JP2006005185A - 磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｓ／Ｎ比の良好な磁気検出素子を提供する。
【解決手段】
磁気検出素子の多層膜Ｔ１の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量を非対称にして、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくする。これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は膜面垂直方向にセンス電流を流すＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型の磁気検出素子に係り、特に再生ノイズを低減することのできる磁気検出素子に関する。

図７は従来の磁気検出素子を示す断面図である。
このスピンバルブ型磁気検出素子は、下から、反強磁性層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５、非磁性材料層６、固定磁性層７、反強磁性層８から構成された多層膜９、多層膜９の下と上に形成された電極層１及び電極層１０と、フリー磁性層５の両側部に形成されたハードバイアス層１１，１１及びハードバイアス層１１，１１の上下に形成された絶縁層１２，１２並びに絶縁層１３，１３からなっている。

反強磁性層２、８はＰｔＭｎ、固定磁性層３、７、及びフリー磁性層５はＣｏＦｅ、非磁性材料層４、６はＣｕ、ハードバイアス層１１はＣｏＰｔなどの硬磁性材料、絶縁層１２、１３はアルミナ、電極層１、１０はＣｒなどの導電性材料によって形成されている。

図７に示す磁気検出素子は、フリー磁性層５の上下のそれぞれに非磁性材料層４、固定磁性層３、及び非磁性材料層６、固定磁性層７が形成されているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子と呼ばれるものであり、ハードディスクなどの記録媒体からの記録磁界を検出するものである。

なお、図７に示される磁気検出素子は、多層膜９の各層の膜面と垂直方向に電流が流れるＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型の磁気検出素子である。

固定磁性層３、７の磁化方向は図示Ｙ方向に固定されている。フリー磁性層５の磁化方向は、ハードバイアス層１１，１１からの縦バイアス磁界によってトラック幅方向（図示Ｘ方向）に向けられて単磁区化している。外部磁界が印加されるとフリー磁性層５の磁化が回転し、多層膜９の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電圧変化または電流変化として取り出すことにより外部磁界を検出する。

このようなＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型素子は、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００２−１５７７１１号公報

従来のＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型素子は、反強磁性層２と反強磁性層８、固定磁性層３と固定磁性層７、非磁性材料層４と非磁性材料層６がそれぞれ同じ材料、同じ膜厚で形成されていた。すなわち、多層膜９はフリー磁性層５の上下で対称的な構成をしていた。

近年、膜面垂直方向にセンス電流を流すＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子において再生出力にスピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｅ；ＳＴＴ）由来のノイズが発生することが見いだされた。

スピン伝達トルクとはフリー磁性層、非磁性材料層、及び固定磁性層が積層された多層膜の膜面垂直方向に電流を流すときに、伝導電子のスピン角運動量がフリー磁性層及び固定磁性層を形成する磁性材料のスピン角運動量に伝播して、フリー磁性層のスピン角運動量を揺らがせるトルクである。フリー磁性層のスピン角運動量が揺らぐと再生出力にノイズが重畳し、磁気検出素子のＳ／Ｎ比が低下する。

フリー磁性層から固定磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるとフリー磁性層の磁化方向を固定磁性層の磁化方向と反平行にするトルクがかかり、固定磁性層からフリー磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるとフリー磁性層の磁化方向を固定磁性層の磁化方向と平行にするトルクがかかる。

従って、図７に示されるようなデュアルスピンバルブ型磁気検出素子に図示上側から下側に伝導電子が流れるとき、固定磁性層７からフリー磁性層５に向かう伝導電子によってフリー磁性層５にかかるスピン伝達トルクとフリー磁性層５から固定磁性層３に向かう伝導電子によってフリー磁性層５にかかるスピン伝達トルクが相殺しあい、ノイズが低減すると考えられる。

しかし、従来のように、多層膜９がフリー磁性層５の上下で対称的な構成をしているＣＰＰ型のデュアルスピンバルブ型磁気検出素子では、スピン伝達トルク由来のノイズを十分に低減させることができなかった。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、スピン伝達トルク由来のノイズを従来よりも著しく低減させることのできるＣＰＰ型の磁気検出素子を提供することを目的としている。

本発明は、フリー磁性層の下に非磁性材料層及び固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上に非磁性材料層及び固定磁性層が設けられている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
前記フリー磁性層は、上部フリー磁性層及び下部フリー磁性が直接あるいは他の磁性材料層又は非磁性材料層を介して積層されたものであり、
前記下部フリー磁性層並びにこの下部フリー磁性層より下側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜下部と前記上部フリー磁性層並びにこの上部フリー磁性層より上側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜上部のうち、伝導電子の流れの上流に位置する方を多層膜上流部、伝導電子の流れの下流に位置する方を多層膜下流部としたとき、
前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さいことを特徴とするものである。

フリー磁性層から固定磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクは、固定磁性層からフリー磁性層に向かう方向に伝導電子が流れるときに発生するスピン伝達トルクよりも小さい。

このため、従来のように、多層膜がフリー磁性層の上下で対称的な構成をしているデュアルスピンバルブ型磁気検出素子では、スピン伝達トルクを十分に相殺させることができなかった。

本発明では、磁気検出素子の前記多層膜の前記多層膜上流部と前記多層膜下流部を非対称にして、前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくさせている。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

スピン伝達トルクが大きくなる条件には、以下に示すものがある。
１．固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値が大きくなること。

２．固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値が大きくなること。ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。

磁性材料を構成する磁性原子は、主に３ｄ軌道または４ｆ軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。磁性原子の３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在する電子は、基本的にアップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち数が多い方の電子のスピンをマジョリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。

一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子が含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のマジョリティスピンと同じスピンを有する方をマジョリティの伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティの伝導電子という。

３．固定磁性層の膜厚が大きくなること。
４．フリー磁性層の分極率Ｐの絶対値が大きくなること。
５．フリー磁性層のβの絶対値が大きくなること。
６．フリー磁性層と固定磁性層の間に介在する非磁性材料層の膜厚が小さくなること。
７．磁気検出素子の素子面積が小さくなること。

従って、以下に示される構成にすると、前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくすることができる。

Ａ１．前記多層膜上流部の固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値を、前記多層膜下流部の固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値より小さくする。

Ａ２．前記固定磁性層が、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しているときには、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐの絶対値を前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐの絶対値よりも小さくする。

Ｂ１．前記多層膜上流部の前記固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値を、前記多層膜下流部の固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値より小さくする。

Ｂ２．前記固定磁性層が、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しているときには、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層のβの絶対値が前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層のβの絶対値よりも小さくする。

Ｃ１．前記多層膜上流部の前記固定磁性層の膜厚を前記多層膜下流部の前記固定磁性層の膜厚より小さくする。

Ｃ２．前記固定磁性層が、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しているときは、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層の膜厚を前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の膜厚よりも小さくする。

Ｄ．前記多層膜上流部の素子面積Ａを前記多層膜下流部の素子面積Ａよりも大きくする。

Ｅ．前記多層膜上流部の前記非磁性材料層の膜厚を前記多層膜下流部の前記非磁性材料層の膜厚より大きくする。

Ｆ．前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層の分極率Ｐの絶対値を、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層の分極率Ｐの絶対値より小さくする。

Ｇ．前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層のβの絶対値を、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層のβの絶対値より小さくする。

Ｈ．前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層の膜厚を、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層の膜厚より小さくする。

Ｉ．前記フリー磁性層が、第１フリー磁性層、第２フリー磁性層、及び第３フリー磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第１フリー磁性層及び前記第３フリー磁性層が前記非磁性材料層と接しているときは、前記第３フリー磁性層を前記上部フリー磁性層とし、前記第１フリー磁性層を前記下部フリー磁性層とする。

なお、前記フリー磁性層は前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層が異なる材料によって形成されることが好ましい。

しかし、本発明では、前記フリー磁性層が単一の磁性材料によって形成される単層構造を有していてもよく、この場合には、前記フリー磁性層を膜厚方向に２等分したときの上側半分を前記上部フリー磁性層、下側半分を前記下部フリー磁性層とする。

本発明では、磁気検出素子の前記多層膜の前記多層膜上流部と前記多層膜下流部を非対称にして、前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡを前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さくさせている。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

図１は本発明における第１実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。
図１に示す磁気検出素子は、いわゆるデュアル型のスピンバルブ型薄膜素子である。

第１の電極層２０の中央上面には、下から下地層２１、シード層２２、反強磁性層２３、磁性層５０と５２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層５１からなる３層フェリ構造の固定磁性層２４、非磁性材料層２５及びフリー磁性層２６が形成されている。さらにフリー磁性層２６の上面に非磁性材料層２７、磁性層６０と６２とその間に形成されたＲｕなどの非磁性中間層６１からなる３層フェリ構造の固定磁性層２８、反強磁性層２９、及び第２の電極層３０が順次積層されている。

第１の電極層２０は、例えばα−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。下地層２１は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１種以上で形成されることが好ましい。下地層２１は５０Å以下程度の膜厚で形成される。ただし、この下地層２１は形成されていなくても良い。

シード層２２は、主として面心立方晶から成り、次に説明する反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向されている。シード層２２は、Ｃｒ、ＮｉＦｅ合金、あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｙ合金（ただしＹは、Ｃｒ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉから選ばれる少なくとも１種以上）で形成されることが好ましい。これらの材質で形成されたシード層２２はＴａ等で形成された下地層２１上に形成されることにより反強磁性層２３との界面と平行な方向に（１１１）面が優先配向しやすくなる。シード層２２は、例えば３０Å程度で形成される。

なお本発明における磁気検出素子は各層の膜面と垂直方向にセンス電流が流れるＣＰＰ型であるため、シード層２２にも適切にセンス電流が流れる必要性がある。よってシード層２２は比抵抗の高い材質でないことが好ましい。すなわちＣＰＰ型ではシード層２２はＮｉＦｅ合金などの比抵抗の低い材質で形成されることが好ましい。ただし、シード層２２は形成されなくても良い。

反強磁性層２３及び反強磁性層２９は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。あるいは反強磁性層２３及び反強磁性層２９は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎを含有する反強磁性材料により形成されることが好ましい。

これらの反強磁性材料は、耐食性に優れしかもブロッキング温度も高く次に説明する固定磁性層２４または固定磁性層２８との界面で大きな交換異方性磁界を発生し得る。また反強磁性層２３及び反強磁性層２９は５０Å以上で３００Å以下，例えば２００Åの膜厚で形成されることが好ましい。

この実施形態では固定磁性層２４及び固定磁性層２８は３層のフェリ構造で形成されている。

固定磁性層２４を構成する符号５０及び５２の層は磁性層である。磁性層５０、５２間には非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。同様に、固定磁性層２８の磁性層６０及び６２の間には、非磁性材料によって形成された非磁性中間層５１が介在している。固定磁性層２４、固定磁性層２８の材料については後述する。

反強磁性層２３と磁性層５０の間及び反強磁性層２９と磁性層６２の間には、交換異方性磁界が発生している。

例えば磁性層５０の磁化がハイト方向（図示Ｙ方向）に固定された場合、もう一方の磁性層５２はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向と逆方向に磁化され固定される。また、磁性層６２の磁化がハイト方向に固定された場合、もう一方の磁性層６０はＲＫＫＹ相互作用により、ハイト方向と逆方向に磁化され固定される。

この構成により固定磁性層２４及び固定磁性層２８の磁化を安定した状態にでき、また固定磁性層２４及び固定磁性層２８の磁化方向を強固に固定できる。

なお、磁性層５０、５２及び磁性層６０、６２の膜厚はそれぞれ１０〜７０Å程度で形成される。また非磁性中間層５１及び非磁性中間層６１の膜厚は３Å〜１０Å程度で形成される。

なお固定磁性層２４、固定磁性層２８はフェリ構造ではなく単層膜あるいは磁性層のみからなる積層膜で形成されていても良い。

また、反強磁性層２３、２９が存在せず、固定磁性層２４、２８自体の保磁力で固定磁性層２４、２８の磁化方向を固定することも可能である。

非磁性材料層２５及び非磁性材料層２７は電気抵抗の低い導電性材料によって形成される。非磁性材料層２５及び非磁性材料層２７は例えば２５Å程度の膜厚で形成される。非磁性材料層２５及び非磁性材料層２７の材料については後述する。

フリー磁性層２６は、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＭｎＳｉ合金やＣｏＭｎＧｅ合金などからなる単層構造である。ただし、フリー磁性層２６がＣｏＦｅ合金／ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金の３層積層体などの積層構造を有していてもよい。

トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されているハードバイアス層３３，３３からの縦バイアス磁界によって、フリー磁性層２６の磁化が図示Ｘ方向に揃えられている。

多層膜Ｔ１のトラック幅方向の両側領域の第１の電極層２０上には、絶縁層３１，３１が形成されている。絶縁層３１，３１は例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２など一般的な絶縁材料で形成される。

絶縁層３１，３１の上には、バイアス下地層３２，３２が形成されている。またバイアス下地層３２，３２の上にはハードバイアス層３３，３３が形成されている。ハードバイアス層３３，３３は、フリー磁性層２６の両側端面２６ａ，２６ａに対向する位置に形成される。ハードバイアス層３３，３３は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化されている。

バイアス下地層３２，３２はハードバイアス層３３，３３の特性（保磁力Ｈｃ、角形比Ｓ）を向上させるために設けられたものである。

本発明では、バイアス下地層３２，３２は、結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ構造）の金属膜で形成されることが好ましい。なおこのときバイアス下地層３２，３２の結晶配向は（１１０）面が優先配向するのが好ましい。

またハードバイアス層３３，３３は、ＣｏＰｔ合金やＣｏＰｔＣｒ合金などで形成される。これら合金の結晶構造は、稠密六方構造（ｈｃｐ）単相あるいは面心立方構造（ｆｃｃ）と稠密六方構造（ｈｃｐ）の混相となっている。

また、バイアス下地層３２はハードバイアス層３３，３３の下側にのみ形成されていることが好ましいが、フリー磁性層２６の両側端面２６ａ，２６ａとハードバイアス層３３，３３間にも若干介在してもよい。フリー磁性層２６の両側端面２６ａ，２６ａとハードバイアス層３３，３３間に形成されるバイアス下地層３２，３２のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における膜厚は１ｎｍ以下であることが好ましい。

これによりハードバイアス層３３，３３とフリー磁性層２６とを磁気的に連続体にでき、フリー磁性層２６の端部が反磁界の影響を受けるバックリング現象などの問題も発生せず、フリー磁性層２６の磁区制御を容易にできる。

また、絶縁層３１，３１がフリー磁性層２６の両側端面２６ａ，２６ａとバイアス下地層３２，３２の間にも存在していると、センス電流がハードバイアス層３３，３３とバイアス下地層３２，３２に分流することを防ぐことができるので好ましい。

また図１に示すように、ハードバイアス層３３，３３の上には絶縁層３４，３４が形成されている。絶縁層３４，３４は、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などの一般的な絶縁材料で形成される。なおこの実施形態では、絶縁層３４，３４の上面と反強磁性層２９の上面とが連続面となっている。
絶縁層３４，３４及び反強磁性層２９の上には、第２の電極層３０が形成されている。

この実施形態では、センス電流は第２の電極層３０から第１の電極層２０に向けて、あるいは、第１の電極層２０から第２の電極層３０に向けて流れる。すなわち、センス電流は、磁気検出素子の各層を膜面と垂直方向に流れ、このようなセンス電流の流れ方向はＣＰＰ型と呼ばれる。

固定磁性層２８、非磁性材料層２７、フリー磁性層２６、非磁性材料層２５及び固定磁性層２４に検出電流（センス電流）が与えられ、走行方向がＺ方向であるハードディスクなどの記録媒体からの洩れ磁界がＹ方向に与えられると、フリー磁性層２６の磁化が図示Ｘ方向からＹ方向へ向けて変化する。フリー磁性層２６の磁化方向と固定磁性層２４の磁性層５２の磁化方向の関係、及びフリー磁性層２６と固定磁性層２８の磁性層６０の磁化方向の関係で電気抵抗が変化し（これを磁気抵抗効果という）、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化または電流変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。

図１に示される磁気検出素子は、下地層２１、シード層２２、反強磁性層２３、固定磁性層２４、非磁性材料層２５、フリー磁性層２６、非磁性材料層２７、固定磁性層２８、反強磁性層２９からなる多層膜Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側端面Ｓ１，Ｓ１が連続した傾斜面となっている。

図１に示された磁気検出素子の特徴部分について説明する。
本実施の形態では、フリー磁性層は単一の磁性材料によって形成される単層構造を有しており、フリー磁性層を膜厚方向に２等分したときの上側半分を上部フリー磁性層２６ｂ、下側半分を下部フリー磁性層２６ｃとしている。

下部フリー磁性層２６ｃ並びにこの下部フリー磁性層２６ｃより下側の非磁性材料層２５及び固定磁性層２４、反強磁性層２３が多層膜下部Ｔ１ｂを構成し、上部フリー磁性層２６ｂ並びにこの上部フリー磁性層２６ｂより上側の非磁性材料層２７及び固定磁性層２８、反強磁性層２９が多層膜上部Ｔ１ｂを構成している。

センス電流を図示下側から上方向に流すとき、伝導電子は図示上側から下方向に流れるので、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜下部が伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

下側の固定磁性層２４の第２固定磁性層５２は第１層５２ａ及び第２層５２ｂの積層体であり、第１層５２ａは第１固定磁性層５１とのＲＫＫＹ的な結合作用を強めるためにＣｏＦｅ合金を用いて形成されている。第２層５２ｂは分極率Ｐ及びβの絶対値が大きいハーフメタル的な合金を用いる。

上側の固定磁性層２８の第２固定磁性層６０は第１層６０ａ及び第２層６０ｂの積層体であり、第１層６０ａは第１固定磁性層６２とのＲＫＫＹ的な結合作用を強めるためにＣｏＦｅ合金を用いて形成されている。第２層６０ｂは分極率Ｐ及びβの絶対値が大きいハーフメタル的な合金を用いる。

分極率Ｐとは磁性材料からなる層の中に存在するアップスピンの伝導電子の数（存在確率）とダウンスピンの伝導電子の数（存在確率）の比である。

ここで、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。

磁性材料を構成する磁性原子は、主に３ｄ軌道または４ｆ軌道の電子の軌道磁気モーメント及びスピン磁気モーメントによって、その磁気モーメントが規定される。磁性原子の３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在する電子は、基本的にアップスピンとダウンスピンの数が異なっている。この３ｄ軌道または４ｆ軌道に存在するアップスピンの電子とダウンスピンの電子のうち数が多い方の電子のスピンをマジョリティスピンといい、少ない方の電子のスピンをマイノリティスピンという。

一方、磁性材料を流れる電流中には、アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子が含まれている。アップスピンの伝導電子とダウンスピンの伝導電子のうち、磁性材料のマジョリティスピンと同じスピンを有する方をマジョリティの伝導電子といい、磁性材料のマイノリティスピンと同じスピンを有する方をマイノリティの伝導電子という。

「ハーフメタル（Half-metal）的」とは、片方のスピンの伝導電子に対して金属的な振る舞いをし、他方のスピンの伝導電子に対して絶縁体的な振る舞いをする磁性体のことをいう。

ハーフメタル的な合金の具体例としてホイスラー合金がある。前記ホイスラー合金の具体例を以下に示す。

１．組成式がＸ_２ＹＺまたはＸＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし前記ＸはＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｚｎのうち１種または２種以上の元素である。

２．組成式がＣｏ_２ＹＺで表されるホイスラー型結晶構造を有する金属化合物、
ただし、前記ＹはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒのうち１種または２種以上の元素であり、前記ＺはＡｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅのうち１種または２種以上の元素である。

３．組成式がＣｏ_２ＭｎＺで表される金属化合物、
ただし前記ＺはＳｉ又はＧｅである。

図１では、多層膜上流部Ａの第２固定磁性層６０の分極率Ｐの絶対値を多層膜下流部Ｂの第２固定磁性層５２の分極率Ｐの絶対値よりも小さくしている。このために、例えば第２固定磁性層６０の第２層６０ｂをＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、第２固定磁性層５２の第２層５２ｂをＣｏＭｎＧｅ合金で形成する。

このとき、前記多層膜上流部Ａの第２固定磁性層６０のβの絶対値は前記多層膜下流部Ｂの第２固定磁性層５２のβの絶対値よりも小さくなっている。

前述したように、固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値が大きくなるか、固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値が大きくなると、固定磁性層のスピンバルク依存散乱量が大きくなる。

従って、本実施の形態では、磁気検出素子の多層膜Ｔ１の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量が非対称になる。このとき、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比が向上する。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。

本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

本実施の形態では、第２固定磁性層５２及び第２固定磁性層６０の両方をホイスラー合金からなる第２層及びＣｏＦｅ合金からなる第１層の積層体とした。しかし、多層膜下流部Ｂの第２固定磁性層５２のみホイスラー合金からなる第２層５２ｂを有し、多層膜上流部Ａの第２固定磁性層６０はＣｏＦｅからなる第１層６０ｂのみの構成としてもよい。

なお、センス電流を図示上側から下方向に流すときは、伝導電子は図示下側から上方向に流れるので、多層膜下部Ｔ１ｂが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

このときには、第２固定磁性層５２の分極率Ｐの絶対値を第２固定磁性層６０の分極率Ｐの絶対値よりも小さくさせる。このために、例えば第２固定磁性層５２の第２層５２ｂをＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、第２固定磁性層６０の第２層６０ｂをＣｏＭｎＧｅ合金で形成し、第２固定磁性層５２の分極率Ｐ及びβの絶対値を第２固定磁性層６０の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくする。

図２は本発明における第２の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

本実施の形態の磁気検出素子は、固定磁性層２４と固定磁性層２８が同じ材料を用いて形成されており、固定磁性層２８の第２固定磁性層６０の膜厚ｔ６が固定磁性層２４の第２固定磁性層５２の膜厚ｔ５よりも小さく形成されている点でのみ図１に示された磁気検出素子と異なっている。

上側の固定磁性層２８の第２固定磁性層６０は第１層６０ａ及び第２層６０ｂの積層体であり、第１層６０ａは第１固定磁性層６２とのＲＫＫＹ的な結合作用を強めるためにＣｏＦｅ合金を用いて形成されている。第２層６０ｂは分極率Ｐ及びβの絶対値が大きいハーフメタル合金を用いる。同様に、下側の固定磁性層２４の第２固定磁性層５２も第１層５２ａ及び第２層５２ｂの積層体であり、第１層５２ａは第１固定磁性層５１とのＲＫＫＹ的な結合作用を強めるためにＣｏＦｅ合金を用いて形成されている。第２層５２ｂは分極率Ｐ及びβの絶対値が大きいハーフメタル合金を用いる。

第２固定磁性層６０の第２層６０ｂと第２固定磁性層５２の第２層５２ｂは同じハーフメタル合金、例えばＣｏＭｎＧｅ合金を用いて形成される。あるいは、ハーフメタルでないＣｏＦｅやＮｉＦｅなどの磁性合金を用いて形成してもよい。

本実施の形態では、第２固定磁性層６０の第１層６０ａの膜厚と第２固定磁性層５２の第１層５２ａの膜厚は両方とも１０Åである。

異なっているのは第２層６０ｂと第２層５２ｂの膜厚であり、例えば、第２層６０ｂの膜厚が２０Å、第２層５２ｂの膜厚が５０Åである。

なお、非磁性材料層２５の膜厚ｔ３と非磁性材料層２７の膜厚ｔ４は等しく、フリー磁性層２６の上部フリー磁性層２６ｂの膜厚ｔ１と下部フリー磁性層２６ｃの膜厚ｔ２も等しい。

センス電流を図示下側から上方向に流すとき、伝導電子は図示上側から下方向に流れるので、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜下部が伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

前述したように、固定磁性層の膜厚が大きくなるとスピン依存バルク散乱量が大きくなる。従って、本実施の形態では、磁気検出素子の多層膜Ｔ１の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量が非対称になる。このとき、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

なお、センス電流を図示上側から下方向に流すときは、伝導電子は図示下側から上方向に流れるので、多層膜下部Ｔ１ｂが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

このときには、第２固定磁性層５２の膜厚ｔ５を第２固定磁性層６０の膜厚ｔ６よりも小さくする。

図３は本発明における第２の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

本実施の形態の磁気検出素子は、固定磁性層２８の第２固定磁性層６０と固定磁性層２４の第２固定磁性層５２が単層になっており、しかも第２固定磁性層６０と第２固定磁性層５２が同じ材料で形成されている点、及び上側の非磁性材料層２７の膜厚ｔ４が下側の非磁性材料層２５の膜厚ｔ３よりも大きく形成されている点でのみ図１に示された磁気検出素子と異なっている。

第２固定磁性層６０と第２固定磁性層５２は同じハーフメタル合金、例えばＣｏＭｎＧｅ合金を用いて形成される。あるいは、ハーフメタルでないＣｏＦｅやＮｉＦｅなどの磁性合金を用いて形成してもよい。

本実施の形態では、例えば、上側の非磁性材料層２７の膜厚ｔ４は９０Åであり、下側の非磁性材料層２５の膜厚ｔ３は５０Åである。

なお、第２固定磁性層５２の膜厚ｔ５と第２固定磁性層６０の膜厚ｔ６は等しく、フリー磁性層２６の上部フリー磁性層２６ｂの膜厚ｔ１と下部フリー磁性層２６ｃの膜厚ｔ２も等しい。

センス電流を図示下側から上方向に流すとき、伝導電子は図示上側から下方向に流れるので、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜下部が伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

本実施の形態でも、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

なお、センス電流を図示上側から下方向に流すときは、伝導電子は図示下側から上方向に流れるので、多層膜下部Ｔ１ｂが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

このときには、非磁性材料層２５の膜厚ｔ３を非磁性材料層２７の膜厚ｔ４より大きくする。

図４は本発明における第４の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

本実施の形態は、フリー磁性層２６の上部フリー磁性層５５と下部フリー磁性層５４が異なる磁性材料によって形成されている点、及び固定磁性層２８の第２固定磁性層６０と固定磁性層２４の第２固定磁性層５２が単層になっており、しかも第２固定磁性層６０と第２固定磁性層５２が同じ材料で形成されている点で、図１に示された磁気検出素子と異なっている。

図４では、多層膜上流部Ａに属する上部フリー磁性層５５の分極率Ｐの絶対値を多層膜下流部Ｂに属する下部フリー磁性層５４の分極率Ｐの絶対値よりも小さくする。このために、例えば上部フリー磁性層５５をＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、下部フリー磁性層５４をＣｏＭｎＧｅ合金で形成する。

このとき、上部フリー磁性層５５のβの絶対値は下部フリー磁性層５４のβの絶対値よりも小さくなっている。

前述したように、フリー磁性層の分極率Ｐの絶対値が大きくなるか、フリー磁性層のβの絶対値が大きくなると、フリー磁性層のスピンバルク依存散乱量が大きくなる。

従って、本実施の形態では、磁気検出素子の多層膜Ｔ１の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量が非対称になる。このとき、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

本実施の形態では、下部フリー磁性層５４及び上部フリー磁性層５５の両方をホイスラー合金を用いて形成した。しかし、多層膜下流部Ｂの下部フリー磁性層５４のみホイスラー合金を用いて形成し、多層膜上流部Ａの上部フリー磁性層５５はＣｏＦｅやＮｉＦｅなどからなる構成としてもよい。

なお、センス電流を図示上側から下方向に流すときは、伝導電子は図示下側から上方向に流れるので、多層膜下部Ｔ１ｂが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

このときには、下部フリー磁性層５４の分極率Ｐの絶対値を上部フリー磁性層５５の分極率Ｐの絶対値よりも小さくさせる。このために、例えば下部フリー磁性層５４をＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、上部フリー磁性層５５をＣｏＭｎＧｅ合金で形成し、下部フリー磁性層５４の分極率Ｐ及びβの絶対値を上部フリー磁性層５５の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくする。

本実施の形態では、第２固定磁性層５２の膜厚ｔ５と第２固定磁性層６０の膜厚ｔ６は等しく、上側の非磁性材料層２７の膜厚ｔ４と下側の非磁性材料層２５の膜厚ｔ３も等しくなっている。

フリー磁性層２６の上部フリー磁性層５５の膜厚ｔ１と下部フリー磁性層５４の膜厚ｔ２は等しくてもよい。ただし、多層膜上流部Ａを構成する上部フリー磁性層５５の膜厚ｔ１が多層膜下流部Ｂを構成する下部フリー磁性層５４の膜厚ｔ２より小さいと、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡと多層膜下流部ＢのΔＲＡの差をより大きくできるので好ましい。

なお、フリー磁性層２６を異なる磁性材料からなる層を３層以上積層した構造にするときには、最上層を上部フリー磁性層とし最下層を下部フリー磁性層とする。

例えば図５に示されるような３層構造のフリー磁性層２６の場合、下から下部フリー磁性層５４、中間フリー磁性層５６、上部フリー磁性層５５が積層されている。

図５に示される磁気検出素子でも、多層膜上流部Ａの上部フリー磁性層５５の分極率Ｐの絶対値を多層膜下流部Ｂの下部フリー磁性層５４の分極率Ｐの絶対値よりも小さくする。このために、例えば上部フリー磁性層５５をＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、下部フリー磁性層５４をＣｏＭｎＧｅ合金で形成する。中間フリー磁性層５６はホイスラー合金やＣｏＦｅ、ＮｉＦｅを用いて形成する。

このとき上部フリー磁性層５５のβの絶対値は下部フリー磁性層５４のβの絶対値よりも小さくなっている。

前述したように、フリー磁性層の分極率Ｐの絶対値が大きくなるか、フリー磁性層のβの絶対値が大きくなると、フリー磁性層のスピンバルク依存散乱量が大きくなる。

従って、本実施の形態では、磁気検出素子の多層膜Ｔ１の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量が非対称になる。このとき、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

また、多層膜上流部Ａを構成する上部フリー磁性層５５の膜厚ｔ１が多層膜下流部Ｂを構成する下部フリー磁性層５４の膜厚ｔ２より小さいと、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡと多層膜下流部ＢのΔＲＡの差をより大きくできるので好ましい。

図６は本発明における第６の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。

図６に示される磁気検出素子は、フリー磁性層８４が、第１フリー磁性層８５、非磁性中間層８６、第２フリー磁性層８７、非磁性中間層８８、第３フリー磁性層８９からなる人工フェリ構造を有している点で図５に示された磁気検出素子と異なっている。第１フリー磁性層８５と第２フリー磁性層８７の磁化方向は、非磁性中間層８６を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。同様に、第２フリー磁性層８７と第３フリー磁性層８９の磁化方向も、非磁性中間層８８を介したＲＫＫＹ相互作用によって互いに反平行方向になっている。

本実施の形態では、第３フリー磁性層８９が本発明の上部フリー磁性層であり、第１フリー磁性層８５が本発明の下部フリー磁性層である。

すなわち、多層膜上流部Ａに属する第３フリー磁性層８９の分極率Ｐの絶対値を多層膜下流部Ｂに属する第１フリー磁性層８５の分極率Ｐの絶対値よりも小さくする。このために、例えば第３フリー磁性層８９をＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、第１フリー磁性層８５をＣｏＭｎＧｅ合金で形成する。

このとき、第３フリー磁性層８９のβの絶対値は第１フリー磁性層８５のβの絶対値よりも小さくなっている。

前述したように、フリー磁性層の分極率Ｐの絶対値が大きくなるか、フリー磁性層のβの絶対値が大きくなると、フリー磁性層のスピンバルク依存散乱量が大きくなる。

従って、本実施の形態では、磁気検出素子の多層膜の多層膜上流部Ａと多層膜下流部Ｂのスピンバルク依存散乱量が非対称になる。このとき、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなる。

これによって、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができ、磁気検出素子のＳ／Ｎ比が向上する。Ｓ／Ｎ比が向上するとセンス電流を大きくすることが可能になり、磁気検出素子の再生出力も大きくなる。

本発明を用いると原理的にはフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクをゼロにすることもできる。

本実施の形態では、第１フリー磁性層８５及び第３フリー磁性層８９の両方をホイスラー合金を用いて形成した。しかし、多層膜下流部Ｂの第１フリー磁性層８５のみホイスラー合金を用いて形成し、多層膜上流部Ａの第３フリー磁性層８９はＣｏＦｅやＮｉＦｅなどからなる構成としてもよい。

本実施の形態では、第２固定磁性層５２の膜厚ｔ５と第２固定磁性層６０の膜厚ｔ６は等しく、上側の非磁性材料層２７の膜厚ｔ４と下側の非磁性材料層２５の膜厚ｔ３も等しくなっている。

フリー磁性層２６の第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１と第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０は等しくてもよい。ただし、多層膜上流部Ａを構成する第３フリー磁性層８９の膜厚ｔ１１が多層膜下流部Ｂを構成する第１フリー磁性層８５の膜厚ｔ１０より小さいと、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡと多層膜下流部ＢのΔＲＡの差をより大きくできるので好ましい。

なお、センス電流を図示上側から下方向に流すときは、伝導電子は図示下側から上方向に流れるので、多層膜下部Ｔ１ｂが伝導電子の流れの上流に位置する多層膜上流部Ａとなり、多層膜上部Ｔ１ａが伝導電子の流れの下流に位置する多層膜下流部Ｂとなる。

このときには、第１フリー磁性層８５の分極率Ｐの絶対値を第３フリー磁性層８９の分極率Ｐの絶対値よりも小さくする。このために、例えば第１フリー磁性層８５をＣｏＭｎＳｉ合金で形成し、第３フリー磁性層８９をＣｏＭｎＧｅ合金で形成し、第１フリー磁性層８５の分極率Ｐ及びβの絶対値を第３フリー磁性層８９の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくする。

また、多層膜上流部の素子面積を多層膜下流部の素子面積より大きくすることによって磁気検出素子の多層膜の多層膜上流部と多層膜下流部のスピンバルク依存散乱量を非対称にすることもできる。たとえば図１ないし図６に示される磁気検出素子の多層膜の側面は傾斜面になっているので、多層膜下部の素子面積は多層膜上部の素子面積よりも大きくなっている。このとき、多層膜下部Ｔ１ｂを多層膜上流部とし、多層膜上部Ｔ１ａを多層膜下流部とすると、多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなり、デュアルスピンバルブ型磁気検出素子のフリー磁性層にかかるスピン伝達トルクを十分に相殺させることができる。

上述した実施の形態では、フリー磁性層の上下で固定磁性層の材料を異ならせる構成、固定磁性層の膜厚を異ならせる構成、非磁性材料層の膜厚を異ならせる構成、上部フリー磁性層と下部フリー磁性層の材料を異ならせる構成をそれぞれ独立した実施の形態の磁気検出素子の中で説明したが、これらの構成の任意の組み合わせをひとつの磁気検出素子の中で実現してもよい。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、フリー磁性層の上側の第２固定磁性層の材料と下側の第２固定磁性層の材料を異ならせたときの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を調べた。

下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（４０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／フリー磁性層（下部フリー磁性層／上部フリー磁性層）／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／保護層Ｔａ（３０Å）
なお括弧内の数値は膜厚を表している。
結果を表１に示す。

比較例１ではフリー磁性層の下側のＣｏＦｅ層が本発明の下部フリー磁性層であり、上側のＣｏＦｅ層が本発明の上部フリー磁性層である。比較例１以外の磁気検出素子では、フリー磁性層が単層のＣｏＭｎＳｉ層であり、このＣｏＭｎＳｉ層を２等分した下側半分を本発明の下部フリー磁性層とし、上側半分を本発明の上部フリー磁性層とする。

上記した膜構成において、反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／下部フリー磁性層が本発明の多層膜下部であり、上部フリー磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）が多層膜上部である。

なお、実施例１、実施例３では多層膜の下側から上側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は上から下に流れる。従って、実施例１及び実施例３では多層膜上部が多層膜上流部であり、多層膜下部が多層膜下流部である。一方、実施例２、実施例４では多層膜の上側から下側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は下から上に流れる。従って、実施例２及び実施例４では多層膜下部が多層膜上流部であり、多層膜上部が多層膜下流部である。

各実施例では、表１に示されるようにフリー磁性層の上側の第２固定磁性層の材料と下側の第２固定磁性層の材料が選択されることによって、多層膜上流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値が、前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくなっている。

この結果、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなっていることがわかる。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、フリー磁性層の上側の第２固定磁性層の膜厚と下側の第２固定磁性層の膜厚を異ならせたときの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を調べた。

下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（４０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層（ＣｏＦｅ／ＣｏＭｎＧｅ）／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／フリー磁性層ＣｏＭｎＳｉ（下部フリー磁性層／上部フリー磁性層）／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層（ＣｏＭｎＧｅ／ＣｏＦｅ）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／保護層Ｔａ（３０Å）
なお括弧内の数値は膜厚を表している。また、フリー磁性層は単層のＣｏＭｎＳｉ層であり、このＣｏＭｎＳｉ層を２等分した下側半分を本発明の下部フリー磁性層とし、上側半分を本発明の上部フリー磁性層とする。
結果を表２に示す。

上記した膜構成において、反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／下部フリー磁性層が本発明の多層膜下部であり、上部フリー磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）が多層膜上部である。

なお、実施例６、実施例７では多層膜の下側から上側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は上から下に流れる。従って、実施例６及び実施例７では多層膜上部が多層膜上流部であり、多層膜下部が多層膜下流部である。一方、実施例５では多層膜の上側から下側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は下から上に流れる。従って、実施例５では多層膜下部が多層膜上流部であり、多層膜上部が多層膜下流部である。

各実施例の結果から、多層膜上流部の第２固定磁性層の膜厚を多層膜下流部の第２固定磁性層の膜厚よりも薄くすることにより、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなることがわかる。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、上部フリー磁性層の材料と下部フリー磁性層の材料を異ならせたときの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を調べた。

下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（４０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／フリー磁性層（下部フリー磁性層／／上部フリー磁性層）／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／保護層Ｔａ（３０Å）
なお括弧内の数値は膜厚を表している。
結果を表３に示す。

実施例８ないし１１の磁気検出素子は、フリー磁性層が３層構造である。実施例８、９ではＣｏＭｎＧｅ層が下部フリー磁性層、ＣｏＦｅ層が上部フリー磁性層であり、実施例１０、１１ではＣｏＦｅ層が下部フリー磁性層、ＣｏＭｎＧｅ層が上部フリー磁性層である。

実施例１２ないし１４では、フリー磁性層が２層構造である。実施例１２、１４ではＣｏＭｎＧｅ層が下部フリー磁性層、ＣｏＭｎＳｉ層が上部フリー磁性層であり、実施例１３ではＣｏＭｎＳｉ層が下部フリー磁性層、ＣｏＭｎＧｅ層が上部フリー磁性層である。なお、実施例１４では上側の第２固定磁性層の材料と下側の第２固定磁性層の材料を異ならせて、多層膜上流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値を、前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくさせている。

上記した膜構成において、反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／下部フリー磁性層が本発明の多層膜下部であり、上部フリー磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）が多層膜上部である。

なお、実施例８、９、１２、１４では多層膜の下側から上側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は上から下に流れる。従って、実施例８、９、１２、１４では多層膜上部が多層膜上流部であり、多層膜下部が多層膜下流部である。一方、実施例１０、１１、１３では多層膜の上側から下側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は下から上に流れる。従って、実施例１０、１１、１３では多層膜下部が多層膜上流部であり、多層膜上部が多層膜下流部である。

表３に示されるように多層膜上流部に属するフリー磁性層の材料と多層膜下流部に属するフリー磁性層の材料が選択されることによって、上部フリー磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値が、下部フリー磁性層の分極率Ｐ及びβの絶対値よりも小さくなっている。

この結果、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなっていることがわかる。

以下に示す膜構成のＣＰＰ−ＧＭＲ型磁気検出素子を形成し、フリー磁性層の上側の非磁性材料層の膜厚と下側の非磁性材料層の膜厚を異ならせたときの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの変化を調べた。

下地層Ｔａ（３０Å）／シード層ＮｉＦｅＣｒ（４０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層（ＣｏＦｅ（１０Å）／ＣｏＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層Ｃｕ／フリー磁性層（ＣｏＭｎＧｅ（８０Å）（下部フリー磁性層（４０Å）／上部フリー磁性層（４０Å））／非磁性材料層Ｃｕ／第２固定磁性層（ＣｏＭｎＧｅ（４０Å）／ＣｏＦｅ（１０Å））／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／保護層Ｔａ（３０Å）
なお括弧内の数値は膜厚を表している。また、フリー磁性層は単層のＣｏＭｎＧｅ層であり、このＣｏＭｎＧｅ層を２等分した下側半分を本発明の下部フリー磁性層とし、上側半分を本発明の上部フリー磁性層とする。
結果を表４に示す。

上記した膜構成において、反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第２固定磁性層（ＣｏＦｅ（１０Å）／ＣｏＭｎＧｅ（４０Å））／非磁性材料層Ｃｕ／下部フリー磁性層が本発明の多層膜下部であり、上部フリー磁性層／非磁性材料層Ｃｕ（３０Å）／第２固定磁性層（ＣｏＭｎＧｅ（４０Å）／ＣｏＦｅ（１０Å））／非磁性中間層Ｒｕ（８Å）／第１固定磁性層ＣｏＦｅ（３０Å）／反強磁性層ＰｔＭｎ（１２０Å）が多層膜上部である。

なお、実施例１５、実施例１６では多層膜の下側から上側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は上から下に流れる。従って、実施例１５及び実施例１６では多層膜上部が多層膜上流部であり、多層膜下部が多層膜下流部である。一方、実施例１７では多層膜の上側から下側に向けてセンス電流を流しており、伝導電子は下から上に流れる。従って、実施例１７では多層膜下部が多層膜上流部であり、多層膜上部が多層膜下流部である。

各実施例の結果から、多層膜上流部の非磁性材料層の膜厚を多層膜下流部の非磁性材料層の膜厚よりも厚くすることにより、多層膜上流部Ａの磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが多層膜下流部ＢのΔＲＡよりも小さくなることがわかる。

本発明における第１の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 本発明における第２の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 本発明における第３の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 本発明における第４の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 本発明における第５の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 本発明における第６の実施形態の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、 従来の磁気検出素子の構造を記録媒体との対向面側から見た部分断面図、

符号の説明

２０ 第１の電極層
２１ 下地層
２２ シード層
２３、２９ 反強磁性層
２４、２８ 固定磁性層
２５、２７ 非磁性材料層
２６、８４ フリー磁性層
３０ 第２の電極層
３１、３４ 絶縁層
３２ バイアス下地層
３３ ハードバイアス層
５３ 磁性層
５４ 非磁性中間層
５５ 磁性層

Claims (14)

1. フリー磁性層の下に非磁性材料層及び固定磁性層が設けられ、前記フリー磁性層の上に非磁性材料層及び固定磁性層が設けられている多層膜を有し、前記多層膜の各層の膜面と垂直方向に電流が流れる磁気検出素子において、
   前記フリー磁性層は、上部フリー磁性層及び下部フリー磁性が直接あるいは他の磁性材料層又は非磁性材料層を介して積層されたものであり、
   前記下部フリー磁性層並びにこの下部フリー磁性層より下側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜下部と前記上部フリー磁性層並びにこの上部フリー磁性層より上側の非磁性材料層及び固定磁性層を有する多層膜上部のうち、伝導電子の流れの上流に位置する方を多層膜上流部、伝導電子の流れの下流に位置する方を多層膜下流部としたとき、
   前記多層膜上流部の磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが前記多層膜下流部のΔＲＡよりも小さいことを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記多層膜上流部の固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値が、前記多層膜下流部の固定磁性層を形成する磁性材料の分極率Ｐの絶対値より小さい請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記固定磁性層は、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しており、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐの絶対値が前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の分極率Ｐの絶対値よりも小さい請求項２記載の磁気検出素子。
4. 前記多層膜上流部の前記固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値が、前記多層膜下流部の固定磁性層を形成する磁性材料のβの絶対値より小さい請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気検出素子。
   ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
5. 前記固定磁性層は、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しており、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層のβの絶対値が前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層のβの絶対値よりも小さい請求項４記載の磁気検出素子。
6. 前記多層膜上流部の前記固定磁性層の膜厚が前記多層膜下流部の前記固定磁性層の膜厚より小さい請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出素子。
7. 前記固定磁性層は、第１固定磁性層と第２固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第２固定磁性層が前記非磁性材料層と接しており、前記多層膜上流部の前記第２固定磁性層の膜厚が前記多層膜下流部の前記第２固定磁性層の膜厚よりも小さい請求項６記載の磁気検出素子。
8. 前記多層膜上流部の素子面積Ａが前記多層膜下流部の素子面積Ａよりも大きい請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出素子。
9. 前記多層膜上流部の前記非磁性材料層の膜厚が前記多層膜下流部の前記非磁性材料層の膜厚より大きい請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気検出素子。
10. 前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層の分極率Ｐの絶対値が、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層の分極率Ｐの絶対値より小さい請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。
11. 前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層のβの絶対値が、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層のβの絶対値より小さい請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁気検出素子。
    ただし、βは、ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β） （−１≦β≦１）の関係式を満たす磁性材料に固有の値である（なお、ρ↓は、伝導電子のうちマイノリティーの伝導電子に対する比抵抗値であり、ρ↑は、伝導電子のうちマジョリティの伝導電子に対する比抵抗値である）。
12. 前記上部フリー磁性層と前記下部フリー磁性層のうち、前記多層膜上流部を構成するフリー磁性層の膜厚が、前記多層膜下流部を構成するフリー磁性層の膜厚より小さい請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁気検出素子。
13. 前記フリー磁性層は、第１フリー磁性層、第２フリー磁性層、及び第３フリー磁性層が非磁性中間層を介して積層された人工フェリ構造を有して、前記第１フリー磁性層及び前記第３フリー磁性層が前記非磁性材料層と接しており、
    前記第３フリー磁性層が前記上部フリー磁性層であり、前記第１フリー磁性層が前記下部フリー磁性層である請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁気検出子。
14. 前記フリー磁性層は単一の磁性材料によって形成される単層構造を有しており、前記フリー磁性層を膜厚方向に２等分したときの上側半分を前記上部フリー磁性層、下側半分を前記下部フリー磁性層とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気検出素子。

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