(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層は、前記非磁性層の両端部の上層または下層に所定の距離離れて配置された一対の反強磁性層であることを特徴とする薄膜磁気素子。
【請求項２】
前記非磁性層と前記第１反強磁性層の間に、他の反強磁性層が積層されている請求項１に記載の薄膜磁気素子。
【請求項３】
前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項１または２に記載の薄膜磁気素子。
【請求項４】
磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層には、所定距離離れた両端部の間に凹部が形成されていることを特徴とする薄膜磁気素子。
【請求項５】
前記非磁性層と前記第１反強磁性層の間に、他の反強磁性層が積層されている請求項４に記載の薄膜磁気素子。
【請求項６】
前記凹部の側面は前記基板の表面に対する垂直面となっている請求項４または５に記載の薄膜磁気素子。
【請求項７】
前記凹部の底面が前記第１反強磁性層内に設けられている請求項４または６に記載の薄膜磁気素子。
【請求項８】
前記凹部の底面に重なる前記第１反強磁性層の領域の厚さ、または前記凹部の底面に重なる前記第１反強磁性層と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項７に記載の薄膜磁気素子。
【請求項９】
前記凹部の底面が、前記非磁性層と前記第１反強磁性層の間に積層された他の反強磁性層内に設けられている請求項４または６に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１０】
前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下である請求項９に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１１】
前記凹部の底面が、前記非磁性層内に設けられている請求項４または６に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１２】
前記他の反強磁性層が、伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層である請求項２、３、５ないし１１のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項１３】
前記鏡面反射層が伝導電子のスピン状態を保存する鏡面反射を生じる確率の高いエネルギーギャップを形成可能な材料から構成される請求項１２に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１４】
前記鏡面反射層が半金属ホイッスラー合金から構成される請求項１３に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１５】
前記半金属ホイッスラー合金が、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂのいずれか一つ以上の単層膜または多層膜から構成される請求項１４に記載の薄膜磁気素子。
【請求項１６】
前記フリー磁性層の膜厚が、１５〜４５Åの範囲に設定される請求項１ないし１５のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項１７】
前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である請求項１ないし１６のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項１８】
前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態である請求項１ないし１７のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項１９】
前記非磁性中間層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されている請求項１７または１８に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２０】
前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成する請求項１８または１９に記載の薄膜磁気素子。
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【請求項２１】
前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層との間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成する請求項１８または１９に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２２】
前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成する請求項２１記載の薄膜磁気素子。
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【請求項２３】
前記複数の強磁性材料層の全ての層を前記ＣｏＦｅＮｉで形成する請求項２０または２２に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２４】
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されている請求項１ないし２３のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項２５】
前記非磁性層が導電性材料によって形成されている請求項１または４に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２６】
前記非磁性層がＲｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのうち１種または２種以上の元素を用いて形成されている請求項２５に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２７】
前記非磁性層がＲｕによって形成され、膜厚が８〜１１Åである請求項２６に記載の薄膜磁気素子。
【請求項２８】
前記第１反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される請求項１ないし２７のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項２９】
磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成することを特徴とする薄膜磁気素子。
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【請求項３０】
磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層との間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成することを特徴とする薄膜磁気素子。
【請求項３１】
前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成する請求項３０記載の薄膜磁気素子。
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【請求項３２】
前記複数の強磁性材料層の全ての層を前記ＣｏＦｅＮｉで形成する請求項２９または３１に記載の薄膜磁気素子。
【請求項３３】
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されている請求項２９ないし３２のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【請求項３４】
磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されていることを特徴とする薄膜磁気素子。
【請求項３５】
前記非磁性層が導電性材料によって形成されている請求項２９または３０に記載の薄膜磁気素子。
【請求項３６】
前記非磁性層がＲｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのうち１種または２種以上の元素を用いて形成されている請求項３５に記載の薄膜磁気素子。
【請求項３７】
前記非磁性層がＲｕによって形成され、膜厚が８〜１１Åである請求項３６に記載の薄膜磁気素子。
【請求項３８】
前記第１反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される請求項２９ないし３７のいずれかに記載の薄膜磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固定磁性層（ピン（Pinned）磁性層）の磁化の方向と外部磁界の影響を受けるフリー（Free）磁性層の磁化の方向との関係で電気抵抗が変化するいわゆる薄膜磁気素子に係り、特に狭トラック化に対応できる薄膜磁気素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は、薄膜磁気素子の従来の構造をＡＢＳ面から見た断面図である。
【０００３】
図１８に示す薄膜磁気素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の１種であるスピンバルブ型薄膜素子と呼ばれるものであり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。
【０００４】
このスピンバルブ型薄膜素子は、下から下地層６、反強磁性層１、固定磁性層（ピン（Pinned）磁性層）２、非磁性導電層３、フリー磁性層（Free）４、及び保護層７で構成された多層膜９と、この多層膜９の両側に形成された一対のハードバイアス層５，５と、このハードバイアス層５，５の上に形成された一対の電極層８，８とで構成されている。なお下地層６及び保護層７は、Ｔａ（タンタル）膜などで形成されている。またこの多層膜９の上面の幅寸法によってトラック幅Ｔｗが決定される。
【０００５】
前記反強磁性層１にはＦｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）合金膜やＮｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）合金膜、固定磁性層２及びフリー磁性層４にはＮｉ−Ｆｅ（ニッケル−鉄）合金膜、非磁性導電層３にはＣｕ（銅）膜、ハードバイアス層５，５にはＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金膜、また電極層８，８にはＣｒ膜が一般的に使用される。
【０００６】
図１８に示すように、固定磁性層２の磁化は、反強磁性層１との交換異方性磁界によりＹ方向（記録媒体からの漏れ磁界方向；ハイト方向）に単磁区化され、フリー磁性層４の磁化は、前記ハードバイアス層５，５からのバイアス磁界の影響を受けてＸ方向に揃えられる。
【０００７】
すなわち固定磁性層２の磁化と、フリー磁性層４の磁化とが、直交するように設定されている。
【０００８】
このスピンバルブ型薄膜素子では、ハードバイアス層５，５上に形成された電極層８，８から、固定磁性層２、非磁性導電層３及びフリー磁性層４に検出電流（センス電流）が与えられる。ハードディスクなどの記録媒体の走行方向はＺ方向であり、記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層４の磁化がＸからＹ方向へ向けて変化する。このフリー磁性層４内での磁化の方向の変動と、固定磁性層２の固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し（これを磁気抵抗効果という）、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示す従来の薄膜磁気素子では、以下のような問題点が発生する。
【００１０】
固定磁性層２の磁化は、前述したように、図示Ｙ方向に単磁区化され固定されているが、前記固定磁性層２の両側にはＸ方向に磁化されているハードバイアス層５，５が設けられている。そのために、特に、固定磁性層２の両端の磁化が、前記ハードバイアス層５，５からのバイアス磁界の影響を受け、図示Ｙ方向に固定されなくなっている。
【００１１】
すなわち、前記ハードバイアス層５，５のＸ方向の磁化を受けて、Ｘ方向に単磁区化されているフリー磁性層４の磁化と、固定磁性層２の磁化とは、特に多層膜９の側端部付近では、直交関係にない。フリー磁性層４の磁化と、固定磁性層２の磁化とを直交関係に設定しておく理由は、フリー磁性層４の磁化が小さな外部磁界でも容易に変動可能で、電気抵抗を大きく変化させることができ、再生感度を向上させることができるからである。さらに前記直交関係にあると、良好な対称性を有する出力波形を得ることが可能になるためである。
【００１２】
しかもフリー磁性層４のうち、その側端部付近における磁化は、ハードバイアス層５，５からの強い磁化の影響を受けるため固定されやすく、外部磁界に対し磁化が変動しにくくなっており、図１８に示すように、多層膜９の側端部付近には、再生感度の悪い不感領域ＤAが形成される。
【００１３】
多層膜９のうち、不感領域ＤAを除いた中央部分の領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域ＥAであり、この感度領域Ｅの幅は、多層膜９の形成時に設定されたトラック幅Ｔｗよりも不感領域ＤAの幅寸法分だけ短くなっている。
【００１４】
このように磁気抵抗効果素子の多層膜９には、その両側付近に再生出力にほとんど寄与しない不感領域ＤAが形成され、この不感領域ＤAは、単に直流抵抗値（ＤＣＲ）を上昇させる領域でしかなかった。
【００１５】
近年、磁気記録媒体の高記録密度化が進み、それに対応するために薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗの極小化が進められており、トラック幅Ｔｗを０．５μｍ以下にすることが必要になってきた。しかし、前述した不感領域の幅寸法Ｄｗは０．１μｍ程度あり、トラック幅Ｔｗが０．５μｍ以下になるとトラック幅Ｔｗに対する不感領域の幅寸法Ｄｗの比率が大きくなり、磁気抵抗効果を発揮する感度領域ＥAの幅寸法Ｅｗを正確に制御することが困難になってきた。
【００１６】
また、トラック幅Ｔｗに対する不感領域ＤAの幅寸法Ｄｗの比率が大きくなると、再生出力も低下する。
【００１７】
さらに、図１８の薄膜磁気素子では多層膜９の側面が傾斜面になっている。多層膜９の側面の傾斜角θは製品ごとにばらつきやすい。傾斜角θがばらつくとフリー磁性層４のトラック幅方向の長さがばらつく。すなわち、磁気抵抗効果を発揮する感度領域ＥAの幅寸法Ｅｗがばらついて、薄膜磁気素子の磁界検出感度がばらつくという問題が生じる。
【００１８】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に磁気抵抗効果を有する多層膜に不感領域が形成されないようにすることにより、トラック幅を正確に制御でき、また再生出力の低下を防止できる薄膜磁気素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層は、前記非磁性層の両端部の上層または下層に所定の距離離れて配置された一対の反強磁性層であることを特徴とするものである。
【００２０】
前記第１反強磁性層が前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されていると、前記第１反強磁性層によって磁化方向が揃えられる磁性層は、前記第１反強磁性層とのＲＫＫＹ相互作用によって磁化方向が揃えられる。ＲＫＫＹ相互作用は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下から外れた領域には作用しない。
【００２１】
従って、前記多層膜の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【００２２】
また、前記多層膜の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【００２３】
さらに、本発明では薄膜磁気素子の前記多層膜の側端面が基板表面に対して垂直となるように形成されることが可能なので、前記フリー層の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【００２４】
また、本発明のように、前記第１反強磁性層とのＲＫＫＹ相互作用によって前記磁性層の磁化方向が揃えられるものは、前記第１反強磁性層と前記磁性層とが直に接しているものよりも交換結合力を強くすることができる。
また本発明では、前記第１反強磁性層は、前記非磁性層の上層または下層において、トラック幅方向に所定の距離離れて配置された一対の反強磁性層として形成される。
このとき、前記一対の反強磁性材料層は前記フリー磁性層との間のＲＫＫＹ結合によって前記フリー磁性層の磁化方向を一定の方向に揃える。すなわち、前記一対の反強磁性材料層はサイドバイアス層として働く。
【００２８】
スピンフィルター効果を有するバックド層がフリー磁性層に接して設けられると、積層体内部においてセンス電流が流れる中心高さ位置を、バックド層がない場合よりも、このバックド層側に移動させることができる。すなわち、センス電流の中心高さ位置がフリー磁性層から離れ、フリー磁性層位置におけるセンス電流磁界の強度が低減し、このセンス電流磁界のフリー磁性層の変動磁化への影響が低減する。従って、アシンメトリーを小さくできる。
【００２９】
ここで、アシンメトリーとは、再生出力波形の非対称性の度合いを示すものであり、再生出力波形が与えられた場合、波形が対称であればアシンメトリーが小さくなる。従って、アシンメトリーが０に近づく程再生出力波形が対称性に優れていることになる。
【００３０】
前記アシンメトリーは、フリー磁性層の変動磁化の方向と固定磁性層の固定磁化の方向とが直交しているときに０となる。アシンメトリーが大きくずれるとメディアからの情報の読み取りが正確にできなくなり、エラーの原因となる。このため、前記アシンメトリーが小さいものほど、再生信号処理の信頼性が向上することになり、スピンバルブ薄膜磁気素子として優れたものとなる。
【００３１】
また、本発明では、磁気抵抗効果に寄与するアップスピン電子の平均自由行程を伸ばし、いわゆるスピンフィルター効果により、大きな抵抗変化率が得られる。
【００３２】
スピンバルブ型薄膜磁気素子にセンス電流を印加すると、伝導電子はおもに電気抵抗の小さい非磁性材料層付近を移動する。この伝導電子にはアップスピンとダウンスピンの２種類の電子が確率的に等量存在する。
【００３３】
スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率は、これらの２種類の伝導電子の平均自由行程の行程差に対して正の相関を示す。
【００３４】
ダウンスピンの伝導電子については、印加される外部磁界の向きにかかわらず、非磁性材料層とフリー磁性層との界面で常に散乱され、フリー磁性層に移動する確率は低いまま維持され、その平均自由行程はアップスピンの伝導電子の平均自由行程に比べて短いままである。
【００３５】
一方、アップスピンの伝導電子については、外部磁界によってフリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の磁化方向と平行状態になったときに、非磁性材料層からフリー磁性層に移動する確率が高くなり、平均自由行程が長くなっている。これに対し、外部磁界によって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平行状態から変化するに従って、非磁性材料層とフリー磁性層との界面で散乱される確率が増加し、アップスピンの伝導電子の平均自由行程が短くなる。
【００３６】
このように外部磁界の作用によって、アップスピンの伝導電子の平均自由行程がダウンスピンの伝導電子の平均自由行程に比べて大きく変化し、行程差が大きく変化する。すると、伝導電子全体の平均自由行程も大きく変化し、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きくなる。
【００３７】
ここで、フリー磁性層にバックド層が接続されると、フリー磁性層中を移動するアップスピンの伝導電子がバックド層内にまで移動することが可能になり、バックド層の膜厚に比例してアップスピンの伝導電子の平均自由行程をさらに伸ばすことができる。このため、いわゆるスピンフィルター効果を発現させることが可能となり、伝導電子の平均自由行程の行程差が大きくなって、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させることができる。
【００３９】
本発明では、前記非磁性層と前記第１反強磁性層の間に、他の反強磁性層が積層されていることが好ましい。
【００４０】
前記他の反強磁性層は後に述べる本発明の薄膜磁気素子の製造方法において、前記非磁性層の上層に前記第１反強磁性層を成膜するときに、前記非磁性層が大気に触れて酸化することを防止する機能を有する。
【００４３】
前記第１反強磁性層がサイドバイアス層であるとき、前記他の反強磁性層の厚さは、０より大きく３０Å以下であることが好ましい。前記他の反強磁性層の厚さが３０Åより大きくなると、後述する本発明の薄膜磁気素子の製造方法を用いるときに、前記第１反強磁性層の磁化方向と前記第２反強磁性層の磁化方向を直交させることが困難になる。
【００４４】
また本発明は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層には、所定距離離れた両端部の間に凹部が形成されていることを特徴とするものである。
【００４５】
特に、前記凹部の側面は前記基板の表面に対する垂直面となっていることが好ましい。
【００４６】
本発明では、薄膜磁気素子のトラック幅が前記凹部の幅寸法によって決定される。すなわち、前記凹部の底面に重なる領域でのみ、前記フリー磁性層などの外部磁界によって磁化方向が変化する磁性層の磁化方向を変化させることができる。しかも、前記凹部は、一様の厚さで成膜された前記第１反強磁性層を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、前記基板の表面に対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法で前記凹部を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。
【００４７】
本発明では、前記凹部の底面が前記第１反強磁性層内に設けられているようにできる。
【００４８】
このとき、前記凹部の底面に重なる前記第１反強磁性層の領域の厚さ、または前記凹部の底面に重なる前記第１反強磁性層と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さが０より大きく３０Å以下であると、後述する本発明の薄膜磁気素子の製造方法を用いるときに、前記第１反強磁性層の磁化方向と前記第２反強磁性層の磁化方向を直交させることが容易になるので好ましい。
【００４９】
または、前記凹部の底面が、前記他の反強磁性層内に設けられていてもよい。
このときは、前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さが０より大きく３０Å以下であることが好ましい。
【００５０】
上述した、前記凹部の底面に重なる前記第１反強磁性層と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さ、または、前記凹部の底面に重なる前記他の反強磁性層の領域の厚さは、前記第１反強磁性層または前記他の反強磁性層と前記少なくとも一つの磁性層との間に交換異方性磁界が発生しない厚さである。
【００５１】
あるいは、前記凹部の底面が前記非磁性層内に設けられていてもよい。
本発明では前記他の反強磁性層を、伝導電子のスピン状態を保存する鏡面反射を生じる確率の高いエネルギーギャップを形成可能な材料を用いて形成することにより、伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層とすることができる。
【００５２】
伝導電子の平均自由行程を鏡面反射効果により延長する鏡面反射層である前記他の反強磁性層は前記非磁性層との界面においてポテンシャル障壁を形成し、フリー磁性層及び前記非磁性層中を移動するアップスピンの伝導電子を、そのスピンの状態を保存させたまま反射させることができアップスピンの伝導電子の平均自由行程をさらに延すことができる。つまり、いわゆる鏡面反射効果を発現させることが可能になり、アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程の行程差をさらに大きくすることができる。
【００５３】
すなわち、外部磁界の作用によって、伝導電子全体の平均自由行程を大きく変化させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくさせることができる。
【００５４】
前記鏡面反射層となる前記他の反強磁性層は、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の、単層膜または多層膜として構成されることができる。これらの材料を用いることにより、隣接する層との間に、充分なポテンシャル障壁を形成することが可能であり、その結果充分な鏡面反射効果を得ることができる。
【００５５】
本発明では、前記フリー磁性層の膜厚が１５〜４５Åの範囲に設定されることが好ましい。
【００５６】
スピンフィルター効果、鏡面反射効果によ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平均自由行程差の拡大はフリー磁性層の膜厚が比較的薄い場合により効果を発揮する。
【００５７】
フリー磁性層の膜厚が１５Åより薄いと強磁性材料層として機能するように形成することが難しくなり充分な磁気抵抗効果を得ることができない。
【００５８】
また、フリー磁性層の膜厚が４５Åより厚いと前記鏡面反射層に到達する前に散乱されてしまうアップスピンの伝導電子が増加して鏡面反射効果（specular effect）によって抵抗変化率が変化する割合が減少するため好ましくない。
【００５９】
また、前記固定磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であることが好ましい。
【００６０】
固定磁性層が非磁性中間層の上下に強磁性材料層が積層されたものとして形成されると、これら複数層の強磁性材料層が互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第２反強磁性層と固定磁性層との交換結合磁界Ｈｅｘを大きな値として得ることができる。従って、第２反強磁性層の磁化方向をハイト方向に向けるための磁場中アニールを行った後または行う前の、第１反強磁性層の磁化方向をトラック幅方向に向けるための磁場中アニールによって、固定磁性層の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、第１反強磁性層による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【００６１】
また、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、複数層の強磁性材料層の静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【００６２】
従って、フリー磁性層の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れた薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【００６３】
また、固定磁性層の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【００６４】
さらに、前記フリー磁性層が、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であると、前記フリー磁性層の膜厚を薄くすることと同等の効果が得られ、フリー磁性層の磁化が変動しやすくなり、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が向上するので好ましい。
【００６５】
なお、前記強磁性材料層の単位面積あたりの磁気モーメントの大きさは、前記強磁性材料層の飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で表される。
【００６６】
前記非磁性中間層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されることができる。
【００６７】
また本発明は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成することを特徴とするものである。
【００６８】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【００６９】
また本発明は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記フリー磁性層は、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態であり、
前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層との間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成することを特徴とするものである。前記中間層を形成するときは、前記複数の強磁性材料層の少なくとも一層を、以下の組成を有する磁性材料で形成することができる。
【００７０】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏである。
【００７１】
さらに本発明では、前記複数の強磁性材料層の全ての層を前記ＣｏＦｅＮｉで形成することが好ましい。
また、前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されているものとして構成できる。
【００７２】
ところで本発明では、フリー磁性層が積層フェリ構造であり、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる複数の強磁性材料層が、非磁性中間層を介して積層され、前記非磁性中間層を介して隣接する前記強磁性材料層の磁化方向が反平行となるフェリ磁性状態として構成できる。
【００７３】
この反平行磁化状態を適切に保つには、前記フリー磁性層の材質を改良して前記複数の強磁性材料層間に働くＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を大きくする必要性がある。
【００７４】
前記強磁性材料層を形成する磁性材料としてよく使用されるものにＮｉＦｅ合金がある。ＮｉＦｅ合金は軟磁気特性に優れるため従来からフリー磁性層などに使用されていたが、前記フリー磁性層を積層フェリ構造にした場合、ＮｉＦｅ合金で形成された強磁性材料層間の反平行結合力はさほど強くはない。
【００７５】
そこで本発明では、前記強磁性材料層の材質を改良し、前記複数の強磁性材料層間の反平行結合力を強め、トラック幅方向の両側に位置するフリー磁性層の両側端部が外部磁界に対し揺らがないようにし、サイドリーディングの発生を適切に抑制できるようにすべく、前記複数の強磁性材料層のうち少なくとも一層、好ましくは全ての層にＣｏＦｅＮｉ合金を使用することとしたのである。Ｃｏを含有させることで上記の反平行結合力を強めることができる。
【００７６】
図１３は、フリー磁性層を積層フェリ構造にした場合のヒステリシスループの概念図である。例えば第１フリー磁性層（Ｆ１）の単位面積あたりの磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）は第２フリー磁性層（Ｆ２）の単位面積あたりの磁気モーメントよりも大きいとする。また外部磁界を図示右方向に与えたとする。
【００７７】
第１フリー磁性層の単位面積あたりの磁気モーメントと第２フリー磁性層の単位面積あたりの磁気モーメントとのベクトル和（｜Ｍｓ・ｔ（Ｆ１）＋Ｍｓ・ｔ（Ｆ２）｜）で求めることができる単位面積あたりの合成磁気モーメントは、０磁界から外部磁界を大きくしていってもある時点までは、一定の大きさである。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが一定の大きさである外部磁界領域Ａでは、前記第１フリー磁性層と第２フリー磁性層間に働く反平行結合力が、前記外部磁界よりも強いので、前記第１及び第２フリー磁性層の磁化は適切に単磁区化され、反平行状態に保たれている。
【００７８】
ところが、さらに図示右方向への外部磁界を大きくしていくと、フリー磁性層の単位面積あたりの合成磁気モーメントは傾斜角を有して大きくなっていく。これは、前記外部磁界の方が、前記第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層間に働く反平行結合力よりも強いから、単磁区化していた第１のフリー磁性層と第２のフリー磁性層の磁化が分散して多磁区化状態となり、ベクトル和で求めることができる単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなっていくのである。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなっていく外部磁界領域Ｂでは、もはや前記フリー磁性層の反平行状態は崩れた状態にある。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが大きくなり始める出発点の外部磁界の大きさをスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）と呼んでいる。
【００７９】
さらに図示右方向の外部磁界を大きくしていくと、第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層の磁化は再び単磁区化され、今度は外部磁界領域Ａの場合と異なり、共に図示右方向に磁化され、この外部磁界領域Ｃでの単位面積あたりの合成磁気モーメントは一定値となる。この単位面積あたりの合成磁気モーメントが一定値となる時点での外部磁界の大きさを飽和磁界（Ｈｓ）と呼んでいる。
【００８０】
本発明では、前記ＣｏＦｅＮｉ合金を第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層に使用すると、ＮｉＦｅ合金を使用した場合に比べて反平行状態が崩れるときの磁界、いわゆるスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を十分に大きくできることがわかった。
【００８１】
本発明では、第１及び第２フリー磁性層にＮｉＦｅ合金（比較例）及びＣｏＦｅＮｉ合金（実施例）を用いて上記したスピンフロップ磁界の大きさを求めるための実験を以下の膜構成を用いて行った。
【００８２】
基板／非磁性材料層（Ｃｕ）／第１フリー磁性層（２．４）／非磁性中間層（Ｒｕ）／第２フリー磁性層（１．４）
なお括弧書きは膜厚を示し単位はｎｍである。
【００８３】
比較例での第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層には、Ｎｉの組成比が８０原子％でＦｅの組成比が２０原子％からなるＮｉＦｅ合金を使用した。このときのスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）は約５９（ｋＡ／ｍ）であった。
【００８４】
次に実施例での第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層には、Ｃｏの組成比が８７原子％で、Ｆｅの組成比が１１原子％で、Ｎｉの組成比が２原子％からなるＣｏＦｅＮｉ合金を使用した。このときのスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）は約２９３（ｋＡ／ｍ）であった。
【００８５】
このように第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層にはＮｉＦｅ合金を用いるよりもＣｏＦｅＮｉ合金を用いる方が、スピンフロップ磁界を効果的に向上させることができることがわかった。
【００８６】
次に、ＣｏＦｅＮｉ合金の組成比について説明する。ＣｏＦｅＮｉ合金は、非磁性中間層であるＲｕ層と接することでＮｉＦｅ合金を用いる場合より、磁歪が１×６-6〜６×１０-6程度、正側にシフトすることがわかっている。
【００８７】
前記磁歪は−３×１０-6から３×１０-6の範囲内であることが好ましい。また保磁力は７９０（Ａ／ｍ）以下であることが好ましい。磁歪が大きいと、成膜ひずみや、他層間での熱膨張係数の差などによって応力の影響を受けやすくなるから前記磁歪は低いことが好ましい。また保磁力は低いことが好ましく、これによってフリー磁性層の外部磁界に対する磁化反転を良好にすることができる。
【００８８】
本発明では、非磁性材料層／第１フリー磁性層／非磁性中間層／第２フリー磁性層の膜構成で形成されるとき、前記ＣｏＦｅＮｉのＦｅ組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。Ｆｅの組成比が１７原子％よりも大きくなると、磁歪が−３×１０-6よりも負に大きくなると共に軟磁気特性を劣化させて好ましくない。
【００８９】
またＦｅの組成比が９原子％よりも小さくなると、磁歪が３×１０-6よりも大きくなると共に、軟磁気特性の劣化を招き好ましくない。
【００９０】
またＮｉの組成比が１０原子％よりも大きくなると、磁歪が３×１０-6よりも大きくなると共に、非磁性材料層との間でＮｉの拡散等による抵抗変化量（ΔＲ）及び抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低下を招き好ましくない。
【００９１】
またＮｉの組成比が０．５原子％よりも小さくなると、磁歪が−３×１０-6よりも負に大きくなって好ましくない。
【００９２】
また上記した組成範囲内であれば保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下にすることができる。
【００９３】
次に、前記非磁性材料層に最も近い位置に積層された前記強磁性材料層と前記非磁性材料層と間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を形成するとき、具体的には、例えば、非磁性材料層／中間層（ＣｏＦｅ合金）／第１フリー磁性層／非磁性中間層／第２フリー磁性層の膜構成で形成されるとき、前記ＣｏＦｅＮｉのＦｅ組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。Ｆｅの組成比が１５原子％よりも大きくなると、磁歪が−３×１０-6よりも負に大きくなると共に軟磁気特性を劣化させて好ましくない。
【００９４】
またＦｅの組成比が７原子％よりも小さくなると、磁歪が３×１０-6よりも大きくなると共に、軟磁気特性の劣化を招き好ましくない。
【００９５】
またＮｉの組成比が１５原子％よりも大きくなると、磁歪が３×１０-6よりも大きくなって好ましくない。
【００９６】
またＮｉの組成比が５原子％よりも小さくなると、磁歪が−３×１０-6よりも負に大きくなって好ましくない。
【００９７】
また上記した組成範囲内であれば保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下にすることができる。
【００９８】
なお、ＣｏＦｅやＣｏで形成された中間層はマイナス磁歪を有しているため、前記中間層を第１フリー磁性層と非磁性材料層間に介在させない膜構成の場合に比べて、ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅ組成をやや少なくし、Ｎｉ組成をやや多くしている。
【００９９】
また上記の膜構成のように、非磁性材料層と第１フリー磁性層間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層を介在させることで、第１フリー磁性層と非磁性材料層間での金属元素の拡散をより効果的に防止することができて好ましい。
【０１００】
また本発明は、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されており、
前記多層膜は、第２反強磁性層と、この第２反強磁性層によって磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性材料層、及び外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層を有し、前記フリー磁性層の上層または下層に前記非磁性層を介して、前記第１反強磁性層が積層されており、前記第１反強磁性層との磁気的結合により前記フリー磁性層の磁化方向が前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ向けられており、
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層が、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明では前記非磁性層が導電性材料によって形成されていることが好ましい。
特に、前記非磁性層がＲｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのうち１種または２種以上の元素を用いて形成されていることが好ましい。
より好ましくは、前記非磁性層がＲｕによって形成され、膜厚が８〜１１Åであることである。
本発明のように、前記非磁性が導電性材料によって形成されていると、前記非磁性層をスピンフィルター効果を有するバックド層（ｂａｃｋｅｄｌａｙｅｒ）として機能させることが可能になる。
【０１０１】
前記第１反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層は、ＰｔＭｎ合金により形成されていることが好ましい。または前記反強磁性層は、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成されることができる。
【０１０２】
ここで、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。特に規定しない限り、〜で示す数値範囲の上限と下限は以下、以上を意味する。
【０１０３】
また、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。さらに、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’が０．２〜１０ａｔ％の範囲であることが好ましい。ただし、Ｘ’がＰｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である場合には、Ｘ’は０．２〜４０ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【０１０４】
第１反強磁性層及び第２反強磁性層として、これらの適切な組成範囲の合金を使用し、これを熱処理することにより、大きな交換結合磁界を発生する第１反強磁性層及び第２反強磁性層を得ることができる。特に、ＰｔＭｎ合金であれば、４８ｋＡ／ｍ以上、例えば６４ｋＡ／ｍを越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が３８０℃と極めて高い優れた第１反強磁性層及び第２反強磁性層を得ることができる。
【０１０５】
これらの合金は、成膜直後の状態では、不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理によってＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。
【０１０６】
なお、本発明では、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成することができる。
【０１０７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０１０８】
図１の薄膜磁気素子は、基板１１上に第２反強磁性層１２が積層され、さらに第１固定磁性層１３ａ、非磁性中間層１３ｂ、第２固定磁性層１３ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７が積層された多層膜Ａ上に、第１反強磁性層である縦バイアス層１８、電極層１９が成膜されたものである。
【０１０９】
第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７、並びに縦バイアス層１８、電極層１９は、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０１１０】
第２反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１または２種以上の元素である）合金で形成する。
【０１１１】
第２反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８として、これらの合金を使用し、これを熱処理することにより、大きな交換結合磁界を発生する第２反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８を得ることができる。特に、ＰｔＭｎ合金であれば、４８ｋＡ／ｍ以上、例えば６４ｋＡ／ｍを越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が３８０℃と極めて高い優れた第２反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８を得ることができる。
【０１１２】
これらの合金は、成膜直後の状態では、不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理によってＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。
【０１１３】
第２反強磁性層１２の膜厚は、トラック幅方向の中心付近において８０〜３００Å、例えば２００Åである。また、他の反強磁性層１７の膜厚は、約３０Åである。また、縦バイアス層１８の両端部付近における膜厚は８０〜３００Å、例えば２００Åである。
【０１１４】
なお、本実施の形態の薄膜磁気素子は、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成することができる。
【０１１５】
ここで、第２反強磁性層１２、他の反強磁性層１７、及び縦バイアス層１８を形成するための、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記ＰｔＭｎ合金及び前記Ｘ−Ｍｎの式で示される合金において、ＰｔあるいはＸが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。特に規定しない限り、〜で示す数値範囲の上限と下限は以下、以上を意味する。
【０１１６】
また、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが３７〜６３ａｔ％の範囲であることが好ましい。また、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’＋Ｐｔが４７〜５７ａｔ％の範囲であることがより好ましい。さらに、前記Ｐｔ−Ｍｎ−Ｘ’の式で示される合金において、Ｘ’が０．２〜１０ａｔ％の範囲であることが好ましい。ただし、Ｘ’がＰｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である場合には、Ｘ’は０．２〜４０ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【０１１７】
第１反強磁性層及び第２反強磁性層として、これらの適切な組成範囲の合金を使用し、これを熱処理することにより、大きな交換結合磁界を発生する第１反強磁性層及び第２反強磁性層を得ることができる。特に、ＰｔＭｎ合金であれば、４８ｋＡ／ｍ以上、例えば６４ｋＡ／ｍを越える交換結合磁界を有し、前記交換結合磁界を失うブロッキング温度が３８０℃と極めて高い優れた第１反強磁性層及び第２反強磁性層を得ることができる。
【０１１８】
これらの合金は、成膜直後の状態では、不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理によってＣｕＡｕＩ型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。
【０１１９】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。
【０１２０】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０１２１】
非磁性材料層は、固定磁性層１３とフリー磁性層１５との磁気的な結合を防止し、またセンス電流が主に流れる層であり、Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇなど導電性を有する非磁性材料により形成されることが好ましい。特にＣｕによって形成されることが好ましい。
【０１２２】
フリー磁性層１５は、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。
【０１２３】
非磁性層１６は、Ｒｕによって形成され、膜厚は８〜１１Åである。また、非磁性層は、Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのうち１種または２種以上の元素を用いて形成することもできる。
【０１２４】
電極層１９は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
縦バイアス層１８には凹部２１が形成されている。凹部２１の側面２１ａ，２１ａは、基板１１の表面１１ａに対して垂直になっている。図１では、凹部２１の底面２１ｂが縦バイアス層１８内に位置するように、凹部２１が形成されている。
【０１２５】
このとき、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にする。
【０１２６】
なお、本実施の形態ではフリー磁性層１５の上面に接して非磁性層１６が積層されている。このとき、フリー磁性層１５は、非磁性層１６を介した縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられている。
【０１２７】
本実施の形態では、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成した場合でも、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０１２８】
すなわち、本実施の形態では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定できる。
【０１２９】
本実施の形態のように、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にすると、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８及び他の反強磁性層１７の領域では、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０１３０】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は凹部２１の底面２１ｂに重なる領域以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０１３１】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる領域Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部にならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０１３２】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅が前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。上述したように、本発明では、凹部２１は一様の厚さで成膜された縦バイアス層を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凹部２１を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定できる。
【０１３３】
また、本実施の形態では、基板１１上に直接第２反強磁性層１２が積層されているが、基板１１上にアルミナ層及びＴａ等からなる下地層を介して第２反強磁性層１２が積層されてもよい。
【０１３４】
縦バイアス層１８が多層膜Ａの上層に非磁性層１６を介して積層されていると、フリー磁性層１５は、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ相互作用によって磁化方向が揃えられる。ＲＫＫＹ相互作用は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層（縦バイアス層１８）の直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直下から外れた領域には作用しない。すなわち、前記ＲＫＫＹ相互作用は、凹部２１の底面２１ｂに重ならないトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄにのみ働き、凹部２１の底面２１ｂに重なる領域Ｅには作用しない。
【０１３５】
従って、縦バイアス層１８に形成された凹部２１の幅寸法として設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０１３６】
また、薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【０１３７】
さらに、本実施の形態では薄膜磁気素子の側端面Ｓ，Ｓが基板１１の表面１１ａに対して垂直となるように形成されることが可能なので、フリー磁性層１５の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【０１３８】
また、本実施の形態のように、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ相互作用によってフリー磁性層１５の磁化方向が揃えられるものは、縦バイアス層１８とフリー磁性層１５とが直に接しているものよりも交換結合力を強くすることができる。
【０１３９】
また、本実施の形態のように、非磁性層１６が導電性材料によって形成されていると、非磁性層１６をスピンフィルター効果を有するバックド層（ｂａｃｋｅｄｌａｙｅｒ）として機能させることが可能になる。
【０１４０】
スピンフィルター効果を有するバックド層（非磁性層１６）がフリー磁性層１５に接して設けられると、積層体内部においてセンス電流が流れる中心高さ位置を、バックド層がない場合よりも、このバックド層側に移動させることができる。すなわち、センス電流の中心高さ位置がフリー磁性層１５から離れ、フリー磁性層１５位置におけるセンス電流磁界の強度が低減し、このセンス電流磁界のフリー磁性層１５の変動磁化への影響が低減する。従って、アシンメトリーを小さくできる。
【０１４１】
ここで、アシンメトリーとは、再生出力波形の非対称性の度合いを示すものであり、再生出力波形が与えられた場合、波形が対称であればアシンメトリーが小さくなる。従って、アシンメトリーが０に近づく程再生出力波形が対称性に優れていることになる。
【０１４２】
前記アシンメトリーは、フリー磁性層の変動磁化の方向と固定磁性層の固定磁化の方向とが直交しているときに０となる。アシンメトリーが大きくずれるとメディアからの情報の読み取りが正確にできなくなり、エラーの原因となる。このため、前記アシンメトリーが小さいものほど、再生信号処理の信頼性が向上することになり、スピンバルブ薄膜磁気素子として優れたものとなる。
【０１４３】
スピンフィルター効果について説明する。図１４及び図１５はスピンバルブ型薄膜磁気素子においてバックド層によるスピンフィルター効果を説明するための模式説明図であり、図１４はバックド層がない構造例を示す模式図であり、図１５はバックド層のある構造例を示す模式図である。
【０１４４】
巨大磁気抵抗ＧＭＲ効果は、主として電子の「スピンに依存した散乱」によるものである。つまり磁性材料、ここではフリー磁性層の磁化方向に平行なスピン（例えばアップスピン）を持つ伝導電子の平均自由行程λ+と、磁化方向に逆平行なスピン（例えばダウンスピン）を持つ伝導電子の平均自由行程λ−の差を利用したものである。図１４及び図１５では、アップスピンを持つ伝導電子を上向き矢印で表わし、ダウンスピンを持つ伝導電子を下向き矢印で表わしている。電子がフリー磁性層を通り抜けようとするときに、この電子がフリー磁性層の磁化方向に平行なアップスピンを持てば自由に移動できるが、反対にダウンスピンを持ったときには直ちに散乱されてしまう。
【０１４５】
これは、アップスピンを持つ電子の平均自由行程λ+が、例えば、５０オングストローム程度であるのに対して、ダウンスピンを持つ電子の平均自由行程λ−が６オングストローム程度であり、１０分の１程度と極端に小さいためである。フリー磁性層１１５の膜厚は、６オングストローム程度であるダウンスピンを持つ電子の平均自由行程λ−よりも大きく、５０オングストローム程度であるアップスピンを持つ電子の平均自由行程λ+よりも小さく設定されている。
【０１４６】
従って、電子がフリー磁性層１１５を通り抜けようとするときに、この電子がフリー磁性層１１５の磁化方向に平行なアップスピンを持てば自由に移動できるが、反対にダウンスピンを持ったときには直ちに散乱されてしまう（フィルタアウトされる）。
【０１４７】
固定磁性層１１３で発生し、非磁性材料層１１４を通過するダウンスピン電子は、フリー磁性層１１５と非磁性材料層１１４との界面付近で散乱され、フリー磁性層１１５にはほとんど到達しない。つまり、このダウンスピン電子は、フリー磁性層１１５の磁化方向が回転しても平均自由行程に変化はなく、ＧＭＲ効果による抵抗変化率に影響しない。従ってＧＭＲ効果にはアップスピン電子の挙動のみを考えればよい。
【０１４８】
固定磁性層１１５で発生したアップスピン電子はこのアップスピン電子の平均自由行程λ+より薄い厚さの非磁性材料層１１４中を移動し、フリー磁性層１１５に到達し、アップスピン電子はフリー磁性層１１５内を自由に通過できる。これは、アップスピン電子がフリー磁性層１１５の磁化方向に平行なスピンを持っているためである。
【０１４９】
固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が反平行となる状態では、アップスピン電子はフリー磁性層１１５の磁化方向に平行なスピンを持った電子でなくなる。すると、アップスピン電子は、フリー磁性層１１５と非磁性材料層１１４との界面付近で散乱されることになり、アップスピン電子の有効平均自由行程が急激に減少する。すなわち、抵抗値が増大する。抵抗変化率は、アップスピン電子の有効平均自由行程の変化量と正の相関関係を有する。
【０１５０】
図１５に示すように、バックド層Ｂ１が設けられている場合には、フリー磁性層１１５を通過したアップスピン電子はバックド層Ｂ１において、このバックド層Ｂ１の材料で決定される追加平均自由行程λ+ｂを移動した後散乱する。すなわち、バックド層Ｂ１を設けたことにより、アップスピン電子の平均自由行程λ+が追加平均自由行程λ+ｂ分だけ延びる。
【０１５１】
バックド層として機能する非磁性層１６を有する本実施の形態では、アップスピンの伝導電子の平均自由行程を伸ばすことができる。このため、外部磁界の印加によるアップスピン電子の平均自由行程の変化量が大きくなって、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させることができる。
【０１５２】
また、本実施の形態では、他の反強磁性層１７を鏡面反射層として形成することも可能である。他の反強磁性層１７を鏡面反射層として形成するためには、他の反強磁性層１７を、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の、単層膜または多層膜として形成すればよい。
【０１５３】
これらの材料を用いることにより、隣接する層との間に、充分なポテンシャル障壁を形成することが可能であり、その結果充分な鏡面反射効果を得ることができる。
【０１５４】
鏡面反射効果について説明する。図１６及び図１７は、スピンバルブ型薄膜磁気素子において鏡面反射層Ｓ１による鏡面反射効果を説明するための模式説明図である。スピンフィルター効果の説明において上述したように、ＧＭＲ効果では固定磁性層１１３の固定磁化方向によって規定されるアップスピン電子の挙動のみを考えればよい。
【０１５５】
固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が平行となる状態では、図１６及び図１７に示すように、アップスピン電子は、非磁性材料層１１４からフリー磁性層１１５にまで到達する。そして、フリー磁性層１１５内部を移動してフリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近に到達する。
【０１５６】
ここで図１６に示す鏡面反射層がない場合には、アップスピン電子がフリー磁性層１１５中を移動し、その上面において散乱する。このため、平均自由行程は図に示すλ+となる。
【０１５７】
一方、図１７のように、鏡面反射層Ｓ１がある場合には、フリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近にポテンシャル障壁が形成されるため、アップスピン電子がフリー磁性層１１５と鏡面反射層Ｓ１との界面付近で鏡面反射（鏡面散乱）する。
【０１５８】
通常、伝導電子が散乱した場合には、その電子の持っているスピン状態（エネルギー、量子状態など）は変化する。しかし、鏡面散乱した場合には、このアップスピン電子はスピン状態が保存されたまま反射される確率が高く、再びフリー磁性層１１５中を移動することになる。つまり、鏡面反射よって、アップスピンの伝導電子のスピン状態が維持されるので、あたかも散乱されなかったようにフリー磁性層中を移動することになる。
【０１５９】
これは、アップスピン電子が鏡面反射した分、反射平均自由行程λ+ｓだけ平均自由行程が延びたことを意味する。
【０１６０】
固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が反平行となる状態ではアップスピン電子はフリー磁性層１１５の磁化方向に平行なスピンを持った電子でなくなる。すると、アップスピン電子は、フリー磁性層１１５と非磁性材料層１１４との界面付近で散乱されることになり、アップスピン電子の有効平均自由行程が急激に減少する。すなわち、抵抗値が増大する。抵抗変化率は、アップスピン電子の有効平均自由行程の変化量と正の相関関係を有する。
【０１６１】
鏡面反射層として機能する他の反強磁性層１７を有する本実施の形態では、アップスピンの伝導電子の平均自由行程を伸ばすことができる。このため、外部磁界の印加によるアップスピン電子の平均自由行程の変化量が大きくなって、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させることができる。
【０１６２】
スピンフィルター効果、鏡面反射効果によ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平均自由行程差の拡大はフリー磁性層の膜厚が比較的薄い場合により効果を発揮する。
【０１６３】
フリー磁性層１５の膜厚が１５Åより薄いと強磁性材料層として機能するように形成することが難しくなり充分な磁気抵抗効果を得ることができない。
【０１６４】
また、フリー磁性層１５の膜厚が４５Åより厚いと前記鏡面反射層に到達する前に散乱されてしまうアップスピンの伝導電子が増加して鏡面反射効果（specular effect）によって抵抗変化率が変化する割合が減少するため好ましくない。
【０１６５】
また、図６では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる前記第１固定磁性層１３ａと前記第２固定磁性層１３ｃが、前記非磁性中間層１３ｂを介して積層されたものが、一つの固定磁性層１３として機能する。
【０１６６】
第１固定磁性層１３ａは反強磁性層１２と接して形成され、磁場中アニールが施されることにより、第１固定磁性層１３ａと反強磁性層１２との界面にて交換結合による交換異方性磁界が生じ、第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定される。第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１３ｂを介して対向する第２固定磁性層１３ｃの磁化方向が、第１固定磁性層１３ａの磁化方向と反平行の状態で固定される。
【０１６７】
なお、第１固定磁性層１３ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２固定磁性層１３ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向が固定磁性層１３の磁化方向となる。
【０１６８】
このように、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃの磁化方向は、反平行となるフェリ磁性状態になっており、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃとが互いに他方の磁化方向を固定しあうので、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に安定させることができるので好ましい。
【０１６９】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。図１では、前記第１固定磁性層１３ａ及び前記第２固定磁性層１３ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせている。
【０１７０】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０１７１】
固定磁性層１３が非磁性中間層１３ｂの上下に第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｂが積層されたものとして形成されると、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｂが互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第２反強磁性層１２と固定磁性層１３との交換結合磁界Ｈｅｘを、例えば８０〜１６０ｋＡ／ｍと、大きな値として得ることができる。従って、第２反強磁性層１２の磁化方向をハイト方向に向けるための第１の磁場中アニールを行った後の、縦バイアス層１８の磁化方向をトラック幅方向に向けるための第２の磁場中アニールによって、固定磁性層１３の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、縦バイアス層１８による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【０１７２】
また、本実施の形態では、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃの静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層１５の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【０１７３】
従って、フリー磁性層１５の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れた薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【０１７４】
また、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層１５内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層１３を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層１５内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【０１７５】
ただし、固定磁性層１３が単層の強磁性材料層として形成されてもよい。
本実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法を説明する。
【０１７６】
まず、基板１１側から第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６、他の反強磁性層１７からなる多層膜Ａを形成する。
【０１７７】
第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０１７８】
次に、多層膜Ａを第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第２反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０１７９】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０１８０】
多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７は、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、多層膜Ａの状態で他の反強磁性層１７の表面をイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａの最上層に他の反強磁性層１６が積層されているので、非磁性層１６及びフリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。
【０１８１】
次に、多層膜Ａ上に、第２反強磁性層である縦バイアス層１８を成膜し、縦バイアス層１８の上層に電極層１９を成膜する。
【０１８２】
次に、電極層１９上にレジストを積層し、電極層１９上をトラック幅Ｔｗの間隔を開けてマスキングする。
【０１８３】
さらに、縦バイアス層１８の前記レジストによってマスクされない部分を、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、基板１１の表面１１ａに対して垂直方向に削りこむことにより凹部２１を形成する。凹部２１の側面２１ａ，２１ａは、基板１１の表面１１ａに対して垂直になっている。図１の薄膜磁気素子では、凹部２１の底面２１ｂが縦バイアス層１8内に位置するように、凹部２１を形成している。
【０１８４】
このとき、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にする。
【０１８５】
凹部２１形成後、電極層１９，１９まで形成された多層膜Ｂを、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層１８に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０１８６】
なお、本発明ではフリー磁性層１５の上面に接して非磁性層１６が積層されている。このとき、フリー磁性層１５は、非磁性層１６を介した縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられる。
【０１８７】
前記第２の熱処理後、前記レジスト層１９，１９を除去すると、図６に示されたような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０１８８】
縦バイアス層１８の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第２反強磁性層１２が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第２反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０１８９】
すなわち、本発明では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０１９０】
本実施の形態のように、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にすると、凹部２１の底面２１ｂに重なる縦バイアス層１８及び他の反強磁性層１７の領域では、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０１９１】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる部分以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０１９２】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０１９３】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。上述したように、本発明では、凹部２１は一様の厚さで成膜された縦バイアス層１８を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凹部２１を形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。
【０１９４】
なお、上記説明では縦バイアス層１８の上層に電極層１９を成膜した後、電極層１９上に前記レジストを積層して、縦バイアス層１８に凹部を形成したが、縦バイアス層１８の上層にレジストを積層して、縦バイアス層１８に凹部を形成した後、縦バイアス層１８の上層に電極層１９を積層してもよい。
【０１９５】
図２は、本発明の第２の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０１９６】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、凹部２１の底面２１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように、凹部２１を形成している点でのみ異っている。
【０１９７】
なお、本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂに重なる他の反強磁性層１７の領域の厚さｔ２を０より大きく３０Å以下にし、凹部２１の底面２１ｂに重なる他の反強磁性層１７の領域に磁場中アニールによる不規則−規則変態を生じさせず、交換結合磁界が発生しないようにしている。
【０１９８】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる部分以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０１９９】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。
【０２００】
凹部２１の底面２１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように凹部２１が形成されている本実施の形態の薄膜磁気素子でも、図１の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２０１】
図２に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態の薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図１に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０２０２】
図３は、本発明の第３の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０２０３】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、縦バイアス層１８の凹部２１の底面２１ｂが非磁性層１６内に位置するように、凹部２１が形成されている点でのみ異っている。
【０２０４】
本実施の形態では、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂに重なる部分以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０２０５】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凹部の幅寸法Ｔｗによって決定される。
【０２０６】
凹部２１の底面２１ｂが非磁性層１６内に位置するように凹部２１が形成されている本実施の形態でも、図１の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２０７】
図３に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態の薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図１に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０２０８】
図４は、本発明の第４の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０２０９】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、フリー磁性層３１を、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃを非磁性中間層３１ｂを介して積層された、いわゆるシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成する点でのみ異っている。
【０２１０】
第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金により形成されることが好ましい。
【０２１１】
また、非磁性中間層３１ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０２１２】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成されていてもよい。この拡散防止層は第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の相互拡散を防止する。
【０２１３】
なお、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃは、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントが異なるように形成されている。単位面積あたりの磁気モーメントは、飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で表される。従って、例えば、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることができる。
【０２１４】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成される場合には、第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと前記拡散防止層の単位面積あたりの磁気モーメントの和と、第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることが好ましい。
【０２１５】
なお、第２フリー磁性層３１ｃの厚さｔｆ２は０．５〜２．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１は２．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。なお、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が３．０〜４．０ｎｍの範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは３．５〜４．０ｎｍの範囲であることである。第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が前記の範囲を外れると、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を大きくすることができなくなるので好ましくない。
【０２１６】
図４では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃが、非磁性中間層３１ｂを介して積層されたものが、一つのフリー磁性層３１として機能する。
【０２１７】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向は１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になっている。このとき、単位面積あたりの磁気モーメントが大きい方、例えば、第１フリー磁性層３１ａの磁化方向が、縦バイアス層１８から発生する磁界の方向に向き、第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が、１８０度反対方向に向いた状態になる。
【０２１８】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になると、フリー磁性層３１の膜厚を薄くすることと同等の効果が得られ、飽和磁化が小さくなり、フリー磁性層３１の磁化が変動しやすくなって、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が向上する。
【０２１９】
第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向がフリー磁性層３１の磁化方向となる。
【０２２０】
ただし、固定磁性層１３の磁化方向との関係で出力に寄与するのは第１フリー磁性層３１ａの磁化方向のみである。
【０２２１】
また、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層の磁気的膜厚の関係が異ならされていると、フリー磁性層３１のスピンフロップ磁界を大きくできる。
【０２２２】
スピンフロップ磁界とは、磁化方向が反平行である２つの磁性層に対し、外部磁界を印加したときに、２つの磁性層の磁化方向が反平行でなくなる外部磁界の大きさを差す。
【０２２３】
図１３は、フリー磁性層３１のヒステリスループの概念図である。このＭ−Ｈ曲線は、図４に示す構成のフリー磁性層に対してトラック幅方向から外部磁界を印加したときの、フリー磁性層の磁化Ｍの変化を示したものである。
【０２２４】
また、図１３中、Ｆ１で示す矢印は、第１フリー磁性層の磁化方向を表わし、Ｆ２で示す矢印は、第２フリー磁性層の磁化方向を表わす。
【０２２５】
図１３に示すように、外部磁界が小さいときは、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層がフェリ磁性状態、すなわち矢印Ｆ１及びＦ２の方向が反平行になっているが、外部磁界Ｈの大きさがある値を越えると、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層のＲＫＫＹ結合が壊され、フェリ磁性状態を保てなくなる。これが、スピンフロップ転移である。またこのスピンフロップ転移が起きるときの外部磁界の大きさがスピンフロップ磁界であり、図１３ではＨｓｆで示している。なお、図中Ｈｃｆは、フリー磁性層の磁化の保磁力を示している。
【０２２６】
第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントが異なるように形成されているとフリー磁性層３１のスピンフロップ磁界Ｈｓｆが大きくなる。これにより、フリー磁性層３１がフェリ磁性状態を保つ磁界の範囲が広くなり、フリー磁性層３１のフェリ磁性状態の安定度が増す。
【０２２７】
また本実施の形態では、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【０２２８】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである。
【０２２９】
これにより第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間で発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０２３０】
よって、縦バイアス層１８の下に位置する第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの両側端部の磁化を適切に反平行状態にピン止めでき、サイドリーディングの発生を抑制することができる。
【０２３１】
なお第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの双方を前記ＣｏＦｅＮｉ合金で形成することが好ましい。これにより、より安定して高いスピンフロップ磁界を得ることができ、第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃとを適切に反平行状態に磁化できる。
【０２３２】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁歪を−３×１０-6から３×１０-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。
【０２３３】
さらに、フリー磁性層３１の軟磁気特性の向上、非磁性材料層１４間でのＮｉの拡散による抵抗変化量（ΔＲ）や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低減の抑制を適切に図ることが可能である。
【０２３４】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、フリー磁性層３１の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２３５】
図４に示された薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態の薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図１に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０２３６】
図５は、本発明の第５の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側からみた断面図である。
【０２３７】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間に中間層９１が設けられている点で図４に示された薄膜磁気素子と異なっている。中間層９１はＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成されることが好ましい。特にＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。
【０２３８】
中間層９１が形成されたことで、非磁性材料層１４との界面での金属元素等の拡散防止、及び、抵抗変化量（ΔＲ）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることができる。なお中間層９１は５Å程度で形成される。
【０２３９】
特に非磁性材料層１４と接する第１フリー磁性層３１ａを上記組成比のＣｏＦｅＮｉ合金で形成すれば、非磁性材料層１４との間における金属元素の拡散を適切に抑制できるから、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間にＣｏＦｅ合金あるいはＣｏからなる中間層９１を形成する必要性は、第１フリー磁性層３１ａをＮｉＦｅ合金などのＣｏを含まない磁性材料で形成する場合に比べて少ない。
【０２４０】
しかし第１フリー磁性層３１ａをＣｏＦｅＮｉ合金で形成する場合でも、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間にＣｏＦｅ合金やＣｏからなる中間層９１を設けることが、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間での金属元素の拡散をより確実に防止できる観点から好ましい。
【０２４１】
また第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４間に中間層９１を設け、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方をＣｏＦｅＮｉ合金で形成するとき、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比は７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比は５原子％以上で１５原子％以下で、残りの組成比はＣｏであることが好ましい。
【０２４２】
これにより第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間で発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０２４３】
よって、縦バイアス層１８の下に位置する第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの両側端部の磁化を適切に反平行状態にピン止めでき、サイドリーディングの発生を抑制することができる。
【０２４４】
なお本発明では、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの双方を前記ＣｏＦｅＮｉ合金で形成することが好ましい。これにより、より安定して高いスピンフロップ磁界を得ることができる。
【０２４５】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの磁歪を−３×１０-6から３×１０-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。さらに、前記フリー磁性層２４の軟磁気特性の向上を図ることができる。
【０２４６】
図６は、本発明の第６の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０２４７】
この薄膜磁気素子の製造方法は、第４の実施の形態と、ほとんど同じであり、多層膜Ａ３を他の反強磁性層を積層しないものとして形成する点で異っている。
【０２４８】
本実施の形成では、多層膜Ａ３の最上層が非磁性層１６であるため、多層膜Ａ３を第１の磁場中アニールにかけるときに、非磁性層１６の表面が酸化する。従って、縦バイアス層１８を積層する前に、非磁性層１６の表面をイオンミリングなどで２０Å程削って酸化した部分を除去する。
【０２４９】
本実施の形態でも、図４の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層３１の磁化方向を固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２５０】
図６に示された薄膜磁気素子は、図４に示された第４の実施の形態の薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図４に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０２５１】
なお、第１から第３の実施の形態の薄膜磁気素子の、フリー磁性層１５を、シンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成してもよい。
【０２５２】
図７は、本発明の第７の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側からみた断面図である。
【０２５３】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、図１の薄膜磁気素子を構成する多層膜Ａ上に、第１反強磁性層である１対の縦バイアス層４１，４１がトラック幅方向にトラック幅Ｔｗの間隔を開けて配置され、また、縦バイアス層４１，４１上に電極層４２，４２が積層されているものである。
【０２５４】
第２反強磁性層１２、第１固定磁性層１３ａ、非磁性中間層１３ｂ、第２固定磁性層１３ｃ、非磁性材料層１４、第１フリー磁性層３１ａ、非磁性中間層３１ｂ、第２フリー磁性層３１ｃ、非磁性層１６、他の反強磁性層１７の材料、及び膜厚は図１の薄膜磁気素子を構成する多層膜Ａと同じである。
【０２５５】
また、縦バイアス層４１，４１は、第２反強磁性層１２及び他の反強磁性層１７と同様に、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１または２種以上の元素である）合金で形成する。
【０２５６】
縦バイアス層４１，４１の両端部の膜厚は、８０〜３００Å、例えば２００Åである。
【０２５７】
電極層４２，４２は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
【０２５８】
縦バイアス層４１，４１が多層膜Ａの上層に積層されていると、フリー磁性層１５は、非磁性層１６を介した縦バイアス層４１，４１とのＲＫＫＹ相互作用によって磁化方向が揃えられる。ＲＫＫＹ相互作用は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層（縦バイアス層４１，４１）の直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直下から外れた領域には作用しない。
【０２５９】
従って、縦バイアス層４１，４１の間隔寸法として設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本実施の形態の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０２６０】
また、薄膜磁気素子の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【０２６１】
ただし、本実施の形態では、縦バイアス層４１，４１の膜厚方向寸法がトラック両脇部分Ｓｂにおいて減少している。このため、トラック両脇部分Ｓｂにおけるフリー磁性層１５と縦バイアス層４１，４１との交換結合の効果が減少してしまう。その結果、図７におけるフリー磁性層１５のトラック両脇部分Ｓｂの磁化方向が、Ｘ方向に完全に固定されず、外部磁界が印加されたときに変化してしまう。
【０２６２】
特に、磁気記録媒体における記録密度を向上させるために、狭トラック化を図った場合、本来トラック幅Ｔｗの領域内で読み取るべき磁気記録トラックの情報だけでなく、隣接する磁気記録トラックの情報を、トラック両脇部分Ｓｂの領域において読み取ってしまうという、サイドリーディングが発生する可能性がある。
【０２６３】
さらに、本発明では薄膜磁気素子の前記多層膜の側端面Ｓ，Ｓが基板表面に対して垂直となるように形成されることが可能なので、フリー磁性層１５の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【０２６４】
また、本実施の形態のように、縦バイアス層４１，４１とのＲＫＫＹ相互作用によってフリー磁性層１５の磁化方向が揃えられるものは、縦バイアス層４１，４１とフリー磁性層１５とが直に接しているものよりも交換結合力を強くすることができる。
【０２６５】
本実施の形態においても、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２６６】
本実施の形態のように、非磁性層１６が導電性材料によって形成されていると、非磁性層１６をスピンフィルター効果を有するバックド層（ｂａｃｋｅｄｌａｙｅｒ）として機能させることが可能になる。
【０２６７】
スピンフィルター効果を有するバックド層（非磁性層１６）がフリー磁性層１５に接して設けられると、積層体内部においてセンス電流が流れる中心高さ位置を、バックド層がない場合よりも、このバックド層側に移動させることができる。すなわち、センス電流の中心高さ位置がフリー磁性層１５から離れ、フリー磁性層１５位置におけるセンス電流磁界の強度が低減し、このセンス電流磁界のフリー磁性層１５の変動磁化への影響が低減する。従って、アシンメトリーを小さくできる。
【０２６８】
また、本実施の形態では他の反強磁性層１７を、例えばＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどの半金属ホイッスラー合金の単層膜または多層膜として形成することにより、他の反強磁性層１７を鏡面反射層として機能させることができる。
【０２６９】
鏡面反射層である他の反強磁性層１７は非磁性層１６との界面においてポテンシャル障壁を形成し、フリー磁性層１５及び非磁性層１６中を移動するアップスピンの伝導電子を、そのスピンの状態を保存させたまま反射させることができアップスピンの伝導電子の平均自由行程をさらに延すことができる。つまり、いわゆる鏡面反射効果を発現させることが可能になり、アップスピンの伝導電子の平均自由行程とダウンスピンの伝導電子の平均自由行程の行程差をさらに大きくすることができる。
【０２７０】
すなわち、外部磁界の作用によって伝導電子全体の平均自由行程を大きく変化させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくさせることができる。
【０２７１】
スピンフィルター効果、鏡面反射効果によ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平均自由行程差の拡大はフリー磁性層１５の膜厚が比較的薄い場合により効果を発揮する。
【０２７２】
フリー磁性層１５の膜厚が１５Åより薄いと強磁性材料層として機能するように形成することが難しくなり充分な磁気抵抗効果を得ることができない。
【０２７３】
また、フリー磁性層１５の膜厚が４５Åより厚いと他の反強磁性層１７（鏡面反射層）に到達する前に散乱されてしまうアップスピンの伝導電子が増加して鏡面反射効果（specular effect）によって抵抗変化率が変化する割合が減少するため好ましくない。
【０２７４】
また、図７では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃが、非磁性中間層１３ｂを介して積層されたものが、一つの固定磁性層１３として機能する。
【０２７５】
第１固定磁性層１３ａは反強磁性層１２と接して形成され、磁場中アニールが施されることにより、第１固定磁性層１３ａと反強磁性層１２との界面にて交換結合による交換異方性磁界が生じ、第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定される。第１固定磁性層１３ａの磁化方向が図示Ｙ方向に固定されると、非磁性中間層１３ｂを介して対向する第２固定磁性層１３ｃの磁化方向が、第１固定磁性層１３ａの磁化方向と反平行の状態で固定される。
【０２７６】
なお、第１固定磁性層１３ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２固定磁性層１３ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向が固定磁性層１３の磁化方向となる。
【０２７７】
このように、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃの磁化方向は、反平行となるフェリ磁性状態になっており、第１固定磁性層１３ａと第２固定磁性層１３ｃとが互いに他方の磁化方向を固定しあうので、全体として固定磁性層１３の磁化方向を一定方向に安定させることができるので好ましい。
【０２７８】
図７では、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせている。
【０２７９】
第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金またはＣｏにより形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃは同一の材料で形成されることが好ましい。
【０２８０】
また、非磁性中間層１３ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種またはこれらの２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０２８１】
固定磁性層１３が非磁性中間層１３ｂの上下に第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｂが積層されたものとして形成されると、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｂが互いの磁化方向を固定しあい、全体として固定磁性層１１３の磁化方向を一定方向に強力に固定することができる。すなわち、第２反強磁性層１２と固定磁性層１３との交換結合磁界Ｈｅｘを、例えば８０〜１６０ｋＡ／ｍと、大きな値として得ることができる。従って、第２反強磁性層１２の磁化方向をハイト方向に向けるための第１の磁場中アニールを行った後の、縦バイアス層１８の磁化方向をトラック幅方向に向けるための第２の磁場中アニールによって、固定磁性層１３の磁化方向がトラック幅方向に傾いて固定されることを防ぎつつ、縦バイアス層１８による縦バイアス磁界を大きくすることができる。
【０２８２】
また、本実施の形態では、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）を、第１固定磁性層１３ａ及び第２固定磁性層１３ｃの静磁界結合同士が相互に打ち消し合うことによりキャンセルできる。これにより、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）からの、フリー磁性層１５の変動磁化への寄与を減少させることができる。
【０２８３】
従って、フリー磁性層１５の変動磁化の方向を所望の方向に補正することがより容易になり、アシンメトリーの小さい対称性の優れたスピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【０２８４】
また、固定磁性層１３の固定磁化による反磁界（双極子磁界）Ｈｄは、素子高さ方向において、その端部で大きく中央部で小さいという不均一な分布を持ち、フリー磁性層１５内における単磁区化が妨げられる場合があるが、固定磁性層１３を上記の積層構造とすることにより双極子磁界ＨｄをほぼＨｄ＝０とすることができ、これによってフリー磁性層１５内に磁壁ができて磁化の不均一が発生しバルクハウゼンノイズなどが発生することを防止することができる。
【０２８５】
本実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法を説明する。
まず、基板１１側から第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６、他の反強磁性層からなる多層膜Ａを形成する。
【０２８６】
第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０２８７】
次に、多層膜Ａ上にリフトオフ用のレジスト層を形成する。多層膜Ａのうちトラック幅Ｔｗの領域を前記レジスト層によって完全に覆われた状態にしておく。
【０２８８】
次に、多層膜Ａを第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第２反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２８９】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚ｔ４は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０２９０】
多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７の前記レジスト層によってマスクされていない領域が、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、他の反強磁性層１７の表面を、他の反強磁性層１７の表面に対し垂直方向から入射するイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａの最上層に他の反強磁性層１６が積層されているので、非磁性層１６及びフリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。
【０２９１】
さらに、前記多層膜Ａの上層に第１反強磁性層である縦バイアス層４１，４１、及び電極層４２，４２を成膜する。本実施の形態では、この縦バイアス層４１，４１の成膜及び電極層４２，４２の成膜の際に使用されるスパッタ法は、イオンビームスパッタ法、ロングスロースパッタ法、あるいはコリメーションスパッタ法のいずれか１種以上であることが好ましい。
【０２９２】
リフトオフ用の前記レジスト層の両端部によって覆われている領域は、スパッタ粒子が積層されにくい。従って、レジスト層の両端部によって覆われている領域付近は、縦バイアス層４１，４１及び電極層４２，４２は膜厚が薄く形成され、縦バイアス層４１，４１及び電極層４２，４２の膜厚方向寸法がトラック両脇部分Ｓにおいて減少している。
【０２９３】
電極層４２，４２まで形成された多層膜Ｂ１を、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層４１，４１に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０２９４】
なお、本発明ではフリー磁性層１５の上面に接して非磁性層１６が積層されている。このとき、フリー磁性層１５は、非磁性層１６を介した縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられる。
【０２９５】
前記第２の熱処理後、前記レジスト層を除去すると、図７に示されたような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０２９６】
縦バイアス層１８の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第１反強磁性層が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第１反強磁性層の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２９７】
すなわち、本発明では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０２９８】
本実施の形態のように、他の反強磁性層１７の厚さｔ７を０より大きく３０Å以下にすると、縦バイアス層１８が形成されていない領域では、第２の磁場中アニールによって不規則−規則変態が生じず、交換結合磁界が発生しない。
【０２９９】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、縦バイアス層４１，４１に重なる部分のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層４１，４１とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０３００】
フリー磁性層１５の縦バイアス層４１，４１に重ならない部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層４１，４１とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、縦バイアス層４１，４１のトラック幅方向の間隔が、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗとなる。
【０３０１】
図８は、本発明の第８の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０３０２】
この薄膜磁気素子は、図７に示された第７の実施の形態と、ほとんど同じであり、フリー磁性層３１を、単位面積あたりの磁気モーメントの大きさが異なる第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃを非磁性中間層３１ｂを介して積層された、いわゆるシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成する点、及び多層膜Ａ３を他の反強磁性層を積層しないものとして形成する点でのみ異っている。
【０３０３】
本実施の形成では、多層膜Ａ３の最上層が非磁性層１６であるため、多層膜Ａ３を第１の磁場中アニールかけるときに、非磁性層１６の表面が酸化する。従って、縦バイアス層４１，４１を積層する前に、非磁性層１６の表面をイオンミリングなどで２０Å程削って酸化した部分を除去する。
【０３０４】
第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃは、強磁性材料により形成されるもので、例えばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金などにより形成されるものであり、特にＮｉＦｅ合金により形成されることが好ましい。
【０３０５】
また、非磁性中間層３１ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されている。特にＲｕによって形成されることが好ましい。
【０３０６】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成されていてもよい。この拡散防止層は第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の相互拡散を防止する。
【０３０７】
なお、前記第１フリー磁性層３１ａ及び前記第２フリー磁性層３１ｃは、それぞれの単位面積あたりの磁気モーメントが異なるように形成されている。単位面積あたりの磁気モーメントは、飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚（ｔ）の積で表される。従って、例えば、前記第１フリー磁性層３１ａ及び前記第２フリー磁性層３１ｃを同じ材料を用いて形成し、さらに、それぞれの膜厚を異ならせることにより、前記第１フリー磁性層３１ａ及び前記第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることができる。
【０３０８】
なお、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４の間に、Ｃｏなどからなる拡散防止層が形成される場合には、第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと前記拡散防止層の単位面積あたりの磁気モーメントの和と、第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを異ならせることが好ましい。
【０３０９】
なお、第２フリー磁性層３１ｃの厚さｔｆ２は０．５〜２．５ｎｍの範囲であることが好ましい。また、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１は２．５〜４．５ｎｍの範囲であることが好ましい。なお、第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が３．０〜４．０ｎｍの範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは３．５〜４．０ｎｍの範囲であることである。第１フリー磁性層３１ａの厚さｔｆ１が前記の範囲を外れると、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率を大きくすることができなくなるので好ましくない。
【０３１０】
図８では、単位面積あたりの磁気モーメントが異なる第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃが、非磁性中間層３１ｂを介して積層されたものが、一つのフリー磁性層３１として機能する。
【０３１１】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向は１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になっている。このとき、単位面積あたりの磁気モーメントが大きい方、例えば、前記第１フリー磁性層３１ａの磁化方向が、縦バイアス層４１，４１から発生する磁界の方向に向き、第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が、１８０度反対方向に向いた状態になる。
【０３１２】
第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃの磁化方向が１８０度異なる反平行のフェリ磁性状態になると、フリー磁性層３１の膜厚を薄くすることと同等の効果が得られ、飽和磁化が小さくなり、フリー磁性層３１の磁化が変動しやすくなって、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が向上する。
【０３１３】
第１フリー磁性層３１ａの単位面積あたりの磁気モーメントと第２フリー磁性層３１ｃの単位面積あたりの磁気モーメントを足し合わせた単位面積あたりの合成磁気モーメントの方向が前記フリー磁性層３１の磁化方向となる。
【０３１４】
ただし、固定磁性層１３の磁化方向との関係で出力に寄与するのは第１フリー磁性層３１ａの磁化方向のみである。
【０３１５】
また、第１フリー磁性層と第２フリー磁性層の磁気的膜厚の関係が異ならされていると、フリー磁性層３１のスピンフロップ磁界を大きくできる。
【０３１６】
本実施の形態でも、第７の実施の形態の薄膜磁気素子と同様に薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層４１，４１を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層４１，４１の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０３１７】
図８に示された薄膜磁気素子は、図７に示された第７の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子が奏するその他の効果についても、図７に示された薄膜磁気素子と同等の効果を奏することができる。
【０３１８】
なお、第７の実施の形態の薄膜磁気素子のフリー磁性層１５を、シンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成してもよい。
【０３１９】
図９は、本発明の第９の実施の形態をＡＢＳ面側から見た断面図である。
図９の薄膜磁気素子は、基板６１上に、電極層６２，６２及び第１反強磁性層である縦バイアス層６３，６３が、基板６１に形成された凸部６１ａを間に挟んで形成され、さらに、非磁性層６４、第１フリー磁性層６５ａ、非磁性中間層６５ｂ、第２フリー磁性層６５ｃからなるフリー磁性層６５、非磁性材料層６６、第１固定磁性層６７ａ、非磁性中間層６７ｂ、第２固定磁性層６７ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６７、第２反強磁性層６８、保護層６９が成膜されたものである。図９の薄膜磁気素子は、いわゆるトップスピン型のスピンバルブ型薄膜磁気素子である。
【０３２０】
電極層６２，６２、第１反強磁性層である縦バイアス層６３，６３、非磁性層６４、第１フリー磁性層６５ａ、非磁性中間層６５ｂ、第２フリー磁性層６５ｃからなるフリー磁性層６５、非磁性材料層６６、第１固定磁性層６７ａ、非磁性中間層６７ｂ、第２固定磁性層６７ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６７、第２反強磁性層６８は、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。また、各層の材料は、図１の薄膜磁気素子を形成するときに用いた材料と同じ材料を用いている。
【０３２１】
図９の薄膜磁気素子は、例えば以下の方法によって形成することができる。
まず、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、基板６１を削って凸部６１ａを形成し、凸部６１ａの両側部に電極層６２，６２及び縦バイアス層６３、６３を成膜する。凸部６１ａの側面６１ｂ，６１ｂは、基板６１表面に対して垂直になっている。
【０３２２】
さらに、非磁性層６４、第１フリー磁性層６５ａ、非磁性中間層６５ｂ、第２フリー磁性層６５ｃからなるフリー磁性層６５、非磁性材料層６６、第１固定磁性層６７ａ、非磁性中間層６７ｂ、第２固定磁性層６７ｃからなるシンセティックフェリピンド型の固定磁性層６７まで積層し、多層膜Ａ４を形成する。
【０３２３】
次に、多層膜Ａ４を第１の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、縦バイアス層６３、６３に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層６５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定する。なお、フリー磁性層６５は、非磁性層６４を介した縦バイアス層６３，６３とのＲＫＫＹ結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられる。
【０３２４】
さらに、第２反強磁性層６８、Ｔａからなる保護層６９を成膜し、第２の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、第２反強磁性層６８に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層６７の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。
【０３２５】
固定磁性層６７の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、縦バイアス層６３，６３の交換異方性磁界の方向を図示Ｘ方向に向けたまま、第２反強磁性層６８の交換異方性磁界を図示Ｙ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、縦バイアス層６３，６３が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを縦バイアス層の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、縦バイアス層６３，６３と第２反強磁性層６８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、縦バイアス層６３，６３の交換異方性磁界の方向を図示Ｘ方向に向けたまま、第２反強磁性層６８の交換異方性磁界を図示Ｙ方向に向けることができる。
【０３２６】
すなわち、本発明では、フリー磁性層６５の磁化方向を、固定磁性層６７の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０３２７】
本実施の形態では、フリー磁性層６５の磁化方向は、トラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層６３，６３とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０３２８】
フリー磁性層６５の凸部６１ａの上面６１ｃに重なる領域Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層６３，６３とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。
【０３２９】
従って、薄膜磁気素子のトラック幅は、前記凸部の幅寸法Ｔｗによって決定される。上述したように、本発明では、凸部６１ａは一様の厚さで形成された基板６１を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて、基板６１表面に対する垂直方向に削るだけで形成することができるので、正確な幅寸法Ｔｗで凸部６１ａを形成することが可能になる。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。
【０３３０】
図１０は、本発明の第１０の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０３３１】
図１０の薄膜磁気素子は、図４の薄膜磁気素子とほとんど同じであるが、電極層７０，７０が第２反強磁性層１２から縦バイアス層１８まで積層された積層体の両側端部に接続されている点のみが異っている。
【０３３２】
本実施の形態の薄膜磁気素子は、非磁性材料層１４やフリー磁性層３１に比べて抵抗値の高い縦バイアス層１８を介さずに、電極層７０，７０から非磁性材料層１４及びフリー磁性層３１付近にセンス電流を与える割合を向上させることができる。また、磁気抵抗変化率に寄与する前記積層体と電極層７０，７０との間の接続抵抗を低減させることができ、スピンバルブ型薄膜磁気素子の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくさせることができる。
【０３３３】
また、フリー磁性層３１の単磁区化を保った状態で電極層７０，７０からフリー磁性層３１付近に直接センス電流を与えることができるため、サイドリーディングを防止することができ、一層の高記録密度化に対応することができる。
【０３３４】
なお、一対の電極層７０，７０は、少なくともフリー磁性層３１、非磁性材料層１４、固定磁性層１３の膜面方向両側に配置されるものであってもよい。
【０３３５】
また、図６、図８、図９、図１０に示された薄膜磁気素子でも、第１フリー磁性層３１ａ及び第２フリー磁性層３１ｃの少なくとも一方を、または第１フリー磁性層６５ａ及び第２フリー磁性層６５ｃの少なくとも一方を、以下の組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【０３３６】
組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである。
【０３３７】
これにより第１フリー磁性層３１ａと第２フリー磁性層３１ｃ間、または第１フリー磁性層６５ａ及び第２フリー磁性層６５ｃで発生するＲＫＫＹ相互作用における交換結合磁界を強くすることができる。具体的には、反平行状態が崩れるときの磁界、すなわちスピンフロップ磁界（Ｈｓｆ）を約２９３（ｋＡ／ｍ）にまで大きくすることができる。
【０３３８】
また上記した組成範囲内であると、第１フリー磁性層３１ａ、第２フリー磁性層３１ｃ、第１フリー磁性層６５ａ、及び第２フリー磁性層６５ｃの磁歪を−３×１０-6から３×１０-6の範囲内に収めることができ、また保磁力を７９０（Ａ／ｍ）以下に小さくできる。
【０３３９】
さらに、フリー磁性層３１、６５の軟磁気特性の向上、非磁性材料層１４、６６間でのＮｉの拡散による抵抗変化量（ΔＲ）や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低減の抑制を適切に図ることが可能である。
【０３４０】
また、第１フリー磁性層３１ａと非磁性材料層１４との間、または第２フリー磁性層６５ｃと非磁性材料層６６との間に、ＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成される中間層９１が設けられてもよい。
【０３４１】
中間層９１が設けられる場合には、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比を７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比を５原子％以上で１５原子％以下で、残り組成比をＣｏとすることが好ましい。
【０３４２】
図１１に示す薄膜磁気素子は、ＡＭＲ（anisotropic  magnetoresisitive）素子と呼ばれるものであり、下から基板８０、軟磁性層（ＳＡＬ層）８１、非磁性材料層（ＳＨＵＮＴ層）８２、磁気抵抗層８３（ＭＲ層）、非磁性層８４、縦バイアス層８５、電極層８６の順に積層されている。前記軟磁性層８１には、ＮｉＦｅＮｂ合金膜、非磁性材料層８２にはＴａ膜、磁気抵抗層８３にはＮｉＦｅ合金膜が、一般的に使用される。
【０３４３】
第１反強磁性層である縦バイアス層８５は、ＰｔＭｎ合金、または、Ｘ―Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で、あるいはＰｔ―Ｍｎ―Ｘ′（ただしＸ′は、Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれか１または２種以上の元素である）合金で形成する。
【０３４４】
非磁性層８４は、Ｒｕによって形成され、膜厚は８〜１１Åである。また、非磁性層は、Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのうち１種または２種以上の元素を用いて形成することもできる。
【０３４５】
本実施の形態でも、磁気抵抗層８３は、非磁性層８４を介した縦バイアス層８５とのＲＫＫＹ結合により、その磁化方向が図示Ｘ方向にそろえられる。
【０３４６】
図１２は、本発明の第１２の実施の形態の薄膜磁気素子をＡＢＳ面側から見た断面図である。
【０３４７】
この薄膜磁気素子は、図１に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、凹部８１の側面８１ａ，８１ａが基板１１の表面１１ａに対する垂直方向に対する傾斜面となっている点でのみ異っている。
【０３４８】
本実施の形態でも、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層１８及び他の反強磁性層１７の領域の厚さｔ５を０より大きく３０Å以下にし、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層及び他の反強磁性層１７の領域に磁場中アニールによる不規則−規則変態を生じさせず、交換結合磁界が発生しないようにしている。
【０３４９】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部８１の底面８１ｂに重なる部分以外のトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって固定される。
【０３５０】
フリー磁性層１５の凹部８１の底面８１ｂに重なる部分Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層１８とのＲＫＫＹ結合によって磁化方向が固定された両端部Ｄ，Ｄにならって図示Ｘ方向に揃えられ、外部磁界が印加されるとその磁化方向が変化する。従って、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗは、凹部８１の底部８１ｂの幅寸法によって決定される。
【０３５１】
本実施の形態の薄膜磁気素子でも、図１の薄膜磁気素子と同様にフリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になり、薄膜磁気素子のトラック幅Ｔｗを正確に規定できる。また、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０３５２】
図１２に示された薄膜磁気素子は以下に示す製造方法によって製造できる。
まず、基板１１側から第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６、他の反強磁性層１７からなる多層膜Ａを形成する。
【０３５３】
第２反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７はスパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスによって形成される。
【０３５４】
次に、多層膜Ａを第１の熱処理温度、Ｙ方向を向いた第１の大きさの磁界中で、第１の磁場中アニールを行い、第２反強磁性層１２に交換異方性磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。本実施の形態では、前記第１の熱処理温度を２７０℃、磁界の第１の大きさを８００ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０３５５】
ここで、他の反強磁性層１７の膜厚は３０Åである。他の反強磁性層１７の膜厚が３０Å以下であると、他の反強磁性層１７を磁場中アニールにかけても不規則構造から規則構造への変態が生じず、交換異方性磁界が発生しない。従って、多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７には交換異方性磁界が発生せず、フリー磁性層１５の磁化方向が図示Ｙ方向に固定されることはない。
【０３５６】
多層膜Ａを第１の磁場中アニールにかけたときに、他の反強磁性層１７は、その表面から１０〜２０Å程度酸化する。そこで、多層膜Ａの状態で他の反強磁性層１７の表面をイオンミリングによって２０Å程削り、酸化した部分を除去する。このように、本実施の形態では、多層膜Ａの最上層に他の反強磁性層１６が積層されているので、非磁性層１６及びフリー磁性層１５の酸化を防ぐことができる。次に、多層膜Ａ上に、第２反強磁性層である縦バイアス層１８を成膜する。
【０３５７】
次に、縦バイアス層１８の表面に、トラック幅より若干広い幅の領域を覆うリフトオフ用のレジストを積層した後、このリフトオフ用レジストの両側であって縦バイアス層１８上に、トラック幅方向に間隔を開けて一対の電極層７１，７１を成膜する。次に、前記リフトオフ用のレジストを除去する。さらに前記一対の電極層７１，７１をマスクとして、縦バイアス層１８の一対の電極層７１，７１で挟まれた領域を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて削り込んで縦バイアス層１８に凹部８１を形成する。
【０３５８】
リフトオフ用のレジストを用いて形成された電極層７１，７１には傾斜面７１ａ，７１ａが形成されるので、電極層７１，７１をマスクとして縦バイアス層１８の電極層１９，１９で挟まれた領域を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリングを用いて削り込むと、縦バイアス層１８に形成された凹部８１の側面部８１ａ，８１ａは、基板１１の表面１１ａに対する垂直方向から若干傾斜する。
【０３５９】
図１２の薄膜磁気素子では、凹部８１の底面８１ｂが縦バイアス層１８内に位置するように、凹部８１を形成している。
【０３６０】
このとき、凹部８１の底面８１ｂに重なる縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ５を０より大きく３０Å以下にする。
【０３６１】
凹部８１形成後、電極層７１，７１まで形成された多層膜Ｂ２を、第２の熱処理温度、Ｘ方向を向いた第２の大きさの磁界中で、第２の磁場中アニールを行い、縦バイアス層１８に交換異方性磁界を発生させ、フリー磁性層１５の磁化方向を図示Ｘ方向に固定すると図１２に示したような薄膜磁気素子が得られる。本実施の形態では、前記第２の熱処理温度を２５０℃、磁界の第２の大きさを２４ｋ（Ａ／ｍ）としている。
【０３６２】
縦バイアス層１８の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニール工程において始めて生じる。従って、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けるためには、前記第２の熱処理温度を、第２反強磁性層１２が交換結合磁界を失うブロッキング温度より低い温度に設定し、前記第２の磁界の大きさを第２反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくするだけでよい。また、第２の磁場中アニールをこれらの条件下で行えば、第２反強磁性層１２と縦バイアス層１８を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第２反強磁性層１２の交換異方性磁界の方向を図示Ｙ方向に向けたまま、縦バイアス層１８の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０３６３】
すなわち、本発明では、フリー磁性層１５の磁化方向を、固定磁性層１３の磁化方向と直交する方向に固定することが容易になる。
【０３６４】
本実施の形態では、凹部８１の底面８１ｂの幅寸法がトラック幅Ｔｗを規定する。凹部８１の底面８１ｂの幅寸法は、前記レジストの寸法を調節すること及び凹部８１の深さ寸法を調節することにより規定することができる。
【０３６５】
なお、凹部８１の底面８１ｂが他の反強磁性層１７内に位置するように凹部８１を形成してもよい。または、凹部８１の底面８１ｂが非磁性層１６内に位置するように凹部８１を形成してもよい。
【０３６６】
また、多層膜Ａの代わりに図４に示された多層膜Ａ２、図６に示された多層膜Ａ３のいずれかを形成し、第１の磁場中アニールを行った後、縦バイアス層１８の積層、前記レジスト層の積層、電極層７１，７１の形成、凹部８１の形成、及び第２の磁場中アニールを行ってもよい。これらの場合において、凹部８１の底面８１ｂは、縦バイアス層１８内、他の反強磁性層１７内、非磁性層１６内のいずれかに位置するようにできる。
【０３６７】
なお、第２から第１０の実施の形態の薄膜磁気素子及び第１２の実施の形態の薄膜磁気素子において、固定磁性層１３が単層の強磁性材料層として形成されてもよい。
【０３６８】
また、図１から図３、図７及び図１２に示された薄膜磁気素子において、フリー磁性層１５をシンセティックフェリフリー型のフリー磁性層として形成し、第１フリー磁性層及び第２フリー磁性層の少なくとも一方を、組成式がＣｏＦｅＮｉで示され、Ｆｅの組成比は９原子％以上で１７原子％以下で、Ｎｉの組成比は０．５原子％以上で１０原子％以下で、残りの組成はＣｏである磁性材料で形成してもよい。
【０３６９】
また、第１フリー磁性層と非磁性材料層１４との間に、ＣｏＦｅ合金やＣｏ合金で形成される中間層が設けられる場合には、前記ＣｏＦｅＮｉ合金のＦｅの組成比を７原子％以上で１５原子％以下で、Ｎｉの組成比を５原子％以上で１５原子％以下で、残り組成比をＣｏとすることが好ましい。
【０３７０】
図１から図８、図１０から図１２に示された薄膜磁気素子を用いて磁気ヘッドを構成するときには、基板１１と第２反強磁性層１２の間に、アルミナなどの絶縁性材料からなる下地層、この下地層上に積層される磁性合金からなる下部シールド層、及びこの下部シールド上に積層される絶縁性材料からなる下部ギャップ層が形成される。薄膜磁気素子は前記下部ギャップ層上に積層される。また、この薄膜磁気素子上には、絶縁性材料からなる上部ギャップ層、及びこの上部ギャップ層上に積層される磁性合金からなる上部シールド層が形成される。また、前記上部シールド層上に書き込み用のインダクティブ素子が積層されてもよい。
【０３７１】
また、図９に示された薄膜磁気素子を用いて磁気ヘッドを構成するときにも、薄膜磁気素子を上部ギャップ層、下部ギャップ層を介して、上部シールド層と下部シールド層の間に設置させる。このとき、前記下部ギャップ層の上面を図９に示された基板６１と同様の凸形状にして、その上層に図９の薄膜磁気素子を積層すればよい。
【０３７２】
【発明の効果】
以上詳細に説明した本発明によれば、磁気抵抗効果を発揮する多層膜と、前記多層膜を形成する少なくともひとつの磁性層の磁化方向を揃える第１反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子において、
前記第１反強磁性層は、前記多層膜の上層または下層に非磁性層を介して積層されているので、前記第１反強磁性層によって磁化方向が揃えられる磁性層は、前記第１反強磁性層とのＲＫＫＹ相互作用によって磁化方向が揃えられる。ＲＫＫＹ相互作用は、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下に位置する磁性層の領域との間にのみ作用し、反強磁性を有する厚さの反強磁性層の直上または直下から外れた領域には作用しない。
【０３７３】
従って、前記多層膜の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域が、実質的に記録磁界の再生に寄与し、磁気抵抗効果を発揮する感度領域となる。すなわち、本発明の薄膜磁気素子は、薄膜磁気素子の光学的トラック幅が磁気的トラック幅に等しくなるので、不感領域があるために磁気的トラック幅の制御が困難であるハードバイアス方式と比較して、記録媒体の高記録密度化に対応することが容易になる。
【０３７４】
また、前記多層膜の形成時に設定されたトラック幅（光学的トラック幅）Ｔｗの領域に不感領域が生じないので、高記録密度化に対応するために薄膜磁気素子の光学的トラック幅Ｔｗを小さくしていった場合の再生出力の低下を抑えることができる。
【０３７５】
さらに、本発明では薄膜磁気素子の前記多層膜の側端面が基板表面に対して垂直となるように形成されることが可能なので、前記フリー磁性層の幅方向長さのバラつきを抑えることができる。
【０３７６】
また、本発明のように、前記第１反強磁性層とのＲＫＫＹ相互作用によって前記磁性層の磁化方向が揃えられるものは、前記第１反強磁性層と前記磁性層とが直に接しているものよりも交換結合力を強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図２】  本発明の第２の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図３】  本発明の第３の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図４】  本発明の第４の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図５】  本発明の第５の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図６】  本発明の第６の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図７】  本発明の第７の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図８】  本発明の第８の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図９】  本発明の第９の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図１０】  本発明の第１０の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図１１】  本発明の第１１の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図１２】  本発明の第１２の実施の形態の薄膜磁気素子の断面図、
【図１３】  シンセティックフェリフリー型のフリー磁性層のＭ−Ｈ曲線、
【図１４】  バックド層によるスピンフィルター効果を説明するための模式説明図、
【図１５】  バックド層によるスピンフィルター効果を説明するための模式説明図、
【図１６】  鏡面反射層による鏡面反射効果を説明するための模式説明図、
【図１７】  鏡面反射層による鏡面反射効果を説明するための模式説明図、
【図１８】  従来の薄膜磁気素子の断面図、
【符号の説明】
１１  基板
１２  第１反強磁性層
１３  固定磁性層
１３ａ  第１固定磁性層
１３ｂ  非磁性中間層
１３ｃ  第２固定磁性層
１４  非磁性材料層
１５、３１  フリー磁性層
１６  非磁性層
３１ａ  第１フリー磁性層
３１ｂ  非磁性中間層
３１ｃ  第２フリー磁性層
１７  他の反強磁性層
１８、４１  縦バイアス層
１９、４２  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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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