JP3263016B2 - スピンバルブ型薄膜素子 - Google Patents

スピンバルブ型薄膜素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固定磁性層（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（Free）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スピンバルブ型薄膜素子に係
り、前記固定磁性層として使用される磁性材料の改良に
関する。
【０００２】
【従来の技術】スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵
抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素
子の１種であり、ハードディスクなどの記録媒体からの
記録磁界を検出するものである。スピンバルブ型薄膜素
子は、最も単純な構造で４層から成り、下からフリー磁
性層、非磁性導電層、固定磁性層、および反強磁性層の
順で積層される。そしてこの４層の両側には、ハードバ
イアス層、および導電層が積層される。
【０００３】従来では、反強磁性層にはＦｅ−Ｍｎ（鉄
―マンガン）合金膜やＮｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガ
ン）合金膜、固定磁性層及びフリー磁性層にはＮｉ−Ｆ
ｅ（ニッケル−鉄）合金膜、非磁性導電層にはＣｕ
（銅）膜、またハードバイアス層にはＣｏ−Ｐｔ（コバ
ルト−白金）合金膜などが一般的に使用されている。前
記固定磁性層は反強磁性層に接して形成され、前記反強
磁性層がＦｅＭｎ合金膜で形成された時は磁場中で成膜
が行われ、前記反強磁性層がＮｉＭｎ合金膜で形成され
た時は磁場中でアニール処理が施されることにより、前
記固定磁性層の磁化は、ハイト方向（記録媒体からの漏
れ磁界方向）に単磁区化され固定される。
【０００４】またフリー磁性層の磁化は、ハードバイア
ス層からのバイアス磁界により、トラック幅方向に揃え
られ、前記フリー磁性層の磁化と固定磁性層の磁化との
相対角が９０°にされている。スピンバルブ型薄膜素子
では、前記導電層から、固定磁性層、非磁性導電層及び
フリー磁性層に検出電流（センス電流）が与えられる。
記録媒体からの洩れ磁界が与えられると、フリー磁性層
の磁化がトラック幅方向から漏れ磁界方向（ハイト方
向）へ向けて変化する。このフリー磁性層内での磁化の
方向の変動と、固定磁性層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、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記固定磁
性層と反強磁性層との界面で発生する交換異方性磁界は
大きいことが好ましい。前記交換異方性磁界が大きい
と、前記固定磁性層の磁化をハイト方向（記録媒体から
の漏れ磁界方向）に適性に単磁区化し固定することがで
きるからである。大きい交換異方性磁界を得るための一
つの手段として、反強磁性層や固定磁性層の材質を代え
たり、あるいは交換異方性磁界を発生させるための熱処
理条件などを適性に調節するといった発明や発表が数多
くされている。
【０００６】しかし、固定磁性層の磁化強度に影響を与
える磁界は、交換異方性磁界だけではない。前記固定磁
性層に加わる応力と磁歪とで求めることができる磁気弾
性効果による磁界も、前記固定磁性層の磁化強度に影響
を与えている。スピンバルブ型薄膜素子は、その上下、
およびハイト側の側面が例えばＡｌ2Ｏ3などの絶縁膜
（ギャップ膜）により覆われており、前記ハイト側の逆
側（すなわちＡＢＳ面側；正面側）の面が外部に露出し
ている。また前記スピンバルブ型薄膜素子は、金属膜の
多層構造であるため、前記スピンバルブ型薄膜素子の熱
膨張係数は、前記スピンバルブ型薄膜素子を覆う絶縁膜
の熱膨張係数に比べて大きくなっている。よって、前記
スピンバルブ型薄膜素子には、ハイト方向への引っ張り
応力が作用している。
【０００７】このような状態にて、スピンバルブ型薄膜
素子を構成する固定磁性層の磁歪が負の値であると、磁
気弾性効果により、前記固定磁性層の磁化はトラック幅
方向に誘起されてしまう。つまり、仮に大きい交換異方
性磁界を得ることができ、前記交換異方性磁界により固
定磁性層の磁化をハイト方向に適性に単磁区化できて
も、磁気弾性効果による磁界が、前記固定磁性層の磁化
をトラック幅方向に向かせるように作用すれば、前記固
定磁性層の磁化はハイト方向に強固に固定されず、バル
クハウゼンノイズの発生率が高くなるなど再生特性が低
下するといった問題が生じてしまう。
【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、特に、交換異方性磁界と共に、磁気弾性効
果による磁界によっても固定磁性層の磁化をハイト方向
に誘起させることができるようにし、固定磁性層の磁化
をハイト方向により強固に固定できるようにしたスピン
バルブ型薄膜素子を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、反強磁性層
と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層
との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁
性層と、前記固定磁性層に非磁性導電層を介して形成さ
れたフリー磁性層とを有し、さらに前記フリー磁性層の
磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ
揃えるバイアス層と、固定磁性層と非磁性導電層とフリ
ー磁性層に検出電流を与える導電層とが設けられて成る
スピンバルブ型薄膜素子において、前記固定磁性層は、
ＣｏＦｅ合金で形成され、組成式は、Ｃｏ a Ｆｅ 100-a で
表わされ、ａはａｔ％で、５０≦ａ≦７０であり、また
前記固定磁性層の磁歪定数は正の値であり、しかも結晶
構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を有し、前記反強磁
性層は、ＰｔＭｎ合金で形成されることを特徴とするも
のである。
【００１０】本発明では、交換結合磁界は５００（Ｏ
ｅ）以上であることが好ましい。
【００１１】
【００１２】また本発明は、反強磁性層と、この反強磁
性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性
磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固
定磁性層に非磁性導電層を介して形成されたフリー磁性
層とを有し、さらに前記フリー磁性層の磁化方向を前記
固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス
層と、固定磁性層と非磁性導電層とフリー磁性層に検出
電流を与える導電層とが設けられて成るスピンバルブ型
薄膜素子において、前記固定磁性層は、ＣｏＦｅＮｉ合
金で形成され、組成式は、Ｃｏ a Ｆｅ b Ｎｉ c で表わさ
れ、ＣｏaＦｅbＮｉcの三元図の各辺を元素Ｃｏの組成
比、元素Ｆｅの組成比、元素Ｎｉの組成比としたとき、
組成比ａ，ｂ，ｃ（ａｔ％）が、以下の４点により囲ま
れた範囲内であり、また前記固定磁性層の磁歪定数は正
の値であり、しかも結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ
構造を有し、前記反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金で形成さ
れ、交換結合磁界が８００（Ｏｅ）以上であることを特
徴とするものである。 （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（７０：３０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（６０：４０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：３０：２０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：２０：３０）
【００１３】
【００１４】
【００１５】前述したように、スピンバルブ型薄膜素子
は、その上下、およびハイト側の側面が絶縁膜により覆
われており、ＡＢＳ面（正面）のみが外部に露出してい
るが、前記スピンバルブ型薄膜素子の熱膨張係数は、絶
縁膜の熱膨張係数に比べて大きいために、前記スピンバ
ルブ型薄膜素子には、ハイト方向に引っ張り応力が働い
ている。
【００１６】このため固定磁性層の磁歪が負の値である
と、磁気弾性効果による磁界は、前記固定磁性層の磁化
をトラック幅方向に向かせるように作用してしまう。従
って大きな交換異方性磁界を得ることができたとして
も、固定磁性層をハイト方向に向けさせるべき全体の磁
界の大きさは小さくなってしまい、前記固定磁性層の磁
化をハイト方向に強固に固定できず、再生特性は低下し
てしまう。
【００１７】そこで本発明では、固定磁性層の磁歪を正
の値にして、磁気弾性効果により、前記固定磁性層の磁
化をハイト方向に誘起させている。つまり交換異方性磁
界と磁気弾性効果による磁界とによって、前記固定磁性
層の磁化をハイト方向に向かせるようにすることがで
き、従って前記固定磁性層の磁化はハイト方向に強固に
固定され、良好な再生特性を得ることが可能になる。
【００１８】本発明では、前記固定磁性層がＣｏＦｅ合
金膜、ＣｏＦｅＮｉ合金膜で形成されている。
【００１９】本発明者は、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ
合金を固定磁性層として使用し、各磁性材料の組成比
と、磁歪および交換異方性磁界との関係などについて実
験を行った。その実験方法や実験結果等について以下に
説明する。
【００２０】まず、ＣｏＦｅ合金を固定磁性層として使
用し、このＣｏＦｅ合金の組成比の異なる複数の多層膜
を成膜して、Ｃｏの組成比と交換異方性磁界（Ｈｅｘ）
との関係について測定した。なお実験に使用した多層膜
の膜構成は以下の通りである。 Ｓｉ／基板／下地層：Ｔａ（５０）／反強磁性層：Ｐｔ
Ｍｎ（３００）／固定磁性層：ＣｏＦｅ（３０）／保護
層：Ｔａ（１００） 各層における括弧内の数値は膜厚を表わしており、単位
はオングストロームである。
【００２１】成膜はＤＣマグネトロンスパッタで行っ
た。なおＣｏＦｅ合金の成膜は、ＣｏターゲットにＦｅ
のペレットを配置した複合ターゲットを用いて行い、ペ
レットの数を調節することにより得たい膜組成を実現し
た。またＣｏＦｅ合金の膜組成分析は、ＸＭＡにより行
った。さらに成膜後、２４０℃の温度で３時間の磁場中
アニールを施した。磁場中に印加した磁界は２０００
（Ｏｅ）であった。そして、交換異方性磁界の測定は、
ＶＳＭにより磁化反転位置の原点からのシフトで評価し
た。
【００２２】次に、ＣｏＦｅ合金を固定磁性層として使
用し、このＣｏＦｅ合金の組成比の異なる複数の多層膜
を成膜して、Ｃｏの組成比と飽和磁歪定数λｓとの関係
について測定した。なお実験に使用した多層膜の膜構成
は以下の通りである。 Ｓｉ／基板／下地層：Ｔａ（５０）／反強磁性層：Ｐｔ
Ｍｎ（３００）／Ｃｕ（５０）／固定磁性層：ＣｏＦｅ
（３０）／保護層：Ｔａ（１００） 各層における括弧内の数値は膜厚を表わしており、単位
はオングストロームである。
【００２３】成膜方法は、上述した交換異方性磁界の測
定の場合と同じであるが、大きな交換異方性磁界が発生
すると、正確な磁歪の測定が不可能となるので、熱処理
は施さなかった。また、ＰｔＭｎ合金とＣｏＦｅ合金と
の間における交換結合を完全に断ち切るために、ＰｔＭ
ｎ合金とＣｏＦｅ合金との間にＣｕ膜を挿入した。磁歪
の測定には、光てこ法を用い、上述の多層膜に±２００
（Ｏｅ）の磁界を印加して測定した。
【００２４】次に、Ｃｏの組成比が異なる複数のＣｏＦ
ｅ合金を固定磁性層として使用し、各組成比における前
記固定磁性層の結晶構造について測定した。なお実験に
使用した多層膜の膜構成は以下の通りである。 Ｓｉ／基板／下地層：Ｔａ（５０）／反強磁性層：Ｐｔ
Ｍｎ（３００）／固定磁性層：ＣｏＦｅ（１００）／保
護層：Ｔａ（１００） 各層における括弧内の数値は膜厚を表わしており、単位
はオングストロームである。
【００２５】なおこの実験では、正確な結晶構造を導き
だすために、ＣｏＦｅ合金の膜厚を１００オングストロ
ームに厚くしている。また成膜工程については上述した
交換異方性磁界の測定の場合と同じである。結晶構造の
決定には、通常よく用いられるＸ線回折法を使用した。
Ｘ線回折により得られた回折パターンから、ＣｏＦｅ合
金の結晶構造を求めることができた。ＣｏＦｅ合金の各
膜組成における結晶構造、交換異方性磁界（Ｈｅｘ）の
値、および飽和磁歪定数（λｓ）の値を表１に示し、表
１に基づいてグラフ化したものを図３に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】図３に示すように、交換異方性磁界（Ｈｅ
ｘ）のピークは、Ｃｏの組成比が６０〜７０（ａｔ％）
の間にあり、Ｃｏの組成比が３０（ａｔ％）以上である
と、２００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界が得られるこ
とがわかる。また、磁歪は、Ｃｏの組成比が約５０（ａ
ｔ％）であると、最も大きな値となり、Ｃｏの組成比が
５０（ａｔ％）以上になると、徐々に低下し始めること
がわかる。
【００２８】特にＣｏの組成比が約９０（ａｔ％）以上
になると、磁歪は負の値になることがわかる。グラフの
下には、各組成比におけるＣｏＦｅ合金の結晶構造が示
されている。図３に示すように、Ｃｏの組成比が約３０
（ａｔ％）以下であると、ＣｏＦｅ合金の結晶構造のほ
ぼ全てが、ｂｃｃ構造（体心立方構造）であるが、Ｃｏ
の組成比が約３０（ａｔ％）以上であると、ＣｏＦｅ合
金の結晶構造の少なくとも一部に、ｆｃｃ構造（面心立
方構造）が含まれていることがわかる。
【００２９】特に、５００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁
界を得ることができる、つまりＣｏの組成比が約５０〜
８０（ａｔ％）間のＣｏＦｅ合金の結晶構造は、そのほ
ぼ全てがｆｃｃ構造となっていることがわかる。つま
り、大きい交換異方性磁界を得るには、ＣｏＦｅ合金の
結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造が含有されてい
ると好ましいことがわかる。
【００３０】以上の実験結果からＣｏの組成比は、３０
（ａｔ％）以上であることが好ましいことがわかる。Ｃ
ｏの組成比が３０（ａｔ％）以下であると、交換異方性
磁界（Ｈｅｘ）が低下しすぎて、固定磁性層の磁化を適
性に単磁区化し固定することができないからである。
【００３１】次に、固定磁性層としてＣｏＦｅ合金を使
用した場合におけるＣｏの組成比とヘッドノイズ発生率
との関係について測定した。なお実験に使用した多層膜
の膜構成は以下の通りである。 Ｓｉ／基板／下地層：Ｔａ（５０）／反強磁性層：Ｐｔ
Ｍｎ（３００）／固定磁性層：ＣｏＦｅ（３０）／非磁
性導電層：Ｃｕ（２５）／フリー磁性層：ＮｉＦｅ（８
０）／保護層：Ｔａ（５０） 各層における括弧内の数値は膜厚を表わしており、単位
はオングストロームである。またＮｉＦｅ合金（フリー
磁性層４）の組成比は、（Ｎｉ：Ｆｅ）＝（８０：２
０）である。
【００３２】実験に使用した薄膜磁気ヘッドは、上述し
た多層膜（スピンバルブ膜）と記録用のいわゆるインダ
クティブヘッドとが設けられたインダクティブ／スピン
バルブ複合型薄膜磁気ヘッドであり、実験は、前記イン
ダクティブヘッドで記録媒体に記録信号を書込み、その
後前記多層膜により記録信号を再生した。ヘッドノイズ
の評価には、オシロスコープを用い、多層膜（スピンバ
ルブ膜）での読取り波形に生じたバルクハウゼンノイズ
の回数比率で評価を行った。その実験結果を図４に示
す。図４に示すように、Ｃｏの組成比が約３０〜８０
（ａｔ％）であると、ヘッドノイズ発生率は比較的低い
が、Ｃｏの組成比が約８０（ａｔ％）以上になると、ヘ
ッドノイズ発生率が急激に高くなっていることがわか
る。
【００３３】図５は、飽和磁歪定数λｓとヘッドノイズ
発生率との関係を測定したグラフである。この図から見
てわかるように、磁歪が正でしかも大きい値であるほ
ど、ヘッドノイズ発生率は低くなることがわかる。一
方、磁歪が負の値でその絶対値が大きいほど、ヘッドノ
イズ発生率は高くなることがわかる。
【００３４】図４においてＣｏの組成比が８０（ａｔ
％）以上になると、ヘッドノイズ発生率が高くなるの
は、図５の実験結果から磁歪が零に近いか、あるいは負
の値だからであると推測できる。図３を見てわかるよう
に、Ｃｏの組成比が８０（ａｔ％）以上になると、磁歪
は零に近い値になり、特にＣｏの組成比が約９０（ａｔ
％）以上になると、前記磁歪は負の値となる。
【００３５】ところで、一般的にＡＢＳ面が露出したヘ
ッド状態で素子に加わる応力は、数百ＭＰａ（メガパス
カル）の引っ張り応力と言われ、仮に、ヘッドに３００
ＭＰａのハイト方向への引っ張り応力が働いていると仮
定すると、磁気弾性効果による異方性は、（３／２）・
λｓ・σ（λｓは磁歪、σは応力）の絶対値で、λｓ＞
０ならば、ハイト方向に、λｓ＜０ならば、トラック幅
方向に働くことが磁性理論から導き出せる。この理論を
用い、図３に示す磁歪とから磁気弾性効果による磁界の
大きさを導きだし、その結果を図６に示した。なお図６
には、図３に示す交換異方性磁界（Ｈｅｘ）と、前記交
換異方性磁界と前記磁気弾性効果による磁界とを合わせ
た磁界も示されている。
【００３６】図６に示す磁気弾性効果による磁界のグラ
フは、図３に示す磁歪のグラフと同様に、Ｃｏの組成比
が約５０（ａｔ％）のとき最も大きくなり、Ｃｏの組成
比が約５０（ａｔ％）以上になると、徐々に小さくな
る。特にＣｏの組成比が約９０（ａｔ％）以上になると
負の値となってしまう。磁気弾性効果による磁界の大き
さが零に近くなり、あるいは負の値になると、前記交換
異方性磁界と前記磁気弾性効果による磁界とを合わせた
磁界は前記交換異方性磁界の大きさと同程度か、または
それよりも小さくなる。その傾向は、図６のＣｏの組成
比が８０（ａｔ％）以上の部分に顕著に表れている。
【００３７】また図６に示すように、Ｃｏの組成比が約
５０（ａｔ％）以下になると、交換異方性磁界は５００
（Ｏｅ）以下となるが、磁気抵抗効果による磁界が比較
的高い値となっているため、前記交換異方性磁界と前記
磁気弾性効果による磁界とを合わせた磁界は、比較的大
きな値となっている。前述したように、固定磁性層の磁
化をハイト方向に強固に固定するには、交換結合磁界の
みならず、固定磁性層に加わる磁歪と応力とで求められ
る磁気弾性効果による磁界も適性に調節する必要があ
る。図６に示すように、Ｃｏの組成比が８０（ａｔ％）
以上になると、磁気弾性効果による磁界は小さくなり、
あるいは負の値となるので、固定磁性層の磁化は、前記
磁気弾性効果により、トラック幅方向に誘起されてしま
い、図４に示すようにヘッドノイズ発生率が高くなるな
どの問題が発生する。
【００３８】以上、図３ないし図６の実験結果により、
本発明では固定磁性層がＣｏＦｅ合金で形成されると
き、Ｃｏの組成比の好ましい範囲を３０〜８０（ａｔ
％）とした。この範囲内であれば、図３に示すように常
に磁歪は正の値であり、しかも大きい値を得ることがで
きる。またこの範囲内であると、結晶構造の少なくとも
一部にｆｃｃ構造が含まれ、図３に示すように、２００
（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を得ることができる。さ
らに図４に示すように、Ｃｏの組成比が３０〜８０（ａ
ｔ％）の範囲内であれば、ヘッドノイズ発生率を５％以
下に抑制することが可能である。
【００３９】また本発明ではより好ましいＣｏの組成比
の範囲を５０〜７０（ａｔ％）とした。この範囲内であ
ると、磁歪を正の値でしかもより大きい値を得ることが
でき、また結晶構造のほぼ全体がｆｃｃ構造となり、図
３に示すように５００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を
得ることが可能である。また図４に示すように、Ｃｏの
組成比が５０〜７０（ａｔ％）の範囲内であれば、ヘッ
ドノイズ発生率を約３％以下に抑制することが可能であ
る。
【００４０】次に、ＣｏＦｅＮｉ合金を固定磁性層とし
て使用し、上述した実験方法により、各組成比における
結晶構造、交換異方性磁界（Ｈｅｘ）および飽和磁歪定
数λｓの大きさを測定した。その実験結果を表２に示
す。
【００４１】
【表２】
【００４２】表２に示すようにＣｏの組成比を５０（ａ
ｔ％）に固定し、Ｆｅの組成比を４０（ａｔ％）から０
（ａｔ％）まで１０（ａｔ％）づつ小さくしていき、Ｎ
ｉの組成比を１０（ａｔ％）から５０（ａｔ％）まで１
０（ａｔ％）づつ大きくしていくと、結晶構造は、ｆｃ
ｃ構造とｂｃｃ構造との混成構造からｆｃｃ構造単体に
変化するのがわかる。交換異方性磁界（Ｈｅｘ）は、Ｎ
ｉの組成比を大きくすることにより大きくなるが、磁歪
は、Ｆｅの組成比が小さくなることで小さくなってい
き、Ｆｅの組成比が２０（ａｔ％）以下になると、磁歪
は零に近い値となり、あるいは負の値となってしまい好
ましくない。
【００４３】また、Ｃｏの組成比を０（ａｔ％）にし、
Ｆｅの組成比を８０（ａｔ％）から１０（ａｔ％）まで
小さくしていき、Ｎｉの組成比を２０（ａｔ％）から９
０（ａｔ％）まで大きくしていくと、結晶構造は、ｂｃ
ｃ構造単体からｆｃｃ構造とｂｃｃ構造との混成構造へ
変化し、さらにｆｃｃ構造とｂｃｃ構造との混成構造か
らｆｃｃ構造単体へ変化することがわかる。
【００４４】交換異方性磁界は、Ｎｉの組成比が大きく
なることにより大きくなるが、磁歪は、Ｆｅの組成比が
小さくなることで小さくなっていき、Ｆｅの組成比が２
０（ａｔ％）以下になると、磁歪は零に近い値となり、
あるいは負の値となってしまい好ましくない。この実験
結果により、Ｆｅの組成比を２０（ａｔ％）以上にすれ
ば、少なくとも正の値の磁歪を得ることができることが
わかる。
【００４５】次に、表１および表２に示す各膜組成を、
図７に示す三元図にプロットした。本発明では、図に示
す（Ｉ）（ＩＩ）（ＩＩＩ）（ＩＶ）の領域の組成比を
好ましいとしており、それ以外の領域、つまりＦｅの組
成比が２０（ａｔ％）以下になる領域と、７０（ａｔ
％）以上になる領域を除外している。Ｆｅの組成比が２
０（ａｔ％）以下になると好ましくないのは、前述した
ように磁歪の値が負の値となる可能性が強いからであ
る。表１および表２に示すように、Ｆｅの組成比が１０
（ａｔ％）あるいは０（ａｔ％）であると、磁歪は負の
値となっていることがわかる。
【００４６】Ｆｅの組成比が７０（ａｔ％）以上である
と好ましくないのは、ｂｃｃ構造が大部分を占め、ある
いはｂｃｃ構造単体となり、交換異方性磁界が非常に小
さくなるからである。本発明では、固定磁性層がＣｏＦ
ｅＮｉ合金で形成される場合、図７に示す（Ｉ）（Ｉ
Ｉ）（ＩＩＩ）（ＩＶ）の領域、つまり、Ｃｏの組成比
が０〜８０（ａｔ％）、Ｆｅの組成比が２０〜７０（ａ
ｔ％）、およびＮｉの組成比が０〜８０（ａｔ％）の範
囲内を好ましい範囲としている。この範囲内であれば、
磁歪は常に正の値になり、結晶構造の少なくとも一部に
ｆｃｃ構造が含有される。また交換異方性磁界は具体的
には２００（Ｏｅ）になる。
【００４７】より好ましいのは、図７に示す（ＩＩ）
（ＩＩＩ）（ＩＶ）の領域、すなわちＣｏの組成比が５
０〜８０（ａｔ％）、Ｆｅの組成比が２０〜５０（ａｔ
％）、およびＮｉの組成比が０〜３０（ａｔ％）の範囲
内である。この範囲内であれば、磁歪は常に正の値であ
り、また結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造が含有
され、５００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を得ること
が可能である。
【００４８】最も好ましいのは、図７に示す（ＩＶ）の
領域、すなわち、以下の４点により囲まれた範囲内であ
る。 （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（７０：３０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（６０：４０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：３０：２０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：２０：３０） この範囲内であれば、磁歪は常に正で比較的大きな値と
なり、また結晶構造はｆｃｃ構造単体となる可能性が高
く、８００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を得ることが
可能である。
【００４９】以上のように本発明では、固定磁性層をＣ
ｏＦｅ合金、あるいはＣｏＦｅＮｉ合金により形成し、
ＣｏＦｅ合金、およびＣｏＦｅＮｉ合金の組成比を適性
に調節することにより、前記固定磁性層の磁歪を正の値
にして、且つ前記固定磁性層の結晶構造の一部にｆｃｃ
構造を含有させている。よって応力と磁歪とで求めるこ
とができる磁気弾性効果により、固定磁性層の磁化をハ
イト方向に誘起させることができ、しかも同時に大きい
交換異方性磁界を得ることができるので、前記磁気弾性
効果による磁界と交換異方性磁界とを合わせた磁界によ
り、前記固定磁性層の磁化をハイト方向に強固に単磁区
化し固定することが可能になる。このためバルクハウゼ
ンノイズを低減させることができ、再生特性を向上させ
ることが可能になる。
【００５０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施形態の
スピンバルブ型薄膜素子の構造、図２は、本発明の第２
実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の構造であり、図１
および図２は共にＡＢＳ面から見た断面図であり、Ｘ方
向に伸びる素子の中央部分のみを破断して示している。
なお、図１および図２に示すスピンバルブ型薄膜素子
は、その上下、およびハイト側の面が、例えばＡｌ2Ｏ3
やＳｉＯ2などの絶縁膜（ギャップ膜）により覆われて
おり、ＡＢＳ面（正面）のみが外部に露出している。
【００５１】図１および図２に示すスピンバルブ型薄膜
素子の熱膨張係数は、前記スピンバルブ型薄膜素子を覆
う絶縁膜の熱膨張係数よりも大きいため、前記スピンバ
ルブ型薄膜素子には、図示Ｙ方向（ハイト方向）に引っ
張り応力が働いており、その引っ張り応力は約２００Ｍ
Ｐａ〜３００ＭＰａである。なお、図１および図２に示
すスピンバルブ薄膜素子は、ハードディスク装置に設け
られた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設け
られて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するもの
である。また、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。
【００５２】図１および図２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。図１ではこの下地層６の上に反強磁性層
１、固定磁性層（ピン磁性層）２、非磁性導電層３、お
よびフリー磁性層４が連続して積層されている。また図
２では、前記下地層６の上に、フリー磁性層４、非磁性
導電層３、固定磁性層２、および反強磁性層１が連続し
て積層されている。
【００５３】そして図１および図２に示すように、最も
上に形成された層は、Ｔａ（タンタル）などの非磁性材
料で形成された保護層７である。下地層６から保護層７
までの６層は、スパッタ法などにより積層された後、図
１および図２に示すように、その両側が傾斜面に削り取
られる。そして前記６層の両側にハードバイアス層５，
５が形成され、さらに前記ハードバイアス層５の上に導
電層８，８が形成される。
【００５４】次に各層の材質について説明する。まず本
発明では、反強磁性層１がＰｔＭｎ合金により形成され
ている。Ｐｔ−Ｍｎ合金は、Ｆｅ−Ｍｎ合金などに比べ
て耐熱性に優れており、またブロッキング温度も高く、
さらに交換異方性磁界（Ｈｅｘ）が大きいなど反強磁性
材料として優れた特性を有している。またＰｔＭｎ合金
で形成された反強磁性層１であれば、図１に示すように
前記反強磁性層１が固定磁性層２の下に形成されても、
また図２に示すように固定磁性層２の上に形成されて
も、反強磁性層１と固定磁性層２との界面で交換異方性
磁界を得ることが可能となっている。
【００５５】また、Ｐｔ−Ｍｎ合金に代えて、Ｘ−Ｍｎ
合金（Ｘ＝Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｈ）、あるいは
Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ系合金（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，
Ｉｒ，Ｃｒ，Ｃｏ）を反強磁性層１として使用してもよ
い。なおＰｔ−Ｍｎ合金およびＸ−Ｍｎ系合金の組成比
は、（Ｐｔ，Ｘ）：Ｍｎ＝１：９〜３：７、または１：
０．７〜１：１．３であることが好ましく、より好まし
くは１：１である。
【００５６】次に本発明では、固定磁性層２はＣｏＦｅ
合金、ＣｏＦｅＮｉ合金で形成されている。なお各材質
における組成比については後述する。また、前記フリー
磁性層４は、前述した固定磁性層２に使用される磁性材
料で形成されてもよいし、あるいはＣｏ、ＮｉＦｅ合金
などにより形成されてもよい。非磁性導電層３はＣｕ、
前記ハードバイアス層５，５は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバ
ルト―白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロ
ム−白金）合金、さらに導電層８はＷ（タングステン）
やＣｕ（銅）などにより形成されている。
【００５７】図１および図２に示すように、固定磁性層
２は反強磁性層１と接して形成され、この状態で図示Ｙ
方向（ハイト方向；記録媒体からの漏れ磁界方向）に磁
場をかけながら、熱処理が施されることにより、両層の
界面で交換異方性磁界が得られ、前記固定磁性層２の磁
化の方向がＹ方向に単磁区化され固定される。また前記
ハードバイアス層５，５は図示Ｘ方向（トラック幅方
向）に磁化されており、フリー磁性層４の磁化は前記ハ
ードバイアス層５，５の影響を受けて、図示Ｘ方向に揃
えられる。
【００５８】図１および図２に示すスピンバルブ型薄膜
素子では、導電層８から固定磁性層２、非磁性導電層３
およびフリー磁性層４に定常電流（センス電流）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４の磁化方向が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４と固定磁性層
２のうち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３と固定磁性層２との界面、または非
磁性導電層３とフリー磁性層４との界面で散乱を起こ
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。
【００５９】本発明では、前記固定磁性層２の磁化をよ
りＹ方向に強固に固定するために、前記固定磁性層とし
て使用されるＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＮｉ合金の組
成比を適性に調節して、正の値の磁歪を得ることができ
るようにし、且つ結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構
造（面心立方構造）を含有させている。前述したよう
に、図１および図２に示すスピンバルブ型薄膜素子で
は、ＡＢＳ面（正面）のみが外部に露出し、その他の面
が絶縁膜にて覆われているので、前記スピンバルブ型薄
膜素子には、図示Ｙ方向（ハイト方向）に引っ張り応力
が働いている。
【００６０】従って、前記固定磁性層２の磁歪を正の値
にすれば、磁気弾性効果により、前記固定磁性層２の磁
化を、図示Ｙ方向に誘起させることができる。また、前
述したように固定磁性層を構成する結晶構造の少なくと
も一部にｆｃｃ構造が含有されているので、大きな交換
異方性磁界を得ることができ、前記固定磁性層２を図示
Ｙ方向により強固に単磁区化し固定しやすくなる。この
ように本発明では、固定磁性層の磁歪を正の値にして磁
気弾性効果により前記固定磁性層２の磁化を図示Ｙ方向
に誘起させているので、交換異方性磁界のみを適性に調
整していた従来に比べて、より確実に、前記固定磁性層
２の磁化を図示Ｙ方向に強固に固定することができる。
【００６１】本発明では、前記固定磁性層２がＣｏＦｅ
合金膜により形成されている場合、Ｃｏの組成比は３０
〜８０（ａｔ％）であることが好ましい。この範囲内で
あれば、図３に示すように、磁歪を正の値にすることが
でき、且つ結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を含
有させることができ、２００（Ｏｅ）以上の交換異方性
磁界を得ることが可能である。またより好ましいＣｏの
組成比は５０〜７０（ａｔ％）である。この範囲内であ
れば、図３に示すように、磁歪を正の値でしかも大きい
値にすることができ、且つ結晶構造の大部分をｆｃｃ構
造にすることができ、５００（Ｏｅ）以上の交換異方性
磁界を得ることが可能である。
【００６２】また本発明では、前記固定磁性層２がＣｏ
ＦｅＮｉ合金膜により形成されている場合、Ｃｏの組成
比は０〜８０（ａｔ％）、Ｆｅの組成比は２０〜７０
（ａｔ％）、Ｎｉの組成比は０〜８０（ａｔ％）である
ことが好ましい。この組成比の範囲は、図７に示す三元
図で言えば、（Ｉ）（ＩＩ）（ＩＩＩ）（ＩＶ）の領域
内である。この領域内であれば、磁歪を正の値にするこ
とができ、且つ結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造
を含有させることができ、２００（Ｏｅ）以上の交換異
方性磁界を得ることが可能になる。
【００６３】またより好ましい組成比の範囲は、Ｃｏが
５０〜８０（ａｔ％）、Ｆｅが２０〜５０（ａｔ％）、
Ｎｉが０〜３０（ａｔ％）である。この組成比の範囲
は、図７に示す三元図で言えば、（ＩＩ）（ＩＩＩ）
（ＩＶ）の領域内である。この領域内であれば、磁歪を
正の値でしかも大きい値にすることができ、且つ結晶構
造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を含有させることがで
き、５００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を得ることが
可能である。
【００６４】さらに最も好ましい組成の範囲は、図７に
示す（ＩＶ）の領域内、すなわち以下の４点により囲ま
れた範囲内である。 Ａ（Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（７０：３０：０） Ｂ（Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（６０：４０：０） Ｃ（Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：３０：２０） Ｄ（Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：２０：３０） この範囲内であれば、磁歪を正の値で大きい値にするこ
とができ、且つ結晶構造の大部分をｆｃｃ構造にでき、
８００（Ｏｅ）以上の交換異方性磁界を得ることが可能
である。
【００６５】このように本発明では、固定磁性層の組成
比を適性に調節することによって、磁歪を正の値にして
いる。従って、前記固定磁性層の磁化は、前記磁歪と応
力とで求められる磁気弾性効果により、図示Ｙ方向に誘
起される。さらに本発明では、前述した組成比の範囲内
であれば、固定磁性層の磁歪を正の値にできると同時
に、結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を含有さ
せ、大きい交換異方性磁界を得ることが可能である。
【００６６】以上のように本発明では、交換異方性磁界
のみならず、磁気弾性効果による磁界によっても固定磁
性層２の磁化を図示Ｙ方向に向かせることができるの
で、前記固定磁性層２の磁化を図示Ｙ方向に強固に単磁
区化し固定することができる。従って、バルクハウゼン
ノイズを低減させることができ、再生特性を向上させる
ことが可能になる。
【００６７】仮に、スピンバルブ型薄膜素子の熱膨張係
数が、前記スピンバルブ型薄膜素子のＡＢＳ面以外の面
を覆う膜の熱膨張係数よりも小さい場合、あるいはＡＢ
Ｓ面の鏡面ラップ加工方法の選択により、前記スピンバ
ルブ型薄膜素子には、図示Ｙ方向に縮む方向の応力を働
かせることができる。この場合は、固定磁性層２の磁歪
を負の値にして、磁気弾性効果により、前記固定磁性層
２の磁化を図示Ｙ方向に誘起させることが可能になり、
バルクハウゼンノイズを低減させることができる。
【００６８】
【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、スピンバ
ルブ型薄膜素子のハイト方向に引っ張り応力が作用して
いる場合、固定磁性層として使用されるＣｏＦｅ合金ま
たはＣｏＦｅＮｉ合金の磁性材料の組成比を適性に調節
して、前記固定磁性層の磁歪を正の値にすれば、磁気弾
性効果により、固定磁性層の磁化をハイト方向に誘起さ
せることが可能になる。
【００６９】しかも本発明では、磁歪を正の値にすると
同時に、固定磁性層の結晶構造の少なくとも一部にｆｃ
ｃ構造を含有させているので、大きい交換異方性磁界を
得ることができる。
【００７０】このように本発明では、大きい交換異方性
磁界を得ることができると同時に、磁気弾性効果によっ
て、固定磁性層の磁化をハイト方向に誘起させているの
で、前記固定磁性層の磁化をハイト方向に強固に単磁区
化し固定することができ、バルクハウゼンノイズを低減
させることが可能になる。
【図面の詳細な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のスピンバルブ型薄膜素
子の構造をＡＢＳ面側から見た断面図、
【図２】本発明の第２実施形態のスピンバルブ型薄膜素
子の構造をＡＢＳ面側から見た断面図、
【図３】固定磁性層をＣｏＦｅ合金で形成した場合の、
Ｃｏの組成比と交換異方性磁界（Ｈｅｘ）との関係、お
よびＣｏの組成比と磁歪との関係を示すグラフ、および
各組成比における結晶構造を表わす図、
【図４】固定磁性層をＣｏＦｅ合金で形成した場合の、
Ｃｏの組成比とヘッドノイズ発生率との関係を示すグラ
フ、
【図５】磁歪とヘッドノイズ発生率との関係を示すグラ
フ、
【図６】固定磁性層をＣｏＦｅ合金で形成した場合の、
Ｃｏの組成比と磁気弾性効果による磁界との関係、Ｃｏ
の組成比と交換異方性磁界との関係、およびＣｏの組成
比と磁気弾性効果による磁界と交換異方性磁界とを合わ
せた磁界との関係を示すグラフ、
【図７】固定磁性層をＣｏＦｅＮｉ合金で形成した場合
の、本発明における好ましい組成範囲を示す三元図、
【符号の説明】
１ 反強磁性層 ２ 固定磁性層 ３ 非磁性導電層 ４ フリー磁性層 ５ ハードバイアス層 ６ 下地層 ７ 保護層 ８ 導電層 Ｘ トラック幅方向 Ｙ ハイト方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−83937（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−204612（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−92907（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−35212（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−231525（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−221714（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−269532（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−97763（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/32 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反強磁性層と、この反強磁性層と接して
    形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁
    化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非
    磁性導電層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、
    さらに前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の
    磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層と、固定磁
    性層と非磁性導電層とフリー磁性層に検出電流を与える
    導電層とが設けられて成るスピンバルブ型薄膜素子にお
    いて、 前記固定磁性層は、ＣｏＦｅ合金で形成され、組成式
    は、Ｃｏ a Ｆｅ 100-a で表わされ、ａはａｔ％で、５０≦
    ａ≦７０であり、 また前記固定磁性層の磁歪定数は正の値であり、しかも
    結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を有し、 前記反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金で形成される ことを特
    徴とするスピンバルブ型薄膜素子。
  2. 【請求項２】 交換結合磁界は５００（Ｏｅ）以上であ
    る請求項１記載のスピンバルブ型薄膜素子。
  3. 【請求項３】 反強磁性層と、この反強磁性層と接して
    形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁
    化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非
    磁性導電層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、
    さらに前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の
    磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層と、固定磁
    性層と非磁性導電層とフリー磁性層に検出電流を与える
    導電層とが設けられて成るスピンバルブ型薄膜素子にお
    いて、 前記固定磁性層は、ＣｏＦｅＮｉ合金で形成され、 組成
    式は、ＣｏaＦｅbＮｉcで表わされ、ＣｏaＦｅbＮｉcの
    三元図の各辺を元素Ｃｏの組成比、元素Ｆｅの組成比、
    元素Ｎｉの組成比としたとき、組成比ａ，ｂ，ｃ（ａｔ
    ％）が、以下の４点により囲まれた範囲内であり、 また前記固定磁性層の磁歪定数は正の値であり、しかも
    結晶構造の少なくとも一部にｆｃｃ構造を有し、 前記反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金で形成され、交換結合
    磁界が８００（Ｏｅ）以上であることを特徴とする スピ
    ンバルブ型薄膜素子。 （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（７０：３０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（６０：４０：０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：３０：２０） （Ｃｏ：Ｆｅ：Ｎｉ）＝（５０：２０：３０）
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