JP2582499B2 - 磁気抵抗読取り変換器および磁気抵抗センサ - Google Patents

磁気抵抗読取り変換器および磁気抵抗センサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般には、磁気媒体か
ら情報信号を読み取る磁気変換器に関し、特に、磁気抵
抗読取り変換器および磁気抵抗センサの改良に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来技術には、高い線密度を有する磁気
記録面からデータを読み取ることができる磁気抵抗（Ｍ
Ｒ）センサまたは磁気抵抗ヘッドとして言及される磁気
変換器を開示するものがある。ＭＲセンサは、磁性材料
から成る読取り素子によって感知する磁束の量および方
向の関数である該素子の抵抗の変化から磁場進行を検出
する。これら従来技術のＭＲセンサは、異方性磁気抵抗
（ＡＭＲ）効果を基準として動作し、抵抗成分は磁化方
向と電流方向との間の成す角度の余弦の二乗（ＣＯＳの
二乗）として変化する。このＡＭＲ効果のより詳しい説
明は、D.A.Thompson他による刊行物IEEE Trans.Mag.MAG
-11(1975年)、"Thin Film Magnetoresistors in Memor
y, Storage, and Related Applications"の1039頁に記
載されている。これらＭＲセンサはＡＭＲ効果を基礎と
するが、この効果は非常に小さい百分率での抵抗変化し
か生じない。
【０００３】ドイツ特許第DE3820475号(Grunberg)は、
磁化の反平行アライメントによりＭＲ効果を増強する層
状磁気構造を開示している。層状構造に用いることがで
きる材料として、Grunbergは強磁性遷移金属および合金
をリストに挙げているが、そのリストのうちどのような
材料がＭＲ効果を得るのに優位であり好ましいかについ
ては指摘していない。
【０００４】近年、他の様式のＭＲセンサが確認されて
いるが、ここでは二つの連結されていない強磁性層間で
の抵抗が、この二層間の磁化の角度の余弦によって変化
し、電流の方向には無関係であることが認められてい
る。この機構は、材料の組み合せの選択によってはＡＭ
Ｒよりも大きい効果が得られ、“スピン・バルブ”（Ｓ
Ｖ）磁気抵抗として注目されている。ＳＶ磁気抵抗効果
は1990年12月11日に出願された現在継続中の米国特許出
願第625343号において説明されている。
【０００５】従来技術には、弱い印加磁場において高い
ＭＲ応答性を有するＭＲセンサに関するものはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主要な目的
は、弱い印加磁場においても高いＭＲ応答性を有する磁
気抵抗（ＭＲ）読取り変換器および磁気抵抗（ＭＲ）セ
ンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ＭＲセ
ンサは、基層上に形成される層状構造を有し、強磁性材
料の第一の薄膜層および第二の薄膜層を有し、これらの
層のうち少なくとも一層はコバルトおよびコバルト合金
のグループから得られる材料から形成された強磁性材料
から成るが、非磁性金属材料の薄膜層によって分離され
ている。強磁性材料の第一の薄膜層の磁化方向は、ゼロ
印加磁場において、強磁性材料の第二の薄膜層の磁化方
向に対してはほぼ垂直である。電流はＭＲセンサを通じ
て生じるが、強磁性材料のこれら層間での磁化に回転差
があるため、その電流の変化はＭＲセンサの比抵抗にお
いて感知されることで磁場感知機能を発揮する。
【０００８】
【実施例】従来技術における磁気抵抗（ＭＲ）センサは
異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）に基づくものであり、ここで
は抵抗成分は磁化方向と電流方向との成す角度の余弦の
二乗として変化する。近年において確認されたＭＲセン
サは、前述の係属中出願によれば、その一つは二つの連
結されていない強磁性層間での抵抗が、この二層間の磁
化の成す角度の余弦によって変化し、電流の方向に無関
係であることが認められている。この機構は材料の組み
合せの選択によっては、ＡＭＲよりも大きい効果が得ら
れ、“スピン・バルブ”（ＳＶ）磁気抵抗と呼ばれてい
る。本発明においては、多層形態であるか否かにかかわ
らず、弱い磁場状況において他のいかなる既知システム
におけるよりも高いＳＶ磁気抵抗効果が得られる、特定
の材料を用いるシステムが開示される。本発明によるＭ
Ｒ（ＳＶ）センサ１０が図１に示されている。ＭＲセン
サ１０はガラス、セラミック、または半導体等から成る
適当な基層１１を有し、その上層に、ソフトな強磁性材
料から成る第一の薄膜層１２、非磁性金属材料から成る
薄膜層１４、および強磁性材料から成る第二の薄膜層１
６が置かれる。強磁性材料から成る二つの層１２、１６
は、印加磁場が無いときは、磁化の方向が互いにほぼ９
０度に成るように方向付けされている。さらに、強磁性
材料から成る第二の薄膜層１６は、矢印２０の方向に固
定されている。印加磁場が無いときの強磁性材料の第一
の薄膜層１２の磁化方向が、矢印２２として示されてい
る。第一の薄膜層１２の磁化は、（図１における磁場ｈ
のような）印加磁場に応答して図１に示される点線矢印
のごとく、回転して変化する。
【０００９】図１に示される本発明の実施例において
は、第二の薄膜層１６の磁化が定位置に固定できるよう
に、強磁性材料の第二の薄膜層１６の保持力は強磁性材
料の第一の薄膜層１２のものよりも高くされている。図
２に示される特定の実施例においては、強磁性材料の第
二の薄膜層１６の磁化を固定するための２つの選択可能
な技法が示される。
【００１０】図２の実施例においては、抵抗の高い交換
バイアス材料の薄膜層１８が、直接、強磁性材料の第二
の薄膜層１６に接触しており、周知の交換結合によって
バイアス磁場を生じさせることができる。この薄膜層１
８は、反強磁性材料がよく、それ以外なら、十分な、高
直角度、高保持力および高抵抗である強磁性の層がよ
い。図２の構造は反転してもよい。その場合、基層の上
にまず層１８が置かれ、層１６、１４、１２の順でそれ
に続き置かれていく。
【００１１】本発明の実施例では、強磁性層１２および
１６の両方またはその何れか一方は、コバルト（元素記
号Ｃｏ）またはコバルト合金であることが望ましい。非
磁性スペーサ層１４は、銅（Ｃｕ）であるか、または銀
（Ａｇ）や金（Ａｕ）などの貴金属である。磁化方向が
固定されているＣｏまたはＣｏ合金である強磁性層１６
は、ＦｅＭｎ等によって交換バイアスされるべきであ
り、交換バイアスの影響による大きさの変化は、以下に
詳細に述べるように下層を利用して制御される。
【００１２】特定のＭＲ（ＳＶ）センサの実施例は、本
発明によれば、ガラス基層の上に構築され、以下の構造
を有する。 ＦｅＭｎ層の酸化を阻止するために、その上層にはＣｕ
層（図２には示されていない）が置かれる。これとは異
なり、実際の装置には、例えばＴａ（タンタル）のよう
な比抵抗の高い不動態化（passivation）層も用いられ
る。この構造での磁場とモーメントとの関係が図３
（ａ）に示されており、二つのＣｏ層に対応する二つの
ループが重ねて描かれているが、このうちの一層はＦｅ
Ｍｎ層により交換バイアスされているものである。図３
（ｂ）は、Ｃｏ磁化の反平行アライメントに対応して、
磁場が２０〜１２０エールステッド（Ｏｅ）の範囲につ
いては比抵抗が８．７％増加することを示している。こ
の大きさは、８００ｅ以下の磁場においては、今までに
報告されている他のいかなる常温バルク磁気抵抗または
薄膜磁気抵抗よりも大きい。
【００１３】図４は、磁気特性が図３に示されたと同じ
構造について、ＭＲ応答を示している。例として、磁化
の方向が１８０度に方向付けられると、図４の正の磁場
は図３の負の磁場に対応することに注意されたい。さら
に、磁場スイープの大きさが小さすぎて交換バイアス層
１６（図３参照）を反転させることができない場合に
は、−４０〜１５０ｅの範囲内の磁場において反平行ア
ライメントが生じる。
【００１４】材料をどう選択するかは、ＭＲ（ＳＶ）セ
ンサから得られるＭＲ応答に影響を及ぼす。第一の強磁
性層１２については、ソフトな磁気特性が要求される。
純粋なコバルトに加えるものとして、例えばこの層１２
に用いるものとしては、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏから、また
はＣｏＺｒ若くはＣｏＭｏＮｂ若くはＮｉＦｅＣｏ等の
コバルト合金が挙げられる。第二の強磁性層１６は、磁
化を定位置に固定しておくためにハードな磁気特性を有
することが好ましい。純粋コバルトにさらに加えるもの
として、ＣｏＮｉ（成分比80:20）のようなコバルト合
金も用いることができる。第二の強磁性層１６もまた、
ＦｅＭｎまたはＮｉＭｎへの交換結合によって定位置に
磁化が固定される。他の実施例としては、この層１６の
磁化が、ＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒのような保持力の
高い材料への交換結合によって固定される。
【００１５】前記実施例において得られる交換バイアス
のレベルでは、いくつかの適用には向かないことがあ
る。交換バイアスのレベルは図５に示されるようなＭＲ
（ＳＶ）センサの特定の実施例によって増加できること
が、発見されている。この実施例における、基層１１、
非磁性材料層１４、強磁性材料の二つの層１２、１６お
よび交換バイアス材料層１８があるという構造は、図１
および図２に関連して述べられたような同様の構造に対
応するものである。しかし、ここでは薄い下層２４が、
他の層が設けられるより先に基層１１上に設けられてい
る。この下層２４は、約５０オングストローム（Å）厚
のジルコニウム（Ｚｒ）であることが好ましく、この下
層には、Ｃｏ層のｃ軸テクスチュア（C-axis texture）
を増加させる役割があり、その結果として、バイアス結
合が順に増加し、ＣｏおよびＦｅＭｎ間の結晶学的マッ
チングが良好になる。一層の下層を有する構造のＭＲ応
答の特定の例が図６に示されている。図６（ａ）におい
ては下層を有しない構造の場合のＭＲ応答を示してお
り、図６（ｂ）においては他は同じ構造とするが厚さ５
０オングストロームのＺｒをまず基層上に下層として設
けている構造の場合のＭＲ応答を示している。図６
（ｂ）の構造は次のようになる。
【００１６】例として、ＴａまたはＺｒ等の高い比抵抗
材料から成るキャッピング層２６（図５）がＭＲセンサ
を覆い、電気リード部２８および３０がＭＲセンサ構
造、電流源３２および感知手段３４の間に回路パスを形
成する。
【００１７】ＭＲ（ＳＶ）センサの特定の実施例におけ
るＭＲ応答が図７に示されているが、このＭＲ構造は、
高いＭＲ感度（５．２％）と非常に低い飽和磁場（１５
０ｅ）とを兼ね備えている。図６に示されるデータは次
の構造を有するＭＲセンサについてのものである。 下層（例としてＺｒまたはＴａが挙げられる）および異
なるキャッピング層（これについてもＺｒまたはＴａが
挙げられる）またはそのいづれか一方を利用することに
よって、ＭＲ応答性をいっそう高めることができる。こ
れらの構造を変更したところで、センサのソフトな磁気
特性に性能低下を生じさせることはない。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、強磁性層の何れか一層
または両層においてコバルトまたはコバルト合金を利用
する、磁気抵抗読取り変換器および磁気抵抗センサが提
供される。これらの構造では、ＳＶ磁気抵抗（ＭＲ）効
果により、弱い磁場において、現在知られている他のい
かなるものよりも高いＭＲ感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による特定の実施例である磁気抵抗セン
サの分解斜視図である。
【図２】本発明による代替の実施例である磁気抵抗セン
サの分解斜視図である。
【図３】図２の磁気抵抗センサの特定の実施例において
２つのグラフを示しているが、そのうち（ａ）は周囲温
度履歴ループのグラフであって、（ｂ）は周囲温度磁気
抵抗のグラフ図である。
【図４】図３の磁気抵抗センサの容易軸に沿っているが
Ｘ軸のスケールは十分縮小してある、磁気抵抗応答を示
すグラフ図である。
【図５】本発明の磁気抵抗センサの応用実施例の端面図
である。
【図６】（ａ）は本発明の磁気抵抗センサの特定の実施
例についてＭＲ応答性を示すグラフ図であって、（ｂ）
は同様の構造であるが、基層と第一の強磁性層との間に
下層を設けている構造での、ＭＲ応答性を示すグラフ図
である。
【図７】本発明の磁気記録センサの他の実施例の磁気抵
抗応答を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１１ 基層 １２ 強磁性材料の第一の薄膜層 １４ 強磁性材料の第二の薄膜層 １６ 非磁性金属材料の薄膜層 １８ 交換バイアス材料の薄膜層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・アルヴィン・ガーニー アメリカ合衆国95051、カリフォルニア 州サンタ・クララ、フローラ・ヴィス タ・アヴェニュー、3770番地、1308号 (72)発明者 セルハト・メティン アメリカ合衆国94114、カリフォルニア 州サンフランシスコ、16番ストリート 3519番地 (72)発明者 スチュアート・スチーヴン・パプワー ス・パーキン アメリカ合衆国95123、カリフォルニア 州サンノゼ、ロイヤル・オーク・コート 6264番地 (72)発明者 ヴァージル・サイモン・スペリオス アメリカ合衆国95119、カリフォルニア 州サンノゼ、セント・ジュリー・ドライ ブ 351番地

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基層および前記基層上に形成された層構造
    を有し、前記層構造が非磁性金属材料の薄膜層によって
    分離された強磁性材料の第一の薄膜層および第二の薄膜
    層を有し、前記第一の薄膜層および第二の薄膜層の少な
    くとも一方がコバルトおよびコバルト合金から成るグル
    ープから選ばれた材料で形成されており、印加磁場がゼ
    ロの状態において前記第一の薄膜層の磁化の方向が前記
    第二の薄膜層の磁化の方向に対してほぼ垂直になるよう
    にされている、磁気抵抗センサと、 前記磁気抵抗センサに電流を流す手段と、 感知する磁場に応じた前記第一の薄膜層および前記第二
    の薄膜層の磁化の回転差に基づく前記磁気抵抗センサの
    比抵抗における変化を感知する手段とを有する、 磁気抵抗読取り変換器。
  2. 【請求項２】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定する手
    段をも有する、 請求項１の磁気抵抗読取り変換器。
  3. 【請求項３】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀お
    よび金から成るグループから選ばれた材料で形成されて
    いる、 請求項２の磁気抵抗読取り変換器。
  4. 【請求項４】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定する手
    段が、前記第一の薄膜層の保磁力よりも高い保磁力を有
    する、 請求項２の磁気抵抗読取り変換器。
  5. 【請求項５】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定する手
    段が、前記第二の薄膜層と直接接触する交換バイアス材
    料の薄膜層を有する、 請求項２の磁気抵抗読取り変換器。
  6. 【請求項６】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀お
    よび金から成るグループから選ばれた材料で形成されて
    いる、 請求項５の磁気抵抗読取り変換器。
  7. 【請求項７】前記基層と前記第一の薄膜層との間にさら
    に下層を有する、 請求項５の磁気抵抗読取り変換器。
  8. 【請求項８】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀お
    よび金から成るグループから選ばれた材料で形成されて
    いる、 請求項７の磁気抵抗読取り変換器。
  9. 【請求項９】前記下層がタンタルおよびジルコニウムか
    ら成るグループから選ばれた材料で形成されている、 請求項７の磁気抵抗読取り変換器。
  10. 【請求項１０】前記第一の薄膜層がＮｉＦｅであり、且
    つ、前記第二の薄膜層がコバルトまたはコバルト合金で
    ある、 請求項１の磁気抵抗読取り変換器。
  11. 【請求項１１】基層と、 前記基層上に形成され、非磁性金属材料の薄膜層によっ
    て分離された強磁性材料の第一の薄膜層および第二の薄
    膜層を有し、前記第一の薄膜層および第二の薄膜層の少
    なくとも一方がコバルトおよびコバルト合金から成るグ
    ループから選ばれた材料で形成されており、印加磁場が
    ゼロの状態において前記第一の薄膜層の磁化の方向が前
    記第二の薄膜層の磁化の方向に対してほぼ垂直に成るよ
    うにされている層構造とを有する、磁気抵抗センサ。
  12. 【請求項１２】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定し、
    且つ、前記第一の薄膜層における磁化の回転度合に応じ
    て比抵抗において変化を生じさせる、手段とをさらに有
    する、請求項１１の磁気抵抗センサ。
  13. 【請求項１３】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀
    および金から成るグループから選ばれた材料で形成され
    ている、請求項１２の磁気抵抗センサ。
  14. 【請求項１４】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定する
    手段が、前記第一の薄膜層の保磁力よりも高い保持力を
    有する、請求項１２の磁気抵抗センサ。
  15. 【請求項１５】前記第二の薄膜層の磁化方向を固定する
    手段が、前記第二の薄膜層と直接接触する交換バイアス
    材料の薄膜層を有する、請求項１２の磁気抵抗センサ。
  16. 【請求項１６】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀
    および金から成るグループから選ばれた材料で形成され
    ている、請求項１５の磁気抵抗センサ。
  17. 【請求項１７】前記基層と前記第一の薄膜層との間にさ
    らに下層を有する、請求項１５の磁気抵抗センサ。
  18. 【請求項１８】前記非磁性金属材料の薄膜層が、銅、銀
    および金から成るグループから選ばれた材料で形成され
    ている、 請求項１７の磁気抵抗センサ。
  19. 【請求項１９】前記下層が、タンタルおよびジルコニウ
    ムから成るグループから選ばれた材料で形成されてい
    る、請求項１７の磁気抵抗センサ。
  20. 【請求項２０】前記第一の薄膜層がＮｉＦｅであり、且
    つ、前記第二の薄膜層がコバルトまたはコバルト合金で
    ある、請求項１１の磁気抵抗センサ。
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