JPH06111252A - 磁気抵抗センサ及びその製造方法、磁気記憶システム - Google Patents
磁気抵抗センサ及びその製造方法、磁気記憶システムInfo
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- JPH06111252A JPH06111252A JP5161294A JP16129493A JPH06111252A JP H06111252 A JPH06111252 A JP H06111252A JP 5161294 A JP5161294 A JP 5161294A JP 16129493 A JP16129493 A JP 16129493A JP H06111252 A JPH06111252 A JP H06111252A
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 読取り要素の抵抗の成分が２つの隣接する磁
性層の磁化の方向の間の角度の余弦として変動するスピ
ン・バルブ効果に基づく磁気抵抗読取りセンサの提供。 【構成】 センサ読取り要素は非磁性金属層（４５）に
よって分離された２つの隣接する強磁性層（４３、４
７）を含んでいる。反強磁性体の層（５１）が強磁性層
の一方の上に形成され、一方の強磁性層の磁化方向（４
８）を固定ないし「ピン止め」する交換バイアス場をも
たらす。軟磁性体の中間層（４９）が強磁性層と反強磁
性層の間に付着され、強磁性層と反強磁性層を分離し、
特に強磁性体が鉄または鉄合金である場合に、交換結合
を強化する。
性層の磁化の方向の間の角度の余弦として変動するスピ
ン・バルブ効果に基づく磁気抵抗読取りセンサの提供。 【構成】 センサ読取り要素は非磁性金属層（４５）に
よって分離された２つの隣接する強磁性層（４３、４
７）を含んでいる。反強磁性体の層（５１）が強磁性層
の一方の上に形成され、一方の強磁性層の磁化方向（４
８）を固定ないし「ピン止め」する交換バイアス場をも
たらす。軟磁性体の中間層（４９）が強磁性層と反強磁
性層の間に付着され、強磁性層と反強磁性層を分離し、
特に強磁性体が鉄または鉄合金である場合に、交換結合
を強化する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は総括的に磁気媒体に記録
されている情報信号を読み取るための磁気変換器に関
し、詳細にいえば反強磁性交換結合を利用して、変換器
に長手方向バイアス・フィールドを提供する改善された
磁気抵抗読取り変換器に関する。
されている情報信号を読み取るための磁気変換器に関
し、詳細にいえば反強磁性交換結合を利用して、変換器
に長手方向バイアス・フィールドを提供する改善された
磁気抵抗読取り変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術は磁気抵抗（ＭＲ）センサと呼
ばれる磁気読取り変換器、あるいは高い線形密度で磁気
表面からのデータの読取りができることが示されている
ヘッドを開示している。ＭＲセンサは読取り要素によっ
て検知された磁束の強度及び方向の関数としての、磁性
体製の読取り要素の抵抗変化によって磁場信号を検出す
る。これらの従来技術のＭＲセンサは読取り要素の抵抗
成分が磁化と要素を通るセンス電流の方向の間の余弦の
２乗（ｃｏｓ2）として変化する異方性磁気抵抗（ＡＭ
Ｒ）効果に基づいて作動する。ＡＭＲ効果の詳細な説明
については、「Memory, Storage, and Related Applica
tions」、D. A. Thompsonn他、IEEE Trans. Mag. MAG-1
1, p. 1039 (1975)を参照されたい。
ばれる磁気読取り変換器、あるいは高い線形密度で磁気
表面からのデータの読取りができることが示されている
ヘッドを開示している。ＭＲセンサは読取り要素によっ
て検知された磁束の強度及び方向の関数としての、磁性
体製の読取り要素の抵抗変化によって磁場信号を検出す
る。これらの従来技術のＭＲセンサは読取り要素の抵抗
成分が磁化と要素を通るセンス電流の方向の間の余弦の
２乗（ｃｏｓ2）として変化する異方性磁気抵抗（ＡＭ
Ｒ）効果に基づいて作動する。ＡＭＲ効果の詳細な説明
については、「Memory, Storage, and Related Applica
tions」、D. A. Thompsonn他、IEEE Trans. Mag. MAG-1
1, p. 1039 (1975)を参照されたい。
【０００３】米国特許第４９４９０３９号明細書は磁性
層の磁化の逆平行整合によって生じる強化ＭＲ効果をも
たらす積層磁気構造を記載している。積層構造に使用可
能な材料として、該米国特許明細書は強磁性遷移金属及
び合金を挙げているが、すぐれたＭＲ信号振幅に好まし
い材料をリストで示していない。該米国特許明細書はさ
らに反強磁性タイプの交換結合を使用して、強磁性体の
隣接した層がＣｒまたはＹの薄い中間層によって分離さ
れている逆平行整合を得ることを記載している。
層の磁化の逆平行整合によって生じる強化ＭＲ効果をも
たらす積層磁気構造を記載している。積層構造に使用可
能な材料として、該米国特許明細書は強磁性遷移金属及
び合金を挙げているが、すぐれたＭＲ信号振幅に好まし
い材料をリストで示していない。該米国特許明細書はさ
らに反強磁性タイプの交換結合を使用して、強磁性体の
隣接した層がＣｒまたはＹの薄い中間層によって分離さ
れている逆平行整合を得ることを記載している。
【０００４】１９９０年１２月１１日出願の係属米国出
願第０７／６２５３４３号は２つの未結合の強磁性層の
間の抵抗が２つの層の磁化の間の角度の余弦として変化
することが認められ、かつセンサ中を流れる電流の方向
と無関係であるＭＲセンサを開示している。この機構は
材料の選択した組合せに対して、大きさがＡＭＲよりも
大きく、「スピン・バルブ」（ＳＶ）磁気抵抗と呼ばれ
る磁気抵抗をもたらす。１９９１年２月８日出願の係属
米国出願第０７／６５２８５２号は非磁性金属材料の薄
膜層によって分離されている強磁性体の２つの薄膜層を
含んでおり、強磁性層の少なくとも一方がコバルトまた
はコバルト合金製である、上述の効果に基づくＭＲセン
サを開示している。一方の強磁性層の磁化は他方の強磁
性層の磁化に直角に、外部印加磁場ゼロで反強磁性層に
対する交換結合によって維持される。
願第０７／６２５３４３号は２つの未結合の強磁性層の
間の抵抗が２つの層の磁化の間の角度の余弦として変化
することが認められ、かつセンサ中を流れる電流の方向
と無関係であるＭＲセンサを開示している。この機構は
材料の選択した組合せに対して、大きさがＡＭＲよりも
大きく、「スピン・バルブ」（ＳＶ）磁気抵抗と呼ばれ
る磁気抵抗をもたらす。１９９１年２月８日出願の係属
米国出願第０７／６５２８５２号は非磁性金属材料の薄
膜層によって分離されている強磁性体の２つの薄膜層を
含んでおり、強磁性層の少なくとも一方がコバルトまた
はコバルト合金製である、上述の効果に基づくＭＲセン
サを開示している。一方の強磁性層の磁化は他方の強磁
性層の磁化に直角に、外部印加磁場ゼロで反強磁性層に
対する交換結合によって維持される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＳＶ
効果に基づく改善された積層構造の磁気抵抗センサ及び
その製造方法を提供することにある。
効果に基づく改善された積層構造の磁気抵抗センサ及び
その製造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】本発明の原理によれば、
スピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは非磁性
金属材料の薄膜層によって分離された強磁性体の第１及
び第２の薄膜層を含む適切な物質上に形成された積層構
造を含んでおり、強磁性体の層の一方は鉄及び鉄合金か
らなる群から選択された材料で形成されている。強磁性
体の第１層の磁化方向は外部印加磁場ゼロで強磁性体の
第２層の磁化方向に直角に維持されている。一方の鉄ま
たは鉄合金の強磁性体層の磁化方向は、薄い軟磁性中間
層を横切る隣接した反強磁性層によって与えられる反強
磁性交換結合によってその方向に限定または維持され
る。鉄強磁性層及び軟磁性中間層は磁化の方向または向
きがほぼ固定されている２重層を形成する。他方の強磁
性層の磁化方向は外部印加磁場に応じて自由に回転す
る。電流源はＭＲセンサにセンス電流をもたらし、検知
される印加外部磁場の関数として、強磁性体の自由層の
磁化の回転によるＭＲセンサの抵抗の変動に比例した読
取り要素両端における電圧降下を発生する。読取り要素
の抵抗変化の大きさは磁気媒体に格納されたデータ・ビ
ットを表すものなどの外部印加磁場に応じた、自由層の
磁化の方向と固定層の磁化の方向の間の角度の変化の余
弦の関数である。
スピン・バルブ効果に基づくＭＲ読取りセンサは非磁性
金属材料の薄膜層によって分離された強磁性体の第１及
び第２の薄膜層を含む適切な物質上に形成された積層構
造を含んでおり、強磁性体の層の一方は鉄及び鉄合金か
らなる群から選択された材料で形成されている。強磁性
体の第１層の磁化方向は外部印加磁場ゼロで強磁性体の
第２層の磁化方向に直角に維持されている。一方の鉄ま
たは鉄合金の強磁性体層の磁化方向は、薄い軟磁性中間
層を横切る隣接した反強磁性層によって与えられる反強
磁性交換結合によってその方向に限定または維持され
る。鉄強磁性層及び軟磁性中間層は磁化の方向または向
きがほぼ固定されている２重層を形成する。他方の強磁
性層の磁化方向は外部印加磁場に応じて自由に回転す
る。電流源はＭＲセンサにセンス電流をもたらし、検知
される印加外部磁場の関数として、強磁性体の自由層の
磁化の回転によるＭＲセンサの抵抗の変動に比例した読
取り要素両端における電圧降下を発生する。読取り要素
の抵抗変化の大きさは磁気媒体に格納されたデータ・ビ
ットを表すものなどの外部印加磁場に応じた、自由層の
磁化の方向と固定層の磁化の方向の間の角度の変化の余
弦の関数である。
【０００７】
【実施例】図１を参照すると、本発明は図１に示すよう
な磁気ディスク記憶システムに実施されたものとして説
明されているが、本発明をたとえば磁気テープ記録シス
テムなどの他の記録システムにも適用できることは明ら
かであろう。少なくとも１枚の回転磁気ディスク１２が
スピンドル１４に支持され、ディスク駆動モータ１８に
よって回転される。各ディスク上の記録媒体はディスク
１２の同心データ・トラック（図示せず）という環状パ
ターンの形状になっている。
な磁気ディスク記憶システムに実施されたものとして説
明されているが、本発明をたとえば磁気テープ記録シス
テムなどの他の記録システムにも適用できることは明ら
かであろう。少なくとも１枚の回転磁気ディスク１２が
スピンドル１４に支持され、ディスク駆動モータ１８に
よって回転される。各ディスク上の記録媒体はディスク
１２の同心データ・トラック（図示せず）という環状パ
ターンの形状になっている。
【０００８】少なくとも１個のスライダ１３がディスク
１２上に配置されており、各スライダ１３は通常読み書
きヘッドと呼ばれる１個または複数個の磁気読み書き変
換器を支持している。ディスクが回転すると、スライダ
１３がディスク表面２２上を内外へ半径方向に移動する
ので、ヘッド２１は希望するデータが記録されているデ
ィスクの異なる部分にアクセスすることができる。各ス
ライダ１３はサスペンション１５によってアクチュエー
タ・アーム１９に接続されている。サスペンション１５
は若干のバネ力をもたらし、スライダ１３をディスク表
面２２に向かってバイアスする。各アクチュエータ・ア
ーム１９はアクチュエータ手段２７に接続されている。
図１に示すようなアクチュエータ手段は、たとえば、ボ
イス・コイル・モータ（ＶＣＭ）である。ＶＣＭは固定
磁場内で運動可能なコイルからなっており、コイルの運
動の方向及び速度はコントローラによって供給されるモ
ータ電力信号によって制御される。
１２上に配置されており、各スライダ１３は通常読み書
きヘッドと呼ばれる１個または複数個の磁気読み書き変
換器を支持している。ディスクが回転すると、スライダ
１３がディスク表面２２上を内外へ半径方向に移動する
ので、ヘッド２１は希望するデータが記録されているデ
ィスクの異なる部分にアクセスすることができる。各ス
ライダ１３はサスペンション１５によってアクチュエー
タ・アーム１９に接続されている。サスペンション１５
は若干のバネ力をもたらし、スライダ１３をディスク表
面２２に向かってバイアスする。各アクチュエータ・ア
ーム１９はアクチュエータ手段２７に接続されている。
図１に示すようなアクチュエータ手段は、たとえば、ボ
イス・コイル・モータ（ＶＣＭ）である。ＶＣＭは固定
磁場内で運動可能なコイルからなっており、コイルの運
動の方向及び速度はコントローラによって供給されるモ
ータ電力信号によって制御される。
【０００９】ディスク記憶システムの作動時に、ディス
ク１２の回転はスライダ１３とディスク表面２２の間に
エア・ベアリングを発生し、スライダに上向きの力すな
わち揚力を働かせる。したがって、エア・ベアリングは
サスペンション１５の若干のバネ力と釣り合い、作動中
に小さいほぼ一定の間隔でスライダ１３をディスク表面
から離隔させ、これから若干上方に支持する。
ク１２の回転はスライダ１３とディスク表面２２の間に
エア・ベアリングを発生し、スライダに上向きの力すな
わち揚力を働かせる。したがって、エア・ベアリングは
サスペンション１５の若干のバネ力と釣り合い、作動中
に小さいほぼ一定の間隔でスライダ１３をディスク表面
から離隔させ、これから若干上方に支持する。
【００１０】ディスク記憶システムの各種の構成要素は
作動時に、アクセス制御信号や内部クロック信号など
の、制御ユニット２９によって発生する制御信号によっ
て制御される。通常、制御ユニット２９は、たとえば、
論理制御回路、記憶手段及びマイクロプロセッサからな
っている。制御ユニット２９は線２３の駆動モータ制御
信号や、線２８のヘッド位置及びシーク制御信号などの
制御信号を発生し、各種のシステム作動を制御する。線
２８の制御信号は選択したスライダ１３を関連するディ
スク１２上の希望するトラックへ最適に移動し、位置決
めするための希望する電流プロファイルを提供する。読
取り及び書込み信号は記録チャネル２５によって読み書
きヘッド２１との間で伝えられる。
作動時に、アクセス制御信号や内部クロック信号など
の、制御ユニット２９によって発生する制御信号によっ
て制御される。通常、制御ユニット２９は、たとえば、
論理制御回路、記憶手段及びマイクロプロセッサからな
っている。制御ユニット２９は線２３の駆動モータ制御
信号や、線２８のヘッド位置及びシーク制御信号などの
制御信号を発生し、各種のシステム作動を制御する。線
２８の制御信号は選択したスライダ１３を関連するディ
スク１２上の希望するトラックへ最適に移動し、位置決
めするための希望する電流プロファイルを提供する。読
取り及び書込み信号は記録チャネル２５によって読み書
きヘッド２１との間で伝えられる。
【００１１】典型的な磁気ディスク記憶システムの上記
の説明ならびに添付の図１は、説明のためのみのもので
ある。ディスク記憶システムが多数のディスク及びアク
チュエータを含んでいることのできるものであり、各ア
クチュエータは多数のスライダをサポートできることは
明かであろう。
の説明ならびに添付の図１は、説明のためのみのもので
ある。ディスク記憶システムが多数のディスク及びアク
チュエータを含んでいることのできるものであり、各ア
クチュエータは多数のスライダをサポートできることは
明かであろう。
【００１２】図２を参照すると、本発明の原理によるＭ
Ｒセンサ３０は、たとえば、ガラス、セラミックまたは
半導体などの適当な基板３１からなっており、この上に
軟強磁性体の第１薄膜層３３、非磁性金属材料の薄膜層
３５及び強磁性体の第２薄膜層３７が付着される。強磁
性体の２つの層３３、３７の磁化は外部印加磁場なし
で、矢印３２及び３８によって示されるように、互いに
関して約９０度の角度に向けられている。さらに、強磁
性体の第２層３７の磁化方向は矢印３８で示されるよう
に好ましい方向に固定されている。それ故、第２強磁性
層３７の磁化方向は固定ないしピン止めされたままであ
るが、強磁性体の第１層３３は外部印加磁場（図２に示
す磁場ｈなどの）に応じて、図２の層３３上の破線の矢
印によって示されるように、その方向を自由に回転する
ことができる。
Ｒセンサ３０は、たとえば、ガラス、セラミックまたは
半導体などの適当な基板３１からなっており、この上に
軟強磁性体の第１薄膜層３３、非磁性金属材料の薄膜層
３５及び強磁性体の第２薄膜層３７が付着される。強磁
性体の２つの層３３、３７の磁化は外部印加磁場なし
で、矢印３２及び３８によって示されるように、互いに
関して約９０度の角度に向けられている。さらに、強磁
性体の第２層３７の磁化方向は矢印３８で示されるよう
に好ましい方向に固定されている。それ故、第２強磁性
層３７の磁化方向は固定ないしピン止めされたままであ
るが、強磁性体の第１層３３は外部印加磁場（図２に示
す磁場ｈなどの）に応じて、図２の層３３上の破線の矢
印によって示されるように、その方向を自由に回転する
ことができる。
【００１３】比較的高い電気抵抗を有する交換バイアス
材料の薄膜層３９を強磁性体の第２薄膜層３７に密着し
て付着させ、交換結合によるバイアス場をもたらす。好
ましい実施例において、層３９はたとえば鉄マンガン
（ＦｅＭｎ）またはニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）が
好ましい、適切な反強磁性体からなっている。あるい
は、図２に示す構造を、たとえば、反強磁性層３９をま
ず付着させ、次いで層３７、３５、及び３３をこの順序
で付着させるという逆の順序で付着させることもでき
る。本発明構造において、シード層を使用して、反強磁
性層３９が希望する構造を有するようにすることができ
る。
材料の薄膜層３９を強磁性体の第２薄膜層３７に密着し
て付着させ、交換結合によるバイアス場をもたらす。好
ましい実施例において、層３９はたとえば鉄マンガン
（ＦｅＭｎ）またはニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）が
好ましい、適切な反強磁性体からなっている。あるい
は、図２に示す構造を、たとえば、反強磁性層３９をま
ず付着させ、次いで層３７、３５、及び３３をこの順序
で付着させるという逆の順序で付着させることもでき
る。本発明構造において、シード層を使用して、反強磁
性層３９が希望する構造を有するようにすることができ
る。
【００１４】本発明の好ましい実施例によれば、強磁性
層３３、３７の一方または両方は鉄（Ｆｅ）または鉄合
金のいずれかからなっている。非磁性金属スペーサ層３
５はたとえば銅（Ｃｕ）、あるいは銀（Ａｇ）または金
（Ａｕ）あるいはこれらの合金などのその他の適切な貴
金属からなっている。センサ読取り要素が強磁性／非磁
性／強磁性積層構造からなるスピン・バルブ効果に基づ
くＭＲセンサは、参照することによって、本明細書に記
載されているかのように本明細書の一部をなす上述の米
国特許願第０７／６２５３４３号に詳細に記載されてい
る。固定ＦｅまたはＦｅ合金層３７を、たとえば、Ｆｅ
Ｍｎの層３９によって交換バイアスをかけることがで
き、この場合、交換バイアスは以下で詳細に説明するフ
ィールド・アニール・プロセスをしようすることによっ
て大幅に増加させることができる。
層３３、３７の一方または両方は鉄（Ｆｅ）または鉄合
金のいずれかからなっている。非磁性金属スペーサ層３
５はたとえば銅（Ｃｕ）、あるいは銀（Ａｇ）または金
（Ａｕ）あるいはこれらの合金などのその他の適切な貴
金属からなっている。センサ読取り要素が強磁性／非磁
性／強磁性積層構造からなるスピン・バルブ効果に基づ
くＭＲセンサは、参照することによって、本明細書に記
載されているかのように本明細書の一部をなす上述の米
国特許願第０７／６２５３４３号に詳細に記載されてい
る。固定ＦｅまたはＦｅ合金層３７を、たとえば、Ｆｅ
Ｍｎの層３９によって交換バイアスをかけることがで
き、この場合、交換バイアスは以下で詳細に説明するフ
ィールド・アニール・プロセスをしようすることによっ
て大幅に増加させることができる。
【００１５】スピン・バルブ構造を利用しているＭＲセ
ンサにおいて、交換異方性を最大限のものとすることが
望ましい。スピン・バルブ効果に基づく最適なＭＲセン
サの場合、固定ないし「ピン止め」された層３７は検知
対象の磁場全体にわたってほぼ飽和状態のままでなけれ
ばならない。図３は研磨したＳｉウェハに付着されたＦ
ｅＭｎの薄膜が重ねられた交換結合バイアス場を示して
いる。特に、Ｓｉ／Ｖ（３０Å）／Ｆｅ（Ｘ）／ＦｅＭ
ｎ（１５０Å）／Ｖ（１００Å）（Ｘ＝４０Å及び６０
Å）という構造を有する薄膜は、付着時のフィルムで、
約０．０２ｅｒｇ−ｃｍ-2という交換エネルギーに対応
した約３０Ｏｅの交換を示す。フィルムを空気中で、１
８０℃で約１０分間アニールし、約２５０Ｏｅ以上の印
加磁場内で冷却させた場合、交換場は約０．１ｅｒｇ−
ｃｍ-2の交換相互作用自由エネルギーにそれぞれ対応し
た約１３５及び１５０ＯｅというＨexchまで実質的に増
加する。アニールしたＦｅ／ＦｅＭｎフィルムの交換異
方性はＮｉＦｅ／ＦｅＭｎのものとほぼ同じ大きさであ
り、ＭＲセンサ用には充分なものである。
ンサにおいて、交換異方性を最大限のものとすることが
望ましい。スピン・バルブ効果に基づく最適なＭＲセン
サの場合、固定ないし「ピン止め」された層３７は検知
対象の磁場全体にわたってほぼ飽和状態のままでなけれ
ばならない。図３は研磨したＳｉウェハに付着されたＦ
ｅＭｎの薄膜が重ねられた交換結合バイアス場を示して
いる。特に、Ｓｉ／Ｖ（３０Å）／Ｆｅ（Ｘ）／ＦｅＭ
ｎ（１５０Å）／Ｖ（１００Å）（Ｘ＝４０Å及び６０
Å）という構造を有する薄膜は、付着時のフィルムで、
約０．０２ｅｒｇ−ｃｍ-2という交換エネルギーに対応
した約３０Ｏｅの交換を示す。フィルムを空気中で、１
８０℃で約１０分間アニールし、約２５０Ｏｅ以上の印
加磁場内で冷却させた場合、交換場は約０．１ｅｒｇ−
ｃｍ-2の交換相互作用自由エネルギーにそれぞれ対応し
た約１３５及び１５０ＯｅというＨexchまで実質的に増
加する。アニールしたＦｅ／ＦｅＭｎフィルムの交換異
方性はＮｉＦｅ／ＦｅＭｎのものとほぼ同じ大きさであ
り、ＭＲセンサ用には充分なものである。
【００１６】ここで、図４も参照すると、本発明の原理
によるＭＲセンサ４０は、たとえば、ガラス、セラミッ
クまたは半導体などの適切な基板４１からなっており、
この上に軟強磁性体の第１薄膜層４３、非磁性金属材料
の薄膜層４５、及び強磁性体の第２薄膜層４７が付着さ
れている。強磁性体の２つの層４３、４７の磁化は、外
部印加磁場なしで、矢印４２及び４８によって示される
ように、互いに関して約９０度の角度に向けられてい
る。さらに、強磁性体の第２層４７の磁化方向は矢印４
８で示されるように好ましい方向に固定またはピン止め
されている。第２強磁性層４７の磁化方向は固定されて
いるが、強磁性体の第１層４３は図４の層４３の破線の
矢印によって示されるように、外部印加磁場（図４に示
す磁場のような）に応じて、その軸を自由に回転するこ
とができる。
によるＭＲセンサ４０は、たとえば、ガラス、セラミッ
クまたは半導体などの適切な基板４１からなっており、
この上に軟強磁性体の第１薄膜層４３、非磁性金属材料
の薄膜層４５、及び強磁性体の第２薄膜層４７が付着さ
れている。強磁性体の２つの層４３、４７の磁化は、外
部印加磁場なしで、矢印４２及び４８によって示される
ように、互いに関して約９０度の角度に向けられてい
る。さらに、強磁性体の第２層４７の磁化方向は矢印４
８で示されるように好ましい方向に固定またはピン止め
されている。第２強磁性層４７の磁化方向は固定されて
いるが、強磁性体の第１層４３は図４の層４３の破線の
矢印によって示されるように、外部印加磁場（図４に示
す磁場のような）に応じて、その軸を自由に回転するこ
とができる。
【００１７】電気抵抗が比較的高い反強磁性体の薄膜層
５１を、強磁性体の第２薄膜層４７に隣接して付着さ
せ、第２層４７に交換バイアス場を設ける。軟磁性層４
９を第２強磁性層４７と交換バイアス層５１の間に付着
させ、交換バイアス層５１を第２強磁性層４７から分離
する。好ましい実施例において、層５１は、たとえば、
ＦｅＭｎまたはＮｉＭｎであることが好ましい適当な反
強磁性体からなっている。あるいは、図４に示す構造
を、たとえば、反強磁性層５１をまず付着させ、次いで
層４９、４７、４５及び４３をこの順序で付着させると
いう逆の順序で付着させることもできる。この逆の構造
において、シード層をまず付着してから、反強磁性層５
１を付着し、反強磁性層が希望する構造を有するように
してもよい。
５１を、強磁性体の第２薄膜層４７に隣接して付着さ
せ、第２層４７に交換バイアス場を設ける。軟磁性層４
９を第２強磁性層４７と交換バイアス層５１の間に付着
させ、交換バイアス層５１を第２強磁性層４７から分離
する。好ましい実施例において、層５１は、たとえば、
ＦｅＭｎまたはＮｉＭｎであることが好ましい適当な反
強磁性体からなっている。あるいは、図４に示す構造
を、たとえば、反強磁性層５１をまず付着させ、次いで
層４９、４７、４５及び４３をこの順序で付着させると
いう逆の順序で付着させることもできる。この逆の構造
において、シード層をまず付着してから、反強磁性層５
１を付着し、反強磁性層が希望する構造を有するように
してもよい。
【００１８】図４に示す本発明の好ましい実施例によれ
ば、強磁性層４３、４７の一方または両方は鉄（Ｆｅ）
または鉄合金のいずれかからなっている。交換バイアス
層５１に隣接する強磁性層４７がＦｅまたはＦｅ合金で
あり、厚さが１０ないし１００Åの範囲であることが好
ましい。軟磁性分離層ないし中間層４９が１０Å以上、
すなわち１０ないし４０Åの範囲の厚さを有しているこ
とが好ましい。非磁性金属スペーサ層４５はたとえばＣ
ｕ、あるいはＡｇまたはＡｕもしくはその合金などのそ
の他の適切な貴金属からなっている。金属スペーサ層４
５の厚さは２つの強磁性層４３、４７の実質的な磁気減
結合を確保するに充分厚いものであるが、伝導電子の平
均自由行程長よりも充分薄いものである。第２強磁性層
４７及び軟磁性中間層４９は、磁化方向が交換結合によ
って反強磁性層５１に固定されている２重層を形成す
る。
ば、強磁性層４３、４７の一方または両方は鉄（Ｆｅ）
または鉄合金のいずれかからなっている。交換バイアス
層５１に隣接する強磁性層４７がＦｅまたはＦｅ合金で
あり、厚さが１０ないし１００Åの範囲であることが好
ましい。軟磁性分離層ないし中間層４９が１０Å以上、
すなわち１０ないし４０Åの範囲の厚さを有しているこ
とが好ましい。非磁性金属スペーサ層４５はたとえばＣ
ｕ、あるいはＡｇまたはＡｕもしくはその合金などのそ
の他の適切な貴金属からなっている。金属スペーサ層４
５の厚さは２つの強磁性層４３、４７の実質的な磁気減
結合を確保するに充分厚いものであるが、伝導電子の平
均自由行程長よりも充分薄いものである。第２強磁性層
４７及び軟磁性中間層４９は、磁化方向が交換結合によ
って反強磁性層５１に固定されている２重層を形成す
る。
【００１９】図４に示すようなＭＲスピン・バルブ・セ
ンサ４０の特定の実施例は、研磨シリコン（Ｓｉ）基板
上にスパッタ付着されたＮｉＦｅ軟磁性層４９によって
分離されたＦｅ強磁性層４７及びＦｅＭｎ反強磁性層５
１からなっている。図５ないし図８は、図２及び図３に
関して説明したように、空気中でアニールし、磁場内で
冷却した後の構造に対するヒステリシス（Ｍ−Ｈ）ルー
プのグラフである。詳細にいえば、検討した構造はＳｉ
／Ｖ（３０Å）／Ｆｅ（ｘ）／Ｎｉ80Ｆｅ20（ｙ）／Ｆ
ｅ50Ｍｎ50（１５０Å）／Ｖ（１００Å）（ただし、ｘ
及びｙはそれぞれ強磁性層４７及び軟磁性層４９の厚さ
である）であった。厚さｙ＝０、１０、２０及び３０Å
の軟磁性層場合の、厚さｘ＝２０、４０及び６０Åの強
磁性層のＭ−Ｈループを図５ないし図８に示す。交換場
（Ｈexch）、飽和保磁力（Ｈc）及び界面結合エネルギ
ー（Ａ＝ＨexchＭsｔ）（ただし、Ｍsは飽和磁化であ
り、ｔは強磁性層の厚さである）それぞれの変化のグラ
フを図９ないし図１１に示す。すべてのサンプルについ
て、ループの直角度は変動せず、約ｓ＝０．６という値
である。同様に、保磁力の直角度はサンプルごとに変動
せず、約ｓx＝０．８という値である。異なる層の測定
した磁化を考慮した場合、図１１は交換エネルギーを４
０Å以上のＦｅの厚さ及び１０Å以上のＮｉＦｅの厚さ
に対して、約０．０８ｅｒｇ／ｃｍ2に維持できること
を示している。界面交換エネルギーのこの値はＮｉＦｅ
／ＦｅＭｎ交換フィルムで得られるもの（通常、約０．
１ｅｒｇ／ｃｍ2）に匹敵するものである。しかしなが
ら、強磁性フィルムの保磁力が大幅に低いことにより、
ピン止めされた強磁性層をＦｅ及びＮｉＦｅ層の厚さの
関数として５０−２００Ｏｅの範囲の最大外部印加フィ
ールドに対して、ほぼ飽和状態に維持することが可能と
なる。全体として、強磁性層と反強磁性層を分離するた
めに軟磁性層を挿入することによって、交換場の大き
さ、あるいは強磁性フィルムの直角度または保磁力の直
角度の大きさに影響を及ぼすことなく、Ｆｅ／ＦｅＭｎ
交換結合フィルムの磁気特性を大幅に改善することがで
きる。詳細にいえば、軟磁性中間層を使用することによ
って、上述の構造が効率のよい磁気抵抗センサとしてセ
ットされる外部印加磁場の範囲を拡張される。
ンサ４０の特定の実施例は、研磨シリコン（Ｓｉ）基板
上にスパッタ付着されたＮｉＦｅ軟磁性層４９によって
分離されたＦｅ強磁性層４７及びＦｅＭｎ反強磁性層５
１からなっている。図５ないし図８は、図２及び図３に
関して説明したように、空気中でアニールし、磁場内で
冷却した後の構造に対するヒステリシス（Ｍ−Ｈ）ルー
プのグラフである。詳細にいえば、検討した構造はＳｉ
／Ｖ（３０Å）／Ｆｅ（ｘ）／Ｎｉ80Ｆｅ20（ｙ）／Ｆ
ｅ50Ｍｎ50（１５０Å）／Ｖ（１００Å）（ただし、ｘ
及びｙはそれぞれ強磁性層４７及び軟磁性層４９の厚さ
である）であった。厚さｙ＝０、１０、２０及び３０Å
の軟磁性層場合の、厚さｘ＝２０、４０及び６０Åの強
磁性層のＭ−Ｈループを図５ないし図８に示す。交換場
（Ｈexch）、飽和保磁力（Ｈc）及び界面結合エネルギ
ー（Ａ＝ＨexchＭsｔ）（ただし、Ｍsは飽和磁化であ
り、ｔは強磁性層の厚さである）それぞれの変化のグラ
フを図９ないし図１１に示す。すべてのサンプルについ
て、ループの直角度は変動せず、約ｓ＝０．６という値
である。同様に、保磁力の直角度はサンプルごとに変動
せず、約ｓx＝０．８という値である。異なる層の測定
した磁化を考慮した場合、図１１は交換エネルギーを４
０Å以上のＦｅの厚さ及び１０Å以上のＮｉＦｅの厚さ
に対して、約０．０８ｅｒｇ／ｃｍ2に維持できること
を示している。界面交換エネルギーのこの値はＮｉＦｅ
／ＦｅＭｎ交換フィルムで得られるもの（通常、約０．
１ｅｒｇ／ｃｍ2）に匹敵するものである。しかしなが
ら、強磁性フィルムの保磁力が大幅に低いことにより、
ピン止めされた強磁性層をＦｅ及びＮｉＦｅ層の厚さの
関数として５０−２００Ｏｅの範囲の最大外部印加フィ
ールドに対して、ほぼ飽和状態に維持することが可能と
なる。全体として、強磁性層と反強磁性層を分離するた
めに軟磁性層を挿入することによって、交換場の大き
さ、あるいは強磁性フィルムの直角度または保磁力の直
角度の大きさに影響を及ぼすことなく、Ｆｅ／ＦｅＭｎ
交換結合フィルムの磁気特性を大幅に改善することがで
きる。詳細にいえば、軟磁性中間層を使用することによ
って、上述の構造が効率のよい磁気抵抗センサとしてセ
ットされる外部印加磁場の範囲を拡張される。
【００２０】本発明によるＭＲスピン・バルブ・センサ
の他の実施例が図１２に示されている。たとえば、Ｔ
ａ、ＲｕまたはＣｒＶなどの適切な下地層５３を基板４
１に付着させてから、第１強磁性層４３を付着する。下
地層５３の目的は以降の層の組織、粒径及び形態を最適
のものとすることである。形態がスピン・バルブ構造の
大きなＭＲ効果特性を得る際に重要になるのは、これに
よって、２つの強磁性層４３及び４７の間にきわめて薄
い非磁性体スペーサ層４５を使用することを可能とする
からである。下地層は電流分路効果を最小限のものとす
るため、高い抵抗率も有していなければならない。下地
層５３を、図２及び図４に関して上述した逆構造によっ
て使用することもできる。基板４１が充分高い抵抗率を
有する材料製であり、充分平坦な表面を有し、適切な結
晶学構造を有している場合、下地層５３を省くことがで
きる。
の他の実施例が図１２に示されている。たとえば、Ｔ
ａ、ＲｕまたはＣｒＶなどの適切な下地層５３を基板４
１に付着させてから、第１強磁性層４３を付着する。下
地層５３の目的は以降の層の組織、粒径及び形態を最適
のものとすることである。形態がスピン・バルブ構造の
大きなＭＲ効果特性を得る際に重要になるのは、これに
よって、２つの強磁性層４３及び４７の間にきわめて薄
い非磁性体スペーサ層４５を使用することを可能とする
からである。下地層は電流分路効果を最小限のものとす
るため、高い抵抗率も有していなければならない。下地
層５３を、図２及び図４に関して上述した逆構造によっ
て使用することもできる。基板４１が充分高い抵抗率を
有する材料製であり、充分平坦な表面を有し、適切な結
晶学構造を有している場合、下地層５３を省くことがで
きる。
【００２１】軟強磁性体の第１薄膜層４３、非磁性金属
材料の薄膜層４５及び強磁性体の第２薄膜層４７を下地
層５３上に付着する。２つの強磁性層４３、４７の磁化
は、外部印加磁場なしで、互いに関して約９０度の角度
に向けられている。上述のように、強磁性体の第２層４
７の磁化方向は交換結合によってもたらされるバイア場
によって定位置にピン止めされている。たとえば、Ｎｉ
Ｆｅなどの軟磁性体の薄膜層４９を第２強磁性層４７上
に直に付着した後、反強磁性体の層５１を軟磁性層４９
上に直に付着する。第２強磁性層４７及び軟磁性中間層
４９は磁化の方向が交換結合によって、反強磁性層５１
に対して固定されている２重層を形成する。
材料の薄膜層４５及び強磁性体の第２薄膜層４７を下地
層５３上に付着する。２つの強磁性層４３、４７の磁化
は、外部印加磁場なしで、互いに関して約９０度の角度
に向けられている。上述のように、強磁性体の第２層４
７の磁化方向は交換結合によってもたらされるバイア場
によって定位置にピン止めされている。たとえば、Ｎｉ
Ｆｅなどの軟磁性体の薄膜層４９を第２強磁性層４７上
に直に付着した後、反強磁性体の層５１を軟磁性層４９
上に直に付着する。第２強磁性層４７及び軟磁性中間層
４９は磁化の方向が交換結合によって、反強磁性層５１
に対して固定されている２重層を形成する。
【００２２】強磁性層４３、４７はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及
びこれらの合金、たとえば、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ及びＦ
ｅＣｏなどの任意の適切な磁性体から製造することがで
きる。軟磁性層４９と接触している第２強磁性層４７
を、ＦｅまたはＦｅ合金で製造することが好ましい。強
磁性層４３、４７の厚さは約１０Åないし約１５０Åの
範囲から選択することができる。
びこれらの合金、たとえば、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ及びＦ
ｅＣｏなどの任意の適切な磁性体から製造することがで
きる。軟磁性層４９と接触している第２強磁性層４７
を、ＦｅまたはＦｅ合金で製造することが好ましい。強
磁性層４３、４７の厚さは約１０Åないし約１５０Åの
範囲から選択することができる。
【００２３】上述したように、交換ハバイアス層、５１
は厚さが約１０Åないし約４０Åの範囲のＮｉＦｅの軟
磁性層４９と接触した、厚さが約５０Åないし約１５０
Åの範囲内の反強磁性ＦｅＭｎの層であることが好まし
い。
は厚さが約１０Åないし約４０Åの範囲のＮｉＦｅの軟
磁性層４９と接触した、厚さが約５０Åないし約１５０
Åの範囲内の反強磁性ＦｅＭｎの層であることが好まし
い。
【００２４】非磁性スペーサ層４５は伝導率の高い金属
であることが好ましい。Ａｕ、Ａｇ及びＣｕなどの貴金
属が大きなＭＲ応答をもたらし、Ｐｔ及びＰｄが小さい
ＭＲ応答をもたらすのに対し、Ｃｒ及びＴａがもたらす
のはごくわずかなＭＲ応答だけである。上述の応答の場
合、スペーサ層４５の厚さは約１０Åないし約４０Åの
範囲内であることが好ましい。
であることが好ましい。Ａｕ、Ａｇ及びＣｕなどの貴金
属が大きなＭＲ応答をもたらし、Ｐｔ及びＰｄが小さい
ＭＲ応答をもたらすのに対し、Ｃｒ及びＴａがもたらす
のはごくわずかなＭＲ応答だけである。上述の応答の場
合、スペーサ層４５の厚さは約１０Åないし約４０Åの
範囲内であることが好ましい。
【００２５】たとえば、ＴａまたはＺｒなどの抵抗率の
高い材料のキャッピング層５５を備えて、ＭＲセンサ上
に付着する。リード線５７を設け、ＭＲセンサと電流源
５９及び検出手段６１の間の回路を形成する。
高い材料のキャッピング層５５を備えて、ＭＲセンサ上
に付着する。リード線５７を設け、ＭＲセンサと電流源
５９及び検出手段６１の間の回路を形成する。
【図１】本発明を実施する磁気ディスク記憶システムの
単純化したブロック線図である。
単純化したブロック線図である。
【図２】本発明の原理による磁気抵抗センサの好ましい
実施例の斜視展開図である。
実施例の斜視展開図である。
【図３】図２に示す磁気抵抗センサの実施例に対するヒ
ステリシス・ループを表すグラフである。
ステリシス・ループを表すグラフである。
【図４】本発明の原理による磁気抵抗センサの他の実施
例の斜視展開図である。
例の斜視展開図である。
【図５】図４に示す磁気抵抗センサを実現する各種の構
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
【図６】図４に示す磁気抵抗センサを実現する各種の構
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
【図７】図４に示す磁気抵抗センサを実現する各種の構
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
【図８】図４に示す磁気抵抗センサを実現する各種の構
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
造に対するヒステリシス・ループを表すグラフである。
【図９】図４に示す磁気抵抗センサに対する交換フィー
ルドと軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
ルドと軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
【図１０】図４に示す磁気抵抗センサに対する飽和保磁
力場と軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
力場と軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
【図１１】図４に示す磁気抵抗センサに対する交換エネ
ルギーと軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
ルギーと軟磁性中間層の厚さを表すグラフである。
【図１２】本発明にしたがって構成される磁気抵抗セン
サの他の実施例の端面図である。
サの他の実施例の端面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルナール・ディーニ フランス国38042 グルノーブル・クレデ ックス シーエヌアールエス 166エック ス (72)発明者 ブルース・アルビン・ガーニイ アメリカ合衆国95051 カリフォルニア州 サンタ・クララ ナンバー1308 フロー ラ・ビスタ・アベニュー 3770 (72)発明者 バージン・サイモン・スペリオス アメリカ合衆国95119 カリフォルニア州 サンノゼ セント・ジュリー・ドライブ 351 (72)発明者 デニス・リチャード・ウィルホイト アメリカ合衆国95037 カリフォルニア州 モーガン・ビル スピリング・ヒル 575
Claims (16)
- 【請求項１】非磁性金属材料の層によって分離された強
磁性体の第１及び第２の層であって、強磁性体の前記第
１層の磁化方向が印加磁場ゼロで強磁性体の前記第２層
の磁化方向に垂直である第１及び第２の強磁性層と、 前記第２強磁性層に隣接し、これと接触している軟磁性
体の層と、 軟磁性体の前記層に隣接し、これと接触している反強磁
性体の層とからなり、該反強磁性層が前記軟磁性層によ
って前記第２強磁性層から分離され、該軟磁性層と前記
第２強磁性層とが該反強磁性層に密着した２重層を形成
し、前記反強磁性層が前記２重層にバイアス場をもたら
し、これによって該２重層の磁化の方向を固定する磁気
抵抗センサ。 - 【請求項２】強磁性体の前記第１及び第２層の少なくと
も一方が鉄または鉄合金からなっている請求項１記載の
磁気抵抗センサ。 - 【請求項３】前記軟磁性層がニッケル鉄合金からなって
おり、かつ前記反強磁性層が鉄マンガン合金ならびに鉄
マンガン及びニッケル−マンガンからなる群から選択さ
れた材料からなっている請求項２記載の磁気抵抗セン
サ。 - 【請求項４】前記軟磁性層が少なくとも１０Åの厚さを
有している請求項１記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項５】前記反強磁性層が約５０Åないし約１５０
Åの範囲内の厚さを有している請求項１記載の磁気抵抗
センサ。 - 【請求項６】前記第１及び第２強磁性層が約１０Åない
し約１５０Åの範囲内の厚さを有している請求項１記載
の磁気抵抗センサ。 - 【請求項７】前記非磁性金属スペーサ層が外皮磁性金属
スペーサ層の伝導電子の平均自由行程よりも小さい厚さ
を有している請求項１記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項８】前記非磁性金属スペーサ層が銀、金、銅な
らびに銀、銅及び金の合金からなる群から選択された材
料からなっている請求項１記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項９】非磁性金属材料の層によって分離された強
磁性体の第１及び第２の層からなる基板上に積層磁気構
造を形成し、 強磁性体の前記第２層の上に、これと密着させて反強磁
性体の層を付着させ、 前記積層磁気構造を空気中で、１８０℃の温度で所定の
時間の間アニールし、 前記積層磁気構造を磁場内で冷却するステップからなる
磁気抵抗センサを製造する方法。 - 【請求項１０】反強磁性体の層を付着するステップがま
ず軟磁性体の層を強磁性体の前記第２層上に直接付着す
るステップを含んでおり、軟磁性体の前記層が反強磁性
体の前記層を強磁性体の前記第２層から分離している請
求項９記載の方法。 - 【請求項１１】データの記録のための複数個のトラック
を有する磁気記憶媒体と、 磁気変換器であって、前記磁気記憶媒体と該磁気変換器
の間の相対運動中に該磁気記憶媒体に関して密接した間
隔に維持され、かつ非磁性金属材料の層によって分離さ
れた強磁性体の第１及び第２の層であって、強磁性体の
前記第１層の磁化方向が印加磁場ゼロで強磁性体の前記
第２層の磁化方向に垂直である第１及び第２の強磁性層
と、 前記第２強磁性層に隣接し、これと接触している軟磁性
体の層と、 軟磁性体の前記層に隣接し、これと接触している反強磁
性体の層とからなり、該反強磁性層が前記軟磁性層によ
って前記第２強磁性層から分離され、該軟磁性層と前記
第２強磁性層とが該反強磁性層に密着した２重層を形成
し、前記反強磁性層が前記２重層にバイアス場をもたら
し、これによって該２重層の磁化の方向を固定する磁気
抵抗センサを含んでいる磁気変換器と、 該磁気変換器を前記磁気記憶媒体の選択されたトラック
へ移動するために前記磁気変換器に結合されたアクチュ
エータ手段と、 前記磁気抵抗センサが横切った前記磁気記憶媒体に記録
されているデータ・ビットを表す磁場に応じた前記磁気
抵抗材料内の抵抗変化を検出するために前記磁気抵抗セ
ンサに結合されている検出手段とからなる磁気記憶シス
テム。 - 【請求項１２】強磁性体の前記第１及び第２層の少なく
とも一方が鉄または鉄合金からなっている請求項１１記
載の磁気記憶システム。 - 【請求項１３】前記軟磁性層がニッケル鉄合金からなっ
ている請求項１１記載の磁気記憶システム。 - 【請求項１４】前記反強磁性層が鉄マンガン及びニッケ
ル−マンガンからなる群から選択された材料からなって
いる請求項１１記載の磁気記憶システム。 - 【請求項１５】前記磁気抵抗センサが前記反強磁性層上
に付着されたキャッピング層と、 前記磁気抵抗センサを前記検出手段に結合するために前
記キャッピング層上に付着されたリード線手段とをさら
に含んでいる請求項１１記載の磁気記憶システム。 - 【請求項１６】前記キャッピング層がタンタル及びジル
コンからなる群から選択された材料からなっている請求
項１５記載の磁気記憶システム。
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