JPH10214716A

JPH10214716A - 交換結合膜およびその製造方法並びにそれを用いた磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JPH10214716A
Application number: JP9014247A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Deguchi; 治彦出口; Masaji Doujima; 正司道嶋; Tomohisa Komoda; 智久薦田; Keiya Nakabayashi; 敬哉中林; Toru Kira; 徹吉良
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】高い熱安定性と、高い交換結合磁界を得るこ
とを可能とする。【解決手段】交換結合膜は、強磁性体層３と、上記強
磁性体層３に隣接して形成されたＭｎＰｔ合金からなる
反強磁性体層４とを備え、強磁性体層３の構造がｆｃｃ
構造で（１１１）配向しており、強磁性体層３と上記反
強磁性体層４との積層膜に対して、交換結合磁界を高め
るための熱処理が施されている。強磁性体層３の格子の
最密面である（１１１）面が反強磁性体層４の界面に配
列するため、また、熱処理によって反強磁性体層４の反
強磁性秩序が向上するので、交換結合磁界が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録用再生ヘ
ッドあるいは磁気センサ等に使用される磁気抵抗効果素
子に用いられる、強磁性体膜と反強磁性体膜とを積層し
た構造の交換結合膜およびその製造方法並びにそれを用
いた磁気抵抗効果素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスクや磁気テープ装置などの磁
気記録装置においては、媒体の記録密度の増加と小型化
に伴い、記録ヘッドや再生ヘッドなどの磁気ヘッドの高
性能化が求められている。

【０００３】すなわち、記録ヘッドでは磁気記録媒体の
高保磁力化に伴い、飽和磁束密度の大きな材料が求めら
れている。また、再生ヘッドでは、媒体の記録密度の増
加に対応して、より高い再生感度を実現できるデバイス
の開発が期待されている。再生ヘッドは媒体から漏れる
磁束を検知して信号を再生するが、媒体の記録密度が増
加すると、媒体からの漏れ磁束が小さくなる。再生ヘッ
ドの再生感度が高ければ、小さな漏れ磁束で再生が可能
となる。ここで、再生感度とは同じ磁束に対して得られ
る電圧信号の高低である。

【０００４】また、媒体が小型化すると、再生ヘッドと
媒体との相対速度が低下するので、再生出力が相対速度
に比例する従来の誘導型ヘッドは使いにくくなる。そこ
で、相対速度の影響を受けない、磁気抵抗効果を利用し
たいわゆるＭＲ（magnetoresistive effect)ヘッドが用
いられるようになった。

【０００５】ＭＲヘッドは誘導型ヘッドより再生感度が
高く、高密度化された媒体の再生に適している。磁気抵
抗効果を示す材料としては、従来より、ＮｉＦｅ合金や
ＮｉＣｏ合金からなる磁性薄膜が知られている。

【０００６】ＭＲヘッドの再生感度はその磁場感度が高
いほど、また、抵抗変化率が大きいほどよくなる。ここ
で、抵抗変化率ｒは、外部磁場がない場合の抵抗値をＲ
_o、外部磁場によって変化した抵抗値をＲ_hとすると、ｒ＝｜Ｒ_h−Ｒ_o｜／Ｒ_o と表され、ＮｉＦｅ合金では２〜３％程度、ＮｉＣｏ合
金では最大６％程度である。

【０００７】上記の磁気抵抗効果はスピン軌道相互作用
に起因し、抵抗変化率は測定電流の方向と磁性薄膜の磁
化方向とのなす角度に依存するので、異方性磁気抵抗効
果（ＡＭＲ：anisotropic magnetoresistive effect)と
呼ばれている。

【０００８】ところで、近年、ＡＭＲとは異なる発現機
構で磁気抵抗効果を示す、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：
giant magnetoresistive effect)と呼ばれる現象が見い
出され、注目されている。ＧＭＲを示す構造として、例
えば、磁性層と非磁性層とを交互に数十層積層した人工
格子多層膜があり、この人工格子多層膜は、非磁性層を
介して上下に配置された各磁性層の磁化が反平行（向き
が１８０°異なる）の場合と平行の場合とで伝導電子の
散乱が大きく異なるために抵抗変化が現れるものであ
る。

【０００９】人工格子多層膜に印可される外部磁場が低
い場合、各磁性層の磁化は、磁性層間の交換相互作用に
よって反平行になっている。このとき、人工格子多層膜
の抵抗は最大になる。これは、磁性層と非磁性層との境
界で、伝導電子の散乱が大きくなるためである。一方、
人工格子多層膜に印加される外部磁場が上記交換相互作
用を打ち破る程に強くなると、各磁性層の磁化は外部磁
場の向きに揃って互いに平行になり、抵抗値が下がる。
これは、各磁性層の磁化が互いに平行な状態では、磁性
層と非磁性層との境界での伝導電子の散乱が減少するた
めである。各磁性層の磁化の向きが反平行状態と平行状
態に相対的に変化する間の人工格子多層膜の抵抗変化率
は、ＡＭＲに比較して一桁以上大きく、なかでも現在最
大の抵抗変化を示す材料系であるＣｏ／Ｃｕ多層膜で
は、常温においても６０％以上の抵抗変化率が得られて
いる。

【００１０】しかしながら、このような人工格子多層膜
では、得られる抵抗変化率は非常に大きいものの、各磁
性層の磁化を互いに平行にするためには、数１００Ｏｅ
から数ＫＯｅの外部磁場が必要となる。これは、無磁場
で磁化の反平行状態を実現するために交換相互作用を用
いているため、磁性層間の結合が非常に強く、この交換
相互作用を断ち切って磁化の平行状態を実現しなければ
ならないからである。このため、微弱な外部磁場では抵
抗変化は起こらず、人工格子多層膜を磁気記録用のヘッ
ドとして用いるには磁場感度が悪すぎて非実用的であ
る。

【００１１】そこで、磁場感度の高いＧＭＲ膜であるス
ピンバルブ膜が注目されている。スピンバルブ膜は、反
強磁性体層／強磁性体層／非磁性体層／強磁性体層の４
層薄膜構造を有している。スピンバブル膜では、反強磁
性体層との交換相互作用により、反強磁性体層と接する
強磁性体層の磁化が一方向に固定されている。この磁化
方向が固定された強磁性体層とは非磁性体層で分離され
ている、もう一方の強磁性体層の磁化は、決まった磁化
方向をとらず外部磁場に対して自由に回転するようにな
っている。この自由に磁化方向が回転する方の強磁性体
層にＮｉＦｅ合金などのソフト性の高い薄膜を用いるこ
とで磁場感度の向上が図れ、現在最も実用的な構造と言
える。

【００１２】なお、以下、反強磁性体層と、この反強磁
性体層との交換相互作用によって磁化を固定される強磁
性体層とからなる膜を交換結合膜とする。また、磁化の
方向が固定される強磁性体層をピン層と称する一方、外
部磁場にて磁化の方向が自由に回転するよう設けられる
強磁性体層をフリー層と称する。

【００１３】上記のようなスピンバルブ膜の、強磁性体
層の磁化を固定する反強磁性体層については様々な報告
がなされており、反強磁性材料としてＦｅＭｎ合金やＮ
ｉＯを用いる例が従来よりよく知られている。

【００１４】しかしながら、ＦｅＭｎ合金を用いたもの
では、交換結合磁界は温度の上昇とともに減少し、約１
５０℃で交換結合磁界は消失してしまう。すなわち約１
５０℃でＦｅＭｎ合金は反強磁性を失う。この温度をブ
ロッキング温度（Ｔ_b）とよんでいる。このようにＦｅ
Ｍｎ合金ではブロッキング温度が約１５０℃と低く、ま
た、交換結合磁界が温度の上昇と共に単調に減少するた
め、ＦｅＭｎ合金を用いた交換結合膜を磁気抵抗効果素
子に応用した際、その使用温度を低温に維持しておく必
要がある。

【００１５】また、このＦｅＭｎ合金を用いた交換結合
膜は、昇温降温プロセス（熱履歴）によって交換結合磁
界が大幅に減少する。このため、ＦｅＭｎ合金を用いた
交換結合膜を用いて磁気抵抗効果素子を製造する際、そ
の製造プロセス温度を低温に制御する必要がある。この
ことは磁気抵抗効果素子の構造的な信頼性低下の原因に
つながる。また、このＦｅＭｎ合金は腐食に弱く、水分
を含む空気中にさらしておくと急速に錆びてしまい、本
来の機能を失ってしまう。

【００１６】一方、ＮｉＯは酸化物であるため、その耐
食性は非常に優れたものである。また、ＮｉＯを用いた
交換結合膜のブロッキング温度も、２００℃とＦｅＭｎ
合金より高い。ところが、その交換結合磁界はＦｅＭｎ
合金に比べて小さい上に、１００℃程度の温度になると
大きく減少してしまう。従って、これを磁気抵抗効果素
子に用いるには問題がある。

【００１７】上記の理由により、これらＦｅＭｎ合金や
ＮｉＯを反強磁性体層に用いた交換結合膜を応用して、
磁気特性や構造的な信頼性が優れた磁気抵抗効果素子を
製造することは困難である。

【００１８】そこで、反強磁性体層の材料にＭｎの合金
を用いることによって、優れた交換結合膜を得るための
検討が行われており、特開平６−３１４６１７号公報に
は、反強磁性体層としてＭｎにＣｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒ
ｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｏｓ，Ｉｒを２５〜７６原子％添加、
あるいはＰｄ，Ｐｔを２５〜６０原子％または６５〜７
６原子％添加したものを用いることによって、反強磁性
体層の耐食性と熱的安定性を向上させ、それを強磁性体
層と積層することによって交換結合膜を形成する例が開
示されている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示されている、ＭｎにＣｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ，
Ａｇ，Ａｕ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ等を添加した材料
を反強磁性体層に用いた交換結合膜では、耐食性は確か
にＦｅＭｎ合金を用いた交換結合膜より向上している
が、交換結合磁界が小さく、最大でも２０Ｏｅ程でしか
ない。前述したように、磁気抵抗効果素子とは、外部磁
場に応じて磁化の方向が回転するフリー層の強磁性体層
と、非磁性層と、磁化の方向が一方向に固定されたピン
層の強磁性体層とがこの順に配置され、二つの強磁性体
層の磁化の向きのなす角度によって磁気抵抗効果が生じ
るものである。したがって、このとき二つの強磁性体層
の磁気特性が同様のものであると、外部磁場によって二
つの強磁性体層の磁化が同時に回転してしまい、両者の
磁化の向きに角度が生じず、磁気抵抗効果が得られな
い。

【００２０】このため、ピン層となるべき強磁性体層に
接して反強磁性体層を積層し、強磁性体層と反強磁性体
層との間で生じる交換結合磁界によって強磁性体層の磁
化を一方向に固定し、ピン層とフリー層との磁化の方向
に角度を持たせるようにしている。

【００２１】したがって、上記公報に記載されている、
最大でも２０Ｏｅ程度の小さな交換結合磁界の交換結合
膜では、外部磁場によって容易にピン層の磁化が回転し
てしまい、信号磁界からの出力を安定して得られなくな
り、磁気抵抗効果素子に応用することは困難である。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の請求項１に記載の交換結合膜は、強磁性
体膜と、該強磁性体膜に隣接して形成された反強磁性体
膜とを備え、上記強磁性体膜と上記反強磁性体膜との交
換結合により、上記強磁性体膜の磁化の方向が固定され
ている交換結合膜において、上記反強磁性体膜がＭｎＰ
ｔ合金からなると共に、上記強磁性体膜がｆｃｃ構造で
（１１１）配向しており、かつ、これら反強磁性体膜と
強磁性体膜との積層膜には、交換結合磁界を高めるため
の熱処理が施されていることを特徴としている。

【００２３】また、本発明の請求項３に記載の交換結合
膜の製造方法は、強磁性体膜と、該強磁性体膜に隣接し
て形成された反強磁性体膜とを備え、上記強磁性体膜と
上記反強磁性体膜との交換結合により、上記強磁性体膜
の磁化の方向が固定されている交換結合膜の製造方法に
おいて、ｆｃｃ構造をとる強磁性体膜を（１１１）配向
させて成膜すると共に、さらにこの上にＭｎＰｔ合金か
らなる反強磁性体膜を成膜し、その後、これら強磁性体
膜と反強磁性体膜との積層膜に対して、交換結合磁界を
高めるための熱処理を施すことを特徴としている。

【００２４】請求項１および請求項３の構成では、強磁
性体膜の構造がｆｃｃ構造で（１１１）配向している。
ｆｃｃ構造の最密面は（１１１）面であるため、強磁性
体膜は、反強磁性体膜との界面に最も多くの原子が配列
している配向になり、反強磁性体膜のＭｎ原子と交換結
合する原子が多くなっている。

【００２５】また、上記熱処理は、反強磁性体膜のＭｎ
原子の磁気秩序を向上させる働きをする。すなわち、熱
処理前の反強磁性体膜では、Ｍｎ原子とＰｔ原子とが無
秩序に配列している。このため、Ｍｎ原子のもつ磁化の
向きが無秩序になっており、強磁性体膜の原子と交換結
合するＭｎ原子は少ない。ところが、反強磁性体膜を強
磁性体膜と接合した状態で熱処理を行うと、熱振動によ
るＭｎ原子とＰｔ原子の再配列によって結晶が規則化
し、反強磁性体膜のＭｎ原子の反強磁性秩序化が促進さ
れる。同時に、反強磁性体膜と強磁性体膜との界面で
は、ある程度ランダムに向いていたＭｎ原子の磁気モー
メントが熱振動によって回転し、ＮｉＦｅ合金の磁気モ
ーメントと強磁性的に結合する。これら二つの効果によ
り、強磁性体膜と反強磁性体膜との交換結合が増大する
のである。

【００２６】従って、本発明の交換結合膜では、交換結
合にかかる反強磁性体膜のＭｎ原子と強磁性体膜の原子
が多いので、従来の２０Ｏｅ以上の交換結合磁界を得る
ことができる。

【００２７】ここで、上記反強磁性体膜をなすＭｎＰｔ
合金のＰｔの組成比は３２〜５０原子％であることが好
ましい。これによって、現在実用に供されているＦｅＭ
ｎ合金を用いた交換結合膜にて得られる交換結合磁界よ
りも大きな交換結合磁界を得ることができる。

【００２８】また、上記の製造方法においては、特に、
ｆｃｃ構造をとる強磁性体膜を（１１１）配向させて成
膜する前に、該強磁性体膜の（１１１）方向への配向性
を高める下地膜を形成しておき、該下地膜の上に上記強
磁性体膜を形成することが好ましい。

【００２９】このように、強磁性体膜の（１１１）方向
への配向性を高める下地層を形成してから強磁性体膜を
成膜することで、ｆｃｃ構造を持つ強磁性体膜の配向を
（１１１）配向にそろえ、かつ、熱処理の際に、強磁性
体膜が形成される基板と該強磁性体膜との間で起こる不
要な反応を防止できる。

【００３０】なお、本発明の交換結合膜とその製造方法
とにおける強磁性体膜は、結晶構造がｆｃｃ構造であれ
ば特に限定されないが、例えばＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ
合金等が挙げられる。

【００３１】また、本発明の交換結合膜とその製造方法
における下地層は、強磁性体膜の配向性を高めると共に
強磁性体膜と基板との反応を防ぐものであれば特に限定
されないが、Ｔａの単層膜やＴａを含む積層膜等が挙げ
られる。また、基板には、ガラスやＳｉ等が用いられ、
特にＳｉ基板を用いた場合、熱処理によって基板のＳｉ
と強磁性体膜とが反応し、強磁性体膜の磁化が失われる
といった事態を招来し易いので、このような製造方法が
特に好ましい。

【００３２】本発明の請求項５に記載の磁気抵抗効果素
子は、請求項１又は２に記載の交換結合膜或いは請求項
３又は４に記載の交換結合膜の製造方法によって製造さ
れた交換結合膜を備え、上記交換結合膜における強磁性
体膜に隣接して金属非磁性層が形成されると共に、上記
金属非磁性層に隣接して磁化の方向が自由に回転する第
２の強磁性体膜が形成されており、上記交換結合膜にお
ける強磁性体膜と上記第２の強磁性体膜との磁化の向き
のなす角度によって磁気抵抗効果を持つことを特徴とし
ている。

【００３３】上記のような磁気抵抗効果素子では、強磁
性体層は、強磁性体層と金属非磁性層とを通して、下地
層によってその（１１１）配向を高められている。

【００３４】この磁気抵抗効果素子は上記の交換結合膜
を用いているので、製造工程における加熱や冷却などの
熱履歴によるダメージがない。また、この素子を磁気記
録用再生システムに組み込んで使用する際に、素子に印
加される外乱磁場や気温等の環境の変化に影響されるこ
とがない。従って、信頼性の高い磁気抵抗効果素子を得
ることができる。

【００３５】この結果、本発明の交換結合膜は、磁気記
録用再生ヘッドあるいは磁気センサ等に使用される磁気
抵抗効果素子に応用できる。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１ないし図７に基づいて説明すれば、以下の通りであ
る。本実施の形態に係る交換結合膜は、図１に示すよう
に、ガラスまたはＳｉからなる基板１上に、下地層（下
地膜）２を介して、ｆｃｃ構造で（１１１）配向されて
いる強磁性体層（強磁性体膜）３と、ＭｎＰｔ合金から
なる反強磁性体層（反強磁性体膜）４とが順に積層され
た構成を有している。そして、これら強磁性体層３と反
強磁性体層４とには、積層された状態で交換結合磁界を
強めるべく、所定の温度での熱処理が施されている。

【００３７】上記強磁性体層３は、結晶構造がｆｃｃ構
造である強磁性体からなり、（１１１）配向されている
ので、交換結合磁界を高めることができる。つまり、ｆ
ｃｃ構造の最密面は（１１１）面であるため、（１１
１）配向とすることで、強磁性体層３は、反強磁性体層
４との界面に最も多く原子が配列している配向になり、
反強磁性体層４のＭｎ原子と相互作用する原子が多くな
るためである。強磁性体層３の材料としては、結晶構造
がｆｃｃ構造である強磁性体であれば、特に限定される
ものではないが、ＮｉＦｅ合金や、ＣｏＦｅ合金等が用
いられる。

【００３８】反強磁性体層４は、ＭｎＰｔ合金からな
り、隣接する上記強磁性体層３との間に生じる交換結合
磁界により、強磁性体層３の磁化方向を一方向に固定す
るものである。下地層２は、ｆｃｃ構造を持つ強磁性体
層３の（１１１）方向への配向性を高めるためのもの
で、ｆｃｃ構造を持つ強磁性体層３の（１１１）方向へ
の配向性を高めるものであれば特に限定されないが、Ｔ
ａの単層膜やＴａを含む積層膜を用いることができる。

【００３９】なお、実験的には、ＮｉＦｅ合金は結晶質
の基板上に成膜すれば（１１１）配向しやすく、非晶質
の基板上では配向しないことが確認されている。また、
ＮｉＦｅ合金の格子定数とほぼ一致する格子定数をも
つ、Ｔａのような下地上に成膜すると、ＮｉＦｅ合金の
（１１１）配向が強くなると考えられている。

【００４０】また、この下地層２は、上記の熱処理の際
に、基板１と強磁性体層３との反応を防止する機能も有
している。

【００４１】強磁性体層３と反強磁性体層４とを積層し
た後に行なう熱処理は、反強磁性体層４のＭｎ原子の磁
気秩序を向上させる働きをするものである。すなわち、
熱処理前の反強磁性体層４では、Ｍｎ原子とＰｔ原子と
が無秩序に配列しているため、Ｍｎ原子のもつ磁化の向
きが無秩序になっており、強磁性体層３の原子と交換結
合するＭｎ原子は少ない。ところが、反強磁性体層４を
強磁性体層３と接合した状態で熱処理を行うと、熱振動
によって反強磁性体層４の結晶構造が規則化され、Ｍｎ
原子の反強磁性秩序化が促進される。同時に、反強磁性
体層４と強磁性体層３との界面では、ある程度ランダム
に向いていたＭｎ原子の磁気モーメントが熱振動によっ
て回転し、ＮｉＦｅ合金の磁気モーメントと強磁性的に
結合する。これら二つの効果により、強磁性体膜３と反
強磁性体膜４との交換結合が増大するのである。

【００４２】熱処理温度としては、交換結合磁界が向上
する温度であればよいが、（１１１）配向した強磁性体
層３とＭｎＰｔ合金からなる反強磁性体層４の積層膜の
場合、２００℃程度から交換結合磁界が高まる。そし
て、処理温度の上昇と共に交換結合磁界が高まるが、そ
の上限は、温度が高くなることで生じる、強磁性体層３
の磁気特性劣化や、反強磁性体層４と強磁性体層３との
界面での原子の拡散等の問題を考慮する必要がある。こ
のような構成を有する交換結合膜においては、従来の２
０Ｏｅ以上の交換結合磁界を得ることができる。

【００４３】そして、ブロッキング温度も、従来から報
告されているＦｅＭｎ合金とＮｉＯを反強磁性体層４に
用いた交換結合膜のブロッキング温度（それぞれ１５０
℃、２００℃）に比べ、より高いものとなり、高い熱的
安定性を示すものとなる。

【００４４】また、ＭｎＰｔ合金のＰｔ組成としては、
３２〜５０原子％であることが好ましい。このような組
成比とすることで、現在実用に供されているＦｅＭｎを
用いた交換結合膜にて得られる交換結合磁界よりも大き
な交換結合磁界を得ることができる。例えば、反強磁性
体層４のＭｎＰｔ合金のＰｔ組成比を上記範囲内とする
ことで、２００℃で５０Ｏｅ以上、２７０℃で３３０Ｏ
ｅ以上の交換結合磁界を得ることができる。

【００４５】尚、反強磁性体層４の層厚は、反強磁性を
発現する範囲であれば特に限定されないが、高い交換結
合磁界を得るためにはできるだけ厚い方が好ましい。

【００４６】そして、図７に示すように、本交換結合膜
の構成を採用し、基板１上に、下地層２を介して磁化の
方向が自由に回転するフリー層となる第２の強磁性体層
（第２の強磁性体膜）１１と金属非磁性層１２とを順に
形成し、この上に、上記交換結合膜の強磁性体層３をピ
ン層として形成し、この上に反強磁性体層４を構成し、
保護層１３を形成し、その後所定の温度で熱処理するこ
とで、第２の強磁性体層１１と強磁性体層３との磁化の
向きのなす角度によって磁気抵抗効果を持つ磁気抵抗効
果素子を得ることができる。上記のような磁気抵抗効果
素子では、強磁性体層３は、第２の強磁性体層１１と金
属非磁性層１２とを通して、下地層２によってその（１
１１）配向を高められている。

【００４７】このようにして得た磁気抵抗効果素子で
は、製造工程における加熱や冷却などの熱履歴によるダ
メージがなく、また、この素子を磁気記録用再生システ
ムに組み込んで使用する際に、素子に印加される外乱磁
場や気温等の環境の変化に影響されることがないので、
信頼性の高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。

【００４８】次に、本実施の形態に係る実施例を説明す
る。

【００４９】〔実施例１〕本発明の第１の実施例を、図
１および図３を用いて以下に説明する。本実施例に用い
られる交換結合膜のサンプル＃１・＃２と比較サンプル
＃１・＃２を、図１を用いて以下に示す。

【００５０】サンプル＃１は、ガラスからなる基板１の
上に、Ｔａからなる下地層２、ＮｉＦｅ合金からなる強
磁性体層３、Ｐｔの組成が４８原子％のＭｎＰｔ合金か
らなる反強磁性体層４を積層して作成した。

【００５１】比較サンプル＃１は、ガラスからなる基板
１の上に、下地層２を用いずに、ＮｉＦｅ合金からなる
強磁性体層３、Ｐｔの組成が４８原子％のＭｎＰｔ合金
からなる反強磁性体層４を積層して作成した。

【００５２】サンプル＃２は、Ｓｉからなる基板１の上
に、Ｔａからなる下地層２、ＮｉＦｅ合金からなる強磁
性体層３、Ｐｔの組成が４８原子％のＭｎＰｔ合金から
なる反強磁性体層４を積層して作成した。

【００５３】比較サンプル＃２は、Ｓｉからなる基板１
の上に、下地層２を用いずに、ＮｉＦｅ合金からなる強
磁性体層３、Ｐｔの組成が４８原子％のＭｎＰｔ合金か
らなる反強磁性体層４を積層して作成した。

【００５４】サンプル＃１・＃２の各層２〜４および比
較サンプル＃１・＃２の各層３・４は、一つの成膜装置
を用いて４×１０^-7Ｔｏｒｒ以下まで排気後、同一真空
中で成膜したものである。また、上記各層２〜４の膜厚
は、各サンプル＃１・＃２および各比較サンプル＃１・
＃２において等しくなっている。

【００５５】また、上記各層２〜４のスパッタ条件は以
下の通りである。下地層２、および反強磁性体層４は、
ＤＣマグネトロンスパッタ法にて、Ａｒ圧が５ｍＴｏｒ
ｒ、Ｐｏｗｅｒ＝６４１ｍＷ／ｃｍ²、の成膜条件で所
定膜厚成膜した。強磁性体層３はＲＦコンベンショナル
スパッタ法にて、Ａｒ圧：５ｍＴｏｒｒ、Ｐｏｗｅｒ：
１３０ｍＷ／ｃｍ²、基板バイアス＝＋５０Ｖの成膜条
件で所定膜厚成膜した。

【００５６】上記のようなサンプル＃１・＃２、比較サ
ンプル＃１・＃２に、３００Ｏｅの磁界を印加しなが
ら、真空中で２７０°Ｃの温度で熱処理を行い、磁化測
定とＸ線回折（ＸＲＤ）とを行った。サンプル＃１・＃
２の磁化測定のデータを図２（ａ）・（ｃ）に、また、
ＸＲＤの結果を図３（ａ）・（ｃ）に示す。また、比較
サンプル＃１・＃２の磁化測定のデータを図２（ｂ）・
（ｄ）に、また、ＸＲＤの結果を図３（ｂ）・（ｄ）に
示す。なお、図示していないが、熱処理前には、サンプ
ル＃１・＃２、比較サンプル＃１・＃２の交換結合磁界
は見られなかった。

【００５７】図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、サンプ
ル＃１・＃２および比較サンプル＃１では、交換結合に
よる磁化曲線のシフトがみられ、熱処理前にはなかった
交換結合磁界（Ｈ_ex）が現れていることを示しており、
特にＴａの下地層２のあるサンプル＃１・＃２で著しく
大きいことがわかる。また、比較サンプル＃２では磁化
曲線は平坦になり、磁化が消失していることを示してい
る。なお、この測定では、磁化曲線の０磁界からのシフ
ト量を交換結合磁界としている。

【００５８】また、図３（ａ）・（ｂ）・（ｄ）に見ら
れるように、サンプル＃１・＃２および比較サンプル＃
２では、ＮｉＦｅ合金の（１１１）ピークが現れてお
り、強磁性体層３は（１１１）配向していることがわか
る。一方、比較サンプル＃１では、図３（ｂ）に示すよ
うに、ＭｎＰｔ合金の弱い（１１１）ピークが見られる
のみで、ＮｉＦｅ合金の（１１１）ピークは見られず、
強磁性体層３は（１１１）配向していないことがわか
る。上記の結果を表１にまとめて示す。

【００５９】

【表１】

【００６０】上記の結果より、サンプル＃１・＃２で
は、強磁性体層３が（１１１）配向しているので、交換
結合磁界が高いと考えられる。また、比較サンプル＃１
の交換結合磁界が低いのは、下地層２がないために強磁
性体層３の（１１１）配向がないためと考えられる。

【００６１】一方、比較サンプル＃２は、強磁性体層３
が（１１１）配向しているにもかかわらず、その磁化曲
線が平坦になり強磁性体層３の磁化が消失している。こ
れは、熱処理によって基板１のＳｉと、強磁性体層３の
ＮｉＦｅ合金とが反応したため、ＮｉＦｅ合金の磁化が
消失してしまったものと考えられる。

【００６２】従って、下地層２は、ＮｉＦｅ合金からな
る強磁性体層３を（１１１）に配向させ、さらに、Ｓｉ
の基板１とＮｉＦｅ合金の強磁性体層３の反応を防ぐ拡
散防止膜の役割を果たしているといえる。

【００６３】以上より、サンプル＃１・＃２のように、
下地層にＴａを用いて成膜すると、高い交換結合磁界を
持つ交換結合膜を得ることができるといえる。

【００６４】〔実施例２〕本発明の第２の実施例を、図
１および図４を用いて以下に説明する。本実施例に用い
られる交換結合膜は、図１に示すように、ガラスからな
る基板１上に、下地層２としてＴａを２００Å、強磁性
体層３としてＮｉＦｅ合金を１００Å、反強磁性体層４
としてＭｎＰｔ合金を２００Å積層したものである。こ
こで、反強磁性体層４であるＭｎＰｔ合金のＰｔ組成比
は、３２〜５０原子％の範囲で種々に変化させている。
なお、各層２〜４の成膜条件は、実施例１と同様であ
る。

【００６５】これらの交換結合膜に、真空中において、
３００Ｏｅの磁界中で２００℃、２３０℃、２５０℃、
２７０℃の温度でそれぞれ１２時間熱処理し、その交換
結合磁界を測定した。その結果を図４に示す。熱処理温
度が高くなるほど、交換結合磁界が最大値をとるＰｔ組
成比は小さくなり、その最大値は大きくなる傾向を示
す。

【００６６】図４に示すように、反強磁性体層４のＰｔ
組成比が４５〜４８原子％の交換結合膜では、熱処理温
度が２００℃と比較的低温であっても、ＦｅＭｎ合金の
反強磁性体層を持つ交換結合膜と比較して、遜色のない
強い交換結合磁界が得られ、さらに、熱処理温度が２３
０℃のものでは、約１７０〜２００Ｏｅという非常に強
い交換結合磁界が得られている。

【００６７】また、２５０℃以上の熱処理では、反強磁
性体層４のＰｔ組成比が３２〜５０原子％の広い組成範
囲で交換結合磁界が得られ、特に、４５〜４８原子％の
組成範囲では強い交換結合を得ることができる。

【００６８】〔実施例３〕本発明の第３の実施例を、図
１および図５を用いて以下に説明する。本実施例に用い
られる交換結合膜は、図１に示すように、ガラスからな
る基板１上に、下地層２としてＴａを２００Å、強磁性
体層３としてＮｉＦｅ合金を１００Å、反強磁性体層４
としてＭｎＰｔ合金を１０００Å積層した構造である。
ここで、反強磁性体層４であるＭｎＰｔ合金のＰｔ組成
比は、３２〜５０原子％の範囲で種々に変化させてい
る。なお、各層２〜４の成膜条件は、実施例１と同様で
ある。

【００６９】これらの交換結合膜に、真空中において、
３００Ｏｅの磁界中で２００℃、２３０℃、２５０℃、
２７０℃の温度でそれぞれ１２時間熱処理し、その交換
結合磁界を測定した。その結果を図５に示す。

【００７０】これらの交換結合膜では、交換結合磁界の
Ｐｔ組成比依存性が非常に敏感になり、４８原子％近傍
で急峻なピークをもつ傾向が見られ、実施例２に示した
交換結合膜よりも、交換結合磁界が大きくなるＰｔ組成
比領域は狭くなっている。しかし、交換結合磁界が最大
となるＰｔ４８原子％での値は大きく、特に低温の熱処
理においても高い交換結合磁界を示している。

【００７１】以上のように、反強磁性体層４の層厚を厚
くすることで、より高い交換結合磁界を得ることができ
る。

【００７２】〔実施例４〕本発明の第４の実施例を、図
１および図６を用いて以下に示す。本実施例では、本発
明の交換結合膜におけるブロッキング温度の測定の一例
を示す。本実施例に用いられる交換結合膜は、図１に示
すように、ガラスからなる基板１上に、下地層２として
Ｔａを２００Å、強磁性体層３としてＮｉＦｅ合金を１
００Å、反強磁性体層４としてＰｔ組成比が４８％のＭ
ｎＰｔ合金を１０００Å積層した構造である。なお、各
層２〜４の成膜条件は実施例１と同様である。

【００７３】この交換結合膜に、真空中にて、３００Ｏ
ｅの外部磁場中で２７０℃の温度で熱処理し、３５０°
までの温度範囲の加熱雰囲気中において、交換結合磁界
の雰囲気温度依存性を測定した。その結果を図６に示
す。

【００７４】交換結合磁界は、１３０℃まで増加し２０
０℃から減少を始める。さらに温度を上げると交換結合
磁界は単調に減少し３５０℃で消失する。すなわち、こ
の交換結合膜のブロッキング温度は３５０℃である。

【００７５】従来から報告されているＦｅＭｎ合金とＮ
ｉＯを反強磁性体層に用いた交換結合膜のブロッキング
温度が、それぞれ１５０℃、２００℃であることを考え
ると、本発明の交換結合膜は非常に高い熱的安定性を示
すことがわかる。

【００７６】なお、この交換結合膜の反強磁性体層４の
Ｐｔの組成比を３２〜５０原子％の範囲で、また、熱処
理の温度を２００℃〜２７０℃の範囲で種々に変化させ
て上記のように交換結合磁界の雰囲気温度依存性を測定
したところ、それぞれ高いブロッキング温度を持つこと
が確認された。また、反強磁性体層４の層厚を２００Å
にして上記のように測定を行ったところ、この場合も高
いブロッキング温度を持つことが確認された。

【００７７】〔実施例５〕本発明の第５の実施例を図７
を用いて以下に示す。実施例２において、充分な交換結
合磁界が得られた４７原子％のＭｎＰｔ合金からなる反
強磁性体層４を持つ交換結合膜を用いて、磁気抵抗効果
素子を製造した。

【００７８】この磁気抵抗効果素子は、図７に示すよう
に、ガラス基板１上に、５０ÅのＴａからなる下地層
２、１００ÅのＮｉＦｅ合金からなる第２の強磁性体層
１１、２０ÅのＣｕからなる金属非磁性層１２、１００
ÅのＮｉＦｅ合金からなる強磁性体層３、さらに、Ｐｔ
の組成比が４７％の２００ÅのＭｎＰｔ合金からなる反
強磁性体層４、２００ÅのＴａからなる保護層１３の順
に磁界中で成膜を行った構造である。成膜後、３００Ｏ
ｅの磁場を印加しながら、真空中にて、２５０℃で１２
時間の熱処理を行った。

【００７９】このようにして得られた磁気抵抗効果素子
に外部磁場を印加して、磁気抵抗効果を測定したとこ
ろ、抵抗変化率４．５％，磁場感度０．７％／Ｏｅの良
好な値を得た。

【００８０】以上のように、本発明の交換結合膜を用い
れば、抵抗変化率、磁場感度ともに優れた磁気抵抗効果
素子を製造することが可能である。

【００８１】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１に記載
の交換結合膜は、上記反強磁性体膜がＭｎＰｔ合金から
なると共に、上記強磁性体膜がｆｃｃ構造で（１１１）
配向しており、かつ、これら反強磁性体膜と強磁性体膜
との積層膜には、交換結合磁界を高めるための熱処理が
施されている構成である。

【００８２】これにより、交換結合にかかる反強磁性体
膜のＭｎ原子と強磁性体膜の原子が多くなり、２０Ｏｅ
以上の交換結合磁界を得ることができるという効果を奏
する。

【００８３】また、請求項２に記載の交換結合膜は、請
求項１に記載の構成に加えて、上記反強磁性体膜をなす
ＭｎＰｔ合金のＰｔ組成が３２〜５０原子％である構成
である。

【００８４】これにより、現在実用に供されているＦｅ
Ｍｎ合金を用いた交換結合膜にて得られる交換結合磁界
よりも大きな交換結合磁界を得ることができるという効
果を奏する。

【００８５】また、請求項３に記載の交換結合膜の製造
方法は、ｆｃｃ構造をとる強磁性体膜を（１１１）配向
させて成膜すると共に、さらにこの上にＭｎＰｔ合金か
らなる反強磁性体膜を成膜し、その後、これら強磁性体
膜と反強磁性体膜との積層膜に対して、交換結合磁界を
高めるための熱処理を施す構成である。

【００８６】これにより、交換結合にかかる反強磁性体
膜のＭｎ原子と強磁性体膜の原子が多くなり、２０Ｏｅ
以上の交換結合磁界をもつ交換結合膜を得ることができ
るという効果を奏する。

【００８７】また、請求項４に記載の交換結合膜の製造
方法は、請求項３に記載の構成に加えて、ｆｃｃ構造を
とる強磁性体膜を（１１１）配向させて成膜する前に、
該強磁性体膜の（１１１）方向への配向性を高める下地
膜を形成しておき、該下地膜の上に上記強磁性体膜を形
成する構成である。

【００８８】これにより、ｆｃｃ構造を持つ強磁性体膜
の配向を（１１１）配向にそろえ、かつ、熱処理の際
に、強磁性体膜が形成される基板と該強磁性体膜との間
で起こる不要な反応を防止できるという効果を奏する。

【００８９】また、請求項５に記載の磁気抵抗効果素子
は、請求項１又は２に記載の交換結合膜或いは請求項３
又は４に記載の交換結合膜の製造方法によって製造され
た交換結合膜を備え、上記交換結合膜における強磁性体
膜に隣接して金属非磁性層が形成されると共に、上記金
属非磁性層に隣接して磁化の方向が自由に回転する第２
の強磁性体膜が形成されており、上記交換結合膜におけ
る強磁性体膜と上記第２の強磁性体膜との磁化の向きの
なす角度によって磁気抵抗効果を持つ構成である。

【００９０】これにより、製造工程における加熱や冷却
などの熱履歴によるダメージを受けることのない磁気抵
抗効果素子を得ることができるという効果を奏する。ま
た、この素子を磁気記録用再生システムに組み込んで使
用する際に、素子に印加される外乱磁場や気温等の環境
の変化に影響されることがない。従って、信頼性の高い
磁気抵抗効果素子を得ることができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の一形態の交換結合膜の膜構
造を示す構成図である。

【図２】（ａ)(ｃ）はサンプル＃１・＃２の交換結合膜
の磁化曲線を表す図であり、（ｂ)(ｄ）は比較サンプル
＃１・＃２の交換結合膜の磁化曲線を表す図である。

【図３】（ａ)(ｃ）はサンプル＃１・＃２の交換結合膜
のＸ線回折の結果を表す図であり、（ｂ)(ｄ）は、比較
サンプル＃１・＃２の交換結合膜のＸ線回折の結果を表
す図である。

【図４】膜厚２００Åの反強磁性体層を用いた交換結合
膜の交換結合磁界のＰｔ組成比依存性を表すグラフであ
る。

【図５】膜厚１０００Åの反強磁性体層を用いた交換結
合膜の交換結合磁界のＰｔ組成比依存性を表すグラフで
ある。

【図６】上記交換結合膜の交換結合磁界の、雰囲気温度
依存性を表すグラフである。

【図７】上記交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子の構
成図である。

【符号の説明】

１基板２下地層（下地膜）３強磁性体層（強磁性体膜）４反強磁性体層（反強磁性体膜）１１第２の強磁性体層（第２の強磁性体膜）１２金属非磁性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中林敬哉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 (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】強磁性体膜と、該強磁性体膜に隣接して形
成された反強磁性体膜とを備え、上記強磁性体膜と上記
反強磁性体膜との交換結合により、上記強磁性体膜の磁
化の方向が固定されている交換結合膜において、上記反強磁性体膜がＭｎＰｔ合金からなると共に、上記強磁性体膜がｆｃｃ構造で（１１１）配向してお
り、かつ、これら反強磁性体膜と強磁性体膜との積層膜に
は、交換結合磁界を高めるための熱処理が施されている
ことを特徴とする交換結合膜。
【請求項２】上記反強磁性体膜をなすＭｎＰｔ合金のＰ
ｔ組成が３２〜５０原子％であることを特徴とする請求
項１に記載の交換結合膜。
【請求項３】強磁性体膜と、該強磁性体膜に隣接して形
成された反強磁性体膜とを備え、上記強磁性体膜と上記
反強磁性体膜との交換結合により、上記強磁性体膜の磁
化の方向が固定されている交換結合膜の製造方法におい
て、ｆｃｃ構造をとる強磁性体膜を（１１１）配向させて成
膜すると共に、さらにこの上にＭｎＰｔ合金からなる反
強磁性体膜を成膜し、その後、これら強磁性体膜と反強
磁性体膜との積層膜に対して、交換結合磁界を高めるた
めの熱処理を施すことを特徴とする交換結合膜の製造方
法。
【請求項４】ｆｃｃ構造をとる強磁性体膜を（１１１）
配向させて成膜する前に、該強磁性体膜の（１１１）方
向への配向性を高める下地膜を形成しておき、該下地膜
の上に上記強磁性体膜を形成することを特徴とする請求
項３に記載の交換結合膜の製造方法。
【請求項５】請求項１又は２に記載の交換結合膜或いは
請求項３又は４に記載の交換結合膜の製造方法によって
製造された交換結合膜を備え、上記交換結合膜における強磁性体膜に隣接して金属非磁
性層が形成されると共に、上記金属非磁性層に隣接して
磁化の方向が自由に回転する第２の強磁性体膜が形成さ
れており、上記交換結合膜における強磁性体膜と上記第２の強磁性
体膜との磁化の向きのなす角度によって磁気抵抗効果を
持つことを特徴とする磁気抵抗効果素子。