JP2007150254A - 磁気抵抗効果素子、基体、ウエハ、ヘッドジンバルアセンブリ、ハードディスク装置、磁気メモリ素子、および磁気センサアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、大きな磁気抵抗変化率とフリー層の良好な軟磁気特性とを両立させつつ、ＳＶ膜厚の低減を図る。
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層７と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー９層と、ピンド層７とフリー層９とに挟まれた、銅からなるスペーサ層８とを有している。ピンド層７、スペーサ層８、およびフリー層９の各層を膜面垂直方向にセンス電流２２が流れるようにされている。フリー層９は、銅を主成分とする非磁性層９２ａ，９２ｂと、非磁性層の両側界面に設けられたコバルト・鉄・ニッケルの三元合金層９１ａ〜９１ｃとを有し、三元合金層の、ニッケルおよび鉄の合計原子分率に対するニッケルの原子分率の比率ｘは２７％≦ｘ≦４５％の範囲にある。
【選択図】図２

Description

本発明は磁気抵抗効果素子、それを用いた基体、ウエハ、ヘッドジンバルアセンブリ、ハードディスク装置の他、磁気メモリ素子、および磁気センサアセンブリに関し、特にハードディスク装置の等の磁気記録装置の薄膜磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子に関する。

磁気記録の高密度化に対応するため、再生素子としてＧＭＲ(Giant Magneto-resistive)素子を用いた磁気ヘッドが用いられている。とりわけ、スピンバルブ(ＳＶ)膜を用いたＧＭＲ素子は、記録媒体の記録を読み出すために素子に流されるセンス電流に対する抵抗変化が大きく、より高感度の磁気ヘッドを提供することができる。ここでＳＶ膜とは、磁化の方向が一方向に固定された強磁性膜（以下、ピンド層という。）と、記録媒体が発生する外部磁界に応じて磁化の方向を変える強磁性膜（以下、フリー層という。）と、ピンド層とフリー層との間に挟まれた非磁性中間層とを備えた積層膜である。ＳＶ膜では、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向に対して、外部磁界に応じて相対角度をなし、この相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化して磁気抵抗変化が生じる。磁気ヘッドは、この磁気抵抗変化を検出して、記録媒体の磁気情報を読み取る。

ＳＶ膜を使用したＭＲ素子は、従来、膜面に平行にセンス電流を流すＣＩＰ(Current in Plane)-ＧＭＲ素子が中心であったが、最近では、更なる高密度化に対応するため、膜面垂直方向にセンス電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)-ＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの開発も進められている。ＣＰＰタイプの素子としては、他にＴＭＲ(Tunnel Magneto-resistance)膜を用いたＴＭＲ素子があるが、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子と比較して低抵抗であること、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子と比較して狭トラック幅での読み取りでも高出力が得られることから、高いポテンシャルを持つ素子として期待されている。

しかしながら、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子と同様の膜構成のＳＶ膜をそのままＣＰＰ-ＧＭＲ素子に適用しても、十分な磁気抵抗変化を得ることができない。これは、抵抗変化に寄与する部分（フリー層、ピンド層、非磁性中間層）の抵抗が素子の全体抵抗の中で占める割合が小さいことが主な原因である。すなわち、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子の場合、通電方向は膜面内方向であるため、界面におけるスピン依存散乱による磁気抵抗変化が面内方向に十分得られるのに対し、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子では、センス電流は膜面すなわち界面を垂直に通過するので、界面におけるスピン依存散乱が十分に生じず、しかも、通常のＧＭＲ素子では、界面は非磁性中間層とフリー層との間、および非磁性中間層とピンド層との間の２つしかないため、界面の磁気抵抗変化への寄与が少ないことが大きな要因である。一方、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子においては、センス電流が各層を貫通して流れることから、各層内部の伝導電子の散乱、すなわちバルク散乱は一般にＣＩＰ-ＧＭＲ素子よりも大きく、磁気抵抗変化に寄与しやすい。このため、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子では、フリー層、ピンド層を厚くすることが大きな磁気抵抗変化を得るために効果的である。

また、ＳＶ膜のフリー層、ピンド層を厚くする代わりに、フリー層またはピンド層に非磁性中間層を挿入し、界面数を増やすことによって磁気抵抗効果を大きくする技術も開示されている（特許文献１参照。）。具体的には、ＣｏＦｅＢ合金層と、Ｃｕ非磁性層と、ＣｏＦｅＢ合金層とを積層したフリー層構成が提案されている（CoFeB/Cu/CoFeB積層構造）。このような膜構成では、ＣｏＦｅ系合金とＣｕとの間の界面のスピン分極が大きいため、スピン依存散乱が促進され、大きな磁気抵抗変化を得ることができる。

さらに、大きな磁気抵抗変化を得る目的で、フリー層またはピンド層の少なくとも一方がニッケル・鉄・コバルトの３元合金を備えたＳＶ膜構成も開示されている（特許文献２参照。）。
特開２００３−１５２２３９号公報 特開２００３−１３３６１４号公報

このように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子ではフリー層、ピンド層を厚くし、バルク散乱の寄与を大きくすることが大きな磁気抵抗変化率を得るために効果的である。しかしながら、ＳＶ膜の膜厚を厚くすることは、シールド間ギャップを拡げることになる。これは、高線記録密度のためには好ましくない。したがって、薄いフリー層で大きな磁気抵抗変化率を得ることができれば、ＳＶ膜も薄くすることができ、好ましい。また、磁気ヘッドの読み取り素子として用いるためには、フリー層には、大きな磁気抵抗変化率と同時に、良好な軟磁気特性が要求される。具体的には、低保磁力と低磁歪とが要求される。

そこで、本発明は、大きな磁気抵抗変化率とフリー層の良好な軟磁気特性とを両立させつつ、ＳＶ膜厚の低減が可能なＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる磁気抵抗効果素子を適用したハードディスク装置等を提供することを目的とする。

本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、ピンド層とフリー層とに挟まれた、銅からなるスペーサ層とを有している。ピンド層、スペーサ層、およびフリー層の各層を膜面垂直方向にセンス電流が流れるようにされている。フリー層は、銅を主成分とする非磁性層と、非磁性層の両側界面に設けられたコバルト・鉄・ニッケルの三元合金層とを有し、三元合金層の、ニッケルおよび鉄の合計原子分率に対するニッケルの原子分率の比率ｘは２７％≦ｘ≦４５％の範囲にある。

ニッケルの原子分率の比率ｘが２７％≦ｘ≦４５％の範囲となる特定の低ニッケル組成領域では、軟磁気特性（保磁力、磁歪）の悪化を最小限に留め、磁気抵抗変化率を向上させることができる。一方、ＣｏＦｅ層が不要になったことで軟磁気特性が改善され、Ｃｏを加えることで磁歪と磁気抵抗変化率が改善される。この結果、磁歪を実用レベルに維持ながら、磁気抵抗変化率と保磁力の改善が可能となる、しかも、従来のフリー層においてＮｉＦｅ層の両側をＣｏＦｅ層で挟んでいた３層積層構成を、コバルト・鉄・ニッケルの三元合金層に置換することが可能となるため、磁気抵抗効果素子のトータル膜厚の低減にも寄与する。

ニッケル、鉄、およびコバルトの合計原子分率に対するコバルトの合計原子分率の比率ｙは４２％≦ｙ≦７６％の範囲にあることが望ましい。比率ｙは５２％≦ｙ≦６５％の範囲にあることがさらに望ましい。

フリー層は、１層の非磁性層と、非磁性層の両側界面に設けられた２つの三元合金層とからなり、各三元合金層の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦３．５ｎｍの範囲にあることが望ましい。

フリー層は、２つの非磁性層と、各非磁性層の両側界面に設けられた合計３つの三元合金層とからなり、各三元合金層の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にあることが望ましい。各三元合金層の膜厚ｔは、１．６ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にあることがさらに望ましい。

フリー層は、３つ以上の非磁性層と、各非磁性層の両側界面に設けられた三元合金層とを有していてもよい。

本発明の基体は、上述の磁気抵抗効果素子を備えている。

本発明のウエハは、上述基体の製造に用いる、少なくとも１つの薄膜磁気変換素子が設けられている。

本発明のヘッドジンバルアセンブリは、上述の基体を含み、記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションとを有している。

本発明のハードディスク装置は、上述の基体を含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを支持するとともに、記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを有している。

本発明の磁気メモリ素子は、上記の複数の磁気抵抗効果素子と、複数の磁気抵抗効果素子に接続され、複数の磁気抵抗効果素子の任意の一つに選択的に情報を書込み、または任意の一つから選択的に情報を読出す配線部とを有している。

本発明の磁気センサアセンブリは、上記の磁気抵抗効果素子が設けられた基板と、磁気抵抗効果素子に接続され、磁気抵抗効果素子で検出した外部磁界の磁気情報を出力するリード線とを有している。

以上説明したように、本発明によれば、大きな磁気抵抗変化率とフリー層の良好な軟磁気特性とを両立させつつ、ＳＶ膜厚の低減が可能となる。このため、将来の高線記録密度化への対応が容易で、かつ読込み性能にも優れた磁気抵抗効果素子およびハードディスク装置等を提供することが可能となる。

本発明の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ素子２という。）の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明の磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドの部分斜視図である。薄膜磁気ヘッド１は読み込み専用のヘッドでもよく、記録部をさらに有するＭＲ／インダクティブ複合ヘッドでもよい。ＣＰＰ素子２は、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間に挟まれ、先端部が記録媒体２１と対向する位置に配置されている。ＣＰＰ素子２には、図１中の矢印に示すように、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間にかかる電圧によって、上部電極兼シールド３からＣＰＰ素子２を積層方向に貫通して、膜面垂直方向に下部電極兼シールド４に向かうセンス電流２２が流れている。ＣＰＰ素子２との対向面における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の移動方向２３への移動につれて変化する。ＣＰＰ素子２は、この磁界の変化を、ＧＭＲ効果によって得られるセンス電流２２の電気抵抗変化として検出することにより、記録媒体２１の各磁区に書き込まれた磁気情報を読み出すことができる。

図２は、図１におけるＡ−Ａ方向からみたＣＰＰ素子の側面図であり、ＡＢＳ側の積層構造を示している。ＡＢＳとは、薄膜磁気ヘッド１の、記録媒体２１との対向面である。表１は、本発明のＣＰＰ素子２の詳細な膜構成の代表例を示す。ここで、本明細書の各表（図面中の表を含む。）において、「組成」を表す欄中の数値は各原子の原子分率を示す。また、括弧の後の数値は括弧内の組成物の全体に対する原子分率を示す。例えば、表１中で（Ni35Fe65)40Co60とあるのは、ＮｉとＦｅとの相対的な原子分率が３５：６５で、ＮｉとＦｅとを合わせた部分とＣｏとの相対的な原子分率が４０：６０であることを示す。すなわち、（Ni35Fe65)40Co60は、Ni14Fe26Co60と等価である。

ＣＰＰ素子２（ＳＶ膜）は、下部電極兼シールド４と上部電極兼シールド３との間に、下部電極兼シールド４から上部電極兼シールド３に向かって、バッファー層５、反強磁性層６、ピンド層７、スペーサ層８、フリー層９、キャップ層１０が、この順に互いに隣接して積層されて形成されている。ピンド層７は、外部磁界に対して磁化の向きが固定された下部層であり、フリー層９は、外部磁界に応じて磁化の向きが変わることができる上部層である。スペーサ層８はピンド層７とフリー層９との間に挟まれている。センス電流をこれらの各層を貫く向き（膜面垂直方向）に流すと、外部磁界に応じてフリー層７とピンド層９との磁化の相対角度が変化し、センス電流２２に対する抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することによって、外部磁界の大きさを検知し、記録媒体の磁気データを読み出すことができる。以下、ＣＰＰ素子２の主要部の構成について詳細に説明する。

まず、アルティック（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ）からなる基板上（図示せず）に、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる下地層（図示せず）を介して、パーマロイ（ＮｉＦｅ）からなる下部電極兼シールド４が形成されている。下部電極兼シールド４の上には、バッファー層５が形成されている。バッファー層５は、例えばＴａ層からなる金属層と、例えばＮｉＦｅＣｒ層からなる下地層とが積層されて形成されている。

下地層の上には、反強磁性層６を介して、ピンド層７が設けられている。反強磁性層６は後述するアウターピンド層７１の磁化を固定させるためのもので、ＩｒＭｎの他、ＰｔＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｈＭｎ、またはＣｒＭｎＰｔなどのＭｎ系合金を用いることができる。

ピンド層７は本実施形態ではシンセティックピンド層であり、積層方向下方からアウターピンド層７１、非磁性中間層７２、インナーピンド層７３がこの順に積層されて形成されている。インナーピンド層７３は、非磁性中間層７２を介したアウターピンド層７１との反強磁性的結合によって、その磁化方向が所定方向に固定されている。シンセティックピンド層では、アウターピンド層７１とインナーピンド層７３の磁気モーメントが互いに相殺されて、全体としての漏れ磁界が抑えられるとともに、インナーピンド層７３の磁化の向きが強固に固定される。なお、ピンド層７としては、必ずしもシンセティックピンド層である必要はなく、非磁性中間層のない単層構成としてもよい。

アウターピンド層７１およびインナーピンド層７３は、ＣｏＦｅからなるが、この他、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅまたはＦｅＣｏＮｉなどの強磁性合金材料を広く用いることができる。非磁性中間層７２としては、例えばＲｕが用いられる。

シンセティックピンド層において、磁気抵抗効果に寄与しているのはインナーピンド層７３であり、また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、磁気抵抗効果に対するバルク散乱の寄与が大きい。そのため、インナーピンド層７３の膜厚を大きくすることで、より大きな抵抗変化が得られる。このとき、インナーピンド層７３とアウターピンド層７１の磁気モーメントを揃える必要があるので、結果的にアウターピンド層７１も厚くなる。インナーピンド層７３の間にＣｕ層が挿入されているのは、磁気抵抗効果に寄与するインナーピンド層７３にＣｕとＣｏＦｅとの界面を形成し、界面散乱効果を高めて、磁気抵抗変化率の向上を図るためである。

スペーサ層８はＣｕからなり、膜厚は３ｎｍ程度である。

フリー層９は、Ｃｕを主成分とする第１、第２非磁性層９２ａ，９２ｂと、第１、第２非磁性層９２ａ，９２ｂの両側界面に設けられたコバルト・鉄・ニッケルの第１〜第３三元合金層９１ａ，９１ｂ，９１ｃとから構成されている。各三元合金層９１ａ，９１ｂ，９１ｃの、ニッケルおよび鉄の合計原子分率に対するニッケルの原子分率の比率ｘは、２７％≦ｘ≦４５％の範囲にあるのが好ましく、特に３５％前後であるのが望ましい。ニッケル、鉄、およびコバルトの合計原子分率に対するコバルトの合計原子分率の比率ｙは４２％≦ｙ≦７６％の範囲にあるのが好ましく、特に５２％≦ｙ≦６５％の範囲にあるのが好ましい。各三元合金層９１ａ，９１ｂ，９１ｃの膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にあるのが好ましく、特に１．６ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にあるのが望ましい。これらの比率ｘ，ｙ、および膜厚ｔは三元合金層９１ａ，９１ｂ，９１ｃで共通であってもよいし、上記の範囲内で互いに異なっていてもよい。これらの数値の根拠については後述する。

フリー層９は、１層の非磁性層と、非磁性層の両側界面に設けられた２つの三元合金層とで構成されていてもよい。この場合、各三元合金層の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦３．５ｎｍの範囲にあるのが望ましい。また、フリー層９は、３つ以上の非磁性層と、各非磁性層の両側界面に設けられた三元合金層とで構成されていてもよい。

フリー層９は、上記のようにコバルト・鉄・ニッケルの三元合金層を有しているが、さらにボロン等が添加物として微量含まれていてもよい。

キャップ層１０はＣＰＰ素子２の劣化防止のために設けられ、上部電極兼シールド３からの電流を通すため、導電体であるＣｕ層とＲｕ層とがこの順で積層されて形成されている。キャップ層１０の材料としてはこの他、Ｒｕ，Ｔａ、Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ、またはこれらの合金等を用いることができる。

ＣＰＰ素子２のトラック幅方向（図２中白抜き矢印の方向）の両側側方部には、一対のバイアス膜１１が設けられている。バイアス膜１１はフリー層９にトラック幅方向のバイアス磁界を印加する磁区制御膜である。これによってフリー層９の磁化の向きは、記録媒体からの外部磁界を受けないときにはトラック幅方向を向く。バイアス膜１１は、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｔ等の硬磁性材料で一体で形成される他、軟磁性層と反強磁性層とがこの順に積層されて形成されていてもよい。バイアス膜１１とＣＰＰ素子２との間には、センス電流２２がバイアス膜１１をバイパスすることを防止するため、Ａｌ₂Ｏ₃などで形成された絶縁層１２が設けられている。トラック幅はＣＰＰ素子２の幅によって規定され、０．１μｍ以下程度の幅に形成されている。

また、図示は省略するが、ＣＰＰ素子２の上方にはさらに書込み素子が設けられている。書込み素子の上方はアルミナなどからなるオーバーコート層で覆われている。

（実施例）次に、以上説明したＣＰＰ素子の適切な膜構成を得るためにおこなった検討結果を実施例として示す。まず、検討対象とした素子および評価項目について説明する。

図３に、磁気抵抗変化率の測定に用いた素子の断面を概略的に示す。下部電極４ａは、ＳＶ膜の下地状態を同じにするため、ＮｉＦｅ合金からなる。上部電極３ａにはＣｕ膜を用いた。ＳＶ膜はミリングによって加工され、周囲をＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜１２ａで埋め戻した。パターンは、０．２μｍ径のピラー形状とした。図４には、測定したＭＲ曲線の一例を示す。縦軸が磁気抵抗変化率で、約±７５ｋＡ／ｍ（±１ｋＯｅ）印加時のピラー抵抗をＲ、抵抗変化をｄＲとしたときに、ｄＲ／Ｒとして定義している。通常、磁気抵抗変化率と呼ぶ値は、この最大値である。

保磁力、磁歪の評価には、酸化Ｓｉ基板上に成膜したべた膜のＳＶ膜を用いた。図５に、ＣＰＰ-ＧＭＲ膜に面内方向に電流を流したときのＭＲ曲線の例を示す。この場合、縦軸の磁気抵抗変化率はあくまで参考値である。本明細書において保磁力という場合は、このＭＲ曲線のマイナーループの保磁力を意味する。保磁力はＭＲ曲線から見積もることもできるが、ＶＳＭ(Vibration Sample Magnetometer)による測定のほうがより正確と考えられるため、このような算定方式を採用した。

表２には、本実施例で述べる膜構成の比較例を示す。右欄の参考例はＣＰＰ−ＧＭＲ素子の一般的な膜構成である。左欄の比較例は、参考例に対してフリー層にＣｕ層を挿入するとともに、Ｃｕ層との界面散乱効果の高いＣｏＦｅ層をＣｕ層の両側に挿入したものである。Ｃｕ層の挿入により磁気抵抗変化率が大幅に向上している。以下の説明では、この比較例を基準ケースとして適宜用いる。また、以降の各検討の概略についても示した。

（検討１−１）まず、さらなる磁気抵抗変化率の向上のため、比較例をベースに、フリー層のＮｉＦｅ層の組成だけを変化させ、磁気抵抗変化率等への影響を調べた。これは、本願発明者は、ＮｉＦｅ層の組成をＦｅリッチにすることにより、磁気モーメントが増加すると同時にバルク散乱係数も増加し、高い磁気抵抗変化率が得られる可能性があると考えたためである。表３および図６に結果を示す。図表中、「ＭＲ比」とは磁気抵抗変化率のことである。Ｆｅリッチ（Ｎｉの原子分率は減少）にすることにより磁気抵抗変化率が増加している。一方、軟磁気特性を示す保磁力Ｈｃは増加する傾向にあるが、Ｎｉの原子分率が３５％付近の領域では小さくなることが確認できた。

（検討１−２）ＦｅリッチなＮｉＦｅの場合、軟磁気特性は下地層に強く依存する。そこで、ｂｃｃ（体心立方構造）のCo70Fe30をｆｃｃ（面心立方構造）のCo90Fe10に置き換えて同様の検討をおこなった。表４および図７に結果を示す。検討１−１と同様、Ｆｅリッチにすることにより磁気抵抗変化率が増加している。保磁力Ｈｃについても、検討１−１と同様、Ｎｉの原子分率が３５％付近の領域では小さくなることが確認できた。さらに、この領域では、軟磁気特性に大きな影響のある磁歪λも比較的小さく抑えられることも確認できた。これは、Ｎｉの原子分率が小さい特定の領域をうまく活用することによって、大きな磁気抵抗変化率とともに、比較的良好な軟磁気特性を実現できる可能性があることを示すものである。

（検討２−１）次に、表２の比較例の膜構成において、フリー層のCoFe/NiFe/CoFe（本明細書ではａ／ｂ／ｃの表記は層ａ〜ｃがこの順に積層されていることを示す。）の部分をＮｉＦｅ層に置き換え、ＮｉＦｅ層の組成をパラメータとして磁気抵抗変化率等を調べた。これは、以下のような意図に基づく。すなわち、従来技術のフリー層では、軟磁気特性をＮｉＦｅに分担させ、磁気抵抗変化率の向上のためにＣｏＦｅを挿入する膜構成としていたために、結果として膜厚が厚くなっていた。しかし、検討１−１，１−２に示したようにニッケルの原子分率ｘを小さくすると、磁気抵抗変化率は増加する傾向にあることから、CoFe/NiFe/CoFeをＮｉＦｅ層に置換してもＮｉの原子分率を適切に設定することによって、なお良好な磁気特性が得られることが期待されたためである。Ｃｕ層を挟んだ２つのＮｉＦｅ層の膜厚は２．５ｎｍとした。結果を表５および図８に示す。なお、磁歪λは負値であるが、図８においては絶対値で示す。図表中、「ＭＲ比」とは磁気抵抗変化率のことである。

これより、Ｆｅの原子分率が増えて（Ｎｉの原子分率が減って）磁気モーメントが大きくなるにしたがって、より大きな磁気抵抗変化率が得られることが確認できた。ただし、Ｆｅの原子分率が６５％を超えると（Ｎｉの原子分率が３５％を下回ると）、磁気抵抗変化率は一定となる。一方、軟磁気特性を示す保磁力Ｈｃは、Ｎｉの原子分率が２７％付近から４５％付近の領域で小さくなることが確認できた。さらに、この領域では、軟磁気特性に大きな影響のある磁歪λも比較的小さく抑えられることも確認できた。これより、NiFe/Cu/NiFeの基本構成を有するフリー層において、Ｎｉの原子分率が小さい特定の領域をうまく活用することによって、大きな磁気抵抗変化率とともに、比較的良好な軟磁気特性を実現できることがわかった。これが、前述したニッケルの原子分率の比率ｘを２７％≦ｘ≦４５％とした根拠である。以降の検討では、比率ｘを軟磁気特性の特に良好な３５％とした。

（検討２−２）さらにＮｉＦｅ層の膜厚の影響を検討するため、Ni35Fe65の組成で、ＮｉＦｅ層の膜厚をパラメータとして同様の検討をおこなった。結果を表６に示す。磁気モーメントの増加によりＮｉＦｅ層のバルク散乱は大きくなっていると考えられるが、ＮｉＦｅ/Ｃｕ界面の散乱効果が不十分なため、検討１−１，１−２に比べて磁気抵抗変化率はむしろ小さくなった。膜厚を下げていくと磁歪λは若干改善されるが、その絶対値は比較的大きく、軟磁気特性の改善が望まれる結果となった。

（検討３）そこで、磁歪の絶対値を低減させるとともに、界面散乱の効果を高めて磁気抵抗変化率を向上させるために、ＮｉＦｅ層にＣｏを添加した。膜構成は表６のＮｉＦｅ層をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの三元合金層に置き換えたもので、各三元合金層の膜厚は３．５ｎｍに固定した。Ｃｏ原子分率ｙと保磁力Ｈｃ、磁歪λ、および磁気抵抗変化率との関係を表７および図９Ａ，９Ｂに示す。なお、磁歪λは負値であるが、図９Ａ，９Ｂにおいては絶対値で示す。図表中、「ＭＲ比」とは磁気抵抗変化率のことである。

図９Ａを参照すると、少量、すなわち１０％原子分率程度のＣｏ添加により、磁歪λは一旦増加するが、さらにＣｏを添加すると減少に転ずる。保磁力ＨｃもＣｏの原子分率が一定以上まで増加すると減少に転ずる。しかし、Ｃｏの原子分率をさらに高めていくと、磁気抵抗変化率が落ちるのみでなく、磁気特性（Ｈｃ，λ）もむしろ悪化し、好ましくない（たとえば９０％では、保磁力ＨｃはＣｏのない場合と比べ１．６倍以上悪化する。）。Ｃｏ添加のない場合と比較すると、コバルト原子分率の比率ｙが約４２％〜７６％の範囲で、保磁力Ｈｃと磁歪λの双方が改善される。また、この範囲では磁気抵抗変化率も比較的良好である。そこで、コバルト原子分率の比率ｙは、４２％≦ｙ≦７６％程度の範囲にするのが望ましい。次に、保磁力Ｈｃおよび磁歪λの絶対値に着目すると、保磁力Ｈｃは４００Ａ／ｍ（約５Ｏｅ）程度、磁歪λは３×１０^-6程度が実用的に望ましい範囲と考えられる。図９Ｂを参照すると、これらの基準を満たすコバルト原子分率の比率ｙの範囲は５２％から６５％程度の範囲である。そこで、コバルト原子分率の比率ｙは５２％≦ｙ≦６５％程度がより望ましい。なかでも、コバルト原子分率の特に良好な比率ｙは６０％程度である。

（検討４）以上述べたように、Ｎｉ，Ｆｅ、Ｃｏの三元合金層は、ＮｉＦｅ層の軟磁気特性と、ＣｏＦｅ層の磁気抵抗変化率改善特性とを併せ持ち、従来のCoFe/NiFe/CoFeの３層構成を三元合金層に置換できる可能性が確認された。そこで、この利点を活用し、本発明のもう一つの目的であるＳＶ膜厚の低減を図るため、三元合金層の膜厚の最適範囲を検討した。以下の検討では、検討３と同じ膜構成を用い、上述の結果に基づいて、三元合金層のコバルト原子分率の比率ｙを６０％とした。結果を表８および図１０に示す。なお、磁歪λは負値であるが、図１０においては絶対値で示す。図表中、「ＭＲ比」とは磁気抵抗変化率のことである。

図１０を参照すると、膜厚の減少にしたがってバルク散乱の効果が小さくなるため、磁気抵抗変化率は小さくなる傾向にあるが、大きな変化はない。しかし、膜厚が１ｎｍ付近まで減少すると、磁気抵抗変化率は急激に低下し、保磁力Ｈｃも悪化する。保磁力Ｈｃおよび磁歪λの目安値を検討３と同じ値に設定すると、膜厚ｔが約１．３ｎｍ以上の範囲で、保磁力Ｈｃと磁歪λの双方が改善されている。一方、膜厚ｔを増加していっても、磁気抵抗変化率、保磁力Ｈｃおよび磁歪λは大きく改善されない。そこで、膜厚低減の観点から膜厚ｔの上限を比較例の膜厚程度（７．２ｎｍ：表２参照）と考えると、フリー層９の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦３．５ｎｍ程度の範囲にするのが望ましい（三元合金層膜厚３．５ｎｍ×２＋Ｃｕ非磁性層膜厚０．２ｎｍ×１＝７．２ｎｍとなる。）。

（検討５）次に、Ｃｕ非磁性層の層数の影響を調べるため、Ｃｕ非磁性層を２層挿入した膜構成で磁気抵抗変化率等を調べた。これはＣｕ層を挿入し、界面数を増やすことで、磁気抵抗変化率向上が期待できるためである。表９および図１１Ａ，１１Ｂに結果を示す。なお、磁歪λは負値であるが、図１１Ａ，１１Ｂにおいては絶対値で示す。図表中、「ＭＲ比」とは磁気抵抗変化率のことである。

図１１Ａを参照すると、膜厚が小さくなると磁気抵抗変化率、保磁力Ｈｃとも悪化する。保磁力Ｈｃおよび磁歪λの目安値を検討３と同じ値に設定すると、膜厚ｔが約１．３ｎｍ以上の範囲で、保磁力Ｈｃと磁歪λの双方が改善されている。一方、膜厚ｔを増加していっても、磁気抵抗変化率、保磁力Ｈｃ、および磁歪λは大きく改善されない。そこで、検討４と同様、膜厚低減の観点から膜厚ｔの上限を比較例の膜厚程度（７．２ｎｍ）と考えると、フリー層９の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍ程度の範囲にするのが望ましい（三元合金層膜厚２．３ｎｍ×３＋Ｃｕ非磁性層膜厚０．２ｎｍ×２＝７．３ｎｍとなる。）。

さらに、検討４と同様に、保磁力Ｈｃの望ましい範囲を４００Ａ／ｍ（約５Ｏｅ）程度以下、磁歪λを３×１０^-6程度以下に設定し、図１１Ｂを参照すると、膜厚ｔは、これらの基準を満たす１．６ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍ程度の範囲とするのが望ましい。なかでも膜厚２ｎｍ程度が総合的に最も良好である。

（検討６）最後に、図２に示した素子構造の磁気ヘッドを試作し、孤立再生波の出力と、出力の半値幅であるＰＷ５０を測定した。膜構成と主な特性を表１０に示す。表中、実施例１，２とも、検討５におけるＣｕ非磁性層を２層挿入した膜構成とし、三元合金層の膜厚だけを変えた。実施例２は表１に示す膜構成と同一である。ジャンクションサイズは０．１×０.１μｍ²、Ａｌ₂Ｏ₃ギャップ膜厚は１０ｎｍとし、硬磁性層としてはＣｏＣｒＰｔ膜（膜厚３０ｎｍ）を用いた。測定時のセンス電流は、５ｍＡとした。結果は、比較例を１として規準化して示している。

これより、孤立再生波出力、ＰＷ５０とも比較例よりも改善されたことが確認された。ＰＷ５０が狭いということは、シールド間ギャップが狭くなったことを意味する。実際、ＳＶ膜のトータル膜厚は、表に示すように、比較例の４０．２ｎｍから２ｎｍ程度減少しており、その分の狭ギャップ化が図れたものと考えられる。

以上を総括し、三元合金層が特定の組成範囲で良好なＭＲ特性および軟磁気特性を示す理由をまとめると、以下の通りと考えられる。すなわち、従来はＮｉＦｅ合金層で軟磁気特性を確保し、ＣｏＦｅ合金層でＣｕ層との界面散乱効果を稼ぐため、CoFe／NiFe／CoFeの積層構造としていた。しかし、CoFe／NiFe／CoFeの積層構造に代えて、ニッケルの原子分率の比率ｘが２７％≦ｘ≦４５％である特定の低ニッケル組成を有するNiFe膜を用いることによって、軟磁気特性と磁歪の低下を最小限に留め、かつ磁気抵抗変化率を向上させることができる。ＣｏＦｅ層が不要になったことで軟磁気特性が改善され、さらに、低ニッケル合金層にＣｏを加えることで磁歪と磁気抵抗変化率とを改善することができる。低ニッケル組成化によって相対的にＦｅとＣｏの比率が増加し、バルク散乱効果が増えたことによるため、膜厚を減らしても、磁気抵抗変化率の向上が可能である。以上のことから、磁気抵抗変化率および軟磁性特性を改善しつつ、ＳＶ膜厚の減少が可能となった。

次に、上述した薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるウエハについて説明する。図１２はウエハの概念的な平面図である。ウエハ１００１は、少なくとも下部電極兼シールド４から上部電極兼シールド３までが積層された複数の薄膜磁気変換素子１００２を含んでいる。ウエハ１００１を切断することによって、薄膜磁気変換素子１００２が一列に配列された複数のバー１００３に分割される。バー１００３は、媒体対向面を研磨加工する際の作業単位となる。バー１００３は、研磨加工後さらに切断されて、薄膜磁気ヘッドを含むスライダに分離される。ウエハ１００１には、バー１００３およびスライダに切断するための切り代（図示せず）が設けられている。

次に、薄膜磁気ヘッドを用いたヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置について説明する。まず、図１３を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ２１０について説明する。スライダ２１０は、ハードディスク装置内に、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように配置されている。スライダ２１０は、ほぼ六面体形状をなす基体であり、そのうちの一面はハードディスクと対向する媒体対向面ＡＢＳとなっている。ハードディスクが図１３におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、ｙ方向下向きに揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。スライダ２１０の空気流出側の端部（図１３における左下の端部）の近傍には、薄膜磁気ヘッド１０が形成されている。

次に、図１４を参照して、薄膜磁気ヘッドを備えたヘッドジンバルアセンブリ２２０について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１とを備えている。サスペンション２２１は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられると共にスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与えるフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４とを有している。フレクシャ２２３の、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

ヘッドジンバルアセンブリ２２０を１つのアーム２３０に取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。アーム２３０は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させる。アーム２３０の一端はベースプレート２２４に取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には、アーム２３０を回動自在に支持する軸２３４が取り付けられた軸受け部２３３が設けられている。アーム２３０および、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータは、アクチュエータを構成する。

次に、図１５および図１６を参照して、薄膜磁気ヘッドをヘッド素子として用いたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。ヘッドスタックアセンブリとは、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものである。図１５はハードディスク装置の要部を示す説明図、図１６はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。各々のアーム２５２には、ヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１の、アーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ボイスコイルモータは、コイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

図１６を参照すると、ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組み込まれている。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置されている。スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０およびアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共に、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０はアクチュエータによって、ハードディスク２６２のトラック横断方向に動かされ、ハードディスク２６２に対して位置決めされる。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッド１は、記録ヘッドによってハードディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによってハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。

以上、本発明の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた薄膜磁気ヘッドについて説明したが、本発明の磁気抵抗効果素子は磁気メモリ素子や磁気センサアセンブリに用いることもできる。ここで、磁気メモリ素子とは、上記に説明した磁気抵抗効果素子を複数個備え、複数の磁気抵抗効果素子に接続された配線部を有している。配線部は、複数の磁気抵抗効果素子の任意の一つに選択的に情報を書込み、または任意の一つから選択的に情報を読出す。磁気センサアセンブリは、上記の磁気抵抗効果素子が設けられた基板と、磁気抵抗効果素子に接続され、磁気抵抗効果素子で検出した外部磁界の磁気情報を出力するリード線とを有している。

本発明の磁気抵抗素子を用いた薄膜磁気ヘッドの部分斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ方向からみたＣＰＰ素子の側面図である。 磁気抵抗変化率測定に用いた素子の概略断面図である。 測定したＭＲ曲線の一例である。 ＣＰＰ-ＧＭＲ素子に面内方向に電流を流した場合のＭＲ曲線の一例である。 フリー層のＮｉＦｅ層の組成だけを変化させたときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 Co90Fe10を用い、フリー層のＮｉＦｅ層の組成を変化させたときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 フリー層のCoFe/NiFe/CoFeをＦｅリッチのＮｉＦｅ層に置き換えたときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 ＮｉＦｅ層にＣｏを添加したときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 ＮｉＦｅ層にＣｏを添加したときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 三元合金層の膜厚の磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 Ｃｕ非磁性層を２層挿入したときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 Ｃｕ非磁性層を２層挿入したときの磁気抵抗変化率等への影響を示すグラフである。 薄膜磁気ヘッドの製造に係るウエハの平面図である。 薄膜磁気ヘッドを組み込んだヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダを示す斜視図である。 薄膜磁気ヘッドを組み込んだヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリを示す斜視図である。 薄膜磁気ヘッドを組み込んだハードディスク装置の要部を示す説明図である。 薄膜磁気ヘッドを組み込んだハードディスク装置の平面図である。

符号の説明

１ 薄膜磁気ヘッド
２ ＣＰＰ素子
３ 上部電極兼シールド
４ 下部電極兼シールド
５ バッファー層
６ 反強磁性層
７ ピンド層
８ スペーサ層
９ フリー層
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ 三元合金層
９２ａ，９２ｂ 非磁性層
１０ キャップ層
１１ バイアス膜
１２ 絶縁層
２２ センス電流

Claims (13)

1. 外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、
   前記外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、
   前記ピンド層と前記フリー層とに挟まれた、銅からなるスペーサ層と、
   を有し、
   前記ピンド層、前記スペーサ層、および前記フリー層の各層を膜面垂直方向にセンス電流が流れるようにされ、
   前記フリー層は、銅を主成分とする非磁性層と、該非磁性層の両側界面に設けられたコバルト・鉄・ニッケルの三元合金層と、を有し、
   前記三元合金層の、ニッケルおよび鉄の合計原子分率に対するニッケルの原子分率の比率ｘは２７％≦ｘ≦４５％の範囲にある、
   磁気抵抗効果素子。
2. ニッケル、鉄、およびコバルトの合計原子分率に対するコバルトの合計原子分率の比率ｙは４２％≦ｙ≦７６％の範囲にある、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記比率ｙは５２％≦ｙ≦６５％の範囲にある、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記フリー層は、１層の前記非磁性層と、該非磁性層の両側界面に設けられた２つの前記三元合金層とからなり、
   前記各三元合金層の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦３．５ｎｍの範囲にある、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記フリー層は、２つの前記非磁性層と、各非磁性層の両側界面に設けられた合計３つの前記三元合金層と、からなり、
   前記各三元合金層の膜厚ｔは、１．３ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にある、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記各三元合金層の膜厚ｔは、１．６ｎｍ≦ｔ≦２．３ｎｍの範囲にある、請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記フリー層は、３つ以上の前記非磁性層と、各非磁性層の両側界面に設けられた前記三元合金層とを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備えた基体。
9. 請求項８に記載の基体の製造に用いる、少なくとも１つの薄膜磁気変換素子が設けられたウエハ。
10. 請求項８に記載の基体を含み、記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、
    を有するヘッドジンバルアセンブリ。
11. 請求項８に記載の基体を含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを支持するとともに、前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置と、
    を有するハードディスク装置。
12. 請求項１から７のいずれか１項に記載の複数の磁気抵抗効果素子と、
    前記複数の磁気抵抗効果素子に接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の任意の一つに選択的に情報を書込み、または任意の一つから選択的に情報を読出す配線部と、
    を有する磁気メモリ素子。
13. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子が設けられた基板と、
    前記磁気抵抗効果素子に接続され、該磁気抵抗効果素子で検出した前記外部磁界の磁気情報を出力するリード線と、
    を有する磁気センサアセンブリ。

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