JP4260182B2 - 磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ハードディスク装置に好適に用いられる磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドに関する。

ハードディスク装置には、磁気信号読み出し用の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を有する薄膜磁気ヘッドが用いられている。近年、ハードディスク装置の高記録密度化が進んできており、それに伴い、薄膜磁気ヘッドにおいても特に磁気抵抗効果素子に対する高感度化および高出力化の要求が高まっている。

このような要求に対応して、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層とを、非磁性のスペーサ層で挟んだ構造を有するスピンバルブ膜（ＳＶ膜）を用いた磁気抵抗効果素子が開発されている。ピンド層およびフリー層は強磁性層として形成され、ピンド層は、反強磁性層上に設けられることによって磁化方向が固定される。また最近では、ピンド層を強磁性体の単層構造から、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層の３層構造とすることで、２つの強磁性層間に強い交換結合を与えて、反強磁性層からの交換結合力を実効的に増大させるというシンセティック型のＳＶ膜も開発されている。

また、出力向上という観点から、膜面に対して垂直にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型の磁気抵抗効果素子も提案されている。ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子では、強磁性層の分極率が大きいことが望まれている。分極率が大きいと、磁気抵抗効果素子の感度を表す指標である磁気抵抗変化率（ＭＲ比ともいう）が大きくなる。特に、キュリー温度が比較的高いホイスラー合金（Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ）において、ＴＭＲ素子であるが、室温で比較的高いＭＲ比が得られている。特許文献１には、ピンド層およびフリー層の少なくとも一方が、強磁性かつハーフメタル的な合金層を有して形成された磁気抵抗効果素子が開示されている。特許文献１では、強磁性かつハーフメタル的な合金層の例として、組成式がＸ₂ＹＺ（ただし、Ｘは周期表のIIIＡ族からIIＢ族までのうちから選択された一元素、ＹはＭｎ、ＺはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｌ、Ｐｂのうちから選択された１種または２種以上の元素）で表されるフルホイスラー合金で形成した層が挙げられている。

また、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を向上させる手段の一つとして、フリー層とピンド層との間に極薄の酸化物層（ＮＯＬ：Nano-oxide-Layer）を挿入し、これによってスピンバルブ膜内の電流を狭窄することが提案されている（特許文献２）。これは、センス電流の流れ方を制御することで、材料が有するスピン依存散乱の効果を最大限に利用するものである。さらに、非特許文献１では、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の最近のデータが開示されている。非特許文献１のＦｉｇ．５によれば、素子の単位面積当たりの抵抗値であるＲＡ＝０．５７Ωμｍ²で、ＭＲ比＝８．２％という結果が得られている。
特開２００３−２１８４２８号公報 特開２００２−２０８７４４号公報 日本応用磁気学会誌、Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．９、ｐｐ．８６９−８７７（２００５）

記録密度が３００Ｇｂｐｓｉを超える薄膜磁気ヘッドに磁気抵抗効果素子を適用することを考えた場合、ＲＡが低ければ低いほど、またＭＲ比が高ければ高いほど、Ｓ／Ｎ的に有利となる。ところが、非特許文献１に開示されたような、電流狭窄型の磁気抵抗効果素子においては、電流狭窄による効果を得るためには、どうしてもＲＡが大きくなってしまうという問題点があった。実際、非特許文献１のＦｉｇ．５によれば、実用的な低ＲＡ領域（０．２〜０．３Ωμｍ²）では、ＭＲ比は４〜５％程度になってしまう。また、酸化物層を挿入することで、それに隣接するピンド層やフリー層の過酸化という問題も生じる。

一方、ホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子では、高い分極率を得るためには、例えばフルホイスラー合金においては特定の結晶構造（Ｌ２１構造やＢ２構造）をとっていることが極めて重要である。ホイスラー合金が特定の結晶構造をとるためには、ホイスラー合金を構成する元素Ｘ，Ｙ，Ｚの組成比がほぼ化学量論組成であることが重要である。ホイスラー合金における化学量論組成とは、フルホイスラー合金の場合はＸ：Ｙ：Ｚ＝２：１：１であり、ハーフホイスラー合金の場合はＸ：Ｙ：Ｚ＝１：１：１である。

しかし、実際にフルホイスラー合金層をスペーサ層に隣接して形成すると、両層での相互拡散によってフルホイスラー合金層の組成比がずれてしまい、上述した特定の結晶構造をとりにくくなる。その結果、ピンド層やフリー層の分極率が思っていたほど大きくはならず、フルホイスラー合金を用いたことによる効果があまり得られない。

そこで本発明は、ピンド層およびフリー層の少なくとも一方がホイスラー合金層を有する場合において、低いＲＡを保ちつつ、高いＭＲ比が得られる磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に設けられた非磁性のスペーサ層とを有し、トンネル磁気抵抗効果を発揮しない、膜面に対して垂直にセンス電流が流される磁気抵抗効果素子である。さらに本発明の磁気抵抗効果素子は、ピンド層およびフリー層の少なくとも一方が、スペーサ層側に設けられた、実質的に化学量論組成を有するホイスラー合金層を含み、ホイスラー合金層の少なくとも一方とスペーサ層との間に、酸化物が非連続的に分散して設けられており、非連続的に設けられた酸化物とホイスラー合金層との間に、０．３ｎｍ以上かつ１．５ｎｍ以下の厚さを有するホイスラーベース層を有している。そして、ホイスラー合金層はＣｏ ₂ ＭｎＧｅまたはＣｏ ₂ ＭｎＳｉからなる。また、ホイスラーベース層はＣｏＭｎＧｅまたはＣｏＭｎＳｉからなり、Ｃｏは７０ａｔ％以上かつ１００ａｔ％未満である。そして、この磁気抵抗効果素子の面積抵抗値（ＲＡ）は０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内にある。

本発明の磁気抵抗効果素子では、スペーサ層とそのスペーサ側に設けられたホイスラー合金層との間に酸化物が介在しており、それによってスペーサ層とホイスラー合金層との相互拡散が抑制される。酸化物は海島状に（非連続的に）分散して設けられているので、酸化物が介在することによる磁気抵抗効果素子の電気抵抗の上昇も抑制される。特に、スペーサ層側に設けられたホイスラー合金層が実質的に化学量論組成を有し、あるいは、磁気抵抗効果素子の面積抵抗値が０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内にあるように構成することで、ホイスラー合金層とスペーサ層との間に介在する酸化物に含まれる酸素がホイスラー合金層に拡散することも抑制されるので、結果的に、低いＲＡを保ちつつ、高いＭＲ比が達成される。

ホイスラー合金層とスペーサ層との間に介在する酸化物は、酸化物の下地となる層を構成する材料よりも酸素との結合エネルギーが高い少なくとも１種の原材料の酸化物であることが好ましい。具体的には、フリー層にホイスラー合金層が含まれ、スペーサ層がＣｕからなるものである場合、上記原材料は、酸素との結合エネルギーが５００ｋＪ／ｍｏｌ以上であることが好ましい。このような原材料としてはＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された１種または２種以上の元素からなるものが挙げられる。

ピンド層は、非磁性中間層と、該非磁性中間層を挟んで設けられた２つの強磁性体層とを有するシンセティックピンド層であってもよい。

ホイスラー合金層の高い分極率、および磁気抵抗効果素子の電気抵抗の上昇抑制を効果的に達成するためには、ホイスラー合金層とスペーサ層との界面全体に対する、酸化物が設けられた領域の総面積の割合は５０％未満であることが好ましい。

本発明は、さらに、上記本発明の磁気抵抗効果素子を備えた磁気薄膜ヘッドを提供する。

本発明によれば、ホイスラー合金層とスペーサ層との間に酸化物を海島状に（非連続的に）分散して設けた構成において、ホイスラー合金層が実質的に化学量論組成を有し、あるいは素子のＲＡが０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内にあるように構成することで、低ＲＡを保ちつつ、高いＭＲ比を達成することができる。

次に、本発明の参考例および実施形態について図面を参照して説明する。

図１に、本発明の参考例による薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図を概念的に示す。

本参考例の薄膜磁気ヘッド１は、基板１１と、基板１１に形成された、記録媒体（不図示）に対する読み出しのための再生部２および書き込みのための記録部３とを有する。

基板１１は、耐摩耗性に優れたＡｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ（アルティック）からなる。基板１１の上面にはアルミナからなる下地層１２が形成され、この上に、再生部２および記録部３が積層される。

下地層１２の上には、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）といった磁性材料からなる下部シールド層１３が形成されている。下部シールド層１３の上の、媒体対向面Ｓ側の端部には、ＭＲ素子４が、その一端を媒体対向面Ｓに露出させて形成されている。ＭＲ素子４の上には、例えばパーマロイといった磁性材料からなる第１上部シールド層１５が形成されている。これら下部シールド層１３、ＭＲ素子４、および第１上部シールド層１５で、再生部２を構成する。下部シールド層１３と第１上部シールド層１５との間のＭＲ素子４が存在しない部分には、主に絶縁層１６ａが形成されている。

第１上部シールド層１５の上には、絶縁層１６ｂを介して、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料からなる下部磁極層１７が形成されている。下部磁極層１７は、記録部３の下部磁極層としての機能の他に、ＭＲ素子４の上部シールド層としての機能も兼ねている。

下部磁極層１７の上には、Ｒｕやアルミナなどの非磁性材料からなる記録ギャップ層１８を介して、上部磁極層１９が形成されている。記録ギャップ層１８は、媒体対向面Ｓ側の端部に、媒体対向面Ｓに一端を露出させて形成される。上部磁極層１９の材料としては、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料が用いられる。下部磁極層１７と上部磁極層１９とは、接続部２１によって磁気的に接続され、全体で一つの磁気回路を形成する。

下部磁極層１７と上部磁極層１９との間において、媒体対向面Ｓと接続部２１との間には、銅などの導電性材料からなるコイル２０ａ，２０ｂが２層に形成されている。各コイル２０ａ，２０ｂは、下部磁極層１７と上部磁極層１９とに磁束を供給するものであり、それぞれ平面螺旋状となるように接続部２１の周囲を周回する形状に形成されている。コイル２０ａ，２０ｂは、絶縁層によって周囲と絶縁されている。本参考例では２層のコイル２０ａ，２０ｂを示したが、これに限られるものではなく、１層であってもよいし３層以上であってもよい。

オーバーコート層２２は、上部磁極層１９を覆って設けられ、上述した構造を保護する。オーバーコート層２２の材料としては、例えばアルミナなどの絶縁材料が用いられる。

次に、ＭＲ素子４について、図１に示すＭＲ素子４を媒体対向面Ｓ側から見た図である図２を参照して詳細に説明する。

ＭＲ素子４は、前述したように下部シールド層１３と上部シールド層１５との間に挟まれて形成されており、バッファー層４１、反強磁性層４２、ピンド層４３、スペーサ層４４、フリー層４５、およびキャップ層４６が、下部シールド層１３側からこの順番で積層された構成を有している。ここではピンド層４３として、非磁性中間層４３ｂをそれぞれ強磁性体からなるアウター層４３ａとインナー層４３ｃとで挟んだ構成とした例を示している。このようなピンド層４３は、シンセティックピンド層と呼ばれる。アウター層４３ａは反強磁性層４２に接して設けられ、インナー層４３ｃはスペーサ層４４に接して設けられている。

下部シールド層１３および上部シールド層１５は、それぞれ電極を兼用している。ＭＲ素子４へは、これら下部シールド層１３および上部シールド層１５を通じて、膜面に直交する方向にセンス電流が流される。

バッファー層４１は、その材料として、反強磁性層４２とピンド層４３のアウター層４３ａとの交換結合が良好になる組み合わせが選ばれ、例えばＴａ／ＮｉＣｒ、Ｔａ／Ｒｕ、Ｔａ／ＮｉＦｅ等の積層膜から構成される。反強磁性層４２は、ピンド層４３の磁化方向を固定する役割を果たすものであり、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＲｕＲｎＭｎ、ＮｉＭｎ等から構成される。

ピンド層４３は、磁性層として形成され、前述したように、アウター層４３ａと、非磁性中間層４３ｂと、インナー層４３ｃとがこの順番に積層された構成を有する。アウター層４３ａは、反強磁性層４２によって外部磁界に対して磁化方向が固定されており、例えばＣｏＦｅ／ＦｅＣｏ／ＣｏＦｅの積層膜から構成される。非磁性中間層４３ｂは、例えばＲｕから構成される。インナー層４３ｃは、例えばＣｏＦｅまたはＮｉＦｅといった磁性材料で構成され、単層構造であってもよいし多層構造であってもよい。シンセティックピンド層では、アウター層４３ａとインナー層４３ｃとの磁気モーメントが互いに相殺され、全体としての漏れ磁界が抑制されるとともに、インナー層４３ｃの磁化方向が強固に固定される。

スペーサ層４４は、非磁性材料からなる。スペーサ層４４の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒなどを用いることができ、それらの中でも特にＣｕが好ましい。

フリー層４５は、磁性材料で構成され、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。本実施形態では、フリー層４５は、ホイスラー合金からなる層を有する。また、フリー層４５は、ホイスラー合金からなる層の上に、強磁性層として一般に用いられるＣｏＦｅやＮｉＦｅからなる層を積層した構成であってもよい。いずれの場合でも、ホイスラー合金からなる層は、スペーサ層４４と接する側に位置する。

本発明の参考例であるこの形態で用いられるホイスラー合金は、組成式がＸ２ＹＺまたはＸＹＺで表される合金である。ここで、Ｘは、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、およびＣｕから選択された１種または２種以上の元素である。Ｙは、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびＦｅから選択された１種または２種以上の元素である。Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、ＳｂおよびＧｅから選択された１種または２種以上の元素である。ホイスラー合金としては、具体的には、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂（Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4）Ａｌなどが用いられる。ホイスラー合金は、図３に示す結晶構造（Ｌ２１構造）や図示しないＢ２構造をもち、この状態のときに、高い分極率が得られる。ホイスラー合金は、成膜段階ではＬ２１構造やＢ２構造はとっておらず、その後のアニールといった熱処理によってＬ２１構造またはＢ２構造をとる。

なお、ホイスラー合金からなる層は、フリー層４５だけでなくインナー層４３ｃにも含まれていてもよい。この場合、インナー層４３ｃ全体をホイスラー合金で構成することもできるし、ホイスラー合金からなる層と、ＣｏＦｅやＮｉＦｅからなる層との積層構造とすることもできる。積層構造とする場合、ホイスラー合金からなる層は、スペーサ層４４側に形成される。

キャップ層４６は、ＭＲ素子４の劣化防止のために設けられ、例えばＲｕなどで構成される。

ＭＲ素子４のトラック幅方向（媒体対向面Ｓ（図１参照）と平行な平面内での、ＭＲ素子４を構成する各層の面内方向）の両側には、絶縁膜４７を介してハードバイアス膜４８が設けられている。ハードバイアス膜４８は、フリー層４５にトラック幅方向のバイアス磁界を印加することによってフリー層４５を単磁区化する。ハードバイアス膜４８には、例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性材料が用いられる。絶縁膜４７は、センス電流がハードバイアス膜４８に漏洩するのを防止するためのものであり、例えばＡｌ₂Ｏ₃といった酸化膜で形成することができる。

ここで、本形態において最も特徴的な構成を説明する。本形態において最も特徴的な構成は、スペーサ層４４とフリー層４５との界面に酸化物４９が存在していることである。酸化物４９は、連続膜としてではなく、海島状に分散してスペーサ層４４上に形成されている。フリー層４５は、スペーサ層４４と接する側にホイスラー合金層を有しているので、酸化物４９上にホイスラー合金層が形成されていることになる。

酸化物４９としては、任意の材料の酸化物を用いることができる。それらの酸化物の中でも、酸化物４９として、好ましくは、酸化物４９の下地となるスペーサ層４４を構成する材料よりも酸素との結合エネルギーが大きい材料の酸化物を用いることができる。スペーサ層４４上に酸化物４９を形成する方法として、スペーサ層４４上に、酸化物４９の原材料を海島状に堆積させ、その後、原材料を堆積させた中間積層体を酸素雰囲気中に曝すことで原材料を酸化させる方法が一般的に考えられる。この際、酸化物４９の原材料が、スペーサ層４４を構成する材料よりも酸素との結合エネルギーが大きい材料であると、酸化物４９の原材料はスペーサ層４４よりも優先的に酸化し、スペーサ層４４が酸化するのが抑制される。

このような原材料としては、スペーサ層４４がＣｕからなる場合、酸素との結合エネルギーが５００ｋＪ／ｍｏｌ以上である材料を好ましく用いることができる。これにより、酸化物４９を形成するのに際し、Ｃｕからなるスペーサ層４４をほとんど酸化させることなく、スペーサ層４４上に堆積した原材料のみを酸化させることができる。酸素との結合エネルギーが５００ｋＪ／ｍｏｌである材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなどが挙げられる。また、これらの材料のうち１種または２種以上を組み合わせた化合物を、酸化物４９の原材料とすることもできる。

以上のように、ホイスラー合金層とスペーサ層４４との間に、組成として安定した酸化物４９を介在させることで、ホイスラー合金層とスペーサ層４４との間での相互拡散が抑制される。その結果、組成式がＸ₂ＹＺで表されるホイスラー合金の組成比は、化学量論組成であるＸ：Ｙ：Ｚ＝２：１：１に近い状態となっている。それにより、ホイスラー合金層の大部分がＬ２１構造またはＢ２構造をとることができ、高い分極率が得られるので、結果的に、ホイスラー合金による効果が効果的に利用され、大きなＭＲ比を達成することができる。

しかも、酸化物４９は連続膜としてではなく海島状に形成されているので、酸化物４９を設けたことによる、ＭＲ素子４の面積抵抗値ＲＡ（１μｍ×１μｍの断面積をもつ素子形状における抵抗値）の上昇が最小限に抑えられる。仮に酸化物４９が連続膜として形成されたものであると、ＲＡが高くなりセンス電流が流れにくくなるため、高周波応答性が低下してしまう。

以上の説明では、ピンド層４３がシンセティックピンド層である例を示したが、強磁性材料のみからなるピンド層であってもよい。

ホイスラー合金層とスペーサ層４４との界面全体に対する、酸化物４９が形成されている領域の総面積の割合は、相互拡散抑制の観点からはできるだけ大きいほうが好ましい。一方、ＲＡの上昇を抑制するという観点からはできるだけ小さいほうが好ましい。これらを総合的に考慮すると、ホイスラー合金層とスペーサ層４４との界面全体に対する、酸化物４９が形成された領域の総面積の割合は５０％未満であることが好ましい。

上述したＭＲ素子４は、以下のようにして製造することができる。

下部シールド層１３上に、バッファー層４１、反強磁性層４２、アウター層４３ａ、非磁性中間層４３ｂ、インナー層４３ｃ、およびスペーサ層４４を順次形成する。その後、スペーサ層４４上に酸化物４９を形成し、さらにその上に、フリー層４５およびキャップ層４６を順次形成する。キャップ層４６の形成後、アニール処理を行い、これによって、フリー層４５に含まれるホイスラー合金はＬ２１構造またはＢ２構造をとる。酸化物４９を形成すること以外は、従来のＭＲ素子の製造方法と同様の、スパッタ法といった成膜プロセスを利用することができる。

なお、インナー層４３ｃがホイスラー合金を含む場合は、インナー層４３ｃに含まれるホイスラー合金も、アニール処理によってＬ２１構造またはＢ２構造をとる傾向にある。しかし、本形態ではインナー層４３ｃとスペーサ層４４との界面に酸化物が存在していないので、インナー層４３ｃとスペーサ層４４との間では、酸化物が存在する場合に比べて相互拡散が生じその分だけ分極率は上がりにくくなる。しかし、この場合でも、上記のように酸化物が形成されている側のホイスラー合金により高い分極率が得られているので、ＭＲ素子全体としては大きなＭＲ比を達成することができる。

酸化物４９は、前述したように、スペーサ層４４上に、酸化物４９の原材料を堆積し、堆積した原材料を酸化処理することで形成することができる。原材料の堆積には、他の層を形成するのと同様のスパッタ法など一般的な成膜プロセスを利用することができる。この際、原材料が連続膜として形成されない程度、例えば、成膜レートから求めた質量膜厚が０．１〜０．３ｎｍ程度となるように成膜することで、原材料を海島状に形成することができる。原材料の堆積後の酸化処理は、酸化物４９の原材料を堆積した中間積層体を酸素雰囲気中に曝すことで行うことができる。また、中間積層体を酸素プラズマに曝すことによって、原材料の堆積後の酸化処理を行うこともできる。

ここで、酸化物４９による効果を確認するため、以下に示す実験１，２を行った。

（実験１）
実験１では、図２に示す構成でＭＲ素子を作製した。具体的な層構成および各層の材料等を表１に示す。

表１に示す「／」は、「／」の左側の材料が右側の材料よりも下層にあること、すなわち先に形成された層であることを意味する。また、表１における膜厚は、成膜レートから求めた質量膜厚である。したがって、酸化物は実際には連続膜としてではなく海島状に形成される。

実験用のＭＲ素子としては、酸化物を形成する際の酸化時間を変更した９種類のサンプルを用意した。各サンプルのジャンクションサイズは、０．２μｍ×０．２μｍとした。また、全ての層を成膜した後に行う、ホイスラー合金層の結晶化のためのアニール条件は、２７０℃、３時間とした。

表２に、各サンプルの、ホイスラー合金の材料、酸化物を形成するための酸化時間、ＲＡ、およびＭＲ比を示す。図４に、実験１によって得られたＲＡとＭＲ比との関係のグラフを示す。

表２より、酸化時間を長くすることによって、ＲＡが大きくなることが分かる。これは、酸化時間を長くすることによって酸化物の酸化度合いが高くなり、これによってＭＲ素子に対して電流が流れにくくなるためであると考えられる。また、図４のグラフから、ＲＡが０．１０Ωμｍ²から０．３６Ωμｍ²までの範囲で、１０％以上の高いＭＲ比が得られることが分かる。

ここで注目すべきは、ＲＡが約０．２Ωμｍ²まではＭＲ比はＲＡの上昇につれて高くなるが、その点をピークとして、それよりもＲＡが高くなると、ＭＲ比は逆に低下していくことである。この現象は、次のように考えられる。ＲＡが約０．２Ωμｍ²までは、酸化物の存在によりスペーサ層の材料がフリー層に拡散するのが効果的に抑制されるため、ホイスラー合金層の化学量論組成が維持されている。そのため、その後のアニールによりホイスラー合金層がＬ２１構造またはＢ２構造をとりやすくなり、結果的に高い分極率が得られ、ＭＲ比も高くなる。一方、ＲＡが高くなりすぎる（酸化物の酸化度合いが高くなりすぎる）と、スペーサ層の材料がフリー層に拡散しにくくなるものの、酸化物中の酸素がフリー層に拡散し、これによって、ホイスラー合金層が化学量論組成から外れてくる。そのため、ホイスラー合金層は、その後のアニールによるＬ２１構造またはＢ２構造をとりにくくなり、結果的に分極率が低下し、ＭＲ比も低下してくる。ただし、ＲＡが０．３６Ωμｍ²程度までは、１０％以上の高いＭＲ比が得られていることから、ＲＡが０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲では、ホイスラー合金層は実質的に化学量論組成を有しているものと考えられる。逆の言い方をすれば、ＲＡが０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲から外れている場合は、ホイスラー合金層は化学量論組成から大きく外れていると考えられる。

（実験２）
実験２では、表１に示したのと同じ膜構成において、ホイスラー合金層の材料および酸化物の材料を変更した１０種類のサンプルを作製して、ＲＡおよびＭＲ比を測定した。酸化物の酸化条件は、各サンプルとも等しくなるように、酸化時間を１２０秒とした。表３に、各サンプルの、ホイスラー合金層の材料、酸化物の材料、ＲＡおよびＭＲ比を示す。

表３から、いずれのサンプルも、ＲＡは０．１８Ωμｍ²から０．２５Ωμｍ²の範囲と十分に低い値であった。ＭＲ比も、全てが２０％以上と極めて高いＭＲ比が得られた。したがって、スペーサ層とホイスラー合金層との間に酸化物を介在させることによる効果は、ホイスラー合金層の材料にも酸化物の材料にも依存しないことが分かる。また、いずれのサンプルも高いＭＲ比が得られていることから、ホイスラー合金層は実質的に化学量論組成を有していると考えられる。

以上の実験結果から明かなように、スペーサ層とホイスラー合金層との間に酸化物を海島状に分散して設け、かつ、ホイスラー合金層が実質的に化学量論組成を有している構成とすることにより、低いＲＡを保ちつつ、高いＭＲ比を有するＭＲ素子が得られる。あるいは、別の観点から見れば、スペーサ層とホイスラー合金層との間に酸化物を海島状に設け、かつＲＡが０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内であるように構成することで、低いＲＡであることはもちろん、高いＭＲ比を有するＭＲ素子が得られる。

次に、ＭＲ素子の他の形態について図５を参照して説明する。

図５に示すＭＲ素子４は、インナー層４３ｃの少なくともスペーサ層４４との界面側の領域をホイスラー合金層とするとともに、酸化物４９を、フリー層４５とスペーサ層４４との界面ではなく、インナー層４３ｃとスペーサ層４４との界面に設けている。その他は図２に示した構成と同じであるので、図５では、対応する構成については図２と同じ符号を付し、それらの説明はここでは省略する。

インナー層４３ｃは、その全体がホイスラー合金で構成されていてもよいし、ホイスラー合金を、例えばＮｉＦｅやＣｏＦｅといった他の磁性材料と積層した構成としてもよい。ホイスラー合金を他の磁性材料と積層する場合は、スペーサ層４４と隣接する側をホイスラー合金で構成する。ホイスラー合金はＬ２１構造またはＢ２をとっている。ホイスラー合金は、前述したのと同様のものを用いることができ、化学量論組成を有している。酸化物４９は、海島状に分散して設けられている。また酸化物４９としては任意の酸化物を用いることができるが、その下地となる層であるインナー層４３ｃを構成する材料よりも酸素との結合エネルギーが高い材料を用いることが好ましい。そして、ＭＲ素子４のＲＡは、０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲である。

このように、ホイスラー合金からなる層をインナー層４３ｃに配し、インナー層４３ｃとスペーサ層４４との界面に酸化物４９を設けることによっても、前述した形態と同様の効果が得られる。すなわち、低いＲＡを保ちつつ、ホイスラー合金が特定の結晶構造をとることに起因する高い分極率を利用して大きなＭＲ比を達成することができる。なお、本形態では少なくともインナー層４３ｃがホイスラー合金層を含んでいるが、フリー層４５もホイスラー合金層を含んだ構成としてもよい。

本発明の参考例であるＭＲ素子について代表的な２つの形態を説明したが、これらを組み合わせることもできる。

図６に、ＭＲ素子の更なる他の形態を示す。図６に示すＭＲ素子４は、インナー層４３ｃの少なくともスペーサ層４４との界面側の領域、およびフリー層４５の少なくともスペーサ層４４との界面側の領域を、それぞれホイスラー合金層としている。つまり、スペーサ層４４に接している層は両面ともホイスラー合金層である。インナー層４３ｃに含まれるホイスラー合金およびフリー層４５に含まれるホイスラー合金は、組成式がＸ₂ＹＺまたはＸＹＺ（ここで、Ｘは、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、およびＣｕから選択された１種または２種以上の元素、Ｙは、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、およびＦｅから選択された１種または２種以上の元素、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、ＳｂおよびＧｅから選択された１種または２種以上の元素である。）で表されるものであれば、同一の元素からなるものであってもよいし、異なる元素からなるものであってもよい。

そして、インナー層４３ｃとスペーサ層４４との界面には酸化物４９ａが形成され、スペーサ層４４とフリー層４５との界面には酸化物４９ｂが形成されている。これら酸化物４９ａ，４９ｂは、前述した形態と同様、いずれも海島状に分散して設けられている。もちろん、各ホイスラー合金層は化学量論組成を有しており、また、ＭＲ素子のＲＡは、０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内にある。その他は図２に示した構成と同じであるので、図６では、対応する構成については図２と同じ符号を付し、それらの説明はここでは省略する。

本発明の一実施形態のＭＲ素子について、図７を参照して説明する。

このＭＲ素子４は、海島状の酸化物４９とホイスラー合金層との間に、ホイスラーベース層が設けられている。すなわち、図７に示す構成では、インナー層４３ｃとフリー層４５の両方にホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aが設けられており、両ホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aのスペーサ層４４との界面側に、それぞれホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bが設けられている。従って、ピンド層４３のインナー層４３ｃは、ＣｏＦｅ層４３ｃ_c、ホイスラー合金層４３ｃ_a、ホイスラーベース層４３ｃ_bの順に重なった多層構造である。また、フリー層４５は、ホイスラーベース層４５_b、ホイスラー合金層４５_a、ＮｉＦｅ層４５_cの順に重なった多層構造である。そして、インナー層４３のホイスラーベース層４３ｃ_bと、フリー層４５のホイスラーベース層４５_bとの間に、Ｃｕからなるスペーサ層４４と海島状の酸化物４９が介在している。

ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bは、ホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aと同様な材料（ＣｏＸＹ）からなる。このＸはＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒのうちの少なくとも１つであり、ＹはＳｉ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｂのうちの少なくとも１つであり、ＸとＹの組成比は１対１である。そして、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b内のＣｏの割合は７０ａｔ％以上である。ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bは０．３ｎｍ以上の厚さを有している。

この構成による効果を確認するために、以下に示す実験３，４を行った。

（実験３）
実験３では、図７に示す構成でＭＲ素子４を作製した。具体的な層構成および各層の材料等を表４に示す。

実験用のＭＲ素子４としては、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの厚さを１ｎｍにして、その中のＣｏの含有量を５０％〜１００％の範囲で変化させた７種類のサンプル（サンプル３−１〜３−７）と、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b中のＣｏの含有量が８０％であるサンプル３−４から、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの厚さを０ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で変化させた４種類のサンプル（サンプル３−８〜３−１１）を用意した。なお、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b中のＭｎとＳｉの組成比は、常に１対１である。

各サンプルのジャンクションサイズは、０．２μｍ×０．２μｍとした。また、全ての層を成膜した後に行う、ホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aの結晶化のためのアニール条件は、２７０℃、３時間とした。なお、海島状の酸化物４９は、Ａｌを成膜した後に酸素雰囲気に２４０秒曝すことによって形成した。この酸化時間は、過酸化の影響をみるために長めに設定されている。

表５に、各サンプルの、ホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aの材料と、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの材料、Ｃｏ含有量、および厚さと、ＲＡ、およびＭＲ比を示す。

表５に示されているサンプル３−１〜３−７によると、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b中のＣｏ含有量が７０ａｔ％以上である時に、０．３以下のＲＡと１０％以上のＭＲ比を示した。これは、Ｃｏ含有量が少ないと、ＭｎやＳｉが比較的容易に酸化され、高抵抗になってしまい、その結果、ＭＲ比が落ちてしまうが、Ｃｏ含有量が７０ａｔ％以上であると、酸化されにくいＣｏの含有量が多いため、高抵抗化が抑制されるからであると考えられる。さらに、海島状の酸化物４９によって、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bとスペーサ層４４のＣｕとの拡散が抑制され、これに伴いホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aの高分極率が実現される。また、表５に示されているサンプル３−４，３−８〜３−１１によると、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの膜厚が０．３ｎｍ以上であれば、過酸化の影響を抑制することが可能である。

（実験４）
実験４では、表６に示すようにホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aとホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの材料をＣｏ₂ＭｎＧｅにして、実験３と同様にホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bのＣｏ含有量と厚さを変化させた１１種類のサンプル（サンプル４−１〜４−１１）を用意した。なお、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b中のＭｎとＧｅの組成比は、常に１対１である。

表７に、各サンプルの、ホイスラー合金層４３ｃ_a，４５_aの材料と、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの材料、Ｃｏ含有量、および厚さと、ＲＡ、およびＭＲ比を示す。

実験４においても、実験３と同様に、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_b中のＣｏ含有量が７０ａｔ％以上である時に、０．３以下のＲＡと１０％以上のＭＲ比を示した。そして、ホイスラーベース層４３ｃ_b，４５_bの膜厚が０．３ｎｍ以上であれば、過酸化の影響が抑制されることが判った。

なお、図７に示す実施形態は、ホイスラーベース層４３ｃｂ，４５ｂを除いては、図２に示す参考例と同様の構成であるので、これ以上の説明は省略する。また、図７に示す実施形態では、フリー層４５とインナー層４３ｃの両方にホイスラー合金層４３ｃａ，４５ａが存在するので、それぞれに接するホイスラーベース層４３ｃｂ，４５ｂを形成したが、フリー層４５とインナー層４３ｃのうちの一方のみにホイスラー合金層が存在する場合には、そのホイスラー合金層に接するホイスラーベース層のみを形成すればよい。

図５に示すようにインナー層４３ｃとスペーサ層４４の間に海島状の酸化物４９が設けられている構成や、図６に示すようにフリー層４５とスペーサ層の間とインナー層４３ｃとスペーサ層４４の間の両方に海島状の酸化物４９が設けられている構成においても、図７に示す構成と同様にホイスラー合金層に接するホイスラーベース層を設けることにより、前記したのと同様の効果を得ることができる。

本発明の薄膜磁気ヘッドは、１枚のウェハに多数個並べられて形成される。図１に示した薄膜磁気ヘッドを含む構造を多数個形成したウェハの概念的な平面図を図８に示す。

ウェハ１００は複数のヘッド要素集合体１０１に区画される。ヘッド要素集合体１０１は、複数のヘッド要素１０２を含み、薄膜磁気ヘッド１（図１参照）の媒体対向面Ｓを研磨加工する際の作業単位となる。ヘッド要素集合体１０１間およびヘッド要素１０２間には切断のための切り代（図示せず）が設けられている。ヘッド要素１０２は、薄膜磁気ヘッド１の構成を含む構造体であり、媒体対向面Ｓを形成するための研摩加工など、必要な加工がなされて薄膜磁気ヘッド１とされる。この研磨加工は、一般には複数のヘッド要素１０２を１列に切り出した状態で行う。

次に、本発明の薄膜磁気ヘッドを備えたヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置について説明する。まず、図９を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ２１０について説明する。ハードディスク装置において、スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように配置される。スライダ２１０は、ヘッド要素１０２（図８参照）から得られた薄膜磁気ヘッド１を有し、ハードディスクに対向する媒体対向面Ｓにエアベアリング面２００が形成されて、全体として略六面体形状をなしている。ハードディスクが図９におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、ｙ方向の下方に揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面か
ら浮上するようになっている。なお、図９におけるｘ方向は、ハードディスクのトラック横断方向である。スライダ２１０の空気流出側の端面２１１には、再生部２および記録部３（図１参照）への信号入出力用の電極パッドが形成されている。この面は、図１では上端面に相当する。

次に、図１０を参照して、ヘッドジンバルアセンブリ２２０について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１とを備えている。サスペンション２２１は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられると共にスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与えるフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４とを有している。ベースプレート２２４は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させるためのアクチュエータのアーム２３０に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム２３０と、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ２２３において、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、アクチュエータのアーム２３０に取り付けられる。１つのアーム２３０にヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。

図１０は、ヘッドアームアセンブリの一例を示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム２３０の一端部にヘッドジンバルアセンブリ２２０が取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には、アーム２３０を回動自在に支持するための軸２３４に取り付けられる軸受け部２３３が設けられている。

次に、図１１および図１２を参照して、ヘッドスタックアセンブリおよびハードディスク装置の一例について説明する。図１１はハードディスク装置の要部を示す説明図、図１２はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。複数のアーム２５２には、複数のヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１においてアーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組み込まれる。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ２５０のコイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０およびアクチュエータは、スライダ２１０を支持すると共にハードディスク２６２に対して位置決めする。

ハードディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッドは、記録部によって、ハードディスク２６２に情報を記録し、再生部によって、ハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。

なお、薄膜磁気ヘッドは、上述した形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、上述した形態では、基板側に読み取り用のＭＲ素子を形成し、その上に、書き込み用の誘導型電磁変換素子を積層した構造の薄膜磁気ヘッドについて説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。また、上述した実施形態ではＭＲ素子および誘導型電磁変換素子の両方を有する場合を例に挙げたが、ＭＲ素子のみを有していてもよい。

本発明のＭＲ素子は、薄膜磁気ヘッド以外の用途にも用いることができる。薄膜磁気ヘッド以外の用途の例としては、磁気センサや磁気メモリなどが挙げられる。このような用途に本発明のＭＲ素子を用いた場合も、上述したのと同様の効果が得られる。

本発明の参考例による薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図である。 図１に示すＭＲ素子を媒体対向面側から見た図である。 フルホイスラー合金がＬ２１構造をとったときの各元素の配置を示す模式図である。 実験１で作製したサンプルの、ＲＡとＭＲ比との関係を示すグラフである。 本発明の参考例のＭＲ素子の他の形態を示す、図２と同様の図である。 本発明の参考例のＭＲ素子のさらに他の形態を示す、図２と同様の図である。 本発明の一実施形態のＭＲ素子を示す、図２と同様の図である。 図１に示す薄膜磁気ヘッドが形成されたウェハの一例の平面図である。 図１に示す薄膜磁気ヘッドを含むスライダの一例の斜視図である。 図８に示すスライダを含むヘッドジンバルアセンブリの斜視図である。 図１０に示すヘッドジンバルアセンブリを含むハードディスク装置の要部側面図である。 図１０に示すヘッドジンバルアセンブリを含むハードディスク装置の平面図である。

符号の説明

１ 薄膜磁気ヘッド
２ 再生部
３ 記録部
４ ＭＲ素子
１３ 下部シールド層
１５ 上部シールド層
４１ バッファー層
４２ 反強磁性層
４３ ピンド層
４３ａ アウター層
４３ｂ 非磁性中間層
４３ｃ インナー層
４３ｃ_a ホイスラー合金層
４３ｃ_b ホイスラーベース層
４４ スペーサ層
４５ フリー層
４５_a ホイスラー合金層
４５_b ホイスラーベース層
４６ キャップ層
４７ 絶縁膜
４８ ハードバイアス膜
４９，４９ａ，４９ｂ 酸化物

Claims (8)

1. 磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に設けられた非磁性のスペーサ層とを有し、トンネル磁気抵抗効果を発揮しない、膜面に対して垂直にセンス電流が流される磁気抵抗効果素子であって、
   前記ピンド層および前記フリー層の少なくとも一方は、前記スペーサ層側に設けられた、実質的に化学量論組成を有するホイスラー合金層を含み、
   前記ホイスラー合金層の少なくとも一方と前記スペーサ層との間に、酸化物が非連続的に分散して設けられており、
   非連続的に設けられた前記酸化物と前記ホイスラー合金層との間に、０．３ｎｍ以上かつ１．５ｎｍ以下の厚さを有するホイスラーベース層を有し、
   前記ホイスラー合金層はＣｏ ₂ ＭｎＧｅまたはＣｏ ₂ ＭｎＳｉからなり、
   前記ホイスラーベース層はＣｏＭｎＧｅまたはＣｏＭｎＳｉからなり、Ｃｏは７０ａｔ％以上かつ１００ａｔ％未満である、磁気抵抗効果素子。
2. 面積抵抗値が０．１０Ωμｍ²〜０．３６Ωμｍ²の範囲内にある、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記酸化物は、前記酸化物の下地となる層を構成する材料よりも、酸素との結合エネルギーが高い少なくとも１種の原材料の酸化物である、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記フリー層に前記ホイスラー合金層が含まれ、前記スペーサ層はＣｕからなり、前記原材料の酸素との結合エネルギーは５００ｋＪ／ｍｏｌ以上である、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記原材料は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された１種または２種以上の元素からなる、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記ピンド層は、非磁性中間層と、該非磁性中間層を挟んで設けられた２つの強磁性体層とを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 界面全体に対する、前記酸化物が設けられた領域の総面積の割合は５０％未満である、請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド。

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