JPH11213355A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

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JPH11213355A
JPH11213355A JP1307698A JP1307698A JPH11213355A JP H11213355 A JPH11213355 A JP H11213355A JP 1307698 A JP1307698 A JP 1307698A JP 1307698 A JP1307698 A JP 1307698A JP H11213355 A JPH11213355 A JP H11213355A
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JP
Japan
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film
ferromagnetic
nonmagnetic
magnetic
spin
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JP1307698A
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English (en)
Inventor
Akihiko Nomura
昭彦 野村
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Victor Company of Japan Ltd
Original Assignee
Victor Company of Japan Ltd
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Publication date
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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
    • H01F10/3268Exchange 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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    • H01F10/3272Exchange 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 by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MRヘッド等の再生部に用いられる磁気抵抗
効果素子おいて、より大きな抵抗変化率を得ることによ
り、高感度、高出力化を可能とする。 【解決手段】 第1の強磁性膜22(自由層)を強磁性
膜23と非磁性膜24の積層構造とし、かつ前記強磁性
膜23の磁化方向が相互作用により反強磁性整列の状態
となるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、HDD等の磁気
ディスク装置やDCC等の磁気テープ装置の磁気ヘッド
等に用いられる磁気抵抗効果素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、HDD等の磁気ディスク装置で
は、これまでのインダクティブヘッドに代わって、記録
・再生分離型薄膜磁気ヘッドが採用されつつある。この
磁気ヘッドでは、記録部にインダクティブヘッドが、再
生部には磁気抵抗効果型ヘッド(以下、MRヘッド)が
用いられている。このMRヘッドは、従来のコイルを巻
いたインダクティブヘッドよりも再生特性が高感度、高
出力であるため、装置の小型化、高密度化に有利と考え
られている。
【0003】MRヘッドでは、記録媒体からの磁界を感
知して抵抗が変化し、その変化が再生信号となるため、
抵抗変化率の大きさが重要となる。しかし、従来のMR
ヘッドに用いられているNiFe合金の抵抗変化率は2
〜3%程度であり、今後求められる高感度、高出力化に
は不十分である。
【0004】一方、強磁性膜と非磁性膜を交互に積層し
てなる多層積層膜(人工格子膜)においては、非磁性膜
を適当な膜厚にすると、外部磁界がないとき、相互作用
により強磁性膜の磁化方向が一層づつ反転する、いわゆ
る反強磁性整列状態が実現することが確認されている。
このような状態で外部磁界を掛けると数十%の抵抗変化
率が得られる。しかし、この人工格子膜が数十%の抵抗
変化率を示すためには、大きな外部磁界が必要となるた
め、現状では磁気ヘッドへの応用は困難であると考えら
れる。
【0005】また、これとは別にスピンバルブ膜と呼ば
れる積層膜も報告されている。この膜の抵抗変化率は3
〜10%であり、人工格子膜よりは小さいが、小さな磁
界で抵抗変化が起きるため、磁気ヘッドへの応用が期待
されている。
【0006】図3は、従来の一般的なスピンバルブ膜の
構成を示す概略断面図である。スピンバルブ膜の中心部
分は、非磁性金属の薄膜である非磁性中間膜10と、こ
の中間膜10により分離された第1の強磁性膜11(自
由層)と第2の強磁性膜12(固定層)により構成され
ている。このうち、第1の強磁性膜11の下層には下地
膜13が積層され、第2の強磁性膜12の上層には反強
磁性膜14、保護膜15が積層されている。なお、図3
は外部磁界が加わる方向から見たときの断面を示してい
る。
【0007】前記固定層と自由層の磁化容易軸の方向
(以下、磁化方向)は、外部磁界に対しそれぞれ異なっ
た変化をするように設定されている。すなわち、固定層
は記録媒体からの信号磁界に対し常に磁化方向が保持さ
れるように、自由層は記録媒体からの信号磁界により磁
化方向が回転するように設定されている。このような磁
化方向を作り出す方法としては、例えば自由層には保持
力の小さい磁性膜、すなわち軟磁気特性の良い磁性膜を
用い、固定層には反強磁性膜を積層したときの交換結合
磁界を利用して固着する方法、あるいは保磁力の大きな
磁性膜を用い固着する方法などがある。
【0008】スピンバルブ膜の電気抵抗は、2層の磁化
方向の角度の余弦の関数として変化し、自由層と固定層
のそれぞれの磁化の向きが同一方向を向いた時(0度)
に電気抵抗は最小になり、逆に反対を向いた時(180
度)に最大となる。記録媒体からの信号磁界により、こ
の変化が生じることで再生信号が得られる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のMRヘッドは抵抗変化率が2〜3%程度であるため、
高感度、高出力化には不十分であった。また、人工格子
膜は大きな抵抗変化率を得ることができるが、そのため
には大きな外部磁界が必要となるため、現状では磁気ヘ
ッドへの応用は困難であった。
【0010】一方、スピンバルブ膜は比較的大きな抵抗
変化率を小さな外部磁界で得ることができるため、高感
度、高出力化が可能であり、磁気ヘッドへの応用が期待
されている。このスピンバルブ膜を磁気ヘッドへ応用し
た場合には、抵抗変化率が大きくなるために再生出力が
増大し、狭トラックのヘッドを実現することができる。
狭トラック化が実現できれば、今後、記録媒体の面記録
密度向上に対応してトラック密度をさらに高密度化する
ことが可能となる。しかし、現状の磁性材料と膜構成で
は抵抗変化率の特性向上にも限界があり、今後求められ
る高密度化に対応することは難しいと考えられている。
【0011】この発明の目的は、従来に比べてより大き
な抵抗変化率を得ることにより、高感度、高出力化を図
り、磁気ヘッドに応用した場合にトラック密度のさらな
る高密度化を実現することができる磁気抵抗効果素子を
提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、基板上に第1の強磁性膜(自由
層)、非磁性中間膜、第2の強磁性膜(固定層)、反強
磁性膜が順に成膜された積層膜を備えた磁気抵抗効果素
子であって、前記第1の強磁性膜が強磁性膜と非磁性膜
の積層構造を持ち、かつ前記強磁性膜の磁化方向が相互
作用により反強磁性整列していることを特徴とする。
【0013】請求項2の発明は、請求項1において、前
記非磁性膜の膜厚が1nm又は2nmであることを特徴
とする。
【0014】従来のスピンバルブ膜では、非磁性中間膜
を流れる電子が上下の自由層と固定層のそれぞれの界面
で散乱されることにより抵抗変化が起こっているが、上
記のような構造を採ることにより、自由層内部でも反強
磁性整列により電子が散乱されるため抵抗変化が起こる
ため、この2つの作用が重畳されてより大きな抵抗変化
が生じることになる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、この発明に係わる磁気抵抗
効果素子をスピンバルブ型MRヘッドに適用した場合の
一実施形態について説明する。
【0016】図1は、この実施形態に係わるスピンバル
ブ型MRヘッドに用いられるスピンバルブ膜の構成を示
す概略断面図である。この膜をスピンバルブ型MRヘッ
ドの再生部に組み込む場合には、スピンバルブ膜に電流
を流すための一対の電極などが配置される。
【0017】図1に示すスピンバルブ膜の成膜にはスパ
ッタ法を用い、成膜中に基板面内方向に磁界を印加しな
がら、図示しないガラス基板上に下地膜21としてT
a、第1の強磁性膜(自由層)22として強磁性膜23
であるCoFe(90−10at%)、非磁性膜24で
あるCuをそれぞれ交互に積層した積層膜、非磁性中間
膜25としてCu、第2の強磁性膜(固定層)26とし
てCoFe、反強磁性膜27としてIrMn(20−8
0at%)、保護膜28としてTaを順次成膜すること
により、Ta5nm/CoFe1.5nm/Cu1nm
積層/Cu2.5nm/CoFe3nm/IrMn10
nm/Ta5nmのスピンバルブ構造の積層膜を得た。
【0018】この実施形態では、強磁性膜23と非磁性
膜24を交互に4層に積層している。強磁性膜23と非
磁性膜24の積層数はこの実施形態の例に限らないが、
具体的には3〜7の範囲で積層するのが好ましい。ま
た、強磁性膜23と非磁性膜24の4層に積層すると、
その上面は非磁性膜24となるが、非磁性中間層25と
接する面には、非磁性/強磁性の界面作製のために強磁
性膜23を積層している。
【0019】さらに、非磁性膜24の膜厚は、自由層内
に積層された強磁性膜23のそれぞれが反強磁性整列す
るように1nmとした。強磁性膜23の各層を反強磁性
整列させるためには、非磁性膜24の膜厚を1nm又は
2nmに設定する必要がある。なお、比較のために非磁
性膜24の膜厚を0.8nmとした積層膜も作成した。
また、いずれの積層膜も強磁性膜23の膜厚は1.5n
mとした。
【0020】このようにして得られた積層膜からなるス
ピンバルブ膜について抵抗変化率を調べた。結果を表1
に示す。表1は、自由層の非磁性膜24の膜厚が1nm
の時(反強磁性整列をしている場合)と非磁性膜24の
膜厚が0.8nmの時(反強磁性整列していない場合)
の抵抗変化率(%)を示したものである。自由層の非磁
性膜24の膜厚を1nmとした場合は、膜厚を0.8n
mとした場合に比べて抵抗変化率が約40%向上するこ
とが明らかとなった。
【0021】
【表1】 次に、本実施形態のスピンバルブ膜において抵抗変化率
が向上する理由について説明する。図2は、積層構造を
持つ自由層の磁化方向を模式的に示したもので、(A)
は強磁性整列した自由層、(B)は反強磁性整列した自
由層をそれぞれ示している。図中、矢印が描かれた層は
強磁性膜(23)であり、矢印の向きは磁化方向を示し
ている。
【0022】通常のスピンバルブ膜では、図1の非磁性
中間膜25を流れる電子が上下の自由層と固定層のそれ
ぞれの界面で散乱されることにより抵抗変化が起こって
いる。図2(A)のようなスピンバルブ膜では、強磁性
膜の磁化方向が一方向に揃っているため、その磁化方向
と逆向きのスピンをもつ電子e- (図示せず)は膜間で
散乱されるが、同じ向きのスピンをもつ電子e- は膜間
を通過することができるため、抵抗は小さくなる。すな
わち、図2(A)のようなスピンバルブ膜では、電子が
自由層と固定層のそれぞれの界面で散乱される作用がほ
とんどであり、自由層内部での散乱は少ないため、大き
な抵抗変化は得られない。
【0023】一方、図2(B)のようなスピンバルブ膜
では、強磁性膜の磁化方向が一層ごとに反転しているた
め、いずれの向きのスピンをもつ電子も、そのスピンの
向きと逆方向に磁化された膜間を通過することができず
に散乱するため、抵抗は大きくなる。すなわち、図2
(B)のようなスピンバルブ膜では、従来の電子が自由
層と固定層のそれぞれの界面で散乱される作用に加え
て、自由層内部でも散乱が生じるため、この2つの作用
が重畳されてより大きな抵抗変化が生じると考えれられ
る。
【0024】なお、この実施形態では、この発明に係わ
る磁気抵抗効果素子をスピンバルブ型MRヘッドに適用
した場合について示したが、本発明の用途は磁気ヘッド
に限定されるものではなく、例えばDRAMに代わる磁
気固体メモリの記憶素子などにも適用可能である。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる磁
気抵抗効果素子によれば、従来に比べてより大きな抵抗
変化率を得ることができるので、高感度、高出力化が可
能となり、磁気ヘッドに応用した場合にはトラック密度
のさらなる高密度化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態のスピンバルブ型MRヘッドに用いら
れるスピンバルブ膜の構成を示す概略断面図。
【図2】積層構造を持つ自由層の磁化方向を模式的に示
す説明図。
【図3】従来の一般的なスピンバルブ膜の構成を示す概
略断面図。
【符号の説明】
22 第1の強磁性膜(自由層) 23 強磁性膜 24 非磁性膜 25 非磁性中間膜 26 第2の強磁性膜(固定層) 27 反強磁性膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に第1の強磁性膜、非磁性中間
    膜、第2の強磁性膜、反強磁性膜が順に成膜された積層
    膜を備えた磁気抵抗効果素子であって、 前記第1の強磁性膜が強磁性膜と非磁性膜の積層構造を
    持ち、かつ前記強磁性膜の磁化方向が相互作用により反
    強磁性整列していることを特徴とする磁気抵抗効果素
    子。
  2. 【請求項2】 前記非磁性膜の膜厚が1nm又は2nm
    であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素
    子。
JP1307698A 1998-01-26 1998-01-26 磁気抵抗効果素子 Pending JPH11213355A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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