JP3831573B2 - スピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法 - Google Patents
スピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定磁性層の固定磁化方向と外部磁界の影響を受けるフリー磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜素子に係り、特に、固定磁性層の磁気モーメントの調整、及び熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節することにより、適正に前記固定磁性層の磁化制御を行うことができるスピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の一種であり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【０００３】
このスピンバルブ型薄膜素子は、ＧＭＲ素子の中でも比較的構造が単純で、しかも弱い磁界で抵抗が変化するなど、いくつかの優れた点を有している。
【０００４】
前記スピンバルブ型薄膜素子は、最も単純な構造で、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層から成る。図１６は、従来のスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【０００５】
図１６に示すように、反強磁性層２と固定磁性層３とは接して形成され、前記反強磁性層２と固定磁性層３との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）により、前記固定磁性層３の磁化方向は一定方向に単磁区化され、固定される。
【０００６】
フリー磁性層５の磁化は、その両側に形成されたバイアス層６により、前記固定磁性層３の磁化方向と交叉する方向に揃えられる。
【０００７】
従来では、前記反強磁性層２には、ＦｅＭｎ合金やＮｉＯ、あるいはＮｉＭｎ合金などが使用されている。このうち、ＦｅＭｎ合金やＮｉＯを反強磁性材料として使用した場合には、固定磁性層３との界面にて交換結合磁界を発生させるのに、熱処理を必要としないのに対し、ＮｉＭｎ合金を反強磁性材料として使用した場合には、熱処理を必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで特開平９―１６９２０号公報には、固定磁性層を２層に分断し、前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態にすることにより、大きな交換結合磁界を得ることができる発明について開示されている。
【０００９】
しかし前記公報で使用されている反強磁性層はＮｉＯであり、このＮｉＯは、ブロッキング温度が約２００℃程度と低く、また固定磁性層との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）も小さい。
【００１０】
特に近年では、高記録密度化に対応するために、記録媒体の回転数やセンス電流量の増加により、装置内の環境温度は上昇する傾向にあり、反強磁性層にＮｉＯを使用した場合には、前記交換結合磁界が小さくなり、固定磁性層の磁化制御を適正に行うことが困難となる。
【００１１】
一方、ＮｉＭｎ合金は、前記ＮｉＯに比べ、ブロッキング温度も高く、また交換結合磁界（交換異方性磁界）も大きい。またＮｉＭｎ合金と同程度のブロッキング温度と、大きい交換結合磁界を有し、しかもＮｉＭｎ合金よりも飛躍的に耐食性に優れた反強磁性材料として、白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金（Ｘ＝Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ）が注目を浴びている。
【００１２】
このような白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金などを、反強磁性層として使用し、さらに固定磁性層を２層に分断して形成すれば、反強磁性層としてＮｉＯを使用した場合に比べ、より大きな交換結合磁界が得られることを期待することができる。
【００１３】
ところで、白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金は、ＮｉＭｎ合金と同様に、成膜後、固定磁性層との界面にて交換結合磁界を発生させるために、磁場中アニール（熱処理）を必要としている。
【００１４】
しかし、熱処理中に印加する磁場の大きさやその方向、及び２層に分断された各固定磁性層の磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）を適正に調節しないと、前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態に安定して固定できない。また、特に、フリー磁性層を中心にしてその上下に固定磁性層が形成されている、いわゆるデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、前記フリー磁性層の上下に形成される２層ずつの固定磁性層の磁化方向を適正に制御しないと、ΔＭＲ（抵抗変化率）が低下し、小さい再生出力しか得られないといった問題も発生する。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決するためのものであり、２層に分断された各固定磁性層の磁気モーメントと、熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に制御することにより、前記２層の固定磁性層の磁化を、反平行状態に安定して保つことができ、しかも従来と同程度の高いΔＭＲを得ることができるスピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性導電層と、一方の前記非磁性導電層の上に形成された上側固定磁性層と、他方の非磁性導電層の下に形成された下側固定磁性層と、上側固定磁性層の上、及び下側固定磁性層の下に形成された反強磁性層とを有する積層体と、この積層体の両側に設けられ前記積層体に導電層が設けられているスピンバルブ型薄膜素子の製造方法において、
前記各固定磁性層を、反強磁性層に接する第１の磁性層と、前記第１の磁性層と非磁性中間層を介して重ねられる第２の磁性層の２層で形成し、このとき、
前記上側と前記下側の一方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）を、第２の磁性層の磁気モーメントよりも大きくし、他方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメントを、第２の磁性層の磁気モーメントよりも小さくする工程と、
磁場中熱処理を施して、前記各第１の磁性層と反強磁性層との界面にて交換結合磁界を発生させる際に、前記上側固定磁性層および前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）より大きい磁場を印加して、前記各第１の磁性層の磁化を前記磁場方向と同一方向に固定し、各第２の磁性層の磁化を前記磁場方向と反対方向に固定することで、前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントと、前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントとを互いに逆方向に向ける工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明では、前記導電層を介して前記積層体に流される前記センス電流が作るセンス電流磁界の前記フリー磁性層より上側での方向と前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向並びに、前記センス電流磁界の前記フリー磁性層より下側での方向と前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向が一致していることが好ましい。
【００１８】
本発明では、前記反強磁性層を、ＰｔＭｎ合金で形成することが好ましい。あるいは本発明では、前記反強磁性層を、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）、またはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）で形成することが好ましい。
【００１９】
また本発明では、前記第１の磁性層と第２の磁性層の間に形成される非磁性中間層を、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成することが好ましい。
【００２０】
また本発明における薄膜磁気ヘッドの製造方法は、下部シールド層の上にギャップ層を介して上記の製造方法によりスピンバルブ型薄膜素子を形成し、さらに前記スピンバルブ型薄膜素子の上にギャップ層を介して上部シールド層を形成することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明では、スピンバルブ型薄膜素子を構成する固定磁性層が、２層に分断されており、２層に分断された固定磁性層の間に非磁性中間層が形成されている。
【００２２】
この分断された２層の固定磁性層の磁化は、反平行状態に磁化されており、しかも一方の固定磁性層の磁気モーメントの大きさと、他方の固定磁性層の磁気モーメントの大きさとが異なる、いわゆるフェリ状態となっている。２層の固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）は、１０００（Ｏｅ）から５０００（Ｏｅ）と非常に大きいため、２層の固定磁性層は非常に安定した状態で反平行に磁化された状態となっている。
【００２３】
ところで反平行（フェリ状態）に磁化された一方の固定磁性層は、反強磁性層に接して形成されており、この反強磁性層に接する側の固定磁性層（以下、第１の固定磁性層と称す）は、前記反強磁性層との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、例えば記録媒体との対向面から離れる方向（ハイト方向）に磁化が固定される。これにより、前記第１の固定磁性層と非磁性中間層を介して対向する固定磁性層（以下、第２の固定磁性層と称す）の磁化は、前記第１の固定磁性層の磁化と反平行の状態で固定される。
【００２４】
従来では、反強磁性層と固定磁性層との２層で形成していた部分を、本発明では、反強磁性層／第１の固定磁性層／非磁性中間層／第２の固定磁性層の４層で形成することによって、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化状態を外部磁界に対し非常に安定した状態に保つことが可能となるが、特に本発明のように、磁場中熱処理を施すことにより、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させる反強磁性材料を使用した場合にあっては、熱処理中の磁場の方向及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化を反平行状態に保つことが不可能となる。
【００２５】
また特に第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化制御において問題となるのは、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合に、フリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の上下に形成された第２の固定磁性層の固定磁化との関係である。
【００２６】
デュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層の上下に非磁性導電層と固定磁性層が形成されているため、シングルスピンバルブ型薄膜素子の場合に比べて大きなΔＭＲ（抵抗変化率）を期待できるが、フリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の上側に非磁性導電層を介して形成された第２の固定磁性層との関係による抵抗変化率、及びフリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の下側に非磁性導電層を介して形成された第２の固定磁性層との関係による抵抗変化率が共に同じ変動を見せるように、前記第２の固定磁性層の固定磁化方向を適正に制御しなければならない。
【００２７】
すなわち、フリー磁性層の上側における抵抗変化率が最大となる場合には、フリー磁性層の下側における抵抗変化率も最大となるようにし、フリー磁性層の上側における抵抗変化率が最小となる場合には、フリー磁性層の下側における抵抗変化率も最小となるように、前記第２の固定磁性層の固定磁化方向を適正に制御する必要性があるのである。
【００２８】
このため本発明では、熱処理中に印加する磁場の大きさ及びその方向と共に、第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層における磁気モーメントの値の大小を適正に調節して、第１の固定磁性層の固定磁化方向と第２の固定磁性層の固定磁化方向とを適正に制御している。
【００２９】
次に本発明のように、固定磁性層が第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断されて形成された場合のスピンバルブ型薄膜素子と、従来のように、固定磁性層が単層で形成された場合のヒステリシスループの相違について図１４を参照しながら説明する。
【００３０】
図１４は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用し、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子と、固定磁性層を単層で形成した従来におけるスピンバルブ型薄膜素子とのＲ―Ｈ曲線である。
【００３１】
本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）であり、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（３００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）である。なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【００３２】
なお本発明及び従来におけるスピンバルブ型薄膜素子共に、成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら、２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【００３３】
図１４に示すように、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲ（抵抗変化率）は、最大値で７〜８％の間であり、負の外部磁界を与えることにより、前記ΔＭＲは低下していくが、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲの落ち方に比べて、本発明におけるΔＭＲの落ち方は緩やかであることがわかる。
【００３４】
ここで本発明では、ΔＭＲの最大値の半分の値になる時の外部磁界の大きさをスピンバルブ型薄膜素子が発生する交換結合磁界（Ｈｅｘ）と定める。
【００３５】
図１４に示すように、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子では、最大ΔＭＲが、約８％であり、前記ΔＭＲが半分になるときの外部磁界（交換結合磁界（Ｈｅｘ））は、絶対値で約９００（Ｏｅ）であることがわかる。
【００３６】
これに対し、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子では、最大ΔＭＲが、約７．５％であり、従来に比べて若干低下するものの、前記ΔＭＲが半分になるときの外部磁界（交換結合磁界（Ｈｅｘ））は、絶対値で約２８００（Ｏｅ）であり、従来に比べて非常に大きくなることがわかる。
【００３７】
このように、固定磁性層を２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子にあっては、固定磁性層を１層で形成した従来のスピンバルブ型薄膜素子に比べて、交換結合磁界（Ｈｅｘ）を飛躍的に大きくでき、固定磁性層の磁化の安定性を従来に比べて向上できることがわかる。またΔＭＲについても本発明では従来に比べてあまり低下せず、高いΔＭＲを保つことができることがわかる。
【００３８】
また本発明では第１の固定磁性層との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるのに熱処理を必要とする反強磁性材料を使用するが、本発明では特に、熱処理を必要とする反強磁性材料の中でもＰｔＭｎ合金を使用することが好ましいとしている。
【００３９】
図１５は、反強磁性層をＰｔＭｎ、ＮｉＯ、あるいはＦｅＭｎで形成した場合における環境温度と交換結合磁界との関係を示すグラフである。
【００４０】
まず使用する１種目のスピンバルブ型薄膜素子は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を用い、固定磁性層を２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４１】
２種類目は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例１であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（３００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２５）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４２】
３種類目は、反強磁性層にＮｉＯを使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例２であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／反強磁性層；ＮｉＯ（５００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２５）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４３】
４種類目は、反強磁性層にＦｅＭｎ合金を使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例３であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｃｏ（１０）／Ｃｕ（２５）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／反強磁性層；ＦｅＭｎ（１５０）／Ｔａ（３０）である。なお、上述した４種類全ての膜構成の括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【００４４】
また反強磁性層にＰｔＭｎを用いた本発明及び従来例１では、成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施している。また、反強磁性層にＮｉＯ、ＦｅＭｎを使用した従来例２，３では成膜後、熱処理を施していない。
【００４５】
図１５に示すように本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子では、環境温度が約２０℃のとき交換結合磁界（Ｈｅｘ）は約２５００（Ｏｅ）と非常に高くなっていることがわかる。
【００４６】
これに対し、反強磁性層にＮｉＯを用いた従来例２、及び反強磁性層にＦｅＭｎを用いた従来例３では、環境温度が約２０℃でも交換結合磁界（Ｈｅｘ）が約５００（Ｏｅ）以下と低くなっている。また反強磁性層にＰｔＭｎを用い、固定磁性層を単層で形成した従来例１にあっては、環境温度が約２０℃で１０００（Ｏｅ）程度の交換結合磁界を発生しており、反強磁性層にＮｉＯ（従来例２）、ＦｅＭｎ（従来例３）を用いるよりも、より大きな交換結合磁界を得られることがわかる。
【００４７】
特開平９―１６９２０号公報では、反強磁性層にＮｉＯを使用し、固定磁性層を非磁性中間層を介して２層で形成したスピンバルブ型薄膜素子のＲ―Ｈ曲線が図８に示されている。公報の図８によれば、６００（Ｏｅ）の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得られるとしているが、この数値は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用し、固定磁性層を単層で形成した場合の交換結合磁界（約１０００（Ｏｅ）；従来例１）に比べて低いことがわかる。
【００４８】
すなわち、反強磁性層にＮｉＯを使用した場合にあっては、固定磁性層を２層に分断し、前記２層の固定磁性層の磁化をフェリ状態にしても、反強磁性層にＰｔＭｎを使用し、且つ固定磁性層を単層で形成する場合よりも、交換結合磁界は低くなってしまうため、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用することが、より大きい交換結合磁界を得ることができる点で好ましいとわかる。
【００４９】
また図１５に示すように、反強磁性層にＮｉＯあるいはＦｅＭｎ合金を使用した場合、環境温度が約２００℃になると、交換結合磁界は０（Ｏｅ）になってしまうことがわかる。これは、前記ＮｉＯ及びＦｅＭｎのブロッキング温度が約２００℃程度と低いためである。
【００５０】
これに対し反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用した従来例１では、環境温度が約４００℃になって、交換結合磁界が０（Ｏｅ）になっており、前記ＰｔＭｎ合金を使用すると、固定磁性層の磁化状態を熱的に非常に安定した状態に保てることがわかる。
【００５１】
ブロッキング温度は反強磁性層として使用される材質に支配されるので、図１５に示す本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子においても、約４００℃になると、交換結合磁界は０（Ｏｅ）になると考えられるが、本発明のように反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用した場合では、ＮｉＯなどに比べ高いブロッキング温度を得ることが可能であり、しかも固定磁性層を２層に分断して前記２層の固定磁性層の磁化をフェリ状態にすれば、ブロッキング温度に到達するまでの間に非常に大きい交換結合磁界を得ることができ、前記２層の固定磁性層の磁化状態を熱的に安定した状態に保つことが可能となる。
【００５２】
なお本発明では、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界を発生させるのに、熱処理を必要とする反強磁性材料としてＰｔＭｎ合金の他に、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）を提示できる。
【００５３】
以上のように本発明では、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断し、さらに反強磁性層としてＰｔＭｎ合金など、前記第１の固定磁性層との界面で大きい交換結合磁界（交換異方性磁界）を発揮する反強磁性材料を使用することによって、スピンバルブ型薄膜素子全体の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくすることができ、第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層の磁化を熱的に安定した反平行状態（フェリ状態）に保つことが可能となっている。
【００５４】
特に本発明では、前記第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントの大小を適正に制御し、且つ熱処理中に印加する磁場の大きさ及びその方向を適正に制御して、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化を反平行状態に安定して保つことができ、しかも、容易に前記第１の固定磁性層の磁化及び第２の固定磁性層の磁化を得たい方向に向けることが可能である。
【００５５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の前提となる参考例としてのスピンバルブ型薄膜素子を模式図的に示した横断面図、図２は図１のスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【００５６】
このスピンバルブ型薄膜素子の上下には、ギャップ層を介してシールド層が形成されており、前記スピンバルブ型薄膜素子、ギャップ層、及びシールド層で、再生用の薄膜磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が構成されている。なお前記再生用の薄膜磁気ヘッドの上に、記録用のインダクティブヘッドが積層されていてもよい。
【００５７】
前記薄膜磁気ヘッドは、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は図示Ｚ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００５８】
図１，２に示すスピンバルブ型薄膜素子は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層が一層ずつ形成された、いわゆるシングルスピンバルブ型薄膜素子であり、最も下に形成された層は、Ｔａなどの非磁性材料で形成された下地層１０である。図１，２では前記下地層１０の上に、反強磁性層１１が形成され、前記反強磁性層１１の上に、第１の固定磁性層１２が形成されている。そして図１に示すように前記第１の固定磁性層１２の上には非磁性中間層１３が形成され、さらに前記非磁性中間層１３の上に第２の固定磁性層１４が形成されている。
【００５９】
前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４は、例えばＣｏ膜、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金などで形成されている。
【００６０】
また本発明では、前記反強磁性層１１は、ＰｔＭｎ合金で形成されていることが好ましい。ＰｔＭｎ合金は、従来から反強磁性層として使用されているＮｉＭｎ合金やＦｅＭｎ合金などに比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温度が高く、交換結合磁界（交換異方性磁界）も大きい。また本発明では、前記ＰｔＭｎ合金に代えて、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）合金、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成されていてもよい。
【００６１】
ところで図１に示す第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４に示されている矢印は、それぞれの磁気モーメントの大きさ及びその方向を表しており、前記磁気モーメントの大きさは、飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）とをかけた値で決定される。
【００６２】
図１に示す第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とは同じ材質、例えばＣｏ膜で形成され、しかも第２の固定磁性層１４の膜厚ｔＰ２が、第１の固定磁性層１２の膜厚ｔＰ１よりも大きく形成されているために、第２の固定磁性層１４の方が第１の固定磁性層１２に比べ磁気モーメントが大きくなっている。なお、本発明では、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４が異なる磁気モーメントを有することを必要としており、従って、第１の固定磁性層１２の膜厚ｔＰ１が第２の固定磁性層１４の膜厚ｔＰ２より厚く形成されていてもよい。
【００６３】
図１に示すように第１の固定磁性層１２は図示Ｙ方向、すなわち記録媒体から離れる方向（ハイト方向）に磁化されており、非磁性中間層１３を介して対向する第２の固定磁性層１４の磁化は前記第１の固定磁性層１２の磁化方向と反平行に磁化されている。
【００６４】
第１の固定磁性層１２は、反強磁性層１１に接して形成され、磁場中アニール（熱処理）を施すことにより、前記第１の固定磁性層１２と反強磁性層１１との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）が発生し、例えば図１に示すように、前記第１の固定磁性層１２の磁化が、図示Ｙ方向に固定される。前記第１の固定磁性層１２の磁化が、図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１２を介して対向する第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２の磁化と反平行の状態で固定される。
【００６５】
ところで、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とが同じ材質で形成され、しかも前記第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４との膜厚が同じ値であると、交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲは極端に低下することが実験により確認されている。
【００６６】
これは、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１（磁気モーメント）と、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔＰ２（磁気モーメント）とが同じ値である場合、前記第１の固定磁性層１２の磁化と第２の固定磁性層１４の磁化とが反平行状態にならず、前記磁化の方向分散量（様々な方向に向いている磁気モーメント量）が多くなることにより、後述するフリー磁性層１６の磁化との相対角度を適正に制御できないからである。
【００６７】
こうした問題を解決するためには、第１に第１の固定磁性層１２と、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔを異なる値にすること、すなわち第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とが同じ材質で形成される場合には、前記第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４を異なる膜厚で形成する必要がある。
【００６８】
反強磁性層１１にＰｔＭｎ合金など、成膜後に磁場中アニール（熱処理）を施すことにより、第１の固定磁性層１２との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させる反強磁性材料を使用した場合には、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔを異なる値に設定しても、熱処理中の印加磁場の方向、及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層１２の磁化及び第２の固定磁性層１４の磁化に方向分散量が多くなったり、あるいは前記磁化を向けたい方向に適正に制御できない。
【００６９】
【表１】
【００７０】
表１では、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１が、第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２よりも大きい場合に、熱処理中の磁場の大きさ及びその方向を変えることによって、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化がどの方向に向くかを表している。
【００７１】
表１の（１）では、熱処理中の磁場の方向を図示左側に、１００〜１ｋ（Ｏｅ）与えている。この場合、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１の方が、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔＰ２よりも大きいために、支配的な第１の固定磁性層１２の磁化が、印加磁場方向にならって図示左方向に向き、第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２との交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、反平行状態になろうとする。
【００７２】
表１の（２）では、右方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を印加すると、支配的な第１の固定磁性層１２の磁化が、印加磁場方向にならって右方向に向き、第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２の磁化に対して反平行になる。
【００７３】
表１の（３）では、右方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を与えると、まず支配的な第１の固定磁性層１２の磁化は、印加磁場方向にならって右方向に向く。ところで、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）は、１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）程度であるので、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場が印加されると、第２の固定磁性層１４もその印加磁場方向、すなわち図示右方向に向く。同様に、表１の（４）では左方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を印加すると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化は共に、図示左方向に向く。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２では、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１が、第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２も小さい場合に、熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を変えることによって、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化がどの方向に向くかを表している。
【００７６】
表２の（１）では、図示左方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を与えると、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層１４の磁化が支配的になり、前記第２の固定磁性層１４の磁化が、印加磁場方向にならって、図示左方向に向く。第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４の間の交換結合（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第１の固定磁性層１２の磁化は、前記第２の固定磁性層１４の磁化に対して反平行になる。同様に、表２の（２）では、図示右方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を与えると、支配的な第２の固定磁性層１４の磁化が図示右方向に向き、第１の固定磁性層１２の磁化は図示左方向に向く。
【００７７】
表２の（３）では、図示右方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を与えると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の間の交換結合（ＲＫＫＹ相互作用）以上の磁場が印加されることにより、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化が共に、図示右方向に向く。表２の（４）では、図示左方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を印加されると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化が共に図示左方向を向く。
【００７８】
ここで、例えば第１の固定磁性層１２の磁化を図示右方向に向けようとする場合に、適正な熱処理中の磁場方向及びその大きさは、表１における（２）（３）及び表２における（１）（３）である。
【００７９】
表１（２）（３）では共に、Ｍｓ・ｔＰ１の大きい第１の固定磁性層１２の磁化は、熱処理中における右方向の印加磁場の影響を受けて、右方向に向き、このとき、熱処理によって発生する反強磁性層１１との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、前記第１の固定磁性層１２の磁化が右方向に固定される。表１（３）では、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を取り除くと、第２の固定磁性層１４は、第１の固定磁性層１２との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第２の固定磁性層１４の磁化は反転し、左方向に向く。
【００８０】
同様に表２（１）（３）では、右方向に向けられた第１の固定磁性層１２の磁化は、反強磁性層１１との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、右方向に固定される。表２（３）では、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を取り除くと、第２の固定磁性層１４は、第１の固定磁性層１２との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第２の固定磁性層１４の磁化は反転し、左方向に固定される。
【００８１】
ところで表１及び表２に示すように、熱処理中に印加される磁場の大きさは、１００〜１ｋ（Ｏｅ）、あるいは５ｋ（Ｏｅ）以上であり、１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の範囲の磁場の大きさを適正な範囲から外している。これは次のような理由による。
【００８２】
磁場を与えることによって、Ｍｓ・ｔの大きい固定磁性層の磁化は、その磁場方向に向こうとする。ところが、熱処理中の磁場の大きさが１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の間であると、Ｍｓ・ｔの小さい固定磁性層の磁化までが、磁場の影響を強く受けて、その磁場方向に向こうとする。このため、固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって反平行になろうとする２層の固定磁性層の磁化が、強い磁場の影響を受けて反平行にはならず、前記固定磁性層の磁化が、様々な方向に向こうとする、いわゆる磁化分散量が多くなり、２層の固定磁性層の磁化を適正に反平行状態に磁化することができなくなる。従って、本発明では１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の磁場の大きさを、適正な範囲から外している。なお熱処理中の磁場の大きさを１００（Ｏｅ）以上としたのは、この程度の磁場を与えないと、Ｍｓ・ｔの大きい固定磁性層の磁化を、その印加磁場方向に向けることができないからである。
【００８３】
なお上述した熱処理中の磁場の大きさ及びその方向の制御方法は、熱処理を必要とする反強磁性層１１を使用した場合であれば、どのような反強磁性材料を使用した場合であっても適用でき、例えば従来から反強磁性層１１として用いられているＮｉＭｎ合金などを使用した場合でも適用可能である。
【００８４】
ところで前述したように磁気モーメント（磁気的膜厚）は、飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積によって求めることができ、例えば、バルク固体のＮｉＦｅであると、飽和磁化Ｍｓは、約１．０Ｔ（テスラ）であり、バルク固体のＣｏであると、飽和磁化Ｍｓは約１．７Ｔであることが知られている。従って、前記ＮｉＦｅ膜の膜厚が３０オングストロームである場合、前記ＮｉＦｅ膜の磁気的膜厚は、３０オングストローム・テスラとなる。外部から磁界を加えたときの強磁性膜の静磁エネルギーは、磁気的膜厚と外部磁界との掛け合わせに比例するため、磁気的膜厚の大きい強磁性膜と磁気的膜厚の小さい強磁性膜が非磁性中間層を介してＲＫＫＹ相互作用によりフェリ状態になっている場合、磁気的膜厚の大きい方の強磁性膜が、外部磁界の方向を向きやすくなるわけである。
【００８５】
しかしながら、タンタル（Ｔａ）やルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）等の非磁性膜と積層接触した強磁性膜の場合や、ＰｔＭｎ膜などの反強磁性層と積層接触した強磁性膜の場合、非磁性膜原子や反強磁性膜原子と強磁性膜原子（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）が直接触れ合うため、非磁性膜や反強磁性膜との界面付近の強磁性膜の飽和磁化Ｍｓが、バルク固体の飽和磁化Ｍｓよりも小さくなることが知られている。更に、強磁性膜と非磁性膜、反強磁性層の積層多層膜に熱処理が施されると、前記熱処理によって界面拡散が進行し、強磁性膜の飽和磁化Ｍｓに膜厚方向の分布が生じることが知られている。すなわち、非磁性膜や反強磁性層に近い場所の飽和磁化Ｍｓは小さく、非磁性膜や反強磁性膜との界面から離れるに従って飽和磁化Ｍｓがバルク固体の飽和磁化Ｍｓに近づくという現象である。
【００８６】
非磁性膜や反強磁性層に近い場所の強磁性膜の飽和磁化Ｍｓの減少は、非磁性膜の材料、反強磁性層の材料、強磁性膜の材料や積層順序、熱処理温度等に依存するため、正確には、それぞれの特定された条件において求めなければならないことになる。本発明における磁気的膜厚とは、非磁性膜や反強磁性層との熱拡散によって生じた飽和磁化Ｍｓの減少量も考慮して算出した値である。
【００８７】
ＰｔＭｎ膜と強磁性膜との界面で交換結合磁界を得るためには、熱処理によりＰｔＭｎ膜と強磁性膜との界面で拡散層を形成することが必要であるが、拡散層の形成に伴う強磁性膜の飽和磁化Ｍｓの減少は、ＰｔＭｎ膜と強磁性膜の積層順序に依存することになる。
【００８８】
特に図１に示すように、反強磁性層１１がフリー磁性層１６よりも下側に形成されている場合にあっては、前記反強磁性層１１と第１の固定磁性層１２との界面に熱拡散層が発生しやすく、このため前記第１の固定磁性層１２の磁気的な膜厚は、実際の膜厚ｔＰ１に比べて小さくなっている。しかし前記第１の固定磁性層１２の磁気的な膜厚が小さくなりすぎると、第２の固定磁性層１４との磁気的膜厚（磁気モーメント）差が大きくなりすぎ、前記第１の固定磁性層１２に占める熱拡散層の割合が増えることにより、交換結合磁界の低下につながるといった問題がある。
【００８９】
すなわち、第１の固定磁性層１２との界面で交換結合磁界を発生されるために熱処理を必要とする反強磁性層１１を使用し、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４の磁化状態をフェリ状態にするためには、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の膜厚の適正化のみならず、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁気的膜厚の適正化を行わないと、安定した磁化状態を保つことができない。
【００９０】
図１に示すように、第２の固定磁性層１４の上には、Ｃｕなどで形成された非磁性導電層１５が形成され、さらに前記非磁性導電層１５の上にフリー磁性層１６が形成されている。図１に示すようにフリー磁性層１６は、２層で形成されており、前記非磁性導電層１５に接する側に形成された符号１７の層はＣｏ膜で形成されている。またもう一方の層１８は、ＮｉＦｅ合金や、ＣｏＦｅ合金、あるいはＣｏＮｉＦｅ合金などで形成されている。なお非磁性導電層１５に接する側にＣｏ膜の層１７を形成する理由は、Ｃｕで形成された前記非磁性導電層１５との界面での金属元素等の拡散を防止でき、また、ΔＭＲ（抵抗変化率）を大きくできるからである。なお符号１９はＴａなどで形成された保護層である。
【００９１】
また図２に示すように、下地層１０から保護層１９までの積層体の両側には、例えばＣｏ―Ｐｔ合金やＣｏ―Ｃｒ―Ｐｔ合金などで形成されたハードバイアス層１３０及びＣｕやＣｒで形成された導電層１３１が形成されており、前記ハードバイアス層のバイアス磁界の影響を受けて、前記フリー磁性層１６の磁化は、図示Ｘ方向に磁化された状態となっている。
【００９２】
図１におけるスピンバルブ型薄膜素子では、前記導電層からフリー磁性層１６、非磁性導電層１５、及び第２の固定磁性層１４にセンス電流が与えられる。記録媒体から図１に示す図示Ｙ方向に磁界が与えられると、フリー磁性層１６の磁化は図示Ｘ方向からＹ方向に変動し、このときの非磁性導電層１５とフリー磁性層１６との界面、及び非磁性導電層１５と第２の固定磁性層１４との界面でスピンに依存した伝導電子の散乱が起こることにより、電気抵抗が変化し、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００９３】
図３は、本発明の第３の実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の構造を模式図的に示した横断面図、図４は図３に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【００９４】
このスピンバルブ型薄膜素子は、フリー磁性層を中心としてその上下に非磁性導電層、固定磁性層、及び反強磁性層が１層ずつ形成された、いわゆるデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。このデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層／非磁性導電層／固定磁性層のこの３層の組合わせが２組存在するためシングルスピンバルブ型薄膜素子に比べて大きなΔＭＲを期待でき、高密度記録化に対応できるものとなっている。
【００９５】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子は、下から下地層３０、反強磁性層３１、第１の固定磁性層（下）３２、非磁性中間層（下）３３、第２の固定磁性層（下）３４、非磁性導電層３５、フリー磁性層３６（符号３７，３９はＣｏ膜、符号３８はＮｉＦｅ合金膜）、非磁性導電層４０、第２の固定磁性層（上）４１、非磁性中間層（上）４２、第１の固定磁性層（上）４３、反強磁性層４４、及び保護層４５の順で積層されている。なお図４に示すように、下地層３０から保護層４５までの積層体の両側には、ハードバイアス層１３０と導電層１３１が形成されている。
【００９６】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層３１，４４は、ＰｔＭｎ合金で形成されていることが好ましく、あるいはＰｔＭｎ合金に代えて、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）合金、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成されていてもよい。
【００９７】
このスピンバルブ型薄膜素子においても、前記第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１と、第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２との膜厚比、及び第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層４１（上）の膜厚ｔＰ２との膜厚比（第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１）／（第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内であることが好ましい。さらには、膜厚比が上記範囲内であり、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２が１０〜７０オングストロームの範囲内で、且つ第１の固定磁性層３２，４３の膜厚ｔＰ１から第２の固定磁性層３４，４１の膜厚ｔＰ２を引いた絶対値が２オングストローム以上であると、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【００９８】
また本発明では、（第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１）／（第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２）は、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内であることがより好ましく、さらには、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２が１０〜５０オングストロームの範囲内で、且つ第１の固定磁性層３２，４３の膜厚ｔＰ１から第２の固定磁性層３４，４１の膜厚ｔＰ２を引いた絶対値が２オングストローム以上であれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる。
【００９９】
ところで、フリー磁性層３６よりも下側に形成されている第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１を、第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２よりも大きくしても、前記第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４の膜厚差が約６オングストローム以下であると、交換結合磁界が低下しやすい傾向にあることが実験によって確認されている。
【０１００】
この現象は、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために熱処理を必要とする例えばＰｔＭｎ合金で形成された反強磁性層３１，４４を使用した場合に見られる。
【０１０１】
交換結合磁界の低下は、フリー磁性層３６よりも下側に形成されている反強磁性層３１と第１の固定磁性層（下）３２との熱拡散によって、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気的な膜厚が減少し、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気的な膜厚と、第２の固定磁性層３４の膜厚ｔＰ２とが、ほぼ同じ厚さになるからである。このため本発明では、（第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１／第２の固定磁性層（上）４１の膜厚ｔＰ２）よりも（第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１／第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２）の方を大きくすることが好ましい。
【０１０２】
前述したように、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２にある程度差がないと、磁化状態はフェリ状態にはなりにくく、また第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２の差が大きくなりすぎても、交換結合磁界の低下につながり好ましくない。そこで本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２の膜厚比と同じように、（第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１）／（第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内とであることが好ましい。また本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２が１０〜７０（オングストローム・テスラ）の範囲内で、且つ第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１から第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２を引いた絶対値が２（オングストローム・テスラ）以上であることが好ましい。
【０１０３】
また（第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１）／（第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２）が、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内であることがより好ましい。また上記範囲内であって、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２は共に１０〜５０（オングストローム・テスラ）の範囲内であり、しかも第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１から第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２を引いた絶対値は２（オングストローム・テスラ）以上であることが好ましい。
【０１０４】
次に図３に示す第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との間に介在する非磁性中間層３３，４２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されていることが好ましい。
【０１０５】
図３に示すようにフリー磁性層３６よりも下側に形成された前記非磁性中間層（下）３３の膜厚は、３．６〜９．６オングストロームの範囲内で形成されることが好ましい。この範囲内であれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得ることが可能である。
【０１０６】
また前記非磁性中間層（下）３３の膜厚は、４〜９．４オングストロームの範囲内で形成されると、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができるのでより好ましい。
【０１０７】
また本発明では図３に示すように、フリー磁性層３６よりも上側に形成された非磁性中間層（上）４２の膜厚は、２．５〜６．４オングストローム、あるいは６．８〜１０．７オングストロームの範囲内であることが好ましい。この範囲内であると、少なくとも５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得ることができる。
【０１０８】
また本発明では、前記非磁性中間層（上）４２の膜厚は、２．８〜６．２オングストローム、あるいは６．８〜１０．３オングストロームの範囲内であることがより好ましい。この範囲内であると、少なくとも１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１０９】
また、前記反強磁性層３１，４４を少なくとも１００オングストローム以上で形成すれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。また前記膜厚を１１０オングストローム以上にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１１０】
従来では、前記反強磁性層３１，４４の膜厚は約２００オングストローム以上で形成されていたので、本発明によれば、約半分の膜厚で前記反強磁性層３１，４４を形成することが可能であり、特にデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合には、反強磁性層３１，４４が２層形成されるので、従来に比べてスピンバルブ型薄膜素子全体の膜厚を、約２００オングストローム以上薄くできる。このように薄く形成されたスピンバルブ型薄膜素子では、図５に示す下部ギャップ層１２１、及び上部ギャップ層１２５を、絶縁性を充分に保つ程度に厚くしても、ギャップ長Ｇｌを薄くでき、高密度記録化に対応できるものとなっている。
【０１１１】
なお第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との膜厚比や膜厚、非磁性中間層（下）３３，（上）４２の膜厚、及び反強磁性層３１，４４の膜厚を上述した範囲内で適正に調節することにより
、従来と同程度のΔＭＲを保つことができ、具体的には約１０％以上のΔＭＲを得ることが可能である。
【０１１２】
図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１は、非磁性中間層３３を介して形成された第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２に比べて薄く形成されている。一方、フリー磁性層３６よりも上側に形成されている第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１は、非磁性中間層４２を介して形成された第２の固定磁性層４１（上）の膜厚ｔＰ２に比べ厚く形成されている。そして、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化は共に図示Ｙ方向と反対方向に磁化されており、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化は図示Ｙ方向に磁化された状態になっている。
【０１１３】
図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化が共に同じ方向に向くようにする必要性があり、そのために、本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気モーメントＭｓ・ｔＰ１と、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気モーメントＭｓ・ｔＰ２との調整、及び熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節している。
【０１１４】
ここで、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化を共に同じ方向に向けておくのは、前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と反平行になる第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を共に同じ方向に向けておくためであり、その理由について以下に説明する。
【０１１５】
前述したように、スピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲは、固定磁性層の固定磁化とフリー磁性層の変動磁化との関係によって得られるものであるが、本発明のように固定磁性層が第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断された場合にあっては、前記ΔＭＲに直接関与する固定磁性層の層は第２の固定磁性層であり、第１の固定磁性層は、前記第２の固定磁性層の磁化を、一定方向に固定しておくためのいわば補助的な役割を担っている。
【０１１６】
仮に図３に示す第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化が互いに反対方向に固定されているとすると、例えば第２の固定磁性層（上）４１の固定磁化と、フリー磁性層３６の変動磁化との関係では抵抗が大きくなっても、第２の固定磁性層（下）３４の固定磁化と、フリー磁性層３６の変動磁化との関係では抵抗が非常に小さくなってしまい、結局、デュアルスピンバルブ型薄膜素子におけるΔＭＲは、図１に示すシングルスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲよりも小さくなってしまう。
【０１１７】
この問題は、本発明のように、固定磁性層を非磁性中間層を介して２層に分断したデュアルスピンバルブ型薄膜素子に限ったことではなく、従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子であっても同じことであり、シングルスピンバルブ型薄膜素子に比べΔＭＲを大きくでき、大きな出力を得ることができるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の特性を発揮させるには、フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層を共に同じ方向に固定しておく必要がある。
【０１１８】
ところで本発明では、図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された固定磁性層は、第２の固定磁性層（下）３４のＭｓ・ｔＰ２の方が、第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１に比べ大きくなっており、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層（下）３４の磁化が図示Ｙ方向に固定されている。ここで、第２の固定磁性層３４のＭｓ・ｔＰ２と、第１の固定磁性層３２のＭｓ・ｔＰ１とを足し合わせた、いわゆる合成磁気モーメントは、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層３４の磁気モーメントに支配され、図示Ｙ方向に向けられている。
【０１１９】
一方、フリー磁性層３６よりも上側に形成された固定磁性層は、第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１の方が、第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２に比べて大きくなっており、Ｍｓ・ｔＰ１の大きい第１の固定磁性層（上）４３の磁化が図示Ｙ方向と反対方向に固定されている。第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１と、第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２とを足した、いわゆる合成磁気モーメントは、第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１に支配され、図示Ｙ方向と反対方向に向けられている。
【０１２０】
すなわち、図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層３６の上下で、第１の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２を足して求めることができる合成磁気モーメントの方向が反対方向になっているのである。このためフリー磁性層３６よりも下側で形成される図示Ｙ方向に向けられた合成磁気モーメントと、前記フリー磁性層３６よりも上側で形成される図示Ｙ方向と反対方向に向けられた合成磁気モーメントとが、図示左周りの磁界を形成している。
【０１２１】
従って、前記合成磁気モーメントによって形成される磁界により、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化とがさらに安定したフェリ状態を保つことが可能である。
【０１２２】
更に、センス電流１１４は、主に比抵抗の小さい非磁性導電層３５，３９を中心にして流れ、センス電流１１４を流すことにより、右ネジの法則によってセンス電流磁界が形成されることになるが、センス電流１１４を図３の方向に流すことにより、フリー磁性層３６の下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２／非磁性中間層（下）３３／第２の固定磁性層（下）３４の場所にセンス電流が作るセンス電流磁界の方向を、前記第１の固定磁性層（下）３２／非磁性中間層（下）３３／第２の固定磁性層（下）３４の合成磁気モーメントの方向と一致させることができ、さらに、フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３／非磁性中間層（上）４２／第２の固定磁性層（上）４１の場所にセンス電流が作るセンス電流磁界を、前記第１の固定磁性層（上）４３／非磁性中間層（上）４２／第２の固定磁性層（上）４１の合成磁気モーメントの方向と一致させることができる。
【０１２３】
センス電流磁界の方向と合成磁気モーメントの方向を一致させることのメリットに関しては後で詳述するが、簡単に言えば、前記固定磁性層の熱的安定性を高めることができることと、大きなセンス電流を流せることができるので、再生出力を向上できるという、非常に大きいメリットがある。センス電流磁界と合成磁気モーメントの方向に関するこれらの関係は、フリー磁性層３６の上下に形成される固定磁性層の合成磁気モーメントが図示左周りの磁界を形成しているからである。
【０１２４】
装置内の環境温度は約２００℃程度まで上昇し、さらに今後、記録媒体の回転数や、センス電流の増大などによって、環境温度がさらに上昇する傾向にある。このように環境温度が上昇すると、交換結合磁界は低下するが、本発明によれば、合成磁気モーメントで形成される磁界と、センス電流磁界により、熱的にも安定して第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化とをフェリ状態に保つことができる。
【０１２５】
前述した合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び、合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係は、本発明特有の構成であり、フリー磁性層の上下に単層で形成され、しかも同じ方向に向けられ固定磁化された固定磁性層を有する従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、得ることができないものとなっている。
【０１２６】
次に、熱処理中に与える磁界の方向及びその大きさについて以下に説明する。図３に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層３１，４４にＰｔＭｎ合金など第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために、熱処理が必要な反強磁性材料を使用しているので、熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との磁化の方向を図３に示すような方向に得ることはできない。
【０１２７】
まず成膜する段階で、図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１を、第２の固定磁性層（下）３４のＭｓ・ｔＰ２よりも小さくし、且つ前記フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１を第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２よりも大きくする。
【０１２８】
図３に示すように、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３を図示Ｙ方向と反対方向に向けたい場合には、前述した表１，２を参照することにより、図示Ｙ方向と逆方向に５ｋ（Ｏｅ）以上（表１（４）及び表２（４）参照）の磁界を与える必要がある。
【０１２９】
図示Ｙ方向と反対方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を印加することにより、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化がすべて一旦図示Ｙ方向と反対方向に向く。前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３は、反強磁性層３１，４４との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、図示Ｙ方向と反対方向に固定され、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を取り去ることにより、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化は、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、図示Ｙ方向に反転し図示Ｙ方向に固定されるのである。
【０１３０】
あるいは５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を図示Ｙ方向に与えてもよい。この場合には、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化が図３に示す磁化方向と反対向きに磁化され、右回りの合成磁気モーメントによる磁界が形成される。
【０１３１】
また本発明では、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１を、第２の固定磁性層３４のＭｓ・ｔＰ２よりも大きくし、且つ、前記フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層４３のＭｓ・ｔＰ１を第２の固定磁性層４１のＭｓ・ｔＰ２よりも小さくしてもよい。この場合においても、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化を得たい方向、すなわち図示Ｙ方向あるいは図示Ｙ方向と反対方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を印加することによって、フリー磁性層３６の上下に形成された第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１を同じ方向に向けて固定でき、しかも図示右回りのあるいは左回りの合成磁気モーメントによる磁界を形成できる。
【０１３２】
なお上記した方法以外の方法で、フリー磁性層３６の上下に形成された第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を互いに同じ方向に向け、しかも合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係の形成を行うことはできない。
【０１３３】
以上、図３及び図４に示したスピンバルブ型薄膜素子によれば、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との２層に分断し、この２層の固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態（フェリ状態）にすることにより、従来に比べて熱的にも安定した固定磁性層の磁化状態を保つことができる。
【０１３４】
特に本発明では、反強磁性層としてブロッキング温度が非常に高く、また第１の固定磁性層との界面で大きい交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生するＰｔＭｎ合金を使用することにより、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との磁化状態を、より熱的安定性に優れたものにできる。
【０１３５】
また本発明では、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との膜厚比や、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との間に介在する非磁性中間層の膜厚、及び反強磁性層の膜厚を適正な範囲内で形成することによって、交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくでき、従って、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の固定磁化の熱的安定性をより向上させることが可能である。
【０１３６】
なお第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２との膜厚比、さらには、前記第１の固定磁性層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、及び反強磁性層の膜厚を適性な範囲内で形成することにより、従来とほぼ同程度のΔＭＲを得ることも可能である。
【０１３７】
さらに本発明では、反強磁性層としてＰｔＭｎ合金など、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために熱処理を必要とする反強磁性材料を使用した場合に、第１の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２とを異なる値で形成し、さらに熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を適正に調節することによって、前記第１の固定磁性層（及び第２の固定磁性層）の磁化を得たい方向に磁化させることが可能である。
【０１３８】
特に図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１のＭｓ・ｔＰ２を適正に調節し、さらに熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を適正に調節することによって、ΔＭＲに関与するフリー磁性層３６の上下に形成された２つの第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を共に同じ方向に固定でき、且つフリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントを互いに反対方向に形成できることによって、前記合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び、前記合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係の形成ができ、固定磁性層の磁化の熱的安定性をさらに向上させることが可能である。
【０１３９】
本発明では、さらにセンス電流の方向を調節することで、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化との反平行状態（フェリ状態）を、より熱的にも安定した状態に保つことが可能となっている。
【０１４０】
スピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層から成る積層膜の両側に導電層が形成されており、この導電層からセンス電流が流される。前記センス電流は、比抵抗の小さい前記非磁性導電層と、前記非磁性導電層と固定磁性層との界面、及び非磁性導電層とフリー磁性層との界面に主に流れる。本発明では、前記固定磁性層は第１の固定磁性層と第２の固定磁性層とに分断されており、前記センス電流は主に第２の固定磁性層と非磁性導電層との界面に流れている。
【０１４１】
前記センス電流を流すと、右ネジの法則によって、センス電流磁界が形成される。本発明では前記センス電流磁界を第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントの方向と同じ方向になるように、前記センス電流の流す方向を調節している。
【０１４２】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子は、フリー磁性層３６の上下に第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１が形成されたデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。
【０１４３】
このデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントが互いに反対方向に向くように、前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気モーメントの方向及びその大きさと第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気モーメントの方向及びその大きさを制御する必要がある。
【０１４４】
図３に示すようにフリー磁性層３６よりも下側に形成されている第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントは、第１の固定磁性層（下）３２の磁気モーメントよりも大きく、また前記第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）を向いている。従って、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気モーメントと第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）を向いている。またフリー磁性層３６よりも上側に形成されている第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントは第２の固定磁性層（上）４１の磁気モーメントよりも大きく、また前記第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）に向いている。このため前記第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントと第２の固定磁性層（上）４１の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）を向いている。このように本発明ではフリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントが互いに反対方向に向いている。
【０１４５】
本発明では図３に示すように、センス電流１１４は図示Ｘ方向と反対方向に流される。これにより前記センス電流１１４を流すことによって形成されるセンス電流磁界は紙面に対し左回りに形成される。
【０１４６】
前記フリー磁性層３６よりも下側で形成された合成磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）に、フリー磁性層３６よりも上側で形成された合成磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）に向いているので、前記２つの合成磁気モーメントの方向は、センス電流磁界の方向と一致しており、フリー磁性層３６の下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２の磁化と第２の固定磁性層（下）３４の磁化の反平行状態、及びフリー磁性層３６の上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（上）４１の磁化の反平行状態を、熱的にも安定した状態で保つことが可能である。
【０１４７】
なお、フリー磁性層３６よりも下側に形成された合成磁気モーメントが図示左方向に向いており、フリー磁性層３６よりも上側に形成された合成磁気モーメントが図示右側に向いている場合には、センス電流１１４を図示Ｘ方向に流し、前記センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、前記合成磁気モーメントの方向とを一致させる必要がある。
【０１４８】
以上のように本発明によれば、センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントを足し合わせることによって求めることができる合成磁気モーメントの方向とを一致させることにより、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層間に作用する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）を増幅させ、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化の反平行状態（フェリ状態）を熱的に安定した状態に保つことが可能である。
【０１４９】
特に本発明では、より熱的安定性を向上させるために、反強磁性層にＰｔＭｎ合金などのブロッキング温度の高い反強磁性材料を使用しており、これによって、環境温度が、従来に比べて大幅に上昇しても、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化の反平行状態（フェリ状態）を壊れ難くすることができる。
【０１５０】
また高記録密度化に対応するためセンス電流量を大きくして再生出力を大きくしようとすると、それに従ってセンス電流磁界も大きくなるが、本発明では、前記センス電流磁界が、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に働く交換結合磁界を増幅させる作用をもたらしているので、センス電流磁界の増大により、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化状態はより安定したものとなる。
【０１５１】
なおこのセンス電流方向の制御は、反強磁性層にどのような反強磁性材料を使用した場合であっても適用でき、例えば反強磁性層と固定磁性層（第１の固定磁性層）との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために、熱処理が必要であるか、あるいは必要でないかを問わない。
【０１５２】
図５はスピンバルブ型薄膜素子が形成された読み取りヘッドの構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【０１５３】
符号１２０は、例えばＮｉＦｅ合金などで形成された下部シールド層であり、この下部シールド層１２０の上に下部ギャップ層１２１が形成されている。また前記下部ギャップ層１２１の上は、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子１２２が形成されており、前記スピンバルブ型薄膜素子１２２の両側にハードバイアス層１２３、及び導電層１２４が形成されている。さらに前記導電層１２４の上には、上部ギャップ層１２５が形成され、前 記上部ギャップ層１２５の上には、ＮｉＦｅ合金などで形成された上部シールド層１２６が形成されている。
【０１５４】
前記下部ギャップ層１２３及び上部ギャップ層１２５は、例えばＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などの絶縁材料によって形成されている。図５に示すように、下部ギャップ層１２１から上部ギャップ層１２５までの長さがギャップ長Ｇｌであり、このギャップ長Ｇｌが小さいほど高記録密度化に対応できるものとなっている。
【０１５５】
本発明では前述したように、反強磁性層１１の膜厚を薄くできることで、スピンバルブ型薄膜素子１２２全体の厚さを薄くできるため、前記ギャップ長Ｇｌを短くすることが可能である。また下部ギャップ層１２１及び上部ギャップ層１２５の膜厚を比較的厚くしても、ギャップ長Ｇｌを従来に比べて小さくすることができ、また下部ギャップ層１２１及び上部ギャップ層１２５を厚く形成することで、絶縁性を充分に確保することができる。
【０１５６】
【実施例】
まず固定磁性層を、非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断して形成したスピンバルブ型薄膜素子を使用し、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の膜厚比と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲ（抵抗変化率）との関係について測定した。
【０１５７】
まず、第１の固定磁性層（反強磁性層に接する側の固定磁性層）を２０オングストローム又は４０オングストロームに固定し、第２の固定磁性層の膜厚を変化させて、前記第２の固定磁性層の膜厚と、交換結合磁界及びΔＭＲとの関係について調べた。実験に使用した膜構成は以下の通りである。
【０１５８】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０又は４０）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）
である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１５９】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。その実験結果を図６及び図７に示す。
【０１６０】
図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を２０オングストロームで固定した場合、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を、２０オングストロームにすると、急激に交換結合磁界（Ｈｅｘ）は低下し、且つ、前記膜厚ｔＰ２を厚くすることにより、前記交換結合磁界は徐々に低下していくことがわかる。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を４０オングストロームで固定した場合、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を４０オングストロームにすると急激に交換結合磁界は低下し、且つ前記膜厚ｔＰ２を４０オングストロームよりも大きくすると、徐々に交換結合磁界は低下していくことがわかる。また、前記膜厚ｔＰ２を４０オングストロームよりも小さくしていくと、約２６オングストロームまでは交換結合磁界は大きくなるが、前記膜厚ｔＰ２を２６オングストロームよりも小さくしていくと、交換結合磁界は小さくなっていくことがわかる。
【０１６１】
ところで第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２とがほぼ同じ膜厚で形成されると、急激に交換結合磁界が低下するのは、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁化と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化とが、互いに反平行に磁化されない、いわゆるフェリ状態になりにくいからではないかと推測される。
【０１６２】
上述した膜構成に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）は共にＣｏ膜で形成されているので、同じ飽和磁化（Ｍｓ）を有している。さらにほぼ同じ膜厚で形成されることにより、第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁気モーメント（Ｍｓ・ｔＰ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメント（Ｍｓ・ｔＰ２）は、ほぼ同じ値で設定されている。
【０１６３】
反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用しているので、成膜後磁場中アニールを施すことにより、第１の固定磁性層（Ｐ１）との界面で交換結合磁界を発生させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）をある一定方向に固定しようとしている。
【０１６４】
ところが、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントがほぼ同じ値であると、磁場を印加して熱処理を施したときに、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）とが、共に磁場方向に向こうとする。本来なら、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）との間には交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）が発生し、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁化と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化は、反平行状態（フェリ状態）に磁化されようとするが、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化が互いに磁場方向に向こうとするため、反平行状態に磁化されにくく、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化状態は、外部磁界などに対し非常に不安定な状態となっている。
【０１６５】
このため、第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁気モーメントと第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントとの差をある程度つけることが好ましいが、図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２の差が大きくなりすぎ、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントの差がありすぎると、交換結合磁界が低下し、反平行状態が崩れやすいという問題がある。
【０１６６】
図８、図９は、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を３０オングストロームで固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を変化させたときの、前記第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１と交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲとの関係を表すグラフである。この実験で使用したスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
【０１６７】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（３０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１６８】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【０１６９】
図８に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を３０オングストロームにした場合、すなわち第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２と同じ膜厚で形成した場合、交換結合磁界（Ｈｅｘ）は急激に低下することがわかる。これは上述した理由による。
【０１７０】
また、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１が約３２オングストロームのときも交換結合磁界は小さくなっていることがわかる。これは熱拡散層の発生により、第１の固定磁性層の磁気的な膜厚が実際の膜厚ｔＰ１よりも小さくなり、第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２（＝３０オングストローム）に近づくからである。
【０１７１】
前記熱拡散層は、反強磁性層と第１の固定磁性層との界面において、金属元素が拡散することによって形成されるが、前記熱拡散層は、この実験で使用した膜構成に示すように、フリー磁性層よりも下側に反強磁性層及び固定磁性層を形成した場合に発生しやすくなる。
【０１７２】
図１０は、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を製作し、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子の２個の第２の固定磁性層を共に２０オングストロームに固定し、２個の第１の固定磁性層のそれぞれの膜厚を変化させた場合における、前記第１の固定磁性層の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフである。この実験で使用したスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
【０１７３】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性中間層；Ｒｕ（６）／第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）；Ｃｏ（２０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／第２の固定磁性層（Ｐ２ 上）；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（８）／第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）；Ｃｏ（Ｘ）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／保護層；Ｔａ（３０）である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１７４】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【０１７５】
なお、実験では、フリー磁性層よりも下側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を２５オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも上側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を変化させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係について調べた。
【０１７６】
また、フリー磁性層よりも上側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）を２５オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも下側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を変化させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚と交換結合磁界との関係について調べた。
【０１７７】
図１０に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を２５オングストロームで固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を２０オングストロームに近づけていくと、徐々に交換結合磁界は大きくなっていくが、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚が約１８〜２２オングストロームになると、第２の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚とほぼ同じ膜厚になることから、上述した理由により、急激に交換結合磁界は低下してしまう。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を２２オングストロームから３０オングストロームまで徐々に大きくしていくと、徐々に交換結合磁界は低下していくことがわかる。
【０１７８】
また図１０に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）を２５オングストローム７で固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を２０オングストロームに近づけると、徐々に交換結合磁界は大きくなっていくが、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚が約１８〜２２オングストロームになると、急激に交換結合磁界は低下している。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を２２オングストロームよりも大きくすると、前記膜厚が約２６オングストロームまで交換結合磁界は大きくなるが、前記膜厚を２６オングストローム以上にすると、交換結合磁界は低下することがわかる。
【０１７９】
ここで、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を約２２オングストローム程度にした場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）における交換結合磁界と、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）における交換結合磁界とを比較すると、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を約２２オングストローム程度にした場合の方が、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を約２２オングストローム程度にした場合に比べ交換結合磁界を大きくできることがわかる。これは前述したように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）と、反強磁性層との界面には、熱拡散層が形成されやすいので、前記第１の固定磁性層の磁気的な膜厚は、実質的に小さくなり、第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）の膜厚とほぼ同程度になってしまうからである。
【０１８０】
以上、図６、図８、及び図１０に示す実験結果により、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を調べた。
【０１８１】
まず図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．３３以上０．９１以下、あるいは１．１以上にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜６０オングストローム（１８〜２２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８２】
次に図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．５７以上０．９５以下、１．０５以上４以下にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜６０オングストローム（３８〜４２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８３】
次に、図８に示すように、第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．３３以上０．９３以下、あるいは１．０６以上２．３３以下にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚は、１０〜７０オングストローム（２８〜３２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８４】
さらに図１０に示すように、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合にあっては、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）の範囲のうち、０．９以上１．１以下の範囲を外せば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができることがわかる。
【０１８５】
ここで５００（Ｏｅ）以上の交換結合を得ることができる最も広い膜厚比の範囲を取ると、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内となる。
【０１８６】
ただし、交換結合磁界は膜厚比のみならず、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚も重要な要素の一つであるので、さらに、上述した膜厚比の範囲内で、しかも第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚及び第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を、１０〜７０オングストロームの範囲内とし、且つ第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚から第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を引いた絶対値を２オングストローム以上にすれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能になる。
【０１８７】
次に、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を調べた。
【０１８８】
まず図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームにした場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５３〜０．９１、あるいは１．１以上にすれば１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜３８オングストローム（１８〜２２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８９】
また図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームにした場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．８８〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、２２〜４５オングストローム（３８〜４２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１９０】
さらに図８に示すように、第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームに固定した場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５６〜０．９３、あるいは１．０６〜１．６の範囲内であれば１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚は、１０〜５０オングストローム（２８〜３２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１９１】
また図１０に示すように、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合にあっては、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５〜０．９、あるいは１．１〜１．５程度の範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能となっている。
【０１９２】
従って、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内にし、さらに、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を１０〜５０オングストロームの範囲内で、しかも第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚から第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を引いた絶対値が2オングストローム以上であることが好ましい。
【０１９３】
なお図７及び図９に示すように、上述した膜厚比及び膜厚の範囲内であれば、ΔＭＲもそれほど低下せず、約６％以上のΔＭＲを得ることが可能である。このΔＭＲの値は従来のスピンバルブ型薄膜素子（シングルスピンバルブ型薄膜素子に限る）のΔＭＲと同程度か若干低い値である。
【０１９４】
また図７に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームにした場合、第２の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームにした場合に比べて、ややΔＭＲは小さくなることがわかる。
【０１９５】
前記第１の固定磁性層（Ｐ１）は、実際にはΔＭＲに関与しない層であり、前記ΔＭＲは、第２の固定磁性層（Ｐ２）の固定磁化と、フリー磁性層の変動磁化との関係で決定される。ところがセンス電流は、ΔＭＲに関与しない第１の固定磁性層（Ｐ１）にも流れるため、いわゆるシャントロス（分流ロス）が発生し、このシャントロスは、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚が厚くなるほど大きくなる。以上のような理由から、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚が厚くなるほど、ΔＭＲは低下しやすい傾向にある。
【０１９６】
次に、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の間に形成される非磁性中間層の適正な膜厚について測定した。なお、実験には、フリー磁性層よりも下側に反強磁性層が形成されたボトム型と、フリー磁性層よりも上側に反強磁性層が形成されたトップ型の２種類のスピンバルブ型薄膜素子を製作し、前記非磁性中間層の膜厚と交換結合磁界との関係について調べた。実験に使用したボトム型のスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（Ｘ）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性導電層；Ｃｏ（１０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）であり、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／フリー磁性層；ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（Ｘ）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（３０）である。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。
【０１９７】
また各スピンバルブ型薄膜素子を成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら、２６０℃で４時間の熱処理を施している。その実験結果を図１１に示す。
【０１９８】
図１１に示すように、トップ型とボトム型とでは、Ｒｕ膜（非磁性中間層）の膜厚に対する交換結合磁界の挙動が大きく異なっていることがわかる。
【０１９９】
５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる範囲を好ましいとしているので、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子において、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能なＲｕ膜の膜厚は、２．５〜６．４オングストローム、あるいは６．６〜１０．７オングストロームの範囲内であることがわかる。さらに好ましくは１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界が得られる範囲内であり、前記Ｒｕ膜の膜厚を、２．８〜６．２オングストローム、あるいは６．８〜１０．３オングストロームの範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界が得られることがわかる。
【０２００】
次にボトム型のスピンバルブ型薄膜素子において、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能なＲｕ膜の膜厚は、３．６〜９．６オングストロームの範囲内であることがわかる。さらに、４．０〜９．４オングストロームの範囲内とすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能になる。
【０２０１】
ところで、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子と、ボトム型のスピンバルブ型薄膜素子とで、非磁性中間層の適性な膜厚の範囲が異なるのは、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との間に作用する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）が、下地膜の格子定数との関係や、あるいは、磁性層の伝導電子のエネルギーバンドの値の変化に非常に敏感に反応するためであると推測される。
【０２０２】
次に、２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を製作し、各スピンバルブ型薄膜素子における反強磁性層（ＰｔＭｎ合金）の膜厚と、交換結合磁界との関係について測定した。
【０２０３】
実施例は、固定磁性層が非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断して形成された本発明のデュアルスピンバルブ型薄膜素子、比較例は、固定磁性層が単層で形成された従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。
【０２０４】
まず実施例のスピンバルブ型薄膜素子における膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（ｘ）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（６）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（８）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／Ｔａ（３０）であり、比較例のスピンバルブ型薄膜素子における膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／固定磁性層；Ｃｏ（３０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／固定磁性層；Ｃｏ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／Ｔａ（３０）である。
【０２０５】
なお各スピンバルブ型薄膜素子の膜構成における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０２０６】
また各スピンバルブ型薄膜素子を成膜後、実施例では、２００（Ｏｅ）の磁場を、比較例では２ｋ（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施している。その実験結果を図１２に示す。
【０２０７】
図１２に示すように、比較例ではＰｔＭｎ合金の膜厚を約２００オングストローム以上で形成しないと、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができないとわかる。
【０２０８】
これに対し、実施例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を、１００オングストローム以上で形成すれば５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができるとわかる。そこで、好ましい反強磁性層の膜厚を１００〜２００オングストロームの範囲内に設定している。さらに実施例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を１１０オングストローム以上で形成すれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能であるため、より好ましい反強磁性層の膜厚を１１０〜２００オングストロームの範囲内に設定している。
【０２０９】
また図１３は、ＰｔＭｎ合金の膜厚と、ΔＭＲとの関係を示すグラフである。
図１３に示すように、比較例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を２００オングストローム以上で形成すると、約１０％以上のΔＭＲを得ることが可能となっているが、実施例においては、ＰｔＭｎ合金の膜厚を１００オングストローム程度に薄くしても、従来とほぼ同じ程度のΔＭＲを確保できることがわかる。
【０２１０】
ところで、スピンバルブ型薄膜素子における積層膜のうち、最も膜厚の厚いのは反強磁性層である。このため本発明によれば、図１２に示すように、前記反強磁性層の膜厚を薄くしても、具体的には従来のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層の膜厚の半分以下で形成しても、大きい交換結合磁界を得ることが可能となっている。このため、スピンバルブ型薄膜素子全体の膜厚を薄くすることができ、図５に示すように、前記スピンバルブ型薄膜素子１２２の上下に形成されるギャップ層１２１，１２５の膜厚を絶縁性を確保できる程度に充分に厚くしても、ギャップ長Ｇｌを小さくでき、狭ギャップ化を実現できる。
【０２１１】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、デュアルスピンバルブ型磁気素子において、固定磁性層を構成する第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの大小を適正に調節し、さら前記熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節することによって、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化とを反平行状態に適正に制御することができ、しかも、第１の固定磁性層の磁化及び第２の固定磁性層の磁化を得たい方向に向けて固定できる。
【０２１２】
さらに本発明では、フリー磁性層の上下に形成される各第２の磁性層の磁化を共に同じ方向に向けることができるので、大きな抵抗変化率を得ることが可能である。
【０２１３】
また請求項１記載の発明では、フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層の合成磁気モーメントを互いに逆方向に向けることができるので、センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、前記合成磁気モーメントの方向とを一致させることができ、前記各固定磁性層の磁化状態をさらに熱的に安定させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の横断面図、
【図２】図１に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図３】本発明における第２実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の横断面図、
【図４】図３に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図５】読み出しヘッド（再生ヘッド）を記録媒体との対向面からみた断面図、
【図６】第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を２０、あるいは４０オングストロームで固定した場合の、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚と、交換結合磁界との関係、及び（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図７】第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を２０、あるいは４０オングストロームで固定した場合の、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図８】第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームで固定した場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚と、交換結合磁界との関係、及び（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図９】第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームで固定した場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図１０】デュアルスピンバルブ型薄膜素子において、第１の固定磁性層（上）の膜厚及び第１の固定磁性層（下）の膜厚と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係、さらに（第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２ 上）の膜厚）及び（第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）の膜厚）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１１】第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に介在するＲｕ（非磁性中間層）の膜厚と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１２】２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を使用し、各デュアルスピンバルブ型薄膜素子のＰｔＭｎ（反強磁性層）の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１３】２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を使用し、各デュアルスピンバルブ型薄膜素子のＰｔＭｎ（反強磁性層）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図１４】本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子、及び従来におけるスピンバルブ型薄膜素子におけるヒステリシスループ、
【図１５】反強磁性層をＰｔＭｎで形成した場合、ＮｉＯで形成した場合、及びＦｅＭｎで形成した場合の各スピンバルブ型薄膜素子における環境温度（℃）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１６】従来におけるスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面からみた断面図、
【符号の説明】
１０、 下地層
１１、 反強磁性層
１２、 第１の固定磁性層
１３、 非磁性中間層
１４、 第２の固定磁性層
１５、 非磁性導電層
１６、 フリー磁性層
１９、 保護層
３２、９３ 第１の固定磁性層（下）
３４、９５ 第２の固定磁性層（下）
４１、１０５ 第２の固定磁性層（上）
４３、１０７ 第１の固定磁性層（上）
１３０ ハードバイアス層
１３１ 導電層
１１４ センス電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定磁性層の固定磁化方向と外部磁界の影響を受けるフリー磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜素子に係り、特に、固定磁性層の磁気モーメントの調整、及び熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節することにより、適正に前記固定磁性層の磁化制御を行うことができるスピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の一種であり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【０００３】
このスピンバルブ型薄膜素子は、ＧＭＲ素子の中でも比較的構造が単純で、しかも弱い磁界で抵抗が変化するなど、いくつかの優れた点を有している。
【０００４】
前記スピンバルブ型薄膜素子は、最も単純な構造で、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層から成る。図１６は、従来のスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【０００５】
図１６に示すように、反強磁性層２と固定磁性層３とは接して形成され、前記反強磁性層２と固定磁性層３との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）により、前記固定磁性層３の磁化方向は一定方向に単磁区化され、固定される。
【０００６】
フリー磁性層５の磁化は、その両側に形成されたバイアス層６により、前記固定磁性層３の磁化方向と交叉する方向に揃えられる。
【０００７】
従来では、前記反強磁性層２には、ＦｅＭｎ合金やＮｉＯ、あるいはＮｉＭｎ合金などが使用されている。このうち、ＦｅＭｎ合金やＮｉＯを反強磁性材料として使用した場合には、固定磁性層３との界面にて交換結合磁界を発生させるのに、熱処理を必要としないのに対し、ＮｉＭｎ合金を反強磁性材料として使用した場合には、熱処理を必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで特開平９―１６９２０号公報には、固定磁性層を２層に分断し、前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態にすることにより、大きな交換結合磁界を得ることができる発明について開示されている。
【０００９】
しかし前記公報で使用されている反強磁性層はＮｉＯであり、このＮｉＯは、ブロッキング温度が約２００℃程度と低く、また固定磁性層との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）も小さい。
【００１０】
特に近年では、高記録密度化に対応するために、記録媒体の回転数やセンス電流量の増加により、装置内の環境温度は上昇する傾向にあり、反強磁性層にＮｉＯを使用した場合には、前記交換結合磁界が小さくなり、固定磁性層の磁化制御を適正に行うことが困難となる。
【００１１】
一方、ＮｉＭｎ合金は、前記ＮｉＯに比べ、ブロッキング温度も高く、また交換結合磁界（交換異方性磁界）も大きい。またＮｉＭｎ合金と同程度のブロッキング温度と、大きい交換結合磁界を有し、しかもＮｉＭｎ合金よりも飛躍的に耐食性に優れた反強磁性材料として、白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金（Ｘ＝Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ）が注目を浴びている。
【００１２】
このような白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金などを、反強磁性層として使用し、さらに固定磁性層を２層に分断して形成すれば、反強磁性層としてＮｉＯを使用した場合に比べ、より大きな交換結合磁界が得られることを期待することができる。
【００１３】
ところで、白金族元素を用いたＸ―Ｍｎ合金は、ＮｉＭｎ合金と同様に、成膜後、固定磁性層との界面にて交換結合磁界を発生させるために、磁場中アニール（熱処理）を必要としている。
【００１４】
しかし、熱処理中に印加する磁場の大きさやその方向、及び２層に分断された各固定磁性層の磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）を適正に調節しないと、前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態に安定して固定できない。また、特に、フリー磁性層を中心にしてその上下に固定磁性層が形成されている、いわゆるデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、前記フリー磁性層の上下に形成される２層ずつの固定磁性層の磁化方向を適正に制御しないと、ΔＭＲ（抵抗変化率）が低下し、小さい再生出力しか得られないといった問題も発生する。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決するためのものであり、２層に分断された各固定磁性層の磁気モーメントと、熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に制御することにより、前記２層の固定磁性層の磁化を、反平行状態に安定して保つことができ、しかも従来と同程度の高いΔＭＲを得ることができるスピンバルブ型薄膜素子の製造方法及びこのスピンバルブ型薄膜素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製造方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性導電層と、一方の前記非磁性導電層の上に形成された上側固定磁性層と、他方の非磁性導電層の下に形成された下側固定磁性層と、上側固定磁性層の上、及び下側固定磁性層の下に形成された反強磁性層とを有する積層体と、この積層体の両側に設けられ前記積層体に導電層が設けられているスピンバルブ型薄膜素子の製造方法において、
前記各固定磁性層を、反強磁性層に接する第１の磁性層と、前記第１の磁性層と非磁性中間層を介して重ねられる第２の磁性層の２層で形成し、このとき、
前記上側と前記下側の一方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）を、第２の磁性層の磁気モーメントよりも大きくし、他方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメントを、第２の磁性層の磁気モーメントよりも小さくする工程と、
磁場中熱処理を施して、前記各第１の磁性層と反強磁性層との界面にて交換結合磁界を発生させる際に、前記上側固定磁性層および前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）より大きい磁場を印加して、前記各第１の磁性層の磁化を前記磁場方向と同一方向に固定し、各第２の磁性層の磁化を前記磁場方向と反対方向に固定することで、前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントと、前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントとを互いに逆方向に向ける工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明では、前記導電層を介して前記積層体に流される前記センス電流が作るセンス電流磁界の前記フリー磁性層より上側での方向と前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向並びに、前記センス電流磁界の前記フリー磁性層より下側での方向と前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向が一致していることが好ましい。
【００１８】
本発明では、前記反強磁性層を、ＰｔＭｎ合金で形成することが好ましい。あるいは本発明では、前記反強磁性層を、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）、またはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）で形成することが好ましい。
【００１９】
また本発明では、前記第１の磁性層と第２の磁性層の間に形成される非磁性中間層を、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成することが好ましい。
【００２０】
また本発明における薄膜磁気ヘッドの製造方法は、下部シールド層の上にギャップ層を介して上記の製造方法によりスピンバルブ型薄膜素子を形成し、さらに前記スピンバルブ型薄膜素子の上にギャップ層を介して上部シールド層を形成することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明では、スピンバルブ型薄膜素子を構成する固定磁性層が、２層に分断されており、２層に分断された固定磁性層の間に非磁性中間層が形成されている。
【００２２】
この分断された２層の固定磁性層の磁化は、反平行状態に磁化されており、しかも一方の固定磁性層の磁気モーメントの大きさと、他方の固定磁性層の磁気モーメントの大きさとが異なる、いわゆるフェリ状態となっている。２層の固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）は、１０００（Ｏｅ）から５０００（Ｏｅ）と非常に大きいため、２層の固定磁性層は非常に安定した状態で反平行に磁化された状態となっている。
【００２３】
ところで反平行（フェリ状態）に磁化された一方の固定磁性層は、反強磁性層に接して形成されており、この反強磁性層に接する側の固定磁性層（以下、第１の固定磁性層と称す）は、前記反強磁性層との界面で発生する交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、例えば記録媒体との対向面から離れる方向（ハイト方向）に磁化が固定される。これにより、前記第１の固定磁性層と非磁性中間層を介して対向する固定磁性層（以下、第２の固定磁性層と称す）の磁化は、前記第１の固定磁性層の磁化と反平行の状態で固定される。
【００２４】
従来では、反強磁性層と固定磁性層との２層で形成していた部分を、本発明では、反強磁性層／第１の固定磁性層／非磁性中間層／第２の固定磁性層の４層で形成することによって、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化状態を外部磁界に対し非常に安定した状態に保つことが可能となるが、特に本発明のように、磁場中熱処理を施すことにより、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させる反強磁性材料を使用した場合にあっては、熱処理中の磁場の方向及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化を反平行状態に保つことが不可能となる。
【００２５】
また特に第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化制御において問題となるのは、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合に、フリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の上下に形成された第２の固定磁性層の固定磁化との関係である。
【００２６】
デュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層の上下に非磁性導電層と固定磁性層が形成されているため、シングルスピンバルブ型薄膜素子の場合に比べて大きなΔＭＲ（抵抗変化率）を期待できるが、フリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の上側に非磁性導電層を介して形成された第２の固定磁性層との関係による抵抗変化率、及びフリー磁性層の変動磁化と、前記フリー磁性層の下側に非磁性導電層を介して形成された第２の固定磁性層との関係による抵抗変化率が共に同じ変動を見せるように、前記第２の固定磁性層の固定磁化方向を適正に制御しなければならない。
【００２７】
すなわち、フリー磁性層の上側における抵抗変化率が最大となる場合には、フリー磁性層の下側における抵抗変化率も最大となるようにし、フリー磁性層の上側における抵抗変化率が最小となる場合には、フリー磁性層の下側における抵抗変化率も最小となるように、前記第２の固定磁性層の固定磁化方向を適正に制御する必要性があるのである。
【００２８】
このため本発明では、熱処理中に印加する磁場の大きさ及びその方向と共に、第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層における磁気モーメントの値の大小を適正に調節して、第１の固定磁性層の固定磁化方向と第２の固定磁性層の固定磁化方向とを適正に制御している。
【００２９】
次に本発明のように、固定磁性層が第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断されて形成された場合のスピンバルブ型薄膜素子と、従来のように、固定磁性層が単層で形成された場合のヒステリシスループの相違について図１４を参照しながら説明する。
【００３０】
図１４は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用し、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子と、固定磁性層を単層で形成した従来におけるスピンバルブ型薄膜素子とのＲ―Ｈ曲線である。
【００３１】
本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）であり、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（３００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）である。なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【００３２】
なお本発明及び従来におけるスピンバルブ型薄膜素子共に、成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら、２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【００３３】
図１４に示すように、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲ（抵抗変化率）は、最大値で７〜８％の間であり、負の外部磁界を与えることにより、前記ΔＭＲは低下していくが、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲの落ち方に比べて、本発明におけるΔＭＲの落ち方は緩やかであることがわかる。
【００３４】
ここで本発明では、ΔＭＲの最大値の半分の値になる時の外部磁界の大きさをスピンバルブ型薄膜素子が発生する交換結合磁界（Ｈｅｘ）と定める。
【００３５】
図１４に示すように、従来におけるスピンバルブ型薄膜素子では、最大ΔＭＲが、約８％であり、前記ΔＭＲが半分になるときの外部磁界（交換結合磁界（Ｈｅｘ））は、絶対値で約９００（Ｏｅ）であることがわかる。
【００３６】
これに対し、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子では、最大ΔＭＲが、約７．５％であり、従来に比べて若干低下するものの、前記ΔＭＲが半分になるときの外部磁界（交換結合磁界（Ｈｅｘ））は、絶対値で約２８００（Ｏｅ）であり、従来に比べて非常に大きくなることがわかる。
【００３７】
このように、固定磁性層を２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子にあっては、固定磁性層を１層で形成した従来のスピンバルブ型薄膜素子に比べて、交換結合磁界（Ｈｅｘ）を飛躍的に大きくでき、固定磁性層の磁化の安定性を従来に比べて向上できることがわかる。またΔＭＲについても本発明では従来に比べてあまり低下せず、高いΔＭＲを保つことができることがわかる。
【００３８】
また本発明では第１の固定磁性層との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるのに熱処理を必要とする反強磁性材料を使用するが、本発明では特に、熱処理を必要とする反強磁性材料の中でもＰｔＭｎ合金を使用することが好ましいとしている。
【００３９】
図１５は、反強磁性層をＰｔＭｎ、ＮｉＯ、あるいはＦｅＭｎで形成した場合における環境温度と交換結合磁界との関係を示すグラフである。
【００４０】
まず使用する１種目のスピンバルブ型薄膜素子は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を用い、固定磁性層を２層に分断した本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４１】
２種類目は、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例１であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（３００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２５）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４２】
３種類目は、反強磁性層にＮｉＯを使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例２であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／反強磁性層；ＮｉＯ（５００）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（２５）／Ｃｏ（１０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｔａ（３０）である。
【００４３】
４種類目は、反強磁性層にＦｅＭｎ合金を使用し、固定磁性層を単層で形成した従来例３であり、膜構成としては、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／ＮｉＦｅ（７０）／Ｃｏ（１０）／Ｃｕ（２５）／固定磁性層；Ｃｏ（２５）／反強磁性層；ＦｅＭｎ（１５０）／Ｔａ（３０）である。なお、上述した４種類全ての膜構成の括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【００４４】
また反強磁性層にＰｔＭｎを用いた本発明及び従来例１では、成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施している。また、反強磁性層にＮｉＯ、ＦｅＭｎを使用した従来例２，３では成膜後、熱処理を施していない。
【００４５】
図１５に示すように本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子では、環境温度が約２０℃のとき交換結合磁界（Ｈｅｘ）は約２５００（Ｏｅ）と非常に高くなっていることがわかる。
【００４６】
これに対し、反強磁性層にＮｉＯを用いた従来例２、及び反強磁性層にＦｅＭｎを用いた従来例３では、環境温度が約２０℃でも交換結合磁界（Ｈｅｘ）が約５００（Ｏｅ）以下と低くなっている。また反強磁性層にＰｔＭｎを用い、固定磁性層を単層で形成した従来例１にあっては、環境温度が約２０℃で１０００（Ｏｅ）程度の交換結合磁界を発生しており、反強磁性層にＮｉＯ（従来例２）、ＦｅＭｎ（従来例３）を用いるよりも、より大きな交換結合磁界を得られることがわかる。
【００４７】
特開平９―１６９２０号公報では、反強磁性層にＮｉＯを使用し、固定磁性層を非磁性中間層を介して２層で形成したスピンバルブ型薄膜素子のＲ―Ｈ曲線が図８に示されている。公報の図８によれば、６００（Ｏｅ）の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得られるとしているが、この数値は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用し、固定磁性層を単層で形成した場合の交換結合磁界（約１０００（Ｏｅ）；従来例１）に比べて低いことがわかる。
【００４８】
すなわち、反強磁性層にＮｉＯを使用した場合にあっては、固定磁性層を２層に分断し、前記２層の固定磁性層の磁化をフェリ状態にしても、反強磁性層にＰｔＭｎを使用し、且つ固定磁性層を単層で形成する場合よりも、交換結合磁界は低くなってしまうため、反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用することが、より大きい交換結合磁界を得ることができる点で好ましいとわかる。
【００４９】
また図１５に示すように、反強磁性層にＮｉＯあるいはＦｅＭｎ合金を使用した場合、環境温度が約２００℃になると、交換結合磁界は０（Ｏｅ）になってしまうことがわかる。これは、前記ＮｉＯ及びＦｅＭｎのブロッキング温度が約２００℃程度と低いためである。
【００５０】
これに対し反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用した従来例１では、環境温度が約４００℃になって、交換結合磁界が０（Ｏｅ）になっており、前記ＰｔＭｎ合金を使用すると、固定磁性層の磁化状態を熱的に非常に安定した状態に保てることがわかる。
【００５１】
ブロッキング温度は反強磁性層として使用される材質に支配されるので、図１５に示す本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子においても、約４００℃になると、交換結合磁界は０（Ｏｅ）になると考えられるが、本発明のように反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用した場合では、ＮｉＯなどに比べ高いブロッキング温度を得ることが可能であり、しかも固定磁性層を２層に分断して前記２層の固定磁性層の磁化をフェリ状態にすれば、ブロッキング温度に到達するまでの間に非常に大きい交換結合磁界を得ることができ、前記２層の固定磁性層の磁化状態を熱的に安定した状態に保つことが可能となる。
【００５２】
なお本発明では、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界を発生させるのに、熱処理を必要とする反強磁性材料としてＰｔＭｎ合金の他に、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）を提示できる。
【００５３】
以上のように本発明では、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断し、さらに反強磁性層としてＰｔＭｎ合金など、前記第１の固定磁性層との界面で大きい交換結合磁界（交換異方性磁界）を発揮する反強磁性材料を使用することによって、スピンバルブ型薄膜素子全体の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくすることができ、第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層の磁化を熱的に安定した反平行状態（フェリ状態）に保つことが可能となっている。
【００５４】
特に本発明では、前記第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントの大小を適正に制御し、且つ熱処理中に印加する磁場の大きさ及びその方向を適正に制御して、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化を反平行状態に安定して保つことができ、しかも、容易に前記第１の固定磁性層の磁化及び第２の固定磁性層の磁化を得たい方向に向けることが可能である。
【００５５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の前提となる参考例としてのスピンバルブ型薄膜素子を模式図的に示した横断面図、図２は図１のスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【００５６】
このスピンバルブ型薄膜素子の上下には、ギャップ層を介してシールド層が形成されており、前記スピンバルブ型薄膜素子、ギャップ層、及びシールド層で、再生用の薄膜磁気ヘッド（ＭＲヘッド）が構成されている。なお前記再生用の薄膜磁気ヘッドの上に、記録用のインダクティブヘッドが積層されていてもよい。
【００５７】
前記薄膜磁気ヘッドは、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向は図示Ｚ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００５８】
図１，２に示すスピンバルブ型薄膜素子は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層が一層ずつ形成された、いわゆるシングルスピンバルブ型薄膜素子であり、最も下に形成された層は、Ｔａなどの非磁性材料で形成された下地層１０である。図１，２では前記下地層１０の上に、反強磁性層１１が形成され、前記反強磁性層１１の上に、第１の固定磁性層１２が形成されている。そして図１に示すように前記第１の固定磁性層１２の上には非磁性中間層１３が形成され、さらに前記非磁性中間層１３の上に第２の固定磁性層１４が形成されている。
【００５９】
前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４は、例えばＣｏ膜、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金などで形成されている。
【００６０】
また本発明では、前記反強磁性層１１は、ＰｔＭｎ合金で形成されていることが好ましい。ＰｔＭｎ合金は、従来から反強磁性層として使用されているＮｉＭｎ合金やＦｅＭｎ合金などに比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温度が高く、交換結合磁界（交換異方性磁界）も大きい。また本発明では、前記ＰｔＭｎ合金に代えて、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）合金、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成されていてもよい。
【００６１】
ところで図１に示す第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４に示されている矢印は、それぞれの磁気モーメントの大きさ及びその方向を表しており、前記磁気モーメントの大きさは、飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）とをかけた値で決定される。
【００６２】
図１に示す第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とは同じ材質、例えばＣｏ膜で形成され、しかも第２の固定磁性層１４の膜厚ｔＰ２が、第１の固定磁性層１２の膜厚ｔＰ１よりも大きく形成されているために、第２の固定磁性層１４の方が第１の固定磁性層１２に比べ磁気モーメントが大きくなっている。なお、本発明では、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４が異なる磁気モーメントを有することを必要としており、従って、第１の固定磁性層１２の膜厚ｔＰ１が第２の固定磁性層１４の膜厚ｔＰ２より厚く形成されていてもよい。
【００６３】
図１に示すように第１の固定磁性層１２は図示Ｙ方向、すなわち記録媒体から離れる方向（ハイト方向）に磁化されており、非磁性中間層１３を介して対向する第２の固定磁性層１４の磁化は前記第１の固定磁性層１２の磁化方向と反平行に磁化されている。
【００６４】
第１の固定磁性層１２は、反強磁性層１１に接して形成され、磁場中アニール（熱処理）を施すことにより、前記第１の固定磁性層１２と反強磁性層１１との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）が発生し、例えば図１に示すように、前記第１の固定磁性層１２の磁化が、図示Ｙ方向に固定される。前記第１の固定磁性層１２の磁化が、図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１２を介して対向する第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２の磁化と反平行の状態で固定される。
【００６５】
ところで、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とが同じ材質で形成され、しかも前記第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４との膜厚が同じ値であると、交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲは極端に低下することが実験により確認されている。
【００６６】
これは、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１（磁気モーメント）と、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔＰ２（磁気モーメント）とが同じ値である場合、前記第１の固定磁性層１２の磁化と第２の固定磁性層１４の磁化とが反平行状態にならず、前記磁化の方向分散量（様々な方向に向いている磁気モーメント量）が多くなることにより、後述するフリー磁性層１６の磁化との相対角度を適正に制御できないからである。
【００６７】
こうした問題を解決するためには、第１に第１の固定磁性層１２と、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔを異なる値にすること、すなわち第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４とが同じ材質で形成される場合には、前記第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４を異なる膜厚で形成する必要がある。
【００６８】
反強磁性層１１にＰｔＭｎ合金など、成膜後に磁場中アニール（熱処理）を施すことにより、第１の固定磁性層１２との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させる反強磁性材料を使用した場合には、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔを異なる値に設定しても、熱処理中の印加磁場の方向、及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層１２の磁化及び第２の固定磁性層１４の磁化に方向分散量が多くなったり、あるいは前記磁化を向けたい方向に適正に制御できない。
【００６９】
【表１】
表１では、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１が、第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２よりも大きい場合に、熱処理中の磁場の大きさ及びその方向を変えることによって、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化がどの方向に向くかを表している。
【００７１】
表１の（１）では、熱処理中の磁場の方向を図示左側に、１００〜１ｋ（Ｏｅ）与えている。この場合、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１の方が、第２の固定磁性層１４のＭｓ・ｔＰ２よりも大きいために、支配的な第１の固定磁性層１２の磁化が、印加磁場方向にならって図示左方向に向き、第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２との交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、反平行状態になろうとする。
【００７２】
表１の（２）では、右方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を印加すると、支配的な第１の固定磁性層１２の磁化が、印加磁場方向にならって右方向に向き、第２の固定磁性層１４の磁化は、第１の固定磁性層１２の磁化に対して反平行になる。
【００７３】
表１の（３）では、右方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を与えると、まず支配的な第１の固定磁性層１２の磁化は、印加磁場方向にならって右方向に向く。ところで、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）は、１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）程度であるので、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場が印加されると、第２の固定磁性層１４もその印加磁場方向、すなわち図示右方向に向く。同様に、表１の（４）では左方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を印加すると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化は共に、図示左方向に向く。
【００７４】
【表２】
表２では、第１の固定磁性層１２のＭｓ・ｔＰ１が、第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２も小さい場合に、熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を変えることによって、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化がどの方向に向くかを表している。
【００７６】
表２の（１）では、図示左方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を与えると、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層１４の磁化が支配的になり、前記第２の固定磁性層１４の磁化が、印加磁場方向にならって、図示左方向に向く。第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４の間の交換結合（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第１の固定磁性層１２の磁化は、前記第２の固定磁性層１４の磁化に対して反平行になる。同様に、表２の（２）では、図示右方向に１００〜１ｋ（Ｏｅ）の磁場を与えると、支配的な第２の固定磁性層１４の磁化が図示右方向に向き、第１の固定磁性層１２の磁化は図示左方向に向く。
【００７７】
表２の（３）では、図示右方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を与えると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の間の交換結合（ＲＫＫＹ相互作用）以上の磁場が印加されることにより、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化が共に、図示右方向に向く。表２の（４）では、図示左方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を印加されると、第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁化が共に図示左方向を向く。
【００７８】
ここで、例えば第１の固定磁性層１２の磁化を図示右方向に向けようとする場合に、適正な熱処理中の磁場方向及びその大きさは、表１における（２）（３）及び表２における（１）（３）である。
【００７９】
表１（２）（３）では共に、Ｍｓ・ｔＰ１の大きい第１の固定磁性層１２の磁化は、熱処理中における右方向の印加磁場の影響を受けて、右方向に向き、このとき、熱処理によって発生する反強磁性層１１との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、前記第１の固定磁性層１２の磁化が右方向に固定される。表１（３）では、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を取り除くと、第２の固定磁性層１４は、第１の固定磁性層１２との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第２の固定磁性層１４の磁化は反転し、左方向に向く。
【００８０】
同様に表２（１）（３）では、右方向に向けられた第１の固定磁性層１２の磁化は、反強磁性層１１との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、右方向に固定される。表２（３）では、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁場を取り除くと、第２の固定磁性層１４は、第１の固定磁性層１２との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、前記第２の固定磁性層１４の磁化は反転し、左方向に固定される。
【００８１】
ところで表１及び表２に示すように、熱処理中に印加される磁場の大きさは、１００〜１ｋ（Ｏｅ）、あるいは５ｋ（Ｏｅ）以上であり、１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の範囲の磁場の大きさを適正な範囲から外している。これは次のような理由による。
【００８２】
磁場を与えることによって、Ｍｓ・ｔの大きい固定磁性層の磁化は、その磁場方向に向こうとする。ところが、熱処理中の磁場の大きさが１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の間であると、Ｍｓ・ｔの小さい固定磁性層の磁化までが、磁場の影響を強く受けて、その磁場方向に向こうとする。このため、固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって反平行になろうとする２層の固定磁性層の磁化が、強い磁場の影響を受けて反平行にはならず、前記固定磁性層の磁化が、様々な方向に向こうとする、いわゆる磁化分散量が多くなり、２層の固定磁性層の磁化を適正に反平行状態に磁化することができなくなる。従って、本発明では１ｋ（Ｏｅ）〜５ｋ（Ｏｅ）の磁場の大きさを、適正な範囲から外している。なお熱処理中の磁場の大きさを１００（Ｏｅ）以上としたのは、この程度の磁場を与えないと、Ｍｓ・ｔの大きい固定磁性層の磁化を、その印加磁場方向に向けることができないからである。
【００８３】
なお上述した熱処理中の磁場の大きさ及びその方向の制御方法は、熱処理を必要とする反強磁性層１１を使用した場合であれば、どのような反強磁性材料を使用した場合であっても適用でき、例えば従来から反強磁性層１１として用いられているＮｉＭｎ合金などを使用した場合でも適用可能である。
【００８４】
ところで前述したように磁気モーメント（磁気的膜厚）は、飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積によって求めることができ、例えば、バルク固体のＮｉＦｅであると、飽和磁化Ｍｓは、約１．０Ｔ（テスラ）であり、バルク固体のＣｏであると、飽和磁化Ｍｓは約１．７Ｔであることが知られている。従って、前記ＮｉＦｅ膜の膜厚が３０オングストロームである場合、前記ＮｉＦｅ膜の磁気的膜厚は、３０オングストローム・テスラとなる。外部から磁界を加えたときの強磁性膜の静磁エネルギーは、磁気的膜厚と外部磁界との掛け合わせに比例するため、磁気的膜厚の大きい強磁性膜と磁気的膜厚の小さい強磁性膜が非磁性中間層を介してＲＫＫＹ相互作用によりフェリ状態になっている場合、磁気的膜厚の大きい方の強磁性膜が、外部磁界の方向を向きやすくなるわけである。
【００８５】
しかしながら、タンタル（Ｔａ）やルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）等の非磁性膜と積層接触した強磁性膜の場合や、ＰｔＭｎ膜などの反強磁性層と積層接触した強磁性膜の場合、非磁性膜原子や反強磁性膜原子と強磁性膜原子（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）が直接触れ合うため、非磁性膜や反強磁性膜との界面付近の強磁性膜の飽和磁化Ｍｓが、バルク固体の飽和磁化Ｍｓよりも小さくなることが知られている。更に、強磁性膜と非磁性膜、反強磁性層の積層多層膜に熱処理が施されると、前記熱処理によって界面拡散が進行し、強磁性膜の飽和磁化Ｍｓに膜厚方向の分布が生じることが知られている。すなわち、非磁性膜や反強磁性層に近い場所の飽和磁化Ｍｓは小さく、非磁性膜や反強磁性膜との界面から離れるに従って飽和磁化Ｍｓがバルク固体の飽和磁化Ｍｓに近づくという現象である。
【００８６】
非磁性膜や反強磁性層に近い場所の強磁性膜の飽和磁化Ｍｓの減少は、非磁性膜の材料、反強磁性層の材料、強磁性膜の材料や積層順序、熱処理温度等に依存するため、正確には、それぞれの特定された条件において求めなければならないことになる。本発明における磁気的膜厚とは、非磁性膜や反強磁性層との熱拡散によって生じた飽和磁化Ｍｓの減少量も考慮して算出した値である。
【００８７】
ＰｔＭｎ膜と強磁性膜との界面で交換結合磁界を得るためには、熱処理によりＰｔＭｎ膜と強磁性膜との界面で拡散層を形成することが必要であるが、拡散層の形成に伴う強磁性膜の飽和磁化Ｍｓの減少は、ＰｔＭｎ膜と強磁性膜の積層順序に依存することになる。
【００８８】
特に図１に示すように、反強磁性層１１がフリー磁性層１６よりも下側に形成されている場合にあっては、前記反強磁性層１１と第１の固定磁性層１２との界面に熱拡散層が発生しやすく、このため前記第１の固定磁性層１２の磁気的な膜厚は、実際の膜厚ｔＰ１に比べて小さくなっている。しかし前記第１の固定磁性層１２の磁気的な膜厚が小さくなりすぎると、第２の固定磁性層１４との磁気的膜厚（磁気モーメント）差が大きくなりすぎ、前記第１の固定磁性層１２に占める熱拡散層の割合が増えることにより、交換結合磁界の低下につながるといった問題がある。
【００８９】
すなわち、第１の固定磁性層１２との界面で交換結合磁界を発生されるために熱処理を必要とする反強磁性層１１を使用し、第１の固定磁性層１２と第２の固定磁性層１４の磁化状態をフェリ状態にするためには、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の膜厚の適正化のみならず、前記第１の固定磁性層１２及び第２の固定磁性層１４の磁気的膜厚の適正化を行わないと、安定した磁化状態を保つことができない。
【００９０】
図１に示すように、第２の固定磁性層１４の上には、Ｃｕなどで形成された非磁性導電層１５が形成され、さらに前記非磁性導電層１５の上にフリー磁性層１６が形成されている。図１に示すようにフリー磁性層１６は、２層で形成されており、前記非磁性導電層１５に接する側に形成された符号１７の層はＣｏ膜で形成されている。またもう一方の層１８は、ＮｉＦｅ合金や、ＣｏＦｅ合金、あるいはＣｏＮｉＦｅ合金などで形成されている。なお非磁性導電層１５に接する側にＣｏ膜の層１７を形成する理由は、Ｃｕで形成された前記非磁性導電層１５との界面での金属元素等の拡散を防止でき、また、ΔＭＲ（抵抗変化率）を大きくできるからである。なお符号１９はＴａなどで形成された保護層である。
【００９１】
また図２に示すように、下地層１０から保護層１９までの積層体の両側には、例えばＣｏ―Ｐｔ合金やＣｏ―Ｃｒ―Ｐｔ合金などで形成されたハードバイアス層１３０及びＣｕやＣｒで形成された導電層１３１が形成されており、前記ハードバイアス層のバイアス磁界の影響を受けて、前記フリー磁性層１６の磁化は、図示Ｘ方向に磁化された状態となっている。
【００９２】
図１におけるスピンバルブ型薄膜素子では、前記導電層からフリー磁性層１６、非磁性導電層１５、及び第２の固定磁性層１４にセンス電流が与えられる。記録媒体から図１に示す図示Ｙ方向に磁界が与えられると、フリー磁性層１６の磁化は図示Ｘ方向からＹ方向に変動し、このときの非磁性導電層１５とフリー磁性層１６との界面、及び非磁性導電層１５と第２の固定磁性層１４との界面でスピンに依存した伝導電子の散乱が起こることにより、電気抵抗が変化し、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００９３】
図３は、本発明の第３の実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の構造を模式図的に示した横断面図、図４は図３に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【００９４】
このスピンバルブ型薄膜素子は、フリー磁性層を中心としてその上下に非磁性導電層、固定磁性層、及び反強磁性層が１層ずつ形成された、いわゆるデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。このデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層／非磁性導電層／固定磁性層のこの３層の組合わせが２組存在するためシングルスピンバルブ型薄膜素子に比べて大きなΔＭＲを期待でき、高密度記録化に対応できるものとなっている。
【００９５】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子は、下から下地層３０、反強磁性層３１、第１の固定磁性層（下）３２、非磁性中間層（下）３３、第２の固定磁性層（下）３４、非磁性導電層３５、フリー磁性層３６（符号３７，３９はＣｏ膜、符号３８はＮｉＦｅ合金膜）、非磁性導電層４０、第２の固定磁性層（上）４１、非磁性中間層（上）４２、第１の固定磁性層（上）４３、反強磁性層４４、及び保護層４５の順で積層されている。なお図４に示すように、下地層３０から保護層４５までの積層体の両側には、ハードバイアス層１３０と導電層１３１が形成されている。
【００９６】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層３１，４４は、ＰｔＭｎ合金で形成されていることが好ましく、あるいはＰｔＭｎ合金に代えて、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）合金、あるいは、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成されていてもよい。
【００９７】
このスピンバルブ型薄膜素子においても、前記第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１と、第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２との膜厚比、及び第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層４１（上）の膜厚ｔＰ２との膜厚比（第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１）／（第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内であることが好ましい。さらには、膜厚比が上記範囲内であり、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２が１０〜７０オングストロームの範囲内で、且つ第１の固定磁性層３２，４３の膜厚ｔＰ１から第２の固定磁性層３４，４１の膜厚ｔＰ２を引いた絶対値が２オングストローム以上であると、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【００９８】
また本発明では、（第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１）／（第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２）は、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内であることがより好ましく、さらには、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２が１０〜５０オングストロームの範囲内で、且つ第１の固定磁性層３２，４３の膜厚ｔＰ１から第２の固定磁性層３４，４１の膜厚ｔＰ２を引いた絶対値が２オングストローム以上であれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる。
【００９９】
ところで、フリー磁性層３６よりも下側に形成されている第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１を、第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２よりも大きくしても、前記第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４の膜厚差が約６オングストローム以下であると、交換結合磁界が低下しやすい傾向にあることが実験によって確認されている。
【０１００】
この現象は、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との界面にて交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために熱処理を必要とする例えばＰｔＭｎ合金で形成された反強磁性層３１，４４を使用した場合に見られる。
【０１０１】
交換結合磁界の低下は、フリー磁性層３６よりも下側に形成されている反強磁性層３１と第１の固定磁性層（下）３２との熱拡散によって、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気的な膜厚が減少し、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気的な膜厚と、第２の固定磁性層３４の膜厚ｔＰ２とが、ほぼ同じ厚さになるからである。このため本発明では、（第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１／第２の固定磁性層（上）４１の膜厚ｔＰ２）よりも（第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１／第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２）の方を大きくすることが好ましい。
【０１０２】
前述したように、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２にある程度差がないと、磁化状態はフェリ状態にはなりにくく、また第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２の差が大きくなりすぎても、交換結合磁界の低下につながり好ましくない。そこで本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の膜厚ｔＰ２の膜厚比と同じように、（第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１）／（第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内とであることが好ましい。また本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２が１０〜７０（オングストローム・テスラ）の範囲内で、且つ第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１から第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２を引いた絶対値が２（オングストローム・テスラ）以上であることが好ましい。
【０１０３】
また（第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１）／（第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２）が、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内であることがより好ましい。また上記範囲内であって、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２は共に１０〜５０（オングストローム・テスラ）の範囲内であり、しかも第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ１から第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔＰ２を引いた絶対値は２（オングストローム・テスラ）以上であることが好ましい。
【０１０４】
次に図３に示す第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との間に介在する非磁性中間層３３，４２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されていることが好ましい。
【０１０５】
図３に示すようにフリー磁性層３６よりも下側に形成された前記非磁性中間層（下）３３の膜厚は、３．６〜９．６オングストロームの範囲内で形成されることが好ましい。この範囲内であれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得ることが可能である。
【０１０６】
また前記非磁性中間層（下）３３の膜厚は、４〜９．４オングストロームの範囲内で形成されると、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができるのでより好ましい。
【０１０７】
また本発明では図３に示すように、フリー磁性層３６よりも上側に形成された非磁性中間層（上）４２の膜厚は、２．５〜６．４オングストローム、あるいは６．８〜１０．７オングストロームの範囲内であることが好ましい。この範囲内であると、少なくとも５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界（Ｈｅｘ）を得ることができる。
【０１０８】
また本発明では、前記非磁性中間層（上）４２の膜厚は、２．８〜６．２オングストローム、あるいは６．８〜１０．３オングストロームの範囲内であることがより好ましい。この範囲内であると、少なくとも１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１０９】
また、前記反強磁性層３１，４４を少なくとも１００オングストローム以上で形成すれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。また前記膜厚を１１０オングストローム以上にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１１０】
従来では、前記反強磁性層３１，４４の膜厚は約２００オングストローム以上で形成されていたので、本発明によれば、約半分の膜厚で前記反強磁性層３１，４４を形成することが可能であり、特にデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合には、反強磁性層３１，４４が２層形成されるので、従来に比べてスピンバルブ型薄膜素子全体の膜厚を、約２００オングストローム以上薄くできる。このように薄く形成されたスピンバルブ型薄膜素子では、図５に示す下部ギャップ層１２１、及び上部ギャップ層１２５を、絶縁性を充分に保つ程度に厚くしても、ギャップ長Ｇｌを薄くでき、高密度記録化に対応できるものとなっている。
【０１１１】
なお第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との膜厚比や膜厚、非磁性中間層（下）３３，（上）４２の膜厚、及び反強磁性層３１，４４の膜厚を上述した範囲内で適正に調節することにより
、従来と同程度のΔＭＲを保つことができ、具体的には約１０％以上のΔＭＲを得ることが可能である。
【０１１２】
図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２の膜厚ｔＰ１は、非磁性中間層３３を介して形成された第２の固定磁性層（下）３４の膜厚ｔＰ２に比べて薄く形成されている。一方、フリー磁性層３６よりも上側に形成されている第１の固定磁性層（上）４３の膜厚ｔＰ１は、非磁性中間層４２を介して形成された第２の固定磁性層４１（上）の膜厚ｔＰ２に比べ厚く形成されている。そして、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化は共に図示Ｙ方向と反対方向に磁化されており、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化は図示Ｙ方向に磁化された状態になっている。
【０１１３】
図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化が共に同じ方向に向くようにする必要性があり、そのために、本発明では、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気モーメントＭｓ・ｔＰ１と、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気モーメントＭｓ・ｔＰ２との調整、及び熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節している。
【０１１４】
ここで、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化を共に同じ方向に向けておくのは、前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と反平行になる第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を共に同じ方向に向けておくためであり、その理由について以下に説明する。
【０１１５】
前述したように、スピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲは、固定磁性層の固定磁化とフリー磁性層の変動磁化との関係によって得られるものであるが、本発明のように固定磁性層が第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断された場合にあっては、前記ΔＭＲに直接関与する固定磁性層の層は第２の固定磁性層であり、第１の固定磁性層は、前記第２の固定磁性層の磁化を、一定方向に固定しておくためのいわば補助的な役割を担っている。
【０１１６】
仮に図３に示す第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化が互いに反対方向に固定されているとすると、例えば第２の固定磁性層（上）４１の固定磁化と、フリー磁性層３６の変動磁化との関係では抵抗が大きくなっても、第２の固定磁性層（下）３４の固定磁化と、フリー磁性層３６の変動磁化との関係では抵抗が非常に小さくなってしまい、結局、デュアルスピンバルブ型薄膜素子におけるΔＭＲは、図１に示すシングルスピンバルブ型薄膜素子のΔＭＲよりも小さくなってしまう。
【０１１７】
この問題は、本発明のように、固定磁性層を非磁性中間層を介して２層に分断したデュアルスピンバルブ型薄膜素子に限ったことではなく、従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子であっても同じことであり、シングルスピンバルブ型薄膜素子に比べΔＭＲを大きくでき、大きな出力を得ることができるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の特性を発揮させるには、フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層を共に同じ方向に固定しておく必要がある。
【０１１８】
ところで本発明では、図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された固定磁性層は、第２の固定磁性層（下）３４のＭｓ・ｔＰ２の方が、第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１に比べ大きくなっており、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層（下）３４の磁化が図示Ｙ方向に固定されている。ここで、第２の固定磁性層３４のＭｓ・ｔＰ２と、第１の固定磁性層３２のＭｓ・ｔＰ１とを足し合わせた、いわゆる合成磁気モーメントは、Ｍｓ・ｔＰ２の大きい第２の固定磁性層３４の磁気モーメントに支配され、図示Ｙ方向に向けられている。
【０１１９】
一方、フリー磁性層３６よりも上側に形成された固定磁性層は、第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１の方が、第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２に比べて大きくなっており、Ｍｓ・ｔＰ１の大きい第１の固定磁性層（上）４３の磁化が図示Ｙ方向と反対方向に固定されている。第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１と、第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２とを足した、いわゆる合成磁気モーメントは、第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１に支配され、図示Ｙ方向と反対方向に向けられている。
【０１２０】
すなわち、図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層３６の上下で、第１の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２を足して求めることができる合成磁気モーメントの方向が反対方向になっているのである。このためフリー磁性層３６よりも下側で形成される図示Ｙ方向に向けられた合成磁気モーメントと、前記フリー磁性層３６よりも上側で形成される図示Ｙ方向と反対方向に向けられた合成磁気モーメントとが、図示左周りの磁界を形成している。
【０１２１】
従って、前記合成磁気モーメントによって形成される磁界により、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化とがさらに安定したフェリ状態を保つことが可能である。
【０１２２】
更に、センス電流１１４は、主に比抵抗の小さい非磁性導電層３５，３９を中心にして流れ、センス電流１１４を流すことにより、右ネジの法則によってセンス電流磁界が形成されることになるが、センス電流１１４を図３の方向に流すことにより、フリー磁性層３６の下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２／非磁性中間層（下）３３／第２の固定磁性層（下）３４の場所にセンス電流が作るセンス電流磁界の方向を、前記第１の固定磁性層（下）３２／非磁性中間層（下）３３／第２の固定磁性層（下）３４の合成磁気モーメントの方向と一致させることができ、さらに、フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３／非磁性中間層（上）４２／第２の固定磁性層（上）４１の場所にセンス電流が作るセンス電流磁界を、前記第１の固定磁性層（上）４３／非磁性中間層（上）４２／第２の固定磁性層（上）４１の合成磁気モーメントの方向と一致させることができる。
【０１２３】
センス電流磁界の方向と合成磁気モーメントの方向を一致させることのメリットに関しては後で詳述するが、簡単に言えば、前記固定磁性層の熱的安定性を高めることができることと、大きなセンス電流を流せることができるので、再生出力を向上できるという、非常に大きいメリットがある。センス電流磁界と合成磁気モーメントの方向に関するこれらの関係は、フリー磁性層３６の上下に形成される固定磁性層の合成磁気モーメントが図示左周りの磁界を形成しているからである。
【０１２４】
装置内の環境温度は約２００℃程度まで上昇し、さらに今後、記録媒体の回転数や、センス電流の増大などによって、環境温度がさらに上昇する傾向にある。このように環境温度が上昇すると、交換結合磁界は低下するが、本発明によれば、合成磁気モーメントで形成される磁界と、センス電流磁界により、熱的にも安定して第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化とをフェリ状態に保つことができる。
【０１２５】
前述した合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び、合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係は、本発明特有の構成であり、フリー磁性層の上下に単層で形成され、しかも同じ方向に向けられ固定磁化された固定磁性層を有する従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、得ることができないものとなっている。
【０１２６】
次に、熱処理中に与える磁界の方向及びその大きさについて以下に説明する。図３に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層３１，４４にＰｔＭｎ合金など第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために、熱処理が必要な反強磁性材料を使用しているので、熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に制御しないと、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１との磁化の方向を図３に示すような方向に得ることはできない。
【０１２７】
まず成膜する段階で、図３に示すように、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１を、第２の固定磁性層（下）３４のＭｓ・ｔＰ２よりも小さくし、且つ前記フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３のＭｓ・ｔＰ１を第２の固定磁性層（上）４１のＭｓ・ｔＰ２よりも大きくする。
【０１２８】
図３に示すように、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３を図示Ｙ方向と反対方向に向けたい場合には、前述した表１，２を参照することにより、図示Ｙ方向と逆方向に５ｋ（Ｏｅ）以上（表１（４）及び表２（４）参照）の磁界を与える必要がある。
【０１２９】
図示Ｙ方向と反対方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を印加することにより、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化及び第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化がすべて一旦図示Ｙ方向と反対方向に向く。前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３は、反強磁性層３１，４４との界面での交換結合磁界（交換異方性磁界）によって、図示Ｙ方向と反対方向に固定され、５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を取り去ることにより、第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化は、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３との交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって、図示Ｙ方向に反転し図示Ｙ方向に固定されるのである。
【０１３０】
あるいは５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を図示Ｙ方向に与えてもよい。この場合には、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化が図３に示す磁化方向と反対向きに磁化され、右回りの合成磁気モーメントによる磁界が形成される。
【０１３１】
また本発明では、フリー磁性層３６よりも下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２のＭｓ・ｔＰ１を、第２の固定磁性層３４のＭｓ・ｔＰ２よりも大きくし、且つ、前記フリー磁性層３６よりも上側に形成された第１の固定磁性層４３のＭｓ・ｔＰ１を第２の固定磁性層４１のＭｓ・ｔＰ２よりも小さくしてもよい。この場合においても、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁化を得たい方向、すなわち図示Ｙ方向あるいは図示Ｙ方向と反対方向に５ｋ（Ｏｅ）以上の磁界を印加することによって、フリー磁性層３６の上下に形成された第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１を同じ方向に向けて固定でき、しかも図示右回りのあるいは左回りの合成磁気モーメントによる磁界を形成できる。
【０１３２】
なお上記した方法以外の方法で、フリー磁性層３６の上下に形成された第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を互いに同じ方向に向け、しかも合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係の形成を行うことはできない。
【０１３３】
以上、図３及び図４に示したスピンバルブ型薄膜素子によれば、固定磁性層を非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との２層に分断し、この２層の固定磁性層間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）によって前記２層の固定磁性層の磁化を反平行状態（フェリ状態）にすることにより、従来に比べて熱的にも安定した固定磁性層の磁化状態を保つことができる。
【０１３４】
特に本発明では、反強磁性層としてブロッキング温度が非常に高く、また第１の固定磁性層との界面で大きい交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生するＰｔＭｎ合金を使用することにより、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との磁化状態を、より熱的安定性に優れたものにできる。
【０１３５】
また本発明では、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との膜厚比や、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との間に介在する非磁性中間層の膜厚、及び反強磁性層の膜厚を適正な範囲内で形成することによって、交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくでき、従って、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の固定磁化の熱的安定性をより向上させることが可能である。
【０１３６】
なお第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２との膜厚比、さらには、前記第１の固定磁性層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、及び反強磁性層の膜厚を適性な範囲内で形成することにより、従来とほぼ同程度のΔＭＲを得ることも可能である。
【０１３７】
さらに本発明では、反強磁性層としてＰｔＭｎ合金など、第１の固定磁性層との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために熱処理を必要とする反強磁性材料を使用した場合に、第１の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層のＭｓ・ｔＰ２とを異なる値で形成し、さらに熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を適正に調節することによって、前記第１の固定磁性層（及び第２の固定磁性層）の磁化を得たい方向に磁化させることが可能である。
【０１３８】
特に図３に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子にあっては、第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３のＭｓ・ｔＰ１と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１のＭｓ・ｔＰ２を適正に調節し、さらに熱処理中の印加磁場の大きさ及びその方向を適正に調節することによって、ΔＭＲに関与するフリー磁性層３６の上下に形成された２つの第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁化を共に同じ方向に固定でき、且つフリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントを互いに反対方向に形成できることによって、前記合成磁気モーメントによる磁界の形成、及び、前記合成磁気モーメントによる磁界とセンス電流磁界との方向関係の形成ができ、固定磁性層の磁化の熱的安定性をさらに向上させることが可能である。
【０１３９】
本発明では、さらにセンス電流の方向を調節することで、第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化との反平行状態（フェリ状態）を、より熱的にも安定した状態に保つことが可能となっている。
【０１４０】
スピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層から成る積層膜の両側に導電層が形成されており、この導電層からセンス電流が流される。前記センス電流は、比抵抗の小さい前記非磁性導電層と、前記非磁性導電層と固定磁性層との界面、及び非磁性導電層とフリー磁性層との界面に主に流れる。本発明では、前記固定磁性層は第１の固定磁性層と第２の固定磁性層とに分断されており、前記センス電流は主に第２の固定磁性層と非磁性導電層との界面に流れている。
【０１４１】
前記センス電流を流すと、右ネジの法則によって、センス電流磁界が形成される。本発明では前記センス電流磁界を第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントの方向と同じ方向になるように、前記センス電流の流す方向を調節している。
【０１４２】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子は、フリー磁性層３６の上下に第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３と第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１が形成されたデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。
【０１４３】
このデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントが互いに反対方向に向くように、前記第１の固定磁性層（下）３２，（上）４３の磁気モーメントの方向及びその大きさと第２の固定磁性層（下）３４，（上）４１の磁気モーメントの方向及びその大きさを制御する必要がある。
【０１４４】
図３に示すようにフリー磁性層３６よりも下側に形成されている第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントは、第１の固定磁性層（下）３２の磁気モーメントよりも大きく、また前記第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）を向いている。従って、前記第１の固定磁性層（下）３２の磁気モーメントと第２の固定磁性層（下）３４の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）を向いている。またフリー磁性層３６よりも上側に形成されている第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントは第２の固定磁性層（上）４１の磁気モーメントよりも大きく、また前記第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）に向いている。このため前記第１の固定磁性層（上）４３の磁気モーメントと第２の固定磁性層（上）４１の磁気モーメントを足し合わせて求めることができる合成磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）を向いている。このように本発明ではフリー磁性層３６の上下に形成される合成磁気モーメントが互いに反対方向に向いている。
【０１４５】
本発明では図３に示すように、センス電流１１４は図示Ｘ方向と反対方向に流される。これにより前記センス電流１１４を流すことによって形成されるセンス電流磁界は紙面に対し左回りに形成される。
【０１４６】
前記フリー磁性層３６よりも下側で形成された合成磁気モーメントは図示右方向（図示Ｙ方向）に、フリー磁性層３６よりも上側で形成された合成磁気モーメントは図示左方向（図示Ｙ方向と反対方向）に向いているので、前記２つの合成磁気モーメントの方向は、センス電流磁界の方向と一致しており、フリー磁性層３６の下側に形成された第１の固定磁性層（下）３２の磁化と第２の固定磁性層（下）３４の磁化の反平行状態、及びフリー磁性層３６の上側に形成された第１の固定磁性層（上）４３の磁化と第２の固定磁性層（上）４１の磁化の反平行状態を、熱的にも安定した状態で保つことが可能である。
【０１４７】
なお、フリー磁性層３６よりも下側に形成された合成磁気モーメントが図示左方向に向いており、フリー磁性層３６よりも上側に形成された合成磁気モーメントが図示右側に向いている場合には、センス電流１１４を図示Ｘ方向に流し、前記センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、前記合成磁気モーメントの方向とを一致させる必要がある。
【０１４８】
以上のように本発明によれば、センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、第１の固定磁性層の磁気モーメントと第２の固定磁性層の磁気モーメントを足し合わせることによって求めることができる合成磁気モーメントの方向とを一致させることにより、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層間に作用する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）を増幅させ、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化の反平行状態（フェリ状態）を熱的に安定した状態に保つことが可能である。
【０１４９】
特に本発明では、より熱的安定性を向上させるために、反強磁性層にＰｔＭｎ合金などのブロッキング温度の高い反強磁性材料を使用しており、これによって、環境温度が、従来に比べて大幅に上昇しても、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化の反平行状態（フェリ状態）を壊れ難くすることができる。
【０１５０】
また高記録密度化に対応するためセンス電流量を大きくして再生出力を大きくしようとすると、それに従ってセンス電流磁界も大きくなるが、本発明では、前記センス電流磁界が、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に働く交換結合磁界を増幅させる作用をもたらしているので、センス電流磁界の増大により、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の磁化状態はより安定したものとなる。
【０１５１】
なおこのセンス電流方向の制御は、反強磁性層にどのような反強磁性材料を使用した場合であっても適用でき、例えば反強磁性層と固定磁性層（第１の固定磁性層）との界面で交換結合磁界（交換異方性磁界）を発生させるために、熱処理が必要であるか、あるいは必要でないかを問わない。
【０１５２】
図５はスピンバルブ型薄膜素子が形成された読み取りヘッドの構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【０１５３】
符号１２０は、例えばＮｉＦｅ合金などで形成された下部シールド層であり、この下部シールド層１２０の上に下部ギャップ層１２１が形成されている。また前記下部ギャップ層１２１の上は、本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子１２２が形成されており、前記スピンバルブ型薄膜素子１２２の両側にハードバイアス層１２３、及び導電層１２４が形成されている。さらに前記導電層１２４の上には、上部ギャップ層１２５が形成され、前 記上部ギャップ層１２５の上には、ＮｉＦｅ合金などで形成された上部シールド層１２６が形成されている。
【０１５４】
前記下部ギャップ層１２３及び上部ギャップ層１２５は、例えばＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などの絶縁材料によって形成されている。図５に示すように、下部ギャップ層１２１から上部ギャップ層１２５までの長さがギャップ長Ｇｌであり、このギャップ長Ｇｌが小さいほど高記録密度化に対応できるものとなっている。
【０１５５】
本発明では前述したように、反強磁性層１１の膜厚を薄くできることで、スピンバルブ型薄膜素子１２２全体の厚さを薄くできるため、前記ギャップ長Ｇｌを短くすることが可能である。また下部ギャップ層１２１及び上部ギャップ層１２５の膜厚を比較的厚くしても、ギャップ長Ｇｌを従来に比べて小さくすることができ、また下部ギャップ層１２１及び上部ギャップ層１２５を厚く形成することで、絶縁性を充分に確保することができる。
【０１５６】
【実施例】
まず固定磁性層を、非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断して形成したスピンバルブ型薄膜素子を使用し、前記第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の膜厚比と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲ（抵抗変化率）との関係について測定した。
【０１５７】
まず、第１の固定磁性層（反強磁性層に接する側の固定磁性層）を２０オングストローム又は４０オングストロームに固定し、第２の固定磁性層の膜厚を変化させて、前記第２の固定磁性層の膜厚と、交換結合磁界及びΔＭＲとの関係について調べた。実験に使用した膜構成は以下の通りである。
【０１５８】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０又は４０）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）
である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１５９】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。その実験結果を図６及び図７に示す。
【０１６０】
図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を２０オングストロームで固定した場合、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を、２０オングストロームにすると、急激に交換結合磁界（Ｈｅｘ）は低下し、且つ、前記膜厚ｔＰ２を厚くすることにより、前記交換結合磁界は徐々に低下していくことがわかる。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を４０オングストロームで固定した場合、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を４０オングストロームにすると急激に交換結合磁界は低下し、且つ前記膜厚ｔＰ２を４０オングストロームよりも大きくすると、徐々に交換結合磁界は低下していくことがわかる。また、前記膜厚ｔＰ２を４０オングストロームよりも小さくしていくと、約２６オングストロームまでは交換結合磁界は大きくなるが、前記膜厚ｔＰ２を２６オングストロームよりも小さくしていくと、交換結合磁界は小さくなっていくことがわかる。
【０１６１】
ところで第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２とがほぼ同じ膜厚で形成されると、急激に交換結合磁界が低下するのは、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁化と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化とが、互いに反平行に磁化されない、いわゆるフェリ状態になりにくいからではないかと推測される。
【０１６２】
上述した膜構成に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）は共にＣｏ膜で形成されているので、同じ飽和磁化（Ｍｓ）を有している。さらにほぼ同じ膜厚で形成されることにより、第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁気モーメント（Ｍｓ・ｔＰ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメント（Ｍｓ・ｔＰ２）は、ほぼ同じ値で設定されている。
【０１６３】
反強磁性層にＰｔＭｎ合金を使用しているので、成膜後磁場中アニールを施すことにより、第１の固定磁性層（Ｐ１）との界面で交換結合磁界を発生させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）をある一定方向に固定しようとしている。
【０１６４】
ところが、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントがほぼ同じ値であると、磁場を印加して熱処理を施したときに、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）とが、共に磁場方向に向こうとする。本来なら、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）との間には交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）が発生し、前記第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁化と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化は、反平行状態（フェリ状態）に磁化されようとするが、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化が互いに磁場方向に向こうとするため、反平行状態に磁化されにくく、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁化状態は、外部磁界などに対し非常に不安定な状態となっている。
【０１６５】
このため、第１の固定磁性層（Ｐ１）の磁気モーメントと第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントとの差をある程度つけることが好ましいが、図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２の差が大きくなりすぎ、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の磁気モーメントの差がありすぎると、交換結合磁界が低下し、反平行状態が崩れやすいという問題がある。
【０１６６】
図８、図９は、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２を３０オングストロームで固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を変化させたときの、前記第１の固定磁性層の膜厚ｔＰ１と交換結合磁界（Ｈｅｘ）及びΔＭＲとの関係を表すグラフである。この実験で使用したスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
【０１６７】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性中間層；Ｒｕ（７）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（３０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１６８】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【０１６９】
図８に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１を３０オングストロームにした場合、すなわち第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚ｔＰ２と同じ膜厚で形成した場合、交換結合磁界（Ｈｅｘ）は急激に低下することがわかる。これは上述した理由による。
【０１７０】
また、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚ｔＰ１が約３２オングストロームのときも交換結合磁界は小さくなっていることがわかる。これは熱拡散層の発生により、第１の固定磁性層の磁気的な膜厚が実際の膜厚ｔＰ１よりも小さくなり、第２の固定磁性層の膜厚ｔＰ２（＝３０オングストローム）に近づくからである。
【０１７１】
前記熱拡散層は、反強磁性層と第１の固定磁性層との界面において、金属元素が拡散することによって形成されるが、前記熱拡散層は、この実験で使用した膜構成に示すように、フリー磁性層よりも下側に反強磁性層及び固定磁性層を形成した場合に発生しやすくなる。
【０１７２】
図１０は、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を製作し、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子の２個の第２の固定磁性層を共に２０オングストロームに固定し、２個の第１の固定磁性層のそれぞれの膜厚を変化させた場合における、前記第１の固定磁性層の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフである。この実験で使用したスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
【０１７３】
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）；Ｃｏ（Ｘ）／非磁性中間層；Ｒｕ（６）／第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）；Ｃｏ（２０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／第２の固定磁性層（Ｐ２ 上）；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（８）／第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）；Ｃｏ（Ｘ）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（１５０）／保護層；Ｔａ（３０）である。なお各層における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０１７４】
また、上記スピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施した。
【０１７５】
なお、実験では、フリー磁性層よりも下側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を２５オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも上側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を変化させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係について調べた。
【０１７６】
また、フリー磁性層よりも上側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）を２５オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも下側に形成された第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を変化させ、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚と交換結合磁界との関係について調べた。
【０１７７】
図１０に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を２５オングストロームで固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を２０オングストロームに近づけていくと、徐々に交換結合磁界は大きくなっていくが、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚が約１８〜２２オングストロームになると、第２の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚とほぼ同じ膜厚になることから、上述した理由により、急激に交換結合磁界は低下してしまう。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を２２オングストロームから３０オングストロームまで徐々に大きくしていくと、徐々に交換結合磁界は低下していくことがわかる。
【０１７８】
また図１０に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）を２５オングストローム７で固定し、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を２０オングストロームに近づけると、徐々に交換結合磁界は大きくなっていくが、前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚が約１８〜２２オングストロームになると、急激に交換結合磁界は低下している。また前記第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚を２２オングストロームよりも大きくすると、前記膜厚が約２６オングストロームまで交換結合磁界は大きくなるが、前記膜厚を２６オングストローム以上にすると、交換結合磁界は低下することがわかる。
【０１７９】
ここで、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を約２２オングストローム程度にした場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）における交換結合磁界と、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）における交換結合磁界とを比較すると、第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚を約２２オングストローム程度にした場合の方が、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）を約２２オングストローム程度にした場合に比べ交換結合磁界を大きくできることがわかる。これは前述したように、第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）と、反強磁性層との界面には、熱拡散層が形成されやすいので、前記第１の固定磁性層の磁気的な膜厚は、実質的に小さくなり、第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）の膜厚とほぼ同程度になってしまうからである。
【０１８０】
以上、図６、図８、及び図１０に示す実験結果により、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を調べた。
【０１８１】
まず図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．３３以上０．９１以下、あるいは１．１以上にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜６０オングストローム（１８〜２２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８２】
次に図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．５７以上０．９５以下、１．０５以上４以下にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜６０オングストローム（３８〜４２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８３】
次に、図８に示すように、第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームに固定した場合、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．３３以上０．９３以下、あるいは１．０６以上２．３３以下にしなければいけないことがわかる。なおこのときの第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚は、１０〜７０オングストローム（２８〜３２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８４】
さらに図１０に示すように、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合にあっては、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）の範囲のうち、０．９以上１．１以下の範囲を外せば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができることがわかる。
【０１８５】
ここで５００（Ｏｅ）以上の交換結合を得ることができる最も広い膜厚比の範囲を取ると、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）は、０．３３〜０．９５、あるいは１．０５〜４の範囲内となる。
【０１８６】
ただし、交換結合磁界は膜厚比のみならず、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚も重要な要素の一つであるので、さらに、上述した膜厚比の範囲内で、しかも第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚及び第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を、１０〜７０オングストロームの範囲内とし、且つ第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚から第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を引いた絶対値を２オングストローム以上にすれば、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能になる。
【０１８７】
次に、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を調べた。
【０１８８】
まず図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームにした場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５３〜０．９１、あるいは１．１以上にすれば１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、１０〜３８オングストローム（１８〜２２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１８９】
また図６に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームにした場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．８８〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚は、２２〜４５オングストローム（３８〜４２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１９０】
さらに図８に示すように、第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームに固定した場合、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５６〜０．９３、あるいは１．０６〜１．６の範囲内であれば１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。なおこのときの第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚は、１０〜５０オングストローム（２８〜３２オングストロームを除く）の範囲内である。
【０１９１】
また図１０に示すように、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合にあっては、（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を０．５〜０．９、あるいは１．１〜１．５程度の範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能となっている。
【０１９２】
従って、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得るには、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）を、０．５３〜０．９５、あるいは１．０５〜１．８の範囲内にし、さらに、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を１０〜５０オングストロームの範囲内で、しかも第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚から第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚を引いた絶対値が2オングストローム以上であることが好ましい。
【０１９３】
なお図７及び図９に示すように、上述した膜厚比及び膜厚の範囲内であれば、ΔＭＲもそれほど低下せず、約６％以上のΔＭＲを得ることが可能である。このΔＭＲの値は従来のスピンバルブ型薄膜素子（シングルスピンバルブ型薄膜素子に限る）のΔＭＲと同程度か若干低い値である。
【０１９４】
また図７に示すように、第１の固定磁性層（Ｐ１）を４０オングストロームにした場合、第２の固定磁性層（Ｐ１）を２０オングストロームにした場合に比べて、ややΔＭＲは小さくなることがわかる。
【０１９５】
前記第１の固定磁性層（Ｐ１）は、実際にはΔＭＲに関与しない層であり、前記ΔＭＲは、第２の固定磁性層（Ｐ２）の固定磁化と、フリー磁性層の変動磁化との関係で決定される。ところがセンス電流は、ΔＭＲに関与しない第１の固定磁性層（Ｐ１）にも流れるため、いわゆるシャントロス（分流ロス）が発生し、このシャントロスは、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚が厚くなるほど大きくなる。以上のような理由から、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚が厚くなるほど、ΔＭＲは低下しやすい傾向にある。
【０１９６】
次に、第１の固定磁性層（Ｐ１）と第２の固定磁性層（Ｐ２）の間に形成される非磁性中間層の適正な膜厚について測定した。なお、実験には、フリー磁性層よりも下側に反強磁性層が形成されたボトム型と、フリー磁性層よりも上側に反強磁性層が形成されたトップ型の２種類のスピンバルブ型薄膜素子を製作し、前記非磁性中間層の膜厚と交換結合磁界との関係について調べた。実験に使用したボトム型のスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（Ｘ）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性導電層；Ｃｏ（１０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）／Ｔａ（３０）であり、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／フリー磁性層；ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２５）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性中間層；Ｒｕ（Ｘ）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（３０）である。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。
【０１９７】
また各スピンバルブ型薄膜素子を成膜後、２００（Ｏｅ）の磁場を印加しながら、２６０℃で４時間の熱処理を施している。その実験結果を図１１に示す。
【０１９８】
図１１に示すように、トップ型とボトム型とでは、Ｒｕ膜（非磁性中間層）の膜厚に対する交換結合磁界の挙動が大きく異なっていることがわかる。
【０１９９】
５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができる範囲を好ましいとしているので、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子において、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能なＲｕ膜の膜厚は、２．５〜６．４オングストローム、あるいは６．６〜１０．７オングストロームの範囲内であることがわかる。さらに好ましくは１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界が得られる範囲内であり、前記Ｒｕ膜の膜厚を、２．８〜６．２オングストローム、あるいは６．８〜１０．３オングストロームの範囲内にすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界が得られることがわかる。
【０２００】
次にボトム型のスピンバルブ型薄膜素子において、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能なＲｕ膜の膜厚は、３．６〜９．６オングストロームの範囲内であることがわかる。さらに、４．０〜９．４オングストロームの範囲内とすれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能になる。
【０２０１】
ところで、トップ型のスピンバルブ型薄膜素子と、ボトム型のスピンバルブ型薄膜素子とで、非磁性中間層の適性な膜厚の範囲が異なるのは、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層との間に作用する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）が、下地膜の格子定数との関係や、あるいは、磁性層の伝導電子のエネルギーバンドの値の変化に非常に敏感に反応するためであると推測される。
【０２０２】
次に、２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を製作し、各スピンバルブ型薄膜素子における反強磁性層（ＰｔＭｎ合金）の膜厚と、交換結合磁界との関係について測定した。
【０２０３】
実施例は、固定磁性層が非磁性中間層を介して第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の２層に分断して形成された本発明のデュアルスピンバルブ型薄膜素子、比較例は、固定磁性層が単層で形成された従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子である。
【０２０４】
まず実施例のスピンバルブ型薄膜素子における膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（ｘ）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（６）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／第２の固定磁性層；Ｃｏ（２０）／非磁性中間層；Ｒｕ（８）／第１の固定磁性層；Ｃｏ（２５）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／Ｔａ（３０）であり、比較例のスピンバルブ型薄膜素子における膜構成は、下から、
Ｓｉ基板／アルミナ／Ｔａ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／固定磁性層；Ｃｏ（３０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／フリー磁性層；Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（４０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層；Ｃｕ（２０）／固定磁性層；Ｃｏ（３０）／反強磁性層；ＰｔＭｎ（Ｘ）／Ｔａ（３０）である。
【０２０５】
なお各スピンバルブ型薄膜素子の膜構成における括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【０２０６】
また各スピンバルブ型薄膜素子を成膜後、実施例では、２００（Ｏｅ）の磁場を、比較例では２ｋ（Ｏｅ）の磁場を印加しながら２６０℃で４時間の熱処理を施している。その実験結果を図１２に示す。
【０２０７】
図１２に示すように、比較例ではＰｔＭｎ合金の膜厚を約２００オングストローム以上で形成しないと、５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができないとわかる。
【０２０８】
これに対し、実施例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を、１００オングストローム以上で形成すれば５００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることができるとわかる。そこで、好ましい反強磁性層の膜厚を１００〜２００オングストロームの範囲内に設定している。さらに実施例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を１１０オングストローム以上で形成すれば、１０００（Ｏｅ）以上の交換結合磁界を得ることが可能であるため、より好ましい反強磁性層の膜厚を１１０〜２００オングストロームの範囲内に設定している。
【０２０９】
また図１３は、ＰｔＭｎ合金の膜厚と、ΔＭＲとの関係を示すグラフである。
図１３に示すように、比較例では、ＰｔＭｎ合金の膜厚を２００オングストローム以上で形成すると、約１０％以上のΔＭＲを得ることが可能となっているが、実施例においては、ＰｔＭｎ合金の膜厚を１００オングストローム程度に薄くしても、従来とほぼ同じ程度のΔＭＲを確保できることがわかる。
【０２１０】
ところで、スピンバルブ型薄膜素子における積層膜のうち、最も膜厚の厚いのは反強磁性層である。このため本発明によれば、図１２に示すように、前記反強磁性層の膜厚を薄くしても、具体的には従来のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層の膜厚の半分以下で形成しても、大きい交換結合磁界を得ることが可能となっている。このため、スピンバルブ型薄膜素子全体の膜厚を薄くすることができ、図５に示すように、前記スピンバルブ型薄膜素子１２２の上下に形成されるギャップ層１２１，１２５の膜厚を絶縁性を確保できる程度に充分に厚くしても、ギャップ長Ｇｌを小さくでき、狭ギャップ化を実現できる。
【０２１１】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、デュアルスピンバルブ型磁気素子において、固定磁性層を構成する第１の磁性層と第２の磁性層の磁気モーメントの大小を適正に調節し、さら前記熱処理中に印加する磁場の方向及びその大きさを適正に調節することによって、前記第１の固定磁性層の磁化と第２の固定磁性層の磁化とを反平行状態に適正に制御することができ、しかも、第１の固定磁性層の磁化及び第２の固定磁性層の磁化を得たい方向に向けて固定できる。
【０２１２】
さらに本発明では、フリー磁性層の上下に形成される各第２の磁性層の磁化を共に同じ方向に向けることができるので、大きな抵抗変化率を得ることが可能である。
【０２１３】
また請求項１記載の発明では、フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層の合成磁気モーメントを互いに逆方向に向けることができるので、センス電流を流すことによって形成されるセンス電流磁界の方向と、前記合成磁気モーメントの方向とを一致させることができ、前記各固定磁性層の磁化状態をさらに熱的に安定させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の横断面図、
【図２】図１に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図３】本発明における第２実施形態のスピンバルブ型薄膜素子の横断面図、
【図４】図３に示すスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図５】読み出しヘッド（再生ヘッド）を記録媒体との対向面からみた断面図、
【図６】第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を２０、あるいは４０オングストロームで固定した場合の、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚と、交換結合磁界との関係、及び（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図７】第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚を２０、あるいは４０オングストロームで固定した場合の、第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図８】第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームで固定した場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚と、交換結合磁界との関係、及び（第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２）の膜厚）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図９】第２の固定磁性層（Ｐ２）を３０オングストロームで固定した場合の、第１の固定磁性層（Ｐ１）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図１０】デュアルスピンバルブ型薄膜素子において、第１の固定磁性層（上）の膜厚及び第１の固定磁性層（下）の膜厚と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係、さらに（第１の固定磁性層（Ｐ１ 上）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２ 上）の膜厚）及び（第１の固定磁性層（Ｐ１ 下）の膜厚）／（第２の固定磁性層（Ｐ２ 下）の膜厚）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１１】第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に介在するＲｕ（非磁性中間層）の膜厚と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１２】２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を使用し、各デュアルスピンバルブ型薄膜素子のＰｔＭｎ（反強磁性層）の膜厚と、交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１３】２種類のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を使用し、各デュアルスピンバルブ型薄膜素子のＰｔＭｎ（反強磁性層）の膜厚と、ΔＭＲ（％）との関係を示すグラフ、
【図１４】本発明におけるスピンバルブ型薄膜素子、及び従来におけるスピンバルブ型薄膜素子におけるヒステリシスループ、
【図１５】反強磁性層をＰｔＭｎで形成した場合、ＮｉＯで形成した場合、及びＦｅＭｎで形成した場合の各スピンバルブ型薄膜素子における環境温度（℃）と交換結合磁界（Ｈｅｘ）との関係を示すグラフ、
【図１６】従来におけるスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面からみた断面図、
【符号の説明】
１０、 下地層
１１、 反強磁性層
１２、 第１の固定磁性層
１３、 非磁性中間層
１４、 第２の固定磁性層
１５、 非磁性導電層
１６、 フリー磁性層
１９、 保護層
３２、９３ 第１の固定磁性層（下）
３４、９５ 第２の固定磁性層（下）
４１、１０５ 第２の固定磁性層（上）
４３、１０７ 第１の固定磁性層（上）
１３０ ハードバイアス層
１３１ 導電層
１１４ センス電流
Claims (7)
- フリー磁性層の上下に積層された非磁性導電層と、一方の前記非磁性導電層の上に形成された上側固定磁性層と、他方の非磁性導電層の下に形成された下側固定磁性層と、上側固定磁性層の上、及び下側固定磁性層の下に形成された反強磁性層とを有する積層体と、この積層体の両側に設けられ前記積層体に導電層が設けられているスピンバルブ型薄膜素子の製造方法において、
前記各固定磁性層を、反強磁性層に接する第１の磁性層と、前記第１の磁性層と非磁性中間層を介して重ねられる第２の磁性層の２層で形成し、このとき、
前記上側と前記下側の一方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）を、第２の磁性層の磁気モーメントよりも大きくし、他方の固定磁性層で、第１の磁性層の磁気モーメントを、第２の磁性層の磁気モーメントよりも小さくする工程と、
磁場中熱処理を施して、前記各第１の磁性層と反強磁性層との界面にて交換結合磁界を発生させる際に、前記上側固定磁性層および前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との間に発生する交換結合磁界（ＲＫＫＹ相互作用）より大きい磁場を印加して、前記各第１の磁性層の磁化を前記磁場方向と同一方向に固定し、各第２の磁性層の磁化を前記磁場方向と反対方向に固定することで、前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントと、前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントとを互いに逆方向に向ける工程と、
を有することを特徴とするスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。 - 前記導電層を介して前記積層体に流される前記センス電流が作るセンス電流磁界の前記フリー磁性層より上側での方向と前記上側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向並びに、前記センス電流磁界の前記フリー磁性層より下側での方向と前記下側固定磁性層の第１の磁性層と第２の磁性層との磁気モーメントを足し合わせた合成磁気モーメントの方向を一致させる請求項１に記載のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。
- 前記反強磁性層を、ＰｔＭｎ合金で形成する請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。
- 前記反強磁性層を、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕのいずれか１種または２種以上の元素である）で形成する請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。
- 前記反強磁性層を、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇのいずれか１種または２種以上の元素である）で形成する請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。
- 前記第１の磁性層と第２の磁性層の間に形成される非磁性中間層を、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成する請求項１ないし５のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法。
- 下部シールド層の上にギャップ層を介して請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜素子を形成し、さらに前記スピンバルブ型薄膜素子の上にギャップ層を介して上部シールド層を形成することを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
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