(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリー磁性層と、前記フリー磁性層の上下に形成された非磁性導電層と、一方の非磁性導電層の上及び他方の非磁性導電層の下に形成され、磁化方向が固定されている固定磁性層と、一方の固定磁性層の上及び他方の固定磁性層の下に形成された反強磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化と交叉する方向にセンス電流が与えられ、固定磁性層の固定磁化とフリー磁性層の変動磁化との関係によって電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜素子において、
前記非磁性導電層は、前記フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なり、また、フリー磁性層の中心から、スピンバルブ型薄膜素子よりも下側に形成されたシールド層までの距離と、フリー磁性層の中心から、前記スピンバルブ型薄膜素子よりも上側に形成されたシールド層までの距離が異なっており
フリー磁性層よりも下側に形成された固定磁性層と非磁性導電層間の層間結合による磁界の強さをＨｂｆ１（ベクトル値）、フリー磁性層よりも上側に形成された固定磁性層と非磁性導電層間の層間結合による磁界の強さをＨｂｆ２（ベクトル値）とし、フリー磁性層よりも下側に形成された固定磁性層からフリー磁性層に流入する作用磁界の強さをＨｄ１（ベクトル値）、フリー磁性層よりも上側に形成された固定磁性層からフリー磁性層に流入する作用磁界の強さをＨｄ２（ベクトル値）とし、さらに、フリー磁性層の下側の層から、前記フリー磁性層に流入する電流磁界の強さをＩｓ１（ベクトル値）、フリー磁性層の上側の層から、前記フリー磁性層に流入する電流磁界の強さをＩｓ２（ベクトル値）とし、また前記スピンバルブ型薄膜素子の下側にギャップ層を介して形成されている下部シールド層から、前記フリー磁性層に流入するシールドバイアス磁界の強さをＳ１（ベクトル値）、スピンバルブ型薄膜素子の上側にギャップ層を介して形成されている上部シールド層から、前記フリー磁性層に流入するシールドバイアス磁界の強さをＳ２（ベクトル値）とした場合に、
ベクトル和Ｉｓ１＋Ｉｓ２とベクトル和Ｓ１＋Ｓ２の方向が同じであって、
センス電流量とセンス電流を流す方向によって、Ｈｂｆ１＋Ｈｂｆ２＋Ｈｄ１＋Ｈｄ２＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｓ１＋Ｓ２のベクトル和が０となるように調整されることを特徴とするスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項２】
フリー磁性層の下側に形成される非磁性導電層の膜厚は、１６オングストローム以上３８オングストローム以下で形成され、フリー磁性層の上側に形成される非磁性導電層の膜厚は、１９オングストローム以上３８オングストローム以下である請求項１に記載のスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項３】
フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層の膜厚は共に、１５オングストローム以上８０オングストローム以下で形成される請求項１または請求項２に記載のスピンバルブ型薄膜素子。
【請求項４】
前記固定磁性層は、フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なる請求項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】
前記反強磁性層は、フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なる請求項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】
前記フリー磁性層の下側に形成された反強磁性層の下には、金属下地層が形成され、さらにフリー磁性層の上側に形成された反強磁性層の上には、金属保護層が形成されており、前記金属下地層と、金属保護層との膜厚が異なる請求項１ないし５のいずれかに記載のスピンバルブ型薄膜素子。
【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、デュアル型のスピンバルブ型薄膜素子に係り、特に、高い抵抗変化率を維持しながら、良好なアシンメトリーを得られ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】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant  magnetoresistive）素子の１種であり、比較的簡単な構造で大きな抵抗変化率を得ることが可能である。スピンバルブ型薄膜素子の最も簡単な膜構造は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層の４層から成るシングルスピンバルブ型薄膜素子であるが、このシングルスピンバルブ型薄膜素子に比べ、より大きい抵抗変化率を得ることが可能な膜構造としてデュアルスピンバルブ型薄膜素子がある。
【０００３】
図１０は、従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を記録媒体との対向面から見た場合の断面図である。
【０００４】
その構造は、図１０に示すようにフリー磁性層１を中心として上下対称に、非磁性導電層２，２、固定磁性層３，３及び反強磁性層４，４が積層されており、この積層体の両側には、ハードバイアス層５，５及び導電層８，８が形成されている。なお、符号６は例えばＴａなどの金属で形成された下地層であり、符号７は、Ｔａなどで形成された保護層である。
【０００５】
図１０に示すように前記固定磁性層３，３は、反強磁性層４，４と接して形成され、前記反強磁性層４，４との界面で発生する交換結合磁界によって、前記固定磁性層３，３の磁化は、Ｙ方向（ハイト方向）に固定されている。
【０００６】
また前記ハードバイアス層５，５は図示Ｘ方向（トラック幅方向）に磁化されており、前記ハードバイアス層５，５からのバイアス磁界によって、フリー磁性層１の磁化は、図示Ｘ方向に揃えられている。
【０００７】
このデュアル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２，２、固定磁性層３，３にＸ方向へのセンス電流（検出電流）が与えられる。ハードディスクなどの磁気記録媒体の走行方向はＺ方向であり、Ｙ方向に記録媒体からの漏れ磁界が与えられると、フリー磁性層１の磁化はＸ方向からＹ方向に変化し、このフリー磁性層１の磁化方向の変動と、固定磁性層３，３の固定磁化方向との関係による電気抵抗が変化し、これにより漏れ磁界が検出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、図１０に示すように、フリー磁性層の上下に形成される非磁性導電層２，２は同じ膜厚ｈ１で形成され、固定磁性層３，３は同じ膜厚ｈ２で形成され、さらに反強磁性層４，４も同じ膜厚ｈ３で形成されていた。すなわち、従来のスピンバルブ型薄膜素子は、フリー磁性層１を中心として、その上下の積層膜が完全な対称構造であった。
【０００９】
ところが、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層１の磁化方向が不安定化し、アシンメトリー（再生出力波形の上下非対称性）を良好にすることが非常に難しいといった問題が発生する。
【００１０】
図１１は、図１０に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子の縦断面図を模式図的に表わしたものである。導電層８からのセンス電流９は、紙面に対して垂直上方向に流れる。
【００１１】
図１１に示すように、フリー磁性層１には、様々な磁界が流入している。まず、図示右方向（記録媒体Ｄに対して垂直方向；ハイト方向）に磁化されている固定磁性層３，３と非磁性導電層２，２との間に層間結合による磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２が発生しており、この磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２が、フリー磁性層１との界面にて、前記フリー磁性層１に影響を与えている。
【００１２】
また、図示右方向に磁化されている固定磁性層３，３からは、フリー磁性層に作用磁界（反磁界）Ｈｄ１，Ｈｄ２が働いている。
【００１３】
さらに、センス電流９は、主に比抵抗の小さい非磁性導電層２，２を中心として流れており、前記センス電流９によるセンス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２が、フリー磁性層１に影響を与えている。
【００１４】
さらに、図１１に示すようにスピンバルブ型薄膜素子の下側には、前記スピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層１の中心から距離ＧＬ１をおいて、下部シールド層１０が形成されており、また、スピンバルブ型薄膜素子の上側には、前記スピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層１の中心から距離ＧＬ２をおいて、上部シールド層１１が形成されている。センス電流９が流されることによって発生するセンス電流磁界の影響を受けて、下部シールド層１０及び上部シールド層１１からは、シールドバイアス磁界が発生し、前記下部シールド層１０からはシールドバイアス磁界Ｓ１が、上部シールド層１１からはシールドバイアス磁界Ｓ２が、フリー磁性層１に影響を与えている。
【００１５】
ここで、フリー磁性層１に流入する図示右方向の磁界、すなわち層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２、センス電流磁界Ｉｓ２、及びシールドバイアス磁界Ｓ２を正の値とし、フリー磁性層１に流入する図示左方向の磁界、すなわち、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２、センス電流磁界Ｉｓ１、及びシールドバイアス磁界Ｓ１を負の値としたとき、フリー磁性層１に流入する全ての磁界の和が０になれば、フリー磁性層１に影響を与える磁界がすべて相殺されたことになり、再生出力波形の上下非対称性、いわゆるアシンメトリーを良好にすることが可能である。
【００１６】
従来のスピンバルブ型薄膜素子においては、前述のようにフリー磁性層１を中心として、その上下の積層膜が完全な対称構造となっているため、フリー磁性層１よりも下側の積層膜からフリー磁性層１に侵入してくるセンス電流磁界Ｉｓ１と、フリー磁性層１よりも上側の積層体からフリー磁性層１に侵入してくるセンス電流磁界Ｉｓ２は共に同じ強さであり、また図１１に示すように、両センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２がフリー磁性層１に侵入する方向が互いに逆向きであるので、この磁界Ｉｓ１とＩｓ２は互いに相殺される。
【００１７】
次に、フリー磁性層１の中心から下部シールド層１０までの距離ＧＬ１、及びフリー磁性層１の中心から上部シールド層１１までの距離ＧＬ２は共に同じ距離で形成されているため、前記下部シールド層１０からフリー磁性層１に侵入するシールドバイアス磁界Ｓ１と、上部シールド層１１からフリー磁性層１に侵入するシールドバイアス磁界Ｓ２は共に同じ強さであり、またフリー磁性層１に侵入する方向が互いに逆向きであるので、この磁界Ｓ１とＳ２も互いに相殺される。
【００１８】
すなわち、フリー磁性層１に侵入してくる全ての磁界のベクトル和を０にするには、図１１に示すスピンバルブ型薄膜素子においては、前記センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２及びシールドバイアス磁界Ｓ１，Ｓ２以外の磁界Ｈｂｆ１＋Ｈｂｆ２＋Ｈｄ１＋Ｈｄ２のベクトル和が０となるようにすればよい。
【００１９】
しかし、図１０に示すようにフリー磁性層１の上下に形成されている非磁性導電層２，２を共に同じ膜厚ｈ１で形成し、さらにフリー磁性層１の上下に形成されている固定磁性層３，３を共に同じ膜厚ｈ２で形成するという条件の下で、Ｈｂｆ１＋Ｈｂｆ２＋Ｈｄ１＋Ｈｄ２のベクトル和を０にするのは、非常に難しい。
【００２０】
仮に、非磁性導電層２，２の膜厚を同じｈ１とし、固定磁性層３，３の膜厚を同じｈ２としたままで、膜厚ｈ１とｈ２を選択して、Ｈｂｆ１＋Ｈｂｆ２＋Ｈｄ１＋Ｈｄ２のベクトル和を０にできたとしても、アシンメトリーは良好になるが、逆に抵抗変化率が低くなり、シングルスピンバルブ型薄膜素子よりも大きい抵抗変化率を得ることが可能なデュアルスピンバルブ型薄膜素子の特性を生かすことができなくなる。
【００２１】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、シングルスピンバルブ型薄膜素子よりも高い抵抗変化率を維持したまま、良好なアシンメトリーを得ることを可能とした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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリー磁性層と、前記フリー磁性層の上下に形成された非磁性導電層と、一方の非磁性導電層の上及び他方の非磁性導電層の下に形成され、磁化方向が固定されている固定磁性層と、一方の固定磁性層の上及び他方の固定磁性層の下に形成された反強磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化と交叉する方向にセンス電流が与えられ、固定磁性層の固定磁化とフリー磁性層の変動磁化との関係によって電気抵抗が変化するスピンバルブ型薄膜素子において、
前記非磁性導電層は、前記フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なり、また、フリー磁性層の中心から、スピンバルブ型薄膜素子よりも下側に形成されたシールド層までの距離と、フリー磁性層の中心から、前記スピンバルブ型薄膜素子よりも上側に形成されたシールド層までの距離が異なっており
フリー磁性層よりも下側に形成された固定磁性層と非磁性導電層間の層間結合による磁界の強さをＨｂｆ１（ベクトル値）、フリー磁性層よりも上側に形成された固定磁性層と非磁性導電層間の層間結合による磁界の強さをＨｂｆ２（ベクトル値）とし、フリー磁性層よりも下側に形成された固定磁性層からフリー磁性層に流入する作用磁界の強さをＨｄ１（ベクトル値）、フリー磁性層よりも上側に形成された固定磁性層からフリー磁性層に流入する作用磁界の強さをＨｄ２（ベクトル値）とし、さらに、フリー磁性層の下側の層から、前記フリー磁性層に流入する電流磁界の強さをＩｓ１（ベクトル値）、フリー磁性層の上側の層から、前記フリー磁性層に流入する電流磁界の強さをＩｓ２（ベクトル値）とし、また前記スピンバルブ型薄膜素子の下側にギャップ層を介して形成されている下部シールド層から、前記フリー磁性層に流入するシールドバイアス磁界の強さをＳ１（ベクトル値）、スピンバルブ型薄膜素子の上側にギャップ層を介して形成されている上部シールド層から、前記フリー磁性層に流入するシールドバイアス磁界の強さをＳ２（ベクトル値）とした場合に、
ベクトル和Ｉｓ１＋Ｉｓ２とベクトル和Ｓ１＋Ｓ２の方向が同じであって、
センス電流量とセンス電流を流す方向によって、Ｈｂｆ１＋Ｈｂｆ２＋Ｈｄ１＋Ｈｄ２＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｓ１＋Ｓ２のベクトル和が０となるように調整されることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明では、フリー磁性層の下側に形成される非磁性導電層の膜厚は、１６オングストローム以上３８オングストローム以下で形成され、フリー磁性層の上側に形成される非磁性導電層の膜厚は、１９オングストローム以上３８オングストローム以下であることが好ましい。
【００２４】
また、フリー磁性層の上下に形成される固定磁性層の膜厚は共に、１５オングストローム以上８０オングストローム以下で形成されることが好ましい。
【００２５】
また、本発明では、前記固定磁性層は、フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なっていてもよい。あるいは、前記反強磁性層は、フリー磁性層の上側と下側とで膜厚が異なっていてもよい。
また、本発明では、前記フリー磁性層の下側に形成された反強磁性層の下には金属下地層が形成され、さらにフリー磁性層の上側に形成された反強磁性層の上には、金属保護層が形成され、前記金属下地層と金属保護層との膜厚が異なるものであってもよい。
【００２７】
従来のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層を中心にしてその上下に形成されている積層膜が、完全な対称構造となっていた（図１０参照）が、このような構造であると、アシンメトリーを良好にすることができず、仮にアシンメトリーを良好にできたとしても、抵抗変化率が極端に低下してしまい、アシンメトリーと抵抗変化率の双方を同時に向上させることが不可能であった。
【００２８】
そこで本発明では、上下対称構造であったデュアルスピンバルブ型薄膜素子を、上下非対称構造にすることで、高い抵抗変化率を維持しつつ、良好なアシンメトリーを得ることが可能となっている。
【００２９】
本発明では、下記に示す膜構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子を形成し、非磁性導電層の膜厚を変化させて、前記非磁性導電層の膜厚と抵抗変化率との関係について調べた。実験に使用したデュアルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（３０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（２４）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（２４）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（３０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はオングストロームである。
【００３０】
実験では、まずフリー磁性層よりも上側の非磁性導電層（上）の膜厚を、２４オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも下側の非磁性導電層（下）の膜厚を変化させ、±３０（Ｏｅ）の外部磁界における抵抗変化率を測定した。さらにフリー磁性層よりも下側の非磁性導電層（下）の膜厚を、２４オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも上側の非磁性導電層（上）の膜厚を変化させ、±３０（Ｏｅ）の外部磁界における抵抗変化率を測定した。この両実験の結果を図３に示す。
【００３１】
図３では、非磁性導電層（上）を２４オングストロームで固定し、非磁性導電層（下）の膜厚を変化させたときを（○）で示している。この場合、前記非磁性導電層（下）の膜厚を１８〜１９オングストローム程度にすると最も抵抗変化率を大きくでき、前記非磁性導電層（下）の膜厚を約１９オングストローム以上にすると、抵抗変化率は徐々に低下していく。
【００３２】
図３ではまた非磁性導電層（下）を２４オングストロームで固定し、非磁性導電層（上）の膜厚を変化させたときを（●）で示している。この場合、前記非磁性導電層（上）の膜厚を約２２オングストローム程度にすると最も抵抗変化率を大きくでき、前記非磁性導電層（上）の膜厚を約２２オングストローム以上にすると、抵抗変化率は徐々に低下していく。
【００３３】
反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層が一層ずつ形成された、いわゆるシングルスピンバルブ型薄膜素子では、抵抗変化率が約４％程度であるので、本発明では４％以上の抵抗変化率を得ることができる非磁性導電層の膜厚を好ましい範囲と設定した。図３に示すグラフから、非磁性導電層（下）の膜厚を１６〜３８オングストロームの範囲内とし、さらに非磁性導電層（上）の膜厚を１９〜３８オングストロームの範囲内とすれば、４％以上の抵抗変化率を得ることが可能であることがわかる。
【００３４】
次に本発明では、上述した膜構造を有するデュアルスピンバルブ型薄膜素子の固定磁性層の膜厚を変化させて、前記固定磁性層の膜厚と抵抗変化率との関係について調べた。
【００３５】
実験では、まずフリー磁性層よりも上側の固定磁性層（上）の膜厚を、３０オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも下側の固定磁性層（下）の膜厚を変化させ、±３０（Ｏｅ）の外部磁界における抵抗変化率を測定した。さらにフリー磁性層よりも下側の固定磁性層（下）の膜厚を、３０オングストロームで固定して、フリー磁性層よりも上側の固定磁性層（上）の膜厚を変化させ、±３０（Ｏｅ）の外部磁界における抵抗変化率を測定した。この両実験結果を図４に示す。
【００３６】
図４では、固定磁性層（下）の膜厚のみを変化させたときの抵抗変化率の変動、及び固定磁性層（上）の膜厚のみを変化させたときの抵抗変化率の変動が共に、ほぼ同じ曲線を描く。図４から４％以上の抵抗変化率を得るには、固定磁性層（下）と固定磁性層（上）の膜厚を共に１５〜８０オングストロームの範囲内とすればよい。
【００３７】
次に本発明では、非磁性導電層の膜厚と、非磁性導電層を介して固定磁性層からフリー磁性層に作用する層間結合磁界Ｈｂｆとの関係ついて実験を行った。
【００３８】
まず本発明では、フリー磁性層よりも下側に非磁性導電層（下）が形成されている下配置シングルスピンバルブ型薄膜素子を形成し、前記非磁性導電層（下）の膜厚と層間結合磁界Ｈｂｆとの関係について測定した。実験に使用した下配置シングルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層：Ｃｏ（３０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（Ｘ）／フリー磁性層：Ｃｏ（２０）＋ＮｉＦｅ（６０）／Ｔａ（５０）
なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。
【００３９】
次に、フリー磁性層よりも上側に非磁性導電層（上）が形成されている上配置シングルスピンバルブ型薄膜素子を形成し、前記非磁性導電層（上）の膜厚と層間結合磁界Ｈｂｆとの関係について測定した。実験に使用した上配置シングルスピンバルブ型薄膜素子の膜構成は以下の通りである。
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／フリー磁性層：ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（２０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（Ｘ）／固定磁性層：Ｃｏ（３０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。
【００４０】
なおこの実験においてデュアルスピンバルブ型薄膜素子を使わず、シングルスピンバルブ型薄膜素子を使用したのは、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合、フリー磁性層よりも下側から受ける層間結合磁界Ｈｂｆ１と、フリー磁性層よりも上側から受ける層間結合磁界Ｈｂｆ２をそれぞれ測定することは不可能であり、それらの合計しか測定できないからである。
【００４１】
図５において、（○）で示すように下配置シングルスピンバルブ型薄膜素子の非磁性導電層（下）の膜厚を大きくしていくと、層間結合磁界Ｈｂｆは小さくなっていくが、前記非磁性導電層（下）の膜厚が約２２オングストローム以上になると、前記層間結合磁界Ｈｂｆは一旦大きくなり、前記膜厚が約２６オングストローム以上になると、層間結合磁界Ｈｂｆは再び小さくなる。
【００４２】
また図５において（●）で示すように、上配置シングルスピンバルブ型薄膜素子の非磁性導電層（上）の膜厚を大きくしていくと、前記非磁性導電層（上）の膜厚が２０オングストローム程度まで急激に層間結合磁界Ｈｂｆは低下し、前記膜厚を２０オングストローム以上にすると、前記層間結合磁界Ｈｂｆの低下は緩やかになる。
【００４３】
前述したように本発明では、フリー磁性層よりも下側に形成される非磁性導電層（下）の膜厚を１６〜３８オングストロームの範囲内にすることが好ましいが、この膜厚の範囲内であると、図５に示すように層間結合磁界Ｈｂｆ（Ｈｂｆ１）の強さは、約１〜５０（Ｏｅ）の範囲内であることがわかる。
【００４４】
また本発明では、フリー磁性層よりも上側に形成されている非磁性導電層（上）の膜厚を１９〜３８オングストロームの範囲内にすることが好ましいが、この膜厚の範囲内であると、図５に示すように層間結合磁界Ｈｂｆ（Ｈｂｆ２）の強さは、約４〜４０（Ｏｅ）の範囲内であることがわかる。
【００４５】
次に本発明では、下記の膜構造におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子において、固定磁性層の膜厚と、前記固定磁性層からの作用磁界Ｈｄとの関係についてシミュレーションによって求めた。実験に使用した膜構成は以下の通りである。
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（３０）／非磁性導電層：Ｃｕ（２４）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層：Ｃｕ（２４）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（３０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。
【００４６】
まず、フリー磁性層よりも上側の固定磁性層（上）を３０オングストロームで固定し、フリー磁性層よりも下側の固定磁性層（下）の膜厚を変化させ、前記固定磁性層（下）から発せられる作用磁界Ｈｄ（Ｈｄ１）をシミュレーションにより求めた。また、フリー磁性層よりも下側の固定磁性層（下）を３０オングストロームで固定し、フリー磁性層よりも上側の固定磁性層（上）の膜厚を変化させ、固定磁性層（上）から発せられる作用磁界Ｈｄ（Ｈｄ２）をシミュレーションにより求めた。その実験結果を図６に示す。
【００４７】
図６に示すように、固定磁性層（上）の膜厚を固定して、固定磁性層（下）の膜厚を変化させた場合、及び固定磁性層（下）の膜厚を固定して、固定磁性層（上）の膜厚を変化させた場合、共に、膜厚と作用磁界Ｈｄとの関係は、全く同じ直線を描き、図６では２つの直線が重なり合っている。ここで、前述したように本発明では、固定磁性層（下）及び固定磁性層（上）の膜厚を共に１５〜８０オングストロームの範囲内に設定することが好ましいため、この範囲において固定磁性層（下）及び固定磁性層（上）から発せられる作用磁界Ｈｄは、共に９〜４８（Ｏｅ）程度であることがわかる。
【００４８】
以上の実験結果に基づいて、本発明では、図１１に示す上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）と、図２に示す上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）を製造し、各デュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層に影響を与える層間結合磁界Ｈｂｆ、及び作用磁界Ｈｄの強さを求めた。なお本発明では、フリー磁性層よりも下層からの層間結合磁界をＨｂｆ１、作用磁界をＨｄ１とし、またフリー磁性層よりも上層からの層間結合磁界をＨｂ２、作用磁界Ｈｄ２とした。
【００４９】
上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）の膜構成を、下から、
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（４０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（２２）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（４０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
とした。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。またこの膜構成におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合、抵抗変化率を、１４．５％程度にできることが実験によって確認されている。
【００５０】
比較例の膜構成の場合において、前述した図５、図６のグラフから、層間結合磁界Ｈｂｆ１、Ｈｂｆ２と、作用磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を求めた。
【００５１】
比較例の膜構成の場合は、フリー磁性層の上下に形成されている非磁性導電層（下）（上）を共に２２オングストロームで形成しているので、図５に示すように、フリー磁性層の下側から発生する層間結合磁界Ｈｂｆ１は２（Ｏｅ）、フリー磁性層よりも上側から発生する層間結合磁界Ｈｂｆ２は１６（Ｏｅ）になる。また、比較例では、フリー磁性層の上下に形成されている固定磁性層（下）（上）を共に４０オングストロームで形成しているので、図６に示すように、固定磁性層（下）（上）から発せられる作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は共に２４（Ｏｅ）であることがわかる。
【００５２】
ここで、図１１に示すように、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は、フリー磁性層（符号１）に流入する方向が逆であるから、例えば図示右方向を正の値、図示左方向を負の値と設定すれば、上述した層間結合磁界Ｈｂｆ１は、＋２（Ｏｅ）、層間結合磁界Ｈｂｆ２は、＋１６（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ１は、−２４（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ２は、−２４（Ｏｅ）となる。
【００５３】
次に、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）の膜構成は、下から、
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（４０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（１８）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（２２）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（４０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
とした。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。この実施例の膜構成では、フリー磁性層よりも下側に形成される非磁性導電層（下）の膜厚を１８オングストロームとし、フリー磁性層よりも上側に形成される非磁性導電層（上）を２２オングストロームで形成しており、フリー磁性層を中心としてその上下の積層膜が非対称となっている。またこの膜構成におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合、抵抗変化率を１６．５％程度にできることが実験によって確認されている。
【００５４】
実施例の膜構成の場合において、前述した図５、図６のグラフから、層間結合磁界Ｈｂｆ１、Ｈｂｆ２と、作用磁界Ｈｄ１、Ｈｄ２を求めた。
【００５５】
実施例の膜構成の場合は、フリー磁性層の下に形成されている非磁性導電層（下）を１８オングストロームで形成しているので、図５に示すように、フリー磁性層の下側から発生する層間結合磁界Ｈｂｆ１は２０（Ｏｅ）であり、また非磁性導電層（上）を２２オングストロームで形成しているので、フリー磁性層の上側から発生する層間結合磁界Ｈｂｆ２は、１６（Ｏｅ）であることがわかる。
【００５６】
また、上記膜構成の場合は、フリー磁性層の上下に形成されている固定磁性層（下）（上）を共に４０オングストロームで形成しているので、図６に示すように、固定磁性層（下）（上）から発せられる作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は共に２４（Ｏｅ）であることがわかる。
【００５７】
この実施例の場合においても、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は、フリー磁性層に流入してくる方向が逆であるから（図２参照）、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２を正の値とすれば、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は負の値であり、従って、上述した層間結合磁界Ｈｂｆ１は、＋２０（Ｏｅ）、層間結合磁界Ｈｂｆ２は、＋１６（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ１は、−２４（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ２は、−２４（Ｏｅ）となる。
【００５８】
上述した比較例（上下対称構造）のデュアルスピンバルブ、及び実施例（上下非対称構造）のデュアルスピンバルブにおける層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２の値を下記の表１に示す。
【００５９】
【表１】
0003694430.tif 000002
【００６０】
表１の一番右側の欄には、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２の合計値が記載されており、比較例の場合は、−３０（Ｏｅ）、実施例の場合は、−１２（Ｏｅ）となる。すなわち、比較例のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合は、フリー磁性層に対し−３０（Ｏｅ）の磁界の影響があり、実施例のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合は、フリー磁性層に対し、−１２（Ｏｅ）の磁界の影響があることを示している。このように実施例では比較例に比べてフリー磁性層に作用する磁界の影響が低減されていることがわかる。
【００６１】
次に、前記上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子は、図１１に示すように、センス電流９を流すことによって発生するセンス電流磁界は、フリー磁性層１の下側からＩｓ１として前記フリー磁性層１に影響を与えており、フリー磁性層１の上側からＩｓ２として前記フリー磁性層１に影響を与えている。しかし、上下対称構造であると、前記センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２は共に同じ強さであり、さらにフリー磁性層１に流入してくる方向が逆向きであるので、前記センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２どうしは相殺され、フリー磁性層１に前記センス電流磁界の影響はない。
【００６２】
このため、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合、アシンメトリーを０％に合わせ込むために、図１１に示すフリー磁性層１の中心から下部シールド層１０までの距離ＧＬ１と、フリー磁性層１の中心から上部シールド層１１までの距離ＧＬ２を、共に同じ距離にするのではなく、異なる値で形成することにより、フリー磁性層１に流入するシールドバイアス磁界Ｓ１とＳ２の強さに差がつくようにし、シールドバイアス磁界（シールドバイアス磁界Ｓ１（ベクトル値）＋（ベクトル値））によって、アシンメトリーを０％にする方法があり得る。
【００６３】
そこで、前記比較例として示した上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の上下に形成されているシールド層までの距離ＧＬ１とＧＬ２を異なる距離で形成して、センス電流量と、アシンメトリーとの関係について実験を行った。その実験結果を図７に示す。なお、図７に示す横軸のセンス電流については、例えば図１１に示すセンス電流９の向きを、紙面垂直手前方向とした場合には、前記センス電流値を正の値とし、紙面垂直奥方向とした場合には、前記センス電流値を負の値としている。
【００６４】
まず、フリー磁性層１の中心からシールド層１０，１１までの距離を共に１０５０オングストロームで形成すると、図７において（□）で示すように、センス電流量を変えてもアシンメトリーは一定値をたどり、−２０％程度のアシンメトリーを改善することが不可能である。
【００６５】
次に、フリー磁性層１の中心から下部シールド層１０までの距離ＧＬ１を１４００オングストロームで形成し、さらにフリー磁性層１の中心から上部シールド層１１までの距離ＧＬ２を７００オングストロームで形成すると、図７において（●）で示すように、センス電流を流すことによってアシンメトリーは変化し、センス電流を約６ｍＡとしたとき、アシンメトリーを０％にできることがわかる。
【００６６】
次に、フリー磁性層１の中心から下部シールド層１０までの距離ＧＬ１を７００オングストロームで形成し、さらにフリー磁性層１の中心から上部シールド層１１までの距離ＧＬ２を１４００オングストロームで形成すると、図７において（○）で示すようにセンス電流を流すことによってアシンメトリーは変化し、センス電流を約−６ｍＡとしたとき、アシンメトリーを０％にできることがわかる。
【００６７】
以上のように上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、距離ＧＬ１とＧＬ２を異ならせ、且つセンス電流の大きさ及び流す方向を変えることによって、シールド層１０，１１からフリー磁性層１に影響を与えるシールドバイアス磁界Ｓ１とＳ２の強さ及びその方向を変えることが可能であり、アシンメトリーを０％に合わせ込むことができる。
【００６８】
一方、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層の中心から下部シールド層までの距離ＧＬ１とフリー磁性層の中心から上部シールド層までの距離ＧＬ２を異なる値に設定しても、あるいは、フリー磁性層の中心から下部シールド層までの距離ＧＬ１とフリー磁性層の中心から上部シールド層までの距離ＧＬ２を同じ値に設定しても、アシンメトリーを０％に合わせ込むことが可能となる。
【００６９】
スピンバルブ型薄膜素子が、上下非対称構造であると、フリー磁性層の上側の層に流れるセンス電流値と、フリー磁性層の下側の層に流れるセンス電流値が異なり、従って、センス電流磁界Ｉｓ１とＩｓ２に強さの差が生じ、上下対称構造の場合のように、前記センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２どうしは相殺されず、センス電流Ｉｓ１とセンス電流磁界Ｉｓ２とのベクトル和で求めることができるセンス電流磁界を、アシンメトリーを０％に合わせるために用いることが可能になる。実施例のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の膜構造では、フリー磁性層よりも上側に形成されている非磁性導電層の膜厚の方が、フリー磁性層よりも下側に形成されている非磁性導電層の膜厚よりも厚く形成されているので、フリー磁性層の下側の層に比べ、上側の層にセンス電流が多く流れるようになっている。
【００７０】
そこで、図２に示す上下非対称構造（実施例）のデュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層２０の中心からシールド層３０，３１までの距離ＧＬ１，ＧＬ２を異なる値で形成して、センス電流値とアシンメトリーとの関係について実験を行った。その実験結果を図８に示す。なお、図８に示す横軸のセンス電流については、例えば図２に示すセンス電流の向きを、紙面垂直手前方向とした場合には、前記センス電流値を正の値とし、紙面垂直奥方向とした場合には、前記センス電流電流値を負の値としている。
【００７１】
なお図８には、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）であって、フリー磁性層の中心からシールド層までの距離ＧＬ１，ＧＬ２が同じ１０５０オングストロームで形成された場合の実験結果も合わせて載せてある。
【００７２】
図８に示すように、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（前記実施例）の場合、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１を１４００オングストロームとし、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を７００オングストロームとした場合、センス電流を約４ｍＡ流したとき、アシンメトリーを０％にできることがわかる。
【００７３】
また、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１を７００オングストロームとし、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を１４００オングストロームとした場合、センス電流を約−４ｍＡ流したとき、アシンメトリーを０％にできることがわかる。
【００７４】
以上のように、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合であっても、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（前記実施例）の場合であっても、フリー磁性層の中心からシールド層までの距離を、前記フリー磁性層の上側と下側で変えることによって、アシンメトリーを０％に合わせ込むことができるが、アシンメトリーを０％にするために必要なセンス電流値は、上下対称構造の場合と上下非対称構造の場合とでは異なっている。
【００７５】
前述のように、前記比較例として示した上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子であって、図７に示すように、ＧＬ１を１４００オングストロームとし、ＧＬ２を７００オングストロームとした場合、アシンメトリーを０％にするには、６ｍＡのセンス電流が必要である。
【００７６】
一方、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）であって、図８に示すように、ＧＬ１を１４００オングストロームとし、ＧＬ２を７００オングストロームとした場合、アシンメトリーを０％にするには、４ｍＡのセンス電流が必要である。
【００７７】
このように、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）の場合は、上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）の場合よりも２ｍＡ大きいセンス電流磁界を流さないと、アシンメトリーを０％に合わせ込むことができないことになる。この２ｍＡのセンス電流値の差は、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を形成する各層の膜厚等によって変わるが、上述した比較例及び実施例の膜構成の場合、表１に示すように、比較例では、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２の合計値が−３０Ｏｅであるのに対し、実施例では、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２の合計値がー２２Ｏｅであり、元々、シールドバイアス磁界によって補うべき磁界の絶対値が実施例の場合の方が小さいこと、また、実施例の場合では、センス電流磁界（センス電流磁界Ｉｓ１とセンス電流磁界Ｉｓ２のベクトル和）が加味されるから、シールドバイアス磁界（シールドバイアス磁界Ｓ１とシールドバイアス磁界Ｓ２のベクトル和）と前記センス電流磁界によってアシンメトリーを０％にすることが可能となっている。前記シールドバイアス磁界と前記センス電流磁界の強さは、共にセンス電流値に依存しており、また、距離ＧＬ１，ＧＬ２や、センス電流を流す方向を適正に調整することによって、フリー磁性層に流入する前記シールドバイアス磁界と前記センス電流磁界の方向を共に同じにすることができる。シールドバイアス磁界と前記センス電流磁界の方向を同じにすれば、シールドバイアス磁界のみによって、アシンメトリーを０％に合わせ込むことができた上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）の場合に必要なセンス電流量に比べ、小さいセンス電流によって、必要な磁界量を、シールドバイアス磁界と前記センス電流磁界の双方によって補うことができる。
【００７９】
次に、シールドバイアス磁界を用いず、センス電流磁界のみによってアシンメトリーを０％とするために、図２に示す上下非対称構造（実施例）のデュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層２０の中心からシールド層３０，３１までの距離ＧＬ１，ＧＬ２を同じ１０５０オングストロームで形成し、センス電流量と、アシンメトリーとの関係について実験を行った。その実験結果を図９に示す。なお、図９に示す横軸のセンス電流については、例えば図２に示すセンス電流の向きを、紙面垂直手前方向とした場合には、前記センス電流値を正の値とし、紙面垂直奥方向とした場合には、前記センス電流電流値を負の値としている。
【００８０】
なお図９には、上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）であって、フリー磁性層の中心からシールド層までの距離ＧＬ１，ＧＬ２が同じ１０５０オングストロームで形成された場合の実験結果も合わせて載せてある。図９に示すように比較例の場合にあっては、センス電流値を変えても、アシンメトリーは一定値をたどり、前記アシンメトリーは約−２０％である。
【００８１】
上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、図２に示すフリー磁性層２０から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１とフリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を共に１０５０オングストロームとし、センス電流値とアシンメトリーとの関係について測定した。
【００８２】
図９に示すように、センス電流値を変えると、アシンメトリーは変化し、前記センス電流値を約１０ｍＡにすると、アシンメトリーを０％にできることがわかる。上述した膜構成で形成された上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子の場合には、フリー磁性層よりも上側に形成されている非磁性導電層（上）の方がフリー磁性層よりも下側に形成されている非磁性導電層（下）よりも４オングストローム厚く形成されているため、センス電流はフリー磁性層よりも上側に多く流れることになる。
【００８３】
センス電流量を多くすれば、図２に示すフリー磁性層２０の上側から発生するセンス電流磁界Ｉｓ２が、フリー磁性層２０の下側から発生するセンス電流磁界Ｉｓ１よりも、より大きくなっていく。前記センス電流磁界Ｉｓ１とセンス電流磁界Ｉｓ２とのベクトル和で求めることができるセンス電流磁界は、センス電流の大きさに比例することが、図９からも容易に理解することができる。
【００８５】
以上のように本発明では、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を、積極的に上下非対称構造とし、センス電流を流す方向とその大きさを適正に調節することによって、フリー磁性層に影響を与えるすべての磁界を相殺でき、よってアシンメトリーを０％にすることを可能にしている。
【００８６】
上述した実施例では、フリー磁性層の上下に形成されている非磁性導電層を異なる膜厚で形成することにより、フリー磁性層の上下を非対称構造としていたが、フリー磁性層の上下に形成されているいずれの同一層を異なる膜厚で形成して、上下非対称構造としてもよい。
【００８７】
本発明では、フリー磁性層の上下に形成されている固定磁性層の膜厚を異なる膜厚で形成したり、前記フリー磁性層の上下に形成されている反強磁性層の膜厚を異なる膜厚で形成したり、あるいは、フリー磁性層の下側の反強磁性層の下に形成されている金属下地層とフリー磁性層の上側の反強磁性層の上に形成されている金属保護層の膜厚を異なる膜厚で形成したりして、スピンバルブ型薄膜素子を上下非対称構造としている。
【００８８】
また、フリー磁性層の上下に形成されている１組の同一層を異なる膜厚で形成するのではなく、２組以上の同一層を異なる膜厚で形成し、スピンバルブ型薄膜素子を上下非対称構造としてもよい。
【００９０】
ところで、図１１に示すようなフリー磁性層１の中心からシールド層１０，１１までの距離ＧＬ１，ＧＬ２が同じである上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子であっても、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を構成する各層を適正な膜厚で形成すれば、アシンメトリーを０％にすることは可能である。例えば、次のような膜構成の場合である。下から、
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（２０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（２０）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（２０）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（２０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
である。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。この膜構成の場合、図５、６を参照すると、フリー磁性層よりも下側から作用する層間結合磁界Ｈｂｆ１は３（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ１は−１２（Ｏｅ）、フリー磁性層よりも上側から作用する層間結合磁界Ｈｂｆ２は２２（Ｏｅ）、作用磁界は−１２（Ｏｅ）となり、合計値はほぼ０になる。しかしこの膜構成の場合、アシンメトリーは良好であるが、固定磁性層（下）（上）の膜厚は２０オングストロームと薄いために、抵抗変化率は７．０％と低くなってしまう（図３参照）。
【００９１】
あるいは、次のような膜構成の場合であってもアシンメトリーは良好である。下から、
Ｓｉ／アルミナ／Ｔａ（５０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層（下）：Ｃｏ（４０）／非磁性導電層（下）：Ｃｕ（１９）／フリー磁性層：Ｃｏ（１０）＋ＮｉＦｅ（６０）＋Ｃｏ（１０）／非磁性導電層（上）：Ｃｕ（１９）／固定磁性層（上）：Ｃｏ（４０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／Ｔａ（５０）
である。なお括弧内の数値は膜厚を表しており、単位はオングストロームである。この膜構成の場合、図５，６に示すように、フリー磁性層よりも下側から作用する層間結合磁界Ｈｂｆ１は１０（Ｏｅ）、作用磁界Ｈｄ１は−２４（Ｏｅ）、フリー磁性層よりも上側から作用する層間結合磁界Ｈｂｆ２は４０（Ｏｅ）、作用磁界は−２４（Ｏｅ）であり、合計値はほぼ０になる。しかしこの膜構成の場合、アシンメトリーは良好であるが、非磁性導電層（下）（上）の膜厚は１９オングストロームと薄いために、抵抗変化率は１０．１％とデュアルスピンバルブ型薄膜素子としては、それほど高い抵抗変化率を得ることができない（図４参照）。
【００９２】
すなわち、本発明では、デュアルスピンバルブ型薄膜素子の最大の特徴である高抵抗変化率を維持しつつ、同時に、アシンメトリーを０％にすることを目的としており、このため、まず高い抵抗変化率を得ることができる各層の膜厚を選んで、フリー磁性層の上下を非対称構造にし、これによって、従来利用することのできなかったセンス電流磁界を積極的に利用できるようになり、アシンメトリーを０％に合わせることが可能になる。
【００９３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明おける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）を記録媒体との対向面側から見た断面図である。
【００９４】
図１に示すスピンバルブ型薄膜素子１９の下側には、ギャップ層（図示しない）を介して下部シールド層３０が形成されており、また前記スピンバルブ型薄膜素子の上側には、ギャップ層（図示しない）を介して上部シールド層３１が形成されている。
【００９５】
図１に示すスピンバルブ型薄膜素子１９の最も下に形成されているのは、Ｔａ（タンタル）などの非磁性導電材材料で形成された金属下地層３２である。
【００９６】
そして前記金属下地層３２の上に、反強磁性層（下）２５、固定磁性層（下）２３、非磁性導電層（下）２１、及びフリー磁性層２０が連続して積層されており、さらに前記フリー磁性層２０の上に、非磁性導電層（上）２２、固定磁性層（上）２４、反強磁性層（上）２６、及びＴａなどで形成された金属保護層３３が連続して積層されている。前記金属下地層３２は、反強磁性層（下）２５の結晶配向性を整えるためと、前記反強磁性層（下）２５の酸化防止のために設けられている。金属保護層３３は、反強磁性層（上）２６の酸化防止のために設けられている。
【００９７】
また図１に示すように、金属下地層３２から金属保護層３３までの積層体のい両側にハードバイアス層３４，３４および導電層３５，３５が積層されている。
【００９８】
本発明では、前記反強磁性層（下）２５、（上）２６がＰｔＭｎ（白金ーマンガン）合金膜により形成されている。ＰｔＭｎ合金膜は、従来から反強磁性材料として使用されているＦｅＭｎ合金膜、ＮｉＭｎ合金膜などに比べてブロッキング温度が高く、耐熱性に優れているなどを特性を有している。またＰｔＭｎ合金に代えてＸ−Ｍｎ合金（Ｘ＝Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｈ）、あるいはＰｔ−Ｍｎ−Ｘ系合金（Ｘ＝Ｎｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｃｏ）を反強磁性層２５（下）、２６（上）として使用してもよい。
【００９９】
次に本発明では、固定磁性層２３（下）、２４（上）は、ＮｉＦｅ合金膜、ＣｏＦｅ合金膜、ＣｏＦｅＮｉ合金膜、Ｃｏ膜などで形成されている。フリー磁性層２０は、固定磁性層２３、２４と同じ材質で形成されていてもよいが、より抵抗変化率を向上させるには、前記フリー磁性層２０をＣｏ膜−ＮｉＦｅ膜−Ｃｏ膜の３層構造で形成することが好ましい。
【０１００】
また、非磁性導電層（下）２１，（上）２２はＣｕ膜、前記ハードバイアス層３４，３４は例えばＣｏＰｔ（コバルト−白金）合金膜やＣｏＣｒＰｔ（コバルト−クロム−白金）合金膜、さらに導電層３５，３５はＣｒ（クロム）やＣｕ（銅）などにより形成されている。また、下部シールド層３０、及び上部シールド層３１はＮｉＦｅ合金膜で形成され、ギャップ層（図示しない）はアルミナ膜で形成されている。
【０１０１】
図１に示すように、固定磁性層（下）２３，（上）２４は反強磁性層（下）２５，（上）２６と接して形成され、この状態で図示Ｙ方向（ハイト方向；記録媒体からの漏れ磁界方向）に磁場をかけながら、熱処理が施されることにより、両層の界面で交換結合磁界が得られ、前記固定磁性層（下）２３，（上）２４の磁化がＹ方向に固定される。
【０１０２】
また前記ハードバイアス層３４，３４は図示Ｘ方向（トラック幅方向）に磁化されており、フリー磁性層２０の磁化は前記ハードバイアス層３４，３４からのバイアス磁界の影響を受けて、図示Ｘ方向に揃えられる。
【０１０３】
図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、導電層３５，３５から固定磁性層（下）２３，（上）２４、非磁性導電層（下）２１，（上）２２およびフリー磁性層２０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２０の磁化方向が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２０と固定磁性層（下）２３，（上）２４のうち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（下）２１，（上）２２と固定磁性層（下）２３，（上）２４との界面、または非磁性導電層（下）２１，（上）２２とフリー磁性層２０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。
【０１０４】
ところで本発明では、図１に示すように、フリー磁性層２０の下側に形成されている非磁性導電層（下）２１は、その膜厚がｈ４で形成され、具体的には、１６〜３８オングストロームの範囲内で形成されている。またフリー磁性層２０の上側に形成されている非磁性導電層（上）２２は、その膜厚がｈ５で形成され、具体的には、１９〜３８オングストロームの範囲内で形成されている。また、フリー磁性層２０の下側に形成されている固定磁性層（下）２３は、その膜厚がｈ６で形成され、具体的には、１５〜８０オングストロームの範囲内で形成されている。さらにフリー磁性層２０よりも上側に形成されている固定磁性層（上）２４は、その膜厚がｈ７で形成され、具体的には、１５〜８０オングストロームの範囲内で形成されている。
【０１０５】
さらに、フリー磁性層２０よりも下側に形成されている反強磁性層（下）２５は、その膜厚がｈ８で形成され、フリー磁性層２０よりも上側に形成されている反強磁性層（上）２６は、その膜厚がｈ９で形成されている。
【０１０６】
また、フリー磁性層２０の下側の反強磁性層（下）２５の下に形成されている金属下地層３２は、その膜厚がｈ１０で形成され、フリー磁性層２０の上側の反強磁性層（上）２６の上に形成されている金属保護層３３は、その膜厚がｈ１１で形成されている。
【０１０７】
非磁性導電層（下）２１，（上）２２及び固定磁性層（下）２３，（上）２４が上述した膜厚範囲内で形成され、しかも反強磁性層（下）２５，（上）２６が２００オングストローム程度で形成されることにより、４％以上の抵抗変化率が得られることが実験により確認されている（図３，４参照）。なお４％の抵抗変化率は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、及びフリー磁性層が１層ずつ形成された、いわゆるシングルスピンバルブ型薄膜素子の場合の平均的な抵抗変化率であり、本発明によれば、少なくともシングルスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率よりも大きい抵抗変化率を得ることが可能である。
【０１０８】
また図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層２０の上下に形成されている非磁性導電層（下）２１，（上）２２が異なる膜厚で形成されており、フリー磁性層２０を中心にしてその上下の積層膜が非対称構造で形成されている。
【０１０９】
また本発明では、フリー磁性層２０の上下に形成されている固定磁性層（下）２３，（上）２４が異なる膜厚で形成されていてもよいし、また、フリー磁性層２０の上下に形成されている反強磁性層（下）２５，（上）２６が異なる膜厚で形成されていてもよいし、さらには、フリー磁性層２０の下側に形成されている金属下地層３２と、フリー磁性層２０の上側に形成されている金属保護層３３とが異なる膜厚で形成されていてもよい。
【０１１０】
すなわち本発明では、フリー磁性層２０の上下に形成されている少なくとも１組の同一層が異なる膜厚で形成されており、これにより、フリー磁性層２０の上下の積層膜が非対称構造となっている。
【０１１１】
次にフリー磁性層２０に流入する様々な磁界について図２を参照しながら、以下に説明する。
【０１１２】
まず、図２に示すように、固定磁性層（下）２３，（上）２４から、非磁性導電層（下）２１，（上）２２を介してフリー磁性層２０には、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２が働いている。この層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２は、非磁性導電層（下）２１，（上）２２の膜厚を変化させると、強さが変わることが実験により確認されている（図５参照）。また、仮に、非磁性導電層（下）２３，（上）２４の膜厚が同じである場合、フリー磁性層２０よりも下側で作用する層間結合磁界Ｈｂｆ１の方が、フリー磁性層２０よりも上側で作用する層間結合磁界Ｈｂｆ２に比べて小さくなることが図５から見てわかる。
【０１１３】
また図２に示すように、固定磁性層（下）２３，（上）２４の磁化は、記録媒体Ｄから離れる方向（図示右方向、ハイト方向）に固定されており、固定磁性層（下）２３，（上）２４からは、フリー磁性層２０に直接、作用磁界（反磁界）Ｈｄ１，Ｈｄ２が働いている。
【０１１４】
この作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は、固定磁性層（下）２３，（上）２４の膜厚に依存することが実験により確認されている（図６参照）。さらに図６に示すように、仮に固定磁性層（下）２３，（上）２４の膜厚が共に同じ膜厚である場合、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は共に同じ強さであることがわかる。
【０１１５】
さらに、導電層３５，３５（図１参照）からは、センス電流３６（図２参照）が、固定磁性層（下）２３，（上）２４の磁化方向と交叉する方向、例えば図２に示すように、紙面垂直上方向に流れる。このセンス電流３６は主に、比抵抗の小さい非磁性導電層（下）２３，（上）２４を中心にして流れる。
【０１１６】
センス電流３６が流れることにより、右ねじの法則によってセンス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２が発生する。センス電流３６が、図２の紙面垂直上方向に流れると、フリー磁性層２０よりも下層から発生するセンス電流磁界Ｉｓ１は、フリー磁性層２０に、図示右方向から流入し、またフリー磁性層２０よりも上層から発生するセンス電流磁界Ｉｓ２は、フリー磁性層２０に図示左方向から流入する。さらに、スピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層２０の中心から、ＧＬ１離れた下側に下部シールド層３０が形成され、さらに、前記フリー磁性層２０の中心から、ＧＬ２離れた上側に上部シールド層３１が形成されており、前記センス電流磁界の影響を受けて、前記下部シールド層３０からはフリー磁性層２０に、シールドバイアス磁界Ｓ１が、上部シールド層３１からはフリー磁性層２０に、シールドバイアス磁界Ｓ２が、それぞれ働いている。
【０１１７】
ここでフリー磁性層２０に対し、図示右方向へ流入する磁界を正の値、図示左方向へ流入する磁界を負の値と定めると、図２に示す層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２、センス電流磁界Ｉｓ２、及びシールドバイアス磁界Ｓ２は、正の値、図２に示す作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２、センス電流磁界Ｉｓ１、及びシールドバイアス磁界Ｓ１は負の値となる。
【０１１８】
フリー磁性層２０に流入する全ての磁界の合計値が０になれば、アシンメトリーを０％にできるが、本発明では、スピンバルブ型薄膜素子の構造を上下非対称構造にすることで、それを可能にしている。
【０１１９】
詳述すれば、上下非対称構造にすることで、フリー磁性層２０よりも下層からのセンス電流磁界Ｉｓ１の強さとフリー磁性層２０の上層からのセンス電流Ｉｓ２の強さが異なる値になり、センス電流量を増やせば、前記センス電流Ｉｓ１とＩｓ２との差を大きくでき、このセンス電流磁界Ｉｓ１とＩｓ２とのベクトル和によるセンス電流磁界を、フリー磁性層２０に作用させることが可能である。
【０１２０】
例えば図２に示すスピンバルブ型薄膜素子の場合、ＧＬ１とＧＬ２が同じ値であると、シールドバイアス磁界Ｓ１とＳ２は同じ強さになり、またフリー磁性層２０に流入する方向も反対向きであるので、前記シールドバイアス磁界Ｓ１，Ｓ２どうしは相殺される。すなわち、アシンメトリーを０％に合わせ込むには、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２、作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２、及びセンス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２のベクトル和が０となるようにしなければならない。ここで、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２のベクトル和が０にならず、例えば、前記ベクトル和が、フリー磁性層２０に対し、図示左方向（負の値）の成分を有しているとすると、前記ベクトル和と同じ強さであって、フリー磁性層２０に対し、図示右方向（正の値）の磁界を、前記フリー磁性層２０に流入すれば、アシンメトリーを０％に合わせ込むことが可能である。
【０１２１】
図２に示すスピンバルブ型薄膜素子では、非磁性導電層（上）２２の方が、非磁性導電層（下）に比べ、膜厚が厚く形成されており、しかも、センス電流３６は紙面垂直上方向に流れているので、センス電流磁界Ｉｓ２の方がセンス電流磁界Ｉｓ１よりも強く、フリー磁性層２０に図示右方向へのセンス電流磁界（センス電流磁界Ｉｓ１（ベクトル値）＋センス電流磁界Ｉｓ２（ベクトル値））を流入させることができる。センス電流量を増やせば、センス電流磁界Ｉｓ１，Ｉｓ２の差は大きくなり、あるセンス電流量で、センス電流磁界（センス電流磁界Ｉｓ１（ベクトル値）＋センス電流磁界Ｉｓ２（ベクトル値））と、層間結合磁界Ｈｂｆ１，Ｈｂｆ２と作用磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２のベクトル和とを一致させることができ、アシンメトリーを０％に合わせ込むことができる。
【０１２２】
図２に示すスピンバルブ型薄膜素子では、非磁性導電層（下）２１，（上）２２の膜厚を異なる膜厚で形成することによって、フリー磁性層２０の上下の積層膜を非対称構造にしているが、非磁性導電層（下）２１，（上）２２以外の、フリー磁性層２０の上下に形成されている一組の同一層、あるいは二組以上の同一層を異なる膜厚で形成することによって、スピンバルブ型薄膜素子を上下非対称構造にし、センス電流磁界を利用して、アシンメトリーを０に合わせ込むことが可能である。
【０１２３】
以上のように本発明では、デュアルスピンバルブ型薄膜素子を上下非対称構造にし、且つ、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子を構成する各層を適正な膜厚で形成することによって、少なくともシングルスピンバルブ型薄膜素子の抵抗変化率（約４％）よりも大きい抵抗変化率を得ることができるようにし、同時に、センス電流の方向と大きさを適正に調整することによって、アシンメトリーを０％に合わせることが可能である。
【０１２４】
図２に示すデュアルスピンバルブ型薄膜素子では、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１と、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２は、同じ距離で形成されているが、この距離ＧＬ１とＧＬ２とを異なる値で形成することによって、シールドバイアス磁界をフリー磁性層２０に作用させることが可能である。
【０１２５】
例えば、図２に示すフリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１と、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２とを異なる値で形成すると、下部シールド層３０からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ１と、上部シールド層３１からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ２とが異なる強さになり、前記シールドバイアス磁界Ｓ１，Ｓ２のベクトル和で求めることができるシールドバイアス磁界を、アシンメトリーを０％に合わせるために使用することができる。例えば、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１を、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２よりも短くすれば、下部シールド層３０からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ１の方が、上部シールド層３１からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ２よりも強くなり、図示左方向へのシールドバイアス磁界（シールドバイアス磁界Ｓ１（ベクトル和）＋シールドバイアス磁界Ｓ２（ベクトル和））をフリー磁性層２０に流入させることができる。また、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３０までの距離ＧＬ１よりも短くすれば、上部シールド層３１からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ１の方が、下部シールド層３０からフリー磁性層２０に作用するシールドバイアス磁界Ｓ２よりも強くなり、図示右方向へのシールドバイアス磁界（シールドバイアス磁界Ｓ１（ベクトル和）＋シールドバイアス磁界Ｓ２（ベクトル和））をフリー磁性層２０に流入させることができる。
【０１２６】
すなわち、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１と、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を異なる値で形成することにより、センス電流磁界のみならず、シールドバイアス磁界をも、アシンメトリーを０％に合わせるために用いることができる。特に、シールドバイアス磁界を使用できる最大のメリットは、センス電流磁界のみによってアシンメトリーを０％に合わせるのに必要なセンス電流量よりも、小さいセンス電流量で、アシンメトリーを０％に合わせることができる点にある。
【０１２７】
例えば、図２に示すセンス電流３６を紙面垂直上方向に１０ｍＡ流すことによって、上下非対称構造であるスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層２０に図示右方向に、ある一定のセンス電流磁界（センス電流磁界Ｉｓ１（ベクトル値）＋センス電流磁界Ｉｓ２（ベクトル値））を発生させ、アシンメトリーを０％に合わせることが可能であるとする。この場合、フリー磁性層２０の中心から上部シールド層３１までの距離ＧＬ２を、フリー磁性層２０の中心から下部シールド層３０までの距離ＧＬ１よりも短くすると、シールドバイアス磁界Ｓ２の方が、シールドバイアス磁界Ｓ１よりも強くなり、フリー磁性層２０には、前述したセンス電流磁界と同一方向である図示右方向のシールドバイアス磁界（シールドバイアス磁界Ｓ１（ベクトル値）＋シールドバイアス磁界Ｓ２（ベクトル値））が作用する。このため、センス電流量を１０ｍＡよりも小さくし、図示右方向に作用するセンス電流磁界の強さを弱めても、その弱くなった分の磁界の強さを、図示右方向に作用するシールドバイアス磁界によって補うことができ、アシンメトリーを０％に合わせ込むことが可能である。このように、センス電流量を小さくできれば、発熱量などを抑制できる効果がある。
【０１２８】
また、従来のように上下対称構造のスピンバルブ型薄膜素子であると、アシンメトリーを０％に合わせるために、センス電流磁界を使用できないが、前記センス電流磁界に代わって、シールドバイアス磁界によって、アシンメトリーを０％に合わせることができる。
【０１２９】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、フリー磁性層の上下に形成されている一組の同一層、あるいは二組以上の同一層を異なる膜厚で形成することにより、フリー磁性層の上下を非対称構造にし、センス電流の大きさ及び流す方向を適正に調整することによって、アシンメトリーを０％に合わせることができる。
【０１３０】
特に本発明によれば、スピンバルブ型薄膜素子を構成する各層の膜厚を、抵抗変化率が高くなるように任意に決定し、これにより、フリー磁性層の上下が非対称構造であれば、前述のように、センス電流の大きさ及び流す方向を適正に調整することによって、アシンメトリーを０％に合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における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）を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】図１に示すスピンバルブ型薄膜素子の縦断面を模式図的に示した図、
【図３】デュアルスピンバルブ型薄膜素子を構成する非磁性導電層（下）（上）の膜厚と抵抗変化率との関係を示すグラフ、
【図４】デュアルスピンバルブ型薄膜素子を構成する固定磁性層（下）（上）の膜厚と抵抗変化率との関係を示すグラフ、
【図５】下配置シングルスピンバルブ型薄膜素子、及び上配置シングルスピンバルブ型薄膜素子を構成する各非磁性導電層の膜厚と、層間結合磁界Ｈｂｆとの関係を示すグラフ、
【図６】デュアルスピンバルブ型薄膜素子を構成する固定磁性層（下）（上）の膜厚と、各固定磁性層からの作用磁界Ｈｄとの関係を示すグラフ、
【図７】上下対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（比較例）を形成し、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層の中心からシールド層までの距離ＧＬ１，ＧＬ２を異なる値、あるいは同じ値で形成した場合における、センス電流とアシンメトリーとの関係を示すグラフ、
【図８】上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）を形成し、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層の中心からシールド層までの距離ＧＬ１，ＧＬ２を異なる値で形成した場合における、センス電流とアシンメトリーとの関係を示すグラフ、
【図９】上下非対称構造のデュアルスピンバルブ型薄膜素子（実施例）を形成し、前記デュアルスピンバルブ型薄膜素子のフリー磁性層の中心からシールド層までの距離ＧＬ１，ＧＬ２を同じ値で形成した場合における、センス電流とアシンメトリーとの関係を示すグラフ、
【図１０】従来における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）を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図１１】図１０に示すスピンバルブ型薄膜素子の縦断面を模式図的に示した図、
【符号の説明】
２０  フリー磁性層
２１  非磁性導電層（下）
２２  非磁性導電層（上）
２３  固定磁性層（下）
２４  固定磁性層（上）
２５  反強磁性層（下）
２６  反強磁性層（上）
３０  下部シールド層
３１  上部シールド層
３２  金属下地層
３３  金属保護層
３４  ハードバイアス層
３５  導電層
３６  センス電流
Ｈｂｆ１、Ｈｂｆ２  層間結合磁界
Ｈｄ１、Ｈｄ２  作用磁界
Ｉｓ１、Ｉｓ２  センス電流磁界
Ｓ１、Ｓ２  シールドバイアス磁界
ＧＬ１、ＧＬ２  （フリー磁性層の中心からシールド層までの）距離
【図１】
0003694430.tif 000003
【図２】
0003694430.tif 000004
【図３】
0003694430.tif 000005
【図４】
0003694430.tif 000006
【図５】
0003694430.tif 000007
【図６】
0003694430.tif 000008
【図７】
0003694430.tif 000009
【図８】
0003694430.tif 000010
【図９】
0003694430.tif 000011
【図１０】
0003694430.tif 000012
【図１１】
0003694430.tif 000013