JP3624355B2

JP3624355B2 - 磁気抵抗センサ

Info

Publication number: JP3624355B2
Application number: JP01327394A
Authority: JP
Inventors: 英幸菊地; 和雄小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH07225925A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁場の変化を抵抗の変化として検出する磁気抵抗センサに関する。磁気抵抗センサは、各種の構成が知られており、又各種の用途に適用できるものである。特に、小型且つ大容量化が要望される磁気ディスク装置のヘッドとして有望視されている。
【０００２】
【従来の技術】
従来例の磁気抵抗センサは、半導体を用いた構成やＮｉＦｅ等の磁性体を用いた構成が一般的であった。例えば、磁気ディスク装置のヘッドに適用した場合、磁気ディスクの記録磁界が直接或いはフラックスガイドを介して印加されるように、ＮｉＦｅを磁気抵抗素子として配置し、この磁気抵抗素子に電流を供給し、磁気ディスクの記録磁界に対応して磁気抵抗素子の抵抗が変化するから、その変化を電流の変化として検出して、記録情報の読出しを行うものである。この場合、情報の書込みを行う為には、通常の磁気ヘッドの構成が必要となるから、一般には、コイルを備え書込ヘッドと、前述の磁気抵抗素子を備えた読出ヘッドとの磁気回路を共用化した複合ヘッドが採用されている。
【０００３】
前述のような磁性体を磁気抵抗素子として用いる場合、磁化方向と電流方向との角度のｃｏｓ^２で電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗に基づくものである。これに対して、スピンバルブ（ＳｐｉｎＶａｌｖｅ）と称される構成が提案されている（例えば、特開平４−３５８３１０号公報参照）。これは、非結合の強磁性薄膜の２層間の電気抵抗が、２層の磁化方向間の角度の余弦として変化し、電流方向には関係しないもので、材料の選択によっては、大きい磁気抵抗変化が得られるものである。
【０００４】
図４は従来例のスピンバルブ構成の磁気抵抗センサの説明図であり、４１はガラス，セラミック，Ｓｉ等の半導体等からなる基板、４２はＴａ，Ｒｕ等の薄膜層、４３，４５はＮｉＦｅ，ＮｉＣｏ，ＦｅＣｏ等の磁性薄膜層、４４はＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の非磁性薄膜層、４６はＦｅＭｎ等の反強磁性薄膜層、４７はＴａ等の薄膜層、４９，５０は電流を供給する端子を示す。
【０００５】
Ｔａの薄膜層４７を５０Å、ＮｉＦｅの磁性薄膜層４３を７０Å、Ｃｕの非磁性薄膜層４４を２０Å、ＮｉＦｅの磁性薄膜層４５を５０Å、ＦｅＭｎの反強磁性薄膜層４６を７０Å、Ｔａの薄膜層４７を５０Åのそれぞれ厚さとすることができる。又非磁性薄膜層４４を介して配置された磁性薄膜層４３，４５はそれぞれ直交する方向に磁化される。この場合、検出感度の中心化（印加磁場が零の時の検出出力を零）を達成することができる。又強磁性薄膜層４５は反強磁性薄膜層４６と同一方向に磁化される。スピンバルブ構成としては、磁性薄膜層４３と非磁性薄膜層４４と磁性薄膜層４５と反強磁性薄膜層４６とを基本構成とすることになり、多層化する場合には、Ｔａ等の薄膜層を介在させるものである。
【０００６】
検出すべき磁場が印加されると、磁性薄膜層４５の磁化方向は、反強磁性薄膜層４６の磁化方向に保持されるが、磁性薄膜層４３の磁化方向は磁場の大きさに対応して角θ変化する。スピンバルブ効果は、外部磁場の大きさに従って磁性薄膜層４５，４３の磁化方向の角θの変化が生じ、それによって抵抗が変化する効果であり、端子４９，５０間に電流源を接続し、流れる電流の変化を検出することにより、外部磁場の大きさを検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来例のスピンバルブ構成の磁気抵抗センサに於いては、Ｔａ等の薄膜層４２，４７やＦｅＭｎ等の反強磁性薄膜層４６の抵抗率が高く、且つ膜厚も厚くなるから、伝導電子が散乱されることになる。従って、抵抗の変化率は５％程度のものであった。又基本構成を積層して多層化した場合、図５に示す構成となるが、伝導電子５１は外部磁場の大きさに対応したものとなり、抵抗変化を表すことになる。
【０００８】
しかし、Ｔａ等の薄膜層４２，４７やＦｅＭｎ等の反強磁性薄膜層４６内に於いては、５２で示すように伝導電子は散乱されることになる。このような散乱伝導電子５２は外部磁場の大きさに対応した抵抗変化に寄与しないものとなる。従って、多層化しても、基本構成の場合と同様に抵抗の変化率は５％程度であって、検出感度を向上することができないものであった。
【０００９】
又Ｔａ等の薄膜層４７を省略した構成が考えられる。その場合、反強磁性薄膜層４６の上下にＮｉＦｅ等の磁性薄膜層４３，４５が配置されることになる。このような構成に於いては、磁性薄膜層４３が反強磁性薄膜層４６上に直接接触するから、その磁化方向は反強磁性薄膜層４６の磁化方向に固定されることになり、スピンバルブ効果が生じないことになる。
本発明は、多層化により検出感度の向上が可能の磁気抵抗センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気抵抗センサは、図１を参照して説明すると、一方向に磁化されたＦｅＭｎ等の反強磁性薄膜層４の上下に配置した第１，第２のＮｉＦｅ等の磁性薄膜層３，５と、これらの第１，第２の磁性薄膜層３，５にそれぞれ接して配置した第１，第２のＣｕ等の非磁性薄膜層２，６と、これらの第１，第２の非磁性薄膜層２，６にそれぞれ接して配置した第３，第４のＮｉＦｅ等の磁性薄膜層１，７とを少なくとも含む構成を有する。
【００１１】
又基板８上に、第４の磁性薄膜層１と、第１の非磁性薄膜層２と、第１の磁性薄膜層３と、反強磁性薄膜層４と、第２の磁性薄膜層５と、第２の非磁性薄膜層６とを組として、複数組を積層した構成を有する。
【００１２】
又第１，第２の非磁性薄膜層２，６の厚さを、非磁性薄膜層２，６のそれぞれ上下に配置した磁性薄膜層が反強磁性結合を生じない厚さに選定する。
【００１３】
又反強磁性薄膜層４の磁化方向と、第１の非磁性薄膜層２の下に配置した第３の磁性薄膜層１及び第２の非磁性薄膜層６の上に配置した第４の磁性薄膜層７の磁化方向とを直交させる。
【００１４】
【作用】
ＦｅＭｎ等の反強磁性薄膜層４を中心として、その上下に配置したＮｉＦｅ等の第１，第２の磁性薄膜層３，５の磁化方向は、反強磁性薄膜層４の磁化方向に固定される。又ＮｉＦｅ等の第３，第４の磁性薄膜層１，７と、第１，第２の磁性薄膜層３，５との間に、Ｃｕ等の第１，第２の非磁性薄膜層２，６を介在させているから、第３，第４の磁性薄膜層１，７の磁化方向は、反強磁性薄膜層４の磁化方向によって固定されることはない。従って、外部磁場の大きさに対応して第３，第４の磁性薄膜層１，７の磁化方向が回転することなり、それによって抵抗変化が生じることになる。
【００１５】
又（１ａ），（２ａ），（３ａ），（４ａ）として示すように、基板８上に、基本構成を複数層積層することにより、例えば、第２の磁性薄膜層５から伝導電子が非磁性薄膜層６，第４の磁性薄膜層７及びその上の非磁性薄膜層（２ａ）を介して磁性薄膜層（３ａ）に伝搬することが可能となる。即ち、多層化することにより検出感度を向上することができる。
【００１６】
又反強磁性薄膜層４の磁化方向と、第３，第４の磁性薄膜層１，７との磁化方向を直交させることによって、検出感度の中心化を達成することができる。
【００１７】
【実施例】
図２は本発明の一実施例の説明図であり、基板１８としてＳｉ基板上に、直接或いはバッファ層１８ａを介して、例えば、イオンスパッタ法により、３０Ｏｅの磁場を印加しながら第３の磁性薄膜層１１としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させ、次に第１の非磁性薄膜層１２としてＣｕを厚さ２０Å成長させ、次に第１の磁性薄膜層１３としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させる。次に反強磁性薄膜層１４としてＦｅＭｎを厚さ６０Å成長させ、次に第２の磁性薄膜層１５としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させる。次に第２の非磁性薄膜層１６としてＣｕを２０Å成長させ、次に第４の磁性薄膜層１７としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させる。この８層を基本構成とする。この場合の３０Ｏｅの磁場は磁化容易軸を定める為のものであり、従って、所望の磁化容易軸方向に従って成長過程に於ける磁場の方向が選定される。
【００１８】
基板１８は、Ｓｉ等の半導体以外に、ガラスやセラミック等を用いることも可能である。又バッファ層１８ａは、Ｔａ等を用いることができる。このバッファ層１８ａは、基板１８上に形成する磁性薄膜層の結晶構造等を最適化する為のものであり、基板１８上に直接磁性薄膜層を形成して所望の特性が得られる場合は、バッファ層１８ａは省略することができる。又基板１８と磁性薄膜層との熱膨張係数が相違する場合に、熱膨張に対するバッファ用とすることもできる。又非磁性薄膜層１２，１６は、Ｃｕ以外にＡｕやＡｇ等を用いることも可能である。
【００１９】
前述の基本構成を４組積層して磁気抵抗センサを作成し、図４に示す従来例と比較したところ、検出感度は増大した。なお、４組積層する場合、基本構成をそのまま順次積層することもできるが、図示のように、第３の磁性薄膜層１７を、その上に形成する基本構成の第４の磁性薄膜層と兼用し、その上に第１の非磁性薄膜層２２を形成し、その上に第１の磁性薄膜層２３を形成し、その上に反強磁性薄膜層２４を形成し、その上に第２の磁性薄膜層２５を形成し、その上に第２の非磁性薄膜層２６を形成し、その上に第４の磁性薄膜層２７を形成し、この第４の磁性薄膜層２７をその上に形成する基本構成の第３の磁性薄膜層と兼用する構成とすることができる。
【００２０】
外部磁場を印加すると、反強磁性薄膜層１４，２４に接した第１の磁性薄膜層１３，２３と第２の磁性薄膜層１５，２５との磁化方向は、反強磁性薄膜層１４，２４の磁化方向に保持される。しかし、第３，第４の磁性薄膜層１１，１７，２７の磁化方向は変化する。即ち、非磁性薄膜層１２，１６，２２，２６を介して対向する磁性薄膜層間の磁化方向が、外部磁場の大きさに従って変化する。それによって、抵抗が変化することになる。その場合の伝導電子２０は積層した基本構成間にも伝搬できることになり、従って、基本構成を積層することにより、検出感度を向上することができる。
【００２１】
図３は本発明の他の実施例の説明図であり、基板３８としてＳｉ基板上に、例えば、イオンスパッタ法により、３０Ｏｅの磁場を印加しながらバッファ層としてＴａを厚さ５０Å成長させ、第３の磁性薄膜層３１としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させ、次に第１の非磁性薄膜層３２としてＣｕを厚さ２０Å成長させ、次に第１の磁性薄膜層３３としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させる。次に反強磁性薄膜層３４としてＦｅＭｎを厚さ６０Å成長させ、次に第２の磁性薄膜層３５としてＮｉＦｅを厚さ６０Å成長させる。次に第２の非磁性薄膜層３６としてＣｕを２０Å成長させ、次に第４の磁性薄膜層３７としてＮｉＦｅを厚さ２０Å成長させる。次に中間層３９としてＴａを厚さ５０Å成長させる。
【００２２】
このバッファ層を除く９層を基本構成とするものである。そして、この基本構成を４組積層して磁気抵抗センサを形成した。この場合も、図４に示す従来例に比較して検出感度が増大した。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、一方向に磁化された反強磁性薄膜層４を挟んで上下に第１，第２の磁性薄膜層３，５を配置し、この第１，第２の磁性薄膜層３，５のそれぞれに第１，第２の非磁性薄膜層２，６を介して第３，第４の磁性薄膜層１，７を配置した基本構成を、基板８上に複数組積層した構成を有するもので、従来例の磁気抵抗センサに比較して検出感度を高くすることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の一実施例の説明図である。
【図３】本発明の他の実施例の説明図である。
【図４】従来例のスピンバルブ構成の磁気抵抗センサの説明図である。
【図５】従来例の問題点の説明図である。
【符号の説明】
１第３の磁性薄膜層
２第１の非磁性薄膜層
３第１の磁性薄膜層
４反強磁性薄膜層
５第２の磁性薄膜層
６第２の非磁性薄膜層
７第４の磁性薄膜層
８基板

Claims

一方向に磁化された反強磁性薄膜層（４）の上下に接して配置した第１，第２の磁性薄膜層（３），（５）と、
該第１，第２の磁性薄膜層（３），（５）にそれぞれ接して配置した第１，第２の非磁性薄膜層（２），（６）と、
該第１，第２の非磁性薄膜層（２），（６）にそれぞれ接して配置した第３，第４の磁性薄膜層（１），（７）とを少なくとも含む構成を基本構成とし、
該基本構成を、前記第３又は第４の磁性薄膜層を共通として基板（８）上に複数組積層した構成を備えた
ことを特徴とする磁気抵抗センサ。
前記第１，第２の非磁性薄膜層（２），（６）の厚さを、該非磁性薄膜層（２），（６）のそれぞれ上下に配置した磁性薄膜層が反強磁性結合を生じない厚さに設定した構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。
前記反強磁性薄膜層（４）の磁化方向と、前記第１の非磁性薄膜層（２）の下に配置した前記第３の磁性薄膜層（１）及び前記第２の非磁性薄膜層（６）の上に配置した前記第４の磁性薄膜層（７）の磁化方向とを直交させた構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。