JP4160945B2 - 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、およびハードディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、およびハードディスク装置に関し、特にハードディスク装置の等の磁気記録装置の薄膜磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子に関する。

磁気記録の高密度化に対応するため、再生素子としてＧＭＲ(Giant Magneto-resistive)膜を用いた磁気ヘッドが開発されている。とりわけ、スピンバルブ(ＳＶ)膜を用いたＧＭＲ素子は、記録媒体の記録を読み出すために素子に流されるセンス電流に対する抵抗変化が大きく、より高感度の磁気ヘッドを提供することができる。ここでＳＶ膜とは、磁化の方向が一方向に固定された強磁性膜（以下、ピンド層ともいう。）と、記録媒体が発生する外部磁界に応じて磁化の方向を変える強磁性膜（以下、フリー層ともいう。）との間に非磁性中間層を挟んで構成された積層膜である。ＳＶ膜では、フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向に対して、外部磁界に応じて相対角度をなし、相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化して磁気抵抗変化が生じる。磁気ヘッドは、この磁気抵抗変化を検出して、記録媒体の磁気情報を読み取る。

ＳＶ膜を使用したＭＲ素子は、従来、膜面に平行にセンス電流を流すＣＩＰ(Current in Plane)-ＧＭＲ素子が中心であったが、最近では、更なる高密度化に対応するため、膜面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ(Current Perpendicular to the Plane)-ＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの開発も進められている。ＣＰＰタイプの素子としては、他にＴＭＲ(Tunnnel Magneto-resistance)膜を用いたＴＭＲ素子があるが、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子と比較して低抵抗であること、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子と比較して狭トラック幅での読み取りでも高出力が得られることから、高いポテンシャルを持つ素子として期待されている。

しかしながら、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子と同様の膜構成のＳＶ膜をそのままＣＰＰ-ＧＭＲ素子に適用しても、十分な磁気抵抗変化を得ることができない。これは、抵抗変化に寄与する部分（フリー層、ピンド層、非磁性中間層）の抵抗が、素子全体の抵抗の中で占める割合が少ないことが主な原因である。すなわち、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子の場合、通電方向は膜面内方向であるため、界面におけるスピン依存散乱による磁気抵抗変化が面内方向に十分得られるのに対し、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子では、センス電流は膜面すなわち界面を垂直に通過するので、界面におけるスピン依存散乱が十分に生じず、しかも、通常のＧＭＲ素子では界面数は非磁性中間層とフリー層、ピンド層との間の２つしかないため、界面の磁気抵抗変化への寄与が少ないことが大きな要因である。一方、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子においては、センス電流が各層を貫通して流れることから、各層内部の伝導電子の散乱、すなわちバルク散乱は一般にＣＩＰ素子よりも大きく、磁気抵抗変化に寄与しやすい。このため、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子では、フリー層、ピンド層を厚くすることが大きな抵抗変化を得るために効果的である。

また、ＳＶ膜のフリー層、ピンド層を厚くする代わりに、フリー層またはピンド層に非磁性中間層を挿入し、界面数を増やすことによって磁気抵抗効果を大きくする技術も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、ニッケル鉄合金CoFeBと、非磁性層Cuと、コバルト鉄合金CoFeBとを積層したフリー層構成が提案されている（CoFeB/Cu/CoFeB積層構造）。このような膜構成では、CoFe系合金とCuとの間の界面のスピン分極が大きいため、スピン依存散乱が促進され、大きな磁気抵抗変化を得ることができる。

さらに、ＣＩＰ-ＧＭＲ素子のフリー層のように、CoFe/NiFeを用いた積層構造とCu層とを積層する膜構成も開示されている（NiFe/CoFe/Cu/CoFe/NiFe積層構造。例えば、特許文献２参照。）。CoFeとNiFeとを積層することによって、CoFe/Cu界面の大きなスピン分極と、NiFeの軟磁気特性とを併せ持たせることができる。
特開２００３−１５２２３９号公報 特開２００３−８１０３号公報

このように、ＣＰＰ-ＧＭＲ素子ではフリー層、ピンド層が厚くなる傾向にあるが、フリー層においては、低ノイズ化、スタビリティの確保が重要であり、そのために軟磁気特性が重要となる。さらにヘッドの高感度化の観点からも、軟磁気特性が重要である。高感度化に対しては、記録媒体からの限られた磁束でフリー層の磁化を回転させることが必要となるため、フリー層の膜厚を大きくすることは望ましくない。

また、特許文献１、２には、磁気抵抗変化の大きなフリー層を構成する技術について、基本的な膜構成は開示されているものの、磁気抵抗変化特性、磁歪等の軟磁気特性を考慮した好適な膜構成は明らかにされていない。

本発明は、以上の事情に鑑み、フリー層の軟磁気特性に優れ、かつ、より大きな磁気抵抗変化を得ることのできる磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド等を提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、ピンド層とフリー層とに挟まれた、銅を主成分とするスペーサ層とを有し、ピンド層、スペーサ層、およびフリー層の各層を略積層方向にセンス電流が流れる。フリー層は、銅を主成分とする非磁性層と、非磁性層の両側界面に設けられたコバルト鉄合金からなる第１のコバルト鉄層とを有する少なくとも１つの中間積層体と、中間積層体の両側界面に設けられたニッケル鉄合金層と、中間積層体とニッケル鉄合金層とからなる積層体の、スペーサ層に面する側の界面に、スペーサ層と接して形成された、コバルト鉄合金からなる第２のコバルト鉄層と、中間積層体とニッケル鉄合金層とからなる積層体の他方の面に形成された、コバルト鉄合金からなる第３のコバルト鉄層と、を有している。

このように構成された磁気抵抗効果素子では、フリー層に、非磁性層の両側界面をコバルト鉄合金で挟んだ中間積層体を設けることによって、非磁性層界面のスピン分極率が大きくなり、磁気抵抗効果が増加する。また、中間積層体をニッケル鉄合金で挟むことによって軟磁気特性が改善される。この結果、大きな磁気抵抗変化と、良好な軟磁気特性とを有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、中間積層体とニッケル鉄合金層とからなる積層体の、スペーサ層に面する側の界面にコバルト鉄合金層を挿入することによって、界面散乱効果を高めるとともに、スペーサ層との拡散を抑え、さらにはバルク散乱効果を高めることもできる。

ここで、第１、第２、第３のコバルト鉄層のコバルト原子分率はいずれも５０％以上９０％以下で、かつ、ニッケル鉄合金層のニッケル原子分率は７０％以上９０％以下であるのが好ましい。

また、第１、第２、第３のコバルト鉄層のコバルト原子分率は、各々６５％以上７５％以下であるのが好ましい。

一方、第１のコバルト鉄層の膜厚は、０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下であるのが好ましい。

第２のコバルト鉄層の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは略１ｎｍである。

第３のコバルト鉄層の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは略１ｎｍである。

ニッケル鉄合金層の膜厚は、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であるのが好ましい。

さらに、第１のコバルト鉄層は、コバルト原子分率が略７０％、膜厚が略０．５ｎｍであり、第２、第３のコバルト鉄層は、コバルト原子分率が略７０％、膜厚が略１ｎｍであり、ニッケル鉄合金層は、ニッケル原子分率が略８１％、膜厚が略２ｎｍであるのが好ましい。

本発明の薄膜磁気ヘッドは、記録媒体に対向する媒体対向面に、記録媒体に記録されたデータを読み取る、上記の磁気抵抗効果素子を有する。

本発明のヘッドジンバルアセンブリは、上記の薄膜磁気ヘッドを含み、記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを弾性的に支持するサスペンションとを有する。

本発明のハードディスク装置は、上記の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、スライダを支持するとともに記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを有する。

以上説明したように、本発明によれば、フリー層に、非磁性層の両界面がコバルト鉄合金で挟まれた中間積層体を用いることで磁気抵抗効果が向上し、この中間積層体をニッケル鉄合金で挟むことで軟磁気特性が改善される。このようにして、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のフリー層に求められる磁気特性が一段と改善され、再生出力の品質に優れた磁気抵抗効果素子を提供することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ素子２という。）の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明の磁気抵抗素子を用いた薄膜磁気ヘッド１の部分斜視図である。薄膜磁気ヘッド１は読み込み専用のヘッドでもよく、記録部をさらに有するＭＲ／インダクティブ複合ヘッドでもよい。ＣＰＰ素子２は、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間に挟まれ、先端部が記録媒体２１と対向する位置に配置されている。ＣＰＰ素子２には、図１中の矢印に示すように、上部電極兼シールド３と下部電極兼シールド４との間にかかる電圧によって、上部電極兼シールド３からＣＰＰ素子２を積層方向に貫通して下部電極兼シールド４に向かうセンス電流２２が流れている。ＣＰＰ素子２との対向面における記録媒体２１の磁界は、記録媒体２１の記録媒体移動方向２３への移動につれて変化する。ＣＰＰ素子２は、この磁界の変化を、ＧＭＲ効果によって得られるセンス電流２２の電気抵抗変化として検出することにより、記録媒体２１の各磁区に書き込まれた磁気情報を読み出すことができる。

図２にはＣＰＰ素子２の断面構成を示す。本断面は図１におけるＡ−Ａ方向の断面図であり、ＡＢＳ面から見た積層構造を示している。なお、ＡＢＳ面とは、薄膜磁気ヘッド１の、記録媒体２１との対向面である。

ＣＰＰ素子２は、NiFeCr層からなる下部電極兼シールド４の上に、Ta/NiCr層からなるバッファ層５、IrMn層からなる反強磁性層６、ピンド層７、Cuからなるスペーサ層８、フリー層９、キャップ層１０がこの順に積層された積層部を有している。スペーサ層８のCu層には多少の添加物が含まれていてもよく、少なくともCuが主成分となっていればよい。バッファ層５からキャップ層１０までの積層部はＳＶ膜と呼ばれる。キャップ層１０はCu層とRu層からなり、ＳＶ膜の劣化防止のために設けられる。キャップ層１０の上にはNiFe膜からなる上部電極兼シールド３が形成されている。ピンド層７は、外部磁界に対して磁化方向が固定され、フリー層９は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。ＣＰＰ素子２の側方には、絶縁膜１１を介して硬質磁性層１２が形成されている。硬質磁性層１２はフリー層９の磁区を単磁区化するための磁区制御膜である。絶縁膜１１はAl₂O₃、硬質磁性層１２はCoPt、CoCrPtなどが用いられる。再生トラック幅はＳＶ膜の幅によって規定され、０．１μｍ以下程度の幅に形成されている。

表１にはＣＰＰ素子２の膜構成の一例を示す。表１は、下部電極兼シールド４に接するバッファー層５のTa層から、上部電極兼シールド３に接するキャップ層１０のRu層に向けて積層順に下から上に記載している。

本明細書では、膜構成を示すのにＡ／Ｂ／（Ｃ／Ｄ）ｘ／Ｅ／Ｆなる表記をする場合がある。ここでｘは整数であり、例えばｘ＝２の場合、積層体は、層Ａ、層Ｂ、層Ｃ、層Ｄ，層Ｃ、層Ｄ，層Ｅ、層Ｆの順に積層されていることを示す。また、Co70Fe30等の記載は原子分率（数値の単位は％）を意味する。ただし、Co70Fe30等の表記をする場合であっても、同等の磁気特性が得られる範囲において、他の微量の元素が添加されていてもよく、厳密な意味で、各層が表記された元素だけで構成されることを意味しない。以下、表１に基づいて、ピンド層７とフリー層９について詳細に説明する。

ピンド層７は、磁性層であるアウターピンド層７１と、非磁性中間層７２と、磁性層であるインナーピンド層７３とがこの順で積層されたシンセティックピンド層である。シンセティックピンド層では、アウターピンド層７１とインナーピンド層７３とが非磁性中間層７２によって反強磁性的に結合され、ピンド層７の実効磁化が抑制され、安定な磁化状態を保つことができる。

ピンド層７に要求される磁気特性は、磁化が強く固定され、外部磁界に対して応答しにくいことである。したがって、シンセティックピンド層においては、まず、反強磁性層６とアウターピンド層７１との交換結合が強いことが必要とされ、さらに、アウターピンド層７１とインナーピンド層７３との反強磁性的結合が強いことが必要とされる。これらの要求を満たすため、アウターピンド層７１としては、例えばCo50Fe50が、非磁性中間層７２としてはRu層が用いられる。また、インナーピンド層７３としては、例えばCo50Fe50/Cu/Co50Fe50やCo50Fe50が用いられる。インナーピンド層７３にCu層を挿入すると、界面数が増え、界面散乱効果が増加し磁気抵抗効果を大きくする効果が得られる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、磁気抵抗効果に対するバルク散乱の寄与が大きいため、より厚い磁性膜を用いることによって、より大きな磁気抵抗変化が得られる。また、インナーピンド層７３とアウターピンド層７１の磁化を揃える必要があるので、結果的にアウターピンド層７１も厚くなる。このため、ピンド層７の膜厚は全体で９ｎｍとかなり大きい。

フリー層９は、Co70Fe30からなる第２CoFe合金層９１、Ni81Fe19からなるNiFe合金層９２ａ、Co70Fe30からなる第１CoFe合金層９３ａ、Cuからなる非磁性層９４、第１CoFe合金層９３ｂと同一の組成、膜厚を持つ第１CoFe合金層９３ｂ、NiFe合金層９２ａと同一の組成、膜厚を持つNiFe合金層９２ｂ、Co70Fe30からなる第３CoFe合金層９５がこの順で積層されて形成されている。非磁性層９４のCu層には多少の添加物が含まれていてもよく、少なくともCuが主成分となっていればよい。

フリー層９の基本膜構成は、より一般的にはCoFe/NiFe/CoFe/Cu/(CoFe/NiFe/CoFe/Cu)x-1/CoFe/NiFe/CoFe（ｘは１以上の整数。）と表記することができ、上述の構成はｘ＝１の場合に相当する。ここで、この基本膜構成がどのような考え方に基づき得られるのかを、各層の機能とともに説明する。

フリー層９は、まずCoFe/Cu/CoFe（第１CoFe合金層９３ａ/非磁性層９４/第１CoFe合金層９３ｂ）で構成される中間積層体９８を有している。Cu層である非磁性層９４は界面散乱を増やし、磁気抵抗変化率を大きくするために挿入される。Cu層の界面散乱効果を高めるためには、Cu層の両側界面をCoFe層とするのが好ましく、特にCo70Fe30を用いることが好ましい。中間積層体９８は複数組でも１組でもよい。中間積層体９８の両側界面にはNiFe層（NiFe合金層９２ａ、９２ｂ）を設けられている。これは、フリー層９の軟磁気特性を向上させるためである。本発明では中間積層体９８にややFe原子分率の高い（Feリッチ）Co70Fe30を用いており、フリー層９の軟磁気特性が悪化する可能性がある。軟磁性層であるNiFe合金層９２ａ、９２ｂは、この軟磁気特性の悪化を補償することができる。

この結果、NiFe/中間積層体/NiFe、またはNiFe/中間積層体/NiFe/中間積層体/・・・/NiFeという積層体９９が形成される。この積層体９９の両界面をさらに、第２CoFe合金層９１と第３CoFe合金層９５とで覆ったのが上述の基本膜構成である。ここで、第２CoFe合金層９１は、Cu層であるスペーサ層８との間の界面散乱を高める狙いがある。また、第２CoFe合金層９１と第３CoFe合金層９５はともに、スペーサ層８やキャップ層１０のCu層との拡散を抑え、バルク散乱を高める狙いがある。さらに、後述するように、第２CoFe合金層９１と第３CoFe合金層９５の組成、膜厚を調整することによって、磁歪や保磁力が適正化される。

このようにして、フリー層９は、界面散乱の増加等による磁気抵抗変化率の向上と、磁歪の抑制等による軟磁気特性の改善とを図ることが可能となる。なお、ここでは軟磁性層としてNiFeを用いたが、代わりにNiFeCoを用いることもできる。

図３には、表１に示す素子の磁気抵抗変化率の測定例を示す。磁気抵抗変化率の測定においては、下部電極には実際の素子と同じNiFe合金を、上部電極にはCu膜を用いた。ＳＶ膜はミリングによって加工され、側方にAl₂O₃からなる絶縁膜が埋め戻された。成膜プロセスにはスパッタ法を用い、成膜後はピンド層７の固定のため、２７０度、４時間のアニールが施された。ＳＶ膜の形状は、０．２μｍ径のピラー形状とした。図中、横軸は印加磁界、縦軸は磁気抵抗変化率を示す。磁気抵抗変化率は、−７９．６ｋＡ／ｍの磁界を印加したときのピラー抵抗Ｒに対する各磁界強度における抵抗変化ｄＲの比、すなわちｄＲ／Ｒとして得られる。ただし、本明細書においては、磁気抵抗変化率はｄＲ／Ｒの最大値の意味で用いられる。

図４には、表１に示す素子の保磁力の測定例を示す。保磁力および磁歪の測定に用いた素子は、酸化Si基板上に成膜したＳＶ膜である。同図はＳＶ膜に面内方向に電流を流したときのＭＲ曲線を示しており、保磁力は、このＭＲ曲線のマイナーループから見積もられた。保磁力はＶＳＭ（Vibration sample magnetometer）によって測定することもできるが、ＭＲ曲線から見積もるほうがより正確と考えられる。なお、図４において、縦軸の磁気抵抗変化率は参考値に過ぎない。また、磁歪は、サンプルに磁界を印加し、長さの変化ΔＬ／Ｌで定義される。

これらの測定の結果、表１に示す素子は、磁気抵抗変化率３．１％、保磁力３１０Ａ／ｍ、磁歪３．１×１０^-7であった。これらはいずれも良好な値であり、本発明の磁気抵抗効果素子は、高い磁気抵抗変化率と、小さな磁歪等による良好な軟磁気特性というフリー層に必要な諸特性を満足し、高品質の再生出力を実現できることを意味している。

このように、表１に示す膜構成は本発明の磁気抵抗変化素子における好ましい実施形態の一つであるが、膜構成は表１に限定されない。そこで、膜構成の好適範囲を検討するため、以下の７種類の検討を行った。
第１の検討：第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、非磁性層９４の有無
第２の検討：第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５のCo原子分率の好適範囲
第３の検討：NiFe合金層９２ａ、９２ｂのNi原子分率の好適範囲
第４の検討：第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂの膜厚の好適範囲
第５の検討：第２CoFe合金層９１および第３CoFe合金層９５の膜厚の好適範囲
第６の検討：NiFe合金層９２ａ、９２ｂの膜厚の好適範囲
第７の検討：非磁性層９４の膜厚の好適範囲
以下、順に検討結果を説明する。なお、以下の検討で、「ベースケース」は表１に示した膜構成を意味する。また、フリー層以外の膜構成は表１の膜構成と同一であるため、記載を省略した。

（第１の検討）第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、非磁性層９４の有無
まず、第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、非磁性層９４、すなわち中間積層体９８の効果を検討するため、ベースケースと中間積層体９８を設けない膜構成との比較をおこなった。フリー層９のトータル厚はいずれのケースも７ｎｍとした。表２に結果を示す。Cu層の挿入（中間積層体９８の挿入）により、大幅な磁気抵抗変化の向上が確認された。以降の検討では、中間積層体９８を挿入したフリー層の膜構成をベースとして、磁気抵抗変化、磁歪、保磁力の観点から、組成、層厚の最適化を図った。

（第２の検討）第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５のCo原子分率の好適範囲
まず、フリー層９の各CoFe層のCo原子分率が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、すべてのCoFe層（第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５）のCo原子分率を変えて、磁気抵抗変化率を測定した。表３に結果を示す。磁気抵抗変化率はCo原子分率が低く、Feの原子分率が高いほうが有利である。

フリー層９の各CoFe層のうち、特に磁気抵抗変化に寄与すると考えられるのは、非磁性中間磁性層８に接する第２CoFe合金層９１である。そこで次に、第２CoFe合金層９１のCo原子分率だけを変え、同様に磁気抵抗変化率を測定した。本検討では特記ない場合、各層の膜厚は「ベースケース」と同一とした。表４に結果を示す。第２CoFe合金層９１のCo原子分率と磁気抵抗変化との関係は、表３と同様な傾向にあり、第２CoFe合金層９１のCo原子分率の寄与が大きいことが確認された。

以上の検討より、第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５のCo原子分率は、９０％以下であれば実用上大きな問題はないが、好ましくは７５％以下とするのがよい。また、特に第２CoFe合金層９１は、磁気抵抗変化率への寄与の観点から、上記のCo原子分率の範囲内とすることが重要である。

なお、上記の組成の中で、Co90Fe10のみがfcc（面心立方）構造の膜であり、その他の組成はbcc（体心立方）構造の膜である。これより、bcc構造のCoFe層を用いることによって、より大きな磁気抵抗変化率が得られることがわかる。

前述のとおり、フリー層９は磁気抵抗変化率だけでなく、ヘッドの感度やスタビリティの向上のために、軟磁気特性が重要である。そこで、同様にフリー層９の各CoFe層のCo原子分率を変え、保磁力と磁歪を測定した。まず、第１のケースとして、スペーサ層８と隣接する第２CoFe合金層９１以外のCoFe層の組成をCo90Fe10とした。第２CoFe合金層９１のCo原子分率は７０％のままとした。これは、上述の検討結果（特に表４）に基づき、磁気抵抗変化率の悪化を避けるためである。次に、第２のケースとして、第２CoFe合金層９１の組成をCo50Fe50とした。第２CoFe合金層９１以外のCoFe層のCo原子分率は７０％のままとした。これは、保磁力、磁歪の悪化を避けるためである。

表５に結果を示す。これより、保磁力、磁歪の観点からは、Co原子分率７０％程度がよく、９０％でも良好な特性が得られる。しかし、Co原子分率５０％では軟磁気特性が悪化する。

これらの検討より、フリー層９の各CoFe層（第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５）のCo原子分率は、上限値は表３，４に示す磁気抵抗変化によって規定され、９０％以下が好ましく、７５％以下がより好ましい。下限値は表５，６に示す保磁力と磁歪とによって規定され、５０％未満まで下げることは好ましくなく、保磁力と磁歪をある程度抑えるために、６５％程度以上を確保することが望ましい。た、表３〜５の結果を総合判断すると、７０％付近が最も好ましい。

（第３の検討）NiFe合金層９２ａ、９２ｂのNi原子分率の好適範囲
次に、フリー層９のNiFe合金層９２ａ、９２ｂのNi原子分率が保磁力と磁歪に及ぼす影響を検討するため、NiFe合金層９２ａ、９２ｂのNi原子分率を変えて保磁力と磁歪を測定した。各層の膜厚は「ベースケース」と同一とした。表６に結果を示す。Ni81Fe19近傍の組成では、基本的に軟磁気特性が良好であり、磁歪、保磁力とも大きく変ることはない。Ni原子分率は、９０％を越えると磁歪が大きな負値となり、７０％を下回ると保磁力が増加するので、７０％から９０％の範囲が好ましく、特に７９〜８３％が好ましい。

（第４の検討）第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂの膜厚の好適範囲
次に、第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂの膜厚が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂの膜厚を互いに同一の値で変化させ、磁気抵抗変化率を測定した。表７に結果を示す。磁気抵抗変化率は、膜厚に対して比較的鈍感であるが、１ｎｍを超えると磁気抵抗変化率はほとんど増加しない。一方、フリー層は、高感度化のために飽和磁化と膜厚の積が小さいことが望ましいので、同程度の磁気抵抗変化率であれば、フリー層の膜厚は小さい方が望ましい。これより、膜厚の上限値は１ｎｍ程度が好ましい。一方、下限値は、成膜の再現性の観点から、０．２ｎｍ程度とした。

（第５の検討）第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５の膜厚の好適範囲
まず、第２CoFe合金層９１の膜厚が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、第２CoFe合金層９１の膜厚を変え、磁気抵抗変化率を測定した。表８に結果を示す。磁気抵抗変化率は、膜厚に対して比較的鈍感であるが、膜厚の増加とともに磁気抵抗変化率が徐々に大きくなる。ただし、膜厚を１ｎｍから１．５ｎｍに増やしても、磁気抵抗変化率はほとんど変わらず、１．５ｎｍ以上の膜厚とする意味は小さい。第４の検討と同様、フリー層は、同じ磁気抵抗変化率であれば、膜厚は小さいほうがよいので、膜厚の上限値は１．５ｎｍが好ましい。一方、膜厚を薄くしていくと磁気抵抗変化率が下がっていき、０．３ｎｍでは大きく磁気抵抗変化率が低下している。これより、膜厚の下限値は０．５ｎｍが好ましい。

同様にして、第３CoFe合金層９５の膜厚が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、第３CoFe合金層９５の膜厚を変え、磁気抵抗変化率を測定した。表９に結果を示す。磁気抵抗変化率は、膜厚に対して比較的鈍感であり、上述の理由から膜厚を大きくする必要性は小さい。

そこで、次に、軟磁気特性の観点から好適範囲を検討するため、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５の膜厚をいずれかまたは両方を０．５ｎｍとして、保磁力と磁歪を測定した。また、第２CoFe合金層９１については膜厚を１．５ｎｍとした場合も検討した。表１０に結果を示す。

第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５の膜厚がベースケースよりも減ると、保磁力は減少する傾向にある。一方、第２CoFe合金層９１の膜厚を１．５ｎｍまで増やすと、保磁力も増えるが、まだ比較的小さな保磁力を維持できる。

一方、磁歪は、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５の膜厚が大きく影響する。これらの膜厚がいずれも０．５ｎｍの場合には磁歪が正の比較的大きな値となり、これ以上膜厚を下げることは好ましくない。しかし、少なくともいずれか一方の層厚を１ｎｍとすれば、磁歪の絶対値を低減することが可能である。

以上の検討より、第２CoFe合金層９１、第３CoFe合金層９５の膜厚は０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲とすれば実用上の問題は少ない。ただし、少なくともいずれかは１ｎｍ程度あるのが好ましく、ともに１ｎｍ付近とするのがより好ましい。

（第６の検討）NiFe合金層９２ａ、９２ｂの膜厚の好適範囲
次に、NiFe合金層９２ａ、９２ｂの膜厚が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、NiFe合金層９２ａ、９２ｂの膜厚を互いに同一の値で変化させ、磁気抵抗変化率を測定した。表１１に結果を示す。NiFe層厚に対しても、磁気抵抗変化率は比較的鈍感であるが、１ｎｍを下回ると磁気抵抗変化率の点からは好ましくない。また、上述したとおり、フリー層の軟磁気特性はNiFe層に依存しているため、NiFe層が薄くなることは好ましくない。このため、膜厚の下限値は１．５ｎｍ程度が好ましい。一方、膜厚を上げていくと、３．５ｎｍ付近で磁気抵抗変化率が減少する。これは、磁性層が厚くなりすぎることにより、伝導電子のスピンが保持されずに、むしろ磁気抵抗変化率が低下したためと考えられる。また、同程度の磁気抵抗変化率であれば、フリー層の膜厚は小さいことが望ましい。これらを考慮し、膜厚の上限値は３ｎｍ程度が好ましい。

（第７の検討）非磁性層９４の膜厚の好適範囲
次に、非磁性層９４の膜厚が磁気抵抗変化率に及ぼす影響を検討するため、非磁性層９４の膜厚を変え、磁気抵抗変化率を測定した。表１２に結果を示す。磁気抵抗変化率は、非磁性層９４の膜厚に対して比較的鈍感であるが、０．２ｎｍ程度の層厚が磁気抵抗変化率の観点から適している。

以上より、本願発明の磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗変化率、保磁力、フリー層の磁歪のいずれもが良好な膜構成の範囲を確認した。

最後に、ベースケースの膜構成（表１参照）のＣＰＰヘッドを試作し、素子としての特性を評価した。比較例１として、第１の検討で用いた第１CoFe合金層９３ａ、９３ｂ、非磁性層９４のないＣＰＰヘッドを試作した。また、比較例２として、第２の検討で用いた第２CoFe合金層９１のCo原子分率を５０％としたＣＰＰヘッドを試作した。いずれのＣＰＰヘッドも、ジャンクションサイズは０．１μｍ×０．１μｍとし、絶縁膜１１には膜厚１０ｎｍのAl₂O₃膜、硬質磁性層１２には膜厚３０ｎｍのCoCrPt膜を用いた。測定時のセンス電流は、５ｍＡとした。評価項目は孤立再生波の出力と、ベースケースでの値で規準化したバルクハウゼンノイズの発生確率とした。

結果を表１３に示す。比較例１は再生出力が大きく劣り、比較例２はバルクハウゼンノイズの発生確率が非常に大きくなり、ヘッドの安定性という点で問題がある。これらの傾向はＳＶ膜としての上述の検討結果ともよく整合しており、本発明に係るＳＶ膜の膜構成は、ヘッドとして組み立てても良好な再生特性が得られることが確認された。

次に、上述したＣＰＰ素子２をヘッド素子とした薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるウエハについて説明する。図５はウエハの概念的な平面図である。ウエハ１００は複数の薄膜磁気変換素子集合体１０１に区画される。薄膜磁気変換素子集合体１０１は、ＣＰＰ素子２が積層された薄膜磁気変換素子１０２を含み、媒体対向面ＡＢＳを研磨加工する際の作業単位となる。薄膜磁気変換素子集合体１０１間および薄膜磁気変換素子１０２間には切断のための切り代（図示せず）が設けられている。

次に、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置について説明する。まず、図６を参照して、ヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダ２１０について説明する。ハードディスク装置において、スライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体であるハードディスクに対向するように配置される。スライダ２１０は、主に図６における基板１およびオーバーコート層１７からなる基体２１１を備えている。基体２１１は、ほぼ六面体形状をなしている。基体２１１の六面のうちの一面は、ハードディスクに対向するようになっている。この一面には、媒体対向面となるエアベアリング面２０が形成されている。ハードディスクが図６におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクとスライダ２１０との間を通過する空気流によって、スライダ２１０に、図６におけるｙ方向の下方に揚力が生じる。スライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。なお、図６におけるｘ方向は、ハードディスクのトラック横断方向である。スライダ２１０の空気流出側の端部（図６における左下の端部）の近傍には、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いた薄膜磁気ヘッド１００が形成されている。

次に、図７を参照して、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドジンバルアセンブリ２２０について説明する。ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、スライダ２１０と、スライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１とを備えている。サスペンション２２１は、例えばステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられると共にスライダ２１０が接合され、スライダ２１０に適度な自由度を与えるフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４とを有している。ベースプレート２２４は、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させるためのアクチュエータのアーム２３０に取り付けられるようになっている。アクチュエータは、アーム２３０と、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータとを有している。フレクシャ２２３において、スライダ２１０が取り付けられる部分には、スライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。

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

図７は、ヘッドアームアセンブリの一例を示している。このヘッドアームアセンブリでは、アーム２３０の一端部にヘッドジンバルアセンブリ２２０が取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には、アーム２３０を回動自在に支持するための軸２３４に取り付けられる軸受け部２３３が設けられている。

次に、図８および図９を参照して、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いたヘッドスタックアセンブリとハードディスク装置について説明する。図８はハードディスク装置の要部を示す説明図、図９はハードディスク装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２５２を有するキャリッジ２５１を有している。複数のアーム２５２には、複数のヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１においてアーム２５２の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスク装置に組み込まれる。ハードディスク装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つのスライダ２１０が配置される。また、ボイスコイルモータは、ヘッドスタックアセンブリ２５０のコイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。

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

本ハードディスク装置では、アクチュエータによって、スライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向に移動させて、スライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。スライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッドは、記録ヘッドによって、ハードディスク２６２に情報を記録し、ＣＰＰ素子２をヘッド素子として用いた再生ヘッドによって、ハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。

なお、本発明の磁気抵抗効果素子は、以上説明した範囲に限定されない。たとえばピンド層としては、シンセティックピンド層だけでなく単層の強磁性層を用いてもよい。NiFe層は、同様な軟磁気特性が維持される範囲内であれば、微量のCoをはじめとする元素を添加してもよい。さらに、ＳＶ膜の全体構成としてボトムＳＶ膜に限定されるものではなく、デュアルＳＶ膜としてもよい。その場合は、フリー層上に非磁性中間層、シンセティックピンド層、反強磁性層、キャップ層がこの順で積層された膜構成となる。

本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ薄膜磁気ヘッドの斜視図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子をＡＢＳ面から見た断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の測定例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の保磁力の測定例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだ薄膜磁気ヘッドの製造に係るウエハの平面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだヘッドジンバルアセンブリに含まれるスライダを示す斜視図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだヘッドジンバルアセンブリを含むヘッドアームアセンブリを示す斜視図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだハードディスク装置の要部を示す説明図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を組み込んだハードディスク装置の平面図である。

符号の説明

１ 薄膜磁気ヘッド
２ ＣＰＰ素子
３ 上部電極兼シールド
４ 下部電極兼シールド
５ バッファ層
６ 反強磁性層
７ ピンド層
７１ アウターピンド層
７２ 非磁性中間層
７３ インナーピンド層
８ 非磁性中間層
９ フリー層
９１ 第２CoFe層
９２ａ、９２ｂ NiFe層
９３ａ、９３ｂ 第１CoFe層
９４ 非磁性層
９５ 第３CoFe層
１０ 上部磁極層
１０ キャップ層
１１ 絶縁膜
１２ 硬質磁性層
２１ 記録媒体
２２ センス電流
２３ 記録媒体移動方向

Claims (15)

1. 外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、
   前記外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、
   前記ピンド層と前記フリー層とに挟まれた、銅を主成分とするスペーサ層とを有し、
   前記ピンド層、前記スペーサ層、および前記フリー層の各層を略積層方向にセンス電流が流れ、
   前記フリー層は、銅を主成分とする非磁性層と、該非磁性層の両側界面に設けられたコバルト鉄合金からなる第１のコバルト鉄層とを有する少なくとも１つの中間積層体と、
   該中間積層体の両側界面に設けられたニッケル鉄合金層と、
   前記中間積層体と前記ニッケル鉄合金層とからなる積層体の、前記スペーサ層に面する側の界面に、該スペーサ層と接して形成された、コバルト鉄合金からなる第２のコバルト鉄層と、
   前記中間積層体と前記ニッケル鉄合金層とからなる前記積層体の他方の面に形成された、コバルト鉄合金からなる第３のコバルト鉄層と、
   を有する、磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１、第２、第３のコバルト鉄層のコバルト原子分率は５０％以上９０％以下であり、
   前記ニッケル鉄合金層のニッケル原子分率は７０％以上９０％以下である、
   請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１のコバルト鉄層のコバルト原子分率は６５％以上７５％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第２のコバルト鉄層のコバルト原子分率は６５％以上７５％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第３のコバルト鉄層のコバルト原子分率は６５％以上７５％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１のコバルト鉄層の膜厚は、０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第２のコバルト鉄層の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第２のコバルト鉄層の膜厚は、略１ｎｍである、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記第３のコバルト鉄層の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記第３のコバルト鉄層の膜厚は、略１ｎｍである、請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記ニッケル鉄合金層の膜厚は、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記第１のコバルト鉄層は、コバルト原子分率が略７０％、膜厚が略０．５ｎｍであり、
    前記第２、第３のコバルト鉄層は、コバルト原子分率が略７０％、膜厚が略１ｎｍであり、
    前記ニッケル鉄合金層は、ニッケル原子分率が略８１％、膜厚が略２ｎｍである、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
13. 記録媒体に対向する媒体対向面に、該記録媒体に記録されたデータを読み取る請求項１から１２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッド。
14. 請求項１３に記載の薄膜磁気ヘッドを含み、前記記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを弾性的に支持するサスペンションとを有するヘッドジンバルアセンブリ。
15. 請求項１３に記載の薄膜磁気ヘッドを含み、回転駆動される円盤状の記録媒体に対向して配置されるスライダと、
    前記スライダを支持するとともに前記記録媒体に対して位置決めする位置決め装置とを有するハードディスク装置。

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