JPH09205234A - 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果センサ - Google Patents
磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果センサInfo
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- G11B5/3925—Arrangements in which the active read-out elements are coupled to the magnetic flux of the track by at least one magnetic thin film flux guide the guide being interposed in the flux path the read-out elements being disposed in magnetic shunt relative to at least two parts of the flux guide structure the two parts being thin films
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 磁気抵抗効果（ＭＲ）素子の結晶性や結晶配
向性が悪いと、ＭＲ素子の抵抗変化率が小さく、ＭＲ素
子の出力が低下され、かつ耐熱性や耐エレクトロンマイ
グレーション特性が悪くなる。 【解決手段】 ＭＲ素子を構成するＭＲ膜３の下値層２
が厚みが０．１〜１０（ｎｍ）でＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた材料で形成され、Ｍ
Ｒ膜３のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が
５°以下となるように構成する。ＭＲ素子の結晶性や結
晶配向性が改善され、ＭＲ素子の抵抗変化率が大きくな
り、ＭＲ素子の出力が増加され、かつ耐熱性や耐エレク
トロンマイグレーション特性が改善される。
向性が悪いと、ＭＲ素子の抵抗変化率が小さく、ＭＲ素
子の出力が低下され、かつ耐熱性や耐エレクトロンマイ
グレーション特性が悪くなる。 【解決手段】 ＭＲ素子を構成するＭＲ膜３の下値層２
が厚みが０．１〜１０（ｎｍ）でＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた材料で形成され、Ｍ
Ｒ膜３のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が
５°以下となるように構成する。ＭＲ素子の結晶性や結
晶配向性が改善され、ＭＲ素子の抵抗変化率が大きくな
り、ＭＲ素子の出力が増加され、かつ耐熱性や耐エレク
トロンマイグレーション特性が改善される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気媒体に記録した
情報信号を読み取るための磁気抵抗効果型の磁気センサ
及びこの磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子に関す
る。
情報信号を読み取るための磁気抵抗効果型の磁気センサ
及びこの磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁気媒体に記録した情報信号を読
み取るための再生ヘッドとして、磁気抵抗効果（ＭＲ効
果）を利用したＭＲセンサまたはヘッドと呼ばれる磁気
読み取り変換器が提案されており、これは大きな線形密
度で磁性表面からデータを読み取れるとがわかってい
る。ＭＲセンサ（本発明ではＭＲヘッドを含むものとす
る）は、読み取り素子によって感知される磁束の強さと
方向の関数としての抵抗変化を介して磁界信号を検出す
る。こうした従来技術のＭＲセンサは、読み取り素子の
抵抗の１成分が磁化方向と素子中を流れる感知電流の方
向の間の角度の余弦の２乗に比例して変化する。異方性
磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づいて動作する。ＡＭＲ効
果のより詳しい説明は、Ｄ．Ａ．トムソン（Thompson）
等の論文“Memory,Storage,and Related Applications
”ＩＥＥＥ Trans.on Mag. MAG-11，ｐ．1039(1975)
に記載されている。
み取るための再生ヘッドとして、磁気抵抗効果（ＭＲ効
果）を利用したＭＲセンサまたはヘッドと呼ばれる磁気
読み取り変換器が提案されており、これは大きな線形密
度で磁性表面からデータを読み取れるとがわかってい
る。ＭＲセンサ（本発明ではＭＲヘッドを含むものとす
る）は、読み取り素子によって感知される磁束の強さと
方向の関数としての抵抗変化を介して磁界信号を検出す
る。こうした従来技術のＭＲセンサは、読み取り素子の
抵抗の１成分が磁化方向と素子中を流れる感知電流の方
向の間の角度の余弦の２乗に比例して変化する。異方性
磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づいて動作する。ＡＭＲ効
果のより詳しい説明は、Ｄ．Ａ．トムソン（Thompson）
等の論文“Memory,Storage,and Related Applications
”ＩＥＥＥ Trans.on Mag. MAG-11，ｐ．1039(1975)
に記載されている。
【０００３】さらに最近では、積層磁気センサの抵抗変
化が、非磁性層を介する磁性層間での伝導電子のスピン
依存性伝送、及びそれに付随する層界面でのスピン依存
性散乱に帰される、より顕著なＭＲ効果が記載されてい
る。このＭＲ効果は、“巨大磁気抵抗効果”や“スピン
・バルブ効果”等様々な名称で呼ばれている。このよう
なＭＲセンサは適当な材料で出来ており、ＡＭＲ効果を
利用するセンサで観察されるよりも、感度が改善され、
抵抗変化が大きい。この種のＭＲセンサでは、非磁性層
で分離された１対の強磁性体層の間の平面内抵抗が、２
つの層の磁化方向間の角度の余弦に比例して変化する。
化が、非磁性層を介する磁性層間での伝導電子のスピン
依存性伝送、及びそれに付随する層界面でのスピン依存
性散乱に帰される、より顕著なＭＲ効果が記載されてい
る。このＭＲ効果は、“巨大磁気抵抗効果”や“スピン
・バルブ効果”等様々な名称で呼ばれている。このよう
なＭＲセンサは適当な材料で出来ており、ＡＭＲ効果を
利用するセンサで観察されるよりも、感度が改善され、
抵抗変化が大きい。この種のＭＲセンサでは、非磁性層
で分離された１対の強磁性体層の間の平面内抵抗が、２
つの層の磁化方向間の角度の余弦に比例して変化する。
【０００４】また、特開平２−６１５７２号公報には、
磁性層内の磁化の反平行整列によって生じる高いＭＲ変
化をもたらす積層磁性構造が記載されている。積層構造
で使用可能な材料として、ここには強磁性の遷移金属及
び合金が挙げられている。また、中間層により分離して
いる少なくとも２層の強磁性層の一方に反強磁性層を付
加した構造及び反強磁性層としてＦｅＭｎが適当である
ことが開示されている。
磁性層内の磁化の反平行整列によって生じる高いＭＲ変
化をもたらす積層磁性構造が記載されている。積層構造
で使用可能な材料として、ここには強磁性の遷移金属及
び合金が挙げられている。また、中間層により分離して
いる少なくとも２層の強磁性層の一方に反強磁性層を付
加した構造及び反強磁性層としてＦｅＭｎが適当である
ことが開示されている。
【０００５】一方、特開平４−３５８３１０号公報に
は、非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた強磁性体
の２層の薄膜層を有し、印加磁界が零である場合の２つ
の強磁性薄膜層の磁化方向が直交し、２つの非結合強磁
性体層間の抵抗が２つの層の磁化方向間の角度の余弦に
比例して変化し、センサ中を通る電流の方向とは独立な
ＭＲセンサが開示されている。
は、非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた強磁性体
の２層の薄膜層を有し、印加磁界が零である場合の２つ
の強磁性薄膜層の磁化方向が直交し、２つの非結合強磁
性体層間の抵抗が２つの層の磁化方向間の角度の余弦に
比例して変化し、センサ中を通る電流の方向とは独立な
ＭＲセンサが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このようなＭＲ素子に
おいては、素子出力はＭＲ膜の抵抗変化率に依存するた
め、大きく抵抗変化するＭＲ膜が求められる。材料を変
えずに抵抗変化率を大きくするためには、ＭＲ膜の結晶
性、結晶配向性を上げるとよいことが知られている。し
かしながら、前記したＭＲ素子では、膜の全厚みが１０
〜３０（ｎｍ）と非常に薄く、結晶性，及び結晶配向性
があまり良くないため、抵抗変化率の増大には限界があ
り、素子出力を高めることが難しいという問題がある。
おいては、素子出力はＭＲ膜の抵抗変化率に依存するた
め、大きく抵抗変化するＭＲ膜が求められる。材料を変
えずに抵抗変化率を大きくするためには、ＭＲ膜の結晶
性、結晶配向性を上げるとよいことが知られている。し
かしながら、前記したＭＲ素子では、膜の全厚みが１０
〜３０（ｎｍ）と非常に薄く、結晶性，及び結晶配向性
があまり良くないため、抵抗変化率の増大には限界があ
り、素子出力を高めることが難しいという問題がある。
【０００７】また、ＭＲ膜を用いてＭＲセンサを製造す
る際のフォトレジスト工程等の熱処理における耐熱性も
問題となる。すなわち、スピンバルブと呼ばれる人工格
子膜では、固溶系の組み合わせである極めて薄いＮｉＦ
ｅ層とＣｕ層が隣接しており、ＮｉＦｅ層とＣｕ層の拡
散が起こりＭＲ比が減少してしまう。この拡散は比較的
低い温度ではＭｉＦｅ層中の粒界にＣｕ原子が、Ｃｕ層
中の粒界にＮｉ，Ｆｅ原子がそれぞれ侵入し膜特性が劣
化するという粒界拡散が主原因となっている。
る際のフォトレジスト工程等の熱処理における耐熱性も
問題となる。すなわち、スピンバルブと呼ばれる人工格
子膜では、固溶系の組み合わせである極めて薄いＮｉＦ
ｅ層とＣｕ層が隣接しており、ＮｉＦｅ層とＣｕ層の拡
散が起こりＭＲ比が減少してしまう。この拡散は比較的
低い温度ではＭｉＦｅ層中の粒界にＣｕ原子が、Ｃｕ層
中の粒界にＮｉ，Ｆｅ原子がそれぞれ侵入し膜特性が劣
化するという粒界拡散が主原因となっている。
【０００８】また近年の高密度磁気記録では、トラック
ピッチが小さくなるにつれてＭＲヘッドのトラック幅が
小さくなり出力も低下されるため、磁気抵抗効果素子の
出力を上げるために膜に流すセンサ電流密度が５×１０
5 〜１×１０8 Ａ／ｃｍ2 と大きくなりつつある。この
ため、この高電流密度によりＭＲ膜にエレクトロンマイ
グレーションが生じ、これが原因とされた素子の破壊が
問題となっている。エレクトロンマイグレーションは膜
にかかる電界のため原子が移動し、膜が破断する現象で
ある。
ピッチが小さくなるにつれてＭＲヘッドのトラック幅が
小さくなり出力も低下されるため、磁気抵抗効果素子の
出力を上げるために膜に流すセンサ電流密度が５×１０
5 〜１×１０8 Ａ／ｃｍ2 と大きくなりつつある。この
ため、この高電流密度によりＭＲ膜にエレクトロンマイ
グレーションが生じ、これが原因とされた素子の破壊が
問題となっている。エレクトロンマイグレーションは膜
にかかる電界のため原子が移動し、膜が破断する現象で
ある。
【０００９】これまで、このような問題を解決するため
にＨｆ，Ｚｒ，Ｔａ等の下地層を設ける場合があった
が、その膜厚や特性に適切なものが見いだされていない
ため、この下値層を設けたことによる十分な効果が得ら
れていないのが実情である。
にＨｆ，Ｚｒ，Ｔａ等の下地層を設ける場合があった
が、その膜厚や特性に適切なものが見いだされていない
ため、この下値層を設けたことによる十分な効果が得ら
れていないのが実情である。
【００１０】本発明の目的は、抵抗変化率が大きく、耐
熱性，耐エレクトロンマイグレーション特性に優れたＭ
Ｒ素子及びＭＲセンサを提供することにある。
熱性，耐エレクトロンマイグレーション特性に優れたＭ
Ｒ素子及びＭＲセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者の検討によれ
ば、ＭＲ膜の結晶性と結晶配向性について検討したとこ
ろ、その結晶性と結晶配向性を向上し、かつ粒界密度を
小さくすれば、耐熱性が大きく向上され、特性劣化のな
い出力の大きなＭＲセンサが実現できることが判明し
た。また、これと同時に耐エレクトロマイグレーション
特性を格段に向上することができることも判明した。そ
こで、ＭＲ膜の結晶性と結晶配向性を向上させるための
下地層について改善を行った。
ば、ＭＲ膜の結晶性と結晶配向性について検討したとこ
ろ、その結晶性と結晶配向性を向上し、かつ粒界密度を
小さくすれば、耐熱性が大きく向上され、特性劣化のな
い出力の大きなＭＲセンサが実現できることが判明し
た。また、これと同時に耐エレクトロマイグレーション
特性を格段に向上することができることも判明した。そ
こで、ＭＲ膜の結晶性と結晶配向性を向上させるための
下地層について改善を行った。
【００１２】すなわち、本発明のＭＲ素子は、強磁性Ｍ
Ｒ膜、強磁性層／非磁性層を繰り返した人工格子ＭＲ
膜、および反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層
からなる人工格子ＭＲ膜の下地層として、その厚みが
０．１〜１０（ｎｍ）のＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた材料で形成され、かつその
ＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が
５°以下となる層を備えることを特徴とする。
Ｒ膜、強磁性層／非磁性層を繰り返した人工格子ＭＲ
膜、および反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層
からなる人工格子ＭＲ膜の下地層として、その厚みが
０．１〜１０（ｎｍ）のＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた材料で形成され、かつその
ＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が
５°以下となる層を備えることを特徴とする。
【００１３】また、本発明のＭＲ素子は、反強磁性層の
材料がＮｉＯ，ＣｏＯ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで
反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層からなるＭ
Ｒ膜の下地層として、その厚みが０．１〜１０（ｎｍ）
でＨｆ，Ｚｒ，Ｔａからなる選ばれた材料で形成され、
かつＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値
幅が５°以下となる層を備えることを特徴とする。
材料がＮｉＯ，ＣｏＯ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで
反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層からなるＭ
Ｒ膜の下地層として、その厚みが０．１〜１０（ｎｍ）
でＨｆ，Ｚｒ，Ｔａからなる選ばれた材料で形成され、
かつＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値
幅が５°以下となる層を備えることを特徴とする。
【００１４】また、本発明のＭＲセンサは、前記したＭ
Ｒ素子の上下を絶縁層を介して、高透磁率軟磁性材料で
挟んだシールド型のＭＲセンサとして構成される。或い
は、ＭＲ素子に高透磁率軟磁性材料で構成された信号磁
界を導くヨークを備えたヨーク型のＭＲセンサとして構
成される。
Ｒ素子の上下を絶縁層を介して、高透磁率軟磁性材料で
挟んだシールド型のＭＲセンサとして構成される。或い
は、ＭＲ素子に高透磁率軟磁性材料で構成された信号磁
界を導くヨークを備えたヨーク型のＭＲセンサとして構
成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明のＭＲ素子の模式構成
図である。基板１上に下地層２を形成し、この下地層２
の上にＭＲ膜３が形成されている。このＭＲ膜３として
は、強磁性磁気抵抗効果膜、強磁性層／非磁性層を繰り
返した人工格子ＭＲ膜、または反強磁性層／強磁性層／
非磁性層／強磁性層からなる人工格子ＭＲ膜が用いられ
る。また、下地層２としては、厚みが０．１〜１０（ｎ
ｍ）でＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる
選ばれた材料で形成され、Ｘ線回折測定によるロッキン
グカーブ半値幅が５°以下となるものが用いられる。
参照して説明する。図１は本発明のＭＲ素子の模式構成
図である。基板１上に下地層２を形成し、この下地層２
の上にＭＲ膜３が形成されている。このＭＲ膜３として
は、強磁性磁気抵抗効果膜、強磁性層／非磁性層を繰り
返した人工格子ＭＲ膜、または反強磁性層／強磁性層／
非磁性層／強磁性層からなる人工格子ＭＲ膜が用いられ
る。また、下地層２としては、厚みが０．１〜１０（ｎ
ｍ）でＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる
選ばれた材料で形成され、Ｘ線回折測定によるロッキン
グカーブ半値幅が５°以下となるものが用いられる。
【００１６】また、反強磁性層の材料がＮｉＯ，Ｃｏ
Ｏ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで反強磁性層／強磁性
層／非磁性層／強磁性層からなる磁気抵抗効果装置にお
いては、下地層として、厚みが０．１〜１０（ｎｍ）で
Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａからなる選ばれた材料で形成され、Ｍ
Ｒ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が５
°以下となるものが用いられる。
Ｏ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで反強磁性層／強磁性
層／非磁性層／強磁性層からなる磁気抵抗効果装置にお
いては、下地層として、厚みが０．１〜１０（ｎｍ）で
Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａからなる選ばれた材料で形成され、Ｍ
Ｒ膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が５
°以下となるものが用いられる。
【００１７】また、このＭＲ素子を用いたＭＲセンサや
ＭＲヘッドとしては、図２、図３に示すシールド型素子
や、図４に示すヨーク型素子が適用される。先ず、図２
のシールド型のＭＲセンサは、基板１１上に下シールド
層１２、下ギャップ層１３を形成し、その上にＭＲ素子
１６、ギャップ規定絶縁膜１７を積層させる。このＭＲ
素子１６を挟むように縦バイアス層１４、下電極１５が
形成され、これらを上ギャップ層１８で覆い、その上に
上シールド層１９を形成した構成とされる。なお、ギャ
ップ規定絶縁層１７は必要に応じて設けられ、下シール
ド層１２は適当な大きさにフォトレジスト工程によりパ
ターン化させることが多い。ＭＲ素子１６はフォトレジ
スト工程により適当な大きさ形状にパターン化されてい
る。
ＭＲヘッドとしては、図２、図３に示すシールド型素子
や、図４に示すヨーク型素子が適用される。先ず、図２
のシールド型のＭＲセンサは、基板１１上に下シールド
層１２、下ギャップ層１３を形成し、その上にＭＲ素子
１６、ギャップ規定絶縁膜１７を積層させる。このＭＲ
素子１６を挟むように縦バイアス層１４、下電極１５が
形成され、これらを上ギャップ層１８で覆い、その上に
上シールド層１９を形成した構成とされる。なお、ギャ
ップ規定絶縁層１７は必要に応じて設けられ、下シール
ド層１２は適当な大きさにフォトレジスト工程によりパ
ターン化させることが多い。ＭＲ素子１６はフォトレジ
スト工程により適当な大きさ形状にパターン化されてい
る。
【００１８】図３のシールド型のＭＲセンサは、基本的
には図２のＭＲセンサと同じであり、基板２１上に下シ
ールド層２２、下ギャップ層２３、ＭＲ素子２６を積層
させ、その両側部を覆うように、縦バイアス層２４と下
電極２５を形成し、これらを上ギャップ層２８で覆い、
上シールド層２９を形成する。
には図２のＭＲセンサと同じであり、基板２１上に下シ
ールド層２２、下ギャップ層２３、ＭＲ素子２６を積層
させ、その両側部を覆うように、縦バイアス層２４と下
電極２５を形成し、これらを上ギャップ層２８で覆い、
上シールド層２９を形成する。
【００１９】一方、図４（ａ），（ｂ）に平面図と断面
図を示すヨーク型のＭＲセンサは、磁性基板３１に掘ら
れた非磁性溝３２の上にＭＲ素子３３、軟磁性ヨーク層
３４、電極３５が成膜され、かつパターニングされてい
て、媒体からの信号磁界は軟磁性ヨーク３４によってＭ
Ｒ素子３３に導かれる。
図を示すヨーク型のＭＲセンサは、磁性基板３１に掘ら
れた非磁性溝３２の上にＭＲ素子３３、軟磁性ヨーク層
３４、電極３５が成膜され、かつパターニングされてい
て、媒体からの信号磁界は軟磁性ヨーク３４によってＭ
Ｒ素子３３に導かれる。
【００２０】なお、これらのＭＲセンサの下シールド層
またはヨーク層としては、ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒ系合金，
ＦｅＡｌＳｉ，窒化鉄系材料等を用いることができ、膜
厚は０．５〜１０μｍの範囲で適用可能である。下ギャ
ップ層はアルミナ以外にもＳｉＯ2 ，窒化アルミニウ
ム，窒化シリコン等が適用可能である。０．０３〜０．
２０μｍ範囲での使用が望ましい。下電極としては、Ｚ
ｒ，Ｔａ，Ｍｏからなる単体若しくは合金若しくは混合
物が望ましい。膜厚範囲は０．０１〜０．１０μm がよ
い。縦バイアス層としては、ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，
ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＴａ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，Ｎｉ
Ｏ，ＮｉＣｏＯ等を用いることができる。ギャップ規定
絶縁層としては、アルミナ，ＳｉＯ２，窒化アルミニウ
ム，窒化シリコン等が適用可能である。０．００５〜
０．０５μｍ範囲での使用が望ましい。上ギャップは、
アルミナ，ＳｉＯ2 ，窒化アルミニウム，窒化シリコン
等が適用可能である。０．０３〜０．２０μｍ範囲での
使用が望ましい。
またはヨーク層としては、ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒ系合金，
ＦｅＡｌＳｉ，窒化鉄系材料等を用いることができ、膜
厚は０．５〜１０μｍの範囲で適用可能である。下ギャ
ップ層はアルミナ以外にもＳｉＯ2 ，窒化アルミニウ
ム，窒化シリコン等が適用可能である。０．０３〜０．
２０μｍ範囲での使用が望ましい。下電極としては、Ｚ
ｒ，Ｔａ，Ｍｏからなる単体若しくは合金若しくは混合
物が望ましい。膜厚範囲は０．０１〜０．１０μm がよ
い。縦バイアス層としては、ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒ，
ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＴａ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，Ｎｉ
Ｏ，ＮｉＣｏＯ等を用いることができる。ギャップ規定
絶縁層としては、アルミナ，ＳｉＯ２，窒化アルミニウ
ム，窒化シリコン等が適用可能である。０．００５〜
０．０５μｍ範囲での使用が望ましい。上ギャップは、
アルミナ，ＳｉＯ2 ，窒化アルミニウム，窒化シリコン
等が適用可能である。０．０３〜０．２０μｍ範囲での
使用が望ましい。
【００２１】
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。ＭＲ膜の
結晶配向性実験は、イオンビームスパッタ装置を用いて
ガラス基板上にＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｗ，Ｙ０．１
〜１０（ｎｍ）の極薄下地金属膜及びＮｉＦｅ磁性膜３
０（ｎｍ）を連続的に成膜した。成膜条件は、到達真空
度１×１０-5Ｐａ以下、スパッタガス圧１×１０-2Ｐ
ａ、Ａｒスパッタガス、イオンソースビーム電圧１００
０Ｖ、イオンソースビーム電流５０〜６０ｍＡ、成膜速
度は３〜７ｎｍ／ｍｉｎである。ＭＲ膜の配向性はＸ線
回折法を用いて調べた。
結晶配向性実験は、イオンビームスパッタ装置を用いて
ガラス基板上にＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｗ，Ｙ０．１
〜１０（ｎｍ）の極薄下地金属膜及びＮｉＦｅ磁性膜３
０（ｎｍ）を連続的に成膜した。成膜条件は、到達真空
度１×１０-5Ｐａ以下、スパッタガス圧１×１０-2Ｐ
ａ、Ａｒスパッタガス、イオンソースビーム電圧１００
０Ｖ、イオンソースビーム電流５０〜６０ｍＡ、成膜速
度は３〜７ｎｍ／ｍｉｎである。ＭＲ膜の配向性はＸ線
回折法を用いて調べた。
【００２２】図５はガラス基板上に１ｎｍのＡｌ下地層
を介して成膜した３０ｎｍのＮｉＦｅ磁性層及びＡｌ下
地層のない時のＮｉＦｅ磁性層のＮｉＦｅ（１１１）Ｘ
線回折ピークの比較である。ＮｉＦｅ膜はｆｃｃ構造で
ガラス等の非晶質基板上に直接成膜した場合、配向性の
悪い（１１１）配向した多結晶の膜が出来る。この３０
ｎｍのＮｉＦｅ膜のＸ線回折測定を行うと、強度約３０
０カウントの（１１１）ピークが観測され、この膜のロ
ッキングカーブ半値幅は約１３°であった。次に、ガラ
ス基板上にＡｌ下地層を０．１〜１０（ｎｍ）スパッタ
リングし、その上にＮｉＦｅを３０（ｎｍ）成膜した膜
のＸ線回折測定を行った。Ａｌ下地層が０．１（ｎｍ）
と極めて薄い時でもＮｉＦｅ膜の（１１１）ピークは、
強度約４０００カウント、ロッキングカーブ半値幅は約
３°とＮｉＦｅ膜の（１１１）結晶配向性が格段に向上
していることがわかった。
を介して成膜した３０ｎｍのＮｉＦｅ磁性層及びＡｌ下
地層のない時のＮｉＦｅ磁性層のＮｉＦｅ（１１１）Ｘ
線回折ピークの比較である。ＮｉＦｅ膜はｆｃｃ構造で
ガラス等の非晶質基板上に直接成膜した場合、配向性の
悪い（１１１）配向した多結晶の膜が出来る。この３０
ｎｍのＮｉＦｅ膜のＸ線回折測定を行うと、強度約３０
０カウントの（１１１）ピークが観測され、この膜のロ
ッキングカーブ半値幅は約１３°であった。次に、ガラ
ス基板上にＡｌ下地層を０．１〜１０（ｎｍ）スパッタ
リングし、その上にＮｉＦｅを３０（ｎｍ）成膜した膜
のＸ線回折測定を行った。Ａｌ下地層が０．１（ｎｍ）
と極めて薄い時でもＮｉＦｅ膜の（１１１）ピークは、
強度約４０００カウント、ロッキングカーブ半値幅は約
３°とＮｉＦｅ膜の（１１１）結晶配向性が格段に向上
していることがわかった。
【００２３】図６はＡｌ下地層に成膜したＮｉＦｅ層の
Ｘ線（１１１）ピークのピーク強度とロッキングカーブ
半値幅のＡｌ下地層厚依存性のグラフである。Ａｌ層厚
が薄い方が結晶配向性が高いが、０．１〜３ｎｍと広い
範囲にわたってロッキングカーブ半値幅５°以下が実現
していることがわかる。
Ｘ線（１１１）ピークのピーク強度とロッキングカーブ
半値幅のＡｌ下地層厚依存性のグラフである。Ａｌ層厚
が薄い方が結晶配向性が高いが、０．１〜３ｎｍと広い
範囲にわたってロッキングカーブ半値幅５°以下が実現
していることがわかる。
【００２４】表１はＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，
Ｗ，Ｙの下地層の種類とＮｉＦｅ層ロッキングカーブ半
値幅５°以下が実現している下地層厚範囲の表である。
各下地層の種類によって範囲は異なるが、広い範囲にわ
たって結晶配向性が向上していることがわかる。次に、
ガラス基板上のＮｉＦｅ３０ｎｍ単体膜とガラス基板上
のＡｌ０．３ｎｍ／ＮｉＦｅ３０ｎｍ膜を２×２００μ
m の細長いパターン状にＰＲ、エッチングし、この素子
に電流を流し、素子が溶断する電流密度を調べた。Ｎｉ
Ｆｅ単体素子では１×１０6 Ａ／ｃｍ2 で溶断したのに
対し、Ａｌ／ＮｉＦｅ素子では７×１０6 Ａ／ｃｍ2 で
溶断し、耐エレクトロンマイグレーション特性が大幅に
向上していることがわかった。
Ｗ，Ｙの下地層の種類とＮｉＦｅ層ロッキングカーブ半
値幅５°以下が実現している下地層厚範囲の表である。
各下地層の種類によって範囲は異なるが、広い範囲にわ
たって結晶配向性が向上していることがわかる。次に、
ガラス基板上のＮｉＦｅ３０ｎｍ単体膜とガラス基板上
のＡｌ０．３ｎｍ／ＮｉＦｅ３０ｎｍ膜を２×２００μ
m の細長いパターン状にＰＲ、エッチングし、この素子
に電流を流し、素子が溶断する電流密度を調べた。Ｎｉ
Ｆｅ単体素子では１×１０6 Ａ／ｃｍ2 で溶断したのに
対し、Ａｌ／ＮｉＦｅ素子では７×１０6 Ａ／ｃｍ2 で
溶断し、耐エレクトロンマイグレーション特性が大幅に
向上していることがわかった。
【００２５】
【表１】
【００２６】図７はＡｌ下地層厚依存性と溶断した電流
密度の関係を示すグラフである。ＮｉＦｅ単体素子及び
Ａｌ／ＮｉＦｅ素子に１×１０6 Ａ／ｃｍ2 電流密度の
電流を流した後の素子表面をＳＥＭ観察したところ、Ｎ
ｉＦｅ単体素子のＮｉＦｅ膜表面にはエレクトロマイグ
レーション現象に特有なヒロックと呼ばれる表面の盛り
上がりが見られるのに対し、Ａｌ／ＮｉＦｅ膜表面は平
坦なままで、やはりＡｌ／ＮｉＦｅ素子では耐マイグレ
ーション特性が向上していることがわかった。他のＰ
ｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙ下地層／ＮｉＦｅ素子で
も耐マイグレーション特性が同様に向上していることが
確かめられた。なおこの実験では、イオンビームスパッ
タ法を用いて実験を行ったが、通常のマグネトロンスパ
ッタでもロッキングカーブ半値幅が５°以下になる下地
層厚の範囲は狭くなるが、下地層により配向性が向上す
ることが確認されている。
密度の関係を示すグラフである。ＮｉＦｅ単体素子及び
Ａｌ／ＮｉＦｅ素子に１×１０6 Ａ／ｃｍ2 電流密度の
電流を流した後の素子表面をＳＥＭ観察したところ、Ｎ
ｉＦｅ単体素子のＮｉＦｅ膜表面にはエレクトロマイグ
レーション現象に特有なヒロックと呼ばれる表面の盛り
上がりが見られるのに対し、Ａｌ／ＮｉＦｅ膜表面は平
坦なままで、やはりＡｌ／ＮｉＦｅ素子では耐マイグレ
ーション特性が向上していることがわかった。他のＰ
ｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙ下地層／ＮｉＦｅ素子で
も耐マイグレーション特性が同様に向上していることが
確かめられた。なおこの実験では、イオンビームスパッ
タ法を用いて実験を行ったが、通常のマグネトロンスパ
ッタでもロッキングカーブ半値幅が５°以下になる下地
層厚の範囲は狭くなるが、下地層により配向性が向上す
ることが確認されている。
【００２７】なお、本発明におけるＭＲ膜では、強磁性
材料は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ及び、これらの合金、及びこ
れらを主成分とする合金で構成することが可能である。
また、非磁性材料は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ及び、これらの
合金、及びこれらを主成分とする合金で構成することが
可能である。さらに、反強磁性材料は、ＦｅＭｎ，Ｎｉ
Ｍｎ，ＮｉＯ，ＣｏＯ，ＮｉＣｏＯ及び、これらを主成
分とする材料で構成することが可能である。この場合、
強磁性層の厚みが１〜３０（ｎｍ）、非磁性層の厚みが
２〜５（ｎｍ）であることが好ましい。また、人工格子
ＭＲ素子の積層回数は２〜５０であることが好ましい。
材料は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ及び、これらの合金、及びこ
れらを主成分とする合金で構成することが可能である。
また、非磁性材料は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ及び、これらの
合金、及びこれらを主成分とする合金で構成することが
可能である。さらに、反強磁性材料は、ＦｅＭｎ，Ｎｉ
Ｍｎ，ＮｉＯ，ＣｏＯ，ＮｉＣｏＯ及び、これらを主成
分とする材料で構成することが可能である。この場合、
強磁性層の厚みが１〜３０（ｎｍ）、非磁性層の厚みが
２〜５（ｎｍ）であることが好ましい。また、人工格子
ＭＲ素子の積層回数は２〜５０であることが好ましい。
【００２８】また、反強磁性層の材料がＮｉＯ，Ｃｏ
Ｏ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで反強磁性層／強磁性
層／非磁性層／強磁性層からなるＭＲ素子においては、
反強磁性層と強磁性層の間にＦｅを０．１〜３（ｎｍ）
導入してもよい。さらに、前記実施例ではＭＲ膜をイオ
ンビームスパッタリング法により成膜しているが、マグ
ネトロンスパッタリング法を用いてもよく、あるいはイ
オンビームスパッタリング法または、マグネトロンスパ
ッタリング法において膜表面にイオンアシスト法を用い
てスパッタリング成膜して形成してもよい。
Ｏ，ＮｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで反強磁性層／強磁性
層／非磁性層／強磁性層からなるＭＲ素子においては、
反強磁性層と強磁性層の間にＦｅを０．１〜３（ｎｍ）
導入してもよい。さらに、前記実施例ではＭＲ膜をイオ
ンビームスパッタリング法により成膜しているが、マグ
ネトロンスパッタリング法を用いてもよく、あるいはイ
オンビームスパッタリング法または、マグネトロンスパ
ッタリング法において膜表面にイオンアシスト法を用い
てスパッタリング成膜して形成してもよい。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ＭＲ膜の
下地層として、その厚みが０．１〜１０（ｎｍ）のＡ
ｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた
材料で形成され、かつＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッ
キングカーブ半値幅が５°以下となる層を備えることに
より、抵抗変化率が大きく、耐熱性、耐エレクトロンマ
イグレーション特性に優れたＭＲ素子及びＭＲセンサを
得ることができる。
下地層として、その厚みが０．１〜１０（ｎｍ）のＡ
ｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙからなる選ばれた
材料で形成され、かつＭＲ膜のＸ線回折測定によるロッ
キングカーブ半値幅が５°以下となる層を備えることに
より、抵抗変化率が大きく、耐熱性、耐エレクトロンマ
イグレーション特性に優れたＭＲ素子及びＭＲセンサを
得ることができる。
【図１】本発明のＭＲ素子の一例の概略構成を示す斜視
図である。
図である。
【図２】本発明のＭＲ素子を用いたシールド型ＭＲヘッ
ドの一例の断面図である。
ドの一例の断面図である。
【図３】本発明のＭＲ素子を用いたシールト型ＭＲヘッ
ドの他の例の断面図である。
ドの他の例の断面図である。
【図４】本発明のＭＲ素子を用いたヨーク型ＭＲヘッド
の一例の平面図とその断面図である。
の一例の平面図とその断面図である。
【図５】Ａｌ下地層によるＮｉＦｅ層のＸ線（１１１）
ピークの強度比を示す図である。
ピークの強度比を示す図である。
【図６】Ａｌ下地層厚みのＮｉＦｅ層のＸ線回折ピーク
強度とロッキングカーブ半値幅依存性を示す図である。
強度とロッキングカーブ半値幅依存性を示す図である。
【図７】ＭＲ素子の溶断電流密度のＡｌ下値層依存性を
示す図である。
示す図である。
１ 基板 ２ 下地層 ３ ＭＲ膜 １１，２１ 基板 １２，２２ 下シールド層 １３，２３ 下ギャップ層 １４，２４ 縦バイアス層 １５，２５ 下電極 １６，２６ ＭＲ素子 １８，２８ 上ギャップ層 １９，２９ 上シールド層 ３１ 磁性基板 ３２ 非磁性溝 ３３ ＭＲ素子 ３４ ヨーク層 ３５ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤方 潤一 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (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 (8)
- 【請求項１】 強磁性磁気抵抗効果膜、強磁性層／非磁
性層を繰り返した人工格子磁気抵抗効果膜、および反強
磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる人工格
子磁気抵抗効果膜の下地層として、その厚みが０．１〜
１０（ｎｍ）のＡｌ，Ｐｔ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｙ
からなる選ばれた材料で形成され、かつ前記磁気抵抗効
果膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が５
°以下となる層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果
素子。 - 【請求項２】 反強磁性層の材料がＮｉＯ，ＣｏＯ，Ｎ
ｉＣｏＯ，ＮｉＯ／ＣｏＯで反強磁性層／強磁性層／非
磁性層／強磁性層からなる磁気抵抗効果膜の下地層とし
て、その厚みが０．１〜１０（ｎｍ）でＨｆ，Ｚｒ，Ｔ
ａからなる選ばれた材料で形成され、かつ前記磁気抵抗
効果膜のＸ線回折測定によるロッキングカーブ半値幅が
５°以下となる層を備えることを特徴とする磁気抵抗効
果素子。 - 【請求項３】 強磁性材料がＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ及び、こ
れらの合金、及びこれらを主成分とする合金であること
を特徴とする請求項１，２に記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項４】 非磁性材料がＣｕ，Ａｕ，Ａｇ及び、こ
れらの合金、及びこれらを主成分とする合金であること
を特徴とする請求項１，２に記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項５】 反強磁性材料がＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，Ｎ
ｉＯ，ＣｏＯ，ＮｉＣｏＯ及び、これらを主成分とする
材料であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗
効果素子。 - 【請求項６】 反強磁性層と強磁性層の間にＦｅを０．
１〜３（ｎｍ）導入してなる請求項２の磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項７】 請求項１から６の磁気抵抗効果素子の上
下を絶縁層を介して、高透磁率軟磁性材料で挟んだ構造
としたことを特徴とするシールド型の磁気抵抗効果セン
サ。 - 【請求項８】 請求項１から６の磁気抵抗効果素子に高
透磁率軟磁性材料で信号磁界を導くヨークを備えること
を特徴とするヨーク型の磁気抵抗効果センサ。
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| JP8011572A JPH09205234A (ja) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果センサ |
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