JP4244312B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置 Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子（Magnetoresistive effect element）、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなってきているため、小さい相対速度であっても大きな出力が取り出せる磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）への期待が高まっている。
このような期待に対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合しない素子で、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。すなわち、非磁性層（「スペーサ層」あるいは「中間層」などと称する）を挟んだ２層の強磁性層の一方（「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称する）に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定しておき、他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」などと称する）を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる。これにより、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は「スピンバルブ（spin valve）」と呼ばれている。
スピンバルブは低磁場で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されている。しかし、その磁気抵抗変化率は最大でも約２０％である。
磁気抵抗効果素子においては、センス電流を素子膜面に対して平行方向に流すＣＩＰ（Current-in-Plane）型の構造と、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型の構造とがある。そして、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子がＣＩＰ型の素子の１０倍程度の磁気抵抗変化率を示すとの報告があり（非特許文献１参照）、磁気抵抗変化率１００％の達成も不可能ではない。
しかし、スピンバルブ構造の場合、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、ＣＰＰ型の素子において垂直通電した場合の抵抗自体が小さくなり、出力絶対値も小さくなってしまう。
これに対して、磁気抵抗効果（ＭＲ）を向上させるため、スピンバルブの膜の中に絶縁体を含む電流増大層を挿入するという手法が考案されている（非特許文献２参照）。すなわち、スピンバルブは、電子をスピン依存散乱させる部分（ピン層／スペーサ層／フリー層）と、スピン依存散乱が小さい部分（下地層、反強磁性層、保護層等）とから構成される。前者の抵抗をＲｓｄ、後者の抵抗をＲｓｉとすると、スピンバルブのＭＲはＭＲ＝ΔＲｓｄ／（Ｒｓｉ＋Ｒｓｄ）と表すことができる。ＲｓｄがＲｓｉよりも大きければ大きいほど、ＭＲが向上するという効果に着目したのが、上述したように絶縁体を含む電流増大層の挿入である。
また一方、ＣＰＰ型のＭＲ素子において、厚みが１ｎｍのＣｕ（銅）からなるスピンフィルタ層を挿入することにより、ＭＲを向上させようとする試みが報告されている（非特許文献３）。
J. Phys. Condens. Matter., vol.11, p5717 (1999) J. Appl. Phys. 89, p6943 (2001) IEEE Trans. Magn. 38, 2277 (2002)
ところが、非特許文献２に開示されている手法に基づいてスピンバルブの中心部分に絶縁体等を挿入すると、スピンバルブを構成する膜の結晶性が劣化してしまうという問題が生ずる。すなわち、スピンバルブは、基本的に結晶構造がｆｃｃの多結晶薄膜からなり、（１１１）に面内配向している場合が多い。結晶性の良し悪しは、以下の３つの観点でＣＣＰ−ＧＭＲのＭＲに影響する。
まず、ひとつめは、ピン層／スペーサ層／フリー層の各界面のシャープネス（急峻性）である。これら界面は「スピン依存界面散乱」によってＭＲに寄与している。界面ミキシングや界面凹凸などの影響で界面がシャープでなくなると、スピンに依存されない界面抵抗が大きくなってしまうため、スピン依存界面散乱因子が劣化し、ＭＲが低下してしまう。
２つめは、ピン層とフリー層の内部での配向性である。強磁性体であるピン層とフリー層は、その内部での「スピン依存バルク散乱」によってＭＲに寄与している。結晶配向性が低下すると、電子の「スピン依存散乱因子」が劣化し、ＭＲが低下する。
３つめは、スペーサ層の結晶配向性である。膜中の欠陥等が増えると電子のスピン拡散長（電子のスピンが反転してしまうまで距離）が短くなり、ＭＲ低下につながる。
以上のような理由から、絶縁層挿入によるスピンバルブの結晶配向性の劣化は最小限にとどめることが重要である。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、フリー層と保護層との間に結晶性を向上させるための非磁性金属から成るスピンフィルタ層を挿入し、上述したような結晶配向性の劣化を抑制しあるいは回復させることによって、高い磁気抵抗変化量を実現した磁気抵抗効果素子、及びこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の実施の形態によれば、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、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金属中間層と、前記磁化固着層、前記磁化自由層及び前記非磁性金属中間層の少なくともいずれかに設けられ、絶縁部を含む抵抗増大層と、前記非磁性金属中間層とは反対側において前記磁化自由層に隣接して設けられた厚みが２ｎｍ以上のスピンフィルタ層と、前記磁化自由層とは反対側において前記スピンフィルタ層に隣接して設けられた保護層と、前記磁化固着層、前記磁化自由層、前記非磁性金属中間層、前記抵抗増大層及び前記スピンフィルタ層の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために電気的に接続された一対の電極と、を備え、前記保護層がＴａ、Ｔｉ及びＲｕよりなる群から選ばれた少なくとも１種の材料よりなり、前記スピンフィルタ層が、前記磁化自由層と接する側から、Ｃｕ、（Ｎｉ １−ｘ Ｆｅ ｘ ） １−ｙ Ｃｒ ｙ 合金（１５＜ｘ＜２５， ２０＜ｙ＜４５）が積層された積層構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
また、こ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が提供される。
また、この磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置が提供される。
以上詳述したように、本発明によれば、抵抗増大層と、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦとを設けることにより、抵抗の絶対値が高く、大きな磁気抵抗効果が得られる。
その結果として、高感度の磁気検出を安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
以下、実施例参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
すなわち、本実施例の磁気抵抗効果素子は、下電極ＬＥと、上電極ＵＥとの間にスピンバルブ構造を含む積層膜構造が設けられた構造を有する。そして、これら下電極ＬＥ及び上電極ＵＥを介してスピンバルブの膜厚方向に対して略垂直方向にセンス電流を通電可能とされ、ＣＰＰ型のＧＭＲが実現されている。
本実施例のスピンバルブ構造について説明すると、第１のピン層（磁化固着層）Ｐ１と、第２のピン層（磁化固着層）Ｐ２と、フリー層（磁化自由層）Ｆと、これらの間に設けられたスペーサ層（非磁性金属中間層）Ｓとが設けられている。
ここで、第１のピン層Ｐ１は、これに隣接する反強磁性層ＡＦによってその磁化が実質的に一方向に固着されている。また、第２のピン層Ｐ２の磁化は、磁化反平行結合層ＡＣを介して第１のピン層Ｐ１とは反対方向に固着されている。
また、フリー層Ｆは、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性体膜を含む層である。一方、スペーサ層Ｓは、第２のピン層Ｐ２とフリー層Ｆとの間の磁気的な結合を遮断する役割を有する層である。本実施例の場合、スペーサ層Ｓは金属層Ｍ１、抵抗増大層ＲＩ、金属層Ｍ２をこの順に積層した構造を有する。金属層Ｍ１、Ｍ２は、非磁性金属からなる。一方、抵抗増大層ＲＩは、絶縁部ＲＩａと、その一部を厚み方向に略貫通する導電部ＲＩｂとを有する。すなわち、抵抗増大層ＲＩは、磁気抵抗効果素子の電気抵抗を増大させ、且つその導電部ＲＩｂを介して、膜面に対して垂直な方向のセンス電流の通電が確保されている。
抵抗増大層ＲＩによる磁気抵抗効果（ＭＲ）の増大については、次のように説明される。すなわち、垂直通電型のスピンバルブは、伝導電子がスピン依存散乱されるか否かという観点で、２つに分けることができる。ひとつは、スピン依存散乱を担う部分（ピン層／スペーサ層／フリー層）、もうひとつはスピンに依存しない部分（下地層、保護層、反強磁性層など）である。前者の抵抗をＲｓｄ、後者の抵抗をＲｓｉとすると、抵抗増大層をスピン依存散乱を担う部分に設けることにより、抵抗Ｒｓｉに対する抵抗Ｒｓｄの割合を高め、ＭＲ＝ΔＲｓｄ／（Ｒｓｄ＋Ｒｓｉ）を高くすることが可能になる。実際、スペーサ層に抵抗増大層ＲＩを挿入すると、挿入しない場合に比べてＭＲが約８倍まで増加することが分かっている。
反強磁性層ＡＦの下には、下地層ＢＦを介して下電極ＬＥが設けられている。一方、フリー層の上には、スピンフィルタ層ＳＦが積層され、さらに保護層ＰＬを介して上電極ＵＥが設けられている。
保護層ＰＬは、磁気抵抗効果素子を形成する際に、スピンバルブ構造を構成する各層を例えば、エッチングガスやプラズマなどから保護する役割を有する。このため、保護層ＰＬの材料としては、物理的あるいは化学的な耐久性が高く、または不活性な材料であることが望ましく、具体的には、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）などのいずれかを用いることが望ましい。
通常、保護膜ＰＬは、スピンバルブ構造の能動部の直上に配置される。すなわち、反強磁性層が下置きの、いわゆる「ボトム型」のスピンバルブの場合には、フリー層の上、反強磁性層が上置きの、いわゆる「トップ型」のスピンバルブの場合には反強磁性層の上、ピン層を２層もつ、いわゆる「デュアル型」の場合には反強磁性層の上、という具合である。
これに対し、本発明では、保護層ＰＬの直下にスピンフィルタ層ＳＦを配置する。これにより、スピンバルブ能動部と保護層との界面でのミキシング等を排除し、またスピンバルブの結晶性の改善を促すことができる。
以上説明したような構造を有する磁気抵抗効果素子において、下電極ＬＥから順に見た各層の材料と膜厚を次の如く設定したサンプルを作成した。すなわち、下地層ＢＦをＴａ ５ｎｍ／Ｒｕ ２ｎｍ、反強磁性層ＡＦをＰｔＭｎ １５ｎｍ、ピン層Ｐ１をＣｏ９０Ｆｅ１０ ３ｎｍ、磁化反平行結合層ＡＣをＲｕ １ｎｍ、ピン層Ｐ２をＣｏ９０Ｆｅ１０ ３ｎｍ、スペーサＳをＣｕ ０．２ｎｍ（金属層Ｍ１）／ＡｌＯｘ １．５ｎｍ（抵抗増大層の絶縁部ＲＩａ）とＣｕ（抵抗増大層ＲＩの導電部ＲＩｂ）／Ｃｕ ０．５ｎｍ（金属層Ｍ２）、フリー層ＦをＣｏ９０Ｆｅ１０ １ｎｍ／Ｎｉ８０Ｆｅ２０ ３．５ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦをＣｕ ０ｎｍ〜５０ｎｍ、保護層ＰＬをＴａ ２０ｎｍとした。
図２は、これら磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ＭＲ［％］を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はスピンフィルタ層ＳＦの厚みを表し、縦軸は磁気抵抗変化量ＭＲ（＝ＡΔＲ／ＡＲ）を表す。同図において、「Example 1」が本実施例の結果を表す。
図２を見ると、スピンフィルタ層ＳＦがない（厚みがゼロ）場合には、ＭＲは３．５％であるのに対し、スピンフィルタ層ＳＦとして厚み１ｎｍのＣｕ層を設けた場合には、ＭＲが４．０％に上がることが分かる。このＭＲ向上の理由としては、ＮｉＦｅ／Ｔａ界面（スピンフィルタ層ＳＦがない場合）よりもＮｉＦｅ／Ｃｕ界面（スピンフィルタ層ＳＦが設けられた場合）のスピン依存散乱が大きいことが考えられる。このことから、Ｃｕをスピンフィルタ層ＳＦとして挿入することは、ＭＲ向上に有効であることがわかる。
そして、本発明においては、スピンフィルタ層ＳＦであるＣｕ層の膜厚を１ｎｍよりも厚くすることにより、２０ｎｍまではＭＲがさらに増加し、その後、ほぼ飽和する。このことから、図２に点線で表したようにスピンフィルタ層ＳＦを２ｎｍ以上、望ましくは１０ｎｍ以上の厚さにすることは、ＭＲ向上に非常に有効であることが分かった。より効果が顕著な膜厚は、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
なお、ＣＩＰ型のＧＭＲ素子のスピンバルブにスピンフィルタ層を設けた構造は既に開示されている。ただし、その主な目的は本発明とは異なり、センス電流によるフリー層へのバイアス磁場の制御にある。
図３は、ＣＩＰ型のＧＭＲ素子とＣＰＰ型のＧＭＲ素子にそれぞれスピンフィルタ層としてＣｕ層を設けた場合のＭＲの変化を表すグラフ図である。
すなわち、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子の場合には、数ｎｍ以下の薄いスピンフィルタ層を設けることにより、ＭＲは向上する。しかしながら、スピンフィルタ層の厚みをそれよりも厚くすると、シャント電流によりＭＲを損じることになるので、ＭＲは急激に低下してしまう。
これに対して、本発明によりＣｕからなるスピンフィルタ層ＳＦを設けた場合には、その膜厚を１ｎｍよりも厚くしていくと、ＭＲはさらに上昇し、２０ｎｍを超えてから飽和する。つまり、ＣＩＰ型の素子と比べて、ＣＰＰ型素子において厚いスピンフィルタ層ＳＦを設けると、ＭＲの顕著な増加が得られる。
ところで、非特許文献３には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、厚みが１ｎｍ程度のＣｕ層を挿入するという開示がされている。ただし、この開示技術の目的は、スピン依存界面散乱がフリー層／保護層界面よりも大きい組み合わせのフリー層／スピンフィルタ層界面を用いることにある。つまり、この開示技術は、スピンフィルタ層が有する界面の効果に着目したものであり、その膜厚を従来のスピンフィルタ層において通常用いられている厚み（１ｎｍ程度）よりも厚くするという思想は何ら開示されていない。
これに対して、本発明者は、従来の「スピンフィルタ層」の厚みの概念を超えた厚みを有するスピンフィルタ層ＳＦを設けることにより、図２に表したようにＭＲが顕著に増大することを見いだした。本発明において、厚みが２ｎｍ以上のスピンフィルタ層ＳＦを設けることによりＭＲが大幅に増加する理由のひとつしては、結晶性の改善が挙げられる。
すなわち、図１に表した積層構造を下電極ＬＥから順に形成する場合、スペーサ層Ｓに含まれる抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａとして非晶質のＡｌＯｘを形成するため、その上に形成する金属層Ｍ２、中に存在する導電部ＲＩｂ、フリー層Ｆの結晶性が低下しやすい。これに対して、フリー層Ｆの上にＣｕからなるスピンフィルタ層ＳＦを厚く形成すると、スピンフィルタ層ＳＦの結晶性が向上し、この結晶性の向上に伴って、スピンバルブの結晶性も改善されることが推測される。つまり、フリー層Ｆの上に形成する金属層（スピンフィルタ層ＳＦ）の結晶性が向上するために、その影響を受けて下側のフリー層Ｆ、更にその下側の金属層Ｍ２、導電部ＲＩｂの結晶性にアニール的な作用、あるいはバッファ的な作用が与えられることが推測される。その結果として、フリー層Ｆ、金属層Ｍ２、導電部ＲＩｂの結晶性が改善される。
ところで、ＣＰＰ−ＧＭＲの起源は、強磁性層内でのスピン依存バルク散乱（１）と、非磁性層と強磁性層の界面におけるスピン依存界面散乱（２）の２つである。それ以外の散乱（３）による抵抗は、ＭＲを低下させる元凶となるだけである。本発明の実施の形態に適用すると、ピン層Ｐおよびフリー層Ｆ内での抵抗はスピン依存バルク散乱（１）、スペーサ層Ｓとピン層Ｐ、あるいはスペーサ層Ｓとフリー層Ｆの界面における抵抗が、スピン依存界面散乱（２）に当たる。スピンフィルタ層ＳＦを厚くして結晶性を改善すると、（１）（２）が向上して（３）が低減するため、ＭＲを向上させることができる。これについて、抵抗増大層ＲＩがスペーサ層Ｓ中に在る場合を例に挙げて、以下に説明する。
１つめは、フリー層Ｆの結晶性の改善によるスピン依存バルク散乱（１）の向上である。フリー層Ｆ内の欠陥、配向の乱れなどが存在すると、ダウンスピンを持つ伝導電子のみならず、ダウンスピンを持つ電子までもが散乱され、両者による抵抗の差、すなわちスピン依存散乱因子が低下してしまう。ここで、抵抗増大層の挿入によって劣化した結晶性がスピンフィルタ層ＳＦによって改善すると、アップスピンを持つ電子は散乱されずにすみ、スピン依存バルク散乱が増大、ひいてはＭＲが向上することになる。
２つめは、フリー層Ｆと金属層Ｍ２との界面の改善によるスピン依存界面散乱（２）の向上である。抵抗増大層ＲＩによって界面が乱れ、原子レベルでのフラットネスが失われたりミキシングが増えたりすると、ダウンスピンを持つ電子のみならず、アップスピンを持つ電子までもが散乱され、両者による抵抗の差、すなわちスピン依存散乱因子が低下してしまう。ここで、スピンフィルタ層ＳＦによって金属層Ｍ２とフリー層Ｆとの界面を改質すると、アップスピンは余計な散乱を受けずにすみ、スピン依存界面散乱が理想的な膜、すなわちフラットでミキシングがない状態のものに近づき、ＭＲが向上することになる。
３つめは、スペーサ層Ｓの結晶性の改善によるスピンに依存しない抵抗（３）の低減である。スペーサ層Ｓは、抵抗の小さいメタル部分（金属層Ｍ１、Ｍ２、導電部ＲＩｂ）と抵抗の大きい絶縁部ＲＩａから構成される。伝導電子がスピン依存散乱以外の散乱を受けると余計な抵抗が上がってＭＲが減少するので、スピン偏極した伝導電はスペーサ層Ｓ内のメタル部分を無散乱で通り抜けることが理想である。このことから、スペーサ層Ｓ内のメタル部分には、欠陥、不純物などの散乱因子ができるだけ少ないことが望まれる。スピンフィルタ層ＳＦにより結晶性を改善させると、スピンに依存しない散乱が減り、ＭＲを増加させることができる。
以上のように、最適はスピンフィルタ層ＳＦは、ＭＲ向上に非常に効果的である。
また、伝導以外の効果として、フリー層Ｆの磁気特性の改善も挙げられる。フリー層Ｆの結晶配向性が劣化すると、デバイス特性として不可欠な軟磁気特性や磁歪の特性が悪くなる。これらは、信号磁場への感度という観点で重要な特性である。したがって、スピンフィルタ層ＳＦによりフリー層Ｆの磁気特性を改善することは、重要な効果である。
このように、素子としてのトータルパフォーマンスを向上させる上で、最適なスピンフィルタ層ＳＦはおおいに有効である。
ところで、以上の説明は抵抗増大層ＲＩがスペーサ層Ｓ中に在る場合についてのものであるが、抵抗増大層ＲＩがフリー層Ｆやピン層Ｐに挿入された場合でも、同様の効果が得られる。
たとえば、ピン層Ｐ中に抵抗増大層ＲＩが設けられた場合、ピン層Ｐとフリー層Ｆのスピン依存バルク散乱（１）が改善され、ピン層／スペーサ層界面とスペーサ層／ピン層界面が改善されることでスピン依存界面散乱（２）が向上する。また、スペーサ層Ｓでのスピンに依存しない散乱（３）が抑制され、ＭＲは増加する。
また、フリー層Ｆ中に抵抗増大層ＲＩが設けられた場合は、フリー層Ｆの結晶性が改善されるためにフリー層Ｆ内でのスピン依存バルク散乱（１）が改善されてＭＲが向上する。
本発明者の検討の結果、スピンフィルタ層ＳＦの材料として、Ｃｕ以外にも、次に列挙する材料を用いた場合にも、図２及び図３に表したようなＭＲの向上が見られた。すなわち、Ｃｕ以外のスピンフィルタ層ＳＦの材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、（Ｎｉ１−ｘＦｅｘ）１−ｙＣｒｙ合金（１５＜ｘ＜２５， ２０＜ｙ＜４５）を挙げることができる。また、スピンフィルタ層ＳＦを、これらの組み合わせた積層構造としてもよい。例えば、スピンフィルタ層ＳＦとして、フリー層の側から、Ｃｕ ２ｎｍ／Ｒｕ ５ｎｍの如く積層させた構造を用いた場合にも、同様の効果を得ることができる。
特に、Ｃｕ、Ｒｕ、（Ｎｉ１−ｘＦｅｘ）１−ｙＣｒｙ合金（１５＜ｘ＜２５、２０＜ｙ＜４５）などは、通常用いられるスピンバルブの結晶構造であるｆｃｃ（１１１）に、結晶構造あるいは格子定数が同じもしくは近いため、スピンフィルタ層ＳＦの材料として大変に効果的である。また、その他の材料は、スピンバルブのトータル膜厚を厚くすることで、全体の結晶性を向上させる、という意味で効果的である。
一方、抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａの材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれた少なくとも１種の元素の酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物等を含む高抵抗なものを用いることができる。これら材料は、薄膜でも高い抵抗が得られるために、抵抗増大によるＭＲの増加の効果が得られる。そして、これらの材料により抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａを形成した場合、その上に形成するフリー層の結晶性が低下することにより、ＭＲが抑制される傾向がある。これに対して、本発明によれば、厚いスピンフィルタ層ＳＦを設けることにより、フリー層Ｆの結晶性を改善させ、ＭＲを大幅に増加することが可能となる。
図４乃至図６は、本実施例の変型例を表す模式断面図である。これらの図については、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
すなわち、スペーサ層Ｓは、下電極ＬＥの側から見て、図４に例示した如く、金属層Ｍ１、抵抗増大層ＲＩなる積層構造とすることができる。また、図５に例示した如く、抵抗増大層ＲＩ、金属層Ｍ２なる積層構造としてもよく、または、図６に例示した如く、抵抗増大層ＲＩのみによってスペーサ層Ｓを構成してもよい。
これらいずれの変型例においても、図２及び図３に例示したように、スピンフィルタ層ＳＦの膜厚を厚くすることによるＭＲ向上効果が得られる。
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、フリー層に抵抗増大層を設けたスピンバルブ膜に、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦを挿入したＣＰＰ型のＧＭＲ素子について説明する。
図７は、本実施例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施例の磁気抵抗効果素子も、ピン層と、フリー層と、これらの間に設けられたスペーサ層Ｓと、からなるスピンバルブ構造を有する。これら各層の役割は、第１実施例に関して前述した通りである。ただし、本実施例においては、スペーサ層Ｓは、非磁性材料からなる単一の層により構成されている。そして、フリー層が、第１のフリー層Ｆ１と、第２のフリー層Ｆ２と、これらの間に設けられた抵抗増大層ＲＩと、からなる。第１及び第２のフリー層Ｆ１、Ｆ２は、磁性材料からなり、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性体膜を含む層である。一方、抵抗増大層ＲＩは、第１実施例に関して前述したものと同様に、絶縁部ＲＩａと、その一部を厚み方向に略貫通する導電部ＲＩｂと、を有する。すなわち、抵抗増大層ＲＩは、磁気抵抗効果素子の電気抵抗を増大させ、且つその導電部ＲＩｂを介して、膜面に対して垂直な方向のセンス電流の通電が確保されている。
この磁気抵抗効果素子において、下電極ＬＥから見て順に、下地層ＢＦをＴａ ５ｎｍ／Ｒｕ ２ｎｍ、反強磁性層ＡＦをＰｔＭｎ １５ｎｍ、第１のピン層Ｐ１をＣｏ９０Ｆｅ１０ ３ｎｍ、磁化反平行結合層ＡＣをＲｕ １ｎｍ、第２のピン層Ｐ２をＣｏ９０Ｆｅ１０ ３ｎｍ、スペーサ層ＳをＣｕ ５ｎｍ、フリー層ＦをＣｏ９０Ｆｅ１０ １ｎｍ（第１のフリー層Ｆ１）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０ ３．５ｎｍ（第１のフリー層Ｆ１）／Ａｌ−Ｏ １．５ｎｍ（抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａ）とＮｉ８０Ｆｅ２０（抵抗増大層の導電部ＲＩｂ）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０ ０．５ｎｍ（第２のフリー層Ｆ２）、スピンフィルタ層ＳＦをＣｕ ０ｎｍ〜５０ｎｍ、保護層ＰＬをＴａ ２０ｎｍとしてサンプルを作成した。すなわち、第１のフリー層Ｆ１として、Ｃｏ９０Ｆｅ１０ １ｎｍ／Ｎｉ８０Ｆｅ２０ ３．５ｎｍという積層構造を採用した。
これらサンプルの磁気抵抗変化量ＭＲ［％］を、図２に「Example２」として表した。 すなわち、スピンフィルタ層ＳＦがない（ゼロｎｍ）場合には、ＭＲは３．６％であるのに対して、スピンフィルタ層ＳＦとして厚み１ｎｍのＣｕ層を設けた場合には、ＭＲは、３．８％に上がることが分かった。このＭＲ向上の理由は、スピンフィルタ層ＳＦを挿入したことによる、界面効果によると考えられる。つまり、フリー層／保護層界面よりもフリー層／スピンフィルタ層界面において、スピン依存界面散乱が大きくなるために、ＭＲが増加することが推測される。
そしてさらに本発明によれば、スピンフィルタ層ＳＦであるＣｕ膜厚を１ｎｍよりも厚くしていくと、２０ｎｍまでＭＲが増加し、その後、ほぼ飽和する。このことから、図２に点線で表したようにスピンフィルタ層ＳＦを２ｎｍ以上、望ましくは１０ｎｍ以上の厚さにすることは、ＭＲ向上に非常に有効であることが分かった。なお、より効果が顕著な膜厚は、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
このようなＭＲの向上のひとつの理由も、第１実施例に関して前述したものと同様の結晶性の改善にあると推測される。つまり、本実施例においては、フリー層に非晶質の絶縁部ＲＩａを含む抵抗増大層ＲＩを挿入する。従って、抵抗増大層ＲＩの上に形成される第２のフリー層Ｆ２の結晶性が低下する傾向がある。これに対して、第２のフリー層Ｆ２の上にＣｕなどからなるスピンフィルタ層ＳＦを厚く形成すると、このスピンフィルタ層ＳＦの結晶性が改善され、これに伴って、第２のフリー層Ｆ２の結晶性も改善されることが推測される。このようなスピンフィルタ層ＳＦからのアニール的な作用あるいはバッファ的な作用によって第２のフリー層Ｆ２の結晶性が改善される結果として、その磁気特性が向上し、ＭＲが増加することが推測される。
本実施例においても、スピンフィルタ層ＳＦの材料としては、Ｃｕ以外にも、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、（Ｎｉ１−ｘＦｅｘ）１−ｙＣｒｙ合金（１５＜ｘ＜２５， ２０＜ｙ＜４５）であっても、同等の効果が得られる。また、これらを組み合わせた積層構造、例えば、フリー層Ｆからみて順に、Ｃｕ ２ｎｍ／（Ｎｉ１−ｘＦｅｘ）１−ｙＣｒｙ合金（１５＜ｘ＜２５， ２０＜ｙ＜４５）６ｎｍなる積層構造などを用いても、同様のＭＲ向上の効果を得ることができる。
なお、抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａの材料としては、第１実施例に関して前述したものと同様のものを用いることができる。
また、本実施例の変型例として、フリー層Ｆのうちで、第１のフリー層Ｆ１のうちのスペーサ層Ｓと接する領域が強磁性体により形成されたものであれば、第１のフリー層Ｆ１の他の部分や、導電部ＲＩｂ、第２のフリー層Ｆ２が非磁性体により構成されたものであっても、同様の効果が得られる。
図８乃至図１０は、本実施例の変型例を表す模式断面図である。これらの図についても、図１乃至図７に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
すなわち、フリー層Ｆ中の抵抗増大層ＲＩは、図８に表したようにスピンフィルタ層ＳＦと接して設けられてもよく、または、図９に表したように、スペーサ層Ｓに接して設けられてもよい。あるいは、図１０に表したように、フリー層Ｆの全体を抵抗増大層ＲＩとして形成することも可能である。この場合には、導電部ＲＩｂが磁性体により形成され、その磁化が外部磁界に対して回転可能とされる。これらいずれの変型例においても、図２に例示したように、スピンフィルタ層ＳＦの膜厚を厚くすることによるＭＲ向上効果が得られる。
図８に表したスピンバルブの中で、電流が最も絞り込まれるのはフリー層Ｆ中の導電部ＲＩｂである。したがって、スピンバルブ各層の抵抗のうち、最もＭＲに反映されるのは、導電部ＲＩｂのスピン依存バルク散乱による抵抗ということになる。ところが、導電部ＲＩｂは抵抗増大層の中に存在するため、単独では結晶性が悪く、スピン依存バルク散乱因子が低下している。これに対して、本発明によれば、スピンフィルタ層ＳＦを厚く形成し、それに接している導電部ＲＩｂの結晶性を改善すると、スピン依存バルク散乱を向上させて、ＭＲを増加させることができる。
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、ピン層に抵抗増大層を設けたスピンバルブ膜に、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦを挿入したＣＰＰ型のＧＭＲ素子について説明する。
図１１は、本実施例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図１０に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施例の磁気抵抗効果素子も、ピン層Ｐと、フリー層Ｆと、これらの間に設けられたスペーサ層Ｓと、からなるスピンバルブ構造を有する。これら各層の役割は、第１実施例に関して前述した通りである。ただし、本実施例においては、第２のピン層Ｐ２が、第１の層Ｐ２１と、第２の層２２と、これらの間に設けられた抵抗増大層ＲＩと、からなる。第１及び第２の層２１、２２は、磁性材料からなり、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性体膜を含む層である。
一方、抵抗増大層ＲＩは、第１実施例に関して前述したものと同様に、絶縁部ＲＩａと、その一部を厚み方向に略貫通する導電部ＲＩｂと、を有する。すなわち、抵抗増大層ＲＩは、磁気抵抗効果素子の電気抵抗を増大させ、且つその導電部ＲＩｂを介して、膜面に対して垂直な方向のセンス電流の通電が確保されている。
この磁気抵抗効果素子において、下電極ＬＥから見て順に、下地層ＢＦをＴａ ５ｎｍ／Ｒｕ ２ｎｍ、反強磁性層ＡＦをＰｔＭｎ １５ｎｍ、第１のピン層Ｐ１をＣｏ９０Ｆｅ１０ ３ｎｍ、磁化反平行結合層ＡＣをＲｕ １ｎｍ、第２のピン層Ｐ２をＣｏ９０Ｆｅ１０ ２ｎｍ（第１の層２１）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０−Ｏ １ｎｍ（抵抗増大層ＲＩの絶縁部ＲＩａ）とＣｏ９０Ｆｅ１０（抵抗増大層ＲＩの導電部ＲＩｂ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０ １ｎｍ（第２の層２２）、スペーサ層ＳをＣｕ ５ｎｍ、フリー層ＦをＣｏ９０Ｆｅ１０ １ｎｍ／Ｎｉ８０Ｆｅ２０ ３．５ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦをＣｕ ０ｎｍ〜５０ｎｍ、保護層ＰＬをＴａ ２０ｎｍとしてサンプルを作成した。
これらサンプルのＭＲを、図２に「Example３」として表した。
図２を見ると、スピンフィルタ層ＳＦがない場合（膜厚ゼロｎｍ）にはＭＲが３．６％であるのに対し、厚み１ｎｍのＣｕ層を設けた場合にはＭＲが３．８％に上がることが分かった。このＭＲ向上の理由も、第１及び第２実施例に関して前述したように、スピンフィルタ層ＳＦを挿入したことによる、界面効果によると考えられる。つまり、フリー層／保護層界面よりもフリー層／スピンフィルタ層界面において、スピン依存界面散乱が大きくなるために、ＭＲが増加することが推測される。
そしてさらに本発明によれば、スピンフィルタ層ＳＦであるＣｕ膜厚を１ｎｍよりも厚くしていくと、およそ５ｎｍまではＭＲが増加し、その後、ほぼ飽和する。このことから、図２に点線で表したようにスピンフィルタ層を２ｎｍ以上、望ましくは５ｎｍ以上の厚さにすることは、ＭＲ向上に非常に有効であることが分かった。
このようなＭＲの向上のひとつの理由も、第１及び第２実施例に関して前述したものと同様の結晶性の改善にあると推測される。つまり、本実施例においては、第２のピン層Ｐ２に非晶質の絶縁部ＲＩａを含む抵抗増大層ＲＩを挿入する。従って、抵抗増大層ＲＩの上に形成される第２の層Ｐ２２、スペーサ層Ｓ、さらにフリー層Ｆの結晶性が低下する傾向がある。これに対して、フリー層Ｆの上にＣｕなどからなるスピンフィルタ層ＳＦを厚く形成すると、このスピンフィルタ層ＳＦの結晶性が改善され、これに伴って、フリー層Ｆなどの結晶性も改善されることが推測される。このようなスピンフィルタ層ＳＦからのアニール的な作用あるいはバッファ的な作用によってフリー層Ｆなどの結晶性が改善される結果として、その磁気特性が向上し、ＭＲが増加することが推測される。
本実施例においても、スピンフィルタ層ＳＦの材質は、Ｃｕ以外にも、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金であっても、同等の効果が得られる。また、これらを組み合わせた積層構造、例えば、Ｃｕ ２ｎｍ／Ｃｒ ５ｎｍなどを用いても、同様の効果を得ることができる。
図１２乃至図１４は、本実施例の変型例を表す模式断面図である。これらの図についても、図１乃至図１１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
すなわち、第２のピン層Ｐ２中の抵抗増大層ＲＩは、図１２に表したようにスペーサ層Ｓと接して設けられてもよく、または、図１３に表したように、磁化反平行結合層ＡＣに接して設けられてもよい。あるいは、図１４に表したように、第２のピン層Ｐ２の全体を抵抗増大層ＲＩとして形成することも可能である。この場合には、導電部ＲＩｂが磁性体により形成され、その磁化が磁化反平行結合層ＡＣの作用によって、第１のピン層Ｐ１とは反対方向に固着されている。
これらいずれの変型例においても、図２に例示したように、スピンフィルタ層ＳＦの膜厚を厚くすることによるＭＲ向上効果が得られる。
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、スピンフィルタ層ＳＦを積層構造とした磁気抵抗効果素子について説明する。
図１５は、スピンフィルタ層ＳＦを積層構造とした磁気抵抗効果素子の断面構造を例示する模式図である。
すなわち、本具体例は第１実施例と類似した構造を有し、ただしスピンフィルタ層ＳＦが、第１のスピンフィルタ層ＳＦ１と第２のスピンフィルタ層ＳＦ２ととの積層構造とされている。これら第１及び第２のスピンフィルタ層ＳＦ１、ＳＦ２は、非磁性金属により形成できる。
本実施例において、フリー層Ｆに接するスピンフィルタ層ＳＦ１と、保護層に接するスピンフィルタ層ＳＦ２の組み合わせを変えた場合に、以下のような結果が得られた。

Figure 0004244312
サンプル番号１から４は、スピンフィルタ層ＳＦを単層とした場合の結果である。サンプル番号３において用いたＲｕ（ルテニウム）からなるスピンフィルタ層は、結晶配向性を向上させる効果はあるものの、フリー層Ｆ（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）との界面が負のスピン依存散乱因子を持つためＭＲが向上しにくい。そこで、フリー層Ｆと接する側のスピンフィルタ層ＳＦ１として、スピン依存界面散乱因子が正で大きなＣｕからなる層を配し、スピンフィルタ層ＳＦ２にＲｕを用いる構造（サンプル番号５）とすると、ＭＲが改善する。
サンプル番号４において用いた（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）７８Ｃｒ２２ からなるスピンフィルタ層は、スピン依存界面散乱が負であることはないが、Ｎｉ８０Ｆｅ２０／Ｃｕ界面において得られるスピン依存界面散乱の値には劣る。このために、サンプル番号２の、厚み１０ｎｍのＣｕからなるスピンフィルタ層を用いた場合のＭＲには今一歩及ばない。そこで、本実施例の構造を採用し、スピンフィルタ層ＳＦ１にＣｕ、スピンフィルタ層ＳＦ２に（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）７８Ｃｒ２２を用いると、スピン依存界面散乱と結晶性向上が両立し、高ＭＲを得ることができる。
このように、スピンフィルタ層ＳＦを多層膜として、各層が担うべき機能を分担させることで、更なるＭＲ向上を実現できる。同じように、スピンフィルタ層を３層以上の積層膜としても、更に優れた結果がえられることも考えられる。
なお、本実施例を、第２及び第３実施例のスピンバルブ構造に適用した場合にも、同様の効果を得ることができる。
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、複数の抵抗増大層ＲＩを設けた磁気抵抗効果素子について説明する。
すなわち、前述した第１乃至第４実施例においては、抵抗増大層ＲＩが、スペーサ層Ｓ、フリー層Ｆ、第２のピン層Ｐ２のいずれかに挿入されたスピンバルブ構造において、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦを設けることによりＭＲを改善させる。
しかし、本発明はこれに限定されず、例えば、第１乃至第３の実施例を適宜組み合わせたものも包含する。例えば、図１６に例示したように、スペーサ層Ｓとフリー層Ｆにそれぞれ１層ずつ抵抗増大層ＲＩを挿入したスピンバルブ構造の場合も、厚みのあるスピンフィルタ厚を設けることにより、ＭＲを向上させることができる。
また、スペーサ層Ｓ、フリー層Ｆ、第２のピン層Ｐ２のいずれか１層内に、２層以上の抵抗増大層ＲＩを挿入したスピンバルブ構造の場合にも、厚みのあるスピンフィルタ厚を設けることにより、ＭＲを向上させることができる。例えば、図１７に例示したように、スペーサ層Ｓの中に２層の抵抗増大層ＲＩを設けてもよい。
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、ピン層とフリー層の積層順序が反転された磁気抵抗効果素子について説明する。すなわち、第１乃至第５実施例に関して前述した効果は、スピンバルブ膜の積層順序を、図１８に例示した如く反転させた場合にも得られる。
すなわち、図１８に表した磁気抵抗効果素子は、下電極ＥＬの上に、下地層ＢＦを介して、まずスピンフィルタ層ＳＦが設けられ、その上に、フリー層Ｆ、スペーサ層Ｓ、ピン層Ｐ、反強磁性層ＡＦ、保護層ＰＬ、上電極ＵＥがこの順に積層されている。このような積層順序のスピンバルブ構造においても、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦを設けることにより、その上に形成するフリー層Ｆなどの結晶性を改善し、磁気特性を向上させて高いＭＲを得ることが可能となる。
また、本実施例においても、抵抗増大層ＲＩは、スペーサ層Ｓ、フリー層Ｆ、第２のピン層Ｐ２のうち少なくとも１箇所以上に設けることにより、抵抗増大の効果を得ることができる。
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。
図１９及び図２０は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図１９は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図２０は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
図１９及び図２０に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜１４の上下には、下電極ＬＥと上電極ＵＥとがそれぞれ設けられ、また、図１９において、磁気抵抗効果膜１４の両側の側面には、バイアス磁界印加膜１６と絶縁膜１８とが積層して設けられている。さらに、図２０に例示したように、磁気抵抗効果膜４の媒体対向面には、保護層３０が設けられている。
磁気抵抗効果膜１４は、図１乃至図１８に関して前述したように、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、抵抗増大層と、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦとを設けることにとより、抵抗の絶対値が高く、大きな磁気抵抗効果が得られる積層構造を有する。
磁気抵抗効果膜１４に対するセンス電流は、その上下に配置された電極ＬＥ、ＵＥによって矢印Ａで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１６、１６により、磁気抵抗効果膜１４にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１４のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
本発明によれば、磁気抵抗効果膜１４として、抵抗増大層と、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦとを設けることにとより、抵抗の絶対値が高く、大きな磁気抵抗効果が得られる。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度を顕著に改善することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度の磁気再生が可能となる。
（第８の実施例）
次に、本発明の第８の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、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、磁気記録再生装置に搭載することができる。
図２１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、記録用媒体ディスク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。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
媒体ディスク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、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
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。
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル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。
図２２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１５５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。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図２０に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは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。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。
本発明によれば、図１乃至図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
（第９の実施例）
次に、本発明の第９の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
図２３は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
図２４は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
図２５は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図２６は、図２５のＡ−Ａ’線断面図である。
すなわち、これらの図に表した構造は、図２３に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、抵抗増大層と、厚みのあるスピンフィルタ層ＳＦとを設けることにとより、抵抗の絶対値が高く、大きな磁気抵抗効果が得られる積層構造を有する。
ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。ピン層は、磁化固着層として作用し、フリー層が磁気記録層として作用するものとすることができる。
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
本具体例の磁気メモリは、図１〜図２０に関して前述したような磁気抵抗効果素子を用いることにより、大きな負の磁気抵抗効果が得られるため、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
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。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
本発明の第１の実施例にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。 磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ＭＲ［％］を表すグラフ図である。 ＣＩＰ型のＧＭＲ素子とＣＰＰ型のＧＭＲ素子にそれぞれスピンフィルタ層としてＣｕ層を設けた場合のＭＲの変化を表すグラフ図である。 第１実施例の変型例を表す模式断面図である。 第１実施例の変型例を表す模式断面図である。 第１実施例の変型例を表す模式断面図である。 本発明の第２実施例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。 第２実施例の変型例を表す模式断面図である。 第２実施例の変型例を表す模式断面図である。 第２実施例の変型例を表す模式断面図である。 本発明の第３の実施例の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。 第３実施例の変型例を表す模式断面図である。 第３実施例の変型例を表す模式断面図である。 第３実施例の変型例を表す模式断面図である。 スピンフィルタ層ＳＦを積層構造とした磁気抵抗効果素子の断面構造を例示する模式図である。 スペーサ層Ｓとフリー層Ｆにそれぞれ１層ずつ抵抗増大層ＲＩを挿入したスピンバルブ構造を表す模式図である。 スペーサ層Ｓの中に２層の抵抗増大層ＲＩを設けたスピンバルブ構造を表す模式図である。 スピンバルブ膜の積層順序を反転させた具体例を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。 本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。 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。 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。 本発明の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。 本発明の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。 本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。 図２４のＡ−Ａ’線断面図である。
符号の説明
１４ 磁気抵抗効果膜
１６ ハード膜
１８ パッシベーション膜
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
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 スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
２００ 媒体ディスク
２００ 記録用媒体ディスク
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３０ トランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３３４ 配線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ
ＡＣ 反平行結合層
ＡＦ 反強磁性層
ＢＦ 下地層
ＬＥ 下電極
ＵＥ 上電極
ＰＬ 保護層
Ｄ ダイオード
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２ フリー層（磁化自由層）
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ ピン層（磁化固着層）
Ｓ スペーサ層（非磁性金属中間層）
ＳＦ スピンフィルタ層

Claims (3)

  1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁性体膜を有する磁化固着層と、
    磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層と、
    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金属中間層と、
    前記磁化固着層、前記磁化自由層及び前記非磁性金属中間層の少なくともいずれかに設けられ、絶縁部を含む抵抗増大層と、
    前記非磁性金属中間層とは反対側において前記磁化自由層に隣接して設けられた厚みが２ｎｍ以上のスピンフィルタ層と、
    前記磁化自由層とは反対側において前記スピンフィルタ層に隣接して設けられた保護層と、
    前記磁化固着層、前記磁化自由層、前記非磁性金属中間層、前記抵抗増大層及び前記スピンフィルタ層の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために電気的に接続された一対の電極と、
    を備え、
    前記保護層がＴａ、Ｔｉ及びＲｕよりなる群から選ばれた少なくとも１種の材料よりなり、
    前記スピンフィルタ層が、前記磁化自由層と接する側から、Ｃｕ、（Ｎｉ １−ｘ Ｆｅ ｘ ） １−ｙ Ｃｒ ｙ 合金（１５＜ｘ＜２５， ２０＜ｙ＜４５）が積層された積層構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 請求項１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。
  3. 請求項２記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
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