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発明の名称 磁気変換素子、薄膜磁気ヘッドおよびそれらの製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−56909(P2001−56909A)
公開日 平成13年2月27日(2001.2.27)
出願番号 特願平11−227530
出願日 平成11年8月11日(1999.8.11)
代理人 【識別番号】100109656
【弁理士】
【氏名又は名称】三反崎 泰司 (外1名)
【テーマコード(参考)】
5D034
【Fターム(参考)】
5D034 BA03 DA07 
発明者 土屋 芳弘 / 荒木 悟 / 佐野 正志
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、前記軟磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つ前記軟磁性層よりも電気抵抗が大きい軟磁性層間層を備えたことを特徴とする磁気変換素子。
【請求項2】 前記軟磁性層の厚さをTn とし、前記非磁性層と前記軟磁性層間層との間の距離をD1 とすると、0.3Tn ≦D1 <Tnの関係が成立していることを特徴とする請求項1記載の磁気変換素子。
【請求項3】 前記非磁性層と前記軟磁性層間層との間の距離は、1nm以上8nm未満であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気変換素子。
【請求項4】 前記軟磁性層は、ニッケル(Ni),コバルト(Co),鉄(Fe),タンタル(Ta),クロム(Cr),ロジウム(Rh),モリブデン(Mo)およびニオブ(Nb)からなる群のうちの少なくともニッケルを含む第1軟磁性層と、ニッケル,コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトを含む第2軟磁性層とを有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項5】 前記軟磁性層間層は、前記第1軟磁性層の中に設けられたことを特徴とする請求項4記載の磁気変換素子。
【請求項6】 前記軟磁性層間層は、酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項7】 前記軟磁性層間層は、ニッケル,コバルト,鉄,タンタル,クロム,ロジウム,モリブデンおよびニオブからなる群のうちの少なくともニッケルと、酸素(O)および窒素(N)からなる群のうちの少なくとも1種とを含む、または、ニッケル,コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトと、酸素および窒素からなる群のうちの少なくとも1種とを含むことを特徴とする請求項6記載の磁気変換素子。
【請求項8】 前記強磁性層は、コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項9】 前記反強磁性層は、白金(Pt),ルテニウム(Ru),ロジウム,パラジウム(Pd),ニッケル,金(Au),銀(Ag),銅(Cu),イリジウム(Ir),クロムおよび鉄からなる群のうちの少なくとも1種と、マンガン(Mn)とを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項10】 前記非磁性層は、銅,金および銀からなる群のうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項11】 前記軟磁性層間層の厚さは、0.5nm以上1.0nm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1記載の磁気変換素子。
【請求項12】 更に、前記強磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つ前記強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項13】 前記強磁性層の層厚をTk とし、前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tkの関係が成立していることを特徴とする請求項12記載の磁気変換素子。
【請求項14】 前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離は、0.6nm以上3.6nm以下であることを特徴とする請求項12または請求項13に記載の磁気変換素子。
【請求項15】 前記強磁性層間層は、酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項12ないし請求項14のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項16】 前記強磁性層間層は、ニッケル,コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトと、酸素および窒素からなる群のうちの少なくとも1種とを含むことを特徴とする請求項15記載の磁気変換素子。
【請求項17】 前記強磁性層間層の厚さは、0.5nm以上1.0nm以下であることを特徴とする請求項12ないし請求項16のいずれか1記載の磁気変換素子。
【請求項18】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、前記強磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つこの強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を備え、前記強磁性層の厚さをTk とし、前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tkの関係が成立していることを特徴とする磁気変換素子。
【請求項19】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、前記強磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つこの強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を備え、前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離は、0.6nm以上3.6nm以下であることを特徴とする磁気変換素子。
【請求項20】 前記強磁性層は、コバルトおよび鉄からなる群のうち少なくともコバルトを含むことを特徴とする請求項18または請求項19に記載の磁気変換素子。
【請求項21】 前記強磁性層間層は、酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項18ないし請求項20のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項22】 前記強磁性層間層は、ニッケル,コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトと、酸素および窒素からなる群のうちの少なくとも1種とを含むことを特徴とする請求項21記載の磁気変換素子。
【請求項23】 前記軟磁性層は、ニッケル(Ni),コバルト(Co),鉄(Fe),タンタル(Ta),クロム(Cr),ロジウム(Rh),モリブデン(Mo)およびニオブ(Nb)からなる群のうちの少なくともニッケルを含む第1軟磁性層と、ニッケル、コバルトおよび鉄からなる群のうちの少なくともコバルトを含む第2軟磁性層とを有することを特徴とする請求項18ないし請求項22のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項24】 前記反強磁性層は、白金(Pt),ルテニウム(Ru),ロジウム,パラジウム(Pd),ニッケル,金(Au),銀(Ag),銅(Cu),イリジウム(Ir),クロムおよび鉄からなる群のうちの少なくとも1種と、マンガン(Mn)とを含むことを特徴とする請求項18ないし請求項23のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項25】 前記非磁性層は、銅,金および銀からなる群のうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項18ないし請求項24のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項26】 前記強磁性層間層の厚さは、0.5nm以上1nm以下であることを特徴とする請求項18ないし請求項25のいずれか1に記載の磁気変換素子。
【請求項27】 請求項1ないし請求項26のいずれか1に記載の磁気変換素子を有することを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
【請求項28】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子の製造方法であって、前記軟磁性層の中に、この軟磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する軟磁性層間層を形成する工程を含むことを特徴とする磁気変換素子の製造方法。
【請求項29】 前記軟磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより前記軟磁性層間層を形成することを特徴とする請求項28記載の磁気変換素子の製造方法。
【請求項30】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子の製造方法であって、前記強磁性層の中に、この強磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する強磁性層間層を形成する工程を含むと共に、前記強磁性層の厚さをTk とし、前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の関係が成立する位置に前記強磁性層間層を形成することを特徴とする磁気変換素子の製造方法。
【請求項31】 一対の対向する面を有する非磁性層と、前記非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、前記非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、前記強磁性層の前記非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子の製造方法であって、前記強磁性層の中に、この強磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する強磁性層間層を形成する工程を含むと共に、前記非磁性層と前記強磁性層間層との間の距離が0.6nm以上3.6nm以下となる位置に前記強磁性層間層を形成することを特徴とする磁気変換素子の製造方法。
【請求項32】 前記強磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより前記強磁性層間層を形成することを特徴とする請求項30または請求項31に記載の磁気変換素子の製造方法。
【請求項33】 請求項28ないし請求項32のいずれか1に記載の磁気変換素子の製造方法を用いることを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気変換素子、それを用いた薄膜磁気ヘッドおよびそれらの製造方法に関するものであり、より詳細には、より良好な抵抗変化率を得ることができる磁気変換素子、薄膜磁気ヘッドおよびそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ハードディスクなどの面記録密度の向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。薄膜磁気ヘッドとしては、磁気変換素子の一つである磁気抵抗効果素子(以下、MR(Magnetoresistive)素子と記す)を有する再生ヘッドと、誘導型磁気変換素子を有する記録ヘッドとを積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。
【0003】MR素子としては、異方性磁気抵抗効果(AMR(Anisotropic Magnetoresistive)効果)を示す磁性膜(AMR膜)を用いたAMR素子と、巨大磁気抵抗効果(GMR(Giant Magnetoresistive)効果)を示す磁性膜(GMR膜)を用いたGMR素子などがある。
【0004】AMR素子を用いた再生ヘッドはAMRヘッドと呼ばれ、GMR素子を用いた再生ヘッドはGMRヘッドと呼ばれる。AMRヘッドは、面記録密度が1Gbit/inch2 超える再生ヘッドとして利用され、GMRヘッドは、面記録密度が3Gbit/inch2 を超える再生ヘッドとして利用されている。
【0005】ところで、GMR膜としては、「多層型(アンチフェロ型)」、「誘導フェリ型」、「グラニュラ型」、「スピンバルブ型」等が提案されている。これらの中で、比較的構成が単純で、弱い磁場でも大きな抵抗変化を示し、量産に好ましいと考えられるGMR膜は、スピンバルブ型である。
【0006】図19は、一般のスピンバルブ型GMR膜(以下、スピンバルブ膜と記す)の構成を表すものである。図中符号Sで示した面は磁気記録媒体と対向する面に対応する。このスピンバルブ膜は、下地層91の上に、軟磁性材料からなる軟磁性層92、非磁性材料からなる非磁性層94、強磁性材料からなる強磁性層95、反強磁性材料からなる反強磁性層96および保護層97をこの順に積層して構成したものである。強磁性層95と反強磁性層96の界面では交換結合が生じ、これにより強磁性層95の磁化Mpの向きが一定の方向に固定される。一方、軟磁性層92の磁化Mfの向きは、外部磁場によって自由に変化する。
【0007】強磁性層95,非磁性層94および軟磁性層92には例えばバイアス磁場Hbの方向に直流電流が流されているが、この電流は、軟磁性層92の磁化Mfの向きと強磁性層95の磁化Mpの向きとの相対角度に応じた抵抗を受ける。信号磁場を受けると、軟磁性層92の磁化Mfの向きが変化し、スピンバルブ膜の電気抵抗が変化する。この抵抗の変化は、電圧の変化として検出される。近年、20Gbit/inch2 を越える超高密度磁気記録を可能にするために、この抵抗の変化率(MR変化率とも言う)をより大きくすることが望まれている。
【0008】そこで、文献"CoFe specular spin valves with a nano oxide layer", 1999Digests of INTERMAG 99, published by May 18, 1999では、スピンバルブ膜の強磁性層にNOL層と呼ばれる酸化層を設けることによって抵抗変化率を改善したとの報告がなされている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の文献には、NOL層と呼ばれる酸化層の材質や膜厚については、何も述べられていない。また、強磁性層のどこにNOL層を形成したのかについても明らかにされていない。更に、抵抗変化率以外の他の特性との関係についても不明である。
【0010】特に、上記の公知文献では軟磁性層の保磁力が14(Oe:エルステッド)であり、一般のスピンバルブ膜における保磁力の許容限界である3(Oe)よりも大きいことから繰り返し精度が低下してしまうという問題がある。
【0011】本発明は、かかる問題点に鑑みて成されたもので、その目的は、抵抗変化率を大きくすることができ且つ他の特性についても良好な値を得ることができる磁気変換素子、薄膜磁気ヘッド、およびそれらの製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明による磁気変換素子は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、軟磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つ軟磁性層よりも電気抵抗が大きい軟磁性層間層を備えたものである。
【0013】本発明による磁気変換素子では、軟磁性層よりも高抵抗の軟磁性層間層が軟磁性層の中に存在するので、検出電流が磁気変換素子中を流れる際に、この軟磁性層間層によって電子が反射され、電子の移動する経路が制限される。その結果、抵抗変化率が大きくなる。また、軟磁性層間層は磁性を有しているので、信号磁場などの外部磁場に応じて、軟磁性層間層を挟んで対向する軟磁性層の2つの部分のそれぞれの磁化が一緒に一体となって変化する。
【0014】なお、本発明による磁気変換素子では、軟磁性層の厚さをTn とし、非磁性層と軟磁性層間層との間の距離をD1 とすると、0.3Tn ≦D1 <Tn の関係が成立していることが望ましい。また、非磁性層と軟磁性層間層との間の距離は、1nm以上8nm未満であることが望ましい。更に、軟磁性層がNi(ニッケル),Co(コバルト),Fe(鉄),Ta(タンタル),Cr(クロム),Rh(ロジウム),Mo(モリブデン)およびNb(ニオブ)からなる群のうちの少なくともNiを含む第1軟磁性層と、Ni,CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む第2軟磁性層とを有する場合には、軟磁性層間層は第1軟磁性層の中に設けられることが望ましい。
【0015】加えて、強磁性層の中に、磁性を有し且つ強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を設けるようにしても良い。このように構成すれば、検出電流が磁気変換素子中を流れる際に、軟磁性層中の軟磁性層間層と強磁性層中の強磁性層間層によって電子の移動する経路がさらに制限され、抵抗変化率がさらに大きくなる。なお、この場合、強磁性層の厚さをTk とし、非磁性層と強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の関係が成立していることが望ましい。また、非磁性層と強磁性層間層との間の距離は、0.6nm以上3.6nm以下であることが望ましい。
【0016】本発明による他の磁気変換素子は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、強磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つ強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を備え、強磁性層の層厚をD2 とし、非磁性層と強磁性層間層との間の距離をTk とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の関係が成立するようにしたものである。
【0017】本発明による更に他の磁気変換素子は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含んで構成され、強磁性層の中に設けられると共に、磁性を有し且つ強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を備え、非磁性層と強磁性層間層との間の距離が0.6nm以上3.6nm以下のものである。
【0018】本発明による他の磁気変換素子および更に他の磁気変換素子では、検出電流が磁気変換素子中を流れる際に、強磁性層の中に設けられた強磁性層間層によって電子が反射され、電子の移動する経路が制限されるので、抵抗変化率が大きくなる。また、強磁性層間層が磁性を有しているので、強磁性層間層を挟んで対向する強磁性層の2つの部分のそれぞれの磁化が、反強磁性層との交換結合により共に固定される。
【0019】本発明による薄膜磁気ヘッドは、本発明による磁気変換素子を備えたものである。
【0020】本発明による磁気変換素子の製造方法は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子を製造するものであって、軟磁性層の中に軟磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する軟磁性層間層を形成する工程を含んでいる。
【0021】なお、本発明による磁気変換素子の製造方法では、軟磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより軟磁性層間層を形成するようにしても良い。
【0022】本発明による他の磁気変換素子の製造方法は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子を製造するものであって、強磁性層の中に強磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する強磁性層間層を形成する工程を含むと共に、強磁性層の厚さをTk とし、非磁性層と強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の関係が成立する位置に強磁性層間層を形成するものである。
【0023】本発明による更に他の磁気変換素子の製造方法は、一対の対向する面を有する非磁性層と、非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを含む磁気変換素子を製造するものであって、強磁性層の中に強磁性層よりも電気抵抗が大きく且つ磁性を有する強磁性層間層を形成する工程を含むと共に、非磁性層と強磁性層間層との間の距離が0.6nm以上3.6nm以下となる位置に強磁性層間層を形成するものである。
【0024】なお、本発明による他の磁気変換素子の製造方法および更に他の磁気変換素子の製造方法では、強磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより強磁性層間層を形成するようにしても良い。
【0025】本発明による薄膜ヘッドの製造方法は、磁気変換素子を形成する工程において、本発明による磁気変換素子の製造方法を用いるようにしたものである。
【0026】
【発明の実施の形態】[第1の実施の形態]
<MR素子および薄膜磁気ヘッドの構成>最初に、図1ないし図7を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る磁気変換素子の一具体例であるMR素子およびそれを用いた薄膜磁気ヘッドの構成について説明する。
【0027】図1は、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド100を備えたアクチュエータアーム200の構成を表すものである。このアクチュエータアーム200は、例えば、図示しないハードディスク装置などで用いられるものであり、薄膜磁気ヘッド100が形成されたスライダ210を有している。このスライダ210は、例えば、支軸220により回転可能に支持された腕部230の先端に搭載されている。この腕部230は、例えば、図示しないボイスコイルモータの駆動力により回転するようになっており、これによりスライダ210がハードディスクなどの磁気記録媒体300の記録面(図1においては記録面の下面)に沿ってトラックラインを横切る方向xに移動するようになっている。なお、磁気記録媒体300は、例えば、スライダ210がトラックラインを横切る方向xに対してほぼ直交する方向zに回転するようになっており、このような磁気記録媒体300の回転およびスライダ210の移動により磁気記録媒体300に情報が記録され、または記録された情報が読み出されるようになっている。
【0028】図2は、図1に示したスライダ210の構成を表すものである。このスライダ210は、例えば、Al2 3 ・TiC(アルティック)よりなるブロック状の基体211を有している。この基体211は、例えば、ほぼ六面体状に形成されており、そのうちの一面が磁気記録媒体300(図1参照)の記録面に近接して対向するように配置されている。この磁気記録媒体300の記録面と対向する面はエアベアリング面(ABS)211aと呼ばれ、磁気記録媒体300が回転する際には、磁気記録媒体300の記録面とエアベアリング面211aとの間に生じる空気流により、スライダ210が記録面との対向方向yにおいて記録面から離れるように微少量移動し、エアベアリング面211aと磁気記録媒体300との間に一定の隙間ができるようになっている。基体211のエアベアリング面211aに対する一側面(図2においては左側の側面)には、薄膜磁気ヘッド100が設けられている。
【0029】図3は、薄膜磁気ヘッド100の構成を分解して表すものである。また、図4は、図3に示した矢印IV方向から見た平面構造を表し、図5は、図4に示したV−V線に沿った矢視方向の断面構造を表し、図6は、図4に示したVI−VI線に沿った矢視方向すなわち図5に示したVI−VI線に沿った矢視方向の断面構造を表し、図7は、図6に示した構造の一部を取り出して表すものである。この薄膜磁気ヘッド100は、磁気記録媒体300に記録された磁気情報を再生する再生ヘッド部101と、磁気記録媒体300のトラックラインに磁気情報を記録する記録ヘッド部102とが一体に構成されたものである。
【0030】図3および図5に示したように、再生ヘッド部101は、例えば、基体211の上に、絶縁層11,下部シールド層12,下部シールドギャップ層13,上部シールドギャップ層14および上部シールド層15がエアベアリング面211aの側においてこの順に積層された構造を有している。絶縁層11は、例えば、積層方向の厚さ(以下、単に厚さと記す)が2μm〜10μmであり、Al2 3(アルミナ)により構成されている。下部シールド層12は、例えば、厚さが1μm〜3μmであり、NiFe(ニッケル鉄合金:パーマロイ)などの磁性材料により構成されている。下部シールドギャップ層13および上部シールドギャップ層14は、例えば、厚さがそれぞれ10nm〜100nmであり、Al2 3またはAlN(チッ化アルミニウム)によりそれぞれ構成されている。上部シールド層15は、例えば、厚さが1μm〜4μmであり、NiFeなどの磁性材料により構成されている。なお、この上部シールド層15は、記録ヘッド部102の下部磁極としての機能も兼ね備えている。
【0031】また、下部シールドギャップ層13と上部シールドギャップ層14との間には、スピンバルブ膜である積層体20を含むMR素子110が埋設されている。この再生ヘッド部101は、磁気記録媒体300からの信号磁界に応じて積層体20における電気抵抗が変化することを利用して、磁気記録媒体300に記録された情報を読み出すようになっている。
【0032】この積層体20は、例えば、図6および図7に示したように、下部シールドギャップ層13の上に、下地層21,第1軟磁性層22,第2軟磁性層23,非磁性層24,強磁性層25,反強磁性層26および保護層27がこの順に積層された構造を有している。下地層21は、例えば、厚さが5nmであり、Taを含んでいる。
【0033】第1軟磁性層22は、例えば、厚さが1nm〜8nmであり、Ni,Co,Fe,Ta,Cr,Rh,MoおよびNbからなる群のうちの少なくともNiを含む磁性材料により構成されている。具体的には、[Nix Coy Fe100-(x+y)100-Z I Z により構成されることが好ましい。式中、MI はTa,Cr,Rh,MoおよびNbのうちの少なくとも1種を表し、x,y,zはそれぞれ原子%で75≦x≦90、0≦y≦15、0≦z≦15の範囲内である。
【0034】第2軟磁性層23は、例えば、厚さが0.5nm〜3nmであり、Ni,CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む磁性材料により構成されている。具体的には、(111)面が積層方向に配向しているCox Fey Ni100-(x+y) により構成されることが好ましい。式中、x,yはそれぞれ原子%で70≦x≦100、0≦y≦25の範囲内である。なお、これら第1軟磁性層22および第2軟磁性層23は共にフリー層とも言われる軟磁性層を構成しており、磁気記録媒体300からの信号磁界に応じて磁界の向きが変化するようになっている。軟磁性層の厚さ、すなわち第1軟磁性層22および第2軟磁性層23の厚さの合計は、例えば、3nm〜8nmとされている。
【0035】非磁性層24は、例えば、厚さが1.8nm〜3.0nmであり、Cu(銅),Au(金)およびAg(銀)からなる群のうち少なくとも1種を80重量%以上含む非磁性材料により構成されている。強磁性層25は、例えば、厚さが2nm〜4.5nmであり、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoを含む磁性材料により構成されている。この強磁性層25では、磁性材料の(111)面が積層方向に配向していることが好ましい。なお、この強磁性層25はピンド層とも言われ、強磁性層25と反強磁性層26との界面における交換結合により、磁化の向きが固定されている。ちなみに、本実施の形態ではy方向に固定されている。
【0036】反強磁性層26は、例えば、厚さが5〜30nmであり、Pt(白金),Ru(ルテニウム),Rh,Pd(パラジウム),Ni,Au,Ag,Cu,Ir(イリジウム),CrおよびFeからなる群のうちの少なくとも1種MIIと、マンガン(Mn)とを含む反強磁性材料により構成されている。このうちMnの含有量は45原子%以上95原子%以下、その他の元素MIIの含有量は5原子%以上65原子%以下であることが好ましい。この反強磁性材料には、熱処理しなくても反強磁性を示し、強磁性材料との間に交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。この反強磁性層26は、そのどちらにより構成されていてもよい。
【0037】なお、非熱処理系反強磁性材料にはγ相を有するMn合金などがあり、具体的には、RuRhMn(ルテニウムロジウムマンガン合金),FeMn(鉄マンガン合金)あるいはIrMn(イリジウムマンガン合金)などがある。熱処理系反強磁性材料には規則結晶構造を有するMn合金などがあり、具体的には、PtMn(白金マンガン合金),NiMn(ニッケルマンガン合金)およびPtRhMn(白金ロジウムマンガン合金)などがある。保護層27は、例えば、厚さが5nmであり、Taにより構成されている。
【0038】この積層体20では、また、第1軟磁性層22が積層方向において第1下層22aと第1上層22bとに分割されている。この第1下層22aと第1上層22bとの間、すなわち第1軟磁性層22の中には、磁性を有し且つ第1軟磁性層22よりも電気抵抗が大きい軟磁性層間層28が設けられている。この軟磁性層間層28は、検出電流が積層体20を流れる際に、電子eの少なくとも一部を反射して電子eの移動する経路を制限することにより、積層体20の抵抗変化率を大きくするためのものである。また本実施の形態では、このように第1軟磁性層22の中に軟磁性層間層28を設けることにより、保磁力を小さく保ちつつ、抵抗変化率を大きくすることができるようになっている。
【0039】この軟磁性層間層28は、例えば、第1軟磁性層22を構成する材料よりも電気抵抗が大きい材料で構成されることにより第1軟磁性層22よりも大きな電気抵抗を有するようになっている。この軟磁性層間層28は、例えば、酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。磁気的に安定であり、出力変動を少なくすることができるからである。またこの軟磁性層間層28は、例えば、第1軟磁性層22と構成元素の一部が共通していることが好ましい。具体的には、Ni,Co,Fe,Ta,Cr,Rh,MoおよびNbからなる群のうちの少なくともNiと、O(酸素)およびN(窒素)からなる群のうちの少なくとも1種とを含むことが好ましい。例えば、第1軟磁性層22の一部を酸化、窒化、あるいは酸化および窒化することにより形成するようにすれば、良好な軟磁性層間層28を容易に得ることができるからである。軟磁性層間層28の厚さTt1は、例えば、0.5nm以上1.0nm以下であることが好ましい。厚すぎると第1下層と第1上層との磁気的結合力が弱まり大きな抵抗変化率が得られないと共に、保磁力も大きくなってしまうからであり、薄すぎると電子の移動経路を十分に制限することができず、大きな抵抗変化率を得ることができないからである。
【0040】軟磁性層間層28の位置、例えば軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 は、軟磁性層の厚さをTn とすると、0.3Tn ≦D1 <Tn の範囲内であることが好ましい。なお、本実施の形態における軟磁性層の厚さTn は、第1上層22aの厚さTn1a と、第1上層22bの厚さTn1b と、第2軟磁性層23の厚さTn2とを加算した値である。本実施の形態における軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 は、第1上層22bの厚さTn1b と、第2軟磁性層23の厚さTn2とを加算した値である。また、軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 は、具体的な数値で表すと、1nm以上8nm以下の範囲内であることが好ましい。距離D1 がこれらの範囲よりも長い場合には、電子eの移動経路を制限する効果を十分に得ることができず、大きな抵抗変化率が得られないからであり、距離D1 がこれらの範囲よりも短い場合には、電子eが集中しすぎて逆に効率がおち、抵抗変化率が下がってしまうためである。
【0041】積層体20の両側、すなわち積層方向に対して垂直な方向の両側には、磁区制御膜30a,30bがそれぞれ設けられており、第1軟磁性層22および第2軟磁性層23の磁化の向きを揃え、単磁区化していわゆるバルクハウゼンノイズの発生を抑えるようになっている。この磁区制御膜30aは、磁区制御用強磁性膜31aと、磁区制御用反強磁性膜32aとを下部シールドギャップ層13の側から順に積層した構造とされている。磁区制御膜30bも磁区制御膜30aと同一の構成とされている。これら磁区制御用強磁性膜31a,31bの磁化の向きは、磁区制御用強磁性膜31a,31bと磁区制御用反強磁性膜32a,32bとのそれぞれの界面における交換結合によってそれぞれ固定されている。これにより、例えば図7に示したように、磁区制御用強磁性膜31a,31bの近傍では第1軟磁性層22および第2軟磁性層23に対するバイアス磁界Hbがx方向に発生している。
【0042】磁区制御用強磁性膜31a,31bは、例えば、それぞれ厚さが10nm〜50nmであり、第1軟磁性層22および第2軟磁性層23に対応してそれぞれ設けられている。また、磁区制御用強磁性膜31a,31bは、例えば、NiFe,NiFeとCoとの積層膜、Ni,FeおよびCoからなる磁性材料などによりそれぞれ構成されている。磁区制御用反強磁性膜32a,32bは、例えば、それぞれ厚さが5nm〜30nmであり、反強磁性材料により構成されている。この反強磁性材料は、非熱処理系反強磁性材料でも熱処理系反強磁性材料でも良いが、非熱処理系反強磁性材料が好ましい。
【0043】なお、磁区制御膜30a,30bとしては、TiW/CoPt(コバルト白金合金),TiW/CoCrPt(コバルトクロム白金合金)のような硬磁性材料(ハ─ドマグネット)を用いてもよい。
【0044】これら磁区制御膜30a,30bの上には、TaとAuとの積層膜、TiW(チタンタングステン合金)とTaとの積層膜、あるいはTiN(窒化チタン)とTaとの積層膜などよりなるリード層33a,33bがそれぞれ設けられており、磁区制御膜30a,30bを介して積層体20に電流を流すことができるようになっている。
【0045】記録ヘッド部102は、例えば、図3および図5に示したように、上部シールド層15の上に、Al2 3 などの絶縁膜よりなる厚さ0.1μm〜0.5μmの記録ギャップ層41を有している。この記録ギャップ層41は、後述する薄膜コイル43,45の中心部に対応する位置に開口部41aを有している。この記録ギャップ層41の上には、スロートハイトを決定する厚さ1.0μm〜5.0μmのフォトレジスト層42を介して、厚さ1μm〜3μmの薄膜コイル43およびこれを覆うフォトレジスト層44がそれぞれ形成されている。このフォトレジスト層44の上には、厚さ1μm〜3μmの薄膜コイル45およびこれを覆うフォトレジスト層46がそれぞれ形成されている。なお、本実施の形態では薄膜コイルが2層積層された例を示したが、薄膜コイルの積層数は1層または3層以上であってもよい。
【0046】記録ギャップ層41およびフォトレジスト層42,44,46の上には、例えば、NiFeまたはFeN(窒化鉄)などの高飽和磁束密度を有する磁性材料よりなる厚さ約3μmの上部磁極47が形成されている。この上部磁極47は、薄膜コイル43,45の中心部に対応して設けられた記録ギャップ層41の開口部41aを介して、上部シールド層15と接触しており、磁気的に連結している。この上部磁極47の上には、図3ないし図6では図示しないが、例えば、Al23 よりなる厚さ20μm〜30μmのオーバーコート層(図16におけるオーバーコート層48)が全体を覆うように形成されている。これにより、この記録ヘッド部102は、薄膜コイル43,45に流れる電流によって下部磁極である上部シールド層15と上部磁極47との間に磁束を生じ、記録ギャップ層41の近傍に生ずる磁束によって磁気記録媒体300を磁化し、情報を記録するようになっている。
【0047】<MR素子および薄膜磁気ヘッドの動作>次に、このように構成されたMR素子110および薄膜磁気ヘッド100による再生動作について、図6および図7を中心に参照して説明する。
【0048】この薄膜磁気ヘッド100では、再生ヘッド部101により磁気記録媒体300に記録された情報を読み出す。再生ヘッド部101では、積層体20の強磁性層25と反強磁性層26との界面での交換結合による交換結合磁界により、例えば、強磁性層25の磁化Mpの向きがy方向に固定されている。また、磁区制御膜30a,30bの発生するバイアス磁界Hbにより、第1軟磁性層22,第2軟磁性層23および軟磁性層間層28の磁化Mfはバイアス磁界Hbの方向(ここではx方向)に揃えられる。なお、バイアス磁界Hbと強磁性層25の磁化Mpの向きは互いにほぼ直交している。
【0049】情報を読み出す際には、積層体20に、リード層33a,33bを通じて定常電流である検出電流(センス電流)が例えばバイアス磁界Hbの方向に流される。その際、電子eの多くは、電気抵抗が低い第1軟磁性層22から強磁性層25の間において非磁性層24を中心として移動する。但し、ここでは、軟磁性層間層28の電気抵抗が第1軟磁性層22よりも大きくなっているので、第1上層22bから軟磁性層間層28に移動しようとする電子eの少なくとも一部は、軟磁性層間層28の表面で反射される。すなわち、電流は、主として第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24および強磁性層25において流れる。
【0050】その際、磁気記録媒体300からの信号磁界を受けると、第1軟磁性層22,第2軟磁性層23および軟磁性層間層28における磁化Mfの向きが変化する。なお、第1軟磁性層22は軟磁性層間層28によって第1下層22aと第1上層22bとに分かれているが、軟磁性層間層28は磁性を有しているので、第1下層22aおよび第1上層22bのそれぞれの磁化Mfの向きは一緒に一体的となって変化する。ちなみに、強磁性層25の磁化Mpの向きは、反強磁性層26により固定されているので、磁気記録媒体300からの信号磁界を受けても変化しない。
【0051】このように磁化Mfの向きが変化すると、積層体20を流れる電流は、第1軟磁性層22,第2軟磁性層23および軟磁性層間層28の磁化Mfの向きと強磁性層25の磁化Mpの向きとの相対角度に応じた抵抗を受ける。これは、非磁性層と磁性層との界面における電子の散乱の度合いが磁性層の磁化方向に依存するという「スピン依存散乱」と呼ばれる現象によるものである。この積層体20の抵抗の変化量は電圧の変化量として検出され、磁気記録媒体300に記録された情報が読みだされる。
【0052】図8は、本実施の形態における信号磁界と積層体20の抵抗との関係の一例を表すものである。積層体20の抵抗の最大値をRmaxとし、最小値をRminとすると、抵抗変化率は(Rmax−Rmin)/Rmin×100で表される。また、図中、符号Δで示すヒステリシスの幅は、第1軟磁性層22、第2軟磁性層23および軟磁性層間層28を一体の軟磁性層と見なした時の保磁力Hcの2倍に相当する。以下の説明において、「軟磁性層の保磁力Hc」とは、信号磁界と積層体20の抵抗との関係を表す曲線(いわゆるMR曲線)におけるヒステリシスの幅Δの1/2と定義する。
【0053】ここで、軟磁性層間層28が設けられていなければ、積層体20における主な電子eの通路は図7において矢印Bで示す範囲、つまり第1下層22a,第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24および強磁性層25である。これに対し、本実施の形態では、第1軟磁性層22の中に軟磁性層間層28が設けられているので、電子eの主な通路は図7において矢印Aで示す範囲、つまり第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24および強磁性層25に狭められる。以上より、電子が非磁性層界面に集中するため「スピン依存散乱」に寄与する電子数が増加し、抵抗変化率が大きくなる。
【0054】更に、軟磁性層間層28の持つ磁性により、第2軟磁性層23、第1上層22bおよび第1下層22aの磁化Mfの向きが一体的に変化するようにしたので、軟磁性層全体(第1軟磁性層22、第2軟磁性層23および軟磁性層間層28)の保磁力Hcが小さく抑えられる。このように保磁力Hcが小さく抑えられるため、特に高い繰り返し精度が得られる。
【0055】<MR素子および薄膜磁気ヘッドの製造方法>続いて、図9ないし図14を参照して、MR素子110および薄膜磁気ヘッド100の製造方法について説明する。なお、図9,図13および図14は、図4におけるV−V線に沿った断面構造を表している。また、図10ないし図12は、図4におけるVI−VI線に沿った断面構造を表している。
【0056】本実施の形態に係る製造方法では、まず、図9に示したように、例えば、Al2 3 ・TiCよりなる基体211の一側面上に、スパッタリング法により、Al2 3 よりなる絶縁層11を約2μm〜10μmの厚さで堆積させる。次に、この絶縁層11の上に、例えば、めっき法により、磁性材料よりなる下部シールド層12を1μm〜3μmの厚さで形成する。続いて、この下部シールド層12の上に、例えば、スパッタリング法により、Al2 3 またはAlNよりなる下部シールドギャップ層13を10nm〜100nmの厚さで堆積させる。そののち、この下部シールドギャップ層13の上に、積層体20を形成する。
【0057】ここで、積層体20の形成工程について詳説する。ここでは、まず、図10(A)に示したように、下部シールドギャップ層13の上に、例えば、スパッタリング法により、下地層21および第1下層22aを構成の欄で説明した材料を用いて順次成膜する。なお、この工程は、例えば図示しない真空チャンバの中で、到達圧力10-10 〜10-8Torr、成膜圧力10-5〜10-2Torr程度の真空のもとで行われる。
【0058】次いで、例えば、図示しない真空チャンバ内に酸素ガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも一方を導入し、真空度が0.0001Torr〜760Torr程度となるようにする。そののち、例えば、このままこの酸素および窒素のうちの少なくとも一方を含む雰囲気中に第1下層22aの表面を0.01分〜60分間さらす。これにより、例えば、図10(B)に示したように、第1下層22aの表面が酸化、窒化、または酸化および窒化され、良好な軟磁性層間層28が容易に成膜される。この軟磁性層間層28の形成に伴い、第1下層22aの厚さは最初に成膜した状態よりも薄くなる。なお、この酸化,窒化あるいは酸化窒化工程においては、真空チャンバ内の真空度を0.001Torr〜200Torrとすればより好ましく、第1下層22aの表面をさらす時間を0.1分〜30分間とすればより好ましい。膜厚の制御を容易にすることができ、良好な軟磁性層間層28を容易に得ることができるからである。
【0059】軟磁性層間層28を形成したのち、図10(C)に示したように、例えば、図示しない真空チャンバ内を再び減圧して高真空にし、スパッタリング法により、軟磁性層間層28の上に第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24,強磁性層25,反強磁性層26および保護層27を構成の欄で説明した材料を用いて順次成膜する。その際、反強磁性層26を非熱処理系反強磁性材料により構成する場合には、例えば、y方向に磁場を印加した状態で反強磁性層26を形成する。これにより、強磁性層25の磁化の方向は、反強磁性層26との交換結合によって印加磁場の方向yに固定される。
【0060】そののち、図11(A)に示したように、例えば、保護層27の上に、積層体20の形成予定領域に対応してフォトレジスト膜401を選択的に形成する。なお、このフォトレジスト膜401は、後述するリフトオフを容易に行うことができるように、例えば、保護膜27との界面に溝を形成し、断面形状をT型とすることが好ましい。
【0061】フォトレジスト膜401を形成したのち、図11(B)に示したように、例えば、イオンミリング法により、フォトレジスト膜401をマスクとして保護層27,反強磁性層26,強磁性層25,非磁性層24,第2軟磁性層23,第1上層22b,軟磁性層間層28,第1下層22aおよび下地層21を順次エッチングし、選択的に除去する。これにより、下地層21から保護層27までの各層がそれぞれ成形され、積層体20が形成される。
【0062】積層体20を形成したのち、図12(A)に示したように、例えば、スパッタリング法により、積層体20の両側に、磁区制御用強磁性膜31a,31bおよび磁区制御用反強磁性膜32a,32bをそれぞれ順次形成する。その際、磁区制御用反強磁性膜32a,32bを非熱処理系反強磁性材料により構成する場合には、例えば、x方向に磁場を印加した状態で磁区制御用反強磁性膜32a,32bをそれぞれ形成する。これにより、磁区制御用強磁性膜31a,31bの磁化の方向は、磁区制御用反強磁性膜32a,32bとの交換結合によって印加磁場の方向xに固定される。
【0063】なお、磁区制御用強磁性膜31a,31bと磁区制御用反強磁性膜32a,32bを形成するのに代えて、TiW/CoPt,TiW/CoCrPtのような硬磁性材料(ハ─ドマグネット)を例えばスパッタにより形成しても良い。
【0064】磁区制御膜30a,30bをそれぞれ形成したのち、同じく図12(A)に示したように、例えば、スパッタリング法により、磁区制御用反強磁性膜32a,32bの上に、リード層33a,33bをそれぞれ形成する。そののち、例えば、リフトオフ処理によって、フォトレジスト膜401とその上に積層されている堆積物402(磁区制御用強磁性膜、磁区制御用反強磁性膜およびリード層の各材料)を除去する。
【0065】リフトオフ処理を行ったのち、図12(B)および図13(A)に示したように、例えば、スパッタリング法により、下部シールドギャップ層13および積層体20を覆うように、AlN等の絶縁膜からなる上部シールドギャップ層14を10nm〜100nm程度の厚さで形成する。これにより、積層体20は下部シールドギャップ層13と上部シールドギャップ層14との間に埋設される。そののち、上部シールドギャップ層14の上に、例えば、スパッタリング法により、磁性材料よりなる上部シールド層15を約1μm〜4μmの厚さで形成する。
【0066】上部シールド層15を形成したのち、図13(B)に示したように、例えば、スパッタリング法により、上部シールド層15の上に、絶縁膜よりなる記録ギャップ層41を0.1μm〜0.5μmの厚さで形成し、この記録ギャップ層41の上に、フォトレジスト層42を約1.0μm〜2.0μmの膜厚で所定のパターンに形成する。フォトレジスト層42を形成したのち、このフォトレジスト層42の上に、薄膜コイル43を1μm〜3μmの膜厚で形成し、この薄膜コイル43を覆うようにフォトレジスト層44を所定のパターンに形成する。フォトレジスト層44を形成したのち、このフォトレジスト層44の上に、薄膜コイル45を1μm〜3μmの膜厚で形成し、この薄膜コイル45を覆うようにフォトレジスト層46を所定のパターンに形成する。
【0067】フォトレジスト層46を形成したのち、図14(A)に示したように、例えば、薄膜コイル43,45の中心部に対応する位置において、記録ギャップ層41を部分的にエッチングし、磁路形成のための開口部41aを形成する。そののち、例えば、記録ギャップ層41、開口部41a、フォトレジスト層42,44,46を覆うように高飽和磁束密度を有する磁性材料よりなる上部磁極47を約3μmの厚さで形成する。上部磁極47を形成したのち、例えば、この上部磁極47をマスクとして、イオンミリングにより、記録ギャップ層41および上部シールド層15を選択的にエッチングする。そののち、図14(B)に示したように、上部磁極47の上に、アルミナよりなるオーバーコート層48を20μm〜30μmの膜厚で形成する。
【0068】オーバーコート層48を形成したのち、例えば、積層体20の強磁性層25および磁区制御用強磁性膜31a,31bを熱処理系反強磁性材料によりそれぞれ構成する場合には、それらの磁界の方向を固定するための反強磁性化処理を行う。具体的には、反強磁性層26と強磁性層25とのブロッキング温度(界面で交換結合が生じうる温度)が磁区制御用反強磁性膜32a,32bと磁区制御用強磁性膜31a,31bとのブロッキング温度よりも高い場合には、磁界発生装置等を利用して例えばy方向に磁場を印加した状態で、薄膜磁気ヘッド100を反強磁性層26と強磁性層25とのブロッキング温度まで加熱する。これにより、強磁性層25の磁化の方向は、反強磁性層26との交換結合によって印加磁場の方向yに固定される。続いて、薄膜磁気ヘッド100を磁区制御用反強磁性膜32a,32bと磁区制御用強磁性膜31a,31bとのブロッキング温度まで冷却し、例えばx方向に磁場を印加する。これにより、磁区制御用強磁性膜31a,31bの磁化の方向は、磁区制御用反強磁性膜32a,32bとの交換結合によって印加磁場の方向xにそれぞれ固定される。
【0069】なお、反強磁性層26と強磁性層25とのブロッキング温度が磁区制御用反強磁性膜32a,32bと磁区制御用強磁性膜31a,31bとのブロッキング温度よりも低い場合には、上の作業順序は逆になる。また、反強磁性層26または磁区制御用反強磁性膜32a,32bを非熱処理系反強磁性材料により構成する場合には、この熱処理を行う必要がない。更に、ここではオーバーコート層48を形成したのちに反強磁性化のための熱処理を行うようにしたが、強磁性層25および反強磁性層26を成膜したのちオーバーコート層48を形成する前に行うようにしてもよく、また磁区制御膜30a,30bを成膜したのちオーバーコート層48を形成する前に行うようにしてもよい。ちなみに、反強磁性層26と磁区制御用反強磁性層32a,32bとの反強磁性材料の組み合わせは、熱処理系と非熱処理系との組み合わせのうちのいずれでもよい。
【0070】最後に、例えば、スライダの機械加工により、エアベアリング面を形成し、図3ないし図7に示した薄膜磁気ヘッド100が完成する。
【0071】<第1の実施の形態による効果>このように本実施の形態によれば、軟磁性層の中に磁性を有し且つ軟磁性層よりも電気抵抗が大きい軟磁性層間層28を設けるようにしたので、電子eの通路が狭くなり、積層体20の抵抗変化率を大きくすることができ、小さな信号磁界であっても検出することができる。また、第2軟磁性層23、第1上層22bおよび第1下層22aの磁化Mfの向きを一体的に変化させることができ、保磁力Hcを小さく抑えることができる。よって、出力変動が小さく高い繰り返し精度を得ることができる。以上のことから、例えば20Gbit/inch2 を越える高密度磁気記録への対応が可能となる。また、熱安定性も高く、製造工程中に熱処理工程が含まれていても特性の劣化が少なく、大きな抵抗変化率を得ることができる。
【0072】特に、本実施の形態では第1軟磁性層22の中に軟磁性層間層28を設けるようにしたので、保磁力Hcをより小さくすることができる。
【0073】また、軟磁性層の厚さTn に対する非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離D1 の比D1 /Tn を0.3以上1未満となるようにすれば、また、非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離D1 を1nm以上8nm未満とするようにすれば、電子の移動範囲を狭くし過ぎることなく効果的に制限することができ、より大きな抵抗変化率を得ることができる。
【0074】更に、軟磁性層間層28が酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、磁気的に安定させることができ、出力変動を少なくすることができる。よって、安定した特性を得ることができる。
【0075】加えて、軟磁性層間層28の厚さを0.5nm以上1.0nm以下とするようにすれば、電子の移動経路を効果的に制限することができ、より大きな抵抗変化率を得ることができると共に、保磁力Hcをより小さくすることができる。
【0076】更にまた、軟磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより軟磁性層間層28を形成するようにすれば、良好な軟磁性層間層28を容易に得ることができる。すなわち、本実施の形態に係るMR素子および薄膜磁気ヘッドを容易に製造することができる。
【0077】[第1の実施の形態の変形例]また、図15および図16を参照して、第1の実施の形態に関する変形例について説明する。
【0078】図15は、変形例における積層体20の構成を表すものである。第1の実施の形態では、積層体20の軟磁性層間層28を第1軟磁性層22の中に設ける場合について説明したが、この変形例のように、第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間に軟磁性層間層28を設けるようにしてもよい。この場合、軟磁性層間層28は、例えば、第1軟磁性層22を構成する材料および第2軟磁性層23を構成する材料よりも電気抵抗が大きい材料で構成されることにより、第1軟磁性層22および第2軟磁性層23よりも大きな電気抵抗を有するように構成されている。この変形例における軟磁性層の厚さTn は、第1軟磁性層22の厚さTn1と、第2軟磁性層23の厚さTn2とを加算した値であり、非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離D1 は、第2軟磁性層23の厚さTn2と同じである。
【0079】また、この軟磁性層間層28は、例えば、第1の実施の形態と同様に、第1軟磁性層22と構成元素の一部が共通していてもよいが、第2の軟磁性層23と構成元素の一部が共通していてもよい。すなわち、Ni,Co,Fe,Ta,Cr,Rh,MoおよびNbからなる群のうちの少なくともNiと、OおよびNからなる群のうちの少なくとも1種とを含むように構成されてもよいが、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoと、OおよびNからなる群のうちの少なくとも1種とを含むように構成されていてもよい。第2軟磁性層23の一部を例えば酸化、窒化あるいは酸化および窒化するようにしても良好な軟磁性層間層28を容易に得ることができるからである。
【0080】なお、この変形例によれば、第1の実施の形態に比べて保磁力は若干大きくなるものの、抵抗変化率をより大きくすることができる。
【0081】図16は、他の変形例における積層体20の構成を表すものである。この変形例のように、第2軟磁性層23の中に軟磁性層間層28を設けるようにしてもよい。すなわち、第2軟磁性層23を積層方向において第2下層23aと第2上層23bとに分割し、これら第2下層23aと第2上層23bとの間に軟磁性層間層28を設けるようにしてもよい。この場合、軟磁性層間層28は、例えば、第2軟磁性層23を構成する材料よりも電気抵抗が大きい材料で構成されることにより、第2軟磁性層23よりも大きな電気抵抗を有するように構成されている。この変形例における軟磁性層の厚さTn は、第1軟磁性層22の厚さTn1と、第2下層23aの厚さTn2a と、第2上層23bの厚さTn2b とを加算した値であり、非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離D1 は、第2上層23bの厚さTn2b と同じである。また、この軟磁性層間層28は、例えば、第2軟磁性層23と構成元素の一部が共通していることが好ましく、すなわち、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoと、OおよびNからなる群のうちの少なくとも1種とを含むように構成されることが好ましい。第2軟磁性層23の一部を例えば酸化、窒化あるいは酸化および窒化することにより良好な軟磁性層間層28を容易に得ることができるからである。
【0082】なお、この変形例によれば、第1の実施の形態および先の変形例に比べて保磁力は大きくなるものの、抵抗変化率を更に大きくすることができる。
【0083】[第2の実施の形態]更に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は、積層体50の構成が異なることを除き、第1の実施の形態と同一の構成を有している。よって、ここでは、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0084】図17は、本実施の形態における積層体50の構成を表すものである。この積層体50は、第1の実施の形態における軟磁性層間層28に代えて、強磁性層55の中に強磁性層間層59を備えると共に、第1軟磁性層22が分割されていないことを除き、第1の実施の形態における積層体20と同一の構成を有している。強磁性層55は、積層方向において強磁性下層55aと強磁性上層55bとに分割されており、この強磁性下層55aと強磁性上層55bとの間に強磁性層間層59が設けられている。なお、強磁性層55は強磁性層間層59によって分割されているが、強磁性層間層59は後述するように磁性を有しているので、強磁性下層55aおよび強磁性上層55bのそれぞれの磁化Mpの向きは反強磁性層26により第1の実施の形態と同一方向にそれぞれ固定されている。なお、強磁性層間層59の磁化の向きも、反強磁性層26により強磁性層55の磁化Mpの向きと同一方向に固定されている。
【0085】強磁性層間層59は、第1の実施の形態における軟磁性層間層28と同様に、検出電流が積層体50を流れる際に、電子eの少なくとも一部を反射して電子eの移動する経路を制限することにより、積層体50の抵抗変化率を大きくするためのものである。この強磁性層間層59は、磁性を有し且つ強磁性層55よりも大きな電気抵抗を有するように構成されており、例えば、第1の実施の形態における軟磁性層間層28と同様に、強磁性層55を構成する材料よりも電気抵抗が大きな材料により構成されている。例えば、この強磁性層間層59は、酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むことが好ましく、また、強磁性層55と構成元素の一部が共通していることが好ましい。具体的には、CoおよびFeからなる群のうちの少なくともCoと、OおよびNからなる群のうちの少なくとも1種とを含むことが好ましい。強磁性層55の一部を例えば酸化、窒化あるいは酸化窒化することにより、良好な強磁性層間層59を容易に得ることができるからである。
【0086】強磁性層間層59の厚さTt2は、例えば、第1の実施の形態における軟磁性層間層28と同様に、0.5nm以上1.0nm以下であることが好ましい。厚すぎると強磁性層55と反強磁性層26との間の交換結合磁界について十分な値を得ることができず、薄すぎると電子の移動経路を十分に制限することができず、大きな抵抗変化率を得ることができないからである。強磁性層間層59の位置、例えば強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 は、強磁性層55の厚さをTk とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の範囲内であることが好ましい。なお、本実施の形態における強磁性層55の厚さTk は、強磁性下層55aの厚さTkaと、強磁性上層55bの厚さTkbとを加算した値であり、強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 は、強磁性下層55aの厚さTkaと同じである。また、強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 は、具体的な数値で表すと、0.6nm以上3.6nm以下の範囲内であることが好ましい。これらの範囲内において電子eの移動範囲を狭くし過ぎることなく効果的に制限することができ、十分な大きさの交換結合磁界Hexを得ると同時に、大きな抵抗変化率を得ることができるからである。
【0087】この積層体50は、第1の実施の形態と同様にして製造することができる。その際、例えば、第1の実施の形態における軟磁性層間層28と同様にして強磁性層間層59を成膜する。すなわち、強磁性下層55aを成膜したのち、図示しない真空チャンバ内に酸素ガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも一方を導入して、酸素および窒素のうちの少なくとも一方を含む雰囲気中に強磁性下層55aの表面をさらし、強磁性下層55aの表面を酸化あるいは窒化あるいは酸化および窒化することにより強磁性層間層59を成膜する。
【0088】また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様にして、磁気記録媒体300に記録された情報を読み出す。但し、ここでは、強磁性層55の中に強磁性層55よりも大きな電気抵抗を有する強磁性層間層59が設けられているので、検出電流が積層体50を流れる際に、強磁性層55から強磁性層間層59に移動しようとする電子eの少なくとも一部は、強磁性層間層59の表面で反射される。これにより、電子eの通路が狭められ、第1の実施の形態と同様に、積層体50の抵抗変化率が大きくなる。
【0089】このように本実施の形態によれば、強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 と強磁性層55の厚さをTk との比D2 /Tk が0.2以上0.8以下の位置に強磁性層間層59を設けるようにしたので、または、強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 が0.6nm以上3.6nm以下の位置に強磁性層間層59を設けるようにしたので、積層体50の抵抗変化率を大きくすることができると共に、反強磁性層26と強磁性層55との間の交換結合磁界について十分な大きさを得ることができる。また、熱安定性も高く、製造工程中に熱処理工程が含まれていても大きな抵抗変化率を得ることができる。
【0090】また、強磁性層間層59が酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、第1の実施の形態と同様に、出力変動を少なくすることができ、安定した特性を得ることができる。
【0091】更に、強磁性層間層59の厚さを0.5nm以上1.0nm以下とするようにすれば、第1の実施の形態と同様に、より大きな抵抗変化率を得ることができると共に、反強磁性層26と強磁性層55との間の交換結合磁界について十分な大きさを得ることができる。
【0092】加えて、強磁性層55の一部を酸化、窒化、あるいは酸化および窒化することにより強磁性層間層59を形成するようにすれば、第1の実施の形態と同様に、良好な強磁性層間層59を容易に得ることができる。
【0093】[第3の実施の形態]加えて、本発明の第3の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は、積層体60の構成が異なることを除き、第1の実施の形態と同一の構成を有している。よって、ここでは、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0094】図18は、本実施の形態における積層体60の構成を表すものである。この積層体60は、強磁性層65の中に強磁性層間層69を更に備えていることを除き、第1の実施の形態における積層体20と同一の構成を有している。なお、これら強磁性層65および強磁性層間層69は、第2の実施の形態における強磁性層55および強磁性層間層59と同一の構成をそれぞれ有するものである。すなわち、本実施の形態では、検出電流が積層体60を流れる際に、電子eの経路が軟磁性層間層28と強磁性層間層69とによりそれぞれ狭められることにより、積層体60の抵抗変化率が大きくなるようになっている。
【0095】このように本実施の形態によれば、軟磁性層の中に軟磁性層間層28を設けると共に、強磁性層65の中に強磁性層間層69を設けるようにしたので、第1の実施の形態および第2の実施の形態よりも、更に大きな抵抗変化率を得ることができる。
【0096】
【実施例】また、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【0097】[実施例1〜10]実施例1〜10として、絶縁性基板の上に、図7に示したように、下地層21,第1下層22a,軟磁性層間層28,第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24,強磁性層25,反強磁性層26および保護層27を順次積層した積層体20をそれぞれ作製した。まず、絶縁性基板の上に、スパッタリング法により、Taを用いて厚さ5nmの下地層21をそれぞれ成膜し、その上に、NiFeを用いて実施例により厚さを変化させて第1下層22aをそれぞれ成膜した。なお、その際、後続の酸化処理により酸化される分を予め加味して第1下層22aを成膜し、後続の酸化処理後に第1下層22aの厚さTn1a が表1に示した値となるようにした。
【0098】
【表1】

【0099】次いで、第1下層22aの表面を酸化し、厚さTt1が0.6nmの軟磁性層間層28をそれぞれ形成した。続いて、軟磁性層間層28の上に、スパッタリング法により、NiFeを用いて表1に示したように厚さTn1b を変化させて第1上層22bをそれぞれ成膜した。そののち、第1上層22bの上に、スパッタリング法により、CoFeを用いて厚さTn2が1nmの第2軟磁性層23をそれぞれ成膜し、その上に、Cuを用いて厚さ2.2nmの非磁性層24をそれぞれ成膜し、その上に、CoFeを用いて厚さ2nmの強磁性層25をそれぞれ成膜し、その上に、表1に示したように材料を変化させて厚さ13nmの反強磁性層26をそれぞれ成膜し、その上に、Taを用いて厚さ5nmの保護層27をそれぞれ成膜した。なお、実施例1〜8においては、非熱処理系反強磁性材料を用いて反強磁性層26を形成するようにしたので、磁場を印加しながら反強磁性層26をそれぞれ成膜した。また、実施例9,10においては、熱処理系反強磁性材料を用いて反強磁性層26を形成するようにしたので、成膜ののち熱処理により反強磁性処理をそれぞれ行った。
【0100】作製した積層体20における軟磁性層の厚さTn 、軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 、および軟磁性層の厚さTn に対する軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 の比D1 /Tn は、それぞれ表1に示した通りである。ちなみに、実施例1〜4,7〜10は、第1軟磁性層22の厚さTn1を5nmとし、その中で軟磁性層間層28の位置を変えたものである。実施例5,6は、第1軟磁性層22の厚さTn1を3nmと薄くし、その中で軟磁性層間層28の位置を変えたものである。
【0101】このようにして作製した積層体20について250℃における熱処理をそれぞれ行った。そののち、積層体20に電流を流しつつ磁界を与えてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表2にそれぞれ示す。また、その磁化の相対性から軟磁性層間層28の厚さTt1を算出したところ、約0.6nmであることがそれぞれ確認された。更に、透過型電子顕微鏡(TEM;Transmission Electron Microscope)により軟磁性層間層28の厚さTt1を観察したところ、同様に約0.6nmであることがそれぞれ確認された。
【0102】
【表2】

【0103】本実施例に対する比較例1として、軟磁性層間層を形成せず、第1軟磁性層の厚さTn1を5nmとしたことを除き、実施例1〜4と同一の条件で積層体を作製した。また、比較例2として、下地層と第1軟磁性層との間に軟磁性層間層を形成し、第1軟磁性層の厚さTn1を5nmとしたことを除き、実施例1〜4と同一の条件で積層体を作製した。これらの比較例についても、本実施例と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果も表2にそれぞれ合わせて示す。
【0104】表2から分かるように、本実施例によれば積層体20の抵抗変化率はいずれも8%以上であり、比較例1の6.9%および比較例2の7.0%よりも大きな値を得ることができた。また、第1軟磁性層22および第2軟磁性層23の保磁力Hcはいずれも0.2(Oe)〜0.8(Oe)であり、スピンバルブ型のMR素子において許容限界とされる3(Oe)よりも十分に小さく抑えることができ、従来例である比較例1と同程度の値を得ることができた。更に、交換結合磁界Hexはいずれも530(Oe)以上であり、一般にスピンバルブ型のMR素子で最低限必要とされる200(Oe)よりも十分に大きな値が得られた。すなわち、第1軟磁性層22の中に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcを小さく抑えつつ抵抗変化率を大きくできることが分かった。
【0105】また、軟磁性層の厚さTn に対する軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 の比D1 /Tn が0.5〜0.8の範囲内において最も抵抗変化率が大きくなり、保磁力Hcも小さくなる傾向が見られた。更に、D1 /Tn があまり小さくなると抵抗変化率が若干小さくなり、保磁力Hcも若干大きくなる傾向も見られた。すなわち、D1 /Tn が0.3以上1未満の位置に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcをより小さく抑えつつ抵抗変化率をより大きくできることが分かった。
【0106】[実施例11〜14]実施例11〜14として、軟磁性層間層28の厚さTt1を表1に示したように変化させたことを除き、実施例10と同一の条件で積層体20をそれぞれ作製した。これらの積層体20についても、実施例10と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表2にそれぞれ示す。
【0107】表2から分かるように、軟磁性層間層28の厚さTt1を0.6nmとした実施例10において最も大きな抵抗変化率が得られ、厚さTt1が薄くなっても厚くなっても抵抗変化率が小さくなる傾向が見られた。また、軟磁性層間層28の厚さTt1が厚くなると保磁力Hcが大きくなる傾向が見られた。すなわち、軟磁性層間層28の厚さTt1を0.5nm以上1nm以下とすれば、保磁力Hcを小さく抑えつつ抵抗変化率をより大きくできることが分かった。
【0108】[実施例15〜24]実施例15〜24として、軟磁性層間層28を第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間に形成すると共に、第1軟磁性層22の厚さTn1、第2軟磁性層23の厚さTn2および反強磁性層26の材料を表3に示したようにそれぞれ変化させたことを除き、実施例1〜10と同一の条件で積層体20をそれぞれ作製した。作製した積層体20における軟磁性層の厚さTn 、軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 、および軟磁性層の厚さTn に対する軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 の比D1 /Tn は、それぞれ表3に示した通りである。
【0109】
【表3】

【0110】ちなみに、実施例15〜18,21〜24は、軟磁性層の厚さTn を6nmとし、第1軟磁性層22の厚さTn1および第2軟磁性層23の厚さTn2を変えて軟磁性層間層28の位置を変えたものである。実施例19,20は、軟磁性層の厚さTn を5nmと薄くし、第1軟磁性層22の厚さTn1および第2軟磁性層23の厚さTn2を変えて軟磁性層間層28の位置を変えたものである。これらの積層体20についても、実施例1〜10と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表4にそれぞれ示す。
【0111】
【表4】

【0112】本実施例に対する比較例3として、軟磁性層間層を形成せず、第1軟磁性層の厚さTn1および第2軟磁性層の厚さTn2をそれぞれ3nmとしたことを除き、実施例15〜18と同一の条件で積層体を作製した。この比較例についても、本実施例と同様にしてその特性を調べた。その結果も表4に合わせて示す。
【0113】表4から分かるように、本実施例によれば積層体20の抵抗変化率はいずれも8.4%以上であり、比較例3の6.5%よりも大きな値を得ることができた。また、第1軟磁性層22および第2軟磁性層23の保磁力Hcはいずれもスピンバルブ型のMR素子において許容限界とされる3(Oe)よりも小さく抑えることができた。更に、交換結合磁界Hexはいずれも510(Oe)以上であり、一般にスピンバルブ型のMR素子で最低限必要とされる200(Oe)よりも十分に大きな値が得られた。すなわち、第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcを小さく抑えつつ抵抗変化率を大きくできることが分かった。
【0114】また、本実施例と実施例1〜10とを比べると、本実施例の方が抵抗変化率を大きくできる傾向が見られた。但し、保磁力Hcは実施例1〜10に比べて大きくなってしまう傾向が見られた。すなわち、第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcは若干大きくなるものの抵抗変化率をより大きくすることができ、第1軟磁性層22の間に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcをより小さく抑えつつ抵抗変化率を大きくできることが分かった。
【0115】[実施例25〜28]実施例25〜28として、軟磁性層間層28の厚さTt1を表3に示したように変化させたことを除き、実施例24と同一の条件で積層体20をそれぞれ作製した。これらの積層体20についても、実施例24と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表4にそれぞれ示す。
【0116】表4から分かるように、軟磁性層間層28の厚さTt1を0.5nmとした実施例26において最も大きな抵抗変化率が得られ、厚さTt1が薄くなっても厚くなっても抵抗変化率が小さくなる傾向が見られた。また、軟磁性層間層28の厚さTt1が厚くなると保磁力Hcが大きくなる傾向が見られた。すなわち、軟磁性層間層28の厚さTt1を0.5nm以上1nm以下とすれば、保磁力Hcを小さく抑えつつ抵抗変化率をより大きくできることが分かった。
【0117】[実施例29〜31]実施例29として、第1下層22aの厚さTn1a を2nm、第1上層22bの厚さTn1b を1nmおよび第2軟磁性層23の厚さTn2を2nmとしたことを除き、実施例1〜10と同一の条件で積層体20を作製した。また、実施例30として、軟磁性層間層28を第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間に形成すると共に、第1軟磁性層22の厚さTn1を2nm、第2軟磁性層23の厚さTn2を3nmとしたことを除き、実施例1〜10と同一の条件で積層体20を作製した。更に、実施例31として、軟磁性層間層28を第2軟磁性層23の中に形成すると共に、第1軟磁性層22の厚さTn1を2nm、第2下層23aの厚さTn2a を1nm、第2上層23bの厚さTn2b を2nmとしたことを除き、実施例1〜10と同一の条件で積層体20を作製した。
【0118】すなわち、実施例29〜31は、軟磁性層間層28の位置を第1軟磁性層22の中、第1軟磁性層22と第2軟磁性層23との間、あるいは第2軟磁性層23の中と変えたものである。作製した積層体20における軟磁性層の厚さTn 、軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 、および軟磁性層の厚さTn に対する軟磁性層間層28と非磁性層24との間の距離D1 の比D1 /Tn は、それぞれ表5に示した通りである。これらの積層体20についても、実施例1〜10と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表6にそれぞれ示す。
【0119】
【表5】

【0120】
【表6】

【0121】本実施例に対する比較例4として、軟磁性層間層を形成せず、第1軟磁性層の厚さTn1を3nm、第2軟磁性層の厚さTn2を2nmとしたことを除き、実施例29〜31と同一の条件で積層体を作製した。この比較例についても、本実施例と同様にしてその特性を調べた。その結果も表6に合わせて示す。
【0122】表6から分かるように、本実施例によれば積層体20の抵抗変化率はいずれも比較例4よりも大きかった。また、実施例29よりも実施例30の方がより大きな抵抗変化率が得られ、実施例30よりも実施例31の方がより大きな抵抗変化率が得られた。但し、保磁力Hcは実施例31よりも実施例30の方がより小さく抑えることができ、実施例30よりも実施例29の方がより小さく抑えることができた。ちなみに、実施例31の保磁力Hcは8.4(Oe)と大きく、実施例30の保磁力Hcは2.2(Oe)と3(Oe)よりは小さいもののより好ましい値である1(Oe)よりは大きかった。すなわち、第1軟磁性層22の間に軟磁性層間層28を設けるようにすれば、保磁力Hcをより小さく抑えつつ抵抗変化率を大きくできることが分かった。
【0123】[実施例32〜41]実施例32〜41として、絶縁性基板の上に、図17に示したように、下地層21,第1軟磁性層22,第2軟磁性層23,非磁性層24,強磁性下層55a,強磁性層間層59,強磁性上層55b,反強磁性層26および保護層27を順次積層した積層体50をそれぞれ作製した。まず、絶縁性基板の上に、スパッタリング法により、Taを用いて厚さ5nmの下地層21をそれぞれ成膜し、その上に、NiFeを用いて厚さ3nmの第1軟磁性層22をそれぞれ成膜し、その上に、CoFeを用いて厚さ2nmの第2軟磁性層23をそれぞれ成膜し、その上に、Cuを用いて厚さ2.2nmの非磁性層24をそれぞれ成膜し、その上に、CoFeを用いて実施例により厚さを変化させて強磁性下層55aをそれぞれ成膜した。その際、後続の酸化処理により酸化される分を予め加味して成膜し、後続の酸化処理後に強磁性下層55aの厚さTkaが表7に示した値となるようにした。
【0124】
【表7】

【0125】次いで、強磁性下層55aの表面を酸化し、厚さTt2が0.6nmの強磁性層間層59をそれぞれ成膜した。続いて、強磁性層間層59の上に、スパッタリング法により、CoFeを用いて表7に示したように厚さTkbを変化させて強磁性上層55bをそれぞれ成膜し、その上に、表7に示したように材料を変化させて厚さ13nmの反強磁性層26をそれぞれ成膜し、その上に、Taを用いて厚さ5nmの保護層27をそれぞれ成膜した。なお、反強磁性層26を非熱処理系反強磁性材料を用いて形成する場合には、磁場を印加しながら成膜し、熱処理系反強磁性材料を用いて形成する場合には、成膜ののち熱処理により反強磁性処理をそれぞれ行った。
【0126】作製した積層体50における強磁性層55の厚さTk 、強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 、および強磁性層55の厚さTk に対する強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 の比D2 /Tk は、それぞれ表7に示した通りである。積層体50を作製したのち、250℃における熱処理をそれぞれ行い、積層体50に電流を流しつつ磁界を与えてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表8にそれぞれ示す。
【0127】
【表8】

【0128】本実施例に対する比較例5として、強磁性層間層を形成せず、強磁性層の厚さTk を3nmとしたことを除き、実施例32〜40と同一の条件で積層体を作製した。また、比較例6として、強磁性下層の厚さTkaを0.5nmとし、強磁性上層の厚さTkbを2.5nmとしたことを除き、実施例32〜41と同一の条件で積層体を作製した。これらの比較例についても、本実施例と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果も表8にそれぞれ合わせて示す。
【0129】表8から分かるように、本実施例によれば積層体50の抵抗変化率はいずれも9.2%以上であり、強磁性層間層を設けない比較例5の7.4%よりも大きな値を得ることができた。また、交換結合磁界Hexは実施例35を除き270(Oe)以上であり、一般にスピンバルブ型のMR素子で最低限必要とされる200(Oe)よりも十分に大きな値が得られた。更に、第1軟磁性層52および第2軟磁性層23の保磁力Hcは通常のスピンバルブ型のMR素子において許容限界とされる3(Oe)よりも十分に小さく抑えることができた。
【0130】これに対して、強磁性層間層を非磁性層に近づけて設けた比較例6では、強磁性層間層を設けない比較例5に比べて、抵抗変化率も交換結合磁界Hexも小さい値しか得られなかった。また、強磁性層間層を反強磁性層に近づけて設けた実施例35では、抵抗変化率については比較例5に比べて大きな値が得られたが、交換結合磁界Hexが100(Oe)と非常に小さく、スピンバルブ型のMR素子として十分な値は得られなかった。すなわち、強磁性層55の厚さTk に対する強磁性層間層59と非磁性層24との間の距離D2 の比D2 /Tk が0.2以上0.8以下の位置に強磁性層間層59を設けるようにすれば、抵抗変化率を大きくできると共に、交換結合磁界Hexについても十分な大きさを得ることができ好ましいことが分かった。
【0131】[実施例42〜45]実施例42〜45として、強磁性層間層59の厚さTt2を表7に示したように変化させたことを除き、実施例41と同一の条件で積層体50をそれぞれ作製した。これらの積層体50についても、実施例41と同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表8にそれぞれ示す。
【0132】表8から分かるように、強磁性層間層59の厚さTt2を0.6nmとした実施例41において最も大きな抵抗変化率が得られ、厚さTt2が薄くなっても厚くなっても抵抗変化率が小さくなる傾向が見られた。また、軟磁性層間層59の厚さTt2が厚くなると交換結合磁界Hexが小さくなる傾向が見られた。すなわち、強磁性層間層59の厚さTt2を0.5nm以上1nm以下とすれば、抵抗変化率を大きくすることができると共に、交換結合磁界Hexについても十分な値を得られることが分かった。
【0133】[実施例46〜54]実施例46,49,52として、絶縁性基板の上に、図18に示したように、下地層21,第1下層22a,軟磁性層間層28,第1上層22b,第2軟磁性層23,非磁性層24,強磁性下層65a,強磁性層間層69,強磁性上層65b,反強磁性層26および保護層27を順次積層した積層体60をそれぞれ作製した。まず、絶縁性基板の上に、スパッタリング法により、Taを用いて厚さ5nmの下地層21をそれぞれ成膜し、その上に、NiFeを用いて後続の酸化処理後の厚さTn1a が2nmとなるように第1下層22aをそれぞれ成膜した。
【0134】次いで、第1下層22aの表面を酸化し、厚さTt1が0.6nmの軟磁性層間層28をそれぞれ形成した。続いて、軟磁性層間層28の上に、スパッタリング法により、NiFeを用いて厚さTn1b が3nmの第1上層22bをそれぞれ成膜し、その上に、CoFeを用いて厚さTn2が1nmの第2軟磁性層23をそれぞれ成膜し、その上に、Cuを用いて厚さ2.2nmの非磁性層24をそれぞれ成膜し、その上に、CoFeを用いて後続の酸化処理後の厚さTkaが2nmとなるように強磁性下層65aをぞれぞれ成膜した。
【0135】そののち、強磁性下層65aの表面を酸化し、厚さTt2が0.6nmの強磁性層間層69をそれぞれ形成した。強磁性層間層69を形成したのち、その上に、スパッタリング法により、CoFeを用いて厚さTkbが1nmの強磁性上層65bをそれぞれ成膜し、その上に、表9に示したように材料を変化させて厚さ13nmの反強磁性層26をそれぞれ成膜し、その上に、Taを用いて厚さ5nmの保護層27をそれぞれ成膜した。なお、反強磁性層26を非熱処理系反強磁性材料を用いて形成する場合には、磁場を印加しながら成膜し、熱処理系反強磁性材料を用いて形成する場合には、成膜ののち熱処理により反強磁性処理をそれぞれ行った。
【0136】
【表9】

【0137】積層体60を作製したのち、250℃における5時間の熱処理をそれぞれ行い、積層体60に電流を流しつつ磁界を与えてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果を表9にそれぞれ示す。
【0138】また、実施例47,50,53として、強磁性層間層69を形成しないことを除き、実施例46,49,52と同一の条件で図7に示した積層体20をそれぞれ作製し、同様にしてその特性をそれぞれ調べた。更に、実施例48,51,54として、軟磁性層間層28を形成しないことを除き、実施例46,49,52と同一の条件で図17に示した積層体50をそれぞれ作製し、同様にしてその特性をそれぞれ調べた。それらの結果も表9にそれぞれ示す。
【0139】本実施例に対する比較例7として、軟磁性層間層および強磁性層間層を形成しないことを除き、実施例44〜54と同一の条件で積層体を作製した。この比較例についても、本実施例と同様にしてその特性を調べた。その結果も表9に合わせて示す。
【0140】表9から分かるように、本実施例によれば積層体20,50,60の抵抗変化率はいずれも比較例7よりも大きく、保磁力Hcおよび交換結合磁界Hexについても十分な値が得られた。また、軟磁性層間層28および強磁性層間層69の両方を形成した実施例46,49,52については、それらの一方のみを形成した場合に比べてより大きな抵抗変化率が得られた。すなわち、軟磁性層間層28および強磁性層間層69を共に設けるようにすれば、より大きな抵抗変化率を得ることができ、保磁力Hcおよび交換結合磁界Hexについてもそれぞれ十分な値を得られることが分かった。
【0141】また、実施例52,53,54の積層体20,50,60については、作製後の250℃における5時間の熱処理の後、更に250℃の熱処理を5時間,10時間,20時間,50時間とそれぞれ変化させて行い、抵抗変化率の劣化をそれぞれ調べた。それらの結果を表10にそれぞれ示す。また、比較例7についても同様にして熱安定性を調べた。その結果も表10に合わせて示す。
【0142】
【表10】

【0143】表10から分かるように、本実施例によれば50時間加熱しても抵抗変化率の劣化率は92%以上であり、従来例である比較例7と同等またはそれ以上の値が得られた。すなわち、軟磁性層間層28および強磁性層間層59の少なくとも一方を設けるようにすれば、熱安定性も高く、製造工程中に熱処理工程が含まれていても、大きな抵抗変化率を得られることが分かった。
【0144】なお、上記実施例では、軟磁性層間層28および強磁性層間層59,69が酸化物を含むようにそれぞれ構成した場合について説明したが、窒化物あるいは酸化窒化物を含むようにそれぞれ構成しても同様の結果を得ることができる。
【0145】また、上記実施例では、下地層21、第1軟磁性層22,52、第1下層22a、第1上層22b、第2軟磁性層23、非磁性層24、強磁性層25,55,65、強磁性下層55a,65a、強磁性上層55b,65b、反強磁性層26および保護層27の材料および厚さについて具体的な例を挙げて説明したが、上記実施の形態において説明した材料および厚さについても、上記実施例と同様の結果を得ることができる。
【0146】更に、上記実施例では、軟磁性層の厚さTn に対する非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離D1 との比D1 /Tn が0.3以上1未満の場合、または、強磁性層55の厚さTk に対する非磁性層24と強磁性層間層59との間の距離D2 との比D2 /Tk が0.2以上0.8以下の場合に優れた特性が得られることを具体的に説明したが、非磁性層24と軟磁性層間層28との間の距離が1nm以上8nm未満の場合、または、非磁性層24と強磁性層間層59との間の距離が0.6nm以上3.6nm以下の場合にも同様の結果を得ることができる。
【0147】以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、第1軟磁性層22,52、第2軟磁性層23、非磁性層24、強磁性層25,55,65および反強磁性層26を下から順に積層した場合について説明したが、逆に反強磁性層の方から順に積層するようにしてもよい。すなわち、本発明は、一対の対向する面を有する非磁性層と、この非磁性層の一方の面側に形成された軟磁性層と、非磁性層の他方の面側に形成された強磁性層と、この強磁性層の非磁性層とは反対の側に形成された反強磁性層とを有する場合において広く適用することができる。
【0148】また、上記実施の形態および実施例では、軟磁性層が第1軟磁性層と第2軟磁性層との2層構造を有する場合について説明したが、軟磁性層は単層構造とされていてもよく、また3層以上の積層構造であっても良い。また、上記の実施の形態では、磁区制御膜として、強磁性膜と反強磁性膜とを積層して用いているが、これらの代わりにハ─ドマグネットを用いても良い。
【0149】更に、上記実施の形態では、本発明の磁気変換素子を複合型薄膜磁気ヘッドに用いる場合について説明したが、再生専用の薄膜磁気ヘッドに用いることも可能である。また、記録ヘッド部と再生ヘッド部の積層順序を逆にしても良い。
【0150】加えて、本発明の磁気変換素子の構成は、トンネル接合型磁気抵抗効果膜(TMR膜)に適用しても良い。
【0151】更にまた、本発明の磁気変換素子は、上記実施の形態で説明した薄膜磁気ヘッドのほかに、例えば、磁気信号を検知するセンサ(加速度センサなど)や、磁気信号を記憶するメモリ等に適用することも可能である。
【0152】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、軟磁性層の中に磁性を有し且つ軟磁性層よりも電気抵抗が大きい軟磁性層間層を設けるようにしたので、電子の通路を狭くすることができる。よって、抵抗変化率を大きくすることができ、小さな信号磁界であっても検出することができる。また、軟磁性層の磁化の向きを一体的に変化させることができ、軟磁性層の保磁力を小さく抑えることができる。よって、出力変動が小さく高い繰り返し精度を得ることができる。以上のことから、例えば20Gbit/inch2 を越える高密度磁気記録への対応も可能となるという効果を奏する。また、熱安定性も高く、製造工程中に熱処理工程が含まれていても特性の劣化が少なく、大きな抵抗変化率を得ることができるという効果も奏する。
【0153】特に、請求項2ないし請求項17のいずれか1に記載のあるいは請求項3ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子、または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、軟磁性層の厚さをTn とし、非磁性層と軟磁性層間層との間の距離をD1 とすると、0.3Tn ≦D1 <Tn の関係が成立するようにしたので、また、非磁性層と軟磁性層間層との間の距離を1nm以上8nm未満とするようにしたので、電子の移動範囲を狭くし過ぎることなく効果的に制限することができ、より大きな抵抗変化率を得ることができるという効果を奏する。
【0154】また、請求項5ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、軟磁性層が第1軟磁性層と第2軟磁性層とを有する場合において、軟磁性層間層を第1軟磁性層の中に設けるようにしたので、保磁力をより小さくすることができるという効果を奏する。
【0155】更に、請求項6ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、軟磁性層間層が酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むようにしたので、また、請求項15ないし請求項17のいずれか1に記載のあるいは請求項21ないし請求項26のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、強磁性層間層が酸化物,窒化物および酸化窒化物のうちの少なくとも1種を含むようにしたので、磁気的に安定させることができ、出力変動を少なくすることができる。よって、安定した特性を得ることができるという効果を奏する。
【0156】加えて、請求項11ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、軟磁性層間層の厚さを0.5nm以上1.0nm以下とするようにしたので、また、請求項17記載あるいは請求項26記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、強磁性層間層の厚さを0.5nm以上1.0nm以下とするようにしたので、電子の移動経路を効果的に制限することができ、より大きな抵抗変化率を得ることができるという効果を奏する。
【0157】更にまた、請求項12ないし請求項17のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、更に、強磁性層の中に磁性を有し且つ強磁性層よりも電気抵抗が大きい強磁性層間層を設けるようにしたので、抵抗変化率をより大きくすることができるという効果を奏する。
【0158】加えてまた、請求項18ないし請求項26のいずれか1に記載の磁気変換素子または請求項27記載の薄膜磁気ヘッドによれば、強磁性層間層の厚さをTk とし、非磁性層と強磁性層間層との間の距離をD2 とすると、0.2Tk ≦D2 ≦0.8Tk の関係が成立するようにしたので、また、非磁性層と強磁性層間層との間の距離を0.6nm以上3.6nm以下とするようにしたので、抵抗変化率を大きくすることができると共に、反強磁性層と強磁性層との間の交換結合磁界を十分に大きくすることができるという効果を奏する。また、熱安定性も高く、製造工程中に熱処理工程が含まれていても特性の劣化が少なく、大きな抵抗変化率を得ることができるという効果も奏する。
【0159】更にまた、請求項28ないし請求項32のいずれか1に記載の磁気変換素子の製造方法または請求項33記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法によれば、本発明の磁気変換素子または本発明の薄膜磁気ヘッドを容易に製造することができる。特に、請求項29あるいは請求項32に記載の磁気変換素子の製造方法または請求項33記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法によれば、軟磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより軟磁性層間層を形成するようにしたので、また、強磁性層の一部を酸化、窒化、または酸化および窒化することにより強磁性層間層を形成するようにしたので、良好な軟磁性層間層あるいは強磁性層間層を容易に得ることができるという効果を奏する。




 

 


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