(57)【要約】  磁気抵抗読取りヘッドは、スペーサにより少なくとも一つのピン層から離間させた少なくとも一つのフリー層を有するスピンバルブを含む。フリー層はＣｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つを含む薄膜としてのコバルト成分を含み、ここでＸはランタノイド族（４ｆ電子軌道元素）からの元素である。Ｃｏ成分は８０パーセントを上回り、ランタノイド元素成分は１０％未満である。薄膜はフリー層全体で構成するか、或いは１以上の従来のフリー層薄膜に隣接配置することができる。ピン層は、従来の単層か又は副層間にスペーサを有する合成多層構造である。スピンバルブ構造が高い交換スティフネスと減衰率を有するため、スピン転移効果は減り、高速動的応答がもたらされる。
2007531177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録媒体を読み取り、スピンバルブを有する磁気センサであって、
前記記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能なスピン状態を有し、Ｃｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つからなる薄膜を含み、Ｘがランタニド（４ｆ電子軌道）元素であるフリー層と、
固定磁束を有するピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサで、前記ピン層の前記固定磁束を前記スペーサとは反対側の前記ピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層に従って安定化させる前記スペーサとを備える、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記ＡＦＭ層と前記磁気センサの第１の外面において不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、
前記フリー層と前記磁気センサの第２の外面において不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層と、
前記センサ両側側方に前記ボトムシールドと前記トップシールドの間に垂直に配置した安定化器と
をさらに備える、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記安定化器は、（ａ）積層バイアスと、（ｂ）ハードバイアスで、該ハードバイアスと前記トップシールドと前記ボトムシールドとの間に配置した絶縁体を有する前記ハードバイアスのうちの一方とした、請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記ランタニド元素はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂのうちの少なくとも一つで構成した、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記フリー層は約０．５ｎｍ乃至３．０ｎｍの膜厚を有し、前記ランタニドは前記フリー層内に約１０％未満の濃度を有する、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記ランタニドの前記濃度は約３％乃至約５％とした、請求項５記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記スピンバルブはトップ型とボトム型とデュアル型のうちの一つであり、前記ピン層は（ａ）単層と、（ｂ）それらの副層間にスペーサを有する多層のうちの一方とした、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記スペーサは、
（ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁体と、
（ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに用いる導電体と、
（ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層の間に接続した磁気ナノ寸法を有する絶縁体と、
のうちの一つとした、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記記録媒体は、前記記録媒体の平面に（ａ）垂直と、（ｂ）平行のうちの一方の磁気方向に前記磁束を発生する、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項１０】
記録媒体を読み取る磁気センサであって、
前記記録媒体から受け取った磁束に応答して調整可能なスピン状態を有するフリー層で、
ＣｏＦｅとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも一つを含む第１のフリー副層と、
Ｃｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つを含み、Ｘがランタニド（４ｆ電子軌道）元素である第２のフリー副層と
を含む前記フリー層と、
固定磁化方向を有するピン層と、
前記ピン層と前記フリー層の間に挟持したスペーサで、前記ピン層の前記磁化方向を前記スペーサとは反対側の前記ピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層に従ってピンニングする前記スペーサとを備える、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項１１】
Ｃｏ成分は前記フリー層の少なくとも約８０％を構成し、前記Ｘ成分は前記フリー層の約１０％未満を構成する、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記ランタニドの前記濃度は約３％乃至約５％とした、請求項１１記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記第１のフリー副層は、（ａ）前記スペーサに隣接させて配置し、該スペーサとは反対側の前記第１のフリー副層の面に前記第２のフリー副層を配置するか、（ｂ）前記スペーサに隣接させて配置し、該スペーサとは反対側の前記第２のフリー副層の面に前記１のフリー副層を配置するかの一方とした、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記第２のフリー副層は約０．５ｎｍ乃至約３．０ｎｍの膜厚を有する、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１５】
前記ＡＦＭ層と前記磁気センサの第１の外面において不要磁束を遮蔽するボトムシールドとの間に挟持したバッファと、
前記フリー層と前記磁気センサの第２の外面において不要磁束を遮蔽するトップシールドとの間に挟持したキャップ層と、
前記センサ両側側方に前記ボトムシールドと前記トップシールドとの間に垂直に配置した安定化器で、（ａ）積層バイアスと、（ｂ）ハードバイアスで、該ハードバイアスと前記トップシールドと前記ボトムシールドとの間に配置した前記ハードバイアスのうちの一方とした前記安定化器とをさらに備える、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記ランタニド元素はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂのうちの少なくとも一つを含む、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１７】
前記スピンバルブはトップ型とボトム型とデュアル型のうち一つであり、前記ピン層は単層とそれらの副層間にスペーサを有する多層のうちの一方とした、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１８】
前記スペーサは、
（ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブに用いる絶縁体と、
（ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブに用いる導電体と、
（ｃ）バリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブに用いる前記ピン層と前記フリー層の間に接続した磁気ナノ寸法を有する絶縁体と、
のうちの一つとした、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項１９】
前記記録媒体は該記録媒体の前記平面に平行か垂直の一方の磁気方向に前記磁束を生成する、請求項１０記載の磁気センサ。
【請求項２０】
ＣｏＦｅとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも一つを備える第３のフリー副層をさらに備え、前記第２のフリー副層を前記第１のフリー副層と前記第３のフリー副層との間に挟持した、請求項１０記載の磁気構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果（ＭＲ）ヘッドの読み取り素子分野に関する。より詳しくは、本発明は高交換スティフネスと高減衰率を有する材料を含むフリー層を有するＭＲ読み取り素子からなるスピンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のハードディスクドライブ等の磁気記録技術では、一つのヘッドに読み取り素子と書き込み素子が備わっている。読み取り素子と書き込み素子は別個の機能を有しており、相互間に相互作用を一切伴うことなく互いに独立して動作する。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）は、従来の磁気記録方式を示す。複数ビット３とトラック幅５を有する記録媒体１は、記録媒体の平面に平行な磁化を有する。その結果、ビット３間の境界に磁束が発生する。これは、一般に「長手磁気記録」と呼ばれる。
【０００４】
情報は誘導書き込み素子９により記録媒体１へ書き込まれ、データは読み取り素子１１により記録媒体１から読み取られる。書き込み電流１７が誘導書き込み素子９へ供給され、読み取り電流が読み取り素子１１へ供給される。
【０００５】
読み取り素子１１は、センサ磁化方向が一つの方向から他方向へ変化する際の抵抗変化を検出することで動作するセンサである。シールド１３もまた配設してあり、媒体から入来する不要な磁界を低減し、読み取り素子１１が目下読み取り中のビット３の一つに隣接ビットの不要磁束が干渉するのを阻止する。
【０００６】
前述の従来方式では、記録媒体１の面積密度は過去数年間に相当増加してきており、続く数年間に相当増加すると予想される。それに応じて、ビット密度とトラック密度は増加すると思われる。その結果、従来の読み取り素子は増大した密度を有するこのデータをより高効率かつ高速度に読み取ることができねばならない。
【０００７】
これらの要件が故に、図１（ｂ）に示す如く別の従来の磁気記録方式が開発されてきた。この従来方式では、記録媒体１の磁化方向１９は記録媒体の平面と直角をなす。これは、「垂直磁気記録」としても公知である。この設計は、よりコンパクトで安定した記録データをもたらす。
【０００８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、「スピンバルブ」として公知の上記磁気記録方式用の各種従来の読み取り素子を示す。図２（ａ）に示すボトム型スピンバルブでは、フリー層２１は記録媒体１から記録データを読み取るセンサとして動作する。スペーサ２３が、フリー層２１とピン層２５の間に配置してある。ピン層２５の他側には、反強磁性（ＡＦＭ）層２７が存在する。
【０００９】
図２（ｂ）に示すトップ型スピンバルブでは、層配置は逆転している。図２（ａ）〜（ｂ）に示した従来のスピンバルブの動作はほぼ同様であるが、以下にさらに詳しく説明する。
【００１０】
ピン層２５の磁化方向が固定されているのに対し、フリー層２１の磁化方向は例えば（限定はしないが）記録媒体１等の外部磁界の影響に応じて変化させることができる。
【００１１】
外部磁界（磁束）を読み取り素子に印加すると、フリー層２１の磁化は変化し、すなわち一定角度だけ回転する。磁束が正であるときはフリー層の磁化は上向きに回転させられ、磁束が負であるときはフリー層の磁化は下向きに回転させられる。さらに、印加する外部磁界がフリー層２１の磁化方向をスピン層２５と同様に整列させるよう変化させた場合、そのときは層間抵抗は低く、電子はこれらの層２１，２５間をより簡単に移動することができる。
【００１２】
しかしながら、フリー層２１がピン層２５とは逆の磁化方向を有する場合、層間抵抗は高いものとなる。この高抵抗が生ずるのは、電子が層２１，２５間を移動するのがより困難であるからである。
【００１３】
外部磁界と同様、ＡＦＭ層２７が交換結合をもたらし、ピン層２５の磁化を固定されたままとする。ＡＦＭ層２７の特性は、その中の材料の性質に起因するものである。従来技術では、ＡＦＭ層２７は通常ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎである。
【００１４】
層２１，２５が平行や反平行であるときにΔＲと呼ばれる抵抗変化が生じ、高感度読み取り素子を有するにはΔＲを高くしなければならない。ヘッド寸法が減少すると、読み取り素子の感度は益々重要となり、特に媒体磁束の大きさが減るときはそうである。かくして、従来のスピンバルブの層２１，２５間での高い抵抗変化ΔＲに対する要求が存在する。
【００１５】
従来のスピンバルブの公知の概念の要約を、ここに提示する。偏極された電子が強磁性薄膜に当ると、電子は磁気モーメントにより毀損され、散乱させられる。喪失電子エネルギはエネルギ保存則に基づき磁気モーメントへ転移する。このエネルギ転移はトルクとして現れ、それが強磁性薄膜に作用する。前記した如く、フリー層の磁化は擾乱されることができ、高い電流密度、小さい磁化、薄い膜厚、或いは交換スティフネスや減衰率を含む他の固有パラメータ等のしかるべき条件下では切り替えることさえできる。
【００１６】
上記の従来のスピンバルブでは、磁気薄膜が十分に小さな磁化を有するときに、エネルギ転移（モーメント転移）に対するその磁化抵抗は弱く、その磁化方向を変えることができる。さらに、交換スティフネス（磁気モーメントとその近傍の間のエネルギ交換）が小さいときは、一部のモーメントが他に先んじて切り替わる。
【００１７】
加えて、従来のスピンバルブはスピン転移効果を蒙る。スピン転移効果は、固有減衰率（歳差運動）に加わる追加の減衰効果に類似する。しかし、スピン転移は固有歳差運動とは異なる挙動を有する。
【００１８】
薄膜膜厚方向に流れる電流を用いるＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、ピン層が分極化層（分極源）として機能するが、それは記録媒体の磁束に応じてその磁化が変化しないからである。しかしながら、フリー層は電子スピン転移により強く影響を受け、そのことがその磁化にトルクを及ぼす。スピン転移トルクは、以下の如く算出される。
スピン転移トルク＝τ−１［Ｍ×（Ｍ×Ｐ）］                      （１）
ここでτは電流密度と薄膜固有特性とに応じた定数であり、Ｐは分極磁化源方向、この場合ピン層に応じた電子分極方向である。図２（ｃ）は、従来のデュアル型スピンバルブを示す。層２１〜２５は図２（ａ）〜（ｂ）について前記したものとほぼ同様である。しかしながら、追加のスペーサ２９がフリー層２１の他側に配設してあり、その上に第２のピン層３１と第２のＡＦＭ層３３が配置してある。デュアル型スピンバルブは、図２（ａ），（ｂ）について前記したのと同じ原理に従って動作する。しかしながら、第２のピン層３１が供給する余分な信号が抵抗変化ΔＲを増大させる。
【００１９】
図６は、図１（ａ）に示した従来の水平磁気記録方式の場合の前述の原理を図解して示すものである。センサが記録媒体を横切って移動すると、隣接ビットに対しシールドされたビット間の境界における記録媒体の磁束がフリー層に対し磁束を供給し、それが従来のスピンバルブの原理に従って機能し、そのことを以下により詳しく説明する。
【００２０】
従来のスピンバルブの動作を、ここでより詳しく説明する。記録媒体１内では、磁束は隣接ビットの極性に基づいて生成される。二つの隣接ビットがそれらの境界で負極性を有する場合、磁束は負となる。他方、両方のビットがその境界で正極性を有する場合、磁束は正となる。磁束の大きさが、フリー層とピン層の間の磁化角度を決定する。
【００２１】
ピン層が単層である前述の従来のスピンバルブに加え、図３は従来の合成（シンセティック）スピンバルブを示す。フリー層２１とスペーサ２３とＡＦＭ層２７は、上記したものとほぼ同じである。図３中、フリー層の一つの状態だけが図示してある。しかしながら、ピン層はさらにスペーサ３９により第２の副層３７から隔絶された第１の副層３５を含む。
【００２２】
従来の合成スピンバルブでは、第１の副層３５はピン層２５に関する前述の原理に従って動作する。加えて、第２の副層３７は第１の副層３５とは逆のスピン状態を有する。その結果、ピン層の全モーメントは第１の副層３５と第２の副層３７との間の反強磁性結合のため減少する。合成スピンバルブヘッドは零に近い全磁束を有するピン層を有し、かくして単層ピン層構造よりも大きな安定性と高いピンニング磁界を得ることができる。
【００２３】
図４は、シールド構造を有する従来の合成スピンバルブを示す。前記した如く、所与のビットの読み取り期間中に隣接ビットからの不要磁束の検出を防止することは重要である。フリー層２１の上面には保護層４１が配設してあり、通常個別システム内での電気メッキによりなされるトップシールド４３の成膜前にスピンバルブが酸化しないよう保護している。同様に、ＡＦＭ層２７の下面にはボトムシールド４５が配設してある。図４には図示していないバッファ層を、通常良好なスピンバルブ成長を目的にＡＦＭ層２７の前に成膜する。シールドシステムの効果は、前記した如く図６に図示してある。
【００２４】
図５（ａ）〜（ｄ）に示す如く、４種の従来のスピンバルブが存在する。スピンバルブの型は、スペーサ２３の構造に基づき構造的に変化する。
【００２５】
図５（ａ）に示した従来のスピンバルブはスペーサ２３を導体として使用しており、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型スピンバルブ用の図１（ａ）に示した従来のＣＩＰ方式に用いられる。それ故に、「ｉ」で表わされる検出電流の磁化方向は、ＧＭＲ素子の平面内にある。
【００２６】
従来のＧＭＲスピンバルブでは、フリー層２１とピン層２５の磁化方向（すなわち、スピン状態）が平行であるときに抵抗は最小化され、磁化方向が反対であるときに最大化される。前記した如く、フリー層２１は方向を変えることのできる磁化を有する。かくして、ＧＭＲ構造はピン層磁化の不要な切り替えを最小化することでヘッド出力信号の擾乱を防止する。
【００２７】
ＧＭＲは、ピン層とフリー層のスピン分極の程度及びそれらの磁気モーメント間の角度に依存する。スピン分極は、フリー層とピン層それぞれのスピン状態（上向きと下向き）間の差異に依存する。これらの概念を、以下により詳しく説明する。
【００２８】
ここで、ＧＭＲの原理をさらに詳しく説明することにする。ビット遷移を示す磁束をフリー層２１が受け取ると、フリー層磁化は磁束の方向に従って一方向又は他方向へ小角度だけ回転する。ピン層２５とフリー層２１の間の抵抗変化は、フリー層２１とピン層２５のモーメント間の角度に比例する。抵抗変化と読み取り素子の効率との間には、ある関係が存在する。
【００２９】
ＧＭＲスピンバルブは、各種要件を有する。例えば、限定はしないが、高出力信号の生成には大きな抵抗変化ΔＲが必要である。さらに、小媒体磁界もまた検出できるよう、低保磁力が望ましい。高スピンニング磁界強度をもたせることで、ＡＦＭ構造は良好に規定され、層間結合が低いときは、検出層がピン層により悪影響を受けることはない。さらに、フリー層上の歪を最小化するには低磁気歪が望ましい。
【００３０】
しかしながら、前述の従来のＣＩＰ−ＧＭＲは様々な欠点を有する。それらのうちの一つは、フリー層に接続した電極は寸法を減らさねばならず、そのことが過熱を引き起こしてヘッドに害を及ぼすことになる点である。また、ＣＩＰ−ＧＭＲから得られる読み出し信号はＭＲヘッド幅に比例し、それは高記録密度ではＣＩＰ−ＧＭＲに対する限界が存在することを意味する。
【００３１】
前述の従来技術の問題を克服するため、従来の磁気記録方式は検出電流がスピンバルブ平面に垂直な方向に流れるＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを使用している。その結果、寸法を低減し、熱的安定性を増大させることができる。ＣＰＰ方式で動作する様々な従来技術が図５（ｂ）〜（ｄ）に示してあり、以下により詳しく説明する。
【００３２】
図５（ｂ）は、ＣＰＰ方式用の従来のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブを示す。ＴＭＲスピンバルブでは、スペーサ２３は絶縁体すなわちトンネル障壁層として機能する。かくして、電子はフリー層からピン層或いはその逆へスピン方向を失うことなく絶縁スペーサ２３を横断することができる。ＴＭＲスピンバルブは、約３０〜５０％台の増大したＭＲを有する。
【００３３】
図５（ｃ）は、従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブを示す。ＧＭＲの一般的な概念はＣＩＰ−ＧＭＲに関して前記したものと同様であるが、電流は平面沿いにではなく平面に垂直に伝わる。その結果、固有ＭＲだけでなく抵抗における差異はＣＩＰ−ＧＭＲよりも相当に大となる。
【００３４】
従来のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、大きな抵抗変化ΔＲと高周波応答性を有する適度の素子抵抗とに対する必要性が存在する。小媒体磁界が検出できるよう、低保磁力もまた必要である。また、高いピンニング磁界をもたねばならない。ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの追加の詳細を、以下により詳しく説明する。
【００３５】
図５（ｄ）は、従来のバリスティック磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブを示す。絶縁体として動作するスペーサ２３内では、強磁性領域４７がピン層２５をフリー層２１に接続している。コンタクト領域は、数ナノメートル台である。その結果、このナノコンタクト内に作成される磁壁領域で散乱する電子のためにかなり高いＭＲが発現する。他の要因には、強磁性体のスピン分極とＢＭＲスピンバルブにナノコンタクトする領域の構造とが含まれる。
【００３６】
しかしながら、従来のＢＭＲスピンバルブは開発されて日が浅く、市販品として使用されてはいない。さらに、ナノコンタクトの形状と寸法の制御性、磁壁安定性をさらに発展させねばならない点でＢＭＲスピンバルブには従来技術の問題が存在する。加えて、ＢＭＲ技術の再現性を高い信頼度で示さねばならない。
【００３７】
図５（ａ）〜（ｄ）の前述の従来のスピンバルブでは、スピンバルブのスペーサ２３はＴＭＲ用絶縁体やＧＭＲ用導電体やＢＭＲ用磁気ナノ寸法コネクタを有する絶縁体である。従来のＴＭＲスペーサは概ねアルミナ等の絶縁金属で出来ているが、従来のＧＭＲスペーサは概ね銅等の導電性金属で出来ている。
【００３８】
図７（ａ），（ｂ）は、ＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブとＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブの間の構造的差異を示す。図７（ａ）に示す如く、ＧＭＲスピンバルブの側面にはハードバイアス９９８が存在し、ＧＭＲの上面には電極９９９が存在する。ギャップ９９７もまた、必要である。図７（ｂ）に示す如く、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブでは、検出電流が薄膜の膜厚方向にのみ流れることのできるスピンバルブの側面に絶縁体１０００が成膜してある。さらに、ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブにはギャップは一切不要である。
【００３９】
その結果、電流はそこを流れるずっと大きな面を有し、シールドはまた電極としても機能する。それ故、過熱問題にはほぼ対処される。
【００４０】
さらに、スピンバルブの層のスピン分極は材料の電子構造に本質的に関係するものであり、高抵抗率材料が抵抗変化に増分を導くことができる。従って、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造内の動作について必要な特性と膜厚を有する材料に対する未対処の要求が存在する。
【００４１】
従来のＣＰＰ−ＧＭＲ構造の能力に関する追加の要因を、以下に提示する。エム・ツォイ（Ｍ．Ｔｓｏｉ）等著、「Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８０，４２８１（１９９８年）、ジェイ・シー・スロンチェフスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）著、「Ｊ．  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、１９５，Ｌ２６１（１９９９年）、ジェイ・エイ・カチン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）等著、「Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８４，３１４９（２０００年）、エム・アール・プファール（Ｍ．Ｒ．Ｐｕｆａｌｌ）等著、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８３（２），３２３（２００３年）を含む様々な従来の研究が、磁化スイッチングに対する電子スピン分極の影響を実証してきており、その内容は本願明細書に参照用に取り込むものとする。
【００４２】
スピン転移は、強磁性（ＦＭ）層の磁化と相互作用する偏極された電子により生ずることがある。電子は、ピンＦＭ層（分極源）を横断して通過するときに偏極される。
【００４３】
以下の式はスピン転移効果によるＦＭ層の磁化の切り替え（スイッチング）に必要な最小電流ＩＳＷを表わす。
【数１】
2007531177.tif 000003
【００４４】
式（２）中、ｅは電子の電荷、ｈはプランクの定数、ｔＦはフリー層膜厚、ＭＳはフリー層の飽和磁化、ｒはコンタクト領域、γはジャイロ磁気係数、Ｄは交換スティフネス、αは減衰率、Ｈａｐｐは印加磁界、Ｈｅｘｃは実効層間結合磁界である。
【００４５】
フリー層磁化を切り替えてしまう不要なスピン転移効果を低減（換言すれば、ＩＳＷを最大化）するには、大きなＭＳ，Ｄ，αをもった材料が必要である。また、より厚肉の薄膜はスピン転移が引き起こすスイッチング（不安定性）に対しより安定である。
【００４６】
フリー層飽和磁化ＭＳに関しては、小さなＭＳ値がフリー層に必要であり、何故ならヘッドの感度（出力信号）はＭＳが増えるにつれて減少する。より具体的には、フリー層磁化方向の回転は、大きなＭＳにとってはより困難であり、小さなＭＳにとってはより簡単である。
【００４７】
コンタクト寸法ｒ（簡明さに配慮し、円形と仮定）もまた、ＩＳＷに影響を及ぼす。しかしながら、ヘッド寸法はｒに関係し、かくしてより高い記録密度を得るべく絶えず低減対象とされる。
【００４８】
従来技術の研究にあっては、固有特性とスピン転移スイッチングとの間の関連が検討されてきた。また、磁化スイッチングの動的応答も研究されてきた。結論として、高周波（例えば、ＧＨｚ）での高速磁化スイッチングに携わるヘッド（センサ）の能力は記録情報の高速読み取り（高データレート）にとって重要である。
【００４９】
記録媒体ビット寸法が低減されるにつれ、より薄肉のフリー層もまた必要になる。従来技術では、１平方インチ当り約１５０ＧＢの記録密度を有するセンサについて３ｎｍ未満の膜厚をもったフリー層が必要である。将来、フリー層の膜厚を低減する必要性は継続するものと考えられる。記録ヘッド読み取り素子技術には、非常に高い周波数（すなわち、高データレート）で益々小型化するビットを検出する必要性もまた存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５０】
しかしながら、従来技術には様々な問題と欠点が存在する。例えば、限定はしないが、高い消磁界に起因する熱安定性の問題が存在する。さらに、主にエッジでの磁気変動に起因する渦効果が存在する。
【００５１】
加えて、強磁性薄膜の磁気モーメントへの電子モーメントの転移に少なくとも一部起因するスピン転移効果が存在する。電流密度が高すぎる場合、フリー層磁化は切り替わる（すなわち、スピン転移が発生する）ことになる。その結果、磁気薄膜の磁化擾乱が少なくとも部分的に（その場合は不均一さが存在）、或いは完全に（その場合は方向の完全な切り替えが存在）存在する。
【００５２】
従って、スピン転移効果を最小化してフリー層磁化が媒体磁束によってだけ影響を受けるようにする必要性が従来技術には存在した。
【００５３】
また、フリー層（すなわち、センサ）内の磁気モーメント分布の擾乱や変動が付加的なノイズ源を生ずる。その結果、信号対ノイズ比は減少する。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
本発明の一つの目的は、従来技術の少なくとも前記問題ならびに欠点を克服することにある。しかしながら、本発明がそれらの課題と欠点を克服することは必須要件ではなく、また全ての問題と欠点についてもそうである。
【００５５】
少なくともこの目的と他の目的を達成するため、記録媒体を読み取るためのスピンバルブを有する磁気センサであって、固定磁束を有するピン層に加え、記録媒体から受け取る磁束に応答して調整可能なスピン状態を有し、Ｃｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つを備え、Ｘがランタニド（４ｆ電子軌道）元素である薄膜を含むフリー層もまた含む磁気センサを提供する。また、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサを配設し、ピン層の固定磁束をスペーサとは反対側のピン層表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層により安定される構造を含む。
【００５６】
別の例示的な非限定の実施形態では、記録媒体から受け取る磁束に応答して調整可能なスピン状態を有するフリー層を含む記録媒体読み取り用磁気センサを提供する。フリー層は、ＣｏＦｅとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも一つを含む第１のフリー副層と、Ｃｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つで、Ｘがランタニド（４ｆ電子軌道）元素であるものを含む第２のフリー副層とを含む。磁気センサはまた、固定磁化方向を有するピン層と、ピン層とフリー層の間に挟持したスペーサとを含み、ピン層の磁化方向をスペーサとは反対側のピン層の表面に配置した反強磁性（ＡＦＭ）層に従ってピンニングする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
本発明の上記及び他の目的ならびに利点は添付図面を参照してその好適な例示実施形態を詳しく説明することでより明確にするが、幾つかの図を通じて同様の参照符号は同様の或いは対応部分を示す。
【００５８】
ここで、添付図面を参照し、本発明の好適な実施形態についての説明を提示する。
【００５９】
本発明の例示的な非限定の実施形態では、高低効率材料を有する磁気抵抗ヘッド用に新規スピンバルブを設け、改善されたスピンバルブを得る。
【００６０】
本発明は、式（２）のパラメータＤとαに関するものであり、それらはフリー層に関する材料選択に基づき最適化することができる。適切な材料選択の結果、ヘッド安定性は改善され、ヘッドの高周波応答（高データレート）が得られる。
【００６１】
より具体的には、本発明は読み取りヘッド内のスピン転移効果を低減してフリー層の動的応答を増大させ、上記の渦効果を低減させる材料最適化に関するものである。ヘッド内で使用される他の従来の材料（ＦｅやＮｉやＣｏＦｅやＮｉ８０Ｆｅ２０等）に比べた高交換スティフネスを持つＣｏ薄膜をフリー層内に用いる。ＣｏやＣｏ９０Ｆｅ１０はほぼ同じ交換スティフネスを有し、それはＦｅやＮｉ８０Ｆｅ２０のそれよりも相当に高いものである。表１は、本発明のものと対照したヘッド構造内の従来の材料の磁気モーメントと交換スティフネスを示す。
【００６２】
【表１】
2007531177.tif 000004
【００６３】
表１は異なる磁気材料に関するＭＳとＡを示すものであるが、これに示す如く、ＣｏとＣｏｘＦｅ（１−ｘ）はＦｅやＮｉやＮｉＦｅ合金等の他の材料よりも高い交換スティフネスＡを有する。その結果、スピン転移効果とヘッドのエッジにおけるより小さな渦によりスイッチング電流は増大し、そのことがスピン転移擾乱に対する高い安定性をもたらす。エム・アール・プファール（Ｍ．Ｒ．Ｐｕｆａｌｌ）等著、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８３（２），３２３（２００３年）は、その内容を参照用に本願明細書に取り込むものであるが、そこに掲載されているように、式（２）から導出される積ＭＳ＊Ｄの大きな値が高いＩＳＷへ通ずる。
【００６４】
図１０に示すヘッドエッジでのより小さな渦については、交換スティフネスエネルギＤが低いと、ヒステリシスを引き起こすヘッドエッジ内の渦（渦型磁壁）を生じることがある。この種の場合、交換スティフネスが減少するにつれて保磁力は増加する。
【００６５】
Ａは、式（３）に示す如くＤに関連付けられる。
【数２】
2007531177.tif 000005
【００６６】
その結果、ＤはＡに比例する。上記の表１に示す如く、本発明のコバルト薄膜は最良の交換スティフネスを有する。より低い値のＡは、センサ内の渦の生成及びかくしてノイズの生成に通ずる。すなわち、より高い交換結合をもった材料を使用することは好ましく、そのことがより少ないノイズとより少ない渦をもたらす。
【００６７】
前述の結果は、１００Ｏｅのバイアス磁界と困難軸方向（媒体磁界方向に類似）の外部印加磁界とを用い、図１１に示す幾何構造に基づくシミュレーションにて得られた。出力電圧は、ピン層とフリー層の間の角度に比例する。このシミュレーションは、異なる交換スティフネス値を有するパーマロイに関するものである。
【００６８】
図１２は、ＸＹ平面内のフリー層の磁気モーメント分布を示す。磁化変動は、薄膜のエッジにおいて支配的である。その結果、ノイズは通常の読み取り動作期間中に増大し、かくして信号の線形性は影響を受ける。図１２中の小さな矢印は薄膜平面内の異なる位置における磁化分布を表わし、大きな矢印が大面積に対する平均化磁化を表わす。
【００６９】
上記の式（２）に示す如く、上記のＤに加え、パラメータαもまたスピン転移が原因でスイッチング電流に影響を及ぼす。高データレートでの情報読み取り用の高周波応答にとって、大きな値のαが望ましい。
【００７０】
材料と吸収係数との間には、一定の関係がある。例えば、非晶質希土遷移金属合金は高い吸収係数とまた高い減衰率も有することが知られている。遷移金属にはＣｏやＦｅやＣｏＦｅが含まれ、希土類にはＧｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の重希土類が含まれる。しかしながら、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの合金等の遷移金属と組み合わせたときのそれらの低い磁気異方性が故に、ＥｒやＴｍ等の他の金属は研究されていない。
【００７１】
エス・ジー・ライディー（Ｓ．Ｇ．Ｒｅｉｄｙ）等著、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、８２（８），１２５４（２００３）には、数％の希土元素をＮｉ８１Ｆｅ１９へ置換するだけで減衰パラメータαを４倍に増やせることが実証されている。ライディーの著述では、パラメータαを増やすのにごく少量の％の希土金属しか用いられていない。その結果、保磁力やスピン分極等のフリー層の磁気特性は４ｆ電子軌道元素（すなわち、それらのｆ電子軌道が不完全な元素）により劣化しない筈である。
【００７２】
Ｅｕ等の一部の希土金属は、５００ＭＨｚも共振周波数を増大させることができる。その結果、共振周波数に起因するヘッド応用分野でのノイズ（３乃至４ＧＨｚの範囲）は相当にシフトさせることができる。このことは、ワイ・シー・チョー（Ｙ．Ｃ．Ｚｈｏｕ）等著、「Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．」、９３（１０）：８５７９−８５８１、第３部、２００３年５月１５日に資料提示されている。
【００７３】
従って、本発明は合成或いは積層フリー層にコバルト合金をリッチに含み、また希土元素を含む。フリー層は、Ｃｏ（１−ｙ）−Ｘｙや［ＣｏｚＦｅ（１−ｚ）］（１−ｙ）−Ｘｙだけでなく、ＣｏＦｅやＮｉＦｅを含み、ここでＸはＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂを含む４ｆ電子軌道群の元素である。４ｆ電子軌道元素の組成ｙは少なくとも一部約１０％未満であり、何故ならより大量の４ｆ電子軌道元素がスピン分極や保磁力，磁気歪等の磁気特性に影響を及ぼすことになるからである。
【００７４】
図８は、本発明の例示的な非限定の実施形態になる磁気媒体を読み取るセンサからなるスピンバルブを示す。フリー層１００が配設してあり、第１のスペーサ１０１がフリー層１００とピン層１０２の間に配置してある。ＡＦＭ層１０３はピン層１０２の下面に配置してあり、バッファ１０４がＡＦＭ層１０３の下面に配置してある。ボトムシールド１０５が、バッファ１０４の下側に配設してある。フリー層１００上には、キャップ層１０６が配設してあり、トップシールド１０７がキャップ層１０６上に配置してある。
【００７５】
トップシールド１０７とボトムシールド１０５の間のセンサ構造両側に、絶縁体１１３が配設してある。ハードバイアス１１４が絶縁体１１３の外側に配設してあり、絶縁体１１３の別の部分がハードバイアス１１４とトップシールド１０７の間に配設してある。
【００７６】
フリー層１００には、第１のフリー副層１０８と第２のフリー副層１０９を含ませることができる。さもなくば、フリー層１００はＣｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘを含む薄膜で出来た単層とすることができる。前記した如く、Ｘは「ランタニド」或いは「ランタノイド」とも呼ばれる４ｆ電子軌道希土元素を表わす。本発明の例示的な非限定の実施形態では、Ｘはフリー層１００の約１０％未満の量からなる。フリー層１００は、約０．５ｎｍ乃至３ｎｍの膜厚を有する。
【００７７】
別の例示的な非限定の実施形態では、フリー層１００は図８に示す如く多層構造中のＣｏＦｅ−ＸとＣｏＦｅ或いはＮｉＦｅの積層体で作成することができる。第１のフリー副層１０８はＣｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つから選択することができ、第２のフリー副層１０９はＣｏＦｅとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも一つから選択する。本実施形態では、フリー層１００の全合成膜厚は約３ｎｍ未満とし、Ｃｏ成分は約８０％を上回り、Ｘ成分は約１０％未満で、好ましくは約３乃至５％としてある。
【００７８】
上記実施形態のフリー副層１０８，１０９は上記に示したが、その構成はそれに限定はされない。例えば、限定はしないが、第１と第２のフリー副層１０８，１０９の位置は逆転することができる。さらに、個別に形成する代りに、層は副層１０８，１０９がそうである如く前記に示した材料から作成した単一の合成フリー層１００に合成することができる。
【００７９】
図９は、本発明の他の例示的な非限定の実施形態を示す。フリー層１００は、３個の副層１１５，１１６，１１７を有する。第１のフリー層１１５と第３のフリー層１１７は、ＣｏＦｅとＮｉＦｅとＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも一つで出来ている。第２のフリー副層は、第１と第３のフリー層１１５，１１７の間に挟持してあり、Ｃｏ−ＸとＣｏＦｅ−ＸとＣｏＮｉ−Ｘのうちの少なくとも一つで出来ている。本実施形態のフリー層の全膜厚は、約３ｎｍ未満としてある。図９の残る特徴について、図８と同様の数字の参照符号の説明をここでは反復しない。
【００８０】
本発明の前述の例示的な非限定の実施形態の全てについて、追加の変形例を提供することもできる。例えば、限定はしないが、ピン層１０２にあっては、第１のピン副層１１２を第２のスペーサ１１１により第２のピン副層１１０から隔絶してある。合成構造に対する代替例とし、ピン層１０２は単層で作成することができる。
【００８１】
また、図８と図９はボトム型のスピンバルブを示すが、本発明はそれに限定はされず、追加の実施形態をそれに置き換えることができる。例えば、限定はしないが、当業者には判る如く前述の構成をトップ型或いはデュアル型のスピンバルブとすることができる。
【００８２】
さらに、スピンバルブをＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブやＣＩＰ−ＧＭＲスピンバルブ等のＧＭＲ応用分野に使用するときは、スペーサ１０１を導電性とする。ＴＭＲ応用分野では、スペーサ１０１は絶縁性とする。従来技術について前記した如く、結線を配設するときは、ＢＭＲ型ヘッドを用いることができる。
【００８３】
絶縁体１１３とハードバイアス１１４を含む安定化方式については、本発明はこの方式に限定はされず、当業者には理解される等価物もまた熟慮してあることに留意されたい。例えば、限定はしないが、業界公知の如く、積層バイアスを用いることもできる。
【００８４】
本発明は、様々な利点を有する。例えば、限定はしないが、上記のＣｏ−ＸやＣｏＦｅ−Ｘは少なくともスピン転移スイッチング効果を低減する利点を有する。その結果、フリー層磁化の変動は少なくなり、かくしてノイズは少なくなる。
【００８５】
また、高周波でのヘッドの動的スイッチングは減衰率αを増やすことで改善される。より詳しくは、強磁性薄膜内にドープ処理した４ｆ電子軌道元素の追加が故に、読み取り素子は高減衰率を有し、そのことが高周波スイッチングだけでなくスピン転移磁化スイッチングすなわち擾乱に対する耐力を高めることができる。
【００８６】
さらに、高交換スティフネスが故に、スピン転移磁化スイッチングすなわち擾乱に対する耐力が存在する。また、より少ない渦作成と高い信号対ノイズ比が存在する。
【００８７】
さらに、フリー層１００とその様々な例示的非限定例示実施形態以外の、（限定はしないが）前述のかつ従来技術に関するものを含む他の公知の組成の層のいずれも用いることができる。さらに、これらの他の層の組成は当業者にはよく知られているため、簡便さに配慮し本発明の詳細な説明では反復しない。
【００８８】
本発明は、特定の上記実施形態に限定はされない。本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく、本発明に対し多数の改変をなすことができることは熟慮されたい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、様々な産業上の利用可能性を有する。例えば、コンピュータ装置やマルチメディアシステムや携帯通信装置と関連周辺機器のハードディスクドライブ等の磁気記録媒体を有するデータ記憶装置に用いることができる。しかしながら、本発明はこれらの用途に限定はされず、当業者が検討できる他の任意の用途を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１（ａ），（ｂ）はそれぞれ積層内磁化と層垂直磁化を有する従来の磁気記録方式を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は従来のボトム型とトップ型とデュアル型のスピンバルブを示す図である。
【図３】従来の合成スピンバルブを示す図である。
【図４】シールド構造を有する従来の合成スピンバルブを示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は従来の読み取り素子スピンバルブシステムを示す図である。
【図６】従来のＧＭＲセンサシステムの動作を示す図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来のＣＩＰ−ＧＭＲ構造とＣＰＰ−ＧＭＲ構造を示す図である。
【図８】本発明の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。
【図９】本発明の別の例示的な非限定の実施形態になるスピンバルブを示す図である。
【図１０】本発明の例示的な非限定の実施形態になるフリー層薄膜に関する交換スティフネス測定値を示す図である。
【図１１】センサ内の印加磁界を概略示す図である。
【図１２】図１１に示した構造に関する磁束パターンを概略示す図である。
【図１】
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【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】
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【国際調査報告】
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