JP4483687B2 - 磁気検出素子及びその製造方法 - 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係り、特に、磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを高く維持できるとともに磁歪を低減することが可能な磁気検出素子及びその製造方法に関する。

図１１は従来における磁気検出素子（スピンバルブ型薄膜素子）を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した部分断面図である。

図１１に示す符号１はＴａからなる下地層であり、下地層１の上にＣｒなどのｂｃｃ構造（体心立方構造）の金属からなるシード層２が形成されている。

シード層２の上には、反強磁性層３、固定磁性層４、非磁性材料層５、フリー磁性層６、保護層７が順次積層された多層膜Ｔが形成されている。

保護層７はＴａ、非磁性材料層５はＣｕ、フリー磁性層６及び固定磁性層４はＣｏ_２ＭｎＧｅなどのホイスラー合金、反強磁性層３はＰｔＭｎによって形成されている。

多層膜Ｔ１の上下には電極層１０，１０が設けられており、多層膜の膜面垂直方向に直流のセンス電流が流される。

反強磁性層６と固定磁性層５との界面で交換結合磁界が発生し、前記固定磁性層５の磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）に固定される。

フリー磁性層６の両側にはＣｏＰｔなどの硬磁性材料からなるハードバイアス層８が形成され、ハードバイアス層８の上下及び端部は絶縁層９によって絶縁されている。ハードバイアス層８からの縦バイアス磁界によりフリー磁性層３の磁化は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

図１１に示される磁気検出素子に、外部磁界が印加されると、フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の磁化方向に対して相対的に変動して、多層膜の抵抗値が変化する。一定の電流値のセンス電流が流れている場合には、この抵抗値の変化を電圧変化として検出することにより、外部磁界を検知する。

ホイスラー合金からなるフリー磁性層を有する磁気検出素子は、特許文献１（特開２００３−２１８４２８号公報）に記載されている。
特開２００３−２１８４２８号公報

前記フリー磁性層をホイスラー合金を主体として形成することで、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。

しかしながら、ホイスラー合金を用いることで前記ΔＲＡは向上するものの、フリー磁性層の磁歪が大きくなるといった問題があった。フリー磁性層の磁歪が大きいと成膜ひずみや、他層との熱膨張係数差等によって応力の影響が大きくなる、また、ヘッド動作時にノイズの要因となる等、色々と問題があるため、高ΔＲＡを維持しつつ前記フリー磁性層の磁歪を小さくしなければならないといった課題が新たに発生した。

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、ΔＲＡを高く維持できるとともに磁歪を低減することが可能な磁気検出素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

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、外部磁界により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おいて、
前記フリー磁性層は、組成式がＣｏ_gＭｎ_hＸ_iＲｈ_j（元素ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ、ｈ、ｉ、ｊは原子％であり、ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎＸＲｈ合金層を有しており、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層中の前記Ｒｈの原子％濃度が４原子％以上１０原子％以下であり、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の下面から上面に向けて、Ｒｈ元素の組成比が変調していることを特徴とするものである。

本発明では、前記フリー磁性層の磁歪を、従来に比べて低減できる。
本発明では、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層中の前記Ｒｈの原子％濃度が７原子％以上１０原子％以下であることが好ましい。

また、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の下面から上面に向けて、Ｒｈ元素の組成比が増加する領域と、減少する領域とが交互に現われていてもよい。

また本発明では、前記フリー磁性層は、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の上下に、磁性材料の拡散抑制層が形成された積層構造であり、前記拡散防止層が前記非磁性材料層との界面に接して形成されていることが好ましく、具体的には、前記拡散抑制層はＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。これにより前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層が前記非磁性材料層に拡散することを適切に抑制することが出来る。

また本発明では、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有することが好ましい。

また本発明では、前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有する構成であってもよい。かかる場合、一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を有することが好ましい。

また本発明は、特に、前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ型磁気検出素子の構造に効果的に適用できる。
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、を有する磁気検出素子の製造方法において、
前記フリー磁性層を、組成式がＣｏｇＭｎｈＸｉ（元素ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ＋ｈ＋ｉ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎＸ合金層と、Ｒｈからなる中間層との積層して形成し、このとき前記中間層の膜厚を１．０Å以上３．０Å以下にし、
前記磁気検出素子を形成したのち、前記磁気検出素子に対し熱処理を施すことを特徴とするものである。
これにより前記ＣｏＭｎＸ合金層やＣｏＭｎＸＲｈ合金層の結晶構造を規則化してＬ ₂₁ 型あるいはＢ ₂ 型の結晶構造にすることができる。

これにより、ΔＲＡを高い値に維持しつつ磁歪も低減できる磁気検出素子を容易に製造することが出来る。

本発明では、前記中間層の膜厚を２．０Å以上３．０Å以下にすることが好ましい。
本発明では、前記ＣｏＭｎＸ合金層と、前記中間層とを交互に積層して形成することが好ましい。

このとき、前記ＣｏＭｎＸ層と前記中間層とを一回ずつ積層した積層構成を一単位とし、この一単位に占める前記中間層の膜厚比率を、［元素中間層の膜厚／（ＣｏＭｎＸ合金層の膜厚＋中間層の膜厚）］と表したとき、前記中間層の膜厚比率を、０．０４以上０．１３以下とすることが好ましい。

前記中間層の膜厚比率を大きくすれば、前記フリー磁性層の磁歪を低減させることが出来るが、逆にΔＲＡの減少が大きくなるので、前記中間層の膜厚比率を上記範囲内で調整することが、磁歪の低減効果とΔＲＡの大きさを高く維持できて好ましい。

本発明では、個々のＣｏＭｎＸ合金層の膜厚を、１０Å以上４０Å以下とすることが好ましい。

本発明では、ＣｏＭｎＸ合金を主体とする前記フリー磁性層のなかに、Ｒｈが多く存在している領域が形成されている。ＲｈがＣｏＭｎＸ合金の中に拡散してＣｏＭｎＸＲｈ合金を形成していてもよいし、Ｒｈからなる中間層がＣｏＭｎＸ合金層と区別できる中間層として存在していてもよい。

前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金中の前記Ｒｈの原子％濃度を４原子％以上１０原子％以下にすることによりΔＲＡを高い値に維持しつつ、フリー磁性層の磁歪を低減できる。

また、Ｒｈからなる前記中間層の膜厚を１．５Å以上３．０Å以下にすることにより、ΔＲＡを高い値に維持しつつ、フリー磁性層の磁歪を低減できる。

図１は本発明の実施形態のＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の積層構造を示す模式図である。

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、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。

図１の最も下に形成されているのは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た下地層１である。この下地層１の上に、シード層２が設けられる。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。

なお、下地層１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１は形成されなくともよい。

前記シード層２の上に形成された反強磁性層３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で形成されることが好ましい。

これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。

また本発明では、前記反強磁性層３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てもよい。

前記反強磁性層３の元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の原子％を４５（原子％）以上で６０（原子％）以下に設定することが好ましい。より好ましくは４９（原子％）以上で５６．５（原子％）以下である。これによって成膜段階において、固定磁性層４との界面が非整合状態にされ、しかも前記反強磁性層３は熱処理によって適切な規則変態を起すものと推測される。

下側固定磁性層４は、第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層４ｃからなる多層膜構造で形成される。前記反強磁性層３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる積層フェリ構造と呼ばれ、この構成により下側固定磁性層４の磁化を安定した状態にでき、また前記下側固定磁性層４と反強磁性層３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。

ただし前記下側固定磁性層４は第２固定磁性層４ｃのみから構成され積層フェリ構造で形成されていなくてもよい。

なお前記第１固定磁性層４ａは例えば１５〜３５Å程度で形成され、非磁性中間層４ｂは８Å〜１０Å程度で形成され、第２固定磁性層１４ｃは２０〜６０Å程度で形成される。

第１固定磁性層４ａはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。

第２固定磁性層４ｃは、非磁性材料層５に接するＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１（ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上）と非磁性中間層側磁性層４ｃ２の２層構造として成膜される。また、前記非磁性中間層側磁性層４ｃ２は、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成されている。特に、前記第１固定磁性層４ａと、非磁性中間層側磁性層４ｃ２は共に、ＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。これにより前記非磁性中間層４ｃ２と、前記第１固定磁性層４ａとの間に生じるＲＫＫＹ相互作用を大きくでき、前記第１固定磁性層４ａとともに第２固定磁性層４ｃを強固に磁化固定することが出来る。

前記固定磁性層４の上に形成された非磁性材料層５は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成されている。Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成された非磁性材料層５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。

前記非磁性材料層５上にはフリー磁性層６が形成されている。前記フリー磁性層６上には、非磁性材料層７が形成され、材質は上記した前記非磁性材料層５に使用される材質から選択される。前記非磁性材料層７上には上側固定磁性層８が形成されている。前記上側固定磁性層８は、下から、第２固定磁性層８ｃ、非磁性中間層８ｂ及び第１固定磁性層８ａの順で積層された積層フェリ構造である。前記第１固定磁性層８ａ、非磁性中間層８ｂ及び第２固定磁性層８ｃの各材質は、上記した前記第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ及び第２固定磁性層４ｃに使用される材質からそれぞれ選択される。また前記第２固定磁性層８ｃは、前記第２固定磁性層４ｃと同様に、非磁性材料層７に接するＣｏＭｎＸＲｈ合金層８ｃ１と非磁性中間層側磁性層８ｃ２の２層構造として成膜される。また、上側固定磁性層８は第２固定磁性層８ｃのみで構成されていてもよい。

前記上側固定磁性層８上には上側反強磁性層９が形成される。前記上側反強磁性層９の材質は、下側反強磁性層２に使用される材質から選択される。前記上側反強磁性層９上にはＴａ等の保護層１０が形成される。

前記フリー磁性層６はトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に磁化されている。一方、固定磁性層４，８を構成する第１固定磁性層４ａ，８ａ及び第２固定磁性層４ｃ，８ｃはハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層４，８は積層フェリ構造であるため、第１固定磁性層４ａ，８ａと第２固定磁性層４ｃ，８ｃはそれぞれ反平行に磁化されている。

本実施の形態における特徴的部分は、フリー磁性層６がＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂを有して構成されている点である。ＣｏＭｎＸＲｈ合金層とは、組成式がＣｏ_ｇＭｎ_ｈＸ_ｉＲｈ_ｊ（ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ、ｈ、ｉ、ｊは原子％であり、ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１００原子％）で表される金属化合物からなる層である。なお、ｇ：ｈ：ｉ＝２：１：１である。

フリー磁性層６がＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂを有していることにより、フリー磁性層６の磁歪を低減することができる。

ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂの下面から上面に向けて、元素Ｒｈの組成比が増加する領域と、減少する領域とが交互に現われている。

前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層中の前記Ｒｈの原子％濃度が４原子％以上１０原子％以下、より好ましくは７原子％以上１０原子％以下であると、磁歪を著しく低減することができ、また、磁気検出素子のΔＲＡを高く維持することができる。ここで「ＣｏＭｎＸＲｈ合金中のＲｈの原子％濃度」とは、例えば、ＳＩＭＳ分析装置等により多数箇所で、元素Ｒｈの原子％濃度を求め、それを平均化したものである。

図１に示すように前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂの上下には、磁性材料製の拡散抑制層６ａ、６ｃが設けられている。これにより、特に前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂのＸ元素が、前記非磁性材料層５，７へ拡散するのを適切に防止できる。前記拡散抑制層６ａ，６ｃはＣｏＦｅ合金で形成されていることが好ましい。前記拡散抑制層６ａ，６ｃは、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂに比べて十分に小さい膜厚で形成される。前記拡散抑制層６ａ，６ｃは、数Å程度の薄い膜厚で形成され、一方、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂは、３０Å〜１００Å程度の厚い膜厚で形成される。

ところで、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂ中に占める元素Ｒｈは、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂの下面から上面にわたって全体的に拡散していてもよい。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。

図３は、図１に示す非磁性材料層５から非磁性材料層７までの層構造を拡大した部分拡大模式図である。

図３に示す点線領域Ａはいずれも、フリー磁性層６を構成するＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂ内において前記Ｒｈ元素の組成比が高くなっている箇所を示している。後述する製造方法で示すように、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂは、例えばＣｏＭｎＸ合金層と、元素Ｒｈからなる層（元素Ｒｈ層）との積層構造で形成される。熱処理等の原因により、ＣｏＭｎＸ合金と元素Ｒｈとはそれぞれ拡散を起こすと考えられる。点線領域Ａは、もともと前記元素Ｒｈ層が形成されていた領域であるが上記の拡散によりＣｏＭｎＸＲｈ合金層が形成される。前記点線領域Ａでの元素Ｒｈの組成比は他の部位での前記元素Ｒｈの組成比に比べて大きくなっている。図４（図３のフリー磁性層６のＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂの一部を拡大して示した模式図）に示すように、二つの点線領域Ａ間の領域Ｂ，Ｃにおける元素Ｒｈの組成比を考察してみると、領域Ｂでは点線領域Ａ付近における元素Ｒｈの組成比をピークとして領域Ｃ方向（図示上方向）に向けて、徐々に元素Ｒｈの組成比は低下していき、前記領域Ｃとの仮想境界（このような境界が実際に存在するわけではない）で最も元素Ｒｈの組成比が小さくなり、領域Ｃでは、前記仮想境界から、上方に向けて徐々に元素Ｒｈの組成比が大きくなり、点線領域Ａ付近まで至ったとき、前記元素Ｒｈの組成比がピークとなる。このように領域Ｂは、上方に向けて徐々に元素Ｒｈの組成比が減少する領域であり、一方、領域Ｃは上方に向けて徐々に元素Ｒｈの組成比が増加する領域となっている。そして、領域Ｂ及び領域Ｃは膜厚方向に向けて交互に現われる。なお元素Ｒｈは、最も組成比の低くなる仮想境界付近でも０原子％とはならず、前記元素ＲｈがＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂの下面６ｂ１から上面６ｂ２にかけて全体的に拡散していてもよいし、元素Ｒｈのみからなる層が残存していてもよい。

図２は、ＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成を示す模式図である。図１に示す符号と同じ符号がつけられている層は図１と同じ層を示している。

図２に示すＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は、下から、下地層１、シード層２、反強磁性層３、固定磁性層４、非磁性材料層５、フリー磁性層６及び保護層１０の順に積層された構成である。図２に示すＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子においても、フリー磁性層６にはＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂが設けられ、第２固定磁性層４ｃにはＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１（ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうちいずれか１種または２種以上）が設けられている。またＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子は、下からフリー磁性層６、非磁性材料層５、固定磁性層４及び反強磁性層３の順に積層されていてもよい。

図５は、図２に示すＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子の構造を有する再生ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

符号２０は、磁性材料製の下部シールド層２０であり、前記下部シールド層２０上に図２に示す膜構成と同じ構成の多層膜Ｔ１が形成されている。

前記多層膜Ｔ１は、下から、下地層１、シード層２、反強磁性層３、固定磁性層４、非磁性材料層５、フリー磁性層６及び保護層１０の順で積層されている。図１に示す実施形態では、前記多層膜Ｔ１の両側には絶縁層２７、ハードバイアス層２８及び絶縁層２９が積層されている。ハードバイアス層２８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層６の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

前記絶縁層２７と前記ハードバイアス層２８間にバイアス下地層（図示しない）が形成されていてもよい。前記バイアス下地層は例えばＣｒ、Ｗ、Ｗ−Ｔｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金などで形成される。

前記絶縁層２７，２９はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されたものであり、前記多層膜Ｔ１内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記多層膜Ｔ１のトラック幅方向の両側に分流するのを抑制すべく前記ハードバイアス層２８の上下を絶縁するものである。

なお前記ハードバイアス層２８，２８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。

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、前記多層膜Ｔ１を構成する各層の界面に対し垂直方向に電流を流す電流源となっている。

フリー磁性層６の磁化は、ハードバイアス層２８，２８からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に揃えられる。そして記録媒体からの信号磁界（外部磁界）に対し、フリー磁性層６の磁化が感度良く変動する。一方、固定磁性層４の磁化は、ハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に固定されている。

フリー磁性層６の磁化方向の変動と、固定磁性層４の固定磁化方向（特に第２磁性層４ｃの固定磁化方向）との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。前記フリー磁性層６は、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂとその上下に拡散抑制層６ａ，６ｃとを有して構成される。第２固定磁性層４ｃはＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１と非磁性中間層側磁性層４ｃ２とを有している。

図６は図５とは別の構成のＣＰＰ型のシングルスピンバルブ型薄膜素子の構造を有する再生ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

図６では図５のように反強磁性層２が設けられていない。図６は、固定磁性層自体の一軸異方性によって固定磁性層４の磁化が固定される、いわゆる自己固定式の磁気検出素子である。

図６では、前記固定磁性層４の下側に、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｍｏ，Ｗなどの単体元素、あるいはこれらの元素のうち２種以上からなる合金、または、Ｒ―Ｍｎ（ただし元素Ｒは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成された磁歪増強層２２が５Å以上５０Å以下程度の膜厚で形成される。

固定磁性層４の磁歪定数λｓを大きくすることによって磁気弾性エネルギーを大きくし、これによって、固定磁性層４の一軸異方性を大きくするものである。固定磁性層４の一軸異方性が大きくなると、固定磁性層４の磁化は一定の方向に強固に固定され、磁気検出素子の出力が大きくなりかつ出力の安定性や対称性も向上する。

図６に示される磁気検出素子では、固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａの前記非磁性材料層５側と反対側の面には非磁性金属製の磁歪増強層２２が前記第１固定磁性層４ａに接して設けられている。これによって、第１固定磁性層４ａの特に下面側の結晶構造に歪みを生じさせて第１固定磁性層４ａの磁歪定数λｓを大きくさせている。これによって前記固定磁性層４の一軸異方性は大きくなり、反強磁性層３が形成されなくても前記固定磁性層４をハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に強固に固定できる。

前記フリー磁性層６は、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂとその上下に拡散抑制層６ａ，６ｃとを有して構成される。第２固定磁性層４ｃはＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１と非磁性中間層側磁性層４ｃ２とを有している。

図５，図６では特にシングルスピンバルブ型薄膜素子について説明したが図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子も同様の層構造により形成される。

図７及び図８は図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成を形成するための製造方法を示す一工程図であり、各図は製造工程中におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成の部分拡大模式図である。

まず下地層１，シード層２，反強磁性層３，固定磁性層４，非磁性材料層５まで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７に示すように、前記非磁性材料層５上に拡散抑制層６ａをスパッタ法や蒸着法等で成膜する。前記拡散抑制層６ａを例えばＣｏＦｅ合金で形成する。前記拡散抑制層６ａ上に薄い膜厚で元素Ｒｈ層４０をスパッタ法や蒸着法等で形成し、さらに、前記元素Ｒｈ層４０上に、ＣｏＭｎＸ合金層４１をスパッタ法や蒸着法等で形成する。ＣｏＭｎＸ合金層４１は、組成式がＣｏ_ｇＭｎ_ｈＸ_ｉ（元素ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ＋ｈ＋ｉ＝１００原子％、ｇ：ｈ：ｉ＝２：１：１）で表される金属化合物からなる層である。前記ＣｏＭｎＸ合金層４１の膜厚は前記元素Ｒｈ層４０よりも厚い。前記元素Ｒｈ層４０とＣｏＭｎＸ合金層４１とが一層づつ積層されたものを一単位（積層回数が１回）とし、前記積層回数をｎ回（ｎ＝１，２，・・・）行なう。そして最も上面側に形成された前記ＣｏＭｎＸ合金層４１上に前記元素Ｒｈ層４０を形成した後、前記元素Ｒｈ層４０上に拡散抑制層６ｃをスパッタ法や蒸着法等で成膜する。前記拡散抑制層６ｃを例えばＣｏＦｅ合金で形成する。

次に前記拡散抑制層６ｃ上に前記非磁性材料層７をスパッタ法や蒸着法により成膜し、さらに、固定磁性層８，前記反強磁性層９，保護層１０をスパッタ法や蒸着法等成膜する。

下地層１から保護層１０を積層後、熱処理（２９０℃、３．５時間）を施す。これによって前記反強磁性層２，９と固定磁性層４，８を構成する第１固定磁性層４ａ，８ａとの界面に交換結合磁界を発生させ、前記第１固定磁性層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固定磁性層４ａ、８ａと第２固定磁性層４ｃ，８ｃ間にはＲＫＫＹ相互作用が働き、前記第２固定磁性層４ｃ，８ｃは、前記第１固定磁性層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ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂ内では、元素Ｒｈ層４１とＣｏＭｎＸ合金層４０とがそれぞれ拡散を起こす。図８に示す点線領域Ａは、熱処理を施す前、元素Ｒｈ層４１が形成されていた領域で、熱処理による拡散現象により、右図に示すように元素Ｒｈの組成比は他の部位に比べて高くなりやすい。このように元素Ｒｈは、図８の右図に示すようにフリー磁性層６内において、膜厚方向（図示Ｚ方向）に向けて増減を繰り返す組成変調を起こしている可能性がある。図７に示すように、前記元素Ｒｈ層４０は、前記拡散抑制層６ａ，６ｃとＣｏＭｎＸ合金層４１との間にも設けたので、元素Ｒｈの組成比が高い領域は前記点線領域Ａのみならず前記拡散抑制層６ａ，６ｃとの界面領域Ｄにも存在しやすい（図８）。また元素Ｒｈの一部は、拡散抑制層６ａ，６ｃ内にも拡散するものと予測される。

上記した拡散現象を良好に起こさせるために、前記元素Ｒｈ層４０の膜厚を、１．０Åよりも大きく３．０Å以下の範囲内とすることが好ましい。より好ましい前記元素Ｒｈ層４０の膜厚は、２．０Åよりも大きく３．０Å以下である。また、前記元素Ｒｈ層４０の膜厚を厚くすると、磁歪低減効果を期待できるが、逆にΔＲＡの低下が大きくなるため、前記元素Ｒｈ層４０とＣｏＭｎＸ合金層４１の膜厚比の調整も重要である。本発明では、前記元素Ｒｈ層４０とＣｏＭｎＸ合金層４１とを一回ずつ積層した積層構成を一単位とし、この一単位に占める前記元素Ｒｈ層４０の膜厚比率を、［元素Ｒｈ層４０の膜厚／（ＣｏＭｎＸ合金層４１の膜厚＋元素Ｒｈ層４０の膜厚）×１００（％）］と表したとき、前記元素Ｒｈ層の膜厚比率を４％以上１３％以下にすることが好ましい。
また、ＣｏＭｎＸ合金層４１の膜厚は１０Åから４０Åの範囲であることが好ましい。

上記した元素Ｒｈ層４０，ＣｏＭｎＸ合金層４１とを上記した膜厚比で調整することで、合金化したＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂ内における元素Ｒｈの平均組成比を、適切に４原子％以上１０原子％以下又は７原子％以上１０原子％以下の範囲内に調整できる。

図７，図８に示すＣＰＰ型のスピンバルブ型薄膜素子の製造方法では、元素Ｒｈ層４０とＣｏＭｎＸ合金層４１とを交互に積層して、フリー磁性層６を形成することで、ΔＲＡを大きく出来、且つフリー磁性層６の磁歪を低減できるＣＰＰ型のスピンバルブ型薄膜素子を特に既存の製造設備を変更することなく簡単な製造方法にて形成できる。

また本発明では、ＣｏＭｎＸＲｈの元素からなるターゲットを用いて、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂを形成してもよい。なお、前記フリー磁性層６は、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層６ｂのみで構成されていてもよく、第２固定磁性層４ｃは、ＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１のみで、第２固定磁性層８ｃは、ＣｏＭｎＸ合金層８ｃ１のみで構成されていてもよい。

以下に示す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；ＦｅＣｏ（３０）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／非磁性中間層側磁性層４ｃ２；ＦｅＣｏ（１０）／ＣｏＭｎＸ合金層４ｃ１；ＣｏＭｎＧｅ（４０）］／非磁性材料層５；Ｃｕ（５０）／フリー磁性層６／非磁性材料層７；Ｃｕ（５０）／上側固定磁性層８［ＣｏＭｎＸ合金層８ｃ１；ＣｏＭｎＧｅ（４０）／非磁性中間層側磁性層８ｃ２；ＦｅＣｏ（１０）／非磁性中間層８ｂ；Ｒｕ（９．１）／第１固定磁性層８ａ；ＦｅＣｏ（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（熱処理前）を
［ＣｏＭｎＧｅ（２０）／Ｒｈ（ｘ）］×３／ＣｏＭｎＧｅ（２０）
とし、Ｒｈ層の膜厚ｘ（Å）を変化させた種々の磁気検出素子を形成した熱処理にかけた。なお、上記フリー磁性層の積層構成の表記において()内の数値は膜厚（Å）を示している。また「×３」とは、［］内の膜構成を３回積層したことを意味する。なお全てのサンプルにおいて、ＣｏＭｎＧｅ合金中に占める元素Ｃｏ、元素Ｍｎ、元素Ｇｅの組成比は２：１：１である。

その後、フリー磁性層中のＲｈ層の膜厚ｘ（Å）とフリー磁性層の磁歪定数λｓとの関係及びフリー磁性層中のＲｈ層の膜厚ｘ（Å）と磁気検出素子のΔＲＡとの関係を調べた。結果を図９に示す。

図９に示すように、フリー磁性層中のＲｈ層の膜厚を大きくしていくと、ΔＲＡが直線的に低下する傾向が見られるが、Ｒｈ層の膜厚が３Åのときでも、ΔＲＡは６ｍΩ・ｃｍ^２を超えている。

また、フリー磁性層中のＲｈ層の膜厚ｘを大きくしていくと磁歪が低下し、特に元素Ｒｈの膜厚が１Å以上のとき、磁歪定数λｓの低下する割合が大きくなり、Ｒｈ層の膜厚が２Å以上３Å以下のとき、磁歪定数λｓが最小値をとることがわかった。このように、本発明では、ΔＲＡの低下を抑制しつつ、磁歪低減の効果を期待できることがわかった。

なお、元素Ｒｈの膜厚が１Å以上３Å以下のとき、熱処理後のフリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度が４原子％以上１０原子％以下になり、Ｒｈ層の膜厚が２Å以上３Å以下のとき、熱処理後のフリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度が７原子％以上１０原子％以下になる。

さらに、熱処理後のフリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度とフリー磁性層の磁歪定数λｓとの関係及びフリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度と磁気検出素子のΔＲＡとの関係を調べた。結果を図１０に示す。なお、フリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度とは、フリー磁性層を構成する原子全体を１００原子％としたときのフリー磁性層内部に含まれる元素Ｒｈの原子％である。この元素Ｒｈの原子％濃度の値はフリー磁性層に元素Ｒｈが均一に拡散していても不均一に拡散していても同じ値になる。

図１０に示すように、フリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％を大きくしていくと、ΔＲＡが直線的に低下する傾向が見られるが、元素Ｒｈの原子％が１０原子％のときでも、ΔＲＡは６ｍΩ・ｃｍ^２を超えている。

また、フリー磁性層中の元素Ｒｈの原子％濃度を大きくしていくと磁歪が低下し、特に元素Ｒｈの原子％濃度が４原子％以上のとき、磁歪の低下する割合が大きくなり、元素Ｒｈの原子％濃度が７原子％以上１０原子％以下のとき、磁歪定数λｓが最小値をとることがわかった。このように、本発明では、ΔＲＡの低下を抑制しつつ、磁歪低減の効果を期待できることがわかった。

本発明の第１実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型薄膜素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た模式図、 本発明の第２実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型薄膜素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た模式図、 図１に示す下側固定磁性層のＣｏＭｎＸ合金層から、上側固定磁性層の非磁性材料層側固定磁性層までの層構造を拡大した部分拡大模式図、 図３に示すＣｏＭｎＸＲｈ層の部分をさらに拡大した部分拡大した部分拡大模式図と、ＣｏＭｎＸＲｈ層中に占める元素Ｒｈの組成変調を説明するためのグラフ、 図２に示す磁気検出素子の構造を有する再生ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 図５とは異なる層構造の磁気検出素子の構造を有する再生ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 図１に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子の製造方法を説明するための一工程図（模式図）、 図７の次に行なわれる一工程図（模式図）、 フリー磁性層中のＲｈ層の膜厚と磁歪定数λｓとの関係を示すグラフ、 フリー磁性層の組成と磁歪定数λｓ及びΔＲＡとの関係を示すグラフ、 従来の磁気検出素子を示す断面図、

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 拡散抑制層
６ｂ ＣｏＭｎＸＲｈ合金層
１０ 保護層
４０ 元素Ｒｈ層
４１ ＣｏＭｎＸ合金層

Claims (13)

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、を有する磁気検出素子において、
   前記フリー磁性層は、組成式がＣｏ_gＭｎ_hＸ_iＲｈ_j（元素ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ、ｈ、ｉ、ｊは原子％であり、ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎＸＲｈ合金層を有しており、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層中の前記Ｒｈの原子％濃度が４原子％以上１０原子％以下であり、前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の下面から上面に向けて、Ｒｈ元素の組成比が変調していることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層中の前記Ｒｈの原子％濃度が７原子％以上１０原子％以下である請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の下面から上面に向けて、Ｒｈ元素の組成比が増加する領域と、減少する領域とが交互に現われる請求項１又は２に記載の磁気検出素子。
4. 前記フリー磁性層は、ＣｏＭｎＸＲｈ合金層の上下に、磁性材料の拡散抑制層が形成された積層構造であり、前記拡散防止層が前記非磁性材料層との界面に接して形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
5. 前記拡散抑制層はＣｏＦｅ合金で形成される請求項４記載の磁気検出素子。
6. 反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有する請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
7. 前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有する請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
8. 一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を有する請求項７記載の磁気検出素子。
9. 前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流される請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. 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、を有する磁気検出素子の製造方法において、
    前記フリー磁性層を、組成式がＣｏｇＭｎｈＸｉ（元素ＸはＧｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂのうち１種または２種以上、ｇ＋ｈ＋ｉ＝１００原子％）で表される金属化合物からなるＣｏＭｎＸ合金層と、Ｒｈからなる中間層との積層して形成し、このとき前記中間層の膜厚を１．０Å以上３．０Å以下にし、
    前記磁気検出素子を形成したのち、前記磁気検出素子に対し熱処理を施すことを特徴とする磁気検出素子の製造方法。
11. 前記中間層の膜厚を２．０Å以上３．０Å以下にする請求項１０記載の磁気検出素子の製造方法。
12. 前記ＣｏＭｎＸ層と前記中間層とを一回ずつ積層した積層構成を一単位とし、この一単位に占める前記中間層の膜厚比率を、［元素中間層の膜厚／（ＣｏＭｎＸ合金層の膜厚＋中間層の膜厚）］と表したとき、前記中間層の膜厚比率を、０．０４以上０．１３以下とする請求項１０または１１記載の磁気検出素子の製造方法。
13. 個々のＣｏＭｎＸ合金層の膜厚を、１０Å以上４０Å以下とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子の製造方法。

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