JP2002217472A

JP2002217472A - 磁性多層膜および磁気抵抗変化素子

Info

Publication number: JP2002217472A
Application number: JP2001328990A
Authority: JP
Inventors: Satoru Araki; 悟荒木; Daisuke Miyauchi; 大助宮内
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【構成】非磁性薄膜を介して少なくとも２層の磁性薄
膜を積層して磁性多層膜を形成する。この非磁性薄膜を
介して隣合う磁性薄膜の保磁力は互いに異なっており、
磁性薄膜および非磁性薄膜の膜厚はそれぞれ各々２００
A 以下とする。さらに、保磁力の小さい第１の磁性薄膜
の角型比および膜厚をそれぞれＳＱ₁、ｔ、保磁力の大
きい第２の磁性薄膜の角型比および膜厚をそれそれＳＱ
₂ 、ｔ ₁ としたとき、ＳＱ₁ ＝０．７〜１．０、ＳＱ₂
＝０．１〜０．８、４A ≦ｔ₂＜３０A 、２０A ＜ｔ₁
ｔ₁ ＞ｔ₂ に規制する。【効果】数Oe〜数十Oe程度の小さい外部磁場で数％以
上の大きいＭＲ変化率を示す。そして、Ｏ磁場でのＭＲ
変化の立ち上がり特性が良好である。しかも耐熱性が高
い。従って、高感度の磁気抵抗効果型磁気センサや高密
度磁気記録が可能な磁気抵抗効果型磁気ヘッドが実現す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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変化素子のう
ち、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変化素子と、それに好
適な磁性多層膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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。ＭＲセンサもＭＲヘッドも、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、ＭＲセンサやＭＲヘッドでは、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、ＭＲ
センサでは高感度が、ＭＲヘッドでは高密度磁気記録に
おいても高い出力がが得られるという特長がある。

【０００３】しかし、従来の異方性磁気抵抗効果による
Ｎｉ_0.8 Ｆｅ_0.2 （パーマロイ）やＮｉＣｏ等磁性体を
利用したＭＲセンサでは、抵抗変化率△Ｒ／Ｒがせいぜ
い２〜５％位と小さく、数ＧＢＰＩオーダーの超高密度
記録の読み出し用ＭＲヘッド材料としては感度が不足す
る。

【０００４】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反強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−クロム型、ニッ
ケル−クロム型および鉄−マンガン型（特開昭６０−１
８９９０６号公報）等の磁性多層膜が知られている。こ
のうち、鉄−クロム型（Ｆｅ／Ｃｒ）については、超低
温（４．２Ｋ）において４０％を超える磁気抵抗変化を
示すという報告がある（Phys. Rev. Lett 第６１巻、２
４７２頁、１９８８年）。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、Ｃｏ／Ｃｕ，Ｃｏ／Ａｇ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。

【０００５】そこで、このような事情から、非磁性層を
介して保磁力の異なる２つの磁性層を積層した誘導フェ
リ磁性による巨大ＭＲ変化を示す３元系人工格子磁性多
層膜が提案されている。例えば、この出願の先願である
特願平３−７８８２４号では、非磁性層を介して隣合う
磁性薄膜のＨｃが異なっており、各層の厚さが２００A
以下であるものが提案されている。また、下記の文献が
発表されている。

【０００６】ａ．Journal of The Physical Society of
Japan, 59(1990)3061 T.Shinjo and H.Yamamoto

【０００７】［Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（５０）／ＮｉＦｅ
（３０）／Ｃｕ（５０）］×１５［（）内は各層の膜
厚（A ）、×の数値は繰り返り数、以下同］において印
加磁場３kOe で９．９％、５００Oeでは約８．５％のＭ
Ｒ変化率を得ている。

【０００８】ｂ．Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, 99(1991)243 H.Ymamamoto, T.Okuyama and T.Shinjo

【０００９】ａに加えて構造解析結果、ＭＲ変化率や比
抵抗の温度変化、外部磁場の角度による変化、ＭＲ曲線
のマイナーループ、積層回数依存性、Ｃｕ層厚依存性、
磁化曲線の変化について述べられている。

【００１０】ｃ．電気学会マグネティクス研究会資料，
ＭＡＧ−９１−１６１星野、細江、神保、神田、綱島、内山

【００１１】ａ、ｂの追試である。Ｃｕ層厚依存性、Ｎ
ｉＦｅ層厚依存性について追試している。加えて磁化曲
線から外挿して疑似的に求めたＣｏのＨｃのＣｕ層厚依
存性の結果がある。またＮｉＦｅ（３０）−Ｃｕ（３２
０）とＣｏ（３０）−Ｃｕ（３２０）から求めたそれぞ
れの磁化曲線を合成してＮｉＦｅ（３０）−Ｃｕ（１６
０）−Ｃｏ（３０）−Ｃｕ（１６０）の磁化曲線と比較
している。この場合はＣｕ中間厚が３元系人工格子のも
のと違うので、直接角型比とＨｃとを比較することはで
きない。

【００１２】ｄ．電気学会マグネティクス研究会資料，
ＭＡＧ−９１−２４２奥山、山本、新庄

【００１３】誘導フェリ磁性による巨大ＭＲ変化につい
ての現像論的解析が述べられている。Ｈｃの小さなＮｉ
Ｆｅ層の磁気モーメントの回転につれてＭＲも同様に変
化し、人工的に生成されたスピンの反平行状態によって
巨大ＭＲ現象が発現することが確認されている。また、
この現像はＮｉＦｅ等の異方性ＭＲ効果とは異なること
がＭＲの印加磁場角度変化の違いによって証明されてい
る。

【００１４】このような３元系人工格子磁性多層膜で
は、Ｆｅ／Ｃｒ，Ｃｏ／Ｃｕ，Ｃｏ／Ａｇ等に比較して
ＭＲ変化率の大きさは劣るものの、数１００Oe以下の印
加磁場で１０％程度の巨大なＭＲ変化率を示している。
しかし、これらの文献等で開示されている内容は数１０
〜１００Oe程度の印加磁場でのＭＲ変化についてのみで
ある。

【００１５】ところで、実際の超高密度磁気記録におけ
るＭＲヘッド材料としては印加磁場０から４０〜５０Oe
までのＭＲ変化曲線が重要である。しかし、これら従来
の３元系人工格子は、印加磁場０でのＭＲ変化はあまり
増加しておらず、ほとんど０に近い。ＭＲ変化の増加率
は６０Oe程度で最大となり、このとき９％程度のＭＲ変
化率を示す。すなわち、変化曲線の立ち上がりが遅い。
一方、パーマロイ（ＮｉＦｅ）の場合は、０磁場におけ
るＭＲ変化の傾きはほぼ０であり、ほとんどＭＲ変化率
はかわらず、ＭＲ変化率の微分値は０に近い。

【００１６】このような特性を解決する手段として、Ｎ
ｅＦｅ等では、Ｔｉ等の比抵抗の小さなシャント層を設
けて動作点をシフトさせて用いている。また、このシャ
ントそうに加えてＣｏＺｒＭｏ、ＮｉＦｅＲｈ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
ようなバイアス層をもつ構造は、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ＭＲ変化曲線のなだらかなところを使うことに
なるのでＳ／Ｎの低下等を招く。

【００１７】さらに、ＭＲヘッド等では、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、３５０℃
程度の耐熱性が必要である。しかし、従来の３元系人工
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。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、印加
磁場が例えば０〜４０Oe程度のきわめて小さい範囲で直
線的なＭＲ変化の立ち上がり特性を示し、耐熱温度の高
い磁性多層膜とそれを用いた磁気抵抗変化素子とを提供
することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（４）の本発明により達成される。 (１) 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、この非磁性薄膜を介して隣合う磁性薄
膜の保磁力が異なっており、保磁力の小さい第１の磁性
薄膜の角型比ＳＱ₁ が０．７〜１．０であり、保磁力の
大きい第２の磁性薄膜の角型比ＳＱ₂ が０．１〜０．８
であり、前記磁性薄膜および非磁性薄膜の膜厚がそれぞ
れ２００A 以下であり、保磁力の小さい第１の磁性薄膜
の厚さをｔ₁ 、保磁力の大きい第２の磁性薄膜の厚さを
ｔ₂ としたとき、４A ≦ｔ₂ ＜３０A 、２０A ＜ｔ₁ 、
ｔ₁ ＞ｔ₂ であり、５００℃以下の温度で熱処理され、
印加磁場−３００Oe〜３００OeまでのＭＲ変化率が５%
以上である磁性多層膜。 (２) 印加磁場−３Oe〜＋３Oeまでの０磁場での傾きが
０．５%以上である（１）の磁性多層膜。 (３) ４A ≦ｔ₂ ≦２８A 、２２A ≦ｔ₁ 、ｔ₁ ≧１．
０５ｔ₂ である（１）または（２）の磁性多層膜。 (４) 基板上に（１）ないし（３）のいずれかの磁性多
層膜を有する磁気抵抗変化素子。

【００２０】

【作用】３元系人工格子磁性多層膜において、０磁場か
らのリニアリティーが良好で大きな傾きをもつＭＲ曲線
と高い耐熱性を得るためには、上記の文献でａ〜ｄに示
されているＨｃの差だけでは不十分である。このような
良好な立ち上がり特性と高い耐熱性を得るためには、本
発明に従い、第１および第２の磁性薄膜の角型比を規制
し、しかもこれらの膜厚を規制しなければならない。そ
して、このような本発明の角型比や膜厚の関係は、磁気
文献ａ〜ｄや、上記のこの出願の先願等には記載されて
いない。

【００２１】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。本発明では、非磁性薄膜を介して隣合った
磁性薄膜の保磁力は互いに異なっていることが必要であ
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で示すように外部磁場
が第１の磁性薄膜の保磁力Ｈｃ₁ と第２の磁性薄膜層の
保磁力Ｈｃ₂ の間（Ｈｃ₁ ＜Ｈ＜Ｈｃ₂ ）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。

【００２２】ここで、３元系人工格子多層磁性膜の外部
磁場、保磁力および磁化の方向の関係を説明する。図１
は、本発明の実施例である人工格子磁性多層膜１の断面
図である。図１において、人工格子磁性多層膜１は、基
板４上に磁性薄膜Ｍ₁ ，Ｍ₂…，Ｍ_n-1 ，Ｍ_n を有し、
隣接する２層の磁性薄膜の間に、非磁性薄膜Ｎ₁ ，Ｎ ₂
…，Ｎ_n-2 ，Ｎ_n-1 を有する。

【００２３】今、簡素化して、保磁力の異なる２種類の
磁性薄膜のみを有する場合について説明する。図２に示
されるように、２種類の磁性薄膜層、のＨｃをそれ
ぞれＨｃ₁ およびＨｃ₂ とする（０＜Ｈｃ₁ ＜Ｈｃ
₂ ）。最初、外部磁場Ｈを、Ｈ＜−Ｈm（Ｈmは、第２の
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。第１および第２磁性薄膜層、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＜Ｈｃ₁ の領域（Ｉ）で
は、まだ両磁性薄膜の磁化方向は一方向を向いている。
外部磁場を上げてＨｃ ₁ ＜Ｈ＜Ｈｍの領域（II）になる
と、磁性薄膜の１部の磁化方向が反転をはじめ、磁性
薄膜、の磁化方向は互いに逆向きの成分が生じる。
さらに外部磁場を大きくしたＨm＜Ｈの領域（III ）で
は、磁性薄膜、の磁化方向は、＋方向に揃って向
く。

【００２４】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、の磁化方向は＋方
向のままであるが、−Ｈｍ＜Ｈ＜Ｈｃ₂ の領域（Ｖ）
では、磁性薄膜層の磁化方向は一方向に反転をはじ
め、磁性薄膜、の磁化方向が互いに逆向きの成分が
生じる。さらに、Ｈ＜−Ｈｍの領域（VI）では、磁性薄
膜、の磁化方向は一方向に揃って向く。この磁性薄
膜、の磁化方向が互いに逆向きになっている領域
（II）および（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。第１の磁性薄膜に例え
ばＨｃの小さなＮｉ _0.8 Ｆｅ_0.2 （Ｈｃ数Oe）を選び、
第２磁性薄膜層にＨｃのやや大きい例えばＣｏ（Ｈｃ
数十Oe）を選ぶことにより、外部磁場Ｈｃ₂ 付近の小外
部磁場で大きな抵抗変化率を示すＭＲ素子が得られる。

【００２５】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，
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｃｅ，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−Ａｌ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト
等），Ｆｅ−Ｙ，Ｆｅ−Ｇｄ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｃｏ−Ｎ
ｉ，Ｃｒ−Ｓｂ，Ｆｅ系アモルファス合金、Ｃｏ系アモ
ルファス合金、Ｃｏ−Ｐｔ，Ｆｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃ，Ｍ
ｎ−Ｓｂ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｃｏ−Ｏ，Ｎｉ−Ｏ，Ｆｅ−
Ｏ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｎ，Ｎｉ−Ｆ，フェライト等が
好ましい。本発明では、これらの磁性材料のうちから保
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。

【００２６】各磁性薄膜の膜厚の上限は、２００A であ
る。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特にないが、４A 未
満ではキューリー点が室温より低くなって実用性がなく
なってくる。また、厚さを４A 以上とすれば、膜厚を均
一に保つことが容易となり、膜質も良好となる。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２００A より大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。

【００２７】各磁性薄膜の保磁力Ｈｃ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０．００１Oe〜１０kOe 、特に０．０１〜
１０００Oe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、特に１．５：１〜１００：１より好ましくは２：１
〜８０：１、特に３：１〜６０：１、さらに好ましくは
５：１〜５０：１、特に６：１〜３０：１であることが
好ましい。比が大きすぎるとＭＲ曲線がブロードになっ
てしまい、また小さすぎるとＨｃの差が近すぎ、反平行
状態が有効に働かなくなってしまう。

【００２８】なお、Ｈｃの測定に際しては、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。すなわち、測定すべき磁性薄膜を、磁性薄膜の合計
厚さが２００〜４００A 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、これについて磁
気特性を測定する。この際、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ものとする。

【００２９】本発明では、０磁場からリニアリティーの
高いＭＲ曲線と高い耐熱性を得るために、Ｈｃの小さい
第１の磁性薄膜とＨｃの大きい第２の磁性薄膜との０磁
場での残留磁化Ｍｒ、すなわち角型比ＳＱ＝Ｍｒ／Ｍｓ
を制御する第１の磁性薄膜では、０．７≦ＳＱ₁ ≦１．
０、好ましくは０．８≦ＳＱ₁ ≦１．０とし、第２の磁
性薄膜では、０．１≦ＳＱ₂ ≦０．８、好ましくは０．
３≦ＳＱ₂ ≦０．８とする。第１の磁性薄膜は、０磁場
近傍でのＭＲ変化の立ち上がりを規定するものであるの
で角型比はより１．０に近いほどよい。０．７より小さ
くなるとＭＲ変化曲線の立ち上がりがブロードになり、
結果的にＭＲ変化率が小さくなる。

【００３０】一方、第２の磁性薄膜については０磁場付
近で磁化が残留磁化（Ｍｒ）より小さくなっているほう
がよい。例えば角型比が０．７の場合、１方向にそろっ
ていた両磁性薄膜の磁化は、０磁場では第２の磁性薄膜
の３０％が磁化反転する。その結果、０磁場において部
分的に反平行状態を示す部分が生成し、このスピンに依
存したＭＲ変化が生じる。従って、第２の磁性薄膜の角
型比を選択することにより０磁場で直線的に変化するＭ
Ｒ曲線を自由に設計することができる。

【００３１】そして、さらに第１および第２の磁性薄膜
の膜厚を最適化することにより、より積極的に角型比す
なわちＭＲ変化曲線の立ち上り特性と耐熱性とを制御す
る。今、上記の文献ａ〜ｄに示されるほとんどの具体例
と同様、第１および第２の磁性薄膜の厚さを同一とする
ときには、膜厚が厚くなるほど両薄膜の角型比はともに
１．０に近づく。このため磁化曲線では明確な磁化の折
れ曲がりを示さない。その結果、ＭＲ変化曲線は数１０
Oeで始めて立ち上がる０磁場での直線性の悪いものにな
ってしまう。従って、磁性薄膜の膜厚は両方とも薄い方
が直線性がよく、良好な立ち上がり特性を示す。ただ
し、両薄膜とも、例えば１０A 程度と薄い場合、耐熱性
に問題がある。より具体的には３５０℃程度で真空中で
加熱を行うと、第２の磁性薄膜では角型比の劣化による
影響は余り受けないが、第１の磁性薄膜では角型比の劣
化が激しい。第１の磁性薄膜は厚くした方が角型が１．
０に近づく。従って、第２の磁性薄膜とは独立に第１の
磁性薄膜を多少厚くした方が、プロセスでの熱処理後の
ＭＲ特性がよいものが得られる。そして、第１の磁性薄
膜の熱処理後の角型比の劣化を抑えて耐熱性を向上させ
るのである。

【００３２】なお、ＳＱ₂ ／ＳＱ₁ は０．３〜１．０、
特に０．３〜０．８であることが好ましい。

【００３３】これらに加え、本発明ではＳＱ₁ とＳＱ₂
との規制に加えて、第１および第２の磁性薄膜の膜厚を
それぞれｔ₂ およびｔ₁ としたとき、４A ≦ｔ₂ ＜３０
A 、２０A ＜ｔ₁ ≦２００A かつｔ₂ ＜ｔ₁ 、より好ま
しくは、４A ≦ｔ₂ ≦２８A 、２２A ≦ｔ₁ ≦１００A
かつ１．０５ｔ₂ ＜ｔ₁ に規制する。ｔ₂ が３０A 以上
となると第２の磁性薄膜の角型が大きくなってしまい、
直線性が失われ、立ち上がり特性が悪くなる。ただし、
ｔ₂ が４A 未満では、前記のとおり連続膜の形成が不可
能となる。ｔ₁ が２０A 未満となると耐熱性が悪化す
る。なお、ｔ₁ の上限は直線性の点で２００A 、特に１
００A が望ましい。さらに、ｔ₂ ≧ｔ₁ となると、耐熱
性が悪化し、その他０磁場でのＭＲ変化の直線性も失わ
れるし、また、ＭＲ変化率も小さくなってしまう。

【００３４】このように第１および第２の磁性薄膜の角
型比と膜厚とを規制することにより、成膜直後の磁性多
層膜は、５％以上、特に６〜１０％の高いＭＲ変化率と
ともに、０磁場にてリニアリティーが高く、勾配の大き
いＭＲ変化を示す。より具体的には、印加磁場−３Oe〜
＋３OeまでのＭＲ変化率の差は０．５％以上、通常０．
５〜１％程度となり、超高密度記録の読み出し用のＭＲ
ヘッドとして十分な特性が得られる。

【００３５】また、本発明では、上記のとおりｔ₂ 、ｔ
₁ を規制するので、耐熱性が向上し、熱処理による特性
劣化、特にＭＲ変化率の劣化がきわめて少なくなる。す
なわち、例えば真空中、３５０℃までの熱処理によって
もＭＲ変化率を熱処理前の７５％以上に維持することが
でき、４．５％以上、特に５％以上のＭＲ変化率を示
す。この熱処理は前記のとおり、例えばＭＲヘッドの製
造プロセスにて生じるものであるが、条件を選択すれ
ば、印加磁場−３Oe〜＋３OeまでのＭＲ変化率の差で表
わされる０磁場での傾きはかえって向上することもあ
り、熱処理前の２５％減から１００％増へ値とすること
ができ、超高密度磁気記録の読み出し用ＭＲヘッドに必
要な０．５％以上、例えば０．５〜１％の傾きを熱処理
後も示すことができる。なお、熱処理後、ＳＱ₁ は０．
７〜１．０、特に０．８〜１．０、ＳＱ ₂ は０．１〜
０．８、特に０．３〜０．８の値を維持する。

【００３６】用いる非磁性薄膜は、保磁力の異なる磁性
薄膜間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であ
り、その種類に特に制限はなく各種金属ないし半金属非
磁性体や非金属非磁性体から適宜選択すればよい。金属
非磁性体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍ
ｇ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｈｆ，Ｓｂ，Ｚｒ，
Ｇａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｐｂ等や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等やこれ
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、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＯ，ＳｉＮ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，
ＺｎＯ，ＭｇＯ，ＴｉＮ等やこれらに別の元素を添加し
たものが好ましい。

【００３７】非磁性薄膜の厚さは、２００A 以下が望ま
しい。一般に膜厚が２００A を超えると、抵抗は非磁性
薄膜により決定してしまい、スピン散乱を設ける割合が
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、膜厚が小さすぎると、磁性薄膜
間の磁気相互作用が大きくなり過ぎ、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とともに、連続膜
の形成が困難となるので、膜厚は４A 以上が好ましい。
なお、磁性薄膜や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。

【００３８】本発明において、人工格子磁性多層膜の繰
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。
なお、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。

【００３９】なお、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れば、
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。

【００４０】また、基板材料と人工格子を構成する材料
との表面エネルギーの違いを緩和し、両者のぬれ性を向
上し、広い範囲で平坦な界面をもった積層構造を実現さ
せるため、磁性多層膜の下地層として、１０〜１００A
程度のＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎあ
るいはこれらの合金の薄膜を設けてもよい。さらに、最
上層の磁性薄膜の表面には、窒化ケイ素や酸化ケイ素等
の酸化防止膜が設けられてもよく、電極引出のための金
属導電層が設けられてもよい。磁性多層膜の成膜は、蒸
着法、スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢ
Ｅ）等の方法で行う。また、基板としては、ガラス、ケ
イ素、ＭｇＯ、ＧａＡｓ、フェライト、ＣａＴｉＯ等を
用いることができる。

【００４１】図３、図４には、本発明の磁性多層膜（人
工格子磁性多層膜）を用いて磁気抵抗変化素子、例えば
ＭＲヘッドを構成するときの例が示される。両図に示さ
れる磁気抵抗変化素子１０は、上記の人工格子磁性多層
膜１を絶縁層５内に形成して、人工格子磁性多層膜１に
測定電流を流すための例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等の電極
３，３と、例えばＴｉ等のシャント層２とを接続してい
る。また、人工格子磁性多層膜１は、例えばセンダス
ト、パーマロイ等のシールド６，６で被われている。さ
らに図４の例では、シャント層２下方に、例えばＣｏＺ
ｒＭｏ、ＮｉＦｅＲｈ等の比抵抗の大きな軟磁性材料の
バイアス磁界印加層７が設けられている。ただし、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、このバイアス磁界印加手段は設けなくてよ
い。

【００４２】このような磁気抵抗変化素子の製造にあた
っては、工程中パターニング、平坦化等の工程でベーキ
ング、アニーリング、レジストのキュア等の熱処理を必
要とする。しかし、本発明の多層膜は耐熱性が良好であ
るので、５００℃以下、一般に５０〜４００℃、５０〜
３５０℃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。

【００４３】

【実施例】以下、本発明を具体的実施例によりさらに詳
細に説明する。実施例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 ^-10 Torrまで真空引きを行った。
基板温度は室温に保ったまま基板を回転させながら、以
下の組成をもつ人工格子磁性多層膜１を作成した。この
際、磁界を基板の面内方向に印加しながら、約０．３A
／秒の成膜速度で、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）に
よる蒸着を行った。

【００４４】磁性薄膜と非磁性薄膜との多層膜の構成と
磁気抵抗変化率を下記表１に示す。なお、表１におい
て、例えばサンプルNo. １は、［Ｎｉ_0.8 Ｆｅ_0.2 （２
３）／Ｃｕ（５０）／Ｃｏ（１０）／Ｃｕ（５０）］×
１０であって、２３A 厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０％のパ
ーマロイ磁性（ＮｉＦｅ）合金の第１の磁性薄膜、５０
A 厚のＣｕの非磁性薄膜、１０A 厚のＣｏの第２の磁性
薄膜および５０A 厚のＣｕの非磁性薄膜を順次蒸着する
工程を１０回くり返したことを意味する。各サンプルの
繰り直し数はともに１０回としたので、これを（Ｃｕ，
Ｃｏ／ｔ₂ ，ＮｉＦｅ／ｔ₁ ）の順で（５０，１０，２
３）と表１に記載した。なお、各サンプルとも、下地層
として５０A のＣｒ層を介在させた。

【００４５】磁化および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０．５×１０mm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、−３００〜３００Oeまで変化させたときの抵抗を４
端子法により測定し、その抵抗から比抵抗の最小値ρsa
t およびＭＲ変化率ΔＲ／Ｒを求めた。ＭＲ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：ΔＲ／Ｒ＝（Ｒmax −Ｒmin
）×１００／Ｒmin （％）。また、印加磁場−３Oe〜
３OeまでのＭＲ変化率の差を求め、これを０磁場での傾
きとし、立ち上がり特性を評価した。この値は前記のと
おり０．５％以上あることが必要である。

【００４６】これとは別に、第１の磁性薄膜（Ｃｏ）ま
たは第２の磁性薄膜（ＮｉＦｅ）と、非磁性薄膜（Ｃ
ｕ）とを用い、上記の条件で２元系の人工格子を作成
し、それぞれの角型比およびその相対比を求めた。これ
らの結果（初期特性）を表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】さらに各サンプルを真空中で３５０℃、２
時間熱処理した。熱処理後の角型比、ρsat と、ＭＲ変
化率、０磁場の傾き、そしてそれらの変化率を表２に示
す。

【００４９】

【表２】

【００５０】表２に示される結果から、初期も熱処理後
も、本発明のサンプルNo. １〜６のみが０．５％以上の
０磁場の傾きと、５％以上のＭＲ変化率を示すことがわ
かる。

【００５１】なお、図５には、成膜直後および熱処理後
のサンプルNo. ３のＢ−Ｈループが示される。また、図
６にはサンプルNo. ３の、また図７には比較サンプルN
o. ７の成膜直後および熱処理後のＭＲ変化曲線が示さ
れる。さらに、図８、図９にサンプルNo. １の成膜直後
および熱処理後のＸ線回折パターンを示す。この図か
ら、成膜直後、熱処理後とも長周期構造が維持されてい
ることがわかる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、小さい外部磁場で大き
い抵抗変化率をもつ磁性多層膜が得られる。しかも、０
磁場での立ち上がり特性はきわめて良好であり、きわめ
て高い耐熱性を示す。従って高感度のＭＲセンサおよび
高密度磁気記録が可能なＭＲヘッド等のすぐれた磁気抵
抗変化素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁性多層膜の一部省略断面図である。

【図２】本発明の作用を説明するＢ−Ｈ曲線の模式図で
ある。

【図３】本発明の磁気抵抗変化素子の１例を示す一部省
略正面図である。

【図４】本発明の磁気抵抗変化素子の他の例を示す一部
省略正面図である。

【図５】本発明の磁性多層膜の成膜直後と熱処理後のＢ
−Ｈ曲線である。

【図６】本発明の磁性多層膜の成膜直後と熱処理後のＭ
Ｒ変化曲線を示すグラフである。

【図７】比較用の磁性多層膜の成膜直後と熱処理後のＭ
Ｒ変化曲線を示すグラフである。

【図８】本発明の磁性多層膜の成膜直後のＸ線回折パタ
ーンを示すグラフである。

【図９】本発明の磁性多層膜の熱処理後のＸ線回折パタ
ーンを示すグラフである。

【符号の説明】

１人工格子磁性多層膜１０磁気抵抗変化素子４基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、この非磁性薄膜を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異な
っており、保磁力の小さい第１の磁性薄膜の角型比ＳＱ₁ が０．７
〜１．０であり、保磁力の大きい第２の磁性薄膜の角型
比ＳＱ₂ が０．１〜０．８であり、前記磁性薄膜および非磁性薄膜の膜厚がそれぞれ２００
A 以下であり、保磁力の小さい第１の磁性薄膜の厚さをｔ₁ 、保磁力の
大きい第２の磁性薄膜の厚さをｔ₂ としたとき、４A ≦
ｔ₂ ＜３０A 、２０A ＜ｔ₁ 、ｔ₁ ＞ｔ₂ であり、５００℃以下の温度で熱処理され、印加磁場−３００Oe
〜３００OeまでのＭＲ変化率が５%以上である磁性多層
膜。
【請求項２】印加磁場−３Oe〜＋３Oeまでの０磁場で
の傾きが０．５%以上である請求項１の磁性多層膜。
【請求項３】４A ≦ｔ₂ ≦２８A 、２２A ≦ｔ₁ 、ｔ
₁ ≧１．０５ｔ₂ である請求項１または２の磁性多層
膜。
【請求項４】基板上に請求項１ないし３のいずれかの
磁性多層膜を有する磁気抵抗変化素子。