JPH0554343A

JPH0554343A - 磁気抵抗変化素子、磁気ヘツド、磁気記録装置、並びに磁気抵抗変化素子の製造方法

Info

Publication number: JPH0554343A
Application number: JP20954691A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Mitsuoka; 勝也光岡; Shinji Narushige; 真治成重; Shigeru Tadokoro; 茂田所; Takao Imagawa; 尊雄今川; Ken Sugita; 愃杉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-21
Filing date: 1991-08-21
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】信号磁界に対して磁気抵抗変化が大きく且つ
高感度な磁気抵抗変化素子を得ること。【構成】下部磁気シールド４と下部ギャップ膜５から
なる基板上に、強磁性薄膜１、非磁性薄膜２、強磁性薄
膜１が交互に積層されている。そして、強磁性薄膜１
は、磁気抵抗変化素子本体に進入する信号磁界の方向に
対して一層毎に左右対称な方向に交互に磁化され、その
磁化方向が信号磁界の方向に対して９０度以下の角度に
設定されている。さらに、強磁性薄膜１の磁化はそれぞ
れ同じ大きさの磁化成分に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に強磁性薄膜と
非磁性薄膜が交互に積層された多層構造の磁気抵抗変化
素子、それを搭載した磁気ヘッドおよび磁気記録装置、
並びに磁気抵抗変化素子の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に磁気記録再生装置には自己録再型
磁気ヘッドが用いられ、記録の場合は磁気ヘッドのギャ
ップに発生した信号磁界で磁気記録媒体を磁化して記録
を行い、再生の場合は記録媒体からの磁束変化による磁
気ヘッドの誘起起電力を再生出力として取り出すように
なっている。このような磁気記録再生装置においては、
再生出力が、再生過程で磁気コアを通過する磁束の移動
変化量・コイルの巻数・移動速度の積に比例する。とこ
ろが、再生出力は磁気ヘッド−記録媒体の相対速度に比
例しており、しかも記録媒体の回転数を高めるにも限界
があるため、記録媒体の径が小さくなると、相対速度が
減少することより再生出力が低下してしまう。このため
に、最近は小型記録媒体での高記録密度化に対しては、
再生出力が相対速度に依存せず、かつ再生感度の高い記
録・再生複合型磁気ヘッドが着目されている。

【０００３】このような記録・再生複合型磁気ヘッドの
再生方式には、磁気抵抗効果(Ｍag-neto Ｒesistive Ｅ
ffect：ＭＲ効果）を用いたＭＲヘッドが最有力であ
る。ＭＲヘッドの再生出力は相対速度に依存しないの
で、相対速度が小さい場合は自己録再型磁気ヘッドに比
べ大きな再生出力となる。更に高感度な再生ヘッドとす
るには、高い磁気抵抗効果を持つ材料の開発が大きな課
題となっている。

【０００４】現在、磁気抵抗効果材料としては、Ｎｉ-
Ｆｅ系合金(パ-マロイ)、Ｎｉ-Ｃｏ系合金等が知られて
いるが、これらの材料の磁気抵抗変化率は大きくとも５
％である。

【０００５】近年、Ｂaibich et al．は上記のパ−マロ
イ等の磁気抵抗効果とは発現機構の異なるＦｅ/Ｃｒ多
層膜を見出した(Physical Review Letters 21, pp2472-
2475(1988))。Ｆｅ/Ｃｒ多層膜では、反強磁性体である
Ｃｒからのバイアス磁界よりも大きな磁界を印加する
と、Ｆｅ層の磁化の向きが平行になり、この時に、Ｃｒ
層を通過する電流の電気伝導度が変化することにより、
磁気抵抗効果が生じる。Ｆｅ/Ｃｒ多層膜の磁界を印加
した時の最大の電気抵抗変化率は４．２Ｋで５０％、室
温で１８％と大きい。

【０００６】なお、Ｆｅ/Ｃｒ多層膜と機構の似た磁気
抵抗効果として、強磁性トンネル効果が知られている。
強磁性トンネル効果は、２層の磁性層を厚さ１０ｎｍ以
下の電気的絶縁層で分離した場合、２層の磁性層の磁化
の向きが平行の時と、反平行の時に、上記絶縁層を通過
するトンネル電流の電気伝導度が異なる現象である。強
磁性トンネル素子としては、Ｊulliere(phys． Lett．,
54A, 225 (1975))によるＦｅ/Ｇｅ/Ｃｏ(４．２Ｋにお
ける最大抵抗変化率１４％)、Ｍaekawa et al．(IEEE T
rans． Magn．, MAG-18, 707 (1982))によるＮｉ/Ｎｉ
Ｏ/Ｃｏ(４．２Ｋにおける最大抵抗変化率３％)等が知
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｆ
ｅ/Ｃｒ多層膜では、電気抵抗が充分に変化するために
要する磁界の大きさが、磁気抵抗効果材料として知られ
ているＮｉ-Ｆｅ系合金およびＮｉ-Ｃｏ系合金膜に比べ
て一桁以上大きく、微弱な磁界の検出が要求される再生
用磁気ヘッドとして用いるには、感度の点で不充分であ
る。

【０００８】本発明の目的は、磁気抵抗変化が大きく、
かつ電気抵抗が十分に変化するために要する磁界が小さ
くて、高感度な磁気抵抗変化素子、および該磁気抵抗変
化素子を搭載した磁気ヘッドおよび磁気記録装置、並び
に磁気抵抗変化素子の製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子において、前
記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信号
磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に磁
化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して９０
度以下の角度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分を
同じ大きさにしたことを特徴としている。

【００１０】また、本発明は、基板上に強磁性薄膜と非
磁性薄膜が交互に積層された多層構造の磁気抵抗変化素
子において、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体
に進入する信号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な
方向に交互に磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方
向に対して４５度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成
分を同じ大きさにしたことを特徴としている。

【００１１】さらに、本発明は、基板上に強磁性薄膜と
非磁性薄膜が交互に積層された多層構造の磁気抵抗変化
素子において、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本
体に進入する信号磁界の方向に対して一層毎に左右対称
な方向に交互に磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の
方向に対して９０度以下の角度に設定し、かつ各強磁性
薄膜の磁化成分を同じ大きさにするために、バイアス磁
界を印加する膜を積層したことを特徴としている。

【００１２】また、本発明は、上記構成の磁気抵抗変化
素子のいずれかを磁気ヘッドに搭載したこと、およびそ
の磁気ヘッドを磁気記録装置に搭載したことである。

【００１３】またさらに、本発明は、基板上に強磁性薄
膜と非磁性薄膜が交互に積層された多層構造の磁気抵抗
変化素子を製造する方法において、基板面内の任意の二
方向に外部磁場を印加しながら、前記強磁性薄膜を作製
するようにしたことである。

【００１４】

【作用】本発明は多層膜の構成材料に異方性磁界が小さ
い(高透磁率）Ｎｉ-Ｆｅ系合金等の膜を用いて一層毎の
磁化方向を規定することを主眼としている。異方性磁界
が小さいＮｉ-Ｆｅ系合金等の膜を用いることにより、
電気抵抗が十分に変化するために要する磁界を小さくす
ることができる。ＭＲ素子として従来から使用されてい
るＮｉ-Ｆｅ系合金等の膜では、シ−ト状で異方性磁界
が３〜４Ｏｅであるが、ＭＲ素子として使用する場合
には、形状異方性のため有効異方性磁界が数十Ｏｅと大
きくなる。そのため、ＭＲ素子に使用するＮｉ-Ｆｅ系
合金等の膜厚を数百Åと薄くするのが望ましい。本発明
の多層膜に上記Ｎｉ-Ｆｅ系合金等の膜を使用するに
は、形状異方性を考慮して総膜厚を数百Åと同等以下に
する必要がある。そのため、一層当たりの膜厚を数十Å
と薄くして十層程度に多層化することが望ましい。

【００１５】また、一層毎の磁化方向を規定する方法の
一つとして、基板面内の任意の二方向に外部磁場を印加
しながら上記Ｎｉ-Ｆｅ系合金等の膜を作製することに
より、Ｎｉ-Ｆｅ系合金等からなる強磁性薄膜が、磁気
抵抗変化素子本体に進入する信号磁界の方向に対して一
層毎に左右対称な方向に交互に磁化され、その磁化方向
が信号磁界の方向に対して９０度以下の角度（図では４
５度）に設定され、しかも各強磁性薄膜の磁化が同じ大
きさの磁化成分を有するようになる。

【００１６】このような磁気抵抗変化素子は、外部磁界
が大きくなるにつれて電気抵抗変化が線形的に増加する
ため、微弱な磁界の検出が要求される再生用磁気ヘッド
として最適である。

【００１７】さらに、構成材料の磁気抵抗効果を重畳し
て利用することができることにより、電気抵抗変化を単
なるＮｉ-Ｆｅ系合金等の多層膜に比べて大きくするこ
とができる。なぜなら、Ｎｉ-Ｆｅ系合金等からなる強
磁性薄膜を上記のように磁化し、しかも磁化方向を信号
磁界が磁気抵抗変化素子本体に進入する方向に対して４
５度に設定することにより、電流方向と磁化方向とが４
５度傾くため磁気抵抗変化が生じるからである。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面に従って説
明する。図１は本発明の磁気抵抗変化素子の基本構成を
示している。図１に示すように、下部磁気シールド４と
下部ギャップ膜５からなる基板上に強磁性薄膜１が被着
形成され、その上に非磁性薄膜２と強磁性薄膜１がこの
順に被着積層されて多層膜が形成されている。強磁性薄
膜１は、磁気抵抗変化素子に進入する信号磁界の方向に
対して一層毎に左右対称な方向に交互に磁化され、その
磁化方向が信号磁界の方向に対して９０度以下の角度
（図では４５度）に設定されている。そして、各強磁性
薄膜１の磁化成分は同じ大きさとなっている。また上側
の強磁性薄膜１の上面には電極導体３が形成されてい
る。

【００１９】図１に示した磁気抵抗変化素子は、２層の
強磁性薄膜１とその強磁性薄膜１の間に形成された１層
の非磁性薄膜２とで多層膜が形成されたものであるが、
強磁性薄膜１および非磁性薄膜２はそれ以上あっても良
い。

【００２０】図２は３層の強磁性薄膜１と２層の非磁性
薄膜２の場合である。判り易くするために、図２では、
図１で示した基板（下部磁気シールド４および下部ギャ
ップ膜５）と電極導体３が省略されている。図２に示す
ように、強磁性薄膜１は、磁気抵抗変化素子に進入する
信号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互
に磁化され、その磁化方向が信号磁界の方向に対して９
０度以下の角度に設定されている。そして、各々の強磁
性薄膜１の磁化は全て同じ大きさの磁化成分に設定され
ている。

【００２１】図３は本発明の磁気抵抗変化素子を具体的
に示したものである。本実施例では、強磁性薄膜１とし
てシ−ト状の異方性磁界が３〜４Ｏｅと小さいパ−マ
ロイ(Ｎｉ−Ｆｅ合金)等の膜が用いられ、非磁性薄膜２
としてＣｕ膜が用いられている。そして、強磁性薄膜１
のパ−マロイ膜は、磁気抵抗変化素子に進入する信号磁
界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に磁化
され、その磁化方向(磁化容易軸方向)が信号磁界の方向
に対して４５度に設定されている。しかも一層毎のパ−
マロイ膜の磁化は全て同じ大きさの磁化成分に設定され
ている。

【００２２】上記のように一層毎のパ−マロイ膜の磁化
方向(磁化容易軸方向)を設定するには、一層毎のパ−マ
ロイ膜を作製する際に、パ−マロイ膜の一層毎の膜面の
磁化が４５度の角度となるように外部磁界を二方向に印
加すること、または素子にパタ−ニングする際に、素子
にバイアス磁界を印加することの二つの方法がある。

【００２３】図４は、図３のように作製した磁気抵抗効
果素子の抵抗変化と信号磁界の関係を示している。図
中、実線（符号ａ）は非磁性薄膜２のＣｕ膜厚が薄い場
合であり、破線（符号ｂ）はＣｕ膜厚が厚い場合であ
る。Ｃｕ膜が薄いほど多層膜の層数を多くすることがで
き、層数に比例して電気抵抗変化を大きくすることが可
能である。さらに、信号磁界が大きくなるにつれて電気
抵抗変化は直線的に大きくなる。

【００２４】しかし、Ｃｕ膜厚をあまり薄くしすぎる
と、Ｃｕ膜のピンホ−ルのためパ−マロイ膜間が磁気的
に結合する。そのため、パ−マロイ膜間の磁化は同一方
向を向きやすくなり、形状異方性により、外部磁界印加
方向に対して４５度の角度を維持できなくなる。その結
果、電気抵抗変化は小さく、しかも外部磁界に対する応
答性も悪くなる。これらを考慮して適当な非磁性薄膜２
の膜厚が決定される。

【００２５】強磁性薄膜１および非磁性薄膜２は、真空
蒸着、めっき、スパッタリング等の被着方法を用いるこ
とにより作製される（以下、これらの被着方法を代表し
て蒸着という）。

【００２６】本発明の磁気抵抗変化素子では形状異方性
を考慮して総膜厚を数百Å以下にする必要がある。その
ため、一層当たりの膜厚を数十Å以下と薄くして多層化
構造にすることが望ましい。強磁性薄膜１としてパ−マ
ロイ膜を用いた場合、そのパ−マロイ膜の比抵抗の膜厚
依存性について実験した。その結果を図５に示す。図
中、実線（符号Ａ）は高真空中の蒸着法で、破線（符号
Ｂ）は低真空中の蒸着法で作製した結果をそれぞれ示し
ている。高真空度化することにより比抵抗が増加し始め
る膜厚を薄膜化でき、数十Å程度まで許容できることが
本実験から分かった。

【００２７】図６は本発明の磁気抵抗変化素子を搭載し
た磁気記録装置の全体構成を示している。図に示すよう
に、ベ−ス２０１には１枚以上の磁気ディスク（直径
１．５インチ以上）２０２を有するスピンドル２０３が
取り付けられ、このスピンドル２０３はモ−タ２０４に
よって回転駆動される。またベ−ス２０１には、デ−タ
用の磁気ヘッド２０５と位置決め用の磁気ヘッド２０６
が取り付けられたキャリッジ２０７と、ボイスコイル２
０８が内蔵されたマグネット２０９が設けられている。
さらに、デ−タ用の磁気ヘッド２０５にはリ−ド／ライ
ト回路２１０が接続され、このリ−ド／ライト回路２１
０は磁気ディスク２０２との間で信号の授受を行うよう
になっている。このリ−ド／ライト回路２１０はインタ
ーフェース２１１を介して上位装置２１２に接続されて
いる。また位置決め用の磁気ヘッド２０６にはボイスコ
イルモ−タ制御回路２１３に接続され、このボイスコイ
ルモ−タ制御回路２１３は、磁気ディスク２０２上の位
置を検出して磁気ヘッド２０５の位置制御を行うように
なっている。

【００２８】上記構成の磁気記録装置によれば、磁気ヘ
ッド２０６からの信号に基づき、ボイスコイルモ−タ制
御回路２１３はボイスコイル２０８に制御電流を出力す
る。ボイスコイル２０８は、マグネット２０９による磁
界と制御電流の作用でキャリッジ２０７を駆動し、それ
に取り付けられている磁気ヘッド２０５，２０６の位置
を決定する。そして、磁気ヘッド２０５は磁気ディスク
２０２との間でリ−ド／ライトを実行する。

【００２９】ところで、高性能磁気ディスク装置として
は、磁気ディスク２０２上の面記録密度が一平方インチ
当たり５０メガビット以上、線記録密度が一インチ当た
り２５キロビット以上、トラック密度が一インチ当たり
２キロトラック以上であるこが望ましいが、本発明の磁
気抵抗変化素子を磁気ヘッド２０５に用いることで、こ
のような記録密度を容易に達成することができる。

【００３０】本実施例によれば、高密度磁気記録を達成
することができるので、従来の装置に比べて出力が大き
い磁気記録装置を得ることができる。また従来の装置と
同じ出力の磁気記録装置を得るには低電流密度でよいか
ら、磁気記録装置の寿命を延ばすことが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のＭＲ素子に比べて電気抵抗変化が大きくなり、小
さな外部磁界でも大きな電気抵抗変化を示すことが可能
となり、高感度な磁気抵抗変化素子を得ることができ
る。その結果、本発明の磁気抵抗変化素子を微弱な磁界
の検出が要求される再生用磁気ヘッドとして用いると、
高感度な再生用磁気ヘッドを得ることできる。さらに、
その磁気ヘッドを磁気記録装置に搭載すれば、高密度磁
気記録を実現することができる。

【００３２】また、本発明によれば、強磁性薄膜／非磁
性薄膜／強磁性薄膜、又はこれらの積層構造からなる多
層膜を同一真空容器内で連続して作製でき、それを一括
してパタ−ニングできるので、磁気抵抗変化型の磁気ヘ
ッドを安定かつ容易に作製することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気抵抗変化素子の構造を示す斜視図
である。

【図２】本発明の磁気抵抗変化素子の基本構成を示す分
解斜視図である。

【図３】本発明の具体的な実施例を示す断面図である。

【図４】磁気抵抗効果素子の抵抗変化と外部磁界の関係
を示す線図である。

【図５】パ−マロイ膜の比抵抗の膜厚依存性を示す線図
である。

【図６】磁気記録装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１強磁性薄膜２非磁性薄膜３電極導体４下部磁気シ−ルド５下部ギャップ膜２０２磁気ディスク２０３スピンドル２０４モータ２０５位置決め用の磁気ヘッド２０６データ用の磁気ヘッド２０７キャリッジ２０８ボイスコイル２０９マグネット

フロントページの続き (72)発明者今川尊雄茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者杉田愃茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子において、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して９
０度以下の角度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分
を同じ大きさにしたことを特徴とする磁気抵抗変化素
子。
【請求項２】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子において、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して４
５度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分を同じ大き
さにしたことを特徴とする磁気抵抗変化素子。
【請求項３】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子において、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して９
０度以下の角度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分
を同じ大きさにするために、バイアス磁界を印加する膜
を積層したことを特徴とする磁気抵抗変化素子。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵
抗変化素子において、前記強磁性薄膜は２層以上積層され、該強磁性薄膜の間
に前記非磁性薄膜が形成されていることを特徴とする磁
気抵抗変化素子。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵
抗変化素子において、前記強磁性薄膜は、磁気抵抗効果
を有するＮｉ基、Ｃｏ基及びＦｅ基の結晶質又は非晶質
合金からなることを特徴とする磁気抵抗変化素子。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵
抗変化素子において、前記強磁性薄膜の厚さは、一層当たり５０Å以上で２０
０Å以下であることを特徴とする磁気抵抗変化素子。
【請求項７】請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵
抗変化素子において、前記非磁性薄膜は、金属、誘電体、または金属と誘電体
の積層構造によって形成されていることを特徴とする磁
気抵抗変化素子。
【請求項８】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子を搭載した磁
気ヘッドにおいて、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して９
０度以下の角度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分
を同じ大きさにしたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交互
に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子を搭載した磁
気ヘッドにおいて、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して４
５度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分を同じ大き
さにしたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交
互に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子を搭載した
磁気ヘッドにおいて、前記強磁性薄膜を、磁気抵抗変化素子本体に進入する信
号磁界の方向に対して一層毎に左右対称な方向に交互に
磁化し、その磁化方向を前記信号磁界の方向に対して９
０度以下の角度に設定し、かつ各強磁性薄膜の磁化成分
を同じ大きさにするために、バイアス磁界を印加する膜
を積層したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】磁気記録媒体と、該磁気記録媒体を駆
動する駆動手段と、前記磁気記録媒体に対してデータを
読み書きする磁気ヘッドと、該磁気ヘッドを制御する制
御手段と、を備えた磁気記録装置において、前記磁気ヘッドに、請求項１〜７の磁気抵抗変化素子の
いずれかを搭載したことを特徴とする磁気記録装置。
【請求項１２】基板上に強磁性薄膜と非磁性薄膜が交
互に積層された多層構造の磁気抵抗変化素子を製造する
方法において、基板面内の任意の二方向に外部磁場を印加しながら、前
記強磁性薄膜を作製することを特徴とする磁気抵抗変化
素子の製造方法。