JP3177184B2

JP3177184B2 - 磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置

Info

Publication number: JP3177184B2
Application number: JP11141997A
Authority: JP
Inventors: 裕三上口; 明子斉藤; 和浩斉藤; 英明福澤; 仁志岩崎; 政司佐橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2001-06-18
Anticipated expiration: 2017-04-28
Also published as: JPH1065232A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スピンバルブ膜を
用いた磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよ
び磁気記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、磁気記録媒体に記録された情報
の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドを記録
媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する電
磁誘導でコイルに誘起される電圧を検出する方法によっ
て行われてきた。一方、情報を読み出す場合に、磁気抵
抗効果素子（以下、ＭＲ素子）を用いることも知られて
いる(IEEE MAG-7,150(1971) 等参照）。ＭＲ素子を用い
た磁気ヘッド（以下、ＭＲヘッドと記す）は、ある種の
強磁性体の電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化する
という現象を利用したものである。

【０００３】近年、磁気記録媒体の小型・大容量化が進
められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録
媒体との相対速度が小さくなってきているため、小さい
相対速度であっても大きな出力が取り出せるＭＲヘッド
への期待が高まっている。ここで、ＭＲヘッドの外部磁
界を感知して抵抗が変化する部分（以下、ＭＲエレメン
トと呼ぶ）にはＮｉ−Ｆｅ合金いわゆるパーマロイ系合
金が使用されてきた。しかし、パーマロイ系合金は良好
な軟磁気特性を有するものでも、磁気抵抗変化率が最大
で3%程度であり、小型・大容量化された磁気記録媒体用
のＭＲエレメントとしては磁気抵抗変化率が不十分であ
る。このため、ＭＲエレメント材料として、より高感度
な磁気抵抗効果を示すものが望まれている。

【０００４】このような要望に対して、Ｆｅ／ＣｒやＣ
ｏ／Ｃｕのように、強磁性金属膜と非磁性金属膜とをあ
る条件で交互に積層して、近接する強磁性金属膜間を反
強磁性結合させた多層膜、いわゆる人工格子膜が巨大な
磁気抵抗効果を示すことが確認されている。人工格子膜
によれば、最大で100%を超える大きな磁気抵抗変化率を
示すことが報告されている（Phys.Rev.Lett.,Vol.61,24
74(1988)、Phys.Rev.Lett.,Vol.64,2304(1990) 等参
照）。しかし、人工格子膜は飽和磁界が高いために、Ｍ
Ｒエレメントには不向きである。

【０００５】一方、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサ
ンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合し
ない場合でも、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告
されている。すなわち、非磁性層を挟んだ 2つの強磁性
層の一方に、交換バイアスを及ぼして磁化を固定してお
き、他方の強磁性層を外部磁界（信号磁界等）により磁
化反転させる。これにより、非磁性層を挟んで配置され
た 2つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させ
ることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。この
ようなタイプの多層膜はスピンバルブ膜と呼ばれている
（Phys.Rev.B.,Vol.45,806(1992)、J.Appl.Phys.,Vol.6
9, 4774(1991) 等参照）。スピンバルブ膜の磁気抵抗変
化率は、人工格子膜に比べると小さいものの、低磁場で
磁化を飽和させることができるため、ＭＲエレメントに
適している。このようなスピンバルブ膜を用いたＭＲヘ
ッドには、実用上大きな期待が寄せられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したス
ピンバルブ膜を用いたＭＲ素子においては、強磁性層の
結晶配向性等を高めて軟磁気特性を向上させることが重
要とされている。例えば強磁性層にＣｏやＣｏ系合金の
ようなＣｏ系強磁性体を用いたスピンバルブ膜では、ア
モルファス系材料の上に直接Ｃｏ系強磁性体層を成膜す
ると結晶配向性が低下して、軟磁気特性が劣化してしま
う。そこで、 fcc結晶構造を有する金属膜をバッファ層
として形成し、この金属バッファ層上にＣｏ系強磁性体
層を成膜することによって、結晶配向性を高めることが
検討されている。

【０００７】しかしながら、上記した金属バッファ層と
してＮｉＦｅ合金等の軟磁性材料を用いた場合には、Ｃ
ｏ系強磁性体との間で熱拡散が容易に起こり、磁気抵抗
効果が劣化してしまう。また、スピンバルブ膜の軟磁気
特性を高めて素子感度を向上させるために、外部磁界に
より磁化反転させる強磁性層を種々の軟磁性材料からな
る磁性下地層上に形成することも検討されているが、こ
のような場合にも強磁性層と磁性下地層との間で熱拡散
が起こり、磁気抵抗効果が劣化してしまう。

【０００８】スピンバルブ膜を用いたＭＲ素子の製造プ
ロセスにおいては、熱処理が必須であることから、上述
した熱拡散による磁気抵抗効果の劣化は重大な問題であ
る。このように、従来のスピンバルブ膜を用いたＭＲ素
子は、熱安定性（耐熱性）が低いという問題を有してお
り、熱拡散の抑制による熱安定性の向上が大きな課題と
なっている。

【０００９】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、熱拡散を抑制することによって、熱
安定性に優れた高性能の磁気抵抗効果素子とそれを用い
た磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を提供することを
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明における第１の磁
気抵抗効果素子は、請求項１に記載したように、金属バ
ッファ層上に形成された第１の磁性層と、第２の磁性層
と、前記第１の磁性層と第２の磁性層との間に配置され
た非磁性中間層とを有するスピンバルブ膜を具備する磁
気抵抗効果素子において、前記金属バッファ層と第１の
磁性層との界面に、平均厚さが 2nm以下の原子拡散バリ
ヤ層が設けられていることを特徴としている。

【００１１】第１の磁気抵抗効果素子はさらに、fcc結
晶構造を有する金属バッファ層上に形成されたＣｏを含
む強磁性体からなる第１の磁性層と、第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と第２の磁性層との間に配置された非
磁性中間層とを有するスピンバルブ膜を具備する磁気抵
抗効果素子において、前記金属バッファ層と第１の磁性
層との界面に、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物およ
びフッ化物から選ばれる少なくとも1種を主成分とする
原子拡散バリヤ層が設けられていることを特徴としてい
る。

【００１２】また本発明における第２の磁気抵抗効果素
子は、請求項２に記載したように、磁性下地層と強磁性
体層との積層膜からなる第１の磁性層と、第２の磁性層
と、前記第１の磁性層と第２の磁性層との間に配置され
た非磁性中間層とを有するスピンバルブ膜を具備する磁
気抵抗効果素子において、前記磁性下地層と強磁性体層
との界面に、平均厚さが2nm以下の原子拡散バリヤ層が
設けられていることを特徴としている。

【００１３】第２の磁気抵抗効果素子はさらに、磁性下
地層とＣｏを含む強磁性体層との積層膜からなる第１の
磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と第２の
磁性層との間に配置された非磁性中間層とを有するスピ
ンバルブ膜を具備する磁気抵抗効果素子において、前記
磁性下地層と強磁性体層との界面に、酸化物、窒化物、
炭化物、ホウ化物およびフッ化物から選ばれる少なくと
も1種を主成分とする原子拡散バリヤ層が設けられてい
ることを特徴としている。さらに、本発明の磁気ヘッド
は、上記した本発明の磁気抵抗効果素子を具備すること
を特徴としている。本発明の磁気記録再生ヘッドは、本
発明の磁気ヘッドを有する再生磁気ヘッドと、記録磁気
ヘッドとを具備することを特徴としている。本発明の磁
気記録再生装置は、本発明の磁気記録再生ヘッドと、磁
気記録媒体とを具備することを特徴としている。

【００１４】第１の磁気抵抗効果素子においては、金属
バッファ層と第１の磁性層との界面に、上述したような
原子拡散バリヤ層を設けているため、熱処理時における
金属バッファ層と第１の磁性層との間の原子相互拡散を
良好に抑制することができると共に、金属バッファ層に
よる第１の磁性層の膜質改善効果が得られる。従って、
熱処理後に良好な磁気抵抗効果を安定して得ることがで
き、同時に良好な軟磁気特性を得ることが可能となる。

【００１５】また、第２の磁気抵抗効果素子において
は、磁性下地層と強磁性体層との界面に上述したような
原子拡散バリヤ層を設けているため、同様に熱処理時に
おける磁性下地層と強磁性体層との間の原子相互拡散を
良好に抑制することができる。従って、熱処理後に良好
な磁気抵抗効果を安定して得ることが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１７】まず、本発明の第１の磁気抵抗効果素子
（ＭＲ素子）を実施するための形態について述べる。

【００１８】図１は、第１のＭＲ素子の一実施形態の要
部構成を示す断面図である。同図において、１は第１の
磁性層、２は第２の磁性層であり、これら第１および第
２の磁性層１、２間には非磁性中間層３が介在されてい
る。これら磁性層１、２間は反強磁性結合しておらず、
非結合型の積層膜を構成している。

【００１９】第１および第２の磁性層１、２は、例えば
Ｃｏ単体やＣｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性
体、あるいはＮｉＦｅ合金のような強磁性体等により構
成されている。これらのうち、Ｃｏを含む強磁性体とし
ては、特にＭＲ変化量に影響を及ぼすバルク効果と界面
効果を共に大きくすることができ、これによって大きな
ＭＲ変化量が得られるＣｏ系磁性合金を用いることが好
ましい。

【００２０】上記したようなＣｏ系磁性合金としては、
ＣｏにＦｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉ
ｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｈｆ等の 1種または 2種以上を
添加した合金が挙げられる。添加元素量は 5〜50原子%
とすることが好ましく、さらには 8〜20原子% の範囲と
することが望ましい。これは、添加元素量が少なすぎる
と、バルク効果が十分に増加せず、逆に添加元素量が多
すぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあ
るからである。添加元素は大きなＭＲ変化量を得る上
で、特にＦｅを用いることが好ましい。

【００２１】また、第１および第２の磁性層１、２の膜
厚は、大きなＭＲ変化量が得られ、かつバルクハウゼン
ノイズの発生を抑制し得る、 1〜30nmの範囲とすること
が好ましい。

【００２２】上述した磁性層１、２のうち、第１の磁性
層１は金属バッファ層４上に形成されており、これによ
って第１の磁性層１の結晶配向性の向上による膜質改善
が図られている。第１の磁性層１に上記したようなＣｏ
を含む強磁性体を用いる場合、金属バッファ層４として
は fcc結晶構造を有する金属材料、例えばＮｉＦｅ合
金、ＮｉＦｅＣｏ合金、これら fcc結晶構造の合金にＴ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、
Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ等の添加元素を添加して高抵抗化した合
金等が例示される。これらのうち、ＮｉＦｅ合金やＮｉ
ＦｅＣｏ合金等は、後述する磁性下地層としても機能す
るものである。また、第１の磁性層１にＮｉＦｅ合金等
の強磁性体を用いる場合には、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃ
ｕ、Ａｕ、Ａｇおよびこれらの合金等を金属バッファ層
４として用いることができる。第１の磁性層１は、信号
磁界等の外部磁界により磁化反転する磁性層、いわゆる
フリー磁性層である。

【００２３】そして、第１の磁性層１と金属バッファ層
４との界面には、原子拡散バリヤ層５が形成されてお
り、これによって熱処理時における第１の磁性層１と金
属バッファ層４との間の原子の熱拡散を抑制している。
すなわち、原子拡散バリヤ層５を形成することによっ
て、熱拡散による磁気抵抗効果の劣化を抑制することが
可能となり、ＭＲ素子の熱安定性が向上する。原子拡散
バリヤ層５は、熱的に安定で、第１の磁性層１と金属バ
ッファ層４との間の原子相互拡散を抑えることが必要で
あるが、あまり厚いと金属バッファ層４による膜質改善
効果が得られなくなるため、原子の相互拡散抑制効果に
悪影響を及ぼさない範囲で薄くすることが望ましい。こ
のため、原子拡散バリヤ層５の厚さは、平均厚さで 2nm
以下とされている。ただし、あまり薄すぎると原子拡散
バリヤとしての機能が損われるため、平均厚さで 0.5nm
以上とすることが好ましい。

【００２４】原子拡散バリヤ層５の構成材料としては、
熱的に安定な酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、フッ
化物等を用いることができ、これらは単体として用いる
場合に限らず、混合物や複合化合物等の形態で用いても
よい。これらのうち、特に形成が容易でかつ原子の拡散
抑制機能に優れる自己酸化膜、表面酸化膜、不動態膜等
が好ましく用いられる。これらの化合物からなる原子拡
散バリヤ層５は、金属バッファ層４を形成した後に、そ
の表面を一旦大気に晒したり、あるいは酸素、窒素、炭
素、ホウ素、フッ素等を含む雰囲気中に晒すことによっ
て形成することができる。また、イオン注入法を用いた
り、プラズマに晒す等によっても形成することができ
る。

【００２５】また、原子拡散バリヤ層５を構成する化合
物は、化学量論的に正確な組成でなくてもよく、きれい
な結晶格子を組んでいる必要もなく、またアモルファス
状態であってもよい。さらに、原子拡散バリヤ層５の形
態は、一様に金属バッファ層４の表面を覆っていなけれ
ばならないものではなく、例えばピンホールが形成され
た状態、上記した酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、
フッ化物等が島状に存在した状態等、非連続状態で形成
されていてもよい。原子の相互拡散抑制効果に悪影響を
及ぼさない程度に、ピンホール等があった方がより好ま
しい。これは膜質改善効果や磁気的結合が低減されるお
それがあるからである。以上の点を考慮すると、ピンホ
ールの平均サイズは互いに隣接するピンホール間の距離
と同程度か、それより小さいことが好ましい。

【００２６】一方、第２の磁性層２は、その上に形成さ
れたＩｒＭｎ膜、ＦｅＭｎ膜、ＮｉＯ膜等からなる反強
磁性層６、あるいはＣｏＰｔ膜等からなる硬磁性層によ
り、バイアス磁界が付与されて磁化固着されており、い
わゆるピン磁性層である。なお、このピン磁性層として
の第２の磁性層２は、上記したように強磁性体層の磁化
を反強磁性層６等で磁化固着したものに限らず、例えば
硬磁性層等を直接使用することもできる。

【００２７】ここで、第１の磁性層１および第２の磁性
層２の磁化方向は、ＭＲ素子の線形応答性を向上させる
上で、外部磁界が零の状態で例えば直交させておくこと
が好ましい。このような磁化状態は、例えば以下に示す
ようなアニール処理を施すことによって得ることができ
る。すなわち、 (1)1kＯe 程度の磁場を印加しつつ523K
程度の温度で 1時間程度保持した後、 (2)そのまま1kＯ
e 程度の磁場中で483K程度の温度まで冷却し、 (3)483K
程度の温度となったところで磁場の印加方向を90°回転
させて室温まで冷却する。このようなアニール処理（以
下、直交アニールと呼ぶ）により、直交させた磁化状態
を安定して得ることができる。具体的な磁化方向は、第
１の磁性層１の磁化方向をトラック幅方向とし、第２の
磁性層２の磁化方向を第１の磁性層１の磁化方向と直交
する媒体対向面に対して垂直な方向とすることか好まし
い。

【００２８】また、第１および第２の磁性層１、２に対
するアニール処理は、上記した直交アニールに限らず、
第１および第２の磁性層１、２の結晶性を向上させるた
めにも実施される。この場合には、 100〜400K程度の温
度で 1分〜10時間程度の条件でアニール処理を行う。

【００２９】上述した磁性層１、２間に配置される非磁
性中間層３は、常磁性材料、反磁性材料、反強磁性材
料、スピングラス等により構成されるものである。具体
的にはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはこれらと磁性元素と
を含む常磁性合金、Ｐｄ、Ｐｔおよびこれらを主成分と
する合金等が例示される。ここで、非磁性中間層３の膜
厚は 2〜 5nm程度の範囲に設定することが好ましい。非
磁性中間層３の膜厚が2nmを超えると抵抗変化感度を十
分に得ることができず、また 5nm未満であると磁性層
１、２間の交換結合を十分に小さくすることが困難とな
る。

【００３０】上述した各層によりスピンバルブ積層膜７
が構成されており、このようなスピンバルブ積層膜７を
具備するＭＲ素子においては、第２の磁性層２は磁化固
着されているのに対して、第１の磁性層１は外部磁界に
よって磁化反転するため、非磁性中間層３を挟んで配置
された 2つの磁性層１、２の磁化方向の相対的な角度が
変化して磁気抵抗効果が得られる。

【００３１】上記実施形態のＭＲ素子においては、第１
の磁性層１と金属バッファ層４との界面に、酸化物、窒
化物、炭化物、ホウ化物、フッ化物等からなる原子拡散
バリヤ層５を形成しているため、上述したような直交ア
ニールや結晶性向上のためのアニール処理を施した際
に、第１の磁性層１と金属バッファ層４との間の原子相
互拡散を安定して抑制することができる。また、原子拡
散バリヤ層５の平均厚さを 2nm以下とすることにより、
金属バッファ層４による膜質改善効果も十分に得ること
ができる。このように、上記実施形態のＭＲ素子によれ
ば、金属バッファ層４による膜質改善効果が十分に得ら
れると共に、熱拡散による磁気抵抗効果の劣化が抑制で
きることから、高性能化を達成した上で熱安定性の向上
を図ることが可能となる。

【００３２】次に、本発明の第２の磁気抵抗効果素子
（ＭＲ素子）を実施するための形態について述べる。

【００３３】図２は、第２のＭＲ素子の一実施形態の要
部構成を示す断面図である。図２において、１は第１の
磁性層、２は第２の磁性層であり、これら第１および第
２の磁性層１、２間には非磁性中間層３が介在されてい
る。これら磁性層１、２間は反強磁性結合しておらず、
非結合型の積層膜を構成している。

【００３４】これら磁性層１、２のうち、第１の磁性層
１は第１の実施形態で述べたような強磁性体からなる強
磁性体層１１と各種軟磁性材料からなる磁性下地層１２
との積層膜により構成されている。これらのうち、強磁
性体層１１は磁気抵抗効果に寄与する層であり、磁性下
地層１２は強磁性体層１１の軟磁気特性を向上させる層
である。ここで、前述した強磁性体のうち、特にＣｏや
Ｃｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性体は、それら
単独では良好な軟磁気特性を実現することが難しいこと
から、磁性下地層１２を形成することが特に望ましい材
料である。

【００３５】磁性下地層１２は、 1種の軟磁性材料から
なる軟磁性材料膜で構成してもよいし、また 2種以上の
軟磁性材料膜からなる軟磁性材料積層膜で構成してもよ
い。また、磁性下地層１２の構成材料としては、ＮｉＦ
ｅ合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、これら軟磁性合金にＴｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｗ、Ｒｅ等の添加元素を添加して高抵抗化した合
金、Ｃｏに同様な添加元素を添加してアモルファス化し
た合金、例えばアモルファスＣｏＮｂＺｒ合金等が挙げ
られる。

【００３６】強磁性体層１１と磁性下地層１２との積層
膜からなる第１の磁性層１は、強磁性体層１１が非磁性
中間層３と接するように配置されている。なお、必ずし
もこの配置に限定されるものではないが、大きなＭＲ変
化量を得るためには、上記したような配置とすることが
望ましい。また、強磁性体層１１と磁性下地層１２との
間は直接磁気的に交換結合させ、膜厚方向で見ると磁化
が一体として振舞うことが望ましい。この第１の磁性層
１は、信号磁界等の外部磁界により磁化反転する磁性
層、いわゆるフリー磁性層である。

【００３７】そして、第１の磁性層１における強磁性体
層１１と磁性下地層１２との界面には、原子拡散バリヤ
層５が形成されており、これによって熱処理時における
強磁性体層１１と磁性下地層１２との間の熱拡散を抑制
している。すなわち、原子拡散バリヤ層５を形成するこ
とによって、熱拡散による磁気抵抗効果の劣化を抑制す
ることが可能となり、ＭＲ素子の熱安定性が向上する。
原子拡散バリヤ層５は熱的に安定で、強磁性体層１１と
磁性下地層１２との間の原子相互拡散を抑えることが必
要であるが、あまり厚いと強磁性体層１１と磁性下地層
１２との間の磁気的結合が切れてしまうため、原子の相
互拡散抑制効果に悪影響を及ぼさない範囲で薄くするこ
とが望ましい。このため、原子拡散バリヤ層５の厚さ
は、平均厚さで 2nm以下とされている。ただしあまり薄
すぎると原子拡散バリヤとしての機能が損われるため、
平均厚さで 0.5nm以上とすることが好ましい。

【００３８】原子拡散バリヤ層５の構成材料は、第１の
実施形態で述べた通りであり、第１の実施形態と同様
に、特に形成が容易でかつ原子の拡散抑制機能に優れる
自己酸化膜、表面酸化膜、不動態膜等が好ましく用いら
れる。このような原子拡散バリヤ層５の形成方法につい
ても、第１の実施形態で述べた通りである。

【００３９】また、原子拡散バリヤ層５を構成する化合
物は、化学量論的に正確な組成でなくてもよく、きれい
な結晶格子を組んでいる必要もなく、またアモルファス
状態であってもよい。さらに、原子拡散バリヤ層５の形
態は、一様に金属バッファ層４の表面を覆っていなけれ
ばならないものではなく、例えばピンホールが形成され
た状態、上記した酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、
フッ化物等が島状に存在した状態等、非連続状態で形成
されていてもよい。非連続状態に形成することによっ
て、強磁性体層１１の膜質改善効果や第１の磁性層１の
磁気的結合を、連続して形成するよりも良好に得ること
ができる。

【００４０】特に、強磁性体層１１と磁性下地層１２と
の間の磁気的結合を十分に保つ上で、積極的に前述した
ような化合物による被覆面積を低下させて、原子拡散バ
リヤ層５を非連続状態で形成することが好ましい。ま
た、強磁性体層１１と磁性下地層１２との間の磁気的結
合を十分に保つ上で、原子拡散バリヤ層５を強磁性体や
反強磁性体で形成することも好ましい。原子拡散バリヤ
層５を構成する強磁性体としてはスピネルフェライト、
Ｆｅ_xＮ等が、また反強磁性体としてはＮｉＯ、Ｍｎ_x
Ｎ、ＣｏＯ等が例示される。

【００４１】なお、第２の磁性層２は、前述した第１の
実施形態と同様に、反強磁性層６あるいは硬磁性層によ
りバイアス磁界が付与されて磁化固着された、いわゆる
ピン磁性層である。これら第２の磁性層２および反強磁
性層６の構成は、前述した第１の実施形態と同様であ
り、また非磁性中間層３についても同様である。

【００４２】また、第１の磁性層１および第２の磁性層
２には、前述した第１の実施形態と同様に、直交アニー
ルや結晶性向上のためのアニール処理等が施される。こ
れらアニールの処理の条件は、第１の実施形態で述べた
通りである。

【００４３】上述した各層によりスピンバルブ積層膜１
３が構成されており、このようなスピンバルブ積層膜１
３を具備するＭＲ素子においては、第２の磁性層２は磁
化固着されているのに対して、第１の磁性層１は外部磁
界によって磁化反転するため、非磁性中間層３を挟んで
配置された 2つの磁性層１、２の磁化方向の相対的な角
度が変化して磁気抵抗効果が得られる。

【００４４】上記実施形態のＭＲ素子においては、強磁
性体層１１と磁性下地層１２との界面に、酸化物、窒化
物、炭化物、ホウ化物、フッ化物等からなる原子拡散バ
リヤ層５を形成しているため、上述したような直交アニ
ールや結晶性向上のためのアニール処理を施した際に、
強磁性体層１１と磁性下地層１２との間の原子相互拡散
を安定して抑制することができる。また、原子拡散バリ
ヤ層５の平均厚さを2nm以下とすることによって、強磁
性体層１１と磁性下地層１２との磁気的結合を損うこと
もないため、磁性下地層１２による強磁性体層１１の軟
磁性化効果等を良好に得ることができる。このように、
上記実施形態のＭＲ素子によれば、磁性下地層１２によ
る強磁性体層１１の軟磁性化効果等を十分に得られると
共に、熱拡散による磁気抵抗効果の劣化が抑制できるこ
とから、高性能化を達成した上で熱安定性の向上を図る
ことが可能となる。

【００４５】本発明の磁気抵抗効果素子には、この素子
にセンス電流を供給するための一対のリード電極が接続
形成される。このリード電極の構造および磁気抵抗効果
素子への接続方法は、用いる磁気抵抗効果に応じて、多
数ある公知の技術のいずれかを適用することにより実現
できる。

【００４６】例えば、ピン磁性層およびフリー磁性層と
これらに挟持される非磁性中間層との界面におけるスピ
ン依存散乱を主に用いたスピンバルブＧＭＲ素子では、
一対のリード電極は本発明の磁気抵抗効果素子の両脇端
に電気的に接続形成される。センス電流は非磁性中間層
等の膜面に対して垂直方向に流れる。また、例えば強磁
性トンネル接合による磁気抵抗効果を用いる場合には、
この膜面方向と平行にトンネル電流を流し、このトンネ
ル電流量、電圧変動等を検知する。従って、膜面方向に
センス電流を流すように、一対のリード電極を接続形成
する。例えば、一対のリード電極を磁気抵抗効果素子の
それぞれ下面に接続形成する。あるいは、一方のリード
電極を磁気抵抗効果素子の上面および下面のいずれかに
接続形成し、他方を磁気抵抗効果素子の端部に接続形成
することもできる。

【００４７】さらに、リード電極と硬質磁性膜とを積層
形成して用いることも可能である。この硬質磁性膜はフ
リー磁性層の磁区の発生を抑制するために、フリー磁性
層に縦バイアスを付与するものである。従って、硬質磁
性膜が少なくともフリー磁性層の両脇端に隣接形成され
るアバット(abutt) 方式やフリー磁性層の端部を硬質磁
性膜に積層形成する方式が適用可能である。

【００４８】本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば磁気
記録再生装置の再生用ＭＲヘッドのＧＭＲ素子部として
使用される。また、本発明の磁気抵抗効果素子をＧＭＲ
再生ヘッドに用い、磁気記録へッドと一体に形成するこ
とも可能である。さらに、本発明の磁気抵抗効果素子
は、磁気ヘッドに限らず、ＭＲＡＭ等の磁気記憶装置に
使用することも可能である。

【００４９】磁気記録へッドは、少なくとも一対の磁極
と、媒体対向面において一対の磁極に挟持される磁気ギ
ャップと、一対の磁極に電流磁界を供給する記録コイル
を有する。ＧＭＲヘッドと磁気記録へッドは順次基板上
に積層形成される。記録再生分離型磁気ヘッドでは、磁
気記録へッドの少なくともいずれかの磁極を再生ヘッド
のシールド層として用いることができる。また、記録再
生一体型磁気ヘッドでは、記録ヘッドの磁極を本発明の
磁気抵抗効果素子に媒体磁界を誘導する再生ヨークとし
て用いることができる。この際、磁気抵抗効果素子と再
生ヨークとは磁気的に結合させることができる。これら
のヘッド構造は公知の技術を用いて実現可能である。

【００５０】図３は、上述した実施形態のＧＭＲ素子を
再生ヘッド部に適用した記録再生分離型磁気ヘッドの構
造例を示す図である。図３において２１は基板であり、
この基板２１としてはＡｌ₂Ｏ₃層を有するＡｌ₂Ｏ₃
・ＴｉＣ基板等が用いられる。このような基板２１の主
表面上には、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＳｉＡｌ合金、アモル
ファスＣｏＺｒＮｂ合金等の軟磁性材料からなる下側磁
気シールド層２２が形成されている。下側磁気シールド
層２２上にはＡｌＯ_x等の非磁性絶縁材料からなる下側
再生磁気ギャップ２３を介して、例えば前述した実施形
態で示したスピンバルブ積層膜等のＧＭＲ膜２４が形成
されている。

【００５１】ＧＭＲ膜２４と下側再生磁気ギャップ２３
との間には、ＧＭＲ膜２４にバイアス磁界を印加する一
対のバイアス磁界印加膜２５が、ＧＭＲ膜２４の磁界検
出部すなわち再生トラックの両端部外側に配置されてい
る。また、ＧＭＲ膜２４上には、Ｃｕ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｔ
ａ等からなる一対の電極２６が形成されており、この一
対の電極２６によりＧＭＲ膜２４にセンス電流が供給さ
れる。これらＧＭＲ膜２４、一対のバイアス磁界印加膜
２５および一対の電極２６はＧＭＲ素子部２７を構成し
ている。

【００５２】ＧＭＲ素子部２７上には、下側再生磁気ギ
ャップ２３と同様な非磁性絶縁材料からなる上側再生磁
気ギャップ２８を介して、下側磁気シールド層２２と同
様な軟磁性材料からなる上側磁気シールド層２９が形成
されており、これらにより再生ヘッド部としてのシール
ド型ＧＭＲヘッド３０が構成されている。

【００５３】シールド型ＧＭＲヘッド３０上には、記録
ヘッド部として薄膜磁気ヘッド３１が形成されている。
薄膜磁気ヘッド３１の下側記録磁極は、上側磁気シール
ド層２９と同一の磁性層により構成されている。すなわ
ち、シールド型ＭＲヘッド３０の上側磁気シールド層２
９は、薄膜磁気ヘッド３１の下側記録磁極を兼ねてい
る。この上側磁気シールド層を兼ねる下側記録磁極２９
上には、ＡｌＯ_x等の非磁性絶縁材料からなる記録磁気
ギャップ３２と上側記録磁極３３とが順に形成されて、
記録ヘッド部として薄膜磁気ヘッド２１が構成されてい
る。

【００５４】また、図４は上述した実施形態のＧＭＲ素
子を適用したＭＲＡＭの一構造例を示す図である。同図
に示すＭＲＡＭ４０は、ガラス基板やＳｉ基板等の基板
４１上に形成されたＧＭＲ膜４２を有している。このＧ
ＭＲ膜４２は、例えば前述した実施形態で示したスピン
バルブ積層膜からなるものである。ＧＭＲ膜４２の上部
には、絶縁層４３を介して書き込み電極４４が設けられ
ている。また、ＧＭＲ膜４２の両端部には、Ａｕ等から
なるシャント層４５を介して一対の読み出し電極４６が
設けられている。このようにして、ＭＲＡＭ４０が構成
されている。

【００５５】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について述べ
る。

【００５６】実施例１熱酸化Ｓｉ基板上にスパッタ法によって、まず磁性下地
層１２として膜厚10nmのアモルファスＣｏＮｂＺｒ合金
膜と膜厚 2nmのＮｉＦｅ合金膜を順に成膜した。ここ
で、ＮｉＦｅ合金膜は金属バッファ層４を兼ねるもので
ある。

【００５７】上記ＮｉＦｅ合金膜を形成した後に、一旦
その表面を大気に晒し、ＮｉＦｅ合金膜上に不動態膜を
原子拡散バリヤ層として形成した。なお、この不動態膜
の状態を断面ＴＥＭで調べたところ、平均厚さは約 1nm
であり、また形成状態は島状不連続であった。

【００５８】次に、表面に不動態膜を形成したＮｉＦｅ
合金膜上に、強磁性体層１１として膜厚 3nmのＣｏ₉₀Ｆ
ｅ₁₀合金膜、非磁性中間層３として膜厚 3nmのＣｕ膜、
第２の磁性層２として膜厚 3nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜、
反強磁性層６として膜厚10nmのＩｒＭｎ合金膜、保護層
として膜厚 5nmのＴａ膜を順に積層して、スピンバルブ
積層膜１３（７）を作製した。

【００５９】一方、本発明との比較例１として、ＮｉＦ
ｅ合金膜を形成した後にその表面を大気に晒すことな
く、全層を真空チャンバ内で連続して成膜する以外は、
上記実施例１と同様にしてスピンバルブ積層膜を作製し
た。この比較例１のスピンバルブ積層膜では、ＮｉＦｅ
合金膜とＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜との界面に原子拡散バリヤ
層は形成されていない。

【００６０】上記した実施例１および比較例１による各
スピンバルブ積層膜をパターニングした後、それぞれ52
3Kでアニール処理した。このようにして得た各ＭＲ素子
のＭＲ変化率を測定した。ＭＲ変化率は 2時間のアニー
ル後、10時間のアニール後、50時間のアニール後、およ
び 100時間のアニール後にそれぞれ測定し、これらの測
定結果から実施例によるＭＲ素子と比較例によるＭＲ素
子の熱安定性を比較した。各アニール時間経過後のＭＲ
変化率の測定結果を表１に示す。

【００６１】

【表１】表１から分かるように、一括成膜してＮｉＦｅ合金膜／
Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜界面に原子拡散バリヤ層を形成して
いない比較例１では、成膜直後のＭＲ変化率は6.9%と比
較的良好であるものの、 2時間のアニール後にＭＲ変化
率が急激に減少している。そして、その後もアニール時
間の経過に伴ってＭＲ変化率が減少し続け、 100時間の
アニール後にはＭＲ変化率が4.9%まで減少した。これは
ＮｉＦｅ合金膜／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜界面に原子拡散を
抑えるバリヤ層が存在していないために、アニールによ
り層間の原子相互拡散が進行し、これによってＭＲ変化
率が減少したものと考えられる。このように、比較例１
のＭＲ素子は熱安定性（耐熱性）の低いものであった。

【００６２】一方、ＮｉＦｅ合金膜の形成後に一旦大気
に晒してＮｉＦｅ合金膜／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜界面に原
子拡散バリヤ層を形成した実施例１では、成膜直後の特
性は比較例１より低いものの、 2時間のアニール後には
ＭＲ変化率が8.0%まで上昇した。これは 2時間のアニー
ル処理により各層の結晶性等が向上すると共に、ＮｉＦ
ｅ合金膜／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜界面の原子拡散が原子拡
散バリヤ層により抑えられたためであると考えられる。
さらに、長時間のアニールを行っても、ＭＲ変化率は8.
0%から減少せず、ＮｉＦｅ合金膜／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜
界面の原子拡散が抑えられていることが分かる。このよ
うに、実施例１のＭＲ素子は熱安定性（耐熱性）に優れ
るものであった。

【００６３】実施例２熱酸化Ｓｉ基板上にプラズマスパッタ法によって、まず
磁性下地層１２として膜厚10nmのアモルファスＣｏＮｂ
Ｚｒ合金膜と膜厚 2nmのＮｉＦｅ合金膜を順に成膜し
た。ここで、ＮｉＦｅ合金膜は金属バッファ層４を兼ね
るものである。

【００６４】上記ＮｉＦｅ合金膜を形成した後に一旦プ
ラズマを消し、真空チャンバ内に酸素を 20%混合したア
ルゴンガスを導入し、ＮｉＦｅ合金膜の表面に酸化膜を
原子拡散バリヤ層として形成した。この際、酸素とアル
ゴンとの混合ガスの導入圧力や時間を制御することによ
って、表面酸化膜の厚さを種々変化させた。得られた表
面酸化膜の平均厚さは以下の表２に示す通りである。な
お、表中の比較例２は表面酸化膜の厚さを本発明の範囲
外としたものである。

【００６５】

【表２】なお、表２に示した表面酸化膜の厚さは平均厚さであ
り、その厚さの酸化膜が均質に形成されているとは限ら
ない。このため、表面酸化膜の平均厚さが 0.3nmの実施
例２の No1の試料では、表面酸化膜に比較的多数のピン
ホールが存在していた。

【００６６】次に、表面酸化膜を形成した各ＮｉＦｅ合
金膜上に、それぞれ強磁性体層１１として膜厚 3nmのＣ
ｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜、非磁性中間層３として膜厚 3nmのＣ
ｕ膜、第２の磁性層２として膜厚 2nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合
金膜、反強磁性層６として膜厚 8nmのＩｒＭｎ合金膜、
保護層として膜厚 5nmのＴａ膜を順に積層して、それぞ
れスピンバルブ積層膜１３（７）を作製した。

【００６７】上記した実施例２および比較例２による各
スピンバルブ積層膜をパターニングした後、それぞれ52
3Kで 2時間アニール処理した。このようにして得た各Ｍ
Ｒ素子のＭＲ変化率を、成膜直後および 2時間のアニー
ル後にそれぞれ測定した。これらの測定結果を表３に示
す。

【００６８】

【表３】実施例２による各ＭＲ素子は、いずれも 2時間のアニー
ル後にＭＲ変化率が上昇しており、表面酸化膜からなる
原子拡散バリヤ層の効果が確認された。ただし、表面酸
化膜の厚さが薄い試料ではＭＲ変化率の上昇があまり大
きくはなく、若干原子相互拡散が起っていたものと推定
されるが、表面酸化膜の厚さを 1nmとした試料では良好
なＭＲ変化率が得られている。

【００６９】一方、比較例２によるＭＲ素子は、 2時間
のアニール後に若干ＭＲ変化率が上昇しているものの、
当初（成膜直後）のＭＲ変化率が小さいために、結果と
して十分なＭＲ変化率が得られていない。これは表面酸
化膜の厚さを厚くしすぎたために、磁性下地層および金
属バッファ層の効果が得られなくなったためと考えられ
る。また、 fcc配向性が十分に得られず、さらに磁性下
地層との磁気的結合が切れているため、軟磁気特性が劣
化して保磁力Ｈ_cが 3Ｏe であった。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、金
属バッファ層と磁性層、あるいは磁性下地層と強磁性体
層との間の熱拡散を抑制できることから、高性能で熱安
定性に優れた磁気抵抗効果素子を提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の磁気抵抗効果素子の一実施形
態の要部構造を示す断面図である。

【図２】本発明の第２の磁気抵抗効果素子の一実施形
態の要部構造を示す断面図である。

【図３】本発明の磁気抵抗効果素子を使用した記録再
生分離型磁気ヘッドの一構成例を示す断面図である。

【図４】本発明の磁気抵抗効果素子を使用したＭＲＡ
Ｍの一構成例を示す断面図である。

【符号の説明】

１……第１の磁性層２……第２の磁性層３……非磁性中間層４……金属バッファ層５……原子拡散バリヤ層７、１３……スピンバルブ膜１１…強磁性体層１２…磁性下地層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福澤英明神奈川県川崎市幸区堀川町72 株式会社東芝川崎事業所内 (72)発明者岩崎仁志神奈川県川崎市幸区堀川町72 株式会社東芝川崎事業所内 (72)発明者佐橋政司神奈川県川崎市幸区堀川町72 株式会社東芝川崎事業所内 (56)参考文献特開平８−279119（ＪＰ，Ａ) 特開平10−261209（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 G11B 5/39 H01F 10/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属バッファ層上に形成された第１の磁
性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と第２の磁
性層との間に配置された非磁性中間層とを有するスピン
バルブ膜を具備する磁気抵抗効果素子において、前記金属バッファ層と第１の磁性層との界面に、平均厚
さが2nm以下の原子拡散バリヤ層が設けられていること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】磁性下地層と強磁性体層との積層膜から
なる第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性
層と第２の磁性層との間に配置された非磁性中間層とを
有するスピンバルブ膜を具備する磁気抵抗効果素子にお
いて、前記磁性下地層と強磁性体層との界面に、平均厚さが2n
m以下の原子拡散バリヤ層が設けられていることを特徴
とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の磁気抵抗
効果素子において、前記原子拡散バリヤ層は0.3nm以上2nm以下の平均厚さを
有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】請求項１または請求項３記載の磁気抵抗
効果素子において、前記金属バッファ層はfcc結晶構造を有する金属材料か
らなり、かつ前記第１の磁性層はＣｏを含む強磁性体か
らなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】請求項２または請求項３記載の磁気抵抗
効果素子において、前記磁性下地層はfcc結晶構造を有する金属材料からな
り、かつ前記強磁性体層はＣｏを含む強磁性体からなる
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項
記載の磁気抵抗効果素子において、前記原子拡散バリヤ層は、酸化物、窒化物、炭化物、ホ
ウ化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも1種を主
成分とすることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項
記載の磁気抵抗効果素子において、前記原子拡散バリヤ層にはピンホールが形成されている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】請求項１ないし請求項６のいずれか１項
記載の磁気抵抗効果素子において、前記原子拡散バリヤ層は島状に存在した状態で形成され
ていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】請求項２記載の磁気抵抗効果素子におい
て、前記原子拡散バリヤ層は、強磁性体または反強磁性体か
らなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】請求項１ないし請求項８のいずれか１
項記載の磁気抵抗効果素子において、前記原子拡散バリヤ層は、金属酸化物により構成されて
いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】金属バッファ層と、前記金属バッファ層と接するように配置された第１の磁
性層と、前記第１の磁性層上に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層との間に前記非磁性中間層が介在する
ように、前記非磁性中間層上に形成された第２の磁性層
と、前記金属バッファ層と前記第１の磁性層との間に配置さ
れ、Ｆｅ_xＮおよびスピネルフェライトから選ばれる少
なくとも1種を主成分とする界面層とを具備することを
特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】金属バッファ層と、前記金属バッファ層と接するように配置された第１の磁
性層と、前記第１の磁性層上に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層との間に前記非磁性中間層が介在する
ように、前記非磁性中間層上に形成された第２の磁性層
と、前記金属バッファ層と前記第１の磁性層との間に配置さ
れ、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物およびフッ化物
から選ばれる少なくとも1種を主成分とし、かつ0.3nm以
上2nm以下の平均厚さを有する界面層とを具備すること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】金属バッファ層と、前記金属バッファ層と接するように配置された第１の磁
性層と、前記第１の磁性層上に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層との間に前記非磁性中間層が介在する
ように、前記非磁性中間層上に形成された第２の磁性層
と、前記金属バッファ層と前記第１の磁性層との間に配置さ
れ、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物およびフッ化物
から選ばれる少なくとも1種を主成分とすると共に、ピ
ンホールを有する界面層とを具備し、前記ピンホールの平均サイズは、隣接するピンホール間
の距離と同等もしくはそれ以下であることを特徴とする
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ
およびこれらを含む合金からなる金属バッファ層と、前記金属バッファ層と接するように配置された第１の磁
性層と、前記第１の磁性層上に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層との間に前記非磁性中間層が介在する
ように、前記非磁性中間層上に形成された第２の磁性層
と、前記金属バッファ層と前記第１の磁性層との間に配置さ
れ、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物およびフッ化物
から選ばれる少なくとも1種を主成分とする界面層とを
具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】請求項１ないし請求項１４のいずれか
１項記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とす
る磁気ヘッド。
【請求項１６】請求項１５記載の磁気ヘッドを有する
再生磁気ヘッドと、記録磁気ヘッドとを具備することを
特徴とする磁気記録再生ヘッド。
【請求項１７】請求項１６記載の磁気記録再生ヘッド
と、磁気記録媒体とを具備することを特徴とする磁気記
録再生装置。