JP2669595B2 - 粒状多層磁気抵抗センサ - Google Patents

粒状多層磁気抵抗センサ

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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、一般に磁気媒体に記録
された情報信号を読み取るための磁気変換器に関し、詳
しくは、非磁性導電材料のマトリックス中に固定された
個々の強磁性粒子の複数の層が示す巨大磁気抵抗に基づ
く、磁気抵抗読取りセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】高密度で記録されたデータを磁気媒体か
ら読み取るために、磁気抵抗（ＭＲ）センサまたはヘッ
ドと呼ばれる磁気読取りセンサを利用することは、従来
の技術で周知である。ＭＲセンサは、磁性材料でできた
読取り素子によって感知される磁束の強さと方向の関数
としての読取り素子の抵抗の変化によって、磁界信号を
検出する。従来技術のＭＲセンサは、異方性磁気抵抗
（ＡＭＲ）効果に基づいて動作する。このＡＭＲ効果に
おいては、読取り素子の抵抗への一成分が、磁化方向と
読取り素子中を通る感知電流の方向との間の角度の余弦
の２乗（ｃｏｓ2）として変化する。ＡＭＲ効果のさら
に詳細な説明は、Ｄ．Ａ．トムソン（Thompson）の論
文"Memory, Storage, and Related Applications", Ｉ
ＥＥＥ Trans.Mag.MAG-11,p.1039(1975)に出ている。
【０００３】米国特許第４８９６２３５号は、非磁性層
で分離された第１及び第２の磁性層を含み、少なくとも
一方の磁性層がＡＭＲ効果を示す材料でできている、Ａ
ＭＲを利用した多層磁気センサを開示している。各磁性
層中の磁化容易軸は印加された磁気信号に垂直にセット
され、このためにＭＲセンサ・素子のセンサ電流は、磁
性層中に磁化容易軸に平行な磁界を提供し、こうしてセ
ンサ中のバルクハウゼン・ノイズが除去されまたは最小
になる。Ｈ．スヤマ他の論文"Thin Film MR Head for H
igh Density Rigid Disk Drive"，ＩＥＥＥ Trans.Ma
g.,Vol.24,No.6,1988(pp.2612-2614)は、前記の米国特
許第４８９６２３５号に開示されたものと類似した多層
ＭＲセンサを開示している。
【０００４】層状磁気センサの抵抗の変化が、強磁性層
を分離する非磁性層を介した強磁性層間での伝導電子の
スピン依存性移動、及び層境界面におけるそれに伴うス
ピン依存性散乱に帰される、第２の異なるさらに顕著な
磁気抵抗効果も記述されている。この磁気抵抗効果は
「巨大磁気抵抗」効果または「スピン・バルブ」効果
と、様々な名前で呼ばれる。適当な材料で作られたこの
ような磁気抵抗センサは、改善された感度と、ＡＭＲ効
果を利用するセンサで観察されるより大きな抵抗変化を
もたらす。この形式のＭＲセンサでは、非磁性層によっ
て分離された一対の強磁性層の間の平面内抵抗が、２枚
の層における磁化方向の間の角度の余弦（ｃｏｓ）とし
て変化する。
【０００５】米国特許第４９４９０３９号は、磁性層に
おける磁化の逆平行整列に起因する強化されたＭＲ効果
をもたらす、層状磁気構造を記載している。層状構造に
使用可能な材料として強磁性遷移金属と合金が挙げられ
ているが、すぐれたＭＲ信号振幅のために好ましい材料
はリストに示されていない。さらに前記特許は、隣接す
る強磁性材料層が薄いＣｒまたはＹの中間層によって分
離されている、反平行アラインメントを得るための、反
強磁性型交換カップリングの使用を記載している。
【０００６】１９９０年１２月１１日に出願された米国
特許出願第０７／６２５３４３号は、２つの非結合強磁
性層の間の抵抗がこれら２層の磁化方向間角度の余弦と
して変化することが観察され、センサ中を通る電流の方
向には無関係である、ＭＲセンサを開示している。この
機構は、スピン・バルブ効果に基づき、材料の選択され
た組合せではＡＭＲより強度が大きい、磁気抵抗を生成
する。
【０００７】米国特許第５１５９５１３号は、上記の効
果に基づくＭＲセンサを開示している。このセンサは、
１つの非磁性金属材料薄膜層で分離された２つの強磁性
材料薄膜層を含み、強磁性層の少なくとも一方がコバル
トまたはコバルト合金でできている。一方の強磁性層の
磁化方向が、反強磁性層への交換結合によって、外部か
ら加えられる磁界がゼロのとき、他方の強磁性層の磁化
方向に対して垂直に維持される。
【０００８】上記の米国特許及び特許出願に記載された
スピン・バルブ構造は、２つの強磁性層のうちの一方の
磁化方向が選択された配向に固定すなわち「ピン留め」
され、その結果、無信号条件の下で他方の強磁性層中の
磁化方向が、ピン留めされた層の磁化方向に垂直に向く
ことを必要とする。さらに、ＡＭＲ構造とスピン・バル
ブ構造のどちらでも、バルクハウゼン・ノイズを最小に
するために、縦バイアス磁界を加えて、少なくとも読取
り素子の感知素子部分を単磁区状態に維持するこが必要
である。したがって、磁化方向を固定し、かつ縦バイア
ス磁界を提供する手段が必要である。たとえば、上記の
特許出願及び特許に記載されているように、交換結合さ
れたバイアス磁界を提供するために、追加の反強磁性材
料層を強磁性層と接触させて形成することができる。別
法として、隣接する硬磁性層を利用して強磁性層用のハ
ード・バイアスを提供することもできる。
【０００９】さらに最近になって、非磁性金属マトリク
ス中に埋め込まれた強磁性粒子の単層及び多層不均質膜
で、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）が観察されている。ＧＭＲ
は、コバルト・銅（Ｃｏ−Ｃｕ）、コバルト・銀（Ｃｏ
−Ａｇ）、ニッケル−鉄−銀（ＮｉＦｅ−Ａｇ）などの
不均質な単層合金系で報告されている。たとえば、ジョ
ン・Ｑ．シャオ（John Q. Xiao）他の論文"GIANT MAGNE
TORESISTANCE IN NONMAGNETIC MAGNETIC SYSTEMS", PHY
SICAL REVIEW LETTERS, Vol.68、No.25、pp.3749-3752(19
92年6月22日)、Ａ．Ｅ．バーコヴィッツ（Berkowitz）
他の論文"GIANTMAGNETORESISTANCE IN HETEROGENEOUS C
U-CO ALLOYS", PHYSICAL REVIEW LETTERS,Vol.68、No.2
5、pp.3745-3748(1992年6月22日)、Ｊ．Ａ．バーナード
（Barnard）他の論文"'GIANT' MAGNETORESISTANCE OBSE
RVED IN SINGLE LAYER CO-AG ALLOY FILMS", Letter to
the Editor, JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MAT
ERIALS, 114(1992年)、pp.L230-L234、及びＪ．ジャイン
（Jaing）他の"APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.61、p.23
62(1992年）所載の論文を参照のこと。Ｃｏ合金は、低
温で非混和性の材料である。しかし、準安定合金をアニ
ールすると、ＣｕまたはＡｇのマトリクス中に細かいＣ
ｏの析出物すなわち「粒」が形成される。ＭＲ効果は平
均粒子径に反比例するようである。この「粒状」合金
は、より複雑な多層状スピン・バルブ・センサとは対称
的に、単一膜だけを有するＧＭＲセンサを達成するため
の魅力的な方法であるが、Ｃｏ合金は、数千エルステッ
ド（Ｏｅ）の飽和磁界を必要とし、低磁界ＭＲセンサの
適用には有用ではないようである。最近報告されたＡｇ
マトリクス中の粒状ＮｉＦｅに関する研究は、ＭＲのピ
ークの半値幅が約４００Ｏｅであり、室温で１０％のＭ
Ｒ（（ΔＲ）／Ｒ）をもたらした。Ａｇマトリクス中の
アニールしたＮｉＦｅ多層に関するさらに最近の研究
は、飽和磁界が約１００Ｏｅであり室温で約１７％のＭ
Ｒを示す、粒状多層構造をもたらした。Ｂ．ロドマック
（Rodmacq）他の論文"MAGNETORESISTIVE PROPERTIES AN
D THERMAL STABILITY OF NI-FE/AG MULTILAYERS", Lett
er to the Editor, JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETI
C MATERIALS,118(1993年)、pp.L11-L16を参照のこと。
単層および多層ＮｉＦｅ合金の飽和磁界はＣｏ合金につ
いて報告された値より低いが、それでもＭＲ装置に有用
な範囲（約１０Ｏｅまたはそれ以下）より高い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
主目的は、粒状多層構造中のＧＭＲ効果に基づく低磁界
ＭＲ磁気センサを提供することである。
【００１１】本発明の他の目的は、１つまたは複数の強
磁性層中で磁化配向を固定するための追加の構造手段を
提供する必要も、また磁界感知素子用の縦バイアス磁界
を提供する必要もない、ＭＲセンサを提供することであ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的及び利点は、
本発明の原理によって達成される。この原理では、粒状
多層感知素子を備えるＭＲ読取りセンサが、適当な基板
上に形成された層状構造を備え、この構造が磁気抵抗感
知素子を含み、この磁気抵抗感知素子が強磁性材料の複
数のプレート状またはディスク状粒子層またはアイラン
ドを備え、これらの粒子層またはアイランドは非磁性の
導電性材料中に埋め込まれ、また粒状多層感知素子が、
所望の無信号点で磁気抵抗感知素子をバイアスさせるた
めの磁界を提供するバイアス層を含み、このバイアス層
が磁気抵抗感知素子からその間に配置された非磁性スペ
ーサ層によって分離されている。強磁性材料と非磁性材
料は、２つの材料が互いに非混和性であるように選択す
る。別法として、磁性材料と非磁性材料が、相互拡散を
制限するために制御された方式で処理される平衡状態の
下で、混和性または部分的に混和性にすることもでき
る。磁気抵抗感知素子は、バイアス層及びスペーサ層を
覆って基板上に強磁性材料層と非磁性導電材料層を交互
に付着することによって形成される。付着が完了する
と、多層磁気抵抗感知素子をアニールする。強磁性層の
上と下にある非混和性の非磁性材料層が結晶粒界で貫通
し、強磁性層の連続性を壊して、非磁性材料のマトリク
ス中に埋め込まれた強磁性粒子の層または平面を形成す
るので、アニール・サイクル中に強磁性層は平らなプレ
ート状粒子に分解される。この構造をさらに印加磁界の
存在下でアニールして、磁気抵抗感知素子の好ましい磁
化軸すなわち磁化容易軸を隣接記憶媒体上のデータ・ト
ラックの幅に平行に向ける。各強磁性粒子層は、磁気モ
ーメントがランダムに配向された磁区の集まりとして挙
動する。磁界が粒子層の平面に印加されるとき、磁気モ
ーメントは印加磁界に平行に整列して、磁気抵抗感知素
子の抵抗率を低下させる。電流源がＭＲセンサに感知電
流を供給し、ＭＲセンサが、感知される印加外部磁界の
関数としての強磁性粒子層中の磁気モーメントの回転に
よる、ＭＲセンサの抵抗の変化に比例する感知素子両端
間の電圧低下を発生する。
【００１３】したがって本発明は、磁気抵抗感知素子が
複数の磁区を構成し、磁区中で個々の磁気モーメントが
印加された磁気信号に応答して回転する、ＭＲセンサを
提供する。応答は限られた磁壁の動きを伴う磁気モーメ
ントの回転の結果なので、バルクハウゼン・ノイズを最
小にするための縦バイアス磁界が不必要となる。
【００１４】上述の原理及び作用を実現するための構造
は、非磁性の導電性材料中に埋め込まれた強磁性材料の
偏平粒子の層を少なくとも１つ含む磁気抵抗感知素子を
備える粒状多層磁気抵抗センサであって、前記偏平粒子
の偏平な面が、前記強磁性材料の層の面に沿うように配
列されることを特徴とする、粒状多層磁気抵抗センサで
ある。本発明の上記その他の目的、特徴、及び利点は、
添付図面を参照した以下の本発明の実施例の詳細な説明
から明らかとなろう。これらの図面で同じ参照番号は同
じ部品を指す。
【００１５】
【実施例】図１を参照すると、本発明は図１に示すよう
に磁気ディスク記憶システムで実施したものとして説明
するが、本発明がたとえば磁気テープ記録システムなど
他の磁気記録システム、またはセンサを利用して磁界を
検出する他の応用例にも適用できることは明らかであろ
う。磁気ディスク記憶システムは、少なくとも１つの回
転可能な磁気ディスク１２を備え、この磁気ディスク１
２はスピンドル１４上に支持され、ディスク駆動モータ
１８によって回転され、少なくとも１つのスライダ１３
がディスク１２上に位置し、各スライダ１３は、一般に
読取り／書込みヘッドと呼ばれる１つまたは複数の磁気
読取り／書込み変換器２１を支持する。各ディスク上の
磁気記録媒体は、ディスク１２上の同心データ・トラッ
ク（図示せず）の環状パターンの形を呈する。ディスク
が回転すると、スライダ１３はディスク表面２２上を半
径方向に内外に動き、その結果、ヘッド２１が所望のデ
ータが記録されたディスクの異なる部分にアクセスでき
るようになる。各スライダ１３は、サスペンション１５
によってアクチュエータ・アーム１９に取り付けられて
いる。サスペンション１５は、スライダ１３をディスク
表面２２に対してバイアスさせる僅かなばね力を提供す
る。各アクチュエータ・アーム１９はアクチュエータ手
段２７に取り付けられている。アクチュエータ手段２７
は、図１に示すように例えばボイス・コイル・モータ
（ＶＣＭ）でよい。ＶＣＭは、固定磁界内で移動可能な
１つのコイルを含み、このコイルの運動の方向と速度
は、制御装置によって供給されるモータ電流信号によっ
て制御される。
【００１６】ディスク記憶システムの動作中に、ディス
ク１２の回転によって、スライダ１３とディスク表面２
２の間にエア・ベアリングが発生し、これがスライダ上
に上向きの力すなわち揚力をかける。したがってエア・
ベアリングは、サスペンション１５の僅かなばね力と釣
り合い、動作中にスライダ１３をディスク表面から実質
的に一定の小さな間隔だけ離して僅か上方に支持する。
【００１７】ディスク記憶システムの様々な構成要素
は、動作中、アクセス制御信号や内部クロック信号な
ど、制御装置２９が発生する信号によって制御される。
一般に、制御装置２９はたとえば、論理制御回路、記憶
手段、及びマイクロプロセッサを備える。制御装置２９
は、線２３上の駆動モータ制御信号や線２８上のヘッド
位置／シーク制御信号など種々のシステム動作を制御す
るための制御信号を発生させる。線２８上の制御信号
は、選択されたスライダ１３を最適に動かして関連する
ディスク１２上の所望のデータ・トラックに位置決めす
るための、所望の電流プロファイルを提供する。読取り
信号及び書込み信号は、記録チャネル２５によって読取
り／書込みヘッド２１との間でやり取りされる。
【００１８】典型的な磁気ディスク記憶システムに関す
る上記の説明、及び図１の添付図は、例示のためのもの
にすぎない。ディスク記憶システムは多数のディスク及
びアクチュエータを含むことができ、各アクチュエータ
が多数のスライダを支持することができることは明らか
である。
【００１９】図２、３、４を参照すると、図２は、導電
性材料の非磁性マトリクス３３中に懸垂されまたは埋め
込まれた、全般的に平らなまたは偏円状の「パンケー
キ」状または円盤状の粒子またはアイランド３１の層を
備える、粒状多層磁気構造３０を示す斜視図である。図
３に示すように、強磁性材料層３５と非磁性導電材料層
３７とが交互に付着された多層構造３４が、スパッタ付
着などによって準備され、個々の層の厚さはたとえば水
晶モニタによって制御される。磁性材料と非磁性材料
は、２つの材料が混和性を示さないように選択する。別
法として、磁性材料と非磁性材料が、相互拡散を制限す
るために制御された方法で処理される平衡状態の下で、
混和性または部分的混和性にすることもできる。付着の
後に多層構造３４をアニールする。アニール工程中に、
磁性層３５の上と下にある非混和性の層３７が結晶粒界
を貫通し、磁性層３５の連続性を壊し、したがって非磁
性材料のマトリクス３３中に埋め込まれた磁性粒子３１
の層または平面を形成するので、磁性層３５は平らなプ
レート状の粒子３１に分解される。
【００２０】めっき、イオン付着、蒸着、またはペース
トその他の機械的方法など、その他の付着工程または薄
膜形成工程も使用できる。さらに、付着工程の完了後に
アニール工程を実施する必要はない。付着は、所望の粒
状磁気構造を達成するために、高温でまたは加熱した基
板上で行ってもよい。
【００２１】磁性粒子３１間の間隔がマトリクス材料中
の伝導電子の平均自由行程に匹敵し、好ましくは電子の
平均自由行程より小さい場合には、粒子構造３０中で大
きなＭＲ効果が得られる。上記の周知の磁性／非磁性多
層スピン・バルブ系の場合と同様に、粒状多層構造３０
中で観察されるＭＲの起源は、主として磁性領域間また
は粒子３１間でマトリクスを横切る伝導電子のスピン依
存性散乱によるものと考えられる。大きな粒子は複数の
磁気モーメントを含むことがあることは認識されている
が、分析では、平らな粒子３１がそれぞれ、図４に示す
ように単一の磁気モーメントまたは磁区を構成するかの
ように挙動すると想定することができる。粒子３１の磁
気モーメントがランダムに配向する場合、粒子から粒子
へのスピン依存性散乱が増大し、その結果、構造３０の
抵抗率が比較的高くなる。粒子３１の磁気モーメントが
層から層へ反平行に配向するとき、最高の抵抗率が観察
される。一方、粒子３１の磁気モーメントが平行な配向
に整列した場合は、抵抗は比較的低い値に減少する。静
磁気結合及び交換結合がマトリクス内の粒子間に存在す
ることが認識されているが、観察されるＭＲが粒子３１
のサイズ、形状、及び異方性に強く依存することを示す
には、粒子間の相互作用を無視した単一粒子モデル分析
で十分である。
【００２２】平らなプレート状磁性粒子の配向した集ま
りは、球形磁性粒子の同様の集まりよりはるかに分極し
やすい、すなわち整列しやすいことを示すことができ
る。さらに、幅と厚さの比が高いため、粒子モーメント
の整列に必要な磁界に対する形状異方性の影響が減少す
る。たとえば、厚さ３０オングストローム（Å）のプレ
ートでは、約５００Åの長軸寸法が必要である。この粒
子サイズは、上記の文献に報告された大きなＭＲ値（及
びそれに付随する大きな飽和磁界の値）を有する４０Å
の粒子サイズと比較するとかなり大きい。
【００２３】引き続き図４を参照すると、磁気記録媒体
表面（図示せず）上に画定されたデータ・トラック４４
に対して感知可能な位置関係で配置されたＭＲセンサ４
０の概念図が示されている。ＭＲセンサ４０は、ＭＲ感
知素子４１と、非磁性スペーサ層４３によってＭＲ感知
素子４１から分離されたバイアス層４５とを含み、導線
４９によって電流源（図示せず）に接続されて、ＭＲセ
ンサ４１に感知電流Ｉを供給する。ＭＲ感知素子４１は
図２と図３に関して前述した粒状多層磁気構造であり、
金属製導電性マトリクス３３中に多数のプレート状粒子
３１の層または平面を含んでいる。粒子３１の磁気モー
メントは部分的に、矢印４７で示すように誘導異方軸に
沿って配向されることがある。この異方軸は、当技術分
野で周知のように、所望の異方軸の方向の磁界の存在下
での第２のアニール・サイクルによって、ＭＲ感知素子
４１中に誘導される。バイアス層４５によって提供され
るバイアス磁界が、粒子３１のモーメントを所望の方向
にさらに整列させて、ＭＲセンサの動作点が応答特性の
直線部分になるように調整する。ＭＲセンサ４０はサス
ペンション装置（図示せず）によってデータ・トラック
４４の上に吊されており、したがって、データ遷移４６
における磁界Ｈが感知素子４１の平面内で印加される。
磁界Ｈがさえぎられると、磁気モーメントが回転して印
加磁界Ｈと整列し、その結果、感知素子４１中の抵抗率
が低下する。限られた磁壁の動きで磁性粒子の磁化の回
転が起こるので、感知素子のための縦バイアス磁界は必
要でない。
【００２４】次に図５及び図６も参照すると、Ａｇ（ｙ
／２）／［ＮｉＦｅ（ｘ）／Ａｇ（ｙ）］n-1／ＮｉＦ
ｅ（ｘ／２）／Ａｇ（ｙ／２）の形を有する、強磁性材
料層５１が非磁性導電材料層５３と交互に付着された多
層構造５０が、酸化されたシリコン（Ｓｉ）基板５４上
のＴａ下層５５の上に付着されている。厚さ１００Ａの
Ｔａキャップ層５７がアニール工程中の酸化を最小限に
抑える。アニール工程によって、磁性層５１の粒界５６
において非磁性材料Ａｇ層５３上での貫通が促進され、
磁性層中に不連続部を生成して、平らなアイランド状粒
子５９の平面を提供する。したがって、各磁性材料層は
複数磁区または粒子状態に分解される。磁性層内では、
磁性材料層が不連続であるかぎり、粒子間隔は、この間
隔が非磁性材料中の伝導電子の平均自由行程より小さい
ならば、この構造について観察される磁気抵抗に強い影
響を与えないようである。特に磁性層５１中の不連続部
が構造中の層から層へと列状に配列される場合には、こ
の不連続部は、反強磁性配列を強力に助長する中間層の
静磁気的相互作用を促進する。
【００２５】アニール前には、どの構造中にも顕著なＭ
Ｒは観察されなかった。図６に示すように、Ａｇ（２０
Å）／［ＮｉＦｅ（２０Å）／Ａｇ（４０Å）］4／Ｎ
ｉＦｅ（２０Å）／Ａｇ（２０Å）の形のＮｉＦｅの５
つの層を有する構造では、アニール後にＭＲが発達し
て、一般に５〜６％の大きさとなる。印加磁界は構造の
平面内にあり、感知電流に垂直である。矢印５８は磁界
の傾斜方向を示す。一般に、付着したままの構造の抵抗
は３００〜４００℃範囲のどの温度でアニールした後で
も約１５％低下し、アニールされたどの構造でも抵抗に
大きな差はない。磁界を感知電流の方向に平行に印加し
た場合と垂直に印加した場合でＭＲの大きさに差が出る
ことは、アニールしない構造でもアニールした構造で
も、持続的なＡＭＲ効果の大きさが約０．３〜０．５％
であることを示している。図６に示す構造では、３３５
℃でのアニール後に、半値幅２２エルステッドで５．３
４％の最大ＭＲが観測されている。３１５℃でアニール
を行ったときは、ＭＲの最大値は下がるが、半値幅約５
エルステッドで単位磁界当たり抵抗変化が最大の、０．
８％／Ｏｅが観測された。
【００２６】次に図７及び図８も参照すると、図７は、
酸化したＳｉ基板上にスパッタ付着し３１０℃でアニー
ルしたＮｉＦｅ（２０Å）／Ａｇ（４０Å）の３つの二
層構造を含む粒状多層構造３０（図２に示す）につい
て、観測されたＭＲを印加磁界の関数として示す図であ
る。この構造のＭＲは、印加磁界における構造の抵抗率
Ｒ（Ｈ）から２００Ｏｅの印加磁界における構造の抵抗
率Ｒ（ＭＩＮ）を引いた値と、Ｒ（ＭＩＮ）の比として
定義される。この構造は、磁化困難軸に沿って磁界を印
加した場合に約１０Ｏｅの半値幅を有する曲線５２で、
約３．０％というＭＲの最大値を示す。同様にこの構造
は、磁化容易軸に沿って磁界を印加した場合に約７Ｏｅ
の半値幅を有する曲線５４で、約２．７％というＭＲの
最大値を示す。図８は、酸化したＳｉ基板上にＮｉＦｅ
（２０Å）／Ａｇ（３５Å）の５つの二層構造を含み、
３１５℃でアニールした粒状多層構造３０について観察
されたＭＲを示す図である。この構造は、４．７５Ｏｅ
の半値幅と０．７１％／Ｏｅの勾配を有するＭＲ曲線
で、約３．４％のＭＲ最大値を示す。
【００２７】次に図９〜図１２も参照すると、粒状多層
構造３０について得られるＭＲの値は、強磁性層及び非
磁性層として選択した材料のほかに、いくつかの要素に
も依存する。たとえば、強磁性／非磁性層二層構造の
数、強磁性層の厚さ、非磁性層の厚さ、及び構造３０を
アニールした温度がすべて、特定の構造について得られ
るＭＲ特性に影響する。図９は、酸化したＳｉ基板上に
付着したＡｇ（ｔxÅ）／ＮｉＦｅ（２０Å）の５つの
二層構造を含む粒状構造について、ＭＲ値とアニール温
度の関係を非磁性層の厚さの関数として示した図であ
る。一般に、非磁性層が所与の厚さの場合のＭＲ最大値
は、約３３５℃のアニール温度で得られ、得られるＭＲ
最大値は、非磁性層（Ａｇ）の厚さが３５Åの場合、約
５．３％である。図１０は、酸化したＳｉ基板上に付着
したＡｇ（４０Å）／ＮｉＦｅ（ｔxÅ）の５つの二層
構造を含む粒状構造３０について、ＭＲ値とアニール温
度の関係を強磁性層の厚さの関数として示した図であ
る。一般に、所与の厚さでのＭＲ最大値は、アニール温
度が３１５〜３３５℃の範囲にあるときに得られ、得ら
れたＭＲ最大値は、３３５℃で強磁性層（ＮｉＦｅ）の
厚さが２０Åの場合、約５．３％と観測された。図１１
は、酸化したＳｉ基板上に付着したＮｉＦｅ（２０Å）
／Ａｇ（４０Å）の複数の二層構造を含む粒状構造につ
いて、ＭＲ値と強磁性／非磁性の二層構造の数の関係を
示す図である。この関数は、Ａｇ層の上に付着された単
一の二層構造における約０．２％という比較的低いＭＲ
値から始まり、５つの二層構造における約５．３％まで
急激に増加し、その後は次第に平坦になり、１０個の二
層構造で６．１％の値に達する。二層構造は、２〜３個
ないし１０個の範囲であると好ましい。単一の二層構造
を持つ構造で観察された低いＭＲ値は、複数の二層構造
で観察された比較的高いＭＲ値より低いが、これは、伝
導電子発生の起源である層の上と下にある層中の粒子３
１における伝導電子の散乱が、同じ層内での粒子３１に
おける散乱よりはるかに大きいことを示しているようで
ある。図１２は、酸化したＳｉ基板上に付着したＮｉＦ
ｅ（２０Å）／Ａｇ（４０Å）の５つの二層構造を含む
粒状構造３０について、ＭＲ値と印加用磁界の関係をア
ニール温度の関数として示した図である。図９及び図１
０に示す曲線から予想されるように、約５．３％のＭＲ
最大値６１はアニール温度が３３５℃のときに観察され
る。しかし、３０５℃のアニール温度では、観察される
ＭＲ最大値は３．２％と低いが、半値幅が５Ｏｅ以下の
非常に尖った曲線６３ができる。
【００２８】次に図１３は、本発明の原理に従った１つ
の粒状多層感知素子を組み込んだＭＲ磁気センサを示
す。ＭＲセンサ７０は、適当な磁性材料のバイアス層７
５、非磁性スペーサすなわち絶縁層７７、及び適当な基
板７１上に付着された粒状ＭＲ感知層７９を含む。基板
は、ＭＲセンサを構成する後続層用の支持体または担体
として機能する主表面７２を提供する。基板７１は、ガ
ラス、サファイヤ、石英、酸化マグネシウム、シリコ
ン、二酸化ケイ素、またはその他の適当な材料のどれで
もよい。下層７３をまず基板表面７２に付着する。下層
７３の目的は、後続の層７５、７７及び７９の構造、粒
径、及び形態を最適化することである。下層７３は、電
流の分路効果が最小になるように高い抵抗率を持たなけ
ればならない。一般に、たとえばタンタル（Ｔａ）、ル
テニウム（Ｒｕ）、酸化アルミニウムなどの非磁性高抵
抗率材料が適当な材料である。
【００２９】粒状ＭＲ感知層７９は、図２、３、４に関
して述べたように、非磁性導電マトリクス３３中に埋め
込んだまたは懸垂させた平らなプレート状磁性粒子の層
３１を複数含む。粒状構造は、薄い非磁性材料層と薄い
強磁性材料層とを交互に付着させ、次いで約１００ない
し５００℃の範囲内の温度で構造をアニールして形成し
た、複数の強磁性／非磁性二層構造からできている。粒
状ＭＲ感知層７９は５つまたは６つの二層構造を含むこ
とが好ましいが、ＭＲセンサでの使用に適したＭＲ値
は、３つまたはそれ以上という少ない二層構造で得るこ
とができる。アニール・サイクルの前に付着されるの
で、強磁性層の厚さは約１０〜３０Åの範囲であり、非
磁性層の厚さは約１０〜５０Åの範囲である。強磁性層
はＮｉＦｅであることが好ましいが、例えば、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｆｅ、及びＮｉまたはＦｅまたはＣｏまたはＮｉＦ
ｅをベースとする強磁性合金（例えばＮｉ−Ｆｅ−Ｃ
ｏ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｐｂ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ａｇ等）など、適
当な強磁性材料なら何でもよい。マトリクス３３は非磁
性の導電材料であり、材料中で伝導電子の平均自由行程
が長くなる、すなわち非磁性導電層の厚さが伝導電子の
平均自由行程長より小さくなるものでなければならな
い。さらに、強磁性材料とマトリクス材料は互いに非混
和性である。別法として、磁性材料と非磁性材料は、平
衡条件の下では混和性または部分的に混和性にすること
ができ、相互拡散を制限するように制御された方式で処
理することができる。マトリクス材料はＡｇであること
が好ましいが、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｕ、及びその他の導電性
金属や合金からなる群から選択してもよい。適当な半導
体、導電性酸化物、及び金属間化合物も潜在的候補とな
りうる材料を提供する。
【００３０】強磁性材料を適当な材料と合金化して、ア
ニール・サイクル中に層の粒子への分解を強化すること
ができる。例えば、ＮｉＦｅに１〜２０重量％のＡｇま
たは０．１〜２０重量％の鉛（Ｐｂ）を加えて合金にす
ることにより、Ａｇマトリクス中でのＮｉＦｅの分解が
強化される。例えば、Ｎｉ−ＰｂとＦｅ−Ｐｂは相互可
溶性が非常に小さいので、Ｐｂは処理中にＮｉＦｅ粒界
で濃縮し、したがってＮｉＦｅの分解を促進し、より低
い処理温度の使用が可能になる。より低い処理温度でＮ
ｉＦｅＰｂを使用すると、ＮｉＦｅとの可溶性の度合い
が高温より低温で小さいＣｕなどの他の材料が、マトリ
クス材料として使用できるようになる。
【００３１】バイアス層７５は、センサの線形応答を提
供するためのバイアス磁界をＭＲ感知層７９に与える。
バイアス層は、例えばＣｏＰｔやＣｏＰｔＣｒなどの硬
磁性材料（ハード・バイアス）、または例えばＮｉＦｅ
やＮｉＦｅＲｈなどの軟磁性材料（ソフト・バイアス）
でもよい。スペーサ層７７は、バイアス層７５をＭＲ感
知層７９から磁気的に減結合し、ＭＲ感知層の構造、粒
径、及び形態を最適にする働きをする。スペーサ層７７
は、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｈｆ、または所望の結晶構
造を有する他の適当な材料などの、非磁性で高抵抗率の
材料とすべきである。
【００３２】ＭＲセンサ７０の好ましい実施例は、３１
５℃でアニールしたＮｉＦｅ（２０Å）／Ａｇ（３５
Å）の５つの二層構造から成る粒状ＭＲ感知層７９と、
Ａｌ2Ｏ3の下層７３上に付着され、厚さ約５０ÅのＴａ
スペーサ層７７によってＭＲ感知層７９から分離され
た、ＮｉＦｅ軟磁性バイアス層７５とを含む。センサ７
０は、当技術分野では周知のように、スパッタ付着また
はその他の適当な付着方法によってセラミック基板７１
の上に付着される。下層７３の厚さは５０〜１００Åの
範囲にあることが好ましく、ＮｉＦｅ軟磁性バイアス層
７５の厚さは１００Åである。センサ７０の対向する両
端部に形成されたＣｕ、またはＡｇやＡｕなど他の適当
な材料による導線端子８１が、センサをリード導線８７
を介して電流源８５及び信号感知回路８３に接続する。
電流源８５はＭＲセンサ７０に感知電流を供給し、ＭＲ
センサ７０は、（例えば図４に関して前述したように）
外部磁界が印加されたときにＭＲ感知素子７９の抵抗の
変化を感知する。また例えばＴａやＺｒなどの高抵抗率
材料のキャップ層（図示せず）を、ＭＲセンサ７０上に
付着することができる。
【００３３】本発明を、その好ましい実施例に関して具
体的に図示し説明したが、本発明の趣旨、範囲、及び教
示を逸脱することなく、形状及び詳細に様々な変更を加
えることができることが、当業者には理解できよう。例
えば、実施例には無遮蔽のデバイスとして記述したが、
本発明のＭＲセンサは遮蔽または磁束誘導された構造に
も同等に適用できる。したがって、ここに開示する本発
明は、単に例示的なものにすぎないと見なすべきであ
る。
【００３４】
【発明の効果】本発明によって、粒状多層構造中でＧＭ
Ｒ効果に基づく低磁界ＭＲ磁気センサが提供され、ま
た、１つまたは複数の強磁性層中に磁化配向を固定する
ための追加の構造手段を提供する必要も、磁界感知素子
用の縦バイアス磁界を提供する必要もない、ＭＲセンサ
が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する磁気ディスク記憶システム
の、簡略化したブロック図である。
【図２】本発明の原理による粒状多層磁気抵抗感知素子
に関する好ましい実施例の斜視図である。
【図３】アニール工程前の、図２に示した多層感知素子
を示す断面図である。
【図４】個々の磁区の配向を図示する、アニール後の図
２の多層感知素子の斜視図である。
【図５】図２に示した多層感知素子のアニール後の特定
の実施例を示す断面図である。
【図６】図２に示した多層感知素子の特定の実施例につ
いて、磁気抵抗と印加磁界の関係をアニール温度の関数
として図示したグラフである。
【図７】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実施
例について、磁気抵抗と印加磁界の関係を図示したグラ
フである。
【図８】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実施
例について、磁気抵抗と印加磁界の関係を図示したグラ
フである。
【図９】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実施
例について、磁気抵抗とアニール温度の関係を銀層の厚
さの関数として図示したグラフである。
【図１０】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実
施例について、磁気抵抗とアニール温度の関係をニッケ
ル鉄層の厚さの関数として図示したグラフである。
【図１１】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実
施例について、磁気抵抗と二層構造の数の関係を図示し
たグラフである。
【図１２】図２に示した磁気抵抗感知素子の好ましい実
施例について、磁気抵抗と印加磁界の関係をアニール温
度の関数として図示したグラフである。
【図１３】本発明の原理による磁気抵抗感知素子の、好
ましい実施例の断面図である。
【符号の説明】
３０ 粒状多層磁気構造 ３１ 磁性粒子（アイランド） ３３ 非磁性マトリクス ３４ 多層構造 ３５ 強磁性材料層 ３７ 非磁性導電材料層 ４０ ＭＲセンサ ４１ ＭＲ感知素子 ４３ 非磁性スペーサ層 ４４ データ・トラック ４５ バイアス層 ４６ データ遷移部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームズ・ケント・ハワード アメリカ合衆国95037 カリフォルニア 州モーガン・ヒル カサ・グランデ2705 (72)発明者 トッド・レーニエ・ヒルトン アメリカ合衆国95123 カリフォルニア 州サンノゼ キュリー・ドライブ452 (72)発明者 マイケル・アンドリュー・パーカー アメリカ合衆国94538 カリフォルニア 州フレモント クリーブランド・プレイ ス5521 (56)参考文献 特開 平６−97534（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−140687（ＪＰ，Ａ)

Claims (36)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】非磁性の導電性材料中に埋め込まれた強磁
    性材料の偏平粒子の層を少なくとも１つ含む磁気抵抗感
    知素子を備える粒状多層磁気抵抗センサであって、 前記偏平粒子の偏平な面が、前記強磁性材料の層の面に
    沿うように配列されることを特徴とする、粒状多層磁気
    抵抗センサ。
  2. 【請求項２】前記強磁性材料と前記非磁性材料が互いに
    非混和性であることを特徴とする、請求項１に記載の粒
    状多層磁気抵抗センサ。
  3. 【請求項３】前記磁気抵抗感知素子にバイアス磁界を提
    供するための磁性材料のバイアス層と、 前記バイアス層と前記磁気抵抗感知素子との間に配置さ
    れて、前記バイアス層を前記磁気抵抗感知素子から磁気
    的に減結合する、非磁性材料のスペーサ層を含む、請求
    項１に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  4. 【請求項４】前記磁気抵抗感知素子は、３ないし１０層
    の前記強磁性材料の層を有することを特徴とする、請求
    項１に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  5. 【請求項５】前記強磁性材料が、鉄、コバルト、ニッケ
    ル、ニッケル鉄、及び鉄、コバルト、ニッケルまたはニ
    ッケル鉄をベースとした強磁性合金からなる群から選択
    されることを特徴とする、請求項１に記載の粒状多層磁
    気抵抗センサ。
  6. 【請求項６】前記強磁性材料がニッケル及び鉄を含むこ
    とを特徴とする、請求項５に記載の粒状多層磁気抵抗セ
    ンサ。
  7. 【請求項７】前記強磁性材料の偏平粒子がニッケル鉄ま
    たはニッケル−鉄−コバルトから成ることを特徴とす
    る、請求項５に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  8. 【請求項８】前記強磁性材料の偏平粒子が０．１〜２０
    重量％の範囲の鉛または銀をさらに含むことを特徴とす
    る請求項７に記載の多層磁気抵抗センサ。
  9. 【請求項９】前記非磁性導電性材料が、銀、金、銅、及
    びルテニウムからなる群から選択されることを特徴とす
    る、請求項１に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  10. 【請求項１０】前記バイアス層が、ニッケル鉄及びニッ
    ケル−鉄−ロジウムからなる群から選択された軟磁性材
    料、または、コバルト白金及びコバルト−白金−クロム
    からなる群から選択された硬磁性材料を含むことを特徴
    とする、請求項３に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  11. 【請求項１１】前記強磁性材料の層の厚さが、１０オン
    グストロームないし３０オングストロームの範囲にある
    ことを特徴とする、請求項１に記載の粒状多層磁気抵抗
    センサ。
  12. 【請求項１２】前記非磁性導電性材料の層の厚さが、前
    記非磁性導電材料中の伝導電子の平均自由行程長より小
    さいことを特徴とする、請求項１に記載の粒状多層磁気
    抵抗センサ。
  13. 【請求項１３】前記非磁性導電性材料の層の厚さが、１
    ０オングストロームないし５０オングストローム範囲に
    あることを特徴とする、請求項１に記載の粒状多層磁気
    抵抗センサ。
  14. 【請求項１４】前記スペーサ層が、タンタル、ジルコニ
    ウム、チタン、イットリウム、及びハフニウムからなる
    群から選択された材料を含むことを特徴とする、請求項
    ３に記載の粒状多層磁気抵抗センサ。
  15. 【請求項１５】表面上に画定された、データを記録する
    ための複数のトラックを有する磁気記憶媒体と、 磁気変換器と前記磁気記憶媒体の間の相対運動中に前記
    磁気記憶媒体に対して近接した位置に維持されており、
    非磁性導電材料層中に埋め込まれた強磁性材料の偏平粒
    子の層を少なくとも１つ含む磁気抵抗感知素子と、前記
    磁気抵抗感知素子用のバイアス磁界を提供するための磁
    性材料のバイアス層と、前記バイアス層と前記磁気抵抗
    感知素子との間に配置された、前記バイアス層を前記磁
    気抵抗感知素子から磁気的に減結合させるための非磁性
    材料のスペーサ層と、前記磁気抵抗感知素子の対向する
    両端部に接続された、それぞれ前記粒状多層磁気抵抗セ
    ンサを外部回路に接続し、感知電流を前記磁気抵抗感知
    素子に結合するための導電リードとを含む、粒状多層磁
    気抵抗センサを備える磁気変換器と、 前記の磁気変換器に結合された、前記磁気変換器を前記
    磁気記憶媒体上の選択されたデータ・トラックに移動さ
    せるためのアクチュエータ手段と、 前記粒状多層磁気抵抗センサに結合された、前記粒状多
    層磁気抵抗センサによってさえぎられた前記磁気記憶媒
    体に記録されたデータ・ビットを表す印加磁界に応答す
    る前記磁気抵抗感知素子における抵抗の変化を検出する
    ための検出手段とを含む、磁気記憶システム。
  16. 【請求項１６】前記磁気抵抗感知素子の磁化容易軸が、
    前記データ・トラックのトラック幅に実質的に平行に配
    向し、前記磁気抵抗感知素子の縦軸に平行に配向するこ
    とを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶システ
    ム。
  17. 【請求項１７】前記磁気抵抗感知素子が、Ｎ＋１個の前
    記非磁性導電材料層中に埋め込まれたＮ個の前記粒子層
    を含み、Ｎが２ないし１０の範囲から選択された数であ
    ることを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶シス
    テム。
  18. 【請求項１８】前記強磁性材料が、鉄、コバルト、ニッ
    ケル、ニッケル鉄、及び鉄、コバルト、ニッケルまたは
    ニッケル鉄をベースとした強磁性合金からなる群から選
    択され、前記非磁性導電性材料が、銀、金、銅、及びル
    テニウムからなる群から選択されることを特徴とする、
    請求項１５に記載の磁気記憶システム。
  19. 【請求項１９】前記強磁性材料の偏平粒子の厚さが１０
    オングストロームないし３０オングストロームの範囲に
    あることを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶シ
    ステム。
  20. 【請求項２０】前記非磁性導電性材料の層の厚さが、前
    記非磁性導電材料中の伝導電子の平均自由行程長より小
    さいことを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶シ
    ステム。
  21. 【請求項２１】前記非磁性導電性材料の層の厚さが、１
    ０オングストロームないし５０オングストロームの範囲
    にあることを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶
    システム。
  22. 【請求項２２】粒状多層磁気抵抗装置を製造する方法に
    おいて、 それぞれ非磁性導電材料の第１層と強磁性材料の第２層
    を含む複数の二層構造を、適当な基板上に付着するステ
    ップと、 その結果得られた多層デバイスを所定の温度でアニール
    して、前記アニール・サイクル中に前記の各第２強磁性
    材料層を複数の強磁性粒子に分解させ、前記第１層中の
    前記非磁性導電材料が前記強磁性粒子の間を流れて強磁
    性粒子を取り囲むようにするステップとを含む方法。
  23. 【請求項２３】前記非磁性導電材料と前記強磁性材料が
    互いに非混和性であることを特徴とする、請求項２２に
    記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記強磁性粒子が、全般的に偏平なディ
    スク状粒子であり、前記各層内で前記非磁性導電材料中
    の伝導電子の平均自由行程長より小さい間隔で離間され
    ていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  25. 【請求項２５】前記二層構造の個数が２ないし１０の範
    囲から選択されることを特徴とする、請求項２２に記載
    の方法。
  26. 【請求項２６】前記所定の温度が１００ないし５００℃
    の範囲から選択されることを特徴とする、請求項２２に
    記載の方法。
  27. 【請求項２７】前記第１強磁性材料層が、鉄、コバル
    ト、ニッケル、ニッケル鉄、及び鉄、コバルト、ニッケ
    ルまたはニッケル鉄をベースとした強磁性合金からなる
    群から選択された強磁性材料から成ることを特徴とす
    る、請求項２２に記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記第１強磁性材料層が、ニッケル及び
    鉄を含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記第１強磁性材料層の厚さが、１０な
    いし３０オングストロームの範囲から選択されることを
    特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  30. 【請求項３０】前記第２非磁性導電材料層の厚さが、１
    ０ないし５０オングストロームの範囲から選択されるこ
    とを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  31. 【請求項３１】アニールするステップが、前記多層デバ
    イスの縦軸に沿って配向された印加磁界の存在下で前記
    多層デバイスをアニールするステップを含むことを特徴
    とする、請求項２２に記載の方法。
  32. 【請求項３２】非磁性の導電性材料中に埋め込まれた強
    磁性材料の層を少なくとも１つ含む磁気抵抗感知素子を
    備える多層磁気抵抗センサであって、 前記強磁性材料の層は、強磁性材料の偏平粒子を配列し
    て含み、前記偏平粒子の厚みに実質的に等しい前記強磁
    性材料の層の厚みを有することを特徴とする、多層磁気
    抵抗センサ。
  33. 【請求項３３】前記強磁性材料の層の厚みが、１０ない
    し３０オングストロームであることを特徴とする、請求
    項３２に記載の方法。
  34. 【請求項３４】前記強磁性材料はニッケル及び鉄を含
    み、前記非磁性導電性材料は銀を含むことを特徴とす
    る、請求項３２に記載の多層磁気抵抗センサ。
  35. 【請求項３５】基板と、 前記基板の主表面上に付着された絶縁層と、 前記絶縁層上に付着された、前記磁気抵抗感知素子用の
    バイアス磁界を提供するための磁性材料のバイアス層
    と、 前記バイアス層を覆って付着されており、非磁性導電材
    料層中に埋め込まれた強磁性材料の偏平粒子の層を複数
    個含む、磁気抵抗感知素子と、 前記バイアス層の上に付着され、前記バイアス層と前記
    磁気抵抗感知素子の間に配置された、前記バイアス層を
    前記磁気抵抗感知素子から磁気的に減結合するための非
    磁性材料のスペーサ層とを含む、粒状多層磁気抵抗セン
    サ。
  36. 【請求項３６】粒子層の数が２ないし１０の範囲から選
    択されることを特徴とする、請求項３５に記載の粒状多
    層磁気抵抗センサ。
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