JP2008227457A - 磁歪低減層を含むフリー層を有する磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】アニール処理の温度を比較的低く抑えても高いスピン分極率が得られるホイスラー合金層を、その磁歪を小さく抑えることによってフリー層中に採用可能にし、それによって高いＭＲ比を達成することができる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁化方向が固定されたピンド層４３と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層４５と、ピンド層４３とフリー層４５との間に設けられている非磁性のスペーサ層４４とを含み、フリー層４５は、ホイスラー合金層４５ｃと、４族元素、５族元素、または６族元素からなる磁歪低減層４５ｂとを含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子と、それを含む薄膜磁気ヘッドに関する。

磁気ディスク装置には、磁気信号読み出し用の磁気抵抗効果素子（ＭＲ（Magneto-resistance effect）素子）を有する薄膜磁気ヘッドが用いられている。近年、磁気ディスク装置の高記録密度化が進んできている。それに伴い、薄膜磁気ヘッドにおいて、磁気抵抗効果素子に対する高感度化および高出力化の要求が特に高まっている。

従来、薄膜磁気ヘッドの再生素子として、強磁性層と強磁性層の間に非磁性層を有し、膜面に対して平行にセンス電流を流す巨大磁気抵抗効果素子であるＣＩＰ−ＧＭＲ（Current in Plane - Giant Magneto-resistance effect）素子が開発されてきた。一方、さらなる高密度化に対応するため、中間層として、非磁性層ではなく絶縁層を有し、膜面に垂直にセンス電流を流すＴＭＲ（Tunnel Magneto-resistance effect）素子を用いた磁気ヘッドの開発も進められている。さらに、中間層として非磁性層を有するＧＭＲ素子において、ＴＭＲ素子と同様に膜面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to 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−ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子と比較して低抵抗であり、かつＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比較して狭いトラック幅において高出力が得られるという利点を有している。

一般的なＧＭＲ素子は、所望のサイズの柱状の形状であり、磁化方向が固定された強磁性層であるピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する強磁性層であるフリー層で、非磁性のスペーサ層を挟んだ構造を有している。このようなＧＭＲ素子はスピンバルブ膜（ＳＶ膜）とも呼ばれる。ＧＭＲ素子の上下端部にはキャップ層とバッファー層がそれぞれ設けられており、キャップ層とＧＭＲ素子とバッファー層が、上部シールド層と下部シールド層に挟まれている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合、上部シールド層と下部シールド層がそれぞれ電極として機能して、膜面に対して直交する方向にセンス電流が流される。

従来、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成する層の多くは、ＣｏＦｅ合金またはＮｉＦｅ合金からなるものであった。しかし、このようなＣＰＰ−ＧＭＲ素子を、４０ｎｍ程度の実用的なリードギャップを有するように構成した場合、そのＣＰＰ−ＧＭＲ素子のＭＲ比は低く、４％程度であった。

特許文献１には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、フリー層やピンド層にホイスラー合金を用いることによって、１０％以上の高いＭＲ比（磁気抵抗比）が得られることが開示されている。すなわち、ＭＲ比はフリー層とピンド層のスピン分極率が大きいほど高くなり、フリー層およびピンド層にスピン分極率の大きい材料を用いることによってＭＲ比が高くなることが判っている。そして、スピン分極率が１００％またはそれに近い磁性体であるハーフメタルを実現する材料が、ホイスラー合金であることが判っている。このように、フリー層とピンド層にホイスラー合金層を設けることによって、ＭＲ比が高くなり、出力の増加につながる。

また、特許文献２には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のピンド層に含まれる複数の磁性層のうちの一部がホイスラー合金によって形成された構成が開示されている。

特許文献１，２に開示されている通り、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のフリー層およびピンド層が、ＣｏＭｎＳｉやＣｏＭｎＧｅに代表されるホイスラー合金を含む構成であると、ＭＲ比の向上が可能である。
特開２００３−２１８４２８号公報 特開２００６−５２８２号公報

ホイスラー合金が高いスピン分極率を発揮するためには、一般に、高い温度でアニールしなればならない。例えば、代表的なホイスラー合金の１つであるＣｏＭｎＳｉは、３００℃以上の温度でアニールされた時に、高いスピン分極率を発揮することができる。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法において、３００℃以上の高温の工程を含むことは好ましくなく、全ての工程を２９０℃以下の温度で行うことが好ましい。これは、ＭＲ素子が３００℃以上の高温にさらされると、シールド層のパーマロイ（ＮｉＦｅ）が粒成長して透磁率が低下するからである。

一方、他の代表的なホイスラー合金であるＣｏＭｎＧｅは、２７０℃〜２９０℃程度の温度でアニールしても、高いスピン分極率を発揮することができる。従って、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のフリー層およびピンド層を構成するホイスラー合金としては、ＣｏＭｎＳｉよりもＣｏＭｎＧｅの方が実用上好ましいと考えられる。

ところが、ＣｏＭｎＧｅは、規則化した状態で磁歪が非常に大きい。９０Ｃｏ１０Ｆｅや８０Ｎｉ２０Ｆｅの磁歪を光てこ法で測定すると±３×１０^-6程度であるのに対し、規則化したＣｏＭｎＧｅの磁歪を光てこ法で測定すると１×１０^-5程度である。

反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定されているピンド層はある程度大きな磁歪を有していても問題にならないが、外部磁界に応じて磁化方向がその都度変化するフリー層において磁歪が大きいと、波形対称性が低下するため好ましくない。

ここで言う波形対称性とは、図１２に示すように、記録媒体等による外部磁界とＭＲ素子の出力電圧との間に原点を中心とした正確な比例関係が成り立つことを意味する。具体的には、外部磁界が０Ａ／ｍの時に出力電圧が０ｍＶであって、プラスの外部磁界が加わるとプラスの出力電圧が得られ、マイナスの外部磁界が加わるとマイナスの出力電圧が得られる関係である。通常、この波形対称性は非対称性の百分率で表される。ＭＲ素子において非対称性が０％の場合（図１２の実線）が最適であり、非対称性が±１０％（図１２の破線）程度の範囲まで許容できることが経験的に判っている。しかし、非対称性が大きいと（例えば図１２の２点鎖線）、そのＭＲ素子４を薄膜磁気ヘッド等に採用した場合に、所望の読み出し性能が得られない。そこで、図１３に示されている、フリー層の磁歪と波形対称性の関係を見ると、フリー層の磁歪が概ね６．５×１０^-6以下であると、波形対称性が許容範囲内に入ることが判る。従って、フリー層の磁歪を６．５×１０^-6以下に保つことが必要である。前記したとおり、９０Ｃｏ１０Ｆｅや８０Ｎｉ２０Ｆｅはこの必要条件を満たすが、規則化したＣｏＭｎＧｅはこの必要条件を満たさない。結局、フリー層にＣｏＭｎＧｅ膜を設けることは現実的に困難であった。

そこで本発明の目的は、アニール処理の温度を比較的低く抑えても高いスピン分極率が得られるホイスラー合金層を、その磁歪を小さく抑えることによってフリー層中に採用可能にし、それによって高いＭＲ比を達成することができる磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドを提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に設けられている非磁性のスペーサ層とを含み、フリー層は、ホイスラー合金層と、４族元素、５族元素、または６族元素からなる磁歪低減層とを含んでいる。

フリー層は、ＣｏＦｅからなる磁性層をさらに含んでいる。

ホイスラー合金層はＣｏＭｎＧｅ膜によって構成されている。この構成は、従来はフリー層中に採用することは困難であったが、本発明によって初めて可能になった。

磁歪低減層は、Ｈｆ膜、Ｔｉ膜、Ｚｒ膜、Ｔａ膜、またはＷ膜によって構成されていることが好ましい。そして、磁歪低減層は、０．２ｎｍ以上かつ１．０ｎｍ以下の厚さを有していると、従来よりも高いＭＲ比を実現することができる。

この磁気抵抗効果素子は、２９０℃以下の温度でアニール処理されていることが好ましい。その場合、熱による薄膜磁気ヘッドの特性の劣化が抑えられるとともに、アニール処理のための設備および工程が簡単になる。

本発明によると、磁歪低減層によってフリー層の磁歪が小さく抑えられるため、波形対称性等の特性の低下を防止することができる。その結果、ホイスラー合金層をフリー層中に設けることができ、ＭＲ比の向上に寄与することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

［薄膜磁気ヘッドの構成］
図１に、本発明の磁気抵抗効果素子を含む薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図が示されている。

本実施形態の薄膜磁気ヘッド１は、基板１１と、基板１１に形成された、記録媒体（不図示）に対する読み出しのための再生部２および書き込みのための記録部３とを有する。

基板１１は、耐摩耗性に優れたＡｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ（アルティック）からなる。基板１１の上面にはアルミナからなる下地層１２が形成され、その上に、再生部２および記録部３が積層されている。

下地層１２の上には、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）等の磁性材料からなる下部シールド層１３が形成されている。下部シールド層１３の上の、媒体対向面Ｓ側の端部には、磁気抵抗効果素子であるＣＰＰ−ＧＭＲ素子（以下、単に「ＭＲ素子」と言う）４が、その一端が媒体対向面Ｓに露出するように形成されている。ＭＲ素子４の上には、例えばパーマロイ等の磁性材料からなる第１上部シールド層１５が形成されている。これらの下部シールド層１３、ＭＲ素子４、および第１上部シールド層１５により、再生部２が構成されている。下部シールド層１３と第１上部シールド層１５との間の、ＭＲ素子４が存在しない部分には、主に絶縁層１６ａが形成されている。なお、このＭＲ素子４は、ＳＶ膜（スピンバルブ膜）とも言う。

第１上部シールド層１５の上には、絶縁層１６ｂを介して、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料からなる下部磁極層１７が形成されている。下部磁極層１７は、記録部３の下部磁極層としての機能の他に、ＭＲ素子４の第２上部シールド層としての機能も有している。

第２上部シールド層としても機能する下部磁極層１７の上には、Ｒｕやアルミナなどの非磁性材料からなる記録ギャップ層１８を介して、上部磁極層１９が形成されている。記録ギャップ層１８は、媒体対向面Ｓ側の端部に、媒体対向面Ｓに向かって一端が露出するように形成されている。上部磁極層１９の材料としては、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料が用いられる。下部磁極層（第２上部シールド層）１７と上部磁極層１９とは、接続部２１によって磁気的に接続され、全体で一つの磁気回路を形成する。

下部磁極層１７と上部磁極層１９との間で、かつ媒体対向面Ｓと接続部２１との間には、銅などの導電性材料からなる２層のコイル２０ａ，２０ｂが形成されている。各コイル２０ａ，２０ｂは、下部磁極層１７と上部磁極層１９とに磁束を供給するものであり、それぞれ平面形状が接続部２１の周囲を周回する螺旋状になるように形成されている。コイル２０ａ，２０ｂは、絶縁層によって周囲と絶縁されている。本実施形態では２層のコイル２０ａ，２０ｂを示したが、これに限られず、１層であってもよいし３層以上であってもよい。

オーバーコート層２２は、上部磁極層１９を覆って設けられ、上述した構造を保護する。オーバーコート層２２の材料としては、例えばアルミナなどの絶縁材料が用いられる。

［ＭＲ素子の構成］
次に、ＭＲ素子（ＳＶ膜）４について、媒体対向面Ｓ側から見た図である図２を参照して詳細に説明する。

ＭＲ素子４は、前述したように下部シールド層１３と上部シールド層１５との間に挟まれており、バッファー層４１、反強磁性層４２、ピンド層４３、スペーサ層４４、フリー層４５、およびキャップ層４６が、下部シールド層１３側からこの順番で積層された構成を有している。図２に示す例では、ピンド層４３は、非磁性中間層４３ｂを、それぞれ強磁性体からなるアウター層４３ａとインナー層４３ｃとで挟んだ構成である。このようなピンド層４３は、シンセティックピンド層と呼ばれる。アウター層４３ａは反強磁性層４２に接して設けられ、インナー層４３ｃはスペーサ層４４に接して設けられている。

下部シールド層１３および上部シールド層１５はそれぞれ電極を兼ねている。ＭＲ素子４には、下部シールド層１３および上部シールド層１５を介して、膜面に直交する方向にセンス電流が流される。下部シールド層１３および上部シールド層１５は、約２μｍ以下のＮｉＦｅ膜からなる。

ＭＲ素子４の各層の材料と厚さの一例を表１に示している。

バッファー層４１は、その材料として、反強磁性層４２とピンド層４３のアウター層４３ａとの交換結合が良好になる組み合わせが選ばれる。バッファー層４１は、例えば、厚さ１ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＮｉＣｒ等からなる積層膜である。なお、本明細書中で、多層膜構造を示す「／」は、「／」の左側の材料が右側の材料よりも下層であること、すなわち先に形成された層であることを意味する。

反強磁性層４２は、ピンド層４３の磁化方向を固定する役割を果たすものであり、例えば厚さ７．０ｎｍのＩｒＭｎ膜等から構成される。

ピンド層４３は、磁性層として形成され、前述したように、アウター層４３ａと、非磁性中間層４３ｂと、インナー層４３ｃとがこの順番に積層された構成を有する。本実施形態では、アウター層４３ａは、反強磁性層４２によって外部磁界に対して磁化方向が固定されている。アウター層４３ａは、例えば厚さ５ｎｍの７０ＣｏＦｅ膜から構成されている。非磁性中間層４３ｂは、例えば厚さ０．４ｎｍまたは０．８ｎｍのＲｕ膜から構成されている。インナー層４３ｃは強磁性層であり、詳述しないが、例えば厚さ１．０ｎｍの９０ＣｏＦｅ膜、厚さ０．２ｎｍのＣｕ膜、厚さ１．３ｎｍの３０ＣｏＦｅ膜、厚さ０．２ｎｍのＣｕ膜、厚さ１．３ｎｍの３０ＣｏＦｅ膜の５層構造である。このようなシンセティックピンド層では、アウター層４３ａとインナー層４３ｃとの磁気モーメントが互いに相殺され、全体としての漏れ磁界が抑制されるとともに、インナー層４３ｃの磁化方向が強固に固定される。

スペーサ層４４は、例えば厚さ３．０ｎｍのＣｕ膜で構成されている。

フリー層４５は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。本実施形態のフリー層４５は、磁性層である厚さ１．０ｎｍ〜２．０ｎｍの７０ＣｏＦｅ膜４５ａ、磁歪低減層である厚さ０．２〜１．０ｎｍのＨｆ膜４５ｂ、ホイスラー合金層である厚さ４．０ｎｍ〜６．０ｎｍのＣｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃの３層構造である。このフリー層４５の作用効果については後述する。

キャップ層４６は、ＭＲ素子４の劣化防止のために設けられ、例えば厚さ１０．０ｎｍのＲｕで構成されている。

ＭＲ素子４のトラック幅方向（媒体対向面Ｓ（図１参照）と平行な平面内での、ＭＲ素子４を構成する各層の面内方向）の両側（図２の左右両側）には、絶縁膜４７を介してハードバイアス膜４８が設けられている。ハードバイアス膜４８は、フリー層４５にトラック幅方向のバイアス磁界を印加することによってフリー層４５を単磁区化する。ハードバイアス膜４８には、例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性材料が用いられる。絶縁膜４７は、センス電流がハードバイアス膜４８に漏洩するのを防止するためのものであり、例えばＡｌ₂Ｏ₃といった酸化膜で形成することができる。絶縁膜４７は絶縁層１６ａの一部であってもよい。

［フリー層の構成および作用効果］
ここで、本実施形態において最も特徴的な構成であるフリー層４５について説明する。

特許文献１や特許文献２に記載されている通り、ＭＲ素子４において、ＭＲ比等の特性を考慮すると、フリー層４５およびピンド層４３としてホイスラー合金膜を用いることが好ましいことがわかっていた。そして、アニール温度を２９０℃以下まで低く抑えてシールド層１３，１５，１７の透磁率低下を防ぎ、かつ高いスピン分極率を達成してＭＲ比の向上に寄与するためには、ホイスラー合金のうちのＣｏＭｎＧｅを用いることが好ましいと考えられていた。しかし、従来は、ＣｏＭｎＧｅの規則化状態における磁歪の大きさが問題になって、ＣｏＭｎＧｅ膜をフリー層中に設けることは現実的に困難であった。

そこで、本願発明者は、ＣｏＭｎＧｅを含むフリー層の磁歪を小さくする方法を求めて検討し、ＣｏＭｎＧｅに接するように４族〜６族の元素の層を形成すればよいことを見出した。一例として、表１に示したように、７０ＣｏＦｅ膜（磁性層）４５ａ、Ｈｆ膜（磁歪低減層）４５ｂ、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜（ホイスラー合金層）４５ｃの３層構造のフリー層４５の磁歪を求め、その結果を表２，３および図３，４に示している。具体的には、表２および図３には、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃの厚さを４．０ｎｍにして、Ｈｆ膜４５ｂの厚さを変えたときの、フリー層４５の磁歪を示している。表３および図４に、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃの厚さを６．０ｎｍにして、Ｈｆ膜４５ｂの厚さを変えたときの、フリー層４５の磁歪を示している。そして、これらの表および図には、アニール温度が２７０℃の場合と、２８０℃の場合と、２９０℃の場合を示している。

表２，３および図３，４を見ると、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃが４．０ｎｍの場合も６．０ｎｍの場合も、Ｈｆ膜４５ｂを有する構成（本発明の実施例：Ｈｆ膜の厚さが０ｎｍより大きい構成）は全て、Ｈｆ膜４５ｂを設けない構成（比較例：Ｈｆ膜の厚さが０ｎｍの構成）に比べて磁歪が小さくなっていることがわかる。

特に、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃが４．０ｎｍの場合には、アニール温度が２７０℃でＨｆ膜４５ｂの厚さが０．２ｎｍの場合のみ磁歪が許容範囲を僅かに外れるが、それ以外の全ての実施例において、磁歪を十分に小さくすることができた。Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃが６．０ｎｍの場合には、アニール温度が２７０℃であると磁歪が大きくなるので好ましくない。しかし、アニール温度が２８０℃または２９０℃であると、アニール温度が２８０℃でＨｆ膜４５ｂの厚さが０．２ｎｍの場合のみ磁歪が許容範囲を外れるが、それ以外の全ての実施例において、磁歪を十分に小さくすることができた。

さらに、Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜４５ｃの厚さが４ｎｍでアニール温度が２９０℃の場合の、Ｈｆ膜４５ｂの厚さと、そのＭＲ素子４のＭＲ比の関係を、図５に示している。これによると、Ｈｆ膜４５ｂが１．０ｎｍ以下の範囲で、従来の一般的なＭＲ素子のＭＲ比である４％と同等かそれよりも高いＭＲ比が得られる。

これらの結果から、特に、Ｈｆ膜４５ｂが０．２ｎｍ以上かつ１．０ｎｍ以下の範囲において、フリー層４５の磁歪を小さくでき、しかも、ＭＲ比を向上できることがわかる。なお、Ｈｆ膜４５ｂをＣｏＦｅ膜４５ａとＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの界面に設けることによって、フリー層４５の磁歪が小さくなる原因は、Ｈｆが磁性体をアモルファス化することにあると考えられる。Ｈｆがホイスラー合金をアモルファス化することによって、ＣｏＦｅ膜４５ａとＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの界面磁歪を小さくすることができ、その結果、フリー層４５全体の磁歪を小さくすることができると考えられる。このような観点から見ると、磁歪低減層として、Ｈｆ膜に代えて、Ｚｒ膜、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、Ｗ膜等を設けても、実質的に同様な効果が得られると考えられる。すなわち、磁性体をアモルファス化し易い４族元素、５族元素、または６族元素の層を設けることが効果的であると考えられる。

なお、ホイスラー合金層であるＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの組成は、組成比が２：１：１であるＬ２１構造であるのが好ましいが、不規則構造であるＢ２構造であってもよい。Ｂ２構造は、５０ａｔ％がＣｏで、残りの５０ａｔ％がＭｎとＧｅであり、ＭｎとＧｅの比は特に限定されないものである。ＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの厚さは、４ｎｍ以上かつ６ｎｍであることが好ましい。ＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの厚さが４ｎｍ未満であると、規則化しにくくなるため好ましくない。また、ＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃが６ｎｍより大きいと、そのＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃを含むＭＲ素子４全体のリードギャップが大きくなり過ぎ、高密度化の妨げとなるため好ましくない。

磁性層であるＣｏＦｅ膜４５ａは、ＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃをスペーサ層４４のＣｕの上に直接形成するのが困難であるため、両者の間に設けられている。ＣｏＦｅ膜４５ａは、ホイスラー合金と同様な体心立方格子構造（ｂｃｃ構造）になって、保持力が小さくなるように、Ｃｏの割合が５０ａｔ％以上かつ７０ａｔ％以下であることが好ましい。

また、本出願人は、７０ＣｏＦｅ膜４５ａの最適な厚さを見つけ出すための基礎実験を行った。この基礎実験では、フリー層４５を、７０ＣｏＦｅ膜とＣｏＭｎＧｅ膜の２層構造（Ｈｆ膜は含まない）とした。そして、ＣｏＭｎＧｅ膜の厚さを４ｎｍに固定し、７０ＣｏＦｅ膜の厚さを変えた場合の、ＭＲ比の変化を求めた。この基礎実験の意義について以下に説明する。

従来最も一般的であった、スペーサ層４４としてＣｕ膜を用い、フリー層４５をＣｏＦｅの単層としたＭＲ素子のＭＲ比は４％程度であった。そして、特許文献１に開示されているように、フリー層４５として高スピン分極率のホイスラー合金層、例えばＣｏＭｎＧｅ膜を用いることによってＭＲ比の向上が図れることが判っている。しかし、フリー層４５をＣｏＭｎＧｅ膜の単層とすると、スペーサ層４４のＣｕとフリー層４５のＣｏＭｎＧｅが混合するため高いＭＲ比が得られないことが判った。そこで、フリー層４５を多層構造にして、スペーサ層４４のＣｕ膜とフリー層４５のＣｏＭｎＧｅ膜との間にＣｏＦｅ膜を挿入することによって、ＣｕとＣｏＭｎＧｅの混合を防ぎ、ＭＲ比の低減を防ぐことが考えられている。このように、フリー層４５を７０ＣｏＦｅ膜とＣｏＭｎＧｅ膜の２層構造としたＭＲ素子に関して、７０ＣｏＦｅ膜の厚さとＭＲ比の関係を求めたのが、この基礎実験である。この基礎実験の結果が図６に示されている。

図６を見ると、７０ＣｏＦｅ膜の厚さが１ｎｍ以上になるとＭＲ比が高くなっている。これは、７０ＣｏＦｅ膜の厚さが小さすぎると、７０ＣｏＦｅ膜がスペーサ層４４のＣｕ膜上で磁性体として有効な磁化を発揮することができないことを表していると考えられる。従って、７０ＣｏＦｅ膜の厚さは１ｎｍ以上であることが好ましい。

そして、７０ＣｏＦｅ膜の厚さが厚くなると、そのｂｃｃ構造がより安定化するため、ＣｏＭｎＧｅの膜成長が助長されてＭＲ比が高くなる。しかし、７０ＣｏＦｅ膜が２ｎｍよりも大きくなると、ＭＲ比が低下している。この理由について以下に説明する。７０ＣｏＦｅ膜が厚くなりすぎると、Ｃｕ膜とＣｏＭｎＧｅ膜との間の間隔が大きくなりすぎ、スペーサ層４４の近傍に位置する電子が、高スピン分極率材料であるＣｏＭｎＧｅ膜から遠く離れる。その結果、実質的には、フリー層４５が７０ＣｏＦｅ単層から構成されている状態に近くなる。すなわち、フリー層４５中に高スピン分極率材料であるＣｏＭｎＧｅ膜を設けた効果が乏しくなる。従って、７０ＣｏＦｅ膜の厚さは２ｎｍ以下であることが好ましい。なお、図６を見ると、７０ＣｏＦｅ膜の厚さが２．２ｎｍの場合に、厚さが１ｎｍの場合と同等のＭＲ比（約１２％）が得られる。この場合、ＭＲ比は十分に大きいが、７０ＣｏＦｅ膜の磁歪の影響が無視できなくなるという問題が生じる。すなわち、７０ＣｏＦｅ膜の厚さが２ｎｍよりも大きいと、７０ＣｏＦｅ膜の磁歪が５×１０^-5程度にまで大きくなる。その場合、仮にＨｆ膜を挿入しても、フリー層４５の磁歪を十分に減少できない。そこで、フリー層４５中の７０ＣｏＦｅ膜の厚さは、１ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが好ましいと判断される。

以上説明した基礎実験によって、フリー層４５中の７０ＣｏＦｅ膜の好ましい厚さを求めることができた。ただし、この基礎実験に用いたＭＲ素子と同様にフリー層４５がＣｏＦｅ膜とＣｏＭｎＧｅ膜の２層構造である構成では、高いＭＲ比が得られるものの、ＣｏＭｎＧｅ膜の磁歪が大きく、良好な波形対称性が得られないという問題がある。そこで、前記した本発明の実施形態では、フリー層４５を、ＣｏＦｅ膜４５ａとＨｆ膜４５ｂとＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃを含む少なくとも３層の構造にしている。これによって、図５に示すように比較的高いＭＲ比を維持しつつ、図３，４に示すようにフリー層４５の磁歪を低減できる。なお、図５においてＨｆ膜４５ｂの厚さが０ｎｍのときが、図６において７０ＣｏＦｅ膜の厚さが１ｎｍのときと実質的に同じ状態であり、約１２％のＭＲ比が得られている。

本発明では、図５に示すように、Ｈｆ膜４５ｂを挿入することによって、図６に結果を示す基礎実験の構成と比べるとＭＲ比が低下するものの、Ｈｆ膜４５ｂが１ｎｍ以下の範囲では、従来最も一般的であった、スペーサ層４４としてＣｕ膜を用いフリー層４５をＣｏＦｅの単層としたＭＲ素子以上のＭＲ比（４％以上）が得られる。すなわち、ＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの効果がある程度発揮できている。しかも、図３，４に示すように、フリー層４５の磁歪を低減することも可能である。

以上詳細に説明したとおり、フリー層４５を、ＣｏＦｅ膜４５ａとＨｆ膜４５ｂとＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃを含む少なくとも３層の構造にして、ＣｏＦｅ膜４５ａの厚さを１ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下にし、Ｈｆ膜４５ｂの厚さを０．２ｎｍ以上かつ１．０ｎｍ以下にすることによって、従来よりも高いＭＲ比が得られる。しかも、ＣｏＦｅ膜４５ａの磁歪およびＣｏＭｎＧｅ膜４５ｃの磁歪を抑えて、フリー層４５全体の磁歪を小さく抑えることができる。

［薄膜磁気ヘッドを含むヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置］
本発明の薄膜磁気ヘッド１は、１枚のウェハに多数個並べて形成される。図１に示した薄膜磁気ヘッドを含む構造体（基体）が多数個形成されたウェハの模式的な平面図を図７に示す。

ウェハ１００は複数のヘッド要素集合体１０１に区画されている。ヘッド要素集合体１０１は、複数のヘッド要素１０２を含み、薄膜磁気ヘッド１（図１参照）の媒体対向面Ｓを研磨加工する際の作業単位となる。ヘッド要素集合体１０１同士の間およびヘッド要素１０２同士の間には切断のための切り代（図示せず）がそれぞれ設けられている。ヘッド要素１０２は、薄膜磁気ヘッド１の構成を含む構造体（基体）であり、媒体対向面Ｓを形成するための研摩加工など、必要な加工が施されて薄膜磁気ヘッド１になる。この研磨加工は、一般には複数のヘッド要素１０２を１列に切り出した状態で行う。

次に、本発明の薄膜磁気ヘッドを備え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８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。ハードディスク装置において、スライダ２１０は、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る。スライダ２１０は、ヘッド要素１０２（図７参照）から得られた薄膜磁気ヘッド１を有し、ハードディスクに対向する媒体対向面Ｓにエアベアリング面２００が形成されて、全体として略六面体形状をなしている。ハードディスクが図８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方向の下方に揚力が生じる。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。なお、図８におけるｘ方向は、ハードディスクのトラック横断方向である。スライダ２１０の空気流出側の端面２１１には、再生部２および記録部３（図１参照）への信号入出力用の電極パッドが形成されている。この面は、図１では上端面に相当する。

次に、図９を参照して、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。ベースプレート２２４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に移動させるためのアクチュエータのアーム２３０に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム２３０と、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ２２３において、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は、アクチュエータのアーム２３０に取り付けられる。１つのアーム２３０にヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、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を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。

図９は、ヘッドアームアセンブリの一例を示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム２３０の一端部にヘッドジンバルアセンブリ２２０が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ための軸２３４に取り付けられる軸受け部２３３が設けられている。

次に、図１０および図１１を参照して、ヘッドスタックアセンブリおよびハードディスク装置の一例について説明する。図１０はハードディスク装置の要部を示す説明図、図１１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。複数のアーム２５２には、複数の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においてアーム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。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（磁気記録媒体）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が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ２５０のコイル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。

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、スライダ２１０を支持すると共にハードディスク２６２に対して位置決めする。

ハードディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、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に含まれる薄膜磁気ヘッド１は、記録部３によって、ハードディスク２６２に情報を記録し、再生部２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。

なお、薄膜磁気ヘッド１は、上述した形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、上述した形態では、基板１１側に読み取り用のＭＲ素子４を形成し、その上に、書き込み用の誘導型電磁変換素子を積層した構造の薄膜磁気ヘッド１について説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。また、上述した実施形態ではＭＲ素子４および誘導型電磁変換素子の両方を有する場合を例に挙げたが、ＭＲ素子４のみを有していてもよい。

本発明の一実施形態による薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図である。 図１に示すＭＲ素子を媒体対向面側から見た図である。 図１に示すＭＲ素子の磁歪低減層の厚さとフリー層の磁歪の関係を示すグラフである。 図１に示すＭＲ素子の磁歪低減層の厚さとフリー層の磁歪の関係を示すグラフである。 図１に示すＭＲ素子の磁歪低減層の厚さとＭＲ比の関係を示すグラフである。 磁歪低減層を持たないフリー層の磁性層の厚さとＭＲ比の関係を示すグラフである。 図１に示す薄膜磁気ヘッドが形成されたウェハの一例の平面図である。 図１に示す薄膜磁気ヘッドを含むスライダの一例の斜視図である。 図８に示すスライダを含むヘッドジンバルアセンブリの斜視図である。 図９に示すヘッドジンバルアセンブリを含むハードディスク装置の要部側面図である。 図９に示すヘッドジンバルアセンブリを含むハードディスク装置の平面図である。 ＭＲ素子の特性の１つである波形対称性を説明するための、外部磁界と出力電圧との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層の磁歪と波形対称性の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 薄膜磁気ヘッド
２ 再生部
３ 記録部
４ 磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
１１ 基板
１２ 下地層
１３ 下部シールド層
１５ 第１上部シールド層
１６ａ，１６ｂ 絶縁層
１７ 下部磁極層（第２上部シールド層）
１８ 記録ギャップ層
１９ 上部磁極層
２０ａ，２０ｂ コイル
２１ 接続部
２２ オーバーコート層
４１ バッファー層
４２ 反強磁性層
４３ ピンド層
４３ａ アウター層
４３ｂ 非磁性中間層
４３ｃ インナー層
４４ スペーサ層
４５ フリー層
４５ａ ７０ＣｏＦｅ膜（磁性層）
４５ｂ Ｈｆ膜（磁歪低減層）
４５ｃ Ｃｏ５０Ｍｎ２６Ｇｅ２４膜（ホイスラー合金層）
４６ キャップ層
４７ 絶縁膜
４８ ハードバイアス膜
１００ ウェハ
１０１ ヘッド要素集合体
１０２ ヘッド要素
２００ エアベアリング面
２１０ スライダ
２２０ ヘッドジンバルアセンブリ
２２１ サスペンション
２２２ ロードビーム
２２３ フレクシャ
２２４ ベースプレート
２３０ アーム
２３１ コイル
２３３ 軸受け部
２３４ 軸
２５０ ヘッドスタックアセンブリ
２５１ キャリッジ
２５２ アーム
２５３ コイル
２６１ スピンドルモータ
２６２ ハードディスク（磁気記録媒体）
２６３ 永久磁石
Ｓ 媒体対向面

Claims (7)

1. 磁化方向が固定されたピンド層と、
   磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、
   前記ピンド層と前記フリー層との間に設けられている非磁性のスペーサ層と、
   を含み、
   前記フリー層は、ホイスラー合金層と、４族元素、５族元素、または６族元素からなる磁歪低減層とを含んでいる
   磁気抵抗効果素子。
2. 前記フリー層は、ＣｏＦｅからなる磁性層をさらに含んでいる、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記ホイスラー合金層はＣｏＭｎＧｅ膜によって構成されている、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁歪低減層は、Ｈｆ膜、Ｔｉ膜、Ｚｒ膜、Ｔａ膜、またはＷ膜によって構成されている、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. 前記磁歪低減層は、０．２ｎｍ以上かつ１．０ｎｍ以下の厚さを有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. ３００℃以下の温度でアニール処理された、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド。

Images