(57)【要約】【課題】ホイスラー合金を用いた構成の自由度が高い磁気検出素子を提供する。【解決手段】  ホイスラー合金層によって形成されたフリー磁性層１６を、ｆｃｃ層に相当する非磁性材料層の上に積層する。  面心立方（ｆｃｃ）構造の[１１１]面は最稠密面であり、この最稠密面が表面に露出しているので、フリー磁性層１６の原子が非磁性材料層の内部に拡散混入することを、抑制できる。従って、磁気検出素子の磁界検出感度を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気抵抗効果素子において、
前記フリー磁性層と前記固定磁性層のいずれか一方または両方がホイスラー合金層を有しており、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているｆｃｃ層の上に、前記ホイスラー合金層が形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
【請求項２】
前記ホイスラー合金層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している請求項１記載の磁気検出素子。
【請求項３】
前記ｆｃｃ層が前記非磁性材料層である請求項１または２記載の磁気検出素子。
【請求項４】
前記ｆｃｃ層が前記フリー磁性層の少なくとも一部を構成している請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項５】
前記ｆｃｃ層が前記固定磁性層の少なくとも一部を構成している請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項６】
前記ｆｃｃ層が前記フリー磁性層の下に形成されるシード層である請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項７】
前記ホイスラー合金層の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上である請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項８】
前記ｆｃｃ層の膜厚方向と平行な切断面に現われる前記ｆｃｃ層に形成された結晶粒界と、前記ホイスラー合金層に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項９】
前記柱状晶の中で、前記ｆｃｃ層の結晶と前記ホイスラー合金層の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合している請求項８記載の磁気検出素子。
【請求項１０】
前記ホイスラー合金層は、組成式がＸ2ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子、
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。
【請求項１１】
前記ホイスラー合金層は、組成式がＸ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成される請求項１０に記載の磁気検出素子、
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、のうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【請求項１２】
前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成される請求項１１記載の磁気検出素子、
ただし前記ＺはＡｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【請求項１３】
反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有する請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項１４】
前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有する請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出素子。
【請求項１５】
一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を有する請求項１４に記載の磁気検出素子。
【請求項１６】
前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流される請求項１ないし１５のいずれかに記載の磁気検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気検出素子に係り、特に、磁気抵抗変化量を大きくすることのできる磁気検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５は従来における磁気検出素子（スピンバルブ型薄膜素子）を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した部分断面図である。
【０００３】
図１５に示す符号１はＴａからなる下地層であり、下地層１の上にＣｒなどのｂｃｃ構造（体心立方構造）の金属からなるシード層２が形成されている。
【０００４】
シード層２の上には、フリー磁性層３、非磁性材料層４、固定磁性層５、反強磁性層６、保護層７が順次積層された多層膜Ｔが形成されている。
【０００５】
フリー磁性層３は、Ｃｏ2ＭｏＡｌなどのホイスラー合金によっで形成されており、非磁性材料層４はＣｕ、固定磁性層５はＣｏＦｅ、反強磁性層６はＰｔＭｎ、保護層７はＴａによって形成されている。
【０００６】
反強磁性層６と固定磁性層５との界面で交換結合磁界が発生し、前記固定磁性層５の磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）に固定される。
【０００７】
フリー磁性層３の両側にはＣｏＰｔなどの硬磁性材料からなるハードバイアス層８が形成され、ハードバイアス層８の上下及び端部は絶縁層９によって絶縁されている。ハードバイアス層８からの縦バイアス磁界によりフリー磁性層３の磁化は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。
【０００８】
図１５に示される磁気検出素子に、外部磁界が印加されると、フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の磁化方向に対して相対的に変動して、多層膜の抵抗値が変化する。一定の電流値のセンス電流が流れている場合には、この抵抗値の変化を電圧変化として検出することにより、外部磁界を検知する。
【０００９】
ホイスラー合金からなるフリー磁性層３をｂｃｃ構造（体心立方構造）の金属からなるシード層２の上に積層する磁気検出素子は、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平８ー２５０３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１には、ホイスラー合金からなるフリー磁性層３をｂｃｃ構造（体心立方構造）の金属からなるシード層２の上に積層することにより、フリー磁性層３を適切に結晶化された薄膜として形成できることが記されている。
【００１１】
しかし、ｂｃｃ（体心立方構造）のシード層２の上に、ホイスラー合金からなるフリー磁性層を積層することを必須とすると、通常ｆｃｃ構造（面心立方構造）をとる非磁性材料層４と反強磁性層６に挟まれる固定磁性層５をホイスラー合金を用いて形成することができない。
【００１２】
また、下から反強磁性層６、固定磁性層５、非磁性材料層４、フリー磁性層３の順に積層される多層膜を有するいわゆるボトムスピン型のＧＭＲ型磁気検出素子を形成することもできなくなる。
【００１３】
このように、従来は磁気検出素子の設計に大きな制限が加えられていた。
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、フリー磁性層または固定磁性層の材料にホイスラー合金を用いる磁気検出素子の設計に多様性をもたせることのできる磁気検出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性材料層を介して形成されたフリー磁性層を有する磁気抵抗効果素子において、
前記フリー磁性層と前記固定磁性層のいずれか一方または両方がホイスラー合金層を有しており、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているｆｃｃ層の上に、前記ホイスラー合金層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の発明者は、ホイスラー合金を薄膜形成する際に、必ずしもｂｃｃ（体心立方構造）のシード層の上に形成しなくともよいことを見いだした。
【００１６】
すなわち、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているｆｃｃ層の上に、ホイスラー合金層を形成すれば、ホイスラー合金層を適切なホイスラー型結晶構造を有する層として成膜し、しかも磁気検出素子の磁気抵抗変化率を向上させることができることを見いだした。
【００１７】
これは、面心立方（ｆｃｃ）構造の[１１１]面は最稠密面であり、ホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層の内部に拡散することを抑制できるためと考えられる。また、ホイスラー合金層は成膜後に、各元素を結晶格子の定まった位置に配置させる規則格子化を行う必要がある。ホイスラー合金層をｆｃｃ層の最稠密面の上に成膜するとホイスラー合金の原子が膜面平行方向に動きやすくなり、規則格子化に必要な原子の配置交換が容易になるとも考えられる。
【００１８】
また、ホイスラー合金層の格子規則化を促進するために、成膜後に熱処理した場合にも、ホイスラー合金層とｆｃｃ層の界面拡散を最小限に押さえることができる。
【００１９】
また、前記ホイスラー合金層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好ましい。
【００２０】
体心立方（ｂｃｃ）構造の[２２０]面は最稠密面であり、本発明ではホイスラー合金層とｆｃｃ層の界面付近における、ホイスラー合金層の原子とｆｃｃ層の原子の相互拡散を抑制できる。
また、ホイスラー合金層の規則格子化に必要な原子の配置交換がさらに容易になる。
【００２１】
本発明において、例えば前記ｆｃｃ層は磁気検出素子を構成する前記非磁性材料層である。
【００２２】
または、前記ｆｃｃ層が前記フリー磁性層の少なくとも一部を構成している層のひとつであってもよいし、または、前記ｆｃｃ層が前記固定磁性層の少なくとも一部を構成している層のひとつであってもよい。
または、前記ｆｃｃ層が前記フリー磁性層の下に形成されるシード層であってもよい。
【００２３】
この様に、本発明では、磁気検出素子の設計の自由度が大きくなる。
なお、前記ホイスラー合金層の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上、より好ましくは１００Å以上であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができる。
【００２４】
前記ｆｃｃ層の膜厚方向と平行な切断面に現われる前記ｆｃｃ層に形成された結晶粒界と、前記ホイスラー合金層に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上するので好ましい。
【００２５】
特に、前記柱状晶の中で、前記ｆｃｃ層の結晶と前記ホイスラー合金層の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【００２６】
前記ホイスラー合金層は、例えば、組成式がＸ2ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される。
【００２７】
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。
【００２８】
好ましくは、前記ホイスラー合金層は、組成式がＸ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることである。
【００２９】
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、のうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００３０】
さらに好ましくは、前記ホイスラー合金層は、組成式がＣｏ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることである。
ただし前記ＺはＡｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００３１】
本発明では、磁気検出素子を、反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される前記固定磁性層と、前記固定磁性層に前記非磁性材料層を介して形成された前記フリー磁性層とを有するものとして形成できる。
【００３２】
または、本発明では、磁気検出素子を、前記フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の前記非磁性材料層の下に位置する前記固定磁性層を有するものとして形成できる。
【００３３】
このときには、一方の前記固定磁性層の上および他方の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層を形成することが好ましい。
【００３４】
本発明は、前記固定磁性層、非磁性材料層、及びフリー磁性層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流される、いわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子やＣＰＰ−ＴＭＲ（トンネル効果磁気抵抗効果素子）に用いると効果的である。
【００３５】
ホイスラー合金は、ホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。
【００３６】
ＣＰＰ−ＧＭＲ型やＣＰＰ−ＴＭＲ型の磁気検出素子のフリー磁性層または固定磁性層の材料としてホイスラー合金を用いると、外部磁界が印加される前と後におけるスピン依存バルク散乱の変化に基づいた、磁気検出素子内部の伝導電子のスピン拡散長または平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、磁気検出素子の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。
【発明の効果】
【００３７】
本発明では、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているｆｃｃ層の上に、ホイスラー合金層を形成することにより、ホイスラー合金層を適切なホイスラー型結晶構造を有する層として成膜し、しかも磁気検出素子の磁気抵抗変化率を向上させることができる。
【００３８】
また、前記ホイスラー合金層に、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向させることにより、ホイスラー合金層の規則格子化に必要な原子の配置交換がさらに容易になる。
【００３９】
本発明では、例えば前記ｆｃｃ層を前記非磁性材料層、前記フリー磁性層を構成している層のひとつ、前記固定磁性層を構成している層のひとつ、前記フリー磁性層の下に形成されるシード層として、これらの上に前記ホイスラー合金層を積層することができる。この様に、本発明では、磁気検出素子の設計の自由度が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図１は、本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の全体構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。
【００４１】
このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００４２】
図１の最も下に形成されているのはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層１１である。この下地層１１の上に、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層１４、非磁性材料層１５、フリー磁性層１６、保護層１７からなる多層膜Ｔ１が積層されている。図１に示される磁気検出素子は、フリー磁性層１６の下に反強磁性層１３が設けられているいわゆるボトムスピンバルブ型のＧＭＲ型磁気検出素子である。
【００４３】
シード層１２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。シード層１２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、シード層１２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、シード層１２をＣｒによって形成すると、シード層１２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１０]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。
【００４４】
なお、下地層１１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１１は形成されなくともよい。
【００４５】
前記シード層１２の上に形成された反強磁性層１３は、元素Ｘ（ただしＸ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ることが好ましい。
【００４６】
反強磁性層１３は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有するもの、または、面心正方（ｆｃｔ）構造を有するものになる。
【００４７】
これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。特に白金族元素のうちＰｔを用いることが好ましく、例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金を使用することができる。
【００４８】
また本発明では、前記反強磁性層１３は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′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もよい。
【００４９】
なお前記元素Ｘ′には、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、広い範囲にわたって、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。
【００５０】
侵入型固溶体あるいは置換型固溶体とすることで、前記Ｘ−Ｍｎ合金膜の格子定数に比べて、前記Ｘ−Ｍｎ−Ｘ′合金の格子定数を大きくすることができる。これによって反強磁性層１３の格子定数と固定磁性層１４の格子定数との差を広げることができ、前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面構造を非整合状態にしやすくできる。ここで非整合状態とは、前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面で前記反強磁性層１３を構成する原子と前記固定磁性層１４を構成する原子とが一対一に対応しない状態である。
【００５１】
また特に置換型で固溶する元素Ｘ′を使用する場合は、前記元素Ｘ′の組成比が大きくなりすぎると、反強磁性としての特性が低下し、固定磁性層１４との界面で発生する交換結合磁界が小さくなってしまう。特に本発明では、侵入型で固溶し、不活性ガスの希ガス元素（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち１種または２種以上）を元素Ｘ′として使用することが好ましいとしている。希ガス元素は不活性ガスなので、希ガス元素が、膜中に含有されても、反強磁性特性に大きく影響を与えることがなく、さらに、Ａｒなどは、スパッタガスとして従来からスパッタ装置内に導入されるガスであり、ガス圧を適正に調節するのみで、容易に、膜中にＡｒを侵入させることができる。
【００５２】
なお、元素Ｘ′にガス系の元素を使用した場合には、膜中に多量の元素Ｘ′を含有することは困難であるが、希ガスの場合においては、膜中に微量侵入させるだけで、熱処理によって発生する交換結合磁界を、飛躍的に大きくできる。
【００５３】
なお本発明では、好ましい前記元素Ｘ′の組成範囲は、ａｔ％（原子％）で０．２から１０であり、より好ましくは、ａｔ％で、０．５から５である。また本発明では前記元素ＸはＰｔであることが好ましく、よってＰｔ−Ｍｎ−Ｘ′合金を使用することが好ましい。
【００５４】
また本発明では、反強磁性層１３の元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′のａｔ％を４５（ａｔ％）以上で６０（ａｔ％）以下に設定することが好ましい。より好ましくは４９（ａｔ％）以上で５６．５（ａｔ％）以下である。これによって成膜段階において、固定磁性層１４との界面が非整合状態にされ、しかも前記反強磁性層１３は熱処理によって適切な規則変態を起すものと推測される。
【００５５】
前記反強磁性層１３の上に形成されている固定磁性層１４は３層構造となっている。
固定磁性層１４は、磁性層１４ａ、非磁性中間層１４ｂ、磁性層１４ｃからなる３層構造である。前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層１４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記磁性層１４ａと磁性層１４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる人工フェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層１４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層１４と反強磁性層１３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。
【００５６】
ただし前記固定磁性層１４は磁性材料層の単層、あるいは磁性材料層の多層構造で形成されていてもよい。
【００５７】
なお前記磁性層１４ａは例えば１５〜３５Å程度で形成され、非磁性中間層１４ｂは８Å〜１０Å程度で形成され、磁性層１４ｃは２０〜５０Å程度で形成される。
【００５８】
磁性層１４ａ、１４ｃはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層１４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。
【００５９】
前記固定磁性層１４の上に形成された非磁性材料層１５は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成されている。Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇで形成された非磁性材料層１５は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しており、本発明のｆｃｃ層に相当する。
【００６０】
さらにフリー磁性層１６が形成されている。本実施の形態では、フリー磁性層１６はホイスラー合金によって形成されており、本発明のホイスラー合金層に相当する。
【００６１】
図１に示す実施形態では、フリー磁性層１６の両側にハードバイアス層１８，１８が形成されている。前記ハードバイアス層１８，１８からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層１６の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。ハードバイアス層１８，１８は、例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成されている。
【００６２】
ハードバイアス層１８，１８の上下及び端部は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。
【００６３】
多層膜Ｔ１の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。
【００６４】
電極層２０，２０はα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）、Ｒｈ、Ｉｒ、ＲｕやＷ（タングステン）などで形成されている。
【００６５】
図１に示すスピンバルブ型薄膜素子では、下地層１１から保護層１７を積層後、熱処理を施し、これによって前記反強磁性層１３と固定磁性層１４との界面に交換結合磁界を発生させる。このとき磁場を図示Ｙ方向と平行な方向に向けることで、前記固定磁性層１４の磁化は図示Ｙ方向と平行な方向に向けられ固定される。なお図１に示す実施形態では前記固定磁性層１４は積層フェリ構造であるため、磁性層１４ａが例えば図示Ｙ方向に磁化されると、磁性層１４ｃ及び磁性層２３は図示Ｙ方向と逆方向に磁化される。
また、上記熱処理によってフリー磁性層（ホイスラー合金層）１６が規則格子化する。
【００６６】
図に示された磁気検出素子は、固定磁性層とフリー磁性層の磁化が直交関係にある。記録媒体からの洩れ磁界が磁気検出素子の図示Ｙ方向に侵入し、フリー磁性層の磁化が感度良く変動し、この磁化方向の変動と、固定磁性層の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【００６７】
このフリー磁性層（ホイスラー合金層）１６は、例えば、組成式がＸ2ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される。ここでＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。
【００６８】
また、フリー磁性層（ホイスラー合金層）１６は組成式がＸ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることが好ましい。ここでＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、のうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００６９】
より好ましくは、フリー磁性層（ホイスラー合金層）１６が、組成式がＣｏ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることである。ここで、ＺはＡｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００７０】
フリー磁性層１６の材料であるホイスラー合金は、ホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。
【００７１】
ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子のフリー磁性層１６の材料としてホイスラー合金を用いると、外部磁界が印加される前と後における、フリー磁性層１６内部の伝導電子のスピン拡散長又は平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。
【００７２】
本発明では、ホイスラー合金からなるフリー磁性層１６が、Ｃｕからなる非磁性材料層１５の上に積層されている。
【００７３】
Ｃｕからなる非磁性材料層１５は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているｆｃｃ層である。
【００７４】
面心立方（ｆｃｃ）構造の[１１１]面は最稠密面であり、この最稠密面が非磁性材料層１５の表面に露出しているので、非磁性材料層１５の上に積層されるフリー磁性層（ホイスラー合金層）１６の原子が非磁性材料層１５の内部に拡散することを抑制できる。
【００７５】
また、ホイスラー合金からなるフリー磁性層１６は成膜後に、各元素を結晶格子の定まった位置に配置させる規則格子化を行う必要がある。フリー磁性層１６を非磁性材料層１５の最稠密面の上に成膜するとホイスラー合金の原子が膜面平行方向に動きやすくなり、規則格子化に必要な原子の配置交換が容易になる。
【００７６】
また、ホイスラー合金の格子規則化を促進するために、成膜後に熱処理した場合にも、フリー磁性層１６と非磁性材料層１５の界面拡散を最小限に押さえることができる。
【００７７】
また、前述したホイスラー合金を材料として用いて、ｆｃｃ層の上に形成することにより、本実施の形態のフリー磁性層１６は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【００７８】
体心立方（ｂｃｃ）構造の[２２０]面は最稠密面であり、従って、フリー磁性層１６と非磁性材料層１５の界面付近における、フリー磁性層１５の原子と非磁性材料層１５の原子の相互拡散を抑制できる。また、ホイスラー合金の規則格子化に必要な原子の配置交換がさらに容易になる。
【００７９】
この結果、フリー磁性層にホイスラー合金を用いた磁気検出素子の磁気抵抗変化率が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。
【００８０】
なお、フリー磁性層（ホイスラー合金層）１６の膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上であること、より好ましくは１００Å以上、であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができる。  また、非磁性材料層１５の膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層１５に形成された結晶粒界と、フリー磁性層１６に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上するので好ましい。
【００８１】
特に、柱状晶の中で、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【００８２】
非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していると、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶とで結晶軸が平行関係を有して成膜されやすい。そして非磁性材料層１５とフリー磁性層１６との界面では、前記界面と平行な方向に同じ等価な結晶面が優先配向するのみならず、前記結晶面内に存在する、非磁性材料層１５の結晶軸とフリー磁性層１６との結晶軸が同じ方向に向き、前記界面で非磁性材料層１５の原子の配列とフリー磁性層１６の原子の配列とが１対１に対応しやすくなる（図５参照）。なお図５には具体的な例として、ｆｃｃ層の（１１１）面内に存在する［１−１０］方向とホイスラー合金層の（１１０）面の［００１］方向が同じ方向を向いていることが示されている。
【００８３】
なお、本発明では、ひとつの柱状晶の中で、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していればよい。したがって、柱状晶が異なれば、非磁性材料層１５及びフリー磁性層１６の結晶軸方向は、図６に示されるように平行以外の角度を有する関係になることもある。
【００８４】
図６においても、柱状晶Ａの中では、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合しており、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶とで全ての結晶方位が平行関係を有している。また、柱状晶Ｂの中でも、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合しており、非磁性材料層１５の結晶とフリー磁性層１６の結晶とで全ての結晶方位が平行関係を有している。
【００８５】
本実施の形態では、フリー磁性層１６をホイスラー合金層単層のものとして形成した。ただし、フリー磁性層を、ＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料からなる層とホイスラー合金層の積層構造として形成してもよい。また、フリー磁性層を、強磁性材料からなる層やホイスラー合金層が非磁性材料からなる非磁性中間層を介したＲＫＫＹ的相互作用によって反強磁性的に結合する人工フェリ構造を有するものとして形成してもよい。
【００８６】
なお、多層膜Ｔ１は図１に示されるように、上層ほどトラック幅方向が小さくなる台形形状を有している。本実施の形態のボトムスピンバルブ型の磁気検出素子のように、フリー磁性層１６が反強磁性層１３、固定磁性層１４の上に位置していると、磁気検出素子のトラック幅を規定するフリー磁性層１６のトラック幅方向寸法（図示Ｘ方向寸法）を、後述するトップスピンバルブ型磁気検出素子より小さくすることが容易である。
【００８７】
図２は本発明におけるデュアルスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。
【００８８】
図２に示すように、下から下地層１１、シード層１２、反強磁性層１３、固定磁性層３１、非磁性材料層１５、およびフリー磁性層１６が連続して積層されている。前記フリー磁性層１６はホイスラー合金層である。さらにフリー磁性層１６の上には、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３、および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ２が形成されている。
【００８９】
また、フリー磁性層１６の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。
【００９０】
多層膜Ｔ２の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ１を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。
【００９１】
なお、図２において、図１と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。
図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３１は、磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、磁性層３１ｃ、ホイスラー合金層３１ｄの４層構造である。磁性層３１ａ及び磁性層３１ｃはＣｏＦｅなどのｆｃｃ構造を有する強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３１ｄは後述するホイスラー合金によって形成されている。ホイスラー合金層３１ｄは強磁性を有しており、強磁性結合によって磁性層３１ｃとホイスラー合金層３１ｄは同一の方向に磁化が向く。
【００９２】
前記反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３１ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記磁性層３１ａの磁化方向と、磁性層３１ｃ及びホイスラー合金層３１ｄの磁化方向は互いに反平行状態にされる。
【００９３】
この固定磁性層３１のひとつの層であるホイスラー合金層３１ｄは、例えば、組成式がＸ2ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物によって形成される。ここでＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。
【００９４】
また、ホイスラー合金層３１ｄは組成式がＸ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることが好ましい。ここでＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、のうち１種または２種以上の元素であり、ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００９５】
より好ましくは、ホイスラー合金層３１ｄが、組成式がＣｏ2ＭｎＺで表される金属化合物によって形成されることである。ここで、ＺはＡｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、のうち１種または２種以上の元素である。
【００９６】
本実施の形態では、ホイスラー合金層３１ｄが、磁性層３１ｃの上に積層されている。磁性層３１ｃはＣｏＦｅによって形成され、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している本発明のｆｃｃ層に相当する。
【００９７】
図２に示される磁気検出素子の固定磁性層３２は、ホイスラー合金層３２ａ、磁性層３２ｂ、非磁性中間層３２ｃ、磁性層３２ｄ、の４層構造である。磁性層３２ｂ及び磁性層３２ｄはＣｏＦｅなどのｆｃｃ構造を有する強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３２ａは、前述した固定磁性層３１のホイスラー合金層３１ｄを形成するホイスラー合金とおなじホイスラー合金によって形成されている。磁性層３２ｂは強磁性を有しており、強磁性結合によってホイスラー合金層３２ａと磁性層３２ｂは同一の方向に磁化が向く。
【００９８】
固定磁性層３２の上にある反強磁性層１３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層３２ｃを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記磁性層３２ｄの磁化方向と、ホイスラー合金層３２ａ及び磁性層３２ｂの磁化方向は互いに反平行状態にされる。
【００９９】
ホイスラー合金層３１ｄのおよびホイスラー合金層３２ａの材料であるホイスラー合金は、ホイスラー型結晶構造を有する金属化合物の総称であり、組成によって強磁性を示す。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。
【０１００】
ＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気検出素子の固定磁性層３１のなかにホイスラー合金層３１ｄを設け、固定磁性層３２のなかにホイスラー合金層３２ａを設けると、外部磁界が印加される前と後における、多層膜Ｔ２内部の伝導電子のスピン拡散長または平均自由行程の変化量が大きくなる。すなわち、多層膜Ｔ２の抵抗値の変化量が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。
【０１０１】
本実施の形態では、ホイスラー合金層３１ｄは本発明のｆｃｃ層に相当する磁性層３１ｃの上に積層され、ホイスラー合金層３２ａは本発明のｆｃｃ層に相当する非磁性材料層１５の上に積層されている。
【０１０２】
本発明におけるｆｃｃ層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している層である。
【０１０３】
面心立方（ｆｃｃ）構造の[１１１]面は最稠密面であり、この最稠密面が表面に露出しているので、ホイスラー合金層３１ｄの原子が磁性層３１ｃの内部に拡散すること、及びホイスラー合金層３２ａの原子が非磁性材料層１５の内部に拡散することを抑制できる。
【０１０４】
また、ホイスラー合金層３１ｄおよびホイスラー合金層３２ａは成膜後に、各元素を結晶格子の定まった位置に配置させる規則格子化を行う必要がある。ホイスラー合金層３１ｄおよびホイスラー合金層３２ａをの最稠密面の上に成膜するとホイスラー合金の原子が膜面平行方向に動きやすくなり、規則格子化に必要な原子の配置交換が容易になる。
【０１０５】
また、ホイスラー合金層３１ｄおよびホイスラー合金層３２ａの格子規則化を促進するために、成膜後に熱処理した場合にも、ホイスラー合金層３１ｄと磁性層３１ｃの界面拡散およびホイスラー合金層３２ａと非磁性材料層１５の界面拡散を最小限に押さえることができる。
【０１０６】
また、前述したホイスラー合金を材料として用いて形成することにより、本実施の形態のホイスラー合金層３１ｄおよびホイスラー合金層３２ａは体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【０１０７】
体心立方（ｂｃｃ）構造の[２２０]面は最稠密面であり、従って、ホイスラー合金層３１ｄと磁性層３１ｃの界面付近におけるホイスラー合金層３１ｄの原子と磁性層３１ｃの原子の相互拡散およびホイスラー合金層３２ａと非磁性材料層１５の界面付近における、ホイスラー合金層３２ａの原子と非磁性材料層１５の原子の相互拡散を抑制できる。また、ホイスラー合金の規則格子化に必要な原子の配置交換がさらに容易になる。
【０１０８】
この結果、フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金を用いた磁気検出素子の磁気抵抗変化率が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上する。
【０１０９】
なお、ホイスラー合金層３１ｄおよびホイスラー合金層３２ａの膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上であること、より好ましくは１００Å以上、であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができる。
【０１１０】
また、磁性層３１ｃの膜厚方向と平行な切断面に現われる磁性層３１ｃに形成された結晶粒界と、ホイスラー合金層３１ｄに形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上する。
【０１１１】
また、非磁性材料層１５の膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層１５に形成された結晶粒界と、ホイスラー合金層３２ａに形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上する。
【０１１２】
特に、柱状晶の中で、磁性層３１ｃの結晶とホイスラー合金層３１ｄの結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していること、または、非磁性材料層１５の結晶とホイスラー合金層３２ａの結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【０１１３】
図２では、固定磁性層３１及び固定磁性層３２では、非磁性中間層３１ｂ，３２ｃを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）を強くするために、非磁性中間層３１ｂ，３２ｃの上下をＣｏＦｅからなる磁性層３１ａ、３１ｃまたは磁性層３２ｂ、３２ｄで挟み込んでいる。ただし、磁性層３１ｃ、磁性層３２ｂが形成されずに、ホイスラー合金層３１ｄが非磁性中間層３１ｂの上に直接積層されてもよいし、ホイスラー合金層３２ａの上に非磁性中間層３２ｃが直接積層されてもよい。
【０１１４】
また、非磁性中間層３１ｂの下や非磁性中間層３２ｃの上にホイスラー合金層を積層してもよいが、磁気抵抗効果に寄与するのは、非磁性材料層１５に接する層なので、非磁性中間層３１ｂの上や非磁性中間層３２ｃの下にホイスラー合金層を積層するほうが効果的である。
【０１１５】
なお、固定磁性層３１、固定磁性層３２をホイスラー合金層単層や人工フェリ構造を有さないホイスラー合金層と磁性層の積層構造として形成してもよい。
【０１１６】
図２に示される磁気検出素子でも、フリー磁性層１６が本発明のホイスラー合金層に相当し、フリー磁性層１６の下の非磁性材料層１５が本発明のｆｃｃ層に相当する。従って、図１に示された磁気検出素子のフリー磁性層１６と非磁性材料層１５の積層構造と同様の効果を奏することができる。
【０１１７】
なお、図２に示された固定磁性層３１を図１の磁気検出素子の固定磁性層１４の代わりに用いてもよい。
【０１１８】
図３は本発明におけるトップスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。
【０１１９】
図３に示すように、下から下地層１１、シード層１２、フリー磁性層４１、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ３が形成されている。
【０１２０】
また、フリー磁性層４１の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。
【０１２１】
多層膜Ｔ３の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ３を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。
【０１２２】
なお、図３において、図１または図２と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。
【０１２３】
図３に示される磁気検出素子では、フリー磁性層４１はＮｉＦｅからなる第１磁性層４１ａとＣｏＦｅからなる第２磁性層４１ｂの２層構造を有しており、このフリー磁性層４１が、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成されるシード層１２の上に積層されている。
【０１２４】
シード層１２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、シード層１２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、シード層１２をＣｒによって形成すると、シード層１２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１０]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。
【０１２５】
また、ＮｉＦｅからなる第１磁性層４１ａとＣｏＦｅからなる第２磁性層４１ｂは両方とも、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【０１２６】
なお、下地層１１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１１は形成されなくともよい。
【０１２７】
本実施の形態の、固定磁性層３２は、図２に示される磁気検出素子と同じ構造及び同じ材料で形成されており、ホイスラー合金層３２ａ、磁性層３２ｂ、非磁性中間層３２ｃ、磁性層３２ｄの４層構造である。磁性層３２ｂ及び磁性層３２ｄはＣｏＦｅなどのｆｃｃ構造を有する強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３２ａは、前述した固定磁性層３２のホイスラー合金層３２ａを形成するホイスラー合金とおなじホイスラー合金によって形成されている。磁性層３２ｂは強磁性を有しており、強磁性結合によってホイスラー合金層３２ａと磁性層３２ｂは同一の方向に磁化が向く。
【０１２８】
また、非磁性材料層１５はＣｕによって形成され、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している本発明のｆｃｃ層に相当する。
【０１２９】
すなわち、本実施の形態でも、ホイスラー合金層３２ａは本発明のｆｃｃ層に相当する非磁性材料層１５の上に積層されている。したがって、ホイスラー合金層３２ａを適切に規則格子化した結晶構造を有するものにでき、ホイスラー合金層３２ａと非磁性材料層１５の界面拡散を最小限に抑えることができる。
【０１３０】
また、ホイスラー合金層３２ａは体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に最稠密面である[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向しており、磁気検出素子の磁気抵抗変化率が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上している。
【０１３１】
なお、ホイスラー合金層３２ａの膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上であること、より好ましくは１００Å以上、であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができる。
【０１３２】
また、非磁性材料層１５の膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層１５に形成された結晶粒界と、ホイスラー合金層３２ａに形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上する。
【０１３３】
特に、柱状晶の中で、非磁性材料層１５の結晶とホイスラー合金層３２ａの結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【０１３４】
図４は本発明におけるトップスピンバルブ型磁気検出素子の構造を示す部分断面図である。
【０１３５】
図４に示すように、下から下地層１１、シード層５１、フリー磁性層１６、非磁性材料層１５、固定磁性層３２、反強磁性層１３および保護層１７が連続して積層されて多層膜Ｔ４が形成されている。
【０１３６】
また、フリー磁性層１６の両側にはハードバイアス層１８，１８が積層されている。ハードバイアス層１８，１８は、アルミナなどからなる絶縁層１９，１９によって絶縁されている。
【０１３７】
多層膜Ｔ４の上下には、電極層２０，２０が設けられており、多層膜Ｔ４を構成する各層の膜面に対して垂直方向にセンス電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to the plane）−ＧＭＲ型の磁気検出素子となっている。
【０１３８】
なお、図４において、図１または図２と同じ符号が付けられた層は同じ材料で形成されている。
【０１３９】
図４に示される磁気検出素子では、フリー磁性層１６は図１及び図２に示されたフリー磁性層１６と同じホイスラー合金層であり、このフリー磁性層１６が、ＮｉＦｅＣｒによって形成されるシード層５１の上に積層されている。
【０１４０】
ＮｉＦｅＣｒからなるシード層５１は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものであり、本発明のｆｃｃ層に相当する。
【０１４１】
なお、下地層１１は非晶質に近い構造を有するが、この下地層１１は形成されなくともよい。
【０１４２】
本実施の形態の、固定磁性層３２も、図２に示される磁気検出素子と同じ構造及び同じ材料で形成されており、ホイスラー合金層３２ａ、磁性層３２ｂ、非磁性中間層３２ｃ、磁性層３２ｄ、の４層構造である。磁性層３２ｂ及び磁性層３２ｄはＣｏＦｅなどのｆｃｃ構造を有する強磁性材料によって形成され、ホイスラー合金層３２ａは、前述した固定磁性層３２のホイスラー合金層３２ａを形成するホイスラー合金とおなじホイスラー合金によって形成されている。磁性層３２ｂは強磁性を有しており、強磁性結合によってホイスラー合金層３２ａと磁性層３２ｂは同一の方向に磁化が向く。
【０１４３】
また、非磁性材料層１５はＣｕによって形成され、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している本発明のｆｃｃ層に相当する。
【０１４４】
すなわち、本実施の形態でも、フリー磁性層１６は本発明のｆｃｃ層に相当するシード層５１の上に積層されており、固定磁性層３２のホイスラー合金層３２ａは本発明のｆｃｃ層に相当する非磁性材料層１５の上に積層されている。したがって、フリー磁性層１６およびホイスラー合金層３２ａを適切に規則格子化した結晶構造を有するものにでき、フリー磁性層１６とシード層５１の界面拡散及びホイスラー合金層３２ａと非磁性材料層１５の界面拡散を最小限に押さえることができる。
【０１４５】
また、フリー磁性層１６及びホイスラー合金層３２ａは体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に最稠密面である[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向しており、磁気検出素子の磁気抵抗変化率が大きくなり、外部磁界の検出感度が向上している。
【０１４６】
なお、フリー磁性層１６及びホイスラー合金層３２ａの膜面と平行な方向の平均結晶粒径は、５０Å以上であること、より好ましくは１００Å以上であることが好ましい。平均結晶粒径が大きくなると結晶粒界が少なくなるので、スピンに依存しない伝導電子の粒界散乱を低減することができる。
【０１４７】
また、シード層５１の膜厚方向と平行な切断面に現われるシード層５１に形成された結晶粒界と、フリー磁性層１６に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、伝導電子の界面散乱を低減することができ、寄生抵抗が低減する結果として磁気抵抗変化率が向上する。
【０１４８】
特に、柱状晶の中で、シード層５１の結晶とフリー磁性層１６の結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【０１４９】
また、非磁性材料層１５の膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層１５に形成された結晶粒界と、ホイスラー合金層３２ａに形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されていると、スピンに依存しない伝導電子の界面散乱を低減することができ、磁気抵抗変化率が向上する。
【０１５０】
特に、柱状晶の中で、非磁性材料層１５の結晶とホイスラー合金層３２ａの結晶がヘテロエピタキシャルの状態で整合していることが好ましい。
【０１５１】
ｆｃｃ層（非磁性材料層１５、固定磁性層３１の磁性層３１ｃ、シード層５１）の上に、ホイスラー合金層（フリー磁性層１６、固定磁性層３１のホイスラー合金層３１ｄ、固定磁性層３２のホイスラー合金層３２ａ）が整合して、エピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルの状態で堆積していくためには、ターゲット基板から叩きだされたホイスラー合金層の材料となる原子がシード層の上に到達したのち、ｆｃｃ層の原子配列にならって再配列できるように、ホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層の上を適度に移動することができるだけのエネルギーが必要である。
【０１５２】
ホイスラー合金層の原子のエネルギーを大きくするためには、ターゲットを叩きだすためのスパッタガスの圧力を調節することが重要である。スパッタガスの圧力が大きくなりすぎると、ホイスラー合金層の原子とスパッタガス分子の衝突頻度が増加して、ホイスラー合金層の材料となる原子がｆｃｃ層の上に到達するまでにエネルギーを失ってしまう。このため、スパッタガスの圧力は小さいほうが好ましいが、あまり小さすぎると安定した放電を維持できなくなる。
【０１５３】
従って、ターゲットを叩きだすためのスパッタガスの圧力は、５×１０-5Ｔｏｒｒ（６．７×１０-3Ｐａ）〜３×１０-3Ｔｏｒｒ（０．４Ｐａ）であることが好ましい。本実施の形態の磁気検出素子を形成するときには、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガスの圧力を、１．５×１０-3Ｔｏｒｒ（０．２Ｐａ）としている。
【０１５４】
また、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度を高くすると、ターゲットからｆｃｃ層の上に到達したホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層の上を移動しやすくなり、ｆｃｃ層の原子配列にならって再配列しやすくなる。ただし、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度が大きくなりすぎると、ｆｃｃ層とホイスラー合金層の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくない。
【０１５５】
従って、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度は０℃〜１００℃であることが好ましい。本実施の形態の磁気検出素子を形成するときにはでは、基板を水冷することにより、基板の温度を３０℃から４０℃に保っている。
【０１５６】
ホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層に達したときのエネルギーを大きくするためには、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を小さくして、ホイスラー合金層の原子とスパッタガス分子の衝突頻度を減少させることが好ましい。ただし、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を小さくしすぎると、ターゲットからの２次電子や輻射熱で、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度が大きくなりすぎて、ｆｃｃ層とホイスラー合金層の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくない。また、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離が小さくなると、ホイスラー合金層を均一な膜厚で成膜することが困難になる。
【０１５７】
従って、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離は、５０ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。本実施の形態の磁気検出素子を形成するとき、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を８９ｍｍにしている。
【実施例１】
【０１５８】
以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（ボトムスピンバルブ）を形成し、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅを測定した。
【０１５９】
比較例１：（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（９０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１６０】
比較例２：下地層（Ｔａ（３０Å））、／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（６０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１６１】
実施例１：下地層（Ｔａ（３０Å）／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（６０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１６２】
実施例２：下地層（Ｔａ（３０Å）／シード層（Ｃｒ（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（６０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。
【０１６３】
実施例１及び２では、固定磁性層においてホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＧｅがｆｃｃ層Ｃｏ90Ｆｅ10上に積層されている。また、フリー磁性層はホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＧｅとして形成されており、ｆｃｃ層である非磁性材料層Ｃｕの上に積層されている。
結果を表１に示す。
【０１６４】
【表１】
2005116703.tif 000003
【０１６５】
磁気検出素子の抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例、実施例１、２ともに８０ｍΩμｍ2から１００ｍΩμｍ2範囲にある。フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅを用いると、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）が高くなる傾向にある。
【０１６６】
抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例と実施例１、２との間の差が大きくなっている。実施例１、２のように、フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅを用い、このホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅをｆｃｃ層（Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｃｕ）の上に積層することにより、比較例の磁気検出素子と比べて、３倍以上の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）を発揮することができる。
【０１６７】
また、比較例２では、固定磁性層においてＣｏ90Ｆｅ10（１０Å）の上にＣｏ2ＭｎＧｅ（４０Å））を積層し、非磁性材料層Ｃｕの上にＣｏ2ＭｎＧｅからなるフリー磁性層を積層しても、ΔＲＡが大きくなっていない。これは、Ｃｏ90Ｆｅ10や非磁性材料層Ｃｕが無配向状態になっていて、｛１１１｝配向していないためである。
【０１６８】
実施例１、２の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）が大きくなる結果、実施例１、２の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）は、比較例の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）と比べて、３倍以上になっている。
【０１６９】
なお、反強磁性層の下に設けられたシード層がＮｉＦｅＣｒで形成されると、このシード層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、シード層がＣｒで形成されると、このシード層は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１０]面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。
【０１７０】
ここで、シード層がＮｉＦｅＣｒで形成された実施例１とシード層がＣｒで形成された実施例２を比較すると、実施例１のほうが抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）及び抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）が大きいことがわかる。
【０１７１】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＧｅをＣｏ2ＭｎＳｉにおきかえても同様の結果を得た。
【実施例２】
【０１７２】
以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（トップスピンバルブ）を形成し、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅを測定した。
【０１７３】
比較例１：下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／フリー磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（９０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１７４】
比較例２：下地層（Ｔａ（３０Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（６０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１７５】
実施例１：下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（６０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。
【０１７６】
実施例１では、固定磁性層においてホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＧｅがｆｃｃ層Ｃｏ90Ｆｅ10上に積層されている。また、フリー磁性層はホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＧｅとして形成されており、ｆｃｃ層であるシード層ＮｉＦｅＣｒの上に積層されている。
結果を表２に示す。
【０１７７】
【表２】
2005116703.tif 000004
【０１７８】
磁気検出素子の抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例、実施例１、２ともに８０ｍΩμｍ2から９０ｍΩμｍ2範囲にある。フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅを用いると、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）が高くなる傾向にある。
【０１７９】
抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例と実施例１との間の差が大きくなっている。実施例１のように、フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅを用い、このホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＧｅをｆｃｃ層（シード層ＮｉＦｅＣｒまたは非磁性材料層Ｃｕ）の上に積層することにより、比較例の磁気検出素子と比べて、３倍以上の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）を発揮することができる。
【０１８０】
また、比較例２では、下地層Ｔａの上にＣｏ2ＭｎＧｅからなるフリー磁性層を積層し、非磁性材料層Ｃｕの上に固定磁性層のＣｏ2ＭｎＧｅを積層しても、ΔＲＡが大きくなっていない。これは、下地層Ｔａと非磁性材料層Ｃｕが無配向状態になっていて、｛１１１｝配向していないためである。
【０１８１】
実施例１の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）が大きくなる結果、実施例１の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）は、比較例の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）と比べて、３倍以上になっている。
【０１８２】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＧｅをＣｏ2ＭｎＳｉにおきかえても同様の結果を得た。
【実施例３】
【０１８３】
以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子（デュアルスピンバルブ）を形成し、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅを測定した。
【０１８４】
比較例１：（下地層（Ｔａ（３０Å））／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（９０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å））／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１８５】
比較例２：下地層（Ｔａ（３０Å））、／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（６０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１８６】
実施例１：下地層（Ｔａ（３０Å）／シード層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（６０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
【０１８７】
実施例２：下地層（Ｔａ（３０Å）／シード層（Ｃｒ（６０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／フリー磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（６０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４３Å））／固定磁性層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å））／反強磁性層（Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））
なお各層に記載した括弧書き中の数値は膜厚を示している。
【０１８８】
実施例１及び２では、固定磁性層においてホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＳｉがｆｃｃ層Ｃｏ90Ｆｅ10上に積層されている。また、フリー磁性層はホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＳｉとして形成されており、ｆｃｃ層である非磁性材料層Ｃｕの上に積層されている。さらに、上側の固定磁性層においてホイスラー合金層Ｃｏ2ＭｎＳｉがｆｃｃ層である非磁性材料層Ｃｕ上に積層されている。
結果を表３に示す。
【０１８９】
【表３】
2005116703.tif 000005
【０１９０】
磁気検出素子の抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例、実施例１、２ともに１２０ｍΩμｍ2から１３０ｍΩμｍ2範囲にある。フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＳｉを用いると、抵抗値×素子面積ＲｅＡ（ｍΩμｍ2）が高くなる傾向にある。
【０１９１】
抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）は、比較例と実施例１、２との間の差が大きくなっている。実施例１、２のように、フリー磁性層及び固定磁性層にホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＳｉを用い、このホイスラー合金Ｃｏ2ＭｎＳｉをｆｃｃ層（Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｃｕ）の上に積層することにより、比較例の磁気検出素子と比べて、２．５倍以上の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）を発揮することができる。
【０１９２】
また、比較例２では、固定磁性層においてＣｏ90Ｆｅ10（１０Å）の上にＣｏ2ＭｎＳｉ（４０Å））を積層し、非磁性材料層Ｃｕの上にＣｏ2ＭｎＳｉからなるフリー磁性層を積層し、非磁性材料層Ｃｕの上に固定磁性層のＣｏ2ＭｎＳｉを積層しても、ΔＲＡが大きくなっていない。これは、Ｃｏ90Ｆｅ10や非磁性材料層Ｃｕが無配向状態になっていて、｛１１１｝配向していないためである。実施例１、２の抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）が大きくなる結果、実施例１、２の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）は、比較例の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅ（％）と比べて、２．５倍以上になっている。
【０１９３】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＳｉをＣｏ2ＭｎＧｅにおきかえても同様の結果を得た。
【実施例４】
【０１９４】
図７は本発明におけるスピンバルブ膜を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真であり、その模式図が図８に示されている。
【０１９５】
膜構成を以下に示す。
Ｓｉ基板／Ａｌ2Ｏ3／下地層：Ｔａ（３０Å）／シード層：Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（（６０Å）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å）／固定磁性層：Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å）／非磁性材料層：Ｃｕ（４３Å）／フリー磁性層：Ｃｏ2ＭｎＧｅ（４０Å）／Ｔａ（３０Å）。
【０１９６】
本実施例では、Ｃｕからなる非磁性材料層が、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しており、ｆｃｃ層に相当する。また、Ｃｏ2ＭｎＧｅからなるフリー磁性層がホイスラー合金層である。
【０１９７】
図７および図８に示されるように、非磁性材料層（ｆｃｃ層）を膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層（ｆｃｃ層；Ｃｕ層）に形成された結晶粒界と、フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されている。
【０１９８】
また、フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径（図７及び図８に示された各結晶粒の面内粒径の平均値）は、５０Å以上であることが好ましく、本実施例では１９０Åである。
【０１９９】
前記フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【０２００】
また、前記柱状晶の中で、前記非磁性材料層（Ｃｕ層）の結晶と前記フリー磁性層の結晶はヘテロエピタキシャルの状態で整合している。
【０２０１】
なお、シード層であるＮｉＦｅＣｒ層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面が優先配向しており、ＰｔＭｎからなる反強磁性層は成膜時はｆｃｃ構造、アニール後に面心正方（ｆｃｃ）構造になる。固定磁性層のＣｏ90Ｆｅ10、Ｎｉ80Ｆｅ20からなる層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面が優先配向し、Ｒｕからなる層は六方稠密（ｈｃｐ）構造で膜面と平行な方向にｃ面[０００１]面が優先配向する。
【０２０２】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＧｅをＣｏ2ＭｎＳｉにおきかえても同様の結果を得た。
【実施例５】
【０２０３】
図９は本発明におけるスピンバルブ膜を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真であり、その模式図が図１０に示されている。
【０２０４】
膜構成を以下に示す。
Ｓｉ基板／Ａｌ2Ｏ3／下地層：Ｔａ（３０Å）／シード層：Ｃｒ（６０Å）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１７０Å）／固定磁性層：Ｃｏ90Ｆｅ10（３０Å）／Ｒｕ（９Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（１０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（３５Å）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５Å）／非磁性材料層：Ｃｕ（４３Å）／フリー磁性層：Ｃｏ2ＭｎＳｉ（４０Å）／Ｔａ（３０Å）。
【０２０５】
本実施の形態では、Ｃｕからなる非磁性材料層（Ｃｕ層）が、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向しており、ｆｃｃ層に相当する。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉからなるフリー磁性層がホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＳｉ層）である。
【０２０６】
図９および図１０に示されるように、非磁性材料層（ｆｃｃ層；Ｃｕ層）を膜厚方向と平行な切断面に現われる非磁性材料層（ｆｃｃ層；Ｃｕ層）に形成された結晶粒界と、フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＳｉ層）に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されている。
【０２０７】
また、フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＳｉ層）の膜面と平行な方向の平均結晶粒径（図９及び図１０に示された各結晶粒の面内粒径の平均値）は、５０Å以上であることが好ましく、本実施例では２００Åである。
【０２０８】
前記フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＳｉ層）は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【０２０９】
また、前記柱状晶の中で、前記非磁性材料層（Ｃｕ層）の結晶と前記フリー磁性層（ホイスラー合金層；Ｃｏ2ＭｎＳｉ層）の結晶はヘテロエピタキシャルの状態で整合している。
【０２１０】
なお、Ｃｒからなるシード層は体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に[１１０]面が優先配向している。反強磁性層、固定磁性層の結晶配向は図７及び図８に示された反強磁性層、固定磁性層の結晶配向と同じである。
【０２１１】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＳｉをＣｏ2ＭｎＧｅにおきかえても同様の結果を得た。
【実施例６】
【０２１２】
図１１は本発明におけるｆｃｃ層（（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40）とホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ）の積層体を、膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真であり、その模式図が図１２に示されている。
【０２１３】
膜構成を以下に示す。
Ｓｉ基板／Ａｌ2Ｏ3／下地層：Ｔａ（３０Å）／ｆｃｃ層：Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40（６０Å）／ホイスラー合金層：Ｃｏ2ＭｎＧｅ（１００Å）／Ｔａ／Ｔａ酸化膜。
【０２１４】
本実施の形態では、ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）は（Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2）60Ｃｒ40によって形成されており、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向している。また、ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）はＣｏ2ＭｎＧｅによって形成されており、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、前記膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向している。
【０２１５】
図１１および図１２に示されるように、ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）を膜厚方向と平行な切断面に現われるｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）に形成された結晶粒界と、ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）に形成された結晶粒界とが連続する柱状晶が形成されている。
また、前記柱状晶の中で、前記ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）の結晶と前記ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）の結晶はヘテロエピタキシャルの状態で整合している。
【０２１６】
また、ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）の前記膜面と平行な方向の平均結晶粒径（図１１及び図１２に示された各結晶粒の面内粒径の平均値）は、５０Å以上であることが好ましく、本実施例では２００Åである。
【０２１７】
また、前記柱状晶の中の、ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）の結晶とホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）の結晶をナノビーム電子線回折にかけて電子線回折像を得た。
【０２１８】
ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）ては、ｆｃｃ構造の[１１１]面として表される等価な結晶面を示す回折斑点が膜厚方向に直列しており、膜面と平行な方向に[１１１]面として表される等価な結晶面が優先配向していることがわかる。
【０２１９】
また、ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）では、ｂｃｃ構造の[２２０]面として表される等価な結晶面を示す回折斑点が膜厚方向に直列しており、膜面と平行な方向に[２２０]面として表される等価な結晶面が優先配向していることがわかる。
また、ｆｃｃ層（ＮｉＦｅＣｒ層）のｆｃｃ［１１１］方向の結晶軸とホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）のｂｃｃ［１１０］方向の結晶軸が平行になっていることもわかる。
【０２２０】
なお、上述した実施例においてＣｏ2ＭｎＧｅをＣｏ2ＭｎＳｉにおきかえても同様の結果を得た。
【０２２１】
上述した各実施例において、ｆｃｃ層の上に、ホイスラー合金層をエピタキシャルまたはヘテロエピタキシャルの状態で整合するように成膜するためには、ターゲットから原子を叩きだすためのスパッタガスの圧力を、５×１０-5Ｔｏｒｒ（６．７×１０-3Ｐａ）〜３×１０-3Ｔｏｒｒ（０．４Ｐａ）であることが好ましい。本実施例では、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガスの圧力を、１．５×１０-3Ｔｏｒｒ（０．２Ｐａ）としている。
【０２２２】
スパッタガスの圧力を調節することにより、ターゲット基板から叩きだされたホイスラー合金層の材料となる原子がシード層の上に到達したのち、ｆｃｃ層の原子配列にならって再配列できるように、ホイスラー合金層の原子にｆｃｃ層の上を適度に移動することができるだけのエネルギーを持たせることができる。
【０２２３】
また、スパッタガスの圧力が大きくなりすぎると、ホイスラー合金層の原子とスパッタガス分子の衝突頻度が増加して、ホイスラー合金層の材料となる原子がｆｃｃ層の上に到達するまでにエネルギーを失ってしまうので、スパッタガスの圧力の上限を上記のごとく設定した。
【０２２４】
また、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度は０℃〜１００℃であることが好ましい。本実施例では、基板を水冷することにより、基板の温度を３０℃から４０℃に保っている。
【０２２５】
ｆｃｃ層が形成されている基板の温度を調節することにより、ターゲットからｆｃｃ層の上に到達したホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層の上で移動しやすくなり、ｆｃｃ層の原子配列にならって再配列しやすくなる。ただし、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度が大きくなりすぎると、ｆｃｃ層とホイスラー合金層の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくないので、基板の温度の上限を上記のごとく設定した。
【０２２６】
また、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離は、５０ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。本実施例では、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を８９ｍｍにしている。
【０２２７】
ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を小さくして、ホイスラー合金層の原子とスパッタガス分子の衝突頻度を減少させることにより、ホイスラー合金層の原子がｆｃｃ層に達したときのエネルギーを大きくすることができる。
【０２２８】
ただし、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を小さくしすぎると、ターゲットからの２次電子や輻射熱で、ｆｃｃ層が形成されている基板の温度が大きくなりすぎて、ｆｃｃ層とホイスラー合金層の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくない。また、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離が小さくなると、層を均一な膜厚で成膜することが困難になる。
【０２２９】
従って、ターゲットとｆｃｃ層が形成されている基板との距離を上記のごとく設定した。
【０２３０】
なお、上述した各実施例においてホイスラー合金層を成膜したのち、２９０℃で４時間熱処理することによって、ホイスラー合金を規則格子化させている。
【比較例】
【０２３１】
図１３は従来技術であるＴａからなる下地層とホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ）の積層体を、膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真であり、その模式図が図１４に示されている。
【０２３２】
膜構成を以下に示す。
Ｓｉ基板／Ａｌ2Ｏ3／下地層：Ｔａ（３０Å）／ホイスラー合金層：Ｃｏ2ＭｎＧｅ（１００Å）／Ｔａ／Ｔａ酸化膜。
【０２３３】
本比較例では、Ｔａからなる下地層は非晶質に近い微細結晶になっている。また、ホイスラー合金層（Ｃｏ2ＭｎＧｅ層）は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し膜面平行方向の平均結晶粒径も大きいが、[２２０]面として表される等価な結晶面が膜面方向に優先配向していない。
【０２３４】
なお、Ｔａからなる下地層の上に、直接Ｃｏ2ＭｎＧｅからなるホイスラー合金からなるフリー磁性層が積層されたトップスピンバルブ型磁気検出素子を形成しても、抵抗変化量ΔＲＡ（ｍΩμｍ2）が０．１４（ｍΩμｍ2）程度、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｅが０．１５（％）程度のものしか得られない。
【０２３５】
以上本発明をその好ましい実施例に関して述べたが、本発明の範囲から逸脱しない範囲で様々な変更を加えることができる。たとえば、ＣＰＰ−ＴＭＲ（トンネル効果磁気抵抗効果素子）であってもよいし、磁気検出素子の左右に電極層が形成され、磁気検出素子を構成する多層膜の膜面平行方向にセンス電流が流されるＣＩＰ（Current in the plane）−ＧＭＲ型磁気検出素子であってもよい。
【０２３６】
なお、上述した実施例はあくまでも例示であり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２３７】
【図１】本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】本発明の第２実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図３】本発明の第３実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図４】本発明の第４実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図５】本発明におけるｆｃｃ層とホイスラー合金層との結晶配向を模式図的に示した図、
【図６】本発明におけるｆｃｃ層とホイスラー合金層との結晶配向を模式図的に示した図、
【図７】本発明の磁気検出素子の透過電子顕微鏡写真、
【図８】図７に示す写真を模式図的に示した図、
【図９】本発明の磁気検出素子の透過電子顕微鏡写真、
【図１０】図９に示す写真を模式図的に示した図、
【図１１】ｆｃｃ層の上にホイスラー合金層が積層された多層膜の透過電子顕微鏡写真と、ｆｃｃ層及びホイスラー合金層の電子線回折像、
【図１２】図１１に示す写真を模式図的に示した図、
【図１３】Ｔａ層上にホイスラー合金層が積層された多層膜の透過電子顕微鏡写真、
【図１４】図１３に示す写真を模式図的に示した図、
【図１５】従来の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【符号の説明】
【０２３８】
１１  下地層
１２  シード層
１３  反強磁性層
１４、３１、３２  固定磁性層
１５  非磁性材料層
１６  フリー磁性層
１７  保護層
１８  ハードバイアス層
１９  絶縁層
２０  電極層
【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８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図７】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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