JP3756757B2 - 交換結合膜と、この交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッド - Google Patents
交換結合膜と、この交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッド Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とから成り、前記反強磁性層と強磁性層との界面にて発生する交換結合磁界により、前記強磁性層の磁化方向が一定の方向に固定される交換結合膜に係り、特に大きい前記交換結合磁界が得られるようにした交換結合膜およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子（スピンバルブ型薄膜素子、ＡＭＲ素子）、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の１種であり、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。
【０００３】
このスピンバルブ型薄膜素子は、ＧＭＲ素子の中でも比較的構造が単純で、しかも弱い磁界で抵抗が変化するなど、いくつかの優れた点を有している。
【０００４】
前記スピンバルブ型薄膜素子は、最も単純な構造で、反強磁性層、固定磁性層、非磁性中間層およびフリー磁性層から成る。
【０００５】
前記反強磁性層と固定磁性層とは接して形成され、前記反強磁性層と固定磁性層との界面にて発生する交換異方性磁界により、前記固定磁性層の磁化方向は一定方向に単磁区化され固定される。
【０００６】
フリー磁性層の磁化は、その両側に形成されたバイアス層により、前記固定磁性層の磁化方向とほぼ交叉する方向に揃えられる。
【０００７】
そして前記フリー磁性層の磁化が記録媒体からの漏れ磁界により変動することにより、前記固定磁性層との磁化の関係で電気抵抗が変化し、これによって前記漏れ磁界が再生される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで前述した交換結合磁界は、前記反強磁性層及び固定磁性層を積層し、熱処理を施したとき、前記反強磁性層が不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）へ変態することにより発生することが知られている。
【０００９】
そこで本発明者らは、各層を積層し、熱処理を施した後に、前記反強磁性層の結晶内部の状態が以下のような状態に置かれているとき、前記反強磁性層は適切に規則化変態をしておらず、前記反強磁性層と前記強磁性層との間に発生する交換結合磁界が非常に小さくなることを見出した。
【００１０】
図１９は、従来における前記反強磁性層及び固定磁性層の積層構造の膜厚方向からの断面を電子顕微鏡で撮影し、その写真を模式図的に示したものである。なお各図は熱処理を施した後の状態である。
【００１１】
図１９では反強磁性層５３は例えばＰｔＭｎ合金で形成されており、強磁性層５４は、例えばＮｉＦｅ合金などで形成されている。
【００１２】
また図１９の前記反強磁性層５３には、界面から上面にかけて延びる粒界５５が形成されている。なお前記粒界５５を境にしてその両側に形成された結晶粒は互いに結晶方位が異なっている。
【００１３】
また図１９の反強磁性層５３には双晶５６が形成されている。ここで双晶とは、１つの物質の単結晶が２つ以上、互いに特定の対称関係に従って結合している一固体をいう。そして図１９では前記双晶５６に前記反強磁性層５３と強磁性層５４との界面と平行な方向（図示Ｘ方向）に向く双晶境界５７が形成され、双晶境界５７を境にして原子配列が鏡面対称となっている。
【００１４】
図１９のように双晶境界５７が形成されている場合、大きな交換結合磁界を得られるものと期待された。前記双晶境界５７が形成されていると、この部分で原子配列が鏡面対称に変化したことで、規則化変態のときに生じた格子歪が緩和され、その結果前記規則化変態が適切に促進されているものと考えられたのである。
【００１５】
しかし図１９に示す交換結合膜では非常に低い交換結合磁界しか得られないことがわかった。これは、前記双晶境界５７が前記反強磁性層５３と強磁性層５４との界面と平行な方向に向いて形成されているためであると考えられる。
【００１６】
このように前記界面と平行な方向に形成された前記双晶境界５７は、膜厚方向（図示Ｚ方向）に生じた格子歪を緩和すべく形成されたものであり、従って前記界面と平行な方向への格子歪は緩和されておらず、結局、規則化変態は適切に起こっていないものと考えられる。
【００１７】
すなわち図１９では、界面での前記反強磁性層５３の原子は強磁性層５４の結晶構造に強固に拘束された状態にあり、前記界面での規則化変態は適切に起こらず、この結果、交換結合磁界は非常に小さくなるものと思われる。
【００１８】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に反強磁性層に形成された双晶境界を前記界面と非平行に形成することで、大きい交換異方性磁界を発生することができるようにした交換結合膜、およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と前記強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記反強磁性層は、前記界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または無配向（ランダム配向）となっており、且つ前記反強磁性層は面心正方格子の結晶構造であり、
前記反強磁性層には少なくとも一部に双晶が形成され、少なくとも一部の前記双晶には双晶境界が前記界面と非平行に形成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明では、上記交換結合膜を成膜して熱処理を施した後、上記のような双晶境界が現れたとき、成膜段階では前記反強磁性層の原子は強磁性層の結晶構造に拘束された状態にないと考えられる。このように界面での拘束力が弱くなると、前記反強磁性層は熱処理によって不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）に変態しやすくなるが、この変態の際には格子歪が発生するため、この格子歪を適切に緩和できないと、前記変態を効果的に起すことはできない。変態をするときには反強磁性層の原子が不規則格子から規則格子への再配列を起し、このとき生じる格子歪を、短い距離間隔で原子配列が鏡面対称に変化していくことで緩和していくと考えられる。熱処理後、前記鏡面対称変化の境は双晶境界となり、このような双晶境界が形成されていることは、いわば熱処理を施したときに規則化変態が起こっていることを意味する。
【００２１】
ここで反強磁性層と強磁性層との界面付近では、前記界面と平行な方向に原子が再配列するときに生じる格子歪を緩和するため、前記界面と交わる方向に前記双晶境界が形成される。このため全体的に適切な規則化変態が起きたとき前記双晶境界は前記界面と非平行に形成される。これが本発明であり、本発明のように界面と非平行に双晶境界が形成された場合、非常に大きな交換結合磁界を得ることが可能になる。一方、前記界面と平行な方向に原子が再配列できないとき、すなわち界面において前記反強磁性層の原子が強磁性層の結晶構造に強固に拘束されているときなどは、前記界面と交わるように双晶境界は形成されない。かかる場合、前記双晶境界は形成されなかったり、あるいは前記界面と平行な双晶境界が形成されたりするのである。
【００２２】
ここで本発明では、以下の実施例としてのスピンバルブ膜、および比較例としてのスピンバルブ膜を成膜し、各スピンバルブ膜の結晶内部の状態を透過電子顕微鏡で調べた。
【００２３】
図９は、反強磁性層を強磁性層よりも上側に形成した実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００２４】
図９に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（５０）／フリー磁性層：［Ｎｉ80Ｆｅ20（６０）／Ｃｏ（１０）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：Ｃｏ（２５）／反強磁性層：Ｐｔ52Ｍｎ48（３００）／Ｔａ（５０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、フリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００２５】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００２６】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２５０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００２７】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は全体的に無配向（ランダム配向）となっており、強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であることがわかった。
【００２８】
図１０は図９に示す反強磁性層の結晶内部の状態を示す模式図である。図１０に示すように前記反強磁性層（ＰｔＭｎ）には、前記界面から上面に延びる複数の粒界（１）が形成され、同様に強磁性層（ＮｉＦｅ／Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ）にも複数の粒界（３）が形成されている。前記粒界（１）（３）を挟んだ両側の結晶粒は前記粒界（１）（３）を境にして結晶方位が異なった状態になっている。
【００２９】
前記反強磁性層には、双晶（４）が形成されている。双晶とは、１つの物質の単結晶が２つ以上、互いに特定の対称関係に従って結合している一固体をいう。そして前記双晶（４）内には、複数の双晶境界（２）が形成されている。前記双晶境界（２）では、原子配列が鏡面対称に変化している。また前記双晶境界（２）は前記界面と非平行であることがわかる。
【００３０】
図９，１０に示す実施例のように、前記反強磁性層に形成された双晶境界が前記界面と非平行であるとき、前記反強磁性層は不規則格子から規則格子に適切に変態をしたものと認められ、大きな交換結合磁界を得ることができる。実験の結果、図９に示すスピンバルブ膜では、約５．２×１０4（Ａ／ｍ）の交換結合磁界を得ることができた。
【００３１】
図１１は、反強磁性層を強磁性層より下側に形成した別の実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００３２】
図１１に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（１５）／シードレイヤ：Ｎｉ48Ｆｅ12Ｃｒ40（３５）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１６０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（１４）／Ｒｕ（９）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２２）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層：［Ｃｏ90Ｆｅ10（１０）／Ｎｉ80Ｆｅ20（４０）］／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。またシードレイヤ、反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００３３】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を４ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を７０ｍｍとした。
【００３４】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００３５】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は大部分が｛１１１｝面配向していたが、｛１１１｝面に配向していない部分があった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であった。
【００３６】
図１１の模式図を図１２に示す。反強磁性層（ＰｔＭｎ）および強磁性層（ＣｏＦｅ…）には共に粒界（５）および（６）が形成されている。また前記反強磁性層には双晶（８）が形成され、前記双晶（８）内には双晶境界（７）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約９．６×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００３７】
図１３は、反強磁性層を強磁性層より下側に形成した別の実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００３８】
図１３に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（３０）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（１５）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２５）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／フリー磁性層：［Ｃｏ90Ｆｅ10（５）／Ｎｉ80Ｆｅ20（４５）］／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００３９】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００４０】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００４１】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は無配向（ランダム配向）だった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）も無配向であった。
【００４２】
図１３の模式図を図１４に示す。反強磁性層（ＰｔＭｎ）には双晶（９）が形成され、前記双晶（９）内には双晶境界（１０）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約１２．６×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００４３】
図１５は実施例のデュアルスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００４４】
図１５に示すデュアルスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（３０）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（２０）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２５）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／フリー磁性層：Ｃｏ90Ｆｅ10（２０）／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（２５）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２０）］／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００４５】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００４６】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００４７】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は無配向（ランダム配向）だった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）も無配向であった。
【００４８】
図１５の模式図を図１６に示す。上側及び下側の反強磁性層（ＰｔＭｎ）には共に双晶（１８）が形成され、前記双晶（１８）内には双晶境界（１５）（１６）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約１８．２×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００４９】
次に図１７は、比較例としてのスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００５０】
図１７に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3／Ｔａ（５０）／フリー磁性層：［Ｎｉ80Ｆｅ20（６０）／Ｃｏ（１０）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：Ｃｏ（２５）／反強磁性層：Ｐｔ44.5Ｍｎ55.5（３００）／Ｔａ（５０）の順に積層している。なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また前記フリー磁性層および反強磁性層の組成比はａｔ％である。
【００５１】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を０．８ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を４５ｍｍとした。
【００５２】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２５０℃で４時間以上の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００５３】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層及び強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であった。
【００５４】
図１８は図１７の模式図である。強磁性層（Ｃｏ…）および反強磁性層（ＰｔＭｎ）には共に粒界（１１）（１２）が形成されている。また前記反強磁性層には双晶（１４）が形成され、前記双晶（１４）内には双晶境界（１３）が複数形成されていることがわかる。
【００５５】
この比較例では前記双晶境界（１３）が強磁性層との界面と平行であることがわかる。このように前記双晶境界（１３）が前記界面と平行であると、前記反強磁性層は前記界面と平行な方向に適切に規則化変態が起こっておらず、交換結合磁界は小さくなる。
【００５６】
図１７に示す比較例では、交換結合磁界は、約０．５５×１０4（Ａ／ｍ）であり、実施例に比べて前記交換結合磁界の値は非常に小さくなることがわかった。
【００５７】
ところで本発明のように、反強磁性層に形成された双晶境界を強磁性層との界面と非平行にするには、一つは前記反強磁性層の組成が重要であり、その他に成膜条件が重要である。成膜条件とは熱処理温度や熱処理時間、および前記反強磁性層、強磁性層を成膜する際のＡｒガス圧、さらには基板とターゲット間の距離、基板温度、成膜速度、基板バイアス電圧などである。
【００５８】
また本発明における双晶境界の非平行状態は、熱処理を施した後の状態である。成膜段階において前記双晶境界が形成されているか否かは重要なことではない。すなわち成膜段階において双晶境界が形成されていなくても熱処理を施すことで本発明のように界面と非平行にされた双晶境界が現れることがある。
【００５９】
また本発明では、前記双晶境界と前記界面間の内角は、１０°以上で６７°以下、あるいは７７°以上で９０°以下であることが好ましい。前記内角がこの範囲内である場合、前記反強磁性層には、界面と平行な方向の少なくとも一部に｛１１１｝面以外の結晶面が配向している。
【００６０】
なお図９に示す実施例では前記内角θ（図１０参照）は約３６°であり、図１１に示す実施例では前記内角θ（図１２参照）は約４２°であり、図１３に示す実施例では前記内角θ（図１４参照）は約８７°であり、図１５に示す実施例では下側に形成された反強磁性層の内角θ（図１６参照）が２２°、上側に形成された反強磁性層の内角θが約８５°であった。
【００６１】
また本発明では、前記反強磁性層及び前記強磁性層には粒界が形成され、前記粒界を境にして結晶方位が異なり、前記反強磁性層に形成された少なくとも一部の前記粒界、前記双晶境界、又は、前記粒界及び前記双晶境界は、前記強磁性層に形成された前記粒界と前記界面で不連続であることが好ましい。
【００６２】
図９ないし図１６に示す実施例では共に、反強磁性層に形成された粒界（１）（５）（２０）と強磁性層に形成された粒界（３）（６）（１７）は、界面では不連続であることがわかる。また前記反強磁性層に形成された双晶境界（２）（７）（１０）（１５）（１６）も前記強磁性層に形成された粒界（３）（６）（１９）（１７）と前記界面で不連続であることがわかる。
【００６３】
一方、図１７に示す比較例では、反強磁性層に形成された粒界（１２）と強磁性層に形成された粒界（１１）とが界面で連続していることがわかる。
【００６４】
本発明のように、反強磁性層及び強磁性層の粒界が界面で不連続であると、熱処理によって前記反強磁性層は不規則格子から規則格子に適切に変態しており、大きな交換結合磁界を得ることができる。一方、比較例のように反強磁性層及び強磁性層の粒界が界面で連続していると、成膜段階において、前記反強磁性層及び強磁性層はエピタキシャル的に成長しており、従って熱処理を施しても前記反強磁性層は適切に規則化変態を起せず、小さな交換結合磁界しか得ることができないのである。
【００６５】
また本発明では、前記強磁性層は、代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向することが好ましい。
【００６６】
あるいは、前記反強磁性層及び前記強磁性層が共に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または共に無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。
【００６７】
上記のような結晶配向であると前記反強磁性層及び強磁性層はエピタキシャル的に成長しにくく、界面で前記反強磁性層の原子は強磁性層の結晶構造に拘束されず、熱処理によって前記反強磁性層は規則化変態しやすい。
【００６８】
なお結晶配向の調整は、成膜順序や、下地層の存否、反強磁性層の組成比、成膜条件などによって行なわれる。
【００６９】
また本発明では前記反強磁性層は、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ていることが好ましい。
【００７０】
あるいは前記反強磁性層は、元素Ｘと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、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とを含有する反強磁性材料で形成されていることが好ましい。この場合、前記反強磁性材料は、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に元素Ｘ′が侵入した侵入型固溶体であり、あるいは、元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部が、元素Ｘ′に置換された置換型固溶体であることが好ましい。
【００７２】
本発明では、上記した交換結合膜を様々な磁気抵抗効果素子に適用することができる。
【００７３】
本発明は反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７４】
また本発明は反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、
下から前記反強磁性層、前記固定磁性層、前記非磁性中間層、前記フリー磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の上側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性のエクスチェンジバイアス層が形成され、
又は、下から前記フリー磁性層、前記非磁性中間層、前記固定磁性層、前記反強磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の下側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性の前記エクスチェンジバイアス層が形成され、
前記エクスチェンジバイアス層と前記フリー磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成され、前記フリー磁性層の磁化が一定方向にされることを特徴とするものである。
【００７５】
さらに本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性中間層と、上側の前記非磁性中間層の上および下側の前記非磁性中間層の下に位置する固定磁性層と、上側の前記固定磁性層の上および下側の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７６】
また本発明は、下から、軟磁性層、非磁性層、磁気抵抗層の順に積層され、前記磁気抵抗層の上側にトラック幅方向に間隔を空けて反強磁性層が形成され、又は、下から、前記磁気抵抗層、前記非磁性層、前記軟磁性層の順に積層され、前記磁気抵抗層の下側にトラック幅方向に間隔を空けて前記反強磁性層が形成され、
前記反強磁性層と前記磁気抵抗層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７７】
また本発明における薄膜磁気ヘッドは、上記したいずれかに記載された前記磁気抵抗効果素子の上下にギャップ層を介してシールド層が形成されていることを特徴とするものである。
【００７８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の全体構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。
【００７９】
このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００８０】
図１の最も下に形成されているのはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層６である。前記下地層６は例えば５０Å程度の膜厚で形成される。
【００８１】
前記下地層６の上には、２層膜で形成されたフリー磁性層１が形成される。前記フリー磁性層１は、ＮｉＦｅ合金膜９とＣｏ膜１０の２層で形成される。図１に示すように前記Ｃｏ膜１０を非磁性中間層２と接する側に形成することにより、前記非磁性中間層２との界面での金属元素等の拡散を防止し、ΔＲ／Ｒ（抵抗変化率）を大きくすることができる。
【００８２】
なお前記ＮｉＦｅ合金膜９は、例えば前記Ｎｉを８０（ａｔ％）、Ｆｅを２０（ａｔ％）として形成する。また前記ＮｉＦｅ合金膜９の膜厚を例えば４５Å程度、Ｃｏ膜を５Å程度で形成する。また前記フリー磁性層１は単層で形成されてもよく、また後述する固定磁性層３と同様に２つの強磁性層の間に非磁性層を挟んだ構造のフェリ状態で形成されてもよい。
【００８３】
前記フリー磁性層１の上には非磁性中間層２が形成される。前記非磁性中間層２は、例えばＣｕで形成されている。なお本発明における磁気抵抗効果素子が、トンネル効果の原理を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の場合、前記非磁性中間層２は、例えばＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成される。
【００８４】
前記非磁性中間層２の上には固定磁性層３が形成される。前記固定磁性層３は、Ｃｏ膜１１とＲｕ膜１２とＣｏ膜１３とで形成され、反強磁性層４との界面での交換結合磁界により前記Ｃｏ膜１１とＣｏ膜１３の磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆるフェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層３の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層３と反強磁性層４との界面で発生する交換結合磁界を大きくすることができる。
【００８５】
なお前記Ｃｏ膜１１は例えば２０Å程度で形成され、Ｒｕ膜１２は８Å程度で形成され、Ｃｏ膜１３は１５Å程度で形成される。
【００８６】
なお前記固定磁性層３は３層膜で形成されなくても良く、例えば単層膜で形成されてもよい。また各層１１，１２，１３は、上記した磁性材料以外の材料によって形成してもよい。例えば層１１，１３に、Ｃｏ90Ｆｅ10（数値はａｔ％）を使用することができる。
【００８７】
前記固定磁性層３の上には反強磁性層４が形成されている。前記反強磁性層４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。
【００８８】
これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有する。特に白金族元素のうちＰｔを用いることが好ましい。例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金を使用することができる。
【００８９】
また本発明では、前記反強磁性層４を元素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とを含有する反強磁性材料で形成してもよい。
【００９０】
なお前記元素Ｘ′には、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、一つの結晶相内において、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。
【００９１】
侵入型固溶体あるいは置換型固溶体とすることで、前記Ｘ−Ｍｎ合金膜の格子定数に比べて、前記Ｘ−Ｍｎ−Ｘ′合金の格子定数を大きくすることができるので、前記固定磁性層３の格子定数との差を広げることができる。また特に置換型で固溶する元素Ｘ′を使用する場合は、前記元素Ｘ′の組成比が大きくなりすぎると、反強磁性としての特性が低下し、固定磁性層３との界面で発生する交換結合磁界が小さくなってしまう。特に本発明では、侵入型で固溶し、不活性ガスの希ガス元素（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち１種または２種以上）を元素Ｘ′として使用することが好ましいとしている。希ガス元素は不活性ガスなので、希ガス元素が、膜中に含有されても、反強磁性特性に大きく影響を与えることがなく、さらに、Ａｒなどは、スパッタガスとして従来からスパッタ装置内に導入されるガスであり、ガス圧を適正に調節するのみで、容易に、膜中にＡｒを侵入させることができる。
【００９２】
なお、元素Ｘ′にガス系の元素を使用した場合には、膜中に多量の元素Ｘ′を含有することは困難であるが、希ガスの場合においては、膜中に微量侵入させるだけで、熱処理によって発生する交換結合磁界を、飛躍的に大きくできる。
【００９３】
なお本発明では、好ましい前記元素Ｘ′の組成範囲は、ａｔ％で０．２から１０であり、より好ましくは、ａｔ％で、０．５から５である。また本発明では前記元素ＸはＰｔであることが好ましく、よってＰｔ−Ｍｎ−Ｘ′合金を使用することが好ましい。
【００９４】
前記反強磁性層４の上にはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された保護層７が形成されている。また前記保護層７には、Ｔａなどから成りその表面が酸化された酸化層が形成されていることが好ましい。
【００９５】
さらに前記下地層６から保護層７までの積層膜の両側にはハードバイアス層５及び導電層８が形成されている。前記ハードバイアス層５からのバイアス磁界によってフリー磁性層１の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。
【００９６】
前記ハードバイアス層５，５は、例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成されており、導電層８，８は、α−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。なお上記したトンネル型磁気抵抗効果素子の場合、前記導電層８，８は、フリー磁性層１の下側と、反強磁性層４の上側にそれぞれ形成されることになる。
【００９７】
上記した各層を積層した後、本発明では熱処理を施して反強磁性層４と固定磁性層３との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を発生させ、これにより前記固定磁性層３の磁化をハイト方向（図示Ｙ方向）に固定する。
【００９８】
この実施形態では前記反強磁性層４には、固定磁性層３との界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が配向している。このような結晶配向性は、成膜順序によるところが大きく、図１のように反強磁性層４を固定磁性層３の上に形成することで、前記反強磁性層４に｛１１１｝面以外の結晶面を配向させやすい。
【００９９】
また結晶配向性は、成膜順序のみならず反強磁性層４の組成比や成膜条件、さらには、下地層の存否などに影響を受ける。
【０１００】
また本発明では前記固定磁性層３は｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向するのに対し、前記反強磁性層４は｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向するか、または無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。
【０１０１】
あるいは本発明では、前記反強磁性層４及び固定磁性層３は共に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または共に無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。なお上記のように反強磁性層４と固定磁性層３との結晶配向性は、透過電子線回折像を調べることで判別できる。
【０１０２】
上記のような結晶配向を有すると、前記反強磁性層４の原子と固定磁性層３の原子とが界面でミスマッチしやすく、前記反強磁性層４の原子が前記固定磁性層の結晶構造に拘束されにくくなる。これにより前記反強磁性層４は熱処理によって、不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）に適切に変態しやすくなる。なお前記面心正方格子はＣｕＡｕ−Ｉ型であることが好ましい。
【０１０３】
また上記したミスマッチな状態とは前記界面で原子どうしが１対１に対向しない、いわゆる非整合状態である。この非整合状態は熱処理前及び後のどちらにも存在することが好ましい。
【０１０４】
ところで本発明では、前記反強磁性層４には双晶が形成され、少なくとも一部の前記双晶に形成された双晶境界は前記界面と非平行となっている。なおこの双晶境界の状態は熱処理後の状態である。
【０１０５】
前記双晶境界ではこれを境にして原子配列が鏡面対称に変化しているが、このような鏡面対称変化は、規則化変態のときに生じる格子歪を適切に緩和し得る。そして本発明のように前記双晶境界が前記界面と非平行であるとき、規則化変態のときに生じる界面と平行な方向への格子歪及び膜厚方向への格子歪を適切に緩和できており、効果的に前記規則化変態は促進されている。よって本発明では大きな交換結合磁界を得ることが可能になる。なお本発明における双晶境界を電子顕微鏡に写すと既に説明した図９ないし図１６のように見ることができる。
【０１０６】
すなわち図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１０７】
一方、熱処理後において前記反強磁性層に双晶境界が形成されていないとき、あるいは双晶境界は形成されているが、この双晶境界が前記界面と平行であるときは、特に前記界面と平行な方向への格子歪は適切に緩和できずに規則化変態は促進されていない。
【０１０８】
上記の場合、反強磁性層と固定磁性層とはエピタキシャル的な成長をし、前記反強磁性層の原子は前記固定磁性層の結晶構造に強固に拘束された状態にあるものと思われる。このため熱処理を施しても前記反強磁性層は前記界面と平行な方向への規則化変態が起こらず、かかる場合、本発明のように界面と非平行となる双晶境界は形成されない。
【０１０９】
なお本発明では、前記反強磁性層４の全体に双晶が形成されていなくても良く、少なくとも一部に形成されていればよい。また前記双晶の一部の双晶に前記界面と非平行にされた双晶境界が形成されていれば良い。
【０１１０】
また前記双晶境界は、双晶内に複数形成されている必要はなく、少なくとも一つ以上形成されていれば良い。
【０１１１】
また前記双晶内に複数の双晶境界が形成される場合、各双晶境界はほぼ平行に形成され、また各双晶境界の間隔もほぼ一定となることが好ましい。
【０１１２】
次に前記双晶境界と界面間の内角について説明する。前記双晶境界と前記界面間の内角は、前記反強磁性層４が如何なる結晶配向を持って形成されているかを評価する一つの指針となる。
【０１１３】
本発明では、前記双晶境界と前記界面間の内角は、１０°以上で６７°以下、あるいは７７°以上で９０°以下であることが好ましいとしたが、この範囲内であると前記反強磁性層４の少なくとも一部に｛１１１｝面配向していない結晶粒があることを意味する。前記内角が１０°以上で６７°以下となる実施例については図１０及び図１２、および図１６の下側の反強磁性層がこれに該当する。また前記内角が７７°以上で９０°以下になる実施例については図１４、および図１６の上側の反強磁性層がこれに該当する。
【０１１４】
なお本発明のように、反強磁性層４に形成された双晶境界を前記界面と非平行にするには、一つは前記反強磁性層４の組成が重要であり、その他に成膜条件が重要である。成膜条件とは熱処理温度や熱処理時間、および前記反強磁性層、強磁性層を成膜する際のＡｒガス圧、さらには基板とターゲット間の距離などである。前記成膜条件については、図９ないし図１６での実施例に一例として示したので参照されたい。
【０１１５】
次に本発明では、前記反強磁性層４及び前記固定磁性層３には粒界が形成され、前記粒界を境にして結晶方位が異なり、少なくとも一部の前記粒界、前記双晶境界、又は、前記粒界及び前記双晶境界は、前記強磁性層に形成された前記粒界と前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１１６】
これは、界面と非平行に双晶境界が形成された場合と同様に、前記反強磁性層４が熱処理によって適切に規則化変態したことを意味している。既に説明した実施例（図８ないし図１３を参照）を見てわかるように、反強磁性層４に形成された粒界及び双晶境界は、固定磁性層３に形成された粒界と前記界面で不連続であることがわかる。
【０１１７】
すなわち、図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１１８】
また本発明では、反強磁性層４及び固定磁性層３には、前記界面と平行な方向に向く結晶面内にある同じ結晶軸が存在したとき、前記結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層４及び固定磁性層３とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。これによって前記反強磁性層４と固定磁性層３とはエピタキシャル的に成長しづらく熱処理によって前記反強磁性層４は適切に規則化変態できる。
【０１１９】
また本発明では、図１のように反強磁性層４が固定磁性層３の上側に形成されているとき、反強磁性層を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は、４７（ａｔ％）以上で５７（ａｔ％）以下であることが好ましい。これによって、大きな交換結合磁界を得ることができる。具体的には、３．１６×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１２０】
なお前記元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は５０（ａｔ％）以上で５６（ａｔ％）以下であることがより好ましい。これによって具体的には、４．７４×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１２１】
図２は、図１とは異なり反強磁性層４が固定磁性層３の下側に形成された実施形態である。下から、下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２及びフリー磁性層１の順に積層されている。なお各層の材質等については図１で説明したものと同様である。
【０１２２】
この実施形態でも、前記反強磁性層４には、前記固定磁性層３との界面と非平行な双晶境界が形成されている。これによって前記反強磁性層４は熱処理によって適切に不規則格子から規則格子に変態しており、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１２３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１２４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１２５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１２６】
またこの実施形態でも、前記反強磁性層４には、前記界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が配向しているが、このような結晶配向を得るには、前記反強磁性層４の下側にＮｉＦｅやＮｉＦｅＣｒ等からなるシードレイヤを敷かない方が好ましい。前記シードレイヤを敷くとその上に形成される反強磁性層４は｛１１１｝面配向されやすくなるからである。
【０１２７】
なお前記反強磁性層４をＴａやＡｌ2Ｏ3等の下地層６や下部ギャップ層４１（図８を参照のこと）の上に形成することで、前記反強磁性層４を｛１１１｝面以外の結晶面に配向させやすい。
【０１２８】
ただしシードレイヤを敷いても、成膜条件や反強磁性層４の組成比などによって前記反強磁性層４を｛１１１｝面配向させないようにできる。既に説明した図１１がその例である。図１１では電子線回折像により前記反強磁性層は大部分が｛１１１｝面に配向しているが、一部に配向していない部分があった。また図１２に示す双晶境界と界面間の内角θ２は、約４２°であることから判断しても、前記反強磁性層は完全に｛１１１｝面配向していないことがわかる。
【０１２９】
また図２のように反強磁性層４を固定磁性層３の下に形成した場合、前記反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４４（ａｔ％）以上で５７（ａｔ％）以下であることが好ましい。具体的には、３．１６×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１３０】
なお前記元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は４６（ａｔ％）以上で５５（ａｔ％）以下であることがより好ましい。これによって具体的には、４．７４×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１３１】
次に図３は本発明における別のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１３２】
図３では下から下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２、フリー磁性層１が積層されている。
【０１３３】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１３４】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１３５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１３６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界及び／または粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１３７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１３８】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１３９】
また図３に示すように前記フリー磁性層１上には、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けてエクスチェンジバイアス層（反強磁性層）１６，１６が形成されている。
【０１４０】
なおこのエクスチェンジバイアス層１６は、Ｘ−Ｍｎ合金（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうちいずれか１種または２種以上の元素である）、好ましくはＰｔＭｎ合金、またはＸ―Ｍｎ―Ｘ′合金（ただし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）で形成されている。
【０１４１】
本発明では、前記エクスチェンジバイアス層１６には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層１６とフリー磁性層１との界面と非平行に形成されている。
【０１４２】
このため前記エクスチェンジバイアス層１６が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記エクスチェンジバイアス層１６は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１４３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１４４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１４５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１４６】
なお前記エクスチェンジバイアス層１６の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層１６の組成比等は、図１のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層４と同じである。
【０１４７】
前記フリー磁性層１の両側端部では、エクスチェンジバイアス層１６間での交換結合磁界によりフリー磁性層１が図示Ｘ方向に単磁区化され、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示Ｘ方向に適性に揃えられている。
【０１４８】
このようにして形成されたシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子では、図示Ｙ方向の外部磁界により、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化が図示Ｘ方向から図示Ｙ方向に変化する。このフリー磁性層１内での磁化の方向の変動と、固定磁性層３の固定磁化方向（図示Ｙ方向）との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０１４９】
図４は、本発明における他のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１５０】
図４に示すスピンバルブ型薄膜素子では、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けた一対のエクスチェンジバイアス層１６，１６が形成されている。
【０１５１】
前記一対のエクスチェンジバイアス層１６間は、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成された絶縁層１７によって埋められている。
【０１５２】
そして前記エクスチェンジバイアス層１６及び絶縁層１７上にはフリー磁性層１が形成されている。
【０１５３】
本発明では、前記エクスチェンジバイアス層１６には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層１６とフリー磁性層１との界面と非平行に形成されている。
【０１５４】
このため前記エクスチェンジバイアス層１６が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記エクスチェンジバイアス層１６は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１５５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１５６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１５７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１５８】
なお前記エクスチェンジバイアス層１６の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層１６の組成比等は、図２のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層４と同じである。
【０１５９】
前記フリー磁性層１の両側端部では、エクスチェンジバイアス層１６間での交換結合磁界により図示Ｘ方向に単磁区化され、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示Ｘ方向に適性に揃えられている。
【０１６０】
図４に示すように前記フリー磁性層１の上には非磁性中間層２が形成され、さらに前記非磁性中間層２の上には固定磁性層３が形成されている。さらに前記固定磁性層３の上には反強磁性層４が形成されている。
【０１６１】
図４に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１６２】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子の鏡面対処変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１６３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１６４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１６５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１６６】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図１のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１６７】
図５は本発明におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１６８】
図５に示すように、下から下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２、およびフリー磁性層１が連続して積層されている。前記フリー磁性層１は３層膜で形成され、例えばＣｏ膜１０，１０とＮｉＦｅ合金膜９で構成される。さらに前記フリー磁性層１の上には、非磁性中間層２、固定磁性層３、反強磁性層４、および保護層７が連続して積層されている。
【０１６９】
また、下地層６から保護層７までの多層膜の両側にはハードバイアス層５，５、導電層８，８が積層されている。なお、各層は図１及び図２で説明した材質と同じ材質で形成されている。
【０１７０】
この実施例では、フリー磁性層１よりも図示下側に位置する反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４４（ａｔ％）以上５７（ａｔ％）以上で形成されることが好ましく、より好ましくは４６（ａｔ％）以上５５（ａｔ％）以下である。
【０１７１】
またフリー磁性層１よりも図示上側に形成された反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４７（ａｔ％）以上５７（ａｔ％）以上で形成されることが好ましく、より好ましくは５０（ａｔ％）以上５６（ａｔ％）以下である。
【０１７２】
そして本発明では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１７３】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１７４】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１７５】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１７６】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１７７】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図１及び図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１７８】
図６、７は、本発明のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
図６に示すように、下から軟磁性層（ＳＡＬ層）１８、非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）１９、および磁気抵抗層（ＭＲ層）２０が連続して積層されている。
【０１７９】
例えば前記軟磁性層１８は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｎｂ合金、非磁性層１９は、Ｔａ膜、磁気抵抗層２０は、ＮｉＦｅ合金により形成されている。
【０１８０】
前記磁気抵抗層２０の上には、トラック幅Ｔｗを開けたトラック幅方向（Ｘ方向）の両側の部分にエクスチェンジバイアス層（反強磁性層）２１，２１が形成されている。導電層は図示しないが、例えば前記エクスチェンジバイアス層２１，２１の上に形成される。
【０１８１】
また図７では、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けて一対のエクスチェンジバイアス層２１，２１が形成され、前記一対のエクスチェンジバイアス層２１，２１間がＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成された絶縁層２６によって埋められている。
【０１８２】
そして前記エクスチェンジバイアス層２１，２１及び前記絶縁層２６上に、磁気抵抗層（ＭＲ層）２０、非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）１９、及び軟磁性層（ＳＡＬ層）１８が積層される。
【０１８３】
本発明では、図６及び図７に示すＡＭＲ型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層２１には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層２１と磁気抵抗層２０との界面と非平行に形成されている。
【０１８４】
このため前記エクスチェンジバイアス層２１が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１８５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１８６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１８７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１８８】
なお前記エクスチェンジバイアス層２１の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層２１の組成比等は、図１及び図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１８９】
上記した図６及び図７に示すＡＭＲ型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層２１，２１と磁気抵抗層２０との界面で発生する交換結合磁界により、図６、７に示す磁気抵抗層２０のＥ領域が、図示Ｘ方向に単磁区化される。そしてこれに誘発されて前記磁気抵抗層２０のＤ領域の磁化が図示Ｘ方向に揃えられる。また、検出電流が磁気抵抗層２０を流れる際に発生する電流磁界が、軟磁性層１８にＹ方向に印加され、軟磁性層１８がもたらす静磁結合エネルギーにより、磁気抵抗層２０のＤ領域に横バイアス磁界がＹ方向に与えられる。Ｘ方向に単磁区化された磁気抵抗層２０のＤ領域にこの横バイアス層が与えられることにより、磁気抵抗層２０のＤ領域の磁界変化に対する抵抗変化（磁気抵抗効果特性：Ｈ―Ｒ効果特性）が直線性を有する状態に設定される。
【０１９０】
記録媒体の移動方向はＺ方向であり、図示Ｙ方向に漏れ磁界が与えられると、磁気抵抗層２０のＤ領域の抵抗値が変化し、これが電圧変化として検出される。
【０１９１】
図８は、本発明における薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。符号４０はパーマロイやセンダストなどで形成された下部シールド層４０であり、前記下部シールド層４０の上には、アルミナなどで形成された下部ギャップ層４１を介して、図１ないし図７のいずれかで形成された磁気抵抗効果素子４２が成膜されている。さらに前記磁気抵抗効果素子４２の上にはアルミナなどで形成された上部ギャップ層４３を介してパーマロイなどで形成された上部シールド層４４が形成されている。
【０１９２】
この薄膜磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子４２を有する再生用のＭＲヘッドであるが、このＭＲヘッドの上に記録用のインダクティブヘッドが積層されていてもよい。前記インダクティブヘッドは、コア層とコイル層とを有して構成される。
【０１９３】
そして図８の構造では、再生特性の安定性に優れ、また抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きい薄膜磁気ヘッドを製造することができる。
【０１９４】
また本発明では、図９ないし図１６の実施例において反強磁性層は無配向（ランダム配向）であったが、例えば反強磁性層の結晶面が{１１１}面以外の結晶面に優先配向している場合でも、前記反強磁性層に形成された双晶境界が、強磁性層との界面に非平行であり、好ましくは、前記反強磁性層に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、強磁性層に形成された粒界とが前記界面で不連続とされたとき、前記反強磁性層を構成する反強磁性層材料は、適切に不規則格子から規則格子に変態し、大きな交換結合磁界が得られることに変わりがない。これは図１ないし図７に示すいずれの磁気抵抗効果素子の構造においても適用できるものである。
【０１９５】
【発明の効果】
以上のように詳述した本発明によれば、反強磁性層に形成された少なくとも一部の双晶には、双晶境界が強磁性層との界面に非平行に形成されている。これによって前記反強磁性層が規則化変態しようとするとき、前記界面と平行な方向における格子歪を、原子が鏡面対称に変化することで緩和でき、よって前記反強磁性層の規則化変態を効果的に促進でき、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１９６】
また本発明における交換結合膜は様々な磁気抵抗効果素子に適用でき、前記交換結合膜を有する磁気抵抗効果素子、及び薄膜磁気ヘッドであれば、今後の高記録密度化に適切に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】本発明の第２実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図３】本発明の第３実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図４】本発明の第４実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図５】本発明の第５実施形態のデュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図６】本発明の第６実施形態のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図７】本発明の第７実施形態のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図８】本発明における薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図、
【図９】第１実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１０】図９の模式図、
【図１１】第２実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１２】図１１の部分模式図、
【図１３】第３実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１４】図１３の部分模式図、
【図１５】第４実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１６】図１５の部分模式図、
【図１７】比較例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１８】図１７の部分模式図、
【図１９】従来のスピンバルブ膜（交換結合膜）を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真の模式図、
【符号の説明】
１ フリー磁性層
２ 非磁性中間層
３ 固定磁性層（強磁性層）
４ 反強磁性層
５ ハードバイアス層
６ 下地層
７ 保護層
８ 導電層
１８ 軟磁性層（ＳＡＬ層）
１９ 非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）
２０ 磁気抵抗層（ＭＲ層）
４２ 磁気抵抗効果素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とから成り、前記反強磁性層と強磁性層との界面にて発生する交換結合磁界により、前記強磁性層の磁化方向が一定の方向に固定される交換結合膜に係り、特に大きい前記交換結合磁界が得られるようにした交換結合膜およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子（スピンバルブ型薄膜素子、ＡＭＲ素子）、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピンバルブ型薄膜素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（giant magnetoresistive）素子の１種であり、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。
【０００３】
このスピンバルブ型薄膜素子は、ＧＭＲ素子の中でも比較的構造が単純で、しかも弱い磁界で抵抗が変化するなど、いくつかの優れた点を有している。
【０００４】
前記スピンバルブ型薄膜素子は、最も単純な構造で、反強磁性層、固定磁性層、非磁性中間層およびフリー磁性層から成る。
【０００５】
前記反強磁性層と固定磁性層とは接して形成され、前記反強磁性層と固定磁性層との界面にて発生する交換異方性磁界により、前記固定磁性層の磁化方向は一定方向に単磁区化され固定される。
【０００６】
フリー磁性層の磁化は、その両側に形成されたバイアス層により、前記固定磁性層の磁化方向とほぼ交叉する方向に揃えられる。
【０００７】
そして前記フリー磁性層の磁化が記録媒体からの漏れ磁界により変動することにより、前記固定磁性層との磁化の関係で電気抵抗が変化し、これによって前記漏れ磁界が再生される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで前述した交換結合磁界は、前記反強磁性層及び固定磁性層を積層し、熱処理を施したとき、前記反強磁性層が不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）へ変態することにより発生することが知られている。
【０００９】
そこで本発明者らは、各層を積層し、熱処理を施した後に、前記反強磁性層の結晶内部の状態が以下のような状態に置かれているとき、前記反強磁性層は適切に規則化変態をしておらず、前記反強磁性層と前記強磁性層との間に発生する交換結合磁界が非常に小さくなることを見出した。
【００１０】
図１９は、従来における前記反強磁性層及び固定磁性層の積層構造の膜厚方向からの断面を電子顕微鏡で撮影し、その写真を模式図的に示したものである。なお各図は熱処理を施した後の状態である。
【００１１】
図１９では反強磁性層５３は例えばＰｔＭｎ合金で形成されており、強磁性層５４は、例えばＮｉＦｅ合金などで形成されている。
【００１２】
また図１９の前記反強磁性層５３には、界面から上面にかけて延びる粒界５５が形成されている。なお前記粒界５５を境にしてその両側に形成された結晶粒は互いに結晶方位が異なっている。
【００１３】
また図１９の反強磁性層５３には双晶５６が形成されている。ここで双晶とは、１つの物質の単結晶が２つ以上、互いに特定の対称関係に従って結合している一固体をいう。そして図１９では前記双晶５６に前記反強磁性層５３と強磁性層５４との界面と平行な方向（図示Ｘ方向）に向く双晶境界５７が形成され、双晶境界５７を境にして原子配列が鏡面対称となっている。
【００１４】
図１９のように双晶境界５７が形成されている場合、大きな交換結合磁界を得られるものと期待された。前記双晶境界５７が形成されていると、この部分で原子配列が鏡面対称に変化したことで、規則化変態のときに生じた格子歪が緩和され、その結果前記規則化変態が適切に促進されているものと考えられたのである。
【００１５】
しかし図１９に示す交換結合膜では非常に低い交換結合磁界しか得られないことがわかった。これは、前記双晶境界５７が前記反強磁性層５３と強磁性層５４との界面と平行な方向に向いて形成されているためであると考えられる。
【００１６】
このように前記界面と平行な方向に形成された前記双晶境界５７は、膜厚方向（図示Ｚ方向）に生じた格子歪を緩和すべく形成されたものであり、従って前記界面と平行な方向への格子歪は緩和されておらず、結局、規則化変態は適切に起こっていないものと考えられる。
【００１７】
すなわち図１９では、界面での前記反強磁性層５３の原子は強磁性層５４の結晶構造に強固に拘束された状態にあり、前記界面での規則化変態は適切に起こらず、この結果、交換結合磁界は非常に小さくなるものと思われる。
【００１８】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に反強磁性層に形成された双晶境界を前記界面と非平行に形成することで、大きい交換異方性磁界を発生することができるようにした交換結合膜、およびこの交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子、ならびに前記磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドに関する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と前記強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記反強磁性層は、前記界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または無配向（ランダム配向）となっており、且つ前記反強磁性層は面心正方格子の結晶構造であり、
前記反強磁性層には少なくとも一部に双晶が形成され、少なくとも一部の前記双晶には双晶境界が前記界面と非平行に形成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明では、上記交換結合膜を成膜して熱処理を施した後、上記のような双晶境界が現れたとき、成膜段階では前記反強磁性層の原子は強磁性層の結晶構造に拘束された状態にないと考えられる。このように界面での拘束力が弱くなると、前記反強磁性層は熱処理によって不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）に変態しやすくなるが、この変態の際には格子歪が発生するため、この格子歪を適切に緩和できないと、前記変態を効果的に起すことはできない。変態をするときには反強磁性層の原子が不規則格子から規則格子への再配列を起し、このとき生じる格子歪を、短い距離間隔で原子配列が鏡面対称に変化していくことで緩和していくと考えられる。熱処理後、前記鏡面対称変化の境は双晶境界となり、このような双晶境界が形成されていることは、いわば熱処理を施したときに規則化変態が起こっていることを意味する。
【００２１】
ここで反強磁性層と強磁性層との界面付近では、前記界面と平行な方向に原子が再配列するときに生じる格子歪を緩和するため、前記界面と交わる方向に前記双晶境界が形成される。このため全体的に適切な規則化変態が起きたとき前記双晶境界は前記界面と非平行に形成される。これが本発明であり、本発明のように界面と非平行に双晶境界が形成された場合、非常に大きな交換結合磁界を得ることが可能になる。一方、前記界面と平行な方向に原子が再配列できないとき、すなわち界面において前記反強磁性層の原子が強磁性層の結晶構造に強固に拘束されているときなどは、前記界面と交わるように双晶境界は形成されない。かかる場合、前記双晶境界は形成されなかったり、あるいは前記界面と平行な双晶境界が形成されたりするのである。
【００２２】
ここで本発明では、以下の実施例としてのスピンバルブ膜、および比較例としてのスピンバルブ膜を成膜し、各スピンバルブ膜の結晶内部の状態を透過電子顕微鏡で調べた。
【００２３】
図９は、反強磁性層を強磁性層よりも上側に形成した実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００２４】
図９に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（５０）／フリー磁性層：［Ｎｉ80Ｆｅ20（６０）／Ｃｏ（１０）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：Ｃｏ（２５）／反強磁性層：Ｐｔ52Ｍｎ48（３００）／Ｔａ（５０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、フリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００２５】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００２６】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２５０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００２７】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は全体的に無配向（ランダム配向）となっており、強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であることがわかった。
【００２８】
図１０は図９に示す反強磁性層の結晶内部の状態を示す模式図である。図１０に示すように前記反強磁性層（ＰｔＭｎ）には、前記界面から上面に延びる複数の粒界（１）が形成され、同様に強磁性層（ＮｉＦｅ／Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ）にも複数の粒界（３）が形成されている。前記粒界（１）（３）を挟んだ両側の結晶粒は前記粒界（１）（３）を境にして結晶方位が異なった状態になっている。
【００２９】
前記反強磁性層には、双晶（４）が形成されている。双晶とは、１つの物質の単結晶が２つ以上、互いに特定の対称関係に従って結合している一固体をいう。そして前記双晶（４）内には、複数の双晶境界（２）が形成されている。前記双晶境界（２）では、原子配列が鏡面対称に変化している。また前記双晶境界（２）は前記界面と非平行であることがわかる。
【００３０】
図９，１０に示す実施例のように、前記反強磁性層に形成された双晶境界が前記界面と非平行であるとき、前記反強磁性層は不規則格子から規則格子に適切に変態をしたものと認められ、大きな交換結合磁界を得ることができる。実験の結果、図９に示すスピンバルブ膜では、約５．２×１０4（Ａ／ｍ）の交換結合磁界を得ることができた。
【００３１】
図１１は、反強磁性層を強磁性層より下側に形成した別の実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００３２】
図１１に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（１５）／シードレイヤ：Ｎｉ48Ｆｅ12Ｃｒ40（３５）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１６０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（１４）／Ｒｕ（９）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２２）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層：［Ｃｏ90Ｆｅ10（１０）／Ｎｉ80Ｆｅ20（４０）］／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。またシードレイヤ、反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００３３】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を４ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を７０ｍｍとした。
【００３４】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００３５】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は大部分が｛１１１｝面配向していたが、｛１１１｝面に配向していない部分があった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であった。
【００３６】
図１１の模式図を図１２に示す。反強磁性層（ＰｔＭｎ）および強磁性層（ＣｏＦｅ…）には共に粒界（５）および（６）が形成されている。また前記反強磁性層には双晶（８）が形成され、前記双晶（８）内には双晶境界（７）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約９．６×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００３７】
図１３は、反強磁性層を強磁性層より下側に形成した別の実施例におけるスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００３８】
図１３に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（３０）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（１５）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２５）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／フリー磁性層：［Ｃｏ90Ｆｅ10（５）／Ｎｉ80Ｆｅ20（４５）］／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００３９】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００４０】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００４１】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は無配向（ランダム配向）だった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）も無配向であった。
【００４２】
図１３の模式図を図１４に示す。反強磁性層（ＰｔＭｎ）には双晶（９）が形成され、前記双晶（９）内には双晶境界（１０）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約１２．６×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００４３】
図１５は実施例のデュアルスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００４４】
図１５に示すデュアルスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3膜／Ｔａ（３０）／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（２０）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２５）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／フリー磁性層：Ｃｏ90Ｆｅ10（２０）／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：［Ｃｏ90Ｆe10（２５）／Ｒｕ（８）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２０）］／反強磁性層：Ｐｔ50Ｍｎ50（１４０）／Ｔａ（３０）の順に積層している。また括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また反強磁性層、固定磁性層、およびフリー磁性層の組成比はａｔ％である。
【００４５】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を３ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を８０ｍｍとした。
【００４６】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２７０℃で４時間の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００４７】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層は無配向（ランダム配向）だった。また強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ90Ｆe10（固定磁性層）を指す）も無配向であった。
【００４８】
図１５の模式図を図１６に示す。上側及び下側の反強磁性層（ＰｔＭｎ）には共に双晶（１８）が形成され、前記双晶（１８）内には双晶境界（１５）（１６）が前記界面と非平行に形成されていることがわかる。なお交換結合磁界は、約１８．２×１０4（Ａ／ｍ）であった。
【００４９】
次に図１７は、比較例としてのスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真である。
【００５０】
図１７に示すスピンバルブ膜の膜構成は以下の通りである。すなわち基板上に、Ａｌ2Ｏ3／Ｔａ（５０）／フリー磁性層：［Ｎｉ80Ｆｅ20（６０）／Ｃｏ（１０）］／非磁性中間層：Ｃｕ（２５）／固定磁性層：Ｃｏ（２５）／反強磁性層：Ｐｔ44.5Ｍｎ55.5（３００）／Ｔａ（５０）の順に積層している。なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。また前記フリー磁性層および反強磁性層の組成比はａｔ％である。
【００５１】
前記反強磁性層、および固定磁性層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行い、前記２層の成膜の際に使用されるＡｒガスのガス圧を０．８ｍＴｏｒｒとした。また前記反強磁性層を成膜するとき、基板とターゲット間の距離を４５ｍｍとした。
【００５２】
そして上記の膜構成のスピンバルブ型薄膜素子を成膜した後、２５０℃で４時間以上の熱処理を施した。なお熱処理真空度を１０-7Ｔｏｒｒとした。
【００５３】
なお電子線回折像の結果、反強磁性層及び強磁性層（ここでは特にｆｃｃ−Ｃｏ（固定磁性層）を指す）は｛１１１｝面配向であった。
【００５４】
図１８は図１７の模式図である。強磁性層（Ｃｏ…）および反強磁性層（ＰｔＭｎ）には共に粒界（１１）（１２）が形成されている。また前記反強磁性層には双晶（１４）が形成され、前記双晶（１４）内には双晶境界（１３）が複数形成されていることがわかる。
【００５５】
この比較例では前記双晶境界（１３）が強磁性層との界面と平行であることがわかる。このように前記双晶境界（１３）が前記界面と平行であると、前記反強磁性層は前記界面と平行な方向に適切に規則化変態が起こっておらず、交換結合磁界は小さくなる。
【００５６】
図１７に示す比較例では、交換結合磁界は、約０．５５×１０4（Ａ／ｍ）であり、実施例に比べて前記交換結合磁界の値は非常に小さくなることがわかった。
【００５７】
ところで本発明のように、反強磁性層に形成された双晶境界を強磁性層との界面と非平行にするには、一つは前記反強磁性層の組成が重要であり、その他に成膜条件が重要である。成膜条件とは熱処理温度や熱処理時間、および前記反強磁性層、強磁性層を成膜する際のＡｒガス圧、さらには基板とターゲット間の距離、基板温度、成膜速度、基板バイアス電圧などである。
【００５８】
また本発明における双晶境界の非平行状態は、熱処理を施した後の状態である。成膜段階において前記双晶境界が形成されているか否かは重要なことではない。すなわち成膜段階において双晶境界が形成されていなくても熱処理を施すことで本発明のように界面と非平行にされた双晶境界が現れることがある。
【００５９】
また本発明では、前記双晶境界と前記界面間の内角は、１０°以上で６７°以下、あるいは７７°以上で９０°以下であることが好ましい。前記内角がこの範囲内である場合、前記反強磁性層には、界面と平行な方向の少なくとも一部に｛１１１｝面以外の結晶面が配向している。
【００６０】
なお図９に示す実施例では前記内角θ（図１０参照）は約３６°であり、図１１に示す実施例では前記内角θ（図１２参照）は約４２°であり、図１３に示す実施例では前記内角θ（図１４参照）は約８７°であり、図１５に示す実施例では下側に形成された反強磁性層の内角θ（図１６参照）が２２°、上側に形成された反強磁性層の内角θが約８５°であった。
【００６１】
また本発明では、前記反強磁性層及び前記強磁性層には粒界が形成され、前記粒界を境にして結晶方位が異なり、前記反強磁性層に形成された少なくとも一部の前記粒界、前記双晶境界、又は、前記粒界及び前記双晶境界は、前記強磁性層に形成された前記粒界と前記界面で不連続であることが好ましい。
【００６２】
図９ないし図１６に示す実施例では共に、反強磁性層に形成された粒界（１）（５）（２０）と強磁性層に形成された粒界（３）（６）（１７）は、界面では不連続であることがわかる。また前記反強磁性層に形成された双晶境界（２）（７）（１０）（１５）（１６）も前記強磁性層に形成された粒界（３）（６）（１９）（１７）と前記界面で不連続であることがわかる。
【００６３】
一方、図１７に示す比較例では、反強磁性層に形成された粒界（１２）と強磁性層に形成された粒界（１１）とが界面で連続していることがわかる。
【００６４】
本発明のように、反強磁性層及び強磁性層の粒界が界面で不連続であると、熱処理によって前記反強磁性層は不規則格子から規則格子に適切に変態しており、大きな交換結合磁界を得ることができる。一方、比較例のように反強磁性層及び強磁性層の粒界が界面で連続していると、成膜段階において、前記反強磁性層及び強磁性層はエピタキシャル的に成長しており、従って熱処理を施しても前記反強磁性層は適切に規則化変態を起せず、小さな交換結合磁界しか得ることができないのである。
【００６５】
また本発明では、前記強磁性層は、代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向することが好ましい。
【００６６】
あるいは、前記反強磁性層及び前記強磁性層が共に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または共に無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。
【００６７】
上記のような結晶配向であると前記反強磁性層及び強磁性層はエピタキシャル的に成長しにくく、界面で前記反強磁性層の原子は強磁性層の結晶構造に拘束されず、熱処理によって前記反強磁性層は規則化変態しやすい。
【００６８】
なお結晶配向の調整は、成膜順序や、下地層の存否、反強磁性層の組成比、成膜条件などによって行なわれる。
【００６９】
また本発明では前記反強磁性層は、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ていることが好ましい。
【００７０】
あるいは前記反強磁性層は、元素Ｘと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、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とを含有する反強磁性材料で形成されていることが好ましい。この場合、前記反強磁性材料は、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に元素Ｘ′が侵入した侵入型固溶体であり、あるいは、元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部が、元素Ｘ′に置換された置換型固溶体であることが好ましい。
【００７２】
本発明では、上記した交換結合膜を様々な磁気抵抗効果素子に適用することができる。
【００７３】
本発明は反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７４】
また本発明は反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、
下から前記反強磁性層、前記固定磁性層、前記非磁性中間層、前記フリー磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の上側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性のエクスチェンジバイアス層が形成され、
又は、下から前記フリー磁性層、前記非磁性中間層、前記固定磁性層、前記反強磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の下側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性の前記エクスチェンジバイアス層が形成され、
前記エクスチェンジバイアス層と前記フリー磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成され、前記フリー磁性層の磁化が一定方向にされることを特徴とするものである。
【００７５】
さらに本発明は、フリー磁性層の上下に積層された非磁性中間層と、上側の前記非磁性中間層の上および下側の前記非磁性中間層の下に位置する固定磁性層と、上側の前記固定磁性層の上および下側の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７６】
また本発明は、下から、軟磁性層、非磁性層、磁気抵抗層の順に積層され、前記磁気抵抗層の上側にトラック幅方向に間隔を空けて反強磁性層が形成され、又は、下から、前記磁気抵抗層、前記非磁性層、前記軟磁性層の順に積層され、前記磁気抵抗層の下側にトラック幅方向に間隔を空けて前記反強磁性層が形成され、
前記反強磁性層と前記磁気抵抗層とが、上記したいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とするものである。
【００７７】
また本発明における薄膜磁気ヘッドは、上記したいずれかに記載された前記磁気抵抗効果素子の上下にギャップ層を介してシールド層が形成されていることを特徴とするものである。
【００７８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の全体構造を記録媒体との対向面側から見た断面図である。なお、図１ではＸ方向に延びる素子の中央部分のみを破断して示している。
【００７９】
このシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向はＺ方向であり、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向はＹ方向である。
【００８０】
図１の最も下に形成されているのはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層６である。前記下地層６は例えば５０Å程度の膜厚で形成される。
【００８１】
前記下地層６の上には、２層膜で形成されたフリー磁性層１が形成される。前記フリー磁性層１は、ＮｉＦｅ合金膜９とＣｏ膜１０の２層で形成される。図１に示すように前記Ｃｏ膜１０を非磁性中間層２と接する側に形成することにより、前記非磁性中間層２との界面での金属元素等の拡散を防止し、ΔＲ／Ｒ（抵抗変化率）を大きくすることができる。
【００８２】
なお前記ＮｉＦｅ合金膜９は、例えば前記Ｎｉを８０（ａｔ％）、Ｆｅを２０（ａｔ％）として形成する。また前記ＮｉＦｅ合金膜９の膜厚を例えば４５Å程度、Ｃｏ膜を５Å程度で形成する。また前記フリー磁性層１は単層で形成されてもよく、また後述する固定磁性層３と同様に２つの強磁性層の間に非磁性層を挟んだ構造のフェリ状態で形成されてもよい。
【００８３】
前記フリー磁性層１の上には非磁性中間層２が形成される。前記非磁性中間層２は、例えばＣｕで形成されている。なお本発明における磁気抵抗効果素子が、トンネル効果の原理を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の場合、前記非磁性中間層２は、例えばＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成される。
【００８４】
前記非磁性中間層２の上には固定磁性層３が形成される。前記固定磁性層３は、Ｃｏ膜１１とＲｕ膜１２とＣｏ膜１３とで形成され、反強磁性層４との界面での交換結合磁界により前記Ｃｏ膜１１とＣｏ膜１３の磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆるフェリ磁性結合状態と呼ばれ、この構成により固定磁性層３の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層３と反強磁性層４との界面で発生する交換結合磁界を大きくすることができる。
【００８５】
なお前記Ｃｏ膜１１は例えば２０Å程度で形成され、Ｒｕ膜１２は８Å程度で形成され、Ｃｏ膜１３は１５Å程度で形成される。
【００８６】
なお前記固定磁性層３は３層膜で形成されなくても良く、例えば単層膜で形成されてもよい。また各層１１，１２，１３は、上記した磁性材料以外の材料によって形成してもよい。例えば層１１，１３に、Ｃｏ90Ｆｅ10（数値はａｔ％）を使用することができる。
【００８７】
前記固定磁性層３の上には反強磁性層４が形成されている。前記反強磁性層４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。
【００８８】
これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有する。特に白金族元素のうちＰｔを用いることが好ましい。例えば二元系で形成されたＰｔＭｎ合金を使用することができる。
【００８９】
また本発明では、前記反強磁性層４を元素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とを含有する反強磁性材料で形成してもよい。
【００９０】
なお前記元素Ｘ′には、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に侵入し、または元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部と置換する元素を用いることが好ましい。ここで固溶体とは、一つの結晶相内において、均一に成分が混ざり合った固体のことを指している。
【００９１】
侵入型固溶体あるいは置換型固溶体とすることで、前記Ｘ−Ｍｎ合金膜の格子定数に比べて、前記Ｘ−Ｍｎ−Ｘ′合金の格子定数を大きくすることができるので、前記固定磁性層３の格子定数との差を広げることができる。また特に置換型で固溶する元素Ｘ′を使用する場合は、前記元素Ｘ′の組成比が大きくなりすぎると、反強磁性としての特性が低下し、固定磁性層３との界面で発生する交換結合磁界が小さくなってしまう。特に本発明では、侵入型で固溶し、不活性ガスの希ガス元素（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち１種または２種以上）を元素Ｘ′として使用することが好ましいとしている。希ガス元素は不活性ガスなので、希ガス元素が、膜中に含有されても、反強磁性特性に大きく影響を与えることがなく、さらに、Ａｒなどは、スパッタガスとして従来からスパッタ装置内に導入されるガスであり、ガス圧を適正に調節するのみで、容易に、膜中にＡｒを侵入させることができる。
【００９２】
なお、元素Ｘ′にガス系の元素を使用した場合には、膜中に多量の元素Ｘ′を含有することは困難であるが、希ガスの場合においては、膜中に微量侵入させるだけで、熱処理によって発生する交換結合磁界を、飛躍的に大きくできる。
【００９３】
なお本発明では、好ましい前記元素Ｘ′の組成範囲は、ａｔ％で０．２から１０であり、より好ましくは、ａｔ％で、０．５から５である。また本発明では前記元素ＸはＰｔであることが好ましく、よってＰｔ−Ｍｎ−Ｘ′合金を使用することが好ましい。
【００９４】
前記反強磁性層４の上にはＴａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された保護層７が形成されている。また前記保護層７には、Ｔａなどから成りその表面が酸化された酸化層が形成されていることが好ましい。
【００９５】
さらに前記下地層６から保護層７までの積層膜の両側にはハードバイアス層５及び導電層８が形成されている。前記ハードバイアス層５からのバイアス磁界によってフリー磁性層１の磁化はトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃えられる。
【００９６】
前記ハードバイアス層５，５は、例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成されており、導電層８，８は、α−Ｔａ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ（銅）やＷ（タングステン）などで形成されている。なお上記したトンネル型磁気抵抗効果素子の場合、前記導電層８，８は、フリー磁性層１の下側と、反強磁性層４の上側にそれぞれ形成されることになる。
【００９７】
上記した各層を積層した後、本発明では熱処理を施して反強磁性層４と固定磁性層３との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を発生させ、これにより前記固定磁性層３の磁化をハイト方向（図示Ｙ方向）に固定する。
【００９８】
この実施形態では前記反強磁性層４には、固定磁性層３との界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が配向している。このような結晶配向性は、成膜順序によるところが大きく、図１のように反強磁性層４を固定磁性層３の上に形成することで、前記反強磁性層４に｛１１１｝面以外の結晶面を配向させやすい。
【００９９】
また結晶配向性は、成膜順序のみならず反強磁性層４の組成比や成膜条件、さらには、下地層の存否などに影響を受ける。
【０１００】
また本発明では前記固定磁性層３は｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向するのに対し、前記反強磁性層４は｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向するか、または無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。
【０１０１】
あるいは本発明では、前記反強磁性層４及び固定磁性層３は共に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または共に無配向（ランダム配向）になっていることが好ましい。なお上記のように反強磁性層４と固定磁性層３との結晶配向性は、透過電子線回折像を調べることで判別できる。
【０１０２】
上記のような結晶配向を有すると、前記反強磁性層４の原子と固定磁性層３の原子とが界面でミスマッチしやすく、前記反強磁性層４の原子が前記固定磁性層の結晶構造に拘束されにくくなる。これにより前記反強磁性層４は熱処理によって、不規則格子（面心立方格子）から規則格子（面心正方格子）に適切に変態しやすくなる。なお前記面心正方格子はＣｕＡｕ−Ｉ型であることが好ましい。
【０１０３】
また上記したミスマッチな状態とは前記界面で原子どうしが１対１に対向しない、いわゆる非整合状態である。この非整合状態は熱処理前及び後のどちらにも存在することが好ましい。
【０１０４】
ところで本発明では、前記反強磁性層４には双晶が形成され、少なくとも一部の前記双晶に形成された双晶境界は前記界面と非平行となっている。なおこの双晶境界の状態は熱処理後の状態である。
【０１０５】
前記双晶境界ではこれを境にして原子配列が鏡面対称に変化しているが、このような鏡面対称変化は、規則化変態のときに生じる格子歪を適切に緩和し得る。そして本発明のように前記双晶境界が前記界面と非平行であるとき、規則化変態のときに生じる界面と平行な方向への格子歪及び膜厚方向への格子歪を適切に緩和できており、効果的に前記規則化変態は促進されている。よって本発明では大きな交換結合磁界を得ることが可能になる。なお本発明における双晶境界を電子顕微鏡に写すと既に説明した図９ないし図１６のように見ることができる。
【０１０６】
すなわち図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１０７】
一方、熱処理後において前記反強磁性層に双晶境界が形成されていないとき、あるいは双晶境界は形成されているが、この双晶境界が前記界面と平行であるときは、特に前記界面と平行な方向への格子歪は適切に緩和できずに規則化変態は促進されていない。
【０１０８】
上記の場合、反強磁性層と固定磁性層とはエピタキシャル的な成長をし、前記反強磁性層の原子は前記固定磁性層の結晶構造に強固に拘束された状態にあるものと思われる。このため熱処理を施しても前記反強磁性層は前記界面と平行な方向への規則化変態が起こらず、かかる場合、本発明のように界面と非平行となる双晶境界は形成されない。
【０１０９】
なお本発明では、前記反強磁性層４の全体に双晶が形成されていなくても良く、少なくとも一部に形成されていればよい。また前記双晶の一部の双晶に前記界面と非平行にされた双晶境界が形成されていれば良い。
【０１１０】
また前記双晶境界は、双晶内に複数形成されている必要はなく、少なくとも一つ以上形成されていれば良い。
【０１１１】
また前記双晶内に複数の双晶境界が形成される場合、各双晶境界はほぼ平行に形成され、また各双晶境界の間隔もほぼ一定となることが好ましい。
【０１１２】
次に前記双晶境界と界面間の内角について説明する。前記双晶境界と前記界面間の内角は、前記反強磁性層４が如何なる結晶配向を持って形成されているかを評価する一つの指針となる。
【０１１３】
本発明では、前記双晶境界と前記界面間の内角は、１０°以上で６７°以下、あるいは７７°以上で９０°以下であることが好ましいとしたが、この範囲内であると前記反強磁性層４の少なくとも一部に｛１１１｝面配向していない結晶粒があることを意味する。前記内角が１０°以上で６７°以下となる実施例については図１０及び図１２、および図１６の下側の反強磁性層がこれに該当する。また前記内角が７７°以上で９０°以下になる実施例については図１４、および図１６の上側の反強磁性層がこれに該当する。
【０１１４】
なお本発明のように、反強磁性層４に形成された双晶境界を前記界面と非平行にするには、一つは前記反強磁性層４の組成が重要であり、その他に成膜条件が重要である。成膜条件とは熱処理温度や熱処理時間、および前記反強磁性層、強磁性層を成膜する際のＡｒガス圧、さらには基板とターゲット間の距離などである。前記成膜条件については、図９ないし図１６での実施例に一例として示したので参照されたい。
【０１１５】
次に本発明では、前記反強磁性層４及び前記固定磁性層３には粒界が形成され、前記粒界を境にして結晶方位が異なり、少なくとも一部の前記粒界、前記双晶境界、又は、前記粒界及び前記双晶境界は、前記強磁性層に形成された前記粒界と前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１１６】
これは、界面と非平行に双晶境界が形成された場合と同様に、前記反強磁性層４が熱処理によって適切に規則化変態したことを意味している。既に説明した実施例（図８ないし図１３を参照）を見てわかるように、反強磁性層４に形成された粒界及び双晶境界は、固定磁性層３に形成された粒界と前記界面で不連続であることがわかる。
【０１１７】
すなわち、図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１１８】
また本発明では、反強磁性層４及び固定磁性層３には、前記界面と平行な方向に向く結晶面内にある同じ結晶軸が存在したとき、前記結晶軸の少なくとも一部が、前記反強磁性層４及び固定磁性層３とで互いに異なる方向を向いていることが好ましい。これによって前記反強磁性層４と固定磁性層３とはエピタキシャル的に成長しづらく熱処理によって前記反強磁性層４は適切に規則化変態できる。
【０１１９】
また本発明では、図１のように反強磁性層４が固定磁性層３の上側に形成されているとき、反強磁性層を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は、４７（ａｔ％）以上で５７（ａｔ％）以下であることが好ましい。これによって、大きな交換結合磁界を得ることができる。具体的には、３．１６×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１２０】
なお前記元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は５０（ａｔ％）以上で５６（ａｔ％）以下であることがより好ましい。これによって具体的には、４．７４×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１２１】
図２は、図１とは異なり反強磁性層４が固定磁性層３の下側に形成された実施形態である。下から、下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２及びフリー磁性層１の順に積層されている。なお各層の材質等については図１で説明したものと同様である。
【０１２２】
この実施形態でも、前記反強磁性層４には、前記固定磁性層３との界面と非平行な双晶境界が形成されている。これによって前記反強磁性層４は熱処理によって適切に不規則格子から規則格子に変態しており、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１２３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１２４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１２５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１２６】
またこの実施形態でも、前記反強磁性層４には、前記界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が配向しているが、このような結晶配向を得るには、前記反強磁性層４の下側にＮｉＦｅやＮｉＦｅＣｒ等からなるシードレイヤを敷かない方が好ましい。前記シードレイヤを敷くとその上に形成される反強磁性層４は｛１１１｝面配向されやすくなるからである。
【０１２７】
なお前記反強磁性層４をＴａやＡｌ2Ｏ3等の下地層６や下部ギャップ層４１（図８を参照のこと）の上に形成することで、前記反強磁性層４を｛１１１｝面以外の結晶面に配向させやすい。
【０１２８】
ただしシードレイヤを敷いても、成膜条件や反強磁性層４の組成比などによって前記反強磁性層４を｛１１１｝面配向させないようにできる。既に説明した図１１がその例である。図１１では電子線回折像により前記反強磁性層は大部分が｛１１１｝面に配向しているが、一部に配向していない部分があった。また図１２に示す双晶境界と界面間の内角θ２は、約４２°であることから判断しても、前記反強磁性層は完全に｛１１１｝面配向していないことがわかる。
【０１２９】
また図２のように反強磁性層４を固定磁性層３の下に形成した場合、前記反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４４（ａｔ％）以上で５７（ａｔ％）以下であることが好ましい。具体的には、３．１６×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１３０】
なお前記元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比（原子％）は４６（ａｔ％）以上で５５（ａｔ％）以下であることがより好ましい。これによって具体的には、４．７４×１０4（Ａ／ｍ）以上の交換結合磁界を得ることが可能である。
【０１３１】
次に図３は本発明における別のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１３２】
図３では下から下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２、フリー磁性層１が積層されている。
【０１３３】
図３に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１３４】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１３５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１３６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界及び／または粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１３７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１３８】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１３９】
また図３に示すように前記フリー磁性層１上には、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けてエクスチェンジバイアス層（反強磁性層）１６，１６が形成されている。
【０１４０】
なおこのエクスチェンジバイアス層１６は、Ｘ−Ｍｎ合金（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうちいずれか１種または２種以上の元素である）、好ましくはＰｔＭｎ合金、またはＸ―Ｍｎ―Ｘ′合金（ただし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）で形成されている。
【０１４１】
本発明では、前記エクスチェンジバイアス層１６には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層１６とフリー磁性層１との界面と非平行に形成されている。
【０１４２】
このため前記エクスチェンジバイアス層１６が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記エクスチェンジバイアス層１６は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１４３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１４４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１４５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１４６】
なお前記エクスチェンジバイアス層１６の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層１６の組成比等は、図１のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層４と同じである。
【０１４７】
前記フリー磁性層１の両側端部では、エクスチェンジバイアス層１６間での交換結合磁界によりフリー磁性層１が図示Ｘ方向に単磁区化され、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示Ｘ方向に適性に揃えられている。
【０１４８】
このようにして形成されたシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子では、図示Ｙ方向の外部磁界により、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化が図示Ｘ方向から図示Ｙ方向に変化する。このフリー磁性層１内での磁化の方向の変動と、固定磁性層３の固定磁化方向（図示Ｙ方向）との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩れ磁界が検出される。
【０１４９】
図４は、本発明における他のスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１５０】
図４に示すスピンバルブ型薄膜素子では、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けた一対のエクスチェンジバイアス層１６，１６が形成されている。
【０１５１】
前記一対のエクスチェンジバイアス層１６間は、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成された絶縁層１７によって埋められている。
【０１５２】
そして前記エクスチェンジバイアス層１６及び絶縁層１７上にはフリー磁性層１が形成されている。
【０１５３】
本発明では、前記エクスチェンジバイアス層１６には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層１６とフリー磁性層１との界面と非平行に形成されている。
【０１５４】
このため前記エクスチェンジバイアス層１６が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記エクスチェンジバイアス層１６は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１５５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１５６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１５７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１５８】
なお前記エクスチェンジバイアス層１６の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層１６の組成比等は、図２のスピンバルブ型薄膜素子の反強磁性層４と同じである。
【０１５９】
前記フリー磁性層１の両側端部では、エクスチェンジバイアス層１６間での交換結合磁界により図示Ｘ方向に単磁区化され、フリー磁性層１のトラック幅Ｔｗ領域の磁化は、外部磁界に対して反応する程度に図示Ｘ方向に適性に揃えられている。
【０１６０】
図４に示すように前記フリー磁性層１の上には非磁性中間層２が形成され、さらに前記非磁性中間層２の上には固定磁性層３が形成されている。さらに前記固定磁性層３の上には反強磁性層４が形成されている。
【０１６１】
図４に示すスピンバルブ型薄膜素子では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１６２】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子の鏡面対処変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１６３】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１６４】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１６５】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１６６】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図１のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１６７】
図５は本発明におけるデュアルスピンバルブ型薄膜素子の構造を示す部分断面図である。
【０１６８】
図５に示すように、下から下地層６、反強磁性層４、固定磁性層３、非磁性中間層２、およびフリー磁性層１が連続して積層されている。前記フリー磁性層１は３層膜で形成され、例えばＣｏ膜１０，１０とＮｉＦｅ合金膜９で構成される。さらに前記フリー磁性層１の上には、非磁性中間層２、固定磁性層３、反強磁性層４、および保護層７が連続して積層されている。
【０１６９】
また、下地層６から保護層７までの多層膜の両側にはハードバイアス層５，５、導電層８，８が積層されている。なお、各層は図１及び図２で説明した材質と同じ材質で形成されている。
【０１７０】
この実施例では、フリー磁性層１よりも図示下側に位置する反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４４（ａｔ％）以上５７（ａｔ％）以上で形成されることが好ましく、より好ましくは４６（ａｔ％）以上５５（ａｔ％）以下である。
【０１７１】
またフリー磁性層１よりも図示上側に形成された反強磁性層４を構成する元素Ｘあるいは元素Ｘ＋Ｘ′の組成比は、４７（ａｔ％）以上５７（ａｔ％）以上で形成されることが好ましく、より好ましくは５０（ａｔ％）以上５６（ａｔ％）以下である。
【０１７２】
そして本発明では、反強磁性層４には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記反強磁性層４と固定磁性層３との界面と非平行に形成されている。
【０１７３】
このため前記反強磁性層４が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１７４】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１７５】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１７６】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１７７】
なお前記反強磁性層の結晶配向、及び前記反強磁性層の組成比等は、図１及び図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１７８】
図６、７は、本発明のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
図６に示すように、下から軟磁性層（ＳＡＬ層）１８、非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）１９、および磁気抵抗層（ＭＲ層）２０が連続して積層されている。
【０１７９】
例えば前記軟磁性層１８は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｎｂ合金、非磁性層１９は、Ｔａ膜、磁気抵抗層２０は、ＮｉＦｅ合金により形成されている。
【０１８０】
前記磁気抵抗層２０の上には、トラック幅Ｔｗを開けたトラック幅方向（Ｘ方向）の両側の部分にエクスチェンジバイアス層（反強磁性層）２１，２１が形成されている。導電層は図示しないが、例えば前記エクスチェンジバイアス層２１，２１の上に形成される。
【０１８１】
また図７では、トラック幅方向（図示Ｘ方向）にトラック幅Ｔｗの間隔を開けて一対のエクスチェンジバイアス層２１，２１が形成され、前記一対のエクスチェンジバイアス層２１，２１間がＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料で形成された絶縁層２６によって埋められている。
【０１８２】
そして前記エクスチェンジバイアス層２１，２１及び前記絶縁層２６上に、磁気抵抗層（ＭＲ層）２０、非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）１９、及び軟磁性層（ＳＡＬ層）１８が積層される。
【０１８３】
本発明では、図６及び図７に示すＡＭＲ型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層２１には少なくとも一部に双晶が形成され、前記双晶のうち少なくとも一部の双晶の双晶境界が前記エクスチェンジバイアス層２１と磁気抵抗層２０との界面と非平行に形成されている。
【０１８４】
このため前記エクスチェンジバイアス層２１が規則化変態するときに、前記界面と平行な方向への格子歪みが適切に原子配列の鏡面対称変化により緩和されるので、前記反強磁性層４は効果的に規則化変態することができ、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１８５】
図９及び図１０での双晶境界（２）、図１１及び図１２での双晶境界（７）、図１３及び図１４での双晶境界（１０）、図１５及び図１６での双晶境界（１５）（１６）は、いずれも界面と非平行であることがわかる。
【０１８６】
また前記反強磁性層４に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、固定磁性層３に形成された粒界とが前記界面で不連続であることが好ましい。
【０１８７】
図９及び図１０に示す反強磁性層の双晶境界（２）及び粒界（１）と強磁性層の粒界（３）、図１１及び図１２に示す反強磁性層の双晶境界（７）及び粒界（５）と強磁性層の粒界（６）、図１３及び図１４に示す反強磁性層の双晶境界（１０）と強磁性層の粒界（１９）、図１５及び図１６に示す反強磁性層の双晶境界（１５）（１６）及び粒界（２０）と強磁性層の粒界（１７）は、いずれも界面で不連続となっていることがわかる。
【０１８８】
なお前記エクスチェンジバイアス層２１の結晶配向、及び前記エクスチェンジバイアス層２１の組成比等は、図１及び図２のスピンバルブ型薄膜素子と同じである。
【０１８９】
上記した図６及び図７に示すＡＭＲ型薄膜素子では、前記エクスチェンジバイアス層２１，２１と磁気抵抗層２０との界面で発生する交換結合磁界により、図６、７に示す磁気抵抗層２０のＥ領域が、図示Ｘ方向に単磁区化される。そしてこれに誘発されて前記磁気抵抗層２０のＤ領域の磁化が図示Ｘ方向に揃えられる。また、検出電流が磁気抵抗層２０を流れる際に発生する電流磁界が、軟磁性層１８にＹ方向に印加され、軟磁性層１８がもたらす静磁結合エネルギーにより、磁気抵抗層２０のＤ領域に横バイアス磁界がＹ方向に与えられる。Ｘ方向に単磁区化された磁気抵抗層２０のＤ領域にこの横バイアス層が与えられることにより、磁気抵抗層２０のＤ領域の磁界変化に対する抵抗変化（磁気抵抗効果特性：Ｈ―Ｒ効果特性）が直線性を有する状態に設定される。
【０１９０】
記録媒体の移動方向はＺ方向であり、図示Ｙ方向に漏れ磁界が与えられると、磁気抵抗層２０のＤ領域の抵抗値が変化し、これが電圧変化として検出される。
【０１９１】
図８は、本発明における薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図である。符号４０はパーマロイやセンダストなどで形成された下部シールド層４０であり、前記下部シールド層４０の上には、アルミナなどで形成された下部ギャップ層４１を介して、図１ないし図７のいずれかで形成された磁気抵抗効果素子４２が成膜されている。さらに前記磁気抵抗効果素子４２の上にはアルミナなどで形成された上部ギャップ層４３を介してパーマロイなどで形成された上部シールド層４４が形成されている。
【０１９２】
この薄膜磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子４２を有する再生用のＭＲヘッドであるが、このＭＲヘッドの上に記録用のインダクティブヘッドが積層されていてもよい。前記インダクティブヘッドは、コア層とコイル層とを有して構成される。
【０１９３】
そして図８の構造では、再生特性の安定性に優れ、また抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きい薄膜磁気ヘッドを製造することができる。
【０１９４】
また本発明では、図９ないし図１６の実施例において反強磁性層は無配向（ランダム配向）であったが、例えば反強磁性層の結晶面が{１１１}面以外の結晶面に優先配向している場合でも、前記反強磁性層に形成された双晶境界が、強磁性層との界面に非平行であり、好ましくは、前記反強磁性層に形成された少なくとも一部の双晶境界、粒界、又は、前記双晶境界及び粒界と、強磁性層に形成された粒界とが前記界面で不連続とされたとき、前記反強磁性層を構成する反強磁性層材料は、適切に不規則格子から規則格子に変態し、大きな交換結合磁界が得られることに変わりがない。これは図１ないし図７に示すいずれの磁気抵抗効果素子の構造においても適用できるものである。
【０１９５】
【発明の効果】
以上のように詳述した本発明によれば、反強磁性層に形成された少なくとも一部の双晶には、双晶境界が強磁性層との界面に非平行に形成されている。これによって前記反強磁性層が規則化変態しようとするとき、前記界面と平行な方向における格子歪を、原子が鏡面対称に変化することで緩和でき、よって前記反強磁性層の規則化変態を効果的に促進でき、大きな交換結合磁界を得ることができる。
【０１９６】
また本発明における交換結合膜は様々な磁気抵抗効果素子に適用でき、前記交換結合膜を有する磁気抵抗効果素子、及び薄膜磁気ヘッドであれば、今後の高記録密度化に適切に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図２】本発明の第２実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図３】本発明の第３実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図４】本発明の第４実施形態のシングルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図５】本発明の第５実施形態のデュアルスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図６】本発明の第６実施形態のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図７】本発明の第７実施形態のＡＭＲ型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面側から見た断面図、
【図８】本発明における薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面側から見た部分断面図、
【図９】第１実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１０】図９の模式図、
【図１１】第２実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１２】図１１の部分模式図、
【図１３】第３実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１４】図１３の部分模式図、
【図１５】第４実施例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１６】図１５の部分模式図、
【図１７】比較例のスピンバルブ膜を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真、
【図１８】図１７の部分模式図、
【図１９】従来のスピンバルブ膜（交換結合膜）を膜厚と平行な方向から切断した際の前記切断面の透過電子顕微鏡写真の模式図、
【符号の説明】
１ フリー磁性層
２ 非磁性中間層
３ 固定磁性層（強磁性層）
４ 反強磁性層
５ ハードバイアス層
６ 下地層
７ 保護層
８ 導電層
１８ 軟磁性層（ＳＡＬ層）
１９ 非磁性層（ＳＨＵＮＴ層）
２０ 磁気抵抗層（ＭＲ層）
４２ 磁気抵抗効果素子
Claims (13)
- 反強磁性層と強磁性層とが接して形成され、前記反強磁性層と前記強磁性層との界面に交換結合磁界が発生し、前記強磁性層の磁化方向が一定方向にされる交換結合膜において、
前記反強磁性層は、前記界面と平行な方向に向く結晶面の少なくとも一部に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または無配向（ランダム配向）となっており、且つ前記反強磁性層は面心正方格子の結晶構造であり、
前記反強磁性層には少なくとも一部に双晶が形成され、少なくとも一部の前記双晶には双晶境界が前記界面と非平行に形成されていることを特徴とする交換結合膜。 - 前記双晶境界と前記界面間の内角は、１０°以上で６７°以下、あるいは７７°以上で９０°以下である請求項１記載の交換結合膜。
- 前記反強磁性層及び前記強磁性層には粒界が形成され、前記粒界を境にして結晶方位が異なり、前記反強磁性層に形成された少なくとも一部の前記粒界、前記双晶境界、又は、前記粒界及び前記双晶境界は、前記強磁性層に形成された前記粒界と前記界面で不連続である請求項１または２に記載の交換結合膜。
- 前記強磁性層は、代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する請求項１ないし３のいずれかに記載の交換結合膜。
- 前記反強磁性層及び前記強磁性層が共に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面以外の結晶面が優先配向しているか、または共に無配向（ランダム配向）になっている請求項１ないし３のいずれかに記載の交換結合膜。
- 前記反強磁性層は、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ている請求項１ないし５のいずれかに記載の交換結合膜。
- 前記反強磁性層は、元素Ｘと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、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とを含有する反強磁性材料で形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の交換結合膜。
- 前記反強磁性材料は、元素ＸとＭｎとで構成される空間格子の隙間に元素Ｘ′が侵入した侵入型固溶体であり、あるいは、元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部が、元素Ｘ′に置換された置換型固溶体である請求項７記載の交換結合膜。
- 反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向へ揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成され、前記反強磁性層との交換異方性磁界により磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性中間層を介して形成されたフリー磁性層とを有し、
下から前記反強磁性層、前記固定磁性層、前記非磁性中間層、前記フリー磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の上側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性のエクスチェンジバイアス層が形成され、
又は、下から前記フリー磁性層、前記非磁性中間層、前記固定磁性層、前記反強磁性層の順に積層され、前記フリー磁性層の下側に、トラック幅方向に間隔を空けて反強磁性の 前記エクスチェンジバイアス層が形成され、
前記エクスチェンジバイアス層と前記フリー磁性層とが、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載された交換結合膜により形成され、前記フリー磁性層の磁化が一定方向にされることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - フリー磁性層の上下に積層された非磁性中間層と、上側の前記非磁性中間層の上および下側の前記非磁性中間層の下に位置する固定磁性層と、上側の前記固定磁性層の上および下側の前記固定磁性層の下に位置して、交換異方性磁界によりそれぞれの前記固定磁性層の磁化方向を一定の方向に固定する反強磁性層と、前記フリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えるバイアス層とを有する磁気抵抗効果型素子において、
前記反強磁性層と、この反強磁性層と接して形成された前記固定磁性層とが、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 下から、軟磁性層、非磁性層、磁気抵抗層の順に積層され、前記磁気抵抗層の上側にトラック幅方向に間隔を空けて反強磁性層が形成され、又は、下から、前記磁気抵抗層、前記非磁性層、前記軟磁性層の順に積層され、前記磁気抵抗層の下側にトラック幅方向に間隔を空けて前記反強磁性層が形成され、
前記反強磁性層と前記磁気抵抗層とが、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載された交換結合膜により形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項９ないし１２のいずれかに記載された前記磁気抵抗効果素子の上下にギャップ層を介してシールド層が形成されていることを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
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