(57)【要約】【目的】出力感度及び信頼性を低下させず、且つ、アシンメトリを増大させることなく、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子を得る。【構成】第１固定磁性層４１／非磁性中間層４２／第２固定磁性層４３からなる積層フェリ構造の下部固定磁性層４０と、下部非磁性材料層５０と、フリー磁性層６０と、上部非磁性材料層７０と、第２固定磁性層８１／非磁性中間層８２／第１固定磁性層８３からなる積層フェリ構造の上部固定磁性層８０とが順に積層されているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４１、８２を、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成する。ただし、Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、
前記フリー磁性層は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴とするＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料層はＣｕにより形成されていて、前記フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
ただし、スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は前記フリー磁性層を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は前記フリー磁性層を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【請求項３】
請求項２記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項３記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘの含有率は、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項５記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、Ｎｉ：Ｆｅの原子比率が９：１ないし７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層は、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造をなしているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層は、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された磁性層と、この磁性層よりも薄い膜厚で前記非磁性材料層に接して形成されたＣｏＦｅ層とによる２層構造をなしているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層は、前記非磁性材料層の上に形成された第１フリー磁性層と、この第１フリー磁性層の上に非磁性中間層を介して形成された第２フリー磁性層とを有する積層フェリ構造をなし、この第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層が前記ＮｉＦｅＸ合金又は前記ＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成されているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、
前記固定磁性層は、第１固定磁性層と、この第１固定磁性層の上に非磁性中間層を介して形成された第２固定磁性層とを有し、
少なくとも第２固定磁性層がＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴とするＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１０記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料層はＣｕにより形成されていて、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
ただし、スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は前記固定磁性層を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は前記固定磁性層を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【請求項１２】
請求項１１記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１２記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１０ないし１３のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金中又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中に含まれる元素Ｘの含有率は、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
請求項１４記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、Ｎｉ対Ｆｅの比率が９：１乃至７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求項１０ないし１５のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記固定磁性層は、前記ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造をなしているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層及び上部固定磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、
前記フリー磁性層は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴とするＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
請求項１７記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料層はＣｕで形成されていて、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
ただし、スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は前記フリー磁性層を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は前記フリー磁性層を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【請求項１９】
請求項１８記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
請求項１９記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
請求項１７ないし２０のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金中又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中に含まれる元素Ｘの含有率は、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２２】
請求項２１記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、Ｎｉ対Ｆｅの比率が９：１乃至７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２３】
請求項１７ないし２２のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層は、前記ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造をなしているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２４】
請求項１７ないし２２のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記フリー磁性層は、前記下部非磁性材料層の上に形成された第１フリー磁性層と、この第１フリー磁性層の上に非磁性中間層を介して形成された第２フリー磁性層とを有し、この第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層が前記ＮｉＦｅＸ合金又は前記ＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成されているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２５】
下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層及び上部固定磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、
前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴とするＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２６】
請求項２５記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記下部固定磁性層は、下部第１固定磁性層と、下部非磁性中間層を介して前記下部第１固定磁性層の上に積層された下部第２固定磁性層とを有し、前記上部固定磁性層は、上部第１固定磁性層と、前記上部非磁性材料層の上に形成され、上部非磁性中間層を介して前記上部第１固定磁性層の下に位置する上部第２固定磁性層とを有していて、
少なくとも前記下部第２固定磁性層及び上部第２固定磁性層が、前記ＮｉＦｅＸ合金又は前記ＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成されているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２７】
請求項２５または２６記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料層はＣｕで形成されていて、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
ただし、スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は前記下部固定磁性層及び前記上部固定磁性層を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
【請求項２８】
請求項２７記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項２９】
請求項２８記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項３０】
請求項２５ないし２９のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金中又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中に含まれる元素Ｘの含有率は、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項３１】
請求項３０記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、Ｎｉ対Ｆｅの比率が９：１乃至７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項３２】
請求項２５ないし３１のいずれか一項に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、前記下部第２固定磁性層及び前記上部第２固定磁性層は、前記ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造をなしているＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、各層の膜厚方向（膜面に対して垂直な方向）にセンス電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
ハードディスク装置や磁気センサなどに用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子は、素子を構成する各層の膜面に対して平行な方向にセンス電流が流れるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ  ｔｈｅ  Ｐｌａｎｅ）型と、素子を構成する各層の膜面に対して垂直な方向にセンス電流が流れるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｐｌａｎｅ）型とに大別することができる。
【０００３】
ＣＩＰ−ＧＭＲ素子は、現在製品として一般に用いられているタイプであるが、トラック幅が狭くなるにつれて出力（抵抗変化ΔＲ／Ｒ）が低下するため、今後さらに挟トラック化を進めようとすると種々の課題が生じてしまう。これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、素子膜厚に応じて出力（単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａ）が増減し、電流密度が一定に保たれていれば、トラック幅が狭くなっても出力は変化しない。
【０００４】
このように素子出力がトラック幅寸法に依存しないＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも挟トラック化に適していると考えられ、近年注目を集めている。従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、例えば特開２００２‐１７５６１１号公報等に開示されている。
【０００５】
例えば、いわゆるデュアルスピンバルブタイプのＣＰＰ−ＧＭＲ素子には、下から順に下部反強磁性層、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層、上部固定磁性層及び上部反強磁性層を有する多層膜と、多層膜の上下に形成された第１及び第２電極層と、フリー磁性層の両側部に形成されたハードバイアス層と、ハードバイアス層上下に形成された絶縁層とが一般に備えられている。下部固定磁性層と上部固定磁性層は、下部反強磁性層又は上部反強磁性層に接する第１固定磁性層と、この第１固定磁性層の上に形成された非磁性中間層と、この非磁性中間層を介して第１固定磁性層の上に積層された第２固定磁性層とを有する積層フェリ構造で形成されていることが多い。ここで、上部反強磁性層及び下部反強磁性層は例えばＰｔＭｎにより形成され、上部非磁性材料層及び下部非磁性材料層は例えばＣｕにより形成され、上部非磁性中間層及び下部非磁性中間層は例えばＲｕにより形成される。また、第１上部固定磁性層、第１下部固定磁性層、第２上部固定磁性層、第２下部固定磁性層及びフリー磁性層は例えばＣｏＦｅやＮｉＦｅにより形成される。
【０００６】
上記構成を有する従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、実用化に際して十分な素子出力が得られていないのが現状である。素子出力は、素子を流れるセンス電流の大きさと単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａに比例する。この素子出力を上げるには、センス電流を大きくするか、あるいは単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすればよい。ところが、センス電流を大きくすると、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子が発熱して逆に出力が減少してしまうため、センス電流は一定以上大きくすることができない。よって、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａをいかに向上させるかが課題となっている。
【０００７】
そこで近年は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の膜厚（特に磁気抵抗効果に寄与する層の膜厚）を大きくすれば、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａも大きくなるであろうという推測に基づき、フリー磁性層及び第２固定磁性層（デュアルタイプでは下部第２固定磁性層と上部第２固定磁性層）を厚く形成していた。具体的には、フリー磁性層及び第２固定磁性層を例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅによる３層構造で形成し、ＣｏＦｅよりもスピン依存散乱係数βが大きいＮｉＦｅの膜厚を約４０乃至１００Å程度に厚くしていた。
【０００８】
しかしながら、フリー磁性層及び第２固定磁性層が厚くなると、該ＣＣＰ−ＧＭＲ素子が磁気ヘッドの上部シールド層と下部シールド層の間に収まらなくなってしまう。上部シールド層から下部シールド層までの距離は、線記録密度を定めるものであるから、大幅に変更することはできない。
【０００９】
またフリー磁性層が厚くなると、フリー磁性層の磁気的膜厚（単位面積当たりの磁気モーメント；飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）も大きくなるため、外部（記録媒体）からの微少磁界に対してフリー磁性層の磁化は回転しづらくなり、出力感度が上がらなくなってしまう。
【００１０】
一方、固定磁性層（デュアルタイプでは上部固定磁性層と下部固定磁性層）においては、第２固定磁性層が厚くなると、第２固定磁性層の磁気的膜厚が大きくなり、非磁性中間層を介して第１固定磁性層と第２固定磁性層をＲＫＫＹ反平行結合状態で維持する交換結合磁界が小さくなる。交換結合磁界が小さくなると、ハードバイアス層の縦バイアス磁界によって第２固定磁性層の磁化が大きく傾いて出力アシンメトリが増大するほか、ＥＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）によって第２固定磁性層の磁化が反転してしまう虞があり、信頼性が低くなってしまう。
【００１１】
このようにフリー磁性層及び固定磁性層（特に第２固定磁性層）の膜厚を大きくすると、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａが大きくなる反面、様々な弊害が生じてしまう。
【００１２】
【特許文献】
特開平９−２５２１５１号公報
特開平９−３６４５５号公報
特開平１０−９７７０９号公報
特開平１０−２８４３２１号公報
特開２００２−１７５６１１号公報
特開２００２−２３２０４０号公報
特開２００２−２８９９４５号公報
特開２００２−２８９９４６号公報
米国特許第６２１９２０８  Ｂ１号
【００１３】
【発明の目的】
本発明は、出力感度及び信頼性を低下させず、且つ、アシンメトリを増大させることなく、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子を得ることを目的とする。
【００１４】
【発明の概要】
本発明は、フリー磁性層及び（又は）固定磁性層の飽和磁化が小さければ、フリー磁性層及び固定磁性層を厚く形成しても、その磁気的膜厚の増大を適度に抑えられることに着目してなされたものである。
【００１５】
すなわち、本発明の第１の態様は、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、上記フリー磁性層が、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴としている。
【００１６】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、元素Ｘの添加により、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも飽和磁化が小さくなっている。このＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いれば、フリー磁性層を厚く形成してもフリー磁性層の磁気的膜厚（単位面積当たりの磁気モーメントＭｓ・ｔ）を適度に抑えることができ、フリー磁性層の磁化回転を妨げることがない。したがって、フリー磁性層を厚く形成すれば、出力感度を低下させずに、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００１７】
ところで、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａは、巨大磁気抵抗効果に寄与する各層（固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層）のスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号の組み合わせによっても増減する。
【００１８】
スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である。ただし、ρ↓は磁性材料中を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は磁性材料中を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である。
【００１９】
よって、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに添加する元素Ｘは、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の流れやすさの差を縮めないように、すなわち、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを減少させないように選択することが好ましい。
【００２０】
例えば、非磁性材料層がＣｕにより形成されている場合、フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であることが好ましい。すなわち、元素Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を維持させる元素であることが好ましい。
【００２１】
あるいは、非磁性材料層がＣｒ又はＲｕにより形成されている場合、フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと逆符号であることが好ましい。すなわち、元素Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を反転させる元素であることが好ましい。
【００２２】
このようにＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βが規定されていれば、フリー磁性層の形成材料をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏからＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に替えても、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを良好に保持することができる。
【００２３】
さらに、フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいことが好ましい。別言すれば、元素Ｘは、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きくさせる元素であることが好ましい。
【００２４】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きければ、これに伴い、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりもスピン拡散長が短くなる。スピン依存バルク拡散係数βがほぼ等しい磁性材料では、スピン拡散長がより短いほうが、薄い膜厚での単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを改善することができる。よって、フリー磁性層の形成材料をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏからＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に替えれば、フリー磁性層を薄く形成しても単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの減少を良好に抑えることができる。フリー磁性層が薄くなれば、フリー磁性層の磁気的膜厚がより小さくなるので、フリー磁性層の磁化が回転しやすくなり、出力感度は一層向上する。
【００２５】
上記元素Ｘとしては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素を選択することが好ましい。これら元素は、上述した（１）ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素であること、（２）非磁性材料層がＣｕにより形成されている場合にＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を維持させる元素であること、（３）ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きくさせる元素であることのすべてを満たしている。
【００２６】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘの含有率は、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であることが好ましい。元素Ｘの含有率が３ａｔ％未満であると、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化が下がりにくい。また、元素Ｘの含有率が４０ａｔ％を超えると、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化が下がりすぎてしまい、熱的に不安定な状態となる。
【００２７】
元素Ｘの添加母体となるＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏは、Ｎｉ：Ｆｅの原子比率が９：１ないし７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であることが好ましい。この範囲内であれば、軟磁性特性が良好に保たれるので、フリー磁性層の磁化回転に影響を及ぼすことがない。
【００２８】
フリー磁性層は、ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中に含まれるＮｉが非磁性材料層（Ｃｕ）と間で拡散しないように、例えば、ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造で形成されることが実際的である。ただし、非磁性材料層が１層のみ存在するシングルスピンバルブ構造の場合には、非磁性材料層に接する側の界面にのみＣｏＦｅ層を配した２層構造で形成されることが実際的である。
【００２９】
またフリー磁性層は、非磁性材料層の上に形成された第１フリー磁性層と、この第１フリー磁性層の上に非磁性中間層を介して形成された第２フリー磁性層とを有する積層フェリ構造であってもよい。フリー磁性層が積層フェリ構造をなす場合、第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層を、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金によって形成することが好ましい。
【００３０】
また本発明は、第２の態様によれば、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、上記固定磁性層は、第１固定磁性層と、この第１固定磁性層の上に非磁性中間層を介して形成された第２固定磁性層とを有し、少なくとも第２固定磁性層がＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴としている。
【００３１】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、元素Ｘの添加により、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも飽和磁化が小さくなっている。このＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いれば、第２固定磁性層を厚く形成しても第２固定磁性層の磁気的膜厚（単位面積当たりの磁気モーメントＭｓ・ｔ）を適度に抑えることができる。第２固定磁性層の磁気的膜厚が抑えられれば、第１固定磁性層と第２固定磁性層の間に加わる交換結合磁界が極端に減少してしまうことがなく、アシンメトリの増大や信頼性の低下を防止することが可能である。すなわち、第２固定磁性層を厚くすることにより、信頼性を低下させず且つアシンメトリを増大させずに、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【００３２】
なお、固定磁性層は、フェリ構造とせずに、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金による単層膜、またはＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金と磁性膜による積層膜によって形成することも可能である。
【００３３】
固定磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βは、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを減少させないように規定する必要がある。具体的に例えば、非磁性材料層がＣｕにより形成されている場合、フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと同符号であることが好ましい。すなわち、元素Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を維持させる元素であることが好ましい。あるいは、非磁性材料層がＣｒ又はＲｕにより形成されている場合、フリー磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、そのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βと逆符号であることが好ましい。すなわち、元素Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を反転させる元素であることが好ましい。
【００３４】
さらに、固定磁性層を形成するＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きいことが好ましい。別言すれば、元素Ｘは、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きくさせる元素であることが好ましい。
【００３５】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗がＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きければ、これに伴い、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりもスピン拡散長が短くなる。スピン依存バルク拡散係数βがほぼ等しい磁性材料では、スピン拡散長がより短いほうが、薄い膜厚での単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを改善することができる。よって、固定磁性層の形成材料をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏからＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に替えれば、固定磁性層を薄く形成しても単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの減少を良好に抑えることができる。また固定磁性層が薄くなれば、固定磁性層の磁気的膜厚がより小さくなるので、交換結合磁界が増大し、アシンメトリ及び信頼性が一層改善される。
【００３６】
上記元素Ｘとしては、上述した第１の態様と同様に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種の元素を選択することが好ましい。
【００３７】
ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に含まれる元素Ｘの含有率は、第１の態様と同様に、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下であることが好ましい。また、元素Ｘの添加母体となるＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏは、Ｎｉ：Ｆｅの原子比率が９：１ないし７：３であって、Ｃｏの含有率が０〜４０ａｔ％であることが好ましい。
【００３８】
固定磁性層は、ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中に含まれるＮｉが非磁性材料層（Ｃｕ）と間で拡散しないように、例えば、ＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金により形成された中間層と、この中間層よりも薄い膜厚で該中間層の下及び上に形成された第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層とによる３層構造で形成されるのが実際的である。非磁性材料層に接する側とその反対側にＣｏＦｅ層が備えられていると、第１固定磁性層と第２固定磁性層の間のＲＫＫＹ的反平行結合を強めることができる。
【００３９】
上述した第１の態様及び第２の態様は、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を１組備えたシングルスピンバルブタイプのＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子に本発明を適用したものである。本発明は、固定磁性層、非磁性材料層及びフリー磁性層を２組備えたデュアルスピンバルブタイプのＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子にも適用可能である。デュアルスピンバルブタイプでは、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａがシングルスピンバルブタイプの２倍になるので、高出力が得られる。
【００４０】
すなわち、本発明の第３の態様は、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層及び上部固定磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、上記フリー磁性層が、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴としている。
【００４１】
また本発明は、第４の態様によれば、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁性材料層及び上部固定磁性層を順に積層した多層膜を有し、この多層膜の膜厚方向に電流が流れるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子において、上記下部固定磁性層及び上記上部固定磁性層は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いて形成されていることを特徴としている。
【００４２】
より具体的に、下部固定磁性層は、下部第１固定磁性層と、下部非磁性中間層を介して下部第１固定磁性層の上に積層された第２固定磁性層とを有する積層フェリ構造で形成され、上部固定磁性層は、上部第１固定磁性層と、前記上部非磁性材料層の上に形成され、上部非磁性中間層を介して前記上部第１固定磁性層の下に位置する上部第２固定磁性層とを有する積層フェリ構造で形成されている。そして、少なくとも下部第２固定磁性層及び上部第２固定磁性層が、ＮｉＦｅＸ合金又は前記ＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成されていることを特徴としている。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。
【００４４】
各図において、Ｘ方向はトラック幅方向、Ｙ方向は記録媒体からの漏れ磁界方向、Ｚ方向は記録媒体の移動方向及び巨大磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向である。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態におけるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ‐ＧＭＲ素子）１の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す部分断面図である。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子１は、例えばハードディスク装置の再生用薄膜磁気ヘッドに搭載される。
【００４６】
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子１は、図示Ｘ方向に長く延びる第１電極層Ｅ１及び第２電極層Ｅ２と、この第１電極層Ｅ１と第２電極層Ｅ２によって上下面が挟まれた、巨大磁気抵抗効果を発揮する多層膜Ｔ１とを有している。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子１は、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜厚方向にセンス電流が流れているとき、巨大磁気抵抗効果を利用して記録媒体からの漏れ磁界を検出することができる。上記センス電流は、第１電極層Ｅ１及び第２電極層Ｅ２のいずれか一方から他方に向かって流れる。
【００４７】
第１電極層Ｅ１及び第２電極層Ｅ２は、例えばα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などの導電材料によって形成されている。図示されていないが、第１電極層Ｅ１は再生用薄膜磁気ヘッドの下部シールド層の上に形成されており、第２電極層Ｅ２の上には再生用薄膜磁気ヘッドの上部シールド層が形成されている。
【００４８】
多層膜Ｔ１は、いわゆるデュアルスピンバルブ膜であって、下から順に下地層１０、シード層２０、下部反強磁性層３０、下部固定磁性層４０、下部非磁性材料層５０、フリー磁性層６０、上部非磁性材料層７０、上部固定磁性層８０及び上部反強磁性層９０を積層して形成されている。
【００４９】
下地層１０は、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１種以上で形成されている。下地層１０の膜厚は５０Å以下程度である。ただし、この下地層１０は形成されていなくてもよい。
【００５０】
シード層２０は、主として面心立方晶から成り、下部反強磁性層３０との界面に対して平行な方向に（１１１）面が優先配向されている。シード層２０は、Ｃｒ、ＮｉＦｅ合金、あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｙ合金（ただしＹは、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種以上）で形成されている。これらの材質で形成されたシード層２０は、Ｔａ等で形成された下地層１０の上に形成されることにより、下部反強磁性層３０との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向しやすくなる。シード層２０は、例えば３０Å程度で形成される。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子１ではセンス電流を多層膜Ｔ１の各層の膜厚方向に流すため、シード層２０は比抵抗のより小さい材質で形成されることが好ましい。ただし、シード層２０は形成されていなくてもよい。
【００５１】
下部反強磁性層３０及び上部反強磁性層９０は、元素Ｚ（ただし元素Ｚは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されている。あるいは、元素Ｚと元素Ｚ’（ただし元素Ｚ’は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種又は２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料により形成されている。
【００５２】
上記反強磁性材料は、耐食性に優れていてブロッキング温度も高く、下部反強磁性層３０と下部固定磁性層４０の界面または上部反強磁性層９０と上部固定磁性層８０の界面で大きな交換結合磁界を発生させることができる。
【００５３】
下部反強磁性層３０及び上部反強磁性層９０は、８０Å以上で３００Å以下の膜厚で形成されることが好ましい。本実施形態の下部反強磁性層３０及び上部反強磁性層９０は、約２００Åの膜厚で形成されている。
【００５４】
下部固定磁性層４０は、磁性材料により形成された下部第１固定磁性層４１及び下部第２固定磁性層４３と、これらの間に位置させて非磁性材料により形成された下部非磁性中間層４２とからなる３層積層フェリ構造で形成されている。同様に、上部固定磁性層８０は、磁性材料により形成された上部第１固定磁性層８３及び上部第２固定磁性層８１と、これらの間に位置させて非磁性材料により形成された上部非磁性中間層８２とからなる３層積層フェリ構造で形成されている。
【００５５】
本実施形態では下部固定磁性層４０と上部固定磁性層８０を同一構成で形成しているため、以下では説明の便宜上、下部第１固定磁性層４１と上部第１固定磁性層８３を単に「第１固定磁性層」、下部非磁性中間層４２と上部非磁性中間層８２を単に「非磁性中間層」、及び下部第２固定磁性層４３と上部第２固定磁性層８１を単に「第２固定磁性層」ということにする。
【００５６】
第１固定磁性層４１、８３の磁化方向は、下部反強磁性層３０又は上部反強磁性層９０との間に発生した交換異方性磁界によりハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。また、第２固定磁性層４３、８１の磁化方向は、非磁性中間層４２、８２を介した第１固定磁性層４１、８３とのＲＫＫＹ相互作用によりハイト方向と逆方向に固定されている。
【００５７】
第１固定磁性層４１、８３及び第２固定磁性層４３、８１は、それぞれ１０〜７０Å程度の膜厚で形成される。非磁性中間層４２、８２は、第１固定磁性層４１、８３と第２固定磁性層４３、８１の間にＲＫＫＹ相互作用がはたらく膜厚で、すなわち３〜１０Å程度の膜厚で形成される。本実施形態では、非磁性中間層４２、８２をＲｕにより形成してある。
【００５８】
下部固定磁性層４０及び上部固定磁性層８０を積層フェリ構造で形成すると、下部固定磁性層４０及び上部固定磁性層８０の磁化を安定した状態にでき、下部固定磁性層４０及び上部固定磁性層８０の磁化方向を強固に固定することができる。なお、下部固定磁性層４０及び上部固定磁性層８０は、積層フェリ構造ではなく、単層膜あるいは磁性層だけの積層膜で形成されていてもよい。
【００５９】
下部非磁性材料層５０及び上部非磁性材料層７０は、電気抵抗の低い導電材料によって形成されることが好ましく、本実施形態ではＣｕにより形成されている。この下部非磁性材料層５０及び上部非磁性材料層７０は、例えば２５〜５０Å程度の膜厚で形成される。
【００６０】
フリー磁性層６０は、本実施形態では積層フェリ構造をとらずに、軟磁性材料からなる積層膜によって形成されている。フリー磁性層６０の両側部には、トラック幅方向に磁化されているハードバイアス層が接している。フリー磁性層６０の磁化は、フリー磁性層６０の両側部に接し、トラック幅方向に磁化されているハードバイアス層の縦バイアス磁界によって、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられている。なお、フリー磁性層６０は、積層フェリ構造で形成されていても、軟磁性材料からなる単層膜で形成されていてもよい。
【００６１】
また第１電極層Ｅ１の上には、多層膜Ｔ１のトラック幅方向の両側部に位置させて、下から順に第１絶縁層１０１、バイアス下地層１０２、ハードバイアス層１０３及び第２絶縁層１０４が積層形成されている。
【００６２】
第１絶縁層１０１は、第１電極層Ｅ１上に、下地層１０から下部非磁性材料層５０までの各層の両側部に接して形成されている。第２絶縁層１０２は、ハードバイアス層１０３上に、上部非磁性材料層７０から上部反強磁性層９０までの各層の両側部に接して形成されている。本実施形態では、第１絶縁層１０１の上面がフリー磁性層６０の下面よりも図示下側（図示Ｘ方向と逆側）になるように第１絶縁層１０１の膜厚を設定してある。また、第２絶縁層１０２の上面と上部反強磁性層９０の上面は連続面を形成しており、この第２絶縁層１０２及び上部反強磁性層９０の上に第２電極層Ｅ２が形成されている。第１絶縁層１０１及び第２絶縁層１０４は、例えばＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの絶縁材料で形成される。
【００６３】
バイアス下地層１０２は、ハードバイアス層１０３の特性（保磁力Ｈｃ、角形比Ｓ）を向上させ、ハードバイアス層１０３から発生するバイアス磁界を増大させるために設けられている。バイアス下地層１０２は、体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜で形成されることが好ましく、具体的にはＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔａのいずれか１種または２種以上の元素で形成されることが好ましい。さらにバイアス下地層１０２の結晶配向は、（１００）面が優先配向していることが好ましい。
【００６４】
ハードバイアス層１０３は、上述したようにフリー磁性層６０の両側部に接しており、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されている。このハードバイアス層１０３は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金などで形成される。これら合金の結晶構造は、稠密六方構造（ｈｃｐ構造）単相、あるいは面心立方構造（ｆｃｃ構造）と稠密六方構造の混相となっている。
【００６５】
バイアス下地層１０２上にハードバイアス層１０３が形成されると、バイアス下地層１０２を構成するｂｃｃ構造の金属膜とハードバイアス層１０３を構成するｈｃｐ構造のＣｏＰｔ系合金との界面における原子配列が近くなるため、ＣｏＰｔ系合金はｆｃｃ構造を形成しづらくｈｃｐ構造で形成されやすくなる。このとき、ｈｃｐ構造のｃ軸はＣｏＰｔ系合金とバイアス下地層１０２の境界面内に優先配向されることから、残留磁化が増大して角形比Ｓが大きくなる。また、ｈｃｐ構造はｆｃｃ構造に比べてｃ軸方向に大きな磁気異方性を生じるため、ハードバイアス層１０３に磁界を与えたときの保磁力Ｈｃは大きくなる。
【００６６】
上記バイアス下地層１０２は、ハードバイアス層１０３の下側のみに形成されていることが好ましいが、フリー磁性層６０の両側面とハードバイアス層１０３との間に若干介在していてもよい。フリー磁性層６０の両側面とハードバイアス層１０３の間に形成されるバイアス下地層１０２のトラック幅方向における膜厚は、１ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、バイアス下地層１０２が介在していなければ、ハードバイアス層１０３とフリー磁性層６０とを磁気的に連続体にすることができ、フリー磁性層６０の端部が反磁界の影響を受けるバックリング現象を防止することができ、フリー磁性層６０の磁区制御が容易になる。
【００６７】
以上のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１において、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１は、ＮｉＦｅよりも飽和磁化の小さいＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いて形成されている。ＮｉＦｅＸ合金及びＮｉＦｅＣｏＸ合金は、ＮｉＦｅ及びＮｉＦｅＣｏに元素Ｘを添加してなる。
【００６８】
図２は、多層膜Ｔ１中のフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１を拡大して示す部分断面図である。
【００６９】
本実施形態のフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金中のＮｉの拡散を防止する拡散防止層として、ＣｏＦｅ層を備えている。すなわち、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１は、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金からなる中間層（６０ｂ、４３ｂ、８１ｂ）と、この中間層の下と上に形成された第１ＣｏＦｅ層（６０ａ、４３ａ、８１ａ）及び第２ＣｏＦｅ層（６０ｃ、４３ｃ、８１ｃ）とを有する３層構造となっている。第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層は中間層よりも薄い膜厚であるため、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の磁気的な特性は中間層、つまりＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金によってほぼ決定される。
【００７０】
上記ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに添加する元素Ｘは、添加母体であるＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を低下させる元素である。
【００７１】
元素ＸがＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を低下させる元素であれば、該元素Ｘを含むＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金は、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも飽和磁化が小さくなる。よって、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いてフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１を形成したとき、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏを用いる場合よりもフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の飽和磁化が下がることから、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくするためにフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚を大きくしてもその磁気的膜厚を適度に抑えることが可能である。
【００７２】
フリー磁性層６０を物理的に厚くしてもその磁気的膜厚が抑えられれば、フリー磁性層６０の磁化が外部磁界に対して回転しづらくならないので、出力感度が改善される。また、第２固定磁性層４３、８１を物理的に厚くしてもその磁気的膜厚が抑えられれば、非磁性中間層４２、８２を介して第１固定磁性層４１、８３と第２固定磁性層４３、８１の間に加わる交換結合磁界の減少も抑えられ、アシンメトリや信頼性の改善を図ることができる。したがって、出力感度や信頼性を低下させず、且つアシンメトリを増大させることなく、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａが大きくすることができる。
【００７３】
ところで、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａは、巨大磁気抵抗効果に寄与する各層（固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層）のスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を組み合わせによっても増減する。
【００７４】
したがって、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに添加する元素Ｘは、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させるだけでなく、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａ（アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子の流れやすさの差に関係）を減少させない元素であることが好ましい。
【００７５】
ここで、スピン依存バルク散乱係数βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）  （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である。ただし、ρ↓は磁性材料中を流れる伝導電子のうちマイノリティの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は磁性材料中を流れる伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である。
【００７６】
磁性材料を構成する磁性原子は、主に３ｄ軌道または４ｆ軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。磁性原子の３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在する電子は、基本的にアップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち、数が多い方の電子のスピンをマジョリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子がほぼ同数含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のマジョリティスピンと同じスピンを有する方をマジョリティの伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティの伝導電子という。
【００７７】
スピン依存バルク散乱係数βが正（β＞０）であるとき、ρ↓＞ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはマジョリティの伝導電子となる。一方、スピン依存バルク散乱係数βが負（β＜０）であるとき、ρ↓＜ρ↑となり、磁性材料中を流れやすいのはマイノリティの伝導電子となる。
【００７８】
単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくするためには、アップスピンの伝導電子に対する抵抗値とダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値との差が大きくなればよい。すなわち、すべての磁性層においてアップスピンの伝導電子に対する抵抗値がダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さいか、あるいはダウンスピンの伝導電子に対する抵抗値がアップスピンの伝導電子に対する抵抗値よりも小さくなるように、巨大磁気抵抗効果に寄与する各層（下部固定磁性層４０、下部非磁性材料層５０、フリー磁性層６０、上部非磁性材料層７０及び上部固定磁性層８０）のスピン依存バルク散乱係数β及びスピン依存界面散乱係数γの符号を組み合わせ、該各層を形成する磁性材料を定めればよい。
【００７９】
本実施形態では、下部非磁性材料層５０及び上部非磁性材料層７０がＣｕ（ＣｕとＮｉＦｅの界面、又はＣｕとＮｉＦｅＣｏ合金の界面でのスピン依存界面散乱係数γ＞０）で形成されており、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の形成材料としてＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ合金の替わりにＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金を用いるので、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βはＮｉＦｅのスピン依存バルク散乱係数βの符号と同じ符号とする必要がある。ＮｉＦｅのスピン依存バルク散乱係数βは正であるため、元素Ｘとしては、スピン依存バルク散乱係数βが正である元素を選択する。
【００８０】
このようにＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βが規定されていれば、フリー磁性層の形成材料をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏからＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金に替えても、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを良好に保持することができる。
【００８１】
また、スピン依存バルク散乱係数βの値が大きい磁性材料であるほど、その磁性材料中を流れる伝導電子が散乱されやすく、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａが大きくなる。よって、元素Ｘとしては、ＮｉＦｅのスピン依存バルク散乱係数βの大きさを極端に下げてしまわない元素であることがより好ましい。
【００８２】
さらに、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに添加する元素Ｘは、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きくさせる元素であることが好ましい。この場合、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１を流れる伝導電子のスピン拡散長を短くすることが可能である。スピン拡散長は、導電性材料中を流れる伝導電子がスピン方向を変えずに進む距離であり、磁性材料の比抵抗が大きくなるほど短くなる。
【００８３】
Ｖａｌｌｅｔ＆Ｆｅｒｔのモデル（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ誌４８巻、１９９３年発行、Ｐ７０９９〜）によれば、スピン依存バルク散乱係数βが等しいことを条件として、スピン拡散長（Ｓｐｉｎ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌｅｎｇｔｈ）のより短い磁性材料を用いたほうが、薄い膜厚での単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを改善できることが予想されている。
【００８４】
よって、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも飽和磁化を減少させ、且つ、ＮｉＦｅのスピン依存バルク散乱係数βに近いβ値を維持しつつ比抵抗が大きくなる元素を元素Ｘとして定めれば、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚を薄くしたとしても、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを良好に保持することが可能である。フリー磁性層６０が薄くなれば、その磁気的膜厚がさらに小さくなるので、出力感度が一層改善される。また第２固定磁性層４３、８１が薄くなれば、その磁気的膜厚がさらに小さくなるので、交換結合磁界の減少をより効果的に抑えられる。
【００８５】
具体的に元素Ｘは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか一種から選択することができる。特に、ＮｉＦｅとの相性がよいＣｕやＡｕを用いることが好ましい。
【００８６】
上記元素は、上述した（１）ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素であること、（２）非磁性材料層がＣｕにより形成されている場合にＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏのスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を維持させる元素であること、（３）ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金の比抵抗をＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏよりも大きくさせる元素であることのすべてを満たしている。
【００８７】
元素Ｘの添加量は、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに対して、３ａｔ％以上４０ａｔ％以下程度とする。この範囲内であれば、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を適切に低下させることが可能であるが、３ａｔ％未満であると、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化が下がらず、元素Ｘを添加したことによる効果が得られなくなってしまう。また４０ａｔ％を超えると、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化が下がり過ぎてしまい、キュリー温度が低下して熱的に不安定な状態となってしまう。
【００８８】
一方、元素Ｘの添加母体となるＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏは、Ｎｉ：Ｆｅの原子比率が９：１ないし７：３程度であることが好ましく、Ｃｏの含有率は０ａｔ％以上４０ａｔ％以下程度であることが好ましい。この範囲内であれば、結晶磁気異方性定数及び＜１００＞方向や＜１１１＞方向などの線磁歪定数λ１００、λ１１１がＮｉＦｅよりも極端に大きくならず、軟磁性特性が良好に保たれるので、フリー磁性層６０の磁化回転しやすさ（出力感度）に影響を及ぼすことがない。
【００８９】
次に、表１及び表２を参照し、図１に示す本発明の第１〜第４実施例を、比較例（従来例）と比較して説明する。
【００９０】
比較例は、本発明の第１〜第４実施例と同一の層構成（図１）で形成されたＣＣＰ−ＧＭＲ素子であり、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層を除く各層の材料及び膜厚はすべて同じである。ここで、第１固定磁性層４１、８３はＣｏＦｅにより形成され、非磁性中間層４２、８２はＲｕにより形成され、下部非磁性材料層５０及び上部非磁性材料層７０はＣｕにより形成されている。
【００９１】
各実施例と比較例では、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層を構成する材料、及び中間層の膜厚がそれぞれ異なる。
【００９２】
表１は、各実施例及び比較例における第２固定磁性層４３、８１及びフリー磁性層６０の構成材料とその膜厚をそれぞれ示している。表１において、組成式の後に付した括弧内の数値が膜厚（Å）である。
【００９３】
【表１】
2004335931.tif 000003
【００９４】
フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１は、いずれの実施例及び比較例でも、第１ＣｏＦｅ層／中間層／第２ＣｏＦｅ層からなる３層構造で形成されている。フリー磁性層６０を形成する第１ＣｏＦｅ層６０ａと第２ＣｏＦｅ層６０ｃの膜厚は、Ｎｉと非磁性材料層（Ｃｕ）５０、７０の間の相互拡散を防止するために、共に５Åである。一方、第２固定磁性層４３、８１においては、下部非磁性中間層４２又は上部非磁性中間層８２に接する第１ＣｏＦｅ層４３ａ、８１ｃが第１固定磁性層４１、８３との間のＲＫＫＹ相互作用を大きく保つために１０Å程度の膜厚、第２ＣｏＦｅ層４３ｃ、８１ａはＮｉと非磁性材料層（Ｃｕ）５０、７０の間の相互拡散を防止するために５Å程度の膜厚となっている。上記第１ＣｏＦｅ層及び第２ＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの原子比率はＣｏ：Ｆｅ＝９０：１０である。
【００９５】
【第１比較例】
第１比較例では、Ｎｉ８０Ｆｅ２０によって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂが形成されている。フリー磁性層６０中のＮｉＦｅ（中間層６０ｂ）の膜厚は１００Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は１１０Åである。また、第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅ（中間層４３ｂ、８１ｂ）の膜厚は３５Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は５０Åである。
【００９６】
【第２比較例】
第２比較例は、第１比較例と同一の膜構成であって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅ（中間層４３ｂ、８１ｂ、６０ｂ）の膜厚を第１比較例よりも小さくした一例である。すなわち、フリー磁性層６０中のＮｉＦｅの膜厚は３０Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は４０Åである。また、第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅの膜厚は２０Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は３５Åである。
【００９７】
第１〜第４実施例では、ＮｉＦｅＣｕ合金によって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂが形成されている。各実施例では、ＮｉＦｅＣｕ合金中のＣｕ含有量（ａｔ％）とＮｉＦｅＣｕ合金（中間層４３ｂ、８１ｂ、６０ｂ）の膜厚が異なる。ここで、ＮｉＦｅＣｕ合金の母体であるＮｉＦｅの原子比率はＮｉ：Ｆｅ＝０．８：０．２であり、第１比較例及び第２比較例の中間層を形成するＮｉＦｅの原子比率と同等である。
【００９８】
【第１実施例】
第１実施例は、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂを形成するＮｉＦｅＣｕ合金のＣｕ含有量が１１ａｔ％であって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第１比較例よりも大きい実施例である。フリー磁性層６０中のＮｉＦｅＣｕ（中間層６０ｂ）の膜厚は１０９Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は１１９Åである。第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅＣｕ（中間層４３ｂ、８１ｂ）の膜厚は５５Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は７０Åである。
【００９９】
【第２実施例】
第２実施例は、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂを形成するＮｉＦｅＣｕ合金のＣｕ含有量が２０ａｔ％であって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第１比較例よりも大きい実施例である。フリー磁性層６０中のＮｉＦｅＣｕ（中間層６０ｂ）の膜厚は１２２Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は１３２Åである。第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅＣｕ（中間層４３ｂ、８１ｂ）の膜厚は６２Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は７７Åである。
【０１００】
【第３実施例】
第３実施例は、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂを形成するＮｉＦｅＣｕ合金のＣｕ含有量が１１ａｔ％であって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第２比較例よりも小さい実施例である。フリー磁性層６０中のＮｉＦｅＣｕ（中間層６０ｂ）の膜厚は２８Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は３８Åである。第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅＣｕ（中間層４３ｂ、８１ｂ）の膜厚は１８Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は３３Åである。
【０１０１】
【第４実施例】
第４実施例は、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の中間層６０ｂ、４３ｂ、８１ｂを形成するＮｉＦｅＣｕ合金のＣｕ含有量が２０ａｔ％であって、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第２比較例よりも小さい実施例である。フリー磁性層６０中のＮｉＦｅＣｕ（中間層６０ｂ）の膜厚は２９Å、フリー磁性層６０の合計膜厚は３９Åである。第２固定磁性層４３、８１中のＮｉＦｅＣｕ（中間層４３ｂ、８１ｂ）の膜厚は１９Å、第２固定磁性層４３、８１の合計膜厚は３４Åである。
【０１０２】
以上の各比較例と本実施例において、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａ［ｍΩ・μｍ２］、フリー磁性層の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔ［Ｔ・ｎｍ］、第２固定磁性層の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔ［Ｔ・ｎｍ］及び第２固定磁性層の磁化反転を示す磁気抵抗曲線（Ｒ−Ｈカーブ）から測定された交換結合磁界Ｈｅｘ＊［ｋＡ／ｍ］の値をそれぞれ測定及び算出した。この測定及び算出結果を表２に示す。
【０１０３】
【表２】
2004335931.tif 000004
【０１０４】
先ず、表２（ｃ）、（ｄ）に示される第１実施例及び第２実施例を見ると、フリー磁性層６０と第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第１比較例（表２（ａ））よりも大きく、この結果、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａは第１比較例よりも大きくなっている。このようにフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１が厚くなると、その磁気的膜厚も増大するはずであるが、フリー磁性層６０の磁気的膜厚は第１比較例よりも減少している。これは、ＮｉＦｅよりも飽和磁化の小さいＮｉＦｅＣｕを用いてフリー磁性層６０を形成したことによる効果と考えられる。具体的にＮｉＦｅＣｕの飽和磁化は、Ｃｕ含有量が１１ａｔ％である第１実施例にてＮｉＦｅの飽和磁化の８６％程度、２０ａｔ％である第２実施例にてＮｉＦｅの飽和磁化の７０％程度となる。同様に、第２固定磁性層４１、８３を第１比較例よりも厚くしているにも拘わらず、第２固定磁性層４１、８３の磁気的膜厚の増大は抑えられ、この結果、交換結合磁界があまり小さくなっていない。
【０１０５】
上記結果から明らかなように、第１実施例及び第２実施例は、第１比較例よりも単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができ、且つ、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の磁気的膜厚を適度に抑えて出力感度やアシンメトリ及び信頼性を改善できることがわかる。
【０１０６】
次に、表２（ｅ）、（ｆ）に示される第３実施例及び第４実施例を見ると、フリー磁性層６０と第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第１実施例（表２（ｃ））及び第２実施例（表２（ｄ））よりも大幅に小さくなっている。このため、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａは、より厚い膜厚で形成された第１実施例及び第２実施例よりも小さいが、ほぼ同等の膜厚で形成された第２比較例（表２（ｂ））よりは大きくなっている。フリー磁性層６０と第２固定磁性層４３、８１が大幅に薄いことを鑑みると、比較的高い値で単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａが維持されていることがわかる。これは、フリー磁性層６０と第２固定磁性層４３、８１を形成するＮｉＦｅＣｕの比抵抗がＮｉＦｅよりも大きくなっている効果だと考えられる。
【０１０７】
ここで、表２（ａ）（ｂ）を見ると、第２比較例では、フリー磁性層６０と第２固定磁性層４３、８１の膜厚が第１比較例よりも薄く、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａも第１比較例より小さくなっており、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの低下率は約５７％程度である。これに対し、第３実施例及び第４実施例における単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａの低下率は、第２比較例よりも抑えられていて、約５０％前後である。
【０１０８】
また第３実施例及び第４実施例では、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１が第１実施例（表２（ｃ））及び第２実施例（表２（ｄ））よりも薄いことから、フリー磁性層６０の磁気的膜厚は小さくなり、第１実施例及び第２実施例の１／２以下になっている。同様に、第２固定磁性層４３、８１の磁気的膜厚も小さくなっていて、この結果、交換結合磁界も大幅に大きくなっている。この交換結合磁界の大きさは、第１実施例及び第２実施例の２倍強程度である。
【０１０９】
上記結果から明らかなように、第３実施例及び第４実施例は、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の膜厚が同じ程度の第２比較例よりも単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きく維持することができることがわかる。また、フリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１が厚い第１比較例及び第２比較例よりもフリー磁性層６０及び第２固定磁性層４３、８１の磁気的膜厚を低下させて出力感度やアシンメトリ及び信頼性をより一層改善できることがわかる。
【０１１０】
以下では、図１に示すＣＰＰ−ＧＭＲ素子１の製造方法について説明する。
【０１１１】
先ず、第１電極層Ｅ１の上に、下から順に下地層１０、シード層２０、下部反強磁性層３０、下部第１固定磁性層４１、下部非磁性中間層４２、下部第２固定磁性層４３、下部非磁性材料層５０、フリー磁性層６０、上部非磁性材料層７０、上部第２固定磁性層８１、上部非磁性中間層８２、上部第１固定磁性層８３及び上部反強磁性層９０を真空中でベタ膜状に連続成膜して多層膜Ｔ１の積層構造を形成する。各層の材料及び膜厚は、図１に示された完成状態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１と同じである。
【０１１２】
次に、多層膜Ｔ１をハイト方向（図示Ｙ方向）の磁場中でアニールし、下部反強磁性層３０と下部第１固定磁性層４１の間及び上部反強磁性層９０と上部第１固定磁性層８１の間にそれぞれ交換結合磁界を発生させる。このとき、アニール温度は例えば２７０℃程度であり、印加磁界の大きさは８００ｋＡ／ｍ程度である。この磁場中アニール処理により、下部第１固定磁性層４１及び上部第１固定磁性層８３の磁化方向はハイト方向に固定され、下部第２固定磁性層４３及び上部第２固定磁性層８１の磁化方向はハイト方向に対して反平行方向に固定される。
【０１１３】
続いて、上部反強磁性層９０の上に、形成すべきＧＭＲ素子の光学的な素子面積と同程度、あるいは該素子面積よりも若干小さい面積を覆うリフトオフ用のレジスト層を形成する。
【０１１４】
レジスト層を形成したら、レジスト層に覆われていない多層膜Ｔ１（上部反強磁性層９０から下地層１０までの各層）をイオンミリング等により除去する。この工程により、第１電極層Ｅ１のほぼ中央部上に、下地層１０から上部反強磁性層９０までの各層で構成される多層膜Ｔ１が略台形状となって残される。なお、多層膜Ｔ１の両側端面にはイオンミリングで除去された物質の一部が再付着するので、この再付着物を再度ミリングで除去することが好ましい。
【０１１５】
続いて、第１電極層Ｅ１から多層膜Ｔ１の両側端面にかけて、第１絶縁層１０１、バイアス下地層１０２、ハードバイアス層１０３及び第２絶縁層１０４を連続でスパッタ成膜する。上記各層の材料及び膜厚は、図１に示された完成状態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１と同じである。なお、スパッタ成膜時におけるスパッタ粒子角度は、不図示の基板（または第１電極層Ｅ１）に対してほぼ垂直方向とすることが好ましい。スパッタ成膜後は、レジスト層を除去する。
【０１１６】
そして、第２絶縁層１０４及び上部反強磁性層９０の上に、第２電極層Ｅ２をスパッタ成膜する。
【０１１７】
以上により、図１に示すＣＰＰ−ＧＭＲ素子１が完成する。
【０１１８】
本実施形態では、ＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏに添加する元素Ｘとして、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を正にする元素を選択しているが、巨大磁気抵抗効果に寄与する各層のスピン依存バルク散乱係数βの符号の組み合わせを変更すれば、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金のスピン依存バルク散乱係数βの正負の符号を負にする元素を元素Ｘとして選択することが可能である。具体的に例えば、下部非磁性材料層５０及び上部非磁性材料層７０をＲｕやＣｒにより形成すれば、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏ合金のスピン依存バルク散乱係数βは負であることが好ましく、添加元素Ｘとしては、スピン依存バルク散乱係数βの符号が負である元素を選択することが好ましい。
【０１１９】
また本実施形態では、下部反強磁性層３０と上部反強磁性層９０を備えているが、これら反強磁性層３０、９０はあってもなくてもよい。
【０１２０】
反強磁性層３０、９０は多層膜Ｔ１の中で最も大きな膜厚を有する層であるため、省略できれば上下シールド間隔を大幅に狭くすることが可能である。また、反強磁性材料は比抵抗が大きいため、反強磁性層３０、９０でセンス電流のジュール熱による磁気抵抗効果の損失が大きく、出力向上の妨げになっている。これにより最近では、反強磁性層３０、９０をなくしたほうが好ましいとされている。反強磁性層をなくす場合、正磁歪を有する磁性材料によって固定磁性層４０、８０を形成し、固定磁性層４０、８０自体の保磁力によってその磁化方向を固定する。
【０１２１】
本実施形態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１はデュアルスピンバルブタイプであるが、本発明はシングルスピンバルブタイプのＣＰＰ−ＧＭＲ素子にも適用可能である。なお、シングルスピンバルブタイプのＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、フリー磁性層（第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層）を、非磁性材料層に接する側の界面にのみＣｏＦｅ層を配した２層構造で形成することが実際的である。
【０１２２】
本実施形態のＣＰＰ−ＧＭＲ素子１は、再生用薄膜磁気ヘッドのみでなく、この再生用薄膜磁気ヘッド上にさらに記録用のインダクティブヘッドを積層した録再用薄膜磁気ヘッドにも適用可能である。また、各種の磁気センサとして用いることもできる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金（ただし、ＸはＮｉＦｅ又はＮｉＦｅＣｏの飽和磁化を減少させる元素）を用いてフリー磁性層及び第２固定磁性層が形成されているので、ＮｉＦｅを用いてフリー磁性層及び第２固定磁性層を形成した場合よりも、フリー磁性層及び第２固定磁性層の飽和磁化が小さくなり、フリー磁性層及び第２固定磁性層を厚くしても磁気的膜厚が適度に抑えられる。よって、フリー磁性層及び第２固定磁性層を厚くすれば、出力感度及び信頼性を低下させず、且つアシンメトリを増大させずに、単位面積当たりの抵抗変化ΔＲ・Ａを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）の構造を、記録媒体との対向面から見て示す縦断面図である。
【図２】図１に示すフリー磁性層及び第２固定磁性層を拡大して示す部分断面図である。
【符号の説明】
１  ＣＰＰ−ＧＭＲ素子（ＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子）
１０  下地層
２０  シード層
３０  下部反強磁性層
４０  下部固定磁性層
４１  下部第１固定磁性層
４２  下部非磁性中間層
４３  下部第２固定磁性層
４３ａ  第１ＣｏＦｅ層
４３ｂ  中間層（ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金）
４３ｃ  第２ＣｏＦｅ層
５０  下部非磁性材料層
６０  フリー磁性層
６０ａ  第１ＣｏＦｅ層
６０ｂ  中間層（ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金）
６０ｃ  第２ＣｏＦｅ層
７０  上部非磁性材料層
８０  上部固定磁性層
８１  上部第２固定磁性層
８１ａ  第１ＣｏＦｅ層
８１ｂ  中間層（ＮｉＦｅＸ合金又はＮｉＦｅＣｏＸ合金）
８１ｃ第２ＣｏＦｅ層
８２  上部非磁性中間層
８３  上部第１固定磁性層
９０  上部反強磁性層
Ｔ１  多層膜
Ｅ１  第１電極層
Ｅ２  第２電極層
【図１】
2004335931.tif 000005
【図２】
2004335931.tif 000006