JP4549546B2 - スピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、磁気抵抗効果を利用した再生ヘッドを備えた磁気ディスクシステム用ヘッドに係り、特に、再生ヘッドに用いられるスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive ）に搭載され、薄膜プロセスを用いて形成される薄膜磁気ヘッドなどの磁気ディスクシステム用記録・再生ヘッドはめざましい進歩を遂げている。特に、薄膜磁気ヘッドの構成は、単一のデバイス（記録兼再生ヘッド）により記録および再生の双方の機能を実行する旧態の態様から、記録および再生の機能をそれぞれ異なるデバイス（記録ヘッド，再生ヘッド）により別途実行する態様へと移行している。図１は、従来の薄膜磁気ヘッドにおける要部の構成例を表すものである。なお、図１では、薄膜磁気ヘッドのうち、記録媒体１５と対向する側と反対側の部分の図示を省略している。この薄膜磁気ヘッドは、再生用の磁気抵抗効果（ＭＲ；magneto-resistive）素子２０と、このＭＲ素子２０を周囲から磁気的に分離する下部シールド層１１および上部シールド層兼上部磁極（以下、単に「下部磁極」という。）１２とを含んで構成された再生ヘッド部と、下部磁極１２と、この下部磁極１４と対向配置された上部磁極１３と、下部磁極１２と上部磁極１３との間に図示しない絶縁層を介して埋設された渦巻状の巻線構造を有するコイル１４とを含んで構成された記録ヘッド部とを備えている。なお、図１では、コイル１４のうち、２個の巻線のみを図示している。下部磁極１２および上部磁極１３のうち、記録媒体１５と対向する側におけるそれぞれの一端部はギャップ１６を介して隔てられ、互いに同一の微小幅を有し。一方、記録媒体１５と対向する側と反対側におけるそれぞれの他端部（図示せず）は互いに連結されている。コイル１４により発生した磁束は、下部磁極１２および上部磁極１３の内部を伝播して記録媒体１５に近い側に到達し、ギャップ１６近傍において漏れ磁束として外部に放出される。この漏れ磁束により、記録媒体１５の表面が順次磁化され、情報が記録される。
【０００３】
ＭＲ素子２０は、例えば、薄膜を積層した構造を有するものであり、磁界中における物質（以下、単に「磁化物質」という）の抵抗変化を検出することにより再生機能を実行する。すなわち、多くの磁性材料は、外部磁界により容易に磁化可能な所定の方向性（容易軸）を有し、異方性を示す。磁気抵抗効果は、容易軸に対して直交する方向に物質が磁化されたときには抵抗の増加として表れる。一方、容易軸と平行に磁化されたときには、抵抗は増えない。これにより、抵抗変化を通じて、磁化物質の磁化方向を変化させることとなる磁界（ディスクに書き込まれた磁気信号等）を検出することが可能となる（磁気抵抗効果）。以下では、上記した異方性にともなう抵抗の最大増加量を「ＡＭＲ（異方性磁気抵抗；Anisotropic Magneto-Resistance）」と呼ぶこととする。
【０００４】
磁気抵抗効果は、例えば、「スピンバルブ」と呼ばれる構造をＭＲ素子２０に適用することにより顕著に向上する。スピンバルブ構造では、磁化物質全体の磁化方向に対して、その磁化物質中における電子自身のスピンに起因する磁気ベクトルが平行（方向が反対の場合を除く）になると、結晶格子により電子が極めて散乱されにくくなるという現象を利用している。スピンバルブ構造を適用したＭＲ素子２０における抵抗の最大増加量は、上記したＡＭＲに対して、「ＧＭＲ（巨大磁気抵抗；Giant Magneto-Resistance）」と呼ばれている。
【０００５】
図２は、スピンバルブ構造を含むＭＲ素子２０における要部の断面構成例を表すものである。このＭＲ素子２０は、基体２１と、シード層２２と、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層２３と、フリー層２３を周辺から磁気的に分離するスペーサ層２４と、磁化方向が固定されたピンド層２５と、ピンド層２５の磁化方向を固定するピンニング層２６と、保護層２７とをこの順に積層した構造をなしている。フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６は、例えば、それぞれ磁性材料，非磁性材料，磁性材料および反強磁性層（ＡＦＭ；Antiferromagnetic Material）により構成されている。一般に、スピンバルブ構造とは、例えば、上記したＭＲ素子２０における一連の構成要素のうち、フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６により構成された積層部分を指す。スペーサ層２４の厚みは、例えば、フリー層２３とピンド層２５とを互いに交換結合が生じない程度（原子レベルにおいて互いの磁気特性に影響を及ぼし合わない程度）に離間させ、かつフリー層２３〜ピンド層２５間の距離が伝導電子の平均自由行程以内となるような厚みになっている。例えば、磁化方向が互いに反対になるように磁化されたフリー層２３およびピンド層２５の内部を磁化方向（図中の矢印２８の方向）に沿って電流が流れるとすると、フリー層２３およびピンド層２５の内部を流れる半数の電子が散乱現象に寄与し、残りの半数の電子は散乱現象に寄与しないこととなる。そして、散乱現象に寄与しない電子のみが、高い確率でフリー層２３からピンド層２５（またはピンド層２５からフリー層２３）へ移行可能な平均自由行程を有することとなる。しかしながら、これらの電子は、一旦移動方向を変えると直ちに散乱現象に寄与し、移動方向が元の方向に戻らなくなってしまい、結果として全体として抵抗が大きく増加することとなる。
【０００６】
スピンバルブ構造では、例えば、ピンド層２５の磁化方向が固定される。ピンド層２５の磁化方向を固定する際には、例えば、まず、磁界中において成膜処理を行うことにより薄膜を磁化（ピンド層２５を成膜）したのち、ピンド層２５を覆うように、反強磁性層（ＡＦＭ）よりなるピンニング層２６を形成する。フリー層２３の磁化方向は、例えば磁気ディスクなどの記録媒体１５の表面のビットに起因して生じる磁界により容易に変化可能となっている。
【０００７】
図２に示したスピンバルブ構造は、特に、ピンド層２５が、フリー層２３を挟んで基体２１から遠い側（図中の上側）に位置している構成に基づき、「上部スピンバルブ構造」と呼ばれる。これに対して、基体２１，シード層２２，ピンニング層２６，ピンド層２５，スペーサ層２４，フリー層２３，保護層２７がこの順に積層され、ピンド層２５がフリー層２３よりも基体２１に近い側に位置する構成は「下部スピンバルブ構造」と呼ばれる。
【０００８】
理論上では、薄膜磁気ヘッドの稼動時においてフリー層２３にバイアスが印加されると、フリー層２３の磁化方向は、ピンニング層２６の磁化方向と、この方向と直交する方向との間の方向となる。この場合、磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が生じることとなるが、このときの効果は十分なものではない。記録媒体１５の表面のビットに起因して生じた磁界によりフリー層２３の磁化方向が変化したとすると、このときのＭＲ素子の抵抗は、ビットに起因して生じた磁界の磁化方向に応じて増加するか、あるいは減少するかのいずれかである。信号の線形性やトラック横断時の非対称性を向上させるためには、印加バイアスをゼロに近づけることが必要である。この場合には、フリー層２３において生じる磁気抵抗効果（ＡＭＲ）によりピーク間における信号の非対称性が劣化する。また、ＡＭＲ／ＧＭＲ比が大きくなると、信号の非対称性が大きく変動する。
【０００９】
スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０の抵抗値Ｒと、フリー層２３の磁化方向（角度θｆ）とピンド層２５の磁化方向（角度θｐ）との間の角度（θｆ−θｐ）との関係は、下記の（１）式に示した通りである。
【００１０】
Ｒ＝Ｒｓ［１＋０．５×ＧＭＲ×｛１−ｃｏｓ（θｆ−θｐ）｝＋ＡＭＲ×｛ｃｏｓθｆ｝2 ・・・（Ａ）
式中、Ｒｓは飽和抵抗を示す。
【００１１】
式（Ａ）から、抵抗ＲはＡＭＲの値に大きく影響されることが判る。スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０を搭載した薄膜磁気ヘッドにおいて、優れた再生特性を確保するためには、ＧＭＲを十分に確保しつつＡＭＲを小さくする（ＡＭＲ／ＧＭＲ比を小さくする）ことにより、抵抗Ｒをできるだけ小さくする必要がある。
【００１２】
なお、ＡＭＲおよびＡＭＲ／ＧＭＲ比を減少させ、優れた再生特性を確保することを目的としたスピンバルブ構造としては、例えば、下記のような先行技術が既に提案されている。
【００１３】
（１）例えば、米国特許第５８９８５４９号では、Ｇｉｌｌにより、互いに離間された３つの層によりピンド層を構成する手法が開示されている。このスピンバルブ構造では、３つのピンド層のうち、第１のピンド層と、例えばニッケル鉄クロムなどの高抵抗特性を有する材料により構成された第２のピンド層とがピンニング層上に形成されており、第１のピンド層と第２のピンド層とは、互いに平行でかつ反対向きの磁化方向を有する層を介して離間されている。第３のピンド層は、例えばコバルトなどの低抵抗特性を有する材料により構成されている。
【００１４】
（２）また、Ｇｉｌｌは、例えば、米国特許第５９２０４４６号において、伝導性を有する非磁性のスペーサ層を挟んで２つの強磁性層を積層させた積層型のフリー層を有するスピンバルブ構造についても開示している。このスピンバルブ構造の特徴は、２つの強磁性層におけるそれぞれの磁化方向が互いに平行で、かつ反対になっていることである。このような構成を有することにより、ピンド層を設けずに、ＭＲ素子において再生機能を実行することが可能になる。
【００１５】
（３）また、例えば、米国特許第５７６４０５６号では、Ｍａｏにより、伝導性を有する非磁性の層を挟んで２つの強磁性層を積層させた積層型のピンド層の代わりに、ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ）により構成されたピンニング層を用いる手法が開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、ＡＭＲ／ＧＭＲ比を減少させることは困難であると考えられていた。なぜなら、例えば、シード層２２を種々変更させたり、フリー層２３を薄くするなどしてＡＭＲを減少させると、結果としてＧＭＲも減少してしまうという問題点が指摘されていたからである。このため、上記したような数々の具体的な手法が提案されているにもかかわらず、再生特性は未だ十分なものとはいえないという問題があった。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、再生特性を向上させることが可能なスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスピンバルブ構造は、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００１９】
本発明のスピンバルブ構造では、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、フリー層の一部をなす第１の部分層および他の一部をなす第２の部分層が積層される。これにより、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少する。これにより、スピンバルブ構造全体の抵抗が小さくなる。
【００２１】
また、本発明のスピンバルブ構造では、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにするのが好適である。
【００２２】
本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含む層とコバルト鉄を含み１ｎｍ以下の厚みを有する層とがこの順に積層されて全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００２３】
本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含む層とコバルト鉄を含み１ｎｍ以下の厚みを有する層とがこの順に積層されて全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。これにより、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少する。これにより、磁気抵抗効果素子全体の抵抗が小さくなる。
【００２５】
また、本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００２６】
本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００２７】
本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第１の部分層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第２の部分層とが積層される。
【００２９】
また、本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００３０】
また、本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、被固定層が、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、２．３の厚みを有しコバルト鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３１】
本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００３２】
本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、第１の部分層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第２の部分層とが積層される。
【００３４】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００３５】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、被固定層が、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３６】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、第１の部分層が、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有すると共に銅またはニッケル鉄のいずれかにより構成された伝導層と、２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有しニッケル鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３７】
本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、コバルト鉄含んで２．０ｎｍの厚みを有し、磁化方向が固定された被固定層と、スペーサ層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００３８】
本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。
【００４０】
また、本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が銅を含んで構成され、その厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００４１】
本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、磁化方向が固定された被固定層と、スペーサ層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００４２】
本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。
【００４４】
また、本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が銅を含んで構成され、その厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにするのが好適である。
【００４５】
また、本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、固定作用層が、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とをこの順に積層してなるようにしてもよい。
【００４６】
本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向して配置された磁気抵抗効果素子を備えたものであり、磁気抵抗効果素子が、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００４７】
本発明の薄膜磁気ヘッドでは、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層およびフリー層の他の一部をなす第２の部分層が積層されることにより磁気抵抗効果素子が構成される。これにより、磁気抵抗効果素子において、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少するため、薄膜磁気ヘッドの再生特性が向上する。
【００４９】
また、本発明の薄膜磁気ヘッドでは、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにするのが好適である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００５１】
［第１の実施の形態］
＜スピンバルブ構造の構成＞
まず、図３および図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るスピンバルブ構造の概略構成例について説明する。図３はピンド層がフリー層を挟んで基体から遠い側に位置する場合（上部スピンバルブ構造），図４はピンド層がフリー層よりも基体に近い側に位置する場合（下部スピンバルブ構造）におけるスピンバルブ構造の断面構成をそれぞれ示している。これらのスピンバルブ構造は、記録媒体に記録された信号磁界を検出することにより情報の再生を行う各種の磁気ヘッド、例えば薄膜磁気ヘッドにおけるＭＲ素子に適用可能である。なお、図３および図４において、上記「従来の技術」の項において説明した従来のスピンバルブ構造の構成要素と同一の部分には同一の符号を付すものとする。
【００５２】
上部スピンバルブ構造（図３参照）は、基体２１と、シード層２２と、磁性材料により構成され、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなすフリー層Ａ（第１の部分層）３２と、挿入層３３と、フリー層の他の一部をなすフリー層Ｂ（第２の部分層）３１と、非磁性材料により構成され、フリー層Ａ３２，Ｂ３１を周辺から磁気的に分離するスペーサ層２４と、磁性材料により構成され、磁化方向が固定されたピンド層（被固定層）２５と、反強磁性材料により構成され、ピンド層２５の磁化方向を固定するピンニング層（固定作用層）２６と、保護層２７とをこの順に積層した積層体を含んで構成されている。このスピンバルブ構造において、上記した「従来の技術」の項において説明した従来のスピンバルブ構造（図２参照）と異なる点は、挿入層３３によりフリー層が２層（フリー層Ａ３２，Ｂ３１）に分割されている点である。
【００５３】
一方、下部スピンバルブ構造（図４参照）は、基体２１と、シード層２２と、ピンニング層２６と、ピンド層２５と、スペーサ層２４と、フリー層Ａ３２と、挿入層３３と、フリー層Ｂ３１と、保護層２７とこの順に積層した積層体を含んで構成される。
【００５４】
挿入層３３は、比較的高い抵抗を有する材料、例えばニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）やニッケルクロム（ＮｉＣｒ）などや、下層および上層（例えば上部スピンバルブ構造ではそれぞれフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１）との双方の界面において電子を反射させることが可能な絶縁性材料、例えばタンタル，酸化タンタル（ＴａＯ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化クロム（ＣｒＯx ）などを含んで構成されており、その厚みは０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内である。
挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が設けられた構成を有するスピンバルブ構造におけるＡＭＲ効果は、単一のフリー層２３を含んで構成された従来のスピンバルブ構造（図２参照）におけるＡＭＲ効果よりも顕著に小さくなる。これは、フリー層の厚みの減少に応じてＡＭＲ効果が減少するという特性があること、および挿入層３３によってフリー層が２層に分割されることにより、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みが単一のフリー層２３の厚みよりも小さくなること、という理由による。
【００５５】
＜スピンバルブ構造に関する実験結果＞
上記したスピンバルブ構造におけるＡＭＲの減少は、表１に示した実験結果から明らかである。表１は、本実施の形態に係るスピンバルブ構造（下段；挿入層３３有，上部スピンバルブ構造）および従来のスピンバルブ構造（上段；挿入層３３無）のそれぞれにおけるＡＭＲの比較結果を表すものである。なお、表中における括弧内の数値は各層の厚み（ｎｍ）を表している。表１に示した従来のスピンバルブ構造では、例えば、シード層としてニッケルクロム（例えばＮｉ60Ｃｒ40；以下、特に、上記の組成を有するニッケルクロムを「ニッケルクロムＺ」と表記する，約５．５ｎｍ厚），フリー層としてニッケル鉄（約６．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（ＣｏＦｅ；約０．３ｎｍ厚）の積層物，スペーサ層として銅（約１．９ｎｍ厚），保護層としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚）をそれぞれ構成材料として用いた。一方、本実施の形態のスピンバルブ構造では、例えば、シード層としてニッケルクロムＺ（約４．５ｎｍ厚），フリー層Ａ３２としてニッケル鉄（約３．０ｎｍ厚），挿入層３３としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚），フリー層Ｂ３１としてニッケル鉄（約３．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（約０．３ｎｍ厚）の積層物，スペーサ層２４として銅（約２．１ｎｍ厚），保護層２７としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚）をそれぞれ構成材料として用いた。上記の構成および厚み寸法を有する２つのスピンバルブ構造についてＡＭＲに関する比較実験を行ったところ、表１に示した結果が得られた。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１の結果から、本実施の形態に係るスピンバルブ構造では、従来のスピンバルブ構造におけるＡＭＲ値（１．２１）のほぼ半分に相当するＡＭＲ値（０．６６）が得られることが判った。
【００５８】
＜本実施の形態の作用および効果＞
以上のことから、本実施の形態に係るスピンバルブ構造では、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１を設けるようにしたので、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みは、従来の単一のフリー層の場合よりも小さくなる。
したがって、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みの減少に応じて各フリー層におけるＡＭＲがより小さくなり、フリー層全体でのＡＭＲをより小さくすることができる。なお、上記したＡＭＲの減少に係る効果は、図３において説明した上部スピンバルブ構造の場合に限らず、下部スピンバルブ構造（図４参照）においても同様に得られる。
【００５９】
さらに、本実施の形態では、上記したＡＭＲの減少に係る効果に応じて、磁気抵抗効果（ＡＭＲ）に起因して生じるピーク間信号の非対称性が良好に確保されることにより、信号の線形性およびトラック横断の非対称性を改善することができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、フリー層Ａ３２，挿入層３３，フリー層Ｂ３１をこの順に積層させる際に、従来から利用されていた製造技術（成膜技術等）以外に何ら特別な製造技術を要することはない。このため、スピンバルブ構造の形成に係る既存の製造技術を用いて、本実施の形態のスピンバルブ構造を簡便に製造することができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、挿入層３３の厚みを適正化（０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内）しているので、挿入層３３の導入にともなう不具合の発生が抑制され、上記したＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。具体的に、挿入層３３の導入にともない生じる可能性がある不具合としては、例えば、挿入層３３の厚みが０．３ｎｍより小さくなると、成膜安定性が不安定になり、挿入層３３中にピンホールなどの欠陥が生じてしまい、一方、１．５ｎｍより大きくなると、フリー層Ａ３２〜Ｂ３１間が離れすぎて、両フリー層中の磁化方向を揃えることが困難となる。
【００６２】
［第２の実施の形態］
次に、表２および表３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、上記第１の実施の形態において説明したスピンバルブ構造を含むものであり、例えば薄膜磁気ヘッドにおけるＭＲ素子（図１参照）として使用されるものである。なお、本発明の薄膜磁気ヘッドは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載して構成可能であるので、以下併せて説明する。なお、以下では、磁気抵抗効果素子について説明する際に、上記第１の実施の形態において説明したスピンバルブ構造の各構成要素およびその符号を用いることとする。
【００６３】
＜磁気抵抗効果素子の構成＞
表２および表３は、磁気抵抗効果素子の構成に関する５つの具体的な構成例（Ｓ１〜Ｓ５）を表すものである。表２は磁気抵抗効果素子を構成する各構成要素の材質，表３は表２に示した各構成要素の好適な厚み範囲のをそれぞれ示している。なお、表２および表３において、構成例Ｓ１〜Ｓ３は上部スピンバルブ構造（図３参照），構成例Ｓ４，Ｓ５は下部スピンバルブ構造をそれぞれ含んで構成されている。
【００６４】
【表２】
【表３】
【００６５】
フリー層Ａ３２は、ニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．５ｎｍ厚、；構成例Ｓ１，Ｓ２），銅またはニッケル鉄を含み、比較的高い伝導性を示す層（表３中、ＨＣＬ（High Conductivity Layer ）と表記，約０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ厚）上にニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）を積層させた積層物（構成例Ｓ３），またはコバルト鉄（約０ｎｍ〜１．０ｎｍ厚）およびニッケル鉄（約３．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）の積層物（全体として約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ４，Ｓ５）のいずれかにより構成されている。フリー層Ｂ３１は、ニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（約０ｎｍ〜１．０ｎｍ厚）積層させた積層物（全体として約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ１〜Ｓ３），またはニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚、より好ましくは約３．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ４，Ｓ５）のいずれかにより構成されている。
【００６６】
挿入層３３の材質および厚み等は構成例Ｓ１〜Ｓ５について共通であり、その詳細は上記第１の実施の形態において説明した場合と同様であるので省略する。
【００６７】
スペーサ層２４は、構成例Ｓ１〜Ｓ５において共通して銅（約１．８ｎｍ〜３．０ｎｍ厚、構成例Ｓ１〜Ｓ３についてより好ましくは約１．８ｎｍ〜２．０ｎｍ厚）により構成されており、ピンニング層２６も同様に構成例Ｓ１〜Ｓ５に共通してマンガン白金（ＭｎＰｔ），マンガン白金パラジウム（ＭｎＰｔＰｄ），マンガンニッケル（ＭｎＮｉ），またはイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）などのＡＦＭ（反強磁性材料；約１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍ厚）により構成されている。ピンド層２５は、コバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．０ｎｍ、より好ましくは約２．０ｎｍ；構成例Ｓ１，Ｓ４），またはコバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．５ｎｍ厚），ルテニウム（Ｒｕ；約０．３ｎｍ〜０．９ｎｍ）およびコバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．５ｎｍ）の３層をこの順に積層した積層物（構成例Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５）により構成されている。なお、特に、構成例Ｓ２，Ｓ３については、スペーサ層２４に近い側のコバルト鉄を約１．８ｎｍ，遠い側のコバルト鉄を約２．３ｎｍとし、一方、構成例Ｓ５については、上記した構成例Ｓ２，Ｓ３における各コバルト鉄の厚みを逆転させ、スペーサ層２４に近い側のコバルト鉄を約２．３ｎｍ，近い側のコバルト鉄を約１．８ｎｍとするのがより好ましい。
【００６８】
なお、上記した構成要素以外の構成要素（基体２１，シード層２２，保護層２７）は、構成例Ｓ１〜Ｓ５に共通して含まれている。基体２１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を含む材料により構成されており、保護層２７は、例えばタンタル，ニッケル鉄クロムおよびニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）を含む材料により構成されている。また、シード層２２は、例えば、構成例Ｓ１〜Ｓ３についてはタンタル，ニッケル鉄クロムおよびニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）の混合物を含む材料，構成例Ｓ４，Ｓ５についてはニッケル鉄クロムまたはニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）を含む材料によりそれぞれ構成されている。
【００６９】
表２および表３に示した構成を有する本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が設けられたスピンバルブ構造を含んでいるので、上記第１の実施の形態においてスピンバルブ構造について説明した場合と同様の作用により、単一のフリー層を含む従来のＭＲ素子のＡＭＲ値よりも小さいＡＭＲ値を得ることができる。特に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、従来の場合と比較してＡＭＲ値が大幅に減少する一方、ＧＭＲは僅かしか減少しないため、ＧＭＲに係る磁気抵抗効果を適正に確保しつつ、磁気抵抗効果素子全体の抵抗を減少させることが可能となる。
【００７０】
＜磁気抵抗効果素子に関する実験結果＞
上記した磁気抵抗効果素子におけるＡＭＲの減少およびＧＭＲの確保は、表４および表５に示した実験結果から明らかである。表４は本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に関する４つの構成例（Ｔ１〜Ｔ４），表５は本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（構成例Ｔ１〜Ｔ４）および従来の磁気抵抗効果素子（先行技術（１）〜（３）；「従来の技術」の項参照）のそれぞれにおけるＡＭＲおよびＧＭＲに関する比較結果を表すものである。なお、表４中における数値は各層の厚み（ｎｍ）を表している。表４に示した一連の構成例のうち、構成例Ｔ１，Ｔ２は表２および表３に示した構成例Ｓ２，構成例Ｔ３は構成例Ｓ１，構成例Ｔ４は構成例Ｓ３にそれぞれ対応している。なお、先行技術（１）〜（３）の磁気抵抗効果素子はいずれも挿入層３３を含まない点で共通しており、この点以外の構造は、先行技術（１）については構成例Ｔ１，Ｔ２，先行技術（２）については構成例Ｔ３，先行技術（３）については構成例Ｔ４の構成とそれぞれ類似している。上記の構成および厚み寸法を有する各磁気抵抗効果素子についてＡＭＲおよびＧＭＲに関する比較実験を行ったところ、表５に示した結果が得られた。
【００７１】
【表４】
【表５】
【００７２】
表５の結果から、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、構成例Ｔ１〜Ｔ４のいずれの場合においても、ＧＭＲ値が先行技術の場合の約８割以上に確保されると共に、ＡＭＲが先行技術の場合のほぼ半分となることが判った。
【００７３】
＜本実施の形態の作用および効果＞
以上のことから、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、上記第１の実施の形態のスピンバルブ構造を含んで構成されているので、ＧＭＲを適正に確保しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能となる。したがって、上記「従来の技術」の項において説明した式（Ａ）から、磁気抵抗効果特性を良好に確保しつつ素子全体の抵抗Ｒを減少させ、磁気抵抗効果素子の再生特性を向上させることができる。もちろん、上記した再生特性に係る効果は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した薄膜磁気ヘッドにおいても同様に得られる。この薄膜磁気ヘッドの構成としては、例えば、「従来の技術」の項において説明した従来の薄膜磁気ヘッドの構成（図１参照）と同様とすることが可能である。
【００７４】
なお、本実施の形態における上記以外の構成，作用，効果等は、上記第１の実施の形態の場合と同様である。
【００７５】
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態において説明したスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子，薄膜磁気ヘッドの構成（材質，厚み等）は、必ずしも上記各実施の形態において説明したものに限られるものではなく、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１を設け、ＧＭＲを適正に維持しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能な限り、自由に変形可能である。このような場合においても、上記各実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、上記各実施の形態では、ＡＭＲを減少させるための挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が積層された積層部分がスピンバルブ構造や磁気抵抗効果素子に１つのみ含まれるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、上記の積層部分が複数含まれるようにしてもよい。
【００７７】
また、上記各実施の形態では、スピンバルブ構造をＨＤＤに搭載される薄膜磁気ヘッドに適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、ＨＤＤ以外の磁気ヘッド、例えばビデオヘッドなどに適用することも可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピンバルブ構造によれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含むようにしたので、単一のフリー層を含む従来のスピンバルブ構造の場合よりもＡＭＲを小さくすることができる。
【００７９】
特に、本発明のスピンバルブ構造によれば、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制され、ＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。
【００８０】
また、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含むようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制されると共に、ＧＭＲを適正に確保しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能となる。したがって、良好な磁気抵抗効果特性を確保しつつ素子全体の抵抗を減少させ、磁気抵抗効果素子の再生特性を向上させることができる。
【００８１】
また、本発明の薄膜磁気ヘッドによれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含んで磁気抵抗効果素子が構成されるようにしたので、良好な磁気抵抗効果特性を確保しつつ磁気抵抗効果素子全体の抵抗を減少させることが可能となる。このため、薄膜磁気ヘッドの再生特性を向上させることができる。
【００８２】
また、請求項２５記載の薄膜磁気ヘッドによれば、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制され、ＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の薄膜磁気ヘッドにおける要部の構成を表す図である
【図２】ＭＲ素子の要部の断面構成を表す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスピンバルブ構造（上部スピンバルブ構造）の断面構成を表す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る他のスピンバルブ構造（下部スピンバルブ構造）の断面構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１１…下部シールド層、１２…下部磁極、１３…上部磁極、１４…コイル、１５…記録媒体、１６…ギャップ、２０…ＭＲ素子、２１…基体、２２…シード層、２３…フリー層、２４…スペーサ層、２５…ピンド層、２６…ピンニング層、２７…保護層、３１…フリー層Ｂ、３２…フリー層Ａ、３３…挿入層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、磁気抵抗効果を利用した再生ヘッドを備えた磁気ディスクシステム用ヘッドに係り、特に、再生ヘッドに用いられるスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive ）に搭載され、薄膜プロセスを用いて形成される薄膜磁気ヘッドなどの磁気ディスクシステム用記録・再生ヘッドはめざましい進歩を遂げている。特に、薄膜磁気ヘッドの構成は、単一のデバイス（記録兼再生ヘッド）により記録および再生の双方の機能を実行する旧態の態様から、記録および再生の機能をそれぞれ異なるデバイス（記録ヘッド，再生ヘッド）により別途実行する態様へと移行している。図１は、従来の薄膜磁気ヘッドにおける要部の構成例を表すものである。なお、図１では、薄膜磁気ヘッドのうち、記録媒体１５と対向する側と反対側の部分の図示を省略している。この薄膜磁気ヘッドは、再生用の磁気抵抗効果（ＭＲ；magneto-resistive）素子２０と、このＭＲ素子２０を周囲から磁気的に分離する下部シールド層１１および上部シールド層兼上部磁極（以下、単に「下部磁極」という。）１２とを含んで構成された再生ヘッド部と、下部磁極１２と、この下部磁極１４と対向配置された上部磁極１３と、下部磁極１２と上部磁極１３との間に図示しない絶縁層を介して埋設された渦巻状の巻線構造を有するコイル１４とを含んで構成された記録ヘッド部とを備えている。なお、図１では、コイル１４のうち、２個の巻線のみを図示している。下部磁極１２および上部磁極１３のうち、記録媒体１５と対向する側におけるそれぞれの一端部はギャップ１６を介して隔てられ、互いに同一の微小幅を有し。一方、記録媒体１５と対向する側と反対側におけるそれぞれの他端部（図示せず）は互いに連結されている。コイル１４により発生した磁束は、下部磁極１２および上部磁極１３の内部を伝播して記録媒体１５に近い側に到達し、ギャップ１６近傍において漏れ磁束として外部に放出される。この漏れ磁束により、記録媒体１５の表面が順次磁化され、情報が記録される。
【０００３】
ＭＲ素子２０は、例えば、薄膜を積層した構造を有するものであり、磁界中における物質（以下、単に「磁化物質」という）の抵抗変化を検出することにより再生機能を実行する。すなわち、多くの磁性材料は、外部磁界により容易に磁化可能な所定の方向性（容易軸）を有し、異方性を示す。磁気抵抗効果は、容易軸に対して直交する方向に物質が磁化されたときには抵抗の増加として表れる。一方、容易軸と平行に磁化されたときには、抵抗は増えない。これにより、抵抗変化を通じて、磁化物質の磁化方向を変化させることとなる磁界（ディスクに書き込まれた磁気信号等）を検出することが可能となる（磁気抵抗効果）。以下では、上記した異方性にともなう抵抗の最大増加量を「ＡＭＲ（異方性磁気抵抗；Anisotropic Magneto-Resistance）」と呼ぶこととする。
【０００４】
磁気抵抗効果は、例えば、「スピンバルブ」と呼ばれる構造をＭＲ素子２０に適用することにより顕著に向上する。スピンバルブ構造では、磁化物質全体の磁化方向に対して、その磁化物質中における電子自身のスピンに起因する磁気ベクトルが平行（方向が反対の場合を除く）になると、結晶格子により電子が極めて散乱されにくくなるという現象を利用している。スピンバルブ構造を適用したＭＲ素子２０における抵抗の最大増加量は、上記したＡＭＲに対して、「ＧＭＲ（巨大磁気抵抗；Giant Magneto-Resistance）」と呼ばれている。
【０００５】
図２は、スピンバルブ構造を含むＭＲ素子２０における要部の断面構成例を表すものである。このＭＲ素子２０は、基体２１と、シード層２２と、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層２３と、フリー層２３を周辺から磁気的に分離するスペーサ層２４と、磁化方向が固定されたピンド層２５と、ピンド層２５の磁化方向を固定するピンニング層２６と、保護層２７とをこの順に積層した構造をなしている。フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６は、例えば、それぞれ磁性材料，非磁性材料，磁性材料および反強磁性層（ＡＦＭ；Antiferromagnetic Material）により構成されている。一般に、スピンバルブ構造とは、例えば、上記したＭＲ素子２０における一連の構成要素のうち、フリー層２３，スペーサ層２４，ピンド層２５およびピンニング層２６により構成された積層部分を指す。スペーサ層２４の厚みは、例えば、フリー層２３とピンド層２５とを互いに交換結合が生じない程度（原子レベルにおいて互いの磁気特性に影響を及ぼし合わない程度）に離間させ、かつフリー層２３〜ピンド層２５間の距離が伝導電子の平均自由行程以内となるような厚みになっている。例えば、磁化方向が互いに反対になるように磁化されたフリー層２３およびピンド層２５の内部を磁化方向（図中の矢印２８の方向）に沿って電流が流れるとすると、フリー層２３およびピンド層２５の内部を流れる半数の電子が散乱現象に寄与し、残りの半数の電子は散乱現象に寄与しないこととなる。そして、散乱現象に寄与しない電子のみが、高い確率でフリー層２３からピンド層２５（またはピンド層２５からフリー層２３）へ移行可能な平均自由行程を有することとなる。しかしながら、これらの電子は、一旦移動方向を変えると直ちに散乱現象に寄与し、移動方向が元の方向に戻らなくなってしまい、結果として全体として抵抗が大きく増加することとなる。
【０００６】
スピンバルブ構造では、例えば、ピンド層２５の磁化方向が固定される。ピンド層２５の磁化方向を固定する際には、例えば、まず、磁界中において成膜処理を行うことにより薄膜を磁化（ピンド層２５を成膜）したのち、ピンド層２５を覆うように、反強磁性層（ＡＦＭ）よりなるピンニング層２６を形成する。フリー層２３の磁化方向は、例えば磁気ディスクなどの記録媒体１５の表面のビットに起因して生じる磁界により容易に変化可能となっている。
【０００７】
図２に示したスピンバルブ構造は、特に、ピンド層２５が、フリー層２３を挟んで基体２１から遠い側（図中の上側）に位置している構成に基づき、「上部スピンバルブ構造」と呼ばれる。これに対して、基体２１，シード層２２，ピンニング層２６，ピンド層２５，スペーサ層２４，フリー層２３，保護層２７がこの順に積層され、ピンド層２５がフリー層２３よりも基体２１に近い側に位置する構成は「下部スピンバルブ構造」と呼ばれる。
【０００８】
理論上では、薄膜磁気ヘッドの稼動時においてフリー層２３にバイアスが印加されると、フリー層２３の磁化方向は、ピンニング層２６の磁化方向と、この方向と直交する方向との間の方向となる。この場合、磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が生じることとなるが、このときの効果は十分なものではない。記録媒体１５の表面のビットに起因して生じた磁界によりフリー層２３の磁化方向が変化したとすると、このときのＭＲ素子の抵抗は、ビットに起因して生じた磁界の磁化方向に応じて増加するか、あるいは減少するかのいずれかである。信号の線形性やトラック横断時の非対称性を向上させるためには、印加バイアスをゼロに近づけることが必要である。この場合には、フリー層２３において生じる磁気抵抗効果（ＡＭＲ）によりピーク間における信号の非対称性が劣化する。また、ＡＭＲ／ＧＭＲ比が大きくなると、信号の非対称性が大きく変動する。
【０００９】
スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０の抵抗値Ｒと、フリー層２３の磁化方向（角度θｆ）とピンド層２５の磁化方向（角度θｐ）との間の角度（θｆ−θｐ）との関係は、下記の（１）式に示した通りである。
【００１０】
Ｒ＝Ｒｓ［１＋０．５×ＧＭＲ×｛１−ｃｏｓ（θｆ−θｐ）｝＋ＡＭＲ×｛ｃｏｓθｆ｝2 ・・・（Ａ）
式中、Ｒｓは飽和抵抗を示す。
【００１１】
式（Ａ）から、抵抗ＲはＡＭＲの値に大きく影響されることが判る。スピンバルブ構造を有するＭＲ素子２０を搭載した薄膜磁気ヘッドにおいて、優れた再生特性を確保するためには、ＧＭＲを十分に確保しつつＡＭＲを小さくする（ＡＭＲ／ＧＭＲ比を小さくする）ことにより、抵抗Ｒをできるだけ小さくする必要がある。
【００１２】
なお、ＡＭＲおよびＡＭＲ／ＧＭＲ比を減少させ、優れた再生特性を確保することを目的としたスピンバルブ構造としては、例えば、下記のような先行技術が既に提案されている。
【００１３】
（１）例えば、米国特許第５８９８５４９号では、Ｇｉｌｌにより、互いに離間された３つの層によりピンド層を構成する手法が開示されている。このスピンバルブ構造では、３つのピンド層のうち、第１のピンド層と、例えばニッケル鉄クロムなどの高抵抗特性を有する材料により構成された第２のピンド層とがピンニング層上に形成されており、第１のピンド層と第２のピンド層とは、互いに平行でかつ反対向きの磁化方向を有する層を介して離間されている。第３のピンド層は、例えばコバルトなどの低抵抗特性を有する材料により構成されている。
【００１４】
（２）また、Ｇｉｌｌは、例えば、米国特許第５９２０４４６号において、伝導性を有する非磁性のスペーサ層を挟んで２つの強磁性層を積層させた積層型のフリー層を有するスピンバルブ構造についても開示している。このスピンバルブ構造の特徴は、２つの強磁性層におけるそれぞれの磁化方向が互いに平行で、かつ反対になっていることである。このような構成を有することにより、ピンド層を設けずに、ＭＲ素子において再生機能を実行することが可能になる。
【００１５】
（３）また、例えば、米国特許第５７６４０５６号では、Ｍａｏにより、伝導性を有する非磁性の層を挟んで２つの強磁性層を積層させた積層型のピンド層の代わりに、ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ）により構成されたピンニング層を用いる手法が開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、ＡＭＲ／ＧＭＲ比を減少させることは困難であると考えられていた。なぜなら、例えば、シード層２２を種々変更させたり、フリー層２３を薄くするなどしてＡＭＲを減少させると、結果としてＧＭＲも減少してしまうという問題点が指摘されていたからである。このため、上記したような数々の具体的な手法が提案されているにもかかわらず、再生特性は未だ十分なものとはいえないという問題があった。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、再生特性を向上させることが可能なスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッドを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスピンバルブ構造は、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００１９】
本発明のスピンバルブ構造では、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、フリー層の一部をなす第１の部分層および他の一部をなす第２の部分層が積層される。これにより、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少する。これにより、スピンバルブ構造全体の抵抗が小さくなる。
【００２１】
また、本発明のスピンバルブ構造では、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにするのが好適である。
【００２２】
本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含む層とコバルト鉄を含み１ｎｍ以下の厚みを有する層とがこの順に積層されて全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００２３】
本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含む層とコバルト鉄を含み１ｎｍ以下の厚みを有する層とがこの順に積層されて全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。これにより、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少する。これにより、磁気抵抗効果素子全体の抵抗が小さくなる。
【００２５】
また、本発明の第１の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００２６】
本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００２７】
本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第１の部分層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第２の部分層とが積層される。
【００２９】
また、本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００３０】
また、本発明の第２の観点に係る磁気抵抗効果素子では、被固定層が、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、２．３の厚みを有しコバルト鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３１】
本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層と、反強磁性材料を含んで構成され、被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００３２】
本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、第１の部分層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有る第２の部分層とが積層される。
【００３４】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００３５】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、被固定層が、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３６】
また、本発明の第３の観点に係る磁気抵抗効果素子では、第１の部分層が、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有すると共に銅またはニッケル鉄のいずれかにより構成された伝導層と、２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有しニッケル鉄を含む層とがこの順に積層されてなるようにしてもよい。
【００３７】
本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、コバルト鉄含んで２．０ｎｍの厚みを有し、磁化方向が固定された被固定層と、スペーサ層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００３８】
本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。
【００４０】
また、本発明の第４の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が銅を含んで構成され、その厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにしてもよい。
【００４１】
本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子は、基体と、シード層と、反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、磁化方向が固定された被固定層と、スペーサ層と、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、保護層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００４２】
本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第１の部分層と、ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する第２の部分層とが積層される。
【００４４】
また、本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層が銅を含んで構成され、その厚みが１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内となるようにするのが好適である。
【００４５】
また、本発明の第５の観点に係る磁気抵抗効果素子では、固定作用層が、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とをこの順に積層してなるようにしてもよい。
【００４６】
本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向して配置された磁気抵抗効果素子を備えたものであり、磁気抵抗効果素子が、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、スペーサ層と、磁化方向が固定された被固定層とをこの順に積層した積層体を含むようにしたものである。
【００４７】
本発明の薄膜磁気ヘッドでは、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層を挟んで、部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層およびフリー層の他の一部をなす第２の部分層が積層されることにより磁気抵抗効果素子が構成される。これにより、磁気抵抗効果素子において、ＧＭＲは僅かしか減少しない一方、ＡＭＲはほぼ半分まで減少するため、薄膜磁気ヘッドの再生特性が向上する。
【００４９】
また、本発明の薄膜磁気ヘッドでは、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにするのが好適である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００５１】
［第１の実施の形態］
＜スピンバルブ構造の構成＞
まず、図３および図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るスピンバルブ構造の概略構成例について説明する。図３はピンド層がフリー層を挟んで基体から遠い側に位置する場合（上部スピンバルブ構造），図４はピンド層がフリー層よりも基体に近い側に位置する場合（下部スピンバルブ構造）におけるスピンバルブ構造の断面構成をそれぞれ示している。これらのスピンバルブ構造は、記録媒体に記録された信号磁界を検出することにより情報の再生を行う各種の磁気ヘッド、例えば薄膜磁気ヘッドにおけるＭＲ素子に適用可能である。なお、図３および図４において、上記「従来の技術」の項において説明した従来のスピンバルブ構造の構成要素と同一の部分には同一の符号を付すものとする。
【００５２】
上部スピンバルブ構造（図３参照）は、基体２１と、シード層２２と、磁性材料により構成され、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなすフリー層Ａ（第１の部分層）３２と、挿入層３３と、フリー層の他の一部をなすフリー層Ｂ（第２の部分層）３１と、非磁性材料により構成され、フリー層Ａ３２，Ｂ３１を周辺から磁気的に分離するスペーサ層２４と、磁性材料により構成され、磁化方向が固定されたピンド層（被固定層）２５と、反強磁性材料により構成され、ピンド層２５の磁化方向を固定するピンニング層（固定作用層）２６と、保護層２７とをこの順に積層した積層体を含んで構成されている。このスピンバルブ構造において、上記した「従来の技術」の項において説明した従来のスピンバルブ構造（図２参照）と異なる点は、挿入層３３によりフリー層が２層（フリー層Ａ３２，Ｂ３１）に分割されている点である。
【００５３】
一方、下部スピンバルブ構造（図４参照）は、基体２１と、シード層２２と、ピンニング層２６と、ピンド層２５と、スペーサ層２４と、フリー層Ａ３２と、挿入層３３と、フリー層Ｂ３１と、保護層２７とこの順に積層した積層体を含んで構成される。
【００５４】
挿入層３３は、比較的高い抵抗を有する材料、例えばニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）やニッケルクロム（ＮｉＣｒ）などや、下層および上層（例えば上部スピンバルブ構造ではそれぞれフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１）との双方の界面において電子を反射させることが可能な絶縁性材料、例えばタンタル，酸化タンタル（ＴａＯ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化クロム（ＣｒＯx ）などを含んで構成されており、その厚みは０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内である。
挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が設けられた構成を有するスピンバルブ構造におけるＡＭＲ効果は、単一のフリー層２３を含んで構成された従来のスピンバルブ構造（図２参照）におけるＡＭＲ効果よりも顕著に小さくなる。これは、フリー層の厚みの減少に応じてＡＭＲ効果が減少するという特性があること、および挿入層３３によってフリー層が２層に分割されることにより、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みが単一のフリー層２３の厚みよりも小さくなること、という理由による。
【００５５】
＜スピンバルブ構造に関する実験結果＞
上記したスピンバルブ構造におけるＡＭＲの減少は、表１に示した実験結果から明らかである。表１は、本実施の形態に係るスピンバルブ構造（下段；挿入層３３有，上部スピンバルブ構造）および従来のスピンバルブ構造（上段；挿入層３３無）のそれぞれにおけるＡＭＲの比較結果を表すものである。なお、表中における括弧内の数値は各層の厚み（ｎｍ）を表している。表１に示した従来のスピンバルブ構造では、例えば、シード層としてニッケルクロム（例えばＮｉ60Ｃｒ40；以下、特に、上記の組成を有するニッケルクロムを「ニッケルクロムＺ」と表記する，約５．５ｎｍ厚），フリー層としてニッケル鉄（約６．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（ＣｏＦｅ；約０．３ｎｍ厚）の積層物，スペーサ層として銅（約１．９ｎｍ厚），保護層としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚）をそれぞれ構成材料として用いた。一方、本実施の形態のスピンバルブ構造では、例えば、シード層としてニッケルクロムＺ（約４．５ｎｍ厚），フリー層Ａ３２としてニッケル鉄（約３．０ｎｍ厚），挿入層３３としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚），フリー層Ｂ３１としてニッケル鉄（約３．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（約０．３ｎｍ厚）の積層物，スペーサ層２４として銅（約２．１ｎｍ厚），保護層２７としてニッケルクロムＺ（約５．０ｎｍ厚）をそれぞれ構成材料として用いた。上記の構成および厚み寸法を有する２つのスピンバルブ構造についてＡＭＲに関する比較実験を行ったところ、表１に示した結果が得られた。
【００５６】
【表１】
表１の結果から、本実施の形態に係るスピンバルブ構造では、従来のスピンバルブ構造におけるＡＭＲ値（１．２１）のほぼ半分に相当するＡＭＲ値（０．６６）が得られることが判った。
【００５８】
＜本実施の形態の作用および効果＞
以上のことから、本実施の形態に係るスピンバルブ構造では、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１を設けるようにしたので、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みは、従来の単一のフリー層の場合よりも小さくなる。
したがって、各フリー層（Ａ３２，Ｂ３１）の厚みの減少に応じて各フリー層におけるＡＭＲがより小さくなり、フリー層全体でのＡＭＲをより小さくすることができる。なお、上記したＡＭＲの減少に係る効果は、図３において説明した上部スピンバルブ構造の場合に限らず、下部スピンバルブ構造（図４参照）においても同様に得られる。
【００５９】
さらに、本実施の形態では、上記したＡＭＲの減少に係る効果に応じて、磁気抵抗効果（ＡＭＲ）に起因して生じるピーク間信号の非対称性が良好に確保されることにより、信号の線形性およびトラック横断の非対称性を改善することができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、フリー層Ａ３２，挿入層３３，フリー層Ｂ３１をこの順に積層させる際に、従来から利用されていた製造技術（成膜技術等）以外に何ら特別な製造技術を要することはない。このため、スピンバルブ構造の形成に係る既存の製造技術を用いて、本実施の形態のスピンバルブ構造を簡便に製造することができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、挿入層３３の厚みを適正化（０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内）しているので、挿入層３３の導入にともなう不具合の発生が抑制され、上記したＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。具体的に、挿入層３３の導入にともない生じる可能性がある不具合としては、例えば、挿入層３３の厚みが０．３ｎｍより小さくなると、成膜安定性が不安定になり、挿入層３３中にピンホールなどの欠陥が生じてしまい、一方、１．５ｎｍより大きくなると、フリー層Ａ３２〜Ｂ３１間が離れすぎて、両フリー層中の磁化方向を揃えることが困難となる。
【００６２】
［第２の実施の形態］
次に、表２および表３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、上記第１の実施の形態において説明したスピンバルブ構造を含むものであり、例えば薄膜磁気ヘッドにおけるＭＲ素子（図１参照）として使用されるものである。なお、本発明の薄膜磁気ヘッドは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載して構成可能であるので、以下併せて説明する。なお、以下では、磁気抵抗効果素子について説明する際に、上記第１の実施の形態において説明したスピンバルブ構造の各構成要素およびその符号を用いることとする。
【００６３】
＜磁気抵抗効果素子の構成＞
表２および表３は、磁気抵抗効果素子の構成に関する５つの具体的な構成例（Ｓ１〜Ｓ５）を表すものである。表２は磁気抵抗効果素子を構成する各構成要素の材質，表３は表２に示した各構成要素の好適な厚み範囲のをそれぞれ示している。なお、表２および表３において、構成例Ｓ１〜Ｓ３は上部スピンバルブ構造（図３参照），構成例Ｓ４，Ｓ５は下部スピンバルブ構造をそれぞれ含んで構成されている。
【００６４】
【表２】
フリー層Ａ３２は、ニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．５ｎｍ厚、；構成例Ｓ１，Ｓ２），銅またはニッケル鉄を含み、比較的高い伝導性を示す層（表３中、ＨＣＬ（High Conductivity Layer ）と表記，約０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ厚）上にニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）を積層させた積層物（構成例Ｓ３），またはコバルト鉄（約０ｎｍ〜１．０ｎｍ厚）およびニッケル鉄（約３．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）の積層物（全体として約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ４，Ｓ５）のいずれかにより構成されている。フリー層Ｂ３１は、ニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚）およびコバルト鉄（約０ｎｍ〜１．０ｎｍ厚）積層させた積層物（全体として約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ１〜Ｓ３），またはニッケル鉄（約２．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚、より好ましくは約３．０ｎｍ〜５．０ｎｍ厚；構成例Ｓ４，Ｓ５）のいずれかにより構成されている。
【００６６】
挿入層３３の材質および厚み等は構成例Ｓ１〜Ｓ５について共通であり、その詳細は上記第１の実施の形態において説明した場合と同様であるので省略する。
【００６７】
スペーサ層２４は、構成例Ｓ１〜Ｓ５において共通して銅（約１．８ｎｍ〜３．０ｎｍ厚、構成例Ｓ１〜Ｓ３についてより好ましくは約１．８ｎｍ〜２．０ｎｍ厚）により構成されており、ピンニング層２６も同様に構成例Ｓ１〜Ｓ５に共通してマンガン白金（ＭｎＰｔ），マンガン白金パラジウム（ＭｎＰｔＰｄ），マンガンニッケル（ＭｎＮｉ），またはイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）などのＡＦＭ（反強磁性材料；約１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍ厚）により構成されている。ピンド層２５は、コバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．０ｎｍ、より好ましくは約２．０ｎｍ；構成例Ｓ１，Ｓ４），またはコバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．５ｎｍ厚），ルテニウム（Ｒｕ；約０．３ｎｍ〜０．９ｎｍ）およびコバルト鉄（約１．５ｎｍ〜２．５ｎｍ）の３層をこの順に積層した積層物（構成例Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５）により構成されている。なお、特に、構成例Ｓ２，Ｓ３については、スペーサ層２４に近い側のコバルト鉄を約１．８ｎｍ，遠い側のコバルト鉄を約２．３ｎｍとし、一方、構成例Ｓ５については、上記した構成例Ｓ２，Ｓ３における各コバルト鉄の厚みを逆転させ、スペーサ層２４に近い側のコバルト鉄を約２．３ｎｍ，近い側のコバルト鉄を約１．８ｎｍとするのがより好ましい。
【００６８】
なお、上記した構成要素以外の構成要素（基体２１，シード層２２，保護層２７）は、構成例Ｓ１〜Ｓ５に共通して含まれている。基体２１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を含む材料により構成されており、保護層２７は、例えばタンタル，ニッケル鉄クロムおよびニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）を含む材料により構成されている。また、シード層２２は、例えば、構成例Ｓ１〜Ｓ３についてはタンタル，ニッケル鉄クロムおよびニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）の混合物を含む材料，構成例Ｓ４，Ｓ５についてはニッケル鉄クロムまたはニッケルクロム（例えばニッケルクロムＺ）を含む材料によりそれぞれ構成されている。
【００６９】
表２および表３に示した構成を有する本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が設けられたスピンバルブ構造を含んでいるので、上記第１の実施の形態においてスピンバルブ構造について説明した場合と同様の作用により、単一のフリー層を含む従来のＭＲ素子のＡＭＲ値よりも小さいＡＭＲ値を得ることができる。特に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、従来の場合と比較してＡＭＲ値が大幅に減少する一方、ＧＭＲは僅かしか減少しないため、ＧＭＲに係る磁気抵抗効果を適正に確保しつつ、磁気抵抗効果素子全体の抵抗を減少させることが可能となる。
【００７０】
＜磁気抵抗効果素子に関する実験結果＞
上記した磁気抵抗効果素子におけるＡＭＲの減少およびＧＭＲの確保は、表４および表５に示した実験結果から明らかである。表４は本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子に関する４つの構成例（Ｔ１〜Ｔ４），表５は本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（構成例Ｔ１〜Ｔ４）および従来の磁気抵抗効果素子（先行技術（１）〜（３）；「従来の技術」の項参照）のそれぞれにおけるＡＭＲおよびＧＭＲに関する比較結果を表すものである。なお、表４中における数値は各層の厚み（ｎｍ）を表している。表４に示した一連の構成例のうち、構成例Ｔ１，Ｔ２は表２および表３に示した構成例Ｓ２，構成例Ｔ３は構成例Ｓ１，構成例Ｔ４は構成例Ｓ３にそれぞれ対応している。なお、先行技術（１）〜（３）の磁気抵抗効果素子はいずれも挿入層３３を含まない点で共通しており、この点以外の構造は、先行技術（１）については構成例Ｔ１，Ｔ２，先行技術（２）については構成例Ｔ３，先行技術（３）については構成例Ｔ４の構成とそれぞれ類似している。上記の構成および厚み寸法を有する各磁気抵抗効果素子についてＡＭＲおよびＧＭＲに関する比較実験を行ったところ、表５に示した結果が得られた。
【００７１】
【表４】
表５の結果から、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、構成例Ｔ１〜Ｔ４のいずれの場合においても、ＧＭＲ値が先行技術の場合の約８割以上に確保されると共に、ＡＭＲが先行技術の場合のほぼ半分となることが判った。
【００７３】
＜本実施の形態の作用および効果＞
以上のことから、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子では、上記第１の実施の形態のスピンバルブ構造を含んで構成されているので、ＧＭＲを適正に確保しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能となる。したがって、上記「従来の技術」の項において説明した式（Ａ）から、磁気抵抗効果特性を良好に確保しつつ素子全体の抵抗Ｒを減少させ、磁気抵抗効果素子の再生特性を向上させることができる。もちろん、上記した再生特性に係る効果は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した薄膜磁気ヘッドにおいても同様に得られる。この薄膜磁気ヘッドの構成としては、例えば、「従来の技術」の項において説明した従来の薄膜磁気ヘッドの構成（図１参照）と同様とすることが可能である。
【００７４】
なお、本実施の形態における上記以外の構成，作用，効果等は、上記第１の実施の形態の場合と同様である。
【００７５】
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態において説明したスピンバルブ構造，磁気抵抗効果素子，薄膜磁気ヘッドの構成（材質，厚み等）は、必ずしも上記各実施の形態において説明したものに限られるものではなく、挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１を設け、ＧＭＲを適正に維持しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能な限り、自由に変形可能である。このような場合においても、上記各実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、上記各実施の形態では、ＡＭＲを減少させるための挿入層３３を挟んでフリー層Ａ３２およびフリー層Ｂ３１が積層された積層部分がスピンバルブ構造や磁気抵抗効果素子に１つのみ含まれるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、上記の積層部分が複数含まれるようにしてもよい。
【００７７】
また、上記各実施の形態では、スピンバルブ構造をＨＤＤに搭載される薄膜磁気ヘッドに適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、ＨＤＤ以外の磁気ヘッド、例えばビデオヘッドなどに適用することも可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピンバルブ構造によれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含むようにしたので、単一のフリー層を含む従来のスピンバルブ構造の場合よりもＡＭＲを小さくすることができる。
【００７９】
特に、本発明のスピンバルブ構造によれば、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制され、ＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。
【００８０】
また、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含むようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制されると共に、ＧＭＲを適正に確保しつつＡＭＲを大幅に減少させることが可能となる。したがって、良好な磁気抵抗効果特性を確保しつつ素子全体の抵抗を減少させ、磁気抵抗効果素子の再生特性を向上させることができる。
【００８１】
また、本発明の薄膜磁気ヘッドによれば、フリー層の一部をなす第１の部分層，ニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層，フリー層の他の一部をなす第２の部分層がこの順に積層された積層体を含んで磁気抵抗効果素子が構成されるようにしたので、良好な磁気抵抗効果特性を確保しつつ磁気抵抗効果素子全体の抵抗を減少させることが可能となる。このため、薄膜磁気ヘッドの再生特性を向上させることができる。
【００８２】
また、請求項２５記載の薄膜磁気ヘッドによれば、挿入層が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有するようにしたので、挿入層の導入にともなう不具合の発生が抑制され、ＡＭＲの減少に係る効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の薄膜磁気ヘッドにおける要部の構成を表す図である
【図２】ＭＲ素子の要部の断面構成を表す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスピンバルブ構造（上部スピンバルブ構造）の断面構成を表す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る他のスピンバルブ構造（下部スピンバルブ構造）の断面構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１１…下部シールド層、１２…下部磁極、１３…上部磁極、１４…コイル、１５…記録媒体、１６…ギャップ、２０…ＭＲ素子、２１…基体、２２…シード層、２３…フリー層、２４…スペーサ層、２５…ピンド層、２６…ピンニング層、２７…保護層、３１…フリー層Ｂ、３２…フリー層Ａ、３３…挿入層。
Claims (18)
- 外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）またはニッケルクロム（ＮｉＣｒ）を含む挿入層と、
前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
スペーサ層と、
磁化方向が固定された被固定層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とするスピンバルブ構造。 - 前記挿入層は、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１記載のスピンバルブ構造。 - 基体と、
シード層と、
ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を含む層とコバルト鉄（ＣｏＦｅ）を含んで１ｎｍ以下の厚みを有する層とがこの順に積層されて全体として２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
スペーサ層と、
磁化方向が固定された被固定層と、
反強磁性材料を含んで構成され、前記被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、
保護層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は、銅（Ｃｕ）を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。 - 基体と、
シード層と、
ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
スペーサ層と、
磁化方向が固定された被固定層と、
反強磁性材料を含んで構成され、前記被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、
保護層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記被固定層は、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウム（Ｒｕ）を含む層と、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とをこの順に積層してなる
ことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。 - 基体と、
シード層と、
外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
スペーサ層と、
磁化方向が固定された被固定層と、
反強磁性材料を含んで構成され、前記被固定層の磁化方向を固定する固定作用層と、
保護層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は、銅を含む層を有し、この銅を含んで構成された層の厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記被固定層は、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とをこの順に積層してなる
ことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第１の部分層は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有すると共に銅またはニッケル鉄（ＮｉＦｅ）のいずれかにより構成された伝導層と、２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有しニッケル鉄を含む層とをこの順に積層してなる
ことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。 - 基体と、
シード層と、
反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、
コバルト鉄含んで２．０ｎｍの厚みを有し、磁化方向が固定された被固定層と、
スペーサ層と、
ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
保護層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は銅を含んで構成され、その厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１２記載の磁気抵抗効果素子。 - 基体と、
シード層と、
反強磁性材料を含んで構成された固定作用層と、
磁化方向が固定された被固定層と、
スペーサ層と、
ニッケル鉄およびコバルト鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
ニッケル鉄を含んで２．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内の厚みを有し、前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
保護層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は銅を含んで構成され、その厚みは１．８ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１４記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記被固定層は、２．３ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層と、０．７５ｎｍの厚みを有しルテニウムを含む層と、１．８ｎｍの厚みを有しコバルト鉄を含む層とをこの順に積層してなる
ことを特徴とする請求項１４記載の磁気抵抗効果素子。 - 記録媒体に対向して配置された磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドであって、
前記磁気抵抗効果素子が、
外部磁界により磁化方向が自由に変化するフリー層の一部をなす第１の部分層と、
異方性磁気抵抗効果を減少させると共にニッケル鉄クロムまたはニッケルクロムを含む挿入層と、
前記フリー層の他の一部をなす第２の部分層と、
スペーサ層と、
磁化方向が固定された被固定層と
をこの順に積層した積層体を含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。 - 前記挿入層は、０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲内の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１７記載の薄膜磁気ヘッド。
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