JPH08204253A - 磁気抵抗効果膜 - Google Patents
磁気抵抗効果膜Info
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- JPH08204253A JPH08204253A JP7011354A JP1135495A JPH08204253A JP H08204253 A JPH08204253 A JP H08204253A JP 7011354 A JP7011354 A JP 7011354A JP 1135495 A JP1135495 A JP 1135495A JP H08204253 A JPH08204253 A JP H08204253A
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Hall/Mr Elements (AREA)
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- Magnetic Heads (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 磁気記録媒体から磁界強度を信号として読み
取るためのMR素子に関して、小さい外部磁場で抵抗変
化率の大きい磁気抵抗効果膜を提供する。 【構成】 反強磁性体と交換結合して抗磁力を与えられ
た磁性層と軟磁性層とが、非磁性層を介して積層された
人工格子からなる磁気抵抗効果膜において、反強磁性体
を酸化物反強磁性体、反強磁性体超格子(または永久磁
石膜)6とする。次に、磁性薄膜3,非磁性薄膜1,磁
性薄膜4からなるサンドイッチ膜の下地として、厚さ1
0〜60オングストロームのbcc Fe薄膜2を挿入
する。さらに、この上に反強磁性体(または永久磁石材
料)7を形成して磁性薄膜4を単磁区化する。これによ
り、小さな外部磁場で大きな抵抗変化を示す磁気抵抗効
果膜を得る。
取るためのMR素子に関して、小さい外部磁場で抵抗変
化率の大きい磁気抵抗効果膜を提供する。 【構成】 反強磁性体と交換結合して抗磁力を与えられ
た磁性層と軟磁性層とが、非磁性層を介して積層された
人工格子からなる磁気抵抗効果膜において、反強磁性体
を酸化物反強磁性体、反強磁性体超格子(または永久磁
石膜)6とする。次に、磁性薄膜3,非磁性薄膜1,磁
性薄膜4からなるサンドイッチ膜の下地として、厚さ1
0〜60オングストロームのbcc Fe薄膜2を挿入
する。さらに、この上に反強磁性体(または永久磁石材
料)7を形成して磁性薄膜4を単磁区化する。これによ
り、小さな外部磁場で大きな抵抗変化を示す磁気抵抗効
果膜を得る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気記録媒体等から磁
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
用いる磁気抵抗効果膜に関し、さらに詳しくは、小さい
外部磁場で抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜に関する
ものである。
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
用いる磁気抵抗効果膜に関し、さらに詳しくは、小さい
外部磁場で抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果膜に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、磁気センサーの高感度化、および
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)およ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
サーおよび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が、
MRセンサーおよびMRヘッドは、磁気記録媒体との相
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て
も高い出力が得られるという長所がある。
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)およ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
サーおよび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が、
MRセンサーおよびMRヘッドは、磁気記録媒体との相
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て
も高い出力が得られるという長所がある。
【0003】最近、非磁性薄膜を介して積層された少な
くとも2層の磁性薄膜を有し、一方の軟磁性薄膜に反強
磁性薄膜を隣接して設けることで抗磁力を与え、非磁性
薄膜を介して隣接した他方の軟磁性薄膜と異る外部磁界
で磁化回転させることで抵抗変化を行う磁気抵抗効果膜
がある(例えば、フィジカル レビュー B(Phys. Re
v. B)第43巻、1297頁、1991年,特開平4−35831
0号公報)。
くとも2層の磁性薄膜を有し、一方の軟磁性薄膜に反強
磁性薄膜を隣接して設けることで抗磁力を与え、非磁性
薄膜を介して隣接した他方の軟磁性薄膜と異る外部磁界
で磁化回転させることで抵抗変化を行う磁気抵抗効果膜
がある(例えば、フィジカル レビュー B(Phys. Re
v. B)第43巻、1297頁、1991年,特開平4−35831
0号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
願の磁気抵抗効果素子においても、小さい外部磁場で動
作するとは言え、実用的なMRセンサー,MRヘッドと
して使用する場合、磁化容易軸方向に信号磁界が印加さ
れる必要があり、磁気センサーとして用いる場合、ゼロ
磁場前後で抵抗変化を示さないこと、および磁壁の不連
続な移動によるバルクハウゼンジャンプなどの非直線性
が現れるという問題があった。
願の磁気抵抗効果素子においても、小さい外部磁場で動
作するとは言え、実用的なMRセンサー,MRヘッドと
して使用する場合、磁化容易軸方向に信号磁界が印加さ
れる必要があり、磁気センサーとして用いる場合、ゼロ
磁場前後で抵抗変化を示さないこと、および磁壁の不連
続な移動によるバルクハウゼンジャンプなどの非直線性
が現れるという問題があった。
【0005】さらに、反強磁性薄膜としては、FeMn
という耐食性の悪い材料を用いる必要があり、実用化に
際して添加物を加える、または保護膜を施すなどの処理
を必要とするという問題があった。
という耐食性の悪い材料を用いる必要があり、実用化に
際して添加物を加える、または保護膜を施すなどの処理
を必要とするという問題があった。
【0006】一方、強磁性層に抗磁力を付与する磁性膜
として、耐食性の優れた酸化物反強磁性膜または永久磁
石薄膜を用いた場合、その上に積層する磁性層/非磁性
層/磁性層サンドイッチ膜の結晶性が悪く、出力にヒス
テリシスが現れやすくなるという問題があった。
として、耐食性の優れた酸化物反強磁性膜または永久磁
石薄膜を用いた場合、その上に積層する磁性層/非磁性
層/磁性層サンドイッチ膜の結晶性が悪く、出力にヒス
テリシスが現れやすくなるという問題があった。
【0007】本発明の目的は、小さな外部磁場でヒステ
リシスが小さく直線的に大きな抵抗変化を示す磁気抵抗
効果膜を提供することにある。
リシスが小さく直線的に大きな抵抗変化を示す磁気抵抗
効果膜を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に非磁
性薄膜を介して積層した複数の磁性薄膜からなり、非磁
性薄膜を介して隣あう一方の軟磁性薄膜に反強磁性薄膜
または永久磁石薄膜が隣接して設けてあり、この反強磁
性薄膜のバイアス磁界をHr 、他方の軟磁性薄膜の保磁
力をHc2としたとき、Hc2<Hr であることを特徴とす
る磁気抵抗効果膜である。
性薄膜を介して積層した複数の磁性薄膜からなり、非磁
性薄膜を介して隣あう一方の軟磁性薄膜に反強磁性薄膜
または永久磁石薄膜が隣接して設けてあり、この反強磁
性薄膜のバイアス磁界をHr 、他方の軟磁性薄膜の保磁
力をHc2としたとき、Hc2<Hr であることを特徴とす
る磁気抵抗効果膜である。
【0009】本発明の反強磁性薄膜に用いる反強磁性体
は、具体的には、NiO,CoO,FeO,Fe
2 O3 ,CrO,MnO,Cr、または、これらの混合
物である。また、NiO,Nix Co1-x O(x= 0.1〜
0.9 ),CoOから選択される少なくとも2つを交互に
積層した超格子構造としてもよい。そして、超格子中の
NiのCoに対する原子数比を1.0以上とすることに
より、交換結合膜を形成したときの使用可能温度(ブロ
ッキング温度)を100℃以上とすることが可能であ
る。反強磁性薄膜の膜厚の上限は、1000オングスト
ロームである。
は、具体的には、NiO,CoO,FeO,Fe
2 O3 ,CrO,MnO,Cr、または、これらの混合
物である。また、NiO,Nix Co1-x O(x= 0.1〜
0.9 ),CoOから選択される少なくとも2つを交互に
積層した超格子構造としてもよい。そして、超格子中の
NiのCoに対する原子数比を1.0以上とすることに
より、交換結合膜を形成したときの使用可能温度(ブロ
ッキング温度)を100℃以上とすることが可能であ
る。反強磁性薄膜の膜厚の上限は、1000オングスト
ロームである。
【0010】一方、反強磁性体膜の厚さの下限は特には
ないが、反強磁性体超格子の結晶性が隣接する磁性層へ
の交換結合磁界の大きさに大きく影響するため、結晶性
が良好となる100オングストローム以上とすることが
好ましい。また、反強磁性体超格子を構成する場合、各
反強磁性層の単位膜厚は、50オングストローム以下と
することが好ましい。このとき、各反強磁性層間の界面
での相互作用が、超格子の特性に大きく反映され、隣接
する磁性薄膜に大きなバイアス磁界を印加することが可
能である。
ないが、反強磁性体超格子の結晶性が隣接する磁性層へ
の交換結合磁界の大きさに大きく影響するため、結晶性
が良好となる100オングストローム以上とすることが
好ましい。また、反強磁性体超格子を構成する場合、各
反強磁性層の単位膜厚は、50オングストローム以下と
することが好ましい。このとき、各反強磁性層間の界面
での相互作用が、超格子の特性に大きく反映され、隣接
する磁性薄膜に大きなバイアス磁界を印加することが可
能である。
【0011】そして、基板温度を100〜300℃とし
て成膜することにより、結晶性が改善されバイアス磁界
が上昇する。この成膜は、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,Si,MgO,Al
2 O3 ,GaAs,フェライト,CaTi2 O3 ,Ba
Ti2O3 ,Al2 O3 −TiC等を用いることができ
る。
て成膜することにより、結晶性が改善されバイアス磁界
が上昇する。この成膜は、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,Si,MgO,Al
2 O3 ,GaAs,フェライト,CaTi2 O3 ,Ba
Ti2O3 ,Al2 O3 −TiC等を用いることができ
る。
【0012】本発明の永久磁石薄膜に用いる磁性体の種
類は、具体的にはCoCr,CoCrTa,CoCrT
aPt,CoCrPt,CoNiPt,CoNiCr,
CoCrPtSi,FeCoCrである。そして、これ
ら永久磁石薄膜の下地層として、Crが用いられてもよ
い。
類は、具体的にはCoCr,CoCrTa,CoCrT
aPt,CoCrPt,CoNiPt,CoNiCr,
CoCrPtSi,FeCoCrである。そして、これ
ら永久磁石薄膜の下地層として、Crが用いられてもよ
い。
【0013】本発明では、上記反強磁性体薄膜上または
永久磁石薄膜上にbcc構造のFeを10〜60オング
ストロームの厚さに積層し、その上に磁性層/非磁性層
/磁性層からなるサンドイッチ膜を積層することによ
り、サンドイッチ膜の結晶性が向上し、磁気抵抗効果素
子とした時の出力のヒステリシスおよびノイズを小さく
抑えることが出来る。
永久磁石薄膜上にbcc構造のFeを10〜60オング
ストロームの厚さに積層し、その上に磁性層/非磁性層
/磁性層からなるサンドイッチ膜を積層することによ
り、サンドイッチ膜の結晶性が向上し、磁気抵抗効果素
子とした時の出力のヒステリシスおよびノイズを小さく
抑えることが出来る。
【0014】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,Ge,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−C
o,Fe−Gd,Ni−Fe−Co,Ni−Fe−M
o,Fe−Al−Si(センダスト),Fe−Y,Fe
−Mn,Cr−Sb,Co系アモルファス,Co−P
t,Fe−Al,Fe−C,Mn−Sb,Ni−Mn,
フェライト等が好ましい。
特に制限されないが、具体的には、Fe,Ni,Co,
Mn,Cr,Dy,Er,Nd,Tb,Tm,Ge,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−C
o,Fe−Gd,Ni−Fe−Co,Ni−Fe−M
o,Fe−Al−Si(センダスト),Fe−Y,Fe
−Mn,Cr−Sb,Co系アモルファス,Co−P
t,Fe−Al,Fe−C,Mn−Sb,Ni−Mn,
フェライト等が好ましい。
【0015】本発明ではこれらの磁性体から選択して磁
性薄膜を形成する。特に、反強磁性薄膜または永久磁石
薄膜と隣接していない磁性薄膜の異方性磁界Hk2が保磁
力Hc2より大きい材料を選択することにより実現でき
る。また、異方性磁界は膜厚を薄くすることによっても
大きくできる。例えば、NiFeを10オングストロー
ム程度の厚さにすると、異方性磁界Hk2を保磁力Hc2よ
りも大きくすることができる。
性薄膜を形成する。特に、反強磁性薄膜または永久磁石
薄膜と隣接していない磁性薄膜の異方性磁界Hk2が保磁
力Hc2より大きい材料を選択することにより実現でき
る。また、異方性磁界は膜厚を薄くすることによっても
大きくできる。例えば、NiFeを10オングストロー
ム程度の厚さにすると、異方性磁界Hk2を保磁力Hc2よ
りも大きくすることができる。
【0016】さらに、このような磁気抵抗効果膜は、磁
性薄膜の磁化容易軸が印加される信号磁界方向に対して
垂直方向になっていて、印加信号磁界方向の磁性薄膜の
保磁力が、Hc2<Hk2<Hr になるように、前記磁性薄
膜を磁場中成膜することにより製造できる。具体的に
は、反強磁性膜と隣接する軟磁性膜の容易軸と、これと
非磁性層を介して隣あう磁性膜の容易磁化方向とが、直
交するように成膜中印加磁界を90度回転させる、また
は磁場中で基板を90度回転させることにより実現され
る。
性薄膜の磁化容易軸が印加される信号磁界方向に対して
垂直方向になっていて、印加信号磁界方向の磁性薄膜の
保磁力が、Hc2<Hk2<Hr になるように、前記磁性薄
膜を磁場中成膜することにより製造できる。具体的に
は、反強磁性膜と隣接する軟磁性膜の容易軸と、これと
非磁性層を介して隣あう磁性膜の容易磁化方向とが、直
交するように成膜中印加磁界を90度回転させる、また
は磁場中で基板を90度回転させることにより実現され
る。
【0017】各磁性薄膜の膜厚は、200オングストロ
ーム以下が好ましい。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特
にないが、30オングストローム以下は伝導電子の表面
散乱の効果が大きくなり、磁気抵抗変化が小さくなる。
また、厚さを30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、特性も良好となる。ま
た、飽和磁化の大きさが小さくなりすぎることもない。
ーム以下が好ましい。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特
にないが、30オングストローム以下は伝導電子の表面
散乱の効果が大きくなり、磁気抵抗変化が小さくなる。
また、厚さを30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、特性も良好となる。ま
た、飽和磁化の大きさが小さくなりすぎることもない。
【0018】また、反強磁性薄膜に隣接する磁性薄膜の
保磁力は、基板温度を150〜300℃として反強磁性
薄膜と連続して成膜することにより小さくすることが可
能である。
保磁力は、基板温度を150〜300℃として反強磁性
薄膜と連続して成膜することにより小さくすることが可
能である。
【0019】さらに、磁性薄膜/非磁性薄膜界面に、C
oまたはCo系合金を挿入することにより、伝導電子の
界面散乱確率が上昇し、より大きな抵抗変化を得ること
が可能である。挿入する膜厚の下限は5オングストロー
ムである。また、膜厚がこれ以下になると、挿入効果が
減少するとともに膜厚制御も困難となる。挿入膜厚の上
限は特にはないが、30オングストローム程度が望まし
い。そして、膜厚がこれ以上厚くなると、磁気抵抗効果
素子の動作範囲における出力にヒステリシスが現れる。
oまたはCo系合金を挿入することにより、伝導電子の
界面散乱確率が上昇し、より大きな抵抗変化を得ること
が可能である。挿入する膜厚の下限は5オングストロー
ムである。また、膜厚がこれ以下になると、挿入効果が
減少するとともに膜厚制御も困難となる。挿入膜厚の上
限は特にはないが、30オングストローム程度が望まし
い。そして、膜厚がこれ以上厚くなると、磁気抵抗効果
素子の動作範囲における出力にヒステリシスが現れる。
【0020】このような磁気抵抗効果膜において、外部
磁界を検知する磁性層、すなわち反強磁性薄膜または永
久磁石薄膜と隣接しない磁性層の容易磁化方向に反強磁
性薄膜または永久磁石薄膜を隣接させることにより、磁
区安定化がはかられ、磁壁の不連続な移動に伴うバルク
ハウゼンジャンプなどの非直線的な出力が回避される。
ここで、磁区安定化に用いられる反強磁性薄膜として
は、例えば、FeMn,NiMn,NiO,CoO,F
eO,Fe2 O3 ,CrO,MnOなどが好ましい。ま
た、永久磁石薄膜としては、CoCr,CoCrTa,
CoCrTaPt,CoCrPt,CoNiPt,Co
NiCr,CoCrPtSi,FeCoCrなどが好ま
しい。そして、これらの永久磁石薄膜の下地層として、
Cr などが用いられてもよい。
磁界を検知する磁性層、すなわち反強磁性薄膜または永
久磁石薄膜と隣接しない磁性層の容易磁化方向に反強磁
性薄膜または永久磁石薄膜を隣接させることにより、磁
区安定化がはかられ、磁壁の不連続な移動に伴うバルク
ハウゼンジャンプなどの非直線的な出力が回避される。
ここで、磁区安定化に用いられる反強磁性薄膜として
は、例えば、FeMn,NiMn,NiO,CoO,F
eO,Fe2 O3 ,CrO,MnOなどが好ましい。ま
た、永久磁石薄膜としては、CoCr,CoCrTa,
CoCrTaPt,CoCrPt,CoNiPt,Co
NiCr,CoCrPtSi,FeCoCrなどが好ま
しい。そして、これらの永久磁石薄膜の下地層として、
Cr などが用いられてもよい。
【0021】さらに、非磁性薄膜は、磁性薄膜間の磁気
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および
非金属非磁性体から適宜選択すればよい。この金属非磁
性体としては、例えば、Au,Ag,Cu,Pt,A
l,Mg,Mo,Zn,Nb,Ta,V,Hf,Sb,
Zr,Ga,Ti,Sn,Pb等およびこれらの合金が
好ましい。また、半金属非磁性体としては、SiO2 ,
SiO,SiN,Al2 O3 ,ZnO,MgO,TiN
等およびこれらに別の元素を添加したものが好ましい。
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および
非金属非磁性体から適宜選択すればよい。この金属非磁
性体としては、例えば、Au,Ag,Cu,Pt,A
l,Mg,Mo,Zn,Nb,Ta,V,Hf,Sb,
Zr,Ga,Ti,Sn,Pb等およびこれらの合金が
好ましい。また、半金属非磁性体としては、SiO2 ,
SiO,SiN,Al2 O3 ,ZnO,MgO,TiN
等およびこれらに別の元素を添加したものが好ましい。
【0022】そして、実験結果より非磁性薄膜の厚さ
は、20〜35オングストロームが望ましい。一般に膜
厚が40オングストロームを超えると、非磁性薄膜によ
り抵抗が決まるため、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20オングストロー
ム以下になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大きくな
りすぎ、また、磁気的な直接接触状態(ピンホール)の
発生が避けられないことから、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。
は、20〜35オングストロームが望ましい。一般に膜
厚が40オングストロームを超えると、非磁性薄膜によ
り抵抗が決まるため、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20オングストロー
ム以下になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大きくな
りすぎ、また、磁気的な直接接触状態(ピンホール)の
発生が避けられないことから、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。
【0023】磁性薄膜また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。
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。
【0024】本発明の磁気抵抗効果素子において、人工
格子膜の繰り返し積層回数Nには特に制限はなく、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。
しかしながら、酸化物反強磁性薄膜を用いる場合、比抵
抗値が大きく、積層する効果が損なわれるため、反強磁
性層/磁性層/非磁性層/磁性層/非磁性層/磁性層/
反強磁性層とする構造に置き替えられるのが好ましい。
格子膜の繰り返し積層回数Nには特に制限はなく、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。
しかしながら、酸化物反強磁性薄膜を用いる場合、比抵
抗値が大きく、積層する効果が損なわれるため、反強磁
性層/磁性層/非磁性層/磁性層/非磁性層/磁性層/
反強磁性層とする構造に置き替えられるのが好ましい。
【0025】なお、最上層の磁性薄膜の表面には、窒化
珪素,酸化珪素,酸化アルミ等の酸化防止膜が設けられ
てもよく、また、電極を引き出すための金属導電層が設
けられてもよい。
珪素,酸化珪素,酸化アルミ等の酸化防止膜が設けられ
てもよく、また、電極を引き出すための金属導電層が設
けられてもよい。
【0026】また、磁気抵抗効果素子中に存在する磁性
薄膜は、そ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。まず、測定すべ
き磁性薄膜を、磁性薄膜の合計厚さが、500〜100
0オングストローム程度になるまで非磁性薄膜と交互に
成膜して測定用サンプルを作製し、これについて磁気特
性を測定する。この場合、磁性薄膜の厚さ,非磁性薄膜
の厚さおよび非磁性薄膜の組成は、磁気抵抗効果素子に
おけるものと同等にする。
薄膜は、そ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。まず、測定すべ
き磁性薄膜を、磁性薄膜の合計厚さが、500〜100
0オングストローム程度になるまで非磁性薄膜と交互に
成膜して測定用サンプルを作製し、これについて磁気特
性を測定する。この場合、磁性薄膜の厚さ,非磁性薄膜
の厚さおよび非磁性薄膜の組成は、磁気抵抗効果素子に
おけるものと同等にする。
【0027】
【作用】本発明の磁気抵抗効果膜では、一方の軟磁性薄
膜に隣接して反強磁性薄膜または永久磁石薄膜が形成さ
れており、交換バイアス力が働い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薄膜の磁
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、本発明の磁気抵抗
効果膜では、図3のB−H曲線に示すように、外部磁場
Hが磁性薄膜の異方性磁界Hk2と反強磁性薄膜または永
久磁石薄膜によって交換バイアスされた一方の磁性薄膜
の抗磁力(Hr orHch)の間にあるとき、すなわちHk2
<H<HrorHchであるとき、隣合った磁性薄膜の磁化
の方向が互いに逆向きになり、抵抗が増大する。
膜に隣接して反強磁性薄膜または永久磁石薄膜が形成さ
れており、交換バイアス力が働い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薄膜の磁
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、本発明の磁気抵抗
効果膜では、図3のB−H曲線に示すように、外部磁場
Hが磁性薄膜の異方性磁界Hk2と反強磁性薄膜または永
久磁石薄膜によって交換バイアスされた一方の磁性薄膜
の抗磁力(Hr orHch)の間にあるとき、すなわちHk2
<H<HrorHchであるとき、隣合った磁性薄膜の磁化
の方向が互いに逆向きになり、抵抗が増大する。
【0028】図2は、本発明の磁気抵抗効果膜を用いた
MRセンサの一例を示す展開斜視図である。このMRセ
ンサは、図2に示すように、基板5上に形成された人工
格子膜8からなり、基板5上に形成された反強磁性薄膜
(または永久磁石薄膜)7の上に、非磁性薄膜1を介し
た磁性薄膜3,4間の磁化容易軸方向を直交させ、磁気
記録媒体9から放出される信号磁界を磁性薄膜4の磁化
容易軸方向に対し垂直となるように設定する。
MRセンサの一例を示す展開斜視図である。このMRセ
ンサは、図2に示すように、基板5上に形成された人工
格子膜8からなり、基板5上に形成された反強磁性薄膜
(または永久磁石薄膜)7の上に、非磁性薄膜1を介し
た磁性薄膜3,4間の磁化容易軸方向を直交させ、磁気
記録媒体9から放出される信号磁界を磁性薄膜4の磁化
容易軸方向に対し垂直となるように設定する。
【0029】このとき、磁性薄膜3は、隣接する反強磁
性薄膜(または永久磁石薄膜)6により一方向異方性が
付与されている。また、磁性薄膜4の両端部の近傍に
は、磁化容易軸方向に反強磁性薄膜(または永久磁石薄
膜)7が隣接しており、磁化容易軸方向に一方向化され
ている。そして、磁性薄膜4の磁化方向が、磁気記録媒
体9の信号磁界の大きさに応答して回転することによ
り、抵抗が変化し磁場を検知する。
性薄膜(または永久磁石薄膜)6により一方向異方性が
付与されている。また、磁性薄膜4の両端部の近傍に
は、磁化容易軸方向に反強磁性薄膜(または永久磁石薄
膜)7が隣接しており、磁化容易軸方向に一方向化され
ている。そして、磁性薄膜4の磁化方向が、磁気記録媒
体9の信号磁界の大きさに応答して回転することによ
り、抵抗が変化し磁場を検知する。
【0030】次に、本発明の磁気抵抗効果膜における外
部磁場、保磁力および磁化方向の関係について、図3を
参照して説明する。
部磁場、保磁力および磁化方向の関係について、図3を
参照して説明する。
【0031】(1) 本発明の磁気抵抗効果膜を、図3に示
すように、交換バイアスされた軟磁性薄膜の抗磁力をH
r 、他方の軟磁性薄膜の保磁力をHc2、異方性磁界をH
k2とする(0<Hk2<Hr )。そして、最初に外部磁場
Hを、H<−Hk2となるように印加しておく。このと
き、磁性薄膜3および磁性薄膜4の磁化方向は、外部磁
場Hと同じ−(負)方向に向いている〔領域(A)〕。
すように、交換バイアスされた軟磁性薄膜の抗磁力をH
r 、他方の軟磁性薄膜の保磁力をHc2、異方性磁界をH
k2とする(0<Hk2<Hr )。そして、最初に外部磁場
Hを、H<−Hk2となるように印加しておく。このと
き、磁性薄膜3および磁性薄膜4の磁化方向は、外部磁
場Hと同じ−(負)方向に向いている〔領域(A)〕。
【0032】(2) 次に、外部磁場を弱めていくと、−H
k2<H<Hk2において、磁性薄膜4の磁化は+(正)方
向に回転する〔領域(B)〕。
k2<H<Hk2において、磁性薄膜4の磁化は+(正)方
向に回転する〔領域(B)〕。
【0033】(3) そして、外部磁場Hが、Hk2<H<H
r では、磁性薄膜3および磁性薄膜4の磁化方向は互い
に逆向きになる〔領域(C)〕。
r では、磁性薄膜3および磁性薄膜4の磁化方向は互い
に逆向きになる〔領域(C)〕。
【0034】(4) さらに、外部磁場Hを大きくした、H
r <Hでは、磁性薄膜4の磁化も反転し、磁性薄膜3お
よび磁性薄膜4の磁化方向は、同じ+(正)方向に揃っ
て向く〔領域(D)〕。
r <Hでは、磁性薄膜4の磁化も反転し、磁性薄膜3お
よび磁性薄膜4の磁化方向は、同じ+(正)方向に揃っ
て向く〔領域(D)〕。
【0035】この磁気抵抗効果膜の抵抗値は、図4に示
すR−H曲線から判るように、磁性薄膜3および磁性薄
膜4の相対的な磁化方向によって変化し、領域(B)の
ゼロ磁場前後では直線的に変化し、領域(C)では最大
値(Rmax )となり、領域(A)および領域(D)では
最小値(Rmin )となる。
すR−H曲線から判るように、磁性薄膜3および磁性薄
膜4の相対的な磁化方向によって変化し、領域(B)の
ゼロ磁場前後では直線的に変化し、領域(C)では最大
値(Rmax )となり、領域(A)および領域(D)では
最小値(Rmin )となる。
【0036】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【0037】図1は、本発明に係る磁気抵抗効果膜を示
す一部省略側面図である。本発明の磁気抵抗効果膜は、
図1に示すように、基板5上に人工格子膜8を形成した
ものであって、反強磁性体薄膜(または永久磁石薄膜)
6を形成した基板5上に、bcc構造のFeからなるb
cc Fe薄膜2,磁性薄膜3,非磁性薄膜1,磁性薄
膜4,反強磁性薄膜(または永久磁石薄膜)7を順次積
層して構成されている。
す一部省略側面図である。本発明の磁気抵抗効果膜は、
図1に示すように、基板5上に人工格子膜8を形成した
ものであって、反強磁性体薄膜(または永久磁石薄膜)
6を形成した基板5上に、bcc構造のFeからなるb
cc Fe薄膜2,磁性薄膜3,非磁性薄膜1,磁性薄
膜4,反強磁性薄膜(または永久磁石薄膜)7を順次積
層して構成されている。
【0038】次に、本発明の磁気抵抗効果膜による具体
的な実験結果について説明する。
的な実験結果について説明する。
【0039】まず、基板には、ガラス基板を用い、この
ガラス基板を真空装置の中に入れ、10-7Torr台ま
で真空引きを行う。そして、ガラス基板の温度を150
℃に上昇させ、反強磁性体層を500オングストローム
の厚さで形成し、続いて、bcc Fe層およびNiF
eの磁性層を成膜する。このようにして、150℃で交
換結合膜を形成後、ガラス基板の温度を再び室温に戻
し、非磁性層および磁性層を形成して磁気抵抗効果膜と
する。
ガラス基板を真空装置の中に入れ、10-7Torr台ま
で真空引きを行う。そして、ガラス基板の温度を150
℃に上昇させ、反強磁性体層を500オングストローム
の厚さで形成し、続いて、bcc Fe層およびNiF
eの磁性層を成膜する。このようにして、150℃で交
換結合膜を形成後、ガラス基板の温度を再び室温に戻
し、非磁性層および磁性層を形成して磁気抵抗効果膜と
する。
【0040】この人工格子による磁気抵抗効果膜の磁化
測定は、振動試料型磁力計により行った。抵抗測定は、
試料から1.0×10mm2 の形状のサンプルを作製
し、外部磁界を面内に電流と垂直方向になるように印加
しながら−500〜500Oeまで変化させたときの抵
抗値を4端子法により測定し、その抵抗値から磁気抵抗
変化率ΔR/Rを求めた。この磁気抵抗変化率ΔR/R
は、測定した抵抗値の最大抵抗値をRmax ,最小抵抗値
をRmin として、次式により計算した。
測定は、振動試料型磁力計により行った。抵抗測定は、
試料から1.0×10mm2 の形状のサンプルを作製
し、外部磁界を面内に電流と垂直方向になるように印加
しながら−500〜500Oeまで変化させたときの抵
抗値を4端子法により測定し、その抵抗値から磁気抵抗
変化率ΔR/Rを求めた。この磁気抵抗変化率ΔR/R
は、測定した抵抗値の最大抵抗値をRmax ,最小抵抗値
をRmin として、次式により計算した。
【0041】
【0042】そして、次に示す人工格子膜を約2.2〜
3.5オングストローム/秒の成膜速度で成膜して作製
した。
3.5オングストローム/秒の成膜速度で成膜して作製
した。
【0043】Glass / (CoO(10)/NiO(10))25 / Fe(50) /
NiFe(50) / Cu(25) / NiFe(100) ここで、上記の人工格子膜は、ガラス基板上に、厚
さ10オングストロームのCoO層とNiO層とを交互
に25回ずつ積層した超格子の反強磁性層を形成した
後、厚さ50オングストロームのbcc Fe層、
厚さ50オングストロームのNi80%−Fe20%の
磁性層、厚さ25オングストロームのCuからなる非
磁性層、厚さ100オングストロームのNi80%−
Fe20%の磁性層を順次成膜し積層した、ことを意味
する。
NiFe(50) / Cu(25) / NiFe(100) ここで、上記の人工格子膜は、ガラス基板上に、厚
さ10オングストロームのCoO層とNiO層とを交互
に25回ずつ積層した超格子の反強磁性層を形成した
後、厚さ50オングストロームのbcc Fe層、
厚さ50オングストロームのNi80%−Fe20%の
磁性層、厚さ25オングストロームのCuからなる非
磁性層、厚さ100オングストロームのNi80%−
Fe20%の磁性層を順次成膜し積層した、ことを意味
する。
【0044】また、この人工格子膜は、非磁性層の厚を
25オングストロームとすることにより、3.8%程度
の抵抗変化率が得られ、ヒステリシスもbcc Feを
磁性サンドイッチ層の下地として挿入することにより小
さくなった。さらに、磁性層(NiFe)/非磁性層
(Cu)界面にCoを挿入することにより、6%の抵抗
変化率が得られた。
25オングストロームとすることにより、3.8%程度
の抵抗変化率が得られ、ヒステリシスもbcc Feを
磁性サンドイッチ層の下地として挿入することにより小
さくなった。さらに、磁性層(NiFe)/非磁性層
(Cu)界面にCoを挿入することにより、6%の抵抗
変化率が得られた。
【0045】図5は、本実施例の人工格子膜について、
外部磁界を−500〜500Oeまで変化させたときの
B−H曲線を示し、また、図6は、同様に抵抗変化率を
示すMR曲線を示し、ゼロ磁場前後で直線的に大きな抵
抗変化を示すことが判る。
外部磁界を−500〜500Oeまで変化させたときの
B−H曲線を示し、また、図6は、同様に抵抗変化率を
示すMR曲線を示し、ゼロ磁場前後で直線的に大きな抵
抗変化を示すことが判る。
【0046】なお、本実施例では、反強磁性層がCoO
とNiOとの超格子のみの場合について記述したが、N
ix Co1-x O(x= 0.1〜0.9 )とNiOとの超格子、
Nix Co1-x O(x= 0.1〜0.9 )とCoOとの超格
子、または、NiO,CoO,FeO,Fe2 O3 ,C
rO,MnO,Crのいずれか1つ、またはこれらの混
合物からなる超格子、さらに、この反強磁性層をCoC
r,CoCrTa,CoCrTaPt,CoCrPt,
CoNiPt,CoNiCr,CoCrPtSi,Fe
CoCrのいずれか1つからなる永久磁石層に置き換え
たものでも、4〜7%の抵抗変化率が得られた。
とNiOとの超格子のみの場合について記述したが、N
ix Co1-x O(x= 0.1〜0.9 )とNiOとの超格子、
Nix Co1-x O(x= 0.1〜0.9 )とCoOとの超格
子、または、NiO,CoO,FeO,Fe2 O3 ,C
rO,MnO,Crのいずれか1つ、またはこれらの混
合物からなる超格子、さらに、この反強磁性層をCoC
r,CoCrTa,CoCrTaPt,CoCrPt,
CoNiPt,CoNiCr,CoCrPtSi,Fe
CoCrのいずれか1つからなる永久磁石層に置き換え
たものでも、4〜7%の抵抗変化率が得られた。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気抵抗
効果膜は、小さな外部磁場でヒステリシスが小さく直線
的に大きな抵抗変化を示す磁気抵抗効果膜を得ることが
できる。
効果膜は、小さな外部磁場でヒステリシスが小さく直線
的に大きな抵抗変化を示す磁気抵抗効果膜を得ることが
できる。
【図1】本発明に係る磁気抵抗効果膜を示す一部省略側
面図である。
面図である。
【図2】本発明の磁気抵抗効果膜を用いたMRセンサー
の一例を示す展開斜視図である。
の一例を示す展開斜視図である。
【図3】本発明の磁気抵抗効果膜の作用原理を説明する
B−H曲線である。
B−H曲線である。
【図4】本発明の磁気抵抗効果膜の作用原理を説明する
R−H曲線である。
R−H曲線である。
【図5】本発明に係る磁気抵抗効果膜のB−H曲線であ
る。
る。
【図6】本発明に係る磁気抵抗効果膜のMR曲線であ
る。
る。
1 非磁性薄膜 2 bcc Fe薄膜 3,4 磁性薄膜 5 基板 6,7 反強磁性薄膜(または永久磁石薄膜) 8 人工格子膜 9 磁気録媒体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 邦彦 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上に非磁性薄膜を介して積層した複
数の磁性薄膜からなり、非磁性薄膜を介して隣接する一
方の軟磁性薄膜に反強磁性薄膜が隣接して設けてあり、
前記反強磁性薄膜のバイアス磁界をHr 、前記反強磁性
薄膜に隣接しない他方の軟磁性薄膜の保磁力をHc2とし
たとき、Hc2<Hr である磁気抵抗効果膜において、 前記反強磁性体が、NiO,Nix Co1-x O(x= 0.1
〜0.9 ),CoOの少なくとも2つからなる超格子であ
り、この超格子中のNiのCoに対する原子数比が1.
0以上であることを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項2】 前記反強磁性体が、NiO,CoO,F
eO,Fe2 O3 ,CrO,MnO,Crのいずれか1
つ、または少なくともこれらの2つの混合物からなるこ
とを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項3】 基板上に非磁性薄膜を介して積層した複
数の磁性薄膜からなり、非磁性薄膜を介して隣あう一方
の軟磁性薄膜に永久磁石薄膜が隣接して設けてあり、前
記永久磁石薄膜の保磁力をHch、前記永久磁石薄膜に隣
接しない他方の軟磁性薄膜の保磁力をHc2としたとき、
Hc2<Hchである磁気抵抗効果膜において、 前記永久磁石薄膜が、CoCr,CoCrTa,CoC
rTaPt,CoCrPt,CoNiPt,CoNiC
r,CoCrPtSi,FeCoCrのいずれか1つか
らなることを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項4】 請求項1または2記載の磁気抵抗効果膜
において、前記反強磁性体薄膜上に厚さ10〜60オン
グストロームのbcc構造のFeを積層し、その上に磁
性層/非磁性層/磁性層からなるサンドイッチ膜を積層
することを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項5】 請求項3記載の磁気抵抗効果膜におい
て、前記永久磁石薄膜上に厚さ10〜60オングストロ
ームのbcc構造のFeを積層し、その上に磁性層/非
磁性層/磁性層からなるサンドイッチ膜を積層すること
を特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項6】 請求項1または2記載の磁気抵抗効果膜
において、前記反強磁性薄膜と隣接しない前記他方の軟
磁性薄膜を別の反強磁性薄膜または永久磁石薄膜を用い
て単磁区化することを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 【請求項7】 請求項3記載の磁気抵抗効果膜におい
て、前記永久磁石薄膜と隣接しない前記他方の軟磁性薄
膜を別の反強磁性薄膜または永久磁石薄膜を用いて単磁
区化することを特徴とする磁気抵抗効果膜。
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