JPH04360009A - 多層磁気構造及び磁気抵抗センサ - Google Patents

多層磁気構造及び磁気抵抗センサ

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JPH04360009A
JPH04360009A JP4017535A JP1753592A JPH04360009A JP H04360009 A JPH04360009 A JP H04360009A JP 4017535 A JP4017535 A JP 4017535A JP 1753592 A JP1753592 A JP 1753592A JP H04360009 A JPH04360009 A JP H04360009A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は概して磁気媒体から情報
信号を読み取るための磁気トランスデューサに関し、具
体的には、改良された磁気抵抗読取トランスデューサに
関するものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
技術は、磁気抵抗(MR)センサまたは磁気抵抗ヘッド
と呼ばれる磁気トランスデューサを開示しており、この
MRセンサは、大きな線形密度で磁気表面からデータを
読み取ることができることが明らかにされている。MR
センサは、磁性体から作られた読取素子の抵抗変化によ
り、この素子によって感知される磁束の量および方向の
関数として磁界信号を検出する。これら従来技術のMR
センサは、抵抗の1成分が磁化と電流の方向との間の角
度のcos2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。たとえAMR効果が抵抗の非
常に小さな変化をもたらすにすぎなくとも、これらのM
RセンサはAMR効果に基づいて動作していた。
【0003】もっと最近になって、増強されたMR効果
を得るための技術に関する報告が発表された。これらの
発表の1つであるG.バイナッシュ(Binasch)
等の論文”Enhanced Magnetoresi
stance in Layered Magneti
c Structures with Antifer
romagnetic Interlayer Exc
hange”, Physical Review, 
B. V39, p.4828(1989 年)は、磁
化の反平行整合によって生じる、増強されたMR効果を
もたらす層状磁気構造について記載している。しかし、
これらの抵抗変化を得るために必要な飽和磁界は余りに
大きく、かつ効果は非線形にすぎるので、実用的なMR
センサを製造するには適していなかった。
【0004】もう1つの発表であるP.グルンバーグ(
Grunberg)等の論文 ”Layered Ma
gnetic Structures: Exchan
ge Coupling of Ferromagne
tic Layers Across Interla
yers”, MRS, Intl. Mtg. Ad
v. Mats., V.10, p.255 (19
89 年)、および1960年代に遡る諸研究が、広汎
な系について、そのような系における強磁性結合が、磁
性層の分離が増大するに従って単調に減衰することを示
している。
【0005】従来技術は、磁気抵抗が高く、かつ磁界が
十分低くてMRセンサとして有用である、多層システム
を示していない。
【0006】したがって、本発明の主な目的は、大きな
磁気抵抗値を有するMRセンサを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、MRセ
ンサは、強磁性材料と非磁性材料の交互の層を含む、基
板上に形成された多層構造を備え、強磁性材料と非磁性
材料層が、二層構造を形成し、この二層構造は、多層構
造の磁気抵抗が非磁性材料層の厚みの関数として振動す
るという特性を示す。MRセンサにより電流が発生し、
MRセンサの抵抗率の変化が、検出される磁界の関数と
して検出される。
【0008】非磁性層の厚みを、磁気抵抗のピークに対
応する厚みに選定することにより、非常に大きな飽和磁
気抵抗を得ることができる。この飽和磁気抵抗は室温で
65%を超え、4.2Kで110%を超える値に達し、
これまでに観測されたどの値よりも大きい。
【0009】
【実施例】本発明によれば、磁性材料と非磁性材料の交
互の層を含む金属多層構造が提供される。この金属多層
構造は従来技術の構造に比べて予期しないほど高い飽和
磁気抵抗値を示し、ある種の材料では、これらの構造の
磁気抵抗が非磁性層の厚みの関数として変化することが
見出された。
【0010】図1に示すように、従来技術は、これらの
層状構造の飽和磁気抵抗が非磁性層の厚みと共に単調に
減少することを教示している。この従来技術の教示とは
対照的に、本発明者等は、ある種の材料の組合せについ
て、例えば図2に示すように、飽和磁気抵抗が非磁性層
の厚みと共に変化することを見出した。磁気抵抗は非磁
性層の厚みと共に振動し、この特定の実施例では9Åと
10Åの間に第1のピークがあり、19Åまたは20Å
付近に第2のピークがあり、30Åの少し上に第3のピ
ークがあることに留意されたい。
【0011】この振動特性を示す材料を使用すれば、非
磁性金属層の厚みを、例えば図2に示すようなピークの
1つに対する厚みと一致するように選定することにより
、大きな磁気抵抗変化を生じるMRセンサを作ることが
可能である。
【0012】非磁性層の厚みの関数として飽和磁気抵抗
の大きさの振動を発生する、磁性層と非磁性層の材料の
組合せは、例えば、それらの概略状態図にみられるそれ
らの特性を考慮することによって選ぶことができる。一
般に、これらの材料の組合せは互いに化合物を形成せず
、大きな混和性ギャップがある。
【0013】これらの材料系の具体例を次に示す。磁気
抵抗(MR)センサの特定の実施例を図3に示す。MR
センサ10は、適当な基板11上に形成され、強磁性材
料12と非磁性金属材料14の交互の層を有する多層金
属構造を備える。選択された数Nの層12および14の
組合せが形成され、この組立体は、センサ10の保護層
として働くキャップ層16を備える。
【0014】図3に示した本発明の特定の実施例は以下
の材料の二層構造を含む。Si/Cu(48Å)/[C
o(9Å)/Cu(tcu)]n/Cu(50Å)この
構造は、幾つかのサンプルでは20個の二層構造、他の
サンプルでは16個の二層構造で作成されたが、これら
の構造の磁気抵抗を図4に示す。16個の二層構造を有
する構造では、磁気抵抗が幾分小さいが、16個および
20個の二層構造で振動のパターンは同じであり、10
および20オングストローム近辺と、30オングストロ
ームを少し過ぎたところに銅のピークがある。バッファ
層およびキャップ層を通る分路は磁気抵抗の大きさを減
少させるが、バッファ層およびキャップ層の材料として
高い抵抗率のものを選び、材料層の組合せの数Nとして
大きな値(例えば、40−60)を選ぶことにより、磁
気抵抗の大きさを最大にすることができる。
【0015】図5に示した本発明の特定の実施例は、基
板11上に付着した四層構造を含み、この四層構造は第
1の強磁性材料層12、第1の非磁性金属材料層14、
第2の強磁性材料層13、および第2の非磁性金属材料
層15を含む。選択された数Nの材料組合せの層12、
13、14、15が形成され、この組立体はキャップ層
16を備える。
【0016】本発明による四層構造の特定の実施例は以
下の構造を含む。 Si/[Co(10Å)/Cu(tcu)/Ni(11
.5Å)/Cu(tcu)]n/ この構造は図6のグラフで、10および20オングスト
ロームの少し手前にピークを有する厚みの有限振動を示
す。
【0017】上述の層状構造で認められる非常に大きな
磁気抵抗効果は、ある種のバッファ層上への付着によっ
てかなり増強できることも発見された。図7は図3と同
様な二層構造を示すが、第1の強磁性層12の形成に先
立ってバッファ層18が基板11上に設けられる点が異
なっている。キャップ層16の付着に続いて、MRセン
サ構造、電流源24および検出手段26の間に回路パタ
ーンを形成するためにリード線20および22が設けら
れる。
【0018】図8は、同数のCo層およびCu層を有し
、さらに障壁層18およびキャップ層16としてFeお
よびCuの種々の組合せを有する、4つの二層構造のグ
ラフを示す。これらのグラフは3倍以上の飽和磁気抵抗
の変化を示す。これらの差は、バッファ層を通る電流分
路の減少および本構造の薄膜の成長形態の変化によるも
のである。
【0019】バッファ層の材料は、最適の磁気抵抗が得
られるように選ばなければならない。最初に考慮すべき
点は基板材料と反応してはならないということであり、
第2の要件は平坦性であり、これは薄い非磁性スペーサ
層(すなわち、第1のピークの近傍における)にとって
特に重要であるように思われる。さらに、分路効果を最
小にするためにバッファ層はできるだけ薄くする必要が
あり、同時にバッファ層が連続層であることを保証しな
ければならない。バッファ層は、例えば、Fe、Ru、
Cu、Rh、Ir、ReまたはCrを含むことができ、
Feの適切な厚みは約15ないし50オングストローム
の範囲である。
【0020】図2のグラフは、バッファ層を有する構造
の具体例であり、以下の構造を有する。 Si/Fe(45Å)/[Co(10Å)/Cu(tc
u)]n 図2に示すデータは、室温、すなわち300゜Kで取っ
たものであるが、ヘリウム温度(4.2K)での同じ構
造のデータを図9に示す。これら2つのグラフは類似し
ており、磁気抵抗のピークが温度と無関係であることを
示している。
【0021】図10は、図5に示したものと同様の四層
構造を含むMRセンサを示すが、第1の強磁性層12の
形成に先立ってバッファ層18が基板11上に設けられ
る点が異なる。バッファ層を有する四層構造の具体例は
以下の構造を含む。 Si/Ru(100Å)/[Co(16Å)/Ru(t
s)/Ni(45Å)/Ru(ts)]10/Ru(5
0Å)
【0022】この構造の飽和磁界とバッファ層18の厚
みの関係を図11に示す。10Åの手前、20Åの手前
および30Åの近くに飽和磁界のピークがあることに留
意されたい。このグラフは、飽和磁界と飽和磁気抵抗が
密接に関係していることを示し、さらにそれらの大きさ
が約8ないし10Åの周期でRuバッファ層の厚みの関
数として振動することを示す。飽和磁界のピークは非磁
性スペーサ層の厚みの変化に応じて、磁気抵抗のピーク
よりも速く減衰する。飽和磁界のピークが1/(ts)
p(Pは約1.7〜2)として変化するのに対し、磁気
抵抗のピークはほぼ1/tsとして変化する。
【0023】図12は、銅スペーサ層の厚みを変えた6
個のCo/Cu二層構造の磁気抵抗/磁界曲線を示す。 この構造は以下のものを含む。 Si/Fe(40Å)/[Co(10Å)/Cu(tc
u)]16 明らかに磁気抵抗の大きさは、Cu層の厚みが5.3Å
の場合には非常に小さいが、厚みが9.3Åの場合は大
きくなる。Cu層の厚みが増大するに従い、磁気抵抗の
大きさは図12に示すように小さい値から大きい値へと
振動する。
【0024】磁気抵抗応答を発生させるために必要な磁
界がCu層の厚みと共に変化することも理解できよう。 例えば、9.3ÅのCuの第1ピークは約55%の磁気
抵抗をもつ。しかし、必要な磁界は〜3KOeである。 19.1ÅCuの第2ピークは約45%とさらに低い磁
気抵抗を有し、また約〜0.5KOeとさらに低い磁界
を有する。このデータを使用することにより、磁気抵抗
が最大の第1ピークで動作するように、あるいは磁気抵
抗は大きいが磁界がより低い第2ピークで動作するよう
にCu層の厚みを選ぶことができる。
【0025】図13は、以下の構造を含むMRセンサの
特定の実施例に関するデータを示す。 Si/Ru(50Å)/[Co(10Å)/Cu(tc
u)]n/Ru(15Å) このデータは磁気抵抗の振動を示し、これらの振動は、
銅層の厚みが約60Åのときかなり減衰する。銅層の厚
みがもっと大きい場合は、磁気抵抗値は銅層の厚みに反
比例して変化する。このデータはまた、銅層の厚みが4
00オングストロームを超える非常に大きな値の場合に
磁気抵抗の値が大きいことを示す。
【0026】さらに低い磁界で28%と幾分小さい磁気
抵抗を生じる構造の一例を図14に示す。この構造は以
下のものを含む。 Si/Ru(50Å)/[Co(10Å)/Cu(17
.4Å)]20/Ru(15Å)
【0027】非磁性層の厚みの変化に従った飽和磁気抵
抗の振動の特性を示す多数の例を種々の材料の組合せに
ついて示した。特定の材料の組合せはFe/Crおよび
Co/Crを含むものである。Cuは一般に、例えば、
Co/Cu、NiFe/Cu、Co/Cu/Ni/Cu
、Co/Cu/Fe/Cu、Co/Cu/NiFe/C
u、Co/Cu/NiCo/Cuなど大部分の強磁性材
料と協働する。Ruは一般に、例えば、Fe/Ru、C
o/Ru、Ni/Ru、NiFe/Ru、NiCo/R
u、Fe/Ru/Co/Ru、Co/Ru/Ni/Ru
、Co/Ru/NiCo/Ru、Co/Ru/NiFe
/Ruなど大部分の強磁性材料と協働する。Ir、Re
およびRhも一般に大部分の強磁性材料と協働する。
【0028】強磁性層の厚みも磁気抵抗に影響を及ぼす
ものであり、強磁性層はできるだけ薄くしなければなら
ないことを示すことができる。しかし、図15は以下の
形の3種類の二層構造の横磁気抵抗と面内磁界の関係を
示す。 Si/Fe(40Å)[Co(tco)/Cu(9.3
Å)]16/Cu(19Å) これらの曲線は強磁性層の厚みの変化に従った磁気抵抗
および磁界の両方の大きな変動を示す。コバルト層の厚
みが〜10Å以上に増加すると、飽和磁気抵抗の大きさ
はほぼコバルト層の厚みに反比例して減少する。
【0029】
【発明の効果】多層構造の磁気抵抗が非磁性材料層の厚
みの関数として振動するという特性を示す、強磁性材料
および非磁性材料の組合せを用いたMRセンサについて
説明した。非磁性材料の厚みとして磁気抵抗のピークに
対応する厚みを選ぶことにより、60%を超える非常に
大きな飽和磁気抵抗を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の教示による、非磁性スペーサ層によ
って分離された強磁性層を含む構造における、飽和磁気
抵抗を非磁性スペーサ層の厚みの関数として示すグラフ
である。
【図2】本発明による関連する多層構造系列の飽和磁気
抵抗と非磁性層の厚みの関係を示すグラフである。
【図3】本発明による二層構造を含む磁気抵抗センサの
特定の実施例の端面図である。
【図4】本発明による二層構造の特定の実施例の飽和磁
気抵抗と非磁性層の厚みの関係を示すグラフである。
【図5】本発明による四層構造を含む磁気抵抗センサの
特定の実施例の端面図である。
【図6】本発明による四層構造の特定の実施例の飽和磁
気抵抗と非磁性層の厚みの関係を示すグラフである。
【図7】本発明による二層構造を含む磁気抵抗センサの
特定の実施例の端面図である。
【図8】図7に示した形式の4種の類似構造の磁気抵抗
と面内磁界の関係を示すグラフである。
【図9】4.2Kの温度における、図2に示した構造系
列の飽和磁気抵抗と非磁性層の厚みの関係を示すグラフ
である。
【図10】本発明による四層構造を含む磁気抵抗センサ
の実施例の端面図である。
【図11】図10に示した形式の構造の飽和磁界と非磁
性層の厚みの関係を示すグラフである。
【図12】図7に示した形式の6種の代表的構造の磁気
抵抗と面内磁界の関係を示す一連のグラフ(a)−(f
)である。
【図13】図7に示した形式の構造の磁気抵抗と非磁性
層の厚みの関係を示すグラフである。
【図14】低磁界で高磁気抵抗を示す、図7に示した形
式の構造の磁気抵抗と磁界の関係を示すグラフである。
【図15】図7に示した形式の3種の構造の、強磁性層
の厚みを変化させた場合の磁気抵抗と面内磁界の関係を
示すグラフである。
【符号の説明】
10  MRセンサ 11  基板 12  強磁性層 14  非磁性層 16  キャップ層 18  バッファ層 24  電流源 26  検出手段

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と上記基板上に形成された多層構造と
    を含み、上記層状構造が強磁性材料と非磁性金属材料の
    交互の層を含み、上記強磁性材料と上記非磁性材料が、
    上記多層構造の磁気抵抗が上記非磁性材料層の厚みの関
    数として振動するという特性を示す二層構造を形成する
    、磁気抵抗センサと、上記磁気抵抗センサを通る電流を
    生じる手段と、検出される磁界の関数として上記磁気抵
    抗センサの抵抗率の変化を検出する手段とを備えた磁気
    抵抗検出システム。
  2. 【請求項2】上記磁気抵抗対上記非磁性材料層の厚み曲
    線が、少なくとも第1および第2のピークを含む、請求
    項1の磁気抵抗検出システム。
  3. 【請求項3】磁気抵抗センサが上記磁気抵抗対上記非磁
    性材料層の厚み曲線の第1のピークで動作するように、
    上記非磁性材料層の厚みが選ばれる、請求項2の磁気抵
    抗検出システム。
  4. 【請求項4】磁気抵抗センサが上記磁気抵抗対上記非磁
    性材料層の厚み曲線の第2のピークで動作するように、
    上記非磁性材料層の厚みが選ばれる、請求項2の磁気抵
    抗検出システム。
  5. 【請求項5】上記非磁性材料層が、Cu、Cr、Ru、
    Ir、Re、Rhのうちから選ばれた材料で形成される
    、請求項1の磁気抵抗検出システム。
  6. 【請求項6】上記非磁性材料層が銅である、請求項5の
    磁気抵抗検出システム。
  7. 【請求項7】上記強磁性材料層が、コバルト、NiFe
    、NiCoのうちから選ばれた材料で形成される、請求
    項6の磁気抵抗検出システム。
  8. 【請求項8】上記非磁性材料がRuである、請求項5の
    磁気抵抗検出システム。
  9. 【請求項9】上記強磁性材料層が、Fe、Co、Ni、
    NiFe、NiCoのうちから選ばれた材料で形成され
    る、請求項8の磁気抵抗検出システム。
  10. 【請求項10】さらに、上記基板と上記強磁性材料層の
    間にバッファ層を備える、請求項1の磁気抵抗検出シス
    テム。
  11. 【請求項11】上記バッファ層が、Fe、Cu、Cr、
    Ru、Rh、Ir、Reのうちから選ばれた材料で形成
    される、請求項10の磁気抵抗検出システム。
  12. 【請求項12】基板と上記基板上に形成された多層構造
    とを含み、上記層状構造が第1および第2の強磁性材料
    と非磁性材料の交互の層を含み、上記第1および第2の
    強磁性材料と上記非磁性材料が、上記多層構造の磁気抵
    抗が上記非磁性材料層の厚みの関数として振動するとい
    う特性を示す四層構造を形成する、磁気抵抗センサと、
    上記磁気抵抗センサを通る電流を生じる手段と、検出さ
    れる磁界の関数として上記磁気抵抗センサの抵抗率の変
    化を検出する手段とを備えた磁気抵抗検出システム。
  13. 【請求項13】上記多層構造の上記磁気抵抗対上記非磁
    性材料層の厚み曲線が少なくとも第1および第2のピー
    クを含む、請求項12の磁気抵抗検出システム。
  14. 【請求項14】磁気抵抗センサが上記磁気抵抗対上記非
    磁性材料層の厚み曲線の第1のピークで動作するように
    、上記非磁性材料層の厚みが選ばれる、請求項13の磁
    気抵抗検出システム。
  15. 【請求項15】磁気抵抗センサが上記磁気抵抗対上記非
    磁性材料層の厚み曲線の第2ピークで動作するように、
    上記非磁性材料層の厚みが選ばれる、請求項13の磁気
    抵抗検出システム。
  16. 【請求項16】上記非磁性材料層が、Cu、Cr、Ru
    、Ir、Re、Rhのうちから選ばれた材料で形成され
    る、請求項12の磁気抵抗検出システム。
  17. 【請求項17】上記非磁性材料層が銅である、請求項1
    6の磁気抵抗検出システム。
  18. 【請求項18】上記第1および第2の強磁性材料層が、
    CoとNi、CoとFe、CoとNiFe、CoとNi
    Coのうちから選ばれた材料で形成される、請求項17
    の磁気抵抗検出システム。
  19. 【請求項19】上記非磁性材料層が、Ru、Ir、Re
    、Rhのうちから選ばれた材料で形成される、請求項1
    6の磁気抵抗検出システム。
  20. 【請求項20】上記第1および第2の強磁性材料層が、
    FeとCo、CoとNi、CoとNiCo、CoとNi
    Fe、NiとFeのうちから選ばれた材料で形成される
    、請求項19の磁気抵抗検出システム。
  21. 【請求項21】さらに、上記基板と上記強磁性材料層の
    間にバッファ層を備える、請求項12の磁気抵抗検出シ
    ステム。
  22. 【請求項22】上記バッファ層が、Fe、Cu、Cr、
    Ru、Rh、Ir、Reのうちから選ばれた材料で形成
    される、請求項21の磁気抵抗検出システム。
  23. 【請求項23】基板と上記基板上に形成された多層構造
    とを含み、上記層状構造が強磁性材料と非磁性材料の交
    互の層を含み、上記強磁性材料と上記非磁性材料が、上
    記多重構造の磁気抵抗が上記非磁性材料層の厚みの関数
    として振動するという特性を示す二層構造を形成するこ
    とを特徴とする、磁気抵抗センサ。
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