JP3657875B2 - トンネル磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体等の磁界強度を信号として読み取るためのトンネル磁気抵抗効果素子（Magneto-Resistive tunnel Junction element）に関する。特に、斬新なバイアス手段を備えて、外部の信号磁界に対する検出動作の安定性に優れるトンネル磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異方性磁気抵抗（Anisotropic Magneto-Resistance:AMR）効果あるいはスピンバルブ(Spin-Valve:SV)効果に基づくＭＲセンサは、磁気記録の読み出しトランスデューサとして良く知られている。ＭＲセンサは、磁気材料からなる読み出し部の抵抗変化で、記録媒体に記録された信号の変化を検出することができる。ＡＭＲセンサの抵抗変化率ΔＲ／Ｒは低く、１〜３％程度である。これに対して、ＳＶセンサの抵抗変化率ΔＲ／Ｒは２〜７％程度と高い。このようにより高い感度を示すＳＶ磁気読み出しヘッドは、ＡＭＲ読み出しヘッドに取って代わり、非常に高い記録密度、例えば、数ギガビット／インチ2(Gbits/in2)の記録密度の読み出しを可能としている。
【０００３】
近年、さらに超高密度記録に対応できる可能性を秘めた新しいＭＲセンサが、注目を浴びている。すなわち、トンネル磁気抵抗効果接合（Magneto-Resistive tunnel Junctions :MRTJあるいはＴＭＲとも呼ばれ、これらは同義である）においては、１２％以上の抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示すことが報告されている。このようなＴＭＲセンサは、ＳＶセンサに代わる次世代のセンサとして期待されているものの、磁気ヘッドへの応用はまだ始まったばかりであり、当面の課題の一つとしてＴＭＲ特性を最大限生かせる新規なヘッド構造の開発が挙げられる。すなわち、ＴＭＲセンサそのものが、積層膜の厚さ方向に電流を流す、いわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）幾何学的構造をとるために従来提案されていない新しいヘッド構造の設計(design)が要求されている。
【０００４】
例えば、特開平９−２８２６１６号公報にはＴＭＲ素子を磁気ヘッド構造に応用した例が記載されており、当該公報には、軟磁性材料からなる第１の磁性層（いわゆるフリー層）と、この第１の磁性層の初期状態における磁化方向に対して直交する方向の磁化を有する第２の磁性層（いわゆるピンド層）と、この第２の磁性層の上に形成された反強磁性層と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在され両磁性層をトンネル接合する絶縁層とを有する素子構造が開示されている。さらに、第１の磁性層の両端にはＣｏＣｒＰｔ等の強磁性材料からなるバイアス磁性層がそれぞれ配設されており、このバイアス磁性層からの磁界により、一方のバイアス磁性層から他方のバイアス磁性層に向かう方向に第１の磁性層の初期状態における磁化の方向が規制されるようになっている。
【０００５】
ＭＲ曲線の立ち上がり部分を規定するのは、第１の磁性層（フリー層）の磁化回転であり、より急峻なＭＲ曲線の立ち上がりを得るためには、第１の磁性層（フリー層）が信号磁場に対し、完全に磁化回転によりその磁化の向きを変えていくことが望ましい。しかしながら、実際には第１の磁性層（フリー層）に磁区が発生してしまい、信号磁場に対して磁壁移動と磁化回転が同時に起こってしまう。その結果、バルクハウゼンノイズが発生し、ＭＲヘッド特性が安定しないという問題が生じていた。この問題を解決するために上記のバイアス磁性層が第１の磁性層の両端に設けられているのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＭＲは、バイアス磁界を発生させる層（バイアス磁性層）を第１の磁性層のみに接触させるという特殊な構造をとるために、上記の従来のバイアス磁性層の配置構造では、ハードマグネットの利きが十分とはいえず、依然として信号磁界に対する第１の磁性層（フリー層）の磁化回転動作の不安定さは解消されていない。その結果、ＴＭＲ素子製造における製品の歩留まりが極めて悪く、ＴＭＲ素子製造における大きな課題となっている。
【０００７】
本発明はこのような実状のものに創案されたものであって、その目的は、信号磁界に対してフリー層の磁化回転動作の安定性に優れる新規なバイアス磁界印加構造を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性ピンド層の磁化をピンニングするためのピン止め層が、前記強磁性ピンド層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に積層されており、前記強磁性フリー層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に、バイアス磁界印加層が形成されており、当該バイアス磁界印加層が、非磁性貴金属層と反強磁性層の積層体であり、非磁性貴金属層を介して前記強磁性フリー層と反強磁性層とが磁気交換結合して前記強磁性フリー層にバイアス磁界が印加できるように構成される。
【００１１】
また、前記バイアス磁界印加層は、前記強磁性フリー層の片面全体と接してなるように構成される。
【００１４】
また、前記バイアス付与手段は、ハードマグネット層または反強磁性層を含んで構成される。
【００１５】
また、前記強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrimagnet)として構成される。
【００１６】
また、前記トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるように構成される。
【００１７】
また、前記非磁性貴金属層は、前記強磁性フリー層と反強磁性層との磁気交換結合を促進させる作用をしてなるように構成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子１」と称し、本発明に言う「素子」とは、いわゆる磁気ヘッド構造までをも含めた広い概念である）の好適な一例を示す概略断面図である。この断面図は磁気情報である外部磁場を発する記録媒体と実質的に対向するように配置される面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）に相当する。図２は、図１の要部を示す平面図である。
この実施の形態において、ＴＭＲ素子１はＴＭＲ磁気ヘッド構造の一例を表しており、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を挟むようにして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層４０が積層された多層膜構造を有している。強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外部からの信号磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられるように作用する。
【００２０】
また、強磁性ピンド層４０は、その磁化方向が、すべて一定方向を向くように、例えば、反強磁性層からなるピン止め層５０によって磁化がピン止めされている（図１の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の奥行き方向、図２において、矢印（β）方向）。つまり、通常、図１に示されるように強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリア層３０と接する側と反対の面に積層される。
【００２１】
このようなトンネル多層膜３は、図２に示されるようにその多層膜検出端面全体がＡＢＳ（Air Bearing Surface）を構成するようにしてもよいし、強磁性フリー層２０のみ僅かに突出させるようにしてもよい。
【００２２】
本発明においては、図１に示されるように前記強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の面の全面に、バイアス磁界印加層１０が形成されている。バイアス磁界印加層１０は、非磁性貴金属層１１と反強磁性層１５の積層体を有して構成されており、強磁性フリー層２０側から非磁性貴金属層１１および反強磁性層１５が順次形成される。これにより、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とが交換結合して、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の水平矢印方向；図２において、矢印（α）方向））が印加できるようになっている。
【００２３】
非磁性貴金属層１１としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｒ等が用いられ、中でもＣｕ，Ａｇ，Ａｕ、さらにはＡｇが好適に用いられる。非磁性貴金属層１１の厚さは、０．５〜６．０ｎｍ、好ましくは、２．５〜５．５ｎｍである。この値が６．０ｎｍを超えると、反強磁性層１５からの交換結合磁界があまりにも弱くなってしまうという不都合が生じ、また、この値が、０．５ｎｍ未満となると、交換結合磁界があまりにも強くなってしまい強磁性フリー層２０の磁界感度が鈍り、出力が劣化するという不都合が生じる。本発明においては、非磁性貴金属層１１の厚さを上記の範囲内で適宜変えることにより、前記強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合の強さ、すなわち、バイアス磁界の大きさが任意に設定できるようになっている。また、本発明者らの後述する実験結果より、本発明における前記非磁性貴金属層１１は前記強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合を促進させる作用をしているのではないかと考えられている。換言すれば、バイアス磁界の印加方向を決める熱アニ−ル処理を本来行うべき温度よりも低い温度で処理することが可能となっているのである。
【００２４】
本発明におけるバイアス磁界印加層１０は、実質的に前記強磁性フリー層２０の片面全体と接するように構成されることが望ましい。こうすることにより強磁性フリー層２０の全体に、微弱なバイアス磁界を確実かつ略均一に矢印（α）方向に印加することができる。これにより、バルクハウゼンノイズの発生やノイズレベルの低減ができ、ヘッドの動作が極めて安定する傾向が生じる。
【００２５】
上記のバイアス磁界印加層１０に関する説明をもう少し付け加えておく。従来より、強磁性層と反強磁性層との磁化の交換結合は、これらの両層を直接接合しなけらればならないとされてきた。しかしながら、これでは、交換結合磁界の大きさが大き過ぎて、強磁性フリー層２０の全面に接しかつ作用させるバイアス磁界としては実用的でない。そこで、本発明では、所定材料及び所定厚さの非磁性貴金属層１１を介して強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁化の交換結合が実現できること、およびその強度が任意に調整可能であること、およびその利用が特に動作の不安定なＴＭＲ素子に有効であることを実験的に見出し、バイアス磁界印加層１０なるものを強磁性フリー層２０の片面全体に形成させている。
【００２６】
強磁性フリー層２０に対するバイアス磁界は、上述してきたバイアス磁界印加層１０によるものに加えて、さらに、強磁性フリー層２０のバイアス磁界が印加される方向（（図１の水平矢印方向；図２において、矢印（β）方向））の両端部にそれぞれ接するように１対のバイアス付与手段６１，６１を形成し、当該バイアス付与手段６１，６１により、さらに当該強磁性フリー層２０にバイアス磁界を印加するようにすることが望ましい。両端部における磁壁移動に特に大きな局部的なバイアス磁界が必要であるからである。
【００２７】
具体的には、図１に示されるように強磁性フリー層２０は、図１に示されるようにその長手方向（紙面の左右方向）両端部にそれぞれ積層され接続配置されたバイアス付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層２０の長手方向にバイアス磁界（図２の矢印（α）方向）が印加されるようになっている。バイアス付与手段６１，６１は、ハードマグネット層または反強磁性層を含んで構成される。
【００２８】
図２に示されるように強磁性フリー層２０の長手方向（バイアス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設定されることが望ましい。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ラインｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長された拡張部位をそれぞれ備えなるように配置される。この拡張部位は、その長さがＬfeで表示され、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つまり、拡張部位は強磁性ピンド層４０端部からのはみ出し長さ部分と同義である。
【００２９】
強磁性フリー層２０の長手方向の長さＬfは、０．５〜２０μm程度とされる。また、強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁性ピンド層４０の拡張部位の長さＬfeは、０．１〜５μm程度とされる。
【００３０】
このような強磁性フリー層２０の両端の拡張部位に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層された部分は、拡張部位２１と交換結合され、磁化方向は矢印（α）方向に固着される。バイアス付与手段６１，６１は、それぞれ、図２に示されるように前記強磁性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のスペースＤを確保して形成することが望ましい。
【００３１】
このような一定のスペースＤは、ＴＭＲ変化率を低下させないために必要なスペースと言える。このＤの値はヘッドの設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に低下させない程度の長さとすることが必要である。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定することが望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤは、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１５μｍを含まない）とすることが好ましい。このＤの値が、０．０２μｍ未満となると、いわゆる「extra current channel effect」現象が生じてＴＭＲ変化率が低下する傾向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしまい高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮するとＤ値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１５μｍを含まない）とすることが好ましい。
【００３２】
また、本発明における前記強磁性フリー層２０の厚さは、２〜５０ｎｍ、好ましくは、４〜３０ｎｍ、より好ましくは６〜２０ｎｍの範囲に設定される。この厚さが、２ｎｍ未満となると、前記強磁性フリー層２０の長さ方向の長さを十分な大きさとすることが成膜技術上、困難になる。また、この厚さが５０ｎｍを超えると、強磁性フリー層内部の特性のばらつきにより、電子分極率の分散が生じ、結果的にＴＭＲ変化率が減少してしまうという不都合が生じる。
【００３３】
図１に例示されたＴＭＲヘッド１全体の構成を簡単に説明しておくと、トンネル多層膜３は、当該トンネル多層膜３を図面の上下方向で実質的に挟むように対向配置された一対の電極兼シールド層７１，７５と電気的に接合されている。図面の下方に位置する電極兼シールド層７５と、バイアス磁界印加層１０（反強磁性層１５）との間には、下部ギャップ層８０が形成されている。下部ギャップ層８０は、非磁性かつ導電性の材料により形成され、当該下部ギャップ層８０は、電極兼シールド層７５側への磁気のリークの防止や、一対の電極兼シールド層７１，７５の間の距離の調整や、トンネル多層膜３の位置の調整や、トンネル電流が不均一になることの防止といった機能を有する。
【００３４】
さらに、下部ギャップ層８０の上においてトンネル多層膜３の両側に配置された一対のバイアス付与手段６１，６１と、下方に位置する電極兼シールド層７５と、下部ギャップ層８０と、フリー層２０と、バイアス磁界印加層１０を覆うように形成された絶縁層９１，９１を備えている。
【００３５】
強磁性フリー層２０や強磁性ピンド層４０を構成する材質は、高いＴＭＲ変化量が得られるように高スピン分極材料が好ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣｏＮｉ等が用いられる。これらは２層以上の積層体であってもよい。強磁性フリー層２０の膜厚は、２〜５０ｎｍ、好ましくは６〜２０ｎｍとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ヘッド動作時の出力が低下する傾向があり、また、膜厚が薄くなりすぎると、磁気特性が不安定となりヘッド動作時のノイズが増大するという不都合が生じる。強磁性ピンド層４０の膜厚は、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ピン止め層５０による磁化のピンニングが弱まり、また、膜厚が薄くなりすぎると、ＴＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
【００３６】
強磁性ピンド層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピン止め機能を果たすものであれば、特に限定されないが、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、６〜３０ｎｍ程度とされる。
【００３７】
ここで、強磁性トンネル磁気抵抗効果について簡単に説明しておく。強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネルバリア層３０を挟む一対の強磁性層２０，４０間の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層２０，４０間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をいう。この場合のトンネルバリア層３０は、薄い絶縁膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しながら電子が通過できるものである。両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくなる。これとは逆に、両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が反平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が大きい場合）、電子のトンネル確率は低くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。このような磁化の相対角度の変化に基づく抵抗変化を利用して、例えば外部磁場の検出動作が行われる。
【００３８】
２つの強磁性層２０，４０によって挟まれるトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，ＧｄＯ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2等から構成される。トンネルバリア層３０の厚さは、素子の低抵抗化のためできるだけ薄いことが望ましいが、あまり薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流がながれてしまい好ましくない。一般には、０．５〜２ｎｍ程度とされる。
【００３９】
本発明において、強磁性フリー層２０を、ＮｉＦｅ層（厚さ２ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．７ｎｍ）／ＮｉＦｅ層（厚さ２．５ｎｍ）の３層積層体で例示される合成フェリ磁石(synthetic ferrimagnet)とすることも好ましい態様の一つである。この場合には、上下のＮｉＦｅ層の磁化方向は、互いに逆方向となっている。合成フェリ磁石を用いた場合、実効的なフリー層の厚さを薄く設定することができるため、磁場感度が向上し、ヘッド出力が大きくなるというメリットがある。また、このような合成フェリ磁石は、前記強磁性ピンド層４０にも適用できる。
【００４０】
一対の電極兼シールド層７１，７５は、それぞれ、例えばＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダスト、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＮｉを含む１層以上の層から構成される。これらの層厚は、それぞれ０．４〜４μｍ程度とされる。
【００４１】
下部ギャップ層８０は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｔｉ，ＷまたはＺｎを含む１層以上の層から構成される。この層厚は、１０〜３０ｎｍ程度とされる。
なお、図１における符号２は基板を示している。
【００４２】
図３には、図１に示されるＴＭＲ素子（ＴＭＲ磁気ヘッド）構造の変形例が示される。図３に示されるＴＭＲ素子の構造が、図１に示されるそれと基本的に異なる点は、バイアス磁界印加層１０（非磁性貴金属層１１と反強磁性層１５の積層体）の大きさを、強磁性フリー層２０の大きさに合わせてあるのではなくて、下部ギャップ層８０の大きさに合わせてあるところにある。このようにバイアス磁界発生層（図３の符号６１）を下部シールド（図３の符号７１）から遠ざけることにより、バイアス磁界の下部シールドへのリークを防ぐことが出来、バイアスを実効的に強くできるというメリットがある。
【００４３】
図４には、図３に示されるＴＭＲ素子（ＴＭＲ磁気ヘッド）構造の変形例が示される。図３に示されるＴＭＲ素子の構造が、図１に示されるそれと基本的に異なる点は、トンネル多層膜３を構成する各膜の大きさを実質的に同じ大きさとして、さらに、バイアス付与手段６１，６１を取り除いた点にある。これにより、製造プロセスを単純化できるというメリットがある。
【００４４】
【実施例】
上述してきたトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの発明を、以下に示す具体的実施例によりさらに詳細に説明する。
【００４５】
（実験例Ｉ）
〔実施例Ｉ−１〕
図４に示されるヘッド構造と同様な構造を有するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドのサンプルを作製した。すなわち、ＮｉＦｅ（厚さ３ｎｍ）とＣｏＦｅ（厚さ２ｎｍ）の２層積層体からなる強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ０．７ｎｍ）、磁化方向が検出磁界方向にピン固定された強磁性ピンド層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３ｎｍ、ピンド方向は図２における（β）方向）、強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚さ３０ｎｍ）からなるトンネル多層膜３を備える磁気ヘッドサンプルを作製した。
【００４６】
なお、強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の全面に、バイアス磁界印加層１０を形成した。バイアス磁界印加層１０は、厚さ２．０ｎｍのＣｕからなる非磁性貴金属層１１と、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１５を強磁性フリー層２０側から順次配置する構造とした。また、磁場中でのアニ−ル処理により、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とを交換結合させ、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の矢印方向，図２の矢印（α）方向）を印加できるようにした。
絶縁層９１，９１の形態は、アルミナ材料から形成した。また、トンネル多層膜３に電流を流すための電極兼シールド層７１，７５はパーマロイから構成した。
【００４７】
このようにして図４に示されるごとく構成からなる本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドサンプルＩ−１（実施例Ｉ−１サンプル）を作製した。なお、このヘッド構造においては、従来のバイアス付与手段（強磁性フリー層の両端に配置されているハードマグネット）が備えられていない。
【００４８】
〔実施例Ｉ−２〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．０ｎｍから２．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００４９】
〔実施例Ｉ−３〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｕに変え、さらにその厚さを１．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−３サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５０】
〔実施例Ｉ−４〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから２．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−４サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５１】
〔実施例Ｉ−５〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから２．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−５サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５２】
〔実施例Ｉ−６〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−６サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５３】
〔実施例Ｉ−７〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｇに変え、さらにその厚さを３．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−７サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５４】
〔実施例Ｉ−８〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−８サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５５】
〔実施例Ｉ−９〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから４．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−９サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５６】
〔実施例Ｉ−１０〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから５．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−１０サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５７】
〔比較例Ｉ−１〕
上記実施例Ｉ−１におけるバイアス磁界印加層１０を設けなかった。その代わりのバイアス手段として、従来のバイアス付与手段を設けた。すなわち、強磁性フリー層の両端に接するように、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の積層体からなる一対のハードマグネットを形成した。
【００５８】
〔比較例Ｉ−２〕
上記比較例Ｉ−１において、ハードマグネットをＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ１６０ｎｍ）の積層体とした。それ以外は上記比較例Ｉ−１と同様にして比較例Ｉ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５９】
これらの各サンプルについて、（１）ヘッド出力値および（２）バルクハウゼンノイズ発生率を下記の要領で求めた。
【００６０】
（１）ヘッド出力値
印加電圧が４００ｍＶとなるようにセンス電流を定め、スピンスタンド上で評価を行った。評価に用いたメディアは磁気膜厚（Ｍr＊t）４．１ｍＡ、保磁力は３３５ｋＡ／ｍである。ヘッドの評価において回転数は５４００ｒｐｍとし、半径２３ｍｍの場所において４ＭＨｚの周波数を記録再生させ出力を求めた。
【００６１】
（２）バルクハウゼンノイズ発生率(%)
前述したような４ＭＨｚの再生出力波形をオシロスコープにて観察し、目視によりバルクハウゼンノイズの有無を判定した。このような判定を３００個のヘッドについて実施し、発生率を算出した。
結果を下記表１に示した。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１に示される結果より、本発明サンプルは、従来例サンプルと比べて、同程度の出力を維持しつつ、バルクハウゼンノイズの発生率が極めて低減されていることがわかる。
【００６４】
（実験例ＩＩ）
〔実施例ＩＩ−１〕
図３に示されるヘッド構造と同様な構造を有するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドのサンプルを作製した。すなわち、ＮｉＦｅ（厚さ３ｎｍ）とＣｏＦｅ（厚さ２ｎｍ）の２層積層体からなる強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ０．７ｎｍ）、磁化方向が検出磁界方向にピン固定された強磁性ピンド層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３ｎｍ、ピンド方向は図２における（β）方向）、強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚さ３０ｎｍ）からなるトンネル多層膜３を備える磁気ヘッドサンプルを作製した。
【００６５】
なお、強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の全面に、バイアス磁界印加層１０を形成した。バイアス磁界印加層１０は、厚さ２．５ｎｍのＣｕからなる非磁性貴金属層１１と、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１５を強磁性フリー層２０側から順次配置する構造とした。また、磁場中でのアニ−ル処理により、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とを交換結合させ、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の矢印方向，図２の矢印（α）方向）を印加できるようにした。
【００６６】
さらに、強磁性フリー層２０の長手方向両端部の上には、それぞれバイアス付与手段６１，６１として、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の２層積層体からなるハードマグネット６１，６１をオーバーラッピングする構造とした。このバイアス付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層２０の長手方向にさらにバイアス磁界（矢印（α）方向）を印加した。絶縁層９１，９１の形態は、アルミナ材料から形成した。また、トンネル多層膜３に電流を流すための電極兼シールド層７１，７５はパーマロイから構成した。
【００６７】
このようにして図３に示されるごとく構成からなる本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドサンプルＩＩ−１（実施例ＩＩ−１サンプル）を作製した。
【００６８】
〔実施例ＩＩ−２〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００６９】
〔実施例ＩＩ−３〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−３サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７０】
〔実施例ＩＩ−４〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−４サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７１】
〔実施例ＩＩ−５〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｕに変え、さらにその厚さを２．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−５サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７２】
〔実施例ＩＩ−６〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−６サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７３】
〔実施例ＩＩ−７〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−７サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７４】
〔実施例ＩＩ−８〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−８サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７５】
〔実施例ＩＩ−９〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｇに変え、さらにその厚さを４．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−９サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７６】
〔実施例ＩＩ−１０〕
上記実施例ＩＩ−９において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを４．５ｎｍから５．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−９と同様にして実施例ＩＩ−１０サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７７】
〔実施例ＩＩ−１１〕
上記実施例ＩＩ−９において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを４．５ｎｍから５．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−９と同様にして実施例ＩＩ−１１サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７８】
〔比較例ＩＩ−１〕
上記実施例ＩＩ−１におけるバイアス磁界印加層１０を設けなかった。ただし、強磁性フリー層の両端に接するように、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の積層体からなるバイアス磁界印加用の一対のハードマグネットはそのまま残した。
【００７９】
〔比較例ＩＩ−２〕
上記比較例ＩＩ−１において、ハードマグネットをＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ１６０ｎｍ）の積層体とした。それ以外は上記比較例ＩＩ−１と同様にして比較例ＩＩ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００８０】
これらの各サンプルについて、上記の要領で（１）ヘッド出力値および（２）バルクハウゼンノイズ発生率を求めた。
結果を下記表２に示した。
【００８１】
【表２】
【００８２】
表２に示される結果より、本発明サンプルは、従来例サンプルと比べて、同程度の出力を維持しつつ、バルクハウゼンノイズの発生率が極めて低減されていることがわかる。
【００８３】
（実験例ＩＩＩ）
本発明における非磁性貴金属層１１の特殊な作用、すなわち、強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合を発現させるに際して、バイアス磁界の印加方向を決めるアニ−ル処理を本来行うべき温度よりも低い温度で処理することが可能となっていることを確認するための実験を行った。積層膜として下記構成の積層膜を形成した。カッコ内の数値は膜厚（単位ｎｍ）を示している。
【００８４】
（積層膜構成） Ta(5)/NiFe(1.5)/PtMn(25)/Cu(X)/Co(1)/NiFe(7)/Ta(5)
【００８５】
上記構成において、NiFe(1.5)は、下地層であり、PtMn(25)/Cu(X)がバイアス磁界印加層１０（PtMn(25)が反強磁性層１５、Cu(X)が非磁性貴金属層１１）であり、Co(1)/NiFe(7)が強磁性フリー層２０である。両側のTa(5)は、それぞれ保護層である。Cu(X)は、下記表２に示すようにＣｕ層の厚さＸを任意に振っている。
【００８６】
上記の積層膜を用いて、次のような磁場中でのアニ−ル実験を行った。
【００８７】
まず、最初に膜面の一方向（例えば図２の（β）方向）に３ｋＯｅ（２３７ｋＡ／ｍ）の磁場を印加しながら２５０℃、５時間のアニ−ル処理（以下、単に「Ｏ−Anneal」と称す）を行った。次いで、磁場方向を膜面上で９０度変えて（例えば図２の（α）方向）に２００Ｏｅ（１５．８ｋ７Ａ／ｍ）の磁場を印加しながら２１０℃、２時間のアニ−ル処理（以下、単に「Free−Anneal」と称す）を行った。
【００８８】
これらの各アニ−ル操作がそれぞれ終了した時点で、Ｈin（Ｏｅ）を下記の要領でそれぞれ測定した。Ｈin（Ｏｅ）は、反強磁性層PtMn(25)からどの程度の磁界で出ているのかを示している。
【００８９】
Ｈ in （Ｏｅ）の測定
（ｉ）Ｏ−Anneal工程中に印加した磁界と平行に磁界が印加されるようにしてＭＨループを測定する。この方向に沿って交換結合が誘導されている場合、測定したＭＨループが磁界ゼロの位置から負方向にシフトする。このシフト量がＨinとなる。
【００９０】
（ｉｉ）上記（ｉ）において、ＭＨループのシフトが観測されない場合、その方向には交換結合は誘起されていないことになる。そこで、サンプルを９０°回転させ、Free−Anneal工程中に印加した磁界と平行に磁界が印加されるようにしてＭＨループを測定する。この方向に沿って交換結合が誘導されている場合、測定したＭＨループが磁界ゼロの位置から負方向にシフトする。このシフト量がＨinとなる。
【００９１】
結果を下記表３に示す。なお、表３中のサンプル６（比較）は、Ｃｕ膜をＴａ膜に変えている。
【００９２】
【表３】
【００９３】
表３の結果より、最初に膜面の一方向（例えば図２の（β）方向）に３ｋＯｅ、２５０℃、５時間の「Ｏ−Anneal」を行っ後、それと直交する方向に（例えば図２の（α）方向）に２００Ｏｅ、２１０℃、２時間の「Free−Anneal」を行えば、磁化が「Free−Anneal」方向に向き、しかもＨin（Ｏｅ）の値は、あまり低下していないことが分かる。さらに、非磁性貴金属層１１の膜厚を適宜変えることにより、Ｈin（Ｏｅ）の値を任意に変化させることができる。
【００９４】
一般に、ＰｔＭｎという反強磁性材料を考えるに、アニ−ル処理は、２３０℃以上の温度でようやくアニ−ルの効果が発現し始めるものと考えられる。しかしながら、上記表３の結果から、本来、アニール効果が発現しないと考えられている２１０℃の温度でアニ−ル効果が発現していることわかる。これは、バイアス磁界印加層１０が反強磁性層１５と非磁性貴金属層１１から組み合わされていること、特に、非磁性貴金属層１１の存在に起因するものと考えられる。
【００９５】
このような現象は、ＴＭＲ磁気ヘッドの作製において、生産性を向上させるという観点から極めて有利に働く。つまり、ピン止め層５０により強磁性ピンド層４０の磁化ピン止めするアニ−ル処理を２５０℃付近の高温で処理した後（磁界方向は図２の（β）方向）、次いで、強磁性フリー層２０のバイアス磁界印加のためのアニ−ル処理を２１０℃付近の低い温度で処理すると、強磁性フリー層２０の磁界方向は一旦、図２の（β）方向に向いた後に、その後の低温アニ−ル処理で図２の（α）方向に変わることができるからである。強磁性ピンド層４０の磁化方向は（β）方向のままで変化はない。
【００９６】
通常、２５０℃付近の高温アニ−ルで一旦、影響を受けた強磁性フリー層２０の（β）方向の磁化は、２１０℃付近の低い温度でのアニ−ル処理では（α）方向に向きを変えないのが従来の一般的な考え方とされている。
【００９７】
【発明の効果】
上記の結果より本発明の効果は明らかである。すなわち、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性ピンド層の磁化をピンニングするためのピン止め層が、前記強磁性ピンド層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に積層されており、前記強磁性フリー層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に、バイアス磁界印加層が形成されており、当該バイアス磁界印加層が、非磁性貴金属層と反強磁性層の積層体であり、非磁性貴金属層を介して前記強磁性フリー層と反強磁性層とが磁気交換結合して前記強磁性フリー層にバイアス磁界が印加できるように構成されているので、信号磁界に対して強磁性フリー層の磁化回転動作の安定性に優れ、製品歩留まりに優れるトンネル磁気抵抗効果素子が得られる。生産性も極めて良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の要部を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な他の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な他の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…トンネル磁気抵抗効果型ヘッド
３…トンネル多層膜
１０…バイアス磁界印加層
１１…非磁性貴金属層
１５…反強磁性層
２０…強磁性フリー層
３０…トンネルバリア層
４０…強磁性ピンド層
５０…ピン止め層
６１，６１…バイアス付与手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体等の磁界強度を信号として読み取るためのトンネル磁気抵抗効果素子（Magneto-Resistive tunnel Junction element）に関する。特に、斬新なバイアス手段を備えて、外部の信号磁界に対する検出動作の安定性に優れるトンネル磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異方性磁気抵抗（Anisotropic Magneto-Resistance:AMR）効果あるいはスピンバルブ(Spin-Valve:SV)効果に基づくＭＲセンサは、磁気記録の読み出しトランスデューサとして良く知られている。ＭＲセンサは、磁気材料からなる読み出し部の抵抗変化で、記録媒体に記録された信号の変化を検出することができる。ＡＭＲセンサの抵抗変化率ΔＲ／Ｒは低く、１〜３％程度である。これに対して、ＳＶセンサの抵抗変化率ΔＲ／Ｒは２〜７％程度と高い。このようにより高い感度を示すＳＶ磁気読み出しヘッドは、ＡＭＲ読み出しヘッドに取って代わり、非常に高い記録密度、例えば、数ギガビット／インチ2(Gbits/in2)の記録密度の読み出しを可能としている。
【０００３】
近年、さらに超高密度記録に対応できる可能性を秘めた新しいＭＲセンサが、注目を浴びている。すなわち、トンネル磁気抵抗効果接合（Magneto-Resistive tunnel Junctions :MRTJあるいはＴＭＲとも呼ばれ、これらは同義である）においては、１２％以上の抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示すことが報告されている。このようなＴＭＲセンサは、ＳＶセンサに代わる次世代のセンサとして期待されているものの、磁気ヘッドへの応用はまだ始まったばかりであり、当面の課題の一つとしてＴＭＲ特性を最大限生かせる新規なヘッド構造の開発が挙げられる。すなわち、ＴＭＲセンサそのものが、積層膜の厚さ方向に電流を流す、いわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）幾何学的構造をとるために従来提案されていない新しいヘッド構造の設計(design)が要求されている。
【０００４】
例えば、特開平９−２８２６１６号公報にはＴＭＲ素子を磁気ヘッド構造に応用した例が記載されており、当該公報には、軟磁性材料からなる第１の磁性層（いわゆるフリー層）と、この第１の磁性層の初期状態における磁化方向に対して直交する方向の磁化を有する第２の磁性層（いわゆるピンド層）と、この第２の磁性層の上に形成された反強磁性層と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在され両磁性層をトンネル接合する絶縁層とを有する素子構造が開示されている。さらに、第１の磁性層の両端にはＣｏＣｒＰｔ等の強磁性材料からなるバイアス磁性層がそれぞれ配設されており、このバイアス磁性層からの磁界により、一方のバイアス磁性層から他方のバイアス磁性層に向かう方向に第１の磁性層の初期状態における磁化の方向が規制されるようになっている。
【０００５】
ＭＲ曲線の立ち上がり部分を規定するのは、第１の磁性層（フリー層）の磁化回転であり、より急峻なＭＲ曲線の立ち上がりを得るためには、第１の磁性層（フリー層）が信号磁場に対し、完全に磁化回転によりその磁化の向きを変えていくことが望ましい。しかしながら、実際には第１の磁性層（フリー層）に磁区が発生してしまい、信号磁場に対して磁壁移動と磁化回転が同時に起こってしまう。その結果、バルクハウゼンノイズが発生し、ＭＲヘッド特性が安定しないという問題が生じていた。この問題を解決するために上記のバイアス磁性層が第１の磁性層の両端に設けられているのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＭＲは、バイアス磁界を発生させる層（バイアス磁性層）を第１の磁性層のみに接触させるという特殊な構造をとるために、上記の従来のバイアス磁性層の配置構造では、ハードマグネットの利きが十分とはいえず、依然として信号磁界に対する第１の磁性層（フリー層）の磁化回転動作の不安定さは解消されていない。その結果、ＴＭＲ素子製造における製品の歩留まりが極めて悪く、ＴＭＲ素子製造における大きな課題となっている。
【０００７】
本発明はこのような実状のものに創案されたものであって、その目的は、信号磁界に対してフリー層の磁化回転動作の安定性に優れる新規なバイアス磁界印加構造を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性ピンド層の磁化をピンニングするためのピン止め層が、前記強磁性ピンド層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に積層されており、前記強磁性フリー層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に、バイアス磁界印加層が形成されており、当該バイアス磁界印加層が、非磁性貴金属層と反強磁性層の積層体であり、非磁性貴金属層を介して前記強磁性フリー層と反強磁性層とが磁気交換結合して前記強磁性フリー層にバイアス磁界が印加できるように構成される。
【００１１】
また、前記バイアス磁界印加層は、前記強磁性フリー層の片面全体と接してなるように構成される。
【００１４】
また、前記バイアス付与手段は、ハードマグネット層または反強磁性層を含んで構成される。
【００１５】
また、前記強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrimagnet)として構成される。
【００１６】
また、前記トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるように構成される。
【００１７】
また、前記非磁性貴金属層は、前記強磁性フリー層と反強磁性層との磁気交換結合を促進させる作用をしてなるように構成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子１」と称し、本発明に言う「素子」とは、いわゆる磁気ヘッド構造までをも含めた広い概念である）の好適な一例を示す概略断面図である。この断面図は磁気情報である外部磁場を発する記録媒体と実質的に対向するように配置される面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）に相当する。図２は、図１の要部を示す平面図である。
この実施の形態において、ＴＭＲ素子１はＴＭＲ磁気ヘッド構造の一例を表しており、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を挟むようにして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層４０が積層された多層膜構造を有している。強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外部からの信号磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられるように作用する。
【００２０】
また、強磁性ピンド層４０は、その磁化方向が、すべて一定方向を向くように、例えば、反強磁性層からなるピン止め層５０によって磁化がピン止めされている（図１の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の奥行き方向、図２において、矢印（β）方向）。つまり、通常、図１に示されるように強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリア層３０と接する側と反対の面に積層される。
【００２１】
このようなトンネル多層膜３は、図２に示されるようにその多層膜検出端面全体がＡＢＳ（Air Bearing Surface）を構成するようにしてもよいし、強磁性フリー層２０のみ僅かに突出させるようにしてもよい。
【００２２】
本発明においては、図１に示されるように前記強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の面の全面に、バイアス磁界印加層１０が形成されている。バイアス磁界印加層１０は、非磁性貴金属層１１と反強磁性層１５の積層体を有して構成されており、強磁性フリー層２０側から非磁性貴金属層１１および反強磁性層１５が順次形成される。これにより、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とが交換結合して、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の水平矢印方向；図２において、矢印（α）方向））が印加できるようになっている。
【００２３】
非磁性貴金属層１１としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｒ等が用いられ、中でもＣｕ，Ａｇ，Ａｕ、さらにはＡｇが好適に用いられる。非磁性貴金属層１１の厚さは、０．５〜６．０ｎｍ、好ましくは、２．５〜５．５ｎｍである。この値が６．０ｎｍを超えると、反強磁性層１５からの交換結合磁界があまりにも弱くなってしまうという不都合が生じ、また、この値が、０．５ｎｍ未満となると、交換結合磁界があまりにも強くなってしまい強磁性フリー層２０の磁界感度が鈍り、出力が劣化するという不都合が生じる。本発明においては、非磁性貴金属層１１の厚さを上記の範囲内で適宜変えることにより、前記強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合の強さ、すなわち、バイアス磁界の大きさが任意に設定できるようになっている。また、本発明者らの後述する実験結果より、本発明における前記非磁性貴金属層１１は前記強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合を促進させる作用をしているのではないかと考えられている。換言すれば、バイアス磁界の印加方向を決める熱アニ−ル処理を本来行うべき温度よりも低い温度で処理することが可能となっているのである。
【００２４】
本発明におけるバイアス磁界印加層１０は、実質的に前記強磁性フリー層２０の片面全体と接するように構成されることが望ましい。こうすることにより強磁性フリー層２０の全体に、微弱なバイアス磁界を確実かつ略均一に矢印（α）方向に印加することができる。これにより、バルクハウゼンノイズの発生やノイズレベルの低減ができ、ヘッドの動作が極めて安定する傾向が生じる。
【００２５】
上記のバイアス磁界印加層１０に関する説明をもう少し付け加えておく。従来より、強磁性層と反強磁性層との磁化の交換結合は、これらの両層を直接接合しなけらればならないとされてきた。しかしながら、これでは、交換結合磁界の大きさが大き過ぎて、強磁性フリー層２０の全面に接しかつ作用させるバイアス磁界としては実用的でない。そこで、本発明では、所定材料及び所定厚さの非磁性貴金属層１１を介して強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁化の交換結合が実現できること、およびその強度が任意に調整可能であること、およびその利用が特に動作の不安定なＴＭＲ素子に有効であることを実験的に見出し、バイアス磁界印加層１０なるものを強磁性フリー層２０の片面全体に形成させている。
【００２６】
強磁性フリー層２０に対するバイアス磁界は、上述してきたバイアス磁界印加層１０によるものに加えて、さらに、強磁性フリー層２０のバイアス磁界が印加される方向（（図１の水平矢印方向；図２において、矢印（β）方向））の両端部にそれぞれ接するように１対のバイアス付与手段６１，６１を形成し、当該バイアス付与手段６１，６１により、さらに当該強磁性フリー層２０にバイアス磁界を印加するようにすることが望ましい。両端部における磁壁移動に特に大きな局部的なバイアス磁界が必要であるからである。
【００２７】
具体的には、図１に示されるように強磁性フリー層２０は、図１に示されるようにその長手方向（紙面の左右方向）両端部にそれぞれ積層され接続配置されたバイアス付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層２０の長手方向にバイアス磁界（図２の矢印（α）方向）が印加されるようになっている。バイアス付与手段６１，６１は、ハードマグネット層または反強磁性層を含んで構成される。
【００２８】
図２に示されるように強磁性フリー層２０の長手方向（バイアス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設定されることが望ましい。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ラインｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長された拡張部位をそれぞれ備えなるように配置される。この拡張部位は、その長さがＬfeで表示され、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つまり、拡張部位は強磁性ピンド層４０端部からのはみ出し長さ部分と同義である。
【００２９】
強磁性フリー層２０の長手方向の長さＬfは、０．５〜２０μm程度とされる。また、強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁性ピンド層４０の拡張部位の長さＬfeは、０．１〜５μm程度とされる。
【００３０】
このような強磁性フリー層２０の両端の拡張部位に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層された部分は、拡張部位２１と交換結合され、磁化方向は矢印（α）方向に固着される。バイアス付与手段６１，６１は、それぞれ、図２に示されるように前記強磁性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のスペースＤを確保して形成することが望ましい。
【００３１】
このような一定のスペースＤは、ＴＭＲ変化率を低下させないために必要なスペースと言える。このＤの値はヘッドの設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に低下させない程度の長さとすることが必要である。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定することが望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤは、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１５μｍを含まない）とすることが好ましい。このＤの値が、０．０２μｍ未満となると、いわゆる「extra current channel effect」現象が生じてＴＭＲ変化率が低下する傾向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしまい高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮するとＤ値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１５μｍを含まない）とすることが好ましい。
【００３２】
また、本発明における前記強磁性フリー層２０の厚さは、２〜５０ｎｍ、好ましくは、４〜３０ｎｍ、より好ましくは６〜２０ｎｍの範囲に設定される。この厚さが、２ｎｍ未満となると、前記強磁性フリー層２０の長さ方向の長さを十分な大きさとすることが成膜技術上、困難になる。また、この厚さが５０ｎｍを超えると、強磁性フリー層内部の特性のばらつきにより、電子分極率の分散が生じ、結果的にＴＭＲ変化率が減少してしまうという不都合が生じる。
【００３３】
図１に例示されたＴＭＲヘッド１全体の構成を簡単に説明しておくと、トンネル多層膜３は、当該トンネル多層膜３を図面の上下方向で実質的に挟むように対向配置された一対の電極兼シールド層７１，７５と電気的に接合されている。図面の下方に位置する電極兼シールド層７５と、バイアス磁界印加層１０（反強磁性層１５）との間には、下部ギャップ層８０が形成されている。下部ギャップ層８０は、非磁性かつ導電性の材料により形成され、当該下部ギャップ層８０は、電極兼シールド層７５側への磁気のリークの防止や、一対の電極兼シールド層７１，７５の間の距離の調整や、トンネル多層膜３の位置の調整や、トンネル電流が不均一になることの防止といった機能を有する。
【００３４】
さらに、下部ギャップ層８０の上においてトンネル多層膜３の両側に配置された一対のバイアス付与手段６１，６１と、下方に位置する電極兼シールド層７５と、下部ギャップ層８０と、フリー層２０と、バイアス磁界印加層１０を覆うように形成された絶縁層９１，９１を備えている。
【００３５】
強磁性フリー層２０や強磁性ピンド層４０を構成する材質は、高いＴＭＲ変化量が得られるように高スピン分極材料が好ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣｏＮｉ等が用いられる。これらは２層以上の積層体であってもよい。強磁性フリー層２０の膜厚は、２〜５０ｎｍ、好ましくは６〜２０ｎｍとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ヘッド動作時の出力が低下する傾向があり、また、膜厚が薄くなりすぎると、磁気特性が不安定となりヘッド動作時のノイズが増大するという不都合が生じる。強磁性ピンド層４０の膜厚は、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ピン止め層５０による磁化のピンニングが弱まり、また、膜厚が薄くなりすぎると、ＴＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
【００３６】
強磁性ピンド層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピン止め機能を果たすものであれば、特に限定されないが、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、６〜３０ｎｍ程度とされる。
【００３７】
ここで、強磁性トンネル磁気抵抗効果について簡単に説明しておく。強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネルバリア層３０を挟む一対の強磁性層２０，４０間の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層２０，４０間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をいう。この場合のトンネルバリア層３０は、薄い絶縁膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しながら電子が通過できるものである。両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくなる。これとは逆に、両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が反平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が大きい場合）、電子のトンネル確率は低くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。このような磁化の相対角度の変化に基づく抵抗変化を利用して、例えば外部磁場の検出動作が行われる。
【００３８】
２つの強磁性層２０，４０によって挟まれるトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，ＧｄＯ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2等から構成される。トンネルバリア層３０の厚さは、素子の低抵抗化のためできるだけ薄いことが望ましいが、あまり薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流がながれてしまい好ましくない。一般には、０．５〜２ｎｍ程度とされる。
【００３９】
本発明において、強磁性フリー層２０を、ＮｉＦｅ層（厚さ２ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．７ｎｍ）／ＮｉＦｅ層（厚さ２．５ｎｍ）の３層積層体で例示される合成フェリ磁石(synthetic ferrimagnet)とすることも好ましい態様の一つである。この場合には、上下のＮｉＦｅ層の磁化方向は、互いに逆方向となっている。合成フェリ磁石を用いた場合、実効的なフリー層の厚さを薄く設定することができるため、磁場感度が向上し、ヘッド出力が大きくなるというメリットがある。また、このような合成フェリ磁石は、前記強磁性ピンド層４０にも適用できる。
【００４０】
一対の電極兼シールド層７１，７５は、それぞれ、例えばＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダスト、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＮｉを含む１層以上の層から構成される。これらの層厚は、それぞれ０．４〜４μｍ程度とされる。
【００４１】
下部ギャップ層８０は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｔｉ，ＷまたはＺｎを含む１層以上の層から構成される。この層厚は、１０〜３０ｎｍ程度とされる。
なお、図１における符号２は基板を示している。
【００４２】
図３には、図１に示されるＴＭＲ素子（ＴＭＲ磁気ヘッド）構造の変形例が示される。図３に示されるＴＭＲ素子の構造が、図１に示されるそれと基本的に異なる点は、バイアス磁界印加層１０（非磁性貴金属層１１と反強磁性層１５の積層体）の大きさを、強磁性フリー層２０の大きさに合わせてあるのではなくて、下部ギャップ層８０の大きさに合わせてあるところにある。このようにバイアス磁界発生層（図３の符号６１）を下部シールド（図３の符号７１）から遠ざけることにより、バイアス磁界の下部シールドへのリークを防ぐことが出来、バイアスを実効的に強くできるというメリットがある。
【００４３】
図４には、図３に示されるＴＭＲ素子（ＴＭＲ磁気ヘッド）構造の変形例が示される。図３に示されるＴＭＲ素子の構造が、図１に示されるそれと基本的に異なる点は、トンネル多層膜３を構成する各膜の大きさを実質的に同じ大きさとして、さらに、バイアス付与手段６１，６１を取り除いた点にある。これにより、製造プロセスを単純化できるというメリットがある。
【００４４】
【実施例】
上述してきたトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの発明を、以下に示す具体的実施例によりさらに詳細に説明する。
【００４５】
（実験例Ｉ）
〔実施例Ｉ−１〕
図４に示されるヘッド構造と同様な構造を有するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドのサンプルを作製した。すなわち、ＮｉＦｅ（厚さ３ｎｍ）とＣｏＦｅ（厚さ２ｎｍ）の２層積層体からなる強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ０．７ｎｍ）、磁化方向が検出磁界方向にピン固定された強磁性ピンド層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３ｎｍ、ピンド方向は図２における（β）方向）、強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚さ３０ｎｍ）からなるトンネル多層膜３を備える磁気ヘッドサンプルを作製した。
【００４６】
なお、強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の全面に、バイアス磁界印加層１０を形成した。バイアス磁界印加層１０は、厚さ２．０ｎｍのＣｕからなる非磁性貴金属層１１と、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１５を強磁性フリー層２０側から順次配置する構造とした。また、磁場中でのアニ−ル処理により、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とを交換結合させ、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の矢印方向，図２の矢印（α）方向）を印加できるようにした。
絶縁層９１，９１の形態は、アルミナ材料から形成した。また、トンネル多層膜３に電流を流すための電極兼シールド層７１，７５はパーマロイから構成した。
【００４７】
このようにして図４に示されるごとく構成からなる本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドサンプルＩ−１（実施例Ｉ−１サンプル）を作製した。なお、このヘッド構造においては、従来のバイアス付与手段（強磁性フリー層の両端に配置されているハードマグネット）が備えられていない。
【００４８】
〔実施例Ｉ−２〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．０ｎｍから２．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００４９】
〔実施例Ｉ−３〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｕに変え、さらにその厚さを１．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−３サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５０】
〔実施例Ｉ−４〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから２．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−４サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５１】
〔実施例Ｉ−５〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから２．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−５サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５２】
〔実施例Ｉ−６〕
上記実施例Ｉ−３において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを１．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−３と同様にして実施例Ｉ−６サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５３】
〔実施例Ｉ−７〕
上記実施例Ｉ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｇに変え、さらにその厚さを３．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例Ｉ−１と同様にして実施例Ｉ−７サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５４】
〔実施例Ｉ−８〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−８サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５５】
〔実施例Ｉ−９〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから４．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−９サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５６】
〔実施例Ｉ−１０〕
上記実施例Ｉ−７において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを３．５ｎｍから５．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例Ｉ−７と同様にして実施例Ｉ−１０サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５７】
〔比較例Ｉ−１〕
上記実施例Ｉ−１におけるバイアス磁界印加層１０を設けなかった。その代わりのバイアス手段として、従来のバイアス付与手段を設けた。すなわち、強磁性フリー層の両端に接するように、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の積層体からなる一対のハードマグネットを形成した。
【００５８】
〔比較例Ｉ−２〕
上記比較例Ｉ−１において、ハードマグネットをＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ１６０ｎｍ）の積層体とした。それ以外は上記比較例Ｉ−１と同様にして比較例Ｉ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００５９】
これらの各サンプルについて、（１）ヘッド出力値および（２）バルクハウゼンノイズ発生率を下記の要領で求めた。
【００６０】
（１）ヘッド出力値
印加電圧が４００ｍＶとなるようにセンス電流を定め、スピンスタンド上で評価を行った。評価に用いたメディアは磁気膜厚（Ｍr＊t）４．１ｍＡ、保磁力は３３５ｋＡ／ｍである。ヘッドの評価において回転数は５４００ｒｐｍとし、半径２３ｍｍの場所において４ＭＨｚの周波数を記録再生させ出力を求めた。
【００６１】
（２）バルクハウゼンノイズ発生率(%)
前述したような４ＭＨｚの再生出力波形をオシロスコープにて観察し、目視によりバルクハウゼンノイズの有無を判定した。このような判定を３００個のヘッドについて実施し、発生率を算出した。
結果を下記表１に示した。
【００６２】
【表１】
表１に示される結果より、本発明サンプルは、従来例サンプルと比べて、同程度の出力を維持しつつ、バルクハウゼンノイズの発生率が極めて低減されていることがわかる。
【００６４】
（実験例ＩＩ）
〔実施例ＩＩ−１〕
図３に示されるヘッド構造と同様な構造を有するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドのサンプルを作製した。すなわち、ＮｉＦｅ（厚さ３ｎｍ）とＣｏＦｅ（厚さ２ｎｍ）の２層積層体からなる強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ０．７ｎｍ）、磁化方向が検出磁界方向にピン固定された強磁性ピンド層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３ｎｍ、ピンド方向は図２における（β）方向）、強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚さ３０ｎｍ）からなるトンネル多層膜３を備える磁気ヘッドサンプルを作製した。
【００６５】
なお、強磁性フリー層２０のトンネルバリア層３０と接する側と反対側の全面に、バイアス磁界印加層１０を形成した。バイアス磁界印加層１０は、厚さ２．５ｎｍのＣｕからなる非磁性貴金属層１１と、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１５を強磁性フリー層２０側から順次配置する構造とした。また、磁場中でのアニ−ル処理により、非磁性貴金属層１１を隔てて強磁性フリー層２０の磁化と反強磁性層１５の磁化とを交換結合させ、強磁性フリー層２０にバイアス磁界（図１の矢印方向，図２の矢印（α）方向）を印加できるようにした。
【００６６】
さらに、強磁性フリー層２０の長手方向両端部の上には、それぞれバイアス付与手段６１，６１として、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の２層積層体からなるハードマグネット６１，６１をオーバーラッピングする構造とした。このバイアス付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層２０の長手方向にさらにバイアス磁界（矢印（α）方向）を印加した。絶縁層９１，９１の形態は、アルミナ材料から形成した。また、トンネル多層膜３に電流を流すための電極兼シールド層７１，７５はパーマロイから構成した。
【００６７】
このようにして図３に示されるごとく構成からなる本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドサンプルＩＩ−１（実施例ＩＩ−１サンプル）を作製した。
【００６８】
〔実施例ＩＩ−２〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００６９】
〔実施例ＩＩ−３〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−３サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７０】
〔実施例ＩＩ−４〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＣｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−４サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７１】
〔実施例ＩＩ−５〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｕに変え、さらにその厚さを２．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−５サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７２】
〔実施例ＩＩ−６〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−６サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７３】
〔実施例ＩＩ−７〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから３．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−７サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７４】
〔実施例ＩＩ−８〕
上記実施例ＩＩ−５において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｕからなる非磁性貴金属層１１の厚さを２．５ｎｍから４．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−５と同様にして実施例ＩＩ−８サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７５】
〔実施例ＩＩ−９〕
上記実施例ＩＩ−１において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成する非磁性貴金属層１１の材質をＣｕからＡｇに変え、さらにその厚さを４．５ｎｍとした。それ以外は上記実施例ＩＩ−１と同様にして実施例ＩＩ−９サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７６】
〔実施例ＩＩ−１０〕
上記実施例ＩＩ−９において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを４．５ｎｍから５．０ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−９と同様にして実施例ＩＩ−１０サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７７】
〔実施例ＩＩ−１１〕
上記実施例ＩＩ−９において、バイアス磁界印加層１０の一部を構成するＡｇからなる非磁性貴金属層１１の厚さを４．５ｎｍから５．５ｎｍに変えた。それ以外は上記実施例ＩＩ−９と同様にして実施例ＩＩ−１１サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００７８】
〔比較例ＩＩ−１〕
上記実施例ＩＩ−１におけるバイアス磁界印加層１０を設けなかった。ただし、強磁性フリー層の両端に接するように、ＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ８０ｎｍ）の積層体からなるバイアス磁界印加用の一対のハードマグネットはそのまま残した。
【００７９】
〔比較例ＩＩ−２〕
上記比較例ＩＩ−１において、ハードマグネットをＴｉＷ（厚さ１０ｎｍ）／ＣｏＰｔ（厚さ１６０ｎｍ）の積層体とした。それ以外は上記比較例ＩＩ−１と同様にして比較例ＩＩ−２サンプル（ＴＭＲヘッド）を作製した。
【００８０】
これらの各サンプルについて、上記の要領で（１）ヘッド出力値および（２）バルクハウゼンノイズ発生率を求めた。
結果を下記表２に示した。
【００８１】
【表２】
表２に示される結果より、本発明サンプルは、従来例サンプルと比べて、同程度の出力を維持しつつ、バルクハウゼンノイズの発生率が極めて低減されていることがわかる。
【００８３】
（実験例ＩＩＩ）
本発明における非磁性貴金属層１１の特殊な作用、すなわち、強磁性フリー層２０と反強磁性層１５との磁気交換結合を発現させるに際して、バイアス磁界の印加方向を決めるアニ−ル処理を本来行うべき温度よりも低い温度で処理することが可能となっていることを確認するための実験を行った。積層膜として下記構成の積層膜を形成した。カッコ内の数値は膜厚（単位ｎｍ）を示している。
【００８４】
（積層膜構成） Ta(5)/NiFe(1.5)/PtMn(25)/Cu(X)/Co(1)/NiFe(7)/Ta(5)
【００８５】
上記構成において、NiFe(1.5)は、下地層であり、PtMn(25)/Cu(X)がバイアス磁界印加層１０（PtMn(25)が反強磁性層１５、Cu(X)が非磁性貴金属層１１）であり、Co(1)/NiFe(7)が強磁性フリー層２０である。両側のTa(5)は、それぞれ保護層である。Cu(X)は、下記表２に示すようにＣｕ層の厚さＸを任意に振っている。
【００８６】
上記の積層膜を用いて、次のような磁場中でのアニ−ル実験を行った。
【００８７】
まず、最初に膜面の一方向（例えば図２の（β）方向）に３ｋＯｅ（２３７ｋＡ／ｍ）の磁場を印加しながら２５０℃、５時間のアニ−ル処理（以下、単に「Ｏ−Anneal」と称す）を行った。次いで、磁場方向を膜面上で９０度変えて（例えば図２の（α）方向）に２００Ｏｅ（１５．８ｋ７Ａ／ｍ）の磁場を印加しながら２１０℃、２時間のアニ−ル処理（以下、単に「Free−Anneal」と称す）を行った。
【００８８】
これらの各アニ−ル操作がそれぞれ終了した時点で、Ｈin（Ｏｅ）を下記の要領でそれぞれ測定した。Ｈin（Ｏｅ）は、反強磁性層PtMn(25)からどの程度の磁界で出ているのかを示している。
【００８９】
Ｈ in （Ｏｅ）の測定
（ｉ）Ｏ−Anneal工程中に印加した磁界と平行に磁界が印加されるようにしてＭＨループを測定する。この方向に沿って交換結合が誘導されている場合、測定したＭＨループが磁界ゼロの位置から負方向にシフトする。このシフト量がＨinとなる。
【００９０】
（ｉｉ）上記（ｉ）において、ＭＨループのシフトが観測されない場合、その方向には交換結合は誘起されていないことになる。そこで、サンプルを９０°回転させ、Free−Anneal工程中に印加した磁界と平行に磁界が印加されるようにしてＭＨループを測定する。この方向に沿って交換結合が誘導されている場合、測定したＭＨループが磁界ゼロの位置から負方向にシフトする。このシフト量がＨinとなる。
【００９１】
結果を下記表３に示す。なお、表３中のサンプル６（比較）は、Ｃｕ膜をＴａ膜に変えている。
【００９２】
【表３】
表３の結果より、最初に膜面の一方向（例えば図２の（β）方向）に３ｋＯｅ、２５０℃、５時間の「Ｏ−Anneal」を行っ後、それと直交する方向に（例えば図２の（α）方向）に２００Ｏｅ、２１０℃、２時間の「Free−Anneal」を行えば、磁化が「Free−Anneal」方向に向き、しかもＨin（Ｏｅ）の値は、あまり低下していないことが分かる。さらに、非磁性貴金属層１１の膜厚を適宜変えることにより、Ｈin（Ｏｅ）の値を任意に変化させることができる。
【００９４】
一般に、ＰｔＭｎという反強磁性材料を考えるに、アニ−ル処理は、２３０℃以上の温度でようやくアニ−ルの効果が発現し始めるものと考えられる。しかしながら、上記表３の結果から、本来、アニール効果が発現しないと考えられている２１０℃の温度でアニ−ル効果が発現していることわかる。これは、バイアス磁界印加層１０が反強磁性層１５と非磁性貴金属層１１から組み合わされていること、特に、非磁性貴金属層１１の存在に起因するものと考えられる。
【００９５】
このような現象は、ＴＭＲ磁気ヘッドの作製において、生産性を向上させるという観点から極めて有利に働く。つまり、ピン止め層５０により強磁性ピンド層４０の磁化ピン止めするアニ−ル処理を２５０℃付近の高温で処理した後（磁界方向は図２の（β）方向）、次いで、強磁性フリー層２０のバイアス磁界印加のためのアニ−ル処理を２１０℃付近の低い温度で処理すると、強磁性フリー層２０の磁界方向は一旦、図２の（β）方向に向いた後に、その後の低温アニ−ル処理で図２の（α）方向に変わることができるからである。強磁性ピンド層４０の磁化方向は（β）方向のままで変化はない。
【００９６】
通常、２５０℃付近の高温アニ−ルで一旦、影響を受けた強磁性フリー層２０の（β）方向の磁化は、２１０℃付近の低い温度でのアニ−ル処理では（α）方向に向きを変えないのが従来の一般的な考え方とされている。
【００９７】
【発明の効果】
上記の結果より本発明の効果は明らかである。すなわち、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性ピンド層の磁化をピンニングするためのピン止め層が、前記強磁性ピンド層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に積層されており、前記強磁性フリー層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に、バイアス磁界印加層が形成されており、当該バイアス磁界印加層が、非磁性貴金属層と反強磁性層の積層体であり、非磁性貴金属層を介して前記強磁性フリー層と反強磁性層とが磁気交換結合して前記強磁性フリー層にバイアス磁界が印加できるように構成されているので、信号磁界に対して強磁性フリー層の磁化回転動作の安定性に優れ、製品歩留まりに優れるトンネル磁気抵抗効果素子が得られる。生産性も極めて良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の要部を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な他の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの好適な他の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…トンネル磁気抵抗効果型ヘッド
３…トンネル多層膜
１０…バイアス磁界印加層
１１…非磁性貴金属層
１５…反強磁性層
２０…強磁性フリー層
３０…トンネルバリア層
４０…強磁性ピンド層
５０…ピン止め層
６１，６１…バイアス付与手段
Claims (6)
- トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性ピンド層の磁化をピンニングするためのピン止め層が、前記強磁性ピンド層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に積層されており、
前記強磁性フリー層のトンネルバリア層と接する側と反対の面に、バイアス磁界印加層が形成されており、
当該バイアス磁界印加層が、非磁性貴金属層と反強磁性層の積層体であり、非磁性貴金属層を介して前記強磁性フリー層と反強磁性層とが磁気交換結合して前記強磁性フリー層にバイアス磁界が印加できるようになっており、
前記非磁性貴金属層が、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，Ｒｕ，ＲｈまたはＣｒであるとともに、前記非磁性貴金属層の厚さは、０．５〜６．０ｎｍであり、この厚さの設定により、前記強磁性フリー層と反強磁性層との磁気交換結合の強さが任意に設定できるようになっており、
前記強磁性フリー層のバイアス磁界が印加される方向の両端部にそれぞれ接するように１対のバイアス付与手段が形成され、当該バイアス付与手段により、さらに当該強磁性フリー層にバイアス磁界が印加されるように構成されてなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記バイアス磁界印加層が、前記強磁性フリー層の片面全体と接してなる請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記バイアス付与手段は、ハードマグネット層または反強磁性層を含んで構成される請求項１または請求項２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrimagnet)である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対向配置された一対の電極と電気的に接合されてなる請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性貴金属層が前記強磁性フリー層と反強磁性層との磁気交換結合を促進させる作用をしてなる請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
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