JP3618654B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関し、より詳細には、薄膜面に対して垂直にセンス電流が流れるスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、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が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を「磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と称する）」とよぶ。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７、１５０（１９７１）等参照）、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」とよばれている。
【０００４】
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
【０００５】
ここで「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）あたりの抵抗変化量（Ω）が大きい事を意味しており、より大きなＭＲ変化量をもち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値とする事が望まれている。
【０００６】
このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲへッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ（ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅ）膜を用いることが一般化している。
【０００７】
図１９は、スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。スピンバルブ膜１００は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐ及び反強磁性層Ａをこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層Ｆ、Ｐのうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体Ａを用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにされている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層Ｐ、Ｆの磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果をえることができる（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ６９， ４７７４（１９９１）等参照）。
【０００８】
ここで、強磁性層Ｆは、「フリー層」あるいは「磁場感受層」、「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは、「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは、「スペーサ層」あるいは「非磁性中間層」、「中間層」などと称される場合が多い。
【０００９】
スピンバルブ膜は、低磁場でも、フリー層すなわち強磁性層Ｆの磁化を回転させることができるため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
【００１０】
このようなスピンバルブ素子に対しては、磁界による抵抗の変化を検出するために「センス電流」を流す必要がある。
【００１１】
図２０は、一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。すなわち、現在は、図示したようにスピンバルブ素子の両端に電極ＥＬ、ＥＬを設け、センス電流Ｉを膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ）」方式とよばれている。
【００１２】
ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲへッドでは、スピンバルブ素子はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼＭＲ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を１０〜３０Ωにすることにより良好な Ｓ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することができる。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲへッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
【００１３】
しかしながら、１００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ をこえるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として３０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【００１４】
このような観点から、ＭＲ変化率を大きくする目的で、ＣＩＰ−ＳＶ（ＣＩＰ−スピンバルブ）膜においてピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブが提案されている。
【００１５】
図２１は、このような積層構造を有するスピンバルブ膜の概略断面図である。すなわち、ピン層Ｐとフリー層Ｆとが、それぞれ強磁性層と非磁性層との積層構造を有する。この構造の場合、スピンバルブ膜では磁性層／非磁性層界面におけるスピンに依存した電子散乱がＭＲ高果に寄与するため、伝導電子がなるべくより多くの磁性層／非磁性層界面をとおりぬけるようにピン層Ｐとフリー層Ｆの磁性層／非磁性層界面を増やすことにより、大きなＭＲ変化率をえることが可能とされている。
【００１６】
しかしながら、図２１の構成においては、界面数は増えるものの、センス電流Ｉは積層構造に対して平行に流れるため、それぞれの電子はいずれか一つの層中を流れる確率が高く、界面を横切る電子の数をさほど増やすことはできない。したがって大きな抵抗変化率の向上を得ることは困難となっている。
【００１７】
また上記のような方法では、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれにおいて非磁性層が積層されるぶん総膜厚が増加するため、膜面の抵抗値、いわゆる面電気抵抗値は大きく減少してしまい、抵抗変化量（＝面電気抵抗×ＭＲ変化率）はむしろ減少してしまう。一般にへッド出力は抵抗変化量に比例しているため、実際にセンサーとして用いる場合には、出力の絶対値としては減少してしまうという問題もあった。
【００１８】
以上説明したような理由から、図２１に表したようにピン層とフリー層を多層構造にしたＣＩＰ−ＳＶ膜においても２０％を越えるような大きなＭＲ変化率と、５〜３０Ωの実用的な抵抗変化量を実現することは実質的に不可能となっている。
【００１９】
一方、３０％を越えるような大きなＭＲを得る方法として、磁性体と非磁性対を積層した人工格子において膜面に垂直方向（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）にセンス電流を流す形式の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ−人工格子）が提案されている。
【００２０】
図２２は、ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。この形式の磁気抵抗効果素子では、強磁性層／非磁性層からなる人工格子ＳＬの上下に電極ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れる。この構成では、電流Ｉが磁性層／非磁性層界面を横切る確率が高くなるため、良好な界面効果を得ることが可能となり大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。
【００２１】
しかしながら、このようなＣＰＰ人工格子タイプの膜では、極薄の金属膜の積層構造からなる人工格子ＳＬの膜面垂直方向の電気抵抗を測定する必要がある。しかしこの抵抗値は一般に非常に小さな値になってしまう。したがってＣＰＰ人工格子では、抵抗値をできるだけ大きくすることが重要な技術課題となっている。従来はこの値を大きくするために、人工格子ＳＬと電極ＥＬとの接合面積を可能なかぎり小さくして、かつ人工格子ＳＬの積層回数を増やし、総膜厚をふやすことが必須となっている。たとえば、素子の形状を０．１μｍ×０．１μｍにパターニングした場合、Ｃｏ２ｎｍとＣｕ２ｎｍを交互に１０回積層すれば、総膜厚は２０ｎｍとなり、１Ω程度の抵抗値を得ることができる。
【００２２】
以上のような理由から、ＣＰＰ人工格子タイプの膜で、十分なヘッド出力を得、良好なハードディスク用読み取りセンサーとして用いるためには、スピンバルブタイプではなく人工格子タイプにすることが抵抗の面からみると必須である事がわかる。
【００２３】
しかし一方で、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、磁性層の磁化の制御を行い、効率よく外部磁場の計測を行えるようにしながら、同時にバルクハウゼンノイズ等が発生しないように、各磁性層を単磁区化する事が必要となってくる。しかし、上述したように、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層を交互に何度も積層する必要があり、そのような多くの磁性層にたいして、個別に磁化の制御を行うことは技術上非常に困難となっている。
【００２４】
また、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、小さな信号磁界に対して高感度に磁化が回転し、大きなＭＲ変化率が得られるようにする必要があるが、このためにはセンシング部分での信号磁束密度を向上させ、おなじ磁束密度でもより大きな磁化回転量が得られるようにする必要がある。したがって外部磁場によって磁化が回転する層のトータルのＭｓｔ（磁化×膜厚）を小さくする必要がある。しかし、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層とを交互に何度も積層する必要があり、Ｍｓｔが増大してしまうため、信号磁束に対する感度を向上させることが困難となっている。
【００２５】
このため、ＣＰＰ人工格子タイプの膜では、３０％を越えるＭＲ変化率は期待できるもののへッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上不可能となっている。
【００２６】
一方、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ等を用いたスピンバルブ構造においてＣＰＰ方式を採用することも考えられる。
【００２７】
図２３は、ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。しかし、このようなＣＰＰ−ＳＶ構成において、抵抗値を大きくするためには磁性層の厚さを２０ｎｍ程度まで厚くする必要があり、その場合でも抵抗変化率は、４．２Ｋで３０％程度にとどまり、室温においては更にその半分の１５％程度の抵抗変化率しか得られないだろうことが予測されている。
【００２８】
つまり、ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜では、１５％程度のＭＲ変化率しか得られず、しかもフリー層のＭｓｔも大きくせざるを得ないため、へッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上用いることは困難となっている。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜、ＣＰＰ方式の人工格子、ＣＰＰ方式のスピンバルブ等、様々な方式が提案されているものの、現時点では１００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ を超えるような高記録密度で用いることができる、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量をもち、かつ磁気的に高感度となるようなスピンバルブ膜は実現が困難となっている。
【００３０】
本発明は、このような課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、スピン依存散乱効果を有効的に利用しながら、適当な抵抗値を有し、高感度化が可能で、かつ制御すべき磁性体層の数の少ない、実用的な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層体を有し、前記積層体における前記強磁性層は、互いに強磁性結合してなり、前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする。
【００３２】
ここで、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、第１の強磁性体からなる層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる層とを含むものとすることができる。
【００３３】
また、前記積層体は、第１の強磁性体からなる前記強磁性層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる前記強磁性層と、を含むものとすることもできる。
【００３４】
また、前記積層体に含まれる前記強磁性層は、鉄（Ｆｅ）基合金を含み、
前記積層体に含まれる前記非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及び金と銀との合金のいずれかを含むものとすることもできる。
【００３５】
または、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、２種類以上の強磁性層を積層した積層体を有し、前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする。
【００３６】
上記いずれの磁気抵抗効果素子においても、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、鉄（Ｆｅ）基合金を含むものとすることができる。
【００３７】
また、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金からなるものとすることもできる。
【００３８】
また、前記磁化固着層と前記磁化自由層は、それぞれ前記積層体を有し、
前記磁化固着層の前記積層体における前記積層の周期と、前記磁化自由層の前記積層体における前記積層の周期とが異なるものとすることもできる。
【００３９】
また、前記非磁性中間層は、２種類以上の非磁性層を積層した積層体を有するものとすることもできる。
【００４０】
ここで、前記２種類以上の非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか２つをそれぞれ主成分とした２種類の非磁性層を含むものとすることができる。
【００４１】
一方、本発明の磁気ヘッドは、前述のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００４２】
さらに、本発明の磁気記録再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする。
【００４３】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、スピン依存散乱を有効に利用することが可能となり大きなＭＲ変化率と、適度な抵抗値を両立することが可能になる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０Ａは、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、中間非磁性層Ｓ、第２の磁性体Ｆの順に積層されている。
【００４５】
さらに、この積層構造の上下には、電極層ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉを膜面垂直方向に流すことが特徴となっている。
【００４６】
本具体例において、第１の磁性層Ｐは、反強磁性層Ａによる一方向異方性によって磁化が固定された「ピン層」として作用する。また第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化回転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【００４７】
本具体例においては、第１の磁性層Ｐおよび第２の磁性層Ｆは、それぞれ強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮ、強磁性層ＦＦ／非磁性層ＦＮの積層構造から構成されている。この強磁性層／非磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいてはほぼ同一方向に磁化固着されており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対応してほぼ同一の磁化方向をもつ。
【００４８】
本具体例においては、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ構成と比べて、明らかにピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／非磁性層の界面を設けることが可能となる。ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性層／非磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が大きなスピン依存性を持ち、ＣＰＰ−ＭＲを増大させるという作用効果を有する。
【００４９】
また、界面抵抗が比較的大きな値を持つため、強磁性層／非磁性層の界面をより多く形成することにより、膜面垂直方向の抵抗値を増大させることもできる。本発明においては、より多くの界面抵抗を利用するができ、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ膜に比べて、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【００５０】
また、本発明においては、電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れるＣＰＰ方式をとっているため、すべての電流成分は強磁性層／非磁性層の界面を横切ることになり、図２０や図２１に例示したＣＩＰ方式の場合には有効に利用できなかった界面効果を極めて有効に利用することが可能となる。このため、ＣＩＰ構成では十分に得られなかったＭＲ変化率の増大効果を極めて顕著に得ることが可能になる。
【００５１】
さらに本発明においては、センス電流Ｉは膜面に対して垂直方向に流れるため、図２１に例示したＣＩＰ方式の場合のように、非磁性層を挟むことによる抵抗値の低下の問題は発生しない。
【００５２】
以上説明したように、本発明によれば、スピンバルブ構成でありながら、界面抵抗を良好に利用し、適度な抵抗値を持ったＣＰＰスピンバルブ素子を提供することが可能となる。
【００５３】
また本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能とになる。その結果として、磁気ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合には、バルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。
【００５４】
また、本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆのトータルの厚さは薄くしたまま、良好な抵抗値、ＭＲ変化率を得ることが可能となる。すなわち、図２３に例示したような単純なＣＰＰスピンバルブ構成と比較して、本構成の場合には界面抵抗を十分に利用することが可能となるため、ピン層Ｐ、フリー層ＦのトータルのＭｓｔが小さい条件でも、十分な抵抗値とＭＲ変化率を得ることが可能となる。具体的には、図２３の構成ではピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁性体の厚さとしては２０ｎｍ程度必要であったものが、本構成にすることにより、トータルの磁性層厚が５ｎｍ程度で十分な特性を得ることが可能になる。これによって、フリー層ＦのＭｓｔを小さな値に保つことが可能となり、高感度なスピンバルブ素子を構成することができる。またピン層ＰのＭｓｔも小さくすることが可能となるため、反強磁性層Ａによる磁化固着特性を向上させることができ、熱的にも安定し、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能となる。
【００５５】
本具体例における第１および第２の強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている強磁性層は、例えばＣｏ（コバルト）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（ニッケル鉄）合金のようなＮｉ基合金、あるいはＦｅ基合金等により構成することができる。
【００５６】
また、本実施例においては強磁性層／非磁性層界面において大きなスピン依存界面抵抗を得ることが望ましいが、そのような強磁性層、非磁性層の組み合わせとしては、強磁性体層としてはＦｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金を用い、非磁性層としてはＣｕ（銅），Ａｇ（銀），Ａｕ（金）もしくはそれらの合金を用いることが望ましい。
【００５７】
また、特にＲｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）などの非強磁性遷移金属をもちいることも望ましい。これらのうちでも、特にＭｎまたはＲｅを用いることが望ましい。
【００５８】
特に界面抵抗が大きくなる組み合わせとしては、Ｆｅ基合金／Ａｕ、Ｆｅ基合金／Ａｇ、もしくはＦｅ基合金／Ａｕ−Ａｇ合金、Ｃｏ基合金／Ｃｕ、Ｃｏ基合金／Ａｇ，Ｃｏ基合金／Ａｕ、もしくはＣｏ基合金／Ｃｕ−Ａｇ−Ａｕ合金のいずれかを用いることが望ましい。
【００５９】
強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やすためには、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。そのような組み合わせとしてはＦｅ１原子層／Ａｕ１原子層で構成された人工格子を用いることができる。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている非磁性層の膜厚としては、強磁性層同士の強磁性結合が強く安定であることが必要であるため、１ｎｍ以下であることが望ましい。但し、非磁性層の材料に応じて強磁性結合が安定になる膜厚を選択することが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生することは可能である。
【００６１】
強磁性層／非磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、強磁性層と非磁性層とが非固溶系となる組み合わせであることが望ましい。但し、本発明は、必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。
【００６２】
強磁性層／非磁性層積層構造は、平坦で、切れ目なく構成されていることが望ましい。しかし良好な強磁性磁気結合を得るためには、図２に表したように非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成されており、その部分では隣り合う強磁性層ＦＦ、ＰＦが直接接合されていても問題はない。
【００６３】
逆に、図３に表したように強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状になっていても積層構造が形成されていても、強磁性層／非磁性層界面が膜面に略平行に存在していれば問題はない。
【００６４】
強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料のみで構成されている必要はない。
【００６５】
図４に例示した構成においては、２種の強磁性体からなる積層膜が用いられている。つまり、第１の強磁性層Ｐを構成する強磁性層ＰＦはＰＦ１／ＰＦ２／ＰＦ１なる積層構成を有し、第２の強磁性層Ｆを構成する強磁性層ＦＦもＦＦ１／ＦＦ２／ＦＦ１なる積層構成を有する。
【００６６】
より具体的には、例えばピン層Ｐにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅはスピンの揺らぎが大きい為に、室温で用いる為にはスピンの揺らぎを抑えることが望ましい。そのためには強磁性層ＰＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等のスピン揺らぎの小さな磁性体との積層構造とすることが望ましい。
【００６７】
一方、フリー層Ｆにおいても、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのため強磁性層ＦＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料との積層構造とすることが望ましい。
【００６８】
なお、図４においては、フリー層Ｆの上に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどからなる高導電層Ｇが積層されている。
【００６９】
一方、強磁性層／非磁性層の積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料で構成されている必要はなく、図５に示したように、２種以上の強磁性体で構成されていても良い。例えば、高導電層Ｇと非磁性中間層Ｓとの間に設けられるフリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅによる強磁性層ＦＦ１だけではフリー層として必要な軟磁気特性をえることが難しい。そのために強磁性層として強磁性結合したＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料からなる強磁性層ＦＦ２を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。
【００７０】
また、強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合にはｆｃｃ（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であることが望ましい。これは非磁性層を構成するＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成することが可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であっても、用いることは可能である。
【００７１】
また、図４や図５に例示したように２種類以上の強磁性層を組み合わせる場合には ｆｃｃ構造の強磁性体とｂｃｃ構造の強磁性体とを組み合わせることもできる。この様な組み合わせにおいてはｆｃｃ強磁性体とｂｃｃ強磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なる。このため、伝導電子に対する顕著なフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることができる。
【００７２】
図６は、ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた具体例を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブは、第１の磁性層Ｐがｂｃｃ構造の強磁性層ＰＦと非磁性層ＰＮとの積層構造を有し、第２の磁性層Ｆがｆｃｃ構造の強磁性層ＦＦと非磁性層ＦＮとの積層構造を有する。このようにピン層Ｐとフリー層Ｆで強磁性層の結晶構造を異なるものとしても大きなフィルター効果を得ることができる。
【００７３】
上述した各種磁性層において、Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。
【００７４】
Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，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、されには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変化率を得るために、特にＦｅを用いることが好ましい。
【００７５】
ところで、ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、それぞれ電子散乱を受ける。そして、本発明により、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その多層構造の積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。従って、ピン層とフリー層とで積層周期を変えると電子の「フィルター効果」が得られる。
【００７６】
図７は、このようにピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。
【００７７】
また、図８は、このスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。すなわち、図８（ａ）は、ピン層とフリー層の磁化が平行の場合、図８（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。
【００７８】
図７に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐにおける強磁性層／非磁性層の積層周期が、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおける強磁性層／非磁性層の積層周期よりも短い。
【００７９】
ここで、膜面に対して垂直方向に流れる電子の波数ベクトルは、バンドポテンシャルの変調に対応した摂動を受けることになる。この摂動を受ける波数は、多層構造の周期に応じて異なる。このため、図７に例示したようにピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる電子の波数を大きく制限することが可能になる。さらに、このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層Ｐとフリー層Ｆの積層周期を故意に変えることにより、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。
【００８０】
図８において、各グラフの縦軸は、伝導電子の感じるポテンシャルを表し、横軸は、スピンバルブ素子の膜厚方向の位置を表す。ここでいう伝導電子の感じるポテンシャルとは、金属中の伝導電子を自由電子モデルで近似した場合の、フェルミ・エネルギーに対応しており、フェルミ面におけるフェルミ波数が大きいほど、フェルミ・エネルギーが大きく、ポテンシャルが深く感じられる。ポテンシャルの深さは金属の種類によって異なっているため、積層構造にすると膜厚方向にポテンシャルの変調が生じる。
【００８１】
図８において、ポテンシャルの浅い部分は伝導電子数が少なく、フェルミ・エネルギーが小さい状態を表している。一方、ポテンシャルの深い部分は伝導電子数が多く、フェルミ・エネルギーが大きい状態をあらわしている。磁性体内部では交換エネルギーによって、伝導電子がスピン分裂している為、ダウンスピンとアップスピンでは、伝導電子の感じるポテンシャルの大きさは異なっている。
【００８２】
以上のような効果により、本発明のＣＰＰ−ＳＶ膜において伝導電子の感じるポテンシャルは図８に示したような構造となる。すなわち、第１、第２の磁性層として磁性層／非磁性層の積層構造をもちいているため、伝導電子の感じるポテンシャルはクローニッヒ・ペニー型の変調をうけ、伝導電子のバンド構造にはミニギャップが形成される。そのミニギャップの形成のされ方は、積層周期により影響を受けるため、第１の磁性層と第２の磁性層で積層周期を変えると、ミニギャップの出来る場所が異なってくる。
【００８３】
このため、このようなＣＰＰ−ＳＶにおいて膜面垂直方向に電子を流した場合には、電子はギャップによって伝導を制約される確率が高くなり、全体として伝導電子の透過確率を制限することが可能になる。
【００８４】
また、アップスピンの伝導電子が感じるポテンシャルと、ダウンスピンの伝導電子が感じるポテンシャルとでは、ポテンシャルの深さが異なるため、伝導電子の透過確率の制約のされ方はスピン依存することになり、大きなスピン依存散乱効果を生み出すことが可能になる。
【００８５】
以上の効果により、高抵抗で高抵抗変化率のＣＰＰ−ＳＶを形成することが可能となる。
【００８６】
一方、本発明においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを構成する強磁性層／非磁性層の積層構造において、強磁性層同士は強磁性結合をしている必要があるが、そのためには、良好な積層構造を形成する必要がある。また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁気特性は、積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することによって向上させることができる。
【００８７】
このため、図９に示したように非磁性層も例えばＡｕ／Ｃｕ／Ａｕのような積層構造とし、大きな界面抵抗を実現しつつ良好な格子定数を実現し、良好な磁気特性を得ることが可能になる。すなわち、図９に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐを構成する強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮにおいて、非磁性層ＰＮが、第１の非磁性層ＰＮ１によって第２の非磁性層ＰＮ２をサンドイッチした構成を有する。同様に、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおいても、非磁性層ＦＮが、第１の非磁性層ＦＮ１と第２の非磁性層ＦＮ２とのサンドイッチ構造を有する。
【００８８】
図９の構成において、非磁性中間層Ｓの材料としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いる事が望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成する強磁性層Ｐから強磁性層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率をえることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。
【００８９】
一方、非磁性中間層Ｓを多層化することもできる。
【００９０】
図１０は、非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、非磁性中間層Ｓが、第１の非磁性層ＳＮ１と第２の非磁性層ＳＮ２との積層構造を有する。いずれの非磁性層も、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料により形成することが可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期によっても、伝導電子に対して摂動を与えることができる。つまり、非磁性中間層Ｓの非磁性層／非磁性層の積層周期と、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆの積層周期とを適当に設定することにより、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【００９１】
一方、反強磁性層Ａの材料としては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらの層の膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
【００９２】
一方、以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、いわゆる「シンセティック反強磁性層構造」とすることが可能である。
【００９３】
図１１は、シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。すなわち、同図に表した例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれが、同図中に矢印で示した方向にそれぞれ磁化する磁性層からなるシンセティック構造を有する。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層Ｐにおいては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。また、フリー層Ｆにおいては、見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。
【００９４】
一方、以上説明した構成においては、電極ＥＬとスピンバルブとの間には特別な層を設けなかったが、実際の素子を形成する場合は、これ以外の層を設けることができる。
【００９５】
図１２に例示したスピンバルブ素子においては、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるためにバッファ層（下地層）Ｂが設けられる。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層Ｃが設けられている。
【００９６】
バッファ層（下地層）Ｂ、保護層Ｃとしては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。
【００９７】
以上、本発明の第１の実施の形態として、ピン層及びフリー層の少なくともいずれかを強磁性層と非磁性層との積層構造とするＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明した。
【００９８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９９】
図１３は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性体Ｆ、高導電層Ｇの順に積層されている。
【０１００】
さらに、この積層構造の上下には、電極ＥＬが設けられ、センス電流が膜面に対して垂直方向に供給されることが特徴となっている。
【０１０１】
そして、本具体例においても第１の磁性層Ｐは、磁化が反強磁性層Ａによる一方向異方性により固定された「ピン層」として作用する。また、第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化反転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【０１０２】
本実施形態においては、第１の磁性層Ｐまたは第２の磁性層Ｆは、強磁性層と強磁性層の積層構造から構成されている。すなわち、図１３に表した具体例においては、ピン層Ｐは、第１の強磁性層ＰＮ１と第２の強磁性層ＰＮ２との積層構造を有し、フリー層Ｆは、第１の強磁性層ＦＦ１と第２の強磁性層ＦＦ２との積層構造を有する。
【０１０３】
本実施形態における強磁性層／強磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれる磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいては同一方向にそろっており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対してほぼ同一の磁化方向をもつ。
【０１０４】
本発明者が界面抵抗の効果を検討した結果、ＣＰＰ−ＳＶにおいては強磁性層／強磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が、大きなスピン依存性を持ちＣＰＰ−ＭＲを増大させる役目を担うことが明らかになった。
【０１０５】
本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／強磁性層の界面を設けることが可能となり、より多くの界面抵抗を利用することができ、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【０１０６】
また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層の磁化固着と１つのフリー層の磁化制御のみによって可能になり、ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合にはバルクハウゼンノイズフリーなヘッドを構成することが可能になる。
【０１０７】
第１および第２の強磁性層は、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、あるいはＦｅ基合金等により構成されている。
【０１０８】
特に界面抵抗が大きい組み合わせとしては、ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金、Ｆｅ基合金／ＮｉＦｅ合金、もしくはＦｅ基合金／ＣｏＦｅ合金を用いることが望ましい。
【０１０９】
強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている強磁性体層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やす為には、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１１０】
強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている磁性対層の膜厚としては、界面数をできるだけ多くするためには１ｎｍ以下であることが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生する事は可能である。
【０１１１】
強磁性層／強磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、隣接する強磁性層同士が非固溶系の組み合わせであることが望ましい。しかし必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。
【０１１２】
また、本実施形態におけるピン層Ｐ、フリー層Ｆの強磁性層は、必ずしも２種の材料で構成されている必要はなく、３種類以上の強磁性体層で構成されていても良い。
【０１１３】
図１４は、フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、フリー層Ｆが第１の強磁性層ＦＦ１と、第２の強磁性層ＦＦ２と、第３の強磁性層ＦＦ３との積層構造を有する。
【０１１４】
フリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／ＣｏＦｅ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのために、強磁性層として強磁性結合したＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている強磁性層ＦＦ３を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。
【０１１５】
また、強磁性層／強磁性層の積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合には、ｆｃｃ構造であることが望ましい。これはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成する事が可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ構造であっても、用いることは可能である。
【０１１６】
特に２種類の磁性体の組み合わせとして ｆｃｃ構造の磁性体とｂｃｃ構造の磁性体を組み合わせることもできる。このような組み合わせにおいてはｆｃｃ磁性体とｂｃｃ磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なるため、顕著な伝導電子のフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることが可能となる。
【０１１７】
Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。
【０１１８】
Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｈｆ等の１種または２種以上を天下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、されには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、逆に添加元素量がおおすぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあるかれである。添加元素はおおきなＭＲ変化率をえる上で、特にＦｅを用いる事が好ましい。
【０１１９】
ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、電子散乱を受けるが、本実施形態に基づいてピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。このため、膜面に対して垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルはバンドポテンシャルの変調に対応した制限を受けることになる。この制限を受ける波数は積層周期により異なる。このため、図７及び図８に関して前述したものと同様に、本実施形態においても、ピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる波数を大きく制限する事が可能になる。このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層とフリー層の積層周期を故意に変える事により、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。
【０１２０】
非磁性中間層Ｓとしては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いることが望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成するピン層Ｐからフリー層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。
【０１２１】
また、非磁性中間層Ｓは、図１０に関して前述したように、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料を積層した非磁性層／非磁性層の積層構造により構成することも可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期と、ピン層Ｐ、もしくはフリー層Ｆの積層周期を適当に設定する事により、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することも可能となる。
【０１２２】
一方、反強磁性層Ａとしては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらのそうの膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
【０１２３】
また以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、図１１に関して前述したようなシンセティック反強磁性層構造とすることも可能である。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層においては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。またフリー層においては見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態においても、図１２に関して前述したものと同様に、バッファ層（下地層）Ｂや保護層Ｃを設けることができる。すなわち、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるために下地層を形成することが望ましい。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層となるべき層を配置することが望ましい。これら下地層、保護層としては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。
【０１２５】
以上、本発明の実施の形態について説明した。
【０１２６】
次に、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１５は、本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。以下、本実施例に関して、その製造プロセスに沿って説明する。
【０１２７】
まず、図示しない熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極ＥＬ１を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。次に、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜の積層構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ３ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍ
【０１２８】
その上にさらにＡｌＯｘの絶縁膜Ｚを堆積し、絶縁膜Ｚに０．１μｍ角の穴を形成した。その上に、厚さ５００ｎｍのＣｕ上部電極ＥＬ２をスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成により絶縁膜Ｚの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１２９】
室温での測定の結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率は１０％の値を得ることができた。これにより０．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。また、ピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１３０】
また、フリー層ＦのＨｃも小さく、その磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。
【０１３１】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１３２】
その結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより２Ωの抵抗変化量をえることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１３３】
（比較例１）
上記実施例に対する比較例として、ピン層とフリー層をそれぞれ単層としたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。
【０１３４】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１３５】
その上に、図１５に表したものと同様にＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例ではＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は３Ωとなり、抵抗変化率は２％の値しか得られなかった。したがって０．０６Ωの抵抗変化量しか得られず実施例１の１／８程度の変化量にとどまった。
【０１３６】
（比較例２）
次に、第２比較例として、膜面に対して平行方向にセンス電流を流すＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。
【０１３７】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、第１比較例と同様の積層構造を形成した。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ （反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１３８】
そして、その積層膜の両端部に電極を形成し、膜面に対して平行方向にセンス電流を流してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率として８％の値が得られた。
【０１３９】
次に、ピン層とフリー層を積層構造にしたＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。その積層構造は以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
を成膜してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率としては９％の値が得られた。すなわち、比較例１と比べるとＭＲ変化率としては確かに上昇したが、その上昇率は小さな値にとどまった。
【０１４０】
以上の比較例の結果から、ＣＩＰタイプのＳＶ素子においては、ピン層やフリー層を強磁性層と非磁性層との多層構造としても余り大きな効果が得られないことが明確になった。
【０１４１】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有するＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。
【０１４２】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その積層膜構成は、以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１４３】
その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率は２０％の値を得ることができた。これにより１．６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１４４】
また、ピン層は、反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１４５】
また、フリー層のＨｃは２０Ｏｅと大きいものの、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。
【０１４６】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１４７】
その結果、抵抗は１２Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１４８】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有し、さらにフリー層にＮｉＦｅ層を設けて軟磁気特性を向上させたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。
【０１４９】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層））／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１５０】
その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例でも、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１５１】
室温での測定の結果、抵抗は７Ωとなり、抵抗変化率は１８％の値を得ることができた。これにより１．２６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１５２】
また、ピン層は反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１５３】
また、フリー層のＨｃは８Ｏｅと減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１５４】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１５５】
その結果、抵抗は１０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．０Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１５６】
（第４の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１５７】
その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１５８】
室温での測定の結果、抵抗は９Ωとなり、抵抗変化率は２７％の値をえることができた。これにより２．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１５９】
また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１６０】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１６１】
その結果、抵抗は２０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１６２】
（第５の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ １ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１６３】
その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１６４】
室温での測定の結果、抵抗は６Ωとなり、抵抗変化率は１６％の値をえることが出来た。これにより０．９６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１６５】
また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１６６】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１６７】
その結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより３．２Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１６８】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドについて説明する。
【０１６９】
図１６は、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの要部構成を表す斜視概念図である。すなわち、本発明の磁気ヘッドは、記録媒体２００に対向して配置された一対の磁気ヨーク１０２、１０２を有する。磁気ヨーク１０２、１０２の上には、これらと磁気的に結合された磁気抵抗効果素子１０４が設けられている。磁気抵抗効果素子１０４は、図１乃至図１５に関して前述した本発明のＣＰＰタイプの素子である。また、一対の磁気ヨーク１０２、１０２を跨ぐように、その両端には、一対のバイアス層１０６、１０６が形成されている。バイアス層１０６は、反強磁性体あるいは強磁性体からなり、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４のフリー層の磁化を、記録磁界と垂直方向、すなわち同図中のｙ方向に向けるように作用する。
【０１７０】
記録媒体２００には、記録トラック２００Ｔが形成され、記録ビット２００Ｂが配列している。それぞれの記録ビット２００Ｂには、矢印で例示したような信号磁化が形成され、これらの記録ビットからの信号磁束は、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４とを結んだ磁気回路に与えられる。磁気抵抗効果素子１０４に記録ビット２００Ｂの磁場が与えられると、フリー層の磁化は、バイアス層１０６によるｙ方向から面内に回転する。すると、この磁化方向の変化が磁気抵抗の変化として検出される。
【０１７１】
磁気抵抗効果素子１０４の磁気検出領域を記録ビット２００Ｂのサイズに合わせるために、磁気抵抗効果素子１０４の電極のコンタクトは、同図中に表した記録トラックの幅Ｗに相当する領域に制限して形成されている。
【０１７２】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子１０４として、図１乃至図１５に関して前述したいずれかのＣＰＰタイプの素子を用いることにより、適切な素子抵抗と大きな磁気抵抗の変化を両立することができる。つまり、従来よりも大幅に感度が高く且つ信頼性も安定した磁気ヘッドを実現することができる。
【０１７３】
なお、本具体例においては、長手（面内）記録方式の磁気記録媒体に適応した磁気ヘッドを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、垂直記録媒体に適応した磁気ヘッドについても、本発明の磁気抵抗効果素子を同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１７４】
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生装置について説明する。図１乃至図１５に関して前述した本発明の磁気抵抗効果素子は、図１６に例示したような磁気ヘッドに搭載され、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれて磁気記録再生装置に応用することができる。
【０１７５】
図１７は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、第６実施例において前述したような本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドをその先端付近に有する。
【０１７６】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１７７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１７８】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１７９】
図１８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５１を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【０１８０】
サスペンション１５４の先端には、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた再生用磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。記録用ヘッドを組み合わせても良い。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１８１】
ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
【０１８２】
磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明によれば、このような「浮上走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。
【０１８３】
一方、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを積極的に接触させて、走行させる「接触走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができることは勿論である。
【０１８４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１８５】
例えば、スピンバルブ素子としての構造及び各層の材料については、当業者が選択しうるすべての範囲について本発明を同様に適用して同様の効果を得ることが可能である。例えば、「デュアル型」のような構造についても本発明を同様に適用することができる。
【０１８６】
また、磁気ヘッドの構造、構成する各要素の材料や形状などに関しても、具体例として前述したものには限定されず、当業者が選択しうる範囲のすべてを同様に用いて同様の効果を奏し得る。
【０１８７】
また、磁気記録再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものあっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。
【０１８８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるような磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１８９】
その結果として、従来よりも微小な記録ビットからの磁気的情報を確実に読みとることが可能となり、記録媒体の記録密度を大幅に向上させることが可能となる。同時に、熱的にも安定するために、磁気記録再生システムの信頼性が向上し、利用範囲が拡がり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図２】非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図３】強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状に形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図４】２種の強磁性体からなる積層膜が用いられた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図５】２種以上の強磁性体で構成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図６】ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図７】ピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。
【図８】図７のスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。
【図９】非磁性層も積層構造とした磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１０】非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。
【図１１】シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。
【図１２】バッファ層と保護層とを有する磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１４】フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。
【図１５】本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概略構成図である。
【図１７】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１８】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１９】スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。
【図２０】一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。
【図２１】ピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブを表す概念図である。
【図２２】ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。
【図２３】ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。
【符号の説明】
Ａ 反強磁性層
Ｐ 磁化固着層（ピン層）
ＰＦ 強磁性層
ＰＮ 非磁性層
Ｓ 非磁性中間層
Ｆ 磁化自由層（フリー層）
ＦＦ 強磁性層
ＦＮ 非磁性層
ＥＬ 電極
Ｉ センス電流
Ｂ バッファ層
Ｃ 保護層
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 固定軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関し、より詳細には、薄膜面に対して垂直にセンス電流が流れるスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、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が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を「磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と称する）」とよぶ。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７、１５０（１９７１）等参照）、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」とよばれている。
【０００４】
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
【０００５】
ここで「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）あたりの抵抗変化量（Ω）が大きい事を意味しており、より大きなＭＲ変化量をもち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値とする事が望まれている。
【０００６】
このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲへッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ（ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅ）膜を用いることが一般化している。
【０００７】
図１９は、スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。スピンバルブ膜１００は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐ及び反強磁性層Ａをこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層Ｆ、Ｐのうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体Ａを用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにされている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層Ｐ、Ｆの磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果をえることができる（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ６９， ４７７４（１９９１）等参照）。
【０００８】
ここで、強磁性層Ｆは、「フリー層」あるいは「磁場感受層」、「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは、「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは、「スペーサ層」あるいは「非磁性中間層」、「中間層」などと称される場合が多い。
【０００９】
スピンバルブ膜は、低磁場でも、フリー層すなわち強磁性層Ｆの磁化を回転させることができるため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
【００１０】
このようなスピンバルブ素子に対しては、磁界による抵抗の変化を検出するために「センス電流」を流す必要がある。
【００１１】
図２０は、一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。すなわち、現在は、図示したようにスピンバルブ素子の両端に電極ＥＬ、ＥＬを設け、センス電流Ｉを膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ）」方式とよばれている。
【００１２】
ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲへッドでは、スピンバルブ素子はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼＭＲ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を１０〜３０Ωにすることにより良好な Ｓ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することができる。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲへッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
【００１３】
しかしながら、１００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ をこえるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として３０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【００１４】
このような観点から、ＭＲ変化率を大きくする目的で、ＣＩＰ−ＳＶ（ＣＩＰ−スピンバルブ）膜においてピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブが提案されている。
【００１５】
図２１は、このような積層構造を有するスピンバルブ膜の概略断面図である。すなわち、ピン層Ｐとフリー層Ｆとが、それぞれ強磁性層と非磁性層との積層構造を有する。この構造の場合、スピンバルブ膜では磁性層／非磁性層界面におけるスピンに依存した電子散乱がＭＲ高果に寄与するため、伝導電子がなるべくより多くの磁性層／非磁性層界面をとおりぬけるようにピン層Ｐとフリー層Ｆの磁性層／非磁性層界面を増やすことにより、大きなＭＲ変化率をえることが可能とされている。
【００１６】
しかしながら、図２１の構成においては、界面数は増えるものの、センス電流Ｉは積層構造に対して平行に流れるため、それぞれの電子はいずれか一つの層中を流れる確率が高く、界面を横切る電子の数をさほど増やすことはできない。したがって大きな抵抗変化率の向上を得ることは困難となっている。
【００１７】
また上記のような方法では、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれにおいて非磁性層が積層されるぶん総膜厚が増加するため、膜面の抵抗値、いわゆる面電気抵抗値は大きく減少してしまい、抵抗変化量（＝面電気抵抗×ＭＲ変化率）はむしろ減少してしまう。一般にへッド出力は抵抗変化量に比例しているため、実際にセンサーとして用いる場合には、出力の絶対値としては減少してしまうという問題もあった。
【００１８】
以上説明したような理由から、図２１に表したようにピン層とフリー層を多層構造にしたＣＩＰ−ＳＶ膜においても２０％を越えるような大きなＭＲ変化率と、５〜３０Ωの実用的な抵抗変化量を実現することは実質的に不可能となっている。
【００１９】
一方、３０％を越えるような大きなＭＲを得る方法として、磁性体と非磁性対を積層した人工格子において膜面に垂直方向（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）にセンス電流を流す形式の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ−人工格子）が提案されている。
【００２０】
図２２は、ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。この形式の磁気抵抗効果素子では、強磁性層／非磁性層からなる人工格子ＳＬの上下に電極ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れる。この構成では、電流Ｉが磁性層／非磁性層界面を横切る確率が高くなるため、良好な界面効果を得ることが可能となり大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。
【００２１】
しかしながら、このようなＣＰＰ人工格子タイプの膜では、極薄の金属膜の積層構造からなる人工格子ＳＬの膜面垂直方向の電気抵抗を測定する必要がある。しかしこの抵抗値は一般に非常に小さな値になってしまう。したがってＣＰＰ人工格子では、抵抗値をできるだけ大きくすることが重要な技術課題となっている。従来はこの値を大きくするために、人工格子ＳＬと電極ＥＬとの接合面積を可能なかぎり小さくして、かつ人工格子ＳＬの積層回数を増やし、総膜厚をふやすことが必須となっている。たとえば、素子の形状を０．１μｍ×０．１μｍにパターニングした場合、Ｃｏ２ｎｍとＣｕ２ｎｍを交互に１０回積層すれば、総膜厚は２０ｎｍとなり、１Ω程度の抵抗値を得ることができる。
【００２２】
以上のような理由から、ＣＰＰ人工格子タイプの膜で、十分なヘッド出力を得、良好なハードディスク用読み取りセンサーとして用いるためには、スピンバルブタイプではなく人工格子タイプにすることが抵抗の面からみると必須である事がわかる。
【００２３】
しかし一方で、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、磁性層の磁化の制御を行い、効率よく外部磁場の計測を行えるようにしながら、同時にバルクハウゼンノイズ等が発生しないように、各磁性層を単磁区化する事が必要となってくる。しかし、上述したように、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層を交互に何度も積層する必要があり、そのような多くの磁性層にたいして、個別に磁化の制御を行うことは技術上非常に困難となっている。
【００２４】
また、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、小さな信号磁界に対して高感度に磁化が回転し、大きなＭＲ変化率が得られるようにする必要があるが、このためにはセンシング部分での信号磁束密度を向上させ、おなじ磁束密度でもより大きな磁化回転量が得られるようにする必要がある。したがって外部磁場によって磁化が回転する層のトータルのＭｓｔ（磁化×膜厚）を小さくする必要がある。しかし、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層とを交互に何度も積層する必要があり、Ｍｓｔが増大してしまうため、信号磁束に対する感度を向上させることが困難となっている。
【００２５】
このため、ＣＰＰ人工格子タイプの膜では、３０％を越えるＭＲ変化率は期待できるもののへッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上不可能となっている。
【００２６】
一方、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ等を用いたスピンバルブ構造においてＣＰＰ方式を採用することも考えられる。
【００２７】
図２３は、ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。しかし、このようなＣＰＰ−ＳＶ構成において、抵抗値を大きくするためには磁性層の厚さを２０ｎｍ程度まで厚くする必要があり、その場合でも抵抗変化率は、４．２Ｋで３０％程度にとどまり、室温においては更にその半分の１５％程度の抵抗変化率しか得られないだろうことが予測されている。
【００２８】
つまり、ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜では、１５％程度のＭＲ変化率しか得られず、しかもフリー層のＭｓｔも大きくせざるを得ないため、へッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上用いることは困難となっている。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜、ＣＰＰ方式の人工格子、ＣＰＰ方式のスピンバルブ等、様々な方式が提案されているものの、現時点では１００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ を超えるような高記録密度で用いることができる、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量をもち、かつ磁気的に高感度となるようなスピンバルブ膜は実現が困難となっている。
【００３０】
本発明は、このような課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、スピン依存散乱効果を有効的に利用しながら、適当な抵抗値を有し、高感度化が可能で、かつ制御すべき磁性体層の数の少ない、実用的な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層体を有し、前記積層体における前記強磁性層は、互いに強磁性結合してなり、前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする。
【００３２】
ここで、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、第１の強磁性体からなる層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる層とを含むものとすることができる。
【００３３】
また、前記積層体は、第１の強磁性体からなる前記強磁性層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる前記強磁性層と、を含むものとすることもできる。
【００３４】
また、前記積層体に含まれる前記強磁性層は、鉄（Ｆｅ）基合金を含み、
前記積層体に含まれる前記非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及び金と銀との合金のいずれかを含むものとすることもできる。
【００３５】
または、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、２種類以上の強磁性層を積層した積層体を有し、前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする。
【００３６】
上記いずれの磁気抵抗効果素子においても、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、鉄（Ｆｅ）基合金を含むものとすることができる。
【００３７】
また、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金からなるものとすることもできる。
【００３８】
また、前記磁化固着層と前記磁化自由層は、それぞれ前記積層体を有し、
前記磁化固着層の前記積層体における前記積層の周期と、前記磁化自由層の前記積層体における前記積層の周期とが異なるものとすることもできる。
【００３９】
また、前記非磁性中間層は、２種類以上の非磁性層を積層した積層体を有するものとすることもできる。
【００４０】
ここで、前記２種類以上の非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか２つをそれぞれ主成分とした２種類の非磁性層を含むものとすることができる。
【００４１】
一方、本発明の磁気ヘッドは、前述のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００４２】
さらに、本発明の磁気記録再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする。
【００４３】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、スピン依存散乱を有効に利用することが可能となり大きなＭＲ変化率と、適度な抵抗値を両立することが可能になる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０Ａは、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、中間非磁性層Ｓ、第２の磁性体Ｆの順に積層されている。
【００４５】
さらに、この積層構造の上下には、電極層ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉを膜面垂直方向に流すことが特徴となっている。
【００４６】
本具体例において、第１の磁性層Ｐは、反強磁性層Ａによる一方向異方性によって磁化が固定された「ピン層」として作用する。また第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化回転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【００４７】
本具体例においては、第１の磁性層Ｐおよび第２の磁性層Ｆは、それぞれ強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮ、強磁性層ＦＦ／非磁性層ＦＮの積層構造から構成されている。この強磁性層／非磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいてはほぼ同一方向に磁化固着されており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対応してほぼ同一の磁化方向をもつ。
【００４８】
本具体例においては、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ構成と比べて、明らかにピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／非磁性層の界面を設けることが可能となる。ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性層／非磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が大きなスピン依存性を持ち、ＣＰＰ−ＭＲを増大させるという作用効果を有する。
【００４９】
また、界面抵抗が比較的大きな値を持つため、強磁性層／非磁性層の界面をより多く形成することにより、膜面垂直方向の抵抗値を増大させることもできる。本発明においては、より多くの界面抵抗を利用するができ、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ膜に比べて、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【００５０】
また、本発明においては、電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れるＣＰＰ方式をとっているため、すべての電流成分は強磁性層／非磁性層の界面を横切ることになり、図２０や図２１に例示したＣＩＰ方式の場合には有効に利用できなかった界面効果を極めて有効に利用することが可能となる。このため、ＣＩＰ構成では十分に得られなかったＭＲ変化率の増大効果を極めて顕著に得ることが可能になる。
【００５１】
さらに本発明においては、センス電流Ｉは膜面に対して垂直方向に流れるため、図２１に例示したＣＩＰ方式の場合のように、非磁性層を挟むことによる抵抗値の低下の問題は発生しない。
【００５２】
以上説明したように、本発明によれば、スピンバルブ構成でありながら、界面抵抗を良好に利用し、適度な抵抗値を持ったＣＰＰスピンバルブ素子を提供することが可能となる。
【００５３】
また本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能とになる。その結果として、磁気ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合には、バルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。
【００５４】
また、本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆのトータルの厚さは薄くしたまま、良好な抵抗値、ＭＲ変化率を得ることが可能となる。すなわち、図２３に例示したような単純なＣＰＰスピンバルブ構成と比較して、本構成の場合には界面抵抗を十分に利用することが可能となるため、ピン層Ｐ、フリー層ＦのトータルのＭｓｔが小さい条件でも、十分な抵抗値とＭＲ変化率を得ることが可能となる。具体的には、図２３の構成ではピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁性体の厚さとしては２０ｎｍ程度必要であったものが、本構成にすることにより、トータルの磁性層厚が５ｎｍ程度で十分な特性を得ることが可能になる。これによって、フリー層ＦのＭｓｔを小さな値に保つことが可能となり、高感度なスピンバルブ素子を構成することができる。またピン層ＰのＭｓｔも小さくすることが可能となるため、反強磁性層Ａによる磁化固着特性を向上させることができ、熱的にも安定し、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能となる。
【００５５】
本具体例における第１および第２の強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている強磁性層は、例えばＣｏ（コバルト）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（ニッケル鉄）合金のようなＮｉ基合金、あるいはＦｅ基合金等により構成することができる。
【００５６】
また、本実施例においては強磁性層／非磁性層界面において大きなスピン依存界面抵抗を得ることが望ましいが、そのような強磁性層、非磁性層の組み合わせとしては、強磁性体層としてはＦｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金を用い、非磁性層としてはＣｕ（銅），Ａｇ（銀），Ａｕ（金）もしくはそれらの合金を用いることが望ましい。
【００５７】
また、特にＲｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）などの非強磁性遷移金属をもちいることも望ましい。これらのうちでも、特にＭｎまたはＲｅを用いることが望ましい。
【００５８】
特に界面抵抗が大きくなる組み合わせとしては、Ｆｅ基合金／Ａｕ、Ｆｅ基合金／Ａｇ、もしくはＦｅ基合金／Ａｕ−Ａｇ合金、Ｃｏ基合金／Ｃｕ、Ｃｏ基合金／Ａｇ，Ｃｏ基合金／Ａｕ、もしくはＣｏ基合金／Ｃｕ−Ａｇ−Ａｕ合金のいずれかを用いることが望ましい。
【００５９】
強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やすためには、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。そのような組み合わせとしてはＦｅ１原子層／Ａｕ１原子層で構成された人工格子を用いることができる。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている非磁性層の膜厚としては、強磁性層同士の強磁性結合が強く安定であることが必要であるため、１ｎｍ以下であることが望ましい。但し、非磁性層の材料に応じて強磁性結合が安定になる膜厚を選択することが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生することは可能である。
【００６１】
強磁性層／非磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、強磁性層と非磁性層とが非固溶系となる組み合わせであることが望ましい。但し、本発明は、必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。
【００６２】
強磁性層／非磁性層積層構造は、平坦で、切れ目なく構成されていることが望ましい。しかし良好な強磁性磁気結合を得るためには、図２に表したように非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成されており、その部分では隣り合う強磁性層ＦＦ、ＰＦが直接接合されていても問題はない。
【００６３】
逆に、図３に表したように強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状になっていても積層構造が形成されていても、強磁性層／非磁性層界面が膜面に略平行に存在していれば問題はない。
【００６４】
強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料のみで構成されている必要はない。
【００６５】
図４に例示した構成においては、２種の強磁性体からなる積層膜が用いられている。つまり、第１の強磁性層Ｐを構成する強磁性層ＰＦはＰＦ１／ＰＦ２／ＰＦ１なる積層構成を有し、第２の強磁性層Ｆを構成する強磁性層ＦＦもＦＦ１／ＦＦ２／ＦＦ１なる積層構成を有する。
【００６６】
より具体的には、例えばピン層Ｐにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅはスピンの揺らぎが大きい為に、室温で用いる為にはスピンの揺らぎを抑えることが望ましい。そのためには強磁性層ＰＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等のスピン揺らぎの小さな磁性体との積層構造とすることが望ましい。
【００６７】
一方、フリー層Ｆにおいても、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのため強磁性層ＦＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料との積層構造とすることが望ましい。
【００６８】
なお、図４においては、フリー層Ｆの上に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどからなる高導電層Ｇが積層されている。
【００６９】
一方、強磁性層／非磁性層の積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料で構成されている必要はなく、図５に示したように、２種以上の強磁性体で構成されていても良い。例えば、高導電層Ｇと非磁性中間層Ｓとの間に設けられるフリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅによる強磁性層ＦＦ１だけではフリー層として必要な軟磁気特性をえることが難しい。そのために強磁性層として強磁性結合したＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料からなる強磁性層ＦＦ２を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。
【００７０】
また、強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合にはｆｃｃ（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であることが望ましい。これは非磁性層を構成するＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成することが可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であっても、用いることは可能である。
【００７１】
また、図４や図５に例示したように２種類以上の強磁性層を組み合わせる場合には ｆｃｃ構造の強磁性体とｂｃｃ構造の強磁性体とを組み合わせることもできる。この様な組み合わせにおいてはｆｃｃ強磁性体とｂｃｃ強磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なる。このため、伝導電子に対する顕著なフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることができる。
【００７２】
図６は、ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた具体例を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブは、第１の磁性層Ｐがｂｃｃ構造の強磁性層ＰＦと非磁性層ＰＮとの積層構造を有し、第２の磁性層Ｆがｆｃｃ構造の強磁性層ＦＦと非磁性層ＦＮとの積層構造を有する。このようにピン層Ｐとフリー層Ｆで強磁性層の結晶構造を異なるものとしても大きなフィルター効果を得ることができる。
【００７３】
上述した各種磁性層において、Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。
【００７４】
Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，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、されには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変化率を得るために、特にＦｅを用いることが好ましい。
【００７５】
ところで、ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、それぞれ電子散乱を受ける。そして、本発明により、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その多層構造の積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。従って、ピン層とフリー層とで積層周期を変えると電子の「フィルター効果」が得られる。
【００７６】
図７は、このようにピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。
【００７７】
また、図８は、このスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。すなわち、図８（ａ）は、ピン層とフリー層の磁化が平行の場合、図８（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。
【００７８】
図７に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐにおける強磁性層／非磁性層の積層周期が、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおける強磁性層／非磁性層の積層周期よりも短い。
【００７９】
ここで、膜面に対して垂直方向に流れる電子の波数ベクトルは、バンドポテンシャルの変調に対応した摂動を受けることになる。この摂動を受ける波数は、多層構造の周期に応じて異なる。このため、図７に例示したようにピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる電子の波数を大きく制限することが可能になる。さらに、このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層Ｐとフリー層Ｆの積層周期を故意に変えることにより、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。
【００８０】
図８において、各グラフの縦軸は、伝導電子の感じるポテンシャルを表し、横軸は、スピンバルブ素子の膜厚方向の位置を表す。ここでいう伝導電子の感じるポテンシャルとは、金属中の伝導電子を自由電子モデルで近似した場合の、フェルミ・エネルギーに対応しており、フェルミ面におけるフェルミ波数が大きいほど、フェルミ・エネルギーが大きく、ポテンシャルが深く感じられる。ポテンシャルの深さは金属の種類によって異なっているため、積層構造にすると膜厚方向にポテンシャルの変調が生じる。
【００８１】
図８において、ポテンシャルの浅い部分は伝導電子数が少なく、フェルミ・エネルギーが小さい状態を表している。一方、ポテンシャルの深い部分は伝導電子数が多く、フェルミ・エネルギーが大きい状態をあらわしている。磁性体内部では交換エネルギーによって、伝導電子がスピン分裂している為、ダウンスピンとアップスピンでは、伝導電子の感じるポテンシャルの大きさは異なっている。
【００８２】
以上のような効果により、本発明のＣＰＰ−ＳＶ膜において伝導電子の感じるポテンシャルは図８に示したような構造となる。すなわち、第１、第２の磁性層として磁性層／非磁性層の積層構造をもちいているため、伝導電子の感じるポテンシャルはクローニッヒ・ペニー型の変調をうけ、伝導電子のバンド構造にはミニギャップが形成される。そのミニギャップの形成のされ方は、積層周期により影響を受けるため、第１の磁性層と第２の磁性層で積層周期を変えると、ミニギャップの出来る場所が異なってくる。
【００８３】
このため、このようなＣＰＰ−ＳＶにおいて膜面垂直方向に電子を流した場合には、電子はギャップによって伝導を制約される確率が高くなり、全体として伝導電子の透過確率を制限することが可能になる。
【００８４】
また、アップスピンの伝導電子が感じるポテンシャルと、ダウンスピンの伝導電子が感じるポテンシャルとでは、ポテンシャルの深さが異なるため、伝導電子の透過確率の制約のされ方はスピン依存することになり、大きなスピン依存散乱効果を生み出すことが可能になる。
【００８５】
以上の効果により、高抵抗で高抵抗変化率のＣＰＰ−ＳＶを形成することが可能となる。
【００８６】
一方、本発明においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを構成する強磁性層／非磁性層の積層構造において、強磁性層同士は強磁性結合をしている必要があるが、そのためには、良好な積層構造を形成する必要がある。また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁気特性は、積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することによって向上させることができる。
【００８７】
このため、図９に示したように非磁性層も例えばＡｕ／Ｃｕ／Ａｕのような積層構造とし、大きな界面抵抗を実現しつつ良好な格子定数を実現し、良好な磁気特性を得ることが可能になる。すなわち、図９に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐを構成する強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮにおいて、非磁性層ＰＮが、第１の非磁性層ＰＮ１によって第２の非磁性層ＰＮ２をサンドイッチした構成を有する。同様に、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおいても、非磁性層ＦＮが、第１の非磁性層ＦＮ１と第２の非磁性層ＦＮ２とのサンドイッチ構造を有する。
【００８８】
図９の構成において、非磁性中間層Ｓの材料としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いる事が望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成する強磁性層Ｐから強磁性層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率をえることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。
【００８９】
一方、非磁性中間層Ｓを多層化することもできる。
【００９０】
図１０は、非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、非磁性中間層Ｓが、第１の非磁性層ＳＮ１と第２の非磁性層ＳＮ２との積層構造を有する。いずれの非磁性層も、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料により形成することが可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期によっても、伝導電子に対して摂動を与えることができる。つまり、非磁性中間層Ｓの非磁性層／非磁性層の積層周期と、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆの積層周期とを適当に設定することにより、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【００９１】
一方、反強磁性層Ａの材料としては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらの層の膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
【００９２】
一方、以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、いわゆる「シンセティック反強磁性層構造」とすることが可能である。
【００９３】
図１１は、シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。すなわち、同図に表した例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれが、同図中に矢印で示した方向にそれぞれ磁化する磁性層からなるシンセティック構造を有する。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層Ｐにおいては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。また、フリー層Ｆにおいては、見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。
【００９４】
一方、以上説明した構成においては、電極ＥＬとスピンバルブとの間には特別な層を設けなかったが、実際の素子を形成する場合は、これ以外の層を設けることができる。
【００９５】
図１２に例示したスピンバルブ素子においては、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるためにバッファ層（下地層）Ｂが設けられる。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層Ｃが設けられている。
【００９６】
バッファ層（下地層）Ｂ、保護層Ｃとしては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。
【００９７】
以上、本発明の第１の実施の形態として、ピン層及びフリー層の少なくともいずれかを強磁性層と非磁性層との積層構造とするＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明した。
【００９８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９９】
図１３は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性体Ｆ、高導電層Ｇの順に積層されている。
【０１００】
さらに、この積層構造の上下には、電極ＥＬが設けられ、センス電流が膜面に対して垂直方向に供給されることが特徴となっている。
【０１０１】
そして、本具体例においても第１の磁性層Ｐは、磁化が反強磁性層Ａによる一方向異方性により固定された「ピン層」として作用する。また、第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化反転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【０１０２】
本実施形態においては、第１の磁性層Ｐまたは第２の磁性層Ｆは、強磁性層と強磁性層の積層構造から構成されている。すなわち、図１３に表した具体例においては、ピン層Ｐは、第１の強磁性層ＰＮ１と第２の強磁性層ＰＮ２との積層構造を有し、フリー層Ｆは、第１の強磁性層ＦＦ１と第２の強磁性層ＦＦ２との積層構造を有する。
【０１０３】
本実施形態における強磁性層／強磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれる磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいては同一方向にそろっており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対してほぼ同一の磁化方向をもつ。
【０１０４】
本発明者が界面抵抗の効果を検討した結果、ＣＰＰ−ＳＶにおいては強磁性層／強磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が、大きなスピン依存性を持ちＣＰＰ−ＭＲを増大させる役目を担うことが明らかになった。
【０１０５】
本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／強磁性層の界面を設けることが可能となり、より多くの界面抵抗を利用することができ、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
【０１０６】
また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層の磁化固着と１つのフリー層の磁化制御のみによって可能になり、ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合にはバルクハウゼンノイズフリーなヘッドを構成することが可能になる。
【０１０７】
第１および第２の強磁性層は、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、あるいはＦｅ基合金等により構成されている。
【０１０８】
特に界面抵抗が大きい組み合わせとしては、ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金、Ｆｅ基合金／ＮｉＦｅ合金、もしくはＦｅ基合金／ＣｏＦｅ合金を用いることが望ましい。
【０１０９】
強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている強磁性体層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やす為には、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１１０】
強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている磁性対層の膜厚としては、界面数をできるだけ多くするためには１ｎｍ以下であることが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生する事は可能である。
【０１１１】
強磁性層／強磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、隣接する強磁性層同士が非固溶系の組み合わせであることが望ましい。しかし必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。
【０１１２】
また、本実施形態におけるピン層Ｐ、フリー層Ｆの強磁性層は、必ずしも２種の材料で構成されている必要はなく、３種類以上の強磁性体層で構成されていても良い。
【０１１３】
図１４は、フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、フリー層Ｆが第１の強磁性層ＦＦ１と、第２の強磁性層ＦＦ２と、第３の強磁性層ＦＦ３との積層構造を有する。
【０１１４】
フリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／ＣｏＦｅ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのために、強磁性層として強磁性結合したＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている強磁性層ＦＦ３を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。
【０１１５】
また、強磁性層／強磁性層の積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合には、ｆｃｃ構造であることが望ましい。これはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成する事が可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ構造であっても、用いることは可能である。
【０１１６】
特に２種類の磁性体の組み合わせとして ｆｃｃ構造の磁性体とｂｃｃ構造の磁性体を組み合わせることもできる。このような組み合わせにおいてはｆｃｃ磁性体とｂｃｃ磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なるため、顕著な伝導電子のフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることが可能となる。
【０１１７】
Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。
【０１１８】
Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｈｆ等の１種または２種以上を天下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、されには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、逆に添加元素量がおおすぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあるかれである。添加元素はおおきなＭＲ変化率をえる上で、特にＦｅを用いる事が好ましい。
【０１１９】
ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、電子散乱を受けるが、本実施形態に基づいてピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。このため、膜面に対して垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルはバンドポテンシャルの変調に対応した制限を受けることになる。この制限を受ける波数は積層周期により異なる。このため、図７及び図８に関して前述したものと同様に、本実施形態においても、ピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる波数を大きく制限する事が可能になる。このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層とフリー層の積層周期を故意に変える事により、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。
【０１２０】
非磁性中間層Ｓとしては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いることが望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成するピン層Ｐからフリー層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。
【０１２１】
また、非磁性中間層Ｓは、図１０に関して前述したように、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料を積層した非磁性層／非磁性層の積層構造により構成することも可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期と、ピン層Ｐ、もしくはフリー層Ｆの積層周期を適当に設定する事により、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することも可能となる。
【０１２２】
一方、反強磁性層Ａとしては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらのそうの膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
【０１２３】
また以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、図１１に関して前述したようなシンセティック反強磁性層構造とすることも可能である。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層においては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。またフリー層においては見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態においても、図１２に関して前述したものと同様に、バッファ層（下地層）Ｂや保護層Ｃを設けることができる。すなわち、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるために下地層を形成することが望ましい。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層となるべき層を配置することが望ましい。これら下地層、保護層としては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。
【０１２５】
以上、本発明の実施の形態について説明した。
【０１２６】
次に、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１５は、本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。以下、本実施例に関して、その製造プロセスに沿って説明する。
【０１２７】
まず、図示しない熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極ＥＬ１を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。次に、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜の積層構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ３ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍ
【０１２８】
その上にさらにＡｌＯｘの絶縁膜Ｚを堆積し、絶縁膜Ｚに０．１μｍ角の穴を形成した。その上に、厚さ５００ｎｍのＣｕ上部電極ＥＬ２をスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成により絶縁膜Ｚの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１２９】
室温での測定の結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率は１０％の値を得ることができた。これにより０．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。また、ピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１３０】
また、フリー層ＦのＨｃも小さく、その磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。
【０１３１】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１３２】
その結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより２Ωの抵抗変化量をえることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１３３】
（比較例１）
上記実施例に対する比較例として、ピン層とフリー層をそれぞれ単層としたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。
【０１３４】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１３５】
その上に、図１５に表したものと同様にＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例ではＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は３Ωとなり、抵抗変化率は２％の値しか得られなかった。したがって０．０６Ωの抵抗変化量しか得られず実施例１の１／８程度の変化量にとどまった。
【０１３６】
（比較例２）
次に、第２比較例として、膜面に対して平行方向にセンス電流を流すＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。
【０１３７】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、第１比較例と同様の積層構造を形成した。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ （反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１３８】
そして、その積層膜の両端部に電極を形成し、膜面に対して平行方向にセンス電流を流してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率として８％の値が得られた。
【０１３９】
次に、ピン層とフリー層を積層構造にしたＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。その積層構造は以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
を成膜してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率としては９％の値が得られた。すなわち、比較例１と比べるとＭＲ変化率としては確かに上昇したが、その上昇率は小さな値にとどまった。
【０１４０】
以上の比較例の結果から、ＣＩＰタイプのＳＶ素子においては、ピン層やフリー層を強磁性層と非磁性層との多層構造としても余り大きな効果が得られないことが明確になった。
【０１４１】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有するＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。
【０１４２】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その積層膜構成は、以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１４３】
その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率は２０％の値を得ることができた。これにより１．６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１４４】
また、ピン層は、反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１４５】
また、フリー層のＨｃは２０Ｏｅと大きいものの、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。
【０１４６】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１４７】
その結果、抵抗は１２Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１４８】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有し、さらにフリー層にＮｉＦｅ層を設けて軟磁気特性を向上させたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。
【０１４９】
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層））／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１５０】
その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例でも、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１５１】
室温での測定の結果、抵抗は７Ωとなり、抵抗変化率は１８％の値を得ることができた。これにより１．２６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１５２】
また、ピン層は反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１５３】
また、フリー層のＨｃは８Ｏｅと減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１５４】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１５５】
その結果、抵抗は１０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．０Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１５６】
（第４の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１５７】
その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１５８】
室温での測定の結果、抵抗は９Ωとなり、抵抗変化率は２７％の値をえることができた。これにより２．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１５９】
また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１６０】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１６１】
その結果、抵抗は２０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１６２】
（第５の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ １ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）
【０１６３】
その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
【０１６４】
室温での測定の結果、抵抗は６Ωとなり、抵抗変化率は１６％の値をえることが出来た。これにより０．９６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
【０１６５】
また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
【０１６６】
また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ
なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。
【０１６７】
その結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより３．２Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。
【０１６８】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドについて説明する。
【０１６９】
図１６は、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの要部構成を表す斜視概念図である。すなわち、本発明の磁気ヘッドは、記録媒体２００に対向して配置された一対の磁気ヨーク１０２、１０２を有する。磁気ヨーク１０２、１０２の上には、これらと磁気的に結合された磁気抵抗効果素子１０４が設けられている。磁気抵抗効果素子１０４は、図１乃至図１５に関して前述した本発明のＣＰＰタイプの素子である。また、一対の磁気ヨーク１０２、１０２を跨ぐように、その両端には、一対のバイアス層１０６、１０６が形成されている。バイアス層１０６は、反強磁性体あるいは強磁性体からなり、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４のフリー層の磁化を、記録磁界と垂直方向、すなわち同図中のｙ方向に向けるように作用する。
【０１７０】
記録媒体２００には、記録トラック２００Ｔが形成され、記録ビット２００Ｂが配列している。それぞれの記録ビット２００Ｂには、矢印で例示したような信号磁化が形成され、これらの記録ビットからの信号磁束は、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４とを結んだ磁気回路に与えられる。磁気抵抗効果素子１０４に記録ビット２００Ｂの磁場が与えられると、フリー層の磁化は、バイアス層１０６によるｙ方向から面内に回転する。すると、この磁化方向の変化が磁気抵抗の変化として検出される。
【０１７１】
磁気抵抗効果素子１０４の磁気検出領域を記録ビット２００Ｂのサイズに合わせるために、磁気抵抗効果素子１０４の電極のコンタクトは、同図中に表した記録トラックの幅Ｗに相当する領域に制限して形成されている。
【０１７２】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子１０４として、図１乃至図１５に関して前述したいずれかのＣＰＰタイプの素子を用いることにより、適切な素子抵抗と大きな磁気抵抗の変化を両立することができる。つまり、従来よりも大幅に感度が高く且つ信頼性も安定した磁気ヘッドを実現することができる。
【０１７３】
なお、本具体例においては、長手（面内）記録方式の磁気記録媒体に適応した磁気ヘッドを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、垂直記録媒体に適応した磁気ヘッドについても、本発明の磁気抵抗効果素子を同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１７４】
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生装置について説明する。図１乃至図１５に関して前述した本発明の磁気抵抗効果素子は、図１６に例示したような磁気ヘッドに搭載され、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれて磁気記録再生装置に応用することができる。
【０１７５】
図１７は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、第６実施例において前述したような本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドをその先端付近に有する。
【０１７６】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１７７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１７８】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１７９】
図１８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５１を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【０１８０】
サスペンション１５４の先端には、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた再生用磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。記録用ヘッドを組み合わせても良い。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１８１】
ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
【０１８２】
磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明によれば、このような「浮上走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。
【０１８３】
一方、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを積極的に接触させて、走行させる「接触走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができることは勿論である。
【０１８４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１８５】
例えば、スピンバルブ素子としての構造及び各層の材料については、当業者が選択しうるすべての範囲について本発明を同様に適用して同様の効果を得ることが可能である。例えば、「デュアル型」のような構造についても本発明を同様に適用することができる。
【０１８６】
また、磁気ヘッドの構造、構成する各要素の材料や形状などに関しても、具体例として前述したものには限定されず、当業者が選択しうる範囲のすべてを同様に用いて同様の効果を奏し得る。
【０１８７】
また、磁気記録再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものあっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。
【０１８８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるような磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１８９】
その結果として、従来よりも微小な記録ビットからの磁気的情報を確実に読みとることが可能となり、記録媒体の記録密度を大幅に向上させることが可能となる。同時に、熱的にも安定するために、磁気記録再生システムの信頼性が向上し、利用範囲が拡がり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図２】非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図３】強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状に形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図４】２種の強磁性体からなる積層膜が用いられた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図５】２種以上の強磁性体で構成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図６】ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図７】ピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。
【図８】図７のスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。
【図９】非磁性層も積層構造とした磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１０】非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。
【図１１】シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。
【図１２】バッファ層と保護層とを有する磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図１４】フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。
【図１５】本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概略構成図である。
【図１７】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１８】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１９】スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。
【図２０】一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。
【図２１】ピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブを表す概念図である。
【図２２】ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。
【図２３】ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。
【符号の説明】
Ａ 反強磁性層
Ｐ 磁化固着層（ピン層）
ＰＦ 強磁性層
ＰＮ 非磁性層
Ｓ 非磁性中間層
Ｆ 磁化自由層（フリー層）
ＦＦ 強磁性層
ＦＮ 非磁性層
ＥＬ 電極
Ｉ センス電流
Ｂ バッファ層
Ｃ 保護層
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 固定軸
Claims (13)
- 磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、
磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、
前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した積層体を有し、
前記積層体における前記強磁性層は、互いに強磁性結合してなり、
前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、第１の強磁性体からなる層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる層とを含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記積層体は、第１の強磁性体からなる前記強磁性層と、前記第１の強磁性体とは異なる第２の強磁性体からなる前記強磁性層と、を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記積層体は、前記強磁性層および前記非磁性層の積層を繰り返したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記積層体に含まれる前記強磁性層は、鉄（Ｆｅ）基合金を含み、
前記積層体に含まれる前記非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及び金と銀との合金のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体に含まれる前記強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）基合金を含み、
前記積層体に含まれる前記非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及び金と銀との合金のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、鉄（Ｆｅ）基合金を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化固着層と前記磁化自由層は、それぞれ前記積層体を有し、
前記磁化固着層の前記積層体における前記積層の周期と、前記磁化自由層の前記積層体における前記積層の周期とが異なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記非磁性中間層は、２種類以上の非磁性層を積層した積層体を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記２種類以上の非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか２つをそれぞれ主成分とした２種類の非磁性層を含むことを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項１２記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする磁気記録再生装置。
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