JP3593220B2 - 磁気抵抗効果多層膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記録媒体からの磁気的情報を検知し、電気的な情報に変換する磁気センサ、とくに磁気ヘッドまたは磁気抵抗センサなどに適用する磁気抵抗効果多層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気的な信号を磁気的信号に変換し情報として磁性媒体に記録し、その磁気的情報を電気的信号として再生する手段としては従来磁気ヘッドが使用されてきた。この磁気ヘッドは記録時にはコイルに電流を通じることによって透磁率の高い強磁性体を励磁し磁界を発生させ媒体を磁化し、再生時は磁化された媒体から発生する磁界により前記強磁性体に流れる磁束のためコイルに誘起される電圧を信号として検出していた。このようなヘッドとしては、メタルインギャップ構造のフェライトヘッドや磁性薄膜を前記強磁性体として使用した薄膜ヘッドなどがあり、誘導型ヘッドと呼称されている。これら誘導型ヘッドは記録媒体からの磁界の大きさの低下に従い再生出力が小さくなるため、高記録密度化が進み記録媒体上に形成された磁気的な情報の単位である記録ビットが小さくなり、従ってその記録ビットが発生する漏洩磁界が小さくなった場合には対応出来ないと考えられている。そこで、最近この不具合を解消するため、より再生感度の高い磁気抵抗効果素子が磁気ヘッドの再生部に使用されるようになってきた。
【０００３】
磁気抵抗効果素子には磁界の大きさにより電気抵抗が変化するＮｉＦｅ系パーマロイ強磁性膜が供されており、誘導型ヘッドに比較して２倍以上の再生感度が期待できる。しかし、この素子においてはパーマロイ膜の磁化方向によって電気抵抗が変化する性質を利用しているため、再生感度の指標となる電気抵抗の変化率は高々２％に過ぎない。ところが、最近このような材料固有の性質を利用するのではなく、膜を積層し層と層との界面での散乱を利用したスピンバルブ型と称される多層膜が提唱され（特開平４−３５８３１０号）、前記パーマロイ素子に比べ数倍の磁気抵抗効果が得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この多層膜では、図２に示した構造を有し、非磁性層３によって分離された第１の強磁性層２と反強磁性層５によって磁化方向が固定された第２の強磁性層４から構成される。第２の強磁性層４の磁化方向は反強磁性層５からの交換結合磁界により固定され、非磁性層３によって分離された第１の強磁性層２との間には弱い強磁性的結合が働く。磁化方向の固定されない第１の強磁性層２は小さな磁界（Ｈ１ ）でも印加磁界方向に磁化が回転するが、磁化方向の固定された第２の強磁性層４を回転させるためには、より大きな印加磁界（Ｈ２ ）が必要になる。電気抵抗は二つの強磁性層が同一磁化方向にある場合小さく、両層の磁化方向が反平行の方向にあるＨ１ より大きくＨ２ より小さな磁界のとき大きくなる。磁気センサとしてはＨ２ より小さな磁界範囲で極性が変化する磁界を感知対象とする。そのためには磁化方向の固定されない第１の強磁性層２は保磁力が小さいと言った軟磁気特性に優れていることが、また、磁化方向が固定された第２の強磁性層４は反強磁性層５による交換結合磁界が大きく、記録媒体に形成された記録ビットからの漏洩磁界には感応しないことが要求される。
【０００５】
ところで、スピンバルブ型多層膜においても、記録密度が高くなるにつれて、さらに磁界に対する感度の向上が求められている。
本発明は、上記課題に鑑み、スピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において感度すなわち電気抵抗の変化量を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、下から第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層、反強磁性層の順に積層されて成る多層膜が基板上に形成され、第２の強磁性層は隣接する反強磁性層による交換結合磁界により磁化方向が固定されているとともに、前記第１の強磁性層は磁化方向が固定されていない磁気抵抗効果膜において、前記反強磁性層は、素子製造プロセス中に結晶構造変化を起こさない材質で形成され、前記第２の強磁性層と反強磁性層のそれぞれの膜面にほぼ平行な格子面間隔をｄferroとｄanti-ferroと表したとき、２つの層の界面の格子面間隔は平均値１／２（ｄferro＋ｄanti-ferro）に対して分散度σが、σ≦０．５Åであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において、第１の強磁性層は、下地層上に形成されたＮｉＦｅ膜及びその上に積層されたＣｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜であることが望ましい。ここで、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ膜を厚くすることによって第１の強磁性層の磁化反転が容易になる。また第２の強磁性層は、非磁性層を介して第１の強磁性層のＣｏ膜と対向してＣｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜でありさらにＮｉＦｅを主として含む膜が形成されている。そしてこれら第１及び第２の強磁性層は、その膜面に平行に（１１１）面が配向している。この第２の強磁性層の上には、反強磁性層が設けられている。反強磁性層は素子製造プロセス中に結晶構造変化を起こさないものが好ましく、とりわけＦｅＭｎを主体とした材料が好適であり、ＮｉＭｎなど熱処理による構造変化を伴うものは適切ではない。第２の強磁性層においてＮｉＦｅ膜はＦｅＭｎ反強磁性層による交換結合磁界で磁化が固定されている。
【０００８】
本発明で、非磁性層を介して対向している第１の強磁性層と第２の強磁性層の対向面は、Ｃｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜としたのは、これらの膜はｄ電子密度が高く界面での電子散乱度が大きく、良好な磁気抵抗特性を発現することが期待出来るからである。またこれらのＣｏ膜あるいはＣｏの合金膜は隣接層との格子整合の点から面心立方構造（ｆ．ｃ．ｃ．）であることが好ましい。
【０００９】
非磁性層は良好な電子伝導性を有する金属が好適であり、このような金属としてはＡｇ，Ａｕ及びＣｕが知られている。しかし、磁気抵抗効果の原因である界面で隣接する金属層による電子散乱（磁気モーメントによる電子散乱）を効果的に発現するためには、界面の粗さによる電子散乱を防ぐ必要があり、非磁性層の表面を平滑にする必要がある。このためにはＣｕを主体とした金属が最適である。
【００１０】
ＦｅＭｎを主として含む反強磁性層を用いたスピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において、第２の強磁性層と反強磁性層の２つの層は連続して形成される。２つの層の界面状態に着目すれば、界面はそれぞれの層の原子が隣接する部分である。原子が整然とステップ状に並んで膜が形成される場合には理想的な界面が実現する。すなわち、第２の強磁性層と反強磁性層の膜面にほぼ平行な格子面間隔をそれぞれｄｆｅｒｒｏ 及びｄａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏと定義すれば、２層が接する界面の面間隔は理想的には１／２（ｄｆｅｒｒｏ ＋ｄａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏ）となる。しかし、格子ミスマッチあるいは互いの層の原子拡散などによって界面に乱れが存在する場合には、界面近傍の面間隔は理想的な面間隔から変化する。この変化を界面の面間隔だけの変化とみなし、実際の面間隔と理想的な面間隔の差が分布しており、分散度がσであるとする。
【００１１】
本発明者らは分散度σと磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρとが密接な関係を有することを見出した。すなわち、異方性磁気抵抗効果を示すＮｉＦｅ膜を遙かに凌ぐ３％以上の感度を有する高い抵抗変化率Δρ／ρを得るためには、分散度σを小さくする必要があることを解明した。
【００１２】
第２の強磁性層と反強磁性層の界面に乱れが存在して、面間隔の分散度が大きい場合には、第２の強磁性層の磁化は全体としては一方向を向いているが、微視的には一様ではなくなる。このため、外部磁界が印加されることによって、第１の強磁性層の磁化が第２の強磁性層の磁化と平行／反平行になっても部分的に乱れたところがあるために磁化が平行のときの電気抵抗と反平行のときの電気抵抗の差、すなわち抵抗変化量Δρが小さくなるものと考えられる。
【００１３】
分散度σは電子顕微鏡などの手段により格子面を直接観察することで、またＸ線回折法を用いた手段によっても容易に算出できる。
直接観察する場合、第２の強磁性層と反強磁性層の境界の格子面を透過電子顕微鏡で拡大して写真撮影し、写真上で約１０００〜３０００万倍となるように処理すると、格子面間隔は２〜７ｍｍになる。図３のように境界の３０〜５０原子の列を観察し界面の格子面間隔を求め、例えば２０ケ所以上測定し、統計処理することで分散度σの値を得ることができる。ここで、図３はＦｅＭｎとＮｉＦｅとの境界層を透過電子顕微鏡で１５００万倍に拡大した写真を示す。境界層の面間隔は写真上では３．３ｍｍなので２．２Åである。
【００１４】
Ｘ線回折の手法は、試料がＸ線回折するのに十分な大きさを有していれば、非破壊的に調べる方法として適しており、次のように求める。Ａ，Ｂ２つの層が接する図４（ａ）のように原子が整然とステップ状に並んで格子面が形成された２層膜を考える。Ａ，Ｂ各層がそれぞれｎＡ 、及びｎＢ 個の格子面で構成された格子間隔はｄＡ ，ｄＢ であるとする。界面の格子間隔をｄＡＢと表したとき、Ａ層及びＢ層内での原子面の位置ｚｇ ，ｚｈ は次式で表される。
【００１５】
ｚｇ ＝（ｇ−１）ｄＡ （１）
ｚｈ ＝（ｈ−１）ｄＢ ＋（ｎＡ −１）ｄＡ ＋ｄＡＢ （２）
散乱振幅Ａ（Ｑ）（Ｑ；散乱ベクトル）は
【００１６】
【数１】
【００１７】
ここに、ｆｋ は原子散乱因子（ｆｋ ＝ｆｋ （Ｑ） ＋Δｆｋ ′＋ｉΔｆｋ ″）、ηｋ は格子面当たりの原子密度である。
よって、強度Ｉ（Ｑ）は次式となる。
【００１８】
（４）式において前の２項はそれぞれＡ層及びＢ層からの散乱振幅、第３項は界面による干渉散乱を意味する。界面の格子間隔ｄＡＢは２つの層の原子拡散がない理想的な状態ではｄＡＢ＝１／２（ｄＡ ＋ｄＢ ）となるが、実際には図４（ｂ）のように揺らぎが存在する。この揺らぎ量δは、（４）式においてｄＡＢが分散σを有するものとして算出することが可能である。
【００１９】
図５，６はいずれも５ｎｍ厚のＴａ下地膜上にそれぞれＣｏ強磁性膜及びＦｅ５０Ｍｎ５０（原子％）反強磁性膜を１０ｎｍの厚さで形成した場合の回折プロファイルである。Ｔａ層は非晶質状態にあり回折反射を示さない。Ｃｏ強磁性膜ならびにＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性膜はいずれもｆ．ｃ．ｃ．構造をとり、膜面に（１１１）面が強く配向したことを示す回折プロファイルとなっている。図７は５ｎｍのＴａ下地膜上に、１０ｎｍのＣｏ膜とＦｅＭｎ膜を連続的に形成した場合の回折プロファイルである。ＣｏならびにＦｅ５０Ｍｎ５０に帰属する２つの回折反射の単なる重ね合わせではなく、２つの反射のほぼ中間に回折ピークが現れていることがわかる。２つの層内の原子面による回折波が干渉することにより、膜内の原子面の平均面間隔に対応する位置に主ピークが現れ、いくつかのサブピークが見られるようになる。この干渉の影響を含む回折プロファイルは、計算では次のように求めることができる。まず、（４）式第３項で与えられる干渉項を求めると図８に示すようになる。図５及び図６のようなＣｏ膜及びＦｅ５０Ｍｎ５０膜の単層膜の回折プロファイルは（４）式第１項及び第２項から求められる。よって、これらの３つの回折プロファイルを合成すれば、干渉の効果を取り入れたＸ線回折プロファイルとなる。界面の揺らぎが存在する場合のプロファイルは、例えばある分散度σをもつ５０個の干渉回折を算出しその平均を取ることにより求める。様々なσの値に対応した計算上のプロファイルを求め、これらを実際の試料の回折プロファイルと比較し、最も一致した場合から分散度σの値が得られる。
【００２０】
本発明では、前記界面の分散度σをσ≦０．５Åとすることによって、磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρを３％以上とすることが出来た。σ＞０．６Åでは十分な磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρが得られない。
【００２１】
以下本発明を実施例に従って説明する。
【００２２】
【実施例】
本発明の磁気抵抗効果多層膜を作成するのに用いたイオンビームスパッタ装置は、多層膜を構成するのに必要な複数のターゲット及び多層膜を蒸着させるためのガラス基板が同一真空槽内に装着されており、ターゲット部に対向してイオンガン部、ガラス基板に対向して補助イオンガン部を備えている。ガラス基板の両側に磁界発生用の永久磁石が配置されていて、４０ＫＡ／ｍの一方向性磁界がガラス基板に印加できるようになっている。
【００２３】
このイオンビームスパッタ装置を用いて、図２に示したような多層膜を作成した。ここではガラス基板上にＴａ下地層を５ｎｍ、続いて第１の強磁性層（Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）強磁性膜を７ｎｍ，Ｃｏ膜を２ｎｍ）、Ｃｕ非磁性層を２ｎｍ、第２の強磁性層（Ｃｏ膜を２ｎｍ，Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）強磁性膜を５ｎｍ）、Ｆｅ５０Ｍｎ５０（原子％）反強磁性層を膜厚１０ｎｍ成膜した。さらに、保護層としてＴａ層を５ｎｍ形成した。成膜中の基板温度は基板下部を水冷することにより一定に保持した。
【００２４】
ここで多層膜を形成するときの条件は、イオンガン部にＡｒガスを導入し真空槽内の真空度が４×１０−２Ｐａとなる圧力として、イオン電流６ｍＡとして、イオンガンの加速電圧を５００Ｖから１８００Ｖまで変化させた。なお、このとき補助イオンガンには電圧を印加しなかった。ここで得た磁気抵抗効果多層膜の第２の強磁性層とＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性層の界面での格子面間隔の分散度を前記Ｘ線回折プロファイルから解析する手法によって求めた。加速電圧と分散度の関係を図９に示した。
【００２５】
また、各試料に磁界を印加したときに生じる電気抵抗変化率Δρ／ρを測定した。ここに抵抗変化率は電気比抵抗ρと印加磁界によって生じる比抵抗の変化量Δρの比で定義する。比抵抗の測定は試料膜面内に１．６ＫＡ／ｍ、５０Ｈｚの交流磁界を印加し、２ｍＡの電流を通電して４端子法で計測した。図１０にイオンガンの加速電圧と電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す。
【００２６】
次に、真空槽内の真空度を６×１０−２Ｐａの圧力として、補助イオンガンのイオン電流を４ｍＡ、加速電圧を０から５００Ｖまで変化させながらＡｒイオンを基板上に照射しながら、イオンガンの加速電圧を７００Ｖ、イオン電流を６ｍＡと一定にして、多層膜を形成した。ここで得た磁気抵抗効果多層膜の第２の強磁性層とＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性層の界面での格子面間隔の分散度を、上記と同様にＸ線回折測定から求めた。補助イオンガンの加速電圧と分散度の関係を図１１に示す。また、補助イオンガンの加速電圧と、上記と同様な方法で測定した場合の各試料の電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を図１２に示す。
【００２７】
上記の結果をもとに、図１には分散度σと電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す。
【００２８】
【発明の効果】
図１より、ＦｅＭｎ反強磁性層を用いたスピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において、電気抵抗変化率Δρ／ρは、反強磁性層と強磁性層との界面での面間隔の分散度σが小さいほど向上することがわかる。一方、界面での結晶格子面の分散度σが大きい場合は、感度すなわち電気抵抗変化率Δρ／ρが劣化した。
【００２９】
なお、本実施例ではイオンビームスパッタ装置を用いて膜を製造したが、イオンビームスパッタ法以外の他の成膜方法を使用しても同様の効果が期待できる。このとき、抵抗変化率を向上させるため抵抗値を低下させる手段としては、ｒ．ｆ．やＤ．Ｃ．スパッタ法では成膜時に正または負の基板バイアス電圧を印加する手段を設けてイオンを基板に照射したり、基板を高温にすることなどが知られている。これはイオンビームスパッタ法においてはイオン照射と同等な影響を及ぼすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】反強磁性層と強磁性層との界面での格子面の分散度σと、磁界による電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す図である。
【図２】典型的なスピンバルブ型多層膜の構造を示す説明図である。
【図３】電子顕微鏡を用いた多層膜断面観察によって得られた２層の界面の格子面間隔を示す説明写真である。
【図４】２層の界面における格子面のモデルであり、界面が整然とした場合（ａ）及び乱れが生じている場合（ｂ）を示す説明図である。
【図５】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、Ｃｏ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図６】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、ＦｅＭｎ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図７】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、Ｃｏ膜を１０ｎｍ、ＦｅＭｎ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図８】Ｃｏ層とＦｅＭｎ層が連続して成膜した試料において、両者の層の界面がＸ線回折プロファイルに及ぼす干渉回折の計算結果を示す図である。
【図９】イオンガンの加速電圧と、反強磁性層と第２の強磁性層との界面の格子間隔分散度σとの関係を示す図である。
【図１０】イオンガンの加速電圧と磁界を印加したときに示す電気抵抗の変化率Δρ／ρを示す図である。
【図１１】補助イオンガンの加速電圧と、反強磁性層と第２の強磁性層との界面の格子間隔分散度σとの関係を示す図である。
【図１２】補助イオンガンの加速電圧と磁界を印加したときに示す電気抵抗の変化率Δρ／ρを示す図である。
【符号の説明】
１ 下地層
２ 第１の強磁性層
３ 非磁性層
４ 第２の強磁性層
５ 反強磁性層
６ 保護層
１０ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記録媒体からの磁気的情報を検知し、電気的な情報に変換する磁気センサ、とくに磁気ヘッドまたは磁気抵抗センサなどに適用する磁気抵抗効果多層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気的な信号を磁気的信号に変換し情報として磁性媒体に記録し、その磁気的情報を電気的信号として再生する手段としては従来磁気ヘッドが使用されてきた。この磁気ヘッドは記録時にはコイルに電流を通じることによって透磁率の高い強磁性体を励磁し磁界を発生させ媒体を磁化し、再生時は磁化された媒体から発生する磁界により前記強磁性体に流れる磁束のためコイルに誘起される電圧を信号として検出していた。このようなヘッドとしては、メタルインギャップ構造のフェライトヘッドや磁性薄膜を前記強磁性体として使用した薄膜ヘッドなどがあり、誘導型ヘッドと呼称されている。これら誘導型ヘッドは記録媒体からの磁界の大きさの低下に従い再生出力が小さくなるため、高記録密度化が進み記録媒体上に形成された磁気的な情報の単位である記録ビットが小さくなり、従ってその記録ビットが発生する漏洩磁界が小さくなった場合には対応出来ないと考えられている。そこで、最近この不具合を解消するため、より再生感度の高い磁気抵抗効果素子が磁気ヘッドの再生部に使用されるようになってきた。
【０００３】
磁気抵抗効果素子には磁界の大きさにより電気抵抗が変化するＮｉＦｅ系パーマロイ強磁性膜が供されており、誘導型ヘッドに比較して２倍以上の再生感度が期待できる。しかし、この素子においてはパーマロイ膜の磁化方向によって電気抵抗が変化する性質を利用しているため、再生感度の指標となる電気抵抗の変化率は高々２％に過ぎない。ところが、最近このような材料固有の性質を利用するのではなく、膜を積層し層と層との界面での散乱を利用したスピンバルブ型と称される多層膜が提唱され（特開平４−３５８３１０号）、前記パーマロイ素子に比べ数倍の磁気抵抗効果が得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この多層膜では、図２に示した構造を有し、非磁性層３によって分離された第１の強磁性層２と反強磁性層５によって磁化方向が固定された第２の強磁性層４から構成される。第２の強磁性層４の磁化方向は反強磁性層５からの交換結合磁界により固定され、非磁性層３によって分離された第１の強磁性層２との間には弱い強磁性的結合が働く。磁化方向の固定されない第１の強磁性層２は小さな磁界（Ｈ１ ）でも印加磁界方向に磁化が回転するが、磁化方向の固定された第２の強磁性層４を回転させるためには、より大きな印加磁界（Ｈ２ ）が必要になる。電気抵抗は二つの強磁性層が同一磁化方向にある場合小さく、両層の磁化方向が反平行の方向にあるＨ１ より大きくＨ２ より小さな磁界のとき大きくなる。磁気センサとしてはＨ２ より小さな磁界範囲で極性が変化する磁界を感知対象とする。そのためには磁化方向の固定されない第１の強磁性層２は保磁力が小さいと言った軟磁気特性に優れていることが、また、磁化方向が固定された第２の強磁性層４は反強磁性層５による交換結合磁界が大きく、記録媒体に形成された記録ビットからの漏洩磁界には感応しないことが要求される。
【０００５】
ところで、スピンバルブ型多層膜においても、記録密度が高くなるにつれて、さらに磁界に対する感度の向上が求められている。
本発明は、上記課題に鑑み、スピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において感度すなわち電気抵抗の変化量を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、下から第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層、反強磁性層の順に積層されて成る多層膜が基板上に形成され、第２の強磁性層は隣接する反強磁性層による交換結合磁界により磁化方向が固定されているとともに、前記第１の強磁性層は磁化方向が固定されていない磁気抵抗効果膜において、前記反強磁性層は、素子製造プロセス中に結晶構造変化を起こさない材質で形成され、前記第２の強磁性層と反強磁性層のそれぞれの膜面にほぼ平行な格子面間隔をｄferroとｄanti-ferroと表したとき、２つの層の界面の格子面間隔は平均値１／２（ｄferro＋ｄanti-ferro）に対して分散度σが、σ≦０．５Åであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において、第１の強磁性層は、下地層上に形成されたＮｉＦｅ膜及びその上に積層されたＣｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜であることが望ましい。ここで、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ膜を厚くすることによって第１の強磁性層の磁化反転が容易になる。また第２の強磁性層は、非磁性層を介して第１の強磁性層のＣｏ膜と対向してＣｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜でありさらにＮｉＦｅを主として含む膜が形成されている。そしてこれら第１及び第２の強磁性層は、その膜面に平行に（１１１）面が配向している。この第２の強磁性層の上には、反強磁性層が設けられている。反強磁性層は素子製造プロセス中に結晶構造変化を起こさないものが好ましく、とりわけＦｅＭｎを主体とした材料が好適であり、ＮｉＭｎなど熱処理による構造変化を伴うものは適切ではない。第２の強磁性層においてＮｉＦｅ膜はＦｅＭｎ反強磁性層による交換結合磁界で磁化が固定されている。
【０００８】
本発明で、非磁性層を介して対向している第１の強磁性層と第２の強磁性層の対向面は、Ｃｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜としたのは、これらの膜はｄ電子密度が高く界面での電子散乱度が大きく、良好な磁気抵抗特性を発現することが期待出来るからである。またこれらのＣｏ膜あるいはＣｏの合金膜は隣接層との格子整合の点から面心立方構造（ｆ．ｃ．ｃ．）であることが好ましい。
【０００９】
非磁性層は良好な電子伝導性を有する金属が好適であり、このような金属としてはＡｇ，Ａｕ及びＣｕが知られている。しかし、磁気抵抗効果の原因である界面で隣接する金属層による電子散乱（磁気モーメントによる電子散乱）を効果的に発現するためには、界面の粗さによる電子散乱を防ぐ必要があり、非磁性層の表面を平滑にする必要がある。このためにはＣｕを主体とした金属が最適である。
【００１０】
ＦｅＭｎを主として含む反強磁性層を用いたスピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において、第２の強磁性層と反強磁性層の２つの層は連続して形成される。２つの層の界面状態に着目すれば、界面はそれぞれの層の原子が隣接する部分である。原子が整然とステップ状に並んで膜が形成される場合には理想的な界面が実現する。すなわち、第２の強磁性層と反強磁性層の膜面にほぼ平行な格子面間隔をそれぞれｄｆｅｒｒｏ 及びｄａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏと定義すれば、２層が接する界面の面間隔は理想的には１／２（ｄｆｅｒｒｏ ＋ｄａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏ）となる。しかし、格子ミスマッチあるいは互いの層の原子拡散などによって界面に乱れが存在する場合には、界面近傍の面間隔は理想的な面間隔から変化する。この変化を界面の面間隔だけの変化とみなし、実際の面間隔と理想的な面間隔の差が分布しており、分散度がσであるとする。
【００１１】
本発明者らは分散度σと磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρとが密接な関係を有することを見出した。すなわち、異方性磁気抵抗効果を示すＮｉＦｅ膜を遙かに凌ぐ３％以上の感度を有する高い抵抗変化率Δρ／ρを得るためには、分散度σを小さくする必要があることを解明した。
【００１２】
第２の強磁性層と反強磁性層の界面に乱れが存在して、面間隔の分散度が大きい場合には、第２の強磁性層の磁化は全体としては一方向を向いているが、微視的には一様ではなくなる。このため、外部磁界が印加されることによって、第１の強磁性層の磁化が第２の強磁性層の磁化と平行／反平行になっても部分的に乱れたところがあるために磁化が平行のときの電気抵抗と反平行のときの電気抵抗の差、すなわち抵抗変化量Δρが小さくなるものと考えられる。
【００１３】
分散度σは電子顕微鏡などの手段により格子面を直接観察することで、またＸ線回折法を用いた手段によっても容易に算出できる。
直接観察する場合、第２の強磁性層と反強磁性層の境界の格子面を透過電子顕微鏡で拡大して写真撮影し、写真上で約１０００〜３０００万倍となるように処理すると、格子面間隔は２〜７ｍｍになる。図３のように境界の３０〜５０原子の列を観察し界面の格子面間隔を求め、例えば２０ケ所以上測定し、統計処理することで分散度σの値を得ることができる。ここで、図３はＦｅＭｎとＮｉＦｅとの境界層を透過電子顕微鏡で１５００万倍に拡大した写真を示す。境界層の面間隔は写真上では３．３ｍｍなので２．２Åである。
【００１４】
Ｘ線回折の手法は、試料がＸ線回折するのに十分な大きさを有していれば、非破壊的に調べる方法として適しており、次のように求める。Ａ，Ｂ２つの層が接する図４（ａ）のように原子が整然とステップ状に並んで格子面が形成された２層膜を考える。Ａ，Ｂ各層がそれぞれｎＡ 、及びｎＢ 個の格子面で構成された格子間隔はｄＡ ，ｄＢ であるとする。界面の格子間隔をｄＡＢと表したとき、Ａ層及びＢ層内での原子面の位置ｚｇ ，ｚｈ は次式で表される。
【００１５】
ｚｇ ＝（ｇ−１）ｄＡ （１）
ｚｈ ＝（ｈ−１）ｄＢ ＋（ｎＡ −１）ｄＡ ＋ｄＡＢ （２）
散乱振幅Ａ（Ｑ）（Ｑ；散乱ベクトル）は
【００１６】
【数１】
ここに、ｆｋ は原子散乱因子（ｆｋ ＝ｆｋ （Ｑ） ＋Δｆｋ ′＋ｉΔｆｋ ″）、ηｋ は格子面当たりの原子密度である。
よって、強度Ｉ（Ｑ）は次式となる。
【００１８】
【００１９】
図５，６はいずれも５ｎｍ厚のＴａ下地膜上にそれぞれＣｏ強磁性膜及びＦｅ５０Ｍｎ５０（原子％）反強磁性膜を１０ｎｍの厚さで形成した場合の回折プロファイルである。Ｔａ層は非晶質状態にあり回折反射を示さない。Ｃｏ強磁性膜ならびにＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性膜はいずれもｆ．ｃ．ｃ．構造をとり、膜面に（１１１）面が強く配向したことを示す回折プロファイルとなっている。図７は５ｎｍのＴａ下地膜上に、１０ｎｍのＣｏ膜とＦｅＭｎ膜を連続的に形成した場合の回折プロファイルである。ＣｏならびにＦｅ５０Ｍｎ５０に帰属する２つの回折反射の単なる重ね合わせではなく、２つの反射のほぼ中間に回折ピークが現れていることがわかる。２つの層内の原子面による回折波が干渉することにより、膜内の原子面の平均面間隔に対応する位置に主ピークが現れ、いくつかのサブピークが見られるようになる。この干渉の影響を含む回折プロファイルは、計算では次のように求めることができる。まず、（４）式第３項で与えられる干渉項を求めると図８に示すようになる。図５及び図６のようなＣｏ膜及びＦｅ５０Ｍｎ５０膜の単層膜の回折プロファイルは（４）式第１項及び第２項から求められる。よって、これらの３つの回折プロファイルを合成すれば、干渉の効果を取り入れたＸ線回折プロファイルとなる。界面の揺らぎが存在する場合のプロファイルは、例えばある分散度σをもつ５０個の干渉回折を算出しその平均を取ることにより求める。様々なσの値に対応した計算上のプロファイルを求め、これらを実際の試料の回折プロファイルと比較し、最も一致した場合から分散度σの値が得られる。
【００２０】
本発明では、前記界面の分散度σをσ≦０．５Åとすることによって、磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρを３％以上とすることが出来た。σ＞０．６Åでは十分な磁気による電気抵抗変化率Δρ／ρが得られない。
【００２１】
以下本発明を実施例に従って説明する。
【００２２】
【実施例】
本発明の磁気抵抗効果多層膜を作成するのに用いたイオンビームスパッタ装置は、多層膜を構成するのに必要な複数のターゲット及び多層膜を蒸着させるためのガラス基板が同一真空槽内に装着されており、ターゲット部に対向してイオンガン部、ガラス基板に対向して補助イオンガン部を備えている。ガラス基板の両側に磁界発生用の永久磁石が配置されていて、４０ＫＡ／ｍの一方向性磁界がガラス基板に印加できるようになっている。
【００２３】
このイオンビームスパッタ装置を用いて、図２に示したような多層膜を作成した。ここではガラス基板上にＴａ下地層を５ｎｍ、続いて第１の強磁性層（Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）強磁性膜を７ｎｍ，Ｃｏ膜を２ｎｍ）、Ｃｕ非磁性層を２ｎｍ、第２の強磁性層（Ｃｏ膜を２ｎｍ，Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）強磁性膜を５ｎｍ）、Ｆｅ５０Ｍｎ５０（原子％）反強磁性層を膜厚１０ｎｍ成膜した。さらに、保護層としてＴａ層を５ｎｍ形成した。成膜中の基板温度は基板下部を水冷することにより一定に保持した。
【００２４】
ここで多層膜を形成するときの条件は、イオンガン部にＡｒガスを導入し真空槽内の真空度が４×１０−２Ｐａとなる圧力として、イオン電流６ｍＡとして、イオンガンの加速電圧を５００Ｖから１８００Ｖまで変化させた。なお、このとき補助イオンガンには電圧を印加しなかった。ここで得た磁気抵抗効果多層膜の第２の強磁性層とＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性層の界面での格子面間隔の分散度を前記Ｘ線回折プロファイルから解析する手法によって求めた。加速電圧と分散度の関係を図９に示した。
【００２５】
また、各試料に磁界を印加したときに生じる電気抵抗変化率Δρ／ρを測定した。ここに抵抗変化率は電気比抵抗ρと印加磁界によって生じる比抵抗の変化量Δρの比で定義する。比抵抗の測定は試料膜面内に１．６ＫＡ／ｍ、５０Ｈｚの交流磁界を印加し、２ｍＡの電流を通電して４端子法で計測した。図１０にイオンガンの加速電圧と電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す。
【００２６】
次に、真空槽内の真空度を６×１０−２Ｐａの圧力として、補助イオンガンのイオン電流を４ｍＡ、加速電圧を０から５００Ｖまで変化させながらＡｒイオンを基板上に照射しながら、イオンガンの加速電圧を７００Ｖ、イオン電流を６ｍＡと一定にして、多層膜を形成した。ここで得た磁気抵抗効果多層膜の第２の強磁性層とＦｅ５０Ｍｎ５０反強磁性層の界面での格子面間隔の分散度を、上記と同様にＸ線回折測定から求めた。補助イオンガンの加速電圧と分散度の関係を図１１に示す。また、補助イオンガンの加速電圧と、上記と同様な方法で測定した場合の各試料の電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を図１２に示す。
【００２７】
上記の結果をもとに、図１には分散度σと電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す。
【００２８】
【発明の効果】
図１より、ＦｅＭｎ反強磁性層を用いたスピンバルブ型磁気抵抗効果多層膜において、電気抵抗変化率Δρ／ρは、反強磁性層と強磁性層との界面での面間隔の分散度σが小さいほど向上することがわかる。一方、界面での結晶格子面の分散度σが大きい場合は、感度すなわち電気抵抗変化率Δρ／ρが劣化した。
【００２９】
なお、本実施例ではイオンビームスパッタ装置を用いて膜を製造したが、イオンビームスパッタ法以外の他の成膜方法を使用しても同様の効果が期待できる。このとき、抵抗変化率を向上させるため抵抗値を低下させる手段としては、ｒ．ｆ．やＤ．Ｃ．スパッタ法では成膜時に正または負の基板バイアス電圧を印加する手段を設けてイオンを基板に照射したり、基板を高温にすることなどが知られている。これはイオンビームスパッタ法においてはイオン照射と同等な影響を及ぼすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】反強磁性層と強磁性層との界面での格子面の分散度σと、磁界による電気抵抗変化率Δρ／ρとの関係を示す図である。
【図２】典型的なスピンバルブ型多層膜の構造を示す説明図である。
【図３】電子顕微鏡を用いた多層膜断面観察によって得られた２層の界面の格子面間隔を示す説明写真である。
【図４】２層の界面における格子面のモデルであり、界面が整然とした場合（ａ）及び乱れが生じている場合（ｂ）を示す説明図である。
【図５】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、Ｃｏ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図６】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、ＦｅＭｎ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図７】基板上にＴａ膜を５ｎｍ、Ｃｏ膜を１０ｎｍ、ＦｅＭｎ膜を１０ｎｍ連続して成膜した試料のＸ線回折反射プロファイルを示す図である。
【図８】Ｃｏ層とＦｅＭｎ層が連続して成膜した試料において、両者の層の界面がＸ線回折プロファイルに及ぼす干渉回折の計算結果を示す図である。
【図９】イオンガンの加速電圧と、反強磁性層と第２の強磁性層との界面の格子間隔分散度σとの関係を示す図である。
【図１０】イオンガンの加速電圧と磁界を印加したときに示す電気抵抗の変化率Δρ／ρを示す図である。
【図１１】補助イオンガンの加速電圧と、反強磁性層と第２の強磁性層との界面の格子間隔分散度σとの関係を示す図である。
【図１２】補助イオンガンの加速電圧と磁界を印加したときに示す電気抵抗の変化率Δρ／ρを示す図である。
【符号の説明】
１ 下地層
２ 第１の強磁性層
３ 非磁性層
４ 第２の強磁性層
５ 反強磁性層
６ 保護層
１０ 基板
Claims (4)
- 下から第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層、反強磁性層の順に積層されて成る多層膜が基板上に形成され、第２の強磁性層は隣接する反強磁性層による交換結合磁界により磁化方向が固定されているとともに、前記第１の強磁性層は磁化方向が固定されていない磁気抵抗効果膜において、
前記反強磁性層は、素子製造プロセス中に結晶構造変化を起こさない材質で形成され、
前記第２の強磁性層と反強磁性層のそれぞれの膜面にほぼ平行な格子面間隔をｄferroとｄanti-ferroと表したとき、２つの層の界面の格子面間隔は平均値１／２（ｄferro＋ｄanti-ferro）に対して分散度σが、σ≦０．５Åであることを特徴とする磁気抵抗効果多層膜。 - 前記反強磁性層は膜面に平行に（１１１）面が配向したＦｅＭｎを主成分とする膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果多層膜。
- 第１及び第２の強磁性層は膜面に平行に（１１１）面が配向したＮｉＦｅを主として含む膜と、Ｃｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜の２層構造から成ることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果多層膜。
- 非磁性層はＣｕを主として含む金属から成り、その層の２つの界面はＣｏ膜あるいは同等な密度を持ったＣｏを主体とした合金膜と接していることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果多層膜。
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