JP2006140214A - 交換結合膜及び磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩｒＭｎからなる反強磁性層と強磁性層（固定磁性層）との界面に大きな交換結合磁界を生じさせ、強磁性層の磁化を強固に固定できる交換結合膜及び磁気検出素子を得る。
【解決手段】 積層形成された強磁性層と反強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により該強磁性層の磁化が一方向に固定される交換結合膜において、反強磁性層はＩｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％）により形成し、強磁性層は、反強磁性層に接する面心立方構造のＣｏ_yＦｅ_100-y層（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）と該Ｃｏ_yＦｅ_100-y層に積層したＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）とによる２層構造で形成し、且つ、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層の厚さを該強磁性層全体の厚さの３０％以上９０％以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反強磁性層と強磁性層の交換結合を利用する交換結合膜及び該交換結合膜を用いた磁気検出素子に関する。

図８は、従来構造の磁気検出素子（スピンバルブ型薄膜素子）を示す断面図である。磁気検出素子は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜Ｍと、この多層膜Ｍの両側に位置させて積層形成されたハードバイアス層１０９及び電極層１１０を有している。多層膜Ｍは、下から順にシード層１０３、反強磁性層１０４、固定磁性層１０５、非磁性材料層１０６、フリー磁性層１０７及び保護層１０８を積層してなり、反強磁性層１０４と固定磁性層１０５との界面に生じた交換結合磁界によって固定磁性層１０５の磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。一般的に、反強磁性層１０４はＰｔＭｎやＩｒＭｎで形成され、固定磁性層１０５はＣｏＦｅで形成されている。ハードバイアス層１０９は、多層膜Ｍのトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に接触してフリー磁性層１０７に縦バイアス磁界を与え、該フリー磁性層１０７の磁化をトラック幅方向に揃える。電極層１１０は多層膜Ｍにセンス電流を供給する導体である。この電極層１１０からのセンス電流は、主として固定磁性層１０５、非磁性材料層１０６及びフリー磁性層１０７の３層に流れる。このような従来構造を持つ磁気検出素子は、特許文献１ないし３に記載されている。
特開平９−２３７７１６号公報（第７頁、図１０） 特開平９−１４８１３２号公報（第８頁、図１０） 特開２００２−２０８１２０号公報（第１１頁）

特許文献１ないし３には、ＩｒＭｎからなる反強磁性層とＣｏＦｅからなる固定磁性層（強磁性層）を積層した磁気検出素子が記載されているが、ＣｏＦｅの組成比はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀しか記載されていない。このＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀からなる固定磁性層は、ＰｔＭｎからなる反強磁性層と積層されたときには該反強磁性層との界面に生じる交換結合磁界が十分強く、交換結合磁界によってその磁化方向を強固に固定することができる。しかしながら、ＩｒＭｎからなる反強磁性層と積層されたときには該反強磁性層との界面に生じる交換結合磁界が弱く、磁気検出素子の製造工程の途中で固定磁性層の磁化方向が反転してしまう虞があった。特に、固定磁性層の上に反強磁性層を積層するトップスピンバルブ型の磁気検出素子では、固定磁性層の磁化反転が生じる確率が高く、問題になっている。

本発明は、ＩｒＭｎからなる反強磁性層と強磁性層（固定磁性層）との界面に大きな交換結合磁界を生じさせ、強磁性層の磁化を強固に固定できる交換結合膜及び磁気検出素子を得ることを目的としている。

本発明は、強磁性層を面心立方構造のＣｏ_yＦｅ_100-yとＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-xとによる２層構造にすることで、ＩｒＭｎ反強磁性層との間に生じる交換結合磁界がＦｅ_xＣｏ_100-xの中で最大になると従来知られていたＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀の場合を上回る、大きな交換結合磁界が得られること、さらに、より大きな交換結合磁界を得るためにはＣｏ_yＦｅ_100-yとＦｅ_xＣｏ_100-xの膜厚割合及びＦｅ_xＣｏ_100-x中のＦｅ濃度ｘに最適な範囲があることを見出したものである。

すなわち、本発明は、強磁性層と反強磁性層が積層形成され、この強磁性層と反強磁性層の界面に発生する交換結合磁界によって該強磁性層の磁化方向が一方向に固定される交換結合膜において、反強磁性層はＩｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％）により形成され、強磁性層は、反強磁性層に接する面心立方構造のＣｏ_yＦｅ_100-y層（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）と、該Ｃｏ_yＦｅ_100-y層に積層されたＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）とによる２層構造で形成され、且つ、このＦｅ_xＣｏ_100-x層の厚さが該強磁性層全体の厚さの３０％以上９０％以下であることを特徴としている。

上記態様によれば、ＩｒＭｎ反強磁性層と接する界面に該ＩｒＭｎ反強磁性層と同一の結晶構造を有するＣｏ_yＦｅ_100-yが配され、このＣｏ_yＦｅ_100-yの上にＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-xが積層されるので、強磁性層全体での結晶性（結晶学的な整合性）を高められると共に、熱処理によりＦｅ_xＣｏ_100-xのＦｅ結晶粒が拡散されてＩｒＭｎ反強磁性層と強磁性層の界面での化学組成はＦｅ−ｒｉｃｈな状態となる。この結果として、ＩｒＭｎ反強磁性層と強磁性層の界面に生じる交換結合磁界が、Ｆｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる強磁性層を備える場合よりも増大すると推測される。

より大きな交換結合磁界を得るには、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層のＦｅ濃度ｘは６０ａｔ％以上であり、且つ、該Ｆｅ_xＣｏ_100-x層の厚さが強磁性層全体の厚さの４０％以上６０％以下であることが好ましい。

強磁性層全体の厚さは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることが好ましい。より具体的に言えば、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層は、１ｎｍ以下の厚さで形成され、面心立方構造を有していることが好ましい。Ｆｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-xの元々の結晶構造は体心立方構造であるが、面心立方構造を有するＣｏ_yＦｅ_100-yの上に積層形成（結晶成長）することで、１ｎｍ以下の薄い膜厚であればＦｅ_xＣｏ_100-xは面心立方構造を維持することができ、結晶は移行性を落とさずにＩｒＭｎ反強磁性層との交換結合磁界を大きくすることができる。

反強磁性層の膜厚は、３０Å以上８０Å以下であることが好ましい。この範囲内であれば、ＩｒＭｎ合金によって形成された反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界の方が、ＰｔＭｎ合金によって形成された反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界よりも大きくなる。反強磁性層は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）により形成されていると、その結晶構造が確実に面心立方構造になるので、より好ましい。

本発明は、いわゆるトップスピンバルブ型及びボトムスピンバルブ型の両方の磁気検出素子に適用可能である。すなわち、下から順にフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層、及び反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、上記固定磁性層及び反強磁性層が本発明の交換結合膜により形成されていることを特徴としている。あるいは、下から順に反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層が積層され、このフリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、上記固定磁性層及び反強磁性層が本発明の交換結合膜により形成されていることを特徴としている。上記固定磁性層は、第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在する積層フェリ構造とすることができる。積層フェリ構造の固定磁性層を備える場合は、反強磁性層と該反強磁性層に接する第１の磁性層が本発明の交換結合膜により形成されていることが好ましい。

また本発明は、いわゆるデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子に適用可能である。すなわち、下から順に下部反強磁性層、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層、上部固定磁性層及び上部反強磁性層を備え、フリー磁性層の磁化が上部固定磁性層及び下部固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、上記下部反強磁性層と下部固定磁性層、及び上記上部反強磁性層と上部固定磁性層の少なくとも一方が、本発明の交換結合膜を用いて形成されていることを特徴としている。上記下部固定磁性層及び上部固定磁性層の少なくとも一方は、第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在する積層フェリ構造とすることができる。積層フェリ構造の固定磁性層を備える場合は、反強磁性層と該反強磁性層に接する第１の磁性層が本発明の交換結合膜により形成されていることが好ましい。

本発明によれば、ＩｒＭｎからなる反強磁性層と強磁性層（固定磁性層）との界面に大きな交換結合磁界を生じさせ、強磁性層の磁化を強固に固定できる交換結合膜及び磁気検出素子を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明を説明する。各図において、Ｘ方向はトラック幅方向、Ｙ方向は記録媒体からの漏れ磁界方向、Ｚ方向は記録媒体の移動方向及び磁気検出素子を構成する各層の積層方向である。

図１は、本発明の第１実施形態による磁気検出素子１（シングルスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子）の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す模式断面図である。磁気検出素子１は、例えばハードディスク装置の薄膜磁気ヘッドに搭載され、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用して記録媒体からの漏れ磁界を検出する素子である。

磁気検出素子１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁材料からなる下部ギャップ層２上に形成されていて、下部ギャップ層２側から順に、シード層３、反強磁性層４、固定磁性層５、非磁性材料層６、フリー磁性層７及び保護層８を有している。図示されていないが、下部ギャップ層２の下には、アルチック基板側から順にアルミナ等の絶縁層、Ｔａ等からなる下地層、ＮｉＦｅ合金等からなるシードレイヤ層、及びＮｉＦｅ系合金等からなる下部シールド層が形成されている。

シード層３は、反強磁性層４及び該反強磁性層４より上の層の結晶成長を整える下地層であり、ＮｉＦｅＣｒ合金、ＮｉＣｒ合金やＣｒなどで形成される。このシード層３と下部ギャップ層２の間にはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素を含む非磁性材料で形成された下地層が備えられてもよく、該下地層がシード層３の代わりに形成されていてもよい。

反強磁性層４は、熱処理されることで固定磁性層５との間に大きな交換結合磁界を発生させ、固定磁性層５の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。この反強磁性層４は、その結晶構造が面心立方構造であるＩｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）合金からなり、３０Å以上８０Å以下の薄い膜厚で形成されている。この膜厚範囲では、ＩｒＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界の方が、ＰｔＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界よりも大きくなる。ＩｒＭｎ合金は、ブロッキング温度が比較的高くかつブロッキング温度の低温成分が少なく、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。

非磁性材料層６は、固定磁性層５とフリー磁性層７との磁気的な結合を防止する層であると共に、センス電流が主に流れる層である。この非磁性材料層６は、例えばＣｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等の導電性を有する非磁性材料によって形成することができ、特にＣｕによって形成されることが好ましい。

フリー磁性層７は、ＣｏＦｅ膜７１とＮｉＦｅ合金膜７２を積層して形成されている。フリー磁性層７が非磁性材料層６と接する側にＣｏＦｅ膜７１を有していると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができる。ＣｏＦｅ膜７１は、例えばＣｏを９０（ａｔ％）、Ｆｅを１０（ａｔ％）として１０Å程度の膜厚で形成し、ＮｉＦｅ合金膜７２は、例えばＮｉを８０（ａｔ％）、Ｆｅを２０（ａｔ％）として５０Å程度の膜厚で形成する。ＣｏＦｅ膜７１のＦｅ濃度は、２０ａｔ％を超えるとＣｏＦｅ膜７１の結晶構造が体心立方構造になって多層膜Ｍの結晶配向性を落としてしまうので、０ａｔ％以上２０ａｔ％以下であることが好ましい。このフリー磁性層７は、ＣｏＦｅ膜７１及びＮｉＦｅ合金膜７２の替わりにＣｏ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等を用いて形成してもよい。あるいは、ＣｏＦｅＮｉ合金による単層構造であっても、磁性層の間に非磁性層を介在させた積層フェリ構造であってもよい。

保護層８はＴａ等により形成されている。上記シード層３から保護層８までからなる多層膜のトラック幅方向の両側には、ハードバイアス層９及び電極層１０が備えられている。ハードバイアス層９は、例えばＣｏ−Ｐｔ合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金などで形成され、フリー磁性層７に縦バイアス磁界を与えて該フリー磁性層７の磁化をトラック幅方向に揃える。電極層１０は、α−Ｔａ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｗ等で形成されている。

以上の概略構成を有する磁気検出素子１において、反強磁性層４と固定磁性層５は、該反強磁性層４と固定磁性層５の界面に生じる交換結合を利用した交換結合膜Ｅｃ１である。本実施形態は固定磁性層５の構成（組成、膜厚）に特徴を有するものであり、以下では固定磁性層５について詳細に説明する。

固定磁性層５は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で、反強磁性層４に接するＣｏ_yＦｅ_100-y層５１（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）と、このＣｏ_yＦｅ_100-y層５１に積層したＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）５２との２層構造により形成されている。

Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）からなる反強磁性層４と同じ面心立方構造を有しており、反強磁性層４との界面での結晶整合性が良好である。このＣｏ_yＦｅ_100-y層５１は、Ｆｅ濃度が２０ａｔ％を超えると結晶構造が体心立方構造になってしまうので、Ｃｏ濃度ｙが８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％に規定されている。

Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２は、１ｎｍ以下の膜厚で、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１の面心立方構造を保って形成されている。Ｆｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層の元々の結晶構造は体心立方構造であるが、本実施形態のように面心立方構造を有するＣｏ_yＦｅ_100-y層５１の上に１ｎｍ以下の薄い膜厚で形成されることにより、体心立方構造での結晶成長が起きず、面心立方構造を維持して結晶配向性を落とすことがない。

また固定磁性層５には、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１及びＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の成膜後に、熱処理（反強磁性層４との間に交換結合磁界を生じさせるための熱処理）が施されている。図２は、熱処理前と熱処理後に固定磁性層５のＦｅ濃度をそれぞれ測定した結果であり、その縦軸が固定磁性層５の厚さ方向、横軸が固定磁性層５のＦｅ濃度（ａｔ％）となっている。熱処理前の固定磁性層５のＦｅ濃度は、図２の鎖線で示されるように、Ｃｏ濃度ｙを９０ａｔ％に設定したＣｏ_yＦｅ_100-y層５１とＦｅ_xＣｏ_100-x層６２の界面で非連続であり、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１のＦｅ濃度は１０ａｔ％、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度はｘ（ｘ≧３０）ａｔ％でそれぞれ一定になっている。これに対し熱処理後は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ結晶粒が熱拡散されたことによりＣｏ_yＦｅ_100-y層５１とＦｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度差が緩和され（Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度が減少しＣｏ_yＦｅ_100-y層５１のＦｅ濃度が増大して）、図２の実線で示されるように固定磁性層５のＦｅ濃度は反強磁性層４との界面側から厚さ方向に向かって徐々に増大している。さらに、固定磁性層５の反強磁性層４との界面でのＦｅ濃度は３０ａｔ％を超えており、同界面での化学組成はＦｅ−ｒｉｃｈな状態になっている。

本発明者らは、ＩｒＭｎ反強磁性層とＣｏ_yＦｅ_100-yからなる固定磁性層との間に生じる交換結合磁界の大きさが最大になるのは、Ｆｅ_xＣｏ_100-xのＦｅ濃度が３０ａｔ％のとき（固定磁性層がＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀からなるとき）であることを見出し（図３参照）、特願２００４−２０６８８９号の特許出願により、固定磁性層の少なくともＩｒＭｎ反強磁性層と接している界面部分の組成をＦｅ_zＣｏ_100-z（ｚはａｔ％で３０ａｔ％≦ｚ≦９０ａｔ％）とすることを提案している。ところが、上記Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１とＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）５２の２層構造からなる固定磁性層５によれば、Ｆｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる固定磁性層を用いる場合を上回る、さらに大きな交換結合磁界を得られることが判明した。固定磁性層５において、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）５２の膜厚の割合及びＦｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘには、Ｆｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる固定磁性層よりも大きな交換結合磁界が得られる最適な範囲がある。

図４は、固定磁性層５中でＣｏ_yＦｅ_100-y層５１とＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚の割合を変化させたサンプルＳ１〜Ｓ４について、反強磁性層４との間に生じる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさとＦｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘとの関係を調べた結果を示すグラフである。グラフ中の●印はサンプルＳ１、▲印はサンプルＳ２、■印はサンプルＳ３、◆印はサンプルＳ４をそれぞれ示している。また×印は、Ｆｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる固定磁性層（１．３ｎｍ）を用いた場合に反強磁性層４との間に生じる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさを示している。但し、サンプルＳ１〜Ｓ４のＣｏ_yＦｅ_100-y層５１は、Ｃｏ濃度ｙを一定（ｙ＝９０ａｔ％）に設定したＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層である。

サンプルＳ１〜Ｓ４におけるＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層とＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚割合を表１に示す。固定磁性層５の全体膜厚は一定（１．３ｎｍ）である。
（表１）
Ｓ１；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（１．０ｎｍ）／Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（０．３ｎｍ）
Ｓ２；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（０．８ｎｍ）／Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（０．５ｎｍ）
Ｓ３；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（０．６ｎｍ）／Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（０．７ｎｍ）
Ｓ４；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（０．３ｎｍ）／Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（１．０ｎｍ）
図５は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘを変化させ、反強磁性層４との間に生じる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさとＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚割合との関係を調べた結果を示すグラフである。グラフ中の●印はサンプルＳ５、▲印はサンプルＳ６、■印はサンプルＳ７、◆印はサンプルＳ８、＊印はサンプル９をそれぞれ示している。また×印は、Ｆｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる固定磁性層（１．３ｎｍ）を用いた場合に反強磁性層４との間に生じる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさを示している。但し、サンプルＳ５〜Ｓ９のＣｏ_yＦｅ_100-y層５１は、Ｃｏ濃度ｙを一定（ｙ＝９０ａｔ％）に設定したＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層である。

サンプルＳ５〜Ｓ９におけるＦｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘを表２に示す。固定磁性層５の全体膜厚は一定（１．３ｎｍ）である。
（表２）
Ｓ５；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層／Ｆｅ₄₀Ｃｏ₆₀層
Ｓ６；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層／Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀層
Ｓ７；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層／Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀層
Ｓ８；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層／Ｆｅ₇₀Ｃｏ₃₀層
Ｓ９；Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層／Ｆｅ層
図４及び図５を見ると、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層５１が厚くＦｅ_xＣｏ_100-x層５２が薄い場合には、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘが高い側で、得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさが増大し、逆にＣｏ_yＦｅ_100-y層５１が薄くＦｅ_xＣｏ_100-x層５２が厚い場合には、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘが低い側で、得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさが増大している。これを鑑みて、固定磁性層５は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘが３０ａｔ％以上であり、且つ、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚が固定磁性層５の全体膜厚の３０％以上９０％以下（図５ではＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚が０．４〜１．２ｎｍ）であれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合と同等またはそれ以上の交換結合磁界Ｈｅｘを反強磁性層４との間に生じさせることができる。

さらに、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ濃度ｘを６０ａｔ％以上とし、且つ、該Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚を固定磁性層５の全体膜厚の４０％以上６０％以下（図５ではＦｅ_xＣｏ_100-x層５２の膜厚が０．５〜０．８ｎｍ）に規定すれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合よりも大きな交換結合磁界を反強磁性層４との間に生じさせることができる。

例えば、図４のサンプルＳ３（Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（０．６ｎｍ）／Ｆｅ_xＣｏ_100-x層（０．７ｎｍ））においてＦｅ濃度ｘを７０ａｔ％とした場合には、反強磁性層４と固定磁性層５の間に生じる交換結合磁界が１７０（ｋＡ／ｍ）となり、反強磁性層４とＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層からなる固定磁性層との間に生じる交換結合磁界（１５０ｋＡ／ｍ）よりも大幅に大きくなる。

このように反強磁性層４と固定磁性層５の間に生じる交換結合磁界が大きくなるのは、反強磁性層４と接する界面に該反強磁性層４と同一の結晶構造を有するＣｏ_yＦｅ_100-yが配され、このＣｏ_yＦｅ_100-y層の上にＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-xが積層されるので、固定磁性層５全体での結晶性（結晶学的な整合性）を高められると共に、熱処理によりＦｅ_xＣｏ_100-x層５２のＦｅ結晶粒が拡散されて反強磁性層４と固定磁性層５の界面での化学組成はＦｅ−ｒｉｃｈな状態になっているためと推測される。反強磁性層４と固定磁性層５の間に大きな交換結合磁界が生じれば、該交換結合磁界によって固定磁性層５の磁化が強固に一方向に固定されるので、固定磁性層５の磁化反転を防止できる。

図６は、本発明の第２実施形態による磁気検出素子２０１（シングルスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子）の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す模式断面図である。磁気検出素子２０１は、第１磁性層２１５と第２磁性層２２５の間に非磁性中間層２３５が介在する積層フェリ構造で形成された固定磁性層２０５を有しており、第１磁性層２１５と反強磁性層４とが交換結合膜Ｅｃ２となっている。積層フェリ構造の固定磁性層２０５を備えること以外の構成は第１実施形態と同一であり、図６では第１実施形態と同一の構成要素に図１と同一符号を付して示す。

第１磁性層２１５は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で、反強磁性層４に接するＣｏ_yＦｅ_100-y層（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）２５１と、このＣｏ_yＦｅ_100-y層２５１に積層したＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）２５２との２層構造により形成されている。

Ｃｏ_yＦｅ_100-y層２５１は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％）からなる反強磁性層４と同じ面心立方構造を有しており、反強磁性層４との界面での結晶整合性が良好である。このＣｏ_yＦｅ_100-y層２５１は、Ｆｅ濃度が２０ａｔ％を超えると結晶構造が体心立方構造になってしまうので、Ｃｏ濃度ｙが８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％に規定されている。

Ｆｅ_xＣｏ_100-x層２５２は、１ｎｍ以下の膜厚で、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層２５１の面心立方構造を保って形成されている。Ｆｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層の元々の結晶構造は体心立方構造であるが、本実施形態のように面心立方構造を有するＣｏ_yＦｅ_100-y層２５１の上に１ｎｍ以下の薄い膜厚で形成されることにより、体心立方構造での結晶成長が起きず、面心立方構造を維持して結晶配向性を落とすことがない。

また、第１磁性層２１５には、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層２５１及びＦｅ_xＣｏ_100-x層２５２の成膜後に熱処理が施されており、該熱処理でＦｅ_xＣｏ_100-x層２５２のＦｅ元素が拡散されたことによって、第１磁性層２１５と反強磁性層４の界面での化学組成はＦｅ−ｒｉｃｈな状態（Ｆｅ濃度は３０ａｔ％以上）になっている。

上記第１磁性層２１５は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層２５２のＦｅ濃度ｘが３０ａｔ％以上であり、且つ、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層２５２の膜厚が第１磁性層２１５の全体膜厚の３０％以上９０％以下であれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合と同等またはそれ以上の交換結合磁界Ｈｅｘを反強磁性層４との間に生じさせることができる。さらに、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層２５２のＦｅ濃度ｘを６０ａｔ％以上とし、且つ、該Ｆｅ_xＣｏ_100-x層２５２の膜厚を第１磁性層２１５の全体膜厚の４０％以上６０％以下に規定すれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合よりも大きな交換結合磁界を反強磁性層４との間に生じさせることができる。このように第１磁性層２１５と反強磁性層４との間に大きな交換結合磁界が生じていれば、該交換結合磁界によって第１磁性層２１５の磁化が強固に固定され、非磁性中間層２３５を介して第２磁性層２２５の磁化も強固に固定され、固定磁性層２０５の磁化反転を防止できる。

この第１磁性層２１５を有する積層フェリ構造の固定磁性層２０５では、非磁性中間層２３５を介し第１磁性層２１５と第２磁性層２２５の間で発生するＲＫＫＹ相互作用によって、第１磁性層２１５と第２磁性層２２５の磁化が反平行状態となっている。第２磁性層２２５は、ＣｏＦｅ合金、ＣｏあるいはＮｉＦｅ合金などの磁性材料で形成することができ、本実施形態ではＣｏＦｅ合金で形成されている。ＣｏＦｅ合金を用いれば、第１磁性層２１５との間で発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、第２磁性層２２５の磁化を適切に固定することができる。第２磁性層２２５の単位面積当たりの磁気モーメント（飽和磁化×膜厚）は、第１磁性層２１５の単位面積当たりの磁気モーメントと異なる。非磁性中間層２３５は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種または２種以上の合金で形成することができ、本実施形態ではＲｕで形成されている。Ｒｕを用いれば、第１磁性層２１５と第２磁性層２２５の間に発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、第１磁性層２１５と第２磁性層２２５の磁化を適切に反平行状態にすることができる。このような積層フェリ構造をとれば、非磁性中間層２３５を介して第１磁性層２１５と第２磁性層２２５との間に生じる反平行結合と、反強磁性層４と第１磁性層２１５の間で生じる交換結合との相乗効果により、固定磁性層２０５の磁化方向をより安定に固定することができる。

以上の第１及び第２実施形態による磁気検出素子１、２０１は、ボトムスピンバルブ型の磁気検出素子であるが、本発明はトップスピンバルブ型の磁気検出素子にも適用可能である。

図７は、本発明の第３実施形態による磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子）３０１の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す模式断面図である。磁気検出素子３０１は、下部ギャップ層２側から順にシード層３、反強磁性層（下部反強磁性層）４、固定磁性層（下部固定磁性層）５、非磁性材料層（下部非磁性材料層）６、フリー磁性層７、上部非磁性材料層３０６、上部固定磁性層３０５、上部反強磁性層３０４及び保護層８を備えている。フリー磁性層７は、ＣｏＦｅ膜７１とＮｉＦｅ合金膜７２とＣｏＦｅ膜７１を積層して形成されている。このフリー磁性層７の構成及び上部非磁性材料層３０６、上部固定磁性層３０５及び上部反強磁性層３０４を備えること以外の構成は第１実施形態と同一であり、図７では第１実施形態と同一の構成要素に図１と同一符号を付して示す。

磁気検出素子３０１では、下部反強磁性層４と下部固定磁性層５が交換結合膜Ｅｃ１、上部固定磁性層３０５と上部反強磁性層３０４が交換結合膜Ｅｃ３をそれぞれ形成している。下部反強磁性層４と下部固定磁性層５からなる交換結合膜Ｅｃ１は、第１実施形態で説明した交換結合膜Ｅｃ１と同一であるから、そちらを参照されたい。

上部反強磁性層３０４は、熱処理されることで上部固定磁性層３０５との間に大きな交換結合磁界を発生させ、上部固定磁性層３０５の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。この上部反強磁性層３０４は、下部反強磁性層４と同様に、その結晶構造が面心立方構造であるＩｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）合金からなり、３０Å以上８０Å以下の薄い膜厚で形成されている。この膜厚範囲では、ＩｒＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界の方が、ＰｔＭｎ合金からなる反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界よりも大きくなる。ＩｒＭｎ合金は、ブロッキング温度が比較的高くかつブロッキング温度の低温成分が少なく、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。

上部非磁性材料層３０６は、例えばＣｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等の導電性を有する非磁性材料によって形成することができ、特にＣｕによって形成されることが好ましい。

上部固定磁性層３０５は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で、上部反強磁性層３０４に接するＣｏ_yＦｅ_100-y層（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）３５１と、このＣｏ_yＦｅ_100-y層３５１に接したＦｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）３５２との２層構造により形成されている。

Ｃｏ_yＦｅ_100-y層３５１は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％、より好ましくは１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）からなる上部反強磁性層３０４と同じ面心立方構造を有しており、上部反強磁性層３０４との界面での結晶整合性が良好である。このＣｏ_yＦｅ_100-y層３５１は、Ｆｅ濃度が２０ａｔ％を超えると結晶構造が体心立方構造になってしまうので、Ｃｏ濃度ｙが８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％に規定されている。

Ｆｅ_xＣｏ_100-x層３５２は、１ｎｍ以下の膜厚で、上部非磁性材料層３０６以下の面心立方構造を保って形成されている。Ｆｅ−ｒｉｃｈなＦｅ_xＣｏ_100-x層の元々の結晶構造は体心立方構造であるが、本実施形態のように面心立方構造を有する上部非磁性材料層３０６以下の層の上に１ｎｍ以下の薄い膜厚で形成されることにより、体心立方構造での結晶成長が起きず、面心立方構造を維持して結晶配向性を落とすことがない。

また上部固定磁性層３０５には、Ｃｏ_yＦｅ_100-y層３５１及びＦｅ_xＣｏ_100-x層３５２の成膜後に熱処理が施されており、該熱処理でＦｅ_xＣｏ_100-x層３５２のＦｅ元素が拡散されたことによって、上部固定磁性層３０５と上部反強磁性層３０４の界面での化学組成はＦｅ−ｒｉｃｈな状態（Ｆｅ濃度は３０ａｔ％以上）になっている。

上記上部固定磁性層３０５は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層３５２のＦｅ濃度ｘが３０ａｔ％以上であり、且つ、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層３５２の膜厚が上部固定磁性層３０５の全体膜厚の３０％以上９０％以下であれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合と同等またはそれ以上の交換結合磁界Ｈｅｘを上部反強磁性層３０４との間に生じさせることができる。さらに、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層３５２のＦｅ濃度ｘを６０ａｔ％以上とし、且つ、該Ｆｅ_xＣｏ_100-x層３５２の膜厚を上部固定磁性層３０５の全体膜厚の４０％以上６０％以下に規定すれば、固定磁性層をＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀単層とした場合よりも大きな交換結合磁界を上部反強磁性層３０４との間に生じさせることができる。このように上部固定磁性層３０５と上部反強磁性層３０４との間に大きな交換結合磁界が生じていれば、該交換結合磁界によって上部固定磁性層３０５の磁化が強固に固定され、その磁化反転を防止できる。

以上の第３実施形態では、下部固定磁性層５と上部固定磁性層３０５において、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層５２、３５２のＦｅ濃度ｘ及び膜厚割合を異ならせることにより、下部反強磁性層４と下部固定磁性層５の間に生じる交換結合磁界と上部反強磁性層３０４と上部固定磁性層３０５の間に生じる交換結合磁界をそれぞれ最も大きくなるように調整することができる。

第３実施形態では、デュアルスピンバルブ型の磁気検出素子３０１において、下部反強磁性層４と下部固定磁性層５、及び、上部固定磁性層３０５と上部反強磁性層３０４の両方に本発明の交換結合膜を用いているが、下部反強磁性層と下部固定磁性層、及び、上部固定磁性層と上部反強磁性層の少なくとも一方に本発明は適用可能である。また下部固定磁性層５及び上部固定磁性層３０５は、第１磁性層と第２磁性層との間に非磁性中間層を介在させた積層フェリ構造としてもよく、積層フェリ構造とする場合には、反強磁性層（下部反強磁性層４または上部反強磁性層３０４）と該反強磁性層に接する第１磁性層とに本発明を適用することができる。

本発明は、トンネル効果の原理を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、センス電流が膜面垂直方向に流れるＣＰＰ型磁気検出素子にも適用可能である。

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て示す断面図である。 熱処理前後における固定磁性層のＦｅ濃度変化を説明するグラフである。 ＣｏＦｅ単層からなる固定磁性層のＦｅ濃度と、ＩｒＭｎ反強磁性層と固定磁性層の間に発生する交換結合磁界の大きさとの関係を示すグラフである。 図１の固定磁性層において、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層（Ｃｏ_yＦｅ_100-y層）とＦｅ_xＣｏ_100-x層の膜厚を変化させて、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層のＦｅ濃度と、ＩｒＭｎ反強磁性層と固定磁性層との間に発生する交換結合磁界の大きさとの関係を調べた結果を示すグラフである。 図１の固定磁性層において、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層のＦｅ濃度を変化させて、Ｆｅ_xＣｏ_100-x層の膜厚割合と、ＩｒＭｎ反強磁性層と固定磁性層との間に発生する交換結合磁界の大きさとの関係を調べた結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による磁気検出素子（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て示す断面図である。 本発明の第３実施形態による磁気検出素子（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て示す断面図である。 従来構造の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）を示す断面図である。

符号の説明

１、２０１、３０１ 磁気検出素子
２ 下部ギャップ層
３ シード層
４ 反強磁性層（下部反強磁性層）
５ 固定磁性層（下部固定磁性層）
６ 非磁性材料層（下部非磁性材料層）
７ フリー磁性層
８ 保護層
９ ハードバイアス層
１０ 電極層
５１、２５１、３５１ Ｃｏ_yＦｅ_100-y層
５２、２５２、３５２ Ｆｅ_xＣｏ_100-x層
７１ ＣｏＦｅ膜
７２ ＮｉＦｅ合金膜
２１５ 第１磁性層
２２５ 第２磁性層
２３５ 非磁性中間層
３０４ 上部反強磁性層
３０５ 上部固定磁性層
３０６ 上部非磁性材料層
Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３ 交換結合膜

Claims (11)

1. 強磁性層と反強磁性層が積層形成され、この強磁性層と反強磁性層の界面に発生する交換結合磁界によって該強磁性層の磁化方向が一方向に固定される交換結合膜において、
   前記反強磁性層はＩｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で２ａｔ％≦ｚ≦８０ａｔ％）により形成され、
   前記強磁性層は、前記反強磁性層に接する面心立方構造のＣｏ_yＦｅ_100-y層（ｙはａｔ％で８０ａｔ％≦ｙ≦１００ａｔ％）と、このＣｏ_yＦｅ_100-y層に積層したＦｅ_xＣｏ_100-x層（ｘはａｔ％でｘ≧３０ａｔ％）とによる２層構造で形成され、且つ、このＦｅ_xＣｏ_100-x層の厚さが該強磁性層全体の厚さの３０％以上９０％以下であることを特徴とする交換結合膜。
2. 請求項１記載の交換結合膜において、前記Ｆｅ_xＣｏ_100-x層のＦｅ濃度ｘは６０ａｔ％以上であり、且つ、該Ｆｅ_xＣｏ_100-x層の厚さが前記強磁性層全体の厚さの４０％以上６０％以下である交換結合膜。
3. 請求項１記載の交換結合膜において、前記強磁性層全体の厚さが１ｎｍ以上２ｎｍ以下である交換結合膜。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の交換結合膜において、前記Ｆｅ_xＣｏ_100-x層は、１ｎｍ以下の厚さで形成され、面心立方構造を有している交換結合膜。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の交換結合膜において、前記反強磁性層の厚さが３０Å以上８０Å以下である交換結合膜。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の交換結合膜において、前記反強磁性層は、Ｉｒ_zＭｎ_100-z（ｚはａｔ％で１０ａｔ％≦ｚ≦３０ａｔ％）により形成されている交換結合膜。
7. 下から順にフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層、及び反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
   前記固定磁性層及び前記反強磁性層が請求項１ないし６のいずれか一項に記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
8. 下から順に反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層が積層され、このフリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
   前記固定磁性層及び前記反強磁性層が請求項１ないし６のいずれか一項に記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
9. 請求項７または８記載の磁気検出素子において、前記固定磁性層は、第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在する積層フェリ構造であり、前記反強磁性層と該反強磁性層に接する前記第１の磁性層が前記交換結合膜により形成されている磁気検出素子。
10. 下から順に下部反強磁性層、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層、上部固定磁性層及び上部反強磁性層を備え、前記フリー磁性層の磁化が前記上部固定磁性層及び前記下部固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
    前記下部反強磁性層と下部固定磁性層、及び前記上部反強磁性層と上部固定磁性層の少なくとも一方が、請求項１ないし６のいずれか一項に記載された交換結合膜を用いて形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
11. 請求項１０記載の磁気検出素子において、前記上部固定磁性層及び前記下部固定磁性層の少なくとも一方は、第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在する積層フェリ構造であり、前記下部反強磁性層または前記上部反強磁性層と該反強磁性層に接する前記第１の磁性層とが前記交換結合膜により形成されている磁気検出素子。
    

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