JPH05259530A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

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JPH05259530A
JPH05259530A JP4054934A JP5493492A JPH05259530A JP H05259530 A JPH05259530 A JP H05259530A JP 4054934 A JP4054934 A JP 4054934A JP 5493492 A JP5493492 A JP 5493492A JP H05259530 A JPH05259530 A JP H05259530A
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博 榊間
Mitsuo Satomi
三男 里見
Hiroshi Takeuchi
寛 竹内
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属人工格子膜の特性を生かした構成によ
り、室温・低印加磁界で大きな磁気抵抗効果を示す磁気
抵抗効果素子を得る。 【構成】 厚さ5〜50Åの金属磁性薄膜層と厚さ5〜50Å
の金属非磁性薄膜層とを積層した構造からなる金属人工
格子膜をパタ−ニングし、該金属人工格子膜を流れる電
流方向と感知すべき磁界方向が平行となるように構成し
たことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 【効果】 室温でかつ実用的な印加磁界で大きな磁気抵
抗効果を示し、特性のばらつきが小さく、又軟磁気特性
とＭＲ特性のバランスのとれた磁気抵抗効果素子が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気抵抗センサ−、磁気
抵抗ヘッド等の磁気抵抗素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より磁気抵抗素子を用いた磁気抵抗
センサ−（以下ＭＲセンサ−という）、磁気抵抗ヘッド
（以下ＭＲヘッドという）の開発が進められており、磁
性体には主にNi0.8Fe0.2のパ−マロイやNi0.8Co0.2合金
膜が用いられている。これら磁気抵抗効果材料の場合は
磁気抵抗変化率（以下△Ｒ／Ｒと記す）が2.5％程度で
あり、実際のセンサ−やヘッドとして用いられる場合は
通常（図１ｂ）に示したように磁気抵抗効果材料をパタ
−ニングして、磁気抵抗効果材料に流す電流の方向と感
知すべき磁界の方向がほぼ直角となるように素子を構成
している。この理由は上記の電流方向と磁界方向が平行
な場合は上記の従来の磁気抵抗効果材料では磁気抵抗変
化率（△Ｒ／Ｒ）がほとんど生じないためである。より
高感度な磁気抵抗素子を得るためにより△Ｒ／Ｒの大き
なものが求められており、近年Cr,Ru等の金属非磁性薄
膜を介して反強磁性的結合をしている[Fe/Cr],[Co/Ru]
人工格子膜で巨大磁気抵抗効果が得られることが発見さ
れた（Physical Review LetterVol.61, p2472, 1988;
同 Vol.64, p2304,1990）。又金属非磁性薄膜Cuで分離
され磁気的結合をしていない磁性薄膜Ni-FeとCoを用い
た[Ni-Fe/Cu/Co]人工格子膜でも巨大磁気抵抗効果が発
見され、室温印加磁界3kOeで△Ｒ／Ｒが約10％のものが
得られている（Journal of Physical Society of Japan
Vol.59, p3061, 1990）。更にCuを介して反強磁性的結
合をしている磁性薄膜Ni-Fe-Co,Coを用いた[Ni-Fe-Co/C
u/Co],[Ni-Fe-Co/Cu]人工格子膜でも巨大磁気抵抗効果
が発見され、室温印加磁界0.5kOeで△Ｒ／Ｒが約15％の
ものが得られている（電子情報通信学会技術研究報告 M
R91-9）。しかしながらこのような金属人工格子膜をパ
タ−ニングして、従来磁気抵抗効果材料と同様に磁気抵
抗効果材料に流す電流の方向と感知すべき磁界の方向が
ほぼ直角となるように素子を構成しても優れた特性の磁
気センサ−や磁気ヘッドは得られない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は金属人工格子
膜を用い、従来の磁気抵抗効果材料を用いたものとは異
なる新規な構成により、金属人工格子膜の特性を生かし
た高感度磁気抵抗素子を可能とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗素子は
（図１ａ）に示したように、パタ−ニングされた磁気抵
抗効果材料に流す電流の方向の大部分が上記外部磁界と
ほぼ平行となるように構成され、かつ上記磁気抵抗効果
材料が磁性薄膜層と金属非磁性薄膜層より成る金属人工
格子膜で構成されている。
【０００５】特に人工格子膜としては ・厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[1]と厚さ5〜50Åの金属非
磁性薄膜層[2]交互に積層した構造から成るものがよ
い。ただし磁性薄膜層[1]は主成分が
【０００６】
【数１】
【０００７】でX,X'はそれぞれ原子組成比で
【０００８】
【数２】
【０００９】で、金属非磁性薄膜層[2]はCu,Ag,Au,Pt,R
uのいずれかで、より好ましくはCuである。
【００１０】又上記のもの以外では ・厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[3]と厚さ5〜50Åの金属非
磁性薄膜層[2]を交互に積層した構造から成るものでも
よい。ただし磁性薄膜層[3]は主成分が
【００１１】
【数３】
【００１２】でY,Zはそれぞれ原子組成比で
【００１３】
【数４】
【００１４】で、金属非磁性薄膜層[2]がCu,Ag,Au,Pt,R
uのいずれかで、より好ましくはCuである。
【００１５】更に ・厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[1]と厚さ5〜50Åの磁性薄
膜層[3]とを交互に積層し、各積層磁性薄膜層間に厚さ5
〜50Åの金属非磁性薄膜層[2]を介在させた構造から成
るものでもよい。
【００１６】ここに磁性薄膜層[1]は磁歪が小さくかつ
保磁力が小さい軟磁性材料、磁性薄膜層[3]は磁性薄膜
層[1]とは別の磁歪が小さい磁性材料で、（数２）,（数
４）はこの条件を満足するのに必要な組成範囲である。
磁性薄膜層[1]としては上記の様な３元系でなくとも軟
磁性を示しかつ△Ｒ／Ｒが比較的大きなNi-FeやNi-Co系
等の２元系磁性薄膜層でもよい。
【００１７】
【作用】金属非磁性薄膜層[2]の厚さが十分薄い場合は
金属非磁性薄膜層[2]を介して磁性薄膜層が磁気的に結
合し、この磁気的結合がいわゆるＲＫＫＹ的な結合の場
合は磁性薄膜層間の結合はある金属非磁性薄膜層[2]の
厚さの時反強磁性的に結合する。反強磁性的に結合して
いる場合は伝導電子のスピン散乱が大きくなり、大きな
磁気抵抗(△Ｒ／Ｒ)が得られる。この磁性薄膜層と金属
非磁性層より成る金属人工格子膜をパタ−ニングして
（図１ａ）に示したような磁気抵抗素子を作製した場
合、磁気抵抗効果材料に流す電流の方向の大部分が上記
外部磁界とほぼ平行となるように構成することにより特
性の良好な磁気抵抗効果素子が得られる。
【００１８】
【実施例】（数１）のNi-richのNi-Co-Fe系合金はその
組成比が（数２）を満足するとき磁歪が小さく軟磁性を
示す。その代表的なものはNi0.8Co0.1Fe0.1, Ni0.8Fe
0.2,Ni0.8Co0.2等である。又更に軟磁性を改良したり耐
摩耗性及び耐食性を改良するために（数１）の組成に N
b,Mo,Cr,W,Ru等を添加しても良い。一方（数３）を満足
するCo-richのCo-Ni-Fe系合金は（数４）を満足すると
き比較的磁歪が小さくかつ半硬質磁性を示す。その代表
的なものはCo0.9Fe0.1等である。これら磁性薄膜層は組
成によっては異なるが一般的にはその厚さが5Å未満で
はキュリ−温度の低下により室温での磁化の低下等が問
題となり、又実用上磁気抵抗素子は全膜厚が数百Åで用
いられるため、本発明のように積層効果を利用するには
各磁性薄膜層を100Å以下、望ましくは50Åにする必要
がある。従ってこれら磁性薄膜層の厚さはは5〜50Åと
することが望ましい。
【００１９】磁性薄膜層[1]は軟磁気特性に優れた低磁
歪の膜であることが必要である。これは実用上弱磁界で
動作することが必要なのと、ＭＲヘッド等に用いた場合
磁歪が大きいとノイズの原因になるためである。この条
件を満足するものには上記（数１）,（数２）で示され
るNi-richのNi-Fe-Co系膜がある。又磁性薄膜層[3]も同
様の理由で磁歪が小さいことが望ましいが、磁性薄膜層
[1]とは異なる上記（数３）,（数４）で示されるCo-ric
hのCo-Ni-Fe膜を用い、これと上記の磁性薄膜層[1]とを
組み合わせて用いることにより、磁性薄膜層[1]と金属
非磁性薄膜層[2]のみより成るものより大きなΔＲ/Ｒを
示す磁気抵抗素子が得られる。又磁性薄膜層[3]と金属
非磁性薄膜層[2]のみより成る磁気抵抗効果素子も感知
すべき磁界が大きく、大きなΔＲ/Ｒを必要とする場合
は有効である。
【００２０】これらの磁性薄膜層[1]（もしくは[1]と
[3]）の間に介在させる金属薄膜層は上記（数１）から
（数４）で示された組成の磁性薄膜層[1]（もしくは[1]
と[3]）との界面での反応が少なく、かつ非磁性である
ことが必要で、Cu,Ag,Au,Pt,Ru等が適しており、現在の
ところ最も望ましいのはCuである。金属非磁性薄膜層
[2]の厚さが50Åより厚くなると金属非磁性薄膜層[2]を
介した磁性薄膜層[1]（もしくは[1]と[3]）の間の磁気
的結合が大幅に減衰してしまい、又金属非磁性薄膜層
[2]が無い場合や厚さが5Å未満となると磁性薄膜層[1]
（もしくは[1]と[3]）は互いに強磁性的に結合してしま
い大きな磁気抵抗効果は得られない。従って金属非磁性
薄膜層[2]の厚さは5〜50Åとすることが望ましい。特に
軟磁気特性と大きなΔＲ/Ｒ を必要とする場合は磁性薄
膜層[1]を用い金属非磁性薄膜層[2]の厚さは5〜15Åと
することが望ましい。
【００２１】以下具体的な実施例により本発明の効果の
説明を行う。 （実施例１）多元スパッタ装置を用いて以下に示した構
成の磁気抵抗素子をガラス基板上に作成した。ただしN
は繰り返し数で総膜厚が約2000Åとなるよう変化させ
た。 Ａ: [Ni-Co-Fe(20)/Cu(20)/Co(20)/Cu(20)]N （( )内は厚さ(Å)を表わす）なおタ−ゲットにはそれ
ぞれ直径80mmの Ni0.8Co0.1Fe0.1(磁性層[1]), Co0.9Fe
0.1(磁性層[3]), Cu(非磁性金属層[2])を用い、各膜厚
はシャッタ−により制御した。
【００２２】同様にタ−ゲットに直径80mmの Ni0.8Co
0.05Fe0.15(磁性層[1]), Ni0.8Co0.2(磁性層[1]), Cu
(非磁性金属層[2])を用いて Ｂ: [Ni-Co-Fe(30)/Cu(9)]N1 Ｃ: [Ni-Co(40)/Cu(9)]N2 （( )内は厚さ(Å)を表わす）を作成した。ただしN1,N2
は繰り返し数で総膜厚が約2000Åとなるよう変化させ
た。これを（図２）のような形状にパタ−ニングし、感
知すべき磁界方向と大部分の上記金属人工格子磁気抵抗
膜の電流方向が平行となる磁気抵抗素子を作製した。又
比較のため、感知すべき磁界方向と大部分の上記金属人
工格子磁気抵抗膜の電流方向が直角となるような磁気抵
抗素子をも作製し、更に従来のNi-Fe膜を用いて感知す
べき磁界方向と大部分のNi-Fe膜の電流方向が平行とな
るものと、直角となる磁気抵抗素子も同様に作製し、そ
の特性比較も行なった。得られた磁気抵抗素子のＭＲ特
性（ΔＲ/Ｒ）の測定を室温・最大印加磁界500Oeで行な
い、その値（％）を（表１）に示した
【００２３】
【表１】
【００２４】（表１）に示したように、本発明の金属人
工格子膜を磁気抵抗効果膜に用い、かつ電流方向と磁界
方向が平行となる従来とは逆の新規な構成の磁気抵抗効
果素子は従来のNi-Fe膜を用いた磁気抵抗効果素子では
不可能であった大きなＭＲ特性を示すことがわかる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明は金属人工格
子膜の特性を生かした構成により、室温・低印加磁界で
大きな磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子を可能とするも
ので高感度ＭＲセンサ−等への応用に適したものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）磁界方向Ｈと電流方向Ｉが平行の本願発
明の構成例による磁気抵抗効果素子を示す図 （ｂ）磁界方向Ｈと電流方向Ｉが直角の従来の構成例に
よる磁気抵抗効果素子を示す図
【図２】試作した本発明磁気抵抗素子の１例を示す図

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パタ−ニングされた磁気抵抗効果材料に
    電流を流し、外部磁界により上記磁気抵抗効果材料の抵
    抗が変化することにより外部磁界強度を感知する磁気抵
    抗効果素子において、上記パタ−ニングされた磁気抵抗
    効果材料に流す電流の方向の大部分が上記外部磁界とほ
    ぼ平行となるように構成され、かつ上記磁気抵抗効果材
    料が厚さ5〜50Åの磁性薄膜層と厚さ5〜50Åの金属非磁
    性薄膜層を交互に積層した構造から成る金属人工格子膜
    で構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 金属非磁性薄膜層[2]がCu,Ag,Au,Pt,Ru,
    Crのいずれかである請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】 パタ−ニングされた磁気抵抗効果材料に
    電流を流し、外部磁界により上記磁気抵抗効果材料の抵
    抗が変化することにより外部磁界強度を感知する磁気抵
    抗効果素子において、上記パタ−ニングされた磁気抵抗
    効果材料に流す電流の方向の大部分が上記外部磁界とほ
    ぼ平行となるように構成され、かつ上記磁気抵抗効果材
    料が厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[1]と厚さ5〜50Åの金属
    非磁性薄膜層[2]を交互に積層した構造から成ることを
    特徴とする磁気抵抗効果素子（ただし、磁性薄膜層[1]
    は(NiXCo1-X)X'Fe1-X'を主成分とし、Xは0.6〜1.0、X'
    は0.7〜1.0である。）
  4. 【請求項４】 金属非磁性薄膜層[2]がCu,Ag,Au,Pt,Ru
    のいずれかである請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 【請求項５】 金属非磁性薄膜層[2]が特にCuである請
    求項３記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 【請求項６】 金属非磁性薄膜層[2]の厚さが5〜15Åで
    ある請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 【請求項７】 パタ−ニングされた磁気抵抗効果材料に
    電流を流し、外部磁界により上記磁気抵抗効果材料の抵
    抗が変化することにより外部磁界強度を感知する磁気抵
    抗効果素子において、上記パタ−ニングされた磁気抵抗
    効果材料に流す電流の方向の大部分が上記外部磁界とほ
    ぼ平行となるように構成され、かつ上記磁気抵抗効果材
    料が厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[3]と厚さ5〜50Åの金属
    非磁性薄膜層[2]を交互に積層した構造から成ることを
    特徴とする磁気抵抗効果素子（ただし、磁性薄膜層[3]
    は(CoYNi1-Y)ZFe1-Zを主成分とし、Yは0.4〜1.0、Zは0.
    8〜1.0である。）
  8. 【請求項８】 金属非磁性薄膜層[2]がCu,Ag,Au,Pt,Ru
    のいずれかである請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 【請求項９】 金属非磁性薄膜層[2]が特にCuである請
    求項７記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 【請求項１０】 パタ−ニングされた磁気抵抗効果材料
    に電流を流し、外部磁界により上記磁気抵抗効果材料の
    抵抗が変化することにより外部磁界強度を感知する磁気
    抵抗効果素子において、上記パタ−ニングされた磁気抵
    抗効果材料に流す電流の方向の大部分が上記外部磁界と
    ほぼ平行となるように構成され、かつ上記磁気抵抗効果
    材料が厚さ5〜50Åの磁性薄膜層[1]と厚さ5〜50Åの磁
    性薄膜層[3]とを交互に積層し、各積層磁性薄膜層間に
    厚さ5〜50Åの金属非磁性薄膜層[2]を介在させた構造か
    ら成ることを特徴とする磁気抵抗効果素子（ただし、磁
    性薄膜層[1]は(NiXCo1-X)X'Fe1-X'を主成分とし、磁性
    薄膜層[3]は(CoYNi1-Y)ZFe1-Zを主成分とし、Xは0.6〜
    1.0、X'は0.7〜1.0、Yは0.4〜1.0、Zは0.8〜1.0であ
    る。）
  11. 【請求項１１】 金属非磁性薄膜層[2]がCu,Ag,Au,Pt,R
    uのいずれかである請求項10記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 【請求項１２】 金属非磁性薄膜層[2]が特にCuである
    請求項10記載の磁気抵抗効果素子。
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