JP3839682B2 - 薄膜磁気素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固定磁性層（ピン（Pinned）磁性層）の磁化の方向と外部磁界の影響を受けるフリー（Free）磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するいわゆる薄膜磁気素子に係り、特に狭トラック化に対応できる薄膜磁気素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、薄膜磁気素子の従来の構造をＡＢＳ面から見た断面図である。
【０００３】
図１３に示す薄膜磁気素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の１種であるスピンバルブ型薄膜素子と呼ばれるものであり、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。
【０００４】
このスピンバルブ型薄膜素子は、下から下地層６、反強磁性層１、固定磁性層（ピン（Pinned）磁性層）２、非磁性導電層３、フリー磁性層（Free）４、及び保護層７で構成された多層膜９と、この多層膜９の両側に形成された一対のハードバイアス層５，５と、このハードバイアス層５，５の上に形成された一対の電極層８，８とで構成されている。なお下地層６及び保護層７は、Ｔａ（タンタル）膜などで形成されている。またこの多層膜９の上面の幅寸法によってトラック幅Ｔｗが決定される。
【０００５】
前記反強磁性層１にはＦｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）合金膜やＮｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）合金膜、固定磁性層２及びフリー磁性層４にはＮｉ−Ｆｅ（ニッケル−鉄）合金膜、非磁性導電層３にはＣｕ（銅）膜、ハードバイアス層５，５にはＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金膜、また電極層８，８にはＣｒ膜が一般的に使用される。
【０００６】
図１３に示すように、固定磁性層２の磁化は、反強磁性層１との交換異方性磁界によりＹ方向（記録媒体からの漏れ磁界方向；ハイト方向）に単磁区化され、フリー磁性層４の磁化は、前記ハードバイアス層５，５からのバイアス磁界の影響を受けてＸ方向に揃えられる。
【０００７】
すなわち固定磁性層２の磁化と、フリー磁性層４の磁化とが、直交するように設定されている。
【０００８】
このスピンバルブ型薄膜素子では、ハードバイアス層５，５上に形成された電極層８，８から、固定磁性層２、非磁性導電層３及びフリー磁性層４に検出電流（センス電流）が与えられる。ハードディスクなどの記録媒体の走行方向はＺ方向であり、記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層４の磁化がＸからＹ方向へ向けて変化する。このフリー磁性層４内での磁化の方向の変動と、固定磁性層２の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し（これを磁気抵抗効果という）、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示す従来の薄膜磁気素子では、以下のような問題点が発生する。
【００１０】
固定磁性層２の磁化は、前述したように、図示Ｙ方向に単磁区化され固定されているが、前記固定磁性層２の両側にはＸ方向に磁化されているハードバイアス層５，５が設けられている。そのために、特に、固定磁性層２の両端の磁化が、前記ハードバイアス層５，５からのバイアス磁界の影響を受け、図示Ｙ方向に固定されなくなっている。
【００１１】
すなわち、前記ハードバイアス層５，５のＸ方向の磁化を受けて、Ｘ方向に単磁区化されているフリー磁性層４の磁化と、固定磁性層２の磁化とは、特に多層膜９の側端部付近では、直交関係にない。フリー磁性層４の磁化と、固定磁性層２の磁化とを直交関係に設定しておく理由は、フリー磁性層４の磁化が小さな外部磁界でも容易に変動可能で、電気抵抗を大きく変化させることができ、再生感度を向上させることができるからである。さらに前記直交関係にあると、良好な対称性を有する出力波形を得ることが可能になるためである。
【００１２】
しかもフリー磁性層４のうち、その側端部付近における磁化は、ハードバイアス層５，５からの強い磁化の影響を受けるため固定されやすく、外部磁界に対し磁化が変動しにくくなっており、図１３に示すように、多層膜９の側端部付近には、再生感度の悪い不感領域Ｄが形成される。
【００１３】
多層膜９のうち、不感領域Ｄを除いた中央部分の領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域Ｅであり、この感度領域Ｅの幅は、多層膜９の形成時に設定されたトラック幅Ｔｗよりも不感領域Ｄの幅寸法分だけ短くなっている。
【００１４】
このように磁気抵抗効果素子の多層膜９には、その両側付近に再生出力にほとんど寄与しない不感領域Ｄが形成され、この不感領域Ｄは、単に直流抵抗値（ＤＣＲ）を上昇させる領域でしかなかった。
【００１５】
近年、磁気記録媒体の高記録密度化が進み、それに対応するために薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗの極小化が進められており、トラック幅Ｔｗを０．５μｍ以下にすることが必要になってきた。しかし、前述した不感領域の幅寸法Ｄｗは０．１μｍ程度あり、トラック幅Ｔｗが０．５μｍ以下になるとトラック幅Ｔｗに対する不感領域の幅寸法Ｄｗの比率が大きくなり、磁気抵抗効果を発揮する感度領域Ｅの幅寸法Ｅｗを正確に制御することが困難になってきた。
【００１６】
また、トラック幅Ｔｗに対する不感領域の幅寸法Ｄｗの比率が大きくなると、再生出力も低下する。
【００１７】
さらに、図の薄膜磁気素子では多層膜９の側面が傾斜面になっている。多層膜９の側面の傾斜角θは製品ごとにばらつきやすい。傾斜角θがばらつくとフリー磁性層４のトラック幅方向の長さがばらつく。すなわち、磁気抵抗効果を発揮する感度領域Ｅの幅寸法Ｅｗがばらついて、薄膜磁気素子の磁界検出感度がばらつくという問題が生じる。
【００１８】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に磁気抵抗効果を有する多層膜に不感領域が形成されないようにすることにより、トラック幅を正確に制御でき、また再生出力の低下を防止できる薄膜磁気素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の反強磁性層と、この第１の反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有する薄膜磁気素子において、
前記フリー磁性層の上層または下層に第２の反強磁性層が積層されており、前記第２の反強磁性層との交換結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられ、かつ前記フリー磁性層と前記第２の反強磁性層の間に、他の反強磁性層が積層され、前記他の反強磁性層が、伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層であることを特徴とするものである。
【００２０】
前記第２の反強磁性層が前記フリー磁性層の上層または下層に積層されていると、前記フリー磁性層は、前記第２の反強磁性層との交換結合磁界によって磁化方向が揃えられる。交換結合磁界は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下から外れた領域には作用しない。
【００２１】
従って、前記薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅にほぼ等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【００２２】
また、前記薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【００２３】
さらに、本発明では薄膜磁気素子の側端面が基板表面に対して垂直となるように形成されることが可能なので、前記フリー層の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【００２４】
また、前記他の反強磁性層は後に述べる本発明の薄膜磁気素子の製造方法において、前記フリー磁性層が大気に触れて酸化することを防止する機能を有する。
【００２５】
本発明では、前記他の反強磁性層が伝導電子のスピン状態を保存する鏡面反射を生じる確率の高いエネルギーギャップを形成可能な材料から構成されることにより、前記他の反強磁性層を、伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層として機能するようにできる。
【００２６】
前記鏡面反射層となる前記他の反強磁性層は、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の、単層膜または多層膜として構成されることができる。
【００２７】
前記他の反強磁性層が鏡面反射層として機能するときは、前記フリー磁性層の膜厚が、１５〜４５Åの範囲に設定されることが好ましい。
【００２８】
なお、前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下であることが好ましい。
【００２９】
前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下であると、後述する本発明の薄膜磁気素子の製造方法を用いるときに、前記第１の反強磁性層の磁化方向と前記第２の反強磁性層の磁化方向を直交させることが容易になる。
【００３０】
なお、前記他の反強磁性層の厚さが１０Å以上３０Å以下であることがより好ましい。
【００３１】
前記第２の反強磁性層にはトラック幅に相当する幅寸法を有する凹部が形成されていることが好ましい。
【００３２】
特に、前記凹部の側面は前記基板の表面に対する垂直面となっていることが好ましい。
【００３３】
本発明では、薄膜磁気素子のトラック幅が前記凹部の幅寸法によって決定される。すなわち、前記凹部の底面に重なる部分でのみ、前記フリー磁性層の磁化方向を変化させることができる。しかも、前記凹部は、一様の厚さで成膜された前記第２の反強磁性層を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、前記基板の表面に対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法で前記凹部を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。
【００３４】
本発明では、前記凹部の底面が前記第２の反強磁性層内に設けられているようにできる。
【００３５】
このとき、前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層の領域と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さが０より大きく３０Å以下であると、後述する本発明の薄膜磁気素子の製造方法を用いるときに、前記第１の反強磁性層の磁化方向と前記第２の反強磁性層の磁化方向を直交させることが容易になるので好ましい。
【００３６】
または、前記凹部の底面が前記他の反強磁性層内に設けられていてもよい。
このときは、前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下であると、後述する本発明の薄膜磁気素子の製造方法を用いるときに、前記第１の反強磁性層の磁化方向と前記第２の反強磁性層の磁化方向を直交させることが容易になるので好ましい。
【００３７】
上述した、前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層の領域と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さ、または、前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さは、前記他の反強磁性層と前記フリー磁性層との間に交換異方性磁界が発生しない厚さである。
【００３８】
なお、本発明では、前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、前記第１の反強磁性層の磁化方向と前記第２の反強磁性層の磁化方向を直交させることが容易に可能となり、外部磁界が印加されていない状態で、前記フリー磁性層と前記固定磁性層の磁化方向を直交させることができる。
【００３９】
前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である。
【００４０】
固定磁性層が非磁性中間層の上下に強磁性材料層が積層されたものとして形成されると、これら複数層の強磁性材料層が互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第１の反強磁性層と固定磁性層との交換結合磁界Ｈｅｘを大きな値として得ることができる。従って、第１の反強磁性層の磁化方向をハイト方向に向けるための磁場中アニールを行った後または行う前の、第２の反強磁性層の磁化方向をトラック幅方向に向けるための磁場中アニールによって、固定磁性層の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、第２の反強磁性層による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【００４１】
固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、複数層の固定磁性層の静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【００４２】
従って、フリー磁性層の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【００４３】
ここで、アシンメトリーとは、再生出力波形の非対称性の度合いを示すものであり、再生出力波形が与えられた場合、波形が対称であればアシンメトリーが小さくなる。従って、アシンメトリーが０に近づく程再生出力波形が対称性に優れていることになる。
【００４４】
前記アシンメトリーは、フリー磁性層の変動磁化の方向と固定磁性層の固定磁化の方向とが直交しているときに０となる。アシンメトリーが大きくずれるとメディアからの情報の読み取りが正確にできなくなり、エラーの原因となる。このため、前記アシンメトリーが小さいものほど、再生信号処理の信頼性が向上することになり、スピンバルブ薄膜磁気素子として優れたものとなる。 また、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【００４５】
また、本発明は、第１の反強磁性層と、この第１の反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有する薄膜磁気素子において、
前記フリー磁性層の上層または下層に第２の反強磁性層が積層されており、前記第２の反強磁性層との交換結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられ、
さらに、前記第２の反強磁性層には、トラック幅に相当する幅寸法を有する凹部が形成され、
また前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成され、
かつ前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
前記凹部の底面が前記第２の反強磁性層内に設けられていることを特徴とするものである。
【００４６】
本発明では、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。さらに、前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層を、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成できるので、薄膜磁気素子の製造工程を簡略化できる。
【００４７】
また、前記固定磁性層が、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態となっているいわゆるフェリピンド型の固定磁性層であるので、前記固定磁性層の磁化方向を、例えば８０〜１６０ｋＡ／ｍの大きさで、強く固定することができる。従って、前記フリー磁性層の磁化方向をそろえる縦バイアス層の交換結合磁界を大きくすることができるので、外部磁界が印加されていない状態における、前記フリー磁性層と前記固定磁性層の磁化方向の直交状態を安定化させることができる。
【００４８】
また、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、複数層の強磁性材料層の静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【００４９】
従って、フリー磁性層の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【００５０】
また、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【００５１】
本発明では、前記凹部の底面が前記第２の反強磁性層内に設けられているようにできる。このとき、前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下であることが好ましい。
【００５２】
前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層の領域の厚さは、前記第２の反強磁性層と前記フリー磁性層との間に交換異方性磁界が発生しない厚さである。
【００５３】
本発明では、前記フリー磁性層が、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であると、前記フリー磁性層の膜厚を薄くすることと同等の効果が得られ、フリー磁性層の磁化が変動しやすくなり、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が向上する。
【００５４】
なお、前記強磁性材料層の単位面積あたりの磁気モーメントの大きさは、前記強磁性材料層の飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で表される。
前記非磁性中間層は、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ることができる。
【００５５】
なお、本発明では、前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【００５６】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【００５７】
また、前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層と間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成することが好ましい。前記中間層を形成するときには、前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【００５８】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【００５９】
さらに、本発明では、前記複数の強磁性材料層の全ての層を前記ＣｏＦｅＮｉで形成することが好ましい。
【００６０】
ところで本発明では、フリー磁性層が積層フェリ構造であり、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である。
【００６１】
この反平行磁化状態を適切に保つには、前記フリー磁性層の材質を改良して前記複数の強磁性材料層間に働くＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を大きくする必要性がある。
【００６２】
前記強磁性材料層を形成する磁性材料としてよく使用されるものにＮｉＦｅ合金がある。ＮｉＦｅ合金は軟磁気特性に優れるため従来からフリー磁性層などに使用されていたが、前記フリー磁性層を積層フェリ構造にした場合、ＮｉＦｅ合金で形成された強磁性材料層間の反平行結合力はさほど強くはない。
【００６３】
そこで本発明では、前記強磁性材料層の材質を改良し、前記複数の強磁性材料層間の反平行結合力を強め、トラック幅方向の両側に位置するフリー磁性層の両側端部が外部磁界に対し揺らがないようにし、サイドリーディングの発生を適切に抑制できるようにすべく、前記複数の強磁性材料層のうち少なくとも一層、好ましくは全ての層にＣｏＦｅＮｉ合金を使用することとしたのである。Ｃｏを含有させることで上記の反平行結合力を強めることができる。
【００６４】
図１０は、フリー磁性層を積層フェリ構造にした場合のヒステリシスループの概念図である。例えば第１フリー磁性層（Ｆ１）の単位面積あたりの磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）は第２フリー磁性層（Ｆ２）の単位面積あたりの磁気モーメントよりも大きいとする。また外部磁界を図示右方向に与えたとする。
【００６５】
第１フリー磁性層の単位面積あたりの磁気モーメントと第２フリー磁性層の単位面積あたりの磁気モーメントとのベクトル和（｜Ｍｓ・ｔ（Ｆ１）＋Ｍｓ・ｔ（Ｆ２）｜）で求めることができる単位面積あたりの合成磁気モーメントは、０磁界から外部磁界を大きくしていってもある時点までは、一定の大きさである。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが一定の大きさである外部磁界領域Ａでは、前記第１フリー磁性層と第２フリー磁性層間に働く反平行結合力が、前記外部磁界よりも強いので、前記第１及び第２フリー磁性層の磁化は適切に単磁区化していて、反平行状態に保たれている。
【００６６】
ところが、さらに図示右方向への外部磁界を大きくしていくと、フリー磁性層の単位面積あたりの合成磁気モーメントは傾斜角を有して大きくなっていく。これは、前記外部磁界の方が、前記第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層間に働く反平行結合力よりも強いから、単磁区化していた第１のフリー磁性層と第２のフリー磁性層の磁化が分散して、多磁区化状態となり、ベクトル和で求めることができる単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなっていくのである。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなっていく外部磁界領域Ｂでは、もはや前記フリー磁性層の反平行状態は崩れた状態にある。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなり始める出発点の外部磁界の大きさをスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）と呼んでいる。
【００６７】
さらに図示右方向の外部磁界を大きくしていくと、第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層の磁化は、再び単磁区化され、今度は外部磁界領域Ａの場合とは異なり、共に図示右方向に磁化され、この外部磁界領域Ｃでの単位面積あたりの合成磁気モーメントは一定値となる。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが一定値となる時点での外部磁界の大きさを飽和磁界（Ｈｓ）と呼んでいる。
【００６８】
本発明では、前記ＣｏＦｅＮｉ合金を第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層に使用すると、ＮｉＦｅ合金を使用した場合に比べて反平行状態が崩れるときの磁界、いわゆるスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を十分に大きくできることがわかった。
【００６９】
本発明では、第１及び第２フリー磁性層にＮｉＦｅ合金（比較例）及びＣｏＦｅＮｉ合金（実施例）を用いて上記したスピンフロップ磁界の大きさを求めるための実験を以下の膜構成を用いて行った。
【００７０】
基板／非磁性材料層（Ｃｕ）／第１フリー磁性層（２．４）／非磁性中間層（Ｒｕ）／第２フリー磁性層（１．４）
なお括弧書きは膜厚を示し単位はｎｍである。
【００７１】
比較例での第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層には、Ｎｉの組成比が８０原子％でＦｅの組成比が２０原子％からなるＮｉＦｅ合金を使用した。このときのスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）は約５９（ｋＡ／ｍ）であった。
【００７２】
次に実施例での第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層には、Ｃｏの組成比が８７原子％で、Ｆｅの組成比が１１原子％で、Ｎｉの組成比が２原子％からなるＣｏＦｅＮｉ合金を使用した。このときのスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）は約２９３（ｋＡ／ｍ）であった。
【００７３】
このように第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層にはＮｉＦｅ合金を用いるよりもＣｏＦｅＮｉ合金を用いる方が、スピンフロップ磁界を効果的に向上させることができることがわかった。
【００７４】
次に、ＣｏＦｅＮｉ合金の組成比について説明する。ＣｏＦｅＮｉ合金は、非磁性中間層であるＲｕ層と接することでＮｉＦｅ合金を用いる場合より、磁歪が１×６^-6〜６×１０^-6程度、正側にシフトすることがわかっている。
【００７５】
前記磁歪は−３×１０^-6から３×１０^-6の範囲内であることが好ましい。また保磁力は７９０（Ａ／ｍ）以下であることが好ましい。磁歪が大きいと、成膜ひずみや、他層間での熱膨張係数の差などによって応力の影響を受けやすくなるから前記磁歪は低いことが好ましい。また保磁力は低いことが好ましく、これによってフリー磁性層の外部磁界に対する磁化反転を良好にすることができる。
【００７６】
本発明では、非磁性材料層／第１フリー磁性層／非磁性中間層／第２フリー磁性層の膜構成で形成されるとき、前記ＣｏＦｅＮｉのＦｅ組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。Ｆｅの組成比が１７原子％よりも大きくなると、磁歪が−３×１０^-6よりも負に大きくなると共に軟磁気特性を劣化させて好ましくない。
【００７７】
またＦｅの組成比が９原子％よりも小さくなると、磁歪が３×１０^-6よりも大きくなると共に、軟磁気特性の劣化を招き好ましくない。
【００７８】
またＮｉの組成比が１０原子％よりも大きくなると、磁歪が３×１０^-6よりも大きくなると共に、非磁性材料層との間でＮｉの拡散等による抵抗変化量（ΔＲ）及び抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低下を招き好ましくない。
【００７９】
またＮｉの組成比が０．５原子％よりも小さくなると、磁歪が−３×１０^-6よりも負に大きくなって好ましくない。
【００８０】
また上記した組成範囲内であれば保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下にすることができる。
【００８１】
次に、前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層と間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成するとき、具体的には、例えば非磁性材料層／中間層（ＣｏＦｅ合金）／第１フリー磁性層／非磁性中間層／第２フリー磁性層の膜構成で形成されるとき、前記ＣｏＦｅＮｉのＦｅ組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。Ｆｅの組成比が１５原子％よりも大きくなると、磁歪が−３×１０^-6よりも負に大きくなると共に軟磁気特性を劣化させて好ましくない。
【００８２】
またＦｅの組成比が７原子％よりも小さくなると、磁歪が３×１０^-6よりも大きくなると共に、軟磁気特性の劣化を招き好ましくない。
【００８３】
またＮｉの組成比が１５原子％よりも大きくなると、磁歪が３×１０^-6よりも大きくなって好ましくない。
【００８４】
またＮｉの組成比が５原子％よりも小さくなると、磁歪が−３×１０^-6よりも負に大きくなって好ましくない。
【００８５】
また上記した組成範囲内であれば保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下にすることができる。
【００８６】
なお、ＣｏＦｅやＣｏで形成された中間層はマイナス磁歪を有しているため、前記中間層を第１フリー磁性層と非磁性材料層間に介在させない膜構成の場合に比べて、ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅ組成をやや少なくし、Ｎｉ組成をやや多くしている。
【００８７】
また上記の膜構成のように、非磁性材料層と第１フリー磁性層間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を介在させることで、第１フリー磁性層と非磁性材料層間での金属元素の拡散をより効果的に防止することができて好ましい。 前記第１の反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される。
【００８８】
ここで、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。特に規定しない限り、〜で示す数値範囲の上限と下限は以下、以上を意味する。
【００８９】
また、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。さらに、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’が０．２〜１０ａｔ％の範囲であることが好ましい。ただし、Ｘ’がＰｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である場合には、Ｘ’は０．２〜４０ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【００９０】
第１の反強磁性層及び第２の反強磁性層として、これらの適切な組成範囲の合金を使用し、これを熱処理することにより、大きな交換結合磁界を発生する第１の反強磁性層及び第２の反強磁性層を得ることができる。特に、ＰｔＭｎ合金であれば、４８ｋＡ／ｍ以上、例えば６４ｋＡ／ｍを越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が３８０℃と極めて高い優れた第１の反強磁性層及び第２の反強磁性層を得ることができる。
【００９１】
これらの合金は、成膜直後の状態では、不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理によってＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。
【００９２】
なお、本発明では、第２の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成することができる。
【００９３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【００９４】
図１の薄膜磁気素子は、基板１１上に第１の反強磁性層１２が積層され、さらに第１固定磁性層１３ａ、非磁性中間層１３ｂ、第２固定磁性層１３ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、及び他の反強磁性層１７が積層された多層膜Ａ１上に、多層膜Ａ１上に、第２の反強磁性層である縦バイアス層１８、電極層１９が成膜されたものである。
【００９５】
第１の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、及び他の反強磁性層１７、並びに縦バイアス層１８、電極層１９は、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【００９６】
第１の反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１または２種以上の元素である）合金で形成する。
【００９７】
第１の反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８として、これらの合金を使用し、これを熱処理することにより、大きな交換結合磁界を発生する第１の反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８を得ることができる。特に、ＰｔＭｎ合金であれば、４８ｋＡ／ｍ以上、例えば６４ｋＡ／ｍを越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が３８０℃と極めて高い優れた第１の反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、、及び縦バイアス層１８を得ることができる。
【００９８】
これらの合金は、成膜直後の状態では、不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理によってＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。
【００９９】
第１の反強磁性層１２の膜厚は、トラック幅方向の中心付近において８０〜３００Åである。また、他の反強磁性層１７の膜厚は、約３０Åである。
【０１００】
ここで、第１の反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８を形成するための、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。特に規定しない限り、〜で示す数値範囲の上限と下限は以下、以上を意味する。
【０１０１】
また、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。さらに、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’が０．２〜１０ａｔ％の範囲であることが好ましい。ただし、Ｘ’がＰｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である場合には、Ｘ’は０．２〜４０ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【０１０２】
なお、本実施の形態の薄膜磁気素子は、第２の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成することができる。
【０１０３】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。
【０１０４】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０１０５】
非磁性材料層１４は、固定磁性層１３とフリー磁性層１５との磁気的な結合を防止し、またセンス電流が主に流れる層であり、Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇなど導電性を有する非磁性材料により形成されることが好ましい。特にＣｕによって形成されることが好ましい。
【０１０６】
フリー磁性層１５は、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。
【０１０７】
縦バイアス層１８の膜厚は、トラック幅方向の両端部付近において８０〜３００Å、例えば２００Åである。
【０１０８】
電極層１９は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
縦バイアス層１８には、凹部２１が形成されている。凹部２１の側面２１ａ，２１ａは、基板１１の表面１１ａに対して垂直になっている。図１では、凹部２１の底面２１ｂが縦バイアス層１８内に位置するように、凹部２１が形成されている。
【０１０９】
このとき、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にする。
【０１１０】
本実施の形態では、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成した場合でも、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０１１１】
すなわち、本実施の形態では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に容易に固定できる。
【０１１２】
本実施の形態のように、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にすると、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域では、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０１１３】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域Ｅ以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８との交換結合によって固定される。
【０１１４】
凹部２１の底面２１ｂに重なるフリー磁性層１５の領域Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０１１５】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅が前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。
【０１１６】
本発明では、凹部２１は一様の厚さで成膜された縦バイアス層１８を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凹部２１を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。
【０１１７】
また、本実施の形態では、基板１１上に直接第１の反強磁性層１２が積層されているが、基板１１上にアルミナ層及びＴａ等からなる下地層を介して反強磁性層１２が積層されてもよい。
【０１１８】
縦バイアス層１８が多層膜Ａ１の上層に積層されていると、フリー磁性層１５は、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が揃えられる。交換結合は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層（縦バイアス層１８）の直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直下から外れた領域には作用しない。すなわち、交換結合は凹部２１の底面２１ｂに重ならないトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄにのみ作用し、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域には作用しない。
【０１１９】
従って、縦バイアス層１８に形成された凹部２１の幅寸法として設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０１２０】
また、薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【０１２１】
さらに、本実施の形態では薄膜磁気素子の側端面Ｓ，Ｓが基板１１の表面１１ａに対して垂直となるように形成されることが可能なので、フリー磁性層１５の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【０１２２】
また、本実施の形態では、他の反強磁性層１７を鏡面反射層として形成することも可能である。他の反強磁性層１７を鏡面反射層として形成するためには、他の反強磁性層１７を、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の、単層膜または多層膜として形成すればよい。
【０１２３】
これらの材料を用いることにより、隣接する層との間に、充分なポテンシャル障壁を形成することが可能であり、その結果充分な鏡面反射効果を得ることができる。
【０１２４】
鏡面反射効果について説明する。図１１及び図１２は、スピンバルブ型薄膜磁気素子において鏡面反射層Ｓ１による鏡面反射効果を説明するための模式説明図である。スピンフィルター効果の説明において上述したように、ＧＭＲ効果では固定磁性層１１３の固定磁化方向によって規定されるアップスピン電子の挙動のみを考えればよい。
【０１２５】
固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が平行となる状態では、図１１及び図１２に示すように、アップスピン電子は、非磁性材料層１１４からフリー磁性層１１５にまで到達する。そして、フリー磁性層１１５内部を移動してフリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近に到達する。
【０１２６】
ここで図１１に示す鏡面反射層がない場合には、アップスピン電子がフリー磁性層１１５中を移動し、その上面において散乱する。このため、平均自由行程は図に示すλ⁺となる。
【０１２７】
一方、図１２のように、鏡面反射層Ｓ１がある場合には、フリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近にポテンシャル障壁が形成されるため、アップスピン電子がフリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近で鏡面反射（鏡面散乱）する。
【０１２８】
通常、伝導電子が散乱した場合には、その電子の持っているスピン状態（エネルギー、量子状態など）は変化する。しかし、鏡面散乱した場合には、このアップスピン電子はスピン状態が保存されたまま反射される確率が高く、再びフリー磁性層１１５中を移動することになる。つまり、鏡面反射よって、アップスピンの伝導電子のスピン状態が維持されるので、あたかも散乱されなかったようにフリー磁性層中を移動することになる。
【０１２９】
これは、アップスピン電子が鏡面反射した分、反射平均自由行程λ⁺ｓだけ平均自由行程が延びたことを意味する。
【０１３０】
固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が反平行となる状態では、アップスピン電子はフリー磁性層１１５の磁化方向に平行なスピンを持った電子でなくなる。すると、アップスピン電子は、フリー磁性層１１５と非磁性材料層１１４との界面付近で散乱されることになり、アップスピン電子の有効平均自由行程が急激に減少する。すなわち、抵抗値が増大する。抵抗変化率は、アップスピン電子の有効平均自由行程の変化量と正の相関関係を有する。
【０１３１】
鏡面反射層として機能する他の反強磁性層１７を有することのできる本実施の形態では、アップスピンの伝導電子の平均自由行程を伸ばすことができる。このため、外部磁界の印加によるアップスピン電子の平均自由行程の変化量が大きくなって、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させることができる。
【０１３２】
鏡面反射効果によるアップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程差の拡大はフリー磁性層の膜厚が比較的薄い場合により効果を発揮する。
【０１３３】
フリー磁性層１５の膜厚が１５Åより薄いと強磁性材料層として機能するように形成することが難しくなり充分な磁気抵抗効果を得ることができない。
【０１３４】
また、フリー磁性層１５の膜厚が４５Åより厚いと前記鏡面反射層に到達する前に散乱されてしまうアップスピンの伝導電子が増加して鏡面反射効果（specular effect）によって抵抗変化率が変化する割合が減少するため好ましくない。
【０１３５】
また、図１では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる前記第１固定磁性層１３ａと前記第２固定磁性層１３ｃが、前記非磁性中間層１３ｂを介して積層されたものが、一つの固定磁性層１３として機能する。
【０１３６】
第１固定磁性層１３ａは反強磁性層１２と接して形成され、磁場中アニールが施されることにより、第１固定磁性層１３ａと反強磁性層１２との界面にて交換結合による交換異方性磁界が生じ、第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定される。第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１３ｂを介して対向する第２固定磁性層１３ｃの磁化方向が、第１固定磁性層１３ａの磁化方向と反平行の状態で固定される。
【０１３７】
なお、第１固定磁性層１３ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２固定磁性層１３ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向が固定磁性層１３の磁化方向となる。
【０１３８】
このように、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃの磁化方向は、反平行となるフェリ磁性状態になっており、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃとが互いに他方の磁化方向を固定しあうので、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に安定させることができるので好ましい。
【０１３９】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。
【０１４０】
図１では、前記第１固定磁性層１３ａ及び前記第２固定磁性層１３ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせている。
【０１４１】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０１４２】
固定磁性層１３が非磁性中間層１３ｂの上下に第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃが積層されたものとして形成されると、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃが互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第１の反強磁性層１２と固定磁性層１３との交換結合磁界Ｈｅｘを、例えば８０〜１６０ｋＡ／ｍという大きな値として得ることができる。従って、第１の反強磁性層１２の磁化方向をハイト方向に向けるための第１の磁場中アニールを行った後の、縦バイアス層１８の磁化方向をトラック幅方向に向けるための第２の磁場中アニールによって、固定磁性層１３の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、縦バイアス層１８による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【０１４３】
また、本実施の形態では、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃの静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層１５の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【０１４４】
従って、フリー磁性層１５の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【０１４５】
ここで、アシンメトリーとは、再生出力波形の非対称性の度合いを示すものであり、再生出力波形が与えられた場合、波形が対称であればアシンメトリーが小さくなる。従って、アシンメトリーが０に近づく程再生出力波形が対称性に優れていることになる。
【０１４６】
前記アシンメトリーは、フリー磁性層の変動磁化の方向と固定磁性層の固定磁化の方向とが直交しているときに０となる。アシンメトリーが大きくずれるとメディアからの情報の読み取りが正確にできなくなり、エラーの原因となる。このため、前記アシンメトリーが小さいものほど、再生信号処理の信頼性が向上することになり、スピンバルブ薄膜磁気素子として優れたものとなる。
【０１４７】
また、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層１５内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層１３を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層１５内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【０１４８】
本実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法を説明する。
まず、基板１１側から第１の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、他の反強磁性層１７からなる多層膜Ａ１を形成する。
【０１４９】
第１の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０１５０】
次に、多層膜Ａ１を第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第１の反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０１５１】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０１５２】
多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７は、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、多層膜Ａ１の状態で他の反強磁性層１７の表面をイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａ１の最上層に他の反強磁性層１７が積層されているので、フリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。
【０１５３】
次に、多層膜Ａ１上に、第２の反強磁性層である縦バイアス層１８を成膜し、縦バイアス層１８の上層に電極層１９を成膜する。
【０１５４】
次に、電極層１９上にレジストを積層し、電極層１９上をトラック幅Ｔｗの間隔を開けてマスキングする。
【０１５５】
さらに、縦バイアス層１８の前記レジストによってマスクされない部分を、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、基板１１の表面１１ａに対して垂直方向に削りこむことにより凹部２１を形成する。凹部２１の側面２１ａ，２１ａは、基板１１の表面１１ａに対して垂直になっている。図１の薄膜磁気素子では、凹部２１の底面２１ｂが縦バイアス層１８内に位置するように、凹部２１を形成している。
【０１５６】
このとき、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にする。
【０１５７】
凹部２１形成後、電極層１９，１９まで形成された多層膜Ｂ１を、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層１８に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０１５８】
前記第２の熱処理後、前記レジスト層を除去すると、図１に示されたような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０１５９】
縦バイアス層１８の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第１の反強磁性層１２が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０１６０】
本実施の形態のように、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にすると、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８及び他の反強磁性層１７の領域では、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０１６１】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域Ｅ以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８との交換結合によって固定される。
【０１６２】
凹部２１の底面２１ｂに重なるフリー磁性層１５の領域Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０１６３】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。上述したように、本発明では、凹部２１は一様の厚さで成膜された縦バイアス層１８を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凹部２１を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。
【０１６４】
なお、上記説明では縦バイアス層１８の上層に電極層１９を成膜した後、電極層１９上に前記レジストを積層して、縦バイアス層１８に凹部を形成したが、縦バイアス層１８の上層にレジストを積層して、縦バイアス層１８に凹部を形成した後、縦バイアス層１８の上層に電極層１９を積層してもよい。
【０１６５】
図２は、本発明の第２の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０１６６】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、凹部２１の底面２１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように、凹部２１を形成している点でのみ異っている。
【０１６７】
なお、本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂに重なる他の反強磁性層の領域の厚さｔ２を０より大きく３０Å以下にし、凹部２１の底面２１ｂに重なる他の反強磁性層の領域に磁場中アニールによって不規則−規則変態を生じさせず、交換結合磁界が発生しないようにしている。
【０１６８】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８との交換結合によって固定される。
【０１６９】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態において、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。
【０１７０】
凹部２１の底面２１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように凹部２１が形成されている本実施の形態の薄膜磁気素子でも、図１の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０１７１】
図２に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図１に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０１７２】
図３は、本発明の第３の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０１７３】
第１の実施の形態と異なる点は、フリー磁性層１５の上層に、他の反強磁性層１７を積層せず、最上層がフリー磁性層１５である多層膜Ａ２を形成し、多層膜Ａ２上に縦バイアス層１８を積層する点でのみ異っている。
【０１７４】
なお、本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さｔ３を０より大きく３０Å以下にし、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域に磁場中アニールによる不規則−規則変態を生じさせず、交換結合磁界が発生しないようにしている。
【０１７５】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ縦バイアス層１８との交換結合によって固定される。
【０１７６】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。
【０１７７】
凹部２１は一様の厚さで成膜された縦バイアス層を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凹部２１を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。
【０１７８】
本実施の形態の薄膜磁気素子を形成するときには、多層膜Ａ２を第１の磁場中アニールにかけて固定磁性層１３の磁化方向を固定する。しかし、多層膜Ａ２の最上層がフリー磁性層１５であるため、多層膜Ａ２を第１の磁場中アニールにかけたときに、フリー磁性層１５の表面が酸化する。従って、縦バイアス層１８を積層する前に、フリー磁性層１５の表面をイオンミリングなどで２０Å程削って酸化した部分を除去する。フリー磁性層１５の膜厚は、磁気抵抗効果に大きく影響するので、始めにフリー磁性層１５を成膜するときに、最終的な製品における膜厚よりもイオンミリングなどで削る厚さ分だけ、例えば２０Å程度、厚く成膜しておくことが好ましい。または、縦バイアス層１８を積層する前に、イオンミリングなどで削られた厚さ分だけ、フリー磁性層１５を成膜しなおし、その後連続的に縦バイアス層１８を成膜してもよい。
【０１７９】
また、多層膜Ａ２を第１の磁場中アニールにかけて第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けた後、縦バイアス層１８を積層して、図示Ｘ方向の第２の磁場中アニールにかける。
【０１８０】
第２の磁場中アニールにおける前記第２の熱処理温度を、第１の反強磁性層１２が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくすることにより、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０１８１】
図３に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子が奏する効果と同等の効果を奏することができる。
【０１８２】
図４は、本発明の第４の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０１８３】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、フリー磁性層３１を、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃを非磁性中間層３１ｂを介して積層された、いわゆるシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成する点でのみ異っている。
【０１８４】
第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金により形成されることが好ましい。
【０１８５】
また、非磁性中間層３１ｂは、非磁性材料により形成されるもので、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。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０１８６】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成されていてもよい。この拡散防止層は第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の相互拡散を防止する。
【０１８７】
なお、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃは、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントが異なるように形成されている。単位面積あたりの磁気モーメントは、飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で表される。従って、例えば、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることができる。
【０１８８】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成される場合には、第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと前記拡散防止層の単位面積あたりの磁気モーメントの和と、第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることが好ましい。
【０１８９】
なお、第２フリー磁性層３１ｃの厚さｔｆ２は０．５〜２．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１は２．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。なお、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が３．０〜４．０ｎｍの範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは３．５〜４．０ｎｍの範囲であることである。第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が前記の範囲を外れると、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を大きくすることができなくなるので好ましくない。
【０１９０】
図４では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃが、非磁性中間層３１ｂを介して積層されたものが、一つのフリー磁性層３１として機能する。
【０１９１】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向は１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になっている。このとき、単位面積あたりの磁気モーメントが大きい方、例えば、第１フリー磁性層３１ａの磁化方向が、縦バイアス層１８から発生する磁界の方向に向き、第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が、１８０度反対方向に向いた状態になる。
【０１９２】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になると、フリー磁性層３１の膜厚を薄くすることと同等の効果が得られ、飽和磁化が小さくなり、フリー磁性層３１の磁化が変動しやすくなって、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が向上する。
【０１９３】
第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向がフリー磁性層３１の磁化方向となる。
【０１９４】
ただし、固定磁性層１３の磁化方向との関係で出力に寄与するのは第１フリー磁性層３１ａの磁化方向のみである。
【０１９５】
また、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層の磁気的膜厚の関係が異ならされていると、フリー磁性層３１のスピンフロップ磁界を大きくできる。
【０１９６】
スピンフロップ磁界とは、磁化方向が反平行である２つの磁性層に対し、外部磁界を印加したときに、２つの磁性層の磁化方向が反平行でなくなる外部磁界の大きさを差す。
【０１９７】
図１０は、フリー磁性層３１のヒステリシスループの概念図である。このＭ−Ｈ曲線は、図４に示す構成のフリー磁性層に対してトラック幅方向から外部磁界を印加したときの、フリー磁性層の磁化Ｍの変化を示したものである。
【０１９８】
また、図１０中、Ｆ１で示す矢印は、第１フリー磁性層の磁化方向を表わし、Ｆ２で示す矢印は、第２フリー磁性層の磁化方向を表わす。
【０１９９】
図１０に示すように、外部磁界が小さいときは、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層がフェリ磁性状態、すなわち矢印Ｆ１及びＦ２の方向が反平行になっているが、外部磁界Ｈの大きさがある値を越えると、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層のＲＫＫＹ結合が壊され、フェリ磁性状態を保てなくなる。これが、スピンフロップ転移である。またこのスピンフロップ転移が起きるときの外部磁界の大きさがスピンフロップ磁界であり、図１０ではＨｓｆで示している。なお、図中Ｈｃｆは、フリー磁性層の磁化の保磁力を示している。
【０２００】
第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントが異なるように形成されているとフリー磁性層３１のスピンフロップ磁界Ｈｓｆが大きくなる。これにより、フリー磁性層３１がフェリ磁性状態を保つ磁界の範囲が広くなり、フリー磁性層３１のフェリ磁性状態の安定度が増す。
【０２０１】
また本実施の形態では、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【０２０２】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである。
【０２０３】
これにより第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間で発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０２０４】
よって、縦バイアス層１８の下に位置する第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの両側端部の磁化を適切に反平行状態にピン止めでき、サイドリーディングの発生を抑制することができる。
【０２０５】
なお第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの双方を前記ＣｏＦｅＮｉ合金で形成することが好ましい。これにより、より安定して高いスピンフロップ磁界を得ることができ、第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃとを適切に反平行状態に磁化できる。
【０２０６】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁歪を−３×１０^-6から３×１０^-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。
【０２０７】
さらに、フリー磁性層３１の軟磁気特性の向上、非磁性材料層１４間でのＮｉの拡散による抵抗変化量（ΔＲ）や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低減の抑制を適切に図ることが可能である。
【０２０８】
本実施の形態でも、フリー磁性層３１の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２０９】
図４に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図１に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０２１０】
なお、図１から図３に示される薄膜磁気素子のフリー磁性層１５をシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成してもよい。
【０２１１】
図５は、本発明の第５の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側からみた断面図である。
【０２１２】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間に中間層９１が設けられている点で図４に示された薄膜磁気素子と異なっている。中間層９１はＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成されることが好ましい。特にＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。
【０２１３】
中間層９１が形成されたことで、非磁性材料層１４との界面での金属元素等の拡散防止、及び、抵抗変化量（ΔＲ）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることができる。なお中間層９１は５Å程度で形成される。
【０２１４】
特に非磁性材料層１４と接する第１フリー磁性層３１ａを上記組成比のＣｏＦｅＮｉ合金で形成すれば、非磁性材料層１４との間における金属元素の拡散を適切に抑制できるから、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層９１を形成する必要性は、第１フリー磁性層３１ａをＮｉＦｅ合金などのＣｏを含まない磁性材料で形成する場合に比べて少ない。
【０２１５】
しかし第１フリー磁性層３１ａをＣｏＦｅＮｉ合金で形成する場合でも、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間にＣｏＦｅ合金やＣｏからなる中間層９１を設けることが、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間での金属元素の拡散をより確実に防止できる観点から好ましい。
【０２１６】
また第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間に中間層９１を設け、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方をＣｏＦｅＮｉ合金で形成するとき、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。
【０２１７】
これにより第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間で発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０２１８】
よって、縦バイアス層１８の下に位置する第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの両側端部の磁化を適切に反平行状態にピン止めでき、サイドリーディングの発生を抑制することができる。
【０２１９】
なお本発明では、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの双方を前記ＣｏＦｅＮｉ合金で形成することが好ましい。これにより、より安定して高いスピンフロップ磁界を得ることができる。
【０２２０】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの磁歪を−３×１０^-6から３×１０^-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。さらに、前記フリー磁性層２４の軟磁気特性の向上を図ることができる。
【０２２１】
図６は、本発明の第６の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側からみた断面図である。
【０２２２】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、図１の薄膜磁気素子を構成する多層膜Ａ１上に、第２の反強磁性層である１対の縦バイアス層４１，４１がトラック幅Ｔｗの間隔を開けて配置され、また、縦バイアス層４１，４１上に電極層４２，４２が積層されているものである。
【０２２３】
第１の反強磁性層１２、第１固定磁性層１３ａ、非磁性中間層１３ｂ、第２固定磁性層１３ｃ、非磁性材料層１４、第１フリー磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、第２フリー磁性層３１ｃ、他の反強磁性層１７の材料、及び膜厚は図１の薄膜磁気素子を構成する多層膜Ａ１と同じである。
【０２２４】
また、縦バイアス層４１，４１は、第１の反強磁性層１２及び他の反強磁性層１７と同様に、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１または２種以上の元素である）合金で形成する。
【０２２５】
縦バイアス層４１，４１の両端部の膜厚は、８０〜３００Å、例えば２００Åである。
【０２２６】
電極層４２，４２は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
【０２２７】
縦バイアス層４１，４１が多層膜Ａ１の上層に積層されていると、フリー磁性層１５は、縦バイアス層４１，４１との交換結合によって磁化方向が揃えられる。交換結合は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層（縦バイアス層４１，４１）の直下に位置する磁性層の領域Ｄ，Ｄとの間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直下から外れた領域Ｅには作用しない。
【０２２８】
従って、縦バイアス層４１，４１の間隔寸法として設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本実施の形態の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０２２９】
また、薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【０２３０】
ただし、本実施の形態では、縦バイアス層４１，４１の膜厚方向寸法がトラック両脇部分Ｓｂにおいて減少している。このため、トラック両脇部分Ｓｂにおけるフリー磁性層１５と縦バイアス層４１，４１との交換結合の効果が減少してしまう。その結果、図６におけるフリー磁性層１５のトラック両脇部分Ｓｂの磁化方向が、Ｘ方向に完全に固定されず、外部磁界が印加されたときに変化してしまう。
【０２３１】
特に、磁気記録媒体における記録密度を向上させるために、狭トラック化を図った場合、本来トラック幅Ｔｗの領域内で読み取るべき磁気記録トラックの情報だけでなく、隣接する磁気記録トラックの情報を、トラック両脇部分Ｓｂの領域において読み取ってしまうという、サイドリーディングが発生する可能性がある。
【０２３２】
さらに、本発明では薄膜磁気素子の前記多層膜の側端面Ｓ，Ｓが基板表面に対して垂直となるように形成されることが可能なので、フリー磁性層１５の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【０２３３】
本実施の形態においても、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層４１，４１を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成した場合に、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層４１，４１の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２３４】
また、本実施の形態では他の反強磁性層１７を、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の単層膜または多層膜として形成することにより、他の反強磁性層１７を鏡面反射層として機能させることができる。
【０２３５】
鏡面反射層である他の反強磁性層１７はフリー磁性層１５との界面においてポテンシャル障壁を形成し、フリー磁性層１５中を移動するアップスピンの伝導電子を、そのスピンの状態を保存させたまま反射させることができアップスピンの伝導電子の平均自由行程をさらに延すことができる。つまり、いわゆる鏡面反射効果を発現させることが可能になり、アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程の行程差をさらに大きくすることができる。
【０２３６】
すなわち、外部磁界の作用によって伝導電子全体の平均自由行程を大きく変化させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくさせることができる。
【０２３７】
鏡面反射効果によるアップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程差の拡大はフリー磁性層１５の膜厚が比較的薄い場合により効果を発揮する。
【０２３８】
フリー磁性層１５の膜厚が１５Åより薄いと強磁性材料層として機能するように形成することが難しくなり充分な磁気抵抗効果を得ることができない。
【０２３９】
また、フリー磁性層１５の膜厚が４５Åより厚いと他の反強磁性層１７（鏡面反射層）に到達する前に散乱されてしまうアップスピンの伝導電子が増加して鏡面反射効果（specular effect）によって抵抗変化率が変化する割合が減少するため好ましくない。
【０２４０】
また、図６では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃが、非磁性中間層１３ｂを介して積層されたものが、一つの固定磁性層１３として機能する。
【０２４１】
第１固定磁性層１３ａは第１の反強磁性層１２と接して形成され、磁場中アニールが施されることにより、第１固定磁性層１３ａと反強磁性層１２との界面にて交換結合による交換異方性磁界が生じ、第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定される。第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１３ｂを介して対向する第２固定磁性層１３ｃの磁化方向が、第１固定磁性層１３ａの磁化方向と反平行の状態で固定される。
【０２４２】
なお、第１固定磁性層１３ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２固定磁性層１３ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向が固定磁性層１３の磁化方向となる。
【０２４３】
このように、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃの磁化方向は、反平行となるフェリ磁性状態になっており、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃとが互いに他方の磁化方向を固定しあうので、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に安定させることができるので好ましい。
【０２４４】
図６では、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせている。
【０２４５】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。
【０２４６】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０２４７】
固定磁性層１３が非磁性中間層１３ｂの上下に第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃが積層されたものとして形成されると、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃが互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第２の反強磁性層１２と固定磁性層１３との交換結合磁界Ｈｅｘを例えば８０〜１６０ｋＡ／ｍという大きな値として得ることができる。従って、第２の反強磁性層１２の磁化方向をハイト方向に向けるための第１の磁場中アニールを行った後の、縦バイアス層４１の磁化方向をトラック幅方向に向けるための第２の磁場中アニールによって、固定磁性層１３の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、縦バイアス層４１による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【０２４８】
また、本実施の形態では、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃの静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層１５の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【０２４９】
従って、フリー磁性層１５の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【０２５０】
また、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層１５内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層１３を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層１５内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【０２５１】
本実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法を説明する。
まず、基板１１側から第２の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、他の反強磁性層からなる多層膜Ａ１を形成する。
【０２５２】
第２の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０２５３】
次に、多層膜Ａ１上にリフトオフ用のレジスト層を形成する。多層膜Ａ１のうちトラック幅Ｔｗの領域を前記レジスト層によって完全に覆われた状態にしておく。
【０２５４】
多層膜Ａ１を第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第２の反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２５５】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０２５６】
多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７の前記レジスト層によってマスクされていない領域が、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、他の反強磁性層１７の表面を、他の反強磁性層１７の表面に対し垂直方向から入射するイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａ１の最上層に他の反強磁性層１７が積層されているので、フリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。
【０２５７】
さらに、前記多層膜Ａ１の上層に第２の反強磁性層である縦バイアス層４１，４１、及び電極層４２，４２を成膜する。本実施の形態では、この縦バイアス層４１，４１の成膜及び電極層４２，４２の成膜の際に使用されるスパッタ法は、イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、あるいはコリメーションスパッタ法のいずれか１種以上であることが好ましい。
【０２５８】
リフトオフ用の前記レジスト層の両端部によって覆われている領域は、スパッタ粒子が積層されにくい。従って、レジスト層の両端部によって覆われている領域付近は、縦バイアス層４１，４１及び電極層４２，４２は膜厚が薄く形成され、縦バイアス層４１，４１及び電極層４２，４２の膜厚方向寸法がトラック両脇部分Ｓｂにおいて減少している。
【０２５９】
電極層４２，４２まで形成された多層膜Ｂ２を、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層４１，４１に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２６０】
なお、本発明ではフリー磁性層１５は、縦バイアス層４１との交換結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられる。
【０２６１】
前記第２の熱処理後、前記レジスト層を除去すると、図６に示されたような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０２６２】
縦バイアス層４１の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層４１の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第１の反強磁性層が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第１の反強磁性層の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第１の反強磁性層１２と縦バイアス層４１を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第１の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層４１の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２６３】
すなわち、本発明では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０２６４】
本実施の形態のように、他の反強磁性層１７の厚さｔ４を０より大きく３０Å以下にすると、縦バイアス層４１，４１が形成されていない領域Ｅでは、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０２６５】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、縦バイアス層４１，４１に重なる部分のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層４１，４１との交換結合によって固定される。
【０２６６】
フリー磁性層１５の縦バイアス層４１，４１に重ならない部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層４１，４１との交換結合磁界によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、縦バイアス層４１，４１のトラック幅方向の間隔が、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗとなる。
【０２６７】
図７は、本発明の第７の実施の形態をＡＢＳ面側から見た断面図である。
図７の薄膜磁気素子は、基板６１上に、電極層６２，６２及び第２の反強磁性層である縦バイアス層６３，６３が、基板６１に形成された凸部６１ａを間に挟んで形成され、さらに、第１フリー磁性層６４ａ、非磁性中間層６４ｂ、第２フリー磁性層６４ｃからなるフリー磁性層６４、非磁性材料層６５、第１固定磁性層６６ａ、非磁性中間層６６ｂ、第２固定磁性層６６ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６６、第１の反強磁性層６７、保護層６８が成膜されたものである。図７の薄膜磁気素子は、いわゆるトップスピン型のスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０２６８】
電極層６２，６２、第２の反強磁性層である縦バイアス層６３，６３、第１フリー磁性層６４ａ、非磁性中間層６４ｂ、第２フリー磁性層６４ｃからなるフリー磁性層６４、非磁性材料層６５、第１固定磁性層６６ａ、非磁性中間層６６ｂ、第２固定磁性層６６ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６６、第１の反強磁性層６７、保護層６８は、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。また、各層の材料は、図１の薄膜磁気素子を形成するときに用いた材料と同じ材料を用いている。
【０２６９】
図７の薄膜磁気素子は、例えば以下の方法によって形成することができる。
まず、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、基板６１を削って凸部６１ａを形成し、凸部６１ａの両側部に電極層６２，６２及び縦バイアス層６３、６３を成膜する。凸部６１ａの側面６１ｂ，６１ｂは、基板６１表面に対して垂直になっている。
【０２７０】
さらに、第１フリー磁性層６４ａ、非磁性中間層６４ｂ、第２フリー磁性層６４ｃからなるフリー磁性層６４、非磁性材料層６５、第１固定磁性層６６ａ、非磁性中間層６６ｂ、第２固定磁性層６６ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６６まで積層し、多層膜Ａ３を形成する。
【０２７１】
次に、多層膜Ａ３を第１の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、縦バイアス層６３、６３に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層６４の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。
【０２７２】
さらに、第１の反強磁性層６７、Ｔａからなる保護層６８を成膜し、第２の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、第１の反強磁性層６７に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層６６の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。
【０２７３】
第１の反強磁性層６７と固定磁性層６６との間の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、縦バイアス層６３，６３の交換異方性磁界の方向を図示Ｘ方向に向けたまま、第１の反強磁性層６７の交換異方性磁界を図示Ｙ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、縦バイアス層６３，６３が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを縦バイアス層の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、縦バイアス層６３，６３と第１の反強磁性層６７を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、縦バイアス層６３，６３の交換異方性磁界の方向を図示Ｘ方向に向けたまま、第１の反強磁性層６７の交換異方性磁界を図示Ｙ方向に向けることができる。
【０２７４】
すなわち、本発明では、フリー磁性層６４の磁化方向を、固定磁性層６６の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０２７５】
本実施の形態では、フリー磁性層６４の磁化方向は、トラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層６３，６３との交換結合によって固定される。
【０２７６】
フリー磁性層６４の凸部６１ａの上面６１ｃに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層６３，６３との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０２７７】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凸部の幅寸法Ｔｗによって決定される。上述したように、本実施の形態では、凸部６１ａは基板６１を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板６１表面に対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凸部６１ａを形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。
【０２７８】
図８の薄膜磁気素子は、本発明の第８の実施の形態をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０２７９】
図８の薄膜磁気素子は、図４の薄膜磁気素子とほとんど同じであるが、電極層７０，７０が第１の反強磁性層１２から縦バイアス層１８まで積層された積層体の両側端部に接続されている点のみが異っている。
【０２８０】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、非磁性材料層１４やフリー磁性層３１に比べて抵抗値の高い縦バイアス層１８を介さずに、電極層７０，７０から非磁性材料層１４及びフリー磁性層３１付近にセンス電流を与える割合を向上させることができる。また、磁気抵抗変化率に寄与する前記積層体と電極層７０，７０との間の接続抵抗を低減させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくさせることができる。
【０２８１】
また、フリー磁性層３１の単磁区化を保った状態で電極層７０，７０からフリー磁性層３１付近に直接センス電流を与えることができるため、サイドリーディングを防止することができ、一層の高記録密度化に対応することができる。
【０２８２】
なお、一対の電極層７０，７０は、少なくともフリー磁性層３１、非磁性材料層１４、固定磁性層１３の膜面方向両側に配置されるものであってもよい。
【０２８３】
図９は、本発明の第９の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０２８４】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、凹部８１の側面８１ａ，８１ａが基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に対する傾斜面となっている点でのみ異っている。
【０２８５】
本実施の形態でも、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層１８及び他の反強磁性層１７の領域の厚さｔ５を０より大きく３０Å以下にし、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層及び他の反強磁性層１７の領域に磁場中アニールによる不規則−規則変態を生じさせず、交換結合磁界が発生しないようにしている。
【０２８６】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部８１の底面８１ｂに重なる部分以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８との交換結合によって固定される。
【０２８７】
フリー磁性層１５の凹部８１の底面８１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８との交換結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗは、凹部８１の底面８１ｂの幅寸法によって決定される。
【０２８８】
本実施の形態の薄膜磁気素子でも、図１の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２８９】
図９に示された薄膜磁気素子は以下に示す製造方法によって製造できる。
まず、基板１１側から第２の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、他の反強磁性層１７からなる多層膜Ａ１を形成する。
【０２９０】
第２の反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０２９１】
次に、多層膜Ａ１を第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第２の反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２９２】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０２９３】
多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７は、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、多層膜Ａ１の状態で他の反強磁性層１７の表面をイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａ１の最上層に他の反強磁性層１７が積層されているので、フリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。次に、多層膜Ａ１上に、第２の反強磁性層である縦バイアス層１８を成膜する。
【０２９４】
次に、縦バイアス層１８の表面に、トラック幅より若干広い幅の領域を覆うリフトオフ用のレジストを積層した後、このリフトオフ用レジストの両側であって縦バイアス層１８上に、トラック幅方向に間隔を開けて一対の電極層７１，７１を成膜する。次に、前記リフトオフ用のレジストを除去する。さらに前記一対の電極層７１，７１をマスクとして、縦バイアス層１８の一対の電極層７１，７１で挟まれた領域を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて削り込んで縦バイアス層１８に凹部８１を形成する。
【０２９５】
リフトオフ用のレジストを用いて形成された電極層７１，７１には傾斜面７１ａ，７１ａが形成されるので、電極層７１，７１をマスクとして縦バイアス層１８の電極層１９，１９で挟まれた領域を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて削り込むと、縦バイアス層１８に形成された凹部８１の側面部８１ａ，８１ａは、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向から若干傾斜する。
【０２９６】
図９の薄膜磁気素子では、凹部８１の底面８１ｂが縦バイアス層１８内に位置するように、凹部８１を形成している。
【０２９７】
このとき、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ５を０より大きく３０Å以下にする。
【０２９８】
凹部８１形成後、電極層７１，７１まで形成された多層膜Ｂ３を、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層１８に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定すると図９に示したような薄膜磁気素子が得られる。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２９９】
縦バイアス層１８の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第２の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第２の反強磁性層１２が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第２の反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第２の反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２の反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０３００】
すなわち、本発明では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０３０１】
本実施の形態では、凹部８１の底面８１ｂの幅寸法がトラック幅Ｔｗを規定する。凹部８１の底面８１ｂの幅寸法は、前記レジストの寸法を調節すること及び凹部８１の深さ寸法を調節することにより規定することができる。
【０３０２】
なお、凹部８１の底面８１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように凹部８１を形成してもよい。
【０３０３】
また、多層膜Ａ１の代わりに図３に示された多層膜Ａ２、図７に示された多層膜Ａ３のいずれかを形成して第１の磁場中アニールを行った後、縦バイアス層１８の積層、前記レジスト層の積層、電極層７１，７１の形成、凹部８１の形成、及び第２の磁場中アニールを行ってもよい。これらの場合において、凹部８１の底面８１ｂは、縦バイアス層１８内、他の反強磁性層１７内のいずれかに位置するようにできる。
【０３０４】
なお、第１から第８の実施の形態において、固定磁性層１３が単層の強磁性材料層として形成されてもよい。
【０３０５】
また、図７または図８に示された薄膜磁気素子でも、第１フリー磁性層６４ａ及び第２フリー磁性層６４ｃの少なくとも一方、又は第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【０３０６】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである。
【０３０７】
これにより、第１フリー磁性層６４ａと第２フリー磁性層６４ｃ間、又は第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間で発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０３０８】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層６４ａ、第２フリー磁性層６４ｂ、第１フリー磁性層３１ａ、及び第２フリー磁性層３１ｃの磁歪を−３×１０^-6から３×１０^-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。
【０３０９】
さらに、フリー磁性層６４、３１の軟磁気特性の向上、非磁性材料層１４間でのＮｉの拡散による抵抗変化量（ΔＲ）や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低減の抑制を適切に図ることが可能である。
【０３１０】
また、第１フリー磁性層６４ａまたは第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間に、ＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成される中間層９１が設けられてもよい。
【０３１１】
中間層９１が設けられる場合には、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比を７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比を５原子％以上で１５原子％以下で、残り組成比をＣｏとすることが好ましい。
【０３１２】
また、図１から図３、図６及び図９に示された薄膜磁気素子において、フリー磁性層１５をシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成し、第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層の少なくとも一方を、組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである磁性材料で形成してもよい。
【０３１３】
また、第１フリー磁性層と非磁性材料層１４との間に、ＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成される中間層が設けられる場合には、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比を７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比を５原子％以上で１５原子％以下で、残り組成比をＣｏとすることが好ましい。
【０３１４】
図１から図６、図８及び図９に示された薄膜磁気素子を用いて磁気ヘッドを構成するときには、基板１１と第２の反強磁性層１２の間に、アルミナなどの絶縁性材料からなる下地層、この下地層上に積層される磁性合金からなる下部シールド層、及びこの下部シールド上に積層される絶縁性材料からなる下部ギャップ層が形成される。薄膜磁気素子は前記下部ギャップ層上に積層される。また、この薄膜磁気素子上には、絶縁性材料からなる上部ギャップ層、及びこの上部ギャップ層上に積層される磁性合金からなる上部シールド層が形成される。また、前記上部シールド層上に書き込み用のインダクティブ素子が積層されてもよい。
【０３１５】
また、図７に示された薄膜磁気素子を用いて磁気ヘッドを構成するときにも、薄膜磁気素子を上部ギャップ層、下部ギャップ層を介して、上部シールド層と下部シールド層の間に設置させる。このとき、前記下部ギャップ層の上面を図７に示された基板６１と同様の凸形状にして、その上層に図７の薄膜磁気素子を積層すればよい。
【０３１６】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明によれば、前記第２の反強磁性層が前記フリー磁性層の上層または下層に積層されているので、前記第２の反強磁性層との交換結合磁界によって前記フリー磁性層の磁化方向が揃えられる。交換結合磁界は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下から外れた領域には作用しない。
【０３１７】
従って、薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅にほぼ等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０３１８】
さらに、本発明の薄膜磁気素子では、前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層とが同じ組成の反強磁性材料を用いて形成される場合でも、前記第１の反強磁性層の磁化方向を固定する磁場中アニール後に、前記第２の反強磁性層の成膜を行うことにより、外部磁界が印加されていない状態で、前記フリー磁性層と前記固定磁性層の磁化方向を直交させることが容易にできる。
【０３１９】
特に本発明では、前記他の反強磁性層が前記第２の反強磁性層を成膜する前の磁場中アニールを行うときに、前記フリー磁性層が大気に触れて酸化することを防止する機能を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図２】 本発明の第２の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図３】 本発明の第３の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図４】 本発明の第４の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図５】 本発明の第５の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図６】 本発明の第６の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図７】 本発明の第７の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図８】 本発明の第８の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図９】 本発明の第９の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図１０】 シンセティックフェリフリー型のフリー磁性層のヒステリシスループの概念図、
【図１１】 鏡面反射層による鏡面反射効果を説明するための模式説明図、
【図１２】 鏡面反射層による鏡面反射効果を説明するための模式説明図、
【図１３】 従来の薄膜磁気素子の断面図、
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 第１の反強磁性層
１３ 固定磁性層
１３ａ 第１固定磁性層
１３ｂ 非磁性中間層
１３ｃ 第２固定磁性層
１４ 非磁性材料層
１５、３１ フリー磁性層
３１ａ 第１フリー磁性層
３１ｂ 非磁性中間層
３１ｃ 第２フリー磁性層
１７ 他の反強磁性層
１８、４１ 縦バイアス層
１９、４２ 電極層

Claims (24)

1. 第１の反強磁性層と、この第１の反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有する薄膜磁気素子において、前記フリー磁性層の上層または下層に第２の反強磁性層が積層されており、前記第２の反強磁性層との交換結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられ、かつ前記フリー磁性層と前記第２の反強磁性層の間に、他の反強磁性層が積層され、前記他の反強磁性層が、伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層であることを特徴とする薄膜磁気素子。
2. 前記鏡面反射層が伝導電子のスピン状態を保存する鏡面反射を生じる確率の高いエネルギーギャップを形成可能な材料から構成される請求項１に記載の薄膜磁気素子。
3. 前記鏡面反射層が半金属ホイッスラー合金から構成される請求項２に記載の薄膜磁気素子。
4. 前記半金属ホイッスラー合金が、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂのいずれか一つ以上の単層膜または多層膜から構成される請求項３に記載の薄膜磁気素子。
5. 前記フリー磁性層の膜厚が、１５〜４５Åの範囲に設定される請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
6. 前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
7. 前記他の反強磁性層の厚さが１０Å以上３０Å以下である請求項６に記載の薄膜磁気素子。
8. 前記第２の反強磁性層には、トラック幅に相当する幅寸法を有する凹部が形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
9. 前記凹部の側面は前記基板の表面に対する垂直面となっている請求項８に記載の薄膜磁気素子。
10. 前記凹部の底面が前記第２の反強磁性層内に設けられている請求項８または９に記載の薄膜磁気素子。
11. 前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項１０に記載の薄膜磁気素子。
12. 前記凹部の底面が、前記他の反強磁性層内に設けられている請求項８または９に記載の薄膜磁気素子。
13. 前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項１２に記載の薄膜磁気素子。
14. 前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されている請求項１ないし１３のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
15. 前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である請求項１ないし１４のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
16. 第１の反強磁性層と、この第１の反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有する薄膜磁気素子において、
    前記フリー磁性層の上層または下層に第２の反強磁性層が積層されており、前記第２の反強磁性層との交換結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられ、
    さらに、前記第２の反強磁性層には、トラック幅に相当する幅寸法を有する凹部が形成され、
    また前記第１の反強磁性層と前記第２の反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成され、
    かつ前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
    前記凹部の底面が前記第２の反強磁性層内に設けられていることを特徴とする薄膜磁気素子。
17. 前記凹部の底面に重なる前記第２の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項１６に記載の薄膜磁気素子。
18. 前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である請求項１ないし１７のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
19. 前記非磁性中間層は、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請求項１５ないし１８のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
20. 前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成する請求項１８または１９に記載の薄膜磁気素子。
    組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
21. 前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層と間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成する請求項１８または１９に記載の薄膜磁気素子。
22. 前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成する請求項２１記載の薄膜磁気素子。
    組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
23. 前記複数の強磁性材料層の全ての層を前記ＣｏＦｅＮｉで形成する請求項２０または２２に記載の薄膜磁気素子。
24. 前記第１の反強磁性層及び／又は前記第２の反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される請求項１ないし２３のいずれかに記載の薄膜磁気素子。

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