(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性層であるフリー層と、磁性層であるピンド層と、これらの間に設けられた非磁性層と、前記フリー層の磁区制御を行なう永久磁石膜とを備えるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であって、
トラック幅をｘ（単位：μm）としたとき、前記永久磁石膜の残留磁化（単位：μemu/cm3）とその厚さ（単位：cm）との積が、下記式（１）における関数ｆ（ｘ）で表されるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
式（１）  ｆ（ｘ）＝−１１．２４×（１／ｘ2）＋Ａ
［上記式（１）において、
ｘ≦２、
Ａ＝６７０〜９００
である］
【請求項２】
前記永久磁石膜は、残留磁化が１００〜１０００emu/cm3であり、膜厚が５〜１５０nmである請求の範囲第１項記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
ｘ≦１
である請求の範囲第１項または第２項記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁性層であるフリー層と、磁性層であるピンド層と、これらの間に設けられた非磁性層と、前記フリー層の磁区制御を行なう永久磁石膜とを備えるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を設計する方法であって、
トラック幅をｘ（単位：μm）としたとき、前記永久磁石膜の残留磁化（単位：μemu/cm3）とその厚さ（単位：cm）との積が、下記式（１）における関数ｆ（ｘ）で表されるように、前記永久磁石膜の残留磁化およびその厚さを設定するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の設計方法。
式（１）  ｆ（ｘ）＝−１１．２４×（１／ｘ2）＋Ａ
［上記式（１）において、
ｘ≦２、
Ａ＝６７０〜９００
である］
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子と、その設計方法とに関する。
背景技術
近年、磁気センサの高感度化や磁気記録における高密度化が進められており、これに伴い磁気抵抗変化を用いた磁気抵抗効果型センサ（以下ＭＲセンサ）や磁気抵抗効果型ヘッド（以下ＭＲヘッド）の開発が盛んに進められている。ＭＲセンサもＭＲヘッドも、磁性材料を用いた磁場検出部の電気抵抗変化により、外部信号を読み出すものである。記録媒体の小型化により、従来のインダクティブヘッドによる情報読み出しでは、媒体に対するヘッドの相対速度の低下によりヘッド出力が低下してしまうが、ＭＲヘッドでは、記録媒体に対する相対速度に再生出力が依存しないため、高密度磁気記録でも高い出力が得られる。従来のＭＲヘッドのセンサー部分には、一般にＮｉ0.81Ｆｅ0.19（パーマロイ）が用いられているが、パーマロイでは抵抗変化率がせいぜい２％程度と小さく、数ＧＢＰＳＩオーダーの超高密度磁気記録の読み出し用ＭＲヘッド材料としては感度が不足してしまう。
近年、パーマロイ等の合金膜よりもはるかに大きな磁気抵抗変化率を示す多層膜が報告されている。これらは人工格子と呼ばれ、金属の原子径オーダーの厚さの薄膜が周期的に積層された構造を持つものである。それらの中でＦｅ／Ｃｒ人工格子は超低温（４．２Ｋ）で４０％を超える磁気抵抗変化を示すという報告がある（Phys.Rev.Lett.Vol.61,Page2472,(1988)）。しかし、この人工格子では最大抵抗変化が起きる外部磁場（動作磁場強度）が十数〜数十キロエルステッドと大きく、このままでは実用性がない。この他、Ｃｏ／Ｃｕ人工格子も提案されているが、これも動作磁場強度が大きすぎる。
大きな磁気抵抗変化率を示す巨大磁気抵抗変化膜として、特開平４−３５８３１０号公報には、スピンバルブ型と称される多層膜が提案されている。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、磁性層であるフリー層と、磁性層であるピンド層と、これらの間に設けられた非磁性層とを有し、磁性層の保磁力と、フリー層−ピンド層間の交換相互作用エネルギーとの間の強度をもつ外部磁界により、両磁性層間の磁化の反平行状態が誘導されるようにして、これにより大きな磁気抵抗変化を示すようにしたものである。
このようなスピンバルブ型磁気抵抗効果素子においてフリー層にさまざまな磁化方向を持つ多数の磁区（同じ磁化方向をもつ領域）が存在する場合、外部磁界が印加されると、各磁区は磁化の向きが外部磁界の方向に揃う挙動を示すが、この際に、出力波形にバルクハウゼン・ノイズと呼ばれる雑音が乗ってしまうという問題がある。
このバルクハウゼン・ノイズを防ぐには、フリー層が常に単磁区となるようにすればよく、この目的で、フリー層に隣接して永久磁石を設ける方法が既に採用されている。具体的には、現在、トラック幅２．５μm程度のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子に、厚さ３０nm程度で残留磁化８００emu/cm3程度の永久磁石膜を設けた構成が知られている。
ところで、記録密度をさらに向上させる要求が強いが、この要求を達成するには、トラック幅を狭くする方法が一般的である。しかし、トラック幅を狭くすると、再生出力が低下してしまう傾向がある。例えば、本発明者らの計算によれば、トラック幅が１μmであったものを０．３μmにすると、出力が２／３程度になってしまう。この出力減少の理由は、次のように考えられる。フリー層に外部磁界をかけると、フリー層全体において磁化回転が生じるわけではなく、磁区制御用永久磁石の磁界のために、フリー層両端部に磁化が回転しない領域、いわゆるデッドゾーンが生じる。このデッドゾーンの幅は磁区制御用永久磁石の強度に依存し、トラック幅には依存しない。したがって、トラック幅が減少すると、フリー層全体幅に対するデッドゾーン幅の割合が増大し、出力が減少する。
トラック幅を狭くした上で再生出力の減少を抑えるためには、上記バルクハウゼン・ノイズが発生しない限度内において磁区制御用永久磁石の強度（残留磁化）を低下させればよいことが容易に考え出される。
しかし、本発明者らの研究によれば、磁区制御用永久磁石の強度がバルクハウゼン・ノイズを発生しない限度内であっても、素子の再生出力曲線に、変曲点が生じたり、一部にヒステリシスが生じたりして、望ましい磁気抵抗変化率が得られなくなることがわかった。
そこで、本発明は、再生出力にバルクハウゼン・ノイズがないことは勿論、上記したように再生出力曲線にヒステリシスや変曲点が生じず、しかも、狭トラック化による再生出力の低下が抑えられたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明者らの研究によれば、再生出力曲線に生じる上記ヒステリシスや変曲点などの異常は、フリー層由来のものではないことが判明した。再生出力曲線の一部に生じるヒステリシスとは、外部磁界増大の際と減少の際とで再生出力の遷移が異なる挙動を示す現象である。本発明者らの研究では、このヒステリシスは、外部磁界印加時にピンド層において生じる磁化回転変化が、外部磁界増大の際と減少の際とで異なることに起因することがわかった。また、外部磁界増大時または減少時に再生出力曲線に生じる変曲点は、ピンド層面内での磁化回転の不均一さに起因することがわかった。より具体的には、磁区制御用永久磁石の残留磁化がある臨界値より弱くなると、外部磁界によりピンド層のＡＢＳ（エアベアリング）面側、すなわち媒体対向面側の一部に磁区が生じてしまうことが、再生出力曲線における上記異常を生じさせると考えられる。
本発明は以上の知見によりなされたものであって、下記（１）〜（４）の構成を有する。
（１）  磁性層であるフリー層と、磁性層であるピンド層と、これらの間に設けられた非磁性層と、前記フリー層の磁区制御を行なう永久磁石膜とを備えるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であって、
トラック幅をｘ（単位：μm）としたとき、前記永久磁石膜の残留磁化（単位：μemu/cm3）とその厚さ（単位：cm）との積が、下記式（１）における関数ｆ（ｘ）で表されるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
式（１）  ｆ（ｘ）＝−１１．２４×（１／ｘ2）＋Ａ
［上記式（１）において、
ｘ≦２、
Ａ＝６７０〜９００
である］
（２）  前記永久磁石膜は、残留磁化が１００〜１０００emu/cm3であり、膜厚が５〜１５０nmである（１）のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
（３）
ｘ≦１
である（１）または（２）のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子。
（４）  磁性層であるフリー層と、磁性層であるピンド層と、これらの間に設けられた非磁性層と、前記フリー層の磁区制御を行なう永久磁石膜とを備えるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を設計する方法であって、
トラック幅をｘ（単位：μm）としたとき、前記永久磁石膜の残留磁化（単位：μemu/cm3）とその厚さ（単位：cm）との積が、下記式（１）における関数ｆ（ｘ）で表されるように、前記永久磁石膜の残留磁化およびその厚さを設定するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の設計方法。
式（１）  ｆ（ｘ）＝−１１．２４×（１／ｘ2）＋Ａ
［上記式（１）において、
ｘ≦２、
Ａ＝６７０〜９００
である］
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の一例を示す概略斜視図である。図２は、十分な出力が得られ、かつ、出力曲線に異常が生じないスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を得るために、トラック幅の２乗の逆数と永久磁石膜の残留磁化・膜厚積とが満足すべき領域を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
本発明では、トラック幅ｘが決定されれば、上記式（１）にトラック幅ｘを代入して、磁区制御用永久磁石の残留磁化とその厚さとの積ｆ（ｘ）を求める。そして、このｆ（ｘ）の範囲内において、上記残留磁化および厚さを設定する。これにより、トラック幅を狭く設計した場合でも、十分に大きな再生出力が得られ、しかも、再生出力曲線にノイズ、ヒステリシス、変曲点が生じることがない。
なお、特開平８−２１２５１９号公報には、磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、ＭＲ膜（磁気抵抗効果膜）、ＳＡＬ膜（軟磁性膜）の磁区を永久磁石膜で制御する構造において、この永久磁石膜からの磁界を、バルクハウゼン・ノイズを抑制する程度に弱くし、従来より大きな再生出力を得る技術が開示されている。しかし、同公報に開示された磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、本発明と異なりスピンバルブ型のものではない。しかも同公報では、永久磁石膜からの磁界の強度の下限値を、バルクハウゼン・ノイズ抑制の観点からしか考慮していない。これに対し本発明では、バルクハウゼン・ノイズを防ぐだけでなく、再生出力曲線にヒステリシスや変曲点が生じないように、磁区制御用永久磁石膜の残留磁化の下限臨界点を定めており、この点で本発明は同公報記載の発明と明確に異なる。さらに、本発明では、上記したように、トラック幅を決定すれば、上記式（１）に基づいて、そのトラック幅に最適な永久磁石膜の残留磁化、膜厚の設計を容易に行なうことができるが、同公報に開示された技術においては、このような効果は一切生じない。
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
図１に本発明の好ましい構造のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の一例を概略斜視図として示す。
この図において、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１０は、磁性層であるフリー層１２、磁性層であるピンド層１４、これらの層の間に配置された非磁性層１６、ピンド層１４上に積層され、ピンド層１４の磁化の向きを固定するための反強磁性層１８、上記フリー層１２等に隣接して設けられ、フリー層１２の磁区を単磁区にするための一対の制御用永久磁石膜２０、および一対のシールド２２を備える。この素子に、外部磁界、すなわち媒体からの磁界が印加されると、フリー層１２の磁化の向きが回転し、これによりフリー層１２の磁化の向きとピンド層１４の磁化の向きとの間の角度に変化が生じて、抵抗が変化する。
上記フリー層１２およびピンド層１４をそれぞれ構成する磁性層の厚さはいずれも０．８〜３０nm程度、特に０．８〜２０nm程度とすればよい。なお、両層の厚さは互いに異なってもよい。また、これらの磁性層の保磁力は、通常０．０１〜１０Oe程度に設定される。非磁性層１６の厚さは１〜６nm程度、特に１〜４nm程度で、上記フリー層１２、ピンド層１４および非磁性層１６の総厚は、９〜６０nm程度とすることが好ましい。
フリー層１２の構成材料としては、例えば、ＮｉＦｅ、または２層構造で、ＮｉＦｅ／Ｃｏ，ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＸ／Ｃｏ，ＮｉＦｅＸ／ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ／ＣｏＹ，ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅＹが好ましい。また、ピンド層１４の構成材料としては、例えば、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＹ、または２層構造で、Ｃｏ／ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅが好ましい。なお、２層構造とする場合、非磁性層側にＣｏ，ＣｏＦｅを設ける。上記各組成において、ＸおよびＹはいずれも添加元素であって、Ｐｄ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｉｎ，Ｂ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｇａ，Ｚｒ，Ｉｒ，ＡｕおよびＡｇの少なくとも１種である。
非磁性層１６は、フリー層とピンド層との間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料である。素子抵抗を減少させるためには、非磁性層を導電率の高い金属非磁性体から構成することが好ましい。フリー層−ピンド層間の交換相互作用エネルギーは０．００１〜１００erg/cm2程度であることが好ましい。金属非磁性体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕおよびこれらの合金が好ましい。
反強磁性層１８は、その厚さが５〜３０nm程度に設定されることが好ましい。反強磁性層１８の構成材料としては、例えば、ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＸＭｎ（Ｘ＝Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｄ）およびこれらの合金、および微量元素の添加を行った合金等が挙げられる。
層構成の具体例とその抵抗変化率とを、下記に示す。なお、括弧内の数値は、厚さ（単位：nm）を表す。
0003951192.tif 000002
なお、ピンド層１４の磁化の向きを固定するために、反強磁性層に替えて永久磁石層を設けてもよい。上記No.２の層構成は、反強磁性層に替えてＣｏＰｔからなる永久磁石層を設けた例である。
本発明では、このようなスピンバルブ型磁気抵抗効果素子において、トラック幅をｘ（単位：μm）とし、下記式（１）に示す関数ｆ（ｘ）により、永久磁石膜２０の残留磁化（単位：μemu/cm3）とその厚さ（単位：cm）との積がとり得る範囲を限定する。
式（１）  ｆ（ｘ）＝−１１．２４×（１／ｘ2）＋Ａ
上記式（１）において、
ｘ≦２、
Ａ＝６７０〜９００
であり、好ましくは
ｘ≦１
である。永久磁石膜の残留磁化と膜厚との積、すなわち永久磁石膜によってフリー層に実際に印加される磁界の強度が上記式（１）で表される範囲内にあるとき、トラック幅が狭くても、十分な出力が得られ、しかもヒステリシスや変曲点のない好ましい出力特性が得られる。
上記式（１）は、次のようにして求めた。
まず、トラック幅ならびに磁区制御用永久磁石の残留磁化およびその厚さをパラメータとし、素子の出力をマイクロ磁区解析シミュレーションにより求めた。このシミュレーションにおいて、トラック幅ｘは、１．０μm、０．６μm、０．４μm、０．３μmとした。また、フリー層とピンド層との磁化分布は、Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) gyromagnetic方程式を用いて求めた。
このシミュレーションにおいて、出力曲線にピンド層の不安定さによるものと考えられる異常が生じない残留磁化・膜厚積の臨界最小値を求めた。そして、この臨界最小値を、横軸がトラック幅の２乗の逆数、縦軸が磁区制御用永久磁石膜の残留磁化・膜厚積であるグラフにプロットしたところ、図２に示すように、各プロット点はほぼ直線状に並んだ。そこで、トラック幅ｘの２乗の逆数（１／ｘ2）と残留磁化・膜厚積ｆ（ｘ）とが比例関係にあるとして、図２の各プロット点を仮想的に結ぶ直線を最小二乗法により求めて、上記式（１）における１／ｘ2の係数と変数Ａの下限値とを決定した。また、トラック幅ｘを１μmとしたとき、Ａ≦９００であれば実用上十分な出力が得られることを確認し、さらに、ｘを０．３μmとしたとき、上記式（１）においてＡ≦９００とすれば、ｘが１μmのときの７５％以上の出力が得られることが確認できたので、変数Ａの上限を９００に設定した。
なお、図２において、ハッチングが付された領域が上記式（１）におけるｆ（ｘ）の範囲である。
本発明において、トラック幅ｘを２μm以下、好ましくは１μm以下に限定したのは、広トラック素子では、磁区制御用永久磁石膜が出力に与える影響が相対的に小さくなるからである。すなわち、再生出力曲線に異常が発生しないような十分に大きな磁区制御用磁界をフリー層に印加しても、十分な出力が得られるからである。なお、トラック幅があまりにも狭いと、磁区制御用永久磁石膜の磁界に由来するデッドゾーンの影響を軽減することが難しくなるので、トラック幅ｘは０．０５μm以上とすることが好ましい。
永久磁石膜の厚さは、上記式（１）を満足するものであれば特に限定されないが、実際には、５〜１５０nm、特に１０〜１００nmであることが好ましい。永久磁石膜が薄すぎると、十分な保磁力を得ることが難しくなって磁区制御が有効に行えなくなることがある。一方、永久磁石膜が厚すぎると、残留磁化をかなり小さくする必要があり、その結果、磁区制御が困難となる。
また、永久磁石膜の残留磁化も、上記式（１）を満足するものであれば特に限定されないが、実際には１００〜１０００emu/cm3程度であることが好ましい。この範囲で、上記膜厚の範囲とあいまって、十分な磁区制御と十分な素子出力とを容易に実現することができる。
永久磁石膜の構成材料は特に限定されず、例えば、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｔＣｒ，ＣｏＰｔＴａＣｒ，ＳｍＣｏなどから選択すればよい。
なお、各層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、スパッタ、蒸着などの各種薄膜形成法により形成すればよい。
シールド２２は、例えば、パーマロイ、センダスト、Ｃｏ系アモルファス合金（ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＺｒＭｏなど）、ＦｅＺｒＮ，ＦｅＴａＮおよびこれらにＣｒ等の微量添加元素を加えたものなど、各種軟磁性材料から構成すればよい。シールド２２の厚さは、１〜４μm程度とすればよい。
実施例
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
変数Ａの値を７００に設定し、トラック幅ｘを０．３μmまたは１μmとして上記式（１）に代入し、永久磁石膜の残留磁化と膜厚との積ｆ（ｘ）の値を求めたところ、ｆ（ｘ）＝６８８．７６（ｘ＝１）、ｆ（ｘ）＝５７５．１１（ｘ＝０．３）であった。そして、ＣｏＰｔからなる残留磁化７５０emu/cm3の永久磁石材料を選択し、この残留磁化で上記ｆ（ｘ）の値を除して、必要とされる永久磁石膜厚さを求めたところ、９．１nm（ｘ＝１）、７．７nm（ｘ＝０．３）であった。
次に、上記計算により求めたトラック幅と永久磁石膜厚さとの組み合わせを有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を作製した。各素子において、反強磁性層/ピンド層/非磁性層/フリー層からなるＭＲ膜の層構成はFeMn(5.5)/FeCo(2)/Cu(3)/NiFe(6)［数値は厚さ（単位：nm）］とし、このＭＲ膜に隣接して、上記永久磁石材料からなる永久磁石膜を形成した。これらの素子に常法により配線等を施した後、スピンスタンド（ヘッドテスター）を用いて再生出力を測定した。なお、測定には、１０kFCIの信号を最適記録電流で記録した磁気ディスク（回転数７２００rpm）を用いた。
また、トラック幅を１μm、変数Ａを９００としたほかは上記素子と同様にして素子を作製し、これについても再生出力を測定した。
その結果、トラック幅０．３μm、Ａ＝７００の素子は、トラック幅１μm、Ａ＝９００の素子と同等の大きさの再生出力が得られた。また、トラック幅１μm、Ａ＝７００の素子の出力は、同じトラック幅でＡ＝９００の素子の出力の１１３％であった。また、これらの素子の再生出力曲線には、一部にヒステリシスが生じたり、変曲点が生じたりするような異常は認められなかった。
また、トラック幅を０．３μmとし、Ａを６７０、８００、９００とした素子を作製し、これらについて再生出力を測定したところ、同じトラック幅でＡ＝７００の素子の出力の１０３％、８８％、７７％であった。また、これらの素子の再生出力曲線には、異常は認められなかった。
一方、比較のため、上記式（１）における変数Ａの値を本発明の範囲外である６５０と９５０とし、ｘ＝０．３を上記式（１）に代入し、ｆ（ｘ）の値を求めたところ、５２５．１１（Ａ＝６５０）、８２５．１１（Ａ＝９５０）であった。これらのｆ（ｘ）の値を残留磁化７５０emu/cm3で除して、必要とされる永久磁石膜の厚さを求めたところ、７nm（Ａ＝６５０）、１１nm（Ａ＝９５０）であった。次に、永久磁石膜の厚さを７nmまたは１１nmとしたほかは上記した手順と同様にして素子を作製し、上記と同様な測定を行った。その結果、Ａ＝６５０とした素子では、その出力曲線に実際にヒステリシスが生じたり、変曲点が生じたりし、出力の線形性が保たれなかった。また、Ａ＝９５０とした素子では、その出力がＡ＝７００とした場合の約５分の３に低下してしまい、十分な出力が得られなかった。
以上の実施例により、本発明の効果が確認された。
産業上の利用可能性
本発明のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、トラック幅を狭くしても、大きな出力と、ヒステリシスや変曲点のない好ましい出力特性とが得られるので、例えば、高密度磁気記録媒体用の再生用ヘッドに好適である。
【図１】
0003951192.tif 000003
【図２】
0003951192.tif 000004