JPH0855313A - 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド

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JPH0855313A
JPH0855313A JP6190464A JP19046494A JPH0855313A JP H0855313 A JPH0855313 A JP H0855313A JP 6190464 A JP6190464 A JP 6190464A JP 19046494 A JP19046494 A JP 19046494A JP H0855313 A JPH0855313 A JP H0855313A
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JP
Japan
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magnetic
film
magnetic field
magnetoresistive
artificial lattice
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JP6190464A
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Hiroshi Sakakima
博 榊間
Mitsuo Satomi
三男 里見
Kazuhiro Onaka
和弘 尾中
Shigeru Yamamoto
山本　　茂
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 新規な構成により、微小動作磁界で大きな磁
気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子及びＭＲヘッドを可
能とする。 【構成】 軟磁性膜と非磁性金属膜を積層した人工格子
膜において、膜の磁性層間の交換結合エネルギ−をＪ、
磁気異方性エネルギ−をＫとした場合、Ｊ＜０でかつＫ
＞｜Ｊ｜となるようにし、検知磁界方向をほぼこのＫに
起因する容易軸方向と平行となるように構成し、図１の
ようなＭＲ曲線を示すことを特徴とする磁気抵抗効果素
子及びヘッド。 【効果】 従来の人工格子膜を用いた磁気抵抗効果素子
では不可能であった微小磁界動作が可能で、かつ従来の
スピンバルブでは不可能であった大きなＭＲ変化を示す
磁気抵抗効果素子及びＭＲヘッドが得られる。

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−等の磁
気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッドに関するもの
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ＭＲ比と記す）が2.5％程度であ
り、より高感度な磁気抵抗素子を得るためにはよりＭＲ
比の大きなものが求められている。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]人工格子膜が強磁場（1〜10 kOe）で巨大磁気抵
抗効果を示す発見された（フィシ゛カル レウ゛ュー レター 61 第247
2項 (1988年); 同 64 第2304項 (1990)(Physical Rev
iew Letter Vol.61, p2472, 1988; 同 Vol.64, p2304,1
990)）。しかしながらこれらの人工格子膜は大きなＭＲ
変化を得るのに数kOe〜数10kOeの磁界を必要とし、磁気
ヘッド等の用途には実用的でない。
【０００３】又金属非磁性薄膜Cuで分離され磁気的結合
をしていない保磁力の異なる磁性薄膜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0.5kOeでＭＲ比が約8％のものが
得られている（シ゛ャーナル オフ゛ フィシ゛カル ソサイアティー オフ゛ シ゛ャハ゜ン
59 第3061頁 (1990年) (Journal of Physical Society
of Japan Vol.59, p3061, 1990)）。しかしながらこの
タイプのものは大きなＭＲ変化を得るのに約100 Oeの磁
界を必要とし、かつＭＲも磁界が負から正にわたって非
対称な変化をして直線性が悪いため実用的には使いにく
い特性となっている。
【０００４】更にCuを介したＲＫＫＹ的反強磁性的結合
をしている磁性薄膜Ni-Fe-Co,Coを用いた[Ni-Fe-Co/Cu/
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ＭＲ比が約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 MR91-
9）。このタイプのもののＭＲ変化は磁界零から正にわ
たってほぼ直線的に変化し、ＭＲセンサ−には十分実用
的な特性を示すものの、やはり大きなＭＲ変化を得るの
に50 Oe程度の磁界を必要とし△ＭＲ／△Ｈは約0.3%／O
eで、少なくとも20 Oe以下の動作が要求されるＭＲ磁気
ヘッドに使用するには不十分である。
【０００５】微小印加磁界で動作するものとしては反強
磁性材料のFe-MnをNi-Fe/Cu/Ni-Feにつけたスピンバル
ブ型のものが提案されている（シ゛ャーナル オフ゛ マク゛ネティス゛ム ア
ント゛マク゛ネティック マテリアルス゛ 93 第101項 (1991年) (Journal o
f Magnetism and MagneticMaterials 93,p101,199
1)）。このタイプのものは動作磁界は確かに小さく△Ｍ
Ｒ／△Ｈも約１%／Oeで直線性も良いものの、ＭＲ比は
約２％と小さい欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来では不可
能であった微小磁界動作が可能、即ち△ＭＲ／△Ｈも１
%／Oe以上でかつ大きなＭＲ比を示す新規な構成の高感
度高出力磁気抵抗素子及び磁気抵抗効果型ヘッドを可能
とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、軟磁性膜と非
磁性金属膜を積層して成る人工格子膜において、該人工
格子膜の磁性層間の交換結合エネルギ−Ｊを非磁性層厚
を調整してＪ＜０、即ち各磁性層のスピンが反平行の場
合の方が平行の場合よりもエネルギ−が低くなるように
し、かつ該人工格子膜の磁気異方性エネルギ−ＫがＫ＞
｜Ｊ｜を満足するようにし、検知すべき磁界方向と上記
Ｋに起因する磁化容易軸方向がほぼ平行となるように構
成し、外部磁界Ｈを０からＨ＞０に増加させた場合、該
人工格子膜の抵抗が一旦増加し、極大を示した後減少し
てＨ＝０の場合とほぼ同じ抵抗値となり、その後Ｈを減
少させると、Ｈ＝０まではほぼ抵抗変化が無く、磁界を
反転してＨ＜０方向に磁界を増加させると上記Ｈ＞０の
場合と対称的な磁気抵抗変化を示す磁気抵抗効果素子と
するもので、磁気抵抗効果型ヘッドにおいては磁気媒体
からの信号磁束を上記人工格子膜部に導くためのヨ−ク
をこれにつけ加えた構成としても良い。更にリソグラフ
ィ−技術を用いて、上記の磁気抵抗素子部の主に膜面に
垂直方向に電流が流れるような構成とすれば、より大き
なＭＲ比を得ることが可能である。
【０００８】
【作用】磁性層と非磁性層より成る人工格子膜の磁性層
の飽和磁化をＭi、非磁性層を介した交換結合エネルギ
−をＪij、磁性層の磁気異方性エネルギ−をＫi、外部
磁界をＨとすると、この系のエネルギ−Ｅは Ｅ＝−1/2ΣＨＭicosφi−ΣＪijcos(φi-φj)＋1/2ΣＫisin2φi ---- (1) と表される。ただし単純な例として磁界印加方向を磁化
容易軸方向とし、印加磁界方向と磁性層の磁化のなす角
をφとし、一軸異方性を仮定した。(1)式において、Ｊ
＜０でＫ＞｜Ｊ｜、かつＫも｜Ｊ｜も比較的小さい場合
のこの人工格子膜の磁化容易軸方向のＭＲ(磁気抵抗)曲
線は以下の実施例で述べるように図１のような曲線とな
り、零磁界近傍の小さい磁界で△ＭＲ／△Ｈが１%／Oe
以上の大きな磁気抵抗変化を示すことが可能となる。又
上記の条件を満足せずに、Ｋがほぼ零即ちＫ＜＜｜Ｊ｜
の場合は図２の様なＭＲ曲線となり、ＭＲ特性の飽和磁
界は大きい。又Ｋが小さくＫ＜｜Ｊ｜の場合は図３に示
すようにその容易軸方向のＭＲ曲線の飽和磁界は小さく
なるものの、零磁界近傍のＭＲ変化率は小さく線形性も
悪い。
【０００９】磁気抵抗変化が生じるメカニズムは、磁性
層間の磁化方向が反平行の場合は磁性層／非磁性層界面
での電子の磁気的散乱が大きくなり抵抗が増加するため
で、図１において磁気抵抗が極大を示すところで、各磁
性層の磁化方向がほぼ反平行となり、十分磁界を印加し
た場合は各磁性層の磁化方向が磁界方向と平行となる。
又リソグラフィ−等によりこの様に積層した素子部の膜
面に垂直方向に電流が流れるようにすることにより更に
大きなＭＲ比が得られる。
【００１０】
【実施例】軟磁性膜は磁化反転しやすい低磁歪の膜であ
ることが必要である。これは実用上磁歪が大きいとノイ
ズの原因や特性のばらつきが生じるからである。又それ
自体の結晶磁気異方性も小さいことが望ましく、磁界中
蒸着や、斜め蒸着、あるいは特殊な基板を用いて簡単に
磁気異方性を付けることが出来るものが望ましい。これ
の条件を満足し極めて小さい磁界で磁化反転するものに
は NiXCoYFeZ --- (2) を主成分とし、原子組成比が X=0.6〜0.9、Y=0〜0.3、Z=0.1〜0.3 --- (2') のNi-richの軟磁性膜があり、(2)よりも反転磁界はやや
大きくなるが、より大きなＭＲ比が得られる NiX'CoY'FeZ' --- (3) を主成分し、原子組成比が X'=0.1〜0.4、Y'=0.5〜0.8、Z'=0.1〜0.3 --- (3') のCo-richの磁性膜がある。これらの組成の膜はセンサ
−やＭＲヘッド用として要求される低磁歪（1x10-5の程
度かそれ以下）特性を有する。(2)式のNi-rich磁性膜の
代表的なものは Ni0.8Co0.15Fe0.05, Ni0.68Co0.2Fe
0.12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(2)の組成や(3)の組成にNb,Mo,
Cr,W,Ru等を添加しても良い。一方(3)式のCo-richの磁
性膜の代表的なものはCo0.61Ni0.23Fe0.16, Co0.7Ni0.1
Fe0.2 等である。
【００１１】これら軟磁性膜間に介在させる非磁性金属
膜はこれら軟磁性膜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等が適しており、特
にＭＲ特性的にはCuが望ましい。この非磁性金属膜の厚
さｔを変化させると磁性層間の結合エネルギ−Ｊが正と
負の間を振動しつつ減少する。Ｊが負となり大きなＭＲ
変化が得られるのは、スパッタ法で人工格子膜を成膜し
た場合ｔが0.9nm, 2.0nm近傍であるが、ｔが0.9nm近傍
では一般的に｜Ｊ｜が大きく、Ｋ＞｜Ｊ｜を満足しよう
とするとＫも大きくなり、本発明の目的である低磁界で
大きなＭＲ変化を得ることが困難となるのでｔは0.2nm
近傍であることが望ましい。又ＭＢＥ等を用いた蒸着法
て作製した人工格子エピ膜ではｔが1.6nm, 2.0nm, 2.4n
m近傍でもＪが負で比較的｜Ｊ｜も小さく大きなＭＲ変
化が得られる。従ってｔは1.5nmから2.5nmであることが
望ましい。具体的には低磁界動作のＭＲ特性を得ようと
すれば少なくともＫは5x104erg/cc以下であることが必
要で｜Ｊ｜もこれ以下であることが必要である。
【００１２】なお磁性層の層厚は1nm未満では人工格子
膜の軟磁気特性がやや損なわれ、10nmより厚いとＭＲ特
性が劣化するので1nmから10nmであることが望ましく、
人工格子膜の積層回数を多くする場合はシ−ト抵抗を配
慮して磁性層厚は3nm程度にすることが望ましい。なお
膜面に垂直方向に電流を流して使用する場合は電子の平
均自由工程を配慮して磁性層厚は4nm以下にすることが
望ましい。
【００１３】ヨ−ク材は軟磁性で高透磁率のものが望ま
しく、Co系非晶質磁性合金膜が適しており、一例として
はCo82Nb12Zr6等があげられる。
【００１４】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）タ−ゲットに Ni80Fe10Co10(軟磁性膜), C
u(非磁性金属膜)を用い（組成はすべて原子％）、NiFeC
o層厚が3nm, Cu層厚が2nm、積層回数10の人工格子膜を
スパッタ法で作製した。膜は図２のようなＭＲ曲線を示
し、これより推定したＪの値は約−1.4x104erg/ccであ
り、膜はほぼ等方的でＫ＜＜｜Ｊ｜であった。
【００１５】次にＪがほぼ０となるCu層厚が1.8nmでNiF
eCo層厚が3nmの人工格子膜をスパッタされた原子が斜め
に基板に入射するようにして成膜し、約 4x104/ccの磁
気異方性Ｋが誘導されることを確認した後、同様に斜め
蒸着によりNiFeCo層厚が3nm,Cu層厚が2nm、積層回数10
の人工格子膜をスパッタ法で作製した。この膜はＫが約
3x104/cc、Ｊが約 −1.4x104erg/ccと推定されるので
本願発明の条件Ｋ＞｜Ｊ｜を満足している。このように
して得られた膜のＭＲ曲線をその容易軸方向に磁界を印
加して測定したところ図１に示すような結果が得られ
た。図よりわかるようにこの膜の△ＭＲ／△Ｈは約２%
／Oeであった。
【００１６】なおこの実施例ではたまたま斜め蒸着法に
よりＫ＞｜Ｊ｜が満足されたが、斜め蒸着法を用いても
この条件が満足されない限り図１のような特性は得られ
ず、弱い斜め蒸着異方性では図２に示したような特性し
か得られない。又磁性膜自体のＫが大きいだけではＫ＞
｜Ｊ｜が満足されたとしても、△ＭＲ／△Ｈが１%／Oe
を越えるものを得るのは困難である。従って作製法が重
要ではなく、Ｋ＞｜Ｊ｜かつＫも｜Ｊ｜も十分小さいも
のが得られる膜構成とすることが重要である。
【００１７】
【発明の効果】以上実施例で説明したように本発明は△
ＭＲ／△Ｈが１%／Oeを越える高感度で、かつ大きなＭ
Ｒ変化を示す磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッ
ドを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子（Ｋ＞｜Ｊ｜）のＭ
Ｒ曲線の一例を示す図
【図２】従来の磁気抵抗効果素子（Ｋ＜＜｜Ｊ｜）のＭ
Ｒ曲線の一例を示す図
【図３】従来の磁気抵抗効果素子（Ｋ＜｜Ｊ｜）のＭＲ
曲線の一例を示す図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 茂 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軟磁性膜と非磁性金属膜を積層して成る人
    工格子膜を用い、前記人工格子膜の磁性層間の交換結合
    エネルギ−ＪがＪ＜０、即ち各磁性層のスピンが反平行
    の場合の方が平行の場合よりもエネルギ−が低く、かつ
    該人工格子膜の磁気異方性エネルギ−をＫとして、Ｋ＞
    ｜Ｊ｜を満足し、検知すべき磁界方向と上記Ｋに起因す
    る磁化容易軸方向がほぼ平行となるように構成され、外
    部磁界Ｈを０からＨ＞０に増加させた場合、該人工格子
    膜の抵抗が一旦増加し、極大を示した後減少してＨ＝０
    の場合とほぼ同じ抵抗値となり、その後Ｈを減少させる
    と、Ｈ＝０まではほぼ抵抗変化が無く、磁界を反転して
    Ｈ＜０方向に磁界を増加させると抵抗は一旦増加し、極
    大を示した後減少しＨ＝０の場合とほぼ同じ抵抗値を示
    すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】外部磁界を印加した場合、零磁界近傍の磁
    気抵抗変化率△ＭＲ／△Ｈが１%／Oe以上であることを
    特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】軟磁性膜がNiXCoYFeZを主成分とし、原子
    組成比でXは0.6〜0.9、Yは0〜0.3、Zは0.1〜0.3である
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気抵抗効果素
    子。
  4. 【請求項４】軟磁性膜がNiX'CoY'FeZ'を主成分し、原子
    組成比でX'は0.1〜0.4、Y'は0.5〜0.8、Z'は0.1〜0.3で
    あることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気抵抗効
    果素子。
  5. 【請求項５】非磁性金属膜がCu,Ag,Auのいずれかである
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁
    気抵抗効果素子。
  6. 【請求項６】非磁性金属膜がCuであることを特徴とする
    請求項１から４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 【請求項７】非磁性金属膜の膜厚が1.5nm以上、2.5nm以
    下であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに
    記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 【請求項８】軟磁性膜と非磁性金属膜を積層して成る人
    工格子膜と磁気媒体からの信号磁束を該人工格子膜部に
    導くためのヨ−クを主な構成要素とし、該人工格子膜の
    磁性層間の交換結合エネルギ−ＪがＪ＜０、即ち各磁性
    層のスピンが反平行の場合の方が平行の場合よりもエネ
    ルギ−が低く、かつ該人工格子膜の磁気異方性エネルギ
    −をＫとして、Ｋ＞｜Ｊ｜を満足し、検知すべき磁界方
    向と上記Ｋに起因する磁化容易軸方向がほぼ平行となる
    ように構成され、外部磁界Ｈを０からＨ＞０に増加させ
    た場合、該人工格子膜の抵抗が一旦増加し、極大を示し
    た後減少してＨ＝０の場合とほぼ同じ抵抗値となり、そ
    の後Ｈを減少させると、Ｈ＝０まではほぼ抵抗変化が無
    く、磁界を反転してＨ＜０方向に磁界を増加させると抵
    抗は一旦増加し、極大を示した後減少しＨ＝０の場合と
    ほぼ同じ抵抗値を示すことを特徴とする磁気抵抗効果型
    ヘッド。
  9. 【請求項９】外部磁界を印加した場合、零磁界近傍の磁
    気抵抗変化率△ＭＲ／△Ｈが１%／Oe以上であることを
    特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果型ヘッド素子。
  10. 【請求項１０】特に軟磁性膜がNiXCoYFeZを主成分と
    し、原子組成比でXは0.6〜0.9、Yは0〜0.3、Zは0.1〜0.
    3であることを特徴とする請求項８又は９記載の磁気抵
    抗効果型ヘッド。
  11. 【請求項１１】特に軟磁性膜がNiX'CoY'FeZ'を主成分
    し、原子組成比でX'は0.1〜0.4、Y'は0.5〜0.8、Zは0.1
    〜0.3であることを特徴とする請求項８又は９記載の磁
    気抵抗効果型ヘッド。
  12. 【請求項１２】非磁性金属膜がCu,Ag,Auのいずれかであ
    ることを特徴とする請求項８から11のいずれかに記載の
    磁気抵抗効果素子。
  13. 【請求項１３】非磁性金属膜がCuであることを特徴とす
    る請求項８から11のいずれかに記載の磁気抵抗効果型ヘ
    ッド。
  14. 【請求項１４】非磁性金属膜の膜厚が1.5nm以上、2.5nm
    以下であることを特徴とする請求項８から13のいずれか
    に記載の磁気抵抗効果型ヘッド。
  15. 【請求項１５】磁気抵抗素子部を流れる電流方向が主に
    膜面に垂直方向となるように構成されていることを特徴
    とする請求項２から７のいずれかに記載の磁気抵抗効果
    素子。
  16. 【請求項１６】磁気抵抗素子部を流れる電流方向が主に
    膜面に垂直方向となるように構成されていることを特徴
    とする請求項８から14のいずれかに記載の磁気抵抗効果
    型ヘッド。
JP6190464A 1994-08-12 1994-08-12 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド Pending JPH0855313A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014064033A (ja) * 2009-06-24 2014-04-10 New York Univ 電流誘起スピン−運動量移動に基づく高速低電力磁気デバイス

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