JP3262697B2 - Magnetoresistance effect multilayer film - Google Patents

Magnetoresistance effect multilayer film

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    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/3227Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films
    • H01F10/3231Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films via a non-magnetic spacer

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ヘッド、特に
再生ヘッド、あるいは位置センサー、回転センサーなど
に用いられる磁気抵抗効果素子用の材料に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a material for a magnetoresistive element used in a magnetic head, particularly a reproducing head, or a position sensor or a rotation sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の磁気抵抗(MR)効果材料として
は、Ni-Fe合金薄膜(パーマロイ薄膜)などが用いられ
ているが、パーマロイ膜の抵抗変化率は2〜3%であ
る。今後、磁気ヘッドの狭トラック化や磁気センサーの
高分解能化に対応するためには、より抵抗変化率(MR
比)の大きい磁気抵抗効果材料が望まれる。近年、巨大
磁気抵抗(GMR)効果と呼ばれる現象がFe/Crあるい
はCo/Cu等の多層薄膜で発見されている(参照:M.N.Bai
bich 他、Physical Review Letters誌、61巻(198
8)2472頁、D.H.Mosca他、Journal of Magnetism
andMagnetic Materials誌、94巻(1991)L1
頁)。これらの薄膜では、FeとCrの界面、あるいはCoと
Cuの界面における伝導電子のスピンに依存した散乱が巨
大磁気抵抗効果に寄与しているといわれており、従来の
Ni-Fe等とはMRの発生機構が根本的に異なっている。
これらの薄膜では10%以上のMR比が得られている。
2. Description of the Related Art As a conventional magnetoresistive (MR) effect material, a Ni-Fe alloy thin film (permalloy thin film) or the like is used, and the resistance change rate of the permalloy film is 2-3%. In the future, in order to cope with narrower tracks of magnetic heads and higher resolution of magnetic sensors, the rate of change in resistance (MR
Ratio) is desired. In recent years, a phenomenon called giant magnetoresistance (GMR) effect has been discovered in multilayer thin films of Fe / Cr or Co / Cu (see: MNBai).
bich et al., Physical Review Letters, vol. 61 (198
8) Page 2472, DHMosca et al., Journal of Magnetism
andMagnetic Materials, Volume 94 (1991) L1
page). In these thin films, the interface between Fe and Cr or Co and
It is said that the spin-dependent scattering of conduction electrons at the Cu interface contributes to the giant magnetoresistance effect.
The mechanism of MR generation is fundamentally different from Ni-Fe and the like.
These thin films have an MR ratio of 10% or more.

【0003】ところで、これらの磁気抵抗効果(MR)
多層膜においては、多層膜の膜面内の方向に電流を流し
て磁気抵抗(MR)効果(CIP−MR)を得るのが一
般的であるが、磁気抵抗効果多層膜におけるGMR効果
は、上述したように多層膜の界面で伝導電子がスピン依
存散乱することにより生じるものであるので、伝導電子
がより多く多層膜界面を横切れるようにしたほうが、よ
り効果的である。すなわち磁気抵抗効果多層膜では、膜
面に対して垂直方向に電流を流すことによって、CIP
−MRよりも効果的にGMR効果(CPP−MR)が得
られることが知られている。
By the way, these magnetoresistance effects (MR)
In a multilayer film, a magnetoresistance (MR) effect (CIP-MR) is generally obtained by flowing a current in a direction in the plane of the multilayer film, but the GMR effect in the magnetoresistance effect multilayer film is as described above. As described above, since conduction electrons are generated by spin-dependent scattering at the interface of the multilayer film, it is more effective to allow more conduction electrons to cross the multilayer film interface. That is, in the magnetoresistive multilayer film, a CIP is applied by flowing a current in a direction perpendicular to the film surface.
It is known that the GMR effect (CPP-MR) can be obtained more effectively than -MR.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
磁気抵抗効果多層膜の総膜厚は厚くても数百nmである
ので、膜厚方向の抵抗値は小さく、GMR効果による抵
抗変化量を大きくすることができなかった。即ち、実用
に供し得る出力電圧を、膜面垂直方向に電流を流すこと
による膜厚方向の抵抗変化により取り出すことは容易で
はなかった。
However, since the total thickness of the magnetoresistive multilayer is generally several hundred nm at most, the resistance in the thickness direction is small and the amount of resistance change due to the GMR effect is increased. I couldn't do that. That is, it was not easy to extract a practically usable output voltage by changing the resistance in the film thickness direction by passing a current in the direction perpendicular to the film surface.

【0005】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、電流を流す方向を膜面内方向としたときに、より効
果的にMR効果が得られるようにして、GMR効果によ
る抵抗変化量を大きくできるようにした磁気抵抗効果多
層膜を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and when the direction of current flow is the in-plane direction of the film, the MR effect can be more effectively obtained, and the resistance change due to the GMR effect can be reduced. It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive multilayer film that can be made large.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、強磁性クラスターと非磁性
物質とが膜面内方向に交互に配された強磁性クラスター
層と、非磁性層とが交互に積層され、上記強磁性クラス
ターの自発磁化の方向が膜面に対して垂直であり、かつ
同一層内の隣り合う強磁性クラスターの自発磁化の方向
が反平行であることを特徴とする磁気抵抗効果多層膜で
ある。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a ferromagnetic cluster layer in which ferromagnetic clusters and non-magnetic substances are alternately arranged in a film in-plane direction, Nonmagnetic layers are alternately stacked, the direction of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster is perpendicular to the film surface, and the direction of spontaneous magnetization of adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is antiparallel. This is a magnetoresistive effect multilayer film characterized by the following.

【0007】請求項2記載の発明は、前記強磁性クラス
ターの膜面内方向の大きさをx、同一層内の隣り合う強
磁性クラスターの間隔をwとするとき、 0.7nm ≦ x ≦ 20nm 0.3nm ≦ w ≦ 20nm なる関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の磁気
抵抗効果多層膜である。請求項3記載の発明は、前記強
磁性クラスターの膜面内方向の大きさをx、膜面に対し
て垂直な方向の大きさをy、同一層内の隣り合う強磁性
クラスターの間隔をwとするとき、 y/x ≧ 1.2 0.7nm ≦ x ≦ 20nm 0.3nm ≦ w ≦ 20nm なる関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の磁気
抵抗効果多層膜である。
According to a second aspect of the present invention, when the size of the ferromagnetic cluster in the in-plane direction is x and the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is w, 0.7 nm ≦ x ≦ 20 nm 2. The magnetoresistive effect multilayer film according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied: 0.3 nm ≦ w ≦ 20 nm. According to a third aspect of the present invention, the size of the ferromagnetic cluster in the in-plane direction is x, the size in the direction perpendicular to the film surface is y, and the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is w. 2. The magnetoresistive effect multilayer film according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied: y / x ≧ 1.20.7 nm ≦ x ≦ 20 nm 0.3 nm ≦ w ≦ 20 nm.

【0008】請求項4記載の発明は、前記強磁性クラス
ター層が、Co−Cr合金からなる多数の強磁性クラス
ターと、Cu及び又はAgからなる非磁性物質とからな
り、前記非磁性層がCu及び又はAgからなることを特
徴とする請求項1〜3記載の磁気抵抗効果多層膜であ
る。請求項5記載の発明は、前記強磁性クラスター層
が、Co−Crを主成分としCu及び又はAgを含む合
金からなる多数の強磁性クラスターと、Cu及び又はA
gからなる非磁性物質とからなり、前記非磁性層がCu
及び又はAgからなることを特徴とする請求項1〜3記
載の磁気抵抗効果多層膜である。
According to a fourth aspect of the present invention, the ferromagnetic cluster layer is composed of a number of ferromagnetic clusters made of a Co—Cr alloy and a non-magnetic material made of Cu and / or Ag, and the non-magnetic layer is made of Cu. And / or Ag. 4. The magnetoresistive effect multilayer film according to claim 1, wherein said multilayer film is made of Ag. The invention according to claim 5 is characterized in that the ferromagnetic cluster layer comprises a number of ferromagnetic clusters composed of an alloy containing Co-Cr as a main component and containing Cu and / or Ag, and Cu and / or A
g, and the nonmagnetic layer is made of Cu.
And / or Ag. 4. The magnetoresistive effect multilayer film according to claim 1, wherein said multilayer film is made of Ag.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図1は本発明の磁気抵抗効果多層膜の断面状態の例を示
す模式図である。図中符号1は強磁性クラスター層、2
は非磁性層、11は強磁性クラスター、12は非磁性物
質である。本発明の磁気抵抗効果多層膜は、この図に示
されるように、強磁性クラスター層1と非磁性層2とが
交互に積層されて構成されている。強磁性クラスター層
1では、強磁性クラスター11と非磁性物質12とが膜
面内方向(図中aで示す)に交互に配されている。また
強磁性クラスター11の自発磁化は、膜面に対して垂直
方向(図中bで示す)に向けられており、同一層内の隣
り合う強磁性クラスター11の自発磁化の方向は反平行
となっている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cross-sectional state of a magnetoresistive multilayer film of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a ferromagnetic cluster layer, 2
Is a non-magnetic layer, 11 is a ferromagnetic cluster, and 12 is a non-magnetic substance. As shown in the figure, the magnetoresistive multilayer film of the present invention is configured by alternately stacking ferromagnetic cluster layers 1 and nonmagnetic layers 2. In the ferromagnetic cluster layer 1, ferromagnetic clusters 11 and non-magnetic substances 12 are alternately arranged in a film surface direction (indicated by a in the drawing). The spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster 11 is oriented in a direction perpendicular to the film surface (indicated by b in the figure), and the direction of the spontaneous magnetization of the adjacent ferromagnetic clusters 11 in the same layer is antiparallel. ing.

【0010】強磁性クラスター層1は、強磁性金属材料
からなる微細なクラスター11の周囲に、非磁性物質1
2が析出した構造に好ましく構成することができる。強
磁性クラスター11の形状は、膜面に対して垂直方向に
長い形状であることが好ましく、強磁性クラスター11
の膜面内方向の大きさをx、膜面に対して垂直な方向の
大きさをyとするとき、アスペクト比(y/x)は1.
2以上であることが好ましい。強磁性クラスター11を
このような縦長の形状とすることによって、形状異方性
により強磁性クラスター11の自発磁化を膜面に対して
垂直な方向に向けることができる。
[0010] A ferromagnetic cluster layer 1 is formed around a fine cluster 11 made of a ferromagnetic metal material.
It can be preferably configured to have a structure where 2 is deposited. The shape of the ferromagnetic cluster 11 is preferably long in the direction perpendicular to the film surface.
When the size in the direction in the film plane is x and the size in the direction perpendicular to the film plane is y, the aspect ratio (y / x) is 1.
It is preferably two or more. By making the ferromagnetic cluster 11 have such a vertically long shape, the spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster 11 can be directed in a direction perpendicular to the film surface due to shape anisotropy.

【0011】あるいは、強磁性クラスター11が結晶磁
気異方性を有し、かつその磁化容易軸が膜面に対して垂
直方向となるように強磁性クラスター11を形成するこ
とによっても、強磁性クラスター11の自発磁化を膜面
に対して垂直な方向に向けることができる。この場合に
は、必ずしも強磁性クラスター11の形状が上記のアス
ペクト比を満たすものでなくてもよい。また強磁性クラ
スター11の膜面内方向の大きさxは、0.7nm以上
20nm以下であることが好ましい。xが0.7nm以
下であると強磁性クラスター11の強磁性を維持するこ
とが難しくなり、20nm以上であるとMR効果が著し
く減少してしまうからである。
Alternatively, the ferromagnetic cluster 11 may be formed such that the ferromagnetic cluster 11 has crystal magnetic anisotropy and the axis of easy magnetization is perpendicular to the film surface. 11 can be directed in a direction perpendicular to the film surface. In this case, the shape of the ferromagnetic cluster 11 does not necessarily have to satisfy the above aspect ratio. The size x of the ferromagnetic cluster 11 in the in-plane direction is preferably 0.7 nm or more and 20 nm or less. When x is 0.7 nm or less, it is difficult to maintain the ferromagnetism of the ferromagnetic cluster 11, and when x is 20 nm or more, the MR effect is significantly reduced.

【0012】非磁性物質12としては、強磁性クラスタ
ー11を構成する強磁性金属元素と互いに相分離傾向を
有する非磁性金属元素が好ましく用いられる。非磁性物
質12の厚さ、すなわち同一層内の隣り合う強磁性クラ
スター11の間隔をwとするとき、wは0.3nm以上
20nm以下に好ましく調整される。wが0.3nm以
下であると、強磁性クラスター11どうしの直接的な交
換結合により、隣り合う強磁性クラスター11の自発磁
化が全て平行になってしまい、MR効果が得られなくな
る。一方、wが20nm以上であるとMR効果が著しく
減少してしまう。
As the non-magnetic substance 12, a non-magnetic metal element having a tendency to phase-separate from the ferromagnetic metal element constituting the ferromagnetic cluster 11 is preferably used. When the thickness of the nonmagnetic substance 12, that is, the distance between the adjacent ferromagnetic clusters 11 in the same layer is w, w is preferably adjusted to 0.3 nm or more and 20 nm or less. If w is 0.3 nm or less, the spontaneous magnetizations of the adjacent ferromagnetic clusters 11 are all parallel due to direct exchange coupling between the ferromagnetic clusters 11, and the MR effect cannot be obtained. On the other hand, when w is 20 nm or more, the MR effect is significantly reduced.

【0013】非磁性層2は、強磁性クラスター層1内の
非磁性物質12と同じ物質で構成されていてもよく、ま
た異なる非磁性材料で構成することもできる。非磁性層
2を強磁性クラスター層1内の非磁性物質12と同じ物
質で構成した場合は、異種の非磁性物質どうしの界面で
の伝導電子の散乱(MR効果と無関係)がないため、大
きなMR効果を得ることができる。非磁性層2の厚さ
は、厚過ぎると、他の界面(MR効果に寄与する界面)
での伝導電子の散乱を起こさずに非磁性層2の中のみを
伝導電子が通過する確率が増え、MR効果が減少するた
め好ましくなく、また薄過ぎると、上下の強磁性クラス
ター11どうしが直接的に交換結合することにより隣り
合う強磁性クラスター11どうしの磁化が平行になって
しまう。(これは、上下の強磁性クラスター11の位置
関係が一般的にはずれているので、例えば上の1つの強
磁性クラスター11が下の2つの強磁性クラスター11
と直接交換結合することにより、下の2つの強磁性クラ
スター11の磁化は平行とならざるを得なくなる。)し
たがって強磁性クラスター11の大きさや分布のしかた
(上下で規則正しく配列しているか否か等)に応じて適
宜設定することが好ましい。
The nonmagnetic layer 2 may be made of the same material as the nonmagnetic material 12 in the ferromagnetic cluster layer 1, or may be made of a different nonmagnetic material. When the non-magnetic layer 2 is made of the same material as the non-magnetic substance 12 in the ferromagnetic cluster layer 1, there is no scattering of conduction electrons at the interface between different kinds of non-magnetic substances (irrespective of the MR effect). An MR effect can be obtained. If the thickness of the nonmagnetic layer 2 is too large, another interface (an interface contributing to the MR effect)
The probability of conduction electrons passing only through the non-magnetic layer 2 without causing scattering of conduction electrons at this time is increased, which is not preferable because the MR effect is reduced. If it is too thin, the upper and lower ferromagnetic clusters 11 directly As a result of the exchange coupling, the magnetizations of the adjacent ferromagnetic clusters 11 become parallel. (This is because the positional relationship between the upper and lower ferromagnetic clusters 11 is generally shifted, so that, for example, one upper ferromagnetic cluster 11
Direct exchange coupling, the magnetizations of the two lower ferromagnetic clusters 11 must be parallel. Therefore, it is preferable to appropriately set the size and distribution of the ferromagnetic clusters 11 (whether or not the ferromagnetic clusters 11 are regularly arranged vertically).

【0014】本発明の磁気抵抗効果多層膜は、汎用の多
層膜作製技術、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜形成装
置を用いて、基板上に非磁性層2と強磁性クラスター層
1を交互に成膜することによって作製することができ
る。例えば、成膜装置としては、高周波2極スパッタ装
置、DCスパッタ、マグネトロンスパッタ、3極スパッ
タ、イオンビームスパッタ、対向ターゲット式スパッタ
等を利用することができる。強磁性クラスター層1を形
成する際には、強磁性金属元素と、この強磁性金属元素
と互いに相分離傾向を有する非磁性金属元素を用いて合
金薄膜を成膜するのが好ましい。このようにすれば、成
膜後にあるいは成膜後の加熱処理により強磁性結晶(強
磁性クラスター11)の粒界に非磁性物質12が偏析し
た構造を得ることができる。
The magnetoresistive effect multilayer film of the present invention is obtained by alternately forming a nonmagnetic layer 2 and a ferromagnetic cluster layer 1 on a substrate by using a general-purpose multilayer film manufacturing technique, for example, a thin film forming apparatus such as sputtering or vapor deposition. It can be manufactured by forming a film. For example, as a film forming apparatus, a high frequency bipolar sputtering apparatus, DC sputtering, magnetron sputtering, tripolar sputtering, ion beam sputtering, facing target type sputtering, or the like can be used. When forming the ferromagnetic cluster layer 1, it is preferable to form an alloy thin film using a ferromagnetic metal element and a non-magnetic metal element having a tendency to phase separate from the ferromagnetic metal element. This makes it possible to obtain a structure in which the nonmagnetic substance 12 is segregated at the grain boundaries of the ferromagnetic crystal (ferromagnetic cluster 11) by the heat treatment after the film formation or after the film formation.

【0015】また強磁性クラスター層1を成膜する際に
は、強磁性クラスター11の結晶磁気異方性の磁化容易
軸が膜面に対して垂直方向となるように成膜条件を制御
することが好ましい。このようにすれば、結晶磁気異方
性により強磁性クラスター11の自発磁化を膜面垂直方
向に向けることができる。あるいは、強磁性クラスター
11の形状が膜面に対して垂直方向に長い形状となるよ
うに、合金組成や成膜条件の制御を行なってもよい。こ
の場合には、形状異方性により強磁性クラスター11の
自発磁化を膜面垂直方向に向けることができる。さらに
強磁性クラスター層1を成膜する際の合金組成、成膜条
件、熱処理条件等を適宜設定することによって強磁性ク
ラスター11の粒界に析出する非磁性物質12の厚さを
制御することができる。これにより非磁性物質12を介
した交換相互作用あるいは静磁相互作用により同一層内
で隣合う強磁性クラスター11の自発磁化を反平行にす
ることができる。
When forming the ferromagnetic cluster layer 1, the film forming conditions are controlled so that the axis of easy magnetization of the magnetocrystalline anisotropy of the ferromagnetic cluster 11 is perpendicular to the film surface. Is preferred. In this way, the spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster 11 can be directed in the direction perpendicular to the film surface by the crystal magnetic anisotropy. Alternatively, the alloy composition and the film forming conditions may be controlled so that the shape of the ferromagnetic cluster 11 becomes longer in the direction perpendicular to the film surface. In this case, the spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster 11 can be directed in the direction perpendicular to the film surface due to the shape anisotropy. Further, the thickness of the nonmagnetic substance 12 precipitated at the grain boundary of the ferromagnetic cluster 11 can be controlled by appropriately setting the alloy composition, film forming conditions, heat treatment conditions, and the like when forming the ferromagnetic cluster layer 1. it can. Thereby, the spontaneous magnetization of the adjacent ferromagnetic clusters 11 in the same layer can be made antiparallel by the exchange interaction or the magnetostatic interaction via the nonmagnetic material 12.

【0016】本発明の磁気抵抗効果多層膜の好ましい組
成としては、例えば強磁性クラスター層1が、Co−C
r合金からなる多数の強磁性クラスター11と、Cu及
び又はAgからなる非磁性物質12とからなり、非磁性
層2がCu及び又はAgからなるもの挙げることができ
る。強磁性クラスター11としてCo−Cr合金を用い
れば、このCo−Cr合金は六方晶の柱状晶を形成する
ものであるので、膜面に対して垂直な方向に長い形状
で、かつ結晶磁気異方性の磁化容易軸が膜面に対して垂
直に配向した強磁性クラスター11を比較的容易に形成
することができる。この場合、強磁性クラスター層1の
成膜の際には、例えば高Ar圧スパッタなど、柱状晶が
できやすい成膜条件を選択するのが好ましい。そして非
磁性物質12としては、Coと相分離しやすいCu及び
又はAgを好ましくは用いることができ、多数の強磁性
クラスター11の周囲に非磁性物質12が析出した構造
を得ることができる。また、強磁性クラスター11はC
o−Crを主成分として、微量のCu及び又はAgを含
んでいてもよい。
The preferred composition of the magnetoresistive multilayer film of the present invention is, for example, that the ferromagnetic cluster layer 1 is made of Co—C
The non-magnetic layer 2 is composed of a number of ferromagnetic clusters 11 made of an r alloy and a non-magnetic substance 12 made of Cu and / or Ag, and the non-magnetic layer 2 is made of Cu and / or Ag. When a Co—Cr alloy is used as the ferromagnetic cluster 11, the Co—Cr alloy forms a hexagonal columnar crystal, and thus has a shape that is long in a direction perpendicular to the film surface and has a crystal magnetic anisotropic property. Cluster 11 in which the easy axis of magnetization is oriented perpendicular to the film plane can be formed relatively easily. In this case, when the ferromagnetic cluster layer 1 is formed, it is preferable to select a film forming condition in which columnar crystals are easily formed, such as high Ar pressure sputtering. As the non-magnetic substance 12, Cu and / or Ag, which is easily phase-separated from Co, can be preferably used, and a structure in which the non-magnetic substance 12 is deposited around many ferromagnetic clusters 11 can be obtained. The ferromagnetic cluster 11 has C
It may contain o-Cr as a main component and trace amounts of Cu and / or Ag.

【0017】本発明の磁気抵抗効果多層膜によれば、膜
面内方向に電流を流したときに、伝導電子が強磁性クラ
スター11と非磁性物質12の界面を多く横切ることが
できるので、従来のCPP−MRと同様の作用が得ら
れ、従来のCIP−MRよりも効果的にGMR効果を得
ることができる。しかも、従来のCPP−MRは電流を
流す方向が膜厚方向であったのに対して、本発明の磁気
抵抗効果多層膜では、膜面内方向に電流を流してGMR
効果が得られるので、抵抗変化量を大きくすることが可
能である。
According to the magnetoresistive multilayer film of the present invention, when a current flows in an in-plane direction of the film, a large number of conduction electrons can cross the interface between the ferromagnetic cluster 11 and the non-magnetic substance 12. The same effect as that of the CPP-MR can be obtained, and the GMR effect can be obtained more effectively than the conventional CIP-MR. Moreover, in the conventional CPP-MR, the current flows in the film thickness direction, whereas in the magnetoresistive multilayer film of the present invention, the current flows in the
Since the effect is obtained, the amount of change in resistance can be increased.

【0018】[0018]

【実施例】【Example】

(実施例1)本発明の磁気抵抗効果多層膜に該当する、
Co60Cr17Cu23(原子%)なる合金組成の厚さ10
nmの強磁性クラスター層と、厚さ3nmの非磁性Cu
層を交互に20周期(すなわち合計40層)積層した多
層膜を成膜した。(以下、[Co60Cr17Cu23(10nm)
/Cu(3nm)]20と表記する。) 成膜は、高周波2極スパッタ装置を用いて行ない、成膜
条件は、高周波入力が2.4×104W/m2、Arガス圧力
が5mTorr、基板は水冷のものとし、成膜後、400℃
で1時間のアニール処理を施した。得られた多層膜の、
強磁性クラスターの自発磁化の状態、膜面内方向の大き
さ(x)、膜面に垂直な方向の大きさ(y)、同一層内
の隣り合う強磁性クラスターの間隔(w)、および抵抗
変化率(△ρ/ρ)を下記表1に示す。
(Embodiment 1) It corresponds to the magnetoresistive effect multilayer film of the present invention.
Co 60 Cr 17 Cu 23 (atomic%) alloy composition thickness 10
nm ferromagnetic cluster layer and 3 nm thick non-magnetic Cu
A multilayer film was formed by alternately laminating the layers for 20 cycles (ie, 40 layers in total). (Hereinafter, [Co 60 Cr 17 Cu 23 (10 nm)
/ Cu (3 nm)] 20 . The film was formed using a high frequency bipolar sputtering apparatus. The film forming conditions were as follows: high frequency input: 2.4 × 10 4 W / m 2 , Ar gas pressure: 5 mTorr, substrate: water-cooled. , 400 ° C
For 1 hour. Of the obtained multilayer film,
The state of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster, the size in the in-plane direction (x), the size in the direction perpendicular to the film surface (y), the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer (w), and the resistance The rate of change (△ ρ / ρ) is shown in Table 1 below.

【0019】(実施例2)上記実施例1と同様にして、
本発明の磁気抵抗効果多層膜に該当する[Co63Cr17
Ag20(10nm)/Ag(3nm)]20なる膜構成の多層膜を成
膜した。得られた多層膜の、強磁性クラスターの自発磁
化の状態、膜面内方向の大きさ(x)、膜面に垂直な方
向の大きさ(y)、同一層内の隣り合う強磁性クラスタ
ーの間隔(w)、および抵抗変化率(△ρ/ρ)を下記
表1に示す。
(Example 2) In the same manner as in Example 1,
[Co 63 Cr 17 ] corresponding to the magnetoresistive effect multilayer film of the present invention.
Ag 20 (10 nm) / Ag (3 nm)] A multilayer film having a film configuration of 20 was formed. In the obtained multilayer film, the state of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster, the size in the in-plane direction (x), the size in the direction perpendicular to the film surface (y), and the size of the adjacent ferromagnetic cluster in the same layer Table 1 below shows the interval (w) and the rate of change in resistance () ρ / ρ).

【0020】(実施例2)上記実施例1と同様にして、
本発明の磁気抵抗効果多層膜に該当する[Co60Cr17
Cu23(10nm)/Ag(3nm)]20なる膜構成の多層膜を成
膜した。得られた多層膜の、強磁性クラスターの自発磁
化の状態、膜面内方向の大きさ(x)、膜面に垂直な方
向の大きさ(y)、同一層内の隣り合う強磁性クラスタ
ーの間隔(w)、および抵抗変化率(△ρ/ρ)を下記
表1に示す。
(Embodiment 2) In the same manner as in Embodiment 1,
[Co 60 Cr 17 ] which corresponds to the magnetoresistive multilayer film of the present invention.
Cu 23 (10 nm) / Ag (3 nm)] 20 was formed. In the obtained multilayer film, the state of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster, the size in the in-plane direction (x), the size in the direction perpendicular to the film surface (y), and the size of the adjacent ferromagnetic cluster in the same layer Table 1 below shows the interval (w) and the rate of change in resistance () ρ / ρ).

【0021】(比較例1)比較例として、上記実施例1
と同じ成膜条件で[Co80Cr20(5nm)/Cu(3nm)]20
なる膜構成の多層膜を成膜した。得られた多層膜の、強
磁性クラスターの自発磁化の状態、膜面内方向の大きさ
(x)、膜面に垂直な方向の大きさ(y)、同一層内の
隣り合う強磁性クラスターの間隔(w)、および抵抗変
化率(△ρ/ρ)を下記表1に示す。
(Comparative Example 1) As a comparative example, the above Example 1 was used.
[Co 80 Cr 20 (5 nm) / Cu (3 nm)] 20
A multilayer film having the following film configuration was formed. In the obtained multilayer film, the state of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster, the size in the in-plane direction (x), the size in the direction perpendicular to the film surface (y), and the size of the adjacent ferromagnetic cluster in the same layer Table 1 below shows the interval (w) and the rate of change in resistance () ρ / ρ).

【0022】[0022]

【表1】 [Table 1]

【0023】上記表1の結果より、実施例1〜3の多層
膜は8%〜12%もの大きな抵抗変化率が得られている
のに対し、比較例1の[Co80Cr20(5nm)/Cu(3n
m)]20は2%の抵抗変化率しか得られていないことがわ
かる。従って、本発明の磁気抵抗効果多層膜が優れた磁
気抵抗効果を有していることが明らかである。
From the results shown in Table 1, the multilayer films of Examples 1 to 3 have a large resistance change rate of as much as 8% to 12%, whereas Comparative Example 1 [Co 80 Cr 20 (5 nm)]. / Cu (3n
m)] 20 shows that only a 2% resistance change rate was obtained. Therefore, it is clear that the magnetoresistance effect multilayer film of the present invention has an excellent magnetoresistance effect.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように本発明の磁気抵抗効
果多層膜は、強磁性クラスターと非磁性物質とが膜面内
方向に交互に配された強磁性クラスター層と、非磁性層
とが交互に積層され、上記強磁性クラスターの自発磁化
の方向が膜面に対して垂直であり、かつ同一層内の隣り
合う強磁性クラスターの自発磁化の方向が反平行である
ことを特徴とするものである。したがって、膜面内方向
に電流を流したときに、伝導電子が強磁性クラスターと
非磁性物質の界面を多く横切ることができるので、従来
のCPP−MRと同様の作用が得られ、従来のCIP−
MRよりも効果的にGMR効果を得ることができる。し
かも、電流の方向を膜面内方向としてGMR効果が得ら
れるので、大きな抵抗変化量を得ることが可能である。
よって、より低磁界で高出力が得られる高感度な磁気ヘ
ッドや磁気センサー等を得ることができる。
As described above, the magnetoresistive multilayer film of the present invention comprises a ferromagnetic cluster layer in which ferromagnetic clusters and non-magnetic substances are alternately arranged in a film plane direction, and a non-magnetic layer. The ferromagnetic clusters are alternately stacked, and the direction of the spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster is perpendicular to the film surface, and the direction of the spontaneous magnetization of an adjacent ferromagnetic cluster in the same layer is antiparallel. It is. Therefore, when a current flows in the in-plane direction of the film, conduction electrons can traverse the interface between the ferromagnetic cluster and the non-magnetic material much, so that the same operation as the conventional CPP-MR is obtained, and the conventional CIP-MR is obtained. −
The GMR effect can be obtained more effectively than MR. In addition, since the GMR effect can be obtained with the direction of the current being the in-plane direction of the film, a large resistance change amount can be obtained.
Therefore, it is possible to obtain a highly sensitive magnetic head, a magnetic sensor, and the like that can obtain a high output with a lower magnetic field.

【0025】また、前記強磁性クラスターの膜面内方向
の大きさをx、同一層内の隣り合う強磁性クラスターの
間隔をwとするとき、 0.7nm ≦ x ≦ 20nm 0.3nm ≦ w ≦ 20nm とすることによって強磁性クラスターの強磁性を維持
し、隣り合う強磁性クラスターの自発磁化を反平行に保
って、好ましいMR効果を得ることができる。
When the size of the ferromagnetic cluster in the in-plane direction is x and the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is w, 0.7 nm ≦ x ≦ 20 nm 0.3 nm ≦ w ≦ By setting the thickness to 20 nm, the ferromagnetism of the ferromagnetic cluster is maintained, and the spontaneous magnetization of the adjacent ferromagnetic cluster is maintained antiparallel, so that a preferable MR effect can be obtained.

【0026】さらに上記のx、wの条件に加えて、強磁
性クラスターの膜面に対して垂直な方向の大きさをyと
するとき、y/x ≧ 1.2 とすることによって形
状異方性により強磁性クラスター11の自発磁化を膜面
に対して垂直な方向に向けることができる。
Further, in addition to the above conditions of x and w, when the size of the ferromagnetic cluster in the direction perpendicular to the film surface is y, the shape anisotropy is obtained by satisfying y / x ≧ 1.2. Due to the nature, the spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster 11 can be directed in a direction perpendicular to the film surface.

【0027】また強磁性クラスター層が、Co−Cr合
金からなる多数の強磁性クラスターと、Cu及び又はA
gからなる非磁性物質とからなり、非磁性層がCu及び
又はAgからなるような構成とすれば、Co−Cr合金
が六方晶の柱状晶を形成するものであるので、膜面に対
して垂直な方向に長い形状で、結晶磁気異方性の磁化容
易軸が膜面に対して垂直に配向した強磁性クラスターを
比較的容易に形成することができる。またCu及び又は
AgはCoと相分離しやすいので、請求項1記載の構造
を好適に得ることができる。
The ferromagnetic cluster layer is composed of a number of ferromagnetic clusters made of a Co—Cr alloy, Cu and / or A
g and a non-magnetic layer made of Cu and / or Ag, the Co-Cr alloy forms a hexagonal columnar crystal. It is possible to relatively easily form a ferromagnetic cluster having a shape that is long in the vertical direction and whose easy axis of crystal magnetic anisotropy is oriented perpendicular to the film surface. In addition, Cu and / or Ag are easily phase-separated from Co, so that the structure according to claim 1 can be suitably obtained.

【0028】あるいは、強磁性クラスター層が、Co−
Crを主成分としCu及び又はAgを含む合金からなる
多数の強磁性クラスターと、Cu及び又はAgからなる
非磁性物質とからなり、前記非磁性層がCu及び又はA
gからなる構成としてもよく、この場合も請求項4記載
のものと同様に請求項1記載の構造を好適に得ることが
できる。
Alternatively, the ferromagnetic cluster layer is made of Co-
A plurality of ferromagnetic clusters composed of an alloy containing Cu as a main component and containing Cu and / or Ag, and a nonmagnetic substance made of Cu and / or Ag, wherein the nonmagnetic layer is made of Cu and / or A
g may be adopted. In this case, the structure according to claim 1 can be suitably obtained in the same manner as the structure according to claim 4.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の磁気抵抗効果多層膜の断面状態状態の
例を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a state of a cross section of a magnetoresistive multilayer film of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 強磁性クラスター層 2 非磁性層 11 強磁性クラスター 12 非磁性物質 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ferromagnetic cluster layer 2 Nonmagnetic layer 11 Ferromagnetic cluster 12 Nonmagnetic substance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/08 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/08 JICST file (JOIS)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 強磁性クラスターと非磁性物質とが膜面
内方向に交互に配された強磁性クラスター層と、非磁性
層とが交互に積層され、上記強磁性クラスターの自発磁
化の方向が膜面に対して垂直であり、かつ同一層内の隣
り合う強磁性クラスターの自発磁化の方向が反平行であ
ることを特徴とする磁気抵抗効果多層膜。
1. A ferromagnetic cluster layer in which ferromagnetic clusters and non-magnetic substances are alternately arranged in a film plane direction, and a non-magnetic layer are alternately stacked, and the direction of spontaneous magnetization of the ferromagnetic cluster is A magnetoresistive multilayer film which is perpendicular to the film surface and in which the directions of spontaneous magnetization of adjacent ferromagnetic clusters in the same layer are antiparallel.
【請求項2】 前記強磁性クラスターの膜面内方向の大
きさをx、同一層内の隣り合う強磁性クラスターの間隔
をwとするとき、 0.7nm ≦ x ≦ 20nm 0.3nm ≦ w ≦ 20nm なる関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の磁気
抵抗効果多層膜。
2. When the size of the ferromagnetic cluster in the film plane direction is x and the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is w, 0.7 nm ≦ x ≦ 20 nm 0.3 nm ≦ w ≦ The magnetoresistive multilayer film according to claim 1, wherein a relationship of 20 nm is satisfied.
【請求項3】 前記強磁性クラスターの膜面内方向の大
きさをx、膜面に対して垂直な方向の大きさをy、同一
層内の隣り合う強磁性クラスターの間隔をwとすると
き、 y/x ≧ 1.2 0.7nm ≦ x ≦ 20nm 0.3nm ≦ w ≦ 20nm なる関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の磁気
抵抗効果多層膜。
3. When the size of the ferromagnetic cluster in the in-plane direction is x, the size in the direction perpendicular to the film surface is y, and the distance between adjacent ferromagnetic clusters in the same layer is w. 2. The magnetoresistive effect multilayer film according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied: y / x ≧ 1.2 0.7 nm ≦ x ≦ 20 nm 0.3 nm ≦ w ≦ 20 nm.
【請求項4】 前記強磁性クラスター層が、Co−Cr
合金からなる多数の強磁性クラスターと、Cu及び又は
Agからなる非磁性物質とからなり、前記非磁性層がC
u及び又はAgからなることを特徴とする請求項1〜3
記載の磁気抵抗効果多層膜。
4. The ferromagnetic cluster layer is made of Co—Cr.
A plurality of ferromagnetic clusters composed of an alloy and a non-magnetic substance composed of Cu and / or Ag,
4. It is made of u and / or Ag.
The magnetoresistive effect multilayer film as described in the above.
【請求項5】 前記強磁性クラスター層が、Co−Cr
を主成分としCu及び又はAgを含む合金からなる多数
の強磁性クラスターと、Cu及び又はAgからなる非磁
性物質とからなり、前記非磁性層がCu及び又はAgか
らなることを特徴とする請求項1〜3記載の磁気抵抗効
果多層膜。
5. The ferromagnetic cluster layer is made of Co—Cr.
A plurality of ferromagnetic clusters composed of an alloy containing Cu and / or Ag as a main component, and a nonmagnetic substance composed of Cu and / or Ag, wherein the nonmagnetic layer is composed of Cu and / or Ag. Item 4. The magnetoresistive effect multilayer film according to items 1 to 3.
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