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    公开号:WO1991018424A1
    申请号:PCT/JP1991/000671
    申请日:1991-05-20
    公开日:1991-11-28
    发明作者:Teruya Shinjo；Hidefumi Yamamoto；Toshio Takada
    申请人:Ube Industries, Ltd.；Kanegafuchi Chemical Industry Co., Ltd.；Nippon Steel Corporation；Tdk Corporation；Tosoh Corporation；Toyo Boseki Kabushiki Kaisha；Nippon Mining Co., Ltd.；Nec Corporation；Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.；Seisan Kaihatsu Kagaku Kenkyusho；
    IPC主号:B82Y25-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 磁気抵抗効果素子
    [0003] 産業上の利用分野
    [0004] 本発明は、 磁気媒体等において、 磁界強度を信号として読み取る ための磁気抵抗効果素子に関するものである。
    [0005] 実用性の高い磁気抵抗効果素子は、 小さい外部磁場で、 抵抗変化 率が大きいことが要求される。 本発明に係る磁気抵抗効果素子は、 小さい外部磁場で、 抵抗変化率が大きく、 充分な実用性を有してい る。
    [0006] 従来の技術
    [0007] 近年、 磁気センサーの高感度化、 及び磁気記録における高密度化 が進められており、 これに伴い磁.気抵抗効果型磁気センサ一 （以下.
    [0008] M Rセンサーという。 ） 及び磁気抵抗効果型磁気へッ ド （以下、 M Rへッ ドという。 ） の開発が盛んに進められている。 M Rセンサ一 も M Rへッ ドも、 磁性材料からなる読み取りセンサー部の抵抗変化 により、 外部磁界信号を読み出す訳であるが、 MRセンサー及び M Rへッ ドは、 記録媒体との相対速度が再生出力に依存しないことか ら、 MRセンサ一では高感度が、 MRへッ ドでは高密度磁気記録に おいも高い出力が得られるという特長がある。
    [0009] しかし、 従来の異方性磁気抵抗効果による磁性体 N i 0.8 F eo .2等 を利用した MRセンサーでは、 抵抗変化率 ARZR (後に定義する。） がせいぜい 2〜 5 %位であることから、 さらに抵抗変化率の大きな MR素子が求められてきた。
    [0010] 最近、 磁性層間で磁化方向が互いに逆向きになつている [F e/C r]
    [0011] Nを代表とする人工格子膜で大きな磁気抵抗効果が起きることが発 見された [フィ ジカル ' レビュー · レターズ（Phys. Rev. Lett. ) 第 6 1巻、 2472頁、 1988年] 。 しかし、 この人工格子膜で は最大抵抗変化の起きる外部磁場が十数 KOe〜数十 K Oeと大きく、 このままでは実用性がない。
    [0012] すなわち、 従来の MRセンサー及び MRへッ ドでは抵抗変化率が 小さ く、 また F e/C rをはじめとする人工格子膜では抵抗変化の起 こる外部磁場が大きすぎるという問題があつた。 '
    [0013] 発明の要約
    [0014] 本発明者らは、 この問題点を解決するため鋭意研究を重ねた結果- 極めて実用性の高い磁気抵抗効果素子の作製に成功したのである。 本発明は、 基板、 及び該基板上に非磁性薄膜層を介して積層され た少なく とも 2層の磁性薄膜を有して成り、 非磁性薄膜層を介して 隣合う磁性薄膜の保磁力が異なっており、 磁性薄膜層及び非磁性薄 膜層の厚みが各々 2 0 0オ ングス ト 口一厶以下であることを特徴と する磁気抵抗効果素子を提供する ものである。
    [0015] 図面の簡単な説明
    [0016] 図 1 は、 本発明に係る磁気抵抗効果素子の一部省略側面図である c 図 2は、 本発明の作用を説明する B— H曲線の模式図である。 図 3は、 [^ 1 6(25)//〇 11(55) /〇 0(25) （ 11(55)]5の 8— H曲 める。 図 4は、 ：X iF e(25)ZCu(55)ZCo(25)/C u(55):5の外部磁界 Hと抵抗 Rとの関係を示す曲線である。
    [0017] 発明の詳細な説明
    [0018] 本発明の磁気抵抗効果素子では、 非磁性薄膜を介して隣台った磁 性薄膜層の保磁力は互いに異なつていることが必須である。 その理 由は、 本発明の原理が、 隣合った磁性層の磁化の向きがズレている とき、 伝導電子がス ピンに依存した散乱を受け、 抵抗が増え、 磁化 の向きが互いに逆向きに向いたとき、 最大の抵抗を示すことにある からである。 すなわち、 本発明では、 図 2で示すごとく外部磁場が 磁性薄膜層の保磁力 Hc2と磁性薄膜層の保磁力 Hc3の間 （Hc2<H
    [0019] <Hc3) であるとき、 隣合った磁性層の磁化の方向が互いに逆向き になり、 抵抗が増大する。 なお、 外部磁場、 保磁力及び磁化の方向 の関係に付いては後に詳述する。
    [0020] 本発明の磁性薄膜に用いる磁性体の種類は特に制限されないが、 具体的には、 Fe, Ni， Co, Mn, C r, D y， E r， N d, T b, T m Ce, Gd等が好ま しい。 また、 これらの元素を含む合金や化台物と しては、 例えば、 F e— S i, F e- N i, F e— Co; F e— Gd, F e 一 A 1— S i (セ ンダス ト等） ， F e—Y， F e— Mn, Cr— S b, Co 系アモルフ ァ ス合金、 Co— P t, F e- A 1, F e- C , Mn— S b, K - M n, Co—〇， N i - O , F e- O , i - F , フ ヱ ラ イ ト等が 好ま しい。
    [0021] 本発明では、 これらの磁性体から保磁力の異なる 2種またはそれ 以上を選択して磁性薄膜を形成する。
    [0022] 各磁性薄膜層の膜厚の上限は、 20 0オングス トームである。 一 方、 磁性薄膜の厚さの下限は特にないが、 4オ ングス ト ローム以下 はキューリ一点が室温より低く なつて実用性がなく なる。 また、 厚 さを 4ォングス ト ローム以上とすれば、 膜厚を均一に保つことが容 易となり、 膜質も良好となる。 また、 飽和磁化の大きさが小さ く な りすぎることもない。 膜厚を 2 00オングス ト ロ一ム以上と しても 効果は落ちないが、 膜厚の増加に伴って効果が増大することもなく、 膜の作製上無駄が多く、 不経済である- 各磁性膜の保磁力は、 適用される素子における外部磁界強 ¾や要 求される抵抗変化率等に応じて、 例えば約 0 . G 0 1 O e〜約 1 O k O eの範囲から適宜選択すればよい。 また、 隣接する磁性薄膜の保 磁力の比は、 1 . 2 ： 1〜 1 0 0 ： 1、 好ま しく は 5 ： 1 〜5 0 ： 1、 より好ま しく は 8 ： 1〜 2 0 ： 1 である。
    [0023] なお、 磁気抵抗効果素子中に存在する磁性薄膜の磁気特性を直接 測定することはできないので、 通常、 下記のようにして測定する c 測定すべき磁性薄膜を、 磁性薄膜の合計厚さが 2 0 0〜4 0 0ォ ングス トロ ーム程度になるまで非磁性薄膜と交互に蒸着して測定用 サンプルを作製し、 これに付いて磁気特性を測定する。 この場台、 磁性薄膜の厚さ、 非磁性薄膜の厚さ及び非磁性薄膜の組成は、 磁気 抵抗効果測定素子におけるものと同じにする。
    [0024] 保磁力以外の磁性薄膜の磁気特性は特に制限されないが、 低保磁 力の磁性薄膜の角形比は 0 . 9〜 1 . 0であるのが好ま しい c 非磁性薄膜層は、 保磁力の異なる磁性薄膜層間の磁気相互作用を 弱める役割をはたす材料であり、 その種類に特に制限はなく、 各種 金属ないし半金属非磁性体及び非金属非磁性体から適宜選択すれば よい。
    [0025] 金属非磁性体と しては、 A u， Ag, C u， P t， A 1, Mg, Mo, Z n, N b, T a, V , H f, S b, Z r, G a, T i, S n, P b等及びこ れらの合金が好ま しい。 半金属非磁性体と しては、 S i, G e, C , B等及びこれらに別の元素を添加したものが好ま しい。 非金属非磁 性体と しては、 S i02, S i〇， S iN, A 1203 , Z nO , Mg〇， T iN等及びこれらに別の元素を添加したものが好ま しい。
    [0026] 非磁性薄膜の厚さは、 200オ ングス ト ローム以下が望ま しい。 一般に膜厚が 200オ ングス ト ロームを超えると、 非磁性薄膜層に より抵抗が決まつてしまい、 ス ピンに依存する散乱効果が相対的に 小さ くなつてしまい、 その結果、 磁気抵抗変化率が小さ く なつてし ま う。 一方、 膜厚が 4オングス トローム以下になると、 磁性薄膜層 間の磁気相互作用が大きくなり過ぎ、 両磁性薄膜の磁化方向が相異 なる状態が生じにく くなる。 - 磁性又は非磁性薄膜の膜厚は、 透過型電子顕微鏡、 走査型電子顕 微鏡、 オージュ電子分光分析等により測定することができる。 また、 薄膜の結晶構造は、 X線回折や高速電子線回折等により確認するこ とができる。
    [0027] 本発明の磁気抵抗効果素子において、 人工格子膜の繰返し積層回 数 Nに特に制限はなく、 目的とする磁気抵抗変化率等に応じて適宜 選定すればよいが、 十分な磁気抵抗変化率を得るためには、 Nを 3 以上にするのが好ましい。 また、 積層数を增加するに従って、 抵抗 変化率も増加するが、 生産性が悪くなり、 さらに Nが大きすぎると 素子全体の抵抗が低くなりすぎて実用上の不便が生じることから、 通常、 Nを 5 0以下とするのが好ましい。
    [0028] 以上の説明では、 磁性薄膜として保磁力の異なる 2種類の磁性薄 膜だけを用いているが、 保磁力がそれぞれ異なる 3種以上の磁性薄 膜を用いるこ とによ り、 磁化方向が逆転する外部磁界を 2箇所以上 設定でき、 動作磁界強度の範囲を拡大することができる。
    [0029] なお、 最上層の磁性薄膜の表面には、 窒化けい素や酸化けい素等 の酸化防止膜が設けれられてもよく、 電極引出のための金属導電層 が設けられてもよい。
    [0030] 製膜は、 蒸着法、 スパッ タ リ ング法、 分子線エ ピタキシー法 （M B E)等の方法で行う。 また、 基板としては、 ガラス， けい素， Mg 〇， GaAs, フ ェ ラ イ 卜， CaT iO等を用いることができる。
    [0031] こ こで、 外部磁場、 保磁力及び磁化の方向の関係を説明する。 簡素化の為、 保磁力の異なつた 2種類の磁性薄膜②及び③に限定 して説明する。 図 2に示すように、 2種類の磁性薄膜層の Heをそ れぞれ Hc2及び Hc3とする （0く Hc2<Hc3) 。 最初、 外部磁場 H を、 H<— Hem (Hemは、 磁性薄膜③の磁化が飽和する外部磁界で ある。 ） となるようにかけておく。 磁性薄膜層②及び③の磁化方向 は、 Hと同じ— （負） 方向に向いている。 次に外部磁場を上げてい く と、 H<Hc2の領域 （ I ) では、 まだ両磁性薄膜層磁化方向は— 方向を向いている。 .
    [0032] 外部磁場を上げて Hc2く H < Hc3の領域 （II) になると、 磁性薄 膜層②の磁化方向が反転し、 磁性薄膜層②及び③の磁化方向は互い に逆向きになる。 更に外部磁場を大きく した Hemく Hの領域 （III) では、 磁性薄膜層②及び③の磁化方向は、 +方向に揃って向く。 今度は外部磁場 Hを減少させると、 一 Hc2<Hの領域 （IV) では 磁性薄膜層②及び③の磁化方向は +方向のままであるが、 一 Hc3< H<— Hc2の領域 （V) では、 磁性薄膜層②の磁化方向は一方向に 反転し、 磁性薄膜層②及び③の磁化方向は互いに逆向きになる。 更 に、 H<— Hemの領域 （VI) では、 磁性薄膜層②及び③の磁化方向 は一方向に揃って向く。 この磁性薄膜層②及び③の磁化方向が互い に逆向きになっている領域 （II) 及び （V) で、 伝導電子がス ピン に依存した散乱を受け、 抵抗は大きくなる。
    [0033] 磁性薄膜層②に例えば Heの小さな Ni。.8Fe。.2 (Hc2数〇e) を 選び、 磁性薄膜層③に Heのやや大きい例えば Co (Hc3数十 Oe) を選ぶことにより、 外部磁場 Hc2付近の小外部磁 ίϊで大きな抵抗変 化率を示す MR素子が得られる。
    [0034] 実施例
    [0035] 本発明の磁気抵抗効果素子を添付図面を参照して説明する。 図 1 は、 本発明の実施例である人工格子膜 1の断面図である。 図 1 において、 人工格子膜 1 は、 基板 4上に磁性薄膜 Mt， M2, ···, Mn— 有し、 隣接する 2層の磁性薄膜の間に、 非磁性薄膜
    [0036] N 2> ···, Νη-2, Νη-,を有する。
    [0037] 以下、 本発明を具体的な実験結果により説明する。
    [0038] 実施例 1
    [0039] 基板としてガラス基板 4を用い、 超高真空蒸着装置の中に入れ、 1 0 _3〜 1 0— torrまで真空引きを行う。 基板温度は室温に保つ たまま基板を回転させながら、 以下の組成をもつ人工格子膜 1を作 製した。 磁界を基板の面内方向に印加しながら、 約 0.3オ ングス トローム z秒の製膜速度で、 製膜を行った c
    [0040] 磁性薄膜と非磁性薄膜とからなる多層膜の構成及び磁気抵抗変化 率を下記表 1に示す。 なお、 表 1 において、 例えば、 [Ni。.8F e0.2 (SC ZCu^fDZCo^t ZC u(20)]5と表示されている場合、 30 オングス ト ローム厚の Ni80%— Fe20 %の合金薄膜、 20オ ン グス トローム厚の C u薄膜、 30オ ングス ト ローム厚の C 0薄膜及び 20オ ングス ト ローム厚の Cu薄膜を順次蒸着する工程を 5回繰り 返したことを意味する。
    [0041] 磁化の測定は、 振動型磁力計により行った。 抵抗測定は、 表 1 に 示される構成の試料から 0. 3 X 1 0 mmの形状のサンプルを作成し、 外部磁界を面内に電流と垂直方向になるようにかけながら、 — 50
    [0042] 0〜50 O Oeまで変化させたときの抵抗を 4端子法により測定し、 その抵抗から磁気抵抗変化率△ R Z Rを求めた。 抵抗変化率△ R /
    [0043] Rは、 最大抵抗値を Rmax、 最小抵抗値を Rminとし、 次式により計 算した ： △ R R max— R min
    [0044] 1 00(%)
    [0045] R R min 表 1
    [0046] 人 工 格 子 膜 構 成 △ R/R (¾)
    [0047] [N io.sF e0.2(25)/C u(55)/C o(25)/C u(55)] , 1.2 [N io.eF e0.2(25)/C u(55)/C o(25)/C u(55)]2 2.9 [N io.eF e0.2(25)/ C u(55) /C o(25)ZC u(55)] 3 4. 1 [N io.8F e0.2(25)/Cu(55)/Co(25)/C u(55)]5 5.5 [N i0.8 F 60 . 2 (25)/ C u(55)/ Co(25)/C u(55)]7 6. 1 [N io.eF e0.2(25)/C u(55)/Co(25)/C u(55)]10 7.5 [N io.eF e0.2(25)/C u(55)/C o(25)/C u(55)] 15 8.8 [N io.8F e0.15Moo.05 (25) C u(55)/C o(25)/
    [0048] C u(55)]5 5.0
    [0049] [Ni0.8Feo. 2(25)/ P t(50)/C o(25)/ P t(50)]5 3.0 [N io.eF e0.2 (25)/ A 1(4)/ C o(25)/ A 1(4)]! 5 3.0 [N io.eF e0.2(25)/T i(4)/Co(25)/T i(4)]15 4.0 図 3及び図 4に [N iF e(25)/C u(55)ZCo(25)ZC u(55)]5の B
    [0050] —H曲線及び外部磁場一抵抗曲線をそれぞれ示す, 実施例 2 実施例 1と同様にして表 2に示す構造の 6種の磁気抵抗効果素子 を作成した。 膜の容易軸方向（E. A. ) 又は困難軸方向 （H. A. ) に外部磁場を— 3 0000 e〜30000 eまで変化させて かけ、 抵抗変化率を測定した。 結果を表 2に示す c 表 2
    [0051] 人 工 格 子 膜 構 成 AR/R (¾)
    [0052] H//H. A. H//E. A.
    [0053] [ io • 8F e0. 2(30)/C u(20)/C o(30)/C u(20)] 15 1. 4
    [0054] [ io .8F e0. 2(30)/C u(35)/Co(30)/C u(35)jl 5 4. , 4
    [0055] L io .8F e0. 2(30)/C u(50)/C o(30)/C u(50) 15 9. 9 8 . 8
    [0056] [N i。 .8F e0. 2(30)/ Αυ(20) Ό o(30)/Au(20)] l5 2, .9 0
    [0057] [N io -8F e0. 2(30)/ Au(35)/C o(30)/ A u(35)] 15 4. 0 2 ， 9
    [0058] [N io -8F e0. 2(30)/ Au(50)//Co(30)/Au(50)] 15 4 . 1
    [0059] [F e^C ZC u(35)ZCo(30)/C u(35)]15および 0 （30) /011(35)/00(30) （ 11(35)]15の構成でも上記とほぼ同 様の効果を得た。 尚、 上記実施例の他に、 非磁性薄膜層の種類、 膜厚を変える実験 を行ったところ、 人工格子膜の B— H曲線の形状が少しずつ変わり それにつれて抵抗変化率 ARZRの大きさ、 外部磁場一抵抗曲線の 形状、 最大抵抗値 R maxを示すときの外部磁場 HRが変化することが 明らかとなった。
    [0060] すなわち、 本発明の磁気抵抗効果素子では、 磁性薄膜の磁気特性、 非磁性薄膜の厚さ、 種類を選択することにより、 極めて高い抵抗変 化率が実現し、 しかも抵抗値が最大となる磁界強度を比較的自由に 設定することができる。
    [0061] 発明の効果
    [0062] 本発明の磁気抵抗効果素子は、 数 O e〜数十 O e程度の小さい外部 磁場で数％〜数十％の大きい抵抗変化率を持つ。 従って高感度の M Rセ ンサ一及び高密度磁気記録が可能な M Rへッ ドを提供すること できる。
    权利要求:
    Claims
    1. 基板、 及び該基板上に非磁性薄膜層を介して積層された少な く とも 2層の磁性薄膜を有して成り、 非磁性薄膜層を介して隣台う 磁性薄膜の保磁力が異なつており、 磁性薄膜層及び非磁性薄膜層の a青
    厚みが各々 2 0 0オ ングス ト 口一ム以下であることを特徵とする磁 気抵抗効果素子。 の
    2. 磁性薄膜が、 Fe, N i, Co, Mn, C r, D y, E r, N d, T 囲
    b， Tin, C eおよび Gdならびにこれらを含む合金および化台物から 成る群から選択される少なく とも 1種の磁性体から形成される請求 の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。
    3. 合金や化合物が、 Fe— S i， F e- N i, Fe— Co, F e— Gd, F e- A 1- S i, F e— Y, Fe— Mn, C r— S b, C o系ァモルファ ス合金、 Co— Pt, F e- A 1, F e- C , Mn- S b, N i - M n, Co —〇， N i—〇， F e— 0, N i— Fおよびフ ェ ライ トから成る群か ら選択される請求の範囲第 2項記載の磁気抵抗効果素子。
    4. 各磁性薄膜層の膜厚が、 2 0 0オ ングス ト ロ ーム以下である 請求の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。 '
    5. 各磁気薄膜層の膜厚が、 4オ ングス ト ローム以上である請求 の範囲第 4項記載の磁気抵抗効果素子。
    6. 非磁性体が、 Au, Ag, C u, Pt， A 1, Mg, Mo， Z n， Nb, Ta, V, H f, S b, Z r， Ga, T i, S n， Pb及びこれらの合金か ら成る群から選択された少なく とも 1種の金属非磁性体である請求 の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。
    7. 非磁性体が、 S i, Ge, C， B及びこれらに別の元素を添加 したものから成る群から選択された半金属非磁性体である請求の範 囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。
    8. 非磁性体が、 S i02， S iO, S iN, A 120 a, Z nO， Mg 〇および T i Nから成る群から選択された非金属非磁性体である請 求の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。
    9. 各非磁性薄膜層の膜厚が、 200オ ングス ト ローム以下であ る請求の範囲第 1項記載の磁気抵抗効果素子。
    1 0. 各非磁気薄膜層の膜厚が、 4オ ングス ト ローム以上である 請求の範囲第 9項記載の磁気抵抗効果素子。
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    同族专利:
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