JP2924819B2 - 磁気抵抗効果膜及びその製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果膜及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録媒体等か
ら磁界強度を信号として読み取る磁気抵抗効果素子に用
いられる磁気抵抗効果膜に関し、詳しくは、小さい外部
磁界で抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＭＲセンサ（又はＭＲヘッド）と
呼ばれる、大きな線形密度で磁性表面からデータ読み取
れる、磁気読み取り変換器が開発されている。ＭＲセン
サは、読み取り素子によって感知される磁束の強さ及び
方向の関数としての抵抗変化を介して磁界信号を検出す
る。こうした従来のＭＲセンサは、読み取り素子の抵抗
の１成分が磁化方向と素子中を流れる感知電流の方向と
のなす角度の余弦の２乗に比例して変化するという、異
方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づいて動作する。ＡＭ
Ｒ効果については、Ｄ．Ａ．トムプソン（Ｔｏｍｐｓｏ
ｎ）等の論文”Ｍｅｍｏｒｙ，Ｓｔｏｒａｇｅ，ａｎｄ
Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”ＩＥＥ
Ｅ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇ．ＭＡＧ−１１．ｐ．１
０３９（１９７５）に詳しく述べられている。
【０００３】さらに最近には、積層磁気センサの抵抗変
化が、非磁性層を介する磁性層間での伝導電子のスピン
依存伝送、及びそれに付随する層界面でのスピン依存散
乱に帰される、より顕著な磁気抵抗効果が報告されてい
る。この磁気抵抗効果は、「巨大磁気抵抗効果」や「ス
ピンバルブ効果」など様々な名称で呼ばれている。この
ような磁気抵抗センサは、適当な材料でできており、Ａ
ＭＲ効果を利用するセンサで観察されるよりも、密度が
改善され、抵抗変化が大きい。この種のＭＲセンサで
は、非磁性層で分離された１対の強磁性体層の間の平面
内抵抗が、２つの層の磁化方向間の角度の余弦に比例し
て変化する。
【０００４】特開平２−６１５７２号公報には、磁性層
間の磁化の反平行配列によって生じる、高いＭＲ変化を
もたらす積層磁性構造が記載されている。積層構造で使
用可能な材料として、上記公報には強磁性層の遷移金属
及び合金が挙げられている。また、中間層により分離さ
れている少なくとも２層の強磁性層の一方に反強磁性層
としてＦｅＭｎが適当であることが開示されている。
【０００５】特開平４−３５８３１０号公報には、非磁
性金属体の薄膜層によって仕切られた強磁性体の２層の
薄膜層を有し、印加磁界が零である場合に２つの強磁性
薄膜層の磁化方向が直交し、２つの非結合強磁性体層間
の抵抗が２つの層の磁化方向間の角度の余弦に比例して
変化し、センサ中を流れる電流の方向とは独立なＭＲセ
ンサが開示されている。
【０００６】特開平６−２１４８３７号公報では、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、非磁性薄膜を介して隣り合う一方の軟磁性薄膜に反
強磁性薄膜が隣接して設けられており、この反強磁性薄
膜のバイアス磁界がＨｒ、他方の軟磁性薄膜の保磁力が
Ｈｃ２（＜Ｈｒ）である磁抵抗効果膜において、前記反
強磁性層がＮｉＯ，Ｎｉx Ｃｏ1-x Ｏ，ＣｏＯから選ば
れる少なくとも２種からなる超格子である磁気抵抗効果
素子が開示されている。また、特開平７−１３６６７０
号公報では、特開平６−２１４８３７号公報と同じ構造
からなる磁気抵抗効果膜において、前記反強磁性層がＮ
ｉＯ上にＣｏＯを１０から４０オングストローム積層し
た２層膜である磁気抵抗効果素子が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の磁
気抵抗効果素子においても、次のような問題があった。
【０００８】．小さい外部磁場で動作するとはいえ、
実用的なセンサ、磁気ヘッドとして使用する場合、容易
軸方向に信号磁界が印加される必要があり、センサとし
て用いる場合ゼロ磁場前後で抵抗変化を示さないこと、
及びバルクハウゼンジャンプなどの非直線性が現れるこ
と等の問題があった。
【０００９】．非磁性層を介して隣あう磁性層間に強
磁性的な相互作用があり、ＭＲ曲線における直線域がゼ
ロ磁場からシフトしてしまうという問題があった。
【００１０】．反強磁性薄膜としてＦｅＭｎという耐
蝕性の悪い材料を用いる必要があり、実用化に際して添
加物を加え又は保護膜をつけるなどの施策を必要とする
という問題があった。
【００１１】．反強磁性薄膜として耐蝕性の優れたＮ
ｉ酸化膜を用いる場合、バイアス磁界が小さく隣接する
軟磁性膜の保磁力が大きくなり、磁性層間の磁化反平行
状態が得難いという問題があった。
【００１２】．Ｎｉ酸化膜を用いる場合、ブロッキン
グ温度（バイアス磁界が消失する温度）が小さく、２５
０℃以上で熱処理した場合、バイアス磁界が低下すると
いう問題があった。
【００１３】．反強磁性薄膜として酸化物反強磁性膜
を用いる場合、熱処理をした時隣接する軟磁性膜が酸化
し、磁気抵抗効果膜の抵抗変化率が低下してしまうとい
う問題があった。
【００１４】．基本的に磁性薄膜／非磁性薄膜／磁性
薄膜の３層における伝導電子の平均自由行程長の変化を
利用して抵抗変化を得る構造であるため、多層構造を有
するカップリング型と呼ばれる磁気抵抗効果膜に比較し
て、抵抗変化率が小さいとうい問題があった。
【００１５】
【発明の目的】そこで、本発明の目的は、ゼロ磁場前後
で直線的に大きな抵抗変化を示し、しかも耐蝕性及び耐
熱性に優れた磁気抵抗効果膜を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る磁気抵抗効
果膜は、反強磁性薄膜と、この反強磁性薄膜に接する第
一の磁性薄膜（軟磁性薄膜）と、この第一の磁性薄膜に
接する非磁性薄膜と、この非磁性薄膜に接する第二の磁
性薄膜（軟磁性薄膜）とが少なくとも積層され、前記反
強磁性薄膜のバイアス磁界をＨｒ、前記第二の磁性薄膜
の保持力をＨｃ２としたとき、Ｈｃ２＜Ｈｒとしたもの
である。反強磁性薄膜、第一の磁性薄膜、非磁性薄膜及
び第二の磁性薄膜は、基板上にこの順に反強磁性薄膜か
ら積層してもよいし、基板上にこの順とは逆に第二の磁
性薄膜から積層してもよい。そして、前記反強磁性薄膜
は、Ｎｉ酸化膜と、２０〜１００オングストロームの厚
みのＦｅ酸化膜との積層体からなる。
【００１７】これにより、従来用いられていた場合と比
較して交換結合膜の一方向異方性が著しく上昇すると共
に熱安定性が著しく改善され、磁気抵抗効果素子の安定
動作が実現される。
【００１８】Ｎｉ酸化膜の膜厚は、１０００オングスト
ローム以下とすることが望ましい。これ以上の膜厚とし
ても効果が劣ることはないが、磁気抵抗効果素子におけ
る読み取り精度の観点から、膜厚が増加することにより
精度が低下することにつながる。一方、Ｎｉ酸化膜の厚
さの下限は反強磁性薄膜の結晶性が隣接する磁性薄膜へ
の交換結合磁界の大きさに大きく影響するため、結晶性
が良好となる１００オングストローム以上とすることが
好ましい。また、基板温度を室温から３００℃として成
膜することにより、結晶性が改善されバイアス磁界が上
昇する。成膜は、蒸着、スパッタリング、分子線エピタ
キシー（ＭＢＥ）等の方法で行う。また、基板として
は、石英系ガラス、Ｓｉ、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＧａＡ
ｓ、フェライト、ＣａＴｉ2 Ｏ3 、ＢａＴｉ2 Ｏ3 、Ａ
ｌ2 Ｏ3 −ＴｉＣ等を用いることができる。
【００１９】本発明では、反強磁性薄膜と磁性薄膜との
間に、３〜３０オングストロームの厚みのＮｉ，Ｆｅ，
Ｃｏの中から選ばれた一又は二以上の金属を挿入するこ
とにより、磁性薄膜の酸化が抑制され、熱処理をした時
の交換結合磁界の低下さらには抵抗変化率の低下が著し
く改善される。
【００２０】本発明では、反強磁性薄膜の表面粗さを２
〜１５オングストロームとすることにより、その上に積
層する磁性薄膜の磁区構造が変化し、交換結合膜におけ
る保磁力が低下する。
【００２１】本発明の磁性薄膜に用いる材料は、Ｎｉ，
Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＮｉＦｅＣｏの中か
ら選ばれた一又は二以上の金属が好ましい。これによ
り、非磁性薄膜／磁性薄膜界面での伝導電子の散乱の効
果が大きく現れ、より大きな抵抗変化が得られる。
【００２２】本発明では上記の磁性体から選択して磁性
薄膜を形成する。特に、反強磁性薄膜と隣接していない
磁性薄膜の異方性磁界Ｈｋ２が保磁力Ｈｃ２より大きい
材料を選択することにより、実現できる。
【００２３】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１０オング
ストローム程度の厚さにすると、異方性磁界Ｈｋ２を保
磁力Ｈｃ２より大きくすることができる。
【００２４】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
保磁力がＨｃ２＜Ｈｋ２＜Ｈｒになるように磁性薄膜を
磁場中成膜することにより製造できる。具体的には、反
強磁性膜と隣り合う磁性薄膜の容易軸とこれと非磁性層
を介して隣り合う磁性薄膜の容易磁化方向が直交するよ
うに成膜中印加磁界を９０度回転させる、又は磁場中で
基板を９０度回転させることにより実現される。
【００２５】各磁性薄膜の膜厚は、１５０オングストロ
ーム以下が望ましい。膜厚を１５０オングストローム以
上とすると、膜厚の増加に伴って電子散乱に寄与しない
領域が増加し、巨大磁気抵抗効果が小さくなってしま
う。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特にないが、１０オ
ングストローム以下は伝導電子の表面散乱の効果が大き
くなり、磁気抵抗変化が小さくなる。また、厚さを１０
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、特性も良好となる。また、飽和磁化の大
きさが小さくなりすぎることもない。
【００２６】また、反強磁性薄膜に隣接する磁性薄膜の
保磁力は、基板温度を室温から３００℃として反強磁性
薄膜と連続して成膜することにより小さくすることが可
能である。
【００２７】さらに、磁性薄膜／非磁性薄膜界面にＣ
ｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＣｏ又はＮｉＦｅＣｏを挿入するこ
とにより、伝導電子の界面散乱確率が上昇しより大きな
抵抗変化を得ることが可能である。挿入する膜厚の下限
は３オングストロームである。これ以下では、挿入効果
が減少すると共に、膜厚制御も困難となる。挿入膜厚の
上限は特にはないが、４０オングストローム程度が望ま
しい。これ以上にすると、磁気抵抗効果素子の動作範囲
における出力にヒステリシスが現れる。
【００２８】さらに、このような磁気抵抗効果膜におい
て、外部磁場を検出する磁性薄膜、すなわち反強磁性薄
膜と隣接しない磁性薄膜の容易磁化方向に永久磁石薄膜
を隣接させることにより、磁区安定化が図られバルクハ
ウゼンジャンプなどの非直線的な出力が回避される。永
久磁石薄膜としては、ＣｏＣｒ，ＣｏＣｒＴａ，ＣｏＣ
ｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＮｉＰｔ，ＣｏＮｉＣ
ｒ，ＣｏＣｒＰｔＳｉ，ＦｅＣｏＣｒ等が好ましい。そ
して、これらの永久磁石薄膜の下地層として、Ｃｒなど
が用いられてもよい。
【００２９】非磁性薄膜は、磁性薄膜間の磁気相互作用
を弱める役割を果たす材料であり、高い磁気抵抗変化と
優れた耐熱性を得るためにＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕの中
から選ばれた一又は二以上の金属が好ましい。
【００３０】実験結果より非磁性薄膜の厚さは、２０〜
３５オングストロームが望ましい。一般に膜厚が４０オ
ングストロームを越えると、非磁性薄膜により抵抗が決
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２０オングストローム以下
になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大きくなりす
ぎ、また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が相異な
る状態が生じにくくなる。
【００３１】また、本発明における酸化物反強磁性薄膜
を用いたスピンバルブ膜では、非磁性薄膜の厚みに対し
て磁性薄膜間の相互作用が変化するため、非磁性薄膜の
厚みが８〜１２オングストローム付近で２つの磁性薄膜
が反強磁性的に結合し、ゼロ磁場前後で高い抵抗変化が
得られる。
【００３２】磁性薄膜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析等により確認することが
できる。
【００３３】磁気抵抗効果素子を構成する場合におい
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。しかし、反強磁性薄膜の比抵抗値が大きく、積
層する効果が損なわれるため、反強磁性層／磁性層／非
磁性層／磁性層／非磁性層／磁性層／反強磁性層とする
構造に置き換えられるのが好ましい。
【００３４】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化
珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム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。
【００３５】また、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。測定すべき磁性薄膜
を、磁性薄膜の合計厚さが５００〜１０００オングスト
ローム程度になるまで非磁性薄膜と交互に成膜して測定
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。
【００３６】
【作用】本発明の磁気抵抗効果膜では、第一の磁性薄膜
に隣接して反強磁性薄膜が形成されていて、交換バイア
力が働いていることが必須である。その理由は、本発明
の原理が非磁性薄膜を介して隣り合った磁性薄膜の磁化
の向きが互いに逆方向に向いたとき、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３で
示すごとく、外部磁場Ｈが第二の磁性薄膜の異方性磁界
Ｈｋ２と第一の磁性薄膜の抗磁力Ｈｒとの間であると
き、すなわちＨｋ２＜Ｈ＜Ｈｒであるとき、隣り合った
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。
【００３７】図２は、本発明の磁気抵抗効果膜を用いた
ＭＲセンサの一例を示す展開斜視図である。このＭＲセ
ンサは、図２に示すように、基板４上に形成された人工
格子膜７からなり、基板４上に形成された反強磁性薄膜
５の上に、非磁性薄膜１を介した磁性薄膜２，３間の磁
化容易方向を直交させ、磁気記録媒体８から放出される
信号磁界が磁性薄膜２の磁化容易方向に対し垂直となる
ように設定する。このとき、磁性薄膜３は、隣接する反
強磁性薄膜５により一方向異方性が付与されている。そ
して、磁性薄膜２の磁化方向が、磁気記録媒体８の信号
磁界の大きさに応答して回転することにより、抵抗が変
化し磁場を検知する。
【００３８】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。図３に示すように、交換バイアスさ
れた磁性薄膜３の抗磁力をＨｒ、磁性薄膜２の保磁力を
Ｈｃ２、異方性磁界をＨｋ２とする（０＜Ｈｋ２＜Ｈ
ｒ）。最初、外部磁場ＨをＨ＜−Ｈｋ２となるように印
加しておく（領域（Ａ））。このとき、磁性薄膜２，３
の磁化方向は、Ｈと同じ−（負）方向に向いている。次
に外部磁場Ｈを弱めていくと−Ｈｋ２＜Ｈ＜Ｈｋ２（領
域（Ｂ））において磁性薄膜２の磁化は＋方向に回転
し、Ｈｋ２＜Ｈ＜Ｈｒ の領域（Ｃ）では、磁性薄膜
２，３の磁化方向は互いに逆向きになる。さらに外部磁
場Ｈを大きくしたＨｒ＜Ｈの領域（Ｄ）では、磁性薄膜
３の磁化も反転し、磁性薄膜２，３の磁化方向は＋方向
に揃っていく。
【００３９】図４に示すように、この膜の抵抗は磁性薄
膜２，３の相対的な磁化方向によって変化し、ゼロ磁場
前後で直線的に変化し、領域（Ｃ）で最大の値
（Ｒmax ) をとるようになる。
【００４０】
【発明の実施の形態】図１は、膜厚方向を拡大して示し
た本発明の実施例であり、磁気抵抗効果膜としての人工
格子膜７の断面図である。図１において、人工格子膜７
は、反強磁性薄膜５を形成した基板４上に磁性薄膜２，
３を有し、隣接する２層の磁性薄膜２，３の間に非磁性
薄膜１を有する。また、磁性薄膜２には反強磁性薄膜
（又は永久磁石薄膜）６が隣接して積層されている。以
下、具体的な実験結果により、請求項で示した材料等に
ついて説明する。
【００４１】基板４としてガラス基板を用い真空装置の
中に入れ、１０-7Ｔｏｒｒ台まで真空引き行う。基板温
度を室温〜３００℃に保ち、ＮｉＯを１００〜１０００
オングストローム、Ｆｅ−Ｏ薄膜を１０から１００オン
グストロームの厚さで形成し、続いて磁性層（ＮｉＦ
ｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＣｏ，ＮｉＦｅＣＯ）を成膜
する。
【００４２】上記のように室温〜３００℃で交換結合膜
を形成後、基板温度を室温に戻し、非磁性層及び磁性層
を形成する。このとき、交換結合膜の磁化容易軸と非磁
性層を介してこれと隣接する磁性層の磁化容易軸とが直
交するように、成膜中印加磁界を９０°回転させる。続
いてこの人工格子膜を加熱炉に入れ、３００〜３０００
ＯｅのＤＣ磁界を交換結合層の容易磁化方向に印加しな
がら２００〜３００℃で熱処理し、磁気抵抗効果膜とす
る。
【００４３】成膜は、具体的には、ガラス基板両脇にＮ
ｄＦｅＢ磁石を配置し、ガラス基板と平行に３００Ｏｅ
程度の外部磁場が印加されているような状態で行った。
この試料のＢ−Ｈ曲線を測定すると成膜中磁場印加方向
が磁性層の磁化容易軸となる。
【００４４】そして、以下に示す人工格子膜は、酸化物
反強磁性膜については２．２〜３．５オングストローム
／秒、磁性薄膜及び非磁性薄膜については約０．８〜
２．０オングストローム／秒の速度で成膜を行った。
【００４５】なお、例えばＮｉＯ（５００）／Ｆｅ−Ｏ
（２０）／ＮｉＦｅ（６０）／Ｃｕ（２５）／ＮｉＦｅ
（６０）と表示されている場合、基板上にＮｉＯ薄膜を
５００オングストローム、Ｆｅ−Ｏ薄膜を２０オングス
トローム積層して反強磁性層を形成した後、６０オング
ストロームのＮｉ８０％−Ｆｅ２０％の合金薄膜、２５
オングストロームのＣｕ薄膜、６０オングストロームの
Ｎｉ８０％−Ｆｅ２０％薄膜を順次成膜することを意味
する。
【００４６】磁化の測定は、振動試料型磁力計により行
った。抵抗測定は、試料から１．０×１０ｍｍ2 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、−５００〜５００Ｏｅ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△Ｒ／Ｒを求めた。抵抗変化率△Ｒ
／Ｒは、最大抵抗値をＲmax 、最小抵抗値をＲmin と
し、次式により計算した。△Ｒ／Ｒ＝（Ｒmax −
Ｒmin ）／Ｒmin ×１００（％）
【００４７】作製したスピンバルブ膜を以下に示す。
【００４８】〔．非磁性層Ｃｕ〕ｇｌａｓｓ／ＮｉＯ
（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１００）／Ｃｏ
90Ｆｅ10（２０〜１５０）／Ｃｕ（８〜４０）／ＮｉＦ
ｅ（２０〜１５０）
【００４９】〔．磁性固定層Ｃｏ90Ｆｅ10〕ｇｌａｓ
ｓ／ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１０
０）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２０〜１５０）／Ｃｕ（８〜４
０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）
【００５０】〔．非磁性層Ａｕ〕ｇｌａｓｓ／ＮｉＯ
（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１００）／Ｎｉ
Ｆｅ（２０〜１５０）／Ａｕ（８〜４０）／ＮｉＦｅ
（２０〜１５０）
【００５１】〔．非磁性層Ａｇ〕ｇｌａｓｓ／ＮｉＯ
（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１００）／Ｎｉ
Ｆｅ（２０〜１５０）／Ａｕ（８〜４０）／ＮｉＦｅ
（２０〜１５０）
【００５２】〔．非磁性層Ｒｕ〕ｇｌａｓｓ／ＮｉＯ
（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１００）／Ｎｉ
Ｆｅ（２０〜１５０）／Ａｕ（８〜４０）／ＮｉＦｅ
（２０〜１５０）
【００５３】〔．非磁性層Ｃｕ1-x Ａｇx 〕ｇｌａｓ
ｓ／ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０〜１０
０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／Ｃｕ1-x Ａｇx （８
〜４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）
【００５４】〔．酸化防止層厚保存サンプル〕 (a)…
ｇｌａｓｓ／ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２
０）／Ｆｅ（３〜３０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／
Ｃｕ８〜４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０） (b)…ｇｌ
ａｓｓ／ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０）
／Ｎｉ（３〜３０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／Ｃｕ
８〜４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０） (c)…ｇｌａｓ
ｓ／ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０）／Ｃ
ｏ（３〜３０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／Ｃｕ８〜
４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０） (d)…ｇｌａｓｓ／
ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０）／ＦｅＣ
ｏ（３〜３０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／Ｃｕ８〜
４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０） (e)…ｇｌａｓｓ／
ＮｉＯ（１５０〜５００）／Ｆｅ−Ｏ（２０）／ＮｉＣ
ｏ（３〜３０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）／Ｃｕ８〜
４０）／ＮｉＦｅ（２０〜１５０）
【００５５】図９に抵抗変化率のＦｅ−Ｏ層厚依存性を
示す。このようにＮｉ酸化膜上にＦｅ−Ｏ薄膜を２０〜
１００オングストローム積層することにより、抵抗変化
率が緩やか上昇する。
【００５６】図１０はＮｉＯ（５００オングストロー
ム）／Ｆｅ−Ｏ／ＮｉＦｅ（６０オングストローム）交
換結合膜の交換結合磁界のＦｅ−Ｏ層厚及び熱処理温度
依存性を示したものである。交換結合磁界は、２５０℃
程度の温度で熱処理することにより上昇し、１０〜３０
オングストロームの範囲で極大となる。このようにＮｉ
酸化膜上にＦｅ酸化層を積層することにより、交換結合
膜の耐熱性が著しく向上すると共に、交換結合磁界が大
きく上昇する。
【００５７】図１１は２５０℃２時間熱処理をした交換
結合膜の交換結合磁界及び保磁力のＦｅ−Ｏ層厚依存性
であり、いずれの試料も保磁力は交換結合磁界の１／２
程度であり、磁気抵抗効果素子における動作にヒステリ
シスは生じない。
【００５８】図１２は抵抗変化率と交換結合磁界のＮｉ
Ｏ層厚依存性を示したものである。抵抗変化率はＮｉＯ
層厚に殆ど影響されないが、交換結合磁界はＮｉＯ層厚
に顕著に依存する。すなわち、ＮｉＯ層厚は１５０オン
グストローム以上必要となる。
【００５９】図１３は交換結合磁界のＯ／Ｎｉ比依存性
であり、いずれのＦｅ−Ｏ層厚に対してもＯ／Ｎｉ比が
０．９〜１．１で交換結合磁界が極大値をとる。
【００６０】図１４は交換結合磁界のＯ／Ｆｅ比依存で
あり、Ｏ／Ｆｅ比が１．０〜２．０で交換結合磁界は極
大値を示す。
【００６１】図１５は交換結合層の交換結合磁界及び保
磁力を反強磁性層の表面粗さに対して示したものであ
る。交換結合層の磁気特性は反強磁性層の表面組成だけ
ではなく、表面粗さにも関係し、交換結合磁界は表面粗
さにそれ程影響されないものの、保磁力は表面粗さを２
〜１５オングストロームとすることにより小さくするこ
とが可能である。これは、上に積層する磁性層の磁区構
造が表面粗さにより影響されるためであり、２〜１５オ
ングストロームの表面粗さのとき、スピンバルブ膜とし
てのＭＲ特性が良好となる。
【００６２】図１６は非磁性材料を変えたときの抵抗変
化率の熱処理温度依存を示したものである。抵抗変化率
は非磁性材料をＣｕＡｇ合金又はＡｇとすることによ
り、高温処理に対しても維持されることが分かる。これ
はＮｉとＣｕの合金化が、結晶粒界にＡｇが析出するこ
とにより抑制されるからである。
【００６３】図１７は抵抗変化率の非磁性層厚依存性を
示したものである。本発明のスピンバルブ膜ではこのよ
うに非磁性層厚に対し、抵抗変化率は極大値を二つ有す
る。これは磁性層間に反強磁性的相互作用が現れるため
である。抵抗変化率としては、非磁性層厚２０〜３０オ
ングストロームで６．５％、１０オングストロームで１
０％程度である。
【００６４】図１８は抵抗変化率の磁性層厚依存性を示
したものである。抵抗変化率は磁性層厚４０〜７０オン
グストロームにおいて極値を示すことが分かる。また、
Ｃｏ系の強磁性材を用いることにより磁性層／非磁性層
界面での電子散乱確率が上昇し、より高い抵抗変化率
（１２％）が得られる。
【００６５】図１９は磁性層／非磁性層界面にＣｏ系合
金（Ｃｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＣｏ，ＮｉＦｅＣｏ）を挿入
した時の抵抗変化率の挿入層厚依存性を示したものであ
る。数オングストロームの挿入により効果が現れ、１０
オングストローム以上では徐々に抵抗変化率が上昇する
ことが分かる。このとき、磁界を検知する磁性層の保磁
力は、Ｃｏ挿入３０オングストローム以上では１５Ｏｅ
程度となりスピンバルブ膜のＭＲ特性にヒステリシスが
生じ安くなる。
【００６６】図２０は反強磁性薄膜と磁性薄膜との界面
にＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ又はこれらの合金を挿入した時の交
換結合磁界の熱処理温度依存を示したものである。酸化
物反強磁性薄膜と磁性薄膜との間に酸化防止膜を挿入す
ることにより、磁性層酸化による交換結合磁界低下が抑
制され、３００℃の熱処理に対しても４００Ｏｅ程度の
交換結合磁界を維持する。
【００６７】図２１は本発明のスピンバルブ膜を素子高
さ１μｍ、素子幅１．２μｍとし、隣接して磁区安定化
膜としてＣｏＣｒＰｔ永久磁石膜を配置した時の素子の
ＭＲ曲線を示したものである。これより、永久磁石薄膜
により磁区安定化が図られバルクハウゼンジャンプなど
の非直線的な出力が回避されると共に、通常の異方性磁
気抵抗効果と比較して６〜１０倍程度の出力が得られ
た。
【００６８】本発明のスピンバルブ膜の典型的なＢＨ曲
線及びＭＲ曲線は図５乃至図８のようになる。
【００６９】なお、本発明に係る磁気抵抗効果膜によ
り、次の磁気抵抗効果素子等を構成してもよい。
（イ）：本発明に係る磁気抵抗効果膜に微細加工を施す
ことにより素子高さを０．５〜１．５μｍとし、磁界を
検知する際の検出電流の密度を０．５×１０7 〜５×１
０7 Ａ／ｃｍ2 とした、磁気抵抗効果素子。（ロ）：上
記（イ）の磁気抵抗効果素子の上下を絶縁層を介して高
透磁率軟磁性材料で挟んだ構造からなるシールド型磁気
抵抗センサ。（ハ）：上記（イ）の磁気抵抗効果素子に
高透磁率軟磁性材料で信号磁界を導く構造からなるヨー
ク型磁気抵抗センサ。（ニ）：上記（イ）の磁気抵抗効
果素子と、検出される磁界の関数として前記磁気抵抗効
果素子の抵抗変化率を検出する手段とを兼ね備えた磁気
抵抗検出システム。
【００７０】
【発明の効果】本発明に係る磁気抵抗効果膜及びその製
造方法によれば、ゼロ磁場前後で直線的に大きな抵抗変
化を示す特性を得ることができ、しかも耐蝕性及び耐熱
性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果膜の一実施例を示す一部
を省略した断面図である。
【図２】図１の磁気抵抗効果膜からなる磁気抵抗センサ
の立体展開図である。
【図３】図１の磁気抵抗効果膜のＢ−Ｈ曲線を示すグラ
フである。
【図４】図１の磁気抵抗効果膜のＲ−Ｈ曲線を示すグラ
フである。
【図５】図１の磁気抵抗効果膜のＢ−Ｈ曲線を示すグラ
フである。
【図６】図１の磁気抵抗効果膜のＢ−Ｈ曲線を示すグラ
フである。
【図７】図１の磁気抵抗効果膜のＭＲ曲線を示すグラフ
である。
【図８】図１の磁気抵抗効果膜のＭＲ曲線を示すグラフ
である。
【図９】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率の
Ｆｅ−Ｏ層厚依存性を示すグラフである。
【図１０】図１の磁気抵抗効果膜における、交換結合磁
界のＦｅ−Ｏ層厚依存性を示すグラフである。
【図１１】図１の磁気抵抗効果膜における、変換結合磁
界及び保磁力のＦｅ−Ｏ層厚依存性を示すグラフであ
る。
【図１２】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率
及び交換結合磁界のＮｉＯ層厚依存性を示すグラフであ
る。
【図１３】図１の磁気抵抗効果膜における、交換結合磁
界のＯ／Ｎｉ比依存性を示すグラフである。
【図１４】図１の磁気抵抗効果膜における、交換結合磁
界のＯ／Ｆｅ比依存性を示すグラフである。
【図１５】図１の磁気抵抗効果膜における、交換結合層
の交換結合磁界及び保磁力の反強磁性体表面粗さ依存性
を示すグラフである。
【図１６】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率
の熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図１７】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率
の非磁性層厚依存性を示すグラフである。
【図１８】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率
の磁性層依存性を示すグラフである。
【図１９】図１の磁気抵抗効果膜における、抵抗変化率
のＣｏ系合金挿入層厚依存性を示すグラフである。
【図２０】図１の磁気抵抗効果膜における、交換結合磁
界の熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図２１】図１の磁気抵抗効果膜からなる磁気抵抗素子
のＭＲ曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 非磁性薄膜 ２ 第二の磁性薄膜 ３ 第一の磁性薄膜 ４ 基板 ５ 反強磁性薄膜 ６ 反強磁性薄膜（又は永久磁石薄膜） ７ 人工格子膜（磁気抵抗効果膜）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01F 10/08 G11B 5/39 H01L 43/08

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反強磁性薄膜と、この反強磁性薄膜に接
    する第一の磁性薄膜と、この第一の磁性薄膜に接する非
    磁性薄膜と、この非磁性薄膜に接する第二の磁性薄膜と
    が少なくとも積層され、前記反強磁性薄膜のバイアス磁
    界をＨｒ、前記第二の磁性薄膜の保持力をＨｃ２とした
    とき、Ｈｃ２＜Ｈｒである磁気抵抗効果膜において、 前記反強磁性薄膜がＮｉ酸化膜と２０〜１００オングス
    トロームの厚みのＦｅ酸化膜との積層体からなることを
    特徴とする磁気抵抗効果膜。
  2. 【請求項２】 前記Ｎｉ酸化膜の厚みが１５０〜５００
    オングストロームである、請求項１記載の磁気抵抗効果
    膜。
  3. 【請求項３】 前記Ｎｉ酸化膜中のＮｉに対するＯの組
    成比が０．９〜１．１である、請求項１記載の磁気抵抗
    効果膜。
  4. 【請求項４】 前記Ｆｅ酸化膜中のＦｅに対するＯの組
    成比が０．８〜２．０である、請求項１記載の磁気抵抗
    効果膜。
  5. 【請求項５】 前記Ｆｅ酸化膜の結晶構造がα−Ｆｅ2
    Ｏ3 構造を主成分とする、請求項１記載の磁気抵抗効果
    膜。
  6. 【請求項６】 前記Ｆｅ酸化膜の結晶構造がＦｅＯ構造
    を主成分とする、請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
  7. 【請求項７】 前記反強磁性薄膜の表面粗さが２．０〜
    １５オングストロームである、請求項１記載の磁気抵抗
    効果膜。
  8. 【請求項８】 前記非磁性薄膜の材質がＡｕ，Ａｇ，Ｃ
    ｕ，Ｒｕの中から選ばれた一又は二以上の金属である、
    請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
  9. 【請求項９】 反強磁性薄膜と、この反強磁性薄膜に接
    する第一の磁性薄膜と、この第一の磁性薄膜に接する非
    磁性薄膜と、この非磁性薄膜に接する第二の磁性薄膜と
    が少なくとも積層され、前記反強磁性薄膜のバイアス磁
    界をＨｒ、前記第二の磁性薄膜の保持力をＨｃ２とした
    とき、Ｈｃ２＜Ｈｒである磁気抵抗効果膜において、 前記非磁性薄膜の厚みが２０〜３５オングストロームで
    あることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
  10. 【請求項１０】 反強磁性薄膜と、この反強磁性薄膜に
    接する第一の磁性薄膜と、この第一の磁性薄膜に接する
    非磁性薄膜と、この非磁性薄膜に接する第二の磁性薄膜
    とが少なくとも積層され、前記反強磁性薄膜のバイアス
    磁界をＨｒ、前記第二の磁性薄膜の保持力をＨｃ２とし
    たとき、Ｈｃ２＜Ｈｒである磁気抵抗効果膜において、 前記非磁性薄膜の厚みが８〜１２オングストロームであ
    ることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
  11. 【請求項１１】 前記反強磁性薄膜のバイアス磁界をＨ
    ｒ、第二の磁性薄膜の保磁力をＨｃ２、異方性磁界をＨ
    ｋ２としたとき、Ｈｃ２＜Ｈｋ２＜Ｈｒである、請求項
    １記載の磁気抵抗効果膜。
  12. 【請求項１２】 前記第一又は第二の磁性薄膜の材質が
    Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＮｉＦｅＣｏ
    の中から選ばれた一又は二以上の金属を主成分とする、
    請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
  13. 【請求項１３】 前記第一又は第二の磁性薄膜の厚みが
    １０〜１５０オングストロームである、請求項１記載の
    磁気抵抗効果膜。
  14. 【請求項１４】 前記非磁性薄膜と前記第一又は第二の
    磁性薄膜との界面に、３〜４０オングストロームの厚み
    のＣｏ，ＦｅＣｏ，ＮｉＣｏ又はＮｉＦｅＣｏが挿入さ
    れた、請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
  15. 【請求項１５】 前記反強磁性薄膜と前記第一の磁性薄
    膜との界面に、３〜３０オングストロームの厚みのＦ
    ｅ，Ｎｉ，Ｃｏの中から選ばれた一又は二以上の金属が
    挿入された、請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
  16. 【請求項１６】 室温〜３００℃に加熱した基板上に、
    前記反強磁性薄膜及び前記第一の磁性薄膜を成膜する、
    請求項１記載の磁気抵抗効果膜の製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記反強磁性薄膜及び前記第一の磁性
    薄膜を２００〜３００℃の磁界中で熱処理することによ
    り、当該第一の磁性薄膜の一方向異方性を誘起する、請
    求項１記載の磁気抵抗効果膜の製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記第一及び第二の磁性薄膜の容易軸
    方向が直交するように、当該第一及び第二の磁性薄膜の
    成膜中に印加磁界を９０度回転させる、請求項１記載の
    磁気抵抗効果膜の製造方法。
  19. 【請求項１９】 十分なバイアスを生じさせることによ
    り前記第二の磁性薄膜を単磁区化させた、請求項１記載
    の磁気抵抗効果膜。
  20. 【請求項２０】 前記バイアスを生じさせる手段が、前
    記第二の磁性薄膜に隣接して配置された永久磁石膜であ
    る、請求項１９記載の磁気抵抗効果膜。
  21. 【請求項２１】 前記バイアスを生じさせる手段が、前
    記第二の磁性薄膜に隣接して配置された反強磁性膜であ
    る、請求項１９記載の磁気抵抗効果膜。
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