JP2744883B2 - 非磁性背部層を有する磁気抵抗センサ - Google Patents
非磁性背部層を有する磁気抵抗センサInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、全体として、磁気媒体
に記憶された情報信号を読み取る磁気トランスデューサ
に関し、詳しくは、印加された磁界を感知する磁気抵抗
要素が非磁性導電材料から成る背部層を含む、スピン・
バルブ効果に基づく磁気抵抗読取りトランスデューサに
関する。
に記憶された情報信号を読み取る磁気トランスデューサ
に関し、詳しくは、印加された磁界を感知する磁気抵抗
要素が非磁性導電材料から成る背部層を含む、スピン・
バルブ効果に基づく磁気抵抗読取りトランスデューサに
関する。
【０００２】従来の技術では、データを高い線密度で磁
気記憶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トランスデューサ
を使用する方法がよく知られている。ＭＲセンサは、磁
気材料で製造された読取り素子の抵抗変化による磁界信
号を、読取り素子が感知する磁束の強さおよび方向の関
数として検出する。これらの従来の技術のＭＲセンサ
は、読取り素子抵抗の成分が、磁化と、該読取り素子を
通過する感知電流の方向との間の角度の余弦の平方（ｃ
ｏｓ2）として変化する、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効
果に基づいて動作する。ＡＭＲ効果の詳細は、Ｄ．Ａ．
トムソン（Thompson）らの論文"Memory,Storage, and R
elated Applications"、IEEE Trans. Mag. MAG-11、１
０３９ページ（１９７５年）に記載されている。
気記憶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トランスデューサ
を使用する方法がよく知られている。ＭＲセンサは、磁
気材料で製造された読取り素子の抵抗変化による磁界信
号を、読取り素子が感知する磁束の強さおよび方向の関
数として検出する。これらの従来の技術のＭＲセンサ
は、読取り素子抵抗の成分が、磁化と、該読取り素子を
通過する感知電流の方向との間の角度の余弦の平方（ｃ
ｏｓ2）として変化する、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効
果に基づいて動作する。ＡＭＲ効果の詳細は、Ｄ．Ａ．
トムソン（Thompson）らの論文"Memory,Storage, and R
elated Applications"、IEEE Trans. Mag. MAG-11、１
０３９ページ（１９７５年）に記載されている。
【０００３】最近では、（Ｆ／ＮＭ）ｎ（Ｆは強磁性金
属、ＮＭは非強磁性金属）の形の磁気多層構造中の伝導
電子のスピン依存散乱効果による、従来とは異なるより
はっきりした磁気抵抗が観察されている。この効果は、
強磁性層の強反強磁性カップリングを示す、スパッタリ
ングされたＦｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ、またはＣｏ／Ｒｕ
多層や、１つの強い磁性層中の磁化方向が交換異方性に
よって固定される、Ｆ／ＮＭ／Ｆの形の本質的にカップ
リングされていない成層構造など、様々な系中で発見さ
れている。磁気抵抗の物理的源泉は、どちらの種類の構
造でも同じである。すなわち、磁界が印加されると、隣
接する強磁性層の磁化の相対的方向が変化する。構造の
抵抗は、磁化のアラインメントが平行から逆平行に変わ
るとき変化する。この機構は、材料の特定の組合せの場
合に、ＡＭＲよりも大きくなり、「スピン・バルブ」磁
気抵抗（ＳＶＭＲ）または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）と呼
ばれる磁気抵抗を生成する。
属、ＮＭは非強磁性金属）の形の磁気多層構造中の伝導
電子のスピン依存散乱効果による、従来とは異なるより
はっきりした磁気抵抗が観察されている。この効果は、
強磁性層の強反強磁性カップリングを示す、スパッタリ
ングされたＦｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ、またはＣｏ／Ｒｕ
多層や、１つの強い磁性層中の磁化方向が交換異方性に
よって固定される、Ｆ／ＮＭ／Ｆの形の本質的にカップ
リングされていない成層構造など、様々な系中で発見さ
れている。磁気抵抗の物理的源泉は、どちらの種類の構
造でも同じである。すなわち、磁界が印加されると、隣
接する強磁性層の磁化の相対的方向が変化する。構造の
抵抗は、磁化のアラインメントが平行から逆平行に変わ
るとき変化する。この機構は、材料の特定の組合せの場
合に、ＡＭＲよりも大きくなり、「スピン・バルブ」磁
気抵抗（ＳＶＭＲ）または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）と呼
ばれる磁気抵抗を生成する。
【０００４】米国特許第４９４９０３９号は、磁気層中
の磁化の逆平行アラインメントによって改善されたＭＲ
効果をもたらす成層磁気構造を記載している。上記特許
では、成層構造で使用できる材料として、強磁性遷移金
属および合金を挙げているが、優れたＭＲ信号振幅用の
リストで好ましい材料を特定してはいない。上記特許は
さらに、反強磁性型交換カップリングを使用して、隣接
する強磁性材料層が、たとえばクロム（Ｃｒ）やイット
リウム（Ｙ）の薄い非磁性中間層によって分離される、
逆平行アラインメントを得る方法を記載している。
の磁化の逆平行アラインメントによって改善されたＭＲ
効果をもたらす成層磁気構造を記載している。上記特許
では、成層構造で使用できる材料として、強磁性遷移金
属および合金を挙げているが、優れたＭＲ信号振幅用の
リストで好ましい材料を特定してはいない。上記特許は
さらに、反強磁性型交換カップリングを使用して、隣接
する強磁性材料層が、たとえばクロム（Ｃｒ）やイット
リウム（Ｙ）の薄い非磁性中間層によって分離される、
逆平行アラインメントを得る方法を記載している。
【０００５】米国特許出願第０７／６２５３４３号は、
２つの非カップリング強磁性層間の抵抗が、２つの層の
磁化の間の角度の余弦として変化し、センサを通過する
電流の方向とは独立である、ＭＲセンサを開示してい
る。この構造は、スピン・バルブ効果に基づき、材料の
特定の組合せによってはＡＭＲよりも大きくなる、磁気
抵抗を生成する。
２つの非カップリング強磁性層間の抵抗が、２つの層の
磁化の間の角度の余弦として変化し、センサを通過する
電流の方向とは独立である、ＭＲセンサを開示してい
る。この構造は、スピン・バルブ効果に基づき、材料の
特定の組合せによってはＡＭＲよりも大きくなる、磁気
抵抗を生成する。
【０００６】米国特許第５１５９５１３号は、前述のス
ピン・バルブ効果に基づき、非磁気金属材料の薄膜層に
よって分離された２つの強磁性材料薄膜層を含み、少な
くとも一方の強磁性層がコバルトまたはコバルト合金か
ら成る、ＭＲセンサを開示している。一方の強磁性層の
磁化は、外部印加磁界がゼロのとき、反強磁性層との交
換カップリングによって、他方の強磁性層の磁化に対し
て垂直に維持される。
ピン・バルブ効果に基づき、非磁気金属材料の薄膜層に
よって分離された２つの強磁性材料薄膜層を含み、少な
くとも一方の強磁性層がコバルトまたはコバルト合金か
ら成る、ＭＲセンサを開示している。一方の強磁性層の
磁化は、外部印加磁界がゼロのとき、反強磁性層との交
換カップリングによって、他方の強磁性層の磁化に対し
て垂直に維持される。
【０００７】今日の磁気記憶システムのデータ記憶密度
に対する増大し続ける要求を満たすためには、ＭＲヘッ
ドの磁束感知素子を、ますます薄い強磁性材料層で製造
する必要がある。たとえば約１５Åの超薄磁束感知層を
使用するＭＲセンサは、従型のＡＭＲセンサの場合で
も、より新しいＳＶＭＲまたはＧＭＲセンサの場合で
も、ＭＲ係数が低下する。
に対する増大し続ける要求を満たすためには、ＭＲヘッ
ドの磁束感知素子を、ますます薄い強磁性材料層で製造
する必要がある。たとえば約１５Åの超薄磁束感知層を
使用するＭＲセンサは、従型のＡＭＲセンサの場合で
も、より新しいＳＶＭＲまたはＧＭＲセンサの場合で
も、ＭＲ係数が低下する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の原理によれば、
スピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは、非磁
性金属材料の薄膜層によって分離された第１および第２
の強磁性材料薄膜層を含む、適切な基板上に形成された
成層構造を備えている。少なくとも第１の強磁性材料層
は、非磁性導電材料層によって裏打ちされる。外部印加
磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁化方向は、
第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る。第２強磁性層の磁化方向は、該層と物理的に接触す
る隣接する反強磁性材料層によって提供される交換カッ
プリングによってその方向が拘束または維持（「固
定」）される。第１の（「自由」）強磁性層中の磁気の
方向は、外部印加磁界に応じて自由に回転する。電流源
がＭＲセンサに感知電流を提供し、ＭＲセンサは、感知
される印加外部磁界の関数として、自由強磁性材料層中
の磁化の回転によるＭＲセンサの抵抗の変動に比例する
電圧降下を、読取り素子の両端間に発生させる。読取り
素子の抵抗変化の大きさは、磁気媒体に記憶されたデー
タ・ビットを表す磁界などの外部印加磁界に応じた、自
由層中の磁化方向と固定層の磁化方向の間の角度の変化
の余弦の関数である。
スピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは、非磁
性金属材料の薄膜層によって分離された第１および第２
の強磁性材料薄膜層を含む、適切な基板上に形成された
成層構造を備えている。少なくとも第１の強磁性材料層
は、非磁性導電材料層によって裏打ちされる。外部印加
磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁化方向は、
第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る。第２強磁性層の磁化方向は、該層と物理的に接触す
る隣接する反強磁性材料層によって提供される交換カッ
プリングによってその方向が拘束または維持（「固
定」）される。第１の（「自由」）強磁性層中の磁気の
方向は、外部印加磁界に応じて自由に回転する。電流源
がＭＲセンサに感知電流を提供し、ＭＲセンサは、感知
される印加外部磁界の関数として、自由強磁性材料層中
の磁化の回転によるＭＲセンサの抵抗の変動に比例する
電圧降下を、読取り素子の両端間に発生させる。読取り
素子の抵抗変化の大きさは、磁気媒体に記憶されたデー
タ・ビットを表す磁界などの外部印加磁界に応じた、自
由層中の磁化方向と固定層の磁化方向の間の角度の変化
の余弦の関数である。
【０００９】図１を参照すると、本発明は、図１に示す
ような磁気ディスク記憶システムで実施されたものとし
て説明するが、磁気テープ記録システムなど他の磁気記
憶システムや、磁気抵抗要素がたとえばビット・セルと
して働く磁気ランダム・アクセス・メモリ・システムに
も適用できることに留意されたい。少なくとも１つの回
転可能な磁気ディスク１２が、スピンドル１４上に支持
され、ディスク・ドライブ・モータ１８によって回転さ
れる。各ディスク上の磁気記録媒体は、磁気ディスク１
２上の、環状パターンの形の同心データ・トラック（図
示せず）である。
ような磁気ディスク記憶システムで実施されたものとし
て説明するが、磁気テープ記録システムなど他の磁気記
憶システムや、磁気抵抗要素がたとえばビット・セルと
して働く磁気ランダム・アクセス・メモリ・システムに
も適用できることに留意されたい。少なくとも１つの回
転可能な磁気ディスク１２が、スピンドル１４上に支持
され、ディスク・ドライブ・モータ１８によって回転さ
れる。各ディスク上の磁気記録媒体は、磁気ディスク１
２上の、環状パターンの形の同心データ・トラック（図
示せず）である。
【００１０】少なくとも１つのスライダ１３がディスク
１２上に位置決めされ、各スライダ１３が１つまたは複
数の磁気読取り／書込みトランスデューサ２１を支持す
る。これらのトランスデューサ２１を通常、読取り／書
込みヘッドと呼ぶ。磁気ディスク１２が回転すると、ス
ライダ１３は、ディスク表面２２上に近づいたり、該表
面２２から離れたりして、所望のデータが記録されてい
るディスクの個々の部分にヘッド２１が接近できるよう
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、わずかなばね力を与え、このば
ね力がスライダ１３をディスク表面２２に対してバイア
スさせる。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。図１に示すアク
チュエータ手段は、たとえばボイス・コイル・モータ
（ＶＣＭ）とすることができる。ＶＣＭは、固定磁界内
で移動可能なコイルを備えており、コイル移動の方向お
よび速度は、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。
１２上に位置決めされ、各スライダ１３が１つまたは複
数の磁気読取り／書込みトランスデューサ２１を支持す
る。これらのトランスデューサ２１を通常、読取り／書
込みヘッドと呼ぶ。磁気ディスク１２が回転すると、ス
ライダ１３は、ディスク表面２２上に近づいたり、該表
面２２から離れたりして、所望のデータが記録されてい
るディスクの個々の部分にヘッド２１が接近できるよう
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、わずかなばね力を与え、このば
ね力がスライダ１３をディスク表面２２に対してバイア
スさせる。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。図１に示すアク
チュエータ手段は、たとえばボイス・コイル・モータ
（ＶＣＭ）とすることができる。ＶＣＭは、固定磁界内
で移動可能なコイルを備えており、コイル移動の方向お
よび速度は、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。
【００１１】ディスク記憶システムの動作中は、磁気デ
ィスク１２の回転によって、スライダ１３とディスク表
面２２の間に空気軸受が生成され、スライダ１３に上向
きの力または揚力をかける。空気軸受はこうして、サス
ペンション１５のわずかなばね力との釣り合いを取り、
スライダ１３をディスク表面２２からわずかに上方に離
れた位置に支持し、動作中わずかなほぼ一定した間隔を
維持する。
ィスク１２の回転によって、スライダ１３とディスク表
面２２の間に空気軸受が生成され、スライダ１３に上向
きの力または揚力をかける。空気軸受はこうして、サス
ペンション１５のわずかなばね力との釣り合いを取り、
スライダ１３をディスク表面２２からわずかに上方に離
れた位置に支持し、動作中わずかなほぼ一定した間隔を
維持する。
【００１２】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、制御機構２９で生成される制御信号によって制御さ
れる。通常、制御機構２９は、たとえば論理制御回路、
記憶手段、マイクロプロセッサなどを備えている。制御
機構２９は、線２３上のドライブ・モータ制御信号や線
２８上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信号など
の制御信号を生成して、様々なシステム動作を制御す
る。線２８上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信
号は、選択されたスライダ１３を、関連する磁気ディス
ク１２上の所望のデータ・トラックまで最適に移動して
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。読取り信号および書込み信号は、記録チャネル２５
によってヘッド２１との間で送信される。
は、動作中、アクセス制御信号や内部クロック信号な
ど、制御機構２９で生成される制御信号によって制御さ
れる。通常、制御機構２９は、たとえば論理制御回路、
記憶手段、マイクロプロセッサなどを備えている。制御
機構２９は、線２３上のドライブ・モータ制御信号や線
２８上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信号など
の制御信号を生成して、様々なシステム動作を制御す
る。線２８上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信
号は、選択されたスライダ１３を、関連する磁気ディス
ク１２上の所望のデータ・トラックまで最適に移動して
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。読取り信号および書込み信号は、記録チャネル２５
によってヘッド２１との間で送信される。
【００１３】典型的な磁気ディスク記憶システムについ
ての前記説明と、添付の図１の図面は、例示だけを目的
としたものである。ディスク記憶システムが多数のディ
スクおよ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できることに留意され
たい。
ての前記説明と、添付の図１の図面は、例示だけを目的
としたものである。ディスク記憶システムが多数のディ
スクおよ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できることに留意され
たい。
【００１４】図２を参照すると、本発明の原理によるＭ
Ｒスピン・バルブ・センサ３０は、たとえばガラス、セ
ラミック、半導体などの適切な基板３１を備えており、
基板３１上に、非磁性または磁性導電材料の薄膜層３
３、第１の軟強磁性材料の薄膜層３５、非磁性金属材料
の薄膜層３７、および第２の強磁性材料の薄膜層３９が
付着されている。第１の軟強磁性材料薄膜層３５は、非
磁性または磁性導電材料薄膜層３３上に直接、かつ該層
と物理的に接触するように形成されて二層を形成する。
２つの強磁性材料層３５、３９の磁化は、外部印加磁界
がある場合、矢印３２および３８で示すように、互いに
約９０゜の角度に配向される。また、第２の強磁性材料
薄膜層３９の磁化方向は、矢印３８で示す好ましい方向
に固定される。したがって、第２の強磁性材料薄膜層３
９の磁化方向は固定されているが、第１の軟強磁性材料
薄膜層３５は、図２の第１の軟強磁性材料薄膜層３５上
の点線矢印で示すように、（図２に示す磁界ｈなどの）
外部印加磁界に応じて自由に方向を回転する。
Ｒスピン・バルブ・センサ３０は、たとえばガラス、セ
ラミック、半導体などの適切な基板３１を備えており、
基板３１上に、非磁性または磁性導電材料の薄膜層３
３、第１の軟強磁性材料の薄膜層３５、非磁性金属材料
の薄膜層３７、および第２の強磁性材料の薄膜層３９が
付着されている。第１の軟強磁性材料薄膜層３５は、非
磁性または磁性導電材料薄膜層３３上に直接、かつ該層
と物理的に接触するように形成されて二層を形成する。
２つの強磁性材料層３５、３９の磁化は、外部印加磁界
がある場合、矢印３２および３８で示すように、互いに
約９０゜の角度に配向される。また、第２の強磁性材料
薄膜層３９の磁化方向は、矢印３８で示す好ましい方向
に固定される。したがって、第２の強磁性材料薄膜層３
９の磁化方向は固定されているが、第１の軟強磁性材料
薄膜層３５は、図２の第１の軟強磁性材料薄膜層３５上
の点線矢印で示すように、（図２に示す磁界ｈなどの）
外部印加磁界に応じて自由に方向を回転する。
【００１５】比較的高い電気抵抗をもつ交換バイアス材
料の薄膜層４１を、第２の強磁性材料薄膜層３９と直接
接触するように付着し、交換カップリングによってバイ
アス磁界を提供する。好ましい実施例では、交換バイア
ス材料薄膜層４１は、たとえば鉄マンガン（ＦｅＭｎ）
やニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）であることが好まし
い、適切な反強磁性材料を備えている。また、第２の強
磁性材料薄膜層３９（固定層）は、硬バイアス層（図示
せず）を使用して、あるいは当技術分野で周知の他の適
切な方法で固定することができる。
料の薄膜層４１を、第２の強磁性材料薄膜層３９と直接
接触するように付着し、交換カップリングによってバイ
アス磁界を提供する。好ましい実施例では、交換バイア
ス材料薄膜層４１は、たとえば鉄マンガン（ＦｅＭｎ）
やニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）であることが好まし
い、適切な反強磁性材料を備えている。また、第２の強
磁性材料薄膜層３９（固定層）は、硬バイアス層（図示
せず）を使用して、あるいは当技術分野で周知の他の適
切な方法で固定することができる。
【００１６】センサ読取り素子が強磁性／非磁性／強磁
性成層構造を備える、スピン・バルブ効果に基づくＭＲ
センサは、参照によって本明細書に合体する、先に参照
した米国特許出願第０７／６２５３４３号に詳細に記載
されている。この特許に記載されているスピン・バルブ
ＭＲ構造は、非磁性金属（導電）スペーサ層によって分
離された２つの強磁性導電層を備えている。一方の強磁
性層は、隣接する反強磁性層との交換異方性によってそ
の方向が固定された、単一磁区状態に維持される。他方
の強磁性層（自由層）の磁化は、印加磁界に応じて方向
を回転する。固定層に対して自由層の磁化方向を変える
のに十分な磁界を印加することによって、磁気抵抗が観
測される。本発明では、この自由層を備えた強磁性層の
代りに二層構造を使用する。非磁性金属材料薄膜層３７
（「スペーサ層」とも称する）に隣接する層は、比較的
薄い第１の軟強磁性材料薄膜層３５（「フィルタ層」と
も称する）である、第１の軟強磁性材料薄膜層３５の後
ろまたは背部には非磁性または磁性導電薄膜層３３
（「背部層」とも称する）がある。
性成層構造を備える、スピン・バルブ効果に基づくＭＲ
センサは、参照によって本明細書に合体する、先に参照
した米国特許出願第０７／６２５３４３号に詳細に記載
されている。この特許に記載されているスピン・バルブ
ＭＲ構造は、非磁性金属（導電）スペーサ層によって分
離された２つの強磁性導電層を備えている。一方の強磁
性層は、隣接する反強磁性層との交換異方性によってそ
の方向が固定された、単一磁区状態に維持される。他方
の強磁性層（自由層）の磁化は、印加磁界に応じて方向
を回転する。固定層に対して自由層の磁化方向を変える
のに十分な磁界を印加することによって、磁気抵抗が観
測される。本発明では、この自由層を備えた強磁性層の
代りに二層構造を使用する。非磁性金属材料薄膜層３７
（「スペーサ層」とも称する）に隣接する層は、比較的
薄い第１の軟強磁性材料薄膜層３５（「フィルタ層」と
も称する）である、第１の軟強磁性材料薄膜層３５の後
ろまたは背部には非磁性または磁性導電薄膜層３３
（「背部層」とも称する）がある。
【００１７】磁性材料で観測されるＧＭＲは主として、
磁性材料の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子の平
均自由行程（ラムダ+）と、磁性材料の磁化方向と逆平
行なスピンをもつ伝導電子の平均自由行程（ラムダ-）
の差によるものである。本発明では、自由層３３、３５
における第１の軟強磁性材料薄膜層３５の厚さは、ラム
ダ−よりも大きく、ラムダ＋よりも大幅に小さい。した
がって、逆平行スピンをもつ伝導電子（少数キャリア）
は、第１の軟強磁性材料薄膜層３５によって有効にブロ
ックされ（すなわち、フィルタ・アウトされ）るが、第
１の軟強磁性材料薄膜層３５は、平行スピンをもつ伝導
電子（多数キャリア）に対して本質的に透過的である。
第２の強磁性材料薄膜層３９で発生する（第２の強磁性
材料薄膜層３９の磁化方向に対する）多数キャリアおよ
び少数キャリアは、第１の軟強磁性材料薄膜層３５に向
かって移動するキャリアである。これらのキャリアは、
自由層３３、３５磁化が回転するとき個別に散乱するこ
とができるので、ＧＭＲをもたらす。ＧＭＲに寄与する
伝導電子は、反対方向に、第１の軟強磁性材料薄膜層３
５から第２の強磁性材料薄膜層３１へと移動するが、平
均すると同じ方向に動くので、説明を省く。同様に、非
磁性金属材料薄膜層３７で発生するあらゆる多数キャリ
アに対しては、同じ位置で発生し、同じ運動量をもつ少
数キャリアがあるので、自由層３３、３５の磁化が回転
しても、平均自由行程の和は変化しない。
磁性材料の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子の平
均自由行程（ラムダ+）と、磁性材料の磁化方向と逆平
行なスピンをもつ伝導電子の平均自由行程（ラムダ-）
の差によるものである。本発明では、自由層３３、３５
における第１の軟強磁性材料薄膜層３５の厚さは、ラム
ダ−よりも大きく、ラムダ＋よりも大幅に小さい。した
がって、逆平行スピンをもつ伝導電子（少数キャリア）
は、第１の軟強磁性材料薄膜層３５によって有効にブロ
ックされ（すなわち、フィルタ・アウトされ）るが、第
１の軟強磁性材料薄膜層３５は、平行スピンをもつ伝導
電子（多数キャリア）に対して本質的に透過的である。
第２の強磁性材料薄膜層３９で発生する（第２の強磁性
材料薄膜層３９の磁化方向に対する）多数キャリアおよ
び少数キャリアは、第１の軟強磁性材料薄膜層３５に向
かって移動するキャリアである。これらのキャリアは、
自由層３３、３５磁化が回転するとき個別に散乱するこ
とができるので、ＧＭＲをもたらす。ＧＭＲに寄与する
伝導電子は、反対方向に、第１の軟強磁性材料薄膜層３
５から第２の強磁性材料薄膜層３１へと移動するが、平
均すると同じ方向に動くので、説明を省く。同様に、非
磁性金属材料薄膜層３７で発生するあらゆる多数キャリ
アに対しては、同じ位置で発生し、同じ運動量をもつ少
数キャリアがあるので、自由層３３、３５の磁化が回転
しても、平均自由行程の和は変化しない。
【００１８】本発明の構造で観測されるＧＭＲは、抵抗
ではなく、コンダクタンス（ΔＧ）の変化によって説明
することができる。これは、ΔＧが、基本的にはスピン
・バルブＭＲに関連する測定可能なマクロ量であること
が分かっているからである。
ではなく、コンダクタンス（ΔＧ）の変化によって説明
することができる。これは、ΔＧが、基本的にはスピン
・バルブＭＲに関連する測定可能なマクロ量であること
が分かっているからである。
【００１９】第２の強磁性材料薄膜層３９から非磁性金
属材料薄膜層３７に放出される、すなわち散乱する伝導
電子について考えると、散乱が層間散乱であれバルク散
乱であれ、第２の強磁性材料薄膜層３９と非磁性金属材
料薄膜層の間付近で散乱する少数キャリアは、非磁性金
属材料薄膜層３７を交差する少数キャリアの数を意味す
る。少数キャリアがその次の散乱事象の前に移動する距
離は、多数キャリアの場合よりもはるかに短い。このよ
うに考えると、第２の強磁性材料薄膜層３９は、残りの
スピン・バルブ構造のスピン分極伝導電子の供給源とみ
なすことができる。第２の強磁性材料薄膜層３９で発生
するキャリアは、一般にスペーサ層材料中の電子の平均
自由行程よりはるかに厚さの小さな非磁性金属材料薄膜
層３７中を移動し、第１の軟強磁性材料薄膜層３５中に
入る。第１の軟強磁性材料薄膜層３５に入る多数キャリ
アは、第１の軟強磁性材料薄膜層３５を介して非磁性ま
たは磁性導電材料薄膜層３３に伝導され、該層３３中
で、平均して背部層材料で決定される追加平均自由行程
（ラムダb +）だけ移動する。しかし、少数キャリアは、
散乱される前に、第１の軟強磁性材料薄膜層３５をほん
の短い距離だけ貫通する。したがって、比較的高い抵抗
（すなわち、長い平均自由行程）を有する導電材料を非
磁性または磁性導電材料薄膜層３３に使用するとき、第
１の軟強磁性材料薄膜層３５の磁化が多数キャリア・ス
ピンに対して平行である場合、多数キャリア・コンダク
タンスの値が大きくなる。非磁性または磁性導電材料薄
膜層３３および第１の軟強磁性材料薄膜層３５の磁化を
回転する（逆平行）と、少数キャリアが第１の軟強磁性
材料薄膜層３５中で散乱する結果、これらの伝導電子の
有効平均自由行程（すなわち、コンダクタンス）が急激
に減少する。
属材料薄膜層３７に放出される、すなわち散乱する伝導
電子について考えると、散乱が層間散乱であれバルク散
乱であれ、第２の強磁性材料薄膜層３９と非磁性金属材
料薄膜層の間付近で散乱する少数キャリアは、非磁性金
属材料薄膜層３７を交差する少数キャリアの数を意味す
る。少数キャリアがその次の散乱事象の前に移動する距
離は、多数キャリアの場合よりもはるかに短い。このよ
うに考えると、第２の強磁性材料薄膜層３９は、残りの
スピン・バルブ構造のスピン分極伝導電子の供給源とみ
なすことができる。第２の強磁性材料薄膜層３９で発生
するキャリアは、一般にスペーサ層材料中の電子の平均
自由行程よりはるかに厚さの小さな非磁性金属材料薄膜
層３７中を移動し、第１の軟強磁性材料薄膜層３５中に
入る。第１の軟強磁性材料薄膜層３５に入る多数キャリ
アは、第１の軟強磁性材料薄膜層３５を介して非磁性ま
たは磁性導電材料薄膜層３３に伝導され、該層３３中
で、平均して背部層材料で決定される追加平均自由行程
（ラムダb +）だけ移動する。しかし、少数キャリアは、
散乱される前に、第１の軟強磁性材料薄膜層３５をほん
の短い距離だけ貫通する。したがって、比較的高い抵抗
（すなわち、長い平均自由行程）を有する導電材料を非
磁性または磁性導電材料薄膜層３３に使用するとき、第
１の軟強磁性材料薄膜層３５の磁化が多数キャリア・ス
ピンに対して平行である場合、多数キャリア・コンダク
タンスの値が大きくなる。非磁性または磁性導電材料薄
膜層３３および第１の軟強磁性材料薄膜層３５の磁化を
回転する（逆平行）と、少数キャリアが第１の軟強磁性
材料薄膜層３５中で散乱する結果、これらの伝導電子の
有効平均自由行程（すなわち、コンダクタンス）が急激
に減少する。
【００２０】ここで、図３、４、５、および６をも参照
すると、図３は、50Å Ｔａ／ｔCuＣｕ／１５Å ＮｉＦ
ｅ／２３Å Ｃｕ／５０Å ＮｉＦｅ／１１０Å ＦｅＭ
ｎ／５０Å Ｔａ構造をもつガラス基板上に付着され
た、図２に示すスピン・バルブ構造の特定の実施例の、
コンダクタンスの変化（ΔＧはΔＲ／Ｒ2にほぼ等し
い）と対非磁性または磁性導電材料薄膜層３３の厚さの
関係を示す。最初のＴａ層はバッファ層であり、最後の
Ｔａ層は保護キャップである。（ｔCu Ｃｕ／１５Å
ＮｉＦｅ）は、Ｃｕから成る非磁性または磁性導電材料
薄膜層３３とＮｉＦｅから成る第１の軟強磁性材料薄膜
層３５をもつ自由層３３、３５を備えている。ＭｎＦｅ
層は、反強磁性交換カップリングを提供して、第２の強
磁性材料薄膜層３９の磁化を固定する、交換バイアス材
料薄膜層４１を備えている。図３に示すように、ΔＧは
背部層厚さｔCuが増すにつれて増加する。これは、背部
層材料が非磁性である場合でも同様である。図４は、ガ
ラス基板上に付着された自由層の後ろに非磁性背部層が
なく、構造（ｔF Ｆ／２２Å Ｃｕ／５０Å ＮｉＦｅ
／９０Å ＦｅＭｎ）を有する従来のスピン・バルブ構
造の、ΔＧと強磁性層の厚さ（自由層）の関係を示す。
ただし、Ｆは異なる厚さをもつＦｅ層、ＮｉＦｅ層、ま
たはＣｏ層である。図３と４を比較すると、自由層の後
ろに非磁性背部層を使用すると、背部層のない３つの強
磁性材料のどれで得られるΔＧよりも大幅に大きなΔＧ
が提供されることが明らかである。図５は、図３に示す
測定に使用されたスピン・バルブ構造の、磁気抵抗（Δ
Ｒ／Ｒ）と背部層厚さｔCuの関係を示す。ｔCu＝０で
は、ΔＲ／Ｒ＝１．１％であり、ｔCuが増加するにつれ
てΔＲ／Ｒが急激に増加し、ｔCu＝２５Åのとき３％の
ピークに達する。厚さが増すと、ΔＲ／Ｒは逆に減少す
る。図６は、同じ構造の、面積抵抗ＲとｔCuを示す。面
積抵抗は、ｔCuが０Åから１５０Åに増加するとき、２
５０ｏｈｍ／ｓｑから２．５ｏｈｍ／ｓｑに変化する。
すると、図３は、50Å Ｔａ／ｔCuＣｕ／１５Å ＮｉＦ
ｅ／２３Å Ｃｕ／５０Å ＮｉＦｅ／１１０Å ＦｅＭ
ｎ／５０Å Ｔａ構造をもつガラス基板上に付着され
た、図２に示すスピン・バルブ構造の特定の実施例の、
コンダクタンスの変化（ΔＧはΔＲ／Ｒ2にほぼ等し
い）と対非磁性または磁性導電材料薄膜層３３の厚さの
関係を示す。最初のＴａ層はバッファ層であり、最後の
Ｔａ層は保護キャップである。（ｔCu Ｃｕ／１５Å
ＮｉＦｅ）は、Ｃｕから成る非磁性または磁性導電材料
薄膜層３３とＮｉＦｅから成る第１の軟強磁性材料薄膜
層３５をもつ自由層３３、３５を備えている。ＭｎＦｅ
層は、反強磁性交換カップリングを提供して、第２の強
磁性材料薄膜層３９の磁化を固定する、交換バイアス材
料薄膜層４１を備えている。図３に示すように、ΔＧは
背部層厚さｔCuが増すにつれて増加する。これは、背部
層材料が非磁性である場合でも同様である。図４は、ガ
ラス基板上に付着された自由層の後ろに非磁性背部層が
なく、構造（ｔF Ｆ／２２Å Ｃｕ／５０Å ＮｉＦｅ
／９０Å ＦｅＭｎ）を有する従来のスピン・バルブ構
造の、ΔＧと強磁性層の厚さ（自由層）の関係を示す。
ただし、Ｆは異なる厚さをもつＦｅ層、ＮｉＦｅ層、ま
たはＣｏ層である。図３と４を比較すると、自由層の後
ろに非磁性背部層を使用すると、背部層のない３つの強
磁性材料のどれで得られるΔＧよりも大幅に大きなΔＧ
が提供されることが明らかである。図５は、図３に示す
測定に使用されたスピン・バルブ構造の、磁気抵抗（Δ
Ｒ／Ｒ）と背部層厚さｔCuの関係を示す。ｔCu＝０で
は、ΔＲ／Ｒ＝１．１％であり、ｔCuが増加するにつれ
てΔＲ／Ｒが急激に増加し、ｔCu＝２５Åのとき３％の
ピークに達する。厚さが増すと、ΔＲ／Ｒは逆に減少す
る。図６は、同じ構造の、面積抵抗ＲとｔCuを示す。面
積抵抗は、ｔCuが０Åから１５０Åに増加するとき、２
５０ｏｈｍ／ｓｑから２．５ｏｈｍ／ｓｑに変化する。
【００２１】次に、図７を参照すると、図２に示すスピ
ン・バルブ構造３０は、逆の順序で付着することができ
る。すなわち、反強磁性磁性バイアスまたは固定層を最
初に付着し、次に固定強磁性層、非磁性スペーサ層、お
よび自由フィルタ／背部二層をこの順序で付着する。本
発明による逆ＭＲスピン・バルブ・センサ６０の好まし
い実施例は、適切な基板６１上のバッファ層６３上に付
着された、反強磁性材料交換バイアス層６７、第１の強
磁性層６９、非磁性金属スペーサ層７１、第２の強磁性
層７３、および非磁性導電材料背部層７５を備えてい
る。当技術分野で周知のように、たとえば、非磁性導電
材料背部層７５の上に、Ｔａなどの高抵抗材料の保護キ
ャッピング層（図示せず）を設けると、以後の処理段階
および操作中の構造の酸化を最小限に抑えあるいは防止
することができる。図２に関して説明したように、印加
磁界がないときは、第１の強磁性層６９の磁化方向は、
第２の強磁性層７３の磁化方向に垂直な好ましい方向に
固定されている。逆ＭＲスピン・バルブ構造６０では、
第１の強磁性層６９、非磁性金属スペーサ層７１、およ
び第２の強磁性層７３の次に非磁性導電材料背部層７５
が付着される。したがって、これらの層の特性は、非磁
性導電材料背部層７５の材料の厚さおよび種類とは無関
係である。必要に応じて、シード層６５を反強磁性材料
交換バイアス層６７の下に付着して、反強磁性材料が所
望の構造をもつようにすることができる。
ン・バルブ構造３０は、逆の順序で付着することができ
る。すなわち、反強磁性磁性バイアスまたは固定層を最
初に付着し、次に固定強磁性層、非磁性スペーサ層、お
よび自由フィルタ／背部二層をこの順序で付着する。本
発明による逆ＭＲスピン・バルブ・センサ６０の好まし
い実施例は、適切な基板６１上のバッファ層６３上に付
着された、反強磁性材料交換バイアス層６７、第１の強
磁性層６９、非磁性金属スペーサ層７１、第２の強磁性
層７３、および非磁性導電材料背部層７５を備えてい
る。当技術分野で周知のように、たとえば、非磁性導電
材料背部層７５の上に、Ｔａなどの高抵抗材料の保護キ
ャッピング層（図示せず）を設けると、以後の処理段階
および操作中の構造の酸化を最小限に抑えあるいは防止
することができる。図２に関して説明したように、印加
磁界がないときは、第１の強磁性層６９の磁化方向は、
第２の強磁性層７３の磁化方向に垂直な好ましい方向に
固定されている。逆ＭＲスピン・バルブ構造６０では、
第１の強磁性層６９、非磁性金属スペーサ層７１、およ
び第２の強磁性層７３の次に非磁性導電材料背部層７５
が付着される。したがって、これらの層の特性は、非磁
性導電材料背部層７５の材料の厚さおよび種類とは無関
係である。必要に応じて、シード層６５を反強磁性材料
交換バイアス層６７の下に付着して、反強磁性材料が所
望の構造をもつようにすることができる。
【００２２】特定の好ましい実施例では、逆ＭＲスピン
・バルブ・センサ６０は、適切な基板上に付着されたＴ
ａ（５０Å）／ＮｉＦｅ（２０Å）／Ｆｅ60Ｍｎ40（８
０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（５０Å）／Ｃｕ（２３Å）／Ｎ
ｉ８０Ｆｅ20（２０Å）／Ｃｕ（２０Å）／Ｔａ（３０
Å）構造をもつ。ここで、２０ÅのＣｕ層は非磁性導電
材料背部層７５を形成する。５０ÅＴａ／２０ÅＮｉＦ
ｅバッファ／シード６３／６５層は、反強磁性相中でＦ
ｅ60Ｍｎ40材料を適切に成長させて、第１の強磁性層６
９の磁化方向を固定する交換バイアスを提供するため
の、テンプレートとなる。この好ましい実施例では、バ
ッファ層６３の厚さは約３０Åないし５０Åの範囲であ
る。シード層６５の厚さは約２０Åないし５０Åの範囲
である。反強磁性材料交換バイアス層６７の厚さは約８
０Åないし１２０Åの範囲である。第１の強磁性層６９
の厚さは約３０Åないし１００Åの範囲である。前述の
ように、非磁性金属スペーサ層７１の厚さは約２０Åな
いし４０Åの範囲であるが、スペーサ層材料中の伝導電
子の平均自由行程よりも小さいことが好ましい。第２の
強磁性層７３の厚さは約５Åないし３０Åの範囲であ
る。非磁性導電材料背部層７５の厚さは、部分的には、
印加された磁性信号を検出するためにどのパラメータを
測定するかによって決まる。抵抗の変化、すなわちΔＲ
／Ｒを測定する場合、非磁性導電材料背部層７５の厚さ
は約４Åないし５０Åの範囲である。また、コンダクタ
ンスの変化を測定する場合は、非磁性導電材料背部層７
５の厚さは約４Åないし１０００Åの範囲である。
・バルブ・センサ６０は、適切な基板上に付着されたＴ
ａ（５０Å）／ＮｉＦｅ（２０Å）／Ｆｅ60Ｍｎ40（８
０Å）／Ｎｉ80Ｆｅ20（５０Å）／Ｃｕ（２３Å）／Ｎ
ｉ８０Ｆｅ20（２０Å）／Ｃｕ（２０Å）／Ｔａ（３０
Å）構造をもつ。ここで、２０ÅのＣｕ層は非磁性導電
材料背部層７５を形成する。５０ÅＴａ／２０ÅＮｉＦ
ｅバッファ／シード６３／６５層は、反強磁性相中でＦ
ｅ60Ｍｎ40材料を適切に成長させて、第１の強磁性層６
９の磁化方向を固定する交換バイアスを提供するため
の、テンプレートとなる。この好ましい実施例では、バ
ッファ層６３の厚さは約３０Åないし５０Åの範囲であ
る。シード層６５の厚さは約２０Åないし５０Åの範囲
である。反強磁性材料交換バイアス層６７の厚さは約８
０Åないし１２０Åの範囲である。第１の強磁性層６９
の厚さは約３０Åないし１００Åの範囲である。前述の
ように、非磁性金属スペーサ層７１の厚さは約２０Åな
いし４０Åの範囲であるが、スペーサ層材料中の伝導電
子の平均自由行程よりも小さいことが好ましい。第２の
強磁性層７３の厚さは約５Åないし３０Åの範囲であ
る。非磁性導電材料背部層７５の厚さは、部分的には、
印加された磁性信号を検出するためにどのパラメータを
測定するかによって決まる。抵抗の変化、すなわちΔＲ
／Ｒを測定する場合、非磁性導電材料背部層７５の厚さ
は約４Åないし５０Åの範囲である。また、コンダクタ
ンスの変化を測定する場合は、非磁性導電材料背部層７
５の厚さは約４Åないし１０００Åの範囲である。
【００２３】次に、図８を参照すると、本発明によるＭ
Ｒスピン・バルブ・センサの他の好ましい実施例は、た
とえばガラス、セラミック、半導体などの適切な基板８
１上のバッファ層８３上に付着された、第１の非磁性導
電材料背部層８５、第１の軟強磁性材料薄膜層８７、非
磁性金属材料薄膜スペーサ層８９、第２の軟強磁性材料
薄膜層９１、および第２の非磁性導電材料背部層９３を
備えている。当技術分野で周知のように、たとえば、第
２の非磁性導電材料背部層９３の上にＴａなどの高抵抗
材料の保護キャッピング層（図示せず）を設けると、操
作および以後の処理段階中の構造の酸化を最小限に抑え
あるいは防止することができる。ＭＲセンサ８０に感知
電流を印加すると、感知電流に伴う磁界が各強磁性層８
７、９１にバイアス磁界を提供し、その結果、各層の磁
化方向がセンサ磁化容易軸に対して大きさが等しく向き
が反対の角度に配向されるようになる。磁化方向は、強
磁性層８７、９１のどちらでも固定されず、したがって
印加された磁界に自由に応答する。第１の背部層および
第１の強磁性層が、第１の二層を形成する。同様に、第
２の背部層および第２の強磁性層が第２の二層を形成す
る。磁気信号が印加されると、両方の二層、すなわち自
由層の磁化方向が、磁化容易軸に対して大きさがほぼ等
しく向きが反対の角度だけ回転し、したがって、各層の
磁化間の角度が、一方の強磁性層が固定されたスピン・
バルブ構造に比べて２倍変化する。この種の電流バイア
スＭＲスピン・バルブ・センサは、１９９２年１１月１
７日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体した同時係属の米国特許出願第０７／９７
７３８２号に記載されている。
Ｒスピン・バルブ・センサの他の好ましい実施例は、た
とえばガラス、セラミック、半導体などの適切な基板８
１上のバッファ層８３上に付着された、第１の非磁性導
電材料背部層８５、第１の軟強磁性材料薄膜層８７、非
磁性金属材料薄膜スペーサ層８９、第２の軟強磁性材料
薄膜層９１、および第２の非磁性導電材料背部層９３を
備えている。当技術分野で周知のように、たとえば、第
２の非磁性導電材料背部層９３の上にＴａなどの高抵抗
材料の保護キャッピング層（図示せず）を設けると、操
作および以後の処理段階中の構造の酸化を最小限に抑え
あるいは防止することができる。ＭＲセンサ８０に感知
電流を印加すると、感知電流に伴う磁界が各強磁性層８
７、９１にバイアス磁界を提供し、その結果、各層の磁
化方向がセンサ磁化容易軸に対して大きさが等しく向き
が反対の角度に配向されるようになる。磁化方向は、強
磁性層８７、９１のどちらでも固定されず、したがって
印加された磁界に自由に応答する。第１の背部層および
第１の強磁性層が、第１の二層を形成する。同様に、第
２の背部層および第２の強磁性層が第２の二層を形成す
る。磁気信号が印加されると、両方の二層、すなわち自
由層の磁化方向が、磁化容易軸に対して大きさがほぼ等
しく向きが反対の角度だけ回転し、したがって、各層の
磁化間の角度が、一方の強磁性層が固定されたスピン・
バルブ構造に比べて２倍変化する。この種の電流バイア
スＭＲスピン・バルブ・センサは、１９９２年１１月１
７日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体した同時係属の米国特許出願第０７／９７
７３８２号に記載されている。
【００２４】次に、図９を参照すると、図２に示したＭ
Ｒスピン・バルブ・センサの他の実施例が示されてい
る。背部層９５を付着する前に、たとえばＴａ、Ｒｕ、
ＣｒＶなどの適切な下層９３を基板９２に付着する。下
層９３の目的は、以後の層のテクスチャ、粒度、および
形態を最適化することである。形態は、スピン・バルブ
構造の大きなＭＲ効果特性を得るうえで重要となり得
る。なぜなら、この特性によって、２つの強磁性層９７
と１０１の間に極薄非磁性金属スペーサ層９９を使用す
ることが可能になるからである。下層９３は、電気抵抗
シャント効果を最低限に抑えるために高い抵抗を有する
必要がある。下層９３はまた、図７および９に関して説
明したスピン・バルブ構造にも使用される。十分に高い
抵抗、十分に平面な表面、適切な結晶構造をもつ材料で
基板９２を構成するならば、下層９３は省略できる。
Ｒスピン・バルブ・センサの他の実施例が示されてい
る。背部層９５を付着する前に、たとえばＴａ、Ｒｕ、
ＣｒＶなどの適切な下層９３を基板９２に付着する。下
層９３の目的は、以後の層のテクスチャ、粒度、および
形態を最適化することである。形態は、スピン・バルブ
構造の大きなＭＲ効果特性を得るうえで重要となり得
る。なぜなら、この特性によって、２つの強磁性層９７
と１０１の間に極薄非磁性金属スペーサ層９９を使用す
ることが可能になるからである。下層９３は、電気抵抗
シャント効果を最低限に抑えるために高い抵抗を有する
必要がある。下層９３はまた、図７および９に関して説
明したスピン・バルブ構造にも使用される。十分に高い
抵抗、十分に平面な表面、適切な結晶構造をもつ材料で
基板９２を構成するならば、下層９３は省略できる。
【００２５】下層９３上に、非磁性導電材料背部層９
５、次に第１の軟強磁性材料薄膜層９７、非磁性金属材
料薄膜層９９、第２の強磁性材料薄膜層１０１、反強磁
性材料層１０３を付着する。２つの強磁性層９７、１０
１は、印加磁界がないとき、その磁化が互いに約９０゜
の角度に配向する。前述のように、第２の強磁性材料薄
膜層１０１の磁化方向は、交換カップリングで生成され
るバイアス磁界によって位置が固定される。非磁性伝導
材料背部層９５および第１の軟強磁性材料薄膜層９７
は、印加された磁界に応じて磁化が自由に回転する、二
層を形成する。
５、次に第１の軟強磁性材料薄膜層９７、非磁性金属材
料薄膜層９９、第２の強磁性材料薄膜層１０１、反強磁
性材料層１０３を付着する。２つの強磁性層９７、１０
１は、印加磁界がないとき、その磁化が互いに約９０゜
の角度に配向する。前述のように、第２の強磁性材料薄
膜層１０１の磁化方向は、交換カップリングで生成され
るバイアス磁界によって位置が固定される。非磁性伝導
材料背部層９５および第１の軟強磁性材料薄膜層９７
は、印加された磁界に応じて磁化が自由に回転する、二
層を形成する。
【００２６】強磁性層９７、１０１は、たとえばＣｏ、
Ｆｅ、Ｎｉや、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ、ＦｅＣｏのような
それらの合金など適切な磁性材料で製造することができ
る。第２の強磁性材料薄膜層１０１の厚さは、約２０Å
ないし約１５０Åの範囲から選択することができる。反
強磁性材料層１０３は、たとえばＮｉＭｎやＦｅＭｎな
どの適切な反強磁性材料で構成することができ、その厚
さは約５０Åないし約１５０Åの範囲から選択すること
が好ましい。また、第２の強磁性材料薄膜層１０１の磁
化方向は、硬磁性バイアス層を使用して、または固定層
に高保磁力磁性材料を使用して、あるいは当技術分野で
周知の他の適切な方法で固定することができる。
Ｆｅ、Ｎｉや、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ、ＦｅＣｏのような
それらの合金など適切な磁性材料で製造することができ
る。第２の強磁性材料薄膜層１０１の厚さは、約２０Å
ないし約１５０Åの範囲から選択することができる。反
強磁性材料層１０３は、たとえばＮｉＭｎやＦｅＭｎな
どの適切な反強磁性材料で構成することができ、その厚
さは約５０Åないし約１５０Åの範囲から選択すること
が好ましい。また、第２の強磁性材料薄膜層１０１の磁
化方向は、硬磁性バイアス層を使用して、または固定層
に高保磁力磁性材料を使用して、あるいは当技術分野で
周知の他の適切な方法で固定することができる。
【００２７】フィルタ層として機能する第１の軟強磁性
材料薄膜層９７は、適切なＮｉＦｅまたはＣｏ合金から
構成することが好ましく、その厚さは約５Åないし約３
０Åの範囲から選択される。第１の軟強磁性材料薄膜層
９７の厚さは、主としてフィルタ／背部二層９５／９７
中でのその機能によって決まる。第１の軟強磁性材料薄
膜層９７の一目的は、少数キャリアをブロックまたはフ
ィルタ・アウトすることなので、その最小厚さは少数キ
ャリア、すなわちフィルタ層の磁化方向に逆平行なスピ
ンをもつ伝送電子の平均自由行程より大きくする必要が
ある。たとえば、Ｎｉ80Ｆｅ20のラムダは約７Å未満で
ある。同様に、フィルタ層のもう１つの機能は該層を介
して多数キャリアを非磁性導電材料背部層９５に伝導す
ることなので、その最大厚さは、多数キャリア、すなわ
ちフィルタ層の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子
の平均自由行程より小さくする必要がある。たとえば、
Ｎｉ80Ｆｅ20のラムダ+ は約５０±４Åである。非磁性
導電材料背部層９５は、適切な非磁性導電材料から構成
することができる。この材料は、比較的高い導電性（す
なわち、低い抵抗）をもつ金属であることが好ましい。
たとえばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金属は大きな応答を
与える。非磁性導電材料背部層９５の厚さは、使用する
感知方法、すなわち測定するパラメータ、ΔＲ、ΔＲ／
Ｒ、またはΔＧに応じてセンサの応答を最適化すること
によって決定される。たとえば、ΔＧの大きさは背部層
の厚さと共に急激に増加し、最大で、背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の２倍ないし３倍の厚さにな
る。一方、ΔＲまたはΔＲ／Ｒを測定する際の応答は、
背部層厚さのピークの関数である。好ましい実施例で
は、ΔＲまたはΔＲ／Ｒを感知し、背部層厚さは約４Å
ないし６０Åの範囲から選択する。ΔＧを感知する場
合、背部層厚さは約４Åないし約１０００Åの範囲から
選択する。
材料薄膜層９７は、適切なＮｉＦｅまたはＣｏ合金から
構成することが好ましく、その厚さは約５Åないし約３
０Åの範囲から選択される。第１の軟強磁性材料薄膜層
９７の厚さは、主としてフィルタ／背部二層９５／９７
中でのその機能によって決まる。第１の軟強磁性材料薄
膜層９７の一目的は、少数キャリアをブロックまたはフ
ィルタ・アウトすることなので、その最小厚さは少数キ
ャリア、すなわちフィルタ層の磁化方向に逆平行なスピ
ンをもつ伝送電子の平均自由行程より大きくする必要が
ある。たとえば、Ｎｉ80Ｆｅ20のラムダは約７Å未満で
ある。同様に、フィルタ層のもう１つの機能は該層を介
して多数キャリアを非磁性導電材料背部層９５に伝導す
ることなので、その最大厚さは、多数キャリア、すなわ
ちフィルタ層の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子
の平均自由行程より小さくする必要がある。たとえば、
Ｎｉ80Ｆｅ20のラムダ+ は約５０±４Åである。非磁性
導電材料背部層９５は、適切な非磁性導電材料から構成
することができる。この材料は、比較的高い導電性（す
なわち、低い抵抗）をもつ金属であることが好ましい。
たとえばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金属は大きな応答を
与える。非磁性導電材料背部層９５の厚さは、使用する
感知方法、すなわち測定するパラメータ、ΔＲ、ΔＲ／
Ｒ、またはΔＧに応じてセンサの応答を最適化すること
によって決定される。たとえば、ΔＧの大きさは背部層
の厚さと共に急激に増加し、最大で、背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の２倍ないし３倍の厚さにな
る。一方、ΔＲまたはΔＲ／Ｒを測定する際の応答は、
背部層厚さのピークの関数である。好ましい実施例で
は、ΔＲまたはΔＲ／Ｒを感知し、背部層厚さは約４Å
ないし６０Åの範囲から選択する。ΔＧを感知する場
合、背部層厚さは約４Åないし約１０００Åの範囲から
選択する。
【００２８】非磁性金属材料薄膜層９９は高導電性の金
属であることが好ましい。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金
属は大きなＭＲ応答を提供し、ＰｔおよびＰｄは小さな
ＭＲ応答を提供するが、ＣｒおよびＴａは極めて小さな
ＭＲ応答を示す。非磁性金属材料薄膜層９９の厚さは、
２つの強磁性層９７、１０１を十分に磁気的にデカップ
リングするのに十分な大きさであるが、スペーサ層材料
の伝導電子の平均自由行程長より短くなるのに十分な薄
さである。非磁性金属材料薄膜層９９の厚さは、約１０
Åないし約４０Åの範囲内であることが好ましい。非磁
性導電材料背部層９５および非磁性金属材料薄膜層９９
は高導電性の非磁性金属材料からなるが、背部層とスペ
ーサ層を同じ材料で構成する必要はない。背部層とスペ
ーサ層に同じ材料、たとえばＣｕを使用すると、センサ
を製造する製造工程の複雑さが軽減される。また、背部
層とスペーサ層に異なる材料を使用すると、センサ中で
最適なまたは所望の電気特性および磁気特性を得るため
の柔軟性が増大する。
属であることが好ましい。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金
属は大きなＭＲ応答を提供し、ＰｔおよびＰｄは小さな
ＭＲ応答を提供するが、ＣｒおよびＴａは極めて小さな
ＭＲ応答を示す。非磁性金属材料薄膜層９９の厚さは、
２つの強磁性層９７、１０１を十分に磁気的にデカップ
リングするのに十分な大きさであるが、スペーサ層材料
の伝導電子の平均自由行程長より短くなるのに十分な薄
さである。非磁性金属材料薄膜層９９の厚さは、約１０
Åないし約４０Åの範囲内であることが好ましい。非磁
性導電材料背部層９５および非磁性金属材料薄膜層９９
は高導電性の非磁性金属材料からなるが、背部層とスペ
ーサ層を同じ材料で構成する必要はない。背部層とスペ
ーサ層に同じ材料、たとえばＣｕを使用すると、センサ
を製造する製造工程の複雑さが軽減される。また、背部
層とスペーサ層に異なる材料を使用すると、センサ中で
最適なまたは所望の電気特性および磁気特性を得るため
の柔軟性が増大する。
【００２９】次に、ＭＲセンサ上に、たとえばＴａやＺ
ｒなどの高抵抗材料から成るキャッピング層１０５を付
着する。電気リード線１０５を使用して、ＭＲセンサと
電流源１０９と感知手段１０７との間の回路経路を形成
する。当技術分野で周知のように、最適なＭＲセンサ応
答回路を提供するために、横バイアス層および縦バイア
ス層（図示せず）など追加のセンサ要素が必要となるこ
ともある。好ましい実施例では、印加された磁気信号に
応答して第１の軟強磁性材料薄膜層９７の磁化が回転す
る際にＭＲ素子の抵抗、すなわちΔＲの変化を検出する
ことにより、感知手段１０７によって磁気信号を感知す
る。また、印加された磁気信号に応答して第１の軟強磁
性材料薄膜層９７の磁化が回転する際にＭＲ素子コンダ
クタンスの変化を感知することによっても磁気信号を検
出することができる。１９８７年１１月８日に発行さ
れ、本出願人に譲渡された米国特許出願第４７１２１４
４号に、印加磁界に応答してＭＲ素子コンダクタンスの
変化を検出する感知手段が詳細に記載されている。
ｒなどの高抵抗材料から成るキャッピング層１０５を付
着する。電気リード線１０５を使用して、ＭＲセンサと
電流源１０９と感知手段１０７との間の回路経路を形成
する。当技術分野で周知のように、最適なＭＲセンサ応
答回路を提供するために、横バイアス層および縦バイア
ス層（図示せず）など追加のセンサ要素が必要となるこ
ともある。好ましい実施例では、印加された磁気信号に
応答して第１の軟強磁性材料薄膜層９７の磁化が回転す
る際にＭＲ素子の抵抗、すなわちΔＲの変化を検出する
ことにより、感知手段１０７によって磁気信号を感知す
る。また、印加された磁気信号に応答して第１の軟強磁
性材料薄膜層９７の磁化が回転する際にＭＲ素子コンダ
クタンスの変化を感知することによっても磁気信号を検
出することができる。１９８７年１１月８日に発行さ
れ、本出願人に譲渡された米国特許出願第４７１２１４
４号に、印加磁界に応答してＭＲ素子コンダクタンスの
変化を検出する感知手段が詳細に記載されている。
【００３０】図２、７、８、および９を参照して説明し
た好ましい実施例では、一般に、強磁性層を適切な強磁
性材料から成る単一の層として説明した。別法として、
図９に示したように、強磁性層９７、１０１の一方また
は両方が、複数の層をもつ多層構造を備えることができ
る。この場合、個々の強磁性材料、または強磁性材料と
非磁性材料を交互に積層して、所望の磁気特性および電
気特性をもつ強磁性層９７、１０１を構築することが可
能である。たとえば、好ましい実施例では、第２の強磁
性材料薄膜層１０１が、ナノ層と呼ばれる第１の比較的
薄いＣｏ層９８と、第２の薄いＮｉＦｅ層１００を備え
ている。別の好ましい実施例では、第１の軟強磁性材料
薄膜層９７と第２の強磁性材料薄膜層１０１の両方が多
層構造を備えている。第１の軟強磁性材料薄膜層９７
は、Ｃｏナノ層９６およびＮｉＦｅ層１００を備えてお
り、Ｃｏナノ層はＣｕ非磁性金属材料薄膜層９９に隣接
して形成される。同様に、第２の軟強磁性材料薄膜層１
０１は、Ｃｏナノ層９８およびＮｉＦｅ層１００を備え
ており、Ｃｏナノ層はＣｕ非磁性金属材料薄膜層９９に
隣接して形成される。Ｃｏナノ層９６の厚さは、約０．
５Åないし２０Åの範囲である。ナノ層付き強磁性層を
備えたスピン・バルブＭＲセンサは、１９９１年８月２
６日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体された米国特許出願第０７／７５０１５７
号に詳細に記載されている。本発明を好ましい実施例に
関して図示し、説明したが、本発明の趣旨、範囲、およ
び教示から逸脱することなく、形式および詳細に様々な
変更を加えられることが、当業者には理解されよう。し
たがって、本明細書で開示された本発明は、単に例示的
なものとみなすべきであり、頭記の特許請求の範囲に明
記された範囲によってのみ限定される。まとめとして、
本発明の構成に関して次の事項を開示する。 （１）非磁性材料スペーサ層によって分離されており、
印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁化方向
が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る、第１および第２の強磁性材料層と、前記第１の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する金属材料背部層
と、前記第２の強磁性材料層の磁化を所望の方向に維持
する手段とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 （２）前記維持する手段が、前記第２の強磁性層に隣接
しかつこれと接触し、さらに前記第２の強磁性層中に前
記第２の強磁性層中の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する反強磁性材料交換バイアス層
を備えることを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （３）前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル・
マンガンから成る群から選択された材料から構成される
ことを特徴とする、（２）に記載の磁気抵抗センサ。 （４）前記反強磁性層が、鉄マンガンの合金から構成さ
れることを特徴とする、 （３）に記載の磁気抵抗センサ。 （５）前記反強磁性層の厚さが約５０Åないし約１５０
Åの範囲内であることを特徴とする、（２）に記載の磁
気抵抗センサ。 （６）前記背部層の最小厚さが、約４Åであることを特
徴とする、（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （７）前記背部層の最大厚さが、前記背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の約３倍であることを特徴とす
る、（６）に記載の磁気抵抗センサ。 （８）前記背部層の厚さが、約４Åないし約１０００Å
の範囲内であることを特徴とする、（６）に記載の磁気
抵抗センサ。 （９）前記背部層の厚さが、約４Åないし約６０Åの範
囲内であることを特徴とする、（６）に記載の磁気抵抗
センサ。 （１０）前記第１および第２の強磁性層の厚さが、約５
Åないし約１５０Åの範囲内であることを特徴とする、
（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （１１）前記第１の強磁性層の厚さが、約５Åないし約
３０Åの範囲内であることを特徴とする、（１０）に記
載の磁気抵抗センサ。 （１２）前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （１３）前記非磁性スペーサ層の厚さが、約１０Åない
し約４０Åの範囲内であることを特徴とする、（１２）
に記載の磁気抵抗センサ。 （１４）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅ならびに
銀、銅および金の合金から成る群から選択された材料か
ら構成されることを特徴とする、（１）に記載の磁気抵
抗センサ。 （１５）前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、（１４）に記載の磁気抵抗センサ。 （１６）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（１）に
記載の磁気抵抗センサ。 （１７）前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、（１６）に記載の磁気抵抗センサ。 （１８）前記第１および第２の強磁性層のうちの少なく
とも一方が多層構造を備えることを特徴とする、（１）
に記載の磁気抵抗センサ。 （１９）前記多層構造が、交互に積層された、少なくと
も１つの第１の強磁性材料層と少なくとも１つの第２の
強磁性材料層を備えることを特徴とする、（１８）に記
載の磁気抵抗センサ。 （２０）前記第１の強磁性層が、前記非磁性スペーサ層
に隣接して形成された薄いコバルト層と、薄いニッケル
鉄層とを備えることを特徴とする、（１８）に記載の磁
気抵抗センサ。 （２１）前記第１および第２の強磁性層がそれぞれ、前
記非磁性スペーサ層に隣接して形成された薄いコバルト
層と、薄いニッケル鉄層とを備えることを特徴とする、
（１８）に記載の磁気抵抗センサ。 （２２）前記薄いコバルト層の厚さが、約０．５Åない
し約２０Åの範囲から選択された厚さであることを特徴
とする、（２１）に記載の磁気抵抗センサ。 （２３）前記背部層と前記非磁性スペーサ層が同じ材料
を含むことを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セン
サ。 （２４）前記背部層と前記非磁性スペーサ層が異なる材
料を含むことを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （２５）データを記録するための複数のトラックをもつ
磁気記憶媒体と、前記磁気トランスデューサと前記磁気
記憶媒体の間の相対運動中に、前記記憶媒体から近い間
隔の位置に維持される磁気トランスデューサとを備え、
前記磁気トランスデューサが、磁気抵抗センサを含み、
前記磁気抵抗センサが、非磁性材料スペーサ層によって
分離されており、印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性
材料層の磁化方向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対
してほぼ垂直である、第１および第２の強磁性材料層
と、前記第１の強磁性層に隣接しかつこれと接触する非
磁性導電材料背部層と、前記第２の強磁性層の磁化を所
望の方向に維持するバイアス手段と、前記磁気トランス
デューサに結合されており、前記磁気トランスデューサ
を前記記憶媒体上の選択されたトラックに移動するアク
チュエータ手段と、前記磁気抵抗センサに結合されてお
り、前記磁気媒体に記録されたデータ・ビットを表し前
記磁気抵抗センサに傍受された磁界に応答して前記磁気
抵抗センサの抵抗変化を検出する検出手段とを備えるこ
とを特徴とする磁気記憶システム。 （２６）前記バイアス手段が、前記第２の強磁性層に隣
接しかつこれと接触し、かつ前記第２の強磁性層中に、
前記第２の強磁性層の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する、反強磁性材料交換バイアス
層を備えることを特徴とする、（２５）に記載の磁気記
憶システム。 （２７）前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル
・マンガンから成る群から選択された材料から構成され
ることを特徴とする、（２６）に記載の磁気記憶システ
ム。 （２８）前記磁気抵抗センサが、さらに前記反強磁性層
上に付着されたキャッピング層と、前記キャッピング層
上に付着されており、前記磁気抵抗センサを前記検出手
段に結合する電気リード線手段とを備えることを特徴と
する、（２５）に記載の磁気記憶システム。 （２９）前記キャッピング層が、タンタルおよびジルコ
ニウムから成る群から選択された材料を備えることを特
徴とする、（２８）に記載の磁気記憶システム。 （３０）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、（２６）に記載の磁気記
憶システム。 （３１）前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、（３０）に記載の磁気記憶システム。 （３２）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（２５）
に記載の磁気記憶システム。 （３３）前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、（３２）に記載の磁気記憶システム。 （３４）非磁性材料スペーサ層によって分離されてお
り、印加磁界がゼロのとき第１の強磁性材料層の磁化方
向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直で
ある第１および第２の強磁性材料層と、前記第１の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する非磁性導電材料背
部層とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 （３５）前記背部層の最大厚さが、約４Åであることを
特徴とする、（３４）に記載の磁気抵抗センサ。 （３６）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（３４）
に記載の磁気抵抗センサ。 （３７）非磁性導電材料スペーサ層によって分離された
第１および第２の強磁性材料層を有し、該第１および第
２の強磁性材料中の磁化方向は、磁気センサ中の感知電
流に応答して大きさが等しく該磁気センサの磁化容易軸
に対して反対の角度に配向され、前記第１の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する第１の非磁性導電材料背
部層を有し、前記第１の強磁性材料層は前記第１の背部
層と前記スペーサ層の間に配置され、前記第１の背部層
は前記第１の強磁性材料層のほぼ全体を覆うように共に
広がり前記第１の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触
し、前記第２の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触す
る第２の非磁性導電材料背部層を有し、前記第２の強磁
性材料層は前記第２の背部層と前記スペーサ層の間に配
置され、前記第２の背部層は前記第２の強磁性材料層の
ほぼ全体を覆うように共に広がり前記第２の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する磁気抵抗センサ。 （３８）前記第１および第２の背部層の最小厚さが、約
４Åであることを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵
抗センサ。 （３９）前記第１および第２の背部層の最大厚さが、前
記背部層材料中の伝導電子の平均自由行程長の約３倍で
あることを特徴とする、（３８）に記載の磁気抵抗セン
サ。 （４０）前記第１および第２の背部層の厚さが、約４Å
ないし約１０００Åの範囲内であることを特徴とする、
（３８）に記載の磁気抵抗センサ。 （４１）前記第１および第２の背部層の厚さが、約４Å
ないし約６０Åの範囲内であることを特徴とする、（３
８）に記載の磁気抵抗センサ。 （４２）前記第１および第２の強磁性層の厚さが、約５
Åないし約３０Åの範囲内であることを特徴とする、
（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４３）前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４４）前記非磁性スペーサ層の厚さが、約１０ ない
し約４０ の範囲内であることを特徴とする、（４３）
に記載の磁気抵抗センサ。 （４５）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵
抗センサ。 （４６）前記第１および第２の背部層が、銀、金、銅か
ら成る群から選択された材料から構成されることを特徴
とする、（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４７）前記第１および第２の背部層がそれぞれ、銅薄
膜層を備えることを特徴とする、（４６）に記載の磁気
抵抗センサ。
た好ましい実施例では、一般に、強磁性層を適切な強磁
性材料から成る単一の層として説明した。別法として、
図９に示したように、強磁性層９７、１０１の一方また
は両方が、複数の層をもつ多層構造を備えることができ
る。この場合、個々の強磁性材料、または強磁性材料と
非磁性材料を交互に積層して、所望の磁気特性および電
気特性をもつ強磁性層９７、１０１を構築することが可
能である。たとえば、好ましい実施例では、第２の強磁
性材料薄膜層１０１が、ナノ層と呼ばれる第１の比較的
薄いＣｏ層９８と、第２の薄いＮｉＦｅ層１００を備え
ている。別の好ましい実施例では、第１の軟強磁性材料
薄膜層９７と第２の強磁性材料薄膜層１０１の両方が多
層構造を備えている。第１の軟強磁性材料薄膜層９７
は、Ｃｏナノ層９６およびＮｉＦｅ層１００を備えてお
り、Ｃｏナノ層はＣｕ非磁性金属材料薄膜層９９に隣接
して形成される。同様に、第２の軟強磁性材料薄膜層１
０１は、Ｃｏナノ層９８およびＮｉＦｅ層１００を備え
ており、Ｃｏナノ層はＣｕ非磁性金属材料薄膜層９９に
隣接して形成される。Ｃｏナノ層９６の厚さは、約０．
５Åないし２０Åの範囲である。ナノ層付き強磁性層を
備えたスピン・バルブＭＲセンサは、１９９１年８月２
６日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体された米国特許出願第０７／７５０１５７
号に詳細に記載されている。本発明を好ましい実施例に
関して図示し、説明したが、本発明の趣旨、範囲、およ
び教示から逸脱することなく、形式および詳細に様々な
変更を加えられることが、当業者には理解されよう。し
たがって、本明細書で開示された本発明は、単に例示的
なものとみなすべきであり、頭記の特許請求の範囲に明
記された範囲によってのみ限定される。まとめとして、
本発明の構成に関して次の事項を開示する。 （１）非磁性材料スペーサ層によって分離されており、
印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁化方向
が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る、第１および第２の強磁性材料層と、前記第１の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する金属材料背部層
と、前記第２の強磁性材料層の磁化を所望の方向に維持
する手段とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 （２）前記維持する手段が、前記第２の強磁性層に隣接
しかつこれと接触し、さらに前記第２の強磁性層中に前
記第２の強磁性層中の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する反強磁性材料交換バイアス層
を備えることを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （３）前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル・
マンガンから成る群から選択された材料から構成される
ことを特徴とする、（２）に記載の磁気抵抗センサ。 （４）前記反強磁性層が、鉄マンガンの合金から構成さ
れることを特徴とする、 （３）に記載の磁気抵抗センサ。 （５）前記反強磁性層の厚さが約５０Åないし約１５０
Åの範囲内であることを特徴とする、（２）に記載の磁
気抵抗センサ。 （６）前記背部層の最小厚さが、約４Åであることを特
徴とする、（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （７）前記背部層の最大厚さが、前記背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の約３倍であることを特徴とす
る、（６）に記載の磁気抵抗センサ。 （８）前記背部層の厚さが、約４Åないし約１０００Å
の範囲内であることを特徴とする、（６）に記載の磁気
抵抗センサ。 （９）前記背部層の厚さが、約４Åないし約６０Åの範
囲内であることを特徴とする、（６）に記載の磁気抵抗
センサ。 （１０）前記第１および第２の強磁性層の厚さが、約５
Åないし約１５０Åの範囲内であることを特徴とする、
（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （１１）前記第１の強磁性層の厚さが、約５Åないし約
３０Åの範囲内であることを特徴とする、（１０）に記
載の磁気抵抗センサ。 （１２）前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗センサ。 （１３）前記非磁性スペーサ層の厚さが、約１０Åない
し約４０Åの範囲内であることを特徴とする、（１２）
に記載の磁気抵抗センサ。 （１４）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅ならびに
銀、銅および金の合金から成る群から選択された材料か
ら構成されることを特徴とする、（１）に記載の磁気抵
抗センサ。 （１５）前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、（１４）に記載の磁気抵抗センサ。 （１６）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（１）に
記載の磁気抵抗センサ。 （１７）前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、（１６）に記載の磁気抵抗センサ。 （１８）前記第１および第２の強磁性層のうちの少なく
とも一方が多層構造を備えることを特徴とする、（１）
に記載の磁気抵抗センサ。 （１９）前記多層構造が、交互に積層された、少なくと
も１つの第１の強磁性材料層と少なくとも１つの第２の
強磁性材料層を備えることを特徴とする、（１８）に記
載の磁気抵抗センサ。 （２０）前記第１の強磁性層が、前記非磁性スペーサ層
に隣接して形成された薄いコバルト層と、薄いニッケル
鉄層とを備えることを特徴とする、（１８）に記載の磁
気抵抗センサ。 （２１）前記第１および第２の強磁性層がそれぞれ、前
記非磁性スペーサ層に隣接して形成された薄いコバルト
層と、薄いニッケル鉄層とを備えることを特徴とする、
（１８）に記載の磁気抵抗センサ。 （２２）前記薄いコバルト層の厚さが、約０．５Åない
し約２０Åの範囲から選択された厚さであることを特徴
とする、（２１）に記載の磁気抵抗センサ。 （２３）前記背部層と前記非磁性スペーサ層が同じ材料
を含むことを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セン
サ。 （２４）前記背部層と前記非磁性スペーサ層が異なる材
料を含むことを特徴とする、（１）に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （２５）データを記録するための複数のトラックをもつ
磁気記憶媒体と、前記磁気トランスデューサと前記磁気
記憶媒体の間の相対運動中に、前記記憶媒体から近い間
隔の位置に維持される磁気トランスデューサとを備え、
前記磁気トランスデューサが、磁気抵抗センサを含み、
前記磁気抵抗センサが、非磁性材料スペーサ層によって
分離されており、印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性
材料層の磁化方向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対
してほぼ垂直である、第１および第２の強磁性材料層
と、前記第１の強磁性層に隣接しかつこれと接触する非
磁性導電材料背部層と、前記第２の強磁性層の磁化を所
望の方向に維持するバイアス手段と、前記磁気トランス
デューサに結合されており、前記磁気トランスデューサ
を前記記憶媒体上の選択されたトラックに移動するアク
チュエータ手段と、前記磁気抵抗センサに結合されてお
り、前記磁気媒体に記録されたデータ・ビットを表し前
記磁気抵抗センサに傍受された磁界に応答して前記磁気
抵抗センサの抵抗変化を検出する検出手段とを備えるこ
とを特徴とする磁気記憶システム。 （２６）前記バイアス手段が、前記第２の強磁性層に隣
接しかつこれと接触し、かつ前記第２の強磁性層中に、
前記第２の強磁性層の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する、反強磁性材料交換バイアス
層を備えることを特徴とする、（２５）に記載の磁気記
憶システム。 （２７）前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル
・マンガンから成る群から選択された材料から構成され
ることを特徴とする、（２６）に記載の磁気記憶システ
ム。 （２８）前記磁気抵抗センサが、さらに前記反強磁性層
上に付着されたキャッピング層と、前記キャッピング層
上に付着されており、前記磁気抵抗センサを前記検出手
段に結合する電気リード線手段とを備えることを特徴と
する、（２５）に記載の磁気記憶システム。 （２９）前記キャッピング層が、タンタルおよびジルコ
ニウムから成る群から選択された材料を備えることを特
徴とする、（２８）に記載の磁気記憶システム。 （３０）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、（２６）に記載の磁気記
憶システム。 （３１）前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、（３０）に記載の磁気記憶システム。 （３２）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（２５）
に記載の磁気記憶システム。 （３３）前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、（３２）に記載の磁気記憶システム。 （３４）非磁性材料スペーサ層によって分離されてお
り、印加磁界がゼロのとき第１の強磁性材料層の磁化方
向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直で
ある第１および第２の強磁性材料層と、前記第１の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する非磁性導電材料背
部層とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 （３５）前記背部層の最大厚さが、約４Åであることを
特徴とする、（３４）に記載の磁気抵抗センサ。 （３６）前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、（３４）
に記載の磁気抵抗センサ。 （３７）非磁性導電材料スペーサ層によって分離された
第１および第２の強磁性材料層を有し、該第１および第
２の強磁性材料中の磁化方向は、磁気センサ中の感知電
流に応答して大きさが等しく該磁気センサの磁化容易軸
に対して反対の角度に配向され、前記第１の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する第１の非磁性導電材料背
部層を有し、前記第１の強磁性材料層は前記第１の背部
層と前記スペーサ層の間に配置され、前記第１の背部層
は前記第１の強磁性材料層のほぼ全体を覆うように共に
広がり前記第１の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触
し、前記第２の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触す
る第２の非磁性導電材料背部層を有し、前記第２の強磁
性材料層は前記第２の背部層と前記スペーサ層の間に配
置され、前記第２の背部層は前記第２の強磁性材料層の
ほぼ全体を覆うように共に広がり前記第２の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する磁気抵抗センサ。 （３８）前記第１および第２の背部層の最小厚さが、約
４Åであることを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵
抗センサ。 （３９）前記第１および第２の背部層の最大厚さが、前
記背部層材料中の伝導電子の平均自由行程長の約３倍で
あることを特徴とする、（３８）に記載の磁気抵抗セン
サ。 （４０）前記第１および第２の背部層の厚さが、約４Å
ないし約１０００Åの範囲内であることを特徴とする、
（３８）に記載の磁気抵抗センサ。 （４１）前記第１および第２の背部層の厚さが、約４Å
ないし約６０Åの範囲内であることを特徴とする、（３
８）に記載の磁気抵抗センサ。 （４２）前記第１および第２の強磁性層の厚さが、約５
Åないし約３０Åの範囲内であることを特徴とする、
（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４３）前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４４）前記非磁性スペーサ層の厚さが、約１０ ない
し約４０ の範囲内であることを特徴とする、（４３）
に記載の磁気抵抗センサ。 （４５）前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、（３７）に記載の磁気抵
抗センサ。 （４６）前記第１および第２の背部層が、銀、金、銅か
ら成る群から選択された材料から構成されることを特徴
とする、（３７）に記載の磁気抵抗センサ。 （４７）前記第１および第２の背部層がそれぞれ、銅薄
膜層を備えることを特徴とする、（４６）に記載の磁気
抵抗センサ。
【図１】本発明を実施した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。
簡略化したブロック図である。
【図２】本発明の磁気抵抗センサの原理を示した図であ
る。
る。
【図３】自由層の磁化が、図２に示した磁気抵抗センサ
の背部層の厚さの関数として平行から逆平行に変化する
ときの、面積コンダクタンスの変化を示すグラフであ
る。
の背部層の厚さの関数として平行から逆平行に変化する
ときの、面積コンダクタンスの変化を示すグラフであ
る。
【図４】背部層のないスピン・バルブＭＲセンサで、様
々な強磁性材料について、自由層の磁化が、自由層の厚
さの関数として平行から逆平行に変化するときの、面積
コンダクタンスの変化を示すグラフである。
々な強磁性材料について、自由層の磁化が、自由層の厚
さの関数として平行から逆平行に変化するときの、面積
コンダクタンスの変化を示すグラフである。
【図５】図２に示した磁気抵抗センサにおいて、磁気抵
抗係数を、銅背部層の背部層厚さの関数として示したグ
ラフである。
抗係数を、銅背部層の背部層厚さの関数として示したグ
ラフである。
【図６】図２に示した磁気抵抗センサにおいて、銅背部
層の面積抵抗を背部層厚さの関数として示したグラフで
ある。
層の面積抵抗を背部層厚さの関数として示したグラフで
ある。
【図７】本発明の磁気抵抗センサの一実施例の端面図で
ある。
ある。
【図８】本発明の磁気抵抗センサの他の実施例の端面図
である。
である。
【図９】図２に示した磁気抵抗センサの好ましい実施例
を示す概略図である。
を示す概略図である。
１２ 磁気ディスク １３ スライダ １４ スピンドル １５ サスペンション １８ ディスク・ドライブ・モータ １９ アクチュエータ・アーム ２１ 磁気読取り／書込みトランスデューサ ２５ 記録チャネル ２７ アクチュエータ手段 ２９ 制御機構 ３０ ＭＲスピン・バルブ・センサ ３１ 基板 ３３ 非磁性または磁性導電材料薄膜層（背部層） ３５ 第１の軟強磁性材料薄膜層（フィルタ層） ３７ 非磁性金属材料薄膜層（スペーサ層） ３９ 第２の軟強磁性材料薄膜層（固定層）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デーヴィッド・ユージン・ハイム アメリカ合衆国94062、カリフォルニア 州レッドウッド・シティー、グランド・ ストリート 502 (72)発明者 ハラランボス・レファキス アメリカ合衆国95126、カリフォルニア 州サンノゼ、パーシング・アベニュー 737 (72)発明者 オマル・ユー・ニード・ザサード アメリカ合衆国95125、カリフォルニア 州サンノゼ、ミルポンド・ドライブ 325 (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 (72)発明者 デニス・リチャード・ウィルホイト アメリカ合衆国95037、カリフォルニア 州モーガン・ヒル、スプリング・ヒル・ ドライブ 575 (56)参考文献 特開 平４−358310（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−247607（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G11B 5/39
Claims (9)
- 【請求項１】非磁性材料スペーサ層によって分離されて
おり、印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁
化方向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂
直である、第１および第２の強磁性材料層と、 前記第１の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する金
属材料背部層と、 前記第２の強磁性材料層の磁化を所望の方向に維持する
手段とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 - 【請求項２】前記維持する手段が、前記第２の強磁性層
に隣接しかつこれと接触し、さらに前記第２の強磁性層
中に前記第２の強磁性層中の磁化を所望の方向に維持す
るためのバイアス磁界を提供する反強磁性材料交換バイ
アス層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の磁
気抵抗センサ。 - 【請求項３】前記背部層の最大厚さが、前記背部層材料
中の伝導電子の平均自由行程長の約３倍であることを特
徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項４】前記背部層の厚さが、約４Åないし約１０
００Åの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項５】前記背部層が、銀、金、銅から成る群から
選択された材料から構成されることを特徴とする、請求
項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項６】前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特
徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項７】データを記録するための複数のトラックを
もつ磁気記憶媒体と、 前記磁気トランスデューサと前記磁気記憶媒体の間の相
対運動中に、前記記憶媒体から近い間隔の位置に維持さ
れる磁気トランスデューサとを備え、 前記磁気トランスデューサが、磁気抵抗センサを含み、 前記磁気抵抗センサが、 非磁性材料スペーサ層によって分離されており、印加磁
界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁化方向が第２
の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直である、第
１および第２の強磁性材料層と、 前記第１の強磁性層に隣接しかつこれと接触する非磁性
導電材料背部層と、 前記第２の強磁性層の磁化を所望の方向に維持するバイ
アス手段と、 前記磁気トランスデューサに結合されており、前記磁気
トランスデューサを前記記憶媒体上の選択されたトラッ
クに移動するアクチュエータ手段と、 前記磁気抵抗センサに結合されており、前記磁気媒体に
記録されたデータ・ビットを表し前記磁気抵抗センサに
傍受された磁界に応答して前記磁気抵抗センサの抵抗変
化を検出する検出手段とを備えることを特徴とする磁気
記憶システム。 - 【請求項８】非磁性材料スペーサ層によって分離されて
おり、印加磁界がゼロのとき、第１の強磁性材料層の磁
化方向が第２の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂
直である、第１および第２の強磁性材料層と、 前記第１の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する非
磁性導電材料背部層とを備えることを特徴とする磁気抵
抗センサ。 - 【請求項９】非磁性導電材料スペーサ層によって分離さ
れた第１および第２の強磁性材料層を有し、該第１およ
び第２の強磁性材料中の磁化方向は、磁気センサ中の感
知電流に応答して大きさが等しく該磁気センサの磁化容
易軸に対して反対の角度に配向され、 前記第１の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する第
１の非磁性導電材料背部層を有し、前記第１の強磁性材
料層は前記第１の背部層と前記スペーサ層の間に配置さ
れ、前記第１の背部層は前記第１の強磁性材料層のほぼ
全体を覆うように共に広がり前記第１の強磁性材料層に
隣接しかつこれと接触し、 前記第２の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する第
２の非磁性導電材料背 部層を有し、前記第２の強磁性材
料層は前記第２の背部層と前記スペーサ層の間に配置さ
れ、前記第２の背部層は前記第２の強磁性材料層のほぼ
全体を覆うように共に広がり前記第２の強磁性材料層に
隣接しかつこれと接触する磁気抵抗センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/014,981 US5422571A (en) | 1993-02-08 | 1993-02-08 | Magnetoresistive spin valve sensor having a nonmagnetic back layer |
| US014981 | 1993-02-08 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP6002326A Expired - Fee Related JP2744883B2 (ja) | 1993-02-08 | 1994-01-14 | 非磁性背部層を有する磁気抵抗センサ |
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| SG (1) | SG42851A1 (ja) |
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