JP2738295B2 - 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 - Google Patents
磁気抵抗効果膜およびその製造方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
- H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気媒体等において磁
界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果素子に
用いる磁気抵抗効果膜に関し、特に、小さい外部磁場で
抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜およびその製造方法
に関するものである。
界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果素子に
用いる磁気抵抗効果膜に関し、特に、小さい外部磁場で
抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜およびその製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、磁気センサーの高感度化および磁
気記録における高密度化が進められており、これに伴っ
て磁気抵抗効果型磁気センサー（以下、ＭＲセンサーと
いう）および磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下、ＭＲヘ
ッドという）の開発が盛んに行われている。ＭＲセンサ
ー，ＭＲヘッドは、同様に磁性材料からなる読み取りセ
ンサー部の抵抗変化によって外部磁界信号を読み出す
が、これらはいずれも記録媒体との相対速度が再生出力
に依存しないことから、ＭＲセンサーでは高感度が、Ｍ
Ｒヘッドでは高密度磁気記録においても高い出力が得ら
れるという特長がある。
気記録における高密度化が進められており、これに伴っ
て磁気抵抗効果型磁気センサー（以下、ＭＲセンサーと
いう）および磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下、ＭＲヘ
ッドという）の開発が盛んに行われている。ＭＲセンサ
ー，ＭＲヘッドは、同様に磁性材料からなる読み取りセ
ンサー部の抵抗変化によって外部磁界信号を読み出す
が、これらはいずれも記録媒体との相対速度が再生出力
に依存しないことから、ＭＲセンサーでは高感度が、Ｍ
Ｒヘッドでは高密度磁気記録においても高い出力が得ら
れるという特長がある。
【０００３】また最近では、非磁性薄膜を介して積層さ
れた少なくとも２層の磁性薄膜を有して成り、一方の軟
磁性薄膜に反強磁性薄膜を隣接して設けることで交換結
合磁界を与え、非磁性薄膜を介して隣接した他方の軟磁
性薄膜と異なる外部磁界で磁化回転させることで抵抗変
化させる磁気抵抗効果膜がある（フィジカル レビュー
Ｂ（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ）第４３巻，１２９７頁，１
９９１年）。
れた少なくとも２層の磁性薄膜を有して成り、一方の軟
磁性薄膜に反強磁性薄膜を隣接して設けることで交換結
合磁界を与え、非磁性薄膜を介して隣接した他方の軟磁
性薄膜と異なる外部磁界で磁化回転させることで抵抗変
化させる磁気抵抗効果膜がある（フィジカル レビュー
Ｂ（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ）第４３巻，１２９７頁，１
９９１年）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁気抵抗効果素子においても、小さい外部磁場で動作す
るとは言え、実用的な磁気センサーや磁気ヘッドとして
使用する場合には、磁気抵抗効果膜の上下に横バイアス
層を設けたり、外部からバイアス磁界を印加する必要が
ある。
磁気抵抗効果素子においても、小さい外部磁場で動作す
るとは言え、実用的な磁気センサーや磁気ヘッドとして
使用する場合には、磁気抵抗効果膜の上下に横バイアス
層を設けたり、外部からバイアス磁界を印加する必要が
ある。
【０００５】本発明の目的は、横バイアス機構が不要
で、かつゼロ磁場前後で抵抗変化する人工格子膜による
磁気抵抗効果膜およびその製造方法を提供することにあ
る。
で、かつゼロ磁場前後で抵抗変化する人工格子膜による
磁気抵抗効果膜およびその製造方法を提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に非磁
性薄膜を介して積層した複数の磁性薄膜からなり、非磁
性薄膜を介して隣接する一方の軟磁性薄膜に反強磁性薄
膜が隣接して設けてあり、この反強磁性薄膜の交換結合
磁界をＨr 、他方の軟磁性薄膜の保磁力をＨC2、外部
磁場印加方向の異方性磁界をＨK2としたとき、ＨC2＜Ｈ
K2＜Ｈr であることを特徴とする磁気抵抗効果膜であ
る。
性薄膜を介して積層した複数の磁性薄膜からなり、非磁
性薄膜を介して隣接する一方の軟磁性薄膜に反強磁性薄
膜が隣接して設けてあり、この反強磁性薄膜の交換結合
磁界をＨr 、他方の軟磁性薄膜の保磁力をＨC2、外部
磁場印加方向の異方性磁界をＨK2としたとき、ＨC2＜Ｈ
K2＜Ｈr であることを特徴とする磁気抵抗効果膜であ
る。
【０００７】本発明の磁気抵抗効果膜に用いる磁性体の
種類は特に制限されないが、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｇｅ，Ｇ
ｄ等が好ましい。また、これらの元素を含む合金や化合
物としては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｎｉ, Ｆｅ−
Ｃｏ，Ｆｅ−Ｇｄ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍ
ｏ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト），Ｆｅ−Ｙ，Ｆｅ
−Ｍｎ，Ｃｒ−Ｓｂ，Ｃｏ系アモルファス, Ｃｏ−Ｐ
ｔ，Ｆｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃ，Ｍｎ−Ｓｂ，Ｎｉ−Ｍｎ,
Ｃｏ−Ｏ，Ｎｉ−Ｏ，Ｆｅ−Ｏ, Ｎｉ−Ｆ，フェライト
等が好ましい。
種類は特に制限されないが、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｇｅ，Ｇ
ｄ等が好ましい。また、これらの元素を含む合金や化合
物としては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｎｉ, Ｆｅ−
Ｃｏ，Ｆｅ−Ｇｄ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍ
ｏ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト），Ｆｅ−Ｙ，Ｆｅ
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ｔ，Ｆｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃ，Ｍｎ−Ｓｂ，Ｎｉ−Ｍｎ,
Ｃｏ−Ｏ，Ｎｉ−Ｏ，Ｆｅ−Ｏ, Ｎｉ−Ｆ，フェライト
等が好ましい。
【０００８】本発明では、これらの磁性体から選択して
磁性薄膜を形成する。特に、反強磁性薄膜と隣接してい
ない磁性薄膜の異方性磁界ＨK2が保磁力ＨC2より大きい
材料を選択することにより実現できる。さらに、異方性
磁界は、膜厚を薄くすることによっても大きくできる。
例えば、ＮｉＦｅを１０オングストローム程度の厚さに
すると、異方性磁界ＨK2を保磁力ＨC2よりも大きくする
ことができる。
磁性薄膜を形成する。特に、反強磁性薄膜と隣接してい
ない磁性薄膜の異方性磁界ＨK2が保磁力ＨC2より大きい
材料を選択することにより実現できる。さらに、異方性
磁界は、膜厚を薄くすることによっても大きくできる。
例えば、ＮｉＦｅを１０オングストローム程度の厚さに
すると、異方性磁界ＨK2を保磁力ＨC2よりも大きくする
ことができる。
【０００９】また、一般的に磁性薄膜は、パターニング
してパターン幅を狭くすると、反磁界による形状異方性
Ｈd があらわれる。この形状異方性Ｈd は、パターン幅
Ｗに反比例し、パターン幅Ｗを狭くすると大きくなる。
人工格子磁性薄膜の場合も同様に形状異方性Ｈd があら
われる。この他に人工格子磁性薄膜の場合、磁性層と非
磁性層とが交互に積層されており、膜端で磁性層同士が
静磁結合している。この静磁結合の大きさもパターン幅
Ｗを狭めるに従って影響が大きくなる。実際には、これ
らの影響によりパターン幅Ｗを狭くすることで磁性層の
磁化反転する磁場領域がシフトし、異方性磁界ＨK2を保
磁力ＨC2よりも大きくすることができる。
してパターン幅を狭くすると、反磁界による形状異方性
Ｈd があらわれる。この形状異方性Ｈd は、パターン幅
Ｗに反比例し、パターン幅Ｗを狭くすると大きくなる。
人工格子磁性薄膜の場合も同様に形状異方性Ｈd があら
われる。この他に人工格子磁性薄膜の場合、磁性層と非
磁性層とが交互に積層されており、膜端で磁性層同士が
静磁結合している。この静磁結合の大きさもパターン幅
Ｗを狭めるに従って影響が大きくなる。実際には、これ
らの影響によりパターン幅Ｗを狭くすることで磁性層の
磁化反転する磁場領域がシフトし、異方性磁界ＨK2を保
磁力ＨC2よりも大きくすることができる。
【００１０】この磁気抵抗効果膜をハードディスク装置
（ＨＤＤ）等の磁界信号読取用ＭＲヘッドとして用いる
場合には、ＭＲ素子部はエッチングにより微小寸法に形
成される。このとき、ＭＲ素子部のパターン幅Ｗとトラ
ック幅ＴW との比で定義されるアスペクト比（Ｗ／Ｔ
W ）によっても磁性層の磁化反転する磁場領域がシフト
し、異方性磁界ＨK2を保磁力ＨC2よりも大きくすること
ができる。
（ＨＤＤ）等の磁界信号読取用ＭＲヘッドとして用いる
場合には、ＭＲ素子部はエッチングにより微小寸法に形
成される。このとき、ＭＲ素子部のパターン幅Ｗとトラ
ック幅ＴW との比で定義されるアスペクト比（Ｗ／Ｔ
W ）によっても磁性層の磁化反転する磁場領域がシフト
し、異方性磁界ＨK2を保磁力ＨC2よりも大きくすること
ができる。
【００１１】さらに、このような磁気抵抗効果膜は、磁
性薄膜の磁化容易軸が印加される信号磁界方向に対して
垂直方向になっており、印加信号磁界方向における磁性
薄膜の保磁力が、ＨC2＜ＨK2＜Ｈr になるように前記磁
性薄膜を磁場中成膜することにより作製できる。この成
膜は、蒸着法，スパッタリング法，分子線エピタキシー
法（ＭＢＥ）等の方法で行う。また、基板としては、ガ
ラス，Ｓｉ，ＭｇＯ，ＧａＡｓ，フェライト，ＣａＴｉ
Ｏ等を用いることができる。
性薄膜の磁化容易軸が印加される信号磁界方向に対して
垂直方向になっており、印加信号磁界方向における磁性
薄膜の保磁力が、ＨC2＜ＨK2＜Ｈr になるように前記磁
性薄膜を磁場中成膜することにより作製できる。この成
膜は、蒸着法，スパッタリング法，分子線エピタキシー
法（ＭＢＥ）等の方法で行う。また、基板としては、ガ
ラス，Ｓｉ，ＭｇＯ，ＧａＡｓ，フェライト，ＣａＴｉ
Ｏ等を用いることができる。
【００１２】各磁性薄膜の膜厚の上限は、２００オング
ストロームである。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特に
ないが、４オングストローム以下ではキュリー点が室温
より低くなり実用性がなくなる。また、磁性薄膜の厚さ
を４オングストローム以上にすれば、膜厚を均一に保つ
ことが容易で、かつ膜厚も良好となり、飽和磁化の大き
さが小さくなりすぎることもない。さらに、磁性薄膜の
膜厚を２００オングストローム以上としても効果は落ち
ないが、膜厚の増加に伴って効果が増大することもな
く、膜の作製上無駄が多くなり不経済である。
ストロームである。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特に
ないが、４オングストローム以下ではキュリー点が室温
より低くなり実用性がなくなる。また、磁性薄膜の厚さ
を４オングストローム以上にすれば、膜厚を均一に保つ
ことが容易で、かつ膜厚も良好となり、飽和磁化の大き
さが小さくなりすぎることもない。さらに、磁性薄膜の
膜厚を２００オングストローム以上としても効果は落ち
ないが、膜厚の増加に伴って効果が増大することもな
く、膜の作製上無駄が多くなり不経済である。
【００１３】なお、磁気抵抗効果素子中に存在する磁性
薄膜の磁気特性を直接測定することは不可能なため、通
常、次のようにして測定する。
薄膜の磁気特性を直接測定することは不可能なため、通
常、次のようにして測定する。
【００１４】まず、測定すべき磁性薄膜を、磁性薄膜の
合計厚さが２００〜４００オングストローム程度になる
まで非磁性薄膜と交互に蒸着して測定用試料を作製し、
これについて磁気特性を測定する。この場合、磁性薄膜
の厚さ、非磁性薄膜の厚さおよび非磁性薄膜の組成は、
磁気抵抗効果測定素子におけるものと同じにする。
合計厚さが２００〜４００オングストローム程度になる
まで非磁性薄膜と交互に蒸着して測定用試料を作製し、
これについて磁気特性を測定する。この場合、磁性薄膜
の厚さ、非磁性薄膜の厚さおよび非磁性薄膜の組成は、
磁気抵抗効果測定素子におけるものと同じにする。
【００１５】非磁性薄膜は、保磁力の異なる磁性薄膜の
膜間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であり、
その種類には特に制限はなく、各種金属ないし半金属非
磁性体および非金属非磁性体から適宜選択すればよい。
膜間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であり、
その種類には特に制限はなく、各種金属ないし半金属非
磁性体および非金属非磁性体から適宜選択すればよい。
【００１６】例えば、金属非磁性体としては、Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｖ，Ｈｆ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｐｂ等
およびこれらの合金が好ましく、また、半金属非磁性体
としては、ＳｉＯ2 ，ＳｉＯ，ＳｉＮ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｚ
ｎＯ，ＭｇＯ，ＴｉＮ等およびこれらに別の元素を添加
したものが好ましい。
ｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｖ，Ｈｆ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｐｂ等
およびこれらの合金が好ましく、また、半金属非磁性体
としては、ＳｉＯ2 ，ＳｉＯ，ＳｉＮ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｚ
ｎＯ，ＭｇＯ，ＴｉＮ等およびこれらに別の元素を添加
したものが好ましい。
【００１７】また、非磁性薄膜の厚さは、２００オング
ストローム以下が望ましい。一般に非磁性薄膜の膜厚が
２００オングストロームを超えると、非磁性薄膜により
抵抗が決定されてしまい、スピンに依存する散乱効果が
相対的に小さくなり、その結果、磁気抵抗変化率が小さ
くなってしまう。一方、非磁性薄膜の厚さが４オングス
トローム以下になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大
きくなりすぎ、また、磁気的な直接接触状態（ピンホー
ル）の発生が避けられないことから、両磁性薄膜の磁化
方向が相異なる状態が生じにくくなる。
ストローム以下が望ましい。一般に非磁性薄膜の膜厚が
２００オングストロームを超えると、非磁性薄膜により
抵抗が決定されてしまい、スピンに依存する散乱効果が
相対的に小さくなり、その結果、磁気抵抗変化率が小さ
くなってしまう。一方、非磁性薄膜の厚さが４オングス
トローム以下になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大
きくなりすぎ、また、磁気的な直接接触状態（ピンホー
ル）の発生が避けられないことから、両磁性薄膜の磁化
方向が相異なる状態が生じにくくなる。
【００１８】磁性薄膜および非磁性薄膜の膜厚は、透過
型電子顕微鏡，走査型電子顕微鏡，オージェ電子分光分
析等により測定することができる。また、これらの薄膜
の結晶構造は、Ｘ線回折や高速電子線回折等により確認
することができる。
型電子顕微鏡，走査型電子顕微鏡，オージェ電子分光分
析等により測定することができる。また、これらの薄膜
の結晶構造は、Ｘ線回折や高速電子線回折等により確認
することができる。
【００１９】本発明の磁気抵抗効果膜は、人工格子膜の
繰り返し積層回数Ｎに関して特に制限はなく、目的とす
る磁気抵抗変化率等に応じて適宜選定すればよいが、積
層数が増加するに従って、磁気抵抗変化率も増加する
が、生産性が悪くなる。また、繰り返し積層回数Ｎが大
きくなりすぎると、素子全体の抵抗値が低くなり実用上
の不便が生じることから、通常、繰り返し積層回数Ｎを
５０以下とするのが好ましい。
繰り返し積層回数Ｎに関して特に制限はなく、目的とす
る磁気抵抗変化率等に応じて適宜選定すればよいが、積
層数が増加するに従って、磁気抵抗変化率も増加する
が、生産性が悪くなる。また、繰り返し積層回数Ｎが大
きくなりすぎると、素子全体の抵抗値が低くなり実用上
の不便が生じることから、通常、繰り返し積層回数Ｎを
５０以下とするのが好ましい。
【００２０】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、保護
のための窒化珪素や酸化珪素等の酸化防止膜を設けても
よく、あるいは電極を引き出すための金属導電層を設け
てもよい。
のための窒化珪素や酸化珪素等の酸化防止膜を設けても
よく、あるいは電極を引き出すための金属導電層を設け
てもよい。
【００２１】
【作用】本発明の磁気抵抗効果膜では、非磁性薄膜を介
して一方の軟磁性薄膜に隣接して反強磁性薄膜が成膜さ
れ、交換結合磁界が働いていることが必須である。その
理由は、本発明の原理が隣合った磁性薄膜の磁化の向き
が互いに逆向きに向いたとき、最大の抵抗値を示すこと
にあるからである。すなわち、本発明の磁気抵抗効果膜
は、図１で示すように、外部磁場Ｈの強さが、軟磁性薄
膜５（図３参照）の保磁力ＨC2と反強磁性薄膜の交換結
合磁界Ｈr との間（ＨC2＜Ｈ＜Ｈr）であるとき、隣り
合った軟磁性薄膜の磁化の方向が互いに逆向きになり、
磁気抵抗効果膜の抵抗値が増大する。
して一方の軟磁性薄膜に隣接して反強磁性薄膜が成膜さ
れ、交換結合磁界が働いていることが必須である。その
理由は、本発明の原理が隣合った磁性薄膜の磁化の向き
が互いに逆向きに向いたとき、最大の抵抗値を示すこと
にあるからである。すなわち、本発明の磁気抵抗効果膜
は、図１で示すように、外部磁場Ｈの強さが、軟磁性薄
膜５（図３参照）の保磁力ＨC2と反強磁性薄膜の交換結
合磁界Ｈr との間（ＨC2＜Ｈ＜Ｈr）であるとき、隣り
合った軟磁性薄膜の磁化の方向が互いに逆向きになり、
磁気抵抗効果膜の抵抗値が増大する。
【００２２】また、印加される信号磁界方向の異方性磁
界ＨK2が軟磁性薄膜の保磁力ＨC2よりも大きいことが必
須である。しかしながら、保磁力ＨC2が交換結合磁界Ｈ
r よりも大きくなると、磁化の向きの反平行状態が得
られず、充分な抵抗変化が得られなくなって、好ましく
ない。
界ＨK2が軟磁性薄膜の保磁力ＨC2よりも大きいことが必
須である。しかしながら、保磁力ＨC2が交換結合磁界Ｈ
r よりも大きくなると、磁化の向きの反平行状態が得
られず、充分な抵抗変化が得られなくなって、好ましく
ない。
【００２３】次に、外部磁場，保磁力および磁化の方向
の関係について説明する。上述したように、反強磁性薄
膜の交換結合磁界をＨr 、軟磁性薄膜５の保磁力をＨ
C2、印加される信号磁界方向の異方性磁界をＨK2とし
（ただし、０＜ＨC2＜ＨK2＜Ｈr）、まず最初に、外部
磁場ＨをＨ＜−ＨK2となるように印加しておく（図１参
照）。この［領域Ａ］では、図３に示す軟磁性薄膜３お
よび軟磁性薄膜５の磁化方向は、外部磁場Ｈと同じ−
（負）方向に揃って向いている。なお、図１に示す矢印
３およびに矢印５は、図３に示す軟磁性薄膜３および軟
磁性薄膜５の磁化方向をそれぞれ表わすものとする。
の関係について説明する。上述したように、反強磁性薄
膜の交換結合磁界をＨr 、軟磁性薄膜５の保磁力をＨ
C2、印加される信号磁界方向の異方性磁界をＨK2とし
（ただし、０＜ＨC2＜ＨK2＜Ｈr）、まず最初に、外部
磁場ＨをＨ＜−ＨK2となるように印加しておく（図１参
照）。この［領域Ａ］では、図３に示す軟磁性薄膜３お
よび軟磁性薄膜５の磁化方向は、外部磁場Ｈと同じ−
（負）方向に揃って向いている。なお、図１に示す矢印
３およびに矢印５は、図３に示す軟磁性薄膜３および軟
磁性薄膜５の磁化方向をそれぞれ表わすものとする。
【００２４】ここで、外部磁場を弱めていくと、−ＨK2
＜Ｈ＜ＨK2の［領域Ｂ］では、軟磁性薄膜５の磁化は連
続的に回転し始め、続いて、ＨK2＜Ｈ＜Ｈr の［領域
Ｃ］では、軟磁性薄膜５が完全に磁化反転し終わり、軟
磁性薄膜３および軟磁性薄膜５の磁化方向は互いに逆向
きになる。さらに、外部磁場を大きくしたＨr ＜Ｈの
［領域Ｄ］では、軟磁性薄膜３の磁化も反転し、軟磁性
薄膜３および軟磁性薄膜５の磁化方向は＋（正）方向に
揃って向く。
＜Ｈ＜ＨK2の［領域Ｂ］では、軟磁性薄膜５の磁化は連
続的に回転し始め、続いて、ＨK2＜Ｈ＜Ｈr の［領域
Ｃ］では、軟磁性薄膜５が完全に磁化反転し終わり、軟
磁性薄膜３および軟磁性薄膜５の磁化方向は互いに逆向
きになる。さらに、外部磁場を大きくしたＨr ＜Ｈの
［領域Ｄ］では、軟磁性薄膜３の磁化も反転し、軟磁性
薄膜３および軟磁性薄膜５の磁化方向は＋（正）方向に
揃って向く。
【００２５】この磁気抵抗効果膜の抵抗は、軟磁性薄膜
３と軟磁性薄膜５との相対的な磁化方向によって変化
し、［領域Ｂ］でゼロ磁場前後で直線的に変化し、［領
域Ｃ］で最大の値（ＲMAX ）を持つようになる。すなわ
ち、このような膜ではゼロ磁場前後で直線性のよい抵抗
変化を有するとともに、横バイアス機構の不要な磁気抵
抗効果膜が得られる。
３と軟磁性薄膜５との相対的な磁化方向によって変化
し、［領域Ｂ］でゼロ磁場前後で直線的に変化し、［領
域Ｃ］で最大の値（ＲMAX ）を持つようになる。すなわ
ち、このような膜ではゼロ磁場前後で直線性のよい抵抗
変化を有するとともに、横バイアス機構の不要な磁気抵
抗効果膜が得られる。
【００２６】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【００２７】図２は、本発明の一実施例である磁気抵抗
効果膜の構成を示す断面図である。本実施例の磁気抵抗
効果膜は、図２に示すように、金属薄膜６を形成したガ
ラス基板７上に人工格子膜１が形成されており、人工格
子膜１は、軟磁性薄膜Ｍ1 ，Ｍ2 ，……，Ｍn-1 ，Ｍn
と、隣接する２層の軟磁性薄膜の間に非磁性薄膜Ｎ1，
Ｎ2 ，……，Ｎn-2 ，Ｎn-1 と、反強磁性膜ＡＭとを備
えている。そして、これらは磁性薄膜Ｍ1 ，非磁性薄膜
Ｎ1 ，磁性薄膜Ｍ2 ，……，非磁性薄膜Ｎn-1，磁性薄
膜Ｍn ，反強磁性膜ＡＭの順に積層される。
効果膜の構成を示す断面図である。本実施例の磁気抵抗
効果膜は、図２に示すように、金属薄膜６を形成したガ
ラス基板７上に人工格子膜１が形成されており、人工格
子膜１は、軟磁性薄膜Ｍ1 ，Ｍ2 ，……，Ｍn-1 ，Ｍn
と、隣接する２層の軟磁性薄膜の間に非磁性薄膜Ｎ1，
Ｎ2 ，……，Ｎn-2 ，Ｎn-1 と、反強磁性膜ＡＭとを備
えている。そして、これらは磁性薄膜Ｍ1 ，非磁性薄膜
Ｎ1 ，磁性薄膜Ｍ2 ，……，非磁性薄膜Ｎn-1，磁性薄
膜Ｍn ，反強磁性膜ＡＭの順に積層される。
【００２８】次に、本発明の磁気抵抗効果膜の具体的な
実験結果について、図３を参照して説明する。図３は、
本発明の磁気抵抗効果膜の具体例の構成を示す側面図で
ある。 （実施例１）まず、基板としてガラス基板７を用い、こ
れを超高真空蒸着装置の中に入れ、１０-9〜１０-10 ｔ
ｏｒｒまで真空引きを行う。基板温度は室温に保持しガ
ラス基板７を回転させながら、金属薄膜６としてＣｒ薄
膜を５０オングストロームの厚さで形成し、次いで、以
下の組成から成る人工格子膜１を約０．３オングストロ
ーム／秒の成膜速度で成膜を行った。
実験結果について、図３を参照して説明する。図３は、
本発明の磁気抵抗効果膜の具体例の構成を示す側面図で
ある。 （実施例１）まず、基板としてガラス基板７を用い、こ
れを超高真空蒸着装置の中に入れ、１０-9〜１０-10 ｔ
ｏｒｒまで真空引きを行う。基板温度は室温に保持しガ
ラス基板７を回転させながら、金属薄膜６としてＣｒ薄
膜を５０オングストロームの厚さで形成し、次いで、以
下の組成から成る人工格子膜１を約０．３オングストロ
ーム／秒の成膜速度で成膜を行った。
【００２９】人工格子膜１は、軟磁性薄膜５，非磁性薄
膜４，軟磁性薄膜３および反強磁性膜２の順に成膜され
ており、例えば、 Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（２０）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） と表示されている場合は、ガラス基板７上に金属薄膜６
として５０オングストローム厚のＣｒ膜を形成した後、
２０オングストローム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０％の軟
磁性薄膜５、５５オングストローム厚のＣｕの非磁性薄
膜４、２０オングストローム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０
％の軟磁性薄膜３、および５０オングストローム厚のＦ
ｅＭｎの反強磁性薄膜２を順次蒸着することを意味して
いる。
膜４，軟磁性薄膜３および反強磁性膜２の順に成膜され
ており、例えば、 Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（２０）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） と表示されている場合は、ガラス基板７上に金属薄膜６
として５０オングストローム厚のＣｒ膜を形成した後、
２０オングストローム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０％の軟
磁性薄膜５、５５オングストローム厚のＣｕの非磁性薄
膜４、２０オングストローム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０
％の軟磁性薄膜３、および５０オングストローム厚のＦ
ｅＭｎの反強磁性薄膜２を順次蒸着することを意味して
いる。
【００３０】また、磁化の測定は振動型磁力計により測
定するとともに、抵抗測定は試料から０．３×１０ｍｍ
の形状の試料を作製し、外部磁界Ｈを面内に電流の向き
と垂直方向になるように印加しながら、−５００〜５０
０Ｏｅ（エルステッド）まで変化させたときの抵抗を４
端子法により測定し、その抵抗値から磁気抵抗変化率Δ
Ｒ／Ｒを求めた。この磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは、最大
抵抗値をＲMAX ，最小抵抗値をＲMIN とし、次式により
計算した。
定するとともに、抵抗測定は試料から０．３×１０ｍｍ
の形状の試料を作製し、外部磁界Ｈを面内に電流の向き
と垂直方向になるように印加しながら、−５００〜５０
０Ｏｅ（エルステッド）まで変化させたときの抵抗を４
端子法により測定し、その抵抗値から磁気抵抗変化率Δ
Ｒ／Ｒを求めた。この磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは、最大
抵抗値をＲMAX ，最小抵抗値をＲMIN とし、次式により
計算した。
【００３１】
【００３２】ここで、作製した人工格子膜は、 Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（８）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（１０）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（２０）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（２５）／Ｃｕ（５５） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） の４種類である。軟磁性のＮｉＦｅ層が８〜１５オング
ストローム厚にした人工格子膜では、ＮｉＦｅ層の異方
性磁界ＨK が保磁力ＨC より大きくなるような軟磁性層
が得られる。この人工格子膜のＢ−Ｈ曲線は、図１に示
すようになり、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する
膜が得られた。
ストローム厚にした人工格子膜では、ＮｉＦｅ層の異方
性磁界ＨK が保磁力ＨC より大きくなるような軟磁性層
が得られる。この人工格子膜のＢ−Ｈ曲線は、図１に示
すようになり、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する
膜が得られた。
【００３３】また、ＮｉＦｅ層が２５オングストローム
厚の試料では、ＮｉＦe 層の異方性磁界ＨK が保磁力Ｈ
C とほぼ同程度となり、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗
変化する膜は得られなかった （実施例２）実施例１の場合と同様に、以下の人工格子
膜を作成した。
厚の試料では、ＮｉＦe 層の異方性磁界ＨK が保磁力Ｈ
C とほぼ同程度となり、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗
変化する膜は得られなかった （実施例２）実施例１の場合と同様に、以下の人工格子
膜を作成した。
【００３４】 Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅ（１０）／Ｃｕ（２２） ／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５０） そして、この上に電極を形成するためにＡｕを２４００
オングストローム蒸着した。さらに、この人工格子膜上
にレジストを塗布し、さまざまのＭＲパターン幅を有す
るＭＲパターンにドライエッチング装置を用いて微細加
工を施した後、ＭＲセンシング部のＡｕ層を除去して抵
抗測定用試料とした。
オングストローム蒸着した。さらに、この人工格子膜上
にレジストを塗布し、さまざまのＭＲパターン幅を有す
るＭＲパターンにドライエッチング装置を用いて微細加
工を施した後、ＭＲセンシング部のＡｕ層を除去して抵
抗測定用試料とした。
【００３５】磁気抵抗測定した人工格子膜のセンシング
部の大きさは、 ３×２００ μｍ ５×２００ μｍ １０×２００ μｍ ２０×２００ μｍ の４種類である。ＭＲパターン幅を３０μｍ以下にした
人工格子膜では、膜の反磁界および人工格子膜の各磁性
層同士が静磁結合した影響でＮｉＦｅ層の見かけの異方
性磁界ＨK が保磁力ＨC より大きくなる。この人工格子
膜のＭＲ曲線はＭＲパターン幅に従い、直線的に抵抗変
化している領域が連続的にシフトしていることがわかっ
た。
部の大きさは、 ３×２００ μｍ ５×２００ μｍ １０×２００ μｍ ２０×２００ μｍ の４種類である。ＭＲパターン幅を３０μｍ以下にした
人工格子膜では、膜の反磁界および人工格子膜の各磁性
層同士が静磁結合した影響でＮｉＦｅ層の見かけの異方
性磁界ＨK が保磁力ＨC より大きくなる。この人工格子
膜のＭＲ曲線はＭＲパターン幅に従い、直線的に抵抗変
化している領域が連続的にシフトしていることがわかっ
た。
【００３６】特に、この試料では、ＭＲパターン幅が５
μｍのとき、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜
が得られた。また、ＭＲパターン幅が３０μｍ以上の試
料では反磁界，静磁結合の影響が相対的に小さくなり、
ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜は得られなか
った。 （実施例３）ＮｉＦｅ膜は、磁場中で蒸着（成膜）する
ことにより一軸異方性がつくことが一般的に知られてい
る。この磁場中蒸着により一軸異方性を有するＮｉＦｅ
膜の困難軸方向に外部磁場を印加すると、このＮｉＦｅ
層のＢ−Ｈ曲線は、やはり異方性磁界ＨK が保磁力ＨC
よりも大きくなるような形状になる。従って、磁場中蒸
着により外部磁場印加方向が磁化困難軸となっているよ
うな人工格子膜でも、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変
化する磁気抵抗効果膜が得られる。
μｍのとき、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜
が得られた。また、ＭＲパターン幅が３０μｍ以上の試
料では反磁界，静磁結合の影響が相対的に小さくなり、
ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜は得られなか
った。 （実施例３）ＮｉＦｅ膜は、磁場中で蒸着（成膜）する
ことにより一軸異方性がつくことが一般的に知られてい
る。この磁場中蒸着により一軸異方性を有するＮｉＦｅ
膜の困難軸方向に外部磁場を印加すると、このＮｉＦｅ
層のＢ−Ｈ曲線は、やはり異方性磁界ＨK が保磁力ＨC
よりも大きくなるような形状になる。従って、磁場中蒸
着により外部磁場印加方向が磁化困難軸となっているよ
うな人工格子膜でも、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変
化する磁気抵抗効果膜が得られる。
【００３７】具体的には、ガラス基板７の両側にＳｍＣ
ｏ磁石を配置し、ガラス基板７と平行に数十Ｏｅ（エル
ステッド）程度の外部磁場が印加されているような状態
で人工格子膜の蒸着を行った。この試料のＢ−Ｈ曲線を
測定すると、蒸着中磁場印加方向がＮｉＦｅ層の磁化容
易軸となり、異方性磁界ＨK は保磁力ＨC に比べてそれ
ほど大きくならない。しかしながら、蒸着中の磁場印加
方向と垂直方向が膜の磁化困難軸となっており、困難軸
方向に外部磁場を印加する場合には、この人工格子膜の
抵抗は、ゼロ磁場前後で直線性よく変化をすることがわ
かった。
ｏ磁石を配置し、ガラス基板７と平行に数十Ｏｅ（エル
ステッド）程度の外部磁場が印加されているような状態
で人工格子膜の蒸着を行った。この試料のＢ−Ｈ曲線を
測定すると、蒸着中磁場印加方向がＮｉＦｅ層の磁化容
易軸となり、異方性磁界ＨK は保磁力ＨC に比べてそれ
ほど大きくならない。しかしながら、蒸着中の磁場印加
方向と垂直方向が膜の磁化困難軸となっており、困難軸
方向に外部磁場を印加する場合には、この人工格子膜の
抵抗は、ゼロ磁場前後で直線性よく変化をすることがわ
かった。
【００３８】異方性磁界ＨK ，保磁力ＨC は軟磁性材
料の軟磁気特性，異方性係数によって変化する。ＮｉＦ
ｅＭｏ材はＮｉＦｅ材よりも数段優れた軟磁気特性を示
す。保磁力ＨC はＮｉＦｅ材よりもよくなり、ＮｉＦ
ｅＭｏ材では、異方性磁界ＨK は保磁力ＨC よりも大
きくなり、例えば、Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅＭｏ（２
０）／Ｃｕ（５５）／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５
０）から成る人工格子膜では、同様にゼロ磁場前後で抵
抗変化する横バイアス機構の不要な磁気抵抗効果膜が得
られることがわかる。
料の軟磁気特性，異方性係数によって変化する。ＮｉＦ
ｅＭｏ材はＮｉＦｅ材よりも数段優れた軟磁気特性を示
す。保磁力ＨC はＮｉＦｅ材よりもよくなり、ＮｉＦ
ｅＭｏ材では、異方性磁界ＨK は保磁力ＨC よりも大
きくなり、例えば、Ｃｒ（５０）／ＮｉＦｅＭｏ（２
０）／Ｃｕ（５５）／ＮｉＦｅ（２０）／ＦｅＭｎ（５
０）から成る人工格子膜では、同様にゼロ磁場前後で抵
抗変化する横バイアス機構の不要な磁気抵抗効果膜が得
られることがわかる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、横
バイアス機構が不要で、かつゼロ磁場前後で抵抗変化す
る人工格子による磁気抵抗効果膜を得ることができる。
バイアス機構が不要で、かつゼロ磁場前後で抵抗変化す
る人工格子による磁気抵抗効果膜を得ることができる。
【図１】本発明の磁気抵抗効果膜の作用原理を説明する
図である。
図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果膜の構成を示す側面図で
ある。
ある。
【図３】本発明の磁気抵抗効果膜の具体例の構成を示す
側面図である。
側面図である。
１ 人工格子膜 ２，ＡＭ 反強磁性薄膜 ３，５，Ｍ1 ，Ｍ2 ，…，Ｍn-1 ，Ｍn 軟磁性薄膜 ４，Ｎ1 ，Ｎ2 ，…，Ｎn-2 ，Ｎn-1 非磁性薄膜 ６ 金属薄膜 ７ ガラス基板
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ
Claims (6)
- 【請求項１】 基板上に非磁性薄膜を介して積層した複
数の磁性薄膜から成り、前記非磁性薄膜を介して隣接す
る一方の軟磁性薄膜に反強磁性薄膜が隣接して設け、こ
の反強磁性薄膜の交換結合磁界をＨr 、他方の軟磁性
薄膜の保磁力をＨC2、印加される信号磁界方向の異方性
磁界をＨK2としたとき、ＨC2＜ＨK2＜Ｈrであることを
特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項２】 請求項１記載の磁気抵抗効果膜のパター
ン幅が、３０μｍ以下であることを特徴とする磁気抵抗
効果膜。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の磁気抵抗効果膜
の磁気抵抗素子部の(パターン幅／トラック幅）で定義
されるアスペクト比が、０．１〜１００であることを特
徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項記載の軟
磁性薄膜が、ＮｉＦｅ合金，ＮｉＦｅＭｏ合金もしくは
これらを主成分とする合金から成ることを特徴とする磁
気抵抗効果膜。 - 【請求項５】 請求項１記載の磁気抵抗効果膜の製造方
法であって、磁性薄膜の磁化容易軸が印加される信号磁
界方向に対して垂直方向であり、かつ印加信号磁界方向
の磁性薄膜の各々の保磁力がＨC2＜ＨK2＜Ｈr になる
ように前記磁性薄膜を磁場中成膜することを特徴とする
磁気抵抗効果膜の製造方法。 - 【請求項６】 請求項５記載の磁気抵抗効果膜の製造方
法において、前記磁性薄膜の各々の保磁力がＨC2＜ＨK2
＜Ｈr になるようにパターン幅を３０μｍ以下にエッ
チングすることを特徴とする磁気抵抗効果膜の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6082906A JP2738295B2 (ja) | 1993-05-13 | 1994-04-21 | 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11082693 | 1993-05-13 | ||
| JP5-110826 | 1993-05-13 | ||
| JP6082906A JP2738295B2 (ja) | 1993-05-13 | 1994-04-21 | 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0794326A JPH0794326A (ja) | 1995-04-07 |
| JP2738295B2 true JP2738295B2 (ja) | 1998-04-08 |
Family
ID=26423932
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6082906A Expired - Fee Related JP2738295B2 (ja) | 1993-05-13 | 1994-04-21 | 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2738312B2 (ja) * | 1994-09-08 | 1998-04-08 | 日本電気株式会社 | 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 |
| JPH10188235A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-07-21 | Nec Corp | 磁気抵抗効果膜及びその製造方法 |
| JPH10198927A (ja) * | 1997-01-08 | 1998-07-31 | Nec Corp | 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 |
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