JP2629583B2 - 磁気抵抗効果膜およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気媒体等において、
磁界強度を信号として読みとるための磁気抵抗効果素子
に用いる磁気抵抗効果膜に関するものである。特に小さ
い外部磁場で抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気センサーの高感度化、及び磁
気記録における高密度化が進められており、これに伴い
磁気抵抗効果型磁気センサー（以下、ＭＲセンサーとい
う）及び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センサー
もＭＲヘッドも、磁性材料からなる読み取りセンサー部
の抵抗変化により、外部磁界信号を読みだす訳である
が、ＭＲセンサー及びＭＲヘッドは、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センサーで
は高感度が、ＭＲヘッドでは高密度磁気記録においても
高い出力が得られるという特長がある。

【０００３】最近、非磁性薄膜層を介して隣合う保磁力
の異なった２種類以上の磁性薄膜が積層された構造を持
ち、小さな外部磁場で大きな磁気抵抗変化を示す人工格
子磁気抵抗効果膜が発見された（特開平４−２１８９８
２号公報、発明の名称：磁気抵抗効果素子）。この磁気
抵抗効果素子は、数Ｏｅ〜数十Ｏｅ程度の小さい外部磁
場で数％〜数十％の大きい抵抗変化率を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先願の磁
気抵抗効果素子においても、小さい外部磁場で動作する
とは言え、実用的なセンサー、磁気ヘッドとして使用す
る場合、磁気抵抗効果膜の上下にバイアス層を設けた
り、外部バイアス磁界を印加する必要があった。

【０００５】本発明の目的は、バイアス機構がなくとも
ゼロ磁場付近で抵抗変化する磁気抵抗効果膜を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に非磁
性層を介して積層した複数の磁性薄膜からなり、非磁性
を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異なる磁気抵抗効果
膜において、前記隣合う磁性薄膜の各々の保磁力をＨ
_{C 2} ，Ｈ_{C 3} （０＜Ｈ_{C 2} ＜Ｈ_{C 3} ）とし、保磁力がＨ
_{C 2} の磁性薄膜に印加される信号磁界方向の異方性磁界
をＨ_{K 2} としたとき、Ｈ_{C 2} ＜Ｈ_{K 2} ＜Ｈ_{C 3} であるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果膜である。

【０００７】本発明の磁性薄膜に用いる磁性体の種類は
特に限定されないが、具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｔｍ、Ｇｅ、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−Ｃ
ｏ、Ｆｅ−Ｇｄ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍ
ｏ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト）、Ｆｅ−Ｙ、Ｆｅ
−Ｍｎ、Ｃｒ−Ｓｂ、Ｃｏ系アモルファス、Ｃｏ−Ｐ
ｔ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃ、Ｍｎ−Ｓｂ、Ｎｉ−Ｍｎ、
Ｃｏ−Ｏ、Ｎｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｏ、Ｎｉ−Ｆフェライト等
が好ましい。

【０００８】本発明ではこれらの磁性体から保磁力の異
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。特に、保磁力の異なる２種のうち、保磁力の小さい
一方を異方性磁界が保磁力より大きい材料を選択するこ
とにより、実現できる。

【０００９】また、異方性磁界は膜厚を薄くすることに
よっても大きくできる。例えば、ＮｉＦｅを８〜１５オ
ングストローム程度の厚さにすると異方性磁界Ｈ_K を保
磁力Ｈ_C より大きくすることができる。

【００１０】また、一般的に磁性薄膜はパターニングし
てパターン幅を狭くすると反磁界による形状異方性Ｈｄ
があらわれる。この形状異方性Ｈｄはパターン幅Ｗに反
比例していて、パターン幅を狭くすると大きくなる。人
工格子磁性薄膜の場合も同様に形状異方性Ｈｄがあらわ
れる。この他に人工格子の場合、磁性層と非磁性層が交
互に積層されていて、膜端で磁性層同士が静磁結合して
いる。この静磁結合の大きさもパターン幅Ｗを狭くする
に従い影響が大きくなる。実際には、これらの影響によ
りパターン幅Ｗを狭くすることで磁性層の磁化反転する
磁場領域がシフトし、異方性磁界Ｈ_K をＨ_C より大きく
することができる。

【００１１】さらに、このような磁気抵抗効果膜は、磁
性薄膜の磁化容易軸が、印加される信号磁界方向に対し
て垂直方向になっていて、印加信号磁界方向の磁性薄膜
の各々の保磁力がＨ_{C 2} ＜Ｈ_{K 2} ＜Ｈ_{C 3} になるように
前記磁性薄膜を磁場中成膜することにより製造できる。
成膜は、蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシ
ー法（ＭＢＥ）等の方法で行う。また、基板としては、
ガラス、Ｓｉ、ＭｇＯ、ＧａＡｓ、フェライト、ＣａＴ
ｉＯ等を用いることができる。

【００１２】各磁性薄膜層の膜厚の上限は、２００オン
グストロームである。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特
にないが、４オングストローム以下はキュリー点が室温
より低くなって実用性がなくなる。また、厚さを４オン
グストローム以上とすれば、膜厚を均一に保つことが容
易となり、膜厚も良好となる。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２００オングス
トローム以上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。

【００１３】各磁性膜の保磁力は、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に応じて、例
えば約０．００１０ｅ〜約１０ｋＯｅ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、好ましくは５：１〜５
０：１、より好ましくは８：１〜２０：１である。

【００１４】なお、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。

【００１５】測定すべき磁性薄膜を、磁性薄膜の合計厚
さが２００〜４００オングストローム程度になるまで非
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。この場合、磁性薄膜の
厚さ、非磁性薄膜の厚さ及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にする。

【００１６】非磁性薄膜層は、保磁力の異なる磁性薄膜
層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
性体及び非金属非磁性体から適宜選択すればよい。

【００１７】金属非磁性体としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃ
ｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、
Ｈｆ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐｂ等及びこれ
らの合金が好ましい。半金属非磁性体としては、ＳｉＯ
₂ 、ＳｉＯ、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｔ
ｉＮ等及びこれらに別の元素を添加したものが好まし
い。

【００１８】非磁性薄膜の厚さは、２００オングストロ
ーム以下が望ましい。一般に膜厚が２００オングストロ
ームを越えると、非磁性薄膜層により抵抗が決まってし
まい、スピンに依存する散乱効果が相対的に小さくなっ
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４オングストローム以下になると、
磁性薄膜層間の磁気相互作用が大きくなりすぎ、又、磁
気的な直接接触状態（ピンホール）の発生が避けられな
いことから、両磁性薄膜の磁化方向の反平行状態が生じ
にくくなる。

【００１９】磁性又は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。

【００２０】本発明の磁気抵抗効果素子において、人工
格子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定すればよいが、
充分な磁気抵抗変化率を得るためには、Ｎを２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、磁
気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。

【００２１】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種類以上の磁性薄膜を用いることによ
り、磁化方向が逆転する外部磁界を２箇所以上設定で
き、動作磁化強度の範囲を拡大することができる。

【００２２】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化
珪素や酸化珪素等の酸化防止膜が設けられてもよく、電
極引出しのための金属導電層が設けられてもよい。

【００２３】

【作用】本発明の磁気抵抗効果膜では、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
とが必須である。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１で示すごとく外部磁場が磁性薄膜の保磁力Ｈ
_{C 2} とＨ_{C 3} の間（Ｈ_{C 2} ＜Ｈ＜Ｈ_{C 3} ）であるとき、
隣合った磁性薄膜の磁化の方向が互いに逆向きになり、
抵抗が増大する。

【００２４】また、異方性磁界Ｈ_{K 2} がＨ_{C 2} より大き
いことが必須である。しかし、Ｈ_K2 がＨ_{C 3} より大き
くなると、磁化の向きの反平行状態が得られなくなるの
で充分な抵抗変化が得られなくなり、好ましくない。

【００２５】ここで、外部磁場、保磁力及び磁化の方向
の関係を説明する。簡素化の為、保磁力の異なった２種
類の磁性薄膜２及び３を非磁性薄膜を介して交互に積層
した場合に限定して説明する。図１に示すように、２種
類の磁性薄膜の保磁力Ｈ_C をそれぞれＨ_{C 2} 及びＨ_{C 3}
（０＜Ｈ_{C 2} ＜Ｈ_{C 3} ）、磁性薄膜２の飽和磁界（また
は見かけ上の飽和磁界）をＨ_{K 2} とする（０＜Ｈ_{C 2} ＜
Ｈ_{K 2} ＜Ｈ_{C 3} ）。最初、外部磁場Ｈを、Ｈ＜−Ｈ_{C M}
（Ｈ_{C M} は、磁性薄膜３の磁化が飽和する外部磁界であ
る。）となるように印加しておく。この状態で磁性薄膜
２及び３の磁化方向は、Ｈと同じ−（負）方向にむいて
いる（Ｉ）。次に外部磁場を弱めていくと−Ｈ_{K 2} ＜Ｈ
＜Ｈ_{K 2} の領域（ＩＩ）では、磁性薄膜２の磁化は連続
的に回転していき、Ｈ_{K 2} ＜Ｈ＜Ｈ_{C 3} の領域（ＩＩ
Ｉ）では、磁性薄膜２が完全に磁化反転し終わり、磁性
薄膜２及び３の磁化方向は互いに逆向きになる。更に外
部磁場を大きくしたＨ_{C 3} ＜Ｈの領域（ＩＶ）では、磁
性薄膜３の磁化も反転し、磁性薄膜２及び３の磁化方向
は＋方向に揃って向く。

【００２６】今度は外部磁場Ｈを減少させるとＨ_{K 2} ＜
Ｈの領域（ＩＶ’）では、磁性薄膜２及び３の磁化方向
は＋方向のままであるが、−Ｈ_{K 2} ＜Ｈ＜Ｈ_{K 2} の領域
（Ｖ）では磁性薄膜２の磁化が連続的に回転し、−Ｈ
_{C 3} ＜Ｈ＜−Ｈ_{K 2} の領域（ＶＩ）では磁性薄膜２の磁
化が回転し終わり、磁性薄膜２及び３の磁化方向は互い
に逆向きになる。Ｈ＜−Ｈ_{C 3} の領域（Ｉ’）では、磁
性薄膜３の磁化も回転し、磁性薄膜２及び３の磁化方向
は一方向に揃って向く。この膜の抵抗は磁性薄膜２及び
３の相対的な磁化方向によって変化し、領域（ＩＩ）及
び（Ｖ）でゼロ磁場前後で直線的に変化し、領域（ＩＩ
Ｉ）及び（ＶＩ）で最大の値（Ｒ_{m a x} ）をとるように
なる。この様子を図３に示す。

【００２７】この膜ではゼロ磁場前後で直線性の良い抵
抗変化が得られるので、バイアス機構の不用な人工格子
磁気抵抗効果膜が得られる。

【００２８】

【実施例】本発明の磁気抵抗効果素子を添付図面を参照
して説明する。図２は、本発明の実施例である人工格子
膜１の断面図である。図２において、人工格子膜１は、
金属薄膜５を形成した基板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 ，Ｎ₂ ，．．．，Ｎ
_{n -2} 、Ｎ_{n - 1} を有する。

【００２９】以下、本発明を具体的な実験結果により説
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^{- 1 0} ｔｏｒｒま
で真空引きを行う。基板温度は室温に保ったまま基板を
回転させながら、金属薄膜５としてクロム薄膜を５０オ
ングストロームの厚さで形成し、次いで以下の組成をも
つ人工格子膜１は、約０．３オングストローム／秒の成
膜速度で成膜を行った。

【００３０】なお、例えば、Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ
（１０）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（１０）／Ｃｕ（５
５）］×５と表示されている場合、基板上にクロム薄膜
を５０オングストロームの厚さで形成した後、１０オン
グストローム厚のＮｉ８０％−Ｆｅ２０％の合金薄膜、
５５オングストローム厚のＣｕ薄膜、１０オングストロ
ーム厚のＣｏ薄膜、及び５５オングストローム厚のＣｕ
薄膜を順次蒸着する工程を５回繰り返したことを意味す
る。

【００３１】磁化の測定は、振動型磁力計により行っ
た。抵抗測定は、試料から０．３×１０ｍｍの形状のサ
ンプルを作製し、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、−５００〜５０００ｅ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
磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒを求めた。抵抗変化率ΔＲ／Ｒ
は、最大抵抗値をＲ_{m a x} 、最小抵抗値をＲ_{m i n} と
し、次式により計算した。

【００３２】

【数１】

【００３３】作製した人工格子は Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ（８）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ
（１０）／Ｃｕ（５５）］×５ Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ（１０）／Ｃｕ（５５）／Ｃ
ｏ（１０）／Ｃｕ（５５）］×５ Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ（１５）／Ｃｕ（５５）／Ｃ
ｏ（１０）／Ｃｕ（５５）］×５ Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃ
ｏ（１０）／Ｃｕ（５５）］×５ である。軟磁性ＮｉＦｅ層が８〜１５オングストローム
厚にした人工格子ではＮｉＦｅ層の異方性磁界Ｈ_K が保
磁力Ｈ_C より大きくなるような軟磁性層が得られる。こ
の人工格子膜のＢ−Ｈ曲線は図４、ＭＲ曲線は図５のよ
うになり、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜が
得られていることがわかる。ＮｉＦｅ層が２５オングス
トローム厚の試料では、ＮｉＦｅ層の異方性磁界Ｈ_K が
保磁力Ｈ_C とほぼ同程度になり、ゼロ磁場前後で直線性
よく抵抗変化する膜にはならなかった。 （実施例２）実施例１と同様に、以下の人工格子を作成
した。Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅ（２０）／Ｃｕ（３
５）／Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（３５）］×５この上に電極
用のＡｕを２４００オングストローム蒸着した。

【００３４】この膜上にレジストを塗布し、さまざまの
ＭＲパターン幅を有するＭＲパターンにドライエッチン
グ装置で微細加工した後、ＭＲセンシング部のＡｕ層を
除去して抵抗測定用試料とした。

【００３５】磁気抵抗測定した人工格子のセンシング部
の大きさは ３×２００μｍ ５×２００μｍ １０×２００μｍ の３種類である。ＭＲパターン幅を１０μｍ以下にした
人工格子では、膜の反磁界、人工格子の各磁性層同士が
静磁結合した影響でＮｉＦｅ層の見かけの異方性磁界Ｈ
K が保磁力ＨC より大きくなる。この人工格子膜のＭＲ
曲線は図６（ａ）〜（ｃ）のようになり、ゼロ磁場前後
で直線性よく抵抗変化する膜が得られていることがわか
る。ＭＲパターン幅が１０μｍ以上の試料では反磁界、
静磁結合の影響が相対的に小さくなり、ＮｉＦｅ層の見
かけ上の異方性磁界Ｈ_K が保磁力Ｈ_C とほぼ同程度とな
り、ゼロ磁場前後で直線性よく抵抗変化する膜にはなら
なかった。

【００３６】

【００３７】異方性磁界Ｈ_K 、保磁力Ｈ_C は、磁性材料
の磁気特性、異方性係数によって変化する。ＮｉＦｅＭ
ｏ材料はＮｉＦｅ材料よりも数段優れた軟磁気特性を示
す。保磁力Ｈ_C はＮＩＦｅ材料よりも良くなり、ＮｉＦ
ｅＭｏ材料では異方性磁界Ｈ_K は保磁力Ｈ_C よりも大き
くなり、Ｃｒ（５０）／［ＮｉＦｅＭｏ（２０）／Ｃｕ
（５５）／Ｃｏ（２０）／Ｃｕ（５５）］×５人工格子
では同じようにゼロ磁場前後で抵抗変化するバイアス機
構の不用な磁気抵抗効果膜が得られることがわかる。

【００３８】

【発明の効果】バイアス機構の不用な信頼性の高い人工
格子磁気抵抗効果膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気抵抗効果膜の作用原理を説明する
Ｂ−Ｈ曲線である。

【図２】本発明の磁気抵抗効果膜の一部省略側面図であ
る。

【図３】本発明の磁気抵抗効果膜の作用原理を説明する
ＭＲ曲線である。

【図４】本発明の磁気抵抗効果膜のＢ−Ｈ曲線である。

【図５】本発明の磁気抵抗効果膜のＭＲ曲線である。

【図６】本発明の磁気抵抗効果膜のＭＲ曲線である。

【符号の説明】

１ 人工格子膜 ４ 基板 ５ 金属薄膜 Ｍ₁ 磁性薄膜 Ｎ₁ 非磁性薄膜

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 43/02 Ｈ０１Ｌ 43/02 Ｚ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に非磁性層を介して積層した複数
   の磁性薄膜からなり、非磁性層を介して隣あう磁性薄膜
   の保磁力が異なる磁気抵抗効果膜において、前記磁気抵
   抗効果膜のパターン幅を１〜１０μｍとすることによ
   り、前記隣あう磁性薄膜の各々の保磁力をＨ_{C 2} ，Ｈ
   _{C 3} （０＜Ｈ_{C 2} ＜Ｈ_{C 3} ）とし、保磁力がＨ_{C 2} の磁
   性薄膜に印加される信号磁界方向の異方性磁界をＨ_{K 2}
   としたとき、Ｈ_{C 2} ＜Ｈ_{K 2} ＜Ｈ_{C 3} であることを特徴
   とする磁気抵抗効果膜。
2. 【請求項２】 基板上に保磁力の異なる複数の磁性薄膜
   を非磁性層を介して積層する請求項１記載の磁気抵抗効
   果膜の製造方法において、保磁力がＨ_{C 2} の磁性薄膜の
   異方性磁界Ｈ_{K 2} としたときＨ_{C 2} ＜Ｈ_{K 2} ＜Ｈ_{C 3} に
   なるようにパターン幅を１〜１０μｍにエッチングする
   ことを特徴とする磁気抵抗効果膜の製造方法。