JP4469482B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、磁気再生装置、及び磁性積層体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は外部磁場の変化を検出する磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気抵抗効果ヘッド、この磁気抵抗効果ヘッドを搭載する磁気再生装置、さらに、互いの磁化方向が略直交である２層の強磁性層を備える磁性積層体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気記録媒体に記録された磁気情報の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドと記録媒体とを相対移動させ、その際に発生する電磁誘導によりコイルに誘起される電圧を検出する方法が用いられていた。その後、特定の強磁性体の電気抵抗が外部磁場の強さに応じて変化する磁気抵抗効果（MagnetoResistance）を利用し、磁気情報を再生する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子と称する。）が開発された（IEEE MAG‐7，150（1971）等参照）。このＭＲ素子は、磁場センサに用いられる他、ハードディスクドライブ等の磁気再生装置に搭載される磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）として用いられる。
【０００３】
磁気再生装置に載る磁気記録媒体の小型・大容量化は、近年益々進み、情報読出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度がより小さくなり、小さい相対速度であっても大出力が得られるＭＲヘッドへの期待が高まっている。
【０００４】
このような期待に対して、巨大磁気抵抗効果膜が開発された。この巨大磁気抵抗効果膜は、Ｆｅ／ＣｒやＦｅ／Ｃｕのように強磁性金属膜と非磁性金属膜とを所定条件にて交互に積層して、近接する強磁性金属膜間を反強磁性結合させた多層膜、いわゆる人工格子膜である（Phys. Rev. Lett. 61 2474 (1988), Phys. Rev. Lett. 64 2304 (1990)等参照）。しかし、人工格子膜は磁化が飽和するのに必要な磁場が大きいため、ＭＲヘッド用の膜材料として適さない。
【０００５】
一方、非磁性金属層を強磁性金属層により上下から挟んだ強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層の多層膜で、二つの強磁性金属層が磁気結合しない（非結合）のＭＲ膜において、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。このＭＲ膜は、強磁性金属層の磁化（スピン）を固定しておき、他方の強磁性層の磁化を外部磁場により磁化反転させることを特徴としている。これにより、非磁性層を挟んで配置された強磁性金属層のスピン方向の相対的な角度を変化させることによって磁気抵抗効果が得られるため、このようなＭＲ素子はスピンバルブ素子と呼ばれている（Phys．Rev．B 45 806 (1992), J. Appl. Phys. 69 4774 (1991)等参照）。
【０００６】
このようなスピンバルブ素子の磁気抵抗変化率は、人工格子膜に比べると小さいものの、磁化が飽和するのに必要な磁場が小さいため、ＭＲヘッド用途に適しており、既に実用化に至っている。
【０００７】
一般的なスピンバルブ素子は、強磁性フリー層、中間非磁性層、強磁性ピン層、及び反強磁性層の積層構造を備える。反強磁性層と接する強磁性ピン層の磁化は反強磁性層からの交換バイアス磁場によって外部磁場の下で一方向に固着される。これに対し、強磁性フリー層は外部磁場に対して自由に回転可能であり、強磁性フリー層と強磁性ピン層の磁化の平行／反平行状態を低磁場において容易に実現できる。尚、両強磁性層の磁化が平行状態で素子の電気抵抗は低く、反平行状態で電気抵抗は高くなり、スピンバルブ素子では、二つの抵抗値の差を大きくすることで高い抵抗効果変化率が得られる。
【０００８】
実際にスピンバルブ素子を用いる場合には、抵抗変化の線形領域を利用して高感度を得るために、強磁性フリー層の磁化はゼロ磁場中でピン層の磁化と略直交するようにバイアスすることが好ましい。このバイアスは、フリー層の磁化が外部磁場に対して回転する際にバルクハウゼンノイズが発生しないように、単磁区化するという意味でも重要である。このため、スピンバルブ膜の側面には単磁区化の目的で磁石と同様の機能をもつ硬質磁性膜が設けられる。
【０００９】
この硬質磁性膜の厚さは、強磁性フリー層と等しい場合に適当なバイアスを印加でき、これ以上薄くなるとバイアス不足により強磁性フリー層の単磁区化が達成し難い。また、フリー層以上に厚くなるとバイアス過多となり強磁性フリー層の透磁率が低下する。
【００１０】
しかし、現状では、硬質磁性膜を強磁性フリー層と同等の厚さまで薄くすると、両者の接合面積が小さくなるため磁気接合がうまくできず、ハード膜を強磁性フリー層に対して厚い構成をとらざるを得ない。その結果、強磁性フリー層に印加されるバイアスが過剰となり、強磁性フリー層の透磁率が低下し、感度と出力に損失を与えている。
【００１１】
これを解決するために、フリー層端部に所定形状の反強磁性層を積層して反強磁性層とフリー層との交換結合によりフリー層端部の磁化を固着し、この部分からフリー層の中央磁界応答部にバイアスを印加する構成をとったスピンバルブ素子が提案されている。所定形状（パターン）に加工された反強磁性層を用いたバイアス方法であることから、パターンドバイアス構造という。
【００１２】
パターンドバイアス構造のスピンバルブ素子について、斜視図を図２０（ａ）に示す。
【００１３】
このスピンバルブ素子は、下から順に積層された第１の反強磁性層１、強磁性ピン層３、中間非磁性層５、強磁性フリー層７を有し、さらに強磁性フリー層７の長手方向の両端に積層された一対の第２の反強磁性層９、及び一対のリード電極１１を有する。
【００１４】
強磁性フリー層７の両端及び強磁性ピン層３は、夫々第２の反強磁性層９、第１の反強磁性層１との磁気交換結合によって、図２０（ａ）中の一方向異方性の磁化が付与されている。つまり、強磁性フリー層７のうち第２の反強磁性層９と積層された両端部（斜線部）は、両者の交換結合によって紙面内右方向に磁化固定され、あたかも硬質磁性膜として働く。そして、両端部で挟まれる中央磁界応答部の磁化は、第２の反強磁性層９と強磁性フリー層７の両端部からのバイアス磁場を受けてゼロ磁場において矢印方向の一方向異方性の磁化を有する。一方、強磁性ピン層３の磁化は、第１の反強磁性層１との交換結合によって、図２０（ａ）の紙面表から裏にむかう方向に固着される。
【００１５】
パターンドバイアス構造では、第２の反強磁性層９と強磁性フリー層７の交換結合膜、及び第１の反強磁性層１と強磁性ピン層３の二つの交換結合膜が必要となる。交換結合膜の強磁性層への一方向異方性の付与は磁場中熱処理によって行うが、夫々が影響を及ぼす強磁性ピン層３と強磁性フリー層７の磁化を直行関係にする必要から、両反強磁性層１、９の夫々に異なる磁場を印加した状態で熱処理を施さなくてはならない。強磁性ピン層３との交換結合磁場がゼロになる第１反強磁性層１のブロッキング温度をＴB1、強磁性フリー層との交換結合磁場がゼロになる第２反強磁性層９のブロッキング温度をＴB2とした場合の熱処理行程（時間―温度）を図２０（ｂ）に示す。尚、反強磁性膜は一軸異方性を持つことから、便宜的に双方向の矢印でその磁化状態を示している。
【００１６】
第１及び第２の反強磁性層１、９による磁化固着を完全に行うには、ブロッキング温度の差｜Ｔｂ1−Ｔｂ2｜の大きい２種類の反強磁性層材料が必要となり、さらに、両者の交換結合磁場が重ならない程度に、交換結合磁場の分散が小さい２種の反強磁性層材料が必要となる。さらに、これらの条件に加えて、スピンバルブ素子に用いる際に本質的に重要な高交換結合磁場、高ブロッキング温度の特性を併せ持つ材料は容易に探しだせるものではない。
【００１７】
一方、エピタキシャル成長によるCoFe/Mn/CoFe等の三層構造において、二つの強磁性層CoFe間の磁気直交結合が観察されている（J. Appl. Phys. 79 5841 (1996) 等参照）。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状の下に考案された新規な磁気抵抗効果素子を提供し、特に、製造コストの低い磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、磁気再生装置、及び磁性積層体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】
上記課題に対し、本発明の第一は、第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層を２層以上含む積層膜を具備し、第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、磁化結合層を介して第１の強磁性層と積層形成され、磁化結合層により第１の強磁性層と磁化結合されて第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、中間非磁性層と、中間非磁性層を介して第２の強磁性層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００２１】
この磁気抵抗効果素子は、外部磁場がゼロの状態で中間非磁性層を挟む第２の強磁性層と第３の強磁性層とが外部磁場がゼロの状態で互いに直交関係の磁化を有する。そして、磁化結合層、あるいは挿入層によって第１の強磁性層と第２の強磁性層との磁化方向は直交方向に結合される。よって、第１及び第３の強磁性層の磁化方向は同一方向にでき、従って、磁気バイアス付与のための熱処理工程を減らすことが可能となり、ひいては製造工程の簡略化を図ることが可能となる。
【００２２】
尚、このような工程の簡略化は、磁気ヘッドの生産性向上に寄与すること大であり、単価の低い磁気抵抗効果ヘッド、さらには磁気再生装置の提供が可能となる。
【００２３】
第１及び第３の強磁性層への磁気バイアスには、それぞれに第１及び第２の反強磁性層を用いた交換結合バイアスのほか、反強磁性層の換わりに硬質磁性層や、複数の強磁性層の積層膜、強磁性層と非磁性相との積層膜、反強磁性層と強磁性層との積層膜、及び硬質磁性層と強磁性層との積層膜を用いることも可能である。
【００２４】
そして、磁気バイアスの付与にあたって、これらの同質材料の選択に自由度が得られる。例えば、反強磁性層を磁気バイアス付与に用いる場合には、二つの反強磁性層のブロッキング温度に差を設ける必要がなくなり、周知の材料、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯ、α−Ｆｅ2Ｏ3等から適宜選択することができる。
【００２５】
本発明の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、及び磁気再生装置において、次の構成を備えることが好ましい。
【００２７】
２）第３の強磁性層は、外部磁場の変動に伴って磁化方向が変わる磁化フリー層であり、第２の強磁性層は磁化フリー層の磁化が変わる外部磁場において、磁化方向が実質的に変わらない磁化ピン層である。この際、第１の強磁性層の磁化は磁化フリー層の磁化が変わる外部磁場において、実質的に変わらないことが好ましい。尚、第２及び第３の強磁性層は互いに磁気的に非結合とすることができる。
【００２８】
３）第１の反強磁性層は、第１の強磁性層の長手方向における両端部のみに積層形成される。または／及び第２の反強磁性層は、前記第３の強磁性層の長手方向における両端部のみに形成される。
【００２９】
４）第１の反強磁性層は、前記第１の強磁性層の一表面全面を覆うように形成される。
【００３０】
５）第１の反強磁性層と第１の強磁性層との間、または第２の反強磁性層と第３の強磁性層との間にさらに非磁性層を備える。
【００３１】
６）第１、第２、及び第３の強磁性層は、２つの強磁性層とこれらを反強磁性的に磁化結合させる反強磁性結合用中間層を備える。反強磁性的結合した二つの強磁性層と中間層は、いわゆるシンセティック反強磁性膜といわれるユニットを構成し、二つの強磁性層が互いに反平行を向くことからユニット内で磁界が閉じて外部への漏れ磁場を低減でき、バイアスポイントを好適に制御できる。
【００３２】
７）磁化結合層、または挿入層は、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を具備する。ここで、同一金属の価数の異なる酸化物は、
７−１）ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，α‐Ｆｅ2Ｏ3，γ‐Ｆｅ2Ｏ3から選ばれる
７−２）ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，ＣｒＯ3，ＣｒＯ5から選ばれる。
【００３３】
７−３）ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれる。
【００３４】
８）磁化結合層、または挿入層が酸化物等の絶縁層であり、この磁化結合層と共に中間非磁性層を挟む新たな絶縁層をさらに備えることで、各絶縁層の界面で電子鏡面反射を誘起し、反射された電子が中間非磁性層との界面に再びくるように構成されてなる。この電子反射層は、スペキュラ効果として知られるものである。
【００３５】
９）磁化結合層、または挿入層によって、互いに直交結合した第１及び第２の強磁性層は外部磁場が印加されると材料の選択等により、次の二通りの磁化回転を起こす。
【００３６】
９−１）直交結合が切れ、第１の強磁性層と第１の反強磁性層との交換結合を保たれて、第２の強磁性層のみが磁化回転する。
【００３７】
９−２）直交結合が保たれ、第１の強磁性層と第１の反強磁性層との結合が切れることで、外部磁場に対して第１及び第２の強磁性層の磁化が回転するものである。
【００３８】
尚、本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、
１０）磁気抵抗効果素子が磁気ヘッドの媒体対向面近傍の磁気ギャップ内に配置される、いわゆるシールド型ヘッドである。交換結合膜の交換結合磁場の分散は、反強磁性層を薄くすることで増大するが、本発明によれば分散の重複を避ける必要がなくなるので、反強磁性層の薄膜化も容易に実現できる。このような反強磁性層の薄膜化はシールド型磁気抵抗効果ヘッドの狭ギャップ化に適し、その高密度化に寄与できる効果がある。
【００３９】
１１）磁気抵抗効果素子が媒体対抗面より離間して配置され、媒体対向面から磁気抵抗効果素子まで伸びて媒体からの信号磁界を磁気抵抗効果素子へ伝達する磁気ヨークを備えるヨーク型磁気抵抗効果ヘッドである。本発明の磁気抵抗効果素子にはバイアス付与の熱処理回数を減らすことができるため、ヨーク部に一様な磁気異方性が付与されにくくなり、媒体対向面から磁気抵抗効果素子への効率的な磁束導入が期待できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の磁気抵抗効果素子に係る第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
【００４２】
図１は、磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。図１における手前の面は、磁気抵抗効果素子が検知する外部磁場の進入面にあたる。従って、例えば、この磁気抵抗効果素子を磁気記録媒体の表面の磁気記録情報を読み出すシールド型磁気ヘッドに搭載した場合には、外部磁場進入面が磁気記録媒体の表面に対向配置される。
【００４３】
この第１の実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の反強磁性層３１、この第１の反強磁性層３１に積層形成されこの第１の反強磁性層３１と交換結合した第１の強磁性層３３、隣接する２つの強磁性層の磁化を略直交方向に結合させる磁化結合層（挿入層）３５、この結合層３５によって第１の強磁性層３３と直交方向の磁化を備える第２の強磁性層３７、中間非磁性層３９、及び第３の強磁性層４１が順次積層され、かつ、第３の強磁性層４１の長手方向における両端部上に形成された一対の第２の反強磁性層４３、及び一対のリード電極４５を備える。尚、この磁気抵抗効果素子は、図示せぬ磁気ギャップ、磁気シールド等を介してやはり図示しないセラミック基板等の上に形成されている。
【００４４】
第１の強磁性層３３は、第１の反強磁性層３１との交換結合によって、図１の矢印方向（紙面内右方向）に実質的に固着された磁化を備える。第１及び第２の強磁性層３３、３７の磁化は直交磁化用の結合層３５によって互いに略直交方向に結合し、よって、第２の強磁性層３７の磁化は、略紙面の表から裏に向かう方向に磁化が固着される。このように磁化固着された第２の強磁性層３７は、信号磁界等の外部磁界の中でも実質的にその磁化が動かない、いわゆる強磁性ピン層にあたる。
【００４５】
この強磁性ピン層３７と中間非磁性層３９を介して隣りあった第３の強磁性層４１は強磁性フリー層にあたり、その中央磁界応答部の磁化方向は外部磁場を受けて回転することが可能な程度に自由である。この強磁性フリー層４１に磁気バイアスを印加するために、強磁性フリー層４１のトラック幅方向の両端部（斜線ハッチング部）上に第２の反強磁性層４３を配置し、強磁性フリー層４１の両端部が第２の反強磁性層４３と交換結合して図の矢印方向（紙面右方向）に磁化固着される。従って、強磁性フリー層４１の中央部は紙面内に右方向のバイアス磁化を受け、ゼロ磁場において図１の矢印に示す方向に磁化を備えることとなる。このようして、中間非磁性層３９を介する強磁性ピン層３７、強磁性フリー層４１は磁化が直交関係のいわゆるスピンバルブ素子が実現できる。
【００４６】
尚、図１の構成では、紙面左右方向が磁気抵抗効果素子のトラック幅方向に対応し、再生トラック幅は強磁性フリー層の中央磁界応答部の幅に略一致する。
【００４７】
さて、このスピンバルブ素子において、第１の強磁性層３３及び強磁性フリー層４１の交換結合は同一方向の磁化とすることができる。これは、従来のスピンバルブ素子にはない、直交結合用の結合層３５と第１の強磁性層３３を付加したことにより達成できたものである。
【００４８】
このスピンバルブ素子の製造工程における磁場中熱処理工程は、図２の熱処理時間と熱処理温度関係に示すように、ブロッキング温度（例えばＴB1、ＴB2）より高温にした状態で一方向の磁場（図２の紙面内の右方向）中の処理によって行うことができる。これは、従来の２工程の磁場中熱処理に比して簡略であり、ひいてはスピンバルブ素子の生産性向上に寄与するものである。尚、図２中、ＡＦは反強磁性層を示し、反強磁性層は一軸異方性を備えるため双方向の矢印でその一軸異方性を示している。また、以上述べた熱処理工程は、各層をスパッタ法等により成膜した後に行われる。
【００４９】
以上説明した第１の実施形態は、強磁性ピン層３７が強磁性フリー層４１よりも基板側に形成されるボトムタイプスピンバルブ素子であって、かつ、結合層３５が強磁性ピン層３７側にある素子構造に関る。
【００５０】
次に、この第１の実施形態に係る変形例１−１乃至１−４を順次説明する。尚、変形例１−１乃至１−４では、第１の実施形態における構成と同一の構成については、第１の実施形態において付与した符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
（変形例１−１）
図３は、変形例１−１に関るスピンバルブ素子の断面を媒体対向面から観察した図である。
【００５２】
この変形例１−１が第１の実施の形態と異なるのは、リード電極４５の内側端部が互いに対向する第２の反強磁性層４３の側面よりも内側に配置されて強磁性フリー層４１上の一部を覆っている点にある。図３中、強磁性フリー層４１のうち斜線で示す部分は、第２の反強磁性層４３との交換結合によって磁化が固着されているため、信号磁界に反応しない不感帯であり、この不感帯に挟まれた中央領域が中央磁界応答部である。従って、リード電極が中央応答部に接しているため、磁気抵抗効果に寄与しない不感帯を電気的にバイパスすることができ、感度の向上を図ることができる。
【００５３】
尚、図３以降の符号４７は、磁気ギャップ、あるいは磁気ギャップの表面に形成された下地層を示す。この下地層４７の材料や結晶性等は、この上に形成する各層における結晶の種類や、結晶配向性等を好適にするように適宜選択することができる。
【００５４】
（変形例１−２）
次に、図４は、変形例１−２のスピンバルブ素子に関る断面を媒体対向面から観察した図を示す。
【００５５】
この変形例１−２は、反強磁性層４３'が強磁性フリー層４１の上表面全てに積層されている点において第１の実施の形態と異なる。
【００５６】
このように反強磁性層４３'と強磁性フリー層４１とが全面積層された場合、その交換結合力は、外部磁場がゼロの状態で強磁性フリー層４１の磁化が図４の紙面内右方向であり、かつ外部磁場が与えられたときにこれに反応して自由に回転することが可能な程度とする必要がある。
【００５７】
しかし、全面積層による交換結合では結合が強くなりやすく、強磁性フリー層４１の透磁率が低下して感度が低下する恐れがある。
【００５８】
（変形例１−３）
この感度低下を防ぐために、変形例１−３では、図５の断面図（媒体対向面側からの観察図）に示すように、第２の反強磁性層４３'と強磁性フリー層４１との間に非磁性層４９を挿入することにより、交換結合力を所望の値まで弱くなるよう調整することができる。
【００５９】
この変形例１−２、１−３については、後に説明する第２乃至第４の実施形態においても同様に採用することができる。
【００６０】
さらに、変形例１−３の磁気結合を調整する非磁性層４９は、変形例１−２のような、反強磁性層４３'が非磁性層４９を介して隣接する強磁性層の上面全てを覆う構成に限らず、第１の実施形態、あるいは後に説明する第２乃至第４の実施形態における、強磁性層の部分領域上に反強磁性層が形成する場合にも、同じ様に挿入して用いることができる。
【００６１】
（変形例１−４）
図６（ａ）は、変形例１−４に関るスピンバルブ素子の断面を、媒体対向面側より観察した図である。
【００６２】
第１の実施形態のスピンバルブ素子では、強磁性ピン層３７の磁化を固着する交換結合エネルギーを一定としたとき、強磁性ピン層３７の磁化を小さくするほど磁化反転しにくくなる。そこで、強磁性ピン層を積層フェリ構造、具体的には、図６（ａ）に示すように、第１強磁性ピン層５５、第２強磁性ピン層５１、及びこれらを反強磁性的に磁気結合する中間層５３からなる積層構造とすることで、強磁性ピン層３７の磁化反転を抑制することが可能である。また、図６（ａ）の構造では、積層フェリ構造を導入することで、直交結合が保持される磁場を高くすることができる。従って、磁性層３３、５１、５５の磁化反転が生じる磁場を非常に高くできる。
【００６３】
また、積層フェリ構造を導入した他の例として、図６（ｂ）に示すように、第１の反強磁性層３１と直交結合用の磁化結合層（挿入層）３５との間に、積層フェリ構造の強磁性層５７、３３、及びこれらの強磁性層を反強磁性的に磁気結合させる中間層５３を導入することができる。この場合には、第１の反強磁性層３１と積層フェリ構造の交換結合磁場を高くすることができる。尚、積層フェリ構造における中間層５３にはＲｕ、Ｃｕ等が好適である。
【００６４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子に係る第２の実施形態を、図７を用いて説明する。
【００６５】
図７は、第２の実施形態に関るスピンバルブ素子の断面を外部磁場の進入面から観察した図を示す。
【００６６】
第２のスピンバルブ素子は、図７に示すように、下地層４７の表面に、第１の反強磁性層６１、強磁性ピン層６３、中間非磁性層６５、強磁性フリー層６７、直交結合用の磁化結合層６９、及び強磁性層７１がこの順に積層されてなり、強磁性層７１の上面両端部上に第２の反強磁性層７３が形成され、リード電極７５はこれらの膜に電気的に接続されている。
【００６７】
このスピンバルブ素子は、強磁性ピン層６３が強磁性層６７よりも下地層側に形成されたボトムタイプであり、また、強磁性フリー層６７側に直交結合用の磁化結合層（挿入層）６９を備えるものである。リード電極７５は、第１の実施形態において説明したものと同等である。
【００６８】
強磁性層７１の両端の斜線部は第２の反強磁性層７３との交換結合によって、図７紙面表から裏へ向う方向の磁化で固着された領域であり、中央能動領域に当該磁化方向の磁気バイアスを与えるものである。これによって、強磁性層７１の中央領域の磁化は、外部磁場がゼロにおいて、図７の紙面表から裏に向かう方向に設定される。
【００６９】
そして、直交結合用中間層によって、強磁性層７１と直交方向の磁化結合を付与された強磁性フリー層６７は図７に示すように、紙面右方向の磁化を備えることとなり、外部磁界がゼロにおいて、強磁性ピン層６３と強磁性フリー層６７の直交磁化が実現できる。
【００７０】
（変形例２−１）
このように、磁化が同一軸の二つの反強磁性層６１と７３を用いて、強磁性ピン層６３と強磁性フリー層６７の磁化を略直交に交叉させることができる。
【００７１】
図８は、この第２の実施形態の変形例であり、第２の反強磁性層７３'と接する強磁性層７１'及び直交結合用中間層６９'を、二つある第２の反強磁性層７３'のそれぞれと位置整合するようにパターニングした断面構造を、外部磁界の流入側より観察した図である。このようにすれば、電流のシャント効果を低減することができ、磁化反転による磁気抵抗変化率の寄与を実質的に増大することが可能となる。
【００７２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子に係る第３の実施形態を、図９（ａ）を用いて説明する。
【００７３】
図９（ａ）は、第３の実施形態に関るスピンバルブ素子の断面を外部磁場の進入面から観察した図である。
【００７４】
第３の実施形態に関るスピンバルブ素子は、図９（ａ）に示すように、下地層４７上に、第１の反強磁性層８１、強磁性フリー層８３、中間非磁性層８５、強磁性ピン層８７、直交結合用の磁化結合層８９、結合層８９によって、強磁性ピン層８７と略直交に磁気結合する強磁性層９１、この強磁性層９１と交換結合する第２の反強磁性層９３、リード電極９５が順次積層された構造を備える。
【００７５】
尚、第１の反強磁性層８１は強磁性フリー層８３の両端部（図９（ａ）中の斜線ハッチング部）と交換結合し、その結果、強磁性フリー層８３の端部から強磁性フリー層８３の中央感磁領域へバイアス磁界が与えられ、信号磁界がゼロの状態で、感磁領域は図９（ａ）の矢印で示す磁化を備える。
【００７６】
この素子では、第１の実施形態において説明したのと同様に、強磁性ピン層８７の磁化固着、及び強磁性フリー層８３へのバイアス付与のために用いる二つの反強磁性層８１、９３の熱処理工程数を従来に比べて低減可能である。
【００７７】
さて、第３の実施形態では、離間して配置された二つの第１の反強磁性層８１間は強磁性フリー層８３である必要はなく、図９（ｂ）の媒体対向面側より観察した断面図に示すように、間隔層９７を用いてもよい。この間隔層９７は、シャント効果を低減するために、磁気ヘッド等の磁性デバイスに用いられるＡｌＯx，ＳｉＯx等の絶縁物質が好ましい。また、強磁性フリー層８３の結晶配向性を高める趣旨から、Ｃｕ、Ｒｕ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ等を用いることができる。さらには、これらのうちで異なる材料層を積層すること、あるいは、混層体としてもよい。
【００７８】
（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るスピンバルブ素子の断面を、信号流入面より観察した図である。
【００７９】
第４の実施形態のスピンバルブ素子は、図１０に示すように、下地層４７の上に、互いに離間して形成された二つの第１の反強磁性層１０１、二つの第１の反強磁性層１０１間とその上に延在する強磁性層１０３、強磁性層１０３及び強磁性フリー層１０７の磁化が略直交になるように、両層を磁気結合させる磁化結合層１０５、強磁性フリー層１０７、中間非磁性層１０９、強磁性ピン層１１１、第２の反強磁性層１１３、リード電極１１５とを備える。
【００８０】
また、図１１は、第４の実施形態において、互いに離間する第１の反強磁性層１０１間に、第３の実施の形態において説明したと同様に、間隔層１１７を配置したスピンバルブ素子の断面を、外部磁界の流入面側から観察した図である。この間隔層１１７としては、第３の実施形態のおいて説明したような材料を採用することができる。
【００８１】
図１０及び図１１では、強磁性層１０３のうち、第１の反強磁性層１０１上に積層された両端部（図１０、及び図１１の斜線ハッチング部）は、第１の反強磁性層１０１との交換結合により磁化が固着され、この両端部に挟まれた中央感磁領域はこの両端部からの磁気バイアスにより紙面表から裏方向への磁化を備える。
【００８２】
また、強磁性ピン層１１１は反強磁性層１１３との交換結合により紙面表から裏向きの磁化を備え、従って、この実施形態においても、強磁性ピン層１１１への固着磁化の付与と、強磁性層１０３への磁気バイアスの付与に必要な熱処理工程数を低減でき、他の実施形態で説明したと同様の効果が得られる。
【００８３】
以上、第１乃至第４の実施の形態とその変更例に関る磁気抵抗効果素子について、図面を用いて説明した。
【００８４】
次に、本発明における直交結合用の磁化結合層（中間層）に用いる材料と直交結合について説明する。
【００８５】
磁化結合層（中間層）には、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を用いることができる。ここで、価数の異なる酸化物としては、
１）Ｆｅの酸化物からなり、ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，α‐Ｆｅ2Ｏ3，γ‐Ｆｅ2 Ｏ3から選ばれる。
２）Ｃｒの酸化物からなり、ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，Ｃｒ Ｏ3，ＣｒＯ5から選ばれる。
３）価数の異なる酸化物は、Ｍｎの酸化物からなり、ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれる。
【００８６】
また、磁化結合層には、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ等のいずれか、これらの混合層、あるいはこれら単一元素層、混合層の積層膜で実現できる。
【００８７】
直交結合用中間層を介して二つの強磁性層が積層された、強磁性層／直交結合用中間層／強磁性層の２枚の強磁性層がもつ磁化の単位ベクトルがそれぞれＭ1、Ｍ2であるとき、強磁性層間の結合エネルギーＥｃは、
Ｅｃ＝―Ａ12Ｍ1・Ｍ2−Ｂ12（Ｍ1・Ｍ2）2 (1)
で表される。ここで、Ａ12は通常の双一次交換結合定数、Ｂ12は双二次交換結合定数である。略９０度（直交）結合は｜Ａ12｜<｜Ｂ12｜かつＢ12＜０のときに起こる。
【００８８】
Ｂ12は、Ａ12＜０である反強磁性結合状態とＡ12＞０である強磁性結合状態の混在している場合に誘起されるものである。一方、Ａ12は中間層の膜厚が増加するにしたがって振動するため、実際の試料が凹凸をもっていると膜厚分布ができ、結果としてＡ12＜０とＡ12＞０が混在して略９０度結合が起こることになる。中間層に１原子分の表面凹凸が周期２Ｌで存在し、その凹凸による双一次結合エネルギーの差が２ΔＪであるとき、双二次結合定数Ｂ12は、
Ｂ12＝−[2（ΔJ）2Ｌ／（Ａπ3）]Σm=1∞[coth[π（2ｍ−1）（Ｄ1 ／Ｌ）]／（2ｍ−1）3＋coth[π（2ｍ−1）（Ｄ2／Ｌ）]／（2ｍ− 1）3] (2)
と表される（Phys. Rev. Lett. 67, 3172-3175(1991)）。
【００８９】
ここで、 Ｄ1、Ｄ2は二つの強磁性層の膜厚を夫々示し、Ａは強磁性体固有の交換スティフネス定数である。これからわかるように、Ｂ12は膜の平滑性と膜厚に大きく依存する。そのため試料作成の設定条件によってＢ12にばらつきが出ると予想される。エピタキシャル成長によって、様々な強磁性層／直交結合用中間層／強磁性層からなる３層膜を作成して、その配向面と得られたＢ12について、表１に示す。
【００９０】
【表１】
【００９１】
表１中、MLは原子層の単位であり、１MLは１原子層を示す。
【００９２】
尚、直交結合用中間層の膜厚は、９０度結合が実現する範囲である約０．２ｎｍから２ｎｍが望ましい。
【００９３】
また、本発明の直交結合用中間層として、先に述べた材料に加えて、金属酸化物、金属窒化物、及び金属フッ化物が考えられる。これらの中で、価数によって磁性が異なる金属を含む材料であれば、酸化、窒化、フッ化の進行を制御することで、強磁性相、反強磁性相、フェリ磁性相の混相状態を実現することができる。
【００９４】
例えば、Ｆｅ酸化物（ＦｅＯ、Ｆｅ3Ｏ4、α−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3）、あるいはこれらの混相膜、あるいは積層膜が挙げられる。これらの直交結合用中間層の厚さは約０．２ｎｍから約１０ｎｍ、好ましくは約０．５ｎｍから約３ｎｍとする。直交結合用中間層にＦｅ酸化物を用いたスピンバルブ膜に関する実施例１乃至４の測定により、Ｆｅ酸化物が隣接する強磁性層の磁化を結合させることを確認するとともに、その結合エネルギーを以下のようにして測定した。
【００９５】
実施例１乃至４は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ上に、順次成膜した。その後、真空中で７ｋＯｅの磁場を印加しながら、熱酸化Ｓｉを２７０℃に暖めて１時間の熱処理を行った。これにより、各実施例のＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ界面の交換結合エネルギーＪｕａ＝Ｈｕａ・Ｍｓ・ｔ≒０．１４ｅｒｇ／ｃｍ2によりＣｏＦｅの磁化が固着される。ここでＨｕａは交換結合磁場（ここでは５００Ｏｅ）、Ｍｓはピン層の飽和磁化（１．８Ｔ）、ｔはピン層の厚さ(２ｎｍ)である。各実施例の層構成を表２に示す。各実施例は、表２の左から順に、既述の方法によって、熱酸化Ｓｉ基板上に形成したものである。
【００９６】
【表２】
【００９７】
ここで、langmuireは、酸化強度に関する単位であり、酸素分圧１×１０-6Torr雰囲気に１秒間暴露して酸化物が形成される量を示す。
【００９８】
直交結合用中間層にＦｅ酸化物を用いた実施例１の磁化曲線とＭＲ曲線を、夫々図１２（ａ）、（ｃ）と図１２（ｂ）、（ｄ）に示す。ＩｒＭｎ反強磁性層からの交換バイアス磁場方向（Ｈｕａ）に対して外部磁場（Ｈｅｘ）を平行に導入した際の磁化曲線とＭＲ曲線が図１２（ａ）、（ｃ）であり、垂直に導入した際の磁化曲線とＭＲ曲線が図１２（ｂ）、（ｄ）である。ＨｕａとＨｅｘが平行では８％弱のＭＲ変化率を示し、ＨｕａとＨｅｘが垂直では１０％強のＭＲ変化率を示した。Ｃｕ中間非磁性層を挟んだＣｏＦｅ強磁性フリー層とＣｏＦｅ強磁性ピン層の磁化が完全な反平行となる状態が実現するときに、ＭＲが最大値を示すことを考えると、平行挿引のときには、フリー層とピン層の磁化が完全な反平行となっておらず、垂直挿引のときに、反平行が実現していることがわかる。すなわち、ＩｒＭｎからの交換バイアス磁場によって磁化を固着されているＣｏＦｅ強磁性層と、この強磁性層とＦｅ酸化物からなる直交結合用中間層を挟んで存在するＣｏＦｅ強磁性ピン層の磁化は、略直交の関係にあると言える。
【００９９】
さて、実施例１において、外部磁場を印加していったときにＣｏＦｅ強磁性ピン層とＣｏＦｅフリー層の磁化が反平行でなくなる磁場は380Ｏｅ程度であった。これは、Ｆｅ酸化物による磁気結合エネルギーが０．１１ｅｒｇ／ｃｍ2以上であることを意味する。
【０１００】
実施例２では、直交結合用中間層の自然酸化における酸化強度を変化させた。
【０１０１】
図１３に、磁場を垂直挿引したときの、反平行状態が破れる磁場Ｈ90°および電気抵抗変化率の酸化強度依存性を示す。６００Langmuiersでは９０度結合させるのに必要なＦｅ酸化物ができておらず、１２００Langmuiers 以上で９０度結合が実現する。
【０１０２】
また、このように直交結合用中間層が絶縁物である場合には、電子反射によるＭＲ増大効果が得られる。ＣｕとＴａは自己酸化によってＣｕ−Ｔａ酸化物を形成すると考えられ、このＣｕ−Ｔａ酸化物とＣｏＦｅ強磁性フリー層との界面、及びＦｅ酸化物と強磁性ピン層との界面において、伝導電子の鏡面反射が起こっているため、Ｆｅ酸化物のない場合のスピンバルブではおよそ１０％がＭＲの最大値であるのに対し、Ｆｅ酸化物を用いる実施例２の1200 Langmuiersでは１３％のＭＲが得られた。しかし、1200Langmuiersより酸化を強くしていくと、膜面が荒れるためにＭＲが少しずつ減少してしまう。
【０１０３】
従って、安定した磁気結合と高いＭＲを両立させるためには、１０００Langmuiersから８０００Langmuiers程度の酸化強度が適当である。
【０１０４】
次に、実施例３は、ＩｒＭｎ反強磁性層とＦｅ酸化物の直交結合用中間層の厚さについて検討した。表３にその結果を示す。
【０１０５】
【表３】
【０１０６】
これより、良好な磁気結合を実現するためには、ＩｒＭｎ反強磁性層とＦｅ酸化物中間層に挟まれるＣｏＦｅ強磁性層の膜厚を少なくとも１ｎｍ以上、望ましくは２ｎｍ以上にすべきであることがわかる。しかし、厚すぎると磁化（Ｍｓ・ｔ積）が増大してＨｕａが低下するので、２ｎｍ以上３ｎｍ以下にすべきである。
【０１０７】
実施例４では、直交結合用中間層の酸化させる前のＦｅの膜厚を変化させた。ここで酸化強度は、Ｆｅが２ｎｍ以下の場合３０００Langmuirs、２ｎｍ以上の場合、12000 Langmuirsとした。Ｆｅの厚さに応じて酸化強度を変化させたのは、Ｆｅが厚くても深層部まで酸化されるよう配慮したためであるが、先述の通り、酸化の強い領域では膜面が荒れてＭＲが低下した。図１４にＦｅ膜厚と直交結合磁場Ｈ90°及び、電気抵抗変化率の関係を示す。この結果より、Ｆｅの膜厚は１ｎｍから３ｎｍが好適と言える。特に、１．５ｎｍから２ｎｍがより望ましい。
【０１０８】
また、実施例５は、Ｃｒを自然酸化して直交結合用中間層としたスピンバルブのＭＲ曲線を図１５に示す。９０度結合磁場はＦｅのときよりも小さいものの、約５０Ｏｅ（この場合、０．０１４ｅｒｇ／ｃｍ2）で結合されている。
【０１０９】
ここでは成膜室への酸素導入によりＦｅ，Ｃｒを自然酸化させた実施例１−５を挙げたが、Ｆｅ，Ｃｒのほか、Ｍｎを用いることも可能であり、酸化の方法の他の例として、（１）プラズマで生成した酸素ラディカルによる酸化、（２）エキシマランプから紫外線を照射することで生成した酸素ラディカルによる酸化、（３）酸素を含む雰囲気中におけるＦｅ，Ｃｒ，Ｍｎの反応性スパッタ、等が考えられる。（１）は緻密で薄い酸化膜を作成するのに適しており、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎの価数をコントロールしやすくなる。（２）は（１）に加えて酸素イオンによるダメージが少なく、平滑な界面が作成できる。これにより、電子鏡面反射の効果を高め、出力を向上させることができる。（３）は化学的に安定した酸化膜が得られ、素子として安定な動作を継続できる。更に（１）から（３）において、基板を４０℃〜１００℃に加熱しつつ酸化を進行させると、酸化物が平滑にかつ化学的に安定した状態で得ることができる。また（１）、（２）では、基板を７７Ｋ〜２９５Ｋに冷却して酸化させると、酸素分子が解離して自然酸化するのを抑制できるため、酸素ラディカルの寄与が高くなって、緻密で薄い酸化膜を作成することができる。
【０１１０】
また、ここでは基板に熱酸化Ｓｉを用いたが、平坦性を向上させる等の目的で、サファイア基板、ＭｇＯ基板、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板を用いることも可能である。さらに、素子のノイズ減対策としての、フリー層の軟磁気特性下地をＮｉＦｅの代わりにｆｃｃ構造を有する金属、たとえばＲｕ、Ｃｕ、Ａｕ、ＮｉＦｅＣｒのうちのいずれかによる単層膜、あるいはこれらの積層膜、混相膜にしてもよい。
【０１１１】
ところで、強磁性フリー層と反強磁性層との間に直交結合用の中間層を挿入するには、スピンバルブとしての感度を向上させるための工夫が必要である。直交結合用中間層を挟んだ２層の強磁性層が同じ磁化（Ｍｓ・ｔ積）を持っていると、強磁性フリー層全体としての磁化は強磁性ピン層に対して４５度を向いているため、記録媒体からの外部磁場が印加されても、磁化が回転しにくくなる可能性がある。
【０１１２】
これを防ぎ、直交結合用中間層を介した２層の強磁性層の足しあわせた磁化を、ピン層の磁化と略直交するように、Ｍｓ・ｔ積に差を設けることである。強磁性フリー層と、反強磁性層に接している強磁性層のＭｓ・ｔ積の比を1:5程度とすれば、強磁性ピン層の磁化と、直交結合用中間層を介した両強磁性の磁化のなす角が約８０deg.となり、感度劣化を抑制できる。
【０１１３】
また、直交結合を弱めるという方法がある。反強磁性層に接する強磁性層の磁化は固着されたままで、強磁性フリー層の磁化だけが回転する。この場合、感度として、強磁性フリー層の磁化が回転し始める外部磁場が５Ｏｅ以下であることが好ましく、例えば強磁性フリー層の磁化が３．６ｎｍＴでは、直交結合エネルギーは１．４ ×１０-3 ｅｒｇ／ｃｍ2以下である必要がある。
【０１１４】
以上述べた略直交に結合する磁化結合層（挿入層）を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ディスク装置等の磁気再生装置の再生ヘッドとして用いることが可能である。
【０１１５】
磁気再生ヘッドのうち、これまでに用いられているシールド型磁気ヘッドは、ヘッドの媒体対向面近傍に上述の磁気抵抗効果素子を備えている。
【０１１６】
また、シールド型磁気ヘッドの他に、図１６の概略斜視図に示すヨーク型磁気ヘッドにも適用できる。このヨーク型磁気ヘッドは、図１６にあるように、媒体対向面１２００において記録媒体上の記録トラック１２０２からの信号磁界をひろい、ヘッド内部に配置された磁気抵抗効果素子に導く一対のヨーク１２０４を備える。実際は、記録媒体が面内で回転して、磁気ヘッドはその表面上を空気を介して、あるいは互いに接触して相対移動する。
【０１１７】
図１６中、一対のヨーク内に付した矢印は信号磁界の進入方向を示す。この信号磁界は、ヨーク１２０４の一方によって、媒体対抗面１２００より後方に配置された本発明の磁気抵抗効果素子１２１０に導かれ、ヨーク１２０４の他方により媒体へ戻り、一つの磁気回路を構成できる。磁気抵抗効果素子１２１０は、磁気抵抗効果膜１２０６と、この磁抵抗効果膜１２０６の両端に接続された一対のリード電極１２０８により構成されている。磁気抵抗効果膜１２０６とリード電極に付された点線上の矢印はセンス電流の方向を示す。
【０１１８】
このようなヨーク１２０４を用いる場合に、磁束を効率的に磁気抵抗効果膜１２０６へ導くには、ヨーク１２０４の透磁率が高いことが望まれ、そのためには一様な磁気異方性を持たないことが望ましい。しかし、スピンバルブに対する熱処理はヨーク１２０４と積層形成されてから行われるため、スピンバルブに対する熱処理によりヨーク部が一様な磁気異方性を持つ恐れがある。従って、本発明の磁気抵抗効果素子のように熱処理を少なく済ませられることは、ヨーク型磁気ヘッドの大きな利点といえる。尚、このようなヨーク型磁気ヘッドにおける利点は、図１６に示す構造に限られず、磁気抵抗効果素子が媒体対抗面から後退した位置に配置され、媒体対向面と磁気抵抗効果素子が磁気ヨークによって橋渡しされた構造であれば同様に得られるものである。
【０１１９】
また、ヨーク型ヘッドでは、設計上、リード電極１２０８を図１６に示すように、ｘ方向に互いに対向する位置に置く構成となる。これは、図１６に示すように磁気抵抗効果膜の主面１２０６を磁気媒体１２０２に垂直に形成した構造でも、ヨーク１２０４の後方面に形成して磁気媒体１２０２に平行に形成した構造でも同様である。
【０１２０】
磁気抵抗効果膜中での磁束の流れは図１６中の矢印で示したように、ｘ方向を向く。すなわち、センス電流と、強磁性フリー層７に流れ込む磁束の向きが平行あるいは反平行となる。このような状況で、略直交を用いない従来スピンバルブを搭載すると、図１７（ａ）中ｚ方向に対向するように、強磁性フリー層７の磁気バイアス付与（磁区制御）の反強磁性層９を配置することになる。つまり、磁区制御反強磁性層がフリー層に接している磁界不感領域に、シャント電流が流れてしまい、出力が低下してしまう。
【０１２１】
これに対し、略直交結合の磁化結合層（挿入層）１２０６５を用いたスピンバルブ素子を搭載すれば、図１７（ｂ）に示すように強磁性フリー層１２０６４の磁区制御を、強磁性層１２０６６への磁気バイアスを介して反強磁性層１２０６７はx方向に互いに対向配置され、リード電極１２０８を反強磁性層１２０６７よりも中央の中央能動領域まで伸ばすことで、強磁性フリー層１２０６４の磁界不感領域をバイパスすることができる。このことから、ヨーク型磁気ヘッドと略直交結合用の磁化結合層（挿入層）１２０６５を用いたスピンバルブ素子を組み合わせることは、出力向上の観点から大きな利点を生み出すと言える。
【０１２２】
また、図１８のヨーク型磁気ヘッドの概略を示す斜視図にあるように磁気抵抗効果膜１２０６の主面（膜の堆積方向に対し垂直な面）を磁気記録媒体１２０２の主面に平行となるように形成した場合、一対の硬質磁性材料層あるいは反強磁性材料層１２０６７を磁気抵抗効果膜１２０６ａを挟み、かつ記録媒体のトラック上方のトラック幅形成部分を挟む位置に設置して、ヨーク１２０４の磁化をｙ方向へそろえることができる。このようにすることで、ヨークのｘ方向の透磁率が一様にかつ小さくなり、記録媒体１２０２からの信号磁束が効率よくフリー層へと流れ込む。このとき磁気抵抗効果膜１２０６ａのピン層の磁化はヨークやフリー層の磁化と直交関係（ｘ方向）に固着する必要がある。すなわち、ピン層の磁化固着のための熱処理と、ヨーク１２０４の磁化固着のための熱処理とが必要となる。ここで、直交結合膜をピン層あるいはフリー層に挿入することで、ヨーク１２０４とピン層あるいは、フリー層に挿入することで、ヨーク１２０４とピン層への熱処理を同時に行うことが出来るようになり、製造工程数の削減が可能となる。尚、図１８の磁気抵抗効果膜１２０６ａには、各実施形態にて説明した磁気抵抗効果膜を用いることが可能であり、ここでは、詳細な説明は省略する。尚、図１８に示すようなヨーク型ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、主面に垂直に電流を流す（ＣＰＰ方式）のＧＭＲ素子が適している。この場合には、一対の電極は、磁気抵抗効果膜を上下から挟むように配置される。
【０１２３】
以上に述べた略直交に結合する物質を用いた膜構造は、スピンバルブのみに限らず、人工格子膜やスピンバルブ構造を２重に備えるいわゆるデュアルスピンバルブ素子にも適用可能であり、さらには、トンネル効果を用いたトンネル磁気抵抗効果膜や、センス電流を磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向に流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）磁気抵抗効果素子にも適用可能である。一例の断面を図１９に示す。
【０１２４】
このトンネル磁気抵抗効果素子は、下部電極を兼ねた下地層４７の表面に、第１の反強磁性層１２１、強磁性層１２３、直交結合用の磁化結合層１２５、強磁性ピン層１２７、非磁性トンネル絶縁層１２９、強磁性フリー層１３１、第２の反強磁性層１３３、このトンネル磁気抵抗効果膜の側壁を囲む絶縁層１３５、及び上部電極層１３７を備える。上部及び下部電極間をトンネル電流が流れ、強磁性ピン層１２７及び強磁性フリー層１３１の磁方向の相対変化によって、トンネル抵抗が変化し、この情報から外部磁場の方向を検知することができる。尚、このようなトンネル磁気抵抗効果膜は、磁気ヘッド等のいわゆる磁気センサの他、基板上にダイオードやトランジスタ共にセルを構成し、このセルを複数集積形成した不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）にも適用可能である。
【０１２５】
以上説明したような磁気抵抗効果素子を磁気再生ヘッドに用い、これを搭載した磁気ヘッドアッセンブリは、次に述べる構成を備える。
【０１２６】
アクチュエータアームは、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴を有し、アクチュエータアームの一端にはサスペンションが接続されている。
【０１２７】
サスペンションの先端には上述の各形態及び各実施例にある磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダが取り付けられている。また、サスペンションは信号の書き込み及び読み取り用のリード線が配線され、このリード線の一端とヘッドスライダに組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドの各電極とが電気的に接続され、リード線の他端は電極パッドに接続されている。
【０１２８】
また、本発明の磁気記録装置の一種である、磁気ヘッドアッセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を次に述べる。
【０１２９】
磁気ディスクはスピンドルに装着され、駆動装置制御部からの制御信号に応答するモータにより回転する。磁気ディスク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は薄膜状のサスペンションの先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダは上記磁気抵抗効果再生ヘッドを具備している。
【０１３０】
磁気ディスクが回転すると、ヘッドスライダの媒体対向面は磁気ディスクの表面から所定量浮上した状態で保持される。
【０１３１】
サスペンションは駆動コイルを保持するボビン部等を有するアクチュエータアームの一端に接続されている。アクチュエータアームの他端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータが設けられている。ボイスコイルモータはアクチュエータアームのボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、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、及び対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１３２】
アクチュエータアームは固定軸の上下２ヶ所に設けられた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により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１３３】
以上説明した実施の形態、及び実施例において例示した層の材料等はこれに限られるものではない。
【０１３４】
また、層の成膜方法等、例えばスパッタ工程のスパッタ圧やスパッタ温度、成膜後の熱処理工程における処理温度、処理雰囲気、及び処理時間に依存して、隣接する層や離間した層から原子の拡散が起こることが容易に想定できる。従って、これらの製法の調整等によって、例示したターゲット材を用いて成膜しても、拡散によって結果的に異なる材料を含む層になるが、このような拡散が生じても、本発明の趣旨に基づいて得られるべき特性（強磁性、反強磁性、略直交の磁気結合、スピン依存散乱等）が得られるならば、本発明の効果を十分に発揮できる。
【０１３５】
【発明の効果】
安価で高性能の磁気抵抗効果素子を提供することが可能である。また、薄膜化の素子を提供することができ、狭ギャップを要する磁気再生ヘッド、さらにハードディスクドライブ等の磁気再生装置に好適である。また、新規な磁性積層体を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す斜視断面図である。
【図２】第１の実施形態を例に用いて、本発明の磁気抵抗効果素子の製造にあたって行う、磁場中熱処理工程の履歴を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子のリードを素子の中央能動部まで重ねた変形例１−１を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性フリー層に接する反強磁性層を面内に２分しない変形例１−２を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性フリー層と反強磁性層との間に非磁性層を挿入した変形例１−３を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性ピン層に積層フェリ構造を用いた変形例１−４を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態による磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図１２】実施例１の磁化曲線とＭＲ曲線を示す図である。
【図１３】実施例２の反平行状態が破れる磁場Ｈ90とＭＲの酸化強度依存性を示す図である。
【図１４】実施例４の反平行状態が破れる磁場Ｈ90とＭＲに関する、酸化させる前のＦｅの膜厚依存性を示す図である。
【図１５】実施例５のＭＲ曲線を示す図である。
【図１６】ヨーク型磁気ヘッドに関する概略斜視図である。
【図１７】ヨーク型磁気ヘッドにおける磁気抵抗効果素子の各層とヨークとの一関係を示す斜視図である。
【図１８】ヨーク型磁気ヘッドの他の例を示す概略斜視図である。
【図１９】本発明のトンネル効果素子を示す断面図である。
【図２０】従来のパターンドバイアス方式の磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
３１…第１の反強磁性層
３３…第１の強磁性層
３５…直交結合用中間層
３７…第２の強磁性層
３９…中間非磁性層
４１…第３の強磁性相
４３…第２の反強磁性層
４５…リード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は外部磁場の変化を検出する磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を具備する磁気抵抗効果ヘッド、この磁気抵抗効果ヘッドを搭載する磁気再生装置、さらに、互いの磁化方向が略直交である２層の強磁性層を備える磁性積層体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気記録媒体に記録された磁気情報の読み出しは、コイルを有する再生用磁気ヘッドと記録媒体とを相対移動させ、その際に発生する電磁誘導によりコイルに誘起される電圧を検出する方法が用いられていた。その後、特定の強磁性体の電気抵抗が外部磁場の強さに応じて変化する磁気抵抗効果（MagnetoResistance）を利用し、磁気情報を再生する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子と称する。）が開発された（IEEE MAG‐7，150（1971）等参照）。このＭＲ素子は、磁場センサに用いられる他、ハードディスクドライブ等の磁気再生装置に搭載される磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）として用いられる。
【０００３】
磁気再生装置に載る磁気記録媒体の小型・大容量化は、近年益々進み、情報読出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度がより小さくなり、小さい相対速度であっても大出力が得られるＭＲヘッドへの期待が高まっている。
【０００４】
このような期待に対して、巨大磁気抵抗効果膜が開発された。この巨大磁気抵抗効果膜は、Ｆｅ／ＣｒやＦｅ／Ｃｕのように強磁性金属膜と非磁性金属膜とを所定条件にて交互に積層して、近接する強磁性金属膜間を反強磁性結合させた多層膜、いわゆる人工格子膜である（Phys. Rev. Lett. 61 2474 (1988), Phys. Rev. Lett. 64 2304 (1990)等参照）。しかし、人工格子膜は磁化が飽和するのに必要な磁場が大きいため、ＭＲヘッド用の膜材料として適さない。
【０００５】
一方、非磁性金属層を強磁性金属層により上下から挟んだ強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層の多層膜で、二つの強磁性金属層が磁気結合しない（非結合）のＭＲ膜において、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。このＭＲ膜は、強磁性金属層の磁化（スピン）を固定しておき、他方の強磁性層の磁化を外部磁場により磁化反転させることを特徴としている。これにより、非磁性層を挟んで配置された強磁性金属層のスピン方向の相対的な角度を変化させることによって磁気抵抗効果が得られるため、このようなＭＲ素子はスピンバルブ素子と呼ばれている（Phys．Rev．B 45 806 (1992), J. Appl. Phys. 69 4774 (1991)等参照）。
【０００６】
このようなスピンバルブ素子の磁気抵抗変化率は、人工格子膜に比べると小さいものの、磁化が飽和するのに必要な磁場が小さいため、ＭＲヘッド用途に適しており、既に実用化に至っている。
【０００７】
一般的なスピンバルブ素子は、強磁性フリー層、中間非磁性層、強磁性ピン層、及び反強磁性層の積層構造を備える。反強磁性層と接する強磁性ピン層の磁化は反強磁性層からの交換バイアス磁場によって外部磁場の下で一方向に固着される。これに対し、強磁性フリー層は外部磁場に対して自由に回転可能であり、強磁性フリー層と強磁性ピン層の磁化の平行／反平行状態を低磁場において容易に実現できる。尚、両強磁性層の磁化が平行状態で素子の電気抵抗は低く、反平行状態で電気抵抗は高くなり、スピンバルブ素子では、二つの抵抗値の差を大きくすることで高い抵抗効果変化率が得られる。
【０００８】
実際にスピンバルブ素子を用いる場合には、抵抗変化の線形領域を利用して高感度を得るために、強磁性フリー層の磁化はゼロ磁場中でピン層の磁化と略直交するようにバイアスすることが好ましい。このバイアスは、フリー層の磁化が外部磁場に対して回転する際にバルクハウゼンノイズが発生しないように、単磁区化するという意味でも重要である。このため、スピンバルブ膜の側面には単磁区化の目的で磁石と同様の機能をもつ硬質磁性膜が設けられる。
【０００９】
この硬質磁性膜の厚さは、強磁性フリー層と等しい場合に適当なバイアスを印加でき、これ以上薄くなるとバイアス不足により強磁性フリー層の単磁区化が達成し難い。また、フリー層以上に厚くなるとバイアス過多となり強磁性フリー層の透磁率が低下する。
【００１０】
しかし、現状では、硬質磁性膜を強磁性フリー層と同等の厚さまで薄くすると、両者の接合面積が小さくなるため磁気接合がうまくできず、ハード膜を強磁性フリー層に対して厚い構成をとらざるを得ない。その結果、強磁性フリー層に印加されるバイアスが過剰となり、強磁性フリー層の透磁率が低下し、感度と出力に損失を与えている。
【００１１】
これを解決するために、フリー層端部に所定形状の反強磁性層を積層して反強磁性層とフリー層との交換結合によりフリー層端部の磁化を固着し、この部分からフリー層の中央磁界応答部にバイアスを印加する構成をとったスピンバルブ素子が提案されている。所定形状（パターン）に加工された反強磁性層を用いたバイアス方法であることから、パターンドバイアス構造という。
【００１２】
パターンドバイアス構造のスピンバルブ素子について、斜視図を図２０（ａ）に示す。
【００１３】
このスピンバルブ素子は、下から順に積層された第１の反強磁性層１、強磁性ピン層３、中間非磁性層５、強磁性フリー層７を有し、さらに強磁性フリー層７の長手方向の両端に積層された一対の第２の反強磁性層９、及び一対のリード電極１１を有する。
【００１４】
強磁性フリー層７の両端及び強磁性ピン層３は、夫々第２の反強磁性層９、第１の反強磁性層１との磁気交換結合によって、図２０（ａ）中の一方向異方性の磁化が付与されている。つまり、強磁性フリー層７のうち第２の反強磁性層９と積層された両端部（斜線部）は、両者の交換結合によって紙面内右方向に磁化固定され、あたかも硬質磁性膜として働く。そして、両端部で挟まれる中央磁界応答部の磁化は、第２の反強磁性層９と強磁性フリー層７の両端部からのバイアス磁場を受けてゼロ磁場において矢印方向の一方向異方性の磁化を有する。一方、強磁性ピン層３の磁化は、第１の反強磁性層１との交換結合によって、図２０（ａ）の紙面表から裏にむかう方向に固着される。
【００１５】
パターンドバイアス構造では、第２の反強磁性層９と強磁性フリー層７の交換結合膜、及び第１の反強磁性層１と強磁性ピン層３の二つの交換結合膜が必要となる。交換結合膜の強磁性層への一方向異方性の付与は磁場中熱処理によって行うが、夫々が影響を及ぼす強磁性ピン層３と強磁性フリー層７の磁化を直行関係にする必要から、両反強磁性層１、９の夫々に異なる磁場を印加した状態で熱処理を施さなくてはならない。強磁性ピン層３との交換結合磁場がゼロになる第１反強磁性層１のブロッキング温度をＴB1、強磁性フリー層との交換結合磁場がゼロになる第２反強磁性層９のブロッキング温度をＴB2とした場合の熱処理行程（時間―温度）を図２０（ｂ）に示す。尚、反強磁性膜は一軸異方性を持つことから、便宜的に双方向の矢印でその磁化状態を示している。
【００１６】
第１及び第２の反強磁性層１、９による磁化固着を完全に行うには、ブロッキング温度の差｜Ｔｂ1−Ｔｂ2｜の大きい２種類の反強磁性層材料が必要となり、さらに、両者の交換結合磁場が重ならない程度に、交換結合磁場の分散が小さい２種の反強磁性層材料が必要となる。さらに、これらの条件に加えて、スピンバルブ素子に用いる際に本質的に重要な高交換結合磁場、高ブロッキング温度の特性を併せ持つ材料は容易に探しだせるものではない。
【００１７】
一方、エピタキシャル成長によるCoFe/Mn/CoFe等の三層構造において、二つの強磁性層CoFe間の磁気直交結合が観察されている（J. Appl. Phys. 79 5841 (1996) 等参照）。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状の下に考案された新規な磁気抵抗効果素子を提供し、特に、製造コストの低い磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、磁気再生装置、及び磁性積層体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】
上記課題に対し、本発明の第一は、第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層を２層以上含む積層膜を具備し、第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、磁化結合層を介して第１の強磁性層と積層形成され、磁化結合層により第１の強磁性層と磁化結合されて第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、中間非磁性層と、中間非磁性層を介して第２の強磁性層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００２１】
この磁気抵抗効果素子は、外部磁場がゼロの状態で中間非磁性層を挟む第２の強磁性層と第３の強磁性層とが外部磁場がゼロの状態で互いに直交関係の磁化を有する。そして、磁化結合層、あるいは挿入層によって第１の強磁性層と第２の強磁性層との磁化方向は直交方向に結合される。よって、第１及び第３の強磁性層の磁化方向は同一方向にでき、従って、磁気バイアス付与のための熱処理工程を減らすことが可能となり、ひいては製造工程の簡略化を図ることが可能となる。
【００２２】
尚、このような工程の簡略化は、磁気ヘッドの生産性向上に寄与すること大であり、単価の低い磁気抵抗効果ヘッド、さらには磁気再生装置の提供が可能となる。
【００２３】
第１及び第３の強磁性層への磁気バイアスには、それぞれに第１及び第２の反強磁性層を用いた交換結合バイアスのほか、反強磁性層の換わりに硬質磁性層や、複数の強磁性層の積層膜、強磁性層と非磁性相との積層膜、反強磁性層と強磁性層との積層膜、及び硬質磁性層と強磁性層との積層膜を用いることも可能である。
【００２４】
そして、磁気バイアスの付与にあたって、これらの同質材料の選択に自由度が得られる。例えば、反強磁性層を磁気バイアス付与に用いる場合には、二つの反強磁性層のブロッキング温度に差を設ける必要がなくなり、周知の材料、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯ、α−Ｆｅ2Ｏ3等から適宜選択することができる。
【００２５】
本発明の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、及び磁気再生装置において、次の構成を備えることが好ましい。
【００２７】
２）第３の強磁性層は、外部磁場の変動に伴って磁化方向が変わる磁化フリー層であり、第２の強磁性層は磁化フリー層の磁化が変わる外部磁場において、磁化方向が実質的に変わらない磁化ピン層である。この際、第１の強磁性層の磁化は磁化フリー層の磁化が変わる外部磁場において、実質的に変わらないことが好ましい。尚、第２及び第３の強磁性層は互いに磁気的に非結合とすることができる。
【００２８】
３）第１の反強磁性層は、第１の強磁性層の長手方向における両端部のみに積層形成される。または／及び第２の反強磁性層は、前記第３の強磁性層の長手方向における両端部のみに形成される。
【００２９】
４）第１の反強磁性層は、前記第１の強磁性層の一表面全面を覆うように形成される。
【００３０】
５）第１の反強磁性層と第１の強磁性層との間、または第２の反強磁性層と第３の強磁性層との間にさらに非磁性層を備える。
【００３１】
６）第１、第２、及び第３の強磁性層は、２つの強磁性層とこれらを反強磁性的に磁化結合させる反強磁性結合用中間層を備える。反強磁性的結合した二つの強磁性層と中間層は、いわゆるシンセティック反強磁性膜といわれるユニットを構成し、二つの強磁性層が互いに反平行を向くことからユニット内で磁界が閉じて外部への漏れ磁場を低減でき、バイアスポイントを好適に制御できる。
【００３２】
７）磁化結合層、または挿入層は、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を具備する。ここで、同一金属の価数の異なる酸化物は、
７−１）ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，α‐Ｆｅ2Ｏ3，γ‐Ｆｅ2Ｏ3から選ばれる
７−２）ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，ＣｒＯ3，ＣｒＯ5から選ばれる。
【００３３】
７−３）ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれる。
【００３４】
８）磁化結合層、または挿入層が酸化物等の絶縁層であり、この磁化結合層と共に中間非磁性層を挟む新たな絶縁層をさらに備えることで、各絶縁層の界面で電子鏡面反射を誘起し、反射された電子が中間非磁性層との界面に再びくるように構成されてなる。この電子反射層は、スペキュラ効果として知られるものである。
【００３５】
９）磁化結合層、または挿入層によって、互いに直交結合した第１及び第２の強磁性層は外部磁場が印加されると材料の選択等により、次の二通りの磁化回転を起こす。
【００３６】
９−１）直交結合が切れ、第１の強磁性層と第１の反強磁性層との交換結合を保たれて、第２の強磁性層のみが磁化回転する。
【００３７】
９−２）直交結合が保たれ、第１の強磁性層と第１の反強磁性層との結合が切れることで、外部磁場に対して第１及び第２の強磁性層の磁化が回転するものである。
【００３８】
尚、本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、
１０）磁気抵抗効果素子が磁気ヘッドの媒体対向面近傍の磁気ギャップ内に配置される、いわゆるシールド型ヘッドである。交換結合膜の交換結合磁場の分散は、反強磁性層を薄くすることで増大するが、本発明によれば分散の重複を避ける必要がなくなるので、反強磁性層の薄膜化も容易に実現できる。このような反強磁性層の薄膜化はシールド型磁気抵抗効果ヘッドの狭ギャップ化に適し、その高密度化に寄与できる効果がある。
【００３９】
１１）磁気抵抗効果素子が媒体対抗面より離間して配置され、媒体対向面から磁気抵抗効果素子まで伸びて媒体からの信号磁界を磁気抵抗効果素子へ伝達する磁気ヨークを備えるヨーク型磁気抵抗効果ヘッドである。本発明の磁気抵抗効果素子にはバイアス付与の熱処理回数を減らすことができるため、ヨーク部に一様な磁気異方性が付与されにくくなり、媒体対向面から磁気抵抗効果素子への効率的な磁束導入が期待できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の磁気抵抗効果素子に係る第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
【００４２】
図１は、磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。図１における手前の面は、磁気抵抗効果素子が検知する外部磁場の進入面にあたる。従って、例えば、この磁気抵抗効果素子を磁気記録媒体の表面の磁気記録情報を読み出すシールド型磁気ヘッドに搭載した場合には、外部磁場進入面が磁気記録媒体の表面に対向配置される。
【００４３】
この第１の実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の反強磁性層３１、この第１の反強磁性層３１に積層形成されこの第１の反強磁性層３１と交換結合した第１の強磁性層３３、隣接する２つの強磁性層の磁化を略直交方向に結合させる磁化結合層（挿入層）３５、この結合層３５によって第１の強磁性層３３と直交方向の磁化を備える第２の強磁性層３７、中間非磁性層３９、及び第３の強磁性層４１が順次積層され、かつ、第３の強磁性層４１の長手方向における両端部上に形成された一対の第２の反強磁性層４３、及び一対のリード電極４５を備える。尚、この磁気抵抗効果素子は、図示せぬ磁気ギャップ、磁気シールド等を介してやはり図示しないセラミック基板等の上に形成されている。
【００４４】
第１の強磁性層３３は、第１の反強磁性層３１との交換結合によって、図１の矢印方向（紙面内右方向）に実質的に固着された磁化を備える。第１及び第２の強磁性層３３、３７の磁化は直交磁化用の結合層３５によって互いに略直交方向に結合し、よって、第２の強磁性層３７の磁化は、略紙面の表から裏に向かう方向に磁化が固着される。このように磁化固着された第２の強磁性層３７は、信号磁界等の外部磁界の中でも実質的にその磁化が動かない、いわゆる強磁性ピン層にあたる。
【００４５】
この強磁性ピン層３７と中間非磁性層３９を介して隣りあった第３の強磁性層４１は強磁性フリー層にあたり、その中央磁界応答部の磁化方向は外部磁場を受けて回転することが可能な程度に自由である。この強磁性フリー層４１に磁気バイアスを印加するために、強磁性フリー層４１のトラック幅方向の両端部（斜線ハッチング部）上に第２の反強磁性層４３を配置し、強磁性フリー層４１の両端部が第２の反強磁性層４３と交換結合して図の矢印方向（紙面右方向）に磁化固着される。従って、強磁性フリー層４１の中央部は紙面内に右方向のバイアス磁化を受け、ゼロ磁場において図１の矢印に示す方向に磁化を備えることとなる。このようして、中間非磁性層３９を介する強磁性ピン層３７、強磁性フリー層４１は磁化が直交関係のいわゆるスピンバルブ素子が実現できる。
【００４６】
尚、図１の構成では、紙面左右方向が磁気抵抗効果素子のトラック幅方向に対応し、再生トラック幅は強磁性フリー層の中央磁界応答部の幅に略一致する。
【００４７】
さて、このスピンバルブ素子において、第１の強磁性層３３及び強磁性フリー層４１の交換結合は同一方向の磁化とすることができる。これは、従来のスピンバルブ素子にはない、直交結合用の結合層３５と第１の強磁性層３３を付加したことにより達成できたものである。
【００４８】
このスピンバルブ素子の製造工程における磁場中熱処理工程は、図２の熱処理時間と熱処理温度関係に示すように、ブロッキング温度（例えばＴB1、ＴB2）より高温にした状態で一方向の磁場（図２の紙面内の右方向）中の処理によって行うことができる。これは、従来の２工程の磁場中熱処理に比して簡略であり、ひいてはスピンバルブ素子の生産性向上に寄与するものである。尚、図２中、ＡＦは反強磁性層を示し、反強磁性層は一軸異方性を備えるため双方向の矢印でその一軸異方性を示している。また、以上述べた熱処理工程は、各層をスパッタ法等により成膜した後に行われる。
【００４９】
以上説明した第１の実施形態は、強磁性ピン層３７が強磁性フリー層４１よりも基板側に形成されるボトムタイプスピンバルブ素子であって、かつ、結合層３５が強磁性ピン層３７側にある素子構造に関る。
【００５０】
次に、この第１の実施形態に係る変形例１−１乃至１−４を順次説明する。尚、変形例１−１乃至１−４では、第１の実施形態における構成と同一の構成については、第１の実施形態において付与した符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
（変形例１−１）
図３は、変形例１−１に関るスピンバルブ素子の断面を媒体対向面から観察した図である。
【００５２】
この変形例１−１が第１の実施の形態と異なるのは、リード電極４５の内側端部が互いに対向する第２の反強磁性層４３の側面よりも内側に配置されて強磁性フリー層４１上の一部を覆っている点にある。図３中、強磁性フリー層４１のうち斜線で示す部分は、第２の反強磁性層４３との交換結合によって磁化が固着されているため、信号磁界に反応しない不感帯であり、この不感帯に挟まれた中央領域が中央磁界応答部である。従って、リード電極が中央応答部に接しているため、磁気抵抗効果に寄与しない不感帯を電気的にバイパスすることができ、感度の向上を図ることができる。
【００５３】
尚、図３以降の符号４７は、磁気ギャップ、あるいは磁気ギャップの表面に形成された下地層を示す。この下地層４７の材料や結晶性等は、この上に形成する各層における結晶の種類や、結晶配向性等を好適にするように適宜選択することができる。
【００５４】
（変形例１−２）
次に、図４は、変形例１−２のスピンバルブ素子に関る断面を媒体対向面から観察した図を示す。
【００５５】
この変形例１−２は、反強磁性層４３'が強磁性フリー層４１の上表面全てに積層されている点において第１の実施の形態と異なる。
【００５６】
このように反強磁性層４３'と強磁性フリー層４１とが全面積層された場合、その交換結合力は、外部磁場がゼロの状態で強磁性フリー層４１の磁化が図４の紙面内右方向であり、かつ外部磁場が与えられたときにこれに反応して自由に回転することが可能な程度とする必要がある。
【００５７】
しかし、全面積層による交換結合では結合が強くなりやすく、強磁性フリー層４１の透磁率が低下して感度が低下する恐れがある。
【００５８】
（変形例１−３）
この感度低下を防ぐために、変形例１−３では、図５の断面図（媒体対向面側からの観察図）に示すように、第２の反強磁性層４３'と強磁性フリー層４１との間に非磁性層４９を挿入することにより、交換結合力を所望の値まで弱くなるよう調整することができる。
【００５９】
この変形例１−２、１−３については、後に説明する第２乃至第４の実施形態においても同様に採用することができる。
【００６０】
さらに、変形例１−３の磁気結合を調整する非磁性層４９は、変形例１−２のような、反強磁性層４３'が非磁性層４９を介して隣接する強磁性層の上面全てを覆う構成に限らず、第１の実施形態、あるいは後に説明する第２乃至第４の実施形態における、強磁性層の部分領域上に反強磁性層が形成する場合にも、同じ様に挿入して用いることができる。
【００６１】
（変形例１−４）
図６（ａ）は、変形例１−４に関るスピンバルブ素子の断面を、媒体対向面側より観察した図である。
【００６２】
第１の実施形態のスピンバルブ素子では、強磁性ピン層３７の磁化を固着する交換結合エネルギーを一定としたとき、強磁性ピン層３７の磁化を小さくするほど磁化反転しにくくなる。そこで、強磁性ピン層を積層フェリ構造、具体的には、図６（ａ）に示すように、第１強磁性ピン層５５、第２強磁性ピン層５１、及びこれらを反強磁性的に磁気結合する中間層５３からなる積層構造とすることで、強磁性ピン層３７の磁化反転を抑制することが可能である。また、図６（ａ）の構造では、積層フェリ構造を導入することで、直交結合が保持される磁場を高くすることができる。従って、磁性層３３、５１、５５の磁化反転が生じる磁場を非常に高くできる。
【００６３】
また、積層フェリ構造を導入した他の例として、図６（ｂ）に示すように、第１の反強磁性層３１と直交結合用の磁化結合層（挿入層）３５との間に、積層フェリ構造の強磁性層５７、３３、及びこれらの強磁性層を反強磁性的に磁気結合させる中間層５３を導入することができる。この場合には、第１の反強磁性層３１と積層フェリ構造の交換結合磁場を高くすることができる。尚、積層フェリ構造における中間層５３にはＲｕ、Ｃｕ等が好適である。
【００６４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子に係る第２の実施形態を、図７を用いて説明する。
【００６５】
図７は、第２の実施形態に関るスピンバルブ素子の断面を外部磁場の進入面から観察した図を示す。
【００６６】
第２のスピンバルブ素子は、図７に示すように、下地層４７の表面に、第１の反強磁性層６１、強磁性ピン層６３、中間非磁性層６５、強磁性フリー層６７、直交結合用の磁化結合層６９、及び強磁性層７１がこの順に積層されてなり、強磁性層７１の上面両端部上に第２の反強磁性層７３が形成され、リード電極７５はこれらの膜に電気的に接続されている。
【００６７】
このスピンバルブ素子は、強磁性ピン層６３が強磁性層６７よりも下地層側に形成されたボトムタイプであり、また、強磁性フリー層６７側に直交結合用の磁化結合層（挿入層）６９を備えるものである。リード電極７５は、第１の実施形態において説明したものと同等である。
【００６８】
強磁性層７１の両端の斜線部は第２の反強磁性層７３との交換結合によって、図７紙面表から裏へ向う方向の磁化で固着された領域であり、中央能動領域に当該磁化方向の磁気バイアスを与えるものである。これによって、強磁性層７１の中央領域の磁化は、外部磁場がゼロにおいて、図７の紙面表から裏に向かう方向に設定される。
【００６９】
そして、直交結合用中間層によって、強磁性層７１と直交方向の磁化結合を付与された強磁性フリー層６７は図７に示すように、紙面右方向の磁化を備えることとなり、外部磁界がゼロにおいて、強磁性ピン層６３と強磁性フリー層６７の直交磁化が実現できる。
【００７０】
（変形例２−１）
このように、磁化が同一軸の二つの反強磁性層６１と７３を用いて、強磁性ピン層６３と強磁性フリー層６７の磁化を略直交に交叉させることができる。
【００７１】
図８は、この第２の実施形態の変形例であり、第２の反強磁性層７３'と接する強磁性層７１'及び直交結合用中間層６９'を、二つある第２の反強磁性層７３'のそれぞれと位置整合するようにパターニングした断面構造を、外部磁界の流入側より観察した図である。このようにすれば、電流のシャント効果を低減することができ、磁化反転による磁気抵抗変化率の寄与を実質的に増大することが可能となる。
【００７２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子に係る第３の実施形態を、図９（ａ）を用いて説明する。
【００７３】
図９（ａ）は、第３の実施形態に関るスピンバルブ素子の断面を外部磁場の進入面から観察した図である。
【００７４】
第３の実施形態に関るスピンバルブ素子は、図９（ａ）に示すように、下地層４７上に、第１の反強磁性層８１、強磁性フリー層８３、中間非磁性層８５、強磁性ピン層８７、直交結合用の磁化結合層８９、結合層８９によって、強磁性ピン層８７と略直交に磁気結合する強磁性層９１、この強磁性層９１と交換結合する第２の反強磁性層９３、リード電極９５が順次積層された構造を備える。
【００７５】
尚、第１の反強磁性層８１は強磁性フリー層８３の両端部（図９（ａ）中の斜線ハッチング部）と交換結合し、その結果、強磁性フリー層８３の端部から強磁性フリー層８３の中央感磁領域へバイアス磁界が与えられ、信号磁界がゼロの状態で、感磁領域は図９（ａ）の矢印で示す磁化を備える。
【００７６】
この素子では、第１の実施形態において説明したのと同様に、強磁性ピン層８７の磁化固着、及び強磁性フリー層８３へのバイアス付与のために用いる二つの反強磁性層８１、９３の熱処理工程数を従来に比べて低減可能である。
【００７７】
さて、第３の実施形態では、離間して配置された二つの第１の反強磁性層８１間は強磁性フリー層８３である必要はなく、図９（ｂ）の媒体対向面側より観察した断面図に示すように、間隔層９７を用いてもよい。この間隔層９７は、シャント効果を低減するために、磁気ヘッド等の磁性デバイスに用いられるＡｌＯx，ＳｉＯx等の絶縁物質が好ましい。また、強磁性フリー層８３の結晶配向性を高める趣旨から、Ｃｕ、Ｒｕ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ等を用いることができる。さらには、これらのうちで異なる材料層を積層すること、あるいは、混層体としてもよい。
【００７８】
（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係るスピンバルブ素子の断面を、信号流入面より観察した図である。
【００７９】
第４の実施形態のスピンバルブ素子は、図１０に示すように、下地層４７の上に、互いに離間して形成された二つの第１の反強磁性層１０１、二つの第１の反強磁性層１０１間とその上に延在する強磁性層１０３、強磁性層１０３及び強磁性フリー層１０７の磁化が略直交になるように、両層を磁気結合させる磁化結合層１０５、強磁性フリー層１０７、中間非磁性層１０９、強磁性ピン層１１１、第２の反強磁性層１１３、リード電極１１５とを備える。
【００８０】
また、図１１は、第４の実施形態において、互いに離間する第１の反強磁性層１０１間に、第３の実施の形態において説明したと同様に、間隔層１１７を配置したスピンバルブ素子の断面を、外部磁界の流入面側から観察した図である。この間隔層１１７としては、第３の実施形態のおいて説明したような材料を採用することができる。
【００８１】
図１０及び図１１では、強磁性層１０３のうち、第１の反強磁性層１０１上に積層された両端部（図１０、及び図１１の斜線ハッチング部）は、第１の反強磁性層１０１との交換結合により磁化が固着され、この両端部に挟まれた中央感磁領域はこの両端部からの磁気バイアスにより紙面表から裏方向への磁化を備える。
【００８２】
また、強磁性ピン層１１１は反強磁性層１１３との交換結合により紙面表から裏向きの磁化を備え、従って、この実施形態においても、強磁性ピン層１１１への固着磁化の付与と、強磁性層１０３への磁気バイアスの付与に必要な熱処理工程数を低減でき、他の実施形態で説明したと同様の効果が得られる。
【００８３】
以上、第１乃至第４の実施の形態とその変更例に関る磁気抵抗効果素子について、図面を用いて説明した。
【００８４】
次に、本発明における直交結合用の磁化結合層（中間層）に用いる材料と直交結合について説明する。
【００８５】
磁化結合層（中間層）には、同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を用いることができる。ここで、価数の異なる酸化物としては、
１）Ｆｅの酸化物からなり、ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，α‐Ｆｅ2Ｏ3，γ‐Ｆｅ2 Ｏ3から選ばれる。
２）Ｃｒの酸化物からなり、ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，Ｃｒ Ｏ3，ＣｒＯ5から選ばれる。
３）価数の異なる酸化物は、Ｍｎの酸化物からなり、ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれる。
【００８６】
また、磁化結合層には、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ等のいずれか、これらの混合層、あるいはこれら単一元素層、混合層の積層膜で実現できる。
【００８７】
直交結合用中間層を介して二つの強磁性層が積層された、強磁性層／直交結合用中間層／強磁性層の２枚の強磁性層がもつ磁化の単位ベクトルがそれぞれＭ1、Ｍ2であるとき、強磁性層間の結合エネルギーＥｃは、
Ｅｃ＝―Ａ12Ｍ1・Ｍ2−Ｂ12（Ｍ1・Ｍ2）2 (1)
で表される。ここで、Ａ12は通常の双一次交換結合定数、Ｂ12は双二次交換結合定数である。略９０度（直交）結合は｜Ａ12｜<｜Ｂ12｜かつＢ12＜０のときに起こる。
【００８８】
Ｂ12は、Ａ12＜０である反強磁性結合状態とＡ12＞０である強磁性結合状態の混在している場合に誘起されるものである。一方、Ａ12は中間層の膜厚が増加するにしたがって振動するため、実際の試料が凹凸をもっていると膜厚分布ができ、結果としてＡ12＜０とＡ12＞０が混在して略９０度結合が起こることになる。中間層に１原子分の表面凹凸が周期２Ｌで存在し、その凹凸による双一次結合エネルギーの差が２ΔＪであるとき、双二次結合定数Ｂ12は、
Ｂ12＝−[2（ΔJ）2Ｌ／（Ａπ3）]Σm=1∞[coth[π（2ｍ−1）（Ｄ1 ／Ｌ）]／（2ｍ−1）3＋coth[π（2ｍ−1）（Ｄ2／Ｌ）]／（2ｍ− 1）3] (2)
と表される（Phys. Rev. Lett. 67, 3172-3175(1991)）。
【００８９】
ここで、 Ｄ1、Ｄ2は二つの強磁性層の膜厚を夫々示し、Ａは強磁性体固有の交換スティフネス定数である。これからわかるように、Ｂ12は膜の平滑性と膜厚に大きく依存する。そのため試料作成の設定条件によってＢ12にばらつきが出ると予想される。エピタキシャル成長によって、様々な強磁性層／直交結合用中間層／強磁性層からなる３層膜を作成して、その配向面と得られたＢ12について、表１に示す。
【００９０】
【表１】
表１中、MLは原子層の単位であり、１MLは１原子層を示す。
【００９２】
尚、直交結合用中間層の膜厚は、９０度結合が実現する範囲である約０．２ｎｍから２ｎｍが望ましい。
【００９３】
また、本発明の直交結合用中間層として、先に述べた材料に加えて、金属酸化物、金属窒化物、及び金属フッ化物が考えられる。これらの中で、価数によって磁性が異なる金属を含む材料であれば、酸化、窒化、フッ化の進行を制御することで、強磁性相、反強磁性相、フェリ磁性相の混相状態を実現することができる。
【００９４】
例えば、Ｆｅ酸化物（ＦｅＯ、Ｆｅ3Ｏ4、α−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3）、あるいはこれらの混相膜、あるいは積層膜が挙げられる。これらの直交結合用中間層の厚さは約０．２ｎｍから約１０ｎｍ、好ましくは約０．５ｎｍから約３ｎｍとする。直交結合用中間層にＦｅ酸化物を用いたスピンバルブ膜に関する実施例１乃至４の測定により、Ｆｅ酸化物が隣接する強磁性層の磁化を結合させることを確認するとともに、その結合エネルギーを以下のようにして測定した。
【００９５】
実施例１乃至４は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ上に、順次成膜した。その後、真空中で７ｋＯｅの磁場を印加しながら、熱酸化Ｓｉを２７０℃に暖めて１時間の熱処理を行った。これにより、各実施例のＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ界面の交換結合エネルギーＪｕａ＝Ｈｕａ・Ｍｓ・ｔ≒０．１４ｅｒｇ／ｃｍ2によりＣｏＦｅの磁化が固着される。ここでＨｕａは交換結合磁場（ここでは５００Ｏｅ）、Ｍｓはピン層の飽和磁化（１．８Ｔ）、ｔはピン層の厚さ(２ｎｍ)である。各実施例の層構成を表２に示す。各実施例は、表２の左から順に、既述の方法によって、熱酸化Ｓｉ基板上に形成したものである。
【００９６】
【表２】
ここで、langmuireは、酸化強度に関する単位であり、酸素分圧１×１０-6Torr雰囲気に１秒間暴露して酸化物が形成される量を示す。
【００９８】
直交結合用中間層にＦｅ酸化物を用いた実施例１の磁化曲線とＭＲ曲線を、夫々図１２（ａ）、（ｃ）と図１２（ｂ）、（ｄ）に示す。ＩｒＭｎ反強磁性層からの交換バイアス磁場方向（Ｈｕａ）に対して外部磁場（Ｈｅｘ）を平行に導入した際の磁化曲線とＭＲ曲線が図１２（ａ）、（ｃ）であり、垂直に導入した際の磁化曲線とＭＲ曲線が図１２（ｂ）、（ｄ）である。ＨｕａとＨｅｘが平行では８％弱のＭＲ変化率を示し、ＨｕａとＨｅｘが垂直では１０％強のＭＲ変化率を示した。Ｃｕ中間非磁性層を挟んだＣｏＦｅ強磁性フリー層とＣｏＦｅ強磁性ピン層の磁化が完全な反平行となる状態が実現するときに、ＭＲが最大値を示すことを考えると、平行挿引のときには、フリー層とピン層の磁化が完全な反平行となっておらず、垂直挿引のときに、反平行が実現していることがわかる。すなわち、ＩｒＭｎからの交換バイアス磁場によって磁化を固着されているＣｏＦｅ強磁性層と、この強磁性層とＦｅ酸化物からなる直交結合用中間層を挟んで存在するＣｏＦｅ強磁性ピン層の磁化は、略直交の関係にあると言える。
【００９９】
さて、実施例１において、外部磁場を印加していったときにＣｏＦｅ強磁性ピン層とＣｏＦｅフリー層の磁化が反平行でなくなる磁場は380Ｏｅ程度であった。これは、Ｆｅ酸化物による磁気結合エネルギーが０．１１ｅｒｇ／ｃｍ2以上であることを意味する。
【０１００】
実施例２では、直交結合用中間層の自然酸化における酸化強度を変化させた。
【０１０１】
図１３に、磁場を垂直挿引したときの、反平行状態が破れる磁場Ｈ90°および電気抵抗変化率の酸化強度依存性を示す。６００Langmuiersでは９０度結合させるのに必要なＦｅ酸化物ができておらず、１２００Langmuiers 以上で９０度結合が実現する。
【０１０２】
また、このように直交結合用中間層が絶縁物である場合には、電子反射によるＭＲ増大効果が得られる。ＣｕとＴａは自己酸化によってＣｕ−Ｔａ酸化物を形成すると考えられ、このＣｕ−Ｔａ酸化物とＣｏＦｅ強磁性フリー層との界面、及びＦｅ酸化物と強磁性ピン層との界面において、伝導電子の鏡面反射が起こっているため、Ｆｅ酸化物のない場合のスピンバルブではおよそ１０％がＭＲの最大値であるのに対し、Ｆｅ酸化物を用いる実施例２の1200 Langmuiersでは１３％のＭＲが得られた。しかし、1200Langmuiersより酸化を強くしていくと、膜面が荒れるためにＭＲが少しずつ減少してしまう。
【０１０３】
従って、安定した磁気結合と高いＭＲを両立させるためには、１０００Langmuiersから８０００Langmuiers程度の酸化強度が適当である。
【０１０４】
次に、実施例３は、ＩｒＭｎ反強磁性層とＦｅ酸化物の直交結合用中間層の厚さについて検討した。表３にその結果を示す。
【０１０５】
【表３】
これより、良好な磁気結合を実現するためには、ＩｒＭｎ反強磁性層とＦｅ酸化物中間層に挟まれるＣｏＦｅ強磁性層の膜厚を少なくとも１ｎｍ以上、望ましくは２ｎｍ以上にすべきであることがわかる。しかし、厚すぎると磁化（Ｍｓ・ｔ積）が増大してＨｕａが低下するので、２ｎｍ以上３ｎｍ以下にすべきである。
【０１０７】
実施例４では、直交結合用中間層の酸化させる前のＦｅの膜厚を変化させた。ここで酸化強度は、Ｆｅが２ｎｍ以下の場合３０００Langmuirs、２ｎｍ以上の場合、12000 Langmuirsとした。Ｆｅの厚さに応じて酸化強度を変化させたのは、Ｆｅが厚くても深層部まで酸化されるよう配慮したためであるが、先述の通り、酸化の強い領域では膜面が荒れてＭＲが低下した。図１４にＦｅ膜厚と直交結合磁場Ｈ90°及び、電気抵抗変化率の関係を示す。この結果より、Ｆｅの膜厚は１ｎｍから３ｎｍが好適と言える。特に、１．５ｎｍから２ｎｍがより望ましい。
【０１０８】
また、実施例５は、Ｃｒを自然酸化して直交結合用中間層としたスピンバルブのＭＲ曲線を図１５に示す。９０度結合磁場はＦｅのときよりも小さいものの、約５０Ｏｅ（この場合、０．０１４ｅｒｇ／ｃｍ2）で結合されている。
【０１０９】
ここでは成膜室への酸素導入によりＦｅ，Ｃｒを自然酸化させた実施例１−５を挙げたが、Ｆｅ，Ｃｒのほか、Ｍｎを用いることも可能であり、酸化の方法の他の例として、（１）プラズマで生成した酸素ラディカルによる酸化、（２）エキシマランプから紫外線を照射することで生成した酸素ラディカルによる酸化、（３）酸素を含む雰囲気中におけるＦｅ，Ｃｒ，Ｍｎの反応性スパッタ、等が考えられる。（１）は緻密で薄い酸化膜を作成するのに適しており、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎの価数をコントロールしやすくなる。（２）は（１）に加えて酸素イオンによるダメージが少なく、平滑な界面が作成できる。これにより、電子鏡面反射の効果を高め、出力を向上させることができる。（３）は化学的に安定した酸化膜が得られ、素子として安定な動作を継続できる。更に（１）から（３）において、基板を４０℃〜１００℃に加熱しつつ酸化を進行させると、酸化物が平滑にかつ化学的に安定した状態で得ることができる。また（１）、（２）では、基板を７７Ｋ〜２９５Ｋに冷却して酸化させると、酸素分子が解離して自然酸化するのを抑制できるため、酸素ラディカルの寄与が高くなって、緻密で薄い酸化膜を作成することができる。
【０１１０】
また、ここでは基板に熱酸化Ｓｉを用いたが、平坦性を向上させる等の目的で、サファイア基板、ＭｇＯ基板、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板を用いることも可能である。さらに、素子のノイズ減対策としての、フリー層の軟磁気特性下地をＮｉＦｅの代わりにｆｃｃ構造を有する金属、たとえばＲｕ、Ｃｕ、Ａｕ、ＮｉＦｅＣｒのうちのいずれかによる単層膜、あるいはこれらの積層膜、混相膜にしてもよい。
【０１１１】
ところで、強磁性フリー層と反強磁性層との間に直交結合用の中間層を挿入するには、スピンバルブとしての感度を向上させるための工夫が必要である。直交結合用中間層を挟んだ２層の強磁性層が同じ磁化（Ｍｓ・ｔ積）を持っていると、強磁性フリー層全体としての磁化は強磁性ピン層に対して４５度を向いているため、記録媒体からの外部磁場が印加されても、磁化が回転しにくくなる可能性がある。
【０１１２】
これを防ぎ、直交結合用中間層を介した２層の強磁性層の足しあわせた磁化を、ピン層の磁化と略直交するように、Ｍｓ・ｔ積に差を設けることである。強磁性フリー層と、反強磁性層に接している強磁性層のＭｓ・ｔ積の比を1:5程度とすれば、強磁性ピン層の磁化と、直交結合用中間層を介した両強磁性の磁化のなす角が約８０deg.となり、感度劣化を抑制できる。
【０１１３】
また、直交結合を弱めるという方法がある。反強磁性層に接する強磁性層の磁化は固着されたままで、強磁性フリー層の磁化だけが回転する。この場合、感度として、強磁性フリー層の磁化が回転し始める外部磁場が５Ｏｅ以下であることが好ましく、例えば強磁性フリー層の磁化が３．６ｎｍＴでは、直交結合エネルギーは１．４ ×１０-3 ｅｒｇ／ｃｍ2以下である必要がある。
【０１１４】
以上述べた略直交に結合する磁化結合層（挿入層）を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ディスク装置等の磁気再生装置の再生ヘッドとして用いることが可能である。
【０１１５】
磁気再生ヘッドのうち、これまでに用いられているシールド型磁気ヘッドは、ヘッドの媒体対向面近傍に上述の磁気抵抗効果素子を備えている。
【０１１６】
また、シールド型磁気ヘッドの他に、図１６の概略斜視図に示すヨーク型磁気ヘッドにも適用できる。このヨーク型磁気ヘッドは、図１６にあるように、媒体対向面１２００において記録媒体上の記録トラック１２０２からの信号磁界をひろい、ヘッド内部に配置された磁気抵抗効果素子に導く一対のヨーク１２０４を備える。実際は、記録媒体が面内で回転して、磁気ヘッドはその表面上を空気を介して、あるいは互いに接触して相対移動する。
【０１１７】
図１６中、一対のヨーク内に付した矢印は信号磁界の進入方向を示す。この信号磁界は、ヨーク１２０４の一方によって、媒体対抗面１２００より後方に配置された本発明の磁気抵抗効果素子１２１０に導かれ、ヨーク１２０４の他方により媒体へ戻り、一つの磁気回路を構成できる。磁気抵抗効果素子１２１０は、磁気抵抗効果膜１２０６と、この磁抵抗効果膜１２０６の両端に接続された一対のリード電極１２０８により構成されている。磁気抵抗効果膜１２０６とリード電極に付された点線上の矢印はセンス電流の方向を示す。
【０１１８】
このようなヨーク１２０４を用いる場合に、磁束を効率的に磁気抵抗効果膜１２０６へ導くには、ヨーク１２０４の透磁率が高いことが望まれ、そのためには一様な磁気異方性を持たないことが望ましい。しかし、スピンバルブに対する熱処理はヨーク１２０４と積層形成されてから行われるため、スピンバルブに対する熱処理によりヨーク部が一様な磁気異方性を持つ恐れがある。従って、本発明の磁気抵抗効果素子のように熱処理を少なく済ませられることは、ヨーク型磁気ヘッドの大きな利点といえる。尚、このようなヨーク型磁気ヘッドにおける利点は、図１６に示す構造に限られず、磁気抵抗効果素子が媒体対抗面から後退した位置に配置され、媒体対向面と磁気抵抗効果素子が磁気ヨークによって橋渡しされた構造であれば同様に得られるものである。
【０１１９】
また、ヨーク型ヘッドでは、設計上、リード電極１２０８を図１６に示すように、ｘ方向に互いに対向する位置に置く構成となる。これは、図１６に示すように磁気抵抗効果膜の主面１２０６を磁気媒体１２０２に垂直に形成した構造でも、ヨーク１２０４の後方面に形成して磁気媒体１２０２に平行に形成した構造でも同様である。
【０１２０】
磁気抵抗効果膜中での磁束の流れは図１６中の矢印で示したように、ｘ方向を向く。すなわち、センス電流と、強磁性フリー層７に流れ込む磁束の向きが平行あるいは反平行となる。このような状況で、略直交を用いない従来スピンバルブを搭載すると、図１７（ａ）中ｚ方向に対向するように、強磁性フリー層７の磁気バイアス付与（磁区制御）の反強磁性層９を配置することになる。つまり、磁区制御反強磁性層がフリー層に接している磁界不感領域に、シャント電流が流れてしまい、出力が低下してしまう。
【０１２１】
これに対し、略直交結合の磁化結合層（挿入層）１２０６５を用いたスピンバルブ素子を搭載すれば、図１７（ｂ）に示すように強磁性フリー層１２０６４の磁区制御を、強磁性層１２０６６への磁気バイアスを介して反強磁性層１２０６７はx方向に互いに対向配置され、リード電極１２０８を反強磁性層１２０６７よりも中央の中央能動領域まで伸ばすことで、強磁性フリー層１２０６４の磁界不感領域をバイパスすることができる。このことから、ヨーク型磁気ヘッドと略直交結合用の磁化結合層（挿入層）１２０６５を用いたスピンバルブ素子を組み合わせることは、出力向上の観点から大きな利点を生み出すと言える。
【０１２２】
また、図１８のヨーク型磁気ヘッドの概略を示す斜視図にあるように磁気抵抗効果膜１２０６の主面（膜の堆積方向に対し垂直な面）を磁気記録媒体１２０２の主面に平行となるように形成した場合、一対の硬質磁性材料層あるいは反強磁性材料層１２０６７を磁気抵抗効果膜１２０６ａを挟み、かつ記録媒体のトラック上方のトラック幅形成部分を挟む位置に設置して、ヨーク１２０４の磁化をｙ方向へそろえることができる。このようにすることで、ヨークのｘ方向の透磁率が一様にかつ小さくなり、記録媒体１２０２からの信号磁束が効率よくフリー層へと流れ込む。このとき磁気抵抗効果膜１２０６ａのピン層の磁化はヨークやフリー層の磁化と直交関係（ｘ方向）に固着する必要がある。すなわち、ピン層の磁化固着のための熱処理と、ヨーク１２０４の磁化固着のための熱処理とが必要となる。ここで、直交結合膜をピン層あるいはフリー層に挿入することで、ヨーク１２０４とピン層あるいは、フリー層に挿入することで、ヨーク１２０４とピン層への熱処理を同時に行うことが出来るようになり、製造工程数の削減が可能となる。尚、図１８の磁気抵抗効果膜１２０６ａには、各実施形態にて説明した磁気抵抗効果膜を用いることが可能であり、ここでは、詳細な説明は省略する。尚、図１８に示すようなヨーク型ヘッドでは、磁気抵抗効果素子として、主面に垂直に電流を流す（ＣＰＰ方式）のＧＭＲ素子が適している。この場合には、一対の電極は、磁気抵抗効果膜を上下から挟むように配置される。
【０１２３】
以上に述べた略直交に結合する物質を用いた膜構造は、スピンバルブのみに限らず、人工格子膜やスピンバルブ構造を２重に備えるいわゆるデュアルスピンバルブ素子にも適用可能であり、さらには、トンネル効果を用いたトンネル磁気抵抗効果膜や、センス電流を磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向に流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）磁気抵抗効果素子にも適用可能である。一例の断面を図１９に示す。
【０１２４】
このトンネル磁気抵抗効果素子は、下部電極を兼ねた下地層４７の表面に、第１の反強磁性層１２１、強磁性層１２３、直交結合用の磁化結合層１２５、強磁性ピン層１２７、非磁性トンネル絶縁層１２９、強磁性フリー層１３１、第２の反強磁性層１３３、このトンネル磁気抵抗効果膜の側壁を囲む絶縁層１３５、及び上部電極層１３７を備える。上部及び下部電極間をトンネル電流が流れ、強磁性ピン層１２７及び強磁性フリー層１３１の磁方向の相対変化によって、トンネル抵抗が変化し、この情報から外部磁場の方向を検知することができる。尚、このようなトンネル磁気抵抗効果膜は、磁気ヘッド等のいわゆる磁気センサの他、基板上にダイオードやトランジスタ共にセルを構成し、このセルを複数集積形成した不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）にも適用可能である。
【０１２５】
以上説明したような磁気抵抗効果素子を磁気再生ヘッドに用い、これを搭載した磁気ヘッドアッセンブリは、次に述べる構成を備える。
【０１２６】
アクチュエータアームは、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴を有し、アクチュエータアームの一端にはサスペンションが接続されている。
【０１２７】
サスペンションの先端には上述の各形態及び各実施例にある磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダが取り付けられている。また、サスペンションは信号の書き込み及び読み取り用のリード線が配線され、このリード線の一端とヘッドスライダに組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドの各電極とが電気的に接続され、リード線の他端は電極パッドに接続されている。
【０１２８】
また、本発明の磁気記録装置の一種である、磁気ヘッドアッセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を次に述べる。
【０１２９】
磁気ディスクはスピンドルに装着され、駆動装置制御部からの制御信号に応答するモータにより回転する。磁気ディスク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は薄膜状のサスペンションの先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダは上記磁気抵抗効果再生ヘッドを具備している。
【０１３０】
磁気ディスクが回転すると、ヘッドスライダの媒体対向面は磁気ディスクの表面から所定量浮上した状態で保持される。
【０１３１】
サスペンションは駆動コイルを保持するボビン部等を有するアクチュエータアームの一端に接続されている。アクチュエータアームの他端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータが設けられている。ボイスコイルモータはアクチュエータアームのボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、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、及び対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１３２】
アクチュエータアームは固定軸の上下２ヶ所に設けられた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により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１３３】
以上説明した実施の形態、及び実施例において例示した層の材料等はこれに限られるものではない。
【０１３４】
また、層の成膜方法等、例えばスパッタ工程のスパッタ圧やスパッタ温度、成膜後の熱処理工程における処理温度、処理雰囲気、及び処理時間に依存して、隣接する層や離間した層から原子の拡散が起こることが容易に想定できる。従って、これらの製法の調整等によって、例示したターゲット材を用いて成膜しても、拡散によって結果的に異なる材料を含む層になるが、このような拡散が生じても、本発明の趣旨に基づいて得られるべき特性（強磁性、反強磁性、略直交の磁気結合、スピン依存散乱等）が得られるならば、本発明の効果を十分に発揮できる。
【０１３５】
【発明の効果】
安価で高性能の磁気抵抗効果素子を提供することが可能である。また、薄膜化の素子を提供することができ、狭ギャップを要する磁気再生ヘッド、さらにハードディスクドライブ等の磁気再生装置に好適である。また、新規な磁性積層体を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す斜視断面図である。
【図２】第１の実施形態を例に用いて、本発明の磁気抵抗効果素子の製造にあたって行う、磁場中熱処理工程の履歴を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子のリードを素子の中央能動部まで重ねた変形例１−１を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性フリー層に接する反強磁性層を面内に２分しない変形例１−２を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性フリー層と反強磁性層との間に非磁性層を挿入した変形例１−３を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による磁気抵抗効果素子の強磁性ピン層に積層フェリ構造を用いた変形例１−４を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態による磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図１２】実施例１の磁化曲線とＭＲ曲線を示す図である。
【図１３】実施例２の反平行状態が破れる磁場Ｈ90とＭＲの酸化強度依存性を示す図である。
【図１４】実施例４の反平行状態が破れる磁場Ｈ90とＭＲに関する、酸化させる前のＦｅの膜厚依存性を示す図である。
【図１５】実施例５のＭＲ曲線を示す図である。
【図１６】ヨーク型磁気ヘッドに関する概略斜視図である。
【図１７】ヨーク型磁気ヘッドにおける磁気抵抗効果素子の各層とヨークとの一関係を示す斜視図である。
【図１８】ヨーク型磁気ヘッドの他の例を示す概略斜視図である。
【図１９】本発明のトンネル効果素子を示す断面図である。
【図２０】従来のパターンドバイアス方式の磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
３１…第１の反強磁性層
３３…第１の強磁性層
３５…直交結合用中間層
３７…第２の強磁性層
３９…中間非磁性層
４１…第３の強磁性相
４３…第２の反強磁性層
４５…リード電極
Claims (15)
- 第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、
同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層を２層以上含む積層膜を具備し、前記第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、
前記磁化結合層を介して前記第１の強磁性層と積層形成され、前記磁化結合層により前記第１の強磁性層と磁化結合されて前記第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、
中間非磁性層と、
前記中間非磁性層を介して前記磁化固着層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層とを有する磁気抵抗効果膜を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１の強磁性層に積層形成された第１の反強磁性層、及び前記磁化自由層に積層形成された第２の反強磁性層とを備えることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記価数の異なる酸化物は、Ｆｅの酸化物からなり、ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，α‐Ｆｅ2Ｏ3，γ‐Ｆｅ2Ｏ3から選ばれることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記価数の異なる酸化物は、Ｃｒの酸化物からなり、ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，ＣｒＯ3，ＣｒＯ5から選ばれることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記価数の異なる酸化物は、Ｍｎの酸化物からなり、ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする請求項１乃至５記載の磁気抵抗効果素子。
- 第１の反強磁性層と、
前記第１の反強磁性層と交換結合した強磁性層であって、第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、
同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層を２層以上含む積層膜を具備し、前記第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、
前記磁化結合層を介して前記第１の強磁性層と積層形成され、前記磁化結合層により前記第１の強磁性層と磁化結合されて前記第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、
中間非磁性層と、
前記中間非磁性層を介して前記磁化固着層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層と、
前記磁化自由層と交換結合した第２の反強磁性層とを有する磁気抵抗効果膜を備える磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。 - 第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、
同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を具備し、前記第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、
前記磁化結合層を介して前記第１の強磁性層と積層形成され、前記第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、
中間非磁性層と、
前記中間非磁性層を介して前記磁化固着層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層とを有する磁気抵抗効果膜を備える磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。 - 前記価数の異なる酸化物は、Ｆｅの酸化物からなり、ＦｅＯ，Ｆｅ3Ｏ4，αＦｅ2Ｏ3，γＦｅ2Ｏ3から選ばれることを特徴とする請求項７または８記載の磁気抵抗効果ヘッド。
- 前記価数の異なる酸化物は、Ｃｒの酸化物からなり、ＣｒＯ，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｒＯ2，Ｃｒ2Ｏ5，ＣｒＯ3，ＣｒＯ5から選ばれることを特徴とする請求項７または８記載の磁気抵抗効果ヘッド。
- 前記価数の異なる酸化物は、Ｍｎの酸化物からなり、ＭｎＯ，ＭｎＯ2から選ばれることを特徴とする請求項７または８記載の磁気抵抗効果ヘッド。
- 一端に媒体対抗面を備え、前記媒体対向面より離間して前記磁気抵抗効果素子が配置され、前記媒体対向面と前記磁気抵抗効果素子間に配置され、前記媒体対抗面で外部磁場をひろい、前記外部磁場を前記磁気抵抗効果素子に導く磁気ヨークを備えることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果ヘッド。
- 前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果ヘッド。
- 磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体に記録された磁気情報を再生する磁気抵抗効果ヘッドであって、
第１方向の磁化を備える第１の強磁性層と、
同一金属の価数の異なる酸化物を２種以上含む混相膜、あるいは、同一金属の価数の異なる酸化物層が２層以上積層された積層膜を具備し、前記第１の強磁性層と積層形成された磁化結合層と、
前記磁化結合層を介して前記第１の強磁性層と積層形成され、前記第１方向と直交方向の磁化を備える、外部磁場において、前記磁化方向が実質的に変化しない磁化固着層と、
中間非磁性層と、
前記中間非磁性層を介して前記磁化固着層と積層形成され、外部磁場がゼロの状態で第１方向と同方向の磁化を備える、外部磁場の変動に伴い前記磁化の方向が変化する磁化自由層とを有する磁気抵抗効果膜を備える磁気抵抗効果ヘッドを搭載することを特徴とする磁気再生装置。 - 前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極を備えることを特徴とする請求項１４記載の磁気再生装置。
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