JP2006032522A - 交換結合膜と前記交換結合膜を用いた磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩｒＭｎからなる反強磁性層とＣｏＦｅからなる固定磁性層（強磁性層）が積層された交換結合膜の交換結合磁界を高くして、固定磁性層の磁化反転の発生頻度を低減することのできる交換結合膜と前記交換結合膜を用いた磁気検出素子を提供する。
【解決手段】第１の磁性層１３を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％を３０（ａｔ％）以上にする。これにより、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を上昇させることができる。また、Ｆｅの含有量が多すぎると逆に交換結合磁界が減少するのでＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％は９０（ａｔ％）以下に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反強磁性層および強磁性層とから成り、前記反強磁性層と強磁性層との界面にて発生する交換結合磁界（Ｈｅｘ）により、前記強磁性層の磁化方向が一定の方向にされる交換結合膜および前記交換結合膜を用いた磁気検出素子に係り、特に前記強磁性層がＣｏＦｅで形成され、前記反強磁性層がＩｒＭｎで形成されており、交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくすることが可能な交換結合膜及び前記交換結合膜を用いた磁気検出素子に関する。

図６は従来における磁気検出素子（スピンバルブ型薄膜素子）を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した部分断面図である。

図６に示す符号１４は、例えばＮｉＦｅＣｒで形成されたシード層であり、前記シード層１４の上に反強磁性層３０、固定磁性層３１、非磁性材料層３２、フリー磁性層３３および保護層７が順次積層されている。

この種のスピンバルブ型薄膜素子では、熱処理によって前記反強磁性層３０と固定磁性層３１との界面で交換結合磁界が発生し、前記固定磁性層３１の磁化はハイト方向（図示Ｙ方向）に固定される。

図６では、前記シード層１４から保護層７までの多層膜の両側にハードバイアス層５が形成され、前記ハードバイアス層５からの縦バイアス磁界により前記フリー磁性層３３の磁化は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

また図６に示すように前記ハードバイアス層５の上には重ねて電極層８が形成されている。前記電極層８からのセンス電流は主として固定磁性層３１、非磁性材料層３２、およびフリー磁性層３３の３層に流れる。

前記反強磁性層３０はＩｒＭｎによって形成され、前記固定磁性層３１はＣｏＦｅによって形成されている。
このような磁気検出素子は特許文献１ないし３に記載されている。
特開平９−２３７７１６号公報（第７頁、図１０） 特開平９−１４８１３２号公報（第８頁、図１０） 特開２００２−２０８１２０号公報（第１１頁）

特許文献１ないし３にはＩｒＭｎからなる反強磁性層とＣｏＦｅからなる固定磁性層（強磁性層）が積層された磁気検出素子が記載されているものの、ＣｏＦｅの組成比はＣｏ_９０Ｆｅ_１０のものが記載されているのみである。しかし、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０を用いて形成された固定磁性層はＰｔＭｎを用いて形成された反強磁性層と積層されたときには、充分強い交換結合磁界によってその磁化方向が固定されるものの、反強磁性層がＩｒＭｎで形成されたときには交換結合磁界が弱く、磁気検出素子の製造工程において固定磁性層の磁化方向の反転の発生率が高くなるという問題が生じていた。とくに、固定磁性層の上に反強磁性層を積層するトップスピンバルブ型ＧＭＲ素子においてこのことが問題になっていた。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、ＩｒＭｎからなる反強磁性層とＣｏＦｅからなる固定磁性層（強磁性層）が積層された交換結合膜の交換結合磁界を高くして、固定磁性層の磁化反転の発生頻度を低減することのできる交換結合膜と前記交換結合膜を用いた磁気検出素子を提供することを目的としている。

本発明は、強磁性層の上に反強磁性層が積層形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面で交換結合磁界が発生することで、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記反強磁性層はＩｒＭｎによって形成され、前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）であることを特徴とするものである。

本発明は、ＩｒＭｎからなる前記反強磁性層の下に強磁性層が設けられた交換結合膜において、前記強磁性層をＣｏＦｅを用いて形成するときには、ＣｏＦｅの組成比を従来とは異なった範囲に設定する必要があることを見いだしたことに基づいている。

すなわち、本発明のように、前記反強磁性層の下に強磁性層が設けられた交換結合膜の場合には、前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）にすることによって、初めて前記反強磁性層と前記強磁性層間の交換結合磁界を上昇させることができる。

本発明では、前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３５ａｔ％≦ｘ≦８０ａｔ％である）であることが好ましい。この組成範囲のＣｏＦｅ合金からなる固定磁性層を用いて本発明の交換結合膜を形成すると、交換結合磁界を６４（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。前記反強磁性層と前記固定磁性層間の交換結合磁界が６４（ｋＡ／ｍ）以上であると固定磁性層の磁化反転率を５％以下にすることが可能である。

さらに、本発明では、前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で４０ａｔ％≦ｘ≦６０ａｔ％である）であることがより好ましい。この組成範囲のＣｏＦｅ合金を用いて本発明の固定磁性層を形成すると、交換結合磁界を８０（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。

また、前記反強磁性層の膜厚は３０Å以上８０Å以下であるときに本発明は特に有効である。

また、本発明は、下から順にフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層、及び反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
前記固定磁性層及び前記反強磁性層が前述した本発明の交換結合膜を用いて形成されていることを特徴とするいわゆるトップスピンバルブＧＭＲ型の磁気検出素子である。

または、本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の非磁性材料層の下に位置する固定磁性層と、一方の前記固定磁性層の上および他方の固定磁性層の下に位置する反強磁性層とを有し、
前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
前記フリー磁性層より上側の前記反強磁性層及び固定磁性層が前述した本発明の交換結合膜を用いて形成されていることを特徴とするいわゆるデュアルスピンバルブＧＭＲ型磁気検出素子である。

デュアルスピンバルブＧＭＲ型磁気検出素子において、前記フリー磁性層より下側の前記反強磁性層をＩｒＭｎを用いて形成するときには、前記フリー磁性層より下側の前記固定磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）にすることにより、前記フリー磁性層より下側の前記反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界を大きくすることができる。とくに、前記フリー磁性層より下側の前記固定磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦３０ａｔ％である）にすることがより好ましい。

このように、前記フリー磁性層より上側と下側とで前記固定磁性層を形成するＣｏＦｅの組成比を異ならせることにより、前記フリー磁性層より上側の交換結合膜と下側の交換結合膜の交換結合磁界をそれぞれ最も大きくなるように調節することが可能になる。

本発明では、前記固定磁性層を第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在した積層フェリ構造として、前記フリー磁性層より上側の前記反強磁性層とこの反強磁性層に接する前記第１の磁性層を前記交換結合膜により形成することが好ましい。

また、前記フリー磁性層を第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在した積層フェリ構造にすることもできる。

本発明では、前記反強磁性層の下に強磁性層が設けられた交換結合膜の場合に、前記強磁性層をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）によって形成することによって、前記反強磁性層と前記強磁性層間の交換結合磁界を上昇させることができる。

特に、前記強磁性層がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３５ａｔ％≦ｘ≦８０ａｔ％である）によって形成されていると、交換結合磁界を６４（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。前記反強磁性層と前記強磁性層間の交換結合磁界が６４（ｋＡ／ｍ）以上であるとこの交換結合膜を用いて形成した磁気検出素子の固定磁性層の磁化反転による不良品率を５％以下にすることが可能である。

図１は本発明の第１実施形態の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の全体構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。

このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。

図１の最も下に形成されているのはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層６である。下地層６は例えば５０Å程度の膜厚で形成される。

下地層６の上に形成されたフリー磁性層１は、ＮｉＦｅ合金膜９とＣｏＦｅ膜１０の２層で形成される。図１に示すようにＣｏＦｅ膜１０を非磁性材料層２と接する側に形成することにより、非磁性材料層２との界面での金属元素等の拡散を防止し、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができる。

なおＮｉＦｅ合金膜９は、例えばＮｉを８０（ａｔ％）、Ｆｅを２０（ａｔ％）として形成する。またＣｏＦｅ膜１０は、例えばＣｏを９０（ａｔ％）、Ｆｅを１０（ａｔ％）として形成する。またＮｉＦｅ合金膜９の膜厚を例えば４５Å程度、ＣｏＦｅ膜を５Å程度で形成する。またＮｉＦｅ合金膜９、ＣｏＦｅ膜１０に代えて、Ｃｏ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などを用いてもよい。またフリー磁性層１を磁性材料の単層構造で形成してもよく、かかる場合、フリー磁性層１をＣｏＦｅＮｉ合金で形成することが好ましい。またフリー磁性層１は、磁性層間に非磁性中間層が介在した積層フェリ構造であってもよい。

なお、下地層６とフリー磁性層１の間にシード層を形成してもよい。シード層はＮｉＦｅＣｒ合金、ＮｉＣｒ合金やＣｒなどで形成される。シード層を形成することで、シード層上に形成される各層の膜面と平行な方向における結晶粒径を大きくでき、耐エレクトロマイグレーションの向上に代表される通電信頼性の向上や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上などをより適切に図ることができる。

フリー磁性層１の上には非磁性材料層２が形成されている。非磁性材料層２は、例えばＣｕで形成されている。なお本発明における磁気検出素子が、トンネル効果の原理を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の場合、非磁性材料層２は、例えばＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁材料で形成される。

非磁性材料層２の上には固定磁性層３が形成されている。固定磁性層３は非磁性材料層２との界面と接する第２の磁性層１１、非磁性中間層１２、及び第１の磁性層１３からなる３層構造を有している。
なお前記固定磁性層３の材質や膜構成などについては後で詳しく説明する。

反強磁性層４は、ＩｒＭｎ合金によって形成されている。
ＩｒＭｎ合金は、ブロッキング温度が比較的高くかつブロッキング温度の低温成分が少なく、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。また、反強磁性層の膜厚が３０Å以上８０Å以下と薄いときには、ＩｒＭｎ合金によって形成された反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界の方が、ＰｔＭｎ合金によって形成された反強磁性層と強磁性層間の交換結合磁界よりも大きくなる。

また本発明では、反強磁性層４のＩｒのａｔ％を１５（ａｔ％）以上で３０（ａｔ％）以下に設定することが好ましい。

反強磁性層４の上には、保護層７が形成されている。前記保護層７は、Ｔａなどから成りその表面が酸化された酸化層が形成されていてもよい。

図１に示す実施形態では、下地層６から保護層７までの積層膜の両側にはハードバイアス層５及び電極層８が形成されている。ハードバイアス層５からの縦バイアス磁界によってフリー磁性層１の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。

ハードバイアス層５，５は、例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成されており、電極層８，８は、α−Ｔａ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。なお上記したトンネル型磁気抵抗効果素子やＣＰＰ型磁気検出素子の場合、電極層８，８は、フリー磁性層１の下側と、反強磁性層４の上側にそれぞれ形成されることになる。

図１に示された磁気検出素子はフリー磁性層１が、反強磁性層４の下側に形成されているトップスピンバルブＧＭＲ型の磁気検出素子である。

本発明は、上記したように、固定磁性層３が積層フェリ構造で形成されている。反強磁性層４と第１の磁性層（強磁性層）１３が本発明の交換結合膜である。

ここで反強磁性層４との界面と接する第１の磁性層１３は、膜組成に以下の特徴を有している。

第１の磁性層（強磁性層）１３がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）によって形成されている。

反強磁性層４を第１の磁性層１３の上に形成するときには、第１の磁性層１３を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％を３０（ａｔ％）以上にすることによって初めて、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を上昇させることができる。また、Ｆｅの含有量が多すぎると逆に交換結合磁界が減少するのでＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％は９０（ａｔ％）以下に設定する。

さらに、第１の磁性層１３がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３５ａｔ％≦ｘ≦８０ａｔ％である）によって形成されていると、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を６４（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界が６４（ｋＡ／ｍ）以上であると固定磁性層３の磁化反転による磁気検出素子の不良品率を５％以下にすることが可能である。

さらに、第１の磁性層１３がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で４０ａｔ％≦ｘ≦６０ａｔ％である）によって形成されていると、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を８０（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。

なお、本発明では第１の磁性層１３の少なくとも反強磁性層４と接している界面部分が上述した組成範囲にあればよい。

次に第２の磁性層１１は、ＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。これによって、第１の磁性層１３との間で発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、前記第２の磁性層１１の磁化を適切にピン止めすることが可能になる。

なお、本発明では前記第２の磁性層１１がＣｏＦｅ合金で形成されることに限定するものではなく、ＣｏＦｅＮｉ合金、ＣｏあるいはＮｉＦｅ合金などの磁性材料を使用することができる。

本発明における固定磁性層３は積層フェリ構造であるため、適切に積層フェリ状態を得るには、前記第１の磁性層１３の単位面積当たりの磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）と、第２の磁性層１１の単位面積当たりの磁気モーメントとを異ならせることが好ましい。

これによって前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間で発生するＲＫＫＹ相互作用による結合磁界によって、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１との磁化を適切に反平行状態にすることができる。

次に、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間に介在する非磁性中間層１２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種または２種以上の合金で形成されることが好ましい。このうち本発明では、前記非磁性中間層１２がＲｕで形成されることがより好ましい。これよって第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間に発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１との磁化を適切に反平行状態にすることができる。

上記の膜構成によって、固定磁性層３における一方向性交換バイアス磁界（Ｈｅｘ*）を大きくすることができ、前記固定磁性層３のピン止めを適切に行うことができ、製造工程に於ける固定磁性層３の磁化方向の変化を抑制することができる。従って、耐ＥＳＤ及び耐エレクトロマイグレーションに代表される通電信頼性を向上させることを適切に向上させることができる。

しかも本発明では、反強磁性層４をＩｒＭｎ合金で形成することにより、反強磁性層４の膜厚が３０Å以上８０Åのように薄くても、反強磁性層４と固定磁性層３の第１の磁性層１３との間に実用的な大きさの交換結合磁界を発生させることができる。従って、電極層８からのセンス電流が反強磁性層４に分流する量を減らすことができ、いわゆるシャントロスを低減させることができ、したがって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることが可能になっている。

図４は本発明における他の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型薄膜素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

図４に示すように、下から下地層６、シード層２２、反強磁性層４、固定磁性層２３、非磁性材料層２、およびフリー磁性層２１が連続して積層されている。さらにフリー磁性層２１の上には、非磁性材料層２、固定磁性層３、反強磁性層４、および保護層７が連続して積層されている。

また、下地層６から保護層７までの多層膜の両側にはハードバイアス層５，５、電極層８，８が積層されている。 本実施の形態では、下地層６の上にシード層２２が形成されている。シード層２２を形成することで、シード層２２上に形成される各層の膜面と平行な方向における結晶粒径を大きくでき、耐エレクトロマイグレーションの向上に代表される通電信頼性の向上や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上などをより適切に図ることができる。

シード層２２はＮｉＦｅＣｒ合金、ＮｉＣｒ合金やＣｒなどで形成される。シード層２２がＮｉＦｅＣｒで形成される場合、例えばその組成比は、（Ｎｉ_０．８Ｆｅ_０．２）_{６０ａｔ％}Ｃｒ_{４０ａｔ％}である。

フリー磁性層２１は３層膜で形成され、例えばＣｏＦｅ膜１０，１０とＮｉＦｅ合金膜９で構成される。

固定磁性層２３は下から第１の磁性層３３、非磁性中間層３２、第２の磁性層３１が積層されている積層フェリ構造である。

下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性材料層２、及び保護層７は図１に示された磁気検出素子の同じ符号をつけられた層と同じ材料、同じ膜厚で形成されている。

すなわち、フリー磁性層２１の上側では、反強磁性層４はＩｒＭｎで形成され、固定磁性層３の第１の磁性層１３の上に反強磁性層４が積層されているが、このときは第１の磁性層１３を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％を３０（ａｔ％）以上にすることによって、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を上昇させることができる。また、Ｆｅの含有量が多すぎると逆に交換結合磁界が減少するのでＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％は９０（ａｔ％）以下に設定する。

さらに、第１の磁性層１３がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３５ａｔ％≦ｘ≦８０ａｔ％である）によって形成されていると、反強磁性層４を第１の磁性層１３間の交換結合磁界を６４（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界が６４（ｋＡ／ｍ）以上であると固定磁性層１３の磁化反転による磁気検出素子の不良品率を５％以下にすることが可能である。

さらに、第１の磁性層１３がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で４０ａｔ％≦ｘ≦６０ａｔ％である）によって形成されていると、反強磁性層４と第１の磁性層１３間の交換結合磁界を８０（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。

なお、本発明では第１の磁性層１３の少なくとも反強磁性層４と接している界面部分が上述した組成範囲にあればよい。

次に第２の磁性層１１は、ＣｏＦｅ合金、例えばＣｏ_９０Ｆｅ_１０で形成されることが好ましい。これによって、第１の磁性層１３との間で発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、前記第２の磁性層１１の磁化を適切にピン止めすることが可能になる。

なお、本発明では前記第２の磁性層１１がＣｏＦｅ合金で形成されることに限定するものではなく、ＣｏＦｅＮｉ合金、ＣｏあるいはＮｉＦｅ合金などの磁性材料を使用することができる。

本発明における固定磁性層３は積層フェリ構造であるため、適切に積層フェリ状態を得るには、前記第１の磁性層１３の単位面積当たりの磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）と、第２の磁性層１１の単位面積当たりの磁気モーメントとを異ならせることが好ましい。

これによって前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間で発生するＲＫＫＹ相互作用による結合磁界によって、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１との磁化を適切に反平行状態にすることができる。

次に、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間に介在する非磁性中間層１２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種または２種以上の合金で形成されることが好ましい。このうち本発明では、前記非磁性中間層１２がＲｕで形成されることがより好ましい。これよって第１の磁性層１３と第２の磁性層１１間に発生するＲＫＫＹ相互作用における結合磁界を大きくでき、前記第１の磁性層１３と第２の磁性層１１との磁化を適切に反平行状態にすることができる。

上記の膜構成によって、固定磁性層３における一方向性交換バイアス磁界（Ｈｅｘ*）を大きくすることができ、前記固定磁性層３のピン止めを適切に行うことができ、製造工程に於ける固定磁性層３の磁化方向の変化を抑制することができる。従って、耐ＥＳＤ及び耐エレクトロマイグレーションに代表される通電信頼性を向上させることを適切に向上させることができる。

しかも本発明では、反強磁性層４をＩｒＭｎ合金で形成することにより、反強磁性層４の膜厚が３０Å以上８０Åのように薄くても、反強磁性層４と固定磁性層３の第１の磁性層１３との間に実用的な大きさの交換結合磁界を発生させることができる。従って、電極層８からのセンス電流が反強磁性層４に分流する量を減らすことができ、いわゆるシャントロスを低減させることができ、したがって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることが可能になっている。

また、本実施の形態では、フリー磁性層２１より下側の反強磁性層４をＩｒＭｎを用いて形成し、さらに、フリー磁性層２１より下側の固定磁性層２３の第１の磁性層３３をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）によって形成している。

これによって、フリー磁性層２１より下側の反強磁性層４と第１の磁性層３３間の交換結合磁界を大きくすることができる。とくに、第１の磁性層３３をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦３０ａｔ％である）によって形成することがより好ましい。

なお、非磁性中間層３２は、非磁性中間層１２と同様にＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１種または２種以上の合金で形成されることが好ましい。このうちＲｕで形成されることがより好ましい。

なお、本発明では第１の磁性層３３の少なくとも反強磁性層４と接している界面部分が上述した組成範囲にあればよい。

また、第２の磁性層３１は、第２の磁性層１１と同様に、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、ＣｏあるいはＮｉＦｅ合金などの磁性材料を使用することができる。

固定磁性層２３は積層フェリ構造であるため、適切に積層フェリ状態を得るには、前記第１の磁性層３３の単位面積当たりの磁気モーメント（飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）と、第２の磁性層３１の単位面積当たりの磁気モーメントとを異ならせることが好ましい。

これによって前記第１の磁性層３３と第２の磁性層３１間で発生するＲＫＫＹ相互作用による結合磁界によって、前記第１の磁性層３３と第２の磁性層３１との磁化を適切に反平行状態にすることができる。

図２に示されるデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子では、フリー磁性層２１の上側と下側とで固定磁性層の第１磁性層を形成するＣｏＦｅの組成比を異ならせることにより、フリー磁性層２１より上側の固定磁性層３と反強磁性層４間の交換結合磁界と下側の固定磁性層２３と反強磁性層４間の交換結合磁界をそれぞれ最も大きくなるように調節することが可能になる。

なお、図１及び図２では固定磁性層３を第１の磁性層１３、非磁性中間層１２、及び第２の磁性層１１からなる積層フェリ構造とし、固定磁性層２３を第１の磁性層３３、非磁性中間層３２、及び第２の磁性層３１からなる積層フェリ構造とした。ただし、固定磁性層３と固定磁性層２３のいずれか一方又は両方がＣｏＦｅからなる単層の強磁性膜で形成されていてもよい。

以下に示す膜構成のＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、反強磁性層の膜厚を変化させたときの反強磁性層と固定磁性層間に発生する交換結合磁界の変化について調べた。

（実施例（トップスピンバルブ型））：基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／フリー磁性層（ＮｉＦｅ（５０Å）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（１４Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（ｘÅ））／保護層（Ｔａ（３０Å））

比較例１；（ボトムスピンバルブ型））： 基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（ｘÅ））／固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１６Å）／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／ＮｉＦｅ（５０Å）／保護層（Ｔａ（３０Å））

比較例２；（ボトムスピンバルブ型））： 基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（ｘÅ））／固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１６Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／ＮｉＦｅ（５０Å）／保護層（Ｔａ（３０Å））

結果を図３に示す。比較例２は反強磁性層をＰｔＭｎで形成し、この反強磁性層の上にＣｏ_９０Ｆｅ_１０によって形成された固定磁性層が積層された交換結合膜を有している磁気検出素子である。反強磁性層をＰｔＭｎで形成した場合は、反強磁性層の膜厚が１４０Åの時には、反強磁性層と固定磁性層の間に９６（ｋＡ／ｍ）近い交換結合磁界を発生させることができる。しかし、反強磁性層をＰｔＭｎで形成すると、反強磁性層の膜厚を薄くするにつれて交換結合磁界が急激に減少する。

これに対して、反強磁性層をＩｒＭｎで形成した場合には、反強磁性層の膜厚が５０Å以上であれば反強磁性層の膜厚を薄くしても交換結合磁界の値は減少しない。反強磁性層をＩｒＭｎで形成すると、反強磁性層の膜厚が１１０Åから５０Åの範囲では、反強磁性層の膜厚を薄くするにつれて交換結合磁界が大きくなる。反強磁性層をＩｒＭｎで形成した場合には、反強磁性層の膜厚が３０Åであっても交換結合磁界の急激な減少はみられない。

また、反強磁性層をＩｒＭｎで形成したボトムスピンバルブ型の比較例１では、反強磁性層の膜厚を９０Å以下にすると、反強磁性層をＰｔＭｎで形成した比較例２よりも反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界が大きくなる。また、反強磁性層をＩｒＭｎで形成したトップスピンバルブ型の実施例では、反強磁性層の膜厚を８０Å以下にすると、反強磁性層をＰｔＭｎで形成した比較例２よりも反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界が大きくなる。

以下に示す膜構成のＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金のＦｅ含有量を変化させたときの反強磁性層と固定磁性層間に発生する交換結合磁界の変化について調べた。

（Ｔｏｐ−Ｓｐｉｎｖａｌｖｅ（トップスピンバルブ型））： 基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／フリー磁性層（ＮｉＦｅ（５０Å）／ＣｏＦｅ（１０Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％）１４Å）／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／保護層（Ｔａ（３０Å））

比較例１；（Ｂｏｔｔｏｍ−Ｓｐｉｎ（ボトムスピンバルブ型））： 基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／反強磁性層（ＩｒＭｎ（７０Å））／固定磁性層（Ｃｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％）１６Å）／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／フリー磁性層（ＣｏＦｅ（１０Å）／ＮｉＦｅ（５０Å）／保護層（Ｔａ（３０Å））

比較例２；（Ｂｏｔｔｏｍ−Ｓｐｉｎ（ボトムスピンバルブ型））： 基板／シード層（ＮｉＦｅＣｒ（５０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ））／固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１６Å）／非磁性材料層（Ｃｕ（４０Å））／フリー磁性層（ＣｏＦｅ（１０Å）／ＮｉＦｅ（５０Å）／保護層（Ｔａ（３０Å））

結果を図４に示す。
比較例１のボトムスピンバルブＧＭＲ型の場合には、固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅ含有量が３０ａｔ％のとき固定磁性層と反強磁性層間の交換結合磁界が最大値をとる。

一方、フリー磁性層の上側に反強磁性層が位置するトップスピンバルブＧＭＲ型の場合には、固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％を３０（ａｔ％）以上にすると、反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界を上昇させることができ、ＣｏＦｅ合金中のＦｅ含有量が４０ａｔ％から５０ａｔ％の間で固定磁性層と反強磁性層間の交換結合磁界が最大値をとる。

また、Ｆｅの含有量が多すぎると逆に交換結合磁界が減少する。このため、本発明ではＣｏＦｅ合金中のＦｅのａｔ％は９０（ａｔ％）以下に設定している。

さらに、固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅ含有量を３５ａｔ％以上８０ａｔ％にすることによって、反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界を６４（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。

また、固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金中のＦｅ含有量を４０ａｔ％以上６０ａｔ％にすることによって、反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界を８０（ｋＡ／ｍ）以上にすることができる。

図５はスピンバルブＧＭＲ型の磁気検出素子の反強磁性層と固定磁性層の第１の磁性層間の交換結合磁界の大きさと、製造工程における磁気検出素子の不良品率の関係を示すグラフである。ここでいう磁気検出素子の不良品率とは、製造過程で固定磁性層の磁化方向が設定方向から反転した磁気検出素子の全磁気検出素子中の割合を百分率で示したものである。交換結合磁界が大きくなれば、固定磁性層の磁化方向の変化は抑制され、不良品率は低くなる。特に、反強磁性層と固定磁性層間の交換結合磁界が６４（ｋＡ／ｍ）以上であると磁気検出素子の不良品率を５％以下にすることが可能である。

図４に示されるように、固定磁性層の上に反強磁性層が積層されている場合（トップスピンバルブ型）と固定磁性層の下に反強磁性層が積層されている場合（ボトムスピンバルブ型）の場合とで、交換結合磁界が最大値をとる固定磁性層のＣｏＦｅ組成が異なっている。

従って、図２に示されるようなデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子を形成するときには、フリー磁性層の下側と上側で固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金の組成比を変えることが好ましいことが分かる。

具体的には、図２に示されるデュアルスピンバルブ型の磁気検出素子の場合、固定磁性層２３の第１の磁性層３３をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）、特にＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦３０ａｔ％である）で形成し、フリー磁性層の上側では固定磁性層３の第１の磁性層１３をＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）で形成することが好ましい。

本発明の第１実施形態の磁気検出素子（トップスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 本発明の第２実施形態の磁気検出素子（デュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、 反強磁性層の膜厚を変化させたときの反強磁性層と固定磁性層間に発生する交換結合磁界の変化を示すグラフ、 固定磁性層を形成するＣｏＦｅ合金のＦｅ含有量を変化させたときの反強磁性層と固定磁性層間に発生する交換結合磁界の変化を示すグラフ、 反強磁性層と固定磁性層間に発生する交換結合磁界の大きさと磁気検出素子の不良品率との関係を示すグラフ、 従来の磁気検出素子（シングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子）の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、

符号の説明

１、２１ フリー磁性層
２ 非磁性材料層
３、２３ 固定磁性層
４ 反強磁性層
５ ハードバイアス層
６ 下地層
７ 保護層
８ 電極層
１１、３１ 第２の磁性層
１２、３２ 非磁性中間層
１３、３３ 第１の磁性層

Claims (10)

1. 強磁性層の上に反強磁性層が積層形成され、前記反強磁性層と強磁性層との界面で交換結合磁界が発生することで、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
   前記反強磁性層はＩｒＭｎによって形成され、前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）であることを特徴とする交換結合膜。
2. 前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で３５ａｔ％≦ｘ≦８０ａｔ％である）である請求項１記載の交換結合膜。
3. 前記強磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で４０ａｔ％≦ｘ≦６０ａｔ％である）である請求項２記載の交換結合膜。
4. 前記反強磁性層の膜厚が３０Å以上８０Å以下である請求項１ないし３のいずれかに記載の交換結合膜。
5. 下から順にフリー磁性層、非磁性材料層、固定磁性層、及び反強磁性層が積層され、前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
   前記固定磁性層及び前記反強磁性層が請求項１ないし４のいずれかに記載された交換結合膜を用いて形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
6. フリー磁性層の上下に積層された非磁性材料層と、一方の前記非磁性材料層の上および他方の非磁性材料層の下に位置する固定磁性層と、一方の前記固定磁性層の上および他方の固定磁性層の下に位置する反強磁性層とを有し、
   前記フリー磁性層の磁化が前記固定磁性層の磁化と交叉する方向に揃えられた磁気検出素子において、
   前記フリー磁性層より上側の前記反強磁性層及び固定磁性層が請求項１ないし４のいずれかに記載された交換結合膜を用いて形成されていることを特徴とする磁気検出素子。
7. 前記フリー磁性層より下側の前記反強磁性層はＩｒＭｎで形成され、前記フリー磁性層より下側の前記固定磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦９０ａｔ％である）である請求項６記載の磁気検出素子。
8. 前記フリー磁性層より下側の前記反強磁性層はＩｒＭｎで形成され、前記フリー磁性層より下側の前記固定磁性層の少なくとも前記反強磁性層と接している界面部分の組成がＣｏ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_Ｘ（ｘはａｔ％で１０ａｔ％≦ｘ≦３０ａｔ％である）である請求項７記載の磁気検出素子。
9. 前記固定磁性層は第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在した積層フェリ構造であり、前記フリー磁性層より上側の前記反強磁性層とこの反強磁性層に接する前記第１の磁性層が前記交換結合膜により形成されている請求項５ないし８のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. 前記フリー磁性層は第１の磁性層と第２の磁性層の間に非磁性中間層が介在した積層フェリ構造である請求項５ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。

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