JP4867973B2

JP4867973B2 - Ｃｐｐ型磁気抵抗効果素子

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Publication number: JP4867973B2
Application number: JP2008276690A
Authority: JP
Inventors: 芳弘土屋; 晋治原; 友人水野; 聡三浦; 卓己 ▲柳▼澤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2028-10-28
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Description

本発明はセンス電流が膜面直交方向に流れるＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)型の磁気抵抗効果素子に関し、特に、このような磁気抵抗効果素子のスペーサ層と磁性層の構造に関する。

薄膜磁気ヘッドの再生素子として、従来は、センス電流を素子の膜面と水平方向に流すＣＩＰ−ＧＭＲ(Current In Plane-Giant Magneto-Resistance)素子が主に用いられてきたが、最近では、更なる高記録密度化に対応するため、センス電流を素子の膜面と直交する方向に流す素子が開発されている。このタイプの素子として、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistance)効果を利用したＴＭＲ素子と、ＧＭＲ効果を利用したＣＰＰ−ＧＭＲ素子が知られている。

ＴＭＲ素子及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層（フリー層）と、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁性層（ピンド層）と、ピンド層とフリー層との間に挟まれたスペーサ層（非磁性中間層）と、を備えた積層体を有している。ＴＭＲ素子では、スペーサ層としてＡｌ₂Ｏ₃等からなる絶縁層が用いられている。電子がトンネル現象によってスペーサ層（トンネルバリア層）のエネルギ障壁を通過する性質を利用して、積層体の膜面直交方向にセンス電流を流すことができる。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、スペーサ層としてＣｕ等の非磁性導電層が用いられる。これらの素子では、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向のなす相対角度が外部磁界に応じて変化し、これによって積層体の膜面直交方向に流れるセンス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁界が検出される。積層体の積層方向両端はシールド層によって磁気的にシールドされている。

ＴＭＲ素子は原理的に電気抵抗が大きく、大きな磁気抵抗変化率が得られるという長所がある。一方、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は電気抵抗が小さいため素子の断面積を小さくすることが可能であり、超高記録密度での適用に適している。

これらの素子では、磁気抵抗変化率のさらなる向上を目指して開発が行われている。ＴＭＲ素子では従来スペーサ層としてAlOx（Al₂O₃等）が典型的に用いられてきたが、特許文献１には、MgOを用いたスペーサ層が開示されている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、半導体材料を用いたスペーサ層が検討されている。特許文献２には、フリー層とピンド層の間に、従来のスペーサ層とともに、ZnO層を設ける膜構成が開示されている。半導体層は抵抗が大きいため、素子の電気抵抗を適正な値に調整する抵抗調整層として用いられている。

また、近年、このような従来のフリー層とピンド層とを用いた膜構成とは全く異なる新しい膜構成が提案されている。非特許文献１には、ＣＩＰ素子を対象として、外部磁界に応じて磁化方向が変化する２つの磁性層と、これらの磁性層の間に挟まれたスペーサ層と、を有する積層体が開示されている。バイアス磁性層は記録媒体対向面から見て積層体の反対側に設けられ、バイアス磁界は記録媒体対向面の直交方向に印加される。バイアス磁性層からの磁界によって、２つの磁性層の磁化方向は一定の相対角度をなす。この状態で外部磁界を与えると、２つの磁性層の磁化方向が変化し、この結果２つの磁性層の磁化方向がなす相対角度が変化し、センス電流の電気抵抗が変化する。この性質を利用して外部磁化を検出することが可能となる。また、特許文献３にはＣＰＰ素子にこのような膜構成を適用した例が開示されている。このように２つの磁性層を用いた膜構成では、従来のシンセテッィクピンド層や反強磁性が不要となるため、膜構成が簡略され、シールド間ギャップの低減が容易になるポテンシャルがある。
米国特許出願公開第２００６／００１２９２６号明細書特開２００３−８１０２号明細書米国特許第７，０３５，０６２号明細書ロバート・ランバートン(Robert Lamberton)他、「ハードディスク装置用のＣＩＰ−ＧＭＲ３層ヘッド構造」(Current-in-Plane GMR Trilayer Head Design for Hard-Disk Drives)、IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS、（米国）、２００７年２月、第４３巻、第２号、ｐ．６４５−６５０

しかし、大きな磁界感度を実現するためには外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層が良好な軟磁気特性を備えていることが必要である、上述した先行技術は磁気抵抗変化率の増加という長所を持つ反面、軟磁気特性が悪化するという課題を有している。軟磁気特性は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層の保磁力及び磁歪で代表される。保磁力は小さいほどよく、磁歪は絶対値が小さいほどよい。保磁力は約８００Ａ／ｍ以下（１０Ｏｅ以下）が目安値である。磁歪は＋５×１０^-6以下の範囲が望ましい。下限値は−１０×１０^-6が一つの目安であるが、磁歪は磁性層を構成するNiFe層の組成や膜厚により調整可能であるため、一応の目安に過ぎない。一例として、図１４Ａには、ＴＭＲ素子において、スペーサ層としてAlOxを用いた場合とMgOを用いた場合の保磁力の一例を示している。フリー層の膜構成は30Co70Fe(膜厚ｘｎｍ)/90Ni10Fe(膜厚４ｎｍ)とし、30Co70Fe層の膜厚ｘを変化させた。ここで、本明細書中では、Ａ／Ｂ／Ｃ／・・の表記は層Ａ，層Ｂ，層Ｃがこの順で積層されていることを示す。膜厚の厚い領域ではAlOxを用いた方が保磁力が大きくなるが、それ以外の領域ではMgOを用いた方が保磁力が大きい。保磁力を減らすためにはCoFe層の膜厚を減らす必要があるが、CoFe層は磁気抵抗変化を担う層であるため、CoFe層の膜厚を減らすと磁気抵抗変化率が減少し、MgOのメリットが生かされない。図１４Ｂには、図１４Ａと同じ条件で測定した磁歪の一例を示している。磁歪の絶対値は、特にCoFe層の膜厚が薄い領域ではAlOxに比べ増加する傾向にある。

本発明の目的は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層（以下、磁化方向可変磁性層という場合がある。）の軟磁気特性を確保しつつ、高い磁気抵抗変化率を実現することのできる磁気抵抗効果素子を提供することである。本発明の他の目的は、このような磁気抵抗効果素子を用いたスライダ、ハードディスク装置等を提供することである。

本発明の一実施態様によれば、磁気抵抗効果素子は、一対の磁性層であって、該一対の磁性層の磁化方向がなす相対角度が外部磁界に応じて変化するようにされた一対の磁性層と、一対の磁性層の間に挟まれた結晶質のスペーサ層と、を有し、センス電流が一対の磁性層およびスペーサ層の膜面に対して直交方向に流れるようにされている。スペーサ層は、結晶質酸化物を含み、一対の磁性層のうち、外部磁界に応じて磁化方向が変化する少なくとも一方の磁性層は、CoFe層とNiFe層の間にCoFeB層が挟まれ、かつCoFeB層が前記スペーサ層と前記NiFe層との間に位置する膜構成を有し、スペーサ層は、Ｃｕ層とＺｎ層の間にZnO層が挟まれた膜構成を有している。

スペーサ層と、磁化方向可変磁性層を構成するCoFe層及びNiFe層はいずれも結晶質構造を有している。結晶質構造の層同士が隣接する場合、互いに隣接する層の格子定数がマッチングしている場合には良好な膜特性が得られるが、ミスマッチングしていると隣接する層との界面で結晶構造が乱され、良好な膜特性が得られにくい。また、結晶質層が３層以上に渡って積層される場合、直接隣接していない結晶質層からも影響を受け、結晶構造が乱される可能性がある。結晶質酸化物は特に格子定数が大きく、従来のＣｕ単層のスペーサ層を用いた場合と比べて、他の結晶質層との格子定数のミスマッチが大きい。本願発明者はこれが磁化方向可変磁性層の軟磁気特性に影響を及ぼしていると考えている。本願発明では、磁化方向可変磁性層のCoFe層とNiFe層との間にCoFeB層を挿入している。CoFeBはアモルファス構造を有しており、CoFeB層の両側にある結晶質層の相互影響を緩和する機能を有している。このため、格子定数のミスマッチの大きい酸化物層をスペーサ層に用いても、CoFeB層が緩衝層として機能し、NiFe層の界面磁歪が変化する。この結果NiFe層の良好な膜特性が得られ、NiFe層の良好な軟磁気特性が得られるものと考えられる。また、逆にNiFe層もCoFe層に影響を及ぼすことが考えられるが、この影響もCoFeB層によって緩和される。この結果、CoFe層の膜特性も改善され、磁気抵抗変化率が向上する。

一対の磁性層は、外部磁界に対し磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層とすることができる。

本発明のスライダは上述の磁気抵抗効果素子を備えている。

本発明の薄膜磁気ヘッドは上述の磁気抵抗効果素子を含んでいる。

本発明のウエハには上述の磁気抵抗効果素子が形成されている。

本発明のヘッドジンバルアセンブリは、上述のスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションと、を有している。

本発明のハードディスク装置は、上述のスライダと、スライダを支持するとともに、スライダを記録媒体に対して位置決めする装置と、を有している。

以上説明したように、本発明によれば、磁化方向可変磁性層の軟磁気特性を確保しつつ、高い磁気抵抗変化率を実現することのできる磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、本発明によれば、このような磁気抵抗効果素子を用いたスライダ、ハードディスク装置等を提供することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子をハードディスク装置用の薄膜磁気ヘッドに適用した実施形態を、図面を用いて説明する。本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリ素子や磁気センサアセンブリなどにも適用することができる。

（第１の実施形態）本実施形態の磁気抵抗効果素子はＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗効果素子として用いられる。図１は、本発明の磁気抵抗効果素子２を有する薄膜磁気ヘッドの部分斜視図である。薄膜磁気ヘッド１は読み込み専用のヘッドでもよく、記録部をさらに有するＭＲ／インダクティブ複合ヘッドでもよい。磁気抵抗効果素子２は、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間に挟まれ、先端部が記録媒体２１と対向する位置に配置されている。磁気抵抗効果素子２は、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間にかかる電圧によって、センス電流２２が膜面直交方向に流れるようにされている。磁気抵抗効果素子２と対向する位置における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の移動方向２３への移動につれて変化する。薄膜磁気ヘッド１は、この磁界の変化を、ＧＭＲ効果に基づき電気抵抗変化として検出することにより、記録媒体２１に書き込まれた磁気情報を読み出すことができる。

図２は、図１のＡ−Ａ方向、すなわち媒体対向面から見た積層体の側面図である。媒体対向面とは、薄膜磁気ヘッド１の、記録媒体２１との対向面である。表１には、磁気抵抗効果素子２の膜構成の一例を示す。表１は、下部電極兼シールド４に接するバッファ層５から、上部電極兼シールド３に接するキャップ層１０に向けて積層順に下から上に記載している。

磁気抵抗効果素子２は、厚さ１μｍ程度のNiFe層からなる下部電極兼シールド４の上に、バッファ層５、反強磁性層６、ピンド層７、非磁性のスペーサ層８、フリー層９、キャップ層１０がこの順に積層された膜構成を有している。ピンド層７は、外部磁界に対して磁化方向が固定された層である。フリー層９は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する層（磁化方向可変磁性層）である。センス電流２２は、ピンド層７と、スペーサ層８と、フリー層９、すなわち磁気抵抗効果素子２の膜面に対して直交方向に流れるようにされている。「直交方向」とはセンス電流２２の向きが膜面に対して厳密に直交している場合の他、膜面に対してほぼ直交している場合を含む。フリー層９の磁化方向は、ピンド層７の磁化方向に対して、外部磁界に応じた相対角度をなし、相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化して磁気抵抗変化が生じる。薄膜磁気ヘッド１は、この磁気抵抗変化を検出して、記録媒体の磁気情報を読み取る。

ピンド層７は、いわゆるシンセテッィクピンド層として構成されている。すなわち、ピンド層７は、アウターピンド層７１と、アウターピンド層７１よりもスペーサ層８に近接して設けられたインナーピンド層７３と、アウターピンド層７１とインナーピンド層７３との間に挟まれた非磁性の中間層７２と、からなっている。アウターピンド層７１の磁化方向は、反強磁性層６とアウターピンド層７１との交換結合によって固定される。さらに、インナーピンド層７３が中間層７２を介してアウターピンド層７１と反強磁性的に結合し、インナーピンド層７３の磁化方向が強固に固定される。シンセテッィクピンド層ではこのようにして、ピンド層７が安定な磁化状態を保つとともに、ピンド層７の実効磁化が全体として抑制される。

スペーサ層８は、Cu/ZnO/Cuの積層構造を有している。ZnO層は結晶質の半導体層である。Ｃｕ層も結晶質構造を有している。従来、スペーサ層としてＣｕの単層構成が用いられてきたが、ZnO層を挿入することによって、スペーサ層８の電気抵抗を高めることができる。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は一般に素子の電気抵抗が小さいため、磁気抵抗変化率の向上が課題であったが、Cu/ZnO/Cuの膜構成のスペーサ層８を用いることによって、大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。

フリー層９は、CoFe/CoFeB/NiFeの積層構造を有している。CoFe層は高いスピン分極率を有し、主として磁気抵抗変化率の増加に寄与する。Ｃｏの原子分率は、良好なスピン分極率が得られる２０〜７０％の範囲が好ましい。NiFe層は軟磁性層であり、磁歪を抑制すると共に、その小さな保磁力によって磁界の変化に対する感度を高める機能を有している。Ｎｉの原子分率は良好な軟磁気特性（低保磁力、低磁歪）が得られる７５〜９５％の範囲が好ましい。CoFeB層はCoFe層とNiFe層の間に挿入されたアモルファス層である。

バッファ層５は、反強磁性層６とアウターピンド層７１との良好な交換結合を得るために設けられている。キャップ層１０は、積層された各層の劣化防止のために設けられている。キャップ層１０の上には、厚さ１μｍ程度のNiFe膜からなる上部電極兼シールド３が形成されている。

磁気抵抗効果素子２の側方には、絶縁膜１１及びCr，CrTi等からなる不図示の下地膜を介してハードバイアス膜１２が形成されている。ハードバイアス膜１２はフリー層９を単磁区化するための磁区制御膜である。絶縁膜１１はAl₂O₃、ハードバイアス膜１２はCoPt，CoCrPtなどが用いられる。

本実施形態は、Cu/ZnO/Cuの積層構造を有するスペーサ層８と、CoFe/CoFeB/NiFeの積層構造を有するフリー層９とによって特徴付けられる。スペーサ層８を構成する各層（Cu/ZnO/Cu）と、フリー層９を構成するCoFe層及びNiFe層はいずれも結晶質構造を有している。結晶質構造の層同士が隣接する場合、互いに隣接する層の格子定数がミスマッチングしていると隣接する層との界面で結晶構造が乱され、良好な膜特性が得られにくい。結晶構造が乱されると膜本来の特性が得られず、NiFe層の場合には軟磁気特性の悪化につながる。結晶質層が３層以上に渡って積層される場合には、直接隣接していない結晶質層からも影響を受け、結晶構造が乱される可能性がある。スペーサ層８の一部として用いられているZnO層は酸化物であるため、特に格子定数が大きく、従来のＣｕ単層のスペーサ層を用いた場合と比べて、他の結晶質層との格子定数のミスマッチが大きい。本願発明者はこれがフリー層９の軟磁気特性に影響を及ぼしていると考えている。本実施形態では、フリー層９のCoFe層とNiFe層との間にCoFeB層を挿入している。CoFeBはアモルファス構造を有しており、ZnO層からNiFe層への影響を緩和する機能を有している。このため、ZnO層をスペーサ層８の一部として用いても、CoFeB層が緩衝層として機能し、NiFe層の良好な膜特性が得られ、この結果、良好な軟磁気特性が得られるものと考えられる。

また、格子定数のミスマッチがある場合、先に積層された層によって後から積層された層の結晶構造が乱されるだけでなく、後から積層された層によって先に積層された層の結晶構造が乱される可能性もある。このため、NiFe層もCoFe層に影響を及ぼすことが考えられるが、この影響もCoFeB層によって緩和される。この結果、CoFe層の膜特性も改善され、磁気抵抗変化率が向上する。

上述のように、後から積層された層によって先に積層された層の結晶構造が乱される可能性があるため、本発明は、ピンド層がフリー層より先に成膜されるボトムタイプのＣＰＰ−ＧＭＲ素子だけでなく、フリー層がピンド層がより先に成膜されるトップタイプのＣＰＰ−ＧＭＲ素子にも同様に適用できる。なお、この場合でも、CoFeB層はNiFe層とZnO層の間に設けられている必要があるため、フリー層はNiFe/CoFeB/CoFeの膜構成とすることが望ましい。また、ピンド層はシンセティックピンド層である必要はなく、反強磁性的結合を利用しない単層構成のピンド層でもよい。

次に、表１に示す膜構成の素子を作製して、フリー層の適正なCoFeB層の膜厚を実験的に求めた。素子のジャンクション寸法は０．２μｍ×０．２μｍ、アニール温度は２７０度、CoFeB層のＢ濃度（原子分率）は１８％とした。全ての素子のＲＡは０．１から０．２５（Ω・μｍ²）の範囲に入っている。ＲＡとは、センス電流に対する積層体の電気抵抗Ｒと、積層体の膜面方向における最小断面積Ａとの積である。ＲＡが大きくなるとノイズが増加しＳ／Ｎ比の低下が顕著となるため、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を磁気ヘッドに適用する場合、ＲＡは０．３５（Ω・μｍ²）以下が好ましい。

図３Ａは、フリー層のCoFeB層の膜厚を０ｎｍから１．５ｎｍまで変化させたときの保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比を示す。磁気抵抗変化率改善比は、CoFeB層の膜厚が０、すなわちフリー層が従来から知られているCoFe/NiFeからなる場合の磁気抵抗変化率で基準化した値である。以下の検討では、保磁力は約８００Ａ／ｍ以下（１０Ｏｅ以下）、磁歪は＋５×１０^-6以下、磁気抵抗変化率改善比は１以上を目安値とした。なお、磁歪が「−」の場合、−１０×１０^-6以上が一つの目安値となるが、NiFeの組成の調整（Ｆｅを増加）または膜厚の調整（膜厚を減少）によって調整可能であるため、上記の値は一応の目安値に過ぎない。CoFeB層の膜厚を上げていくと、磁気抵抗変化率は徐々に増加していくが磁歪も増加していく。また、保磁力はCoFeB層の膜厚を上げていくに従いいったん減少するが、その後増加に転じ、最終的に目安値を上回る傾向が見られる。上記の基準を満たすCoFeB層の膜厚範囲は概ね０．１ｎｍから１ｎｍの範囲である。

次に、表１に示す膜構成の素子を作製して、フリー層のCoFeB層中の適正なＢ濃度（原子分率）を実験的に求めた。素子のジャンクション寸法は０．２μｍ×０．２μｍ、アニール温度は２７０度、CoFeB層の膜厚は０．５ｎｍとした。図３Ｂは、フリー層のCoFeB層のＢ濃度（原子分率）を０％から３５％まで変化させたときの保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比を示す。磁気抵抗変化率改善比は、CoFeB層のＢ濃度（原子分率）が０、すなわちフリー層が従来から知られているCoFe/NiFeからなる場合の磁気抵抗変化率で基準化した値である。Ｂの濃度を上げていくと、保磁力が急激に減少するが、さらにＢの濃度を上げていっても、保磁力と磁歪は大きく変動しない。ただし、磁気抵抗変化率改善比はＢ濃度が３０％を上回ると１を切る。上記の基準を満たすCoFeB層のＢ濃度は概ね６％から３１％の範囲である。

上述した磁気抵抗効果素子は以下のようにして製造される。まず、アルティック（Al₂O₃・TiC）等のセラミック材料からなる基板（図示せず）の上に、絶縁層（図示せず）を介して、下部電極兼シールド４を形成する。続いて、スパッタリングによって、バッファ層５からキャップ層１０までの各層を順次成膜する。トップタイプのＣＰＰ素子を作成する場合は、フリー層を先に形成する。スペーサ層８は膜構成に従い、Cu層、ZnO層、Cu層の順に積層する。ZnO層はZn層を積層後、酸化処理によって形成することもできる。このようにしてできた多層膜を柱状にパターニングし、磁気抵抗効果素子２が完成する。その後、磁気抵抗効果素子２の側面にハードバイアス膜１２を形成し、その他の部分には絶縁層を形成する。その後、図１に示すように、上部電極兼シールド３を作成し、薄膜磁気ヘッドの読込み部が完成する。書込素子を設ける場合は、さらに書込磁極層やコイルを積層し、全体を保護膜で覆う。次に、ウエハを切断し、ラッピングをおこない、スライダに分離する。

（第２の実施形態）次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の実施形態のスペーサ層の膜構成をCu/ZnO/CuからCu/ZnO/Znに変更した他は、第１の実施形態と同様である。表２に本実施形態の積層体の膜構成を示す。本実施形態は、第１の実施形態と同様、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗効果素子として用いられる。

図４Ａ〜４Ｃには、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率をCu/ZnO/Cuの膜構成とCu/ZnO/Znの膜構成とで比較した結果を示す。実験条件は第１の実施形態と同様である。保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率ともCu/ZnO/Cuと同様の良好な結果が得られ、特に磁気抵抗変化率はCu/ZnO/Cuの膜構成よりさらに大きな値が得られた。

図５には、フリー層のCoFeB層のCo濃度（原子分率）を変更したときの保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率を示す。CoFeB層の膜厚は０．５ｎｍとした。具体的には、CoFeB層中のＢ濃度を１８％、CoFe濃度を８２％に固定し、CoFe中のCo濃度をパラメータとした。Co濃度はCoFe部におけるCoの原子分率として定義した。Co濃度が７０％から９０％の範囲では保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率とも大きな変動はなく、この範囲では同程度の良好な効果が得られることが分かった。

なお、スペーサ層の膜構成として、上記実施形態の他に、ZnO層に代えてSnO層を用いることも考えられる。また、ZnO層及びSnO層は、Ｃｕ層またはＺｎ層で両側を挟む構成でもよいが、単層でスペーサ層とすることもできる。

（第３の実施形態）次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の実施形態のスペーサ層の膜構成をCu/ZnO/CuからMgOに変更した他は、第１の実施形態と同様である。表３に本実施形態の積層体の膜構成を示す。本実施形態はＴＭＲ素子の磁気抵抗効果素子として用いられる。

MgOはCu/ZnO/Cuと同様に結晶質からなり、従来用いられてきたアモルファス構造のAlOxと比べると、フリー層の軟磁気特性への影響が生じやすい。しかし、上述したのと同様の理由により、CoFeB層が緩衝層として働くため、スペーサ層８がフリー層に及ぼす影響が緩和され、良質なNiFe層が形成される。同様に、NiFe層がCoFe層に及ぼす影響も緩和され、良質なCoFe層が形成される。従って、軟磁気特性と磁気抵抗効果率の双方が改善されたＴＭＲ素子を提供することが可能となる。

表３に示す膜構成の素子を作製して、フリー層のCoFeB層の適正な膜厚を実験的に求めた。アニール温度は２５０度、CoFe層の膜厚は０．６ｎｍとした。図６は、フリー層のCoFeB層の膜厚を０ｎｍから１ｎｍまで変化させたときの保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比を示す。磁気抵抗変化率改善比は、フリー層のCoFeB層の膜厚が０、すなわちフリー層が従来から知られているCoFe/NiFeからなる場合の磁気抵抗変化率で基準化した値である。実施形態１，２と同様、保磁力は約８００Ａ／ｍ以下（１０Ｏｅ以下）、磁歪は＋５×１０^-6以下、磁気抵抗変化率改善比は１以上を目安値とした。CoFeB層の膜厚を厚くすると、磁気抵抗変化率は徐々に増加していき、保磁力は減少していく。一方、磁歪は、CoFeB層の膜厚を厚くすると負値から正値へ変化し、正値を保ったまま単調増加していく。しかし、CoFeB層の膜厚範囲が１ｎｍ以下の範囲では上記の基準が満たされている。フリー層のCoFeB層の膜厚は成膜性も考慮して０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以下とすることが好ましい。

次に、表３に示す膜構成の素子を作製して、フリー層のCoFe層の適正な膜厚を実験的に求めた。アニール温度は２５０度、CoFeB層の膜厚は０．４ｎｍとした。図７Ａには、CoFe層の膜厚を０．６ｎｍから１．５ｎｍまで変化させたときの保磁力を、図７Ｂには、CoFe層の膜厚を０．６ｎｍから１．５ｎｍまで変化させたときの磁歪を各々示している。図中には、フリー層としてCoFe/NiFeを用いた場合の結果も併せて示している。図７Ａを参照すると、CoFe/NiFeを用いた場合には保磁力が大きく、目安値である８００Ａ／ｍを上回る場合もあるが、CoFe/CoFeB/NiFeを用いた場合には保磁力が低減し、試験範囲内の膜厚では保磁力は目安値以下にあり、問題ない。特に、膜厚が厚い範囲で保磁力が減少していることが分かる。図７Ｂを参照すると、CoFe層の膜厚とともに磁歪が増加する傾向があるが、１．２ｎｍ程度でも目安値を満たしており、実用上の問題はない。従って、フリー層のCoFe層の膜厚は１．２ｎｍ以下することが望ましい。また、CoFe層の最小膜厚は成膜性を考慮して０．１ｎｍ以上とすることが望ましい。

図８には、フリー層のCoFeB層のCo濃度（原子分率）を変更したときの保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比を示す。具体的には、CoFeB層中のＢ濃度を１８％、CoFe濃度を８２％に固定し、CoFe中のCo濃度をパラメータとした。Co濃度はCoFe部におけるCoの原子分率として定義した。磁気抵抗変化率改善比は、図６の場合と同様、フリー層のCoFeB層の膜厚が０、すなわちフリー層が従来から知られているCoFe/NiFeからなる場合の磁気抵抗変化率で基準化した値である。保磁力はCo濃度が３０％付近で最大となるが、目安値である８００Ａ／ｍを大きく下回っており、問題ない。磁気抵抗変化率はCo濃度に拘らず１を上回っている。磁歪はCo濃度が増えるに従い減少するが、問題のない範囲である。

以上、フリー層とピンド層とを有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子、及びフリー層とピンド層とを有するＴＭＲ素子を対象に代表的な実施形態を説明した。しかし、本発明は背景技術で説明した新しいタイプの磁気抵抗効果素子にも適用することができる。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、一対の磁性層であって、一対の磁性層の磁化方向がなす相対角度が外部磁界に応じて変化するようにされた一対の磁性層と、一対の磁性層の間に挟まれた結晶質のスペーサ層と、を有し、センス電流が一対の磁性層および前記スペーサ層の膜面に対して直交方向に流れるようにされていてもよい。このようなタイプの磁気抵抗効果素子であっても上述の実施形態と全く同様にスペーサ層を構成することができる。また、上記一対の磁性層のうち、外部磁界に応じて磁化方向が変化する少なくとも一方の磁性層は、CoFe層とNiFe層の間にCoFeB層が挟まれ、かつCoFeB層がスペーサ層とNiFe層との間に位置する膜構成を有している。

次に、上述した磁気抵抗効果素子の製造に用いられるウエハについて説明する。図９を参照すると、ウエハ１００の上には、前述の磁気抵抗効果素子２を含む積層体が成膜されている。ウエハ１００は、媒体対向面ＡＢＳを研磨加工する際の作業単位である、複数のバー１０１に分割される。バー１０１は、研磨加工後さらに切断されて、薄膜磁気ヘッド１を含むスライダ２１０に分離される。ウエハ１００には、ウエハ１００をバー１０１に、バー１０１をスライダ２１０に切断するための切り代（図示せず）が設けられている。

図１０を参照すると、スライダ２１０は、ほぼ六面体形状をなしており、そのうちの一面はハードディスクと対向する媒体対向面ＡＢＳとなっている。

図１１を参照すると、ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１と、を備えている。サスペンション２２１は、ステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられたフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４と、を有している。フレクシャ２２３にはスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与える。フレクシャ２２３の、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように、ハードディスク装置内に配置されている。ハードディスクが図１１におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、ｙ方向下向きに揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。スライダ２１０の空気流出側の端部（図１０における左下の端部）の近傍には、薄膜磁気ヘッド１が形成されている。

ヘッドジンバルアセンブリ２２０をアーム２３０に取り付けたものはヘッドアームアセンブリ２２１と呼ばれる。アーム２３０は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させる。アーム２３０の一端はベースプレート２２４に取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には軸受け部２３３が設けられている。アーム２３０は、軸受け部２３３に取り付けられた軸２３４によって回動自在に支持されている。アーム２３０および、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータは、アクチュエータを構成する。

次に、図１２および図１３を参照して、上述したスライダが組込まれたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。ヘッドスタックアセンブリとは、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものである。図１２はヘッドスタックアセンブリの側面図、図１３はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。各アーム２５２には、ヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１の、アーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ボイスコイルモータは、コイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

図１３を参照すると、ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組込まれている。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置されている。スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０およびアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共に、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０はアクチュエータによって、ハードディスク２６２のトラック横断方向に動かされ、ハードディスク２６２に対して位置決めされる。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッド１は、記録ヘッドによってハードディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによってハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。

本発明の薄膜磁気ヘッドの部分斜視図である。図１に示す薄膜磁気ヘッドに含まれる積層体の側面図である。第１の実施形態における、CoFeB層の膜厚と、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比との関係を示すグラフである。第１の実施形態における、CoFeB層のＢ濃度（原子分率と、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比との関係を示すグラフである。第２の実施形態における、Cu/ZnO/Cuの膜構成とCu/ZnO/Znの膜構成を用いた場合の、保磁力を示すグラフである。第２の実施形態における、Cu/ZnO/Cuの膜構成とCu/ZnO/Znの膜構成を用いた場合の、磁歪を示すグラフである。第２の実施形態における、Cu/ZnO/Cuの膜構成とCu/ZnO/Znの膜構成を用いた場合の、磁気抵抗変化率を示すグラフである。第２の実施形態における、CoFeB層のCo濃度（原子分率）と、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率との関係を示すグラフである。第３の実施形態における、CoFeB層の膜厚と、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比との関係を示すグラフである。第３の実施形態における、CoFe層の膜厚と保磁力との関係を示すグラフである。第３の実施形態における、CoFe層の膜厚と磁歪との関係を示すグラフである。第３の実施形態における、CoFeB層のCo濃度（原子分率）と、保磁力、磁歪、及び磁気抵抗変化率改善比との関係を示すグラフである。本発明の磁気抵抗効果素子が形成されたウエハの平面図である。本発明のスライダの斜視図である。本発明のスライダが組込まれたヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリの斜視図である。本発明のスライダが組込まれたヘッドアームアセンブリの側方図である。そして本発明のスライダが組込まれたハードディスク装置の平面図ＴＭＲ素子において、スペーサ層としてAlOxを用いた場合とMgOを用いた場合の保磁力の一例を示すグラフである。図１４Ａと同じ条件で測定した磁歪の一例を示すグラフである。

符号の説明

１薄膜磁気ヘッド
２磁気抵抗効果素子
３上部電極兼シールド
４下部電極兼シールド
５バッファ層
６反強磁性層
７ピンド層
８非磁性のスペーサ層
９フリー層
１０キャップ層
１２ハードバイアス膜
２２センス電流
７１アウターピンド層
７２中間層
７３インナーピンド層

Claims

一対の磁性層であって、該一対の磁性層の磁化方向がなす相対角度が外部磁界に応じて変化するようにされた一対の磁性層と、
前記一対の磁性層の間に挟まれた結晶質のスペーサ層と、
を有し、
センス電流が前記一対の磁性層および前記スペーサ層の膜面に対して直交方向に流れるようにされ、
前記スペーサ層は、結晶質酸化物を含み、
前記一対の磁性層のうち、外部磁界に応じて磁化方向が変化する少なくとも一方の磁性層は、CoFe層とNiFe層の間にCoFeB層が挟まれ、かつ該CoFeB層が前記スペーサ層と前記NiFe層との間に位置する膜構成を有し、前記スペーサ層は、Ｃｕ層とＺｎ層の間にZnO層が挟まれた膜構成を有している、磁気抵抗効果素子。
前記一対の磁性層は、外部磁界に対し磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
前記CoFeB層中のCoFe部におけるＣｏの原子分率は、７０％以上、９０％以下である、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を含む薄膜磁気ヘッド。
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を含む積層体と、
前記積層体を挟んで設けられ、該積層体に前記センス電流を供給する一対の電極と、
を有するスライダ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子が形成されたウエハ。
請求項５に記載のスライダと、
前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、
を有するヘッドジンバルアセンブリ。
請求項５に記載のスライダと、
前記スライダを支持するとともに、該スライダを記録媒体に対して位置決めする装置と、
を有するハードディスク装置。