JP3560713B2 - 磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料および磁性層の磁化の調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ヘッド、位置センサ、回転センサ等に用いられる磁気抵抗効果素子用の多層薄膜材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の用途に用いられている磁気抵抗（ＭＲ）効果材料として、Ｎｉ−Ｆｅ合金薄膜（パーマロイ薄膜）が知られているが、パーマロイ薄膜の抵抗変 化率は２〜３％が一般的である。従って、今後、磁気記録における線記録密度およびトラック密度の向上あるいは磁気センサにおける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ている。
【０００３】
ところで近年、巨大磁気抵抗効果と呼ばれる現象がＦｅ／Ｃｒ交互積層膜、あるいはＣｏ／Ｃｕ交互積層膜などの多層薄膜で発見されている。これらの多層薄膜においては、ＦｅやＣｏなどからなる各強磁性層の磁化がＣｒやＣｕなどからなる非磁性層を介して磁気的な相互作用を起こし、積層された上下の強磁性層の磁化が反平行状態を保つように結合している。即ち、これらの構造においては、非磁性層を介して交互に積層された強磁性層が一層毎に磁化の向きを反対方向に向けて積層されている。そして、これらの構造においては、適当な外部磁界が印加されると、各強磁性層の磁化の向きが同じ方向に揃うように変化する。
【０００４】
前記の構造において、各強磁性層の磁化が反平行状態の場合と平行状態の場合では、Ｆｅ強磁性層とＣｒ非磁性層の界面、あるいは、Ｃｏ強磁性層とＣｕ非磁性層の界面における伝導電子の散乱のされ方が、伝導電子のスピンに依存して異なるといわれている。従ってこの機構に基づくと、各強磁性層の磁化の向きが反平行状態の時は電気抵抗が高く、平行状態の時は電気抵抗が低くなり、抵抗変化率として従来のパーマロイ薄膜を上回る、いわゆる、巨大磁気抵抗効果を発生する。このようにこれらの多層薄膜は、従来のＮｉ−Ｆｅの単層薄膜とは根本的に 異なるＭＲ発生機構を有している。
【０００５】
しかしながら、これらの多層膜においては、各強磁性層の磁化の向きを反平行とするように作用する強磁性層間の磁気的相互作用が強すぎるために、各強磁性層の磁化の向きを平行に揃えるためには、非常に大きな外部磁界を作用させなくてはならない問題がある。従って、強い磁界をかけないと大きな抵抗変化が起こらないことになり、磁気ヘッドなどのように磁気記録媒体からの微小な磁界を検出する装置に適用した場合に満足な高い感度が得られないという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するためには、強磁性層間に働く磁気的な相互作用を過度に強くしないように、ＣｒやＣｕなどからなる非磁性層の厚さを調整し、各強磁性層の磁化の向きの相対的な方向を磁気的相互作用とは別の方法により制御することが有効と思われる。
従来、このような磁化の相対的な方向制御技術として、ＦｅＭｎなどの反強磁性層を設けることにより、一方の強磁性層の磁化の向きを固定し、この強磁性層の磁化の向きが外部磁界に対して動き難いように構成し、他方の強磁性層の磁化の向きを自由に動けるように構成することにより、微小な磁界による動作を可能にした技術が提案されている。
【０００７】
図２３は、特開平６ー６０３３６号公報に開示されているこの種の技術を応用した構造の磁気抵抗センサの一例を示すものである。図２３に示す磁気抵抗センサＡは、非磁性の基板１に、第１の磁性層２と非磁性スペーサ３と第２の磁性層４と反強磁性層５を積層して構成されるものであり、第２の磁性層４の磁化の向きＢが反強磁性層５による磁気的交換結合により固定されるとともに、第１の磁性層２の磁化の向きＣが印加磁界がない時に第２の磁性層４の磁化の向きＢに対して直角に向けられている。ただし、この第１の磁性層２の磁化の向きＣは固定されないので外部磁界により回転できるようになっている。
【０００８】
図２３に示す構造に対して印加磁界ｈを付加すると、印加磁界ｈの方向に応じて第１の磁性層２の磁化の向きＣが点線矢印の如く回転するので、第１の磁性層２と第２の磁性層４との間で磁化に回転差が生じることになるために、抵抗変化が起こり、これにより磁場検出ができるようになる。
【０００９】
次に、一方の磁性層の磁化の向きを固定し、他方の磁性層の磁化の向きを自由とした構成の磁気抵抗センサＢの他の例として、図２４に示すように、基板６上に、ＮｉＯの反強磁性層７と、Ｎｉ−Ｆｅの磁性層８と、Ｃｕの非磁性層９と、 Ｎｉ−Ｆｅの磁性層１０と、Ｃｕの非磁性層１１と、Ｎｉ−Ｆｅの磁性層１２と、ＦｅＭｎの反強磁性層１３を順次積層した構造が知られている。
この例の構造においては、反強磁性層７、１３によりそれらに隣接する強磁性層８、１２の磁化がそれぞれ固定され、強磁性層８、１２の間に非磁性層９、１１を介して挟まれた強磁性層１０の磁化が外部磁界に応じて回転可能に構成されている。
【００１０】
図２３あるいは図２４に示す構造の磁気抵抗センサであると、微小な印加磁界の変化に対して第１の磁性膜２あるいは磁性層１０の抵抗が直線的に良好なリニアリティーでもって変化するので、測定磁界の範囲を広くできる利点がある。
また、第１の磁性層２としてＮｉ−Ｆｅなどの軟磁性材料を用いると、その軟磁性 材料の透磁率の高い磁化困難軸を励磁方向として用いることができる利点があり、更に、ヒステリシスが少ないなどの利点を有する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２３、あるいは図２４に示す構造の磁気抵抗センサは、ＦｅＭｎの反強磁性層５で隣接する第２の磁性層４の磁化を固定するか、上下のＦｅＭｎとＮｉＯの反強磁性層７、１３でそれらの間の強磁性層８、１２の磁化を固定し、それらの間の磁性層１０の磁化を自由にする構造であるので、巨大磁気抵抗効果に寄与するＮｉ−Ｆｅ（磁性層）／Ｃｕ（非磁性層）の界面の数を多くで きない制約があり、ＭＲ比の大きさに制約を生じる問題があった。従って、図２３あるいは図２４に示す構造において、１０〜２０％程度のＭＲ比は、構造上到底実現できない問題がある。また、反強磁性層５、７の構成材料として用いられるＦｅＭｎは、耐食性および耐環境性の面から見て不利な問題がある。
【００１２】
更に、図２３あるいは図２４に示す磁気抵抗センサにおいて、印加磁界が無い状態の磁化、即ち、自発磁化の向き（磁気異方性の磁化容易軸の向き）が、層毎に９０度ずつ回転された構造の積層膜を製造するには、真空チャンバ内で成膜する際に、層毎に印加磁界を回転させる必要があり、製造工程上、印加磁界を回転できる複雑な成膜装置が必要になり、設備コストが嵩む問題がある。
【００１３】
一方、磁化の向きを相対的に制御する他の方法として、保磁力が大きく、外部磁界によって容易に磁化反転しないＣｏのような強磁性層と、保磁力が小さく軟磁性を有するＮｉ−Ｆｅなどの強磁性層をＣｕなどの非磁性層を介して交互に多 数積層した構造が提案されている。
【００１４】
図２５は、この種の技術を応用したＭＲ素子の一例（日本応用学会誌：Ｖｏｌ． １５， Ｎｏ２，１９９１：第４３１頁〜４３６頁参照）を示すもので、この例のＭＲ素子Ｄ は、基板１５上に、Ｃｕの非磁性層１６と、Ｎｉ−Ｆｅの低保磁力磁性層１７と、Ｃｕの非磁性層１８と、Ｃｏの高保磁力磁性層１９と、Ｃｕの非磁性層２０と、Ｎｉ−Ｆｅの低保磁力磁性層２１と、Ｃｕの非磁性層２２と、Ｃｏの高保磁力磁 性層２３を積層し、これらの層を順次繰り返し多数積層してなる構造にされている。即ち、図２２に示す構造は、高保磁力磁性層と低保磁力磁性層を交互に非磁性層を介して多層化した構造にされている。
【００１５】
図２５に示す構造であると、磁性層１９、２３の保磁力が高いので外部磁界に対して磁化が動き難く、磁性層１７、２１の保磁力が弱く、磁化の向きが容易に反転するので、このことを利用して人工的に反強磁性状態（磁化が反平行の状態＝比抵抗が大きい状態）と強磁性状態（磁化が平行の状態＝比抵抗が小さい状態）を小さな磁界で切り換えることができるようになっている。
【００１６】
従って図２５に示す構造によれば、磁性層の積層数を大きくすることができ、ＦｅＭｎのような耐環境性に問題を有する材料を用いなくとも良い利点を有するが、以下に説明する問題を有していた。
低保磁力磁性層のＮｉ−Ｆｅと高保磁力磁性層のＣｏは、全く異種の物質であ り、伝導電子の受けるポテンシャルが異なり、巨大磁気抵抗効果に寄与するスピン依存散乱以外の散乱が層界面で大きくなるので、ＭＲ比をあまり大きくできない問題がある。
【００１７】
次に、高透磁率磁性層を構成するＣｏは結晶磁気異方性が大きいので、磁界中で成膜する際に誘導磁気異方性の制御が難しくなり、均一な一軸異方性を付与することが難しくなり、図２３あるいは図２４に示す構造のような自発磁化を直交させた構造の多層膜の設計が完全にはできない問題がある。即ち、高保磁力磁性層と低保磁力磁性層の保磁力差を利用した磁化制御では、９０度で直交する磁化を層毎に生成させることは困難であり、よって図２５に示す構造を利用したＭＲ素子では１０％程度のＭＲ比が限界になる問題がある。
【００１８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、図２３あるいは図２４に示す従来構造ではできなかった磁性層の多層膜構造を実現できるとともに、図２５に示す従来構造では実現できなかった組成の近い層の積層構造にすることにより、従来構造では得られなかった１０〜２０％ものＭＲ比を得ることができると同時に、耐食性、耐環境性の面で問題があった反強磁性材料を用いる必要が無く、しかも、回転磁場成膜の必要がなく、高価な製造設備も不用とすることができる磁性層の磁化の調整方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は前記課題を解決するために、飽和磁歪定数の符号が正の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の符号が負の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層が、非磁性層を介して交互に１組以上積層され、この積層体に一軸性の応力が印加されてなるものである。
この構造において、非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層が、一軸磁気異方性を有し、それぞれの磁化容易軸が膜面内に沿って略直交されており、一方の強磁性層の有する一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５００Ｊ／ｍ^３以上、 他方の強磁性層の有する一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５０〜５００Ｊ／ｍ^３の範囲であるものが好ましい。
【００２０】
次に、本発明は、飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６未満の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６以上の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層が、非磁性層を介して交互に１組以上積層され、この積層体に、一軸性の応力が印加されてなる構造とすることもできる。
この構造において、非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層が、一軸磁気異方性を有し、それぞれの磁化容易軸が膜面内に沿って略直交されており、強磁性層の一軸磁気異方性が磁界中成膜ないしは磁界中熱処理により制御されたものであり、一方の一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５０〜５００Ｊ／ｍ^３の範 囲であり、他方の強磁性層の一軸磁気異方性が磁歪と応力による磁気弾性効果により制御されたものであり、その一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５００Ｊ／ｍ^３以上としても良い。
【００２１】
更に前記の各構造において、強磁性層が、Ｎｉ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘまたはＮｉ_{１００−ｘ−ｙ} Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙ合金からなり、一方の強磁性層の組成が、原子％で、０≦ｘ≦２０、 ０≦ｙ≦６０なる関係を満足し、他方の強磁性層の組成が、原子％で、７≦ｘ≦６０、０≦ｙ≦６０であることを特徴としても良い。
【００２２】
次に本発明は、一方の側に対接された反強磁性層によって単磁区化されて磁化がピン止めされた基準強磁性層と、この基準強磁性層の他方の側に対接された非磁性層を介して成膜されたフリー強磁性層を具備して構成された薄膜積層体であって
、前記フリー強磁性層の自発磁化の方向が、フリー強磁性層の磁歪と積層体全体に印加された一軸性の応力によって生じる磁気弾性効果により、基準強磁性層の磁化の方向とほぼ９０度の角度をなすように制御されてなる構造でも良い。
また、フリー強磁性層の磁歪と、積層体全体に印加された一軸性の応力とによってフリー強磁性層に誘起された一軸異方性エネルギーが、フリー強磁性層の磁界中成膜により誘起されている一軸異方性エネルギーより大きく、かつ、反強磁性層により基準強磁性層に誘起されている異方性エネルギーより小さくされてなることを特徴とするものでも良い。
【００２３】
更に前記の積層体に印加される一軸性の応力が、積層体が形成された基板、または、積層体の上に成膜された保護膜、あるいは層間絶縁層により印加されたもの、あるいは、基板を加工する際の加工応力とすることもできる。また、前記のいずれかの非磁性層が、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる１種の金属から、あるいは、これらから選択される２種以上の元素の合金からなるものでも良い。次に、前記基板の少なくとも一部を圧電材料から構成し、前記一軸性の応力を圧電材料により印加した構成とすることもでき、前記基板の少なくとも一部を結晶方位で熱膨張係数が異なり、しかも熱膨張係数の異なる２つの結晶方位が直交してなる材料から構成し、前記一軸性の応力を基板の熱膨張係数の方位異方性によって印加した構成にすることもできる。
【００２４】
一方、本発明方法は、飽和磁歪定数の符号が正の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の符号が負の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層を非磁性層を介し、交互に積層して積層体を形成し、この積層体に、一軸性の応力を印加することで両方の強磁性層の自発磁化の向きを直交させるものである。
【００２５】
また、本発明方法において、飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６未満の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の絶対値が２×
１０^−６以上の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる他方の強磁性層を非磁性層を介して交互に積層し、この積層体に、一軸性の応力を印加して両方の強磁性層の自発磁化の向きを直交させることもできる。
【００２６】
更に本発明において、反強磁性層と基準強磁性層と非磁性層とフリー強磁性層を積層して積層体を形成し、反強磁性層によって基準強磁性層を単磁区化するとともに、この積層体に一軸性の応力を付加して生じる磁気弾性効果によりフリー強磁性層の磁化の向きを基準強磁性層の磁化の向きに対して直交させることもできる。
次に、前記積層体を基板上に形成し、この基板の少なくとも一部を圧電材料から形成するとともに、圧電材料に通電して基板を変形させて前記積層体に一軸性の応力を印加した状態で積層体を形成し、積層体の形成後に圧電材料に対する通電を停止して基板の変形を解除することにより積層体に一軸性の応力を印加することもでき、前記積層体を基板上に形成し、この基板の少なくとも一部を結晶方位で熱膨張係数が異なり、しかもその方位が直交してなる材料から構成するとともに、前記基板を加熱または冷却して基板の熱膨張係数の方位異方性から一軸性の応力を印加した状態で積層体を形成し、この後に基板を常温に戻すことにより基板の熱膨張変形を解除することで積層体に一軸性の応力を印加することもできる。
【００２７】
以下に本発明について更に詳細に説明する。
請求項１記載の発明において、飽和磁歪定数の符号が正の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の符号が負の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層を非磁性層を介し交互に１組あるいはそれ以上積層して積層体を形成し、この積層体に、一軸性の応力を印加することにより、非磁性層を挟んだ設けられた両方の強磁性層の自発磁化の向きを相互に略直角方向に向けることができる。
【００２８】
これにより、非磁性層を挟んで設けられた多数の強磁性層と強磁性層がそれぞれ対になって相互の自発磁化の向きがほぼ９０度異なるようになり、複数層積層された構造の積層体が得られる。このように自発磁化の向きがほぼ９０度異なる磁性層が非磁性層を介して上下に積層された構造であると、一方の強磁性層の自発磁化と同じ向きに外部磁界が印加された場合、非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層の磁化の向きが平行に揃うようになり、平行に揃うようになった場合、積層体の比抵抗が小さくなる。
【００２９】
これに対して、１８０度反対向きに外部磁界が印加され、一方の強磁性層の磁化が動かずに他方の磁性層の磁化が磁界の方向に追従して回転した場合、非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層の磁化の向きが反平行となり、積層体の比抵抗が大きくなる。
また、磁界が印加されていない状態であって、非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層の自発磁化の向きが９０度異なる場合は、前記２者の中間の比抵抗となる。
【００３０】
従って前記構造であると、特別にバイアス磁界を印加する必要が無く、良好なリニアリティーが広い範囲でとれるとともに、磁界の有無により抵抗値が大きく変わるので大きなＭＲ比が得られる。なお、両方の強磁性層の自発磁化の向きは９０度異なるときが最も好ましいが、多少ずれていても支障はなく、８０〜１１０度の範囲であれば良い。
次に、前記積層体に一軸性の応力が印加された具体的構成として、一軸性の応力が積層体を設ける基板から印加されたもの、積層体の上に成膜される保護膜あるいは層間絶縁層から印加されたもの、あるいは加工応力から印加されたもののいずれでもよく、基板が圧電材料からなる場合は圧電材料から印加されたもの、基板が結晶方位により熱膨張係数の異なるものである場合は基板の熱膨張係数の異方性から印加されたものでも良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は請求項１に記載の発明の一具体的構造例を示すものであり、この例の構造においては、非磁性体からなる基板３０上に、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性体からなる非磁性層３１と、強磁性体からなる強磁性層３２と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性体からなる非磁性層３３と、強磁性体からなる強磁性層３４とからなる一連の積層構造が、１組以上繰り返し複数回積層されて（図１に示す構造では２回繰り返し積層）基板３０上に積層体３５が構成されている。
【００３２】
前記構造において、基板３０は、ガラス、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉＣとの燒結体、あるいはＺｎフェライト等の非磁性体から構成されている。また、強磁性層３２、３４は、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｚｒ等のアモルファス合金などの強磁性体から構成されている。
更に、前記の構造において、一方の強磁性層３４は磁歪定数の符号が正の強磁性体からなり、他方の強磁性層３２は磁歪定数の符号が負の強磁性体からなっている。更にまた、この積層体３５の全体には、各層の膜面方向に沿う一軸引張応力が付加されている。
【００３３】
図１に示す構造においては、一方の強磁性層３４・・・の自発磁化の向きがいず れも図１の矢印ａ方向になり、他方の強磁性層３２・・・の自発磁化の向きが図１ の紙面に垂直な方向を向くので、一方の強磁性層３４と他方の強磁性層３２の自発磁化の向きがは９０度交差するようになる。
【００３４】
次に、このように自発磁化の向きが９０度で交差するようになる理由を以下に説明する。
磁歪定数の符号が正の強磁性層３４と負の強磁性層３２を非磁性層３１を介して交互に積層し、この積層体３５の膜面の一方向に一軸性の応力（大きさ；σ）が付加されていると仮定し、一方の強磁性層３４の飽和磁歪定数をλ_Ａ、他方の 強磁性層３２の飽和磁歪定数をλ_Ｂと仮定すると、一方の強磁性層３４には磁気 異方性エネルギーとして、（３／２）λ_Ａ・σなる大きさの磁気弾性エネルギーを有する一軸磁気異方性が誘導され、他方の強磁性層３２には、磁気異方性エネルギーとして、（３／２）λ_Ｂ・σなるなる大きさの磁気弾性エネルギーを有する一軸磁気異方性が誘導されていることになる。
ここで、例えば、一軸性の引張応力が付加されたとすると、一方の強磁性層３４の磁化容易軸は膜面内で応力の方向と平行、他方の強磁性層３２の磁化容易軸は膜面内で応力の方向と直角となる。従って、自発磁化の向きは一方の強磁性層３４と他方の強磁性層３２ごとに交互に９０度ずつ異なる配置となる。
【００３５】
この構造において、磁気記録媒体等からの検出するべき微小磁界の方向と平行な方向が磁化容易軸となる一方の強磁性層３４については、その層の磁化を外部磁界に対して動き難くする必要があるため、該当する一方の強磁性層３４の磁歪は、他方に比して大きくしておく必要がある。
一方、検出するべき微小磁界の方向に対して直角に磁化容易軸が配置する他方の強磁性層３２に関しては、微小磁界に対応してこれらの強磁性層３２の磁化が感度良く回転する必要がある。即ち、他方の強磁性層３２の磁気異方性エネルギーは、あまり大きいと磁気抵抗効果の感度が低くなるので、前記した一方の強磁性層３４の磁歪定数よりも小さくしておく必要がある。
【００３６】
次に、図２は積層体３５に一軸性の圧縮応力を付加した場合の自発磁化の方向を示したものである。
この例においては、一方の強磁性層３４の自発磁化が図２の紙面に対して垂直な方向の向きになり、他方の強磁性層３２の自発磁化が一軸性の圧縮応力に平行な方向に向くようになり、結果的に一方の強磁性層３４と他方の強磁性層３２の自発磁化の向きが交互に直角に向くことになる。
この例の構造においては、一方の強磁性層３４と他方の強磁性層３２の自発磁化の向きが先の図１の例のものと逆であるが、この例においても自発磁化の向きは各強磁性層ごとに交互に９０度ずつ直交した配置となる。
【００３７】
次に、請求項２記載の発明において、自発磁化の向きが一方の強磁性層と他方の強磁性層毎に直交された構造では、検出磁界の方向に略平行な自発磁化を持つ強磁性層の磁化を動き難くする必要がある。即ち、一方の強磁性層と他方の強磁性層の両方の磁化が同じように回転してしまうと、抵抗変化に関係する両層の磁化の相対角の変化が小さくなるために、また、ピン止めするべき強磁性層が容易に磁壁移動して磁化反転するようであると、＋方向の抵抗変化をする領域と−方向の変化をする領域の打ち消し合いになるので、いずれにしても積層体全体としての抵抗変化が小さくなってしまうことがある。
従って、一方の強磁性層の自発磁化を動き難くするためには、磁気異方性エネルギーを大きくする必要があり、積層体として十分な抵抗変化を起こさせるためには、一軸磁気異方性エネルギーの絶対値を５００Ｊ／ｍ^３以上とすることが好 ましい。
【００３８】
また、一方、検出磁界と略直交する方向に自発磁化を有する強磁性層は、微小な検出磁界に対して感度良く磁化の角度が反応しなくてはならないため、その強磁性層の一軸磁気異方性エネルギーの絶対値は小さくなければならない。しかしながら、この値があまりに小さいと、磁界零での状態で検出するべき磁界と略直交する方向に自発磁化を安定して向けることができなくなるために、一軸磁気異方性エネルギーは、絶対値で最低５０Ｊ／ｍ^３は必要であり、また、磁化の向き をピン止めするべき強磁性層の一軸磁気異方性エネルギーよりも小さくする必要があるので、５００Ｊ／ｍ^３以下とする必要がある。
【００３９】
請求項３記載の発明において、各強磁性層の一軸磁気異方性エネルギーを一軸性の外部応力による磁気弾性効果により得る場合、請求項２に記載した磁気異方性エネルギーを得るためには、実際の磁気ヘッドやセンサ素子部にかかる応力として一般的な値を考えた場合、必要とされる飽和磁歪定数の絶対値として、一方の強磁性層は２×１０^−６未満であることが必要であり、他方の強磁性層は２×１０^−６以上であることが必要となる。
【００４０】
請求項４に記載の発明においては、請求項２記載の発明の場合と同様に一方の強磁性層の異方性磁気エネルギーの絶対値が５００Ｊ／ｍ^３以上であることが必 要であり、他方の強磁性層の異方性磁気エネルギーの絶対値が５０〜５００Ｊ／ｍ^３であることが必要である。
ここでは、磁化の動きやすい強磁性層の磁気異方性が、磁気弾性効果よりもむしろ磁界中成膜や磁界中熱処理によって付与される誘導磁気異方性によって決定される点が請求項２に記載した発明と異なっている。即ち、磁気弾性効果による異方性よりも磁界中成膜による誘導磁気異方性が勝っている場合は、両方の強磁性層の磁歪の符号は反対でなくとも良い場合もある。
【００４１】
請求項５に記載の発明においては、両強磁性層の飽和磁歪定数の符号を反対にするために、両強磁性層を形成する材料の組成範囲を限定している。請求項５において、一方の強磁性層がＮｉ、Ｎｉ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金、または、Ｎｉ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_ＸＣｏ_Ｙ合金からなり、０≦ｘ≦２０、０≦ｙ≦６０なる関係を満足し、他方の強磁 性層がＮｉ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ合金、または、Ｎｉ_{１００−Ｘ}Ｆｅ_ＸＣｏ_Ｙ合金からなり、７≦ｘ≦６０、０≦ｙ≦６０なる関係を満足するものとすることが好ましい。
【００４２】
これらの組成範囲とした理由は、これらの強磁性層を構成する合金の組成図から、組成に応じた磁歪定数の符号が明らかになっているためである。図３にこの種の合金の組成と磁歪定数の関係を示す。図３に示す○で示す組成が磁歪定数λ＝０の組成、△で示す組成が磁歪定数λ＜０の組成、□で示す組成が磁歪定数λ＞０の組成をそれぞれ示す。この図３の関係から前記組成範囲が妥当であることがわかる。
【００４３】
なお、Ｆｅの濃度を６０ａｔ％以下としてあるのは、これよりＦｅ濃度が高くなると、インバー合金の組成に近くなり、飽和磁化が著しく低くなることと、面心立方構造の結晶に混じって体心立方構造の結晶が生じ易くなり、Ｃｕ，Ａｇ，
Ａｕ等の非磁性金属との結晶の整合性が悪くなり、磁気抵抗に寄与しない伝導電子の界面散乱が大きくなって抵抗変化率が小さくなるためである。
なおまた、Ｃｏ濃度を６０ａｔ％以下としたのは、これよりＣｏ濃度が高くなると、結晶磁気異方性が大きくなるため、磁化を動かそうとする側の強磁性層の磁化が動き難くなることに起因している。
【００４４】
次に、図４は請求項６に記載の発明の一具体的構造例を示すもので、この例の構造においては、非磁性体からなる基板４０の上にバッファ層４１が形成され、このバッファ層４１上に、ＮｉＦｅ合金などの強磁性体からなるフリー強磁性層４２と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性体からなる非磁性層４３と、ＮｉＦｅ合金などの強磁性体からなる基準強磁性層４４と、ＦｅＭｎ合金などの反強磁性体からなる反強磁性層４５が積層されて積層体４６が構成されている。また、この積層体４６の全体には、各層の膜面方向に沿う一軸引張応力が付加されている。
【００４５】
なお、図４に示す例では基板４０の上にバッファ層４１が形成された例について記載したが、このバッファ層４１は基板と成膜物質の濡れ性を良くし、平坦性を向上させる目的と膜の結晶配向性を整える目的で形成されたものであるので、基板として濡れ性の良好なものを用いる場合や配向性が良好な成膜条件が選択される場合は特に用いる必要が無く、省略しても差し支えない。
従って先の例で図１と図２を元に説明した構造の基板３０の上に、バッファ層を設け、その上に積層体３５を積層しても良いのは勿論である。
【００４６】
図４に示す構造においては、基準強磁性層４４の自発磁化の向きが図４の矢印ｂ方向になり、フリー強磁性層４２の自発磁化の向きが図４の紙面に垂直な方向を向くので、基準強磁性層４４とフリー強磁性層４２の自発磁化の向きは９０度交差するようになる。
【００４７】
次に図５に示す構造は、図４に示す構造の変形例であり、図５に示す構造においては、図４に示す構造と同様に基板４０とバッファ層４１とフリー強磁性層４２と非磁性層４３と基準強磁性層４４と反強磁性層４５が積層されて積層体４６が構成される一方、この積層体４６に各層の膜面方向に沿う一軸圧縮応力が付加されている。
図５に示す構造においても、基準強磁性層４４の自発磁化の向きが図４の矢印ｂ方向になり、フリー強磁性層４２の自発磁化の向きが図４の紙面に垂直な方向を向くので、基準強磁性層４４とフリー強磁性層４２の自発磁化の向きが９０度交差するようになる。
【００４８】
このように自発磁化の向きが９０度で交差するようになるのは、基準強磁性層４４上に反強磁性層４５を設け、これらの間で磁気的交換結合によってもたらされるバイアス磁場によって基準強磁性層４４の磁化の向きをピン止めしたことに起因している。
このような反強磁性層４５による交換結合によって基準強磁性層４４の自発磁化が固定されるのは、特開平６ー６０３３６号公報あるいは特開平６ー１１１２５２号公報に記載された技術により明らかにされている。
【００４９】
ただし、これらの公報に開示された技術においては、基板上に積層体を形成する場合、磁場中で成膜処理し、成膜処理中に磁場を回転させて自発磁化の向きを調整する必要がある。即ち、各強磁性層中の自発磁化の方向を直交させるのに、成膜の最中に基板に印加する磁界の方向を９０度ずつ回転させる方法を用いる必要があり、成膜装置に複雑な回転磁界付与機構を備える必要があった。
【００５０】
これに対して図４あるいは図５の構造の積層体を製造する場合は、積層体の一連の成膜あるいは熱処理を途中で外部磁界の方向を変えないで行うことを前提としている。これらの磁界中処理では、全ての強磁性層の磁化の方向において、検出するべき磁界の方向と平行になるように磁界がかけられる。このようにして成膜された状態では、図６に示すようにフリー強磁性層５２と、非磁性層５３と、基準強磁性層５４と、反強磁性層５５が積層されて積層体５６が形成された状態になっているが、この構造では、膜面に沿う平行な方向に各磁性層の自発磁化が揃い、直交する磁化配置とはならないので、後述するように磁気弾性効果を利用してフリー強磁性層５２の磁化のみを検出するべき磁界の方向と直角な方向に向ける必要がある。
【００５１】
そのためには、磁界中処理で付与された異方性エネルギーＫ_Ｕよりも大きな磁 気弾性エネルギー（３／２）λ_２・σの導入が必要になる。ただし、前記式において、λ_２は磁歪を示し、σは積層体に付加された一軸性の応力を示す。
ここで、磁気弾性エネルギー（３／２）λ_２・σが異方性エネルギーＫ_Ｕより小 さいと、即ち、（３／２）λ_２・σ＜Ｋ_Ｕの関係であると、図７に示すように基準 強磁性層５４の磁化の向きとフリー強磁性層５２の磁化の向きが平行になるので好ましくない。なお、図７において、○印の中心部に・印を記入した印は、図７の紙面に直交して上向きの方向に磁化が向いている状態を示し、○印の中に×印を記入した印は、図７の紙面に対して下向きの方向に磁化が向いている状態を示す。
【００５２】
また、磁気弾性エネルギー（３／２）λ_２・σが異方性エネルギーＫ_Ｕよりも大 きく、かつ、基準強磁性層５４の異方性エネルギーＨ_ＵＡＭ_ｓ／２よりも小さい、 場合即ち、Ｋ_Ｕ＜（３／２）λ_２・σ＜Ｈ_ＵＡ・Ｍ_ｓ／２の関係であると、基準強磁性 層５４の磁化の向きとフリー強磁性層５２の磁化の向きが図８に示すように直交する配置となる。
更にまた、一軸性の応力による磁気弾性エネルギーが大きすぎて、基準強磁性層５４の異方性エネルギーＨ_ＵＡＭ_ｓ／２より大きいと、両方の強磁性層とも磁化 の向きが９０度回転してしまい、図９に示すように左右方向向きで平行な磁化の配置になってしまうので好ましくない。
【００５３】
ところで、前記の一軸性の応力は、積層体を設ける磁気ヘッド、位置センサ、回転センサなどの素子を実際に製造する際に付加される加工応力、あるいは、積層体の外部に被覆される被覆層などの膜応力を利用することができる。
【００５４】
次に、先に図１を元に説明した積層体３５の簡略化モデルが示す磁化履歴曲線について説明する。
積層体３５のような構造で一方の強磁性層３２と他方の強磁性層３４が一層ずつの場合のモデルにおいては、磁化の向きが固定された強磁性層３４が、図１０の磁化履歴曲線Ｋ_１を示し、磁化の向きを回転可能にした他方の強磁性層３２が、図１０の磁化履歴曲線Ｋ_２を示す。
【００５５】
即ち、図１０で示すように外部磁界Ｈが、他方の強磁性層３２の保磁力Ｈ_Ｃ１と一方の強磁性層３４の保磁力Ｈ_Ｃ２の間（Ｈ_Ｃ１＜Ｈ＜Ｈ_Ｃ２）の場合、あるいは、外部磁界−Ｈが、他方の強磁性層３２の保磁力−Ｈ_Ｃ１と一方の強磁性層３４の保磁力−Ｈ_Ｃ２の間（−Ｈ_Ｃ１＞−Ｈ＞Ｈ_Ｃ２）の場合に、非磁性層３３を介して隣り合った強磁性層３４と強磁性層３２の磁化の向きが互いに逆向きの成分が生じ、抵抗が増大するようになる。
【００５６】
そして、磁化の向きが固定された強磁性層３４の磁化の向きが図１０で右向きの場合であって、強磁性層３２の磁化の向きが図１０の紙面に対して垂直な向きの場合に、図１１に示すようなリニアリティーに優れた抵抗変化が得られる。
即ち、このようなリニアリティーに優れた抵抗変化を利用することにより、磁気ヘッド、位置センサ、回転センサ等に用いられる磁気抵抗効果素子用の多層薄膜材料として有用なものが得られる。
【００５７】
次に、図１と図２に示す積層体３５、あるいは図４と図６に示す積層体４６に一軸性の引張応力あるいは圧縮応力を印加するための具体的手段とその構成について説明する。
積層体３５に一軸性の応力を印加することができる具体的構成の一例として、例えば図１２に示すように、圧電材料製の基板３６上に積層体３５が形成され、この積層体３５に一軸性の圧縮応力あるいは引張応力が作用された構造を採用することができる。この例の基板３６は、ＰＺＴ（ジルコン酸鉛）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＰｂＴｉＯ_３などに代表される圧電材料から形成され、基板３６への通電により基板３６の横方向（基板面方向）の特定の一方向に縮小あるいは伸張できるように構成されている。なお、基板３６の上面には、基板上面の凹凸やうねりを除去する目的であるいはその上に積層される層の結晶整合性を良好にするなどの目的で被覆層やバッファ層を適宜設けても良いのは勿論である。
【００５８】
図１２に示す構造を得るには、圧電材料製の基板３６に通電して例えば図１２の矢印Ｄに示すように基板３６をその横方向に縮小した状態で基板３６の上に積層体３５を成膜し、この成膜後に基板３６への通電を停止すると、基板３６は元の縮小していない状態に戻るので積層体３５に一軸性の図１２の横方向に沿う引張応力Ｄ’を印加した磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を得ることができる。また、逆に、基板３６に通電して図１２の矢印Ｅに示すように基板３６をその横方向に伸張した状態で基板３６上に積層体３５を成膜し、この成膜後に基板３６への通電を停止すると、基板３６は伸張していない元の状態に戻るので積層体３５に一軸性の矢印Ｅ’で示す圧縮応力を印加した磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を得ることができる。
このように圧電材料により積層体３５に応力を印加して積層体３５を形成した構成を採用すると、圧電材料に対する通電電圧の大小により積層体３５に印加できる応力値を容易に調整できるので、所望の応力を印加した磁気抵抗素子用多層薄膜材料を確実かつ容易に得ることができる。
【００５９】
次に、図１３は基板の一部のみを圧電材料で構成した例について説明するためのものである。この例の基板３７は、先の第１の例で用いた基板３０の両側に圧電材料製の補助基板３８を一体化して構成されている。
これらの補助基板３８は先に説明した圧電材料製の基板３６と同等の圧電材料からなり、基板３８、３８への通電により基板３８、３８の横方向（基板面方向）の特定の一方向に縮小あるいは伸張できるように構成されている。
この構成の基板３７を用い、この基板３７上に積層体３５を成膜する場合、補助基板３８、３８の端部を把持部材等で把持して固定し、補助基板３８、３８に通電して補助基板３８、３８を図１３の矢印Ｆに示すように縮小させることで基板３０を横方向に伸張させて矢印Ｇで示す引張歪を付加できるので、この状態で基板３０上に積層体を成膜し、成膜後に通電停止することで基板３０は元の伸張していない状態に戻り、積層体に矢印Ｇ’で示す一軸性の圧縮応力を印加した磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を得ることができる。
また、逆に、補助基板３８、３８を図１３の矢印Ｍに示すように伸張させることで基板３０を横方向に縮小して矢印Ｎで示す圧縮歪を付加できるので、この状態で基板３０上に積層体を成膜し、成膜後に通電停止することで基板３０を縮小していない元の状態に戻すことができ、これにより積層体に矢印Ｎ’で示す一軸性の引張応力を印加した状態の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を得ることができる。以上のように基板の一部分のみを圧電材料で形成することで一軸性の引張応力あるいは圧縮応力の作用した積層体を具備する目的の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を得ることができる。
【００６０】
次に図１４は、基板に対して機械的に一軸性の応力を印加し、それにより積層体に一軸性の応力を印加する方法を説明するためのものである。
図１４（Ａ）に示す平板状の基板３０を図１４（Ｂ）に示すように機械的に上向きに湾曲させ、この状態で基板３０上に先の例の積層体３５を成膜し、成膜後に基板３０を元の平板状に戻すことで基板上の積層体３５に一軸性の圧縮応力を印加できる。この際に印加する圧縮応力の大小は基板３０を湾曲させる際の曲率半径を調整することで容易に調整できる。また、逆に、基板３０を図１４（Ｃ）に示すように下向きに湾曲させ、この状態で基板３０上に先の例の積層体３５を成膜し、成膜後に基板３０を元の平板状に戻すことで基板上の積層体３５に一軸性の引張応力を印加できる。
基板３０を機械的に上向きあるいは下向きに湾曲させるには、基板３０の両端を把持装置で把持して上向きあるいは下向きの力を加えて湾曲させる方法を採用しても良いし、目的の曲率半径の曲面を有する治具に基板を押しつけて湾曲させるなどの方法を採用しても良い。
【００６１】
また、基板３０を湾曲させる方法として以下に説明する圧電材料を用いる方法を採用しても良い。
即ち、基板を圧電材料から構成し、しかも、圧電材料の変位を伸張モードあるいは伸張モードではなく、曲げモードに変更して構成し、図１４（Ｂ）あるいは図１４（Ｃ）に示すように圧電材料の変位で基板を上下に湾曲するように構成するならば、圧電材料に対する通電電圧の大小により基板の湾曲状態の変化を利用して所望の圧縮応力あるいは引張応力を積層体３５に印加することができ、これを利用して基板上に所望の大きさの一軸性の応力を印加した積層体を形成することができる。
なおまた、基板を圧電材料で形成し、前記の如く曲げモードで湾曲させることで積層体に圧縮応力あるいは引張応力を印加できるので、基板を平板状の状態とした際に積層体を成膜し、成膜後に実際に使用する際に圧電材料製の基板に所定の曲げモードになるように通電して積層体に一軸性の圧縮応力あるいは引張応力を与えて目的を達成できる構成とすることもできる
【００６２】
図１５〜図１７は基板に対して一軸性の応力を印加するための他の方法とその構造例を示すものである。
この例の基板４７は、結晶方位によって熱膨張係数の異なる材料であって、しかも、その方向が直交している材料から構成されている。
このような材料として具体的には、単結晶サファイア、水晶、方解石、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒなどの単結晶板を用いることができる。ここで、単結晶サファイアは、＜２２０１＞方向（本明細書において結晶格子の方向指数のアンダーライン（例えばこの例では２の下に付されたアンダーライン）は、その数値の方向指数の逆方向を示すものとする。）の熱膨張係数αは７０．１×１０^−７であり、その直交方向＜１１２０＞の熱膨張係数αは７６．４×１０^−７である。従って基板４７を加熱すると基板４０は＜１１２０＞方向に伸びる状態となり、冷却された場合は縮小する状態となる。
【００６３】
また、水晶の［０００１］方向（結晶のＣ軸に平行な方向）の熱膨張係数αは図１５にも示すように７．５×１０^−６、［０１１０］方向（結晶のＣ軸に垂直な方向）の熱膨張係数は図１５にも示すように１３．７×１０^−６である。同様に、方解石結晶のＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は２６．３×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は５．４４×１０^−６である。更に、ＳｂのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は１５．６〜１６．８×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は７．０×１０^−６であり、ＢｅのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は１０．４×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１５．０×１０^−６であり、ＢｉのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は１６．２×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１１．６×１０^−６であり、ＣｏのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は１６．１×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１２．６×１０^−６であり、ＳｎのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は２５．９〜３２．２×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１４．１〜１６．８×１０^−６であり、ＺｎのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は５６〜６４．０×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１４．１〜１６×１０^−６であり、ＺｒのＣ軸に平行な方向の熱膨張係数は４×１０^−６、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数は１３×１０^−６である。従ってこれらのいずれの材料も基板４７用として使用できる。
【００６４】
次に、前記基板４７を用いた構造の磁気抵抗効果多層薄膜を製造する方法の一例について説明する。
前記材料において、例えば、水晶からなる基板４７を用意したならば、この基板４７を所定の温度に加熱した状態で図１７に示すように基板４７上に積層体３５を成膜する。ここで所定の温度とは、基板４７と積層体３５が損傷しない程度の高温であるので、具体的には１００〜３００℃の範囲が好ましい。
前記の温度に加熱した状態では基板４７は伸張した状態であるので、この加熱を停止して常温に戻すことで積層体３５には熱膨張係数の大きな特定の結晶方向に沿って一軸圧縮応力が作用し、これにより一軸性の圧縮応力が作用した図１７に示す多層膜３５を得ることができる。
【００６５】
次に、多層膜３５に一軸性の引張応力を作用させるには、基板４７を液体窒素等の冷媒で常温より低い低温に冷却して基板４７を縮小させた状態にしながら基板４７の上に積層体３５を成膜する。成膜後、基板４７の冷却を停止して基板４７を常温に戻すことで、基板４７は縮小していない元の状態に戻るので基板４７上の積層体３５に一軸性の引張応力を印加することができる。
以上のように結晶方位に応じて異なった熱膨張係数を有する基板４７を用いることによっても目的の磁気抵抗効果多層薄膜材料を得ることができる。
【００６６】
なお、前記の説明においては、各種の基板上に積層体３５を成膜してこの積層体３５に一軸性の応力を印加した構成と方法について説明したが、これまで説明した構成と方法を用いて基板上に図４と図５に示す積層体４６を成膜しても先の図４と図５を元に説明した構成と同等の磁気抵抗効果多層薄膜材料を得ることができるのは勿論である。
【００６７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
高周波マグネトロンスパッタ装置を用いて、シリコン単結晶基板上に厚さ５ｎｍのＴａからなる下地層（バッファ層）を形成し、更にその上に、表１に示す組成のＮｉ−Ｆｅ合金あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる厚さ３ｎｍの強磁性層 Ａと、表１に示す金属材料からなる厚さ２．５ｎｍの非磁性層と、表１に示す組 成のＮｉ−Ｆｅ合金あるいはＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる厚さ３ｎｍの強磁性層 Ｂと、表１に示す金属材料からなる厚さ２．５ｎｍの非磁性層からなる積層ユニ ットを複数層積層した。積層ユニットの繰り返し積層回数は、表１に示すように１０回とした。
【００６８】
各強磁性層の一軸磁気異方性エネルギーおよび飽和磁歪定数は、厚さ１５ｎｍの一方の強磁性層と他方の強磁性層をそれぞれ別個に基板上に形成し、それら単層膜の磁化曲線の応力による変化（異方性磁界の変化）から求めた。
また、各積層体のデータは、図１８（Ａ）、（Ｂ）に示すように積層体６０を一面に形成したシリコン単結晶基板６１に対して三角柱型の４つの治具６２を用いて４点曲げにより積層体６０に一軸性の引張応力（図１８（Ａ）参照）あるいは圧縮応力（図１８（Ｂ）参照）をＭＲ測定時の磁界印加方向（電流を流す方向と直角方向）に印加したときのものである。また、磁気抵抗変化率の測定は４端子法により行い、電流の方向と磁界の方向を直角（いずれの方向も膜面内）として行い、図１９にも示す如く以下に示される式で定義される値とした。
即ち、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）＝（ΔＲ／Ｒｓ）×１００ （％）とした。
【００６９】
以下の表１に一方の強磁性層の組成と飽和磁歪定数λ_Ａと一軸磁気異方性エネルギーの各値と、他方の強磁性層の組成と飽和磁歪定数λ _Ｂ と一軸磁気異方性エ ネルギーの各値と、非磁性層の構成材料の種類と、組になって積層される強磁性層、非磁性層、強磁性層および非磁性層の積層ユニットの繰り返し積層数と、一軸性の応力の種類と、抵抗変化率の各値を示す。
また、表１において比較のために、Ｓｉ基板の上にＴａバッファ層（厚さ５ｎｍ）とＮｉＦｅ合金の強磁性層（厚さ６ｎｍ）とＣｕの非磁性層（厚さ２．５ｎ ｍ）とＮｉＦｅ合金の強磁性層（厚さ３ｎｍ）とＦｅＭｎ合金の反強磁性層（厚さ７ｎｍ）が積層された従来構造の多層薄膜の抵抗変化率も示した。
【００７０】
【表１】

【００７１】
表１に示す結果から明らかなように、従来例の多層膜が３．８％の抵抗変化率 を示したのに対し、本発明に係る▲１▼〜▲５▼の試料は７〜１４％の比抵抗変化率を示し、極めて優れた抵抗変化率を示した。なお、表１の従来例の試料の抵抗変化率が低いのは、ＮｉＦｅ合金からなる強磁性層を２層しか積層することができず、それを超える数の積層構造にできないためであると思われる。
【００７２】
次に前記の製造方法と同じ方法を実施し、成膜時に基板面内の一方向（ＭＲ測定時の電流の流れる方向）に磁界を印加しながら成膜して積層体に一軸異方性を誘導した。この例において一方の強磁性層は磁歪が大きいので、電流と直角方向に付加された引張応力により磁化容易軸の向きが９０度反転するのに対し、他方の強磁性層は磁歪が小さいので反転せず、磁界中成膜により誘導磁気異方性が残り、一方の強磁性層と他方の強磁性層の磁化は直交配置となる。この例の積層体の各特性を表２（Ａ）に示した。
【００７３】
【表２】

【００７４】
表２（Ａ）は、一方の強磁性層と他方の強磁性層の磁歪の符号が同じ場合に積層体の特性を測定した結果を示す。この表２（Ａ）に示す試料においては１０％の優れた抵抗変化率が得られた。
【００７５】
次に、表１の従来例に記載した積層体と同じ構造で組成のみを変えた積層体を作成し、基板面内の一方向（ＭＲ測定時の電流の流れる方向）に磁界を印加しながら成膜処理を行い、成膜処理後に図１８に記載の方法と同様の方法を実施してＭＲ測定時の電流の流れる方向と直角方向に一軸性の応力を印加してＭＲ比を測定した。
また、リニアリティーを確保できる範囲の広さを表す指標として、図１９に示す磁界と抵抗の関係を示す図におけるＨ＊の値を評価した。また、応力を印加し た方向と平行方向に磁界を印加して図２０に示すような磁化履歴曲線を測定し、フリー強磁性層の保磁力Ｈ_ＣＦを求め、更に基準強磁性層が反強磁性層から受けるバイアス磁界Ｈ_ＵＡを評価した。
【００７６】
その結果を表２（Ｂ）に示す。本発明の試料において、抵抗変化率は従来例の試料と同程度であるが、Ｈ＊の大きさとＨ_ＣＦの小ささはいずれも従来例の試料を上回っており、優れた特性が得られた。
【００７７】
次に、図２１と図２２は、円盤状の磁気記録媒体６０に対して浮上して走行しながら記録磁界を読み取る磁気ヘッド６１に対して本発明に係る多層薄膜材料を適用した一構造例を示すものである。
磁気記録媒体６０に対して走行するスライダ６２の後部にＣｕからなる一対の電極膜６３、６３により挟まれた状態で表２（Ｂ）に示した本発明の積層体６４が形成されている。
【００７８】
この例においてスライダ６２は、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ（アルチック）基板から形 成されてなり、左右の電極膜６３、６３の間隔は３μｍ、積層体６４の高さは２μｍに形成されている。更に、図示していないが、積層体６４と基板との間には下部シールド磁性膜が絶縁層を介して成膜されている。
また、スライダ６２の表面側には、電極膜６３、６３と積層体６４を覆う上部シールド強磁性膜と、厚さ２μｍのＡｌ_２Ｏ_３の保護膜（図示略）が被覆され、このＡｌ_２Ｏ_３の保護膜により、あるいは、スライダを加工する際等の加工応力により積層体６４に一軸性の応力が付加されている。更に、スライダ６２と電極膜６３、６３と積層体６４の下面はラップ加工により鏡面加工されている。
【００７９】
以上のように構成された磁気ヘッド６１の電極膜６３、６３間に電流を流し、電位差の変化から抵抗変化率を測定した。求めたＲ−Ｈ曲線から、抵抗変化率を 求めた結果、３．０％の値が得られ、Ｈ＊＝１２ Ｏｅが得られた。
このことから、被覆したＡｌ_２Ｏ_３膜からの応力と加工途中の応力により積層体６４に一軸性の応力が付加され、積層体の各強磁性層間で磁化が直交配置されていることが立証された。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜５または１０に記載の発明によれば、積層体に付加した一軸性の応力により磁歪定数の異なる一方の強磁性層の磁化の方向と他方の強磁性層の磁化の方向を制御するので、一方の強磁性層の磁化の方向と他方の強磁性層の磁化の方向を略直交させた積層体が容易に得られる。
また、本発明の構造においては一方の強磁性層と他方の強磁性層を非磁性層を介して多数積層可能であるので、非磁性層を両強磁性層で挟み、これらの強磁性層間に生じる伝導電子のスピン依存散乱を利用する本願構造の場合、スピン依存散乱の起こる界面数を増加できるので、従来構造より高いＭＲ比を得ることができる。
【００８１】
更に本発明の場合、一方の強磁性層と他方の強磁性層を同一組成系の強磁性材料で構成できるので、従来構造の如く異種の強磁性層の積層構造とは異なり、スピン依存散乱以外の伝導電子の散乱を少なくすることができ、大きなＭＲ比を得る上での障害を無くしたので、大きなＭＲ比を得ることができる。
なお、保磁力の異なる異種材料系の強磁性層を非磁性層を介して多数積層した従来構造にあっては、保磁力の高い全ての強磁性層の磁化の向きを完全に平行にすることに無理があったが、本発明の構造では一方の強磁性層の磁化の向きを確実に平行に固定することができるので、高いＭＲ比のものを確実に得ることができる。
【００８２】
次に、請求項２または４に記載のように強磁性層のどちらかの一軸磁気異方性エネルギーを他方より大きくすることにより、大きな異方性エネルギーを有する方の強磁性層の磁化の向きを容易にピン止めすることができ、小さな異方性エネルギーを有する方の強磁性層の磁化の向きを微小磁界で回転させることができるので、微小磁界にも敏感に反応して抵抗変化する性能を得ることができる。
また、請求項１〜５に記載の発明においては、従来構造において強磁性層の磁化の向きを固定していたＦｅＭｎ層を用いる必要がないので、耐食性、耐環境性の面で問題を生じない。
【００８３】
更に、各強磁性層の自発磁化を直交させるために、成膜の最中に基板に印加する磁界の方向を変える必要があったが、本発明によれば磁界の方向を成膜毎に変える特別な装置は必要なくなり、従来より安価な装置で製造できるようになる。次に、積層体の各磁性層に作用させる一軸性の応力は、積層体を設ける素子の加工時の応力、積層体に被覆する被覆層の応力を有効に利用できるので、容易に応力付加ができる。
【００８４】
次に請求項６、７または１４に記載の発明においては、反強磁性層の存在により基準強磁性層の磁化の向きを確実にピン止めして固定できると同時に、積層体に印加された一軸性の応力により確実にフリー強磁性層の磁化の向きを基準強磁性層の磁化の向きに直交させることができる。そして、このフリー強磁性層の磁化の向きを決める一軸磁気異方性エネルギーを基準強磁性層の磁化の向きを決める異方性エネルギーに対して適切な値に設定することで、フリー強磁性層の磁化の向きを磁気記録媒体の微小磁界で確実に回転させるようにすることができる。
【００８５】
次に請求項１０と１１あるいは請求項１５と１６に記載の発明においては、圧電材料製の基板、あるいは熱膨張係数が直交する結晶方位で異なる材料からなる基板が用いられているので、圧電材料に通電するか、基板を加熱あるいは冷却することにより基板を縮小させるか伸張させ、この状態で積層体を成膜することにより、通電停止後あるいは加熱冷却処理停止後に常温で一軸性の応力が確実に付加された積層体を備えた磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料が得られる。また、圧電材料に対する通電条件あるいは加熱冷却時の温度条件に応じて積層体に付加できる一軸性の応力値の大小を容易に設定できるので、所望の大きさの応力が印加された積層体を有する磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を特別な磁場印加装置を要することなく確実かつ容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は強磁性層と非磁性層が積層されてなる積層体に引張応力が付加された構造の多層薄膜材料の一例を示す断面図である。
【図２】図２は強磁性層と非磁性層が積層されてなる積層体に圧縮応力が付加された構造の多層薄膜材料の一例を示す断面図である。
【図３】図３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の組成と磁歪λの関係を示す三角組成図である。
【図４】図４は反強磁性層と強磁性層と非磁性層と強磁性層と非磁性層が積層された積層体に引張応力が付加された構造の多層薄膜材料の一例を示す断面図である。
【図５】図５は反強磁性層と強磁性層と非磁性層と強磁性層と非磁性層が積層された積層体に圧縮応力が付加された構造の多層薄膜材料の一例を示す断面図である。
【図６】図６は図５と同様な構造において強磁性層の磁化の向きが平行状態になっている状態を示す断面図である。
【図７】図７は図５と同様な構造において強磁性層の磁化の向きが平行状態になっている状態の他の例を示す断面図である。
【図８】図８は図５と同様な構造において強磁性層の磁化の向きが直交状態になっている状態を示す断面図である。
【図９】図９は図５と同様な構造において強磁性層の磁化の向きが平行状態になっている状態の更に他の例を示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明に係る多層薄膜材料の磁化履歴曲線を示す図である。
【図１１】図１１は図１０に示す多層薄膜材料の印加磁界と抵抗の関係を示す図である。
【図１２】図１２は圧電材料からなる基板を用いた磁気抵抗効果多層薄膜材料の一例を示す断面図である。
【図１３】図１３は圧電材料からなる補助基板を両端部に備えた基板を示す断面図である。
【図１４】図１４は基板に機械的に応力を付加する方法を説明するためのもので、図１４（Ａ）は平板状の基板を示す側面図、図１４（Ｂ）は基板を上向きに湾曲させた状態を示す側面図、図１４（Ｃ）は基板を下向きに湾曲させた状態を示す側面図である。
【図１５】図１５は熱膨張係数の異なる基板を示す平面図である。
【図１６】図１６は図１５に示す基板の側面図である。
【図１７】図１７は図１５と図１６に示す基板を用いて構成された磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料を示す断面図である。
【図１８】図１８（Ａ）は実施例において積層体に引張応力を印加する方法を説明するための側面図、図１８（Ｂ）は実施例において積層体に圧縮応力を印加する方法を説明するための側面図である。
【図１９】図１９は実施例の積層体における印加磁界と抵抗の関係を示す断面図である。
【図２０】図２０は実施例の積層体の磁化履歴曲線を示す図である。
【図２１】図２１は本発明に係る多層薄膜材料が設けられる磁気ヘッドとこの磁気ヘッドで読み出される磁気情報が記録された磁気記録媒体の一例を示す斜視図である。
【図２２】図２２は図１５に示す磁気ヘッドの要部の拡大図である。
【図２３】図２３は従来の磁気抵抗センサの第１の例を示す分解斜視図である。
【図２４】図２４は従来の磁気抵抗センサの第２の例を示す断面図である。
【図２５】図２５は従来の磁気抵抗センサの第３の例を示す断面図である。
【符号の説明】
３０、４０、３６、３７、４７ 基板
３１、３３ 非磁性層
３２ 他方の強磁性層
３４ 一方の強磁性層
３５、４６ 積層体
３８ 補助基板
４１ バッファ層
４２、５２ フリー強磁性層
４３、５３ 非磁性層
４４、５４ 基準強磁性層
４５、５５ 反強磁性層

Claims (16)

1. 飽和磁歪定数の符号が正の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と飽和磁歪定数の符号が負の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層が、非磁性層を介し交互に１組以上積層されて積層体が形成され、この積層体に、一軸性の応力が印加されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
2. 前記非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層が、いずれも一軸磁気異方性を有し、それぞれの磁化容易軸が膜面内に沿って略直交されており、前記両方の強磁性層のうち、一方の強磁性層の有する一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５００Ｊ／ｍ^３以上、他方の強磁性層の有する一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５０〜５００Ｊ／ｍ^３の範囲であることを特徴とする請求 項１記載の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
3. 飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６未満の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６以上の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層が、非磁性層を介し交互に１組以上積層されて積層体が形成され、この積層体に、一軸性の応力が印加されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
4. 前記非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層が、いずれも一軸磁気異方性を有し、それぞれの磁化容易軸が膜面内に沿って略直交されており、前記一方の強磁性層の一軸磁気異方性が磁界中成膜ないしは磁界中熱処理により制御されたものであり、その一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５０〜５００Ｊ／ｍ^３の範囲であり、前記他方の強磁性層の一軸磁気異方性が磁歪と応力による磁気弾性効果により制御されたものであり、その一軸磁気異方性エネルギーの絶対値が５００Ｊ／ｍ^３以上とされてなることを特徴とする請求項３記載 の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
5. 強磁性層が、Ｎｉ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘまたはＮｉ_{１００−ｘ−ｙ}Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙ 合金からなり、一方の強磁性層の組成が、原子％で、
   ０≦ｘ≦２０、０≦ｙ≦６０
   なる関係を満足し、他方の強磁性層の組成が、原子％で、
   ７≦ｘ≦６０、０≦ｙ≦６０
   なる関係を満足するものであることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
6. 一方の側に対接された反強磁性層によって単磁区化された基準強磁性層と、この基準強磁性層の他方の側に対接された非磁性層を介して設けられたフリー強磁性層を具備して構成された薄膜積層体であって、前記フリー強磁性層の自発磁化の方向が、フリー強磁性層の磁歪と積層体全体に印加された一軸性の応力によって生じる磁気弾性効果により、基準強磁性層の磁化の方向とほぼ９０度の角度をなすように制御されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
7. 前記フリー強磁性層の磁歪と、積層体全体に印加された一軸性の応力とによってフリー強磁性層に誘起された一軸異方性エネルギーが、フリー強磁性層の磁界中成膜により誘起されている一軸異方性エネルギーより大きくされ、かつ、反強磁性層により基準強磁性層に誘起されている異方性エネルギーより小さくされてなることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の積層体に印加される一軸性の応力が、積層体が形成された基板、または、積層体の上に成膜された保護膜あるいは層間絶縁層により印加されたもの、あるいは、基板を加工する際の加工応力からなるものとされたことを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の非磁性層が、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる１種の金属から、あるいは、これらから選択される２種以上の元素の合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の積層体が基板上に形成され、前記基板の少なくとも一部が圧電材料からなり、前記一軸性の応力が圧電材料によって印加されたものであることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の積層体が基板上に形成され、前記基板の少なくとも一部が、結晶方位で熱膨張係数が異なり、しかも熱 膨張係数の異なる２つの結晶方位が直交してなる材料からなり、前記一軸性の応力が基板の熱膨張係数の方位異方性によって印加されたものであることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料。
12. 飽和磁歪定数の符号が正の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の符号が負の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層を非磁性層を介し、交互に１組以上積層して積層体を形成し、この積層体に、一軸性の応力を印加することで非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層の自発磁化の向きを略直交させることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料の磁性層の磁化の調整方法。
13. 飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６未満の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層と、飽和磁歪定数の絶対値が２×１０^−６以上の強磁性金属ないしは強磁性合金からなる強磁性層を非磁性層を介して交互に１組以上積層し、この積層体に、一軸性の応力を印加して非磁性層を挟んで設けられた両方の強磁性層の自発磁化の向きを直交させることを特徴とする磁気抵抗効果素子用多層薄膜材料の磁性層の磁化の調整方法。
14. 反強磁性層と基準強磁性層と非磁性層とフリー強磁性層を積層して積層体を形成し、反強磁性層によって基準強磁性層を単磁区化するとともに、この積層体に一軸性の応力を付加することで生じる磁気弾性効果によりフリー強磁性層の磁化の向きを基準強磁性層の磁化の向きに対して略直交させることを特徴とする磁性層の磁化の調整方法。
15. 少なくとも一部を圧電材料から形成した基板を用いるとともに、圧電材料に通電して圧電材料の変形により基板に一軸性の歪を生じさせた状態で基板上に積層体を形成し、積層体の形成後に圧電材料に対する通電を停止して基板の変形を解除し、これにより積層体に一軸性の応力を印加することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の磁性層の磁化の調整方法。
16. 少なくとも一部を結晶方位で熱膨張係数が異なり、しかも熱膨張係数の異なる２つの結晶方位が直交してなる材料から形成した基板を用いるとともに、前記基板を加熱または冷却して基板の熱膨張係数の方位異方性により基板に一軸性の歪を生じさせた状態で基板上に積層体を形成し、積層体の形成後に基板を常温に戻して基板の熱膨張変形を解除し、これにより積層体に一軸性の応力を印加することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の磁性層の磁化の調整方法。

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