JP3050094B2 - スピンバルブ素子 - Google Patents

スピンバルブ素子

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JP3050094B2
JP3050094B2 JP7199866A JP19986695A JP3050094B2 JP 3050094 B2 JP3050094 B2 JP 3050094B2 JP 7199866 A JP7199866 A JP 7199866A JP 19986695 A JP19986695 A JP 19986695A JP 3050094 B2 JP3050094 B2 JP 3050094B2
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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、磁気抵抗センサの
感受部に用いられるスピンバルブ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】図5は従来のスピンバルブ素子を利用し
た磁気抵抗(以下MRという)センサの要部を示す斜視
図であり、図中11は基板である。基板11上には平断面視
が矩形の2電極部17,17が互いに所定の間隙を隔てて基
板11の一端から他端に向かって形成してある。両電極部
17,17の一端近傍の間隙には、図中白抜き矢符で示した
信号磁場HS を検出すべく、短冊状に複数の層を積層し
たスピンバルブ素子16が所要の素子高さhとなるように
形成してあり、該スピンバルブ素子16の信号磁場HS
対向する面は基板11の一端面と面一にしてある。このス
ピンバルブ素子16には両電極部17,17によってセンス電
流IS が通流してある。
【0003】図6は図5に示したスピンバルブ素子16の
拡大縦断面図である。基板11上にはNi−Fe(パーマ
ロイ),Co,Fe又はNi等の金属磁性材料を積層し
た磁性自由層12、Cu,Au又はAg等,他層より電気
抵抗率が小さい材料を用いた非磁性導電層13、及び前述
した金属磁性材料と同じ材料を用い、交換結合によって
その磁化が固定された磁性固定層14がこの順に形成され
ている。これによって、前述したセンス電流IS の殆ど
は非磁性導電層13内を流れる。そして、磁性固定層14上
にはFe−Mn又はNiO等が積層されてなり、後述す
る如く磁性固定層14の磁化方向を決定する反強磁性層15
が形成されている。
【0004】反強磁性層15を構成する複数の原子層内で
は原子間の磁化を平行にする正の交換相互作用が働いて
いる一方、原子層間では原子間の磁化を反平行にする負
の交換相互作用が働いている。このため、反強磁性層15
はその外部には磁極を形成しないが、その内部には、交
互に磁化の向きが180°異なる複数の層が形成されて
いる。なお、反強磁性層15の磁化の方向は素子高さhの
方向になるようにしてある。このような反強磁性層15に
前述した磁性固定層14が隣接している。そして、磁性固
定層14は隣接する原子層の磁化との交換結合するため、
磁性固定層14の磁化は反強磁性層15内の磁性固定層14に
隣接する原子層の磁化方向と同じ方向に固定される。
【0005】一方、磁性自由層12は前述した如く磁化さ
れた磁性固定層14とは非磁性導電層13で隔てられている
ため、外部磁場によって自由に磁化することができ、信
号磁場HS の向きに応じてスピンバルブ素子16の素子高
さhの方向に磁化される。この磁性自由層12の磁化の向
きと磁性固定層14の磁化の向きとが同じであるとき、M
Rセンサにおける電気抵抗が小さく、磁性自由層12の磁
化の向きと磁性固定層14の磁化の向きとが異なるとき、
MRセンサにおける電気抵抗が大きい。このようなスピ
ンバルブ作用を備える素子は、磁場によって電気抵抗が
変化するMR効果が他のMR素子より高いという優れた
効果がある。そして、電極部17,17間の電圧の変化を検
出することによって信号磁場HS を電気信号に変換す
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のス
ピンバルブ素子にあっては、プロセス温度が略250℃
に達するMR素子の製造工程における熱によってMR比
(MR比=ΔR/Rmin×100;但し、R:電気抵
抗,Rmin :最低電気抵抗,Δ:変化量)が略20%低
下するため、信号磁場を電圧の変化に再生する場合に、
再生出力電圧が低下するという問題があった。
【0007】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的とするところは磁性固定層である第
1磁性層及び磁性自由層である第2磁性層の非磁性導電
層に対向する部分を窒化することによって、熱によるM
R比の低下を防止することができるスピンバルブ素子を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係るスピンバル
ブ素子は、反強磁性層と、該反強磁性層の磁化と交換結
合した第1磁性層と、非磁性導電層と、外部磁場によっ
て磁化される第2磁性層とがこの順番に形成されている
スピンバルブ素子において、前記第1磁性層及び第2磁
性層は、前記非磁性導電層に対向する部分が窒化されて
いることを特徴とする。
【0009】MR比が低下した従来のスピンバルブ素子
をX線回折によって解析したところ、磁性固定層である
第1磁性層と非磁性導電層との界面、及び磁性自由層で
ある第2磁性層と非磁性導電層との界面において、原子
拡散によって混合が生じ、両界面に例えばNi−Fe−
Cuのような混合層が形成されるためMR比が低下する
のではないかという知見を得た。
【0010】本発明に係るスピンバルブ素子にあって
は、第1磁性層の非磁性導電層に隣接する部分,及び第
2磁性層の非磁性導電層に隣接する部分が共に窒化され
ているため、耐熱性が高く、プロセス温度では原子拡散
を生じない。従って、原子混合が防止されて、高いMR
比が維持される。
【0011】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施例の形態を図面
に基づいて具体的に説明する。図1は本発明に係るスピ
ンバルブ素子の模式的断面図である。基板1上には主に
Ni−Fe(パーマロイ),Co,Fe又はNi等の金
属磁性材料を堆積した磁性自由層2が形成されており、
該磁性自由層2上にはCu,Au又はAg等,他層より
電気抵抗率が小さい材料を用いた非磁性導電層3,及び
前述した金属磁性材料と同じ材料を用いた磁性固定層4
がこの順に形成されている。そして、磁性固定層4上に
は、Fe−Mn又はNiO等を堆積した反強磁性層5が
形成されている。
【0012】非磁性導電層3を挟持する磁性自由層2及
び磁性固定層4はそれぞれ、金属磁性材料を堆積すると
きに窒素を取り込ませることによって形成した窒化層2
2,42と、金属磁性材料のみを堆積させた非窒化層21,4
1を備えており、両窒化層22,42は非磁性導電層3に隣
接させてある。この窒化層22,42は耐熱性が高く、25
0℃程度のプイロセス温度では原子拡散を生じない。従
って、窒化層22又は窒化層42と非磁性導電層3との原子
混合が防止されて、高いMR比が維持される。これらの
各層は、デュアルイオンビームスパッタ装置によって形
成することができる。
【0013】図2はデュアルイオンビームスパッタ装置
の要部平面図であり、図中50は平面視が略正方形状の真
空チャンバである。真空チャンバ50の対向する部分には
略平行に、アルゴン(Ar)イオンビームを出射する第
1ガン51と窒素(N)イオンビームを出射する第2ガン
52が配設してある。真空チャンバ50内には第1ガン51と
対向して所要のターゲットがセットしてあるターゲット
ホルダ53が回転可能に設けてあり、該ターゲットホルダ
53に対向して、基板1がセットしてある基板ホルダ54が
回転可能に設けてある。
【0014】ターゲットホルダ53は第1ガン51が出射し
たArイオンビームが所定の角度で入射するようにして
あり、Arイオンビームでスパッタリングされたターゲ
ット粒子は基板ホルダ54にセットされた基板1上に堆積
する。この基板ホルダ54上には前述した第2ガン52から
所要の角度でNイオンビームが入射されるようになって
おり、ターゲット粒子を基板1へ堆積させると共に第2
ガン52からNイオンビームを出射することによって、堆
積したターゲット粒子にNイオンが取り込まれ窒化層が
形成される。なお、窒化層を形成しないときはNイオン
ビームの出射は行わない。
【0015】
【実施例】次に比較試験を実施した結果について説明す
る。図3は比較試験に用いた本発明に係るスピンバルブ
素子を示す模式図である。本発明に係るスピンバルブ素
子は、Si製の基板1上にNi80Fe20(Ni−80原
子%,Fe−20原子%の合金)をターゲットとしてA
rイオンビームを出射してその厚みが50Åになるまで
堆積して非窒化層21を形成した後、Arイオンビームを
出射しつつNイオンビームを基板1へ出射してNi−F
e−Nの窒化層22を10Åとなるように堆積して磁性自
由層2を形成した。この磁性自由層2の窒化層22上に、
CuをターゲットとしてArイオンビームを出射して非
磁性導電層3を20Åとなるように堆積した。
【0016】次に、Ni80Fe20をターゲットとしてこ
れにArイオンビームを出射しつつNイオンビームを基
板1へ出射してNi−Fe−Nの窒化層42を10Åとな
るように堆積した後、Nイオンビームの出射を停止して
Ni−Feの非窒化層41を50Åとなるように堆積し、
磁性固定層4を形成した。そして、磁性固定層4の非窒
化層42上にFe50Mn50をターゲットとしてArイオン
ビームを出射して反強磁性層5を150Åとなるように
形成した。このようなスパッタリング操作の間、基板1
には永久磁石を用いて基板1と平行に300Oeの平行
磁場を印加しており、この方向に磁性固定層4の磁化が
固定されている。
【0017】一方、従来のスピンバルブ素子には、Si
製の基板上にNi−Feの磁性自由層,Cuの非磁性導
電層,Ni−Feの磁性固定層及びFe−Mnの反強磁
性層をこの順に、その厚みが各々60Å,20Å,60
Å,150Åとなるように積層させたものを用いた。
【0018】両スピンバルブ素子は、600Oeの静磁
場を基板と平行に印加しつつ、250℃,10時間,略
1×10-5Torrでアニールし、50℃以下まで冷却
した。そして、4プローブ法によってアニール前後のM
R比を測定した。また、MR比を測定した後、更に、3
00℃,1時間のアニールを行い、冷却後のMR比を測
定した。
【0019】図4は4プローブ法によるMR比測定の実
施態様を示す斜視図であり、図中10は試料である。試料
10はその磁性固定層の磁化方向が矢符方向となるように
セットしてある。試料10上には4つのプローブ33,34,
35,36が前述した磁化方向と直交する方向に所定間隔を
隔てて一列に配置してあり、各プローブ33,34,35,36
の下端は試料10の表面に接触させてある。外側の2つの
プローブ33,34には直流電源32から1mAのセンス電流
が通流してあり、内側の2つのプローブ35,36は外側の
プローブ33,34間の電圧を測定すべく電圧計31に接続し
てある。そして、図中白抜き矢符で示した如く、磁性固
定層の磁化方向と同じ方向の外部磁場を試料に印加し、
印加した外部磁場を掃引させたときの外側のプローブ3
3,34間の電圧の変化からMR比を算出した。
【0020】MR比の比較結果を次の表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】表1から明らかな如く、アニール前にあっ
ては、本発明例のMR比が3.5%で、従来例のMR比
は3.7であり、本発明例より従来例の方が少し高かっ
た。これは、本発明例におけるNi−Fe−Nの電気抵
抗が従来例におけるNi−Feより少し高いためと考え
られる。しかしながら、両試料をアニールすると、従来
例ではMR比が3.0%にまで低下するのに対して、本
発明例ではMR比の低下は見られなかった。
【0023】両試料を更にプロセス温度より50℃高い
温度でアニールすると、従来例ではMR比が0.4%に
まで低下したが、本発明例では3.1%のMR比を維持
していた。
【0024】
【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に係るスピン
バルブ素子にあっては、プロセス温度によるMR比の低
下が防止されるため、高い再生出力電圧が維持されると
共に素子の信頼性が向上する等、本発明は優れた効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスピンバルブ素子の模式的断面図
である。
【図2】デュアルイオンビームスパッタ装置の要部平面
図である。
【図3】比較試験に用いた本発明に係るスピンバルブ素
子を示す模式図である。
【図4】4プローブ法によるMR比測定の実施態様を示
す斜視図である。
【図5】従来のスピンバルブ素子を利用した磁気抵抗セ
ンサの要部を示す斜視図である。
【図6】図5に示したスピンバルブ素子の拡大縦断面図
である。
【符号の説明】
1 基板 2 磁性自由層 3 非磁性導電層 4 磁性固定層 5 反強磁性層 21 非窒化層 22 窒化層 41 非窒化層 42 窒化層

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反強磁性層と、該反強磁性層の磁化と交
    換結合した第1磁性層と、非磁性導電層と、外部磁場に
    よって磁化される第2磁性層とがこの順番に形成されて
    いるスピンバルブ素子において、 前記第1磁性層及び第2磁性層は、前記非磁性導電層に
    対向する部分が窒化されていることを特徴とするスピン
    バルブ素子。
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