JP2006013430A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2006013430A
JP2006013430A JP2005067898A JP2005067898A JP2006013430A JP 2006013430 A JP2006013430 A JP 2006013430A JP 2005067898 A JP2005067898 A JP 2005067898A JP 2005067898 A JP2005067898 A JP 2005067898A JP 2006013430 A JP2006013430 A JP 2006013430A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
magnetic layer
pinned magnetic
pinned
ferromagnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005067898A
Other languages
English (en)
Inventor
Kokei Oshima
弘敬 大島
Reiko Kondo
玲子 近藤
Arata Jogo
新 城後
Yutaka Shimizu
豊 清水
Atsushi Tanaka
厚志 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2005067898A priority Critical patent/JP2006013430A/ja
Priority to US11/137,008 priority patent/US7486487B2/en
Publication of JP2006013430A publication Critical patent/JP2006013430A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3929—Disposition of magnetic thin films not used for directly coupling magnetic flux from the track to the MR film or for shielding
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B2005/3996—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects large or giant magnetoresistive effects [GMR], e.g. as generated in spin-valve [SV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/14—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys containing iron or nickel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/20—Ferrites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3295—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetic pinned or free layers are laminated without anti-parallel coupling within the pinned and free layers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

【課題】 磁気抵抗効果素子の単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡの増加を図り、優れた磁気抵抗変化率を有するＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、固定磁化層４３、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層された構造とし、固定磁化層４３は、第１固定磁化層４８、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０の順に形成した積層体とする。第１固定磁化層４８をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる合金とＲｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ等の添加元素を有する強磁性材料からなる抵抗制御層として、スピン依存バルク散乱の散乱非対称項βを第２固定磁化層よりも小さくすることで、素子の単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡの向上を図る。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気記憶装置において情報を再生するための磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置に関し、特に、いわゆるスピンバルブ膜や磁気トンネル接合膜を用いて、積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
従来、磁気記憶装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられてきた。磁気抵抗効果素子は高記録密度化に伴い、磁界感度が高いスピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。スピンバルブ膜は２つの強磁性層、すなわち反強磁性層に磁化を固定された固定磁化層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界に応じて磁化の向きが変わる自由磁化層から構成される。
これまでは、スピンバルブ膜の面内方向にセンス電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）構造が主に用いられてきた。しかし、更なる高記録密度化を図るために、線記録密度およびトラック密度を増加させ、磁気記録媒体の１ビットを担う面積は減少する。したがって、磁気記録媒体からの漏洩磁界、つまり信号磁界の減少を招く。さらに、再生素子側では、高密度信号を再生するには再生素子幅および再生素子高さを低減する必要がある。ＣＩＰ構造では、マイグレーション等による性能劣化を防ぐためセンス電流を小さくする必要があり、その結果検出される磁気抵抗変化の大きさが減少し、高記録密度化に伴い再生出力が小さくなり、微小な信号磁界の検出が困難になる。
そこで、スピンバルブ膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）構造が提案され、次世代再生用素子として盛んに研究が行われている。
図１に示すように、信号出力は、ＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１００の積層方向にセンス電流Ｉを流し、自由磁化層１０８の磁化と固定磁化層１０５の強磁性層１０４の磁化の相対的な向きに応じて磁気抵抗が変化し、スピンバルブ膜１００の両端に生じる電圧変化として検出される。固定磁化層１０５は、ＣＩＰ構造で採用された２つの強磁性層１０２、１０４が非磁性結合層１０３を介して反強磁性的に結合した積層フェリ構造を有する。積層フェリ構造は、２つの強磁性層１０２、１０４の磁化が互いに反平行をなすので、正味の磁化の大きさが小さくなり、反磁界を低減し、正味の磁化を抑制しつつ反強磁性層１０１との交換結合を増加させ、確実に固定磁化層１０５の磁化方向を固定できる。
特開２００２−２０８７４４号公報
しかしながら、ＣＰＰ構造の場合、センス電流Ｉを流すスピンバルブ膜１００の膜厚が薄いので、ＣＩＰ構造よりも素子抵抗が低く、その結果、十分な信号出力が得られないという問題がある。
十分な出力を得るためには、外部磁界の変化による磁気抵抗変化量ΔＲとスピンバルブ膜１００の面積Ａとの積、すなわち単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加する必要があり、そのために、磁気抵抗効果を生じる自由磁化層１０８および固定磁化層１０５を構成する自由磁化層１０８側の強磁性層１０４の材料探索が行われている。しかし、新たな材料開発は困難を伴い、材料選択には限界があり、十分な信号出力が得られないという問題がある。
特に、ＣＰＰ構造の場合、積層フェリ構造の積層方向にセンス電流が流れるので、電子のスピン方向と磁化の方向との関係で決まるバルク散乱に起因する抵抗が、固定磁化層１０５の反平行の磁化を有する２つの強磁性層１０２、１０４を電子が通過することで抵抗差が減少してしまい、その結果、ますます信号出力が低下してしまうというという問題がある。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、磁気抵抗効果素子の単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡの増加を図り、優れた磁気抵抗変化率を有するＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供することである。
本発明の一観点によれば、反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうち少なくとも１種に添加元素を含む強磁性材料からなり、該添加元素がＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、およびこれらの合金からなる群のうち、少なくとも１種からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
本発明によれば、第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層とし、他方をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうち少なくとも１種に添加元素を含む強磁性材料からなる抵抗制御層とする。このように抵抗制御層を強磁性層よりもスピン依存バルク散乱に係る散乱非対称項を小さい強磁性材料とすることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加できる。その結果、優れた磁気抵抗変化率を有するＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）型の構造の磁気抵抗効果素子を実現できる。この作用は、後ほど詳しく説明する本発明の原理により説明する。
ここで、散乱非対称項について「小さい」とは、強磁性層の散乱非対称項β2を正値としたとき、抵抗制御層の散乱非対称項β1が、β2よりも絶対値が小さい正値あるいは負値であることをいう（以下、本明細書において散乱非対称項βについて「小さい」をこの意味に用いる。）。
前記強磁性層は、前記添加元素を含み、該添加元素の原子濃度が前記抵抗制御層よりも小さい強磁性材料としてもよい。このようにすることで、強磁性層の散乱非対称項を抵抗制御層よりも大きくすることができる。
本発明の他の観点によれば、反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、導電性の強磁性酸化物からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
本発明によれば、第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層とし、他方を導電性の強磁性酸化物からなる抵抗制御層とする。このようにすることで、上記の発明と同様に、抵抗制御層を強磁性層よりもスピン依存バルク散乱に係る散乱非対称項を小さい強磁性材料とし、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加できる。特に強磁性酸化物として、Ｆｅ3Ｏ4、ＳｒＲｕＯ3およびＳｒ2ＦｅＭｏＯ6は、散乱非対称項が負値を有する強磁性材料であるので、磁気抵抗変化量ΔＲＡをいっそう増加できる。
また、前記第１の固定磁化層と第２の固定磁化層がＢｓ1×ｔ1＞Ｂｓ2×ｔ2の関係を有する構成としてもよい。ここで、Ｂｓ1、ｔ1はそれぞれ第１の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ2、ｔ2はそれぞれ第２の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚である。このように設定することで、第１の固定磁化層および第２の固定磁化層から各々自由磁化層の磁化に印加される合成磁界の強度が低減される。その結果、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性を抑制することができる。さらに、合成磁界の強度が低減されるので、自由磁化層の磁化を所定の方向に配向させているバイアス磁界の強度を低減できる。バイアス磁界の強度を低減することで、自由磁化層４５の磁化は、磁気記録媒体からの磁界に対して振れ角がより大きくなる。その結果、磁気抵抗効果素子は、再生波形の非対称性を抑制しつつ、再生出力が増加し、Ｓ／Ｎ比が向上する。
なお、前記非磁性中間層は導電性材料から構成してもよく、スピンバルブ膜を有する磁気抵抗効果素子とすることができる。また、前記非磁性中間層は絶縁性材料から構成してもよく、強磁性磁気トンネル接合型磁気抵抗膜とすることができる。
また、前記自由磁化層上にさらに、他の非磁性中間層と、他の固定磁化層と、他の反強磁性層とをさらに備え、前記他の固定磁化層は、他の反強磁性層側から、第３の固定磁化層、非磁性結合層、および第４の固定磁化層からなり、第３の固定磁化層と第４の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合し、第３の固定磁化層および第４の固定磁化層のいずれか一方が前記抵抗制御層であり、他方が前記強磁性層である構成としてもよい。デュアルスピンバルブ膜構造、あるいはデュアル強磁性磁気トンネル接合型磁気抵抗膜構造とすることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加することができる。
本発明の他の観点によれば、反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、互いに散乱非対称項が異なる強磁性材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
本発明によれば、第１の固定磁化層を、散乱非対称項βが第２の固定磁化層よりも小さいかあるいは負値の抵抗制御層を有する構成とすることで、上述したように、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加して、その結果、優れた磁気抵抗変化率を有するＣＰＰ型の構造の磁気抵抗効果素子を実現できる。
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、いずれか一方が正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、他方が負値の散乱非対称項の強磁性材料からなる構成としてもよい。また、前記第２の固定磁化層は正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、かつ第１の固定磁化層は、第２の固定磁化層の散乱非対称項よりも小さい正値あるいは負値の散乱非対称項の強磁性材料からなる構成としてもよい。
本発明のその他の観点によれば、上記いずれかの磁気抵抗効果素子と、記録素子とを備えた磁気ヘッドが提供される。さらに、本発明のその他の観点によれば、上記磁気ヘッドと磁気記録媒体とを備えた磁気記憶装置が提供される。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗変化量が大きく優れた磁気抵抗変化率を有しているので、高記録密度化を図ることが可能である。
次に本発明の原理を説明する。磁気抵抗を生ずる原因として強磁性層と非磁性層との界面において発生するスピン依存界面散乱と、強磁性層内において発生するスピン依存バルク散乱が挙げられる。磁気抵抗への寄与は、磁気抵抗効果素子の構造に依存するが、通常、スピン依存界面散乱とスピン依存バルク散乱はほぼ同等考えてよい。本発明は主にスピン依存バルク散乱を考慮してなされたものである。ここでは、スピン依存界面散乱を省略して説明する。
図２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の原理を説明するための図である。図２（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、ＧＭＲ膜１０を通過する電子には、自由磁化層１６の磁化方向に対してアップスピンを有する電子ＥＬ1とダウンスピンを有する電子ＥＬ2が存在し、それらが固定磁化層１５を通過し、反強磁性層１１を介して下部電極（不図示）に流れる。固定磁化層１５は反強磁性層側に位置する第１固定磁化層１２と、非磁性中間層１６側に位置する第２固定磁化層１４とが、非磁性結合層１３を介して反強磁性的に交換結合する積層フェリ構造を有するので磁化の方向が互いに反平行となっている。アップスピン、ダウンスピンを有する電子ＥＬ1、ＥＬ2は、第２固定磁化層１４でバルク散乱によりそれぞれ抵抗率ρ21、ρ22を生じ、さらに第１固定磁化層１２でバルク散乱により抵抗率ρ11、ρ12を生じる。
ここで、第１固定磁化層１２あるいは第２固定磁化層１４の磁化方向とスピンが平行な場合、抵抗率ρ＝２ρ*（１−β）、反平行な場合はρ＝２ρ*（１＋β）と表される。ρ*は、各材料に固有の比例定数、βは散乱非対称項である。第１固定磁化層１２、第２固定磁化層１４の散乱非対称項βをそれぞれβ1、β2とし、ρ*をそれぞれρ1*、ρ2*とする。さらに第１固定磁化層１２、第２固定磁化層１４の膜厚をそれぞれｔ1、ｔ2とする。
固定磁化層１４を通過するアップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗値は、非磁性結合層１３に起因する抵抗をＲ13として、
ρ↑（ｔ1＋ｔ2）＝ρ11×ｔ1＋ρ21×ｔ2＋Ｒ13＝２ρ1*（１−β1）×ｔ1＋２ρ2*（１＋β2）×ｔ2）＋Ｒ13 …（１）
ダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗は、
ρ↓（ｔ1＋ｔ2）＝ρ12×ｔ1＋ρ22×ｔ2＋Ｒ13＝２ρ1*（１＋β1）×ｔ1＋２ρ2*（１−β2）×ｔ2）＋Ｒ13 …（２）
と表される。
アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗との差は、上記式（１）−（２）として、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ1＋ｔ2）＝４（ρ2*×β2×ｔ2−ρ1*×β1×ｔ1） …（３）
となる。ここで、説明を簡単にするため、ρ1*とρ2*がほぼ等しく（＝ρ*）、ｔ1とｔ2がほぼ等しい（＝ｔ）とすると、上記式（３）は、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ1＋ｔ2）＝４ρ*ｔ（β2−β1） …（４）
となる。
したがって、上記式（４）から、図２（Ａ）に示すように、β1がβ2とほぼ等しい場合は、アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗との差が小さくなり、その結果、固定磁化層１５全体としてのスピン依存抵抗の非対称性が減少する。すなわち、例えば自由磁化層１８から第２固定磁化層１４を流れてきた電子に対して、第１固定磁化層１２において第２固定磁化層１４と逆のスピン非対称性をもった抵抗を与えてしまうので、アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗と抵抗のダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗との差が減少する。
そこで、本発明では、第１固定磁化層１２に第２固定磁化層１４の散乱非対称項β2よりも小さい散乱非対称項β1を有する材料を用いることで、アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗と抵抗のダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗との差を増加させる。その結果、図２（Ｂ）にβ1が負値の場合を示すように、第１固定磁化層１２では、アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗はダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗よりも大きく、固定磁化層１５全体で、アップスピンの電子ＥＬ1が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ2が感じる抵抗との差が増加する。
その結果、固定磁化層の磁化の方向に対して自由磁化層の磁化方向の変化に応じて生じる磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。
第１固定磁化層１２の散乱非対称項β1が第２固定磁化層１４の散乱非対称項β2よりも小さい具体的態様としては、第１固定磁化層１２に第２固定磁化層１４よりも上記添加元素の原子濃度が高い強磁性材料を用いる。強磁性材料の散乱非対称項βについては、強磁性材料のバルク形態の材料についてＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ等を添加することで小さくできることが報告されている（例えば、Ａ．Ｆｅｒｔ等、Ｊ．Ｐｈｙｓ． Ｆ６、ｐ．８４０ （１９７６））。本願発明者は、上記添加元素を添加した強磁性材料を、第１固定磁化層１２に用いることで、上述したように、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加できることを知見したものである。
また、上記式（４）から明らかなように、第１固定磁化層１２の散乱非対称項β1と第２固定磁化層１４の散乱非対称項β2との関係がβ1＞β2の場合も同様の効果が得られ、特にβ2が負値で、かつβ1が正値の場合に顕著な効果が得られる。このような構成としては、例えば、第２固定磁化層１４を構成する強磁性材料がＦｅＣｒであり、かつ第１固定磁化層１２を構成する強磁性材料がＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＮｉである組み合わせが挙げられる。
このように本発明では、固定磁化層１５の積層フェリ構造の反磁界抑制および反強磁性層および自由磁化層との充分な交換結合の保持の利点を維持しつつ、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加することができ、優れた磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子を実現できるものである。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子の単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡの増加を図り、優れた磁気抵抗変化率を有するＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を実現できる。
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
最初に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子と誘導型記録素子を備えた複合型磁気ヘッドについて説明する。
図３は、複合型磁気ヘッドの媒体対向面の構造を示す図である。図３中、媒体の移動方向は矢印Ｘで示す方向である。
図３を参照するに、複合型磁気ヘッド２０は、大略して、ヘッドスライダの基体となるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなる平坦なセラミック基板２１の上に形成された磁気抵抗効果素子２２と、その上に形成された誘導型記録素子２３から構成される。
誘導型記録素子２３は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極２４Ａと、非磁性材料からなる記録ギャップ層２５を挟んで上部磁極２４Ａに対向する下部磁極２４Ｂと、上部磁極２４Ａと下部磁極２４Ｂとを磁気的に接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回し、記録電流により磁場をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極２４Ａ、下部磁極２４Ｂ、およびヨークは、軟磁性材料より構成され、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ合金等からなる。
磁気抵抗効果素子２２は、セラミック基板２１表面に形成されたアルミナ膜２６上に、下部電極２８、ＧＭＲ膜３０、アルミナ膜３１により狭窄されてなる上部電極３２が順次積層された構成となっており、下部電極２８、ＧＭＲ膜３０、および上部電極３２が電気的に接続されている。ＧＭＲ膜３０の両側には、約１０ｎｍ以下の膜厚の絶縁膜３３を介して磁区制御膜３４が形成されている。磁区制御膜３４は、例えば、Ｃｒ／ＣｏＣｒＰｔの積層体からなり、ＧＭＲ膜３０を構成する固定磁化層および自由磁化層（図４に示す）の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。抵抗変化を検知するセンス電流は、例えば上部電極３２からＧＭＲ膜３０を通じて下部電極２８に流れ、磁気記録媒体からの漏洩磁界に対応して変化するＧＭＲ膜３０の磁気抵抗を信号電圧として検出して、磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、下部電極２８および上部電極３２はセンス電流の流路としての機能に加え磁気シールドとしての機能も兼ねるため、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成され、さらに導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ等からなる層の積層体としてもよい。また、磁気抵抗効果素子２２および誘導型記録素子２３は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われている。
図４は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成するＧＭＲ膜の断面図である。
図４を参照するに、ＧＭＲ膜３０は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、固定磁化層４３、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層された構造からなり、固定磁化層４３は、反強磁性層４２側から、第１固定磁化層４８、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０を順次形成した積層体から構成される。
下地層４１は、図３に示す下部電極１８の表面にスパッタ法等により形成され、例えば、Ｔａ膜（例えば膜厚５ｎｍ）とＮｉＦｅ膜（例えば膜厚５ｎｍ）の積層体、ＮｉＣｒ膜等から構成される。ＮｉＦｅ膜は、Ｆｅの含有量が１７原子％〜２５原子％の範囲内であることが好ましい。ＮｉＦｅ膜の結晶成長方向である（１１１）結晶面及びそれに等価な結晶面の表面に反強磁性層４２がエピタキシャル成長し、反強磁性層４２の結晶性を向上させることができる。
反強磁性層４２は、下地層４１の表面にスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により形成され、例えば膜厚５ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍ）のＭｎ−ＴＭ合金（ＴＭ＝Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＩｒのうち少なくとも１種を含む。）、あるいは、ＭｎＲｈ合金から構成される。これらの合金は、スパッタ法などにより成膜した後に熱処理を行うことにより、規則合金化して反強磁性が出現する。また、熱処理の際に外部磁界を所望の磁化方向に印加することで、反強磁性層４２と固定磁化層４３との交換相互作用により固定磁化層４３の磁化方向を固定することができる。熱処理は、保護層４６を形成した後に行い、具体的には、真空雰囲気で、例えば加熱温度２５０℃〜２８０℃、加熱時間約３時間、印加磁界１５９２ｋＡ／ｍの磁界中熱処理を行う。
固定磁化層４３は、反強磁性層４２側から、第１固定磁化層４８、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０の順に形成した積層体から構成される。第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０は強磁性材料からなり、非磁性結合層４９を介して反強磁性的に交換結合している。
第１固定磁化層４８は、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる合金と添加元素を有する強磁性材料からなる抵抗制御層から構成される。添加元素はＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔのうち少なくとも１種を含む元素からなる。このような添加元素をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる合金に添加することで、上述した散乱非対称項βを第２固定磁化層５０よりも小さくすることができ、上述した本発明の原理において説明したように、磁気抵抗変化量を増加することができる。なお、本実施の形態では第１固定磁化層４８は１層の抵抗制御層からなるので、両者に同じ符号を付す。
抵抗制御層４８は、ＦｅＣｏと、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、およびこれらの合金のうちいずれか１種を含む強磁性材料であることが好ましい。このような強磁性材料としては、例えばＦｅＣｏＲｕ、ＦｅＣｏＴａ、ＦｅＣｏＣｒ、ＦｅＣｏＶ、ＦｅＣｏＣｒＴａ等が挙げられる。もちろんこれらの材料に、さらに上記添加元素を添加してもよい。また、抵抗制御層４８は、ＦｅＣｏＮｉに上記添加元素を添加した強磁性材料が挙げられる。
抵抗制御層４８の添加元素濃度は、強磁性を消失しない程度まで添加することができ、抵抗制御層組成を基準として、添加元素濃度が５原子％〜７０原子％の範囲に設定される。添加元素によっては添加元素濃度が高いほど散乱非対称項βを小さくすることができる。例えば、抵抗制御層４８がＦｅＣｏＲｕからなる場合は、Ｒｕ濃度を５原子％〜３０原子％の範囲（残余がＦｅＣｏ）、ＦｅＣｏＴａからなる場合は、Ｔａ濃度を５原子％〜２０原子％の範囲（残余がＦｅＣｏ）、ＦｅＣｏＶの場合は、Ｖ濃度を５原子％〜６０原子％の範囲（残余がＦｅＣｏ）、ＣｏＣｒからなる場合は、Ｃｒ濃度を５原子％〜７０原子％の範囲（残余がＣｏ）に設定することが好ましい。
また、第１固定磁化層（抵抗制御層）４８は添加元素としてＣｕを用いて、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる合金に対して２０原子％よりも高い濃度の範囲の量を添加してもよい。散乱非対称項βを低下させることができる。一方、後述するように、本願発明者の検討によれば、Ｃｕは、少量の添加では散乱非対称項βが添加しない場合よりも増加することを知得している。
また、第１固定磁化層（抵抗制御層）４８は、導電性の強磁性酸化物を用いることができる。第１固定磁化層（抵抗制御層）４８に好適な導電性の強磁性酸化物としては、ＡＢ2Ｏ4の分子式で表されるスピネル構造を有する材料が挙げられる。ここで、Ａは、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｇおよびＬｉのうち少なくとも１種の元素であり、Ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉおよびＭｎのうち少なくとも１種の元素である。このようなＡＢ2Ｏ4の強磁性酸化物は、散乱非対称項βを第２固定磁化層５０よりも小さくできる。ＡＢ2Ｏ4の強磁性酸化物として、ＺｎＦｅ2Ｏ4、ＭｎＦｅ2Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4、ＣｏＦｅ2Ｏ4、ＮｉＦｅ2Ｏ4、ＣｕＦｅ2Ｏ4、ＭｇＦｅ2Ｏ4、Ｌｉ0.5Ｆｅ2.5Ｏ4が挙げられる。
また、第１固定磁化層（抵抗制御層）４８に好適な導電性の強磁性酸化物としては、ＺｎＯと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｎのうち少なくとも１種の元素とからなる材料が挙げられる。このような強磁性酸化物は、散乱非対称項βを第２固定磁化層５０よりも小さくできる。
さらに、第１固定磁化層（抵抗制御層）４８に好適な導電性の強磁性酸化物としては、Ｆｅ3Ｏ4、ＳｒＲｕＯ3、Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6が挙げられる。これらの強磁性酸化物は散乱非対称項βが負であることが知られている（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ． ８９ （２００２） ｐｐ． ２７６６０１−１ 〜 ｐｐ． ２７６６０１−４、 Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ． ８５ （２０００） ｐｐ． ５１８２ 〜 ｐｐ． ５１８５、 Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ． ８３ （２００３） ｐｐ． ２６２９ 〜 ｐｐ． ２６３１）。したがって、このような材料を用いることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加することができる。
第２固定磁化層５０は、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含む強磁性材料から構成される。第２固定磁化層５０の強磁性材料としては、例えば、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏＮｉなどが挙げられる。また、第２固定磁化層５０は、抵抗制御層４８の上記添加元素を本発明の効果を消失させない程度に含んでもよい。
また、第２固定磁化層５０は抵抗制御層４８と同一の元素を含み、かつ添加元素濃度を抵抗制御層４８よりも低く設定した構成としてもよい。このようにすると、第２固定磁化層５０よりも抵抗制御層４８の散乱非対称項βを小さくすることができる。なお、第２固定磁化層５０は、１層のみならず、２層以上の積層体としてもよい。
第２固定磁化層５０は、本願発明者の検討によれば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる合金に対して５〜１５原子％の範囲のＣｕを添加してもよく、この範囲の濃度のＣｕの添加は、添加しない場合よりも散乱非対称項βが増加する。
第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０との好ましい組み合わせは、例えば、［第１固定磁化層４８］：［第２固定磁化層５０］の順に示すと、［ＦｅＣｏＲｕ］：［ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｏＲｕ］：［ＦｅＣｏＣｕ］、［ＦｅＣｏＲｕ］：［ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｏＲｕ］：［ＣｏＮｉＦｅ］、［ＦｅＣｏＴａ］：［ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｏＴａ］：［ＦｅＣｏＣｕ］、［ＦｅＣｏＴａ］：［ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｏＴａ］：［ＣｏＮｉＦｅ］、［ＣｏＣｒ］：［ＦｅＣｏ］、［ＣｏＣｒ］：［ＦｅＣｏＣｕ］、［ＣｏＣｒ］：［ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ］、［ＣｏＣｒ］：［ＣｏＮｉＦｅ］、［ＦｅＣｒ］：［ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｒ］：［ＦｅＣｏＣｕ］、［ＦｅＣｒ］：［ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ］、［ＦｅＣｒ］：［ＣｏＮｉＦｅ］、［ＦｅＶ］：［ＦｅＣｏ］、［ＦｅＶ］：［ＦｅＣｏＣｕ］、［ＦｅＶ］：［ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ］、［ＦｅＶ：［ＣｏＮｉＦｅ］が挙げられる。
さらに、第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０との好ましい組み合わせは、例えば、［第１固定磁化層４８］：［第２固定磁化層５０］の順に示すと、〔Ｆｅ3Ｏ4〕：〔ＦｅＣｏ〕、〔Ｆｅ3Ｏ4〕：〔ＦｅＣｏＣｕ〕、〔Ｆｅ3Ｏ4〕：〔ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ〕、〔Ｆｅ3Ｏ4〕：〔ＣｏＮｉＦｅ〕、〔Ｆｅ3Ｏ4〕：〔ＣｏＮｉＦｅ／ＦｅＣｏ〕、〔ＳｒＲｕＯ3〕：〔ＦｅＣｏ〕、〔ＳｒＲｕＯ3〕：〔ＦｅＣｏＣｕ〕、〔ＳｒＲｕＯ3〕：〔ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ〕、〔ＳｒＲｕＯ3〕：〔ＣｏＮｉＦｅ〕、〔ＳｒＲｕＯ3〕：〔ＣｏＮｉＦｅ／ＦｅＣｏ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＦｅＣｏ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＦｅＣｏＣｕ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＦｅＣｏＣｕ／ＦｅＣｏ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＣｏＮＩＦｅ〕、〔Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6〕：〔ＣｏＮｉＦｅ／ＦｅＣｏ〕が挙げられる。なお、上記の第２固定磁化層のＦｅＣｏＣｕはＣｕが５〜１５原子％の範囲の濃度を有する。また、上記「／」はその前後の２つの層が積層されていることを表す。
非磁性結合層４９は、膜厚０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）の範囲のＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としてはＲｕに、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＭｎのうちいずれか一つ、あるいはこれらの合金との非磁性材料が好適である。
また、第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０とは、下記式（５）の関係を有することが好ましい。
Ｂｓ1×ｔ1＞Ｂｓ2×ｔ2 …（５）
ここで、Ｂｓ1、ｔ1はそれぞれ第１固定磁化層４８の飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ2、ｔ2はそれぞれ第２固定磁化層５０の飽和磁束密度、膜厚である。上記式（５）の関係に設定することで、第１固定磁化層４８および第２固定磁化層５０の各々から自由磁化層４５に印加される磁界が与える影響を低減できる。この点について、以下に説明する。
図５（Ａ）および（Ｂ）は、磁界が自由磁化層の磁化に与える影響を説明するための図である。図５（Ａ）は、ＧＭＲ膜３０および磁区制御膜３４を模式的斜視図である。なお、図５（Ａ）では、説明の便宜のため、ＧＭＲ膜３０の下地層、反強磁性層、保護膜、およびＧＭＲ膜３０と磁区制御膜３４との間の絶縁膜を省略して示している。また、図５（Ｂ）は、自由磁化層の上面図である。図５（Ｂ）には、磁気記録媒体９３を合わせて示している。
図５（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、自由磁化層４５には磁区制御膜３４からバイアス磁界Ｈbが印加され、自由磁化層４５の磁化ＭFRは所定の方向（Ｘ1方向とする）に配向されている。また、自由磁化層４５には第１固定磁化層４８の有する磁化Ｍ1により生じる磁界Ｈ1、および第２固定磁化層５０の有する磁化Ｍ2により生じる磁界Ｈ2が印加される。磁界Ｈ1と磁界Ｈ2とは互いに逆向きである。それは、第１固定磁化層４８の磁化Ｍ1と第２固定磁化層５０の磁化Ｍ2とが互いに反強磁性的に交換結合しているため互いに逆向きであることによる。磁界Ｈ1と磁界Ｈ2との合成磁界Ｈ12が自由磁化層４５の磁化ＭFRに印加される（例えばＹ1方向）。したがって、合成磁界Ｈfは、自由磁化層４５の磁化ＭFRの方向をＹ1方向に傾けるように働く。自由磁化層４５の磁化ＭFRがＹ1方向に傾くと、磁気記録媒体９３に記録されたビットからのＹ1方向およびＹ2方向の磁界に対して、自由磁化層４５の磁化ＭFRの振れ角がＸ1方向に対して対称とならない。その結果、磁気抵抗効果素子の現れる再生出力の波高値が、一方の極性が他方の極性よりも大きくなる、いわゆる再生波形の非対称性（アシンメトリ）の増大の問題が生ずる。過度に再生波形の非対称性が増大すると、記録されたビットの時間間隔を精確に再生できなくなり、エラーが発生し易くなる。
再生波形の非対称性を抑制するため、通常、磁気記録媒体９３からの磁界が印加されていない状態で、バイアス磁界Ｈbの強度を大きくして自由磁化層４５の磁化ＭFRの方向をＸ1方向に向けるようにしている。そのため、再生波形の非対称性は抑制されるが、磁気記録媒体９３からの磁界に応じて自由磁化層４５の磁化ＭFRの振れ角が小さくなってしまう。この場合、再生出力が低下し、その結果、Ｓ／Ｎ比も低下する。
そこで、第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０とを上記式（５）の関係に設定する。磁界Ｈ1の自由磁化層４５における磁界強度は、第１固定磁化層４８の飽和磁束密度Ｂｓ1と膜厚ｔ1との積Ｂｓ1×ｔ1に比例し、さらに、第１固定磁化層４８と自由磁化層４５との距離が大きいほど減少する。他方、磁界Ｈ2の場合も同様であり、磁界Ｈ2の自由磁化層４５における磁界強度は、第２固定磁化層５０の飽和磁束密度Ｂｓ2と膜厚ｔ2との積Ｂｓ2×ｔ2に比例し、第２固定磁化層５０と自由磁化層４５との距離が大きいほど減少する。したがって、上記式（５）の関係に設定することで、自由磁化層４５における合成磁界Ｈfが低減される。このようにすることで、自由磁化層４５の磁化ＭFRの方向のＹ1方向（あるいはＹ2方向）の傾きが抑制されるため、Ｈbの強度を低減することができる。その結果、磁気記録媒体９３からの磁界に応じて自由磁化層４５の磁化ＭFRの振れ角が大きくなる。したがって、磁気抵抗効果素子は、再生波形の非対称性を抑制しつつ、再生出力が増加し、Ｓ／Ｎ比が向上する。
また、上記式（５）の関係を設定するために、飽和磁束密度Ｂｓ1、Ｂｓ2および膜厚ｔ1、ｔ2のいずれを制御してもよい。膜厚ｔ1、ｔ2を制御することで上記式（５）の関係を設定した場合は、第１固定磁化層４８の散乱非対称項β1と第２固定磁化層５０の散乱非対称項β2との関係がβ1＜β2を有することで以下の効果を有する。なお、説明の便宜のため、膜厚ｔ2は一定とする。
第１固定磁化層４８の散乱非対称項β1が正（０＜β1＜β2）の場合は、上記式（５）の関係に設定するために膜厚ｔ1を増すと、磁気抵抗変化量ΔＲＡが減少する。すなわち、膜厚ｔ1の増加により、ｔ1×β1に比例する第１固定磁化層４８のバルク散乱が大きくなる。散乱非対称項β1および散乱非対称項β2は正値であるので、第１固定磁化層４８のバルク散乱は、磁気抵抗変化量ΔＲＡを減少させる方向に働く。しかし、β1とβ2が略等しい従来のＧＭＲ膜と比較して、磁気抵抗変化量ΔＲＡの減少量を抑制できるという好ましい効果を有する。
一方、第１固定磁化層４８の散乱非対称項β1が負（β1＜０＜β2）の場合は、上記式（５）の関係に設定するために膜厚ｔ1を増すと、磁気抵抗変化量ΔＲＡが増加する。すなわち、膜厚ｔ1の増加により、バルク散乱が大きくなる。散乱非対称項β1は負値であり、散乱非対称項β2は正値であるので、第１固定磁化層４８のバルク散乱は、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させる方向に働く。したがって、この場合は磁気抵抗変化量ΔＲＡがさらに増加するという好ましい効果を有する。
なお、上記の例では膜厚ｔ2を一定として説明したが、膜厚ｔ1と膜厚ｔ2の増減が上記の例と同様の場合は、同様の効果を有することはいうまでもない。
さらに、本願発明者等は、第１固定磁化層４８および第２固定磁化層５０の膜厚、飽和磁束密度、自由磁化層４５と第１固定磁化層４８および第２固定磁化層５０との距離等をパラメータとして行ったＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式を用いたマイクロマグネティクスシミュレーションによれば、第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０とが、下記式（６）の関係を有することがさらに好ましい。これにより、自由磁化層４５に印加される合成磁界Ｈ12をさらに低減でき、再生波形の非対称性をいっそう低減できる。
１．１≦Ｂｓ1×ｔ1／Ｂｓ2×ｔ2≦２．０ …（６）
また、リードギャップ長（図３に示す下部電極２８とＧＭＲ膜３０との界面と、上部電極３２とＧＭＲ膜３０との界面との距離）を５０ｎｍとし、第１固定磁化層のＢｓ1×ｔ1を５．３ｎｍＴおよび６．４ｎｍＴに設定したシミュレーションでは、Ｂｓ1×ｔ1／Ｂｓ2×ｔ2が１．４０〜１．５０の範囲で最も再生波形の非対称性を抑制できることが確認された。
非磁性中間層４４は、例えばスパッタ法等により形成された、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの導電性材料より構成され、例えばＣｕ膜、Ａｌ膜等により構成される。
自由磁化層４５は、非磁性中間層４４の表面にスパッタ法等により形成され、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含む強磁性材料、例えば、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ等、あるいは、これらの膜の積層体により構成される。自由磁化層４５の磁化は面内方向を向いており、磁気記録媒体より漏洩する磁場の方向に応じて磁化の向きが変わる。その結果、自由磁化層４５の磁化と固定磁化層４３の磁化とのなす角に対応して固定磁化層４３／非磁性中間層４４／自由磁化層４５の積層体の抵抗値が変化する。
図６は、自由磁化層の他の例の要部拡大図である。図６を参照するに、自由磁化層４５は強磁性層４５ａ／非磁性導電層４５ｂの繰り返しからなる、いわゆる積層自由磁化層構造を有する。図６に示す積層自由磁化層構造は、強磁性層４５ａ／非磁性導電層４５ｂの２回の繰り返しを示しており、自由磁化層４５の表面および底面の層を強磁性層４５ａとする。強磁性層４５ａを上述した自由磁化層４５と同様の材料、非磁性導電層４５ｂを非磁性中間層４４と同様の材料（好ましくはＣｕ）から構成される。このように自由磁化層４５を積層自由磁化層構造とすることで、自由磁化層４５の保磁力を低下して磁界感度を向上すると共に、磁気抵抗変化率の向上を図ることができる。
積層自由磁化層構造は、強磁性層４５ａ／非磁性導電層４５ｂの繰り返しが、２回〜３回の範囲が好ましく、強磁性層４５ａの膜厚は１ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定することが好ましく、非磁性導電層４５ｂの膜厚は０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定することが好ましい。また、強磁性層４５ａは、異なる組成比の強磁性層の積層体としてもよく、異なる元素からなる強磁性層の積層体としてもよく、さらに異なる組成比と異なる元素からなる強磁性層の積層体としてもよい。
図４に戻り、保護層４６は、自由磁化層４５の表面にスパッタ法等により形成され、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、Ｗからなる導電性膜、あるいはこれらの積層体等から構成される。反強磁性層４２の反強磁性を出現させる熱処理の際にＧＭＲ膜３０が酸化されることを防止できる。保護層４６にＣｕ膜を用いることで、自由磁化層４５と磁性／非磁性界面を形成して抵抗変化率を向上させることができる。
本実施の形態によれば、第１固定磁化層４８を、その散乱非対称項β1が第２固定磁化層５０の散乱非対称項β2よりも小さい強磁性材料からなる抵抗制御層４８とすることで、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加できる。その結果、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率を向上することができる。
また、第１固定磁化層４８と第２固定磁化層５０とが上記式（５）の関係を有することで、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性を抑制しつつ、再生出力が増加できる。その結果、磁気抵抗効果素子のＳ／Ｎ比が増加する。さらに、上記式（５）の関係を設定するために膜厚ｔ1、ｔ2を制御する場合、第１固定磁化層４８の散乱非対称項β1と第２固定磁化層５０の散乱非対称項β2との関係（β1＜β2）を有するので、β1とβ2が略等しい場合と比較して、膜厚ｔ1を増加させても、磁気抵抗変化量ΔＲＡの減少量を抑制でき、あるいは逆に磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加することができる。
次に、上述した固定磁化層の第１固定磁化層を抵抗制御層のみからなる場合の他、抵抗制御層の反強磁性層側に強磁性層を設けた例について説明する。
図７は、第１の実施の形態の第１変形例に係る磁気抵抗効果素子を構成するＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図７を参照するに、本変形例のＧＭＲ膜５１は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、第１固定磁化層５２、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層されて構成され、第１固定磁化層５２が、反強磁性層４３側から強磁性接合層５３、抵抗制御層４８を順次積層して構成される。ＧＭＲ膜５１は、第１固定磁化層５２の構成が異なる以外は第１の実施の形態のＧＭＲ膜と同様に構成される。
第１固定磁化層５２の強磁性接合層５３は、自由磁化層４５と同様の強磁性材料、例えばＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ等から構成され、膜厚が０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。強磁性接合層５３は、抵抗制御層４８と交換結合すると共に反強磁性層４２と交換結合する。したがって、強磁性接合層５３が反強磁性層４２と抵抗制御層４８との交換結合を橋渡しすることで抵抗制御層４８の磁化方向を安定して固定することができる。また、抵抗制御層４８の添加元素濃度を増加した場合、抵抗制御層４８自体の交換結合磁界が低下し反強磁性層４２との交換結合が低下する傾向にあるが、強磁性接合層５３を設けることで交換結合の低下を防止できる。
強磁性接合層５３は抵抗制御層４８よりも単位体積あたりの飽和磁化が大きいことが好ましい。強磁性接合層５３を薄膜化して、抵抗制御層４８よりもβが大きくなる傾向の強磁性接合層５３の磁気抵抗に対する影響を抑制することができる。強磁性接合層５３と抵抗制御層４８との関係は、強磁性接合層膜厚：抵抗制御層膜厚＝０．５：４〜２：１の範囲に設定することが好ましい。なお、強磁性接合層５３は上記の異なる強磁性材料あるいは組成の強磁性材料を積層して形成してもよい。
本変形例によれば、反強磁性層４２と抵抗制御層４８との間に強磁性接合層を設けることで、反強磁性層４２と抵抗制御層４８との交換結合を高めることができ、一方、抵抗制御層４８の添加元素濃度を増加させることができ、磁気抵抗変化量を増加することができる。
次に、第１固定磁化層の抵抗制御層の第２固定磁化層５０側に強磁性接合層を設けた例について説明する。
図８は、第１の実施の形態の第２変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図８を参照するに、本変形例のＧＭＲ膜５５は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、第１固定磁化層５６、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層されて構成され、第１固定磁化層５６が、反強磁性層４２側から抵抗制御層４８、強磁性接合層５３を順次積層して構成される。ＧＭＲ膜５５は、第１固定磁化層５６の構成が異なる以外は第１の実施の形態のＧＭＲ膜と同様に構成される。
第１固定磁化層５６の強磁性接合層５３は、上述した第１変形例と同様の強磁性材料、例えばＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ等から構成され、膜厚が０．５ｎｍ〜１ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。強磁性接合層５３は、抵抗制御層４８と交換結合すると共に第２固定磁化層５０と反強磁性的に交換結合する。したがって、第２固定磁化層５０の磁化方向を安定して固定することができる。
抵抗制御層４８の添加元素濃度を増加した場合に抵抗制御層４８自体の交換結合磁界の低下を、強磁性接合層５３を設けることで第２固定磁化層５０との交換結合の低下を抑制、あるいは交換結合を高められる。
強磁性接合層５３は第１変形例と同様の点で抵抗制御層４８よりも飽和磁化が大きいことが好ましい。強磁性接合層５３と抵抗制御層４８との関係も第１変形例と同様である。なお、強磁性接合層５３は上記の異なる強磁性材料あるいは組成の強磁性材料を積層して形成してもよい。
次に、上述した第１変形例と第２変形を組み合わせた第１固定磁化層の例を説明する。
図９は、第１の実施の形態の第３変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、本変形例に係るＧＭＲ膜６０は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、第１固定磁化層６１、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層されて構成され、第１固定磁化層６１が、反強磁性層４２側から第１強磁性接合層５３−１、抵抗制御層４８、第２強磁性接合層５３−２を順次積層して構成される。ＧＭＲ膜６０は、第１固定磁化層６１の構成が異なる以外は第１の実施の形態のＧＭＲ膜と同様に構成される。
第１強磁性接合層５３−１および第２強磁性接合層５３−２は、上述した第１変形例および第２変形例と同様に構成される。抵抗制御層４８は第１の実施の形態と同様に構成される。本変形例では、抵抗制御層４８がその上下に配置された第１強磁性接合層５３−１および第２強磁性接合層５３−２と交換結合しているので、抵抗制御層４８の飽和磁化を低下させてもよく、したがって、第１変形例および第２変形例よりも添加元素濃度を増加することができるので、散乱非対称項βを一層小さくすることができる。
本変形例によれば、第１強磁性接合層５３−１、第２強磁性接合層５３−２がそれぞれ反強磁性層４２、第２固定磁化層５０と交換結合するので、第１および第２固定磁化層６１、５０の磁化方向を安定化すると共に磁気抵抗変化量を増加できる。
次に、第１固定磁化層が強磁性接合層とその上下に２層の抵抗制御層が設けられた例について説明する。
図１０は、第１の実施の形態の第４変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１０を参照するに、第４変形例に係るＧＭＲ膜は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、反強磁性層４２、第１固定磁化層６６、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０、非磁性中間層４４、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層されて構成され、第１固定磁化層６６が、反強磁性層４２側から第１抵抗制御層４８−１、強磁性接合層５３、第２抵抗制御層４８−２を順次積層して構成される。ＧＭＲ膜６５は、第１固定磁化層６６の構成が異なる以外は第１の実施の形態のＧＭＲ膜と同様に構成される。
第１抵抗制御層４８−１および第２抵抗制御層４８−２は第１の実施の形態の抵抗制御層と同様に構成される。第１抵抗制御層４８−１と第２抵抗制御層４８−２との間に強磁性接合層５３を設けることで、強磁性接合層５３を介して第１抵抗制御層４８−１と第２抵抗制御層４８−２とを強磁性的に交換結合することができる。
本変形例によれば、第１および第２固定磁化層の磁化方向を安定化すると共に抵抗制御層の総膜厚を増加させることができ、磁気抵抗変化量を増加できる。なお、本変形例の３層の場合のみならず、第１固定磁化層を抵抗制御層と強磁性接合層とを交互に４層以上積層して形成してもよい。
次に、ＣＰＰ構造のデュアルスピンバルブ構造を有するＧＭＲ膜の例について説明する。
図１１は、第１の実施の形態の第５変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１１を参照するに、第５変形例に係るＧＭＲ膜７０は、ＣＰＰ構造のデュアルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、下部反強磁性層４２ａ、下部第１固定磁化層（下部抵抗制御層）４８ａ、下部非磁性結合層４９ａ、下部第２固定磁化層５０ａ、下部非磁性中間層４４ａ、自由磁化層４５、上部非磁性中間層４４ｂ、上部第２固定磁化層５０ｂ、上部非磁性結合層４９ｂ、上部第１固定磁化層（上部抵抗制御層）４８ｂ、上部反強磁性層４２ａ、保護層４６が順次積層された構造からなる。ＧＭＲ膜７０は、図４に示す第１の実施の形態に係るＧＭＲ膜３０を、自由磁化層４５を中心に対称に配置した２つのＧＭＲ膜を積層した構造を有するので、ＧＭＲ膜３０に対して磁気抵抗変化量をほぼ２倍とすることができ、その結果、磁気抵抗変化率をほぼ２倍にすることができる。
本変形例のＧＭＲ膜７０を構成する各層は、第１の実施の形態と同様の材料、膜厚等からなる。なお、ＧＭＲ膜７０は、磁気抵抗と印加磁界との関係の点で、下部の積層体７０ａ（下部反強磁性層４２ａ〜下部非磁性中間層４４ａ）と上部の積層体７０ｂ（上部非磁性中間層４４ｂ〜上部反強磁性層４２ｂ）は対応する各層の材料および膜厚が同等であることが好ましい。なお、下部および上部第１固定磁化層４８ａ、４８ｂを第１変形例〜第４変形例の第１固定磁化層の構成に置き換えてもよい。
また、下部第１固定磁化層（下部抵抗制御層）４８ａおよび下部第２固定磁化層５０ａは、図４に示す第１固定磁化層４８および第２固定磁化層５０の上記式（５）の関係と同様の関係を有することが好ましい。上記式（５）の関係を有することで、下部第１固定磁化層４８ａおよび下部第２固定磁化層５０ａからの合成磁界が自由磁化層４５の磁化に与える影響を低減できる。その結果、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性を低減できる。
さらに、下部第１固定磁化層（下部抵抗制御層）４８ａおよび下部第２固定磁化層５０ａは、上記式（６）の関係と同様の関係を有することがさらに好ましい。上記式（６）の関係を有することで、上記合成磁界の影響をいっそう低減でき、その結果、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性をいっそう低減できる。
なお、上記式（５）および上記式（６）における第１固定磁化層が下部第１固定磁化層４８ａに対応し、第２固定磁化層が下部第２固定磁化層５０ａに対応する。
さらに、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂは、上記式（５）の関係と同様の関係を有することが好ましい。すなわち、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂは、下記式（７）の関係を有することが好ましい。
Ｂｓ3×ｔ3＞Ｂｓ4×ｔ4 …（７）
ここで、Ｂｓ3、ｔ3はそれぞれ上部第１固定磁化層４８ｂの飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ4、ｔ4はそれぞれ上部第２固定磁化層５０ｂの飽和磁束密度、膜厚である。上記式（７）の関係に設定することで、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂからの合成磁界が自由磁化層４５の磁化に与える影響を低減できる。その結果、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性を低減できる。
またさらに、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂは、下記式（８）の関係を有することがさらに好ましい。
１．１≦Ｂｓ3×ｔ3／Ｂｓ4×ｔ4≦２．０ …（８）
上記式（８）の関係を有することで、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂからの合成磁界が自由磁化層４５の磁化に与える影響をいっそう低減できる。その結果、磁気抵抗効果素子の再生波形の非対称性をいっそう低減できる。
なお、下部第１固定磁化層４８ａおよび下部第２固定磁化層５０ａと、上部第１固定磁化層４８ｂおよび上部第２固定磁化層５０ｂは、各々上記式（５）、（７）の関係を同時に有することが特に好ましく、さらに、上記式（６）、（８）の関係を同時に有することがさらに好ましいことはいうまでもない。
本変形例によれば、ＧＭＲ膜をデュアルスピンバルブ構造とすることで磁気抵抗変化量を増加できる。次に本実施の形態に係る実施例について説明する。
［実施例１］
シリコン基板上に、下部電極として、シリコン基板側からＣｕ（２５０ｎｍ）／Ｔｉ（３０ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１０ｎｍ）の積層膜を形成し、次いで以下に示す下地層〜保護層までの積層体の各層をスパッタ装置を用いて形成し、長さ０．２μｍ×幅０．２μｍ〜長さ１．０μｍ×幅１．０μｍの範囲の９種類の寸法（接合面積）の積層体をイオンミリングにより形成した。なお各接合面積につき２０個の積層体を作製した。なお、上記括弧内の数値は膜厚を表す。
次いで、このようにして得られた積層体を絶縁のためシリコン酸化膜で覆い、次いで保護膜をドライエッチングにより露出させ、保護膜に電気的に接続するＡｕからなる上部電極を形成した。反強磁性層の反強磁性を出現させるための熱処理は保護膜を形成した後に、加熱温度２８０℃、処理時間３時間、印加磁界１９５２ｋＡ／ｍで行った。
本実施例は、上述した第１の実施の形態の第２変形例の固定磁化層の構成を第５変形例（デュアルスピンバルブ）に適用した例である。本実施例の磁気抵抗効果素子の各層を基板側から以下のように形成した。なお、括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例および比較例において同様である。
下地層：Ｎｉ63Ｃｒ37（７ｎｍ）
下部反強磁性層：Ｐｄ25Ｐｔ15Ｍｎ60（１８ｎｍ）
下部第１固定磁化層：抵抗制御層Ｆｅ9.5Ｃｏ85.5Ｔａ5（１ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（２ｎｍ）
下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７５ｎｍ）
下部第２固定磁化層：Ｆｅ42.5Ｃｏ42.5Ｃｕ15（４ｎｍ）
下部非磁性中間層：Ｃｕ（４ｎｍ）
自由磁化層：Ｆｅ42.5Ｃｏ42.5Ｃｕ15（７．５ｎｍ）
上部非磁性中間層：Ｃｕ（４ｎｍ）
上部第２固定磁化層：Ｆｅ42.5Ｃｏ42.5Ｃｕ15（４ｎｍ）
上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７５ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（２ｎｍ）／抵抗制御層Ｆｅ9.5Ｃｏ85.5Ｔａ5（１ｎｍ）
上部反強磁性層：Ｐｄ25Ｐｔ15Ｍｎ60（１８ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
［実施例２］
下部および上部第１固定磁化層の抵抗制御層の組成と、下部および上部非磁性中間層のＲｕ膜の膜厚を換えた以外は、実施例１と同様にして形成した。以下、実施例１と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：抵抗制御層Ｆｅ9Ｃｏ81Ｒｕ10（１ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（２ｎｍ）
下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．４５ｎｍ）
上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．４５ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（２ｎｍ）／抵抗制御層Ｆｅ9Ｃｏ81Ｒｕ10（１ｎｍ）
［比較例１］
下部および上部第１固定磁化層の抵抗制御層を形成せず、強磁性接合層のみとした以外は、実施例１と同様にして形成した。以下、実施例１と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
［評価］
実施例および比較例の磁気抵抗効果素子について磁気抵抗変化量ΔＲ値を測定し、同程度の接合面積Ａを有する磁気抵抗効果素子毎に磁気抵抗変化量ΔＲ値の平均値を求めた。そして磁気抵抗変化量ΔＲ値の平均値と接合面積Ａとから単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡ値を求めた。さらに接合面積Ａが互いに異なる９種類の磁気抵抗効果素子が、互いに略同様のΔＲＡ値を有することを確認して、それらのΔＲＡ値の平均値を最終的なΔＲＡ値とした。なお、ΔＲの測定は、電流値が２ｍＡとなるように設定し、外部磁界を下部及び上部第２固定磁化層の磁化方向に平行に−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で掃引し、下部電極と上部電極との間の電圧をデジタルボルトメータを用いて測定した。
図１２は、実施例および比較例の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗特性を示す図である。図１２は、磁気抵抗変化量ΔＲＡ、比較例１に対する実施例１および２のΔＲＡの増加率、全抵抗ＲＡ、磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率＝ΔＲＡ／ＲＡ）を示す。なお、図１２は、後ほど説明する実施例３および４、比較例２および３を合わせて示している。
図１２を参照するに、抵抗制御層を下部および上部第１固定磁化層に形成しなかった比較例１に対して、Ｆｅ9.5Ｃｏ85.5Ｔａ5（１ｎｍ）の抵抗制御層を形成した実施例１、およびＦｅ9Ｃｏ81Ｒｕ10（１ｎｍ）を形成した実施例２では、磁気抵抗変化量ΔＲＡが増加しており、その増加率は実施例１、実施例２のそれぞれについて、２４％、２１％となっている。したがって、抵抗制御層により磁気抵抗変化量が増加したことが分かる。
また磁気抵抗効果素子の端子間の抵抗値ＲＡを用いて、ＭＲ変化率＝ΔＲＡ／ＲＡ×１００と表される。抵抗制御層を設けることによるＲＡの顕著な増加は認められず、したがって、ΔＲＡが増加することによりＭＲ変化率が増加したことが分かる。
［実施例３］
下部および上部第１固定磁化層、下部および上部第２固定磁化層、およびの自由磁化層の構成を換えた以外は、実施例１と同様にして形成した。
下部および上部第１固定磁化層は強磁性接合層／抵抗制御層／強磁性接合層の３層構造を有する。下部および上部第２固定磁化層は、実施例１の下部および上部第２固定磁化層に強磁性接合層を設けた２層構造有する。自由磁化層は強磁性積層体とＣｕ膜を交互に積層した積層自由磁化層構造を有する。以下、実施例１と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）／抵抗制御層Ｆｅ9Ｃｏ81Ｒｕ10（２ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）
下部第２固定磁化層：Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）／Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．５ｎｍ）
自由磁化層：強磁性積層体／Ｃｕ（１．５ｎｍ）／強磁性積層体／Ｃｕ（１．５ｎｍ）／強磁性積層体 但し強磁性積層体＝Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）／Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（１．５ｎｍ）／Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）
上部第２固定磁化層：Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．５ｎｍ）／Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）／抵抗制御層Ｆｅ9Ｃｏ81Ｒｕ10（２ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）
［比較例２］
下部および上部第１固定磁化層の抵抗制御層を形成せず、強磁性接合層のみとした以外は、実施例３と同様にして形成した。以下、実施例３と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：強磁性接合層 Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層 Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
実施例３および比較例２を上述した評価方法でΔＲＡおよびＭＲ変化率を求めた。図１２を参照するに、比較例２に対して実施例３のΔＲＡは２３％増加し、ＭＲ変化率も増加していることが分かる。したがって、下部および上部第１固定磁化層を２層の強磁性接合層の間に抵抗制御層を形成した構成とすることで、ΔＲＡおよびＭＲ変化率を増加および向上できることが分かる。
［実施例４］
下部および上部第１固定磁化層、下部および上部第２固定磁化層、およびの自由磁化層の構成を換えた以外は、実施例１と同様にして形成した。
下部および上部第１固定磁化層は強磁性接合層／抵抗制御層／強磁性接合層の３層構造とし、下部および上部第２固定磁化層は異なる組成の強磁性層の２層構造、自由磁化層は３層の積層構造を有する。以下、実施例１と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）／抵抗制御層Ｃｏ90Ｃｒ10（２ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）
下部第２固定磁化層：Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）／Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．５ｎｍ）
自由磁化層：Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）／Ｎｉ80Ｆｅ20（５．５ｎｍ）／Ｆｅ60Ｃｏ40（１ｎｍ）
上部第２固定磁化層：Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．５ｎｍ）／Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）／抵抗制御層Ｃｏ90Ｃｒ10（２ｎｍ）／強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（１ｎｍ）
［比較例３］
下部および上部第１固定磁化層の抵抗制御層を形成せず、強磁性接合層のみとした以外は、実施例３と同様にして形成した。以下、実施例３と異なる層のみを示す。
下部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
上部第１固定磁化層：強磁性接合層Ｆｅ40Ｃｏ60（３ｎｍ）
実施例４および比較例３を上述した評価方法でΔＲＡおよびＭＲ変化率を求めた。図１２を参照するに、比較例３に対して実施例４のΔＲＡは５２％増加し、ＭＲ変化率も増加していることが分かる。したがって、下部および上部第１固定磁化層を２層の強磁性接合層の間に抵抗制御層を形成した構成とし、抵抗制御層にＣｏ90Ｃｒ10を用いることで、ΔＲＡおよびＭＲ変化率を増加および向上できることが分かる。
図１３は、ΔＲＡと散乱非対称項βとの関係を示す図である。図１３は、シミュレーションによりΔＲＡと散乱非対称項βとの関係を求めたもので、磁気抵抗効果素子の構成として、ＧＭＲ膜をデュアルスピンバルブ構造とした。下部および上部第１固定磁化層がＦｅＣｏの場合から、上記添加元素を添加して散乱非対称項βを０．７から−０．７まで小さくした場合のΔＲＡを求めた。
図１３を参照するに、散乱非対称項βを小さくすることでΔＲＡは単調に増加し、散乱非対称項βが小さければ小さいほどΔＲＡが増加することがわかる。したがって、本シミュレーションにより第１固定磁化層（抵抗制御層）の散乱非対称項βを小さくすることでΔＲＡを向上できることが確認できた。
なお、シミュレーションは、ＣＰＰ−ＧＭＲのＶａｌｅｔ ａｎｄ Ｆｅｒｔ理論（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４８、ｐ．７０９９ （１９９３））に基づいて、磁性層の多層積層体について、スピン依存バルク散乱、スピン依存界面散乱、およびスピン散乱長を考慮して磁気抵抗を計算するもの（詳しくはＮ．Ｓｔｒｅｌｋｏｖ等、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． ９４ ｐ．３２７８ （２００３））である。このシミュレーションは、作成者Ｂ．Ｄｉｅｎｙ（ＳＰＩＮＴＥＣ社、仏国）によるソフトウェアを用いた。計算に使用した磁気抵抗効果素子の構成を以下のようにした。なお、下記括弧内の数値は膜厚を表す。
下部電極：Ｃｕ（１００ｎｍ）／下地層：ＮｉＣｒ（５ｎｍ）／下部反強磁性層：ＰｄＰｔＭｎ（１８ｎｍ）／下部第１固定磁化層：Ｆｅ60Ｃｏ40（３ｎｍ）／下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７５ｎｍ）／下部第２固定磁化層：ＦｅＣｏＣｕ（４ｎｍ）／下部非磁性中間層：Ｃｕ（４ｎｍ）／自由磁化層：ＦｅＣｏＣｕ（７．５ｎｍ）／上部非磁性中間層：Ｃｕ（４ｎｍ）／上部第２固定磁化層：ＦｅＣｏＣｕ（４ｎｍ）／上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７５ｎｍ）／上部第１固定磁化層：Ｆｅ60Ｃｏ40（３ｎｍ）／上部反強磁性層：ＰｄＰｔＭｎ（１８ｎｍ）／保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）／上部電極：Ｃｕ（１００ｎｍ）
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施の形態に係るＣＰＰ型構造を有する磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態のＧＭＲ膜の替わりにＴＭＲ（Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、強磁性磁気トンネル接合型磁気抵抗）膜を用いたものである。具体的には第１の実施の形態のＧＭＲ膜の導電性の非磁性中間層の替わりに絶縁性の非磁性中間層を用いたものである。絶縁性の非磁性中間層を非磁性絶縁層と称する。
図１４は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成するＴＭＲ膜の断面図である。磁気抵抗効果素子のＴＭＲ膜以外の構成は、図３に示す磁気抵抗効果素子２２と同様であるので説明を省略する。なお、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
図１４を参照するに、ＴＭＲ膜８０は、下地層４１、反強磁性層４２、固定磁化層４３、非磁性絶縁層８１、自由磁化層４５、保護層４６が順次積層されて構成され、固定磁化層４３は、反強磁性層４２側から、第１固定磁化層４８、非磁性結合層４９、第２固定磁化層５０を順次形成した積層体から構成される。
非磁性絶縁層８１は、例えばスパッタ法により形成され、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの膜厚の酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、または酸化タンタル膜等の絶縁性材料から構成される。非磁性絶縁層８１は、第２固定磁化層５０の上にこれらの絶縁性材料を直接堆積してもよく、あるいは、アルミニウム膜等の金属膜を形成し、その後、自然酸化、プラズマ酸化、あるいはラジカル酸化又はこれらの窒化法を用いて、金属膜を金属酸化物あるいは金属窒化物の絶縁性の膜に変換してもよい。
第１固定磁化層４８は、第１の実施の形態において説明した抵抗制御層から構成されているので、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させ、磁気抵抗変化率を向上することができる。また、第１固定磁化層４８は、第１の実施の形態の第１変形例から第４変形例の構成としてもよい。
また、本実施の形態のＴＭＲ膜はシングルＴＭＲ膜構造を有しているが、第１の実施の形態の第５変形例にかかるＧＭＲ膜のように、デュアルＴＭＲ膜構造としてもよい。
本実施の形態によれば、ＴＭＲ膜の固定磁化層４３を積層フェリ構造とし、第１の実施の形態と同様に、反強磁性層４２側に位置する第１固定磁化層４８を抵抗制御層４８とすることで、ＴＭＲ膜の磁気抵抗変化量を増加することができる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置を説明する。
図１５は、本発明の実施の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。図１５を参照するに、磁気記憶装置９０は大略ハウジング９１からなる。ハウジング９１内には、スピンドル（図示されず）により駆動されるハブ９２、ハブ９２に固定され回転される磁気記録媒体９３、アクチュエータユニット９４、アクチュエータユニット９４に取り付けられ磁気記録媒体９３の半径方向に移動されるアーム９５及びサスペンション９６、サスペンション９６に支持された磁気ヘッド９８が設けられている。
磁気ヘッド２０は、図３に示したように、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等のセラミック基板の上に形成された磁気抵抗効果素子２２と、その上に形成された誘導型記録素子２３から構成される。
本実施の形態の磁気記憶装置９０は、磁気抵抗効果素子２２に特徴がある。磁気抵抗効果素子２２は、第１の実施の形態およびその変形例、第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子のいずれかから構成される。なお、本実施の形態に係る磁気記憶装置９０の基本構成は、図１５に示すものに限定されるものではない。また、本発明で用いる磁気記録媒体９３は、面内磁気記録方式あるいは垂直磁気記録方式の磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、第１および第２の実施の形態では、第１固定磁化層の散乱非対称項β1が第２固定磁化層の散乱非対称項β2よりも小さい（β1＜β2）としたが、その逆の場合であるβ1＞β2でも本発明の効果が得られることは言うまでもない。すなわち、第２固定磁化層は、抵抗制御層からなり、その散乱非対称項β2が第１固定磁化層の散乱非対称項β1よりも小さい材料を用いる。このように設定することで、上述した効果（磁気抵抗変化量ΔＲＡの増加）を有し、さらにβ1＞０＞β2とすることで効果は顕著になる。この場合、さらに、上記式（５）あるいは上記式（６）の関係を有するとき、第１固定磁化層の膜厚ｔ1を増加させると、磁気抵抗変化量ΔＲＡがさらに増加するという効果を有する。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１） 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうち少なくとも１種に添加元素を含む強磁性材料からなり、該添加元素がＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、およびこれらの合金からなる群のうち、少なくとも１種からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記２） 前記強磁性層は、前記添加元素を含み、該添加元素の原子濃度が前記抵抗制御層よりも小さいことを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記３） 前記添加元素がＣｕであり、
前記抵抗制御層はＣｕ含有量が５原子％〜１５原子％の範囲に設定されることを特徴とする付記２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記４） 前記抵抗制御層が、ＦｅＣｏと、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、およびこれらの合金のうちいずれか１種とを含む強磁性材料からなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記５） 前記抵抗制御層は、前記添加元素の濃度が５原子％〜７０原子％の範囲であることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記６） 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、導電性の強磁性酸化物からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記７） 前記強磁性酸化物は、ＡＢ2Ｏ4の分子式で表されるスピネル構造を有し、Ａは、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｇおよびＬｉからなる群のうち少なくとも１種の元素であり、Ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉおよびＭｎからなる群のうち少なくとも１種の元素であることを特徴とする付記６記載の磁気抵抗効果素子。
（付記８） 前記強磁性酸化物は、ＺｎＯと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｎのうち少なくとも１種の元素と、からなることを特徴とする付記６記載の磁気抵抗効果素子。
（付記９） 前記強磁性酸化物は、Ｆｅ3Ｏ4、ＳｒＲｕＯ3およびＳｒ2ＦｅＭｏＯ6からなる群のうちいずれか１種からなることを特徴とする付記６記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１０） 前記非磁性中間層は導電性材料からなることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１１） 前記非磁性中間層は絶縁性材料からなることを付記１〜９のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１２） 前記非磁性中間層は酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、および酸化タンタル膜からなる群のうち、いずれかの絶縁膜からなり、その膜厚が０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１３） 前記第１の固定磁化層は、抵抗制御層からなり、
前記抵抗制御層と反強磁性層との間、および抵抗制御層と非磁性結合層との間のうち、少なくとも一方の間に強磁性接合層をさらに有し、
前記強磁性接合層が抵抗制御層と強磁性的に交換結合していることを特徴とする付記１〜１２のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１４） 前記第１の固定磁化層は、複数の抵抗制御層と強磁性接合層からなり、
前記強磁性接合層が２つの抵抗制御層に挟まれてなることを特徴とする付記１〜１３のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１５） 前記強磁性接合層がＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうち少なくとも１種を含む強磁性材料からなることを特徴とする付記１３または１４記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１６） 前記第１の固定磁化層と第２の固定磁化層がＢｓ1×ｔ1＞Ｂｓ2×ｔ2の関係を有することを特徴とする付記１〜１５のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子（ここで、Ｂｓ1、ｔ1はそれぞれ第１の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ2、ｔ2はそれぞれ第２の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚である。）。
（付記１７） 前記第１の固定磁化層と第２の固定磁化層が１．１≦Ｂｓ1×ｔ1／Ｂｓ2×ｔ2≦２．０の関係を有することを特徴とする付記１６記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１８） 前記自由磁化層上にさらに、他の非磁性中間層と、他の固定磁化層と、他の反強磁性層とをさらに備え、
前記他の固定磁化層は、他の反強磁性層側から、第３の固定磁化層、非磁性結合層、および第４の固定磁化層からなり、第３の固定磁化層と第４の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合し、第３の固定磁化層および第４の固定磁化層のいずれか一方が前記抵抗制御層であり、他方が前記強磁性層であることを特徴とする付記１〜１７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１９） 前記第３の固定磁化層と第４の固定磁化層がＢｓ3×ｔ3＞Ｂｓ4×ｔ4の関係を有することを特徴とする付記１８記載の磁気抵抗効果素子（ここで、Ｂｓ3、ｔ3はそれぞれ第３の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ4、ｔ4はそれぞれ第４の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚である。）
（付記２０） 前記第３の固定磁化層と第４の固定磁化層が１．１≦Ｂｓ3×ｔ3／Ｂｓ4×ｔ4≦２．０の関係を有することを特徴とする付記１９記載の磁気抵抗効果素子。
（付記２１） 前記自由磁化層が、他の強磁性層と非磁性導電層を交互に積層した積層自由磁化層構造を有することを特徴とする付記１〜２０のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記２２） 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、互いに散乱非対称項が異なる強磁性材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記２３） 前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、いずれか一方が正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、他方が負値の散乱非対称項の強磁性材料からなることを特徴とする付記２２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記２４） 前記第２の固定磁化層は正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、かつ第１の固定磁化層は、第２の固定磁化層の散乱非対称項よりも小さい正値あるいは負値の散乱非対称項の強磁性材料からなることを特徴とする付記２２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記２５） 前記第１の固定磁化層は正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、かつ第２の固定磁化層は、第１の固定磁化層の散乱非対称項よりも小さい正値、あるいは負値の散乱非対称項の強磁性材料からなることを特徴とする付記２２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記２６） 付記１〜２５のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子と、記録素子とを備えた磁気ヘッド。
（付記２７） 付記２６記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備えた磁気記憶装置。
従来の磁気抵抗効果素子の断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は本発明の原理を説明するための図である。 複合型磁気ヘッドの媒体対向面の構造を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成するＧＭＲ膜の断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、磁界が自由磁化層の磁化に与える影響を説明するための図である。 自由磁化層の他の例の要部拡大図である。 第１の実施の形態の第１変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態の第２変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態の第３変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態の第４変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態の第５変形例に係るＧＭＲ膜の断面図である。 実施例および比較例の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ΔＲＡ及びＭＲ変化率を示す図である。 ΔＲＡと散乱非対称項βとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成するＴＭＲ膜の断面図である。 本発明の実施の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
符号の説明
１０、３０、５１、５５、６０、６５、７０ ＧＭＲ膜
１１、４２ 反強磁性層
１２、５２、５６、６１、６６ 第１固定磁化層
１３、４９ 非磁性結合層
１４、５０ 第２固定磁化層
１５、４３ 固定磁化層
１６、４４ 非磁性中間層
１８、４５ 自由磁化層
２０ 複合型磁気ヘッド
２１ セラミック基板
２２ 磁気抵抗効果素子
２３ 誘導型記録素子
２４Ａ 上部磁極
２４Ｂ 下部磁極
２５ 記録ギャップ層
２６、３１ アルミナ膜
２８ 下部電極
３２ 上部電極
３３ 絶縁膜
３４ 磁区制御膜
４１ 下地層
４５ａ 強磁性層
４５ｂ 非磁性導電層
４６ 保護層
４８、４８−１、４８−２ 第１固定磁化層（抵抗制御層）
４８ａ 下部第１固定磁化層（下部抵抗制御層）
４８ｂ 上部第１固定磁化層（上部抵抗制御層）
５３、５３−１、５３−２ 強磁性接合層
８０ ＴＭＲ膜
８１ 非磁性絶縁層
９０ 磁気記憶装置
９３ 磁気記録媒体

Claims (10)

  1. 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
    前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、
    前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうち少なくとも１種に添加元素を含む強磁性材料からなり、該添加元素がＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、およびこれらの合金からなる群のうち、少なくとも１種からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 前記強磁性層は、前記添加元素を含み、該添加元素の原子濃度が前記抵抗制御層よりも小さい強磁性材料からな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. 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
    前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の一方が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびこれらの合金からなる群のうちいずれか１種からなる強磁性材料からなる強磁性層であり、
    前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層の他方が、導電性の強磁性酸化物からなる抵抗制御層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第１の固定磁化層と第２の固定磁化層がＢｓ1×ｔ1＞Ｂｓ2×ｔ2の関係を有することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子（ここで、Ｂｓ1、ｔ1はそれぞれ第１の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚であり、Ｂｓ2、ｔ2はそれぞれ第２の固定磁化層の飽和磁束密度、膜厚である。）。
  5. 前記自由磁化層上にさらに、他の非磁性中間層と、他の固定磁化層と、他の反強磁性層とをさらに備え、
    前記他の固定磁化層は、他の反強磁性層側から、第３の固定磁化層、非磁性結合層、および第４の固定磁化層からなり、第３の固定磁化層と第４の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合し、第３の固定磁化層および第４の固定磁化層のいずれか一方が前記抵抗制御層であり、他方が前記強磁性層であることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 反強磁性層と、固定磁化層と、非磁性中間層と、自由磁化層とを備え、
    前記固定磁化層が反強磁性層側から、第１の固定磁化層、非磁性結合層、および第２の固定磁化層からなり、第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合するＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、互いに散乱非対称項が異なる強磁性材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第１の固定磁化層および第２の固定磁化層は、いずれか一方が正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、他方が負値の散乱非対称項の強磁性材料からなることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記第２の固定磁化層は正値の散乱非対称項の強磁性材料からなり、かつ第１の固定磁化層は、第２の固定磁化層の散乱非対称項よりも小さい正値あるいは負値の散乱非対称項の強磁性材料からなることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 請求項１〜８のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子と、記録素子とを備えた磁気ヘッド。
  10. 請求項９記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備えた磁気記憶装置。
JP2005067898A 2004-05-28 2005-03-10 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置 Pending JP2006013430A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005067898A JP2006013430A (ja) 2004-05-28 2005-03-10 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置
US11/137,008 US7486487B2 (en) 2004-05-28 2005-05-25 Magneto-resistive element, magnetic head and magnetic storage apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004159590 2004-05-28
JP2005067898A JP2006013430A (ja) 2004-05-28 2005-03-10 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006013430A true JP2006013430A (ja) 2006-01-12

Family

ID=35424919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005067898A Pending JP2006013430A (ja) 2004-05-28 2005-03-10 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7486487B2 (ja)
JP (1) JP2006013430A (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008085202A (ja) * 2006-09-28 2008-04-10 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置
JP2016063087A (ja) * 2014-09-18 2016-04-25 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP2016063088A (ja) * 2014-09-18 2016-04-25 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US20190348208A1 (en) * 2017-01-02 2019-11-14 Imec Vzw Magnetoresistive device comprising chromium
WO2021192128A1 (ja) * 2020-03-26 2021-09-30 日本電信電話株式会社 ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008126136A1 (ja) * 2007-03-20 2008-10-23 Fujitsu Limited 磁気ヘッド
US20080272448A1 (en) * 2007-05-02 2008-11-06 Faiz Dahmani Integrated circuit having a magnetic tunnel junction device
US20090168235A1 (en) * 2007-12-27 2009-07-02 Kochan Ju Enhanced cpp read sensors with lateral spin transport
US8310791B2 (en) * 2009-03-13 2012-11-13 Tdk Corporation Magnetoresistive effect element and magnetic disk device
CN101556986B (zh) * 2009-05-20 2010-08-25 南京大学 多态阻变材料、用其制得的薄膜、多态阻变储存元件及所述储存元件在储存装置中的应用
US10204671B2 (en) 2017-03-10 2019-02-12 Simon Fraser University Applications of non-collinearly coupled magnetic layers
CN107099845B (zh) * 2017-04-24 2019-03-22 南京大学 一种具有巨大磁电阻的HfTe5-δ晶体及其生长方法
CN110176254B (zh) * 2019-04-19 2020-12-29 北京大学（天津滨海）新一代信息技术研究院 一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件及数据存储方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6348274B1 (en) * 1998-12-28 2002-02-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetic recording apparatus
JP3987226B2 (ja) * 1999-02-05 2007-10-03 富士通株式会社 磁気抵抗効果型デバイス
JP2001126219A (ja) 1999-10-28 2001-05-11 Read Rite Corp スピンバルブ型磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド
JP3557140B2 (ja) * 1999-12-28 2004-08-25 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気再生装置
US6407890B1 (en) * 2000-02-08 2002-06-18 International Business Machines Corporation Dual spin valve sensor read head with a specular reflector film embedded in each antiparallel (AP) pinned layer next to a spacer layer
JP2001358380A (ja) * 2000-06-13 2001-12-26 Alps Electric Co Ltd スピンバルブ型薄膜磁気素子およびこのスピンバルブ型薄膜磁気素子を備えた薄膜磁気ヘッド
JP3833512B2 (ja) 2000-10-20 2006-10-11 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子
US6473279B2 (en) * 2001-01-04 2002-10-29 International Business Machines Corporation In-stack single-domain stabilization of free layers for CIP and CPP spin-valve or tunnel-valve read heads
US6905780B2 (en) 2001-02-01 2005-06-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Current-perpendicular-to-plane-type magnetoresistive device, and magnetic head and magnetic recording-reproducing apparatus using the same
US6661626B2 (en) * 2001-03-20 2003-12-09 International Business Machines Corporation Tunnel valve sensor having a pinned layer structure with an iron oxide (Fe3O4) layer
JP3590006B2 (ja) * 2001-06-22 2004-11-17 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
US6683762B2 (en) 2002-06-11 2004-01-27 Headway Technologies, Inc. CPP GMR device with inverse GMR material
US7099122B2 (en) 2003-12-16 2006-08-29 Seagate Technology Llc Spin polarization enhancement artificial magnet

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008085202A (ja) * 2006-09-28 2008-04-10 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、および磁気記録再生装置
US8184410B2 (en) 2006-09-28 2012-05-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element having free layer magnetic compound expressed by M1M2O
US8351164B2 (en) 2006-09-28 2013-01-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element having free and/or pinned layer magnetic compound expressed by M1M2O
JP2016063087A (ja) * 2014-09-18 2016-04-25 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP2016063088A (ja) * 2014-09-18 2016-04-25 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US20190348208A1 (en) * 2017-01-02 2019-11-14 Imec Vzw Magnetoresistive device comprising chromium
US10770213B2 (en) * 2017-01-02 2020-09-08 Imec Vzw Magnetoresistive device comprising chromium
WO2021192128A1 (ja) * 2020-03-26 2021-09-30 日本電信電話株式会社 ワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質および磁気抵抗素子
JPWO2021192128A1 (ja) * 2020-03-26 2021-09-30
JP7332033B2 (ja) 2020-03-26 2023-08-23 日本電信電話株式会社 磁気抵抗素子

Also Published As

Publication number Publication date
US7486487B2 (en) 2009-02-03
US20050264953A1 (en) 2005-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2006013430A (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置
US8514525B2 (en) Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor with reference layer integrated in magnetic shield
JP4658659B2 (ja) Ｃｐｐ構造の磁気抵抗効果素子およびその形成方法
US7336451B2 (en) Magnetic sensing element containing half-metallic alloy
US7359162B2 (en) Magnetoresistance effect element, magnetic head and magnetic recording and/or reproducing system
JP3327375B2 (ja) 磁気抵抗効果型トランスデューサ、その製造方法及び磁気記録装置
JP3563375B2 (ja) 磁気検出素子及び前記磁気検出素子を用いた薄膜磁気ヘッド
JP5209860B2 (ja) スピンバルブ構造およびその形成方法ならびにｃｐｐ−ｇｍｒ再生ヘッド
US9047892B2 (en) Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor having an antiparallel free (APF) structure with improved magnetic stability
KR100690492B1 (ko) 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 자기 기억 장치
JP2003309305A (ja) 磁気検出素子
KR20070106433A (ko) 자기-저항 소자 및 이를 제조하는 방법
EP1850144A1 (en) Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive sensor with antiparallel-free layer structure and low current-induced noise
US8922953B1 (en) Dual current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor with antiparallel-free (APF) structure and integrated reference layers/shields
JPH1041132A (ja) 磁気抵抗効果膜
JP2010140524A (ja) 差動型磁気抵抗効果ヘッド及び磁気記録再生装置
JP2002298313A (ja) 薄膜磁気ヘッド
JP2007109807A (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置
US7957107B2 (en) Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive sensor with antiparallel-free layer structure and low current-induced noise
JPH10198927A (ja) 磁気抵抗効果膜およびその製造方法
JPH10177706A (ja) スピンバルブ型薄膜素子
US20050264952A1 (en) Magneto-resistive element, magnetic head and magnetic storage apparatus
US7558029B2 (en) Magnetic detectible head comprising free layer
JP2007158058A (ja) 磁気検出素子
JP2006245277A (ja) 磁気検出素子

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080121

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090317

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090707