(57)【要約】【課題】  薄い膜厚で磁化固定層を安定化でき、高分解能を有する磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置を提供する。【解決手段】  本磁気抵抗効果素子は、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、磁化固定層が下地層に接して設けられた硬質磁性材料からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層とから構成される。【選択図】      図２
2006253306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、
当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層とから構成された、
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記硬質磁性材料の保磁力が１．２ｋＯｅ以上である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなる、請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気ヘッドを備えた磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録装置において磁気情報を再生（読み取り）するための磁気抵抗効果素子、磁気情報を記録（書き込み）あるいは再生するための磁気ヘッドおよび磁気記録装置に関し、特に、いわゆるスピンバルブ膜や磁気トンネル接合膜を用いて、積層方向にセンス電流を流す膜面垂直通電型（ＣＰＰ：Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ）構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気記録装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられてきた。磁気抵抗効果素子は高記録密度化に伴い、磁界感度が高いスピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。スピンバルブ膜は２つの強磁性層、すなわち反強磁性層に磁化を固定された磁化固定層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界に応じて磁化の向きが変わる磁化自由層から構成される。
【０００３】
これまでは、スピンバルブ膜の面内方向にセンス電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）構造が主に用いられてきた。しかし、最近では、更なる高記録密度化を図るために、スピンバルブ膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ構造が提案され、次世代再生用素子として盛んに研究が行われている（たとえば特許文献１参照。）。
【０００４】
このＣＰＰ構造のスピンバルブ膜では、図１に示すように、信号出力は、ＣＰＰ構造のスピンバルブ膜１の積層方向にセンス電流Ｉを流し、磁化自由層８の磁化と、非磁性中間層７を挟んで存在する磁化固定層６の第二の強磁性層５の磁化の相対的な向きに応じて磁気抵抗が変化することにより、スピンバルブ膜１の両端に生じる電圧変化として検出される。磁化固定層６は、たとえば、２つの強磁性層（軟磁性材料よりなる第一の強磁性層３および軟磁性材料よりなる第二の強磁性層５）が非磁性結合層４を介して反強磁性的に結合した積層フェリ構造を有する。この積層フェリ構造は、２つの強磁性層３、５の磁化が、図１の矢印で模式的に示すように、互いに反平行をなすので、正味の磁化の大きさが小さくなり、反磁界を低減し、正味の磁化を抑制しつつ反強磁性層２との交換結合を増加させ、確実に磁化固定層６の磁化方向を固定できる。
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この種の読み取りヘッドで高密度記録媒体の信号を読み取るためには、分解能を高めるため総膜厚を低減する必要がある。そのためには、現在使われているスピンバルブ膜の反強磁性材料部分およびその下地層を薄くする必要がある。しかし、反強磁性材料は、膜厚が薄くなると交換異方性が低下し、熱、外部磁場に対して不安定になる。そのため、現行の構成では、これ以上の膜厚減少は困難である。
【０００６】
本発明は、この問題を解決し、膜厚を更に薄くした、高分解能を有する磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置を提供することを目的としている。本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層とから構成された磁気抵抗効果素子が提供される。本発明態様により、薄い膜厚で磁化固定層を安定化でき、高分解能を有する磁気抵抗効果素子が得られる。
【０００８】
前記硬質磁性材料の保磁力が１．２ｋＯｅ以上であること、前記第一の強磁性層の散乱非対称項が前記第二の強磁性層の散乱非対称項より小さいこと、前記硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなること、前記硬質磁性材料が（Ｃｏ100-xＰｔx）1-y/100Ｃｒy/100（ｘ：１０〜３０、ｙ：０〜２０）の組成を有すること、前記第一の強磁性層形成中またはその後に熱処理を施したものであること、前記下地層が、Ｃｒまたは、ＣｒとＭｏ，ＶもしくはＷとの合金よりなること、前記磁気抵抗効果素子の素子サイズが０．１μｍ以下であること、前記第一の強磁性層の膜厚が４ｎｍ以上であること、前記下地層の膜厚が４ｎｍ以上であること、が好ましい形態である。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、上記磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドおよびこの磁気ヘッドを備えた磁気記録装置が提供される。これらの発明態様により、高分解能を有する磁気ヘッドおよび磁気記録装置が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、薄い膜厚で磁化固定層を安定化でき、高分解能を有する磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。なお、同一の符号は同一の要素を表す。
【００１２】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な（すなわちＣＰＰ型の）磁気抵抗効果素子であって、磁化固定層が下地層に接して設けられた硬質磁性材料からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層とから構成されている。すなわち、硬質磁性材料よりなる第一の強磁性層を使用することにより、従来、下地層と磁化固定層との間に介在した反強磁性層を不要としたものである。
【００１３】
図２は、本発明に係るＣＰＰ構造のスピンバルブ膜の断面構造を示す模式図である。このＣＰＰ構造のスピンバルブ膜では、磁化自由層８、非磁性中間層７、第二の強磁性層５および非磁性結合層４は図１の場合と同様であるが、第一の強磁性層３は硬質磁性材料からなっており、反強磁性層２は存在しない。
【００１４】
このような構造とすることで、薄膜化により、高分解能を有する磁気抵抗効果素子が得られる。さらに、反強磁性層が不要になり、反強磁性／強磁性界面の交換異方性が反強磁性層厚の低減とともに低下する問題を回避することができる。第一の強磁性層に硬質磁性材料を採用することで、磁化固定層を、熱、外部磁場に対し安定化できる。また、反強磁性層が不要となることで、反強磁性層の堆積時間、場合によっては、反強磁性と固定層の第一の強磁性層間に一方向異方性を与える磁場中アニール時間が短縮され、生産性も向上する。
【００１５】
次に本発明に係る磁気抵抗効果素子と誘導型記録素子を備えた複合型磁気ヘッドについて説明する。
【００１６】
図３は、複合型磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面の構造例を示す図である。図３中、磁気記録媒体の移動方向は矢印Ｘで示す方向である。紙面に垂直な方向がハイト方向である。
【００１７】
図３を参照して、複合型磁気ヘッド２０は、ヘッドスライダの基体となるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（アルチック）等からなる平坦なセラミック基板２１の上に形成された磁気抵抗効果素子２２と、その上に形成された誘導型記録素子２３から構成される。
【００１８】
誘導型記録素子２３は、磁気記録媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極２４Ａと、非磁性材料からなる記録ギャップ層２５を挟んで上部磁極２４Ａに対向する下部磁極２４Ｂと、上部磁極２４Ａと下部磁極２４Ｂとを磁気的に接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回し、記録電流により磁場をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極２４Ａ、下部磁極２４Ｂおよびヨークは、軟磁性材料より構成され、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大きい材料、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ合金等から造られる。
【００１９】
磁気抵抗効果素子２２は、セラミック基板２１表面に形成されたアルミナ膜２６上に、下部電極２８、磁気抵抗効果膜３０、アルミナ膜３１、上部電極３２が順次積層された構成となっており、下部電極２８、磁気抵抗効果膜３０、および上部電極３２が電気的に接続されている。磁気抵抗効果膜３０の両側には、約１０ｎｍ以下の膜厚の絶縁膜３３を介して磁区制御膜３４が形成されている。磁区制御膜３４は、例えば、Ｃｒ／ＣｏＣｒＰｔの積層体からなり、磁気抵抗効果膜３０を構成する磁化固定層および磁化自由層（図４に示す）の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。抵抗変化を検知するセンス電流は、例えば上部電極３２から磁気抵抗効果膜３０を通じて下部電極２８に流れ、磁気記録媒体からの漏洩磁界に対応して変化する磁気抵抗効果膜３０の磁気抵抗を信号電圧として検出して、磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、下部電極２８および上部電極３２はセンス電流の流路としての機能に加え磁気シールドとしての機能も兼ねるため、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成され、さらに導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ等からなる層の積層体としてもよい。また、磁気抵抗効果素子２２および誘導型記録素子２３は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われている。
【００２０】
図４は、本発明に係る磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の断面図である。
【００２１】
図４を参照して、磁気抵抗効果膜３０は、ＣＰＰ構造のシングルスピンバルブ構造を有し、下地層４１、第一の強磁性層４２と非磁性結合層４３と第二の強磁性層４４とからなる磁化固定層４５、非磁性中間層４６、磁化自由層４７および保護層４８が順次積層された構造を有する。
【００２２】
下地層４１は、図３に示す下部電極２８の表面にスパッタ法等により形成される。下地層については、後でさらに説明する。
【００２３】
磁化固定層４５は、下地層４１側から、第一の強磁性層４２、非磁性結合層４３、第二の強磁性層４４の順に形成した積層体から構成される。第一の強磁性層４２は硬質磁性材料からなり、第二の強磁性層は軟磁性材料からなる。第一の強磁性層４２と第二の強磁性層とは、非磁性結合層４３を介して反強磁性的に交換結合している。
【００２４】
本発明に係る第二の強磁性層は、軟磁性材料からなり、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含んでなる合金から構成することができる。例えば、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏＣｕなどを例示することができる。また、場合によっては、強磁性を消失しない範囲において、他の元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＰｏまたはＡｔを挙げることができる。なお、第二の強磁性層は、１層のみならず、２層以上の積層体としてもよい。
【００２５】
本発明に係る非磁性結合層は、膜厚０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）の範囲のＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としてはＲｕに、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＭｎのうちいずれか一つを加えたものが好適である。
【００２６】
本発明に係る非磁性中間層は、例えばスパッタ法等により形成された、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの導電性材料より構成され、例えばＣｕ膜、Ａｌ膜等により構成される。
【００２７】
本発明に係る磁化自由層は磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる。この磁化自由層は非磁性中間層の表面にスパッタ法等により形成され、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素からなる強磁性材料、例えば、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ等、あるいは、これらの膜の積層体により構成される。磁化自由層の磁化は面内方向を向いており、磁気記録媒体より漏洩する磁場の方向に応じて磁化の向きが変わる。その結果、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化とのなす角に対応して磁化固定層／非磁性中間層／磁化自由層の積層体の抵抗値が変化する。
【００２８】
磁化自由層は積層構造を有していてもよい。図５は、磁化自由層のそのような例の要部拡大図である。図５を参照して、磁化自由層４７は強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの繰り返しからなる、いわゆる積層磁化自由層構造を有する。図５に示す積層磁化自由層構造は、強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの２回の繰り返しを示しており、磁化自由層４７の表面および底面の層を強磁性層４７ａとする。強磁性層４７ａを上記磁化自由層と同様の材料、非磁性導電層４７ｂを上記非磁性中間層と同様の材料（好ましくはＣｕ）から構成することができる。このように磁化自由層を積層磁化自由層構造とすることで、磁化自由層の保磁力を低下して磁界感度を向上すると共に、磁気抵抗変化率の向上を図ることができる。
【００２９】
積層磁化自由層構造は、強磁性層４７ａ／非磁性導電層４７ｂの繰り返しが、２回〜３回の範囲が好ましく、強磁性層４７ａの膜厚は１ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定することが好ましく、非磁性導電層４７ｂの膜厚は０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定することが好ましい。また、強磁性層４７ａ同士は互いに異なる組成の強磁性層の積層体としてもよい。
【００３０】
本発明に係る保護層は、磁化自由層の表面にスパッタ法等により形成され、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、Ｗからなる導電性膜、あるいはこれらの積層体等から構成することができる。このようにすると、熱処理等の間に磁気抵抗効果膜３０が酸化されることを防止できる。また、保護層にＣｕ膜を用いることで、磁化自由層と磁性／非磁性界面を形成して抵抗変化率を向上させることができる。
【００３１】
本発明に係る磁化固定層は、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された第一と第二の強磁性膜を有する。磁化の方向を一方の方向に固定させた結果、目的とする磁気抵抗記録素子の性能が発揮できれば、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定されたと考えることができる。磁化固定層については、磁化自由層に対する磁区制御膜の着磁の際に印加される外部磁場によって、非可逆な磁化反転が起こらないこと、非磁性結合層を介した第二の強磁性層との交換結合が安定であることが求められるが、これには、第一の強磁性層に適切な硬質磁性材料を選択することで対応可能である。
【００３２】
このためには、上記硬質磁性材料の保磁力が１．２ｋＯｅ以上であることが好ましく、２ｋＯｅ以上であることがより好ましい。この保磁力は、連続膜としての値ではなく、磁気抵抗効果素子のサイズにおける値である。また、磁化固定層は積層フェリ構造を有するため、実質的に一方向に固定された磁化は、２．５ｋＯｅ程度まで保持することができる。保磁力がこの程度大きければ、磁化自由層を単磁区化するための磁区制御膜（たとえばＣｏＣｒＰｔ膜）を着磁する際に印加される磁場（たとえば１．５ｋＯｅ程度）によって、磁化固定層に用いる硬質磁性材料の保磁力が、非可逆反転することを容易に防止でき、非磁性結合層を介した第二の強磁性層との交換結合が安定になる。
【００３３】
このような保磁力を得るには、硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなることが好ましく、（Ｃｏ100-xＰｔx）1-y/100Ｃｒy/100（ｘ：１０〜３０、ｙ：０〜２０）の組成を有することがより好ましい。ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとの合計が９０重量％以上であり、硬質磁性材料として所望の性能が得られれば、硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなっていると考えることができる。この組成では、磁気抵抗効果素子の素子サイズが０．１μｍ以下で、磁化過程が回転モードとなり、保磁力が１．２ｋＯｅ以上を示すようになる。素子サイズを小さくするほど保磁力が大きくなるので、素子サイズを０．１μｍよりさらに小さくすることがより好ましい。式中ｘは２０〜３０、ｙは０〜２０の範囲内の数字である。なお、第一の強磁性層がＣｒを含む場合には、合金の保磁力を高い値に安定化するために、第一の強磁性層形成中またはその後に熱処理を施すことが好ましい。熱処理は、１５０〜３００℃の範囲で、１〜１０時間行うことが好ましい。
【００３４】
図６は、ＣｏＰｔ合金膜におけるＰｔ濃度（原子％）と保磁力との関係を示すグラフである。ＣｏＰｔ合金膜としては連続膜を使用した。このグラフより、Ｐｔの濃度の増大と共に保磁力も増大し、２０原子%で最大となり、２０原子%以上では保磁力が減少することが理解できる。
【００３５】
図７は、図６のデータを元に、ＣｏＰｔ合金膜（Ｐｔが２０原子％）を使用した磁気抵抗効果素子の素子サイズを小さくしていくに従い、保磁力が増大する様子を示すシミュレーション結果である。このシミュレーションには、ＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｃｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式を基に計算した。ここで素子サイズとは、図３のＬを意味する。シミュレーションの結果、素子サイズが０．１μｍ以下であれば、磁化が回転モードになり１．２Ｏｅ以上の保磁力を得ることができることが示された。すなわち、１．２Ｏｅ以上の保磁力を得るには、合金膜におけるＰｔ濃度を１０〜３０原子％にすることが好ましいと言える。
【００３６】
なお、保磁力には第一の強磁性層の膜厚も影響する。この様子を図８に示す。この場合にも、ＣｏＰｔ合金の連続膜を使用した。図８より、磁化固定層の膜厚が４ｎｍ以上であると安定した保磁力が得られることが理解できる。６ｎｍ以上がより好ましい。上限については特に制限はなく、磁気抵抗効果素子の分解能の点からは薄ければ薄い方が好ましい。なお、本明細書においてＣｏ８８Ｐｔ１２等と記載された場合の数字は原子％を表し、Ｃｒ（４ｎｍ）等と括弧で括った数字は膜厚を表す。
【００３７】
第一の強磁性層の組成を決めるに当たっては、第一の強磁性層の散乱非対称項が第二の強磁性層の散乱非対称項より小さくなるようにすることが有用である。この理由を次に説明する。磁気抵抗を生ずる原因として強磁性層と非磁性層との界面において発生するスピン依存界面散乱と、強磁性層内において発生するスピン依存バルク散乱が挙げられる。磁気抵抗への寄与は、磁気抵抗効果素子の構造にも依存するが、通常、スピン依存界面散乱とスピン依存バルク散乱がほぼ同等と考えてよい。ここでは、スピン依存界面散乱を省略して説明する。
【００３８】
図９−Ａおよび９−Ｂを参照するに、磁気抵抗効果膜１０を通過する電子には、磁化自由層１６の磁化方向に対してアップスピンを有する電子ＥＬ１とダウンスピンを有する電子ＥＬ２が存在し、それらが磁化固定層１５を通過し、下地層１１を介して下部電極（図示せず）に流れる。磁化固定層１５は反強磁性層側に位置する第一の強磁性層１２と、非磁性中間層１６側に位置する第二の強磁性層１４とが、非磁性結合層１３を介して反強磁性的に交換結合する積層フェリ構造を有するので磁化の方向が互いに反平行となっている。アップスピン、ダウンスピンを有する電子ＥＬ１、ＥＬ２は、第二の強磁性層１４でバルク散乱によりそれぞれ抵抗率ρ２１、ρ２２を生じ、さらに第一の強磁性層１２でバルク散乱により抵抗率ρ１１、ρ１２を生じる。
【００３９】
ここで、第一の強磁性層１２あるいは第二の強磁性層１４の磁化方向とスピンが平行な場合、抵抗率ρ＝２ρ＊（１−β）、反平行な場合はρ＝２ρ＊（１＋β）と表される。ρ＊は、各材料に固有の比例定数、βは散乱非対称項である。第一の強磁性層１２、第二の強磁性層１４の散乱非対称項βをそれぞれβ１、β２とし、ρ＊をそれぞれρ１＊、ρ２＊とする。さらに第一の強磁性層１２、第二の強磁性層１４の膜厚をそれぞれｔ１、ｔ２とする。
【００４０】
強磁性層１４を通過するアップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗値は、非磁性結合層１３に起因する抵抗をＲ１３として、
ρ↑（ｔ１＋ｔ２）＝ρ１１×ｔ１＋ρ２１×ｔ２＋Ｒ１３＝２ρ１＊（１−β１）×ｔ１＋２ρ２＊（１＋β２）×ｔ２）＋Ｒ１３…（１）
ダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗は、
ρ↓（ｔ１＋ｔ２）＝ρ１２×ｔ１＋ρ２２×ｔ２＋Ｒ１３＝２ρ１＊（１＋β１）×ｔ１＋２ρ２＊（１−β２）×ｔ２）＋Ｒ１３…（２）
と表される。
【００４１】
アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差は、上記式（１）−（２）として、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ１＋ｔ２）＝４（ρ２＊×β２×ｔ２−ρ１＊×β１×ｔ１）…（３）
となる。ここで、説明を簡単にするため、ρ１＊とρ２＊がほぼ等しく（＝ρ＊）、ｔ１とｔ２がほぼ等しい（＝ｔ）とすると、上記式（３）は、
（ρ↑−ρ↓）（ｔ１＋ｔ２）＝４ρ＊ｔ（β２−β１）  …（４）
となる。
【００４２】
したがって、上記式（４）から、図９−Ａに示すように、β１がβ２とほぼ等しい場合は、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差が小さくなり、その結果、磁化固定層１５全体としてのスピン依存抵抗の非対称性が減少する。すなわち、例えば磁化自由層１８から第二の強磁性層１４を流れてきた電子に対して、第一の強磁性層１２において第二の強磁性層１４と逆のスピン非対称性をもった抵抗を与えてしまうので、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差が減少する。
【００４３】
そこで、本発明では、第一の強磁性層１２に第二の強磁性層１４の散乱非対称項β２よりも小さい散乱非対称項β１を有する材料を用いることで、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差を増加させることができる。その結果、図９−Ｂに示すように、第一の強磁性層１２では、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗はダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗よりも大きく、磁化固定層１５全体で、アップスピンの電子ＥＬ１が感じる抵抗とダウンスピンの電子ＥＬ２が感じる抵抗との差が増加する。
【００４４】
その結果、磁化固定層の磁化の方向に対して磁化自由層の磁化方向の変化に応じて生じる磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。
【００４５】
第一の強磁性層の散乱非対称項β１が第二の強磁性層の散乱非対称項β２よりも小さい具体的態様としては、Ｃｒの添加が有効である。従って、硬質磁性材料が主としてＣｏとＰｔとＣｒとよりなる場合には、他の技術上の問題がない限り、Ｃｒの濃度を変更し、より小さい散乱非対称項を実現することが好ましい。
【００４６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子では、第一の強磁性層の下にある下地層も重要な役割を果たす。反強磁性層／軟磁性材料よりなる第一の強磁性層の組み合わせを単に硬質磁性材料よりなる第一の強磁性層に置き換えただけでは、硬質磁性材料の磁化容易軸が３次元にランダムに分散し、保磁力が低下したり、非磁性結合層を介した第二の強磁性層との交換結合が不十分になる場合がある。具体的には磁気抵抗効果が観察できなくなる場合がある。この場合に下地層が存在すると、第一の強磁性層の磁化を面内方向に配位し、これにより、第一の強磁性層と第二の強磁性層との反強磁性結合が実現するようにできる。
【００４７】
本発明に係る下地層は、第一の強磁性層と第二の強磁性層との反強磁性結合を実現できる材料であればどのようなものを使用してもよいが、上記目的から、ｂｃｃ（１１０）面配向することにより、硬質磁性材料をｈｃｐ（１１・０）、ｈｃｐ（１０・０）面配向し、第一の強磁性層の磁化容易軸を面内に２次元ランダムに配向させることのできるＣｒまたは、ＣｒとＭｏ，ＶもしくはＷとの合金よりなることが好ましい。
【００４８】
また、下地層の膜厚は、硬質磁性層の保磁力に影響する。この様子を図１０に示す。この場合にも、ＣｏＰｔ合金の連続膜を使用した。図１０より、Ｃｒ下地層の膜厚が４ｎｍ以上であると安定した保磁力が得られ４ｎｍ未満では、ＣｏＰｔがｈｃｐ（１０・０）、ｈｃｐ（１１・０）配向しないために、保磁力が急激に減少することもわかる．Ｃｒ下地層の上限については特に制限はなく、磁気抵抗効果素子の分解能の点からは薄ければ薄い方が好ましい。
【００４９】
上記の膜厚を採用した場合、下地層の厚さと第一の強磁性層の厚さの合計はたとえば、最薄で８ｎｍとなる。従来の下地層の厚さと反強磁性層の厚さと第一の強磁性層の厚さの合計は、下地層が４ｎｍ、反強磁性層（Ｉｒ−Ｍｎ合金層の場合）が４ｎｍ、第一の強磁性層が３．５〜１１．５ｎｍ程度のレベルまで到達しているので、本発明により、たとえば３．５ｎｍ以上の膜厚減少を実現することができる。
【００５０】
このような要素からなる本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気情報を記録あるいは再生するための磁気記録装置の磁気ヘッドに好適に使用することができる。図１１は、本発明に係る磁気抵抗効果素子を使用した磁気記録装置の要部を示す図である。図１１を参照して、磁気記録装置９０は、ハウジング９１内に、スピンドル（図示されず）により駆動されるハブ９２、ハブ９２に固定され回転される磁気記録媒体９３、アクチュエータユニット９４、アクチュエータユニット９４に取り付けられ磁気記録媒体９３の半径方向に移動できるアーム９５及びサスペンション９６、サスペンション９６に支持された磁気ヘッド２０が設けられている。この磁気ヘッド２０を、図３に示したような磁気抵抗効果素子２２とその上に形成された誘導型記録素子２３から構成することにより、高分解能を有する磁気記録装置が得られる。
【００５１】
なお、本発明で用いる磁気記録媒体は、垂直磁気記録方式であれば、磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
【実施例】
【００５２】
次に本発明の実施例を詳述する。
【００５３】
図１２は、Ｃｒ（４ｎｍ）／Ｃｏ８８Ｐｔ１２（８ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）膜の磁化曲線である。この組成は第一の強磁性層を評価するためのもので、Ｃｒ膜が下地層、Ｃｏ８８Ｐｔ１２膜が第一の磁性層、Ｒｕがキャップ層に該当する。のこの図より保磁力が１．５ｋＯｅ程度であることがわかる。
【００５４】
次に実際にこの硬質磁性体を用いて、作製したシングルスピンバルブ膜｛Ｃｒ（４ｎｍ）／Ｃｏ８８Ｐｔ１２（８ｎｍ）／Ｒｕ（０．７５ｎｍ）／Ｃｏ６０Ｆｅ４０（３．５ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（６ｎｍ）／Ｃｕ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）｝の磁気、電気特性を調べた結果を示す。なお、この試料の下地層から磁化固定層の第一の磁性層までの総膜厚は、１２ｎｍと、ＩｒＭｎ膜を適用した場合とほぼ同等となっている。
【００５５】
図１３−Ａ，Ｂは、それぞれシングルスピンバルブ膜の磁化曲線および、ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎ  ｐｌａｎｅ）での磁気抵抗の測定結果である。図１３−Ａより、固定層の保磁力は、Ｃｏ−Ｐｔ単層膜の保磁力に比べて大きくなり、２．８ｋＯｅ程度となることがわかる。図１３−Ｂからは、最大印加磁場５ｋＯｅとかなり大きな磁場を印加していることもあり、Ｐｉｎ反転が生じているが、磁気抵抗効果が発現していることがわかる。なお、図１３−Ａ，Ｂ，１４，１５中の断面中の矢印は、下から第一の強磁性層、第二の強磁性層および磁化自由層の磁化の方向を示している。
【００５６】
次に磁化固定層の外部磁場耐性を調べるため、８ｋＯｅで磁化固定層を一方向に磁化させた後に、１ｋＯｅから順に測定時の印加磁場を増やした時の電気抵抗の変化を調べた結果を図１４に示す。図より、２ｋＯｅまでは、硬質磁性層の非可逆な磁化反転が観測されず、最大印加磁場付近でのヒステリシスが生じないことがわかるが、２．５ｋＯｅ以上では、硬質磁性層の非可逆な磁化反転が生じ、最大印加磁場付近でヒステリシスが生じる。この結果から少なくとも２ｋＯｅまでの外部磁場耐性を有することが言える。この結果は、連続膜状態での結果であり、素子化した際には、図７からも予想されるように保磁力の増大が期待され、更に高い磁場まで、磁化固定層としての機能が保持されると考えられる。
【００５７】
つづいて、磁化自由層の磁区制御膜ＣｏＣｒＰｔを着磁する際に印加される１．５ｋＯｅ程度の磁場に対する耐性を調べるために、作製したスピンバルブ膜を８ｋＯｅで着磁後、着磁方向に対し垂直方向の磁気抵抗効果を、測定磁場１ｋＯｅから順に大きくして測定した。その際、各磁場値での測定後毎に、着磁方向の磁気抵抗効果を印加磁場１ｋＯｅで測定し、着磁方向とその垂直方向への磁場印加による非可逆な磁化過程の有無を確認した。図１５は、着磁方向に対し垂直方向の磁気抵抗効果を測定する際に１ｋＯｅから順に大きくして印加した磁場を横軸に、その結果得られた、着磁方向に対し垂直方向の抵抗変化率および、各測定後毎に、着磁方向の磁気抵抗効果を印加磁場１ｋＯｅで測定したときの抵抗変化率を縦軸に示したものである。図より着磁方向に対して垂直方向の印加磁場が２ｋＯｅまでは、垂直方向の磁気抵抗効果を測定後に印加磁場１ｋＯｅで測定した着磁方向の抵抗変化率は不変であるが、２ｋＯｅ以上で硬質磁性の非可逆な磁化反転に伴い抵抗変化率が増加することがわかる。この結果からも少なくとも外部磁場２ｋＯｅまでは、硬質磁性層が磁化固定層としての機能を果たすと考えることができる。
【００５８】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００５９】
（付記１）
下地層と、磁化の方向が実質的に一方の方向に固定された強磁性膜を有する磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜よりなる磁化自由層とを含み、これらの層の膜面に対して垂直方向に通電可能な磁気抵抗効果素子であって、
当該磁化固定層が、当該下地層に接して設けられた硬質磁性材料からなる第一の強磁性層と、非磁性結合層と、軟磁性材料からなる第二の強磁性層とから構成された、
磁気抵抗効果素子。
【００６０】
（付記２）
前記硬質磁性材料の保磁力が１．２ｋＯｅ以上である、付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６１】
（付記３）
前記硬質磁性材料の保磁力が２ｋＯｅより大きい付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６２】
（付記４）
前記第一の強磁性層の散乱非対称項が前記第二の強磁性層の散乱非対称項より小さい、付記１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００６３】
（付記５）
前記硬質磁性材料が、主として、ＣｏとＰｔまたは、ＣｏとＰｔとＣｒとよりなる、付記１〜４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００６４】
（付記６）
前記硬質磁性材料が（Ｃｏ100-xＰｔx）1-y/100Ｃｒy/100（ｘ：１０〜３０、ｙ：０〜２０）の組成を有する、付記５に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６５】
（付記７）
前記第一の強磁性層形成中またはその後に熱処理を施した、付記５または６に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６６】
（付記８）
前記下地層が、Ｃｒまたは、ＣｒとＭｏ，ＶもしくはＷとの合金よりなる、付記１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００６７】
（付記９）
前記磁気抵抗効果素子の素子サイズが０．１μｍ以下である、付記１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００６８】
（付記１０）
前記第一の強磁性層の膜厚が４ｎｍ以上である、付記１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００６９】
（付記１１）
前記下地層の膜厚が４ｎｍ以上である、付記１〜１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【００７０】
（付記１２）
付記１〜１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
【００７１】
（付記１３）
付記１２に記載の磁気ヘッドを備えた磁気記録装置。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来のＣＰＰ構造のスピンバルブ膜の一例の模式的横断面図である。
【図２】本発明に係るスピンバルブ膜の一例の模式的横断面図である。
【図３】複合型磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面の構造例を示す図である。
【図４】本発明に係る磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の断面図である。
【図５】磁化自由層の他の例の要部拡大図である。
【図６】ＣｏＰｔ合金膜におけるＰｔ濃度（原子％）と保磁力との関係を示すグラフである。
【図７】ＣｏＰｔ合金膜を使用した磁気抵抗効果素子の素子サイズを小さくしていくに従い、保磁力が増大する様子を示すシミュレーション結果である。
【図８】保磁力に対する第一の強磁性層の膜厚の影響を示すグラフである。
【図９】散乱非対称項を説明する図である。
【図１０】保磁力に対する下地層の膜厚の影響を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る磁気抵抗効果素子を使用した磁気記録装置の要部を示す図である。
【図１２】Ｃｒ４／Ｃｏ８８Ｐｔ１２８／Ｒｕ５（ｎｍ）膜の磁化曲線を示すグラフである。
【図１３−Ａ】Ｃｒ（４ｎｍ）／Ｃｏ８８Ｐｔ１２（８ｎｍ）／Ｒｕ（０．７５ｎｍ）／Ｃｏ６０Ｆｅ４０（３．５ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（６ｎｍ）／Ｃｕ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）構造のシングルスピンバルブ膜の磁化曲線を示すグラフである。
【図１３−Ｂ】Ｃｒ（４ｎｍ）／Ｃｏ８８Ｐｔ１２（８ｎｍ）／Ｒｕ（０．７５ｎｍ）／Ｃｏ６０Ｆｅ４０（３．５ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（６ｎｍ）／Ｃｕ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）構造のシングルスピンバルブ膜の抵抗磁場曲線を示すグラフである。
【図１４】シングルスピンバルブ膜のＲＨ曲線の測定磁場依存性を示すグラフである。
【図１５】硬質磁性体の着磁方向に対して垂直方向に磁場を変えて測定した磁気抵抗効果と、各測定後に着磁方向に磁場１ｋＯｅを印加した状態で測定した磁気抵抗効果とを示すグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１      スピンバルブ膜
２      反強磁性層
３      第一の強磁性層
４      非磁性結合層
５      第二の強磁性層
６      磁化固定層
７      非磁性中間層
８      磁化自由層
２０    複合型磁気ヘッド
２１    基板
２２    磁気抵抗効果素子
２３    誘導型記録素子
２４Ａ  上部磁極
２５    記録ギャップ層
２４Ｂ  下部磁極
２６    アルミナ膜
２８    下部電極
３０    磁気抵抗効果膜
３１    アルミナ膜
３２    上部電極
３３    絶縁膜
３４    磁区制御膜
４１    下地層
４２    第一の強磁性層
４３    非磁性結合層
４４    第二の強磁性層
４５    磁化固定層
４６    非磁性中間層
４７    磁化自由層
４８    保護層
【図１】
2006253306.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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】
2006253306.tif 000014
【図１３−Ａ】
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【図１３−Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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