JP4674498B2 - 磁気検出素子 - Google Patents

Description

本発明は膜面垂直方向にセンス電流を流すＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型の磁気検出素子に係り、特に抵抗変化量と素子面積の積ΔＲＡを大きくすることのできる磁気検出素子に関する。

図１０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１０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３と固定磁性層４との界面で交換結合磁界が発生し、前記固定磁性層４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６の磁化は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

図１０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

特許文献１には、フリー磁性層がＣｏＭｎＧｅ合金などのホイスラー合金からなることが記載されている。また、ＣｏＭｎＧｅ合金層にＮｉＦｅ層を重ねる構成も記載されている。

しかし、ホイスラー合金からなる層に単にＮｉＦｅ層を重ねるだけでは、好ましいフリー磁性層を形成できないことがわかってきた。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、フリー磁性層の好ましい構成条件を示すことのできる磁気検出素子の発明を提供することを目的としている。

本発明は、磁化方向が一方向に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たフリー磁性層が設けられた多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層はＣｏ₂ＭｎＧｅ合金層と（Ｎｉ_aＦｅ_100-a）_b Ｃｕ _100-b合金層（組成比率ａはＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％であり、組成比率ｂは（Ｎｉ _a Ｆｅ _100-a ） _b Ｘ _100-b 合金中のＮｉＦｅのａｔ％である）の積層体を有しており、
前記フリー磁性層の下に前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上にも前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられており、
前記フリー磁性層は、上部フリー磁性層及び下部フリー磁性層が直接あるいは他の磁性材料層又は非磁性材料層を介して積層されたものであり、
前記下部フリー磁性層並びにこの下部フリー磁性層より下側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜下部は、伝導電子の流れの下流側に位置する多層膜下流部で、前記上部フリー磁性層並びにこの上部フリー磁性層より上側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜上部は、前記伝導電子の流れの上流側に位置する多層膜上流部であり、
前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さく、
前記上部フリー磁性層が、（Ｎｉ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ ）_b Ｃｕ _100-b合金層（ただしｂは、９０〜９５の範囲内である）で形成され、前記下部フリー磁性層が、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ合金層で形成されることを特徴とするものである。

本発明では、Ｃｏ２ＭｎＺ合金層に重ねる（ＮｉａＦｅ１００−ａ）ｂＸ１００−ｂ合金層の組成比を上記のごとく設定することによって、前記フリー磁性層の特性を向上させることができる。
また、スピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｅ；ＳＴＴ）由来のノイズを低減することができる。
スピン伝達トルクとはフリー磁性層、非磁性材料層、及び固定磁性層が積層された多層膜の膜面垂直方向に電流を流すときに、伝導電子のスピン角運動量がフリー磁性層及び固定磁性層を形成する磁性材料のスピン角運動量に伝播して、フリー磁性層のスピン角運動量を揺らがせるトルクである。フリー磁性層のスピン角運動量が揺らぐと再生出力にノイズが重畳し、磁気検出素子のＳ／Ｎ比が低下する。
フリー磁性層から固定磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクは、固定磁性層からフリー磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクよりも小さい。
本発明では、磁気検出素子の前記多層膜の前記多層膜上流部と前記多層膜下流部を非対称にして、前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくさせている。
これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

また、前記（Ｎｉ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ ）_b Ｃｕ _100-b合金層の膜厚が１０Å以上６０Å以下であることが好ましい。（Ｎｉ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ ）_b Ｃｕ _100-b合金層の膜厚が６０Åより大きくなると抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡが減少し、膜厚が１０Åより小さいとフリー磁性層の磁歪が大きくなるので好ましくない。

また、前記固定磁性層がＣｏ_２ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）を有していることが好ましい。

本発明では、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層に重ねる（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層の組成比率ａ、ｂを、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００とすることによって、前記フリー磁性層の軟磁気特性などを向上させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の全体構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。

このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、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１１である。この下地層１１の上に、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層１４、非磁性材料層１５、フリー磁性層１６、保護層１７からなる多層膜Ｔ１が積層されている。図１に示される磁気検出素子は、フリー磁性層１６の下に反強磁性層１３が設けられているいわゆるボトムスピンバルブ型のＧＭＲ型磁気検出素子である。

シード層１２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。シード層１２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、シード層１２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、シード層１２をＣｒによって形成すると、シード層１２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１１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１１は形成されなくともよい。

前記シード層１２の上に形成された反強磁性層１３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。

反強磁性層１３は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有するもの、または、面心正方（ｆｃｔ）構造を有するものになる。

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。例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金又はＩｒＭｎ合金を使用することができる。

また本発明では、前記反強磁性層１３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。

なお前記元素Ｘ′には、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、広い範囲にわたって、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。

なお本発明では、好ましい前記元素Ｘ′の組成範囲は、ａｔ％（原子％）で０．２から１０であり、より好ましくは、ａｔ％で、０．５から５である。また本発明では前記元素ＸはＰｔまたはＩｒであることが好ましい。

また本発明では、反強磁性層１３の元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′のａｔ％を４５（ａｔ％）以上で６０（ａｔ％）以下に設定することが好ましい。より好ましくは４９（ａｔ％）以上で５６．５（ａｔ％）以下である。これによって成膜段階において、固定磁性層１４との界面が非整合状態にされ、しかも前記反強磁性層１３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。

前記反強磁性層１３の上に形成されている固定磁性層１４は３層構造となっている。
固定磁性層１４は、磁性層１４ａ、非磁性中間層１４ｂ、磁性層１４ｃからなる３層構造である。前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層１４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記磁性層１４ａと磁性層１４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる人工フェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層１４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層１４と反強磁性層１３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。

ただし前記固定磁性層１４は磁性材料層の単層、あるいは磁性材料層の多層構造で形成されていてもよい。

なお前記磁性層１４ａは例えば１５〜３５Å程度で形成され、非磁性中間層１４ｂは８Å〜１０Å程度で形成され、磁性層１４ｃは２０〜５０Å程度で形成される。

非磁性中間層１４ｂ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、固定磁性層１４の磁性層１４ｃはＣｏ_２ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）であることが好ましい。Ｃｏ_２ＹＺ合金層はハーフメタル的な性質を有しており、ＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくするために有効な材料である。

前記固定磁性層１４の上に形成された非磁性材料層１５は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成されている。

さらにフリー磁性層１６が形成されている。フリー磁性層１６の構成については後述する。

図１に示す実施形態では、フリー磁性層１６の両側にハードバイアス層１８，１８が形成されている。前記ハードバイアス層１８，１８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層１６の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。ハードバイアス層１８，１８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ている。

ハードバイアス層１８，１８の上下及び端部は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ１の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。

電極層２０，２０はα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）、Ｒｈ、Ｉｒ、ＲｕやＷ（タングステン）などで形成されている。

本実施の形態の特徴部分について述べる。
フリー磁性層１６はＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａ（ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）と（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）の積層体である。

なお、組成比率ａはＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％であり、組成比率ｂは（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中のＮｉＦｅのａｔ％である。

本発明では、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに重ねる（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの組成比を上記のごとく設定することによって、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの磁歪定数λｓを負の値にし、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓ及び保磁力Ｈｃを小さくして、フリー磁性層の軟磁気特性を向上させることができる。

特に、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂのａ、ｂを、８０＜ａ≦１００、９０＜ｂ≦１００とすることが好ましい。

またＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金のスピン依存バルク散乱係数βが増加して磁気検出素子のΔＲＡを大きくすることができる。

また、ＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層の磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓと膜厚の積Ｍｓｔ）が小さくなりフリー磁性層１６の外部磁界による変動が大きくなる。すなわち、磁気検出素子の磁界検出感度が向上する。

また、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が１０Å以上６０Å以下であることが好ましい。（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が６０Åより大きくなると抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡが減少し、膜厚ｔ２が１０Åより小さいとフリー磁性層１６全体の磁歪が大きくなるので好ましくない。

Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚ｔ１は４０Å以上８０Å以下であることが好ましい。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚が４０Å以上であるとＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの結晶性、規則性が向上するので好ましい。

また、本実施の形態のように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが非磁性材料層１５に接していると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂが非磁性材料層１５に接しているよりも磁気検出素子のΔＲＡを向上させることができる。

図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、下地層１１から保護層１７を積層後、熱処理を施し、これによって前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面に交換結合磁界を発生させる。このとき磁場を図示Ｙ方向と平行な方向に向けることで、前記固定磁性層１４の磁化は図示Ｙ方向と平行な方向に向けられ固定される。なお図１に示す実施形態では前記固定磁性層１４は人工フェリ構造であるため、磁性層１４ａが例えば図示Ｙ方向に磁化されると、磁性層１４ｃ及び磁性層２３は図示Ｙ方向と逆方向に磁化される。

また、上記熱処理によってフリー磁性層１６のＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが規則格子化する。

図１に示された磁気検出素子は、固定磁性層とフリー磁性層の磁化が直交関係にある。記録媒体からの洩れ磁界が磁気検出素子の図示Ｙ方向に侵入し、フリー磁性層の磁化が感度良く変動し、この磁化方向の変動と、固定磁性層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。

フリー磁性層１６のＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａを形成するＣｏ_２ＭｎＺ合金はホイスラー合金である。ホイスラー合金とはホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタル的な性質を有している。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子のフリー磁性層１６がＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａを有すると、外部磁界が印加される前と後における、フリー磁性層１６内部の伝導電子のスピン拡散長又は平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。

しかし、フリー磁性層１６をＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの単層構造にすると、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃが大きくなり磁界検出感度の安定性が低下する。

ここで、本実施の形態のように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）を重ねると、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。これは、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中の元素Ｎｉ、元素Ｆｅ、元素Ｘの組成比率を上述した範囲に設定すると（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金の磁歪定数λｓが負の値をとり、かつ保磁力Ｈｃを小さくできるからである。

また、ホイスラー合金からなるＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが、Ｃｕからなる非磁性材料層１５の上に積層されている。

Ｃｕからなる非磁性材料層１５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。

面心立方（ｆｃｃ）構造の{１１１}面は最稠密面であり、この最稠密面が非磁性材料層１５の表面に露出しているので、非磁性材料層１５の上に積層されるフリー磁性層（ホイスラー合金層）１６の原子が非磁性材料層１５の内部に拡散することを抑制できる。

また、ホイスラー合金からなるフリー磁性層１６は成膜後に、各元素を結晶格子の定まった位置に配置させる規則格子化を行う必要がある。フリー磁性層１６を非磁性材料層１５の最稠密面の上に成膜するとホイスラー合金の原子が膜面平行方向に動きやすくなり、規則格子化に必要な原子の配置交換が容易になる。

また、ホイスラー合金の格子規則化を促進するために、成膜後に熱処理した場合にも、フリー磁性層１６と非磁性材料層１５の界面拡散を最小限に押さえることができる。

また、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａをＣｕからなる非磁性材料層１５の上に積層することにより、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａは、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{２２０}面として表される等価な結晶面が優先配向する。

体心立方（ｂｃｃ）構造の{２２０}面は最稠密面であり、従って、フリー磁性層１６と非磁性材料層１５の界面付近における、フリー磁性層１５の原子と非磁性材料層１５の原子の相互拡散を抑制できる。また、ホイスラー合金の規則格子化に必要な原子の配置交換がさらに容易になる。

なお、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａと（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの積層体の上にＲｕなどの非磁性中間層及び他の磁性層を積層することにより、フリー磁性層１６を人工フェリ構造にしてもよい。

図２は本発明におけるデュアルスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。

図２に示すように、下から下地層１１、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層３１、非磁性材料層１５、およびフリー磁性層１６が連続して積層されている。さらにフリー磁性層１６の上には、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３、および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ２が形成されている。

また、フリー磁性層１６の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ２の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ２を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。
なお、図２において、図１と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。

図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３１は、磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、磁性層３１ｃ、ホイスラー合金層３１ｄの４層構造である。磁性層３１ａ及び磁性層３１ｃはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３１ｄは後述するホイスラー合金によって形成されている。ホイスラー合金層３１ｄは強磁性を有しており、強磁性結合によって磁性層３１ｃとホイスラー合金層３１ｄは同一の方向に磁化が向く。

反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３１ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により磁性層３１ａの磁化方向と、磁性層３１ｃ及びホイスラー合金層３１ｄの磁化方向は互いに反平行状態にされる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子の固定磁性層３１のなかにホイスラー合金層３１ｄを設け、固定磁性層３２のなかにホイスラー合金層３２ａを設けると、外部磁界が印加される前と後における、多層膜Ｔ２内部の伝導電子のスピン拡散長または平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜Ｔ２の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。また、非磁性中間層３１ｂの下や非磁性中間層３２ｃの上にホイスラー合金層を積層してもよいが、磁気抵抗効果に寄与するのは、非磁性材料層１５に接する層なので、非磁性中間層３１ｂの上や非磁性中間層３２ｃの下にホイスラー合金層を積層するほうが効果的である。

この固定磁性層３１のひとつの層であるホイスラー合金層３１ｄは、Ｃｏ_２ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）であることが好ましい。Ｃｏ_２ＹＺ合金層はハーフメタル的な性質を有しており、ＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくするために有効な材料である。

より好ましくは、ホイスラー合金層３１ｄが、組成式がＣｏ_２ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることである。ここで、ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ、のうち１種または２種以上の元素である。

または、前記ホイスラー合金層３１ｄを（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金（ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅのうち１種または２種以上の元素であり、ａはａｔ％で０＜ａ≦３０）を用いて形成することが好ましい。前記（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金層のａｔ％を示すａは７≦ａ≦３０の範囲であることが好ましく、より好ましくは２２≦ａ≦２８である。前記（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金の前記Ｚは例えばＡｌまたはＧａのいずれか又は両方である。あるいは、前記（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金の前記Ｚは例えばＡｌである。

前記（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金はハーフメタル的な性質を有しているので磁気検出素子のΔＲＡを大きくすることができる。また、前記（Ｃｏ_０．６７Ｆｅ_０．３３）_{１００−ａ}Ｚ_ａ合金はＣｏＭｎＧｅ合金やＣｏＭｎＧａ合金に比べて磁歪が大きいので、固定磁性層３１を構成する層の材料に用いると、固定磁性層３１の一軸異方性を強くできる。

図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３２は、ホイスラー合金層３２ａ、磁性層３２ｂ、非磁性中間層３２ｃ、磁性層３２ｄ、の４層構造である。磁性層３２ｂ及び磁性層３２ｄはＣｏＦｅなどの強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３２ａは、前述した固定磁性層３１のホイスラー合金層３１ｄを形成するホイスラー合金とおなじホイスラー合金によって形成されている。磁性層３２ｂは強磁性を有しており、強磁性結合によってホイスラー合金層３２ａと磁性層３２ｂは同一の方向に磁化が向く。

固定磁性層３２の上にある反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３２ｃを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により磁性層３２ｄの磁化方向と、ホイスラー合金層３２ａ及び磁性層３２ｂの磁化方向は互いに反平行状態にされる。

なお、固定磁性層３１、固定磁性層３２を人工フェリ構造を有さない構造として形成してもよい。また、図２に示された固定磁性層３１を図１の磁気検出素子の固定磁性層１４の代わりに用いてもよい。

本実施の形態でも、フリー磁性層１６はＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａ（ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）と（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）の積層体である。

なお、組成比率ａはＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％であり、組成比率ｂは（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中のＮｉＦｅのａｔ％である。

本発明では、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに重ねる（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの組成比を上記のごとく設定することによって、フリー磁性層の磁歪定数λｓ及び保磁力Ｈｃを小さくして、フリー磁性層の軟磁気特性を向上させることができる。

特に、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂのａ、ｂを、８０＜ａ≦１００、９０＜ｂ≦１００とすることが好ましい。

またＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金のスピン依存バルク散乱係数βが増加して磁気検出素子のΔＲＡを大きくすることができる。

また、ＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層の磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓと膜厚の積Ｍｓｔ）が小さくなりフリー磁性層１６の外部磁界による変動が大きくなる。すなわち、磁気検出素子の磁界検出感度が向上する。

また、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が１０Å以上６０Å以下であることが好ましい。（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が６０Åより大きくなると抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡが減少し、膜厚ｔ２が１０Åより小さいとフリー磁性層１６全体の磁歪が大きくなるので好ましくない。

Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚は４０Å以上８０Å以下であることが好ましい。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚が４０Å以上であるとＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの結晶性、規則性が向上するので好ましい。

また、本実施の形態のように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが非磁性材料層１５に接していると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂが非磁性材料層１５に接しているよりも磁気検出素子のΔＲＡを向上させることができるので、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの上にさらにＣｏ_２ＭｎＺ合金層を積層した３層構造のフリー磁性層を形成してもよい。

図２に示された磁気検出素子は、固定磁性層とフリー磁性層の磁化が直交関係にある。記録媒体からの洩れ磁界が磁気検出素子の図示Ｙ方向に侵入し、フリー磁性層の磁化が感度良く変動し、この磁化方向の変動と、固定磁性層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。図２に示されたデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子はフリー磁性層１６の上下に非磁性材料層１５を介して固定磁性層３２と固定磁性層３１が設けられているので、理論上は抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを図１に示されたシングルスピンバルブ型の磁気検出素子の２倍にすることができる。本実施の形態の磁気検出素子であれば、磁気検出素子のΔＲＡを５ｍΩμｍ^２以上にすることが可能である。

フリー磁性層１６のＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａを形成するＣｏ_２ＭｎＺ合金はホイスラー合金である。ホイスラー合金とはホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタル的な性質を有している。

ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子のフリー磁性層１６がＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａを有すると、外部磁界が印加される前と後における、フリー磁性層１６内部の伝導電子のスピン拡散長又は平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。

しかし、フリー磁性層１６をＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの単層構造にすると、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃが大きくなり、フリー磁性層１６の外部磁界による変動が小さくなる。つまり、フリー磁性層１６の軟磁気特性が低下して磁気検出素子の磁界検出感度が低くなる。

ここで、本実施の形態のように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）を重ねると、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。これは、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中の元素Ｎｉ、元素Ｆｅ、元素Ｘの組成比率を上述した範囲に設定すると（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金の磁歪定数λｓが負の値をとり、かつ保磁力Ｈｃを小さくできるからである。

また、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａと（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂのうち下側に位置している方を下部フリー磁性層とし上側に位置している方を上部フリー磁性層としたとき、下部フリー磁性層並びにこの下部フリー磁性層より下側の非磁性材料層１５及び固定磁性層３１を有する多層膜下部Ｂと上部フリー磁性層並びにこの上部フリー磁性層より上側の非磁性材料層１５及び固定磁性層３２を有する多層膜上部Ａのうち、伝導電子の流れの上流に位置する方を多層膜上流部、伝導電子の流れの下流に位置する方を多層膜下流部としたとき、
多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくすることが好ましい。

これにより、スピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｅ；ＳＴＴ）由来のノイズを低減することができる。

スピン伝達トルクとはフリー磁性層、非磁性材料層、及び固定磁性層が積層された多層膜の膜面垂直方向に電流を流すときに、伝導電子のスピン角運動量がフリー磁性層及び固定磁性層を形成する磁性材料のスピン角運動量に伝播して、フリー磁性層のスピン角運動量を揺らがせるトルクである。フリー磁性層のスピン角運動量が揺らぐと再生出力にノイズが重畳し、磁気検出素子のＳ／Ｎ比が低下する。

フリー磁性層から固定磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクは、固定磁性層からフリー磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクよりも小さい。

磁気検出素子の多層膜の多層膜上流部と多層膜下流部を非対称にして、多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくさせると、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができる。原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

図２に示される磁気検出素子では、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが下部フリー磁性層であり、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂが上部フリー磁性層である。

多層膜上部Ａと多層膜下部Ｂとでは、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａを含む多層膜下部の方がΔＲＡが大きくなる。従って、図２に示されるデュアルスピンバルブ型磁気検出素子の場合、伝導電子が上から下に流れるようにし、多層膜上部Ａを多層膜上流部、多層膜下部Ｂを多層膜下流部とすると、多層膜上流部のΔＲＡが多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくなる。

図３は本発明におけるトップスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。

図３に示すように、下から下地層１１、シード層１２、フリー磁性層１６、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ３が形成されている。

また、フリー磁性層４１の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。

多層膜Ｔ３の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ３を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。

なお、図３において、図１または図２と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。

本実施の形態でも、フリー磁性層１６はＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａ（ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）と（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）の積層体である。なお、組成比率ａはＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％であり、組成比率ｂは（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中のＮｉＦｅのａｔ％である。

本発明では、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに重ねる（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの組成比を上記のごとく設定することによって、フリー磁性層の磁歪定数λｓ及び保磁力Ｈｃを小さくして、フリー磁性層の軟磁気特性を向上させることができる。

特に、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂのａ、ｂを、８０＜ａ≦１００、９０＜ｂ≦１００とすることが好ましい。

またＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金のスピン依存バルク散乱係数βが増加して磁気検出素子のΔＲＡを大きくすることができる。

また、ＮｉＦｅ合金に元素Ｘを添加すると、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層の磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓと膜厚の積Ｍｓｔ）が小さくなりフリー磁性層１６の外部磁界による変動が大きくなる。すなわち、磁気検出素子の磁界検出感度が向上する。

また、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が１０Å以上６０Å以下であることが好ましい。（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの膜厚ｔ２が６０Åより大きくなると抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡが減少し、膜厚ｔ２が１０Åより小さいとフリー磁性層１６全体の磁歪が大きくなるので好ましくない。

Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚は４０Å以上８０Å以下であることが好ましい。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの膜厚が４０Å以上であるとＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの結晶性、規則性が向上するので好ましい。

本実施の形態のように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａに（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）を重ねると、フリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。これは、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金中の元素Ｎｉ、元素Ｆｅ、元素Ｘの組成比率を上述した範囲に設定すると（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金の磁歪定数λｓが負の値をとり、かつ保磁力Ｈｃを小さくできるからである。

なお、図１ないし図３では、固定磁性層１４、３１、３２の磁化方向を反強磁性層１３との界面での交換結合磁界によって固定していた。しかし、固定磁性層１４、３１、３２に反強磁性層１３が重ねられず、固定磁性層１４、３１、３２自身の一軸異方性によって固定磁性層１４、３１、３２の磁化方向が固定される自己ピン止め構造の固定磁性層であってもよい。

図４ないし図６は本発明の他の実施の形態を示す磁気検出素子の断面図である。図４ないし図６に記載の磁気検出素子はそれぞれ図１ないし図３に記載された磁気検出素子と類似しているが、フリー磁性層１６を構成するＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａと（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの積層順序が異なっている。図４ないし図６のそれぞれにおいて、図１ないし図３と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。

図１及び図２に記載された磁気検出素子のフリー磁性層１６は、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの上に（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂが積層されていた。ここで、図４及び図５に示されるように、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）の上に、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａが積層されたものでもフリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。

同様に、図３に記載された磁気検出素子のフリー磁性層１６のＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａと（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの積層順序を変えてもよい。すなわち、図６に示されるように、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａの上に、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）が積層されたものでもフリー磁性層１６の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。

図１ないし図６に示された実施の形態の磁気検出素子では、フリー磁性層１６をＣｏ_２ＭｎＺ合金層１６ａと（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層１６ｂの２層構造とした。ただし、本発明のフリー磁性層１６の構成はこれらの２層構造に限るものではない。

例えば、図７ないし図９に示されるように、フリー磁性層３０をＣｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａ、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層３０ｂ、Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａが順に積層された３層構造にしてもよい。

図７ないし図９に記載の磁気検出素子はそれぞれ図１ないし図３に記載された磁気検出素子と類似している。図７ないし図９に記載の磁気検出素子が図１ないし図３に記載された磁気検出素子と異なっているのはフリー磁性層３０の構造である。すなわち、フリー磁性層３０がＣｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａとＣｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａの間に、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層３０ｂ（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素であり、ａ、ｂは組成比率を表し、８０＜ａ≦１００、６０＜ｂ≦１００である）が挿入されている３層構造である。

特に、図８に示されたデュアルスピンバルブＧＭＲ型の磁気検出素子の場合、フリー磁性層３０の上下でＣｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａがＣｕからなる非磁性材料層１５と接触している。Ｃｏ_２ＭｎＺ合金層３０ａと非磁性材料層１５の界面における伝導電子のスピン依存散乱係数γが、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層と非磁性材料層が接触している場合よりも増加して、磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくすることができる。また、フリー磁性層３０の内部に（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層３０ｂが形成されているのでフリー磁性層３０の磁歪定数λｓや保磁力Ｈｃを小さくすることができる。なお、磁気検出素子の抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡを大きくするために、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層３０ｂの膜厚は１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。

フリー磁性層の構成を異ならせた１７種のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子を形成し、磁気検出素子の磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡ、フリー磁性層の保磁力Ｈｃ及び磁歪定数λｓを調べた。

実験に用いたデュアルスピンバルブ型磁気検出素子の膜構成を以下に示す。なお、括弧内の数字は膜厚である。

基板／下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（５０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／固定磁性層（第１固定磁性層Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層（５０Å））／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／フリー磁性層（７０Å〜９０Å）／非磁性材料層Ｃｕ（４３Å）／固定磁性層（第２固定磁性層（５０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／保護層Ｔａ（３０Å）

第２固定磁性層とフリー磁性層の構成と磁気検出素子の磁気抵抗変化量ΔＲと素子面積Ａの積ΔＲＡ、フリー磁性層の保磁力Ｈｃ及び磁歪定数λｓを表１に示す。

Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金の正確な組成比はＣｏ_４９Ｍｎ_２６Ｇｅ_２５である。

比較例２のようにフリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金からなる単層構造であるとき、磁気検出素子のΔＲＡは９．４ｍΩμｍ^２と大きくなるが、フリー磁性層の保磁力Ｈｃが１０００Ａ／ｍを超え、また磁歪定数λｓも２５ｐｐｍになり、磁気検出素子として安定性に欠け、実用的に使用することができない。

また、比較例３のように、フリー磁性層がＮｉ_８０Ｆｅ_２０合金からなる単層構造のとき、フリー磁性層の保磁力Ｈｃ、磁歪定数λｓいずれも低くなるが、磁気検出素子のΔＲＡは４．５ｍΩμｍ^２であり、実用レベルとなりうる５．０ｍΩμｍ^２に届いていない。

フリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉ_８０Ｆｅ_２０合金層の積層体である比較例４の磁気検出素子のΔＲＡは５．５ｍΩμｍ^２であるが、フリー磁性層の磁歪定数λｓが１３．５ｐｐｍと高く問題が残る。

さらに、フリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＣｏ_８５Ｆｅ_１５合金層の積層体である比較例５の磁気検出素子は、保磁力が１６００Ａ／ｍを超えてしまい実用にならない。

一方、フリー磁性層がＣｏＭｎＧｅ合金層とＮｉ_８５Ｆｅ_１５合金層の積層体である実施例１の磁気検出素子は、磁歪定数λｓが３．５ｐｐｍと非常に小さく、実用的な安定性を有する磁気検出素子である。

また、フリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉ_９０Ｆｅ_１０合金層の積層体である実施例２の磁気検出素子は、磁歪定数λｓが２．２ｐｐｍとさらに小さくなる。保磁力Ｈｃは８６４Ａ／ｍであり実用上問題は生じない。

フリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉ_９５Ｆｅ_５合金層の積層体である実施例３の磁気検出素子及びフリー磁性層がＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉ層の積層体である実施例４の磁気検出素子は、それぞれ磁歪定数λｓが０．９ｐｐｍ及び０．３ｐｐｍとさらに小さくなる。保磁力Ｈｃはそれぞれ８７５Ａ／ｍおよび８８３Ａ／ｍであり実用上問題は生じない。なお、前記Ｎｉ層とはＮｉのみからなる層である。

実施例１ないし実施例４の磁気検出素子もΔＲＡは５．５ｍΩμｍ^２以上である。
実施例５、６はフリー磁性層をＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉＦｅＣｕ合金層の積層体としている。実施例５のフリー磁性層も、実施例６のフリー磁性層も磁歪定数λｓは１ｐｐｍ以下であり、また、保磁力Ｈｃも３００Ａ／ｍ以下であり充分小さい。

ＮｉＦｅ合金にＣｕを添加したＮｉＦｅＣｕ合金を用いた層はＣｕを添加しないＮｉＦｅ合金に比べてスピン依存バルク散乱係数βが増加し、また、磁気的膜厚（飽和磁化Ｍｓと膜厚の積Ｍｓｔ）が小さくなる。この結果、実施例５、６の磁気検出素子のΔＲＡは実施例１ないし４の磁気検出素子のΔＲＡより大きくなっている。

フリー磁性層をＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉＦｅ合金層またはＮｉＦｅＣｕ合金層の積層体にすると、フリー磁性層の磁歪定数λｓが減少するのは、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金層の磁歪定数が正の値をとり、ＮｉＦｅ合金層及びＮｉＦｅＣｕ合金層の磁歪定数が負の値をとるからである。

しかし、磁歪定数が正の値をとるＣｏ_２ＭｎＧｅ層に、単に磁歪定数が負の値をとる合金層を積層するだけでは、低保磁力Ｈｃかつ高ΔＲＡの磁気検出素子を形成することはできない。例えば、比較例５はＣｏＭｎＧｅ層に負磁歪のＣｏ_８５Ｆｅ_１５合金層を積層したフリー磁性層を有しているが、フリー磁性層の保磁力Ｈｃは１６４０Ａ／ｍであり実用範囲を超えている。

実施例１ないし４のように、ＮｉＦｅ合金のＮｉのａｔ％を８０ａｔ％より大きくするか、または、実施例５、６のようにＮｉＦｅＣｕ合金のＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％を８０ａｔ％より大きくすることによって、フリー磁性層の磁歪定数λｓを小さくするだけでなく、保磁力Ｈｃも９００Ａ／ｍ以下と小さく、磁気検出素子のΔＲＡも５ｍΩμｍ^２である磁気検出素子を得ることができる。

さらに、（Ｎｉ_ａＦｅ_{１００−ａ}）_ｂＸ_{１００−ｂ}合金層（ＸはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素である）の組成比率ａを、８５≦ａ≦１００にすることがより好ましいことも分かる。

実施例１ないし６では、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金層の上にＮｉＦｅ合金層、ＮｉＦｅＣｕ合金層やＮｉ層を積層していた。ただし、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ合金層とＮｉＦｅ合金層、Ｎｉ層の積層順序を入れ替えても、フリー磁性層の磁歪を低減させる効果は維持される。

実施例７のフリー磁性層はＮｉ_９５Ｆｅ_５合金層の上にＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層が積層されたものであり、実施例８のフリー磁性層はＮｉ層の上にＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層が積層されたものである。実施例７及び８の磁気検出素子は、それぞれ磁歪定数λｓが０．８ｐｐｍ及び０．１ｐｐｍであり、保磁力Ｈｃはそれぞれ３８０Ａ／ｍおよび４５０Ａ／ｍである。

実施例７、８の磁気検出素子もΔＲＡは５．５ｍΩμｍ^２以上である。
実施例９、１０は実施例３の磁気検出素子のＮｉ_９５Ｆｅ_１０合金層の膜厚をそれぞれ３０Å、５０Åに変更したものである。

また、実施例１１、１２は実施例４の磁気検出素子のＮｉ層の膜厚をそれぞれ３０Å、５０Åに変更したものである。

実施例９ないし１２の結果から、Ｎｉ_９５Ｆｅ_５合金層、Ｎｉ層の膜厚が小さくなるとΔＲＡの値が大きくなる傾向にあることが分かる。ただし、実施例９ないし１２のいずれの磁気検出素子も、ΔＲＡは５．０ｍΩμｍ^２以上であり、磁歪定数λｓも充分に小さい。

実施例１３ないし１５は、フリー磁性層が、上下方向に対向する２つのＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層の間にＮｉ層が挿入された３層構造で形成されたものである。

実施例１３は、２つのＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層の間に２０Åの膜厚のＮｉ層を挿入したものであるが、磁歪定数λｓが６．４ｐｐｍであり、実用上問題は生じない。また保持力Ｈｃは９８０Ａ／ｍであり実用上問題は生じない。さらにΔＲＡは７．０ｍΩμｍ^２と非常に大きな値となっている。

実施例１４は２つのＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層の間に４０Åの膜厚のＮｉ層を挿入したものであり、実施例１５は２つのＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層の間に６０Åの膜厚のＮｉ層を挿入したものである。

実施例１４の磁歪定数λｓは２．７ｐｐｍであり、実施例１５の磁歪定数λｓは−０．５ｐｐｍであり、ともに充分小さい値となっている。また、実施例１４の保持力Ｈｃは８５０Ａ／ｍであり、実施例１５の保持力Ｈｃは８８０Ａ／ｍであり、ともに実用上問題は生じない。さらに実施例１４のΔＲＡは６．９ｍΩμｍ^２であり、実施例１５のΔＲＡは６．６ｍΩμｍ^２であり、ともに非常に大きな値となっている。

また実施例１３ないし１５の結果から、２つのＣｏ_２ＭｎＧｅ合金層の間に挿入されるＮｉ層の膜厚が小さくなると、ΔＲＡの値が大きくなる傾向にあることが分かる。ただし、実施例１３ないし１５のいずれの磁気検出素子も、ΔＲＡは６．６ｍΩμｍ^２以上と大きな値であり、磁歪定数λｓも実用上問題が生じないほど小さい。

本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第２実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第３実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第４実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第５実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第６実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第７実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第８実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第９実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 従来の磁気検出素子の断面図、

符号の説明

１１ 下地層
１２ シード層
１３ 反強磁性層
１４、３１、３２ 固定磁性層
１５ 非磁性材料層
１６ フリー磁性層
１７ 保護層
１８ ハードバイアス層
１９ 絶縁層
２０ 電極層

Claims (3)

1. 磁化方向が一方向に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たフリー磁性層が設けられた多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
   前記フリー磁性層はＣｏ₂ＭｎＧｅ合金層と（Ｎｉ_aＦｅ_100-a）_b Ｃｕ _100-b合金層（組成比率ａはＮｉＦｅ中のＮｉのａｔ％であり、組成比率ｂは（Ｎｉ _a Ｆｅ _100-a ） _b Ｘ _100-b 合金中のＮｉＦｅのａｔ％である）の積層体を有しており、
   前記フリー磁性層の下に前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上にも前記非磁性材料層及び前記固定磁性層が設けられており、
   前記フリー磁性層は、上部フリー磁性層及び下部フリー磁性層が直接あるいは他の磁性材料層又は非磁性材料層を介して積層されたものであり、
   前記下部フリー磁性層並びにこの下部フリー磁性層より下側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜下部は、伝導電子の流れの下流側に位置する多層膜下流部で、前記上部フリー磁性層並びにこの上部フリー磁性層より上側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜上部は、前記伝導電子の流れの上流側に位置する多層膜上流部であり、
   前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さく、
   前記上部フリー磁性層が、（Ｎｉ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ ）_b Ｃｕ _100-b合金層（ただしｂは、９０〜９５の範囲内である）で形成され、前記下部フリー磁性層が、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ合金層で形成されることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記（Ｎｉ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ ）_b Ｃｕ _100-b合金層の膜厚が１０Å以上６０Å以下である請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記固定磁性層がＣｏ₂ＹＺ合金層（ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素）を有している請求項１または２に記載の磁気検出素子。

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