JP3181512B2

JP3181512B2 - デュアルスピンバルブ型素子および薄膜磁気ヘッド

Info

Publication number: JP3181512B2
Application number: JP24204396A
Authority: JP
Inventors: 正路斎藤; 利徳渡辺
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: JPH1091921A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピン（Pinned）磁
性層の磁化の方向と外部磁界の影響を受けるフリー（Fr
ee）磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化する
いわゆるデュアルスピンバルブ型素子および薄膜磁気ヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果型読み取りヘッドには、磁
気抵抗効果を示す素子を用いたＭＲ（Magnetoresistiv
e）ヘッドと巨大磁気抵抗効果を示す素子を利用したＧ
ＭＲ（Giant Magnetoresistive）ヘッドとがある。前記
ＭＲヘッドは、磁気抵抗効果を示す磁性体が単層構造と
なっている。一方、ＧＭＲヘッドは、磁気抵抗効果を示
す層が複数の材料を組み合せた多層構造で形成されてい
る。巨大磁気抵抗効果を生み出す構造にはいくつかの種
類があるが、そのなかで比較的構造が単純で、外部磁界
に対して抵抗変化率の高いものとしてスピンバルブ方式
がある。スピンバルブ方式にはシングルスピンバルブ方
式とデュアルスピンバルブ方式とがある。

【０００３】図８はシングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘ
ッドを示すものであり、下からフリー（Free）磁性層
１，非磁性導電層２，ピン（Pinned）磁性層３及び反強
磁性層４の４層で構成されている。また、両側に位置す
る符号５，５はハードバイアス層である。６，７はＴａ
（タンタル）などの非磁性材料で形成された下地層及び
保護層で、８は導電層である。前記ピン磁性層３の保磁
力はフリー磁性層１の保磁力に比べて高く設定されてい
る。ピン磁性層３と反強磁性層４とが接して形成され、
前記ピン磁性層３は、前記反強磁性層４との界面での交
換結合による交換異方性磁界により、Ｙ方向へ単磁区化
され、磁化の方向がＹ方向へ固定される。前記交換異方
性磁界は、磁界を与えながら熱処理を施すことにより前
記反強磁性層４と前記ピン磁性層３の界面において生じ
る。

【０００４】また、Ｘ方向に磁化されているハードバイ
アス層５の影響を受け前記フリー磁性層１の磁化方向は
Ｘ方向へ揃えられている。ハードバイアス層５によりフ
リー磁性層１が所定方向に単磁区化されることによっ
て、バルクハウゼンノイズの発生を防止することができ
る。このシングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドでは、
導電層８からフリー磁性層１、非磁性導電層２及びピン
磁性層３に定常電流が与えられる。ハードディスクなど
の磁気記録媒体の走行方向はＺ方向であり、前記磁気記
録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー
磁性層１の磁化の方向がＸ方向からＹ方向へ向けて変化
する。このフリー磁性層１内での磁化の方向の変動と、
ピン磁性層３の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化
し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁
気記録媒体からの洩れ磁界が検出される。

【０００５】次に、図１はデュアルスピンバルブ型薄膜
磁気ヘッドを示す断面図である。デュアルスピンバルブ
型では、フリー磁性層１を中心にして上下対象に、非磁
性導電層２，２、ピン磁性層３，３及び反強磁性層４，
４が積層されている。前記フリー磁性層１の磁化の方向
はハードバイアス層５によりＸ方向に揃えられ、前記ピ
ン磁性層３，３の磁化の方向は、前記ピン磁性層３，３
と反強磁性層４，４との界面での交換異方性磁界による
交換結合で、Ｙ方向に単磁区化されて固定されている。

【０００６】前記記録媒体からのＹ方向の洩れ磁界によ
り、前記フリー磁性層１の磁化方向がＸ方向からＹ方向
へ向けて変化することにより、電気抵抗値が変化する。
スピンバルブ型の薄膜磁気ヘッドでは、フリー磁性層１
の磁化方向がＸ方向からＹ方向へ向けて変化すると、フ
リー磁性層１とピン磁性層３との間で片方の層から他方
の層へ移動しようとする電子が、非磁性導電層２とフリ
ー磁性層１との界面、または非磁性導電層２とピン磁性
層３との界面で散乱を起すことにより電気抵抗が変化
し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁
気記録媒体からの洩れ磁界が検出される。

【０００７】フリー磁性層１の磁化の方向とピン磁性層
３の磁化の方向との角度が最も大きくなったとき、すな
わち反平行になったときに前記電気抵抗は最大値を示
し、前記フリー磁性層１の磁化の方向と前記ピン磁性層
３の磁化の方向が同じになったときに前記電気抵抗は最
少値を示す。記録媒体からの洩れ磁界が与えられたとき
に、抵抗変化率｛（最大電圧値―最少電圧値）／最少電
圧値｝が大きくなればなるほど、薄膜磁気ヘッドの特性
は良好になる。

【０００８】図８に示すシングルスピンバルブ型薄膜磁
気ヘッドでは、電子散乱が起こる場所が、非磁性導電層
２とフリー磁性層１との界面、及び非磁性導電層２とピ
ン磁性層３との界面の２箇所であるのに対し、図１に示
すデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドでは、電子散
乱が起こる場所が、非磁性導電層２とフリー磁性層１と
の２箇所の界面と、非磁性導電層２とピン磁性層３との
２箇所の界面の計４箇所であるため、デュアルスピンバ
ルブ型薄膜磁気ヘッドの方がシングルスピンバルブ型薄
膜磁気ヘッドに比べて抵抗変化率が大きくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記フリー磁性層１及
びピン磁性層３としては例えばＦｅＮｉ（鉄―ニッケ
ル）系合金膜、非磁性導電層２としてはＣｕ（銅）膜が
一般に使用される。また、図８に示す従来のシングルス
ピンバルブ型薄膜磁気ヘッドでは、反強磁性層４を構成
する反強磁性材料として、ＦｅＭｎ（鉄―マンガン）合
金膜が一般的に用いられている。しかし、前記ＦｅＭｎ
膜は腐食しやすく、水分を含む空気中にさらしておくと
急速に錆びを発生する欠点がある。また、反強磁性材料
のＦｅＭｎ合金膜と、ピン磁性層であるＦｅＮｉ合金膜
との交換結合でのブロッキング温度は約１５０℃程度と
低いものであり、薄膜磁気ヘッド動作中に自己発熱や環
境温度によりヘッドの温度が高くなると、交換異方性磁
界が弱くなり、検出出力でのノイズが大きくなる欠点が
ある。

【００１０】また、前記ＦｅＭｎ合金に代わる反強磁性
材料としてＩｒＭｎ（イリジウム―マンガン）合金膜、
ＲｈＭｎ（ロジウム―マンガン）合金膜などがある。し
かし、前記ＦｅＭｎ（鉄−マンガン）合金膜，ＩｒＭｎ
（イリジウム―マンガン）合金膜，ＲｈＭｎ（ロジウム
―マンガン）合金膜などは、ピン磁性層３を構成するＦ
ｅＮｉ合金などの強磁性材料の上に重ねて成膜されたと
きにはピン磁性層３との界面において交換結合を発揮で
きるが、これらの反強磁性材料は下地層の影響を受けや
すく、また反強磁性材料の上面付近が反強磁性の性質を
発揮しづらい特徴を有しているため、反強磁性材料の上
にピン磁性層３が重ねられて成膜された場合には交換結
合を発揮できない性質を有している。

【００１１】このように、上記に列記した反強磁性材料
は、ピン磁性層３に対して上か下の一方に積層されたと
きにしか有効な交換結合を発揮できない。よって、図１
に示すデュアルスピンバルブ型のように、反強磁性層
４，４がピン磁性層３，３の上と下の双方に成膜される
構造では、前記反強磁性材料を使用することができな
い。また、ピン磁性層３に対して上下どちらに形成され
ても交換異方性磁界を得ることができる材料として、Ｎ
ｉＭｎ（ニッケル―マンガン）合金がある。この反強磁
性材料は、ピン磁性層３の上と下の双方に成膜できるた
め、図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッド
に使用可能である。

【００１２】ところがこのＮｉＭｎ合金膜と、ＦｅＮｉ
系合金膜（ピン磁性層３）との間で有効な交換結合を発
揮させるためには、比較的高い温度での加熱処理（アニ
ール）が必要になる。すなわち、交換異方性磁界を発生
させるためには、反強磁性層４およびピン磁性層３を接
合して成膜した後に、磁界を与え且つ熱処理を行うこと
が必要であるが、反強磁性層４がＮｉＭｎ合金膜で、ピ
ン磁性層３がＦｅＮｉ系合金の場合、有効な交換異方性
結合を発揮させるための熱処理温度は約２５０℃以上の
かなり高い温度が必要である。ところが、２５０℃以上
の高温の熱処理を行うと、ＦｅＮｉ合金膜で形成されて
いるフリー磁性層１及びピン磁性層３と、Ｃｕで形成さ
れている非磁性導電層２の界面において、金属元素の拡
散が発生し、フリー磁性層１と非磁性導電層２との界面
および、ピン磁性層３と非磁性導電層２との界面での電
子拡散による磁気抵抗効果に影響が出て、外部磁界に対
する抵抗変化率が低下する問題がある。

【００１３】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、反強磁性層をＰｔＭｎ（白金−マンガン）
合金などで形成することにより、前記反強磁性層がピン
磁性層の上下どちらに形成されても、有効な交換異方性
磁界を得ることができるデュアルスピンバルブ型素子お
よび薄膜磁気ヘッドを提供することを目的としている。

【００１４】また本発明は、反強磁性膜による交換結合
を発揮させるための熱処理温度を低くできるようにし
て、フリー磁性層及びピン磁性層と、非磁性導電層との
界面での拡散を防止でき、高い抵抗変化率を得ることが
できるデュアルスピンバルブ型素子および薄膜磁気ヘッ
ドを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のデュアルスピン
バルブ型素子は、フリー磁性層の上下に積層された非磁
性導電層と、一方の前記非磁性導電層の上および他方の
非磁性導電層の下に位置するピン磁性層と、一方の前記
ピン磁性層の上および他方のピン磁性層の下に位置して
交換異方性磁界によりそれぞれのピン磁性層の磁化方向
を一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性
層の磁化方向を前記ピン磁性層の磁化方向と交叉する方
向に揃えるバイアス層とを有し、前記反強磁性層がＰｔ
Ｍｎ（白金−マンガン）合金で形成されていることを特
徴とするものである。

【００１６】また、前記ＰｔＭｎ合金の膜組成は、Ｐｔ
が４４〜５１ａｔ％で、Ｍｎが４９〜５６ａｔ％の範囲
であることが好ましい。

【００１７】さらに、反強磁性層を、ＰｔＭｎ合金に代
えて、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，
Ｉｒ，Ｆｅ，Ｃｏ）合金、あるいはＰｄＭｎ合金により
形成することも可能である。

【００１８】また本発明は、前記デュアルスピンバルブ
型素子を用いた薄膜磁気ヘッドである。

【００１９】上記において、前記フリー磁性層及び前記
ピン磁性層は、例えば、ＦｅＮｉ（鉄―ニッケル）合金
で形成される。また、前記フリー磁性層及び前記ピン磁
性層をＣｏ（コバルト），Ｆｅ―Ｃｏ合金，Ｆｅ―Ｃｏ
―Ｎｉ合金で形成することも可能である。

【００２０】本発明では、反強磁性層を構成する反強磁
性材料としてＰｔＭｎ合金膜またはこれと同等の性質の
ＰｄＭｎ合金膜を用いている。これらの反強磁性材料
は、ピン磁性層を構成する強磁性材料の上と下のどちら
に重ねられても、ピン磁性層との界面で有効な交換異方
性磁界を発揮することができる。よって、フリー磁性層
の上下対称位置にピン磁性層が設けられ、一方のピン磁
性層の上と他方のピン磁性層の下に反強磁性層が設けら
れるデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドを、前記反
強磁性材料を用いて構成した場合に、充分な磁気抵抗効
果を得ることができる。

【００２１】また前記反強磁性層としてＰｔＭｎ合金膜
またはＰｄＭｎ合金膜を使用すると、成膜後の熱処理温
度が２３０℃以下でも十分な交換異方性磁界を得ること
ができる。そのため、前記熱処理において、非磁性導電
層と、ピン磁性層及びフリー磁性層との界面での拡散を
防止でき、外部磁界に対して高い抵抗変化率を得ること
ができる。

【００２２】また、ＰｔＭｎ合金膜は、ＦｅＭｎ合金膜
やＮｉＭｎ合金膜に比べて耐食性が優れており、スピン
バルブ型薄膜磁気ヘッド製造工程における各種の溶剤や
洗浄剤においても腐食が全く進行せず、過酷な環境下で
のスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドの動作においても化学
的に安定している。

【００２３】さらに、ＰｔＭｎ合金膜とピン磁性層とが
接することにより得られた交換異方性磁界は熱的に極め
て安定であり、ブロッキング温度が３８０℃程度に高
く、よって薄膜磁気ヘッドの動作時の温度が高くなって
も、安定した交換異方性磁界を発生でき、読取り精度が
安定する。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は本発明のデュアルスピンバ
ルブ型薄膜磁気ヘッドの構造を示す断面図である。この
薄膜磁気ヘッドは、ハードディスク装置に設けられる浮
上式スライダのトレーリング側端部などに設けられるも
のであり、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方
向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向
はＹ方向である。

【００２５】図１の最も下に形成されているのはＴａ
（タンタル）などの非磁性材料で形成された下地層６で
ある。この下地層６上に、ＰｔＭｎ（白金―マンガン）
合金で形成された反強磁性層４、ＦｅＮｉ（鉄―ニッケ
ル）系合金で形成されたピン磁性層３が積層されてい
る。前記ピン磁性層３上に、Ｃｕ（銅）などの非磁性導
電層２が形成され、前記非磁性導電層２上にＦｅＮｉ系
合金のフリー磁性層１が形成される。さらに前記フリー
磁性層１上に、非磁性導電層２、ピン磁性層３及び反強
磁性層４が連続して積層され、さらにＴａなどの保護層
７が形成されている。

【００２６】前記反強磁性層４とピン磁性層３とが積層
された状態で、所定の大きさの磁界中で熱処理を施すこ
とにより、前記両層の界面で交換異方性磁界が得られ、
前記ピン磁性層の磁化の方向がＹ方向に単磁区化され固
定される。反強磁性層４をＰｔＭｎ合金で形成し、ピン
磁性層３をＦｅＮｉ系合金で形成した場合、反強磁性層
４がピン磁性層３の下に形成されているときと、反強磁
性層４の上に形成されているときの双方において交換結
合が可能になる。なお、前記ピン磁性層３をＣｏ（コバ
ルト），Ｆｅ―Ｃｏ（鉄―コバルト）合金，Ｆｅ―Ｃｏ
―Ｎｉ（鉄―コバルト―ニッケル）合金で形成しても、
反強磁性層４との界面で交換異方性磁界を得ることがで
きる。

【００２７】下地層６から保護層７までの多層膜がスパ
ッタにより成膜され、所定断面形状にエッチングされた
後に、前記フリー磁性層１にバイアス磁界を与えるハー
ドバイアス層５が形成されている。前記ハードバイアス
層５はＸ方向に磁化され、フリー磁性層１の磁化がＸ方
向に揃えられる。また、ハードバイアス層５，５の上に
Ｗ（タングステン），Ｃｕ（銅）などにより形成された
導電層８，８が形成される。

【００２８】このようにして形成されたデュアルスピン
バルブ型薄膜磁気ヘッドでは、導電層８からフリー磁性
層１、非磁性導電層２及びピン磁性層３に定常電流が与
えられ、しかも記録媒体からＹ方向へ磁界が与えられる
と、フリー磁性層１の磁化の方向がＸ方向からＹ方向へ
向けて変化する。このとき、フリー磁性層１とピン磁性
層３のうち片方の層から他方へ移動しようとする電子
が、非磁性導電層２とフリー磁性層１との界面、または
非磁性導電層２とピン磁性層３との界面で散乱を起し、
電気抵抗が変化する。よって定常電流が変化し、検出出
力を得ることができる。本発明で反強磁性層４に用いた
ＰｔＭｎ合金は、ＦｅＭｎ（鉄―マンガン）合金やＮｉ
Ｍｎ（ニッケル―マンガン）合金に比べて耐食性に優れ
ている。よって腐食によるヘッド特性の劣化を防止でき
る。

【００２９】

【実施例】以下反強磁性層としてＰｔＭｎ合金膜を使用
した多層膜および、この多層膜を使用したデュアルスピ
ンバルブ型薄膜磁気ヘッドの実施例を説明する。Ｘ方向
の素子幅（トラック幅）が２．２μｍ、Ｙ方向の素子長
さ（ＭＲハイト）が１．５μｍの、デュアルスピンバル
ブ素子（図１）及びシングルスピンバルブ素子（図８）
を成膜した。

【００３０】デュアルスピンバルブ素子の膜構成は、シ
リコン（Ｓｉ）基板の上に非磁性材料としてアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）を成膜し、その上に図１と同様に、下地層
６から保護層７の順に成膜されたものであり、その構成
膜材料は、Ｔａ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｎ
ｉＦｅ（４ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（７
ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／Ｐ
ｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）である。なおカッ
コ内は膜厚である。シングルスピンバルブ素子の膜構成
は、シリコン基板の上にアルミナの膜を形成し、その上
に、図８と上下逆の層を成膜したものであり、下から下
地層／反強磁性層／ピン磁性層／非磁性導電層／フリー
磁性層／保護層の順であり、具体的な材料としては、下
から、Ｔａ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／ＮｉＦ
ｅ（４ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（８ｎ
ｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）とした。

【００３１】また、デュアルスピンバルブ膜と、シング
ルスピンバルブ膜の双方において、反強磁性層となるＰ
ｔＭｎ膜の膜組成を、Ｐｔが４８原子％（ａｔ％）、Ｍ
ｎが５２原子％（ａｔ％）のものとした（Ｐｔ₄₈Ｍ
ｎ₅₂）。上記の成膜は、合金ターゲットを用いＤＣマグ
ネトロンスパッタにより行った。前記デュアルスピンバ
ルブ素子において、２３０℃の熱処理を施すことによ
り、反強磁性層４であるＰｔＭｎ合金膜からピン磁性層
３のＦｅＮｉ合金膜に与えられる交換結合磁界（Ｈｅ
ｘ）が４７０（Ｏｅ）、ピン磁性層３の保磁力（Ｈｃ）
が２４０（Ｏｅ）であった。

【００３２】また、図１及び図８に示すように、前記デ
ュアルスピンバルブ素子の両側には、厚さ３０ｎｍのＣ
ｏＰｔ合金膜をハードバイアス層５として成膜し、シン
グルスピンバルブ素子の両側には、前記ＣｏＰｔ合金膜
をハードバイアス層５として厚さ２０ｎｍにて成膜し
た。また、前記ハードバイアス層５は、残留磁気（Ｍ
ｒ）が０．９Ｔ（テスラ）で、保磁力が１３００（Ｏ
ｅ）であった。また５ｍｍ×２５ｍｍのシリコン基板上
に前記多層膜を形成した場合、前記デュアルスピンバル
ブ素子では、抵抗変化率が６．２％、シート抵抗が１
０．８Ω／ｍ2、前記シングルスピンバルブ素子では、
抵抗変化率が３．９％、シート抵抗が１６．３Ω／ｍ²
であった。

【００３３】前記のようにデュアルスピンバルブ素子の
抵抗変化率がシングルスピンバルブ素子の抵抗変化率に
比べて高くなっている。これはフリー磁性層１の上側と
下側の双方に形成されているピン磁性層３，３が共にＹ
方向へ磁化が固定されていることを意味し、これはピン
磁性層３の下側に形成されたＰｔＭｎ合金の反強磁性層
４と、ピン磁性層３の上側に形成されたＰｔＭｎ合金の
反強磁性層４の双方が、ピン磁性層３，３との界面で交
換結合を発揮していることを意味している。次に素子幅
（トラック幅Ｔｗ）が２．２μｍ、素子長さ（ＭＲハイ
トｈ）が１．５μｍの、デュアルスピンバルブ素子及び
シングルスピンバルブ素子に対し、５ｍＡの定常電流
（Ｉｓ）を与え、Ｙ方向から外部磁界を与え、この外部
磁界を変化させて、定常電流Ｉｓから電圧の変化（抵抗
変化に比例する）を測定した。

【００３４】図２は、横軸に外部磁界の大きさをとり、
縦軸に、デュアルスピンバルブ素子に与えられた定常電
流に基づく電圧の変化（ΔＶ）をとったものであり、
（Ａ）は外部磁界の±２Ｋ（Ｏｅ）の範囲での変化を横
軸にとったメジャーループで、（Ｂ）は、外部磁界の±
２００（Ｏｅ）の範囲での変化を横軸にとったマイナー
ループである。

【００３５】図２（Ａ）のメジャーループから、デュア
ルスピンバルブ素子の電圧変化は４．４ｍＶであり、抵
抗変化率は３．５％であった。また、メジャーループは
スムーズな曲線を描いており、２段階変化になっていな
い。これは２層のピン磁性層３、３がほぼ等しい大きさ
の交換異方性磁界で単磁区化され、ほぼ等しい保磁力を
有していることを示している。またマイナーループには
ヒステリシスがなく、外部磁界を０（Ｏｅ）に戻して
も、前記フリー磁性層の保磁力がほぼゼロになっている
ことがわかる。つまり、ハードバイアス層５によりフリ
ー磁性層１のＸ方向への単磁区化がなされていることを
示し、バルクハウゼンノイズを低減できるものとなって
いる。

【００３６】図３は、定常電流（Ｉｓ）を±１０ｍＡの
範囲で変化させたときの電圧変化率（抵抗変化率）（Δ
Ｖ／Ｖ）の変動をシングルスピンバルブ素子とデュアル
スピンバルブ素子の双方に関して測定した結果である。
前記定常電流は、シングルスピンバルブ素子において、
この定常電流による磁界が、ピン磁性層の交換異方性磁
界を弱める方向をプラスとしている。図３では、定常電
流の変化にかかわらず、デュアルスピンバルブ素子の抵
抗変化率が、シングルスピンバルブ素子の抵抗変化率よ
りも大きくなっている。さらに、定常電流が１０ｍＡの
ときの変化率ΔＶ／Ｖが、１ｍＡでのΔＶ／Ｖに対し、
デュアルスピンバルブ素子では８．８％の減少であり、
シングルスピンバルブ素子では１６．２％の減少となっ
ている。図３から本発明のデュアルスピンバルブ素子で
の抵抗変化率が定常電流の変化に対して安定しているこ
とが解る。

【００３７】図４は、定常電流の変化と、アシンメトリ
ー（Asymmetry）との関係を示したグラフである。図４
では、マイナーループから求めたものであり、ハードデ
ィスクなどの磁気記録媒体からの洩れ磁界の大きさに相
当する±４０（Ｏｅ）での電圧変化（抵抗変化）の対称
性を調べたものである。横軸は定常電流の変化を示し、
縦軸は、デュアルスピンバルブ素子とシングルスピンバ
ルブ素子の双方のアシンメトリーを、（ΔＶ（―４０Ｏ
ｅ）―ΔＶ（＋４０Ｏｅ））／（ΔＶ（―４０Ｏｅ）＋
ΔＶ（＋４０Ｏｅ））で示している。

【００３８】図４では、デュアルスピンバルブ素子のア
シンメトリーが約―１０％であり、定常電流に対する依
存性がほとんどないことがわかる。これに対し、シング
ルスピンバルブ素子では、約―３２％から＋１％まで変
化しており、定常電流に強く依存していることがわか
る。これは、デュアルスピンバルブ素子は上下対象の膜
構成と成っており、フリー磁性層の上下を流れる定常電
流が作る定常電流磁界がフリー磁性層内で打ち消し合
い、フリー磁性層には定常電流磁界が作用しないためで
ある。

【００３９】以上のように、ＰｔＭｎ合金を反強磁性層
４として用いた、デュアルスピンバルブ素子は、外部磁
界に対して大きな抵抗変化率を得ることができ、しかも
この抵抗変化率にヒステリシスがなく、さらに定常電流
の変化の影響を受けにくいものとなっている。したがっ
て、ＰｔＭｎ合金を反強磁性層としたデュアルスピンバ
ルブ型薄膜磁気ヘッドは、優れた特性を得られるものと
なる。

【００４０】次に、反強磁性層４を形成するＰｔＭｎ合
金と、ピン磁性層３を形成する強磁性材料との交換結合
についての実験結果を説明する。まず、ＤＣマグネトロ
ンスパッタおよびＲＦコンベンショナルスパッタによ
り、シリコン（Ｓｉ）基板の表面にアルミナを成膜し、
さらに下から順にＴａ（３ｎｍ）／ＦｅＮｉ（５ｎｍ）
／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を成膜し、さ
らにアルミナで覆った。前記のカッコ内は膜厚である。

【００４１】ＰｔＭｎ膜の成膜はＭｎターゲットにＰｔ
チップを配置した複合ターゲット及び合金ターゲットを
用いて行い、成膜時のＰｔＭｎの組成を変えられるよう
にした。前記構成の多層膜では、ＰｔＭｎ膜の組成を変
化させるが、前記多層膜と同時にＳｉ基板上に膜厚１μ
ｍのＰｔＭｎ膜を形成し、ＸＭＡ（Ｘ線マイクロアナラ
イザ）でＰｔＭｎの膜組成を分析できるようにした。前
記多層膜において、反強磁性材料のＰｔＭｎ合金と、強
磁性材料のＦｅＮｉ合金との間の交換結合を得るための
熱処理は、５×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空度で、２００
０（Ｏｅ）の磁界中で、２７０℃の温度により行った。
交換異方性磁界（Ｈｅｘ）の測定は真空加熱機構付ＶＳ
Ｍにより行った。

【００４２】図５は、ＰｔＭｎ膜の膜組成を、Ｐｔが０
〜６０ａｔ％の範囲となるように変化させたときの、成
膜直後の状態（ａｓｄｅｐｏ．）と、前記のように２
７０℃で熱処理した後での、交換異方性磁界（Ｈｅｘ）
の測定値を示している。図５に示すように、熱処理をし
たときおよびしないときの双方において、Ｐｔが０〜２
５ａｔ％の範囲でＨｅｘが生じるが、この交換結合は、
ＰｔＭｎ膜をＮｉＦｅ膜の上に積層したときにのみ生
じ、ＰｔＭｎ膜がＦｅＮｉ膜の下に形成されたときには
交換結合は生じない。

【００４３】熱処理後は、Ｐｔが４２ａｔ％から５５ａ
ｔ％の範囲で、交換結合を生じ、この場合、ＰｔＭｎ膜
がＦｅＮｉ膜の上に成膜されたときと下に成膜されたと
きの双方において交換結合を生じる。そしてＰｔが４４
〜５１ａｔ％の範囲で、交換異方性磁界（Ｈｅｘ）が１
３０（Ｏｅ）を越え、Ｐｔが４６〜４９ａｔ％の範囲で
前記Ｈｅｘが２４０（Ｏｅ）を越える。したがって、図
１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドでは、
熱処理により交換異方性磁界を発生させ、反強磁性層を
構成するＰｔＭｎ合金の組成は、Ｐｔが４４〜５１ａｔ
％の範囲でＭｎが４９〜５６ａｔ％であることが好まし
く、さらに好ましくは、Ｐｔが４６〜４９ａｔ％でＭｎ
が５１〜５４ａｔ％である。

【００４４】図６は、反強磁性材料であるＰｔＭｎ膜
と、ピン磁性層となるＦｅＮｉ膜との交換結合と、熱処
理温度との関係を測定したものである。膜構成は、シリ
コン基板上にアルミナ層を形成し、その上にＴａ（３ｎ
ｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／ＦｅＮｉ／Ｔａ（５ｎ
ｍ）／アルミナの順に成膜した。膜は合金ターゲットを
用い、ＤＣマグネトロンスパッタにより行った。また、
ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔが４８ａｔ％でＭｎが５２ａｔ
％とした。またＦｅＮｉ膜の膜厚は２ｎｍ、３ｎｍ、４
ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍの５種類とした。

【００４５】上記のそれぞれの多層膜につき、５×１０
^-6Ｔｏｒｒ以下の真空度で、２０００（Ｏｅ）の磁界中
で交換異方性磁界（Ｈｅｘ）を発生させた。前記真空中
においての加熱処理を０℃、１９０℃、２１０℃、２３
０℃、２５０℃とした。各温度で熱処理した多層膜につ
き交換異方性磁界をＶＳＭにより測定した。図６では横
軸にＦｅＮｉ膜の膜厚の変化をとり、縦軸に交換異方性
磁界（Ｈｅｘ）をとっている。

【００４６】図６によれば、ピン磁性層となるＦｅＮｉ
膜の膜厚が５ｎｍ以下であれば、２１０℃の熱処理で２
００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界（Ｈｅｘ）を得るこ
とができ、ＦｅＮｉ膜の膜厚が１０ｎｍ以下であれば、
熱処理温度が２３０℃程度の比較的低温において、交換
異方性磁界を２００（Ｏｅ）以上にできる。すなわちＰ
ｔＭｎを反強磁性層４として使用すると、比較的低い温
度での熱処理で交換異方性磁界を発生させることがで
き、高温の熱処理により問題となる非磁性導電層として
のＣｕ膜とピン磁性層またはフリー磁性層としてのＮｉ
Ｆｅ膜との拡散を防止することが可能となり、常に良好
な薄膜磁気ヘッドとしての特性を得ることができる。

【００４７】図７は、ピン磁性層３を構成する挟持性材
料として、ＦｅＮｉ合金を使用した場合と、Ｃｏを使用
した場合とでの動作環境温度の影響について調べたもの
である。膜構成は、シリコン基板上に、アルミナ／Ｔａ
（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／ＦｅＮｉ（３ｎ
ｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／アルミナを成膜したものと、シ
リコン基板上に、アルミナ／Ｔａ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ
（３０ｎｍ）／Ｃｏ（４ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／アル
ミナを成膜したものを２種類製造した。

【００４８】成膜は合金ターゲットを用いＤＣマグネト
ロンスパッタにより行ない、ＰｔＭｎ膜の組成は、Ｐｔ
が４８ａｔ％で、Ｍｎが５２ａｔ％とした。上記２種類
の多層膜に対し、５×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空度で、
２０００（Ｏｅ）の磁界中で、２３０℃で熱処理し、交
換異方性磁界（Ｈｅｘ）を発生させるようにした。熱処
理後に室温にまで冷却した。冷却後に前記各多層膜の環
境温度を上昇させていき、そのときの交換異方性磁界を
測定した。

【００４９】図７は横軸に環境温度、縦軸に交換異方性
磁界（Ｈｅｘ）を示している。ピン磁性層となる強磁性
材料としてＦｅＮｉ膜を使用した場合、Ｈｅｘは室温か
ら約２００℃まで上昇させてもあまり低下せず、約２４
０℃から下がり始め約３８０℃で消失する（ブロッキン
グ温度）。ピン磁性層にＣｏを使用した場合、Ｈｅｘは
室温から約１２０℃まではあまり変化が見えず、約１２
０℃以降から徐々に下がり始め、ＦｅＮｉ膜の場合と同
じように約３８０℃でブロッキング温度となる。このよ
うに、Ｈｅｘが消失する温度（ブロッキング温度）はＦ
ｅＮｉ膜、Ｃｏ膜ともに３８０℃と非常に高い値を示し
ており、特に磁気抵抗効果膜周辺の実用温度として上昇
する可能性のある室温から約１２０℃の範囲において、
ＦｅＮｉ膜及びＣｏ膜によるＨｅｘはほぼフラットな値
を示しているため、常に安定した交換異方性磁界を得る
ことが可能となっている。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、反強磁性
層がＰｔＭｎ合金またはこれと同種の性質をもつＰｄＭ
ｎ合金、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒ
ｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ）合金で形成される
ことによって、前記反強磁性層がピン磁性層の上下どち
らに形成されても交換異方性磁界を得ることが可能とな
り、さらに比較的低い温度の熱処理でも効果的な交換異
方性磁界を得ることができる。またＰｔＭｎ合金は熱的
安定性が高く、耐腐食性にも優れている。そのため、良
好な薄膜磁気ヘッドとしての特性を有するスピンバルブ
型薄膜磁気ヘッドの製作が可能となる。

【００５１】また、反強磁性層がＰｔＭｎ合金またはＰ
ｄＭｎ合金、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐ
ｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ）合金で形成
されたデュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドは、シン
グルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドに比べて抵抗変化率
が高く、またアシンメトリーも飛躍的に向上する。

【００５２】また、反強磁性層がＰｔＭｎ合金またはＰ
ｄＭｎ合金、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐ
ｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ）合金で形成
されることによって、ピン磁性層の上下の前記反強磁性
層の材料を共通化することができるため、成膜時のスパ
ッタリングターゲットの数を減らすことができ、製造が
容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】デュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドの構造
を示す拡大断面図、

【図２】デュアルスピンバルブ膜における外部磁界と抵
抗変化率との関係を示す線図であり、（Ａ）はメジャー
ループ、（Ｂ）はマイナーループ、

【図３】シングルスピンバルブ膜及びデュアルスピンバ
ルブ膜における定常電流と抵抗変化率との関係を示す線
図、

【図４】シングルスピンバルブ素子とデュアルスピンバ
ルブ素子における定常電流とアシンメトリーとの関係を
示す線図、

【図５】ＰｔＭｎ膜の膜組成と交換異方性磁界との関係
を示す線図、

【図６】熱処理温度及びピン磁性層（ＦｅＮｉ膜）の膜
厚と交換異方性磁界との関係を示す線図、

【図７】ピン磁性層にＦｅＮｉ膜とＣｏ膜を用いた場合
の、環境温度と交換異方性磁界との関係を示す線図、

【図８】シングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドの構造
を示す拡大断面図、

【符号の説明】

１フリー磁性層２非磁性導電層３ピン磁性層４反強磁性層５ハードバイアス層６下地層７保護層８導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 5/39

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フリー磁性層の上下に積層された非磁性
導電層と、一方の前記非磁性導電層の上および他方の非
磁性導電層の下に位置するピン磁性層と、一方の前記ピ
ン磁性層の上および他方のピン磁性層の下に位置して交
換異方性磁界によりそれぞれのピン磁性層の磁化方向を
一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性層
の磁化方向を前記ピン磁性層の磁化方向と交叉する方向
に揃えるバイアス層とを有し、前記反強磁性層がＰｔＭ
ｎ（白金−マンガン）合金で形成されていることを特徴
とするデュアルスピンバルブ型素子。
【請求項２】前記ＰｔＭｎ合金の膜組成は、Ｐｔが４
４〜５１ａｔ％で、Ｍｎが４９〜５６ａｔ％の範囲であ
る請求項１記載のデュアルスピンバルブ型素子。
【請求項３】前記反強磁性層が、ＰｔＭｎ合金に代え
て、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉ
ｒ，Ｆｅ，Ｃｏ）合金、あるいはＰｄＭｎ合金により形
成される請求項１記載のデュアルスピンバルブ型素子。
【請求項４】前記フリー磁性層及び前記ピン磁性層が
ＦｅＮｉ（鉄−ニッケル）合金または、Ｃｏ（コバル
ト），Ｆｅ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｃｏ−−Ｎｉ合金で形成
されている請求項１ないし３のいずれかに記載のデュア
ルスピンバルブ型薄素子。
【請求項５】請求項１ないし４に記載のデュアルスピ
ンバルブ型素子を用いた薄膜磁気ヘッド。