JPH09199769A - 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁性層と非磁性層との積層構造を有する磁気
抵抗効果素子の耐熱性及び耐環境性を向上する。 【解決手段】 Ｃｕの非磁性層と磁性層との層間にＡｇ
の拡散防止層を設ける。また，非磁性層をＣｕ薄膜とＡ
ｇ薄膜との多層膜とする。Ａｇ薄膜はＣｕ層と密着する
ため熱処理による凝集を起こさない。また，Ａｇは拡散
防止層として優れる。非磁性層にＣｕを用いることで磁
気抵抗効果が大きく，かつＡｇ層が在るため耐熱性に優
れる。さらに，多層膜の層間に耐腐蝕性金属薄膜を設け
ることで，耐腐蝕性を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁性層とＣｕ層とが
積層された構造を有する磁気抵抗効果素子に関し，耐熱
性に優れかつ磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子の
構造に関する。

【０００２】磁気センサ，例えば磁気ヘッドに用いられ
る磁気抵抗素子には，非磁性層を第一及び第二の磁性層
とで挟む構造を有するスピンバルブ膜，又は非磁性層と
磁性層とを交互に積層した構造を有する超格子ＧＭＲ
（巨大磁気抵抗）膜が使用されている。かかるスピンバ
ルブ膜又及び超格子ＧＭＲ膜は，大きな磁気抵抗効果を
生じさせるために非磁性層をＣｕとしている。

【０００３】しかし，磁性層には通常Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ
を含む合金が用いられるため，Ｃｕは磁性層と反応して
熱拡散を起こしやすい。このため，Ｃｕを非磁性層とす
る磁気抵抗効果素子では，素子製造工程中の熱処理によ
り非磁性層と磁性層との間の熱拡散を生じて磁気抵抗効
果が低減する。また，磁気装置，例えば磁気ディスクに
用いられる磁気抵抗効果素子は，信頼性の確保のため，
使用環境下で耐腐蝕性が要求される。

【０００４】このため，磁気抵抗効果が大きくかつ耐熱
性に優れた磁気抵抗効果素子が求められている。加え
て，使用環境での耐腐蝕性に優れた磁気抵抗効果素子が
求められている。

【０００５】

【従来の技術】従来の磁気抵抗効果素子を，ＭＲ膜（磁
気抵抗膜）としてスピンバルブ膜又は超格子ＧＭＲ膜を
用いた実施例を参照して説明する。

【０００６】図５は従来例スピンバルブ膜断面図であ
り，磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子のスピン
バブル膜を表している。従来のスピンバブル膜は，図５
を参照して，下地層２が堆積された基板１上に，第一の
磁性層３，非磁性層５，第二の磁性層７を順次堆積し，
さらに第二の磁性層の磁化方向を固定するためにＦｅＭ
ｎ等の反強磁性層８を堆積した構造を有している。

【０００７】この非磁性層５には，大きな磁気抵抗効果
を発生するＣｕ層が多用される。しかし，磁性材料から
なる磁性層３，７には，Ｃｕと固溶しやすい元素，例え
ばＦｅ，Ｃｏ又はＭｎを含む合金が用いられる。このた
め，非磁性層５と磁性層３，７との界面で熱拡散が起こ
り易く，スピンバブル膜の堆積後にする磁気ヘッド製造
工程中の熱処理，例えば絶縁層として使用されるレジス
トのベーキングにより熱拡散を起こし，磁気抵抗効果の
減少を招く。

【０００８】図６は，従来例超格子巨大磁気抵抗膜断面
図であり，磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子の
超格子ＧＭＲ膜を表している。従来の超格子ＧＭＲ膜
は，図６を参照して，Ｃｕからなる下地層２が堆積され
た基板１上に，磁性層３及び非磁性層５を交互に積層し
た多層膜を形成し，最上面の磁性層３上面を覆うＣｕか
らなるキャップ層９を設けた構造を有する。

【０００９】これらの磁性層３及び非磁性層５の多く
は，スピンバルブ膜と同様に，Ｃｕと反応し易い元素を
含む磁性層と，Ｃｕからなる非磁性層とから構成され
る。このため，スピンバルブ膜と同じく熱処理工程中に
熱拡散を起こし，磁気抵抗効果の減少を招来するという
問題があった。

【００１０】かかるスピンバルブ膜又は超格子ＧＭＲ膜
の耐熱性を向上するため，非磁性層をＣｕに代えてＡｇ
とする方法が考案された。しかし，Ａｇからなる非磁性
層は，Ａｇ層が薄いと熱処理により凝集してしまい，ス
ピンバルブ膜又は超格子ＧＭＲ膜が破壊されるという欠
点がある。この凝集を避けるためにＡｇ層を厚くしたの
では磁気抵抗効果が小さくなる。従って，非磁性層をＡ
ｇとした磁気抵抗効果素子は，磁気抵抗効果を大きくす
ることが難しい。

【００１１】さらに，Ｃｕは腐蝕し易いため，Ｃｕを非
磁性層に用いた磁気抵抗効果素子に使用環境下で十分な
耐腐蝕性を持たせることは困難であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように，非磁
性層をＣｕとする従来の磁気抵抗効果素子では，非磁性
層と接触する磁性層と非磁性層との間で拡散反応が起こ
り，磁気抵抗効果が減少するという問題があった。ま
た，Ａｇを非磁性層に用いて熱拡散を防止したのでは，
磁気抵抗効果が小さいという欠点がある。さらに，Ｃｕ
を非磁性層に用いた磁気抵抗効果素子は，耐腐蝕性が不
十分であった。

【００１３】本発明は，拡散防止効果を奏するＡｇの薄
層をＣｕ層に接して設けることで，Ｃｕの拡散反応を抑
制し，耐熱性に優れかつ大きな磁気抵抗効果を有する磁
気抵抗効果素子を提供することを目的とする。また，か
かる磁気抵抗効果素子の構造に加えて耐腐蝕性のある金
属薄膜を挿入することで，使用環境下で耐腐蝕性に優れ
た磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１〜図４は，本発明の
第一〜第四実施形態例断面図であり，図１〜図３はスピ
ンバブル膜の積層構造を，図４は超格子ＧＭＲ膜の積層
構造を表している。なお，図２（ｂ）及び図３はスピン
バブル膜の非磁性層を含む部分の一部拡大図である。

【００１５】上述した課題を解決するために，本発明の
第一の構成では，図１を参照して，第一の磁性層３と，
非磁性層５と，第二の磁性層７とがこの順序で積層され
た構造を含むスピンバルブ膜を有する磁気抵抗効果素子
において，該非磁性層５はＣｕからなり，該非磁性層５
と該第一及び該第二の磁性層３，７との間にＡｇからな
る拡散防止層４，６を設けたことを特徴として構成し，
及び，第二の構成は，図４を参照して，磁性層３と非磁
性層５とが交互に積層されてなる多層膜を有する磁気抵
抗効果素子において，該非磁性層５はＣｕからなり，該
非磁性層５と該磁性層３との間にＡｇからなる拡散防止
層４，６を設けたことを特徴として構成し，及び，第三
の構成は，図２を参照して，第一の構成又は第二の構成
の磁気抵抗効果素子において，Ｃｕからなる該非磁性層
５に代えて，該非磁性層５をＣｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５
ｂとが交互に積層されてなる多層膜としたことを特徴と
して構成し，及び，第四の構成は，第三の構成の磁気抵
抗効果素子において，該Ｃｕ薄膜５ａと該Ａｇ薄膜５ｂ
との間又は該拡散防止層４．６と該Ｃｕ薄膜５ａ若しく
は該Ａｇ薄膜５ｂとの間に設けられた非磁性の耐腐蝕性
金属薄膜５ｃを有することを特徴として構成し，及び，
第五の構成は，第一乃至第四の構成の何れかの構成の磁
気抵抗効果素子を有する磁気センサとして構成する。

【００１６】本発明の第一の構成では，図１を参照し
て，スピンバルブ膜を構成するＣｕからなる非磁性層５
と磁性層３，７との間に，Ａｇからなる拡散防止層４，
６が設けられる。Ａｇは磁性層３，７の構成成分，例え
ばＦｅ．Ｃｏ又はＭｎとは固溶しない。このため，拡散
防止層４，６をＡｇとすることでＣｕからなる非磁性層
５と磁性層３，７との間の熱拡散を有効に抑制すること
ができる。また，本構成のＡｇからなる拡散防止層４，
６は，Ｃｕからなる非磁性層５に密着して設けられるた
め，熱処理時の凝集が抑制される。この結果，拡散防止
層４，６を薄くしても，凝集に起因する磁気抵抗効果特
性の劣化を生じない。

【００１７】このように，Ａｇからなる拡散防止層４，
６は，薄くても大きな拡散防止効果を有しかつ凝集によ
る劣化も小さいから，かかる拡散防止層４，６を設けた
スピンバルブ膜は優れた耐熱性を有する。

【００１８】さらに，拡散防止層４，６は薄くても十分
な耐熱性を有するから，拡散防止層４，６を薄くＣｕか
らなる非磁性層５を厚くすることができる。このため，
本構成の磁気抵抗効果素子は，非磁性層をＣｕとしたも
のに近い大きな磁気抵抗効果を有し，かつ優れた耐熱性
を有する。

【００１９】本発明の第二の構成では，図４を参照し
て，非磁性層５と磁性層３とを交互に積層した構造，例
えば超格子ＧＭＲにおいて，非磁性層５をＣｕとし，か
つ非磁性層５と磁性層３との間にＡｇからなる拡散防止
層４，６が設けられる。なお，本構成の非磁性層５は，
図４中で，Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂからなる多層膜
として示されている非磁性層５を全てＣｕの層に置き換
えたものである。

【００２０】かかる本構成は，上述した第一の構成に係
る磁性層３，７，拡散防止層４，６及び非磁性層５から
なるスピンバルブ膜の積層構造をさらに多層に積層した
構成とみることができる。従って，第一の構成と同様
に，薄いＡｇからなる拡散防止層４，６の存在により磁
性層３と非磁性層５との拡散が抑制され，かつ拡散防止
層４，６の凝集も起こらないから，本構成によって耐熱
性に優れかつ磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子が
実現される。

【００２１】本発明の第三の構成では，図２及び図４を
参照して，非磁性層５をＣｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂと
を交互に積層した多層膜とする。かかる構造の非磁性層
５は，Ａｇ薄膜５ｂがＣｕの拡散を抑制するため非磁性
層５内での厚さ方向のＣｕの拡散が少ない。従って，拡
散防止層４，６の拡散抑制効果が十分でない場合であっ
ても，非磁性層５と磁性層３，７との間の拡散は十分に
抑制される。このため，本構成に係る磁気抵抗効果素子
は耐熱性に優れる。

【００２２】本発明の第四の構成では，図３を参照し
て，Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂとを交互に積層した多
層膜からなる非磁性層５を有する第三の構成において，
Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂとの間又は非磁性層５と拡
散防止層４，６との間に，耐腐蝕性を有する非磁性金属
の薄膜からなる耐腐蝕性金属薄膜５ｃが設けられる。か
かる構成では，Ｃｕを腐蝕させる物質は耐腐蝕性金属薄
膜５ｃにより非磁性層５内部への浸透が阻止されるか
ら，本構成に係る磁気抵抗効果素子は使用環境下での腐
蝕による素子特性の劣化が少ない。

【００２３】かかる耐腐蝕性金属薄膜５ｃは，非磁性で
耐腐蝕性の金属，例えばＡｕ，Ｐｔ又はＴｉの薄膜とす
ることができる。また，耐腐蝕性金属薄膜５ｃは，一層
とは限られず，Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂとの間及び
非磁性層５と拡散防止層４，６との間であれば，一層又
は多層を設けることができる。

【００２４】本発明の第五の構成では，磁気センサの磁
気検出素子として第一〜第四の構成の磁気抵抗効果素子
を利用する。既述のようにこれらの磁気抵抗効果素子は
耐熱性に優れるから，磁気センサの製造又は保管環境に
おいて高熱が加えられても安定した磁気検出感度を有す
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施形態を実施形
態例を参照して説明する。本発明の第一実施形態は，ス
ピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子の拡散防止層に
関する。図１を参照して，まず，（１００）面を主面と
するＳｉ基板１上に，厚さ５nmのＴａからなる下地層２
を堆積する。次いで，フリー層として厚さ９nmのＮｉＦ
ｅからなる磁性層３，厚さ０．６nmのＡｇからなる拡散
防止層４，及び厚さ４nmのＣｕからなる非磁性層５を順
次堆積する。さらに，厚さ０．６nmのＡｇからなる拡散
防止層６を堆積し，その上にピン層として厚さ４nmのＮ
ｉＦｅからなる磁性層７，及び磁性層７の磁化方向を固
定するための厚さ１０nmのＦｅＭｎからなる反強磁性層
８を堆積する。次いで，レジストマスクを用いてパター
ニングし，スピンバルブ膜を形成し，以下通常のスピン
バルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子と同様の製造工程に
より磁気ヘッド用磁気抵抗効果素子を製造する。なお，
上記の堆積工程は，磁性層３，７及び反強磁性層８に磁
化容易軸の方向を規定するために，全て基板１表面に平
行に印加された磁場中でスパッタ法により堆積する。

【００２６】本実施形態例では，その後にする磁気ヘッ
ド製造工程においてなされる熱処理によっても磁気抵抗
効果の低下は小さい。他方，磁気抵抗効果は非磁性層に
Ａｇを用いたスピンバルブ膜よりも大きい。

【００２７】本発明の第二実施形態は，図２を参照し
て，第一の実施形態における非磁性層５を，Ｃｕ薄膜５
ａとＡｇ薄膜５ｂとを交互に積層した多層膜としたもの
である。

【００２８】先ず，第一実施形態と同様に，（１００）
Ｓｉ基板１上に厚さ５nmのＴａからなる下地層２，厚さ
９nmのＮｉＦｅからなる磁性層３を堆積したのち，厚さ
０．４nmのＡｇからなる拡散防止層４を堆積する。次い
で，厚さ０．４nmのＣｕ薄膜５ａを４層及び厚さ０．４
nmのＡｇ薄膜５ｂを３層，それぞれ交互に積層し厚さ
２．８nmの非磁性層５を形成する。なお，非磁性層５の
最上層はＣｕ薄膜５ａである。次いで，厚さ０．４nmの
Ａｇからなる拡散防止層６を堆積する。その上に，第一
実施形態と同様に，厚さ４nmのＮｉＦｅからなる磁性層
７及び厚さ１０nmのＦｅＭｎからなる反強磁性層８を堆
積する。なお，堆積方法は第一実施形態と同様である。

【００２９】本実施態様のスピンバルブ膜では，非磁性
層をＡｇとした場合とＣｕとした場合の中間の磁気抵抗
変化率が実現される。他方，このスピンバルブ膜は耐熱
性に優れる。

【００３０】本発明の第三実施形態は，図３を参照し
て，Ｃｕ薄膜５ａ及びＡｇ薄膜５ｂを交互に堆積した多
層膜からなる非磁性層５中に，耐腐蝕性金属薄膜５ｃを
設けたスピンバルブ膜に関する。先ず，（１００）を主
面とするＳｉ基板１上に，第二実施形態例と同様にして
Ｔａからなる下地層（図外），ＮｉＦｅからなる磁性層
３を堆積し，その上に厚さ０．４nmのＡｇからなる拡散
防止層４を堆積する。次いで，厚さ０．４nmのＣｕ薄膜
５ａ／厚さ０．２nmの耐腐蝕性金属薄膜５ｃ／厚さ０．
４nmのＡｇ薄膜５ｂを一組とする３層構造を３組積層し
て，厚さ３．０nmの多層膜を堆積する。この多層膜の最
上層のＡｇ薄膜５ｂは拡散防止層６となり，多層膜の残
りの部分は非磁性層５となる。次いで，第二実施形態例
と同様に，ＮｉＦｅからなる磁性層７，及びＦｅＭｎか
らなる反強磁性層（図外）を堆積し，スピンバルブ膜を
製造する。

【００３１】本実施形態において，耐熱性を向上するた
めに，耐腐蝕性金属薄膜５ｃを，Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ層
の全ての間に，即ちＣｕ薄膜５ａと拡散防止層４，６と
の間及びＣｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂとの間の全ての間
に設けることもできる。勿論，前述した実施形態例のよ
うに必要に応じて非磁性層５中の任意に選択した層間に
のみ設けることもできる。

【００３２】本発明の第四実施形態は，超格子ＧＭＲ膜
を用いた磁気抵抗効果素子に関する。図４を参照して，
（１００）面を主面とするＳｉ基板１上に，下地層２と
して厚さ５nmのＣｕからなる下地層２を堆積する。次い
で，下地層２上に，厚さ１nmのＣｏからなる磁性層３を
堆積する。次いで，厚さ０．２nmのＡｇからなる拡散防
止層４を堆積する。次いで，厚さ０．２nmのＣｕ薄膜５
ａ，厚さ０．２nmのＡｇ薄膜５ｂ，厚さ０．２nmのＣｕ
薄膜５ａを順次堆積して，Ｃｕ薄膜５ａとＡｇ薄膜５ｂ
とが交互に堆積された多層膜からなる厚さ０．６nmの非
磁性層５を形成する。次いで，厚さ０．２nmのＡｇから
なる拡散防止層４．６を堆積する。その結果，下地層２
上に磁性層３／拡散防止層４／多層膜からなる非磁性層
５／拡散防止層６を一単位とする超格子構造が形成され
る。

【００３３】次いで，上記の超格子構造を２０単位積層
し，その上に厚さ１nmのＣｏからなる磁性層３を堆積す
る。さらに，磁性層３上に厚さ５nmのＣｕからなるキャ
ップ層９を堆積して，超格子ＧＭＲ膜が製造される。以
下，周知の工程をへて磁気ヘッド用磁気抵抗効果素子が
製造される。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば，磁気抵抗効果を大きく
するため非磁性層にＣｕを使用しても，Ａｇ薄膜又はＡ
ｇからなる拡散防止層の拡散防止効果が大きいから耐熱
性にすぐれた積層膜を形成することができる。このた
め，磁気抵抗効果が大きくかつ耐熱性に優れた磁気抵抗
効果素子を提供することができる。また，耐腐蝕性を有
する薄層を挿入することで，使用環境下での耐腐蝕性に
優れた磁気抵抗効果素子を実現することができる。従っ
て，本発明は磁気装置の性能向上に寄与するところが大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一実施形態例断面図

【図２】 本発明の第二実施形態例断面図

【図３】 本発明の第三実施形態例断面図

【図４】 本発明の第四実施形態例断面図

【図５】 従来例スピンバルブ膜断面図

【図６】 従来例超格子巨大磁気抵抗膜断面図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下地層 ３，７ 磁性層 ４，６ 拡散防止層 ５ 非磁性層 ５ａ Ｃｕ薄膜 ５ｂ Ａｇ薄膜 ５ｃ 耐腐蝕性金属薄膜 ８ 反強磁性層 ９ キャップ層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の磁性層と，非磁性層と，第二の磁
   性層とがこの順序で積層された構造を含むスピンバルブ
   膜を有する磁気抵抗効果素子において，該非磁性層はＣ
   ｕからなり，該非磁性層と該第一及び該第二の磁性層と
   の間にＡｇからなる拡散防止層を設けたことを特徴とす
   る磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 磁性層と非磁性層とが交互に積層されて
   なる多層膜を有する磁気抵抗効果素子において，該非磁
   性層はＣｕからなり，該非磁性層と該磁性層との間にＡ
   ｇからなる拡散防止層を設けたことを特徴とする磁気抵
   抗効果素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の磁気抵抗効
   果素子において，Ｃｕからなる該非磁性層に代えて，該
   非磁性層をＣｕ薄膜とＡｇ薄膜とが交互に積層されてな
   る多層膜としたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. 【請求項４】 請求項３記載の磁気抵抗効果素子におい
   て，該Ｃｕ薄膜と該Ａｇ薄膜との間又は該拡散防止層と
   該Ｃｕ薄膜若しくは該Ａｇ薄膜との間に設けられた非磁
   性の耐腐蝕性金属薄膜を有することを特徴とする磁気抵
   抗効果素子。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４の何れかの請求項
   に記載された磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ。