された磁気検出素子のホイスラー合金層１４ｃ２と同じ材料、同じ構造を有している。ホイスラー合金層３１ｃ２は強磁性を有しており、強磁性結合によって下地層３１ｃ１とホイスラー合金層３１ｃ２は同一の方向に磁化が向く。

前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３１ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層３１ａの磁化方向と、下地層３１ｃ１及びホイスラー合金層３１ｃ２の磁化方向は互いに反平行状態にされる。

図３に示される磁気検出素子の固定磁性層３２は、第２固定磁性層３２ａ、非磁性中間層３２ｂ、第１固定磁性層３２ｃからなる多層膜構造である。第１固定磁性層３２ｃはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成されている。

第２固定磁性層３２ａはホイスラー合金層（ハーフメタル合金層）３２ａ１の上に下地層３２ａ２が積層された構成である。

下地層３２ａ２は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、組成式がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘ（ｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５）で表されるＣｏＦｅ合金で形成されている。また、ホイスラー合金層３２ａ１の主格子線のｄ値ａと下地層３２ａ２の主格子線のｄ値ｂのミスフィット率Ｒが０％以上１．１％以下であることが好ましい。なお、本実施の形態では、下地層３２ａ２はホイスラー合金層３２ａ１の上に積層された層になっているが、本発明における下地層はその結晶構造及び組成あるいはホイスラー合金層とのミスフィット率との関係によって規定される層であり、必ずしもホイスラー合金の下に位置しなければならないものではない。

本実施の形態では、第２固定磁性層３２ａの非磁性中間層３２ｂ側に下地層３２ａ２が形成されている。

下地層３２ａ２は図１に示された磁気検出素子の下地層１４ｃ１と同じ材料、同じ構造である。また、ホイスラー合金層３２ａ１は図１に示された磁気検出素子のホイスラー合金層１４ｃ２と同じ材料、同じ構造を有している。ホイスラー合金層３２ａ１は強磁性を有しており、強磁性結合によって磁性層３２ａ２とホイスラー合金層３２ａ１は同一の方向に磁化が向く。

前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３２ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層３２ｃの磁化方向と、第２固定磁性層３２ａの磁化方向は互いに反平行状態にされる。

本実施の形態では、固定磁性層３１において下地層３１ｃ１と前記ホイスラー合金層３１ｃ２が重ねられており、固定磁性層３２においてホイスラー合金層３２ａ１と下地層３２ａ２が重ねられている。これによって磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。すなわち、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。固定磁性層３２においてホイスラー合金層３２ａ１の上に下地層３２ａ２が重ねられても磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。

図４は本発明におけるトップスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。

図４に示すように、下から下地層１１、シード層１２、フリー磁性層４１、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ３が形成されている。

また、フリー磁性層４１の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ３の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ３を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。

なお、図４において、図１または図２と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。

図４に示される磁気検出素子では、フリー磁性層４１はＮｉＦｅからなる第１磁性層４１ａとＣｏＦｅからなる第２磁性層４１ｂの２層構造を有しており、このフリー磁性層４１が、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成されるシード層１２の上に積層されている。

シード層１２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、シード層１２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{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になる。また、シード層１２をＣｒによって形成すると、シード層１２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{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なる。

本実施の形態でも、固定磁性層３２においてホイスラー合金層３２ａ１と下地層３２ａ２が重ねられている。これによって磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。すなわち、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。固定磁性層３２においてホイスラー合金層３２ａ１の上に下地層３２ａ２が重ねられても磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなる。

図１ないし図４では、固定磁性層１４、３１、３２において、非磁性中間層１４ｂ、３１ｂ、３２ｂの上下をＣｏＦｅからなる層で挟んでいる。これによって非磁性中間層１４ｂ、３１ｂ，３２を介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）が強くなる。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（デュアルスピンバルブ）を形成した。

（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ_０．８Ｆｅ_０．２）_６０Ｃｒ_４０（６０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。

下側の固定磁性層の膜構成は（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））である。ここで、Ｃｏ_２ＭｎＧｅによって形成されているホイスラー合金層の下に設けられた下地層の材料はＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘである。このＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただしｘはａｔ％を示す）のＦｅ組成ｘを変化させたときの磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ^２）、及び、下側の固定磁性層のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層（下地層；１０Å）の主格子線のｄ値ｂとＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層（ホイスラー合金層；４０Å）の主格子線のｄ値ａのミスフィット率Ｒを測定した。なお、前記ミスフィット率ＲはＲ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）である。本実施例ではＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層（ホイスラー合金層；４０Å）の主格子線（２２０）のｄ値ａをａ＝２．０３０５Åとしている。

結果を図５に示す。
図５をみるとホイスラー合金層の下地層であるＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただしｘはａｔ％を示す）合金層のＦｅ組成ｘが２５ａｔ％以上になると、磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが著しく上昇しΔＲＡが８．５（ｍΩμｍ^２）以上になることがわかる。前記Ｆｅ組成ｘが３０ａｔ％以上９０％以下の範囲では、磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが９（ｍΩμｍ^２）を超えている。

磁気検出素子のΔＲＡが大きくなることの原因のひとつとして、上記組成範囲のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金は体心立方格子（ｂｃｃ）構造の結晶構造を有しており、同じく体心立方格子構造の結晶構造を有するＣｏ_２ＭｎＧｅによって形成されているホイスラー合金層と同じ結晶構造になることが挙げられる。

また、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層（下地層；１０Å）の主格子線のｄ値ｂとＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層（ホイスラー合金層；４０Å）の主格子線のｄ値ａのミスフィット率Ｒは、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層のＦｅ組成ｘが２５ａｔ％以上になると０％以上１．１％以下の範囲に収まっている。本実施例では、ミスフィット率Ｒは、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層のＦｅ組成ｘが２５ａｔ％以上になると０．１６％以上１．１％以下の範囲に収まっている。

この結果から、本発明の磁気検出素子のΔＲＡが大きくなることの原因には、本発明では前記固定磁性層の下地層とホイスラー合金層との結晶格子のミスフィットが小さくなることが挙げられる。

本発明の固定磁性層中の下地層とホイスラー合金層が同じ結晶構造を有し、結晶格子のミスフィットが小さくなることで、ホイスラー合金層の結晶性や規則性が向上すると考えられる。

前記Ｆｅ組成ｘが９５％より大きくなると、磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡは減少する。これは固定磁性層の第１固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å））と第２固定磁性層（Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））の間のＲＫＫＹ相互作用的な反強磁性的結合が小さくなるためである。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（デュアルスピンバルブ）を形成した。

（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ_０．８Ｆｅ_０．２）_６０Ｃｒ_４０（５０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／保護層（Ｔａ（２００Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。

上側の固定磁性層の膜構成は（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３０Å））である。

ここで、Ｃｏ_２ＭｎＧｅによって形成されているホイスラー合金層の上に設けられたＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層が本発明の下地層に相当する。本発明における下地層はその結晶構造及び組成あるいはホイスラー合金層とのミスフィット率との関係によって規定される層であり、必ずしもホイスラー合金の下に位置しなければならないものではない。

前記下地層であるＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層のＦｅ組成ｘを変化させたときの磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ^２）を測定した。
結果を表１に示す。

表１から、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層のＦｅ組成ｘが本発明の範囲である２５ａｔ％以上９５ａｔ％以下の範囲内にある実施例１、２の磁気検出素子は比較例の磁気検出素子よりも抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ^２）が大きくなっている。従って、結晶構造及び組成あるいはホイスラー合金層とのミスフィット率との関係によって規定される本発明の下地層をホイスラー合金層の上に積層しても磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを大きくして、磁界検出感度を向上させることができる。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（シングルスピンバルブ）を形成した。

（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層Ｃｒ（５０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（１７０Å））／固定磁性層（第１固定磁性層（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／第２固定磁性層）／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å）／Ｃｕ層（１０Å）／Ｔａ層（３０Å））

第１固定磁性層（Ｐｉｎ１）及び第２固定磁性層（Ｐｉｎ２）の構成を変えた磁気検出素子を形成し、それぞれの磁気特性を測定した。
結果を表２に示す。

表２において、Ｐｉｎ１は上記磁気検出素子の第１固定磁性層であり、Ｐｉｎ２は第２固定磁性層である。なお、表中ＣｏＦｅと表記されている合金はＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金であり、６０ＦｅＣｏと表記されている合金はＦｅ_６０Ｃｏ_４０合金である。なおかっこ内の数値は膜厚Åを示している。

比較例は第２固定磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金層とＣｏ_２ＭｎＳｉ層の積層体であり、実施例１は第２固定磁性層がＦｅ_６０Ｃｏ_４０合金層とＣｏ_２ＭｎＳｉ層の積層体である。

表２をみると実施例１のＣｏ_２ＭｎＳｉ層（Ｐｉｎ２−Ｃｏ_２ＭｎＳｉ）の磁気的膜厚（Ｍｓ×ｔ；飽和磁化と膜厚の積）は０．３２（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）であり、比較例のＣｏ_２ＭｎＳｉ層（Ｐｉｎ２−Ｃｏ_２ＭｎＳｉ）の磁気的膜厚の値０．１７（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）の約２倍の大きさになっている。これは、実施例１のＣｏ_２ＭｎＳｉ層の結晶性や規則性が比較例のＣｏ_２ＭｎＳｉ層よりも向上していることを示している。

また、実施例２のＣｏ_２ＭｎＳｉ層（Ｐｉｎ２−Ｃｏ_２ＭｎＳｉ）の磁気的膜厚は０．２２（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）であり、比較例のＣｏ_２ＭｎＳｉ層（Ｐｉｎ２−Ｃｏ_２ＭｎＳｉ）の磁気的膜厚の値０．１７（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）より大きいものの実施例１ほど大きくはない。このことから、第２固定磁性層のＣｏ_２ＭｎＳｉ層の下に直接Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０合金層を設けるほうがＣｏ_２ＭｎＳｉ層の結晶性や規則性をより向上できることがわかる。

また、実施例１、２、３の磁気検出素子全体の磁気的膜厚（ＳＶ−Ｔｏｔａｌ）はいずれも比較例の磁気検出素子全体の磁気的膜厚（ＳＶ−Ｔｏｔａｌ）より大きくなっている。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（デュアルスピンバルブ）を形成した。

（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ_０．８Ｆｅ_０．２）_６０Ｃｒ_４０（５０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（１７０Å））／固定磁性層（第１固定磁性層（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／第２固定磁性層）／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（１７０Å））／保護層（Ｔａ（２００Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。

第１固定磁性層（Ｐｉｎ１）及び第２固定磁性層（Ｐｉｎ２）の構成を変えた磁気検出素子を形成し、それぞれの磁気特性を測定した。
結果を表３に示す。

表３において、Ｐｉｎ１は上記磁気検出素子の第１固定磁性層であり、Ｐｉｎ２は第２固定磁性層である。なお、表中ＣｏＦｅと表記されている合金はＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金であり、６０ＦｅＣｏと表記されている合金はＦｅ_６０Ｃｏ_４０合金である。

第１固定磁性層のＲｕ層側がＦｅ_６０Ｃｏ_４０合金層である実施例１は比較例の磁気検出素子よりも抵抗変化量ΔＲ及び抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きい。第２固定磁性層がＦｅ_６０Ｃｏ_４０合金層とＣｏ_２ＭｎＧｅ層の積層体である実施例２は実施例１よりもさらに抵抗変化量ΔＲ及び抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなっている。

固定磁性層のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層（下地層；１０Å）の主格子線のｄ値ｂとＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層（ホイスラー合金層；４０Å）の主格子線のｄ値ａのミスフィット率Ｒを適切に調節することによって抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが向上することを説明する。

図６はＣｏ_２ＭｎＧｅ膜の格子定数と飽和磁化Ｍｓの関係を示すグラフであり、図７はＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数と飽和磁化Ｍｓの関係を示すグラフである。

膜厚１０００Åの単層Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜及び単層Ｃｏ_２ＭｎＳｉ膜をスパッタ法を用いて成膜した。

Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜を異なる温度で熱処理すること、組成比を変化させること、又はＣｏ_２ＭｎＧｅ膜及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の下層に配置する下地膜の組成を変えることによってＣｏ_２ＭｎＧｅ膜及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数を変化させることができる。

本実施の形態では、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜を２９０℃、３５０℃、４００℃の温度で熱処理した。熱処理温度を高くするとＣｏ_２ＭｎＧｅ膜の格子定数及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数は小さくなる。

図６及び図７からＣｏ_２ＭｎＧｅ膜の格子定数及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数が小さくなるとそれぞれの飽和磁化Ｍｓが大きくなることがわかる。Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜では格子定数が５．８０Å以下になると飽和磁化が急激に大きくなっている。Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜では格子定数が５．８０Åより大きいとアモルファスに近い結晶構造になり、格子定数が５．８０Å以下になると結晶性や規則性が向上して飽和磁化が大きくなるものと考えられる。また、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ膜の場合には格子定数が５．７２Å以下になると飽和磁化が急激に大きくなっている。

また、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜の格子定数及びＣｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数がバルク状態における格子定数のおおよそプラスマイナス０．０５Åの範囲にあると飽和磁化が大きくなっている。

以下に示す膜構成を有するＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子を形成し、固定磁性層及びフリー磁性層の磁気的膜厚Ｍｓ×ｔを変化させることによって磁気検出素子全体の磁気的膜厚Ｍｓ×ｔを変化させたときの抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を調べた。

（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ_０．８Ｆｅ_０．２）_６０Ｃｒ_４０（５０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（１７０Å））／保護層（Ｔａ（２００Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。

結果を図８に示す。図８に示されるとおり、磁気検出素子全体の磁気的膜厚Ｍｓ×ｔを変化させたときの抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなり、磁気検出素子の磁界検出感度が向上する。

従って、本発明では飽和磁化Ｍｓが大きくなる範囲の格子定数をもつホイスラー合金層を固定磁性層に形成するとよい。

本発明では、固定磁性層中の下地層とホイスラー合金層のミスフィット率Ｒを規定している。ミスフィット率Ｒとは、ホイスラー合金層の主格子線のｄ値をａと前記下地層の主格子線のｄ値をｂとしたときに、ミスフィット率Ｒ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）で定義されるものであり、ミスマッチ率が小さいほど固定磁性層中の下地層の結晶格子とホイスラー合金層の結晶格子の整合性が高くなる。

実施例１（図５）においてミスフィット率がマイナスだと下地層（ＣｏＦｅ合金層）のｄ値がホイスラー合金層の理想的なｄ値２．０３０５Åよりも大きくなり、ホイスラー合金層の実際の格子定数が大きくなって飽和磁化Ｍｓが小さくなると考えられる。

ミスマッチ率が０％から１．１％位であるとホイスラー合金層の実際の格子定数が理想的な値に近づいて飽和磁化Ｍｓが大きくなるものになると考えられる。

本発明では固定磁性層を構成するホイスラー合金層の格子定数を適切な範囲にすることができるので固定磁性層及び磁気検出素子全体の磁気的膜厚Ｍｓ×ｔが大きくなって、抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが大きくなり、磁気検出素子の磁界検出感度が向上するものと考えられる。

以下に示す膜構成を有するＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子を形成し、第２固定磁性層中のホイスラー合金層の材料Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金のＧｅの組成を変化させたときの磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ変化を調べた。

結果を図９にしめす。
図９からＣｏ_２ＭｎＧｅ合金中のＧｅ濃度がａｔ％で２２ａｔ％以上２６ａｔ％以下であるとΔＲＡ（ｍΩμｍ^２）が５（ｍΩμｍ^２）以上になって好ましい。

なお、第２固定磁性層の下地層をＣｏ_４０Ｆｅ_６０で形成した磁気検出素子は、下地層をＣｏ_９０Ｆｅ_１０で形成した磁気検出素子に比べて常にΔＲＡが大きくなっている。

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。たとえば、ＣＰＰ−ＴＭＲ（トンネル効果磁気抵抗効果素子）であってもよいし、磁気検出素子の左右に電極層が形成され、磁気検出素子を構成する多層膜の膜面平行方向にセンス電流が流されるＣＩＰ（Current in the plane）−ＧＭＲ型磁気検出素子であってもよい。

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。

本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第２実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第３実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第４実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 下地層の材料であるＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただしｘはａｔ％を示す）のＦｅ組成ｘを変化させたときの磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ^２）、及び、下側の固定磁性層のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金層（下地層；１０Å）の主格子線のｄ値ｂとＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層（ホイスラー合金層；４０Å）の主格子線のｄ値ａのミスフィット率Ｒを示すグラフ、 Ｃｏ_２ＭｎＧｅ膜の格子定数と飽和磁化の関係を示すグラフ、 Ｃｏ_２ＭｎＳｉ膜の格子定数と飽和磁化の関係を示すグラフ、 磁気検出素子全体の磁気的膜厚Ｍｓ×ｔを変化させたときの抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を示すグラフ、 第２固定磁性層中のホイスラー合金層の材料Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金のＧｅの組成を変化させたときの磁気検出素子の抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ変化を示すグラフ、 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

１１ 下地層
１２ シード層
１３ 反強磁性層
１４、３１、３２ 固定磁性層
１４ｃ１、１４ａ２、３１ｃ１、３２ａ１ 下地層
１４ｃ２、１４ａ１、３１ｃ２、３２ａ２ ホイスラー層
１５ 非磁性材料層
１６ フリー磁性層
１７ 保護層
１８ ハードバイアス層
１９ 絶縁層
２０ 電極層

Claims (19)

1. 磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気検出素子において、
   前記固定磁性層が下地層と前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して積層されたハーフメタル合金層を有しており、前記下地層は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、組成式がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘ（ｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５）で表されるＣｏＦｅ合金で形成されることを特徴とする磁気検出素子。
2. 磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気抵抗効果素子において、
   前記固定磁性層が下地層と前記下地層の上に直接に又は非磁性材料または磁性材料からなる層を介して積層されたハーフメタル合金層を有しており、前記ハーフメタル合金層の主格子線のｄ値ａと前記下地層の主格子線のｄ値ｂのミスフィット率Ｒが０％以上１．１％以下であることを特徴とする磁気検出素子、
   ただし前記ミスフィット率Ｒは
   Ｒ＝（ａ−ｂ）×１００／ｂ（％）である。
3. 前記下地層が体心立方（ｂｃｃ）構造を有するＣｏＦｅ合金である前記層である請求項２記載の磁気検出素子。
4. 前記下地層がＣｏ_１−ｘＦｅ_ｘによって形成されている請求項２または３のいずれかに記載の磁気検出素子、
   ただしｘはａｔ％で２５≦ｘ≦９５である。
5. 前記ハーフメタル合金層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{２２０}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４のいずれかに記載の磁気検出素子。
6. 前記固定磁性層が第１固定磁性層と第２固定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を有しており、前記第２固定磁性層の非磁性中間層側に前記下地層が形成され、この下地層の上に前記ハーフメタル合金層が形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
7. 前記固定磁性層が第１固定磁性層と第２固定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を有しており、前記第１固定磁性層の非磁性中間層側に前記下地層が形成され、前記第２固定磁性層に前記ハーフメタル合金層が形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
8. 前記ハーフメタル合金層の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径は５０Å以上である請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出素子。
9. 前記ハーフメタル合金層がホイスラー合金層である請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. 前記ホイスラー合金層は、組成式が、Ｘ_２ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される請求項９に記載の磁気検出素子、
    ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。
11. 前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される請求項９に記載の磁気検出素子、
    ただし、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅのうち１種または２種以上の元素である。
12. 前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＺで表される金属化合物によって形成される請求項１１記載の磁気検出素子、
    ただし前記ＺはＳｉ又はＧｅである。
13. 前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．７Å以上５．８５Å以下である請求項１２記載の磁気検出素子。
14. 前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金によって形成されており、このＣｏ_２ＭｎＧｅ合金中のＧｅ濃度がａｔ％で２０ａｔ％以上３０ａｔ％以下である請求項１２記載の磁気検出素子。
15. 前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ_２ＭｎＳｉで表される金属化合物によって形成されており、前記ホイスラー合金層の格子定数の値が５．６Å以上５．７５Å以下である請求項１２記載の磁気検出素子。
16. 反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有する請求項１ないし１５のいずれかに記載の磁気検出素子。
17. 前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有する請求項１ないし１５のいずれかに記載の磁気検出素子。
18. 一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を有する請求項１７に記載の磁気検出素子。
19. 前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流される請求項１ないし１８のいずれかに記載の磁気検出素子。

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