JPH11161919A - 磁気トンネル接合素子及び読取りセンサ - Google Patents
磁気トンネル接合素子及び読取りセンサInfo
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- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
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- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
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- H01F10/3295—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetic pinned or free layers are laminated without anti-parallel coupling within the pinned and free layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 ＭＴＪ素子の形成を多大に複雑化すること無
く、単一の素子内の強磁性層間のまたはＭＴＪ素子間の
静磁気相互作用を制御可能に低減するように、強磁性層
のネットの磁気モーメントが低減されるＭＴＪ素子を提
供すること。 【解決手段】 磁気記録読取りヘッドまたは磁気メモリ
記憶セル内で有用な改善された磁気トンネル接合（ＭＴ
Ｊ素子）が、２つの強磁性層、すなわち"ハード"また
は"固定"強磁性層１１８及び検出または"自由"強磁性層
１３２から成り、これらが薄い絶縁トンネル層１２０に
より分離される。強磁性層の各々は、薄い反強磁性結合
膜１１６を跨いで互いに反強磁性に結合される、２つの
より薄い強磁性膜から形成される多重層である。反強磁
性結合膜はその材料組成及び厚さに関し、外部磁場が無
いとき自身を挟む２つの強磁性膜の磁気モーメント１３
３が、互いに逆平行に整列されるように選択される。
く、単一の素子内の強磁性層間のまたはＭＴＪ素子間の
静磁気相互作用を制御可能に低減するように、強磁性層
のネットの磁気モーメントが低減されるＭＴＪ素子を提
供すること。 【解決手段】 磁気記録読取りヘッドまたは磁気メモリ
記憶セル内で有用な改善された磁気トンネル接合（ＭＴ
Ｊ素子）が、２つの強磁性層、すなわち"ハード"また
は"固定"強磁性層１１８及び検出または"自由"強磁性層
１３２から成り、これらが薄い絶縁トンネル層１２０に
より分離される。強磁性層の各々は、薄い反強磁性結合
膜１１６を跨いで互いに反強磁性に結合される、２つの
より薄い強磁性膜から形成される多重層である。反強磁
性結合膜はその材料組成及び厚さに関し、外部磁場が無
いとき自身を挟む２つの強磁性膜の磁気モーメント１３
３が、互いに逆平行に整列されるように選択される。
Description
【０００１】
【関連出願】本願は、１９９６年３月１８日出願の米国
特許出願第６１８３００号（現米国特許第５６５０９５
８号、対応日本国特許出願は特願平９−５８７７７号）
の継続出願である、１９９７年７月１６日出願の米国特
許出願第８９５１１８号に関連する。
特許出願第６１８３００号（現米国特許第５６５０９５
８号、対応日本国特許出願は特願平９−５８７７７号）
の継続出願である、１９９７年７月１６日出願の米国特
許出願第８９５１１８号に関連する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に磁気トンネル
接合（ＭＪＴ）素子に関して、特に、磁気的に記録され
たデータを読出す磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドとして有用
な、または磁気不揮発性メモリ素子内の磁気記憶セルと
して有用なＭＴＪ素子に関する。より詳細には、本発明
は改善された強磁性層を有するＭＴＪ素子に関する。
接合（ＭＪＴ）素子に関して、特に、磁気的に記録され
たデータを読出す磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドとして有用
な、または磁気不揮発性メモリ素子内の磁気記憶セルと
して有用なＭＴＪ素子に関する。より詳細には、本発明
は改善された強磁性層を有するＭＴＪ素子に関する。
【０００３】
【従来の技術】ＭＴＪ素子は薄い絶縁トンネル障壁層に
より分離される２つの強磁性層から成り、スピン分極電
子トンネル現象にもとづく。強磁性層の１つは印加磁場
の１方向に高い飽和磁場を有し、これは通常、他の強磁
性層よりも高い保磁性による。絶縁トンネル障壁層は十
分に薄いので、量子力学的トンネリング（quantum mech
anical tunneling）が強磁性層間に発生する。トンネル
現象は電子スピン依存型であり、ＭＴＪの磁気応答を２
つの強磁性層の相対方位及びスピン分極の関数とする。
より分離される２つの強磁性層から成り、スピン分極電
子トンネル現象にもとづく。強磁性層の１つは印加磁場
の１方向に高い飽和磁場を有し、これは通常、他の強磁
性層よりも高い保磁性による。絶縁トンネル障壁層は十
分に薄いので、量子力学的トンネリング（quantum mech
anical tunneling）が強磁性層間に発生する。トンネル
現象は電子スピン依存型であり、ＭＴＪの磁気応答を２
つの強磁性層の相対方位及びスピン分極の関数とする。
【０００４】ＭＴＪ素子は基本的に、固体状態メモリの
ためのメモリ・セルとして提案された。ＭＴＪメモリ・
セルの状態は検出電流がＭＴＪを通じて、一方の強磁性
層から他方の強磁性層に垂直に流れるときの、ＭＴＪの
抵抗を測定することにより決定される。電荷キャリアが
絶縁トンネル障壁層を横断するトンネリングの確率は、
２つの強磁性層の磁気モーメント（磁化方向）の相対ア
ライメントに依存する。トンネル電流はスピン分極さ
れ、このことは一方の強磁性層、例えばその磁気モーメ
ントが固定のまたは回転を阻止される層から流れる電流
が、もっぱら１スピン・タイプの電子から成ることを意
味する（すなわち、強磁性層の磁気モーメントに依存し
て、スピン・アップまたはスピン・ダウン）。トンネル
電流のスピン分極の度合いは、強磁性層とトンネル障壁
層との界面における強磁性層を含む磁性材料の電子帯構
造により決定される。従って、第１の強磁性層はスピン
・フィルタとして作用する。電苛キャリアのトンネリン
グの確率は、第２の強磁性層内の電流のスピン分極と同
一のスピン分極の電子状態の可用性に依存する。通常、
第２の強磁性層の磁気モーメントが第１の強磁性層の磁
気モーメントに平行の場合、第２の強磁性層の磁気モー
メントが第１の強磁性層のそれに逆平行の場合よりもよ
り多くの有効な電子状態が存在する。従って、電苛キャ
リアのトンネリング確率は両方の層の磁気モーメントが
平行の時に最も高く、それらの磁気モーメントが逆平行
の時に最も低い。磁気モーメントが平行でも逆平行でも
ない場合には、トンネリング確率は中間の値を取る。従
って、ＭＴＪメモリ・セルの電気抵抗は、両方の強磁性
層内の電流のスピン分極及び電子状態に依存する。結果
として、強磁性層の一意的に固定されない２つの可能な
磁化方向が、メモリ・セルの２つの可能なビット状態
（０または１）を定義する。ＭＴＪメモリ・セルの可能
性はしばらくの間知られてきたが、真剣な関心は、実際
的な構造内で及び非低温において予測される大きさの応
答を達成する困難のために立ち遅れた。
ためのメモリ・セルとして提案された。ＭＴＪメモリ・
セルの状態は検出電流がＭＴＪを通じて、一方の強磁性
層から他方の強磁性層に垂直に流れるときの、ＭＴＪの
抵抗を測定することにより決定される。電荷キャリアが
絶縁トンネル障壁層を横断するトンネリングの確率は、
２つの強磁性層の磁気モーメント（磁化方向）の相対ア
ライメントに依存する。トンネル電流はスピン分極さ
れ、このことは一方の強磁性層、例えばその磁気モーメ
ントが固定のまたは回転を阻止される層から流れる電流
が、もっぱら１スピン・タイプの電子から成ることを意
味する（すなわち、強磁性層の磁気モーメントに依存し
て、スピン・アップまたはスピン・ダウン）。トンネル
電流のスピン分極の度合いは、強磁性層とトンネル障壁
層との界面における強磁性層を含む磁性材料の電子帯構
造により決定される。従って、第１の強磁性層はスピン
・フィルタとして作用する。電苛キャリアのトンネリン
グの確率は、第２の強磁性層内の電流のスピン分極と同
一のスピン分極の電子状態の可用性に依存する。通常、
第２の強磁性層の磁気モーメントが第１の強磁性層の磁
気モーメントに平行の場合、第２の強磁性層の磁気モー
メントが第１の強磁性層のそれに逆平行の場合よりもよ
り多くの有効な電子状態が存在する。従って、電苛キャ
リアのトンネリング確率は両方の層の磁気モーメントが
平行の時に最も高く、それらの磁気モーメントが逆平行
の時に最も低い。磁気モーメントが平行でも逆平行でも
ない場合には、トンネリング確率は中間の値を取る。従
って、ＭＴＪメモリ・セルの電気抵抗は、両方の強磁性
層内の電流のスピン分極及び電子状態に依存する。結果
として、強磁性層の一意的に固定されない２つの可能な
磁化方向が、メモリ・セルの２つの可能なビット状態
（０または１）を定義する。ＭＴＪメモリ・セルの可能
性はしばらくの間知られてきたが、真剣な関心は、実際
的な構造内で及び非低温において予測される大きさの応
答を達成する困難のために立ち遅れた。
【０００５】磁気抵抗（ＭＲ）センサは、磁性材料から
形成される読取り素子の抵抗変化を通じて磁場信号を検
出する。この抵抗変化は、読取り素子により検出される
磁束の強度及び方向の関数である。磁気記録ディスク・
ドライブ内のデータを読取るための従来のＭＲセンサ
は、バルク磁性材料（通常、パーマロイ（Ｎｉ81Ｆ
ｅ19））の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果にもとづき動
作する。読取り素子抵抗の成分は、読取り素子内の磁化
方向と読取り素子を流れる検出電流の方向との間の角度
の余弦の平方として変化する。記録データは、例えばデ
ィスク・ドライブ内のディスクなどの磁性媒体から読取
られる。なぜなら、記録磁気媒体からの外部磁場（信号
磁場）が読取り素子内の磁化方向の変化を生じ、これが
読取り素子の抵抗の変化及び検出電流または電圧の対応
する変化を生じるからである。
形成される読取り素子の抵抗変化を通じて磁場信号を検
出する。この抵抗変化は、読取り素子により検出される
磁束の強度及び方向の関数である。磁気記録ディスク・
ドライブ内のデータを読取るための従来のＭＲセンサ
は、バルク磁性材料（通常、パーマロイ（Ｎｉ81Ｆ
ｅ19））の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果にもとづき動
作する。読取り素子抵抗の成分は、読取り素子内の磁化
方向と読取り素子を流れる検出電流の方向との間の角度
の余弦の平方として変化する。記録データは、例えばデ
ィスク・ドライブ内のディスクなどの磁性媒体から読取
られる。なぜなら、記録磁気媒体からの外部磁場（信号
磁場）が読取り素子内の磁化方向の変化を生じ、これが
読取り素子の抵抗の変化及び検出電流または電圧の対応
する変化を生じるからである。
【０００６】メモリ・アプリケーションのためのＭＴＪ
素子の利用が、米国特許第５６４０３４３号及びＩＢＭ
の米国特許第５６５０９５８号で提案されている。ま
た、ＭＲ読取りヘッドとしてのＭＴＪ素子の利用が、米
国特許第５３９００６１号で提案されている。こうした
ＭＴＪ素子に関する問題の１つは、強磁性層の磁化が磁
気双極場を生成することである。これは特定の素子内の
強磁性層間の静磁気相互作用を招き、またこうしたＭＴ
Ｊ素子のアレイ、例えば不揮発性磁気メモリ・アレイと
して提案されるＭＴＪメモリ・セルのアレイ内のＭＴＪ
素子間の静磁気相互作用を招く。静磁気相互作用は、Ｍ
ＴＪ素子の断面積が減少するほど益々重要となる。メモ
リ・アプリケーションでは、隣接ＭＴＪメモリ・セル間
の静磁気相互作用は個々のＭＴＪメモリ素子の特性が、
隣接ＭＴＪメモリ素子の状態により影響されることを意
味する。このことはアレイ内のＭＴＪ素子の記憶密度を
制限する。なぜなら、隣接ＭＴＪメモリ素子がそれ以外
の場合に要求されるよりも、離れて配置されなければな
らないからである。ＭＲ読取りヘッド・アプリケーショ
ンでは、ＭＴＪ素子内の強磁性層間の静磁気相互作用は
素子性能を制限する。更に、最適性能を得るために磁気
記録システムのデータ記憶容量が増加されるに従い、Ｍ
Ｒ読取りヘッド内の磁束検出層の磁化が次第に低減され
なければならない。
素子の利用が、米国特許第５６４０３４３号及びＩＢＭ
の米国特許第５６５０９５８号で提案されている。ま
た、ＭＲ読取りヘッドとしてのＭＴＪ素子の利用が、米
国特許第５３９００６１号で提案されている。こうした
ＭＴＪ素子に関する問題の１つは、強磁性層の磁化が磁
気双極場を生成することである。これは特定の素子内の
強磁性層間の静磁気相互作用を招き、またこうしたＭＴ
Ｊ素子のアレイ、例えば不揮発性磁気メモリ・アレイと
して提案されるＭＴＪメモリ・セルのアレイ内のＭＴＪ
素子間の静磁気相互作用を招く。静磁気相互作用は、Ｍ
ＴＪ素子の断面積が減少するほど益々重要となる。メモ
リ・アプリケーションでは、隣接ＭＴＪメモリ・セル間
の静磁気相互作用は個々のＭＴＪメモリ素子の特性が、
隣接ＭＴＪメモリ素子の状態により影響されることを意
味する。このことはアレイ内のＭＴＪ素子の記憶密度を
制限する。なぜなら、隣接ＭＴＪメモリ素子がそれ以外
の場合に要求されるよりも、離れて配置されなければな
らないからである。ＭＲ読取りヘッド・アプリケーショ
ンでは、ＭＴＪ素子内の強磁性層間の静磁気相互作用は
素子性能を制限する。更に、最適性能を得るために磁気
記録システムのデータ記憶容量が増加されるに従い、Ｍ
Ｒ読取りヘッド内の磁束検出層の磁化が次第に低減され
なければならない。
【０００７】米国特許第５４４７４８２号及び同第５５
４１８６８号では、ＧＭＲ素子の磁気メモリ・アレイ内
の素子間の静磁気相互作用を低減するために、中空円筒
形状または中空ワッシャ形状の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）
素子が使用される。この方法はＭＲ読取りヘッド・アプ
リケーションでは有用でない。その上、この方法は個々
の磁気素子の形成をかなり複雑にする。更に、これらの
素子は大きいことが必要である。なぜなら、中空の内部
を有する素子を形成するために、素子が幾つかの最小面
積のリソグラフィ正方形を含むからである。従って、こ
れらの素子は高密度メモリ・アプリケーションには適切
でない。
４１８６８号では、ＧＭＲ素子の磁気メモリ・アレイ内
の素子間の静磁気相互作用を低減するために、中空円筒
形状または中空ワッシャ形状の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）
素子が使用される。この方法はＭＲ読取りヘッド・アプ
リケーションでは有用でない。その上、この方法は個々
の磁気素子の形成をかなり複雑にする。更に、これらの
素子は大きいことが必要である。なぜなら、中空の内部
を有する素子を形成するために、素子が幾つかの最小面
積のリソグラフィ正方形を含むからである。従って、こ
れらの素子は高密度メモリ・アプリケーションには適切
でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、ＭＴＪ素子の
形成を多大に複雑化すること無く（ＭＲ読取りヘッド・
アプリケーション用の）単一の素子内の強磁性層間の、
または（メモリ・アプリケーション用の）ＭＴＪ素子間
の静磁気相互作用を制御可能に低減するように、強磁性
層のネットの磁気モーメントが低減されるＭＴＪ素子が
必要とされる。本発明の目的は、かかるＭＴＪ素子及び
読取りセンサを提供することにある。
形成を多大に複雑化すること無く（ＭＲ読取りヘッド・
アプリケーション用の）単一の素子内の強磁性層間の、
または（メモリ・アプリケーション用の）ＭＴＪ素子間
の静磁気相互作用を制御可能に低減するように、強磁性
層のネットの磁気モーメントが低減されるＭＴＪ素子が
必要とされる。本発明の目的は、かかるＭＴＪ素子及び
読取りセンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は特に、磁気記録
システム内の磁気記録読取りヘッド内で、または磁気不
揮発性メモリ内の磁気メモリ記憶セル内で有用な改善さ
れたＭＴＪ素子である。ＭＴＪ素子が本質的に２つの強
磁性層、すなわち"ハード（hard）"強磁性層または"固
定（fixed）"強磁性層及び検出強磁性層または"自由（f
ree）"強磁性層から成り、これらが薄い絶縁トンネル層
により分離される。改善されたＭＴＪ素子は積層化され
る強磁性層を用いて獲得され、固定強磁性層及び自由強
磁性層の各々が、薄い非強磁性スペーサ層を跨いで互い
に反強磁性に結合される、少なくとも２つのより薄い強
磁性サブ層から形成される。スペーサ層または反強磁性
結合層はその材料組成及び厚さに関して、外部磁場が無
いときスペーサ層を挟む２つの強磁性サブ層の磁気モー
メントが、互いに逆平行に整列されるように選択され
る。固定強磁性層及び自由強磁性層の磁気モーメント
は、それらの各々を構成する２つの強磁性サブ層に、実
質的に同一の磁気モーメントを所持させることにより任
意に小さく選択され得る。従って、ＭＴＪ素子内の固定
強磁性層及び自由強磁性層の各々からの双極場が最小化
され、それにより固定強磁性層と自由強磁性層の間の磁
気相互作用が低減される。磁気記録読取りヘッド・アプ
リケーションではＭＴＪ素子の磁場に対する感度が改善
される。更に、固定強磁性層が磁場変位及び温度変位の
両方を含む外部摂動に対してより安定である。更に改善
されたＭＴＪ素子は、高い面密度の記憶磁気ビットを有
する磁気記録システムを可能にする。磁気メモリ・アプ
リケーションでは、改善された隣接ＭＴＪメモリ素子間
の磁気相互作用が低減され、それによりこれらの素子の
より大きな記憶密度を可能にし、従ってメモリ容量を増
大させる。
システム内の磁気記録読取りヘッド内で、または磁気不
揮発性メモリ内の磁気メモリ記憶セル内で有用な改善さ
れたＭＴＪ素子である。ＭＴＪ素子が本質的に２つの強
磁性層、すなわち"ハード（hard）"強磁性層または"固
定（fixed）"強磁性層及び検出強磁性層または"自由（f
ree）"強磁性層から成り、これらが薄い絶縁トンネル層
により分離される。改善されたＭＴＪ素子は積層化され
る強磁性層を用いて獲得され、固定強磁性層及び自由強
磁性層の各々が、薄い非強磁性スペーサ層を跨いで互い
に反強磁性に結合される、少なくとも２つのより薄い強
磁性サブ層から形成される。スペーサ層または反強磁性
結合層はその材料組成及び厚さに関して、外部磁場が無
いときスペーサ層を挟む２つの強磁性サブ層の磁気モー
メントが、互いに逆平行に整列されるように選択され
る。固定強磁性層及び自由強磁性層の磁気モーメント
は、それらの各々を構成する２つの強磁性サブ層に、実
質的に同一の磁気モーメントを所持させることにより任
意に小さく選択され得る。従って、ＭＴＪ素子内の固定
強磁性層及び自由強磁性層の各々からの双極場が最小化
され、それにより固定強磁性層と自由強磁性層の間の磁
気相互作用が低減される。磁気記録読取りヘッド・アプ
リケーションではＭＴＪ素子の磁場に対する感度が改善
される。更に、固定強磁性層が磁場変位及び温度変位の
両方を含む外部摂動に対してより安定である。更に改善
されたＭＴＪ素子は、高い面密度の記憶磁気ビットを有
する磁気記録システムを可能にする。磁気メモリ・アプ
リケーションでは、改善された隣接ＭＴＪメモリ素子間
の磁気相互作用が低減され、それによりこれらの素子の
より大きな記憶密度を可能にし、従ってメモリ容量を増
大させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】従来技術：本発明のＭＴＪ素子は
以下では、磁気記録ディスク・ドライブのＭＲセンサと
して実現されるように述べられるが、本発明はメモリ・
セルなどのＭＴＪアプリケーション及び磁気テープ記録
システムなどの他の磁気記録システムにも適用可能であ
る。
以下では、磁気記録ディスク・ドライブのＭＲセンサと
して実現されるように述べられるが、本発明はメモリ・
セルなどのＭＴＪアプリケーション及び磁気テープ記録
システムなどの他の磁気記録システムにも適用可能であ
る。
【００１１】図１を参照すると、ＭＲセンサを用いるタ
イプの従来のディスク・ドライブの概要の断面図が示さ
れる。ディスク・ドライブは、ディスク駆動モータ１２
及びアクチュエータ１４が固定されるベース１０及びカ
バー１１を含む。ベース１０及びカバー１１は、ディス
ク・ドライブのための実質的に封止されたハウジングを
提供する。通常、ベース１０とカバー１１との間に配置
されるガスケット１３及びディスク・ドライブの内部と
外部環境との間で圧力を等しくするための小さなブリー
ザ・ポート（breather port）（図示せず）が存在す
る。磁気記録ディスク１６はハブ１８により駆動モータ
１２に結合され、ハブが駆動モータ１２により回転され
る。薄い潤滑膜５０がディスク１６の表面上に保持され
る。読取り／書込みヘッドまたはトランスジューサ２５
が、エア・ベアリング・スライダ２０などのキャリアの
末端部に形成される。トランスジューサ２５は図３に関
連して述べられるように、誘導書込みヘッド部分とＭＲ
読取りヘッド部分とを含む読取り／書込みヘッドであ
る。スライダ２０は剛性アーム２２及びサスペンション
２４によりアクチュエータ１４に接続される。サスペン
ション２４はスライダ２０を記録ディスク１６の表面に
押し当てるバイアス力を提供する。ディスク・ドライブ
の動作中、駆動モータ１２が記録ディスク１６を一定速
度で回転し、アクチュエータすなわち通常、リニアまた
はロータリ・ボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）がスラ
イダ２０を一般に、記録ディスク１６の表面を横断して
半径方向に移動する。それにより、読取り／書込みヘッ
ド２５が記録ディスク１６上の異なるデータ・トラック
をアクセスし得る。
イプの従来のディスク・ドライブの概要の断面図が示さ
れる。ディスク・ドライブは、ディスク駆動モータ１２
及びアクチュエータ１４が固定されるベース１０及びカ
バー１１を含む。ベース１０及びカバー１１は、ディス
ク・ドライブのための実質的に封止されたハウジングを
提供する。通常、ベース１０とカバー１１との間に配置
されるガスケット１３及びディスク・ドライブの内部と
外部環境との間で圧力を等しくするための小さなブリー
ザ・ポート（breather port）（図示せず）が存在す
る。磁気記録ディスク１６はハブ１８により駆動モータ
１２に結合され、ハブが駆動モータ１２により回転され
る。薄い潤滑膜５０がディスク１６の表面上に保持され
る。読取り／書込みヘッドまたはトランスジューサ２５
が、エア・ベアリング・スライダ２０などのキャリアの
末端部に形成される。トランスジューサ２５は図３に関
連して述べられるように、誘導書込みヘッド部分とＭＲ
読取りヘッド部分とを含む読取り／書込みヘッドであ
る。スライダ２０は剛性アーム２２及びサスペンション
２４によりアクチュエータ１４に接続される。サスペン
ション２４はスライダ２０を記録ディスク１６の表面に
押し当てるバイアス力を提供する。ディスク・ドライブ
の動作中、駆動モータ１２が記録ディスク１６を一定速
度で回転し、アクチュエータすなわち通常、リニアまた
はロータリ・ボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）がスラ
イダ２０を一般に、記録ディスク１６の表面を横断して
半径方向に移動する。それにより、読取り／書込みヘッ
ド２５が記録ディスク１６上の異なるデータ・トラック
をアクセスし得る。
【００１２】図２はカバー１１が取り外されたディスク
・ドライブの内部の上面図であり、これはスライダ２０
を記録ディスク１６に向けて押し当てる力を提供するサ
スペンション２４を詳細に示す。サスペンション２４は
周知のワトラス（Watrous）・サスペンション（ＩＢＭ
の米国特許第４１６７７６５号に記載）などの従来タイ
プのサスペンションである。このタイプのサスペンショ
ンはまた、スライダのジンバル式装着を提供しこれはス
ライダがエア・ベアリング上を浮上するとき、ピッチ及
びロールすることを可能にする。トランスジューサ２５
により記録ディスク１６から検出されるデータは、アー
ム２２上に配置される集積回路チップ１５内の信号増幅
及び処理回路によりデータ・リードバック信号に処理さ
れる。トランスジューサ２５からの信号は可撓性ケーブ
ル１７を介してチップ１５に伝達され、チップ１５がそ
の出力信号をケーブル１９を介してディスク・ドライブ
電子機構（図示せず）に送信する。
・ドライブの内部の上面図であり、これはスライダ２０
を記録ディスク１６に向けて押し当てる力を提供するサ
スペンション２４を詳細に示す。サスペンション２４は
周知のワトラス（Watrous）・サスペンション（ＩＢＭ
の米国特許第４１６７７６５号に記載）などの従来タイ
プのサスペンションである。このタイプのサスペンショ
ンはまた、スライダのジンバル式装着を提供しこれはス
ライダがエア・ベアリング上を浮上するとき、ピッチ及
びロールすることを可能にする。トランスジューサ２５
により記録ディスク１６から検出されるデータは、アー
ム２２上に配置される集積回路チップ１５内の信号増幅
及び処理回路によりデータ・リードバック信号に処理さ
れる。トランスジューサ２５からの信号は可撓性ケーブ
ル１７を介してチップ１５に伝達され、チップ１５がそ
の出力信号をケーブル１９を介してディスク・ドライブ
電子機構（図示せず）に送信する。
【００１３】図３はＭＲ読取りヘッド部分及び誘導書込
みヘッド部分を含む集積化読取り／書込みヘッド２５の
断面図である。ヘッド２５はエア・ベアリング面（ＡＢ
Ｓ）を形成するためにラップされ、上述のようにＡＢＳ
がエア・ベアリングにより回転ディスク１６（図１）の
表面から間隔をあけられる。読取りヘッドは第１及び第
２のギャップ層Ｇ１及びＧ２の間に挟まれるＭＲセンサ
４０を含み、これらのギャップ層が第１及び第２の磁気
シールド層Ｓ１及びＳ２間に挟まれる。従来のディスク
・ドライブでは、ＭＲセンサ４０はＡＭＲセンサであ
る。書込みヘッドはコイル層Ｃ及び絶縁層Ｉ２を含み、
これらが絶縁層Ｉ１とＩ３との間に挟まれる。そして絶
縁層Ｉ１及びＩ３は更に第１及び第２の磁極片Ｐ１、Ｐ
２間に挟まれる。ギャップ層Ｇ３はＡＢＳ近傍の極先端
部において、第１及び第２の磁極片Ｐ１、Ｐ２間に挟ま
れ磁気ギャップを提供する。書込みの間、信号電流がコ
イル層Ｃを通じて伝導され、磁束が第１及び第２の極層
Ｐ１、Ｐ２内に誘導され、その結果、磁束がＡＢＳにお
いて極先端を横断して縁取る。この磁束は書込み動作の
間、回転ディスク１６上の環状トラックを磁化する。読
出し動作の間、回転ディスク１６上の磁化領域が磁束を
読取りヘッドのＭＲセンサ４０内に注入し、その結果Ｍ
Ｒセンサ４０の抵抗が変化する。これらの抵抗変化が、
ＭＲセンサ４０にかかる電圧変化を検出することにより
検出される。電圧変化がチップ１５（図２）及び駆動電
子機構により処理されユーザ・データに変換される。図
３に示される結合ヘッド２５は"併合（merged）"ヘッド
であり、そこでは読取りヘッドの第２のシールド層Ｓ２
が、書込みヘッド用の第１の磁極片Ｐ１として使用され
る。ピギーバック・ヘッド（図示せず）では、第２のシ
ールド層Ｓ２及び第１の磁極片Ｐ１が別々の層である。
みヘッド部分を含む集積化読取り／書込みヘッド２５の
断面図である。ヘッド２５はエア・ベアリング面（ＡＢ
Ｓ）を形成するためにラップされ、上述のようにＡＢＳ
がエア・ベアリングにより回転ディスク１６（図１）の
表面から間隔をあけられる。読取りヘッドは第１及び第
２のギャップ層Ｇ１及びＧ２の間に挟まれるＭＲセンサ
４０を含み、これらのギャップ層が第１及び第２の磁気
シールド層Ｓ１及びＳ２間に挟まれる。従来のディスク
・ドライブでは、ＭＲセンサ４０はＡＭＲセンサであ
る。書込みヘッドはコイル層Ｃ及び絶縁層Ｉ２を含み、
これらが絶縁層Ｉ１とＩ３との間に挟まれる。そして絶
縁層Ｉ１及びＩ３は更に第１及び第２の磁極片Ｐ１、Ｐ
２間に挟まれる。ギャップ層Ｇ３はＡＢＳ近傍の極先端
部において、第１及び第２の磁極片Ｐ１、Ｐ２間に挟ま
れ磁気ギャップを提供する。書込みの間、信号電流がコ
イル層Ｃを通じて伝導され、磁束が第１及び第２の極層
Ｐ１、Ｐ２内に誘導され、その結果、磁束がＡＢＳにお
いて極先端を横断して縁取る。この磁束は書込み動作の
間、回転ディスク１６上の環状トラックを磁化する。読
出し動作の間、回転ディスク１６上の磁化領域が磁束を
読取りヘッドのＭＲセンサ４０内に注入し、その結果Ｍ
Ｒセンサ４０の抵抗が変化する。これらの抵抗変化が、
ＭＲセンサ４０にかかる電圧変化を検出することにより
検出される。電圧変化がチップ１５（図２）及び駆動電
子機構により処理されユーザ・データに変換される。図
３に示される結合ヘッド２５は"併合（merged）"ヘッド
であり、そこでは読取りヘッドの第２のシールド層Ｓ２
が、書込みヘッド用の第１の磁極片Ｐ１として使用され
る。ピギーバック・ヘッド（図示せず）では、第２のシ
ールド層Ｓ２及び第１の磁極片Ｐ１が別々の層である。
【００１４】ＡＭＲ読取りヘッドを有する典型的な磁気
記録ディスク・ドライブの上述の説明及び図１乃至図３
は説明の都合上示されたものである。ディスク・ドライ
ブは多数のディスク及びアクチュエータを含み得、各ア
クチュエータは多数のスライダをサポートし得る。更
に、エア・ベアリング・スライダの代わりにヘッド・キ
ャリアが、液体ベアリング式及び他の接触式または近接
触式記録ディスク・ドライブなどのように、ヘッドをデ
ィスクと接触または近接触させるように維持するもので
あってもよい。
記録ディスク・ドライブの上述の説明及び図１乃至図３
は説明の都合上示されたものである。ディスク・ドライ
ブは多数のディスク及びアクチュエータを含み得、各ア
クチュエータは多数のスライダをサポートし得る。更
に、エア・ベアリング・スライダの代わりにヘッド・キ
ャリアが、液体ベアリング式及び他の接触式または近接
触式記録ディスク・ドライブなどのように、ヘッドをデ
ィスクと接触または近接触させるように維持するもので
あってもよい。
【００１５】好適な実施例：本発明は、固定強磁性層及
び自由強磁性層として機能する反強磁性的に結合される
多重層を有するＭＴＪ素子である。１実施例ではＭＴＪ
素子がＭＲ読取りヘッド内のセンサであり、図３の読取
り／書込みヘッド２５内のＭＲセンサ４０の代わりに使
用される。
び自由強磁性層として機能する反強磁性的に結合される
多重層を有するＭＴＪ素子である。１実施例ではＭＴＪ
素子がＭＲ読取りヘッド内のセンサであり、図３の読取
り／書込みヘッド２５内のＭＲセンサ４０の代わりに使
用される。
【００１６】図４は本発明のＭＴＪ ＭＲ読取りヘッド
の断面図であり、これは図３のライン４２で示されるエ
ッジを有する平面をディスク面から見たものである。図
４の紙面はＡＢＳに平行で実質的に活性検出領域、すな
わちＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドのトンネル接合を貫く平
面であり、ヘッドを構成する層を明らかにするものであ
る。ＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドはギャップ層Ｇ１基板上
に形成される下部電気リード１０２、ギャップ層Ｇ２下
の上部電気リード１０４及び上部及び下部電気リード１
０２、１０４間のスタック層として形成されるＭＴＪ素
子１００を含む。
の断面図であり、これは図３のライン４２で示されるエ
ッジを有する平面をディスク面から見たものである。図
４の紙面はＡＢＳに平行で実質的に活性検出領域、すな
わちＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドのトンネル接合を貫く平
面であり、ヘッドを構成する層を明らかにするものであ
る。ＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドはギャップ層Ｇ１基板上
に形成される下部電気リード１０２、ギャップ層Ｇ２下
の上部電気リード１０４及び上部及び下部電気リード１
０２、１０４間のスタック層として形成されるＭＴＪ素
子１００を含む。
【００１７】ＭＴＪ素子１００は第１の電極多重層スタ
ック１１０、絶縁トンネル障壁層１２０及び上部電極ス
タック１３０を含む。電極の各々はトンネル障壁層１２
０と直接接触する強磁性多重層、すなわち拘束または固
定される強磁性多重層１１８及び自由または検出強磁性
多重層１３２を含む。
ック１１０、絶縁トンネル障壁層１２０及び上部電極ス
タック１３０を含む。電極の各々はトンネル障壁層１２
０と直接接触する強磁性多重層、すなわち拘束または固
定される強磁性多重層１１８及び自由または検出強磁性
多重層１３２を含む。
【００１８】電気リード１０２上に形成されるベース電
極層スタック１１０は、リード１０２上のシードまた
は"テンプレート"層１１２、テンプレート層１１２上の
反強磁性材料層１１６及び下側にある反強磁性層１１６
上にそれと交換結合されて形成される固定強磁性多重層
１１８を含む。強磁性多重層１１８は固定層と呼ばれ
る。なぜならそのネットの磁気モーメントまたは磁化方
向が、所望の対象の範囲内の印加磁場の存在の下で回転
を阻止されるからである。上部電極スタック１３０は検
出強磁性多重層１３２及び検出強磁性多重層１３２上に
形成される保護またはキャッピング層１３４を含む。検
出強磁性多重層１３２は反強磁性層と交換結合されず、
そのネットの磁気モーメント及び磁化方向は対象の範囲
内の印加磁場の存在の下でも自由に回転できる。検出強
磁性多重層１３２は印加磁場が不在の場合、そのネット
の磁気モーメントまたは磁化方向（矢印１３３で示され
る）が、ＡＢＳ（図３）に一般に平行になるように且つ
固定強磁性多重層１１８の磁化方向に一般に垂直になる
ように形成される。トンネル障壁層１２０の真下の電極
スタック１１０内の固定強磁性多重層１１８は、その下
方の強磁性層２００と下部電極スタック１１０の一部を
形成する真下にある反強磁性層１１６との界面交換結合
によりその磁化方向を固定される。固定強磁性多重層１
１８の磁化方向は一般にＡＢＳに垂直に、すなわち図４
の紙面から出て行く方向または入り込む方向に向けられ
る（矢の尾１１９により示される）。（ＭＴＪ素子の磁
気メモリ・アプリケーションでは、印加磁場の不在の下
で固定強磁性層１１８及び検出強磁性層１３２の磁化方
向が、互いに平行または逆平行に整列され、メモリ素子
への書込み電流により生じる印加磁場の存在の下で、検
出強磁性層１３２の磁化方向が平行と逆平行の間をスイ
ッチする。）
極層スタック１１０は、リード１０２上のシードまた
は"テンプレート"層１１２、テンプレート層１１２上の
反強磁性材料層１１６及び下側にある反強磁性層１１６
上にそれと交換結合されて形成される固定強磁性多重層
１１８を含む。強磁性多重層１１８は固定層と呼ばれ
る。なぜならそのネットの磁気モーメントまたは磁化方
向が、所望の対象の範囲内の印加磁場の存在の下で回転
を阻止されるからである。上部電極スタック１３０は検
出強磁性多重層１３２及び検出強磁性多重層１３２上に
形成される保護またはキャッピング層１３４を含む。検
出強磁性多重層１３２は反強磁性層と交換結合されず、
そのネットの磁気モーメント及び磁化方向は対象の範囲
内の印加磁場の存在の下でも自由に回転できる。検出強
磁性多重層１３２は印加磁場が不在の場合、そのネット
の磁気モーメントまたは磁化方向（矢印１３３で示され
る）が、ＡＢＳ（図３）に一般に平行になるように且つ
固定強磁性多重層１１８の磁化方向に一般に垂直になる
ように形成される。トンネル障壁層１２０の真下の電極
スタック１１０内の固定強磁性多重層１１８は、その下
方の強磁性層２００と下部電極スタック１１０の一部を
形成する真下にある反強磁性層１１６との界面交換結合
によりその磁化方向を固定される。固定強磁性多重層１
１８の磁化方向は一般にＡＢＳに垂直に、すなわち図４
の紙面から出て行く方向または入り込む方向に向けられ
る（矢の尾１１９により示される）。（ＭＴＪ素子の磁
気メモリ・アプリケーションでは、印加磁場の不在の下
で固定強磁性層１１８及び検出強磁性層１３２の磁化方
向が、互いに平行または逆平行に整列され、メモリ素子
への書込み電流により生じる印加磁場の存在の下で、検
出強磁性層１３２の磁化方向が平行と逆平行の間をスイ
ッチする。）
【００１９】図５に示されるように、固定強磁性多重層
１１８は非強磁性膜２１０により分離される２つの強磁
性膜２００及び２２５のサンドイッチ構造から成り、こ
れは強磁性膜２００及び２２５の磁気モーメントが、互
いに逆平行に整列されるように、強磁性膜２００及び２
２５を反強磁性的に結合することを目的とする。積層さ
れる固定強磁性多重層１１８内の２つの強磁性膜２０
０、２２５は、反強磁性結合膜２１０を通じる反強磁性
交換結合により、逆平行の磁気モーメントを有する。こ
の反強磁性交換結合により及び２つの強磁性膜２００、
２２５が実質的に同一の厚さを有するように形成され得
るので、強磁性膜の各々の磁気モーメントは実質的に互
いに相殺し合い、本質的に固定強磁性多重層１１８内に
はネットの磁気モーメントは存在しない。従って、固定
強磁性多重層１１８により生成される磁気双極場は本質
的に存在せずそれ故、検出強磁性層１３２の磁化方向に
影響する磁場は存在しない。強磁性膜の各々を正確に同
一の厚さに形成することは不可能であるので、固定強磁
性多重層１１８のネットの磁気モーメントは小さいけれ
ども、通常の付着プロセスの自然の結果としてこれは非
０の値である。しかしながら、固定強磁性多重層１１８
内に小さな非０のネットの磁気モーメントが存在するよ
うに、固定強磁性膜２００、２２５の一方を他方の膜の
厚さよりも僅かに大きな厚さに慎重に付着することが望
ましかろう。このことは小さな磁場の存在の下で固定強
磁性多重層１１８の磁化を安定に保証し、それにより反
強磁性交換層１１６の熱設定の間にその磁化方向が予測
可能になる。
１１８は非強磁性膜２１０により分離される２つの強磁
性膜２００及び２２５のサンドイッチ構造から成り、こ
れは強磁性膜２００及び２２５の磁気モーメントが、互
いに逆平行に整列されるように、強磁性膜２００及び２
２５を反強磁性的に結合することを目的とする。積層さ
れる固定強磁性多重層１１８内の２つの強磁性膜２０
０、２２５は、反強磁性結合膜２１０を通じる反強磁性
交換結合により、逆平行の磁気モーメントを有する。こ
の反強磁性交換結合により及び２つの強磁性膜２００、
２２５が実質的に同一の厚さを有するように形成され得
るので、強磁性膜の各々の磁気モーメントは実質的に互
いに相殺し合い、本質的に固定強磁性多重層１１８内に
はネットの磁気モーメントは存在しない。従って、固定
強磁性多重層１１８により生成される磁気双極場は本質
的に存在せずそれ故、検出強磁性層１３２の磁化方向に
影響する磁場は存在しない。強磁性膜の各々を正確に同
一の厚さに形成することは不可能であるので、固定強磁
性多重層１１８のネットの磁気モーメントは小さいけれ
ども、通常の付着プロセスの自然の結果としてこれは非
０の値である。しかしながら、固定強磁性多重層１１８
内に小さな非０のネットの磁気モーメントが存在するよ
うに、固定強磁性膜２００、２２５の一方を他方の膜の
厚さよりも僅かに大きな厚さに慎重に付着することが望
ましかろう。このことは小さな磁場の存在の下で固定強
磁性多重層１１８の磁化を安定に保証し、それにより反
強磁性交換層１１６の熱設定の間にその磁化方向が予測
可能になる。
【００２０】同様に、強磁性層１３２は薄い非強磁性膜
２６０により分離される２つの強磁性膜２４５及び２７
０から成り、非強磁性膜２６０が強磁性膜２４５及び２
７０の磁気モーメントを反強磁性的に結合する。固定強
磁性層１１８内の強磁性膜２２０及び２２５、並びに検
出強磁性層１３２内の強磁性膜２４５及び２７０は、そ
れら自体２つ以上の強磁性膜から構成され得るが、これ
らのサブ膜の磁気モーメントは互いに平行に整列され
る。なぜなら、隣接する強磁性膜が互いに強磁性的に結
合されるからである。例えば図５において強磁性膜２４
５は、２つの強磁性サブ膜２４０及び２５０から形成さ
れるように示される。強磁性膜２４５のネットの磁気モ
ーメントは、サブ膜２４０及び２５０の磁気モーメント
の総和である。それに対して検出強磁性層１３２の磁気
モーメントは、強磁性膜２４５及び２７０の磁気モーメ
ントの差である。なぜなら、これらの層の磁気モーメン
トは逆平行結合層２６０の存在により、互いに逆平行に
整列されるからである。各サブ膜ｉが厚さｔiを有し、
これらの膜が図５の紙面に垂直な方向に単位厚さを有す
るように定義すると、サブ膜ｉの磁気モーメントはＭi *
ｔiである。ここでＭiは、この層の１単位面積当たりの
磁気モーメントである。Ｍiは、ＡＢＳに平行な方向
（図４の矢印１３３の方向）に沿うサブ膜ｉの磁気モー
メントの方向に依存して正または負となる。従って、検
出強磁性層１３２のネットの磁気モーメントは、Ｍiの
符号を考慮して各サブ膜または膜の磁気モーメントの総
和となる。すなわち、検出強磁性層のネットの磁気モー
メントはΣiＭi *ｔiとなる。検出強磁性層１３２のネッ
トの磁気モーメントは、逆平行結合層２６０の存在のた
めに、個々の膜またはサブ膜の磁気モーメントの絶対値
（modulus）の総和（すなわちΣi｜Ｍi｜*ｔi）よりも
小さい。この層の有効厚さは、検出強磁性層と同一の磁
気モーメントを有する特定の磁性材料の等価な厚さとし
て定義され得る。例えば、パーマロイの等価な厚さｔPy
effは、ｔPy eff＝（ΣiＭi *ｔi）／ＭPyにより与えられ
る。強磁性層１３２内の強磁性膜２７０及び２４５の磁
気モーメントが、非常に類似に編成される場合、ｔPy
effは非常に小さくなり得る。
２６０により分離される２つの強磁性膜２４５及び２７
０から成り、非強磁性膜２６０が強磁性膜２４５及び２
７０の磁気モーメントを反強磁性的に結合する。固定強
磁性層１１８内の強磁性膜２２０及び２２５、並びに検
出強磁性層１３２内の強磁性膜２４５及び２７０は、そ
れら自体２つ以上の強磁性膜から構成され得るが、これ
らのサブ膜の磁気モーメントは互いに平行に整列され
る。なぜなら、隣接する強磁性膜が互いに強磁性的に結
合されるからである。例えば図５において強磁性膜２４
５は、２つの強磁性サブ膜２４０及び２５０から形成さ
れるように示される。強磁性膜２４５のネットの磁気モ
ーメントは、サブ膜２４０及び２５０の磁気モーメント
の総和である。それに対して検出強磁性層１３２の磁気
モーメントは、強磁性膜２４５及び２７０の磁気モーメ
ントの差である。なぜなら、これらの層の磁気モーメン
トは逆平行結合層２６０の存在により、互いに逆平行に
整列されるからである。各サブ膜ｉが厚さｔiを有し、
これらの膜が図５の紙面に垂直な方向に単位厚さを有す
るように定義すると、サブ膜ｉの磁気モーメントはＭi *
ｔiである。ここでＭiは、この層の１単位面積当たりの
磁気モーメントである。Ｍiは、ＡＢＳに平行な方向
（図４の矢印１３３の方向）に沿うサブ膜ｉの磁気モー
メントの方向に依存して正または負となる。従って、検
出強磁性層１３２のネットの磁気モーメントは、Ｍiの
符号を考慮して各サブ膜または膜の磁気モーメントの総
和となる。すなわち、検出強磁性層のネットの磁気モー
メントはΣiＭi *ｔiとなる。検出強磁性層１３２のネッ
トの磁気モーメントは、逆平行結合層２６０の存在のた
めに、個々の膜またはサブ膜の磁気モーメントの絶対値
（modulus）の総和（すなわちΣi｜Ｍi｜*ｔi）よりも
小さい。この層の有効厚さは、検出強磁性層と同一の磁
気モーメントを有する特定の磁性材料の等価な厚さとし
て定義され得る。例えば、パーマロイの等価な厚さｔPy
effは、ｔPy eff＝（ΣiＭi *ｔi）／ＭPyにより与えられ
る。強磁性層１３２内の強磁性膜２７０及び２４５の磁
気モーメントが、非常に類似に編成される場合、ｔPy
effは非常に小さくなり得る。
【００２１】図４には更に、検出強磁性多重層１３２の
磁化を長手方向にバイアスするためのバイアス強磁性層
１５０及びバイアス層１５０を検出強磁性多重層１３２
及びＭＴＪ素子１００の他の層から分離及び絶縁する絶
縁層１６０が示される。バイアス強磁性層１５０はＣｏ
ＰｔＣｒ合金などの硬磁性材料であり、印加磁場が不在
の時、その磁気モーメント（矢印１５１で示される）が
検出強磁性多重層１３２の磁気モーメント１３３と同一
の方向に整列される。絶縁層１６０は好適にはアルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）またはシリカ（ＳｉＯ2）であり、これは
バイアス強磁性層１５０をＭＴＪ素子１００及び電気リ
ード１０２、１０４から絶縁するために十分な厚さを有
するが、検出強磁性多重層１３２との静磁気結合（破線
で示される矢印１５３）を可能にするように十分に薄
い。検出強磁性多重層１３２内の磁性層の各々は、厚さ
ｔi及び１単位面積当たりの磁気モーメントＭiを有する
（ここで単位面積とは図４の紙面に垂直且つＡＢＳに垂
直な面内にあり、すなわち、図４の矢印１３３の方向が
この面に垂直となる）。この時、安定な長手方向のバイ
アスを保証するために、積Ｍi *ｔiの総和（すなわちΣi
Ｍi *ｔi）により定義される検出強磁性多重層の（図４
の紙面に垂直な）単位長当たりのネットの磁気モーメン
ト（Ｍiの方向を考慮）が、バイアス強磁性層１５０の
Ｍ*ｔ以下でなければならない。例えば、検出強磁性多
重層１３２内の膜がパーマロイＮｉ(100-x )Ｆｅ(x)（こ
こでｘは約１９）（検出強磁性多重層内で使用される典
型的な強磁性材料）から成り、バイアス強磁性層１５０
がＣｏ75Ｐｔ13Ｃｒ12（典型的な好適な硬磁性材料）か
ら成る場合、各パーマロイ膜の単位面積当たりの磁気モ
ーメントはバイアス強磁性層のそれの約２倍である。従
って、バイアス強磁性層１５０の厚さは、検出強磁性多
重層１３２の有効厚さｔeffの少なくとも２倍である。
ここでこの場合、ｔeffは単に｜ｔ245−ｔ270｜であ
る。
磁化を長手方向にバイアスするためのバイアス強磁性層
１５０及びバイアス層１５０を検出強磁性多重層１３２
及びＭＴＪ素子１００の他の層から分離及び絶縁する絶
縁層１６０が示される。バイアス強磁性層１５０はＣｏ
ＰｔＣｒ合金などの硬磁性材料であり、印加磁場が不在
の時、その磁気モーメント（矢印１５１で示される）が
検出強磁性多重層１３２の磁気モーメント１３３と同一
の方向に整列される。絶縁層１６０は好適にはアルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）またはシリカ（ＳｉＯ2）であり、これは
バイアス強磁性層１５０をＭＴＪ素子１００及び電気リ
ード１０２、１０４から絶縁するために十分な厚さを有
するが、検出強磁性多重層１３２との静磁気結合（破線
で示される矢印１５３）を可能にするように十分に薄
い。検出強磁性多重層１３２内の磁性層の各々は、厚さ
ｔi及び１単位面積当たりの磁気モーメントＭiを有する
（ここで単位面積とは図４の紙面に垂直且つＡＢＳに垂
直な面内にあり、すなわち、図４の矢印１３３の方向が
この面に垂直となる）。この時、安定な長手方向のバイ
アスを保証するために、積Ｍi *ｔiの総和（すなわちΣi
Ｍi *ｔi）により定義される検出強磁性多重層の（図４
の紙面に垂直な）単位長当たりのネットの磁気モーメン
ト（Ｍiの方向を考慮）が、バイアス強磁性層１５０の
Ｍ*ｔ以下でなければならない。例えば、検出強磁性多
重層１３２内の膜がパーマロイＮｉ(100-x )Ｆｅ(x)（こ
こでｘは約１９）（検出強磁性多重層内で使用される典
型的な強磁性材料）から成り、バイアス強磁性層１５０
がＣｏ75Ｐｔ13Ｃｒ12（典型的な好適な硬磁性材料）か
ら成る場合、各パーマロイ膜の単位面積当たりの磁気モ
ーメントはバイアス強磁性層のそれの約２倍である。従
って、バイアス強磁性層１５０の厚さは、検出強磁性多
重層１３２の有効厚さｔeffの少なくとも２倍である。
ここでこの場合、ｔeffは単に｜ｔ245−ｔ270｜であ
る。
【００２２】検出電流Ｉは第１の電気リード１０２から
反強磁性層１１６、固定強磁性多重層１１８、トンネル
障壁層１２０及び検出強磁性多重層１３２を通じて垂直
方向に流れ、次に第２の電気リード１０４を通じて出力
される。前述のように、トンネル障壁層１２０を通過す
るトンネル電流の量は、トンネル障壁層１２０に隣接
し、接触する固定強磁性層１１８及び検出強磁性層１３
２の磁化の相対方位の関数である。記録データからの磁
場は検出強磁性多重層１３２の磁化方向を、矢印方向１
３３から離れて、すなわち図４の紙面に入り込む方向ま
たは出て行く方向に回転させる。このことが強磁性多重
層１１８、１３２の磁気モーメントの相対方位を、従っ
てトンネル電流の量を変化させ、これがＭＴＪ素子１０
０の電気抵抗の変化として反映される。抵抗のこの変化
がディスク・ドライブ電子機構により検出され、ディス
クからリードバックされるデータに処理される。検出電
流は電気絶縁層１６０により、バイアス強磁性層１５０
に達することを阻止される。絶縁層１６０はまた、バイ
アス強磁性層１５０を電気リード１０２、１０４から絶
縁する。
反強磁性層１１６、固定強磁性多重層１１８、トンネル
障壁層１２０及び検出強磁性多重層１３２を通じて垂直
方向に流れ、次に第２の電気リード１０４を通じて出力
される。前述のように、トンネル障壁層１２０を通過す
るトンネル電流の量は、トンネル障壁層１２０に隣接
し、接触する固定強磁性層１１８及び検出強磁性層１３
２の磁化の相対方位の関数である。記録データからの磁
場は検出強磁性多重層１３２の磁化方向を、矢印方向１
３３から離れて、すなわち図４の紙面に入り込む方向ま
たは出て行く方向に回転させる。このことが強磁性多重
層１１８、１３２の磁気モーメントの相対方位を、従っ
てトンネル電流の量を変化させ、これがＭＴＪ素子１０
０の電気抵抗の変化として反映される。抵抗のこの変化
がディスク・ドライブ電子機構により検出され、ディス
クからリードバックされるデータに処理される。検出電
流は電気絶縁層１６０により、バイアス強磁性層１５０
に達することを阻止される。絶縁層１６０はまた、バイ
アス強磁性層１５０を電気リード１０２、１０４から絶
縁する。
【００２３】次にＭＴＪ素子１００（図４及び図５）の
代表的な材料セットについて述べることにする。ＭＴＪ
素子１００の全ての層は、基板の表面に平行に印加され
る磁場の存在の下で成長される。磁場は全ての強磁性層
の容易軸を方向づける役目をする。最初に５ｎｍのＴａ
シード層（図示せず）が、下側にある電気リード１０２
として機能する１０ｎｍ乃至５０ｎｍのＡｕ層上に形成
される。シード層は、面心立方（ｆｃｃ）Ｎｉ81Ｆｅ19
テンプレート層１１２の（１１１）成長を促進させる材
料からなる。テンプレート強磁性層１１２は、反強磁性
層１１６の成長を促進させる。好適なシード層材料はＴ
ａの他に、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのｆｃｃ金属または３
ｎｍ乃至５ｎｍのＴａ／３ｎｍ乃至５ｎｍのＡｌなどの
層の組み合わせを含む。ＭＴＪベース電極スタック１１
０は、４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／１０ｎｍのＭｎ50Ｆｅ50
／３ｎｍのＣｏ／０．５ｎｍのＲｕ／２ｎｍのＣｏ（そ
れぞれ層１１２、１１６及び層２００、２１０及び２２
５から成る多重層１１８に対応）のスタックを含み、こ
れらが１０ｎｍ乃至２０ｎｍのＡｕ層１０２上のＴａシ
ード層上に成長される。Ａｕ層１０２は、基板の役目を
するアルミナ・ギャップ材料Ｇ１上に形成される。次に
０．５ｎｍ乃至２ｎｍのＡｌ層を付着し、次にプラズマ
酸化することにより、トンネル障壁層１２０が形成され
る。これはＡｌ2Ｏ3絶縁トンネル障壁層１２０を形成す
る。上部電極スタック１３０は、４ｎｍのＮｉ−Ｆｅ／
０．５ｎｍのＲｕ／３ｎｍのＮｉ−Ｆｅ／１０ｎｍのＴ
ａ（それぞれ層２４５、２６０及び２７０から成る多重
層１３２及び層１３４に対応）のスタックである。Ｔａ
層１３４は保護キャッピング層として機能する。上部電
極スタック１３０は、上部電気リード１０４として機能
する２０ｎｍのＡｕ層により接触される。
代表的な材料セットについて述べることにする。ＭＴＪ
素子１００の全ての層は、基板の表面に平行に印加され
る磁場の存在の下で成長される。磁場は全ての強磁性層
の容易軸を方向づける役目をする。最初に５ｎｍのＴａ
シード層（図示せず）が、下側にある電気リード１０２
として機能する１０ｎｍ乃至５０ｎｍのＡｕ層上に形成
される。シード層は、面心立方（ｆｃｃ）Ｎｉ81Ｆｅ19
テンプレート層１１２の（１１１）成長を促進させる材
料からなる。テンプレート強磁性層１１２は、反強磁性
層１１６の成長を促進させる。好適なシード層材料はＴ
ａの他に、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのｆｃｃ金属または３
ｎｍ乃至５ｎｍのＴａ／３ｎｍ乃至５ｎｍのＡｌなどの
層の組み合わせを含む。ＭＴＪベース電極スタック１１
０は、４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／１０ｎｍのＭｎ50Ｆｅ50
／３ｎｍのＣｏ／０．５ｎｍのＲｕ／２ｎｍのＣｏ（そ
れぞれ層１１２、１１６及び層２００、２１０及び２２
５から成る多重層１１８に対応）のスタックを含み、こ
れらが１０ｎｍ乃至２０ｎｍのＡｕ層１０２上のＴａシ
ード層上に成長される。Ａｕ層１０２は、基板の役目を
するアルミナ・ギャップ材料Ｇ１上に形成される。次に
０．５ｎｍ乃至２ｎｍのＡｌ層を付着し、次にプラズマ
酸化することにより、トンネル障壁層１２０が形成され
る。これはＡｌ2Ｏ3絶縁トンネル障壁層１２０を形成す
る。上部電極スタック１３０は、４ｎｍのＮｉ−Ｆｅ／
０．５ｎｍのＲｕ／３ｎｍのＮｉ−Ｆｅ／１０ｎｍのＴ
ａ（それぞれ層２４５、２６０及び２７０から成る多重
層１３２及び層１３４に対応）のスタックである。Ｔａ
層１３４は保護キャッピング層として機能する。上部電
極スタック１３０は、上部電気リード１０４として機能
する２０ｎｍのＡｕ層により接触される。
【００２４】強磁性膜２００、２２５及び２４５、２７
０として及びそれらの反強磁性結合膜２１０及び２６０
として選択される材料に依存して、強磁性膜が強く反強
磁性的に結合される好適な反強磁性結合膜の厚さが存在
する。好適なＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏ及びＮｉ−Ｆｅ／Ｒｕ／
Ｎｉ−Ｆｅの組み合わせでは、反強磁性結合膜Ｒｕの厚
さは周知の振動結合関係から選択され得る（Parkinらに
よるPhys.Rev.Lett.、Vol.64、p.2034（1990）参照）。
この振動関係のピークが２つのＣｏまたはＮｉ−Ｆｅ膜
の反強磁性結合が発生する厚さであり、２つのＮｉ−Ｆ
ｅ膜内の磁気モーメントの所望の逆平行アライメントを
生じる。Ｎｉ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｎｉ−Ｆｅの組み合わせで
は、最大の反強磁性交換結合強度が約１０Å以下で発生
する。Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏの組み合わせでは、最大の反強
磁性交換結合強度が１０Å以下で発生する。しかしなが
ら、反強磁性結合膜の厚さはたくさんのピンホールが膜
内に発生するように薄くてはならず、この場合その反強
磁性結合強度が影響を受けることになる。従って、Ｒｕ
の場合、好適な厚さは４Å乃至８Åの範囲である。
０として及びそれらの反強磁性結合膜２１０及び２６０
として選択される材料に依存して、強磁性膜が強く反強
磁性的に結合される好適な反強磁性結合膜の厚さが存在
する。好適なＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏ及びＮｉ−Ｆｅ／Ｒｕ／
Ｎｉ−Ｆｅの組み合わせでは、反強磁性結合膜Ｒｕの厚
さは周知の振動結合関係から選択され得る（Parkinらに
よるPhys.Rev.Lett.、Vol.64、p.2034（1990）参照）。
この振動関係のピークが２つのＣｏまたはＮｉ−Ｆｅ膜
の反強磁性結合が発生する厚さであり、２つのＮｉ−Ｆ
ｅ膜内の磁気モーメントの所望の逆平行アライメントを
生じる。Ｎｉ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｎｉ−Ｆｅの組み合わせで
は、最大の反強磁性交換結合強度が約１０Å以下で発生
する。Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏの組み合わせでは、最大の反強
磁性交換結合強度が１０Å以下で発生する。しかしなが
ら、反強磁性結合膜の厚さはたくさんのピンホールが膜
内に発生するように薄くてはならず、この場合その反強
磁性結合強度が影響を受けることになる。従って、Ｒｕ
の場合、好適な厚さは４Å乃至８Åの範囲である。
【００２５】電流はＭＴＪ素子１００内の層に垂直に流
れるので、ＭＴＪ素子の抵抗は主にトンネル障壁層１２
０の抵抗により支配される。従って、導電リード１０
２、１０４の単位面積当たりの抵抗は、電流が層に平行
に流れる従来のＭＲ読取りヘッドの場合よりも遥かに高
くなる。従ってリード１０２、１０４が従来のＭＲヘッ
ド構造に比較して薄くまたは狭くなり得、合金または要
素の組み合わせなどの本質的により抵抗性の材料から形
成され得る。
れるので、ＭＴＪ素子の抵抗は主にトンネル障壁層１２
０の抵抗により支配される。従って、導電リード１０
２、１０４の単位面積当たりの抵抗は、電流が層に平行
に流れる従来のＭＲ読取りヘッドの場合よりも遥かに高
くなる。従ってリード１０２、１０４が従来のＭＲヘッ
ド構造に比較して薄くまたは狭くなり得、合金または要
素の組み合わせなどの本質的により抵抗性の材料から形
成され得る。
【００２６】下側の電極スタック１１０内の層が滑らか
であり、Ａｌ2Ｏ3トンネル障壁層１２０内に接合を電気
的に短絡するピンホールが無いことが重要である。例え
ば、金属多重層スタック内で良好な巨大磁気抵抗効果を
生成するための、既知のスパッタリング技術による成長
が有効である。ＭＴＪ素子１００内において、固定強磁
性多重層１１８及び検出強磁性多重層１３２の磁気モー
メントの方向は、印加磁場が無い場合互いにほぼ直交す
る。固定強磁性多重層１１８の磁気モーメントの方向
は、主として反強磁性層１１６の交換異方性磁場の方向
により決定される。検出強磁性多重層１３２の磁気モー
メントの方向は、強磁性多重層の層自身の真性異方性及
びこの層の形状などの多数の要因により影響される。こ
の真性磁気異方性は、検出強磁性多重層１３２を固定強
磁性多重層１１８の磁化方向に垂直に整列される小磁場
内で付着することにより、検出強磁性多重層内に誘導さ
れ得る。検出強磁性多重層１３２の磁気モーメントの適
正な方位は、長手方向のバイアス強磁性層１５０の存在
により達成される。形成プロセスにより誘起されるこの
層内の応力が、磁気異方性をもたらさないように検出強
磁性多重層１３２の磁気ひずみが（Ｎｉ−Ｆｅ合金層２
４５及び２７０の組成の選択により）０近くに編成され
る。
であり、Ａｌ2Ｏ3トンネル障壁層１２０内に接合を電気
的に短絡するピンホールが無いことが重要である。例え
ば、金属多重層スタック内で良好な巨大磁気抵抗効果を
生成するための、既知のスパッタリング技術による成長
が有効である。ＭＴＪ素子１００内において、固定強磁
性多重層１１８及び検出強磁性多重層１３２の磁気モー
メントの方向は、印加磁場が無い場合互いにほぼ直交す
る。固定強磁性多重層１１８の磁気モーメントの方向
は、主として反強磁性層１１６の交換異方性磁場の方向
により決定される。検出強磁性多重層１３２の磁気モー
メントの方向は、強磁性多重層の層自身の真性異方性及
びこの層の形状などの多数の要因により影響される。こ
の真性磁気異方性は、検出強磁性多重層１３２を固定強
磁性多重層１１８の磁化方向に垂直に整列される小磁場
内で付着することにより、検出強磁性多重層内に誘導さ
れ得る。検出強磁性多重層１３２の磁気モーメントの適
正な方位は、長手方向のバイアス強磁性層１５０の存在
により達成される。形成プロセスにより誘起されるこの
層内の応力が、磁気異方性をもたらさないように検出強
磁性多重層１３２の磁気ひずみが（Ｎｉ−Ｆｅ合金層２
４５及び２７０の組成の選択により）０近くに編成され
る。
【００２７】別の検出強磁性多重層１３２では、強磁性
膜２４５が膜２４５とトンネル障壁層１２０との間の界
面に、Ｃｏ若しくはＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至
７０の範囲）、またはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）
の薄いサブ膜２４０を含み、強磁性膜２４５の残り（サ
ブ膜２５０）と膜２７０がＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約１
９）などの低磁気ひずみ材料から形成される。薄いＣｏ
若しくはＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至７０の範
囲）、またはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）の界面膜
を有するこのタイプの検出強磁性多重層１３２のネット
の磁気ひずみは、この多重層を構成する大半の強磁性膜
の組成の僅かな変化により０に近い値を有するように編
成される。別の固定強磁性多重層１１８では、強磁性膜
２２５が主として大量のＮｉ(100-x)Ｆｅ(x)サブ膜２２
０と、トンネル障壁層１２０との界面にあるＣｏ若しく
はＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至７０の範囲）、ま
たはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）の薄いサブ膜２３
０とから成る。最大の信号がＣｏにより、または最も高
い分極Ｎｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）、またはＣｏ
(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは約５０）合金により獲得される。
界面層は最適には約１ｎｍ乃至２ｎｍの厚さである。結
合膜のネットの磁気ひずみは、組成の小さな変化により
０に近くなるように編成される。固定強磁性多重層１１
８を構成する大半の膜がＮｉ−Ｆｅの場合、組成はＮｉ
81Ｆｅ19であり大量のＮｉ−Ｆｅが０の磁気ひずみを有
する。
膜２４５が膜２４５とトンネル障壁層１２０との間の界
面に、Ｃｏ若しくはＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至
７０の範囲）、またはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）
の薄いサブ膜２４０を含み、強磁性膜２４５の残り（サ
ブ膜２５０）と膜２７０がＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約１
９）などの低磁気ひずみ材料から形成される。薄いＣｏ
若しくはＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至７０の範
囲）、またはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）の界面膜
を有するこのタイプの検出強磁性多重層１３２のネット
の磁気ひずみは、この多重層を構成する大半の強磁性膜
の組成の僅かな変化により０に近い値を有するように編
成される。別の固定強磁性多重層１１８では、強磁性膜
２２５が主として大量のＮｉ(100-x)Ｆｅ(x)サブ膜２２
０と、トンネル障壁層１２０との界面にあるＣｏ若しく
はＣｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至７０の範囲）、ま
たはＮｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）の薄いサブ膜２３
０とから成る。最大の信号がＣｏにより、または最も高
い分極Ｎｉ(100-x)Ｆｅx（ｘは約６０）、またはＣｏ
(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは約５０）合金により獲得される。
界面層は最適には約１ｎｍ乃至２ｎｍの厚さである。結
合膜のネットの磁気ひずみは、組成の小さな変化により
０に近くなるように編成される。固定強磁性多重層１１
８を構成する大半の膜がＮｉ−Ｆｅの場合、組成はＮｉ
81Ｆｅ19であり大量のＮｉ−Ｆｅが０の磁気ひずみを有
する。
【００２８】Ｆｅ−Ｍｎ反強磁性層１１６はＮｉ−Ｍｎ
層により、或いは固定強磁性層１１８内の強磁性材料を
交換バイアスし、Ａｌ2Ｏ3障壁層よりも実質的に小さい
抵抗を有する他の好適な反強磁性層により置換され得
る。Ｎｉ−Ｍｎでは好適なシード層１１２がＴｉ、Ｗま
たはＴｉ−Ｗを含む。
層により、或いは固定強磁性層１１８内の強磁性材料を
交換バイアスし、Ａｌ2Ｏ3障壁層よりも実質的に小さい
抵抗を有する他の好適な反強磁性層により置換され得
る。Ｎｉ−Ｍｎでは好適なシード層１１２がＴｉ、Ｗま
たはＴｉ−Ｗを含む。
【００２９】図６乃至図８は、反強磁性的に結合される
固定強磁性層及び自由強磁性層の存在しないＭＴＪ素子
の磁気抵抗応答を、本発明によるＭＴＪ素子と比較する
ものである。データは強磁性層が交換バイアス層との相
互作用により固定または拘束される制限磁場範囲内にお
いて示される。図６は、Ｓｉ／５０ÅのＴａ／１５０Å
のＡｌ／４０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１００ÅのＭｎ46Ｆｅ
54／３６ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１５ÅのＣｏ／１２０秒酸
化された１２ÅのＡｌ／１００ÅのＮｉ81Ｆｅ 19／２０
０ÅのＡｌ形態の構造の磁気抵抗−磁場曲線を示し、こ
こで固定強磁性層は単層の強磁性層（アルミナ・トンネ
ル障壁にＣｏ界面層を有する）であり、自由強磁性層は
単層の強磁性層である。
固定強磁性層及び自由強磁性層の存在しないＭＴＪ素子
の磁気抵抗応答を、本発明によるＭＴＪ素子と比較する
ものである。データは強磁性層が交換バイアス層との相
互作用により固定または拘束される制限磁場範囲内にお
いて示される。図６は、Ｓｉ／５０ÅのＴａ／１５０Å
のＡｌ／４０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１００ÅのＭｎ46Ｆｅ
54／３６ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１５ÅのＣｏ／１２０秒酸
化された１２ÅのＡｌ／１００ÅのＮｉ81Ｆｅ 19／２０
０ÅのＡｌ形態の構造の磁気抵抗−磁場曲線を示し、こ
こで固定強磁性層は単層の強磁性層（アルミナ・トンネ
ル障壁にＣｏ界面層を有する）であり、自由強磁性層は
単層の強磁性層である。
【００３０】図７は類似のＭＴＪ素子の磁気抵抗応答を
示すが、ここでは固定強磁性層だけが３０ÅのＣｏ／７
ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏから成る、反強磁性的に結合さ
れる多重層である。固定強磁性層の有効磁気モーメント
は、約５Åのコバルトだけであり、これは図６の構造の
固定強磁性層の磁気モーメントの約７分の１である。図
６ではＭＴＪ素子の抵抗は負の小さな磁場において、正
の小さな磁場に比較して高いが、図７では磁気抵抗応答
は逆転され抵抗が正の小さな磁場において高くなる。こ
の結果は、固定強磁性層が実際に反強磁性的に結合され
るＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏのサンドイッチ構造から形成される
ことを証明する。下側のＣｏ膜２００は設計上、上側の
Ｃｏ膜２２５よりも僅かに大きな磁気モーメントを有す
るので（これはその僅かに大きな厚さ（前者の３０Åに
対して後者の２５Å）と、下側のＣｏ膜がＭｎＦｅ交換
バイアス層１１６と接触することによる）、下側のＣｏ
膜２００の磁気モーメントは、ＭｎＦｅ層１１６の交換
バイアス場の方向（図６では正の磁場方向）に固定され
る。従って、上側のＣｏ膜２２５の磁気モーメントは負
の磁場方向に固定される。なぜなら、上側のＣｏ膜２２
５はＲｕスペーサ層２１０を介する交換結合により、下
側のＣｏ膜２００に反強磁性的に結合されるからであ
る。従って、正の小さな磁場では検出強磁性層１３２の
磁気モーメント（これは自由に回転し印加磁場の方向に
従う）が、正の磁場方向に沿って向けられ固定強磁性層
１１８の上側のＣｏ膜２２５の磁気モーメントと反対で
ある。従ってＭＴＪ素子の抵抗が高くなる。印加磁場方
向が反転され僅かに負になると、検出強磁性層１３２の
磁気モーメントが負の磁場方向に沿って向けられ、上側
のＣｏ膜２２５の磁気モーメントに平行になる。従って
ＭＴＪ素子の抵抗が低減される。
示すが、ここでは固定強磁性層だけが３０ÅのＣｏ／７
ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏから成る、反強磁性的に結合さ
れる多重層である。固定強磁性層の有効磁気モーメント
は、約５Åのコバルトだけであり、これは図６の構造の
固定強磁性層の磁気モーメントの約７分の１である。図
６ではＭＴＪ素子の抵抗は負の小さな磁場において、正
の小さな磁場に比較して高いが、図７では磁気抵抗応答
は逆転され抵抗が正の小さな磁場において高くなる。こ
の結果は、固定強磁性層が実際に反強磁性的に結合され
るＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏのサンドイッチ構造から形成される
ことを証明する。下側のＣｏ膜２００は設計上、上側の
Ｃｏ膜２２５よりも僅かに大きな磁気モーメントを有す
るので（これはその僅かに大きな厚さ（前者の３０Åに
対して後者の２５Å）と、下側のＣｏ膜がＭｎＦｅ交換
バイアス層１１６と接触することによる）、下側のＣｏ
膜２００の磁気モーメントは、ＭｎＦｅ層１１６の交換
バイアス場の方向（図６では正の磁場方向）に固定され
る。従って、上側のＣｏ膜２２５の磁気モーメントは負
の磁場方向に固定される。なぜなら、上側のＣｏ膜２２
５はＲｕスペーサ層２１０を介する交換結合により、下
側のＣｏ膜２００に反強磁性的に結合されるからであ
る。従って、正の小さな磁場では検出強磁性層１３２の
磁気モーメント（これは自由に回転し印加磁場の方向に
従う）が、正の磁場方向に沿って向けられ固定強磁性層
１１８の上側のＣｏ膜２２５の磁気モーメントと反対で
ある。従ってＭＴＪ素子の抵抗が高くなる。印加磁場方
向が反転され僅かに負になると、検出強磁性層１３２の
磁気モーメントが負の磁場方向に沿って向けられ、上側
のＣｏ膜２２５の磁気モーメントに平行になる。従って
ＭＴＪ素子の抵抗が低減される。
【００３１】図８は本発明に従う構造の磁気抵抗応答を
示し、これは検出強磁性層が反強磁性的に結合される４
０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／７ÅのＲｕ／３０ÅのＮｉ81Ｆｅ
19のサンドイッチ構造から成る以外は、図７に示される
応答の構造と類似である。磁気抵抗応答曲線は図７のそ
れと類似である。特にＭＴＪ素子の抵抗が、正の小さな
磁場において高い。しかしながら、磁気抵抗応答曲線の
形状は明らかに図７のそれとは異なる。特に曲線は０磁
場近辺に中心を置かず、正の小さな磁場にシフトされ
る。こうしたシフトは、検出強磁性多重層１３２と固定
強磁性多重層１１８との間の反強磁性結合の低下に一致
し、これは検出強磁性層の磁気モーメントの低下に起因
するこれらの層間の静磁気結合の低下に一致する。図８
では、検出強磁性層の有効厚さは約１０Åのパーマロイ
だけであり、これは図６及び図７の検出強磁性層の厚さ
の１０分の１であり、ＭＴＪ素子の磁気抵抗の大きさに
与える実質的な影響が無い。固定強磁性層と検出強磁性
層との間の静磁気結合は、これらの層の磁気モーメント
に直接比例するので、固定強磁性層または検出強磁性層
内の逆平行結合層の使用はこれらの層間の静磁気結合の
実質的な低下をもたらす。
示し、これは検出強磁性層が反強磁性的に結合される４
０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／７ÅのＲｕ／３０ÅのＮｉ81Ｆｅ
19のサンドイッチ構造から成る以外は、図７に示される
応答の構造と類似である。磁気抵抗応答曲線は図７のそ
れと類似である。特にＭＴＪ素子の抵抗が、正の小さな
磁場において高い。しかしながら、磁気抵抗応答曲線の
形状は明らかに図７のそれとは異なる。特に曲線は０磁
場近辺に中心を置かず、正の小さな磁場にシフトされ
る。こうしたシフトは、検出強磁性多重層１３２と固定
強磁性多重層１１８との間の反強磁性結合の低下に一致
し、これは検出強磁性層の磁気モーメントの低下に起因
するこれらの層間の静磁気結合の低下に一致する。図８
では、検出強磁性層の有効厚さは約１０Åのパーマロイ
だけであり、これは図６及び図７の検出強磁性層の厚さ
の１０分の１であり、ＭＴＪ素子の磁気抵抗の大きさに
与える実質的な影響が無い。固定強磁性層と検出強磁性
層との間の静磁気結合は、これらの層の磁気モーメント
に直接比例するので、固定強磁性層または検出強磁性層
内の逆平行結合層の使用はこれらの層間の静磁気結合の
実質的な低下をもたらす。
【００３２】逆平行に結合される固定強磁性層１１８の
別の利点は、反強磁性層１１６により提供される交換バ
イアス場の大きさの有効な増加である。これが図９及び
図１０乃至図１１に、逆平行結合の固定強磁性層だけを
有する単純な構造の場合に対応して示される。図９は図
６と同一のサンプルの磁気抵抗−磁場曲線を示すが、そ
の磁場範囲は固定強磁性層を完全に配向し直す程の大き
な範囲に及ぶ。これらのデータは、任意の続くアニーリ
ング処理の無い砒素付着構造に対応する。固定強磁性層
の交換バイアス場は約１３０Ｏｅであり、相当な保磁性
（約７０Ｏｅ）を有する。図１０は、Ｓｉ／２００Åの
Ａｌ／４０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１００ÅのＭｎ46Ｆｅ54
／３０ÅのＣｏ／７ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏ／１２０秒
酸化された１２ÅのＡｌ／１００ÅのＮｉ40Ｆｅ60／２
００ÅのＡｌ形態の構造を有する、反強磁性的に結合さ
れた固定強磁性多重層１１８を含むＭＴＪ素子の磁気抵
抗−磁場曲線を示す。図７及び図８に示される応答の構
造と類似の逆平行に結合される多重層、すなわち３０Å
のＣｏ／７ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏから成る固定強磁性
多重層を完全に配向し直すためには、約６０００Ｏｅを
越える非常に大きな磁場が要求される。この磁場は明ら
かに、図６の構造の固定強磁性層を配向し直すために要
求される磁場よりも遥かに大きい。このことは反強磁性
的に結合される多重層を用いる重要な利点である。反強
磁性層１１６により提供される有効な交換バイアス場
は、おおよそ｛ｔ225＋ｔ200｝／｜ｔ225−ｔ200｜の倍
率で大きく高められ、ここでｔ225及びｔ200は多重層１
１８内のそれぞれの膜の厚さを表す。これはまた図１１
に示されるようにより制限された磁場範囲に渡り、図１
０のＭＴＪ素子の応答を調査することにより示される。
図１１は、±２００Ｏｅの範囲に渡る図１０と同一の素
子の磁気抵抗−磁場曲線を示す。ＭＴＪ素子は、固定強
磁性層の任意の再配向を裏付ける証拠無しに、磁気抵抗
の際立ったステップを示す。逆平行結合の固定強磁性層
内の膜及び検出強磁性層の磁気モーメントの状態が図１
０内で矢印により示される。
別の利点は、反強磁性層１１６により提供される交換バ
イアス場の大きさの有効な増加である。これが図９及び
図１０乃至図１１に、逆平行結合の固定強磁性層だけを
有する単純な構造の場合に対応して示される。図９は図
６と同一のサンプルの磁気抵抗−磁場曲線を示すが、そ
の磁場範囲は固定強磁性層を完全に配向し直す程の大き
な範囲に及ぶ。これらのデータは、任意の続くアニーリ
ング処理の無い砒素付着構造に対応する。固定強磁性層
の交換バイアス場は約１３０Ｏｅであり、相当な保磁性
（約７０Ｏｅ）を有する。図１０は、Ｓｉ／２００Åの
Ａｌ／４０ÅのＮｉ81Ｆｅ19／１００ÅのＭｎ46Ｆｅ54
／３０ÅのＣｏ／７ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏ／１２０秒
酸化された１２ÅのＡｌ／１００ÅのＮｉ40Ｆｅ60／２
００ÅのＡｌ形態の構造を有する、反強磁性的に結合さ
れた固定強磁性多重層１１８を含むＭＴＪ素子の磁気抵
抗−磁場曲線を示す。図７及び図８に示される応答の構
造と類似の逆平行に結合される多重層、すなわち３０Å
のＣｏ／７ÅのＲｕ／２５ÅのＣｏから成る固定強磁性
多重層を完全に配向し直すためには、約６０００Ｏｅを
越える非常に大きな磁場が要求される。この磁場は明ら
かに、図６の構造の固定強磁性層を配向し直すために要
求される磁場よりも遥かに大きい。このことは反強磁性
的に結合される多重層を用いる重要な利点である。反強
磁性層１１６により提供される有効な交換バイアス場
は、おおよそ｛ｔ225＋ｔ200｝／｜ｔ225−ｔ200｜の倍
率で大きく高められ、ここでｔ225及びｔ200は多重層１
１８内のそれぞれの膜の厚さを表す。これはまた図１１
に示されるようにより制限された磁場範囲に渡り、図１
０のＭＴＪ素子の応答を調査することにより示される。
図１１は、±２００Ｏｅの範囲に渡る図１０と同一の素
子の磁気抵抗−磁場曲線を示す。ＭＴＪ素子は、固定強
磁性層の任意の再配向を裏付ける証拠無しに、磁気抵抗
の際立ったステップを示す。逆平行結合の固定強磁性層
内の膜及び検出強磁性層の磁気モーメントの状態が図１
０内で矢印により示される。
【００３３】逆平行交換結合の強磁性多重層の使用によ
る、固定強磁性層の交換バイアスの類似の改善が、検出
強磁性層が逆平行結合の多重層である構造においても獲
得される。
る、固定強磁性層の交換バイアスの類似の改善が、検出
強磁性層が逆平行結合の多重層である構造においても獲
得される。
【００３４】本発明では、逆平行結合の固定強磁性多重
層１１８が、反強磁性層１１６上に直接付着される。層
１１６はそれ自体、結晶学的に共形のテンプレート層上
に成長される。それに対して膜２４５（またはサブ膜２
４０）は非晶質で、明確に定義された結晶学的構造を有
さないトンネル障壁層１２０上に成長される。従って、
層２４５の結晶質の性質は、トンネル障壁層１２０の反
対側の固定強磁性多重層１１８内の層の結晶質の性質に
関係しない。同様に、非晶質で絶縁性のトンネル障壁層
１２０の平坦度は、ＭＴＪ素子の残りを構成する薄い金
属層の平坦度とは非常に異なる。従って、本発明以前に
は、逆平行結合の検出強磁性多重層を成長することが可
能か否かが明らかでなかった。なぜなら、これは極めて
薄く平坦な反強磁性結合膜２６０の成長を要求するから
である。
層１１８が、反強磁性層１１６上に直接付着される。層
１１６はそれ自体、結晶学的に共形のテンプレート層上
に成長される。それに対して膜２４５（またはサブ膜２
４０）は非晶質で、明確に定義された結晶学的構造を有
さないトンネル障壁層１２０上に成長される。従って、
層２４５の結晶質の性質は、トンネル障壁層１２０の反
対側の固定強磁性多重層１１８内の層の結晶質の性質に
関係しない。同様に、非晶質で絶縁性のトンネル障壁層
１２０の平坦度は、ＭＴＪ素子の残りを構成する薄い金
属層の平坦度とは非常に異なる。従って、本発明以前に
は、逆平行結合の検出強磁性多重層を成長することが可
能か否かが明らかでなかった。なぜなら、これは極めて
薄く平坦な反強磁性結合膜２６０の成長を要求するから
である。
【００３５】トンネル障壁層１２０上の逆平行結合の強
磁性多重層の成長は、多重層を構成する膜が比較的厚け
れば促進されるものと思われる。なぜなら、スパッタ付
着される薄い金属膜が通常、ほぼ薄膜の厚さのサイズの
結晶質粒子を有する多結晶質であるからである。反強磁
性結合膜の使用は同一のアプリケーションにおいて、そ
の反強磁性結合膜が存在しない場合の単層の強磁性固定
膜または検出膜の厚さよりも厚い膜の使用を固定強磁性
多重層及び検出強磁性多重層内において可能にする。従
って、反強磁性結合膜の使用は多重層内の膜厚の選択に
おいて、より大きな柔軟性を可能にし、従って膜の物理
特性の追加の制御を可能にする。特に、検出強磁性層が
最初に付着され交換バイアス固定強磁性層がトンネル障
壁層上に付着される、反転された磁気トンネル接合構造
を成長させるには、比較的厚い固定強磁性層（それ上に
交換バイアス層が付着される）を使用し好適な共形の層
の成長を可能にしない限り困難である。５０Åのパーマ
ロイなどの薄い固定強磁性層では、例えばＭｎＦｅ層と
の交換バイアスがほとんど得られない。しかしながら、
反強磁性結合膜は多重層内で著しく厚い膜の使用を可能
にし、それにより好適な共形のテンプレート層が形成さ
れ、交換バイアス場の合理的な値の発展を可能にする。
この理由から、上述の図５に示されたＭＴＪ素子はＭＴ
Ｊ素子の最下部上に固定強磁性多重層１１８を有する
が、素子は最初に検出強磁性多重層１３２を付着し、続
いてトンネル障壁層１２０、固定強磁性多重層１１８及
び反強磁性交換バイアス層１１６の順で付着することに
よっても形成され得る。こうしたＭＴＪ素子は、図５に
示されるＭＴＪ素子とは本質的に反転された層を有す
る。
磁性多重層の成長は、多重層を構成する膜が比較的厚け
れば促進されるものと思われる。なぜなら、スパッタ付
着される薄い金属膜が通常、ほぼ薄膜の厚さのサイズの
結晶質粒子を有する多結晶質であるからである。反強磁
性結合膜の使用は同一のアプリケーションにおいて、そ
の反強磁性結合膜が存在しない場合の単層の強磁性固定
膜または検出膜の厚さよりも厚い膜の使用を固定強磁性
多重層及び検出強磁性多重層内において可能にする。従
って、反強磁性結合膜の使用は多重層内の膜厚の選択に
おいて、より大きな柔軟性を可能にし、従って膜の物理
特性の追加の制御を可能にする。特に、検出強磁性層が
最初に付着され交換バイアス固定強磁性層がトンネル障
壁層上に付着される、反転された磁気トンネル接合構造
を成長させるには、比較的厚い固定強磁性層（それ上に
交換バイアス層が付着される）を使用し好適な共形の層
の成長を可能にしない限り困難である。５０Åのパーマ
ロイなどの薄い固定強磁性層では、例えばＭｎＦｅ層と
の交換バイアスがほとんど得られない。しかしながら、
反強磁性結合膜は多重層内で著しく厚い膜の使用を可能
にし、それにより好適な共形のテンプレート層が形成さ
れ、交換バイアス場の合理的な値の発展を可能にする。
この理由から、上述の図５に示されたＭＴＪ素子はＭＴ
Ｊ素子の最下部上に固定強磁性多重層１１８を有する
が、素子は最初に検出強磁性多重層１３２を付着し、続
いてトンネル障壁層１２０、固定強磁性多重層１１８及
び反強磁性交換バイアス層１１６の順で付着することに
よっても形成され得る。こうしたＭＴＪ素子は、図５に
示されるＭＴＪ素子とは本質的に反転された層を有す
る。
【００３６】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３７】（１）印加磁場の存在の下で、磁気モーメ
ントが好適な方向に固定され、互いに反強磁性的に結合
される第１及び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２の
強磁性膜の間に接触して配置される反強磁性結合膜とを
含む、固定強磁性多重層と、印加磁場の存在の下で、磁
気モーメントが自由に回転でき、互いに反強磁性的に結
合される第１及び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２
の強磁性膜の間に接触して配置される反強磁性結合膜と
を含む、自由強磁性多重層と、前記固定強磁性多重層と
前記自由強磁性多重層との間に接触して配置され、前記
固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層間のトンネル電
流を許可する絶縁トンネル層とを含む、磁気トンネル接
合素子。 （２）前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層の磁
気モーメントが、印加磁場が不在の時に互いに平行また
は逆平行である、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （３）前記自由強磁性多重層の磁気モーメントが、印加
磁場が不在の時に前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直である、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （４）前記磁気トンネル接合スタックが、前記固定強磁
性多重層の前記磁気モーメントを、界面交換結合により
前記好適な方向に固定するための、前記固定強磁性多重
層に接触する反強磁性層を含む、前記（１）記載の磁気
トンネル接合素子。 （５）前記固定強磁性多重層、前記絶縁トンネル層及び
前記自由強磁性多重層が形成される基板を含み、前記固
定強磁性多重層及び自由強磁性多重層が電気回路に接続
されるとき、前記トンネル電流が前記絶縁トンネル層内
を前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層に垂直な
方向に流れる、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （６）各前記多重層内の前記第１及び第２の強磁性膜が
ＣｏまたはＮｉ−Ｆｅ合金から形成され、各前記多重層
内の前記反強磁性結合膜がＲｕから形成される、前記
（１）記載の磁気トンネル接合素子。 （７）各前記多重層内の前記第１の強磁性膜が第１及び
第２の強磁性サブ膜から形成され、前記第１のサブ膜が
前記絶縁トンネル層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ(100 -x)Ｆｅ
(x)（ｘは２０乃至７０の範囲）及びＮｉ(100-x)Ｆｅ
(x)（ｘは約６０）を含むグループから選択される材料
から形成される、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （８）磁気記録データからの外部磁場を検出する磁気ト
ンネル接合読取りセンサであって、被検出外部磁場の範
囲内の印加磁場の存在の下で、磁気モーメントが好適な
方向に固定される固定強磁性多重層であって、互いに反
強磁性的に結合される第１及び第２の強磁性膜と、前記
第１及び第２の強磁性膜の間に接触して配置され、前記
第１及び第２の強磁性膜を一緒に反強磁性的に結合し、
それらの磁気モーメントを互いに逆平行に整列させ、印
加磁場の存在の下で該磁気モーメントを逆平行に維持す
る反強磁性結合膜とを含む、固定強磁性多重層と、印加
磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直な磁気モーメントを有し、前記被検出外部磁場
の範囲内の印加磁場の存在の下で、磁気モーメントを前
記垂直方向から離れ、自由に回転できる検出強磁性多重
層であって、互いに反強磁性的に結合される第１及び第
２の強磁性膜と、前記第１及び第２の強磁性膜の間に接
触して配置され、前記第１及び第２の強磁性膜を一緒に
反強磁性的に結合し、それらの磁気モーメントを互いに
逆平行に整列させ、印加磁場の存在の下で、該磁気モー
メントを逆平行に維持する反強磁性結合膜とを含む、検
出強磁性多重層と、前記固定強磁性多重層の前記第１の
膜と、前記検出強磁性多重層の前記第１の膜との間に接
触して配置され、前記固定強磁性多重層及び前記検出強
磁性多重層に垂直な方向にトンネル電流を許可する絶縁
トンネル障壁層と、前記固定強磁性多重層、前記絶縁ト
ンネル障壁層及び前記検出強磁性多重層が形成される基
板であって、前記固定強磁性多重層及び前記検出強磁性
多重層が前記被検出外部磁場に晒されるとき、前記検出
強磁性多重層の磁気モーメントがその方向を前記固定強
磁性多重層の磁気モーメントに対して変化させ、前記絶
縁トンネル障壁層内を、前記固定強磁性多重層及び前記
検出強磁性多重層に垂直な方向に流れる電流の電気抵抗
が変化し、それにより外部磁場の検出を可能にする、基
板と、を含む、磁気トンネル接合読取りセンサ。 （９）前記固定強磁性多重層と接触し、該固定強磁性多
重層の磁気モーメントを界面交換結合により前記好適な
方向に固定する反強磁性層を含む、前記（８）記載の磁
気トンネル接合読取りセンサ。 （１０）前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多重層の
各々内の前記第１及び第２の強磁性膜が、ＣｏまたはＮ
ｉ−Ｆｅ合金から形成され、各前記多重層内の前記反強
磁性結合膜がＲｕから形成される、前記（８）記載の磁
気トンネル接合読取りセンサ。 （１１）前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多重層の
各々内の前記第１の強磁性膜が、第１及び第２の強磁性
サブ膜から形成され、前記第１のサブ膜が前記絶縁トン
ネル障壁層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは
２０乃至７０の範囲）及びＮｉ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは約
６０）を含むグループから選択される材料から形成され
る、前記（８）記載の磁気トンネル接合読取りセンサ。 （１２）前記検出強磁性多重層の磁気モーメントを印加
磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直な方向に、長手方向にバイアスするバイアス強
磁性層と、前記バイアス強磁性層と前記検出強磁性多重
層との間に配置され、前記バイアス強磁性層を前記検出
強磁性多重層から電気的に絶縁する電気絶縁層とを含
む、前記（８）記載の磁気トンネル接合読取りセンサ。
ントが好適な方向に固定され、互いに反強磁性的に結合
される第１及び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２の
強磁性膜の間に接触して配置される反強磁性結合膜とを
含む、固定強磁性多重層と、印加磁場の存在の下で、磁
気モーメントが自由に回転でき、互いに反強磁性的に結
合される第１及び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２
の強磁性膜の間に接触して配置される反強磁性結合膜と
を含む、自由強磁性多重層と、前記固定強磁性多重層と
前記自由強磁性多重層との間に接触して配置され、前記
固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層間のトンネル電
流を許可する絶縁トンネル層とを含む、磁気トンネル接
合素子。 （２）前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層の磁
気モーメントが、印加磁場が不在の時に互いに平行また
は逆平行である、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （３）前記自由強磁性多重層の磁気モーメントが、印加
磁場が不在の時に前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直である、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （４）前記磁気トンネル接合スタックが、前記固定強磁
性多重層の前記磁気モーメントを、界面交換結合により
前記好適な方向に固定するための、前記固定強磁性多重
層に接触する反強磁性層を含む、前記（１）記載の磁気
トンネル接合素子。 （５）前記固定強磁性多重層、前記絶縁トンネル層及び
前記自由強磁性多重層が形成される基板を含み、前記固
定強磁性多重層及び自由強磁性多重層が電気回路に接続
されるとき、前記トンネル電流が前記絶縁トンネル層内
を前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層に垂直な
方向に流れる、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （６）各前記多重層内の前記第１及び第２の強磁性膜が
ＣｏまたはＮｉ−Ｆｅ合金から形成され、各前記多重層
内の前記反強磁性結合膜がＲｕから形成される、前記
（１）記載の磁気トンネル接合素子。 （７）各前記多重層内の前記第１の強磁性膜が第１及び
第２の強磁性サブ膜から形成され、前記第１のサブ膜が
前記絶縁トンネル層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ(100 -x)Ｆｅ
(x)（ｘは２０乃至７０の範囲）及びＮｉ(100-x)Ｆｅ
(x)（ｘは約６０）を含むグループから選択される材料
から形成される、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （８）磁気記録データからの外部磁場を検出する磁気ト
ンネル接合読取りセンサであって、被検出外部磁場の範
囲内の印加磁場の存在の下で、磁気モーメントが好適な
方向に固定される固定強磁性多重層であって、互いに反
強磁性的に結合される第１及び第２の強磁性膜と、前記
第１及び第２の強磁性膜の間に接触して配置され、前記
第１及び第２の強磁性膜を一緒に反強磁性的に結合し、
それらの磁気モーメントを互いに逆平行に整列させ、印
加磁場の存在の下で該磁気モーメントを逆平行に維持す
る反強磁性結合膜とを含む、固定強磁性多重層と、印加
磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直な磁気モーメントを有し、前記被検出外部磁場
の範囲内の印加磁場の存在の下で、磁気モーメントを前
記垂直方向から離れ、自由に回転できる検出強磁性多重
層であって、互いに反強磁性的に結合される第１及び第
２の強磁性膜と、前記第１及び第２の強磁性膜の間に接
触して配置され、前記第１及び第２の強磁性膜を一緒に
反強磁性的に結合し、それらの磁気モーメントを互いに
逆平行に整列させ、印加磁場の存在の下で、該磁気モー
メントを逆平行に維持する反強磁性結合膜とを含む、検
出強磁性多重層と、前記固定強磁性多重層の前記第１の
膜と、前記検出強磁性多重層の前記第１の膜との間に接
触して配置され、前記固定強磁性多重層及び前記検出強
磁性多重層に垂直な方向にトンネル電流を許可する絶縁
トンネル障壁層と、前記固定強磁性多重層、前記絶縁ト
ンネル障壁層及び前記検出強磁性多重層が形成される基
板であって、前記固定強磁性多重層及び前記検出強磁性
多重層が前記被検出外部磁場に晒されるとき、前記検出
強磁性多重層の磁気モーメントがその方向を前記固定強
磁性多重層の磁気モーメントに対して変化させ、前記絶
縁トンネル障壁層内を、前記固定強磁性多重層及び前記
検出強磁性多重層に垂直な方向に流れる電流の電気抵抗
が変化し、それにより外部磁場の検出を可能にする、基
板と、を含む、磁気トンネル接合読取りセンサ。 （９）前記固定強磁性多重層と接触し、該固定強磁性多
重層の磁気モーメントを界面交換結合により前記好適な
方向に固定する反強磁性層を含む、前記（８）記載の磁
気トンネル接合読取りセンサ。 （１０）前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多重層の
各々内の前記第１及び第２の強磁性膜が、ＣｏまたはＮ
ｉ−Ｆｅ合金から形成され、各前記多重層内の前記反強
磁性結合膜がＲｕから形成される、前記（８）記載の磁
気トンネル接合読取りセンサ。 （１１）前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多重層の
各々内の前記第１の強磁性膜が、第１及び第２の強磁性
サブ膜から形成され、前記第１のサブ膜が前記絶縁トン
ネル障壁層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは
２０乃至７０の範囲）及びＮｉ(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは約
６０）を含むグループから選択される材料から形成され
る、前記（８）記載の磁気トンネル接合読取りセンサ。 （１２）前記検出強磁性多重層の磁気モーメントを印加
磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モーメン
トに垂直な方向に、長手方向にバイアスするバイアス強
磁性層と、前記バイアス強磁性層と前記検出強磁性多重
層との間に配置され、前記バイアス強磁性層を前記検出
強磁性多重層から電気的に絶縁する電気絶縁層とを含
む、前記（８）記載の磁気トンネル接合読取りセンサ。
【図１】本発明に従うＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドが使用
される、従来の磁気記録ディスク・ドライブの単純化さ
れたブロック図である。
される、従来の磁気記録ディスク・ドライブの単純化さ
れたブロック図である。
【図２】カバーが除去された状態の図１のディスク・ド
ライブの上面図である。
ライブの上面図である。
【図３】ＭＲ読取りヘッドが誘導書込みヘッドに隣接し
て、シールド間に配置される従来の誘導書込みヘッド／
ＭＲ読取りヘッドの垂直断面図である。
て、シールド間に配置される従来の誘導書込みヘッド／
ＭＲ読取りヘッドの垂直断面図である。
【図４】本発明のＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドの断面図で
ある。
ある。
【図５】図４に示されるＭＴＪ ＭＲ読取りヘッドを構
成するＭＴＪ素子の断面図である。
成するＭＴＪ素子の断面図である。
【図６】非逆平行結合の固定強磁性層と検出強磁性層と
を有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲内での磁気抵抗−磁
場曲線を示す図である。
を有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲内での磁気抵抗−磁
場曲線を示す図である。
【図７】逆平行結合の固定強磁性多重層と検出強磁性層
とを有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲内での磁気抵抗−
磁場曲線を示す図である。
とを有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲内での磁気抵抗−
磁場曲線を示す図である。
【図８】逆平行結合の固定強磁性多重層及び逆平行結合
の検出強磁性多重層を有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲
内での磁気抵抗−磁場曲線を示す図である。
の検出強磁性多重層を有するＭＴＪ素子の制限磁場範囲
内での磁気抵抗−磁場曲線を示す図である。
【図９】固定強磁性層を完全に配向し直すのに十分に大
きな磁場範囲に渡る図６に示される応答と同一の構造の
磁気抵抗−磁場曲線を示す図である。
きな磁場範囲に渡る図６に示される応答と同一の構造の
磁気抵抗−磁場曲線を示す図である。
【図１０】拡張された磁場範囲に渡る逆平行結合の固定
強磁性層を有するＭＴＪ素子の磁気抵抗−磁場曲線を示
す図である。
強磁性層を有するＭＴＪ素子の磁気抵抗−磁場曲線を示
す図である。
【図１１】制限された磁場範囲に渡る逆平行結合の固定
強磁性層を有するＭＴＪ素子の磁気抵抗−磁場曲線を示
す図である。
強磁性層を有するＭＴＪ素子の磁気抵抗−磁場曲線を示
す図である。
１０ ベース １１ カバー １２ ディスク駆動モータ １３ ガスケット １４ アクチュエータ １５ 集積回路チップ １６ 磁気記録ディスク １７ 可撓性ケーブル １８ ハブ １９ ケーブル ２０ エア・ベアリング・スライダ ２２ 剛性アーム ２４ サスペンション ２５ 読取り／書込みヘッド ４０ ＭＲセンサ ５０ 潤滑膜 １００ ＭＴＪ素子 １０２、１０４ 電気リード １１０、１３０ 電極スタック １１２ テンプレート層 １１６ 反強磁性交換バイアス層 １１８ 固定強磁性層 １２０ 絶縁トンネル障壁層 １３２ 検出強磁性層 １３３ 磁気モーメント １３４ キャッピング層 １５０ バイアス強磁性層 １５３ 静磁気結合 １６０ 絶縁層 ２００、２２５、２４５、２７０ 強磁性膜 ２１０、２６０ 非強磁性膜 ２４０、２５０ 強磁性サブ膜
Claims (12)
- 【請求項１】印加磁場の存在の下で、磁気モーメントが
好適な方向に固定され、互いに反強磁性的に結合される
第１及び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２の強磁性
膜の間に接触して配置される反強磁性結合膜とを含む、
固定強磁性多重層と、 印加磁場の存在の下で、磁気モーメントが自由に回転で
き、互いに反強磁性的に結合される第１及び第２の強磁
性膜と、前記第１及び第２の強磁性膜の間に接触して配
置される反強磁性結合膜とを含む、自由強磁性多重層
と、 前記固定強磁性多重層と前記自由強磁性多重層との間に
接触して配置され、前記固定強磁性多重層及び自由強磁
性多重層間のトンネル電流を許可する絶縁トンネル層と
を含む、磁気トンネル接合素子。 - 【請求項２】前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重
層の磁気モーメントが、印加磁場が不在の時に互いに平
行または逆平行である、請求項１記載の磁気トンネル接
合素子。 - 【請求項３】前記自由強磁性多重層の磁気モーメント
が、印加磁場が不在の時に前記固定強磁性多重層の磁気
モーメントに垂直である、請求項１記載の磁気トンネル
接合素子。 - 【請求項４】前記磁気トンネル接合スタックが、前記固
定強磁性多重層の前記磁気モーメントを、界面交換結合
により前記好適な方向に固定するための、前記固定強磁
性多重層に接触する反強磁性層を含む、請求項１記載の
磁気トンネル接合素子。 - 【請求項５】前記固定強磁性多重層、前記絶縁トンネル
層及び前記自由強磁性多重層が形成される基板を含み、
前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層が電気回路
に接続されるとき、前記トンネル電流が前記絶縁トンネ
ル層内を前記固定強磁性多重層及び自由強磁性多重層に
垂直な方向に流れる、請求項１記載の磁気トンネル接合
素子。 - 【請求項６】前記各多重層内の前記第１及び第２の強磁
性膜がＣｏまたはＮｉ−Ｆｅ合金から形成され、前記各
多重層内の前記反強磁性結合膜がＲｕから形成される、
請求項１記載の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項７】前記各多重層内の前記第１の強磁性膜が第
１及び第２の強磁性サブ膜から形成され、前記第１のサ
ブ膜が前記絶縁トンネル層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ
(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは２０乃至７０の範囲）及びＮｉ
(100-x)Ｆｅ(x)（ｘは約６０）を含むグループから選択
される材料から形成される、請求項１記載の磁気トンネ
ル接合素子。 - 【請求項８】磁気記録データからの外部磁場を検出する
磁気トンネル接合読取りセンサであって、 被検出外部磁場の範囲内の印加磁場の存在の下で、磁気
モーメントが好適な方向に固定される固定強磁性多重層
であって、互いに反強磁性的に結合される第１及び第２
の強磁性膜と、前記第１及び第２の強磁性膜の間に接触
して配置され、前記第１及び第２の強磁性膜を一緒に反
強磁性的に結合し、それらの磁気モーメントを互いに逆
平行に整列させ、印加磁場の存在の下で該磁気モーメン
トを逆平行に維持する反強磁性結合膜とを含む、固定強
磁性多重層と、 印加磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モー
メントに垂直な磁気モーメントを有し、前記被検出外部
磁場の範囲内の印加磁場の存在の下で、磁気モーメント
を前記垂直方向から離れ、自由に回転できる検出強磁性
多重層であって、互いに反強磁性的に結合される第１及
び第２の強磁性膜と、前記第１及び第２の強磁性膜の間
に接触して配置され、前記第１及び第２の強磁性膜を一
緒に反強磁性的に結合し、それらの磁気モーメントを互
いに逆平行に整列させ、印加磁場の存在の下で、該磁気
モーメントを逆平行に維持する反強磁性結合膜とを含
む、検出強磁性多重層と、 前記固定強磁性多重層の前記第１の膜と、前記検出強磁
性多重層の前記第１の膜との間に接触して配置され、前
記固定強磁性多重層及び前記検出強磁性多重層に垂直な
方向にトンネル電流を許可する絶縁トンネル障壁層と、 前記固定強磁性多重層、前記絶縁トンネル障壁層及び前
記検出強磁性多重層が形成される基板であって、前記固
定強磁性多重層及び前記検出強磁性多重層が前記被検出
外部磁場に晒されるとき、前記検出強磁性多重層の磁気
モーメントがその方向を前記固定強磁性多重層の磁気モ
ーメントに対して変化させ、前記絶縁トンネル障壁層内
を、前記固定強磁性多重層及び前記検出強磁性多重層に
垂直な方向に流れる電流の電気抵抗が変化し、それによ
り外部磁場の検出を可能にする、基板と、 を含む、磁気トンネル接合読取りセンサ。 - 【請求項９】前記固定強磁性多重層と接触し、該固定強
磁性多重層の磁気モーメントを界面交換結合により前記
好適な方向に固定する反強磁性層を含む、請求項８記載
の磁気トンネル接合読取りセンサ。 - 【請求項１０】前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多
重層の各々内の前記第１及び第２の強磁性膜が、Ｃｏま
たはＮｉ−Ｆｅ合金から形成され、各前記多重層内の前
記反強磁性結合膜がＲｕから形成される、請求項８記載
の磁気トンネル接合読取りセンサ。 - 【請求項１１】前記固定強磁性多重層及び検出強磁性多
重層の各々内の前記第１の強磁性膜が、第１及び第２の
強磁性サブ膜から形成され、前記第１のサブ膜が前記絶
縁トンネル障壁層と接触し、Ｃｏ、Ｃｏ(100-x)Ｆｅ(x)
（ｘは２０乃至７０の範囲）及びＮｉ(100-x)Ｆｅ
(x)（ｘは約６０）を含むグループから選択される材料
から形成される、請求項８記載の磁気トンネル接合読取
りセンサ。 - 【請求項１２】前記検出強磁性多重層の磁気モーメント
を印加磁場が不在の時、前記固定強磁性多重層の磁気モ
ーメントに垂直な方向に、長手方向にバイアスするバイ
アス強磁性層と、前記バイアス強磁性層と前記検出強磁
性多重層との間に配置され、前記バイアス強磁性層を前
記検出強磁性多重層から電気的に絶縁する電気絶縁層と
を含む、請求項８記載の磁気トンネル接合読取りセン
サ。
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