JPH1079305A - Magnetic device - Google Patents

Magnetic device

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JPH1079305A
JPH1079305A JP8234046A JP23404696A JPH1079305A JP H1079305 A JPH1079305 A JP H1079305A JP 8234046 A JP8234046 A JP 8234046A JP 23404696 A JP23404696 A JP 23404696A JP H1079305 A JPH1079305 A JP H1079305A
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JP
Japan
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magnetic
layer
layers
film
alloy
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Application number
JP8234046A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Inomata
浩一郎 猪俣
Yoshiaki Saito
好昭 斉藤
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH1079305A publication Critical patent/JPH1079305A/en
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    • 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To lessen a magnetic device in magnetization curve hysteresis by a method wherein a spin state where magnetic layers arranged interposing a non-magnetic layer between them are anti-parallel to each other is formed without antiferromagnetic exchange coupling and magnetizing fixation. SOLUTION: A magnetic device is equipped with a laminated film provided with a magnetic layers 2 and 4 which are arranged sandwiching a non-magnetic layer 3,; which is made of an element selected from Si, GE, and SiGe alloy, between them and formed of one element selected out of Co, Ni, CoFe alloy, NiFe alloy, and CoNi alloy. An alloy layer 3a is formed on each of interfaces between the magnetic layers 2 and 4 and the non-magnetic layer 3 as an interface reaction layer, respectively. The magnetic layers 2 and 4 are uniaxially, magnetically anisotropic, and a dual second order magnetic coupling between the magnetic layers 2 and 4 through the intermediary of the non-magnetic layer 3 is predominant over all other magnetic couplings.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性層と非磁性層
との積層膜を有する磁気素子に関する。
The present invention relates to a magnetic element having a laminated film of a magnetic layer and a non-magnetic layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁性膜は一般に、高周波損失の小さいソ
フト磁心、磁気へッド、磁気センサ、磁気抵抗効果素子
等の種々の磁気素子に用いられている。これらの磁気素
子には外部磁界に対する感度ができるだけ大きいことが
要求されるが、それに加えて共通に要求されることは線
形応答性を有することである。この線形応答性を得る上
で、磁化曲線のヒステリシスはできるだけ小さいことが
望ましく、その対応策として、材料組成の検討や異なる
物質の積層化等、種々の対策がなされている。この様子
を磁気抵抗効果素子を例として、以下に説明する。
2. Description of the Related Art A magnetic film is generally used for various magnetic elements such as a soft magnetic core, a magnetic head, a magnetic sensor, and a magnetoresistive element having a small high-frequency loss. These magnetic elements are required to have as high a sensitivity to an external magnetic field as possible, but in addition to that, a common requirement is to have a linear response. In order to obtain this linear response, it is desirable that the hysteresis of the magnetization curve be as small as possible. As a countermeasure, various countermeasures such as examination of the material composition and lamination of different substances are taken. This situation will be described below using a magnetoresistive element as an example.

【0003】磁気抵抗効果(Magnetoresistance effect)
は、ある種の磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗
が変化する現象であり、磁界センサや磁気記録装置の再
生へッド等に利用されている。強磁性体を用いた磁気抵
抗効果素子(以下、MR素子と記す)は温度安定性に優
れ、使用温度範囲が広いという特徴を有している。MR
素子としては、従来、FeNi合金等のパーマロイ薄膜
が使用されてきたが、パーマロイ薄膜の磁気抵抗変化率
は 2〜3%程度と小さいため、これを用いた磁気へッドで
は十分な再生感度が得られないという問題がある。
[0003] Magnetoresistance effect
Is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a certain kind of magnetic material, and is used for a magnetic field sensor, a reproducing head of a magnetic recording device, and the like. A magnetoresistive effect element (hereinafter, referred to as an MR element) using a ferromagnetic material has excellent temperature stability and a wide operating temperature range. MR
Conventionally, a permalloy thin film such as an FeNi alloy has been used as an element.However, since the rate of change in magnetoresistance of the permalloy thin film is as small as about 2 to 3%, sufficient reproducing sensitivity can be obtained with a magnetic head using this. There is a problem that it cannot be obtained.

【0004】一方、近年、巨大磁気抵抗効果を示す材料
として、磁性金属層と非磁性金属層とを数nmの周期で交
互に積層し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モ
ーメントを反平行状態で磁気的に結合させた積層膜、い
わゆる人工格子膜が注目されている。例えば、Fe/C
rの人工格子膜(Phys. Rev. Lett.61, 2472(1988) 等参
照)や、Co/Cuの人工格子膜(J.Mag. Mag. Mater.
94, L1(1991)、Phys.Rev. Lett.66, 2152(1991)参照)
等が見出されている。このような人工格子膜は磁気抵抗
変化率が大きい反面、反強磁性的交換結合が大きいため
に飽和磁場が大きく、またヒステリシスも非常に大きい
という問題を有している。
On the other hand, in recent years, as a material exhibiting a giant magnetoresistance effect, a magnetic metal layer and a nonmagnetic metal layer are alternately laminated at a period of several nm, and the magnetic moment of the magnetic layer facing each other via the nonmagnetic layer is reduced. Attention has been paid to a laminated film magnetically coupled in an antiparallel state, that is, an artificial lattice film. For example, Fe / C
r artificial lattice film (see Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988), etc.) and Co / Cu artificial lattice film (J. Mag. Mag. Mater.
94, L1 (1991), Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991))
Are found. Although such an artificial lattice film has a large magnetoresistance change rate, it has a problem that a large anti-ferromagnetic exchange coupling causes a large saturation magnetic field and a very large hysteresis.

【0005】また、非磁性金属層を介して一対の磁性金
属層を積層した、磁性金属層/非磁性金属層/磁性金属
層構造のサンドイッチ膜において、磁性金属層間の交換
結合がなくなる程度に非磁性金属層の膜厚を厚くし、か
つ一方の磁性金属層に接して反強磁性層等を設け、交換
異方性により当該磁性層(磁化固着層)のスピンを固定
すると共に、他方の磁性層(磁化自由層)のスピンのみ
を外部磁場で容易にスイッチできるようにした、いわゆ
るスピンバルブ膜が知られている。この場合、一対の磁
性金属層間を交換結合していないために、小さな磁場で
スピンをスイッチすることができ、よって交換結合のあ
る人工格子膜に比べて感度の高い磁気抵抗効果素子が提
供できる。
In a sandwich film having a magnetic metal layer / non-magnetic metal layer / magnetic metal layer structure in which a pair of magnetic metal layers are stacked with a non-magnetic metal layer interposed therebetween, the non-magnetic metal layer has such a non-magnetic metal layer that the exchange coupling between the magnetic metal layers disappears. The thickness of the magnetic metal layer is increased, and an antiferromagnetic layer or the like is provided in contact with one of the magnetic metal layers to fix the spin of the magnetic layer (magnetized pinned layer) by exchange anisotropy and to fix the other magnetic layer. There is known a so-called spin valve film in which only the spin of a layer (magnetization free layer) can be easily switched by an external magnetic field. In this case, since the pair of magnetic metal layers is not exchange-coupled, the spin can be switched with a small magnetic field, so that a magnetoresistive element having higher sensitivity than an artificial lattice film having exchange coupling can be provided.

【0006】しかし、上述したスピンバルブ膜において
も一般にヒステリシスが存在するために、これを回避す
るために上記交換異方性に対して直角方向にセンス電流
を流し、磁化自由層のスピンを回転磁化過程により変化
させる、いわゆる直交バイアス方式が採用されている。
この回転磁化によって、ヒステリシスは著しく低下する
が、スピンバルブ膜は抵抗が小さく出力電圧が小さいた
めに、大きな出力電圧を得るためにはセンス電流を大き
くする必要があり、加えて直交磁化を得るために必要な
電流がさらに大きくなる。このため、直交バイアス方式
を採用した従来のスピンバルブ膜ではエレクトロマイグ
レーションが問題になっている。
However, since the above-mentioned spin valve film also generally has hysteresis, a sense current is applied in a direction perpendicular to the exchange anisotropy to avoid the hysteresis, and the spin of the magnetization free layer is rotated. A so-called quadrature bias method, which changes according to the process, is employed.
Hysteresis is remarkably reduced by this rotational magnetization, but since the spin valve film has a small resistance and a small output voltage, it is necessary to increase the sense current in order to obtain a large output voltage. The current required for this is further increased. For this reason, electromigration is a problem in a conventional spin valve film employing the orthogonal bias method.

【0007】巨大磁気抵抗効果素子としては他に、上述
したような多層膜に電流を膜面に垂直方向に流す、いわ
ゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、非常に大きな磁気
抵抗効果が得られることが知られている(Phys. Rev. Le
tt. 66, 3060(1991)参照)。さらに、 2つの磁性金属層
間に絶縁層を介在させ、スピンバルブ膜と同様に一方の
磁性金属層の磁化を固定したサンドイッチ膜において、
膜面垂直方向に電流を流して絶縁層のトンネル電流を利
用した磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性トンネル接合
素子が知られている。しかし、強磁性トンネル接合素子
においては、絶縁性の高い絶縁膜を磁性金属層間に形成
することが難しく、再現性のある強磁性トンネル接合素
子は得られていないのが現状である。
In addition to the giant magnetoresistive effect element, if a so-called perpendicular magnetoresistive effect, in which a current flows through a multilayer film in a direction perpendicular to the film surface, is used, an extremely large magnetoresistive effect can be obtained. Known (Phys. Rev. Le
tt. 66, 3060 (1991)). Further, in a sandwich film in which an insulating layer is interposed between two magnetic metal layers and the magnetization of one magnetic metal layer is fixed similarly to the spin valve film,
2. Description of the Related Art A magnetoresistance effect element using a tunnel current of an insulating layer by flowing a current in a direction perpendicular to a film surface, that is, a so-called ferromagnetic tunnel junction element is known. However, in a ferromagnetic tunnel junction device, it is difficult to form an insulating film having a high insulating property between magnetic metal layers, and at present, a reproducible ferromagnetic tunnel junction device has not been obtained.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、巨大
磁気抵抗効果素子では伝導電子のスピンに依存した散乱
により磁気抵抗効果を得ており、大きな磁気抵抗効果は
磁性層間のスピンが反平行状態から平行状態に変化する
際に得られる。そのため、何らかの手段によって反平行
スピン状態を形成する必要があり、従来の人工格子膜で
はこれを磁性層間の反強磁性的交換結合によって実現し
ており、またスピンバルブ膜や強磁性トンネル接合素子
では、一方の磁性層のスピンを固定すると共に他方の磁
性層のスピンを外部磁場で反転させることで実現してい
る。
As described above, in the giant magnetoresistance effect element, the magnetoresistance effect is obtained by the scattering of conduction electrons depending on the spin. The large magnetoresistance effect is that the spin between the magnetic layers is in an antiparallel state. Is obtained when the state changes from. Therefore, it is necessary to form an anti-parallel spin state by some means, and in the conventional artificial lattice film, this is realized by antiferromagnetic exchange coupling between magnetic layers, and in a spin valve film or a ferromagnetic tunnel junction device, This is realized by fixing the spin of one magnetic layer and inverting the spin of the other magnetic layer by an external magnetic field.

【0009】しかしながら、従来の人工格子膜では反強
磁性的交換結合が大きいために飽和磁場が大きく、また
ヒステリシスが非常に大きいという問題がある。また、
スピンバルブ膜においては、大きな出力電圧を得るため
のセンス電流に加えて、ヒステリシスを回避するための
直交バイアス方式によりさらに必要な電流が大きくなる
ため、エレクトロマイグレーションが問題になってい
る。さらに、強磁性トンネル接合素子においては、絶縁
性の高い絶縁膜を磁性金属層間に形成することが難し
く、再現性のある強磁性トンネル接合素子は得られてい
る。
However, the conventional artificial lattice film has problems that the saturation magnetic field is large and the hysteresis is very large due to the large antiferromagnetic exchange coupling. Also,
In the spin valve film, in addition to the sense current for obtaining a large output voltage, the required current is further increased by the orthogonal bias method for avoiding the hysteresis, so that electromigration is a problem. Furthermore, in a ferromagnetic tunnel junction device, it is difficult to form an insulating film having a high insulating property between magnetic metal layers, and a ferromagnetic tunnel junction device with reproducibility has been obtained.

【0010】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、非磁性層を介して配置した磁性層間
の互いに反平行なスピン状態を、反強磁性的交換結合や
磁化固着等によらずに新規な方法で作り出すことを可能
にした構造を提案するものであり、これにより磁化曲線
のヒステリシスが小さく、さらには飽和磁場、積層膜の
抵抗値や絶縁性等を改良した磁気素子を提供することを
目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to address such a problem, and is intended to reduce the antiparallel spin states between magnetic layers arranged via a nonmagnetic layer by means of antiferromagnetic exchange coupling, magnetization pinning, and the like. It proposes a structure that makes it possible to create a new method without depending on the magnetic element, thereby reducing the hysteresis of the magnetization curve, and further improving the saturation magnetic field, the resistance value of the laminated film, the insulation, etc. It is intended to provide.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の磁気素子は、請
求項1に記載したように、非磁性層を介して配置された
複数の磁性層を有する積層膜を具備する磁気素子であっ
て、前記磁性層はそれぞれ一軸磁気異方性を有し、かつ
前記非磁性層を介した前記磁性層間の磁気結合は双2次
の磁気結合が支配的であることを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic element including a laminated film having a plurality of magnetic layers disposed via a non-magnetic layer. Each of the magnetic layers has uniaxial magnetic anisotropy, and the magnetic coupling between the magnetic layers via the nonmagnetic layer is dominated by biquadratic magnetic coupling.

【0012】本発明の磁気素子は、具体的には請求項2
に記載したように、前記磁性層はCo、Ni、CoFe
合金、NiFe合金およびCoNi合金から選ばれる 1
種から主としてなり、前記非磁性層はSi、Geおよび
SiGe合金から選ばれる1種からなることを特徴とし
ており、さらには請求項3に記載したように、前記磁性
層と非磁性層との界面に、前記磁性層と前記非磁性層と
の反応層を有することを特徴としている。
The magnetic element of the present invention is specifically described in claim 2
As described in the above, the magnetic layer is made of Co, Ni, CoFe
Alloy, NiFe alloy and CoNi alloy 1
And the nonmagnetic layer is made of one selected from Si, Ge, and a SiGe alloy. Further, as described in claim 3, an interface between the magnetic layer and the nonmagnetic layer is formed. And a reaction layer between the magnetic layer and the non-magnetic layer.

【0013】すなわち、例えばCo、Ni、CoFe合
金、NiFe合金およびCoNi合金から選ばれる 1種
から主としてなる磁性層(以下、M層と記す)と、S
i、GeおよびSiGe合金から選ばれる 1種からなる
非磁性層(以下、SM層と記す)とを交互に積層するこ
とで、SΜ層を介して配置された少なくとも一対のM層
間に弱い双2次の磁気結合が働くことを見出した。
That is, for example, a magnetic layer (hereinafter, referred to as an M layer) mainly composed of one selected from Co, Ni, a CoFe alloy, a NiFe alloy, and a CoNi alloy;
By alternately laminating one kind of nonmagnetic layer (hereinafter, referred to as SM layer) selected from i, Ge, and SiGe alloy, a weak bilayer is formed between at least one pair of M layers disposed via the SΜ layer. The following magnetic coupling works.

【0014】上述した双2次の磁気結合による相互作用
は、従来の双1次の磁気結合による磁性層間のスピンの
反平行配列とは異なり、磁性層間のスピンを互いに90゜
に向かせる作用を有している。このように、非磁性層を
介した磁性層間の磁気結合が双2次の磁気結合が支配的
であると共に、これら磁性層がそれぞれ一軸磁気異方性
を有する場合に、磁性層間のスピンを互いに反平行に近
い状態とすることができ、かつ一軸磁気異方性に対して
直角の方向に外部磁場を加え、回転磁化過程により一対
の磁性層のスピンを平行磁化状態とすることによって、
ヒステリシスの小さい磁化曲線を得ることができる。
The above-described interaction due to the biquadratic magnetic coupling is different from the antiparallel arrangement of spins between the magnetic layers due to the conventional biprimary magnetic coupling. Have. As described above, when the magnetic coupling between the magnetic layers via the nonmagnetic layer is dominated by biquadratic magnetic coupling, and when these magnetic layers each have uniaxial magnetic anisotropy, the spins between the magnetic layers are mutually shifted. By applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy and making the spins of the pair of magnetic layers into a parallel magnetization state by a rotational magnetization process,
A magnetization curve with a small hysteresis can be obtained.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の磁気素子を実施す
るための形態について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment for implementing the magnetic element of the present invention will be described below.

【0016】図1は本発明の磁気素子の一実施形態の要
部を示す断面図である。同図において、1は基板であ
り、この基板1上には基板面に対して平行に第1の磁性
層2、非磁性層3および第2の磁性層4からなる積層膜
5が形成されている。この第1の磁性層2/非磁性層3
/第2の磁性層4からなるサンドイッチ構造の積層膜5
は、スピンバルブ膜、強磁性トンネル接合膜等の巨大磁
気抵抗効果を示す磁気抵抗効果膜として例えば使用され
るものである。
FIG. 1 is a sectional view showing a main part of an embodiment of the magnetic element of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a substrate, on which a laminated film 5 composed of a first magnetic layer 2, a non-magnetic layer 3, and a second magnetic layer 4 is formed in parallel with the substrate surface. I have. This first magnetic layer 2 / non-magnetic layer 3
/ Laminated film 5 of sandwich structure composed of second magnetic layer 4
Is used, for example, as a magnetoresistive film having a giant magnetoresistance effect, such as a spin valve film or a ferromagnetic tunnel junction film.

【0017】また、本発明における積層膜の構造は、図
1に示した一対の磁性層2、4間に非磁性層3を介在さ
せたサンドイッチ構造に限らず、図2に示すように、磁
性層6と非磁性層7とを交互に多数積層した多層積層膜
8であってもよい。この多層積層膜8は、人工格子膜、
垂直磁気抵抗効果膜等の巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵
抗効果膜として例えば使用されるものである。
The structure of the laminated film according to the present invention is not limited to the sandwich structure in which the nonmagnetic layer 3 is interposed between the pair of magnetic layers 2 and 4 shown in FIG. It may be a multilayer laminated film 8 in which a large number of layers 6 and nonmagnetic layers 7 are alternately laminated. This multilayer laminated film 8 includes an artificial lattice film,
It is used, for example, as a magnetoresistive film having a giant magnetoresistive effect such as a perpendicular magnetoresistive film.

【0018】これらサンドイッチ積層膜5や多層積層膜
8は、分子線エピタキシー法(ΜBE法)、各種スパッ
タ法、蒸着法等の通常の薄膜形成法を適用して作製する
ことができる。また、サンドイッチ積層膜5や多層積層
膜8にセンス電流を流す一対の電極を形成することによ
って、例えば磁気抵抗効果素子として利用される。
The sandwich laminated film 5 and the multilayer laminated film 8 can be manufactured by applying a normal thin film forming method such as a molecular beam epitaxy method (ΜBE method), various sputtering methods, and a vapor deposition method. Further, by forming a pair of electrodes for passing a sense current through the sandwich laminated film 5 and the multilayer laminated film 8, it is used as, for example, a magnetoresistive element.

【0019】上述したサンドイッチ積層膜5や多層積層
膜8における磁性層2、4、6は、それぞれ一軸磁気異
方性を有しており、さらに非磁性層3を介した第1の磁
性層2と第2の磁性層4との磁気結合、および非磁性層
7を介した隣接する磁性層6間の磁気結合は、双2次の
磁気結合が支配的とされている。この磁性層間の双2次
の磁気結合は、磁性層2、4、6および非磁性層3、7
の構成材料の選択、さらには非磁性層3、7の厚さ制御
等により実現することができる。
The magnetic layers 2, 4, and 6 in the sandwich laminated film 5 and the multilayer laminated film 8 each have uniaxial magnetic anisotropy, and the first magnetic layer 2 with the nonmagnetic layer 3 interposed therebetween. The magnetic coupling between the magnetic layer and the second magnetic layer 4 and the magnetic coupling between the adjacent magnetic layers 6 via the non-magnetic layer 7 are dominated by biquadratic magnetic coupling. The biquadratic magnetic coupling between the magnetic layers is caused by the magnetic layers 2, 4, 6 and the nonmagnetic layers 3, 7
And the thickness of the non-magnetic layers 3 and 7 can be controlled.

【0020】すなわち、磁性層間の磁気結合を双2次の
磁気結合が支配的な状態を実現する上で、磁性層2、
4、6にはCo、Ni、CoFe合金、NiFe合金お
よびCoNi合金から選ばれる 1種から主としてなる磁
性層(M層)を適用することが、また非磁性層3、7に
はSi、GeおよびSiGe合金から選ばれる 1種から
なる非磁性層(SM層)を適用することが好ましい。
That is, in realizing a state in which the bi-quadratic magnetic coupling predominates the magnetic coupling between the magnetic layers,
It is possible to apply a magnetic layer (M layer) mainly composed of one selected from Co, Ni, CoFe alloy, NiFe alloy and CoNi alloy to 4 and 6, and to apply Si, Ge and It is preferable to apply a non-magnetic layer (SM layer) made of one kind selected from SiGe alloys.

【0021】例えば、磁性層2、4、6にFe単独の磁
性層を適用すると、通常の双1次の磁気結合が支配的と
なる。特に、M層にCoやCo合金を用いることで、双
2次の磁気結合を大きくすることができる。また、非磁
性層3、7にCuやAu等の導電性金属材料を適用した
場合にも、通常の双1次の磁気結合が支配的となるのに
対し、上述したように非磁性層3、7にSi、Geおよ
びSiGe合金から選ばれる 1種の半導体(SM層)を
用いることで、双2次の磁気結合を実現することができ
る。
For example, when a magnetic layer made of Fe alone is applied to the magnetic layers 2, 4, and 6, ordinary bilinear magnetic coupling becomes dominant. In particular, by using Co or a Co alloy for the M layer, it is possible to increase the biquadratic magnetic coupling. Also, when a conductive metal material such as Cu or Au is applied to the nonmagnetic layers 3 and 7, ordinary bilinear magnetic coupling becomes dominant. By using one kind of semiconductor (SM layer) selected from Si, Ge, and SiGe alloy for.

【0022】また、上記したようなM層とSM層との界
面には、一般に図1および図2に示すように、M層とS
M層との界面反応層であるM層の構成元素とSM層の構
成元素との合金(SM−M合金)層3a、7aが形成さ
れる。このとき非磁性層3、7の設定膜厚に依存して、
界面がすべてSM−M合金層3a、7aになる場合もあ
るし、図1や図2に示すように一部SΜ層3b、7bが
残存する場合もある。このいずれの膜においても、非磁
性層3、7を介して磁性層(M層)間に弱い双2次の磁
気結合が働く。
The interface between the M layer and the SM layer as described above is generally located at the interface between the M layer and the S layer, as shown in FIGS.
Alloys (SM-M alloy) layers 3a and 7a of the constituent elements of the M layer and the constituent elements of the SM layer, which are reaction layers at the interface with the M layer, are formed. At this time, depending on the set film thickness of the nonmagnetic layers 3 and 7,
All interfaces may be SM-M alloy layers 3a and 7a, or some of the S3 layers 3b and 7b may remain as shown in FIG. 1 and FIG. In any of these films, weak biquadratic magnetic coupling acts between the magnetic layers (M layers) via the nonmagnetic layers 3 and 7.

【0023】ここで図3に、イオンビームスパッタ(加
速電圧 700V)を用いて熱酸化Si基板上に、非磁性層
としてのSi膜の膜厚を 1.2nmに固定し、磁性層として
のCo膜の膜厚tCo(nm)を変化させた、(tCoCo/1.
2nm Si)6 構造の多層積層膜を作製し、この多層積層
膜について試料振動型磁力計を用いて測定した結果を示
す。図3はCo単位体積当たりの飽和磁化σs (Co)をC
o膜厚の逆数の関数として示す図である。両者はよい直
線関係を示し、σs (Co)=σCo(1− 2△d/tCo)が成
り立つ。ここで、△dはCoとSiの界面合金層の厚さ
である。横軸との交点から 2△d= 1.1nmと求まる。こ
れから、Siは 1.2nmのうち 1.1nmはCoと合金層(S
M−M合金層)を形成し、残りの 0.1nmはSiとして残
留していることが分かる。このSiはアモルファスSi
である。種々のSM膜厚について同様の実験を行った結
果、SM膜厚が 0.8nm以上の場合に、SM−M合金層に
加えて、それを形成しないSM層が残留することが判明
した。
FIG. 3 shows that the thickness of the Si film as the nonmagnetic layer is fixed to 1.2 nm on the thermally oxidized Si substrate by ion beam sputtering (acceleration voltage 700 V), and the Co film as the magnetic layer is formed. The film thickness t Co (nm) was changed, (t Co Co / 1.
A multilayer laminated film having a 2 nm Si) 6 structure was prepared, and the results of measurement of the multilayer laminated film using a sample vibration type magnetometer are shown. FIG. 3 shows the saturation magnetization σ s (Co) per unit volume of Co as C
FIG. 4 is a diagram showing a function as a function of a reciprocal of a film thickness. Both show a good linear relationship, and σ s (Co) = σ Co (1-2 △ d / t Co ) holds. Here, Δd is the thickness of the interface alloy layer between Co and Si. From the intersection with the horizontal axis, 2 軸 d = 1.1 nm is obtained. From now on, 1.1 nm out of 1.2 nm is alloyed with Co and alloy layer (S
MM alloy layer), and the remaining 0.1 nm is found to remain as Si. This Si is amorphous Si
It is. As a result of conducting similar experiments for various SM film thicknesses, it was found that when the SM film thickness was 0.8 nm or more, in addition to the SM-M alloy layer, an SM layer not forming the SM layer remained.

【0024】また、双2次の磁気結合を得るために非磁
性層3、7の厚さは、SM−M合金層3a、7a単独、
およびSM−M合金層3a、7aとSΜ層3b、7bと
の合計膜厚のいずれにおいても、 0.5〜 3nmの範囲とす
ることが好ましい。非磁性層3、7の厚さが 0.5nm未満
では、強磁性的交換結合が生じてしまい、一方 3nmを超
えると交換磁気結合自体が低下してしまう。また、磁性
層(M層)2、4、6の厚さは 0.5〜10nmの範囲とする
ことが好ましい。
In order to obtain a bi-secondary magnetic coupling, the thicknesses of the nonmagnetic layers 3 and 7 are determined by using only the SM-M alloy layers 3a and 7a,
The total thickness of the SM-M alloy layers 3a and 7a and the total thickness of the SΜ layers 3b and 7b is preferably in the range of 0.5 to 3 nm. If the thickness of the nonmagnetic layers 3 and 7 is less than 0.5 nm, ferromagnetic exchange coupling occurs, while if it exceeds 3 nm, the exchange magnetic coupling itself is reduced. The thickness of the magnetic layers (M layers) 2, 4, and 6 is preferably in the range of 0.5 to 10 nm.

【0025】特に、非磁性層3、7の厚さは、図4に示
すように、後に詳述する残留磁化比Μr /Μs (Μs
飽和磁化、Μr は残留磁化)に影響し、残留磁化Μr
小さくすることが可能な範囲、すなわち磁化率が大きい
磁性材料、さらには高感度の磁気抵抗効果素子が得られ
る 1〜 2nmの範囲とすることが好ましい。なお、図4は
図3に測定結果を示した多層積層膜と同様にして、磁性
層としてのCo膜の膜厚を 3nmで固定し、非磁性層とし
てのSi膜の膜厚tSi(nm)を変化させた、(3nmCo/t
SiSi)10構造の多層積層膜の測定結果である。なお、
他のM膜およびSM膜についても同様な結果が得られ
た。
In particular, as shown in FIG. 4, the thicknesses of the nonmagnetic layers 3 and 7 affect the residual magnetization ratio Μ r / Μ ss is the saturation magnetization and Μ r is the residual magnetization), which will be described in detail later. and, a range capable of reducing the residual magnetization Micromax r, i.e. magnetic material susceptibility is large, and more preferably in the range of. 1 to 2 nm of the magnetoresistive element of high sensitivity can be obtained. FIG. 4 shows a case where the thickness of the Co film as the magnetic layer is fixed at 3 nm and the thickness t Si (nm) of the Si film as the nonmagnetic layer is the same as in the multilayer laminated film shown in FIG. ), (3 nm Co / t
It is a measurement result of the multilayer laminated film of Si Si) 10 structure. In addition,
Similar results were obtained for the other M films and SM films.

【0026】サンドイッチ積層膜5および多層積層膜8
における磁性層2、4、6は、上述したようにそれぞれ
一軸磁気異方性を有している。この一軸磁気異方性は、
磁場中成膜、磁場中熱処理、基板からの応力誘起、単結
晶基板によるエピタキシャル成長等により導入すること
ができる。この磁性層2、4、6の一軸磁気異方性は、
回転磁化過程で平行磁化状態に近い磁化曲線を得るため
に必要である。
The sandwich laminated film 5 and the multilayer laminated film 8
The magnetic layers 2, 4, and 6 have a uniaxial magnetic anisotropy as described above. This uniaxial magnetic anisotropy is
It can be introduced by film formation in a magnetic field, heat treatment in a magnetic field, induction of stress from a substrate, epitaxial growth on a single crystal substrate, or the like. The uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic layers 2, 4, and 6 is as follows.
It is necessary to obtain a magnetization curve close to the parallel magnetization state in the rotation magnetization process.

【0027】また、非磁性層3を介した第1の磁性層2
と第2の磁性層4間、および非磁性層7を介した隣接す
る磁性層6間は、双2次の磁気結合が支配的である。こ
の双2次の磁気結合による相互作用は、従来の双1次の
磁気結合による磁性層間のスピンの反平行配列とは異な
り、磁性層間のスピンを互いに90゜に向かせる作用を有
している。そして、このように磁性層2、4、6の一軸
磁気異方性と双2次の磁気結合との共存によって、磁性
層2、4間あるいは磁性層6間のスピンを互いに反平行
状態とすることができ、さらにはヒステリシスの小さい
磁化曲線を得ることが可能となる。
The first magnetic layer 2 via the non-magnetic layer 3
Bi-secondary magnetic coupling is dominant between the magnetic layer 6 and the second magnetic layer 4 and between the adjacent magnetic layers 6 via the non-magnetic layer 7. The interaction due to the bi-secondary magnetic coupling has an effect of causing the spins between the magnetic layers to be oriented at 90 ° to each other, unlike the conventional anti-parallel arrangement of spins between the magnetic layers due to the bi-primary magnetic coupling. . Then, by the coexistence of the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic layers 2, 4, and 6 and the biquadratic magnetic coupling, the spins between the magnetic layers 2, 4 or between the magnetic layers 6 are brought into an antiparallel state with each other. And a magnetization curve with small hysteresis can be obtained.

【0028】すなわち、磁性層2、4、6の一軸磁気異
方性と双2次の磁気結合との共存によって、第1の磁性
層2のスピン方向(図中矢印M1 )と第2の磁性層4の
スピン方向(図中矢印M2 )(あるいは隣接する磁性層
6間のスピン方向)は、図5(a)に示すように、外部
磁場零の状態で、互いに90゜〜 180°の間の角度を成
す。この際、一軸磁気異方性が大きいほど、角度は 180
°の反平行に近付く。なお、図5において矢印Xは、磁
性層2、4(6)の一軸磁気異方性の方向を示してい
る。
That is, by the coexistence of the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic layers 2, 4, and 6 and the biquadratic magnetic coupling, the spin direction of the first magnetic layer 2 (arrow M 1 in the figure) and the second As shown in FIG. 5A, the spin directions of the magnetic layers 4 (arrows M 2 in the figure) (or the spin directions between adjacent magnetic layers 6) are 90 ° to 180 ° with each other in a state of zero external magnetic field. Make an angle between At this time, the angle becomes 180 as the uniaxial magnetic anisotropy becomes larger.
° approaches anti-parallel. In FIG. 5, an arrow X indicates the direction of the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic layers 2 and 4 (6).

【0029】このように、双2次の磁気結合によってス
ピンの反平行状態を実現した磁性層2、4(あるいは隣
接する磁性層6)に、図5(b)に示すように、磁性層
2、4(6)の一軸磁気異方性Xに対して直角な方向に
外部磁場Hを加えると、回転磁化過程によりスピンが反
平行状態から平行状態に変化する。この際の磁化曲線の
代表例を図6に示す。
As shown in FIG. 5B, the magnetic layers 2 and 4 (or the adjacent magnetic layer 6) having realized the anti-parallel state of the spins by the biquadratic magnetic coupling as shown in FIG. When an external magnetic field H is applied in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy X, the spin changes from an antiparallel state to a parallel state due to the rotational magnetization process. FIG. 6 shows a typical example of the magnetization curve at this time.

【0030】図6の磁化曲線に示すように、太線部分に
ついてはスピンが反平行状態から平行状態に可逆的に変
化し、特に矢印Aで示す部分ではヒステリシスが極めて
小さいほぼ直線的な磁化曲線が得られる。これは一軸磁
気異方性に直角な方向に外部磁場を印加し、磁化過程を
回転磁化としているためである。これによって、例えば
磁気抵抗効果素子では磁気抵抗変化の良好な線形応答性
を得ることができる。また、スピンバルブ膜や強磁性ト
ンネル接合膜を有する磁気抵抗効果素子については、前
述したように電気抵抗の増大を図ることができる。さら
に、スピンバルブ膜を有する磁気抵抗効果素子に関して
は、バイアス電流によらずにスピンの反平行状態を実現
しているため、より一層センス電流の低減が図れる。よ
って、良好な線形応答性を得た上で、センス電流を大き
くすることなく出力電圧の増大を図ることができ、さら
にはエレクトロマイグレーション等の発生を回避するこ
とが可能となる。また、強磁性トンネル接合膜を有する
磁気抵抗効果素子に関しては、良好な線形応答性を得た
上で、非磁性層3による磁性層2、4間の絶縁を良好に
確保することができる。
As shown in the magnetization curve of FIG. 6, the spin reversibly changes from the antiparallel state to the parallel state in the thick line portion. In particular, in the portion indicated by arrow A, an almost linear magnetization curve with extremely small hysteresis is obtained. can get. This is because an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy, and the magnetization process is set to rotational magnetization. Thereby, for example, in a magnetoresistive effect element, a good linear response of a change in magnetoresistance can be obtained. Further, as for the magnetoresistive element having the spin valve film and the ferromagnetic tunnel junction film, the electric resistance can be increased as described above. Furthermore, as for the magnetoresistive element having the spin valve film, the anti-parallel state of spin is realized irrespective of the bias current, so that the sense current can be further reduced. Therefore, it is possible to increase the output voltage without increasing the sense current while obtaining a good linear response, and it is possible to avoid the occurrence of electromigration and the like. In addition, with respect to the magnetoresistive effect element having the ferromagnetic tunnel junction film, good linear response can be obtained, and the insulation between the magnetic layers 2 and 4 by the nonmagnetic layer 3 can be sufficiently ensured.

【0031】さらに、人工格子膜を有する磁気抵抗効果
素子については、磁性層6間のスピンの反平行状態を弱
い双2次の磁気結合により実現しているため、従来の反
強磁性的交換結合に比べて飽和磁場を小さくすることが
できると共に、ヒステリシスが小さい良好な線形応答性
を得ることができる。またさらに、膜面に対して垂直方
向に電流を流せば、磁気抵抗変化率および出力の大きい
線形応答可能な磁気抵抗効果素子を得ることができる。
Further, in the magnetoresistance effect element having the artificial lattice film, since the antiparallel state of spin between the magnetic layers 6 is realized by weak biquadratic magnetic coupling, the conventional antiferromagnetic exchange coupling is used. , The saturation magnetic field can be reduced, and good linear response with small hysteresis can be obtained. Further, when a current is applied in a direction perpendicular to the film surface, a magnetoresistive element capable of linear response with a high magnetoresistance change rate and output can be obtained.

【0032】ここで、磁性層の膜面内に一軸磁気異方性
Κu 、磁性層間に双2次の磁気結合J2 が存在する場
合、一軸磁気異方性に対して直角の方向に外部磁場を加
えたときの飽和磁場Hs と残留磁化比Μr /Μs (Μs
は飽和磁化、Μr は残留磁化)は次式で与えられる。な
お、tは磁性層の膜厚である。
Here, when the uniaxial magnetic anisotropy Κ u exists in the film plane of the magnetic layer and the biquadratic magnetic coupling J 2 exists between the magnetic layers, the external direction is perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy. When a magnetic field is applied, the saturation magnetic field H s and the residual magnetization ratio Μ r / Μ ss
Is the saturation magnetization, Μ r is the residual magnetization) is given by the following equation. Here, t is the thickness of the magnetic layer.

【0033】 Hs =Ha +4He …(1) Ha = 2Κu /Μs , He = 2J2 /Μs ・t …(2) Mr /Μs =( 1/2−Ha / 8He )1/2 …(3) 磁性層の一軸磁気異方性に対して直角な方向に外部磁場
を加えた場合、前述したように、磁化過程が回転磁化に
なるために、ヒステリシスの小さいほぼ直線的な磁化曲
線が得られる。この場合、残留磁化Μr および飽和磁場
s が小さいほど零磁場でスピンが反平行に近く、すな
わち図7に示すスピンの成す角度θを大きくすることが
でき、弱い磁場でスピンを揃えることができる。よっ
て、磁化率の大きい磁性材料、さらには高感度の磁気抵
抗効果素子を得ることができる。
[0033] H s = Ha + 4He ... ( 1) Ha = 2Κ u / Μ s, He = 2J 2 / Μ s · t ... (2) M r / Μ s = (1/2-Ha / 8He) 1 / 2 … (3) When an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic layer, as described above, the magnetization process becomes rotational magnetization, so that almost linear magnetization with small hysteresis is obtained. A curve is obtained. In this case, as the remanence Μ r and the saturation magnetic field H s are smaller, the spins are closer to antiparallel at zero magnetic field, that is, the angle θ formed by the spins shown in FIG. 7 can be increased, and the spins can be aligned with a weak magnetic field. it can. Therefore, a magnetic material having a high magnetic susceptibility and a highly sensitive magnetoresistive element can be obtained.

【0034】このためには上記した (1)〜 (3)式からH
a /He =4 に近く、かつHa が小さいことが望まし
い。すなわち、Κu (J2 /t)=4 に近く、Κu が小
さいことが望ましい。例えばHs = 100Oe とすると、
Ha =Ηs /2=50Oe となり、Κu =25Μs となる。こ
こで、Μs s=1000emu/cm3 とすると、Ku = 2.5×10
4 erg/cm3 となる。すなわちΚu が104 erg/cm3 のオー
ダのとき、飽和磁場が100Oe 程度と小さくなり、しか
もヒステリシスのない磁化曲線が期待される。従って、
一軸磁気異方性の値は少なくとも105 erg/cm3 以下の値
が望ましい。このような条件を満足させることにより、
ヒステリシスの極めて小さい磁化曲線や磁気抵抗効果曲
線を得た上で、飽和磁場の小さい線形的な磁化曲線が得
られる。なお、本発明の磁気素子は、前述した実施形態
で示した磁気抵抗効果素子に限らず、通常の薄膜磁気ヘ
ッド、磁界センサ、インダクタンス素子等に適用するこ
とも可能であり、これらの場合においてもヒステリシス
が極めて小さいほぼ直線的な磁化曲線は有効である。
For this purpose, from the above equations (1) to (3), H
It is desirable that a / He = 4 and Ha be small. That is, it is desirable that Κ u (J 2 / t) is close to 4 and Κ u is small. For example, the H s = 100 Oe,
Ha = Η s / 2 = 50Oe next, and Κ u = 25Μ s. Here, if the Μ s s = 1000emu / cm 3 , K u = 2.5 × 10
4 erg / cm 3 . That Κ when u is 10 4 erg / cm 3 of the order, the saturation magnetic field is reduced to about 100 Oe, yet no magnetization curve hysteresis can be expected. Therefore,
The value of the uniaxial magnetic anisotropy is desirably at least 10 5 erg / cm 3 or less. By satisfying these conditions,
After obtaining a magnetization curve and a magnetoresistance effect curve with extremely small hysteresis, a linear magnetization curve with a small saturation magnetic field can be obtained. Note that the magnetic element of the present invention is not limited to the magnetoresistance effect element described in the above-described embodiment, and can be applied to a normal thin-film magnetic head, a magnetic field sensor, an inductance element, and the like. An almost linear magnetization curve with extremely small hysteresis is effective.

【0035】[0035]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.

【0036】実施例1 イオンビームスパッタ(加速電圧 700V)を用いて、熱
酸化Si基板およびガラス基板上にそれぞれ、膜厚 3nm
のCo膜と膜厚 1.5nmのSi膜を交互に積層して、(3nm
Co/ 1.5nmSi)10構造の多層積層膜を作製した。熱
酸化Si基板上に作製した(3nmCo/ 1.5nmSi)10
の磁化曲線を図8に、またガラス基板上に作製した(3nm
Co/ 1.5nmSi)10膜の磁化曲線を図9に示す。図8
および図9は、それぞれ互いに直角方向に磁界を印加し
た場合の磁化曲線を示している。図8および図9から、
ガラス基板上の多層積層膜は等方的であるが、熱酸化S
i基板上の多層積層膜は異方的であり、一軸磁気異方性
u が存在していることが分かる。また、熱酸化Si基
板上の多層積層膜の独特なヒステリシスは、Co膜間に
双2次の交換結合J2 が働き、Co膜間のスピンを互い
に90゜に向けようとする力が働いているためである。す
なわち、J2 とΚu の共存のためである。図8のMr
Μs は 0.4であり、これはΚu /(J2 /tCo)= 2.7
に対応し、Co膜間のスピンの成す角度は約 140゜であ
る。一方、ガラス基板上の膜のMr /Μs は約 0.7であ
り、これはJ2 結合のみが存在するためにスピンが互い
に90゜に近い角度になる結果である。
Example 1 A 3 nm-thick film was formed on each of a thermally oxidized Si substrate and a glass substrate by ion beam sputtering (acceleration voltage: 700 V).
Co film and a 1.5 nm-thick Si film are alternately stacked, and (3 nm
(Co / 1.5 nm Si) A multilayer laminated film having a 10 structure was produced. FIG. 8 shows the magnetization curve of the (3 nm Co / 1.5 nm Si) 10 film formed on the thermally oxidized Si substrate, and the (3 nm Co / 1.5 nm Si) film formed on the glass substrate.
FIG. 9 shows the magnetization curve of the (Co / 1.5 nm Si) 10 film. FIG.
9 and FIG. 9 show magnetization curves when magnetic fields are applied in directions perpendicular to each other. From FIGS. 8 and 9,
The multilayer film on the glass substrate is isotropic,
i multilayer laminated film on the substrate is anisotropic, it can be seen that the uniaxial magnetic anisotropy K u is present. Also, the unique hysteresis of the multilayer film on the thermally oxidized Si substrate is due to the biquadratic exchange coupling J 2 acting between the Co films and the force acting to direct the spin between the Co films to 90 °. Because it is. That is because the coexistence of J 2 and kappa u. M r /
Μ s is 0.4, which is Κ u / (J 2 / t Co ) = 2.7
And the angle formed by the spins between the Co films is about 140 °. On the other hand, the M r / Μ s of the film on the glass substrate is about 0.7, which is a result of the fact that the spins are at angles close to 90 ° to each other due to the presence of only the J 2 bond.

【0037】図8(a)に示す磁化曲線で特徴的なこと
は、広い磁界範囲で磁化が可逆的に変化する(太線部
分)ことである。これは一軸磁気異方性に直角な方向に
磁界が印加されたためであり、磁化過程が回転磁化で起
っているためである。また飽和磁場が50Oe と小さいの
は、一軸磁気記方性および双2次の磁気結合が、Ku
1.4×104 erg/cm3 、J2 = 1.5×10-3erg/cm2 といず
れも小さいためである。このように、熱酸化Si基板上
に作製したCo/Si多層積層膜では、小さな一軸磁気
異方性と双2次の磁気結合が導入されるため、飽和磁場
が小さく、磁化が可逆的に変化する領域が広い磁化曲線
が得られる。また、膜面内に電流を流して電気抵抗を測
定したところ、室温でいずれも 500μΩ/cm以上と大き
かった。 実施例2 実施例1と同様にして、熱酸化Si基板上に 3nmCo/
1.5nmSi/ 8nmCo/ 1.5nmSiの 4層積層膜を作製
した。この膜の磁化曲線を測定したところ、一軸磁気異
方性が存在し、それに直角方向に磁場を印加した場合の
磁化曲線はほとんど直線的で、Μr /Μs は0.15であっ
た。これは零磁場で 2つのCo膜のスピンが互いにほと
んど反平行に向いていることを意味する。
The characteristic of the magnetization curve shown in FIG. 8A is that the magnetization changes reversibly in a wide magnetic field range (the thick line portion). This is because a magnetic field was applied in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy, and the magnetization process occurred due to rotational magnetization. Also saturating field is small and 50Oe are single magnetic recording isotropic and biquadratic magnetic coupling, K u =
This is because both are as small as 1.4 × 10 4 erg / cm 3 and J 2 = 1.5 × 10 −3 erg / cm 2 . As described above, in the Co / Si multilayer laminated film formed on the thermally oxidized Si substrate, the small uniaxial magnetic anisotropy and the biquadratic magnetic coupling are introduced, so that the saturation magnetic field is small and the magnetization changes reversibly. Thus, a magnetization curve having a wide area can be obtained. Further, when an electric current was passed through the film surface and the electric resistance was measured, the electric resistance was as large as 500 μΩ / cm or more at room temperature. Example 2 In the same manner as in Example 1, a 3 nm Co /
A four-layer laminated film of 1.5 nm Si / 8 nm Co / 1.5 nm Si was produced. When the magnetization curve of this film was measured, uniaxial magnetic anisotropy was present, and when a magnetic field was applied in a direction perpendicular thereto, the magnetization curve was almost linear, and Μ r / Μ s was 0.15. This means that the spins of the two Co films are almost antiparallel to each other at zero magnetic field.

【0038】この積層膜について膜面垂直方向に電流を
流し、磁場を膜面内でかつ一軸磁気異方性に対して直角
方向に印加して、直流4端子法を用いて磁気抵抗効果を
測定した。その結果、ほぼ直線的でヒステリシスのない
磁気抵抗効果曲線が得られ、磁気抵抗変化率は25% 、飽
和磁場は30Oe であった。また、抵抗は零磁場で50Ωと
非常に大きかった。これは界面に合金化していないアモ
ルファスSi層が残存しているためである。
A current is applied to the laminated film in a direction perpendicular to the film surface, a magnetic field is applied in the film surface and in a direction perpendicular to the uniaxial magnetic anisotropy, and the magnetoresistance effect is measured using a DC four-terminal method. did. As a result, a substantially linear magnetoresistance effect curve without hysteresis was obtained, the magnetoresistance ratio was 25%, and the saturation magnetic field was 30 Oe. The resistance was very large at 50 Ω at zero magnetic field. This is because a non-alloyed amorphous Si layer remains at the interface.

【0039】なお、上記実施例では非磁性層としてSi
を用いた場合について示したが、GeおよびSi−Ge
合金を用いた場合にも同様の結果が得られた。また、磁
性層としてNi、CoFe合金、NiFe合金を用いた
場合にも、同様の結果が得られた。さらに、磁場中成膜
して磁性層の膜面内に一軸磁気異方性を付与した場合に
も同様の結果が得られた。
In the above embodiment, the nonmagnetic layer is made of Si.
Is shown for the case where Ge is used, but Ge and Si-Ge
Similar results were obtained when an alloy was used. Similar results were obtained when Ni, CoFe alloy, or NiFe alloy was used as the magnetic layer. Further, similar results were obtained when the film was formed in a magnetic field to give uniaxial magnetic anisotropy in the film plane of the magnetic layer.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気素子
によれば、反強磁性的交換結合や磁化固着等によらずに
スピンの反平行状態を実現すると共に、ヒステリシスの
極めて小さい磁化曲線を得ることができる。従って、例
えば磁気抵抗効果素子において、飽和磁場、積層膜の抵
抗値や絶縁性等を改良すると共に、良好な線形応答性を
得ることが可能となる。
As described above, according to the magnetic element of the present invention, an antiparallel state of spins is realized without depending on antiferromagnetic exchange coupling, magnetization pinning, and the like, and a magnetization curve with extremely small hysteresis is obtained. Can be obtained. Therefore, for example, in a magnetoresistive element, it is possible to improve the saturation magnetic field, the resistance value of the laminated film, the insulating property, and the like, and to obtain a good linear response.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の磁気素子の一実施形態の要部構成を
示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of an embodiment of a magnetic element of the present invention.

【図2】 本発明の磁気素子の他の実施形態の要部構成
を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a main part configuration of another embodiment of the magnetic element of the present invention.

【図3】 (tCoCo/1.2nm Si)6 膜のCo単位体
積当たりの飽和磁化σs (Co)をCo膜厚の逆数の関数と
して示す図である。
FIG. 3 is a graph showing a saturation magnetization σ s (Co) per unit volume of Co of a (t Co Co / 1.2 nm Si) 6 film as a function of a reciprocal of a Co film thickness.

【図4】 (3nmCo/tSiSi)10膜のMr /Ms 比と
Si膜厚との関係を示す図である。
4 is a diagram showing the relationship between (3nmCo / t Si Si) 10 film M r / M s ratio and Si film thickness.

【図5】 本発明の磁気素子における磁性層のスピン状
態を模式的に示す図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a spin state of a magnetic layer in the magnetic element of the present invention.

【図6】 本発明の磁気素子の典型的な磁化曲線の例を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a typical magnetization curve of the magnetic element of the present invention.

【図7】 本発明の磁気素子における磁性層の一軸磁気
異方性およびスピン状態と外部磁場との関係を模式的に
示す図である。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the relationship between the uniaxial magnetic anisotropy and the spin state of a magnetic layer and an external magnetic field in the magnetic element of the present invention.

【図8】 本発明の一実施例において熱酸化Si基板上
に作製したCo/Si多層積層膜の磁化曲線を示す図で
ある。
FIG. 8 is a diagram showing a magnetization curve of a Co / Si multilayer laminated film formed on a thermally oxidized Si substrate in one example of the present invention.

【図9】 ガラス基板上に作製したCo/Si多層積層
膜の磁化曲線を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a magnetization curve of a Co / Si multilayer laminated film formed on a glass substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、4、6……磁性層 3、7……非磁性層 3a、7a……SM−M合金層 3b、7b……SM層 5……サンドイッチ積層膜 8……多層積層膜 2, 4, 6 ... magnetic layer 3, 7 ... non-magnetic layer 3a, 7a ... SM-M alloy layer 3b, 7b ... SM layer 5 ... sandwich laminated film 8 ... multilayer laminated film

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非磁性層を介して配置された複数の磁性
層を有する積層膜を具備する磁気素子であって、 前記磁性層はそれぞれ一軸磁気異方性を有し、かつ前記
非磁性層を介した前記磁性層間の磁気結合は双2次の磁
気結合が支配的であることを特徴とする磁気素子。
1. A magnetic element comprising a laminated film having a plurality of magnetic layers arranged via a non-magnetic layer, wherein the magnetic layers each have uniaxial magnetic anisotropy, and the non-magnetic layer The magnetic coupling between the magnetic layers via the magnetic layer is dominated by biquadratic magnetic coupling.
【請求項2】 請求項1記載の磁気素子において、 前記磁性層はCo、Ni、CoFe合金、NiFe合金
およびCoNi合金から選ばれる 1種から主としてな
り、前記非磁性層はSi、GeおよびSiGe合金から
選ばれる 1種からなることを特徴とする磁気素子。
2. The magnetic element according to claim 1, wherein the magnetic layer is mainly made of one selected from Co, Ni, a CoFe alloy, a NiFe alloy, and a CoNi alloy, and the nonmagnetic layer is a Si, Ge, and SiGe alloy. A magnetic element comprising one kind selected from the group consisting of:
【請求項3】 請求項2記載の磁気素子において、 前記磁性層と非磁性層との界面に、前記磁性層と非磁性
層との反応層を有することを特徴とする磁気素子。
3. The magnetic element according to claim 2, further comprising: a reaction layer between the magnetic layer and the non-magnetic layer at an interface between the magnetic layer and the non-magnetic layer.
【請求項4】 請求項1記載の磁気素子において、 前記磁性層と非磁性層とを有する積層膜は、巨大磁気抵
抗効果を示す磁気抵抗効果膜であることを特徴とする磁
気素子。
4. The magnetic element according to claim 1, wherein the laminated film including the magnetic layer and the nonmagnetic layer is a magnetoresistive film exhibiting a giant magnetoresistance effect.
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