JP2007102905A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜化しつつ、高出力を得るスピンバルブ膜が求められてきた。
【解決手段】 本発明では、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料と絶縁材料を含むグラニュラー層からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層と、からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子を構成している。これにより、薄膜化しつつ、高出力を得る磁気抵抗効果素子を提供できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気情報を再生（読み取り）する為の磁気抵抗効果素子、磁気情報を記録（書き込み）或は再生する為の磁気ヘッド及び磁気記録装置に関し、特に、所謂スピンバルブ膜や磁気トンネル接合膜を用いて、積層方向にセンス電流を流す膜面垂直通電型（ＣＰＰ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。

従来、磁気記録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為の再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられてきた。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。ここで、スピンバルブ膜は２つの強磁性層、即ち、磁化を固定された磁化固定層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界に応じて磁化の向きが変わる磁化自由層から構成される。

これまでは、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）構造が主に用いられてきた。しかし、最近では、更なる高記録密度化を図る為に、スピンバルブ膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ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（特許文献１参照）。

このＣＰＰ構造のスピンバルブ膜では、図１に示すように、磁化自由層８の磁化と、非磁性中間層７を挟んで存在する磁化固定層６の第二の強磁性層５の磁化と、の相対的な向きに応じて磁気抵抗が変化する。従って、その信号出力は、ＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１の積層方向にセンス電流Ｉを流すと、スピンバルブ膜１の両端に生じる電圧変化として検出される。ここで、磁化固定層６は、例えば、２つの強磁性層（軟磁性材料よりなる第一の強磁性層３及び軟磁性材料よりなる第二の強磁性層５）が非磁性結合層４を介して反強磁性的に結合した積層フェリ構造を有する。この積層フェリ構造は、２つの強磁性層、即ち、第一の強磁性層３及び第二の強磁性層５の磁化が、図１の矢印で模式的に示すように、互いに反平行をなすので、正味の磁化の大きさが小さくなり、反磁界を低減し、正味の磁化を抑制しつつ反強磁性層２との交換結合を増加させ、確実に磁化固定層６の磁化方向を固定できる。

一方、上述したＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１を薄膜化し、磁気抵抗効果素子の分解能を高める為、スピンバルブ膜１の第一の強磁性層３を硬質磁性材料で、第二の強磁性層５を軟質磁性材料で構成し、反強磁性層２を省くことが提案されている。
特開２００２−２０８７４４号公報

ところで、上述のように、第一の強磁性体層３を硬質磁性材料で構成したスピンバルブ膜１は、薄膜化、即ち狭ギャップ化を図る事は可能であるが、その出力は小さい。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、信号出力を低下させることなく、スピンバルブ膜を薄膜化した磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

上記目的は、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料と絶縁材料を含むグラニュラー層からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層と、からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子により達成される。これにより、従来の反強磁性層を省くことが可能となり、スピンバルブ膜の薄膜化をすることが出来ると共に、第一の強磁性層をグラニュラー層としたことで、電流狭窄効果などを得る事ができ、高出力化することが出来る。

本発明によれば、第一の強磁性層を、グラニュラー層としたため、高出力化することが可能となり、当該グラニュラー層が、硬質磁性材料を含むため、従来のような反強磁性層を省くことが可能となり、薄膜化することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図、実施例等を使用して説明する。尚、これらの図、実施例及び説明は、本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得る。尚、同一の符合は同一の要素を表わすものである。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な（即ちＣＰＰ型の）磁気抵抗効果素子であって、当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料と絶縁材料を含むグラニュラー層からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層と、からなることを特徴とする。即ち、第一の強磁性層が硬質磁性材料を含むことにより、従来のように、下地層と磁化固定層との間に反強磁性層を形成する事を不要としつつ（つまりスピンバルブ膜の薄膜化）、第一の強磁性層が硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層とすることにより、高出力化を可能としたものである。
図２は、本発明に係るＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１の断面構造を示す模式図である。
本発明に係るＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１では、磁化自由層８、非磁性中間層７、第二の強磁性層５、及び非磁性結合層４については、図１と同様であるが、第一の強磁性層３については、硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層で構成されている。また、反強磁性層２も存在しない。

このように、第一の強磁性層３を、硬質磁性材料と絶縁材料とからなるグラニュラー層で構成することで、磁気抵抗効果に悪影響を及ぼす第一の強磁性層３中のスピンバルク散乱を抑えることが可能となる。また、グラニュラー層には絶縁材料が含まれており、それによって、第一の強磁性層３を流れる電流の経路（以下電流パスと称する）が限定されることになる。それによって、第二の強磁性層５、磁化自由層８の電流パスも限定されることになり、電流狭窄効果による信号出力の増加も可能となる。更に、反強磁性層２を不要としたことで、反強磁性／強磁性界面の交換異方性が反強磁性層厚の低減とともに低下する問題を回避することができる。また、第一の強磁性層３が硬質磁性材料を含むことで、磁化固定層６を、熱、外部磁場に対し安定化することができる。更に、反強磁性層２が不要となることにより、反強磁性層２の堆積時間、場合によっては、反強磁性層２と磁化固定層６の第一の強磁性層３との間に一方向異方性を与える磁場中アニール時間が短縮され、生産性も向上する。

次に、本発明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３は、複合型磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面の構造例を示す図である。図３中、磁気記録媒体の移動方向は矢印Ｘで示す方向である。紙面に垂直な方向がハイト方向である。

図３を参照して、複合型磁気ヘッド２０は、ヘッドスライダの基本となるＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ（アルチック）等からなる平坦なセラミック基板２１の上に形成された磁気抵抗効果素子２２と、その上に形成された誘導型記録素子２３から構成される。

誘導型記録素子２３は、磁気記録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２４Ａと、非磁性材料からなる記録ギャップ層２５を挟んで上部磁極２４Ａに対向する下部磁極２４Ｂと、上部磁極２４Ａと下部磁極２４Ｂとを磁気的に接続するヨーク（図示せず）と、ヨークを巻回し、記録電流により磁場を誘起するコイル（図示せず）等からなる。上部磁極２４Ａ、下部磁極２４Ｂ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きい材料、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ合金等から造られる。

磁気抵抗効果素子２２は、セラミック基板２１表面に形成されたアルミナ膜２６上に、下部電極２８、磁気抵抗効果膜３０、アルミナ膜３１、上部電極３２が順次積層された構成となっており、下部電極２８、磁気抵抗効果膜３０、及び上部電極３２が電気的に接続されている。磁気抵抗効果膜３０の両側には、約１０ｎｍ以下の膜厚の絶縁膜３３を介して磁区制御膜３４が形成されている。磁区制御膜３４は、例えば、Ｃｒ／ＣｏＣｒＰｔの積層体からなり、磁気抵抗効果膜３０を構成する磁化固定層及び磁化自由層（図４に示す）の単磁区分化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。抵抗変化を検知するセンス電流は、例えば上部電極３２から磁気抵抗効果膜３０を通じて下部電極２８に流れ、磁気記録媒体からの漏洩磁界に対応して変化する磁気抵抗効果膜３０の磁気抵抗を信号電圧として検出して、磁気記録媒体に記録された情報を再生する。尚、下部電極２８及び上部電極３２はセンス電流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、更に導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ等からなる層の積層体としてもよい。また、磁気抵抗効果素子２２及び誘導型記録素子２３は、腐食等を防止する為、アルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われている。

図４は、本発明に係る磁気抵抗効果素子２２を構成する磁気抵抗効果膜３０の断面図である。

図４を参照して、磁気抵抗効果膜３０は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、第一の強磁性層４２と非磁性結合層４３と第二の強磁性層４４とからなる磁化固定層４５、非磁性中間層４６、磁化自由層４７及び保護層４８が順次積層された構造を有する。

下地層４１は、図３に示す下部電極２８の表面にスパッタ等により形成される。下地層４１については、後で更に説明する。
磁化固定層４５は、下地層４１側から、第一の強磁性層４２、非磁性結合層４３、第二の強磁性層４４の順に形成した積層体で構成される。第一の強磁性層４２は硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層で構成されており、第二の強磁性層４４は軟磁性材料で構成されている。第一の強磁性層４２と第二の強磁性層４４とは、非磁性結合層４３を介して反強磁性的に交換結合している。
本発明に係る第一の強磁性層４２は、強磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層であり、強磁性材料と絶縁材料とをスパッタすることにより、１〜３０ｎｍの膜厚に形成される。ここで、グラニュラー層に含まれる強磁性材料の体積の割合は、強磁性材料と絶縁材料とを含むスパッタターゲットの組成、或は同時放電時の強磁性材料と絶縁材料のスパッタ電力の比率により調整される。特に、強磁性材料の体積の割合を３０％以上とすると好ましい。また、グラニュラー層に含まれる強磁性材料の割合に応じて、グラニュラー層中に強磁性材料が孤立分散した状態から強磁性材料のほぼ連続膜状態まで変化させることが可能である。後述するが、電流狭窄効果やblocking効果は、グラニュラー層に占める強磁性材料の割合が低いほど高い効果が得られる。また、強磁性材料は、（Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｐｔ_ｘ）_{１−ｙ／１００}Ｃｒ_{ｙ／１００}（ｘ：1０〜３０、ｙ：０〜２０）から成る合金であり、絶縁材料は、どのような材料でも構わないが、酸化物、窒化物等の絶縁材料からなり、例えば、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４などが挙がられる。
本発明に係る第二の強磁性層４４は、軟磁性材料からなり、例えばスパッタなどで形成された、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含んでなる合金から構成することができる。例えば、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏＣｕなどを例示することができる。また、場合によっては、強磁性を消失しない範囲において、他の元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＰｏまたはＡｔを挙げることができる。尚、第二の強磁性層４４は、１層のみならず、２層以上の積層体としても良い。

本発明に係る非磁性結合層４３は、例えばスパッタなどで形成された、膜厚０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）の範囲の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、及びＭｎのうちいずれか一つを加えたものが好適である。

本発明に係る非磁性中間層４６は、例えば、スパッタなどにより形成された、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの導電性材料より構成され、例えば、Ｃｕ膜、Ａｌ膜等により構成される。

本発明に係る磁化自由層４７は、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる。この磁化自由層４７は非磁性中間層４６の表面にスパッタ等により形成され、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる強磁性材料、例えば、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ等、あるいは、これらの膜の積層体により構成される。磁化自由層の磁化は面内方向を向いており、磁気記録媒体より漏洩する磁場の方向に応じて磁化の向きが変わる。その結果、磁化自由層４７の磁化と磁化固定層４５の磁化とのなす角に対応して磁化固定層４５／非磁性中間層４６／磁化自由層４７の積層体の抵抗値が変化する。

ここで、磁化自由層４７は、積層構造を有していてもよい。図５は、磁化自由層４７のそのような例の要部拡大図である。図５を参照して、磁化自由層４７は強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの繰り返しからなる、所謂、積層磁化自由層構造を有する。図５に示す積層磁化自由層構造は、強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの２回の繰り返しを示しており、磁化自由層４７の表面および底面の層を強磁性層４７ａとしている。強磁性層４７ａを、図４に示す磁化自由層４７と同様の材料、非磁性導電層４７ｂを、図４に示す非磁性中間層４６と同様の材料（好ましくはＣｕ）で構成することができる。このように、磁化自由層４７を積層磁化自由層構造とすることで、磁化自由層４７の保磁力を低下させ、磁界感度を向上させると共に、磁気抵抗変化率を向上させることができる。

積層磁化自由層構造は、強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの繰り返しが、２〜３回の範囲が好ましく、強磁性層４７ａの膜厚を、１ｎｍ〜２ｎｍの範囲で設定する事が好ましく、非磁性導電層４７ｂの膜厚を、０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲で設定することが好ましい。また、強磁性層４７ａ同士は、互いに異なる組成の強磁性層の積層体としても良い。

本発明に係る保護層４８は、磁化自由層４７の表面にスパッタ等により形成され、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、Ｗからなる導電性膜、或は、これらの積層体等から構成することができる。このようにすると、熱処理等の間に磁気抵抗効果膜３０が酸化されることを防止できる。また、保護層４８にＣｕ膜を用いると、磁化自由層４７と磁性／非磁性界面を形成することができ、抵抗変化率を向上させることが可能となる。
上述のように、本発明に係る磁化固定層４５は、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された第一の強磁性層４２、及び第二の強磁性層４４を有する。磁化の方向を一方の方向に固定させた結果、目的とする磁気抵抗記録素子の性能が発揮できれば、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定されたと考えることができる。磁化固定層４５については、磁化自由層４７に対する磁区制御膜３４の着磁の際に印加される外部磁場によって、非可逆な磁化反転が起こらないこと、非磁性結合層４３を介した第二の強磁性層４４との交換結合が安定であることが求められるが、これには、第一の強磁性層４２に含まれる硬質磁性材料に、適切な材料を選択することで対応可能である。

このためには、第一の強磁性層４２、つまり、グラニュラー層に含まれる硬質磁性材料の連続膜状態での保磁力が１．２ｋＯｅ以上であることが好ましい。この保磁力は、連続膜としての値であり、磁気抵抗効果素子のサイズにおける値ではない。また、磁化固定層４５は積層フェリ構造を有するため、実質的に一方向に固定された磁化は、２．５ｋＯｅ程度まで保持することができる。従って、連続膜状態での保磁力がこの程度大きければ、磁化自由層４７の磁化を制御するための磁区制御膜３４（たとえばＣｏＣｒＰｔ膜）を着磁する際に印加される磁場（１．５ｋＯｅ程度）によって、磁化固定層４５の第一の強磁性層４２に含まれる硬質磁性材料の保磁力が、非可逆反転することを防止でき、非磁性結合層４３を介した第二の強磁性層４４との交換結合が安定になる。

このような保磁力を得るには、第一の強磁性層４２、つまりグラニュラー層に含まれる硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなることが好ましく、（Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｐｔ_ｘ）_{１−ｙ／１００}Ｃｒ_{ｙ／１００}（１０＜ｘ＜３０、０≦ｙ＜２０）の組成を有することがより好ましい。ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとの合計が９０重量％以上であり、硬質磁性材料として所望の性能が得られれば、硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなっていると考えることができる。この組成では、磁気抵抗効果素子の素子サイズが０．１μｍ以下で、磁化過程が回転モードとなり、保磁力が１．２ｋＯｅ以上を示すようになる。素子サイズを小さくするほど保磁力が大きくなるので、素子サイズを０．１μｍよりさらに小さくすることがより好ましい。式中ｘは1０〜３０、ｙは０〜２０の範囲内の数字である。なお、第一の強磁性層４２がＣｒを含む場合には、合金の保磁力を高い値に安定化するために、第一の強磁性層４２形成中またはその後に熱処理を施すことが好ましい。熱処理は、１５０〜３００℃の範囲で、１〜１０時間行うことが好ましい。

本発明に係る第一の強磁性層４２を、硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層で構成したことによって、第一の強磁性層４２の比抵抗が増加し、それによってスピン依存バルクが低下し、第一の強磁性層４２での磁気抵抗効果の減少を抑えることができる。つまり、第一の強磁性層４２を硬質磁性材料のみで構成した場合は、第一の強磁性層４２でスピン散乱による磁気抵抗効果の減少が生じるが、第一の強磁性層４２をグラニュラー層とすることで、第一の強磁性層４２中で電子が散乱されず通過し、磁気抵抗効果を低下させる電子の数を減らすことが出来る。従って、第一の強磁性層４２の散乱非対称項が第二の強磁性層４４の散乱非対称項より小さくなり、信号出力を高めることができる。また、電流狭窄効果による高出力化を可能とする。このような効果を奏する理由を次に説明する。

一般的に、磁気抵抗を生ずる原因として、強磁性層と非磁性層との界面で発生するスピン依存界面散乱と、強磁性層内で発生するスピン依存バルク散乱がある。磁気抵抗への寄与は、通常、スピン依存界面散乱とスピン依存バルク散乱とはほぼ同等と考えて良い。ここでは、スピン依存界面散乱を省略して説明する。

磁気抵抗効果膜３０を通過する電子には、磁化自由層８の磁化方向に対してアップスピンを有する電子ＥＬ１とダウンスピンを有する電子ＥＬ２が存在し、それらが磁化固定層４５を通過し、下地層４１を介して下部電極２８に流れる。磁化固定層４５は、上述の通り、第一の強磁性層４２、非磁性結合層４３、及び第二の強磁性層４４で積層フェリ構造を有しているため、磁化の方向は互いに反平行となっている。アップスピン、ダウンスピンを有する電子ＥＬ１、ＥＬ２は、第二の強磁性層４４でバルク散乱により、それぞれ抵抗率ρ２１、ρ２２を生じ、更に、第一の強磁性層４２でバルク散乱により、それぞれ抵抗率ρ１１、ρ１２を生じる。
ここで、第一の強磁性層４２、或は、第二の強磁性層４４の磁化方向とスピンが平行である場合、抵抗率ρ＝２ρ＊（１−β）、反平行な場合は、抵抗率ρ＝２ρ＊（１＋β）と表わされる。ここで、ρ＊は、各材料に固有の比例定数であり、βは、散乱非対称項である。第一の強磁性層４２、第二の強磁性層４４の散乱非対称項βをそれぞれβ１、β２とし、比例定数ρ＊をそれぞれρ１＊、ρ２＊とする。更に、第一の強磁性層４２、第二の強磁性層４４の膜厚をそれぞれｔ１、ｔ２とする。

磁化固定層４５を通過するアップスピンの電子ＥＬ１の感じる抵抗値は、非磁性結合層４３に起因する抵抗をＲ１３として、
ρ↑（ｔ１＋ｔ２）＝ρ１１×ｔ１＋ρ２１×ｔ２＋Ｒ１３＝２ρ１＊（１−β１）×ｔ１＋２ρ２＊（１＋β２）×ｔ２）・・・（１）
ダウンスピンの電子ＥＬ２の感じる抵抗は、
ρ↓（ｔ１＋ｔ２）＝ρ１２×ｔ１＋ρ２２×ｔ２＋Ｒ１３＝２ρ１＊（１＋β１）×ｔ１＋２ρ２＊（１−β２）×ｔ２）・・・（２）
と表わされる。

アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差は、上記式（１）−（２）として、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ１＋ｔ２）＝４（ρ２＊×β２×ｔ２−ρ１＊×β１×ｔ１）・・・（３）
となる。ここで、説明を簡単にするため、ρ１＊とρ２＊がほぼ等しく（＝ρ＊）、ｔ１とｔ２がほぼ等しい（＝ｔ）とすると、上記式（３）は、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ１＋ｔ２）＝４ρ＊ｔ（β２−β１）・・・（４）
となる。
従って、上記式（４）から、β１がβ２とほぼ等しい場合は、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差が小さくなり、その結果、磁化固定層４５全体としてのスピン依存抵抗の非対称性が減少する。即ち、例えば磁化自由層４７から第二の強磁性層４４を流れてきた電子に対して、第一の強磁性層４２において第二の強磁性層４４と逆のスピン非対称性をもった抵抗を与えてしまうので、アップスピンの電子ＥＦ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差が減少する。

そこで、本発明では、第一の強磁性層４２を、硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層とすることで、β１をほぼ０とし、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差を増加させることができる。その結果、第一の強磁性層４２では、アップスピンの電子ＥＬ１、及びダウンスピンの電子ＥＬ２ともに同じ抵抗を感じ、磁化固定層４５全体で、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗との差が増加する。
その結果、磁化固定層４５の磁化の方向に対して磁化自由層４７の磁化方向の変化に応じて生じる磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。
更に、第一の強磁性層を硬質磁性体と絶縁体とを含むグラニュラー層とすると、電流狭窄効果を得る事ができる。
本発明の第一の強磁性層４２は、硬質磁性材料と絶縁材料で構成されている。従って、第一の強磁性層４２においては、導電性を有する硬質磁性材料を含む箇所でのみ電子が流れることになり、絶縁材料を含む箇所においては、電子は流れない。つまり、第一の強磁性層４２中では、電子の流れる経路は限定されることになる。そして、図６に示すように、磁気抵抗効果に関わる電子は、磁化自由層８や第二の強磁性層５にも一様に流れず、電流パス６１を流れることになる。電子の平均自由工程は、絶縁材料部分を除き、スピンバルブ膜１の総膜厚以上の長さを有する。磁気抵抗効果に関わる電子は、第一の強磁性層４２で散乱されない電子であるので、磁気抵抗効果は電流パス６１が搾られた部分でのみ磁気抵抗効果が発生する。ここで、素子面積Ａに対し、電流が流れる面積をＡ“、電流狭窄効果がある場合、ない場合の抵抗変化をΔＲ“、ΔＲとそれぞれ定義すると、ΔＲＡ＝ΔＲ”Ａ“となる。実際には、電流が流れる面積Ａ”は、不明であるが、評価においては、Ａとなり、電流狭窄効果がある場合のΔＲＡは、電流狭窄効果がない場合のΔＲＡのＡ／Ａ“倍となり、高出力化を図ることが可能となる。
グラニュラー層を構成する絶縁材料は、どのようなものでも構わないが、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＨｆＯ、ＳｉＮなどが利用出来る。絶縁材料の添加量は、少しでも添加されれば、比抵抗の増加、電流狭窄効果を得る事は可能であるが、７０％以上絶縁材料を添加すると強磁性粒子が１０ｎｍ以下となり、磁気特性が超常磁性状態となり、所望の保磁力を得ることができなくなる。従って、第一の強磁性層に占める絶縁材料の体積率は、７０％以下が好ましい。

このような要素からなる本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気情報を記録あるいは再生するための磁気記録装置の磁気ヘッドに好適に使用する事ができる。図７は、本発明に係る磁気抵抗効果素子を使用した磁気記録装置の要部を示す図である。図７を参照して、磁気記録装置９０は、ハウジング９１内に、スピンドル（図示せず）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の半径方向に移動できるアーム９５及びサスペンション９６、サスペンション９６に支持された磁気ヘッド２０が設けられている。この磁気ヘッド２０を、図３に示したような磁気抵抗効果素子２２とその上に形成された誘導型記録素子２３から構成することにより、狭Ｇａｐ化により高分解能化され、第一の強磁性層をグラニュラー層とすることにより、従来のスピンバルブ膜に比して１０倍程度高出力された磁気記録装置９０が得られる。
尚、本発明で用いる磁気記録媒体は、垂直磁気記録方式であれば、磁気ディスクに限定されず、磁気テープであっても良い。
このように、本発明では、磁化固定層６を構成する第一の強磁性層３を、硬質磁性材料と絶縁材料とを含むグラニュラー層としたことで、図１に示すような反強磁性層を省くことを可能とすると共に、図７に示すように、電流パス６１が形成され、電流狭窄効果を得ることが可能となる。従って、薄膜、高出力の磁気抵抗効果素子を得ることが出来る。

以上のように、本発明の好ましい実施例を詳述したが、本発明は係る特定の実施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。

以上の実施例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、
当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料と絶縁材料を含むグラニュラー層からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層と、からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。（１）
（付記２） 前記硬質磁性材料は、ＣｏとＰtまたはＣｏとＰtとＣrとよりなることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。（２）
（付記３） 前記硬質磁性材料は、（Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｐｔ_ｘ）_{１−ｙ／１００}Ｃｒ_{ｙ／１００}（１０＜ｘ＜３０、０≦ｙ＜２０）の組成を有することを特徴とする付記２記載の磁性抵抗効果素子。
（付記４） 前記絶縁材料は、酸化物又は窒化物であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記５） 前記第一の強磁性層に占める絶縁材料の体積率は、７０％以下であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。（３）
（付記６） 付記１記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。（４）
（付記７） 付記４記載の磁気ヘッドを備えた磁気記録装置。（５）

従来のＣＰＰ構造のスピンバルブ膜の一例の模式的横断面図である。 本発明に係るスピンバルブ膜の一例の模式的横断面図である。 複合型磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面の構造例を示す図である。 本発明に係る磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の断面図である。 磁化自由層の他の例の要部拡大図である。 電流狭窄効果の概念を示す図である。 磁気抵抗効果素子を使用した磁気記録装置の要部を示す図である。

符号の説明

１ スピンバルブ膜
２ 反強磁性層
３ 第一の強磁性層
４ 非磁性結合層
５ 第二の強磁性層
６ 磁化固定層
７ 非磁性中間層
８ 磁化自由層
２０ 複合型磁気ヘッド
２１ セラミック基板
２２ 磁気抵抗効果素子
２３ 誘導型記録素子
２４Ａ 上部電極
２４Ｂ 下部電極
２５ 記録ギャップ層
２６ アルミナ膜
２８ 下部電極
３０ 磁気抵抗効果膜
３１ アルミナ膜
３２ 上部電極
３３ 絶縁膜
３４ 磁区制御膜
４１ 下地層
４２ 第一の強磁性層
４３ 非磁性結合層
４４ 第二の強磁性層
４５ 磁化固定層
４６ 非磁性中間層
４７ 磁化自由層
４７ａ 強磁性層
４７ｂ 非磁性導電層
４８ 保護層
６１ 電流パス
９０ 磁気記録装置
９１ ハウジング
９２ ハブ
９３ 磁気記録媒体
９４ アクチュエータユニット
９５ アーム
９６ サスペンション
Ｉ センス電流

Claims (5)

1. 下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、
   当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料と絶縁材料を含むグラニュラー層からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層と、からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記硬質磁性材料は、主として、ＣｏとＰtまたはＣｏとＰtとＣrとよりなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第一の強磁性層に占める絶縁材料の体積率は、７０％以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
4. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
5. 請求項４記載の磁気ヘッドを備えた磁気記録装置。

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