(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上に、基板側から第１反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層の順に積層した多層膜を成膜する工程と、
（ｂ）前記多層膜を、第１の熱処理温度、第１の大きさの磁界中で、磁場中アニールして前記固定磁性層の磁化方向を所定の方向に固定する工程と、
（ｃ）前記多層膜上に第２反強磁性層を成膜する工程と、
（ｄ）前記第２反強磁性層が積層された多層膜を、第２の熱処理温度、第２の大きさの磁界中で磁場中アニールすることにより、前記フリー磁性層の両端部の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と直交する方向に固定する工程、
を有することを特徴とする薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２】
前記（ｄ）の工程において、第２の熱処理温度を第１反強磁性層のブロッキング温度より低い温度に設定する請求項１に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項３】
前記（ｄ）の工程において、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請求項１または２に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項４】
前記（ａ）の工程において、前記多層膜の最上層に他の反強磁性層を積層する工程を有する請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項５】
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４に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項６】
前記鏡面反射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で構成する請求項５に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項７】
前記鏡面反射層を半金属ホイッスラー合金によって構成する請求項６に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項８】
前記半金属ホイッスラー合金を、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂのいずれか一つ以上の単層膜または多層膜によって構成する請求項７に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項９】
前記他の反強磁性層の厚さを０より大きく３０Å以下とする請求項４ないし８のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１０】
前記他の反強磁性層の厚さを１０Å以上３０Å以下とする請求項９に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１１】
前記フリー磁性層の膜厚を、１５〜４５Åの範囲に設定する請求項１ないし１０のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１２】
前記（ａ）の工程において、前記フリー磁性層の上面または下面のうち、前記非磁性材料層から離れた方の面である上面に接して、非磁性層を積層する請求項１ないし１１のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第２反強磁性層とのＲＫＫＹ結合により前記フリー磁性層の両端部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る請求項１２に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１４】
前記非磁性層を導電性材料によって形成する請求項１２または１３に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１５】
前記非磁性層を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請求項１２ないし１４のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１６】
前記非磁性層をＲｕによって形成し、膜厚を８〜１１Åとする請求項１５に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１７】
前記（ｃ）の工程において、下面に切り込み部が形成されたリフトオフ用のレジスト層を前記フリー磁性層上に形成し、
前記多層膜上に前記第２反強磁性層を成膜した後、前記レジスト層を多層膜上から除去する請求項１ないし１６のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第２反強磁性層を成膜した後、第２反強磁性層の上層に、トラック幅の間隔をあけて一対のレジストを積層し、前記第２反強磁性層の前記レジストによって挟まれた部位を基板表面に対して垂直方向に削り込み除去する請求項１７に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項１９】
前記（ｃ）の工程において、前記多層膜上に前記第２反強磁性層を成膜した後、トラック幅の間隔をあけて一対のレジストを積層し、前記第２反強磁性層の前記レジストによって挟まれた部位を基板表面に対して垂直方向に削り込むことにより凹部を形成する請求項１ないし１６のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２０】
前記凹部の底面が前記第２反強磁性層内に位置するように、前記凹部を形成する請求項１９に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２１】
前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域の厚さ、または前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さを０より大きく３０Å以下にする請求項２０に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２２】
前記多層膜の最上層に他の反強磁性層を形成し、前記凹部の底面が前記他の反強磁性層内に位置するように前記凹部を形成する請求項１９に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２３】
前記凹部の底面の下部に位置する前記他の反強磁性層の領域の厚さを０より大きく３０Å以下にする請求項２２に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２４】
前記（ａ）の工程において、前記フリー磁性層の上面または下面のうち、前記非磁性材料層から離れた方の面である上面に接して、非磁性層を積層し、前記凹部の底面が前記非磁性層内に位置するように前記凹部を形成する請求項１９に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２５】
前記（ａ）の工程において、前記固定磁性層を、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を、非磁性中間層を介して積層することによって形成する請求項１ないし２４のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２６】
前記（ａ）の工程において、前記フリー磁性層を、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を非磁性中間層を介して積層することによって形成する請求項１ないし２５のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２７】
前記非磁性中間層を、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する請求項２５または２６に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項２８】
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２６または２７に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
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２９】
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２６または２７に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項３０】
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２９記載の薄膜磁気素子の製造方法。
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３１】
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２８または３０に記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項３２】
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層を、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成する請求項１ないし３１のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【請求項３３】
前記第１反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層を、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）合金で形成する請求項１ないし３２のいずれかに記載の薄膜磁気素子の製造方法。
【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の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３４は、従来の製造方法によって形成された薄膜磁気素子の構造をＡＢＳ面から見た断面図である。
【０００３】
図３４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磁気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磁気素子は、下から基板８、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で構成された多層膜９と、この多層膜９の上層に形成された一対の縦バイアス層６，６及びこの縦バイアス層６，６の上に形成された一対の電極層７，７とで構成されている。
【０００５】
前記反強磁性層１及び縦バイアス層６，６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、また電極層８，８にはＣｒ膜が一般的に使用される。
【０００６】
図３４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、前記縦バイアス層６，６からの交換異方性磁界の影響を受けてＸ方向に揃えられることが望ましい。
【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、直交することが望ましい。
【０００８】
このスピンバルブ型薄膜磁気素子では、縦バイアス層６，６上に形成された電極層７，７から、フリー磁性層４、非磁性導電層３及び固定磁性層２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】
従来、図に示されるスピンバルブ型薄膜磁気素子を製造するときには、基板８上に、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を順次連続成膜して多層膜９を形成し、さらに、この多層膜９の上層に縦バイアス層６，６及び電極層７，７を連続的に成膜していた。
【００１０】
反強磁性層１から電極層７，７まで成膜した後に、まず固定磁性層２の磁化方向をＹ方向に揃えるための第１の磁場中アニールを行い、次にフリー磁性層４の磁化方向をＸ方向に揃えるための第２の磁場中アニールを行う必要がある。
【００１１】
しかし、反強磁性層１から電極層７，７まで成膜した後に、第１の磁場中アニール及び第２の磁場中アニールを行うと、第２の磁場中アニールの際に反強磁性層１と固定磁性層２の界面に作用する交換異方性磁界がＹ方向からＸ方向に傾き、固定磁性層２の磁化方向とフリー磁性層４の磁化方向が非直交になり、出力信号波形の対称性が得られなくなる度合（アシンメトリー）が増大するという問題が生じていた。
【００１２】
上述した問題は、特に反強磁性層１と縦バイアス層６が同じ組成を有する反強磁性材料によって形成されるときに顕著に現れる。
【００１３】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、第１反強磁性層と第２反強磁性層が、固定磁性層及びフリー磁性層を含む他の層を介して上下に積層されているスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法において、前記第１反強磁性層を第１の磁場中アニールにかけた後、前記第２反強磁性層の積層及び第２の磁場中アニールを行うことにより、固定磁性層の磁化とフリー磁性層の磁化とを直交させることができるスピンバルブ型薄膜磁気素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜磁気素子の製造方法は、（ａ）基板上に、基板側から第１反強磁性層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層の順に積層した多層膜を成膜する工程と、
（ｂ）前記多層膜を、第１の熱処理温度、第１の大きさの磁界中で、磁場中アニールして前記固定磁性層の磁化方向を所定の方向に固定する工程と、
（ｃ）前記多層膜上に第２反強磁性層を成膜する工程と、
（ｄ）前記第２反強磁性層が積層された多層膜を、第２の熱処理温度、第２の大きさの磁界中で磁場中アニールすることにより、前記フリー磁性層の両端部の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と直交する方向に固定する工程、
を有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明では、前記多層膜上に第２反強磁性層を積層しない状態で、前記多層膜を、磁場中アニールして前記固定磁性層の磁化方向を所定の方向に固定するので、前記多層膜上に第２反強磁性層を積層した状態では、前記第２反強磁性層に交換異方性磁界が発生していない。
【００１６】
すなわち、前記第２反強磁性層の交換異方性磁界は、前記（ｄ）の工程において始めて生じ、前記フリー磁性層の磁化方向を所定の方向に移動させることが容易になる。従って、前記フリー磁性層の両端部の磁化方向を、前記固定磁性層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。
【００１７】
なお、前記（ａ）の工程を、同一真空成膜装置内において行うことが好ましい。
【００１８】
本発明では、前記（ｄ）の工程において、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することが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明では、前記（ｄ）の工程において、前記第２の磁界の大きさを前記第１反強磁性層の交換異方性磁界より小さくすることが好ましい。
【００２０】
前記（ａ）の工程において、前記多層膜の最上層に他の反強磁性層を積層する工程を有すると、前記多層膜の最上層の酸化を防ぐことができるので好ましい。
【００２１】
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によって構成することにより、前記他の反強磁性層を、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して機能するようにできる。
【００２２】
前記他の反強磁性層が鏡面反射層として機能するときは、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下であることが好ましい。
【００２８】
前記他の反強磁性層の厚さが０より大きく３０Å以下であると、前記（ｂ）の工程において前記他の反強磁性層に交換結合磁界が発生しないので、前記他の反強磁性層の磁化方向が、前記固定磁性層の磁化方向と同一方向に固定されることを防ぐことができる。従って、前記（ｃ）の工程において、前記他の反強磁性層の上層に前記第２反強磁性層を積層したときに、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同一方向に固定されることを防ぐことができる。
【００２９】
なお、前記他の反強磁性層の厚さが１０Å以上３０Å以下であることがより好ましい。
【００３０】
前記（ａ）の工程において、前記フリー磁性層の上面または下面のうち、前記非磁性材料層から離れた方の面である上面に接して、非磁性層を積層してもよい。
【００３１】
このとき、前記フリー磁性層の両端部は、前記非磁性層を介した前記第２反強磁性層とのＲＫＫＹ結合により、そ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る。
【００３２】
前記第２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２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。
【００３３】
なお、前記非磁性層を導電性材料によって形成することが好ましい。前記非磁性層は、例えば、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ができる。特に、前記非磁性層がＲｕによって形成され、膜厚が８〜１１Åであることが好ましい。
【００３４】
本発明のように、前記非磁性層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。
【００３５】
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界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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
スピンバルブ型薄膜磁気素子にセンス電流を印可すると、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
また、本発明では、前記（ｃ）の工程において、下面に切り込み部が形成されたリフトオフ用のレジスト層を前記フリー磁性層上に形成し、
前記多層膜上に前記第２反強磁性層を成膜した後、前記レジスト層を多層膜上から除去するようにしてもよい。
【００４６】
さらに、前記第２反強磁性層を成膜した後、第２反強磁性層の上層に、トラック幅の間隔をあけて一対のレジストを積層し、前記第２反強磁性層の前記レジストによって挟まれた部位を基板表面に対して垂直方向に削り込み除去すると、薄膜磁気素子のトラック幅を正確に規定することができる。
【００４７】
あるいは、前記（ｃ）の工程において、前記多層膜上に前記第２反強磁性層を成膜した後、トラック幅の間隔をあけて一対のレジストを積層し、前記第２反強磁性層の前記レジストによって挟まれた部位を基板表面に対して垂直方向に削り込むことにより凹部を形成してもよい。
【００４８】
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部分でのみ、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２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、前記非磁性層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。
【００４９】
本発明では、前記凹部の底面が前記第２反強磁性層内に位置するように、前記凹部を形成することができる。
【００５０】
このとき、前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域の厚さ、または前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域と前記他の反強磁性層の領域の合計の厚さを０より大きく３０Å以下にすると、前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域、または前記凹部の底面の下部に位置する前記第２反強磁性層の領域と前記他の反強磁性層の領域に交換結合磁界が発生しないので好ましい。
【００５１】
あるいは、前記凹部の底面が前記他の反強磁性層内に位置するように、前記凹部を形成してもよい。
【００５２】
このとき、前記凹部の底面の下部に位置する前記他の反強磁性層の領域の厚さを０より大きく３０Å以下にすると、前記凹部の底面の下部に位置する前記他の反強磁性層の領域に交換異方性磁界が発生しないので好ましい。
【００５３】
また、前記凹部の底面が前記非磁性層内に位置するように前記凹部を形成してもよい。
【００５４】
また、前記（ａ）の工程において、前記固定磁性層を、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を、非磁性中間層を介して積層することによって形成することが好ましい。
【００５５】
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１反強磁性層と固定磁性層との交換結合磁界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１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２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２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。
【００５６】
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。
【００５７】
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スピンバルブ型薄膜磁気素子を得ることが可能になる。
【００５８】
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。
【００５９】
ただし、本発明では、前記固定磁性層を単層の強磁性材料層として形成してもよい。
【００６０】
前記（ａ）の工程において、前記フリー磁性層を、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を非磁性中間層を介して積層することによって形成することが好ましい。
【００６１】
本発明では、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なり、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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、前記非磁性中間層を、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することができる。
【００６４】
なお、本発明では、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好ましい。
【００６５】
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。
【００６６】
また、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が好ましい。前記中間層を形成するときには、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好ましい。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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である。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図２９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。
【００７４】
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して、反平行状態に保たれている。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
本発明では、前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層を、同じ組成の反強磁性材料を用いて形成した場合でも、前記フリー磁性層の両端部の磁化方向を、前記固定磁性層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。
【００９８】
前記第１反強磁性層及び／又は前記第2の反強磁性層を、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）合金で形成することが好ましい。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
なお、本発明では、第１反強磁性層と縦バイアス層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。
【０１０４】
【発明の実施の形態】
図１から図５は、本発明の薄膜磁気素子の製造方法の実施の形態を示す断面図である。
【０１０５】
まず、基板１１上に第１反強磁性層１２を積層する。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が積層され、固定磁性層１３の上層に非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７が積層されて、多層膜Ａが形成される。図１は、多層膜Ａが形成された状態を示す断面図である。
【０１０６】
第１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。
【０１０７】
第１反強磁性層１２及び他の反強磁性層１７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。
【０１０８】
第１反強磁性層１２及び他の反強磁性層１７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１反強磁性層１２及び他の反強磁性層１７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１２及び他の反強磁性層１７を得ることができる。
【０１０９】
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。
【０１１０】
第１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である。また、他の反強磁性層１７の膜厚は、約３０Åである。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
非磁性材料層１４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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
次に、図１の多層膜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１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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
次に、図２に示すごとく、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。
【０１２０】
縦バイアス層１８は、第１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。
【０１２１】
縦バイアス層１８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。
【０１２２】
ここで、第１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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
なお、本実施の形態の薄膜磁気素子は、第１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。
【０１２７】
電極層１９は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
次に、図３に示すように、電極層１９上にレジスト２０，２０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。
【０１２８】
さらに、図４に示すように、縦バイアス層１８のレジスト２０，２０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込むことにより凹部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４では、凹部２１の底面２１ｂが縦バイアス層１７内に位置するように、凹部２１を形成している。
【０１２９】
このとき、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層１８の領域と他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ１を０より大きく３０Å以下にする。
【０１３０】
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。
【０１３１】
前記第２の熱処理後、レジスト層２０，２０を除去すると、図５に示されるような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０１３２】
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１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１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１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１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。すなわち、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。
【０１３３】
本実施の形態のように、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層１８の領域と他の反強磁性層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に位置する縦バイアス層１８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。
【０１３４】
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との交換結合によって固定される。
【０１３５】
凹部２１の底面２１ｂに重なるフリー磁性層１５の領域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との交換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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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２０，２０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。
【０１３８】
また、本実施の形態では、基板１１上に直接第１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反強磁性層１２が積層されてもよい。
【０１３９】
図５に示された本実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法によって形成された薄膜磁気素子について説明する。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
スピンフィルター効果について説明する。
図３０及び図３１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３０はバックド層がない構造例を示す模式図であり、図３１はバックド層のある構造例を示す模式図である。
【０１５０】
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３０及び図３１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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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）。
【０１５３】
反強磁性層１１２上に積層された固定磁性層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。
【０１５４】
固定磁性層１１３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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
図３１に示すように、バックド層ＢA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ＢA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ＢA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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
鏡面反射効果について説明する。図３２及び図３３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。
【０１６１】
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３２及び図３３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。
【０１６２】
ここで図３２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。
【０１６３】
一方、図３３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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
フリー磁性層１１５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。
【０１７０】
また、フリー磁性層１１５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。
【０１７１】
また、図５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。
【０１７２】
第１固定磁性層１３ａは第１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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
図５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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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１３ｃ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１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１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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
図６は、本発明の第２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。
【０１８３】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１から図５に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、図４において、縦バイアス層１８のレジスト２０，２０によって挟まれた部位を、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込むときに、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。
【０１８４】
なお、本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する他の反強磁性層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の下部に位置する他の反強磁性層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。
【０１８５】
従って、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置す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。
【０１８６】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する領域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。
【０１８７】
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を形成する製造方法でも、第１の実施の形態と同様に、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１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１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。
【０１８８】
図６に示された薄膜磁気素子は、図５に示された第１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５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。
【０１８９】
図７は、本発明の第３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。
【０１９０】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１から図５に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、図４において、縦バイアス層１８のレジスト２０，２０によって挟まれた部位を、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込むときに、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を形成している点でのみ異っている。
【０１９１】
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。
【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。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。
【０１９３】
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を形成する製造方法でも、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１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１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。
【０１９４】
図７に示された薄膜磁気素子は、図５に示された第１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５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。
【０１９５】
図８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。
【０１９６】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１から図５に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じである。
【０１９７】
第１の実施の形態と異なる点は、図１において、フリー磁性層１５の成膜後、非磁性層１６を積層せず、フリー磁性層１５の上層に他の反強磁性層１７を直接積層した多層膜Ａ１を形成し、この多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけ、その後多層膜Ａ１上に縦バイアス層１８を積層する点でのみ異っている。
【０１９８】
図８の薄膜磁気素子は、フリー磁性層１５の上層に他の反強磁性層１７及び第２反強磁性層である縦バイアス層１８が積層されているため、フリー磁性層１５の磁化方向は、他の反強磁性層１７及び縦バイアス層１８との交換結合によって図示Ｘ方向にそろえられる。
【０１９９】
本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層１８の領域の厚さと他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ４を０より大きく３０Å以下にしており、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層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。
【０２００】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置す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との交換結合によって固定される。
【０２０１】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する領域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との交換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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
フリー磁性層１５の成膜後、非磁性層１６を積層せずに他の反強磁性層１７を積層する製造方法でも、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。
【０２０４】
また、第１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１の実施の形態と同様に、第１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。
【０２０５】
図８に示された薄膜磁気素子は、図５に示された第１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スピンフィルター効果以外の効果については、図５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。
【０２０６】
図９は、本発明の第５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。
【０２０７】
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、縦バイアス層１８のレジスト２０，２０によって挟まれた部位を、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込むときに、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。
【０２０８】
なお、本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する他の反強磁性層１７の領域の厚さｔ５を０より大きく３０Å以下にし、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する他の反強磁性層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。
【０２０９】
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との交換結合によって固定される。
【０２１０】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する領域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との交換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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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を形成する製造方法でも、第４の実施の形態と同様に、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１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１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。
【０２１３】
図９に示された薄膜磁気素子は、図８に示された第４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８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。
【０２１４】
図１０は、本発明の第６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。
【０２１５】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１から図５に示された第１の実施の形態と、ほとんど同じであり、図１において、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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
図１０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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
図２９は、フリー磁性層３１のヒステリシスループの概念図である。このＭ−Ｈ曲線は、図１０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。
【０２３０】
また、図２９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。
【０２３１】
図２９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２９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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
本実施の形態でも、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１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１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。
【０２４１】
図１０に示された薄膜磁気素子は、図５に示された第１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５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。
【０２４２】
図１１は、本発明の第７の実施の形態によって形成された薄膜磁気素子をＡＢＳ面側からみた断面図である。
【０２４３】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１０に示された薄膜磁気素子の製造方法とほとんど同じであり、図１において、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ときに、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が設けられる点で図１０に示された薄膜磁気素子の製造方法と異なっている。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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
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。
【０２４８】
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。
【０２４９】
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。
【０２５０】
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。
【０２５１】
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。
【０２５２】
図１２は、本発明の第８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。
【０２５３】
この薄膜磁気素子の製造方法は、第６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のみ異っている。
【０２５４】
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、第１の磁場中アニールにおいて、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。
【０２５５】
本実施の形態でも、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１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１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。
【０２５６】
図１２に示された薄膜磁気素子は、図１０に示された第６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１０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。
【０２５７】
なお、第２から第５の実施の形態によって薄膜磁気素子を形成するときに、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。
【０２５８】
図１３は、本発明の第９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。
【０２５９】
第１の実施の形態と異なる点は、図１において、フリー磁性層１５の成膜後、非磁性層１６及び他の反強磁性層１７を積層せず、最上層がフリー磁性層１５である多層膜Ａ４を形成し、この多層膜Ａ４を第１の磁場中アニールにかけ、その後多層膜Ａ４上に縦バイアス層を積層する点でのみ異っている。
【０２６０】
本実施の形態では、多層膜Ａ４の最上層がフリー磁性層１５であるため、多層膜Ａ４を第１の磁場中アニールにかけたときに、フリー磁性層１５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、フリー磁性層１５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。フリー磁性層１５の膜厚は、磁気抵抗効果に大きく影響するので、始めにフリー磁性層１５を成膜するときに、最終的な製品における膜厚よりもイオンミリングなどで削る厚さ分だけ、例えば２０Å程度、厚く成膜しておくことが好ましい。または、縦バイアス層１８を積層する前に、イオンミリングなどで削られた厚さ分だけ、フリー磁性層１５を成膜しなおし、その後連続的に縦バイアス層１８を成膜してもよい。
【０２６１】
図１３の薄膜磁気素子は、フリー磁性層１５の上層に第２反強磁性層である縦バイアス層１８が積層されているため、フリー磁性層１５の磁化方向は、他の反強磁性層１７及び縦バイアス層１８との交換結合によって図示Ｘ方向にそろえられる。
【０２６２】
本実施の形態では、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層１８の領域Ｅの厚さｔ６を０より大きく３０Å以下にすると、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する縦バイアス層１８の領域Ｅ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。
【０２６３】
すなわち、フリー磁性層１５の磁化方向は、凹部２１の底面２１ｂの下部に位置す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との交換結合によって固定される。
【０２６４】
フリー磁性層１５の凹部２１の底面２１ｂの下部に位置する領域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との交換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。
【０２６５】
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。
【０２６６】
また、本実施の形態では、多層膜Ａ４を第１の磁場中アニールにかけて第１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、その後縦バイアス層１８を積層して、図示Ｘ方向の第２の磁場中アニールにかける。
【０２６７】
第２の磁場中アニールにおける前記第２の熱処理温度を、第１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１反強磁性層１２の交換異方性磁界より小さくすることにより、第１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１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。
【０２６８】
図１３に示された薄膜磁気素子は、図５に示された第１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スピンフィルター効果以外の効果については、図５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。
【０２６９】
なお、本実施の形態によって薄膜磁気素子を形成するときに、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。
【０２７０】
図１４から図１８は、本発明の第１０の実施の形態の薄膜磁気素子の製造方法を説明するための断面図である。
【０２７１】
まず図１４に示すように、基板１１上に、図１と同じ多層膜Ａを成膜する。なお、図１４から図１８では、図を見やすくするために、多層膜Ａの最上層の他の反強磁性層１７のみ明示してあるが、他の反強磁性層１７の下層には、図１と同様に基板１１側から第１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が順次積層されている。
【０２７２】
第１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。
【０２７３】
次に、多層膜Ａ上にリフトオフ用のレジスト層５１を形成する。図１５に示すように、レジスト層５１には、その下面に切り込み部５１ａ，５１ａが形成されている。多層膜Ａのうちトラック幅Ｔｗの領域をレジスト層５１によって完全に覆われた状態にしておく。
【０２７４】
図１５の状態の多層膜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１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。
【０２７５】
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。
【０２７６】
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のレジスト層５１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、図１６に示すごとく、多層膜Ａの状態で他の反強磁性層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。
【０２７７】
さらに図１７に示す工程によって、前記多層膜Ａの上層に第２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。
【０２７８】
図１７に示すように本実施の形態では、多層膜Ａの形成された基板１１を、縦バイアス層４１，４１の組成で形成されたターゲット５２に対し垂直方向に置き、これにより例えばイオンビームスパッタ法を用いることで、前記多層膜Ａに対し垂直方向から縦バイアス層４１，４１を成膜する。
【０２７９】
レジスト層５１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５１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Ｓｂにおいて減少している。
【０２８０】
なお図１７に示すように、レジスト層５１上にも縦バイアス層４１，４１と同じ組成の層４１ａ及び電極層４２，４２と同じ組成の層４２ａ，４２ａが形成される。
【０２８１】
縦バイアス層４１，４１は、第１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。
【０２８２】
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。
【０２８３】
電極層４２，４２は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。
【０２８４】
電極層４２，４２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。
【０２８５】
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４１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。
【０２８６】
前記第２の熱処理後、レジスト層５１を除去すると、図１８に示されたような薄膜磁気素子を得ることができる。
【０２８７】
縦バイアス層４１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１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１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１反強磁性層１２と縦バイアス層４１を同じ組成の反強磁性材料を用いて形成しても、第１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の交換異方性磁界を図示Ｘ方向に向けることができる。
【０２８８】
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。
【０２８９】
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４１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。
【０２９０】
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。
【０２９１】
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。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。
【０２９２】
なお、本実施の形態では縦バイアス層４１，４１の上層に電極層４２，４２を成膜した後、第２の磁場中アニールを行ったが、縦バイアス層４１の積層後、第２の磁場中アニールを行った後、縦バイアス層４１，４１の上層に電極層４２，４２を積層してもよい。
【０２９３】
また、本実施の形態では、基板１１上に直接第１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反強磁性層１２が積層されてもよい。
【０２９４】
図１８の薄膜磁気素子について説明する。
縦バイアス層４１，４１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Ｄ，Ｄ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Ｅには作用しない。
【０２９５】
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。
【０２９６】
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。
【０２９７】
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との交換結合の効果が減少してしまう。その結果、図１８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。
【０２９８】
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。
【０２９９】
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。
【０３００】
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。
【０３０１】
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。
【０３０２】
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の変動磁界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。
【０３０３】
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。
【０３０４】
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。
【０３０５】
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。
【０３０６】
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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
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。
【０３０９】
また、図１８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。
【０３１０】
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。
【０３１１】
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。
【０３１２】
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。
【０３１３】
図１８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。
【０３１４】
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。
【０３１５】
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。
【０３１６】
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１３ｃ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１３ｃ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。
【０３１７】
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。
【０３１８】
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。
【０３１９】
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。
【０３２０】
図１９は、本発明の第１１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。
【０３２１】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１４から図１８に示された第１０の実施の形態と、ほとんど同じである。
【０３２２】
第１の実施の形態と異なる点は、フリー磁性層１５の成膜後、非磁性層１６を積層せず、フリー磁性層１５の上層に他の反強磁性層１７を直接積層した多層膜Ａ１を形成し、この多層膜Ａ１を第１の磁場中アニールにかけ、その後多層膜Ａ１上に縦バイアス層を積層する点でのみである。
【０３２３】
図１９の薄膜磁気素子は、フリー磁性層１５の上層に他の反強磁性層１７及び第２反強磁性層である縦バイアス層４１，４１が積層されているため、フリー磁性層１５の磁化方向は、他の反強磁性層１７及び縦バイアス層４１，４１との交換結合によって図示Ｘ方向にそろえられる。
【０３２４】
本実施の形態では、他の反強磁性層１７の厚さｔ８を０より大きく３０Å以下にすると、縦バイアス層４１，４１が重ならない領域Ｅ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。
【０３２５】
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が重なるトラック幅方向両端部Ｄ，Ｄでのみ、縦バイアス層４１，４１との反強磁性結合によって固定される。
【０３２６】
フリー磁性層１５の縦バイアス層４１，４１が重ならない領域Ｅは、外部磁界が印加されない状態おいて、縦バイアス層４１，４１との交換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。
【０３２７】
フリー磁性層１５の成膜後、非磁性層１６を積層せずに他の反強磁性層１７を積層する製造方法でも、第１０の実施の形態と同様に、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る。
【０３２８】
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との交換結合の効果が減少してしまう。その結果、図１９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。
【０３２９】
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。
【０３３０】
また、第１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１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。
【０３３１】
図１９に示された薄膜磁気素子は、図１８に示された第１０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スピンフィルター効果以外の効果については、図１８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。
【０３３２】
図２０は、本発明の第１２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。
【０３３３】
この薄膜磁気素子の製造方法は、図１４から図１８に示された第１０の実施の形態と、ほとんど同じであり、図１４において、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。
【０３３４】
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、第１の磁場中アニールにおいて、非磁性層１６の表面が酸化する。従って、縦バイアス層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。
【０３３５】
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。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
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。
【０３４０】
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。
【０３４１】
図２０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。
【０３４２】
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。
【０３４３】
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。
【０３４４】
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合成単位面積あたりの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。
【０３４５】
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。
【０３４６】
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。
【０３４７】
本実施の形態でも、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１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１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。
【０３４８】
図２０に示された薄膜磁気素子は、図１８に示された第１０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１８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。
【０３４９】
なお、第１０及び第１１の実施の形態によって薄膜磁気素子を形成するときに、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。
【０３５０】
なお、例えば図１８に示された薄膜磁気素子の電極層４２，４２上に、図２１に示すごとくレジスト層５３，５３をたて、図２２に示すごとくレジスト層５３，５３ではさまれた領域を他の反強磁性層１７までイオンミリングまたはＲＩＥなどで削った後、レジスト層５３，５３を除去すると、図２３のように、縦バイアス層４１，４１のトラック両脇側の側面４１ｂ、４１ｂが基板１１の表面１１ａに対して垂直な面になる。このため、フリー磁性層１５と縦バイアス層４１，４１が重なっている領域では、フリー磁性層１５と縦バイアス層４１，４１の交換結合の効果は一様である。すなわち、薄膜磁気素子のトラック幅をＴｗを正確に規定できる。
【０３５１】
図２４から図２８は、本発明の第１４の実施の形態を示す断面図である。
図２４は、本発明の第１の実施の形態において図１に示された多層膜、すなわち基板１１上に第１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２反強磁性層である縦バイアス層１８が積層された状態を示している。
【０３５２】
なお、多層膜Ａの形成後、縦バイアス層１８を積層する前に、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の磁場中アニールにかけ、第１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。
【０３５３】
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。
【０３５４】
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。反強磁性層１７の表面を削った後、縦バイアス層１８を成膜する。
【０３５５】
次に、図２５に示すごとく、縦バイアス層１８の表面に、トラック幅分より若干広い領域を覆うリフトオフ用のレジスト６１を積層する。レジスト層６１には、その下面に切り込み部６１ａ，６１ａが形成されている。
【０３５６】
さらに図２６に示す工程によって、縦バイアス層１８の上層に電極層７１，７１を成膜する。本実施の形態では、電極層７１，７１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。
【０３５７】
本実施の形態では、多層膜Ａの形成された基板１１を、電極層７１，７１の組成で形成されたターゲットに対し垂直方向に置き、これにより例えばイオンビームスパッタ法を用いることで、前記多層膜Ａに対し垂直方向から電極層７１，７１を成膜する。
【０３５８】
レジスト層６１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６１の両端部によって覆われている領域付近では、電極層７１，７１は膜厚が薄く形成され、電極層７１，７１に傾斜面７１ａ，７１ａが形成される。電極層７１，７１は、例えば、Ａｕ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａなどを用いて成膜される。なお、レジスト層６１上には、電極層７１，７１と同じ組成の層７１ｂが形成される。電極層７１，７１を成膜した後、レジスト層６１を除去すると、図２７に示す状態になる。
【０３５９】
さらに、図２８に示すように、電極層７１，７１をマスクとして、縦バイアス層１８の電極層７１，７１によって覆われていない部分を、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、削り込むことにより凹部８１を形成する。凹部８１の側面８１ａ，８１ａは、電極層７１，７１の傾斜面７１ａ，７１ａを含む傾斜面となっている。図２８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の下部に位置する縦バイアス層１８の領域と他の反強磁性層１７の厚さの合計ｔ９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Ｂ４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。
【０３６２】
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、図２５に示した工程において、レジスト６１の寸法を調節すること及び図２８の工程において凹部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。
【０３６３】
なお、図２８に示した工程において、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。
【０３６４】
また、図２４の工程において、多層膜Ａの代わりに図８及び図９に示された多層膜Ａ１上に縦バイアス層１８を積層してもよい。あるいは、多層膜Ａの代わりに図１０に示された多層膜Ａ２、図１２に示された多層膜Ａ３、図１３に示された多層膜Ａ４のいずれか上に縦バイアス層１８を積層してもよい。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。
【０３６５】
なお、第１から第１４の実施の形態において、固定磁性層１３を単層の強磁性材料層として形成してもよい。
【０３６６】
また、図１２または図２０に示された薄膜磁気素子の製造方法でも、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、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である組成を有する磁性材料で形成することが好ましい。
【０３６７】
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。
【０３６８】
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。
【０３６９】
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。
【０３７０】
また、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合金で形成される中間層９１が設けられてもよい。
【０３７１】
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。
【０３７２】
また、図５から図９、図１３，図１８，及び図１９に示された薄膜磁気素子の製造方法において、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。
【０３７３】
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。
【０３７４】
図５から図１３、及び図１８から図２０に示された薄膜磁気素子、並びに図２８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。
【０３７５】
【発明の効果】
本発明では、前記第１反強磁性層及び前記固定磁性層を含む前記多層膜上に第２反強磁性層を積層しない状態で、前記多層膜を第１の磁場中アニールにかけ、前記固定磁性層の磁化方向を所定の方向に固定する。その後、前記多層膜上に第２反強磁性層を積層するので、成膜直後の前記第２反強磁性層には交換異方性磁界が発生していない。
【０３７６】
前記第２反強磁性層の交換異方性磁界は、第２の磁場中アニールにおいて始めて生じるので、前記フリー磁性層の磁化方向を所定の方向に移動させることが容易になる。従って、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することや、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ことにより、前記フリー磁性層の磁化方向を、前記固定磁性層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。
【０３７７】
特に、前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層を同一の反強磁性材料によって形成する場合でも、前記フリー磁性層の磁化方向を、前記固定磁性層の磁化方向と直交する方向に容易に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態である薄膜磁気素子の製造方法の一工程を示す断面図、
【図２】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図１の次工程を示す断面図、
【図３】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２の次工程を示す断面図、
【図４】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図３の次工程を示す断面図、
【図５】  本発明の第１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、
【図６】  本発明の第２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、
【図７】  本発明の第３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、
【図８】  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、
【図９】  本発明の第５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、
【図１０】  本発明の第６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、
【図１１】  本発明の第７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、
【図１２】  本発明の第８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、
【図１３】  本発明の第９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、
【図１４】  本発明の第１０の実施の形態である薄膜磁気素子の製造方法の一工程を示す断面図、
【図１５】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図１４の次工程を示す断面図、
【図１６】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図１５の次工程を示す断面図、
【図１７】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図１６の次工程を示す断面図、
【図１８】  本発明の第１０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、
【図１９】  本発明の第１１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、
【図２０】  本発明の第１２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、
【図２１】  本発明の第１３の実施の形態である薄膜磁気素子の製造方法の一工程を示す断面図、
【図２２】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２１の次工程を示す断面図、
【図２３】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２２の次工程を示す断面図、
【図２４】  本発明の第１４の実施の形態である薄膜磁気素子の製造方法の一工程を示す断面図、
【図２５】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２４の次工程を示す断面図、
【図２６】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２５の次工程を示す断面図、
【図２７】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２６の次工程を示す断面図、
【図２８】  本発明の薄膜磁気素子の製造方法における、図２７の次工程を示す断面図、
【図２９】  シンセティックフェリフリー型のフリー磁性層のヒステリシスループの概念図、
【図３０】  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３１】  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３２】  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３３】  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３４】  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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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