JPH0992906A

JPH0992906A - 磁気抵抗効果素子及び磁界検出装置

Info

Publication number: JPH0992906A
Application number: JP7269122A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Yaoi; 俊彦矢追
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱によるＭＲ低下が少ないセンス電流で素
子を動作させたとき、ダイナミックレンジが十分でかつ
ノイズの少ない直線的なバイアス特性を再現性良く示す
磁気抵抗効果素子を得ること。【解決手段】バイアス印加用軟磁性体層14と、非磁性
中間層13と、磁性バッファー層16と、導体層12ａ及び磁
性体層12ｂが交互に積層されてなる人工格子磁気抵抗膜
（ＧＭＲ層）12とがこの順に積層されているＧＭＲ素子
20。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
及び磁界検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果膜
は、磁界を検出する磁気抵抗効果素子として、磁気セン
サ、磁気ヘッド、回転検出素子、位置検出素子等の分野
において盛んに用いられている。

【０００３】磁気抵抗効果素子を磁気センサ等の磁界検
出装置として応用するには、磁場に対する十分な感度を
得、また十分な線形応答性を得るために、磁気抵抗効果
素子に流すセンス電流と、磁気抵抗効果素子の磁化のな
す角度を45度程度にするバイアス磁界印加手段とが必要
である。

【０００４】このようなバイアス磁界印加手段として
は、磁気抵抗効果を有する磁性層、磁気的な絶縁層及び
軟磁性体層を順次積層した構造でバイアス磁界を印加で
きることが知られている（例えば、N. Smith, IEEE Tra
ns. on Magn., MAG-23, 259(1987))。

【０００５】即ち、図11に示す磁気抵抗効果素子10は、
ガラス、フェライト等からなる絶縁性基板１上にスパッ
タ法又は蒸着法によって強磁性体からなるＭＲ層２（磁
気抵抗効果層、例えば、膜厚20〜50nmのＮｉ−Ｆｅ合
金）を形成し、このＭＲ層２上にＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔ
ａ等の磁気的な絶縁層３を同様の方法で形成し、更にこ
の絶縁層３上にＮｉ−Ｆｅ合金又は非晶質軟磁性体層
（ＳＡＬ層）４を同様の方法で形成し、端子電極５ａ−
５ｂ間にセンス電流Ｉを供給するものである。

【０００６】センス電流ＩはＭＲ層２、磁気的な絶縁層
３、軟磁性体層４にそれぞれ分流し、ＭＲ層２及び磁気
的な絶縁層３を流れる電流によって、軟磁性体層４の面
内を通りかつセンス電流Ｉと垂直方向の磁界が発生し、
この磁界によって、軟磁性体層４の磁化方向が回転す
る。そして、この軟磁性体層４の磁化によって生じる磁
界と、磁気的な絶縁層３及び軟磁性体層４に流れる電流
が生ずる磁界とが、ＭＲ層２の面内で前記の軟磁性体層
４の面内の磁界とは逆向きの磁界を生じ、この磁界がバ
イアス磁界として作用する。

【０００７】従来、上記磁気抵抗効果膜（ＭＲ層２）と
しては、主にＮｉ−Ｆｅ合金膜（いわゆるパーマロイ
膜）が使用されてきた。しかし、パーマロイ膜の磁気抵
抗変化率は小さく、今後一層の高密度磁気記録を図るに
は、感度が不十分となると思われる。

【０００８】一方、近年、異種の金属を数原子層ずつ交
互に積層した人工格子膜構造の多層磁気抵抗効果膜が注
目されている。その中で、Ｆｅからなる強磁性膜とＣｒ
からなる導体膜（非磁性膜）との積層体からなる人工格
子膜において、数十％もの磁気抵抗変化率（以下、「巨
大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果」と称することがある。）が
得られることが報告され、磁気抵抗効果素子への応用が
期待されている（フィジカル・レビュー・レターズ、61
巻、2472ページ、1988年）。

【０００９】その後、Ｆｅ層とＣｒ層の組み合わせ以外
にも、強磁性膜をＣｏ層、非磁性膜をＣｕ層とした組み
合わせでも巨大磁気抵抗効果が得られることが報告され
ている（フィジカル・レビュー・レターズ、66巻、2152
ページ、1991年）。

【００１０】なお、上記のように強磁性膜と非磁性膜と
が交互に積層されてなる人工格子膜構造の多層磁気抵抗
効果膜において、巨大磁気抵抗効果が観測される原因と
しては、導体中の伝導電子を介して強磁性膜間でＲＫＫ
Ｙ（ルーダーマン・キッテル・糟谷・芳田）相互作用が
働き、相対する強磁性膜が反強磁性的に結合することに
よって反平行スピンの状態が発生し、その結果スピン依
存散乱が生じるためであると考えられている。

【００１１】しかしながら、このような巨大磁気抵抗効
果を示す積層型のＧＭＲ膜をＭＲ層２に使用する場合、
バイアス磁界（ＳＡＬバイアス）を印加するとしても、（１）ＳＡＬ膜とＧＭＲ膜の磁気的特性が反磁界の観点
から大きく異なること、（２）ＧＭＲ膜においては、ＧＭＲ効果が電流による発
熱によって大きく減少すること、（３）ＧＭＲ膜の最下部はＧＭＲ効果を示さないdead l
ayerとなっており、これが薄い強磁性体膜としてふるま
うこと。などの積層型ＧＭＲ膜固有の性質がある。

【００１２】このために、発熱によるＭＲ低下が顕著で
ないセンス電流で素子を動作させたとき、ダイナミック
レンジが十分であり、ノイズの少ない直線的なバイアス
特性を再現性良く得ることができないという問題があっ
た。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した積層膜構造を持つ巨大磁気抵抗効果膜を使用した磁
気抵抗効果素子において、発熱によるＭＲ低下が少ない
センス電流（ここで、「ＭＲ低下が少ない」というの
は、動作時におけるＭＲ比が、発熱によるＭＲ低下が生
じない微小電流通電時のＭＲ比の50％以上を示している
ことを指す。）で素子を動作させたとき、ダイナミック
レンジが十分でかつノイズの少ない直線的なバイアス特
性を再現性良く得ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した積
層膜構造を持つ巨大磁気抵抗効果膜を使用した磁気抵抗
効果素子において、ＳＡＬ層、非磁性スペーサ層、ＧＭ
Ｒ層を適切に配置することにより、発熱によるＭＲ低下
が少ないセンス電流で素子を動作させたとき、ダイナミ
ックレンジが十分でノイズの少ない直線的なバイアス特
性を示す磁気抵抗効果素子を完成させるに至った。

【００１５】即ち、本発明は、バイアス印加用軟磁性体
層（ＳＡＬ層）と、非磁性中間層（スペーサ層）と、導
体層及び磁性体層が交互に積層されて成る人工格子磁気
抵抗膜（ＧＭＲ層）とがこの順に積層されている磁気抵
抗効果素子に係るものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の磁気抵抗効果素子におい
ては、バイアス印加用軟磁性体層と非磁性中間層と磁性
バッファー層と人工格子磁気抵抗膜とがこの順に積層さ
れていることが望ましい。即ち、人工格子磁気抵抗膜が
磁性バッファー層上に積層され、更にこの磁性バッファ
ー層の厚みが 0.8〜1.2 nmであるのがよい。

【００１７】また、人工格子磁気抵抗膜を形成する磁性
層が主としてＦｅ、Ｃｏ及びＮｉで構成され、添加元素
としてＡｇ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｇ、
Ｉｒ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｖ、Ｐｔ及びＺ
ｒより選ばれる元素を 0.1〜30at％含んでいてよい。Ｎ
ｉ−Ｆｅ−Ｃｏ以外にも、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ等が上げら
れるがＮｉ膜とＦｅ膜との積層体又はＮｉ−Ｆｅ系合金
膜で形成してもよい。

【００１８】また、人工格子磁気抵抗膜を形成する導体
層が主としてＣｕで構成され、添加元素としてＡｇ、Ｐ
ｔ及びＺｒより選ばれる元素を 0.1〜30at％含んでいて
よい。

【００１９】バイアス印加用軟磁性体層については、主
としてＦｅ、Ｎｉで構成され、添加元素としてＴａ、Ｒ
ｕ、Ｎｂ及びＺｒからなる群より選ばれる元素を２〜７
at％含んでいてよい。

【００２０】或いは、バイアス印加用軟磁性体層が主と
してＣｏで構成されたアモルファス軟磁性膜であってよ
い。

【００２１】非磁性中間層については、電気抵抗の高い
Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種
で構成されてよい。

【００２２】更に、磁性バッファー層は、主としてＦ
ｅ、Ｃｏ及びＮｉで構成され、添加元素としてＡｇ、
Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｇ、Ｉｒ、Ｌｉ、
Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｖ、Ｐｔ及びＺｒより選ばれ
る元素を 0.1〜30at％含んでいてよい。

【００２３】また、上記のような磁気抵抗効果膜は非磁
性基板上に成膜されてよいが、こうした非磁性基板とし
ては、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板や、この基板上を更にＡ
ｌ₂Ｏ₃コーティングしたものが代表的である。その
他、ガラス、ホトセラム、石英ガラス、ポリイミド等か
らなる基板や、エピタキシャル成長を考慮して単結晶の
ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＭｇＯ基板等を使用することも可能で
ある。

【００２４】但し、非磁性基板のヤング率は、１×10⁹
Ｎｍ^-2以上であることが好ましい。ヤング率がこれより
小さいと、磁気抵抗効果素子に外力が加わったとき、磁
気抵抗効果膜に歪みが生じ、磁気抵抗効果が劣化し易く
なる。

【００２５】なお、磁気抵抗効果は、４端子法にて磁気
抵抗を測定し、その変化率（Δρ／ρ₀）を算出するこ
とによって求められる（以下、同様）。

【００２６】本発明の磁気抵抗効果素子は、そのＭＲ比
が、発熱によるＭＲ低下が生じない微小電流通電時にお
けるＭＲ比の50％以上を示すセンス電流動作時におい
て、十分にバイアスが印加されかつ必要な出力を生じる
のがよい。

【００２７】本発明はまた、上記した本発明に基づく磁
気抵抗効果素子を有する磁界検出装置、例えば再生ヘッ
ドも提供するものである。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００２９】図１は、本発明の実施例による磁気抵抗効
果素子（ＧＭＲ素子）20の断面構成図を示す。この素子
20の基板11には、非磁性セラミック基板が使用され、そ
の上にＳＡＬ層14、スペーサ13、ＧＭＲ層12が順次成膜
されている。

【００３０】ＳＡＬ層14はＮｉ₈₀Ｆｅ₁₈Ｔａ₂(厚さ20n
m）からなり、スペーサ13はＴａ（厚さ15nm）からな
る。また、ＧＭＲ層12は磁性層12ａと導体層12ｂとを12
周期積層したものからなり、磁性層12ａには層厚 1.0nm
のＦｅ₂₀Ｎｉ₄₅Ｃｏ₃₅が、導体層12ｂには層厚 2.1nmの
Ｃｕが使用されている。ＧＭＲ層12は磁性層（厚さ１n
m）、例えばＦｅ₂₀Ｎｉ₄₅Ｃｏ₃₅からなるバッファー層1
6上に、（Ｃｕ／ＦｅＮｉＣｏ）人工格子膜として積層
されている。

【００３１】このＧＭＲ素子20の各層は、図２に示すＤ
Ｃマグネトロンスパッタ装置を用いて成膜可能である。
図中、27はＳＡＬ層用のターゲット、28はスペーサ用の
ターゲット、29は導体層用のターゲット、30は磁性層用
のターゲット、31はシャッタ、32は基板11を下面にセッ
トする回転式基板ホルダ、33は真空容器である。

【００３２】真空容器33は、シールド板（図示せず）に
よって例えば４個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32が回転軸34を
中心に順次所定角度だけ回転する。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 0.3Pa、成膜速度は 0.1〜0.5nm/sec と
する。各層の膜厚の制御は、シャッタ31の開閉制御によ
り行う。

【００３３】上記のＧＭＲ素子20は、実際には、図３〜
図６に示すように、例えば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
ることができる。この再生ヘッドは素子20に電極15ａ及
び15ｂ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24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、23は媒体との対向面
（ＡＢＳ面）である。

【００３４】このような再生ヘッドを用いて再生動作を
行うには、対向面23を磁気テープ等の磁気記録媒体24の
記録トラックに対向させる。そして、電極15ａ−15ｂ間
に磁気抵抗効果素子20を通してにセンス電流Ｉを流し、
磁気記録媒体24の記録トラックに記録された磁界の向き
の変化によって生じる磁気抵抗の変化を電極15ａ及び15
ｂ間の電圧変化として検出する。

【００３５】次に、図１に示したＳＡＬ層14／スペーサ
13／バッファー層16／ＧＭＲ層12（バッファー層１nm、
人工格子12周期）のＧＭＲ素子20（素子高さｈは２μ
ｍ、トラック幅ｔｗは５μｍ）について測定したバイア
ス特性を図７に示す。横軸は外部印加磁界、縦軸は磁気
抵抗変化率ΔＲを示す（以下、同様）。

【００３６】これによれば、発熱によるＭＲ低下が少な
いセンス電流（10mA）で素子を動作させたとき、シフト
量が75Ｏｅと大きく、ＭＲ比が８％となり、ダイナミッ
クレンジが十分でノイズのない直線的なバイアス特性を
示している。

【００３７】また、ＳＡＬ層14／スペーサ13／バッファ
ー層16’／ＧＭＲ層12（バッファー層３nm、人工格子12
周期）のＧＭＲ素子20’のバイアス特性を図８に示す。

【００３８】これによれば、バッファー層が３nmと厚い
場合は、バッファー層そのものがＳＡＬ層として働き、
シフト量そのものは大きくなるが、ゼロ磁場付近にノイ
ズが幾分でてきてしまう。逆に、バッファー層が無い場
合は、多層膜がＧＭＲ効果を示さなくなってしまうこと
がある。

【００３９】従って、ＳＡＬ層が下、ＧＭＲ層が上の構
造においては、図７に示すように、バッファー層の厚み
は１nmが良い。このバッファー層の厚みは 3.0nm未満、
特に0.8〜1.2 nmであるのが望ましい。

【００４０】更に、比較例として、図７とは成膜順序が
逆のＧＭＲ素子であって、バッファー層16／ＧＭＲ層12
／スペーサ13／ＳＡＬ層14（バッファー層１nm、人工格
子12周期）のＧＭＲ素子20Ａ、及び図９においてバッフ
ァー層16’を３nmとしたＧＭＲ素子20Ａ’のそれぞれの
バイアス特性を図９及び図10に示す。

【００４１】これらの場合は、図７の場合の 1.5倍以上
の電流を流してやっとバイアスが印加されるが、シフト
量は少なく、十分にダイナミックレンジを確保すること
ができない。また、大電流を流すことによって発熱によ
るＭＲ低下が顕著になってくる。この傾向はバッファー
層が厚いほど顕著である。言うまでもないが、バッファ
ー層が０nmのときは、多層膜がＧＭＲ効果を示さなくな
ってしまうことがある。

【００４２】以上の結果より、弱い電流でバイアス印加
が可能な点から、図７に示すようにＳＡＬ層が下側でＧ
ＭＲ層が上側の構造の方が良いということが分かった。
但し、ＧＭＲ層が下側の構造でもＭＲ素子として使用で
きるが、その場合はバッファー層の厚みは１nmとするの
がシフト量及びＭＲ比の点で望ましいことが図９と図10
の比較から明らかである。

【００４３】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。

【００４４】例えば、上述のＭＲ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み、材質等は上述し
たものに限定されることはない。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】

【発明の作用効果】本発明は上述した如く、バイアス印
加用軟磁性体層と、非磁性中間層と、導体層及び磁性体
層が交互に積層されて成る人工格子磁気抵抗膜とがこの
順に積層されているので、バイアス印加用軟磁性体が下
側、人工格子磁気抵抗膜が上側の構造をとることによ
り、発熱によるＭＲ低下が少ないセンス電流で素子を動
作させたとき、ダイナミックレンジが十分でかつノイズ
の少ない直線的なバイアス特性を再現性良く示す磁気抵
抗効果素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく磁気抵抗効果素子の一例を示す
概略断面図である。

【図２】同磁気抵抗効果素子の作製に使用可能なスパッ
タリング装置の概略斜視図である。

【図３】同磁気抵抗効果素子の具体的な断面図（図４の
III−III 線断面図）である。

【図４】図３の平面図である。

【図５】同磁気抵抗効果素子を用いた再生ヘッドの要部
斜視図である。

【図６】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７】同磁気抵抗効果素子（バッファー層厚 1.0nm）
についてのバイアス特性図である。

【図８】同磁気抵抗効果素子においてバッファー層厚を
3.0nmとしたときの同様のバイアス特性図である。

【図９】同磁気抵抗効果素子において積層順を変えた場
合（バッファー層厚 1.0nm）のバイアス特性図である。

【図10】同磁気抵抗効果素子において積層順を変えた場
合（バッファー層厚 3.0nm）のバイアス特性図である。

【図11】従来の磁気抵抗効果素子を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１、11・・・基板２、12・・・磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ層）３、13・・・磁気的絶縁層（スペーサ）４、14・・・軟磁性体層（ＳＡＬ層）５ａ、５ｂ、15ａ、15ｂ・・・電極 10、20、20’、20Ａ、20Ａ’・・・磁気抵抗効果素子
（ＭＲ素子） 12ａ・・・軟磁性体層 12ｂ・・・非磁性体層 16・・・バッファー層 21・・・磁界（外部磁界又は信号磁界） 23・・・対向面 24・・・磁気記録媒体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バイアス印加用軟磁性体層と、非磁性中
間層と、導体層及び磁性体層が交互に積層されて成る人
工格子磁気抵抗膜とがこの順に積層されている磁気抵抗
効果素子。
【請求項２】人工格子磁気抵抗膜が厚み 0.8〜1.2 nm
の磁性バッファー層上に積層されている、請求項１に記
載した磁気抵抗効果素子。
【請求項３】人工格子磁気抵抗膜を形成する磁性層が
主としてＦｅ、Ｃｏ及びＮｉで構成され、添加元素とし
てＡｇ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｇ、Ｉ
ｒ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｖ、Ｐｔ及びＺｒ
より選ばれる元素を 0.1〜30at％含む、請求項１に記載
した磁気抵抗効果素子。
【請求項４】人工格子磁気抵抗膜を形成する導体層が
主としてＣｕで構成され、添加元素としてＡｇ、Ｐｔ及
びＺｒより選ばれる元素を 0.1〜30at％含む、請求項１
に記載した磁気抵抗効果素子。
【請求項５】バイアス印加用軟磁性体層が主としてＦ
ｅ、Ｎｉで構成され、添加元素としてＴａ、Ｒｕ、Ｎｂ
及びＺｒからなる群より選ばれる元素を２〜７at％含
む、請求項１に記載した磁気抵抗効果素子。
【請求項６】バイアス印加用軟磁性体層が主としてＣ
ｏで構成されたアモルファス軟磁性膜である、請求項１
に記載した磁気抵抗効果素子。
【請求項７】非磁性中間層が、電気抵抗の高いＴａ、
Ｔｉ、Ｍｏ及びＣｒから選ばれた少なくとも１種で構成
される、請求項１に記載した磁気抵抗効果素子。
【請求項８】磁性バッファー層が主としてＦｅ、Ｃｏ
及びＮｉで構成され、添加元素としてＡｇ、Ｂ、Ｂｉ、
Ｃ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｇ、Ｉｒ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎ
ａ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｖ、Ｐｔ及びＺｒより選ばれる元素を
0.1〜30at％含む、請求項２に記載した磁気抵抗効果素
子。
【請求項９】磁気抵抗効果素子としてのＭＲ比が、発
熱によるＭＲ低下が生じない微小電流通電時におけるＭ
Ｒ比の50％以上を示すセンス電流動作時において、十分
にバイアスが印加されかつ必要な出力を生じる、請求項
１に記載した磁気抵抗効果素子。
【請求項10】請求項１〜10のいずれか１項に記載した
磁気抵抗効果素子を有する磁界検出装置。
【請求項11】再生ヘッドとして構成された、請求項10
に記載した磁界検出装置。