JPH11284248A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＲヘッド等の再生部に用いられる磁気抵抗
効果素子において、交換結合磁界を増大させることによ
り、安定かつ高い再生特性を得る。 【解決手段】 下地膜１３と第１の磁性膜１１との間
に、第１の磁性膜１１、第２の磁性膜１２及び反強磁性
膜１４の結晶性を制御するための非磁性膜１６を積層し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＨＤＤ等の磁気
ディスク装置、あるいはＤＣＣ等の磁気テープ装置の磁
気ヘッド等に用いられる磁気抵抗効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＨＤＤ等の磁気ディスク装置で
は、これまでのインダクティブヘッドに代わって、記録
・再生分離型薄膜磁気ヘッドが採用されつつある。この
磁気ヘッドでは、記録部にインダクティブヘッドが、再
生部に磁気抵抗効果型ヘッド（以下、ＭＲヘッド）が用
いられている。このＭＲヘッドは、従来のコイルを巻い
たインダクティブヘッドよりも再生特性が高感度、高出
力であるため、装置の小型化、高密度化に有利と考えら
れている。

【０００３】また最近では、より高いＭＲ効果が得られ
るＭＲヘッドに関する研究も盛んに行われており、特に
スピンバルブ膜と呼ばれる積層膜を用いたスピンバルブ
型磁気抵抗効果型ヘッドが注目されている。

【０００４】図４は、従来の一般的なスピンバルブ膜の
構成を示す概略断面図である。スピンバルブ膜の中心部
分は、非磁性金属の薄膜である非磁性中間膜２０と、こ
の中間膜２０により分離された二つの磁性薄膜である第
１の磁性膜２１及び第２の磁性膜２２により構成されて
いる。このうち、第１の磁性膜２１側には下地膜２３、
基板２５があり、第２の磁性膜２２側には反強磁性膜２
４、保護膜２５が形成されている。なお、図４は外部磁
界が加わる方向から見たときの断面を示している。

【０００５】前記二つの磁性膜２１、２２の磁化容易軸
の方向（以下、磁化方向）は、外部磁界に対しそれぞれ
異なった変化をするように設定されている。すなわち、
第１の磁性膜２１（自由層）は記録媒体からの信号磁界
により磁化方向が回転するように、また第２の磁性膜２
２（固定層）は記録媒体からの信号磁界に対し常に磁化
方向が保持されるように設定されている。このような磁
化方向を作り出す方法としては、例えば自由層には保持
力の小さい磁性膜、すなわち軟磁気特性の良い磁性膜を
用い、固定層には反強磁性膜を積層したときの交換結合
磁界を利用して固着する方法、あるいは保磁力の大きな
磁性膜を用い固着する方法などがある。

【０００６】このような状態が実現されていると、記録
媒体からの信号磁界に対して自由層の磁化方向のみが回
転し、固定層の磁化方向との間に相対的角度変化が起こ
り、膜全体としての電気抵抗は両層の磁化方向の角度の
余弦の関数として変化する。すなわち、自由層と固定層
のそれぞれの磁化の向きが同一方向を向いた時（０度）
に電気抵抗は最小になり、逆に反対を向いた時（１８０
度）に最大となる。記録媒体からの信号磁界により、こ
の変化が生じることで再生信号が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の動作が安定して
起こるようにするためには、固定層の磁化方向がしっか
りと固定されていること、すなわち固定層と反強磁性膜
との間の交換結合磁界ができるだけ大きいことが求めら
れる。一般に、実使用時のセンス電流等による温度上昇
等により交換結合磁界は減少することが知られており、
それらを考慮すると、室温での交換結合磁界は少なくと
も２００〜２５０Ｏｅ程度の値が必要とされている。さ
らに、ヘッド製造プロセスには２５０℃程度の熱処理工
程があるため、耐熱性が悪いと交換結合磁界の減少によ
り再生特性が劣化してしまう。しかし、従来のスピンバ
ルブ膜では、上述のような強さの交換結合磁界や耐熱性
を得ることが難しく、安定した再生特性を得ることはで
きなかった。

【０００８】これらの特性を満たすために、従来より第
１、第２の磁性膜や反強磁性膜の材料、結晶性、成膜法
等について様々な検討が行われており、このうち材料を
ある程度限定した場合には、特に結晶性が支配要因とな
る。この結晶性は、通常は良いことが望ましい場合が多
いが、交換結合磁界に限っては、必ずしも結晶性が良い
ことが望ましいとは言えない場合もあり、結晶性をどの
ように制御するかが課題となっていた。

【０００９】この発明の目的は、安定かつ高い再生特性
を得ることができる磁気抵抗効果素子を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、基板上に、下地膜、第１の磁性
膜、非磁性膜、第２の磁性膜、及び反強磁性膜が順に成
膜された積層膜を備えた磁気抵抗効果素子において、前
記下地膜と第１の磁性膜との間に非磁性膜を積層したこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、基板上に、下地膜、第
１の磁性膜、非磁性膜、第２の磁性膜、及び反強磁性膜
が順に成膜された積層膜を備えた磁気抵抗効果素子にお
いて、前記下地膜と第１の磁性膜との間に酸化膜又は窒
化膜を積層したことを特徴とする。

【００１２】上記非磁性膜、酸化膜及び窒化膜の膜厚
は、好ましくは０．５〜１．５ｎｍの範囲で選択され、
より好ましくは１．０ｎｍ以下の範囲で選択することが
望ましい。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は２におい
て、前記第１の磁性膜が強磁性膜と非磁性膜の積層構造
からなることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係わる磁気抵抗
効果素子を、スピンバルブ型ＭＲヘッドに適用した場合
の一実施形態について説明する。なお、この実施形態の
スピンバルブ膜をスピンバルブ型ＭＲヘッドとして構成
する場合には、このスピンバルブ膜に電流を流すための
一対の電極などが配置される。

【００１５】図１は、この実施形態のスピンバルブ型Ｍ
Ｒヘッドに用いられるスピンバルブ膜の構成を示す概略
断面図である。このスピンバルブ膜においては、基板１
５上に、下地膜１３／非磁性膜１６／第１の磁性膜（自
由層）１１／非磁性中間膜１０／第２の磁性膜（固定
層）１２／反強磁性膜１４／保護膜１５の順に膜が形成
されている。このスピンバルブ膜では、前記第１の磁性
膜１１、第２の磁性膜１２及び反強磁性膜１４の結晶性
を制御する目的で、下地膜１３と第１の磁性膜１１との
間に非磁性膜１６が積層されている。

【００１６】上記非磁性膜１６としては、酸化膜、窒化
膜あるいは同様のアモルファス系材料などを用いること
ができる。後述する実施例では、いずれも非磁性膜１６
として酸化膜を用いた例を示しているが、窒化膜を用い
た場合でも同様の結果を得ることができる。また、以下
の実施例では、いずれも非磁性膜１６の膜厚を１ｎｍに
設定しているが、０．５〜１．５ｎｍの範囲であれば、
実用的に十分な磁気特性、結晶構造を得ることができ
る。

【００１７】ここでは、実施例及び比較例として、ガラ
ス基板上に以下のような構成の積層膜を形成することで
スピンバルブ膜を作製し、その磁気特性と結晶構造につ
いて評価した。成膜にはスパッタ法を用い、成膜中に基
板面内方向に約１００Ｏｅの磁界を印加している。ただ
し、ＣｏＦｅはＣｏ９０Ｆｅ１０ａｔ％、ＩｒＭｎはＩ
ｒ２２Ｍｎ７８ａｔ％のターゲットを用いた。

【００１８】最初に、非磁性膜１６としてＳｉＯ₂ （１
ｎｍ）を用いた場合の実施例について説明する。

【００１９】［実施例１］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、非磁性膜１６としてＳｉＯ₂ （１ｎｍ）、第１の
磁性膜（自由層）１１としてＣｏＦｅ（６ｎｍ）、非磁
性中間膜１０としてＣｕ（２．５ｎｍ）、第２の磁性膜
（固定層）１２としてＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反強磁性膜
１４としてＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護膜１５としてＴａ
（５ｎｍ）の積層膜からなるスピンバルブ膜を作製した
（カッコ内は膜厚を示す、以下同様）。

【００２０】［実施例２］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、非磁性膜１６としてＳｉＯ₂ （１ｎｍ）、第１の
磁性膜１１としてＣｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．
５ｎｍ）×３、非磁性中間膜１０としてＣｕ（２．５ｎ
ｍ）、第２の磁性膜１２としてＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反
強磁性膜１４としてＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護膜１５と
してＴａ（５ｎｍ）の積層膜からなるスピンバルブ膜を
作製した。この実施例２では、第１の磁性膜１１が非磁
性膜Ｃｕと強磁性膜ＣｏＦｅの積層膜をさらに３層に積
層した積層構造となっている。

【００２１】［比較例１］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、第１の磁性膜１１としてＣｏＦｅ（６ｎｍ）、非
磁性中間膜１０としてＣｕ（２．５ｎｍ）、第２の磁性
膜１２としてＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反強磁性膜１４とし
てＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護膜１５としてＴａ（５ｎ
ｍ）の積層膜からなるスピンバルブ膜を作製した。この
比較例１では、非磁性膜１６が省略されている。

【００２２】［比較例２］第１の磁性膜１１としてＣｏ
Ｆｅ（６ｎｍ）、非磁性中間膜１０としてＣｕ（２．５
ｎｍ）、第２の磁性膜１２としてＣｏＦｅ（３ｎｍ）、
反強磁性膜１４としてＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護膜１５
としてＴａ（５ｎｍ）の積層膜からなるスピンバルブ膜
を作製した。この比較例２では、下地膜１３と非磁性膜
１６が省略されている。

【００２３】このようにして得られた積層膜からなるス
ピンバルブ膜について、それぞれ交換結合磁界、抵抗変
化率、耐熱性を調べた。結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】 表１において、◎は“良好”、○は“実使用に耐え得
る”、×は“悪い”をそれぞれ示している。比較例１は
抵抗変化率では大きな値を示しているが、交換結合磁界
は小さく、最低限必要な値を下回っており、実用には適
さない。また比較例２は、交換結合磁界、抵抗変化率と
もに良い値を示しているが、耐熱性が悪いため、実使用
時の温度上昇や熱処理工程により交換結合磁界が減少し
てしまい、ヘッド製造時に必要な再生特性を維持するこ
とはできない。この比較例の膜は、従来の一般的な膜の
特性を示している。一方、実施例１は交換結合磁界、抵
抗変化率のいずれも十分な値を示しており、また耐熱性
も向上している。表１では、実施例１よりもさらに好ま
しい特性を示した実施例２の結果を省略している。実施
例２のように、軟磁気特性を向上させるために第１の磁
性膜１１（自由層）を非磁性膜と強磁性膜の積層構造と
した場合は、自由層の保磁力が小さくなるので、実施例
１のように第１の磁性膜１１を単一構造とした場合（軟
磁気特性が良くない）に比べ、良好な結果を得ることが
できる。

【００２５】上記実施例１及び比較例１、２に示した各
スピンバルブ膜の結晶構造を評価するため、Ｘ線回析を
行った。図２は表１に示した膜のＸ線回析曲線を示すグ
ラフである。図中、縦軸はＸ線強度（Ｃ／Ｓ）、横軸は
Ｘ線の入射角度（２θ）をそれぞれ示している。膜の結
晶性が良い場合、すなわち規則正しい結晶の層ができて
いる場合は、入射したＸ線が内部で干渉を起こし、強度
が強められて出力されるため、グラフ上には強いＸ線強
度が示される。比較例１の膜では、およそ４０度から４
４度の範囲で２回強いＸ線強度を示しており、結晶性が
変化していないことがわかる。一方、実施例１及び実施
例２の膜では、グラフ上に突出したピークがなく、膜内
部の結晶性が変化していることがわかる。すなわち、実
施例１又は２のような膜構造を採ることにより、第１の
磁性膜１１、第２の磁性膜１２及び反強磁性膜１４内部
の結晶性が変化し、これにより表１のようにな特性が現
れたものと考えられる。

【００２６】次に、非磁性膜１６として大気中放置によ
る酸化膜を用いた場合の実施例について説明する。

【００２７】ここでは、実施例及び比較例として、ガラ
ス基板上にＡｌ₂ Ｏ₃ を成膜した後、以下のような構成
の積層膜を形成することでスピンバルブ膜を作製し、そ
の磁気特性と結晶構造について評価した。成膜にはスパ
ッタ法を用い、成膜中に基板面内方向に約１００Ｏｅの
磁界を印加している。ＣｏＦｅはＣｏ９０Ｆｅ１０ａｔ
％、ＩｒＭｎはＩｒ２２Ｍｎ７８ａｔ％のターゲットを
用いた。

【００２８】［実施例３］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、非磁性膜１６としては、下地膜１３を成膜した
後、試料を大気中に取り出して１０分間放置することで
酸化膜を形成した。その後、第１の磁性膜１１としてＣ
ｏＦｅ（６ｎｍ）、非磁性中間膜１０としてＣｕ（２．
５ｎｍ）、第２の磁性膜１２としてＣｏＦｅ（３ｎ
ｍ）、反強磁性膜１４としてＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護
膜１５としてＴａ（５ｎｍ）の積層膜からなるスピンバ
ルブ膜を作製した。

【００２９】［実施例４］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、非磁性膜１６としては、下地膜１３を成膜した
後、試料を大気中に取り出して２４時間放置することで
酸化膜を形成した。その後、第１の磁性膜１１としてＣ
ｏＦｅ（６ｎｍ）、非磁性中間膜１０としてＣｕ（２．
５ｎｍ）、第２の磁性膜１２としてＣｏＦｅ（３ｎ
ｍ）、反強磁性膜１４としてＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護
膜１５としてＴａ（５ｎｍ）の積層膜からなるスピンバ
ルブ膜を作製した。

【００３０】［実施例５］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、非磁性膜１６としては、下地膜１３を成膜した
後、試料を大気中に取り出して２４時間放置することで
酸化膜を形成した。その後、第１の磁性膜１１としてＣ
ｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．５ｎｍ）×３、非磁
性中間膜１０としてＣｕ（２．５ｎｍ）、第２の磁性膜
１２としてＣｏＦｅ（３ｎｍ）、反強磁性膜１４として
ＩｒＭｎ（８ｎｍ）、保護膜１５としてＴａ（５ｎｍ）
の積層膜からなるスピンバルブ膜を作製した。この実施
例５では、第１の磁性膜１１が非磁性膜Ｃｕと強磁性膜
ＣｏＦｅの積層膜をさらに３層に積層した積層構造とな
っている。

【００３１】上記実施例３〜５における非磁性膜１６の
膜厚は、ほぼ０．５〜１．５ｎｍの範囲に収まってい
る。なお、いずれの実施例においても、下地膜１３を成
膜した後、大気中に放置して酸化膜を形成する代わり
に、酸素プラズマ中又は窒素プラズマ中、あるいは両者
の混合プラズマ中に放置することで酸化膜あるいは窒化
膜を形成するようにしてもよい。

【００３２】［比較例３］下地膜１３としてＴａ（５ｎ
ｍ）、第１の磁性膜１１としてＣｕ（０．８ｎｍ）／Ｃ
ｏＦｅ（１．５ｎｍ）×３、非磁性中間膜１０としてＣ
ｕ（２．５ｎｍ）、第２の磁性膜１２としてＣｏＦｅ
（３ｎｍ）、反強磁性膜１４としてＩｒＭｎ（８ｎ
ｍ）、保護膜１５としてＴａ（５ｎｍ）の積層膜からな
るスピンバルブ膜を作製した。この比較例３では、非磁
性膜１６が省略されている。また、第１の磁性膜１１は
非磁性膜Ｃｕと強磁性膜ＣｏＦｅの積層膜をさらに３層
に積層した積層構造となっている。

【００３３】このようにして得られた積層膜からなるス
ピンバルブ膜について、それぞれ交換結合磁界、抵抗変
化率、耐熱性を調べた。結果を表２に示す。

【００３４】

【表２】 表２において、比較例３は抵抗変化率では大きな値を示
しているが、交換結合磁界は小さく、最低限必要な値を
下回っており、実用には適さない。一方、実施例３〜５
は交換結合磁界、抵抗変化率のいずれも十分な値を示し
ており、また耐熱性も向上している。

【００３５】上記実施例３、４及び比較例３に示した各
スピンバルブ膜の結晶構造を評価するため、Ｘ線回析を
行った。結果を図３に示す。図３は表２に示した膜のＸ
線回析曲線を示すグラフである。図３において、比較例
３の膜はおよそ４０度から４４度の範囲で２回強いＸ線
強度を示しており、結晶性が変化していないことがわか
る。一方、実施例３及び実施例４の膜では、グラフ上に
突出したピークがなく、内部の結晶性が変化しているこ
とがわかる。なお、表２では実施例５の結果を省略して
いるが、実施例５も実施例３、４と同様の結果を示し
た。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
磁気抵抗効果素子においては、大きな交換結合磁界によ
り、固定層の磁化方向をしっかりと固定することができ
るので、安定した再生特性を得ることができる。また、
耐熱性にも優れているため、実使用時の温度上昇や熱処
理工程による交換結合磁界の減少も少なく、高い再生特
性を得ることができる。

【００３７】特に、自由層を強磁性膜と非磁性膜の積層
構造とした場合は、さらに良好な再生特性を得ることが
できる。

【００３８】したがって、この磁気抵抗効果素子をスピ
ンバルブ型磁気抵抗効果型ヘッドに応用した場合は、安
定かつ高い再生特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のスピンバルブ型ＭＲヘッドに用いら
れるスピンバルブ膜の構成を示す概略断面図。

【図２】表１に示した膜のＸ線回析曲線を示すグラフ。

【図３】表２に示した膜のＸ線回析曲線を示すグラフ。

【図４】従来の一般的なスピンバルブ膜の構成を示す概
略断面図。

【符号の説明】

１０ 非磁性中間膜 １１ 第１の磁性膜（自由層） １２ 第２の磁性膜（固定層） １３ 下地膜 １４ 反強磁性膜 １５ 保護膜 １６ 非磁性膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、下地膜、第１の磁性膜、非磁
   性膜、第２の磁性膜、及び反強磁性膜が順に成膜された
   積層膜を備えた磁気抵抗効果素子において、 前記下地膜と第１の磁性膜との間に非磁性膜を積層した
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 基板上に、下地膜、第１の磁性膜、非磁
   性膜、第２の磁性膜、及び反強磁性膜が順に成膜された
   積層膜を備えた磁気抵抗効果素子において、 前記下地膜と第１の磁性膜との間に酸化膜又は窒化膜を
   積層したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 【請求項３】 前記第１の磁性膜が強磁性膜と非磁性膜
   の積層構造からなることを特徴とする請求項１又は２記
   載の磁気抵抗効果素子。