JP2744883B2 - 非磁性背部層を有する磁気抵抗センサ - Google Patents
非磁性背部層を有する磁気抵抗センサInfo
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Description
に記憶された情報信号を読み取る磁気トランスデューサ
に関し、詳しくは、印加された磁界を感知する磁気抵抗
要素が非磁性導電材料から成る背部層を含む、スピン・
バルブ効果に基づく磁気抵抗読取りトランスデューサに
関する。
気記憶媒体から読み取るために、磁気抵抗(MR)セン
サまたはヘッドと呼ばれる磁気読取りトランスデューサ
を使用する方法がよく知られている。MRセンサは、磁
気材料で製造された読取り素子の抵抗変化による磁界信
号を、読取り素子が感知する磁束の強さおよび方向の関
数として検出する。これらの従来の技術のMRセンサ
は、読取り素子抵抗の成分が、磁化と、該読取り素子を
通過する感知電流の方向との間の角度の余弦の平方(c
os2)として変化する、異方性磁気抵抗(AMR)効
果に基づいて動作する。AMR効果の詳細は、D.A.
トムソン(Thompson)らの論文"Memory,Storage, and R
elated Applications"、IEEE Trans. Mag. MAG-11、1
039ページ(1975年)に記載されている。
属、NMは非強磁性金属)の形の磁気多層構造中の伝導
電子のスピン依存散乱効果による、従来とは異なるより
はっきりした磁気抵抗が観察されている。この効果は、
強磁性層の強反強磁性カップリングを示す、スパッタリ
ングされたFe/Cr、Co/Cu、またはCo/Ru
多層や、1つの強い磁性層中の磁化方向が交換異方性に
よって固定される、F/NM/Fの形の本質的にカップ
リングされていない成層構造など、様々な系中で発見さ
れている。磁気抵抗の物理的源泉は、どちらの種類の構
造でも同じである。すなわち、磁界が印加されると、隣
接する強磁性層の磁化の相対的方向が変化する。構造の
抵抗は、磁化のアラインメントが平行から逆平行に変わ
るとき変化する。この機構は、材料の特定の組合せの場
合に、AMRよりも大きくなり、「スピン・バルブ」磁
気抵抗(SVMR)または巨大磁気抵抗(GMR)と呼
ばれる磁気抵抗を生成する。
の磁化の逆平行アラインメントによって改善されたMR
効果をもたらす成層磁気構造を記載している。上記特許
では、成層構造で使用できる材料として、強磁性遷移金
属および合金を挙げているが、優れたMR信号振幅用の
リストで好ましい材料を特定してはいない。上記特許は
さらに、反強磁性型交換カップリングを使用して、隣接
する強磁性材料層が、たとえばクロム(Cr)やイット
リウム(Y)の薄い非磁性中間層によって分離される、
逆平行アラインメントを得る方法を記載している。
2つの非カップリング強磁性層間の抵抗が、2つの層の
磁化の間の角度の余弦として変化し、センサを通過する
電流の方向とは独立である、MRセンサを開示してい
る。この構造は、スピン・バルブ効果に基づき、材料の
特定の組合せによってはAMRよりも大きくなる、磁気
抵抗を生成する。
ピン・バルブ効果に基づき、非磁気金属材料の薄膜層に
よって分離された2つの強磁性材料薄膜層を含み、少な
くとも一方の強磁性層がコバルトまたはコバルト合金か
ら成る、MRセンサを開示している。一方の強磁性層の
磁化は、外部印加磁界がゼロのとき、反強磁性層との交
換カップリングによって、他方の強磁性層の磁化に対し
て垂直に維持される。
に対する増大し続ける要求を満たすためには、MRヘッ
ドの磁束感知素子を、ますます薄い強磁性材料層で製造
する必要がある。たとえば約15Åの超薄磁束感知層を
使用するMRセンサは、従型のAMRセンサの場合で
も、より新しいSVMRまたはGMRセンサの場合で
も、MR係数が低下する。
スピン・バルブ効果に基づくMR読取りセンサは、非磁
性金属材料の薄膜層によって分離された第1および第2
の強磁性材料薄膜層を含む、適切な基板上に形成された
成層構造を備えている。少なくとも第1の強磁性材料層
は、非磁性導電材料層によって裏打ちされる。外部印加
磁界がゼロのとき、第1の強磁性材料層の磁化方向は、
第2の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る。第2強磁性層の磁化方向は、該層と物理的に接触す
る隣接する反強磁性材料層によって提供される交換カッ
プリングによってその方向が拘束または維持(「固
定」)される。第1の(「自由」)強磁性層中の磁気の
方向は、外部印加磁界に応じて自由に回転する。電流源
がMRセンサに感知電流を提供し、MRセンサは、感知
される印加外部磁界の関数として、自由強磁性材料層中
の磁化の回転によるMRセンサの抵抗の変動に比例する
電圧降下を、読取り素子の両端間に発生させる。読取り
素子の抵抗変化の大きさは、磁気媒体に記憶されたデー
タ・ビットを表す磁界などの外部印加磁界に応じた、自
由層中の磁化方向と固定層の磁化方向の間の角度の変化
の余弦の関数である。
ような磁気ディスク記憶システムで実施されたものとし
て説明するが、磁気テープ記録システムなど他の磁気記
憶システムや、磁気抵抗要素がたとえばビット・セルと
して働く磁気ランダム・アクセス・メモリ・システムに
も適用できることに留意されたい。少なくとも1つの回
転可能な磁気ディスク12が、スピンドル14上に支持
され、ディスク・ドライブ・モータ18によって回転さ
れる。各ディスク上の磁気記録媒体は、磁気ディスク1
2上の、環状パターンの形の同心データ・トラック(図
示せず)である。
12上に位置決めされ、各スライダ13が1つまたは複
数の磁気読取り/書込みトランスデューサ21を支持す
る。これらのトランスデューサ21を通常、読取り/書
込みヘッドと呼ぶ。磁気ディスク12が回転すると、ス
ライダ13は、ディスク表面22上に近づいたり、該表
面22から離れたりして、所望のデータが記録されてい
るディスクの個々の部分にヘッド21が接近できるよう
になる。各スライダ13は、サスペンション15によっ
てアクチュエータ・アーム19に取り付けられている。
サスペンション15は、わずかなばね力を与え、このば
ね力がスライダ13をディスク表面22に対してバイア
スさせる。各アクチュエータ・アーム19は、アクチュ
エータ手段27に取り付けられている。図1に示すアク
チュエータ手段は、たとえばボイス・コイル・モータ
(VCM)とすることができる。VCMは、固定磁界内
で移動可能なコイルを備えており、コイル移動の方向お
よび速度は、制御装置によって供給されるモータ電流信
号によって制御される。
ィスク12の回転によって、スライダ13とディスク表
面22の間に空気軸受が生成され、スライダ13に上向
きの力または揚力をかける。空気軸受はこうして、サス
ペンション15のわずかなばね力との釣り合いを取り、
スライダ13をディスク表面22からわずかに上方に離
れた位置に支持し、動作中わずかなほぼ一定した間隔を
維持する。
は、動作中、アクセス制御信号や内部クロック信号な
ど、制御機構29で生成される制御信号によって制御さ
れる。通常、制御機構29は、たとえば論理制御回路、
記憶手段、マイクロプロセッサなどを備えている。制御
機構29は、線23上のドライブ・モータ制御信号や線
28上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信号など
の制御信号を生成して、様々なシステム動作を制御す
る。線28上のヘッド位置制御信号およびシーク制御信
号は、選択されたスライダ13を、関連する磁気ディス
ク12上の所望のデータ・トラックまで最適に移動して
位置決めするための所望の電流プロファイルを提供す
る。読取り信号および書込み信号は、記録チャネル25
によってヘッド21との間で送信される。
ての前記説明と、添付の図1の図面は、例示だけを目的
としたものである。ディスク記憶システムが多数のディ
スクおよびアクチュエータを含むことができ、各アクチ
ュエータが多数のスライダを支持できることに留意され
たい。
Rスピン・バルブ・センサ30は、たとえばガラス、セ
ラミック、半導体などの適切な基板31を備えており、
基板31上に、非磁性または磁性導電材料の薄膜層3
3、第1の軟強磁性材料の薄膜層35、非磁性金属材料
の薄膜層37、および第2の強磁性材料の薄膜層39が
付着されている。第1の軟強磁性材料薄膜層35は、非
磁性または磁性導電材料薄膜層33上に直接、かつ該層
と物理的に接触するように形成されて二層を形成する。
2つの強磁性材料層35、39の磁化は、外部印加磁界
がある場合、矢印32および38で示すように、互いに
約90゜の角度に配向される。また、第2の強磁性材料
薄膜層39の磁化方向は、矢印38で示す好ましい方向
に固定される。したがって、第2の強磁性材料薄膜層3
9の磁化方向は固定されているが、第1の軟強磁性材料
薄膜層35は、図2の第1の軟強磁性材料薄膜層35上
の点線矢印で示すように、(図2に示す磁界hなどの)
外部印加磁界に応じて自由に方向を回転する。
料の薄膜層41を、第2の強磁性材料薄膜層39と直接
接触するように付着し、交換カップリングによってバイ
アス磁界を提供する。好ましい実施例では、交換バイア
ス材料薄膜層41は、たとえば鉄マンガン(FeMn)
やニッケル・マンガン(NiMn)であることが好まし
い、適切な反強磁性材料を備えている。また、第2の強
磁性材料薄膜層39(固定層)は、硬バイアス層(図示
せず)を使用して、あるいは当技術分野で周知の他の適
切な方法で固定することができる。
性成層構造を備える、スピン・バルブ効果に基づくMR
センサは、参照によって本明細書に合体する、先に参照
した米国特許出願第07/625343号に詳細に記載
されている。この特許に記載されているスピン・バルブ
MR構造は、非磁性金属(導電)スペーサ層によって分
離された2つの強磁性導電層を備えている。一方の強磁
性層は、隣接する反強磁性層との交換異方性によってそ
の方向が固定された、単一磁区状態に維持される。他方
の強磁性層(自由層)の磁化は、印加磁界に応じて方向
を回転する。固定層に対して自由層の磁化方向を変える
のに十分な磁界を印加することによって、磁気抵抗が観
測される。本発明では、この自由層を備えた強磁性層の
代りに二層構造を使用する。非磁性金属材料薄膜層37
(「スペーサ層」とも称する)に隣接する層は、比較的
薄い第1の軟強磁性材料薄膜層35(「フィルタ層」と
も称する)である、第1の軟強磁性材料薄膜層35の後
ろまたは背部には非磁性または磁性導電薄膜層33
(「背部層」とも称する)がある。
磁性材料の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子の平
均自由行程(ラムダ+)と、磁性材料の磁化方向と逆平
行なスピンをもつ伝導電子の平均自由行程(ラムダ-)
の差によるものである。本発明では、自由層33、35
における第1の軟強磁性材料薄膜層35の厚さは、ラム
ダ−よりも大きく、ラムダ+よりも大幅に小さい。した
がって、逆平行スピンをもつ伝導電子(少数キャリア)
は、第1の軟強磁性材料薄膜層35によって有効にブロ
ックされ(すなわち、フィルタ・アウトされ)るが、第
1の軟強磁性材料薄膜層35は、平行スピンをもつ伝導
電子(多数キャリア)に対して本質的に透過的である。
第2の強磁性材料薄膜層39で発生する(第2の強磁性
材料薄膜層39の磁化方向に対する)多数キャリアおよ
び少数キャリアは、第1の軟強磁性材料薄膜層35に向
かって移動するキャリアである。これらのキャリアは、
自由層33、35磁化が回転するとき個別に散乱するこ
とができるので、GMRをもたらす。GMRに寄与する
伝導電子は、反対方向に、第1の軟強磁性材料薄膜層3
5から第2の強磁性材料薄膜層31へと移動するが、平
均すると同じ方向に動くので、説明を省く。同様に、非
磁性金属材料薄膜層37で発生するあらゆる多数キャリ
アに対しては、同じ位置で発生し、同じ運動量をもつ少
数キャリアがあるので、自由層33、35の磁化が回転
しても、平均自由行程の和は変化しない。
ではなく、コンダクタンス(ΔG)の変化によって説明
することができる。これは、ΔGが、基本的にはスピン
・バルブMRに関連する測定可能なマクロ量であること
が分かっているからである。
属材料薄膜層37に放出される、すなわち散乱する伝導
電子について考えると、散乱が層間散乱であれバルク散
乱であれ、第2の強磁性材料薄膜層39と非磁性金属材
料薄膜層の間付近で散乱する少数キャリアは、非磁性金
属材料薄膜層37を交差する少数キャリアの数を意味す
る。少数キャリアがその次の散乱事象の前に移動する距
離は、多数キャリアの場合よりもはるかに短い。このよ
うに考えると、第2の強磁性材料薄膜層39は、残りの
スピン・バルブ構造のスピン分極伝導電子の供給源とみ
なすことができる。第2の強磁性材料薄膜層39で発生
するキャリアは、一般にスペーサ層材料中の電子の平均
自由行程よりはるかに厚さの小さな非磁性金属材料薄膜
層37中を移動し、第1の軟強磁性材料薄膜層35中に
入る。第1の軟強磁性材料薄膜層35に入る多数キャリ
アは、第1の軟強磁性材料薄膜層35を介して非磁性ま
たは磁性導電材料薄膜層33に伝導され、該層33中
で、平均して背部層材料で決定される追加平均自由行程
(ラムダb +)だけ移動する。しかし、少数キャリアは、
散乱される前に、第1の軟強磁性材料薄膜層35をほん
の短い距離だけ貫通する。したがって、比較的高い抵抗
(すなわち、長い平均自由行程)を有する導電材料を非
磁性または磁性導電材料薄膜層33に使用するとき、第
1の軟強磁性材料薄膜層35の磁化が多数キャリア・ス
ピンに対して平行である場合、多数キャリア・コンダク
タンスの値が大きくなる。非磁性または磁性導電材料薄
膜層33および第1の軟強磁性材料薄膜層35の磁化を
回転する(逆平行)と、少数キャリアが第1の軟強磁性
材料薄膜層35中で散乱する結果、これらの伝導電子の
有効平均自由行程(すなわち、コンダクタンス)が急激
に減少する。
すると、図3は、50Å Ta/tCuCu/15Å NiF
e/23Å Cu/50Å NiFe/110Å FeM
n/50Å Ta構造をもつガラス基板上に付着され
た、図2に示すスピン・バルブ構造の特定の実施例の、
コンダクタンスの変化(ΔGはΔR/R2にほぼ等し
い)と対非磁性または磁性導電材料薄膜層33の厚さの
関係を示す。最初のTa層はバッファ層であり、最後の
Ta層は保護キャップである。(tCu Cu/15Å
NiFe)は、Cuから成る非磁性または磁性導電材料
薄膜層33とNiFeから成る第1の軟強磁性材料薄膜
層35をもつ自由層33、35を備えている。MnFe
層は、反強磁***換カップリングを提供して、第2の強
磁性材料薄膜層39の磁化を固定する、交換バイアス材
料薄膜層41を備えている。図3に示すように、ΔGは
背部層厚さtCuが増すにつれて増加する。これは、背部
層材料が非磁性である場合でも同様である。図4は、ガ
ラス基板上に付着された自由層の後ろに非磁性背部層が
なく、構造(tF F/22Å Cu/50Å NiFe
/90Å FeMn)を有する従来のスピン・バルブ構
造の、ΔGと強磁性層の厚さ(自由層)の関係を示す。
ただし、Fは異なる厚さをもつFe層、NiFe層、ま
たはCo層である。図3と4を比較すると、自由層の後
ろに非磁性背部層を使用すると、背部層のない3つの強
磁性材料のどれで得られるΔGよりも大幅に大きなΔG
が提供されることが明らかである。図5は、図3に示す
測定に使用されたスピン・バルブ構造の、磁気抵抗(Δ
R/R)と背部層厚さtCuの関係を示す。tCu=0で
は、ΔR/R=1.1%であり、tCuが増加するにつれ
てΔR/Rが急激に増加し、tCu=25Åのとき3%の
ピークに達する。厚さが増すと、ΔR/Rは逆に減少す
る。図6は、同じ構造の、面積抵抗RとtCuを示す。面
積抵抗は、tCuが0Åから150Åに増加するとき、2
50ohm/sqから2.5ohm/sqに変化する。
ン・バルブ構造30は、逆の順序で付着することができ
る。すなわち、反強磁性磁性バイアスまたは固定層を最
初に付着し、次に固定強磁性層、非磁性スペーサ層、お
よび自由フィルタ/背部二層をこの順序で付着する。本
発明による逆MRスピン・バルブ・センサ60の好まし
い実施例は、適切な基板61上のバッファ層63上に付
着された、反強磁性材料交換バイアス層67、第1の強
磁性層69、非磁性金属スペーサ層71、第2の強磁性
層73、および非磁性導電材料背部層75を備えてい
る。当技術分野で周知のように、たとえば、非磁性導電
材料背部層75の上に、Taなどの高抵抗材料の保護キ
ャッピング層(図示せず)を設けると、以後の処理段階
および操作中の構造の酸化を最小限に抑えあるいは防止
することができる。図2に関して説明したように、印加
磁界がないときは、第1の強磁性層69の磁化方向は、
第2の強磁性層73の磁化方向に垂直な好ましい方向に
固定されている。逆MRスピン・バルブ構造60では、
第1の強磁性層69、非磁性金属スペーサ層71、およ
び第2の強磁性層73の次に非磁性導電材料背部層75
が付着される。したがって、これらの層の特性は、非磁
性導電材料背部層75の材料の厚さおよび種類とは無関
係である。必要に応じて、シード層65を反強磁性材料
交換バイアス層67の下に付着して、反強磁性材料が所
望の構造をもつようにすることができる。
・バルブ・センサ60は、適切な基板上に付着されたT
a(50Å)/NiFe(20Å)/Fe60Mn40(8
0Å)/Ni80Fe20(50Å)/Cu(23Å)/N
i80Fe20(20Å)/Cu(20Å)/Ta(30
Å)構造をもつ。ここで、20ÅのCu層は非磁性導電
材料背部層75を形成する。50ÅTa/20ÅNiF
eバッファ/シード63/65層は、反強磁性相中でF
e60Mn40材料を適切に成長させて、第1の強磁性層6
9の磁化方向を固定する交換バイアスを提供するため
の、テンプレートとなる。この好ましい実施例では、バ
ッファ層63の厚さは約30Åないし50Åの範囲であ
る。シード層65の厚さは約20Åないし50Åの範囲
である。反強磁性材料交換バイアス層67の厚さは約8
0Åないし120Åの範囲である。第1の強磁性層69
の厚さは約30Åないし100Åの範囲である。前述の
ように、非磁性金属スペーサ層71の厚さは約20Åな
いし40Åの範囲であるが、スペーサ層材料中の伝導電
子の平均自由行程よりも小さいことが好ましい。第2の
強磁性層73の厚さは約5Åないし30Åの範囲であ
る。非磁性導電材料背部層75の厚さは、部分的には、
印加された磁性信号を検出するためにどのパラメータを
測定するかによって決まる。抵抗の変化、すなわちΔR
/Rを測定する場合、非磁性導電材料背部層75の厚さ
は約4Åないし50Åの範囲である。また、コンダクタ
ンスの変化を測定する場合は、非磁性導電材料背部層7
5の厚さは約4Åないし1000Åの範囲である。
Rスピン・バルブ・センサの他の好ましい実施例は、た
とえばガラス、セラミック、半導体などの適切な基板8
1上のバッファ層83上に付着された、第1の非磁性導
電材料背部層85、第1の軟強磁性材料薄膜層87、非
磁性金属材料薄膜スペーサ層89、第2の軟強磁性材料
薄膜層91、および第2の非磁性導電材料背部層93を
備えている。当技術分野で周知のように、たとえば、第
2の非磁性導電材料背部層93の上にTaなどの高抵抗
材料の保護キャッピング層(図示せず)を設けると、操
作および以後の処理段階中の構造の酸化を最小限に抑え
あるいは防止することができる。MRセンサ80に感知
電流を印加すると、感知電流に伴う磁界が各強磁性層8
7、91にバイアス磁界を提供し、その結果、各層の磁
化方向がセンサ磁化容易軸に対して大きさが等しく向き
が反対の角度に配向されるようになる。磁化方向は、強
磁性層87、91のどちらでも固定されず、したがって
印加された磁界に自由に応答する。第1の背部層および
第1の強磁性層が、第1の二層を形成する。同様に、第
2の背部層および第2の強磁性層が第2の二層を形成す
る。磁気信号が印加されると、両方の二層、すなわち自
由層の磁化方向が、磁化容易軸に対して大きさがほぼ等
しく向きが反対の角度だけ回転し、したがって、各層の
磁化間の角度が、一方の強磁性層が固定されたスピン・
バルブ構造に比べて2倍変化する。この種の電流バイア
スMRスピン・バルブ・センサは、1992年11月1
7日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体した同時係属の米国特許出願第07/97
7382号に記載されている。
Rスピン・バルブ・センサの他の実施例が示されてい
る。背部層95を付着する前に、たとえばTa、Ru、
CrVなどの適切な下層93を基板92に付着する。下
層93の目的は、以後の層のテクスチャ、粒度、および
形態を最適化することである。形態は、スピン・バルブ
構造の大きなMR効果特性を得るうえで重要となり得
る。なぜなら、この特性によって、2つの強磁性層97
と101の間に極薄非磁性金属スペーサ層99を使用す
ることが可能になるからである。下層93は、電気抵抗
シャント効果を最低限に抑えるために高い抵抗を有する
必要がある。下層93はまた、図7および9に関して説
明したスピン・バルブ構造にも使用される。十分に高い
抵抗、十分に平面な表面、適切な結晶構造をもつ材料で
基板92を構成するならば、下層93は省略できる。
5、次に第1の軟強磁性材料薄膜層97、非磁性金属材
料薄膜層99、第2の強磁性材料薄膜層101、反強磁
性材料層103を付着する。2つの強磁性層97、10
1は、印加磁界がないとき、その磁化が互いに約90゜
の角度に配向する。前述のように、第2の強磁性材料薄
膜層101の磁化方向は、交換カップリングで生成され
るバイアス磁界によって位置が固定される。非磁性伝導
材料背部層95および第1の軟強磁性材料薄膜層97
は、印加された磁界に応じて磁化が自由に回転する、二
層を形成する。
Fe、Niや、NiFe、NiCo、FeCoのような
それらの合金など適切な磁性材料で製造することができ
る。第2の強磁性材料薄膜層101の厚さは、約20Å
ないし約150Åの範囲から選択することができる。反
強磁性材料層103は、たとえばNiMnやFeMnな
どの適切な反強磁性材料で構成することができ、その厚
さは約50Åないし約150Åの範囲から選択すること
が好ましい。また、第2の強磁性材料薄膜層101の磁
化方向は、硬磁性バイアス層を使用して、または固定層
に高保磁力磁性材料を使用して、あるいは当技術分野で
周知の他の適切な方法で固定することができる。
材料薄膜層97は、適切なNiFeまたはCo合金から
構成することが好ましく、その厚さは約5Åないし約3
0Åの範囲から選択される。第1の軟強磁性材料薄膜層
97の厚さは、主としてフィルタ/背部二層95/97
中でのその機能によって決まる。第1の軟強磁性材料薄
膜層97の一目的は、少数キャリアをブロックまたはフ
ィルタ・アウトすることなので、その最小厚さは少数キ
ャリア、すなわちフィルタ層の磁化方向に逆平行なスピ
ンをもつ伝送電子の平均自由行程より大きくする必要が
ある。たとえば、Ni80Fe20のラムダは約7Å未満で
ある。同様に、フィルタ層のもう1つの機能は該層を介
して多数キャリアを非磁性導電材料背部層95に伝導す
ることなので、その最大厚さは、多数キャリア、すなわ
ちフィルタ層の磁化方向に平行なスピンをもつ伝導電子
の平均自由行程より小さくする必要がある。たとえば、
Ni80Fe20のラムダ+ は約50±4Åである。非磁性
導電材料背部層95は、適切な非磁性導電材料から構成
することができる。この材料は、比較的高い導電性(す
なわち、低い抵抗)をもつ金属であることが好ましい。
たとえばAu、Ag、Cuなどの貴金属は大きな応答を
与える。非磁性導電材料背部層95の厚さは、使用する
感知方法、すなわち測定するパラメータ、ΔR、ΔR/
R、またはΔGに応じてセンサの応答を最適化すること
によって決定される。たとえば、ΔGの大きさは背部層
の厚さと共に急激に増加し、最大で、背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の2倍ないし3倍の厚さにな
る。一方、ΔRまたはΔR/Rを測定する際の応答は、
背部層厚さのピークの関数である。好ましい実施例で
は、ΔRまたはΔR/Rを感知し、背部層厚さは約4Å
ないし60Åの範囲から選択する。ΔGを感知する場
合、背部層厚さは約4Åないし約1000Åの範囲から
選択する。
属であることが好ましい。Au、Ag、Cuなどの貴金
属は大きなMR応答を提供し、PtおよびPdは小さな
MR応答を提供するが、CrおよびTaは極めて小さな
MR応答を示す。非磁性金属材料薄膜層99の厚さは、
2つの強磁性層97、101を十分に磁気的にデカップ
リングするのに十分な大きさであるが、スペーサ層材料
の伝導電子の平均自由行程長より短くなるのに十分な薄
さである。非磁性金属材料薄膜層99の厚さは、約10
Åないし約40Åの範囲内であることが好ましい。非磁
性導電材料背部層95および非磁性金属材料薄膜層99
は高導電性の非磁性金属材料からなるが、背部層とスペ
ーサ層を同じ材料で構成する必要はない。背部層とスペ
ーサ層に同じ材料、たとえばCuを使用すると、センサ
を製造する製造工程の複雑さが軽減される。また、背部
層とスペーサ層に異なる材料を使用すると、センサ中で
最適なまたは所望の電気特性および磁気特性を得るため
の柔軟性が増大する。
rなどの高抵抗材料から成るキャッピング層105を付
着する。電気リード線105を使用して、MRセンサと
電流源109と感知手段107との間の回路経路を形成
する。当技術分野で周知のように、最適なMRセンサ応
答回路を提供するために、横バイアス層および縦バイア
ス層(図示せず)など追加のセンサ要素が必要となるこ
ともある。好ましい実施例では、印加された磁気信号に
応答して第1の軟強磁性材料薄膜層97の磁化が回転す
る際にMR素子の抵抗、すなわちΔRの変化を検出する
ことにより、感知手段107によって磁気信号を感知す
る。また、印加された磁気信号に応答して第1の軟強磁
性材料薄膜層97の磁化が回転する際にMR素子コンダ
クタンスの変化を感知することによっても磁気信号を検
出することができる。1987年11月8日に発行さ
れ、本出願人に譲渡された米国特許出願第471214
4号に、印加磁界に応答してMR素子コンダクタンスの
変化を検出する感知手段が詳細に記載されている。
た好ましい実施例では、一般に、強磁性層を適切な強磁
性材料から成る単一の層として説明した。別法として、
図9に示したように、強磁性層97、101の一方また
は両方が、複数の層をもつ多層構造を備えることができ
る。この場合、個々の強磁性材料、または強磁性材料と
非磁性材料を交互に積層して、所望の磁気特性および電
気特性をもつ強磁性層97、101を構築することが可
能である。たとえば、好ましい実施例では、第2の強磁
性材料薄膜層101が、ナノ層と呼ばれる第1の比較的
薄いCo層98と、第2の薄いNiFe層100を備え
ている。別の好ましい実施例では、第1の軟強磁性材料
薄膜層97と第2の強磁性材料薄膜層101の両方が多
層構造を備えている。第1の軟強磁性材料薄膜層97
は、Coナノ層96およびNiFe層100を備えてお
り、Coナノ層はCu非磁性金属材料薄膜層99に隣接
して形成される。同様に、第2の軟強磁性材料薄膜層1
01は、Coナノ層98およびNiFe層100を備え
ており、Coナノ層はCu非磁性金属材料薄膜層99に
隣接して形成される。Coナノ層96の厚さは、約0.
5Åないし20Åの範囲である。ナノ層付き強磁性層を
備えたスピン・バルブMRセンサは、1991年8月2
6日に出願され、本出願人に譲渡された、参照により本
明細書に合体された米国特許出願第07/750157
号に詳細に記載されている。本発明を好ましい実施例に
関して図示し、説明したが、本発明の趣旨、範囲、およ
び教示から逸脱することなく、形式および詳細に様々な
変更を加えられることが、当業者には理解されよう。し
たがって、本明細書で開示された本発明は、単に例示的
なものとみなすべきであり、頭記の特許請求の範囲に明
記された範囲によってのみ限定される。まとめとして、
本発明の構成に関して次の事項を開示する。 (1)非磁性材料スペーサ層によって分離されており、
印加磁界がゼロのとき、第1の強磁性材料層の磁化方向
が第2の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直であ
る、第1および第2の強磁性材料層と、前記第1の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する金属材料背部層
と、前記第2の強磁性材料層の磁化を所望の方向に維持
する手段とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 (2)前記維持する手段が、前記第2の強磁性層に隣接
しかつこれと接触し、さらに前記第2の強磁性層中に前
記第2の強磁性層中の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する反強磁性材料交換バイアス層
を備えることを特徴とする、(1)に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 (3)前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル・
マンガンから成る群から選択された材料から構成される
ことを特徴とする、(2)に記載の磁気抵抗センサ。 (4)前記反強磁性層が、鉄マンガンの合金から構成さ
れることを特徴とする、 (3)に記載の磁気抵抗センサ。 (5)前記反強磁性層の厚さが約50Åないし約150
Åの範囲内であることを特徴とする、(2)に記載の磁
気抵抗センサ。 (6)前記背部層の最小厚さが、約4Åであることを特
徴とする、(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (7)前記背部層の最大厚さが、前記背部層材料中の伝
導電子の平均自由行程長の約3倍であることを特徴とす
る、(6)に記載の磁気抵抗センサ。 (8)前記背部層の厚さが、約4Åないし約1000Å
の範囲内であることを特徴とする、(6)に記載の磁気
抵抗センサ。 (9)前記背部層の厚さが、約4Åないし約60Åの範
囲内であることを特徴とする、(6)に記載の磁気抵抗
センサ。 (10)前記第1および第2の強磁性層の厚さが、約5
Åないし約150Åの範囲内であることを特徴とする、
(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (11)前記第1の強磁性層の厚さが、約5Åないし約
30Åの範囲内であることを特徴とする、(10)に記
載の磁気抵抗センサ。 (12)前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、(1)に記載の磁気抵抗センサ。 (13)前記非磁性スペーサ層の厚さが、約10Åない
し約40Åの範囲内であることを特徴とする、(12)
に記載の磁気抵抗センサ。 (14)前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅ならびに
銀、銅および金の合金から成る群から選択された材料か
ら構成されることを特徴とする、(1)に記載の磁気抵
抗センサ。 (15)前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、(14)に記載の磁気抵抗センサ。 (16)前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、(1)に
記載の磁気抵抗センサ。 (17)前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、(16)に記載の磁気抵抗センサ。 (18)前記第1および第2の強磁性層のうちの少なく
とも一方が多層構造を備えることを特徴とする、(1)
に記載の磁気抵抗センサ。 (19)前記多層構造が、交互に積層された、少なくと
も1つの第1の強磁性材料層と少なくとも1つの第2の
強磁性材料層を備えることを特徴とする、(18)に記
載の磁気抵抗センサ。 (20)前記第1の強磁性層が、前記非磁性スペーサ層
に隣接して形成された薄いコバルト層と、薄いニッケル
鉄層とを備えることを特徴とする、(18)に記載の磁
気抵抗センサ。 (21)前記第1および第2の強磁性層がそれぞれ、前
記非磁性スペーサ層に隣接して形成された薄いコバルト
層と、薄いニッケル鉄層とを備えることを特徴とする、
(18)に記載の磁気抵抗センサ。 (22)前記薄いコバルト層の厚さが、約0.5Åない
し約20Åの範囲から選択された厚さであることを特徴
とする、(21)に記載の磁気抵抗センサ。 (23)前記背部層と前記非磁性スペーサ層が同じ材料
を含むことを特徴とする、(1)に記載の磁気抵抗セン
サ。 (24)前記背部層と前記非磁性スペーサ層が異なる材
料を含むことを特徴とする、(1)に記載の磁気抵抗セ
ンサ。 (25)データを記録するための複数のトラックをもつ
磁気記憶媒体と、前記磁気トランスデューサと前記磁気
記憶媒体の間の相対運動中に、前記記憶媒体から近い間
隔の位置に維持される磁気トランスデューサとを備え、
前記磁気トランスデューサが、磁気抵抗センサを含み、
前記磁気抵抗センサが、非磁性材料スペーサ層によって
分離されており、印加磁界がゼロのとき、第1の強磁性
材料層の磁化方向が第2の強磁性材料層の磁化方向に対
してほぼ垂直である、第1および第2の強磁性材料層
と、前記第1の強磁性層に隣接しかつこれと接触する非
磁性導電材料背部層と、前記第2の強磁性層の磁化を所
望の方向に維持するバイアス手段と、前記磁気トランス
デューサに結合されており、前記磁気トランスデューサ
を前記記憶媒体上の選択されたトラックに移動するアク
チュエータ手段と、前記磁気抵抗センサに結合されてお
り、前記磁気媒体に記録されたデータ・ビットを表し前
記磁気抵抗センサに傍受された磁界に応答して前記磁気
抵抗センサの抵抗変化を検出する検出手段とを備えるこ
とを特徴とする磁気記憶システム。 (26)前記バイアス手段が、前記第2の強磁性層に隣
接しかつこれと接触し、かつ前記第2の強磁性層中に、
前記第2の強磁性層の磁化を所望の方向に維持するため
のバイアス磁界を提供する、反強磁性材料交換バイアス
層を備えることを特徴とする、(25)に記載の磁気記
憶システム。 (27)前記反強磁性層が、鉄マンガンおよびニッケル
・マンガンから成る群から選択された材料から構成され
ることを特徴とする、(26)に記載の磁気記憶システ
ム。 (28)前記磁気抵抗センサが、さらに前記反強磁性層
上に付着されたキャッピング層と、前記キャッピング層
上に付着されており、前記磁気抵抗センサを前記検出手
段に結合する電気リード線手段とを備えることを特徴と
する、(25)に記載の磁気記憶システム。 (29)前記キャッピング層が、タンタルおよびジルコ
ニウムから成る群から選択された材料を備えることを特
徴とする、(28)に記載の磁気記憶システム。 (30)前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、(26)に記載の磁気記
憶システム。 (31)前記非磁性スペーサ層が、銅薄膜層を備えるこ
とを特徴とする、(30)に記載の磁気記憶システム。 (32)前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、(25)
に記載の磁気記憶システム。 (33)前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特徴と
する、(32)に記載の磁気記憶システム。 (34)非磁性材料スペーサ層によって分離されてお
り、印加磁界がゼロのとき第1の強磁性材料層の磁化方
向が第2の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直で
ある第1および第2の強磁性材料層と、前記第1の強磁
性材料層に隣接しかつこれと接触する非磁性導電材料背
部層とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 (35)前記背部層の最大厚さが、約4Åであることを
特徴とする、(34)に記載の磁気抵抗センサ。 (36)前記背部層が、銀、金、銅から成る群から選択
された材料から構成されることを特徴とする、(34)
に記載の磁気抵抗センサ。 (37)非磁性導電材料スペーサ層によって分離された
第1および第2の強磁性材料層を有し、該第1および第
2の強磁性材料中の磁化方向は、磁気センサ中の感知電
流に応答して大きさが等しく該磁気センサの磁化容易軸
に対して反対の角度に配向され、前記第1の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する第1の非磁性導電材料背
部層を有し、前記第1の強磁性材料層は前記第1の背部
層と前記スペーサ層の間に配置され、前記第1の背部層
は前記第1の強磁性材料層のほぼ全体を覆うように共に
広がり前記第1の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触
し、前記第2の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触す
る第2の非磁性導電材料背部層を有し、前記第2の強磁
性材料層は前記第2の背部層と前記スペーサ層の間に配
置され、前記第2の背部層は前記第2の強磁性材料層の
ほぼ全体を覆うように共に広がり前記第2の強磁性材料
層に隣接しかつこれと接触する磁気抵抗センサ。 (38)前記第1および第2の背部層の最小厚さが、約
4Åであることを特徴とする、(37)に記載の磁気抵
抗センサ。 (39)前記第1および第2の背部層の最大厚さが、前
記背部層材料中の伝導電子の平均自由行程長の約3倍で
あることを特徴とする、(38)に記載の磁気抵抗セン
サ。 (40)前記第1および第2の背部層の厚さが、約4Å
ないし約1000Åの範囲内であることを特徴とする、
(38)に記載の磁気抵抗センサ。 (41)前記第1および第2の背部層の厚さが、約4Å
ないし約60Åの範囲内であることを特徴とする、(3
8)に記載の磁気抵抗センサ。 (42)前記第1および第2の強磁性層の厚さが、約5
Åないし約30Åの範囲内であることを特徴とする、
(37)に記載の磁気抵抗センサ。 (43)前記非磁性スペーサ層の厚さが、前記非磁性ス
ペーサ材料中の伝導電子の平均自由行程長未満であるこ
とを特徴とする、(37)に記載の磁気抵抗センサ。 (44)前記非磁性スペーサ層の厚さが、約10 ない
し約40 の範囲内であることを特徴とする、(43)
に記載の磁気抵抗センサ。 (45)前記非磁性スペーサ層が、銀、金、銅、ならび
に銀、銅、金の合金から成る群から選択された材料から
構成されることを特徴とする、(37)に記載の磁気抵
抗センサ。 (46)前記第1および第2の背部層が、銀、金、銅か
ら成る群から選択された材料から構成されることを特徴
とする、(37)に記載の磁気抵抗センサ。 (47)前記第1および第2の背部層がそれぞれ、銅薄
膜層を備えることを特徴とする、(46)に記載の磁気
抵抗センサ。
簡略化したブロック図である。
る。
の背部層の厚さの関数として平行から逆平行に変化する
ときの、面積コンダクタンスの変化を示すグラフであ
る。
々な強磁性材料について、自由層の磁化が、自由層の厚
さの関数として平行から逆平行に変化するときの、面積
コンダクタンスの変化を示すグラフである。
抗係数を、銅背部層の背部層厚さの関数として示したグ
ラフである。
層の面積抵抗を背部層厚さの関数として示したグラフで
ある。
ある。
である。
を示す概略図である。
Claims (9)
- 【請求項1】非磁性材料スペーサ層によって分離されて
おり、印加磁界がゼロのとき、第1の強磁性材料層の磁
化方向が第2の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂
直である、第1および第2の強磁性材料層と、 前記第1の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する金
属材料背部層と、 前記第2の強磁性材料層の磁化を所望の方向に維持する
手段とを備えることを特徴とする磁気抵抗センサ。 - 【請求項2】前記維持する手段が、前記第2の強磁性層
に隣接しかつこれと接触し、さらに前記第2の強磁性層
中に前記第2の強磁性層中の磁化を所望の方向に維持す
るためのバイアス磁界を提供する反強磁性材料交換バイ
アス層を備えることを特徴とする、請求項1に記載の磁
気抵抗センサ。 - 【請求項3】前記背部層の最大厚さが、前記背部層材料
中の伝導電子の平均自由行程長の約3倍であることを特
徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項4】前記背部層の厚さが、約4Åないし約10
00Åの範囲内であることを特徴とする、請求項1に記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項5】前記背部層が、銀、金、銅から成る群から
選択された材料から構成されることを特徴とする、請求
項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項6】前記背部層が、銅薄膜層を備えることを特
徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項7】データを記録するための複数のトラックを
もつ磁気記憶媒体と、 前記磁気トランスデューサと前記磁気記憶媒体の間の相
対運動中に、前記記憶媒体から近い間隔の位置に維持さ
れる磁気トランスデューサとを備え、 前記磁気トランスデューサが、磁気抵抗センサを含み、 前記磁気抵抗センサが、 非磁性材料スペーサ層によって分離されており、印加磁
界がゼロのとき、第1の強磁性材料層の磁化方向が第2
の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂直である、第
1および第2の強磁性材料層と、 前記第1の強磁性層に隣接しかつこれと接触する非磁性
導電材料背部層と、 前記第2の強磁性層の磁化を所望の方向に維持するバイ
アス手段と、 前記磁気トランスデューサに結合されており、前記磁気
トランスデューサを前記記憶媒体上の選択されたトラッ
クに移動するアクチュエータ手段と、 前記磁気抵抗センサに結合されており、前記磁気媒体に
記録されたデータ・ビットを表し前記磁気抵抗センサに
傍受された磁界に応答して前記磁気抵抗センサの抵抗変
化を検出する検出手段とを備えることを特徴とする磁気
記憶システム。 - 【請求項8】非磁性材料スペーサ層によって分離されて
おり、印加磁界がゼロのとき、第1の強磁性材料層の磁
化方向が第2の強磁性材料層の磁化方向に対してほぼ垂
直である、第1および第2の強磁性材料層と、 前記第1の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する非
磁性導電材料背部層とを備えることを特徴とする磁気抵
抗センサ。 - 【請求項9】非磁性導電材料スペーサ層によって分離さ
れた第1および第2の強磁性材料層を有し、該第1およ
び第2の強磁性材料中の磁化方向は、磁気センサ中の感
知電流に応答して大きさが等しく該磁気センサの磁化容
易軸に対して反対の角度に配向され、 前記第1の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する第
1の非磁性導電材料背部層を有し、前記第1の強磁性材
料層は前記第1の背部層と前記スペーサ層の間に配置さ
れ、前記第1の背部層は前記第1の強磁性材料層のほぼ
全体を覆うように共に広がり前記第1の強磁性材料層に
隣接しかつこれと接触し、 前記第2の強磁性材料層に隣接しかつこれと接触する第
2の非磁性導電材料背 部層を有し、前記第2の強磁性材
料層は前記第2の背部層と前記スペーサ層の間に配置さ
れ、前記第2の背部層は前記第2の強磁性材料層のほぼ
全体を覆うように共に広がり前記第2の強磁性材料層に
隣接しかつこれと接触する磁気抵抗センサ。
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