JP2610376B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
する、非磁性層を介して積層された磁性層を具備した磁
気抵抗効果素子に関する。
抵抗が変化する効果である。このような磁気抵抗効果を
利用した磁気抵抗効果素子は、高感度であり比較的大き
な出力を得ることができるため、磁界センサや磁気ヘッ
ドとして広く利用されている。
ロイ合金薄膜が広く用いられている。しかし、パーマロ
イ合金薄膜の磁気抵抗変化率(ΔR/R:Rは無磁場で
の電気抵抗、ΔRはRから飽和磁界印加時の電気抵抗R
S を引いた値)は2〜3%程度であり、十分な感度が得
られないという問題点がある。
て、数オングストロームから数十オングストロームの厚
さの磁性層と非磁性層とを交互に積層させた積層体、い
わゆる人工格子膜が注目されている。このような人工格
子膜としては、(Fe/Cr)n (Phys.Rev.Lett.vol
61(21)(1988)2472)、(パーマロイ/Cu/Co/C
u)n (J.Phys.SOC.Jap.vol 59(9)(1990)3061)、(C
o/Cu)n (J.Mag.Mag.Mat.94(1991)L1,Phys.Rev.L
ett.66(1991)2152)が知られている。
は従来のパーマロイ薄膜と比較して格段に大きな磁気抵
抗効果を有する。しかし、十分大きな磁気抵抗効果は、
超高真空蒸着装置(UHV)、分子線エピタキシー(M
BE)装置など超高真空の処理が可能な装置を用いない
と達成することができず、通常の薄膜形成装置で形成さ
れた場合には、未だ要求を満足するに十分な値が得られ
ていないのが実情である。
れたものであり、その目的は、大きな磁気抵抗変化率を
有し、超高真空を用いない通常の薄膜形成装置で成膜し
ても十分に実用化することができる磁気抵抗効果素子を
提供することにある。
記課題を解決するために、磁気抵抗効果を発現する、非
磁性層を介して積層された磁性層を具備した磁気抵抗効
果素子において、前記磁性層がFe1-x Cox (0.5
≦x<1)で表されるCo合金で構成されていることを
特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
膜を用いてさらに大きい磁気抵抗効果を有する素子を得
るべく研究を重ねた結果、上述の(Co/Cu)n のC
oの一部をFeで置換した場合に、磁気抵抗効果が非常
に大きくなることを見出した。そして、磁場が実質的に
存在しない状態で隣合う磁性層が反強磁性的に結合して
いる場合に一層大きいことを見出したのである。本発明
はこのような知見に基づいてなされたものである。以
下、この発明について詳細に説明する。
層と非磁性層とを交互に積層してなる積層体であり、例
えば図1に示すように、基板1上に非磁性層2と磁性層
3とのペア4をn回積層することにより構成される。こ
の場合に、この図に示すように非磁性層を先に形成して
もよいし、磁性層3を先に形成してもよい。また、基板
1と積層体との間に、Fe等のソフト磁性材料のバッフ
ァ層を介在させてもよい。
1)で表されるCo合金から構成され、この中にはNi
等の他の元素が含まれていてもよい。
い状態で、反強磁性的に結合していることが好ましい。
ここでいう反強磁性的結合とは、磁性層の磁気モーメン
トが、隣合う磁性層間で逆向きであるように結合してい
ることをいう。このように結合することにより、磁気抵
抗変化率を高めることができる。このように反強磁性的
結合力を有していることが好ましいが、その結合力は小
さいほうが好ましい。反強磁性的結合力が小さければ、
小さな磁場で磁気抵抗変化率(ΔR/R)を大きくする
ことができ、磁気ヘッドなどの用途に対して適したもの
となる。また、小さな磁場で磁気抵抗変化率(ΔR/
R)を大きくする観点からは、素子の飽和磁界HS が小
さいことが好ましい。
料で形成されていれば特に限定されない。非磁性層の例
としては、Cu,Cr,Au,Ag,Ruなどがあり、
これら単体でも、これらを含む合金でも用いることがで
きる。非磁性層としてCu−Au合金を用いた場合には
反強磁性的結合力を小さくする効果が得られる。
は、種々のものが考えられるが、好ましい組み合わせと
しては、例えば以下のようなものがあり、その組み合わ
せにより大きな磁気抵抗効果を得ることができる。 1)磁性層を構成する合金がFe1-x Cox で表され、
xが0.5≦x<1の範囲であり、非磁性層がCuであ
るもの。
を得るためには、磁性層の厚さtM(オングストロー
ム;以下Aで表す)を2A≦tM ≦100A、非磁性層
の厚さtN を2A≦tN ≦100Aにすることが好まし
く、7A≦tM ≦90A、9≦tN ≦50Aが一層好ま
しい。
は図2に示すような関係となり、磁気抵抗変化率が非磁
性層の厚さに対して振動するため、非磁性層の厚さtN
は上述の範囲内で大きな磁気抵抗変化率が得られるよう
に規定することが好ましい。また、図3に示すように、
飽和磁界も非磁性層の厚さに対して振動し、そのピーク
の位置は、磁気抵抗変化率のピークの位置と重なってい
る。従って、用途に従って、磁気抵抗変化率と飽和磁界
とがバランスするように非磁性層の厚さを決定すること
が望ましい。なお、図2及び図3は、磁性層として厚さ
10AのFe0.1 Co0.9 を用い、非磁性層として各厚
さのCuを用いて、このペアを16回積層した積層体に
ついて室温で測定したものである。
り、磁気抵抗効果を考慮すると大きいほうがよいが、余
り大きくても磁気抵抗効果が飽和してしまうため、飽和
する範囲までの間で適宜設定することが好ましい。本発
明の積層体を形成するための基板は特に限定されるもの
ではない。例えば、SiO,MgO,スピネル,Siな
どを用いることができる。
(MBE)法、超真空スパッタ法など超高真空で行う処
理はもちろんのこと、RFマグネトロンスパッタ法、イ
オンビームスパッタ(IBS)法、蒸着法など初期真空
度が10-7Torr以下(すなわち圧力が10-7Torr以上)
の通常の薄膜形成技術で形成した場合でも、大きな磁気
抵抗変化率を得ることができる。
素子、例えば(Co/Cu)n 、(Fe/Cr)n な
ど、磁性層として単一元素を用いた素子の場合には、M
BEなどの超高真空装置で成膜すると20〜50%の磁
気抵抗変化率が得られるが、通常の初期真空度の成膜装
置を用いた場合には磁気抵抗変化率が数%と不十分であ
る。これに対して、本発明に係る磁気抵抗効果素子の場
合には、通常の成膜装置を用いても実用上十分な磁気抵
抗変化率を得ることができる。なお、積層体を構成する
各層の組成及び膜厚は同一である必要はない。
る。 (実施例1)
Co0.9 とし、非磁性層をCuとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。
し、チャンバー内を5×10-7Torrまで排気した後、A
rガスを1×10-4Torrになるまで導入し、加速電圧5
00V、ビーム電流30mAの条件にてスパッタリング
を実施した。ターゲットとしてFe、Fe0.1 Co0.9
合金及びCuを用い、最初にFeターゲットをスパッタ
して石英基板上に50AのFeバッファ層を形成し、続
けてCuターゲット及びFe0.1 Co0.9 合金ターゲッ
トを交互にスパッタして、図1に示すように、膜厚9A
のCu非磁性層及び膜厚7AのFe0.1 Co0.9 磁性層
のペアを15回積層した(積層数n=15)。これを
(Fe0.1 Co0.9 7A/Cu9A)15とする。なお、
この実施例ではバッファ層を設けたが、本発明の実施に
際しバッファ層は必ずしも必要はない。
ついて、この発明の分野で一般的に用いられる四端子法
によって磁気抵抗効果を測定した。その結果を図4に示
す。図4は横軸に磁場の大きさをとり、縦軸に磁場0の
際の電気抵抗を1として規格化した電気抵抗値(R/R
(H=0))をとって、それらの関係を示すグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは7.5%と大きな値となり、磁性層としてF
e0.1 Co0.9 、非磁性層としてCuを用いた積層体が
磁気抵抗効果素子として適していることが確認された。 (実施例2)
Co0.75とし、非磁性層をCuとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。
板上にFeバッファ層を50Aの厚さで形成し、続けて
Cuターゲット及びFe0.25Co0.75合金ターゲットを
交互にスパッタして、図1に示すように、膜厚9AのC
u非磁性層及び膜厚7AのFe0.25Co0.75磁性層のペ
アを15回積層した(積層数n=15)。これを、(F
e0.25Co0.757A/Cu9A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図5に示す。図5は図4と同様のグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは11.1%と大きな値となり、磁性層として
Fe0.25Co0.75、非磁性層としてCuを用いた積層体
が磁気抵抗効果素子として適していることが確認され
た。 (実施例3)
Co0.9 とし、非磁性層をCuとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。な
お、基板としてはSi上に1000A程度の酸化被膜を
有するものを用いた。
ット及びFe0.1Co0.9 合金ターゲットを交互にスパ
ッタして、図1に示すように、膜厚9AのCu非磁性層
及び膜厚15AのFe0.1 Co0.9 磁性層のペアを15
回積層した(積層数n=15)。これを、(Fe0.1 C
o0.9 15A/Cu9A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図6に示す。図6は図4と同様のグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは8.15%と大きな値となり、この実施例で
製造した積層体が磁気抵抗効果素子として適しているこ
とが確認された。 (実施例4)
Co0.25とし、非磁性層をCrとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。な
お、基板としては、MgO(100)単結晶を用いた。
00)単結晶基板上に、Crターゲット及びFe0.75C
o0.25合金ターゲットを交互にスパッタして、図1に示
すように、膜厚13AのCr非磁性層及び膜厚20Aの
Fe0.75Co0.25磁性層のペアを15回積層した(積層
数n=15)。これを、(Fe0.75Co0.2520A/C
u13A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図7に示す。図7は図4と同様のグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは6.8%と大きな値となり、この実施例で製
造した積層体が磁気抵抗効果素子として適していること
が確認された。 (実施例5)
(Fe0.5 Co0.5 )0.6 とし、非磁性層をCuとし
て、イオンビームスパッタ法を用いて積層体を成膜した
例について示す。なお、基板としてはSi上に1000
A程度の酸化被膜を有するものを用いた。
ット及びNi0.4 (Fe0.5 Co0.5 )0.6 合金ターゲ
ットを交互にスパッタして、図1に示すように、膜厚9
AのCu非磁性層及び膜厚15AのNi0.4 (Fe0.5
Co0.5 )0.6 磁性層のペアを15回積層した(積層数
n=15)。これを(Ni0.4 (Fe0.5 Co0.5 )
0.6 15A/Cu9A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図8に示す。図8は図4と同様のグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは7.8%と大きな値となり、この実施例で製
造した積層体が磁気抵抗効果素子として適していること
が確認された。 (実施例6)
(Fe0.75Co0.25)0.75とし、非磁性層をCrとし
て、イオンビームスパッタ法を用いて積層体を成膜した
例について示す。なお、基板としてはMgO(100)
単結晶を用いた。
ット及びNi0.25(Fe0.75Co0.25)0.75合金ターゲ
ットを交互にスパッタして、図1に示すように、膜厚1
3AのCr非磁性層及び膜厚20AのNi0.25(Fe
0.75Co0.25)0.75磁性層のペアを15回積層した(積
層数n=15)。これを、(Ni0.25(Fe0.75Co
0.25)0.7520A/Cu13A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図9に示す。図9は図4と同様のグラフであ
り、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵
抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化率
ΔR/Rは5.7%と大きな値となり、この実施例で製
造した積層体が磁気抵抗効果素子として適していること
が確認された。 (比較例1)
Cuとして、イオンビームスパッタ法を用いて積層体を
成膜した例について示す。なお、基板としては石英を用
いた。
板上にFeバッファ層を50Aの厚さで形成し、続けて
Cuターゲット及びCoターゲットを交互にスパッタし
て、図1に示すように、膜厚9AのCu非磁性層及び膜
厚7AのCo磁性層のペアを15回積層した(積層数n
=15)。これを、(Co7A/Cu9A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図10に示す。図10は図4と同様のグラフで
あり、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気
抵抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化
率ΔR/Rは4.4%と実施例よりも小さいことが確認
された。 (比較例2)
Crとして、イオンビームスパッタ法を用いて積層体を
成膜した例について示す。なお、基板としてはMgO
(100)単結晶を用いた。
ット及びFeターゲットを交互にスパッタして、図1に
示すように、膜厚13AのCr非磁性層及び膜厚20A
のFe磁性層のペアを15回積層した(積層数n=1
5)。これを、(Fe20A/Cr13A)15とする。
ついて、四端子法によって磁気抵抗効果を測定した。そ
の結果を図11に示す。図11は図4と同様のグラフで
あり、このグラフから磁気抵抗効果の大きさを示す磁気
抵抗変化率ΔR/Rを求めた。その結果、磁気抵抗変化
率ΔR/Rは2.4%と実施例よりも小さいことが確認
された。 (実施例7)
Co0.9 とし、非磁性層をCuとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜するに際し、成膜条件を
実施例1とは異なる条件とした例について示す。
の際の加速電圧に非常に敏感であることを見出した。こ
のため、この実施例では加速電圧を600Vに上昇さ
せ、ビーム電流は30mAに維持して成膜を行った。到
達真空度及びAr分圧は実施例1と同様にした。
Fe0.1 Co0.9 磁性層を10Aの厚さで成膜し、その
上にCu非磁性層を10Aの厚さで成膜し、このペアを
16回積層して積層体を製造した。これを(Fe0.1 C
o0.9 10A/Cu10A)16とする。
と同様にして磁性層及び非磁性層のペアを16回積層し
て積層体を製造した。これを(Co10A/Cu10
A)16とする。
ついて、実施例1と同様に、四端子法によって磁気抵抗
変化率ΔR/Rを測定した。その結果、(Fe0.1 Co
0.910A/Cu10A)16ではΔR/Rが39.4%
であり、(Co10A/Cu10A)16では31.5%
であった。この結果から、磁性層を合金化した(Fe
0.1 Co0.9 10A/Cu10A)16のほうが磁気抵抗
変化率が高いことが確認された。 (実施例8)
Co0.9 とし、非磁性層をCuAuとして、イオンビー
ムスパッタ法を用いて積層体を成膜した例について示
す。
ず石英基板上に厚さ50AのFeバッファ層を成膜し、
次いでその上にCuAu非磁性層を10Aの厚さで成膜
し、その上にFe0.1 Co0.9 磁性層を20Aの厚さで
成膜し、これら非磁性層及び磁性層のペアを16回積層
して積層体を製造した。これを(Fe0.1 Co0.9 20
A/CuAu10A)16とする。
と同様にして磁性層及び非磁性層のペアを16回積層し
て積層体を製造した。これを(Co20A/CuAu1
0A)16とする。
ついて、実施例1と同様に、四端子法によって磁気抵抗
変化率ΔR/Rを測定した。その結果、(Fe0.1 Co
0.920A/CuAu10A)16ではΔR/Rが20.
2%であり、(Co20A/CuAu10A)16では1
7.8%であった。この結果から、磁性層を合金化した
(Fe0.1 Co0.9 20A/CuAu10A)16のほう
が磁気抵抗変化率が高いことが確認された。 (実施例9)
Co0.9 とし、非磁性層をAuとして、イオンビームス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。
ず、石英基板上に厚さ50AのFeバッファ層を成膜
し、次いで、その上にAu非磁性層を10Aの厚さで成
膜し、その上にFe0.1 Co0.9 磁性層を20Aの厚さ
で成膜し、これら非磁性層及び磁性層のペアを16回積
層して積層体を製造した。これを(Fe0.1 Co0.9 2
0A/Au10A)16とする。
と同様にして磁性層及び非磁性層のペアを16回積層し
て積層体を製造した。これを(Co20A/Au10
A)16とする。
ついて、実施例1と同様に、四端子法によって磁気抵抗
変化率ΔR/Rを測定した。その結果、(Fe0.1 Co
0.920A/Au10A)16ではΔR/Rが15.3%
であり、(Co20A/Au10A)16では10.8%
であった。この結果から、磁性層を合金化した (F
e0.1 Co0.9 20A/Au10A)16のほうが磁気抵
抗変化率が高いことが確認された。
率を有し、超高真空を用いない通常の薄膜形成装置で成
膜しても十分に実用化することができる磁気抵抗効果素
子が提供される。
す断面図。
す図。
Claims (11)
- 【請求項1】 磁気抵抗効果を発現する、非磁性層を介
して積層された磁性層を具備した磁気抵抗効果素子にお
いて、前記磁性層がFe1-x Cox (0.5≦x<1)
で表されるCo合金で構成されていることを特徴とする
磁気抵抗効果素子。 - 【請求項2】 前記多層構造を支持する基板をさらに具
備する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項3】 軟磁性材料からなり、前記基板と前記多
層構造との間に設けられたバッファ層をさらに具備する
請求項2記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項4】 前記基板がSiO2 ,MgO,またはS
iからなる請求項2記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項5】 前記磁性層は2〜100オングストロー
ムの厚さを有する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項6】 前記磁性層は7〜90オングストローム
の厚さを有する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項7】 前記非磁性層は2〜100オングストロ
ームの厚さを有する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項8】 前記非磁性層は9〜50オングストロー
ムの厚さを有する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項9】 前記磁性層は層内に一軸磁気異方性を有
する請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項10】 前記磁性層はさらにNiを含む請求項
1記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項11】 前記非磁性層はCuを含む請求項1記
載の磁気抵抗効果素子。
Priority Applications (1)
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JP4053533A JP2610376B2 (ja) | 1991-03-29 | 1992-03-12 | 磁気抵抗効果素子 |
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
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