JP2006261454A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 単位面積当たりの磁気抵抗変化量が大きく、感度が良好な磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子は、下部電極と上部電極との間に、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化層３３、非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、保護層３８が順次積層されたＧＭＲ膜３０を設けた構成とし、自由磁化層３６の両側に設けられた第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７がＣｏＮｉＦｅを主成分とする強磁性材料からなる。スピン依存バルク散乱およびスピン依存界面散乱が大きなＣｏＮｉＦｅを用いて単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させると共に、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、および第２界面磁性層３７からなる積層体の低保磁力を維持する。
【選択図】 図２

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の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。
近年、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る。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。スピンバルブ膜は磁化が所定の方向に固定された固定磁化層と、非磁性層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向や強度に応じて磁化の方向が変わる自由磁化層が積層されている。スピンバルブ膜は、固定磁化層の磁化と自由磁化層の磁化とがなす角に応じて電気抵抗値が変化する。スピンバルブ膜に一定値のセンス電流を流して電気抵抗値の変化を電圧変化として検出することで、磁気抵抗効果素子は磁気記録媒体に記録されたビットを再生する。
従来、磁気抵抗効果素子は、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）構造が採用されてきた。しかし、更なる高記録密度化を図るためには、磁気記録媒体の線記録密度およびトラック密度を増加させる必要がある。磁気抵抗効果素子では、磁気記録媒体のトラック幅に対応する素子幅および素子高さ（素子の奥行き）、すなわち素子断面積を低減する必要がある。この場合、ＣＩＰ構造では、センス電流の電流密度が過度に大きくなり、スピンバルブ膜を構成する材料のマイグレーション等による性能劣化が生じるおそれがある。このような性能劣化を回避するため、センス電流を低減する必要があるが、そうすると、磁気抵抗変化に対応して検出される電圧変化量、すなわち再生出力が減少し、Ｓ／Ｎ比が劣化してしまう。
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−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−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。
ＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の場合、スピンバルブ膜の膜厚が薄いため素子抵抗値が低下する。そのため、ＣＩＰ構造の磁気抵抗効果素子に用いられる材料をそのまま採用しても、磁気抵抗変化量（ΔＲＡ）が小さく、十分な再生出力が得られない。そのため、ＣＰＰ構造において十分な再生出力を得るためには、単位面積当たりの磁気抵抗変化量（ΔＲＡ）が大きなスピンバルブ膜を実現する必要がある。
ΔＲＡを増加させるために、自由磁化層と非磁性中間層との間にＣｏ−Ｆｅ合金やＣｏ−Ｎｉ合金からなる薄膜挿入層を設けた磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この磁気抵抗効果素子は、自由磁化層によるスピン依存バルク散乱に加え、薄膜挿入層によるスピン依存界面散乱を生じさせることで、ΔＲＡの増加が期待されるというものである。
特開２００３−６０２６３号公報
しかしながら、特許文献１の薄膜挿入層の材料やスピンバルブ膜の構成では、ΔＲＡの十分な増加を図れないという問題がある。
また、更なる高記録密度化を図るには、ΔＲＡの増加と、自由磁化層の低保磁力特性との両立が十分でないという問題がある。自由磁化層の保磁力が増大すると磁気抵抗効果素子の感度が劣化するという問題が生ずる。
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、単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きい磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供することである。
さらに、本発明の目的は、単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、かつ感度が良好な磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供することである。
従来、ＣｏＮｉＦｅ膜はスピン依存バルク散乱およびスピン依存界面散乱が大きいことが知られていたが、ＣｏＮｉＦｅ膜単体では保磁力が大きいため磁気抵抗効果素子の自由磁化層としては採用されていなかった。本願発明者等は、鋭意検討の結果、このＣｏＮｉＦｅ膜を、自由磁化層を挟むように設けることで、単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、かつＣｏＮｉＦｅ膜、自由磁化層、およびＣｏＮｉＦｅ膜からなる積層体の保磁力が低い磁気抵抗効果素子を実現した。
本発明の一観点によれば、固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする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、自由磁化層の一方の側に第１の界面磁性層、他方の側に第２の界面磁性層が設けられ、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層はＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料から構成される。ＣｏＮｉＦｅはスピン依存バルク散乱が大きく、第１の界面磁性層と第２の界面磁性層の２層とすることで、スピン依存バルク散乱を増加できる。さらに、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は各々、第１の非磁性層、第２の非磁性層と強磁性−非磁性の界面を形成し、その界面が２つあるのでスピン依存界面散乱が生じる回数が増加する。さらに、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層を自由磁化層を挟むように設けることで、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層の各々の保磁力を低く維持できる。その結果、第１の界面磁性層、自由磁化層、および第２の界面磁性層の積層体の保磁力を低く維持でき、磁気記録媒体からの磁界に対して感度が良好となる。よって、単位面積当たりの磁気抵抗変化量が大きく、感度が良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。
本発明の他の観点によれば、固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化積層体は、２つの強磁性積層体と、該強磁性積層体に挟まれた他の非磁性結合層を有し、該２つの強磁性積層体が互いに強磁性的に交換結合してなり、前記２つの強磁性積層体の各々が、第１の界面磁性層、自由磁化層および第２の界面磁性層からなり、前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする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、各々２つの第１の界面磁性層および第２の界面磁性層が、第１の非磁性層、第２の非磁性層、あるいは非磁性結合層と強磁性−非磁性の界面を形成しているので、その界面の数が増加し、すなわちスピン依存界面散乱が生じる回数が増加する。したがって、単位面積当たりの磁気抵抗変化量をいっそう増加できる。また、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層の膜厚の総計を維持しつつ、それらの各々の膜厚を低減できるので、単位面積当たりの磁気抵抗変化量に悪影響を与えずに、第１の界面磁性層および第２の界面磁性層の各々の保磁力を低減できる。その結果、自由磁化積層体の保磁力を低減できる。よって、単位面積当たりの磁気抵抗変化量がいっそう大きく、感度がいっそう良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。
本発明のその他の観点によれば、固定磁化層と、第１の非磁性層と、他の自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記他の自由磁化積層体は、第１の界面磁性層と、他の強磁性積層体と、第２の界面磁性層とを有し、該他の強磁性積層体が自由磁化層と強磁性接合層を交互に積層してなり、前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする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、他の強磁性積層体は自由磁化層と強磁性接合層を交互に積層してなる。強磁性接合層によりスピン依存バルク散乱を増加できるので、単位面積当たりの磁気抵抗変化量がいっそう大きく、感度が良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。
また、前記第２の非磁性層上に他の固定磁化層をさらに備える構成としてもよい。これにより、磁気抵抗効果素子はいわゆるデュアルスピンバルブ構造を有する。したがって、上記の発明の効果に加え、上記の発明の単位面積当たりの磁気抵抗変化量を略倍増することができる。
また、前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は実質的にＣｏＮｉＦｅのみからなり、前記ＣｏＮｉＦｅが、三元系の状態図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、Ｆｅ含有量）として表すと、点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｂ（１０、５、８５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域ＡＢＣＤＡの範囲内の組成を有する構成としてもよい。本願明細書および特許請求の範囲において、ＣｏＮｉＦｅの組成を説明の便宜上、（Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、Ｆｅ含有量）を用いて示す。ここで各々元素の含有量の単位は原子％であり、単位の表記を省略する。第１の界面磁性層および第２の界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を領域ＡＢＣＤＡ（図３に示す。）の範囲内の組成とすることで、単位面積当たりの磁気抵抗変化量をさらに増加することができる。
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、記録素子とを備える磁気ヘッドが提供される。また、かかる磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置が提供される。
本発明によれば、単位面積当たりの磁気抵抗変化量が大きく、感度が良好な磁気ヘッドおよび磁気記憶装置を提供できる。
本発明によれば、単位面積当たりの磁気抵抗変化量が大きく、感度が良好な磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気記憶装置を提供することができる。
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。なお、説明の便宜のため、特に断らない限り、「単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔＲＡ」を「磁気抵抗変化量ΔＲＡ」あるいは単に「ΔＲＡ」と略称する。
（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１は、複合型磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。図１中、矢印Ｘの方向は、磁気記録媒体の移動方向を示す。
図１を参照するに、複合型磁気ヘッド１０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１１の上に形成された磁気抵抗効果素子２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３から構成される。
誘導型記録素子１３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１４と、非磁性材料からなる記録ギャップ層１５を挟んで上部磁極１４に対向する下部磁極１６と、上部磁極１４と下部磁極１６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、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極１４、下部磁極１６、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。なお、誘導型記録素子１３はこれに限定されるものではなく、公知の構造の誘導型記録素子を用いることができる。
磁気抵抗効果素子２０は、セラミック基板１１の表面に形成されたアルミナ膜１２上に、下部電極２１、ＧＭＲ膜３０、アルミナ膜２５、上部電極２２が積層され、上部電極２２がＧＭＲ膜３０の表面に接した構成となっている。ＧＭＲ膜３０の両側には、絶縁膜２３を介して磁区制御膜２４が設けられている。磁区制御膜２４は、例えば、Ｃｒ膜と強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜との積層体からなる。磁区制御膜２４は、ＧＭＲ膜３０を構成する固定磁化層および自由磁化層等（図２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。
下部電極２１および上部電極２２はセンス電流Ｉs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等から構成される。さらに下部電極２１とＧＭＲ膜との界面に導電膜、例えば、Ｃｕ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等を設けてもよい。
また、磁気抵抗効果素子２０および誘導型記録素子１３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る。
センス電流Ｉｓは、例えば上部電極２２から、ＧＭＲ膜３０をその膜面に略垂直に流れ下部電極２１に達する。ＧＭＲ膜３０は、磁気記録媒体からの漏洩磁界の強度および方向に対応して電気抵抗値、いわゆる磁気抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子２０は、ＧＭＲ膜３０の磁気抵抗値の変化を電圧変化として検出する。このようにして、磁気抵抗効果素子２０は磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、センス電流Ｉｓの流れる方向は図１に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も逆向きでもよい。
図２は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜の断面図である。
図２を参照するに、第１例のＧＭＲ膜３０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化層３３、非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、保護層３８が順次積層された構成からなる。
下地層３１は、図１に示す下部電極２１の表面にスパッタ法等により形成され、例えば、ＮｉＣｒ膜や、Ｔａ膜（例えば膜厚５ｎｍ）とＮｉＦｅ膜（例えば膜厚５ｎｍ）との積層体等から構成される。この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。このような組成のＮｉＦｅ膜を用いることにより、ＮｉＦｅ膜の結晶成長方向である（１１１）結晶面およびこれに結晶学的に等価な結晶面の表面に、反強磁性層３２がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層３２の結晶性を向上させることができる。
反強磁性層３２は、例えば膜厚５ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍ）のＭｎ−ＴＭ合金（ＴＭは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＲｈのうち少なくとも１種を含む。）から構成される。反強磁性層３２は、後述する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し、固定磁化層３３に交換相互作用を及ぼして固定磁化層３３の磁化を所定の方向を固定する。
固定磁化層３３は、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらの元素を含む強磁性材料から構成される。固定磁化層３３に好適な強磁性材料としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＣｕ等が挙げられる。なお、固定磁化層３３は、１層のみならず、２層以上の積層体としてもよい。この積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。
さらに、図示を省略するが、固定磁化層３３と反強磁性層３２との間に固定磁化層３３よりも飽和磁束密度が高い強磁性材料からなる強磁性接合層を設けてもよい。これにより、固定磁化層３３と反強磁性層３２との交換相互作用を増加でき、固定磁化層３３の磁化が所定の方向から変位したり反転したりする問題を回避できる。
非磁性中間層３４は、例えば、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの非磁性の導電性材料より構成される。非磁性中間層３４に好適な導電性材料としてはＣｕ、Ａｌ等が挙げられる。
第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７は、ＣｏＮｉＦｅを主成分とする強磁性材料からなる。第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７は、ＣｏＮｉＦｅのみから構成されてもよく、ＣｏＮｉＦｅにさらにＶ、Ｂが添加されていてもよい。
また、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７の膜厚は、大きいほどスピン依存バルク散乱が増加するので好ましいが、２．０ｎｍを超えると第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７の保磁力が増加し、自由磁化層３６との積層体全体の保磁力が増加してしまう。
また、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７は、同一の組成の材料を用いてもよく、あるいは、各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。
図３は、第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を説明するための図である。図３は三角座標であり、三辺にＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの各々の含有量（原子％）が示されている。
図２と共に図３を参照するに、ＣｏＮｉＦｅは、その組成に応じてｂｃｃ（体心立方）構造あるいはｆｃｃ（面心立方）構造を有する。ｂｃｃ構造とｆｃｃ構造の境界線ＱＲは、ＣｏＦｅ側の点Ｑ（７７、０、２３）とＮｉＦｅ側の点Ｒ（０、３５、６５）を結ぶ略直線状の曲線である。ＣｏＮｉＦｅは、境界線Ｑをよりも高Ｎｉ含有量あるいは低Ｆｅ含有量側でｆｃｃ構造を有し、境界線Ｑをよりも低Ｎｉ含有量あるいは高Ｆｅ含有量側でｂｃｃ構造を有する。このＣｏＮｉＦｅの室温における等温状態図は、Ｏｓａｋａ等による論文（Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ． ３９２ （１９９８） ｐｐ． ７９６ − ｐｐ． ７９８）から引用したものである。この等温状態図は電気めっき法により作製されたＣｏＮｉＦｅ膜についてのものである。しかし、スパッタ法により形成されたＣｏＮｉＦｅ膜でも、略同様の組成に境界線ＱＲが位置すると推察されるのでこの等温状態図を用いて説明する。
第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７は、図３に示す領域ＡＢＣＤＡの範囲内の組成を有することがより好ましい。領域ＡＢＣＤＡは、点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｂ（１０、５、８５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域である。領域ＡＢＣＤＡは、ｂｃｃ構造とｆｃｃ構造の境界線ＱＲを略含んでいる。
本願発明者等は、種々の検討により、ｆｃｃ構造とｂｃｃ構造の境界線ＱＲ付近の組成を有するＣｏＮｉＦｅ膜を第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７に用いることで磁気抵抗変化量ΔＲＡが増加することを知得した。本願発明者等は、ＣｏＮｉＦｅ膜を単体の自由磁化層を用い、他の構成は第１例のＧＭＲ膜と同様の構成として磁気抵抗変化量ΔＲＡを検討したところ、図３に示す領域ＡＢＣＤＡ内の組成で大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡが得られることが分かった。その領域ＡＢＣＤＡ内で、低Ｎｉ含有量側（辺ＢＣ側）の組成では、それよりも高Ｎｉ含有量側（辺ＡＤ側）の組成よりも高い磁気抵抗変化量ΔＲＡを示した。これは、ＣｏＮｉＦｅ膜の結晶構造がｂｃｃ構造の方が、ｆｃｃ構造よりもスピン依存バルク散乱が大きくなるためと推察される。なお、辺ＡＤよりも高Ｎｉ含有量の組成では、スピン依存バルク散乱の低下に加え、スピン依存界面散乱も低下してしまう。
また、本願発明者等は、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６および第２界面磁性層３７の積層体として、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７に薄いＣｏＮｅＦｅ膜を用いることで、この積層体の保磁力を低く維持できることを知得した。ＣｏＮｉＦｅ膜は、低Ｎｉ含有量側（辺ＢＣ側）では、高Ｎｉ含有量側（辺ＡＤ側）よりも保磁力が高い傾向がある。ＣｏＮｉＦｅ膜を第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７に適用した場合、ＣｏＮｉＦｅ膜の保磁力は各々の膜厚に依存する。膜厚が薄いほど保磁力が低下する。したがって、低Ｎｉ含有量の組成では、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７の膜厚を例えば０．５ｎｍ程度にすることで、この積層体の低保磁力を維持できる。
この積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。
自由磁化層３６は、第１界面磁性層３５の表面に設けられ、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらの元素を含む強磁性材料、例えば、ＮｉＦｅ、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３６は、上述した第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７との積層体が低保磁力の点でＮｉＦｅ膜が特に好ましい。また、自由磁化層３６がＮｉＦｅ膜からなり、非磁性中間層３４や保護層３８がＣｕ膜からなる場合は、ＣｕがＮｉＦｅ膜に拡散し易い。その結果、ＮｉＦｅ膜とＣｕ膜との界面に固溶体が形成される。固溶体が形成されると界面のスピン依存界面散乱と、ＮｉＦｅ膜のスピン依存バルク散乱が低下するという問題を生じる。ＮｉＦｅ膜とＣｕ膜（非磁性中間層３４や保護層３８）との間に第１界面磁性層３５あるいは第２界面磁性層３７を設けることで、かかるＣｕのＮｉＦｅ膜への拡散を回避し、磁気抵抗変化量ΔＲＡの低下を防止できる。
保護層３８は非磁性の導電性材料からなり、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、およびＷのいずれかを含む金属膜から構成される。保護層３８は、これらの金属膜の積層体としてもよく、この積層体は第２界面磁性層３７側にＣｕ膜あるいはＡｌ膜を設けることが好ましい。これにより、第２界面層３７と保護層３８との間のスピン依存界面散乱を増加できる。
また、保護層３８はスパッタ法等により形成される。保護層３８は、以下に説明する反強磁性層３２の反強磁性を出現させるための熱処理の際に第２界面磁性層３７や自由磁化層３６の酸化を防止できる。
次に第１例のＧＭＲ膜３０の形成方法を説明する。最初に、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により、下地層３１から保護層３８までの各々の層を上述した材料を用いて形成する。次いで、このようにして得られた積層体を磁界中で熱処理する。熱処理の条件は、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にである。この熱処理により、反強磁性層３２のＭｎ−ＴＭ合金は、規則合金化して反強磁性が出現する。また、熱処理の際に所定の方向に磁界を印加することで、反強磁性層３２と固定磁化層３３との交換相互作用により固定磁化層３３の磁化方向を所定の方向に固定することができる。次いで、この積層体を図１に示すように所定の形状にパターニングしてＧＭＲ膜３０を得る。なお、下記に説明する第２例〜第７例のＧＭＲ膜も第１例のＧＭＲ膜３０と略同様にして形成する。
第１例のＧＭＲ膜３０は、ＣｏＮｉＦｅを主成分とする第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７を、自由磁化層３６を挟むように設けることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加でき、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、および第２界面磁性層３７の積層体の低保磁力を維持できる。特に、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７を薄膜化あるいはＣｏＮｉＦｅの組成を選択することで、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、および第２界面磁性層３７の積層体を低保磁力化することができる。したがって、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、感度が良好な磁気抵抗効果素子を実現できる。なお、磁気抵抗効果素子は、第１例のＧＭＲ膜３０の代わりに、次に説明する第２例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図４は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。第２例のＧＭＲ膜は、第１例のＧＭＲ膜の変形例である。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４を参照するに、第２例のＧＭＲ膜４０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化層３３、非磁性中間層３４、自由磁化積層体４１、保護層３８が順に積層された構成からなる。自由磁化積層体４１は、非磁性中間層３４側から、第１界面磁性層３５ａ、自由磁化層３６ａ、第２界面磁性層３７ａ、非磁性結合層４２、第１界面磁性層３５ｂ、自由磁化層３６ｂ、および第２界面磁性層３７ｂが順に積層されてなる。ＧＭＲ膜４０は、第１界面磁性層３５ａ、自由磁化層３６ａおよび第２界面磁性層３７ａからなる積層体と、第１界面磁性層３５ｂ、自由磁化層３６ｂおよび第２界面磁性層３７ｂからなる積層体とが、非磁性結合層４２を介して強磁性的に交換結合している。ＧＭＲ膜４０は、自由磁化積層体４１が異なる以外は、第１例のＧＭＲ膜と同様に構成されている。
第１界面磁性層３５ａ、３５ｂおよび第２界面磁性層３７ａ、３７ｂは、図２に示す第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。また自由磁化層３６ａ、３６ｂは、図２に示す自由磁化層３６と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。第１界面磁性層３５ａ、３５ｂおよび第２界面磁性層３７ａ、３７ｂの膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲に設定されることが好ましく、自由磁化積層体４１の低保磁力化を促進できる点で、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍの範囲に設定されることがより好ましい。
非磁性結合層４２は、その膜厚が第１界面磁性層３５ａ、自由磁化層３６ａおよび第２界面磁性層３７ａからなる積層体の磁化と第１界面磁性層３５ｂ、自由磁化層３６ｂおよび第２界面磁性層３７ｂからなる積層体の磁化とが強磁性的に結合する範囲に設定される。その膜厚は例えば０．２ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲から選択される。非磁性結合層４２は、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。
自由磁化積層体４１は、その全体の膜厚が８ｎｍ以下に設定されることが好ましい。膜厚が８ｎｍを超えると、ＧＭＲ膜４０全体の厚さが増加し、リードギャップ長が過度に増加してしまう。
第２例のＧＭＲ膜４０は、第１例のＧＭＲ膜と比較して、第２界面磁性層３７ａと非磁性結合層４２、および非磁性結合層４２と第１界面磁性層３５ｂの各々に強磁性層−非磁性層からなる界面がさらに設けられている。したがって、スピン依存界面散乱が界面の数だけ増加するので、第１例のＧＭＲ膜よりも磁気抵抗変化量ΔＲＡをさらに増加することができる。
また、第１界面磁性層３５ａ、３５ｂおよび第２界面磁性層３７ａ、３７ｂの膜厚の総計を上述した第１例のＧＭＲ膜と同程度にして、各々の膜厚を低減できるので、これらの各々の層の保磁力を低減できる。その結果、自由磁化積層体４１の保磁力を第１例のＧＭＲ膜の第１界面磁性層、自由磁化層、および第２界面磁性層の積層体の保磁力よりも低くできる。
したがって、第２例のＧＭＲ膜４０は、第１例のＧＭＲ膜と同様の効果を有すると共に、磁気抵抗変化量ΔＲＡをさらに増加できる。また、自由磁化積層体４１の保磁力も、第１例のＧＭＲ膜よりも低減することができる。その結果、磁気抵抗変化量ΔＲＡがいっそう大きく、感度がいっそう良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。
なお、自由磁化積層体４１は、第１界面磁性層、自由磁化層、および第２界面磁性層からなる積層体が２つの場合を示したが３つ以上の構成としてもよい。但し、その数は上記の膜厚の範囲を超えないことが好ましい。なお、磁気抵抗効果素子は、第２例のＧＭＲ膜４０の代わりに、次に説明する第３例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図５は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。第３例のＧＭＲ膜は、第１例のＧＭＲ膜の変形例である。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５を参照するに、第３例のＧＭＲ膜４５は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化層３３、非磁性中間層３４、自由磁化積層体４６、保護層３８が順次積層された構成からなる。自由磁化積層体４６は、非磁性中間層３４側から、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６ａ、強磁性接合層４７、自由磁化層３６ｂ、および第２界面磁性層３７が順に積層されてなる。自由磁化積層体４６は、強磁性接合層４７を介して自由磁化層３６ａと自由磁化層３６ｂが強磁性的に交換結合している。ＧＭＲ膜４５は、自由磁化積層体４６が異なる以外は、第１例のＧＭＲ膜と同様に構成されている。
強磁性接合層４７は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらの合金からのうち少なくとも１種を含む強磁性材料からなる。強磁性接合層４７に好適な強磁性材料としては、スピン依存バルク散乱が大きな点で、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅが挙げられる。これにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。
強磁性接合層４７は、ＣｏＮｉＦｅを主成分とする強磁性材料からなることが特に好ましく、第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７と同一の組成とすることがとりわけ好ましい。磁気抵抗変化量ΔＲＡをさらに増加させることができる。
強磁性接合層４７の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。特に、強磁性接合層４７がＣｏＮｉＦｅからなる場合は、強磁性接合層４７の膜厚は、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。自由磁化積層体４６の保磁力を低く維持できる。
第３例のＧＭＲ膜４５は、強磁性接合層４７をさらに設けることでスピン依存バルク散乱を増加することができる。また、強磁性接合層４７をＣｏＮｉＦｅ膜とすることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを低下させずに第１界面磁性層３５および第２界面磁性層３７を薄膜化することができるので、自由磁化積層体４６の保磁力を第１例のＧＭＲ膜よりも低減することができる。さらに、強磁性接合層４７と自由磁化層３６ａ、３６ｂとの積層数をさらに増加させてもよい。これにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡをさらに増加できる。その結果、磁気抵抗変化量ΔＲＡがいっそう大きく、感度がいっそう良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、磁気抵抗効果素子は、第３例のＧＭＲ膜４５の代わりに、次に説明する第４例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図６は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜の断面図である。第４例のＧＭＲ膜は、第１例のＧＭＲ膜の変形例である。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６を参照するに、第４例のＧＭＲ膜５０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化積層体５４、非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、保護層３８が順次積層された構成からなる。固定磁化積層体５４は、反強磁性層３２側から、第１固定磁化層５１、非磁性結合層５２、および第２固定磁化層５３が順に積層されてなる。固定磁化積層体５４は、第１固定磁化層５１と第２固定磁化層５３が非磁性結合層５２を介して反強磁性的に交換結合する、いわゆる積層フェリ構造を有する。ＧＭＲ膜５０は、固定磁化積層体５４が設けられている以外は第１例のＧＭＲ膜と同様に構成される。
固定磁化積層体５４は、第１固定磁化層５１および第２固定磁化層５３が、図２に示す固定磁化層３３と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
また、非磁性結合層５２は、その膜厚が第１固定磁化層５１と第２固定磁化層５３とが反強磁性的に結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）である。非磁性結合層５２は、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、および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。
第１固定磁化層５１の磁化と第２固定磁化層５３の磁化は反平行となるので、固定磁化層５１および第２固定磁化層５３からの漏洩磁界の正味の磁界強度が低下する。そのため、この漏洩磁界が自由磁化層３６の磁化の方向を変位させてしまうという悪影響が抑制される。そのため、自由磁化層３６の磁化が磁気記録媒体からの漏洩磁界に精確に反応するため、磁気抵抗効果素子の感度が向上し、また、そのＳ／Ｎ比が向上する。
第４例のＧＭＲ膜５０は、第１例のＧＭＲ膜と同様の効果を有すると共に、固定磁化積層体５４が積層フェリ構造を有する。したがって、感度がいっそう良好で、Ｓ／Ｎ比がより良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、磁気抵抗効果素子は、第４例のＧＭＲ膜５０の代わりに、次に説明する第５例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図７は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜の断面図である。第５例のＧＭＲ膜は、第１例のＧＭＲ膜の変形例である。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、第５例のＧＭＲ膜６０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化層３３、下部非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層６３、上部反強磁性層６２、保護層３８が順次積層された構造からなる。すなわち、ＧＭＲ膜７０は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の自由磁化層３６の上に、上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層６３および上部反強磁性層６２を設けた構成を有する。上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層６３および上部反強磁性層６２は、各々、下部非磁性中間層３４、下部固定磁化層３３、下部反強磁性層３２と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。なお、下部反強磁性層３２、下部固定磁化層３３、および下部非磁性中間層３４は、各々、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の反強磁性層３２、固定磁化層３３、および非磁性中間層３４と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。
ＧＭＲ膜７０は、下部固定磁化層３３、下部非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、および第２界面磁性層３７からなるスピンバルブ構造と、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層６３からなるスピンバルブ構造とのデュアルスピンバルブ構造を有する。したがって、磁気抵抗変化量ΔＲＡが増加し、第１例のＧＭＲ膜の磁気抵抗変化量ΔＲＡに対して略２倍となる。
また、自由磁化層３６がＮｉＦｅ膜からなり、上部非磁性中間層６４がＣｕ膜の場合に、第２界面磁性層３７は、自由磁化層３６と上部非磁性中間層６４とが直接接触する場合に起こるＣｕのＮｉＦｅ膜への拡散による固溶相の形成を防止する。これにより、第２界面磁性層３７は、自由磁化層３６と非上部磁性中間層６４との間のスピン依存界面散乱の低下を回避し、むしろ増加させる。
第５例のＧＭＲ膜６０は、デュアルスピンバルブ構造とすることで、第１例のＧＭＲ膜と同様の効果を有すると共に、磁気抵抗変化量ΔＲＡが略倍増することができる。したがって、磁気抵抗変化量ΔＲＡがいっそう大きな磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、磁気抵抗効果素子は、第５例のＧＭＲ膜６０の代わりに、次に説明する第６例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図８は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第６例のＧＭＲ膜の断面図である。第６例のＧＭＲ膜は、第５例のＧＭＲ膜の変形例である。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、ＧＭＲ膜７０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化層３３、下部非磁性中間層３４、自由磁化積層体４１、上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層６３、上部反強磁性層６２、保護層３８が順次積層された構造からなる。自由磁化積層体４１は、図４に示す第２例の自由磁化積層体と同様の構成を有する。すなわち、自由磁化積層体４１は、非磁性中間層３４側から、第１界面磁性層３５ａ、自由磁化層３６ａ、第２界面磁性層３７ａ、非磁性結合層４２、第１界面磁性層３５ｂ、自由磁化層３６ｂ、および第２界面磁性層３７ｂが順に積層されてなる。すなわち、ＧＭＲ膜７０は、第５例のＧＭＲ膜に第２例の自由磁化積層体を適用したものである。
したがって、第６例のＧＭＲ膜７０は、第５例のＧＭＲ膜の効果を有し、さらに、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果、すなわち、スピン依存界面散乱の増加および自由磁化積層体４１の低保磁力化を有する。その結果、磁気抵抗変化量ΔＲＡがいっそう大きく、感度がいっそう良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、磁気抵抗効果素子は、第６例のＧＭＲ膜７０の代わりに、次に説明する第８例のＧＭＲ膜を用いてもよい。
図９は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第７例のＧＭＲ膜の断面図である。第７例のＧＭＲ膜は、第５例のＧＭＲ膜の変形例である。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、第７例のＧＭＲ膜８０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体５４、下部非磁性中間層３４、第１界面磁性層３５、自由磁化層３６、第２界面磁性層３７、上部非磁性中間層６４、上部固定磁化層８４、上部反強磁性層６２、保護層３８が順次積層された構造からなる。
下部固定磁化積層体５４は、下部反強磁性層３２側から、下部第１固定磁化層５１、下部非磁性結合層５２、および下部第２固定磁化層５３が順に積層された積層フェリ構造を有する。また、上部固定磁化積層体８４は、上部非磁性中間層６４側から上部第２固定磁化層８３、上部非磁性結合層８２、および上部第１固定磁化層８１が順に積層された積層フェリ構造を有する。ＧＭＲ膜８０は、第５例のＧＭＲ膜の下部固定磁化層および上部固定磁化層の代わりに、各々、下部固定磁化積層体５４、上部固定磁化積層体８４とした以外は第５例のＧＭＲ膜と同様に構成される。
上部第１固定磁化層８１、上部非磁性結合層８２、および上部第２固定磁化層８３は、各々、下部第１固定磁化層５１、下部非磁性結合層５２および下部第２固定磁化層５３と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。なお、下部第１固定磁化層５１、下部非磁性結合層５２および下部第２固定磁化層５３は、各々、図６に示す第４例のＧＭＲ膜５０の第１固定磁化層５１、非磁性結合層５２および第２固定磁化層５３と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。
第７例のＧＭＲ膜８０は、第５例のＧＭＲ膜の効果を有し、さらに下部固定磁化積層体５４および上部固定磁化積層体８４が積層フェリ構造を有しているので、第４例のＧＭＲ膜と同様の効果、すなわち、固定磁化積層体５４、８４からの漏洩磁界強度が低下し、自由磁化層３６への悪影響を抑制できる。したがって、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、感度がいっそう良好で、Ｓ／Ｎ比がより良好な磁気抵抗効果素子が実現できる。
なお、図示は省略するが、下部反強磁性層３２と下部固定磁化積層体５４との間や、上部固定磁化積層体８４と上部反強磁性層６２との間に強磁性接合層を設けてもよい。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］
本実施例は、本実施の形態の第７例のＧＭＲ膜の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製したものである。実施例１〜実施例７は、第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を異ならせてＧＭＲ膜を作製した（図１０に示す実施例１〜７）。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。
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、次いで下記の組成および膜厚を有する下地層〜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た。なお、第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅ膜の組成は図１０に示している。
次いで、反強磁性層の反強磁性を出現させるための熱処理を行った。熱処理の条件は、加熱温度２８０℃、処理時間３時間、印加磁界１９５２ｋＡ／ｍとした。
次いで、このようにして得られた積層体をイオンミリングにより研削し、長さ０．２μｍ×幅０．２μｍ〜長さ１．０μｍ×幅１．０μｍの範囲の９種類の接合面積を有する積層体を作製した。なお、各接合面積毎に２０個の積層体を得た。
次いで、このようにして得られた積層体をシリコン酸化膜で覆い、次いでドライエッチングにより保護層を露出させ、保護層に接触するようにＡｕからなる上部電極を形成した。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。また、積層体の表示は、膜毎に「／」で区切って示し、左側の膜の方が下側に形成されたものである。
下地層：ＮｉＣｒ（４ｎｍ）
下部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
下部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（２．２４ｎｍ）／Ｃｏ81Ｆｅ9Ｒｕ10（２．５ｎｍ）／Ｃｏ60Ｆｅ40（１ｎｍ）
下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７０ｎｍ）
下部第２固定磁化層：Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．７５ｎｍ）／Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）
下部非磁性中間層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
第１界面磁性層：ＣｏＮｉＦｅ（１．２５ｎｍ）
自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（２．５ｎｍ）
第２界面磁性層：ＣｏＮｉＦｅ（１．２５ｎｍ）
上部非磁性中間層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
上部第２固定磁化層：Ｆｅ60Ｃｏ40（０．５ｎｍ）／Ｆｅ45Ｃｏ45Ｃｕ10（３．７５ｎｍ）
上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７０ｎｍ）
上部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（１ｎｍ）／Ｃｏ81Ｆｅ9Ｒｕ10（２．５ｎｍ）／Ｃｏ60Ｆｅ40（２．２４ｎｍ）
上部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
実施例１〜実施例７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、磁気抵抗変化量ΔＲの測定は、センス電流の電流値を２ｍＡに設定し、外部磁界を下部および上部第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により測定した。
図１０は、実施例１〜７の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ΔＲおよび保磁力を示す図である。保磁力は、自由磁化層（第１界面磁性層および第２界面磁性層を含む）の保磁力である。
図１０を参照するに、実施例１〜実施例５は、第１界面磁性層および第２界面磁性層の各々のＮｉ含有量が２０原子％あるいは３０原子％であり磁気抵抗変化量が大きい。本願発明者の検討によれば、第１界面磁性層と第２界面磁性層を設けず、膜厚５ｎｍのＮｉ80Ｆｅ20膜を自由磁化層とし、それ以外は実施例とほぼ同様の構成で作製した磁気抵抗効果素子（以下、「参考例」という。）は、磁気抵抗変化量が１ｍΩ・μｍ2程度あるいはそれ以下であることが分かっている。これに対し、実施例１〜実施例５は、磁気抵抗変化量が２．４〜２．８あり、倍以上の大きさを有する。また、実施例１〜実施例５は、その保磁力が、実用上好ましい範囲である１０Ｏｅ以下に対して十分に低くなっていることが分かる。
また、実施例６および実施例７は、実施例１〜実施例５と同程度の磁気抵抗変化量を有する。しかし、実施例６は、保磁力が１５０Ｏｅであり、実用上好ましい範囲である１０Ｏｅ以下に対して極めて大きくなっている。但し、実施例６の第１界面磁性層および第２界面磁性層の膜厚は１．２５ｎｍであり、これよりも薄膜化すれば、例えば０．５ｎｍ程度にすれば保磁力が１０Ｏｅ以下になることが十分に期待できる。
図１１は、第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を説明するための他の図である。図１１は、実施例１〜７の第１界面磁性層および第２界面磁性層の組成を「○」で示している。また、Ｐ1〜Ｐ7の符号は、各々、実施例１〜実施例７に対応させてある。また、図１１は、先に図３で示した組成範囲を合わせて示している。
図１１を参照するに、上述したように、実施例１〜実施例５および実施例７は、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きくかつ低保磁力である。したがって、図１１に示すように、点Ｐ1（３０、３０、４０）、点Ｐ3（３０、２０、５０）、点Ｐ7（５０、１０、４０）、点Ｐ5（５０、２０、３０）、点Ｐ2（４０、３０、３０）、および点Ｐ1をこの順に直線で結んだ領域Ｐ1Ｐ3Ｐ7Ｐ5Ｐ2Ｐ1の範囲内の組成では、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きくかつ第１界面磁性層および第２界面磁性層を含めた自由磁化層は低保磁力である。
さらに、本願発明者等の知見によれば、ＣｏＮｉＦｅのｂｃｃ構造とｆｃｃ構造との境界線ＱＲに沿った方向には保磁力がほとんど変化しない。この点を考慮すると、境界線とほぼ平行で実施例６の点Ｐ6（４０、１０、５０）を範囲外とする点Ｅ（１０、２７．５、６２．５）と点Ｆ（５０、５、４５）を結んだ直線から、高Ｎｉ含有量でかつ低Ｆｅ含有量側では、第１界面磁性層および第２界面磁性層を含めた自由磁化層が低保磁力であることが十分推察される。すなわち、図１１に示す点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｅ（１０、２７．５、６２．５）、点Ｆ（５０、５、４５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域ＡＥＦＣＤＡの範囲内の組成は、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きくかつ第１界面磁性層および第２界面磁性層を含めた自由磁化層は低保磁力である。したがって、この範囲内の組成の第１界面磁性層および第２界面磁性層を用いることで、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きくかつ感度が良好となる。
（第２の実施の形態）
図１２は、本発明の実施の第２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１２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およびサスペンション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いずれの磁気記録媒体でもよく、斜め異方性を有する記録媒体でもよい。磁気記録媒体９３は磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
磁気ヘッド９８は、図１に示したように、セラミック基板の上に形成された磁気抵抗効果素子と、その上に形成された誘導型記録素子から構成される。誘導型記録素子は面内記録用のリング型の記録素子でもよく、垂直磁気記録用の単磁極型の記録素子でもよく、他の公知の記録素子でもよい。磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態の第１例〜第７例のいずれかのＧＭＲ膜を備える。したがって、磁気抵抗効果素子は磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、感度が高い。よって、磁気記憶装置はＳ／Ｎ比が良好で高記録密度化が可能である。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１２に示すものに限定されるものではない。
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。
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） 固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記２） 固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化積層体は、２つの強磁性積層体と、該強磁性積層体に挟まれた他の非磁性結合層を有し、該２つの強磁性積層体が互いに強磁性的に交換結合してなり、
前記２つの強磁性積層体の各々が、第１の界面磁性層、自由磁化層および第２の界面磁性層からなり、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記３） 固定磁化層と、第１の非磁性層と、他の自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記他の自由磁化積層体は、第１の界面磁性層と、他の強磁性積層体と、第２の界面磁性層とを有し、該他の強磁性積層体が自由磁化層と強磁性接合層を交互に積層してなり、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記４） 前記強磁性接合層がＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、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３記載の磁気抵抗効果素子。
（付記５） 前記強磁性接合層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする付記４記載の磁気抵抗効果素子。
（付記６） 前記固定磁化層は、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、該第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してなることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記７） 前記第２の非磁性層上に他の固定磁化層をさらに備えることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記８） 前記他の固定磁化層は、他の第１の固定磁化層、他の非磁性結合層、および他の第２の固定磁化層からなり、該他の第１の固定磁化層と他の第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合してなることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記９） 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層の膜厚は、０．５ｎｍ以上でかつ２．０ｎｍ以下の範囲に設定されることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１０） 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は実質的にＣｏＮｉＦｅのみからなり、
前記ＣｏＮｉＦｅが、三元系の状態図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、Ｆｅ含有量）として表すと、点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｂ（１０、５、８５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域ＡＢＣＤＡの範囲内の組成を有す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（但し、組成値は原子％で表す。）。
（付記１１） 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は実質的にＣｏＮｉＦｅのみからなり、
前記ＣｏＮｉＦｅが、三元系の状態図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、Ｆｅ含有量）として表すと、点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｅ（１０、２７．５、６２．５）、点Ｆ（５０、５、４５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）として、点Ａ、点Ｅ、点Ｆ、点Ｃ、点Ｄ、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域ＡＥＦＣＤＡの範囲内の組成を有することを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子（但し、組成値は原子％で表す。）。
（付記１２） 前記自由磁化層は、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＮｉ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１〜１１のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１３） 前記自由磁化層は、ＮｉＦｅを主成分とする強磁性材料からなることを特徴とする付記１２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１４） 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は略同一の組成を有す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） 反強磁性層と、固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層とを積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記１６） 反強磁性層と、固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層と、他の固定磁化層と、他の反強磁性層とを積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記１７） 反強磁性層と、第１の固定磁化層と、非磁性結合層と、第２の固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層と、他の第２の固定磁化層と、他の非磁性結合層と、他の第１の固定磁化層と、他の反強磁性層とを積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の固定磁化層と第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合してなると共に、前記他の第１の固定磁化層と他の第２の固定磁化層とが反強磁性的に交換結合してなり、
前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、
前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
（付記１８） 付記１〜１７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子と、記録素子とを備える磁気ヘッド。
（付記１９） 付記１８記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
本発明の第１の実施の形態に係る複合型磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第６例のＧＭＲ膜の断面図である。 第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第７例のＧＭＲ膜の断面図である。 実施例１〜９の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量および自由磁化層の保磁力を示す図である。 第１界面磁性層および第２界面磁性層のＣｏＮｉＦｅの組成を説明するための他の図である。 本発明の実施の第２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 複合型磁気ヘッド
１１ セラミック基板
１２、２５ アルミナ膜
１３ 誘導型記録素子
１４ 上部磁極
１５ 記録ギャップ層
１６ 下部磁極
２０ 磁気抵抗効果素子
２１ 下部電極
２２ 上部電極
２３ 絶縁膜
２４ 磁区制御膜
３０、４０、４５、５０、６０、７０、８０ ＧＭＲ膜
３１ 下地層
３２ 反強磁性層（下部反強磁性層）
３３ 固定磁化層（下部固定磁化層）
３４ 非磁性中間層（下部非磁性中間層）
３５ 第１界面磁性層
３６ 自由磁化層
３７ 第２界面磁性層
３８ 保護層
４１、４６ 自由磁化積層体
４７ 強磁性接合層
５１ 第１固定磁化層（下部第１固定磁化層）
５２ 非磁性結合層（下部非磁性結合層）
５３ 第２固定磁化層（下部第２固定磁化層）
５４ 固定磁化積層体（下部固定磁化積層体）
６２ 上部反強磁性層
６３ 上部固定磁化層
６４ 上部非磁性中間層
８１ 上部第１固定磁化層
８２ 上部非磁性結合層
８３ 上部第２固定磁化層
８４ 上部固定磁化積層体
９０ 磁気記憶装置
９８ 磁気ヘッド

Claims (10)

  1. 固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記自由磁化層は、その第１の非磁性層側に第１の界面磁性層と、その第２の非磁性層側に第２の界面磁性層が設けられ、
    前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記自由磁化積層体は、２つの強磁性積層体と、該強磁性積層体に挟まれた他の非磁性結合層を有し、該２つの強磁性積層体が互いに強磁性的に交換結合してなり、
    前記２つの強磁性積層体の各々が、第１の界面磁性層、自由磁化層および第２の界面磁性層からなり、
    前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 固定磁化層と、第１の非磁性層と、他の自由磁化積層体と、第２の非磁性層とを備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
    前記他の自由磁化積層体は、第１の界面磁性層と、他の強磁性積層体と、第２の界面磁性層とを有し、該他の強磁性積層体が自由磁化層と強磁性接合層を交互に積層してなり、
    前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層がＣｏＮｉＦｅを主成分とする材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 前記固定磁化層は、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、該第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してな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。
  5. 前記第２の非磁性層上に他の固定磁化層をさらに備え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. 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層の膜厚は、０．５ｎｍ以上でかつ２．０ｎｍ以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第１の界面磁性層および第２の界面磁性層は実質的にＣｏＮｉＦｅのみからなり、
    前記ＣｏＮｉＦｅが、三元系の状態図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、Ｆｅ含有量）として表すと、点Ａ（１０、５５、３５）、点Ｂ（１０、５、８５）、点Ｃ（８０、５、１５）、点Ｄ（８０、１５、５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、および点Ａをこの順に直線で結んだ領域ＡＢＣＤＡの範囲内の組成を有することを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子（但し、組成値は原子％で表す。）。
  8. 前記自由磁化層は、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＮｉ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請求項１〜７のうち、いずれか一項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、記録素子とを備える磁気ヘッド。
  10. 請求項９記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
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