JP4381358B2 - 磁気検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成され、外部磁界による磁化方向が変動するフリー磁性層、を有する磁気検出素子に関する。

下記の特許文献には、ＣＰＰ型磁気検出素子のフリー磁性層を、Ｃｏ_２ＭｎＧｅなどのホイスラー合金で形成する点が開示されている。

前記フリー磁性層を、Ｃｏ_２ＭｎＧｅで形成すると、磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを高く出来ることがわかっている。前記ΔＲＡの向上は、今後の高記録密度化に向けたＣＰＰ型磁気検出素子の実用化にとって非常に重要な条件である。
特開２００３−２１８４２８号公報 特開２００５−５１２５１号公報 特開２００４−３４８８５０号公報 特開２００４−２１４２５１号公報

しかしながら、前記フリー磁性層をＣｏ_２ＭｎＧｅで形成すると、固定磁性層とフリー磁性層間に働くカップリング結合磁界Ｈｉｎが大きくなることがわかった。後述する実験によると、Ｇｅ濃度を２５原子％付近に設定すると、ΔＲＡを高く出来るものの、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎが大きくなってしまう。またＧｅ濃度を２５原子％より多くすると、ΔＲＡはさほど低下しないが、カップリング結合磁界Ｈｉｎが急激に大きくなることがわかった。カップリング結合磁界Ｈｉｎは大きくなると、アシンメトリー（asymmetry）の増大を招くため、カップリング結合磁界Ｈｉｎを小さくする必要がある。

さらに、前記フリー磁性層をＣｏ_２ＭｎＧｅで形成すると、前記フリー磁性層の保磁力、及び磁歪も比較的、大きな値をとるため、再生特性の安定性（stability）を向上させるには、出来る限り、これらの磁気特性も小さい値であることが好ましい。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、ΔＲＡを高く維持できるとともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎを小さくできる前記磁気検出素子を提供することを目的としている。

本発明における磁気検出素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成され、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、を有し、
前記フリー磁性層は、組成式がＣｏ_2xＭｎ_xα_y（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％の関係を満たし、濃度ｙは、２４原子％以上２８原子％以下の範囲内である）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層と、ＣｏＭｎβ合金層（βは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素）との積層構造で形成されることを特徴とするものである。

これにより、ΔＲＡを高く維持できるとともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎを小さくできる。よって、従来に比べて、再生特性の安定性（stability）を向上させることが出来る。

本発明では、フリー磁性層の保磁力、および磁歪も小さくすることができ、より効果的に、再生特性の安定性（stability）を向上させることが出来る。

また本発明では、αは、β_１−ｚＳｂ_ｚ（ｚは原子比率）で示され、ｚは、０．１〜０．９の範囲内であることが好ましい。これにより、効果的に、ΔＲＡを高く維持できるとともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎおよびフリー磁性層の保磁力を小さくできる。

また、ｚは、０．２５〜０．７５の範囲内であることが、より効果的に、ΔＲＡを高く維持できるともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎおよびフリー磁性層の保磁力を小さくできる。

また、前記ＣｏＭｎα合金層は、少なくとも前記非磁性材料層に接して形成されることが、カップリング結合磁界Ｈｉｎ等を小さくする観点から好ましい。

フリー磁性層及び／又は固定磁性層は、組成式がＣｏ_２ｘＭｎ_ｘα_ｙ（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層を有し、濃度ｙは、２４原子％以上２８原子％以下の範囲内で調整される。これにより、ΔＲＡを高く維持できるとともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎを小さくできる。さらに、前記ＣｏＭｎα合金層をフリー磁性層に用いることで、前記フリー磁性層の保磁力、および磁歪も小さくすることができる。よって、従来に比べて、再生特性の安定性（stability）を向上させることが出来る。

図１は本実施形態のＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（磁気検出素子）を、記録媒体との対向面と平行な方向から切断し、その切断面を示す部分断面図である。

このデュアルスピンバルブ型薄膜素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、図中においてＸ方向は、トラック幅方向、Ｙ方向は、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向及び前記シングルスピンバルブ型薄膜素子の各層の積層方向、である。各方向は、残り２つの方向に対して直交する関係にある。

符号２０は下部シールド層であり、前記下部シールド層２０上に、デュアルスピンバルブ型薄膜素子２１が形成されている。前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子２１は、積層体２２を有する。

前記積層体２２は、下から、下地層１、シード層２、下側反強磁性層３、下側固定磁性層４、下側非磁性材料層５、フリー磁性層６、上側非磁性材料層７、上側固定磁性層８、上側反強磁性層９、および保護層１０の順に積層されている。

前記フリー磁性層６は磁化がトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられている。また前記固定磁性層４，８は磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に固定されている。図１に示す実施形態では、前記前記固定磁性層４，８は積層フェリ構造であり、第１磁性層４ａ，８ａの磁化と第２磁性層４ｃ，８ｃの磁化とが反平行にされている。

前記積層体２２は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法が下側から上側に向けて徐々に小さくなる略台形状にて形成されている。

前記積層体２２のトラック幅方向の両側には、下から、絶縁層２７、ハードバイアス層２８及び絶縁層２９が積層されている。前記絶縁層２９及び保護層１０上には、磁性材料からなる上部シールド層３０が形成される。ＣＰＰ型のスピンバルブ型薄膜素子では、下部シールド層２０及び上部シールド層３０が電極として機能し、前記積層体２２を構成する各層の界面に対し垂直方向（図示Ｚ方向と平行な方向）に電流を流す電流源となっている。

各層の材質等について説明する。
前記下地層１は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成される。前記シード層２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。前記シード層２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、前記シード層２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、前記シード層２をＣｒによって形成すると、前記シード層２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。

前記下側反強磁性層３および上側反強磁性層９は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料、あるいは、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成される。

下側固定磁性層４及び上側固定磁性層８は、夫々、第１磁性層（反強磁性層に接する側の磁性層）４ａ，８ａ、非磁性中間層４ｂ，８ｂ、第２磁性層（非磁性材料層に接する側の磁性層）４ｃ，８ｃからなる多層膜構造で形成される。前記下側固定磁性層４及び上側固定磁性層８は、積層フェリ構造である。前記第１磁性層４ａ，８ａはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの強磁性材料で形成されている。また前記非磁性中間層４ｂ，８ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。なお第２磁性層４ｃ，８ｃの材質及び構造については後述する。

前記下側非磁性材料層５及び上側非磁性材料層７は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成されている。
また、フリー磁性層６の材質及び構造については後述する。

絶縁層２７，２９は、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成される。前記ハードバイアス層２８は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成される。
前記下部シールド層２０及び上部シールド層３０は、ＮｉＦｅ合金等で形成される。

図１に示すスピンバルブ型薄膜素子の特徴的部分について説明する。
図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、前記フリー磁性層６が、３層構造で形成され、前記下側非磁性材料層５及び上側非磁性材料層７との界面には、組成式がＣｏ_２ｘＭｎ_ｘα_ｙ（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃが形成されている。

αは上記のように元素βとＳｂを含む。よって、ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃは少なくとも４元系である。そして本実施形態では、前記αの濃度ｙが、２４原子％以上で２８原子％の範囲内である。

ところで、フリー磁性層６をＣｏＭｎＧｅ合金層（Ｃｏ：Ｍｎ：Ｇｅ＝２：１：１）の単層で形成した場合、磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを高くできるが、固定磁性層４，８とフリー磁性層６間に働くカップリング結合磁界Ｈｉｎが大きくなってしまう。後述する実験では、Ｇｅの濃度を２５原子％以上にすると、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎが大きくなることがわかったが、これは、合金化されないＧｅが増えて、非磁性材料層５，７の界面に析出するからではないかと考えられる。

本実施形態では、Ｃｏ，Ｍｎ，Ｇｅ等の元素βに、さらにＳｂを加えた４元系のＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃを、前記αの濃度ｙを、２４原子％以上で２８原子％の範囲内に調整して、非磁性材料層５，７との界面に設けることで、前記ΔＲＡを高く維持しつつ、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎを従来（ＣｏＭｎＧｅ合金の単層でフリー磁性層を形成したもの）に比べて小さくできる。また、前記フリー磁性層６の保磁力及び磁歪を従来（ＣｏＭｎＧｅ合金の単層でフリー磁性層を形成したもの）に比べて、小さくできる。

また前記αの濃度ｙを、２６原子％以上で２８原子％の範囲内に調整することが、より効果的に、ΔＲＡを高くでき、また、フリー磁性層６の保磁力をより小さくできて好ましい。

また本実施形態では、αは、β_１−ｚＳｂ_ｚ（ｚは原子比率）で示され、ｚは、０．１〜０．９の範囲内であることが好ましい。効果的に、ΔＲＡを高く維持できるとともに、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層６の保磁力を小さくすることが可能である。より好ましくは、ｚは、０．２５〜０．７５の範囲内である。これにより、より効果的に、ΔＲＡを高い値に維持でき、さらに、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層６の保磁力を小さくすることが可能である。よって、従来に比べて、アシンメトリー（asymmetry）の増大を抑制できる等、再生特性の安定性（stability）を向上させることが出来る。

図１に示す実施形態では、前記フリー磁性層６を、ＣｏＭｎα合金層の単層構造で形成せず、前記ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃの間に、ＣｏＭｎβ合金層６ｂ（βは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素）を設けている。前記フリー磁性層６を、ＣｏＭｎα合金層の単層構造で形成しても、前記ΔＲＡを高く維持しつつ、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎを従来に比べて小さくできるが、前記フリー磁性層６に、ＣｏＭｎβ合金層６ｂを設けることで、前記ΔＲＡをより高い値に維持することが可能になり好ましい。

一例を示すと、前記ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃは、Ｃｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５で形成され、前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂは、Ｃｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_１で形成される。ＣｏＭｎβ合金層（例えばＣｏＭｎＧｅ合金層）は、後述する実験からΔＲＡを大きくできることがわかっている。また、前記ＣｏＭｎα合金層（例えば、ＣｏＭｎＧｅＳｂ合金層）は、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎに最も影響を与えると考えられる非磁性材料層５，７との界面に設け、このようにフリー磁性層６を前記ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃと前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂとの積層構造で形成することで、ΔＲＡを高く維持できるとともに、カップリング結合磁界Ｈｉｎを小さくできる。また、前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂの原子比率はＣｏ：Ｍｎ：β＝２：１：１であることが好ましい。

なお組成分析には、ＳＩＭＳ分析装置や電解放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）を用いたナノビーム特性Ｘ線分析（Ｎａｎｏ−ｂｅａｍ ＥＤＸ）等を用いる。前記ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃと、前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂは熱処理によって元素が拡散するので、前記拡散の影響がより少ない前記非磁性材料層５，７との界面付近で、α濃度、Ｓｂ濃度等を測定することがよい。

次に、前記固定磁性層４，８を構成する第２磁性層４ｃ，８ｃは、上記したＣｏＭｎα合金層の単層構造で形成されても、後述する実験では、高いΔＲＡとともに、小さい前記カップリング結合磁界Ｈｉｎを得ることが出来ることがわかっている。ただし、よりΔＲＡの向上を図るには、前記第２磁性層４ｃ，８ｃを、ＣｏＭｎβ合金層の単層構造で形成するか、あるいは非磁性材料層５，７に接するＣｏＭｎα合金層と、非磁性中間層４ｂ，８ｂに接するＣｏＭｎβ合金層との積層構造、または、非磁性材料層５，７に接するＣｏＭｎα合金層と非磁性中間層４ｂ，８ｂに接するＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅなどの強磁性材料層との積層構造、または、非磁性材料層５，７に接するＣｏＭｎα合金層と非磁性中間層４ｂ，８ｂに接するＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅなどの強磁性材料層と、ＣｏＭｎα合金層と、強磁性材料層との間に形成されるＣｏＭｎβ合金層との積層構造、等で形成する。特に、前記第２磁性層４ｃ，８ｃの非磁性中間層４ｂ，８ｂに接する層に、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅなどの強磁性材料層を設けることで、前記第１磁性層４ａ，８ａとの間で生じるＲＫＫＹ相互作用を大きくでき、前記第１磁性層４ａ，８ａとともに第２磁性層４ｃ，８ｃを強固に磁化固定することが出来る。

図２は、ＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子（磁気検出素子）を、記録媒体との対向面と平行な方向から切断し、その切断面を示す部分断面図である。

図２に示すシングルスピンバルブ型薄膜素子３１は、下部シールド層２０と上部シールド層３０の間に形成されている。前記シングルスピンバルブ型薄膜素子３１は、積層体３２を有し、前記積層体３２は、下から、下地層１、シード層２、反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性材料層３５、フリー磁性層６、および保護層１０の順に積層されている。各層の材質は図１で説明したとおりである。

図２に示すシングルスピンバルブ型薄膜素子３１でも、前記フリー磁性層６は、非磁性材料層３５との界面に、組成式がＣｏ_２ｘＭｎ_ｘα_ｙ（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層６ａが形成され、フリー磁性層６の残りの部分が、ＣｏＭｎβ合金層６ｂで形成されている。

αは上記のように元素βとＳｂを含む。よって、ＣｏＭｎα合金層６ａは少なくとも４元系であり、前記αの濃度ｙが、２４原子％以上で２８原子％の範囲内に設定されている。

本実施形態では、Ｃｏ，Ｍｎ，Ｇｅ等の元素βに、さらにＳｂを加えた４元系のＣｏＭｎα合金層６ａを、非磁性材料層５との界面に設けることで、前記ΔＲＡを高く維持しつつ、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎを従来（ＣｏＭｎＧｅ合金の単層でフリー磁性層を形成したもの）に比べて小さくできる。また、前記フリー磁性層６の保磁力及び磁歪を従来（ＣｏＭｎＧｅ合金の単層でフリー磁性層を形成したもの）に比べて、小さくできる。

また本実施形態では、αは、β_１−ｚＳｂ_ｚ（ｚは原子比率）で示され、ｚは、０．１〜０．９の範囲内であることが好ましい。効果的に、ΔＲＡを高く維持できるとともに、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層６の保磁力を小さくすることが可能である。より好ましくは、ｚは、０．２５〜０．７５の範囲内である。これにより、さらに効果的に、ΔＲＡを高い値に維持でき、さらに、前記カップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層６の保磁力を小さくすることが可能である。

図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子２１の製造方法について説明する。まず下地層１、シード層２、下側反強磁性層３、下側固定磁性層４、下側非磁性材料層５、フリー磁性層６、上側非磁性材料層７、上側固定磁性層８、上側反強磁性層９及び保護層１０をスパッタ法や蒸着法で成膜する。各層の材質については図１で説明したので図１の説明を参照されたい。

図１に示すように、前記フリー磁性層６を３層構造で形成する。まず、前記下側非磁性材料層５上に、組成式がＣｏ_２ｘＭｎ_ｘα_ｙ（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層６ａをスパッタ法や蒸着法で成膜する。このとき、前記αの濃度ｙを、２４原子％以上で２８原子％の範囲内に設定し、好ましくは、β_１−ｚＳｂ_ｚ（ｚは原子比率）のｚを、０．１〜０．９の範囲内、より好ましくは、ｚを、０．２５〜０．７５の範囲内に設定する。例えば、ＣｏＭｎα合金層６ａを、Ｃｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５で形成する。

次に、前記ＣｏＭｎα合金層６ａ上に、ＣｏＭｎβ合金層６ｂをスパッタ法や蒸着法で成膜する。例えば、前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂをＣｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_１で形成する。

次に、前記ＣｏＭｎβ合金層６ｂ上に、ＣｏＭｎα合金層６ｃをスパッタ法や蒸着法で成膜する。前記ＣｏＭｎα合金層６ｃを、ＣｏＭｎα合金層６ａと同様に、例えば、Ｃｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５で形成する。

下地層１から保護層１０を積層後、熱処理（例えば、２９０℃、３．５時間）を施す。これによって前記反強磁性層３，９と固定磁性層４，８を構成する第１磁性層４ａ，８ａとの界面に交換結合磁界を発生させ、前記第１磁性層４ａ、８ａをハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化させる。また、第１磁性層４ａ、８ａと第２磁性層４ｃ，８ｃ間にはＲＫＫＹ相互作用が働き、前記第２磁性層４ｃ，８ｃは、前記第１磁性層４ａ，８ａの磁化方向と反平行に磁化される。

前記熱処理によって、前記フリー磁性層６内のＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃとＣｏＭｎβ合金層６ｂとが拡散を起こすと考えられるが、前記フリー磁性層６の非磁性材料層５，７との界面付近及び中心付近の組成を分析することで、ＣｏＭｎα合金層６ａ，６ｃ、及びＣｏＭｎβ合金層６ｂの存在を確認することが出来る。

前記積層体２２を示す形状に形成した後、前記積層体２２のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に下から絶縁層２７、ハードバイアス層２８及び絶縁層２９をスパッタ法あるいは蒸着法にて成膜する。そして、前記ハードバイアス層２８を図示Ｘ方向に着磁し、前記フリー磁性層６の磁化方向を図示Ｘ方向に揃える。

図２に示すシングルスピンバルブ型薄膜素子３１も図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子２１と同様の製造方法により形成することが出来る。

以下の膜構成のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を製造した。
基本膜構成は、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；ＮｉＦｅＣｒ（５０）／下側反強磁性層３；ＩｒＭｎ（７０）／下側固定磁性層４［第１磁性層４ａ；Ｆｅ_{３０ａｔ％}Ｃｏ_{７０ａｔ％}（３０）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２磁性層４ｃ］／下側非磁性材料層５；Ｃｕ（５０）／フリー磁性層６／上側非磁性材料層７；Ｃｕ（５０）／上側固定磁性層８［第２磁性層８ｃ／非磁性中間層８ｂ；Ｒｕ（９．１）／第１磁性層８ａ；Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（３０）］／上側反強磁性層９；ＩｒＭｎ（７０）／保護層１０；Ｔａ（２００）であった。なお括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。

実験では前記フリー磁性層６の積層構成を、
Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙ（８０）とした。このとき、３ｘ＋ｙが１００原子％となるように各元素の濃度を調整した。

また、第２磁性層４ｃを、｛Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）／Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙ（４０）｝とし、第２磁性層８ｃを、｛Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙ（４０）／Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）｝とした。このとき、３ｘ＋ｙが１００原子％となるように各元素の濃度を調整した。

そして、（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）の濃度ｙ（原子％）を種々変化させた磁気検出素子を形成し、各磁気検出素子に熱処理を施した。

なお上記のスピンバルブ型薄膜素子を、以下では、フリー磁性層の組成にちなんで、「ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料」と称することとする。

次に、フリー磁性層をＣｏＭｎＧｅ合金層で形成したデュアルスピンバルブ型薄膜素子を製造した。上記した基本膜構成に対して、前記フリー磁性層６の積層構成を、
Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙ（８０）とした。このとき、３ｘ＋ｙが１００原子％となるように各元素の濃度を調整した。

また、第２磁性層４ｃを、｛Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）／Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙ（４０）｝とし、第２磁性層８ｃを、｛Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙ（４０）／Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）｝とした。このとき、３ｘ＋ｙが１００原子％となるように各元素の濃度を調整した。

そして、Ｇｅの濃度ｙ（原子％）を種々変化させた磁気検出素子を形成し、各磁気検出素子に熱処理を施した。

なお上記のスピンバルブ型薄膜素子を、フリー磁性層の組成にちなんで、「ＣｏＭｎＧｅ試料」と称することとする。

実験では、まず前記濃度ｙとΔＲＡとの関係について調べた。その結果を図３に示す。
図３に示すように、濃度ｙが大きくなっていくと、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料及びＣｏＭｎＧｅ試料ともにΔＲＡが大きくなることがわかった。また、ＣｏＭｎＧｅ試料の場合、濃度ｙが２５原子％付近で、すなわちＣｏ_２Ｍｎ_１Ｇｅ_１としたときに、前記ΔＲＡが最大になるが、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の場合、濃度ｙが約２６原子％のときに、ΔＲＡが最大になることがわかった。また、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の場合、濃度ｙを２８原子％程度にまで多くしても、ΔＲＡはほぼ一定の高い値を維持できることがわかった。

次に、前記濃度ｙとカップリング結合磁界Ｈｉｎとの関係について調べた。その結果を図４に示す。図４に示すように、ＣｏＭｎＧｅ試料の場合、濃度ｙが２５原子％以上になると急激に、カップリング結合磁界Ｈｉｎが大きくなるのに対し、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の場合、濃度ｙが変化しても、カップリング結合磁界Ｈｉｎはほとんど変化せず、非常に低い値を保つことがわかった。

次に、前記濃度ｙとフリー磁性層の保磁力との関係について調べた。その結果を図５に示す。図５に示すように、ＣｏＭｎＧｅ試料の場合、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料に比べて、濃度ｙが変化することによって、保磁力が非常に高くなることがわかった。またＣｏＭｎＧｅ試料の場合、保磁力は低いときでも１０Ｏｅ（＝約７９０Ａ／ｍ）以上であった。一方、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の場合、特に濃度ｙを２５原子％以上にすると（２６原子％以上にすると確実に）、保磁力を１０Ｏｅ（＝約７９０Ａ／ｍ）より小さくできることがわかった。

次に、前記濃度ｙとフリー磁性層の磁歪との関係について調べた。図６に示すように、ＣｏＭｎＧｅ試料の場合、磁歪は約２５〜３０ｐｐｍであったが、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の場合、濃度ｙが２２〜２８原子％の範囲内であれば、磁歪を２５ｐｐｍ以下に抑えることが出来ることがわかった。

次に、前記濃度ｙとフリー磁性層のＭｓ・ｔ（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）との関係について調べた。図７に示すように、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料とＣｏＭｎＧｅ試料とでは、ＣｏＭｎＧｅＳｂ試料のほうが、約１０％程度Ｍｓ・ｔ値が小さくなるものの実質的にほぼ同じ大きさのＭｓ・ｔが得られた。

上記したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料の実験結果に基づいて、Ｇｅ濃度とＳｂ濃度とを足した濃度ｙを、２４原子％以上で２８原子％以下に設定した。これにより、ΔＲＡを７（ｍΩμｍ^２）以上に設定でき、またカップリング結合磁界Ｈｉｎを、非常に低く（具体的には１５Ｏｅ以下（約１１８５Ａ／ｍ以下））出来る。またフリー磁性層の保磁力を、１５Ｏｅ以下（約１１８５Ａ／ｍ以下）に出来、また、フリー磁性層の磁歪を、磁歪を２５ｐｐｍ以下に抑えることが出来ることがわかった。

より好ましくは、濃度ｙを２６原子％以上にすると、カップリング結合磁界Ｈｉｎを低い状態に維持したまま、ΔＲＡを８（ｍΩμｍ^２）以上に設定でき、さらにフリー磁性層の保磁力を１０Ｏｅ（約７９０Ａ／ｍ）以下に出来る。

次に、以下の膜構成のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を製造した。
基本膜構成は、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；ＮｉＦｅＣｒ（５０）／下側反強磁性層３；ＩｒＭｎ（７０）／下側固定磁性層４［第１磁性層４ａ；Ｆｅ_{３０ａｔ％}Ｃｏ_{７０ａｔ％}（３０）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２磁性層４ｃ］／下側非磁性材料層５；Ｃｕ（５０）／フリー磁性層６／上側非磁性材料層７；Ｃｕ（５０）／上側固定磁性層８［第２磁性層８ｃ／非磁性中間層８ｂ；Ｒｕ（９．１）／第１磁性層８ａ；Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（３０）］／上側反強磁性層９；ＩｒＭｎ（７０）／保護層１０；Ｔａ（２００）であった。なお括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。

実験では前記フリー磁性層６の積層構成を、
Ｃｏ_２Ｍｎ_１（Ｇｅ_１―ｚＳｂ_ｚ）_１（８０）とした。

また、第２磁性層４ｃを、｛Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）／Ｃｏ_２Ｍｎ_１（Ｇｅ_１―ｚＳｂ_ｚ）_１（４０）｝とし、第２磁性層８ｃを、｛Ｃｏ_２Ｍｎ_１（Ｇｅ_１―ｚＳｂ_ｚ）_１（４０）／Ｆｅ_{４０ａｔ％}Ｃｏ_{６０ａｔ％}（１０）｝とした。

そして、原子比率ｚを、種々変化させた磁気検出素子を形成し、各磁気検出素子に熱処理を施した。

実験では、原子比率ｚとΔＲＡとの関係、原子比率ｚとカップリング結合磁界Ｈｉｎとの関係、原子比率ｚとフリー磁性層の保磁力との関係について調べた。その結果を図８に示す。

図８に示すように、原子比率ｚが大きくなるほど、すなわちＧｅに対するＳｂの濃度が高くなっていくと、ΔＲＡは低下していくことがわかった。また、カップリング結合磁界Ｈｉｎは、原子比率ｚが大きくなるほど、低下していくことがわかった。さらに、フリー磁性層の保磁力は、原子比率ｚが０．７５程度まで大きくなっても、小さい値を維持しているが、原子比率ｚが０．７５より大きくなると、前記保磁力は徐々に大きくなることがわかった。

図８に示す実験結果から、原子比率ｚを、０．１〜０．９の範囲内にした。これにより、ΔＲＡを、５（ｍΩμｍ^２）以上にでき、またカップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層の保磁力を２０Ｏｅ（約１５８０Ａ／ｍ）以下に出来ることがわかった。

また図８に示す実験結果から、原子比率ｚを、０．２５〜０．７５の範囲内にすることがより好ましいことがわかった。これにより、ΔＲＡを、７（ｍΩμｍ^２）以上にでき、またカップリング結合磁界Ｈｉｎ及びフリー磁性層の保磁力を１０Ｏｅ（約１５８０Ａ／ｍ）以下に出来ることがわかった。

また原子比率ｚを０．２５〜０．５の範囲内にすると、ΔＲＡを８（ｍΩμｍ^２）以上にできることがわかった。

本実施形態のＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（磁気検出素子）を、記録媒体との対向面と平行な方向から切断し、その切断面を示す部分断面図、 本実施形態のＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子（磁気検出素子）を、記録媒体との対向面と平行な方向から切断し、その切断面を示す部分断面図、 フリー磁性層と第２磁性層を、Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料と、フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅ試料とを用意し、濃度ｙを変化させたときの、前記濃度ｙとΔＲＡとの関係を示すグラフ、 フリー磁性層と第２磁性層を、Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料と、フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅ試料とを用意し、濃度ｙを変化させたときの、前記濃度ｙとカップリング結合磁界Ｈｉｎとの関係を示すグラフ、 フリー磁性層と第２磁性層を、Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料と、フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅ試料とを用意し、濃度ｙを変化させたときの、前記濃度ｙとフリー磁性層の保磁力との関係を示すグラフ、 フリー磁性層と第２磁性層を、Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料と、フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅ試料とを用意し、濃度ｙを変化させたときの、前記濃度ｙとフリー磁性層の磁歪との関係を示すグラフ、 フリー磁性層と第２磁性層を、Ｃｏ_２ｘＭｎ_ｘ（Ｇｅ_０．７５Ｓｂ_０．２５）_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅＳｂ試料と、フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２ｘＭｎ_ｘＧｅ_ｙで形成したＣｏＭｎＧｅ試料とを用意し、濃度ｙを変化させたときの、前記濃度ｙとフリー磁性層のＭｓ・ｔとの関係を示すグラフ、 フリー磁性層と第２磁性層をＣｏ_２Ｍｎ_１（Ｇｅ_１―ｚＳｂ_ｚ）_１（８０）で形成し、原子比率ｚを変化させたときの、前記原子比率ｚとΔＲＡとの関係、前記原子比率ｚとカップリング結合磁界Ｈｉｎとの関係、及び、前記原子比率ｚとフリー磁性層の保磁力との関係を示すグラフ、

符号の説明

１ 下地層
２ シード層
３、９ 反強磁性層
４、８ 固定磁性層
５、７ 非磁性材料層
６ フリー磁性層
６ａ、６ｂ ＣｏＭｎα合金層
６ｃ ＣｏＭｎβ合金層
１０ 保護層
２０ 下部シールド層
２７、２９ 絶縁層
２８ ハードバイアス層
３０ 上部シールド層

Claims (5)

1. 磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成され、外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層と、を有し、
   前記フリー磁性層は、組成式がＣｏ_2xＭｎ_xα_y（αは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素βと、Ｓｂを含み、濃度ｘ、ｙは、いずれも原子％であり、３ｘ＋ｙ＝１００原子％の関係を満たし、濃度ｙは、２４原子％以上２８原子％以下の範囲内である）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎα合金層と、ＣｏＭｎβ合金層（βは、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌから選択される１種または２種以上の元素）との積層構造で形成されることを特徴とする磁気検出素子。
2. αは、β_1-zＳｂ_z（ｚは原子比率）で示され、ｚは、０．１〜０．９の範囲内である請求項１記載の磁気検出素子。
3. ｚは、０．２５〜０．７５の範囲内である請求項２記載の磁気検出素子。
4. 前記ＣｏＭｎα合金層は、少なくとも前記非磁性材料層に接して形成される請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
5. 前記固定磁性層は、前記ＣｏＭｎα合金層を有して構成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気検出素子。

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