JPH09245320A - 多層磁気抵抗効果膜及びこれを用いた磁気ヘッド、並びに磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁気抵抗効果型ヘッド用の高磁気抵抗効果多層
膜における交換バイアス磁界の不足の問題がある。 【解決手段】反強磁性層厚を１０〜２５ｎｍにした。ま
た、上記多層磁気抵抗効果膜を磁気抵抗効果素子、磁気
ヘッドおよび磁気記録再生装置に用いる。 【効果】本発明の多層磁気抵抗効果膜は、磁性層に印加
される交換バイアス磁界が高いため、ヒステリシスが少
なく、優れた特性を示す。また、上記多層磁気抵抗効果
膜を使用した磁気ヘッドは、優れた再生特性を示し、上
記磁気ヘッドを磁気記録再生装置に用いることにより、
高性能磁気記録再生装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高い磁気抵抗効果を
有する膜および素子に係り、特に多層磁気抵抗効果膜及
びこれを用いた磁気ヘッド、並びに磁気記録再生装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気記録の高密度化に伴い、再生用磁気
ヘッドに用いる磁気抵抗効果材料として、高い磁気抵抗
効果を示す材料が求められている。そこで、Dienyらに
よるフィジカル・レビュ−・Ｂ(Pysical Review B)、第
43巻、第1号、1297〜1300ペ−ジに記載の「軟磁性多層
膜における巨大磁気抵抗効果」(Giant Magnetoresistanc
e in Soft Ferromagnetic Multilayers)のように２層の
磁性層を非磁性層で分離し、一方の磁性層に反強磁性層
からの交換バイアス磁界を印加する方法が考案された。
この反強磁性層材料には、Ｆｅ−Ｍｎ系合金が用いられ
ている。上記のような多層膜は、通常、基板側から、結
晶性制御層、磁性層、非磁性層、磁性層、反強磁性層の
順に形成する。しかし、磁気抵抗効果素子の構造によっ
ては、基板側から、結晶性制御層、結晶形制御層、反強
磁性層、磁性層、非磁性層、磁性層の順に形成する必要
がある可能性がある。この構造の多層膜は、Noguchi等
によるJpn. J. Appl. Phys., 第33巻、第10号、5734〜5
738ペ−ジに記載の「3層のNi-Fe-Co層を有するスピンバ
ルブ多層膜の磁気抵抗効果」(Magneto-resistance Effec
ts in Spin-Valve Multilayers Including Three Ni-Fe
-Co Layers)で開示されている。

【０００３】また、上記のような多層膜の磁気抵抗変化
率を高くするために、星屋等により、磁性層を３層に増
加した多層膜が考案されており、日本応用磁気学会誌、
第18巻、355〜357ペ−ジに記載されている。星屋等によ
り考案された多層膜では、反強磁性層としてＮｉＯが用
いられているが、実用される磁気抵抗効果素子では、Ｍ
ｎを含む金属系の反強磁性層が用いられるものと考えら
れる。磁性層を３層に増加した多層膜においても、Nogu
chi等による上述の文献に記載のように、「基板側か
ら、結晶性制御層、結晶形制御層、反強磁性層」という
積層構造を含む。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような「基板側
から、結晶性制御層、結晶形制御層、反強磁性層」とい
う積層構造を含む多層膜は、Noguchi等による上述の文
献に記載のように、反強磁性層上に形成した磁性層に印
加される交換バイアス磁界が低いという問題がある。こ
の問題の原因は、現在のところ明確ではない。しかし、
実用上では、交換バイアス磁界以上の外部磁界を多層膜
に印加すると、磁気抵抗効果曲線にヒステリシスが生じ
る。多層膜を磁気抵抗効果素子に用いる場合、上記ヒス
テリシスが生じると、素子の出力の線形性が損なわれ
る、出力が低下する、ノイズが生じる、などの問題が生
じる。従って、反強磁性層から磁性層に印加される交換
バイアス磁界は高い方が好ましい。

【０００５】磁気記録の高密度化に伴い、再生用磁気ヘ
ッドに用いる磁気抵抗効果材料として、現在、使用され
ているパ−マロイよりも高い磁気抵抗効果を示す材料が
求められている。最近、反強磁性層／磁性層／非磁性層
／磁性層／非磁性層／磁性層／反強磁性層という構造を
有する高磁気抵抗効果を示す多層膜が報告されている。
しかし、反強磁性層上に形成した磁性層に印加される交
換相互作用による一方向異方性エネルギーが低いとの問
題がある。

【０００６】本発明の目的は、上述の磁気抵抗効果型ヘ
ッド用の高磁気抵抗効果多層膜における交換バイアス磁
界の不足の問題の解決方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、種々の材
料および層厚を有する反強磁性層を有する多層磁性膜を
用いた磁気抵抗効果素子について鋭意研究を重ねた結
果、反強磁性層の厚さを調節することにより、磁性層に
印加される交換バイアス磁界の値を低下させないことを
見出し、本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、反強磁性層上に磁性層を積層し
た場合には、反強磁性層に厚さにより、磁性層に印加さ
れる交換バイアス磁界が変化する。反強磁性層厚が１０
ｎｍまでは、反強磁性層厚とともに、交換バイアス磁界
は高くなる。反強磁性層厚が１０〜２５ｎｍでは、交換
バイアス磁界は、ほぼ一定である。さらに、反強磁性層
が厚くなると、交換バイアス磁界は低下する。従って、
反強磁性層厚を１０〜２５ｎｍとすることにより、磁性
層に印加される交換バイアス磁界を高くすることができ
る。

【０００９】このようにして得られた多層膜に比較的高
い磁界を印加しても、磁気抵抗効果曲線にヒステリシス
が生じにくいため、上記多層磁気抵抗効果膜は、磁気抵
抗効果素子、磁界センサ、磁気ヘッドなどに好適であ
る。また、上記磁気ヘッドを用いることにより、高性能
磁気記録再生装置を得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】

［実施例１］反強磁性層厚による、磁性層に印加される
交換バイアス磁界の変化を調べるために、図２に示すよ
うな構造の多層膜を形成した。基板２１にはＳｉ（１０
０）単結晶を用いた。また、結晶性制御層２２として、
厚さ５ｎｍのＨｆを用いた。結晶形制御層２３として
は、厚さ５ｎｍのＣｕを用いた。結晶形制御層は、Ｍｎ
系合金である反強磁性層２４の結晶構造を制御するため
に用いる。本実施例では、反強磁性層２４として、種々
の厚さのＦｅ−４０ａｔ％Ｍｎ合金層を用いた。磁性層
２５には、厚さ５ｎｍのＮｉ−１６ａｔ％Ｆｅ−１８ａ
ｔ％Ｃｏ合金を用いた。また、保護層２６には、厚さ５
ｎｍのＨｆを用いた。

【００１１】多層膜の作製にはイオンビ−ムスパッタリ
ング法を用いた。到達真空度は、５／１０⁵Ｐａ、スパ
ッタリング時のＡｒ圧力は０．０２Ｐａである。また、
膜形成速度は、０．０１〜０．０２ｎｍ／ｓである。

【００１２】反強磁性層２４の厚さによる、反強磁性層
２４から磁性層２５に印加される交換バイアス磁界の変
化を図３に示す。図のように、反強磁性層厚が１０ｎｍ
までは、反強磁性層厚とともに、交換バイアス磁界は高
くなる。反強磁性層厚が１０〜２５ｎｍでは、交換バイ
アス磁界は、ほぼ一定である。さらに、反強磁性層が厚
くなると、交換バイアス磁界は低下する。従って、反強
磁性層厚を１０〜２５ｎｍとすることにより、磁性層に
印加される交換バイアス磁界を高くすることができる。

【００１３】［実施例２］実施例１と同様の条件で多層
膜を形成した。形成した多層膜の断面構造を図１に示
す。基板１１にはＳｉ（１００）単結晶を用いた。ま
た、結晶性制御層１２として、厚さ５ｎｍのＨｆを用い
た。結晶形制御層１３としては、厚さ５ｎｍのＣｕを用
いた。反強磁性層１４には、厚さ１０ｎｍのＦｅ−４０
ａｔ％Ｍｎ合金を用いた。磁性層１５および磁性層１９
には、それぞれ、厚さ３ｎｍおよび９ｎｍのＮｉ−１６
ａｔ％Ｆｅ−１８ａｔ％Ｃｏ合金を用いた。磁性層１６
および磁性層１８には、それぞれ、厚さ２ｎｍおよび１
ｎｍのＣｏを用いた。また、非磁性層１７には、厚さ
２．５ｎｍのＣｕを用いた。多層膜の磁気抵抗変化率は
４．８％であった。また、磁性層に印加される交換バイ
アス磁界が高いため、磁気抵抗効果素子を使用する範囲
の磁界では、磁気抵抗効果曲線に大きなヒステリシスは
認められなかった。

【００１４】本発明の構造は、３層の磁性層を含む多層
膜にも応用できる。すなわち、図４のように、基板３１
上に厚さ５ｎｍのＨｆからなる結晶性制御層３２を形成
し、さらに、厚さ５ｎｍのＣｕからなる結晶形制御層３
３、厚さ１０ｎｍのＦｅ−４０ａｔ％Ｍｎ合金からなる
反強磁性層３４を形成した。磁性層３５および磁性層４
３には、厚さ３ｎｍのＮｉ−１６ａｔ％Ｆｅ−１８ａｔ
％Ｃｏ合金を用いた。磁性層３９には、厚さ８ｎｍのＮ
ｉ−１６ａｔ％Ｆｅ−１８ａｔ％Ｃｏ合金を用いた。磁
性層３６および磁性層４２には、厚さ２ｎｍのＣｏを用
いた。磁性層３８および磁性層４０には、厚さ１ｎｍの
Ｃｏを用いた。また、非磁性層３７および非磁性層４１
には、厚さ２．５ｎｍのＣｕを用いた。また、反強磁性
層４４にも、厚さ１０ｎｍのＦｅ−４０ａｔ％Ｍｎ合金
層を用いた。この多層膜の磁気抵抗変化率は７．０％で
あった。また、磁性層に印加される交換バイアス磁界が
高いため、磁気抵抗効果素子を使用する範囲の磁界で
は、磁気抵抗効果曲線に大きなヒステリシスは認められ
なかった。

【００１５】本実施例では、結晶形制御層としてＣｕ層
を用いたが、本発明の目的からはＭｎ系反強磁性層を面
心立方構造とすることができれば、結晶形制御層として
用いることができる。

【００１６】また、本実施例では、結晶性制御層として
Ｈｆを用いたが、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから選ば
れる金属、あるいは、上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｔａ相互の合金、あるいは、上記金属を主成分とす
る合金を用いても、結晶形制御層の結晶配向性が（１１
１）となり、結晶形制御層上に形成したＭｎ系反強磁性
層を面心立方構造とすることができる。

【００１７】また、本実施例では、磁性層として、Ｎｉ
−Ｆｅ−Ｃｏ系合金層とＣｏ層との積層体を用い、非磁
性層と接触している磁性層をＣｏ層とした。これは、多
層膜の磁気抵抗変化率を高くするためである。しかし、
特に磁性層の軟磁気特性を重視する場合は、磁性層とし
てＮｉ−Ｆｅ系合金層、あるいは、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系
合金層を用いることが好ましい。また、Ｃｏ層の代わり
に、Ｃｏを主成分とする合金層を用いることもできる。

【００１８】また、本実施例では、Ｍｎを含む反強磁性
層として、Ｆｅ−Ｍｎ系合金層を用いたが、他のＭｎ系
合金を用いても良い。他のＭｎ系合金としては、Ｍｎ−
Ｉｒ系合金層、Ｃｏ−Ｍｎ系合金層、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｐｔ
系合金層、Ｃｒ−Ｍｎ系合金層、Ｃｒ−Ｍｎ系合金に貴
金属元素を添加した合金層などが好ましい。

【００１９】また、本実施例では、非磁性層として、Ｃ
ｕを用いたが、電気抵抗率の低い、Ａｕ，Ａｇを用いて
も同様の結果が得られる。しかし、磁性層として３ｄ遷
移金属を用いる場合には、磁性層とのフェルミ面のマッ
チングの観点から、非磁性層はＣｕであることが好まし
い。

【００２０】［実施例３］本発明の多層膜を用いた磁気
抵抗効果素子を形成した。本実施例では、実施例２で述
べた３層の磁性層を有する多層膜を用いた。図５に磁気
抵抗効果素子の構造を示す。磁気抵抗効果素子は、多層
磁気抵抗効果膜５１および電極５２をシールド層５３、
５４で挟んだ構造を有する。上記磁気抵抗効果素子に磁
界を印加し、電気抵抗率の変化を測定したところ、本発
明の多層磁気抵抗効果膜を用いた磁気抵抗効果素子は、
１．６ｋＡ／ｍ（２０Ｏｅ）程度の印加磁界で６．８％
の磁気抵抗変化率を示した。また、本発明の磁気抵抗効
果素子の再生出力は、Ｎｉ−Ｆｅ単層膜を用いた磁気抵
抗効果素子と比較して３．８倍であった。

【００２１】［実施例４］実施例３で述べた磁気抵抗効
果素子を用い、磁気ヘッドを作製した。磁気ヘッドの構
造を以下に示す。図６は、記録再生分離型ヘッドの一部
分を切断した場合の斜視図である。多層磁気抵抗効果膜
６１をシ−ルド層６２、６３で挾んだ部分が再生ヘッド
として働き、コイル６４を挾む下部磁極６５、上部磁極
６６の部分が記録ヘッドとして働く。また、電極６８に
は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒという多層構造の材料を用いた。

【００２２】以下にこのヘッドの作製方法を示す。Ａｌ
₂Ｏ₃・ＴｉＣを主成分とする焼結体をスライダ用の基板
６７とした。シ−ルド層、記録磁極にはスパッタリング
法で形成したＮｉ−Ｆｅ合金を用いた。各磁性膜の膜厚
は、以下のようにした。上下のシ−ルド層６２、６３は
１．０μｍ、下部磁極６５、上部６６は３．０μｍ、各
層間のギャップ材としてはスパッタリングで形成したＡ
ｌ₂Ｏ₃を用いた。ギャップ層の膜厚は、シ−ルド層と磁
気抵抗効果素子間で０．２μｍ、記録磁極間では０．４
μｍとした。さらに再生ヘッドと記録ヘッドの間隔は約
４μｍとし、このギャップもＡｌ₂Ｏ₃で形成した。コイ
ル６４には膜厚３μｍのＣｕを使用した。 以上述べた
構造の磁気ヘッドで記録再生を行ったところ、Ｎｉ−Ｆ
ｅ単層膜を用いた磁気ヘッドと比較して、３．６倍高い
再生出力を得た。これは、本発明の磁気ヘッドに高磁気
抵抗効果を示す多層膜を用いたためと考えられる。

【００２３】また、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気
ヘッド以外の磁界検出器にも用いることができる。

【００２４】［実施例５］実施例４で述べた本発明の磁
気ヘッドを用い、磁気ディスク装置を作製した。

【００２５】装置の構造を図７に示す。磁気記録媒体７
１には、残留磁束密度０．７５ＴのＣｏ−Ｎｉ−Ｐｔ−
Ｔａ系合金からなる材料を用いた。磁気ヘッド７３のト
ラック幅は２．５μｍとした。磁気ヘッド７３における
磁気抵抗効果素子は、再生出力が高いため、信号処理に
負担をかけない高性能磁気ディスク装置が得られた。

【００２６】

【発明の効果】上述のように、反強磁性層上に磁性層を
積層した場合には、反強磁性層に厚さにより、磁性層に
印加される交換バイアス磁界が変化する。反強磁性層厚
が１０ｎｍまでは、反強磁性層厚とともに、交換バイア
ス磁界は高くなる。反強磁性層厚が１０〜２５ｎｍで
は、交換バイアス磁界は、ほぼ一定である。さらに、反
強磁性層が厚くなると、交換バイアス磁界は低下する。
従って、反強磁性層厚を１０〜２５ｎｍとすることによ
り、磁性層に印加される交換バイアス磁界を高くするこ
とができる。このようにして得られた多層膜に比較的高
い磁界を印加しても、磁気抵抗効果曲線にヒステリシス
が生じにくいため、上記多層磁気抵抗効果膜は、磁気抵
抗効果素子、磁界センサ、磁気ヘッドなどに好適であ
る。また、上記磁気ヘッドを用いることにより、高性能
磁気記録再生装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２層の磁性層を有する多層磁気抵抗効
果膜の構造を示す断面図。

【図２】反強磁性層と磁性層を積層した多層膜の構造を
示す断面図。

【図３】反強磁性層厚による交換バイアス磁界の変化を
示す線図。

【図４】本発明の３層の磁性層を有する多層磁気抵抗効
果膜の構造を示す断面図。

【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の構造を示す斜視
図。

【図６】本発明の磁気ヘッドの構造を示す斜視図。

【図７】本発明の磁気ディスク装置の構造を示す概略
図。

【符号の説明】

１１，２１，３１…基板、１２，２２，３２…結晶性制
御層、１３，２３，３３…結晶形制御層、１４，２４，
３４，４４…反強磁性層、１５，１６，１８，１９，２
５，３５，３６，３９，４２，４３…磁性層、１７，３
７，４１…非磁性層、２６…保護層、５１…多層磁気抵
抗効果膜、５２…電極、５３，５４…シ−ルド層、６１
…多層磁気抵抗効果膜、６２，６３…シ−ルド層、６４
…コイル、６５…下部磁極、６６…上部磁極、６７…基
板、６８…電極、７１…磁気記録媒体、７２…磁気記録
媒体駆動部、７３…磁気ヘッド、７４…磁気ヘッド駆動
部、７５…記録再生信号処理系。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶性制御層、結晶形制御層、Ｍｎを含む
   反強磁性層、磁性層、非磁性層、磁性層の順に形成され
   ている多層膜において、上記Ｍｎを含む反強磁性層の厚
   さが１０〜２５ｎｍであり、上記非磁性層を挟む磁性層
   の磁化のなす相対角度により多層膜の電気抵抗率が変化
   することを特徴とする多層磁気抵抗効果膜。
2. 【請求項２】上記Ｍｎを含む反強磁性層がＦｅ−Ｍｎ系
   合金層、Ｍｎ−Ｉｒ系合金層、Ｃｏ−Ｍｎ系合金層、Ｃ
   ｏ−Ｍｎ−Ｐｔ系合金層、Ｃｒ−Ｍｎ系合金層、Ｃｒ−
   Ｍｎ系合金に貴金属元素を添加した合金層から選ばれる
   合金層であることを特徴とする請求項１記載の多層磁気
   抵抗効果膜。
3. 【請求項３】結晶性制御層、結晶形制御層、Ｍｎを含む
   反強磁性層、磁性層、非磁性層、磁性層、非磁性層、磁
   性層、Ｍｎを含む反強磁性層の順に形成されている多層
   膜において、上記Ｍｎを含む反強磁性層の厚さが１０〜
   ２５ｎｍであり、上記２層の非磁性層を挟む磁性層の磁
   化のなす相対角度により多層膜の電気抵抗率が変化する
   ことを特徴とする多層磁気抵抗効果膜。
4. 【請求項４】上記Ｍｎを含む反強磁性層がＦｅ−Ｍｎ系
   合金層、Ｍｎ−Ｉｒ系合金層、Ｃｏ−Ｍｎ系合金層、Ｃ
   ｏ−Ｍｎ−Ｐｔ系合金層、Ｃｒ−Ｍｎ系合金層、Ｃｒ−
   Ｍｎ系合金に貴金属元素を添加した合金層から選ばれる
   合金層であることを特徴とする請求項３記載の多層磁気
   抵抗効果膜。
5. 【請求項５】請求項１から４までのいずれかに記載の多
   層磁気抵抗効果膜を少なくとも一部に用いた磁気抵抗効
   果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。
6. 【請求項６】請求項１から４までのいずれかに記載の多
   層磁気抵抗効果膜を少なくとも一部に用いた磁気抵抗効
   果素子と誘導型磁気ヘッドとを組み合わせたことを特徴
   とする複合型磁気ヘッド。
7. 【請求項７】請求項５または６に記載の磁気ヘッドを有
   することを特徴とする磁気記録再生装置。