JP2006018862A - 磁気抵抗効果型ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果型ヘッド及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スピンバルブ素子の反強磁性層と第１強磁性層の結合エネルギー及び、Ru反強磁性結合層を通した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーを大きくし、スピンバルブ膜の抵抗変化率を大きくし、自由層の保磁力を小さくする。
【解決手段】基板上に下地層、MnPtからなる反強磁性層、CoFeからなる第１強磁性層、Ruからなる反強磁性結合層、CoFeからなる第２強磁性層、Cuからなる中間非磁性層、CoFe及びNiFeの積層膜からなる自由層及び保護層を積層したMnPt反強磁性ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜において、第１強磁性層のCoFexのFe組成ｘを20 < x <= 50at%とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気抵抗効果型ヘッド及びその製造方法に関する。また、磁気抵抗効果型ヘッドを用いた磁気ディスク装置に関する。
磁気ディスク装置用読み出し素子として巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用したスピンバルブ素子が利用されている。ボトム型と呼ばれる積層フェリ型スピンバルブ膜は一般には基板/下地層/反強磁性層/第１強磁性層/反強磁性結合層/第２強磁性層/Cu中間層/自由層/保護層の構成をとる。これらの層に良く用いられる材料は反強磁性層としてMnPtまたはMnIr、第１強磁性層としてCoFe、反強磁性結合層としてRu、第２強磁性層としてCoFe、自由層としてCoFe/NiFeが挙げられる。
特許文献１には、ボトム型の結合膜であり、反強磁性層としてMnZPt100-Z、53≦ Z ≦57at%、第１強磁性層としてCoXFe100-X、42 ≦x ≦83at%を用いることにより反強磁性層と第１強磁性層の交換結合磁界が大きくなることが開示されている。結合膜は下地層/反強磁性層/強磁性層の構成となっており、積層フェリ型スピンバルブ膜の構成とはなっていない。
一方、特許文献２にはボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜の第１強磁性層をｆｃｃ又はｈｃｐの最稠密面が膜面内方向に配向する様に選んだ場合に抵抗変化率が高くなり、自由層の軟磁気特性が良好になることが開示されている。特許文献２によれば、第１強磁性層がCoFexからなる場合、Fe組成xが0 <= x <= 20at%の範囲でｆｃｃ構造になる為、高い抵抗変化率と良好な自由層軟磁気特性が得られると考えられる。
特開2002-289947号公報 特開2001-189503号公報
外部磁界に対してスピンバルブ素子の性能を安定させる為には固定層磁化の反転磁界を大きくする必要がある。固定層磁化の反転磁界を大きくする為に必要なことは、反強磁性層と第１強磁性層との磁気的結合エネルギーを大きくすることと、反強磁性結合層を通して発生する第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的な結合エネルギーを大きくすることである。
また、自由層の磁化は信号磁界に応じてその方向が変化する。自由層の磁化方向が変化すると磁気抵抗効果によりスピンバルブ膜の抵抗が変化し、この抵抗変化を検出することにより再生信号が得られる。磁気抵抗効果型ヘッドがノイズの少ない出力を得る為には、自由層の軟磁気特性を良好にする必要がある。つまり、安定した再生信号を得る為には自由層の保磁力を小さくする必要がある。また、自由層の軟磁気特性がスピンバルブ膜に加わる応力により変化することを防止する為には、自由層の磁歪の絶対値を小さくする必要がある。
磁気抵抗効果型ヘッドとして、磁気抵抗素子を用いるためには、特許文献１に開示された技術により反強磁性層とそれと接する強磁性層の交換磁界を大きくするだけでなく、優れた反強磁性結合層を介した強磁性層間の反強磁性的エネルギー、抵抗変化率、自由層の軟磁気特性を兼ね備える必要がある。そこで本願は、MnPt反強磁性ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜において、強い反強磁性層と第１強磁性層の結合エネルギーだけでなく、Ru反強磁性結合層を通した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的交換結合エネルギー、更に高い抵抗変化率および自由層の優れた軟磁気特性を兼ね備えたスピンバルブ膜を実現することを目的とする。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
基板上にＭｎＰｔを含有する反強磁性層と、固定層と、ＣｏＦｅを含有する自由層と、固定層と自由層の間に形成される非磁性スペーサ層と、保護層とを備え、反強磁性層が基板と自由層との間に配置される磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、固定層が反強磁性結合層を介して互いに反強磁性結合された第１強磁性層と第2強磁性層とを有し、反強磁性結合層と反強磁性層との間に配置された第１強磁性層の組成がＣｏ100-XＦｅX（原子％） ２０＜Ｘ≦５０の範囲とし、抵抗変化率が13.3（％）以上とする。
さらに、別の実施形態によれば、反強磁性結合層と反強磁性層との間に配置された第１強磁性層をＣｏ100-XＦｅX（原子％）で構成し、Ｘの組成が層内で変化させる。第１強磁性層を２層構造とし、MnPt反強磁性層と接する側のCo100-X Fex層を20 < x <= 50at%とし、反強磁性結合層Ruと接する側のCoFey層を0 <= y <= 10at%とする。
本願発明によれば、高い抵抗変化率、優れた自由層の軟磁気特性、固定層の交換結合磁界を有する磁気抵抗効果型ヘッドを実現することができる。
図１は本願発明にかかる磁気抵抗効果型ヘッドを浮上面からみた図である。基板２０９上に下部シールド２１５、アルミナ等の絶縁膜からなる下部ギャップ２１０を介して複数の層から構成される磁気抵抗素子２００が堆積されている。読み出しセンサ膜として働く磁気抵抗素子２００の両脇には固定層の磁区制御を行う磁区制御膜２１３と、電極２１１と、これらの下地膜２１２、２１４が配置されている。磁気抵抗効果型ヘッドは、ＣＩＰ型のヘッドであって、電極は電流の経路が磁気抵抗素子２００の複数の層が積層される方向に垂直に流れるように配置されている。電極２１１の上部には、上部ギャップ２１７、上部シールド２１６が配置されている。製造工程では、まず、ガラスを組成とする基板２０９を用意し、シールド膜２１５、絶縁膜２１０を堆積させた後、その上に磁気抵抗素子２００を堆積させ、フォトマスクを用いて、磁気抵抗素子にテーパ角を設けるように磁気抵抗素子内の堆積された層をエッチングする。その後、磁区制御膜２１３、電極２１１を形成する。その後、絶縁膜からなる上部ギャップ２１７、上部シールド２１６が形成される。
＜実施例１＞
図２に本実施例にかかる磁気抵抗素子２００の層構成を示す。下地層１２、反強磁性層１３、第１の強磁性層１４、反強磁性結合層１５、第２の強磁性層１６、非磁性スペーサ層１７、自由層１８、保護層１９の膜構成を有している。下地層１２は、NiFeCrを含有する第１下地層１２ａ、NiFeを含有する第２下地層１２ｂの２層構成をとっている。反強磁性層１３はＭｎＰｔで構成されている。第１強磁性層１４と第２強磁性層１６はCoFeを含有している。反強磁性結合層１５はＲｕを含有し、第１強磁性層１４と第２強磁性層１６の磁化方向を反強磁性結合させる役割を果たす。非磁性スペーサ層１７はＣｕを含有する。自由層はＣｏＦｅの第１自由層１８ａとＮｉＦｅの第２自由層１８ｂの2層構造をとっている。第２自由層18bのNiFeは自由層の保磁力を低減する効果がある。抵抗変化率を高くするために、第１自由層18aのCoFeは第２自由層18bより非磁性スペーサ層側に配置される。保護層１９は、Ｃｕ又はＲｕを含有する第1の保護層１９ａとＴａを含有する第２の保護層１９ｂの２層構成をとっている。これらの層は、下の下地層１２から順に下部ギャップ２１０上に堆積される。第１強磁性層１４のCo100-xFexのFe組成ｘは20 < x <= 50at%の範囲をとる構成となっている。特に、30at%付近の25 <= x <= 35at%が好ましい。この構成により、抵抗率がCoFexのFe組成ｘを0 < x <= 20at%の場合より抵抗変化率が高く、自由層保持力が低い素子を実現することができる。すなわち、抵抗変化率13.3%以上、自由層保持力1.0Oe以下の磁気ヘッドに用いるために良好な磁気抵抗素子が実現することができる。
ガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/CoFex/Ru 8Å/CoFe10 20/Cu 17.8Å/CoFe 10Å/NiFe 15Å/Cu 6Å/Ta 20ÅのMnPt反強磁性ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜をDCマグネトロンスパッタ装置で作製してその特性を確認した。NiFeCr/NiFeが下地層であり、Cu/Taが保護層となる。第１強磁性層のCoFeはCoターゲットとFeターゲットのコスパッタにより作製した。第１強磁性層のCoFe組成は第１強磁性層のCoFe成膜時のCoターゲットとFeターゲットの投入電力の比率を変えることにより、変化させた。また、第１強磁性層のCoFeのFe組成により飽和磁束密度が異なる為、第１強磁性層の膜厚は各Fe組成で第１強磁性層の磁化量が一定となるように調整した。このスピンバルブ膜の抵抗変化率のｘ組成依存性を図３に示す。このスピンバルブ膜の自由層保磁力のｘ組成依存性を図４に示す。
図３及び図４から第１強磁性層のCoFe組成がCoFe30at%で抵抗変化率が最大となり、自由層保の磁力が最小となる。特に20 < x <= 50at%で高い抵抗変化率と小さな自由層保磁力が得られる。0 <= x <= 20at%Feよりも30at%Fe付近で抵抗変化率が13.3%以上と高くなっているのはx = 30付近で単位体積当りの磁気モーメントが最大であり、第１強磁性層の膜厚を薄くすることが出来、電流のシャントロスを低減できるからである。更にFe添加量を増やすと抵抗変化率が減少するのは、第１強磁性層の結晶構造がｂｃｃとなり第２強磁性層から自由層までの結晶構造が良好なｆｃｃ構造から変化する為である。自由層保磁力が0 <= x <= 20at%Feよりも30at%Feで1.0以下と小さくなるのはx = 30付近で第１強磁性層の結晶粒が微結晶となり、自由層の結晶粒径が適正になる為である。更にFe添加量を増やすと第１強磁性層の結晶構造がｂｃｃとなり自由層結晶構造が良好なｆｃｃ構造とならない為である。
この結果から、第１強磁性層の結晶構造は必ずしもｆｃｃである必要がない事がわかる。これらの結果は高い抵抗変化率と優れた自由層軟磁気特性を得る為には第１強磁性層がｆｃｃ構造である必要があるという従来の概念とは異なる。すなわち、従来の考え方では、特許文献２に挙げられるように、ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜の第１強磁性層をｆｃｃ又はｈｃｐの最稠密面が膜面内方向に配向する様に選んだ場合には抵抗変化率が高くなり、自由層の軟磁気特性が良好になるため、CoFe第１強磁性層のFe組成はCoFeがｆｃｃ構造となる20at%より小さいことが望ましいと考えられていた。しかし、発明者らの検討の結果、Ru反強磁性結合層を通した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーを大きくし、スピンバルブ膜の抵抗変化率を大きくし、自由層の磁歪の絶対値を小さくし、自由層の保磁力を小さくするためには、20at%より大きい領域、20 < x <= 50at%が優れ、抵抗変化率13.3%以上、自由層保持力1.0Oe以下が実現することが可能となった。
第１強磁性層の結晶構造がｆｃｃでなくても高い抵抗変化率が得られるのは以下のような理由であると考えられる。第１強磁性層のCoFeのFe組成が20at%より大きい値をとると飽和磁束密度が高くなる為に第１強磁性層をFe組成が20at%以下の場合と比較して薄くでき、シャントロスを低減できることにより抵抗変化率が増加する。一方、第１強磁性層のCoFeのFe組成を増加させて結晶構造がｂｃｃとなり抵抗変化率が減少する効果は比較的に小さく、シャントロスを低減することによる抵抗変化率の増加がこれを上回る為、結果としてFe組成が30at%で抵抗変化率が最大になると考えられる。また、第１強磁性層の結晶構造がｆｃｃでなくても自由層の軟磁気特性が良好になるのは以下のような理由であると考えられる。第１強磁性層のFe組成を20at%よりおおきくするとｆｃｃ構造が不安定でｂｃｃ構造が安定となる為に、この境界領域付近では第１強磁性層の結晶粒径が比較的に小さい。ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜では第１強磁性層が自由層の下地層として作用する為、自由層の結晶粒径もまた小さくなり、自由層の軟磁気特性が良好になる。一方、第１強磁性層の結晶構造がｂｃｃとなり自由層の軟磁気特性が悪くなる効果は比較的小さく、結晶粒径微細化の効果がこれを上回る為に結果として自由層の軟磁気特性が良好となる。これらの結果は第１強磁性層の構造をｆｃｃとすることで高い抵抗変化率と優れた自由層軟磁気特性が得られるという従来の概念からは類推できない。
＜実施例２＞
図５に本実施例にかかる磁気抵抗素子２００の層構成を示す。下地層１２、反強磁性層１３、第１の強磁性層１４、反強磁性結合層１５、第２の強磁性層１６、非磁性スペーサ層１７、自由層１８、保護層１９の膜構成を有している。下地層１２は、NiFeCrを含有する第１下地層１２ａ、NiFeを含有する第２下地層１２ｂの２層構成をとっている。反強磁性層１３はＭｎＰｔで構成されている。第１強磁性層１４と第２強磁性層１６はCoFeを含有している。反強磁性結合層１５はＲｕを含有し、第１強磁性層１４と第２強磁性層１６を反強磁性結合させる役割を果たす。非磁性スペーサ層１７はＣｕを含有する。自由層はＣｏＦｅの第１自由層１８ａとＮｉＦｅの第２自由層１８ｂの2層構造をとっている。ＮｉＦｅは保持力を下げるため、第2自由層は第1自由層より保護層１９側に配置される。保護層１９は、Ｃｕ又はＲｕを含有する第1の保護層１９ａとＴａを含有する第２の保護層１９ｂの２層構成をとっている。本実施例では、第１の強磁性層１４内でＦｅの組成比を変化させている。変化させるため、第１の強磁性層１４を堆積するに際して、Ｆｅの組成比が異なる層を分けて堆積し、Ｆｅの組成比が相対的に大きい層を先に堆積し、Ｆｅの組成比が相対的に小さい層をその後に堆積していく。反強磁性層側のＦｅの組成比を反強磁性結合層側のＦｅの組成比より大きくすることで、Ｒｕからなる反強磁性結合層１５を介した第１の強磁性層１４と第２の強磁性層１６の反強磁性結合エネルギーを大きくしつつ、反強磁性層１３と第１強磁性層１４の交換結合エネルギーを大きくすることが可能となる。特に、第１強磁性層を２層構造とし、MnPt反強磁性層と接する側のCoFex層を20 < x <= 50at%とし、反強磁性結合層Ruと接する側のCoFey層を0 <= y <= 10at%とする層構成が優れる。磁気抵抗素子を構成する複数の層は、下の下地層１２から順に下部ギャップ２１０上に堆積される。
ガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/CoFe30/CoFe10/Ru 5.5Å/CoFe10 20Å/Cu 17.8Å/CoFe 10Å/NiFe 15Å/Cu 6Å/Ta 20Å膜の構造のスピンバルブ膜を作製し、特性を測定した。比較例１として、 ガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/CoFe10/CoFe30/Ru 5.5Å/CoFe10 20Å/Cu 17.8Å/CoFe 10Å/NiFe 15Å/Cu 6Å/Ta 20Å膜の構造のスピンバルブ膜を作製した。実施例２及び比較例１のスピンバルブ膜の場合、それぞれCoFe30/CoFe10 及びCoFe10/CoFe30が第１強磁性層として作用する。これらCoFe30及びCoFe10の膜厚はCoFe30/CoFe10 及びCoFe10/CoFe30の磁化量が一定となるように調整した。
これらのスピンバルブ膜の第１強磁性層とMnPt反強磁性層の交換結合エネルギーのCoFe30膜厚依存性を図６に示す。MnPt反強磁性層と第１強磁性層の結合エネルギーを測定する為にガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/第１強磁性層/Cu 23.8Å/Ta 20Åの構成のサンプルを作製し、第１強磁性層の磁化ループの原点からのシフト磁界からこの結合磁界を計算した。MnPt反強磁性層と第１強磁性層との交換結合エネルギーは実施例２の第１強磁性層がCoFe30/CoFe10構成でCoFe30膜厚が6〜16Åで大きくなる。一方、比較例１の第１強磁性層の構成がCoFe10/CoFe30構成ではCoFe30膜厚が12〜16Åで大きくなる。
また、実施例２及び比較例１のスピンバルブ膜の積層フェリ型固定層の固定層反転磁界のCoFe30膜厚依存性を図７に示す。積層フェリ型固定層の固定層反転磁界は抵抗変化曲線において固定層磁化が回転する磁界領域において抵抗変化量が最大抵抗変化量の半分になる磁界であり、Ruを介した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーの指標である。
積層フェリ型固定層の固定層反転磁界は実施例２の第１強磁性層がCoFe30/CoFe10構成でCoFe30膜厚が０〜８Åで大きくなる。つまりRuを介した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーは第１強磁性層がCoFe30/CoFe10構成でCoFe30膜厚が０〜８Åで大きくなる。
以上図６及び図７より第１強磁性層がCoFe30/CoFe10２層構成でCoFe30膜厚が６〜８Åの範囲でMnPt反強磁性層と第１強磁性層の交換結合エネルギー及びRuを介した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーを大きく出来る。これらの膜の抵抗変化率及び自由層保磁力は第１強磁性層をCoFe30単層とした場合と同程度で良好であった。また、実施例２の第１強磁性層におけるRu反強磁性結合層と接する側のCoFey層を0 <= y <= 10at%とすることで高いMnPtと第１強磁性層の交換結合磁界、高い第１強磁性層/Ru反強磁性結合層/第２強磁性層の結合エネルギー、高い抵抗変化率、優れた自由層軟磁気特性が得られることが分かった。
第１強磁性層を２層構造とし、MnPt反強磁性層と接する側のCoFex層を20 < x <= 50at%とし、反強磁性結合層Ruと接する側のCoFey層を0 <= y <= 10at%とすることで高いMnPtと第１強磁性層の交換結合磁界、高い第１強磁性層/Ru反強磁性結合層/第２強磁性層の結合エネルギー、高い抵抗変化率、優れた自由層軟磁気特性が得られる。
＜実施例３＞
本実施例では、第１と第２の実施例における第２強磁性層１６の組成をCoFezのFe組成zを変化させた。ガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/CoFe50 15Å/Ru 8Å/CoFez/Cu 17.8Å/CoFe 10Å/NiFe 15Å/Cu 6Å/Ta 20Åの構成のスピンバルブ膜を作製し、特性を測定した。第２強磁性層のCoFeのFe組成により飽和磁束密度が異なる為、第２強磁性層のCo100-ZFezの膜厚は各Fe組成で第２強磁性層の磁化量が一定となるように調整されている。
このスピンバルブ膜の抵抗変化率の第２強磁性層のCo100-ZFezのFe組成z依存性を図８に示す。図８より、第２強磁性層Co100-ZFezのFe組成zを0< z <= 5at%とすることで高い抵抗変化率が得られる。
また、このスピンバルブ膜の自由層保磁力の第２強磁性層のCoFeのFe組成依存性を図９に示す。図９より、第２強磁性層のCo100-ZFezのFe組成zを0 < z <= 7at%とすることで小さな自由層保磁力が得られる。以上図８及び図９より、第２強磁性層のCo100-ZFez組成を0 <z <= 5at%とすることで高い抵抗変化率と小さな自由層保磁力が得られる。また、第２強磁性層のCo100-ZFez組成を0 < z <= 10at%としたとき、Ru膜を介した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーも大きく出来ることが分かった。結論として、第２強磁性層のCo100-ZFezのFe組成zを0 < z <= 5at%としたときに高い抵抗変化率、優れた自由層軟磁気特性および高いRuを介した第１強磁性層と第２強磁性層の反強磁性的結合エネルギーを得られることが分かった。
第２強磁性層のCo100-ZFez組成を0 < z <= 5at%とすることで高い第１強磁性層/Ru/第２強磁性層の結合エネルギー、高い抵抗変化率、優れた自由層軟磁気特性が得られる。
＜実施例４＞
本実施例では実施例１と実施例２における磁気抵抗素子の自由層のパラメータについて検討した。ガラス基板/NiFeCr 32Å/NiFe 8Å/MnPt 140Å/CoFe50 15Å/Ru 4.55Å/CoFe10 20Å/Cu 18Å/CoFeX tCF Å/NiFeZ tNF Å/保護層の構成のスピンバルブ膜を作製し、特性を確認した。ここでCoFe/NiFeは自由層である。作製したスピンバルブ膜の自由層CoFe、自由層NiFe及び保護層を図１４及び図１５に示す。ここで、自由層CoFe膜厚 tCF(Å),自由層CoFeのFe組成X(at%),自由層NiFe膜厚 tNF(Å)及び自由層NiFeのFe組成Z(wt%)を用いて、以下の定義で自由層パラメータY, S及びTを定義する。
Y = tNF /(tNF + tCF),
Mf = tNF + 2.0 * tCF 3.0 (Å),
S = a + b*Y*Z + c*Z + d*(1-Y)*X + e*X + f*Mf,
係数 a = 28.7, 係数 b = -4.9, 係数 c = 4.9,
係数 d = -5.2, 係数 e = 0.89, 係数 f = -1.1,
T = g + h*Y*Z + i*Z + j*(1-Y)*X + k*X + l*Mf,
係数 g = 0.953, 係数 h = 0.661, 係数 i = -0.79,
係数 j = 0.605, 係数 k = -0.11, 係数 l = 0.143。
自由層磁歪と自由層パラメータSの関係を図１０に示す。図１０から自由層パラメータSを -42 <= S <= +7 とすることで自由層磁歪を-10E-7以上+5E-7以下にすることができる。
次に、実施例４の自由層保磁力と自由層パラメータTの関係を図１１に示す。図１１から自由層パラメータTを T <= 3.6 とすることで自由層保磁力を2.5 Oe以下にすることができる。
更に、実施例４の自由層保磁力と自由層パラメータYの関係を図１２に示す。図１２から自由層パラメータYを 0 <= Y <= 0.7 とすることで自由層保磁力を2.5 Oe以下にすることができる。
本発明のMnPt反強磁性ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜において、自由層パラメータY,S及びTを
-42 <= S <= +7,
かつ
T <= 3.6,
かつ
0 <= Y <= 0.7
の範囲とすることで自由層磁歪が-10E-7以上かつ+5E-7以下かつ自由層保磁力が2.5 Oe以下と良好な自由層の軟磁気特性を得ることが出来る。
自由層磁化Mfを小さくすると同じ信号磁界に対して自由層磁化が回転しやすくなる為、磁気抵抗効果素子の感度は高くなる。しかし、自由層磁化Mfを小さくするとスピンバルブ膜の抵抗変化率が小さくなる。よって自由層磁化Mfは総合的に同じ信号磁界に対して再生出力が最大になるように設定される設計パラメータである。参考に、実施例４の異なる自由層磁化Mfのサンプルについて抵抗変化率を自由層パラメータYに対してプロットしたグラフを図１３に示す。自由層パラメータYが0.2 <= Y <= 0.7 の範囲で高い抵抗変化率を得ることができる。特に自由層磁化Mfが37Å以上では13%以上の高い抵抗変化率が得られる。また、これらのMnPt反強磁性ボトム型の積層フェリ型スピンバルブ膜で、自由層CoFeのFe組成X (at%)、自由層CoFeの膜厚tCF (Å)、自由層NiFeのFe組成Z (wt%)及び自由層NiFeの膜厚tNF (Å)とした場合に、
Y = tNF /(tNF + tCF),
Mf = tNF + 2.0 * tCF 3.0 (Å),
S = a + b*Y*Z + c*Z + d*(1-Y)*X + e*X + f*Mf,
係数 a = 28.7, 係数 b = -4.9, 係数 c = 4.9,
係数 d = -5.2, 係数 e = 0.89, 係数 f = -1.1,
T = g + h*Y*Z + i*Z + j*(1-Y)*X + k*X + l*Mf,
係数 g = 0.953, 係数 h = 0.661, 係数 i = -0.79,
係数 j = 0.605, 係数 k = -0.11, 係数 l = 0.143
の様に定義したY, S及びTを用いて
-42 <= S <= +7,
かつ T <= 3.6,
かつ 0 <= Y <= 0.7
の範囲とすることで高い抵抗変化率と、自由層磁歪が-10E-7以上かつ+5E-7以下かつ自由層保磁力が2.5 Oe以下と良好な自由層の軟磁気特性を得ることが出来る。
図１６に実施例1乃至４に記載されたスピンバルブ膜を具備する磁気抵抗効果型ヘッドが適用される磁気ディスク装置１３０の一例を示す。磁気ディスク装置１３０は、磁気媒体（ディスク）１１０、ディスク固定機構１２０、ランプ機構１４０、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１６０、ヘッドスタックアッセンブリ（ＨＳＡ）１５０、磁気ヘッド１００を具備する。実施例１乃至４に記載された再生磁気ヘッドは記録ヘッドと合わせて磁気ヘッド１００を構成する。
本発明が適用される再生磁気ヘッドの断面図 実施例１の磁気抵抗素子の膜構成の模式図 第１強磁性層のFe組成と抵抗変化率の関係を表すグラフ 第１強磁性層のFe組成と自由層保磁力の関係を表すグラフ 実施例２の磁気抵抗素子の膜構成の模式図 ２層構造第１強磁性層のCoFe30膜厚と、MnPtと第１強磁性層の結合エネルギーの関係を表すグラフ ２層構造第１強磁性層のCoFe30膜厚と、固定層反転磁界の関係を表すグラフ 第２強磁性層のFe組成と抵抗変化率の関係を表すグラフ 第２強磁性層のFe組成と自由層保磁力の関係を表すグラフ 自由層パラメータSと自由層磁歪の関係を表すグラフ 自由層パラメータTと自由層保磁力の関係を表すグラフ 自由層パラメータYと自由層保磁力の関係を表すグラフ 自由層パラメータYと抵抗変化率の関係を表すグラフ 実施例４の自由層及び保護層構成 実施例４の自由層及び保護層構成 本磁気抵抗素子を用いた磁気ディスク装置
符号の説明
１２、１２ａ、１２ｂ・・・下地層
１３・・・反強磁性層
１４、１４ａ、１４ｂ・・・第１強磁性層
１５・・・反強磁性結合層
１６・・・第２強磁性層
１７・・・中間磁性層
１８、１８ａ、１８ｂ・・・自由層
１９、１９ａ、１９ｂ・・・保護層
１００・・・磁気ヘッド
１１０・・・磁気媒体（ディスク）
１２０・・・ディスク固定機構
１３０・・・磁気ディスク装置
１４０・・・ランプ機構
１５０・・・ヘッドスタックアッセンブリ（ＨＳＡ）
１６０・・・ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
２００・・・磁気抵抗効果素子
２０９・・・基板
２１０・・・下部ギャップ
２１１・・・電極
２１２・・・電極の下地膜
２１３・・・磁区制御膜
２１４・・・磁区制御膜の下地膜
２１５・・・下部シールド
２１６・・・上部シールド
２１７・・・上部ギャップ

Claims (20)

  1. 基板上に反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される固定層と、自由層と、前記固定層と前記自由層の間に形成される非磁性スペーサ層と、保護層とを備えた磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記基板と自由層との間に前記反強磁性層が配置され、
    前記反強磁性層はＭｎＰｔを具備し、
    前記自由層はＣｏＦｅを含有し、
    前記固定層は、反強磁性結合層を介して互いに反強磁性結合された第１強磁性層と第2強磁性層とを有し、
    前記反強磁性結合層と前記反強磁性層との間に配置された前記第１強磁性層の組成は、Ｃｏ100-XＦｅX（原子％） ２０＜Ｘ≦５０の範囲にあり、
    抵抗変化率が13.3（％）以上であることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記反強磁性結合層と前記非磁性スペーサ層との間に配置された前記第２強磁性層がＣｏ100-ZＦｅZ（原子％） 、０＜Ｚ≦５の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  3. 請求項１に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記自由層は、ＣｏＦｅを含有し前記非磁性スペーサ層側に配置された第1自由層と、ＮｉＦｅを含有し前記保護層側に配置された第２自由層とを有し、
    前記第１自由層のＣｏＦｅのＦｅ組成をX (at %)、膜厚をtCF (Å)、前記第2自由層のＮｉＦｅのＦｅ組成をZ (wt%)、膜厚をtNF (Å)とし、
    Y = tNF /(tNF + tCF),
    Mf = tNF + 2.0 * tCF 3.0 (Å),
    S = a + b*Y*Z + c*Z + d*(1-Y)*X + e*X + f*Mf,
    係数 a = 28.7, 係数 b = -4.9, 係数 c = 4.9,
    係数 d = -5.2, 係数 e = 0.89, 係数 f = -1.1,
    T = g + h*Y*Z + i*Z + j*(1-Y)*X + k*X + l*Mf,
    係数 g = 0.953, 係数 h = 0.661, 係数 i = -0.79,
    係数 j = 0.605, 係数 k = -0.11, 係数 l = 0.143,
    と定義したY, S及びTが、 -42 <= S <= +7、かつ T <= 3.6、かつ、 0 <= Y <= 0.7 の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  4. 請求項１に記載の磁気抵抗効果型ヘッドは、さらに
    前記基板と前記反強磁性層との間に配置された複数の層を具備する下地層を具備し、
    前記自由層は、ＮｉＦｅをさらに含有し、ＮｉＦｅは前記保護層との境界面側に配置され、
    前記反強磁性結合層はＲｕを含有し、
    前記非磁性スペーサ膜はＣｕを含有し、
    第2強磁性層はＣｏＦｅを含有することを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  5. 請求項４に記載の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、
    前記下地層は、ＮｉＦｅＣｒ層とＮｉＦｅ層を具備し、前記ＮｉＦｅ層と前記基板との間に前記ＮｉＦｅＣｒ層が配置されていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  6. 請求項５に記載の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、
    前記保護層はＴａ層とＣｕ層とを具備し、前記Ｔａ層と前記自由層との間に前記Ｃｕ層が配置されていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  7. 請求項５に記載の磁気抵抗効果型ヘッドはさらに、電極と磁区制御膜とを具備し、
    前記電極は電流の経路が複数の層が積層される方向に垂直に流れるように配置されていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  8. 基板上に反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される固定層と、自由層と、保護層と、前記固定層と前記自由層の間に形成される非磁性スペーサ層とを備えた磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記基板と前記自由層との間に前記固定層と前記反強磁性層が配置され、
    前記反強磁性層はＭｎＰｔを具備し、
    前記固定層は、反強磁性結合層を介して互いに反強磁性結合された第１強磁性層と第2強磁性層とを有し、
    前記反強磁性結合層と前記反強磁性層との間に配置された前記第１強磁性層は、Ｃｏ100-XＦｅX（原子％）で構成され、Ｘの組成が層内で変化することを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  9. 請求項８に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記第１強磁性層において、前記反強磁性層側のＦｅの組成比が前記反強磁性結合層側のＦｅの組成比より大きいことを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  10. 請求項９に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記第１強磁性層は2層構造で構成され、
    前記2層構造のうちの前記反強磁性層側に配置された層はＣｏ100-XＦｅX（原子％） ２０＜Ｘ≦５０の範囲にあり、
    前記2層構造のうちの前記反強磁性結合層側に配置された層はＣｏ100-ＹＦｅY（原子％） ０≦Ｙ≦１０の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  11. 請求項９に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記反強磁性結合層と前記非磁性スペーサ層との間に配置された前記第２強磁性層がＣｏ100-ZＦｅZ（原子％） 、０＜Ｚ≦５の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  12. 請求項９に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記自由層は、ＣｏＦｅを含有し前記非磁性スペーサ層側に配置された第1自由層と、ＮｉＦｅを含有し前記保護層側に配置された第２自由層とを有し、
    前記第１自由層のＣｏＦｅのＦｅ組成をX (at%)、膜厚をtCF (Å)、前記第2自由層のＮｉＦｅのＦｅ組成をZ (wt%)、膜厚をtNF (Å)とし、
    Y = tNF /(tNF + tCF),
    Mf = tNF + 2.0 * tCF 3.0 (Å),
    S = a + b*Y*Z + c*Z + d*(1-Y)*X + e*X + f*Mf,
    係数 a = 28.7, 係数 b = -4.9, 係数 c = 4.9,
    係数 d = -5.2, 係数 e = 0.89, 係数 f = -1.1,
    T = g + h*Y*Z + i*Z + j*(1-Y)*X + k*X + l*Mf,
    係数 g = 0.953, 係数 h = 0.661, 係数 i = -0.79,
    係数 j = 0.605, 係数 k = -0.11, 係数 l = 0.143,
    と定義したY, S及びTが、 -42 <= S <= +7、かつ T <= 3.6、かつ、 0 <= Y <= 0.7 の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  13. 請求項９に記載の磁気抵抗効果型ヘッドは、さらに
    基板と前記反強磁性層との間に配置された複数の層を具備する下地層を具備し、
    前記反強磁性結合層はＲｕを含有し、
    前記非磁性スペーサ膜はＣｕを含有し、
    第2強磁性層はＣｏＦｅを含有することを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  14. 請求項１３に記載の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、
    前記下地層は、ＮｉＦｅＣｒ層とＮｉＦｅ層を具備し、前記ＮｉＦｅ層と前記基板との間に前記ＮｉＦｅＣｒ層が配置されていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  15. 請求項１４に記載の磁気抵抗効果型ヘッドにおいて、
    前記保護層はＴａ層とＣｕ層とを具備し、前記Ｔａ層と前記自由層との間に前記Ｃｕ層が配置されていることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  16. 請求項１４に記載の磁気抵抗効果型ヘッドは、ＣＩＰ型のヘッドであることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  17. 基板上に反強磁性層と、前記反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される固定層と、自由層と、前記固定層と前記自由層の間に形成される非磁性スペーサ層と、保護層とを備えた磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記基板と自由層との間に前記反強磁性層が配置され、
    前記反強磁性層はＭｎＰｔを具備し、
    前記固定層は、反強磁性結合層を介して互いに反強磁性結合された第１強磁性層と第2強磁性層とを有し、
    前記反強磁性結合層と前記反強磁性層との間に配置された前記第１強磁性層の組成は、 Ｃｏ100-XＦｅX（原子％） ２０＜Ｘ≦５０の範囲にあり、
    前記自由層は、ＣｏＦｅを含有し前記非磁性スペーサ層側に配置された第1自由層と、ＮｉＦｅを含有し前記保護層側に配置された第２自由層とを有し、
    前記第１自由層のＣｏＦｅのＦｅ組成をX (at%)、膜厚をtCF (Å)、前記第2自由層のＮｉＦｅのＦｅ組成をZ (wt%)、膜厚をtNF (Å)とし、
    Y = tNF /(tNF + tCF),
    Mf = tNF + 2.0 * tCF 3.0 (Å),
    S = a + b*Y*Z + c*Z + d*(1-Y)*X + e*X + f*Mf,
    係数 a = 28.7, 係数 b = -4.9, 係数 c = 4.9,
    係数 d = -5.2, 係数 e = 0.89, 係数 f = -1.1,
    T = g + h*Y*Z + i*Z + j*(1-Y)*X + k*X + l*Mf,
    係数 g = 0.953, 係数 h = 0.661, 係数 i = -0.79,
    係数 j = 0.605, 係数 k = -0.11, 係数 l = 0.143,
    と定義したY, S及びTが、 -42 <= S <= +7、かつ T <= 3.6、かつ、 0 <= Y <= 0.7 の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  18. 請求項１７に記載の磁気抵抗効果型ヘッドであって、
    前記反強磁性結合層と前記非磁性スペーサ層との間に配置された前記第２強磁性層がＣｏ100-ZＦｅZ（原子％） 、０＜Ｚ≦５の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
  19. 基板上に下地層を堆積する第１工程と、
    前記下地層上に反強磁性層を堆積する第２工程と、
    前記反強磁性層上に第1強磁性層を堆積する第３工程と、
    前記第1強磁性層上に反強磁性結合層を堆積する第４工程と、
    前記反強磁性結合層上に第2強磁性層を堆積する第５工程と、
    前記第2強磁性層上に非磁性層を堆積する第６工程と、
    前記非磁性層上に自由層を堆積する第７工程と、
    前記自由層上に前記保護層を堆積する第８工程とを具備し、
    前記第１強磁性層はＣｏＦｅを含有し、前記第３工程においてＦｅの組成比が異なる層が工程を分けて堆積されることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法。
  20. 請求項１９に記載の磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法は、さらに
    前記第８工程後フォトマスクを用いて、前記堆積された層をエッチングする第９工程と、
    前記第９工程後に磁区制御膜と電極を形成する工程とを具備し、
    前記第３工程において、Ｆｅの組成比が相対的に大きい層が先に堆積されることを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法。
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