JP2006245274A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ΔＲＡが大きい磁気検出素子を提供する。
【解決手段】フリー磁性層１６はフリー磁性層１６は下からＣｏＦｅ層１６ａ、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂ（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ１６ｃが積層された３層構造を有している。フリー磁性層１６中に存在するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であるとスピン依存バルク散乱係数βが増加し、従来よりも磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は膜面垂直方向にセンス電流を流すＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型の磁気検出素子に係り、特に抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくすることのできる磁気検出素子に関する。

図５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５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、反強磁性層３、固定磁性層４、非磁性材料層５、フリー磁性層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。

保護層７はＴａ、非磁性材料層５はＣｕ、フリー磁性層６及び固定磁性層４はＮｉＦｅ合金、反強磁性層３はＰｔＭｎによって形成されている。

多層膜Ｔの上下には電極層１０，１０が設けられており、多層膜の膜面垂直方向に直流のセンス電流が流される。

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６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５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。

磁気検出素子のフリー磁性層の材料として軟磁気特性の良好なパーマロイが用いられることが多かった。また、パーマロイ以外のＮｉＦｅ合金からなるフリー磁性層を有する磁気検出素子の例が、特許文献１（特開２００２−２０４０１０号公報）に記載されている。
特開２００２−２０４０１０号公報（第７頁）

パーマロイはＮｉを８０原子％含有するＮｉＦｅ合金である。また、特許文献１では、段落（００２３）に記載されているように、フリー磁性層をＮｉ_ｘＦｅ_{（１００−ｘ）}合金（４０≦ｘ≦７０）で形成している。

しかし、この組成範囲のＮｉＦｅ合金を用いてフリー磁性層を形成しても、多層膜の膜面垂直方向に直流のセンス電流が流されるＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ pｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲ型磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることが難しく、実用的な再生出力を得ることができなかった。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、フリー磁性層の好ましい構成条件を示すことにより、再生出力の高い磁気検出素子の発明を提供することを目的としている。

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が設けられた多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることを特徴とするものである。

本発明では、フリー磁性層をＮｉＦｅ合金層を有するものとして形成している。ただし、前記ＮｉＦｅ合金のＮｉとＦｅの原子％は従来とは違っている。すなわち、本発明では、ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と低くなっている。

ＮｉＦｅ合金の組成をこの範囲にすることにより、本発明では、磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることができる。

また、前記フリー磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり２≦ａ≦２４、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることが好ましい。ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であるほうが、従来よりも磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくできる。

本発明では、前記フリー磁性層が前記Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層の上下にＣｏＦｅ層が積層された３層構造を有していることが好ましい。

また、前記固定磁性層がＣｏ_２ＹＺ合金層（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、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）を有していることが好ましい。

本発明の磁気検出素子は、例えば、前記固定磁性層が前記フリー磁性層の上側に設けられているトップスピンバルブ型のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子である。

あるいは、前記固定磁性層が前記フリー磁性層の下側に設けられているボトムスピンバルブ型のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子である。

または、前記フリー磁性層の下に前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上に他の非磁性材料層及び他の固定磁性層が設けられているデュアルスピンバルブ型のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子である。

例えば、前記固定磁性層に反強磁性層が重ねられていることによって前記固定磁性層の磁化方向が固定される。

本発明では、前記フリー磁性層のＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％を０原子より大きく２５原子％以下と低くさせることにより、磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくすることができる。

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。例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金又はＩｒＭｎ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。

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またはＩｒであることが好ましい。

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。

前記反強磁性層１３の上に形成されている固定磁性層１４は３層構造となっている。
固定磁性層１４は、磁性層１４ａ、非磁性中間層１４ｂ、磁性層１４ｃからなる３層構造である。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）により前記磁性層１４ａと磁性層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は磁性材料層の単層、あるいは磁性材料層の多層構造で形成されていてもよい。

なお前記磁性層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、磁性層１４ｃは２０〜５０Å程度で形成される。

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。

なお、固定磁性層１４の磁性層１４ｃはＣｏ_２ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）であることが好ましい。Ｃｏ_２ＹＺ合金層はハーフメタル的な性質を有しており、ＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくするために有効な材料である。

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。

さらにフリー磁性層１６が形成されている。フリー磁性層１６の構成については後述する。

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。

本実施の形態の特徴部分について述べる。
フリー磁性層１６は下からＣｏＦｅ層１６ａ、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂ（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層１６ｃが積層された３層構造を有している。

ＮｉＦｅ合金の組成をこの範囲にすることにより、磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくすることができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂのＮｉとＦｅの原子％を表すａ、ｂは、２≦ａ≦２４、ａ＋ｂ＝１００であることが好ましい。

後に、詳述するが、フリー磁性層１６中に存在するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であるほうがスピン依存バルク散乱係数βが増加し、従来よりも磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくできる。

Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂの上下に積層されたＣｏＦｅ層１６ａ、ＣｏＦｅ層１６ｃは、ＮｉＦｅ合金の拡散防止及びフリー磁性層１６全体の磁歪低減を図るために設けられたものである。なお、図１に示されたシングルスピンバルブ型のＧＭＲ磁気検出素子の場合、非磁性材料層１５と接しているＣｏＦｅ層１６ａのみが形成されていれば、ＮｉＦｅ合金の非磁性材料層１５への拡散防止効果及びフリー磁性層１６全体の磁歪低減効果を得ることができる。また、ＣｏＦｅ層１６ａ、１６ｃが形成されず、フリー磁性層１６がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂのみからなる単層構造であってもよい。

なお、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂの膜厚ｔ１は２０Å以上９０Å以下であることが好ましく、ＣｏＦｅ層１６ａの膜厚ｔ２及びＣｏＦｅ層１６ｃの膜厚ｔ３は３Å以上１５Å以下であることが好ましい。

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は人工フェリ構造であるため、磁性層１４ａが例えば図示Ｙ方向に磁化されると、磁性層１４ｃは図示Ｙ方向と逆方向に磁化される。

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。

図２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２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Ｔ２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２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２に示される磁気検出素子の固定磁性層３１は、磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、磁性層３１ｃ、ホイスラー合金層３１ｄの４層構造である。磁性層３１ａ及び磁性層３１ｃはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３１ｄは後述するホイスラー合金によって形成されている。ホイスラー合金層３１ｄは強磁性を有しており、強磁性結合によって磁性層３１ｃとホイスラー合金層３１ｄは同一の方向に磁化が向く。

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）により磁性層３１ａの磁化方向と、磁性層３１ｃ及びホイスラー合金層３１ｄの磁化方向は互いに反平行状態にされる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子の固定磁性層３１のなかにホイスラー合金層３１ｄを設け、固定磁性層３２のなかにホイスラー合金層３２ａを設けると、外部磁界が印加される前と後における、多層膜Ｔ２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、多層膜Ｔ２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。また、非磁性中間層３１ｂの下や非磁性中間層３２ｃの上にホイスラー合金層を積層してもよいが、磁気抵抗効果に寄与するのは、非磁性材料層１５に接する層なので、非磁性中間層３１ｂの上や非磁性中間層３２ｃの下にホイスラー合金層を積層するほうが効果的である。

この固定磁性層３１のひとつの層であるホイスラー合金層３１ｄは、Ｃｏ_２ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）であることが好ましい。Ｃｏ_２ＹＺ合金層はハーフメタル的な性質を有しており、ＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくするために有効な材料である。

より好ましくは、ホイスラー合金層３１ｄが、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ことである。ここで、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ、のうち１種または２種以上の元素である。

図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３２は、ホイスラー合金層３２ａ、磁性層３２ｂ、非磁性中間層３２ｃ、磁性層３２ｄ、の４層構造である。磁性層３２ｂ及び磁性層３２ｄはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３２ａは、前述した固定磁性層３１のホイスラー合金層３１ｄを形成するホイスラー合金とおなじホイスラー合金によって形成されている。磁性層３２ｂは強磁性を有しており、強磁性結合によってホイスラー合金層３２ａと磁性層３２ｂは同一の方向に磁化が向く。

固定磁性層３２の上にある反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３２ｃを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により磁性層３２ｄの磁化方向と、ホイスラー合金層３２ａ及び磁性層３２ｂの磁化方向は互いに反平行状態にされる。

なお、固定磁性層３１、固定磁性層３２を人工フェリ構造を有さない構造として形成してもよい。また、図２に示された固定磁性層３１を図１の磁気検出素子の固定磁性層１４の代わりに用いてもよい。

本実施の形態でも、フリー磁性層１６は下からＣｏＦｅ層１６ａ、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂ（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層１６ｃが積層された３層構造を有している。

ＮｉＦｅ合金の組成をこの範囲にすることにより、本発明では、磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂのＮｉとＦｅの原子％を表すａ、ｂは、２≦ａ≦２４、ａ＋ｂ＝１００であることが好ましい。

フリー磁性層１６中に存在するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であるほうがスピン依存バルク散乱係数βが増加し、従来よりも磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくできる。

Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂの上下に積層されたＣｏＦｅ層１６ａ、ＣｏＦｅ層１６ｃは、ＮｉＦｅ合金の拡散防止及びフリー磁性層１６全体の磁歪低減を図るために設けられたものである。なお、ＣｏＦｅ層１６ａ、１６ｃが形成されず、フリー磁性層１６がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂのみからなる単層構造であってもよい。

なお、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂの膜厚ｔ１は２０Å以上９０Å以下であることが好ましく、ＣｏＦｅ層１６ａの膜厚ｔ２及びＣｏＦｅ層１６ｃの膜厚ｔ３は３Å以上１５Å以下であることが好ましい。

図２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３１、３２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３１，３２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２に示す実施形態では前記固定磁性層３１，３２は人工フェリ構造である。

図２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。図２に示されたデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子はフリー磁性層１６の上下に非磁性材料層１５を介して固定磁性層３２と固定磁性層３１が設けられているので、理論上は抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを図１に示されたシングルスピンバルブ型の磁気検出素子の２倍にすることができる。本実施の形態の磁気検出素子であれば、磁気検出素子のΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることが可能である。

図３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３に示すように、下から下地層１１、シード層１２、フリー磁性層１６、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３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。

本実施の形態でも、フリー磁性層１６は下からＣｏＦｅ層１６ａ、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂ（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層１６ｃが積層された３層構造を有している。

ＮｉＦｅ合金の組成をこの範囲にすることにより、本発明では、磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくすることができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１６ｂのＮｉとＦｅの原子％を表すａ、ｂは、２≦ａ≦２４、ａ＋ｂ＝１００であることが好ましい。

フリー磁性層１６中に存在するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であるほうがスピン依存バルク散乱係数βが増加し、従来よりも磁気検出素子の抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくできる。

なお、図１ないし図３では、固定磁性層１４、３１、３２の磁化方向を反強磁性層１３との界面での交換結合磁界によって固定していた。しかし、固定磁性層１４、３１、３２に反強磁性層１３が重ねられず、固定磁性層１４、３１、３２自身の一軸異方性によって固定磁性層１４、３１、３２の磁化方向が固定される自己ピン止め構造の固定磁性層であってもよい。

以下に示す膜構成のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子を形成し、フリー磁性層を構成するＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ただし、ａ、ｂは原子％であり、ａ＋ｂ＝１００である）中のＮｉの原子％を変化させたときの、磁気検出素子の磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを調べた。

基板／下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（５０Å）／反強磁性層ＩｒＭｎ（７０Å）／固定磁性層（第１固定磁性層Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（９．１Å）／第２固定磁性層ＣｏＦｅ（１０Å）／Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／フリー磁性層ＣｏＦｅ（５Å）／Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ（９０Å）／ＣｏＦｅ（５Å）／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／第２固定磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（４０Å）／ＣｏＦｅ（１０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（９．１Å）／第１固定磁性層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３０Å））／反強磁性層ＩｒＭｎ（７０Å）／保護層Ｔａ（２００Å）なお、括弧内の数字は膜厚である。

結果を図４に示す。図４をみると、フリー磁性層のＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ただし、ａ、ｂは原子％でありａ＋ｂ＝１００である）中のＮｉ含有量ａが０原子％より大きく２５原子％以下であると、磁気検出素子のΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることができる。また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ただし、ａ、ｂは原子％でありａ＋ｂ＝１００である）中のＮｉ含有量ａが２原子％以上２４原子％以下であると、前記Ｎｉ含有量ａを４０原子％から８０原子％の範囲にしていた従来よりも磁気検出素子のΔＲＡが大きくなることがわかる。

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た断面図、 本発明の第２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３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、 デュアルスピンバルブ型磁気検出素子を形成し、フリー磁性層を構成するＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ただし、ａ、ｂは原子％であり、ａ＋ｂ＝１００である）中のＮｉの原子％を変化させたときの、磁気検出素子の磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを示すグラフ、 従来の磁気検出素子の断面図、

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
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 (8)

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が設けられた多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
   前記フリー磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記フリー磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり２≦ａ≦２４、ａ＋ｂ＝１００である）を有している請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記フリー磁性層が前記Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層の上下にＣｏＦｅ層が積層された３層構造を有している請求項１または２記載の磁気検出素子。
4. 前記固定磁性層がＣｏ_２ＹＺ合金層（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、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）を有している請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
5. 前記固定磁性層が前記フリー磁性層の上側に設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出素子。
6. 前記固定磁性層が前記フリー磁性層の下側に設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出素子。
7. 前記フリー磁性層の下に前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上にも非磁性材料層及び固定磁性層が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出素子。
8. 前記固定磁性層に反強磁性層が重ねられている請求項５ないし７のいずれかに記載の磁気検出素子。

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