JP3242280B2

JP3242280B2 - 磁気抵抗素子用多層膜およびその製造方法

Info

Publication number: JP3242280B2
Application number: JP08060295A
Authority: JP
Inventors: 雅裕内山; 文人小池; 博関; 直也長谷川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH08279118A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気ヘッド、位置セン
サ、回転センサ等に用いられる磁気抵抗素子用の多層膜
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の用途に用いられている磁
気抵抗（ＭＲ）効果材料として、Ｎｉ-Ｆｅ合金薄膜
（パーマロイ薄膜）が知られているが、パーマロイ薄膜
の抵抗変化率は２〜３％が一般的である。従って、今
後、磁気記録における線記録密度およびトラック密度の
向上あるいは磁気センサにおける高分解能化に対応する
ためには、より抵抗変化率（ＭＲ比）の大きい磁気抵抗
効果材料が望まれている。

【０００３】ところで近年、巨大磁気抵抗効果と呼ばれ
る現象が、Ｆｅ／Ｃｒ交互積層膜、あるいは、Ｃｏ／Ｃ
ｕ交互積層膜などの多層薄膜で発見されている。これら
の多層薄膜においては、ＦｅやＣｏなどからなる各強磁
性金属層の磁化がＣｒやＣｕなどからなる非磁性金属層
を介して磁気的な相互作用を起こし、積層された上下の
強磁性金属層の磁化が、反平行状態を保つように結合し
ている。即ち、これらの構造においては、非磁性金属層
を介して交互に積層された強磁性金属層が、一層毎に磁
化の向きを反対方向に向けて積層されている。そして、
これらの構造においては、適当な外部磁界が印加される
と、各強磁性金属層の磁化の向きが同じ方向に揃うよう
に変化する。

【０００４】前記の構造において、各強磁性金属層の磁
化が反平行状態の場合と平行状態の場合では、Ｆｅ強磁
性金属層とＣｒ非磁性金属層の界面、あるいは、Ｃｏ強
磁性金属層とＣｕ非磁性金属層の界面における伝導電子
の散乱のされ方が、伝導電子のスピンに依存して異なる
と言われている。従ってこの機構に基づくと、各強磁性
金属層間の磁化の向きが反平行状態の時は電気抵抗が高
く、平行状態の時は電気抵抗が低くなり、抵抗変化率と
して従来のパーマロイを上回る、いわゆる、巨大磁気抵
抗効果を発生する。このようにこれらの多層薄膜は、従
来のＮｉ-Ｆｅの単層薄膜とは根本的に異なるＭＲ発生
機構を有している。

【０００５】しかしながら、これらの多層膜において
は、各強磁性金属層の磁化の向きを反平行とするように
作用する強磁性金属層間の磁気的相互作用が強すぎるた
めに、各強磁性金属層の磁化の向きを平行に揃えるため
には、非常に大きな外部磁界を作用させなくてはならな
い問題がある。従って、強い磁界をかけないと大きな抵
抗変化が起こらないことになり、磁気ヘッドなどのよう
に磁気記録媒体からの微小な磁界を検出する装置に適用
した場合に満足な高い感度が得られないという問題があ
った。

【０００６】この問題を解決するためには、強磁性金属
層間に働く磁気的な相互作用を過度に強くしないよう
に、ＣｒやＣｕなどからなる非磁性金属層の厚さを調整
し、各強磁性金属層の磁化の向きの相対的な方向を磁気
的相互作用とは別の方法により制御することが有効と思
われる。従来、このような磁化の相対的な方向制御技術
として、ＦｅＭｎなどの反強磁性層を設けることによ
り、一方の強磁性金属層の磁化の向きを固定し、この強
磁性金属層の磁化の向きが外部磁界に対して動き難いよ
うに構成し、他方の強磁性金属層の磁化の向きを自由に
動けるように構成することにより、微小な磁界による動
作を可能にした技術が提案されている。

【０００７】図７は、特開平６ー６０３３６号公報に開
示されているこの種の技術を応用した構造の磁気抵抗セ
ンサの一例を示すものである。図７に示す磁気抵抗セン
サＡは、非磁性の基板１に、第１の磁性層２と非磁性ス
ペーサ３と第２の磁性層４と反強磁性層５を積層して構
成されるものであり、第２の磁性層４の磁化の向きＢが
反強磁性層５による磁気的交換結合により固定されると
ともに、第１の磁性層２の磁化の向きＣが、印加磁界が
ない時に第２の磁性層４の磁化の向きＢに対して直角に
向けられている。ただし、この第１の磁性層２の磁化の
向きＣは固定されないので外部磁界により回転できるよ
うになっている。

【０００８】図７に示す構造に対して印加磁界ｈを付加
すると、印加磁界ｈの方向に応じて第１の磁性層２の磁
化の向きＣが点線矢印の如く回転するので、第１の磁性
層２と第２の磁性層４との間で磁化に方向の角度差が生
じることになるために、抵抗変化が起こり、これにより
磁場検出ができるようになる。

【０００９】次に、一方の磁性層の磁化の向きを固定
し、他方の磁性層の磁化の向きを自由とした構成の磁気
抵抗センサの他の例として、図８に示すように、基板６
上にＮｉＯの反強磁性層７と、Ｎｉ-Ｆｅの磁性層８
と、Ｃｕの非磁性金属層９と、Ｎｉ-Ｆｅの磁性層１０
と、Ｃｕの非磁性金属層１１と、Ｎｉ-Ｆｅの磁性層１
２と、ＦｅＭｎの反強磁性層１３を順次積層した構造の
磁気抵抗センサＢが知られている。この例の構造におい
ては、反強磁性層７、１３によりそれらに隣接する強磁
性金属層８、１２の磁化がそれぞれ固定され、強磁性金
属層８、１２の間に非磁性金属層９、１１を介して挟ま
れた強磁性金属層１０の磁化が外部磁界に応じて回転可
能に構成されている。

【００１０】図７あるいは図８に示す構造の磁気抵抗セ
ンサであると、微小な印加磁界の変化に対して磁気抵抗
センサＡおよび磁気抵抗センサＢの抵抗変化が直線的に
感度良く変化する利点がある。また、第１の磁性層２と
してＮｉ-Ｆｅなどの軟磁性材料を用いると、その軟磁
性を利用することができ、ヒステリシスが少ないなどの
利点を有する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７あ
るいは図８に示す構造の磁気抵抗センサはＦｅＭｎの反
強磁性層５で隣接する第２の磁性層４の磁化を固定する
か、上下のＦｅＭｎとＮｉＯの反強磁性層７、１３でそ
れらの間の強磁性金属層８、１２の磁化を固定し、それ
らの間の磁性層１０の磁化を自由にする構造であるの
で、巨大磁気抵抗効果に寄与するＮｉ-Ｆｅ（磁性層）
／Ｃｕ（非磁性金属層）の界面の数を多くできない制約
があり、ＭＲ比の大きさに制約を生じる問題があった。
また、反強磁性層５、７の構成材料として用いられるＦ
ｅＭｎは、耐食性および耐環境性の面から見て不利な問
題がある。

【００１２】次に、図７と図８に示す構造の磁気抵抗セ
ンサの変形的な構造例として、図９に示すように、ガラ
ス基板１５上に、Ｃｕの非磁性層１６とＣｏの硬質磁性
材料膜１７とＣｕの非磁性層１８とＮｉ-Ｆｅの軟質磁
性材料膜１９を複数回繰り返し積層した構造が知られて
いる。図９に示す構造の磁気抵抗センサは、硬質磁性材
料膜１７と軟質磁性材料膜１９の保磁力差を利用し、非
磁性層１８の厚さを所定の厚さに調整することで、両磁
性層１７、１９の磁化の向きを平行にあるいは反平行に
することができ、これにより巨大磁気抵抗効果を得るこ
とができる。そしてこの構造の磁気抵抗センサは、積層
数を自由に変更できるので、図７と図８に示す構造の磁
気抵抗センサよりも大きなＭＲ比を得ることができる特
徴がある。

【００１３】ところが、図９に示す構造の磁気抵抗セン
サにあっては、以下に説明するような問題があった。Ｃ
ｏの硬質磁性材料膜１７とＮｉ-Ｆｅの軟質磁性材料膜
１９を基板上に成膜する場合、通常の膜厚は１０〜５０
オングストロームであるが、この範囲の膜厚では、Ｃｏ
の結晶がｎｍオーダーの微細結晶粒になり易いので、微
細結晶粒生成効果により軟質磁性材料的な性質に変化し
やすくなるために、硬質磁性材料膜１７の保磁力が低下
し、結果的にＮｉ-Ｆｅの軟質磁性材料膜１９との間の
保磁力差が小さくなってしまう問題がある。

【００１４】また、前述の欠点を補うために、磁場中で
成膜処理を行い、Ｃｏの硬質磁性材料膜１７の保磁力を
できる限り大きく形成し、Ｎｉ-Ｆｅの軟質磁性材料膜
１９の保磁力をできる限り小さく形成して保磁力差を大
きくしようとする提案も見られるが、この場合は磁場中
で成膜する必要があり、特殊な成膜装置が必要になる問
題があった。

【００１５】また、保磁力差を大きくとるために、Ｃｏ
の代わりにＣｏ-Ｐｔ膜などの硬質磁性材料膜を使用す
る試みも見られるが、この場合は、硬質磁性材料膜の磁
界が漏洩磁界となって軟質磁性材料膜の保磁力に影響を
及ぼし、軟質磁性材料膜の保磁力が大きくなる問題があ
る。即ち、硬質磁性材料膜の保磁力が大きいことによっ
て漏れ磁束が多くなり、その結果として磁気抵抗センサ
としての感度（単位磁界あたりの抵抗変化率）が劣化し
てしまう問題があった。更に前記の構造では、軟磁性材
料膜にＮｉ-Ｆｅ合金、硬質磁性膜にＣｏまたはＣｏ-Ｐ
ｔ合金等を使用するため、非磁性膜を介した両磁性金属
膜において伝導電子の受けるポテンシャルが異なるよう
になる。このような構造では、このように異なる磁性物
質の組み合わせで使用されることにより、巨大磁気抵抗
効果に寄与するスピン異存散乱以外の散乱が生じ、その
影響で磁気抵抗効果も目減りするという問題があった。

【００１６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、図７あるいは図８に示す従来構造ではできなかっ
た磁性膜の多層膜構造を実現できる積層構造にすること
により、高いＭＲ比を得ることができると同時に、図９
に示す従来構造では避けられなかった硬質磁性材料膜の
漏洩磁界の問題を解消してＭＲセンサとしての感度低下
を防止するとともに、Ｆｅ-Ｍｎ等の反強磁性膜を用い
る必要が無く、耐環境性の面で問題を生じない磁気抵抗
多層膜およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、非磁性膜を２つの異なる保磁
力を有する強磁性金属膜で挟み込んでなる積層ユニット
膜を、複数、基材上に積層してなり、前記非磁性膜を挟
む強磁性金属膜のうちの一方を、単体金属または合金の
微細結晶粒の集合体からなる低保磁力磁性膜とし、他方
を、単体金属または合金の微細結晶粒とそれら微細結晶
粒の粒界に偏析した非磁性析出相とを具備する高保磁力
磁性膜とし、前記非磁性析出相を、微細結晶粒の相互間
の磁気的交換結合を弱める相としてなるものである。

【００１８】次に、本発明においては、低保磁力磁性膜
を、Ｃｏ、Ｎｉ-Ｆｅ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ合金、Ｆｅ
の中から選択される少なくとも１種とすることができ
る。また、本発明において、高保磁力磁性膜を、Ｃｏ-
Ｃｕ合金、Ｃｏ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ａｇ
合金、Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｆｅ-Ｃｒ合
金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｎｉ-
Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-
Ｃｕ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-
Ａｕ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金の中から選択され
る少なくとも１種とすることもできる。

【００１９】次に、本発明においては、前記高保磁力磁
性膜の組成を、前記低保磁力磁性膜の組成に対しＣｕ、
Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒより選択される少なくとも１種以上の
非磁性の金属元素を添加した組成にすることができる。
また、前記高保磁力磁性膜と低保磁力磁性膜の間の非磁
性膜の膜厚を、２０〜５０オングストロームの範囲とす
ることができる。

【００２０】次に、前記低保磁力磁性膜を平均結晶粒径
３０ｎｍ以下の体心立方構造のＦｅまたは六方稠密構造
あるいは面心立方構造のＣｏを主成分とする合金から構
成することもできる。更に、本発明において、低保磁力
磁性膜を、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_bＢ_xＭ_yなる組成式で
示される軟磁性合金、あるいは、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_tＭ
_zＣ_wなる組成式で示される軟磁性合金から構成しても良
い。ただし前記組成式において、Ｚは、Ｎｉ、Ｃｏのう
ち１種または２種、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選ばれた１種または
２種以上の元素であり、かつ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂのうち
いずれかを含み、０≦a≦０.２、b＝７５〜９３原子
％、x＝０.５〜１８原子％、y＝４〜９原子％、ｔ＝５
０〜９６原子％、ｚ＝２〜３０原子％、w＝０.５〜２５
原子％である。

【００２１】次に、低保磁力磁性膜を構成する微細結晶
粒と、高保磁力磁性膜の一部を構成する微細結晶粒と
を、同じ強磁性金属から構成することが好ましい。

【００２２】次いで、本発明の製造方法においては、先
に記載の構造の磁気抵抗素子用多層膜を製造する方法に
おいて、強磁性金属に対して通常の条件では固溶しない
非磁性元素を過飽和固溶体として含ませた強磁性金属膜
と、非磁性膜と、低保磁力磁性膜とを積層してなる予備
積層ユニット膜を基材上に複数積層して積層体を形成
し、次いで、この積層体に熱処理を施して前記過飽和固
溶体から前記強磁性金属に対して固溶しない非磁性元素
を析出させ、強磁性金属からなる微細結晶粒と、微細結
晶粒の粒界に析出させた非磁性元素からなる非磁性析出
相からなる高保磁力磁性膜を形成するものである。

【００２３】また、請求項１〜８のいずれかに記載の磁
気抵抗素子用多層膜を製造する場合に、移動自在な基板
ホルダに基板を装着し、低保磁力磁性膜形成用のターゲ
ットと高保磁力磁性膜形成用のターゲットのうち、膜組
成が合金組成の場合に、その合金を構成する単独元素の
ターゲットを複数用意し、合金膜を積層する場合に、複
数の単体元素ターゲットを同時に放電しながら複数の単
体元素ターゲットに順次基板を繰り返し接近させて複数
の元素を堆積させることで合金組成の磁性膜を成膜する
こともできる。

【００２４】

【作用】本発明の構造においては、非磁性膜を低保磁力
磁性膜と高保磁力磁性膜で挟んだ構造であり、高保磁力
磁性膜が、微細結晶粒と非磁性析出相からなり、非磁性
析出相が微細結晶粒の磁気的交換結合を弱める相である
ので、高保磁力磁性膜の磁化の向きが固定され、低保磁
力磁性膜の磁化の向きが回転可能にされる結果、高保磁
力磁性膜と低保磁力磁性膜の磁化の向きが平行にあるい
は反平行に容易に変化するので、これにより巨大磁気抵
抗効果を奏することができる。

【００２５】前記高保磁力磁性膜が、Ｃｏ-Ｃｕ合金、
Ｃｏ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｆｅ-
Ａｕ合金、Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-
Ａｇ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ合金、
Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｃｏ-
Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｃｏ-
Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金の中から選択される少なくとも１種
ならば、強磁性金属で膜の状態では保磁力が本来低い材
料であっても、微細結晶粒を非磁性析出相が分断する効
果により保磁力の高い硬質磁性膜になるので、確実に高
保磁力磁性膜が得られる。また、これらのような高保磁
力磁性膜の保磁力は、高保磁力媒体として知られるＣｏ
-Ｐｔ合金等よりも小さいので、磁化の回転が行われる
低保磁力磁性膜への磁気的影響は少なく、漏洩磁界によ
る悪影響は生じない。

【００２６】また、本発明によれば、低保磁力磁性膜を
構成する主要元素と高保磁力磁性膜を構成する主要元素
を同じにすることができ、非磁性膜を介した両磁性膜側
において伝導電子の受けるポテンシャルを同じにできる
ために、巨大磁気抵抗効果に寄与するスピン依存散乱以
外の散乱を生じさせることがないので、大きな磁気抵抗
効果が得られる。

【００２７】また、従来構造では必要であったＦｅ-Ｍ
ｎ等の電気抵抗の高い反強磁性膜を必要としないので、
伝導電子の平均自由行程内に複数の積層ユニット膜を積
層することができ、これによりＭＲ比が大きくなる。

【００２８】前記構造の多層膜の製造方法において高保
磁力磁性膜を形成する場合、非平衡状態の過飽和固溶体
の膜として一旦形成した後にこの膜を熱処理して非磁性
析出相を析出させることで微細結晶粒を分断することで
高保磁力磁性膜を得ることができる。また、合金組成の
磁性膜を形成する場合に複数の単体金属ターゲットの間
で基板を行き来させることで最終的には合金組成の磁性
膜が得られる。

【００２９】以下に本発明について更に詳細に説明す
る。図１は本発明に係る磁気抵抗素子用多層膜の第１の
構造例を示すもので、この例の磁気抵抗素子用多層膜Ｄ
にあっては、非磁性体の基板２０上にバッファ膜２１が
形成され、その上に、高保磁力磁性膜２３と非磁性膜２
４と低保磁力磁性膜２５とからなる積層ユニット膜２６
が、非磁性膜２４を介して複数積層されて構成されてい
る。

【００３０】前記基板２０は、ガラス、Ｓｉ、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの燒結体、
Ｚｎフェライトなどに代表される非磁性体から構成され
ている。前記バッファ膜２１は、Ｔａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃ
ｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、
Ｒｈの少なくとも１種などからなり、基板２０と成膜物
質の濡れ性を良くし、平坦性を向上させる目的と各膜の
結晶配向性を整える目的で形成されたものであるので、
基板２０として濡れ性の良好なものを用いる場合や配向
性が良好な成膜条件が選択される場合は特に用いる必要
が無く、省略しても差し支えない。

【００３１】前記の非磁性膜２４は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｃ
ｒ、Ａｕ、Ａｇなどに代表される非磁性体からなり、２
０〜５０オングストロームの厚さに形成されている。こ
こで非磁性膜２４の厚さが２０オングストロームより薄
いと、非磁性膜２４を挟む上下の膜の間で磁気的結合が
起こりやすくなる。また、非磁性膜２４が５０オングス
トロームより厚いと、積層膜全体の膜厚が大きくなりす
ぎるとともに、電流の分流効果によりＭＲ特性が減少す
るので好ましくない。

【００３２】前記高保磁力磁性膜２３は、厚さ１０〜３
０オングストロームの範囲に形成されてなるもので、Ｃ
ｏ-Ｃｕ合金、Ｃｏ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ａ
ｇ合金、Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｆｅ-Ｃｒ合
金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｎｉ-
Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-
Ｃｕ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-
Ａｕ合金、Ｃｏ-Ni-Ｆｅ-Ｃｒ合金の中から選択される
少なくとも１種とされていることが好ましい。そして、
高保磁力磁性膜２３は、図２に示すように主成分とする
金属の柱状の微細結晶粒３０と、この微細結晶粒３０を
分断する非磁性析出相３１から構成されている。

【００３３】前記の各合金を前記の厚さの膜に形成した
場合、主成分となる金属に対して添加元素である各種の
成分は通常の条件では固溶しないが、成膜状態では強制
固溶した過飽和固溶体（非平衡相）の状態になってい
る。そして、この成膜したままの膜に対し、後述するよ
うな熱処理を施すと、過飽和固溶体の中から前記の添加
元素が主成分の微細結晶粒を囲むように析出し、図２に
示すように膜厚方向に伸びる主成分の柱状の微細結晶粒
３０を非磁性の添加成分からなる非磁性析出相３１が分
断した構造となる。従って前記主成分元素の微細結晶粒
３０どうしの直接的な磁気的交換結合が弱まってこの高
保磁力磁性膜２３は、保磁力の高い硬質磁性体となる。

【００３４】前記の低保磁力磁性膜２５は、厚さ１０〜
３０オングストロームの範囲に形成されてなるもので、
Ｃｏ、Ｎｉ-Ｆｅ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ合金、Ｆｅの中
から選択される少なくとも１種とされてなることが好ま
しい。前記の金属または合金を１０〜３０オングストロ
ームの範囲の厚さに成膜すると、個々の結晶は図２に示
すようにｎｍオーダーの微細結晶粒３３となり、これに
よるナノ結晶効果により軟磁気特性に優れた膜となる。
従って低保磁力磁性膜２５は軟質磁性体となる。この低
保磁力磁性膜２５はＦｅを主成分とする場合、体心立方
（ｂｃｃ）構造であり、Ｃｏを主成分とする場合は、六
方稠密（ｈｃｐ）構造または面心立方構造（ｆｃｃ）構
造となり、その平均結晶粒径は、３０ｎｍ以下であるこ
とが好ましい。

【００３５】ところで、前記組成の単体金属あるいは合
金の他に以下に説明する磁性材料を用いて低保磁力磁性
膜２５を形成しても良い。即ち、低保磁力磁性膜２５
が、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_bＢ_xＭ_yなる組成式で示され
る軟磁性合金、あるいは、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_tＭ_zＣ_wな
る組成式で示される軟磁性合金から構成されていても良
い。

【００３６】ただし前記組成式において、Ｚは、Ｎｉ、
Ｃｏのうち１種または２種、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選ばれた１種
または２種以上の元素であり、かつ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ
のうちいずれかを含み、０≦a≦０.２、b＝７５〜９３
原子％、x＝０.５〜１８原子％、y＝４〜９原子％、t＝
５０〜９６原子％、z＝２〜３０原子％、w＝０.５〜２
５原子％である。

【００３７】以上の構造により、非磁性膜２４を保磁力
差を有する磁性膜２３、２５で挟んだ構造の積層体が構
成されたことになり、この積層体は、大きなＭＲ比を発
揮するようになる。また、この構造では、Ｆｅ-Ｍｎの
ような耐環境性や耐食性に問題のある膜を用いる必要が
ないので、環境面あるいは耐食性の面での問題を生じな
い。また、Ｆｅ-Ｍｎのような電気抵抗の高い膜が不用
のために、伝導電子の平均自由行程内での積層ユニット
膜２６の積層回数を従来のものより多くすることがで
き、ＭＲ比を大きくできる。次に、前記の高保磁力磁性
膜２３と非磁性膜２４と低保磁力磁性膜２５の組み合わ
せにおいてＣｏ-Ｃｕ合金とＣｕとＣｏの組み合わせが
容易に実現できるので、成膜の際に用いるスパッタ装置
としてターゲットの少ないスパッタ装置であっても容易
に適用することができ、高価な成膜装置を必要としない
分製造コストを下げることができる。

【００３８】更に、Ｃｏ-Ｃｕ合金とＣｕとＣｏの組み
合わせにより高保磁力磁性膜２３と非磁性膜２４と低保
磁力磁性膜２５を構成すると、高保磁力磁性膜２３を構
成する微細結晶粒としてＣｏの微細結晶粒を用いること
ができるので、低保磁力磁性膜２５を構成するＣｏと同
等の元素を用いることができ、それにより、高保磁力磁
性膜２３と低保磁力磁性膜２５で伝導電子の受けるポテ
ンシャルを同じにできるので、巨大磁気抵抗効果に寄与
するスピン依存散乱以外の散乱を少なくでき、これによ
り大きな巨大磁気抵抗効果を得ることができる。

【００３９】また、前述の熱処理を行った後のＣｏ-Ｃ
ｕ合金からなる高保磁力磁性膜２３は、後述する如く、
Ｍｒ／Ｍｓ＞０.７、Ｈｃ（保磁力）＞１００〜５００
Ｏｅであり、Ｃｏ-Ｐｔ合金などの硬質磁性膜と比較し
て他の磁性膜への磁気的な影響を少なくすることができ
る。なお、Ｍｒ／Ｍｓは、通常、角形比と称される値で
ある。

【００４０】次に、前記構造の多層膜を製造する方法の
一例について説明する。前記の多層膜を製造するにはス
パッタ装置などの成膜装置を用い、得ようとする金属膜
あるいは合金膜の組成に応じた複数のターゲットを用い
て適当な基板上に順次必要な膜を積層してゆけば良い。
しかしながら、多数のターゲットを用いるスパッタ装置
などは高価であるので必要最低限の数のスパッタターゲ
ットを用いて多層膜を製造するには、以下に説明する方
法で製造することが好ましい。

【００４１】例えば、基板２０上にバッファ膜とＣｏ-
Ｃｕ合金膜とＣｕ膜とＣｏ膜を有す多層膜を形成する場
合について説明すると、図３に示すように基板２０を上
面に支持可能な回転自在の円盤型基板ホルダ４０を用
い、基板ホルダ４０の上方に、バッファ膜形成用のター
ゲット４１とＣｏ膜形成用のターゲット４２とＣｕ膜形
成用のターゲット４３を基板ホルダ４０の周回りに１２
０度おきに配置した成膜装置を用いて成膜を行うことが
好ましい。また、成膜雰囲気は、Ａｒガス、水素ガス、
Ｎｅガス、Ｘｅガスの少なくとも１種あるいはそれらの
混合ガス雰囲気などの雰囲気で行うことができる。

【００４２】前記構成の成膜装置を用い、基板２０上に
バッファ膜２２を形成するには、基板ホルダ４０を回転
させてバッファ膜形成用のターゲット４１の下に基板２
０を移動させてから基板ホルダ４０の回転を停止し、こ
の状態でターゲット４１を放電してスパッタ粒子を飛ば
して基板２０上に所定厚さのバッファ膜２２を成膜す
る。バッファ膜２２の成膜が終了したならば、ターゲッ
ト４１の放電を停止させた後、基板ホルダ４０を回転さ
せて基板２０をＣｏ膜形成用のターゲットの下方とＣｕ
膜形成用のターゲットの下方を順次一定時間毎に通過す
るように調整し、両方のターゲット４２、４３に同時に
放電する。この処理により、ＣｕとＣｏの両元素を堆積
できるのでＣｏ中にＣｕを過飽和固溶体として強制固溶
した非平衡状態のＣｏ-Ｃｕ合金膜を成膜できる。

【００４３】Ｃｏ-Ｃｕ合金膜の成膜が終了したなら
ば、ターゲット４３の下方に基板を停止させてターゲッ
ト４３のみに放電することでＣｕ膜を成膜することがで
き、Ｃｕ膜の成膜が終了したならばターゲット４２の下
方に基板２０を移動させてターゲット４２のみに放電し
て成膜することでＣｏ膜を成膜できる。以上の処理を適
宜繰り返すことで予備積層ユニットを得ることができ
る。この予備積層ユニットを得たならば、これに熱処理
を施すことで前記非平衡状態の過飽和固溶体のＣｏ-Ｃ
ｕ合金から非磁性金属のＣｕを析出させて非磁性析出膜
を生成し、図１と図２に示す構造の多層膜を得ることが
できる。この場合の熱処理温度は、２００〜５００℃の
範囲で行うことが好ましい。２００℃以下の温度では、
合金から非磁性金属の析出が生じない。もしくは、非常
に長時間を必要とするために、実用上好ましくない。ま
た、５００℃以上の温度では、界面拡散が生じ、多層膜
としてのシャープな界面が得られなくなるために、磁気
抵抗効果が損なわれてしまう。

【００４４】以上の方法により、４種類の膜を３つのタ
ーゲットを備えたスパッタ装置で製造することができる
ようになる。また、前記の方法であれば、特に磁場中成
膜を行う必要もない。なお、前記の製造方法において、
合金膜が生成されにくい場合は、基板に適当なバイアス
電圧を与え、基板へのイオン衝撃により合金成分の混合
作用を生じさせながら成膜すれば良い。

【００４５】なお、前記の如く合金膜を製造する場合、
通常は過飽和固溶体の膜が生成されるので、その後処理
として熱処理を施し、熱処理により過飽和固溶体の膜か
ら非磁性析出相を生成させるが、成膜条件（基板ホルダ
の回転速度、バイアス電圧、投入パワー）や合金組成に
よっては成膜状態のままで一部非磁性析出相を析出させ
た状態とすることもできるので、そのような膜を得た場
合は特に熱処理を行わなくとも良いのは勿論である。

【００４６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。高周波マグネトロンスパッタ装置を用い
て、シリコンウエハ基板の（１００）面上に、あるいは
ガラスからなる基板上に、厚さ５０オングストロームの
Ｔａバッファ膜を形成した。また、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｏ-
Ｃｕ合金からなる積層ユニット膜をＣｕの非磁性膜を介
して複数積層して図１に示す構造と同等の構造（繰り返
し積層回数５回）の多層膜を得た。

【００４７】スパッタ条件としては、高周波パワーをＴ
ａ膜、Ｃｏ膜、Ｃｏ-Ｃｕ合金膜の成膜については１０
０Ｗ、Ｃｕ膜の成膜については７５Ｗに設定し、Ａｒガ
ス圧を１mTorrとした。Ｔａバッファ膜の厚さを５０オ
ングストローム、Ｃｏ膜の厚さを１５オングストロー
ム、Ｃｕ膜の厚さを２５オングストローム、Ｃｏ-Ｃｕ
合金膜の厚さを１０オングストロームとした。また、成
膜後に３００℃で１０分間加熱する熱処理を施した。

【００４８】得られた多層膜の磁化曲線を図４に磁気抵
抗変化曲線を図５にそれぞれ示す。図４に示すように磁
化曲線中に段差が見られることから、この実施例の試料
は高保磁力磁性膜と低保磁力磁性膜でそれぞれ磁化の向
きが独立に挙動していることが明らかになった。また、
図５に示す結果からこの試料は、従来構造よりも遥かに
小さな磁界で電気抵抗が変化するので、微小磁界を検出
するための磁気ヘッド用あるいは磁気センサ用などとし
て好適であることが明らかになった。

【００４９】次に、図１に示す繰り返し積層構造におい
て、Ｃｏ膜／Ｃｕ膜／Ｃｏ-Ｃｕ合金膜の構成を１ユニ
ットとして、そのユニットをｎ回繰り返し積層した場合
の抵抗変化率ΔＲ／Ｒ特性変化を測定した。その結果を
図６に示す。図６に示す結果から、繰り返し積層数を多
くすることでΔＲ／Ｒの値が向上することが明らかにな
った。次に、積層回数が１の場合の各特性の測定結果を
以下の表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】次に、Ｔａ、Ｃｏ、Ｃｕのターゲットを備
えた図３に示す基板ホルダを備えた高周波マグネトロン
スパッタ装置により、図１の構造の多層膜を製造した。
基板はＳｉウェハあるいはガラス基板を用いた。スパッ
タ条件は、Ｔａ膜、Ｃｏ膜の積層においてはＲＦパワー
を１００Ｗ、Ａｒガス圧を１mTorrとし、Ｃｕ膜はＲＦ
パワーを７５Ｗ、Ａｒガス圧１mTorrとし、基板を各タ
ーゲットに対面させた位置に固定して成膜した。また、
Ｃｏ-Ｃｕ合金膜は、ＣｏターゲットをＲＦパワー１０
０ＷでＣｕターゲットをＲＦパワー７５Ｗで２種同時に
放電し、基板がそれぞれのターゲット上を交互に通過す
るように１ｒｐｓの回転速度で回転させながらＡｒガス
圧１mTorrの雰囲気で３オングストローム／Ｓのスパッ
タレートで成膜した。この際、各ターゲットを通過する
間に基板に成膜される単体金属膜厚は３オングストロー
ム以下とした。

【００５２】得られた各膜の厚さは、Ｔａバッファ膜厚
が５０オングストローム、Ｃｏ膜厚が１０オングストロ
ーム、Ｃｕ膜厚が４０オングストローム、Ｃｏ-Ｃｕ膜
厚が１０オングストロームであった。また、成膜後３０
０℃で１０分間加熱する熱処理を施した。以上の如く得
られた多層膜の各特性は先の実施例の多層膜のものと同
等であった。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、非磁性膜
を低保磁力磁性膜と高保磁力磁性膜で挟んだ構造であ
り、高保磁力磁性膜が、微細結晶粒と非磁性析出相から
なり、非磁性析出相が微細結晶粒の磁気的交換結合を弱
める相であるので、高保磁力磁性膜の磁化の向きがピン
止めされ、低保磁力磁性膜の磁化の向きが外部磁界に応
じて自由に回転するので、高保磁力磁性膜と低保磁力磁
性膜の磁化の向きが平行にあるいは反平行に容易に変化
し、これにより巨大磁気抵抗効果を奏することができ
る。

【００５４】次に、高保磁力磁性膜が、Ｃｏ-Ｃｕ合
金、Ｃｏ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ａｇ合金、
Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｎｉ-
Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ
合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合
金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ合
金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金の中から選択される少な
くとも１種であるならば、強磁性金属で膜の状態では保
磁力が本来低い材料であっても、微細結晶粒を非磁性析
出相が分断する効果により保磁力の高い硬質磁性膜にで
きるので、確実に高保磁力磁性膜が得られる。また、こ
れらのような高保磁力磁性膜の保磁力は、高保磁力媒体
として知られるＣｏ-Ｐｔ合金等よりも小さいので、磁
化の回転が行われる低保磁力磁性膜への漏洩磁界の磁気
的影響は少なく、漏洩磁界により多層膜全体の保磁力が
高くなってしまう悪影響は生じ難い。

【００５５】更に、低保磁力磁性膜として、（Ｆｅ
_1-aＺ_a）_bＢ_xＭ_yなる組成式で示される軟磁性合
金からなるもの、あるいは、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_tＭ_zＣ_w
なる組成式で示される軟磁性合金からなるものを用いる
ことができ、これらの磁性膜を用いることでも先に説明
した場合と同様に良好な巨大磁気抵抗効果を得ることが
できる。

【００５６】また、本発明によれば、低保磁力磁性膜を
構成する主要元素と高保磁力磁性膜を構成する主要元素
を基本的に同じにすることができ、非磁性膜を挟む低保
磁力磁性膜と高保磁力磁性膜において伝導電子の受ける
ポテンシャルを同じにできるために、巨大磁気抵抗効果
に寄与するスピン依存散乱以外の散乱を生じさせること
がなく、大きな磁気抵抗効果を得ることができる。

【００５７】更に、従来構造で必要であったＦｅ-Ｍｎ
等の電気抵抗の高い磁性膜を必要としないので、伝導電
気の平均自由行程内に複数の積層ユニット膜を積層する
ことができ、これにより従来構造では複数積層してもＭ
Ｒ比を大きくできなかったのに比べてＭＲ比を大きくで
きる。

【００５８】一方、前記構造の多層膜の製造方法におい
て、高保磁力磁性膜を形成する場合に、非平衡状態の過
飽和固溶体の膜として一旦形成した後にこの膜を熱処理
して非磁性析出相を析出させ、微細結晶粒を分断するこ
とで高保磁力磁性膜を得ることができる。このようにす
るならば、低保磁力磁性膜と実質的には同じ強磁性金属
を用いても、高い保磁力の磁性膜を得ることができる。
従って、非磁性膜を挟んで高保磁力磁性膜と低保磁力磁
性膜を設ける構造としても、巨大磁気抵抗効果に影響す
る伝導電子の受けるポテンシャルとして同じ強磁性金属
が有するものを利用できる多層膜を得ることができるの
で、従来構造よりも高いＭＲ比を有する多層膜を製造す
ることができる。

【００５９】また、合金組成の磁性膜を形成する場合に
複数の単体金属ターゲットの間で基板を行き来させるこ
とで最終的には合金組成の磁性膜を得るとともに、単体
金属ターゲットで他の磁性膜を成膜するならば、単体金
属製の磁性膜と合金製の磁性膜を自由に積層することが
でき、本発明に係る多層膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気抵抗膜の第１の構造例を示す
断面図である。

【図２】図１に示す構造の要部を示す断面図である。

【図３】本発明に係る多層膜を製造するスパッタ装置の
一例を示す図である。

【図４】実施例で製造された試料の磁化曲線を示す図で
ある。

【図５】同試料のＭＲ曲線を示す図である。

【図６】本発明に係る積層ユニット膜の繰り返し積層数
とΔＲ／Ｒの関係を示す図である。

【図７】従来の磁気抵抗効果素子用多層膜の第１の例を
示す分解図である。

【図８】従来の磁気抵抗効果素子用多層膜の第２の例を
示す断面図である。

【図９】従来の磁気抵抗効果素子用多層膜の第３の例を
示す断面図である。

【符号の説明】

２０基板２１バッファ膜２４非磁性膜２３高保磁力磁性膜２５低保磁力磁性膜２６積層ユニット膜３０、３３微細結晶粒３１非磁性析出相４０基板ホルダ４１、４２、４３ターゲット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長谷川直也東京都大田区雪谷大塚町１番７号アルプス電気株式会社内 (56)参考文献特開平８−264860（ＪＰ，Ａ) 特開平８−147639（ＪＰ，Ａ) 特開平６−326377（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 5/39 H01F 10/28 H01L 43/08 H01L 43/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非磁性膜を２つの異なる保磁力を有する
強磁性金属膜で挟み込んでなる積層ユニット膜が、複
数、基材上に積層されてなり、前記非磁性膜を挟む強磁性金属膜のうちの一方が、単体
金属または合金の微細結晶粒の集合体からなる低保磁力
磁性膜であり、他方が、単体金属または合金の微細結晶
粒とそれら微細結晶粒の粒界に偏析した非磁性析出相と
を具備する高保磁力磁性膜であり、前記非磁性析出相
が、微細結晶粒の相互間の磁気的交換結合を弱める相と
されてなることを特徴とする磁気抵抗素子用多層膜。
【請求項２】請求項１に記載の磁気抵抗素子用多層膜
において、低保磁力磁性膜が、Ｃｏ、Ｎｉ-Ｆｅ合金、
Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ合金、Ｆｅの中から選択される少なくと
も１種とされてなることを特徴とする磁気抵抗素子用多
層膜。
【請求項３】請求項１または２に記載の磁気抵抗素子
用多層膜において、高保磁力磁性膜が、Ｃｏ-Ｃｕ合
金、Ｃｏ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ａｇ合金、
Ｆｅ-Ａｕ合金、Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｎｉ-
Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ
合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｕ合
金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｇ合金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ａｕ合
金、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｒ合金の中から選択される少な
くとも１種とされてなることを特徴とする磁気抵抗素子
用多層膜。
【請求項４】前記高保磁力磁性膜の組成が、前記低保
磁力磁性膜の組成に対し、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒより
選択される少なくとも１種以上の非磁性の金属元素を添
加した組成にされてなることを特徴とする請求項１、２
または３記載の磁気抵抗素子用多層膜。
【請求項５】前記非磁性膜の膜厚が、２０〜５０オン
グストロームの範囲とされてなることを特徴とする請求
項１、２、３または４記載の磁気抵抗素子用多層膜。
【請求項６】前記低保磁力磁性膜が、平均結晶粒径３
０ｎｍ以下の体心立方構造のＦｅ、もしくは六方稠密構
造または面心立方構造のＣｏを主成分とする合金から構
成されてなることを特徴とする請求項１、２、３、４ま
たは５記載の磁気抵抗素子用多層膜。
【請求項７】前記低保磁力磁性膜が、（Ｆｅ_1-aＺ
_a）_bＢ_xＭ_yなる組成式で示される軟磁性合金、あ
るいは、（Ｆｅ_1-aＺ_a）_tＭ_zＣ_wなる組成式で示さ
れる軟磁性合金から構成されてなることを特徴とする請
求項６記載の磁気抵抗素子用多層膜。ただし前記組成式
において、Ｚは、Ｎｉ、Ｃｏのうち１種または２種、Ｍ
は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗから
なる群から選ばれた１種または２種以上の元素であり、
かつ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂのうちいずれかを含み、０≦a
≦０.２、b＝７５〜９３原子％、x＝０.５〜１８原子
％、y＝４〜９原子％、t＝５０〜９６原子％、z＝２〜
３０原子％、w＝０.５〜２５原子％である。
【請求項８】低保磁力磁性膜を構成する微細結晶粒
と、高保磁力磁性膜の一部を構成する微細結晶粒とが、
同じ強磁性金属から構成されてなることを特徴とする請
求項１、２、３、４、５または６記載の磁気抵抗素子用
多層膜。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵
抗素子用多層膜を製造する方法であって、強磁性金属に対して通常の条件では固溶しない非磁性元
素を過飽和固溶体として含ませた強磁性金属膜と、非磁
性膜と、低保磁力磁性膜とを積層してなる予備積層ユニ
ット膜を基材上に複数積層して積層体を形成し、次いで、この積層体に熱処理を施して前記過飽和固溶体
から前記強磁性金属に対して固溶しない非磁性元素を析
出させ、強磁性金属からなる微細結晶粒と、微細結晶粒
の粒界に析出させた非磁性元素からなる非磁性析出相か
らなる高保磁力磁性膜を形成することを特徴とする磁気
抵抗素子用多層膜の製造方法。
【請求項１０】請求項１〜８のいずれかに記載の磁気
抵抗素子用多層膜の製造方法であって、移動自在な基板ホルダに基板を装着し、低保磁力磁性膜
形成用のターゲットと高保磁力磁性膜形成用のターゲッ
トのうち、膜組成が合金組成の場合に、その合金を構成
する単独元素のターゲットを複数用意し、合金膜を積層
する場合に、複数の単体元素ターゲットを同時に放電し
ながら複数の単体元素ターゲットに順次基板を繰り返し
接近させて複数の元素を堆積させることで合金組成の磁
性膜を成膜することを特徴とする磁気抵抗素子用多層膜
の製造方法。