JP2005347512A - 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができるようにする。
【解決手段】ＭＲ素子５は、非磁性導電層２４と、非磁性導電層２４における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層２５と、非磁性導電層２４の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層２３とを備えている。フリー層２５は、第１の磁性層Ｆ１および第２の磁性層Ｆ２と、これら２つの磁性層Ｆ１，Ｆ２の間に配置された結合層４０とを有している。第２の磁性層Ｆ２は、第１の磁性層Ｆ１よりもピンド層２３に近い位置に配置され、２つの磁性層Ｆ１，Ｆ２は、結合層４０を介して反強磁性的に結合している。第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βは負の値であり、第２の磁性層Ｆ２のバルク散乱係数βは正の値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、ならびに、この磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置に関する。

近年、磁気ディスク装置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、基板に対して、読み出し用の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ（Magnetoresistive）素子とも記す。）を有する再生ヘッドと書き込み用の誘導型電磁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。

ＭＲ素子としては、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magnetoresistive）効果を用いたＡＭＲ素子や、巨大磁気抵抗（Giant Magnetoresistive）効果を用いたＧＭＲ素子や、トンネル磁気抵抗（Tunnel-type Magnetoresistive）効果を用いたＴＭＲ素子等がある。

再生ヘッドの特性としては、高感度および高出力であることが要求される。この要求を満たす再生ヘッドとして、既に、スピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いたＧＭＲヘッドが量産されている。最近では、面記録密度の更なる向上に対応するために、ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドの開発が進められている。

スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、一般的には、互いに反対側を向く２つの面を有する非磁性導電層と、この非磁性導電層の一方の面に隣接するように配置されたフリー層と、非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置されたピンド層と、このピンド層における非磁性導電層とは反対側の面に隣接するように配置された反強磁性層とを有している。フリー層は信号磁界に応じて磁化の方向が変化する層である。ピンド層は、磁化の方向が固定された強磁性層である。反強磁性層は、ピンド層との交換結合により、ピンド層における磁化の方向を固定する層である。

ところで、従来のＧＭＲヘッドでは、磁気的信号検出用の電流（以下、センス電流という。）を、ＧＭＲ素子を構成する各層の面に対して平行な方向に流す構造になっていた。このような構造は、ＣＩＰ（Current In Plane）構造と呼ばれる。これに対し、センス電流を、ＧＭＲ素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流す構造のＧＭＲヘッドの開発も進められている。このような構造は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造と呼ばれる。以下、ＣＰＰ構造の再生ヘッドに用いられるＧＭＲ素子をＣＰＰ−ＧＭＲ素子と呼び、ＣＩＰ構造の再生ヘッドに用いられるＧＭＲ素子をＣＩＰ−ＧＭＲ素子と呼ぶ。なお、前述のＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドもＣＰＰ構造となる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子に比べて抵抗が小さいことや、トラック幅が小さくなったときにＣＩＰ−ＧＭＲ素子に比べて大きな出力が得られること等の利点があることから、高い将来性を持つものとして期待されている。

ところで、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子における磁気抵抗変化は、磁性層内におけるスピンに依存した電子の散乱（以下、バルク散乱と言う。）と、隣接する２つの層の界面におけるスピンに依存した電子の散乱（以下、界面散乱と言う。）とに起因する。バルク散乱による磁気抵抗変化は、磁性層内における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性によって生じる。同様に、界面散乱による磁気抵抗変化は、界面における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性によって生じる。

磁性層内における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性は、バルク散乱係数βで表される。具体的には、磁性層内における上向きスピンの電気伝導率をσ_b↑、磁性層内における下向きスピンの電気伝導率をσ_b↓とすると、バルク散乱係数βは、以下の式で表される。

β＝（σ_b↑−σ_b↓）／（σ_b↑＋σ_b↓）

同様に、界面における上向きスピンの電気伝導率と下向きスピンの電気伝導率との非対称性は、界面散乱係数γで表される。具体的には、界面における上向きスピンの電気伝導率をσ_i↑、界面における下向きスピンの電気伝導率をσ_i↓とすると、界面散乱係数γは、以下の式で表される。

γ＝（σ_i↑−σ_i↓）／（σ_i↑＋σ_i↓）

バルク散乱係数βの絶対値が大きいほど磁気抵抗変化は大きくなる。同様に、界面散乱係数γの絶対値が大きいほど磁気抵抗変化は大きくなる。

バルク散乱係数βは、磁性層を構成する材料に依存し、界面散乱係数γは、隣接する２つの層を構成する材料の組み合わせに依存する。非特許文献１には、各種の材料についてバルク散乱係数βおよび界面散乱係数γを求めた結果が示されている。

ところで、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子とは異なり、磁気抵抗変化に対して、界面散乱の寄与のみならず、磁性体中を電子が伝導することによるバルク（体積）散乱の寄与も無視できない効果を持つ。そのため、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において大きな磁気抵抗効果を得るためには、磁性層であるフリー層の厚さを大きくし、バルク散乱を利用することが効果的である。しかしながら、フリー層の厚さを大きくすると、フリー層の磁化が大きくなる。その結果、フリー層の磁化の方向を、ハードバイアス磁界によってピンド層の磁化の方向に直交する方向に向けることが難しくなる。そのため、フリー層の厚さを大きくした場合には、磁性層の厚さの増加によるＧＭＲ素子の出力電圧の増加は期待できるが、ＧＭＲ素子の出力波形は著しく劣化するという問題が生じる。

そこで、例えば特許文献１に示されるように、フリー層をシンセティック構造とすることも提案されている。このシンセティック構造のフリー層は、２つの磁性層が非磁性結合層を介してＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性的に結合した構造になっている。このシンセティック構造のフリー層では、シンセティック構造ではない通常のフリー層に比べて、実効的な磁化を小さくすることができる。以下、シンセティック構造のフリー層における２つの磁性層のうち、ピンド層から遠い方の磁性層を第１磁性層と呼び、ピンド層に近い方の磁性層を第２磁性層と呼ぶ。

特許文献１には、シンセティック構造のフリー層の第１磁性層に２つの領域を設ける技術が記載されている。２つの領域のうち、非磁性結合層から遠い方の領域はＣｒ等、比抵抗を上げる元素を含有し、非磁性結合層に近い方の領域は、そのような元素を含有していない。特許文献１に記載された技術によれば、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子において、センス電流が第１磁性層に分流することによる抵抗変化率の低下を防止できると共にフリー層における２つの磁性層のＲＫＫＹ相互作用による結合磁界を大きくすることができる。

特開２００３−１８８４４０号公報 フィジカル・レビュー・ビー（Physical Review B）,米国，アメリカン・フィジカル・ソサイアティ（The American Physical Society），１９９９年９月１日，第６０巻，第９号，ｐ．６７１０−６７２２

シンセティック構造のフリー層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、以下のような固有の問題点がある。すなわち、このＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化は互いに逆方向を向いている。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子における磁気抵抗変化は、主に第２磁性層の磁化の方向の変化に伴う磁気抵抗変化である。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、ＧＭＲ素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流が流れる。そのため、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の出力電圧は、第２磁性層の磁気抵抗と、これに直列に接続される第１磁性層の磁気抵抗との合成抵抗に依存する。ここで、第２磁性層の磁化の方向がピンド層の磁化の方向に対して反平行であるときに、第１磁性層の磁化の方向はピンド層の磁化の方向に対して平行になる。また、一般的に、第１磁性層と第２磁性層のバルク散乱係数βは、いずれも正の値である。これらのことから、第１磁性層は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗変化を減少させる働きを持ってしまう。そのため、従来は、シンセティック構造のフリー層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗変化を大きくすることが難しかった。

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、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができるようにした磁気抵抗効果素子、ならびに、この磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置を提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、互いに反対側を向く２つの面を有する非磁性導電層と、非磁性導電層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層と、非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層とを備えている。本発明において、フリー層は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第１および第２の磁性層と、第１および第２の磁性層の間に配置された非磁性材料よりなる結合層とを有し、第２の磁性層は、第１の磁性層よりもピンド層に近い位置に配置され、第１および第２の磁性層は、結合層を介して反強磁性的に結合している。また、第１の磁性層のバルク散乱係数は負の値であり、第２の磁性層のバルク散乱係数は正の値である。

本発明の磁気抵抗効果素子では、フリー層における第１の磁性層のバルク散乱係数が負の値であり、フリー層における第２の磁性層のバルク散乱係数が正の値であることから、第１の磁性層の磁化の方向の変化は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化を増加させるように働く。

本発明の磁気抵抗効果素子において、第１の磁性層のバルク散乱係数の絶対値は、０．１以上であってもよい。

また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第１の磁性層は、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかを含むがクロム、バナジウム、マンガンのいずれをも含まない磁性合金よりなる第１の磁性合金層と、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかおよびクロム、バナジウム、マンガンのいずれかを含む磁性合金よりなる第２の磁性合金層とを、それぞれ１層以上有する積層体からなるものであってもよい。

第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、８０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。

また、第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。

また、第２の磁性合金層は、ニッケルをａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、７０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。

また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第１の磁性層は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。

また、本発明の磁気抵抗効果素子において、第１の磁性層は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。

本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面と、記録媒体からの信号磁界を検出するために媒体対向面の近傍に配置された本発明の磁気抵抗効果素子と、磁気的信号検出用の電流を、磁気抵抗効果素子に対して、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極とを備えたものである。

本発明のヘッドジンバルアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションとを備えたものである。また、本発明のヘッドアームアセンブリは、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションと、スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームとを備え、サスペンションがアームに取り付けられているものである。

本発明の磁気ディスク装置は、本発明の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向するように配置されるスライダと、スライダを支持すると共に記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを備えたものである。

本発明の磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリまたは磁気ディスク装置では、フリー層における第１の磁性層のバルク散乱係数が負の値であり、フリー層における第２の磁性層のバルク散乱係数が正の値であることから、第１の磁性層の磁化の方向の変化は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化を増加させるように働く。これにより、本発明によれば、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることが可能になるという効果を奏する。

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。始めに、図２および図３を参照して、本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの構成および製造方法の概略について説明する。図２は薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面および基板に垂直な断面を示す断面図、図３は薄膜磁気ヘッドの磁極部分のエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。

本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの製造方法では、まず、アルティック（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ）等のセラミック材料よりなる基板１の上に、スパッタリング法等によって、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁材料よりなる絶縁層２を、例えば１〜５μｍの厚さに形成する。次に、絶縁層２の上に、めっき法等によって、ＮｉＦｅ、ＦｅＡｌＳｉ等の磁性材料よりなる再生ヘッド用の第１のシールド層３を、所定のパターンに形成する。次に、図示しないが、全体に、例えばアルミナよりなる絶縁層を形成する。次に、例えば化学機械研磨（以下、ＣＭＰという。）によって、第１のシールド層３が露出するまで絶縁層を研磨して、第１のシールド層３および絶縁層の上面を平坦化する。

次に、第１のシールド層３の上に、再生用のＭＲ素子５を形成する。次に、図示しないが、ＭＲ素子５の２つの側部および第１のシールド層３の上面を覆うように絶縁膜を形成する。絶縁膜は、アルミナ等の絶縁材料によって形成される。次に、絶縁膜を介してＭＲ素子５の２つの側部に隣接するように２つのバイアス磁界印加層１８を形成する。次に、ＭＲ素子５およびバイアス磁界印加層１８の周囲に配置されるように絶縁層７を形成する。絶縁層７は、アルミナ等の絶縁材料によって形成される。

次に、ＭＲ素子５、バイアス磁界印加層１８および絶縁層７の上に、磁性材料からなり、記録ヘッドの下部磁極層を兼ねた再生ヘッドの第２のシールド層８を形成する。なお、第２のシールド層８に用いる磁性材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＦｅＮ等の軟磁性材料である。第２のシールド層８は、例えばめっき法またはスパッタリング法によって形成される。なお、第２のシールド層８の代わりに、第２のシールド層と、この第２のシールド層の上にスパッタリング法等によって形成されたアルミナ等の非磁性材料よりなる分離層と、この分離層の上に形成された下部磁極層とを設けてもよい。

次に、第２のシールド層８の上に、スパッタリング法等によって、アルミナ等の非磁性材料よりなる記録ギャップ層９を、例えば５０〜３００ｎｍの厚さに形成する。次に、磁路形成のために、後述する薄膜コイルの中心部分において、記録ギャップ層９を部分的にエッチングしてコンタクトホール９ａを形成する。

次に、記録ギャップ層９の上に、例えば銅（Ｃｕ）よりなる薄膜コイルの第１層部分１０を、例えば２〜３μｍの厚さに形成する。なお、図２において、符号１０ａは、第１層部分１０のうち、後述する薄膜コイルの第２層部分１５に接続される接続部を表している。第１層部分１０は、コンタクトホール９ａの周囲に巻回される。

次に、薄膜コイルの第１層部分１０およびその周辺の記録ギャップ層９を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層１１を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層１１の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層１１の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。

次に、絶縁層１１のうちの後述するエアベアリング面２０側の斜面部分からエアベアリング面２０側にかけての領域において、記録ギャップ層９および絶縁層１１の上に、記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層１２のトラック幅規定層１２ａを形成する。上部磁極層１２は、このトラック幅規定層１２ａと、後述する連結部分層１２ｂおよびヨーク部分層１２ｃとで構成される。

トラック幅規定層１２ａは、記録ギャップ層９の上に形成され、上部磁極層１２の磁極部分となる先端部と、絶縁層１１のエアベアリング面２０側の斜面部分の上に形成され、ヨーク部分層１２ｃに接続される接続部とを有している。先端部の幅は記録トラック幅と等しくなっている。接続部の幅は、先端部の幅よりも大きくなっている。

トラック幅規定層１２ａを形成する際には、同時に、コンタクトホール９ａの上に磁性材料よりなる連結部分層１２ｂを形成すると共に、接続部１０ａの上に磁性材料よりなる接続層１３を形成する。連結部分層１２ｂは、上部磁極層１２のうち、第２のシールド層８に磁気的に連結される部分を構成する。

次に、磁極トリミングを行う。すなわち、トラック幅規定層１２ａの周辺領域において、トラック幅規定層１２ａをマスクとして、記録ギャップ層９および第２のシールド層８の磁極部分における記録ギャップ層９側の少なくとも一部をエッチングする。これにより、図３に示したように、上部磁極層１２の磁極部分、記録ギャップ層９および第２のシールド層８の磁極部分の少なくとも一部の各幅が揃えられたトリム（Trim）構造が形成される。このトリム構造によれば、記録ギャップ層９の近傍における磁束の広がりによる実効的なトラック幅の増加を防止することができる。

次に、全体に、アルミナ等の無機絶縁材料よりなる絶縁層１４を、例えば３〜４μｍの厚さに形成する。次に、この絶縁層１４を、例えばＣＭＰによって、トラック幅規定層１２ａ、連結部分層１２ｂおよび接続層１３の表面に至るまで研磨して平坦化する。

次に、平坦化された絶縁層１４の上に、例えば銅（Ｃｕ）よりなる薄膜コイルの第２層部分１５を、例えば２〜３μｍの厚さに形成する。なお、図２において、符号１５ａは、第２層部分１５のうち、接続層１３を介して薄膜コイルの第１層部分１０の接続部１０ａに接続される接続部を表している。第２層部分１５は、連結部分層１２ｂの周囲に巻回される。

次に、薄膜コイルの第２層部分１５およびその周辺の絶縁層１４を覆うように、フォトレジスト等の、加熱時に流動性を有する有機絶縁材料よりなる絶縁層１６を所定のパターンに形成する。次に、絶縁層１６の表面を平坦にするために所定の温度で熱処理する。この熱処理により、絶縁層１６の外周および内周の各端縁部分は、丸みを帯びた斜面形状となる。

次に、トラック幅規定層１２ａ、絶縁層１４，１６および連結部分層１２ｂの上に、パーマロイ等の記録ヘッド用の磁性材料によって、上部磁極層１２のヨーク部分を構成するヨーク部分層１２ｃを形成する。ヨーク部分層１２ｃのエアベアリング面２０側の端部は、エアベアリング面２０から離れた位置に配置されている。また、ヨーク部分層１２ｃは、連結部分層１２ｂを介して第２のシールド層８に接続されている。

次に、全体を覆うように、例えばアルミナよりなるオーバーコート層１７を形成する。最後に、上記各層を含むスライダの機械加工を行って、記録ヘッドおよび再生ヘッドを含む薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面２０を形成して、薄膜磁気ヘッドが完成する。

このようにして製造される薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面としてのエアベアリング面２０と再生ヘッドと記録ヘッドとを備えている。再生ヘッドの構成については、後で詳しく説明する。

記録ヘッドは、エアベアリング面２０側において互いに対向する磁極部分を含むと共に、互いに磁気的に連結された下部磁極層（第２のシールド層８）および上部磁極層１２と、この下部磁極層の磁極部分と上部磁極層１２の磁極部分との間に設けられた記録ギャップ層９と、少なくとも一部が下部磁極層および上部磁極層１２の間に、これらに対して絶縁された状態で配設された薄膜コイル１０，１５とを有している。この薄膜磁気ヘッドでは、図２に示したように、エアベアリング面２０から、絶縁層１１のエアベアリング面２０側の端部までの長さが、スロートハイトＴＨとなる。なお、スロートハイトとは、エアベアリング面２０から、２つの磁極層の間隔が開き始める位置までの長さ（高さ）をいう。

次に、図１を参照して、再生ヘッドの構成について詳しく説明する。図１は再生ヘッドのエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。

本実施の形態における再生ヘッドは、所定の間隔を開けて配置された第１のシールド層３および第２のシールド層８と、第１のシールド層３と第２のシールド層８との間に配置されたＭＲ素子５と、ＭＲ素子５の２つの側部および第１のシールド層３の上面を覆う絶縁膜６と、絶縁膜６を介してＭＲ素子５の２つの側部に隣接する２つのバイアス磁界印加層１８とを備えている。絶縁膜６は、例えばアルミナによって形成される。バイアス磁界印加層１８は、硬磁性層（ハードマグネット）や、強磁性層と反強磁性層との積層体等を用いて構成される。具体的には、バイアス磁界印加層１８は、例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔによって形成される。

本実施の形態における再生ヘッドは、ＣＰＰ構造の再生ヘッドである。第１のシールド層３と第２のシールド層８は、センス電流を、ＭＲ素子５に対して、ＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極を兼ねている。なお、第１のシールド層３および第２のシールド層８とは別に、ＭＲ素子５の上下に一対の電極を設けてもよい。ＭＲ素子５は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子である。ＭＲ素子５は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて抵抗値が変化する。センス電流は、ＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。ＭＲ素子５の抵抗値はセンス電流より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。

ＭＲ素子５は、第１のシールド層３の上に順に積層された下地層２１、反強磁性層２２、ピンド層２３、非磁性導電層２４、フリー層２５および保護層２６を備えている。ピンド層２３は磁化の方向が固定された層であり、反強磁性層２２は、ピンド層２３との交換結合により、ピンド層２３における磁化の方向を固定する層である。下地層２１は、その上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させ、特に、反強磁性層２２とピンド層２３との交換結合を良好にするために設けられる。フリー層２５は、外部磁界、すなわち記録媒体からの信号磁界に応じて磁化の方向が変化する層である。保護層２６は、その下の各層を保護するための層である。

下地層２１の厚さは、例えば２〜６ｎｍである。下地層２１としては、例えばＴａ層とＮｉＦｅＣｒ層との積層体が用いられる。

反強磁性層２２の厚さは、例えば５〜３０ｎｍである。反強磁性層２２は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｉｒ、ＣｒおよびＦｅからなる群のうちの少なくとも１種Ｍ_IIと、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３５原子％以上９５原子％以下、その他の元素Ｍ_II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２２は、そのどちらにより構成されていてもよい。

なお、非熱処理系反強磁性材料にはγ相を有するＭｎ合金等があり、具体的には、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎあるいはＩｒＭｎ等がある。熱処理系反強磁性材料には規則結晶構造を有するＭｎ合金等があり、具体的には、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎおよびＰｔＲｈＭｎ等がある。

ピンド層２３では、反強磁性層２２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。本実施の形態におけるピンド層２３は、反強磁性層２２の上に順に積層された第２ピンド層ＡＰ２、結合層３０および第１ピンド層ＡＰ１を有し、いわゆるシンセティックピンド層になっている。第１ピンド層ＡＰ１と第２ピンド層ＡＰ２は、例えば、ＣｏおよびＦｅからなる群のうちの少なくともＣｏを含む強磁性材料により構成された磁性層を含んでいる。特に、この強磁性材料の（１１１）面は積層方向に配向していることが好ましい。第１ピンド層ＡＰ１および第２ピンド層ＡＰ２を構成する材料には、Ｂ等の添加物が加えられていてもよい。第１ピンド層ＡＰ１と第２ピンド層ＡＰ２は、反強磁性的に結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。第１ピンド層ＡＰ１の厚さは、例えば３〜７ｎｍである。第２ピンド層ＡＰ２の厚さは、例えば３〜７ｎｍである。

また、第１ピンド層ＡＰ１は、１つの磁性層によって構成されていてもよいし、磁性層の他にＣｕ層等の非磁性層を含む複数の層によって構成されていてもよい。例えば、第１ピンド層ＡＰ１は、ＣｏＦｅ層とＣｕ層を交互に２〜５回繰り返し積層した上にＣｏＦｅ層を積層した構造であってもよい。この例において、ＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ：９０原子％、Ｆｅ：１０原子％や、Ｃｏ：５０原子％、Ｆｅ：５０原子％である。このように、第１ピンド層ＡＰ１を、磁性層の他にＣｕ層等の非磁性層を含む複数の層によって構成することにより、第１ピンド層ＡＰ１の中に、界面散乱係数γが比較的大きな界面を多く形成でき、その結果、ＭＲ素子５の磁気抵抗変化を大きくすることが可能になる。

ピンド層２３における結合層３０の厚さは、例えば０．２〜１．２ｎｍである。結合層３０は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、ＺｒおよびＣｕからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性材料により構成されている。この結合層３０は、第１ピンド層ＡＰ１と第２ピンド層ＡＰ２の間に反強磁***換結合を生じさせ、第１ピンド層ＡＰ１の磁化と第２ピンド層ＡＰ２の磁化とを互いに逆方向に固定するためのものである。なお、第１ピンド層ＡＰ１の磁化と第２ピンド層ＡＰ２の磁化が互いに逆方向というのは、これら２つの磁化の方向が互いに１８０°異なる場合のみならず、２つの磁化の方向が１８０°±２０°異なる場合を含む。

非磁性導電層２４の厚さは、例えば１．０〜４．０ｎｍである。非磁性導電層２４は、例えば、Ｃｕ、ＡｕおよびＡｇからなる群のうち少なくとも１種を８０重量％以上含む非磁性の導電性材料により構成されている。

本実施の形態におけるフリー層２５は、非磁性導電層２４の上に順に積層された第２の磁性層Ｆ２、結合層４０および第１の磁性層Ｆ１を有している。磁性層Ｆ１，Ｆ２は、それぞれ磁性材料よりなる層を含んでいる。結合層４０の厚さは、例えば０．２〜１．２ｎｍである。結合層４０は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、ＺｒおよびＣｕからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性材料により構成されている。結合層４０の具体例としては、０．４〜０．８ｎｍのＲｕ層や、０．６〜０．８ｎｍのＲｈ層が挙げられる。第２の磁性層Ｆ２は、第１の磁性層Ｆ１よりもピンド層２３に近い位置に配置されている。第１および第２の磁性層Ｆ１，Ｆ２は、結合層４０を介してＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性的に結合している。すなわち、第１の磁性層Ｆ１の磁化の方向と第２の磁性層Ｆ２の磁化の方向は、互いに逆方向になっている。ただし、第２の磁性層Ｆ２の磁化の大きさは、第１の磁性層Ｆ１の磁化の大きさよりも大きい。そのため、信号磁界がない状態では、第２の磁性層Ｆ２の磁化の方向がバイアス磁界の方向に揃えられている。

第１の磁性層Ｆ１の厚さは、例えば１．０〜４．０ｎｍである。第１の磁性層Ｆ１の特徴については、後で詳しく説明する。第２の磁性層Ｆ２の厚さは、例えば２．０〜６．０ｎｍである。第２の磁性層Ｆ２は、例えば、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、第２の磁性層Ｆ２は、（１１１）面が積層方向に配向しているＣｏ_xＦｅ_yＮｉ_100-(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。

保護層２６の厚さは、例えば０．５〜１０ｎｍである。保護層２６としては、例えば、厚さ５．０ｎｍのＣｕ層と厚さ５．０ｎｍのＲｕ層との積層体が用いられる。

ＭＲ素子５を構成する各層は、例えばスパッタリング法によって形成される。また、ＭＲ素子５の形成工程では、ＭＲ素子５を構成する各層を形成した後、ピンド層２３における磁化方向を固定するために、磁界中で、例えば２７０℃、４時間のアニール（熱処理）を行なう。ＭＲ素子５の上面の形状は、例えば、縦０．１μｍ、横０．１μｍの正方形である。なお、ＭＲ素子５の層の構成は、図１に示した構成と上下が逆の構成であってもよい。

次に、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの作用について説明する。薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって記録媒体に情報を記録し、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。

再生ヘッドにおいて、バイアス磁界印加層１８によるバイアス磁界の方向は、エアベアリング面２０に垂直な方向と直交している。ＭＲ素子５において、信号磁界がない状態では、フリー層２５における第２の磁性層Ｆ２の磁化の方向は、バイアス磁界の方向に揃えられている。フリー層２５における第１の磁性層Ｆ１の磁化の方向は、第２の磁性層Ｆ２の磁化の方向に対して逆方向になっている。ピンド層２３の磁化の方向は、エアベアリング面２０に垂直な方向に固定されている。

ＭＲ素子５では、記録媒体からの信号磁界に応じてフリー層２５における磁性層Ｆ１，Ｆ２の磁化の方向が変化し、これにより、磁性層Ｆ１，Ｆ２の磁化の方向とピンド層２３の磁化の方向との間の相対角度が変化し、その結果、ＭＲ素子５の抵抗値が変化する。ＭＲ素子５の抵抗値は、第１および第２のシールド層３，８によってＭＲ素子５にセンス電流を流したときのシールド層３，８間の電位差より求めることができる。このようにして、再生ヘッドによって、記録媒体に記録されている情報を再生することができる。

次に、本実施の形態に係るＭＲ素子５の特徴について説明する。本実施の形態に係るＭＲ素子５は、互いに反対側を向く２つの面を有する非磁性導電層２４と、非磁性導電層２４における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層２５と、非磁性導電層２４の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層２３とを備えている。

本実施の形態におけるフリー層２５は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第１の磁性層Ｆ１および第２の磁性層Ｆ２と、第１および第２の磁性層Ｆ１，Ｆ２の間に配置された非磁性材料よりなる結合層４０とを有している。第２の磁性層Ｆ２は、第１の磁性層Ｆ１よりもピンド層２３に近い位置に配置されている。第１および第２の磁性層Ｆ１，Ｆ２は、結合層４０を介してＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性的に結合している。第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βは負の値であり、第２の磁性層Ｆ２のバルク散乱係数βは正の値である。第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は、０．１以上であることが好ましい。

第１の磁性層Ｆ１は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかを含むがクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）のいずれをも含まない磁性合金よりなる第１の磁性合金層と、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかおよびクロム、バナジウム、マンガンのいずれかを含む磁性合金よりなる第２の磁性合金層とを、それぞれ１層以上有する積層体からなるものであってもよい。なお、第１の磁性層Ｆ１を、第１の磁性合金層と第２の磁性合金層とをそれぞれ１層以上有する積層体によって構成する場合には、第１の磁性層Ｆ１と第２の磁性層Ｆ２とが結合層４０を介して良好に反強磁性的に結合するように、第１の磁性合金層が結合層４０に接することが好ましい。

第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、８０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。また、第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。また、第２の磁性合金層は、ニッケルをａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、７０以下である磁性合金よりなるものであってもよい。これらの第２の磁性合金層の組成は、後で示す実施例から導かれたものである。

また、第１の磁性層Ｆ１は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。また、第１の磁性層Ｆ１は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有していてもよい。上記の各磁性合金の組成も、後で示す実施例の結果から導かれたものである。

また、第２の磁性層Ｆ２は、磁性合金層の他にＣｕ層等の非磁性層を含んでいてもよい。例えば、第２の磁性層Ｆ２は、厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅ層と厚さ０．２ｎｍのＣｕ層を交互に４回繰り返し積層した構造で、全体の厚さが４．８ｎｍの層としてもよい。このように、第２の磁性層Ｆ２中に非磁性層を挿入することにより、第２の磁性層Ｆ２中に、界面散乱係数γが比較的大きな界面を多く形成でき、その結果、ＭＲ素子５の磁気抵抗変化を大きくすることが可能になる。

本実施の形態では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βが負の値であり、第２の磁性層Ｆ２のバルク散乱係数βが正の値であることから、第１の磁性層Ｆ１の磁化の方向の変化は、ＭＲ素子５の磁気抵抗変化を増加させるように働く。これにより、本実施の形態によれば、ＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができる。

以下、本実施の形態によってＭＲ素子５の磁気抵抗変化が大きくなる原理について詳しく説明する。

まず、図８および図９を参照して、バルク散乱による磁気抵抗変化について説明する。ここでは、図８および図９に示したように、磁性層５１，５２と、この磁性層５１，５２の間に配置された非磁性導電層５３からなる積層体５０を、上向きスピンと下向きスピンが、各層５１〜５３の面に垂直な方向に通過する場合について考える。磁性層５１，５２は、ＭＲ素子５におけるピンド層２３とフリー層２５に対応する。図８は、磁性層５１，５２の磁化がいずれも上向きとなる平行状態を表している。図９は、磁性層５１の磁化が上向き、磁性層５２の磁化が下向きとなる反平行状態を表している。なお、ここでは、説明を簡単にするために、非磁性導電層５３の電気抵抗を無視する。図８および図９では、上向きスピンを記号ｅ↑で表し、下向きスピンをｅ↓で表している。また、図８および図９において、上向きスピンと下向きスピンの電気伝導率の大きさを、幅を有する矢印の幅によって模式的に表している。

まず、磁化が上向きの磁性層を、上向きスピンと下向きスピンが通過する場合について考える。磁性層内における上向きスピンの電気伝導率σ_b↑と下向きスピンの電気伝導率σ_b↓は、バルク散乱係数βを用いて、以下の式で表される。なお、ρは、磁性層の比抵抗である。

σ_b↑＝（１／２ρ）＋ｘβ
σ_b↓＝（１／２ρ）−ｙβ

完全に分極している場合（β＝１）を考えると、σ_b↓＝０となるため、ｙ＝１／２ρとなる。更に、σ_b↑＋σ_b↓＝１／ρであるから、ｘ＝１／２ρとなる。よって、各スピンのσ_b↑、σ_b↓は、以下の式で表される。

σ_b↑＝（１＋β）／２ρ
σ_b↓＝（１−β）／２ρ

ここで、上向きスピンに対する磁性層の比抵抗をρ↑とし、下向きスピンに対する磁性層の比抵抗をρ↓とする。ρ↑＝１／σ_b↑、ρ↓＝１／σ_b↓であるから、上式を変形して、以下の式が得られる。

ρ↑＝２ρ／（１＋β） …（１）
ρ↓＝２ρ／（１−β） …（２）

ここで、説明を簡単にするために、磁性層５１，５２が同じ物質によって構成されていると仮定する。この場合には、磁性層５１，５２の比抵抗ρは等しく、磁性層５１，５２のバルク散乱係数βも等しい。

図８に示した平行状態のときの上向きスピンに対する積層体５０の比抵抗をρ↑（平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ρ↑（平行）＝２ρ／（１＋β）＋２ρ／（１＋β）＝４ρ／（１＋β）

同様に、平行状態のときの下向きスピンに対する積層体５０の比抵抗をρ↓（平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ρ↓（平行）＝２ρ／（１−β）＋２ρ／（１−β）＝４ρ／（１−β）

ここで、平行状態のときの積層体５０の比抵抗をρ（平行）とする。積層体５０中の電流路は、上向きスピンの電流路と下向きスピンの電流路の並列回路だと考えることができる。従って、ρ（平行）は、以下の式で表される。

ρ（平行）＝（ρ↑（平行）×ρ↓（平行））／（ρ↑（平行）＋ρ↓（平行））
＝２ρ

次に、図９に示した反平行状態について考える。この反平行状態のときの上向きスピンに対する積層体５０の比抵抗をρ↑（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ρ↑（反平行）＝２ρ／（１＋β）＋２ρ／（１−β）

同様に、反平行状態のときの下向きスピンに対する積層体５０の比抵抗をρ↓（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ρ↓（反平行）＝２ρ／（１−β）＋２ρ／（１＋β）

よって、反平行状態のときの積層体５０の比抵抗をρ（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ρ（反平行）＝（ρ↑（反平行）×ρ↓（反平行））／（ρ↑（反平行）＋ρ↓（反平行））＝２ρ／（１−β^２）

ここで、Δρ＝ρ（反平行）−ρ（平行）と定義すると、Δρは以下の式で表される。

Δρ＝２ρ／（１−β^２）−２ρ＝２ρβ^２／（１−β^２）

上式から、バルク散乱係数βが大きいほど、Δρが大きくなり、その結果、磁気抵抗変化が大きくなることが分かる。

次に、図１０および図１１を参照して、界面散乱による磁気抵抗変化について説明する。ここでは、図１０および図１１に示したように、磁性層６１，６２が接してできる界面６３を、上向きスピンと下向きスピンが界面６３に対して垂直な方向に通過する場合について考える。図１０は、磁性層６１，６２の磁化がいずれも上向きとなる平行状態を表している。図１１は、磁性層６１の磁化が上向き、磁性層６２の磁化が下向きとなる反平行状態を表している。また、ここでは、界面６３における電子の散乱に起因した抵抗が生じる磁性層６１，６２中の領域を界面領域６４とする。また、この界面領域６４の界面６３に垂直な方向の長さを界面長さＬとする。図１０および図１１では、上向きスピンを記号ｅ↑で表し、下向きスピンをｅ↓で表している。また、図１０および図１１において、上向きスピンと下向きスピンの電気伝導率の大きさを、幅を有する矢印の幅によって模式的に表している。

まず、図１０に示した平行状態について考える。界面における上向きスピンの電気伝導率σ_i↑と下向きスピンの電気伝導率σ_i↓は、界面散乱係数γを用いて、以下の式で表される。なお、ρ_iは、界面における比抵抗である。

σ_i↑＝（１／２ρ_i）＋ｘγ
σ_i↓＝（１／２ρ_i）−ｙγ

完全に分極している場合（γ＝１）を考えると、σ_i↓＝０となるため、ｙ＝１／２ρ_iとなる。更に、σ_i↑＋σ_i↓＝１／ρ_iであるから、ｘ＝１／２ρ_iとなる。よって、各スピンのσ_i↑、σ_i↓は、以下の式で表される。

σ_i↑＝（１＋γ）／２ρ_i
σ_i↓＝（１−γ）／２ρ_i

ここで、上向きスピンに対する界面の抵抗をＲ↑、上向きスピンに対する界面の比抵抗をρ_i↑、下向きスピンに対する界面の抵抗をＲ↓、下向きスピンに対する界面の比抵抗をρ_i↓とする。オーム則より、抵抗Ｒ↑、Ｒ↓は以下の式で表される。なお、Ａは、界面の面積（界面領域の断面積）である。

Ｒ↑＝ρ_i↑・Ｌ／Ａ
Ｒ↓＝ρ_i↓・Ｌ／Ａ

上式を変形すると、以下の式が得られる。Ｒ↑Ａは、上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗であり、Ｒ↓Ａは、下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗である。

Ｒ↑Ａ＝ρ_i↑・Ｌ
Ｒ↓Ａ＝ρ_i↓・Ｌ

ここで、ρ_i↑＝１／σ_i↑＝２ρ_i／（１＋γ）、ρ_i↓＝１／σ_i↓＝２ρ_i／（１−γ）であるから、上式を変形して、以下の式が得られる。

Ｒ↑Ａ＝２ρ_iＬ／（１＋γ）
Ｒ↓Ａ＝２ρ_iＬ／（１−γ）

更に、界面の全抵抗Ｒとすると、ρ_iＬ＝ＲＡであるから、上式を変形して、以下の式が得られる。

Ｒ↑Ａ＝２ＲＡ／（１＋γ）
Ｒ↓Ａ＝２ＲＡ／（１−γ）

ここで、Ｒ^＊＝Ｒ／（１−γ²）と定義する。すると、上式を変形して、以下の式が得られる。

Ｒ↑Ａ＝２Ｒ^＊Ａ（１−γ） …（３）
Ｒ↓Ａ＝２Ｒ^＊Ａ（１＋γ） …（４）

次に、磁性層６１の界面抵抗をＲ₁、磁性層６２の界面抵抗をＲ₂とする。また、Ｒ₁ ^＊＝Ｒ₁／（１−γ^２）、Ｒ₂ ^＊＝Ｒ₂／（１−γ^２）と定義する。

平行状態のときの上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をＲ↑Ａ（平行）とすると、これは、以下の式で表される。

Ｒ↑Ａ（平行）＝２Ｒ₁ ^＊Ａ（１−γ）＋２Ｒ₂ ^＊Ａ（１−γ）

同様に、平行状態のときの下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をＲ↓Ａ（平行）とすると、これは、以下の式で表される。

Ｒ↓Ａ（平行）＝２Ｒ₁ ^＊Ａ（１＋γ）＋２Ｒ₂ ^＊Ａ（１＋γ）

よって、平行状態のときの単位面積当たりの界面の全抵抗をＲＡ（平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ＲＡ（平行）
＝（Ｒ↑Ａ（平行）×Ｒ↓Ａ（平行））／（Ｒ↑Ａ（平行）＋Ｒ↓Ａ（平行））
＝｛１／２（２Ｒ₁ ^＊Ａ＋２Ｒ₂ ^＊Ａ）｝・４Ａ^２（１−γ^２）（Ｒ₁ ^＊＋Ｒ₂ ^＊）^２

次に、図１１に示した反平行状態について考える。この反平行状態のときの上向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をＲ↑Ａ（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

Ｒ↑Ａ（反平行）＝２Ｒ₁ ^＊Ａ（１−γ）＋２Ｒ₂ ^＊Ａ（１＋γ）

同様に、反平行状態のときの下向きスピンに対する単位面積当たりの界面の抵抗をＲ↓Ａ（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

Ｒ↓Ａ（反平行）＝２Ｒ₁ ^＊Ａ（１＋γ）＋２Ｒ₂ ^＊Ａ（１−γ）

よって、反平行状態のときの単位面積当たりの界面の全抵抗をＲＡ（反平行）とすると、これは、以下の式で表される。

ＲＡ（反平行）
＝（Ｒ↑Ａ（反平行）×Ｒ↓Ａ（反平行））／（Ｒ↑Ａ（反平行）＋Ｒ↓Ａ（反平行））
＝｛１／２（２Ｒ₁ ^＊Ａ＋２Ｒ₂ ^＊Ａ）｝・｛４（Ｒ₁ ^＊Ａ）^２（１−γ^２）＋４Ｒ₁ ^＊Ｒ₂ ^＊Ａ^２（１＋γ）^２＋４Ｒ₁ ^＊Ｒ₂ ^＊Ａ^２（１−γ）^２＋４（Ｒ₂ ^＊Ａ）^２（１−γ^２）｝

以上のことから、単位面積当たりの磁気抵抗変化ＡΔＲは、以下の式で表される。

ＡΔＲ＝ＲＡ（反平行）−ＲＡ（平行）
＝４・４γ^２Ｒ₁ ^＊Ｒ₂ ^＊Ａ^２／２（２Ｒ₁ ^＊Ａ＋２Ｒ₂ ^＊Ａ）
＝４γ^２Ｒ₁ ^＊Ｒ₂ ^＊Ａ／（Ｒ₁ ^＊＋Ｒ₂ ^＊）

ここで、説明を簡単にするために、磁性層６１，６２が同じ物質によって構成されていると仮定すると、Ｒ₁＝Ｒ₂となる。上式に、Ｒ₁ ^＊＝Ｒ₁／（１−γ^２）、Ｒ₂ ^＊＝Ｒ₂／（１−γ^２）を代入し、更に、Ｒ₁＝Ｒ₂を用いると、ＡΔＲは、以下の式で表される。

ＡΔＲ＝４γ^２Ｒ₁ ^＊Ｒ₂ ^＊Ａ／（Ｒ₁ ^＊＋Ｒ₂ ^＊）＝２γ^２ＡＲ／（１−γ^２）

上式から、界面散乱係数γが大きいほど、単位面積当たりの磁気抵抗変化ＡΔＲが大きくなることが分かる。

次に、図１２および図１３を参照して、本実施の形態に係るＭＲ素子５における磁気抵抗変化について考察する。図１２および図１３は、ＭＲ素子５を構成する各層を表している。層中の矢印は磁化の方向を表している。また、符号７０で示す矢印は、センス電流を模式的に表している。図１２は、第１ピンド層ＡＰ１の磁化と第２の磁性層Ｆ２の磁化が同じ方向に向いた平行状態を表している。図１３は、第１ピンド層ＡＰ１の磁化と第２の磁性層Ｆ２の磁化が互いに逆方向に向いた反平行状態を表している。

ここでは、説明を簡単にするために、第１の磁性層Ｆ１のうちの結合層４０と接する部分、第２の磁性層Ｆ２、第１ピンド層ＡＰ１および第２ピンド層ＡＰ２が、いずれもＣｏＦｅによって構成されているものとする。また、非磁性導電層２４はＣｕによって構成され、結合層３０，４０はＲｕによって構成されているものとする。また、下地層２１と反強磁性層２２とを合わせてバッファ層と称する。

また、以下の説明では、第２ピンド層ＡＰ２の比抵抗をρ_CF(AP2)、第１ピンド層ＡＰ１の比抵抗をρ_CF(AP1)、第２の磁性層Ｆ２の比抵抗をρ_CF(F2)、第１の磁性層Ｆ１の比抵抗をρ_CF、結合層３０，４０の比抵抗をρ_Ru、非磁性導電層２４の比抵抗をρ_Cuと表す。なお、バッファ層と保護層２６の抵抗は無視する。

また、第２ピンド層ＡＰ２の厚さをｔ_CF(AP2)、第１ピンド層ＡＰ１の厚さをｔ_CF(AP1)、第２の磁性層Ｆ２の厚さをｔ_CF(F2)、第１の磁性層Ｆ１の厚さをｔ_F1、結合層３０，４０の厚さをｔ_Ru、非磁性導電層２４の厚さをｔ_Cuと表す。

また、第２ピンド層ＡＰ２のバルク散乱係数をβ_CF(AP2)、第１ピンド層ＡＰ１のバルク散乱係数をβ_CF(AP1)、第２の磁性層Ｆ２のバルク散乱係数をβ_CF(F2)、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数をβ_F1と表す。

また、バッファ層と第２ピンド層ＡＰ２の界面の抵抗をＲ_Buf/CF(AP2)、第２ピンド層ＡＰ２と結合層３０の界面の抵抗をＲ_CF(AP2)/Ru、結合層３０と第１ピンド層ＡＰの界面の抵抗をＲ_Ru/CF(AP1)、第１ピンド層ＡＰと非磁性導電層２４の界面の抵抗をＲ_CF(AP1)/Cu、非磁性導電層２４と第２の磁性層Ｆ２の界面の抵抗をＲ_Cu/CF(F2)、第２の磁性層Ｆ２と結合層４０の界面の抵抗をＲ_CF(F2)/Ru、結合層４０と第１の磁性層Ｆ１の界面の抵抗をＲ_Ru/F1、第１の磁性層Ｆ１と保護層２６の界面の抵抗をＲ_F1/CAPと表す。

また、第２ピンド層ＡＰ２と結合層３０の界面の界面散乱係数をγ_CF(AP2)/Ru、結合層３０と第１ピンド層ＡＰの界面の界面散乱係数をγ_Ru/CF(AP1)、第１ピンド層ＡＰと非磁性導電層２４の界面の界面散乱係数をγ_CF(AP1)/Cu、非磁性導電層２４と第２の磁性層Ｆ２の界面の界面散乱係数をγ_Cu/CF(F2)、第２の磁性層Ｆ２と結合層４０の界面の界面散乱係数をγ_CF(F2)/Ru、結合層４０と第１の磁性層Ｆ１の界面の界面散乱係数をγ_Ru/F1と表す。また、ＭＲ素子５の各層の面に平行なＭＲ素子５の断面の断面積をＡとする。

前述のように、上向きスピンに対する磁性層の比抵抗ρ↑と、下向きスピンに対する磁性層の比抵抗ρ↓は、前出の式（１），（２）で表される。ここで、ρ^＊＝ρ／（１−β^２）と定義すると、式（１），（２）を変形して、以下の式が得られる。

ρ↑＝２ρ^＊（１−β）
ρ↓＝２ρ^＊（１＋β）

磁性層の厚さをｔとすると、上向きスピンに対する磁性層の単位面積当たりの抵抗ρ↑ｔと、下向きスピンに対する磁性層の単位面積当たりの抵抗ρ↓ｔは、それぞれ、以下の式で表される。

ρ↑ｔ＝２ρ^＊ｔ（１−β） …（５）
ρ↓ｔ＝２ρ^＊ｔ（１＋β） …（６）

一方、Ｒ^＊＝Ｒ／（１−γ²）と定義すると、上向きスピンに対する界面の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↑と、下向きスピンに対する界面の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↓は、それぞれ、以下の式で表される。なお、以下の式は、前出の式（３），（４）と実質的に同じである。

ＡＲ↑＝２ＡＲ^＊（１−γ） …（７）
ＡＲ↓＝２ＡＲ^＊（１＋γ） …（８）

なお、式（５）〜（８）は、ρ、ρ^＊、ｔ、β、Ｒ、Ｒ^＊、γに添字が付いた場合にも成り立つ。

次に、ＭＲ素子５における磁気抵抗変化を求める。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子であるＭＲ素子５では、センス電流の電流密度が一定の場合、出力電圧は、反平行状態のときのＭＲ素子５の比抵抗と平行状態のときのＭＲ素子５の比抵抗の差Δρ_MRとＭＲ素子５の厚さｔ_MRの積Δρ_MRｔ_MRに比例する。反平行状態のときのＭＲ素子５の抵抗と平行状態のときのＭＲ素子５の抵抗の差をΔＲ_MRとすると、オーム則から、Δρ_MRｔ_MRは、ＡΔＲ_MRに等しい。

ところで、磁性体中では、上向きスピンと下向きスピンが交じり合わずに並列に流れていると考えることができる。従って、磁性体中の電流路は、上向きスピンの電流路と下向きスピンの電流路の並列回路だと考えることができる。従って、ＡΔＲ_MRは、平行状態のときの上向きスピンに対するＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↑（平行）と、平行状態のときの下向きスピンに対するＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↓（平行）と、反平行状態のときの上向きスピンに対するＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↑（反平行）と、反平行状態のときの下向きスピンに対するＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ↓（反平行）とを用いて求めることができる。

ＡＲ↑（平行）、ＡＲ↓（平行）、ＡＲ↑（反平行）、ＡＲ↓（反平行）は、以下の式（９）〜（１２）で表される。

ＡＲ↑（平行）＝２｛ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)
＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)（１＋β_CF(AP2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP2)/Ru（１＋γ_CF(AP2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/CF(AP1)（１−γ_Ru/CF(AP1)）
＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)（１−β_CF(AP1)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP1)/Cu（１−γ_CF(AP1)/Cu）＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ＡＲ^＊ _Cu/CF(F2)（１−γ_Cu/CF(F2)）
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)（１−β_CF(F2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(F2)/Ru（１−γ_CF(F2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/F1（１＋γ_Ru/F1）
＋ρ^＊ _F1ｔ_F1（１＋β_F1）＋ＡＲ^＊ _F1/CAP｝ …（９）

ＡＲ↓（平行）＝２｛ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)
＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)（１−β_CF(AP2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP2)/Ru（１−γ_CF(AP2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/CF(AP1)（１＋γ_Ru/CF(AP1)）
＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)（１＋β_CF(AP1)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP1)/Cu（１＋γ_CF(AP1)/Cu）＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ＡＲ^＊ _Cu/CF(F2)（１＋γ_Cu/CF(F2)）
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)（１＋β_CF(F2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(F2)/Ru（１＋γ_CF(F2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/F1（１−γ_Ru/F1）
＋ρ^＊ _F1ｔ_F1（１−β_F1）＋ＡＲ^＊ _F1/CAP｝ …（１０）

ＡＲ↑（反平行）＝２｛ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)
＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)（１＋β_CF(AP2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP2)/Ru（１＋γ_CF(AP2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/CF(AP1)（１−γ_Ru/CF(AP1)）
＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)（１−β_CF(AP1)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP1)/Cu（１−γ_CF(AP1)/Cu）＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ＡＲ^＊ _Cu/CF(F2)（１＋γ_Cu/CF(F2)）
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)（１＋β_CF(F2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(F2)/Ru（１＋γ_CF(F2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/F1（１−γ_Ru/F1）
＋ρ^＊ _F1ｔ_F1（１−β_F1）＋ＡＲ^＊ _F1/CAP｝ …（１１）

ＡＲ↓（反平行）＝２｛ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)
＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)（１−β_CF(AP2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP2)/Ru（１−γ_CF(AP2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/CF(AP1)（１＋γ_Ru/CF(AP1)）
＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)（１＋β_CF(AP1)）
＋ＡＲ^＊ _CF(AP1)/Cu（１＋γ_CF(AP1)/Cu）＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ＡＲ^＊ _Cu/CF(F2)（１−γ_Cu/CF(F2)）
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)（１−β_CF(F2)）
＋ＡＲ^＊ _CF(F2)/Ru（１−γ_CF(F2)/Ru）＋ρ_Ruｔ_Ru
＋ＡＲ^＊ _Ru/F1（１＋γ_Ru/F1）
＋ρ^＊ _F1ｔ_F1（１＋β_F1）＋ＡＲ^＊ _F1/CAP｝ …（１２）

平行状態のときのＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ（平行）は、並列の抵抗ＡＲ↑（平行）、ＡＲ↓（平行）の合成抵抗であるから、以下の式で表される。

ＡＲ（平行）＝（ＡＲ↑（平行）・ＡＲ↓（平行））／（ＡＲ↑（平行）＋ＡＲ↓（平行））

同様に、反平行状態のときのＭＲ素子５の単位面積当たりの抵抗ＡＲ（反平行）は、並列の抵抗ＡＲ↑（反平行）、ＡＲ↓（反平行）の合成抵抗であるから、以下の式で表される。

ＡＲ（反平行）＝（ＡＲ↑（反平行）・ＡＲ↓（反平行））／（ＡＲ↑（反平行）＋ＡＲ↓（反平行））

ＭＲ素子５の磁気抵抗変化ＡΔＲ_MRは、以下の式で求められる。

ＡΔＲ_MR＝ＡＲ（反平行）−ＡＲ（平行）
＝（ＡＲ↑（反平行）・ＡＲ↓（反平行）−ＡＲ↑（平行）・ＡＲ↓（平行））／（ＡＲ↑（平行）＋ＡＲ↓（平行））

ここで、ＡＲ^＊ _CF(AP2)/Ru＝ＡＲ^＊ _Ru/CF(AP1)＝ＡＲ^＊ _CF(F2)/Ru＝ＡＲ^＊ _Ru/F1＝ＡＲ^＊ _CF/Ruとする。また、ＡＲ^＊ _CF(AP1)/Cu＝ＡＲ^＊ _Cu/CF(F2)＝ＡＲ^＊ _CF/Cuとする。また、γ_CF(AP2)/Ru＝γ_Ru/CF(AP1)＝γ_CF(F2)/Ru＝γ_Ru/F1とする。また、γ_CF(AP1)/Cu＝γ_Cu/CF(F2)＝γ_CF/Cuとする。これらを用いると、式（９）〜（１２）より、以下の式（１３），（１４）が導かれる。

ＡＲ↑（平行）＋ＡＲ↓（平行）＝ＡＲ↑（反平行）＋ＡＲ↓（反平行）
＝４｛ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)＋４ＡＲ^＊ _CF/Ru
＋２ρ_Ruｔ_Ru＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)＋２ＡＲ^＊ _CF/Cu＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)＋ρ^＊ _F1ｔ_F1＋ＡＲ^＊ _F1/CAP｝ …（１３）

（ＡＲ↑（反平行）・ＡＲ↓（反平行）−ＡＲ↑（平行）・ＡＲ↓（平行））
＝１６（β_CF(AP1)ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)＋γ_CF/CuＡＲ^＊ _CF/Cu
−β_CF(AP2)ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)）×（β_CF(F2)ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)
＋γ_CF/CuＡＲ^＊ _CF/Cu−β_F1ρ^＊ _CF1ｔ_F1） …（１４）

ここで、以下のように、式（１３）の右辺の１／４をＥ２とする。

Ｅ２＝ＡＲ^＊ _Buf/CF(AP2)＋ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)＋４ＡＲ^＊ _CF/Ru
＋２ρ_Ruｔ_Ru＋ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)＋２ＡＲ^＊ _CF/Cu＋ρ_Cuｔ_Cu
＋ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)＋ρ^＊ _F1ｔ_F1＋ＡＲ^＊ _F1/CAP …（１５）

また、以下のように、式（１４）の右辺の１／４をＥ１とする。

Ｅ１＝４（β_CF(AP1)ρ^＊ _CF(AP1)ｔ_CF(AP1)＋γ_CF/CuＡＲ^＊ _CF/Cu
−β_CF(AP2)ρ^＊ _CF(AP2)ｔ_CF(AP2)）×（β_CF(F2)ρ^＊ _CF(F2)ｔ_CF(F2)
＋γ_CF/CuＡＲ^＊ _CF/Cu−β_F1ρ^＊ _CF1ｔ_F1） …（１６）

ＭＲ素子５の磁気抵抗変化ＡΔＲ_MRは、以下の式で求められる。

ＡΔＲ_MR＝Ｅ１／Ｅ２ …（１７）

式（１７）の右辺の分子Ｅ１（式（１６））において、最初の括弧内には、外部磁界の変化に対して磁化の方向が変化しない部分（第２ピンド層ＡＰ２および第１ピンド層ＡＰ１）に関わる項が現れる。分子Ｅ１（式（１６））において、後の括弧内には、外部磁界の変化に対して磁化の方向が変化する部分（第２の磁性層Ｆ２および第１の磁性層Ｆ１）に関わる項が現れる。後の括弧内の第２の磁性層Ｆ２のバルク散乱係数β_CF(F2)は正の値である。ここで、後の括弧内の第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数β_F1も正の値であると、後の括弧内の［−β_F1ρ^＊ _CF1ｔ_F1］の項は、負の値となって、磁気抵抗変化ＡΔＲ_MRを減少させるように働く。しかし、本実施の形態では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数β_F1が負の値であるので、［−β_F1ρ^＊ _CF1ｔ_F1］の項は、正の値となり、磁気抵抗変化ＡΔＲ_MRを増加させるように働く。従って、本実施の形態に係るＭＲ素子５によれば、ＭＲ素子５を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流したときに大きな磁気抵抗変化を得ることができる。

以下、本実施の形態に係るＭＲ素子５の実施例と、この実施例と比較するための比較例とについて、特性を比較した結果について説明する。ＭＲ素子５の磁気抵抗は、第１のシールド層３に一方の電流供給用端子と一方の電圧検出用端子とを接続し、第２のシールド層８に他方の電流供給用端子と他方の電圧検出用端子とを接続して、四端子法によって測定した。

まず、下記の表に、比較例と実施例１〜５のＭＲ素子の基本構成を示す。なお、下記の表において、第１列および第２列はＭＲ素子の各層を示し、第３列は各層の具体的な構成を示し、第４列は第３列に記載された各層の厚さ（ｎｍ）を示している。第２列において、例えば“Ｒｕ”はＲｕ層を表している。また、第３列における各層の上下関係は、ＭＲ素子における各層の上下関係と一致している。フリー層２５の第１の磁性層Ｆ１の構成は、比較例および実施例１〜５毎に異なるため、別の表に示す。

次に、下記の表に、比較例および実施例１〜５における第１の磁性層Ｆ１の構成を示す。下記の表において、第１列、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列は第１の磁性層Ｆ１の構成を示し、第２列、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列は、それぞれ、それらの左側の列に記載された層の厚さ（ｎｍ）を示している。

比較例における第１の磁性層Ｆ１は、ＣｏＦｅ層のみによって構成されている。このＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの組成は、Ｃｏ：９０原子％、Ｆｅ：１０原子％である。下記の表に、比較例における単位面積当たりの抵抗ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）および第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βを示す。

実施例１における第１の磁性層Ｆ１は、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さＸｎｍのＦｅＣｒ層および厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層を積層した構成としている。２つのＣｏＦｅ層は第１の磁性合金層に対応し、ＦｅＣｒ層は第２の磁性合金層に対応する。ＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの組成は、Ｃｏ：９０原子％、Ｆｅ：１０原子％である。ここで、ＦｅＣｒ層を構成するＦｅＣｒの組成を、Ｆｅ：ａ原子％、Ｃｒ：（１００−ａ）原子％とする。下記の表に、ａおよびＸの値の組み合わせが異なる４つの例について、ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βおよびＦｅＣｒ層の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。４つの例のいずれにおいても、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βは負の値になっている。ＦｅＣｒにおけるＦｅの割合ａが小さくなるほどＦｅＣｒ層の磁化が小さくなるので、下記の例では、ａが小さくなるほどＦｅＣｒ層の厚さＸを大きくしている。下記の表から、実施例１のＭＲ素子５では、少なくともａが５０以上、８０以下の範囲において、比較例のＭＲ素子に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第２の磁性合金層が、Ｆｅ：ａ原子％、Ｃｒ：（１００−ａ）原子％の組成のＦｅＣｒよりなる場合には、ａが５０以上、８０以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例１において、ａが５０以上、８０以下の範囲では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であると考えられる。このことから、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であることが好ましい。

実施例２における第１の磁性層Ｆ１は、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さＸｎｍのＦｅＶ層および厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層を積層した構成としている。２つのＣｏＦｅ層は第１の磁性合金層に対応し、ＦｅＶ層は第２の磁性合金層に対応する。ＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの組成は、Ｃｏ：９０原子％、Ｆｅ：１０原子％である。ここで、ＦｅＶ層を構成するＦｅＶの組成を、Ｆｅ：ａ原子％、Ｖ：（１００−ａ）原子％とする。下記の表に、ａおよびＸの値の組み合わせが異なる４つの例について、ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βおよびＦｅＶ層の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。４つの例のいずれにおいても、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βは負の値になっている。ＦｅＶにおけるＦｅの割合ａが小さくなるほどＦｅＶ層の磁化が小さくなるので、下記の例では、ａが小さくなるほどＦｅＶ層の厚さＸを大きくしている。下記の表から、実施例２のＭＲ素子５では、少なくともａが６０以上、８０以下の範囲において、比較例のＭＲ素子に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第２の磁性合金層が、Ｆｅ：ａ原子％、Ｖ：（１００−ａ）原子％の組成のＦｅＶよりなる場合には、ａが６０以上、８０以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例２において、ａが６０以上、８０以下の範囲では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であると考えられる。このことから、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であることが好ましい。

実施例３における第１の磁性層Ｆ１は、厚さＸｎｍのＣｏＦｅ層、厚さ０．５ｎｍのＮｉＣｒ層および厚さＸｎｍのＣｏＦｅ層を積層した構成としている。２つのＣｏＦｅ層は第１の磁性合金層に対応し、ＮｉＣｒ層は第２の磁性合金層に対応する。ＣｏＦｅ層を構成するＣｏＦｅの組成は、Ｃｏ：９０原子％、Ｆｅ：１０原子％である。ここで、ＮｉＣｒ層を構成するＮｉＣｒの組成を、Ｎｉ：ａ原子％、Ｃｒ：（１００−ａ）原子％とする。下記の表に、ａおよびＸの値の組み合わせが異なる４つの例について、ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βおよび第１の磁性層Ｆ１の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。４つの例のいずれにおいても、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βは負の値になっている。ＮｉＣｒにおけるＮｉの割合ａが小さくなるほど第１の磁性層Ｆ１の磁化が小さくなるので、下記の例では、ａが小さくなるほどＣｏＦｅ層の厚さＸを大きくしている。下記の表から、実施例３のＭＲ素子５では、少なくともａが５０以上、７０以下の範囲において、比較例のＭＲ素子に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。このことから、第２の磁性合金層が、Ｎｉ：ａ原子％、Ｃｒ：（１００−ａ）原子％の組成のＮｉＣｒよりなる場合には、ａが５０以上、７０以下であることが好ましい。また、下記の表から、実施例３において、ａが５０以上、７０以下の範囲では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であると考えられる。このことから、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であることが好ましい。

実施例４における第１の磁性層Ｆ１は、厚さＸｎｍのＣｏＦｅＣｒ層によって構成されている。ここで、ＣｏＦｅＣｒ層を構成するＣｏＦｅＣｒの組成を、Ｃｏ：０．９×ａ原子％、Ｆｅ：０．１×ａ原子％、Ｃｒ：（１００−ａ）原子％とする。下記の表に、ａおよびＸの値の組み合わせが異なる４つの例について、ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βおよび第１の磁性層Ｆ１の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。ＣｏＦｅＣｒにおけるＣｏＦｅの割合ａが小さくなるほどＣｏＦｅＣｒ層の磁化が小さくなるので、下記の例では、ａが小さくなるほどＣｏＦｅＣｒ層の厚さＸを大きくしている。下記の表から、実施例４のＭＲ素子５では、少なくともａが４０以上、８０以下の範囲において、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βが負の値になると考えられる。また、下記の表から、実施例４のＭＲ素子５では、少なくともａが６０以上、８０以下の範囲において、比較例のＭＲ素子に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。なお、実施例４において、ａが６０以上、８０以下の範囲では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であると考えられる。

実施例５における第１の磁性層Ｆ１は、厚さＸｎｍのＣｏＦｅＶ層によって構成されている。ここで、ＣｏＦｅＶ層を構成するＣｏＦｅＶの組成を、Ｃｏ：０．９×ａ原子％、Ｆｅ：０．１×ａ原子％、Ｖ：（１００−ａ）原子％とする。下記の表に、ａおよびＸの値の組み合わせが異なる４つの例について、ＲＡ（Ωμｍ²）、磁気抵抗変化ＡΔＲ（ｍΩμｍ²）、抵抗変化率（％）、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βおよび第１の磁性層Ｆ１の磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。ＣｏＦｅＶにおけるＣｏＦｅの割合ａが小さくなるほどＣｏＦｅＶ層の磁化が小さくなるので、下記の例では、ａが小さくなるほどＣｏＦｅＶ層の厚さＸを大きくしている。下記の表から、実施例５のＭＲ素子５では、少なくともａが４０以上、８０以下の範囲において、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βが負の値になると考えられる。また、下記の表から、実施例５のＭＲ素子５では、少なくともａが６０以上、８０以下の範囲において、比較例のＭＲ素子に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率を大きくすることができると考えられる。なお、実施例５において、ａが６０以上、８０以下の範囲では、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であると考えられる。

ここで、実施例１〜３のように、第１の磁性層Ｆ１を、第１の磁性合金層と第２の磁性合金層とを有する積層体によって構成する場合における第２の磁性合金層の厚さについて考察する。シンセティック構造のフリー層２５では、第１の磁性層Ｆ１と第２の磁性層Ｆ２とを結合層４０を介して良好に反強磁性的に結合させる必要がある。第１の磁性層Ｆ１と第２の磁性層Ｆ２の結合の大きさは、第１の磁性層Ｆ１と結合層４０との界面の状態および第２の磁性層Ｆ２と結合層４０との界面の状態に依存する。ここで、第１の磁性層Ｆ１における第２の磁性合金層の厚さが大きくなるほど、第１の磁性層Ｆ１における結合層４０側の面の粗さが増加する。そのため、第２の磁性合金層の厚さを大きくすることには限界がある。第２の磁性合金層の厚さの上限は、結合層４０に接する第１の磁性合金層の厚さの２倍程度となる。実施例１，２を例に取ると、第２の磁性合金層であるＦｅＣｒ層やＦｅＶ層の厚さの上限は、第１の磁性合金層であるＣｏＦｅ層の厚さ０．５ｎｍの２倍程度、すなわち１．０ｎｍ程度となる。また、この場合、ＦｅＣｒ層やＦｅＶ層の磁化の下限は、７００（ｅｍｕ／ｃｃ）程度となる。

次に、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値について考察する。実施例１〜３から、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値は０．１以上であることが好ましいことが分かる。しかし、実施例４，５においてａが４０の場合のように、第１の磁性層Ｆ１のバルク散乱係数βの絶対値が０．１以上であっても、比較例に比べて、磁気抵抗変化ＡΔＲおよび抵抗変化率が小さくなる場合もある。これは、第１の磁性層Ｆ１の磁化が小さすぎて、シンセティック構造のフリー層２５としての機能が十分に発揮されないためであると考えられる。このことから、実施例４，５のように、第１の磁性層Ｆ１がＣｏＦｅＣｒ層やＣｏＦｅＶ層によって構成される場合には、ＣｏＦｅＣｒやＣｏＦｅＶの組成には、好ましい範囲がある。

以下、本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリおよび磁気ディスク装置について説明する。まず、図４を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ２１０について説明する。磁気ディスク装置において、スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体である磁気ディスクに対向するように配置される。このスライダ２１０は、主に図２における基板１およびオーバーコート層１７からなる基体２１１を備えている。基体２１１は、ほぼ六面体形状をなしている。基体２１１の六面のうちの一面は、磁気ディスクに対向するようになっている。この一面には、エアベアリング面２０が形成されている。磁気ディスクが図４におけるｚ方向に回転すると、磁気ディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、図４におけるｙ方向の下方に揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によって磁気ディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図４におけるｘ方向は、磁気ディスクのトラック横断方向である。スライダ２１０の空気流出側の端部（図４における左下の端部）の近傍には、本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド１００が形成されている。

次に、図５を参照して、本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリ２２０について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、このスライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１とを備えている。サスペンション２２１は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２、このロードビーム２２２の一端部に設けられると共にスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与えるフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４とを有している。ベースプレート２２４は、スライダ２１０を磁気ディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させるためのアクチュエータのアーム２３０に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム２３０と、このアーム２３０を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ２２３において、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、アクチュエータのアーム２３０に取り付けられる。１つのアーム２３０にヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドアームアセンブリと呼ばれる。また、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものはヘッドスタックアセンブリと呼ばれる。

図５は、本実施の形態に係るヘッドアームアセンブリを示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム２３０の一端部にヘッドジンバルアセンブリ２２０が取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には、アーム２３０を回動自在に支持するための軸２３４に取り付けられる軸受け部２３３が設けられている。

次に、図６および図７を参照して、ヘッドスタックアセンブリの一例と本実施の形態に係る磁気ディスク装置について説明する。図６は磁気ディスク装置の要部を示す説明図、図７は磁気ディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。複数のアーム２５２には、複数のヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１においてアーム２５２とは反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、磁気ディスク装置に組み込まれる。磁気ディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚の磁気ディスク２６２を有している。各磁気ディスク２６２毎に、磁気ディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ２５０のコイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

スライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０およびアクチュエータは、本発明における位置決め装置に対応し、スライダ２１０を支持すると共に磁気ディスク２６２に対して位置決めする。

本実施の形態に係る磁気ディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０を磁気ディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、スライダ２１０を磁気ディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって、磁気ディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッドによって、磁気ディスク２６２に記録されている情報を再生する。

本実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置は、前述の本実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドと同様の効果を奏する。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明において、ピンド層２３はシンセティックピンド層に限らない。

また、各実施の形態では、基体側に再生ヘッドを形成し、その上に、記録ヘッドを積層した構造の薄膜磁気ヘッドについて説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。

また、読み取り専用として用いる場合には、薄膜磁気ヘッドを、再生ヘッドだけを備えた構成としてもよい。

本発明の一実施の形態における再生ヘッドのエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドのエアベアリング面および基板に垂直な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの磁極部分のエアベアリング面に平行な断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダを示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るヘッドアームアセンブリを示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る磁気ディスク装置の要部を説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態に係る磁気ディスク装置の平面図である。 バルク散乱による磁気抵抗変化について説明するための説明図である。 バルク散乱による磁気抵抗変化について説明するための説明図である。 界面散乱による磁気抵抗変化について説明するための説明図である。 界面散乱による磁気抵抗変化について説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態に係るＭＲ素子における磁気抵抗変化について説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態に係るＭＲ素子における磁気抵抗変化について説明するための説明図である。

符号の説明

１…基板、２…絶縁層、３…第１のシールド層、５…ＭＲ素子、７…絶縁層、８…第２のシールド層、９…記録ギャップ層、１０…薄膜コイルの第１層部分、１２…上部磁極層、１５…薄膜コイルの第２層部分、１７…オーバーコート層、１８…バイアス磁界印加層、２０…エアベアリング面、２１…下地層、２２…反強磁性層、２３…ピンド層、２４…非磁性導電層、２５…フリー層、４０…結合層、Ｆ１…第１の磁性層、Ｆ２…第２の磁性層。

Claims (12)

1. 互いに反対側を向く２つの面を有する非磁性導電層と、
   前記非磁性導電層における一方の面に隣接するように配置され、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するフリー層と、
   前記非磁性導電層の他方の面に隣接するように配置され、磁化の方向が固定されたピンド層とを備え、
   前記フリー層は、それぞれ磁性材料よりなる層を含む第１および第２の磁性層と、前記第１および第２の磁性層の間に配置された非磁性材料よりなる結合層とを有し、
   前記第２の磁性層は、前記第１の磁性層よりも前記ピンド層に近い位置に配置され、
   前記第１および第２の磁性層は、前記結合層を介して反強磁性的に結合し、
   前記第１の磁性層のバルク散乱係数は負の値であり、
   前記第２の磁性層のバルク散乱係数は正の値であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１の磁性層のバルク散乱係数の絶対値は、０．１以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１の磁性層は、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかを含むがクロム、バナジウム、マンガンのいずれをも含まない磁性合金よりなる第１の磁性合金層と、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかおよびクロム、バナジウム、マンガンのいずれかを含む磁性合金よりなる第２の磁性合金層とを、それぞれ１層以上有する積層体からなることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、８０以下である磁性合金よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第２の磁性合金層は、鉄をａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第２の磁性合金層は、ニッケルをａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが５０以上、７０以下である磁性合金よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第１の磁性層は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、クロムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有することを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第１の磁性層は、コバルトを０．９×ａ原子％、鉄を０．１×ａ原子％、バナジウムを（１００−ａ）原子％含み、ａが６０以上、８０以下である磁性合金よりなる層を有することを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
9. 記録媒体に対向する媒体対向面と、
   前記記録媒体からの信号磁界を検出するために前記媒体対向面の近傍に配置された請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、
   磁気的信号検出用の電流を、前記磁気抵抗効果素子に対して、磁気抵抗効果素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流すための一対の電極と
   を備えたことを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
10. 請求項９記載の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、
    前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと
    を備えたことを特徴とするヘッドジンバルアセンブリ。
11. 請求項９記載の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向するように配置されるスライダと、
    前記スライダを弾性的に支持するサスペンションと、
    前記スライダを記録媒体のトラック横断方向に移動させるためのアームと
    を備え、前記サスペンションが前記アームに取り付けられていることを特徴とするヘッドアームアセンブリ。
12. 請求項９記載の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向するように配置されるスライダと、
    前記スライダを支持すると共に前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置と
    を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
    

Images