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JP3137580B2 - 磁性多層膜、磁気抵抗効果素子および磁気変換素子 - Google Patents

磁性多層膜、磁気抵抗効果素子および磁気変換素子

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JP3137580B2
JP3137580B2 JP08175490A JP17549096A JP3137580B2 JP 3137580 B2 JP3137580 B2 JP 3137580B2 JP 08175490 A JP08175490 A JP 08175490A JP 17549096 A JP17549096 A JP 17549096A JP 3137580 B2 JP3137580 B2 JP 3137580B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録媒体等の
磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果素子
のうち、特に小さな磁場変化を大きな電気抵抗変化信号
として読み取ることのできる磁性多層膜、およびそれを
用いた磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁気変換
素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、磁気記録における高密度化が進め
られており、これに伴い磁気抵抗変化を用いた磁気抵抗
効果型磁気ヘッド（以下、ＭＲヘッドという。）の開発
が盛んに進められている。ＭＲヘッドは、磁性材料を用
いた読み取りセンサ部の抵抗変化により、外部磁界信号
を読み出すものであるが、記録媒体との相対速度が再生
出力に依存しないことから、高密度磁気記録の信号読み
出し時においても高い出力が得られるという特徴があ
る。
【０００３】ところで現在、実際の超高密度磁気記録に
おけるＭＲヘッド材料としては、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 （パ
ーマロイ）が主に用いられている。これは、異方性磁気
抵抗効果により磁気記録媒体からの信号磁場の変化を電
気抵抗の変化として変換しているものである。しかしな
がらその抵抗変化率ΔＲ／Ｒ（ＭＲ変化率）はせいぜい
１〜３％位と小さく、また単位磁場におけるＭＲ傾き、
すなわちＭＲ感度が０．０５％／Ｏｅ程度と小さく、そ
のためＳ／Ｎの低下等を招き、３ＧＢＰＩ（Giga Bit P
er Inch2) 以上のより大きな記録密度におけるＭＲヘッ
ド材料としては不十分である。
【０００４】一方、金属の原子径オーダーの厚さの薄膜
が周期的に積層された構造をもつ人工格子は、バルク状
の金属とは異なった特性を示すために、近年注目されて
きている。このような人工格子の１種として、基板上に
強磁性金属薄膜と非磁性金属薄膜とを交互に積層した磁
性多層膜があり、これまで、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ、
ＮｉＦｅ／Ｃｕ等の磁性多層膜が知られている。このう
ち、鉄−クロム型（Ｆｅ／Ｃｒ）については、超低温
（４．２Ｋ）において４０％を超える磁気抵抗変化を示
すという報告がある。しかしながら、この人工格子磁性
多層膜では最大抵抗変化の起きる外部磁場（動作磁界強
度）が十数kOe 〜数十kOe と大きく、このままでは実用
性がない。この他、Ｃｏ／Ａｇ等の人工格子磁性多層膜
も提案されているが、これらでも動作磁場強度が大きす
ぎるという問題がある。ＮｉＦｅ／Ｃｕ系は動作磁場強
度は５００Ｏｅ以下と低いものの、ＭＲ感度はたかだか
０．５％／Ｏｅと大きくはない。
【０００５】さらに、ＭＲヘッド等では、複雑な積層構
造をとり、パターニング、平坦化等の工程でレジスト材
料のベーキングやキュア等の熱処理を必要とし、２５０
℃程度の耐熱性が必要となることがある。しかしなが
ら、従来の人工格子磁性多層膜ではこのような熱処理で
特性が劣化してしまう。
【０００６】そこで、このような事情から、スピンバル
ブという新しい構造が提案されている。これは非磁性層
を介してＮｉＦｅなどで構成されるフリー強磁性層とピ
ン止め強磁性層の２種類の磁性層が形成されており、一
方のピン止め強磁性層に隣接してＦｅＭｎ等の反強磁性
層が配置されている構成を持つ。ここではＦｅＭｎ層と
隣接するピン止め強磁性層とが直接交換結合力で結合し
ているため、このピン止め強磁性層の磁気スピンは数１
０〜数１００Ｏｅの磁場強度まで、その向きを固着され
る。一方のフリー強磁性層のスピンは外部磁場によって
自由にその向きを変えうる。その結果、小さな磁場範囲
で２〜５％の磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）、０．６〜
１％のＭＲ感度が実現され、それに関連して下記の文献
が発表されている。
【０００７】ａ．フィジカル レビュー Ｂ（Physical
Review B)，43(1991)1297 Ｓｉ／Ｔａ（５）／ＮｉＦｅ（６）／Ｃｕ（２）／Ｎｉ
Ｆｅ（４．５）／ＦｅＭｎ（７）／Ｔａ（５）［（ ）
内は各層の膜厚（単位ｎｍ）、以下同］において印加磁
場１０OeでＭＲ変化率が５．０％まで急激に立ち上がる
と述べている。
【０００８】ｂ．ジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジックス（JapaneseJournal of Applied
Physics) , 32(1993)L1441 上記文献ａの構造を多層構造としたときのＭＲ変化率に
ついて述べられている。ここでの多層構造はＮｉＦｅ
（６）／Ｃｕ（２．５）／ＮｉＦｅ（４）／ＦｅＭｎ
（５）という構成を間にＣｕをはさんで積層したもので
ある。
【０００９】ｃ．アプライド フィジックス レターズ
（Applied Physics Letters), vol.65, 1183 (1994) 交換結合の膜としてＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ等をＮｉＦｅと
積層構造にしたときの一方向性異方性の大きさやその安
定性について述べられている。
【００１０】ｄ．米国特許４９４９０３９号公報 非磁性中間層を介して積層された強磁性薄膜が各々の層
間で反平行配列をとることにより大きなＭＲ効果を示す
ことが述べられている。また、強磁性層の一方に反強磁
性材料を隣接させる構造についても述べられている。
【００１１】以上の文献に示されるスピンバルブ磁性多
層膜では、Ｆｅ／Ｃｒ，Ｃｏ／Ｃｕ，Ｃｏ／Ａｇ，Ｎｉ
Ｆｅ／Ｃｕ等に比較してＭＲ変化率の大きさは劣るもの
の、数１０Oe以下の印加磁場で急激にＭＲ曲線が変化し
ており、３Gbit/inch2以上の大きな記録密度におけるＭ
Ｒヘッド材料として適している。そして、このようなス
ピンバルブ膜では２つの磁性層の一方に隣接した反強磁
性層によってピンニングすることで大きなＭＲ効果を実
現させている。従って、反強磁性層の役割は重要であ
り、その信頼性はきわめて重要である。しかしながら、
現在、主に用いられているＦｅＭｎではネール温度が約
１５０℃と低く、実用上不十分である。また、ＦｅＭｎ
は腐食しやすく、製造プロセス上大きな問題点がある。
また、反強磁性層として比抵抗の低い金属薄膜を用いた
場合、素子に電流を流したときのシャント分が大きくな
るため、所定の出力を得るためには大きな電流を流す必
要がある。その結果、素子の発熱等の問題が生じて好ま
しくない。
【００１２】このような問題を解決するために、すでに
下記に示すような反強磁性層として高比抵抗のＮｉＯ、
α−Ｆｅ2 Ｏ3 などの酸化物系薄膜を用いることが提案
されている。
【００１３】ｅ．特開平５−３４７０１３号公報 スピンバルブ膜を用いた磁気記録再生装置について述べ
られている。特に、反強磁性膜として酸化ニッケルを用
いた場合について開示されている。
【００１４】しかしながら、酸化ニッケルを用いた場合
には耐熱性が２２０℃程度であり十分に高いとはいえな
い。また、ピン止め強磁性層の保磁力が高いため作動磁
場マージンが少ないという問題がある。
【００１５】ｆ．第１９回日本応用磁気学会誌 20，36
5-368 (1996) 反強磁性膜としてＲＦマグネトロンスパッタ法で作製し
たα−Ｆｅ2 Ｏ3 膜を用いたスピンバルブＧＭＲ膜につ
いて報告している。
【００１６】しかしながら、本報告においては、本報告
の図２に示されるように従来報告されているスピンバル
ブ膜とは異なる保磁力差によるＧＭＲ特性を示してい
る。このＧＭＲ特性は、後述する本願発明のそれと全く
異なる。従って、見かけ上の膜構成は、当該学会誌にお
けるスピンバルブ膜と本願発明のそれとは類似している
ものの、本質的な膜構造は双方で全く異なっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】一般に、スピンバルブ
膜の磁気抵抗（ＭＲ）特性は図３（後に詳述する）に示
すような変化を示し、ピン止め強磁性層４０と反強磁性
層５０の強磁性層／反強磁性層界面の交換結合によって
生じる交換バイアス磁場（または一方向性異方性磁場）
をＨex（またはＨua）、このときのピン止め強磁性層の
保磁力をＨc1とすると、Ｈex＞Ｈc1の関係を満たす必要
がある。この条件を満たさないと、素子を作動させたと
きに、ヒステリシスが大きくなりノイズが多くなるとい
う問題が生じる。
【００１８】従来、強磁性層をピン止めするために酸化
物反強磁性層を用いた場合、Ｆｅ，Ｍｎ，ＮｉＭｎなど
の金属系反強磁性層を用いた場合に比べてＨexが低いと
いう問題がある。また、十分な大きさの強磁性層／反強
磁性層界面の交換結合を得るためには結晶性の良好な酸
化物層を形成しなけらばならない。一般的に、結晶性の
良好な酸化物薄膜を得るためには、数百Å以上の酸化物
層厚さが必要とされており、従って、酸化物反強磁性層
を強磁性層のピン止めのために用いる場合には、ＭＲ素
子構造上および膜特性上、酸化物反強磁性層上にピン止
め強磁性層／非磁性層／フリー強磁性層を順番に形成す
る必要がある。
【００１９】しかしながら、酸化物反強磁性層の厚さが
あまり厚くなると、ピン止め強磁性層の保磁力Ｈc1が大
きくなり、Ｈex＞Ｈc1の関係を満たすことができなくな
る。また、上部に形成するフリー強磁性層の保磁力Ｈc2
や異方性磁場も大きくなり、高いＭＲ感度が得られない
という問題もある。図４（後に詳述する）に示されるよ
うなＭＲヘッドにおいてはスピンバルブ膜（磁性多層
膜）２００は絶縁膜４００とともにシールド膜３００の
間に設けられ、記録密度はシールドギャップ間隔で決ま
る。そのため、スピンバルブ多層膜自体の全厚が厚くな
ると、超高密度記録再生の観点からも望ましくない。従
って、酸化物反強磁性層の厚さはできる限り薄く、かつ
所定の必要な特性を備えていることが要求される。つま
り、酸化物反強磁性層を用いたスピンバルブ膜をＭＲヘ
ッドなどに適用する場合は、できる限り薄い層厚で、十
分な大きさの交換結合磁場Ｈexが得られる酸化物反強磁
性層を形成する必要がある。
【００２０】本発明はこのような実状のものに創案され
たものであって、その目的は、実用上十分な信頼性を示
す酸化物反強磁性層の提供と、大きなＭＲ変化率を示
し、印加磁場が例えば−１０〜１０Ｏｅ程度のきわめて
小さい範囲で直線的なＭＲ変化の立ち上がり特性を示
し、磁場感度が高く、高周波磁界でのＭＲ傾きが大きい
磁性多層膜と、それを用いた磁気抵抗効果素子、および
磁気抵抗効果型ヘッド等の磁気変換素子を提供すること
にある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明者らが酸化物反強磁性層を用いた強磁
性層／反強磁性層の交換結合膜およびスピンバルブ多層
膜について鋭意研究した結果、酸化物反強磁性層の表面
粗度および結晶粒径を所定の大きさに設定することによ
って、５００Å以下の薄い酸化物反強磁性層厚さでも、
十分な大きさの交換バイアス磁場が得られることを見い
だし、本発明に至ったものである。
【００２２】すなわち、本発明は、基板上に、酸化物反
強磁性層と、この酸化物反強磁性層によりピン止めされ
るピン止め強磁性層と、非磁性金属層と、フリー強磁性
層とが順次積層された磁性多層膜、ないしはそれを用い
た磁気抵抗効果素子、ないしはそれを用いた磁気変換素
子であって、前記酸化物反強磁性層のピン止め強磁性層
側における表面粗度Ｒａが０．６ｎｍ以下、かつ前記酸
化物反強磁性層の結晶粒径Ｄが１０〜４０ｎｍであるよ
うに構成される。
【００２３】本発明の好適な態様として、前記酸化物反
強磁性層がＦｅＯX （１．４０≦ｘ≦１．５５、単位は
原子比）からなるように構成される。
【００２４】本発明の好適な態様として、前記酸化物反
強磁性層が（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏ（０．３≦ｙ≦１．
０、単位は原子比）からなるように構成される。
【００２５】本発明の好適な態様として、前記酸化物反
強磁性層は、Ａｒと酸素の混合ガス雰囲気中でＲＦスパ
ッタ法により成膜されて構成される。
【００２６】本発明の好適な態様として、前記ピン止め
強磁性層が、Ｃｏ100-z Ｆｅz （０≦ｚ≦２０、単位は
原子％）で表される組成からなるように構成される。
【００２７】本発明の好適な態様として、前記非磁性金
属層が、Ａｕ、Ａｇ、およびＣｕの中から選ばれた少な
くとも一種を含む材料からなるように構成される。
【００２８】
【発明の実施の態様】以下、本発明の具体的構成につい
て詳細に説明する。
【００２９】図１は、本発明の実施の態様である磁性多
層膜１の断面模式図である。
【００３０】図１において、磁性多層膜１は、酸化物反
強磁性層５０と、この酸化物反強磁性層５０によりピン
止めされるピン止め強磁性層４０と、非磁性金属層３０
と、フリー強磁性層２０とが順次積層された磁性多層膜
を有する積層体構造をなしている。これらの積層体は、
図１に示されるように、基板５の上に順次形成されてい
き、フリー強磁性層２０の上には、通常、保護層８０が
形成される。さらに、この磁性多層膜１の両端部には、
例えば、磁区制御用の硬磁性膜および電極膜（リード
膜）等がそれぞれ形成され、磁気抵抗効果素子となる
（図８参照）。
【００３１】本発明では、外部から加わる信号磁界の向
きに応じて非磁性金属層３０を介して、その両側に隣接
して形成されたフリー強磁性層２０とピン止め強磁性層
４０との互いの磁化の向きが実質的に異なることが必要
である。その理由は、本発明の原理が、非磁性金属層３
０を介して形成されたフリー強磁性層２０とピン止め強
磁性層４０の磁化の向きがズレているとき、伝導電子が
スピンに依存した散乱を受け、抵抗が増え、磁化の向き
が互いに逆向きに向いたとき、最大の抵抗を示すことに
あるからである。すなわち、本発明では、図２に示され
るように外部からの信号磁場がプラス（記録媒体９０の
記録面９３から向かって上向き（符号９２で表される）
であるとき、隣合った磁性層の磁化の方向が互いに逆向
きの成分が生じ、抵抗が増大するのである。
【００３２】ここで、本発明の磁気抵抗効果素子に用い
られる（スピンバルブ）磁性多層膜における、磁気記録
媒体からの外部信号磁場と、フリー強磁性層２０とピン
止め強磁性層４０の互いの磁化の方向、及び電気抵抗の
変化の関係を説明する。
【００３３】今、本発明の理解を容易にするために、図
１に示されるごとく、１つの非磁性金属層３０を介して
１組のフリー強磁性層２０とピン止め強磁性層４０とが
存在する最もシンプルな磁性多層膜の場合について、図
２および図３を参照しつつ説明する。
【００３４】図２に示されるように、ピン止め強磁性層
４０は後に述べる方法によって媒体面に向かって下向き
方向にその磁化をピン止めされている（符号４１）。も
う一方のフリー強磁性層２０は、非磁性金属層３０を介
して形成されているので、その磁化方向は外部からの信
号磁界によって向きを変える（符号２１）。このとき、
フリー強磁性層２０とピン止め強磁性層４０の磁化の相
対角度は、磁気記録媒体９０からの信号磁界の向きによ
って大きく変化する。その結果、磁性層内に流れる伝導
電子が散乱される度合いが変化し、電気抵抗が大きく変
化する。
【００３５】これによって通常のパーマロイの異方性磁
気抵抗効果とはメカニズムが本質的に異なる大きなＭＲ
（Magneto-Resistance) 効果が得られる。
【００３６】フリー強磁性層２０，ピン止め強磁性層４
０との磁化の向きは外部磁場に対して相対的に変化す
る。それらの磁化の向きの変化が磁化曲線とＭＲ曲線と
に対応させて図３に示される。ここでは、酸化物反強磁
性層５０により、ピン止め強磁性層４０の磁化は全てマ
イナス方向（記録媒体９０の記録面から向かって下向
き）に固定されている。外部信号磁場がマイナスの時は
フリー強磁性層２０の磁化もマイナス方向を向く。い
ま、説明を簡単にするためにフリー強磁性層２０，ピン
止め強磁性層４０の保磁力を０に近い値とする。信号磁
場ＨがＨ＜０の領域（Ｉ）では、まだフリー強磁性層２
０およびピン止め強磁性層４０両磁性層の磁化方向は一
方向を向いている。
【００３７】外部磁場を上げてＨがフリー強磁性層２０
の保磁力を越えると軟磁性層の磁化方向は信号磁場の方
向に回転し、フリー強磁性層２０およびピン止め強磁性
層４０のそれぞれの磁化の向きが反平行となるのにつれ
て磁化と電気抵抗が増加をする。そして一定値となる
（領域（II）の状態）。このとき酸化物反強磁性層５０
により、ある交換バイアス磁場Ｈexが働いている。信号
磁場がこのＨexを越えるとピン止め強磁性層４０の磁化
も信号磁場の方向に回転し、領域（III)でフリー強磁性
層２０およびピン止め強磁性層４０のそれぞれの磁化方
向は、一方向に揃って向く。このとき、磁化はある一定
値に、ＭＲ曲線は０となる。
【００３８】逆に信号磁場Ｈが減少するときは、今まで
と同様に、フリー強磁性層２０およびピン止め強磁性層
４０の磁化反転に伴い、領域（III)から（II）、（I)と
順次変化する。ここで領域（II）のはじめの部分で、伝
導電子がスピンに依存した散乱を受け、抵抗は大きくな
る。領域（II）のうち、ピン止め強磁性層４０はピン止
めされているためほとんど磁化反転はしないが、フリー
強磁性層２０は直線的にその磁化を増加させるため、フ
リー強磁性層２０の磁化変化に対応し、スピンに依存し
た散乱を受ける伝導電子の割合が徐々に大きくなる。す
なわち、フリー強磁性層２０に例えばＨｃの小さなＮｉ
0.8 Ｆｅ0.2 を選び、適当な異方性磁場Ｈｋを付与する
ことにより、Ｈｋ付近以下の数Oe〜数１０Oeの範囲の小
外部磁場で抵抗変化が直線的、かつ大きな抵抗変化率を
示す磁性多層膜が得られる。
【００３９】以下、上述してきた磁性多層膜１の各構成
について詳細に説明する。この磁性多層膜における第一
の特徴点は、酸化物反強磁性層５０の構成にある。
【００４０】本発明における磁性多層膜の酸化物反強磁
性層５０は、隣接するピン止め強磁性層４０の磁化をピ
ン止めさせるために用いられており、酸化物反強磁性層
５０のピン止め強磁性層４０側における表面粗度Ｒａ
は、０．６ｎｍ以下の範囲に設定される。この値が０．
６ｎｍを超えると、十分な大きさの交換バイアス磁場Ｈ
exが得られないという不都合が生じてしまい、十分なピ
ン止め効果（交換結合）が得られないという問題があ
る。この一方で表面粗度Ｒａの下限値は理想的にはでき
るだけ小さいことが好ましいが、現実的には０．０５ｎ
ｍ程度とされる。この表面粗度Ｒａは、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）によって測定することができる。
【００４１】さらに、酸化物反強磁性層５０は、このも
のを構成する組成物の結晶粒径Ｄが１０〜４０ｎｍ、よ
り好ましくは、２０〜４０ｎｍの範囲とされる。この結
晶粒径Ｄの値が、１０ｎｍ未満となると、酸化物反強磁
性層５０そのものの結晶性が悪くなり、Ｈexが小さくな
ってしまうという不都合が生じてしまう。また、結晶粒
径Ｄの値が４０ｎｍを超えると、酸化物反強磁性層５０
の上に形成したピン止め強磁性層４０の保磁力Ｈc1が大
きくなりＨex＜Ｈc1となってしまう。また、フリー強磁
性層２０の保磁力Ｈc2やＨk も大きくなるためにＭＲ素
子としてのヒステリシスが大きくなり、ノイズが上昇
し、かつ磁場感度が悪くなるという不都合が生じる。な
お、結晶粒径Ｄの大きさは、ＴＥＭによるイメージ像の
観察により測定すればよい。
【００４２】本発明における酸化物反強磁性層５０は、
ＦｅＯx または（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏで示される金属酸
化物から構成される。ここで、ｘの範囲は、１．４０≦
ｘ≦１．５５、より好ましくは、１．４２≦ｘ≦１．５
０であり、ｙの範囲は、０．３≦ｙ≦１、より好ましく
は、０．６≦ｙ≦１である。なお、ｘおよびｙの単位は
原子比を示す。上記ＦｅＯx において、ｘの値が１．４
０未満となると、酸化物反強磁性層５０そのものの熱安
定性が悪くなり、スピネル型強磁性層（マグネタイト
等）に相変化してしまうという問題がある。この一方
で、ｘの値が１．５５を超えると、過剰な酸素が隣接し
ているピン止め強磁性層４０中に拡散していき、ピン止
め強磁性層４０の保磁力Ｈc1の増大をもたらすという不
都合が生じる。また、上記（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏにおい
て、ｙの値が、０．３未満となると室温における交換結
合磁場Ｈexは大きくなるものの、ネール温度が低くなる
ためにブロッキング温度も低くなり、ＭＲ素子の動作時
（素子温度約１００℃）におけるＨexは小さくなる。そ
のため、バルクハウゼンノイズが生じてしまう。
【００４３】本発明における酸化物反強磁性層５０は、
Ａｒと酸素の混合ガス雰囲気中で、特に、ＲＦスパッタ
法により作製することが好ましい。酸素を入れずに純Ａ
ｒ雰囲気でスパッタするとターゲットが還元されるた
め、作製した膜組成が徐々に酸素poorとなるために、所
定の膜組成からずれてしまうという不都合がある。それ
に伴い、Ｈexのばらつきが生じて、良好な再現性が得ら
れなくなってしまう。なお、酸素量を多くすれば膜を構
成する結晶粒径Ｄが小さくなる傾向にある。従って、Ａ
ｒと酸素の混合比を調整することによって、上記酸化物
反強磁性層５０の結晶粒径Ｄをある程度調整することが
可能である。
【００４４】この酸化物反強磁性層５０の厚さは、８ｎ
ｍ〜１００ｎｍ、好ましくは８ｎｍ〜５０ｎｍ、より好
ましくは８ｎｍ〜３０ｎｍの範囲とするのがよい。ピン
止め層である酸化物反強磁性層５０が８ｎｍ未満となり
薄くなると結晶性が悪くなり反強磁性を示さなくなって
しまう。逆に厚い分は余り問題がないが、あまり厚すぎ
るとＭＲヘッドとしてのギャップ長（シールド−シール
ド間の長さ）が大きくなってしまい、超高密度磁気記録
に適さなくなってしまう。従って、１００ｎｍより小さ
いほうがよい。
【００４５】また、前記ピン止め強磁性層４０は、Ｃｏ
100-z Ｆｅz （ｚの範囲は０≦ｚ≦２０、より好ましく
は、８≦ｚ≦１２；単位は原子％）で表される組成を用
いるのがよい。この組成におけるｚの値が２０原子％を
超えると、ＭＲ変化率は大きくなるものの、磁歪が大き
くなるために、ピン止め強磁性層４０の保磁力Ｈc1が大
きくなってしまうとともに、酸化物反強磁性層５０とピ
ン止め強磁性層４０の界面における交換結合の熱安定性
が悪くなる。
【００４６】このようなピン止め強磁性層４０の厚さ
は、０．６〜１０ｎｍ、より好ましくは、２〜６ｎｍと
される。この値が、０．６ｎｍ未満となると、磁性層と
しての特性が失われる。この一方で、この値が１０ｎｍ
を超えると、前記酸化物反強磁性層５０からの交換バイ
アス磁場が小さくなり、この強磁性層のスピンのピン止
め効果が十分に得られなくなる。
【００４７】このようなピン止め強磁性層４０は上述の
ごとく酸化物反強磁性層５０と直接接しているため、両
者に直接層間相互作用が働き、ピン止め強磁性層４０の
磁化回転が阻止される。一方、後に詳述するフリー強磁
性層２０は、外部からの信号磁場により、自由にその磁
化を回転させることができる。その結果、フリー強磁性
層２０とピン止め強磁性層４０との両者の磁化に相対的
な角度が生み出され、この磁化の向きの違いに起因した
大きなＭＲ効果が得られる。
【００４８】前記フリー強磁性層２０は、Ｆｅ，Ｎｉ，
Ｃｏ等やこれらの元素を含む合金や化合物から構成さ
れ、特に限定されるものではないが、保磁力Ｈc 、異方
性磁場Ｈk の小さな磁性層を用いた方がＭＲ曲線のヒス
テリシスが少なく、かつ立ち上がりが急峻となり、好ま
しい結果が得られる。特に、Ｎｉu Ｆｅv Ｃｏ100-u-v
（ｕの範囲は２０≦ｕ≦９０、より好ましくは、５０≦
ｕ≦８５；ｖの範囲は１０≦ｖ≦３５、より好ましく
は、１５≦ｖ≦２０であり、ｕ及びｖの単位はそれぞれ
原子％である）で表される組成のものを用いるのが好ま
しい。この組成におけるｕおよびｖの値が、上記の範囲
を外れると、やはり磁歪が大きくなるため、フリー強磁
性層２０の保磁力Ｈc2が大きくなり、大きなＭＲ変化率
や高いＭＲ感度が得られない。
【００４９】このようなフリー強磁性層２０の厚さは、
２〜１５ｎｍ、好ましくは、３〜１０ｎｍ、さらに好ま
しくは、３〜５ｎｍとされる。この値が、２ｎｍ未満と
なると、良好なフリー強磁性層としての特性が得られな
い。この一方で、この値が１５ｎｍを超えると、多層膜
全体の厚さが厚くなり、磁性多層膜全体の抵抗が大きく
なり、ＭＲ効果が減少してしまう。
【００５０】このようなフリー強磁性層２０と前記ピン
止め強磁性層４０との間に介在される非磁性金属層３０
は、効率的に電子を導くために、伝導性のある金属が望
ましい。より具体的には、Ａｕ、Ａｇ、およびＣｕの中
から選ばれた少なくとも１種、またはこれらの少なくと
も１種以上を６０ｗｔ％以上含む合金等が挙げられる。
【００５１】このような非磁性金属層３０の厚さは、
１．５〜４ｎｍであることが好ましい。この値が１．５
ｎｍ以下になると、このものを介して配置されているフ
リー強磁性層２０とピン止め強磁性層４０とが交換結合
してしまい、フリー強磁性層２０とピン止め強磁性層４
０とのスピンがそれぞれ独立に機能しなくなってしまう
という不都合が生じる。この値が４ｎｍを超えると、上
下に位置するフリー強磁性層２０とピン止め強磁性層４
０の界面で散乱される電子の割合が減少してしまい、Ｍ
Ｒ変化率の減少が起こってしまうという不都合が生じ
る。
【００５２】上述してきた、これらの各層は少なくとも
基板５側から酸化物反強磁性層５０、ピン止め強磁性層
４０、非磁性金属層３０、フリー強磁性層２０の順に積
層されていることが必要である。この積層の順序は酸化
物反強磁性層５０の制約からきている。すなわち、基板
５の上に、酸化物反強磁性層５０から積層をはじめるこ
とで、酸化物反強磁性層５０の反強磁性を十分に実現す
ることができるからである。さらに、より大きなＭＲ変
化率を実現するという観点からは基板５の上に、酸化物
反強磁性層、ピン止め強磁性層、非磁性金属層、フリー
強磁性層、非磁性金属層、ピン止め強磁性層、酸化物反
強磁性層というさらなる積層構造ももちろん可能であ
る。
【００５３】保護層８０は、成膜プロセスの過程での磁
性多層膜表面の酸化を防止し、その上部に形成されるシ
ールドギャップ絶縁膜とのぬれ性や、密着強度の向上と
いう目的のために形成され、このものは、Ｔｉ，Ｔａ，
Ｗ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｚｒ等の材料より形成される。厚さ
は、通常、３〜３０ｎｍ程度とされる。
【００５４】基板５は、ガラス、アルミナ、ケイ素、Ｍ
ｇＯ、ＧａＡｓ、フェライト、アルティック、ＣａＴｉ
Ｏ3 等の材料により形成される。厚さは、通常、０．５
〜１０ｍｍ程度とされる。また、これらの基板５上に、
アルミナ、ＳｉＯ2 などの膜を１００〜３００ｎｍ厚さ
に形成し、その上に磁性多層膜１を順次形成しても良
い。
【００５５】各層の材質及び層厚を上記のように規定
し、さらに、少なくともフリー強磁性層２０の成膜時
に、後述する膜面内の一方向に外部磁場を印加して、異
方性磁界Ｈｋを２〜２０Oe、より好ましくは２〜１６O
e、特に２〜１０Oe付与することが好ましい。これによ
って、形成された磁性多層膜は、ＭＲ変化曲線の立ち上
がり部分におけるＭＲ傾きが０．５％／Oe以上、特に
０．８％／Oe以上、通常０．５〜１．５％／Oeが得られ
る。また、ＭＲ変化曲線の最大ヒステリシス幅が８Oe以
下、通常０〜６Oeとなる。その上さらに、１MHz の高周
波磁界でのＭＲ傾きが０．７％／Oe以上、より好ましく
は０．８％／Oe以上、通常０．７〜１．５％／Oeとする
ことができ、高密度記録の読み出し用のＭＲヘッド等に
用いる場合、十分な性能を得ることができる。フリー強
磁性層の異方性磁界Ｈｋが２Oe未満となると、保磁力と
同程度となってしまい、０磁場を中心とした直線的なＭ
Ｒ変化曲線が実質的に得られなくなるため、ＭＲ素子と
しての特性が劣化する。また２０Oeより大きいとＭＲ傾
きが小さくなり、この膜をＭＲヘッド等に適用した場
合、出力が低下しやすく、かつ分解能が低下する。ここ
でこれらのＨｋは、外部磁場として成膜時に１０〜３０
０Oeの磁場を印加することで得られる。外部磁場が１０
Oe以下ではＨｋを誘起するのに十分ではないし、また、
３００Oeを越えても効果は変わらないが、磁場発生のた
めのコイルが大きくなってしまい、費用もかさんで非効
率的である。
【００５６】なお、ＭＲ変化率は、最大比抵抗をρmax
、最小比抵抗をρsat としたとき、（ρmax −ρsat
）×１００／ρsat （％）として表される。また、最
大ヒステリシス幅は、±３０Ｏｅでの磁気抵抗変化曲線
（ＭＲカーブ）を測定して算出したヒステリシス幅の最
大値である。さらに、ＭＲ感度は、ＭＲカーブを測定
し、その微分曲線を求めて得られた−２０〜＋２０Oeで
の微分値の最大値である。
【００５７】上述してきた磁性多層膜１をそれぞれ繰り
返し積層したものを用いて、磁気抵抗効果素子とするこ
ともできる。磁性多層膜の繰り返し積層回数ｎに特に制
限はなく、目的とする磁気抵抗変化率等に応じて適宜選
択すればよい。昨今の磁気記録の超高密度化に対応する
ためには、磁性多層膜の全層厚が薄いほど良い。しかし
薄くなると通常、ＭＲ効果は同時に小さくなってしまう
が、本発明に用いられる磁性多層膜は、繰り返し積層回
数ｎが１の場合でも十分実用に耐えうる多層膜を得るこ
とができる。また、積層数を増加するに従って、抵抗変
化率も増加するが、生産性が悪くなり、さらにｎが大き
すぎると素子全体の抵抗が低くなりすぎて実用上の不便
が生じることから、通常、ｎを１０以下とするのが好ま
しい。なお、人工格子の長周期構造は、小角Ｘ線回折パ
ターンにて、くり返し周期に応じた１次２次ピーク等の
出現により確認することができる。超高密度磁気記録用
ＭＲヘッド等の磁気変換素子に応用するための、ｎの好
ましい範囲は１〜５である。
【００５８】また、繰り返し積層回数ｎをできる限り小
さくするには、フリー強磁性層を１層、酸化物反強磁性
層を２層とした、基板側より、酸化物反強磁性層、ピン
止め強磁性層、非磁性金属層、フリー強磁性層、非磁性
金属層、ピン止め強磁性層、酸化物反強磁性層という構
造が好ましい。
【００５９】前記磁性多層膜１の各層の成膜は、イオン
ビームスパッタ法、スパッタリング法、蒸着法、分子線
エピタキシー法（ＭＢＥ）等の方法で行なわれるが、酸
化物反強磁性層５０の成膜に関しては、前述したように
ＲＦスパッタ法を用いるのがよい。
【００６０】基板５としては、前述したようにガラス、
アルミナ、ケイ素、ＭｇＯ、ＧａＡｓ、フェライト、ア
ルティック、ＣａＴｉＯ3 等を用いることができる。ま
た、これらの基板５上に、アルミナ、ＳｉＯ2 などの膜
を１００〜３００ｎｍ厚さに形成し、その上に磁性多層
膜１を順次形成することもできる。成膜に際しては、前
述したように成膜時に、膜面内の一方向に１０〜３００
Oeの外部磁場を印加することが好ましい。これにより、
フリー強磁性層２０にＨｋを付与することができる。な
お、外部磁場の印加方法は、フリー強磁性層２０成膜時
のみ、磁場の印加時期を容易に制御できる例えば電磁石
等を備えた装置を用いて印加し、酸化物反強磁性層５０
成膜時は印加しない方法であってもよい。あるいは、成
膜時を通して常に一定の磁場を印加する方法であっても
よい。
【００６１】次に、前記実施例で説明した磁性多層膜
１、および磁性多層膜１を備える磁気抵抗効果素子の発
明を発展させ、電子の流れる経路を詳細に検討し、磁気
変換素子の発明に至った。ここでいう磁気変換素子と
は、磁気抵抗効果素子、導電膜および電極部を含んでな
るものであって、より具体的には、磁気抵抗効果型ヘッ
ド（ＭＲヘッド）、ＭＲセンサ、強磁性メモリ素子、角
度センサ等を含む広い概念のものである。
【００６２】ここでは、磁気変換素子の一例として磁気
抵抗効果型ヘッド（ＭＲヘッド）を取り挙げて、以下、
説明する。
【００６３】図４に示されるように磁気抵抗効果型ヘッ
ド（ＭＲヘッド）１５０は、信号磁場を感磁するための
感磁部分としての磁性多層膜２００と、この磁性多層膜
２００の両端部２００ａ，２００ａに形成された電極部
１００，１００とを有している（これらを含む符号６０
０は磁気抵抗効果素子を示す）。そして、感磁部分とし
ての磁性多層膜２００の端部２００ａ，２００ａは、そ
の両端部全体が電極部１００，１００に接する状態で接
続されていることが好ましい。なお、導体膜１２０，１
２０は、前記電極部１００，１００を介して磁性多層膜
２００と導通している。本発明では、便宜上、導体膜１
２０と電極部１００とに分けているが、導体膜１２０と
電極部１００は、本来一体的に薄膜形成法により形成さ
れている場合が多く、これらは一つ部材と考えてもよ
い。
【００６４】ＭＲヘッドにおける感磁部分としての磁気
抵抗効果素子６００に用いられる磁性多層膜２００は、
前記図１に示される磁性多層膜１と実質的に同様な積層
構造のものが用いられる。すなわち、磁性多層膜２００
は、図１に示される磁性多層膜１に置換され、その結
果、磁性多層膜２００は、酸化物反強磁性層５０と、こ
の酸化物反強磁性層によりピン止めされるピン止め強磁
性層４０と、非磁性金属層３０と、フリー強磁性層２０
とが順次積層された構造を備えている。
【００６５】ここで重要な点は、以上のようにして形成
した磁気抵抗効果素子６００は、いわゆるスピンバルブ
型の磁気抵抗変化を示すという点である。スピンバルブ
型の磁気抵抗変化とは、非磁性金属層３０と、非磁性金
属層３０の一方の面に形成されたピン止め強磁性層４０
と、非磁性金属層３０の他方の面に形成されたフリー強
磁性層２０と、前記ピン止め強磁性層４０の磁化の向き
をピン止めするために強磁性層の上に形成された酸化物
反強磁性層５０とを有する磁性多層膜において、外部の
信号磁界が０の時にフリー強磁性層２０とピン止めされ
たピン止め強磁性層４０のスピンの成す角度が、鋭角方
向から見てほぼ、９０度に近く設定されているものをい
う。実際は４５〜９０度の角度であることが多いが、好
ましくは６０度から９０度の範囲である。また、ピン止
めはピン止め強磁性層４０と酸化物反強磁性層５０との
直接交換相互作用、特に本発明の場合は反強磁性層−強
磁性層間の直接交換相互作用、でもたらされるので、磁
気抵抗効果曲線（ＭＲ曲線）は外部磁場が０のときを中
心にしてプラス、マイナスの外部磁場に対し、左右非対
称となるのが特徴である。
【００６６】そして図４に示されるように磁気抵抗効果
型ヘッド（ＭＲヘッド）１５０は、磁気抵抗効果素子６
００を上下にはさむようにシールド層３００，３００が
形成されるとともに、磁気抵抗効果素子６００とシール
ド層３００，３００との間の部分にはシールドギャプ絶
縁層４００が形成される。
【００６７】ここで感磁部分としての磁気抵抗効果素子
６００に用いられるピン止め強磁性層４０、非磁性金属
層３０、フリー強磁性層２０および酸化物反強磁性層５
０は、それぞれ、前記磁性多層膜の実施例で述べたもの
と同様の材質、厚さのものを用いることが望ましい。
【００６８】ここで磁気抵抗効果素子６００の磁性多層
膜２００に流れる電流の経路を詳細に検討した結果、電
流としての電子は磁性多層膜内のある部分に片寄って流
れていることが判明した。すなわち、磁性多層膜を構成
する各層のうち、酸化物反強磁性層５０を形成する酸化
物は、ほぼ絶縁層に近いものである。したがって、電子
は比抵抗の小さいフリー強磁性層２０や非磁性金属層３
０に片寄って流れる。従来のスピンバルブ膜を用いたＭ
Ｒヘッドでは感磁部分としてのフリー強磁性層を形成し
た後に、非磁性金属層、ピン止め強磁性層、反強磁性層
と積層し、その層の上面に電極を形成していた。これで
は比抵抗の極めて大きな反強磁性層に電極が接するた
め、測定のためのセンス電流（ＭＲヘッドとして動作さ
せるために必要な定電流）が流れることが困難となる。
また、接触抵抗が大きく、製造工程上歩留まりも低下し
てしまう。
【００６９】そこで、積層順序を逆とし、絶縁層に近い
酸化物反強磁性層５０を基板５に近い方としたうえに、
図４に示すように、電流を流す電極部１００を磁気抵抗
効果素子６００の磁性多層膜２００の積層方向にその端
部２００ａ，２００ａ全体が接する構造とすることで、
これらの問題点を解決することができる。つまり、電子
はフリー強磁性層２０とピン止め強磁性層４０に挟まれ
た部分を中心に流れる。すると、このフリー強磁性層２
０とピン止め強磁性層４０とのスピンの方向によって磁
気散乱され、抵抗が大きく変化する。したがって微小な
外部磁場の変化を大きな電気抵抗の変化として検出する
ことができるのである。
【００７０】また、前述したように、少なくともフリー
強磁性層２０の成膜時に膜面内の一方向に外部磁場を印
加して異方性磁場Ｈｋを誘起することで、さらに高周波
特性を優れたものとすることができる。ここで、磁性多
層膜にＭＲ効果を起こさせるための電流を流す方向に外
部磁場を印加し、これにより異方性磁場を誘起させる。
通常、磁性多層膜を短冊状に加工し、その長手方向に電
流を流すので、磁場をその長手方向に印加して成膜する
と良い。言い換えれば、ＭＲヘッドとしての電流が流れ
る方向と同じ方向、すなわち、信号磁場方向と垂直かつ
面内方向に磁場を印加して成膜するとよい。すると、磁
性多層膜を構成するフリー強磁性層は短冊長手方向が磁
化容易方向に、短冊短辺方向が磁化困難方向となり、異
方性磁場Ｈｋが発生する。ここで信号磁場は短冊状磁性
多層膜の短辺方向に印加されるので、フリー強磁性層の
高周波磁気特性が向上し、大きな高周波領域でのＭＲ特
性が得られる。ここで印加する磁場の大きさは１０〜３
００Oeの範囲にあればよい。そして、フリー強磁性層２
０に誘起する異方性磁場Ｈｋは３〜２０Oe、より好まし
くは３〜１６Oe、特に３〜１２Oeとするとよい。異方性
磁界Ｈｋが３Oe未満ではフリー強磁性層２０の保磁力と
同程度となってしまい、０磁場を中心とした直線的なＭ
Ｒ変化曲線が実質的に得られなくなり、ＭＲヘッドとし
ての特性が劣化する。また２０Oeより大きいとＭＲ傾き
（単位磁場当たりのＭＲ変化率）が小さくなり、ＭＲヘ
ッド等として用いる際、出力が低下しやすく、かつ分解
能が低下する。
【００７１】さらに、酸化物反強磁性層５０を成膜する
際には、フリー強磁性層２０を成膜する際の印加磁場の
方向と垂直方向に磁場を印加すると良い。つまり磁性多
層膜２００の膜面内でかつ、測定電流と直角方向とな
る。ここで印加する磁場の大きさは１０〜３００Oeの範
囲にあればよい。これにより、酸化物反強磁性層５０に
よりピン止め強磁性層４０の磁化の方向が確実に印加磁
場方向（測定電流と直角方向）に固着され、信号磁場に
よってその向きを容易に変えうるフリー強磁性層２０の
磁化と最も合理的に反平行状態を作り出すことができ
る。もっともこれは必要条件ではなく、酸化物反強磁性
層５０を成膜する際に、フリー強磁性層２０を成膜する
際に印加する磁場の方向と同じ向きであっても良い。こ
の時は磁性多層膜２００の成膜後、工程中で２００℃程
度の熱処理を行う際に、短冊短辺方向（フリー強磁性層
２０を成膜する際の印加磁場の方向と垂直方向）に磁場
を印加しながら、温度を下げていくと良い。
【００７２】ＭＲヘッドを製造する場合、その製造工程
の中でパターニング、平坦化等でベーキング、アニーリ
ング、レジストキュア等の熱処理が不可避である。
【００７３】一般的にこれら人工格子と呼ばれるような
磁性多層膜を有する磁気抵抗効果素子では、構成する各
層の厚さ故、耐熱性が問題となる場合が多かった。本発
明による磁気抵抗効果素子（磁性多層膜）では磁場を印
加し、磁性層に異方性磁場を付与することにより、製膜
後、３００℃以下、一般に１００〜３００℃、１時間程
度の熱処理に十分対応できる。熱処理は通常、真空中、
不活性ガス雰囲気中、大気中等で行えばよいが、特に１
０-7Torr以下の真空（減圧下）中で行なうことで特性劣
化の極めて少ない磁気抵抗効果素子（磁性多層膜）が得
られる。また、加工工程でのラッピングやポリッシング
においてもＭＲ特性が劣化することはほとんどない。
【００７４】また、本願における酸化物反強磁性層５０
を成膜後、真空成膜装置から基板を取り出し、その後、
大気中や酸素雰囲気中、もしくは真空中１００℃〜３０
０℃の温度で熱処理を施した後、引き続き真空製膜装置
に基板を戻し、続きのスピンバルブ構造（残りの積層膜
構造）を形成してもよい。この場合は、酸化物反強磁性
層５０に吸着した水分等をイオンビームあるいは逆スパ
ッタなどで除去してから残りの積層膜を形成した方が好
ましい。この熱処理によって、真空成膜によって生じた
応力等による歪みの緩和と、結晶格子の規則度向上によ
る、反強磁性の特性の改善が可能となる。なお、熱処理
は酸化物反強磁性層５０形成後に大気中で行うのが望ま
しいが、真空中でもその効果は大きく、少なくとも酸化
物反強磁性層５０形成後は任意の工程で１００℃〜３０
０℃の温度での熱処理を行えばよい。
【００７５】
【実施例】本発明の磁性多層膜、および磁気抵抗効果素
子、および磁気変換素子（例えばＭＲヘッド）につい
て、以下の具体的実施例を示し本発明をさらに詳細に説
明する。最初に、本発明の磁性多層膜１の具体的実施例
を示す。
【００７６】（実施例１）本発明の酸化物反強磁性層と
ピン止め強磁性層の界面交換結合による一方向性異方性
磁場Ｈuaの大きさを調べた。まず、ＲＦスパッタ装置を
用いて、コーニング７０５９ガラス基板の上に以下およ
び下記表１に示すような成膜条件で厚さ５０ｎｍの種々
のＦｅＯx 膜を形成した。
【００７７】ＦｅＯx 膜の成膜条件 到達圧力：１×１０-4Ｐａ 導入ガス：Ａｒ−１０〜４０％酸素 ５ＳＣＣＭ スパッタ圧力：１Ｐａ 投入パワー：５０〜２００Ｗ ターゲット：Ｆｅ2 Ｏ3 焼結体（４インチΦ） 成膜速度：０．１〜０．５Å／ｓｅｃ その後、サンプルを一度大気に取り出してから、引き続
きイオンビームスパッタ装置にセットし、ＦｅＯx 膜の
表面をＡｒイオンエッチングして表面吸着した水分を除
去した後、このエッチング面の上にＮｉＦｅ（１０ｎ
ｍ）、Ｔａ（１０ｎｍ）を連続して形成し、ＦｅＯx
（５０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１０ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎ
ｍ）からなる３層膜を作製し、表面粗度Ｒａおよび結晶
粒径ＤとＨuaの関係を調べた。Ａｒイオンエッチングの
処理条件、ＮｉＦｅ膜およびＴａ膜の成膜条件、および
でき上がったサンプルの膜特性評価方法を下記にそれぞ
れ示す。
【００７８】Ａｒイオンエッチング条件 到達圧力：２×１０-5Ｐａ 導入ガス：Ａｒ １０ＳＣＣＭ スパッタ圧力：２．７×１０-2Ｐａ ビーム電圧：１００Ｖ ビーム電流：１０ｍＡ エッチング時間：１８０ｓｅｃ ＮｉＦｅ膜およびＴａ膜の成膜条件 到達圧力：２×１０-5Ｐａ ターゲット：Ｎｉ−１８ａｔ％Ｆｅ，Ｔａ（７インチΦ） 導入ガス：Ａｒ １０ＳＣＣＭ スパッタ圧力：１．５×１０-2Ｐａ ビーム電圧：３００Ｖ ビーム電流：３０ｍＡ 成膜速度：ＮｉＦｅ ０．２２Å／ｓｅｃ Ｔａ ０．１８Å／ｓｅｃ膜特性の評価方法 （１）ＦｅＯx 膜組成（Ｏ／Ｆｅ比） 分析用サンプルとして、Ｓｉウエハー基板上に各サンプ
ルと同一の成膜条件で膜厚１００ｎｍのＦｅＯx 膜を作
製し、蛍光Ｘ線分析方によりＦｅと酸素の比率Ｏ／Ｆｅ
を求めた。
【００７９】（２）表面粗度Ｒａ 分析用として、同一ガラス基板上に作製したＦｅＯx 膜
表面をセイコー電子（株）製の原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）により観察し、Ｒａを求めた。
【００８０】（３）結晶粒径Ｄ Ｘ線回折法を用いて、α−Ｆｅ2 Ｏ3 （１０４）ピーク
の半値幅から求めた。また、透過型顕微鏡（ＴＥＭ）観
察も用いた。
【００８１】（４）Ｈc ，Ｈua 大きさ１０ｍｍ角の形状の磁気測定用サンプルを作製
し、理研電子（株）製振動型試料磁力計（ＶＳＭ）を用
いて、印加磁場２５０Ｏｅで測定し、Ｈc ，Ｈuaを求め
た。Ｈuaはヒステリシスループの零磁場からのずれを調
べた。
【００８２】各サンプルについての評価結果を下記表１
に示した。
【００８３】
【表１】 表１に示される結果からわかるように、Ｒａが０．６ｎ
ｍ以下でかつ結晶粒径Ｄが１０ｎｍ〜４０ｎｍの時に４
０Ｏｅ以上の大きなＨuaが得られ、かつＨua＞Ｈc の関
係を満足することがわかる。
【００８４】次に、スパッタ圧力を０．２〜１０Ｐａと
変化させた以外は実施例１−１と同様の成膜条件でＦｅ
Ｏx 膜を作製し、表面粗度Ｒａの異なる試料を作製し
た。その後、実施例１−１と同様の条件でＦｅＯx 膜の
表面をエッチングしてから、このエッチング面の上にＮ
ｉＦｅ磁性層とＴａ保護層を順次成膜し、Ｈuaの表面粗
度依存性を調べた。結果を図５に示した。スパッタ圧力
を低くするほど、ＦｅＯx 膜の表面粗度Ｒａは良くなる
（Ｒａ値が小さくなる）傾向にあり、図５に示される結
果より、表面粗度Ｒａが０．６ｎｍ以下になると、高い
Ｈuaが得られることがわかる。
【００８５】また、酸素分圧を０〜５０体積％と変化さ
せ、ＲＦスパッタのパワー３００Ｗ、スパッタ圧力０．
５ＰａでＦｅＯx 膜を成膜し、結晶粒径Ｄの異なる試料
を作製した。その後、上記と同様にＦｅＯx 膜の表面を
エッチング処理した後、ＮｉＦｅ磁性層とＴａ保護膜を
順次成膜し、Ｈuaの結晶粒径依存性を調べた。その結果
を図６に示した。酸素分圧が高いほどＦｅＯx 膜の平均
結晶粒径Ｄは小さくなる傾向にあり、図６に示される結
果より、平均結晶粒径Ｄが小さくなると、それに伴いＨ
uaも小さくなる傾向にある。この平均結晶粒径Ｄの値
が、１０ｎｍより大きいと、Ｈuaの値が４０Ｏｅ以上の
ものが得られるが、平均結晶粒径Ｄの値が４０ｎｍを超
えるとＨc が大きくなり過ぎてＨua＜Ｈc となるために
好ましくないことがわかる。
【００８６】上記表１、図５および図６に示される実験
結果より、表面粗度Ｒａ≦０．６ｎｍで、かつ結晶粒径
Ｄ＝１０〜４０ｎｍのときに、４０Ｏｅ以上の大きなＨ
uaが得られ、しかもＨua＞Ｈc の関係を満足できること
がわかった。
【００８７】（実施例２）ＲＦスパッタ装置を用いて、
コーニング７０５９ガラス基板の上に上記実施例１に準
じて下記表２に示されるような種々のＦｅＯx 膜を形成
した。
【００８８】その後、サンプルを一度大気に取り出して
から、引き続きイオンビームスパッタ装置にセットし、
Ａｒイオンエッチングした後、ピン止め強磁性層、非磁
性金属層、フリー強磁性層、保護層を連続して形成し、
スピンバルブ型のＭＲ変化を示す磁性多層膜を作製し、
以下に示す方法で交換バイアス磁場Ｈex、ＭＲ変化率お
よびＭＲ感度を調べた。なお、実施例２における各サン
プルの作製において、ピン止め磁性層およびフリー強磁
性層の膜組成、層厚は下記表２に示すように種々変化さ
せた。
【００８９】磁性多層膜特性の評価方法 （１）交換バイアス磁場Ｈex 図７に示されるＭＲ曲線におけるピン止め強磁性層のシ
フト磁場をＨexとして求めた。
【００９０】（２）ＭＲ変化率およびＭＲ感度 ０．４×６ｍｍの形状のサンプルを作成し、外部磁界を
面内に電流と垂直方向になるようにかけながら、−３０
０〜３００Ｏｅまで変化させたときの抵抗を４端子法に
より測定した。その抵抗から比抵抗の最小値ρsat およ
びＭＲ変化率ΔＲ／Ｒを求めた。ＭＲ変化率ΔＲ／Ｒ
は、最大比抵抗をρmax 、最小比抵抗をρsat とし、次
式により計算した。
【００９１】 ΔＲ／Ｒ＝（ρmax −ρsat ）×１００／ρsat （％） また、測定したＭＲ曲線の微分曲線を取り、そのゼロ磁
場付近の極大値をＭＲ感度（単位％／Ｏｅ）として、立
ち上がり特性を評価した。
【００９２】各サンプルにおける評価結果を下記表２に
示す。
【００９３】
【表２】 表２に示される結果より、ＦｅＯx 膜の表面粗度Ｒａ≦
０．６ｎｍ、かつＦｅＯx 膜の結晶粒径Ｄを１０ｎｍ〜
４０ｎｍとし、ピン止め強磁性層の厚さを最適化するこ
とにより、ＭＲヘッドとしての実用上必要とされるＨex
＞２００Ｏｅの大きなＨexが得られ、しかも大きなＭＲ
変化率とＭＲ感度が得られることがわかった。
【００９４】（実施例３）ＲＦスパッタ装置を用いて、
コーニング７０５９ガラス基板の上に以下および下記表
３に示すような成膜条件で厚さ１００ｎｍのＮｉＯ膜を
形成した。
【００９５】ＮｉＯ膜の成膜条件 到達圧力：１×１０-4Ｐａ 導入圧力：Ａｒ−５〜５０％酸素 ５ＳＣＣＭ スパッタ圧力：０．２〜１０Ｐａ 投入パワー：２００Ｗ ターゲット：ＮｉＯ焼結体（４インチΦ） 成膜速度：０．２Å／ｓｅｃ その後、サンプルを一度大気に取り出してから、引き続
きイオンビームスパッタ装置にセットし、ＮｉＯ膜表面
をＡｒ−２０％酸素混合ガスでイオンエッチングした
後、そのイオンエッチングされたＮｉＯ膜の上にＣｏＦ
ｅ（５ｎｍ）、Ｔａ（１０ｎｍ）を連続して形成し、Ｎ
ｉＯ（１００ｎｍ）／ＣｏＦｅ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０
ｎｍ）からなる３層膜を形成した。このとき、ＮｉＯ膜
成膜条件とイオンエッチングの条件を変えることによ
り、ＮｉＯ膜の表面粗度Ｒａと結晶粒径Ｄを種々変化さ
せ、下記表３に示されるような種々のサンプルを作製
し、表面粗度ＲａとＨuaの関係を調べた。イオンエッチ
ング条件並びにＣｏＦｅ膜およびＴａ膜成膜条件を以下
に示す。
【００９６】Ａｒ−２０％酸素ガスイオンエッチング条
件 到達圧力：２×１０-5Ｐａ 導入ガス：Ａｒ−２０％酸素混合ガス １０ＳＣＣＭ スパッタ圧力：２．７×１０-2Ｐａ ビーム電圧：１００〜３００Ｖ ビーム電流：１０〜３０ｍＡ エッチング時間：９０ｓｅｃ〜３０ｍｉｎ ＣｏＦｅ膜およびＴａ膜の成膜条件 到達圧力：２×１０-5Ｐａ ターゲット：Ｃｏ−１０ａｔ％Ｆｅ，Ｔａ（７インチΦ） 導入ガス：Ａｒ １０ＳＣＣＭ スパッタ圧力：１．５×１０-2Ｐａ ビーム電圧：３００Ｖ ビーム電流：３０ｍＡ 成膜速度：ＣｏＦｅ ０．２１Å／ｓｅｃ Ｔａ ０．１８Å／ｓｅｃ なお、膜特性の評価方法は上記実施例１の場合と同様に
して、各サンプルについて評価した。評価結果を下記表
３に示す。
【００９７】
【表３】 表３に示される結果からわかるように、Ｒａ＝０．１ｎ
ｍ〜０．６ｎｍでかつ結晶粒径Ｄが１０ｎｍ〜４０ｎｍ
の時に５０Ｏｅ以上の大きなＨuaが得られ、かつＨua＞
Ｈc の関係を満足することがわかる。
【００９８】（実施例４）ＲＦスパッタ装置を用いて、
コーニング７０５９ガラス基板の上に、上記実施例３に
準じて下記表４に示されるような種々のＮｉＯ膜を形成
した。
【００９９】その後、サンプルを一度大気に取り出して
から、引き続きイオンビームスパッタ装置にセットし、
イオンエッチングした後、ピン止め強磁性層、非磁性金
属層、フリー強磁性層、保護層を連続して形成し、スピ
ンバルブ型のＭＲ変化を示す磁性多層膜を作製し、交換
結合磁場Ｈex、ＭＲ変化率とＭＲ感度を調べた。なお、
実施例４における各サンプルの作製において、ピン止め
磁性層、フリー強磁性層および非磁性金属層の膜組成、
層厚は下記表４に示すように変化させた。なお、磁性多
層膜特性の評価方法は、上記実施例２の場合と同様に行
い、各サンプルについて評価した。評価結果を下記表４
に示す。
【０１００】
【表４】 表４に示される結果より、ＮｉＯ膜の表面粗度Ｒａが
０．６ｎｍ以下、かつＦｅＯx 膜の結晶粒径Ｄを１０ｎ
ｍ〜４０ｎｍとし、ピン止め強磁性層の厚さを最適化す
ることにより、ＭＲヘッドとしての実用上必要とされる
Ｈex＞２００Ｏｅの大きなＨexが得られ、しかも大きな
ＭＲ変化率とＭＲ感度が得られることがわかった。
【０１０１】（実施例５）上記実施例２と同様な方法に
従って、種々の組成からなる（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏター
ゲットを用いて種々の（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏ酸化物反強
磁性膜（層）を形成した。
【０１０２】その後、サンプルを一度大気に取り出して
から、引き続きイオンビームスパッタ装置にセットし、
イオンエッチングした後、ピン止め強磁性層、非磁性金
属層、フリー強磁性層、保護層を連続して形成し、スピ
ンバルブ型のＭＲ変化を示す磁性多層膜を作製し、交換
結合磁場Ｈex、ＭＲ変化率とＭＲ感度を調べた。なお、
実施例５における各サンプルの作製において、ピン止め
磁性層、フリー強磁性層および非磁性金属層の膜組成、
層厚は下記表５に示すように変化させた。
【０１０３】なお、磁性多層膜特性の評価方法は、上記
実施例２の場合と同様に行い、各サンプルについて評価
した。評価結果を下記表５に示す。
【０１０４】
【表５】 表５に示される結果より、（Ｃｏ1-y Ｎｉy ）Ｏ膜の表
面粗度Ｒａを０．６ｎｍ以下、かつＣｏＮｉＯx 膜の結
晶粒径Ｄを１０ｎｍ〜４０ｎｍとし、ピン止め強磁性層
の厚さを最適化することにより、ＭＲヘッドとしての実
用上必要とされるＨex＞２００Ｏｅの大きなＨexが得ら
れ、しかも大きなＭＲ変化率とＭＲ感度が得られること
がわかった。
【０１０５】（実施例６）アルティック（ＡｌＴｉＣ）
基板上に、アルミナ膜（膜厚１０μｍ）を形成し、その
上に上記実施例２と同じ方法でＦｅＯx （５０ｎｍ）／
ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ
（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）多層膜を作製した。
【０１０６】次いで、フォトリソグラフィー技術を用い
て感磁部分として、長さ２μｍ×幅１μｍのパターンを
形成し、その感磁部分の両端にリフトオフ法で磁区制御
用のＣｏＰｔ硬磁性膜とＡｕ電極膜（Ｃｒ下地あり）を
形成し、長さ２μｍ、幅１μｍの磁気抵抗効果素子とし
た。作製した磁気抵抗効果素子の断面模式図を図８に示
す。その後、１０-5Ｔｏｒｒの真空中で、測定電流方向
と直角かつ面内方向に３ｋＯｅの磁界を印加しながら２
２０℃から磁場中冷却し、ピン止め強磁性層のピン止め
効果を誘起した。測定電流を５ｍＡ、外部磁場を±２０
Ｏｅ、周波数５０Ｈｚ範囲で変化させたときのＭＲ曲線
を図９に示す。図９に示される結果より、上記の要領で
作製した本発明による磁性多層膜を用いた磁気抵抗効果
素子において約１ｍＶの出力が得られることが確認でき
た。
【０１０７】（比較例１）上記実施例６に対抗する比較
例の実験を行った。
【０１０８】すなわち、比較例サンプルとして、従来か
ら用いられている異方性磁気抵抗効果素子を利用した磁
気抵抗効果素子を作製した。すなわち、アルティック基
板上にアルミナ膜（膜厚１０μｍ）を形成し、その上に
ＤＣスパッタ法でＮｉＦｅＲｈ（１５ｎｍ）／Ｔａ（１
０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２０ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）を
形成し、ＳＡＬバイアス−異方性磁気抵抗膜を作製し
た。次に、実施例６と同様に、フォトリソグラフィー技
術を用いて、パターニング、硬磁性膜および電極膜の形
成を行い、長さ２μｍ、幅１μｍの異方性磁気抵抗効果
素子を作製した。この素子を用い測定電流を５ｍＡ、外
部磁場を±２０Ｏｅ、周波数５０Ｈｚ範囲で変化させ
た。このときの出力電圧は０．３ｍＶであった。この値
は上記実施例６のサンプルの約１／３であった。
【０１０９】（実施例７）次に、本発明による磁気抵抗
効果素子を用いた磁気抵抗効果型ヘッドを作製し、再生
出力および波形を調べた。まず、作製方法について説明
する。アルティック（ＡｌＴｉＣ）基板上に、ＲＦスパ
ッタ法でアルミナ膜（厚さ１０μｍ）を形成し、その上
に下部シール膜としてセンダストを膜厚２μｍに成膜
し、温度５２０℃磁場中でアニールしてから、微細加工
技術により所定の形状にした。
【０１１０】次に、磁気抵抗効果素子部の下部絶縁層と
してアルミナ膜（膜厚１００ｎｍ）をＲＦスパッタ法で
作製した。次いで、上記の実施例６と同じ方法でＦｅＯ
x （５０ｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（２ｎｍ）／Ｃｕ（２．５
ｎｍ）／Ｎｉ80Ｆｅ20（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）多
層膜を作製した。
【０１１１】その後、フォトリソグラフィー技術を用い
て感磁部分として、長さ２．５μｍ×幅６μｍのパター
ンを形成し、その感磁部分の両端にリフトオフ法で磁区
制御用のＣｏＰｔ硬磁性膜とＡｕ電極膜（Ｃｒ下地あ
り）を形成した。そして、再び上部絶縁層としてアルミ
ナ膜（膜厚１３０ｎｍ）をＲＦスパッタ法で作製した。
その後、スパッタ法でめっき用電極下地膜としてＴｉ
（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１００ｎｍ）を形成した後、上
部シールド膜としてめっき法でＮｉＦｅ膜（膜厚２μ
ｍ）を形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて所定
の形状にした。その後、１０-6Ｔｏｒｒの真空中で測定
電流方向と直角かつ面内方向に３ｋＯｅの磁界を印加し
ながら２２０℃から磁場中冷却し、ピン止め強磁性層の
ピン止め効果を誘起した。そして、加工研磨をおこな
い、最終的にトラック幅２．５μｍ、ＭＲ高さ１μｍ、
シールドギャップ０．３μｍの再生専用磁気抵抗効果型
ヘッドを作製した。このヘッドを用いて保磁力２５００
Ｏｅ、膜厚５０ｎｍのＣｏＣｒＴａ磁気記録媒体に書き
込まれた記録信号を再生し、測定電流５ｍＡで出力波形
を調べた。その出力波形を図１０に示す。この波形に示
されるように、バルクハウゼンノイズも見られず、出力
約１ｍＶp-p の良好な波形が得られた。
【０１１２】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、酸化物反強磁性層の表面粗度Ｒａと結晶粒径Ｄを所
定の範囲になるように設定しているので、大きな交換結
合磁場と、大きなＭＲ変化率およびＭＲ感度を有する磁
性多層膜を備える磁気抵抗効果素子が得られ、この磁気
抵抗効果素子を用いれば高い出力が得られる。さらに、
高磁気記録密度、特に３Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2 を超える
ような超高密度磁気記録の読み出しが可能で、電流効率
が良好で、しかも大きな出力が得られる磁気抵抗効果型
ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁性多層膜の断面図である。
【図２】本発明の作用を説明するための磁気抵抗効果素
子、特に磁性多層膜の構造の模式図である。
【図３】本発明の作用を説明するための磁化曲線とＭＲ
曲線の模式図である。
【図４】本発明の磁気変換素子の１例を示す一部省略断
面図である。
【図５】本発明のＦｅＯx 反強磁性層を用いた場合のＨ
uaと表面粗度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明のＦｅＯx 反強磁性層を用いた場合のＨ
ua，Ｈc と表面粗度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線を示
す図である。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模
式図である。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の印加磁場と出力電
圧との関係を示す図である。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果型ヘッドの再生出力波
形を示す図である。
【符号の説明】
１…磁性多層膜 ３…磁気抵抗効果素子 ５…基板 ２０…フリー強磁性層 ２１…フリー強磁性層の磁化の向き ３０…非磁性金属層 ４０…ピン止め強磁性層 ４１…ピン止め強磁性層の磁化の向き ５０…酸化物反強磁性層 ８０…保護層 ９０…記録媒体 ９１…記録磁化の向き ９２…信号磁場の向き ９３…記録面 １００…電極部 １２０…導体膜 １５０…磁気抵抗効果型ヘッド ２００…磁性多層膜 ２００ａ…磁性多層膜端部 ３００…シールド部 ４００…シールドギャップ絶縁層 ６００…磁気抵抗効果素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 悟 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (72)発明者 大池 太郎 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−77699（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−50611（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G11B 5/39 H01F 10/08

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に、酸化物反強磁性層と、この酸
    化物反強磁性層によりピン止めされるピン止め強磁性層
    と、非磁性金属層と、フリー強磁性層とが順次積層さ
    れ、 前記酸化物反強磁性層のピン止め強磁性層側における表
    面粗度Ｒａが０．６ｎｍ以下、かつ前記酸化物反強磁性
    層の結晶粒径Ｄが１０〜４０ｎｍであることを特徴とす
    る磁性多層膜。
  2. 【請求項２】 前記酸化物反強磁性層がＦｅＯX （１．
    ４０≦ｘ≦１．５５、単位は原子比）からなる請求項１
    記載の磁性多層膜。
  3. 【請求項３】 前記酸化物反強磁性層が（Ｃｏ1-y Ｎｉ
    y ）Ｏ（０．３≦ｙ≦１．０、単位は原子比）からなる
    請求項１記載の磁性多層膜。
  4. 【請求項４】 前記酸化物反強磁性層は、Ａｒと酸素の
    混合ガス雰囲気中でＲＦスパッタ法により成膜された膜
    である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁性
    多層膜。
  5. 【請求項５】 前記ピン止め強磁性層が、Ｃｏ100-z Ｆ
    ｅz （０≦ｚ≦２０、単位は原子％）で表される組成か
    らなる請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の磁性
    多層膜。
  6. 【請求項６】 前記非磁性金属層が、Ａｕ、Ａｇ、およ
    びＣｕの中から選ばれた少なくとも一種を含む材料から
    なる請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の磁性多
    層膜。
  7. 【請求項７】 磁性多層膜と、その磁性多層膜の両端部
    に電極部を備える磁気抵抗効果素子であって、 前記磁性多層膜が、前記請求項１ないし請求項６のいず
    れかに記載の磁性多層膜からなることを特徴とする磁気
    抵抗効果素子。
  8. 【請求項８】 磁気抵抗効果素子を含む磁気変換素子で
    あって、該磁気抵抗効果素子が前記請求項７に記載の磁
    気抵抗効果素子のいずれかからなることを特徴とする磁
    気変換素子。
  9. 【請求項９】 磁気変換素子が磁気抵抗効果型ヘッドで
    ある請求項８に記載の磁気変換素子。
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