JP4181095B2 - Magnetoresistive element, magnetic head, and magnetic recording / reproducing apparatus - Google Patents

Magnetoresistive element, magnetic head, and magnetic recording / reproducing apparatus Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関し、より詳細には、薄膜面に対して垂直にセンス電流が流れるスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic head, and a magnetic recording / reproducing apparatus, and more specifically, a magnetoresistive effect element using a spin valve film in which a sense current flows perpendicularly to a thin film surface, and the magnetoresistive effect element The present invention relates to a magnetic head and a magnetic recording / reproducing apparatus.

ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を「磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と称する）」とよぶ。   In certain types of ferromagnetic materials, a phenomenon is known in which the electrical resistance changes according to the strength of the external magnetic field, which is called the “magnetoresistance effect”. This effect can be used for detection of an external magnetic field, and such a magnetic field detection element is called a “magnetoresistance effect element (hereinafter referred to as an MR element)”.

このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７、１５０（１９７１）等参照）、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」とよばれている。   Industrially, such MR elements are used for reading information stored in magnetic recording media in magnetic recording and reproducing devices such as hard disks and magnetic tapes (IEEE MAG-7, 150 (1971), etc.). Such a magnetic head is called an “MR head”.

ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。   Incidentally, in recent years, in magnetic recording / reproducing apparatuses in which these MR elements are used, particularly hard disk apparatuses, the magnetic recording density has been increased, and the size of one bit has been reduced, and the leakage magnetic flux from the bit has been reduced. The amount is decreasing. For this reason, it is indispensable for reading information written on a magnetic medium to produce a high-sensitivity and high S / N ratio MR element that can obtain a large resistance change rate even with a lower magnetic field. It is an important basic technology for improving density.

ここで「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）あたりの抵抗変化量（Ω）が大きい事を意味しており、より大きなＭＲ変化量をもち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値とする事が望まれている。   Here, “high sensitivity” means that the resistance change amount (Ω) per unit magnetic field (Oe) is large, and an MR element having a larger MR change amount and more excellent in soft magnetic characteristics. High sensitivity. In order to realize a high S / N ratio, it is important to reduce thermal noise as much as possible. For this reason, it is not preferable that the element resistance itself be too large. In order to realize a good S / N ratio when used as a reading sensor for a hard disk, it is desirable that the element resistance be a value of about 5Ω to 30Ω. It is rare.

このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲへッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ（spin-valve）膜を用いることが一般化している。   Under such circumstances, it is now common to use a spin-valve film capable of obtaining a large MR change rate as an MR element used in the hard disk MR head.

図１９は、スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。スピンバルブ膜１００は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐ及び反強磁性層Ａをこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層Ｆ、Ｐのうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体Ａを用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにされている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層Ｐ、Ｆの磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果をえることができる（非特許文献１参照）。   FIG. 19 is a conceptual diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a spin valve film. The spin valve film 100 has a configuration in which a ferromagnetic layer F, a nonmagnetic layer S, a ferromagnetic layer P, and an antiferromagnetic layer A are stacked in this order. Of the two ferromagnetic layers F and P that are in a magnetically uncoupled state with the nonmagnetic layer S interposed therebetween, one of the ferromagnetic layers P is fixed in magnetization by an exchange bias using an antiferromagnetic material A or the like. The other ferromagnetic layer F can be easily rotated by an external magnetic field (signal magnetic field or the like). Then, only the magnetization of the ferromagnetic layer F is rotated by an external magnetic field, and the relative angles of the magnetization directions of the two ferromagnetic layers P and F are changed to obtain a large magnetoresistance effect (Non-patent Document 1). reference).

ここで、強磁性層Ｆは、「フリー層」あるいは「磁場感受層」、「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは、「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは、「スペーサ層」あるいは「非磁性中間層」、「中間層」などと称される場合が多い。   Here, the ferromagnetic layer F is called “free layer” or “magnetic field sensitive layer”, “magnetization free layer”, etc., and the ferromagnetic layer P is called “pinned layer” or “magnetization pinned layer”. The nonmagnetic layer S is often referred to as a “spacer layer”, “nonmagnetic intermediate layer”, “intermediate layer”, or the like.

スピンバルブ膜は、低磁場でも、フリー層すなわち強磁性層Ｆの磁化を回転させることができるため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。   Since the spin valve film can rotate the magnetization of the free layer, that is, the ferromagnetic layer F even in a low magnetic field, high sensitivity can be achieved, and it is suitable for an MR element for an MR head.

このようなスピンバルブ素子に対しては、磁界による抵抗の変化を検出するために「センス電流」を流す必要がある。   For such a spin valve element, it is necessary to pass a “sense current” in order to detect a change in resistance due to a magnetic field.

図２０は、一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。すなわち、現在は、図示したようにスピンバルブ素子の両端に電極ＥＬ、ＥＬを設け、センス電流Ｉを膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ（current-in-plane）」方式とよばれている。   FIG. 20 is a conceptual diagram showing a commonly used current supply method. That is, at present, a method is generally used in which electrodes EL and EL are provided at both ends of a spin valve element as shown in the drawing, a sense current I is passed in parallel to the film surface, and the resistance in the film surface parallel direction is measured. Yes. This method is generally called a “CIP (current-in-plane)” method.

ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲへッドでは、スピンバルブ素子はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼＭＲ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を１０〜３０Ωにすることにより良好な Ｓ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することができる。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲへッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。   In the case of the CIP method, an MR change rate of about 10 to 20% can be obtained. Further, in the shield type MR head that is generally used at present, the spin valve element is used in a nearly square shape, and therefore the resistance of the MR element is approximately equal to the surface electrical resistance value of the MR film. For this reason, in the CIP type spin valve film, it is possible to obtain good S / N characteristics by setting the surface electric resistance value to 10 to 30Ω. This can be realized relatively easily by reducing the film thickness of the entire spin valve film. Because of these advantages, at present, CIP spin valve films are generally used as MR elements for MR heads.

しかしながら、１００Ｇｂｉｔ／inch２ をこえるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として３０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。 However, in order to realize information reproduction at a high recording density exceeding 100 Gbit / inch 2 , it is expected that a value exceeding 30% is required as the MR change rate. On the other hand, in the conventional spin valve film, it is difficult to obtain a value exceeding 20% as the MR change rate. For this reason, how to increase the MR change rate is a major technical issue for further improving the recording density.

このような観点から、ＭＲ変化率を大きくする目的で、ＣＩＰ−ＳＶ（ＣＩＰ−スピンバルブ）膜においてピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブが提案されている。   From such a point of view, for the purpose of increasing the MR ratio, a spin valve formed of a magnetic / nonmagnetic layer laminated film in which a pinned layer and a free layer are ferromagnetically coupled in a CIP-SV (CIP-spin valve) film. Has been proposed.

図２１は、このような積層構造を有するスピンバルブ膜の概略断面図である。すなわち、ピン層Ｐとフリー層Ｆとが、それぞれ強磁性層と非磁性層との積層構造を有する。この構造の場合、スピンバルブ膜では磁性層／非磁性層界面におけるスピンに依存した電子散乱がＭＲ高果に寄与するため、伝導電子がなるべくより多くの磁性層／非磁性層界面をとおりぬけるようにピン層Ｐとフリー層Ｆの磁性層／非磁性層界面を増やすことにより、大きなＭＲ変化率をえることが可能とされている。   FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of a spin valve film having such a laminated structure. That is, the pinned layer P and the free layer F have a laminated structure of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, respectively. In this structure, spin-dependent electron scattering at the magnetic layer / nonmagnetic layer interface contributes to high MR performance in the spin valve film, so that conduction electrons pass through as many magnetic layer / nonmagnetic layer interfaces as possible. In addition, by increasing the magnetic layer / nonmagnetic layer interface between the pinned layer P and the free layer F, it is possible to obtain a large MR ratio.

しかしながら、図２１の構成においては、界面数は増えるものの、センス電流Ｉは積層構造に対して平行に流れるため、それぞれの電子はいずれか一つの層中を流れる確率が高く、界面を横切る電子の数をさほど増やすことはできない。したがって大きな抵抗変化率の向上を得ることは困難となっている。   However, in the configuration of FIG. 21, although the number of interfaces increases, the sense current I flows in parallel to the stacked structure, so that each electron has a high probability of flowing in any one layer, and the number of electrons crossing the interface is high. The number cannot be increased that much. Therefore, it is difficult to obtain a large improvement in resistance change rate.

また上記のような方法では、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれにおいて非磁性層が積層されるぶん総膜厚が増加するため、膜面の抵抗値、いわゆる面電気抵抗値は大きく減少してしまい、抵抗変化量（＝面電気抵抗×ＭＲ変化率）はむしろ減少してしまう。一般にへッド出力は抵抗変化量に比例しているため、実際にセンサーとして用いる場合には、出力の絶対値としては減少してしまうという問題もあった。   In the method as described above, since the total film thickness where the nonmagnetic layer is laminated in each of the pinned layer P and the free layer F increases, the resistance value of the film surface, so-called surface electric resistance value, greatly decreases. Therefore, the resistance change amount (= surface electrical resistance × MR change rate) is rather reduced. In general, since the head output is proportional to the amount of change in resistance, there is a problem that the absolute value of the output decreases when actually used as a sensor.

以上説明したような理由から、図２１に表したようにピン層とフリー層を多層構造にしたＣＩＰ−ＳＶ膜においても２０％を越えるような大きなＭＲ変化率と、５〜３０Ωの実用的な抵抗変化量を実現することは実質的に不可能となっている。   For the reasons described above, a large MR change rate exceeding 20% and a practical range of 5 to 30Ω also in a CIP-SV film having a multi-layered pin layer and free layer as shown in FIG. It is virtually impossible to realize the resistance change amount.

一方、３０％を越えるような大きなＭＲを得る方法として、磁性体と非磁性対を積層した人工格子において膜面に垂直方向（current perpendicular to plane：ＣＰＰ）にセンス電流を流す形式の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ−人工格子）が提案されている。   On the other hand, as a method for obtaining a large MR exceeding 30%, a magnetoresistive effect of flowing a sense current in a direction perpendicular to the film surface (CPP) in an artificial lattice in which a magnetic material and a nonmagnetic pair are laminated. An element (hereinafter referred to as CPP-artificial lattice) has been proposed.

図２２は、ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。この形式の磁気抵抗効果素子では、強磁性層／非磁性層からなる人工格子ＳＬの上下に電極ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れる。この構成では、電流Ｉが磁性層／非磁性層界面を横切る確率が高くなるため、良好な界面効果を得ることが可能となり大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。   FIG. 22 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a CPP-artificial lattice type element. In this type of magnetoresistive effect element, electrodes EL are respectively provided above and below the artificial lattice SL made of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer, and a sense current I flows in a direction perpendicular to the film surface. In this configuration, since the probability that the current I crosses the magnetic layer / nonmagnetic layer interface is high, it is known that a favorable interface effect can be obtained and a large MR change rate can be obtained.

しかしながら、このようなＣＰＰ人工格子タイプの膜では、極薄の金属膜の積層構造からなる人工格子ＳＬの膜面垂直方向の電気抵抗を測定する必要がある。しかしこの抵抗値は一般に非常に小さな値になってしまう。したがってＣＰＰ人工格子では、抵抗値をできるだけ大きくすることが重要な技術課題となっている。従来はこの値を大きくするために、人工格子ＳＬと電極ＥＬとの接合面積を可能なかぎり小さくして、かつ人工格子ＳＬの積層回数を増やし、総膜厚をふやすことが必須となっている。たとえば、素子の形状を０．１μｍ×０．１μｍにパターニングした場合、Ｃｏ２ｎｍとＣｕ２ｎｍを交互に１０回積層すれば、総膜厚は２０ｎｍとなり、１Ω程度の抵抗値を得ることができる。   However, in such a CPP artificial lattice type film, it is necessary to measure the electric resistance in the direction perpendicular to the film surface of the artificial lattice SL having a laminated structure of ultrathin metal films. However, this resistance value is generally very small. Therefore, in the CPP artificial lattice, it is an important technical problem to increase the resistance value as much as possible. Conventionally, in order to increase this value, it is essential to reduce the junction area between the artificial lattice SL and the electrode EL as much as possible, increase the number of stacks of the artificial lattice SL, and increase the total film thickness. . For example, when the element shape is patterned to 0.1 μm × 0.1 μm, if Co2 nm and Cu2 nm are alternately stacked 10 times, the total film thickness becomes 20 nm, and a resistance value of about 1Ω can be obtained.

以上のような理由から、ＣＰＰ人工格子タイプの膜で、十分なヘッド出力を得、良好なハードディスク用読み取りセンサーとして用いるためには、スピンバルブタイプではなく人工格子タイプにすることが抵抗の面からみると必須である事がわかる。   For the above reasons, in order to obtain a sufficient head output with a CPP artificial lattice type film and use it as a good hard disk reading sensor, it is necessary to use an artificial lattice type instead of a spin valve type in terms of resistance. You can see that it is essential.

しかし一方で、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、磁性層の磁化の制御を行い、効率よく外部磁場の計測を行えるようにしながら、同時にバルクハウゼンノイズ等が発生しないように、各磁性層を単磁区化する事が必要となってくる。しかし、上述したように、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層を交互に何度も積層する必要があり、そのような多くの磁性層にたいして、個別に磁化の制御を行うことは技術上非常に困難となっている。   On the other hand, when the MR element is used for an MR head, it is possible to control the magnetization of the magnetic layer so that the external magnetic field can be measured efficiently, and at the same time, no magnetic material such as Barkhausen noise is generated. It becomes necessary to make the layer a single domain. However, as described above, in order to obtain a resistance value in the CPP-MR element, it is necessary to alternately stack a magnetic layer and a nonmagnetic layer several times. For such many magnetic layers, the magnetization control is individually performed. It has become technically very difficult to do.

また、ＭＲ素子をＭＲヘッドにもちいる場合には、小さな信号磁界に対して高感度に磁化が回転し、大きなＭＲ変化率が得られるようにする必要があるが、このためにはセンシング部分での信号磁束密度を向上させ、おなじ磁束密度でもより大きな磁化回転量が得られるようにする必要がある。したがって外部磁場によって磁化が回転する層のトータルのＭｓｔ（磁化×膜厚）を小さくする必要がある。しかし、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層とを交互に何度も積層する必要があり、Ｍｓｔが増大してしまうため、信号磁束に対する感度を向上させることが困難となっている。   Further, when the MR element is used for the MR head, it is necessary to rotate the magnetization with high sensitivity to a small signal magnetic field so that a large MR change rate can be obtained. It is necessary to improve the signal magnetic flux density so that a larger amount of magnetization rotation can be obtained even at the same magnetic flux density. Therefore, it is necessary to reduce the total Mst (magnetization × film thickness) of the layer whose magnetization is rotated by the external magnetic field. However, in the CPP-MR element, in order to increase the resistance value, it is necessary to alternately stack the magnetic layer and the nonmagnetic layer several times, and Mst increases, so it is difficult to improve the sensitivity to the signal magnetic flux. It has become.

このため、ＣＰＰ人工格子タイプの膜では、３０％を越えるＭＲ変化率は期待できるもののへッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上不可能となっている。   For this reason, although an MR change rate exceeding 30% can be expected with a CPP artificial lattice type film, it is difficult to achieve high sensitivity for use as an MR sensor for a head, and is substantially impossible. Yes.

一方、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ等を用いたスピンバルブ構造においてＣＰＰ方式を採用することも考えられる。   On the other hand, it is conceivable to adopt the CPP method in a spin valve structure using FeMn / NiFe / Cu / NiFe, FeMn / CoFe / Cu / CoFe, or the like.

図２３は、ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。しかし、このようなＣＰＰ−ＳＶ構成において、抵抗値を大きくするためには磁性層の厚さを２０ｎｍ程度まで厚くする必要があり、その場合でも抵抗変化率は、４．２Ｋで３０％程度にとどまり、室温においては更にその半分の１５％程度の抵抗変化率しか得られないだろうことが予測されている。   FIG. 23 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a CPP-SV element. However, in such a CPP-SV configuration, in order to increase the resistance value, it is necessary to increase the thickness of the magnetic layer to about 20 nm. Even in this case, the resistance change rate is about 30% at 4.2K. It is predicted that at room temperature, only about 15% of the resistance change rate will be obtained.

つまり、ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜では、１５％程度のＭＲ変化率しか得られず、しかもフリー層のＭｓｔも大きくせざるを得ないため、へッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上用いることは困難となっている。
Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ６９， ４７７４（１９９１） In other words, the CPP type spin valve film can only obtain an MR change rate of about 15%, and the Mst of the free layer must be increased, so that it is highly sensitive for use as an MR sensor for a head. Is difficult to use in practice.
Phys. Rev. B45, 806 (1992), J. MoI. Appl. Phys. 69, 4774 (1991)

以上説明したように、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜、ＣＰＰ方式の人工格子、ＣＰＰ方式のスピンバルブ等、様々な方式が提案されているものの、現時点では１００Ｇｂｉｔ／inch２ を超えるような高記録密度で用いることができる、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量をもち、かつ磁気的に高感度となるようなスピンバルブ膜は実現が困難となっている。 As described above, the spin valve film of the CIP method, CPP method of artificial lattice, spin valve like the CPP type, although various methods have been proposed, at present a high recording density exceeding 100 Gbit / inch 2 It is difficult to realize a spin valve film that can be used and has an appropriate resistance value, a large MR variation, and high magnetic sensitivity.

本発明は、このような課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、スピン依存散乱効果を有効的に利用しながら、適当な抵抗値を有し、高感度化が可能で、かつ制御すべき磁性体層の数の少ない、実用的な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することにある。   The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and its purpose is to have an appropriate resistance value while effectively utilizing the spin-dependent scattering effect, and to achieve high sensitivity. Another object of the present invention is to provide a practical magnetoresistive element having a small number of magnetic layers to be controlled, a magnetic head using the same, and a magnetic recording / reproducing apparatus.

上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、２種類以上の強磁性層を積層した積層体を有し、前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a magnetoresistive element of the present invention includes a magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction, a magnetization free layer in which the magnetization direction changes according to an external magnetic field, A nonmagnetic intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer,
A magnetoresistive effect element whose resistance changes according to a relative angle between the magnetization direction of the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer, wherein at least one of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer Has a laminate in which two or more types of ferromagnetic layers are laminated, and the sense current for detecting the change in resistance is applied to the magnetization pinned layer, the nonmagnetic intermediate layer, and the magnetization free layer as film surfaces. It is characterized by being energized in a substantially vertical direction.

また、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、鉄（Ｆｅ）基合金を含むものとすることができる。   Further, at least one of the ferromagnetic layers included in the laminate may include an iron (Fe) based alloy.

また、前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金からなるものとすることもできる。   Further, at least one of the ferromagnetic layers included in the stacked body may be made of a soft magnetic alloy containing nickel (Ni), iron (Fe), or cobalt (Co).

また、前記磁化固着層と前記磁化自由層は、それぞれ前記積層体を有し、
前記磁化固着層の前記積層体における前記積層の周期と、前記磁化自由層の前記積層体における前記積層の周期とが異なるものとすることもできる。 Further, each of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer has the stacked body,
The period of the stack in the stacked body of the magnetization fixed layer may be different from the period of the stack in the stacked body of the magnetization free layer.

また、前記非磁性中間層は、２種類以上の非磁性層を積層した積層体を有するものとすることもできる。   The nonmagnetic intermediate layer may have a laminate in which two or more kinds of nonmagnetic layers are laminated.

ここで、前記２種類以上の非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか２つをそれぞれ主成分とした２種類の非磁性層を含むものとすることができる。   Here, the two or more types of non-magnetic layers include two types of non-magnetic layers each mainly including any two of gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu). Can do.

一方、本発明の磁気ヘッドは、前述のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。   On the other hand, a magnetic head according to the present invention includes any one of the above-described magnetoresistive elements.

さらに、本発明の磁気記録再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする。   Furthermore, a magnetic recording / reproducing apparatus according to the present invention includes the magnetic head described above, and is capable of reading magnetic information stored in a magnetic recording medium.

本発明の磁気抵抗効果素子においては、スピン依存散乱を有効に利用することが可能となり大きなＭＲ変化率と、適度な抵抗値を両立することが可能になる。   In the magnetoresistive effect element of the present invention, spin-dependent scattering can be used effectively, and both a large MR change rate and an appropriate resistance value can be achieved.

以上詳述したように、本発明によれば、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるような磁気抵抗効果素子を提供することができる。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect element having an appropriate resistance value, a large MR change amount, and high magnetic sensitivity.

その結果として、従来よりも微小な記録ビットからの磁気的情報を確実に読みとることが可能となり、記録媒体の記録密度を大幅に向上させることが可能となる。同時に、熱的にも安定するために、磁気記録再生システムの信頼性が向上し、利用範囲が拡がり、産業上のメリットは多大である。   As a result, it is possible to reliably read magnetic information from a recording bit that is smaller than before, and to greatly improve the recording density of the recording medium. At the same time, since it is thermally stable, the reliability of the magnetic recording / reproducing system is improved, the range of use is expanded, and the industrial merit is great.

発明の実施の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０Ａは、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、中間非磁性層Ｓ、第２の磁性体Ｆの順に積層されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention. That is, the magnetoresistive effect element 10A of the present invention is laminated on a predetermined substrate (not shown) in the order of the antiferromagnetic layer A, the first magnetic body P, the intermediate nonmagnetic layer S, and the second magnetic body F. ing.

さらに、この積層構造の上下には、電極層ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉを膜面垂直方向に流すことが特徴となっている。   Further, electrode layers EL are respectively provided above and below the laminated structure, and the sense current I flows in the direction perpendicular to the film surface.

本具体例において、第１の磁性層Ｐは、反強磁性層Ａによる一方向異方性によって磁化が固定された「ピン層」として作用する。また第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化回転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。   In this specific example, the first magnetic layer P functions as a “pinned layer” whose magnetization is fixed by unidirectional anisotropy by the antiferromagnetic layer A. The second magnetic layer F functions as a “magnetic field sensitive layer” or “free layer” that is magnetized and rotated by an external magnetic field (for example, a signal magnetic field) generated from a magnetic recording medium (not shown).

本具体例においては、第１の磁性層Ｐおよび第２の磁性層Ｆは、それぞれ強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮ、強磁性層ＦＦ／非磁性層ＦＮの積層構造から構成されている。この強磁性層／非磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいてはほぼ同一方向に磁化固着されており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対応してほぼ同一の磁化方向をもつ。   In this specific example, the first magnetic layer P and the second magnetic layer F each have a laminated structure of a ferromagnetic layer PF / nonmagnetic layer PN and a ferromagnetic layer FF / nonmagnetic layer FN. In this laminated structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer, the ferromagnetic layers are ferromagnetically coupled to each other, and the magnetizations behave substantially as one body. That is, the magnetizations of the ferromagnetic layers included in the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer stacked structure are in a substantially parallel state, the pinned layer P is fixedly magnetized in substantially the same direction, and the free layer F is externally fixed. Corresponding to the magnetic field, it has almost the same magnetization direction.

本具体例においては、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ構成と比べて、明らかにピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／非磁性層の界面を設けることが可能となる。ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性層／非磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が大きなスピン依存性を持ち、ＣＰＰ−ＭＲを増大させるという作用効果を有する。   Compared with the CPP spin valve configuration illustrated in FIG. 23, in this specific example, obviously, it is possible to provide many ferromagnetic layer / nonmagnetic layer interfaces in the pinned layer P and the free layer F. The CPP spin-valve film has the effect of electron scattering at the interface of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer, that is, the interface resistance has a large spin dependence and the effect of increasing CPP-MR.

また、界面抵抗が比較的大きな値を持つため、強磁性層／非磁性層の界面をより多く形成することにより、膜面垂直方向の抵抗値を増大させることもできる。本発明においては、より多くの界面抵抗を利用するができ、図２３に例示したＣＰＰスピンバルブ膜に比べて、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。   In addition, since the interface resistance has a relatively large value, the resistance value in the direction perpendicular to the film surface can be increased by forming more interfaces of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer. In the present invention, more interface resistance can be used, and it is possible to configure a CPP-SV having a high resistance and a high MR ratio compared to the CPP spin valve film illustrated in FIG.

また、本発明においては、電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れるＣＰＰ方式をとっているため、すべての電流成分は強磁性層／非磁性層の界面を横切ることになり、図２０や図２１に例示したＣＩＰ方式の場合には有効に利用できなかった界面効果を極めて有効に利用することが可能となる。このため、ＣＩＰ構成では十分に得られなかったＭＲ変化率の増大効果を極めて顕著に得ることが可能になる。   In the present invention, since the current I takes a CPP method in which the current I flows in a direction perpendicular to the film surface, all current components cross the interface of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer. In the case of the CIP method illustrated in FIG. 21, the interface effect that cannot be used effectively can be used very effectively. For this reason, it is possible to obtain a remarkable effect of increasing the MR ratio that was not sufficiently obtained with the CIP configuration.

さらに本発明においては、センス電流Ｉは膜面に対して垂直方向に流れるため、図２１に例示したＣＩＰ方式の場合のように、非磁性層を挟むことによる抵抗値の低下の問題は発生しない。   Further, in the present invention, since the sense current I flows in a direction perpendicular to the film surface, there is no problem of a decrease in resistance due to sandwiching the nonmagnetic layer as in the case of the CIP method illustrated in FIG. .

以上説明したように、本発明によれば、スピンバルブ構成でありながら、界面抵抗を良好に利用し、適度な抵抗値を持ったＣＰＰスピンバルブ素子を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a CPP spin valve element having an appropriate resistance value by making good use of the interface resistance while having a spin valve configuration.

また本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能とになる。その結果として、磁気ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合には、バルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。   In this specific example, the magnetizations of the pinned layer P and the free layer F operate as one body. Therefore, the magnetization can be controlled only by the magnetization fixation of the pinned layer P and the magnetization control of one free layer F. As a result, when used in a reading sensor such as a magnetic head, it is possible to realize a magnetic head in which Barkhausen noise is suppressed.

また、本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆのトータルの厚さは薄くしたまま、良好な抵抗値、ＭＲ変化率を得ることが可能となる。すなわち、図２３に例示したような単純なＣＰＰスピンバルブ構成と比較して、本構成の場合には界面抵抗を十分に利用することが可能となるため、ピン層Ｐ、フリー層ＦのトータルのＭｓｔが小さい条件でも、十分な抵抗値とＭＲ変化率を得ることが可能となる。具体的には、図２３の構成ではピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁性体の厚さとしては２０ｎｍ程度必要であったものが、本構成にすることにより、トータルの磁性層厚が５ｎｍ程度で十分な特性を得ることが可能になる。これによって、フリー層ＦのＭｓｔを小さな値に保つことが可能となり、高感度なスピンバルブ素子を構成することができる。またピン層ＰのＭｓｔも小さくすることが可能となるため、反強磁性層Ａによる磁化固着特性を向上させることができ、熱的にも安定し、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能となる。   In this specific example, it is possible to obtain a good resistance value and MR change rate while keeping the total thickness of the pinned layer P and the free layer F thin. That is, as compared with the simple CPP spin valve configuration illustrated in FIG. 23, the interface resistance can be fully utilized in this configuration, so that the total of the pinned layer P and the free layer F Even under conditions where Mst is small, a sufficient resistance value and MR change rate can be obtained. Specifically, in the configuration of FIG. 23, the thickness of the magnetic material of the pinned layer P and the free layer F was about 20 nm, but with this configuration, the total magnetic layer thickness is about 5 nm. It is possible to obtain sufficient characteristics. As a result, it is possible to keep Mst of the free layer F at a small value, and a highly sensitive spin valve element can be configured. In addition, since the Mst of the pinned layer P can be reduced, the magnetization pinning characteristic by the antiferromagnetic layer A can be improved, it is thermally stable, and the reliability as a device can be improved. It becomes.

本具体例における第１および第２の強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている強磁性層は、例えばＣｏ（コバルト）単体やＣｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性体、あるいはＮｉＦｅ（ニッケル鉄）合金のようなＮｉ基合金、あるいはＦｅ基合金等により構成することができる。   The ferromagnetic layers included in the first and second ferromagnetic layer / nonmagnetic layer stacked structures in this specific example are, for example, ferromagnetic materials containing Co such as Co (cobalt) alone or a Co-based magnetic alloy, Alternatively, it can be composed of a Ni-based alloy such as a NiFe (nickel iron) alloy, or a Fe-based alloy.

また、本実施例においては強磁性層／非磁性層界面において大きなスピン依存界面抵抗を得ることが望ましいが、そのような強磁性層、非磁性層の組み合わせとしては、強磁性体層としてはＦｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金を用い、非磁性層としてはＣｕ（銅），Ａｇ（銀），Ａｕ（金）もしくはそれらの合金を用いることが望ましい。   In this embodiment, it is desirable to obtain a large spin-dependent interface resistance at the interface between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer. However, as a combination of such a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, the ferromagnetic layer may be Fe. It is desirable to use a base alloy, a Co base alloy, or a Ni base alloy, and use Cu (copper), Ag (silver), Au (gold), or an alloy thereof as the nonmagnetic layer.

また、特にＲｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）などの非強磁性遷移金属をもちいることも望ましい。これらのうちでも、特にＭｎまたはＲｅを用いることが望ましい。   It is also desirable to use a non-ferromagnetic transition metal such as Rh (rhodium), Ru (ruthenium), Mn (manganese), Cr (chromium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium). . Of these, it is particularly desirable to use Mn or Re.

特に界面抵抗が大きくなる組み合わせとしては、Ｆｅ基合金／Ａｕ、Ｆｅ基合金／Ａｇ、もしくはＦｅ基合金／Ａｕ−Ａｇ合金、Ｃｏ基合金／Ｃｕ、Ｃｏ基合金／Ａｇ，Ｃｏ基合金／Ａｕ、もしくはＣｏ基合金／Ｃｕ−Ａｇ−Ａｕ合金のいずれかを用いることが望ましい。   In particular, combinations that increase the interfacial resistance include Fe-based alloys / Au, Fe-based alloys / Ag, or Fe-based alloys / Au-Ag alloys, Co-based alloys / Cu, Co-based alloys / Ag, Co-based alloys / Au, Alternatively, it is desirable to use one of Co-based alloy / Cu—Ag—Au alloy.

強磁性層／非磁性層積層構造に含まれる強磁性層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やすためには、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。そのような組み合わせとしてはＦｅ１原子層／Ａｕ１原子層で構成された人工格子を用いることができる。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。   The film thickness of the ferromagnetic layer included in the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer stacked structure is desirably as thin as possible in order to increase the number of interfaces without increasing the total Mst. In a combination in which magnetism is maintained, the magnetic layer can be composed of one atomic layer. As such a combination, an artificial lattice composed of Fe1 atomic layer / Au1 atomic layer can be used. The upper limit is not particularly specified, but is preferably 2 nm or less in order to increase the number of interfaces.

強磁性層／非磁性層積層構造に含まれている非磁性層の膜厚としては、強磁性層同士の強磁性結合が強く安定であることが必要であるため、１ｎｍ以下であることが望ましい。但し、非磁性層の材料に応じて強磁性結合が安定になる膜厚を選択することが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生することは可能である。   The film thickness of the nonmagnetic layer included in the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer laminated structure is preferably 1 nm or less because the ferromagnetic coupling between the ferromagnetic layers needs to be strong and stable. . However, it is desirable to select a film thickness at which ferromagnetic coupling is stable depending on the material of the nonmagnetic layer. Further, as a lower limit, it is possible to generate interface resistance even in a monoatomic layer.

強磁性層／非磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、強磁性層と非磁性層とが非固溶系となる組み合わせであることが望ましい。但し、本発明は、必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。   As a combination of materials forming the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer structure, it is desirable that the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer are in a non-solid solution system in order to obtain good interface resistance. However, the present invention is not necessarily limited to non-solid solution combinations.

強磁性層／非磁性層積層構造は、平坦で、切れ目なく構成されていることが望ましい。しかし良好な強磁性磁気結合を得るためには、図２に表したように非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成されており、その部分では隣り合う強磁性層ＦＦ、ＰＦが直接接合されていても問題はない。   The laminated structure of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer is preferably flat and seamless. However, in order to obtain a good ferromagnetic magnetic coupling, pinholes H are formed in the nonmagnetic layers FN and PN as shown in FIG. 2, and the adjacent ferromagnetic layers FF and PF are directly joined in that portion. There is no problem even if it is done.

逆に、図３に表したように強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状になっていても積層構造が形成されていても、強磁性層／非磁性層界面が膜面に略平行に存在していれば問題はない。   On the contrary, as shown in FIG. 3, even if the ferromagnetic layers FF and PF are in an island shape or a laminated structure is formed, the interface between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer exists substantially parallel to the film surface. If so, there is no problem.

強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料のみで構成されている必要はない。   The ferromagnetic layer in the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer stacked structure does not necessarily need to be composed of only one kind of material.

図４に例示した構成においては、２種の強磁性体からなる積層膜が用いられている。つまり、第１の強磁性層Ｐを構成する強磁性層ＰＦはＰＦ１／ＰＦ２／ＰＦ１なる積層構成を有し、第２の強磁性層Ｆを構成する強磁性層ＦＦもＦＦ１／ＦＦ２／ＦＦ１なる積層構成を有する。   In the configuration illustrated in FIG. 4, a laminated film made of two types of ferromagnetic materials is used. That is, the ferromagnetic layer PF constituting the first ferromagnetic layer P has a laminated structure of PF1 / PF2 / PF1, and the ferromagnetic layer FF constituting the second ferromagnetic layer F is also FF1 / FF2 / FF1. It has a stacked configuration.

より具体的には、例えばピン層Ｐにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅはスピンの揺らぎが大きい為に、室温で用いる為にはスピンの揺らぎを抑えることが望ましい。そのためには強磁性層ＰＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等のスピン揺らぎの小さな磁性体との積層構造とすることが望ましい。   More specifically, for example, in the pinned layer P, it is desirable to use an Fe / Au interface having a large interface resistance. However, since Fe has a large spin fluctuation, it is necessary to suppress the spin fluctuation for use at room temperature. Is desirable. For that purpose, it is desirable that the ferromagnetic layer PF has a laminated structure with a magnetic material having a small spin fluctuation such as Fe / CoFe / Fe or Fe / NiFe / Fe.

一方、フリー層Ｆにおいても、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのため強磁性層ＦＦとして、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料との積層構造とすることが望ましい。   On the other hand, in the free layer F, it is desirable to use an Fe / Au interface having a large interface resistance. However, it is difficult to obtain the soft magnetic characteristics necessary for the free layer with Fe alone. Therefore, it is desirable that the ferromagnetic layer FF has a laminated structure with a magnetic material having excellent soft magnetic properties such as Fe / CoFe / Fe and Fe / NiFe / Fe.

なお、図４においては、フリー層Ｆの上に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどからなる高導電層Ｇが積層されている。   In FIG. 4, a high conductive layer G made of Cu, Ag, Au or the like is laminated on the free layer F.

一方、強磁性層／非磁性層の積層構造における強磁性層は、必ずしも１種の材料で構成されている必要はなく、図５に示したように、２種以上の強磁性体で構成されていても良い。例えば、高導電層Ｇと非磁性中間層Ｓとの間に設けられるフリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅによる強磁性層ＦＦ１だけではフリー層として必要な軟磁気特性をえることが難しい。そのために強磁性層として強磁性結合したＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料からなる強磁性層ＦＦ２を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。   On the other hand, the ferromagnetic layer in the laminated structure of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer does not necessarily need to be composed of one kind of material, and is composed of two or more kinds of ferromagnetic materials as shown in FIG. May be. For example, in the free layer F provided between the highly conductive layer G and the nonmagnetic intermediate layer S, it is desirable to use an Fe / Au interface having a large interface resistance. However, the Fe ferromagnetic layer FF1 alone is used as a free layer. It is difficult to obtain the necessary soft magnetic properties. Therefore, it is possible to improve the soft magnetic characteristics by adding a ferromagnetic layer FF2 made of a magnetic material having excellent soft magnetic characteristics such as CoFe and NiFe which are ferromagnetically coupled as a ferromagnetic layer.

また、強磁性層／非磁性層積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合にはｆｃｃ（face-centered cubic）構造であることが望ましい。これは非磁性層を構成するＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成することが可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ（body-centered cubic）構造であっても、用いることは可能である。   In addition, when the ferromagnetic layer in the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer laminated structure contains Fe or an Fe-based alloy, it is desirable to have an fcc (face-centered cubic) structure. This can be made more stable when laminated with fcc metals such as Au, Ag, and Cu constituting the nonmagnetic layer, and it becomes possible to construct a laminated structure with good crystallinity as a whole, improving soft magnetic characteristics. This is because there is an effect such as reduction of spin fluctuation. However, even a bcc (body-centered cubic) structure can be used.

また、図４や図５に例示したように２種類以上の強磁性層を組み合わせる場合には ｆｃｃ構造の強磁性体とｂｃｃ構造の強磁性体とを組み合わせることもできる。この様な組み合わせにおいてはｆｃｃ強磁性体とｂｃｃ強磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なる。このため、伝導電子に対する顕著なフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることができる。   Further, as shown in FIGS. 4 and 5, when two or more types of ferromagnetic layers are combined, a fcc structure ferromagnet and a bcc structure ferromagnet can be combined. In such a combination, the electronic state, the Fermi surface shape, the state density distribution, and the like of the fcc ferromagnet and the bcc ferromagnet are greatly different. For this reason, it becomes possible to obtain a remarkable filter effect on conduction electrons, and a large resistance and MR change rate can be obtained.

図６は、ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた具体例を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブは、第１の磁性層Ｐがｂｃｃ構造の強磁性層ＰＦと非磁性層ＰＮとの積層構造を有し、第２の磁性層Ｆがｆｃｃ構造の強磁性層ＦＦと非磁性層ＦＮとの積層構造を有する。このようにピン層Ｐとフリー層Ｆで強磁性層の結晶構造を異なるものとしても大きなフィルター効果を得ることができる。   FIG. 6 is a conceptual diagram showing a specific example in which a bcc ferromagnet and an fcc ferromagnet are combined. That is, in the spin valve shown in the figure, the first magnetic layer P has a laminated structure of a ferromagnetic layer PF having a bcc structure and a nonmagnetic layer PN, and the second magnetic layer F has a ferromagnetic layer FF having an fcc structure. And a non-magnetic layer FN. Thus, even if the pinned layer P and the free layer F have different ferromagnetic crystal structures, a great filter effect can be obtained.

上述した各種磁性層において、Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。   In the various magnetic layers described above, as the Fe-based alloy, it is desirable to use a material that can easily obtain soft magnetic characteristics such as Fe, FeNi, FeCo, FeSi, FeMo, and FeAl.

Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｈｆ等の１種または２種以上を添加した合金が挙げられる。添加元素量は５〜５０原子％とすることが好ましく、されには８〜２０原子％の範囲とすることが望ましい。これは、添加元素量が少なすぎると、バルク効果が十分に増加せず、逆に添加元素量が多すぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあるからである。添加元素は大きなＭＲ変化率を得るために、特にＦｅを用いることが好ましい。   Examples of the Co-based alloy include alloys in which one or more of Fe, Ni, Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ir, Rh, Ru, Os, and Hf are added to Co. The amount of added element is preferably 5 to 50 atomic%, and more preferably 8 to 20 atomic%. This is because if the amount of added element is too small, the bulk effect will not increase sufficiently, and conversely if the amount of added element is too large, the interface effect may be greatly reduced. It is particularly preferable to use Fe as the additive element in order to obtain a large MR ratio.

ところで、ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、それぞれ電子散乱を受ける。そして、本発明により、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その多層構造の積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。従って、ピン層とフリー層とで積層周期を変えると電子の「フィルター効果」が得られる。   By the way, in CPP-SV, when conduction electrons pass through the pinned layer P and the free layer F, they are each subjected to electron scattering. Then, according to the present invention, when the pinned layer P or the free layer F is multilayered, the band potential is modulated based on the lamination period of the multilayered structure. Therefore, if the lamination period is changed between the pinned layer and the free layer, an electronic “filter effect” can be obtained.

図７は、このようにピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。   FIG. 7 is a conceptual diagram showing a specific example of a spin valve element in which the stacking period is changed between the pinned layer and the free layer.

また、図８は、このスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。すなわち、図８（ａ）は、ピン層とフリー層の磁化が平行の場合、図８（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。   FIG. 8 is a conceptual diagram showing potential modulation in the spin valve element. That is, FIG. 8A shows the case where the magnetization of the pinned layer and the free layer is parallel, and FIG. 8B shows the case where the potential felt by the electrons is up-spin and down-spin, respectively. It is an illustrated graph.

図７に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐにおける強磁性層／非磁性層の積層周期が、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおける強磁性層／非磁性層の積層周期よりも短い。   In the specific example shown in FIG. 7, the lamination period of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer in the first magnetic layer (pinned layer) P is the same as the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer in the second magnetic layer (free layer) F. Shorter than the stacking period of the layers.

ここで、膜面に対して垂直方向に流れる電子の波数ベクトルは、バンドポテンシャルの変調に対応した摂動を受けることになる。この摂動を受ける波数は、多層構造の周期に応じて異なる。このため、図７に例示したようにピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる電子の波数を大きく制限することが可能になる。さらに、このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層Ｐとフリー層Ｆの積層周期を故意に変えることにより、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。   Here, the wave vector of electrons flowing in the direction perpendicular to the film surface is perturbed corresponding to the modulation of the band potential. The wave number subjected to this perturbation varies depending on the period of the multilayer structure. Therefore, by changing the stacking period in the pinned layer P and the free layer F as illustrated in FIG. 7, it is possible to greatly limit the wave number of electrons that can pass through both layers. Furthermore, since this filter effect itself has a spin-dependent effect, it is possible to keep the spin dependency high while reducing the overall electron transmission probability. Therefore, by deliberately changing the stacking period of the pinned layer P and the free layer F, it becomes possible to configure a CPP-SV that can realize a high MR change rate while making the resistance higher.

図８において、各グラフの縦軸は、伝導電子の感じるポテンシャルを表し、横軸は、スピンバルブ素子の膜厚方向の位置を表す。ここでいう伝導電子の感じるポテンシャルとは、金属中の伝導電子を自由電子モデルで近似した場合の、フェルミ・エネルギーに対応しており、フェルミ面におけるフェルミ波数が大きいほど、フェルミ・エネルギーが大きく、ポテンシャルが深く感じられる。ポテンシャルの深さは金属の種類によって異なっているため、積層構造にすると膜厚方向にポテンシャルの変調が生じる。   In FIG. 8, the vertical axis of each graph represents the potential felt by conduction electrons, and the horizontal axis represents the position of the spin valve element in the film thickness direction. The potential felt by the conduction electrons here corresponds to the Fermi energy when the conduction electrons in the metal are approximated by a free electron model. The larger the Fermi wave number on the Fermi surface, the larger the Fermi energy. The potential is felt deeply. Since the depth of the potential differs depending on the type of metal, the potential modulation occurs in the film thickness direction when the laminated structure is used.

図８において、ポテンシャルの浅い部分は伝導電子数が少なく、フェルミ・エネルギーが小さい状態を表している。一方、ポテンシャルの深い部分は伝導電子数が多く、フェルミ・エネルギーが大きい状態をあらわしている。磁性体内部では交換エネルギーによって、伝導電子がスピン***している為、ダウンスピンとアップスピンでは、伝導電子の感じるポテンシャルの大きさは異なっている。   In FIG. 8, the shallow part of the potential represents a state where the number of conduction electrons is small and Fermi energy is small. On the other hand, the deep potential part has a large number of conduction electrons and a large Fermi energy. Since conduction electrons are spin-split by exchange energy inside the magnetic material, the magnitude of the potential felt by the conduction electrons differs between downspin and upspin.

以上のような効果により、本発明のＣＰＰ−ＳＶ膜において伝導電子の感じるポテンシャルは図８に示したような構造となる。すなわち、第１、第２の磁性層として磁性層／非磁性層の積層構造をもちいているため、伝導電子の感じるポテンシャルはクローニッヒ・ペニー型の変調をうけ、伝導電子のバンド構造にはミニギャップが形成される。そのミニギャップの形成のされ方は、積層周期により影響を受けるため、第１の磁性層と第２の磁性層で積層周期を変えると、ミニギャップの出来る場所が異なってくる。   Due to the above effects, the potential felt by conduction electrons in the CPP-SV film of the present invention has a structure as shown in FIG. That is, since the first and second magnetic layers have a magnetic layer / non-magnetic layer structure, the potential felt by the conduction electrons is subjected to Kronig-Penny type modulation, and the band structure of conduction electrons has a minigap. Is formed. Since how the mini-gap is formed is affected by the stacking cycle, if the stacking cycle is changed between the first magnetic layer and the second magnetic layer, the location where the mini-gap can be made differs.

このため、このようなＣＰＰ−ＳＶにおいて膜面垂直方向に電子を流した場合には、電子はギャップによって伝導を制約される確率が高くなり、全体として伝導電子の透過確率を制限することが可能になる。   Therefore, when electrons flow in the direction perpendicular to the film surface in such a CPP-SV, there is a high probability that the electrons are restricted in conduction by the gap, and it is possible to limit the transmission probability of the conduction electrons as a whole. become.

また、アップスピンの伝導電子が感じるポテンシャルと、ダウンスピンの伝導電子が感じるポテンシャルとでは、ポテンシャルの深さが異なるため、伝導電子の透過確率の制約のされ方はスピン依存することになり、大きなスピン依存散乱効果を生み出すことが可能になる。   In addition, the potential felt by the up-spin conduction electron and the potential felt by the down-spin conduction electron are different in the depth of the potential, and the way the transmission probability of the conduction electron is restricted depends on the spin. It becomes possible to produce a spin-dependent scattering effect.

以上の効果により、高抵抗で高抵抗変化率のＣＰＰ−ＳＶを形成することが可能となる。   Due to the above effects, it is possible to form a CPP-SV having a high resistance and a high resistance change rate.

一方、本発明においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを構成する強磁性層／非磁性層の積層構造において、強磁性層同士は強磁性結合をしている必要があるが、そのためには、良好な積層構造を形成する必要がある。また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁気特性は、積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することによって向上させることができる。   On the other hand, in the present invention, in the laminated structure of the ferromagnetic layer / nonmagnetic layer constituting the pinned layer P and the free layer F, the ferromagnetic layers need to be ferromagnetically coupled to each other. It is necessary to form a good laminated structure. Further, the magnetic characteristics of the pinned layer P and the free layer F can be improved by adjusting the crystal lattice constant in the laminated structure to an optimum value.

このため、図９に示したように非磁性層も例えばＡｕ／Ｃｕ／Ａｕのような積層構造とし、大きな界面抵抗を実現しつつ良好な格子定数を実現し、良好な磁気特性を得ることが可能になる。すなわち、図９に表した具体例においては、第１の磁性層（ピン層）Ｐを構成する強磁性層ＰＦ／非磁性層ＰＮにおいて、非磁性層ＰＮが、第１の非磁性層ＰＮ１によって第２の非磁性層ＰＮ２をサンドイッチした構成を有する。同様に、第２の磁性層（フリー層）Ｆにおいても、非磁性層ＦＮが、第１の非磁性層ＦＮ１と第２の非磁性層ＦＮ２とのサンドイッチ構造を有する。   For this reason, as shown in FIG. 9, the non-magnetic layer also has a laminated structure such as Au / Cu / Au, which realizes a good lattice constant while realizing a large interface resistance and obtains a good magnetic characteristic. It becomes possible. That is, in the specific example shown in FIG. 9, in the ferromagnetic layer PF / nonmagnetic layer PN constituting the first magnetic layer (pinned layer) P, the nonmagnetic layer PN is replaced by the first nonmagnetic layer PN1. The second nonmagnetic layer PN2 is sandwiched. Similarly, also in the second magnetic layer (free layer) F, the nonmagnetic layer FN has a sandwich structure of the first nonmagnetic layer FN1 and the second nonmagnetic layer FN2.

図９の構成において、非磁性中間層Ｓの材料としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いる事が望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成する強磁性層Ｐから強磁性層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率をえることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。   In the configuration of FIG. 9, it is desirable to use a material having a long mean free path of conduction electrons such as Cu, Au, and Ag as the material of the nonmagnetic intermediate layer S. By using such a substance, electrons can be transferred ballistically from the ferromagnetic layer P forming the electrode to the ferromagnetic layer F, and spin-dependent scattering of electrons caused by the ferromagnetic material more effectively. The effect can be utilized. This makes it possible to obtain a large MR change rate. It is also possible to configure with an alloy of these three elements. In this case, it is desirable to adjust the composition so that the crystal lattice constant in the laminated structure can be adjusted to an optimum value.

一方、非磁性中間層Ｓを多層化することもできる。   On the other hand, the nonmagnetic intermediate layer S can be multilayered.

図１０は、非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、非磁性中間層Ｓが、第１の非磁性層ＳＮ１と第２の非磁性層ＳＮ２との積層構造を有する。いずれの非磁性層も、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料により形成することが可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期によっても、伝導電子に対して摂動を与えることができる。つまり、非磁性中間層Ｓの非磁性層／非磁性層の積層周期と、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆの積層周期とを適当に設定することにより、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。   FIG. 10 is a conceptual diagram showing a spin valve element in which the nonmagnetic intermediate layer S is multilayered. In other words, in the spin valve element shown in the figure, the nonmagnetic intermediate layer S has a laminated structure of the first nonmagnetic layer SN1 and the second nonmagnetic layer SN2. Any nonmagnetic layer can be formed of a material such as Cu, Au, or Ag. At this time, the conduction electrons can be perturbed also by the stacking cycle of the nonmagnetic layer / nonmagnetic layer stacking structure. That is, by appropriately setting the nonmagnetic layer / nonmagnetic layer stacking period of the nonmagnetic intermediate layer S and the stacking period of the pinned layer P or the free layer F, the entire CPP-SV flows in the direction perpendicular to the film surface. It is possible to configure a CPP-SV that can further limit the wave number vector of electrons that can be realized and can realize a high MR change rate with higher resistance.

一方、反強磁性層Ａの材料としては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらの層の膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。   On the other hand, as the material of the antiferromagnetic layer A, it is desirable to use a metal antiferromagnetic material having excellent magnetization pinning characteristics. Specifically, an antiferromagnetic material such as PtMn, NiMn, FeMn, and IrMn can be used. It is desirable that the thickness of these layers be as thin as possible from the electrical characteristics. However, if the film thickness is too small, the magnetization fixing characteristics will deteriorate, so it is necessary to select a film thickness that does not decrease the blocking temperature. For this reason, the film thickness is desirably 5 nm or more.

一方、以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、いわゆる「シンセティック反強磁性層構造」とすることが可能である。   On the other hand, in addition to the above configuration, a magnetic layer having antiferromagnetic coupling with another ferromagnetic layer is added to one or both of the first magnetic layer P and the second magnetic layer F. The so-called “synthetic antiferromagnetic layer structure” can be used.

図１１は、シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。すなわち、同図に表した例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれが、同図中に矢印で示した方向にそれぞれ磁化する磁性層からなるシンセティック構造を有する。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層Ｐにおいては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。また、フリー層Ｆにおいては、見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。   FIG. 11 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of a spin valve element having a synthetic structure. That is, in the example shown in the figure, each of the pinned layer P and the free layer F has a synthetic structure composed of magnetic layers that are magnetized in the directions indicated by the arrows in the figure. With such a synthetic configuration, the apparent magnetization can be made zero in the pinned layer P, and the pinned layer can be more stably pinned. Further, in the free layer F, it is possible to obtain a higher sensitivity external magnetic field response by reducing the apparent magnetization.

一方、以上説明した構成においては、電極ＥＬとスピンバルブとの間には特別な層を設けなかったが、実際の素子を形成する場合は、これ以外の層を設けることができる。   On the other hand, in the configuration described above, no special layer is provided between the electrode EL and the spin valve. However, when an actual element is formed, other layers can be provided.

図１２に例示したスピンバルブ素子においては、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるためにバッファ層（下地層）Ｂが設けられる。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層Ｃが設けられている。   In the spin valve element illustrated in FIG. 12, a buffer layer (underlayer) B is provided between the electrode EL and the antiferromagnetic layer A in order to improve smoothness and crystallinity. A protective layer C is provided between the upper electrode EL and the free layer F.

バッファ層（下地層）Ｂ、保護層Ｃとしては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。   As the buffer layer (underlayer) B and protective layer C, materials with good wettability such as Ta, Ti and Cr, materials with low electric resistance such as Cu, Au and Ag, and stable fcc structure, or their laminated structures Etc. are desirable.

以上、本発明の第１の実施の形態として、ピン層及びフリー層の少なくともいずれかを強磁性層と非磁性層との積層構造とするＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明した。   The CPP type spin valve element in which at least one of the pinned layer and the free layer has a laminated structure of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer has been described as the first embodiment of the present invention.

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図１３は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性体Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性体Ｆ、高導電層Ｇの順に積層されている。   FIG. 13 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a magnetoresistive element according to the second embodiment of the invention. That is, the magnetoresistive effect element of the present invention includes an antiferromagnetic layer A, a first magnetic body P, a nonmagnetic intermediate layer S, a second magnetic body F, and a highly conductive layer G on a predetermined substrate (not shown). Are stacked in this order.

さらに、この積層構造の上下には、電極ＥＬが設けられ、センス電流が膜面に対して垂直方向に供給されることが特徴となっている。   Further, electrodes EL are provided above and below the laminated structure, and the sense current is supplied in a direction perpendicular to the film surface.

そして、本具体例においても第１の磁性層Ｐは、磁化が反強磁性層Ａによる一方向異方性により固定された「ピン層」として作用する。また、第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化反転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。   Also in this specific example, the first magnetic layer P functions as a “pinned layer” in which the magnetization is fixed by the unidirectional anisotropy of the antiferromagnetic layer A. The second magnetic layer F functions as a “magnetic field sensitive layer” or a “free layer” whose magnetization is reversed by an external magnetic field (for example, a signal magnetic field) generated from a magnetic recording medium (not shown).

本実施形態においては、第１の磁性層Ｐまたは第２の磁性層Ｆは、強磁性層と強磁性層の積層構造から構成されている。すなわち、図１３に表した具体例においては、ピン層Ｐは、第１の強磁性層ＰＮ１と第２の強磁性層ＰＮ２との積層構造を有し、フリー層Ｆは、第１の強磁性層ＦＦ１と第２の強磁性層ＦＦ２との積層構造を有する。   In the present embodiment, the first magnetic layer P or the second magnetic layer F has a laminated structure of a ferromagnetic layer and a ferromagnetic layer. That is, in the specific example shown in FIG. 13, the pinned layer P has a stacked structure of the first ferromagnetic layer PN1 and the second ferromagnetic layer PN2, and the free layer F has the first ferromagnetic layer. The layered structure includes a layer FF1 and a second ferromagnetic layer FF2.

本実施形態における強磁性層／強磁性層の積層構造においては、強磁性層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化は一体として振舞う。すなわちこの強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれる磁性層の磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層Ｐにおいては同一方向にそろっており、フリー層Ｆにおいては外部磁場に対してほぼ同一の磁化方向をもつ。   In the laminated structure of the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer in this embodiment, the ferromagnetic layers are ferromagnetically coupled to each other, and the magnetizations behave substantially as one body. That is, the magnetizations of the magnetic layers included in the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer laminated structure are in a substantially parallel state, in the pinned layer P, in the same direction, and in the free layer F with respect to an external magnetic field. Have almost the same magnetization direction.

本発明者が界面抵抗の効果を検討した結果、ＣＰＰ−ＳＶにおいては強磁性層／強磁性層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が、大きなスピン依存性を持ちＣＰＰ−ＭＲを増大させる役目を担うことが明らかになった。   As a result of examination of the effect of the interface resistance by the present inventor, the effect of electron scattering at the interface of the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer, that is, the interface resistance in CPP-SV has a large spin dependence and increases CPP-MR. It became clear that he would play a role.

本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性層／強磁性層の界面を設けることが可能となり、より多くの界面抵抗を利用することができ、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。   In this specific example, it is possible to provide many ferromagnetic layer / ferromagnetic layer interfaces in the pinned layer P and the free layer F, and more interface resistance can be used. It becomes possible to construct a CPP-SV with a change rate.

また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層の磁化固着と１つのフリー層の磁化制御のみによって可能になり、ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合にはバルクハウゼンノイズフリーなヘッドを構成することが可能になる。   In addition, since the magnetization of the pinned layer P and the free layer F operates as one body, the magnetization can be controlled only by the pinned layer magnetization and the magnetization control of one free layer. When used for a reading sensor such as a head. Makes it possible to construct a Barkhausen noise-free head.

第１および第２の強磁性層は、例えばＣｏ単体やＣｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性体、あるいはＮｉＦｅ合金のような強磁性体、あるいはＦｅ基合金等により構成されている。   The first and second ferromagnetic layers are made of, for example, a ferromagnetic material containing Co such as a simple substance of Co or a Co-based magnetic alloy, a ferromagnetic material such as a NiFe alloy, or an Fe-based alloy.

特に界面抵抗が大きい組み合わせとしては、ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金、Ｆｅ基合金／ＮｉＦｅ合金、もしくはＦｅ基合金／ＣｏＦｅ合金を用いることが望ましい。   In particular, it is desirable to use a NiFe alloy / CoFe alloy, a Fe-based alloy / NiFe alloy, or a Fe-based alloy / CoFe alloy as a combination having a large interface resistance.

強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている強磁性体層の膜厚としては、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やす為には、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、磁性層は１原子層で構成することも可能である。また上限としては特に規定は無いが、界面数を増やす為には２ｎｍ以下であることが望ましい。   The film thickness of the ferromagnetic layer included in the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer laminated structure is desirably as thin as possible in order to increase the number of interfaces without increasing the total Mst. In a combination in which magnetism is maintained, the magnetic layer can be composed of one atomic layer. The upper limit is not particularly specified but is preferably 2 nm or less in order to increase the number of interfaces.

強磁性層／強磁性層の積層構造に含まれている磁性対層の膜厚としては、界面数をできるだけ多くするためには１ｎｍ以下であることが望ましい。また下限としては単原子層でも界面抵抗を発生する事は可能である。   The film thickness of the magnetic pair layer included in the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer laminated structure is preferably 1 nm or less in order to increase the number of interfaces as much as possible. As a lower limit, it is possible to generate interface resistance even in a monoatomic layer.

強磁性層／強磁性層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては界面抵抗を良好に得るためには、隣接する強磁性層同士が非固溶系の組み合わせであることが望ましい。しかし必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。   As a combination of materials forming the laminated structure of the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer, it is desirable that adjacent ferromagnetic layers be a non-solid solution combination in order to obtain good interface resistance. However, it is not necessarily limited to non-solid solution combinations.

また、本実施形態におけるピン層Ｐ、フリー層Ｆの強磁性層は、必ずしも２種の材料で構成されている必要はなく、３種類以上の強磁性体層で構成されていても良い。   Further, the ferromagnetic layers of the pinned layer P and the free layer F in the present embodiment do not necessarily need to be made of two kinds of materials, and may be made of three or more kinds of ferromagnetic layers.

図１４は、フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。すなわち、同図のスピンバルブ素子においては、フリー層Ｆが第１の強磁性層ＦＦ１と、第２の強磁性層ＦＦ２と、第３の強磁性層ＦＦ３との積層構造を有する。   FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating the case where the free layer has three types of ferromagnetic layers. In other words, in the spin valve element of the same figure, the free layer F has a laminated structure of the first ferromagnetic layer FF1, the second ferromagnetic layer FF2, and the third ferromagnetic layer FF3.

フリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／ＣｏＦｅ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのために、強磁性層として強磁性結合したＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている強磁性層ＦＦ３を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。   In the free layer F, it is desirable to use an Fe / CoFe interface having a high interface resistance. However, it is difficult to obtain the soft magnetic characteristics necessary for the free layer with Fe alone. Therefore, it is possible to improve the soft magnetic characteristics by adding a ferromagnetic layer FF3 having excellent soft magnetic characteristics such as NiFe ferromagnetically coupled as a ferromagnetic layer.

また、強磁性層／強磁性層の積層構造における強磁性層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合には、ｆｃｃ構造であることが望ましい。これはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等のｆｃｃ金属と積層をした場合により安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成する事が可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但しｂｃｃ構造であっても、用いることは可能である。   In addition, when the ferromagnetic layer in the ferromagnetic layer / ferromagnetic layer laminated structure contains Fe or an Fe-based alloy, the fcc structure is desirable. This can be made more stable when laminated with fcc metals such as CoFe, NiFe, etc., and it becomes possible to construct a laminated structure with good crystallinity as a whole. Because there is. However, even a bcc structure can be used.

特に２種類の磁性体の組み合わせとして ｆｃｃ構造の磁性体とｂｃｃ構造の磁性体を組み合わせることもできる。このような組み合わせにおいてはｆｃｃ磁性体とｂｃｃ磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なるため、顕著な伝導電子のフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることが可能となる。   In particular, an fcc structure magnetic body and a bcc structure magnetic body can be combined as a combination of two types of magnetic bodies. In such a combination, the electronic state, Fermi surface shape, state density distribution, and the like of the fcc magnetic body and the bcc magnetic body are greatly different, so that a remarkable conduction electron filtering effect can be obtained, and a large resistance and MR The rate of change can be obtained.

Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ，ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＭｏ、ＦｅＡｌ等軟磁気特性が得られやすい材料を用いることが望ましい。   As the Fe-based alloy, it is desirable to use a material that can easily obtain soft magnetic characteristics such as Fe, FeNi, FeCo, FeSi, FeMo, and FeAl.

Ｃｏ系合金としては、ＣｏにＦｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｈｆ等の１種または２種以上を天下した合金が挙げられる。添加元素量は５〜５０原子％とすることが好ましく、されには８〜２０原子％の範囲とすることが望ましい。これは、添加元素量が少なすぎると、バルク効果が十分に増加せず、逆に添加元素量がおおすぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあるかれである。添加元素はおおきなＭＲ変化率をえる上で、特にＦｅを用いる事が好ましい。   Examples of the Co-based alloy include alloys in which one or more of Co, Fe, Ni, Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ir, Rh, Ru, Os, Hf, and the like are used. The amount of added element is preferably 5 to 50 atomic%, and more preferably 8 to 20 atomic%. This is because if the amount of the added element is too small, the bulk effect does not increase sufficiently, and conversely if the amount of the added element is too large, the interface effect may be greatly reduced. In order to obtain a large MR ratio, it is particularly preferable to use Fe as the additive element.

ＣＰＰ−ＳＶにおいては、伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、電子散乱を受けるが、本実施形態に基づいてピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その積層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。このため、膜面に対して垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルはバンドポテンシャルの変調に対応した制限を受けることになる。この制限を受ける波数は積層周期により異なる。このため、図７及び図８に関して前述したものと同様に、本実施形態においても、ピン層Ｐとフリー層Ｆにおける積層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる波数を大きく制限する事が可能になる。このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性は高く保つことが可能となる。このためピン層とフリー層の積層周期を故意に変える事により、より高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能になる。   In CPP-SV, when the conduction electrons pass through the pinned layer P and the free layer F, the electrons are scattered, but when the pinned layer P or the free layer F is multilayered based on the present embodiment, the stacked layer is formed. The band potential is modulated based on the period. For this reason, the wave vector of electrons that can flow in the direction perpendicular to the film surface is subject to restrictions corresponding to the modulation of the band potential. The wave number subject to this restriction varies depending on the stacking cycle. For this reason, similarly to what was mentioned above regarding FIG.7 and FIG.8, also in this embodiment, by changing the lamination | stacking period in the pin layer P and the free layer F, the wave number which can pass through both layers is restrict | limited largely. Things are possible. Since this filter effect itself also has a spin-dependent effect, it is possible to keep the spin dependency high while reducing the overall electron transmission probability. Therefore, by deliberately changing the stacking period of the pinned layer and the free layer, it becomes possible to configure a CPP-SV that can realize a high MR change rate while making the resistance higher.

非磁性中間層Ｓとしては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いることが望ましい。このような物質を用いることにより電子は、電極を形成するピン層Ｐからフリー層Ｆにバリスティックに伝導する事が可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。またこれら３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。   As the nonmagnetic intermediate layer S, it is desirable to use a substance having a long mean free path of conduction electrons such as Cu, Au, and Ag. By using such a substance, electrons can be transferred ballistically from the pinned layer P forming the electrode to the free layer F, and the spin-dependent scattering effect of electrons caused by the ferromagnetic material can be more effectively achieved. Can be used. Thereby, a large MR change rate can be obtained. It is also possible to configure with an alloy of these three elements. In this case, it is desirable to adjust the composition so that the crystal lattice constant in the laminated structure can be adjusted to an optimum value.

また、非磁性中間層Ｓは、図１０に関して前述したように、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の材料を積層した非磁性層／非磁性層の積層構造により構成することも可能である。このとき非磁性層／非磁性層の積層構造の積層周期と、ピン層Ｐ、もしくはフリー層Ｆの積層周期を適当に設定する事により、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルをより制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを構成することも可能となる。   Further, as described above with reference to FIG. 10, the nonmagnetic intermediate layer S can also be configured by a nonmagnetic layer / nonmagnetic layer stack structure in which materials such as Cu, Au, and Ag are stacked. At this time, by appropriately setting the lamination period of the nonmagnetic layer / nonmagnetic layer lamination structure and the lamination period of the pinned layer P or the free layer F, the entire CPP-SV can flow in the direction perpendicular to the film surface. It is also possible to configure a CPP-SV that can further limit the electron wave number vector and realize a high MR change rate with higher resistance.

一方、反強磁性層Ａとしては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的にはＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらのそうの膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。   On the other hand, as the antiferromagnetic layer A, it is desirable to use a metal antiferromagnetic material having excellent magnetization pinning characteristics. Specifically, an antiferromagnetic material such as PtMn, NiMn, FeMn, and IrMn can be used. These film thicknesses are desirably as thin as possible from the viewpoint of electrical characteristics. However, if the film thickness is too small, the magnetization fixing characteristics will deteriorate, so it is necessary to select a film thickness that does not decrease the blocking temperature. For this reason, the film thickness is desirably 5 nm or more.

また以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか、もしくは両方において、他の強磁性層と反強磁性結合をしている磁性層を付加して、図１１に関して前述したようなシンセティック反強磁性層構造とすることも可能である。この様なシンセティック構成にすることにより、ピン層においては見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層の磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。またフリー層においては見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。   In addition to the above configuration, a magnetic layer having antiferromagnetic coupling with another ferromagnetic layer is added to either or both of the first magnetic layer P and the second magnetic layer F. It is also possible to have a synthetic antiferromagnetic layer structure as described above with reference to FIG. With such a synthetic configuration, the apparent magnetization in the pinned layer can be made zero, and the pinned layer can be more stably pinned. Further, by reducing the apparent magnetization in the free layer, it is possible to obtain a higher sensitivity external magnetic field response.

また、本実施形態においても、図１２に関して前述したものと同様に、バッファ層（下地層）Ｂや保護層Ｃを設けることができる。すなわち、電極ＥＬと反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるために下地層を形成することが望ましい。また、上部電極ＥＬとフリー層Ｆとの間には、保護層となるべき層を配置することが望ましい。これら下地層、保護層としては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。   Also in this embodiment, a buffer layer (underlying layer) B and a protective layer C can be provided in the same manner as described above with reference to FIG. That is, it is desirable to form an underlayer between the electrode EL and the antiferromagnetic layer A in order to improve smoothness and crystallinity. Further, it is desirable to dispose a layer to be a protective layer between the upper electrode EL and the free layer F. As these underlayers and protective layers, materials having good wettability such as Ta, Ti, Cr, etc., materials having low electric resistance, such as Cu, Au, Ag, etc., having a stable fcc structure, or a laminated structure thereof are used. desirable.

以上、本発明の実施の形態について説明した。   The embodiment of the present invention has been described above.

次に、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに詳細に説明する。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

（第１の実施例）
図１５は、本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。以下、本実施例に関して、その製造プロセスに沿って説明する。 (First embodiment)
FIG. 15 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of the spin valve element as the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the present embodiment will be described along the manufacturing process.

まず、図示しない熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極ＥＬ１を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。次に、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜の積層構成は、以下の如くである。   First, a Cu lower electrode EL1 having a thickness of 500 nm was laminated on a thermally oxidized silicon (Si) substrate (not shown) by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Next, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The laminated structure of the film is as follows.


Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ３ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／
Ｃｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ１ｎｍ／Ｔａ５ｎｍ

その上にさらにＡｌＯｘの絶縁膜Ｚを堆積し、絶縁膜Ｚに０．１μｍ角の穴を形成した。その上に、厚さ５００ｎｍのＣｕ上部電極ＥＬ２をスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成により絶縁膜Ｚの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm / CoFe1nm /
Cu1nm / CoFe1nm / Cu1nm / CoFe1nm /
Cu3nm / CoFe1nm / Cu1nm / CoFe1nm /
Cu1nm / CoFe1nm / Cu1nm / Ta5nm

An AlOx insulating film Z was further deposited thereon, and a 0.1 μm square hole was formed in the insulating film Z. On top of this, a Cu upper electrode EL2 having a thickness of 500 nm was laminated by sputtering. In this example, the above configuration made it possible to measure the CPP-SV characteristics through a 0.1 μ square hole in the insulating film Z.

室温での測定の結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率は１０％の値を得ることができた。これにより０．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。また、ピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result of the measurement at room temperature, the resistance was 5Ω, and the resistance change rate was 10%. As a result, a resistance change amount of 0.5Ω can be obtained. In addition, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moving as a unit.

また、フリー層ＦのＨｃも小さく、その磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。   Moreover, Hc of the free layer F was also small, and it was confirmed that the magnetization was moving integrally with the external magnetic field.

また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす

Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ

なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Z上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。 Further, in this embodiment, the lower structure of the film structure is formed.

Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm

A fine through hole is formed in a portion of the structure so that the Cu lower electrode and the CoFe / Cu laminated structure are directly joined, and the size of the hole on the insulating film Z is 0.05 μm square. However, it has become possible to measure MR from which parasitic resistance due to the Ta5 nm / NiFe2 nm / PtMn15 nm structure is eliminated.

その結果、抵抗は５Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより２Ωの抵抗変化量をえることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result, the resistance was 5Ω, and a resistance change rate of 40% was obtained. As a result, a resistance change amount of 2Ω can be obtained. Further, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moved as a unit.

（比較例１）
上記実施例に対する比較例として、ピン層とフリー層をそれぞれ単層としたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。 (Comparative Example 1)
As a comparative example with respect to the above embodiment, a CPP type spin valve element in which the pinned layer and the free layer are each formed as a single layer was manufactured.

まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。膜構成は、以下の如くである。   First, a Cu lower electrode having a thickness of 500 nm was stacked on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Thereafter, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The film configuration is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）

その上に、図１５に表したものと同様にＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例ではＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は３Ωとなり、抵抗変化率は２％の値しか得られなかった。したがって０．０６Ωの抵抗変化量しか得られず実施例１の１／８程度の変化量にとどまった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / CoFe 3 nm (pinned layer) /
Cu3nm (nonmagnetic intermediate layer) / CoFe3nm (free layer) /
Cu1nm (high conductive layer) / Ta5nm (protective layer)

On top of that, an AlOx insulating film was formed in the same manner as shown in FIG. 15, and a 0.1 μm square hole was formed in AlOx. A Cu upper electrode 500 nm was laminated thereon by sputtering. In this example, it became possible to measure the CPP-SV characteristics through a 0.1 μ square hole of AlOx. As a result of measurement at room temperature, the resistance was 3Ω, and the resistance change rate was only 2%. Therefore, only a resistance change amount of 0.06Ω was obtained, and the change amount was about 1/8 of that of Example 1.

（比較例２）
次に、第２比較例として、膜面に対して平行方向にセンス電流を流すＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。 (Comparative Example 2)
Next, as a second comparative example, a CIP type spin valve element in which a sense current flows in a direction parallel to the film surface was manufactured as a prototype.

まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によって、第１比較例と同様の積層構造を形成した。   First, a laminated structure similar to that of the first comparative example was formed on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ （反強磁性層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ３ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）

そして、その積層膜の両端部に電極を形成し、膜面に対して平行方向にセンス電流を流してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率として８％の値が得られた。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn15nm (antiferromagnetic layer) / CoFe3nm (pinned layer) /
Cu3nm (nonmagnetic intermediate layer) / CoFe3nm (free layer) /
Cu1nm (high conductive layer) / Ta5nm (protective layer)

Then, electrodes were formed at both ends of the laminated film, and the MR ratio was measured by flowing a sense current in a direction parallel to the film surface. As a result, an MR change rate of 8% was obtained.

次に、ピン層とフリー層を積層構造にしたＣＩＰタイプのスピンバルブ素子を試作した。その積層構造は以下の通りである。   Next, a CIP type spin valve element having a laminated structure of a pin layer and a free layer was fabricated. The laminated structure is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｃｕ１ｎｍ（高導電層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）

を成膜してＭＲ変化率を測定した。その結果ＭＲ変化率としては９％の値が得られた。すなわち、比較例１と比べるとＭＲ変化率としては確かに上昇したが、その上昇率は小さな値にとどまった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / CoFe 1 nm (pinned layer) /
Cu1nm (pinned layer) / CoFe1nm (pinned layer) / Cu1nm (pinned layer) /
CoFe 1 nm (pinned layer) / Cu 3 nm (nonmagnetic intermediate layer) /
CoFe 1 nm (free layer) / Cu 1 nm (free layer) /
CoFe 1 nm (free layer) / Cu 1 nm (free layer) /
CoFe 1 nm (free layer) / Cu 1 nm (high conductive layer) /
Ta5nm (protective layer)

The MR change rate was measured. As a result, an MR change rate of 9% was obtained. That is, the MR change rate certainly increased as compared with Comparative Example 1, but the increase rate remained small.

以上の比較例の結果から、ＣＩＰタイプのＳＶ素子においては、ピン層やフリー層を強磁性層と非磁性層との多層構造としても余り大きな効果が得られないことが明確になった。   From the results of the above comparative examples, it has been clarified that in the CIP type SV element, even if the pinned layer and the free layer have a multilayer structure of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, a very large effect cannot be obtained.

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有するＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。 (Second embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a CPP type spin valve element having a Fe / Au-based laminated structure will be described.

まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その積層膜構成は、以下の通りである。   First, a Cu lower electrode having a thickness of 500 nm was stacked on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Thereafter, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The laminated film structure is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（高導電層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）

その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。室温での測定の結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率は２０％の値を得ることができた。これにより１．６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / Fe 1 nm (pinned layer) /
Au1nm (pinned layer) / Fe1nm (pinned layer) / Au1nm (pinned layer) /
Fe1nm (pinned layer) / Au3nm (nonmagnetic intermediate layer) /
Fe1nm (free layer) / Au1nm (free layer) /
Fe1nm (free layer) / Au1nm (free layer) /
Fe1nm (free layer) / Au1nm (highly conductive layer) / Ta5nm (protective layer)

An AlOx insulating film was formed thereon as shown in FIG. 15, and a 0.1 μm square hole was formed in the AlOx. A Cu upper electrode 500 nm was laminated thereon by sputtering. In this example, it was possible to measure the CPP-SV characteristics through a 0.1 μ square hole of AlOx with the above configuration. As a result of measurement at room temperature, the resistance was 8Ω, and the resistance change rate was 20%. As a result, a resistance change of 1.6Ω can be obtained.

また、ピン層は、反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   In addition, it was confirmed that the pinned layer was well fixed by the antiferromagnetic layer, and the magnetization of the pinned laminated structure moved as a unit.

また、フリー層のＨｃは２０Ｏｅと大きいものの、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることも確認できた。   Moreover, although Hc of the free layer was as large as 20 Oe, it was also confirmed that the magnetization moved integrally with the external magnetic field.

また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす

Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ

なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。 Further, in this embodiment, the lower structure of the film structure is formed.

Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm

A fine through hole is formed in a portion of the structure so that the Cu lower electrode and the CoFe / Cu laminated structure are directly bonded, and the size of the hole formed on the insulating film Z is 0.05 μm square. However, it has become possible to measure MR from which parasitic resistance due to the Ta5 nm / NiFe2 nm / PtMn15 nm structure is eliminated.

その結果、抵抗は１２Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result, the resistance was 12Ω, and a resistance change rate of 40% could be obtained. As a result, a resistance change amount of 4.8Ω can be obtained. Further, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moved as a unit.

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、Ｆｅ／Ａｕ系の積層構造を有し、さらにフリー層にＮｉＦｅ層を設けて軟磁気特性を向上させたＣＰＰタイプのスピンバルブ素子について説明する。 (Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the present invention, a CPP type spin valve element having an Fe / Au laminated structure and further providing a NiFe layer as a free layer to improve soft magnetic characteristics will be described.

まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライブ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の通りである。   First, a Cu lower electrode having a thickness of 500 nm was stacked on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Thereafter, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The film configuration is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／
Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
Ｆｅ１ｎｍ（フリー層））／Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／
ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）

その上に、図１５に表した如く、ＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例でも、上記構成によりＡｌＯｘの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / Fe 1 nm (pinned layer) /
Au1nm (pinned layer) / Fe1nm (pinned layer) / Au1nm (pinned layer) /
Fe1nm (pinned layer) / Au3nm (nonmagnetic intermediate layer) /
Fe1nm (free layer) / Au1nm (free layer) /
Fe1nm (free layer)) / Au1nm (free layer) /
NiFe2nm (free layer) / Ta5nm (protective layer)

An AlOx insulating film was formed thereon as shown in FIG. 15, and a 0.1 μm square hole was formed in the AlOx. A Cu upper electrode 500 nm was laminated thereon by sputtering. Also in this example, it was possible to measure CPP-SV characteristics through a 0.1 μ square hole of AlOx by the above configuration.

室温での測定の結果、抵抗は７Ωとなり、抵抗変化率は１８％の値を得ることができた。これにより１．２６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。   As a result of the measurement at room temperature, the resistance was 7Ω, and the resistance change rate was 18%. As a result, a resistance change amount of 1.26Ω can be obtained.

また、ピン層は反強磁性層によって良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   It was also confirmed that the pinned layer was well fixed by the antiferromagnetic layer, and that the magnetization of the pinned layer structure moved as a unit.

また、フリー層のＨｃは８Ｏｅと減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。   In addition, it was possible to reduce the Hc of the free layer to 8 Oe, and it was confirmed that the magnetization moved integrally with the external magnetic field.

また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす

Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ

なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。 Further, in this embodiment, the lower structure of the film structure is formed.

Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm

A fine through hole is formed in a portion of the structure so that the Cu lower electrode and the CoFe / Cu laminated structure are directly bonded, and the size of the hole formed on the insulating film Z is 0.05 μm square. However, it has become possible to measure MR from which parasitic resistance due to the Ta5 nm / NiFe2 nm / PtMn15 nm structure is eliminated.

その結果、抵抗は１０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより４．０Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result, the resistance was 10Ω, and a resistance change rate of 40% could be obtained. As a result, a resistance change amount of 4.0Ω can be obtained. Further, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moved as a unit.

（第４の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。 (Fourth embodiment)
First, a Cu lower electrode having a thickness of 500 nm was stacked on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Thereafter, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The film structure is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ０．５ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ０．５ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）

その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
CoFe 0.5 nm (pinned layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
Au 1 nm (pinned layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
CoFe 0.5 nm (pinned layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
Au3nm (pinned layer) /Fe0.5nm (free layer) /
CoFe 0.5 nm (free layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
Au 1 nm (free layer) / Fe 0.5 nm (free layer) /
CoFe 0.5 nm (free layer) / Fe 0.5 nm (pinned layer) /
Au 1 nm (free layer) / NiFe 2 nm (free layer) /
Ta5nm (protective layer)

An AlOx insulating film was formed thereon as shown in FIG. 15, and a 0.1 μm square hole was formed in the AlOx. A Cu upper electrode 500 nm was laminated thereon by sputtering. In the present example, it was possible to measure CPP-SV characteristics through a 0.1 μm square hole of AlOx by the above configuration.

室温での測定の結果、抵抗は９Ωとなり、抵抗変化率は２７％の値をえることができた。これにより２．５Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。   As a result of the measurement at room temperature, the resistance was 9Ω, and the resistance change rate was 27%. This makes it possible to obtain a resistance change amount of 2.5Ω.

また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。   In addition, it was confirmed that the pinned layer was well magnetized and the magnetization of the pin stack structure moved as a unit. Moreover, it was possible to reduce the Hc of the free layer to 8 Oe, and it was confirmed that the magnetization was moving integrally with the external magnetic field.

また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす

Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ

なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。 Further, in this embodiment, the lower structure of the film structure is formed.

Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm

A fine through hole is formed in a portion of the structure so that the Cu lower electrode and the CoFe / Cu laminated structure are directly bonded, and the size of the hole formed on the insulating film Z is 0.05 μm square. However, it has become possible to measure MR from which parasitic resistance due to the Ta5 nm / NiFe2 nm / PtMn15 nm structure is eliminated.

その結果、抵抗は２０Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより８Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result, the resistance was 20Ω, and a resistance change rate of 40% could be obtained. As a result, a resistance change amount of 8Ω can be obtained. Further, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moved as a unit.

（第５の実施例）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。そのあとその上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の如くである。 (Fifth embodiment)
First, a Cu lower electrode having a thickness of 500 nm was stacked on a thermally oxidized silicon (Si) substrate by sputtering, and formed into a stripe shape having a width of 9 μm by photolithography. Thereafter, a 3 μm square CPP-SV film was formed thereon. The film structure is as follows.


Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
ＣｏＦｅ １ｎｍ（ピン層）／Ｆｅ１ｎｍ（ピン層）／
Ａｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／Ｆｅ１ｎｍ（フリー層）／
ＣｏＦｅ１ｎｍ（フリー層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（フリー層）／
Ｔａ５ｎｍ（保護層）

その上に、図１５に表したようにＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ上部電極５００ｎｍをスパッタ法によって積層した。本実施例では上記構成によりＡｌＯｘの０．１μｍ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
Ta5nm (buffer layer) / NiFe2nm (buffer layer) /
PtMn 15 nm (antiferromagnetic layer) / Fe 1 nm (pinned layer) /
CoFe 1 nm (pinned layer) / Fe1 nm (pinned layer) /
CoFe 1 nm (pinned layer) / Fe1 nm (pinned layer) /
Au 3 nm (nonmagnetic intermediate layer) / Fe 1 nm (free layer) /
CoFe 1 nm (free layer) / Fe 1 nm (free layer) /
CoFe 1 nm (free layer) / NiFe 2 nm (free layer) /
Ta5nm (protective layer)

An AlOx insulating film was formed thereon as shown in FIG. 15, and a 0.1 μm square hole was formed in the AlOx. A Cu upper electrode 500 nm was laminated thereon by sputtering. In the present example, it was possible to measure CPP-SV characteristics through a 0.1 μm square hole of AlOx by the above configuration.

室温での測定の結果、抵抗は６Ωとなり、抵抗変化率は１６％の値をえることが出来た。これにより０．９６Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。   As a result of measurement at room temperature, the resistance was 6Ω, and the resistance change rate was 16%. As a result, a resistance change amount of 0.96Ω can be obtained.

また、ピン層は良好に磁化固着されピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層のＨｃは８Ｏｅまで減少させることが可能になり、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。   In addition, it was confirmed that the pinned layer was well magnetized and the magnetization of the pin stack structure moved as a unit. Moreover, it was possible to reduce the Hc of the free layer to 8 Oe, and it was confirmed that the magnetization was moving integrally with the external magnetic field.

また、さらに本実施例において膜構造の下部構造をなす

Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ

なる構造の部分に微細なスルーホールを形成し、Ｃｕ下部電極とＣｏＦｅ／Ｃｕ積層構造が直接接合されるように構成し、さらに絶縁膜Ｚ上にあける穴の大きさを０．０５μｍ角としたところ、Ｔａ５ｎｍ／ＮｉＦｅ２ｎｍ／ＰｔＭｎ１５ｎｍ構造に起因する寄生抵抗を削除したＭＲを測定することが可能となった。 Further, in this embodiment, the lower structure of the film structure is formed.

Ta5nm / NiFe2nm / PtMn15nm

A fine through hole is formed in a portion of the structure so that the Cu lower electrode and the CoFe / Cu laminated structure are directly bonded, and the size of the hole formed on the insulating film Z is 0.05 μm square. However, it has become possible to measure MR from which parasitic resistance due to the Ta5 nm / NiFe2 nm / PtMn15 nm structure is eliminated.

その結果、抵抗は８Ωとなり、抵抗変化率としては４０％の値を得ることができた。これにより３．２Ωの抵抗変化量を得ることが可能となった。またピン層Ｐは反強磁性層Ａによって良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成している積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。   As a result, the resistance was 8Ω, and a resistance change rate of 40% was obtained. This makes it possible to obtain a resistance change amount of 3.2Ω. Further, it was confirmed that the pinned layer P was well fixed by magnetization by the antiferromagnetic layer A, and the magnetization of the laminated structure constituting the pinned layer P was moved as a unit.

（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドについて説明する。 (Sixth embodiment)
Next, a magnetic head using the magnetoresistance effect element of the present invention will be described as a sixth embodiment of the present invention.

図１６は、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの要部構成を表す斜視概念図である。すなわち、本発明の磁気ヘッドは、記録媒体２００に対向して配置された一対の磁気ヨーク１０２、１０２を有する。磁気ヨーク１０２、１０２の上には、これらと磁気的に結合された磁気抵抗効果素子１０４が設けられている。磁気抵抗効果素子１０４は、図１乃至図１５に関して前述した本発明のＣＰＰタイプの素子である。また、一対の磁気ヨーク１０２、１０２を跨ぐように、その両端には、一対のバイアス層１０６、１０６が形成されている。バイアス層１０６は、反強磁性体あるいは強磁性体からなり、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４のフリー層の磁化を、記録磁界と垂直方向、すなわち同図中のｙ方向に向けるように作用する。   FIG. 16 is a perspective conceptual view showing a main part configuration of a magnetic head using the magnetoresistive effect element of the present invention. That is, the magnetic head of the present invention has a pair of magnetic yokes 102 and 102 disposed to face the recording medium 200. On the magnetic yokes 102, 102, a magnetoresistive effect element 104 magnetically coupled thereto is provided. The magnetoresistive element 104 is the CPP type element of the present invention described above with reference to FIGS. A pair of bias layers 106 and 106 are formed at both ends so as to straddle the pair of magnetic yokes 102 and 102. The bias layer 106 is made of an antiferromagnetic material or a ferromagnetic material, and acts to direct the magnetization of the free layer of the magnetic yoke 102 and the magnetoresistive effect element 104 in the direction perpendicular to the recording magnetic field, that is, in the y direction in FIG. To do.

記録媒体２００には、記録トラック２００Ｔが形成され、記録ビット２００Ｂが配列している。それぞれの記録ビット２００Ｂには、矢印で例示したような信号磁化が形成され、これらの記録ビットからの信号磁束は、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４とを結んだ磁気回路に与えられる。磁気抵抗効果素子１０４に記録ビット２００Ｂの磁場が与えられると、フリー層の磁化は、バイアス層１０６によるｙ方向から面内に回転する。すると、この磁化方向の変化が磁気抵抗の変化として検出される。   A recording track 200T is formed on the recording medium 200, and recording bits 200B are arranged. In each recording bit 200B, signal magnetization as illustrated by arrows is formed, and signal magnetic flux from these recording bits is applied to a magnetic circuit connecting the magnetic yoke 102 and the magnetoresistive effect element 104. When the magnetic field of the recording bit 200B is applied to the magnetoresistive effect element 104, the magnetization of the free layer rotates in-plane from the y direction by the bias layer 106. Then, this change in magnetization direction is detected as a change in magnetoresistance.

磁気抵抗効果素子１０４の磁気検出領域を記録ビット２００Ｂのサイズに合わせるために、磁気抵抗効果素子１０４の電極のコンタクトは、同図中に表した記録トラックの幅Ｗに相当する領域に制限して形成されている。   In order to adjust the magnetic detection area of the magnetoresistive effect element 104 to the size of the recording bit 200B, the contact of the electrode of the magnetoresistive effect element 104 is limited to the area corresponding to the width W of the recording track shown in FIG. Is formed.

本発明によれば、磁気抵抗効果素子１０４として、図１乃至図１５に関して前述したいずれかのＣＰＰタイプの素子を用いることにより、適切な素子抵抗と大きな磁気抵抗の変化を両立することができる。つまり、従来よりも大幅に感度が高く且つ信頼性も安定した磁気ヘッドを実現することができる。   According to the present invention, by using any one of the CPP type elements described above with reference to FIGS. 1 to 15 as the magnetoresistive effect element 104, it is possible to achieve both an appropriate element resistance and a large change in magnetoresistance. That is, it is possible to realize a magnetic head that is significantly more sensitive than the prior art and stable in reliability.

なお、本具体例においては、長手（面内）記録方式の磁気記録媒体に適応した磁気ヘッドを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、垂直記録媒体に適応した磁気ヘッドについても、本発明の磁気抵抗効果素子を同様に適用して同様の効果を得ることができる。   In this specific example, a magnetic head adapted to a longitudinal (in-plane) recording type magnetic recording medium has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a magnetic head adapted to a perpendicular recording medium. Also for the head, the same effect can be obtained by similarly applying the magnetoresistive effect element of the present invention.

（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生装置について説明する。図１乃至図１５に関して前述した本発明の磁気抵抗効果素子は、図１６に例示したような磁気ヘッドに搭載され、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれて磁気記録再生装置に応用することができる。 (Seventh embodiment)
Next, as a seventh embodiment of the present invention, a magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetoresistive element of the present invention will be described. The magnetoresistive effect element of the present invention described above with reference to FIGS. 1 to 15 is mounted on a magnetic head as illustrated in FIG. 16, for example, incorporated in a recording / reproducing integrated magnetic head assembly and applied to a magnetic recording / reproducing apparatus. can do.

図１７は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００は、磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、第６実施例において前述したような本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドをその先端付近に有する。   FIG. 17 is a main part perspective view illustrating a schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing apparatus 150 of the present invention is an apparatus using a rotary actuator. In the figure, a magnetic disk 200 for longitudinal recording or perpendicular recording is mounted on a spindle 152 and rotated in the direction of arrow A by a motor (not shown) that responds to a control signal from a drive device control unit (not shown). In the magnetic disk 200, a head slider 153 that records and reproduces information stored in the magnetic disk 200 is attached to the tip of a thin film suspension 154. Here, the head slider 153 has, for example, a magnetic head on which the magnetoresistive element of the present invention as described above in the sixth embodiment is mounted in the vicinity of its tip.

磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。   When the magnetic disk 200 rotates, the medium facing surface (ABS) of the head slider 153 is held with a predetermined flying height from the surface of the magnetic disk 200.

サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。   The suspension 154 is connected to one end of an actuator arm 155 having a bobbin portion for holding a drive coil (not shown). A voice coil motor 156, which is a kind of linear motor, is provided at the other end of the actuator arm 155. The voice coil motor 156 is composed of a drive coil (not shown) wound around the bobbin portion of the actuator arm 155, and a magnetic circuit composed of a permanent magnet and a counter yoke arranged so as to sandwich the coil.

アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。   The actuator arm 155 is held by ball bearings (not shown) provided at two locations above and below the fixed shaft 157, and can be freely rotated and slid by a voice coil motor 156.

図１８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５１を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。   FIG. 18 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. That is, the magnetic head assembly 160 has an actuator arm 151 having, for example, a bobbin portion that holds a drive coil, and a suspension 154 is connected to one end of the actuator arm 155.

サスペンション１５４の先端には、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた再生用磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。記録用ヘッドを組み合わせても良い。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。   A head slider 153 having a reproducing magnetic head using the magnetoresistive effect element of the present invention is attached to the tip of the suspension 154. A recording head may be combined. The suspension 154 has a lead wire 164 for writing and reading signals, and the lead wire 164 and each electrode of the magnetic head incorporated in the head slider 153 are electrically connected. In the figure, reference numeral 165 denotes an electrode pad of the magnetic head assembly 160.

ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。   Here, a predetermined flying height is set between the medium facing surface (ABS) of the head slider 153 and the surface of the magnetic disk 200.

磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明によれば、このような「浮上走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。   The slider 153 on which the magnetic head 10 is mounted operates in a state where it floats a predetermined distance from the surface of the magnetic disk 200. According to the present invention, even such a “floating traveling type” magnetic recording / reproducing apparatus can perform reproduction with higher resolution and lower noise than conventional ones.

一方、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを積極的に接触させて、走行させる「接触走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができることは勿論である。   On the other hand, in a “contact traveling type” magnetic recording / reproducing apparatus in which the magnetic head 10 and the magnetic disk 200 are actively brought into contact with each other, it is of course possible to perform reproduction with higher resolution and lower noise than before. It is.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.

例えば、スピンバルブ素子としての構造及び各層の材料については、当業者が選択しうるすべての範囲について本発明を同様に適用して同様の効果を得ることが可能である。例えば、「デュアル型」のような構造についても本発明を同様に適用することができる。   For example, regarding the structure as a spin valve element and the material of each layer, it is possible to obtain the same effect by applying the present invention to all the ranges that can be selected by those skilled in the art. For example, the present invention can be similarly applied to a structure such as “dual type”.

また、磁気ヘッドの構造、構成する各要素の材料や形状などに関しても、具体例として前述したものには限定されず、当業者が選択しうる範囲のすべてを同様に用いて同様の効果を奏し得る。   Further, the structure of the magnetic head and the material and shape of each constituent element are not limited to those described above as specific examples, and the same effects can be obtained by using all the ranges that can be selected by those skilled in the art. obtain.

また、磁気記録再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものあっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。   In addition, the magnetic recording / reproducing apparatus may perform only reproduction or may perform recording / reproduction, and the medium is not limited to a hard disk, but may be a flexible disk or a magnetic card. Any magnetic recording medium can be used. Further, a so-called “removable” type device in which the magnetic recording medium is removable from the device may be used.

本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element concerning the 1st Embodiment of this invention. 非磁性層ＦＮ、ＰＮにピンホールＨが形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element in which the pinhole H was formed in the nonmagnetic layers FN and PN. 強磁性層ＦＦ、ＰＦが島状に形成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element in which the ferromagnetic layers FF and PF were formed in island shape. ２種の強磁性体からなる積層膜が用いられた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element in which the laminated film which consists of two types of ferromagnetic materials was used. ２種以上の強磁性体で構成された磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element comprised with 2 or more types of ferromagnetic materials. ｂｃｃ強磁性体とｆｃｃ強磁性体とを組み合わせた磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element which combined the bcc ferromagnet and the fcc ferromagnet. ピン層とフリー層とで積層周期を変えたスピンバルブ素子の具体例を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the specific example of the spin valve element which changed the lamination period by the pin layer and the free layer. 図７のスピンバルブ素子におけるポテンシャルの変調を表す概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating potential modulation in the spin valve element of FIG. 7. 非磁性層も積層構造とした磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element which also made the nonmagnetic layer into the laminated structure. 非磁性中間層Ｓを多層化したスピンバルブ素子を表す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a spin valve element in which a nonmagnetic intermediate layer S is multilayered. シンセティック構造を有するスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the spin valve element which has a synthetic structure. バッファ層と保護層とを有する磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element which has a buffer layer and a protective layer. 本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-section of the magnetoresistive effect element concerning the 2nd Embodiment of this invention. フリー層が３種類の強磁性層を有する場合を例示した概念図である。It is the conceptual diagram which illustrated the case where a free layer has three types of ferromagnetic layers. 本発明の第１の実施例としてのスピンバルブ素子の断面構成を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of the spin valve element as a 1st Example of this invention. 本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the magnetic head carrying the magnetoresistive effect element of this invention. 本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。It is a principal part perspective view which illustrates schematic structure of the magnetic recording / reproducing apparatus of this invention. アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。5 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. FIG. スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。It is a conceptual diagram which illustrates the schematic cross-section of a spin valve film. 一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the electric current supply system generally used. ピン層とフリー層のそれぞれを強磁性結合した磁性／非磁性層積層膜により構成したスピンバルブを表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the spin valve comprised by the magnetic / nonmagnetic layer laminated film which each of the pin layer and the free layer ferromagnetically coupled. ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-section of a CPP-artificial lattice type element. ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of a CPP-SV element.

符号の説明Explanation of symbols

Ａ 反強磁性層
Ｐ 磁化固着層（ピン層）
ＰＦ 強磁性層
ＰＮ 非磁性層
Ｓ 非磁性中間層
Ｆ 磁化自由層（フリー層）
ＦＦ 強磁性層
ＦＮ 非磁性層
ＥＬ 電極
Ｉ センス電流
Ｂ バッファ層
Ｃ 保護層
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 固定軸 A Antiferromagnetic layer P Magnetization pinned layer (pinned layer)
PF Ferromagnetic layer PN Nonmagnetic layer S Nonmagnetic intermediate layer F Magnetization free layer (free layer)
FF Ferromagnetic layer FN Nonmagnetic layer EL Electrode I Sense current B Buffer layer C Protective layer 150 Magnetic recording device 151 Magnetic disk 153 Head slider 154 Suspension 155 Actuator arm 156 Voice coil motor 157 Fixed shaft

Claims (7)

磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、
磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁化自由層と、
前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、
を備え、
前記磁化固着層の前記磁化の方向と前記磁化自由層の前記磁化の方向との相対角度に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化固着層と前記磁化自由層はそれぞれ、２種類以上の強磁性層を積層した積層体を有し、前記磁化固着層の前記積層体における前記積層の周期と、前記磁化自由層の前記積層体における前記積層の周期とが異なり、
前記抵抗の変化を検出するためのセンス電流が、前記磁化固着層、前記非磁性中間層及び前記磁化自由層を膜面に対して略垂直方向に通電されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A magnetization pinned layer in which the direction of magnetization is substantially fixed in one direction;
A magnetization free layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field;
A nonmagnetic intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
With
A magnetoresistive effect element whose resistance changes according to a relative angle between the magnetization direction of the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer,
Each of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer has a laminate in which two or more types of ferromagnetic layers are laminated, the period of the lamination in the laminate of the magnetization pinned layer, and the lamination of the magnetization free layer Unlike the period of the lamination in the body,
A magnetoresistive effect element characterized in that a sense current for detecting a change in resistance is passed through the magnetization fixed layer, the nonmagnetic intermediate layer, and the magnetization free layer in a direction substantially perpendicular to a film surface. . 前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、鉄（Ｆｅ）基合金を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, wherein at least one of the ferromagnetic layers included in the stacked body includes an iron (Fe) -based alloy. 前記積層体に含まれる前記強磁性層の少なくともいずれかは、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）またはコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金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。   3. The magnetism according to claim 1, wherein at least one of the ferromagnetic layers included in the laminate is made of a soft magnetic alloy containing nickel (Ni), iron (Fe), or cobalt (Co). Resistive effect element. 前記非磁性中間層は、２種類以上の非磁性層を積層した積層体を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 3, wherein the nonmagnetic intermediate layer has a laminated body in which two or more kinds of nonmagnetic layers are laminated. 前記２種類以上の非磁性層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか２つをそれぞれ主成分とした２種類の非磁性層を含むことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。   The two or more types of non-magnetic layers include two types of non-magnetic layers each mainly including any two of gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu). The magnetoresistive effect element according to claim 4. 請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。   A magnetic head comprising the magnetoresistive element according to claim 1. 請求項６記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする磁気記録再生装置。   A magnetic recording / reproducing apparatus comprising the magnetic head according to claim 6, wherein the magnetic information stored in the magnetic recording medium can be read.
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