JP3293437B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッド及びメモリー素子 - Google Patents
磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッド及びメモリー素子Info
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Description
抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッドに関するものであ
る。
反強磁性的結合をしている[Fe/Cr],[Co/Ru]人工格子膜
が強磁場(1〜10 kOe)で巨大磁気抵抗効果を示す発見
された(フィシ゛カル レウ゛ュー レター 61 第2472項 (1988年);
同 64 第2304項 (1990) (PhysicalReview Letter Vol.
61, p2472, 1988; 同 Vol.64, p2304,1990))。これら
の膜は大きな磁気抵抗(MR)変化を示すものの、磁性
膜間が反強磁性的に結合しているためMR効果を生じる
のに必要な磁界が数kOeと大きく実用上問題があった。
の弱い2種類の磁性薄膜Ni-FeとCoを用いた[Ni-Fe/Cu/C
o]人工格子膜でも巨大磁気抵抗効果が発見され、室温印
加磁界0.5kOeでMR比が約8%のものが得られている(シ
゛ャーナル オフ゛ フィシ゛カル ソサイアティーオフ゛ シ゛ャハ゜ン 59 第3061頁 (19
90年) (Journal of Physical Society of Japan Vol.5
9, p3061, 1990))。しかしこの場合でも完全に磁性膜
間の磁気的結合を断つことが困難で更に小さな印加磁界
でより大きなMR変化を示す磁気抵抗効果素子の開発が
課題であった。
流すと大きなMR変化が得られるが、膜が極めて薄いた
め膜面垂直方向の抵抗は極めて低く、この様な構成は実
用上問題がある。
磁性材料のFe-MnをNi-Fe/Cu/Ni-Feにつけたスピンバル
ブ型のものが提案され(シ゛ャーナル オフ゛ マク゛ネティス゛ム アント゛ マク
゛ネティック マテリアルス゛ 93 第101頁 (1991年) (Journal of Mag
netism and Magnetic Materials 93,p101,1991))、磁
気抵抗効果型ヘッドへの応用が検討されている。しかし
ながらこの場合はMR変化が2〜4%と小さい問題点が
ある。
ネル型磁気抵抗効果素子が開発されているが(日本応用
磁気学会誌Vol.19,No.2 p369(1995))、絶縁膜の膜質の
コントロ−ルが困難で特性の再現性の良好なものを得る
のが困難である。
R材料をセンス線に用いたものが提案されているが(IE
EE Trans. Magn. Vol.27, No.6, (1991) p5520)、MR
変化率が小さいため情報読み出し時の出力が小さいのが
課題である。
課題を解決し、より小さな磁界でより大きなMR変化を
示す磁気抵抗効果素子を可能とするものである。
易に磁化反転する軟磁性膜と容易には磁化反転しない磁
性膜とを特殊な非磁性膜で分離し、両磁性膜の磁気的結
合を極めて弱くして軟磁性膜の磁化回転を良好にして素
子の磁界感度を向上し、かつ磁性膜の構成を最適化して
より大きなMR変化率を示す磁気抵抗効果素子及び磁気
抵抗効果型ヘッドを可能とするものである。
体と絶縁体の混合物より成る非磁性膜を用いる。これに
より従来の絶縁膜のみを用いたトンネル型大磁気抵抗効
果膜の特性の再現性が改善される。又に非磁性膜部の電
気抵抗の値が制御可能となり素子設計が容易となる。更
に柱状の導電体を絶縁体が取り巻く構造とすればその効
果は更に改善される。
に記録されている箇所は小さくかつ媒体からの信号磁界
は弱いため、これを効率良く軟磁性膜に導くための軟磁
性体より成るヨ−クを備えることが実用上有効である。
に電流を流した方が、膜面内に電流を流すよりも大きな
MR変化率が得られる。本発明のこれら磁気抵抗効果素
子・ヘッド・メモリ−素子においては膜面垂直方向も抵
抗が高く、素子の膜面垂直方向に電流を流すことが可能
でより大きなMR変化率を得ることが可能である。
用いて説明を行う。図1(a)は[磁性膜3/非磁性膜2/
磁性膜1]なる構造の素子で、微小な磁界Hが印加され
た場合保磁力の小さい磁性膜、即ち軟磁性膜(図では磁
性膜1とする)は印加磁界方向に磁化反転するが、保磁
力の大きい磁性膜、即ち硬質磁性膜は磁化反転せず、両
磁性膜の磁化方向は反平行となって素子の抵抗は増加す
る。印加磁界を更に強くすると両磁性膜の磁化方向は平
行となり素子の抵抗は減少する。以上が素子の動作原理
であるが、非磁性膜に金属を用いると磁性膜間の磁気的
結合を遮断するのが困難であり、その膜厚を増加させる
と磁気的結合の分離は出来るがMR変化率が低下する。
又非磁性膜に絶縁体を用い、膜面垂直方向のトンネル効
果により電流を流そうとすれば、特性の再現性が悪くな
る。本発明では非磁性膜2として絶縁体と導電体との混
合物より成る非磁性膜を用いることにより、特性の再現
性を劣化することなく両磁性膜間の磁気的結合を低減す
ることが可能である。更に同図(b)のように非磁性膜を
柱状の導電体Cを絶縁体Iが取り巻く構造とすればその
効果は更に改善される。又図2に示したように図1の構
成のものを非磁性膜2を介して積層した構造でも良い。
積層することによりMR変化率は増加する。ただし膜面
方向に電流を流す場合は素子のシ−ト抵抗は減少する。
非磁性膜2/磁性膜1]なる構造のものである。この場
合磁化反転抑制膜4により磁性膜3’は容易に磁化回転
せず、磁化反転抑制膜4/磁性膜3’が図1及び2の磁
性膜3と同等の役割をする。従って磁性膜3’と磁性膜
1は異なる膜でも良いし、同じ膜でも良い。又同様に図
3の構成のものを非磁性膜2を介して積層した図4に示
す構造のものでも良い。
非磁性膜の界面に主構成元素の一つとしてCoを含有する
厚さ1nm以下の界面磁性膜5を設けることによりより大
きなMR変化率を得ることが可能である。
気抵抗効果型ヘッドの一例で、磁気媒体からの信号磁界
はヨ−ク6により磁気抵抗効果素子部に導かれる。ヨ−
クは微小信号領域の形状に対応した幅や厚さを有し、信
号磁界Hを磁気抵抗素子部の軟磁性膜に導く構成が有効
で、効率良く磁束を軟磁性膜1に導くにはヨ−クは透磁
率の高い軟磁性材料より構成する必要がある。又軟磁性
膜以外のもう一方の磁性膜3は信号磁界で磁化反転が起
きないような保磁力が大きくかつ磁化曲線の角型性が良
好なものが望ましい。
素子部Mは導体線S、S’に接続されてセンス線を構成
しており、磁気抵抗効果素子部M近傍には絶縁膜を介し
て情報記録用のワ−ド線W、W’が設けられている。情
報の記録はワ−ド線に電流を流し、[磁性膜3/非磁性
膜2/磁性膜1]タイプの磁気抵抗効果素子部の場合は
保磁力の大きい方の磁性膜3を磁化反転して情報を記録
し、読み出しはワ−ド線に弱い電流を流し、軟磁性膜1
のみを磁化反転し、その時磁気抵抗効果素子部に生じる
磁気抵抗変化をセンス線より検出して情報の読み出しが
なされる。このメモリ−素子の場合、保磁力の大きい方
の磁性膜3はワ−ド線により発生する磁界で磁化反転す
る必要があり、あまり保磁力が大きいとこれが困難とな
るので適当な大きさの保磁力の半硬質磁性膜であること
が望ましい。又情報の記録状態を明確にするためにはこ
の半硬質磁性膜の磁化曲線の角型性が良好なことが望ま
しい。
/磁性膜3’/非磁性膜2/磁性膜1]なる構成で特に
磁化反転抑制膜4が反強磁性体の場合、ワ−ド線電流発
生磁界で磁性膜3’の磁化反転を起こすのは困難な場合
が多く、この場合は情報の記録はワ−ド線に電流を流
し、磁性膜1を磁化反転して情報を記録し、読み出しも
ワ−ド線に電流を流し磁性膜1を磁化反転して行う。従
って前者が非破壊読み出しとなるがこの場合は破壊読み
出しとなる。
型磁気ヘッド、メモリ−素子を構成する軟磁性膜、
(半)硬質磁性膜、ヨ−ク等には以下のものを用いるこ
とが望ましい。
抗変化を生じやすく低磁界で磁化反転しやすい、 NiXCoYFeZ --- (1) を主成分とし、原子組成比が X=0.6〜0.9、Y=0〜0.4、Z=0〜0.3 --- (1') のNi-richの磁性膜が望ましく、その代表的なものは Ni
0.8Co0.15Fe0.05, Ni0.6 8Co0.2Fe0.12等である。これら
よりやや動作磁界は大きくなるものの、より大きな磁気
抵抗変化が得られるものとして NiX'CoY'FeZ' --- (2) を主成分し、原子組成比が X'=0〜0.4、Y'=0.2〜0.95、Z=0〜0.5 --- (2') のCo-richの磁性膜があり、その代表的なものはCo0.9Fe
0.1, Co0.7Ni0.1Fe0.2等である。これらのものは磁歪が
小さく実用上素子に使用する場合有効である。
R変化率が得られれ、作製条件により比較的保磁力の小
さいものや大きいものが出来き、軟磁性膜としても後述
する半硬質磁性膜としても使用できる。
界で磁化反転しないように保磁力がある程度大きく角型
の磁化曲線を有するものが望ましい。又素子が大きな磁
気抵抗効果を示すには主要構成元素の一つとしてCoを含
有することが望ましい。その代表的なものはCo,Co0.5Fe
0.5, Co0.75Pt0.25等である。
けることにより磁性膜3’の磁化反転を抑制する効果が
あれば何でも良いが、例えばFe-Mn,NiO,CoO等の反強磁
性体や、TbCo,SmCoが上げられる。
率を向上させるのに有効であるが、磁性膜1と非磁性膜
2の界面に設ける場合は磁性膜1の軟磁性を損なわない
ように膜厚を1nm以下にすることが望ましい。
性膜である必要があり、この条件を満足するものとして
はCo0.82Nb0.12Zr0.06等のCo系の非晶質合金膜やNi0.8F
e0.2がある。
い金属が望ましく、例えばAu,Cu等が上げられる。
説明を行う。 (実施例1)スパッタ法により磁性膜1としてCo0.7Ni
0.1Fe0.2を12nm蒸着した後、Al2O3とCuの複合タ−ゲッ
トを用いてこの上に非磁性膜を2nm蒸着し、更にスパッ
タ法で磁性膜3としてCo0.5Fe0.5を3nm蒸着して磁気抵
抗効果素子を作製した。膜面垂直方向のMR特性を印加
磁界50Oeで測定したところ18%のMR変化率が得られ
た。
非磁性膜]なる構成のものを6周期積層して同様にMR
特性を測定したところ24%のMR変化率が得られた。
してNi0.68Co0.2Fe0.12を12nm蒸着した後、Al2O3とCuの
複合タ−ゲットを用いてこの上に非磁性膜を2nm蒸着
し、更にスパッタ法で磁性膜3としてCo0.5Fe0.5を3nm
蒸着して磁気抵抗効果素子を作製した。膜面垂直方向の
MR特性を印加磁界20Oeで測定したところ12%のMR変
化率が得られた。更にSiO2をスパッタして絶縁膜をつけ
た後、Co0.82Nb0.12Zr0.06膜をスパッタ法で成膜しパタ
−ニングしてヨ−ク部を形成した。それぞれの磁性膜部
に電極とリ−ド部を設けて磁気抵抗効果型ヘッドとし
た。このヘッドにヘルムホルツコイルで 500Oeの磁界を
印加してCo0.5Fe0.5を一方向に磁化した後、10 Oeの磁
界を反対方向に発生して出力を測定したところ、同一形
状で従来MR材であるNi-Fe膜を用いたヘッドに比べて
6倍の出力があることがわかった。
してNi0.8Fe0.2を10nm蒸着した後、Al2O3とCuの複合タ
−ゲットを用いてこの上に非磁性膜を5nm蒸着し、更に
スパッタ法で磁性膜3としてCoを5nm蒸着して磁気抵抗
効果素子を作製した。膜面垂直方向のMR特性を印加磁
界20Oeで測定したところ10%のMR変化率が得られた。
非磁性膜]なる構成のものを6周期積層して同様にMR
特性を測定したところ16%のMR変化率が得られた。こ
れをパタ−ニングしてストライプ状にして電極を付けセ
ンス線を形成した後、SiO2をスパッタして絶縁膜をつ
け、更にAuを蒸着してパタ−ニングしてワ−ド線を作製
しメモリ−素子を作製した。ワ−ド線に電流を流して磁
性膜3を一方向に磁化した後、磁性膜1のみを磁化反転
すべく磁性膜3の磁化方向と反対方向の磁界を発生する
弱電流をワ−ド線に流してセンス線の抵抗変化を測定し
たところ出力変化があり、磁性膜3の磁化方向に磁界を
発生する弱電流をワ−ド線に流したところセンス線には
出力変化が生じず、メモリ−素子として動作することが
わかった。又何度弱電流をワ−ド線に流して情報の読み
出しをしても同様の出力変化があり、非破壊読み出しが
可能なことがわかった。
化が得られる磁気抵抗効果素子,磁気抵抗効果型ヘッド,
メモリ−素子を可能とするものである。
Claims (25)
- 【請求項1】磁界を印可することにより抵抗変化を示す
[磁性膜/非磁性膜/磁性膜]なる構造を有し、膜面に
垂直な方向に電流を流す磁気抵抗効果素子において、非
磁性膜が絶縁体と導電体との混合物より成り、前記非磁
性膜の膜厚が2nmまたは5nm近傍であることを特徴
とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項2】磁界を印可することにより抵抗変化を示す
[磁性膜/非磁性膜]を複数回積層した構造を有し、膜
面に垂直な方向に電流を流す磁気抵抗効果素子におい
て、非磁性膜が絶縁体と導電体との混合物より成り、前
記非磁性膜の膜厚が2nmまたは5nm近傍であること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項3】特に非磁性膜を介して隣り合う磁性膜の一
方に軟磁性膜、もう一方にそれより保持力が大きい磁性
膜を用いることを特徴とする請求項1または2記載の磁
気抵抗効果素子。 - 【請求項4】非磁性膜を介して隣り合う一方の磁性膜の
磁化反転を抑制すべく、一方の磁性膜にのみ接して設け
られた磁化反転抑制膜を有し、磁界を印可することによ
り抵抗変化を示す[磁化反転抑制膜/磁性膜/非磁性膜
/磁性膜]なる構造の、膜面に垂直な方向に電流を流す
磁気抵抗効果素子において、非磁性膜が絶縁体と導電体
との混合物より成り、前記非磁性膜の膜厚が2nmまた
は5nm近傍であることを特徴とする磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項5】非磁性膜を介して隣り合う一方の磁性膜の
磁化反転を抑制すべく、一方の磁性膜にのみ接して設け
られた磁化反転抑制膜を有し、磁界を印可することによ
り抵抗変化を示す[磁化反転抑制膜/磁性膜/非磁性膜
/磁性膜/非磁性膜]なる構造を複数回積層した構造
の、膜面に垂直な方向に電流を流す磁気抵抗効果素子に
おいて、非磁性膜が絶縁体と導電体との混合物より成
り、前記非磁性膜の膜厚が2nmまたは5nm近傍であ
ることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項6】特に磁化反転抑制膜と接する磁性膜にCo
−richの磁性膜を用い、磁化反転抑制膜と接しない
磁性膜にNi−richの軟磁性膜を用いることを特徴
とする請求項4または5記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項7】特に磁化反転抑制膜が反強磁性体より成る
ことを特徴とする請求項4、5または6記載の磁気抵抗
効果素子。 - 【請求項8】特に磁性膜と非磁性膜の界面に主構成元素
の一つとしてCoを含有する厚さ1nm以下の界面磁性
膜を設けたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記
載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項9】特に非磁性膜が柱状の導電体とこれを取り
巻く絶縁体より成ることを特徴とする請求項1〜8のい
ずれかに記載に磁気抵抗効果素子。 - 【請求項10】特に磁性膜に、NiXCoYFeZを主成
分とし原子組成比でXは0.6〜0.9、Yは0〜0.
4、Zは0〜0.3である軟磁性膜を用いることを特徴
とする請求項1、2、4、5、7、8、9の何れかに記
載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項11】特に磁性膜に、NiX'CoY'FeZ'を主
成分とし原子組成比でX’は0〜0.4、Y’は0.2
〜0.95、Z’は0〜0.5である磁性膜を用いるこ
とを特徴とする請求項1、2、4、5、7、8、9の何
れかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項12】特に磁性膜にCoを主成分とする非晶質
合金膜を用いることを特徴とする請求項1、2、4、
5、7、8、9の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項13】特に磁性膜に、NiXCoYFeZを主成
分とし原子組成比でXは0.6〜0.9、Yは0〜0.
4、Zは0〜0.3である磁性膜を用い、これより保持
力の大きな膜としてCoを主構成元素の一つとして含有
する磁性膜を用いることを特徴とする請求項3、6、
7、8、9の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項14】特に磁性膜に、NiX'CoY'FeZ'を主
成分とし原子組成比でX’は0〜0.4、Y’は0.2
〜0.95、Z’は0〜0.5である磁性膜を用い、こ
れより保持力の大きな膜としてCoを主構成元素の一つ
として含有する磁性膜を用いることを特徴とする請求項
3、6、7、8、9の何れかに記載の磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項15】特に磁性膜にCoを主成分とする非晶質
合金膜を用い、これより保持力の大きな膜としてCoを
主構成元素の一つとして含有する磁性膜を用いることを
特徴とする請求項3、6、7、8、9の何れかに記載の
磁気抵抗効果素子。 - 【請求項16】特に非磁性膜の導電体がCu、Ag、A
uの群から選ばれる1種もしくは1種以上の元素より構
成されることを特徴とする請求項1〜15の何れかに記
載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項17】特に非磁性膜の絶縁体がAlの酸化物よ
り構成されることを特徴とする請求項1〜16の何れか
に記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項18】磁界を印可することにより抵抗変化を示
す[磁性膜/非磁性膜/磁性膜]なる構造の磁気抵抗効
果素子において、非磁性膜が絶縁体と導電体との混合物
より成り、前記非磁性膜が柱状の導電体とこれを取り巻
く絶縁体より成ることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項19】磁界を印可することにより抵抗変化を示
す[磁性膜/非磁性膜]を複数回積層した構造の磁気抵
抗効果素子において、非磁性膜が絶縁体と導電体との混
合物より成り、前記非磁性膜が柱状の導電体とこれを取
り巻く絶縁体より成ることを特徴とする磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項20】非磁性膜を介して隣り合う一方の磁性膜
の磁化反転を抑制すべく、一方の磁性膜にのみ接して設
けられた磁化反転抑制膜を有し、磁界を印可することに
より抵抗変化を示す[磁化反転抑制膜/磁性膜/非磁性
膜/磁性膜]なる構造の磁気抵抗効果素子において、非
磁性膜が絶縁体と導電体との混合物より成り、前記非磁
性膜が柱状の導電体とこれを取り巻く絶縁体より成るこ
とを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項21】非磁性膜を介して隣り合う一方の磁性膜
の磁化反転を抑制すべく、一方の磁性膜にのみ接して設
けられた磁化反転抑制膜を有し、磁界を印可することに
より抵抗変化を示す[磁化反転抑制膜/磁性膜/非磁性
膜/磁性膜/非磁性膜]なる構造を複数回積層した構造
の磁気抵抗効果素子において、非磁性膜が絶縁体と導電
体との混合物より成り、前記非磁性膜が柱状の導電体と
これを取り巻く絶縁体より成ることを特徴とする磁気抵
抗効果素子。 - 【請求項22】請求項1〜21の何れかに記載の磁気抵
抗効果素子に、磁気媒体からの信号磁界を磁気抵抗効果
素子部に導くためのヨークを備えた磁気抵抗効果型ヘッ
ド。 - 【請求項23】特に情報を記録用の磁界を発生するため
の導体線(ワード線)が絶縁膜を介して請求項1〜21
の何れかに記載の磁気抵抗効果素子の近傍に設けられ、
前記磁気抵抗効果素子を導体線で接続した情報読み出し
用のセンス線としていることを特徴とするメモリー素
子。 - 【請求項24】互いに絶縁された直交する2本の導体線
(ワード線)が絶縁膜を介してマトリックス状に配置さ
れた複数の磁気抵抗効果素子部近傍に設けられているこ
とを特徴とする請求項23記載のメモリー素子。 - 【請求項25】磁界を検知すべく磁気抵抗素子部に流す
電流の方向がほぼ磁気抵抗効果素子の膜面に垂直方向で
あることを特徴とする請求項24記載のメモリー素子。
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Non-Patent Citations (1)
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Jouranal of Magnetism and Magnetic Materials,Vol.126,No.1−03(1993),pp.524−526 |
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