JP2008112841A - 磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、基体、ウェハ、ヘッドジンバルアセンブリ、ハードディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピントランスファートルクの影響を抑え、十分な出力が得られる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁化方向が固定されたピンド層４３と、非磁性のスペーサ層４４と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層４５とが順番に積層されたＭＲ素子４において、フリー層４５は、４ｆ電子を有する元素が２〜２５ａｔ．％の割合で混合された磁性体を含む多層構造である。具体的には、スペーサ層４４と接する第１層４５ａと第３，５，７層４５ｃ，４５ｅ，４５ｇは、Ｃｏの割合が７０ａｔ．％以下のＣｏＦｅ中にＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、またはＴｂが混合された層であり、第２，６層４５ｂ，４５ｆは、Ｎｉの割合が７０ａｔ．％以上１００ａｔ．％未満のＮｉＦｅ中にＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、またはＴｂが混合された層である。第３層はＣｕである。このフリー層４５のダンピング定数は０．０１８よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハードディスク装置に好適に用いられる磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、基体、ウェハ、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する。

ハードディスク装置には、磁気信号読み出し用の磁気抵抗効果素子（ＭＲ（Magneto-resistance）素子）を有する薄膜磁気ヘッドが用いられている。近年、ハードディスク装置の高記録密度化が進んできており、それに伴い、薄膜磁気ヘッドにおいても磁気抵抗効果素子に対する高感度化および高出力化の要求が特に高まっている。

従来、薄膜磁気ヘッドの再生素子として、強磁性層と強磁性層との中間に非磁性層を有し、膜面に対して平行にセンス電流を流す巨大磁気抵抗効果素子であるＣＩＰ−ＧＭＲ（Current in Plane - Giant Magneto-resistance）素子が開発されてきた。一方、さらなる高密度化に対応するため、中間に非磁性層ではなく絶縁層を有し、膜面に垂直にセンス電流を流すＴＭＲ（Tunnel Magneto-resistance）素子を用いた磁気ヘッドの開発も進められている。さらに、中間に非磁性層を有するＧＭＲ素子において、ＴＭＲ素子と同様に膜面に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to 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−ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子と比較して低抵抗であり、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比較して狭いトラック幅において高出力が得られるという利点を有している。

一般に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、それぞれ電極膜を兼ねる下部シールド層と上部シールド層に挟まれた構成であり、スピンバルブ膜（ＳＶ膜）とも呼ばれる。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子は所望のサイズの柱状の形状であり、磁化方向が固定された強磁性層であるピンド層（磁化固定層）と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する強磁性層であるフリー層とで、非磁性のスペーサ層を挟んだ構造である。ピンド層は、反強磁性層上に設けられることによって磁化方向が固定されている。最近では、ピンド層を、強磁性体の単層構造ではなく、強磁性層（インナー層）／非磁性金属層（非磁性中間層）／強磁性層（アウター層）の３層構造（シンセティックピンド層）とすることで、２つの強磁性層の間に強い交換結合を与えて、反強磁性層からの交換結合力を実効的に増大させるＣＰＰ−ＧＭＲ素子が開発されている。

なお、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の周囲には、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁膜を介して、ＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔからなる硬質磁性膜（ハードバイアス膜）が設けられている。このハードバイアス膜は、トラック幅方向においてＣＰＰ−ＧＭＲ素子の側方に位置する、フリー層の磁区制御膜である。なお、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の上下端部にはキャップ層とバッファー層がそれぞれ設けられており、上部シールド層と下部シールド層に挟まれた構成になっている。

特許文献１に開示されているように、従来、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のフリー層としてＮｉＦｅ合金層やＣｏＦｅ合金層が用いられている。
特開２００５−２９４４５３号公報 特開２００３−１１０１６７号公報 特開２００１−０２８４６６号公報 特開２００３−２１８４２８号公報 「マグネトストリクション アンド アンギュラー ディペンデンス オブ フェロマグネティック レゾナンス ラインワイズ イン Tbドープト Ni0.8Fe0.2 シン フィルムズ（Magnetostriction and angular dependence of ferromagnetic resonance linewidth in Tb-doped Ni0.8Fe0.2 thin films）」、ステフェン イー リウセック（Stephen E. Riussek）他、ジャーナル オブ アプライド フィジックス ボリューム91 ナンバー10（Journal of Applied Physics Volume 91, Number 10）、第8659〜8661頁、アメリカン インスティテュート オブ フィジックス（American Institute of Physics）、2002年5月15日発行

近年、ハードディスク装置の記録密度が高くなるのに伴って、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の小型化が進み、平面的に見たときに０．１μｍ×０．１μｍ以下の寸法になる場合がある。このように平面形状の寸法が小さくなることにより、電流密度が、例えば１０^-7（Ａ／ｃｍ²）程度以上まで高くなる。電流密度が高くなると、スピントランスファートルクが発生して磁気抵抗効果素子の出力を抑制してしまうという問題が生じる。

そこで本発明の目的は、スピントランスファートルクの影響を抑え、十分な出力が得られる磁気抵抗効果素子と、それを含む薄膜磁気ヘッド、基体、ウェハ、ヘッドジンバルアセンブリ、ハードディスク装置を提供することにある。

本発明の特徴は、磁化方向が固定されたピンド層と、非磁性のスペーサ層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層とが、スペーサ層がピンド層とフリー層との間に位置するように積層された磁気抵抗効果素子において、フリー層は、４ｆ電子を有する元素が混合された磁性体を含む多層構造であり、スペーサ層と接する部分がＣｏＦｅを含む層からなるところにある。

この構成によると、フリー層中に４ｆ電子を有する元素が混入しているため、伝導電子のスピン反転によるトルクを、４ｆ電子を有する元素が受け取り、フリー層の母体である磁性体はそのトルクの影響をほとんど受けない。フリー層の磁化は、主に、４ｆ電子を有する元素ではなく磁性体によって決まるため、磁性体がトルクの影響をほとんど受けなければ、フリー層の磁化はほとんど変化せず、磁化反転が抑えられる。また、ＣｏＦｅを含む層はスペーサ層上で良好に膜成長するため、フリー層が良好に形成できる。

４ｆ電子を有する元素はＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのうちの少なくとも１つであり、磁性体はＮｉＦｅ合金またはＣｏＦｅ合金であってもよい。

ＮｉＦｅ合金中のＮｉの割合は７０ａｔ．％以上かつ１００ａｔ．％未満であり、ＣｏＦｅ合金中のＣｏの割合は０ａｔ．％よりも大きくかつ７０ａｔ．％以下であることが好ましい。また、４ｆ電子を有する元素は、２ａｔ．％以上かつ２５ａｔ．％以下の割合で磁性体に混合されていることが好ましい。そして、フリー層のダンピング定数は０．０１８よりも大きいことが好ましい。これらの構成によると、一般的な条件下で磁気抵抗効果素子に加わる外部磁界による電流密度よりも磁化反転臨界電流を大きくすることができ、通常の使用時にフリー層に磁化反転が生じるのを抑える信頼性が高い。

本発明の薄膜磁気ヘッドは、前記した構成の磁気抵抗効果素子を有するものであり、本発明の基体は、その薄膜磁気ヘッドを有するものである。本発明のウェハは、前記した構成の基体の製造に用いられる、少なくとも１つの、前記した構成の薄膜磁気ヘッドが設けられたものである。さらに、本発明のヘッドジンバルアセンブリは、前記した構成の基体を含み、記録媒体に対向して配置されるスライダと、その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ものである。そして、本発明のハードディスク装置は、前記した構成の基体を含み、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、その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ものである。

本発明によると、磁気抵抗効果素子において、スピントランスファートルクに起因するフリー層の磁化反転が抑制され、十分な出力が得られる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

［薄膜磁気ヘッドの構成］
図１に、本発明の一実施形態による薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図を概念的に示す。

本実施形態の薄膜磁気ヘッド１は、基板１１と、基板１１に形成された、記録媒体（不図示）に対する読み出しのための再生部２および書き込みのための記録部３とを有する。

基板１１は、耐摩耗性に優れたＡｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ（アルティック）からなる。基板１１の上面にはアルミナからなる下地層１２が形成され、この上に、再生部２および記録部３が積層されている。

下地層１２の上には、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）等の磁性材料からなる下部シールド層１３が形成されている。下部シールド層１３の上の、媒体対向面Ｓ側の端部には、磁気抵抗効果素子であるＣＰＰ−ＧＭＲ素子（以下、単に「ＭＲ素子」と言う）４が、その一端が媒体対向面Ｓに露出するように形成されている。ＭＲ素子４の上には、例えばパーマロイ等の磁性材料からなる第１上部シールド層１５が形成されている。これらの下部シールド層１３、ＭＲ素子４、および第１上部シールド層１５により、再生部２が構成されている。下部シールド層１３と第１上部シールド層１５との間にＭＲ素子４が存在しない部分には、主に絶縁層１６ａが形成されている。なお、このＭＲ素子４は、ＳＶ膜（スピンバルブ膜）とも言う。

第１上部シールド層１５の上には、絶縁層１６ｂを介して、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料からなる下部磁極層１７が形成されている。下部磁極層１７は、記録部３の下部磁極層としての機能の他に、ＭＲ素子４の第２上部シールド層としての機能も兼ねている。

第２上部シールド層としても機能する下部磁極層１７の上には、Ｒｕやアルミナなどの非磁性材料からなる記録ギャップ層１８を介して、上部磁極層１９が形成されている。記録ギャップ層１８は、媒体対向面Ｓ側の端部に、媒体対向面Ｓに一端が露出するように形成されている。上部磁極層１９の材料としては、パーマロイやＣｏＮｉＦｅなどの磁性材料が用いられる。下部磁極層（第２上部シールド層）１７と上部磁極層１９とは、接続部２１によって磁気的に接続され、全体で一つの磁気回路を形成する。

下部磁極層１７と上部磁極層１９との間において、媒体対向面Ｓと接続部２１との間には、銅などの導電性材料からなるコイル２０ａ，２０ｂが２層に形成されている。各コイル２０ａ，２０ｂは、下部磁極層１７と上部磁極層１９とに磁束を供給するものであり、それぞれ平面形状が接続部２１の周囲を周回する螺旋状になるように形成されている。コイル２０ａ，２０ｂは、絶縁層によって周囲と絶縁されている。本実施形態では２層のコイル２０ａ，２０ｂを示したが、これに限られるものではなく、１層であってもよいし３層以上であってもよい。

オーバーコート層２２は、上部磁極層１９を覆って設けられ、上述した構造を保護する。オーバーコート層２２の材料としては、例えばアルミナなどの絶縁材料が用いられる。

［ＭＲ素子の構成］
次に、ＭＲ素子（ＳＶ膜）４について、媒体対向面Ｓ側から見た図である図２を参照して詳細に説明する。

ＭＲ素子４は、前述したように下部シールド層１３と上部シールド層１５との間に挟まれて形成されており、バッファー層４１、反強磁性層４２、ピンド層４３、スペーサ層４４、フリー層４５、およびキャップ層４６が、下部シールド層１３側からこの順番で積層された構成を有している。図２（ａ）に示す例では、ピンド層４３は、非磁性中間層４３ｂを、それぞれ強磁性体からなるアウター層４３ａとインナー層４３ｃとで挟んだ構成である。このようなピンド層４３は、シンセティックピンド層と呼ばれる。アウター層４３ａは反強磁性層４２に接して設けられ、インナー層４３ｃはスペーサ層４４に接して設けられている。なお、各層の材料と厚さの一例を表１に示している。

下部シールド層１３および上部シールド層１５は、それぞれ電極を兼ねている。ＭＲ素子４には、下部シールド層１３および上部シールド層１５を通じて、膜面に直交する方向にセンス電流が流される。下部シールド層１３および上部シールド層１５は、約２μｍ以下のＮｉＦｅ膜からなる。

バッファー層４１は、その材料として、反強磁性層４２とピンド層４３のアウター層４３ａとの交換結合が良好になる組み合わせが選ばれ、Ｔａ／ＮｉＣｒ等の積層膜から構成される。なお、本明細書中で、多層膜構造を示す「／」は、「／」の左側の材料が右側の材料よりも下層であること、すなわち先に形成された層であることを意味する。反強磁性層４２は、ピンド層４３の磁化方向を固定する役割を果たすものであり、例えば７．０ｎｍのＩｒＭｎ膜等から構成される。

ピンド層４３は、磁性層として形成され、前述したように、アウター層４３ａと、非磁性中間層４３ｂと、インナー層４３ｃとがこの順番に積層された構成を有する。アウター層４３ａは、反強磁性層４２によって外部磁界に対して磁化方向が固定されており、例えば厚さ５．０ｎｍのＣｏ７０Ｆｅ３０膜から構成されている。なお、「Ｃｏ７０Ｆｅ３０」等の記載は「ＣｏＦｅ」等をより詳細に表した表現であり、各成分の原子分率を百分率で示しており、例えばＣｏを７０％、Ｆｅを３０％含む層という意味である。非磁性中間層４３ｂは、例えば厚さ０．４〜０．８ｎｍのＲｕ膜から構成されている。インナー層４３ｃは強磁性層であり、例えば、Ｃｏ７０Ｆｅ３０／Ｃｏ２ＭｎＳｉ／Ｃｏ３０Ｆｅ７０からなる層である。このようなシンセティックピンド層では、アウター層４３ａとインナー層４３ｃとの磁気モーメントが互いに相殺され、全体としての漏れ磁界が抑制されるとともに、インナー層４３ｃの磁化方向が強固に固定される。

スペーサ層４４は非磁性材料からなり、例えば厚さ３．０ｎｍのＣｕから構成されている。

フリー層４５は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。本発明のフリー層４５は、少なくとも４ｆ電子を有する元素が混合された磁性体を含む多層構造である。具体的には、例えば、（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／Ｃｕ／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）である。ここで、「−Ｘ」とはＸが添加されていることを表し、Ｘは４ｆ電子を有する元素を表す。すなわち、このフリー層４５は、図２（ｂ）に示すように、例えば厚さ１．０ｎｍの第１層（ＣｏＦｅ−Ｘ膜）４５ａ、厚さ２．０ｎｍの第１層（ＮｉＦｅ−Ｘ膜）４５ｂ、厚さ０．５ｎｍの第３層（ＣｏＦｅ−Ｘ膜）４５ｃ、厚さ０．２ｎｍの第４層（Ｃｕ膜）４５ｄ、厚さ０．５ｎｍの第５層（ＣｏＦｅ−Ｘ膜）４５ｅ、厚さ２．０ｎｍの第６層（ＮｉＦｅ−Ｘ膜）４５ｆ、厚さ１．０ｎｍの第７層（ＣｏＦｅ−Ｘ膜）４５ｇが順番に積層された多層構造である。なお、Ｘは、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのいずれかであることが好ましい。このフリー層４５の作用効果については後述する。

キャップ層４６は、ＭＲ素子４の劣化防止のために設けられ、例えば厚さ１０．０ｎｍのＲｕで構成されている。

ＭＲ素子４のトラック幅方向（媒体対向面Ｓ（図１参照）と平行な平面内での、ＭＲ素子４を構成する各層の面内方向）の両側（図２の左右両側）には、絶縁膜４７を介してハードバイアス膜４８が設けられている。ハードバイアス膜４８は、フリー層４５にトラック幅方向のバイアス磁界を印加することによってフリー層４５を単磁区化する。ハードバイアス膜４８には、例えばＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔなどの硬磁性材料が用いられる。絶縁膜４７は、センス電流がハードバイアス膜４８に漏洩するのを防止するためのものであり、例えばＡｌ₂Ｏ₃といった酸化膜で形成することができる。絶縁膜４７は絶縁層１６ａの一部であってもよい。

［フリー層の構成および作用効果］
ここで、本実施形態において最も特徴的な構成であるフリー層４５の構成と、その作用効果について説明する。本発明のフリー層４５は、４ｆ電子を有する元素を含む多層構造であり、スペーサ層と接する第１層４５ａはＣｏＦｅを含む層からなるものである。一例としては、前記したように、（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／Ｃｕ／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）の７層構造が挙げられ、ＸはＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのいずれかであることが好ましい。このようなフリー層４５を用いることによって、ＭＲ素子４におけるスピントランスファートルクの影響を抑えることができる。この点について以下に説明する。

まず、本発明において問題にしているスピントランスファートルクについて説明する。スピン分極した伝導電子が磁性層に注入されると、注入された伝導電子は磁性層中のスピンに、自らと同じ方向へ向くように回転させようとする。このスピンを回転させようとする現象をスピントランスファートルクという。スピントランスファートルクの結果、磁性層の磁化状態が揺らぎ、場合によっては磁化反転することがある。このようなスピントランスファートルクは、ＭＲＡＭ等において磁化反転を積極的に起こしたい場合に有効に利用されることがあるが、薄膜磁気ヘッドの再生素子の場合、記録媒体以外の要因でフリー層の磁化方向が決まる可能性があるためスピントランスファートルクは好ましくない。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子における具体的なスピントランスファートルクについて説明する。前記した通り、ピンド層４３とスペーサ層４４とフリー層４５が積層されたＭＲ素子４において、ピンド層４３からフリー層４５に伝導電子が通過するように電流を流すと、スピンがピンド層４３の磁化方向と平行な状態の伝導電子は容易にピンド層４３を通過するが、スピンがピンド層４３の磁化方向と反平行な状態の伝導電子はピンド層４３を通過できずに反射される。すなわち、ピンド層４３はスピンフィルターとして作用する。その結果、スピンがピンド層４３の磁化方向と平行な状態である伝導電子のみがスペーサ層４４に流入する。このようにして、スピン分極状態になっている伝導電子がスペーサ層４４を通過してフリー層４５に注入されることになる。磁化方向が固定されていないフリー層４５に、スピン分極状態になっている伝導電子が注入されると、フリー層４５の磁性体のスピンを、注入された伝導電子のスピン方向に一致させるようにスピントランスファートルクが働く。このように注入されるスピン分極状態の伝導電子の量が多いと、フリー層４５に磁化の揺らぎが生じ、場合によっては磁化反転を生じる。すなわち、ＭＲ素子４中を電気伝導する際にスピン反転を生じてトルクを受けた伝導電子が、フリー層４５を構成する磁性体（例えばＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金）の持つ３ｄ電子と相互作用し、結果として、この磁性体自体の磁化が伝導電子のトルクの影響を受けてしまう。それによって、フリー層４５の磁化反転が生じる。

ＭＲ素子４を薄膜磁気ヘッド１の再生素子として用いる場合には、外部磁界、すなわち磁気記録媒体に記録された磁気に従ってフリー層４５の磁化方向が決定され、その磁化方向を検知することによって、磁気記録媒体の記録を読み取ることができる。しかし、前記したように、スピン分極状態になっている伝導電子がフリー層４５に注入されることにより磁化反転を生じると、外部の磁界（磁気記録媒体からの磁気）を検知することが困難になり、薄膜磁気ヘッド１の再生素子として感度が悪くなり、最悪の場合には使用不能になる。

そこで、ＭＲ素子４のフリー層４５に磁化反転が生じないようにするために、本発明では、フリー層４５を構成する磁性体（例えばＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金）中に、４ｆ電子を有する元素（例えばＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ）を混合させている。この場合、トルクを受けた伝導電子が、フリー層４５の磁性体の３ｄ電子ではなく、４ｆ電子と主に相互作用する。そして、４ｆ電子を有する元素がフリー層４５の磁化を左右しない構成、すなわち、フリー層４５の磁化が４ｆ電子を有する元素によって決まるのではなく、３ｄ電子を有する磁性体によって決まる構成になっていれば、４ｆ電子が、伝導電子のスピン反転によるトルクを受け取ったとしても、その影響がフリー層４５の磁化に及ぶことはない。従って、フリー層４５の磁化反転は起きないか、または軽減すると考えられる。

このように、本発明では、フリー層４５を構成する磁性体中に、フリー層４５自体の磁化を担わない（フリー層４５の磁化にほとんど影響しない）程度に、伝導電子のスピン反転のトルクを受け取る４ｆ電子を有する元素を混ぜることによって、スピントランスファートルクがフリー層４５の磁化に影響を及ぼすのを抑えている。従って、スピントランスファートルクによってフリー層４５が磁化反転することが抑制され、ＭＲ素子４の本来の出力を発揮することができる。これが本発明の主な特徴である。

一例として、磁性体であるＣｏ３０Ｆｅ７０合金に４ｆ電子を有する元素であるＧｄを混入した構成のフリー層４５を有するＭＲ素子４と、Ｃｏ３０Ｆｅ７０合金のみからなるフリー層を有する従来のＭＲ素子とを対比して、図３に示している。図３を見ると、フリー層４５がＧｄを含むＭＲ素子４は、特に外部から加わる磁界の大きさＨが０〜１０００［Ｏｅ］（＝０〜７９５７７［Ａ／ｍ］）の範囲において、従来のＭＲ素子に比べて大きなＭＲ比が得られることが確認できる。

このように、フリー層４５中の磁性体に、４ｆ電子を有する元素を混合させる技術的意義についてさらに詳しく説明する。

従来のＭＲ素子の問題は、前記した通り、スピントランスファートルクの影響でフリー層４５が磁化反転を起こし、その結果、外部の磁界を感度良く検知することができなくなることである。フリー層４５の磁化反転の生じやすさは磁化反転臨界電流の大きさによって表され、磁化反転臨界電流が大きいほど、磁化反転が生じにくいと言える。この磁化反転臨界電流を求めるために、まず、ＬＬＧ（Landau Lifshitz Gilbert）の式に従って、フリー層に加わるトルクの総和が以下の式（１）で求められる。なお、Ｓ_freeはフリー層４５の全スピン角運動量、γは磁気回転比、μは透磁率、αはダンピング定数である。

図４に示す、磁化Ｍと外部磁場Ｈとの間のトルクＴ_M×_H、磁化Ｍを磁場Ｈ方向に飽和させるダンピングトルクＴ_damping、磁化Ｍの飽和を妨げるスピントルクＴ_spin-torqueは、以下の通りである。ダンピングは、磁化Ｍが磁場Ｈ方向に飽和するように作用するが、スピントルクＴ_spin-torqueは、それを妨げるように作用する（厳密には、ダンピングは電流方向に依存し、本発明の場合にはピンド層４３からフリー層４５に向かって通電しており、これは平行状態になりにくく、フリー層４５の磁化がピンド層４３の磁化と平行になりにくい状態になっている）。なお、Ｈ_effはフリー層に加わる実効磁界（外部磁界＋メディア磁界＋ハードバイアス磁界）である。

ここで、フリー層４５が完全に磁化反転するのは、磁場Ｈ方向に飽和しようとするダンピングトルクＴ_dampingにスピントルクＴ_spin-torqueが打ち勝った時なので、磁化反転の条件は、Ｔ_damping、とＴ_spin-torqueが相殺する時、すなわち、以下の式（２）が成り立つときである。

この式（２）は、式（３）のように書き換えることができる。なお、Ｐ_i ^Freeはフリー層のスピン分極率、Ｉは電流、ｅは電荷素量、？はプランク定数である。

そして、以下の式（４）に基づいて、磁化反転臨界電流Ｊ_criticalは式（５）で表される。なお、Ｖはフリー層の体積、Ｍ_sはフリー層の磁性体の飽和磁化である。

なお、スピン分極率Ｐは、ここでは、磁性体中の通電電流の偏極によって定義されるものであり、以下の式（６）で表される。

前記した式（５）から判るように、磁化反転臨界電流Ｊ_criticalはダンピング定数αに比例するため、ダンピング定数αが大きいほど磁化反転が生じにくい。一例として、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲ素子のフリー層４５である厚さ６．０ｎｍのＣｏ７０Ｆｅ３０膜において、外部から加わる磁界が５００［Ｏｅ］（＝３９７８９［Ａ／ｍ］）である場合の、ダンピング定数αと磁化反転臨界電流Ｊ_criticalとの関係を計算して図５に示す。この図５から、磁化反転臨界電流Ｊ_criticalを大きくしてフリー層４５の磁化反転をできるだけ抑えるためには、ダンピング定数αをできるだけ大きくするのが好ましいことが確認できる。

一般的な条件として、ＭＲ素子４の平面形状が０．０５μｍ×０．０５μｍで、このＭＲ素子４に流すセンス電流が５ｍＡである場合を考えると、この場合の電流密度は、約２．０×１０^-8［Ａ／ｃｍ²］である。通常のＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金のダンピング定数αは０．００８程度であり、その場合の磁化反転臨界電流Ｊ_criticalは、図５を見ると約９．１×１０^-7［Ａ／ｃｍ²］である。これは、前記した一般的な条件下における電流密度２．０×１０^-8［Ａ／ｃｍ²］よりも小さいため、スピントランスファートルクによるフリー層４５の磁化反転が生じやすいことが判る。すなわち、ＭＲ素子の本来の出力を発揮できない。ここで、磁化反転臨界電流Ｊ_criticalが電流密度２．０×１０^-8［Ａ／ｃｍ²］と一致する際のダンピング定数αを図５から求めると、α＝約０．０１８である。従って、ダンピング定数αが０．０１８以上であると、一般的な条件下において、スピントランスファートルクの影響を排除してＭＲ素子４の本来の出力を得ることができる。

以上のように、ダンピング定数αが大きいとスピントランスファートルクによる悪影響を抑えるために効果的であることが判る。そこで、本発明では、４ｆ電子を有する元素をフリー層４５中に混入させることでダンピング定数αを大きくするようにした（なお、非特許文献１には、ＮｉＦｅ合金にＴｂやＧｄを混ぜるとダンピング定数αが大きくなることが示唆されている）。

代表的な４ｆ電子を有する元素であるＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂを、従来のフリー層に用いられている代表的な磁性体であるＣｏ７０Ｆｅ３０とＮｉ８０Ｆｅ２０に混合させた場合の、濃度（混合率）とダンピング定数αとの関係を実験的に求めて表２，３および図６，７に示している。この表２，３および図６，７を見ると、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのいずれもほぼ同様に、濃度が増えるほどダンピング定数αが大きくなっており、濃度が約２ａｔ．％以上ではダンピング定数αが０．０１８以上であることが判る。

一方、４ｆ電子を有する元素は、フリー層４５の母体である磁性体に不純物として添加されるため、あまり多量に添加されると分極率を低下させてしまう。Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＴｂをＣｏ７０Ｆｅ３０とＮｉ８０Ｆｅ２０に混合させた場合の、濃度（混合率）と分極率との関係を実験的に求めて表４，５および図８，９に示している。表４，５および図８，９を見ると、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのいずれもほぼ同様に、磁性体中に添加すると分極率が大きくなるが、濃度約１０ａｔ．％において最高の分極率を呈した後、濃度が増えるほど分極率が小さくなってしまう。そして、濃度が２５ａｔ．％より大きくなると、濃度０の時、すなわち４ｆ電子を有する元素が添加されない時の分極率０．４よりも小さくなってしまう。このように、４ｆ電子を有する元素の濃度が２５ａｔ．％よりも大きいと、従来のＭＲ素子よりも分極率が小さくなり、それに伴って従来のＭＲ素子よりもＭＲ比が小さくなってしまう。そうすると、ＭＲ素子のＭＲ比を高めて十分な出力電圧を確保するという本発明の最終的な目的を達成できないので、４ｆ電子を有する元素を添加する意味がない。表４，５および図８，９によると、濃度が約２５ａｔ．％以下で０．４以上の分極率が確保でき、本発明の最終的な目的を達成するための条件を満たすことが判る。

これらの結果を考慮すると、４ｆ電子を有する元素の濃度は２ａｔ．％以上かつ２５ａｔ．％以下の範囲が好ましいと言える。

次に、４ｆ電子を有する元素を磁性体に混合させた場合に、磁性体の組成がダンピング定数αに及ぼす影響について、ＧｄとＣｏＦｅおよびＮｉＦｅを例にとって実験し、その結果を図１０，１１に示している。図１０，１１を見ると、少なくとも、Ｇｄの濃度が前記した２〜２５ａｔ．％である場合に、ＣｏＦｅ中のＣｏが７０ａｔ．％以下、ＮｉＦｅ中のＮｉが９５ａｔ．％以下であるならば、ダンピング定数αの変動は小さく、α＞０．０１８が確保できることが判る。前記した通り４ｆ電子を有する元素の存在がフリー層のダンピング定数を増加させているので、この実験例からも判るように、磁性体（ＣｏＦｅやＮｉＦｅ等）の組成に関係なく、４ｆ電子を有する元素を添加するとダンピング定数は増大すると考えられる。

ただし、別の要因によってＣｏＦｅおよびＮｉＦｅの組成が限定される。すなわち、ＣｏＦｅは、Ｃｏの濃度が７０ａｔ．％以下の範囲で体心立方格子構造（ｂｃｃ構造）をとることが知られており、フリー層がｂｃｃ構造であるとＭＲ比が大きいことが判っている。従って、Ｃｏは０ａｔ．％よりも大きく７０ａｔ．％以下であることが好ましい。また、ＮｉＦｅは、Ｎｉが８０ａｔ．％以上１００ａｔ．％未満の範囲内で負磁歪を示すことが知られている。ｂｃｃ構造によって増加した正磁歪を負磁歪で相殺するために、ＮｉＦｅのＮｉを８０ａｔ．％以上１００ａｔ．％未満の範囲に設定することが好ましい。

なお、フリー層の構成としては、前記した（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／Ｃｕ／（ＣｏＦｅ−Ｘ）／（ＮｉＦｅ−Ｘ）／（ＣｏＦｅ−Ｘ）の７層構造に限られず、様々な構成にすることができる。例えば、［（ＣｏＦｅ−Ｘ）／Ｃｕ］ｎの多層構造や、［（ＮｉＦｅ−Ｘ）／Ｃｕ］ｎの多層構造にすることも考えられる。これらの構成において、Ｃｕ膜は、界面分極率を増加させるために挿入されるが、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｖ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔａなどに置き換えることもできる。

さらに他の構成例として、（ＣｏＦｅ−Ｘ）／Ｃｏ２ＭｎＳｉまたはＣｏ２ＭｎＧｅ／（ＮｉＦｅ−Ｘ）の３層構造とすることもできる。この場合、厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅ−Ｘ膜、厚さ４．０ｎｍのＣｏ２ＭｎＳｉ膜またはＣｏ２ＭｎＧｅ膜、厚さ１．０ｎｍのＮｉＦｅ−Ｘ膜を積層してフリー層を構成すればよい。この場合のＸもＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂに代表される４ｆ電子を有する元素であり、前記したとおり濃度が２〜２５ａｔ．％であることが好ましい。また、ＣｏＦｅ中のＣｏの濃度は７０ａｔ．％以下、ＮｉＦｅ中のＮｉの濃度は８０ａｔ．％以上１００ａｔ．％未満であることが好ましい。この構成において、Ｃｏ２ＭｎＳｉおよびＣｏ２ＭｎＧｅはホイスラー合金であり、他の組成のホイスラー合金と置き換えることもできる。なお、ホイスラー合金は、組成式がＸ₂ＹＺまたはＸＹＺ（ただし、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、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、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）で表されるものである。仮に、ホイスラー合金をスペーサ層４４のＣｕ上に直接形成するとあまり良好な膜成長が望めないが、この構成では、ＣｏＦｅ−ＸがＣｕとホイスラー合金との間に介在しているので、フリー層４５を良好に形成できる。また、この構成のようにフリー層４５にホイスラー合金を用いることにより良好なＭＲ比が得られることが知られている（特許文献４参照）。

以上説明したようにフリー層４５を多層構造にすると、層同士の界面が多いため、界面のＭＲ効果を有効に利用することができる。また、膜成長を考慮すると、多層構造のフリー層４５の、スペーサ層４４と接触する位置には、少なくともホイスラー合金層は配置せず、ＣｏＦｅ−Ｘ層を配置することが好ましい。

なお、以上の説明では本発明を適用したＣＰＰ−ＧＭＲ素子について例示したが、その他の種類のＭＲ素子、例えばＴＭＲ素子等についても本発明を適用することができる。

［薄膜磁気ヘッドを含むヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置］
本発明の薄膜磁気ヘッド１は、１枚のウェハに多数個並べて形成される。図１に示した薄膜磁気ヘッドを含む構造体（基体）が多数個形成されたウェハの模式的な平面図を図１２に示す。

ウェハ１００は複数のヘッド要素集合体１０１に区画されている。ヘッド要素集合体１０１は、複数のヘッド要素１０２を含み、薄膜磁気ヘッド１（図１参照）の媒体対向面Ｓを研磨加工する際の作業単位となる。ヘッド要素集合体１０１同士の間およびヘッド要素１０２同士の間には切断のための切り代（図示せず）がそれぞれ設けられている。ヘッド要素１０２は、薄膜磁気ヘッド１の構成を含む構造体（基体）であり、媒体対向面Ｓを形成するための研摩加工など、必要な加工が施されて薄膜磁気ヘッド１になる。この研磨加工は、一般には複数のヘッド要素１０２を１列に切り出した状態で行う。

次に、本発明の薄膜磁気ヘッドを備え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１３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、ヘッド要素１０２（図１２参照）から得られた薄膜磁気ヘッド１を有し、ハードディスクに対向する媒体対向面Ｓにエアベアリング面２００が形成されて、全体として略六面体形状をなしている。ハードディスクが図１３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、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１３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の空気流出側の端面２１１には、再生部２および記録部３（図１参照）への信号入出力用の電極パッドが形成されている。この面は、図１では上端面に相当する。

次に、図１４を参照して、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１４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１５および図１６を参照して、ヘッドスタックアセンブリおよびハードディスク装置の一例について説明する。図１５はハードディスク装置の要部を示す説明図、図１６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（磁気記録媒体）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、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。

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１は、記録部３によって、ハードディスク２６２に情報を記録し、再生部２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、薄膜磁気ヘッド１は、上述した形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、上述した形態では、基板１１側に読み取り用のＭＲ素子４を形成し、その上に、書き込み用の誘導型電磁変換素子を積層した構造の薄膜磁気ヘッド１について説明したが、この積層順序を逆にしてもよい。また、上述した実施形態ではＭＲ素子４および誘導型電磁変換素子の両方を有する場合を例に挙げたが、ＭＲ素子４のみを有していてもよい。

本発明の一実施形態による薄膜磁気ヘッドの主要部の断面図である。 （ａ）は図１に示すＭＲ素子を媒体対向面側から見た図、（ｂ）はそのフリー層付近の拡大図である。 フリー層中にＧｄを含むＭＲ素子とフリー層中にＧｄを含まないＭＲ素子の、外部磁界とＭＲ比の関係を表すグラフである。 外部磁界と、フリー層の磁化と、フリー層内のスピンに加わるトルクとの関係を示す模式図である。 ＭＲ素子のフリー層のダンピング定数と磁化反転臨界電流の関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層中の４ｆ電子を有する元素の濃度とダンピング定数との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層中の４ｆ電子を有する元素の濃度とダンピング定数との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層中の４ｆ電子を有する元素の濃度と分極率との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層中の４ｆ電子を有する元素の濃度と分極率との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層の磁性体の組成とダンピング定数との関係を示すグラフである。 ＭＲ素子のフリー層の磁性体の組成とダンピング定数との関係を示すグラフである。 図１に示す薄膜磁気ヘッドが形成されたウェハの一例の平面図である。 図１に示す薄膜磁気ヘッドを含むスライダの一例の斜視図である。 図１３に示すスライダを含むヘッドジンバルアセンブリの斜視図である。 図１４に示すヘッドジンバルアセンブリを含むハードディスク装置の要部側面図である。 図１４に示すヘッドジンバルアセンブリを含む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 再生部
３ 記録部
４ ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）
１３ 下部シールド層
１５ 上部シールド層
４１ バッファー層
４２ 反強磁性層
４３ ピンド層
４３ａ アウター層
４３ｂ 非磁性中間層
４３ｃ インナー層
４４ スペーサ層
４５ フリー層
４６ キャップ層
４７ 絶縁膜
４８ ハードバイアス膜

Claims (10)

1. 磁化方向が固定されたピンド層と、非磁性のスペーサ層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層とが、前記スペーサ層が前記ピンド層と前記フリー層との間に位置するように積層された磁気抵抗効果素子において、
   前記フリー層は、４ｆ電子を有する元素が混合された磁性体を含む多層構造であり、前記スペーサ層と接する部分はＣｏＦｅを含む層からなる
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記４ｆ電子を有する元素はＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂのうちの少なくとも１つであり、前記磁性体はＮｉＦｅ合金またはＣｏＦｅ合金である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記ＮｉＦｅ合金中のＮｉの割合は７０ａｔ．％以上かつ１００ａｔ．％未満であり、前記ＣｏＦｅ合金中のＣｏの割合は０ａｔ．％よりも大きくかつ７０ａｔ．％以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記４ｆ電子を有する元素は、２ａｔ．％以上かつ２５ａｔ．％以下の割合で磁性体に混合されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記フリー層のダンピング定数は０．０１８よりも大きい、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１から５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。
7. 請求項６に記載の薄膜磁気ヘッドを有する基体。
8. 請求項７に記載の基体の製造に用いられる、少なくとも１つの前記薄膜磁気ヘッドが設けられたウェハ。
9. 請求項７に記載の基体を含み、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。
10. 請求項７に記載の基体を含み、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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