JP2871990B2 - 磁気抵抗効果素子薄膜 - Google Patents

磁気抵抗効果素子薄膜

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は磁気センサーや薄膜磁気
ヘッドなどに用いられる磁気抵抗効果素子薄膜に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】強磁性金属層と非強磁性金属層を数オン
グストロームから数十オングストロームの膜厚で交互に
積層させた、いわゆる人工格子薄膜のなかで、Fe/C
r人工格子やCo/Cu人工格子は、大きな磁気抵抗効
果を持つことが近年発見された。例えばFe/Cr人工
格子膜の磁気抵抗比(磁気抵抗変化率)は室温において
も10〜20%程度の値(フィジカルレビューレターズ
(physical Review Letter
s)、第61巻21号2472ページ(1988)ある
いは特開平3−150881号公報)を示し、従来から
知られているパーマロイ薄膜(4〜5%)の磁気抵抗比
を大きく上回っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】感度の高い磁気センサ
ーや薄膜磁気ヘッドへの応用を考えると磁気抵抗比は大
きければ大きいほど好ましく、このために様々な強磁性
材料と非磁性材料を組み合わせた人工格子薄膜の研究が
進められている。本発明は従来報告されているよりも大
きな磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子薄膜を提供し
ようとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、磁性層と非磁
性層を交互に基板に垂直な方向に積層した人工格子構造
を有する磁気抵抗効果素子薄膜において、磁性層が基板
に垂直な方向に磁化容易軸を持つ垂直磁化膜であること
を特徴とする磁気抵抗効果素子薄膜である。基板垂直方
向に磁化容易軸を持つ垂直磁化膜としては、Co−Cr
合金、Tb−Fe合金、Mn−Bi合金のいずれかであ
ることが望ましい。
【0005】
【作用】Fe/CrやCo/Cuに代表される磁性層と
非磁性層をオングストロームオーダーの膜厚で交互に積
層した人工格子薄膜では、磁場が0の場合は磁性層の持
つ磁気モーメントが非磁性層を介して反強磁性的に結合
しており、これに磁場をかけると磁気モーメントが強磁
性的に揃うことが知られている。磁性層の磁気モーメン
トが反強磁性的に結合している状態は、磁性層と非磁性
層の界面における電子の散乱が大きくなるために抵抗が
高く、磁気モーメントが強磁性的に揃った状態は電子の
散乱が小さくなるために抵抗が小さくなり、両者の差が
磁気抵抗を与える。Fe/CrやCo/Cu等の人工格
子では、磁性層の磁気モーメントは薄膜構造に由来する
形状磁気異方性のために薄膜面内に倒れている。これに
対して本発明の人工格子では、磁性層が基板に垂直な方
向に磁化容易軸を持つ(垂直磁気異方性を有する)垂直
磁化膜であるために、磁場が0の状態であっても磁性層
の磁気モーメントは薄膜面内から立ち上がり、かつ隣り
合う磁性層の磁気モーメントは互いに反強磁性的に結合
している。このような構成にすると、磁場がないときと
磁場をかけ強磁性層の磁気モーメントを揃えたときの、
磁性層と非磁性層界面における電子の散乱能の差が大き
くなるために磁気抵抗変化率が大きくなると考えられ
る。
【0006】
【実施例】以下本発明の実施例について説明する。
【0007】本発明の磁気抵抗効果素子薄膜は、図1の
断面図に示すように、基板1と、人工格子膜の基板の密
着性あるいは結晶性を改善するためのバッファー層2、
基板に垂直な方向に磁化容易軸を持つ(垂直磁気異方性
を有する)垂直磁化膜層3と非磁性層4とをオングスト
ロームオーダーの膜厚で交互に積層した人工格子膜、お
よび人工格子膜を酸化などの外部環境から守るための保
護膜5から成る。バッファー層2あるいは保護膜5は特
に必要がなければなくてもかまわない。また垂直磁化膜
層3と非磁性層4の積層順は任意である。
【0008】本発明の実施例にあたっては図2に示した
超高真空電子ビーム蒸着装置ならびに図3に示したイオ
ンビームスパッタ装置を用いて行った。
【0009】図2の蒸着装置の真空チャンバー内には3
つの電子ビーム蒸着源6a、6b、6c、基板をマウン
トした基板ホルダー7、基板加熱用ヒータ8、3つの電
子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニターするための水晶振
動子膜厚計9a、9b、9c、3つの蒸着源から出た分
子線束の開閉を行うためのシャッター10a、10b、
10c、真空ゲージ11を備え、ゲートバルブ12をと
おしてイオンポンプ13により真空排気される。超高真
空を得るためにチャンバーの外周にはヒーターがとりつ
けられ、ベーキングができるようになっている。到達真
空度は3x10- 1 0 トール、蒸着時の真空度は10
- 9 トール台であった。
【0010】図3のイオンビームスパッタ装置は、2つ
のカウフマン型のイオンソース14a、14b、ターゲ
ット15a、15b、基板をマウントした基板ホルダー
5、基板加熱ヒータ6、2つのターゲットからスパッタ
された原子のスパッタ速度をモニターするための水晶振
動子膜厚計9a、9b、2つのスパッタ源からでた分子
線束の開閉を行うためのシャッター10a、10b、真
空ゲージ11、図示していないアルゴンボンベより供給
されるアルゴンガスの流量を制御するためのマスフロー
コントローラ16a、16bを備え、図示してないゲー
トバルブを通してクライオポンプにより真空排気され
る。到達真空度は5x10- 8 トール、スパッタ時のア
ルゴンガス圧は2x10- 4 トールであった。
【0011】磁気抵抗はフォトリソグラフィーにより作
製したパターンを用い、室温、10キロエルステッドま
での磁場中で直流4端子法により測定した。端子取り出
しはアルミニウムワイヤを超音波ボンディングにより行
った。磁気抵抗比は、
【0012】
【数1】
【0013】で定義するものとする。ここでR(H=H
0 kOe)は磁場H0 における薄膜の抵抗を示してい
る。 (実施例1)垂直磁化を有する材料としてコバルト・ク
ロム(Co・Cr)合金、非磁性金属として銅(Cu)
を用いた実施例について説明する。本実施例においては
Co、Cr、Cuの純金属を電子ビーム蒸着源に充填
し、コバルト・クロム合金の組成は2つの電子ビーム蒸
着源の蒸着速度を調整して目的の組成(Cr濃度:20
原子%)になるようコントロールした。この組成のCo
・Cr合金薄膜は垂直磁化膜となる。バッファー層、保
護膜としてはともに純Crを用い、膜厚はそれぞれ10
0オングストロームとした。Co・Cr合金層の膜厚が
15オングストロームでCu層の薄膜を変えた人工格子
膜、およびCu層の膜厚が10オングストロームでCo
・Cr合金層の膜厚を変えた人工格子膜を超高真空蒸着
法により作製し、磁気抵抗変化率を測定した。結果をそ
れぞれ表1および2に示す。なお基板はガラス、人工周
期の繰り返し数は30回、蒸着中の基板温度は30℃で
あった。表1および表2に示すようにいくつかのサンプ
ルにおいて磁気抵抗比が20%をこえ、最大値は48%
であった。
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】(実施例2)垂直磁化を有する材料がコバ
ルト・クロム(Co・Cr)合金(Cr濃度:20原子
%)で、非磁性金属を変えた実施例について説明する。
本実施例においてはCo、Crおよび非磁性金属を電子
ビーム蒸着源に充填し、コバルト・クロム合金の組成は
実施例1と同様、2つの電子ビーム蒸着源の蒸着速度を
調整して目的の組成(Cr濃度:20原子%)になるよ
うコントロールした。バッファー層、保護膜としてはと
もに純Crを用い、膜厚はそれぞれ100オングストロ
ームとした。Co・Cr合金層の膜厚が15オングスト
ロームで非磁性層の膜厚が9オングストロームの人工格
子膜、ならびにCo・Cr合金層の膜厚が2オングスト
ロームで非磁性層の膜厚が10オングストロームの人工
格子膜を超高真空蒸着法により作製し、磁気抵抗変化率
を測定した。非磁性金属を変えたときの磁気抵抗比をそ
れぞれ表3および4に示す。なお基板はシリコン(10
0)、人工周期の繰り返し数は30回、蒸着中の基板温
度は30℃であった。表3および表4に示すように、C
u、Ag、Au、Cr、Pd等において磁気抵抗比が2
0%をこえる磁気抵抗効果素子膜が得られた。
【0017】
【表3】
【0018】
【表4】
【0019】(実施例3)非磁性層をCuとし、垂直磁
化膜となる材料を変えた実施例について説明する。本実
施例においては、Cu、垂直磁化膜となる材料、および
バッファー層・保護膜用の金属としてのCrを電子ビー
ム蒸着源に充填した。バッファー層ならびに保護膜の膜
厚を100オングストローム、非磁性金属層のCu層の
膜厚を15オングストローム、垂直磁化となる強磁性層
の膜厚を9オングストロームとし、その種類を変えた人
工格子を超高真空蒸着法にて作製し、磁気抵抗比を測定
した。結果を表5に示す。なお基板はシリコン(10
0)、人工周期の繰り返し数は30回、蒸着中の基板温
度は30℃であった。また本実施例で用いた強磁性金属
は単層膜としたときに垂直磁化膜となることを確認し
た。比較例として、単層膜では垂直磁化膜にならないC
oを強磁性層とした場合についても示してある。表中の
合金組成は原子%表示である。表5に示すように強磁性
層として垂直磁化膜を用いると磁気抵抗比が20%をこ
える磁気抵抗効果薄膜が得られることがわかる。
【0020】
【表5】
【0021】(実施例6)比磁性層をPdとし、垂直磁
化膜となる材料を変えた実施例について説明する。本実
施例においては、イオンビームスパッタ装置を用いて磁
気抵抗効果膜を成膜した。Pdならびに垂直磁化膜とな
る合金をターゲットとした。バッファー層と保護膜はP
dとし、その膜厚は100オングストロームとした。非
磁性金属層のPd層の膜厚を10オングストローム、垂
直磁化となる強磁性層の膜厚を2オングストロームと
し、その種類を変えて人工格子を作製し、磁気抵抗比を
測定した。結果を表6に示す。なお基板はシリコン(1
11)、人工周期の繰り返し数は30回、蒸着中の基板
温度は30℃であった。また本実施例で用いた強磁性金
属は単層膜としたときに垂直磁化膜となることを確認し
た。比較例として、単層膜では垂直磁化膜にならないC
oを強磁性層とした場合についても示してある。表中の
合金組成は原子%表示である。表6に示すように強磁性
層として垂直磁化膜を用いると磁気抵抗比が20%をこ
える磁気抵抗効果薄膜が得られることがわかる。
【0022】
【表6】
【0023】
【発明の効果】以上実施例を用いて説明したように本発
明によれば、室温における磁気抵抗変化率が20%を越
えるような磁気抵抗効果素子薄膜を得ることができる。
この磁気抵抗効果素子薄膜は磁気抵抗変化率が大きいた
めに高感度の磁気センサーや薄膜磁気ヘッドとして用い
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気抵抗効果素子薄膜の構造を示す断
面模式図である。
【図2】本発明の実施例で用いた超高真空蒸着装置の概
略図である。
【図3】本発明の実施例で用いたイオンビームスパッタ
装置の概略図である。
【符号の説明】
1 基板 2 バッファー層 3 垂直磁化膜層 4 非磁性層 5 保護膜 6a、6b、6c 電子ビーム蒸着源 7 基板ホルダー 8 基板加熱ヒーター 9a、9b、9c 膜厚計 10a、10b、10c シャッター 11 真空ゲージ 12 ゲートバルブ 13 イオンポンプ 14a、14b イオンソース 15a、15b ターゲット 16a、16b マスフローコントローラ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁性層と非磁性層を交互に基板に垂直な方
    向に積層した人工格子構造を有する磁気抵抗効果素子薄
    膜において、磁性膜が基板に垂直な方向に磁化容易軸を
    持つ垂直磁化膜であることを特徴とする磁気抵抗効果素
    子薄膜。
  2. 【請求項2】 前記磁性膜が Co−Cr合金、Tb−F
    e合金、Mn−Bi合金のいずれかよりなることを特徴
    とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子薄膜。
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