(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の主表面上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつＣｏを構成元素として含むと共に、bi-crystal構造を有する硬質磁性膜を有する一対のバイアス磁界印加膜と、
前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
基板と、
前記基板の主表面上に表面層として成膜され、かつ金属酸化物および金属窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる絶縁層と、
前記基板の絶縁層上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつ前記基板の絶縁層上に順に積層されたアモルファス層、金属結晶層およびＣｏを構成元素として含む硬質磁性膜を有すると共に、前記アモルファス層の膜厚が2nm以上で前記アモルファス層と前記金属結晶層との合計膜厚が50nm以下である一対のバイアス磁界印加膜と、
前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
基板と、
前記基板の主表面上に表面層として成膜され、かつ金属酸化物および金属窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる絶縁層と、
前記基板の絶縁層上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつ前記基板の絶縁層上に形成された結晶性金属下地膜と、前記絶縁層と前記結晶性金属下地膜との間に生成され、前記絶縁層の構成元素と前記結晶性金属下地膜の構成元素とを含むミキシング層と、前記結晶性金属下地膜上に形成されたＣｏを構成元素として含む硬質磁性膜とを有すると共に、前記ミキシング層の膜厚が2nm以上で前記ミキシング層と前記結晶性金属下地膜との合計膜厚が50nm以下である一対のバイアス磁界印加膜と、
前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極と
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の磁気抵抗効果素子において、
前記硬質磁性膜はbi-crystal構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項２記載の磁気抵抗効果素子において、
前記アモルファス層は前記基板の絶縁層と前記金属結晶層との反応層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項２または請求項５記載の磁気抵抗効果素子において、
前記金属結晶層は結晶性金属下地膜と反応性金属結晶層とを有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項３または請求項６記載の磁気抵抗効果素子において、
前記結晶性金属下地膜はその膜厚の5倍以上の平均結晶粒径を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、
前記硬質磁性膜は膜面垂直方向にＣｏ(110)配向していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、
前記金属結晶層または結晶性金属下地膜は、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、ＭｏおよびＡｌから選ばれる少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、
前記金属結晶層または結晶性金属下地膜は、bcc(200)配向成分を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
下側磁気シールド層と、
前記下側磁気シールド層上に下側再生磁気ギャップを介して形成された、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子上に上側再生磁気ギャップを介して形成された上側磁気シールド層と
を具備することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１記載の磁気ヘッドを有する再生ヘッドと、
前記磁気ヘッドの前記下側磁気シールド層と共通化された下側磁極と、前記下側磁極上に形成された記録磁気ギャップと、前記記録磁気ギャップ上に設けられた上側磁極と、前記下側磁極および前記上側磁極に記録磁界を供給する記録コイルとを有する記録ヘッドと
を具備することを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果膜に情報を記憶する書き込み電極と、
前記磁気抵抗効果素子の前記電極からなる、前記磁気抵抗効果膜に記憶された情報を再生する読み出し電極と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生ヘッドおよび磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＤＤなどの磁気記録装置では、記録密度の向上を図るために記録トラック幅を縮小する方向に進んでいる。この記録トラック幅の縮小に伴う再生出力の低下を補うために、高感度な磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を適用した磁気ヘッド  （ＭＲヘッド）が使用されるようになってきている。特に、信号磁界に応じて磁化回転する強磁性膜（以下、感磁層と記す）、非磁性膜、反強磁性膜からのバイアス磁界で磁化が固着された強磁性膜（以下、磁化固着層と記す）および反強磁性膜を順に積層した磁性多層膜からなる、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示すスピンバルブ膜を用いたＭＲヘッドが、次世代のＭＲヘッドとして有望視されている。
【０００３】
スピンバルブ膜を用いたＭＲヘッドでは、感磁層の磁壁に起因するバルクハウゼンノイズの除去が実用化の上で大きな課題となっている。すなわち、磁区制御されておらず、様々な磁区を持つ感磁層に外部磁界が加わると、各磁区の磁化方向が一斉に一方向に揃う。この際に出力波形に雑音（バルクハウゼンノイズ）が発生する。このような問題に対して、図３６に示すように、スピンバルブ膜１の両側にＣｏＰｔ膜などの硬質磁性膜２をそれぞれ配置した、いわゆるアバットジャンクション方式のＭＲヘッドが提案されている。スピンバルブ膜１中の感磁層は、その両側に配置された硬質磁性膜２からのバイアス磁界（縦バイアス）により磁区制御されている。このようなバイアス磁界により感磁層を単磁区化することによって、バルクハウゼンノイズを抑制することができる。
【０００４】
図３６に示すＭＲヘッドにおいて、スピンバルブ膜１上にはそれにセンス電流を供給するための一対の電極３が形成されている。スピンバルブ膜１はそれぞれ磁気ギャップ膜４、５介して配置された上下一対の磁気シールド層６、７により挟持されており、シールド型ＭＲヘッドを構成している。
【０００５】
ここで、感磁層の磁区制御を長期にわたって安定に維持するために、硬質磁性膜２は安定した高い保磁力Ｈｃ  を有することが望まれる。さらに、種々の感磁層に対して良好にバイアス磁界を印加する上で、硬質磁性膜２は大きな残留磁化  Ｍｒ  を有することが望まれる。しかしながら、現状のＭＲヘッドにおいては、構造的に硬質磁性膜の膜厚をあまり厚くすることができないことや硬質磁性膜の結晶構造の制御が不十分であることなどに起因して、硬質磁性膜の保磁力Ｈｃ  や残留磁化Ｍｒ  は不満足な値しか得られていない。
【０００６】
さらに、近年の磁気記録装置の高密度化に伴い、ＭＲヘッドの磁気記録媒体からの浮上量は低くなる傾向にある。具体的には、低浮上状態から擬似接触状態、さらには接触状態となることが予想される。ＭＲヘッドと記録媒体との距離が短くなると、保磁力の低い硬質磁性膜は磁化反転しやすくなる。硬質磁性膜で磁化反転が発生すると、感磁層の磁化が不安定となって磁区が形成される。感磁層における磁区の形成は、上述したようにバルクハウゼンノイズの発生原因となる。硬質磁性膜の保磁力を向上させるための対策としては、例えば  １００ｎｍを超えるような厚い非磁性下地膜を適用し、下地層（シード層）としての効果を高めて硬質磁性膜の結晶性を向上させることが考えられる。硬質磁性膜の結晶性の向上は磁気異方性の増大に寄与し、硬質磁性膜の保磁力を高めることができる。このような対策は磁気記録媒体の磁気記録層としての硬質磁性膜で適用されている。
【０００７】
しかしながら、アバットジャンクション方式のＭＲヘッドにおいては、高密度化により挟ギャップ化が進むとバイアス磁界が磁気シールド層に漏洩し、感磁層にかかる実効的なバイアス磁界が小さくなるという問題がある。さらに、厚い非磁性下地膜を適用した場合、アバットジャンクション方式では硬質磁性膜とスピンバルブ膜との間に厚い非磁性下地膜が介在することになる。その結果、感磁性層へのバイアス効果が低減されてしまう。
【０００８】
硬質磁性膜の保磁力を向上させるための対策として、さらにバイアス磁界を補うために硬質磁性膜を厚くすることが考えられる。しかしながら、高記録密度対応の狭トラック幅の磁気ヘッドにおいては、いたずらに硬質磁性膜の膜厚を厚くすることは感度の低下に繋がる。さらに、スピンバルブ膜よりも厚い硬質磁性膜を用いた場合、硬質磁性膜の膜厚中心はより磁化固着層に近くなる。磁化固着層の磁化を固着している反強磁性膜は異方性磁界が弱いため、硬質磁性膜と反強磁性膜との界面近傍で磁化固着層の磁化反転が生じやすくなる。磁化固着層の磁化反転はノイズの発生原因となる。
【０００９】
上記したアバットジャンクション方式に代えて、例えば図３７に示すように、スピンバルブ膜１を硬質磁性膜２上に延在させ、スピンバルブ膜１の感磁層と硬質磁性膜２とを交換結合させたバイアス方式が提案されている。このようなヘッド構造（オーバーレイド構造）においては、厚い硬質磁性膜２をイオンミリングなどでエッチング加工した後、スピンバルブ膜１が形成される。このため、エッチング後の下側磁気ギャップ膜４はその表面荒れが激しくなる。
【００１０】
上記したような平坦性が低い下側磁気ギャップ膜４上にスピンバルブ膜１を形成すると、異方性磁界Ｈｋ  の不安定化、困難軸方向の抗磁力Ｈｃ  の発現、感磁層と磁化固着層間の層間結合磁界Ｈｉｎの増大など、磁気特性が不安定になるという問題が生じる。このような磁気特性の不安定化はバルクハウゼンノイズの発生原因となる。下側磁気ギャップ膜４の表面荒れは、硬質磁性膜２自体の表面荒れがイオンミリングにより転写されることによっても発生する。
【００１１】
さらに、オーバーレイド構造の場合には、図３８に示すように、硬質磁性膜の保磁力Ｈｃ  （Ｍ点）が大きくても残留磁化Ｍｒ  が低いと、スピンバルブ膜などのＧＭＲ膜と硬質磁性膜の積層膜のトータルの抗磁力Ｈｃ  （Ｌ点）が低下して、バルクハウゼンノイズの発生が増大する。現状のＭＲヘッドにおける硬質磁性膜では、上述したように十分な残留磁化Ｍｒ  は得られていない。
【００１２】
一方、磁気記録媒体の磁気記録層としての硬質磁性膜においては、高密度磁気記録で低ノイズを達成するために、低Ｍｒ  ・ｔ（残留磁化Ｍｒ  ×膜厚ｔ）が必要とされている。しかし、Ｃｏ系硬質磁性膜では膜厚を例えば１０ｎｍ以下というように薄くすると良好な磁気特性が得られない。具体的には、保磁力Ｈｃ  や角形比Ｓなどが低下してしまう。例えば、低Ｍｒ  ・ｔとするために、Ｃｏ系硬質磁性膜の膜厚ｔを薄くすると結晶性が悪化する。これは結晶粒の異方性磁界Ｈｋ  ｇｒａｉｎ  を低下させ、保磁力Ｈｃ  の低下原因となる。
【００１３】
さらに、前述したような磁気ヘッドの低浮上状態、擬似接触状態、さらには接触状態を達成するためには、磁気記録媒体の表面平坦性を高める必要がある。磁気記録層としての硬質磁性膜の表面平坦性を高めるためには、下地膜の膜厚を含めた硬質磁性膜の膜厚を薄くする必要がある。一般に、下地膜の膜厚を厚くすると、結晶粒径も増大することが多い。膜厚の増加に伴って結晶粒径が大きくなると、膜表面の結晶粒界の凹凸も大きくなる。また、膜厚の増加に伴う結晶粒界の増大があまりない場合にも膜厚を厚くすると結晶粒がカラム状（柱状）になり、膜表面の凹凸が大きくなる。いずれにしても、下地膜の膜厚を厚くすることは膜表面の凹凸を大きくすることになる。
【００１４】
しかしながら、前述したように現状ではＣｏ系硬質磁性膜の結晶性などを高めるために、  １００ｎｍを超えるような厚い下地膜が必要とされている。これは下地膜の厚さを薄くすると  ｈｃｐ構造のＣｏ系硬質磁性膜の結晶構造を十分に制御することができなくなるためである。具体的には、Ｃｏ系硬質磁性材料のｃ軸を面内配向させることができなくなる。
【００１５】
Ｃｏ系硬質磁性膜の下地膜は、高密度記録を達成するためにも薄くすることが望まれている。上記したように、下地膜の膜厚が厚い場合には、Ｃｏ系硬質磁性膜の結晶粒径が粗大する。これは単位ビット当たりに存在する磁気粒の数の減少を意味し、それだけノイズが大きくなるためである。しかし、下地膜の膜厚を薄くすると下地膜として効果が低下し、Ｃｏ系硬質磁性膜に良好な硬磁気特性を付与することができない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スピンバルブ膜を用いたＭＲヘッドにおいては、厚い非磁性下地膜などを適用することなく、硬質磁性膜の保磁力Ｈｃ  、残留磁化Ｍｒ  、飽和磁化Ｍｓ  、角形比Ｓなどの特性を高めることが強く望まれている。また、スピンバルブ膜を用いたＭＲヘッドに限らず、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）を有する磁気抵抗効果膜（ＡＭＲ膜）を用いたＭＲヘッドにおいても、横バイアスを印加するために硬質磁性膜が用いられている。このようなＡＭＲヘッドにおいても、同様に硬質磁性膜の保磁力Ｈｃ  、残留磁化Ｍｒ  、飽和磁化Ｍｓ  、角形比Ｓなどの特性を高めることが望まれている。さらに、スピンバルブ膜は磁気抵抗効果メモリ（ＭＲＡＭ）等の磁気記憶装置に適用することも検討されている。このような場合においても、良好なバイアス磁界が求められている。
【００１８】
磁気記録媒体の分野においては、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の硬質磁性膜を有する面内磁気記録媒体が低ノイズ媒体として期待されている。ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造とは、主結晶粒（ｍａｉｎ−ｇｒａｉｎ）内にサブ結晶粒（ｓｕｂ−ｇｒａｉｎ）  が存在する構造である。主結晶粒内においては、サブ結晶粒のｃ軸の面内成分はお互いに直交しており、サブ結晶粒が磁気粒として機能するため、低ノイズ化することができると共に、高保磁力などを得られる。
【００１９】
しかしながら、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造については、それを得るための良好な作製条件がいまだ確立されていないのが現状である。下地膜がｂｃｃ（２００）配向を持つことが重要とされているが、  ｂｃｃ構造は通常  （１１０）が最密面となるため、単に成膜した下地膜上ではｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を得ることができない。現状では少なくとも成膜時に  ２００℃程度の基板加熱が必要とされているが、このような基板加熱した状態で成膜しても再現性よくｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を得るまでには至っていない。さらに、常温成膜ではｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造は得られていない。
【００２０】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、厚い下地膜などを適用することなく、保磁力Ｈc、残留磁化Ｍr、飽和磁化Ｍs、角形比Ｓなどの磁気特性に優れる硬質磁性膜を再現性よく得ることを可能にすることによって、特性の向上を図った磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生ヘッドおよび磁気記憶装置を提供することを目的としている。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明における第１の磁気抵抗効果素子は、基板と、前記基板の主表面上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつＣｏを構成元素として含むと共に、bi-crystal構造を有する硬質磁性膜を有する一対のバイアス磁界印加膜と、前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極とを具備することを特徴としている。
【００２６】
第２の磁気抵抗効果素子は、基板と、前記基板の主表面上に表面層として成膜され、かつ金属酸化物および金属窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる絶縁層と、前記基板の絶縁層上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつ前記基板の絶縁層上に順に積層されたアモルファス層、金属結晶層およびＣｏを構成元素として含む硬質磁性膜を有すると共に、前記アモルファス層の膜厚が2nm以上で前記アモルファス層と前記金属結晶層との合計膜厚が50nm以下である一対のバイアス磁界印加膜と、前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極とを具備することを特徴としている。
【００２７】
第３の磁気抵抗効果素子は、基板と、前記基板の主表面上に表面層として成膜され、かつ金属酸化物および金属窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる絶縁層と、前記基板の絶縁層上に形成され、磁界検出部を有する磁気抵抗効果膜と、前記磁界検出部の両端部に隣接配置され、かつ前記基板の絶縁層上に形成された結晶性金属下地膜と、前記絶縁層と前記結晶性金属下地膜との間に生成され、前記絶縁層の構成元素と前記結晶性金属下地膜の構成元素とを含むミキシング層と、前記結晶性金属下地膜上に形成されたＣｏを構成元素として含む硬質磁性膜とを有すると共に、前記ミキシング層の膜厚が2nm以上で前記ミキシング層と前記結晶性金属下地膜との合計膜厚が50nm以下である一対のバイアス磁界印加膜と、前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する一対の電極とを具備することを特徴としている。
【００２８】
本発明の磁気ヘッドは、下側磁気シールド層と、前記下側磁気シールド層上に下側再生磁気ギャップを介して形成された、上記した本発明の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子上に上側再生磁気ギャップを介して形成された上側磁気シールド層とを具備することを特徴としている。本発明の磁気記録再生ヘッドは、上記した本発明の磁気ヘッドを有する再生ヘッドと、前記磁気ヘッドの前記下側磁気シールド層と共通化された下側磁極と、前記下側磁極上に形成された記録磁気ギャップと、前記記録磁気ギャップ上に設けられた上側磁極と、前記下側磁極および前記上側磁極に記録磁界を供給する記録コイルとを有する記録ヘッドとを具備することを特徴としている。
【００３１】
本発明の磁気記憶装置は、上記した本発明の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果膜に情報を記憶する書き込み電極と、前記磁気抵抗効果素子の前記電極からなる、前記磁気抵抗効果膜に記憶された情報を再生する読み出し電極とを具備することを特徴としている。
本発明において、Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性膜（Ｃｏ系硬質磁性膜）の下地膜としての金属結晶層（結晶性金属下地膜）は、反応性アモルファス層や積極的に成膜したアモルファス層などからなるアモルファス層上に配置されている。このため、結晶性金属下地膜はその結晶粒の凝縮エネルギーよりもアモルファス層との結合エネルギーの方が大きくなり、例えば膜厚に対して5倍以上というような肥大化した結晶粒を有することになる。さらに、結晶性金属下地膜としてＣｒやＶなどのbcc構造を有する金属材料を用いた場合には、bcc構造の最密面である(110)面の優先成長のみにとどめずに、bcc(200)配向成分を持たせることができる。
【００３２】
上述したような結晶性金属下地膜上にＣｏ系硬質磁性膜を形成することによって、十分に薄い結晶性金属下地膜でＣｏ系硬質磁性膜の保磁力、残留磁化、飽和磁化、角形比などの磁気特性を向上させることができる。さらに、膜厚に対して結晶粒を十分に肥大化させた結晶性金属下地膜は優れた表面平坦性を有する。従って、結晶性金属下地膜の結晶粒とエピタキシャル関係を有するＣｏ系硬質磁性膜の表面平坦性も高めることができる。
【００３３】
特に、Ｃｏ系硬質磁性膜がｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有する場合、保磁力を大幅に高めた上で、残留磁化や角形比を向上させることができる。アモルファス層上に配置された結晶性金属下地膜は、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有するＣｏ系硬質磁性膜の再現性を大幅に高める。ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造は、  １つの主結晶粒（ｍａｉｎ−ｇｒａｉｎ）内に複数のサブ結晶粒（ｓｕｂ−ｇｒａｉｎ）  が存在した結晶構造である。  １つの主結晶粒内において、サブ結晶粒はそのｃ軸が面内配向していると共に、これらｃ軸の面内成分がお互いに略直交（８０〜  １００度）している。従って、サブ結晶粒は面内で高い異方性磁界Ｈｋ  を有している。
【００３４】
このようなｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有するＣｏ系硬質磁性膜によれば、主結晶粒の孤立化が低い連続膜にもかかわらず、高保磁力Ｈｃ  および高残留磁化Ｍｒ  を両立させることができる。例えば、Ｃｏ系硬質磁性膜の保磁力Ｈｃ  を２０００Ｏｅ  以上とした上で、残留磁化Ｍｒ  を  ６５０ｅｍｕ／ｃｃ以上とすることができる。さらに、角形比Ｓも例えば  ０．９以上と良好な値を得ることができる。ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の場合、主結晶粒の粒径が大きくても、その中のサブ結晶粒が最小磁気粒となる。従って、結晶粒を小さくすると結晶性の高い膜が得られなかった従来の硬質磁性膜の問題点を一気に克服することができる。
【００３５】
上述したようなＣｏ系硬質磁性膜を磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜に適用した場合、Ｃｏ系硬質磁性膜の膜厚を厚くすることなく、十分なバイアス磁界を得ることができる。従って、バルクハウゼンノイズを有効に抑制することが可能となる。
【００３６】
なお、本発明で言う基板とは、単に基板単体のみではなく、例えば表面に各種機能層を有する基板を含むものである。例えば、Ａｌ２  Ｏ３  ・ＴｉＣ基板、ガラス基板、ＮｉＰ基板、Ａｌ基板、Ｓｉ基板などの単体基板の表面に、酸化物層、窒化物層、炭化物層などの化合物層、もしくは磁気ヘッド用ギャップ層のような機能層が形成された基板を含むものである。
【００３７】
本発明の好ましい形態としては、結晶性金属下地膜とアモルファス層との合計の膜厚、あるいは結晶性金属下地膜とミキシング層との合計の膜厚は50nm以下であること、結晶性金属下地膜はその厚さの5倍以上の平均結晶粒径を有すること、硬質磁性膜は結晶粒径が50nm以上の主結晶粒とこの主結晶粒内に存在するサブ結晶粒とを有すること、結晶性金属下地膜およびアモルファス層は磁性層であることなどが挙げられる。
【００３８】
また、本発明の磁気抵抗効果素子の好ましい形態としては、以下に示すような構成が挙げられる。すなわち、Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性膜はbi-crystal構造を有する。Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性膜は膜面垂直方向にＣｏ(110)配向している。Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性膜はＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔからなる。硬質磁性膜の下地膜として金属結晶層を有する。金属結晶層（あるいは結晶性金属下地膜）はＣｒおよびＶから選ばれる少なくとも1種の元素を含有する。アモルファス層は基板表面の絶縁層の構成元素と金属結晶層の構成元素とを含み、さらに絶縁層と金属結晶層との反応層である。ミキシング層はアモルファス層である。基板表面の絶縁層は酸化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる。磁気抵抗効果膜は少なくともその両端部が一対のバイアス磁界印加膜上に積層するように形成されており、かつバイアス磁界印加膜と交換結合している、あるいは一対のバイアス磁界印加膜は磁気抵抗効果膜にアバット接合されている。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００４１】
図１は本発明の磁気抵抗効果素子に用いられる硬質磁性膜構造体の一実施形態の構造を示す断面図である。図１に示す硬質磁性膜構造体は、磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜に適用されるものである。
【００４２】
図１において１１は基板である。基板１１はその主表面に酸化物、窒化物などの非磁性でかつ絶縁性の化合物からなる表面層１２が設けられている。酸化物の具体例としては、アルミナ（ＡｌＯx）、シリカ（ＳｉＯx）、ジルコニア（ＺｒＯx）、チタニア（ＴｉＯx）、酸化タンタル（ＴａＯx）などの金属酸化物が挙げられる。窒化物の具体例としては窒化チタン（ＴｉＮ）のような金属窒化物が挙げられる。
【００４３】
基板１１の構成材料は用途に応じて適宜選択される。硬質磁性膜構造体を例えば磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜として用いる場合、基板１１にはＡｌ２  Ｏ３  ・ＴｉＣ基板などが用いられる。磁気記録媒体に適用する場合、基板１１にはガラス基板、ＮｉＰ基板、Ａｌ基板などが用いられる。
【００４４】
表面層１２は、単に基板１１の主表面に非磁性や絶縁性を付与するだけではなく、後に詳述するように、反応性アモルファス層の形成に寄与するものである。さらに、例えば磁気抵抗効果素子ではギャップ膜を表面層１２として利用することもできる。基板１１と表面層１２との間には他の層が介在されていてもよい。表面層１２の厚さはその用途に応じて設定されるが、例えば１０〜  １００ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４５】
表面層１２上には、反応性アモルファス層１３と反応性結晶層１４とを有する反応性下地膜１５を介して、Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性材料の結晶配向性などを制御する結晶性金属下地膜１６が形成されている。言い換えると表面層１２上には反応性アモルファス層１３と、反応性結晶層１４および結晶性金属下地膜１６からなる金属結晶層とが形成されている。そして、結晶性金属下地膜１６上にＣｏを構成元素として含む硬質磁性膜（以下、Ｃｏ系硬質磁性膜と記す）１７が形成されている。反応性アモルファス層１３、反応性結晶層１４および結晶性金属下地膜１６は、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の下地膜１８を構成している。
【００４６】
結晶性金属下地膜１６には、Ｃｏ系硬質磁性膜１７のｃ軸を面内配向させると共に、後述するｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を得るために、  ｂｃｃ構造を有する結晶性金属材料を用いることが好ましい。  ｂｃｃ構造を有する金属材料からなる結晶性金属下地膜１６は、  ｂｃｃ構造の最密面である  （１１０）面のみならず、ｂｃｃ（２００）配向成分を有していることがさらに好ましい。結晶性金属下地膜１６の構成材料としてはＣｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ａｌなどの結晶性金属、もしくはこれらの元素を含む合金などが挙げられる。これらのうち、特にＣｒ、Ｖおよびこれらを含む合金が好ましく用いられる。
【００４７】
結晶性金属下地膜１６の膜厚は、本発明では反応性下地膜１５との合計の膜厚として５０ｎｍ以下と薄くすることができる。このような薄い下地膜１８によって、磁気特性に優れるＣｏ系硬質磁性膜１７を得ることができる。ただし、下地膜１８があまり薄すぎるとＣｏ系硬質磁性膜１７に対する効果が得られにくくなるため、下地膜１８の合計膜厚は  ５〜５０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００４８】
結晶性金属下地膜１６の平均結晶粒径はその膜厚の  ５倍以上であることが好ましい。結晶性金属下地膜１６の平均結晶粒径は、具体的には５０〜  １００ｎｍ程度とすることが好ましい。このように結晶粒を肥大化させた結晶性金属下地膜１６は、その下地として反応性アモルファス層１３などのアモルファス層を適用することで得られる。結晶性金属下地膜１６の結晶粒を肥大化させると共に、そのような結晶粒を配向性よく形成することによって、Ｃｏ系硬質磁性膜１７を再現性よくｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造とすることができる。ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の再現性は結晶性金属下地膜１６が  ｂｃｃ  （２００）配向成分を有していることでさらに向上する。さらに、膜厚の  ５倍以上の平均結晶粒径を有する結晶性金属下地膜１６は、準エピタキシャルな膜であるため、その表面の平坦性を大幅に向上させることができる。
【００４９】
反応性アモルファス層１３と反応性結晶層１４とを有する反応性下地膜１５は例えば結晶性金属下地膜１６をアルミナなどからなる表面層１２上に形成した際に、表面層１２と結晶性金属下地膜１６とが反応することにより生成されるものである。従って、反応性アモルファス層１３および反応性結晶層１４は、いずれも表面層１２の構成元素と結晶性金属下地膜１６の構成元素とを含む。言い換える、表面層１２と結晶性金属下地膜１６との間には、表面層１２の構成元素と結晶性金属下地膜１６の構成元素とを含むミキシング層（１３、１４）が形成されている。表面層１２がアルミナで結晶性金属下地膜１６がＣｒである場合、反応性アモルファス層１３および反応性結晶層１４（ミキシング層）は、ＡｌおよびＯの両者もしくはいずれか一方とＣｒとを含む層である。
【００５０】
反応性結晶層１４は、表面層１２と結晶性金属下地膜１６との反応状態に応じて形成されるものである。従って、表面層１２の表面状態や結晶性金属下地膜１６の成膜状態などによっては生成されない場合もある。反応性下地膜（ミキシング層）１５は少なくとも反応性アモルファス層１３を有していればよい。
【００５１】
反応性アモルファス層１３は結晶性金属下地膜１６の結晶粒の肥大化や配向、表面の平坦性、さらにはｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有するＣｏ系硬質磁性膜１７の形成に寄与する。ここで、下地膜の一部を構成するアモルファス層は反応性アモルファス層１３に限らず、例えば図２に示すように、スパッタ法などで成膜したアモルファス層１９を適用することができる。このアモルファス層１９上には結晶性金属下地として金属結晶層２０が形成される。
【００５２】
アモルファス層１９の構成材料は、反応性アモルファス層１３と同様なものであってもよいし、またＣｏＺｒＮｂアモルファス層のようなアモルファス磁性層を使用してもよい。さらに、金属結晶層２０には  ｂｃｃ構造を有する金属材料に限らず、ＣｏＺｒＮｂ結晶層のような結晶性磁性層を使用することができる。ＣｏＺｒＮｂアモルファス層は、例えばスパッタターゲットであるＣｏＺｒＮｂ中のＣｏの含有率を  ９０％未満とすることにより形成される。一方、ＣｏＺｒＮｂ結晶層はＣｏの含有率を  ９０％以上のＣｏＺｒＮｂターゲットを用いることにより形成される。これらアモルファス層１９および金属結晶層２０は、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の下地膜１８を構成するものである。
【００５３】
反応性アモルファス層１３やアモルファス層１９などの下地膜１８の一部を構成するアモルファス層は、一様な膜を形成していればよく、その厚さは数ｎｍ程度で十分である。具体的には、アモルファス層の膜厚は  ２ｎｍ以上とすることが好ましい。アモルファス層の膜厚が  ２ｎｍ未満であると、膜としての一様性などが損われ、特性の向上効果を十分に得られないおそれがある。なお、本発明で言うアモルファス層とは、原子または分子が規則正しい空間的配置を持つ結晶を作らずに集合した固体状態を指すものである。
【００５４】
Ｃｏ系硬質磁性膜１７は、図３に示すようなｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有することが好ましい。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚は  ５〜  １５０ｎｍ程度であることが好ましい。ここで、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造とは図３に示すように、  １つの主結晶粒（ｍａｉｎ−ｇｒａｉｎ）Ｍ内に複数のサブ結晶粒（ｓｕｂ−ｇｒａｉｎ）  Ｓが存在した結晶構造である。  １つの主結晶粒Ｍ内において、サブ結晶粒Ｓはｃ軸が面内配向していると共に、これらｃ軸の面内成分がお互いに略直交（８０〜  １００度）している。Ｃｏ系硬質磁性膜１７は膜面垂直方向にＣｏ（１１０）  配向している。従って、サブ結晶粒Ｓは面内で高い異方性磁界Ｈｋ  を有しており、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の保磁力Ｈｃ  および残留磁化  Ｍｒ  を向上させる。
【００５５】
Ｃｏ系硬質磁性膜１７をｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造とすることによって、主結晶粒Ｍの孤立化が低い連続膜にもかかわらず、高保磁力Ｈｃ  および高残留磁化Ｍｒ  を両立させたＣｏ系硬質磁性膜１７が得られる。例えば、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚を  ５〜３０ｎｍ程度とした場合においても、保磁力Ｈｃ  を２０００Ｏｅ  以上とした上で、残留磁化Ｍｒ  を  ６５０ｅｍｕ／ｃｃ以上とすることができる。さらに、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の角形比Ｓも  ０．９以上と良好な値を得ることができる。
【００５６】
特に、Ｃｏ系硬質磁性膜１７を磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜に適用する場合、異方性磁界Ｈｋ  が高いサブ結晶粒Ｓは硬質磁性膜の磁化反転を防止する。感磁層と硬質磁性膜とが接合界面で交換結合している場合においても、感磁層の磁化反転により硬質磁性層の磁化方向が容易に反転することはない。これはバルクハウゼンノイズの抑制に寄与する。
【００５７】
上記したようなｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造において、主結晶粒Ｍの結晶粒径は５０〜  １００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、サブ結晶粒Ｓの結晶粒径は１０〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。結晶膜の結晶粒としての基本的な機能を有する主結晶粒Ｍの結晶粒径を５０〜  １００ｎｍと大きくすることによって、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の表面平坦性を高めることができる。その上で、サブ結晶粒Ｓにより上記したような優れた磁気特性が得られる。さらに、サブ結晶粒Ｓはそれぞれ磁気粒として機能させることができるため、磁気記録媒体の記録層としてＣｏ系硬質磁性膜１７を用いる場合には、高密度記録で低ノイズ化が達成される。
【００５８】
Ｃｏ系硬質磁性膜１７の構成材料は、特に限定されるものではなく、Ｃｏを構成元素として含む硬質磁性材料であれば種々のものを使用することができる。また、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の使用用途に応じても適宜選択される。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の具体例としては、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒ、Ｃｏなどが挙げられる。Ｃｏ系硬質磁性膜１７を磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜として使用する場合、残留磁化Ｍｒ  の大きいＣｏＰｔなどを用いることが好ましい。また、磁気記録媒体の記録層として使用する場合には、非磁性元素を含むＣｏ基合金が好ましく用いられる。Ｃｏ基合金に含まれる非磁性元素はサブ結晶粒Ｓの粒界に析出し、サブ結晶粒Ｓを磁気的に孤立化させる。
【００５９】
Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚は使用用途に応じて適宜選択される。Ｃｏ系硬質磁性膜１７を磁気抵抗効果素子のバイアス磁界印加膜として使用する場合、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚は１０〜  １００ｎｍ程度とすることが好ましい。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚が  ５ｎｍ未満であると、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有していても十分なバイアス磁界が得られないおそれがある。一方、  １５０ｎｍを超えると素子構造的に問題が生じるおそれがある。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚が  １００ｎｍ以下であっても十分なバイアス磁界が得られる。磁気記録媒体の記録層として使用する場合には、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚は１０ｎｍ以下とすることが好ましい。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の膜厚ｔを１０ｎｍ以下とすることによって、Ｍｒ  ・ｔが低減されて低ノイズ化することができる。
【００６０】
次に、結晶粒径を肥大化させた結晶性金属下地膜１６（および金属結晶層１９）の形成過程と、bi-crystal構造を有するＣｏ系硬質磁性膜１７の形成過程について述べる。
【００６１】
例えば、基板１１側の表面層１２と結晶性金属下地膜１６との結合エネルギーを大きくすることによって、結晶性金属下地膜１６の結晶粒径を肥大化させることができる。結合エネルギーの増大は表面層１２と結晶性金属下地膜１６との反応を促進し、反応性アモルファス層１３を生成させる。表面層１２には、結晶性金属下地膜１６との反応を促進し、さらに反応した際にアモルファス層が形成されるように、金属酸化物や金属窒化物などを用いることが好ましい。反応性アモルファス層１３の生成方法については後に詳述する。
【００６２】
反応性アモルファス層１３上に金属結晶層が結晶性金属下地膜１６として堆積すると、結晶性金属下地膜１６はその結晶粒の凝縮エネルギーよりも反応性アモルファス層１３との結合エネルギーの方が大きくなるため、例えば図４に示すように、大きな結晶粒１６ａが生成する（図４（ａ））。このような結晶粒径を維持してさらに成膜が進むため、図４（ｂ）に示すように、膜厚に対して例えば  ５倍以上、さらには１０倍以上の結晶粒径１６ａを有する結晶性金属下地膜１６が得られる。膜厚に比べて極度に肥大化した結晶成長では表面平坦性も大幅に向上する。なお、図中１６ｂは結晶粒界である。また、図４では反応性結晶層１４の図示を省略した。
【００６３】
図２に示したように、予め表面層１２上にスパッタ法などでアモルファス層１９を形成した場合においても同様である。反応を起こしやすいアモルファス層１９上に金属結晶層２０を形成することによって、金属結晶層２０の結晶粒径や結晶配向が大きく影響をうける。すなわち、アモルファス層１９と金属結晶層２０との結合エネルギーが金属結晶層２０の結晶粒の凝縮エネルギーよりも大きくなるため、膜厚に対して例えば  ５倍以上、さらには１０倍以上の結晶粒径を有する金属結晶層２０が得られる。
【００６４】
通常の金属結晶層の成長過程では、表面層１２上に堆積した金属材料２０′は図５（ａ）に示すように、膜厚と同程度の結晶粒径を有することになる。このような結晶粒径から徐々に成長していくため、図５（ｂ）に示すように、結晶粒径が例えば１０ｎｍ以下というように微結晶粒化した金属結晶層２０′しか得ることができない。本発明では上記したように、反応性アモルファス層１３やアモルファス層１９の効果によって、結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０の結晶粒径を十分に肥大化させることができる。
【００６５】
さらに、結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０に  ｂｃｃ構造を有する金属材料を用いた場合、上記したように各界面の結合エネルギーを増大させることによって、結晶配向を通常のｂｃｃ（１１０）の優先成長だけにとどめずに、ｂｃｃ（２００）配向が起こりやすくすることができる。Ｃｒなどの金属は初期成長モードではｂｃｃ（２００）成長しやすいため、前述したように結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０の膜厚を薄くすることによって、さらにｂｃｃ（２００）配向成分を増やすことができる。本発明による結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０は、ｂｃｃ（１１０）面とｂｃｃ（２００）面とが混ざった配向面を有する。
【００６６】
結晶粒径を肥大化させかつ配向性の高い結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０上に形成したＣｏ系硬質磁性膜１７はｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有する。Ｃｏ系硬質磁性膜１７のｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の形成には、結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０のｂｃｃ（２００）配向成分が大きく寄与している。このように、結晶粒径を肥大化させかつｂｃｃ（２００）配向成分を有する結晶性金属下地膜１６や金属結晶層２０を用いることによって、Ｃｏ系硬質磁性膜１７のｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を再現性よく得ることが可能となる。
【００６７】
ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有するＣｏ系硬質磁性膜１７は、成膜時の基板加熱や熱処理などを行うことなく得ることができる。従来の磁気記録媒体におけるｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の厚膜は、単結晶基板上に基板を  ３００℃程度に加熱しながらスパッタ法成膜することにより得られていたものである。もちろん、本発明においても基板加熱を行ってもよい。
【００６８】
次に、反応性アモルファス層１３の生成方法について述べる。反応性アモルファス層１３を生成するためには、基板１１側の表面層１２の反応性を高めることが重要である。具体的には、表面層１２にスパッタエッチングなどの表面処理を施し、酸素や水素などの終端元素を物理的に解離して未結合手を表面に作り出すことが好ましい。このような未結合手を表面に作りやすいという点からも、表面層１２には金属酸化物や金属窒化物などを用いることが好ましい。
【００６９】
例えば、表面層１２としてアルミナ（ＡｌＯｘ  ）膜を用いた場合、ＡｌＯｘ  膜の膜表面はＡｌの結合手が酸素や水素などにより終端されている。このような  ＡｌＯｘ  膜に高いパワーでスパッタエッチングすることによって、酸素欠損したＡｌの未結合手が形成される。このようなＡｌの未結合手を有するＡｌＯｘ  膜上に結晶性金属下地膜１６として例えばＣｒ膜を形成すると、ＣｒがＡｌと反応して、ＣｒとＡｌを含む反応性アモルファス層１３が形成される。さらに、反応性結晶層１４が形成される。
【００７０】
以下に、スパッタエッチングの条件について述べる。ＡｌＯｘ  膜からなる表面層１２にスパッタエッチングを施した後、Ｃｒ膜からなる結晶性金属下地膜１６とＣｏＰｔ膜からなるＣｏ系硬質磁性膜１７を順に成膜した場合を例として説明する。
【００７１】
まず、スパッタエッチングパワー［Ｗ］  と反応性アモルファス層の膜厚との関係を図６に示す。  １種類の金属（Ｃｒ）を一定時間（３分間）スパッタエッチングしているにもかかわらず、ＡｌＯｘ  膜へのスパッタエッチングパワーを強めることにより、反応性アモルファス層の膜厚が制御できる。特に、パワーを２００Ｗ以上とすることで、ほぼ一定（約  ２ｎｍ）の膜厚が得られることが分かる。
【００７２】
図７にはアモルファス層の厚さとＣｏＰｔ膜の保磁力Ｈｃ  との関係を示す。また、図８および図９には、スパッタエッチングパワーとＣｏＰｔ膜の保磁力Ｈｃ  （図８）および飽和磁化Ｍｓ  （図９）との関係を示す。反応性アモルファス層が  ２ｎｍ程度生成される（図６参照）と、保磁力Ｈｃ  や飽和磁化Ｍｓ  も十分高くなることが分かる。
【００７３】
図１０にスパッタエッチングパワーとＣｏＰｔ膜の表面凹凸（Ｒｍａｘ  ）との関係を示す。スパッタエッチングパワーを制御することによりアモルファス膜厚を制御でき、その結果としてＣｏＰｔ膜の表面凹凸を低減できることが分かる。スパッタエッチングパワーとＣｒ結晶膜の結晶粒径およびＣｏＰｔ膜の主結晶粒の結晶粒径との関係をそれぞれ図１１および図１２に示す。スパッタエッチングパワーを２００Ｗ以上とすることでアモルファス層が形成され、その結果としてＣｒ結晶膜の結晶粒径が大きくなることが分かる。これに伴ってＣｏＰｔ膜の主結晶粒の結晶粒径も大きくなることが分かる。さらに、図１３に示すように、ＣｏＰｔ膜にはｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造が形成されていることが分かる。
【００７４】
さらに、図８および図１４から明らかなように、ＣｏＰｔ膜は２０００Ｏｅ  以上という高保磁力を有しているにもかかわらず、角形比Ｓも  ０．９以上と高い値が得られている。これは主結晶粒の孤立化が低い連続膜にもかかわらず、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造により面内での高い結晶磁気異方性を持つサブ結晶粒がそれぞれ直交した構造が得られているためである。このようなｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造では、隣接する主結晶粒の磁化反転の影響が及びにくいため、高角形比Ｓが得られる。また、図１５に示すように、ＣｏＰｔ膜を形成する際の背圧が１０−５Ｔｏｒｒオーダと悪くても高い保磁力が安定して得られる。
【００７５】
次に、スパッタエッチングパワーと反応性結晶層１４の厚さとの関係を図１５に示す。スパッタエッチングパワーを２００Ｗ以上とすれば、反応性結晶層１４の膜厚を薄膜化できることが分かる。
【００７６】
上述した結晶性金属下地膜１６の肥大化方法、bi-crystal構造を有するＣｏ系硬質磁性膜１７の形成方法、および反応性アモルファス層１３の生成方法を踏まえて、図１に示した硬質磁性膜構造体の製造方法について述べる。
【００７７】
まず、基板１１上にアルミナのような金属酸化物や金属窒化物からなる表面層１２を、スパッタ法などで形成する。成膜室を大気開放した後、別のスパッタ装置を用いて表面層１２の表面を、２００Ｗ以上の強い電界を印加してＡｒイオン、  Ｋｒイオン、Ｘｅイオン、Ｈｅイオン等の不活性ガスによりスパッタエッチングする。
【００７８】
次いで、bcc構造を有する金属や合金などからなるターゲットを用いて、ＲＦ(Radio Frequency)マグネトロンスパッタ法により結晶性金属下地膜１６を形成する。この際に基板を加熱しなくても、上述した優れた特性が得られた。ただし、以上の工程に加えて基板加熱することが好ましい。このスパッタ成膜を行った後の表面層１２上には、順に反応性アモルファス層１３、反応性結晶層１４および結晶性金属下地膜１６が形成される。
【００７９】
続いて、Ｃｏ系硬質磁性膜１７をＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）マグネトロンスパッタ法により形成する。Ｃｏ系硬質磁性膜１７はｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造となる。このようにして、図１に示した硬質磁性膜構造体が得られる。
【００８０】
また、図２に示した硬質磁性膜構造体は例えば以下のようにして作製される。まず、基板１１上にアルミナのような金属酸化物や金属窒化物からなる表面層１２をスパッタ法などで形成する。成膜室を大気開放した後、別のスパッタ装置を用いて表面層１２の表面を２００Ｗ以上の強い電界を印加してＡｒイオン、Ｋｒイオン、Ｘｅイオン、Ｈｅイオン等の不活性ガスによりスパッタエッチングする。次いで、例えばＣｏＺｒＮｂターゲットを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法でＣｏＺｒＮｂアモルファスなどからなるアモルファス層１９形成する。続いて、Ｃｏ含有率の異なるＣｏＺｒＮｂターゲットを用いて金属結晶層２０を形成する。金属結晶層２０は  ｂｃｃ構造を有する金属や合金などであってもよい。アモルファス層１９と金属結晶層２０は、同一真空中で連続して成膜することが好ましい。
【００８１】
続いて、Ｃｏ系硬質磁性膜１７をＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）マグネトロンスパッタ法により形成する。Ｃｏ系硬質磁性膜１７はｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造となる。このようにして、図１に示した硬質磁性膜構造体が得られる。
【００８２】
次に、上記した実施形態に基いて作製した硬質磁性膜構造体の具体例について述べる。硬質磁性膜構造体の各層の構成材料としては、基板１１側の表面層１２にＡｌＯｘ  膜、結晶性金属下地膜１６にＣｒ膜、Ｃｏ系硬質磁性膜１７にＣｏ  Ｐｔ膜を用いた。成膜条件やスパッタエッチング条件は上述した通りである。
【００８３】
図１７および図１８は、図１の構造および上記した製造方法に基いて作製した硬質磁性膜構造体の断面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真および平面ＴＥＭ写真である。図１９は図１７に示す断面ＴＥＭ写真の模式図である。図２０は図１８に示す平面ＴＥＭ写真の模式図である。
【００８４】
図１７から下地膜１８は基板１１の表面層１２側から、反応性アモルファス層１３、反応性結晶層１４およびＣｒ結晶膜（結晶性金属下地膜）１６の  ３層構造であることが分かる。図１８からＣｏＰｔ膜１７の主結晶粒Ｍの平均結晶粒径は５０ｎｍ以上  １００ｎｍ以下と大きいことが分かる。さらに、主結晶粒Ｍ内にはサブ結晶粒Ｓが形成されており、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造が得られていることが分かる。主結晶粒Ｍ内において、サブ結晶粒Ｓはｃ軸の面内成分がお互いに略直交（８０〜  １００度）していることが分かる。
【００８５】
このようなｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の結晶が得られたのは、反応性アモルファス層１３の効果により、結晶性金属下地膜としてのＣｒ結晶膜１６の平均粒径が１０ｎｍ程度以下と微結晶粒化せずに、粒径が膜の厚さ（約  ２ｎｍ）の  ５倍以上の大きい結晶粒が配向性よく形成されたためと考えられる。さらに、Ｃｒ結晶膜１６のｂｃｃ（２００）配向成分もｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造の形成に大きく影響している。
【００８６】
さらに、Ｃｒ結晶膜１６の表面の凹凸を、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）  により測定したところ、表面凹凸の最大値Ｒｍａｘ  は  ０．８ｎｍ以下と平坦性に優れていた。ＣｏＰｔ膜１７の表面平坦性も同様に優れるものであった。
【００８７】
一方、図２１および図２２に、本発明の比較例による硬質磁性膜構造体の断面ＴＥＭ写真および平面ＴＥＭ写真を示す。図２３は図２１に示す断面ＴＥＭ写真の模式図である。図２４は図２２に示す平面ＴＥＭ写真の模式図である。この比較例では、ＡｌＯｘ  膜１２上に下地膜として反応性結晶層１４′とＣｒ結晶膜１６′のみが形成されている。ＣｏＰｔ膜１７′はこのような下地膜上に形成されている。
【００８８】
この比較例のＣｒ結晶膜１６′は、平均結晶粒径が１０〜２０ｎｍと膜厚の  ５倍より小さく、ＣｏＰｔ膜１７′との界面凹凸も大きかった。ＣｏＰｔ膜１７′の結晶粒径も１０〜２０ｎｍと小さかった。さらに、電子線回折パターンによる測定結果からは、比較例のＣｏＰｔ膜１７′は上記した実施形態によるＣｏＰｔ膜１７とは結晶配向が全く異なっていることが判明した。ＣｏＰｔ膜１７′はｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造も得られておらず、保磁力Ｈｃ  は  ６００Ｏｅ  と低かった。
【００８９】
さらに、図２の構造および上記した製造方法に基いて作製した硬質磁性膜構造体の断面ＴＥＭにより観察した。その結果、下地１８がアモルファス層１９と金属結晶層２０との  ２層構造であることが分かった。また、硬質磁性膜１７としてのＣｏＰｔ膜表面を平面ＴＥＭにより観察したところ、ＣｏＰｔ膜の平均結晶粒径は５０ｎｍ以上  １００ｎｍ以下と大きかった。このような結晶が得られたのは、アモルファス層１９の効果により金属結晶層２０の粒径が１０ｎｍ程度以下に微結晶粒化せずに、膜よりもはるかに大きい径で配向性よく形成されたためと考えられる。このような配向性の高い金属結晶層２０によりｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造のＣｏＰｔ膜が得られた。
【００９０】
次に、この実施形態の硬質磁性膜構造体におけるＣｏ系硬質磁性膜１７の磁気特性について、さらに詳しく説明する。
【００９１】
この実施形態の硬質磁性膜構造体におけるＣｏ系硬質磁性膜１７は、いずれも保磁力Ｈｃ  が約２２００Ｏｅ  以上、残留磁化Ｍｒ  が約  ９００ｅｍｕ／ｃｃ以上と、膜厚が薄いにもかかわらず優れた磁気特性を有するものである。さらに、Ｃｏ系硬質磁性膜１７はｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を備え、その角形比Ｓは  ０．９以上と高い。高角形比は、バイアス膜として残留磁化状態で用いる際に好的な硬質磁性膜を与える。
【００９２】
これらの優れた特性は基板１１材料（表面層１２を含む）との組み合わせに大きく依存すると考えられる。表１に基板１１材料（表面層１２を含む）と結晶性金属下地膜１６（もしくは金属結晶層２０）との組み合わせ、およびその組み合わせとＣｏ系硬質磁性膜１７の保磁力Ｈｃ  および飽和磁化Ｍｓ  との関係を示す。なお、表１に示す下地金属は結晶性金属下地膜１６であり、反応性アモルファス層１３はこれら金属と基板材料の構成元素とを含有するものである。
【００９３】
【表１】
0003571888.tif 000002
表１から分かるように、保磁力Ｈｃ  はＣｒ、Ｖ共にアルミナ表面層を有する基板を用いた場合がもっともよく、これに表面がＳｉ（１００）  基板、Ｔ−ＳｉＯ２  が続く。飽和磁化Ｍｓ  はＳｉ（１００）  基板とＶとの組み合わせがもっとも優れ、続いてＳｉ（１００）  基板とＶとの組み合わせ、アルミナ表面層とＶとの組み合わせ、Ｔ−ＳｉＯ２  とＣｒまたはＶとの組み合わせである。
【００９４】
次に、アモルファス層１９としてのＣｏＺｒＮｂアモルファス層と各種金属結晶層２０との組み合わせによるＣｏ系硬質磁性膜１７の保磁力Ｈｃ  および飽和磁化Ｍｓ  の関係を示す。同じＣｏＺｒＮｂアモルファス層上に同一の厚さに形成されても、下地金属としてのＣｒ膜とＶ膜とでは、Ｖ膜の方が若干飽和磁化に優れることが分かる。
【００９５】
【表２】
0003571888.tif 000003
表３にアモルファス層厚とＣｒ下地膜の結晶粒径について示す。アモルファス層がまったく形成されないと、ＣｏＰｔ膜の保磁力Ｈｃ  などの磁気特性は劣ったものとなる。アモルファス層が形成されていれば、ＣｏＰｔ膜の磁気特性は良好なものとなる。
【００９６】
【表３】
0003571888.tif 000004
表４に下地金属膜の主な構成元素と硬質磁性膜との組み合わせおよびその保磁力Ｈｃ  と飽和磁化Ｍｓ  を示す。これらは全て下地金属膜の下層にアルミナ層を設けた例である。いずれも良好な値を示すが、特に高Ｈｃ  および高Ｍｓ  を両立しているのは下地金属にＣｒまたはＶを用い、硬質磁性膜にＣｏ８０Ｐｔ２０膜を用いた場合であることが分かる。
【００９７】
【表４】
0003571888.tif 000005
これらの磁気特性の結晶性金属下地膜１６（もしくは金属結晶層２０）の厚さ依存性を図２５および図２６に示す。結晶性金属下地膜１６（もしくは金属結晶層２０）の膜厚が  ４ｎｍ以上であれば、保磁力Ｈｃ  が２０００Ｏｅ  程度で飽和磁化Ｍｓ  が  ８５０〜  ９５０ｅｍｕ／ｃｃ程度に安定しており、下地膜厚依存性が見えなくなる。さらに、図２７にＣｒ膜（厚さ＝５ｎｍ）上に形成した硬質磁性膜（ＣｏＰｔ膜）の保磁力Ｈｃ  および角形比Ｓの膜厚依存性を示す。図２７から、Ｃｒ膜（厚さ＝５ｎｍ）上に形成した硬質磁性膜（ＣｏＰｔ膜）は、角形比Ｓに優れること、およびＣｏ  Ｐｔ膜の膜厚が薄くても良好な特性が得られていることが分かる。
【００９８】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を再生素子部に適用した録再分離型磁気ヘッドの一実施形態について、図２８を参照して説明する。図２８は録再分離型磁気ヘッドを媒体対向面方向から見た断面図（ｘ方向が記録トラック幅方向、ｙ方向が記録トラックの進行方向で膜厚方向に対応）である。
【００９９】
図２８において、２１は基板であり、この基板２１としてはＡｌ２  Ｏ３  層を有するＡｌ２  Ｏ３  ・ＴｉＣ基板等が用いられる。このような基板２１の主表面上には、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＳｉＡｌ合金、アモルファスＣｏＺｒＮｂ合金等の軟磁性材料からなる下側磁気シールド層２２が形成されている。下側磁気シールド層２２上にはＡｌＯｘ  等の非磁性絶縁材料からなる下側再生磁気ギャップ２３が形成されている。この下側再生磁気ギャップ２３は、前述した実施形態の表面層１２に相当するものである。
【０１００】
下側再生磁気ギャップ２３上には、磁気抵抗効果膜としてスピンバルブＧＭＲ膜２４が形成されている。スピンバルブＧＭＲ膜２４と下側再生磁気ギャップ２３との間には、トラック幅（磁界検出部）から外れた領域に、予めスピンバルブＧＭＲ膜２４にバイアス磁界を印加する一対のバイアス磁界印加膜２５が形成されており、この一対のバイアス磁界印加膜２５は所定の間隙をもって配置されている。すなわち、スピンバルブＧＭＲ膜２４は一対のバイアス磁界印加膜２５上に延在して積層されている。スピンバルブＧＭＲ膜２４とバイアス磁界印加膜２５とは、これらの積層部で交換結合している。
【０１０１】
バイアス磁界印加膜２５は、図１に示した硬質磁性膜構造体と同様に、反応性アモルファス層を含む反応性下地膜（ミキシング層）１５、結晶性金属下地膜１６およびＣｏ系硬質磁性膜１７の積層膜を有している。バイアス磁界印加膜２５は、図２に示した硬質磁性膜構造体と同様に、アモルファス層１９、金属結晶層２０およびＣｏ系硬質磁性膜１７の積層膜であってもよい。これらはいずれも前述した実施形態で示した条件および工程により形成されるものである。
【０１０２】
なお、スピンバルブＧＭＲ膜２４とバイアス磁界印加膜２５との積層構造は、スピンバルブＧＭＲ膜２４の両端部のみを一対のバイアス磁界印加膜２５上に積層した構造であってもよい。このような構造によれば、バイアス磁界印加膜２５のスピンバルブＧＭＲ膜２４と積層していない部分では保磁力が低下せず、バイアス磁界印加膜２５の保磁力をより良好に保つことができる。
【０１０３】
スピンバルブＧＭＲ膜２４の具体的な構造としては、例えば図２９に示すように、膜厚約１０ｎｍ程度のＣｏＺｒＮｂ層２４１、膜厚約  ２ｎｍのＮｉＦｅ層２４２、膜厚約  ３ｎｍのＣｏＦｅ層２４３、膜厚約  ３ｎｍのＣｕ層２４４、膜厚約  ２ｎｍのＣｏＦｅ層２４５、膜厚約  ８ｎｍのＩｒＭｎ層２４６、および膜厚約１０ｎｍのＴａ層２４７が基板側から順に積層された磁性多層膜が挙げられる。
【０１０４】
スピンバルブＧＭＲ膜２４上には一対のリード電極２６が形成されており、この一対のリード電極２６の間隔によって、スピンバルブＧＭＲ膜２４の実質的な再生トラック幅が規定されている。リード電極２６は例えばＴａ層、Ｃｕ層およびＴａ層の積層膜を有している。これらスピンバルブＧＭＲ膜２４、一対のバイアス磁界印加膜２５および一対のリード電極２６は、オーバーレイド構造のＧＭＲ再生素子部２７を構成している。
【０１０５】
ＧＭＲ再生素子部２７上には、下側再生磁気ギャップ２３と同様な非磁性絶縁材料からなる上側再生磁気ギャップ２８を介して、下側磁気シールド層２２と同様な軟磁性材料からなる上側磁気シールド層２９が形成されている。これらによって、再生ヘッドとしてのシールド型ＧＭＲヘッド３０が構成されている。
【０１０６】
シールド型ＧＭＲヘッド３０上には、記録ヘッドとして薄膜磁気ヘッド３１が形成されている。薄膜磁気ヘッド３１の下側記録磁極は、上側磁気シールド層２９と同一の磁性層により構成されている。すなわちシールド型ＭＲヘッド３０の上側磁気シールド層２９は、薄膜磁気ヘッド３１の下側記録磁極を兼ねている。この上側磁気シールド層を兼ねる下側記録磁極２９上には、ＡｌＯｘ  等の非磁性絶縁材料からなる記録磁気ギャップ３２と上側記録磁極３３が順に形成されている。また、下側記録磁極２９と上側記録磁極３３に記録磁界を付与する記録コイル（図示せず）が媒体対向面より後方に形成されている。これらによって、記録ヘッドとしての薄膜磁気ヘッド３１が構成されている。
【０１０７】
この実施形態のシールド型ＧＭＲヘッド３０は、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の保磁力Ｈｃ  が高いため、前述した低浮上や接触走行に適するものである。特に、交換結合方式では、ＭＲヘッドの保磁力Ｈｃ  は硬質磁性膜の保磁力よりも低くなる  （図３８参照）。この点において、本発明に適用される保磁力Ｈｃ  のＣｏ系硬質磁性膜１７は好適と言える。
【０１０８】
従来の飽和磁化Ｍｓ  の小さい硬質磁性膜では、スピンバルブＧＭＲ膜の感磁層との交換結合によって、硬質磁性膜と感磁層の全体の保磁力Ｈｃ  は膜厚が２０ｎｍの硬質磁性膜で  ８００Ｏｅ  以下であった。しかし、この実施形態のＣｏ系硬質磁性膜１７は保磁力Ｈｃ  が２２００Ｏｅ  、飽和磁化Ｍｓ  が  ９００ｅｍｕ／ｃｃといずれも高い。従って、２０ｎｍ程度の膜厚であっても、スピンバルブＧＭＲ膜２４の感磁層とＣｏ系硬質磁性膜１７の全体の保磁力Ｈｃ  として１１００Ｏｅ  程度が得られる。
【０１０９】
さらに、この実施形態によれば、残留磁化Ｍｒ  が約  ８００ｅｍｕ／ｃｃと大きく、角形比Ｓも  ０．９以上と大きい。このため、磁気記録媒体の磁界の影響を受けがたく、安定して大きなバイアス磁界が得られる。この実施形態のＣｏ系硬質磁性膜１７に−４００〜＋４００Ｏｅ  の交流磁界を媒体からの磁界方向と同じ方向に加えた場合の  Ｃｏ系硬質磁性膜の残留磁化Ｍｒ  の劣化量を表５に示す。角形比Ｓが大きいことにより、Ｃｏ系硬質磁性膜の残留磁化Ｍｒ  の長期信頼性も著しく向上することが分かる。
【０１１０】
【表５】
0003571888.tif 000006
この実施形態では、Ｃｏ系硬質磁性膜１７を形成した後に、イオンミリング等でこのＣｏ系硬質磁性膜１７および下地膜１５、１６の部分領域を除去してＡｌＯｘ  膜（２３）の表面を露出させ、このＡｌＯｘ  膜（２３）表面を露出させた開口部およびＣｏ系硬質磁性膜上にスピンバルブＧＭＲ膜２４が形成される。イオンミリングで露出させたＡｌＯｘ  膜（２３）の表面は、Ｃｏ系硬質磁性膜１７の表面凹凸が転写されるが、本発明によるＣｏ系硬質磁性膜１７は前述したように表面凹凸が小さく、従って転写による凹凸が小さい。このため、その上に形成されるスピンバルブＧＭＲ膜２４の磁気特性に与える影響は小さい。
【０１１１】
表６に、この実施形態によるスピンバルブＧＭＲ膜２４と、比較例としてイオンミリング前にＣｏＰｔ膜表面にスパッタにより表面凹凸（Ｒｍａｘ  ）を形成した後、ＡｌＯｘ  膜を露出させて形成した、この実施形態と同一構成のスピンバルブＧＭＲ膜について、感磁層の困難軸方向の保磁力Ｈｃ  および感磁層と磁化固着層との層間結合磁界Ｈｉｎと、その表面凹凸（Ｒｍａｘ  ）との関係を示す。バイアス点設計に影響をきたす層間結合磁界Ｈｉｎは、表面凹凸（Ｒｍａｘ  ）が  １ｎｍ以下であれば十分低く抑えられることが分かる。これらの保磁力Ｈｃ  および層間結合磁界  Ｈｉｎはバルクハウゼンノイズの発生に直接影響を与えるため、それぞれ  ２Ｏｅ  以下、１０Ｏｅ  以下であることが好ましい。
【０１１２】
【表６】
0003571888.tif 000007
結晶性金属下地膜１６（例えばＣｒ膜）の厚さが感磁層の困難軸方向の保磁力Ｈｃ  および感磁層と磁化固着層との層間結合磁界Ｈｉｎに及ぼす影響について、表７に示す。厚さが薄いとミリング後の表面荒れは抑制できる。従って、スピンバルブ膜のＨｃ  、Ｈｉｎが抑制できることが分かる。このように磁気特性が向上することにより、バルクハウゼンノイズの発生確率は表８に示すように、  ６ｎｍ程度の薄い膜で最も低いことが分かる。交換結合方式において下地金属膜の膜厚が厚いと硬質磁性膜との接合領域に段差が大きくなり、感磁層へのバイアス磁界が弱くなる。この実施形態のように、薄くかつ高飽和磁化Ｍｓ  の硬質磁性膜によれば、保磁力Ｈｃ  の低下を防ぐために特に厚膜化する必要はない。従って、段差による感磁層への実効バイアスの低下という問題は防止できる。
【０１１３】
【表７】
0003571888.tif 000008
【表８】
0003571888.tif 000009
次に、本発明の磁気抵抗効果素子をアバットジャンクション方式に適用した実施形態について、図３０を参照して説明する。この実施形態の磁気抵抗効果ヘッドは、前述した第１の実施形態で説明したＣｏ系硬質磁性膜１７をハードバイアス膜として用い、図３０に示すようにスピンバルブＧＭＲ２４の両端にＣｏ系硬質磁性膜１７をそれぞれ隣接配置した構造を有している。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の下地膜などは第１の実施形態と同様である。他の構造についても図２８と同様である。図３０は再生ヘッドとしてのシールド型ＧＭＲヘッド３０と記録ヘッドとして薄膜磁気ヘッド３１とを具備する録再分離型磁気ヘッドを示している。
【０１１４】
この実施形態の磁気抵抗効果ヘッドによれば、交換結合方式固有の効果を除いて、第１の実施形態と同様な効果が得られる。さらに、以下に示すようなアバットジャンクション方式のＭＲヘッドに特有の効果が得られる。
【０１１５】
この実施形態においては、Ｃｏ系硬質磁性膜１７は高い残留磁化Ｍｒ  を示すため、感磁層に十分なバイアスを印加するのに必要なＭｒ  ・ｔを得るための膜厚ｔを薄くすることができる。従って、反強磁性膜による一方向異方性磁界Ｈｕａを弱める余計な硬磁性バイアスは低減できる。従って、低Ｍｒ  で硬質磁性膜の膜厚ｔを厚くした場合にノイズが増大するというような問題を回避することができる。これらの効果に加えて、この実施形態の接合方式では下地金属膜の膜厚が薄く、感磁層の端部への非磁性金属膜の付着が低減できる。よって、効率的にバイアス磁界を印加することができる。
【０１１６】
さらに、アバットジャンクション方式では、狭ギャップの場合に硬質磁性膜の残留磁化Ｍｒ  ×膜厚ｔ（交換結合バイアス方式の場合は残留磁化Ｍｒ  ×硬質磁性膜厚ｔ＋感磁層飽和磁化Ｍｓ  ×感磁層膜厚ｔ）が同じでも、残留磁化Ｍｒ  によりバルクハウゼンノイズの発生確率は変化する。図３１および図３２に、Ｍｒ  ・ｔを３．０ｍｅｍｕ／ｃｃで一定とした場合のバルクハウゼンノイズの発生確率と下地金属膜の膜厚および残留磁化Ｍｒ  との関係を示す。これらの図から、高Ｍｒ  の硬質磁性膜を用いることにより、同じＭｒ  ・ｔでも低Ｍｒ  の場合と比べてより効率的にバイアスが加えられ、大幅にバルクハウゼンノイズが低減できることが分かる。
【０１１７】
なお、上記した実施形態のアバット接合タイプのＭＲヘッド（図３０）では、リード電極２６がハードバイアス膜としてのＣｏ系硬質磁性膜１７上のみに存在する場合を示したが、リード電極２６はＣｏ系硬質磁性膜１７上からさらにスピンバルブＧＭＲ２４上に延在していてもよい。この場合には、一対のリード電極２６の間隔によりトラック幅が規定される。
【０１１８】
また、上述した実施形態ではＭＲ膜としてスピンバルブＧＭＲ膜を挙げたが、これに限らず外部磁界を感知して抵抗が変化する、Ｆｅ／ＣｒやＣｏ／Ｃｕなどのように強磁性膜と非磁性膜とを交互に積層した多層膜、いわゆる人工格子膜を用いたＭＲ素子についても、本発明は適用可能である。さらに、異方性磁気抵抗効果を示すＮｉＦｅ合金（パーマロイ）等のＡＭＲ膜を用いた場合にも、上述したような効果が得られる。
【０１１９】
次に、参考例としての磁気記録媒体の構成について説明する。
【０１２０】
図３３は磁気記録媒体の一構成例を示す断面図である。同図において、４１はガラス基板、ＮｉＰ基板、Ａｌ基板などからなる基板であり、この基板４１上に表面層４２として金属酸化物や金属窒化物などからなる層が設けられている。表面層４２の構成材料等については、前述した硬質磁性膜構造体の実施形態で説明した通りである。
【０１２１】
基板４１の表面層４２上には、反応性アモルファス層を含む反応性下地膜（ミキシング層）１５、Ｃｒ膜などの結晶性金属下地膜１６およびＣｏ系硬質磁性膜１７が順に形成されている。Ｃｏ系硬質磁性膜１７は記録層として機能するものであり、膜厚は１０ｎｍ以下とすることが好ましい。反応性下地膜（ミキシング層）１５および結晶性金属下地膜１６については、前述した硬質磁性膜構造体の実施形態と同様にして形成されるものである。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の下地膜は、図２に示した硬質磁性膜構造体と同様に、アモルファス層１９と金属結晶層２０とを順に積層したものであってもよい。これらはいずれも前述した実施形態で示した条件および工程により形成されるものである。
【０１２２】
記録層としてのＣｏ系硬質磁性膜１７上には、例えば炭素系の保護膜４３が形成されている。これらによって、磁気記録媒体４４が構成されている。
【０１２３】
この実施形態の磁気記録媒体においては、記録層としてのＣｏ系硬質磁性膜１７がｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有することにより、高密度記録で低ノイズを達成することができる。これは主結晶粒が大きくても、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造におけるサブ結晶粒をそれぞれ磁気粒として機能させることができるためである。さらに、この実施形態のＣｏ系硬質磁性膜１７では、前述したように低Ｍｒ  ・ｔで良好な保磁力Ｈｃ  が得られる。この低Ｍｒ  ・ｔ化も低ノイズ化に大きく寄与する。
【０１２４】
また、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造におけるサブ結晶粒は、異方性磁界Ｈｋ  が大きいため、近年面内磁気記録媒体で問題視されている熱ゆらぎに対しても良好な結果を及ぼす。さらに、ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ構造を有するＣｏ系硬質磁性膜１７は表面平坦性に優れるため、低浮上記録方式や接触記録方式に適するものである。
【０１２５】
ノイズ特性をさらに向上させるために、記録層としてのＣｏ系硬質磁性膜１７を非磁性層で分断した構造にも、本発明の磁気記録媒体は適している。図３４はそのような構造の磁気記録媒体であり、膜厚  ５ｎｍ程度の第１のＣｏ系硬質磁性膜１７ａと膜厚  ３ｎｍ程度の第２のＣｏ系硬質磁性膜１７ｂとの間に、膜厚  ３ｎｍ程度のＣｒ膜などの非磁性層４５が介在されている。本発明によれば、低Ｍｒ  ・ｔで良好な保磁力Ｈｃ  を有するＣｏ系硬質磁性膜１７ａ、１７ｂが得られるため、図３４に示すような構造を容易に実現することができる。
【０１２６】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気抵抗効果メモリ（ＭＲＡＭ）等の磁気記憶装置に適用した実施形態、すなわち本発明の磁気記憶装置の実施形態について説明する。
【０１２７】
図３５は本発明の磁気記憶装置の一実施形態としてのＭＲＡＭの構成を示す断面図である。同図において、５１はガラス基板やＳｉ基板などからなる基板であり、この基板５１上に表面層５２として金属酸化物や金属窒化物などからなる層が設けられている。表面層５２の構成材料等については、前述した硬質磁性膜構造体の実施形態で説明した通りである。
【０１２８】
基板５１の表面層５２上には、スピンバルブＧＭＲ膜５３が設けられている。スピンバルブＧＭＲ５３の両端には、バイアス磁界印加膜としてＣｏ系硬質磁性膜１７がそれぞれ隣接配置されている。Ｃｏ系硬質磁性膜１７は、Ｃｒ膜などの結晶性金属下地膜１６上に形成されている。表面層５２と結晶性金属下地膜１６との間には、反応性アモルファス層を含む反応性下地膜（ミキシング層）１５が設けられている。
【０１２９】
反応性下地膜（ミキシング層）１５および結晶性金属下地膜１６については、前述した硬質磁性膜構造体の実施形態と同様にして形成されるものである。Ｃｏ系硬質磁性膜１７の下地膜は、図２に示した硬質磁性膜構造体と同様にアモルファス層１９と金属結晶層２０とを順に積層したものであってもよい。これらはいずれも前述した実施形態で示した条件および工程により形成されるものである。スピンバルブＧＭＲ膜５３の上部には、絶縁層５４を介して書き込み電極５５が設けられている。スピンバルブＧＭＲ膜５２の両端部には、一対の読み出し電極５６が接続されており、この一対の読み出し電極５６からスピンバルブＧＭＲ膜５３にセンス電流が供給される。なお、図中５７は読み出し補助電極である。これらによって、ＭＲＡＭ５８が構成されている。
【０１３０】
上記したＭＲＡＭ５８における情報の書き込みおよび読み出しは、例えば以下のようにして行われる。まず、情報の書き込みは、書き込み電極５５に電流を流して外部磁界を印加し、スピンバルブＧＭＲ膜５２の磁化固着層の磁化方向を  “１”または“０”に対応する方向とすることにより行われる。
【０１３１】
記憶情報の読み出しは、読み出し電極５６からセンス電流を流した状態で、書き込み電極５５に正負のパルス電流を流し、その電流磁界によりスピンバルブＧＭＲ膜５２の感磁層の磁化方向を反転させる。
【０１３２】
書き込み電極５５の正負に対して、感磁層の磁化方向は磁化固着層の“１”、“０”にかかわらず一定である。一方、“１”または“０”として記憶された磁化固着層の磁化方向によって、書き込み電極５５のパルス電流が正のときにスピンバルブＧＭＲ膜５３の上下強磁性層の磁化方向が平行で負のときに反平行か、もしくは書き込み電極５５のパルス電流が負のときに磁化方向が平行で正のときに反平行かが決まる。従って、書き込み電極５５に例えば正→負のパルス電流を流したとき、センス電流の抵抗が大→小か、小→大かによって、磁化固着層の  “１”または“０”が判別される。
【０１３３】
ＭＲＡＭ５８におけるバイアス磁界印加膜は、書き込み電極５５に正負のパルス電流を流したときの感磁層の磁化反転が生じる磁界の大きさを制御したり、また磁区が形成された状態での不規則な磁化反転に伴うノイズを抑制するものである。ここで、バイアス磁化印加膜については高集積化に対応してより薄い膜で、微小セルサイズに伴う反磁界の増大を抑制するのに十分なバイアス力を得ることが重要である。前述した各実施形態で詳細に述べたように、本発明によるバイアス磁界印加膜によれば十分なバイアス力が得られるため、ＭＲＡＭ５８は高集積化を実現可能とするものである。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、厚い下地膜などを適用することなく、保磁力Ｈc、残留磁化Ｍr、飽和磁化Ｍs、角形比Ｓなどの磁気特性に優れた硬質磁性膜を得ることができ、さらにはbi-crystal構造を有する硬質磁性膜を再現性よく得ることが可能となる。そして、このような硬質磁性膜を使用した本発明の磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生ヘッドおよび磁気記憶装置によれば、それぞれ特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による硬質磁性膜構造体の要部構造を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による硬質磁性膜構造体の要部構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態における硬質磁性膜のbi-crystal構造を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施形態における結晶性金属下地膜の形成過程を示す図である。
【図５】本発明との比較例おける結晶性金属下地膜の形成過程を示す図である。
【図６】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーとアモルファス層厚との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態におけるアモルファス層厚と保磁力Ｈcとの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーと保磁力Ｈcとの関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーと飽和磁化Ｍsとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーと表面凹凸との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーとＣｒ結晶膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーとＣｏＰｔ膜の結晶粒径との関係を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーとＣｏＰｔ膜のサブ結晶粒の平均粒径との関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーと角形比との関係を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態におけるスパッタ成膜時の背圧と保磁力Ｈcとの関係を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態におけるスパッタエッチングパワーと反応性結晶層厚との関係を示す図である。
【図１７】本発明の一実施例による硬質磁性膜構造体の微細構造を示す断面ＴＥＭ写真である。
【図１８】本発明の一実施例による硬質磁性膜構造体の微細構造を示す平面ＴＥＭ写真である。
【図１９】図１７に示す断面ＴＥＭ写真を模式的に示す図である。
【図２０】図１８に示す平面ＴＥＭ写真を模式的に示す図である。
【図２１】本発明との比較例による硬質磁性膜構造体の断面ＴＥＭ写真である。
【図２２】本発明との比較例による硬質磁性膜構造体の平面ＴＥＭ写真である。
【図２３】図２１に示す断面ＴＥＭ写真を模式的に示す図である。
【図２４】図２２に示す平面ＴＥＭ写真を模式的に示す図である。
【図２５】本発明の実施形態における結晶性金属下地膜の膜厚と硬質磁性膜の保持力Ｈcとの関係を示す図である。
【図２６】本発明の実施形態における結晶性金属下地膜の膜厚と硬質磁性膜の飽和磁化Ｍsとの関係を示す図である。
【図２７】本発明の実施形態におけるＣｒ下地膜上に形成された硬質磁性膜の膜厚と保磁力Ｈcおよび角形比Ｓとの関係を示す図である。
【図２８】本発明の磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生ヘッドの第１の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２９】図２８に示す磁気抵抗効果素子におけるスピンバルブ膜の具体的な構成を示す断面図である。
【図３０】本発明の磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生ヘッドの第２の実施形態の構成を示す断面図である。
【図３１】図３０に示す磁気ヘッドの結晶性金属下地膜の膜厚とバルクハウゼンノイズとの関係を説明するための図である。
【図３２】図３０に示す磁気ヘッドの硬質磁性膜の残留磁化Ｍrとバルクハウゼンノイズとの関係を説明するための図である。
【図３３】磁気記録媒体の一構成例を示す断面図である。
【図３４】図３３に示す磁気記録媒体の変形例の構成を示す断面図である。
【図３５】本発明の磁気記憶装置の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図３６】従来の磁気抵抗効果ヘッドの一構成例を示す断面図である。
【図３７】従来の磁気抵抗効果ヘッドの他の構成例を示す断面図である。
【図３８】硬質磁性膜と感磁層とを積層したときの硬質磁性膜の特性を示す図である。
【符号の説明】
１１、２１、４１、５１……基板
１２、４２、５２……表面層
１３……反応性アモルファス層
１４……反応性結晶層
１５……反応性下地膜（ミキシング層）
１６……結晶性金属下地膜
１７……Ｃｏ系硬質磁性膜
１８……下地膜
１９……アモルファス層
２０……金属結晶層
２３……下側再生磁気ギャップ
２４、５３……スピンバルブＧＭＲ膜
２５……一対のバイアス磁界印加膜
２６……一対のリード電極
３０……シールド型ＧＭＲヘッド
【図１】
0003571888.tif 000010
【図２】
0003571888.tif 000011
【図３】
0003571888.tif 000012
【図４】
0003571888.tif 000013
【図５】
0003571888.tif 000014
【図６】
0003571888.tif 000015
【図７】
0003571888.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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