JP3207477B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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とるための磁気抵抗効果素子
に関するものである。実用性の高い磁気抵抗効果素子
は、小さい外部磁場で、抵抗変化率が大きいことが要求
される。本発明の磁気抵抗効果素子は、小さい外部磁場
で抵抗変化率が大きく、優れた実用性を有している。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気センサーの高感度化及び磁気
記録における高密度化が進められており、これに伴い、
磁気抵抗効果型磁気センサー(以下、ＭＲセンサーとい
う。)及び磁気抵抗効果型磁気ヘッド(以下、ＭＲヘッド
という。)の開発が盛んに進められている。

【０００３】ＭＲセンサーもＭＲヘッドも、磁性材料か
らなる読み取りセンサー部の抵抗変化により、外部磁界
信号を読み出すのであるが、ＭＲセンサー及びＭＲヘッ
ドは、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、ＭＲ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
を有している。

【０００４】しかし、従来の異方性磁気抵抗効果による
磁性体Ｎi₀.₈Ｆe₀.₂等を利用したＭＲセンサーでは、抵
抗変化率△Ｒ／Ｒ(後に定義する。)がせいぜい２〜５％
であることから、さらに抵抗変化率の大きなＭＲ素子が
求められてきた。

【０００５】最近、磁性層間で磁化方向が互いに逆向き
になっている[Ｆe／Ｃr]×n（nは、積層の繰り返し数）
を代表とする人工格子膜で大きな磁気抵抗変化が起きる
ことが発見された[フィジカル・レビュー・レターズ(Ｐ
hys．Ｒev．Ｌett．)第６１巻、２４７２頁、１９８８
年]。しかし、この人工格子膜では最大抵抗変化の起き
る外部磁場が十数kＯe〜数十kＯeと大きく、このままで
は実用性がない。

【０００６】上記のように、従来のＭＲセンサー及びＭ
Ｒヘッドでは抵抗変化率が小さく、またＦe／Ｃrをはじ
めとする人工格子膜では抵抗変化の起こる外部磁場が大
きすぎるという問題があった。そこで本発明者らは、上
記問題点を解決する磁気抵抗効果素子として、基板、及
び該基板上に非磁性薄膜層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なり、非磁性薄膜層を介して
隣合う磁性薄膜の保磁力が異なっている磁気抵抗効果素
子を発明し、既に特許出願している(特願平３−７８８
２４号、特願平３−２７５３５４号。発明の名称:磁気
抵抗効果素子)。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記先願の
磁気抵抗効果素子よりもさらに大きな抵抗変化率を示す
磁気抵抗効果素子を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明は、上記先願の磁気
抵抗効果素子において磁性材料と非磁性材料の組合せを
最適化することにより、抵抗変化率を高めようとするも
のである。即ち、本発明は、クロムなどの下地層を有す
ることもある基板、該基板上に非磁性薄膜層を介して積
層された少なくとも２層の磁性薄膜を有して成り、非磁
性薄膜層を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異なってい
る磁気抵抗効果素子において、少なくとも１層の磁性薄
膜層とそれに隣接した非磁性薄膜層との界面に、隣合う
非磁性薄膜の材料とは異なる金属の厚みが０．５オング
ストロームから２０オングストローム未満の薄膜を積層
したことを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供するもの
である。

【０００９】本発明の磁気抵抗効果素子では、非磁性薄
膜を介して隣合った磁性薄膜層の保磁力は互いに異なっ
ていることが必須である。その理由は、本発明の原理
が、隣合った磁性層の磁化の向きが互いに逆向きに向い
たとき、最大の抵抗を示すことにあるからである。すな
わち、本発明では、図１に示すごとく外部磁場が磁性薄
膜層の保磁力Ｈc₂と磁性薄膜層の保磁力Ｈc₃の間(Ｈc₂
＜Ｈ＜Ｈc₃)であるとき、隣合った磁性層の磁化の方向
が互いに逆向きになり、抵抗が増大する。

【００１０】この伝導電子の散乱は磁性層と非磁性層の
界面近傍で起こっている可能性が高い。さらにこのスピ
ンに依存した散乱では磁性材料と非磁性材料の組合せ
で、抵抗変化率が著しく異なることが知られている。例
えば[Ｃo／Ｃu]×nの人工格子では、抵抗変化率が約５
０％に達するのに対し、[Ｆe／Ｃu]×nの人工格子では
抵抗変化率は、その１／７程度であると報告されてい
る。

【００１１】最近では、[ＣoxＦe_1-x／Ｃu]×n人工格子
では合金層の組成x（０≦ｘ≦１）に依存して抵抗変化
の大きさが変化し、x＝０．５付近で抵抗変化率が最大
になるとの理論的な研究結果もあり、磁性層の表面すな
わち、磁性層と非磁性層の界面に他の金属を薄く積層す
ることにより、磁性層間の保磁力の関係を保ったまま抵
抗変化率を大きくすることが可能である。又この界面層
の金属が非磁性材料の場合でも、異なった組合せの磁性
層と非磁性層が実現されるので効果が有る。

【００１２】本発明の磁性薄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、Ｎi、Ｃo、Ｍ
n、Ｃr、Ｄy、Ｅr、Ｎd、Ｔb、Ｔm、Ｃe、Ｇd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、
Ｆe−Ａl−Ｓi(センダスト)、Ｆe−Ｙ、Ｆe−Ｍn、Ｃr
−Ｓb、Ｃo系アモルファス合金、Ｃo−Ｐt、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。

【００１３】本発明では、これらの磁性体から保磁力の
異なる２種またはそれ以上を選択して磁性薄膜を形成す
る。さらに１種またはそれ以上の磁性層界面には、抵抗
変化率が大きくなるように他の金属を薄く積層した磁性
薄膜を形成する。この界面金属層の種類は特に制限され
ないが、具体的にはＦe、Ｎi、Ｃo、Ｍn、Ｃr、Ｃu、Ａ
u、Ａg、Ｐt、Ｄy、Ｅr、Ｎd、Ｔb、Ｔm、Ｃe、Ｇd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−Ｇ
d、Ｆe−Ａl−Ｓi(センダスト)、Ｆe−Ｙ、Ｆe−Ｍn、
Ｃr−Ｓb、Ｃo系アモルファス合金、Ｃo−Ｐt、Ｆe−Ａ
l、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。

【００１４】各磁性薄膜層の膜厚の上限は、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
温より低くなって実用性がなくなる。また、厚さを４オ
ングストローム以上とすれば、膜厚を均一に保つことが
容易となり、膜厚も良好となる。また、飽和磁化の大き
さが小さくなりすぎることもない。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、不経済である。

【００１５】磁性層表面に積層する金属層の厚みは、こ
の内側の磁性層の保磁力が大きく変化しないようにする
ことが必要である為、０．５オングストローム〜２０オ
ングストローム未満である。

【００１６】各磁性膜の保磁力は、適用される素子にお
ける外部磁界強度や要求される抵抗変化率等に応じて、
例えば約０．００１Ｏe〜約１０kＯeの範囲から適宜選
択すればよい。また、隣接する磁性薄膜の保磁力の比
は、１．２：１〜１００：１、好ましくは５：１〜５
０：１、より好ましくは８：１〜２０：１である。

【００１７】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できないので、通
常、下記のようにして測定する。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
サンプルを作製し、これに付いて磁気特性を測定する。
この場合、磁性薄膜の厚さ、非磁性薄膜の厚さ及び非磁
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。

【００１８】保磁力以外の磁性薄膜の磁気特性に特に限
定はないが、低保磁力の磁性薄膜の角形比は０．９〜
１．０であるのが好ましい。

【００１９】非磁性薄膜層は、保磁力の異なる磁性薄膜
層間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であり、
その種類に特に制限はなく、各種金属ないし半金属非磁
性体及び非金属非磁性体から適宜選択すればよい。

【００２０】金属非磁性体としては、Ａu,Ａg,Ｃu,Ｐt,
Ａl,Ｍg,Ｍo,Ｚn,Ｎb,Ｔa,Ｖ,Ｈf,Ｓb,Ｚr,Ｇa,Ｔi,Ｓ
n,Ｐb等及びこれらの合金が好ましい。半金属非磁性体
としては、Ｓi,Ｇe,Ｃ,Ｂ等及びこれらに別の元素を添
加したものが好ましい。非金属非磁性体としては、Ｓi
Ｏ₂,ＳiＯ,ＳiＮ,Ａl₂Ｏ₃,ＺnＯ,ＭgＯ,ＴiＮ等及びこ
れらに別の元素を添加したものが好ましい。

【００２１】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。一般に膜厚が２００オングストロ
ームを超えると、非磁性薄膜層により抵抗が決まってし
まい、スピンに依存する散乱効果が相対的に小さくなっ
てしまい、その結果、磁気抵抗変化率が小さくなってし
まう。一方、膜厚が４オングストローム以下になると、
磁性薄膜層間の磁気相互作用が大きくなり過ぎ、又、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。

【００２２】下地層の厚さは、特に限定されないが、通
常２００オングストローム以下、好ましくは、２０〜１
５０オングストローム、特に３０〜１００オングストロ
ームである。２００オングストローム以下であれば、Ｍ
Ｒ比はほとんど劣化しない。

【００２３】金属薄膜、もしくは磁性又は非磁性薄膜の
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、
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。

【００２４】本発明の磁気抵抗効果素子において、人工
格子膜の繰返し積層回数ｎに特に制限はなく、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、十
分な磁気抵抗変化率を得るためには、ｎを３以上にする
のが好ましい。また、積層数を増加するに従って、抵抗
変化率も増加するが、生産性が悪くなり、さらにｎが大
きすぎると素子全体の抵抗が低くなりすぎて実用上の不
便が生じることから、通常、ｎを５０以下とするのが好
ましい。

【００２５】以上の説明では、磁性薄膜として保磁力の
異なる２種類の磁性薄膜だけを用いているが、保磁力が
それぞれ異なる３種以上の磁性薄膜を用いることによ
り、磁化方向が逆転する外部磁界を２箇所以上設定で
き、動作磁界強度の範囲を拡大することができる。

【００２６】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化
けい素や酸化けい素等の酸化防止膜が設けれられてもよ
く、電極引出のための金属導電層が設けられてもよい。

【００２７】製膜は、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、けい素、ＭgＯ、ＧaＡs、フェラ
イト、ＣaＴiＯ等を用いることができる。

【００２８】ここで、外部磁場、保磁力及び磁化の方向
の関係を説明する。簡素化の為、保磁力の異なった２種
類の磁性薄膜及びに限定して説明する。図１に示す
ように、２種類の磁性薄膜層のＨcをそれぞれＨc₂及び
Ｈc₃とする（０＜Ｈc₂＜Ｈc₃）。最初、外部磁場Ｈを、
Ｈ＜−Ｈcm（Ｈcmは、磁性薄膜の磁化が飽和する外部
磁界である。）となるようにかけておく。磁性薄膜層
及びの磁化方向は、Ｈと同じ−（負）方向に向いてい
る。次に外部磁場を上げていくと、Ｈ＜Ｈc₂の領域
（Ｉ）では、まだ両磁性薄膜層磁化方向は−方向を向い
ている。

【００２９】外部磁場を上げてＨc₂＜Ｈ＜Ｈc₃の領域
（II）になると、磁性薄膜層の磁化方向が反転し、磁
性薄膜層及びの磁化方向は互いに逆向きになる。更
に外部磁場を大きくしたＨcm＜Ｈの領域（III）では、
磁性薄膜層及びの磁化方向は、＋方向に揃って向
く。

【００３０】今度は外部磁場Ｈを減少させると、−Ｈc₂
＜Ｈの領域（IV）では磁性薄膜層及びの磁化方向は
＋方向のままであるが、−Ｈc₃＜Ｈ＜−Ｈc₂の領域
（Ｖ）では、磁性薄膜層の磁化方向は−方向に反転
し、磁性薄膜層及びの磁化方向は互いに逆向きにな
る。更に、Ｈ＜−Ｈcmの領域（VI）では、磁性薄膜層
及びの磁化方向は−方向に揃って向く。この磁性薄膜
層及びの磁化方向が互いに逆向きになっている領域
（II）及び（Ｖ）で、伝導電子がスピンに依存した散乱
を受け、抵抗は大きくなる。

【００３１】

【実施例】本発明の磁気抵抗効果素子を添付図面を参照
して説明する。図２は、本発明の１実施例である人工格
子膜の断面図である。図２において、人工格子膜は、金
属薄膜を形成した基板４上に磁性薄膜１,２,…を有し、
隣接する２層の磁性薄膜の間に、非磁性薄膜６，６，…
を有する。又磁性層２の表面には抵抗変化率を大きくす
るような薄い界面金属層３，３，…が積層されている。

【００３２】例えば、界面金属層３に磁性材料を選ぶ
と、磁性層２は、界面金属層３と非磁性層を介さず積層
されているため、磁性層２及び界面金属層３の磁化は同
じ外部磁場で反転する。かつ界面金属層３の厚みは、磁
性層２に比べて薄くするようにすると磁性層２,界面金
属層３の磁化が反転する外部磁場は、ほとんど磁性層２
の材料により決まってしまう。磁性薄膜層２に例えばＨ
cの小さなＮi₀.₈Ｆe₀.₂(Ｈc₂数Ｏe)を選び、磁性薄膜層
１にＨcのやや大きい例えばＣo(Ｈc₃数十Ｏe)を選び、
磁性薄膜層２の表面により抵抗変化の大きくなるように
界面金属層３にＣoを用いることにより、外部磁場Ｈc₂
付近の小外部磁場でより大きな抵抗変化率を示すＭＲ素
子が得られる。この例では、磁性層２の両側にのみ界面
金属層をつけているが、さらに磁性薄膜層１の両側に界
面金属層を設けてもよい。

【００３３】以下、本発明を具体的な実験結果により説
明する。実施例１および比較例１ 基板としてガラス基板４を用い、超高真空蒸着装置の中
に入れ、１０^-9〜１０^-10torrまで真空引きを行う。基
板温度は室温に保ったまま基板を回転させながら、まず
下地層としてクロム薄膜を５０オングストロームの厚さ
で形成し、次いで以下の組成をもつ人工格子膜を、約
０.３オングストローム／秒の製膜速度で製膜を行っ
た。

【００３４】磁性薄膜と非磁性薄膜とからなる多層膜の
構成及び磁気抵抗変化率を下記表１に示す。なお、表１
において、例えば、〔ＮiＦe(10)／Ｃu(t)／Ｃo(10)／
Ｃu(t)〕×５と表示されている場合、１０オングストロ
ーム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０％の合金薄膜、ｔオング
ストローム厚のＣｕ薄膜、１０オングストローム厚のＣ
ｏ薄膜及びｔオングストローム厚のＣｕ薄膜を順次蒸着
する工程を５回繰り返したことを意味する（なおｔは、
表１に示す通り１２〜６８オングストロームの間で変化
させた）。

【００３５】磁化の測定は、振動型磁力計により行っ
た。抵抗測定は、表１に示される構成の試料から０.３
×１０mmの形状のサンプルを作成し、外部磁界を面内に
電流と垂直方向になるようにかけながら、−５００〜５
００Ｏeまで変化させたときの抵抗を４端子法により測
定し、その抵抗から磁気抵抗変化率△Ｒ／Ｒを求めた。
抵抗変化率△Ｒ／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：

【００３６】

【数１】

【００３７】比較として、ＮiＦe層の両側にＣo層を設
けていない多層膜を形成し、抵抗変化率を計算した。結
果を次に示す。

【表１】 実施例１(ＮiＦe層の表面にＣo層有り) 抵抗変化率 Cr(50)[Co(2)/NiFe(20)/Co(2)/Cu(56)/Co(10)/Cu(56)]×５ ８．５％ Cr(50)[Co(2)/NiFe(20)/Co(2)/Cu(44)/Co(10)/Cu(44)]×５ １０．１％ Cr(50)[Co(2)/NiFe(20)/Co(2)/Cu(32)/Co(10)/Cu(32)]×５ ９．３％ Cr(50)[Co(2)/NiFe(20)/Co(2)/Cu(36)/Co(10)/Cu(36)]×５ １２．２％ 比較例１(ＮiＦe層の表面にＣo層無し) 抵抗変化率 Ｃr(５０)[ＮiＦe(２０)／Ｃu(５６)／Ｃo(１０)／Ｃu(５６)]×５ ６．４％ Ｃr(５０)[ＮiＦe(２０)／Ｃu(４４)／Ｃo(１０)／Ｃu(４４)]×５ ７．１％ Ｃr(５０)[ＮiＦe(２０)／Ｃu(３２)／Ｃo(１０)／Ｃu(３２)]×５ ８．０％ Ｃr(５０)[ＮiＦe(２０)／Ｃu(３６)／Ｃo(１０)／Ｃu(３６)]×５ ９．１％ 実施例２（ＮiＦe層の表面にＣoＦe層あり。） 抵抗変化率 Cr(50)[CoFe(2)/NiFe(10)/CoFe(2)/Cu(56)/Co(10)/Cu(56)]×５ ８．８％ Cr(50)[CoFe(2)/NiFe(10)/CoFe(2)/Cu(44)/Co(10)/Cu(44)]×５ １０．６％ Cr(50)[CoFe(2)/NiFe(10)/CoFe(2)/Cu(32)/Co(10)/Cu(32)]×５ ９．７％ Cr(50)[CoFe(2)/NiFe(20)/CoFe(2)/Cu(36)/Co(10)/Cu(36)]×５ １２．６％

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の磁気抵抗効果素子の作用原理を説明
するＢ−Ｈ曲線である。

【図２】 本発明の磁気抵抗効果素子の一部省略断面図
である。

【符号の説明】 １，２…磁性薄膜、３…界面金属層、４…基板、５…下
地層、６…非磁性薄膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−212402（ＪＰ，Ａ) 特許2964690（ＪＰ，Ｂ２) 特許3088519（ＪＰ，Ｂ２) 特許3088478（ＪＰ，Ｂ２) 特許2961914（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板、該基板上に非磁性薄膜層を介して
   積層された少なくとも２層の磁性薄膜層を有して成り、
   非磁性薄膜層を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異なっ
   ている磁気抵抗効果素子において、少なくとも１層の磁
   性薄膜層とそれに隣接した非磁性薄膜層との界面に、隣
   合う非磁性薄膜の材料とは異なる金属の厚みが０．５オ
   ングストロームから２０オングストローム未満の薄膜を
   積層したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 基板が下地層を有する請求項１記載の磁
   気抵抗効果素子。