JPH04218982A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気媒体等において、
磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果素子
に関するものである。実用性の高い磁気抵抗効果素子は
、小さい外部磁場で、抵抗変化率が大きいことが要求さ
れる。本発明に係る磁気抵抗効果素子は、小さい外部磁
場で、抵抗変化率が大きく、充分な実用性を有している
。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気センサーの高感度化、及び磁
気記録における高密度化が進められており、これに伴い
磁気抵抗効果型磁気センサー（以下、ＭＲセンサーとい
う。）及び磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下、ＭＲヘッ
ドという。）の開発が盛んに進められている。ＭＲセン
サーもＭＲヘッドも、磁性材料からなる読み取りセンサ
ー部の抵抗変化により、外部磁界信号を読み出す訳であ
るが、ＭＲセンサー及びＭＲヘッドは、記録媒体との相
対速度が再生出力に依存しないことから、ＭＲセンサー
では高感度が、ＭＲヘッドでは高密度磁気記録においも
高い出力が得られるという特長がある。

【０００３】しかし、従来の異方性磁気抵抗効果による
磁性体Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２等を利用したＭＲセンサー
では、抵抗変化率△Ｒ／Ｒ（後に定義する。）がせいぜ
い２〜５％位であることから、さらに抵抗変化率の大き
なＭＲ素子が求められてきた。

【０００４】最近、磁性層間で磁化方向が互いに逆向き
になっている［Ｆｅ／Ｃｒ］Ｎを代表とする人工格子膜
で大きな磁気抵抗効果が起きることが発見された［フィ
ジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．）第６１巻、２４７２頁、１９８８年］。しかし
、この人工格子膜では最大抵抗変化の起きる外部磁場が
十数ＫＯｅ〜数十ＫＯｅと大きく、このままでは実用性
がない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ＭＲセンサー及びＭＲヘッドでは抵抗変化率が小さく、
またＦｅ／Ｃｒをはじめとする人工格子膜では抵抗変化
の起こる外部磁場が大きすぎるという問題があった。本
発明者らは、この問題点を解決するため鋭意研究を重ね
た結果、極めて実用性の高い磁気抵抗効果素子の作製に
成功したのである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、基
板、及び該基板上に非磁性薄膜層を介して積層された少
なくとも２層の磁性薄膜を有して成り、非磁性薄膜層を
介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異なっており、磁性薄
膜層及び非磁性薄膜層の厚みが各々２００オングストロ
ーム以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提
供するものである。

【０００７】本発明の磁気抵抗効果素子では、非磁性薄
膜を介して隣合った磁性薄膜層の保磁力は互いに異なっ
ていることが必須である。その理由は、本発明の原理が
、隣合った磁性層の磁化の向きがズレているとき、伝導
電子がスピンに依存した散乱を受け、抵抗が増え、磁化
の向きが互いに逆向きに向いたとき、最大の抵抗を示す
ことにあるからである。すなわち、本発明では、図２で
示すごとく外部磁場が磁性薄膜層の保磁力Ｈｃ２と磁性
薄膜層の保磁力Ｈｃ３の間（Ｈｃ２＜Ｈ＜Ｈｃ３）であ
るとき、隣合った磁性層の磁化の方向が互いに逆向きに
なり、抵抗が増大する。なお、外部磁場、保磁力及び磁
化の方向の関係に付いては後に詳述する。

【０００８】本発明の磁性薄膜に用いる磁性体の種類は
特に制限されないが、具体的には、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｃｅ，Ｇ
ｄ等が好ましい。また、これらの元素を含む合金や化合
物としては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−
Ｃｏ，Ｆｅ−Ｇｄ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダスト等）
，Ｆｅ−Ｙ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｃｒ−Ｓｂ，Ｃｏ系アモルフ
ァス合金、Ｃｏ−Ｐｔ，Ｆｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃ，Ｍｎ−
Ｓｂ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｃｏ−Ｏ，Ｎｉ−Ｏ，Ｆｅ−Ｏ，Ｎ
ｉ−Ｆ，フェライト等が好ましい。

【０００９】本発明では、これらの磁性体から保磁力の
異なる２種またはそれ以上を選択して磁性薄膜を形成す
る。

【００１０】各磁性薄膜層の膜厚の上限は、２００オン
グストームである。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特に
ないが、４オングストローム以下はキューリー点が室温
より低くなって実用性がなくなる。また、厚さを４オン
グストローム以上とすれば、膜厚を均一に保つことが容
易となり、膜質も良好となる。また、飽和磁化の大きさ
が小さくなりすぎることもない。膜厚を２００オングス
トローム以上としても効果は落ちないが、膜厚の増加に
伴って効果が増大することもなく、膜の作製上無駄が多
く、不経済である。

【００１１】各磁性膜の保磁力は、適用される素子にお
ける外部磁界強度や要求される抵抗変化率等に応じて、
例えば約０．００１Ｏｅ〜約１０ｋＯｅの範囲から適宜
選択すればよい。また、隣接する磁性薄膜の保磁力の比
は、１．２：１〜１００：１、好ましくは５：１〜５０
：１、より好ましくは８：１〜２０：１である。

【００１２】なお、磁気抵抗効果素子中に存在する磁性
薄膜の磁気特性を直接測定することはできないので、通
常、下記のようにして測定する。測定すべき磁性薄膜を
、磁性薄膜の合計厚さが２００〜４００オングストロー
ム程度になるまで非磁性薄膜と交互に蒸着して測定用サ
ンプルを作製し、これに付いて磁気特性を測定する。 この場合、磁性薄膜の厚さ、非磁性薄膜の厚さ及び非磁
性薄膜の組成は、磁気抵抗効果測定素子におけるものと
同じにする。

【００１３】保磁力以外の磁性薄膜の磁気特性に特に限
定はないが、低保磁力の磁性薄膜の角形比は０．９〜１
．０であるのが好ましい。

【００１４】非磁性薄膜層は、保磁力の異なる磁性薄膜
層間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であり、
その種類に特に制限はなく、各種金属ないし半金属非磁
性体及び非金属非磁性体から適宜選択すればよい。

【００１５】金属非磁性体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ
，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｈ
ｆ，Ｓｂ，Ｚｒ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｐｂ等及びこれら
の合金が好ましい。半金属非磁性体としては、Ｓｉ，Ｇ
ｅ，Ｃ，Ｂ等及びこれらに別の元素を添加したものが好
ましい。非金属非磁性体としては、ＳｉＯ２，ＳｉＯ，
ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＺｎＯ，ＭｇＯ，ＴｉＮ等及びこ
れらに別の元素を添加したものが好ましい。

【００１６】非磁性薄膜の厚さは、２００オングストロ
ーム以下が望ましい。一般に膜厚が２００オングストロ
ームを超えると、非磁性薄膜層により抵抗が決まってし
まい、スピンに依存する散乱効果が相対的に小さくなっ
てしまい、その結果、磁気抵抗変化率が小さくなってし
まう。一方、膜厚が４オングストローム以下になると、
磁性薄膜層間の磁気相互作用が大きくなり過ぎ、両磁性
薄膜の磁化方向が相異なる状態が生じにくくなる。

【００１７】磁性又は非磁性薄膜の膜厚は、透過型電子
顕微鏡、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光分析等に
より測定することができる。また、薄膜の結晶構造は、
Ｘ線回折や高速電子線回折等により確認することができ
る。

【００１８】本発明の磁気抵抗効果素子において、人工
格子膜の繰返し積層回数Ｎに特に制限はなく、目的とす
る磁気抵抗変化率等に応じて適宜選定すればよいが、十
分な磁気抵抗変化率を得るためには、Ｎを３以上にする
のが好ましい。また、積層数を増加するに従って、抵抗
変化率も増加するが、生産性が悪くなり、さらにＮが大
きすぎると素子全体の抵抗が低くなりすぎて実用上の不
便が生じることから、通常、Ｎを５０以下とするのが好
ましい。

【００１９】以上の説明では、磁性薄膜として保磁力の
異なる２種類の磁性薄膜だけを用いているが、保磁力が
それぞれ異なる３種以上の磁性薄膜を用いることにより
、磁化方向が逆転する外部磁界を２箇所以上設定でき、
動作磁界強度の範囲を拡大することができる。

【００２０】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化
けい素や酸化けい素等の酸化防止膜が設けれられてもよ
く、電極引出のための金属導電層が設けられてもよい。

【００２１】製膜は、蒸着法、スパッタリング法、分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ）等の方法で行う。また、基
板としては、ガラス，けい素，ＭｇＯ，ＧａＡｓ，フェ
ライト，ＣａＴｉＯ等を用いることができる。

【００２２】ここで、外部磁場、保磁力及び磁化の方向
の関係を説明する。簡素化の為、保磁力の異なった２種
類の磁性薄膜■及び■に限定して説明する。図２に示す
ように、２種類の磁性薄膜層のＨｃをそれぞれＨｃ２及
びＨｃ３とする（０＜Ｈｃ２＜Ｈｃ３）。最初、外部磁
場Ｈを、Ｈ＜−Ｈｃｍ（Ｈｃｍは、磁性薄膜■の磁化が
飽和する外部磁界である。）となるようにかけておく。 磁性薄膜層■及び■の磁化方向は、Ｈと同じ−（負）方
向に向いている。次に外部磁場を上げていくと、Ｈ＜Ｈ
ｃ２の領域（Ｉ）では、まだ両磁性薄膜層磁化方向は−
方向を向いている。

【００２３】外部磁場を上げてＨｃ２＜Ｈ＜Ｈｃ３の領
域（ＩＩ）になると、磁性薄膜層■の磁化方向が反転し
、磁性薄膜層■及び■の磁化方向は互いに逆向きになる
。更に外部磁場を大きくしたＨｃｍ＜Ｈの領域（ＩＩＩ
）では、磁性薄膜層■及び■の磁化方向は、＋方向に揃
って向く。

【００２４】今度は外部磁場Ｈを減少させると、−Ｈｃ
２＜Ｈの領域（ＩＶ）では磁性薄膜層■及び■の磁化方
向は＋方向のままであるが、−Ｈｃ３＜Ｈ＜−Ｈｃ２の
領域（Ｖ）では、磁性薄膜層■の磁化方向は−方向に反
転し、磁性薄膜層■及び■の磁化方向は互いに逆向きに
なる。更に、Ｈ＜−Ｈｃｍの領域（ＶＩ）では、磁性薄
膜層■及び■の磁化方向は−方向に揃って向く。この磁
性薄膜層■及び■の磁化方向が互いに逆向きになってい
る領域（ＩＩ）及び（Ｖ）で、伝導電子がスピンに依存
した散乱を受け、抵抗は大きくなる。

【００２５】磁性薄膜層■に例えばＨｃの小さなＮｉ０
．８Ｆｅ０．２（Ｈｃ２数Ｏｅ）を選び、磁性薄膜層■
にＨｃのやや大きい例えばＣｏ（Ｈｃ３数十Ｏｅ）を選
ぶことにより、外部磁場Ｈｃ２付近の小外部磁場で大き
な抵抗変化率を示すＭＲ素子が得られる。

【００２６】

【実施例】本発明の磁気抵抗効果素子を添付図面を参照
して説明する。図１は、本発明の実施例である人工格子
膜１の断面図である。図１において、人工格子膜１は、
基板４上に磁性薄膜Ｍ１，Ｍ２，…，Ｍｎ−１，Ｍｎを
有し、隣接する２層の磁性薄膜の間に、非磁性薄膜Ｎ１
，Ｎ２，…，Ｎｎ−２，Ｎｎ−１を有する。

【００２７】以下、本発明を具体的な実験結果により説
明する。 実施例１ 　　基板としてガラス基板４を用い、超高真空蒸着装置
の中に入れ、１０−９〜１０−１０ｔｏｒｒまで真空引
きを行う。 基板温度は室温に保ったまま基板を回転させながら、以
下の組成をもつ人工格子膜１を作製した。磁界を基板の
面内方向に印加しながら、約０．３オングストローム／
秒の製膜速度で、製膜を行った。

【００２８】磁性薄膜と非磁性薄膜とからなる多層膜の
構成及び磁気抵抗変化率を下記表１に示す。なお、表１
において、例えば、［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３０）／
Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（２０）］５と表示
されている場合、３０オングストローム厚のＮｉ８０％
−Ｆｅ２０％の合金薄膜、２０オングストローム厚のＣ
ｕ薄膜、３０オングストローム厚のＣｏ薄膜及び２０オ
ングストローム厚のＣｕ薄膜を順次蒸着する工程を５回
繰り返したことを意味する。

【００２９】磁化の測定は、振動型磁力計により行った
。抵抗測定は、表１に示される構成の試料から０．３×
１０ｍｍの形状のサノプルを作成し、外部磁界を面内に
電流と垂直方向になるようにかけながら、−５００〜５
００Ｏｅまで変化させたときの抵抗を４端子法により測
定し、その抵抗から磁気抵抗変化率△Ｒ／Ｒを求めた。 抵抗変化率△Ｒ／Ｒは、最大抵抗値をＲｍａｘ、最小抵
抗値をＲｍｉｎとし、次式により計算した：

【００３０
】

【数１】

【００３１】

【表１】 　　　　　　　　　　　　　　人　　工　　格　　子　
　膜　　構　　成　　　　　　　　　　　　　　△Ｒ／
Ｒ（％）　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２５）／Ｃ
ｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］１　　　　
　　１．２　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２５）／
Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］２　　　
　　　２．９　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２５）
／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］３　　
　　　　４．１　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２５
）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］５　
　　　　　５．５　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２
５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］７
　　　　　　６．１　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（
２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）］
１０　　　　　７．５　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２
（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／Ｃｕ（５５）
］１５　　　　　８．８　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．
１５Ｍｏ０．０５（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５
）／　　　　Ｃｕ（５５）］５　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　５．０　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２
（２５）／Ｐｔ（５０）／Ｃｏ（２５）／Ｐｔ（５０）
］５　　　　　　３．０　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．
２（２５）／Ａｌ（４）／Ｃｏ（２５）／Ａｌ（４）］
１５　　　　　　　３．０　　　　［Ｎｉ０．８Ｆｅ０
．２（２５）／Ｔｉ（４）／Ｃｏ（２５）／Ｔｉ（４）
］１５　　　　　　　４．０

【００３２】図３及び図４
に［ＮｉＦｅ（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ（２５）／
Ｃｕ（５５）］５のＢ−Ｈ曲線及び外部磁場−抵抗曲線
をそれぞれ示す。

【００３３】実施例２ 　　実施例１と同様にして表２に示す構造の６種の磁気
抵抗効果素子を作成した。

【００３４】膜の容易軸方向（Ｅ．Ａ．）又は困難軸方
向（Ｈ．Ａ．）に外部磁場を−３０００Ｏｅ〜３０００
Ｏｅまで変化させてかけ、抵抗変化率を測定した。結果
を表２に示す。

【００３５】

【表２】 　　　　　　　　　　　　　　人　　工　　格　　子　
　膜　　構　　成　　　　　　　　　　　　　　△Ｒ／
Ｒ（％）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　Ｈ／／Ｈ．Ａ．　　Ｈ／／Ｅ．Ａ．［Ｎｉ０．
８Ｆｅ０．２（３０）／Ｃｕ（２０）／Ｃｏ（３０）／
Ｃｕ（２０）］１５　　　　１．４　　　　　　−−［
Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３０）／Ｃｕ（３５）／Ｃｏ（
３０）／Ｃｕ（３５）］１５　　　　４．４　　　　　
　−−［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３０）／Ｃｕ（５０）
／Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（５０）］１５　　　　９．９　
　　　　　８．８［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３０）／Ａ
ｕ（２０）／Ｃｏ（３０）／Ａｕ（２０）］１５　　　
　２．９　　　　　　０．７［Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（
３０）／Ａｕ（３５）／Ｃｏ（３０）／Ａｕ（３５）］
１５　　　　４．０　　　　　　２．９［Ｎｉ０．８Ｆ
ｅ０．２（３０）／Ａｕ（５０）／Ｃｏ（３０）／Ａｕ
（５０）］１５　　　　４．７　　　　　　−−

【００
３６】［Ｆｅ（３０）／Ｃｕ（３５）／Ｃｏ（３０）／
Ｃｕ（３５）］１５および［Ｎｉ（３０）／Ｃｕ（３５
）／Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（３５）］１５の構成でも上記
とほぼ同様の効果を得た。

【００３７】尚、上記実施例の他に、非磁性薄膜層の種
類、膜厚を変える実験を行ったところ、人工格子膜のＢ
−Ｈ曲線の形状が少しずつ変わり、それにつれて抵抗変
化率△Ｒ／Ｒの大きさ、外部磁場−抵抗曲線の形状、最
大抵抗値Ｒｍａｘを示すときの外部磁場ＨＲが変化する
ことが明らかとなった。すなわち、本発明の磁気抵抗効
果素子では、磁性薄膜の磁気特性、非磁性薄膜の厚さ、
種類を選択することにより、極めて高い抵抗変化率が実
現し、しかも抵抗値が最大となる磁界強度を比較的自由
に設定することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、以上説明した通りの磁気抵抗
効果素子で、数Ｏｅ〜数十Ｏｅ程度の小さい外部磁場で
数％〜数十％の大きい抵抗変化率をもつ磁気抵抗効果素
子が得られる。従って高感度のＭＲセンサー及び高密度
磁気記録が可能なＭＲヘッドを提供することできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に係る磁気抵抗効果素子の一部省略
側面図である。

【図２】　　本発明の作用を説明するＢ−Ｈ曲線の模式
図である。

【図３】　　［ＮｉＦｅ（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ
（２５）／Ｃｕ（５５）］５のＢ−Ｈ曲線である。

【図４】　　［ＮｉＦｅ（２５）／Ｃｕ（５５）／Ｃｏ
（２５）／Ｃｕ（５５）］５の外部磁界Ｈと抵抗Ｒとの
関係を示す曲線である。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板、及び該基板上に非磁性薄膜層を
   介して積層された少なくとも２層の磁性薄膜を有して成
   り、非磁性薄膜層を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異
   なっており、磁性薄膜層及び非磁性薄膜層の厚みが各々
   ２００オングストローム以下であることを特徴とする磁
   気抵抗効果素子。