JP4144831B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置に関し、より詳細には、本発明は、スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子及びこの磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに搭載した磁気記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する電磁誘導でコイルに誘起される電圧を検出する方法によって行われてきた。一方、情報を読み出す場合に、磁気抵抗効果素子（以下、「ＭＲ」素子と呼ぶ）を用いることも知られている。（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７，１５０（１９７１）等参照）。ＭＲ素子を用いた磁気ヘッド（以下、「ＭＲヘッド」と呼ぶ）は、ある種の強磁性体の電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象を利用したものである。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生磁気信号が極めて微弱になってきており、より高感度に大きな出力が取り出せるＭＲヘッドヘの期待が高まっている。とくに、強磁性体／非磁性体／強磁性体のサンドイッチ構造の積層膜で、大きな磁気抵抗効果が得られている。すなわち、非磁性層を挟んだ２つの強磁性層の一方に、交換バイアスを及ぼして磁化を固定しておき、他方の強磁性体を外部磁界（信号磁界等）により磁化反転させる。これにより、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。この様なタイプの多層膜はスピンバルブ膜と呼ばれている（Phys.Rev.B.,Vo1.45,p806(1992)、J.Appl.Phys.,Vol.69,p4774(1991)等参照）。
【０００４】
スピンバルブ膜の磁気抵抗変化率は、５〜８％と大きく低磁場で磁化を変化させることが出来るため、ＭＲ素子に適している。ただし、記録密度のさらなる高密度化に対応するためには、さらに大きなＭＲ変化率をえる必要があり、現在の２倍から３倍以上のＭＲ変化率を得ることが望まれている。しかし、単純な金属積層タイプのスピンバルブ膜では、１０％以上のＭＲ変化率を得ることは困難となっている。それに対して最近、バイアス膜として、ＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３ などの酸化物からなる絶縁性の反強磁性体を用い、もう片方の磁性体の表面にも酸化物層を積層した、「スペキュラースピンバルブ膜」が注目を集めている。スペキュラースピンバルブ膜では、磁性体／非磁性体／磁性体のサンドイッチ膜をさらに絶縁体で挟み込むことにより、金属／絶縁体界面で電子を鏡面反射させ、約２０％程度の大きな磁気抵抗効果が得られることが知られている。スペキュラースピンバルブ膜では、磁性体／非磁性体／磁性体サンドイッチ膜の両側を酸化物層で挟む必要があるが、同時に、少なくとも片方の磁性体に接して磁化を固着するためのバイアス膜を積層する必要がある。そのため、現在ではＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３ などの酸化物反強磁性体が用いられているが、現在のところ、十分に良好なバイアス特性を持った酸化物反強磁性体は知られておらず、実用化のネックになっている。すなわち十分に大きな交換バイアス磁場と十分に高いブロッキング温度を持った絶縁性の反強磁性体がないため、スペキュラースピンバルブ膜を実用材料として使用することが困難になっている。
【０００５】
これに対して、最近、磁性体層の中に極薄の酸化物を挿入することによって、金属反強磁性体を用いながらスペキュラー効果を得る方法が提案されている。この方法を用いれば、大きな交換バイアス磁場と十分に高いブロッキング温度を持った金属反強磁性体を用いながら大きなＭＲ効果を得ることが可能になる。しかし、この場合極薄の酸化物層を精度良く作成することが重要であり、十分な再現性をもって良好な酸化物層を作成する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、スペキュラースピンバルブ膜の大きなＭＲ変化率を維持したうえで、良好な磁化固着膜のバイアス特性と両立させるとともに、軟磁気特性を改善した磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられた、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性中間層と、を有するスピンバルブ膜を備えた磁気抵抗効果素子であって、前記第１の磁性層は、第１の強磁性体金属層と、前記第１の強磁性体金属層の上に設けられたＣｒ ２ Ｏ ３ 層と、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の上に設けられた第２の強磁性体金属層と、を有し、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の厚さが０．５ｎｍまたは０．７ｎｍであることを特徴とし、電子を鏡面反射させる非金属層を極めて薄く且つ再現性良く形成することができる。
【００１５】
一方、本発明の磁気記録装置は、磁気記録媒体に対して情報を記録または再生する磁気ヘッドを備えた磁気記録装置であって、前記磁気ヘッドは、前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を有することを特徴とし、大きな再生信号出力と、良好な熱安定性とを実現させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。
【００１７】
さらに、この積層構造の両側には、硬磁性膜８０、８０が設けられ、それぞれの硬磁性膜の上には、電極８２、８２が設けられている。
【００１８】
本具体例においては、第１の磁性層２０は、磁化が固定され一方向異方性によるバイアスがかけられた「磁化固着層」として作用する。また、第２の磁性層４０は、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化反転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【００１９】
「磁化固着層」である第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４と強磁性層金属層２６をこの順に積層した構造を有する。さらに、本実施形態においては、非金属層２４が、第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂとを積層した構造を有する。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、電極８２、８２を介して図１に向かって左右方向にバイアス電圧を印加して磁気抵抗の変化を測定することにより、第２の磁性層４０に印加される磁場強度を検出することができる。この時に、バイアス電圧により生ずる電流は、主に第２の強磁性体金属層２６、非磁性中間層３０、及び第２の磁性層４０において面内方向に流れる。
【００２１】
ここで、磁気抵抗効果をより顕著に得るためには、バイアス電圧の印加に伴って面内方向に流れる電子の運動量の損失を低減する必要がある。
本発明によれば、まず、第２の磁性層４０の上に非金属層５０を設けることにより、これらの層の間で電子の鏡面反射を生じさせることができる。この結果として、電子の運動量の損失を低減することができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、第１の磁性層２０の中間に非金属層２４を設けることにより、第２の強磁性体金属層２６と非金属層２４との界面においても電子の鏡面反射を生じさせることができる。つまり、反強磁性層１０の材料として、ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎなどの金属性の反強磁性体を用いた場合には、反強磁性層１０と第１の磁性層２０との間において電子の鏡面反射を生じさせることは困難であり電子の運動量の損失が生ずるのに対して、本発明によれば、金属性の反強磁性体を用いながら電流経路の上下いずれの磁性層の界面においても電子反射を起こすことができる。
【００２３】
その結果として、電子の運動量の損失を極小化させ、反強磁性体を用いつつ、良好なバイアス磁場特性を実現することができる。さらに、２５０℃以上の高いブロッキング温度を保ちつつ、ＭＲ変化率として１５％以上の大きな値を得ることが可能になる。
【００２４】
ここで、第１の磁性層２０の中間に設ける非金属層２４は、その層厚が厚すぎるとその上下の強磁性体金属層２２と２６との磁気的なカップリングを妨害し、良好な磁化固着特性を得ることができないという問題を生ずる。一方、非金属層２４の層厚が薄すぎると、均一で連続的な薄膜の形成が困難となり、電子の鏡面反射を十分に生じさせることができない。つまり、非金属層２４として、極めて薄く且つ均一な薄膜を再現性良く形成する必要が生ずる。
【００２５】
一般に、極薄の非金属層を形成する場合には、まず非金属層を形成するための下地の金属層を形成し、その表面を酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、あるいはフッ素（Ｆ）などを含有した気体、もしくはそのプラズマなどの雰囲気に曝して反応させることより、形成することが望ましい。ただし、この場合に反応が進みすぎると、非金属層の厚さが厚くなりすぎるため、非金属層で磁気カップリングが切れてしまい、良好な磁化固着特性を得ることが難しくなってしまう。この為、再現性良く反応の進行を制御する必要があるが、従来の構成では反応の精密な制御は容易でなかった。
【００２６】
これに対して、本実施形態によれば、非金属層２４を第１の第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂとの積層構造とすることにより、非金属層２４の全体の層厚を再現性良く薄く形成することが可能となる。すなわち、本実施形態では、非金属層２４を形成するための材料として２種以上の材料の積層構成を用いる。第１の非金属層２４Ａの材料としては、酸化や窒化などの反応に対してより耐性の強い材料を用いる。また、第２の非金属層２４Ｂの材料としては、反応の後に、良好な電子反射を起こすことができる材料を用いる。
【００２７】
図２は、非金属層２４の形成方法を概念的に表す工程断面図である。
まず、図２（ａ）に表したように、下地層２２と薄膜Ｘとの積層構造を用意する。ここで、下地層２２は、第１の強磁性体金属層の一部を兼ねるものであり、且つ酸化や窒化あるいはフッ化に対して耐性の大きい材料からなることが望ましい。その材料としては、ニッケル（Ｎｉ）を含有したものであることが望ましく、例えば、ニッケル・鉄（ＮｉＦｅ）合金を用いることができる。
【００２８】
また、薄膜Ｘは、酸化、窒化またはフッ化により、良好な電子反射を起こすことができる材料からなる。その材料としては、例えば、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）に、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかの元素を添加したものを用いることができる。
【００２９】
また、薄膜Ｘの堆積は、例えば、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法により行うことができる。この際に、薄膜Ｘを十分に薄く堆積することは比較的容易である。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に表したように、第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂを形成する。具体的には、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）あるいはフッ素（Ｆ）を含有した雰囲気に曝すことにより、薄膜Ｘと下地２２の表面を反応させる。この際に、薄膜Ｘは、反応性が比較的高いために全体が反応し、第２の非金属層２４Ｂが形成される。しかし、その下の下地層２２は反応の耐性が大きい材料を含有するため、反応の進行が阻止され、極薄の非金属層２４Ａが形成される。つまり、非金属層２４の全体の膜厚は、薄膜Ｘの膜厚により実質的に決定される。このため、極薄且つ均一な非金属層２４を再現性良く形成することができる。
【００３１】
本発明によれば、下地が反応に対するストッパ層として作用し、極薄且つ均一な非金属層を再現性よく形成することができる。その結果として、電子の鏡面反射を生じさせつつ、第１の強磁性体金属層２２と第２の強磁性体金属層２６との磁気的なカップリングを確保して良好な磁化固着特性を得ることができる。
【００３２】
また、図１乃至図２においては、非金属層２４が２種類の非金属層からなる場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、非金属層２４の構造として、３種類あるいはそれ以上の非金属層からなる積層構造を採用しても良い。このような場合においても、上側に電子の鏡面反射を確保する層を設け、下側に過度の反応を阻止する役割を有する層を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
以下に、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を構成する各層の構成についてさらに詳細に説明する。
【００３４】
まず、非金属層２４の材料としては、酸化物、窒化物、あるいはフッ化物などを用いることができる。これらのうちで、非磁性材料（室温でスピンの強磁性磁化配列も、反強磁性配列もしない材料）を用いる場合は、非金属層２４のトータル厚さは３ｎｍ以下とすることが望ましい。これは、非金属層２４の厚さがこれ以上に厚くなると非金属層２４を挟んだ両側の強磁性体金属層２２、２６の間での磁気的結合力が小さくなり、非磁性中間層３０に接した強磁性体金属層２６の磁化の固着が困難になるためである。また、より良好な磁化固着を得るためには、非金属層２４の合計厚さを２ｎｍ以下とすることがより望ましい。
【００３５】
非金属層２４の材料として反強磁性体、もしくは強磁性体を用いる場合には、非金属層２４を介して上下の磁性層２２、２６を磁気的に固着出来る。従って、非金属層２４の合計の膜厚が５ｎｍ以下であれば十分に非磁性中間層３０に接した強磁性体金属層２６の磁化を固着することが可能である。ただし、より強固な磁性的結合を得るためには、非金属層２４の合計の厚さは３ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３６】
特に、強磁性体を用いることより大きなＭＲ変化率と層間結合を得ることができる。
【００３７】
また、非金属層２４の材料が反強磁性体である場合には、動作環境温度を考えるとネール温度が２５０℃以上であることが望ましく、３００℃以上であることがより望ましい。これは、ネール温度が低いと、上下の強磁性体層２２、２６の結合の熱的安定性が劣化するためである。
【００３８】
ただし、本発明においは、電子を鏡面反射させる非金属層２４を両側から強磁性体２２、２６で挟むため、強磁性体からの分子磁界によってバルク値よりもネール温度が上昇する。このため、電子反射層となる非金属層２４の両側は、キューリー点の高いＦｅ（鉄）系またはＣｏ（コバルト）系合金によってサンドイッチすることが望ましい。この方法によって、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のような材料においても、組成を適宜調整することによって十分に高いネール点を確保することが出来る。
【００３９】
一方、非金属層２４の材料が強磁性体である場合には、動作環境温度を考えるとキューリー温度が１００℃以上であることが望ましく、２００℃以上であることがさらに望ましい。この場合も、電子反射層となる非金属層２４を両側から強磁性体層２２、２６で挟むため、強磁性体からの分子磁界によってバルク値よりもキュリー点は上昇する。このため、非金属層２４の両側はキューリー点の高いＦｅ系またはＣｏ系合金でサンドイッチすることが望ましい。この方法によって、例えばペロブスカイト系のような材料においても、組成を適宜調整することによって十分に高いキューリー点を確保することが出来る。また、フェライト系のような材料においても、さらに十分なキューリー点を確保することが出来る。
【００４０】
一方、上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合の形態は、磁化が平行になるように結合していてもよく、磁化が反平行に結合していてもよい。また、磁化が略９０度の角度をなして結合していても良い。または、それ以外の角度をなしていても問題はない。結合の強さは、４００Ｏｅの外部磁場で１０度以内の角度変化となることが望ましい。
【００４１】
上下磁性層の結合を平行にするためには、非金属層２４の材料として強磁性体、もしくはフェリ磁性体を用いることが望ましい。ただし、反強磁性体を用いることもできる。その場合には、ＮｉＯのように原子のスタック（積層）に対して各原子層の磁化が反平行に配列するような絶縁体を用いることが望ましい。その場合に、磁性原子層の数が偶数に近くなるように非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。
【００４２】
すなわち、非金属層２４の材料としては、強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その時期的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ−０．２）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．２）が満足されるようなものを用いることが望ましい。ここで、時期的周期とは、非金属層の膜厚方向において生ずる磁化スピンの周期のことであり、例えば、磁気的な１周期が数原子層にわたってスパイラル状に変化するような場合も含む。
【００４３】
具体的には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のように、原子スタックに対して各原子層の磁化が反平行に配列している絶縁体を用いることができる。ＮｉＯの（１１１）配向膜はＮｉ原子層／酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層という積層構造を持っている。この場合の時期的周期は、酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層である。従って、非金属層の膜厚方向にみた酸素原子層の数が偶数に近くなるように、非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。但し、トータルとしての磁気的結合が平行であればよいため、必ずしもぴったりと偶数である必要はない。
【００４４】
ここで、前記非金属層の厚さは、一番界面に近い酸素原子層の強磁性金属層側に接している金属原子層の中心位置から、中心位置までの距離で定義する。また、より複雑な結晶構造を持った非金属層の場合も、一番界面に近い酸素原子層の金属層側に接している金属原子層の中心地位から、中心位置までの距離で定義する。また、より複雑な結晶構造を有する酸化物の場合においても、上記定義は同様に適用することができる。
【００４５】
上下の強磁性体金属層２２、２６の結合を反平行にするためには、非金属層２４の材料として、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ＋０．３）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．７）が満足されるようなものを用いることが望ましい。ここで、「磁気的周期」とは、非金属層の膜厚方向において生ずる磁化スピンの周期のことであり、例えば、磁気的な１周期が数原子層に渡ってスパイラル状に変化するような場合も含む。
【００４６】
具体的には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のように、原子スタックに対して各原子層の磁化が反平行に配列している絶縁体を用いることができる。この場合の「磁気的周期」は、酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層である。従って、非金属層の膜厚方向にみた原子層の数が奇数に近くなるように非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。但し、トータルとしての磁気結合が反平行であればよいため、からなずしもぴったりと奇数である必要はない。
【００４７】
また、フェリ磁性体を用いる場合も、強磁性体と電子反射層となる非金属層２４との界面での電子反射層の磁性サイトが一方向のスピンサイトが多くなるような面を選び、その上側界面と下側界面とでその方向が反平行となるよう、膜厚を選択することが望ましい。
【００４８】
また、非金属層２４は、アモルファス（非晶質）状態であってもよいが、微結晶状態または多結晶状態であることが望ましく、磁性体層とエピタキシャル関係にあることがさらに望ましい。特に、上下磁性層２２、２６の結合を強くし、かつ電子反射係数を増大させるためには、エピタキシャル関係にあることが望ましい。
【００４９】
また、非金属層２４は、完全に連続的な薄膜の状態であってもよいが、ピンホールがあいていてもよい。ピンホールが開いていると、その穴を通して上下磁性層２２、２６が磁気的に結合することが可能になるため、強い磁気結合を得ることが出来る。ただし、あまりピンホールの存在が多いと電子反射効果が小さくなるため、ピンホールの割合は面積にして全体の５０％以下であることが望ましい。さらに電子反射効果を上昇させるためには、ピンホールの割合は２０％以下であることが望ましく、１０％以下であることがさらに望ましい。
【００５０】
また、電子を鏡面反射する界面すなわち、第２の非金属層２４Ｂと強磁性体金属層２６との界面の平均の凹凸は２ｎｍ以上あってもよいが、２ｎｍ以下であることがより望ましい。界面の凹凸が２ｎｍ以上であると、電子反射係数が劣化するためにＭＲ変化率は減少してしまう。図１に例示したように、反強磁性層１０を下側に設けた場合にはスピンバルブ膜の平滑性が上昇し、表面、もしくは界面の凹凸が減少するため、より大きな電子反射効果を得ることができる。この場合に界面の凹凸をさらに減少させるために、反強磁性層１０の下地としては、タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），アルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。
【００５１】
また、基板との濡れ性を向上させる下地層を設け、さらに、その上に銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ）のような結晶配向性を向上させる材料を積層した上に反強磁性層１０を堆積しても良い。このとき下地と、その上に積層される金属層との格子定数の差は、５％以内とすることが望ましい。このことによって、全体の平滑性と配向性を向上させることが可能となり、電子反射係数が上昇し、より大きなＭＲ効果を得ることができる。
【００５２】
電子反射層としての非金属層２４は、必ずしも配向している必要はないが、より望ましくは最密面配向している方がよい。電子反射層を最密面に配向させることにより、より大きな電子反射率を得ることが可能となる。また、その上に積層する強磁性体金属層２６の膜質が向上し、図１のような反強磁性層１０を下側に設けた構造では、軟磁気特性を向上させることも可能である。
【００５３】
強磁性体金属層２２、２６、あるいは第２の磁性層４０の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）などの磁性体を用いることができるが、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどのような２元系磁性合金でも良い。特に大きなＭＲ変化率と良好な軟磁気特性を得るためには、コバルト（Ｃｏ）を含んだ磁性合金を用いることが望ましい。コバルト系合金を用いることにより大きなスピン依存散乱と、良好な電子反射効果とを得ることが可能となり、大きなＭＲ効果を得ることができる。また、同様に３元以上の磁性体合金を用いても良い。
【００５４】
また、強磁性体金属層２２、２６の材料は、必ずしも同一である必要はなく、一方がＮｉＦｅで、他方がＣｏＦｅというように変えてもよい。この場合には、非磁性中間層３０に接していない強磁性体金属層２２の抵抗が高い方がシャントの効果を低減することができるため、強磁性体金属層２２には、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高抵抗化添加物を添加することが望ましい。
【００５５】
特に、図１に例示した構造において、第１の強磁性体金属層２２を２層構造とし、その下側の層を、磁気固着層として実質的に作用する層、上側の層を反応を阻止する層として作用させることができる。この場合の下側の層の材料としては、ＭＲ変化量に影響を及ぼすバルク効果が大きいものが望ましい。具体的には、例えば、コバルト（Ｃｏ）系磁性合金を挙げることができ、その層厚は相対的に厚く形成することが望ましい。一方、この場合の上側の層の材料としては、前述したように、ニッケル系の磁性合金とすることができ、その層厚は反応を阻止することができる範囲で薄く形成することが望ましい。
【００５６】
さらに、これらの磁性層２２、２６、４０は、それぞれ２層以上の磁性体と非磁性体の積層構造となっていても良い。例えば、ＣｏＦｅ／Ｃｕのような２層構造とされていても良い。または、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような３層構造とされていても良く、または、４層以上の積層構造であっても良い。
【００５７】
また、これらの磁性層は、必ずしも配向している必要はないが、最密面配向していることが望ましく、結晶格子の構造がｆｃｃの磁性体では（１１１）面配向していることが望ましく、ｂｃｃ構造の磁性体では（１００）面配向していることが望ましく、ｈｃｐ構造の磁性体では、ｃ面が面内配向していることが望ましい。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図３においては簡単のために省略した。
【００６０】
本実施形態においては、第１の強磁性体金属層２２が、２種以上の強磁性体の積層構造からなることを特徴としている。すなわち、図３に表した具体例においては、第１の強磁性体金属層２２は、第１の層２２Ａと第２の層２２Ｂとを積層した構造を有する。
【００６１】
第１の層２２Ａは、磁気固着層として実質的に作用し、その材料としては、大きな一方向異方性を得られるものが望ましい。具体的には、例えば、コバルト（Ｃｏ）系磁性合金を挙げることができ、コバルトに、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの元素のいずれか１種あるいは２種以上を添加した合金を挙げることができる。
【００６２】
第２の層２２Ｂは、磁気固着層として作用しうる強磁性特性を有するとともに、非金属層２４の形成の際の酸化、窒化またはフッ化反応に対する耐性が高い材料からなる。つまり、第１実施形態に関して前述したように、非金属層２４を反応により形成させる際に、第２の層２２Ｂの表面層が反応して非金属層２４が形成されるが、この際に過度の反応を阻止して、全体として極薄且つ均一な非金属層２４を再現性良く得ることができる。第２の層２２Ｂの材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）系の合金を挙げることができる。
【００６３】
本実施形態によれば、第１実施形態に関して前述した種々の効果が同様に得られ、さらに、第１の強磁性体金属層２２において、バルク効果が高い第１の層２２Ａを設けることにより、磁化固着特性を改善してより大きな一方向異方性磁界を得ることができる。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図４においては簡単のために省略した。
【００６６】
本実施形態においては、第１の磁性層２０が、少なくとも２層の非金属層と少なくとも３層の強磁性体金属層とを交互に積層させた構造を有する。すなわち、図４に表した具体例においては、第１の磁性層２０は、強磁性体金属からなる第１の層２２Ａ、第１の非金属層２４Ａ、強磁性体金属からなる第２の層２２Ｂ、第２の非金属層２４Ｂ及び、強磁性体金属からなる第３の層２６をこの順に積層した構造を有する。
【００６７】
磁化固着特性を確保するためには、強磁性体金属からなる各層、すなわち第１〜第３の層２２Ａ、２２Ｂ、及び２６の磁気的なカップリングを維持する必要がある。このためには、これらの間に介在させる非金属層２４Ａ及び２４Ｂの膜厚を薄くする必要があるが、あまりに薄く形成すると、ピンホールなどが生じやすく、電子の鏡面反射の効率が低下する。
【００６８】
これに対して、本実施形態によれば、非金属層２４Ａと２４Ｂとを別個に設けることにより、強磁性体層との界面が増え、電子が鏡面反射される確率を倍増させることができる。つまり、本実施形態によれば、複数の非金属層を強磁性体からなる層の間に別個に介在させることにより、ピンホールなどが存在しうるような極薄の非金属層を用いて強磁性体層の間の磁気的なカップリングを確保しつつ、電子の鏡面反射の効率を倍増させることができる。その結果として、磁気固着特性を維持しつつ、電子の運動量の損失を大幅に低減して大きなＭＲ特性を実現することができる。
【００６９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７０】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図５においては簡単のために省略した。
【００７１】
本実施形態においては、第１の磁性層２０が、少なくとも１層の非金属層を中間に有し、この非金属層に接して設けられた強磁性体金属層が、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかを１％以上含有することを特徴としている。例えば、図５に表した具体例においては、第１の磁性層２０は、第１の強磁性体金属層２２’と非金属層２４と第２の強磁性体金属層２６とをこの順に積層してなる。そして、第１の強磁性体金属層２２’は、上記したいずれかの元素を１ａｔ％以上含有している。
【００７２】
非金属層２４の形成は、第１の強磁性体金属層２２’の表面を酸化、窒化、またはフッ化させることにより行う。この形成工程において、クロム、アルミニウム、またはシリコンが優先的に反応し、緻密で平滑な非金属層２４を形成することができる。その結果として、良好なＭＲ変化率を再現性良く得ることができる。
【００７３】
なお、図５に例示した構造の他にも、例えば、図４に例示した構造において、強磁性体金属層２２Ａ及び２２Ｂの少なくともいずれかに、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかを１ａｔ％以上含有させても同様の効果を得ることができる。
【００７４】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層されたスピンバルブ構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７５】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図６においては簡単のために省略した。
【００７６】
本実施形態においても、第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４’と強磁性体金属層２６とを積層した構造を有する。そして、非金属層２４’は、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ＋０．３）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．７）の範囲内とする。
【００７７】
このような構成とすることにより、非金属層２４′を挟んだ上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合を反平行とすることができる。すなわち、非金属層２４’の原子面の数を上記のように制御すると、第１の磁性層２０をいわゆる「シンセティック反強磁性構造」とすることができる。そして、このように、上下の磁性層２２、２６の磁化が打ち消しあうため、磁化固着層すなわち第１の磁性層２０がフリー層すなわち第２の磁性層４０に与える静磁場を十分に小さくすることができる。磁化固着層すなわち第１の磁性層２０からの静磁場による動作点のシフトは、実際の磁気ヘッドを製作する上での大きな問題となっているが、本実施形態によれば、第１の磁性層２０をシンセティック反強磁性体とすることにより、この問題を解消することができる。
【００７８】
また、いわゆるスペキュラースピンバルブでは、フリー層の膜厚を薄くすることにより、より大きなＭＲ変化率を得ることが可能となるが、フリー層を単純に薄くすると、前述したように静磁場の影響により動作点がシフトするという問題が生ずる。これに対して、本実施形態によれば、第１の磁性層２０をシンセティック反強磁性体とすることよりフリー層を十分に薄くすることが可能となり、スペキュラ効果をより有効に利用することができる。
【００７９】
非金属層２４’の具体例としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含有した酸化物を挙げることができる。例えば、酸化ニッケルを最密面配向させた薄膜を形成する場合には、ニッケルが含有された原子層と酸素が主体となる原子層とが交互に積層される。本実施形態においては、非金属層２４’の膜厚方向にみて、これらの原子層の数を合計で偶数とすることにより、その上下の強磁性体の磁化方向を反平行とすることができる。
【００８０】
次に、本第５実施形態の変型例について図６を参照しつつ説明する。
【００８１】
すなわち、本変型例の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層されたスピンバルブ構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８２】
本実施形態においても、第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４’と強磁性体金属層２６とを積層した構造を有する。そして、非金属層２４’は、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ−０．２）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．２）の範囲内とする。
【００８３】
このような構成とすることにより、非金属層２４′を挟んだ上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合を平行とすることができる。すなわち、非金属層２４’の原子面の数を上記のように制御すると、反強磁性体の磁気的結合を用いて、強磁性体２２、２６を強く磁気結合させることが可能となり、良好な磁気的安定性を得ることが可能となる。本変型例によれば、磁気的安定性を改善することにより、より安定な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【００８４】
非金属層２４’の具体例としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含有した酸化物を挙げることができる。例えば、酸化ニッケルを最密面配向させた薄膜を形成する場合には、ニッケルが含有された原子層と酸素が主体となる原子層とが交互に積層される。本変型例においては、非金属層２４’の膜厚方向にみて、これらの酸素原子層の数を合計で偶数とすることにより、その上下の強磁性体の磁化方向を平行となることかできる。ＮｉＯの場合には酸素原子層を挟んで磁化が反平行に結合するため、これは酸素原子層がほぼ偶数層だけ含まれていることに等しい。
【００８５】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第６の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８６】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図７においては簡単のために省略した。
【００８７】
本実施形態においては、各層の積層の順序が逆転している。すなわち、前述した第１実施形態においては、基板上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０の順に積層されている。これに対して、本実施形態においては積層の順序が逆であり、所定の下地層６０の上に、非金属層５０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０がこの順に積層されている。
【００８８】
但し、本実施形態においても、第１の磁性層２０を構成する層２２、２４Ａ、２４Ｂ、及び２６の積層の順序は、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、非金属層２４Ａは、酸化、窒化あるいはフッ化反応を阻止して非金属層２４の膜厚を薄く且つ均一に形成するためのストップ層としての役割を有する。但し、本実施形態においては、層２４Ａと強磁性体金属層２２との界面において電子の鏡面反射が生ずる。
【００８９】
本実施形態によっても、非金属層２４の膜厚を極薄く且つ均一に形成することができ、第１実施形態と同様の種々の効果を同様に得ることができる。
【００９０】
また、前述した第２〜第５実施形態に関して例示した各構造についても、同様に逆の順番に積層しても良い。つまり、図３〜図６に表した積層構造のそれぞれについて、非金属層５０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０の順番に積層しても良い。但し、これらの場合にも、第１の磁性層２０を構成する各層の積層構造は、図３〜図６に表したものと同様とする必要がある。
【００９１】
このように、積層の順番を逆転させても、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
以上、第１〜第６の実施の形態として、非金属層を第１の磁性層の中間に設けた構成について説明した。
【００９３】
一方、電子を鏡面反射する非金属層は、図８に例示したように、反強磁性層と第１の磁性層との間に設けても良い。すなわち、図８に表した例においては、所定の基板上に、反強磁性層１０、非金属層２４、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非金属層５０がこの順に積層されている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図８においては簡単のために省略した。
【００９４】
図８に例示した構造においては、電子は、非金属層２４と非金属層５０との間で鏡面反射を繰り返して流れる。ここで、反強磁性層１０の材料としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ等を用いることができる。特に、反強磁性を有する金属を用いることにより、高いブロッキング温度をもち、大きな一方向異方性をもつ、良好な磁化固着特性を得ることができる。
【００９５】
また、非金属層２４の材料としては、例えば、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３ 等を用いることができる。特に、非金属層２４の材料として、反強磁性を有する材料を選択することにより、金属反強磁性体がもつ良好な磁化固着特性を損なうことなく良好な電子反射効果を得ることができる。
【００９６】
図８の構成においては、良好なバイアス効果を得るためには、電子反射層となる非金属層２４は、反強磁性体であるか、または強磁性体であることが望ましい。非金属層２４として、反強磁性体を用いる場合には、その膜厚を５ｎｍ以下とすることが望ましく、さらに２ｎｍ以下とすることによってさらに温度特性に優れたバイアス特性を得ることができる。
【００９７】
非金属層２４として、強磁性体を用いる場合にも、その膜厚は５ｎｍ以下とすることが望ましく、さらに２ｎｍ以下とすることによってさらに温度特性に優れたバイアス特性を得ることができる。
【００９８】
一方、図９に例示したように、電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層の中間に設けても良い。すなわち、図９に例示した構造においては、所定の基板の上に、第１の反強磁性層１０Ａ、非金属層２４、第２の反強磁性層１０Ｂ、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非金属層５０がこの順に積層されている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図９においては簡単のために省略した。
【００９９】
このように、反強磁性層１０の中間に電子を鏡面反射させる非金属層２４を設けることにより、反強磁性体と強磁性体とを直接積層し、ダイレクトな交換結合により、より良好な磁化固着特性を実現しつつ、鏡面反射効果によるＭＲの増大を得ることができる。
【０１００】
また、第１の反強磁性層１０Ａ及び１０Ｂの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ等を用いることができる。特に、金属性の材料を用いることにより、高いブロッキング温度をもち、大きな一方向異方性をもつ、良好な磁化固着特性を得ることができる。
【０１０１】
また、非金属層２４の材料としては、例えば、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ３Ｏ４ 、Ｆｅ２Ｏ３ 等を用いることができる。特に、非金属層２４の材料として、反強磁性を有する材料を選択することにより、金属反強磁性体がもつ良好な磁化固着特性を損なうことなく、良好な電子反射効果を得ることができる。
【０１０２】
また、より大きなＭＲ効果を得るためには、第２の反強磁性層１０Ｂの膜厚をできるだけ薄くすることが望ましく、３ｎｍ以下であることが望ましい。また、第１の反強磁性層１０Ａについては、これよりも厚くても良いが、電流のシャント効果を抑制するためには、１０ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、十分なバイアス効果が得られる場合には、第１の反強磁性層１０Ａは、省略することもできる。
【０１０３】
一方、磁化固着層を複数設けても良い。
図１０は、磁化固着層を上下に設けた構造を例示する概念図である。すなわち、同図に例示した構造においては、例示したように、所定の基板の上に、バッファ層２、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０、保護層６０がこの順に積層されている。つまり、積層構造のほぼ中央に、フリー層となる第２の磁性層４０が設けられ、その上下に対称に中間層３０や固着層２０などが設けられている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図１０においては簡単のために省略した。
【０１０４】
ここで、図１０に表した構造に対して、図１〜図９に例示したようなそれぞれの積層構造を適用することができる。すなわち、図１〜図９に関して前述したそれぞれの積層構造を第２の磁性層４０を中心として上下に対称に設けることができる。
【０１０５】
このように、フリー層となる磁性層４０の上下に磁化固着層となる磁性層２０を設けることにより、図１〜図９に関して前述した種々の効果に加えて、やや低い反射率の場合でも大きなＭＲ変化率を得ることができるという効果も得られる。また、フリー層が電流の流路の中心付近に配置されるため、電流磁界によってフリー層が受ける影響が少なく、動作が安定するという効果も併せて得られる。
【０１０６】
一方、このように、フリー層の上下に磁化固着層を設けると、磁化固着層からの静磁気的結合が磁化固着層が１層の場合の２倍になる。従って、磁化固着層の内部において反平行の磁化を形成するために、いわゆる「シンセティック反強磁性構造」を用いることがより重要になる。
図１１は、このようなシンセティック反強磁性構造を採用した変形例を表す断面概念図である。すなわち、図１１においては、磁化固着層となる第１の磁性層２０が、それぞれ第１の強磁性体金属層２２Ａ、ルテニウム（Ｒｕ）層２８、第２の強磁性体金属層２２Ｂ、非金属層２４、第３の強磁性体金属層２２Ｃを順に積層した構造とされている。このように、ルテニウム（Ｒｕ）層２８を設けると、その上下の強磁性体層の磁化方向が反平行となる。つまり、第１の強磁性体金属層２２Ａの磁化方向に対して、第２の強磁性体金属層２２Ｂと第３の強磁性体金属層２２Ｃの磁化方向が反平行となる。従って、層２２Ａの膜厚に対して、層２２Ｂの膜厚と層２２Ｃの膜厚の合計がほぼ等しくなるようにすれば、第１の磁性層２０の内部において全体の磁化方向がキャンセルされ、磁化固着層からの静電的カップリングを解消することができる。
【０１０７】
また、図１１の構造においては、非金属層２４を設けることによって、電子を鏡面反射させるスペキュラ効果も同時に得ることができる。つまり、電子は、フリー層すなわち第２の磁性層４０の上下に設けられた２つの非金属層２４の間において鏡面反射を受けながら流れる。このため、電子の運動量の損失が低減され、フリー層すなわち第２の磁性層４０として膜厚２ｎｍ以下の磁性層でも十分な感度を確保することができ、さらに大きなＭＲ効果を得ることができる。
【０１０８】
また、図１１の構造においては、非金属層２４をルテニウム層２８と第２の磁性層４０との間に設けている。この理由は、ルテニウム層２８は、電子を散乱する性質を有するからである。すなわち、電流の主要な経路内にルテニウム層を設けると、電子が散乱されて損失が生ずる。これに対して、図１１の構成においては、非金属層２４をルテニウム層２８と第２の磁性層４０との間に設けることにより、電流経路からルテニウム層２８を外して、電子の散乱による損失を解消することができる。
【０１０９】
次に、本発明の磁気記録装置について説明する。
以上説明した各実施形態の磁気抵抗効果素子は、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドに組み込まれ、磁気記録装置に搭載される。
【０１１０】
図１２は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク１５１は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。磁気ディスク１５１が浮上した状態で情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドの一部として搭載している。
【０１１１】
磁気ディスク１５１が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１１２】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１１３】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１１４】
本発明によれば、前述した各実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドの要部として採用することにより、大きな再生出力信号と、良好な熱安定性とを得ることができる。さらに、その結果として、再生出力の経時変化を解消することもできる。また、アセンブリの際に印加されうるＥＳＤ（electro-static discharge：静電気）に対する耐性も改善され、組立の際の歩留まりも向上する。
【０１１５】
以上の効果から、狭トラック化、低素子ハイト化が可能となり、高密度磁気記録に対応した磁気記録装置を実現することができる。
【０１１６】
以上、本発明の実施の形態について説明した。
【０１１７】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
【０１１８】
（実施例１）
図１及び図２を参照しつつ本発明の第１の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＮｉＦｅ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＮｉＦｅ０．６ｎｍ／ＮｉＦｅＯ０．４ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。ここで、酸化しにくいＮｉＦｅをＩｒＭｎ層とＣｏＦｅ層との間に挟んだことにより、非金属層２４の膜厚は１ｎｍに抑制され、再現性良く極薄の非金属層を形成することが可能となった。
【０１１９】
このため、磁化固着層２０における非金属層２４を介した磁気的結合は十分に強く、磁化固着特性に優れたスピンバルブ構造を実現することができた。具体的には、ＭＲ変化率１８％、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）４００Ｏｅを得ることができた。また、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２０】
（比較例１）
上記実施例１に対する比較のために、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２．０ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＯ１．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。すなわち、本比較例においては、ＣｏＦｅの酸化が進みすぎてしまい、得られたＣｏＦｅＯ層の厚さは１．５ｎｍと厚くなってしまった。このため、磁化固着層におけるＣｏＦｅ層を介した磁気的結合は弱く、磁化固着特性には劣化が見られた。具体的には、ＨＵＡは、２００Ｏｅに低下した。また、全体の結晶性を改善するために、非金属層の形成のための酸化処理を２００℃において実施したところ、固着層の磁化固着特性はさらに劣化してしまい、非金属層の酸化による厚膜化がさらに進行したことがわかった。
【０１２１】
（実施例２）
図３を参照しつつ本発明の第２の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｎｉ１ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｎｉ０．５ｎｍ／ＮｉＯ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。
【０１２２】
本実施例においては、酸化しにくいＮｉ層を表面に設け、ＩｒＭｎ層と接する層にはＣｏＦｅ層を挟んだことにより、非金属層２４の膜厚は１ｎｍに抑制され、再現性良く極薄の非金属層を形成することが可能となった。
【０１２３】
このため、磁化固着層２０における非金属層２４を介した磁気的結合は十分に強く、磁化固着特性に優れたスピンバルブ構造を実現することができた。また、ＩｒＭｎ層とＣｏＦｅ層との組み合わせにより、十分に強い一方向異方性を得ることができた。具体的には、ＭＲ変化率として１７％、一方向異方性磁場として５５０Ｏｅを得ることができた。さらに、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２４】
（実施例３）
図４を参照しつつ本発明の第３の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、第１の非金属層２４Ａを形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ１ｎｍを堆積し、もう一度その表面を１ｘ１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、第２の非金属層２４Ｂを形成した。
【０１２５】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．３ｎｍ／ＣｏＦｅ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．３ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１２６】
本実施例においては、弱い酸化によりピンホールが存在しうる極薄のＣｏＦｅＯ層２４Ａ、２４Ｂを設けるが、このように非金属層を２層とすることより、全体の電子の鏡面反射率を改善し、約１８％という大きなＭＲ効果を得ることができた。
【０１２７】
（実施例４）
図５を参照しつつ本発明の第４の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらに、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒ１．２ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒＯ０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。
【０１２８】
本実施例においては、Ｃｒが選択的に酸化されて安定な酸化物を形成するため、極薄の非金属層２４を再現性良く形成することができた。さらに、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２９】
（実施例５）
次に、図６を参照しつつ、本発明の第５の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｃｒ０．４ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３０】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｃｒ２Ｏ３０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３１】
本実施例においては、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、Ｃｒ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＣＲ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５２ｎｍである。このため、Ｃｒ２Ｏ３層の厚さを０．５ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が２層積層されることになる。この結果、Ｃｒ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は平行に磁化結合し、安定な磁気特性を得ることが可能となった。具体的には、ＭＲ変化率として２０％であり、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）として６００Ｏｅを得ることができた。
【０１３２】
（実施例６）
次に、図６を参照しつつ本発明の第６の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｒ０．６ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３３】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｒ２Ｏ３０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３４】
本実施例においても、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、Ｃｒ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＣｒ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５２ｎｍである。このため、Ｃｒ２Ｏ３層の厚さを０．７ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が３層積層されることになる。この結果、Ｃｒ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は反平行に磁化結合し、シンセティック磁化配列を得ることができ、ＭＲ変化率として１９％を得ることができた。
【０１３５】
（実施例７）
次に、図６を参照しつつ本発明の第７の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｆｅ０．４ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒのラジカル酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３６】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／α−Ｆｅ２Ｏ３０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３７】
本実施例においても、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、α−Ｆｅ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＦｅ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５８ｎｍである。このため、Ｆｅ２Ｏ３層の厚さを０．５ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が２層積層されることになる。この結果、Ｆｅ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は平行に磁化結合し、安定な磁気特性を得ることが可能となった。具体的には、ＭＲ変化率として２０％、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）として６００Ｏｅを得ることができた。
【０１３８】
また、α−Ｆｅ２Ｏ３は、反強磁性が消失する温度（ネール温度）が６７０℃と非常に高いため、実際にデバイスとして使用される環境温度である１００℃においても、６００Ｏｅという大きな一方向異方性磁場を得ることができた。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【０１４０】
まず、本発明によれば、磁化固着層の中間に電子反射層としての非金属層を設け、且つその非金属層の下地として、２種類の層を積層させることにより、下側の層を反応に対するストッパ層として作用させ、極薄且つ均一な非金属層を再現性よく形成することができる。その結果として、電子の鏡面反射を生じさせつつ、第１の強磁性体金属層と第２の強磁性体金属層との磁気的なカップリングを確保して良好な磁化固着特性を得ることができる。
【０１４１】
また、本発明によれば、磁化固着層の非金属層の下側の強磁性体金属層を多層構造とし、その下側の層をバルク効果が高い強磁性体の層とすることにより、磁化固着特性をさらに改善してより大きなＭＲ変化量を得ることができる。
【０１４２】
また、本発明によれば、磁化固着層において、電子を反射させる複数の非金属層を別個に設けることにより、強磁性体層との界面が増え、電子が鏡面反射される確率を倍増させることができる。つまり、ピンホールなどが存在しうるような極薄の非金属層を用いて強磁性体層の間の磁気的なカップリングを確保しつつ、電子の鏡面反射の効率を倍増させることができる。その結果として、磁気固着特性を維持しつつ、電子の運動量の損失を大幅に低減して大きなＭＲ特性を実現することができる。
【０１４３】
また、本発明によれば、非金属層を中間に含んだ磁化固着層をシンセティック反強磁性体とすることにより、磁化固着層からの静磁場による動作点のシフトをを解消することができる。さらに、静磁場の影響がなくなるため、フリー層を十分に薄くすることが可能となり、スペキュラ効果をより有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図２】非金属層２４の形成方法を概念的に表す工程断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。す
【図４】本発明の第３の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図８】電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層と第１の磁性層との間に設けた例を表す概念図である。
【図９】電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層の中間に設けた例を表す概念図である。
【図１０】磁化固着層を上下に設けた構造を例示する概念図である。
【図１１】シンセティック反強磁性構造を採用した変形例を表す断面概念図である。
【図１２】本発明の磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【符号の説明】
２ バッファ層
１０、１０Ａ、１０Ｂ 反強磁性層
２０ 第１の磁性層
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 強磁性体金属層
２４ 非金属層
２４Ａ 第１の非金属層
２４Ｂ 第２の非金属層
２６ 強磁性金属層
２８ ルテニウム層
３０ 非磁性中間層
４０ 第２の磁性層
５０ 非金属層
６０ 下地層、保護層
８０ 硬磁性膜
８２ 電極
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 固定軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置に関し、より詳細には、本発明は、スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子及びこの磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに搭載した磁気記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する電磁誘導でコイルに誘起される電圧を検出する方法によって行われてきた。一方、情報を読み出す場合に、磁気抵抗効果素子（以下、「ＭＲ」素子と呼ぶ）を用いることも知られている。（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７，１５０（１９７１）等参照）。ＭＲ素子を用いた磁気ヘッド（以下、「ＭＲヘッド」と呼ぶ）は、ある種の強磁性体の電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象を利用したものである。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生磁気信号が極めて微弱になってきており、より高感度に大きな出力が取り出せるＭＲヘッドヘの期待が高まっている。とくに、強磁性体／非磁性体／強磁性体のサンドイッチ構造の積層膜で、大きな磁気抵抗効果が得られている。すなわち、非磁性層を挟んだ２つの強磁性層の一方に、交換バイアスを及ぼして磁化を固定しておき、他方の強磁性体を外部磁界（信号磁界等）により磁化反転させる。これにより、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。この様なタイプの多層膜はスピンバルブ膜と呼ばれている（Phys.Rev.B.,Vo1.45,p806(1992)、J.Appl.Phys.,Vol.69,p4774(1991)等参照）。
【０００４】
スピンバルブ膜の磁気抵抗変化率は、５〜８％と大きく低磁場で磁化を変化させることが出来るため、ＭＲ素子に適している。ただし、記録密度のさらなる高密度化に対応するためには、さらに大きなＭＲ変化率をえる必要があり、現在の２倍から３倍以上のＭＲ変化率を得ることが望まれている。しかし、単純な金属積層タイプのスピンバルブ膜では、１０％以上のＭＲ変化率を得ることは困難となっている。それに対して最近、バイアス膜として、ＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３ などの酸化物からなる絶縁性の反強磁性体を用い、もう片方の磁性体の表面にも酸化物層を積層した、「スペキュラースピンバルブ膜」が注目を集めている。スペキュラースピンバルブ膜では、磁性体／非磁性体／磁性体のサンドイッチ膜をさらに絶縁体で挟み込むことにより、金属／絶縁体界面で電子を鏡面反射させ、約２０％程度の大きな磁気抵抗効果が得られることが知られている。スペキュラースピンバルブ膜では、磁性体／非磁性体／磁性体サンドイッチ膜の両側を酸化物層で挟む必要があるが、同時に、少なくとも片方の磁性体に接して磁化を固着するためのバイアス膜を積層する必要がある。そのため、現在ではＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３ などの酸化物反強磁性体が用いられているが、現在のところ、十分に良好なバイアス特性を持った酸化物反強磁性体は知られておらず、実用化のネックになっている。すなわち十分に大きな交換バイアス磁場と十分に高いブロッキング温度を持った絶縁性の反強磁性体がないため、スペキュラースピンバルブ膜を実用材料として使用することが困難になっている。
【０００５】
これに対して、最近、磁性体層の中に極薄の酸化物を挿入することによって、金属反強磁性体を用いながらスペキュラー効果を得る方法が提案されている。この方法を用いれば、大きな交換バイアス磁場と十分に高いブロッキング温度を持った金属反強磁性体を用いながら大きなＭＲ効果を得ることが可能になる。しかし、この場合極薄の酸化物層を精度良く作成することが重要であり、十分な再現性をもって良好な酸化物層を作成する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、スペキュラースピンバルブ膜の大きなＭＲ変化率を維持したうえで、良好な磁化固着膜のバイアス特性と両立させるとともに、軟磁気特性を改善した磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられた、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性中間層と、を有するスピンバルブ膜を備えた磁気抵抗効果素子であって、前記第１の磁性層は、第１の強磁性体金属層と、前記第１の強磁性体金属層の上に設けられたＣｒ ２ Ｏ ３ 層と、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の上に設けられた第２の強磁性体金属層と、を有し、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の厚さが０．５ｎｍまたは０．７ｎｍであることを特徴とし、電子を鏡面反射させる非金属層を極めて薄く且つ再現性良く形成することができる。
【００１５】
一方、本発明の磁気記録装置は、磁気記録媒体に対して情報を記録または再生する磁気ヘッドを備えた磁気記録装置であって、前記磁気ヘッドは、前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を有することを特徴とし、大きな再生信号出力と、良好な熱安定性とを実現させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。
【００１７】
さらに、この積層構造の両側には、硬磁性膜８０、８０が設けられ、それぞれの硬磁性膜の上には、電極８２、８２が設けられている。
【００１８】
本具体例においては、第１の磁性層２０は、磁化が固定され一方向異方性によるバイアスがかけられた「磁化固着層」として作用する。また、第２の磁性層４０は、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化反転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
【００１９】
「磁化固着層」である第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４と強磁性層金属層２６をこの順に積層した構造を有する。さらに、本実施形態においては、非金属層２４が、第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂとを積層した構造を有する。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、電極８２、８２を介して図１に向かって左右方向にバイアス電圧を印加して磁気抵抗の変化を測定することにより、第２の磁性層４０に印加される磁場強度を検出することができる。この時に、バイアス電圧により生ずる電流は、主に第２の強磁性体金属層２６、非磁性中間層３０、及び第２の磁性層４０において面内方向に流れる。
【００２１】
ここで、磁気抵抗効果をより顕著に得るためには、バイアス電圧の印加に伴って面内方向に流れる電子の運動量の損失を低減する必要がある。
本発明によれば、まず、第２の磁性層４０の上に非金属層５０を設けることにより、これらの層の間で電子の鏡面反射を生じさせることができる。この結果として、電子の運動量の損失を低減することができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、第１の磁性層２０の中間に非金属層２４を設けることにより、第２の強磁性体金属層２６と非金属層２４との界面においても電子の鏡面反射を生じさせることができる。つまり、反強磁性層１０の材料として、ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎなどの金属性の反強磁性体を用いた場合には、反強磁性層１０と第１の磁性層２０との間において電子の鏡面反射を生じさせることは困難であり電子の運動量の損失が生ずるのに対して、本発明によれば、金属性の反強磁性体を用いながら電流経路の上下いずれの磁性層の界面においても電子反射を起こすことができる。
【００２３】
その結果として、電子の運動量の損失を極小化させ、反強磁性体を用いつつ、良好なバイアス磁場特性を実現することができる。さらに、２５０℃以上の高いブロッキング温度を保ちつつ、ＭＲ変化率として１５％以上の大きな値を得ることが可能になる。
【００２４】
ここで、第１の磁性層２０の中間に設ける非金属層２４は、その層厚が厚すぎるとその上下の強磁性体金属層２２と２６との磁気的なカップリングを妨害し、良好な磁化固着特性を得ることができないという問題を生ずる。一方、非金属層２４の層厚が薄すぎると、均一で連続的な薄膜の形成が困難となり、電子の鏡面反射を十分に生じさせることができない。つまり、非金属層２４として、極めて薄く且つ均一な薄膜を再現性良く形成する必要が生ずる。
【００２５】
一般に、極薄の非金属層を形成する場合には、まず非金属層を形成するための下地の金属層を形成し、その表面を酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、あるいはフッ素（Ｆ）などを含有した気体、もしくはそのプラズマなどの雰囲気に曝して反応させることより、形成することが望ましい。ただし、この場合に反応が進みすぎると、非金属層の厚さが厚くなりすぎるため、非金属層で磁気カップリングが切れてしまい、良好な磁化固着特性を得ることが難しくなってしまう。この為、再現性良く反応の進行を制御する必要があるが、従来の構成では反応の精密な制御は容易でなかった。
【００２６】
これに対して、本実施形態によれば、非金属層２４を第１の第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂとの積層構造とすることにより、非金属層２４の全体の層厚を再現性良く薄く形成することが可能となる。すなわち、本実施形態では、非金属層２４を形成するための材料として２種以上の材料の積層構成を用いる。第１の非金属層２４Ａの材料としては、酸化や窒化などの反応に対してより耐性の強い材料を用いる。また、第２の非金属層２４Ｂの材料としては、反応の後に、良好な電子反射を起こすことができる材料を用いる。
【００２７】
図２は、非金属層２４の形成方法を概念的に表す工程断面図である。
まず、図２（ａ）に表したように、下地層２２と薄膜Ｘとの積層構造を用意する。ここで、下地層２２は、第１の強磁性体金属層の一部を兼ねるものであり、且つ酸化や窒化あるいはフッ化に対して耐性の大きい材料からなることが望ましい。その材料としては、ニッケル（Ｎｉ）を含有したものであることが望ましく、例えば、ニッケル・鉄（ＮｉＦｅ）合金を用いることができる。
【００２８】
また、薄膜Ｘは、酸化、窒化またはフッ化により、良好な電子反射を起こすことができる材料からなる。その材料としては、例えば、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）に、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかの元素を添加したものを用いることができる。
【００２９】
また、薄膜Ｘの堆積は、例えば、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法により行うことができる。この際に、薄膜Ｘを十分に薄く堆積することは比較的容易である。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に表したように、第１の非金属層２４Ａと第２の非金属層２４Ｂを形成する。具体的には、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）あるいはフッ素（Ｆ）を含有した雰囲気に曝すことにより、薄膜Ｘと下地２２の表面を反応させる。この際に、薄膜Ｘは、反応性が比較的高いために全体が反応し、第２の非金属層２４Ｂが形成される。しかし、その下の下地層２２は反応の耐性が大きい材料を含有するため、反応の進行が阻止され、極薄の非金属層２４Ａが形成される。つまり、非金属層２４の全体の膜厚は、薄膜Ｘの膜厚により実質的に決定される。このため、極薄且つ均一な非金属層２４を再現性良く形成することができる。
【００３１】
本発明によれば、下地が反応に対するストッパ層として作用し、極薄且つ均一な非金属層を再現性よく形成することができる。その結果として、電子の鏡面反射を生じさせつつ、第１の強磁性体金属層２２と第２の強磁性体金属層２６との磁気的なカップリングを確保して良好な磁化固着特性を得ることができる。
【００３２】
また、図１乃至図２においては、非金属層２４が２種類の非金属層からなる場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、非金属層２４の構造として、３種類あるいはそれ以上の非金属層からなる積層構造を採用しても良い。このような場合においても、上側に電子の鏡面反射を確保する層を設け、下側に過度の反応を阻止する役割を有する層を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
以下に、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を構成する各層の構成についてさらに詳細に説明する。
【００３４】
まず、非金属層２４の材料としては、酸化物、窒化物、あるいはフッ化物などを用いることができる。これらのうちで、非磁性材料（室温でスピンの強磁性磁化配列も、反強磁性配列もしない材料）を用いる場合は、非金属層２４のトータル厚さは３ｎｍ以下とすることが望ましい。これは、非金属層２４の厚さがこれ以上に厚くなると非金属層２４を挟んだ両側の強磁性体金属層２２、２６の間での磁気的結合力が小さくなり、非磁性中間層３０に接した強磁性体金属層２６の磁化の固着が困難になるためである。また、より良好な磁化固着を得るためには、非金属層２４の合計厚さを２ｎｍ以下とすることがより望ましい。
【００３５】
非金属層２４の材料として反強磁性体、もしくは強磁性体を用いる場合には、非金属層２４を介して上下の磁性層２２、２６を磁気的に固着出来る。従って、非金属層２４の合計の膜厚が５ｎｍ以下であれば十分に非磁性中間層３０に接した強磁性体金属層２６の磁化を固着することが可能である。ただし、より強固な磁性的結合を得るためには、非金属層２４の合計の厚さは３ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３６】
特に、強磁性体を用いることより大きなＭＲ変化率と層間結合を得ることができる。
【００３７】
また、非金属層２４の材料が反強磁性体である場合には、動作環境温度を考えるとネール温度が２５０℃以上であることが望ましく、３００℃以上であることがより望ましい。これは、ネール温度が低いと、上下の強磁性体層２２、２６の結合の熱的安定性が劣化するためである。
【００３８】
ただし、本発明においは、電子を鏡面反射させる非金属層２４を両側から強磁性体２２、２６で挟むため、強磁性体からの分子磁界によってバルク値よりもネール温度が上昇する。このため、電子反射層となる非金属層２４の両側は、キューリー点の高いＦｅ（鉄）系またはＣｏ（コバルト）系合金によってサンドイッチすることが望ましい。この方法によって、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のような材料においても、組成を適宜調整することによって十分に高いネール点を確保することが出来る。
【００３９】
一方、非金属層２４の材料が強磁性体である場合には、動作環境温度を考えるとキューリー温度が１００℃以上であることが望ましく、２００℃以上であることがさらに望ましい。この場合も、電子反射層となる非金属層２４を両側から強磁性体層２２、２６で挟むため、強磁性体からの分子磁界によってバルク値よりもキュリー点は上昇する。このため、非金属層２４の両側はキューリー点の高いＦｅ系またはＣｏ系合金でサンドイッチすることが望ましい。この方法によって、例えばペロブスカイト系のような材料においても、組成を適宜調整することによって十分に高いキューリー点を確保することが出来る。また、フェライト系のような材料においても、さらに十分なキューリー点を確保することが出来る。
【００４０】
一方、上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合の形態は、磁化が平行になるように結合していてもよく、磁化が反平行に結合していてもよい。また、磁化が略９０度の角度をなして結合していても良い。または、それ以外の角度をなしていても問題はない。結合の強さは、４００Ｏｅの外部磁場で１０度以内の角度変化となることが望ましい。
【００４１】
上下磁性層の結合を平行にするためには、非金属層２４の材料として強磁性体、もしくはフェリ磁性体を用いることが望ましい。ただし、反強磁性体を用いることもできる。その場合には、ＮｉＯのように原子のスタック（積層）に対して各原子層の磁化が反平行に配列するような絶縁体を用いることが望ましい。その場合に、磁性原子層の数が偶数に近くなるように非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。
【００４２】
すなわち、非金属層２４の材料としては、強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その時期的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ−０．２）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．２）が満足されるようなものを用いることが望ましい。ここで、時期的周期とは、非金属層の膜厚方向において生ずる磁化スピンの周期のことであり、例えば、磁気的な１周期が数原子層にわたってスパイラル状に変化するような場合も含む。
【００４３】
具体的には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のように、原子スタックに対して各原子層の磁化が反平行に配列している絶縁体を用いることができる。ＮｉＯの（１１１）配向膜はＮｉ原子層／酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層という積層構造を持っている。この場合の時期的周期は、酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層である。従って、非金属層の膜厚方向にみた酸素原子層の数が偶数に近くなるように、非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。但し、トータルとしての磁気的結合が平行であればよいため、必ずしもぴったりと偶数である必要はない。
【００４４】
ここで、前記非金属層の厚さは、一番界面に近い酸素原子層の強磁性金属層側に接している金属原子層の中心位置から、中心位置までの距離で定義する。また、より複雑な結晶構造を持った非金属層の場合も、一番界面に近い酸素原子層の金属層側に接している金属原子層の中心地位から、中心位置までの距離で定義する。また、より複雑な結晶構造を有する酸化物の場合においても、上記定義は同様に適用することができる。
【００４５】
上下の強磁性体金属層２２、２６の結合を反平行にするためには、非金属層２４の材料として、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ＋０．３）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．７）が満足されるようなものを用いることが望ましい。ここで、「磁気的周期」とは、非金属層の膜厚方向において生ずる磁化スピンの周期のことであり、例えば、磁気的な１周期が数原子層に渡ってスパイラル状に変化するような場合も含む。
【００４６】
具体的には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）のように、原子スタックに対して各原子層の磁化が反平行に配列している絶縁体を用いることができる。この場合の「磁気的周期」は、酸素原子層／ニッケル原子層／酸素原子層／ニッケル原子層である。従って、非金属層の膜厚方向にみた原子層の数が奇数に近くなるように非金属層２４の膜厚を設定することが望ましい。但し、トータルとしての磁気結合が反平行であればよいため、からなずしもぴったりと奇数である必要はない。
【００４７】
また、フェリ磁性体を用いる場合も、強磁性体と電子反射層となる非金属層２４との界面での電子反射層の磁性サイトが一方向のスピンサイトが多くなるような面を選び、その上側界面と下側界面とでその方向が反平行となるよう、膜厚を選択することが望ましい。
【００４８】
また、非金属層２４は、アモルファス（非晶質）状態であってもよいが、微結晶状態または多結晶状態であることが望ましく、磁性体層とエピタキシャル関係にあることがさらに望ましい。特に、上下磁性層２２、２６の結合を強くし、かつ電子反射係数を増大させるためには、エピタキシャル関係にあることが望ましい。
【００４９】
また、非金属層２４は、完全に連続的な薄膜の状態であってもよいが、ピンホールがあいていてもよい。ピンホールが開いていると、その穴を通して上下磁性層２２、２６が磁気的に結合することが可能になるため、強い磁気結合を得ることが出来る。ただし、あまりピンホールの存在が多いと電子反射効果が小さくなるため、ピンホールの割合は面積にして全体の５０％以下であることが望ましい。さらに電子反射効果を上昇させるためには、ピンホールの割合は２０％以下であることが望ましく、１０％以下であることがさらに望ましい。
【００５０】
また、電子を鏡面反射する界面すなわち、第２の非金属層２４Ｂと強磁性体金属層２６との界面の平均の凹凸は２ｎｍ以上あってもよいが、２ｎｍ以下であることがより望ましい。界面の凹凸が２ｎｍ以上であると、電子反射係数が劣化するためにＭＲ変化率は減少してしまう。図１に例示したように、反強磁性層１０を下側に設けた場合にはスピンバルブ膜の平滑性が上昇し、表面、もしくは界面の凹凸が減少するため、より大きな電子反射効果を得ることができる。この場合に界面の凹凸をさらに減少させるために、反強磁性層１０の下地としては、タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），アルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。
【００５１】
また、基板との濡れ性を向上させる下地層を設け、さらに、その上に銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ）のような結晶配向性を向上させる材料を積層した上に反強磁性層１０を堆積しても良い。このとき下地と、その上に積層される金属層との格子定数の差は、５％以内とすることが望ましい。このことによって、全体の平滑性と配向性を向上させることが可能となり、電子反射係数が上昇し、より大きなＭＲ効果を得ることができる。
【００５２】
電子反射層としての非金属層２４は、必ずしも配向している必要はないが、より望ましくは最密面配向している方がよい。電子反射層を最密面に配向させることにより、より大きな電子反射率を得ることが可能となる。また、その上に積層する強磁性体金属層２６の膜質が向上し、図１のような反強磁性層１０を下側に設けた構造では、軟磁気特性を向上させることも可能である。
【００５３】
強磁性体金属層２２、２６、あるいは第２の磁性層４０の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）などの磁性体を用いることができるが、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどのような２元系磁性合金でも良い。特に大きなＭＲ変化率と良好な軟磁気特性を得るためには、コバルト（Ｃｏ）を含んだ磁性合金を用いることが望ましい。コバルト系合金を用いることにより大きなスピン依存散乱と、良好な電子反射効果とを得ることが可能となり、大きなＭＲ効果を得ることができる。また、同様に３元以上の磁性体合金を用いても良い。
【００５４】
また、強磁性体金属層２２、２６の材料は、必ずしも同一である必要はなく、一方がＮｉＦｅで、他方がＣｏＦｅというように変えてもよい。この場合には、非磁性中間層３０に接していない強磁性体金属層２２の抵抗が高い方がシャントの効果を低減することができるため、強磁性体金属層２２には、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高抵抗化添加物を添加することが望ましい。
【００５５】
特に、図１に例示した構造において、第１の強磁性体金属層２２を２層構造とし、その下側の層を、磁気固着層として実質的に作用する層、上側の層を反応を阻止する層として作用させることができる。この場合の下側の層の材料としては、ＭＲ変化量に影響を及ぼすバルク効果が大きいものが望ましい。具体的には、例えば、コバルト（Ｃｏ）系磁性合金を挙げることができ、その層厚は相対的に厚く形成することが望ましい。一方、この場合の上側の層の材料としては、前述したように、ニッケル系の磁性合金とすることができ、その層厚は反応を阻止することができる範囲で薄く形成することが望ましい。
【００５６】
さらに、これらの磁性層２２、２６、４０は、それぞれ２層以上の磁性体と非磁性体の積層構造となっていても良い。例えば、ＣｏＦｅ／Ｃｕのような２層構造とされていても良い。または、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような３層構造とされていても良く、または、４層以上の積層構造であっても良い。
【００５７】
また、これらの磁性層は、必ずしも配向している必要はないが、最密面配向していることが望ましく、結晶格子の構造がｆｃｃの磁性体では（１１１）面配向していることが望ましく、ｂｃｃ構造の磁性体では（１００）面配向していることが望ましく、ｈｃｐ構造の磁性体では、ｃ面が面内配向していることが望ましい。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図３においては簡単のために省略した。
【００６０】
本実施形態においては、第１の強磁性体金属層２２が、２種以上の強磁性体の積層構造からなることを特徴としている。すなわち、図３に表した具体例においては、第１の強磁性体金属層２２は、第１の層２２Ａと第２の層２２Ｂとを積層した構造を有する。
【００６１】
第１の層２２Ａは、磁気固着層として実質的に作用し、その材料としては、大きな一方向異方性を得られるものが望ましい。具体的には、例えば、コバルト（Ｃｏ）系磁性合金を挙げることができ、コバルトに、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの元素のいずれか１種あるいは２種以上を添加した合金を挙げることができる。
【００６２】
第２の層２２Ｂは、磁気固着層として作用しうる強磁性特性を有するとともに、非金属層２４の形成の際の酸化、窒化またはフッ化反応に対する耐性が高い材料からなる。つまり、第１実施形態に関して前述したように、非金属層２４を反応により形成させる際に、第２の層２２Ｂの表面層が反応して非金属層２４が形成されるが、この際に過度の反応を阻止して、全体として極薄且つ均一な非金属層２４を再現性良く得ることができる。第２の層２２Ｂの材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）系の合金を挙げることができる。
【００６３】
本実施形態によれば、第１実施形態に関して前述した種々の効果が同様に得られ、さらに、第１の強磁性体金属層２２において、バルク効果が高い第１の層２２Ａを設けることにより、磁化固着特性を改善してより大きな一方向異方性磁界を得ることができる。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、所定の基板の上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図４においては簡単のために省略した。
【００６６】
本実施形態においては、第１の磁性層２０が、少なくとも２層の非金属層と少なくとも３層の強磁性体金属層とを交互に積層させた構造を有する。すなわち、図４に表した具体例においては、第１の磁性層２０は、強磁性体金属からなる第１の層２２Ａ、第１の非金属層２４Ａ、強磁性体金属からなる第２の層２２Ｂ、第２の非金属層２４Ｂ及び、強磁性体金属からなる第３の層２６をこの順に積層した構造を有する。
【００６７】
磁化固着特性を確保するためには、強磁性体金属からなる各層、すなわち第１〜第３の層２２Ａ、２２Ｂ、及び２６の磁気的なカップリングを維持する必要がある。このためには、これらの間に介在させる非金属層２４Ａ及び２４Ｂの膜厚を薄くする必要があるが、あまりに薄く形成すると、ピンホールなどが生じやすく、電子の鏡面反射の効率が低下する。
【００６８】
これに対して、本実施形態によれば、非金属層２４Ａと２４Ｂとを別個に設けることにより、強磁性体層との界面が増え、電子が鏡面反射される確率を倍増させることができる。つまり、本実施形態によれば、複数の非金属層を強磁性体からなる層の間に別個に介在させることにより、ピンホールなどが存在しうるような極薄の非金属層を用いて強磁性体層の間の磁気的なカップリングを確保しつつ、電子の鏡面反射の効率を倍増させることができる。その結果として、磁気固着特性を維持しつつ、電子の運動量の損失を大幅に低減して大きなＭＲ特性を実現することができる。
【００６９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層された構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７０】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図５においては簡単のために省略した。
【００７１】
本実施形態においては、第１の磁性層２０が、少なくとも１層の非金属層を中間に有し、この非金属層に接して設けられた強磁性体金属層が、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかを１％以上含有することを特徴としている。例えば、図５に表した具体例においては、第１の磁性層２０は、第１の強磁性体金属層２２’と非金属層２４と第２の強磁性体金属層２６とをこの順に積層してなる。そして、第１の強磁性体金属層２２’は、上記したいずれかの元素を１ａｔ％以上含有している。
【００７２】
非金属層２４の形成は、第１の強磁性体金属層２２’の表面を酸化、窒化、またはフッ化させることにより行う。この形成工程において、クロム、アルミニウム、またはシリコンが優先的に反応し、緻密で平滑な非金属層２４を形成することができる。その結果として、良好なＭＲ変化率を再現性良く得ることができる。
【００７３】
なお、図５に例示した構造の他にも、例えば、図４に例示した構造において、強磁性体金属層２２Ａ及び２２Ｂの少なくともいずれかに、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、りん（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）及びランタン系列に属する元素の少なくともいずれかを１ａｔ％以上含有させても同様の効果を得ることができる。
【００７４】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第５の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層されたスピンバルブ構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７５】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図６においては簡単のために省略した。
【００７６】
本実施形態においても、第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４’と強磁性体金属層２６とを積層した構造を有する。そして、非金属層２４’は、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ＋０．３）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．７）の範囲内とする。
【００７７】
このような構成とすることにより、非金属層２４′を挟んだ上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合を反平行とすることができる。すなわち、非金属層２４’の原子面の数を上記のように制御すると、第１の磁性層２０をいわゆる「シンセティック反強磁性構造」とすることができる。そして、このように、上下の磁性層２２、２６の磁化が打ち消しあうため、磁化固着層すなわち第１の磁性層２０がフリー層すなわち第２の磁性層４０に与える静磁場を十分に小さくすることができる。磁化固着層すなわち第１の磁性層２０からの静磁場による動作点のシフトは、実際の磁気ヘッドを製作する上での大きな問題となっているが、本実施形態によれば、第１の磁性層２０をシンセティック反強磁性体とすることにより、この問題を解消することができる。
【００７８】
また、いわゆるスペキュラースピンバルブでは、フリー層の膜厚を薄くすることにより、より大きなＭＲ変化率を得ることが可能となるが、フリー層を単純に薄くすると、前述したように静磁場の影響により動作点がシフトするという問題が生ずる。これに対して、本実施形態によれば、第１の磁性層２０をシンセティック反強磁性体とすることよりフリー層を十分に薄くすることが可能となり、スペキュラ効果をより有効に利用することができる。
【００７９】
非金属層２４’の具体例としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含有した酸化物を挙げることができる。例えば、酸化ニッケルを最密面配向させた薄膜を形成する場合には、ニッケルが含有された原子層と酸素が主体となる原子層とが交互に積層される。本実施形態においては、非金属層２４’の膜厚方向にみて、これらの原子層の数を合計で偶数とすることにより、その上下の強磁性体の磁化方向を反平行とすることができる。
【００８０】
次に、本第５実施形態の変型例について図６を参照しつつ説明する。
【００８１】
すなわち、本変型例の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０がこの順に積層されたスピンバルブ構造を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８２】
本実施形態においても、第１の磁性層２０は、強磁性体金属層２２と非金属層２４’と強磁性体金属層２６とを積層した構造を有する。そして、非金属層２４’は、反強磁性体であり、且つ、その膜厚をＴ、その磁気的周期をＰ、整数をｎとした時に、式Ｐ×（ｎ−０．２）≦Ｔ≦Ｐ×（ｎ＋０．２）の範囲内とする。
【００８３】
このような構成とすることにより、非金属層２４′を挟んだ上下の強磁性体金属層２２、２６の磁気的な結合を平行とすることができる。すなわち、非金属層２４’の原子面の数を上記のように制御すると、反強磁性体の磁気的結合を用いて、強磁性体２２、２６を強く磁気結合させることが可能となり、良好な磁気的安定性を得ることが可能となる。本変型例によれば、磁気的安定性を改善することにより、より安定な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【００８４】
非金属層２４’の具体例としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含有した酸化物を挙げることができる。例えば、酸化ニッケルを最密面配向させた薄膜を形成する場合には、ニッケルが含有された原子層と酸素が主体となる原子層とが交互に積層される。本変型例においては、非金属層２４’の膜厚方向にみて、これらの酸素原子層の数を合計で偶数とすることにより、その上下の強磁性体の磁化方向を平行となることかできる。ＮｉＯの場合には酸素原子層を挟んで磁化が反平行に結合するため、これは酸素原子層がほぼ偶数層だけ含まれていることに等しい。
【００８５】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第６の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子も、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０を有する。各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８６】
また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２は、図７においては簡単のために省略した。
【００８７】
本実施形態においては、各層の積層の順序が逆転している。すなわち、前述した第１実施形態においては、基板上に、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、及び非金属層５０の順に積層されている。これに対して、本実施形態においては積層の順序が逆であり、所定の下地層６０の上に、非金属層５０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０がこの順に積層されている。
【００８８】
但し、本実施形態においても、第１の磁性層２０を構成する層２２、２４Ａ、２４Ｂ、及び２６の積層の順序は、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、非金属層２４Ａは、酸化、窒化あるいはフッ化反応を阻止して非金属層２４の膜厚を薄く且つ均一に形成するためのストップ層としての役割を有する。但し、本実施形態においては、層２４Ａと強磁性体金属層２２との界面において電子の鏡面反射が生ずる。
【００８９】
本実施形態によっても、非金属層２４の膜厚を極薄く且つ均一に形成することができ、第１実施形態と同様の種々の効果を同様に得ることができる。
【００９０】
また、前述した第２〜第５実施形態に関して例示した各構造についても、同様に逆の順番に積層しても良い。つまり、図３〜図６に表した積層構造のそれぞれについて、非金属層５０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０の順番に積層しても良い。但し、これらの場合にも、第１の磁性層２０を構成する各層の積層構造は、図３〜図６に表したものと同様とする必要がある。
【００９１】
このように、積層の順番を逆転させても、同様の効果を得ることができる。
【００９２】
以上、第１〜第６の実施の形態として、非金属層を第１の磁性層の中間に設けた構成について説明した。
【００９３】
一方、電子を鏡面反射する非金属層は、図８に例示したように、反強磁性層と第１の磁性層との間に設けても良い。すなわち、図８に表した例においては、所定の基板上に、反強磁性層１０、非金属層２４、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非金属層５０がこの順に積層されている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図８においては簡単のために省略した。
【００９４】
図８に例示した構造においては、電子は、非金属層２４と非金属層５０との間で鏡面反射を繰り返して流れる。ここで、反強磁性層１０の材料としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ等を用いることができる。特に、反強磁性を有する金属を用いることにより、高いブロッキング温度をもち、大きな一方向異方性をもつ、良好な磁化固着特性を得ることができる。
【００９５】
また、非金属層２４の材料としては、例えば、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３ 等を用いることができる。特に、非金属層２４の材料として、反強磁性を有する材料を選択することにより、金属反強磁性体がもつ良好な磁化固着特性を損なうことなく良好な電子反射効果を得ることができる。
【００９６】
図８の構成においては、良好なバイアス効果を得るためには、電子反射層となる非金属層２４は、反強磁性体であるか、または強磁性体であることが望ましい。非金属層２４として、反強磁性体を用いる場合には、その膜厚を５ｎｍ以下とすることが望ましく、さらに２ｎｍ以下とすることによってさらに温度特性に優れたバイアス特性を得ることができる。
【００９７】
非金属層２４として、強磁性体を用いる場合にも、その膜厚は５ｎｍ以下とすることが望ましく、さらに２ｎｍ以下とすることによってさらに温度特性に優れたバイアス特性を得ることができる。
【００９８】
一方、図９に例示したように、電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層の中間に設けても良い。すなわち、図９に例示した構造においては、所定の基板の上に、第１の反強磁性層１０Ａ、非金属層２４、第２の反強磁性層１０Ｂ、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非金属層５０がこの順に積層されている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図９においては簡単のために省略した。
【００９９】
このように、反強磁性層１０の中間に電子を鏡面反射させる非金属層２４を設けることにより、反強磁性体と強磁性体とを直接積層し、ダイレクトな交換結合により、より良好な磁化固着特性を実現しつつ、鏡面反射効果によるＭＲの増大を得ることができる。
【０１００】
また、第１の反強磁性層１０Ａ及び１０Ｂの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ等を用いることができる。特に、金属性の材料を用いることにより、高いブロッキング温度をもち、大きな一方向異方性をもつ、良好な磁化固着特性を得ることができる。
【０１０１】
また、非金属層２４の材料としては、例えば、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｆｅ３Ｏ４ 、Ｆｅ２Ｏ３ 等を用いることができる。特に、非金属層２４の材料として、反強磁性を有する材料を選択することにより、金属反強磁性体がもつ良好な磁化固着特性を損なうことなく、良好な電子反射効果を得ることができる。
【０１０２】
また、より大きなＭＲ効果を得るためには、第２の反強磁性層１０Ｂの膜厚をできるだけ薄くすることが望ましく、３ｎｍ以下であることが望ましい。また、第１の反強磁性層１０Ａについては、これよりも厚くても良いが、電流のシャント効果を抑制するためには、１０ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、十分なバイアス効果が得られる場合には、第１の反強磁性層１０Ａは、省略することもできる。
【０１０３】
一方、磁化固着層を複数設けても良い。
図１０は、磁化固着層を上下に設けた構造を例示する概念図である。すなわち、同図に例示した構造においては、例示したように、所定の基板の上に、バッファ層２、反強磁性層１０、第１の磁性層２０、非磁性中間層３０、第２の磁性層４０、非磁性中間層３０、第１の磁性層２０、反強磁性層１０、保護層６０がこの順に積層されている。つまり、積層構造のほぼ中央に、フリー層となる第２の磁性層４０が設けられ、その上下に対称に中間層３０や固着層２０などが設けられている。同図に関しても、各層の具体的な構成や役割は、図１乃至図２に関して前述したものと概略同様とすることができるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、図１に例示した硬磁性膜８０、８０と電極８２、８２も、図１０においては簡単のために省略した。
【０１０４】
ここで、図１０に表した構造に対して、図１〜図９に例示したようなそれぞれの積層構造を適用することができる。すなわち、図１〜図９に関して前述したそれぞれの積層構造を第２の磁性層４０を中心として上下に対称に設けることができる。
【０１０５】
このように、フリー層となる磁性層４０の上下に磁化固着層となる磁性層２０を設けることにより、図１〜図９に関して前述した種々の効果に加えて、やや低い反射率の場合でも大きなＭＲ変化率を得ることができるという効果も得られる。また、フリー層が電流の流路の中心付近に配置されるため、電流磁界によってフリー層が受ける影響が少なく、動作が安定するという効果も併せて得られる。
【０１０６】
一方、このように、フリー層の上下に磁化固着層を設けると、磁化固着層からの静磁気的結合が磁化固着層が１層の場合の２倍になる。従って、磁化固着層の内部において反平行の磁化を形成するために、いわゆる「シンセティック反強磁性構造」を用いることがより重要になる。
図１１は、このようなシンセティック反強磁性構造を採用した変形例を表す断面概念図である。すなわち、図１１においては、磁化固着層となる第１の磁性層２０が、それぞれ第１の強磁性体金属層２２Ａ、ルテニウム（Ｒｕ）層２８、第２の強磁性体金属層２２Ｂ、非金属層２４、第３の強磁性体金属層２２Ｃを順に積層した構造とされている。このように、ルテニウム（Ｒｕ）層２８を設けると、その上下の強磁性体層の磁化方向が反平行となる。つまり、第１の強磁性体金属層２２Ａの磁化方向に対して、第２の強磁性体金属層２２Ｂと第３の強磁性体金属層２２Ｃの磁化方向が反平行となる。従って、層２２Ａの膜厚に対して、層２２Ｂの膜厚と層２２Ｃの膜厚の合計がほぼ等しくなるようにすれば、第１の磁性層２０の内部において全体の磁化方向がキャンセルされ、磁化固着層からの静電的カップリングを解消することができる。
【０１０７】
また、図１１の構造においては、非金属層２４を設けることによって、電子を鏡面反射させるスペキュラ効果も同時に得ることができる。つまり、電子は、フリー層すなわち第２の磁性層４０の上下に設けられた２つの非金属層２４の間において鏡面反射を受けながら流れる。このため、電子の運動量の損失が低減され、フリー層すなわち第２の磁性層４０として膜厚２ｎｍ以下の磁性層でも十分な感度を確保することができ、さらに大きなＭＲ効果を得ることができる。
【０１０８】
また、図１１の構造においては、非金属層２４をルテニウム層２８と第２の磁性層４０との間に設けている。この理由は、ルテニウム層２８は、電子を散乱する性質を有するからである。すなわち、電流の主要な経路内にルテニウム層を設けると、電子が散乱されて損失が生ずる。これに対して、図１１の構成においては、非金属層２４をルテニウム層２８と第２の磁性層４０との間に設けることにより、電流経路からルテニウム層２８を外して、電子の散乱による損失を解消することができる。
【０１０９】
次に、本発明の磁気記録装置について説明する。
以上説明した各実施形態の磁気抵抗効果素子は、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドに組み込まれ、磁気記録装置に搭載される。
【０１１０】
図１２は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク１５１は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。磁気ディスク１５１が浮上した状態で情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドの一部として搭載している。
【０１１１】
磁気ディスク１５１が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【０１１２】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１１３】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１１４】
本発明によれば、前述した各実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドの要部として採用することにより、大きな再生出力信号と、良好な熱安定性とを得ることができる。さらに、その結果として、再生出力の経時変化を解消することもできる。また、アセンブリの際に印加されうるＥＳＤ（electro-static discharge：静電気）に対する耐性も改善され、組立の際の歩留まりも向上する。
【０１１５】
以上の効果から、狭トラック化、低素子ハイト化が可能となり、高密度磁気記録に対応した磁気記録装置を実現することができる。
【０１１６】
以上、本発明の実施の形態について説明した。
【０１１７】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
【０１１８】
（実施例１）
図１及び図２を参照しつつ本発明の第１の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＮｉＦｅ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＮｉＦｅ０．６ｎｍ／ＮｉＦｅＯ０．４ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。ここで、酸化しにくいＮｉＦｅをＩｒＭｎ層とＣｏＦｅ層との間に挟んだことにより、非金属層２４の膜厚は１ｎｍに抑制され、再現性良く極薄の非金属層を形成することが可能となった。
【０１１９】
このため、磁化固着層２０における非金属層２４を介した磁気的結合は十分に強く、磁化固着特性に優れたスピンバルブ構造を実現することができた。具体的には、ＭＲ変化率１８％、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）４００Ｏｅを得ることができた。また、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２０】
（比較例１）
上記実施例１に対する比較のために、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２．０ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＯ１．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。すなわち、本比較例においては、ＣｏＦｅの酸化が進みすぎてしまい、得られたＣｏＦｅＯ層の厚さは１．５ｎｍと厚くなってしまった。このため、磁化固着層におけるＣｏＦｅ層を介した磁気的結合は弱く、磁化固着特性には劣化が見られた。具体的には、ＨＵＡは、２００Ｏｅに低下した。また、全体の結晶性を改善するために、非金属層の形成のための酸化処理を２００℃において実施したところ、固着層の磁化固着特性はさらに劣化してしまい、非金属層の酸化による厚膜化がさらに進行したことがわかった。
【０１２１】
（実施例２）
図３を参照しつつ本発明の第２の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｎｉ１ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｎｉ０．５ｎｍ／ＮｉＯ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。
【０１２２】
本実施例においては、酸化しにくいＮｉ層を表面に設け、ＩｒＭｎ層と接する層にはＣｏＦｅ層を挟んだことにより、非金属層２４の膜厚は１ｎｍに抑制され、再現性良く極薄の非金属層を形成することが可能となった。
【０１２３】
このため、磁化固着層２０における非金属層２４を介した磁気的結合は十分に強く、磁化固着特性に優れたスピンバルブ構造を実現することができた。また、ＩｒＭｎ層とＣｏＦｅ層との組み合わせにより、十分に強い一方向異方性を得ることができた。具体的には、ＭＲ変化率として１７％、一方向異方性磁場として５５０Ｏｅを得ることができた。さらに、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２４】
（実施例３）
図４を参照しつつ本発明の第３の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、第１の非金属層２４Ａを形成した。そして、その上にさらにＣｏＦｅ１ｎｍを堆積し、もう一度その表面を１ｘ１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、第２の非金属層２４Ｂを形成した。
【０１２５】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．３ｎｍ／ＣｏＦｅ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．３ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１２６】
本実施例においては、弱い酸化によりピンホールが存在しうる極薄のＣｏＦｅＯ層２４Ａ、２４Ｂを設けるが、このように非金属層を２層とすることより、全体の電子の鏡面反射率を改善し、約１８％という大きなＭＲ効果を得ることができた。
【０１２７】
（実施例４）
図５を参照しつつ本発明の第４の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらし、非金属層２４を形成した。そして、その上にさらに、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１ｘ１０−４ｔｏｒｒの酸素に６０秒間さらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒ１．２ｎｍ／ＣｏＦｅＣｒＯ０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍ
という積層構造が得られた。
【０１２８】
本実施例においては、Ｃｒが選択的に酸化されて安定な酸化物を形成するため、極薄の非金属層２４を再現性良く形成することができた。さらに、全体の結晶性を改善するために、非金属層２４の形成のための酸化処理を２００℃において実施した場合においても、固着層２０の磁化固着特性に劣化はみられなかった。
【０１２９】
（実施例５）
次に、図６を参照しつつ、本発明の第５の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｃｒ０．４ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３０】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｃｒ２Ｏ３０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３１】
本実施例においては、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、Ｃｒ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＣＲ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５２ｎｍである。このため、Ｃｒ２Ｏ３層の厚さを０．５ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が２層積層されることになる。この結果、Ｃｒ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は平行に磁化結合し、安定な磁気特性を得ることが可能となった。具体的には、ＭＲ変化率として２０％であり、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）として６００Ｏｅを得ることができた。
【０１３２】
（実施例６）
次に、図６を参照しつつ本発明の第６の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｒ０．６ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒの酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３３】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｒ２Ｏ３０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３４】
本実施例においても、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、Ｃｒ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＣｒ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５２ｎｍである。このため、Ｃｒ２Ｏ３層の厚さを０．７ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が３層積層されることになる。この結果、Ｃｒ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は反平行に磁化結合し、シンセティック磁化配列を得ることができ、ＭＲ変化率として１９％を得ることができた。
【０１３５】
（実施例７）
次に、図６を参照しつつ本発明の第７の実施例について説明する。まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｆｅ０．４ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−５ｔｏｒｒのラジカル酸素に１０秒間さらし、非金属層２４’を形成した。
【０１３６】
さらにその上に、ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍという積層構造を成膜し、その表面を１×１０−４ｔｏｒｒの酸素にさらして非金属層５０を形成した。そして、その上に、保護膜としてＴａ０．４ｎｍを堆積し、大気中に取り出した。この結果、表面のＴａも酸化されて酸化層が形成された。この結果として、
Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＩｒＭｎ５ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／α−Ｆｅ２Ｏ３０．５ｎｍ／ＣｏＦｅ２ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍ／ＣｏＦｅ１．６ｎｍ／ＣｏＦｅＯ０．４ｎｍ／ＴａＯ０．４ｎｍという積層構造が得られた。
【０１３７】
本実施例においても、膜全体として（１１１）配向性を有し、ＣｏＦｅ層は、ｆｃｃ構造をとり、（１１１）面を積層させた構造となった。また、α−Ｆｅ２Ｏ３は、コランダム構造をとり、最密充填層が膜面に対して平行に形成された。コランダム構造の場合には、酸素層を介してＦｅ層が反強磁性的結合をしており、最密充填層に垂直な方向の磁気的周期は、０．４５８ｎｍである。このため、Ｆｅ２Ｏ３層の厚さを０．５ｎｍとしたときには、膜厚方向にほぼ酸素層が２層積層されることになる。この結果、Ｆｅ２Ｏ３層を挟んだ上下ＣｏＦｅ層は平行に磁化結合し、安定な磁気特性を得ることが可能となった。具体的には、ＭＲ変化率として２０％、一方向異方性磁場（ＨＵＡ）として６００Ｏｅを得ることができた。
【０１３８】
また、α−Ｆｅ２Ｏ３は、反強磁性が消失する温度（ネール温度）が６７０℃と非常に高いため、実際にデバイスとして使用される環境温度である１００℃においても、６００Ｏｅという大きな一方向異方性磁場を得ることができた。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【０１４０】
まず、本発明によれば、磁化固着層の中間に電子反射層としての非金属層を設け、且つその非金属層の下地として、２種類の層を積層させることにより、下側の層を反応に対するストッパ層として作用させ、極薄且つ均一な非金属層を再現性よく形成することができる。その結果として、電子の鏡面反射を生じさせつつ、第１の強磁性体金属層と第２の強磁性体金属層との磁気的なカップリングを確保して良好な磁化固着特性を得ることができる。
【０１４１】
また、本発明によれば、磁化固着層の非金属層の下側の強磁性体金属層を多層構造とし、その下側の層をバルク効果が高い強磁性体の層とすることにより、磁化固着特性をさらに改善してより大きなＭＲ変化量を得ることができる。
【０１４２】
また、本発明によれば、磁化固着層において、電子を反射させる複数の非金属層を別個に設けることにより、強磁性体層との界面が増え、電子が鏡面反射される確率を倍増させることができる。つまり、ピンホールなどが存在しうるような極薄の非金属層を用いて強磁性体層の間の磁気的なカップリングを確保しつつ、電子の鏡面反射の効率を倍増させることができる。その結果として、磁気固着特性を維持しつつ、電子の運動量の損失を大幅に低減して大きなＭＲ特性を実現することができる。
【０１４３】
また、本発明によれば、非金属層を中間に含んだ磁化固着層をシンセティック反強磁性体とすることにより、磁化固着層からの静磁場による動作点のシフトをを解消することができる。さらに、静磁場の影響がなくなるため、フリー層を十分に薄くすることが可能となり、スペキュラ効果をより有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図２】非金属層２４の形成方法を概念的に表す工程断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。す
【図４】本発明の第３の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
【図８】電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層と第１の磁性層との間に設けた例を表す概念図である。
【図９】電子を鏡面反射する非金属層を反強磁性層の中間に設けた例を表す概念図である。
【図１０】磁化固着層を上下に設けた構造を例示する概念図である。
【図１１】シンセティック反強磁性構造を採用した変形例を表す断面概念図である。
【図１２】本発明の磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【符号の説明】
２ バッファ層
１０、１０Ａ、１０Ｂ 反強磁性層
２０ 第１の磁性層
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 強磁性体金属層
２４ 非金属層
２４Ａ 第１の非金属層
２４Ｂ 第２の非金属層
２６ 強磁性金属層
２８ ルテニウム層
３０ 非磁性中間層
４０ 第２の磁性層
５０ 非金属層
６０ 下地層、保護層
８０ 硬磁性膜
８２ 電極
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 固定軸
Claims (2)
- 反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられた、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性中間層と、を有するスピンバルブ膜を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の磁性層は、第１の強磁性体金属層と、前記第１の強磁性体金属層の上に設けられたＣｒ ２ Ｏ ３ 層と、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の上に設けられた第２の強磁性体金属層と、を有し、前記Ｃｒ ２ Ｏ ３ 層の厚さが０．５ｎｍまたは０．７ｎｍであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁気記録媒体に対して情報を再生する磁気ヘッドを備えた磁気記録装置であって、
前記磁気ヘッドは、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気記録装置。
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