JP2957236B2 - 磁性多層膜 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、特に磁気抵抗効果素子に好適な磁性多層膜
に関する。

＜従来の技術＞ 金属の原子径オーダーの厚さの薄膜が周期的に積層さ
れた構成をもつ人工格子は、バルク状の金属とは異なっ
た特性を示すために、近年注目されるようになってき
た。

このような人工格子の１種として、単結晶基体上に強
磁性金属薄膜と反強磁性金属薄膜とを交互に積層した磁
性多層膜があり、これまで、鉄−クロム型、ニッケル−
クロム型および鉄−マンガン型（特開昭60−189906号公
報）等の磁性多層膜が知られている。

また、鉄−クロム型については、極低温（4.2K）にお
いて40％を超える磁気抵抗変化を示すという報告もある
（フィジカル・レビュー・レターズ61巻、2472ページ、
1988年）。

これらの磁性多層膜の主な用途は磁気抵抗効果素子
（MR素子）であり、各種磁気センサ（MRセンサ）や磁気
ヘッド（MRヘッド）などへの適用が可能である。

MR素子は、磁場印加による磁性膜の電気抵抗変化を検
出して磁界強度やその変化を測定するものであり、一般
に、室温における磁気抵抗変化率が大きく、動作磁界強
度が小さいことが要求される。

MR素子の磁性膜としては、従来、異方性磁気抵抗効果
を利用するFe−Ni合金やCo−Ni合金の単層磁性膜が用い
られている。

しかし、Fe−Ni合金やCo−Ni合金の単層磁性膜では、
動作磁界強度は小さいが磁気抵抗変化率が小さい。

また、上記した鉄−クロム型磁性多層膜は、磁気抵抗
変化率は大きいものの動作磁界強度が20kOe程度と極め
て大きいため、MR素子としての実用化が困難である。

＜発明が解決しようとする課題＞ 本発明の目的は、磁気抵抗変化率が大きく、しかも動
作磁界強度を小さくできる人工格子磁性多層膜を提供す
ることにある。

＜課題を解決するための手段＞ このような目的を達成するための人工格子として、本
発明者らは、先に、磁気抵抗効果を有する磁性多層膜で
あって、 基体上に、それぞれ厚さ200Å以下の第１の磁性薄膜
と、これと異なる第２の磁性薄膜とを有し、 これら第１および第２の磁性薄膜を、これらが交互に
積層されないように、あるいはブロックごとに積層され
ないように、厚さ200Å以下の非磁性薄膜を介して積層
されている磁性多層膜を提案している。

このような提案における保磁力が互いに異なる磁性薄
膜を非磁性薄膜を介して積層した場合の磁気抵抗効果発
現の作用を説明する。

説明を簡単にするために、磁性薄膜M₁、非磁性薄膜お
よび磁性薄膜M₂がこの順に交互に積層されている積層体
について考える。

第２図は、M₁およびM₂のそれぞれのＢ−Ｈカーブを示
すグラフである。

M₁およびM₂の保磁力は、それぞれHc1およびHc2であ
り、Hc1＜Hc2である。

まず、積層体に−Hmaxの外部磁界Ｈを印加し、次いで
外部磁界ＨをHmaxまで増加させ、さらにHmaxから−Hmax
まで減少させると、M₁およびM₂の磁化方向、すなわちス
ピンの方向は、下記表１に示されるように変化する。

なお、表１では、M₁およびM₂にそれぞれHmaxの外部磁
界を印加したときの磁化方向を＋とし、−Hmaxの外部磁
界を印加したときの磁化方向を−とした。

上記表１に示されるように、外部磁界Ｈの変化がHc1
→Hc2のとき、および−Hc1→−Hc2のときは、M₁の磁化
方向がM₂の磁化方向と逆になる。

そして、M₁の磁化方向がM₂の磁化方向と逆向きである
と、すなわち、M₁におけるスピンの向きがM₂におけるス
ピンの向きと逆であると、この積層体に電流を流したと
きに伝導電子がスピン散乱され、積層体の電気抵抗が増
加する。

このような交互積層型の人工格子では、磁化方向が逆
転するHc1付近において最も抵抗が大きくなるので、M₁
を保磁力の小さい材料で構成すれば、動作磁界強度の極
めて小さい磁気抵抗効果素子が実現する。

そして、M₁およびM₂それぞれの保磁力を適宜選択する
ことにより、動作磁界強度を自在に設定することができ
る。

この場合、M₁とM₂との間に存在する非磁性薄膜は、M₁
とM₂とに直接はたらく交換相互作用を調節する役割を果
すものである。

非磁性薄膜が存在しないと磁性薄膜同士が接して存在
することになるので、交換相互作用によりあたかも１種
類の磁性薄膜のような振る舞いを示し、M₁とM₂との間で
上記したような磁化の逆転する関係が生じなくなり、磁
気抵抗効果は発現しない。

なお、第２図に示される２種のＢ−Ｈカーブは、それ
ぞれM₁およびM₂単独のものであり、実際に非磁性薄膜を
介してM₁とM₂とを積層すると、残存する相互作用のため
に必ずしもHc1やHc2において磁化の逆転が生じるとは限
らない。残存する磁性薄膜間の相互作用の程度は非磁性
薄膜の厚さに依存するため、非磁性薄膜の膜厚を変更す
ることにより動作磁界強度を変更することができる。

以上は非磁性薄膜を介して隣接する一対の磁性薄膜に
ついてのものであるが、３層以上の磁性薄膜が積層され
ていて隣り合う磁性薄膜の保磁力が相異なっている場
合、非磁性薄膜を介して隣り合っている一対の磁性薄膜
の全てにおいて上記したような磁化方向の逆転が生じる
ので、磁気抵抗変化率の増強効果が得られる。

また、以上では磁性薄膜として保磁力の異なる２種類
だけを用いているが、保磁力がそれぞれ異なる３種以上
の磁性薄膜を用いることにより、磁化方向が逆転する外
部磁界強度を２箇所以上設定でき、動作磁界強度の範囲
を拡大することができる。

また、上記のような作用による磁気抵抗効果に、各磁
性薄膜そのものに生じる異方性磁気抵抗効果が加わるた
め、磁性薄膜を構成する材料に依存してさらに大きな磁
気抵抗変化率が得られることもある。

第３図は、非磁性薄膜を介して磁性薄膜M₁およびM₂が
積層された磁性多層膜に対し、外部磁界Ｈを印加したと
きの抵抗Ｒの変化を模式的に示すグラフである。

第３図において、R₁およびR₂はそれぞれM₁およびM₂の
異方性磁気抵抗効果に起因する抵抗変化であり、R₃は、
上記した磁化逆転に起因する抵抗変化である。なお、第
３図では外部磁界Ｈを零から＋Hc1側に印加している
が、外部磁界Ｈを零から−Hc1側に印加していくと、
R₁、R₂およびR₃は、第２図のR₁、R₂およびR₃に対しそれ
ぞれＲ軸に対称にあらわれる。

このような交互積層型の人工格子では、各磁性薄膜の
保磁力、その積層数、非磁性薄膜の厚さ等の各種条件を
適当に選択することにより、第３図に示されるＨとＲと
の関係を表わす曲線の形状を様々に変更することができ
るので、磁気抵抗変化率や動作磁界強度を種々選択で
き、設計の自由度が極めて高い。

そして、第１および第２の磁性薄膜M₁およびM₂を相異
なる組成や厚さとすることにより、両磁性薄膜の保磁力
を相異なる値に設定する。

次に、第１および第２の磁性薄膜のM₁、M₂の磁化容易
軸の方位が異なる場合交互積層型人工格子における作用
について説明する。

第4a図は、外部磁界が存在しない状態における磁性薄
膜M₁およびM₂それぞれの磁化容易軸の方位を表わす模式
図である。第4a図において、各磁性薄膜中に記された矢
印は、各磁性薄膜中におけるスピンの向きを表わし、外
部磁界が存在しない状態では、スピンの向きは磁化容易
軸の方位と一致している。

第4b図および第4c図は、M₁およびM₂に外部磁界を印加
した状態を示しており、第4b図における外部磁界H1の強
度よりも第4c図における外部磁界H2の強度の方が大き
い。

第4b図および第4c図中の矢印もスピンの向きをあらわ
す。

第4b図では、各磁性薄膜のスピンが外部磁界の影響に
より回転し、M₁のスピンの向きとM₂のスピンの向きとの
なす角度が第4a図に比べ小さくなっている。

また、第4c図では、各磁性薄膜のスピンは、外部磁界
の方向とほぼ平行になっており、M₁のスピンの向きとM₂
のスピンの向きとはほぼ平行である。

第4a図、第4b図および第4c図にそれぞれ示す状態にお
いて、積層体の電気抵抗には下記のような変化が生じて
いる。

第4a図の状態の積層体に電流を流すと、M₁のスピンと
M₂のスピンとが平行でないため伝導電子がスピン散乱さ
れ、大きな電気抵抗を示す。

第4b図の状態では、M₁のスピンの向きとM₂のスピンと
向きとが第4a図の状態に比べ平行に近づいているため、
伝導電子のスピン散乱が減少し、電気抵抗は小さくな
る。

そして、第4c図の状態では、M₁のスピンの向きとM₂の
スピンと向きとがほぼ一致しているため、伝導電子は殆
どスピン散乱されず、電気抵抗は極小となる。

このような作用により、磁化容易軸の方位の相異なる
２層の磁性薄膜の交互積層体において、磁界印加により
電気抵抗が変わる磁気抵抗効果が発現する。

この場合、積層体の抵抗は外部磁界強度が零のときが
最大であり、外部磁界強度が増加するにつれて抵抗が減
少する。外部磁界強度増加に対する抵抗減少の割合は、
磁性薄膜の異方性エネルギーおよび保磁力に依存し、異
方性エネルギーおよび保磁力が小さいほど磁性薄膜のス
ピンが回転し易いため小さな磁界強度で抵抗が減少す
る。

従って、この場合も、動作磁界強度を極めて小さい範
囲に設定することができ、また、外部磁界強度の微小な
変化にも対応することができる。また、磁性薄膜の異方
性エネルギーや保磁力を適宜選択することにより、様々
な特性の磁気抵抗効果を得ることができる。

この場合も、M₁とM₂との間に存在する非磁性薄膜は、
M₁とM₂とに直接はたらく交換相互作用を調節する役割を
果たし、本発明において必須のものである。

非磁性薄膜が存在しないと磁性薄膜同士が接して存在
することになるので、交換相互作用によりあたかも１種
類の磁性薄膜のような振る舞いを示し、外部磁界を印加
しない状態でも第1c図のように両磁性薄膜のスピンの向
きが一致してしまい、上記のような磁気抵抗効果は発現
しない。

なお、非磁性薄膜を設けても、通常、M₁とM₂との間に
は交換相互作用が残存し、その強さは非磁性薄膜の厚さ
に依存して変わるため、磁気抵抗効果を非磁性薄膜の厚
さによって調整することもできる。

以上詳述してきた交互積層型の人工格子は、すぐれた
磁気抵抗効果をもつものである。

本発明者らは、さらに研究を行なったところ、上記の
ような第１および第２の磁性薄膜と非磁性薄膜とを用い
る場合、交互積層膜のみならず、ブロック積層膜や、ラ
ンダム積層膜でも、同等の効果が発現することを見出し
た。

すなわち、本発明は、下記（１）、（２）のランダム
積層型の磁性多層膜を提供するものである。

（１）基体上に、それぞれ厚さ200Å以下の第１の磁性
薄膜と、これと異なる第２の磁性薄膜とを有し、 これら第１および第２の磁性薄膜を、これらが交互に
積層されないように、あるいはブロックごとに積層され
ないように、厚さ200Å以下の非磁性薄膜を介して積層
したことを特徴とする磁性多層膜。

（２）前記第１および第２の磁性薄膜は、互いに、保磁
力および／または磁化容易軸の方位が異なる上記（１）
に記載の磁性多層膜。

＜具体的構成＞ 以下、本発明の具体的構成を詳細に説明する。

本発明の磁性多層膜は、第１図に示されるように、基
体２上に、２層以上の磁性薄膜を有し、互いに保磁力お
よび／または磁化容易軸の方位の異なる第１および第２
の磁性薄膜M₁、M₂が、非磁性薄膜Ｎを介してランダムに
積層される。

ランダムに積層されている磁性多層膜の構成とは、各
々の磁性薄膜が規則性をもった積層順序ではないことを
意味するが、特に第１には、第１および第２の磁性薄膜
M₁、M₂が交互に積層されてはいないことを意味する。

また、第２に、少なくとも３層以上の同一磁性薄膜の
ブロック同志が積層されていないことを意味する。

基体２の材質に特に制限はなく、例えば、酸化マグネ
シウム、ガラス、けい素単結晶、ガリウム−ヒ素単結晶
など、通常の人工格子に用いられる基体材質から適宜選
択すればよい。

また、基体２の寸法にも特に制限はなく、適用される
素子に応じて適宜選定すればよい。

基体２の磁性薄膜が形成される側の表面には、必要に
応じて下地膜が形成されていてもよい。

下地膜としては、例えば、厚さ200Å程度のAu薄膜が
好ましく、また、このAu薄膜を真空槽中で150℃程度に
て１時間程度熱処理すると表面が原子オーダーで平滑と
なり、人工格子の下地膜としての効果が高くなる。

第１および第２の磁性薄膜M₁、M₂、は、磁性体から構
成される。

この場合、さらに第３ないし第４等の磁性薄膜が存在
していもよい。

本発明の第１の態様では、第１および第２の磁性薄膜
の保磁力が異なる。

磁性薄膜に用いる磁性体に特に制限はないが、例え
ば、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体および常磁性
体から選択でき、具体的には、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、D
y、Er、Nd、Tb、Tm、Ce等が好ましい。

また、これらの元素を含む合金や化合物も好ましく用
いることができる。合金や化合物としては、例えば、Fe
−Si、Fe−Ni、Fe−Co、Fe−Gd、Fe−Al−Si（センダス
ト等）、Fe−Ｙ、Fe−Mn、Cr−Sb、Co基アモルファス合
金、Co−Pt、Fe−Al、Fe−Ｃ、Mn−Sb、Ni−Mn、Co−
Ｏ、Ni−Ｏ、Fe−Ｏ、Ni−Ｆ等が好ましい。

第１および第２の磁性薄膜の保磁力は、適用される素
子における外部磁界強度や要求される磁気抵抗変化率等
に応じて例えば0.001Oe〜10kOe程度の範囲から目的に応
じて適宜設定すればよく、特に制限はない。

また、例えば、磁性薄膜の保磁力が２種類である場
合、両磁性薄膜の保磁力の比は1.2〜50程度であること
が好ましい。

保磁力の比を小さく設定すれば、外部磁界変化に対す
る抵抗変化を急峻にでき、比を大きく設定すれば、測定
可能な磁界強度範囲を広くできる。

なお、磁性多層膜中に存在する磁性薄膜の磁気特性は
直接測定することができないため、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200〜4
00Å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。
この際、磁性薄膜の厚さ、非磁性薄膜の厚さおよび非磁
性薄膜の組成は、磁性多層膜中におけるものと同じとす
る。

本発明では、上記の磁性体の２種、あるいは３種以上
の磁性体を用いたり、そのうちの１種を選択して膜厚を
変えることにより保磁力の異なる磁性薄膜を形成するこ
ともできる。

磁性薄膜の厚さは200Å以下、好ましくは100Å以下と
する。厚さが前記範囲を超えても本発明の効果に向上は
みられず、また、均一な厚さで良質な磁性薄膜を形成す
るためには後述するような方法により比較的遅い速度で
成膜するので、生産性が低くなる。

なお、磁性薄膜の厚さの下限は特にないが、厚さを４
Å以上とすれば、膜厚を均一に保つことが容易となり、
膜質も良好となる。また、磁化量が小さくなりすぎるこ
ともなくなる。

各磁性薄膜の組成を同一とする場合、最も厚い磁性薄
膜の厚さを最も薄い磁性薄膜の厚さで除した値を1.2以
上、特に1.5〜20とすることが好ましい。膜厚の比をこ
のような範囲とすることにより、実用的な磁気抵抗効果
が得られる。

なお、組成が同一の場合、通常、膜厚が薄いほど保磁
力は高くなるが、厚さの変化と保磁力の変化との関係は
組成によっても異なる。

保磁力以外の磁気特性に特に制限はないが、低保磁力
の磁性薄膜の角形比は0.9〜1.0であることが好ましい。

この理由は下記のとおりである。

本発明の磁性多層膜では、前述したように低保磁力の
磁性薄膜中のスピンを高保磁力の磁性薄膜中のスピンと
反平行な状態にし、伝導電子をスピン散乱させることに
より電気抵抗を増加させている。

電気抵抗は、両磁性薄膜において互いに反平行状態に
あるスピンの割合が高いほど大きくなる。

第２図において、低保磁力の磁性薄膜M₁中のスピンは
外部磁界強度Hc1で半数が反転しており、さらに外部磁
界強度を増加させると反転するスピンの割合が増加し、
M₁においてスピンの反転が完了したとき、高保磁力の磁
性薄膜M₂中のスピンと反平行な状態であるものの割合が
最も高くなる。

そして、M₁の角形比が高いほど全スピンの反転が速や
かに完了する。すなわち、Hc1に極めて近い磁界強度でM
₁中のスピンの反転が完了することになる。

４ 一方、高保磁力の磁性薄膜M₂では、Hc2においてス
ピンの半数が反転しているが、Hc2以下でもスピンの反
転は生じており、Hc1→Hc2にかけて反転したスピンの割
合は増加する。すなわち、M₂中では、Hc1→Hc2にかけ
て、M₁中の反転したスピンと平行なスピンの割合が増加
してしまう。

このため、M₁のスピン反転が迅速であるほどM₁とM₂と
で反平行なスピンの割合が高くなり、高い抵抗値が得ら
れる。また、M₂の角形比が高ければ、Hc1付近でM₂のス
ピンは殆ど反転していないことになるため、さらに高い
抵抗値が得られる。

従って、M₁の角形比が0.9〜1.0であれば、第３図に示
されるように外部磁界Ｈの強度がHc1に極めて近いとき
に抵抗Ｒが最大となり、しかもその値が大きくなるるた
め、動作磁界強度が小さく、しかも抵抗変化率が大きく
なる。また、外部磁界強度の変化に対してスピンの反転
が急激に生じるため、外部磁界強度の変化に対する抵抗
の変化率が高くなる。

また、M₂の角形比を0.8以上、特に0.9〜1.0とすれ
ば、さらに抵抗変化率を向上させることができる。

なお、以上の説明は外部磁界強度がHc1→Hc2と変化す
るときのものであるが、−Hc1→−Hc2と変化する場合に
ついても同様である。

非磁性薄膜は、その両側に存在する磁性薄膜同士の相
互作用を緩和ないし調整するために設けられる。

非磁性薄膜は非磁性体から構成される。

用いる非磁性体に特に制限はなく、各種金属ないし半
金属非磁性体や非金属非磁性体から適宜選定すればよ
い。

金属非磁性体としては、Al、Mg、Mo、Zn、Nb、Ta、
Ｖ、Hf、Sb、Zr、Ga、Ti、Sn、Pb、Au、Ag、Cu、Ptやこ
れらの合金等が好ましく、半金属非磁性体としては、S
i、Ge、Ｃ、Ｂ等が好ましく、非金属非磁性体として
は、SiO₂、SiO、SiN、Al₂O₃、ZnO、MgO、TiN等の金属な
いし半金属の化合物が好ましい。

また、用いる非磁性体の電気抵抗率ρは、4.0μΩ・c
m以上、特に12.0μΩ・cm以上であることが好ましい。
この場合の電気抵抗率は、バルク状態におけるものであ
り、また、20℃にて測定されたものである。

このような電気抵抗率を有する非磁性体から非磁性薄
膜を構成すれば、磁性薄膜中を通る電子の割合が増加
し、その結果、散乱される電子の割合が増加して大きな
抵抗変化率が得られる。

非磁性薄膜の厚さは、200Å以下、好ましくは80Å以
下、より好ましくは60Å以下とする。厚さが前記範囲を
超えると磁性多層膜全体としての初期抵抗が増大し、そ
の結果、磁気抵抗変化率が小さくなってしまう。また、
上記した磁性薄膜と同様に生産性が低くなる。

また、非磁性薄膜の厚さは、４Å以上とすることが好
ましく、より好ましくは８Å以上、さらに好ましくは12
Å以上とする。厚さが前記範囲未満であると隣り合う磁
性薄膜間の交換相互作用が強くなり、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。すなわち、第２
図において、Hc1とHc2が分離しなくなる。

なお、磁性多層膜中において、非磁性薄膜の厚さは全
て同じである必要はない。非磁性薄膜の厚さを２種以上
とすることにより、さらに種々の設計が可能となる。

磁性薄膜や非磁性薄膜の厚さ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、また、その結晶構造等はＸ線回折や高速
反射電子線回折等により確認することができる。

本発明の磁性多層膜において、磁性薄膜の数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、十分な磁気抵抗変化率を得るために
は、ｎを６以上とすることが好ましい。また、積層数を
増加するにしたがって抵抗変化率も増加するが、上記し
たように生産性が低くなることから、通常、ｎを150以
下とすることが好ましい。

なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化けい素や酸
化けい素等の酸化防止膜が設けられてもよく、電極引き
出しのための金属導電層が設けられてもよい。

また、第２図では最上層および最下層は磁性薄膜とな
っているが、最上層や最下層を非磁性薄膜としてもよ
い。

本発明の第２の態様では、第１および第２の磁性薄膜
の磁化容易軸の方位が互いに異なる。

磁化容易軸の方位の相異なる磁性薄膜を積層するため
には、後述するような蒸着法による磁性薄膜形成を、磁
界中で行なえばよい。

本発明では、隣り合う磁性薄膜の磁化容易軸の方位の
なす角度が20度以上、特に30度以上であることが好まし
い。この角度が20度未満であると、磁気抵抗変化率が低
くなる。

この場合、磁性薄膜の磁化容易軸の方位とは、外部磁
界が存在しないときの磁性薄膜のスピンの向きである。

また、両磁性薄膜の磁化容易軸の方位のなす角度の上
限は180度であり、この角度において両磁性薄膜のスピ
ンは反平行となり、抵抗は最大となる。

ただし、外部磁界の強度が一方の磁性薄膜の保磁力を
超えると、外部磁界の印加方向によっては一方の磁性薄
膜だけスピンの向きが反転することがある。一方の磁性
薄膜のスピンの向きが反転すると、それぞれの磁性薄膜
のスピンが互いになす角度は、当初の角度の補角となっ
てしまう。

従って、安定した磁気抵抗効果を得るためには、外部
磁界の強度およびその印加方向と、各磁性薄膜の保磁力
およびその磁化容易軸の方位との関係を考慮して設計を
行なうことが好ましい。

なお、磁性薄膜の磁化容易軸の方位は、磁性薄膜の面
内方向であってもよく厚さ方向であってもよい。

本発明において、各磁性薄膜の磁気異方性エネルギー
の程度に特に制限はない。すなわち、異方性エネルギー
が低ければ、低磁界強度でスピンの向きが変化し始め、
しかも磁界強度変化に対するスピン変化が大きくなるの
で、動作磁界強度が低く、しかも鋭敏な磁気抵抗効果が
得られる。

また、逆に異方性エネルギーが高ければ、動作磁界強
度を高くすることができ、また、動作範囲を広くするこ
とができる。

なお、磁気異方性エネルギーは、通常、10〜10⁸erg/c
m³程度とすればよい。

磁性多層膜中に磁化容易軸の方位の相異なる磁性薄膜
のペアが複数存在する場合、各ペアにおける磁化容易軸
の方位のなす角度や異方性エネルギー等は同一であって
も異なっていてもよく、目的とする磁気抵抗変化率や動
作磁界強度の範囲等に応じて様々な設計が可能である。

なお、磁化容易軸の方位および磁化容易軸エネルギー
は、トルクメータにより測定することができる。測定
は、円板状の基体上に磁性多層膜形成時と同条件で磁性
薄膜を形成した測定用サンプルに対し行なえばよい。こ
のときの磁性薄膜の厚さは20Å以上であれば十分であ
る。

本発明の磁性多層膜の製造方法に特に制限はなく、蒸
着法やスパッタ法等の各種気相成膜法から選択すること
ができるが、前記した程度の厚さの薄膜が均一な厚さで
得られ、しかも良質な膜が得られることから、分子線エ
ピタクシー（MBE）法を用いることが好ましい。

MBE法は、超高真空蒸着法の１種であり、超高真空中
で蒸着源から蒸発した分子を基体表面に付着させて薄膜
を成長させる方法である。

具体的には、シャッタの開閉により蒸着源を選択し、
膜厚計で測定しながら磁性薄膜と非磁性薄膜とを交互に
蒸着する。

本発明の磁性多層膜製造には通常のMBE法を用いれば
よく、成膜条件に特に制限はないが、通常、10^-11〜10
^-9Torr程度の到達圧力とし、蒸着中の圧力10^-10〜10^-8T
orr程度にて、成膜速度0.2〜1.0Å/sec程度で成膜する
ことが好ましい。

また、薄膜の結晶構造を整えるために、必要に応じ、
成膜時に基体を加熱してもよい。加熱温度は、各薄膜間
での拡散を防ぐため800℃以下とすることが好ましい。

なお、磁性薄膜を磁界中で成膜し、磁気異方性を付与
してもよい。

本発明の磁性多層膜は、MRセンサやMRヘッドなどの各
種MR素子に好ましく適用され、使用する際には、必要に
応じてバイアス磁界が印加される。

＜実施例＞ 以下、具体的実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説
明する。

［実施例１］ マグネシア単結晶基体上に磁性薄膜と非磁性薄膜とを
交互に蒸着し、磁性多層膜サンプルを作製した。

磁性薄膜と非磁性薄膜とからなる多層膜の構成を、下
記表２、表３に示す。

なお、表２において、例えば ［Fe（30）−Zn（20）−Co（30）−Zn（20）］×10 と表示されている場合、10層の30Å厚のFe薄膜と10層の
30Å厚のCo薄膜とを、20ÅのZn薄膜を介在させながら、
ランダムな順序で蒸着したことを意味する。各薄膜の厚
さは、透過型電子顕微鏡により測定した。

蒸着は、到達圧力10^-9〜10^-10Torrの真空槽内におい
て、MBE法により行なった。

成膜速度は約0.5Å/secとし、基体を30rpmで回転させ
ながら蒸着を行なった。

蒸着の際の基体温度は200℃とし、約500Oeの磁界を基
体の面内方向に印加して磁性薄膜に磁化容易軸を付与し
た。

各磁性薄膜の磁気特性を、表２、表３に併記する。

なお、各サンプル中における磁性薄膜の磁気特性は直
接測定することができないため、下記のようにして測定
した。

まず、測定すべき磁性薄膜とそのサンプルに用いた非
磁性薄膜とを、磁性薄膜の合計厚さが400Åになるまで
交互に蒸着して測定用サンプルを作製し、これについて
磁気特性を測定した。なお、磁性薄膜および非磁性薄膜
の厚さは、そのサンプル中における厚さと同じとした。

保磁力および角形比は、Ｂ−Ｈループトレーサーと振
動型磁力計により測定した。

表２および表３に示されるサンプルを0.3mm×1.0mmの
短冊状とし、外部磁界を最大−７〜＋7Oeまで変化させ
たときの抵抗を４端子法により測定し、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Rmax、最小抵抗値
をRminとし、 として計算した。

この結果、各サンプルは、いずれも数％以上のΔR/R
を示した。

［実施例２］ 実施例１と同様にして、マグネシア単結晶基体上に磁
性薄膜と非磁性薄膜とを蒸着し、磁性多層膜サンプルを
作製した。

磁性薄膜の蒸着に際しては、100〜900Oeの磁界を基体
の面内方向に印加して磁性薄膜に磁気異方性を付与し
た。磁界印加方向は２方向とし、基体側から奇数番目の
磁性薄膜形成の際は全て同じ方向に磁界を印加し、ま
た、偶数番目の磁性薄膜形成の際の磁界印加方向も統一
した。なお、印加磁界強度は、両方向で同一とした。

奇数番目の磁性薄膜の磁化容易軸の方位と偶数番目の
磁性薄膜の磁化容易軸の方位とのなす角度を、表４に示
す。

また、これらの磁性薄膜の磁気異方性エネルギーを表
４に示す。

なお、各磁性薄膜の磁化容易軸の方位が磁界印加方向
に一致していることは、トルクメータにより確認した。
また、磁化容易軸エネルギーも、トルクメータにより測
定した。これらの測定は、円板状の基体上に磁性薄膜を
厚さ200Åに形成した測定用サンプルについて行なっ
た。

また、各サンプルに用いた磁性薄膜の保磁力を表４に
示す。なお、各サンプル中における磁性薄膜の保磁力は
直接測定することができないため、下記のようにして測
定した。

測定すべき磁性薄膜とそのサンプルに用いた非磁性薄
膜とを、磁性薄膜の合計厚さが400Åになるまで交互に
蒸着して測定用サンプルを作製し、これについて保磁力
を測定した。なお、磁性薄膜および非磁性薄膜の厚さ
は、そのサンプル中における厚さと同じとした。

保磁力は、Ｂ−Ｈループトレーサーと振動型磁力計に
より測定した。測定の際の磁界印加方向は、磁化容易軸
方向とした。

これら各サンプルも、数％以上のΔR/Rを示した。

＜発明の効果＞ 本発明の磁性多層膜は、磁気抵抗変化率が大きく、し
かも動作磁界強度を小さく設定できるため、MR素子に好
適である。

また、動作磁界強度を比較的自由に設定できるなど、
設計の自由度が高いため、MRセンサやMRヘッドなど種々
の用途に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の磁性多層膜の断面図である。 第２図は、本発明の作用を説明するためのＢ−Ｈカーブ
の模式図である。 第３図は、本発明の磁性多層膜における外部磁界Ｈと抵
抗Ｒの変化との関係を模式的に示すグラフである。 第4a図、第4b図および第4c図は、それぞれ本発明の作用
を説明する模式図である。 符号の説明 １……磁性多層膜 ２……基体 M₁……第１の磁性薄膜 M₂……第２の磁性薄膜 Ｎ……非磁性薄膜

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−91482（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−300504（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−116181（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−249210（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01F 10/08 H01L 43/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁気抵抗効果を有する磁性多層膜であっ
   て、 基体上に、それぞれ厚さ200Å以下の第１の磁性薄膜
   と、これと異なる第２の磁性薄膜とを有し、 これら第１および第２の磁性薄膜を、これらが交互に積
   層されないように、あるいはブロックごとに積層されな
   いように、厚さ200Å以下の非磁性薄膜を介して積層さ
   れている磁性多層膜。
2. 【請求項２】前記第１および第２の磁性薄膜は、互い
   に、保磁力および／または磁化容易軸の方位が異なる請
   求項１の磁性多層膜。