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CN109716548A - 交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置 - Google Patents

交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置 Download PDF

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CN109716548A CN201780048184.0A CN201780048184A CN109716548A CN 109716548 A CN109716548 A CN 109716548A CN 201780048184 A CN201780048184 A CN 201780048184A CN 109716548 A CN109716548 A CN 109716548A
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Abstract

本发明的交换耦合膜(10)，层叠有反铁磁性层(2)和固定磁性层(3)和自由磁性层(5)，反铁磁性层(2)由PtCr层(2A)与XMn层(2B)(其中，X为Pt或Ir)构成，XMn层(2B)与固定磁性层(3)接触，在上述XMn层(2B)层叠于PtCr层(2A)的情况下，PtCr层(2A)为PtαCr100at％－α(α为44at％以上58at％以下)，在XMn层(2B)层叠于固定磁性层(3)的情况下，PtCr层(2A)为PtαCr100at％－α(α为44at％以上57at％以下)，因此固定磁性层(3)的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大，高温条件下的稳定性较高。

Description

交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测 装置
技术领域
本发明涉及交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。
背景技术
具备反铁磁性层和固定磁性层的交换耦合膜，被作为磁阻效应元件、磁检测装置使用。在特许文献1中，关于磁性记录用介质，记载了通过将作为铁磁性膜的Co合金与作为反铁磁性膜的各种合金组合能够构成交换耦合膜。作为反铁磁性膜，例示了CoMn、NiMn、PtMn、PtCr等的合金。
现有技术文献
特许文献
特许文献1：日本特开2000－215431号公报
发明内容
发明解决的课题
磁检测装置，在将磁效应元件向基板安装时，需要对焊料进行回流处理(熔融处理)，另外，磁检测装置有时被用在如引擎的周边那样的高温环境下。为此，磁检测装置中所用的交换耦合膜，为了能够在较宽的动态范围中检测磁场，优选的是，固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大，且高温条件下的稳定性较高。
特许文献1，是涉及作为磁性记录介质而使用的交换耦合膜的文献，所以关于使用了交换耦合膜的磁检测装置的高温条件下的稳定性，并未记载。在特许文献1中，作为反铁磁性膜，例示了PtCr，但并未记载以怎样的组成比构成PtCr是优选的。
本发明的目的在于，提供固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大、且高温条件下的稳定性较高的交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。
用于解决课题的手段
本发明的交换耦合膜，其特征在于，层叠反铁磁性层和固定磁性层而成，
上述反铁磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，
上述XMn层与上述固定磁性层接触。
在该交换耦合膜中，在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α(α为44at％以上58at％以下)，在上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α(α为44at％以上57at％以下)。
上述固定磁性层可以是，层叠有第1磁性层和中间层和第2磁性层的自钉扎层。
优选的是，上述PtCr层的膜厚比上述XMn层的膜厚大。
优选的是，上述PtCr层的膜厚与上述XMn层的膜厚之比是5：1～100：1。
在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，上述PtCr层，有时优选为PtαCr100at％－α(α为45at％以上57at％以下)，有时更优选为PtαCr100at％－α(α为48at％以上55at％以下)，有时尤其优选为PtαCr100at％－α(α为49at％以上53.5at％以下)。在上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，上述PtCr层，有时优选为PtαCr100at％－α(α为45at％以上56at％以下)，有时更优选为PtαCr100at％－α(α为47at％以上55at％以下)，有时尤其优选为PtαCr100at％－α(α为48at％以上53.5at％以下)。
优选的是，具备与上述反铁磁性层邻接的基底层，上述基底层是NiFeCr。
本发明的磁阻效应元件，其特征在于，层叠本发明的交换耦合膜和自由磁性层而成。
本发明的磁检测装置，其特征在于，具备本发明的磁阻效应元件。
本发明的磁检测装置，能够采用如下构成，在同一基板上具备多个本发明的磁阻效应元件，
多个上述磁阻效应元件，包括上述固定磁化方向不同的磁阻效应元件。
本发明的制造方法，是制造本发明的交换耦合膜方法，其特征在于，在将上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，将上述PtCr层形成为PtαCr100at％－α(α为44at％以上58at％以下)，在将上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，将上述PtCr层形成为PtαCr100at％－α(α为44at％以上57at％以下)。
发明的效果
本发明的交换耦合膜，通过使用由PtCr层和XMn层(其中，X是Pt或Ir)构成的层作为反铁磁性层，固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)变高，高温条件下的稳定性提高。因此，如果使用本发明的交换耦合膜，则即使在高温下进行回流处理或在高温环境下使用，也能够为稳定的磁检测装置。本发明的交换耦合膜，在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况与层叠于上述固定磁性层的情况间，PtCr层的组成范围不同，因此能够稳定地提高PtCr层中产生的交换耦合磁场的强度。
本发明的制造方法，在将上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况与将上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况间，使PtCr层的组成范围不同，由此能够制造具备Hex较高的固定磁性层的交换耦合膜。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的膜构成的说明图，
图2是表示本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的膜构成的说明图，
图3是本发明的实施方式的磁性传感器30的电路框图，
图4是表示磁性传感器30中使用的磁检测元件11的俯视图，
图5是实施例1的磁检测元件11的R－H曲线，
图6是实施例2的磁检测元件11的R－H曲线，
图7是比较例1的磁检测元件11的R－H曲线，
图8是表示使PtCr层的膜厚与PtMn层的膜厚变化的实施例3～实施例5的交换耦合膜的Hex的图表，
图9是表示使PtCr层的膜厚与IrMn层的膜厚变化的实施例6的交换耦合膜的Hex的图表，
图10(A)～(C)是实施例7的磁检测元件11的R－H曲线，
图11(A)～(C)是实施例8的磁检测元件11的R－H曲线，
图12(A)～(C)是比较例2的磁检测元件11的R－H曲线，
图13是表示参考例1和参考例2的PtCr中包含的Pt的比例与Hex的关系的图表，
图14是表示参考例1和参考例3的PtCr中包含的Pt的比例与Hex的关系的图表，
图15是表示本发明的实施例9～12及比较例3～4的交换耦合膜40的膜构成的说明图，
图16是表示实施例9～12及比较例3～4的交换耦合膜40的温度与Hex的关系的图表，
图17是表示实施例13～16的交换耦合膜10、20的PtCr层中Pt量与Hex的关系的图表。
具体实施方式
＜第1实施方式＞
图1中示出了，使用了本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的磁检测素11的膜构成。
磁检测元件11，从基板的表面起，以基底层1、反铁磁性层2、固定磁性层3、非磁性材料层4、自由磁性层5及保护层6的顺序层叠并成膜。反铁磁性层2由PtCr层2A和XMn层(其中，X是Pt或Ir)2B层构成，XMn层2B与固定磁性层3接触。上述各层例如通过溅射工序、CVD工序而成膜。反铁磁性层1和固定磁性层3，是本发明的第1实施方式的交换耦合膜10。
磁检测元件11是利用了所谓的单个自旋阀式的巨磁阻效应(GMR效应)的层叠元件，电阻以固定磁性层3的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量的相对关系而变化。
基底层1，用NiFeCr合金(镍·铁·铬合金)、Cr或者Ta等形成。在本实施方式的交换耦合膜10中，为了提高固定磁性层3的磁化的方向反转的磁场(以下，也适当称为“Hex”)，NiFeCr合金是优选的。
反铁磁性层2，是由PtCr层2A和XMn层2B(其中，X是Pt或Ir)构成的层叠构造。为了提高Hex，优选反铁磁性层2的PtCr层2A的膜厚D1比XMn层2B的膜厚D2大。膜厚D1与膜厚D2之比(D1：D2)，更优选为5：1～100：1，进一步优选为10：1～50：1。
根据提高Hex的观点，PtCr层2A优选为PtαCr100at％－α(α为45at％以上62at％以下)。PtCr层2A更优选为PtαCr100at％－α(α为50at％以上57at％以下)。根据同样的观点，XMn层2B优选为PtMn层。
在本实施方式中，对反铁磁性层2进行退火处理并规范化，在反铁磁性层2与固定磁性层3间(界面)产生交换耦合。通过该交换耦合，使固定磁性层3的强磁场耐性提高而提高Hex。
固定磁性层3，用CoFe合金(钴·铁合金)形成。CoFe合金，通过提高Fe的含有比例，从而顽磁力变高。固定磁性层3是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层，固定磁性层3的固定磁化方向P延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。
非磁性材料层4能够使用Cu(铜)等形成。
自由磁性层5，其材料及构造并不限定，但例如能够使用CoFe合金(钴·铁合金)、NiFe合金(镍·铁合金)等作为材料，能够形成为单层构造、层叠构造、层叠亚铁构造等。
保护层6能够使用Ta(钽)等形成。
＜第2实施方式＞
图2中示出了，表示使用了本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的磁检测元件21的膜构成的说明图。在本实施方式中，对功能与图1所示的磁阻效应元件11相同的层附以相同的符号，并省略说明。
在第2实施方式的磁检测元件21中，交换耦合膜20，是自钉扎固定构造的固定磁性层3与反铁磁性层2接合而构成的。另外，在非磁性材料层4和自由磁性层5形成于比固定磁性层3更靠下侧这一点上，与图1的磁阻效应元件11不同。
磁检测元件21，也是利用了所谓的单个自旋阀式的巨磁阻效应的层叠元件。电阻以固定磁性层3的第1磁性层3A的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量的相对关系而变化。
固定磁性层3，为用第1磁性层3A及第2磁性层3C和位于这二层之间的非磁性中间层3B构成的自钉扎固定构造。第1磁性层3A的固定磁化方向P1与第2磁性层3C的固定磁化方向P，由于相互作用而反向平行。与非磁性材料层4邻接的第1磁性层3A的固定磁化方向P1是固定磁性层3的固定磁化方向。该固定磁化方向P1延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。
第1磁性层3A及第2磁性层3C，用FeCo合金(铁·钴合金)形成。FeCo合金，通过提高Fe的含有比例，从而顽磁力变高。与非磁性材料层4邻接的第1磁性层3A是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层。
非磁性中间层3B用Ru(钌)等形成。由Ru构成的非磁性中间层3B的膜厚，优选为或
如上所述，第1实施方式的交换耦合膜10，是XMn层2B层叠于PtCr层2A的膜。与此相对，第2实施方式的交换耦合膜20，是XMn层2B层叠于固定磁性层3的膜。在这样的第1实施方式所示的构成的情况与第2实施方式所示的构成的情况间，交换耦合膜10(交换耦合膜20)中包含的PtCr层2A的优选的组成范围不同。
PtCr层2A，在基本上具有L10规则构造的情况下，作为反铁磁性层的性质变强。因此，PtCr层2A的组成在理论上优选为Pt50at％Cr50at％。但是，在XMn层2B形成于PtCr层2A之上的情况(第1实施方式的情况下)和形成XMn层2B之后在其上形成PtCr层2A的情况(第2实施方式的情况下)间，PtCr层2A对于与Hex的强度的关联性特别大的XMn层2B造成的影响的程度不同。具体地，在XMn层2B形成于PtCr层2A之上的情况下，在PtCr层2A中的Pt的含有量比Cr的含有量高时，Hex容易变高。
这种PtCr层2A中的Pt的含有量比Cr的含有量高时Hex容易变高的倾向，在为了使反铁磁性层2与固定磁性层3交换耦合而进行的在磁场中退火的退火温度越高时越显著。即，在XMn层2B形成于PtCr层2A之上的情况下，磁场中退火的退火温度越高，则在PtCr层2A中赋予Hex的峰值的Pt含有量变高的倾向变得越显著。
因此，在XMn层2B层叠于PtCr层2A的情况下，有时优选为PtαCr100at％－α(α为44at％以上58at％以下)，有时更优选为PtαCr100at％－α(α为45at％以上57at％以下)，有时更为优选为PtαCr100at％－α(α为48at％以上55at％以下)，有时特别优选为PtαCr100at％－α(α为49at％以上53.5at％以下)。
另一方面，在XMn层2B层叠于固定磁性层3的情况下，有时优选为PtαCr100at％－α(α为44at％以上57at％以下)，有时更优选为PtαCr100at％－α(α为45at％以上56at％以下)，有时更为优选为PtαCr100at％－α(α为47at％以上55at％以下)，有时特别优选为PtαCr100at％－α(α为48at％以上53.5at％以下)。
根据以上的说明可知，在制造交换耦合膜10时，在将XMn层2B层叠于PtCr层2A的情况下，只要将PtCr层2A形成为PtαCr100at％－α(α为44at％以上58at％以下)即可，在将XMn层2B层叠于固定磁性层3的情况下，只要将PtCr层2A形成为PtαCr100at％－α(α为44at％以上57at％以下)即可。另外，在成膜PtCr层2A时，既可以同时供给Pt和Cr，也可以交替供给Pt和Cr。作为前者的具体例，举出Pt和Cr的同时溅射，作为后者的具体例，举出Pt层和Cr层的交替层叠。存在Pt和Cr的同时供给与交替供给相比，对于提高Hex而言更为优选的情况。
＜磁性传感器的构成＞
图3中示出了，组合了图1所示的磁检测元件11的磁性传感器(磁检测装置)30。在图3中，将固定磁化方向P(参照图1)不同的磁检测元件11，分别标注11Xa、11Xb、11Ya、11Yb的不同的符号进行区别。在磁性传感器30中，磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb设置在同一基板上。
图3所示的磁性传感器30，具有全桥电路32X及全桥电路32Y。全桥电路32X具备2个磁检测元件11Xa及2个磁检测元件11Xb，全桥电路32Y具备2个磁检测元件11Ya及2个磁检测元件11Yb。磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb，任一个都具备图1所示的磁检测元件11的交换耦合膜10的膜构造。在对它们不特别区别的情况下，以下适当记为磁检测元件11。
全桥电路32X和全桥电路32Y，为使用了图3中以箭头表示的固定磁化方向不同的磁检测元件11的电路，以使检测磁场方向不同，且检测磁场的机构相同。因此，以下，对使用全桥电路32X来检测磁场的机构进行说明。
全桥电路32X，是第1串联部32Xa与第2串联部32Xb并联连接而构成的。第1串联部32Xa，是磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb串联连接而构成的，第2串联部32Xb，是磁检测元件11Xb与磁检测元件11Xa串联连接而构成的。
构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xa与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xb共用的电源端子33，被赋予电源电压Vdd。构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xb与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xa共用的接地端子34，被设定为接地电位GND。
构成全桥电路32X的第1串联部32Xa的中点35Xa的输出电位(OutX1)与第2串联部32Xb的中点35Xb的输出电位(OutX2)的差动输出(OutX1)－(OutX2)，作为X方向的检测输出(检测输出电压)VXs而被获得。
全桥电路32Y也与全桥电路32X同样地作用，从而第1串联部32Ya的中点35Ya的输出电位(OutY1)与第2串联部32Yb的中点35Yb的输出电位(OutY2)的差动输出(OutY1)―(OutY2)作为Y方向的检测输出(检测输出电压)VYs而被获得。
如图3中以箭头所示那样，构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa及磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向，与构成全桥电路32Y的磁检测元件11Ya及各磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向，互相正交。
在图3所示的磁性传感器30中，各个磁检测元件11的自由磁性层5的方向以模仿外部磁场H的方向的方式变化。此时，电阻值以固定磁性层3的固定磁化方向P与自由磁性层5的磁化方向的向量的关系而变化。
例如，设为外部磁场H在图3所示的方向上起作用时，在构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa中，灵敏度轴方向与外部磁场H的方向一致，因此电阻值变小，另一方面，在磁检测元件11Xb中，灵敏度轴方向与外部磁场H的方向相反，因此电阻值变大。根据该电阻值的变化，检测输出电压VXs＝(OutX1)－(OutX2)变为极大。随着外部磁场H相对于纸面向右变化，检测输出电压VXs变低。并且，在外部磁场H相对于图3的纸面成为向上或向下时，检测输出电压VXs变为零。
另一方面，在全桥电路32Y中，外部磁场H如图3所示那样相对于纸面向左时，在全部的磁检测元件11中，自由磁性层5的磁化的方向，相对于灵敏度轴方向(固定磁化方向P)正交，因此磁检测元件11Ya及磁检测元件11Xb的电阻值相同。因此，检测输出电压VYs是零。在图3中外部磁场H在相对于纸面向下的方向上起作用时，全桥电路32Y的检测输出电压VYs＝(OutY1)―(OutY2)变为极大，随着外部磁场H在相对于纸面向上的方向上变化，检测输出电压VYs变低。
这样，外部磁场H的方向变化时，伴随于此，全桥电路32X及全桥电路32Y的检测输出电压VXs及VYs也变动。因此，基于从全桥电路32X及全桥电路32Y获得的检测输出电压VXs及VYs，能够对检测对象的移动方向、移动量(相对位置)进行检测。
图3中示出了，构成为能够检测X方向和与X方向正交的Y方向的磁场的磁性传感器30。但是，也可以采用仅具备仅对X方向或Y方向的磁场进行检测的全桥电路32X或全桥电路32Y的构成。
图4中示出了，磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb的平面构造。图3和图4中，BXa－BXb方向是X方向。图4(A)、(B)中，以箭头示出了磁检测元件11Xa、11Xb的固定磁化方向P。磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb，固定磁化方向P是X方向，且彼此为反方向。
如图4所示，磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb，具有条纹形状的元件部12。元件部12的长度方向朝向BYa－BYb方向。元件部12配置为多条平行，相邻的元件部12的图示右端部经由导电部13a而连接，相邻的元件部12的图示右端部经由导电部13b而连接。在元件部12的图示右端部和图示左端部，导电部13a、13b彼此交错地连接，元件部12连结为所谓的弯曲形状。磁检测元件11Xa、11Xb的、图示右下部的导电部13a与连接端子14a一体化，图示左上部的导电部13b与连接端子14b一体化。
各元件部12是多个金属层(合金层)层叠而构成的。图1中示出了元件部12的层叠构造。另外，各元件部12可以是图2所示的层叠构造。
另外，在图3和图4所示的磁性传感器30中，能够将磁检测元件11置换为图2所示的第2实施方式的磁检测元件21。
【实施例】
(实施例1)
制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜10的磁检测元件11(参照图1)。在以下的实施例、比较例及参考例中，()内的数值表示膜厚将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2[PtCr层2A：Pt51at％Cr49at％(280)/XMn层2B：Pt50at％Mn50at％(20)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
(实施例2)
将反铁磁性层2的PtCr层2A，从实施例1的Pt51at％Cr49at％(280)变更为Pt54at％Cr46at％(280)，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜10。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2[PtCr层2A：Pt54at％Cr46at％(280)/XMn层2B：Pt50at％Mn50at％(20)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
(比较例1)
将反铁磁性层2，从实施例1的[PtCr层2A：Pt51at％Cr49at％(280)/XMn层2B：Pt50at％Mn50at％(20)]变更为Pt50at％Mn50at％(300)，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜10。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2：Pt50at％Mn50at％(300)/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
＜外部磁场的施加＞
在实施例1、实施例2及比较例1的磁检测元件11中，从与交换耦合膜10中的固定磁性层3的固定磁化方向(图1的P方向)平行的方向施加外部磁场H，求出了电阻R根据磁场H而变化的比例(电阻变化率)△MR(△R/R)。
图5、图6及图7是实施例1、实施例2及比较例1的磁检测元件11的R－H曲线。在这些图中，横轴表示磁场H的强度[Oe]、纵轴表示电阻变化率△MR[％]，赋予“Inc.”的曲线(H＝1000[Oe]时位于下侧的曲线)表示使磁场H的强度增加时的△MR、赋予了“Dec.”的曲线(H＝1000[Oe]时位于上侧的曲线)表示使磁场H的强度减少时的△MR。
在图5至图7中，使磁场向正侧变化时的电阻变化率△MR[％]的变动曲线“Inc.”与使磁场向负侧变化时的电阻变化率△MR[％]的变动曲线“Dec.”发生了磁滞现象，但变动曲线“Inc.”与变动曲线“Dec.”的半值的中间点与固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)大致一致。
可知，反铁磁性层由PtCr层与PtMn层构成，且PtMn层与固定磁性层接触的图5所示的实施例1和图6所示的实施例2，与反铁磁性层仅由PtMn层构成的比较例相比，磁场(Hex)变高。即，使用了实施例1和实施例2的交换耦合膜10的磁检测元件11，即使在强磁场的环境下，也能够充分进行磁场的测定。
(实施例3)
使反铁磁性层2的PtCr层2A的厚度D1和PtMn层2B的厚度D2，如下述的表1所示那样变化，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜10(参照图1)。将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2[PtCr层2A：Pt54at％Cr46at％(300－x)/XMn层2B：Pt50at％Mn50at％(x)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
关于具备表1所示的膜厚的PtCr层及PtMn层的交换耦合膜10的每个交换耦合膜10，根据R－H曲线算出的Hex如以下那样。另外，以下，适当地将Pt54at％Cr46at％记载为54PtCr，将Pt51at％Cr49at％记载为51PtCr，将Pt50at％Mn50at％记载为PtMn。
【表1】
(实施例4)
将反铁磁性层2的PtCr层2A，从实施例3的54PtCr(280－x)变更为51PtCr(280－x)，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜10。将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2[PtCr层2A：Pt51at％Cr49at％(300－x)/XMn层2B：Pt50at％Mn50at％(x)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
关于具备表2所示的膜厚的PtCr层及PtMn层的交换耦合膜10的每个交换耦合膜10，根据R－H曲线算出的Hex如以下那样。
【表2】
(实施例5)
制造具备与实施例4相同的膜构成的交换耦合膜10，并将退火处理的温度从实施例4的400℃变更为350℃。
关于具备表3所示的膜厚的51PtCr层及PtMn层的交换耦合膜10的每个交换耦合膜10，根据R－H曲线算出的Hex如以下那样。
【表3】
图8是表示使PtCr层的膜厚和PtMn层的膜厚变化的、实施例3～实施例5的交换耦合膜10的Hex的图表。在该图中，横轴表示PtMn层的膜厚(PtMn Thickness，)，纵轴表示交换耦合膜的Hex[Oe]。根据图8及表1～表3可知，作为PtCr层，无论使用51PtCr及54PtCr中的哪个，与仅用PtMn层构成反铁磁性层相比较，交换耦合膜10的Hex变高。
根据采用Hex较高的交换耦合膜10的观点，作为PtCr层，优选使用54PtCr。另外，即使将退火温度设为350℃，也获得与400℃相比Hex为相同程度的交换耦合膜10，因此根据降低退火温度的观点，作为PtCr层，优选使用51PtCr。
(实施例6)
将反铁磁性层2的XMn层2B，从实施例3的PtMn变更为IrMn，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜10。将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2[PtCr层2A：Pt54at％Cr46at％(300－x)/XMn层2B：Ir50at％Mn50at％(x)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/保护层6：Ta(50)
关于具备表4所示的膜厚的PtCr层及IrMn层的交换耦合膜10的每个交换耦合膜10，根据R－H曲线算出的Hex如以下那样。
【表4】
图9是表示使PtCr层的膜厚及InMn层的膜厚变化的、实施例6的交换耦合膜的Hex的图表。在该图中，横轴表示InMn层的膜厚(IrMn Thickness)，纵轴表示交换耦合膜的Hex[Oe]。根据图9及表4可知，PtCr层的提高Hex的效果，与PtMn层同样地、也通过与IrMn组合的反铁磁性层来发挥。
(实施例7)
制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜20的磁检测元件21(参照图2)。()内的数值表示膜厚将交换耦合膜20在无磁场中以350℃退火处理5个小时使之稳定化。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/自由磁性层5：Ni81.5at％Fe18.5at％(18)/：Co90at％Fe10at％(14)/非磁性材料层4：Cu(30)/固定磁性层3[第1磁性层3A：Co90at％Fe10at％(24)/非磁性中间层3B：Ru(3.6)]/第2磁性层3C：Fe60at％Co40at％(17)/反铁磁性层2[XMn层：Pt50at％Mn50at％(20)/Pt51at％Cr49at％(280)]/保护层6：Ta(90)
(实施例8)
将反铁磁性层2，从实施例7的[XMn层：PtMn(20)/51PtCr(280)]变更为[XMn层：IrMn(4)/51PtCr(296)]，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜20。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/自由磁性层5：Ni81.5at％Fe18.5at％(18)/：Co90at％Fe10at％(14)/非磁性材料层4：Cu(30)/固定磁性层3[第1磁性层3A：Co90at％Fe10at％(24)/非磁性中间层3B：Ru(3.6)]/第2磁性层3C：Fe60at％Co40at％(17)/反铁磁性层2[XMn层：Ir50at％Mn50at％(4)/Pt51at％Cr49at％(296)]/保护层6：Ta(90)
(比较例2)
将反铁磁性层2，从实施例7的[XMn层：PtMn(20)/51PtCr(280)]变更为PtMn(300)，制造了具备以下的膜构成的交换耦合膜20。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/自由磁性层5：Ni81.5at％Fe18.5at％(18)/：Co90at％Fe10at％(14)/非磁性材料层4：Cu(30)/固定磁性层3[第1磁性层3A：Co90at％Fe10at％(24)/非磁性中间层3B：Ru(3.6)]/第2磁性层3C：Fe60at％Co40at％(17)/反铁磁性层2：Pt50at％Mn50at％(300)/保护层6：Ta(90)
＜外部磁场的施加＞
从与实施例7、实施例8及比较例2的磁检测元件21中的固定磁性层3的固定磁化方向(图2的P1方向)平行的方向施加外部磁场H，求出由磁场H引起的电阻变化率△MR(△R/R)的变动。
图10(A)～(C)、图11(A)～(C)及图12(A)～(C)是实施例7、实施例8及比较例2的磁检测元件21的R－H曲线。在这些图中，横轴表示磁场H的强度(Oe)，纵轴表示△MR(％)，以“Inc.”表示的曲线表示使磁场H的强度增加时的△MR，用“Dec.”表示的曲线表示使磁场H的强度减少时的△MR。
图10(A)～(C)及图11(A)～(C)中都是，与图12(A)～(C)相比磁滞现象较小，能在达+5kOe的ΔMR减少过程中看到改善。根据该结果可知，由PtCr层与PtMn层构成、且PtMn层与固定磁性层接触的反铁磁性层，在固定磁性层是层叠有第1磁性层和中间层和第2磁性层的自钉扎层的情况下，也使交换耦合膜的稳定化提高。
(参考例1)
制造了具备以下的膜构成的磁检测元件。()内的数值表示膜厚将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(60)/反铁磁性层2：PtαCr100at％－α(300)/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(40)/自由磁性层5：[Co90at％Fe10at％(15)/81.5NiFe(30)]/保护层6：Ta(50)
通过同时溅射Pt和Cr，制膜出Pt与Cr之比不同的PtαCr100at％－α(300)。
(参考例2)
除了代替同时溅射Pt和Cr，而通过交替层叠Pt和Cr而制膜以外，与参考例1同样地，制膜出Pt与Cr之比不同的PtαCr100at％－α(300)。
(参考例3)
除了将基底层1从实施例1的NiFeCr(60)变更为Ta(50)以外，与实施例1同样地，制膜出Pt与Cr之比不同的PtαCr100at％－α(300)。
(溅射与交替层叠)
图13是表示参考例1(同时溅射)和参考例2(交替层叠)的PtCr中包含的Pt的比例与Hex的关系的图表。如该图所示那样，可知，Pt的比例在51at％～57at％的范围内通过同时溅射，制膜出PtαCr100at％－α的参考例1，与通过交替层叠制膜出PtαCr100at％－α的参考例2相比，Hex显著变高。
(基底层)
图14是表示参考例1和参考例3的PtCr中包含的Pt的比例和Hex的关系的图表。如该图所示那样，可知，在Pt的比例为51at％～57at％的范围内，参考例1(NiFeCr基底)的交换耦合膜，与参考例3(Ta基底)相比，Hex显著变高。
(实施例9)
为了研究温度与Hex的关系，制作出具备图15所示的构造的交换耦合膜40。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/反铁磁性层2/固定磁性层3：90CoFe(100)/保护层6：Ta(90)
将反铁磁性层2设为51PtCr(280)/PtMn(20)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以350℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
(比较例3)
将反铁磁性层2设为51PtCr(300)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以350℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
将对于实施例9及比较例3的交换耦合膜40测定了伴随温度变化的Hex的变化后的结果示于表5。在表5～表7中，Tb表示Hex消失的温度，Hex(200℃或300℃)/Hex(室温)表示用200℃或300℃下的Hex除以室温下的Hex进行标准化而获得的值。
【表5】
(实施例10)
将反铁磁性层2设为51PtCr(280)/PtMn(20)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
(比较例4)
将反铁磁性层2设为PtMn(300)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
将实施例10及比较例4的测定结果示于表6。
【表6】
(实施例11)
将反铁磁性层2设为54PtCr(290)/PtMn(10)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
(实施例12)
将反铁磁性层2设为54PtCr(280)/PtMn(20)形成交换耦合膜40，在1kOe的磁场中以400℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
将实施例11、12及比较例4的测定结果示于表7。
【表7】
图16是表示实施例9～12及比较例3～4的交换耦合膜40的温度与Hex的关系的图表。该图表表示对于图5～7的R－H曲线中的与Hex相当的量使用VSM(振动样品型磁力计)进行测定的结果。如图16及表5～表7所示那样，具备将PtCr层插入到PtMn层的反铁磁性层2的交换耦合膜40，与具备仅由PtMn构成的反铁磁性层2的交换耦合膜相比，是Tb较高，而且在高温条件下维持较高的Hex的、高温条件下的稳定性较高的膜。
(实施例13)
制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜10的磁检测元件11(参照图1)。将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以350℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(40)/反铁磁性层2[PtCr层2A：PtαCr100at％－α(280)/XMn层2B：Pt48at％Mn52at％(20)]/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/非磁性材料层4：Cu(50)/自由磁性层5：[Co90at％Fe10at％(15)/Ni81.5at％Fe18.5at％(30)]/保护层6：Ta(50)
PtCr层2A中的Pt含有量α，在从46.2at％到57.5at％的范围内变化。关于所获得的交换耦合膜10(实施例13－1至实施例13－11)的每个交换耦合膜10，将根据R－H曲线算出的Hex示于表8。
(实施例14)
为与实施例13同样的膜构成，但除了将退火温度设为400℃以外，在与实施例13同样的条件下进行退火处理将固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定，从而制造出具有交换耦合膜10的磁检测元件11(参照图1)。关于所获得的交换耦合膜10(实施例14－1至实施例14－11)的每个交换耦合膜10，将根据R－H曲线算出的Hex示于表8。
【表8】
(实施例15)
制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜20的磁检测元件21(参照图2)。将交换耦合膜10在1kOe的磁场中以350℃退火处理5个小时，使固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(40)/自由磁性层5：[Ni81.5at％Fe18.5at％(30)/Co90at％Fe10at％(15)]/非磁性材料层4：Cu(50)/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(50)/反铁磁性层2[XMn层2B：Pt48at％Mn52at％(20)/PtCr层2A：PtαCr100at％－α(280)]/保护层6：Ta(50)
另外，在本实施例中，磁检测元件21的固定磁性层3如上述那样是单层构造。PtCr层2A中的Pt含有量α，在从46.2at％到57.5at％的范围内变化。关于所获得的交换耦合膜20(实施例15－1至实施例15－11)的每个交换耦合膜20，将根据R－H曲线算出的Hex示于表9。
(实施例16)
是与实施例15同样的膜构成，但除了将退火温度设为400℃以外，在与实施例15同样的条件下进行退火处理将固定磁性层3和反铁磁性层2的磁化固定，从而制造出具有交换耦合膜20的磁检测元件21(参照图2)。对于所获得的交换耦合膜20(实施例16－1至实施例16－11)的每个交换耦合膜20，将根据R－H曲线算出的Hex示于表9。
【表9】
(比较例5)
是与实施例15同样的膜构成及退火条件，但通过具有Ir20at％Mn80at％的组成且厚度为的层构成反铁磁性层2，制造出磁检测元件21。
根据所获得的交换耦合膜20的R－H曲线算出的Hex为196Oe。
(比较例6)
是与实施例16同样的膜构成及退火条件，但通过具有Ir20at％Mn80at％的组成且厚度为的层构成反铁磁性层2，制造出磁检测元件21。
根据所获得的交换耦合膜20的R－H曲线算出的Hex为175Oe。
(比较例7)
是与实施例15同样的膜构成及退火条件，但通过具有Pt48at％Mn52at％的组成且厚度为的层构成反铁磁性层2，制造出磁检测元件21。
根据所获得的交换耦合膜20的R－H曲线算出的Hex为570Oe。
(比较例8)
是与实施例16同样的膜构成及退火条件，但通过具有Pt48at％Mn52at％的组成且厚度为的层构成反铁磁性层2，制造出磁检测元件21。
根据所获得的交换耦合膜20的R－H曲线算出的Hex为547Oe。
将实施例13至实施例16的结果示于图17。认为，在为具有如图17所示那样、在固定磁性层3上形成PtMn层2B，并在其上进一步形成PtCr层2A的构成的交换耦合膜20的情况下(实施例15及实施例16)，在PtCr层2A的Pt含有量为50at％的附近，即，作为原子比，Pt/Cr为1的附近时，交换耦合磁场Hex成为最大值，Pt/Cr越脱离1则交换耦合磁场Hex越低下的倾向。该倾向，在Pt含有量相对变多的情况(图17中右侧)与Pt含有量相对变少的情况(图17中左侧)间几乎相等。该倾向被认为，在退火温度为350℃的情况(实施例15)与为400℃的情况(实施例16)间几乎相等。
与此相对，在为具有在PtCr层2A上形成PtMn层2B并在其上进一步形成固定磁性层3的构成的交换耦合膜10的情况下(实施例13及实施例14)、在退火温度为350℃的情况(实施例13)及为400℃的情况(实施例14)中的任一情况下，在PtCr层2A的Pt含有量比50at％高的组成，即作为原子比，Pt/Cr比1高的组成中，交换耦合磁场Hex为最大值。并且，可以确认：该Hex的峰值偏移的倾向，与退火温度为350℃的情况下(实施例13)相比，退火温度为400℃的情况下(实施例14)更为显著。
这些结果能够启示以下的事项。
·在退火温度为350℃的情况下(实施例13及实施例15)，PtCr层2A及PtMn层2B的晶格的重新排列的程度较低，但在退火温度为400℃的情况下(实施例14及实施例16)，晶格的重新排列的程度较高。
·在PtMn层2B形成在固定磁性层3之上的情况下(实施例15及实施例16)，PtMn层2B的晶格的变形形成得较少，因此Hex的组成依存性，在理论上获得以Hex成为最大的Pt/Cr＝1为中心的没有偏重的峰值。
·PtMn层2B形成于PtCr层2A之上的情况下(实施例13及实施例14)，仿效PtCr层2A的晶格而形成PtMn层2B，因此在PtMn层2B中成为晶格变形的状态。
·在退火温度为350℃且晶格的重新排列未充分产生的条件(实施例13)下，在Pt含有量较低时晶格变形的影响变得显著，PtMn层2B难以制作出L10规则构造，Hex的减少变得显著。
·在退火温度为400℃且晶格的重新排列充分发生的条件下，PtCr层2A较多地包含的Pt消除PtMn层2B与PtCr层2A的晶格不整齐，因此PtCr层2A的上的PtMn层2B容易制作出L10规则构造。该晶格不整齐的消除的效果，Pt含有量越增加则越多，因此在实施例14中，一直到Pt为54at％为止Hex单调地(如与Pt含有量成比例那样)增加。
·但是，在PtCr层2A的Pt含有量为55at％以上时，在PtCr层2A不易形成L10规则构造，结果，Hex显著降低。
符号说明
1：基底层
2：反铁磁性层
2A：PtCr层
2B：XMn层
3：固定磁性层
4：非磁性材料层
5：自由磁性层
6：保护层
10、20、40：交换耦合膜
11、11Xa、11Xb、11Ya、11Yb、21：磁检测元件
30：磁性传感器(磁检测装置)

Claims (11)

1.一种交换耦合膜，
层叠反铁磁性层和固定磁性层而成，
上述反铁磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，
上述XMn层与上述固定磁性层接触，
该交换耦合膜的特征在于，
在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为44at％以上58at％以下，
在上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为44at％以上57at％以下。
2.如权利要求1所述的交换耦合膜，
上述固定磁性层，是层叠有第1磁性层和中间层和第2磁性层的自钉扎层。
3.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，
上述PtCr层的膜厚比上述XMn层的膜厚大。
4.如权利要求3所述的交换耦合膜，
上述PtCr层的膜厚与上述XMn层的膜厚之比是5：1～100：1。
5.如权利要求1～4中任一项所述的交换耦合膜，
在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为45at％以上57at％以下，
在上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为45at％以上56at％以下。
6.如权利要求1～4中任一项所述的交换耦合膜，
在上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为48at％以上55at％以下，
在上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，上述PtCr层为PtαCr100at％－α，α为47at％以上55at％以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的交换耦合膜，
具备与上述反铁磁性层邻接的基底层，
上述基底层是NiFeCr。
8.一种磁阻效应元件，其特征在于，
层叠如权利要求1～7中任一项所述的交换耦合膜和自由磁性层而成。
9.一种磁检测装置，其特征在于，
具备权利要求8所述的磁阻效应元件。
10.如权利要求9所述的磁检测装置，
在同一基板上具备多个如权利要求8所述的磁阻效应元件，
多个上述磁阻效应元件中包括上述固定磁化方向不同的磁阻效应元件。
11.一种交换耦合膜的制造方法，该交换耦合膜，层叠反铁磁性层和固定磁性层而成，上述反铁磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，上述XMn层与上述固定磁性层接触，
该交换耦合膜的制造方法的特征在于，
在将上述XMn层层叠于上述PtCr层的情况下，将上述PtCr层形成为PtαCr100at％－α，α为44at％以上58at％以下，
在将上述XMn层层叠于上述固定磁性层的情况下，将上述PtCr层形成为PtαCr100at％－α，α为44at％以上57at％以下。
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