JP2677018B2 - 磁性多層膜 - Google Patents
磁性多層膜Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- 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
- H01F10/3268—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
- H01F10/3281—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 only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗効果素子に好
適な磁性多層膜に関する。
適な磁性多層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】半導体ホ−ル素子、半導
体磁気抵抗効果素子、強磁性磁気抵抗効果素子等の磁電
変換素子が、無接点スイッチや、被測定物の運動を一旦
永久磁石の運動に変えて計測する位置検出器や回転検出
器に利用されている。中でも強磁性磁気抵抗効果を利用
した磁気抵抗効果素子は小さい磁界強度に対しても感度
が良く、また磁束応答型であるので、低速磁界変化でも
精度の高い測定が可能で、また薄膜技術を用いて小さい
サイズに作製できる等の利点を持ち、上記の用途には非
常に適しているため広く利用されている。従来、このよ
うな磁気抵抗効果素子にはＮｉＦｅ合金やＮｉＣｏ合金
の磁性薄膜が用いられており、いわゆる異方性磁気抵抗
効果を利用している。しかし、従来の異方性磁気抵抗効
果を利用した磁性薄膜の磁気抵抗変化率は２〜５％であ
り、さらに磁気抵抗変化率の大きい磁性薄膜が求められ
てきた。
体磁気抵抗効果素子、強磁性磁気抵抗効果素子等の磁電
変換素子が、無接点スイッチや、被測定物の運動を一旦
永久磁石の運動に変えて計測する位置検出器や回転検出
器に利用されている。中でも強磁性磁気抵抗効果を利用
した磁気抵抗効果素子は小さい磁界強度に対しても感度
が良く、また磁束応答型であるので、低速磁界変化でも
精度の高い測定が可能で、また薄膜技術を用いて小さい
サイズに作製できる等の利点を持ち、上記の用途には非
常に適しているため広く利用されている。従来、このよ
うな磁気抵抗効果素子にはＮｉＦｅ合金やＮｉＣｏ合金
の磁性薄膜が用いられており、いわゆる異方性磁気抵抗
効果を利用している。しかし、従来の異方性磁気抵抗効
果を利用した磁性薄膜の磁気抵抗変化率は２〜５％であ
り、さらに磁気抵抗変化率の大きい磁性薄膜が求められ
てきた。
【０００３】最近、ＮｉＦｅ薄膜とＣｏ薄膜を交互に積
層し、各積層磁性薄膜層間に非磁性薄膜層を介在させた
磁性多層膜において、室温で１０％程度の大きな磁気抵
抗変化率が得られることが発見された（山本他、第１４
回日本応用磁気学会学術講演会）。しかし、この磁性多
層膜は数１０ Oe 以上の外部磁界が加わるとヒステリシ
スを生じ、磁気抵抗効果素子としての動作が不安定であ
るといった問題点があった。本発明はこのような従来の
問題点を解決するためになされたもので、大きな磁気抵
抗効果を安定に得ることのできる磁性多層膜を提供する
ことを目的とする。
層し、各積層磁性薄膜層間に非磁性薄膜層を介在させた
磁性多層膜において、室温で１０％程度の大きな磁気抵
抗変化率が得られることが発見された（山本他、第１４
回日本応用磁気学会学術講演会）。しかし、この磁性多
層膜は数１０ Oe 以上の外部磁界が加わるとヒステリシ
スを生じ、磁気抵抗効果素子としての動作が不安定であ
るといった問題点があった。本発明はこのような従来の
問題点を解決するためになされたもので、大きな磁気抵
抗効果を安定に得ることのできる磁性多層膜を提供する
ことを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、基体上に保持
力の異なる２種類の磁性薄膜層を交互に積層し、各積層
磁性薄膜層間に非磁性薄膜層を介在させた構造からなる
磁性多層膜において、前記２種類の磁性薄膜層の一方が
ＣｏＰｔを主成分とする材料よりなることを特徴とする
磁性多層膜である。
力の異なる２種類の磁性薄膜層を交互に積層し、各積層
磁性薄膜層間に非磁性薄膜層を介在させた構造からなる
磁性多層膜において、前記２種類の磁性薄膜層の一方が
ＣｏＰｔを主成分とする材料よりなることを特徴とする
磁性多層膜である。
【０００５】以下、図面を参照して本発明をさらに詳細
に説明する。図１は本発明の磁性多層膜の基本的構成を
示す断面図である。基板１上にＣｏＰｔまたはＣｏＰｔ
を主成分とする合金からなる第１の磁性薄膜層２と該磁
性薄膜層２よりも保磁力の小さい第２の磁性薄膜層３を
交互に積層し、各積層磁性薄膜層間に非磁性薄膜層４を
介在させることによって構成される。図１では基板上に
ＣｏＰｔ系の磁性薄膜層２から積層を開始し、最後が保
磁力の小さい磁性薄膜層３で終わる構成になっている
が、本発明の効果は磁性薄膜層２と３の積層順序にはよ
らない。
に説明する。図１は本発明の磁性多層膜の基本的構成を
示す断面図である。基板１上にＣｏＰｔまたはＣｏＰｔ
を主成分とする合金からなる第１の磁性薄膜層２と該磁
性薄膜層２よりも保磁力の小さい第２の磁性薄膜層３を
交互に積層し、各積層磁性薄膜層間に非磁性薄膜層４を
介在させることによって構成される。図１では基板上に
ＣｏＰｔ系の磁性薄膜層２から積層を開始し、最後が保
磁力の小さい磁性薄膜層３で終わる構成になっている
が、本発明の効果は磁性薄膜層２と３の積層順序にはよ
らない。
【０００６】本発明に係わる基板１の材料には、ガラ
ス，Ｓｉ，Ａｌ2Ｏ3 ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，Ａｌ2Ｏ3 とＴ
ｉＣとの焼結体，フェライト等を用いることができる。
磁性薄膜層２の材料には、ＣｏとＰｔの広い組成範囲か
ら選択できるが、Ｐｔ組成を１０原子％以上，３５原子
％以下とすることによって、特に大きな効果が得られ
る。また、磁性薄膜層３には種々の強磁性材料を用いる
ことができるが、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ，ＦｅＡ
ｌＳｉ，窒化鉄，ＣｏＺｒ等のＣｏ基アモルファス合
金，あるいはこれらに添加物を加えたものが特に適して
いる。これら磁性層の厚さは２００オングストロ―ム以
下、好ましくは １００オングストロ―ム以下とする。
厚さが前記範囲を超えても本発明の効果に向上はみられ
ず、生産性を低下させる。なお、磁性薄膜の厚さの下限
は特にないが、厚さを４オングストロ―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。
ス，Ｓｉ，Ａｌ2Ｏ3 ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，Ａｌ2Ｏ3 とＴ
ｉＣとの焼結体，フェライト等を用いることができる。
磁性薄膜層２の材料には、ＣｏとＰｔの広い組成範囲か
ら選択できるが、Ｐｔ組成を１０原子％以上，３５原子
％以下とすることによって、特に大きな効果が得られ
る。また、磁性薄膜層３には種々の強磁性材料を用いる
ことができるが、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ，ＦｅＡ
ｌＳｉ，窒化鉄，ＣｏＺｒ等のＣｏ基アモルファス合
金，あるいはこれらに添加物を加えたものが特に適して
いる。これら磁性層の厚さは２００オングストロ―ム以
下、好ましくは １００オングストロ―ム以下とする。
厚さが前記範囲を超えても本発明の効果に向上はみられ
ず、生産性を低下させる。なお、磁性薄膜の厚さの下限
は特にないが、厚さを４オングストロ―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。
【０００７】また、本発明に係わる非磁性薄膜層４は磁
性薄膜層２と３の磁気相互作用を弱める役割を果たす導
電材料で、具体的にはＡｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｔあるいは
これらに添加物を加えたものを用いることができる。上
記の２種類の強磁性材料と非磁性金属材料とを３基の蒸
発源を持つ真空蒸着装置、もしくは３基のタ−ゲットを
持つスパッタリング装置で蒸発させ、３基の蒸発源のシ
ャッターを交互に開閉したり、あるいは基板を３基の蒸
発源上を交互に通過させることによって、基板上に３種
類の材料を交互に積層させることができる。本発明の磁
性多層膜では、隣接する磁性薄膜層間に非磁性薄膜が存
在し、これら隣接する磁性薄膜の保磁力が互いに異なる
構成となっている。そして、磁性層の片方をＣｏＰｔを
主成分とすることにより、極めて大きな磁気抵抗変化が
安定に得られる。
性薄膜層２と３の磁気相互作用を弱める役割を果たす導
電材料で、具体的にはＡｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｔあるいは
これらに添加物を加えたものを用いることができる。上
記の２種類の強磁性材料と非磁性金属材料とを３基の蒸
発源を持つ真空蒸着装置、もしくは３基のタ−ゲットを
持つスパッタリング装置で蒸発させ、３基の蒸発源のシ
ャッターを交互に開閉したり、あるいは基板を３基の蒸
発源上を交互に通過させることによって、基板上に３種
類の材料を交互に積層させることができる。本発明の磁
性多層膜では、隣接する磁性薄膜層間に非磁性薄膜が存
在し、これら隣接する磁性薄膜の保磁力が互いに異なる
構成となっている。そして、磁性層の片方をＣｏＰｔを
主成分とすることにより、極めて大きな磁気抵抗変化が
安定に得られる。
【０００８】
【作用】本発明の磁性多層膜の作用を以下に説明する。
説明を簡単にするために、磁性薄膜Ｍ1 、非磁性薄膜お
よび磁性薄膜Ｍ2 がこの順序に積層されている積層体に
ついて考える。磁性薄膜層Ｍ1 ，Ｍ2 の保磁力をＨ
ｃ1、Ｈｃ2（０＜Ｈc1＜Ｈc2）とする。図２（ａ）に示
すように、初め外部磁場Ｈを Ｈ＜−Ｈｃ2 となるよう
に印加し、次いで外部磁界を Ｈ＞Ｈｃ2 まで増加さ
せ、さらに Ｈ＜−Ｈｃ2 まで減少させると、Ｍ1および
Ｍ2の磁化方向、すなわちスピンの方向は、図２（ａ）
の丸で囲んだ部分に示されるように変化する。外部磁界
Ｈの変化が Ｈｃ1→Ｈｃ2 の時、および −Ｈｃ1→−Ｈ
ｃ2 の時は、Ｍ1の磁化方向はＭ2の磁化方向と逆にな
る。そして、Ｍ1の磁化方向がＭ2の磁化方向と逆向きで
あると、すなわち、Ｍ1におけるスピンの向きがＭ2にお
けるスピンの向きと逆であると、この積層体に電流を流
した時に伝導電子がスピン散乱され、積層体の電気抵抗
が増加する。結果として、この積層体の磁気抵抗変化は
図２（ｂ）に示すような２つの山を持つ形状となる。
説明を簡単にするために、磁性薄膜Ｍ1 、非磁性薄膜お
よび磁性薄膜Ｍ2 がこの順序に積層されている積層体に
ついて考える。磁性薄膜層Ｍ1 ，Ｍ2 の保磁力をＨ
ｃ1、Ｈｃ2（０＜Ｈc1＜Ｈc2）とする。図２（ａ）に示
すように、初め外部磁場Ｈを Ｈ＜−Ｈｃ2 となるよう
に印加し、次いで外部磁界を Ｈ＞Ｈｃ2 まで増加さ
せ、さらに Ｈ＜−Ｈｃ2 まで減少させると、Ｍ1および
Ｍ2の磁化方向、すなわちスピンの方向は、図２（ａ）
の丸で囲んだ部分に示されるように変化する。外部磁界
Ｈの変化が Ｈｃ1→Ｈｃ2 の時、および −Ｈｃ1→−Ｈ
ｃ2 の時は、Ｍ1の磁化方向はＭ2の磁化方向と逆にな
る。そして、Ｍ1の磁化方向がＭ2の磁化方向と逆向きで
あると、すなわち、Ｍ1におけるスピンの向きがＭ2にお
けるスピンの向きと逆であると、この積層体に電流を流
した時に伝導電子がスピン散乱され、積層体の電気抵抗
が増加する。結果として、この積層体の磁気抵抗変化は
図２（ｂ）に示すような２つの山を持つ形状となる。
【０００９】ここで、このような磁性多層膜を磁気抵抗
効果素子として用いるためには、比較的小さい磁界で急
峻な磁気抵抗変化が得られる −Ｈｃ1＜Ｈ＜Ｈｃ1 の磁
界範囲で動作させることが望ましい。これより大きな磁
界、特にＨｃ2，−Ｈｃ2を超える磁界が加わると、図２
の磁気抵抗変化の片方の山からもう片方の山に移ること
になり、磁気抵抗の増加を生じる磁界の方向が逆転して
しまい、磁気抵抗効果素子としての動作が不安定とな
る。よってＨｃ2の値は大きい方が望ましい。このよう
な事態は磁気抵抗効果素子として、自動車，電気機械等
の雑音磁界の大きい環境で使用する場合には容易に起こ
り得る。しかし、 １００オングストロ―ム以下の薄膜
で大きなＨｃが得られる材料は少なく、また結晶構造に
よっては積層した場合に界面が粗くなり、磁気抵抗特性
が低下してしまう。本発明においては、この材料として
ＣｏＰｔを主成分とする磁性薄膜を用いることにより、
特に優れた特性が得られる。
効果素子として用いるためには、比較的小さい磁界で急
峻な磁気抵抗変化が得られる −Ｈｃ1＜Ｈ＜Ｈｃ1 の磁
界範囲で動作させることが望ましい。これより大きな磁
界、特にＨｃ2，−Ｈｃ2を超える磁界が加わると、図２
の磁気抵抗変化の片方の山からもう片方の山に移ること
になり、磁気抵抗の増加を生じる磁界の方向が逆転して
しまい、磁気抵抗効果素子としての動作が不安定とな
る。よってＨｃ2の値は大きい方が望ましい。このよう
な事態は磁気抵抗効果素子として、自動車，電気機械等
の雑音磁界の大きい環境で使用する場合には容易に起こ
り得る。しかし、 １００オングストロ―ム以下の薄膜
で大きなＨｃが得られる材料は少なく、また結晶構造に
よっては積層した場合に界面が粗くなり、磁気抵抗特性
が低下してしまう。本発明においては、この材料として
ＣｏＰｔを主成分とする磁性薄膜を用いることにより、
特に優れた特性が得られる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。３
基の蒸発源を用いた電子ビ―ム真空蒸着法により、表１
に示す２種類の磁性薄膜層と非磁性薄膜層とを交互に連
続的に積層し、厚さ４００オングストロ―ム前後の多層
膜を作製し、実施例１〜４とした。また、磁性薄膜とし
てＣｏＰｔ以外の材料を用いた他は実施例と同じ方法で
磁性多層膜を作製し、比較例１〜４とした。基板にはガ
ラス基板を用い、基板温度は １００℃とした。成膜速
度は０．１nm／秒とし、各蒸発源のシャッタの開閉時間
を変えて各層の膜厚を制御した。蒸着中の真空度は５×
１０-8Torrであった。
基の蒸発源を用いた電子ビ―ム真空蒸着法により、表１
に示す２種類の磁性薄膜層と非磁性薄膜層とを交互に連
続的に積層し、厚さ４００オングストロ―ム前後の多層
膜を作製し、実施例１〜４とした。また、磁性薄膜とし
てＣｏＰｔ以外の材料を用いた他は実施例と同じ方法で
磁性多層膜を作製し、比較例１〜４とした。基板にはガ
ラス基板を用い、基板温度は １００℃とした。成膜速
度は０．１nm／秒とし、各蒸発源のシャッタの開閉時間
を変えて各層の膜厚を制御した。蒸着中の真空度は５×
１０-8Torrであった。
【００１１】これらの多層膜の磁気抵抗効果を測定する
ため、多層膜上に、厚さ ０．２μmのＡｕを蒸着法によ
り成膜し、フォトリソグラフィ−技術とイオンエッチン
グ技術を用いて幅１０μm の細線状にパタ−ン化した。
次に、検出部分の長さ ５００μm のみＡｕ層を化学エ
ッチングにより除去して、残りのＡｕ膜を電極とした。
これらの試料に５ｍＡの定電流を印加し、２端子法で抵
抗−磁界特性を測定した。抵抗−磁界特性は最大の抵抗
変化率と抵抗変化不安定となる最大磁界（Ｈmax ）で代
表させた。表１の測定結果から明らかなように、本発明
の磁性多層膜は、抵抗変化率がＣｏＰｔ以外の磁性薄膜
層を用いた磁性多層膜と同等以上であり、かつＨmax が
格段に大きいので、磁気抵抗効果素子とした場合、極め
て高い安定性を有する。
ため、多層膜上に、厚さ ０．２μmのＡｕを蒸着法によ
り成膜し、フォトリソグラフィ−技術とイオンエッチン
グ技術を用いて幅１０μm の細線状にパタ−ン化した。
次に、検出部分の長さ ５００μm のみＡｕ層を化学エ
ッチングにより除去して、残りのＡｕ膜を電極とした。
これらの試料に５ｍＡの定電流を印加し、２端子法で抵
抗−磁界特性を測定した。抵抗−磁界特性は最大の抵抗
変化率と抵抗変化不安定となる最大磁界（Ｈmax ）で代
表させた。表１の測定結果から明らかなように、本発明
の磁性多層膜は、抵抗変化率がＣｏＰｔ以外の磁性薄膜
層を用いた磁性多層膜と同等以上であり、かつＨmax が
格段に大きいので、磁気抵抗効果素子とした場合、極め
て高い安定性を有する。
【００１２】（以下余白）
【表１】
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁性多層
膜は、極めて大きな磁気抵抗変化が安定に得られ、高出
力の磁気抵抗効果素子に好適である。
膜は、極めて大きな磁気抵抗変化が安定に得られ、高出
力の磁気抵抗効果素子に好適である。
【図１】本発明の磁性多層膜の一例の断面図である。
【図２】本発明の磁性多層膜の外部磁界に対する磁化変
化と磁気抵抗変化を示す図である。
化と磁気抵抗変化を示す図である。
１ 基板 ２ 第１の磁性薄膜層 ３ 第２の磁性薄膜層 ４ 非磁性薄膜層
Claims (1)
- 【請求項１】 基体上に保持力の異なる２種類の磁性薄
膜層を交互に積層し、各積層磁性薄膜層間に非磁性薄膜
層を介在させた構造からなる磁性多層膜において、２種
類の磁性薄膜層の一方がＣｏＰｔを主成分とする材料よ
りなることを特徴とする磁性多層膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2412922A JP2677018B2 (ja) | 1990-12-25 | 1990-12-25 | 磁性多層膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2412922A JP2677018B2 (ja) | 1990-12-25 | 1990-12-25 | 磁性多層膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04223306A JPH04223306A (ja) | 1992-08-13 |
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ID=18521662
Family Applications (1)
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1990
- 1990-12-25 JP JP2412922A patent/JP2677018B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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