JPH10177706A

JPH10177706A - スピンバルブ型薄膜素子

Info

Publication number: JPH10177706A
Application number: JP8334142A
Authority: JP
Inventors: Masaji Saito; 正路斎藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-30
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JP3181525B2

Abstract

(57)【要約】【課題】デュアル型のスピンバルブ膜は７層で構成さ
れているが、さらに層の総数を増やし電子散乱の起こる
場所を増やせば抵抗変化率は向上すると推測される。し
かし、層の総数を増やせばスピンバルブ膜の膜厚は大き
くなり、磁気ギャップ長は大きくなる。従来では反強磁
性層にＮｉＭｎ合金が使用されており、前記反強磁性層
の膜厚は数百オングストロームと大きくなっていた。ま
た、交換異方性磁界を発揮させるための熱処理温度が高
く、非磁性導電層と固定磁性層の界面の拡散を生じやす
くなっていた。【解決手段】スピンバルブ膜の反強磁性層４にＰｔＭ
ｎ膜を使用する。これにより比較的低い熱処理温度で、
しかも前記反強磁性層４の膜厚を小さくしても十分な交
換異方性磁界を得ることができる。よってスピンバルブ
膜の層の総数を増やして抵抗変化率を大きくすることが
できると同時にスピンバルブ膜の総合膜厚ｈ3を比較的
小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定磁性層（ピン
磁性層）の磁化の方向と外部磁界の影響を受けるフリー
磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するスピ
ンバルブ型薄膜素子に係り、スピンバルブ膜の構造及び
材質を改良して、検出感度を高め且つ高密度化記録に対
応できるようにしたスピンバルブ型薄膜素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant magnetor
esistive）効果を発揮する多層構造には、スピンバルブ
方式やマルチレイヤ（Multilayer）ＧＭＲ方式などがあ
る。図５はマルチレイヤＧＭＲ素子を示す断面図であ
る。マルチレイヤＧＭＲ素子は、下から強磁性材料の層
９と非磁性導電層２とが何層にも繰り返して積層された
構造となっている。なお、前記強磁性材料の層９には、
ＮｉＦｅ（ニッケル―鉄）系合金やＣｏＦｅ（コバルト
―鉄）系合金などが用いられ、非磁性導電層２には、Ｃ
ｕ（銅）が一般に使用される。

【０００３】非磁性導電層２を介して上下に強磁性材料
の層９が積層され、特に前記非磁性導電層２の膜厚が１
０〜２０オングストローム程度で形成されると、ＲＫＫ
Ｙ相互作用により、上下の強磁性材料の層９の磁化方向
は反平行に単磁区化されて揃えられる。このマルチレイ
ヤＧＭＲ素子では、ハードディスクなどの記録媒体から
の洩れ磁界が与えられると、前記強磁性材料の層９の磁
化が洩れ磁界と同一方向に変化する。前記強磁性材料の
層９の磁化方向の変動により電気抵抗が変化し、この電
気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、磁気記録媒体
からの洩れ磁界が検出される。

【０００４】ところで、このマルチレイヤＧＭＲ素子の
抵抗変化率は、外部磁界が数十Ｏｅから数千Ｏｅである
と約１０〜３０％程度になる。抵抗変化率が非常に大き
くなるのは、電子散乱を起す場所が非常に多いためであ
る。またこの抵抗変化率を引き出すために非常に大きい
外部磁界が必要になるが、これは、強磁性材料の層９の
磁化方向がＲＫＫＹ相互作用により反平行となり強固に
固定されているためである。なお、この抵抗変化率から
面記録密度を計算してみたところ、１００（Gb／in²）
程度までの面記録密度対応が可能であることがわかっ
た。ただし、数Ｏｅの比較的弱い外部磁界が与えられた
場合には、マルチレイヤＧＭＲ素子の抵抗変化率は、ス
ピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率よりも小さくなるこ
とが確認されている。

【０００５】図６はシングルスピンバルブ型薄膜素子の
断面図である。巨大磁気抵抗効果を発揮するスピンバル
ブ膜は、下から反強磁性層４、固定磁性層（ピン磁性
層）３、非磁性導電層２及びフリー磁性層１の４層で構
成されている。また、図７はデュアルスピンバルブ型薄
膜素子の断面図である。デュアルスピンバルブ型薄膜素
子におけるスピンバルブ膜は、フリー磁性層１を中心に
して上下対象に、非磁性導電層２，２、固定磁性層（ピ
ン磁性層）３，３および反強磁性層４，４が積層されて
構成されている。また、図６及び図７に示すようにスピ
ンバルブ膜の両側には、ハードバイアス層５，５が形成
されている。なお、符号６，７はＴａ（タンタル）など
の非磁性材料で形成された下地層および保護層で、符号
８は導電層である。

【０００６】前記固定磁性層３は前記反強磁性層４と接
して形成され、前記固定磁性層３は、前記反強磁性層４
との界面での交換結合による交換異方性磁界により、Ｙ
方向に単磁区化され、磁化の方向がＹ方向に固定され
る。前記交換異方性磁界は、磁界を与えながら熱処理を
施すことにより前記反強磁性層４と前記固定磁性層３と
の界面において生じる。また、Ｘ方向に磁化されている
ハードバイアス層５の影響を受け前記フリー磁性層１の
磁化方向はＸ方向へ揃えられる。ハードバイアス層５に
よりフリー磁性層１が所定方向に単磁区化されることに
よって、バルクハウゼンノイズの発生を防止することが
できる。

【０００７】なお、フリー磁性層１および固定磁性層３
としては、マルチレイヤＧＭＲ素子の強磁性材料の層９
と同じＮｉＦｅ系合金やＣｏＦｅ系合金、非磁性導電層
２としてはＣｕ（銅）膜が一般に用いられる。また、反
強磁性層４を構成する反強磁性材料として、ＦｅＭｎ
（鉄―マンガン）合金膜が一般的であるが、前記ＦｅＭ
ｎ合金膜は、固定磁性層３の下に成膜されると、固定磁
性層３との界面において交換結合が十分に発揮できない
という性質を有している。そのため、反強磁性層４，４
が固定磁性層３，３の上と下の双方に成膜される構造と
なるデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層
４，４が固定磁性層３，３に対して上下どちらに形成さ
れても交換異方性磁界を得ることができる反強磁性材料
を使用する必要がある。従来ではそのような反強磁性材
料としてＮｉＭｎ（ニッケル―マンガン）合金が使用可
能であるとされていた。

【０００８】これらスピンバルブ型薄膜素子では、ハー
ドディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与
えられると、フリー磁性層１の磁化がＸ方向からＹ方向
へ向けて変化する。前記フリー磁性層１の磁化方向が変
化すると、フリー磁性層１と固定磁性層３との間で片方
の層から他方の層へ移動しようとする電子が、非磁性導
電層２とフリー磁性層１との界面、または非磁性導電層
２と固定磁性層３との界面で散乱を起すことにより電気
抵抗が変化し、この電気抵抗の変化に基づく電圧変化に
より、磁気記録媒体からの洩れ磁界が検出される。フリ
ー磁性層１の磁化の方向と固定磁性層３の磁化の方向と
の角度が最も大きくなったとき、すなわち反平行になっ
たときに、前記電気抵抗値は最大値を示し、前記フリー
磁性層１の磁化の方向と固定磁性層３の磁化の方向が同
じになったときに、前記電気抵抗値は最少値を示す。記
録媒体からの洩れ磁界が与えられたときに、抵抗変化率
｛（最大電圧値―最少電圧値）／最少電圧値｝が大きく
なればなるほど、薄膜磁気ヘッドの検出出力は大きくな
る。

【０００９】また、前記検出出力は定常電流（センス電
流）の大きさにも依存し、前記定常電流が大きくなれば
なるほど、前記検出出力は大きくなる。ただし、フリー
磁性層１、非磁性導電層２及び固定磁性層３を流れる電
流密度があまりにも大きいとジュール熱による検出出力
の低下や信頼性及び耐久性などに問題が生じ、スピンバ
ルブ型薄膜素子の特性は低下する。スピンバルブ型薄膜
素子の特性を良好に保つことのできる定常電流の上限値
は、３×１０⁷（Ａ／ｃｍ²）であるとされている。な
お、スピンバルブ膜の層の総数を増やすことにより、定
常電流の上限値を上げることができる。

【００１０】シングルスピンバルブ型薄膜素子では、非
磁性導電層２とフリー磁性層１の界面および非磁性導電
層２と固定磁性層３の界面が、それぞれ１箇所ずつあ
り、電子散乱を起す場所は合計２箇所である。一方、図
５に示すようなデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、
非磁性導電層２とフリー磁性層１の界面および非磁性導
電層２と固定磁性層３の界面は、それぞれ２箇所ずつあ
り、電子散乱を起す場所は合計４箇所である。このた
め、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の方がシングルス
ピンバルブ型薄膜素子に比べて抵抗変化率が大きくな
る。数Ｏｅ（エルステッド）の外部磁界を与えてやる
と、前記シングルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッドの抵抗
変化率は３〜９％程度となり、前記デュアルスピンバル
ブ型薄膜磁気ヘッドの抵抗変化率は５〜１３％程度とな
ることが確認されている。また、前記抵抗変化率から面
記録密度を計算してみると、シングルスピンバルブ型で
は、１０（Gb／in²）程度までの面記録密度対応が可能
であり、デュアルスピンバルブ型では、２０（Gb／i
n²）程度までの面記録密度対応が可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】高密度化記録に対応す
るには、面記録密度を向上させることが重要である。前
記面記録密度を向上させるには、再生出力を高くするこ
とが必要であり、また前記再生出力を高くするには、前
記再生出力と比例の関係にある抵抗変化率を高くするこ
とが必要である。図５に示すマルチレイヤＧＭＲ素子の
場合、上述したように数千Ｏｅの外部磁界を与えてやれ
ば、抵抗変化率を最高値で約３０％にできるが、外部磁
界が非常に小さいと、マルチレイヤＧＭＲ素子の抵抗変
化率は、スピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率よりも小
さくなってしまう。

【００１２】さらに、マルチレイヤＧＭＲ素子の場合、
スピンバルブ型薄膜素子のようにハードバイアス層を設
けることはできず、バルクハウゼンノイズの発生を低減
させることはできない。これは、仮にハードバイアス層
を設けると、前記ハードバイアス層の磁化方向に全ての
強磁性材料の層の磁化方向が揃えられ、従ってマルチレ
イヤＧＭＲ素子に外部磁界を与えても電気抵抗が変化せ
ず記録媒体の洩れ磁界が検出できなくなるためである。

【００１３】次に従来のスピンバルブ型薄膜素子におい
ては、上述したようにシングルスピンバルブ型（図６）
よりデュアルスピンバルブ型（図７）の方が抵抗変化率
が高くなる。これは、電子散乱が起こる場所が、デュア
ルスピンバルブ型ではシングルスピンバルブ型の２倍存
在するからである。ただし、デュアルスピンバルブ型の
抵抗変化率は、シングルスピンバルブ型の抵抗変化率の
２倍にまでにはならない。

【００１４】図７に示すように、デュアルスピンバルブ
型において電子錯乱が起こる場所は、フリー磁性層１と
非磁性導電層２との界面（Ｂ）および界面（Ｃ）、固定
磁性層３と非磁性導電層２との界面（Ａ）および界面
（Ｄ）の合計４箇所存在する。これに対し図６に示すよ
うに、シングルスピンバルブ型において電子散乱が起こ
る場所は、界面（Ａ）と界面（Ｂ）の２箇所のみであ
る。しかし、デュアルスピンバルブ型の界面（Ｂ）で起
こる電子散乱は、シングルスピンバルブ型の界面（Ｂ）
で起こる電子散乱より弱くなっていると考えられる。こ
れは、デュアルスピンバルブ型の場合、１層の前記フリ
ー磁性層１が界面（Ｂ）と界面（Ｃ）の双方で電子錯乱
を起こしているためである。従ってデュアルスピンバル
ブ型の抵抗変化率は、シングルスピンバルブ型の抵抗変
化率より大きくなるものの、２倍までには至らない。

【００１５】また、図７に示すようにデュアルスピンバ
ルブ型では、反強磁性層４として、前記反強磁性層４の
上下どちらに固定磁性層３が積層されても交換異方性磁
界を発生できる反強磁性材料を使用することが好まし
い。このような反強磁性材料としてＮｉＭｎ合金を例示
できる。しかしこの従来のスピンバルブ型薄膜素子に
は、以下の問題点がある。反強磁性層４としてＮｉＭｎ
系合金膜を用いると、前記ＮｉＭｎ系合金膜とＦｅＮｉ
系合金膜（固定磁性層３）との間で有効な交換結合を発
揮させるためには、２５０℃以上の比較的高い温度での
加熱処理（アニール）が必要になる。

【００１６】ところが、２５０℃以上の高温の熱処理を
行なうと、ＮｉＦｅ合金膜で形成されているフリー磁性
層１と固定磁性層３と、Ｃｕで形成されている非磁性導
電層２の界面において、金属元素の拡散が発生し、フリ
ー磁性層１と非磁性導電層２の界面および、固定磁性層
３と非磁性導電層２との界面での電子拡散による磁気抵
抗効果に影響が出て、外部磁界に対する抵抗変化率が低
下する問題がある。また、高密度化記録に対応するに
は、面記録密度を向上させると同時に磁気ギャップ長Ｇ
ｌを小さくすることも重要であるが、ＮｉＭｎ系合金膜
で反強磁性層を形成すると、前記反強磁性層の膜厚を数
百オングストローム程度にしなければ良好な交換異方性
磁界を得ることができない。したがって、図５に示す多
層膜の厚さ寸法ｈ′が大きくなることを避けることがで
きず、磁気ギャップ長Ｇｌを小さくすることができな
い。ちなみに、フリー磁性層１、非磁性導電層２および
固定磁性層３の膜厚はそれぞれ数十オングストローム程
度である。

【００１７】本発明は従来のマルチレイヤＧＭＲ素子お
よび従来のシングルスピンバルブ型薄膜素子、デュアル
スピンバルブ型薄膜素子の問題点を解決し、マルチレイ
ヤＧＭＲ素子に比べて小さい外部磁界でも十分な抵抗変
化率が得られるようにし、さらにシングルスピンバルブ
型薄膜素子やデュアルスピンバルブ型薄膜素子よりも大
きな抵抗変化率を得られるようにして、小さい外部磁界
に対して高感度であり、且つ高い検出出力を得ることが
できるスピンバルブ型薄膜素子を提供することを目的と
している。

【００１８】ま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、反強磁性層をＰｔＭｎ（白金−マンガ
ン）合金などで形成することにより、反強磁性層による
交換結合を発揮させるための熱処理温度を低くできるよ
うにし、しかも反強磁性層の膜厚を小さくしても有効な
交換異方性磁界を得ることができるようにして小ギャッ
プ化が可能なスピンバルブ型薄膜素子を提供することを
目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、反強磁
性層との交換異方性結合により磁化が一定の方向に固定
される固定磁性層と、磁気記録媒体からの洩れ磁界によ
り磁化の方向が変動するフリー磁性層とを有するスピン
バルブ型薄膜素子において、フリー磁性層の上に非磁性
導電層、固定磁性層が連続して積層された第１の多層膜
と、固定磁性層の上に非磁性導電層、フリー磁性層が連
続して積層された第２の多層膜とを有し、前記第１の多
層膜の上に反強磁性層を介して前記第２の多層膜が積層
されており、前記第１の多層膜と第２の多層膜に定常電
流を与える導電層が設けられていることを特徴とするも
のである。

【００２０】前記第１の発明は、図１に示すものであ
る。このスピンバルブ型薄膜素子は、シングル型のスピ
ンバルブ膜（ハ）上に反強磁性層を共有してシングル型
のスピンバルブ膜（ロ）が積層された構造となってい
る。このためこのスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率
は、シングルスピンバルブ型薄膜素子（図６）の抵抗変
化率（３〜９％）よりも高くなり、またデュアルスピン
バルブ型薄膜素子（図７）の抵抗変化率（５〜１３％）
よりも高くなる。また定常電流の上限値を上げることが
できるため、シングルスピンバルブ型薄膜素子及びデュ
アルスピンバルブ型薄膜素子よりも高い磁気検出出力を
期待できる。

【００２１】第２の本発明は、反強磁性層との交換異方
性結合により磁化が一定の方向に固定される固定磁性層
と、磁気記録媒体からの洩れ磁界により磁化の方向が変
動するフリー磁性層とを有するスピンバルブ型薄膜素子
において、フリー磁性層の上に非磁性導電層、固定磁性
層が連続して積層された第１の多層膜と、固定磁性層の
上に非磁性導電層、フリー磁性層が連続して積層された
第２の多層膜と、固定磁性層の上に、非磁性導電層、フ
リー磁性層、非磁性導電層、および固定磁性層が積層さ
れた５層から成る第３の多層膜とを有し、前記第１の多
層膜の上に反強磁性層を介して前記第３の多層膜が積層
され、この第３の多層膜の上に反強磁性層を介して前記
第２の磁性層が積層されており、前記第１の多層膜と第
２の多層膜および第３の多層膜に定常電流を与える導電
層が設けられていることを特徴とするものである。

【００２２】前記第２の発明は、図２に示すものであ
る。このスピンバルブ膜は、シングル型のスピンバルブ
膜（ハ）上に反強磁性層を共有してデュアル型のスピン
バルブ膜（イ）が積層され、さらに前記スピンバルブ膜
（イ）上に反強磁性層を共有してシングル型のスピンバ
ルブ膜（ロ）が積層された構造となっている。よって、
このスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率はデュアル型
のスピンバルブ素子よりも高くなる。また、このスピン
バルブ型薄膜素子の再生出力は、抵抗変化率が高くなる
ことと、定常電流の上限値が上げられることにより、シ
ングルスピンバルブ型薄膜素子の再生出力の約３倍程度
あるいはそれ以上を期待できる。

【００２３】第３の本発明は、反強磁性層との交換異方
性結合により磁化が一定の方向に固定される固定磁性層
と、磁気記録媒体からの洩れ磁界により磁化の方向が変
動するフリー磁性層とを有するスピンバルブ型薄膜素子
において、固定磁性層の上に、非磁性導電層、フリー磁
性層、非磁性導電層、および固定磁性層が積層された５
層から成る多層膜（第３の多層膜）を有し、前記多層膜
が反強磁性層を介して複数段に積層され、且つ最下段の
多層膜の最下層となる固定磁性層の下側と、最上段の多
層膜の最上層となる固定磁性層の上側とに反強磁性層が
積層されており、前記各多層膜に定常電流を与える導電
層が設けられていることを特徴とするものである。

【００２４】上記第３の発明は図３に示すものである。
これはデュアル型のスピンバルブ膜（イ）を、複数段重
ね、それぞれのデュアル型のスピンバルブ膜間で反強磁
性層を共有した形状である。このスピンバルブ型薄膜素
子の抵抗変化率は、従来のデュアル型スピンバルブ薄膜
素子の抵抗変化率よりも高くなり、またこのスピンバル
ブ型薄膜素子の再生出力は、抵抗変化率が高くなること
と、定常電流の上限値を上げられることからデュアル型
スピンバルブ薄膜素子の再生出力の２倍以上を期待でき
る。

【００２５】また、第１ないし第３の発明では、いずれ
も反強磁性層との交換異方性結合により、固定磁性層の
磁化が固定され、磁気記録媒体からの洩れ磁界のような
外部磁界によりフリー磁性層の磁化の方向が変化して抵
抗変化率が得られるものとなっているため、従来のシン
グルスピンバルブ型やデュアルスピンバルブ型と同様に
数Ｏｅの磁界により抵抗変化を起こさせることができ、
数十〜数千Ｏｅの外部磁界を与えないと抵抗変化を得る
ことのできないマルチレイヤＧＭＲ素子よりも実用性が
ある。

【００２６】なお、上述した本発明のスピンバルブ型薄
膜素子において、フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁
性層と交叉する方向に揃えるバイアス層をスピンバルブ
膜の多層膜の両側部に形成することが好ましい。ハード
バイアス層が形成されることでバルクハウゼンノイズの
発生を抑制することができる。バイアス層を設けてバル
クハウゼンノイズを低減させた薄膜素子は、ハードディ
スクなどの磁気記録媒体からの洩れ磁界を検出する磁気
ヘッドに用いることができる。また本発明では必ずバイ
アス層を設ける必要がなく、バイアス層の無いものは、
バルクハウゼンノイズの影響を気にしないでよい磁気セ
ンサなどとして用いることができる。

【００２７】また、反強磁性層はＰｔＭｎ（白金―マン
ガン）合金で形成されることが好ましいが、前記ＰｔＭ
ｎ合金に代えて、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ（ただし、Ｘは、Ｎ
ｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏのいず
れか）合金、あるいはＰｄＭｎ合金で形成してもよい。

【００２８】前記反強磁性層としてＰｔＭｎ系の合金膜
またはＰｄＭｎ合金膜を使用すると、固定磁性層が反強
磁性層の上に成膜されたときと下に成膜されたときの双
方で交換異方性結合ができ、反強磁性層の上下に位置す
る固定磁性層の磁化を固定できる。さらに成膜後の熱処
理温度が２３０℃以下でも十分な交換異方性磁界を得る
ことができる。そのため、前記熱処理において、非磁性
導電層と、固定磁性層及びフリー磁性層との界面での拡
散を防止でき、外部磁界に対して高い抵抗変化率を得る
ことができる。

【００２９】また、前記材料で形成した反強磁性層は、
膜厚が１００オングストローム程度と非常に小さくて
も、３００Ｏｅ（エルステッド）程度の交換異方性磁界
を得られることが確認されている。よって多層構造のス
ピンバルブ膜を薄型化することが可能である。

【００３０】また、ＰｔＭｎ合金膜は、ＦｅＭｎ合金膜
やＮｉＭｎ合金膜に比べて耐食性が優れており、スピン
バルブ型薄膜素子の製造工程における各種の溶剤や洗浄
剤においても腐食が全く進行せず、過酷な環境下での薄
膜磁気ヘッドの動作においても化学的に安定している。

【００３１】さらに、ＰｔＭｎ合金膜と固定磁性層とが
接することにより得られた交換異方性磁界は熱的に極め
て安定であり、ブロッキング温度が３８０℃程度に高
く、よって薄膜磁気ヘッドの動作時の温度が高くても、
安定した交換異方性磁界を発生でき、読み取り精度が安
定する。

【００３２】本発明では、反強磁性層における反強磁性
材料にＰｔＭｎ合金膜を使用することにより、反強磁性
層の膜厚を従来より小さくできる。従ってスピンバルブ
膜の層の総数を増やしても、前記スピンバルブ膜の総合
膜厚が極端に大きくなることがなく、磁気ギャップ長Ｇ
ｌの狭小化を実現できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のスピンバルブ型
薄膜素子の構造を示す断面図である。この薄膜素子は、
ハードディスク装置に設けられるスライダのトレーリン
グ側端部などに設けられるものであり、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（タンタル）などの非磁
性材料で形成された下地層６である。この下地層６上
に、７つの層で構成されるスピンバルブ膜が積層されて
いる。なお、符号７はＴａで形成された保護層である。

【００３４】前記スピンバルブ膜は、下からＮｉＦｅ
（ニッケル―鉄）系合金で形成されたフリー磁性層１、
Ｃｕ（銅）などで形成された非磁性導電層２、ＮｉＦｅ
系合金で形成された固定磁性層３、及びＰｔＭｎ（白金
―マンガン）合金で形成された反強磁性層４が連続して
積層され、その上に、固定磁性層３、非磁性導電層２及
びフリー磁性層１が連続して積層されて構成されてい
る。前記において、フリー磁性層１上に非磁性導電層２
及び固定磁性層３が連続して積層され３層を第１の多層
膜（ａ）、固定磁性層３上に非磁性導電層２及びフリー
磁性層１が連続して積層された３層を第２の多層膜
（ｂ）とすれば、前記スピンバルブ膜は、第１の多層膜
（ａ）上に、反強磁性層４を共有して第２の多層膜
（ｂ）が積層された構造となっている。

【００３５】また、実際の薄膜磁気ヘッドが構成される
ときには、高透磁率の磁性材料の下部シールド層（図示
しない）の上に非磁性材料の下部ギャップ層（図示しな
い）が形成され、この下部ギャップ層の上に図１に示す
各層が形成され、さらにその上に非磁性材料の上部ギャ
ップ層（図示しない）および高透磁率の磁性材料で上部
シールド層（図示しない）が形成される。そして、前記
下部シールド層と前記上部シールド層との間隔により磁
気ギャップ長Ｇｌが決定される。前記反強磁性層４と固
定磁性層３とが積層された後に、Ｙ方向へ磁界中で熱処
理（アニール処理）を施すことにより、前記両層の界面
で交換異方性磁界が得られ、前記固定磁性層の磁化の方
向がｙ方向に単磁区化され固定される。なお、前記固定
磁性層３をＣｏ（コバルト），Ｆｅ―Ｃｏ（鉄―コバル
ト）合金，Ｆｅ―Ｃｏ―Ｎｉ（鉄―コバルト―ニッケ
ル）合金で形成してもよい。

【００３６】下地層６から保護層７までの多層膜がスパ
ッタにより成膜され、所定断面形状にエッチングされた
後に、前記フリー磁性層１にＸ方向の縦バイアス磁界を
与えるハードバイアス層５が形成される。前記ハードバ
イアス層５はＸ方向に磁化され、このハードバイアス層
５から与えられる磁界によりフリー磁性層１の磁化がＸ
方向に揃えられる。この、ハードバイアス層５を設ける
ことにより、バルクハウゼンノイズの発生を低減させる
ことができる。また、ハードバイアス層５，５の上にＷ
（タングステン），Ｃｕ（銅）などにより形成された導
電層８，８が形成される。

【００３７】このようにして形成されたスピンバルブ型
薄膜素子では、導電層８からフリー磁性層１、非磁性導
電層２及び固定磁性層３に定常電流（センス電流）が与
えられ、しかも記録媒体からＹ方向へ磁界が与えられる
と、フリー磁性層１の磁化の方向がＸ方向からＹ方向へ
向けて変化する。このとき、フリー磁性層１と固定磁性
層３のうち片方の層から他方へ移動しようとする電子
が、非磁性導電層２とフリー磁性層１との界面、または
非磁性導電層２と固定磁性層３との界面で散乱を起こ
し、電気抵抗が変化する。よって定常電流が変化し、検
出出力を得ることができる。

【００３８】前述したように、図１におけるスピンバル
ブ膜は７層で構成されており、これは図５に示すデュア
ルスピンバルブ型薄膜素子におけるスピンバルブ膜の層
の総数と同じである。しかし図１に示す７層のスピンバ
ルブ膜の総合膜厚ｈ1は、図５の７層のスピンバルブ膜
の総合膜厚ｈ′よりも小さくなっている。これは、フリ
ー磁性層１、非磁性導電層２及び固定磁性層３の膜厚に
比べて膜厚の大きい反強磁性層４が、図５では２層形成
されているのに対し、図１では１層しか形成されていな
いためである。総合膜厚ｈ1が小さくなることにより、
磁気ギャップ長Ｇｌの狭小化を実現できる。

【００３９】また、図１のスピンバルブ膜は、シングル
型のスピンバルブ膜（ハ）上に反強磁性層４を共有して
もう１つのシングル型のスピンバルブ膜（ロ）が積層さ
れた構造となっているため、図１のスピンバルブ型薄膜
素子の抵抗変化率及び再生出力は、シングルスピンバル
ブ型薄膜素子の抵抗変化率（３〜９％）及び再生出力よ
りも十分に大きくなり、さらに図５に示すデュアルスピ
ンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率（５〜１３％）よりも
大きな抵抗変化率、及び再生出力を期待できる。

【００４０】図１におけるスピンバルブ膜では、フリー
磁性層１が２層設けられており、それぞれのフリー磁性
層１が非磁性導電層２と界面（Ｂ）（Ｃ）を形成してい
る。これに対し、図５のスピンバルブ膜では、フリー磁
性層１が１層で非磁性導電層２と界面（Ｂ）（Ｃ）を形
成しており、１層のフリー磁性層１が界面（Ｂ）（Ｃ）
における双方の電子散乱に関与している。このため、図
１の界面（Ｂ）（Ｃ）で起こる電子散乱は、図５の界面
（Ｂ）（Ｃ）で起こる電子散乱に比べて強くなってお
り、従って図１におけるスピンバルブ型薄膜素子の抵抗
変化率は、図５のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の抵
抗変化率に比べて大きくなることが予測できる。また、
抵抗変化率と定常電流の上限値から面記録密度を計算し
てみると、図１におけるスピンバルブ型薄膜素子の面記
録密度は２０（Gb／in²）以上を期待できることがわか
った。

【００４１】図２は、本発明の第２の実施形態によるス
ピンバルブ膜の構造を示す正面図である。なお図２は成
膜後のスピンバルブ膜を示しており、図１で説明したよ
うにこの後に、前記スピンバルブ膜が所定形状にエッチ
ングされ、ハードバイアス層５や導電層８が形成され
る。また図２では、下地膜（図１の符号６）および保護
膜（図１の符号７）も省略している。図２に示すスピン
バルブ膜は１３層で構成されている。下部には図１で説
明した第１の多層膜（ａ）が、上部に第２の多層膜
（ｂ）が設けられている。また、下から固定磁性層３、
非磁性導電層２、フリー磁性層１、非磁性導電層２、固
定磁性層３が積層された５層構造の第３の多層膜（ｃ）
が設けられている。そして、第１の多層膜（ａ）の上に
反強磁性層４を介して第３の多層膜（ｃ）が積層され、
さらにその上に反強磁性層４を介して第２の多層膜
（ｂ）が積層されている。

【００４２】各多層膜（ａ）（ｂ）（ｃ）の固定磁性層
３は、必ず反強磁性層４の上面または下面に接して形成
され、前記固定磁性層３の磁化は前記反強磁性層４との
界面にて発生する交換異方性磁界によりＹ方向へ単磁区
化されている。また、フリー磁性層１の磁化はハードバ
イアス層５のバイアス磁界により、前記固定磁性層３の
磁化方向と交叉するＸ方向へ揃えられている。反強磁性
層４を構成する反強磁性材料には、ＰｔＭｎ合金膜が使
用される。反強磁性層４としてＰｔＭｎ合金膜を使用す
ることにより、成膜後の熱処理温度が２３０℃以下でも
十分な交換異方性磁界を得ることができ、且つ前記反強
磁性層４の膜厚を１００オングストローム程度にして
も、３００Ｏｅ（エルステッド）程度の交換異方性磁界
を得ることが可能となる。反強磁性層４の膜厚を１００
オングストローム程度にできるため、スピンバルブ膜の
総合膜厚ｈ2が極端に大きくなることはない。なお、図
１に示す反強磁性層４もＰｔＭｎ合金膜で形成されるこ
とが好ましく、この反強磁性材料を用いることにより、
図１に示す膜厚ｈ1も小さくできる。

【００４３】図２のスピンバルブ膜は、シングル型のス
ピンバルブ膜（ハ）上に反強磁性層４を共有してデュア
ル型のスピンバルブ膜（イ）が積層され、さらに前記ス
ピンバルブ膜（イ）上に反強磁性層４を共有してシング
ル型のスピンバルブ膜（ロ）が積層された構造となって
いる。つまり、フリー磁性層１と非磁性導電層２との界
面、及び固定磁性層３と非磁性導電層２との界面はそれ
ぞれ４箇所あり、電子散乱が起こる場所は合計８箇所あ
る。

【００４４】このため図２におけるスピンバルブ型薄膜
素子の抵抗変化率及び再生出力は、従来のシングルスピ
ンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率及び再生出力の約４倍
程度、従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変
化率及び再生出力の約２倍程度を期待できる。また抵抗
変化率及び定常電流の上限値から可能な面記録密度を計
算してみると、図２におけるスピンバルブ膜を使用した
スピンバルブ型薄膜素子の面記録密度は最高値で５０
（Gb／in²）程度を期待できることがわかった。

【００４５】図３は、本発明の第３の実施形態によるス
ピンバルブ膜の構造を示す正面図である。なお図３は成
膜後のスピンバルブ膜を示しており、図１で説明したよ
うにこの後に、前記スピンバルブ膜が所定形状にエッチ
ングされ、ハードバイアス層５や導電層８が形成され
る。また図３では、下地膜６と保護膜７も省略してい
る。図３に示すスピンバルブ膜は、図２において説明し
た５層構造の第３の多層膜（ｃ）が複数段に設けられて
いる。それぞれの多層膜（ｃ）間には反強磁性層４が挟
まれ、上下の多層膜の固定磁性層３の上面および下面に
はそれぞれ反強磁性層４が形成され、全体では、前記反
強磁性層４が４回、多層膜（ｃ）が３回連続して積層さ
れた構造となっている。

【００４６】反強磁性層４はＰｔＭｎ合金で形成されて
おり、前記反強磁性層４の膜厚は１００オングストロー
ム程度となっている。このため、スピンバルブ膜の総合
膜厚ｈ3は極端に大きくなっていない。また、前記スピ
ンバルブ膜は、デュアル型のスピンバルブ膜（イ）上に
反強磁性層４を共有してデュアル型のスピンバルブ膜
（イ）が積層され、さらに前記スピンバルブ膜（イ）上
に反強磁性層４を共有してデュアル型のスピンバルブ膜
（イ）が積層されている。つまり、３つのデュアル型の
スピンバルブ膜（イ）が連続して積層されたような構造
となっている。

【００４７】よってフリー磁性層１と非磁性導電層２と
の界面、及び固定磁性層３と非磁性導電層２との界面は
それぞれ６箇所あり、電子散乱が起こる場所は合計１２
箇所ある。このため図３におけるスピンバルブ型薄膜素
子の抵抗変化率及び再生出力は、従来のシングルスピン
バルブ型薄膜素子及びデュアルスピンバルブ型薄膜素子
の抵抗変化率及び再生出力よりもかなり高くなってい
る。また、図３に示すスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変
化率は、マルチレイヤＧＭＲ素子の抵抗変化率より低く
なるものの、マルチレイヤＧＭＲ素子の場合、高い抵抗
変化率を引き出すには、数千Ｏｅ程度の外部磁界が必要
であったのに対し、図３に示すスピンバルブ膜であれ
ば、非常に小さい外部磁界で比較的高い抵抗変化率を引
きだすことができる。

【００４８】非常に小さい外部磁界で高い抵抗変化率を
得られる理由は、フリー磁性層１の磁化が、強固に固定
されていないためであり、よって小さい外部磁界でもフ
リー磁性層１の磁化の方向は変動し、このフリー磁性層
１内の磁化の変動と固定磁性層３の固定磁化方向との関
係で電気抵抗値が変化し、この電気抵抗値に基づく電圧
変化により磁気記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
またマルチレイヤＧＭＲ素子の場合、ハードバイアス層
を設けることが不可能であったが、図３に示すスピンバ
ルブ膜には前記ハードバイアス層を設けることができ、
バルクハウゼンノイズの発生を低減させることができ
る。また、本発明において、さらに抵抗変化率及び再生
出力を向上させるために、図３に示すスピンバルブ膜の
上にさらにデュアル型のスピンバルブ膜（イ）を何層か
積層していくことが可能である。

【００４９】ただし、前記スピンバルブ膜の総合膜厚ｈ
3には上限値があり、それは予め決められた下部シール
ド層（図示しない）と上部シールド（図示しない）との
間の間隔により決定される。そこで、下部シールドと上
部シールドとの間隔の上限値まで、図３に示すスピンバ
ルブ膜にさらにデュアル型のスピンバルブ膜（イ）を積
層していくと、前記スピンバルブ膜の抵抗変化率及び再
生出力を更に高めることが可能である。なお、抵抗変化
率と定常電流の上限値から可能な面記録密度を計算して
みると、図３におけるスピンバルブ膜を使用したスピン
バルブ型薄膜素子の面記録密度は５０（Gb／in²）から
１００（Gb／in²）程度となり、マルチレイヤＧＭＲ素
子と同程度の面記録密度を期待することができる。。

【００５０】

【実施例】以下に、反強磁性層４を形成する反強磁性材
料と、固定磁性層３を形成する強磁性材料との交換結合
についての実施例を説明する。まず以下に記載する構造
の多層膜をＤＣマグネトロンスパッタ及びＲＦコンベン
ショナルスパッタにより（シリコン（Ｓｉ）／アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）基板上に形成した。反強磁性層には、組成
比がＰｔ５０原子％（ａｔ％）、Ｍｎ５０原子％（ａｔ
％）となるＰｔＭｎ膜を使用し、下からＴａ／Ｃｏ（３０オングストローム）／ＰｔＭ
ｎ（Ｘ）／Ｔａの順に成膜され、ＰｔＭｎの膜厚Ｘは１
００，１５０，２００，３００，５００（オングストロ
ーム）で構成される５種類の多層膜。下からＴａ／ＰｔＭｎ（Ｘ）／Ｃｏ（３０オングスト
ローム）／Ｔａの順に成膜され、ＰｔＭｎの膜厚Ｘは１
００，１５０，２００，３００，５００（オングストロ
ーム）で構成される５種類の多層膜。

【００５１】次に、反強磁性層には、組成比が、Ｎｉ５
０原子％（ａｔ％）、Ｍｎ５０原子％（ａｔ％）となる
ＮｉＭｎ膜を使用し、下からＴａ／Ｃｏ（３０オングストローム）／ＮｉＭ
ｎ（Ｘ）／Ｔａの順に構成され、ＮｉＭｎの膜厚Ｘは１
００，１５０，２００，３００，５００，（オングスト
ローム）で構成される５種類の多層膜。下からＴａ／ＮｉＭｎ（Ｘ）／Ｃｏ（３０オングスト
ローム）／Ｔａの順に成膜され、ＮｉＭｎの膜厚Ｘは１
００，１５０，２００，３００，５００，（オングスト
ローム）で構成される５種類の多層膜。

【００５２】前記多層膜において、反強磁性材料と、強
磁性材料のＣｏ膜との間の交換結合を得るために、２３
０℃の温度で４時間熱処理を行った。交換異方性磁界
（ＨｅＸ）の測定は真空加熱機構付ＶＳＭにより行っ
た。なお、反強磁性層として使用されたＰｔＭｎ膜及び
ＮｉＭｎ膜の比抵抗値は、いづれも２００（μΩ・ｃ
ｍ）程度であった。

【００５３】図４は、ＰｔＭｎ膜及びＮｉＭｎ膜の膜厚
と交換異方性磁界（ＨｅＸ）との関係を示すグラフであ
る。図に示すように、ＰｔＭｎ膜の膜厚が大きくなる
と、交換異方性磁界（ＨｅＸ）も大きくなることがわか
る。また、ＰｔＭｎ膜をＣｏ膜の下に形成した場合の方
が、ＰｔＭｎ膜をＣｏ膜の上に形成した場合に比べて交
換異方性磁界がやや大きくなっている。またＰｔＭｎ膜
の膜厚が１００オングストローム程度であっても、約３
００Ｏｅ（エルステッド）と比較的大きい交換異方性磁
界を得られることが確認された。

【００５４】一方ＮｉＭｎ膜の場合、膜厚を大きくして
も、交換異方性磁界（ＨｅＸ）は非常に小さいままであ
り、２３０℃の熱処理温度では、ＮｉＭｎ膜を使用でき
ないことがわかる。ＮｉＭｎ膜を使用した場合、熱処理
温度が２５０℃以上であれば、図４に示すＰｔＭｎ膜の
曲線と同じような挙動を示すことが確認されている。し
かし、２５０℃以上になると、非磁性導電層２と固定磁
性層３及びフリー磁性層１との界面で金属元素が拡散す
るという問題が生じるため、熱処理温度を２３０℃程度
にすることが必要である。

【００５５】また、本実験では、固定磁性層３にＣｏ膜
を使用したが、Ｃｏ膜に代えてＮｉＦｅ膜を使用して
も、本実験と同様の結果を得られる。以上により、反強
磁性層としてＰｔＭｎ膜を使用すれば、２３０℃程度の
熱処理温度でも交換異方性磁界を得ることが可能であ
り、特に膜厚を１００オングストローム程度にしても約
３００Ｏｅの交換異方性磁界を得ることが可能である。

【００５６】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、反強磁性
層がＰｔＭｎ合金またはこれと同種の性質を持つＰｄＭ
ｎ合金、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ（ＸがＮｉ，Ｐｄ，Ｒ
ｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏのいずれか）合金で
形成されることによって、比較的低い熱処理温度で、し
かも比較的膜厚を小さくしても効果的な交換異方性磁界
を得ることができる。

【００５７】従来のシングルスピンバルブ型薄膜素子、
デュアルスピンバルブ型薄膜素子、及びマルチレイヤ型
ＧＭＲ素子の構造を改良して、巨大磁気効果を発揮する
スピンバルブ膜の層の総数を従来よりも多くしても、反
強磁性層にＰｔＭｎ膜を使用すれば、前記スピンバルブ
膜の総合膜厚を小さくでき、従って磁気ギャップ長Ｇｌ
の狭小化を実現できる。

【００５８】またスピンバルブ膜の層の総数を増やし
て、電子散乱の起こる場所を増やせば、抵抗変化率及び
再生出力を大きくすることができ、従って面記録密度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の形態によるスピンバルブ型薄膜
素子の断面図、

【図２】本発明の第２の形態によるスピンバルブ膜の正
面図、

【図３】本発明の第３の形態によるスピンバルブ膜の正
面図、

【図４】ＰｔＭｎ膜の膜厚またはＮｉＭｎ膜の膜厚と交
換異方性磁界との関係を示すグラフ、

【図５】マルチレイヤＧＭＲ素子の断面図、

【図６】シングルスピンバルブ型薄膜素子の断面図、

【図７】デュアルスピンバルブ型薄膜素子の断面図、

【符号の説明】

１フリー磁性層２非磁性導電層３固定磁性層４反強磁性層５ハードバイアス層６下地層７保護層８導電層ｈ1，ｈ2，ｈ3 （スピンバルブ膜の）総合膜厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反強磁性層との交換異方性結合により磁
化が一定の方向に固定される固定磁性層と、磁気記録媒
体からの洩れ磁界により磁化の方向が変動するフリー磁
性層とを有するスピンバルブ型薄膜素子において、フリ
ー磁性層の上に非磁性導電層、固定磁性層が連続して積
層された第１の多層膜と、固定磁性層の上に非磁性導電
層、フリー磁性層が連続して積層された第２の多層膜と
を有し、前記第１の多層膜の上に反強磁性層を介して前
記第２の多層膜が積層されており、前記第１の多層膜と
第２の多層膜に定常電流を与える導電層が設けられてい
ることを特徴とするスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項２】反強磁性層との交換異方性結合により磁
化が一定の方向に固定される固定磁性層と、磁気記録媒
体からの洩れ磁界により磁化の方向が変動するフリー磁
性層とを有するスピンバルブ型薄膜素子において、フリ
ー磁性層の上に非磁性導電層、固定磁性層が連続して積
層された第１の多層膜と、固定磁性層の上に非磁性導電
層、フリー磁性層が連続して積層された第２の多層膜
と、固定磁性層の上に、非磁性導電層、フリー磁性層、
非磁性導電層、および固定磁性層が積層された５層から
成る第３の多層膜とを有し、前記第１の多層膜の上に反
強磁性層を介して前記第３の多層膜が積層され、この第
３の多層膜の上に反強磁性層を介して前記第２の磁性層
が積層されており、前記第１の多層膜と第２の多層膜お
よび第３の多層膜に定常電流を与える導電層が設けられ
ていることを特徴とするスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項３】反強磁性層との交換異方性結合により磁
化が一定の方向に固定される固定磁性層と、磁気記録媒
体からの洩れ磁界により磁化の方向が変動するフリー磁
性層とを有するスピンバルブ型薄膜素子において、固定
磁性層の上に、非磁性導電層、フリー磁性層、非磁性導
電層、および固定磁性層が積層された５層から成る多層
膜を有し、前記多層膜が反強磁性層を介して複数段に積
層され、且つ最下段の多層膜の最下層となる固定磁性層
の下側と、最上段の多層膜の最上層となる固定磁性層の
上側とに反強磁性層が積層されており、前記各多層膜に
定常電流を与える導電層が設けられていることを特徴と
するスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項４】フリー磁性層の磁化方向を、前記固定磁
性層の磁化方向と交叉する方向に揃えるバイアス層が多
層膜の両側部に形成されている請求項１ないし３のいず
れかに記載のスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項５】反強磁性層はＰｔＭｎ（白金―マンガ
ン）合金で形成される請求項１ないし４のいずれかに記
載のスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項６】反強磁性層は、Ｐｔ―Ｍｎ―Ｘ（ＸはＮ
ｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏのいず
れか）合金で形成される請求項１ないし４のいずれかに
記載のスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項７】反強磁性層は、ＰｄＭｎ（パラジウム−
マンガン）合金で形成される請求項１ないし４のいずれ
かに記載のスピンバルブ型薄膜素子。