JPH09260744A

JPH09260744A - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ヘッド

Info

Publication number: JPH09260744A
Application number: JP8069992A
Authority: JP
Inventors: Keiya Nakabayashi; 敬哉中林; Tomohisa Komoda; 智久薦田; Kazuhiro Uneyama; 和弘釆山; Toru Kira; 徹吉良
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性が高く、弱い外部磁場に対しても大き
な磁気抵抗効果をもつ高感度の磁気抵抗効果素子、およ
びそれを用いた情報読み出し性能の高い磁気ヘッドを実
現する。【解決手段】磁気抵抗効果素子は、第１および第２非
磁性層２４・２５によって分離された第１ないし第３磁
性層２１〜２３を備え、第１磁性層２１の膜厚が第２磁
性層２２の膜厚よりも厚く、各磁性層の磁化容易軸は互
いに平行に設定されている。第２磁性層２２と第１磁性
層２１とは強い反強磁性結合、第２磁性層２２と第３磁
性層２３とは非常に弱い強磁性結合をなし、各磁性層の
磁化容易軸と略直交する方向に磁場を印加すれば、磁場
の変化に対して第１ないし第３磁性層２１〜２３の磁化
が全て回転し、第２磁性層２２と第３磁性層２３との磁
化の向きのなす角度による磁気抵抗効果を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い磁気抵抗効果
をもつ多層磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子およびそれ
を用いた磁気ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスク装置や磁気テープ装置等の
磁気記録再生装置では、記録密度の向上に伴い、磁気記
録媒体に記録されている情報の読み出し性能の向上が求
められている。そこで、磁界の変化に応じて電気抵抗が
変わる磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を具備
した再生用磁気ヘッドが注目を集めている。現在、使用
されている磁気抵抗効果素子は、一般に異方性磁気抵抗
効果と呼ばれる現象を利用しており、素子材料としてパ
ーマロイ（商品名、ウェスタンエレクトリック社）を用
いた場合で磁気抵抗変化率は約３％であるが、記録密度
のさらなる向上を実現するためには、これを上回る磁気
抵抗変化率をもつ新しい材料の開発が要求されている。

【０００３】近年、上述の異方性磁気抵抗効果とは異な
る原理で磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗効果とよばれ
る現象が見いだされ、注目されている。これは、図１１
に示すように、たとえばＦｅのような薄い磁性層３１１
とＣｒのような非磁性層３１２とを交互に堆積した積層
構造としたもので、隣接する磁性層３１１・３１１同士
は強い反強磁性結合をしていて、無磁場では互いの磁化
は反平行な状態になり、外部磁場を印加すると磁化は磁
場の方向に揃い平行となる。磁気抵抗は隣接する２つの
磁性層３１１・３１１の磁化方向のなす角の余弦に比例
するため、この場合、磁気抵抗は無磁場で最大、外部磁
場を印加して磁化を平行にすることにより最小になる。

【０００４】また、その他の巨大磁気抵抗効果を示す素
子としては、たとえば特開平４−３５８３１０号公報等
に開示され、図１２に概略的な断面構造を示すスピンバ
ルブ型磁気抵抗効果素子がある。この素子では、非磁性
層３１５を介して磁性層である固定層３１４と自由層３
１６とが積層されている。上記固定層３１４に隣接し
て、マンガン鉄（ＦｅＭｎ）などの反強磁性層３１３が
配置されており、当該固定層３１４には交換相互作用に
よる交換バイアスが印加され、その磁化は一方向に固定
される。また、自由層１６の磁化方向は、外部磁場がゼ
ロのとき固定層３１４の磁化方向に対して９０°の方向
を向くように成膜されており、外部磁場を変化させるこ
とによって自由層３１６の磁化方向を自由に変化させる
ことができる。

【０００５】したがって、上記の素子に対して外部磁場
を固定層３１４の磁化の方向に印加したときには２つの
磁性層３１４・３１６の磁化は平行に、一方、外部磁場
を固定層３１４の磁化と逆方向に印加したときには２つ
の磁性層３１４・３１６の磁化は反平行となり、積層構
造型磁気抵抗効果膜と同様に２層の磁化のなす角の余弦
に依存した磁気抵抗効果を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１１に示
すような積層構造型の巨大磁気抵抗効果膜は、磁性層３
１１・３１１間の結合が強すぎるため、大きな磁気抵抗
変化率を得るためには、ｋＯｅオーダーの非常に大きな
磁場を印加しなければならず、磁気ヘッドなどに用いる
には動作磁場範囲における磁気抵抗変化率は小さく、十
分な感度（磁界の変化に対する磁気抵抗の変化率）が得
られないという問題がある。

【０００７】一方、図１２に示すようなスピンバルブ型
磁気抵抗効果素子では、２つの磁性層３１４・３１６の
間には反強磁性結合を用いないので磁性層の層厚を厚く
することが可能なため、外部磁場に対して大きな抵抗変
化の感度を得ることができる。しかしながら、スピンバ
ルブ型磁気抵抗効果素子では、反強磁性層３１３を用い
ており、その材料であるＦｅＭｎに耐食性がなく、当該
素子を磁気ヘッドに用いる場合、その製造過程あるいは
その使用の際に、腐食等の問題が生じ易く、信頼性をい
かに高めるかという課題がある。また、ＦｅＭｎは作成
条件の微妙な変化に対して特性が非常に変化しやすく、
ＦｅＭｎ膜の特性をコントロールすることが困難であ
り、磁気ヘッドにした場合もその特性にばらつきが生じ
易い。

【０００８】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、反強磁性層を用いない高感度の磁気抵
抗効果素子と、それを用いた磁気ヘッドとを提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る磁
気抵抗効果素子は、上記の課題を解決するために、非磁
性層によって分離された、少なくとも第１ないし第３磁
性層を含み、第１ないし第３磁性層の磁化容易軸は互い
に平行に設定されており、第２磁性層の膜厚より第１磁
性層の膜厚の方が厚く設定されており、第２磁性層の第
１磁性層に対する結合は、第１磁性層と第２磁性層との
磁化方向が動作磁場範囲において常に反平行となるよう
な強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対
する結合は、磁場が略ゼロのときは第３磁性層の磁化が
第２磁性層の磁化方向に揃う一方、磁場が印加されたと
きは第３磁性層の磁化方向が第２磁性層の磁化方向に依
らず常に磁場方向に回転するような非常に弱い強磁性型
であり、磁場の変化に対して第１ないし第３磁性層の磁
化が全て回転し、第２磁性層と第３磁性層との磁化の向
きのなす角度による磁気抵抗効果をもつことを特徴とし
ている。

【００１０】上記の構成によれば、無磁場の場合は、第
１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化とは、強い反強磁性
結合のため反平行に、また、第３磁性層の磁化は、第２
磁性層との非常に弱い強磁性結合により第２磁性層の磁
化と平行になり、この場合の磁気抵抗は最小になる（図
２の（ａ）参照）。

【００１１】そして、上記の磁気抵抗効果素子に、第１
ないし第３磁性層の磁化容易軸と垂直な方向の外部磁場
を印加すると、第１磁性層の磁化と第３磁性層の磁化と
が何れも外部磁場の方向に回転し、第２磁性層の磁化は
第１磁性層との強い反強磁性結合のため第１磁性層と反
平行になるため結果的に磁場と反対方向に回転する（図
２の（ｂ）および（ｃ）参照）。

【００１２】すなわち、この磁気抵抗効果素子は、第１
磁性層の膜厚の方が第２磁性層の膜厚よりも厚く設定さ
れているので、これら２層の見かけ（正味）の磁場を考
えた場合に第１磁性層の磁化の方が支配的となり、これ
ら２層の磁化が反平行な状態を保ちつつ第１磁性層の磁
化が外部磁場の方向に回転するのである。また、このと
き、第２磁性層と第３磁性層との結合が弱いため、第３
磁性層の磁化も外部磁場の方向に回転するのである。こ
のため、第２磁性層と第３磁性層の磁化の向きに角度が
生じ、磁気抵抗効果が現れる。

【００１３】このように動作する本発明の磁気抵抗効果
素子は、従来の積層型のように強い反強磁性型結合を切
り離すための大きな磁場を必要とせず、低磁場でも磁気
抵抗効果が得られ、非常に高い感度（磁場の変化に対す
る磁気抵抗の変化率）を示す。特に、磁場の変化に応じ
て、非磁性層を挟む第２および第３磁性層の磁化が同時
に逆回転するため、磁場変化に対する当該両磁性層の磁
化のなす角の変化が大きく、したがって感度が大きくな
る。

【００１４】また、本発明の磁気抵抗効果素子は、従来
のスピンバルブ型のように反強磁性層を用いていないの
で、膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易いという従
来の問題も生じない。

【００１５】請求項２の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記請求項１の発明の構成において、上記第２磁性
層に対する第１磁性層の膜厚比が３以上であることを特
徴としている。

【００１６】このように、第１磁性層の膜厚を第２磁性
層の膜厚の３倍以上に設定することによって、第１磁性
層と第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常
に反平行を保ちながら、第１磁性層が磁場方向に、第２
磁性層が磁場と反対方向に回転することができ、安定し
た動作が可能となる。

【００１７】請求項３の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記請求項１または２の発明の構成において、上記
第３磁性層の膜厚が４０Å以上であることを特徴として
いる。

【００１８】このように第３磁性層の膜厚を設定するこ
とによって、磁場が印加されたときに第３磁性層の磁化
方向が第２磁性層の磁化方向に依らず常に磁場方向に回
転するようになり、安定した動作が可能となる。

【００１９】請求項４の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記の課題を解決するために、非磁性層によって分
離された、少なくとも第１ないし第３磁性層を含み、第
１および第２磁性層の磁化容易軸は平行であり、第３磁
性層の磁化容易軸は第１および第２磁性層の磁化容易軸
と直交する方向に設定されており、第２磁性層の膜厚よ
り第１磁性層の膜厚の方が厚く設定されており、第２磁
性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と第２磁
性層との磁化方向が動作磁場範囲において常に反平行と
なるような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁
性層に対する結合は、磁場の強さが第１レベル以下のと
きに第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化に揃い、磁場
の強さが第１レベルより大きい第２レベル以上のときに
第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化方向に依らず磁場
方向に揃い、磁場の強さが第１レベルから第２レベルの
範囲で第３磁性層の磁化が回転するような弱い強磁性型
であり、磁場の強さが第１レベルから第２レベルの範囲
で、第２磁性層と第３磁性層との磁化の向きのなす角度
による磁気抵抗効果をもつことを特徴としている。

【００２０】上記の構成によれば、第１磁性層の膜厚の
方が第２磁性層の膜厚よりも厚く設定されているので、
当該両磁性層の見かけ（正味）の磁場を考えた場合に第
１磁性層の磁化の方が支配的となり、第１および第２磁
性層の磁化容易軸と平行に外部磁場を印加した場合に、
第１磁性層の磁化が外部磁場方向に固定されると共に、
第２磁性層の磁化が第１磁性層の磁化との強い反強磁性
結合のため外部磁場と反対方向に固定される。

【００２１】一方、第３磁性層の磁化は、外部磁場が第
１レベル以下のときには第２磁性層の磁化との弱い強磁
性結合のために、第２磁性層の磁化に揃う、すなわち外
部磁場とは反対の方向を向き、この場合の磁気抵抗は最
小になる（図５の（ａ）参照）。また、第２磁性層との
間の結合が弱いため第３磁性層の磁化は、外部磁場を第
２レベル以上とすると完全に外部磁場の方向を向き、第
２磁性層の磁化とは反平行となり、この場合の磁気抵抗
は最大になる（図５の（ｃ）参照）。そして、第３磁性
層の磁化は、磁場の強さが第１レベルから第２レベルの
範囲で外部磁場の強さに応じて回転する。

【００２２】このようにして、本発明の磁気抵抗効果素
子では、第２磁性層の磁化は外部磁場と反対方向に固定
される一方、第３磁性層の磁化は外部磁場に対して回転
し、あたかもスピンバルブ膜のような動作によって磁気
抵抗効果が生ずる。

【００２３】このように動作する本発明の磁気抵抗効果
素子は、従来の積層型のように強い反強磁性型結合を切
り離すための大きな磁場を必要とせず、低磁場でも磁気
抵抗効果が得られ、非常に高い感度を示す。また、本発
明の磁気抵抗効果素子は、従来のスピンバルブ型のよう
に反強磁性層を用いていないので、膜の耐食性が悪いと
か特性がばらつき易いという従来の問題も生じない。

【００２４】請求項５の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記請求項４の発明の構成において、上記第２磁性
層に対する第１磁性層の膜厚比が５以上であることを特
徴としている。

【００２５】このように、第１磁性層の膜厚を第２磁性
層の膜厚の５倍以上に設定することによって、第３磁性
層が磁場に応答して回転する動作磁場範囲において、第
１磁性層と第２磁性層との磁化方向を常に反平行に保っ
たまま第１磁性層の磁化を磁場方向に固定することがで
き、動作磁場範囲内で磁気抵抗効果曲線にヒステリシス
を生じることはなく、安定した動作が可能となる。

【００２６】請求項６の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記の課題を解決するために、非磁性層によって分
離された、少なくとも第１ないし第３磁性層を含み、第
１および第２磁性層の磁化容易軸は平行であり、第３磁
性層の磁化容易軸は第１および第２磁性層の磁化容易軸
と直交する方向に設定されており、第１磁性層と第２磁
性層との膜厚は略同じに設定されており、第２磁性層の
第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と第２磁性層と
の磁化方向が動作磁場範囲において常に反平行となるよ
うな強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に
対する結合は非結合であり、動作磁場範囲においては、
磁場の変化に対して第３磁性層の磁化のみが回転し、第
２磁性層と第３磁性層との磁化の向きのなす角度による
磁気抵抗効果をもつことを特徴としている。

【００２７】上記の構成によれば、無磁場のとき、第１
磁性層の磁化が磁化容易方向を向くと共に、第２磁性層
の磁化は第１磁性層の磁化との強い反強磁性結合のため
第１磁性層の磁化と反平行になる。また、第３磁性層の
磁化は第２磁性層の磁化と直交する。

【００２８】また、磁場を第１および第２磁性層の磁化
容易軸と平行に印加すると、第３磁性層と第２磁性層と
が非結合のため第３磁性層の磁化は磁場方向に自由に回
転する。一方、第１および第２磁性層の膜厚が略同じに
設定されているため、当該両磁性層の見かけ（正味の）
の磁化は略ゼロであり、外部磁場には応答しない。この
ようにして、第２磁性層の磁化は固定される一方、第３
磁性層の磁化が磁場に対して回転し、あたかもスピンバ
ルブ膜のような動作によって磁気抵抗効果が生じる。

【００２９】このように動作する本発明の磁気抵抗効果
素子は、従来の積層型のように強い反強磁性型結合を切
り離すための大きな磁場を必要とせず、低磁場でも磁気
抵抗効果が得られ、非常に高い感度を示す。また、本発
明の磁気抵抗効果素子は、従来のスピンバルブ型のよう
に反強磁性層を用いていないので、膜の耐食性が悪いと
か特性がばらつき易いという従来の問題も生じない。

【００３０】請求項７の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記の課題を解決するために、非磁性層によって分
離された、少なくとも第１ないし第３磁性層を含み、第
１および第２磁性層の磁化容易軸は平行に設定され、第
３磁性層の磁化容易軸は磁場が略ゼロのとき又は第１お
よび第２磁性層の磁化容易軸方向に所定の強さの第１磁
場を印加したときに第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁
化方向と略直交する基準状態になるように設定されてお
り、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性
層と第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常
に反平行となるような強い反強磁性型であり、第３磁性
層の第２磁性層に対する結合は、上記の基準状態におい
て第２磁場が印加されたときに、第３磁性層の磁化方向
が第２磁性層の磁化方向に依らず常に第２磁場方向に回
転するような非常に弱い強磁性型であり、第１および第
２磁性層の磁化容易軸方向に上記第２磁場を印加した場
合に、第３磁性層の磁化方向に依らず第１および第２磁
性層の磁化が当該磁化容易軸方向に固定されるように、
第１磁性層と第２磁性層との膜厚は略同じで且つ第１磁
性層の層厚の方がより厚く設定されており、動作磁場範
囲においては、第２磁場の変化に対して第３磁性層の磁
化のみが回転し、第２磁性層と第３磁性層との磁化の向
きのなす角度による磁気抵抗効果をもつことを特徴とし
ている。

【００３１】上記の構成によれば、第１ないし第３磁性
層の磁化容易軸を上記のように設定しているので、第２
磁性層と第３磁性層との間に結合が存在しても、磁場が
略ゼロのとき又は第１および第２磁性層の磁化容易軸方
向に所定の強さの第１磁場（バイアス磁場）を印加した
ときに、第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化方向と略
直交する基準状態になる。

【００３２】また、上記の基準状態において第１および
第２磁性層の磁化容易軸方向に第２磁場（検出対象の磁
場）を印加した場合に、第３磁性層の磁化方向に依らず
第１および第２磁性層の磁化が当該磁化容易軸方向に固
定される、すなわち、第３磁性層の磁化方向が変化して
も第１および第２磁性層の磁化の向きが変化しないよう
に、第１磁性層と第２磁性層との膜厚は略同じで且つ第
１磁性層の層厚の方がより厚く設定されているので、上
記の請求項６の発明に係る磁気抵抗効果素子と同様の動
作を行う。

【００３３】尚、上記請求項６の発明に係る磁気抵抗効
果素子は、第２磁性層と第３磁性層とを非結合とする必
要があり、その分成膜条件が厳しいが、本発明では第２
磁性層と第３磁性層とを非結合としていないので、素子
の製作はより簡単である。

【００３４】請求項８の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記請求項７の発明の構成において、上記第２磁性
層に対する第１磁性層の膜厚比が１よりも大きく１．６
以下であることを特徴としている。

【００３５】このように第２磁性層に対する第１磁性層
の膜厚比を設定することによって、磁場印加時に第１お
よび第２磁性層の磁化を上記のように固定できると共
に、これら２層の見かけの磁化がゼロに近づくので、第
１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化とが互いの反平行状
態を保ちつつ反転するような外部磁場を大きくすること
ができ、安定した動作が可能となる。

【００３６】請求項９の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、上記請求項７または８の発明の構成において、上記
第３磁性層の膜厚が１００Å以上であることを特徴とし
ている。

【００３７】このように第３磁性層の膜厚を設定するこ
とによって、第３磁性層と第２磁性層との間の結合の影
響を十分に小さくすることができ、低磁場での動作が可
能となって感度が高くなる。

【００３８】請求項１０の発明に係る磁気ヘッドは、上
記請求項１、２、３、４、５、６、７、８、または９の
発明に係る磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に電
流を流す通電手段と、磁気記録媒体に記録された磁気的
な情報に応じた磁場の大きさに対応して変化する当該磁
気抵抗効果素子の磁気抵抗を検出する検出手段とを備え
ていることを特徴としている。

【００３９】このように、請求項１ないし９の何れか１
つの磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用し、当該素子
に電流を流して磁気記録媒体の情報（その磁束変化）を
電気抵抗の変化として検出すれば、情報読み出し性能の
向上を図ることができ、高密度記録が行われた磁気記録
媒体の再生が可能となる。

【００４０】請求項１１の発明に係る磁気ヘッドは、請
求項１、２、３、４、５、７、８、または９に記載の磁
気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に電流を流す通電
手段と、磁気記録媒体に記録された磁気的な情報に応じ
た磁場の大きさに対応して変化する磁気抵抗効果素子の
磁気抵抗を検出する検出手段と、磁気抵抗効果素子の動
作磁場範囲をシフトさせるバイアス磁場を磁気抵抗効果
素子に印加するバイアス磁場印加手段とを備えているこ
とを特徴としている。

【００４１】このように、請求項１〜５、７〜９の何れ
か１つの磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用した場合
に、磁気抵抗効果素子の動作磁場範囲をシフトさせるバ
イアス磁場印加手段をさらに具備すれば、磁気記録媒体
から受ける検出対象の磁場が略ゼロのときの感度を最大
とすることができ、より高感度の磁気ヘッドが実現でき
る。

【００４２】

【発明の実施の形態】

〔実施の形態１〕本発明の実施の一形態について図１な
いし図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００４３】本実施形態に係る磁気抵抗効果膜の構成を
図１に示す。この磁気抵抗効果膜は、図示しない基板上
に第３磁性層２３、第２非磁性層２５、第２磁性層２
２、第１非磁性層２４、および第１磁性層２１をこの順
に積層した構成である。

【００４４】上記の磁気抵抗効果膜の外部磁場に対する
第１ないし第３磁性層２１〜２３の磁化の方向を計算機
シミュレーションによって求めた。尚、この計算機シミ
ュレーションは、磁気抵抗効果膜のもつ異方性エネル
ギ、ゼーマンエネルギ、および磁性層間の結合エネルギ
の和が極小となる各磁性層２１〜２３の磁化の方向を計
算することによって行った。また、シミュレーションに
よって得られた２磁性層２２と第３磁性層２３との磁化
の方向に基づいて、磁気抵抗効果曲線を作成した。

【００４５】このシミュレーションでは、第１磁性層２
１の膜厚を１００Åに固定し、第２磁性層２２の膜厚を
１０Å〜５０Å、第３磁性層２３の膜厚を１０Å〜３０
０Åの範囲で変化させた。また、第１ないし第３磁性層
２１〜２３の磁化容易軸は互いに平行であり、外部磁場
に対して直交するように設定した。また、第１磁性層２
１、第２磁性層２２および第３磁性層２３の各磁性層の
材質としてＣｏを、第１非磁性層２４および第２非磁性
層２５の材質としてＣｕを仮定した。

【００４６】第１ないし第３磁性層２１〜２３をＣｏと
した本シミュレーションに用いた計算パラメータを表１
に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】ここで、一例として、第１磁性層２１の膜
厚が１００Å、第２磁性層２２の膜厚が１０Å、第３磁
性層２３の膜厚が９０Åのときの計算結果を図２および
図３に示し、これらの図面を参照して本実施形態の磁気
抵抗効果膜の動作を説明する。

【００４９】図２は外部磁場の強さを変化させたときの
第１ないし第３磁性層２１〜２３の磁化方向の変化を示
したものである。

【００５０】この磁気抵抗効果膜は、無磁場（外部磁場
が略０Ｏｅ）の場合は、図２の（ａ）に示すように、第
１磁性層２１の磁化３１と第２磁性層２２の磁化３２と
は、強い反強磁性結合のため反平行になっている。ま
た、第３磁性層２３の磁化３３は、第２磁性層２２の磁
化３２との弱い強磁性結合により第２磁性層２２の磁化
３２と平行になっているので、この場合の電気抵抗は最
小になる。

【００５１】上記のような磁化状態を示す磁気抵抗効果
膜に、第１ないし第３磁性層２１〜２２の磁化容易軸と
垂直な方向の外部磁場を印加すると、図２の（ｂ）に示
すように、第１磁性層２１の磁化３１は外部磁場の方向
に回転を始める。すなわち、この磁気抵抗効果膜は、第
１磁性層２１の膜厚（１００Å）の方が第２磁性層２２
の膜厚（１０Å）よりも厚く設定されているので、両磁
性層１２１・１２２の見かけ（正味）の磁場を考えた場
合に第１磁性層２１の磁化３１の方が支配的となり、第
１磁性層２１の磁化３１が外部磁場の方向に回転する。
また、第２磁性層２２の磁化３２は第１磁性層２１の磁
化３１と反平行になるため外部磁場と反対の方向に回転
する。

【００５２】また、このとき、第２磁性層２２と第３磁
性層２３との結合が弱いため、第３磁性層２３の磁化３
３も外部磁場の方向に回転する。

【００５３】このようにして、第２磁性層２２の磁化３
２と第３磁性層２３の磁化３３とのなす角度が変わり、
磁気抵抗効果が生じる。尚、図２の（ｂ）は、磁気抵抗
効果膜に1 2 0 Ｏｅの外部磁場を印加することによっ
て、第２磁性層２２の磁化３２と第３磁性層２３の磁化
３３とのなす角度が９０度となる場合を示している。

【００５４】さらに外部磁場を大きく（ここでは、1 7
0 Ｏｅに）すると、図２の（ｃ）に示すように、第１磁
性層２１の磁化３１と第３磁性層２３の磁化３３は完全
に外部磁場の方向に揃い、また、第２磁性層２２の磁化
３２は第１磁性層２１の磁化３１と反平行になるため外
部磁場と逆方向に向くため、第２磁性層２２の磁化３２
と第３磁性層２３の磁化３３とは反平行になり、この場
合の電気抵抗は最大になる。

【００５５】勿論、外部磁場の印加方向を１８０度逆に
した場合も、上記と同様に各磁性層２１〜２３の磁化３
１〜３３が回転し、同様の磁気抵抗効果が得られる。

【００５６】図３は、上記のように外部磁場を変化させ
たときの、第２磁性層２２の磁化３２と第３磁性層２３
の磁化３３とのなす角（Θ₂−Θ₃）の余弦を計算した
結果であり、磁気抵抗効果曲線に相当する。

【００５７】次に、第１磁性層２１の膜厚を１００Åに
固定した上で、第２磁性層２２と第３磁性層２３の膜厚
を変化させ、上述のような磁気抵抗効果膜の動作に必要
な外部磁場の強さ（各磁性層２１〜２３が図２の（ｃ）
の磁化状態になるときの外部磁場の強さ）を上記と同様
の計算機シミュレーションによって求めた。その計算結
果を表２に示す。

【００５８】

【表２】

【００５９】上表２に示されているように、第２磁性層
２２の膜厚が１０Åで第３磁性層の膜厚が１０Åのとき
は、図２のような動作をしない。これは、第３磁性層２
３が薄すぎて第２磁性層２２の磁化３２と第３磁性層２
３の磁化３３との結合を切るための第３磁性層２３のゼ
ーマンエネルギが不足し、第３磁性層２３の磁化３３が
第２磁性層２２の磁化３２と同じ方向に動いてしまうた
めである。尚、表２には計算結果の一部だけしか示して
いないが、第３磁性層２３の膜厚が４０Åよりも薄い場
合は、上記と同様の理由で図２のような正常な動作をし
ない又は動作が不安定となる。

【００６０】このため、第２磁性層２２の磁化３２が外
部磁場に対して反対の方向に回転したときでも、第３磁
性層２３の磁化３３が弱い強磁性結合によって第２磁性
層２２の磁化３２と同じ方向に回転しないようにするた
めには、第３磁性層２３の膜厚を４０Å以上に設定する
ことが望ましい。そして、第３磁性層２３の膜厚を厚く
するほど、動作に必要な外部磁場の強さＨ_Sが小さくな
り、磁気抵抗効果膜の感度が向上する。

【００６１】また、上表２に示されているように、第２
磁性層２２の厚さが４０Åおよび５０Åのときも、図２
のような正常な動作をしない。これは、第２磁性層２２
のゼーマンエネルギが大きすぎて第１磁性層２１との反
強磁性結合を断ち切ってしまい、第１磁性層２１の磁化
３１と第２磁性層２２の磁化３２とが動作磁場全域にお
いて反平行状態とならないためである。

【００６２】このため、外部磁場に対して第１磁性層２
１の磁化３１が応答したとき、それに対して第２磁性層
２２の磁化３２が反平行になるためには、第１磁性層２
１の膜厚ｄ₁と第２磁性層２２の膜厚ｄ₂との比（ｄ₁
／ｄ₂）を３以上に設定することが望ましい。尚、第１
磁性層２１と第２磁性層２２との膜厚比をさらに大きく
した場合も、第１磁性層２１の磁化３１が外部磁場の方
向に、第２磁性層２２の磁化３２がその反対方向に回転
し、図２のような正常な動作を示す。

【００６３】ところで、磁性層間の結合エネルギは、磁
性層に挟まれる非磁性層の膜厚を変えることによりコン
トロールすることができる。本実施形態のシミュレーシ
ョンでは、何れもＣｏからなる第１磁性層２１と第２磁
性層２２との結合エネルギは、Ｃｏどうしの反強磁性結
合が最も強くなる値を用いたが、強い反強磁性結合を生
じさせるための非磁性層の膜厚条件は８Å〜１３Åまた
は２０Å〜２５Åであるため、第１非磁性層２４はこの
範囲の厚さに設定する必要がある。

【００６４】ここまでは、第１ないし第３磁性層２１〜
２３の材質としてＣｏを仮定してシミュレーションを行
ったが、Ｃｏのかわりに、Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｎｉ−Ｆ
ｅ−Ｃｏ系合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金を用いても同様に磁気
抵抗効果を得ることができる。

【００６５】第１ないし第３磁性層２１〜２３にＣｏ、
Ｎｉ−Ｃｏ合金、或いはＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を用いた
ほうが、磁気抵抗変化率が大きくなる傾向があるが、こ
れらの材料は軟磁気特性がＮｉ−Ｆｅ合金ほどよくない
ため、大きな磁気抵抗変化率を得るためには大きな磁場
が必要になり、感度としてはあまり大きくない。

【００６６】そこで、第１ないし第３磁性層２１〜２３
の材質としてＮｉ−Ｆｅ合金を仮定して、上記と同様の
シミュレーションを行った。この場合の磁性層の膜厚条
件は、第１磁性層２１の膜厚１００Å、第２磁性層２２
の膜厚１０Å、第３磁性層２３の膜厚９０Åである。第
１ないし第３磁性層２１〜２３にＮｉ−２０ａｔ％Ｆｅ
合金を用いた場合の計算パラメータを表３に示す。

【００６７】

【表３】

【００６８】上記の磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効
果素子は、図２と同様に磁化が変化し、約１9 Ｏｅの印
加磁場で図２の（ｃ）の磁化状態となって磁気抵抗が最
大となり、非常に高い感度を示す。

【００６９】以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果
素子は、第１および第２非磁性層２４・２５によって分
離された第１ないし第３磁性層２１〜２３を備え、各磁
性層の磁化容易軸は互いに平行に設定されている。ま
た、第２磁性層２２の第１磁性層２１に対する結合は、
第１磁性層２１と第２磁性層２２との磁化方向が動作磁
場範囲において常に反平行となるような強い反強磁性型
であり、第３磁性層２３の第２磁性層２２に対する結合
は、外部磁場が略ゼロのときは第３磁性層２３の磁化３
３が第２磁性層２２の磁化方向に揃う一方、外部磁場が
印加されたときは第３磁性層２３の磁化方向が第２磁性
層２２の磁化方向に依らず常に磁場方向に回転するよう
な非常に弱い強磁性型である。また、第１磁性層２１と
第２磁性層２２との磁化が反平行状態を保ちつつ第１磁
性層２１の磁化３１が外部磁場方向に回転するように、
第１磁性層２１の膜厚が第２磁性層２２の膜厚よりも厚
く設定されている。そして、外部磁場の変化に対して第
１ないし第３磁性層２１〜２３の磁化３１〜３３が全て
回転し、第２磁性層２２と第３磁性層２３との磁化の向
きのなす角度による磁気抵抗効果を示す。

【００７０】上記の構成の磁気抵抗効果素子は、従来の
積層型のように強い反強磁性型結合を切り離すための大
きな磁場（ｋＯｅオーダー）を必要としない。上記の磁
気抵抗効果素子を、第１ないし第３磁性層２１〜２３の
磁化容易軸と外部磁場方向とが略直交するように配すれ
ば、上述の図２の動作によって低磁場でも磁気抵抗効果
が得られ、非常に高い感度（磁界の変化に対する磁気抵
抗の変化率）を示す。特に、従来のスピンバルブ型のよ
うに非磁性層を挟む磁性層のうち片方の磁化が固定され
ているわけでなく、外部磁場の変化に応じて第２非磁性
層２５を挟む２つの磁性層２２・２３の磁化とも回転す
るため、外部磁場の変化に対する２つの磁性層２２・２
３の磁化３２・３３のなす角の変化が大きく、したがっ
て感度が大きくなるという特徴をもつ。

【００７１】本実施形態の磁気抵抗効果素子の場合、図
３に示すようにゼロ磁場付近で磁気抵抗変化の勾配が低
いため、ゼロ磁場付近では最大の感度が得られない。そ
のため、動作中は外部磁場方向に所定のバイアス磁場を
印加して、磁気抵抗変化の勾配の高い領域を動作磁場範
囲に移動させることが好ましい。本実施形態では第１な
いし第３磁性層２１〜２３の材質としてＮｉ−Ｆｅを用
いた場合、8 Ｏｅ程度のバイアス磁場を印加することに
よって、ゼロ磁場近傍での（検出対象の磁場が略ゼロの
ときの）感度を最大にすることができる。

【００７２】上記のバイアス法としては、シャントバイ
アス方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式、永
久磁石方式、電流による誘導磁場による方式等があり、
どの方式を用いても同様の効果が得られる。

【００７３】本実施形態の磁気抵抗効果素子を、磁気デ
ィスク装置や磁気テープ装置等の磁気記録再生装置の再
生用磁気ヘッドに適用すれば、高密度記録が行われた磁
気記録媒体に対する情報読み出し性能の向上を図ること
ができる。この磁気ヘッドは、磁気的に情報を記録して
いる磁気記録媒体に対して相対的に移動し、磁気記録媒
体から受ける磁場の大きさを上述の磁気抵抗効果によっ
て検出するものであり、本実施形態の磁気抵抗効果素子
をヘッドの先端部に有すると共に、当該磁気抵抗効果素
子に電流を流す通電手段（電源と導電ラインと電極端子
からなる）と、磁気記録媒体の磁場の大きさに対応して
変化する素子の電気抵抗（磁気抵抗）を検出する検出手
段とを備えている。また、磁気ヘッドは、必要に応じて
検出対象の磁場方向に上記のバイアス磁場を印加するバ
イアス磁場印加手段も備えている。

【００７４】〔実施の形態２〕本発明のその他の実施の
一形態について図４ないし図７に基づいて説明すれば、
以下の通りである。

【００７５】本実施形態に係る磁気抵抗効果膜の構成を
図４に示す。この磁気抵抗効果膜は、図示しない基板上
に第３磁性層１２３、第２非磁性層１２５、第２磁性層
１２２、第１非磁性層１２４、および第１磁性層１２１
をこの順に積層した構成である。

【００７６】上記の磁気抵抗効果膜の外部磁場に対する
第１ないし第３磁性層１２１〜１２３の磁化の方向を、
前述の実施の形態１と同様に計算機シミュレーションに
よって求めた。

【００７７】このシミュレーションでは、第２磁性層１
２２の膜厚を５０Å、第３磁性層１２３の膜厚を５０Å
に固定し、第１磁性層１２１の膜厚を２００Å〜３００
Åの範囲で変化させた。また、第１磁性層１２１および
第２磁性層１２２の磁化容易軸は外部磁場と平行な方
向、第３磁性層１２３の磁化容易軸は外部磁場と直交す
る方向に設定している。また、第１磁性層１２１および
第２磁性層１２２の材質としてＣｏを、第３磁性層１２
３の材質としてＮｉ−２０ａｔ％Ｆｅ合金を、そして、
第１非磁性層１２４および第２非磁性層１２５の材質と
してＣｕを仮定した。

【００７８】本シミュレーションに用いた計算パラメー
タを表４に示す。

【００７９】

【表４】

【００８０】ここで、一例として、第１磁性層１２１の
膜厚が３００Å、第２磁性層１２２の膜厚が５０Å、第
３磁性層１２３の膜厚が５０Åのときの計算結果を図５
および図６に示し、これらの図面を参照して本実施形態
の磁気抵抗効果膜の動作を説明する。

【００８１】図５は外部磁場の強さを変化させたときの
第１ないし第３磁性層１２１〜１２３の磁化方向の変化
を示したものである。

【００８２】この磁気抵抗効果膜は、第１磁性層１２１
の膜厚（３００Å）の方が第２磁性層１２２の膜厚（５
０Å）よりも厚く設定されているので、両磁性層１２１
・１２２の見かけ（正味）の磁場を考えた場合に第１磁
性層１２１の磁化１３１の方が支配的となり、図５の
（ａ）ないし（ｃ）に示すように、外部磁場が約７0 Ｏ
ｅ以上のとき第１磁性層１２１の磁化１３１が外部磁場
方向に固定され、第２磁性層１２２の磁化１３２は第１
磁性層１２１の磁化１３１との強い反強磁性結合のため
外部磁場と反対方向に固定される。

【００８３】一方、第３磁性層１２３の磁化１３３は、
図５の（ａ）に示すように、外部磁場が約７0 Ｏｅ（第
１レベル）以下のときには第２磁性層１２２の磁化１３
２との弱い強磁性結合のために、第２磁性層１２２の磁
化１３２に揃う、すなわち外部磁場とは反対の方向を向
く。したがって、この場合の磁気抵抗効果膜の電気抵抗
は最小になる。

【００８４】また、外部磁場を約８5 Ｏｅとすると、図
５の（ｂ）に示すように、第３磁性層１２３の磁化１３
３は、第２磁性層１２２と第３磁性層１２３との間の弱
い強磁性結合エネルギーと外部磁場の強さとがつり合っ
てこれらが相殺され、磁化容易軸方向すなわち外部磁場
に対して垂直の方向を向く。

【００８５】また、外部磁場を約 1０0 Ｏｅ（第２レベ
ル）以上とすると、図５の（ｃ）に示すように、第３磁
性層１２３の磁化１３３は、完全に外部磁場の方向を向
き、第２磁性層１２２の磁化１３２とは反平行となる。
したがって、この場合の磁気抵抗効果膜の電気抵抗は最
大になる。

【００８６】このようにして、本実施形態の磁気抵抗効
果膜では、第２磁性層１２２の磁化１３２は外部磁場と
反対方向に固定される一方、第３磁性層１２３の磁化１
３３が外部磁場に対して回転し、あたかもスピンバルブ
膜のような動作によって磁気抵抗効果が生ずる。

【００８７】図６は、上記のように外部磁場を変化させ
たときの、第２磁性層１２２の磁化１３２と第３磁性層
１２３の磁化１３３とのなす角の余弦（Θ₂−Θ₃）を
計算した結果であり、磁気抵抗効果曲線に相当する。同
図に示すように、動作範囲においてヒステリシスのない
磁気抵抗効果曲線が得られている。

【００８８】上記の磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効
果素子は、約３0 Ｏｅの外部磁場の変化で磁気抵抗変化
を最大とすることができ、高い感度を有する。

【００８９】以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果
素子は、第１および第２非磁性層１２４・１２５によっ
て分離された第１ないし第３磁性層１２１〜１２３を備
え、第１および第２磁性層１２１・１２２の磁化容易軸
は平行、第３磁性層１２３の磁化容易軸は第１および第
２磁性層１２１・１２２の磁化容易軸と直交する方向に
設定されている。また、第２磁性層１２２の第１磁性層
１２１に対する結合は、第１磁性層１２１と第２磁性層
１２２との磁化方向が動作磁場範囲において常に反平行
となるような強い反強磁性型であり、第３磁性層１２３
の第２磁性層１２２に対する結合は、外部磁場の強さが
第１レベル（上記の例では約７0 Ｏｅ）以下のときに第
３磁性層１２３の磁化１３３が第２磁性層１２２の磁化
１３２に揃い、外部磁場の強さが第１レベルより大きい
第２レベル（上記の例では約 1０0 Ｏｅ）以上のときに
第３磁性層１２３の磁化１３３が第２磁性層１２２の磁
化方向に依らず外部磁場方向に揃い、外部磁場の強さが
第１レベルから第２レベルの範囲で第３磁性層１２３の
磁化１３３が回転するような弱い強磁性型である。ま
た、第１磁性層１２１の磁化１３１を外部磁場方向に、
第２磁性層１２２の磁化１３２を外部磁場と反対方向に
固定するために、第１磁性層１２１の膜厚が第２磁性層
１２２の膜厚よりも厚く設定されている。そして、外部
磁場の強さが第１レベルから第２レベルの範囲で、第２
磁性層１２２と第３磁性層１２３との磁化の向きのなす
角度による磁気抵抗効果を示す。

【００９０】上記の構成の磁気抵抗効果素子を、第１お
よび第２磁性層１２１・１２２の磁化容易軸と外部磁場
の方向とが略一致するように配すれば、上述の図５に示
した動作によって低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、非
常に高い感度を示す。また、上記の磁気抵抗効果素子
は、従来のスピンバルブ膜のように反強磁性層を用いて
非磁性層を挟む２つの磁性層のうちの１つの磁化を固定
するわけではなく、外部磁場によって第１磁性層１２１
および第２磁性層１２２の磁化を固定することができる
ため、反強磁性膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易
いという従来の問題が生じない。

【００９１】ここで、第１磁性層１２１の膜厚条件を２
００Åとした場合を考える。この場合は、第１磁性層１
２１の膜厚（２００Å）と第２磁性層１２２の膜厚（５
０Å）との差が上記よりも小さくなるため、第１磁性層
１２１の磁化１３１を外部磁場の方向に、第２磁性層１
２２の磁化１３２を外部磁場と反対方向に固定するため
には、８5 Ｏｅ以上の外部磁場が必要であるという結果
となった。このため、外部磁場の動作範囲７0 〜 1０0
Ｏｅのうち、７0 〜８5 Ｏｅの磁場範囲では第２磁性層
１２２の磁化１３２の方向は２通り有り得るため、図７
に示すように磁気抵抗効果曲線にはヒステリシスを生じ
ることになる。

【００９２】このように、第１磁性層１２１と第２磁性
層１２２との膜厚差が小さ過ぎると、これら２層の見か
けの（正味の）磁化が小さくなるため、第１磁性層１２
１の磁化１３１を固定するためにはより大きな磁場を必
要とし、第３磁性層１２３の磁化１３３が回転する動作
磁場範囲の一部においてヒステリシスを生じ、当該ヒス
テリシス部分では動作が不安定となる。

【００９３】そこで、第３磁性層１２３の動作磁場範囲
において、外部磁場に対して第１磁性層１２１の磁化１
３１が外部磁場の方向に固定され、第２磁性層１２２の
磁化１３２が第１磁性層１２１の磁化１３１との強い反
強磁性結合によって外部磁場と反対の方向に固定される
ためには、第１磁性層１２１の膜厚ｄ₁₁と第２磁性層１
２２の膜厚ｄ₁₂との比（ｄ₁₁／ｄ₁₂）を５以上に設定す
る必要がある。尚、第１磁性層１２１と第２磁性層１２
２との膜厚比をさらに大きくした場合も、第１磁性層１
２１の磁化１３１が外部磁場の方向に、第２磁性層１２
２の磁化１３２が外部磁場と反対方向に固定され易くな
り、図５および図６に示すような正常な動作がなされ
る。

【００９４】但し、上記の膜厚比（ｄ₁₁／ｄ₁₂）を５よ
りも小さく設定して上記のようなヒステリシスを生じる
場合でも、ヒステリシスを示さない磁場範囲（図７にお
ける８5 〜 1０0 Ｏｅ）を動作範囲とすることは可能で
ある。

【００９５】ところで、磁性層間の結合エネルギは、磁
性層に挟まれる非磁性層の層厚を変えることによりコン
トロールすることができる。本実施形態のシミュレーシ
ョンでは、何れもＣｏからなる第１磁性層１２１と第２
磁性層１２２の結合エネルギは、Ｃｏ同士の反強磁性結
合が最も強くなる値を用いたが、強い反強磁性結合を生
じさせるための非磁性層の膜厚条件は８Å〜１３Åまた
は２０Å〜２５Åであるため、第１非磁性層１２４はこ
の範囲の厚さに設定する必要がある。

【００９６】また、本実施形態では、第１磁性層１２１
および第２磁性層１２２にＣｏを、第３磁性層１２３に
Ｎｉ−Ｆｅ合金を仮定してシミュレーションを行った
が、第１ないし第３磁性層１２１〜１２３を全てＣｏと
する、または全てＮｉ−Ｆｅ合金とすることも可能であ
る。また、Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金
などその他の磁性材料を用いても同様の効果がある。

【００９７】但し、第３磁性層１２３にＮｉ−Ｆｅ合金
などの軟磁気特性に優れている磁性材料以外の材料を用
いると、軟磁気特性が悪いため、大きな磁気抵抗変化率
を得るためには大きな磁場が必要になり感度は増加しな
い。また、第１磁性層１２１および第２磁性層１２２に
は軟磁気特性は必要なく、強い反強磁性結合が要求され
るため、Ｃｏのように強い反強磁性結合が得られる材料
が好ましい。

【００９８】また、本実施形態の磁気抵抗効果膜の場
合、ゼロ磁場付近では磁気抵抗効果が得られず動作範囲
が約７0 〜 1０0 Ｏｅであること、および外部磁場によ
って第１磁性層１２１の磁化１３１を外部磁場方向に固
定すると共に第２磁性層１２２の磁化１３２を外部磁場
と反対方向に固定する必要があることから、動作中は外
部磁場方向に予め所定のバイアス磁場を印加して動作範
囲をゼロ磁場近傍（検出対象の磁場がゼロ付近）に移動
させると共に、第１磁性層１２１の磁化１３１および第
２磁性層１２２の磁化１３２をバイアス磁場方向に固定
する必要がある。

【００９９】最適なバイアス磁場の強さは、検出対象の
磁場が略ゼロのとき、図５の（ｂ）に示すように第３磁
性層１２３の磁化１３３を第２磁性層１２２の磁化１３
２に対して垂直に向かせるような強さである。本実施形
態の磁気抵抗効果膜の場合、８5 Ｏｅ程度のバイアス磁
場を印加することにより、ゼロ磁場近傍での（検出対象
の磁場が略ゼロのときの）感度を最大にすることができ
る。

【０１００】上記のバイアス法としては、シャントバイ
アス方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式、永
久磁石方式、電流による誘導磁場による方式等があり、
どの方式を用いても同様の効果が得られる。

【０１０１】本実施形態の磁気抵抗効果素子を、磁気デ
ィスク装置や磁気テープ装置等の磁気記録再生装置の再
生用磁気ヘッドに適用すれば、高密度記録が行われた磁
気記録媒体に対する情報読み出し性能の向上を図ること
ができる。この磁気ヘッドは、磁気的に情報を記録して
いる磁気記録媒体に対して相対的に移動し、磁気記録媒
体から受ける磁場の大きさを上述の磁気抵抗効果によっ
て検出するものであり、本実施形態の磁気抵抗効果素子
をヘッドの先端部に有すると共に、当該磁気抵抗効果素
子に電流を流す通電手段（電源と導電ラインと電極端子
からなる）と、磁気記録媒体の磁場の大きさに対応して
変化する素子の電気抵抗（磁気抵抗）を検出する検出手
段と、第１および第２磁性層１２１・１２２の磁化容易
軸方向に上記のような所定のバイアス磁場を印加するバ
イアス磁場印加手段とを備えている。

【０１０２】〔実施の形態３〕本発明のその他の実施の
一形態について図９ないし図１０に基づいて説明すれ
ば、以下の通りである。

【０１０３】本実施形態に係る磁気抵抗効果膜の構成を
図９に示す。この磁気抵抗効果膜は、図示しない基板上
に第３磁性層２２３、第２非磁性層２２５、第２磁性層
２２２、第１非磁性層２２４、および第１磁性層２２１
をこの順に積層した構成である。

【０１０４】上記の磁気抵抗効果膜の外部磁場に対する
第１ないし第３磁性層２２１〜２２３の磁化の方向を、
前述の実施の形態１・２と同様に計算機シミュレーショ
ンによって求めた。

【０１０５】このシミュレーションでは、第１磁性層２
２１の膜厚を４５Å〜２３０Å、第２磁性層２２２の膜
厚を５０Å〜１００Å、第３磁性層２２３の膜厚を５０
Å〜２００Åの範囲でそれぞれ変化させた。

【０１０６】また、第１磁性層２２１および第２磁性層
２２２の磁化容易軸は、外部磁場と平行または反平行な
方向に、第３磁性層２２３の磁化容易軸は、外部磁場が
略ゼロのとき第３磁性層２２３の磁化２３１が第２磁性
層２２２の磁化２３２と直交する状態（基準状態）にな
るように設定されている。

【０１０７】また、第１磁性層２２１および第２磁性層
２２２の材質としてＣｏを、第３磁性層２２３の材質と
してＮｉ−２０ａｔ％Ｆｅ合金を、第１非磁性層２２４
および第２非磁性層２２５の材質としてＣｕを仮定し
た。

【０１０８】本シミュレーションに用いた計算パラメー
タを表５に示す。

【０１０９】

【表５】

【０１１０】ここで、一例として、第１磁性層２２１の
膜厚が５５Å、第２磁性層２２２の膜厚が５０Å、第３
磁性層２２３の膜厚が５０Å、第２磁性層２２２と第３
磁性層２２３との間の結合定数が０ｅｒｇ／ｃｍ²のと
きの計算結果を図９および図１０に示し、これらの図面
を参照して本実施形態の磁気抵抗効果膜の動作を説明す
る。

【０１１１】尚、上述のように第３磁性層２２３の磁化
容易軸は外部磁場が略ゼロのとき第３磁性層２２３の磁
化２３１が第２磁性層２２２の磁化２３２と直交するよ
う設定するが、ここでは第２磁性層２２２と第３磁性層
２２３とが非結合なので、第３磁性層２２３の磁化容易
軸と第１および第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸
とを直交する方向に設定すればよい。

【０１１２】図９は外部磁場の強さを変化させたときの
第１ないし第３磁性層２２１〜２２３の磁化方向の変化
を示したものである。

【０１１３】この磁気抵抗効果膜は、図９の（ｂ）に示
すように、無磁場のとき第１磁性層２２１の磁化２３１
が磁化容易方向を向くと共に、第２磁性層２２２の磁化
２３２は第１磁性層２２１の磁化２３１との強い反強磁
性結合のため第１磁性層２２１の磁化２３１と反平行に
なる。また、この場合、第３磁性層２２３の磁化２３３
は、無磁場で第２磁性層２２２の磁化２３２と直交する
ようにその磁化容易軸が設定されているため、第２磁性
層２２２の磁化２３２と直交する（基準状態）。

【０１１４】また、外部磁場（ここでは約５Ｏｅ）を第
１磁性層２２１の磁化２３１と同じ方向に印加すると、
図９の（ｃ）に示すように、第３磁性層２２３の磁化２
３３は、第２磁性層２２２の磁化２３２との結合が略ゼ
ロであるため自由に回転する。一方、第１磁性層２２１
の磁化２３１および第２磁性層２２２の磁化２３２は、
当該両磁性層２２１・２２２の層厚がほぼ等しい（第１
磁性層２２１の膜厚ｄ₂₁＝５５Å、第２磁性層２２２の
膜厚ｄ₂₂＝５０Å）ため、当該両磁性層２２１・２２２
の見かけ（正味の）の磁化は略ゼロであり、５Ｏｅ程度
の小さい外部磁場には応答しない。このようにして、第
２磁性層２２２の磁化２３２は固定される一方、第３磁
性層２２３の磁化２３３が外部磁場に対して回転し、ス
ピンバルブ膜のような動作によって磁気抵抗効果が生ず
る。

【０１１５】また、上記とは反対方向に外部磁場（ここ
では約−５Ｏｅ）を印加した場合は、図９の（ａ）に示
すように、第１磁性層２２１の磁化２３１および第２磁
性層２２２の磁化２３２は外部磁場には応答せず、当該
第２磁性層２２２の磁化２３２が固定される一方、第３
磁性層２２３の磁化２３３が外部磁場に対して回転し、
磁気抵抗効果が生ずる。

【０１１６】図１０は、上記のように外部磁場を変化さ
せたときの、第２磁性層２２２の磁化２３２と第３磁性
層２２３の磁化２３３とのなす角（Θ₂−Θ₃）の余弦
を計算した結果であり、磁気抵抗効果曲線に相当する。

【０１１７】上記の磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効
果素子は、１0 Ｏｅ程度の外部磁場の変化で磁気抵抗変
化率が最大になり、高い感度を示す。

【０１１８】以上のように、上記の磁気抵抗効果素子
は、第１および第２非磁性層２２４・２２５によって分
離された第１ないし第３磁性層２２１〜２２３を備え、
第２磁性層２２２の第１磁性層２２１に対する結合は、
第１磁性層２２１と第２磁性層２２２との磁化方向が動
作磁場範囲において常に反平行となるような強い反強磁
性型であり、上記第３磁性層２２３の第２磁性層２２２
に対する結合は非結合である。そして、第１および第２
磁性層２２１・２２２の磁化容易軸は平行、第３磁性層
２２３の磁化容易軸は第１および第２磁性層２２１・２
２２の磁化容易軸と直交する方向に設定されており、ま
た、見かけの磁化を略ゼロにして外部磁場に応答しない
ようにするため第１および第２磁性層２２１・２２２の
膜厚は略同じ（第１および第２磁性層２２１・２２２の
何れの膜厚が若干大きくてもよい）に設定されている。
そして、動作磁場範囲においては、外部磁場の変化に対
して第３磁性層２２３の磁化２３３のみが回転し、第２
磁性層２２２と第３磁性層２２３との磁化の向きのなす
角度による磁気抵抗効果を示す。

【０１１９】上記の構成の磁気抵抗効果素子を、第１お
よび第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸と外部磁場
の方向とが略一致するように配すれば、上述の図９の
（ａ）〜（ｃ）の動作によって低磁場でも磁気抵抗効果
が得られ、非常に高い感度を示す。

【０１２０】また、上記の磁気抵抗効果素子は、第１磁
性層２２１と第２磁性層２２２との膜厚を略等しくして
反強磁性結合させておくことによって、第２磁性層２２
２を固定（両磁性層２２１・２２２の見かけの磁化を略
ゼロとして外部磁場に対して両磁性層２２１・２２２の
磁化２３１・２３２が応答しないようにした上で、両磁
性層２２１・２２２の磁化２３１・２３２を互いに反平
行に向かせて固定）している。このため、上記の磁気抵
抗効果素子は、従来のスピンバルブ膜のように反強磁性
層を用いて非磁性層を挟む２つの磁性層のうちの１つの
磁化を固定するわけではないので、反強磁性膜の耐食性
が悪いとか特性のばらつきが生じ易いといった従来の問
題が生じない。

【０１２１】ところで、図９の（ｃ）とは反対方向に、
あるレベルより小さい外部磁場を印加した場合は、図９
の（ａ）に示した動作をするが、外部磁場があるレベル
（ここでは− 2６0 Ｏｅ）以上（例えば− 3０0 Ｏｅ）
になると、図９の（ｄ）に示すように、第１磁性層２２
１の磁化２３１と第２磁性層２２２の磁化２３２は、互
いの反平行状態を保ちつつ反転する。

【０１２２】もし第１磁性層２２１と第２磁性層２２２
との見かけの磁化が完全にゼロであれば、外部磁場によ
って磁化２３１・２３２の反転が生じることはないが、
当該両磁性層２２１・２２２の見かけの磁化が完全にゼ
ロでなければ、見かけの磁化に応じたレベル以上の外部
磁場によって上述のような磁化反転が生じる。尚、両磁
性層２２１・２２２の見かけの磁化がゼロに近いほど、
磁化反転を生じさせるためにはより大きな外部磁場が必
要になる。

【０１２３】上記のように第１および第２磁性層２２１
・２２２の磁化２３１・２３２の反転が生ずると、＋ 2
６0 Ｏｅ以上の外部磁場を印加して、再び、磁化２３１
・２３２を反転させ、もとに戻してやる必要があるた
め、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドなどに利用する場合
は、絶対値が 2６0 Ｏｅ以上の磁場が印加されないよう
にするか、もし上記のような磁化反転が生じても初期化
できる構成にすることが望ましい。

【０１２４】ここまでは、第２磁性層２２２と第３磁性
層２２３の間の結合がない場合について説明したが、両
磁性層２２２・２２３間に非常に弱い強磁性結合（結合
定数＋０．０１６ｅｒｇ／ｃｍ²）が残っている場合に
ついて考える。

【０１２５】上述のように、第３磁性層２２３の磁化容
易軸は外部磁場が略ゼロのとき第３磁性層２２３の磁化
２３１が第２磁性層２２２の磁化２３２と直交するよう
設定するのであるが、ここでは第２磁性層２２２と第３
磁性層２２３との間に非常に弱いながらも強磁性結合が
残っているので、第３磁性層２２３の磁化容易軸を第１
および第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸に対し
て、結合定数に応じた分だけ傾けて設定すればよい。

【０１２６】上記の磁気抵抗効果膜において、第１ない
し第３磁性層２２１〜２２３の膜厚を変化させ、動作に
必要な外部磁場の強さ（各磁性層２２１〜２２３が図９
の（ａ）〜（ｃ）に示す動作をするのに必要な外部磁場
の強さ）、および第１および第２磁性層２２１・２２２
の磁化２３１・２３２が互いの反平行状態を保ちつつ反
転する外部磁場の強さを、計算機シミュレーションによ
って求めた。その計算結果を表６に示す。

【０１２７】

【表６】

【０１２８】上表６に示されているように、第１磁性層
２２１の膜厚ｄ₂₁と第２磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂とが何
れも５０Åの場合は図９の（ａ）〜（ｃ）のような正常
な動作をしない。これは、第２磁性層２２２と第３磁性
層２２３との間に弱い強磁性結合（結合定数＋０．０１
６ｅｒｇ／ｃｍ²）が存在するため、第３磁性層２２３
の磁化２３３が外部磁場方向に回転するとき、それに引
っぱられて、第２磁性層２２２の磁化２３２および第１
磁性層２２１の磁化２３１が互いの反平行状態を保ちつ
つ反転してしまうためである。このように、第１磁性層
２２１の膜厚ｄ₂₁と第２磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂とを等
しくしまうと動作不能となる。

【０１２９】また、第１磁性層２２１の膜厚ｄ₂₁が４５
Åで第２磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂がそれよりも厚い５０
Åの場合も、図９の（ａ）〜（ｃ）のような正常な動作
をしない。これは、第１磁性層２２１の膜厚ｄ₂₁が第２
磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂よりも若干小さければ、両磁性
層２２１・２２２の見かけの磁化を考えた場合に第２磁
性層２２２の磁化が支配的となり、第１磁性層２２１の
磁化２３１ではなく第２磁性層２２２の磁化２３２の方
が外部磁場の方向に揃うようになり、第３磁性層２２３
の磁化２３３と第２磁性層２２２の磁化２３２とが何れ
も外部磁場の方向に揃ってしまうためである。

【０１３０】このため、第３磁性層２２３の磁化２３３
が外部磁場の方向に回転する場合でも、第３磁性層２２
３の磁化２３３に引っぱられることなく第１および第２
磁性層２２１・２２２の磁化２３１・２３２が互いに反
平行状態を保ちつつこれらの磁化容易軸方向（すなわち
外部磁場と平行な方向）に固定されるように、第１磁性
層２２１の膜厚ｄ₂₁を第２磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂より
も若干厚くしておく必要がある。これにより、図９の
（ａ）〜（ｃ）のような正常な動作が可能となる。

【０１３１】また、第１磁性層２２１の磁化２３１と第
２磁性層２２２の磁化２３２とが互いの反平行状態を保
ちつつ反転するような外部磁場（Ｈ_sw）を大きくするた
めには、両磁性層２２１・２２２の見かけの磁化をゼロ
に近づける方がよいことから、第１磁性層２２１の膜厚
ｄ₂₁と第２磁性層２２２の膜厚ｄ₂₂との比（ｄ₂₁／
ｄ₂₂）を1.６以下に設定することが望ましい。

【０１３２】また、第３磁性層２２３と第２磁性層２２
２との間の弱い強磁性結合の影響をできるだけ小さくす
るためには、第３磁性層２２３の膜厚ｄ₂₃は１００Å以
上にすることが望ましい。第３磁性層２２３と第２磁性
層２２２との強磁性結合の影響が小さくなるほど動作に
必要な磁場も小さくなり、磁気抵抗効果膜の感度が高く
なる。上表６に示されているように、第３磁性層２２３
の膜厚ｄ₂₃が１００Å未満の場合は動作磁場は６0 Ｏｅ
以上必要であり、一方、当該膜厚ｄ₂₃が１００Å以上と
厚い場合は３0 Ｏｅ以下の低磁場で動作し高い感度を示
す。また、第３磁性層２２３の膜厚ｄ₂₃をさらに厚くし
ても、動作磁場は小さくなる方向であり、磁気抵抗効果
膜は高い感度で正常な動作を示す。

【０１３３】ところで、磁性層間の結合エネルギは、磁
性層に挟まれる非磁性層の膜厚を変えることによりコン
トロールすることができる。本実施形態のシミュレーシ
ョンでは、何れもＣｏからなる第１磁性層２２１と第２
磁性層２２２との結合エネルギは、Ｃｏどうしの反強磁
性結合が最も強くなる値を用いたが、強い反強磁性結合
を生じさせるための非磁性層の膜厚条件は８Å〜１３Å
または２０Å〜２５Åであるため、第１非磁性層２４は
この範囲の厚さに設定する必要がある。

【０１３４】また、上記のように第２磁性層２２２の磁
化２３２と第３磁性層２２３の磁化２３３との間の結合
を完全にゼロにすることが難しく弱い強磁性結合が存在
した場合でも、上記のように第３磁性層２２３の磁気異
方性の向きを最適化（磁場が略ゼロのとき第３磁性層２
２３の磁化容易軸が第３磁性層２２３の磁化２３３が第
２磁性層２２２の磁化方向と略直交する基準状態になる
ように、第３磁性層２２３の磁化容易軸を第１および第
２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸に対して傾けて設
定）することによって、第２および第３磁性層２２２・
２２３間が非結合の場合と同様に、ゼロ磁場近傍での感
度が最大になる。

【０１３５】一方、上記のような第３磁性層２２３の磁
気異方性の向きの最適化を行わなかった場合や、その最
適化が十分でなかった場合には、無磁場付近で磁気抵抗
変化の勾配が低下することになる。この場合、第１磁性
層２２１および第２磁性層２２２の磁化容易軸の方向に
バイアス磁場を印加することによって、ゼロ磁場近傍で
（検出対象の磁場が略ゼロのときの）感度が最大になる
ようにすることができる。すなわち、第１および第２磁
性層２２１・２２２の磁化容易軸方向に所定の強さのバ
イアス磁場（第１磁場）を印加することによって、第３
磁性層２２３の磁化２３３が第２磁性層２２２の磁化方
向と略直交する基準状態（図９の（ｂ））になるように
すればよい。したがって、第３磁性層の磁化容易軸は、
第１および第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸方向
に所定の強さのバイアス磁場を印加したときに第３磁性
層２２３の磁化２３３が第２磁性層２２２の磁化方向と
略直交する基準状態になるように設定されておればよ
い。

【０１３６】上記のバイアス法としては、シャントバイ
アス方式、ソフトバイアス方式、相互バイアス方式、永
久磁石方式、電流による誘導磁場による方式等があり、
どの方式を用いても同様の効果が得られる。

【０１３７】以上のように、上記の磁気抵抗効果素子
は、第１および第２非磁性層２２４・２２５によって分
離された第１ないし第３磁性層２２１〜２２３を備え、
第２磁性層２２２の第１磁性層２２１に対する結合は、
第１磁性層２２１と第２磁性層２２２との磁化方向が動
作磁場範囲において常に反平行となるような強い反強磁
性型であり、上記第３磁性層２２３の第２磁性層２２２
に対する結合は、検出対象の磁場（第２磁場）が印加さ
れたときに、第３磁性層２２３の磁化方向が第２磁性層
２２２の磁化方向に依らず常に検出対象の磁場方向に回
転するような非常に弱い強磁性型である。そして、第１
および第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸は平行、
第３磁性層２２３の磁化容易軸は無磁場のとき又は第１
および第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸方向に所
定の強さのバイアス磁場（第１磁場）を印加したときに
第３磁性層２２３の磁化２３３が第２磁性層２２２の磁
化方向と略直交する基準状態になるように設定されてい
る。また、第１および第２磁性層２２１・２２２の磁化
容易軸方向に検出対象の磁場を印加した場合に、第３磁
性層２２３の磁化方向に依らず第１および第２磁性層２
２１・２２２の磁化２３１・２３２が当該磁化容易軸方
向に固定されるように、第１磁性層２２１と第２磁性層
２２２との膜厚は略同じで且つ第１磁性層２２１の層厚
の方がより厚く設定されている。そして、動作磁場範囲
においては、検出対象の磁場の変化に対して第３磁性層
２２３の磁化２３３のみが回転し、第２磁性層２２２と
第３磁性層２２３との磁化の向きのなす角度による磁気
抵抗効果を示す。

【０１３８】上記の構成の磁気抵抗効果素子を、第１お
よび第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸と外部磁場
の方向とが略一致するように配し、必要によって第１お
よび第２磁性層２２１・２２２の磁化容易軸方向にバイ
アス磁場を印加すれば、上述の図９の（ａ）〜（ｃ）の
動作によって低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、非常に
高い感度を示す。

【０１３９】また、本実施形態では、第１磁性層２２１
および第２磁性層２２２にＣｏを、第３磁性層２２３に
Ｎｉ−Ｆｅ合金を用いたが、第１ないし第３磁性層２２
１〜２２３を全てＣｏとする、または全てＮｉ−Ｆｅ合
金とすることも可能である。また、Ｎｉ−Ｃｏ系合金、
Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金などその他の磁性材料を用いて
も同様の効果がある。

【０１４０】但し、第３磁性層２２３にＮｉ−Ｆｅ合金
などの軟磁気特性に優れている磁性材料以外の材料を用
いると、軟磁気特性が悪いため、大きな磁気抵抗変化率
を得るためには大きな磁場が必要になり感度は増加しな
い。また、第１磁性層２２１および第２磁性層２２２に
は軟磁気特性は必要なく、強い反強磁性結合が要求され
るため、Ｃｏのように強い反強磁性結合が得られる材料
が好ましい。

【０１４１】本実施形態の磁気抵抗効果素子を、磁気デ
ィスク装置や磁気テープ装置等の磁気記録再生装置の再
生用磁気ヘッドに適用すれば、高密度記録が行われた磁
気記録媒体に対する情報読み出し性能の向上を図ること
ができる。この磁気ヘッドは、磁気的に情報を記録して
いる磁気記録媒体に対して相対的に移動し、磁気記録媒
体から受ける磁場の大きさを上述の磁気抵抗効果によっ
て検出するものであり、本実施形態の磁気抵抗効果素子
をヘッドの先端部に有すると共に、当該磁気抵抗効果素
子に電流を流す通電手段（電源と導電ラインと電極端子
からなる）と、磁気記録媒体の磁場の大きさに対応して
変化する素子の電気抵抗（磁気抵抗）を検出する検出手
段とを備えている。また、磁気ヘッドは、必要に応じて
検出対象の磁場と平行な方向（第１および第２磁性層２
２１・２２２の磁化容易軸方向）に所定のバイアス磁場
を印加するバイアス磁場印加手段も備えている。

【０１４２】

【発明の効果】請求項１の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、非磁性層によって分離された、少な
くとも第１ないし第３磁性層を含み、第１ないし第３磁
性層の磁化容易軸は互いに平行に設定されており、第２
磁性層の膜厚より第１磁性層の膜厚の方が厚く設定され
ており、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１
磁性層と第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲におい
て常に反平行となるような強い反強磁性型であり、第３
磁性層の第２磁性層に対する結合は、磁場が略ゼロのと
きは第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化方向に揃う一
方、磁場が印加されたときは第３磁性層の磁化方向が第
２磁性層の磁化方向に依らず常に磁場方向に回転するよ
うな非常に弱い強磁性型であり、磁場の変化に対して第
１ないし第３磁性層の磁化が全て回転し、第２磁性層と
第３磁性層との磁化の向きのなす角度による磁気抵抗効
果をもつ構成である。

【０１４３】それゆえ、従来の積層型のように強い反強
磁性型結合を切り離すための大きな磁場を必要とせず、
低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、また、磁気抵抗効果
素子を、第１ないし第３磁性層の磁化容易軸が外部磁場
に対して略垂直な方向に配すれば、磁場の変化に応じ
て、非磁性層を挟む第２および第３磁性層の磁化が同時
に逆回転するため、磁場変化に対する当該両磁性層の磁
化のなす角の変化が大きく、非常に高い感度を示すとい
う効果を奏する。また、本発明の磁気抵抗効果素子は、
従来のスピンバルブ型のように反強磁性層を用いていな
いので、膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易いとい
う従来の問題も生じない。

【０１４４】請求項２の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、上記請求項１の発明の構成におい
て、上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚比が３以
上である構成となっている。

【０１４５】それゆえ、第１磁性層と第２磁性層との磁
化方向が動作磁場範囲において常に反平行となるように
することができ、信頼性の高い安定した動作が可能とな
るという効果を奏する。

【０１４６】請求項３の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、上記請求項１または２の発明の構成
において、上記第３磁性層の膜厚が４０Å以上である構
成となっている。

【０１４７】それゆえ、磁場が印加されたときに第３磁
性層の磁化方向が第２磁性層の磁化方向に依らず常に磁
場方向に回転するようになり、信頼性の高い安定した動
作が可能となるという効果を奏する。

【０１４８】請求項４の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、非磁性層によって分離された、少な
くとも第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁
性層の磁化容易軸は平行であり、第３磁性層の磁化容易
軸は第１および第２磁性層の磁化容易軸と直交する方向
に設定されており、第２磁性層の膜厚より第１磁性層の
膜厚の方が厚く設定されており、第２磁性層の第１磁性
層に対する結合は、第１磁性層と第２磁性層との磁化方
向が動作磁場範囲において常に反平行となるような強い
反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結
合は、磁場の強さが第１レベル以下のときに第３磁性層
の磁化が第２磁性層の磁化に揃い、磁場の強さが第１レ
ベルより大きい第２レベル以上のときに第３磁性層の磁
化が第２磁性層の磁化方向に依らず磁場方向に揃い、磁
場の強さが第１レベルから第２レベルの範囲で第３磁性
層の磁化が回転するような弱い強磁性型であり、磁場の
強さが第１レベルから第２レベルの範囲で、第２磁性層
と第３磁性層との磁化の向きのなす角度による磁気抵抗
効果をもつ構成である。

【０１４９】それゆえ、従来の積層型のように強い反強
磁性型結合を切り離すための大きな磁場を必要とせず、
低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、非常に高い感度を示
すという効果を奏する。また、本発明の磁気抵抗効果素
子は、従来のスピンバルブ型のように反強磁性層を用い
ていないので、膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易
いという従来の問題も生じない。

【０１５０】請求項５の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、上記請求項４の発明の構成におい
て、上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚比が５以
上である構成となっている。

【０１５１】それゆえ、第３磁性層が磁場に応答して回
転する動作磁場範囲において、第１磁性層と第２磁性層
との磁化方向を常に反平行に保ったまま第１磁性層の磁
化を磁場方向に固定することができ、動作磁場範囲内で
磁気抵抗効果曲線にヒステリシスを生じることはなく、
信頼性の高い安定した動作が可能となるという効果を奏
する。

【０１５２】請求項６の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、非磁性層によって分離された、少な
くとも第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁
性層の磁化容易軸は平行であり、第３磁性層の磁化容易
軸は第１および第２磁性層の磁化容易軸と直交する方向
に設定されており、第１磁性層と第２磁性層との膜厚は
略同じに設定されており、第２磁性層の第１磁性層に対
する結合は、第１磁性層と第２磁性層との磁化方向が動
作磁場範囲において常に反平行となるような強い反強磁
性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結合は非
結合であり、動作磁場範囲においては、磁場の変化に対
して第３磁性層の磁化のみが回転し、第２磁性層と第３
磁性層との磁化の向きのなす角度による磁気抵抗効果を
もつ構成である。

【０１５３】それゆえ、従来の積層型のように強い反強
磁性型結合を切り離すための大きな磁場を必要とせず、
低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、非常に高い感度を示
すという効果を奏する。また、本発明の磁気抵抗効果素
子は、従来のスピンバルブ型のように反強磁性層を用い
ていないので、膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易
いという従来の問題も生じない。

【０１５４】請求項７の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、非磁性層によって分離された、少な
くとも第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁
性層の磁化容易軸は平行に設定され、第３磁性層の磁化
容易軸は磁場が略ゼロのとき又は第１および第２磁性層
の磁化容易軸方向に所定の強さの第１磁場を印加したと
きに第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化方向と略直交
する基準状態になるように設定されており、第２磁性層
の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と第２磁性層
との磁化方向が動作磁場範囲において常に反平行となる
ような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層
に対する結合は、上記の基準状態において第２磁場が印
加されたときに、第３磁性層の磁化方向が第２磁性層の
磁化方向に依らず常に第２磁場方向に回転するような非
常に弱い強磁性型であり、第１および第２磁性層の磁化
容易軸方向に上記第２磁場を印加した場合に、第３磁性
層の磁化方向に依らず第１および第２磁性層の磁化が当
該磁化容易軸方向に固定されるように、第１磁性層と第
２磁性層との膜厚は略同じで且つ第１磁性層の層厚の方
がより厚く設定されており、動作磁場範囲においては、
第２磁場の変化に対して第３磁性層の磁化のみが回転
し、第２磁性層と第３磁性層との磁化の向きのなす角度
による磁気抵抗効果をもつ構成である。

【０１５５】それゆえ、従来の積層型のように強い反強
磁性型結合を切り離すための大きな磁場を必要とせず、
低磁場でも磁気抵抗効果が得られ、非常に高い感度を示
すという効果を奏する。また、本発明の磁気抵抗効果素
子は、従来のスピンバルブ型のように反強磁性層を用い
ていないので、膜の耐食性が悪いとか特性がばらつき易
いという従来の問題も生じない。

【０１５６】また、本発明では第２磁性層と第３磁性層
とを非結合に設定する必要がないので、上記請求項６の
発明に係る磁気抵抗効果素子ほど成膜条件が厳しくな
く、素子の製作は請求項６の発明の素子より簡単であ
る。

【０１５７】請求項８の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、上記請求項７の発明の構成におい
て、上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚比が１よ
りも大きく１．６以下である構成となっている。

【０１５８】それゆえ、第１磁性層の磁化と第２磁性層
の磁化とが互いの反平行状態を保ちつつ反転するような
外部磁場を大きくすることができ、信頼性の高い安定し
た動作が可能となるという効果を奏する。

【０１５９】請求項９の発明に係る磁気抵抗効果素子
は、以上のように、上記請求項７または８の発明の構成
において、上記第３磁性層の膜厚が１００Å以上である
構成となっている。

【０１６０】それゆえ、第３磁性層と第２磁性層との間
の結合を十分に小さくすることができ、低磁場での動作
が可能となってより感度が高くなるという効果を奏す
る。

【０１６１】請求項１０の発明に係る磁気ヘッドは、以
上のように、上記請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、または９の発明に係る磁気抵抗効果素子と、磁気抵
抗効果素子に電流を流す通電手段と、磁気記録媒体に記
録された磁気的な情報に応じた磁場の大きさに対応して
変化する当該磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を検出する検
出手段とを備えている構成である。

【０１６２】それゆえ、情報読み出し性能の向上を図る
ことができ、高密度記録が行われた磁気記録媒体の再生
が可能となるという効果を奏する。

【０１６３】請求項１１の発明に係る磁気ヘッドは、以
上のように、請求項１、２、３、４、５、７、８、また
は９に記載の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に
電流を流す通電手段と、磁気記録媒体に記録された磁気
的な情報に応じた磁場の大きさに対応して変化する磁気
抵抗効果素子の磁気抵抗を検出する検出手段と、磁気抵
抗効果素子の動作磁場範囲をシフトさせるバイアス磁場
を磁気抵抗効果素子に印加するバイアス磁場印加手段と
を備えている構成である。

【０１６４】それゆえ、磁気記録媒体から受ける検出対
象の磁場が略ゼロのときの感度を最大とすることがで
き、情報読み出し性能の向上を図ることができ、高密度
記録が行われた磁気記録媒体の再生が可能となるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示すものであり、磁気
抵抗効果膜の概略的な構成を示す分解斜視図である。

【図２】図１の磁気抵抗効果膜の磁化過程を示す説明図
である。

【図３】図１の磁気抵抗効果膜の磁気抵抗効果曲線を示
すグラフである。

【図４】本発明のその他の実施の一形態を示すものであ
り、磁気抵抗効果膜の概略的な構成を示す分解斜視図で
ある。

【図５】図４の磁気抵抗効果膜の磁化過程を示す説明図
である。

【図６】図４の磁気抵抗効果膜のヒステリシスをもたな
い場合の磁気抵抗効果曲線を示すグラフである。

【図７】図４の磁気抵抗効果膜のヒステリシスをもつ場
合の磁気抵抗効果曲線を示すグラフである。

【図８】本発明のさらに他の実施の一形態を示すもので
あり、磁気抵抗効果膜の概略的な構成を示す分解斜視図
である。

【図９】図８の磁気抵抗効果膜の磁化過程を示す説明図
である。

【図１０】図８の磁気抵抗効果膜の磁気抵抗効果曲線を
示すグラフである。

【図１１】従来の積層構造型磁気抵抗効果膜の概略的な
構成を示す断面図である。

【図１２】従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の概略
的な構成を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

２１第１磁性層２２第２磁性層２３第３磁性層２４第１非磁性層２５第２非磁性層３１第１磁性層の磁化３２第２磁性層の磁化３３第３磁性層の磁化１２１第１磁性層１２２第２磁性層１２３第３磁性層１２４第１非磁性層１２５第２非磁性層１３１第１磁性層の磁化１３２第２磁性層の磁化１３３第３磁性層の磁化２２１第１磁性層２２２第２磁性層２２３第３磁性層２２４第１非磁性層２２５第２非磁性層２３１第１磁性層の磁化２３２第２磁性層の磁化２３３第３磁性層の磁化

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉良徹大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非磁性層によって分離された、少なくとも
第１ないし第３磁性層を含み、第１ないし第３磁性層の磁化容易軸は互いに平行に設定
されており、第２磁性層の膜厚より第１磁性層の膜厚の方が厚く設定
されており、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と
第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常に反
平行となるような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結合は、磁場が略ゼロ
のときは第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁化方向に揃
う一方、磁場が印加されたときは第３磁性層の磁化方向
が第２磁性層の磁化方向に依らず常に磁場方向に回転す
るような非常に弱い強磁性型であり、磁場の変化に対して第１ないし第３磁性層の磁化が全て
回転し、第２磁性層と第３磁性層との磁化の向きのなす
角度による磁気抵抗効果をもつことを特徴とする磁気抵
抗効果素子。
【請求項２】上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚
比が３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。
【請求項３】上記第３磁性層の膜厚が４０Å以上である
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果
素子。
【請求項４】非磁性層によって分離された、少なくとも
第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁性層の磁化容易軸は平行であり、第３
磁性層の磁化容易軸は第１および第２磁性層の磁化容易
軸と直交する方向に設定されており、第２磁性層の膜厚より第１磁性層の膜厚の方が厚く設定
されており、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と
第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常に反
平行となるような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結合は、磁場の強さが
第１レベル以下のときに第３磁性層の磁化が第２磁性層
の磁化に揃い、磁場の強さが第１レベルより大きい第２
レベル以上のときに第３磁性層の磁化が第２磁性層の磁
化方向に依らず磁場方向に揃い、磁場の強さが第１レベ
ルから第２レベルの範囲で第３磁性層の磁化が回転する
ような弱い強磁性型であり、磁場の強さが第１レベルから第２レベルの範囲で、第２
磁性層と第３磁性層との磁化の向きのなす角度による磁
気抵抗効果をもつことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚
比が５以上であることを特徴とする請求項４記載の磁気
抵抗効果素子。
【請求項６】非磁性層によって分離された、少なくとも
第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁性層の磁化容易軸は平行であり、第３
磁性層の磁化容易軸は第１および第２磁性層の磁化容易
軸と直交する方向に設定されており、第１磁性層と第２磁性層との膜厚は略同じに設定されて
おり、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と
第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常に反
平行となるような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結合は非結合であり、動作磁場範囲においては、磁場の変化に対して第３磁性
層の磁化のみが回転し、第２磁性層と第３磁性層との磁
化の向きのなす角度による磁気抵抗効果をもつことを特
徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】非磁性層によって分離された、少なくとも
第１ないし第３磁性層を含み、第１および第２磁性層の磁化容易軸は平行に設定され、
第３磁性層の磁化容易軸は磁場が略ゼロのとき又は第１
および第２磁性層の磁化容易軸方向に所定の強さの第１
磁場を印加したときに第３磁性層の磁化が第２磁性層の
磁化方向と略直交する基準状態になるように設定されて
おり、第２磁性層の第１磁性層に対する結合は、第１磁性層と
第２磁性層との磁化方向が動作磁場範囲において常に反
平行となるような強い反強磁性型であり、第３磁性層の第２磁性層に対する結合は、上記の基準状
態において第２磁場が印加されたときに、第３磁性層の
磁化方向が第２磁性層の磁化方向に依らず常に第２磁場
方向に回転するような非常に弱い強磁性型であり、第１および第２磁性層の磁化容易軸方向に上記第２磁場
を印加した場合に、第３磁性層の磁化方向に依らず第１
および第２磁性層の磁化が当該磁化容易軸方向に固定さ
れるように、第１磁性層と第２磁性層との膜厚は略同じ
で且つ第１磁性層の層厚の方がより厚く設定されてお
り、動作磁場範囲においては、第２磁場の変化に対して第３
磁性層の磁化のみが回転し、第２磁性層と第３磁性層と
の磁化の向きのなす角度による磁気抵抗効果をもつこと
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】上記第２磁性層に対する第１磁性層の膜厚
比が１よりも大きく１．６以下であることを特徴とする
請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】上記第３磁性層の膜厚が１００Å以上であ
ることを特徴とする請求項７または８記載の磁気抵抗効
果素子。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、または９に記載の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に電流を流す通電手段と、磁気記録媒体に記録された磁気的な情報に応じた磁場の
大きさに対応して変化する当該磁気抵抗効果素子の磁気
抵抗を検出する検出手段とを備えていることを特徴とす
る磁気ヘッド。
【請求項１１】請求項１、２、３、４、５、７、８、ま
たは９に記載の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に電流を流す通電手段と、磁気記録媒体に記録された磁気的な情報に応じた磁場の
大きさに対応して変化する磁気抵抗効果素子の磁気抵抗
を検出する検出手段と、磁気抵抗効果素子の動作磁場範囲をシフトさせるバイア
ス磁場を磁気抵抗効果素子に印加するバイアス磁場印加
手段とを備えたことを特徴とする磁気ヘッド。