JP3219329B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
磁気抵抗効果素子Info
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Description
て、磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果
素子に関する。
磁気記録における高密度化が進められており、これに伴
い磁気抵抗効果型磁気センサー(以下、「MRセンサ
ー」という。)および磁気抵抗効果型磁気ヘッド(以
下、「MRヘッド」という。)の開発が盛んに進められ
ている。MRセンサーもMRヘッドも、磁性材料からな
る読み取りセンサー部の抵抗変化により、外部磁界信号
を読み出すわけであるが、MRセンサーおよびMRヘッ
ドは、記録媒体との相対速度が再生出力に依存しないこ
とから、MRセンサーでは高感度が、MRヘッドでは高
密度記録においても高い再生出力が得られるという特長
がある。しかし、従来の異方性磁気抵抗効果によるN
i0.8Fe0.2等の磁性体を利用したMRセンサーでは、抵
抗変化率ΔR/R(後に定義する。)がせいぜい2〜5
%位であることから、更に抵抗変化率の大きいMR素子
が求められていた。
Fe/Cr系を代表とする人工格子膜で大きな磁気抵抗効
果(以下、「巨大MR効果」という。)が起きることが
発見された(フィジカル・レビュウ・レターズ(Phy
s.Rev.Lett.)第61巻、2472頁、1988年
参照)。しかし、この人工格子膜では最大抵抗変化の起
きる外部磁場が十数KOe〜数十KOeと大きく、このま
までは実用性が無い。これに続いて、様々な系で大きな
磁気抵抗効果が報告されているが、中でもCo/Cu人工
格子膜は室温において10KOe程度の比較的小さな磁
場変化で、ΔR/Rが60%以上と大きな磁気抵抗変化
を起こすことが報告されている(アプライド・フィジッ
クス・レターズ(Appl.Phys.Lett.)第58巻、
2712頁、1991年参照)。
子膜においても、抵抗変化の起こる外部磁場が大きすぎ
て、MRセンサーやMRヘッドとして実用化が困難であ
るという問題点があった。
上に、Coを主成分とする厚さ0.2〜5nmの第1の磁性
薄膜層と、FeまたはNiもしくはその合金を主成分とす
る5nm以下の厚みの第2の磁性薄膜層と、Coを主成分
とする厚さ0.2〜5nmの第3の磁性薄膜層と、厚さ0.
5〜5nmの非磁性薄膜層を順次少なくとも2回繰り返し
積層させた構造を有し、第2の磁性薄膜層の厚みが、第
1と第3の磁性薄膜層の厚みの和の1/2未満である磁
気抵抗効果素子により解決される。好ましい態様では、
非磁性薄膜層は、Cu、Ag、AuおよびRuから成る群か
ら選択された少なくとも一種の金属を主成分とする。
界変化を小さくするためには、磁性層としてCoよりも
容易に磁化反転し易い材料を用いることが考えられる。
しかしながら、人工格子膜の巨大MR効果においては、
磁性層と非磁性層の界面による散乱機構が抵抗変化に重
大な影響を与えていると言われており、合金化や異種原
子層の混入によって界面の状態が乱されるとΔR/Rが
低下する可能性が大きい。そこで本発明においては、C
o層と非磁性層の界面を乱さないためにCo層の中間にF
e層またはNi層またはその合金層を挿入する。この中間
磁性層(第2の磁性層)のFeやNiの効果で、人工格子
膜は比較的低い磁場で磁化反転するようになり、比較的
低い磁場で大きな抵抗変化するようになる。また第2の
磁性層を導入しても、その両側のCo磁性層(第1、第
3の磁性層)と非磁性層の界面は保存され、かつ、Fe
やNiはCoおよびCuと原子サイズが大きく違わないの
で大きな格子歪を発生させることもない。そこで、本発
明の人工格子膜からなる磁気抵抗効果素子は、低い磁場
でCo/Cu人工格子膜と同程度の大きな抵抗変化を示
す。
細に説明する。図1は本発明の一実施例である人工格子
膜の断面図である。図1において、人工格子膜は基板1
上に直接作製してもよいが、下地層2を介して作製する
と更に大きなΔR/Rが得られる。基板1としては、ガ
ラス、ケイ素、MgO、GaAs、フェライトや高分子基
板(ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタ
レート、ポリイミド、ポリアミド等)などの既知の基板
を用いることができる。
板の平滑性を改善したり、人工格子膜の結晶配向性を改
善するために形成するもので、通常、Fe、Cr、W、T
i、V、Mn等の金属およびその合金から形成される。下
地層2の膜厚としては、特性改善のためには少なくとも
2nm以上、また生産性の面から100nm以下が望まし
い。
格子膜は、非磁性薄膜層3、第1の磁性薄膜層4、第2
の磁性薄膜層5、第3の磁性薄膜層6を順次少なくとも
2回積層した構造を有する。第1の磁性薄膜層4と第3
の磁性薄膜層6は、ともにCoを主成分とする材料から
構成され、膜厚は0.2nm以上、望ましくは0.4nm以上
であるのがよい。第1の磁性層または第3の磁性層がそ
れより薄いと、第1、第3の磁性薄膜層と、非磁性薄膜
層の間の界面が乱れ、ΔR/Rが低下する可能性があ
る。また、第1、第3の磁性層の膜厚は、それぞれ5nm
以下であるのが、生産性の面からみて望ましい。また、
第1の磁性層の膜厚と第3の磁性層の膜厚は等しくても
等しくなくてもよい。
またはその合金を主成分とする材料が用いられる。膜厚
としては、少なくとも0.01nm以上、望ましくは0.0
5nm以上であるのがよい。また、上限としてはやはり生
産性の面から5nm以下とするのが望ましい。ただし、第
2の磁性層5の膜厚としては、第1と第3の磁性層の膜
厚の和の1/2以下とすることが必要である。これ以上
厚くすると、ΔR/Rは小さくなってしまう。
u、Ru等があり、膜厚としては、少なくとも0.5nm以
上必要であり、生産性の面から5nm以下とするのがよ
い。
段差計、X線回折、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。人工格子膜を積層する順番としては、非磁性層3、
磁性層4、5、6、続けて3、4、5、6;3、4、
5、6;・・・となっている必要がある。ただし、いず
れの層から積層を開始してもよいし、いずれの層で積層
を終了してもよい。積層回数は、最低4層を2回以上、
生産性の面から100回以下とするのがよい。
パッタリング法、分子線エピタキシー法(MBE)等の
方法があるが、いずれの場合にも本発明は有効である。
いて説明する。実施例1 基板1として、ガラス基板を用い、超高真空蒸着装置の
中に入れ、1×10-8Torr以下まで予備排気した。基
板温度は室温に保持し、均膜のために基板を回転させな
がら、まず、Cr薄膜下地層を5nmの厚みで形成し、次
いで、表1の構成を持つ人工格子膜を、0.03nm/秒
の成膜速度で成膜を行った。
膜の構成、ΔR/R、および抵抗値が最大値を取る時の
外部磁場の値H(Rmax)を表1に示す。表1におい
て、例えば、[Co(0.5)/Fe(0.2)/Co(0.
5)/Cu(3)]x8と表示されている場合、0.5nm
厚のCo薄膜、0.2nm厚のFe薄膜、0.5nm厚のCo薄
膜、3nm厚のCu薄膜を順次蒸着する工程を8回繰り返
したことを意味する。
により行った。抵抗測定は、表1に示される構成の試料
から、1×10mmの形状の試料を作製し、外部磁界を膜
面内で電流と垂直方向に印加しながら、−500〜50
0 Oe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、次式により計算した: ΔR/R=〔(Rmax−Rmin)/Rmin〕・100(%)
す。図2は表1の実施例1、図3は比較例1、図4は比
較例2の(a)MR曲線および(b)磁化曲線である。
比較例1は、従来例であり、H(Rmax)が大きいこと
が分かる。また、比較例2は磁性層と非磁性層の界面に
Fe層を作製した場合であり、この場合はΔR/Rが大
きく低下している。図2〜4および表1の結果より本実
施例の人工格子膜は、低い磁場で大きな磁気抵抗変化率
を示すことが分かる。
他の条件は実施例1と全く同じにして、人工格子膜を作
製した。結果を表2に示す。
膜層の膜厚が0.05nm以上あれば、H(Rmax)を小さ
くすることができることが分かる。また、第2の磁性層
が第1と第3の磁性層の膜厚の和の1/2以下であれば
ΔR/Rが大きな人工格子膜を作製できるが、それ以上
に第2の磁性層が厚くなると、ΔR/Rが大きく低下す
ることが分かる。また、第1の磁性層と第3の磁性層の
膜厚は、実施例4に示すように同じである必要ではない
が、第1と第3の磁性層の膜厚は少なくとも0.2nm以
上、望ましくは0.4nm以上であるのがよい。
以外、その他の条件は実施例1と全く同じにして作製し
た。結果を表3に示す。
磁性薄膜層は、Feだけでなく、NiやFeNi合金でも、
大きなΔR/Rが比較的低磁場で得られる。
大きな抵抗変化を起こす。このため、MRセンサー、M
Rヘッドとして適している。
図である。
である。
である。
である。
層 5:第2の磁性薄膜層 6:第3の磁性薄膜
層
Claims (2)
- 【請求項1】 基板上に、Coを主成分とする厚さ0.2
〜5nmの第1の磁性薄膜層と、FeまたはNiもしくはそ
の合金を主成分とする5nm以下の厚みの第2の磁性薄膜
層と、Coを主成分とする厚さ0.2〜5nmの第3の磁性
薄膜層と、厚さ0.5〜5nmの非磁性薄膜層を順次少な
くとも2回繰り返し積層させた構造を有し、第2の磁性
薄膜層の厚みが、第1と第3の磁性薄膜層の厚みの和の
1/2未満である磁気抵抗効果素子。 - 【請求項2】 非磁性薄膜層が、Cu、Ag、Auおよび
Ruから成る群から選択された少なくとも一種の金属を
主成分とすることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵
抗効果素子。
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