JPH0888424A - 多層膜磁気抵抗効果素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁場感度が十分でヒステリシスが小さい多層
膜磁気抵抗効果素子を提供すること。 【構成】 磁性層４５，４７，４９，・・・と非磁性層
４３，４３，・・・を蒸着やスパッタ法などを用いて交
互に積層してなる多層膜磁気抵抗効果素子である。各磁
性層４５，４７，４９，・・・を成膜する際、外部磁場
を印加して該外部磁場の印加方向に磁性層の磁化容易軸
を誘導するが、このとき、各磁性層４５，４７，４９，
・・・の積層順に磁化容易軸を交互にほぼ直交する方向
に誘導する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗効果を利用し
た、例えば磁気センサや磁気ヘッドなどに用いられる、
多層膜からなる磁気抵抗効果素子に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、強磁性磁気抵抗効果を利用して磁場
の変化を電気的に検出する磁性材料、例えばパーマロイ
合金薄膜等が磁気センサや磁気ヘッドとして用いられて
きた。

【０００３】そしてより高出力、高感度に磁場を検出す
る材料が求められてきている現在、１９８８年にフラン
スのBaibichらによってＦｅ／Ｃｒ人工格子で巨大磁気
抵抗効果が発見された（Rhys.Rev.Lett.61(1988)247
2.）のに端を発し、金属多層膜人工格子等での材料開発
が盛んに行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれまで
に得られている金属多層膜人工格子等の磁気抵抗効果素
子では、磁場感度が十分ではなく、しかもヒステリシス
があり、磁気抵抗効果素子の材料として問題があった。

【０００５】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
ありその目的は、磁場感度が十分で、ヒステリシスが小
さい多層膜磁気抵抗効果素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本願発明者は、巨大磁気抵抗効果を有する金属多層膜
人工格子等の多層膜磁気抵抗効果素子において、各磁性
層の磁化容易軸方向を制御することに着目した。

【０００７】即ちまず磁性層と非磁性層を交互に積層す
る多層膜磁気抵抗効果素子の磁性層を成膜する際に、該
磁性層の膜面内方向において一方向のみに外部磁場を印
加することで、該磁性層の膜に印加磁場方向に沿った磁
化容易軸を誘導することとした。

【０００８】その際、多層膜を形成する下地の基板に近
い方の磁性層から順に、第１，第２，・・・と定義した
場合の、奇数番目の磁性層を成膜する際と、偶数番目の
磁性層を成膜する際とで、外部磁場の印加方向を約９０
°変えて成膜した。これによっていわゆる直交二軸の磁
化容易軸を交互に誘導した多層膜が得られる。

【０００９】この多層膜から、磁場感度が高くしかもヒ
ステリシスが非常に小さいという特性が得られた。この
特性は、磁性層厚が大きい多層膜において特に顕著に現
われた。

【００１０】このときの磁性層は、磁性元素の種類には
特に限定されないが、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏのいずれか一種
類から成る単体膜、若しくは二種類以上の元素から成る
合金膜が好ましい。

【００１１】一方非磁性層は、非磁性元素の種類には特
に限定されないが、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれか一種類
から成る単体膜、若しくは二種類以上の元素から成る合
金膜が好ましい。

【００１２】磁性層と非磁性層を１組とした場合の積層
回数は、磁気抵抗効果を考えた場合、できるだけ大きい
方が有利であるが、界面状態や膜構造を均一に保ったま
ま積層回数を増やすことは非常に困難であるので、現実
には、積層回数を２回から７０回ぐらいの範囲にするの
が好ましい。

【００１３】また本発明の多層膜を成膜する方法は、特
に制限されないが、イオンビームスパッタ法、ＲＦマグ
ネトロンスパッタ法、電子ビーム蒸着法、分子線エピタ
キシー法等が好ましい。

【００１４】多層膜を形成する下地の基板は、結晶質と
非晶質のいずれでも構わない。

【００１５】多層膜の成膜中に印加する外部磁場の印加
方法は、特に制限されないが、出力磁場に関する熱的安
定性の良い永久磁石を用いるのが好ましく、また印加磁
場の大きさに関しては、採用する磁性層の磁気特性等に
より適宜変更する必要があるが、１０（Ｏｅ）以上が好
ましい。

【００１６】

【作用】上記の如く構成することにより、数十Ｏｅ程度
の小さな外部磁場を印加するだけで、数パーセントから
数十パーセントの大きな抵抗変化率を示す、磁場感度が
十分な多層膜磁気抵抗素子が得られた。しかもその磁気
抵抗曲線上においてマイナーループとメジャーループで
の磁場感度にほとんど差が現われなかった。従って、外
部磁場を高感度で再現性良く検出するＭＲセンサ等を提
供することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１８】〔実施例１〕多層膜磁気抵抗効果素子の成
膜には、イオンビームスパッタ装置を用いた。

【００１９】ここで図１は、このイオンビームスパッタ
装置のチャンバー内の状態を示す概略構成図である。同
図に示すように、イオンビームスパッタ装置のチャンバ
ー内には、イオンソース１０と、ターゲット２０と、基
板ホルダー３０とが設置されている。

【００２０】ここでターゲット２０としては磁性層用の
ＮｉＦｅＣｏ合金が用いられている。

【００２１】また基板ホルダー３０は、ケース３１内に
ステッピングモータ３３を収納し、該ステッピングモー
タ３３の回転軸にステージ３５を固定し、さらにケース
３１の一端面のステージ３５の両側にそれぞれＳ_mＣ_o系
の永久磁石３７，３９を固定して構成されている。従っ
て磁界は常に永久磁石３７からステージ３５を通過して
永久磁石３９に向かう方向に印加される。そしてステー
ジ３５上には、多層膜を形成する下地となるガラス基板
４１が固定されている。

【００２２】またこの基板ホルダー３０は、その全体が
矢印Ａ方向に回動して、他の図示しない非磁性層成膜用
のターゲット（具体的にはＣｕを用いる）とイオンソー
スの方向を向く機構を具備している。

【００２３】そしてイオンソース１０からターゲット２
０に向けてイオンを発射してターゲット２０から粒子を
叩き出し、これをガラス基板４１上に成膜し、これによ
って第１番目の磁性層を形成するが、この成膜の際、永
久磁石３７，３９によって磁場が印加されているので、
該磁性層には印加磁場方向に向かって磁化容易軸が誘導
される。

【００２４】ここで磁化容易軸とは、作製された成膜に
磁場を印加した際、その方向に容易に磁化される軸のこ
とを言う。

【００２５】次にこの基板ホルダー３０全体を矢印Ａ方
向に回動して、図示しないイオンソースとターゲット
（Ｃｕ）によって、前記第１番目の磁性層の上にＣｕ層
からなる非磁性層を形成する。

【００２６】次に基板ホルダー３０を元の位置（図１に
示す位置）に戻し、且つステッピングモータ３３を駆動
してステージ３５を９０°回動する。そしてこの状態
で、再びスパッタによって前記非磁性層の上に第２番目
の磁性層を形成する。このとき、ステージ３５は９０°
回動しているので、第２番目の磁性層には第１番目の磁
性層と直交する方向に磁化容易軸が誘導される。

【００２７】次に同様に基板ホルダー３０を矢印Ａ方向
に回動して第２番目の磁性層の上に非磁性層を形成した
後、再び基板ホルダー３０を元の位置に戻し、且つステ
ッピングモータ３３を駆動してステージ３５を元の位置
に回動して戻し、第３番目の磁性層を形成する。

【００２８】この操作を繰り返すことによって、図２に
示すように、ガラス基板４１上に非磁性層４３を挟ん
で、積層順に磁化容易軸を交互にほぼ直交する方向に誘
導せしめられた磁性層４５，４７，４９が形成されてい
く。

【００２９】 オン電流が６０ｍＡであり、磁性層の合金組成は、Ｎｉ
₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（ａｔ％）であり、またスパッタレート
は、ＮｉＦｅＣｏ合金が１．１Å／sec 、及びＣｕが
１．８Å／sec である。

【００３０】また上記条件により成膜した多層膜は、実
際には、ガラス基板上にバッファー層としてＮｉ₆₃Ｆｅ
₁₂Ｃｏ₂₅を５０Å積層した後、Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（ｔ
₁Å）、Ｃｕ（ｔ₂Å）の順に交互に２０周期分積層し、
最後にＮｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（ｔ₁Å）を積層したもので
ある。以下この多層膜を次のように表記する。

【００３１】Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（ｔ₁Å）〔Ｃｕ（ｔ₂
Å）／Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（ｔ₁Å）〕₂₀／／Ｎｉ₆₃Ｆ
ｅ₁₂Ｃｏ₂₅（５０Å） 但し、８≦ｔ₁≦３０、８≦ｔ₂≦７５ である。

【００３２】この実施例においては、上記のように成膜
の際の永久磁石３７，３９による印加磁場（約２００
（Ｏｅ））の方向を制御して多層膜磁気抵抗効果素子を
作製したが、本願発明者は以下この多層膜磁気抵抗効果
素子を「直交二軸異方性成膜」と呼び、一方磁場を全く
印加せずに同様に成膜した多層膜磁気抵抗効果素子を、
以下「通常成膜」と呼んで区別し、両者の諸特性を比較
した。

【００３３】まず直交二軸異方性成膜と通常成膜のＸ
線小角回折パターンについて測定したが、両者の間に大
きな違いはなく、積層周期に対応した１次ピークが見ら
れ、両者共同様の周期構造を有していることが確認され
た。

【００３４】またＸ線中角回折パターンについても、
図３に示すとおり、両者の間にあまり違いはなく、人工
格子の（１１１）に対応する強い回折線と、弱くてブロ
ードな（２００）回折線が見えた。

【００３５】次に図４は、磁性層の厚みを１０Åで固
定して、非磁性層の厚みを８＜ｔ₂＜７５（Å）の範囲
で変えて成膜した直交二軸異方性成膜と通常成膜各々
の、磁場による飽和時の電気抵抗率ρ、磁気抵抗による
変化分Δρ、及び磁気抵抗変化率ＭＲ ratio を測定し
て示す図である。

【００３６】同図に示すように、電気抵抗率ρに関して
は、全般的に直交二軸異方性成膜の方が通常成膜よりも
多少大きくなった。

【００３７】磁気抵抗による変化分Δρと、磁気抵抗変
化率ＭＲ ratioに関しては、巨大磁気抵抗効果を有する
金属多層膜磁気抵抗効果素子の特長である非磁性層厚に
依存した振動現象が、直交二軸異方性成膜と通常成膜の
いずれについても同様に確認された。

【００３８】図５はこの振動現象の第１ピークと第２
ピークに特に注目し、直交二軸異方性成膜と通常成膜の
特性の違いを磁場感度（ΔＭＲ／ΔＨ）について比較し
た結果を示す図である。

【００３９】同図に示すように第１ピークと第２ピーク
共に、直交二軸異方性成膜の方が、通常成膜を上回るこ
とが確認された。

【００４０】続いて、図６，図７は、非磁性層である
Ｃｕの厚さを第２ピークの値で固定し、磁性層厚Ｘを大
きくしていった場合の磁気抵抗曲線の形状を比較して示
す図であり、図６が通常成膜、図７が直交二軸異方性成
膜の曲線を示している。

【００４１】図中に、各磁性層厚Ｘに対する、０〜３０
０（Ｏｅ）の磁場変化に対する磁気抵抗変化率をＭＲ r
atio で示している。

【００４２】一般的に金属多層膜磁気抵抗効果素子にお
いて非磁性層厚を一定にして磁性層を大きくした場合、
層間結合エネルギーが一定のままでゼーマンエネルギー
の効果が大きくなり、その結果として飽和磁場が小さく
なる。この時、同時に磁性層を大きくした影響がシャン
ト効果として現われ、磁気抵抗変化率が小さくなってし
まう。

【００４３】しかし、飽和磁場の低下と磁気抵抗変化率
の低下のバランスをとれば、磁場感度の向上が期待でき
る。図６，図７共に磁性層厚を大きくしたことによる傾
向がみられ、各磁性層厚での最大磁場感度について両者
の比較をした表を以下に示す。 磁性層厚 通常成膜 直交二軸異方性成膜 １０Å ０．０９ ０．１１ １６Å ０．１３ ０．１５ ２３Å ０．２２ ０．２５ （単位：％／Ｏｅ）

【００４４】この表から、磁性層厚の増加に伴い、磁場
感度が向上していることがわかる。

【００４５】特に本願発明にかかる直交二軸異方性成膜
において磁場感度が０．１１（％／Ｏｅ）から０．２５
（％／Ｏｅ）まで向上した。しかも図６の通常成膜でみ
られる、磁性層厚が大きくなるに従って保磁力が大きく
なってしまう傾向（磁場が増加する際と減少する際の曲
線のずれに現われる）が図７の直交二軸異方性成膜では
みられなかった。

【００４６】保磁力が大きい膜では、その磁気抵抗曲線
にヒステリシスが生じ、磁気抵抗曲線のメジャーループ
上で測定される磁場感度に対し、ヒステリシスに起因す
るマイナーループ上で測定される磁場感度は一般的に小
さくなってしまう。

【００４７】以上のように本願発明にかかる直交二軸異
方性成膜においては、ヒステリシスが小さくなり、この
ヒステリシスによる磁場感度の低下が生じない。

【００４８】また磁気抵抗曲線にマイナーループが大
きく現われるようであれば、外部磁場を異なる二つの範
囲で増減させたときには、それぞれに対応したマイナー
ループが二つ現われて一つの外部磁場に対する磁気抵抗
値が二つ以上になってしまう。

【００４９】図８に、Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（５Å）〔Ｃ
ｕ（２４Å）／Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（２３Å）〕₂₀／／
Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅（５０Å）の試料を用いた磁気抵抗
曲線上におけるマイナーループの比較を示す。試料に対
して外部磁場を０（Ｏｅ）から−２０（Ｏｅ）まで下げ
てから、−１０（Ｏｅ）と−２０（Ｏｅ）の範囲を４回
増減させて、その後−３００（Ｏｅ）まで下げる方法で
測定を行った。

【００５０】図８より、通常成膜の方はマイナーループ
が顕著に現われているが、本発明にかかる直交二軸異方
性成膜の方はマイナーループがほとんどメジャーループ
上にあり、外部磁場と磁気抵抗値がほぼ一対一に対応す
ることが確認された。

【００５１】〔実施例２〕実施例２においては、成膜中
の外部磁場の印加方法を変えて実施例１と同様な成膜条
件を用い、Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₁₈（１６Å）〔Ｃｕ（２２
Å）／Ｎｉ₆₃Ｆｅ₁₂Ｃｏ₂₅〕₂₀の試料を作製してその特
性の違いを比較した。

【００５２】即ち、成膜中の外部磁場の印加方法には三
種類あり、一つは実施例１のように直交二軸異方性成膜
の方法であり、二つ目は磁性層を積層する毎に膜面内に
て同一回転方向に４５°ずつ外部磁場の印加方向を変え
ていく方法（以下この方法により作製される多層膜磁気
抵抗効果素子を「４５度複合異方性成膜」と呼ぶ）であ
り、三つ目は磁性層を積層する毎に外部磁場の印加方向
を１８０°ずつ変えていく方法（以下この方法により作
製される多層膜磁気抵抗効果素子を「一軸異方性成膜」
と呼ぶ）である。

【００５３】図９，図１０，図１１の順で、４５度複合
異方性成膜，一軸異方性成膜，直交二軸異方性成膜それ
ぞれの磁気抵抗曲線の結果を示している。これらの図に
おいて、実線は印加電流と外部磁場が平行の場合、破線
は印加電流と外部磁場が垂直の場合を示している。

【００５４】これらの図より、０（Ｏｅ）から３００
（Ｏｅ）の範囲における磁気抵抗変化率ＭＲ ratioにつ
いては三者間にはほとんど差が見られなかったが、０
（Ｏｅ）から４０（Ｏｅ）の範囲における最大磁場感度
を調べると、以下のようになった。 ４５度複合異方性成膜・・・・・０．１４（％／Ｏｅ） 一軸異方性成膜 ・・・・・０．２０（％／Ｏｅ） 直交二軸異方性成膜 ・・・・・０．１９（％／Ｏｅ）

【００５５】つまり、一軸異方性成膜と直交二軸異方性
成膜が比較的高い磁場感度を示した。しかし、一軸異方
性成膜の方は、図１０からわかるように、ヒステリシス
が大きく、印加電流と外部磁場の印加方向の角度によっ
て磁気抵抗曲線の形が変化してしまう欠点が確認され
た。一方本発明にかかる直交二軸異方性成膜の場合は、
ヒステリシスが小さく、印加電流と外部磁場の印加方向
の角度に依存する磁気抵抗曲線の変化がみられなかっ
た。つまり本願発明のように磁化容易軸を交互に直交さ
せることが、最も良い結果をもたらした。

【００５６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、小さな外部磁場を印加するだけで大きな抵抗変化率
を示す磁場感度が十分な多層膜磁気抵抗効果素子が得ら
れ、しかもその磁気抵抗曲線上においてマイナーループ
とメジャーループでの磁場感度にほとんど差が現われな
いという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる多層膜磁気抵抗効果素子を製作
するイオンビームスパッタ装置のチャンバー内の状態を
示す概略構成図である。

【図２】本発明にかかる多層膜磁気抵抗効果素子の概略
構造を示す図である。

【図３】直交二軸異方性成膜と通常成膜各々のＸ線中角
回折パターンを示す図である。

【図４】直交二軸異方性成膜と通常成膜各々の、磁場に
よる飽和時の電気抵抗率ρ、磁気抵抗による変化分Δ
ρ、及び磁気抵抗変化率ＭＲ ratio を示す図である。

【図５】直交二軸異方性成膜と通常成膜各々の磁場感度
を示す図である。

【図６】通常成膜の磁気抵抗曲線を示す図である。

【図７】直交二軸異方性成膜の磁気抵抗曲線を示す図で
ある。

【図８】通常成膜と直交二軸異方性成膜の磁気抵抗曲線
上におけるマイナーループの比較を示す図である。

【図９】４５度複合異方性成膜の磁気抵抗曲線を示す図
である。

【図１０】一軸異方性成膜の磁気抵抗曲線を示す図であ
る。

【図１１】直交二軸異方性成膜の磁気抵抗曲線を示す図
である。

【符号の説明】

４３ 非磁性層 ４５，４７，４９ 磁性層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性層と非磁性層を交互に積層してなる
   多層膜磁気抵抗効果素子において、 前記積層した各磁性層は、積層順に磁化容易軸を交互に
   ほぼ直交する方向に誘導せしめられていることを特徴と
   する多層膜磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 磁性層を成膜する工程と、非磁性層を成
   膜する工程とを交互に行って、両層を積層せしめる多層
   膜磁気抵抗効果素子の製造方法において、 前記磁性層を成膜する工程の際に、外部磁場を印加して
   該外部磁場の印加方向に該磁性層の磁化容易軸を誘導せ
   しめ、且つ奇数番目の磁性層を成膜する際の外部磁場の
   印加方向と偶数番目の磁性層を成膜する際の外部磁場の
   印加方向をほぼ直交せしめたことを特徴とする多層膜磁
   気抵抗効果素子の製造方法。