JPH04339309A

JPH04339309A - 多層磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JPH04339309A
Application number: JP11012891A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Nakatani; 亮一中谷; Masahiro Kitada; 北田　正弘
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1992-11-26

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】本発明は高い磁気抵抗効果を有す
る多層磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子に関し、特に磁
気ディスク装置などに用いる再生用磁気ヘッドにおける
磁気抵抗効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気記録の高密度化に伴い、再生用磁気
ヘッドに用いる磁気抵抗効果材料として、高い磁気抵抗
効果を示す材料が求められている。現在、使用されてい
るパ−マロイの磁気抵抗変化率は約３％であり、新材料
はこれを上回る磁気抵抗変化率を有することが必要であ
る。

【０００３】最近、バイビッチ（Ｂａｉｂｉｃｈ）らに
よる、フィジカル・レビュ−・レタ−ズ（Ｐｙｓｉｃａ
ｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６１巻、第２
１号、２４７２〜２４７５ペ−ジに記載の「Ｇｉａｎｔ
Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　（００１
）Ｆｅ／（００１）Ｃｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｕｐｅ
ｒｌａｔｔｉｃｅｓ」のように、多層構造を持つ磁性膜
（Ｆｅ／Ｃｒ多層膜）において、約５０％の磁気抵抗変
化率（４．２Ｋにおいて）が観測されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記多層構造
を持つ磁性膜を磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドなどに用
いるためには、外部磁界の変化する範囲での抵抗変化量
の大きいことが要求され、Ｂａｉｂｉｃｈらによる、フ
ィジカル・レビュ−・レタ−ズ（Ｐｙｓｉｃａｌ　Ｒｅ
ｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６１巻、第２１号、２
４７２〜２４７５ペ−ジに記載の「Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇ
ｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ（００１）Ｆｅ／
（００１）Ｃｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｕｐｅｒｌａｔ
ｔｉｃｅｓ」に記載の膜構成だけでは高感度の磁気抵抗
効果素子が得られないという問題がある。

【０００５】本発明の目的は、上述の多層磁気抵抗効果
膜を用いた磁気抵抗効果素子の問題の解決方法を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、種々の材
料および膜厚の強磁性金属層、非強磁性金属層を積層し
た多層磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子について鋭意研
究を重ねた結果、多層磁性膜に適した方法によりバイア
ス磁界を印加することによって、磁界センサとして使用
できることを見出した。また、非強磁性金属層の膜厚を
制限することにより、バイアス磁界なしでも多層膜を磁
界センサに用いることができることを見出し、本発明を
完成するに至った。

【０００７】すなわち、強磁性金属層と非強磁性金属層
を積層した多層構造に起因する磁気抵抗効果を有する多
層膜を用いた磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果
素子にバイアス磁界を印加することにより、外部磁界の
向き（正負）を判断できる高感度の磁気抵抗効果素子が
得られる。また、バイアス磁界の印加方法として、シャ
ントバイアス方式、電流による誘導磁界方式、永久磁石
方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式の中から
選ばれる１種の方式、あるいはこれらの２種以上を併用
した方式が使用できる。また、非強磁性金属層の膜厚を
制限することにより、バイアス磁界なしでも多層膜を磁
界センサに用いることができる。また、バイアス磁界を
印加しない状態での多層膜の磁化容易方向と外部磁界の
検出方向とのなす角度をほぼ直角にすることにより、高
周波特性の優れた磁気抵抗効果素子が得られる。また、
バイアス磁界を印加した状態での多層膜の磁化の方向と
外部磁界の検出方向とのなす角度を３０〜７０度にする
ことにより、さらに高感度の磁気抵抗効果素子が得られ
る。さらに、強磁性金属層と非強磁性金属層の界面の少
なくとも一部において、エピタキシャル成長が生じてい
る多層膜を用いると、さらに高感度の磁気抵抗効果素子
が得られる。また、強磁性金属層の少なくとも一部と非
強磁性金属層の少なくとも一部の格子定数の差を５％以
下にすることにより、上記エピタキシャル成長を容易に
起こさせることができる。さらに、磁気抵抗効果を有す
る多層膜の膜厚を１１．５〜１００ｎｍにすることによ
り、エレクトロマイグレ−ションを起こしにくく、高い
センス電流を流せる磁気抵抗効果素子が得られる。さら
に、多層膜の膜厚を１１．５〜５０ｎｍにすると、さら
に高いセンス電流を流すことができる。また、上記磁気
抵抗効果素子を用いることにより、高感度磁気ヘッドが
得られる。また、上記磁気ヘッドを磁気記録再生装置に
用いることにより、高性能磁気記録再生装置が得られる
。

【０００８】

【作用】上述のように、強磁性金属層と非強磁性金属層
を積層した多層構造に起因する磁気抵抗効果を有する多
層膜を用いた磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果
素子にバイアス磁界を印加することにより、外部磁界の
向き（正負）を判断できる高感度の磁気抵抗効果素子が
得られる。また、バイアス磁界の印加方法として、シャ
ントバイアス方式、電流による誘導磁界方式、永久磁石
方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式の中から
選ばれる１種の方式、あるいはこれらの２種以上を併用
した方式が使用できる。また、非強磁性金属層の膜厚を
制限することにより、バイアス磁界なしでも多層膜を磁
界センサに用いることができる。また、バイアス磁界を
印加しない状態での多層膜の磁化容易方向と外部磁界の
検出方向とのなす角度をほぼ直角にすることにより、高
周波特性の優れた磁気抵抗効果素子が得られる。また、
バイアス磁界を印加した状態での多層膜の磁化の方向と
外部磁界の検出方向とのなす角度を３０〜７０度にする
ことにより、さらに高感度の磁気抵抗効果素子が得られ
る。さらに、強磁性金属層と非強磁性金属層の界面の少
なくとも一部において、エピタキシャル成長が生じてい
る多層膜を用いると、さらに高感度の磁気抵抗効果素子
が得られる。また、強磁性金属層の少なくとも一部と非
強磁性金属層の少なくとも一部の格子定数の差を５％以
下にすることにより、上記エピタキシャル成長を容易に
起こさせることができる。さらに、磁気抵抗効果を有す
る多層膜の膜厚を１１．５〜１００ｎｍにすることによ
り、エレクトロマイグレ−ションを起こしにくく、高い
センス電流を流せる磁気抵抗効果素子が得られる。さら
に、多層膜の膜厚を１１．５〜５０ｎｍにすると、さら
に高いセンス電流を流すことができる。また、上記磁気
抵抗効果素子を用いることにより、高感度磁気ヘッドが
得られる。また、上記磁気ヘッドを磁気記録再生装置に
用いることにより、高性能磁気記録再生装置が得られる
。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の一実施例を挙げ、図表を参照
しながらさらに具体的に説明する。

【００１０】（実施例１）多層磁気抵抗効果膜の作製に
は真空蒸着法を用いた。到達真空度は、１／１０８Ｐａ
、膜形成速度は、０．２〜０．６ｎｍ／ｓである。膜形
成時には、膜面と平行に２５０Ｏｅの磁界を印加した。基板にはコ−ニング社製７０５９ガラスを用いた。形成した多層磁気抵抗効果膜の断面構造を図１に示す。

【００１１】本実施例では、Ｃｏ（１．５ｎｍ）／Ｃｕ
（３．５ｎｍ）を３０周期積層した。すなわち、強磁性
層１１としてＣｏ、非強磁性層１２としてＣｕを用いた
。また、上記多層磁気抵抗効果膜と基板との間には、膜
厚５ｎｍのＦｅ層を形成した。Ｆｅ層は、上記多層磁気
抵抗効果膜の磁気抵抗効果を高めるための、バッファ層
である。Ｆｅ層は磁性層であり、異方性的磁気抵抗効果
を示すが、上記異方性的磁気抵抗効果は小さく、多層構
造に起因する磁気抵抗効果を測定することに対する影響
が小さい。この点においてＦｅ層を用いることは好まし
い。また、多層構造に起因する磁気抵抗効果を測定する
ことに対する影響を全くなくす点では、非強磁性金属層
を用いることが好ましい。非強磁性金属のバッファ層と
しては、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖが有効である。

【００１２】室温で、多層膜の磁化困難方向に外部磁界
を印加した時の磁気抵抗効果の測定結果を図２に示す。磁気抵抗変化率は９％であった。この磁気抵抗変化率は
、現在の実用材料であるパ−マロイの３％よりも大きい
。また、Ｆｅバッファ層を使用しない場合の磁気抵抗変
化率は、６％であった。また、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖの
バッファ層を使用した場合の、磁気抵抗変化率は、それ
ぞれ、８％、７．５％、８％、７％であった。以上のよ
うに、磁気抵抗効果素子に用いる多層磁気抵抗効果膜の
下部には、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖからなる金属層
を形成することが好ましい（言い替えれば、磁気抵抗効
果素子における多層磁気抵抗効果膜の少なくとも、一部
を金属層上に形成することが好ましい）。以上のバッフ
ァ層は、多層磁気抵抗効果膜と基板が接触することによ
り生じる多層磁気抵抗効果膜内の応力の低減、あるいは
、多層磁気抵抗効果膜の結晶性の向上、多層磁気抵抗効
果膜の結晶配向性の向上などの効果があるため、多層磁
気抵抗効果膜の磁気抵抗変化率を増加させるものと思わ
れる。

【００１３】また、上記のＣｕ層を非強磁性金属層とし
て用いた多層磁気抵抗効果膜は、Ｂａｉｂｉｃｈらによ
る、フィジカル・レビュ−・レタ−ズ（Ｐｙｓｉｃａｌ
　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６１巻、第２１
号、２４７２〜２４７５ペ−ジに記載の「Ｇｉａｎｔ　
Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　（００１
）Ｆｅ／（００１）Ｃｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｕｐｅ
ｒｌａｔｔｉｃｅｓ」に記載のＦｅ／Ｃｒ多層膜よりも
、電気抵抗の変化に要する磁界が低い。電気抵抗の変化
に要する磁界を低くすることは、磁気抵抗効果素子の感
度を高くするためには、非常に重要である。この点から
、非強磁性層としては、Ｃｒのような反強磁性材料を用
いるよりも、磁気抵抗効果素子を使用する温度において
常磁性である材料を用いることが好ましい。常磁性材料
としては、室温で常磁性のＡ１２型結晶構造のＭｎ、あ
るいは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕが好ましい。

【００１４】上記のような多層膜では、以下に述べるよ
うな機構で磁気抵抗効果が生じる。多層磁気抵抗効果膜
は、図１のように、多層膜は、強磁性金属層と非強磁性
金属層が交互に積層されている。図３は、多層膜の平面
図であり、奇数層目の強磁性金属層の磁化の向き２１と
偶数層目の強磁性金属層の磁化の向き２２を示してある
（但し、ここでの奇数、偶数は強磁性金属層のみを数え
た場合のものである）。まず、高い磁界を負の方向に印
加すると、強磁性金属層は磁気飽和する。この状態を図
３（ａ）に示す。この時、奇数層目の強磁性金属層の磁
化２１と偶数層目の強磁性金属層の磁化２２は同じ向き
である。この状態では、例えば、強磁性金属層１１に存
在する電子は、非強磁性金属層１２を通過し、他の強磁
性金属層１１に入射する時、あまり散乱されず、従って
電気抵抗が低い。この状態から、磁界を零にすると、図
３（ｂ）のように、磁化の向きが変化する。さらに正の
向きに印加すると、図３（ｃ）のように、約１６０Ｏｅ
で、磁化の向きが反平行になる。この状態では、例えば
、強磁性金属層１１に存在する電子は、非強磁性金属層
１２を通過し、他の強磁性金属層１１に入射する時、散
乱され、従って電気抵抗が高い。さらに磁界が高くなる
と、図３（ｄ）の状態を経て、図３（ｅ）のように、磁
化の向きが再び平行になり、電気抵抗が減少する。

【００１５】以上述べたように、強磁性金属層と非強磁
性金属層を積層した多層膜において、高い磁気抵抗効果
が得られる。このため、上記多層磁気抵抗効果膜を用い
ることにより、高感度の磁気抵抗効果素子を作製するこ
とができる。

【００１６】なお、真空蒸着法以外の膜形成方法を用い
ても、同様の膜構造が形成できれば、本実施例と同様の
結果を得ることができる。

【００１７】しかし、上記の多層磁気抵抗効果膜だけで
磁気抵抗効果素子を形成したところ、微弱な磁界を印加
した時に、大きな出力が得られなかった。これは、図２
のように、磁界が零の付近では、抵抗変化の勾配が低い
ことから当然のこととして理解できる。この問題を解決
するために、多層膜上に５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３からなる
絶縁体の層を形成し、さらにその上にＣｏ−Ｐｔ系永久
磁石層を５０ｎｍ形成した。また、上記永久磁石層は、
素子作製後、多層膜の磁化困難方向に１０ｋＯｅの磁界
を印加して着磁した。その結果、多層膜の磁化困難方向
にに６５Ｏｅ程度のバイアス磁界が印加された。

【００１８】室温で、多層膜の磁化困難方向に外部磁界
を印加した時の磁気抵抗効果の測定結果を図４に示す。この図では、磁界が負から正の向きに変化した時の抵抗
変化のみ示してある。同図のように、抵抗変化を示す曲
線２３は磁界方向にシフトし、磁界が零の付近で、抵抗
変化の勾配が大きくなっている。また、この状態では、
磁界が負の向きに変化した時には、電気抵抗が減少し、
磁界が正の向きに変化した時には、電気抵抗が増加する
ことになる。従って、磁界の向きの正負を容易に判断で
きる。

【００１９】上記バイアスを印加した多層膜を用いて磁
気抵抗効果素子を作製したところ、微弱な磁界において
も、大きな出力が得られた。以上述べたように、多層磁
気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子において、外部
磁界が零近傍の領域における感度が不足している場合は
、磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加し、高感度磁
界領域で磁気抵抗効果素子を使用できるようにすること
が必要である。

【００２０】さて、本発明の多層磁気抵抗効果膜を用い
た磁気抵抗効果素子では、各強磁性金属層が磁気的な相
互作用で結合している。しかし、各強磁性金属層間には
非強磁性金属が存在しているため、上記の磁気的な相互
作用は交換相互作用よりも弱い。この点は、一層のパ−
マロイ層で強磁性金属層が形成されている今までの磁気
抵抗効果素子とは全く異なる。このため、バイアス磁界
の印加に関して、今までのパ−マロイを用いた磁気抵抗
効果素子とは、本質的に異なる状況が生じる。本発明の
多層磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子では、各
強磁性金属層にできるかぎり均一なバイアス磁界を印加
することが好ましい。本実施例のように、５０ｎｍ以上
の非磁性層を介して永久磁石層を形成すると、比較的均
一な永久磁石からの漏れ磁界が多層磁気抵抗効果膜に印
加される。この点で、本実施零の要な永久磁石方式は、
多層磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子における
バイアス印加方式として好ましい。しかし、反面、多層
磁気抵抗効果膜と永久磁石層の間に厚い非磁性層を形成
しなくてはならないため、素子全体が厚くなり、素子の
上下に形成する２枚のシ−ルドの間隔を狭くできない。このため、磁気抵抗効果素子の分解能を高くすることに
対しては若干の問題がある。

【００２１】ところで、一般のパ−マロイ磁気抵抗効果
素子で知られているシャントバイアス方式、ソフトバイ
アス方式、相互バイアス方式などを用いても、バイアス
磁界を印加することが可能である。

【００２２】シャントバイアス方式は、多層磁気抵抗効
果膜上に直接、非磁性金属層を形成し、非磁性金属に分
流した電流により生じる誘導電流によりバイアス磁界を
発生させる方法である。この方法は、多層磁気抵抗効果
膜上に直接、非磁性金属層を形成するため、非常に簡便
に素子を形成することができるという、プロセス上の大
きな利点がある。しかし、非磁性金属層に流れる電流に
対しては、磁界による電気抵抗の変化は生じず、素子全
体の磁気抵抗変化率が減少するという欠点がある。また
、非磁性金属層に接している強磁性金属層には大きなバ
イアス磁界が印加されるが、接していない強磁性金属層
に印加されるバイアス磁界は比較的小さいという問題が
ある。

【００２３】上記のシャントバイアス方式の欠点を解決
するために、多層磁気抵抗効果膜上に非磁性絶縁層を形
成し、さらにその上に非磁性金属層を形成した。上記、
非磁性金属層に電流を流すことにより、バイアス磁界を
発生した。この方法によると、上記シャントバイアス方
式よりも均一な磁界を多層磁気抵抗効果膜に印加するこ
とができる。

【００２４】多層磁気抵抗効果膜に比較的均一なバイア
ス磁界を印加するという観点から、ソフトバイアス方式
は好ましい。しかし、多層磁気抵抗効果膜上に非磁性絶
縁層を形成する必要があるため、素子全体が厚くなる可
能性がある。

【００２５】相互バイアス方式も、多層磁気抵抗効果膜
に比較的均一なバイアス磁界を印加するという観点から
、ソフトバイアス方式と同様に好ましい。また、２個の
多層磁気抵抗効果膜を用いるため、２個とも素子として
使用することにより、２倍の出力を得たり、差動型素子
とすることも可能である。しかし、素子全体の構造が複
雑になるという問題がある。

【００２６】また、以上述べた、ソフトバイアス方式、
シャントバイアス方式、相互バイアス方式、永久磁石方
式、電流による誘導磁界による方式から選ばれる２種類
以上の方式を併用することも可能である。

【００２７】また、本実施例では、多層膜の磁化困難方
向の磁界を検出した場合を示したが、多層膜の磁化容易
方向の磁界も高感度で検出できる。但し、高周波磁界を
検出する場合は、多層膜の磁化困難方向を磁界検出方向
とした方が好ましい。これは、本発明の多層磁気抵抗効
果膜では、磁化困難方向の方が、磁化容易方向と比較し
て比透磁率が高いためである。また、多層膜の磁化困難
方向と磁界検出方向との角度の差は１０度以下が好まし
い。

【００２８】また、図４には、感度に相当する抵抗変化
曲線の傾き２４を示してある。このように、抵抗変化率
が３〜８Ｏｅの時に、ほぼ最大の傾きとなる。これを、
磁化の向きと外部磁界検出方向とのなす角度に換算する
と、３０〜７０度になる。従って、バイアス磁界は、磁
化の向きと磁界検出方向とのなす角度が３０〜７０度に
なるような大きさで印加することが好ましい。

【００２９】また、図１に示すような磁気抵抗変化にヒ
ステリシスが生じる場合、多層磁気抵抗効果膜に高い磁
界を印加し、磁化状態をイニシャライズできる機構を付
加することが好ましい。

【００３０】また、多層磁気抵抗効果膜を２個用いた磁
気抵抗効果素子を形成すると再生出力が２倍となる磁気
抵抗効果素子が得られる。

【００３１】また、強磁性金属層、非強磁性金属層の材
料を変化させても、図３のような磁化過程が得られれば
、上述と同様の結果が得られる。本発明者らは、Ｃｏ／
Ｍｎ、Ｎｉ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃｕ多層膜でも上述と同様の
結果を得ている。上記の中では、特にＣｏ／Ｍｎ多層膜
が優れた特性を示した。

【００３２】（実施例２）実施例１と同様の方法で、多
層磁気抵抗効果膜を形成した。図１における、強磁性金
属層１１としては、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金
属層１２としては、膜厚２ｎｍのＣｕを用いた。また、
上記多層磁気抵抗効果膜と基板との間には、膜厚５ｎｍ
のＦｅ層を形成した。

【００３３】室温で、多層磁気抵抗効果膜の磁化困難方
向に外部磁界を印加した時の磁気抵抗効果の測定結果を
図５に示す。磁気抵抗変化率は１８％であった。

【００３４】上記多層磁気抵抗効果膜を用いて磁気抵抗
効果素子を作製した。磁気抵抗効果素子の構造を図６に
示す。磁気抵抗効果素子は、図６にように、シ−ルド層
２５および２６、多層磁気抵抗効果膜２７、電極２８よ
りなる。この磁気抵抗効果素子にはバイアス磁界印加機
構は備わっていない。シ−ルド層２５、２６には、膜厚
１μｍのパ−マロイ合金層を用いた。電極２８には、膜
厚１００ｎｍのＣｕ層を用いた。各層間のギャップ材と
しては、Ａｌ２Ｏ３を用いた。ギャップ層の膜厚は、１
００ｎｍとした。

【００３５】図５のように、上記磁気抵抗効果膜は、外
部磁界が零の近傍においても電気抵抗変化の勾配が大き
い。従って、このような磁気抵抗効果膜を使用すると、
バイアス磁界印加機構は必要ない。バイアス磁界印加機
構がない場合、バイアス磁界印加機構を有する場合と比
較して、２枚のシ−ルド層の間隔を狭くすることができ
る。このため、分解能の高い磁気抵抗効果素子が得られ
るという利点がある。しかしながら、上記のように、外
部磁界が零の近傍においても電気抵抗変化の勾配を大き
くするためには、非強磁性金属層の１層当りの膜厚を制
御する必要がある。図５において、磁界が零の時の磁気
抵抗変化率は１１％である。この値は、この素子におけ
る最大の磁気抵抗変化率（１８％）の０．６倍に相当す
る。上記の、磁界が零の時の磁気抵抗変化率が、その素
子の最大の磁気抵抗変化率の０．３〜０．９倍に相当す
る時に、比較的、外部磁界が零の近傍においても電気抵
抗変化の勾配が大きいことがわかった。非強磁性金属層
の１層当りの膜厚と（磁界が零の時の磁気抵抗変化率／
素子における最大の磁気抵抗変化率）との関係を図７に
示す。この図のように、非強磁性金属層の１層当りの膜
厚が１．５〜２．５ｎｍの時に、（磁界が零の時の磁気
抵抗変化率／素子における最大の磁気抵抗変化率）の値
が０．３〜０．９になる。従って、バイアスを印加する
必要のない磁気抵抗効果素子を得るためには、非強磁性
金属層の１層当りの膜厚を１．５〜２．５ｎｍとするこ
とが好ましい。

【００３６】また、本実施例では、多層膜の磁化困難方
向の磁界を検出した場合を示したが、多層膜の磁化容易
方向の磁界も高感度で検出できる。但し、高周波磁界を
検出する場合は、多層膜の磁化困難方向を磁界検出方向
とした方が好ましい。これは、本発明の多層磁気抵抗効
果膜では、磁化困難方向の方が、磁化容易方向と比較し
て比透磁率が高いためである。また、多層膜の磁化困難
方向と磁界検出方向との角度の差は１０度以下が好まし
い。

【００３７】また、磁化の向きと磁界検出方向とのなす
角度が３０〜７０度になっている状態を有する多層磁気
抵抗効果膜とすることが好ましい。

【００３８】また、図５に示すように、多層磁気抵抗効
果膜の磁気抵抗変化にヒステリシスが生じる場合、多層
磁気抵抗効果膜に高い磁界を印加し、磁化状態をイニシ
ャライズする機構を付加することが好ましい。

【００３９】また、強磁性金属層、非強磁性金属層の材
料を変化させても、図５のような磁化過程が得られれば
、本実施例と同様の結果が得られる。本発明者らは、Ｃ
ｏ／Ｍｎ、Ｎｉ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃｕ多層膜でも上述と同
様の結果を得ている。上記の中では、特にＣｏ／Ｍｎ多
層膜が優れた特性を示した。

【００４０】（実施例３）実施例２の多層磁気抵抗効果
膜は、図５のように、磁界が零より高い時と低い時では
、磁気抵抗変化曲線の曲率が異なる。従って、このまま
使用すると、磁気抵抗効果素子の出力波形に歪が生じる
ことになる。そこで、本実施例では、実施例２と同様の
多層磁気抵抗効果膜を２個使用した磁気抵抗効果素子を
作製した。上記２個の磁気抵抗効果膜のうち、１個は負
の大きな磁界を印加し、他の磁気抵抗効果膜は正の大き
な磁界を印加した後、使用した。従って、零から正の向
きに微小な磁界が印加されると、一方は電気抵抗が増加
し、他の一方は電気抵抗が減少する。また、零から負の
向きに微小な磁界が印加される時は、一方は電気抵抗が
減少し、他の一方は電気抵抗が増加する。このため、上
記２個の磁気抵抗効果膜の出力の差を測定すると、磁気
抵抗効果膜が１個の場合と比較して、出力はほぼ２倍に
なる。

【００４１】また、図５のように、左右２個の磁気抵抗
変化曲線の形状は、磁界零を基準にして対称である。従
って、上記のように、２個の磁気抵抗効果膜の出力の差
を測定すると、磁界がどちらの向きに変化しても、磁界
変化量が同じならば、出力は同じ値になる。すなわち、
磁気抵抗効果素子の出力波形に歪は生じない。

【００４２】以上述べたように、２個の磁気抵抗効果膜
を使用し、その出力の差を出力する構成の磁気抵抗効果
素子を形成した。その結果、磁気抵抗効果膜が１個の場
合と比較して、出力がほぼ２倍になり、かつ再生波形に
歪を生じない磁気抵抗効果素子を得ることができた。

【００４３】（実施例４）実施例１と同様の方法で、多
層磁気抵抗効果膜を形成した。図１における、強磁性金
属層１１としては、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金
属層１２としては、膜厚２ｎｍの各種金属を用いた。非
強磁性金属層１２の材料による磁気抵抗変化率の変化を
表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】この表にみられるように、非強磁性金属層
の材料により、磁気抵抗変化率は大きく変化する。この
原因について調べるために、多層膜断面の透過型電子顕
微鏡観察を行った。その結果、非強磁性金属層としてＣ
ｕを用いた場合についてのみ、非強磁性金属層とＣｏ層
の間で、明瞭なエピタキシャル成長が認められた（Ｃｏ
層が薄いため、Ｃｏは面心立方構造になっていることが
わかった）。エピタキシャル成長と磁気抵抗変化率との
関係は、以下のように考えられる。

【００４６】強磁性金属層と非強磁性金属層の界面でエ
ピタキシャル成長が生じないと、界面での原子の配列が
不連続になり、格子欠陥を生じる。電子は、結晶の欠陥
が存在すると、そこで散乱される。この散乱は抵抗を増
加させる。この抵抗は、強磁性金属層の磁化の向きには
依存しない。従って、欠陥が多いと、磁化の向きに関係
なく、常時、電気抵抗が高くなり、磁化の向きによる抵
抗の変化が、相対的に小さくなる。このため、磁気抵抗
効果が小さく観測されるようになる。表３のように、Ａ
ｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈなどは格子不整合（ここで
格子不整合は、非強磁性金属層の格子定数と強磁性金属
層の格子定数の差を強磁性金属層の格子定数で除した値
と定義する）が大きく、このため、エピタキシャル成長
しない。これに対し、ＣｏとＣｕの格子定数の違いは１
．９％程度である。このため、強磁性金属層と非強磁性
金属層の界面でエピタキシャル成長が起こり、強磁性金
属層に欠陥が生じにくい。欠陥による散乱がない場合は
、磁化の向きによる抵抗変化が効率良く観測されるもの
と考えられる。

【００４７】また、上記の機構とは別に、界面の局所的
な磁化の向きも、格子欠陥により影響を受けると考えら
れ、エピタキシャル成長が生じ、欠陥の少ないことは、
この点でも高い磁気抵抗効果を得るのに有利である。

【００４８】以上、述べたように、非強磁性金属層と強
磁性金属層の界面の少なくとも一部で、エピタキシャル
成長を起こさせることは、高磁気抵抗効果を得るのに対
して好ましい。

【００４９】また、上記のエピタキシャル成長による特
性向上は、実施例１に示したようなバイアス磁界印加機
構を有する磁気抵抗効果素子、および、実施例２に示し
たようなバイアス磁界印加機構を持たない磁気抵抗効果
素子のどちらでも観測される。

【００５０】（実施例５）実施例１と同様の方法で、多
層磁気抵抗効果膜を形成した。図１における、強磁性金
属層１１としては、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金
属層１２としては、膜厚２ｎｍのＣｕ−Ａｕ系合金を用
いた。Ｃｕの格子定数を変化させるために、Ａｕを添加
した。Ｃｕ−Ａｕ系合金とＣｏの格子不整合と磁気抵抗
変化率との関係を図８に示す。この図のように、格子不
整合が小さい方が磁気抵抗変化率が大きい。１５％以上
の磁気抵抗変化率を得るためには、格子不整合を５％以
下にすることが要求される。これは、格子不整合が５％
より大きくなると、エピタキシャル成長しにくくなるた
めと思われる。

【００５１】また、上記のエピタキシャル成長による特
性向上は、実施例１に示したようなバイアス磁界印加機
構を有する磁気抵抗効果素子、および、実施例２に示し
たようなバイアス磁界印加機構を持たない磁気抵抗効果
素子のどちらでも観測される。

【００５２】（実施例６）実施例１と同様の方法で、多
層磁気抵抗効果膜を形成した。図１における、強磁性金
属層１１としては、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金
属層１２としては、膜厚２ｎｍのＣｕを用いた。多層磁
気抵抗効果膜を作製する時の基板温度を変化させること
により、各層間の相互拡散量を変化させた。相互拡散量
は、多層磁気抵抗効果膜全体の飽和磁束密度の変化より
算出した。

【００５３】相互拡散量と最大の磁気抵抗変化率との関
係を図９に示す。この図のように、拡散量が増加すると
、急激に最大の磁気抵抗変化率が減少する。従って、相
互拡散量は、０．３ｎｍ以下が好ましい。

【００５４】（実施例７）実施例１と同様の方法で、多
層磁気抵抗効果膜を形成した。図１における、強磁性金
属層１１としては、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金
属層１２としては、膜厚１ｎｍのＣｕを用いた。

【００５５】上記の多層膜を用いた磁気抵抗効果素子に
センス電流を流すと、センス電流の大きさに伴い、磁気
抵抗効果素子の出力が増加する。しかし、ある電流密度
以上の電流を流すと、素子が破断する。これは、ジュ−
ル熱により磁気抵抗効果素子が加熱され、エレクトロマ
イグレ−ションが起きやすくなったためである。図１０
に、多層膜の膜厚と素子に流すことのできる最大の電流
密度との関係を示す。この図のように、多層磁気抵抗効
果膜の膜厚が減少するに従い、流すことのできる電流密
度が増加する。これは、膜厚が薄くなると、多層磁気抵
抗効果膜の熱が他の部分に逃げやすくなるためである。２×１０１０Ａ／ｍ以上の電流を流すためには、膜厚を
１００ｎｍ以下にする必要がある。また、４×１０１０
Ａ／ｍ以上の電流を流すためには、膜厚を５０ｎｍ以下
にする必要がある。

【００５６】また、素子として充分な磁気抵抗効果を得
るためには、強磁性金属層は最低限５層必要なことが明
らかになったため、多層磁気抵抗効果膜の膜厚は１１．
５ｎｍ以上が好ましい。

【００５７】多層膜の膜厚と電流密度との関係は、強磁
性金属層、非強磁性金属層の種類が異なっても、上記と
ほぼ同様の傾向を示す。

【００５８】（実施例８）図１１に示す断面構造の３種
の磁気抵抗効果素子を作製した。多層磁気抵抗効果膜の
構造は、図１と同様である。強磁性金属層１１としては
、膜厚１．５ｎｍのＣｏ、非強磁性金属層１２としては
、膜厚２ｎｍのＣｕを用いた。積層数は、１５周期であ
る。

【００５９】それぞれの素子における最大の磁気抵抗変
化率は、（ａ）は１２％、（ｂ）は１３％、（ｃ）は１
５％であった。素子により、最大の磁気抵抗変化率が異
なるのは、それぞれの素子における電流の流れ方に違い
があるためと考えられる。すなわち、（ａ）の構造では
、電流が比較的、多層膜の上部を流れるのに対し、（ｂ
）では多層膜全体に、（ｃ）では多層膜の下部に流れや
すい。多層膜の周期構造は、多層膜の下部では、比較的
完全であり、上部になるに従い、周期構造が乱れやすい
。従って、高い磁気抵抗効果を得るためには、電流を多
層膜の下部に流れるような構造にすることが好ましい。図１０において、（ｂ）、（ｃ）に示す構造では、多層
膜の少なくとも一部が金属層上に形成されている。電流を多層膜の下部に流れるような構造にするためには
、多層膜の少なくとも一部を金属層上に形成する素子作
製方法が比較的容易と考えられる。しかし、（ａ）の構
造は、（ｂ）、（ｃ）と比較して、構造が単純であり、
プロセス上好ましいという利点がある。

【００６０】また、磁気抵抗効果素子の磁界検出領域の
幅は、電極の間隔で規定することがプロセス上容易であ
り、好ましい。

【００６１】（実施例９）本発明の磁気抵抗効果素子を
用い、磁気ヘッドを作製した。磁気ヘッドの構造を以下
に示す。図１２は、記録再生分離型ヘッドの一部分を切
断した場合の斜視図である。多層磁気抵抗効果膜を用い
た磁気抵抗効果素子４１をシ−ルド層４２，４３で挾ん
だ部分が再生ヘッドとして働き、コイル４４を挾む２つ
の記録磁極４５，４６の部分が記録ヘッドとして働く。磁気抵抗効果素子４１は実施例１に記載の多層磁気抵抗
効果膜からなる。また、バイアス磁界印加のため、多層
磁気抵抗効果膜上にＮｂからなる導体層４８を形成した
。以下にこのヘッドの作製方法を示す。

【００６２】Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＣを主成分とする焼結体
をスライダ用の基体４７とした。シ−ルド層、記録磁極
にはスパッタリング法で形成したＮｉ−Ｆｅ合金を用い
た。各磁性膜の膜厚は、以下のようにした。上下のシ−
ルド層４２，４３は１．０μｍ、記録磁極４５，４６は
３．０μｍ、多層磁気抵抗効果膜全体の膜厚は１００ｎ
ｍとした。各層間のギャップ材としてはスパッタリング
で形成したＡｌ２Ｏ３を用いた。ギャップ層の膜厚は、
シ−ルド層と磁気抵抗効果素子間で０．２μｍ、記録磁
極間では０．４μｍとした。さらに再生ヘッドと記録ヘ
ッドの間隔は約４μｍとし、このギャップもＡｌ２Ｏ３
で形成した。コイル４４には膜厚３μｍのＣｕを使用し
た。

【００６３】以上述べた構造の磁気ヘッドで記録再生を
行ったところ、高い再生出力を得た。これは、本発明の
磁気ヘッドに高磁気抵抗効果を示す多層膜を用い、適切
なバイアス磁界を印加したためと考えられる。

【００６４】なお、磁気ヘッドとしては、高周波特性の
優れていることが必要であり、このためには、多層膜の
磁化困難方向を磁気記録媒体面に垂直にすることが好ま
しい。

【００６５】上記実施例ではバイアス法としてはシャン
トバイアス法を用いた場合を示したが、電流バイアス法
、永久磁石法、ソフトバイアス法、相互バイアス法など
別のバイアス法を使用しても同様な効果が得られる。

【００６６】また、実施例２〜３で述べた磁気抵抗効果
素子を用いると、バイアス印加方法の必要がなく、高い
出力を示す磁気ヘッドを得ることができる。

【００６７】ところで、磁気ヘッドが記録および再生能
力を同時に有している場合、基板に近い部分に記録用の
素子を形成すると、記録用素子の上部では、コイル、磁
極などの形成のために、大きな段差が生じる。この上に
、多層磁気抵抗効果膜を形成すると、段差の影響で多層
構造が乱れ、好ましくない。これに対し、図１２のよう
に、基板に近い部分に再生用の磁気抵抗効果素子を形成
すると、比較的段差の少ない部分に磁気抵抗効果素子が
形成されるため、多層構造の乱れが生じにくい。これは
、パ−マロイ単層膜を用いた磁気抵抗効果素子とは本質
的に異なる現象である。

【００６８】以上の観点から、磁気ヘッドが記録および
再生能力を同時に有している場合、基板に近い部分に再
生用の磁気抵抗効果素子を形成することが好ましい。

【００６９】また、同じ観点から、記録用の素子と、再
生用の磁気抵抗効果素子を同じ基板における他の場所に
形成すると、段差の少ない部分に磁気抵抗効果素子を形
成できる。

【００７０】また、さらに、上記磁気ヘッドを磁気記録
再生装置に用いることにより、高性能磁気記録再生装置
が得られる。

【００７１】

【発明の効果】上述のように、強磁性金属層と非強磁性
金属層を積層した多層構造に起因する磁気抵抗効果を有
する多層膜を用いた磁気抵抗効果素子において、磁気抵
抗効果素子にバイアス磁界を印加することにより、外部
磁界の向き（正負）を判断できる高感度の磁気抵抗効果
素子が得られる。また、バイアス磁界の印加方法として
、シャントバイアス方式、電流による誘導磁界方式、永
久磁石方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式の
中から選ばれる１種の方式、あるいはこれらの２種以上
を併用した方式が使用できる。また、非強磁性金属層の
膜厚を制限することにより、バイアス磁界なしでも多層
膜を磁界センサに用いることができる。また、バイアス
磁界を印加しない状態での多層膜の磁化容易方向と外部
磁界の検出方向とのなす角度をほぼ直角にすることによ
り、高周波特性の優れた磁気抵抗効果素子が得られる。また、バイアス磁界を印加した状態での多層膜の磁化の
方向と外部磁界の検出方向とのなす角度を３０〜７０度
にすることにより、さらに高感度の磁気抵抗効果素子が
得られる。さらに、強磁性金属層と非強磁性金属層の界
面の少なくとも一部において、エピタキシャル成長が生
じている多層膜を用いると、さらに高感度の磁気抵抗効
果素子が得られる。また、強磁性金属層の少なくとも一
部と非強磁性金属層の少なくとも一部の格子定数の差を
５％以下にすることにより、上記エピタキシャル成長を
容易に起こさせることができる。さらに、磁気抵抗効果
を有する多層膜の膜厚を１１．５〜１００ｎｍにするこ
とにより、エレクトロマイグレ−ションを起こしにくく
、高いセンス電流を流せる磁気抵抗効果素子が得られる
。さらに、多層膜の膜厚を１１．５〜５０ｎｍにすると
、さらに高いセンス電流を流すことができる。また、上
記磁気抵抗効果素子を用いることにより、高感度磁気ヘ
ッドが得られる。また、上記磁気ヘッドを磁気記録再生
装置に用いることにより、高性能磁気記録再生装置が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多層磁気抵抗効果膜の断面図。

【図２】多層磁気抵抗効果膜の磁気抵抗効果を示すグラ
フ図。

【図３】多層磁気抵抗効果膜の磁化過程を示す概念図。

【図４】本発明のバイアス磁界を印加した多層磁気抵抗
効果膜の磁気抵抗効果を示すグラフ図。

【図５】多層磁気抵抗効果膜の磁気抵抗効果を示すグラ
フ図。

【図６】本発明のバイアス磁界を必要としない磁気抵抗
効果素子の構造を示す斜視図。

【図７】非強磁性金属の１層当りの膜厚と（磁界が零に
おける磁気抵抗変化率／素子における最大の磁気抵抗変
化率）との関係を示すグラフ図。

【図８】本発明の多層磁気抵抗効果膜における強磁性金
属層と非強磁性金属層の格子不整合と磁気抵抗変化率と
の関係を示すグラフ図。

【図９】相互拡散による磁気抵抗効果の低下を示すグラ
フ図。

【図１０】本発明の多層磁気抵抗効果膜の膜厚と流すこ
とのできる最大の電流密度との関係を示すグラフ図。

【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子の構造を示す断面
図。

【図１２】本発明の磁気ヘッドの構造の一例を示す斜視
図

【符号の説明】

１１．強磁性金属層１２．非強磁性金属層２１．奇数層目の強磁性金属層の磁化の向き２２．偶数
層目の強磁性金属層の磁化の向き２３．抵抗変化を示す
曲線２４．抵抗変化曲線の傾き２５，２６．シ−ルド層２７．多層磁気抵抗効果膜２８．電極３５．多層磁気抵抗効果膜３６．電極３７．基板３８．絶縁体４１．磁気抵抗効果素子４２，４３．シ−ルド層４４．コイル４５，４６．記録磁極４７．基体４８．導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性金属層と非強磁性金属層を積層した
多層膜を用いた磁気抵抗効果素子において、上記多層膜
が多層構造に起因する磁気抵抗効果を有することを特徴
とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】請求項１に記載の磁気抵抗効果素子におい
て、磁気抵抗効果素子がバイアス磁界印加機構を有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】請求項２に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法が電流による誘導磁界である
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】請求項３に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法がシャントバイアス方式であ
ることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】請求項２に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法が永久磁石方式であることを
特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】請求項２に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法がソフトバイアス方式である
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】請求項２に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法が相互バイアス方式であるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】請求項２に記載の磁気抵抗効果素子に対す
るバイアス磁界の印加方法が、シャントバイアス方式、
電流による誘導磁界方式、永久磁石方式、ソフトバイア
ス方式、相互バイアス方式の中から選ばれる２種以上を
併用した方式であることを特徴とする磁気抵抗効果素子
。
【請求項９】バイアス磁界印加機構を有さないことを特
徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】請求項９に記載の磁気抵抗効果素子にお
いて、非強磁性金属層の１層当りの厚さが１．５〜２．
５ｎｍであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】請求項２から１０のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果素子が２個
存在し、上記２個の磁気抵抗効果素子の電圧の差を出力
することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】請求項２から８のうちいずれか、または
請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子において、バイア
ス磁界を印加しない状態での多層磁気抵抗効果膜の磁化
容易方向と外部磁界の検出方向とのなす角度がほぼ直角
であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子に
おいて、バイアス磁界を印加し、外部磁界を検出してい
ない状態での、多層磁気抵抗効果膜の磁化の方向と外部
磁界の検出方向とのなす角度が３０〜７０度であること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】請求項９または１０に記載の磁気抵抗効
果素子において、多層磁気抵抗効果膜の磁化容易方向と
外部磁界の検出方向とのなす角度がほぼ直角であること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】請求項１４に記載の磁気抵抗効果素子に
おいて、外部磁界を検出していない状態での多層磁気抵
抗効果膜の磁化の方向と外部磁界の検出方向とのなす角
度が３０〜７０度であることを特徴とする磁気抵抗効果
素子。
【請求項１６】請求項１から１５のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子において、強磁性金属層と非強磁性
金属層の界面の少なくとも一部において、エピタキシャ
ル成長が生じていることを特徴とする磁気抵抗効果素子
。
【請求項１７】請求項１６に記載の磁気抵抗効果素子に
おいて、強磁性金属層の少なくとも一部と非強磁性金属
層の少なくとも一部の格子定数の差が５％以下であるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】請求項１から１７のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子において、強磁性金属層と非強磁性
金属層との間の相互拡散層が０．３ｎｍ以下であること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】請求項１から１８のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗効果を有する多
層膜の膜厚が１１．５〜１００ｎｍであることを特徴と
する磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】請求項１９に記載の磁気抵抗効果素子に
おいて、磁気抵抗効果を有する多層膜の膜厚が１１．５
〜５０ｎｍであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】請求項１から２０のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子における多層磁気抵抗効果膜の少な
くとも一部が金属層上に形成されていることを特徴とす
る磁気抵抗効果素子。
【請求項２２】請求項１から２１のうちいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子を少なくとも一部に用いた磁気ヘッ
ド。
【請求項２３】請求項２２に記載の磁気ヘッドにおいて
、上記磁気ヘッドが記録および再生能力を同時に有し、
基板に近い部分に再生用の磁気抵抗効果素子が形成され
ていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２４】請求項２２に記載の磁気ヘッドにおいて
、上記磁気ヘッドが記録および再生能力を同時に有し、
基板および再生用の磁気抵抗効果素子および記録用素子
が同一直線上に形成されていないことを特徴とする磁気
ヘッド。
【請求項２５】請求項２２から２４のうちいずれかに記
載の磁気ヘッドを少なくとも一部に用いた磁気記録再生
装置。