JP2006245275A - 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】固定磁性層１４の磁性層１４ｃは下からＣｏＦｅ層１４ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層１４ｃ３が積層された３層構造を有している。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と従来よりも低くなっている。これにより、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７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７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７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及び固定磁性層の材料として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及び固定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８０ａｔ％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、高スピン分極材料としてＮｉ_ｘＦｅ_{（１００−ｘ）}合金（４０≦ｘ≦７０）が記載されている。

しかし、この組成範囲のＮｉＦｅ合金を用いてフリー磁性層や固定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、固定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、
前記固定磁性層は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、固定磁性層を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％以下と低い範囲になっている。本発明の発明者は、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を大きくできることを見いだした。また、本発明の磁気検出素子では、固定磁性層の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層の一軸異方性を大きくすることができる。

本発明では、前記固定磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることがより好ましい。さらに、好ましいのは、前記固定磁性層がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることである。

本発明では、前記固定磁性層が前記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、前記フリー磁性層が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。

本発明では、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。

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。

または、前記固定磁性層の一軸異方性によってこの固定磁性層の磁化方向が一方向に固定されている自己ピン止め構造の固定磁性層を有する磁気検出素子であってもよい。

本発明では、前記固定磁性層のＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％を０原子％より大きく２５原子％以下と低い範囲と低くさせることにより、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を大きくすることができる。また、固定磁性層の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層の一軸異方性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。

固定磁性層１４は、磁性層１４ａ、非磁性中間層１４ｂ、磁性層１４ｃからなっている。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。

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。

磁性層１４ａはＣｏＦｅ合金によって形成されている。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。磁性層１４ｃはＣｏＦｅ合金層１４ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２、ＣｏＦｅ合金層１４ｃ３からなる３層構造である。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２の組成は本発明の特徴をなすものであるので、後に詳述する。

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、フリー磁性層１６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。
固定磁性層１４の磁性層１４ｃは下からＣｏＦｅ層１４ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層１４ｃ３が積層された３層構造を有している。

本実施の形態では、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２中のＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と低い範囲になっている。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。また、ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であると、固定磁性層１４の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層１４の一軸異方性を大きくすることができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されることがより好ましい。さらに好ましいのは、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されていることである。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２の上下に積層されたＣｏＦｅ層１４ｃ１、ＣｏＦｅ層１４ｃ２は、ＮｉＦｅ合金の拡散防止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１４ｃ３のみが形成されていれば、ＮｉＦｅ合金の非磁性材料層１５への拡散防止効果を得ることができる。また、ＣｏＦｅ層１４ｃ１、１４ｃ３が形成されず、固定磁性層１４がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層１４ｃ２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１４ｃ２の膜厚ｔ１は１５Å以上５０Å以下であることが好ましく、ＣｏＦｅ層１４ｃ１の膜厚ｔ２及びＣｏＦｅ層１４ｃ３の膜厚ｔ３は５Å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をスパッタ法や蒸着法を用いて成膜した後、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を記録媒体との対向面側から見た断面図である。

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からなる。磁性層３１ａはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成されている。非磁性中間層３１ｂはＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。磁性層３１ｃはＣｏＦｅ合金層３１ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２、ＣｏＦｅ合金層３１ｃ３からなる３層構造である。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２の組成は本発明の特徴をなすものであるので、後に詳述する。

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の磁化方向は互いに反平行状態にされる。

図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３２は、磁性層３２ａ、非磁性中間層３２ｂ、磁性層３２ｃからなる。磁性層３２ｃはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成され、非磁性中間層３２ｂは前述した非磁性中間層３１ｂを形成する非磁性材料と同じ材料を用いて形成される。磁性層３２ａはＣｏＦｅ合金層３２ａ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２、ＣｏＦｅ合金層３２ａ３からなる３層構造である。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２の組成は本発明の特徴をなすものであるので、後に詳述する。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３２ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により磁性層３２ｃの磁化方向と、磁性層３２ａ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をそれぞれ磁性層３１ｃ、磁性層３２ａのみからなる人工フェリ構造を有さない構造として形成してもよい。本実施の形態でも、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２を形成するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と低い範囲になっている。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。また、ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であると、固定磁性層１４の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層３１及び固定磁性層３２の一軸異方性を大きくすることができる。

Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２の上下に積層されたＣｏＦｅ層３１ｃ１、３１ｃ３、及びＣｏＦｅ層３２ａ１、３２ａ３は、ＮｉＦｅ合金の拡散防止のために設けられたものである。また、ＣｏＦｅ層３１ｃ１、３１ｃ３、及びＣｏＦｅ層３２ａ１、３２ａ３が形成されず、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２のみが形成されてもよい。

なお、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２の膜厚ｔ４は１５Å以上５０Å以下であることが好ましく、ＣｏＦｅ層３１ｃ１、３１ｃ３、及びＣｏＦｅ層３２ａ１、３２ａ３の膜厚ｔ５は５Å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をスパッタ法や蒸着法を用いて成膜後、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。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されると磁気検出素子のΔＲＡを５．５ｍΩμｍ^２以上にすることが可能である。さらに、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されると磁気検出素子のΔＲＡを６ｍΩμｍ^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磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。

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、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２を形成するＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と低い範囲になっている。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。また、ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であると、固定磁性層１４の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層３１及び固定磁性層３２の一軸異方性を大きくすることができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されることがより好ましい。さらに好ましいのは、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３１ｃ２及びＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層３２ａ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されることである。

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。

図４は自己ピン止め構造の固定磁性層を有する磁気検出素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。

図４に示す実施形態では、多層膜Ｔ４は、下からシード層２１、固定磁性層２３、非磁性材料層２４、フリー磁性層２５及び保護層２６の順に積層されたものである。

前記シード層２１は、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金あるいはＣｒ、Ｔａなどで形成されている。シード層２１は、例えば（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）_60at%Ｃｒ_40at%の膜厚３５Å〜６０Åで形成される。

固定磁性層２３は、磁性層２３ａ、非磁性中間層２３ｂ、磁性層２３ｃからなっている。非磁性中間層２３ｂ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２３ａと磁性層２３ｃ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２３の磁化を安定した状態にできる。固定磁性層２３の磁化方向は、磁性層２３ａ及び磁性層２３ｂの一軸異方性によって図示Ｙ方向（ハイト方向）に平行な方向に固定されている。このような、固定磁性層の構造を自己ピン止め構造という。

なお前記磁性層２３ａは例えば１５〜３５Å程度で形成され、非磁性中間層２３ｂは８Å〜１０Å程度で形成され、磁性層２３ｃは２０〜５０Å程度で形成される。

磁性層２３ａはＣｏＦｅ合金によって形成されている。非磁性中間層２３ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。磁性層２３ｃはＣｏＦｅ合金層２３ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２、ＣｏＦｅ合金層２３ｃ３からなる３層構造である。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２の組成は本発明の特徴をなすものであるので、後に詳述する。

非磁性材料層２４は、固定磁性層２３とフリー磁性層２５との磁気的な結合を防止する層であり、Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇなど導電性を有する非磁性材料により形成されることが好ましい。特にＣｕによって形成されることが好ましい。非磁性材料層の膜厚は１７Å〜５０Åである。

さらにフリー磁性層２５が形成されている。フリー磁性層２５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、フリー磁性層２５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。

また前記フリー磁性層２５のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法でトラック幅Ｔｗが決められる。

保護層２６はＴａやＲｕなどからなり、多層膜Ｔ４の酸化の進行を抑える。保護層２６の膜厚は１０Å〜５０Åである。

図１に示す実施形態では、シード層２１から保護層２６までの多層膜Ｔ４の両側には絶縁層２７、ハードバイアス層２８及び絶縁層２９が積層されている。ハードバイアス層２８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層２５の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

前記絶縁層２７と前記ハードバイアス層２８間にバイアス下地層（図示しない）が形成されていてもよい。前記バイアス下地層は例えばＣｒ、Ｗ、Ｗ−Ｔｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金などで形成される。

前記絶縁層２７，２９はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されたものであり、前記多層膜Ｔ４内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記多層膜Ｔ４のトラック幅方向の両側に分流するのを抑制すべく前記ハードバイアス層２８の上下を絶縁するものである。

なお前記ハードバイアス層２８，２８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る。

絶縁層２９及び保護層２６上並びにシード層２１の下には、Ｃｕなどの導電性材料からなる電極層２０，２０が形成されている。図４に示す磁気検出素子の構造はＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型であり、前記多層膜Ｔ４を構成する各層の界面に対し垂直方向に電流を流す電流源となっている。

フリー磁性層２５の磁化は、ハードバイアス層２８，２８からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。そして記録媒体からの信号磁界（外部磁界）に対し、フリー磁性層２５の磁化が感度良く変動する。一方、固定磁性層２３の磁化は、固定磁性層２３自身の一方向異方性によってハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。

フリー磁性層２５の磁化方向の変動と、固定磁性層２３の固定磁化方向（特に第２磁性層２３ｃ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。

本実施の形態の特徴部分について述べる。
固定磁性層２３の磁性層２３ｃは下からＣｏＦｅ層２３ｃ１、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２（ただし、ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）及びＣｏＦｅ層２３ｃ３が積層された３層構造を有している。

本実施の形態では、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２中のＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％が０原子％より大きく２５原子％以下と低い範囲になっている。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。また、ＮｉＦｅ合金中のＮｉの原子％がこの範囲であると、固定磁性層２３の磁歪定数を大きくすることができ、固定磁性層２３の一軸異方性を大きくすることができるので固定磁性層２３の磁化方向を一定方向に確実に固定することができる。すなわち、磁気検出素子の再生出力が増大し、また、外部磁界の印加方向に依存する再生出力の非対称性（アシンメトリー）を低減することができる。

また、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されることがより好ましい。さらに好ましいのは、Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）で形成されていることである。Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２の上下に積層されたＣｏＦｅ層２３ｃ１、ＣｏＦｅ層２３ｃ２は、ＮｉＦｅ合金の拡散防止を図るために設けられたものである。なお、図４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２４と接しているＣｏＦｅ層２３ｃ３のみが形成されていれば、ＮｉＦｅ合金の非磁性材料層１５への拡散防止効果を得ることができる。また、ＣｏＦｅ層２３ｃ１、２３ｃ３が形成されず、固定磁性層２３がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層２３ｃ２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２３ｃ２の膜厚ｔ６は１５Å以上５０Å以下であることが好ましく、ＣｏＦｅ層２３ｃ１の膜厚ｔ７及びＣｏＦｅ層２３ｃ３の膜厚ｔ８は５Å以上１５Å以下であることが好ましい。

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、第２固定磁性層（図２の磁性層３１ｃ、磁性層３２ａに対応する）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及び第２固定磁性層の磁歪定数λｓを調べた。ΔＲＡの測定結果を図５に、磁歪定数λｓの測定結果を図６に示す。

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）／Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ（３５Å）／ＣｏＦｅ（５Å）／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／フリー磁性層Ｃｏ_２ＭｎＧｅ（８０Å）／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／第２固定磁性層ＣｏＦｅ（５Å）／Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ（３５Å）／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。

図５をみると、固定磁性層の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％以下の範囲で、磁気検出素子のΔＲＡが５ｍΩμｍ^２以上になる。一方、従来のようにＮｉ含有量ａが４０原子％から８０原子％の範囲だと、磁気検出素子のΔＲＡが５ｍΩμｍ^２未満である。

また、Ｎｉ含有量ａが４原子％以上２３原子％以下の範囲で、磁気検出素子のΔＲＡが５．５ｍΩμｍ^２以上になり、Ｎｉ含有量ａが１５原子％以上２０原子％以下の範囲で、磁気検出素子のΔＲＡが６ｍΩμｍ^２以上になる。

従って、本発明では、前記固定磁性層がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり０＜ａ≦２５、ａ＋ｂ＝１００である）を有しているという組成限定を行なった。また、前記固定磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることがより好ましく、さらに好ましいのは、前記固定磁性層がＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）を有していることとした。

さらに、図６をみると、本発明における前記Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層の組成範囲において、固定磁性層の磁歪定数λｓが大きくなっている。特に、前記Ｎｉ_ａＦｅ_ｂ合金層のＮｉ含有量ａが４原子％以上２３原子％以下の範囲だと、Ｎｉ含有量ａが４０原子％から８０原子％という従来の範囲のものよりも、磁歪定数λｓが大きくなっている。

固定磁性層の磁歪定数λｓが大きくなると、形状異方性による固定磁性層の磁化固定力が強くなる。固定磁性層の磁歪定数λｓが大きくなる本発明は、図４に示されたような自己ピン止め式の磁気検出素子に適用すると特に有効である。

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、 本発明の第４実施形態の磁気検出素子（自己ピン止め式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、固定磁性層を構成する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、 デュアルスピンバルブ型磁気検出素子を形成し、固定磁性層を構成する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、固定磁性層の磁歪定数λｓ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 (11)

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、
   前記固定磁性層は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. 前記固定磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり４≦ａ≦２３、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. 前記固定磁性層はＮｉ_ａＦｅ_ｂ合金層（ａ、ｂは原子％であり１５≦ａ≦２０、ａ＋ｂ＝１００である）を有している請求項２記載の磁気検出素子。
4. 前記固定磁性層が前記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ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
5. 抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡが５ｍΩμｍ^２以上である請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出素子。
6. 前記フリー磁性層が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５のいずれかに記載の磁気検出素子。
7. 前記固定磁性層が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６のいずれかに記載の磁気検出素子。
8. 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６のいずれかに記載の磁気検出素子。
9. 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６のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. 前記固定磁性層の一軸異方性によってこの固定磁性層の磁化方向が一方向に固定されている請求項７ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。
11. 前記固定磁性層に反強磁性層が重ねられている請求項７ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。

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