WO1997011499A1 - Transducteur magnetique - Google Patents

Description

明 細 書

磁気変換素子 本発明は、 磁気記録媒体等の磁界強度を信号と して読み取るため の磁気抵抗効果素子を有する磁気変換素子に関し、 特に小さな磁場 変化を大きな電気抵抗変化信号と して読み取る こ とのでき る磁気抵 抗効果素子を有する磁気抵抗効果型へッ ド等の磁気変換素子に関す る ものである。 近年、 磁気セ ンサの高感度化や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変化を用いた磁気抵抗効果型磁気 セ ンサ （以下、 M Rセ ンサとい う。 ） や、 磁気抵抗効果型磁気へッ ド （以下、 M Rへッ ドという。 ) の開発が盛んに進められている。 M Rセンサも M Rへッ ドも、 磁性材料を用いた読み取りセンサ部の 抵抗変化によ り、 外部磁界信号を読み出すものであるが、 M Rセン サゃ M Rへッ ドでは、 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、 M Rセ ンサでは高感度が、 M Rへ ッ ドでは高密度磁気 記録の信号読み出 し時において も高い出力が得られる という特徴が ある。

しかし、 従来用いられている N i ₀ g F e _{0 2} (パーマロイ） や N i C o 等の磁性体を利用 した M Rセンサでは、 抵抗変化率 がせい せい：！ 〜 3 %位と小さ く、 数 G B P I ( Giga Bit Per I nch)以上の超 高密度記録の読み出し用 M Rヘッ ド材料と しては感度が不足する。

と こ ろで、 金属の原子径オーダーの厚さの薄膜が周期的に積層さ れた構造をもつ人工格子は、 バルク状の金属とは異なった特性を示 すために、 近年注目されてきている。 このような人工格子の 1 種と して、 基板上に強磁性金属薄膜と非磁性金属薄膜とを交互に積層 し た磁性多層膜があ り、 これまで、 鉄一ク ロム型、 コバル ト 一銅型等 の磁性多層膜が知られている。 このう ち、 鉄—ク ロム型 （F e /C r ) については、 超低温 （ 4. 2 K ) において 4 0 %を超える磁気抵抗 変化を示すという報告がある。 しかし、 この人工格子磁性多層膜で は最大抵抗変化の起きる外部磁場 （動作磁界強度） が十数 kOe 〜数十 kOe と大き く、 このままでは実用性がない。 この他、 C o ZA g等の 人工格子磁性多層膜も提案されているが、 これ らでも動作磁場強度 が大きすぎる。

そ こで、 こ のよ う な事情から、 ス ピ ンバルブと い う新しい構造が 提案されている。 これは非磁性層を介して N i F e層が 2層形成さ れており 、 一方の N i F e層に隣接して F e M n層が配置されてい る構成を持つ。 こ こでは F e M n層と隣接する N i F e層とが直接 交換結合力で結合しているため、 この N i F e層の磁気ス ピ ンは数 1 0〜数 1 0 OOeの磁場強度まで、 その向きを固着される。 一方の N i F e 層のス ピンは外部磁場によ って自由にその向きを変えう る。 その結 果、 N i F e層の保磁力程度という、 小さな磁場範囲で 2 ~ 5 %の 磁気抵抗変化率 （MR変化率） が実現される。 その他、 下記の文献 が発表されている。

a . フ ィ ジカル レ ビュ ー B (Physical Review B), 43(1991) 1297

S i / T a ( 5 0 ) ノ N i F e ( 6 0 ) / C u ( 2 0 ) /N i F e ( 4 5 ) / F e M n ( 7 0 ) / T a ( 5 0 ) [ ( ) 内は各層の膜 厚 （単位 A) 、 以下同] において印加磁場 1 00eで MR変化率が 5. 0 %まで急激に立ち上がる と述べている。

b . ジ ャ ーナル ォブ マグネテ イ ズム ア ン ド マグネテ イ ツ ク マテ リ ア レズ (Journal of Magnetism and Magnetic Materials) ， 93(1991)101 S i / T a ( 5 0 ) /N i F e ( 6 0) / C u ( 2 5 ) /N i F e ( 4 0 ) / F e n ( 5 0 ) / C u ( 5 0 ) において印加磁場 1 50e で M R変化率が 4. 1 %である と述べている。

c . ジ ャパニーズ ジ ャ ーナル ォブ アプラ イ ド フ ィ ジ ッ ク ス ( Japanese Journal of Applied Physics) , 32(1993)L1441 上記 aの構造を多層構造と したときの MR変化率について述べられ ている。 ここでの多層構造は N i F e (60) /C u (2 5) /N i F e ( 4 0 ) Z F e M n ( 5 0 ) という構成を間に C uをはさんで積層 した ものであ る。

d . ジ ャ ーナル ォブ アプラ イ ド フ ィ ジ ッ ク ス （Journal of Applied Physics) , 61(1987)4170

ス ピンバルブではな く 、 交換結合の膜と して F e M n , a F e ₂ 0。 、 T b C o等を N i F e と積層構造に したときの一方向性異方性 の大きさやその安定性について述べられている。

また、 さ らに下記の公報が公開されている。

e . 特開平 2 — 6 1 5 7 2号公報 （米国特許 4 9 4 9 0 3 9号公 報）

非磁性中間層を介して積層された強磁性薄膜が各々 の層間で反平 行配列をとる こ とによ り大きな M R効果を示すこ とが述べられてい る。 また、 強磁性層の一方に反強磁性材料を隣接させる構造につい ても述べられている。

f - 特開平 5 — 3 4 7 0 1 3号公報

ス ピンバルブ膜を用いた磁気記録再生装置について述べられてい る。 特に、 反強磁性膜と して、 酸化ニッケルを用いた場合について 開示されている。

このようなスピンバルブ磁性多層膜では、 F e ZC r , C o/C u， C o ZA g等に比較して MR変化率の大きさは劣るものの、 数 1 00e 以下の印加磁場で急激に MR曲線が変化しており、 1〜 1 OGbit/inch² よ り大きな記録密度における M Rへッ ド材料と して適している。 し かし、 これ らの文献や公報等で開示されている内容はス ピ ンバルブ 膜の基本的な作用を示しているに過ぎない。

と こ ろで、 現在、 実際の超高密度磁気記録における M Rへッ ド材 料と しては N i ₀ g F e _n 2 (パーマロイ） が主に用いられている。 これは異方性磁気抵抗効果によ り磁気記録媒体からの信号磁場の変 化を電気抵抗の変化と して変換している ものである。 その MR変化 率は 1〜 3 %にすぎない。 また、 この場合、 磁気抵抗変化はゼロ磁 場を中心に磁場の増減に対して対称な特性を持つ。

このよ うな特性を解決する手段と して、 N i F e等では、 T i 等 の比抵抗の小さなシ ャ ン ト層を設けて動作点をシフ 卜 させて用いて いる。 また、 この シ ャ ン ト層に加えて C o Z r M o , N i F e R h 等の比抵抗の大きな軟磁性材料のソ フ ト フ ィ ルムバイ アス層を設け てバイアス磁界を印加して用いている。 しかし、 こ のよ う なノ ィ ァ ス層をもつ構造は、 工程が複雑とな り、 特性を安定させる こ とが困 難であ り、 コ ス ト ア ッ プを招く 。 また M R曲線をシ フ ト させた結果 生じた M R変化曲線のなだらかなと ころを使う こ とになるので、 単 位磁場における MR傾きは 0. 0 5 %Z0e程度と小さ く、 S /Nの低 下等を招き、 1〜 1 OGbit/inch²より大きな記録密度における M Rへ ッ ド材料と しては不十分である。

さ らに、 M Rへッ ド等では複雑な積層構造をと り、 パターニング、 平坦化等の工程でレジス ト材料のベーキングやキュア等の熱処理を 必要と し、 2 5 0〜 3 0 0て程度の耐熱性が必要となるこ とがある。 しかし、 従来の人工格子磁性多層膜では、 このよ う な熱処理で特性 が劣化して しま う。

また、 文献等で開示されている従来のス ピンバルブ膜はその薄膜 と しての基本構造と基本特性のみが議論されており、 超高密度磁気 記録を実現するための M Rヘッ ド構造やそれに適した磁性多層膜構 造な どについては述べられていなかった。

さ らに、 ス ピンバルブ膜では 2 つの磁性層を一方を隣接した反強 磁性層によ ってピンニングする こ とで大きな M R効果を実現してい る。 したがって反強磁性層の役割は重要であ り、 その信頼性はきわ めて重要である。 しかしながら、 現在おもに用いられている F e M n ではネール温度が 1 2 0 〜 1 4 0 °Cと低く 、 実用上十分であるとは 言えない。 また、 F e M nは腐食しやす く 、 も しも大気中の水分に よってさびて しま う と、 その結果、 反強磁性と しての特性が失われ やす く 、 ス ピンバルブ動作を示さな く なるという おそれがある。

さ らに上記の文献に示される例では、 実際にそれらの薄膜を M R へッ ドと して応用 した場合には、 実際の磁界検出範囲での M R傾き が小さ く 、 M Rへッ ドと して良好かつ安定な再生を行なう こ とがで きない。 また、 さ らにすぐれた超高密度磁気記録における M Rへッ ド材料と して、 印加磁場— 1 0 〜 1 0 0eまでの M R変化曲線も重要で ある。 しかし、 これらの文献の開示例では、 この範囲での M R傾き を詳細に議論したものはない。

さ らにまた、 M Rへッ ドは、 高密度記録再生用と して 1 MHz 以上の 高周波磁界下で用いられる こ とが要求される。 しかし、 従来の各種 3元系磁性多層膜の膜厚構造では、 1 MHz 以上の高周波磁界における 1 0 Oe幅での磁気抵抗変化曲線の傾き （高周波での M R傾き） を 0 . 7 %ノ 0e以上に して、 高い高周波感度を得る こ とが難しい。 本発明 は こ のよ う な実状のものに創案された ものであって、 その目的は、 実用上十分な信頼性を示す反強磁性層の提供と、 大きな M R変化率 を示し、 印加磁場が例えば一 1 0 ~ 1 0 Oe程度のきわめて小さい範囲 で直線的な M R変化の立ち上がり特性を示し、 磁場感度が高く 、 高 周波磁界での M R傾きが大き く 、 耐熱温度の高い磁性多層膜を備え てなる磁気抵抗効果素子、 およびそれを用いた磁気抵抗効果型へッ ド等の磁気変換素子を提供する こ と にある。

発明の開示

こ のよ う な課題を解決するために、 本発明は、 磁気抵抗効果素子 と、 導体膜と、 電極部とを含む磁気変換素子であって、 前記導体膜 は、 前記電極部を介して前記磁気抵抗効果素子と導通しており、 前 記磁気抵抗効果素子は、 非磁性金属層と、 非磁性金属層の一方の面 に形成された強磁性層と、 非磁性金属層の他方の面に形成された軟 磁性層と、 前記強磁性層の磁化の向きをピン止めするために強磁性 層の上 （非磁性金属層と接する面と反対側の面） に形成されたピン 止め層とを有する磁性多層膜を備えており、 前記ピン止め層は F e Ο _χ ( 1 . 3 5 ≤ χ ≤ 1 . 5 5 、 単位は原子比） からなるよう に構成さ れる。

本発明の好適な態様と して、 前記磁気抵抗効果素子は、 基板を有 し、 この基板側から前記ピ ン止め層、 前記強磁性層、 前記非磁性金 属層、 前記軟磁性層が順次積層されているよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ピ ン止め層の厚さは、 1 0 O A 〜 3 0 0 O Aである よ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0 ₃ (へマタイ ト） であるよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0 3 (へマタイ ト） を、 少な く とも 3 0体積％以上 6 0体積 %以下含むよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0 ₃ (へマタイ ト） の 1 0 O A以下の微結晶の集ま りである よ う に構成される。 本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 反強磁性を示し そのネール温度は 1 2 0 °C〜 4 0 0 °Cであるよう に構成される。 本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 酸化鉄のターゲ ッ トをイオン ビームスパッ タ法でスパッ ク し、 基板に対し、 A r と 0₂ の混合ガスのアシス ト ビームを照射しながら成膜された膜である よう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ァシス ト ビームは、 加速電圧 6 0 〜 1 5 0 e V、 イオン電流 4〜 1 5 m A、 A r ： 0 2流量比が 1 ： 1〜 9 ： 1、 A r + 0₂ 流量が 6〜 2 0 s c c mの範囲で行われるよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記ピン止め層は、 酸化鉄のターゲ ッ トを A r と酸素の混合ガス雰囲気中で高周波スパッ タ法でスパッ タ して成膜した膜であり、 成膜時における酸素ガス流量を全ガス流 量の 2 0〜 4 0 %の範囲に調整して成膜した膜であるよう に構成さ れる。

本発明の好適な態様と して、 前記強磁性層は、 （ C o _z N i ^_z ) _w F e (ただし、 重量で 0. 4 ≤ z ≤ l . 0 , 0 . 5 ≤ w≤ 1 . w w

0である） で表される組成であり、 前記軟磁性層は、 （N i _χ F e ₁

- x ) y ^C ° l-y (ただし、 重 ^¾で ⁰ · 7 ≤ χ ≤ 0 . 9、 0. 1 ≤ y ≤ 0 . 5 である） で表される組成であるよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記強磁性層は、 （C o _z N i 卜 ） _w F e !丄 __u. (ただし、 重量で 0. 4 ≤ z ≤ l . 0 , 0 . 5 ≤ w≤ 1 .

W W

0である） で表される組成であり、 前記軟磁性層は、 C o _t M_u M' _Q B _r (ただし、 原子で 0. 6 ≤ t ≤ 0. 9 5、 0 . 0 1 ≤ u ≤ 0. 2、 0 . 0 I ≤ q ≤ 0 . 1、 0 . 0 5 ≤ r ≤ 0 . 3 ; Mは、 F e , N i から選ばれた少なく とも 1種以上であり、 M' は、 Z r , S i， M o , N bから選ばれた少な く と も 1種以上を表す） で表される組 成であるよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記非磁性金属層は、 A u、 A g、 および C uの中から選ばれた少な く と も 1種を含む材料から構成さ れる。

本発明の好適な態様と して、 前記磁気抵抗効果素子は、 強磁性層 の磁化がピン止め層によ り ピン止めされる こ とによるス ピンバルブ 型の磁気抵抗変化を示すよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記磁気抵抗効果素子は、 1 M H z での高周波磁界における 6 0 e幅での磁気抵抗変化の傾きが、 0 . 7 % / 0 e以上であるよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 磁気変換素子が磁気抵抗効果型へッ ドであるよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記磁気抵抗効果素子の両端部は、 その端部全体が電極部と接触する状態で接合されるよう に構成され る。

本発明の好適な態様と して、 磁気抵抗効果素子の両端部に形成さ れた電極部との間に、 さ らに、 連結用軟磁性層を有し、 この連結用 軟磁性層と磁気抵抗効果素子の端部の全体が接触する状態で接続さ れるよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記連結用軟磁性層は、 磁気抵抗効 果素子と、 この磁気抵抗効果素子の両端部に形成された電極部との 間、 および前記電極部の下面にも接触するよ う に連繞して形成され るよ う に構成される。

本発明の好適な態様と して、 磁気変換素子は、 バイアス磁界印加 機構をもたないよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記強磁性層は、 その成膜時に信号 磁場方向と同一、 かつ膜面内方向に 1 0〜 3 0 O O e の外部磁場を 印加 して形成されたものであり、 前記軟磁性層は、 その成膜時に信 号磁場方向と垂直、 かつ膜面内方向に 1 0〜 3 0 O O eの外部磁場 を印加して形成されたものであるよう に構成される。

本発明の好適な態様と して、 前記積層成膜された磁気変換素子は、 1 0 0て〜 3 0 0 の温度で熱処理されているよ うに構成される。 本発明の好適な態様と して、 前記磁気変換素子は、 ピ ン止め層を 成膜したのち 1 0 0 °C〜 3 0 0 °Cの温度で熱処理されているよう に 構成される。

また、 本発明は、 磁気抵抗効果素子と、 導体膜と、 電極部とを含 む磁気変換素子であって、 前記導体膜は、 前記電極部を介して前記 磁気抵抗効果素子と導通してお り、 前記磁気抵抗効果素子は、 基板 を有 し、 この基板の上に強磁性層の磁化の向きをピン止めするため の ピ ン止め層、 強磁性層、 非磁性金属層、 および軟磁性層が順次積 層されており、 前記ピン止め層は F e Ov ( 1. 3 5≤ x≤ 1. 5 5、 単位は原子比） からなり、 このピン止め層と前記強磁性層との間に、 C oまたは C oを 8 0重量％以上含む合金よ りなる、 厚さ 4〜 3 0 Aの酸素ブロ ッキング層が介在されているよう に構成される。

上記の磁気抵抗効果素子に関する発明によれば、 耐食性が特に優 れた反強磁性層とそれを用いた、 MR傾きが 0. 8 %/0e以上の抵抗 変化率をもつ磁性多層膜が得られる。 しかも、 0 磁場での MR曲線の 立ち上がり特性はきわめて良好である。 また、 1 MHz の高周波におけ る MR傾きが 0. 7 %/0e以上の高い値を示し、 さ らに 2 5 0 °C前後 の熱処理を して も特性の劣化が生じる こ とのない耐熱性の高い磁性 多層膜が得られる。 このよ う な磁気抵抗効果素子を有する磁気変換 素子に関する発明 （例えば、 MRへッ ド等） によれば、 従来の材料 に比較して 5倍近い大きい出力電圧を得るこ とができ る。 従って、 信頼性の極めて高い、 1 Gbit/ inch² を越えるような超高密度磁気記 録の読み出しが可能になる という極めて優れた効果が発現する。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の磁気抵抗効果素子の断面図である。

図 2 は、 本発明の作用を説明するための磁気抵抗効果素子、 特に 磁性多層膜の構造の模式図である。

図 3 は、 本発明の作用を説明するための磁化曲線と M R曲線の模 式図である。

図 4 は、 本発明の磁気変換素子の 1 例を示す一部省略断面図であ る。

図 5 は、 本発明の磁気変換素子の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） と電極部の構造を示す断面図である。

図 6 は、 本発明の磁気変換素子の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） と電極部の構造の他の例を示す断面図である。

図 7 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） における、 ァ シス ト ビームの o ₂ 流量と ピン止め層の酸化度との関係を示すグラフ である。

図 8 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） における、 ァ シス ト ビームのイ オ ン電流と一方向性異方性磁界との関係を示すグ ラ フである。

図 9 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） における、 ピ ン止め層の X線回折パター ンを示すグラフである。

図 1 0 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） における、 一方向性異方性磁界の温度に対する変化を示すグラ フである。

図 1 1 ( A ) . , ( B ) は、 それぞれ本発明の磁気抵抗効果素子 （磁 性多層膜） の M R曲線と直流磁場での磁化曲線を示すグラフである。

図 1 2 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） のマイ ナー M R曲線を示すグラ フである。 図 1 3 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） において、 熱処理時間が一方向性異方性磁界の変化に及ぼす影響を示すグラ フ であ る。

図 1 4 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） において、 熱処理時間と、 X線回折パター ンの変化との関係を示すグラ フであ o

図 1 5 は、 本発明の磁気変換素子 （M Rへッ ド） の印加磁場と出 力電圧を示すチヤー トである。

図 1 6 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） をヨーク型 M Rへッ ドに応用 した 1 例を示す一部省略断面図である。

図 1 7 は、 本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） をフ ラ ッ ク スガイ ド型 M Rへッ ドに応用した 1例を示す一部省略断面図である。 図 1 8 は、 本発明の磁気抵抗効果素子の他の実施形態を示す断面 図である。

図 1 9 は、 磁性多層膜サ ンプルにおける、 ァニ一ル温度 （熱処理 温度） と J 値の相対変化との関係を示すグラ フである。

図 2 0 は、 磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） サ ンプルにおける、 ァニール温度 （熱処理温度） と M R変化率との関係を示すグラ フで ある。

図 2 1 は、 本発明の磁気変換素子の磁気抵抗効果素子 （磁性多層 膜） と電極部との好適な接続状態を示す概略斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の具体的構成について詳細に説明する。

図 1 は、 本発明の実施例である磁気抵抗効果素子 3 の断面図であ る。 この磁気抵抗効果素子 3 は、 人工格子磁性多層膜 1 (以下単に、 磁性多層膜 1 と称す） を備えてなる。 図 1 において、 磁性多層膜 1 は、 非磁性金属層 3 0 と、 こ の非磁性金属層 3 0 の一方の面に形成 された強磁性層 4 0 と、 非磁性金属層 3 0 の他方の面に形成された 軟磁性層 2 0 と、 強磁性層 4 0の磁化の向きをピン止めするために 強磁性層 4 0 の上 （図面では、 下方に位置するが、 こ こで言う 『上』 とは、 非磁性金属層と接する面と反対側の面を意味する） に形成さ れた ピン止め層 5 0を有する積層体構造をな している。

これ らの積層体は、 図 1 に示されるよ う に、 通常、 基板 5 の上に 形成され、 これらが基板側から ピン止め層 5 0、 強磁性層 4 0、 非 磁性金属層 3 0、 軟磁性層 2 0 の順に積層されている。 こ の軟磁性 層 2 0 の上には、 図示のごと く保護層 8 0が形成される。

本発明では、 外部から加わる信号磁界の向きに応じて非磁性金属 層 3 0 を介して、 その両側に隣接して形成された軟磁性層 2 0 と強 磁性層 4 0 との互いの磁化の向きが実質的に異なる こ とが必要であ る。 その理由は、 本発明の原理が、 非磁性金属層 3 0を介して形成 された軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0の磁化の向きがズレているとき、 伝導電子がス ピンに依存した散乱を受け、 抵抗が増え、 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 2 に示されるよ う に外部からの信 号磁場がプラス （記録媒体 9 0の記録面 9 3から向かって上向き （符 号 9 2で表される） である とき、 隣合った磁性層の磁化の方向が互 いに逆向きの成分が生じ、 抵抗が増大するのである。

こ こで、 本発明の磁気抵抗効果素子に用いられる （ス ピンバルブ） 磁性多層膜における、 磁気記録媒体からの外部信号磁場と、 軟磁性 層 2 0 と強磁性層 4 0の互いの磁化の方向、 及び電気抵抗の変化の 関係を説明する。

今、 本発明の理解を容易にするために、 図 1 に示される ごと く 、 1つの非磁性金属層 3 0を介して 1組の軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 とが存在する最も シ ンプルな磁性多層膜の場合について、 図 2を参 照しつつ説明する。

図 2 に示されるよう に、 強磁性層 4 0 は後に述べる方法によ つて 媒体面に向かつて下向き方向にその磁化をピ ン止めされている （符 号 4 1 ) 。 も う一方の軟磁性層 2 0 は、 非磁性金属層 3 0を介して 形成されているので、 その磁化方向は外部からの信号磁界によ っ て 向きを変える （符号 2 1 ) 。 このとき、 軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 の磁化の相対角度は、 磁気記録媒体 9 0からの信号磁界の向きによ つて大き く変化する。 その結果、 磁性層内に流れる伝導電子が散乱 される度合いが変化し、 電気抵抗が大き く変化する。

これによつて通常のパーマロイの異方性磁気抵抗効果とはメ カ二 ズムが本質的に異なる大きな M R ( Magneto-Resistance) 効果が得ら れる。

軟磁性層 2 0， 強磁性層 4 0 と、 ピン止め効果を示すピン止め層 5 0の磁化の向きが外部磁場に対して相対的に変化する。 それらの 磁化の向きの変化が磁化曲線と M R曲線とに対応させて図 3 に示さ れる。 こ こ では、 ピン止め層 5 0 によ り 、 強磁性層 4 0 の磁化は全 てマイ ナス方向 （記録媒体 9 0 の記録面から向かって下向き） に固 定されている。 外部信号磁場がマイ ナスの時は軟磁性層 2 0 の磁化 もマイナス方向を向く。 いま、 説明を簡単にするために軟磁性層 2 0 , 強磁性層 4 0 の保磁力を 0 に近い値とする。 信号磁場 Hが Hく 0 の 領域 （ I ) では、 まだ軟磁性層 2 0 および強磁性層 4 0両磁性層の 磁化方向は一方向を向いている。

外部磁場を上げて Hが軟磁性層 2 0の保磁力を越える と軟磁性層 の磁化方向は信号磁場の方向に回転し、 軟磁性層 2 0 および強磁性 層 4 0のそれぞれの磁化の向きが反平行となるのにつれて磁化と電 気抵抗が増加をする。 そ して一定値となる （領域 （I I ) の状態） 。 こ のとき ピン止め層 5 0によ り、 ある ピン止め磁場 H exが働いている。 信号磁場がこの Hexを越えると強磁性層 4 0の磁化も信号磁場の方向 に回転し、 領域 （III)で軟磁性層 2 0および強磁性層 4 0のそれぞれ の磁化方向は、 一方向に揃って向く 。 この とき、 磁化はある一定値 に、 M R曲線は 0 となる。

逆に信号磁場 Hが減少するときは、 今までと同様に、 軟磁性層 2 0 および強磁性層 4 0の磁化反転に伴い、 領域 （ΙΠ)から （II) 、 （I) と順次変化する。 こ こで領域 （II) のは じめの部分で、 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。 領域 （II) のう ち、 強磁性層 4 0はピン止めされているためほとんど磁化反転は しない が、 軟磁性層 2 0は直線的にその磁化を増加させるため、 軟磁性層 2 0の磁化変化に対応し、 ス ピ ンに依存した散乱を受ける伝導電子 の割合が徐々 に大き く なる。 すなわち、 軟磁性層 2 0 に例えば H c の小さな N i _{Q 8} F e _{Q 2} を選び、 適当な異方性磁場 H kを付与する こ とによ り、 H k付近以下の数 0e〜数 1 00eの範囲の小外部磁場で抵 抗変化が直線的、 かつ大きな抵抗変化率を示す磁性多層膜が得られ る。

本発明において、 各薄膜層の膜厚にはそれぞれ個別の制約値があ る。 非磁性金属層の層厚は 1 5〜 4 O Aの範囲がよい。 非磁性金属 層の層厚が 4 O Aよ り厚く なる と、 この層内にのみ流れる伝導電子 の割合が増えて しまい、 全体の M R変化が小さ く なって しま う ので 都合が悪い。 また、 この層厚が 1 5 Aよ り薄く なつて しま う と、 軟 磁性層 2 0 と強磁性層 4 0間の強磁性的な磁気結合が強く なつて し まい、 大きな MR効果を実現するためのス ピンの反平行状態が得ら れなくなってしま う。 一方、 伝導電子は非磁性金属層と軟磁性層 2 0 および強磁性層 4 0 との界面部分で散乱を受けるので、 これら 2つ の磁性層 2 0 , 4 0の厚さが 2 0 O Aよ り厚く な つても実質的な効 果の向上はない。 むしろ全体の膜厚が厚く なるので都合が悪い。 こ れら 2層の磁性層 2 0 , 4 0の厚さの下限は 1 6 A以上が好ま しい。 これよ り薄く なる と、 耐熱性と加工耐性が劣化して しま う。

以下、 上述してきた磁気抵抗効果素子 3 の各構成について詳細に 説明する。 こ の磁気抵抗効果素子における第一の特徴点は、 ピン止 め層の組成にある。

本発明における磁気抵抗効果素子のピン止め層 5 0 は、 実質的に 隣接する強磁性層 4 0の磁化をピン止めさせるために用いられてお り、 ピン止め層 5 0が好適には、 特に、 F e O_x ( 1 . 3 5 ≤ x ≤ 1 . 5 5、 単位は原子比） によ り形成されている こ とを特徴とする。 一般に化学組成式、 F e。 0。 の α相はへマタイ ト と して知られて いる。 こ の物質は反強磁性を示し、 そのネール温度は 6 7 7 °Cと室 温よ り極めて高い。 ネール温度が高いという こ とは、 ピン止め効果 の熱安定性が高いという こ とであり、 磁気抵抗効果素子を M Rへッ ド等へ応用する場合は有利である。 しかしながら、 へマタイ 卜の構 造はコラ ンダム構造といわれ、 F e イオンと 0イ オンの配置が複雑 に配置された構造を持つ。 単結晶等のバルクでは生成は容易である が、 反強磁性を しめすへマタイ トを磁性薄膜と して生成するのは、 その構造の複雑さゆえ難しい。 磁性薄膜の厚さが 5 0 0 0 A以上で は生成された例もあるが、 本発明の技術範囲である 1 0 0〜 3 0 0 0 Aの薄い薄膜では極めて困難である。 というのは、 F e の酸化膜を 真空での薄膜形成方法で生成しよう とすると、 真空中で 0が解離し て しまい、 F e ₃ 0₄ (マグネタイ ト） となって しま うからである。 発明者等はこ の点に鑑み、 鋭意研究を進めた結果、 へマタイ 卜相 その ものを実現する とネール温度が高すぎて、 通常の M Rへッ ドの 製造工程上で不都合が生じるこ とがある こ とがわかった。 そこで酸 化鉄薄膜とその酸化度を十分に検討した結果、 F e O_x において、 1 . 3 5 ≤ X ≤ 1 . 5 5、 （単位は原子比） 、 好ま し く は 1 . 4 0 x ≤ 1 . 5 5の範囲に酸化度を調整する こ と によ り M Rへ ッ ドと して 必要十分な特性が得られることがわかった。 上記 Xの値が、 1. 5 5 よ り大き く なつて しま う と酸素が過剰すぎ、 薄膜内部の酸化鉄格子 間に原子状の酸素がそのまま取り込まれ、 特性が劣化して しま う。 一方、 Xの値が、 1 . 3 5 よ り小さ く なる とマグネタイ トの特性に 近づき、 反強磁性が失われ、 ス ピンバルブ型の特性を示さな く なつ て しま う。

この ピン止め層 5 0の厚さは 8 0 A〜 3 0 0 0 A、 好ま しく は 8 0 A〜 1 0 0 0 A、 よ り好ま し く は 8 0 人〜 8 0 0 人、 更に好ま し く は 8 0 人〜 4 0 O Aの範囲とするのがよい。 ピン止め層である酸化 鉄が 8 0 Aよ り薄く なる と反強磁性を示さな く なって しま う。 逆に 厚い分は余り問題がないが、 あま り厚すぎる と M Rへッ ドと しての ギャ ップ長 （シール ドーシール ド間の長さ） が大き く なつてしまい、 超高密度磁気記録に適さな く な って しま う。 従って、 3 0 0 O Aよ り小さいほうがよい。

また、 ピン止め層 5 0 と しての F e O_v 組成は、 特に X = 1. 5 (単 位は原子比） の反強磁性を示すな F e ₂ 0。 （へマタイ ト） と しても よい。 こ の とき、 ピン止めの対象となる強磁性層 4 0、 非磁性金属 層 3 0、 軟磁性層 2 0の材料の選択やそれらの層厚の設計によって、 前述したネール温度は低く設定する こ とができ、 M Rへッ ドと して の製造を可能にする こ とができ る。

さ らに、 この酸化鉄による ピン止め層 5 0 は、 反強磁性を示す F e ₂ 03 (へマタイ 卜） を、 少な く とも 3 0体積％以上 6 0体積％ 以下含むものであって もよい。 へマタイ ト 自身は極めて高いネール 温度を持つので、 この相がピン止め層の中で 3 0体積％以上 6 0体 積％以下含まれれば、 その ピンニング効果は MRへッ ド実用上十分 である。 しかし、 3 0体積％未満となると、 ピン止め層と しての反 強磁性が十分ではなく、 スピンバルブ型の GMR (giant magnetoresistance

) を示さな く なる。 一方、 へマタイ ト相が 6 0体積％を超えると、 ネール温度が高く な りすぎる こ とがあり、 後に述べるよ う なス ピン バルブ動作をさせるための強磁性層のス ピンのピン止め方向のスィ ツチ ングが実用上困難とな り、 都合が悪い。 残りの割合はマグネ夕 ィ ト相であってもよいし、 ウスタイ ト相であってもよい。 また、 他 の材料との合金や化合物等であってもよい。

また、 へマタイ ト 自身は極めて高いネール温度を持つので、 ピン 止め層 5 0は反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） の 1 0 0 A 以下、 特に、 6 0〜 1 0 O Aの微結晶の集ま りであっても、 その ピ ンニング効果は M Rへッ ド実用上十分である。 なお、 微結晶の大き さは、 T E Mによるィ メ ージ像の観察によ り測定すればよい。

また、 ピン止め層 5 0は、 へマタイ ト と明確に同定される もので ある必要はな く 、 へマタイ 卜に近い結晶格子を持ち、 かつネール温 度が 1 2 0 〜 4 0 0 、 好ま し く は、 1 5 0 °C〜 3 0 0。C、 よ り 好ま し く は、 1 5 0 〜 2 5 0 °Cの範囲にある反強磁性を示すもの であればよい。

このよ うな ピン止め層 5 0は、 イオンビームスノ、⁰ッ タ法、 スパッ 夕 リ ン グ法、 反応性蒸着法、 分子線ェピタキシ一法 （M B E ) 等の 方法を用いて形成される。 これら、 製膜方法に特に限定はないが、 デュアルイオン ビームスパッ タ法による製膜方法のときに、 酸化鉄 薄膜中の酸素量を正確に制御する こ とができ る。 すなわち、 酸化鉄 の夕一ゲッ トをイオンビームス ノ ッ タ法でスパッ 夕 し、 被着対象で ある基板に対し、 A r (アルゴン） と 0₉ (酸素） の混合ガスのァシ ス ト ビームを照射しながら ピン止め層を成膜させる こ とで良好な特 性を持つピン止め層が形成でき る。 通常のイオン ビームスパッ タ法 の場合、 ターゲッ 卜に入射するスパッ タ ビームの運動エネルギーが 大きいので、 酸素が解離して しま い、 マ グネ タ イ ト の薄膜しかでき ない。 そこでアシス ト ビームと して A r と 0₂ の混合ガスを照射しな がら成膜させるとよい。

こ の とき、 被着対象である基板に照射するアシス 卜 ビームは加速 電圧 6 0〜 ： l 5 0 e V、 ィォ ン電流 5〜 1 5 mA、 A r : 0₂ 流量比 が 1 ： 1 〜 9 ： 1、 八 + 0₂ 流量が 6〜 2 0 5 (： 。 111の範囲にぁれ ばよい。 ア シス ト ビームの加速電圧が 1 5 0 e Vを超える と、 エネ ルギ一が大きすぎ、 酸素が打ち込まれる とと もに、 逆に結晶格子を 乱して しまい、 十分な反強磁性の特性が得られない。 一方、 加速電 圧が 6 0 e V未満となる と、 今度は酸素が結晶格子の中でう ま く配 列 しな く な り、 ネール温度が下がって しま って都合が悪い。 好ま し く は 8 0〜 1 2 0 e Vの範囲がよい。 イ オ ン電流が 1 5 m Aよ り大 き く なる と、 基板に入射する酸素イ オ ンの数が多すぎ、 酸素が打ち 込まれる と と もに、 逆に結晶格子を乱して しまい、 十分な反強磁性 の特性が得られない。 一方、 イ オ ン電流が 5 m A未満となる と、 今 度は酸素が結晶格子の中でうま く配列しな く な り、 ネール温度が下 がって しまって都合が悪い。 好ま しく は 6〜 1 2 m Aの範囲である。 アシス ト ビームでの A r と 0₇ の流量の割合は、 好ま しく は、 A r ： 0₂ = 1 ： 1 〜 4 ： 1の範囲がよい。 A r ： 0₂ の割合が 9 ： 1を超 えて A r過剰になる と、 酸化鉄薄膜への 0イ オ ンの添加効果が十分 とは言えな く なる。 逆にこの割合が 1 ： 1未満となり 0₂ 過剰になる と、 ア シ ス 卜 ビームを発生させるためのフ ィ ラメ ン 卜が切れやすく な っ て しま い、 製造が不可能とな っ て しま う 。 ア シス ト ビー ムでの A r + 02 の全体の流量は 6〜 2 0 s c c mの範囲にあればよい。 こ の全体の流量が 2 0 s c c mを超えて しま う と、 酸素ィォ ンの数が 多すぎ、 酸素が打ち込まれる と と もに、 逆に結晶格子を乱して しま い、 十分な反強磁性の特性が得られない。 逆に 6 s c c m未満では ア シス ト ビームでの今度は酸素が結晶格子の中でう ま く 配列しな く な り、 ネール温度が下がって しま つて都合が悪い。

また、 ピン止め層 5 0の形成は、 上記のアシス ト ビームを伴う ィ オ ン ビームスパッ タ法と同様に、 高周波スパッ タ法 （ R Fスパッ タ 法） を用いて行なうの もの好ま しい態様である。 高周波スバッ タ法 を用いる場合、 酸化鉄をタ一ゲッ ト と し A r (アルゴン） と O n (酸 素） の混合ガス雰囲気中でスパッ タを行う。 その際、 酸素ガス流量 が、 全ガス流量の 2 0〜 4 0 %の範囲の流量割合となるよ う に調整 する必要がある。 この割合が、 2 0 %未満となる と、 成膜されたピ ン止め層 5 0 の酸素の結合力が小さ く 、 酸素の状態が不安定で耐熱 温度が下がって しま う という不都合が生じて しま う。 また、 この割 合が 4 0 %を超えると、 スパッ タをする ときのプラズマが安定に点 灯しな く なる。 また、 プラズマが点灯したと しても、 スパ ッ タ雰囲 気中の酸素の含有量が多いために、 実質的なスパ ッ タ レ一 卜が極端 に低下する。 そのため、 成膜される膜中に取り込まれる不純物が増 えて しまい、 良好な膜は得られない。 なお、 従来よ り一般的に行な わている A r (アルゴン） ガス雰囲気中での高周波スパッ タ法で、 へマタイ 卜酸化物膜を成膜した場合には、 へマタイ ト酸化物膜がプ ラズマにさ らされ、 膜中の酸素が乖離して しまい、 本発明で目的と する良好なへマタイ ト酸化物が得られない。 また、 得られた膜自体 の熱安定性にも問題がある。

前記強磁性層 4 0は、 F e , N i , C o , M n , C r， D y , E r , N d , T b , T m， C e , G d等やこれ らの元素を含む合金や化合 物から構成されるが、 特に、 （C o _z N i ^ _z ) _w F e _1-w (ただし、 重量で 0 . 4 z ≤ l . 0、 0 . 5 ≤ v ≤ 1 . 0 であ る） で表され る組成で構成する こ とが好ま しい。 これらの組成範囲を外れると、 大きな電気抵抗の変化が得られな く なる という不都合が生じる。 こ のよ う な強磁性層 4 0 の厚さは、 1 6 〜 1 0 0 A、 よ り好ま し く は、 2 0 〜 6 0 Aと される。 この値が、 1 6 人未満となる と、 磁 性層と しての特性が失われる。 この一方で、 この値が 1 0 O Aを超 える と、 前記ピン止め層 5 0からのピン止め力が小さ く な り、 この 強磁性層のス ピンのピン止め効果が十分に得られな く なる。

こ のよ う な強磁性層 4 0 は上述のごと く ピン止め層 5 0 と直接接 しているため、 両者に直接層間相互作用が働き、 強磁性層 4 0 の磁 化回転が阻止される。 一方、 後に詳述する軟磁性層 2 0 は、 外部か らの信号磁場によ り、 自由にその磁化を回転させる こ とができ る。 その結果、 軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 との両者の磁化に相対的な 角度が生み出され、 この磁化の向きの違いに起因 した大きな M R効 果が得られる。

と ころで、 本発明においては、 図 1 8 に示されるよ う に、 前記ピ ン止め層 5 0 と前記強磁性層 4 0 との間に、 さ らに酸素ブロ ッキン グ層 4 5を介在させるこ とが好ま しい。 酸素ブロ ッキング層 4 5は、 C o (コバル ト） 単体あるいは C oを 8 0重量％以上含む合金よ り 構成され、 その厚さは、 4 〜 3 5 人、 よ り好ま し く は、 6 〜 3 0 A とされる。 C o成分が 8 0重量％未満となる と、 積層体形成後の熱 処理プロセス工程中において、 前記ピン止め層 5 0側力、ら拡散する 酸素に対するブロ ッキング効果が十分でな く なり、 熱処理によ り ピ ンニ ング効果が失われ、 ス ピンバルブ特性を示さな く な る といぅ不 都合が生じる。 この酸素ブロ ッ キング層 4 5 による酸素のブロ ッ キ ング効果は、 酸素ブロ ッキング層 4 5 の組成が C o (コバル ト） 単 体のとき、 最も効果が大き く 、 また、 C o成分が 8 0重量％以上の 合金であれば、 その効果は実用上十分な レベルま で維持でき るので める。

このような酸素プロ ッキング層 4 5 の必要性は、 本発明のピン止 め層 5 0 と して F e O _x ( 1 . 3 5 ≤ x ≤ 1 . 5 5、 単位は原子比） のごと く 酸化物の反強磁性体を用いているこ とに起因する。 すなわ ち、 本発明においては、 ピン止め層 5 0を酸化物の反強磁性体で構 成しているので、 例えば、 ピン止め層 5 0 と接する強磁性体の材料 と して汎用の N i F e (パーマロイ） などを用いた場合には、 熱安 定性や耐熱性に問題が生じるこ とが判明したのである。 つま り、 熱 処理プロセス工程中において反強磁性体の酸素が強磁性体に拡散し て行き、 ス ピ ンの ピンニ ング効果が失われる という現象が起きて し ま う のである。

酸素ブロ ッキング層 4 5 の厚さが 4 人未満となる と、 C oが連繞 膜とな らず酸素のブロ ッキング効果が発現しない。 また、 この厚さ が 3 5 Aを超えると保磁力 He が大き く なる傾向にあり、 あま り好ま し く ない。

こ のよ う な酸素プロ ッキング層 4 5 は、 強磁性を示し、 前記強磁 性層 4 0 の好ま しい組成範囲と一部重複する。 従って、 酸素ブロ ッ キ ン グ層 4 5 も前記強磁性層 4 0 と同様な機能をも持ち合わせてい る こ とになる。 そのため、 酸素ブロ ッキング層 4 5を設ける場合、 膜厚に関して言えば、 酸素ブロ ッキング層 4 5 の厚さ t _b と強磁性層 4 0の厚さ t _f との総和 （ t _b + t _f ) が前述した強磁性層 4 0の範 囲、 すなわち、 1 6 〜 ： 1 0 0 人、 よ り好ま し く は、 2 0 ~ 6 0 Aの 範囲內となるよう にすればよい。 また、 酸素ブロ ッキング層 4 5 と 強磁性層 4 0 とを C o (コバル ト） 単体あるいは C 0を 8 0重量％ 以上含む合金からなる同一の組成と して、 これらを一層で形成して もよい。 また、 ピン止め層 5 0 に接する側を C o リ ッチに して、 ピ ン止め層 5 0側から遠ざかるにつれて C o含有率を漸減させた一層 と し、 酸素ブロ ッ キング層 4 5 と強磁性層 4 0の機能を両方持ち合 わせた層と して もよい。 前記軟磁性層 2 0 は、 F e ， N i , C o等やこれらの元素を含む 合金や化合物から構成されるが、 保磁力 Heの小さな磁性層を用いた方 が M R曲線の立ち上がりが急峻となり、 好ま しい結果が得られる。 特に好ま し く は （N i _χ F e ^_χ ) _y C o卜 _y (ただし、 重量で 0 .

7 ≤ X ≤ 0 . 9 、 0 . 1 ≤ y ≤ 0 . 5 ) で表わされる組成である。 ここで X , yがこの範囲にあると Heが小さ く なり良好な軟磁気特性と なり、 その結果、 磁場感度の高い良好な M R特性が得られる。 一方、

X , yがこの範囲を外れると、 Heが大き く なってしまい磁場感度の高 い M R特性が得られな く なという不都合が生じる。 このような組成 系は C oの濃度が大きい組成系である。 ス ピンバルブ膜において、 軟磁性層は外部の微小な磁界に対し、 敏感にその向きを変える こ と で大きな M R変化率をもたら している。 したがって、 その軟磁気特 性は重要である。 代表的な軟磁性材料と してはパーマロイが知られ ているが、 パーマロイを構成する N i は非磁性金属層 3 0 と容易に 固溶しやすいため、 耐熱性に問題がある。 したがって、 これを解決 するためには上記のごと く （ N i _χ F e ^ _χ ) _y C o卜 _y (ただし、 重量で 0 . 7 ≤ x ≤ 0 . 9 、 0 . 1 ≤ y ≤ 0 . 5 ) で表わされる C o 濃度の大きい組成を選択するのがよい。

さ らに、 前記軟磁性層 2 0 の組成と して、 C o ₊ M Μ ' Β t u q r

(ただし、 原子で 0 . 6 ≤ t ≤ 0 . 9 5 、 0 . 0 1 ≤ u ≤ 0 . 2 、 0 . 0 1 ≤ q ≤ 0 . 1 , 0 . 0 5 ≤ r ≤ 0 . 3 ) で表わされる組成 も優れた特性を示すものである。 こ こで、 Mは、 F e , N i から選 ばれた少な く とも 1種以上であり、 M' は、 Z r ， S i , M o ， N b から選ばれた少な く と も 1 種以上を表す。 Mや M ' が 2種以上の場 合は、 2種以上の総和量が上記の組成範囲内に入るよ う にする。 こ のよ う な組成は、 C oの含有量が多いため、 先の組成に比べて M R 変化率がよ り大き く なる という極めて優れた特徴を有する。 また、 耐熱性も高く なる。 また、 その結晶構造と しては、 超微細結晶粒の 集ま り、 も し く はアモルフ ァ ス構造のため、 よ り良好な軟磁性特性 を示し、 その結果大きな M R傾きが得られる。 これ らの組成の具体 例と しては、 C oを主成分と して、 N i および/または F eを磁歪 が 0 となるような含有量と して選択する。 これに Z r， S i , M o , N b等を添加し、 アモルフ ァ ス組成を安定化させればよい。 C oが 0. 6未満になる と、 アモルフ ァ スが得られにく く なる。 C 0が 0. 9 5 を超えてもよいが、 F eや N i を少量添加した方が軟磁性材料 と しての特性がよ く な り都合がよい。 M' の含有割合は、 0 . 0 1 ≤ q ≤ 0 . 1 とされ、 qが 0 . 0 1 未満である とその添加による効 果が得られない。 qが 0. 1 を超える と、 軟磁性材料と しての特性 が劣化して しま う。 B (ボロ ン） は、 アモルフ ァ ス化するための主 元素であり、 その含有割合は 0. 0 5 ≤ r ≤ 0. 3である。 rが 0. 0 5未満である とその添加による効果が得られない。 r が 0 . 3 を 超えると、 軟磁性材料と しての特性が劣化して しま う。

また、 軟磁性層 2 0 は積層構造と してもよい。 この場合、 軟磁性 層 2 0 は、 非磁性層側から C o または C oを 8 0重量％以上含む合 金によ り形成された第 1 の軟磁性層と、 （N i „ F e 卜 _χ ) _v C o i (ただし、 重量で 0. 7 ≤ x ≤ 0. 9、 0 . 1 ≤ y ≤ 0 . 5であ 一 y

る） で表される組成によ り形成された第 2の軟磁性層を含む積層体 とする こ とが好ま しい。

このよ うな軟磁性層 2 0 の厚さは、 2 0〜 1 5 0 A、 好ま しく は、 3 0 〜 ： 1 2 0 人、 さ らに好ま し く は、 5 0 〜 ； 1 0 0 Aと される。 こ の値が、 2 0 A未満となる と、 良好な軟磁性層と しての特性が得ら れない。 この一方で、 この値が 1 5 0 Aを超える と、 多層膜全体の 厚さが厚く な り、 磁性多層膜全体の抵抗が大き く な り、 M R効果が 減少して しま う。 このよ うな軟磁性層 2 0 と前記強磁性層 4 0 との間に介在される 非磁性金属層 3 0 は、 効率的に電子を導く ために、 伝導性のある金 属が望ま しい。 よ り具体的には、 A u、 A g、 および C u の中から 選ばれた少なく とも 1種、 またはこれらの少なく とも 1種以上を 6 0 w t %以上含む合金等が挙げられる。

このよ うな非磁性金属層 3 0 の厚さは、 1 5〜 4 0 Aである こ と が好ま しい。 この値が 1 5 A以下になる と、 このものを介して配置 されている軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 とが交換結合して しまい、 軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 とのス ピンがそれぞれ独立に機能しな く なつて しま う という不都合が生じる。 この値が 4 O Aを超えると、 上下に位置する軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 の界面で散乱される電 子の割合が減少して しまい、 M R変化率の減少が起こ って しま う と いう不都合が生じる。

上述してきた、 これらの各層は少な く と も基板 5側から ピン止め 層 5 0、 強磁性層 4 0、 非磁性金属層 3 0、 軟磁性層 2 0 の順に積 層されている こ とが必要である。 この積層の順序はピン止め層 5 0 の制約からきている。 すなわち、 基板 5 の上に、 ピン止め層 5 0力、 ら積層をはじめる こ とで、 ピン止め層 5 0である酸化鉄薄膜の反強 磁性を十分に実現する こ とができるからである。 さ らに、 よ り大き な M R変化率を実現するという観点からは基板 5 の上に、 ピ ン止め 層、 強磁性層、 非磁性金属層、 軟磁性層、 非磁性金属層、 強磁性層、 ピ ン止め層という さ らなる積層構造も もちろん可能である。

保護層 8 0 は、 成膜プロセスの過程での磁性多層膜表面の酸化を 防止し、 その上部に形成される電極材料とのぬれ性や、 密着強度の 向上とい う 目的のために形成され、 こ の ものは、 T i , T a , W , C r , H f ， Z r、 Z n等の材料よ り形成される。 厚さは、 通常、 3 0 - 3 0 0 人程度と される。 基板 5は、 ガラ ス、 ゲイ素、 M g O、 G a A s、 フ ェ ライ ト、 ァ ルティ ック、 C a T i C 等の材料により形成される。 厚さは、 通常、 0. 5〜 ： 1 0 mm程度とされる。

各層の材質及び層厚を上記のよう に規定し、 さ らに、 少な く と も 軟磁性層 2 0の成膜時に、 後述する膜面内の一方向に外部磁場を印 加して、 異方性磁界 H kを 2〜 2 00e、 より好ま し く は 2〜 ： I 60e、 特に 2 ~ 1 00e付与するこ とが好ま しい。 これによつて、 形成された 磁性多層膜は、 M R変化曲線の立ち上がり部分における M R傾きが 0. 5 %ノ Oe以上、 特に 0. 8 %Z0e以上、 通常 0. 5〜 1. 5 %/ Oeが得られる。 また、 MR変化曲線の最大ヒステリ シス幅が 8 Oe以下、 通常 0 ~ 60eとなる。 その上さ らに、 1 MHz の高周波磁界での MR傾 きが 7 %Z0e以上、 よ り好ま しく は 0. 8 %/0e以上、 通常 0. 7〜 1. 5 %/ Oeとすることができ、 高密度記録の読み出し用の M R へッ ド等に用いる場合、 十分な性能を得る こ とができ る。 軟磁性層 の異方性磁界 H kが 2 Oe未満となると、 保磁力と同程度となつて しま い、 0磁場を中心と した直線的な M R変化曲線が実質的に得られな く なるため、 MR素子と しての特性が劣化する。 また 2 00eよ り大き いと M R傾きが小さ く なり、 この膜を MRへッ ド等に適用した場合、 出力が低下しやす く 、 かつ分解能が低下する。 こ こでこれ らの H k は、 外部磁場と して成膜時に 1 0〜 3 0 00eの磁場を印加するこ とで 得られる。 外部磁場が 1 0 Oe以下では H kを誘起するのに十分ではな いし、 また、 3 0 00eを越えても効果は変わらないが、 磁場発生のた めのコィルが大き く なつて しまい、 費用もかさんで非効率的である。 なお、 M R変化率は、 最大比抵抗を p max 、 最小比抵抗を p sat と したとき、 （ p max — p sat ) x 1 0 0 / p sat (%) と して表さ れる。 ま た、 最大ヒ ステ リ シス幅は、 磁気抵抗変化曲線 （M Rカー ブ） を測定して算出したヒステ リ シス幅の最大値である。 さ らに、 M R傾きは、 M Rカーブを測定し、 その微分曲線を求めて得られた — 2 0〜十 2 0 Oeでの微分値の最大値である。 そ して、 高周波 M R傾 きは、 1 MHz 6 Oeの磁場幅の交流磁場で M R変化率を測定したときの M R傾きである。

上述してきた磁性多層膜 1 をそれぞれ繰り返し積層 したものを、 磁気抵抗効果素子とするこ と もでき る。 磁性多層膜の繰り返し積層 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 宜選択すればよい。 昨今の磁気記録の超高密度化に対応するために は、 磁性多層膜の全層厚が薄いほど良い。 しかし薄く なる と通常、 M R効果は同時に小さ く な つて しま うが、 本発明に用いられる磁性 多層膜は、 繰り返し積層回数 nが 1 の場合でも十分実用に耐えう る 多層膜を得る こ とができる。 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 1 0以下とするのが好ま しい。 なお、 人工格子の長周期 構造は、 小角 X線回折パタ ー ンにて、 く り返し周期に応じた 1次 2 次ピーク等の出現によ り確認する こ とができ る。 超高密度磁気記録 用 M Rへッ ド等の磁気変換素子に応用するための、 nの好ま しい範 囲は 1 ~ 5である。

また、 繰り返し積層回数 nをでき る限り小さ く するには、 軟磁性 層を 1 層、 ピ ン止め層を 2層と した、 基板側よ り、 ピ ン止め層、 強 磁性層、 非磁性金属層、 軟磁性層、 非磁性金属層、 強磁性層、 ピン 止め層という構造が好ま しい。

前記磁性多層膜 1 の各層の成膜は、 イ オ ン ビームスパッ タ法、 ス パッ タ リ ング法、 蒸着法、 分子線ェ ピタキシ一法 （M B E ) 等の方 法で行なわれる。 基板 5 と しては、 前述したようにガラス、 ゲイ素、 M g O、 G a A s 、 フ ェ ライ 卜、 アルティ ッ ク、 C a T i 0 3 等を用 いる こ とができ る。 成膜に際しては、 前述したよ う に軟磁性層 2 0 成膜時に、 膜面内の一方向に 1 0〜 3 0 0 Oeの外部磁場を印加するこ とが好ま しい。 これによ り、 軟磁性層 2 0に H kを付与するこ とが でき る。 なお、 外部磁場の印加方法は、 軟磁性層 2 0成膜時のみ、 磁場の印加時期を容易に制御でき る例えば電磁石等を備えた装置を 用いて印加し、 ピン止め層 5 0成膜時は印加しない方法であつても よい。 あるいは、 成膜時を通して常に一定の磁場を印加する方法で あつ も よ い o

次に、 前記実施例で説明した、 磁性多層膜 1 を備える磁気抵抗効 果素子 3の発明を発展させ、 電子の流れる経路を詳細に検討し、 磁 気変換素子の発明に至った。 こ こ でいう磁気変換素子とは、 磁気抵 抗効果素子、 導電膜および電極部を含んでなる ものであって、 よ り 具体的には、 磁気抵抗効果型へッ ド （M Rへッ ド） 、 MRセ ンサ、 強磁性メ モ リ素子、 角度センサ等を含む広い概念のものである。

こ こでは、 磁気変換素子の一例と して磁気抵抗効果型へッ ド （MR へッ ド） を取り挙げて、 以下、 説明する。

図 4に示されるように磁気抵抗効果型へッ ド （M Rヘッ ド） 1 5 0 は、 信号磁場を感磁するための感磁部分と しての磁気抵抗効果素子 2 0 0 と、 この磁気抵抗効果素子 2 0 0の両端部 2 0 0 a , 2 0 0 a に形成された電極部 1 0 0 , 1 0 0 とを有している。 そ して、 感磁 部分と しての磁気抵抗効果素子 2 0 0の端部 2 0 0 a , 2 0 0 aは、 その両端部全体が電極部 1 0 0， 1 0 0に接する状態で接続されて いる こ とが好ま しい。 なお、 導体膜 1 2 0 , 1 2 0は、 前記電極部 1 0 0 , 1 0 0を介して磁気抵抗効果素子 2 0 0 と導通している。 本発明では、 後の説明をわかりやすく するために、 便宜上、 導体膜 1 2 0と電極部 1 0 0とに分けているが、 導体膜 1 2 0と電極部 1 0 0 は、 本来一体的に薄膜形成法によ り形成されている場合が多く 、 こ れらは一つ部材と考えて もよい ものである。

M Rへッ ドにおける感磁部分と しての磁気抵抗効果素子 2 0 0は、 前記図 1 に示される磁性多層膜 1 を有する磁気抵抗効果素子 3 と実 質的に同様な積層構造のものが用いられる。 すなわち、 磁気抵抗効 果素子 2 0 0 は、 図 1 に示される磁性多層膜を有する磁気抵抗効果 素子 3 に置換され、 その結果、 磁気抵抗効果素子 2 0 0 は、 非磁性 金属層 3 0 と、 非磁性金属層 3 0の一方の面に形成された強磁性層 4 0 と、 非磁性金属層 3 0の他方の面に形成された軟磁性層 2 0 と、 前記強磁性層 4 0の磁化の向きをピン止めするために強磁性層 4 0 の上 （非磁性金属層 3 0 と接する面と反対側の面） に形成されたピ ン止め層 5 0 とを有している。

こ こで重要な点は、 以上のよ う に して形成した磁気抵抗効果素子 2 0 0 は、 いわゆるス ピンバルブ型の磁気抵抗変化を示すという点 である。 スピンバルブ型の磁気抵抗変化とは、 非磁性金属層 3 0 と、 非磁性金属層 3 0の一方の面に形成された強磁性層 4 0 と、 非磁性 金属層 3 0の他方の面に形成された軟磁性層 2 0 と、 前記強磁性層 4 0 の磁化の向きをピン止めするために強磁性層の上に形成された ピ ン止め層 5 0 とを有する磁性多層膜において、 外部の信号磁界が 0 の時に軟磁性層 2 0 と ピン止めされた強磁性層 4 0 のス ピ ンの成 す角度が、 鋭角方向から見てほぼ、 9 0度に近く設定されている も のをいう。 実際は 4 5 〜 9 0度の角度である こ とが多いが、 好ま し く は 6 0度から 9 0度の範囲である。 また、 ピン止めは強磁性層 4 0 と ピン止め層 5 0 との直接交換相互作用、 特に本発明の場合は反強 磁性層 -強磁性層間の直接交換相互作用、 で もた らされるので、 磁 気抵抗効果曲線 （M R曲線） は外部磁場が 0のときを中心に してプ ラ ス、 マイ ナスの外部磁場に対し、 左右非対称となるのが特徴であ る。 そ して図 4に示されるように磁気抵抗効果型へッ ド （M Rへッ ド） 1 5 0 には、 磁気抵抗効果素子 2 0 0 および電極部 1 0 0， 1 0 0 を上下にはさ むようにシール ド層 3 0 0， 3 0 0が形成される と と もに、 磁気抵抗効果素子 2 0 0 と シール ド層 3 0 0 , 3 0 0 との間 の部分には非磁性絶縁層 4 0 0が形成される。

こ こで感磁部分と しての磁気抵抗効果素子 2 0 0 に用いられる強 磁性層 4 0、 非磁性金属層 3 0、 軟磁性層 2 0およびピン止め層 5 0 は、 それぞれ、 前記磁性多層膜の実施例で述べたものと同様の材質、 厚さのものを用いる こ とが望ま しい。

こ こで磁気抵抗効果素子 2 0 0の磁性多層膜に流れる電流の経路 を詳細に検討した結果、 電流と しての電子は磁性多層膜内のある部 分に片寄って流れているこ とが判明 した。 すなわち、 磁性多層膜を 構成する各層のう ち、 ピン止め層 5 0を形成する酸化鉄は、 ほぼ絶 縁層に近いものである。 したがって、 電子は比抵抗の小さい軟磁性 層 2 0や非磁性金属層 3 0 に片寄って流れる。 従来のス ピ ンバルブ 膜を用いた M Rへッ ドでは感磁部分と しての軟磁性層を形成した後 に、 非磁性金属層、 強磁性層、 ピン止め層と積層し、 その層の上面 に電極を形成していた。 これでは比抵抗の極めて大きな ピン止め層 に電極が接するため、 測定のためのセ ンス電流 （ M Rへッ ドと して 動作させるために必要な定電流） が流れることが困難となる。 また、 接触抵抗が大き く 、 製造工程上歩留ま り も低下して しま う。

そ こで、 積層順序を逆と し、 絶縁層に近い酸化鉄のピン止め層 5 0 を基板 5 に近い方と したう えに、 図 4 に示すよう に、 電流を流す電 極部 1 0 0を磁気抵抗効果素子 2 0 0の積層方向にその端部 2 0 0 a , 2 0 0 a全体が接する構造とする こ とで、 これらの問題点を解決す る こ とができ る。 つま り、 電子は軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 に挟 まれた部分を中心に流れる。 すると、 こ の軟磁性層 2 0 と強磁性層 4 0 とのス ピンの方向によ つて磁気散乱され、 抵抗が大き く 変化す る。 したがって微小な外部磁場の変化を大きな電気抵抗の変化と し て検出する こ とができ るのである。

また、 前述したよう に、 少な く と も軟磁性層 2 0 の成膜時に膜面 内の一方向に外部磁場を印加して異方性磁場 H k誘起する こ とで、 さ らに高周波特性を優れたものとする こ とができる。 こ こで、 磁性 多層膜に M R効果を起こ させるための電流を流す方向に外部磁場を 印加し、 これによ り異方性磁場を誘起させる。 通常、 磁性多層膜を 短冊状に加工し、 その長手方向に電流を流すので、 磁場をその長手 方向に印加して成膜する と良い。 言い換えれば、 M Rへッ ドと して の電流が流れる方向と同じ方向、 すなわち、 信号磁場方向と垂直か つ面内方向に磁場を印加して成膜する とよい。 する と、 磁性多層膜 を構成する軟磁性層は短冊長手方向が磁化容易方向に、 短冊短辺方 向が磁化困難方向とな り、 異方性磁場 H kが発生する。 こ こで信号 磁場は短冊状磁性多層膜の短辺方向に印加されるので、 軟磁性層の 高周波磁気特性が向上し、 大きな高周波領域での M R特性が得られ る。 こ こで印加する磁場の大きさは 1 0〜 3 0 0 0eの範囲にあればよ い。 そ して、 軟磁性層 2 0に誘起する異方性磁場 H kは 3〜 2 0 0e、 より好ま し く は 3〜 1 6 0e、 特に 3〜 1 2 0eとするとよい。 異方性磁 界 H kが 3 0e未満では軟磁性層 2 0の保磁力と同程度となつてしまい、 0磁場を中心と した直線的な M R変化曲線が実質的に得られな く な り、 M Rへッ ドとしての特性が劣化する。 また 2 0 0eより大きいと M R 傾き （単位磁場当た りの M R変化率） が小さ く な り、 M Rへッ ド等 と して用いる際、 出力が低下しやすく 、 かつ分解能が低下する。 本 発明の膜は、 高い耐熱性を示し、 M R変化曲線の立ち上がり部分に おける M R傾きが 0 . 5 % / 0e以上、 特に 0 . 8 % Z 0e以上、 通常 0 .

5 ~ 1 . 5 % / 0eが得られる。 また、 M R変化曲線の最大ヒステ リ シ ス幅が 8 Oe以下、 通常 0 〜 6 0eとなる。 その上さ らに、 1 MHz の高周 波磁界での M R傾きが 0 . 7 % / 0e以上、 よ り好ま しく は 0 . 8 % Z Oe以上、 通常 0 . 7 〜 1 . 5 % Z 0eとするこ とができ、 高密度記録の 読み出し用の M Rへッ ド等と して、 十分な性能を得るこ とができ る。

さ らに、 ピ ン止め層 5 0を成膜する際には、 軟磁性層 2 0を成膜 する際の印加磁場の方向と垂直方向に磁場を印加する と良い。 つま り磁性多層膜の膜面内でかつ、 測定電流と直角方向となる。 こ こで 印加する磁場の大きさは 1 0 〜 3 0 0 Oeの範囲にあればよい。 これに よ り、 ピ ン止め層 5 0 によ り強磁性層 4 0の磁化の方向が確実に印 加磁場方向 （測定電流と直角方向） に固着され、 信号磁場によって その向きを容易に変えう る軟磁性層 2 0 の磁化と最も合理的に反平 行状態を作り出すこ とができ る。 もっともこれは必要条件ではな く 、 反強磁性層を成膜する際に、 軟磁性層を成膜する際に印加する磁場 の方向と同じ向きであっても良い。 この時は磁性多層膜の成膜後、 工程中で 2 0 0 °C程度の熱処理を行う際に、 短冊短辺方向 （軟磁性 層 2 0を成膜する際の印加磁場の方向と垂直方向） に磁場を印加し ながら、 温度を下げていく と良い。

M R曲線の立ち上がり部分を規定するのは軟磁性層 2 0 の磁化回 転である。 よ り急峻な M R曲線の立ち上がりを得るためには、 軟磁 性層 2 0 が信号磁場に対し、 完全に磁化回転によ りその磁化の向き を変えていく こ とが望ま しい。 しかし、 実際は軟磁性層 2 0 に磁区 が発生して しま い、 信号磁場に対し磁壁移動と磁化回転が同時に起 こ って しま う。 その結果、 ノ ルクハウゼンノ イズが発生し、 M Rへ ッ ド特性が安定しな く なつていた。

そ こ で発明者等は鋭意、 研究を進めた結果、 図 5 に示されるよう に、 感磁部分である磁気抵抗効果素子 2 0 0 と測定電流を流すため の電極部 1 0 0 と の間に、 それぞれ、 連結用軟磁性層 5 0 0 を介在 させる こ とによ り、 上記ノ イズの改善が図られる こ とを確認した。 もちろん、 この場合、 連結用軟磁性層 5 0 0と磁気抵抗効果素子 2 0 0 の端部 2 0 0 a , 2 0 0 a の全体が連結用軟磁性層 5 0 0 と接触す る状態で接続されている。 磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） に隣接 して形成された連結用軟磁性層 5 0 0 ， 5 0 0は、 磁性多層膜を構 成している軟磁性層と磁気的に直接接触する。 この付加された連結 用軟磁性層 5 0 0 は、 磁性多層膜中の軟磁性層の磁区を単磁区構造 に近づけ、 磁区構造を安定化する効果がある。 その結果、 磁性多層 膜中の軟磁性層は信号磁場に対し、 磁化回転モー ドで動作し、 ノ ィ ズのない、 良好な特性を得る こ とができ る。

磁性多層膜中の軟磁性層の磁区を単磁区に近づけ、 磁区構造を安 定化させるためには、 さ らに図 6 に示されるよう な形状の連結用軟 磁性層 5 1 0 , 5 1 0 を設ける こ とが好ま しい。 この連結用軟磁性 層 5 1 0は、 感磁部分である磁気抵抗効果素子 2 0 0 と電極部 1 0 0 との間のみな らず、 電極部 1 0 0 の下面 1 0 1 に も連続して形成さ れている。 これは磁区構造安定化のための連結用軟磁性層 5 1 0 の 体積が大きい方がその安定化の度合いが大きいからである。 しかも 電極部 1 0 0 に直接接していれば電圧効果は生じないので、 この磁 区構造安定化のための連結用軟磁性層自身の M R効果は磁性多層膜 の M R効果に影響を与えず、 都合がよい。 また、 よ り積極的に磁性 多層膜中の軟磁性層の磁区を安定化するためには、 上記磁区構造安 定化のための連結用軟磁性層と電極部 1 0 0 との間に反強磁性層を はさんでも良い。

また、 本願発明のごと く ピン止め層と してへマタイ 卜を用いるへ マタイ ト使用型のスピンバルブ M Rへッ ドは、 図 2 1 に示されるよ うなへッ ド構造とする こ とが特に好ま しい。 すなわち、 感磁部分で ある磁気抵抗効果素子 2 0 0 と測定電流を流すための電極部 1 0 0 との間に、 図示のごと く磁気抵抗効果素子 2 0 0側から連結用軟磁 性層 5 2 0 および反強磁性層 8 0 0 (ないしは硬磁性層 8 0 0 ) を 順次介在させる。 しかも、 連結用軟磁性層 5 2 0 および反強磁性層 8 0 0 (ない しは硬磁性層 8 0 0 ) の一方端側は、 磁気抵抗効果素 子 2 0 0 の上部 2 0 0 a (軟磁性層に近い方向） の一部分を覆う よ う に、 かつ他方端側は図示のごと く 電極部 1 0 0下面 1 0 1 まで潜 り込んで形成される。 さ らに、 電極部 1 0 0 のへッ ド中央側に位置 する端部 1 0 2は、 磁気抵抗効果素子 2 0 0の上部 2 0 0 a (軟磁 性層に近い方向） の一部分を覆い、 かつ、 連結用軟磁性層 5 2 0 お よび反強磁性層 8 0 0の上部端部 5 2 0 a , 8 0 0 a をもそれぞれ 覆う よ う に形成される。

こ のよ う な構成とする こ と によ り 、 磁気抵抗効果素子 2 0 0 に形 成される連結用軟磁性層 5 2 0 および反強磁性層 8 0 0の両方の効 果によって極めて効率的に縦バイアスを付与する こ とにができ、 バ ルクハウゼンノ イズを抑制した M Rへッ ド特性が得られる。 また、 電極部 1 0 0の端部 1 0 2が、 前述のように磁気抵抗効果素子 2 0 0 を覆う よう に形成されているこ とによ り、 素子端部での信号磁場の 低下がな く 、 しかも 1 ^ m以下のよ うな狭 ト ラ ッ ク幅の形成が容易 な M Rへッ ドが提供できる。

一般にパー マロイを用いた M Rへッ ドにおいては、 通常 T i 等の シ ャ ン 卜層や C o Z r M o , N i F e R h等の比抵抗の大きな軟磁 性材料のバイァス磁界印加層が感磁部分に隣接して設けられている。 これ らは ソ フ ト フ イ ルムバイ アスや、 シ ャ ン トバイ アス と呼ばれ、 パー マロイの曲線をシフ ト し、 ゼロ磁場を中心に直線領域を生み出 す働きを している。 しかし、 これらの機構は複雑であ り、 製造工程 上、 製造歩留ま りを大き く下げる要因となっているのが実情である。 これに対して上述してきた本発明の磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） では、 0磁場の極近傍から M R曲線が立ち上がっているので、 磁気 抵抗効果素子 （磁性多層膜） に流す電流によ って生じる 自己バイ ァ スによ り、 ゼロ磁場を中心に直線領域を生じさせる こ とができ る。 この結果、 複雑な機構のバイ アス法を設けな く て良いので、 製造歩 留ま りの向上、 製造時間の短縮とコス ト削減等の効果がある。 また、 バイ アス機構のない分、 感磁部分の厚さがうすく なるので、 M Rへ ッ ドに したときのシール ド厚さが小さ く な り、 超高密度記録による 信号の短波長化に対し大きな効果がある。

これ ら M Rへッ ドを製造する場合、 その製造工程の中でパター二 ング、 平坦化等でベーキング、 アニー リ ング、 レジス トキユア等の 熱処理が不可避である。

一般的にこれら人工格子と呼ばれるような磁性多層膜を有する磁 気抵抗効果素子では、 構成する各層の厚さ故、 耐熱性が問題となる 場合が多かった。 本発明による磁気抵抗効果素子 （磁性多層膜） で は磁場を印加し、 磁性層に異方性磁場を付与する こ と によ り 、 製膜 後、 3 0 0 以下、 一般に 1 0 0 〜 3 0 0 、 1 時間程度の熱処理 に十分対応できる。 熱処理は通常、 真空中、 不活性ガス雰囲気中、 大気中等で行えばよいが、 特に 1 0 ^{_ 7}Torr以下の真空 （減圧下） 中で 行なう こ とで特性劣化の極めて少ない磁気抵抗効果素子 （磁性多層 膜） が得られる。 また、 加工工程でのラ ッ ピングゃポ リ ツ シ ングに おいて も M R特性が劣化するこ とはほとんどない。

また、 ピン止め層 5 0である酸化鉄層を成膜後、 真空成膜装置か ら基板を取り 出 し、 その後、 大気中や酸素雰囲気中、 も し く は真空 中 1 0 0 〜 3 0 0ての温度で熱処理を行い、 へマタイ ト相に近づ く よ うな熱処理を施した後、 引き铙き真空製膜装置に基板を戻し、 続きのス ピンバルブ構造 （残りの積層膜構造） を形成してもよい。 F e と 0イオ ンの大き さはかな り異な り、 真空成膜によ つて応力等 による歪みが入りやすい。 この熱処理によ り、 これら、 応力の緩和 と、 結晶格子の規則度向上による、 反強磁性の特性の改善が可能と なる。 なお、 熱処理はピン止め層形成後に大気中で行うのが望ま し いが、 真空中でもその効果は大き く 、 少な く と も ピ ン止め層形成後 は任意の工程で 1 0 0 °C〜 3 0 0ての温度での熱処理を行えばよい。 なお、 本発明における F e Ο _χ の酸化鉄薄膜 （ピン止め層を構成す る材料） は、 高耐電圧の絶縁層であるため、 M Rへッ ドのいわゆる ギヤ ッ プ膜を構成する材料と して用いる こ と もでき る。

前記の磁気抵抗効果素子の発明、 並びにこれらを用いた磁気変換 素子 （例えば M Rへッ ド） の発明を、 以下に示す具体的実施例によ り さ らに詳細に説明する。 まず最初に、 磁性多層膜 1 を有する磁気 抵抗効果素子 3 (図 1対応） の発明の具体的実施例を実施例 1 と し て示す。

実施例 1

基板と してガラ ス基板を用い、 こ の ものをイ オ ン ビームス ノ、 ° ッ タ 装置の中に入れ、 2 . 3 X 1 0— ' Torrまで真空引きを行った。 基板の 温度は 1 4 °Cに冷却したまま、 基板を 2 0 rpm で回転させながら、 以 下の組成をもつ人工格子磁性多層膜を作成した。 こ の際、 磁界を基 板の面内でかつ、 測定電流と平行方向に印加しながら、 約 0 . 3 人 /秒以下の成膜速度で成膜を行つた。

成膜後、 1 0—⁵Torrの真空中で、 測定電流と直角かつ面内方向に 2 0 0 Oe の磁界を印加しながら 2 0 0てから冷却し、 強磁性層のピ ン止め効 果を誘起した。 こ のよ う に して表 1 に示されるよ う な磁気抵抗効果 素子の各サ ンプル 1 ― 1 〜 1 ― 1 3 を作成した。 表 1 サンプル メィンパワー アシス 卜パワー 7シス! ス流量 酸ィ JSx Hua

No. (加速電圧、 電流） (加速 ®Ξ、 イオン電流） (Ar.0₂) (O/Fe) (Oe)

1-1 * (1200.120) (100.10) ( 4.1) 1.30 31

1-2 (1200, 120) (100.10) ( 8.2) 1.41 102

1-3 (1200.120) (100.10) (16.4) 1.40 95

1-4 * (1200, 120) (100.10) (24.6) 1.32 35

1-5 (1200.120) ( 80.10) ( 7.3) 1.47 110

I D ^ I UU. L\S) ( an ¾n") υ· 1 ク P

1-7 * ( 600. 60) (100. 4) ( 8.2) 1.27 22

1-8 (1200, 120) (130.10) ( 7.3) 1.37 86

1-9 ( 900.120) (180.10) ( 6.4) 1.11 13

1-10 (1200.120) ( 90.12) ( 8.2) 1.43 108

1-11ネ (1200.120) (100.18) ( 8.2) 1.31 31

1-12* (1200.120) ( 50. 6) ( 6.4) 1.21 19

1-13 (1200, 120) ( 90. 9) ( 7,3) 1.55 90

* 本発明の範囲外のもの （tb^例）

加速電圧の単位は e V； イオン g流の単位は m A； アシス カス流量の単位は s c c m 表 1 において、 例えばサンプル 1 — 1 は、 基板上に、 メ イ ンガン の加速電圧 1 2 0 0 e V、 イ オ ン電流 1 2 0 m A、 ア シス ト ビーム の加速電圧 1 0 0 e V、 イオ ン電流 1 0 mA A r流量 4 s c c m O ₉ 流量 1 s c c mの条件で、 1 0 0 O A厚の ピ ン止め層 F e O を成膜し、 こ の上に、 3 厚の N i 8 1 % - F e 1 9 %のパ ロイ組成 （N i F e ) 合金の強磁性層、 8 8 A厚の C uの非磁性金 属層を順次スパ ッ 夕 して形成した磁性多層膜である。 他の各サ ンプ ル 1 — 2 1 一 1 3は、 ピン止め層 F e 0„ の成膜条件のみが異なり (従って、 各々 F e O_x の組成が異なる） 、 それ以外はすべて上記サ ンプル 1 一 1 と同様な積層構造と した。

各サンプルについて、 用いたメ イ ンガンの加速電圧とィォン電流、 用いたア シス ト ガ ンの加速電圧とィ ォ ン電流、 およびア シス ト ガン に流した A r と 0₂ ガスの流量、 ピン止め層 F e Ο_χ を構成する 0 F eの比である X (酸化度と称す） 、 およびピン止め層が反強磁性 を示すこ とによ ってもたらされる一方向性異方性 H,，_a (磁化曲線での ua ヒステ リ シス中 、の 0磁場カヽらのシフ ト量 ： uniaxial anisotropy ) の値を、 それぞれ表 1 に示した。 なお、 こ こで酸化度 Xは蛍光 X線 分析法によって容易に決定する こ とができる。 また、 反強磁性の強 さのパラメ ータである H，，。に関しては、 M Rへッ ドを製造するときと 同じ成膜条件と同 じ各層の層厚で、 酸化鉄の薄膜部分 （ピン止め層 F e 0 _v ) と強磁性層を作成し、 このものの磁化曲線を測定して、 そ の ヒ ステ リ シスの中心磁場のシ フ ト量で評価した。 その結果、 1 . 3 5 ≤ X ≤ I . 5 5、 （単位は原子比） の範囲に酸化度 Xを調整す るこ とによ り M Rへッ ド動作をさせるときの必要十分な Η,,。が得られ

Ua

る こ とがわかっ た。

表 1 中のサンプル 1 一 1 〜 1 一 4 で示されるアシス 卜ガス流量を 変化させた実験結果より、 アシス トガンの A r + 0₂ ガスの流量が 6 〜 2 0 s c c mの範囲内で形成させたピン止め層 （サ ンプル 1 一 2 および 1 — 3 ) のみが、 酸化度 x = O Z F e の値が 1 . 3 5 ~ 1 . 5 5 の範囲に入っているこ とがわかる。 このときに一方向性異方性 H，，。の値は、 最低必要と思われる 4 0 0 e以上の大きい値となつてい

Ua

る。

サ ンプル 1 — 5、 1 — 6、 1 — 7、 1 — 1 0、 1 一 1 1 はア シス ト ビームのイオン電流を様々に変化させた本実施例と比較例である。 これらの実験結果より、 アシス ト ビームのィォン電流は 5〜 1 5 m A の範囲にな く てはな らない （サンプル 1 — 5および 1 一 1 0 ) こ と がわかる。

ま た、 サ ンプル 1 一 5 、 サ ンプル 1 — 7〜 1 一 9 、 およびサ ンプ ル 1 一 1 2 の実験結果よ り、 アシス ト ビームの加速電圧は 1 8 0 e V と高すぎても、 また、 5 0 e Vと低くても十分な H„_aが得られないこ

Ua

とがわかる。 従って、 この加速電圧は 6 0 ~ 1 5 0 e Vの範囲にな く てはな らないこ とがわかる。 図 7 にはアシス トガンの A r + 0₂ ガスの流量を 1 0 s c c mに固 定したときの、 0₂ 流量の変化と酸化度 X = O/ F e との関係が示さ れる。 この図において、 例えば、 0₂ 流量が 4 s c c mのときには A r 流量は 6 s c c mとなっている。 こ こでは F e O_x の反強磁性の効果 を調べるために、 基板側から F e O_v ( 1 0 0 0人） 一 N i F e ( 3 8 A) - C u ( 8 8 A) という順で積層された膜を用いて評価した。 図 7の結果から明らかなよ う に、 0₂ 流量が l ~ 5 s c c mのと きに Xは 1 . 3 5〜 1 . 5 5の範囲になっている。 すなわち、 A r : 〇₂ 流量比が 1 : 1〜 9 : 1 の範囲のとき に X は 1 . 3 5 〜 ； I . 5 5 の 範囲内となり、 また H,_iaの値も 4 O O e以上の大きい値となるこ とが

U

確認された。

図 8にはアシス トビームでの A rと 0₂ ガスの流量を、 それぞれ （ 7、 3 ) 、 （ 6、 4 ) 、 （ 5、 5 ) (単位はそれぞれ s c c m) の 3種 類のパラメ ータ と し、 これらの各パラメ ータについて、 アシス ト ビー ムのィォン電流変化と一方向性異方性 H_uaとの関係をしらベた実験結 果が示される。 積層膜構成は、 基板側からら F e O_x ( 1 0 0 0 A) - i F e ( 3 8 A) 一 C u ( 8 8 A ) という順で積層された膜を 用いて評価した。 このときのアシス ト ビームの加速電圧は 1 0 0 e V に固定されている。 図から A r ： 0。 流量比によって多少の差はある が、 イ オ ン電流が 5〜 1 5 m Aの範囲で大きな一方向性異方性を示 している こ とがわかる。

本発明のポイ ン トは反強磁性を示す酸化鉄 F e 0 の生成にあるの で、 こ こ でその材料物性の同定について以下に説明する。

表 1 のなかで H，，。の値が 1 1 O O eを示したサンプル 1 — 5の薄膜 X線回折の結果が図 9 に示される。 この結果よ り、 ブロー ドではあ るが、 へマタイ 卜の α相 （ 1 0 4 ) 配向面からの回折ピークが確認 される。 マグネタイ トゃウスタイ ト等の酸化鉄のその他の回折ピー クは確認されないこ とから、 ピン止め層と して F e ₂ 0₃ (へマ夕 ィ ト） が生成されている こ とがわかる。 その結果、 1 1 0 ◦ e とい う大きな H„₃の値が得られている。

また、 サ ンプル 1 一 2 (表 1 ) を積層方向に切断し、 その積層断 面を高分解能電子顕微鏡 （Τ Ε Μ) で観察した。 そ して、 上記ピン 止め層 5 0の内部を電子線回折で調べた結果、 へマタイ ト相の存在 が確認された。 また、 この場合は、 へマタイ ト相のほかに 4 0体積 %のマグネタイ ト相も混在していることがわかった。 しかしながら、 6 0体積％の割合で存在するへマタイ ト相によ って、 H，，_aの値は実用

U α

上十分な ものを示した。 その外のサンプルにおいてはへマタイ ト相 が 3 0体積％と、 そのほかに 7 0体積％のマグネタイ ト相と少量の ウスタイ ト相も確認されたが、 Η ,，。の値はあま り余裕のあるものでは ないが、 なんとかへッ ドと して実用でき る範囲のものである こ とが 確認できた。 これらの結果よ り、 ピン止め層はへマタイ 卜の単層で な く ても反強磁性を示すな F e ₂ 03 (へマタイ ト） を、 少なく とも 3 0体積％以上 6 0体積％以下含むものであればよいこ とがわかつ た。

また、 成膜条件の異なる他のサンプルの、 特にピン止め層 5 0の 内部を、 同様に高分解能電子顕微鏡 （T E M) で観察した。 する と、 そのピン止め層 5 0の内部は、 へマタイ ト相の単相であ つ たが、 そ の結晶はへマタイ ト結晶の 6 0〜 1 0 O Aの微結晶粒の集ま りであ つた。 このとき、 H，，。の値は 7 1 0 eと、 十分すぎるものではないが、 実用上問題のない程度であるこ とが確認された。 従って、 ピン止め 層は反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） の 1 0 0人以下、 特 に、 6 0 ~ 1 0 0 Aの微結晶の集ま りであってもよいこ とがわかる。

こ こで、 実際に反強磁性を示す酸化鉄 F e 0，， が生成されているか どう かについて述べる。 まず、 図 1 0は表 1 のサンプル 1 — 5の耐 熱性を調べたグラフである。 H ,_iaの値は測定温度をあげるにつれて減 少し、 約 2 0 0 °Cでほぼ 0 となった。 これは反強磁性を示す F e 0 _γ が、 この層のネール温度が近づ く につれてそのピン止め効果が小さ く な り、 ついにはピンニング効果が失われたこ とを示している。 こ の結果よ り、 成膜されていた酸化鉄 F e Ο_χ が反強磁性であるこ との 証明と、 そのネール温度が 2 0 0 °Cであるこ とが確認された。 さ ら に、 様々な成膜条件での F e Ο_χ サンプルについて、 同様の評価をし た結果、 このピン止め層のネール温度は 1 2 0 〜 4 0 0 °Cの範囲 にあるこ とがわかった。

以上の結果と表 1 に示される結果から、 ピ ン止め層と して酸化鉄 F e O_v を 1. 3 5 ^ χ≤ 1 · 5 5、 単位は原子比、 厚さ 1 0 0 A〜 3 0 0 0 人に形成する こ とで、 隣接する強磁性層の磁化の向きをピ ン止めでき る こ とがわかる。 また、 このピン止め層は反強磁性を示 す a F e。 0 (へマタイ ト） 、 も し く は反強磁性を示すな F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） を、 少な く とも 3 0体積％以上 6 0体積％以下含 むもの、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） の 1 0 0 A以下 の微結晶の集まりであるもの、 反強磁性を示しそのネール温度は 1 2 0 て〜 4 0 0 °Cである もの、 いずれでも同様の効果をもたらすこ とが わかる。 これらの酸化鉄 F e 0 _v は酸化鉄のターゲッ トをイオンビー ムスパッ タ法でスパック し、 基板に対し、 A r と 0₂ の混合ガスのァ シ ス ト ビームを照射しながら生成するこ とで、 反強磁性を示し十分 な ピ ン止め効果を持つピン止め層を形成する こ とができ る。

以下、 本発明のおのおのに共通な特性評価について説明する。 B - Hループの測定は、 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. 4 X 6 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、 一 3 0 0 〜 3 0 0 Oeまで変化させたときの抵抗を 4端子法により測定した。 そ の抵抗から比抵抗の最小値 P sat および MR変化率 Δ RZRを求めた。 M R変化率 A R Z Rは、 最大比抵抗を / o max 、 最小比抵抗を / o sat と し、 次式によ り計算した ： Δ Rノ R = ( p max - p sat ) x 1 0 0 / p sat (%) 。 また、 測定した M R曲線の微分曲線を取り、 そのゼ 口磁場付近の極大値を M R傾き （単位％Z0e) と して、 立ち上がり特 性を評価した。 1 M H z の高周波磁界における 6 0 e幅での M R傾 きの値は、 前記のとおり 0 . 7 % Oe以上あるこ とが必要である。 以上のピ ン止め層を用いて形成したス ピンバルブ型の M R変化を 示す磁性多層膜の構成と磁気抵抗変化率を下記表 2 に示す。 表 2 サンプル 材 料 JS 厚 MR MR傾き 高周波傾き No. (ml. m2. m3. m4) (t1. t2. t3. t4) (X) (X/Oe) (1HHz. X/Oe)

2-1 ( aFe₂0₃. CoNiFe. Cu. NiFeCo) (1000.32.22.77) 3.8 1.8 1.7

2—2 ( aFe₂0₃. CoNiFe. Cu. NiFeCo) ( 800.32.27.77) 2.9 1.2 1.2

2-3 ( aFe₂0₃, CoFe. Cu, Co iFeSiB) (1000.25.25.67) 3.5 1.6 1.5

2-4 ( aFe₂0₃. CoFe. Cu. Co iFeSiB) (1500.25.21.64) 3.9 1.4 1.2

2-5 ( Fe₂0₃. Co. Cu. iFeCo) (1000.22.27.85) 2.8 1.0 1.0

2-6 ( aFe₂0₃. CoNiFe. Cu. NiFeCo) ( 500.32.27.77) 3.6 1.6 1.5

2-7 ( aFe₂0₃. CoNiFe. Cu. NiFeCo) ( 200.32.27， 77) 3.0 1.2 1.0

2-8 * ( aFe₂0₃. Co iFe. Cu. iFeCo) ( 800.32. 2.77) 1.4 0.6 0.5

2-9 * ( aFe₂0₃, Co iFe. Cu. iFeCo) ( 800.32.13.77) 0.2 0.0 0.0

2-10* ( aFe₂0₃. CoNiFe. Cu. NiFeCo) ( 70.32.33.77) 0.2 0.0 0.0

2-11* ( aFe₂0₃, CoFe. Cu. Co iFeSiB) (1000.25.25.160) 1.3 0.6 0.6

2-12* ( aFe₂0₃. CoFe. Cu, Co iFeSiB) (1000.120.25.80) 1.0 0.6 0.5

*本発明の範囲外のもの （ b^例）

なお、 表 2 において、 例えばサンプル 2 — 1 は、 [ a F e ₂ 0 ( 1 0 0 0 ) - C o N i F e ( 3 2 ) — C u ( 2 2 ) - N i F e C o ( 7 7 ) ] であって、 基板側から 1 0 0 0 A厚の a F e ₂ Og の反強 磁性層 （ピン止め層） 、 強磁性層と して用いた 3 2 A厚の C o N i F e 合金層、 2 2 A厚の C uの非磁性金属層、 7 7 A厚の N i F e C o による軟磁性層を順次配置した磁性多層膜である。 各サンプルを構 成する材質を、 反強磁性層 （ピン止め層） 、 強磁性層、 非磁性金属 層、 軟磁性層の順に （m l , m 2 , m 3 , m 4 ) と して示した。 ま た、 それらの層の厚さを同様の順に （ t l , t 2 , t 3 , t 4 ) と 表 2 に記載した。 また、 強磁性層と して用いた C o N i F e合金層 の組成は C o。 ₈ N i ₆ F e p 、 軟磁性層と して用いた N i F e C o 合金層の組成は N i _4gF e _1?C 0 ₃₅ (それぞれ重 i%) である。 以降 の実施例において特に断らなければ、 C o N i F e , N i F e C o 層の組成は上記本実施例と同様の組成である。 また、 直流磁場での M R傾き、 及び 1 MHz での高周波磁界における 6 Oe幅での M R傾き （単 位％Z0e) も併せて示した。 この値は前記のとおり 0 . 7 % Z0e以上 ある こ とが必要である。

表 2 に示されるサ ンプル 2 — 3 およびサンプル 2 — 4 における C o N i F e S i B合金層はァモルフ ァ ス軟磁性層であり、 その組 成は C o ₇₀N i F e _c S i _g B ₁₂ (原子％) の場合の例である。

サンプル 2 — 5は、 へマタイ ト層を 5 0体積％含む F eり 0。 層を ピン止め層と して用いた場合の例である。

サンプル 2 — 8 , サンプル 2 — 9 (共に比較例） は、 サンプル 2 - 1 と同 じ多層膜構成であるが、 非磁性金属層の層厚 （ t 3 ) が異 なる場合の例である。 すなわち、 サンプル 2 — 8 は非磁性金属層厚 が厚すぎて M R変化率が減少している。 一方、 2 — 9では逆に非磁 性金属層厚が薄すぎて、 2つの磁性層間での強磁性結合が強く なり、 ス ピンの相対角度が生じな く なり、 その結果、 ス ピンバルブ型の M R 変化を示さな く な つている。

サ ンプル 2 — 1 0 (比較例） は、 サンプル 2 — 1 と同 じ多層膜構 成であるが、 ピン止め層の層厚 （ t 1 ) が異なる場合の例である。 すなわち、 サンプル 2 — 1 0 はピン止め層の層厚が薄すぎて M R変 化率が減少している。 これはピン止め層の層厚が薄いこ とによ って、 酸化鉄 F e Ο _χ の反強磁性が十分に実現されないこ とによる ものであ る。

サンプル 2 — 1 1， サンプル 2 — 1 2 (共に比較例） は、 サンプ ル 2 — 1 とほぼ同じ多層膜構成であるが、 2つの磁性層の層厚が、 本発明の範囲から外れる場合の例である。 すなわち、 サンプル 2 — 1 1 は軟磁性層の層厚 （ t 4 ) が厚すぎて、 多層膜の比抵抗が大き く な り、 その結果、 M R変化率が小さ く なつ ている。 サンプル 2 — 1 2は強磁性層の層厚 （ t 2 ) が厚すぎて、 ピン止め層のエネルギー が不足し、 十分に強磁性層のス ピンがピン止めされていない例であ る。 その結果、 両サンプルと もに M R変化率が十分ではない。

以上、 表 2に示される結果から、 ピン止め層である酸化鉄 F e O_x の反強磁性の特性が十分に実現され、 かつ強磁性層、 軟磁性層、 非 磁性金属層の材料、 およびそれらの層厚を本発明に開示された範囲 から選択する こ とによ り、 1 MH zでの高周波磁界における 6 0 e 幅での磁気抵抗変化の傾きが、 0. 7 %Z 0 e以上となる磁気抵抗 効果素子が実現できるこ とがわかる。

なお、 図 1 1 ( A ) および （ B ) には、 それぞれ、 表 2のサンプ ル 2 — 1 を構成するス ピンバルブ磁性多層膜の MR曲線と、 磁化曲 線が示される。 反強磁性を示すへマタイ トによ り、 強磁性層のス ピ ンがピン止めされ、 左右非対称のスピンバルブ型の MR曲線が得ら れている。 同様に、 ピ ン止め効果によ り磁化曲線も上下が非対称と なっている。 図 1 2には同じサンプルの 1 O O e以下でのマイナー ループが示される。 0磁場から MR曲線が急激に立ち上がつている のがわかる。 このマイ ナー MRループでの最大ヒ ステ リ シス幅は約 3 0 e と小さ く 、 極めて良好な特性を示している。

さらに、 図 1 3にはガラス基板上に作成した [a F e₉ 0。 (1 000 A) - C o N i F e ( 4 5 A ) - C u ( 8 8 A ) ] 多層膜サ ンプル の熱処理結果が示される。 これは反強磁性を示すへマタイ ト層と強 磁性層が交換結合したサンプルであり、 熱処理の結果、 H，，。の値が増

U

大している こ とが確認される。 その特性改善は 2時間の熱処理にお いて、 5 0 %ア ップに及んでいる。 すなわち、 熱処理によ り、 ス ピ ンバルブ特性の大幅な改善が可能である こ とがわかる。

また、 図 1 4には基板上にピン止め層と しての酸化鉄 F e Ο_χ を成 膜した後、 成膜装置から基板を取り出 し、 大気中で熱処理を施した 場合の X線回折パター ンの変化が示される。 2 0 0、 3 0 0、 4 0 0 °Cの順に、 それぞれの温度で 4時間保持し、 熱処理を累積してい つ たものである。 この結果よ り、 明らかに反強磁性を示すへマタイ ト の （ 1 0 4 ) 配向面からの回折ピークが大き く なつており、 へマタ ィ 卜の結晶化が進んでいる こ とがわかる。 このあ と、 再び真空成膜 装置へ基板をセッ 卜 し、 さ らにス ピンバルブ構造の膜を作ったと こ ろ、 熱処理を行わなかったサ ンプルよ り も大きな M R変化率と、 大 きな H,_iaが得られることが確認された。 従って、 磁気抵抗効果素子を 成膜したのち、 1 0 0て〜 3 0 0 °Cの温度で熱処理を行なってもよ いし、 基板上に少なく ともピン止め層を成膜したのち 1 0 0 °C〜 3 0 0 °Cの温度で熱処理を行い、 その後、 ス ピンバルブ膜 （磁気抵抗効果 素子） を形成して もよい。

次いで、 図 1 8に示されるように、 ピン止め層 5 0 と強磁性層 4 0 との間に酸素ブロ ッ キ ング層 4 5を介在させた、 磁性多層膜 1 を有 する磁気抵抗効果素子の発明の具体的実施例を実施例 2と して示す。

実施例 2

基板と してガラ ス基板を用い、 こ の ものを高周波スパッ タ （R F ス ノ、 °ッ 夕） 装置の中に入れ、 ターゲッ トをへマタイ ト と し、 ガラス 基板の上に、 ピン止め層 50としての a F e Ο_χ 膜を形成した。 ひ F e Ο_χ 膜の形成に際して、 到達圧力 6 X 1 0 ⁷Torr〜 8 x 1 0 ^_7Torr、 成膜 時の圧力 7. 5 x 1 0 ^_3Torr、 基板温度 1 4 °C程度と し、 A r と 0₂ の流量は、 0. 5〜 8 s c c mの範囲で変化させ、 具体的な 0₂ 流量 割合は、 下記表 3に示す通り と した。 投入パヮ一は 1 5 0〜 1 7 0 W

(ワ ッ ト） と した。 これらの条件下で、 な F e O_x 膜を成膜した後、 次いで、 酸素ブロ ッ キ ング層 4 5 と しての C o膜、 強磁性層 4 0 と しての N i F e膜、 保護層と しての T a (タ ンタル） 膜を形成した。 これら各層の膜厚は、 下記表 3に示す通りである。

なお、 各材料の成膜速度は、 0. 2 ~ 1 0 AZsec 程度と し、 成膜 中に磁場を基板の面内かつ測定電流と平行方向に印加しながらスパ ッ タを行った。 そして、 各層を成膜した後、 1 0— ⁵Torrの真空中で、 測定電流と直角かつ面内方向に 2 0 OOeの磁界を印加しながら 2 0 0 °Cから冷却し、 強磁性層のピン止め効果を誘起した。 こ のよ う に し て表 3に示されるよう な磁気抵抗効果素子の各サ ンプル 3 — 1 〜 3 一 5を作成した。 これらの各サンプルについて、 a F e O" 膜の酸化 度 X (= 0/ F e ) 、 Hua、 および耐熱温度を測定した。 なお、 耐熱 温度は、 1 0— ⁶~ 1 0 "Torrの真空中で 8 0 °C、 1 1 0 °C、 1 4 0 °C、 1 7 0 °C、 2 0 0て、 2 5 0て、 3 0 0 というふう に、 それぞれ の温度で成膜時と同じ方向に磁場を印加しながら 1時間ずつ保管し、 その後、 室温まで冷却した。 そ して、 こ れ らのサ ンプルの磁化曲線 を測定し、 その曲線の 0磁場からのシフ ト量、 すなわち Huaを評価し た。 そ して、 Huaの減少曲線を描きこの曲線から Huaが 0になる と こ ろを求め、 耐熱温度と した。

結果を下記表 3 に示した。 表 3

卄ノソゴノ Jl, 積 IS 構 成 0,カス流量比 酸化度 X Hua

No. aFe₂0₃ / Co / NiFe 1 Ta (X) (O/Fe) (Oe) (。c)

(膜厚 (A) )

3-1 * (1000. 5, 30. 100) 0 1.33 35 110

3-2 (1000. 12. 30. 100) 29 1.46 106 240

3-3 (1000. 8. 22. 100) 34 1.49 116 270

3-4 ( 500, 16. 25. 100) 38 1.50 89 250

3-5 * (1000. 6. 28. 100) 47 38 100

*本発明の範囲外のもの ひ 例）

サンブル No.3-5 の酸化度は膜 不良のため測定不能

表 3に示される結果よ り、 a F e O_x 膜の成膜時に、 A r と〇 ₂ の混合ガス中の酸素流量を 2 0〜 4 0 %とする こ とによ り 、 所定範 囲の酸化度 Xの膜が得られ、 こ のものを備える磁性多層膜は大きな

Huaを有し、 しかも極めて優れた耐熱性を有することがわかる。 また、 本発明の高周波スパッタ条件で作製した a F e Ον 膜の X線回折パター ンを調べたところ、 へマタイ 卜の形成を示す （ 1 04) ピークと （006) ピークのみが確認された。

さ らに、 本発明において、 酸素ブロ ッキング層 4 5を、 ピ ン止め 層 （a F e Ο _χ ) と強磁性層との間に介在させた効果を示す実験を行 つた。 すなわち、 サンプルと して、

①基板の上に、 厚さ 1 0 0 0 Aの a F e ₂ 0₃ 膜、 厚さ 5 Aの C o 膜 （酸素ブロ ッキング層） 、 厚さ 9 5 Aの N i F e膜、 厚さ 1 0 0 Aの T a膜を順次成膜したサ ンプル、

②基板の上に、 厚さ 1 0 0 0 Aの a F e ₂ 0₃ 膜、 厚さ 1 O Aの C o 膜 （酸素ブロ ッキング層） 、 厚さ 9 0 Aの N i F e膜、 厚さ 1 0 0 Aの T a膜を順次成膜したサ ンプル、 および

③基板の上に、 厚さ 1 0 0 0 Aの な F e ₂ 0₃ 膜、 厚さ 1 0 0 Aの N i F e膜、 厚さ 1 0 0 Aの T a膜を順次成膜したサ ンプル、 をそ れぞれ作製した。 こ れらのサ ンプルを種々 の温度条件で熱処理を行い、 ピン止め層

( F e 0 ) の界面における一方向交換異方性エネルギー Jの相対 変化を、 成膜時の状態を基準に して求めた。 すなわち、 各サンプル を、 1 5 0て、 2 0 0て、 2 5 0 °C、 3 0 0 °Cの温度でそれぞれ 1 時間ずつ、 5 X 1 0一⁶〜 2 0 X 1 0— ⁶Torrの真空中で熱処理を行い、 各温度処理後の一方向交換異方性エネルギー J の相対変化を調べた。 なお、 一方向交換異方性エネルギー J は、 J = Hua* M s · dで表さ れ、 反強磁性層での交換結合の大きさを示す。 Huaは、 一方向性異方 性を示し、 M s は強磁性層の飽和磁化量を示し、 dは強磁性層の膜 厚を示す。

結果を図 1 9のグラ フに示した。 図 1 9に示されるグラ フ よ り 、 C o膜 （酸素ブロ ッ キ ング層） を介在させたサ ンプルは、 2 5 0 °C の熱処理においても十分な特性を保っている。 これに対して、 C o 膜 （酸素プロッキング層） を介在させずに F e₂ 0₃ 膜に直接 N i F e 膜を形成したサンプルは 1 5 0 °Cの熱処理ですでに特性の劣化が認 め られる。

さ らに、 ス ピンバルブ特性を示す磁性多層膜サ ンプルを 2種類形 成し、 これらのサンプルについて、 熱処理温度と M R変化率の関係 を調べ、 その結果を図 2 0のグラフに示した。 サンプルと して、

④基板の上に、 厚さ 1 0 0 0 Aの a F e ₂ 〇₃ 膜、 厚さ 2 0 Aの C o 膜 （酸素ブロ ッ キ ング層と強磁性層の両方の機能を備える） 、 厚さ 2 5 Aの C u膜 （非磁性金属層） 、 厚さ 1 0 Aの C o膜と厚さ 5 0 Aの N i F e膜の積層体 （軟磁性層） 、 厚さ 2 0 Aの C o膜、 厚さ 1 0 0 Aの T a膜を順次成膜したサ ンプル、 および

⑤基板の上に、 厚さ 1 000 Aの a F e_n 0₃ 膜、 厚さ 38 Aの N i F e 膜 （強磁性層） 、 厚さ 2 7 Aの C u膜 （非磁性金属層） 、 厚さ 7 7 Aの N i F e膜 （軟磁性層） 、 厚さ 3 0 Aの C u膜を順次成膜した サンプルを用いた。

この場合、 5 x 1 0— ⁶~ 2 0 x l 0 ⁶Torrの真空中で、 サンプルを 所定の各温度で順にそれぞれ 1 5分ずつの熱処理 （ァニール処理） を行った。 図 2 0 に示されるグラ フからわかるよ う に、 酸素ブロ ッ キング層と強磁性層の両方の機能を備える C 0膜を用いたサンプル は、 2 5 0ての熱処理において もほとんど M R特性の劣化は認めら れない。 この一方で、 C o膜を用いず、 この代わり に N i F e強磁 性膜を備えるサンプルは、 1 5 0て以上の熱処理で MR変化率は大 き く減少している。 さ らに、 図 2 0 よ り、 酸素ブロ ッキング層と強 磁性層の両方の機能を備える C o膜を、 N i F e強磁性層に代えて 用いる こ とによ り、 MR変化率が約 3倍に大きな つている こ とがわ かる。 従って、 この材料を超高密度磁気記録の読み出 し用 M Rへッ ドの材料と して用いれば、 大きなメ リ ッ ト となる。

次いで、 上記のごと く a F e O_x 膜のピン止め層 5 0を用いて形成 したス ピンバルブ型の M R変化を示す磁性多層膜を種々作製し、 下 記表 4 に示されるような所定の特性を調べた。

表 4 サンブル 積 m 構 成 0,力'ス流量比 化度 X 成 胰 直 後 250 C 熱 処 理 後

No. aFe₂0₃/ Co 1 NiFe/ Cu / Co / NiFe (¾) (O/Fe) MR MR傾き 高周波傾き MR MR傾き 高周波傾き

(膜厚 (A) ) (X) (¾/0e) (1MHz, VOe) (50 (VOe)

1 4-1 * (1000. 4. 25. 25. 0. 80) 5 1.35 3.2 1.1 1.0 1.8 0.6 0.4 さ 4-2 (1000. 6. 20. 25. 8. 60) 20 1.44 5.4 1.7 1.6 5.3 1.5 1.4

¹ 4-3 ( 800. 8. 22. 23. 6. 66) 28 1.47 5.5 1.4 1.3 5.6 1.5 1.3

4-4 ( 500. 18. 0. 25. 8. 50) 30 1.46 6.6 1.3 1.1 6.4 1.2 1.0

4-5 (1000. 10. 18. 28. 8. 55) 38 1.48 5.1 1.6 1.5 4.8 1.3 1.2

4-6 * (1000. 10. 18. 28. 8. 55) 50 3.3 1.0 0.8 1.9 0.6 0.4

* 本発明の範囲外のもの （比較例）

サンプル Mo.4-6 の酸化度は膜質不良のため測定不能

N なお、 表 4において、 例えば、 サンプル 4 — 2は、 [ひ F e ₂ 0₃ ( 1 0 0 0 ) 一 C o ( 6 ) - N i F e ( 2 0 ) - C u ( 2 5 ) — C o ( 8 ) - N i F e ( 6 0 ) ] であって、 基板側から 1 0 0 0 A厚の a F e ₂ 0₃ の反強磁性層 （ピン止め層） 、 酸素ブロ ッキング層と し て用いた 6人厚の C o層、 強磁性層と して用いた 2 0 A厚の N i F e (N i _glF e _ig ： 重量％) 層、 2 5 A厚の C uの非磁性金属層、 軟磁 性層として用いた 8 A厚の C oと 6 0人厚の N i F e (N i _glF e _ig ： 重量％) との積層体、 を順次配置した磁性多層膜である。 以降の実 施例において特に断りがなければ、 N i F eは N i ₈₁F e ₁₉ (重量％) を示す。

ま た、 表 4 において、 0₂ ガス流量比 （％ ) の項目は、 a F e ₂ o₃ 層形成時における高周波スパッ夕のガス雰囲気の条件を示すもの であり、 酸化度 X ( = 0 / F e ) は、 実際に測定された a F e ₂ 0 g 層の酸化度を示す。 なお、 表 4に示される評価項目は、 実質的に前 記表 2の ものと同じであるが、 表 4 においてはさ らに 2 5 0 °Cの熱 処理後のデ―タを併記した。

以上、 表 4に示される結果から、 ピン止め層である酸化鉄 F e O_x の反強磁性の特性が十分に実現され、 かつ強磁性層 （ブロ ッ キ ン グ 層を含む） 、 軟磁性層、 非磁性金属層の材料、 およびそれらの層厚 を本発明に開示された範囲から選択する こ とによ り、 1 MH zでの 高周波磁界における 6 0 e幅での磁気抵抗変化の傾きが、 0. 7 % / 0 e以上となる磁気抵抗効果素子が実現できる こ とがわかる。 加 えて、 本発明範囲内のものは、 2 5 0ての熱処理後の特性変化も少 な く極めて耐熱性に優れている ことがわかる。

さ らに、 磁気変換素子と しての M Rへッ ドの発明の実施例および 比較例と して、 以下の実施例 3〜 5および比較例 1 を示す。

実^例 3 アルテ ィ ッ ク （A 1 T i C ) 基板上に、 下部シール ドに相当する 層と して、 F e A I S i (センダス ト） を の厚さに成膜し （図 4の下部の符号 3 0 0に相当） 、 この上に絶縁層 （ギャ ッ プ膜） と して A l ₂ 0。 を 1 5 0 0 Aの厚さに成膜し、 この上に a F e ₂ 0₃ ( 1 000 A) 一 C oN i F e ( 26 A) 一 C u ( 24 A) - N i F e C o ( 8 6 ) の順に各層を積層し、 ス ピンバルブ磁性多層膜を成膜した。 成膜条件は、 到達圧力 2. 3 X 1 0— ⁷Torr、 成膜時圧力 1. 4 x 1 0 — ⁴Torr、 基板温度 1 4 °C程度と し、 各材料を 0. 2〜 0. 3 AZsec の成膜速度で、 成膜中に磁場を基板の面内かつ測定電流と平行方向 に印加しながらイオン ビームスパッ タ法による成膜を行った。

その後、 フ ォ ト リ ソグラフィ一技術を用いて感磁部分と して、 2 0 ^ m X 6 mのパター ンを形成、 その上に ト ラ ッ ク幅 3 / mの電極 を形成した。 その上に、 絶縁層 （ギャ ッ プ膜） と して、 A 1 ₂ 03 を 1 5 0 O A厚さに形成し、 さ らにこの上に上部シール ド層 N i F e (パーマロイ） を 2 rn厚さに形成し （図 4の上部の符号 3 0 0に 相当） M Rへッ ドと した。 作製した M Rへッ ドの構造は図 4に示す とおりである。 その後、 1 0 "Torrの真空中で、 測定電流方向と直角 かつ面内方向に 2 0 00eの磁界を印加しながら 1 8 0 °Cから冷却し、 強磁性層のピン止め効果を誘起した。 測定電流を 5mA、 外部磁場を土 2 00e. 5 0 Hzの範囲で変化させたときの出力電圧の変化を図 1 5に 示す。 本発明による人工格子磁性多層膜を用いた MRへッ ドにおい ては、 単位 ト ラ ッ ク幅当た りの規格化出力電圧で示すと約 8 3 0 V/ μ m の出力電圧が得られた。

比較例 1

比較例 1 と して上記実施例 3 と同条件でパーマロイ を用い、 従来 から用いられている異方性磁気抵抗効果を利用 した MRへッ ドを作 製した。 測定電流を 5mA、 外部磁場を土 2 00e、 5 0 Hzの範囲で変化 させた。 こ の と きの出力電圧は約 1 7 0 ^ V/〃 m であ っ た。

実施例 3 と比較例 1 を比較するに、 本発明の M Rへッ ドにおいて は、 従来例と比較して 5倍近い出力が得られた。 従って、 本発明の 効果は明らかである。

実施例 4

さ らに、 図 1 6 では、 本発明の磁気抵抗効果素子をヨーク型 M R へッ ドに応用した例が示される。 こ こでは、 磁束を導く ヨーク 6 0 0、 6 0 0 の一部に切り欠きを設け、 その間に磁気抵抗効果素子 2 0 0 が薄い絶縁膜 4 0 0を介して形成されている。 こ の磁気抵抗効果素 子 2 0 0 には、 ヨーク 6 0 0、 6 0 0で形成される磁路の方向と平 行または直角方向に電流を流すための電極 （図示せず） が形成され ている。 その結果、 パーマロイを用いた場合の M Rへッ ドよ り 2倍 の出力が確認された。 本発明の磁性多層膜では、 0磁場での立ち上 がり特性が良好である ので、 通常、 用いられるシ ャ ン ト層ゃバイ ァ ス磁界印加手段は設けな く てもよい。

実施例 5

図 1 7 には、 本発明の磁気抵抗効果素子を用いて磁気変換素子、 例えば M Rへッ ドを構成する ときの他の実施例が示される。 磁気抵 抗効果素子 2 0 0 は高比抵抗フ ラ ッ ク スガイ ド層 7 0 0 , 7 1 0 と 磁気的に接触して形成されている。 このフ ラ ッ スガイ ド層は、 磁性 多層膜 2 0 0 よ り 3倍以上大きい比抵抗を持つ材料で構成されてい るので、 磁性多層膜 2 0 0 に流れる測定電流は実質的にフ ラ ッ ク ス ガイ ド層 7 0 0 , 7 1 0には流れる こ とはない。 一方、 フ ラ ッ ク ス ガイ ド層 7 0 0 と磁性多層膜 2 0 0 とは磁気的に接触しているので、 信号磁界はフ ラ ッ ク スガイ ド層 7 0 0 に導かれ、 その強度を失う こ とな く 、 磁性多層膜 2 0 0 に到達する。 符号 6 0 0 はもう一方の異 なる フラ ッ ク スガイ ド層で、 磁性多層膜 2 0 0 を通過した磁束の リ ター ンガイ ドの働きをする。 こ のフ ラ ッ ク スガイ ド層 6 0 0 は磁気 抵抗効果素子 2 0 0、 及び高比抵抗フラ ッ ク スガイ ド層 7 0 0 , 7 1 0 対し、 両側に設けられても良い。 また、 符号 7 1 0 と符号 6 0 0 の ガイ ド層が媒体に対して遠い端部で接触されていて も良い。 この と き、 パーマロイを用いた場合の M Rへッ ドよ り 3倍の出力が確認さ れた。 なお、 図中、 符号 4 0 0 は、 非磁性絶縁層である。

以上説明してきたよう に、 磁気抵抗効果素子に関する本発明によ れば、 ピン止め層と して反強磁性を示す酸化鉄 F e Ο _χ を用いるこ と で、 耐食性が特に優れ、 しかも 1 MHz の高周波磁場領域での M R傾き が 0 . 7 % Z 0e以上の抵抗変化率をもつス ピンバルブ型磁気抵抗効果 素子が得られる。 しかも、 0 磁場での M R曲線の立ち上がり特性はき わめて良好であ り、 ヒ ステ リ シスは小さ く 、 加えて高い耐熱性をも 示す。 この耐熱性については、 ピン止め層と強磁性層との間にさ ら に酸素プロ ッキング層を介在させる こ とによ り、 その効果はさ らに 向上する。 磁性多層膜を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気変換 素子、 例えば M Rへッ ドでは従来材料に比較して 5倍近い大きい出 力電圧を得ることができる。 したがって信頼性の極めて高い、 1 Gbit / inch^ を越えるような超高密度磁気記録の読み出しを可能にする優 れた M Rへ ッ ドを提供する こ とができ る。

産業上の利用可能性

本発明の磁気変換素子は、 超高密度磁気記録された媒体からの磁 気信号の読み出しに用いられ、 いっそう拍車のかかる ドディ ス ク装置の高密度化を支える技術の一環となっている。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 磁気抵抗効果素子と、 導体膜と、 電極部とを含む磁気変換素 子であ っ て、

前記導体膜は、 前記電極部を介して前記磁気抵抗効果素子と導通 しており、

前記磁気抵抗効果素子は、 非磁性金属層と、 非磁性金属層の一方 の面に形成された強磁性層と、 非磁性金属層の他方の面に形成され た軟磁性層と、 前記強磁性層の磁化の向きをピン止めするために強 磁性層の上 （非磁性金属層と接する面と反対側の面） に形成された ピン止め層とを有する磁性多層膜を備えてお り、

前記ピン止め層は F e O_v ( 1. 3 5≤ X≤ 1. 5 5、 単位は原子 比） からなる こ とを特徴とする磁気変換素子。

2. 前記磁気抵抗効果素子は、 基板を有し、 この基板側から前記 ピン止め層、 前記強磁性層、 前記非磁性金属層、 前記軟磁性層が順 次積層されている請求項 1記載の磁気変換素子。

3. 前記ピ ン止め層の厚さは、 1 0 0 A〜 3 0 0 0 Aである請求 項 1記載の磁気変換素子。

4. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） であ る請求項 1 に記載の磁気変換素子。

5. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） を、 少な く と も 3 0体積％以上 6 0体積％以下を含む請求項 1 に記 載の磁気変換素子。

6. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） の 1 0 0 A以下の微結晶の集ま りである請求項 1 に記載の磁気変換 素子。

7. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示し、 そのネール温度は 1 2 0 °C〜 4 0 0 °Cであ る請求項 1 に記載の磁気変換素子。

8. 前記ピン止め層は、 酸化鉄のターゲッ トをイオンビームスノ、。 ッ タ法でス ノぐッ タ し、 基板に対し、 A r と 0₂ の混合ガスのアシス ト ビームを照射しながら成膜した膜である請求項 1 に記載の磁気変換 素子。

9 . 前記ア シス ト ビームは、 加速電圧が 6 0 ~ 1 5 0 e V、 ィ ォ ン電流が 4 〜 1 5 m A、 A r ： 0₂ の流量比が 1 ： ：! 〜 9 ： 1 、 A r + 0 の流量が 6 ~ 2 0 s c c mの範囲で行なわれている請求項 8 に 記載の磁気変換素子。

1 0. 前記ピ ン止め層は、 酸化鉄のタ一ゲッ トを A r と酸素の混 合ガス雰囲気中で高周波スパッ ク法でスパッ 夕 して成膜した膜であ り、 成膜時における酸素ガス流量を全ガス流量の 2 0 〜 4 0 %の範 囲に調整して成膜した膜である請求項 1 に記載の磁気変換素子。

1 1 . 前記強磁性層は、 （ C o _z N i ) _w F e卜 _w (ただし、 重量で 0 . 4 ≤ z ≤ l . 0 、 0 . 5 ≤ w≤ 1 . 0 である） で表され る組成であり、 前記軟磁性層は、 （N i _χ F e ) _y C o _y (た だし、 重量で 0 . 7 ≤ χ ≤ 0 · 9 、 0 · 1 ≤ γ ≤ 0 . 5である） で 表される組成である請求項 1 に記載の磁気変換素子。

1 2. 前記強磁性層は、 （ C o _z N i 卜 _z ) _w F e (ただし、 重量で 0 . 4 ≤ z ≤ l . 0 , 0 . 5 ≤ w≤ I . 0 である） で表され る組成であり、 前記軟磁性層は、 C o _t M_u M' _q B r (ただし、 原 子比で 0 . 6 ≤ t ≤ 0. 9 5 、 0 . 0 1 ≤ u ≤ 0 . 2 、 0 . 0 1 ≤ Q ≤ 0 . 1 、 0 . 0 5 ≤ r ≤ 0 . 3 ; Mは、 F e , N i 力、ら選ばれ た少な く と も 1 種以上であ り、 M' は、 Z r , S i , M o , N bか ら選ばれた少な く と も 1種以上を表す） で表される組成である請求 項 1 に記載の磁気変換素子。

1 3 . 前記非磁性金属層は、 A u 、 A g、 および C u の中から選 ばれた少な く と も 1種を含む材料からなる請求項 1 に記載の磁気変 換素子。

1 4. 前記磁気抵抗効果素子は、 強磁性層の磁化がピン止め層に よ り ピン止めされる こ とによ る ス ピ ンバルブ型の磁気抵抗変化を示 す、 請求項 1 に記載の磁気変換素子。

1 5. 前記磁気抵抗効果素子は、 1 MH zでの高周波磁界におけ る 6 0 e幅での磁気抵抗変化の傾きが、 0. 7 %ZO e以上である 請求項 1 に記載の磁気変換素子。

1 6. 磁気変換素子が磁気抵抗効果型へッ ドである請求項 1 に記 載の磁気変換素子。

1 7. 前記磁気抵抗効果素子の両端部は、 その端部全体が電極部 と接触する状態で接合されている請求項 1 6記載の磁気変換素子。

1 8. 磁気抵抗効果素子の両端部に形成された電極部との間に、 さ らに、 連結用軟磁性層を有し、 こ の連結用軟磁性層と磁気抵抗効 果素子の端部の全体が接触する状態で接続されている請求項 1 6記 載の磁気変換素子。

1 9. 前記連結用軟磁性層は、 磁気抵抗効果素子と、 この磁気抵 抗効果素子の両端部に形成された電極部との間、 および前記電極部 の下面に も接触するよ う に連続して形成されている請求項 1 6記載 の磁気変換素子。

2 0. バイ ァス磁界印加機構をもたない請求項 1 6 に記載の磁気 変換素子。

2 1. 前記強磁性層は、 その成膜時に信号磁場方向と同一、 かつ 膜面内方向に 1 0 ~ 3 0 0 0 eの外部磁場を印加して形成されたも のであり、 前記軟磁性層は、 その成膜時に信号磁場方向と垂直、 か つ膜面内方向に 1 0〜 3 0 0 O eの外部磁場を印加して形成された ものである請求項 1 に記載の磁気変換素子。

2 2. 積層成膜された磁気抵抗効果素子は、 1 0 0 °C〜 3 0 0 °C の温度で熱処理されている請求項 1 に記載の磁気変換素子。

2 3. 前記磁気抵抗効果素子は、 基板上に少な く と も ピ ン止め層 を成膜したのち 1 0 0 °C〜 3 0 0ての温度で熱処理されている請求 項 1 に記載の磁気変換素子。

2 4. 磁気抵抗効果素子と、 導体膜と、 電極部とを含む磁気変換 素子であ って、

前記導体膜は、 前記電極部を介して前記磁気抵抗効果素子と導通 しており、

前記磁気抵抗効果素子は、 基板を有し、 こ の基板の上に強磁性層 の磁化の向きをピン止めするための ピン止め層、 強磁性層、 非磁性 金属層、 および軟磁性層が順次積層されてお り、

前記ピン止め層は F e O_x ( 1. 3 5 ≤ X≤ 1. 5 5、 単位は原子 比） からなり、 このピン止め層と前記強磁性層との間に、 C o また は C oを 8 0重量％以上含む合金よ りなる、 厚さ 4 〜 3 O Aの酸素 プロ ッキング層が介在されている こ とを特徴とする磁気変換素子。

2 5. 前記ピン止め層の厚さは、 1 0 0 A〜 3 0 0 0 Aである請 求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

2 6. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） である請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

2 7. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） を、 少な く と も 3 0体積％以上 6 0体積％以下含む請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

2 8. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示す a F e ₂ 0₃ (へマタイ ト） の 1 0 0 A以下の微結晶の集ま りである請求項 2 4 に記載の磁 気変換素子。

2 9. 前記ピン止め層は、 反強磁性を示し、 そのネール温度は 1 2 0 て〜 4 0 0 °Cである請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 0. 前記ピン止め層は、 酸化鉄のターゲ ッ トをイオン ビームス パッタ法でスパッ ク し、 基板に対し、 A r と 0₂ の混合ガスのアシス ト ビ一ムを照射しながら成膜した膜である請求項 2 4 に記載の磁気 変換素子。

3 1 . 前記ア シ ス ト ビームは、 加速電圧が 6 0〜 1 5 0 e V、 ィ ォン電流が 4〜 1 5 mA、 A r ： 〇₂ の流量比が 1 ： 1〜 9 ： 1、 A r + 0 o の流量が 6〜 2 0 s c c mの範囲で行なわれている請求項 3 0 に記載の磁気変換素子。

3 2. 前記ピン止め層は、 酸化鉄の夕ーゲッ 卜を A r と酸素の混 合ガス棼囲気中で高周波スパッ タ法でスパッ タ して成膜した膜であ り、 成膜時における酸素ガス流量を全ガス流量の 2 0〜 4 0 %の範 囲に調整して成膜した膜である請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 3. 前記強磁性層は、 （C o _z N i 卜 _z ) _u， F e ^ _w (ただし、 重量で 0. 4 ≤ z ≤ l . 0、 0. 5 ≤ w≤ 1 . 0 である） で表され る組成である請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 4. 前記強磁性層は、 前記酸素ブロ ッ キ ン グ層と同一組成から なる請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 5. 前記軟磁性層は、 非磁性層側から C o または C o を 8 0重 量％以上含む合金により形成された第 1の軟磁性層と、 （N i _χ F e _{1 Y} ) _v C o _v (ただ し、 重量で 0. 7 ≤ χ≤ 0 · 9、 0. 1 ≤ y x y i y

≤ 0. 5 である） で表される組成によ り形成された第 2の軟磁性層 を含む積層体である請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 6. 前記非磁性金属層は、 A u、 A g、 および C uの中から選 ばれた少な く と も 1 種を含む材料からなる請求項 2 4 に記載の磁気 変換素子。

3 7 . 前記磁気抵抗効果素子は、 強磁性層の磁化がピ ン止め層に よ り ピ ン止めされる こ と によ る ス ピ ンバルブ型の磁気抵抗変化を示 す、 請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 8. 積層成膜された磁気抵抗効果素子は、 1 0 0 °C〜 3 0 0 °C の温度で熱処理されている請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。

3 9. 前記磁気抵抗効果素子は、 1 M H z での高周波磁界におけ る 6 0 e幅での磁気抵抗変化の傾きが、 0. 7 %Z O e以上である 請求項 2 4 に記載の磁気変換素子。