JPH0936455A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

Info

Publication number
JPH0936455A
JPH0936455A JP7207906A JP20790695A JPH0936455A JP H0936455 A JPH0936455 A JP H0936455A JP 7207906 A JP7207906 A JP 7207906A JP 20790695 A JP20790695 A JP 20790695A JP H0936455 A JPH0936455 A JP H0936455A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
magnetic
magnetization
operating
spin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP7207906A
Other languages
English (en)
Inventor
Nobuhiro Sugawara
伸浩 菅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP7207906A priority Critical patent/JPH0936455A/ja
Priority to EP96111636A priority patent/EP0755086A3/en
Priority to KR1019960029457A priority patent/KR970008676A/ko
Publication of JPH0936455A publication Critical patent/JPH0936455A/ja
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B2005/3996Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects large or giant magnetoresistive effects [GMR], e.g. as generated in spin-valve [SV] devices

Abstract

(57)【要約】 【構成】 外部磁界21(又はHext)に対して磁化のスピ
ンが回転する動作層(フリー層)42と非磁性層(スペー
サ)43と磁化固定用の磁性層(ピン層又は硬磁性層)4
4、45又は47とがこの順に或いはこれとは逆の順に積層
された積層構造を有し、動作層42の厚みが 5.0nm以下で
ある磁気抵抗効果素子(特にスピンバルブ型巨大磁気抵
抗効果素子:SV素子)。 【効果】 動作層と非磁性層と磁化固定層との積層構造
を有する磁気抵抗効果素子において、動作層のAMR効
果(異方性磁気抵抗効果)を抑えて素子の動作線形性を
向上させ、磁界感度も向上させ、磁気抵抗効果型薄膜磁
気ヘッドとして用いるときのヘッド再生出力の波形歪を
低減し、十分な再生出力を得、その電磁変換効率及び記
録密度を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は磁気抵抗効果素子に関
し、特に、巨大磁気抵抗効果(GMR)を示すスピンバ
ルブ型であって、磁気センサや磁気ディスク装置等の磁
気記録装置用の再生ヘッド等に適した磁気抵抗効果素子
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】磁気抵抗膜(MR膜)は、磁気抵抗効果
を示す磁性体を膜にしたものであり、一般的には単層構
造となっている。
【0003】これに対してGMR膜は、複数の材料を組
み合わせた多層構造を有している。GMR効果を生み出
す構造にはいくつかの種類があるが、そのなかで比較的
構造が単純であって弱い磁界で抵抗が変化するのがいわ
ゆるスピンバルブ膜である。
【0004】即ち、こうしたスピンバルブ膜は、磁性層
と非磁性導体層と磁性層とがこの順に積層されてなる3
層膜を主構成要素とし、巨大磁気抵抗(GMR)効果を
示すことが報告されている(ジャーナル・オブ・マグネ
ティズム・アンド・マグネティク・マテリアルズ、93
巻、 101ページ、1991年)。
【0005】例えば、磁性層をCo層、導体層をCu層
としたスピンバルブ構造の磁気抵抗効果膜は、外部磁界
の作用下で反平行のスピン状態が発生してスピン依存散
乱が生じ、このために大きな磁気抵抗効果が得られるも
のと考えられている。
【0006】図9には、スピンバルブ構造の磁気抵抗効
果素子16の一例を示す。即ち、フェライト基板11上に、
パーマロイ(NiFe)からなる磁性層12と、Cuを主
成分とする非磁性導体層13と、パーマロイ(NiFe)
やCoからなる磁性層14と、FeMnからなる反強磁性
層15とをこの順に、スパッタリング法によって積層して
スピンバルブ構造の磁気抵抗効果部10を構成する。
【0007】このスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子
16は、2層の磁性層12及び14を薄い非磁性層13で分離
し、一方の磁性層14の上には反強磁性層15を設けるの
で、反強磁性層15と接した磁性層14(これを以下に、磁
化固定層又はピン層と称することがある。)はある一定
方向に磁化された状態になる。また、非磁性層13で分離
した他方の磁性層12(これを以下に、動作層又はフリー
層と称することがある。)は、決まった磁化方向をとら
ない。つまり、ピン層14は一度決まった磁化方向を保つ
力(保磁力)が大きく、フリー層12は保磁力が小さくな
る。
【0008】この状態で磁界をかけると、フリー層12が
磁化され、磁化方向が決まる。フリー層12とピン層14の
磁化方向が図10(A)のように 180度逆のときに、膜の
抵抗は最大になる。これは、フリー層12とピン層14のう
ち一方の層から他方へと移動しようとする電子が、非磁
性層13と磁性層14との界面で散乱するからである。
【0009】しかし、図10(B)のように、フリー層12
とピン層14の磁化方向を同一にすると、非磁性層13と磁
性層14との界面で散乱が起き難くなり、抵抗が最小とな
る。
【0010】こうした外部磁界による抵抗変化を図11に
示すが、その抵抗変化率((最大抵抗値−最小抵抗値)
/最小抵抗値)は、材料の選択や層厚等によって異なる
が、4%〜10%程度である。
【0011】ここで、上記スピンバルブ構造の動作原理
を更に詳細に説明する。
【0012】スピンバルブ構造を形成する各層の機能を
まとめると、次の通りである。 動作層(フリー層)12:信号磁界(外部磁界:Hext)に
対してスピンが回転する。 磁化固定層(ピン層)14:反強磁性層15との交換結合に
よって、磁性元素のスピン方向が信号磁界方向と平行方
向に固定される。 非磁性層13:GMR効果を発現させるスペーサであり、
動作層12とピン層14のスピンの相対角度に応じて抵抗変
化する。
【0013】図12は、スピンバルブ膜を素子形状に微細
加工した際に発生する磁界Hmを示す。即ち、磁化固定
層14側の素子端部に発生した磁極+と−がフリー層12側
に磁界Hmを与える。これは、いわゆるSALバイアス
に基本的に対応しており、SAL膜がピン層14に、MR
(又はGMR)膜がフリー層12にそれぞれ対応する。こ
のHmの調整は、ピン層14の飽和磁化Ms及び膜厚tと
素子高さWによって行う。図12では、フリー層12のスピ
ンを下向きにしようとする方向にHmが作用する。な
お、ABS面23は、Air Bearing Surface の略で、磁気
記録媒体の摺動面である(以下、同様)。
【0014】図13は、2つの磁性層12と14が薄いスペー
サ13を介して相互作用し、磁界Hfが発生する状態を示
す。スペーサ13の膜厚が 1.5〜5.0nm では、スピンの向
きが平行かつ同一方向に向いているときが安定であり、
スペーサ13の膜厚が小さくなる(即ち、磁性層間の距離
が近くなる)程、Hfが大きくなる。このHfが働く向
きは必ず図12のHmとは反対方向となる。つまり、図13
では、フリー層12のスピンを上向きにしようとするよう
にHfが作用する。
【0015】図14は、電流によって生じる磁界Hiを示
す。これは電磁誘導の法則(右ねじの法則)に従う。電
流は素子動作に用いるセンス電流であり、その流す向き
を選択できるため、Hiの方向を選べる。即ち、Hm>
Hfの時は+i方向(フリー層厚10nm)、Hm<Hfの
時は−i方向(フリー層厚10nm以下)である。
【0016】そして、以上の3つの磁界Hm、Hf、H
iをバランスさせて素子動作させる。つまり、素子を動
作させるには、図15に示すように、素子抵抗が変化する
磁界領域において、あるマージンを取って、線形動作す
る磁界領域をダイナミックレンジ(Dレンジ)として設
定する。そのDレンジの中心が素子に対する外部磁界He
xt=0のポイントとなるように、Hm、Hf、Hiをバ
ランスさせる。
【0017】図16及び図17には、上記のスピンバルブ構
造の磁気抵抗効果素子(SV素子)16をハードディスク
ドライブ用の記録/再生一体型薄膜ヘッドにおける再生
ヘッドに用いた例を示している。この再生ヘッドは素子
16に電極17及び18を接続して、その上下を磁性シールド
19で挟み込んだ構造からなっている。そして、その再生
ヘッドは磁気記録媒体20からの信号磁界21を再生する機
能を有するものである。なお、図中の+、−は各磁化領
域での磁極、矢印22は磁化スピンの方向である。
【0018】本発明者は、上記した如きスピンバルブ構
造の磁気抵抗効果素子(SV素子)について検討を加え
た結果、以下に述べるような問題点があることが判明し
た。
【0019】まず、図18と図19について従来のSV素子
16の抵抗変化に関して説明する。動作層12の磁気異方性
は、その磁化容易軸24をヘッドABS面23と平行方向と
し、磁性層14とその直上の反強磁性層(ここでは図示省
略)との交換結合方向25(又は硬磁性膜の着磁方向25)
はヘッドABS面23に垂直方向とする。従来のSV素子
16は、その動作層12のNiFe層厚が約10.0nmであり、
NiFe層そのものが持っている異方性磁気抵抗AMR
(Anisotropic magnetoresistive)横効果及びAMR縦
効果が存在している。
【0020】即ち、図18に示すように、NiFeの磁化
回転に伴って生じる、電流26(センス電流)とスピン27
とのなす角度θに依存した抵抗変化Δρ(図20に示すA
MR横効果とAMR縦効果)である。このAMR横効果
の場合、θ=0で最大抵抗値を示す上に凸な抵抗変化を
示し、AMR縦効果の場合は逆に下に凸な抵抗変化を示
す。
【0021】なお、図22に示すように、NiFeの如き
軟磁性膜においてはそのB−H曲線の磁化困難軸の磁化
回転が飽和する磁界量は、異方性磁界Hkと称されてい
る。
【0022】一方、スピンバルブ構造のSV素子が本来
持つGMR効果は、図19に示すように、動作層(NiF
e)12のスピン27と磁性層(又は硬磁性層)14のスピン
25との相対角度βに依存した抵抗変化によるものであ
る。ここで、磁性層(又は硬磁性層)14のスピン25は電
流26に対して垂直方向に固定又は着磁されている。この
SV素子のGMR効果のβ依存性をH依存性に変換した
場合の抵抗変化を図20に示すが、素子が本来持つGMR
効果はH=0(又はβ=90度、θ=0度)を点対称に直
線的に抵抗変化する。
【0023】更に、上記のAMR効果がGMR効果に重
畳した場合の抵抗変化を図21に各々示す。AMR効果が
GMR効果に重畳する場合、これらが単純に足し合わさ
れるため、AMR横効果が重畳されると上に凸、AMR
縦効果が重畳されると下に凸の抵抗変化曲線となる。即
ち、AMR効果が重畳される分だけ、SV素子が本来持
つGMR効果の良好な直線性(線形性)が劣化すること
になる。
【0024】そこで、上述した図9の構造においてその
べた膜(ヘッドに加工する前の状態)のAMR効果を実
際に測定した。AMR横効果は、AMR膜(動作層)12
の磁化容易軸24に対して平行に通電しながら、磁化困難
軸方向に外部磁界を印加したときの膜抵抗の磁界強度依
存性である。一方、AMR縦効果は、通電方向を磁化困
難軸方向にすることによって測定できる。
【0025】図23が従来のべた膜における抵抗変化の通
電方向依存性である。ここで作製した試料は、下地層/
動作層12/非磁性層13/ピン層14/反強磁性層15/保護
層=Ta 6.7nm/NiFe10.0nm/Cu 2.4nm/Co
2.2nm/FeMn10.0nm/Ta8.0nmの層構造を有するS
V膜である。横効果測定28と縦効果測定29で抵抗変化が
各々上に凸、下に凸となっていて、AMR効果が重畳し
ていることが明らかである。
【0026】次に、GMR効果とAMR横効果の動作膜
厚依存性を示したのが図24である。ここで作製した試料
は、Ta 6.7nm/NiFe18.3nm以下/Cu 2.4nm/C
o 2.2nm/FeMn10.0nm/Ta 8.0nmの層構造を有す
るSV膜30、及びTa 6.7nm/NiFe18.3nm以下/C
u 2.4nm/Ta 8.0nmの層構造を有するAMR膜31をそ
れぞれDCマグネトロンスパッタにより成膜したもので
ある。抵抗測定については4端子法により横効果測定を
行い、各々のΔρ/ρを計測した。AMR効果は極薄膜
化に伴って急激に減少することが知られているが、図24
の結果から、10nm位でもまだAMR効果のΔρ/ρがG
MR効果のΔρ/ρの1割程度依存し、GMR効果に比
べて無視することができない。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、動作
層と非磁性層と磁化固定層との積層構造を有する磁気抵
抗効果素子において、動作層のAMR効果(異方性磁気
抵抗効果)を抑えて素子の動作線形性を向上させ、磁界
感度も向上させ、磁気抵抗効果型薄膜磁気ヘッドとして
用いるときのヘッド再生出力の波形歪を低減し、十分な
再生出力を得、その電磁変換効率及び記録密度を向上さ
せることにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した従
来の技術の問題点について鋭意検討を重ねた結果、意外
にも、上記の動作層(フリー層)の厚みを特定範囲に極
薄化すれば、そのAMR効果がGMR効果に比べて十分
に無視できることを見出し、本発明に到達したものであ
る。
【0029】即ち、本発明は、外部磁界に対して磁化の
スピンが回転する動作層(フリー層)と非磁性層(スペ
ーサ)と磁化固定用の磁性層(ピン層又は硬磁性層)と
がこの順に或いはこれとは逆の順に積層された積層構造
を有し、前記動作層の厚みが5nm以下である磁気抵抗効
果素子(特にスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子:S
V素子)に係るものである。
【0030】本発明の磁気抵抗効果素子によれば、動作
層の厚みを従来の素子における厚み(10nm程度)に比べ
てかなり小さくしたことによって、既述した如き動作層
のAMR横効果及び縦効果をキャンセルしてその重畳に
よる線形性の劣化が生じず、素子の動作線形性が著しく
向上する。しかも、動作層の極薄化によって反磁界が減
少し、素子の磁界感度も向上する。これは、動作層が5
nm以下と極薄なために、そこを通る磁束(フラックス)
が大幅に減少し、べた膜と同等の磁気特性を示すからで
あると考えられる。
【0031】従って、 (1)素子の動作線形性が改善され、ヘッド再生出力の波
形歪を低減できるため、ヘッド電磁変換効率が向上し、
記録密度が向上する。 (2)素子の磁界感度が向上し、狭ギャップヘッドでも再
生出力が十分取れるようになるため、記録密度が向上す
る。という効果が得られる。
【0032】本発明の磁気抵抗効果素子において、上記
の動作層としてNiFe、NiFeCoや、CoFe、
CoNi、通常のSAL材に用いるパーマロイ合金:N
iFe−X(X=Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、M
o、Al、Au、Pd、Pt、Si等、Xとしてこれら
元素を複数用いてもよい。)、更にはCoZr系アモル
ファス等が使用可能であり、上記の非磁性層としてC
u、CuNi、CuAg等のCu合金が使用可能であ
り、更に上記の磁性層としてはNiFe、NiFeCo
やCo、CoFe、CoNi等の磁性層(ピン層)と、
FeMn、NiMnやNiO、NiCoO等の反強磁性
層との組み合わせが使用可能である。この組み合わせに
代えて、例えばCoPt、CoCrTa等の硬磁性層を
使用することもできる。
【0033】この磁気抵抗効果素子において、上記の非
磁性層は実際には、動作層と磁性層との磁化スピンの相
対角度に応じて抵抗変化するスペーサとして機能する。
また、上記の磁化固定用の磁性層が磁性層と反強磁性層
とからなる場合、これらの間の交換結合によって磁性層
の磁化のスピン方向が外部磁界と平行に固定されてよ
い。また、上記の磁化固定用の磁性層が硬磁性層からな
る場合、この硬磁性層の磁化のスピン方向が外部磁界と
平行に固定されてよい。
【0034】上記したように動作層のAMR効果をキャ
ンセルして同様の効果を得るには、上記と同様に動作層
と非磁性層と磁化固定用の磁性層とがこの順に或いはこ
れとは逆の順に積層された積層構造において、後述する
ように、前記動作層にその異方性磁気抵抗を減少させる
Ta等の元素が添加されてよい。或いは、動作層を本来
AMR効果の非常に小さいNiFeTa等の軟磁性材料
で形成することによって、上記と同様の効果を得ること
ができる(特に、軟磁気特性の良好な材料を用いると、
動作層の磁界感度が向上する)。
【0035】そして、本発明の磁気抵抗効果素子におい
て、動作層のAMR効果をキャンセルする3通りの手段
のうち、動作層の厚みを 5.0nm以下とすることと、動作
層にAMR効果を減少させる元素を添加することと、動
作層をAMR効果の非常に小さい軟磁性材料で形成する
こととの少なくとも2つの手段を組み合わせることもで
きる。
【0036】本発明の磁気抵抗効果素子は、AMR効果
をキャンセルした動作層を用いることが特徴であるが、
それによってGMR効果が低減する傾向にある場合、こ
れを補う目的で、動作層と非磁性層との間にNiFe、
NiFeCo又はCo、CoFe、CoNi等の磁性層
を薄く挟むことが望ましい。
【0037】本発明の磁気抵抗効果素子においては、実
際には、上記の反強磁性層を反強磁性となるように結晶
配向させるTa等の下地層が積層構造下に設けられてい
る。
【0038】また、Ta等の保護層が積層構造上に設け
られているのがよい。そして、この積層構造の上、下に
それぞれ、軟磁性体からなる上部磁性磁極と下部磁性磁
極とが設けられたヘッドとしてよい。
【0039】なお、本発明の磁気抵抗効果素子は、SV
素子の如き素子自体のみならず、薄膜磁気ヘッドの如き
完成品をも包含する概念のものである。
【0040】
【実施例】以下、本発明を実施例について更に詳細に説
明する。
【0041】まず、本実施例によるスピンバルブ構造の
磁気抵抗効果素子(SV素子)の構成を図5及び図6に
ついて説明する。本実施例によるSV素子には、大別し
て2種のタイプがあり、これらをタイプ1(図5のも
の)とタイプ2(図6のもの)と称することにする。
【0042】タイプ1のSV素子46は、図5(A)に示
すように、下地層41、動作層(フリー層)42、非磁性層
(スペーサ)43、磁性層(ピン層)44、反強磁性層45、
保護層40がこの順に積層されて磁気抵抗部50を構成して
いる。また、図5(B)に示すように、下地層41と保護
層40との間の積層順を逆にし、下地層41、反強磁性層4
5、磁性層(ピン層)44、非磁性層(スペーサ)43、動
作層(フリー層)42、保護層40の順に積層してもよい。
【0043】タイプ2のSV素子56は、図6(A)に示
すように、下地層41、動作層(フリー層)42、非磁性層
(スペーサ)43、硬磁性層47、保護層40がこの順に積層
されて磁気抵抗部50を構成している。また、図6(B)
に示すように、下地層41と保護層40との間の積層順を逆
にし、下地層41、硬磁性層47、非磁性層(スペーサ)4
3、動作層(フリー層)42、保護層40の順に積層しても
よい。
【0044】なお、タイプ1、タイプ2とも、積層体の
上、下に軟磁性体の上部磁極及び下部磁極が設けられ、
また、両側に一対の引出し電極(図16参照)が設けられ
るが、ここでは図示省略した。
【0045】具体的な層構成としては、タイプ1の場
合、下地層41としてTa、TiやHf等を例えば約 5.0
nm、動作層42としてNiFeやNiFeCo、CoF
e、CoNi、NiFe−X(X=Ta、Cr、Nb、
Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt、Si等を
30atomic%以下含有)、CoZr系アモルファス等を例
えば約15.0nm以下(特には 5.0nm以下)、非磁性層43と
して純Cu、CuNi、CuAg等を例えば 1.5〜5.0n
m(望ましくは 2.0〜3.0nm)、更に磁性層44としてNiF
e、NiFeCo、純Co、CoFe、CoNi等を例
えば 1.0〜5.0nm 、反強磁性層45としてFeMn、Ni
MnやNiO、NiCoO等を例えば 5.0〜100.0nm
(望ましくは、FeMn、NiMnの場合は5〜15nm、
NiO、NiCoOの場合は30〜60nm)それぞれ成膜し
ている。保護層40は下地層41と同様の非磁性層であって
よい。
【0046】なお、これらの層構造を上記したように上
下逆転させても構わないが、反強磁性層45の反強磁性特
性を誘発する下地層を必要とするFeMn等を反強磁性
層45に用いる場合は、その下地層として例えば上記下地
層41とNiFe層との積層体や上記下地層41とCu層と
の積層体等がよい。
【0047】タイプ2の場合、タイプ1の(磁性層44/
反強磁性層45)の構造部を硬磁性層47に置き換えた構造
である。その硬磁性層47はCoPt、CoPtCr、C
oCrTa等、通常の薄膜記録媒体に用いられるような
硬磁性材料であれば何でも構わない。更に、上記したよ
うに層構造を上下逆転させても構わない。また、このタ
イプ2では、場合によっては、下地層41、保護層40は必
要ではない。
【0048】このSV素子、例えばタイプ1を作製する
ために図8に示すDCマグネトロンスパッタ装置が使用
可能である。図中、57は下地層又は保護層用のターゲッ
ト、58は動作層用のターゲット、59は磁性層用のターゲ
ット、60は非磁性層用のターゲット、61は磁性層用のタ
ーゲット、62は反強磁性層用のターゲット、63はシャッ
タ、64は基板51を下面にセットする回転式基板ホルダ、
65は真空容器である。
【0049】真空容器65は、実際には、シールド板(図
示せず)によって例えば個々の独立したチャンバに分け
られており、各チャンバに亘るように基板ホルダ64が回
転軸66を中心に順次所定角度だけ回転する。各チャンバ
では、シャッタ63を開状態にし、それぞれターゲットを
スパッタし、シールド板に設けた開口を通して基板51上
に上記の各層を順次積層できるようになっている。
【0050】このDCマグネトロンスパッタ装置は、図
示省略したマグネットによってターゲットのスパッタ効
率を高めるように設計されている。スパッタ条件として
は、スパッタガスにはArを使用し、ガス圧は 0.5Pa、
成膜速度は 0.1〜0.5nm/secとした。
【0051】本実施例によるSV素子46又は56は、GM
R効果素子として図16及び図17で述べたと同様の例えば
ハードディスクドライブ用の記録/再生一体型の薄膜ヘ
ッドとして使用可能である。
【0052】図7には、例えばタイプ1のSV素子につ
いて示している。その動作原理は図10〜図19で示したも
のと同様であるが、各層の機能を以下にまとめておく。 下地層41:反強磁性層45を反強磁性となる結晶配向させ
るために必要。 動作層(フリー層)42:信号磁界(外部磁界:Hext)に
対してスピンが回転する。 界面磁性層(フリー層)52:動作層42と同様であるが、
GMR効果の低減を補うために設けてもよい。 非磁性層(ピン層)44:反強磁性層45との交換結合によ
ってCo等のスピン方向が信号磁界方向と平行方向に固
定される。 非磁性層(スペーサ)43:GMR効果を発現させるスペ
ーサ膜である。動作層42とピン層44のスピンの相対角度
に応じて抵抗変化する。 保護層40:素子作製プロセス時のスピンバルブ膜の劣化
を防止する。
【0053】本実施例によるSV素子において注目すべ
きことは、上記の動作層(例えばNiFe)42を 5.0nm
以下と極く薄くすることによってそのAMR効果をキャ
ンセルしたことである。これについて、以下に詳述す
る。
【0054】図3には、本実施例によるSV素子特性71
を示す。ここで用いたSVべた膜の層構造は、Ta 6.7
nm/NiFe 5.0nm/Cu 2.4nm/Co 2.2nm/FeM
n10.0nm/Ta 8.0nmである。比較のために、従来のS
V素子(動作層のNiFe厚は10.0nm)の抵抗変化曲線
72も同時に示す。素子形状はいずれも、素子長 100μ
m、MR素子高さW2μm、電極間距離19μmである。
また、センス電流は6mAである。
【0055】図3の結果から、本発明に基づく素子特性
は、従来の素子特性に比べてその動作線形性が極めて良
好である上に、動作層の薄膜化により反磁界が減少して
素子磁界感度が向上している。
【0056】磁気抵抗変化率ΔR/Rは、ある外部磁場
Hでの抵抗値をR、外部磁場1KOeでの抵抗値をR0
として計算式(ΔR/R)=(R−R0 )/R0 に従っ
て計算した。また、磁場感度は、磁気抵抗変化率の外部
磁場微分として定義し、計算式:d(ΔR/R)/dH
より計算した(これは他の例でも同様)。
【0057】図1及び図2には、動作層の厚みを種々に
変えた場合に得られたSV素子特性を示す。これによれ
ば、動作層の厚みが11.6nm〜8.3nm の範囲では、抵抗変
化領域が上に凸の丸みを帯びて線形性が不良となるが、
厚みが 5.0nmのときは著しく線形性が良好となる。そし
て、厚みが 5.0nmと 1.7nm、或いはこれらの間のとき
は、比較的直線的に抵抗変化しており、本発明の優位性
が明らかである。
【0058】従って、動作層の厚みは 5.0nm以下とすべ
きであるが、特に 5.0nmのときは既述した(図12〜図15
に示した)Hm、Hf、Hiのバランスが良好であり、
線形性、感度のすべてに十分となる。厚みが 1.7nmや
3.3nmのときは上記バランスが不十分となり易い。但
し、図2は、Ta 6.5nm/NiFe 4.0nm/Cu 2.4nm
/Co 2.9nm/FeMn10.0nm/Ta 7.4nmの素子構造
であって、素子長 100μm、高さ2μm、電極間距離19
μm、センス電流4mAのときのデータであるが、上記バ
ランスが良く、バイアスポイントが良好であることが分
かる。
【0059】このことから、本発明に基づいて動作層の
厚みを決める際、その厚みは 5.0nm以下とすべきである
が、 2.0nm以上、更には 3.0nm以上が望ましく、 4.0〜
5.0nmとするのが特に望ましいことが予想される。
【0060】更に、動作層としてNiFeではなく、N
iFeTa等の如く本来AMR効果が非常に小さく、か
つNiFeよりも軟磁気特性に優れた材料を用いて得ら
れたデータを図4に示す。ここで用いたSV素子81の層
構造は、Ta 6.7nm/NiFeTa 8.3nm/NiFe
1.7nm/Cu 2.4nm/Co 2.2nm/FeMn10.0nm/T
a 8.0nmである。
【0061】NiFeやNiFeCo、CoFe、Co
Ni以外の材料を動作層に用いる場合、動作層とCu合
金層との界面で発現するGMR効果が低下する。これを
補うために動作層とCu合金層との間にNiFe、Ni
FeCo又はCo、CoFe、CoNi等を薄く挟む
(この例ではNiFeを用いた)。比較のために、従来
のSV素子特性82も図4中に記した。素子形状、センス
電流は上記と同様である。図4から、本発明に基づく素
子81は、GMR効果を損なうことなく、良好な線形性が
得られていることが分かる。
【0062】上記の動作層の主材料として、NiFeT
aの他にも、AMR効果を低減させる元素Xを含有する
いわゆるパーマロイ合金系NiFe−X(X=Ag、
B、Bi、C、Cr、Hg、Ir、Li、Mo、Na、
Nb、Pb、V、Pt、Zr、Hf、Pd、Ta、R
h、Al、Au、Si、Cu等を30atomic%以下含有し
たもの。又は、これらのXのうち2つ又はそれ以上含有
させてもよい。)やアモルファス軟磁性材(例えばCo
Zr−X合金等、Xは上記と同じでよい。)の如き材料
でも同様の効果が得られる。特に、軟磁気特性に優れた
NiFeTa、NiFeMo(スーパーパーマロイ)等
が良い。
【0063】或いは動作層に特定の元素を添加すること
によっても、そのAMR効果を低減することができる。
こうした添加元素としては、Ag、B、Bi、C、C
o、Cr、Fe、Hg、Ir、Li、Mo、Na、N
b、Pb、V、Pt、Zrがあり、動作層への添加量は
0.1〜30原子%とするのがよい。
【0064】以上のことから、動作層のAMR効果をキ
ャンセルすることによって、SV素子の動作線形性を従
来に比べて改善できる。また、動作層の軟磁気特性を改
善することによって、素子磁界感度を向上することが可
能となる。これらにより、ヘッドの再生出力波形の歪み
を抑え、ダイナミックレンジを広く保持できる上に、ヘ
ッドの電磁変換効率が向上する。それ故、ヘッドの再生
特性が向上することに加えて、高密度記録化に伴って信
号磁界強度が減少しても磁場感度が良く、狭ギャップの
再生ヘッドでも電磁変換効率が低下しないので、一層の
高記録密度化が可能となる。
【0065】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可
能である。
【0066】例えば、上述のSV素子又はヘッドにおい
て、その層構成の積層数や各層の厚さ、材質等は種々変
更してよい。
【0067】また、上述のヘッドの構造は磁界検出ヘッ
ドとして種々の用途に適用できるように変形することが
できる。
【0068】なお、上述の実施例ではDCマグネトロン
スパッタ法を使用したが、他のスパッタ法で成膜しても
よい。また、スパッタ法に限らず、蒸着法等で成膜して
もよい。
【0069】
【発明の作用効果】本発明は上述した如く、外部磁界に
対して磁化のスピンが回転する動作層(フリー層)と非
磁性層(スペーサ)と磁化固定用の磁性層(ピン層又は
硬磁性層)とがこの順に或いはこれとは逆の順に積層さ
れた積層構造を有し、前記動作層の厚みを 5.0nm以下と
しているので、動作層の厚みを従来の素子における厚み
に比べて 5.0nm以下とかなり小さくしたことによって、
動作層のAMR横効果及び縦効果をキャンセルしてその
重畳による線形性の劣化が生じず、素子の動作線形性が
著しく向上する。しかも、動作層の極薄化によって反磁
界が減少し、素子の磁界感度も向上する。これは、動作
層が 5.0nm以下と極薄なために、そこを通る磁束(フラ
ックス)が大幅に減少し、べた膜と同等の磁気特性を示
すからであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】SV素子特性のNiFe(動作層)厚依存性を
比較して示すグラフである。
【図2】他のNiFe(動作層)厚でのSV素子特性を
示すグラフである。
【図3】SV素子特性を比較して示すグラフである。
【図4】SV素子特性を比較して示すグラフである。
【図5】本発明に基づくタイプ1のSV素子の二例の概
略斜視図である。
【図6】本発明に基づくタイプ2のSV素子の二例の概
略斜視図である。
【図7】本発明に基づくタイプ1のSV素子の一例の一
部破断概略斜視図である。
【図8】本発明に基づくSV素子の作製に使用するスパ
ッタ装置の概略斜視図である。
【図9】従来のSV素子の概略断面図である。
【図10】同SV素子の動作原理を説明するための概略図
である。
【図11】同SV素子の抵抗変化を示すグラフである。
【図12】同SV素子の静磁結合磁界Hmを示す動作原理
図である。
【図13】同SV素子の強磁性交換相互作用Hfを示す動
作原理図である。
【図14】同SV素子の電流誘導磁界Hiを示す動作原理
図である。
【図15】同SV素子の線形動作のダイナミックレンジを
示すグラフである。
【図16】同SV素子を用いた再生薄膜MRヘッドの要部
斜視図である。
【図17】磁気記録媒体による信号磁界の作用を示す概略
斜視図である。
【図18】AMR素子の動作原理図である。
【図19】SV素子の動作原理図である。
【図20】AMR横効果、AMR縦効果、GMR効果によ
る抵抗変化曲線図である。
【図21】AMR横効果+GMR効果及びAMR縦効果+
GMR効果による抵抗変化曲線図である。
【図22】軟磁性膜のB−Hヒステリシス曲線図である。
【図23】従来のSV膜の抵抗変化曲線の通電方向依存性
を示すグラフである。
【図24】GMR効果とAMR効果の動作層厚依存性を示
すグラフである。
【符号の説明】
10、50・・・磁気抵抗効果部 11、51・・・基板 12、42・・・動作層(フリー層) 13、43・・・非磁性層(スペーサ) 14、44・・・磁化固定層(ピン層) 15、45・・・反強磁性層 16、46、56・・・スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子
(SV素子) 17、18・・・電極 21・・・信号磁界(外部磁界) 22・・・磁化スピン方向 23・・・ABS面(媒体摺動面) 24・・・磁化容易軸 25・・・交換結合方向 26・・・センス電流方向 27・・・スピン方向 40・・・保護層 41・・・下地層 Hm・・・静磁結合磁界 Hf・・・強磁性交換相互作用 Hi・・・電流誘導磁界 Hext・・・外部磁界 Δρ・・・比抵抗変化量 MR・・・抵抗変化率 Hk・・・異方性磁界 AMR・・・異方性磁気抵抗 GMR・・・巨大磁気抵抗

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部磁界に対して磁化のスピンが回転す
    る動作層と非磁性層と磁化固定用の磁性層とがこの順に
    或いはこれとは逆の順に積層された積層構造を有し、前
    記動作層の厚みが 5.0nm以下である磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項2】 外部磁界に対して磁化のスピンが回転す
    る動作層と非磁性層と磁化固定用の磁性層とがこの順に
    或いはこれとは逆の順に積層された積層構造を有し、前
    記動作層にその異方性磁気抵抗を減少させる元素が添加
    されている磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項3】 外部磁界に対して磁化のスピンが回転す
    る動作層と非磁性層と磁化固定用の磁性層とがこの順に
    或いはこれとは逆の順に積層された積層構造を有し、前
    記動作層が軟磁性材料で形成されている磁気抵抗効果素
    子。
  4. 【請求項4】 動作層と非磁性層との間に磁性層が設け
    られている、請求項2又は3に記載した磁気抵抗効果素
    子。
  5. 【請求項5】 非磁性層が、動作層と磁性層との磁化の
    スピンの相対角度に応じて抵抗変化するスペーサであ
    る、請求項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗効
    果素子。
  6. 【請求項6】 磁化固定用の磁性層が、磁性層と反強磁
    性層とからなり、これらの間の交換結合によって磁性層
    の磁化のスピン方向が外部磁界と平行に固定される、請
    求項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗効果素
    子。
  7. 【請求項7】 磁化固定用の磁性層が硬磁性層からな
    り、この硬磁性層の磁化のスピン方向が外部磁界と平行
    に固定される、請求項1〜3のいずれか1項に記載した
    磁気抵抗効果素子。
  8. 【請求項8】 反強磁性層を反強磁性となるように結晶
    配向させる下地層が積層構造下に設けられている、請求
    項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗効果素子。
  9. 【請求項9】 保護層が積層構造上に設けられている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗効果素
    子。
  10. 【請求項10】 積層構造の上、下にそれぞれ、軟磁性体
    からなる上部磁性磁極と下部磁性磁極とが設けられてい
    る、請求項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗効
    果素子。
  11. 【請求項11】 スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子で
    ある、請求項1〜3のいずれか1項に記載した磁気抵抗
    効果素子。
JP7207906A 1995-07-21 1995-07-21 磁気抵抗効果素子 Abandoned JPH0936455A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7207906A JPH0936455A (ja) 1995-07-21 1995-07-21 磁気抵抗効果素子
EP96111636A EP0755086A3 (en) 1995-07-21 1996-07-18 Magnetoresistive device
KR1019960029457A KR970008676A (ko) 1995-07-21 1996-07-20 자기저항 소자

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7207906A JPH0936455A (ja) 1995-07-21 1995-07-21 磁気抵抗効果素子

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0936455A true JPH0936455A (ja) 1997-02-07

Family

ID=16547536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7207906A Abandoned JPH0936455A (ja) 1995-07-21 1995-07-21 磁気抵抗効果素子

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP0755086A3 (ja)
JP (1) JPH0936455A (ja)
KR (1) KR970008676A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6616816B2 (en) 2000-08-01 2003-09-09 Anelva Corporation Substrate processing device and method
JP2007227916A (ja) * 2006-02-22 2007-09-06 Samsung Electronics Co Ltd マグネチックドメイン移動を利用した磁気メモリ

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3528511B2 (ja) * 1997-04-14 2004-05-17 松下電器産業株式会社 薄膜磁気ヘッド
FR2772965B1 (fr) * 1997-12-22 2000-04-14 Silmag Sa Senseur de champ magnetique et tete magnetique de lecture utilisant un tel senseur
DE10128154A1 (de) 2001-06-11 2002-12-12 Infineon Technologies Ag Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung
DE10128264A1 (de) * 2001-06-11 2002-12-12 Infineon Technologies Ag Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2637360B2 (ja) * 1992-10-30 1997-08-06 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子
US5549978A (en) * 1992-10-30 1996-08-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistance effect element
US5422571A (en) * 1993-02-08 1995-06-06 International Business Machines Corporation Magnetoresistive spin valve sensor having a nonmagnetic back layer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6616816B2 (en) 2000-08-01 2003-09-09 Anelva Corporation Substrate processing device and method
JP2007227916A (ja) * 2006-02-22 2007-09-06 Samsung Electronics Co Ltd マグネチックドメイン移動を利用した磁気メモリ

Also Published As

Publication number Publication date
KR970008676A (ko) 1997-02-24
EP0755086A2 (en) 1997-01-22
EP0755086A3 (en) 1999-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6882509B2 (en) GMR configuration with enhanced spin filtering
JP3180027B2 (ja) スピン・バルブ磁気抵抗センサと、このセンサを使用した磁気記録システム
US5465185A (en) Magnetoresistive spin valve sensor with improved pinned ferromagnetic layer and magnetic recording system using the sensor
JP2778626B2 (ja) 磁気抵抗効果膜及びその製造方法並びに磁気抵抗効果素子
US7446987B2 (en) Composite hard bias design with a soft magnetic underlayer for sensor applications
US5764445A (en) Exchange biased magnetoresistive transducer
JP2003008100A (ja) 磁気検出素子及び前記磁気検出素子を用いた薄膜磁気ヘッド
EP0814519B1 (en) Magnetoresistive effect device, process for fabricating the same, and magnetic head produced using the same
JP4245318B2 (ja) 磁気検出素子
JP2001189503A (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気再生装置
JP4237991B2 (ja) 磁気検出素子
US7515388B2 (en) Composite hard bias design with a soft magnetic underlayer for sensor applications
JP3971551B2 (ja) 磁気変換素子および薄膜磁気ヘッド
JPH10188235A (ja) 磁気抵抗効果膜及びその製造方法
JP3421281B2 (ja) 磁気変換素子、薄膜磁気ヘッドおよびそれらの製造方法
US20020008948A1 (en) Magnetic transducer and thin film magnetic head
JP2001222803A (ja) 磁気変換素子および薄膜磁気ヘッド
US7382590B2 (en) MR sensor and thin film media having alloyed Ru antiparallel spacer layer for enhanced antiparallel exchange coupling
JP3970526B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気再生ヘッド、磁気再生装置、磁気記憶装置、及び磁気抵抗効果膜の抵抗検知方法
US20020098380A1 (en) Magnetic films including iridium, manganese and nitrogen
JPH0936455A (ja) 磁気抵抗効果素子
JP2001358381A (ja) 磁気抵抗効果膜、磁気抵抗効果型ヘッド、および情報再生装置
JP3575672B2 (ja) 磁気抵抗効果膜及び磁気抵抗効果素子
JPH076329A (ja) 磁気抵抗効果素子並びにそれを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
JP3242279B2 (ja) 巨大磁気抵抗材料膜および磁気抵抗材料膜の磁化の調整方法

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041213

A762 Written abandonment of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762

Effective date: 20050210