JPH04358310A - 磁気抵抗センサ - Google Patents
磁気抵抗センサInfo
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- JPH04358310A JPH04358310A JP3337905A JP33790591A JPH04358310A JP H04358310 A JPH04358310 A JP H04358310A JP 3337905 A JP3337905 A JP 3337905A JP 33790591 A JP33790591 A JP 33790591A JP H04358310 A JPH04358310 A JP H04358310A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気媒体から情報信号
を読出すための磁気トランスデューサに関し、特に改良
型磁気抵抗読出しトランスデューサに関する。
を読出すための磁気トランスデューサに関し、特に改良
型磁気抵抗読出しトランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来の
技術は、非常に線密度の高い磁気面からデータを読出す
ことができる磁気抵抗（ＭＲ）センサ、つまり、磁気抵
抗ヘッドを磁気トランスデューサと称して開示している
。ＭＲセンサは、磁性体で構成する読出し素子によって
磁束に感応し、感応した磁束の量と方向の関数である読
出し素子の電気抵抗変化によって磁界の信号を検知する
。これらの従来のＭＲセンサは、電気抵抗成分が磁化方
向と電流の方向との角度のｃｏｓ２ で変化する、異方
性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を基礎として作動する。ＡＭ
Ｒ効果の詳細な説明は、１９７５年出版のＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓ． Ｍａｇ．、ＭＡＧ−１１、ｐ．１０３９の
Ｄ．Ａ． Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ｅｔ ａｌ．による「メ
モリ、記憶装置及び関連する応用分野における薄膜磁気
抵抗」“Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉ
ｓｔｏｒｓ ｉｎＭｅｍｏｒｙ、Ｓｔｏｒａｇｅ、ａｎ
ｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ” に
記述されている。これらのＭＲセンサは、ＡＭＲ効果が
非常に小さい電気抵抗変化率であっても、ＡＭＲ効果を
基礎にして作動した。
技術は、非常に線密度の高い磁気面からデータを読出す
ことができる磁気抵抗（ＭＲ）センサ、つまり、磁気抵
抗ヘッドを磁気トランスデューサと称して開示している
。ＭＲセンサは、磁性体で構成する読出し素子によって
磁束に感応し、感応した磁束の量と方向の関数である読
出し素子の電気抵抗変化によって磁界の信号を検知する
。これらの従来のＭＲセンサは、電気抵抗成分が磁化方
向と電流の方向との角度のｃｏｓ２ で変化する、異方
性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を基礎として作動する。ＡＭ
Ｒ効果の詳細な説明は、１９７５年出版のＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓ． Ｍａｇ．、ＭＡＧ−１１、ｐ．１０３９の
Ｄ．Ａ． Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ｅｔ ａｌ．による「メ
モリ、記憶装置及び関連する応用分野における薄膜磁気
抵抗」“Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉ
ｓｔｏｒｓ ｉｎＭｅｍｏｒｙ、Ｓｔｏｒａｇｅ、ａｎ
ｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ” に
記述されている。これらのＭＲセンサは、ＡＭＲ効果が
非常に小さい電気抵抗変化率であっても、ＡＭＲ効果を
基礎にして作動した。
【０００３】最近、高いＭＲ効果を得る技術についての
レポートが幾つか公表されている。これらのレポートの
１つの、１９８９年発刊のＰｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ．
Ｖ３９、ｐ．４８２８のＧ． Ｂｉｎａｓｃｈ ｅｔ
ａｌ． による「反強磁性の層交換による薄膜化磁気
構造の高性能磁気抵抗」“Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍａｇｎ
ｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ Ｌａｙｅｒｅｄ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈＡ
ｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｌａｙ
ｅｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅ”、 及びドイツ連邦国特許第
ＤＥ３８２０４７５号は、磁化の反並行アライメントに
よる高性能のＭＲ効果を産み出す薄膜化磁気構造につい
て述べている。しかしながら、電気抵抗の変化を得るの
に必要な飽和磁界は非常に高く、ＡＭＲ効果は非常に非
直線的なので実用的なＭＲセンサの製作には不向きであ
る。
レポートが幾つか公表されている。これらのレポートの
１つの、１９８９年発刊のＰｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ．
Ｖ３９、ｐ．４８２８のＧ． Ｂｉｎａｓｃｈ ｅｔ
ａｌ． による「反強磁性の層交換による薄膜化磁気
構造の高性能磁気抵抗」“Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍａｇｎ
ｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ Ｌａｙｅｒｅｄ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈＡ
ｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｌａｙ
ｅｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅ”、 及びドイツ連邦国特許第
ＤＥ３８２０４７５号は、磁化の反並行アライメントに
よる高性能のＭＲ効果を産み出す薄膜化磁気構造につい
て述べている。しかしながら、電気抵抗の変化を得るの
に必要な飽和磁界は非常に高く、ＡＭＲ効果は非常に非
直線的なので実用的なＭＲセンサの製作には不向きであ
る。
【０００４】従来の技術においては、ＭＲセンサとして
有用であり、十分に低い磁界で高いＭＲ効果を産み、且
つ、十分に直線的に感応するＭＲデバイスは無かった。
有用であり、十分に低い磁界で高いＭＲ効果を産み、且
つ、十分に直線的に感応するＭＲデバイスは無かった。
【０００５】本発明の目的は、低い印加磁界で直線的に
感応し、ＡＭＲ全体にわたって優れたＭＲ効果を有する
、ＭＲセンサの製作方法を提供することにある。
感応し、ＡＭＲ全体にわたって優れたＭＲ効果を有する
、ＭＲセンサの製作方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のＭＲセンサは、
非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第
１及び第２薄膜層を有する。印加磁界がゼロの場合、強
磁性体の第１薄膜層の磁化方向は、強磁性体の第２薄膜
層の磁化方向に対して直交するように設定され、強磁性
体の第２薄膜層の磁化方向は固定されている。ＭＲセン
サに電流が流され、強磁性体の第１薄膜層の磁化の回転
によって生じるＭＲセンサの電気抵抗変化が、検知され
る磁界の関数として検出される。
非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第
１及び第２薄膜層を有する。印加磁界がゼロの場合、強
磁性体の第１薄膜層の磁化方向は、強磁性体の第２薄膜
層の磁化方向に対して直交するように設定され、強磁性
体の第２薄膜層の磁化方向は固定されている。ＭＲセン
サに電流が流され、強磁性体の第１薄膜層の磁化の回転
によって生じるＭＲセンサの電気抵抗変化が、検知され
る磁界の関数として検出される。
【０００７】
【実施例】従来技術の磁気抵抗センサは、電気抵抗成分
が磁化方向と電流方向との角度のｃｏｓ２ で変化する
異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）に基づいて作動した。
が磁化方向と電流方向との角度のｃｏｓ２ で変化する
異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）に基づいて作動した。
【０００８】最近、非結合の強磁性の２層間の電気抵抗
が、２層の磁化方向間の角度の余弦として変化し、電流
の方向とは無関係である他のメカニズムが確認された。 このメカニズムは、選択された材料の組合せにより、Ａ
ＭＲより大きい磁気抵抗を産み出す。これを“スピン・
バルブ”（ＳＶ ： Ｓｐｉｎ Ｖａｌｖｅ）磁気抵抗
と称する。
が、２層の磁化方向間の角度の余弦として変化し、電流
の方向とは無関係である他のメカニズムが確認された。 このメカニズムは、選択された材料の組合せにより、Ａ
ＭＲより大きい磁気抵抗を産み出す。これを“スピン・
バルブ”（ＳＶ ： Ｓｐｉｎ Ｖａｌｖｅ）磁気抵抗
と称する。
【０００９】このＳＶ構造の特定的な実施例は、シリコ
ン基板上に構築され、Ｓｉ／１５０の厚さのＮｉＦｅ／
２５ の厚さのＣｕ／１５０ の厚さのＮｉＦｅ／
１００の厚さのＦｅＭｎ／２０ の厚さの銀で構成す
る。この構造によるヒステリシス・ループは、図１のグ
ラフ（ａ）に図示されており、２つのループは、バイア
スされていないＮｉＦｅ層とバイアスされたＮｉＦｅ層
に関するものである。図１のグラフ（ｂ）は、強磁性の
２層が逆並列の場合、電気抵抗が約２％増加することを
示す。
ン基板上に構築され、Ｓｉ／１５０の厚さのＮｉＦｅ／
２５ の厚さのＣｕ／１５０ の厚さのＮｉＦｅ／
１００の厚さのＦｅＭｎ／２０ の厚さの銀で構成す
る。この構造によるヒステリシス・ループは、図１のグ
ラフ（ａ）に図示されており、２つのループは、バイア
スされていないＮｉＦｅ層とバイアスされたＮｉＦｅ層
に関するものである。図１のグラフ（ｂ）は、強磁性の
２層が逆並列の場合、電気抵抗が約２％増加することを
示す。
【００１０】図２は、拡大Ｘ軸上の磁化容易軸に沿った
同一構造体におけるＢＨループとＭＲの感度を示す。こ
の構造体はシリコン・サブストレート上に構築され、Ｓ
ｉ／６０ の厚さのＮｉＦｅ／２５ の厚さのＣｕ
／３０ の厚さのＮｉＦｅ／７０の厚さのＦｅＭｎ／
２０ の厚さの銀で構成する。第２ＮｉＦｅ層は１７
０エルステッドに交換バイアスされ、図２に例示する磁
界の範囲内では切り変わらない。磁化困難軸（図示なし
）に沿って印加された磁界においては、スピン・バルブ
の感度が相当に弱いため、ほとんど磁界センサとしては
役に立たない。磁化容易軸に沿って印加された磁界にお
いては、ＭＲの感度の基本形は磁界センサとして使用で
きることを示している。しかしながら、この場合、その
飽和保磁力、高い直角度、及び原形からのずれのために
、この構造体の感度は高い非直線形を示す。さらに、磁
壁運動による強磁性の第１層内での変化は、周知の如く
安定性の問題を生じさせ、又、ドメイン回転に比べて非
常に遅い動きを行なうために、データ速度において厳し
い制約がある。これらの理由から、提案されている従来
技術のスピン・バルブの構造体は磁界センサとしての使
用には不適である。
同一構造体におけるＢＨループとＭＲの感度を示す。こ
の構造体はシリコン・サブストレート上に構築され、Ｓ
ｉ／６０ の厚さのＮｉＦｅ／２５ の厚さのＣｕ
／３０ の厚さのＮｉＦｅ／７０の厚さのＦｅＭｎ／
２０ の厚さの銀で構成する。第２ＮｉＦｅ層は１７
０エルステッドに交換バイアスされ、図２に例示する磁
界の範囲内では切り変わらない。磁化困難軸（図示なし
）に沿って印加された磁界においては、スピン・バルブ
の感度が相当に弱いため、ほとんど磁界センサとしては
役に立たない。磁化容易軸に沿って印加された磁界にお
いては、ＭＲの感度の基本形は磁界センサとして使用で
きることを示している。しかしながら、この場合、その
飽和保磁力、高い直角度、及び原形からのずれのために
、この構造体の感度は高い非直線形を示す。さらに、磁
壁運動による強磁性の第１層内での変化は、周知の如く
安定性の問題を生じさせ、又、ドメイン回転に比べて非
常に遅い動きを行なうために、データ速度において厳し
い制約がある。これらの理由から、提案されている従来
技術のスピン・バルブの構造体は磁界センサとしての使
用には不適である。
【００１１】本発明では感度の直線形、飽和保磁力の低
下、感度の中心化、及びドメイン回転による印加された
磁界への感度の変化の改善について述べる。その結果と
して、スピン・バルブ構造に基づく磁界センサは、従来
のＭＲセンサが必要とした磁界の感度に対して、従来の
ＭＲセンサよりも非常に大きな磁気抵抗の変化を示すＭ
Ｒセンサを製作することができる。
下、感度の中心化、及びドメイン回転による印加された
磁界への感度の変化の改善について述べる。その結果と
して、スピン・バルブ構造に基づく磁界センサは、従来
のＭＲセンサが必要とした磁界の感度に対して、従来の
ＭＲセンサよりも非常に大きな磁気抵抗の変化を示すＭ
Ｒセンサを製作することができる。
【００１２】本発明のこの新しい構造が図３に例示され
ている。本発明のＭＲセンサは、ガラス、セラミック、
又は半導体のような適切なサブストレート１０の上に、
例えば、軟質強磁性体の第１薄膜層１２、非磁性金属体
の薄膜層１４、及び強磁性体の第２薄膜層１６を付着さ
せた構造である。強磁性体の薄膜層１２及び１６は、磁
界が印加されていない場合は、個々の磁化方向が約９０
度の角度差になるようにする。さらに、強磁性体の第２
薄膜層１６の磁化方向は、矢印２０が示す方向に固定さ
れる。磁界が印加されていない場合の軟質強磁性体の第
１薄膜層１２の磁化方向は矢印２２で示されている。印
加された磁界（例えば、図３の磁界方向ｈ）に感応して
第１薄膜層１２に生じる磁化回転は、図３の点線に示す
方向に変化する。
ている。本発明のＭＲセンサは、ガラス、セラミック、
又は半導体のような適切なサブストレート１０の上に、
例えば、軟質強磁性体の第１薄膜層１２、非磁性金属体
の薄膜層１４、及び強磁性体の第２薄膜層１６を付着さ
せた構造である。強磁性体の薄膜層１２及び１６は、磁
界が印加されていない場合は、個々の磁化方向が約９０
度の角度差になるようにする。さらに、強磁性体の第２
薄膜層１６の磁化方向は、矢印２０が示す方向に固定さ
れる。磁界が印加されていない場合の軟質強磁性体の第
１薄膜層１２の磁化方向は矢印２２で示されている。印
加された磁界（例えば、図３の磁界方向ｈ）に感応して
第１薄膜層１２に生じる磁化回転は、図３の点線に示す
方向に変化する。
【００１３】図３に例示する本発明の実施例において、
強磁性体の第２薄膜層１６は軟質強磁性体の第１薄膜層
１２の飽和保磁力よりも高いので第２薄膜層１６の磁化
はその方向に固定させられる。図４に例示する特定的な
実施例は、強磁性体の第２薄膜層１６の磁化方向を固定
させる２つの代替方法を与えている。
強磁性体の第２薄膜層１６は軟質強磁性体の第１薄膜層
１２の飽和保磁力よりも高いので第２薄膜層１６の磁化
はその方向に固定させられる。図４に例示する特定的な
実施例は、強磁性体の第２薄膜層１６の磁化方向を固定
させる２つの代替方法を与えている。
【００１４】図４に例示する本発明の実施例において、
高電気抵抗の反強磁性体の薄膜層１８が、強磁性体の第
２薄膜層１６に直接、接触して付着させられているので
従来技術で周知のように交換結合によってバイアス磁界
が生じる。代替構造として、薄膜層１８を十分に高い直
角度で、高飽和保磁力、且つ高電気抵抗を有する強磁性
の層にすることができる。図４の構造は逆構造にもする
ことができる。この場合は、薄膜層１８を最初に付着し
てから薄膜層１６、１４、及び１２の各層を付着させる
。
高電気抵抗の反強磁性体の薄膜層１８が、強磁性体の第
２薄膜層１６に直接、接触して付着させられているので
従来技術で周知のように交換結合によってバイアス磁界
が生じる。代替構造として、薄膜層１８を十分に高い直
角度で、高飽和保磁力、且つ高電気抵抗を有する強磁性
の層にすることができる。図４の構造は逆構造にもする
ことができる。この場合は、薄膜層１８を最初に付着し
てから薄膜層１６、１４、及び１２の各層を付着させる
。
【００１５】本発明の他の磁気抵抗センサの実施例が図
５に例示されている。本発明のこの実施例では軟質強磁
性体の第１薄膜層１２の付着を行なう前に、例えば、Ｔ
ａ、Ｒｕ、又はＣｒＶのような適切な下部膜２４をサブ
ストレート１０の上に付着させる。下部膜２４を付着さ
せる目的は、後に付着させる層の組織、結晶粒度、及び
形態を最適化させるためである。層の形態は、大きなＭ
Ｒ効果を得るのに非常に重要である。それは層の形態に
よって非磁性金属体の薄膜層１４の非常に薄いスペーサ
層を利用することができるからである。さらに分流によ
る影響を最小にするために、下部層は高電気抵抗でなけ
ればならない。下部層は又、前述したように逆構造とし
ても使用できる。サブストレート１０が十分な高電気抵
抗で、十分に平面であり、且つ適切な結晶構造の場合は
、下部膜２４は不要である。
５に例示されている。本発明のこの実施例では軟質強磁
性体の第１薄膜層１２の付着を行なう前に、例えば、Ｔ
ａ、Ｒｕ、又はＣｒＶのような適切な下部膜２４をサブ
ストレート１０の上に付着させる。下部膜２４を付着さ
せる目的は、後に付着させる層の組織、結晶粒度、及び
形態を最適化させるためである。層の形態は、大きなＭ
Ｒ効果を得るのに非常に重要である。それは層の形態に
よって非磁性金属体の薄膜層１４の非常に薄いスペーサ
層を利用することができるからである。さらに分流によ
る影響を最小にするために、下部層は高電気抵抗でなけ
ればならない。下部層は又、前述したように逆構造とし
ても使用できる。サブストレート１０が十分な高電気抵
抗で、十分に平面であり、且つ適切な結晶構造の場合は
、下部膜２４は不要である。
【００１６】図５には薄膜層１２を、図５の矢印が示す
方向に単一のドメイン状態に保持させるための、縦方向
にバイアスを生じさせる手段が提供されている。図５の
特定的な実施例が例示するように縦方向にバイアスを生
じさせる手段は、高飽和保磁力、高直角度、且つ、高電
気抵抗を有する硬質強磁性体の薄膜層２６を含む。硬質
強磁性体の薄膜層２６は、軟質強磁性体の薄膜層１２の
端部の領域に接触している。薄膜層２６の磁化方向は、
図５の矢印が示すように方向づけられている。
方向に単一のドメイン状態に保持させるための、縦方向
にバイアスを生じさせる手段が提供されている。図５の
特定的な実施例が例示するように縦方向にバイアスを生
じさせる手段は、高飽和保磁力、高直角度、且つ、高電
気抵抗を有する硬質強磁性体の薄膜層２６を含む。硬質
強磁性体の薄膜層２６は、軟質強磁性体の薄膜層１２の
端部の領域に接触している。薄膜層２６の磁化方向は、
図５の矢印が示すように方向づけられている。
【００１７】代替構造として反強磁性体の薄膜層を薄膜
層１２の端部の領域に接触させて付着させることができ
、図５の矢印のように方向づけし、必要な縦方向のバイ
アスを生じさせる。これらの反強磁性体の薄膜層は、強
磁性体の第２薄膜層１６の磁化方向を固定させるために
用いられる反強磁性体の薄膜層１８よりも十分に異なる
ブロッキング温度を有さねばならない。
層１２の端部の領域に接触させて付着させることができ
、図５の矢印のように方向づけし、必要な縦方向のバイ
アスを生じさせる。これらの反強磁性体の薄膜層は、強
磁性体の第２薄膜層１６の磁化方向を固定させるために
用いられる反強磁性体の薄膜層１８よりも十分に異なる
ブロッキング温度を有さねばならない。
【００１８】次に、例えば、Ｔａのような高抵抗の材料
のキャッピング層２８が、ＭＲセンサ上部全体に付着さ
せられる。電気伝導部３０及び３２が備えられ、ＭＲセ
ンサ構造体と電流源３４、及び検知手段３６間に回路が
形成される。
のキャッピング層２８が、ＭＲセンサ上部全体に付着さ
せられる。電気伝導部３０及び３２が備えられ、ＭＲセ
ンサ構造体と電流源３４、及び検知手段３６間に回路が
形成される。
【００１９】図６は、本発明による磁気抵抗センサの特
定的な実施例における磁気抵抗の感度を示す。この構造
体は、Ｓｉ／５０ の厚さのＴａ／３層の（７０の厚
さのＮｉＦｅ／２０ の厚さのＣｕ／５０ の厚さ
のＮｉＦｅ／７０ の厚さのＦｅＭｎ）／５０ の
厚さのＴａで構成する。磁気抵抗の感度は、約０〜１５
エルステッドの全範囲にわたり非常に直線的であり、飽
和保磁力を無視でき、且つその変化はドメイン回転によ
ることに注目する。しかしながら、磁気抵抗の感度は、
非磁性金属体の薄膜層１４によって生じる２つの強磁性
体の薄膜層１２及び１６の弱い強磁性結合のために磁界
ゼロに中心化されない。磁気抵抗の感度の磁界ゼロへの
中心化は、幾つかの方法によって図６の破線に示すよう
に達成することができる。実際のパターン化された構造
では、強磁性体の２層間の静磁気相互作用が、非磁性金
属体の薄膜層による結合の影響を打ち消すので、これに
よって感度の中心化が行なえる。感度を中心化させる他
の方法は、検知電流の大きさと方向を適切に選択するこ
とによって行なえる。又、感度の中心化の他の方法は、
薄膜層１２の磁化容易軸を薄膜層１６の磁化方向に対し
角度９０°よりも、少し広く設定することである。さら
に又、感度の中心化の他の方法は、薄膜層１２と１６の
磁化方向間の角度を少し変えることである。この場合の
磁気抵抗の感度は、非常に直線的で、磁界ゼロの位置に
中心化され、磁気記録機器の測定範囲内の信号に感応す
ることに注目する。これらの特徴が磁気記録機器に対し
て優れた磁界センサを産み出すことがわかる。
定的な実施例における磁気抵抗の感度を示す。この構造
体は、Ｓｉ／５０ の厚さのＴａ／３層の（７０の厚
さのＮｉＦｅ／２０ の厚さのＣｕ／５０ の厚さ
のＮｉＦｅ／７０ の厚さのＦｅＭｎ）／５０ の
厚さのＴａで構成する。磁気抵抗の感度は、約０〜１５
エルステッドの全範囲にわたり非常に直線的であり、飽
和保磁力を無視でき、且つその変化はドメイン回転によ
ることに注目する。しかしながら、磁気抵抗の感度は、
非磁性金属体の薄膜層１４によって生じる２つの強磁性
体の薄膜層１２及び１６の弱い強磁性結合のために磁界
ゼロに中心化されない。磁気抵抗の感度の磁界ゼロへの
中心化は、幾つかの方法によって図６の破線に示すよう
に達成することができる。実際のパターン化された構造
では、強磁性体の２層間の静磁気相互作用が、非磁性金
属体の薄膜層による結合の影響を打ち消すので、これに
よって感度の中心化が行なえる。感度を中心化させる他
の方法は、検知電流の大きさと方向を適切に選択するこ
とによって行なえる。又、感度の中心化の他の方法は、
薄膜層１２の磁化容易軸を薄膜層１６の磁化方向に対し
角度９０°よりも、少し広く設定することである。さら
に又、感度の中心化の他の方法は、薄膜層１２と１６の
磁化方向間の角度を少し変えることである。この場合の
磁気抵抗の感度は、非常に直線的で、磁界ゼロの位置に
中心化され、磁気記録機器の測定範囲内の信号に感応す
ることに注目する。これらの特徴が磁気記録機器に対し
て優れた磁界センサを産み出すことがわかる。
【００２０】薄膜化された磁気構造体は、例えばスパッ
タリングのような任意の適切な手法によって作製するこ
とができる。図３の構造体は、図示するように軟質強磁
性体の第１薄膜層１２の磁化容易軸を図３の紙面を横断
する方向に方向づけするために、任意の方向に磁界が方
向づけられた第１薄膜層１２を付着することによって作
ることができる。
タリングのような任意の適切な手法によって作製するこ
とができる。図３の構造体は、図示するように軟質強磁
性体の第１薄膜層１２の磁化容易軸を図３の紙面を横断
する方向に方向づけするために、任意の方向に磁界が方
向づけられた第１薄膜層１２を付着することによって作
ることができる。
【００２１】強磁性体の薄膜層１２及び１６は、例えば
、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びこれらの合金であるＮｉＦｅ
、ＮｉＣｏ及びＦｅＣｏのような任意の適切な磁性体で
作ることができる。磁気抵抗の大きさは、選択された３
種類の磁性体、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、及びＮｉが図７に示さ
れているように強磁性の第１薄膜層の厚さによって変化
する。これらの３種類の磁性体の曲線は約５０〜１５０
間の幅の広い範囲にわたり最大で、３種類とも非常
に類似する特徴の形状である。そのため、強磁性の第１
薄膜層１２の厚さには好ましい範囲である。
、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びこれらの合金であるＮｉＦｅ
、ＮｉＣｏ及びＦｅＣｏのような任意の適切な磁性体で
作ることができる。磁気抵抗の大きさは、選択された３
種類の磁性体、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、及びＮｉが図７に示さ
れているように強磁性の第１薄膜層の厚さによって変化
する。これらの３種類の磁性体の曲線は約５０〜１５０
間の幅の広い範囲にわたり最大で、３種類とも非常
に類似する特徴の形状である。そのため、強磁性の第１
薄膜層１２の厚さには好ましい範囲である。
【００２２】非磁性金属体の薄膜層１４のスペーサは、
高導電性の金属が好ましい。ＭＲの感度において、Ａｕ
、Ａｇのような貴金属及びＣｕは、感度が高く、Ｐｔ及
びＰｄは感度が小さい。一方、Ｃｒ及びＴａは、非常に
小さい感度を示す。磁気抵抗の大きさは又、３種類の選
択された金属Ａｇ、Ａｕ及びＣｕが図８に示すように、
非磁性金属体の薄膜層１４のスペーサの厚さで変化する
。薄い膜ほど高い磁気抵抗を示すことが図８でわかる。 しかしながら、センサの作動は非結合の２つの強磁性の
膜を有することを基礎としている。従って、非磁性金属
体の薄膜層１４のスペーサが余りに薄い場合は、高い磁
気抵抗のために強磁性体の薄膜層１２及び１６のいずれ
か一方から、他の一方の層に交換結合することはできな
い。このため、スペーサの最小の厚さは、室温又はその
前後の温度でスパッタされた薄膜において約１６ で
ある。スペーサの層の厚さが約８０〜１００ の範囲
内である場合は、結果として生じる磁気抵抗は実質的に
ＡＭＲによって作り出される磁気抵抗と同じである。こ
れらの理由から、薄膜層１４のスペーサの厚さは、約１
６〜４０ の範囲内であることが好ましい。
高導電性の金属が好ましい。ＭＲの感度において、Ａｕ
、Ａｇのような貴金属及びＣｕは、感度が高く、Ｐｔ及
びＰｄは感度が小さい。一方、Ｃｒ及びＴａは、非常に
小さい感度を示す。磁気抵抗の大きさは又、３種類の選
択された金属Ａｇ、Ａｕ及びＣｕが図８に示すように、
非磁性金属体の薄膜層１４のスペーサの厚さで変化する
。薄い膜ほど高い磁気抵抗を示すことが図８でわかる。 しかしながら、センサの作動は非結合の２つの強磁性の
膜を有することを基礎としている。従って、非磁性金属
体の薄膜層１４のスペーサが余りに薄い場合は、高い磁
気抵抗のために強磁性体の薄膜層１２及び１６のいずれ
か一方から、他の一方の層に交換結合することはできな
い。このため、スペーサの最小の厚さは、室温又はその
前後の温度でスパッタされた薄膜において約１６ で
ある。スペーサの層の厚さが約８０〜１００ の範囲
内である場合は、結果として生じる磁気抵抗は実質的に
ＡＭＲによって作り出される磁気抵抗と同じである。こ
れらの理由から、薄膜層１４のスペーサの厚さは、約１
６〜４０ の範囲内であることが好ましい。
【００２３】図４に例示する構造のセンサを作るには、
前述したように各層を付着させてから反強磁性体の薄膜
層１８を付着させる。反強磁性体の薄膜層１８の厚さは
、ブロッキング温度が装置の稼働温度（一般に、常温〜
５０℃）よりも十分高くなるように選択しなければなら
ない。Ｆｅ５０及びＭｎ５０′においては、薄膜層１８
の厚さは、９０ 以上が適している。しかしながら、
薄膜層１８の厚さが余りに厚く（１５０ 以上）なる
と、構造体の１部分を通して電流が分流するためにＭＲ
の感度が減少する。薄膜層１８によって作られる交換磁
界の適切な方向は、薄膜層１８の付着作業時に所望する
方向に磁界を印加させることにより得ることができる（
軟質強磁性体の第１薄膜層１２の磁化容易軸に対して直
交する方向）。或いは、ブロッキング温度を越える温度
で急速に構造体を加熱して層を付着後、軟質強磁性体の
第１薄膜層１２の磁化容易軸に対して直交する方向に磁
界を印加しながら、急速に室温に冷却することによって
得ることができる。いずれの場合でも、センサによって
検知される磁界は、軟質強磁性体の第１薄膜層１２の磁
化困難軸に沿う。反強磁性体の薄膜層１８を最初に付着
させ、次に薄膜層１６、１４及び１２を付着させる逆構
造体も、同様な方法で製作することができる。
前述したように各層を付着させてから反強磁性体の薄膜
層１８を付着させる。反強磁性体の薄膜層１８の厚さは
、ブロッキング温度が装置の稼働温度（一般に、常温〜
５０℃）よりも十分高くなるように選択しなければなら
ない。Ｆｅ５０及びＭｎ５０′においては、薄膜層１８
の厚さは、９０ 以上が適している。しかしながら、
薄膜層１８の厚さが余りに厚く（１５０ 以上）なる
と、構造体の１部分を通して電流が分流するためにＭＲ
の感度が減少する。薄膜層１８によって作られる交換磁
界の適切な方向は、薄膜層１８の付着作業時に所望する
方向に磁界を印加させることにより得ることができる（
軟質強磁性体の第１薄膜層１２の磁化容易軸に対して直
交する方向）。或いは、ブロッキング温度を越える温度
で急速に構造体を加熱して層を付着後、軟質強磁性体の
第１薄膜層１２の磁化容易軸に対して直交する方向に磁
界を印加しながら、急速に室温に冷却することによって
得ることができる。いずれの場合でも、センサによって
検知される磁界は、軟質強磁性体の第１薄膜層１２の磁
化困難軸に沿う。反強磁性体の薄膜層１８を最初に付着
させ、次に薄膜層１６、１４及び１２を付着させる逆構
造体も、同様な方法で製作することができる。
【００２４】図９は、２つの強磁性体の薄膜層１２及び
１６の磁化方向Ｍ１とＭ２間の角度の余弦として変化し
、電流Ｉの方向とは無関係であるＳＶ磁気抵抗のプロッ
トである。又図９には磁化方向と電流Ｉの方向間の角度
のｃｏｓ２ として変化する電気抵抗成分であるＡＭＲ
のプロットが示されている。印加磁界がゼロの場合、磁
化方向Ｍ２はそのままの方向に固定され、磁化方向Ｍ１
はＭ２の方向に直交するように方向づけられる。磁界が
印加されると２つの直交するベクトル成分Ｈａ及びＨｂ
が生じる。Ｈａは検知される励起磁界であり、Ｈｂは静
バイアス磁界である。図９のグラフは値が２５エルステ
ッドのＨｂをベースとしたＨａの値が例示されている。 図９のＡＭＲのグラフは、図９の上部の図に示す電流Ｉ
の方向に対する２つの強磁性の層の磁化方向に基づいて
いる。実際のＭＲデバイスでは効果を最大にするために
、２つの効果を合算する。効果の１つはＳＶで、もう１
つはＡＭＲである。これは、Ｍ１とＭ２の角度の二等分
線に対し角度９０°の方向に電流Ｉを方向づける。合算
した感度はＳＶ値よりも大きく、傾斜がより急になる。
１６の磁化方向Ｍ１とＭ２間の角度の余弦として変化し
、電流Ｉの方向とは無関係であるＳＶ磁気抵抗のプロッ
トである。又図９には磁化方向と電流Ｉの方向間の角度
のｃｏｓ２ として変化する電気抵抗成分であるＡＭＲ
のプロットが示されている。印加磁界がゼロの場合、磁
化方向Ｍ２はそのままの方向に固定され、磁化方向Ｍ１
はＭ２の方向に直交するように方向づけられる。磁界が
印加されると２つの直交するベクトル成分Ｈａ及びＨｂ
が生じる。Ｈａは検知される励起磁界であり、Ｈｂは静
バイアス磁界である。図９のグラフは値が２５エルステ
ッドのＨｂをベースとしたＨａの値が例示されている。 図９のＡＭＲのグラフは、図９の上部の図に示す電流Ｉ
の方向に対する２つの強磁性の層の磁化方向に基づいて
いる。実際のＭＲデバイスでは効果を最大にするために
、２つの効果を合算する。効果の１つはＳＶで、もう１
つはＡＭＲである。これは、Ｍ１とＭ２の角度の二等分
線に対し角度９０°の方向に電流Ｉを方向づける。合算
した感度はＳＶ値よりも大きく、傾斜がより急になる。
【００２５】強磁性の層の磁化方向に対する検知電流の
方向を選ぶ際には注意が必要である。図１０のグラフは
磁気抵抗の大きさを減少させるＳＶとＡＭＲ効果の不適
切な組合せを例示する。この場合の磁化方向は図１０の
上部の図に例示されているように方向づけられる。この
場合、合算させられた感度は、ＳＶの値よりも低く、傾
斜も緩くなる。図１１は、合算したＭＲの感度の最大、
最小の両方を得るために、特定の様式のＳＶとＡＭＲ効
果の合算を証明した実測に基づくデータである。
方向を選ぶ際には注意が必要である。図１０のグラフは
磁気抵抗の大きさを減少させるＳＶとＡＭＲ効果の不適
切な組合せを例示する。この場合の磁化方向は図１０の
上部の図に例示されているように方向づけられる。この
場合、合算させられた感度は、ＳＶの値よりも低く、傾
斜も緩くなる。図１１は、合算したＭＲの感度の最大、
最小の両方を得るために、特定の様式のＳＶとＡＭＲ効
果の合算を証明した実測に基づくデータである。
【００２６】
【発明の効果】本発明は、ＡＭＲ原理を利用した従来の
センサよりも相当大きな磁気抵抗を作り出し、感度が直
線的で、磁界がゼロの近辺に中心化された、高感度のセ
ンサを提供することができる。適切な設計を選択するこ
とにより、前述したＳＶ磁気抵抗の感度と従来のＭＲセ
ンサの基礎であったＡＭＲの感度を合算した感度を有す
るセンサを作製することが可能である。
センサよりも相当大きな磁気抵抗を作り出し、感度が直
線的で、磁界がゼロの近辺に中心化された、高感度のセ
ンサを提供することができる。適切な設計を選択するこ
とにより、前述したＳＶ磁気抵抗の感度と従来のＭＲセ
ンサの基礎であったＡＭＲの感度を合算した感度を有す
るセンサを作製することが可能である。
【図１】相互に関連する２つの図を示し、図（ａ）は、
室温におけるヒステリシス・ループのグラフで、図（ｂ
）は、提案されている従来の磁性薄膜層構造の特定的な
実施例の室温における磁気抵抗のグラフである。
室温におけるヒステリシス・ループのグラフで、図（ｂ
）は、提案されている従来の磁性薄膜層構造の特定的な
実施例の室温における磁気抵抗のグラフである。
【図２】Ｘ軸を縮尺した以外は図１と同様の磁性薄膜層
構造の磁化容易軸に沿ったＢ−Ｈループと磁気抵抗の感
度を例示するグラフである。
構造の磁化容易軸に沿ったＢ−Ｈループと磁気抵抗の感
度を例示するグラフである。
【図３】本発明の磁気抵抗センサの特定的な実施例の立
体展開図である。
体展開図である。
【図４】本発明の磁気抵抗センサの代替実施例の立体展
開図である。
開図である。
【図５】本発明の磁気抵抗センサのさらに他の実施例の
断面図である。
断面図である。
【図６】本発明の磁気抵抗センサの磁気抵抗の感度を例
示するグラフである。
示するグラフである。
【図７】本発明の磁気抵抗センサの特定的な実施例にお
ける、室温での磁気抵抗の大きさとフリーな強磁性薄膜
層の厚さとの関係を示すグラフである。
ける、室温での磁気抵抗の大きさとフリーな強磁性薄膜
層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の特定的な実施例における、室温での磁
気抵抗の大きさと薄膜層のスペーサの厚さとの関係を示
すグラフである。
気抵抗の大きさと薄膜層のスペーサの厚さとの関係を示
すグラフである。
【図９】スピン・バルブ磁気抵抗と異方性磁気抵抗、及
び両方の合算の実施例を示すグラフであり、ゼロの磁界
近辺での上記合算された大きさ及び変化率が、スピン・
バルブ磁気抵抗と異方性磁気抵抗の個々の成分よりも大
きいことを示す。
び両方の合算の実施例を示すグラフであり、ゼロの磁界
近辺での上記合算された大きさ及び変化率が、スピン・
バルブ磁気抵抗と異方性磁気抵抗の個々の成分よりも大
きいことを示す。
【図１０】スピン・バルブ磁気抵抗と異方性磁気抵抗、
及び両方の合算の他の実施例を示すグラフで、ゼロの磁
界近辺での上記合算された大きさ及び変化率が、図９に
示されるものよりも劣ることを示す。
及び両方の合算の他の実施例を示すグラフで、ゼロの磁
界近辺での上記合算された大きさ及び変化率が、図９に
示されるものよりも劣ることを示す。
【図１１】スピン・バルブ磁気抵抗を強化、又は劣化さ
せる、いずれかを行なわせる異方性磁気抵抗のアレンジ
メントにおける印加された磁界の関数として磁気抵抗の
実測結果を示すグラフである。
せる、いずれかを行なわせる異方性磁気抵抗のアレンジ
メントにおける印加された磁界の関数として磁気抵抗の
実測結果を示すグラフである。
１０・・・基板
１２・・・軟質強磁性体の薄膜層
１４・・・非磁性金属体の薄膜層
１６・・・強磁性体の薄膜層
１８・・・反強磁性体の薄膜層
３４・・・電流源
３６・・・検知手段
Claims (17)
- 【請求項１】非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた
強磁性体の第１及び第２薄膜層を有し、印加磁界がゼロ
である場合に上記強磁性体の第１薄膜層の磁化方向が、
上記強磁性体の第２薄膜層の磁化方向に対し直交する方
向である、磁気抵抗センサであって、上記磁気抵抗セン
サに電流を生じさせる手段と、上記磁気抵抗センサによ
って検知される磁界の関数として、上記強磁性体の各々
の層の磁化の回転の差によって生じる上記磁気抵抗セン
サの電気抵抗変化を検知する手段とを有する磁気抵抗セ
ンサ。 - 【請求項２】非磁性金属体の薄膜層によって仕切られた
強磁性体の第１及び第２薄膜層を有し、印加磁界がゼロ
である場合に上記強磁性体の第１薄膜層の磁化方向が、
上記強磁性体の第２薄膜層の磁化方向に対し直交する方
向である、磁気抵抗センサであって、上記強磁性体の第
２薄膜層の磁化方向を固定する手段と、上記磁気抵抗セ
ンサに電流を生じさせる手段と、上記磁気抵抗センサに
よって検知される磁界の関数として、上記強磁性体の第
１薄膜層の磁化の回転によって生じる上記磁気抵抗セン
サの電気抵抗変化を検知する手段、とを有する磁気抵抗
センサ。 - 【請求項３】上記強磁性体の第２薄膜層の磁化方向を固
定する上記手段が、上記強磁性体の第１薄膜層よりも高
い飽和保磁力を有する上記強磁性体の第２薄膜層を提供
することを含む、請求項２記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項４】上記強磁性体の第２薄膜層の磁化方向を固
定する上記手段が、上記強磁性体の第２薄膜層に直接に
接触する反強磁性体の薄膜層を有する、請求項２記載の
磁気抵抗センサ。 - 【請求項５】上記強磁性体の第２薄膜層の磁化方向を固
定する上記手段が、上記強磁性体の第２薄膜層に直接に
接触する硬質強磁性体の薄膜層を有する、請求項２記載
の磁気抵抗センサ。 - 【請求項６】上記強磁性体の第１薄膜層の厚さが、約５
０〜１５０ の範囲内であることを特徴とする、請求
項１記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項７】上記強磁性体の第１薄膜層の厚さが、約５
０〜１５０ の範囲内であることを特徴とする、請求
項２記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項８】上記非磁性体の薄膜層の厚さが、約１６〜
４０ の範囲内であることを特徴とする、請求項１記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項９】上記非磁性体の薄膜層の厚さが、約１６〜
４０ の範囲内であることを特徴とする、請求項２記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１０】異方性磁気抵抗が、個々の上記強磁性体
の薄膜層の磁化の回転によって生じる上記磁気抵抗セン
サの上記電気抵抗変化に加えられるように、上記電流の
方向に対する個々の上記強磁性体の薄膜層の磁化方向が
定められている、請求項１記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１１】異方性磁気抵抗が、上記強磁性体の第１
薄膜層の磁化の回転によって生じる上記磁気抵抗センサ
の上記電気抵抗変化に加えられるように、上記電流の方
向に対する個々の上記強磁性体の薄膜層の磁化方向が定
められている、請求項２記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１２】上記強磁性体の第１薄膜層を単一のドメ
イン状態に保持するのに十分な縦方向のバイアスを生じ
させる手段をさらに有する、請求項１記載の磁気抵抗セ
ンサ。 - 【請求項１３】縦方向のバイアスを生じさせる上記手段
が、上記強磁性体の第１薄膜層の端部領域だけに、直接
に接触する反強磁性体の薄膜層を有する、請求項１２記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１４】縦方向のバイアスを生じさせる上記手段
が、上記強磁性体の第１薄膜層の端部領域だけに、直接
に接触する硬質強磁性体の薄膜層を有する、請求項１２
記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１５】上記強磁性体の第１薄膜層を単一のドメ
イン状態に保持するのに十分な縦方向のバイアスを生じ
させる手段をさらに有する、請求項２記載の磁気抵抗セ
ンサ。 - 【請求項１６】縦方向のバイアスを生じさせる上記手段
が、上記強磁性体の第１薄膜層の端部領域だけに、直接
に接触する反強磁性体の薄膜層を有する、請求項１５記
載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１７】縦方向のバイアスを生じさせる上記手段
が、上記強磁性体の第１薄膜層の端部領域だけに、直接
に接触する硬質強磁性体の薄膜層を有する、請求項１５
記載の磁気抵抗センサ。
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