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JPH11296816A - Magnetoresistance element - Google Patents

Magnetoresistance element

Info

Publication number
JPH11296816A
JPH11296816A JP9608698A JP9608698A JPH11296816A JP H11296816 A JPH11296816 A JP H11296816A JP 9608698 A JP9608698 A JP 9608698A JP 9608698 A JP9608698 A JP 9608698A JP H11296816 A JPH11296816 A JP H11296816A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
magnetoresistive element
island
magnetic field
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9608698A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Takai
大祐 高井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP9608698A priority Critical patent/JPH11296816A/en
Publication of JPH11296816A publication Critical patent/JPH11296816A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistance element in which the magnetic field sensitivity in a low magnetic field region is specifically improved and the element characteristic parameters closely related to the magnetic characteristic are precisely controlled independently of the material parameters a certain degree. SOLUTION: The magnetoresistance element 11 has a magnetic layer on a silicon substarate 10. The layer is provided with plural island regions 12 arranged in a matrix shape and magnetic thin lines 13 which mutually connect the regions 12. The shapes of the regions 12 are not limited to an approximate rectangular shape but also include circular, elliptical and cross shapes as well as polygonal shapes other than the rectangular shape. By intentionally controlling the network of the ferromagnetic island regions 12, which are formed into an arbitrary shape, and the lines 13, the magnetic domain structure (a unit magnetic domain structure and a magnetic wall moving type structure) and the saturated magnetization value are controlled.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ヘッド等の記
録部材、或いは、磁気記録媒体として使用可能な磁気抵
抗効果素子に関し、特に、基板上に磁性層を有する磁気
抵抗効果素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive element usable as a recording member such as a magnetic head or a magnetic recording medium, and more particularly to a magnetoresistive element having a magnetic layer on a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、磁気テ−プや磁気ディスク等の磁
気記録媒体では、針状の細長い強磁性体が、ベ−スフィ
ルムの走査方向である長手方向に沿って塗布されてお
り、記憶媒体上の単位体積当たりの磁極数によって記録
密度が決まる。このような従来の長手記録方式では、磁
極の位置やサイズがランダムであり、記録密度や保持力
等の磁化特性が、殆ど材料特性によって規定されてい
た。また、針状粒子がランダムな方向を向くため、磁化
容易軸方向と磁化困難軸方向とが同一平面上でランダム
に混在していた。個々の針状粒子でも、単磁区構造及び
多磁区構造が混在している。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a magnetic recording medium such as a magnetic tape or a magnetic disk, a needle-like elongated ferromagnetic material is applied along a longitudinal direction which is a scanning direction of a base film. The recording density is determined by the number of magnetic poles per unit volume on the medium. In such a conventional longitudinal recording method, the positions and sizes of the magnetic poles are random, and the magnetization characteristics such as the recording density and the coercive force are almost defined by the material characteristics. In addition, since the acicular particles are oriented in random directions, the easy axis direction and the hard axis direction are randomly mixed on the same plane. Even in individual needle-like particles, a single domain structure and a multi-domain structure are mixed.

【0003】ところで、磁気ヘッド等に用いられる従来
の磁気抵抗効果素子は、主に磁壁の移動に基づく磁化反
転機構のみを利用して磁界変化を検出しており、単磁区
の反転機構の制御は不可能である。近年、鉄(Fe)と
クロム(Cr)の多層膜人工格子をもつ巨大磁気抵抗効
果(GMR)が発見され、この磁気抵抗効果を応用する
技術が注目されている。この応用技術による強結合型G
MR多層膜素子、弱結合型GMR多層膜素子、非結合型
GMR多層膜素子、スピントンネル素子、及びグラニュ
ラ−型素子に関して、以下に説明する。
A conventional magnetoresistive element used in a magnetic head or the like mainly detects a magnetic field change using only a magnetization reversal mechanism based on the movement of a domain wall, and controls a single domain reversal mechanism. Impossible. In recent years, a giant magnetoresistive effect (GMR) having a multilayer artificial lattice of iron (Fe) and chromium (Cr) has been discovered, and a technique for applying this magnetoresistive effect has attracted attention. Strong coupling type G by this applied technology
The MR multilayer element, the weakly coupled GMR multilayer element, the non-coupled GMR multilayer element, the spin tunnel element, and the granular element will be described below.

【0004】まず、強結合型GMR多層膜素子の代表的
な構造としては、膜厚が数nmの強磁性金属膜とCr等
から成る非磁性層膜とが交互に且つ周期的に積層された
ものがある。強い印加磁界下で、Crを隔てた上下の強
磁性層内のスピンが平行な場合には、電子に対するスピ
ン散乱が減少して磁気抵抗が低くなる。逆に、印加磁界
が弱くて、上下の強磁性層内のスピンが反平行となると
きには、磁気抵抗は高くなる。磁気抵抗には異方性があ
り、膜と平行に電流を流して磁気抵抗を測定する場合
(CIP)と、垂直に流して測定する場合(CPP)との
2通りが考えられる。
First, as a typical structure of a strong coupling type GMR multilayer film element, a ferromagnetic metal film having a thickness of several nm and a nonmagnetic layer film made of Cr or the like are alternately and periodically laminated. There is something. When the spins in the upper and lower ferromagnetic layers separated by Cr are parallel under a strong applied magnetic field, spin scattering for electrons is reduced and the magnetoresistance is reduced. Conversely, when the applied magnetic field is weak and the spins in the upper and lower ferromagnetic layers are antiparallel, the magnetoresistance increases. Magnetoresistance has anisotropy, and there are two possible cases, namely, a case where a magnetic current is measured by flowing a current parallel to the film (CIP) and a case where the measurement is performed perpendicularly (CPP).

【0005】一般に、CPPでは、スピン散乱の頻度及
び磁気抵抗比がCIPの場合よりも高い。CPPにおけ
る素子の磁気抵抗比は、低温では例えば100%以上と高
いが、この値は0ガウスにおける抵抗と約10000−20000
ガウスにおける抵抗との比であり、単位磁界当たりの磁
気抵抗比は0.01%/Gauss程度となり感度はそれほど良
好ではない。
In general, the frequency of spin scattering and the magnetoresistance ratio of the CPP are higher than those of the CIP. The magnetoresistance ratio of the element in the CPP is as high as 100% or more at a low temperature, for example.
This is the ratio to the resistance in Gauss, and the magnetoresistance ratio per unit magnetic field is about 0.01% / Gauss, and the sensitivity is not so good.

【0006】図6は、強結合型のGMR多層膜素子にお
けるM−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
低磁界領域における感度は高磁界領域と同様であり、こ
の場合の磁気抵抗曲線は、零磁界付近に1つのピ−クを
持つ1重ピ−ク構造である。
FIG. 6 is a graph showing MH characteristics and magnetoresistive characteristics of a strong coupling type GMR multilayer device.
The sensitivity in the low magnetic field region is the same as that in the high magnetic field region. In this case, the magnetoresistance curve has a single peak structure having one peak near the zero magnetic field.

【0007】図7は、弱結合型のGMR多層膜素子にお
けるM−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
弱結合型のGMR多層膜素子では、強結合型の構造と類
似しているが、その非強磁性層は強結合型の非強磁性層
よりも厚く、強磁性層間の相互作用が弱い。この場合の
磁気特性にはヒステリシス特性が見られ、磁気抵抗曲線
は、低磁界近傍で2重のピ−ク構造を形成する。ここ
で、非強磁性層(非強磁性体)とは、常磁性体及び反磁
性体を含む導電性物質、つまり、金属や半導体をも含ん
だ強磁性体以外の導電性物質を意味している。
FIG. 7 is a graph showing MH characteristics and magnetoresistive characteristics of a weakly coupled GMR multilayer device.
The weak coupling type GMR multilayer film element is similar to the strong coupling type structure, but the non-ferromagnetic layer is thicker than the strong coupling type non-ferromagnetic layer, and the interaction between the ferromagnetic layers is weak. In this case, hysteresis characteristics are observed in the magnetic characteristics, and the magnetoresistance curve forms a double peak structure near a low magnetic field. Here, the non-ferromagnetic layer (non-ferromagnetic material) means a conductive material including a paramagnetic material and a diamagnetic material, that is, a conductive material other than a ferromagnetic material including metals and semiconductors. I have.

【0008】図8は、非結合型のGMR多層膜素子にお
けるM−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
非結合型GMR多層膜素子は、保持力が異なる2種類の
磁性材料を含むもので、例えば、膜厚5nmの銅(Cu)/膜厚
3nmのコバルト(Co)/膜厚5nmのCu/膜厚3nmのNiFe(パーマ
ロイ)から成る層を15層分有する構造では、保持力が
小さいNiFe層と保持力が大きいCo層とを含む。パ−マ
ロイは、低磁界領域で磁化反転し、その場合のM−H曲
線は括れ構造をとる。非結合型GMR多層膜素子の磁気
抵抗特性としては、その磁化変化を反映して、低磁界で
大きな抵抗の変化を生じることが挙げられる。
FIG. 8 is a graph showing MH characteristics and magnetoresistive characteristics of a non-coupling type GMR multilayer device.
The uncoupled GMR multilayer film element includes two types of magnetic materials having different coercive forces. For example, copper (Cu) having a thickness of 5 nm / thickness
A structure having 15 layers of 3 nm of cobalt (Co) / 5 nm of Cu / 15 nm of NiFe (permalloy) includes a NiFe layer having a small coercive force and a Co layer having a large coercive force. Permalloy reverses magnetization in a low magnetic field region, and the MH curve in that case has a constricted structure. The magnetoresistance characteristic of the uncoupled GMR multilayer film element is that a large change in resistance occurs in a low magnetic field, reflecting the change in magnetization.

【0009】スピントンネル素子は、例えばNi-NiO-Co
や Ni-NiO-Ni に見られるように、強磁性金属層を絶縁
体膜で隔てた構造を有する。一般に、トンネル磁気抵抗
効果を利用する際には、積層膜構造のスピントンネル素
子の積層と垂直方向、つまり2次元の膜と垂直方向に電
流を流す。このような素子構造の場合には、素子の膜厚
長に比べて膜面方向のサイズがかなり大きな構造が多
く、小抵抗値を測定しなければならないため、測定がや
や困難である。また、絶縁体の膜厚制御も困難であり、
磁気抵抗の再現性も良好ではない。
[0009] The spin tunneling element is, for example, Ni-NiO-Co.
And Ni-NiO-Ni have a structure in which ferromagnetic metal layers are separated by insulator films. Generally, when utilizing the tunnel magnetoresistive effect, a current is passed in a direction perpendicular to the stack of the spin tunnel element having the stacked film structure, that is, in a direction perpendicular to the two-dimensional film. In the case of such an element structure, there are many structures whose size in the film surface direction is considerably larger than the film thickness of the element, and it is necessary to measure a small resistance value. Also, it is difficult to control the thickness of the insulator,
The reproducibility of the magnetoresistance is not good.

【0010】グラニュラ−型素子は、銀や銅等の非強磁
性金属中に鉄やコバルト等の強磁性粒子を析出させた構
造を有する。弱磁界領域では、個々の粒子の磁化はラン
ダムな方位を向いている。また、粒子径が10nm以下
の粒子では、保持力が非常に小さく、磁化が磁界にほぼ
比例する超常磁性状態である。数千ガウス程度の磁界を
印加すれば、グラニュラ−型素子のスピンは整列して、
磁化が飽和する。磁気抵抗比は、Co16Cu84の場合で
約8%、磁界感度は0.001%/Gaussである。この磁界感
度は、強結合型のGMR素子に比べると1桁小さく、保
持力等の磁化特性も、現時点では未だ十分に制御できる
段階ではない。
The granular element has a structure in which ferromagnetic particles such as iron and cobalt are deposited in a non-ferromagnetic metal such as silver and copper. In the weak magnetic field region, the magnetization of each particle is oriented in a random direction. Further, particles having a particle diameter of 10 nm or less have a very small coercive force and are in a superparamagnetic state in which the magnetization is almost proportional to the magnetic field. When a magnetic field of about several thousand gauss is applied, the spins of the granular element are aligned,
The magnetization saturates. The magnetoresistance ratio is about 8% for Co 16 Cu 84 and the magnetic field sensitivity is 0.001% / Gauss. This magnetic field sensitivity is one order of magnitude smaller than that of a strong coupling type GMR element, and the magnetization characteristics such as coercive force are not yet at a stage where they can be sufficiently controlled at the present time.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】従来の磁気抵抗効果素
子、例えば強結合型(又は弱結合型)GMR素子では、
強磁性体のスピンが揃って磁気抵抗が最小になる磁界と
強磁性体の磁気モ−メントとのベクトル和が近似的に
0、磁気抵抗が最大になる磁界と強磁性体の磁気モ−メ
ントとの差が数テスラ程度になる。このため、磁気抵抗
比が高いにも拘わらず、低磁界領域における磁界感度は
低い。言い換えると、針状磁区がランダムな方向を向く
ため、磁化容易軸方向と磁化困難軸方向とに不確定性の
幅があり、理想的な感度を簡単に得ることができない。
In a conventional magnetoresistive element, for example, a strongly coupled (or weakly coupled) GMR element,
The vector sum of the magnetic field in which the spin of the ferromagnetic material is aligned and the magnetic resistance is minimized and the magnetic moment of the ferromagnetic material are approximately 0, and the magnetic field in which the magnetic resistance is maximized and the magnetic moment of the ferromagnetic material Is about several Tesla. For this reason, the magnetic field sensitivity in the low magnetic field region is low despite the high magnetoresistance ratio. In other words, since the needle-like magnetic domains are oriented in random directions, there is a range of uncertainty between the direction of the easy axis of magnetization and the direction of the hard axis of magnetization, and ideal sensitivity cannot be easily obtained.

【0012】また、前述の各磁気抵抗効果素子における
保持力、飽和磁化、及び強磁性粒子の磁区構造等、磁気
特性に密接に関連する素子特性パラメータを、材料パラ
メータとはある程度独立に且つ精密に制御することは困
難であった。前記グラニュラー型素子では、高い保持力
を持つことが実験で観測されてはいるが、この素子にお
いても強結合型(又は弱結合型)GMR素子と同様、磁
区構造や磁気特性を制御して所望の性能を得ることは実
現していない。
In addition, element characteristic parameters closely related to magnetic characteristics, such as coercive force, saturation magnetization, and magnetic domain structure of ferromagnetic particles, in each of the above-described magnetoresistive elements are accurately and somewhat independent of material parameters. It was difficult to control. Although it has been observed in experiments that the granular type element has a high coercive force, it is also desirable to control the magnetic domain structure and magnetic characteristics of this element as in the case of the strong coupling type (or weak coupling type) GMR element. Has not been achieved.

【0013】本発明は、上記に鑑み、特に低磁界領域に
おける磁界感度を向上させ、磁気特性に密接に関連する
素子特性パラメータを、材料パラメータとはある程度独
立に且つ精密に制御できる磁気抵抗効果素子を提供する
ことを目的とする。
In view of the above, the present invention improves the magnetic field sensitivity especially in a low magnetic field region, and enables a device characteristic parameter closely related to magnetic characteristics to be controlled to some extent independently and precisely from a material parameter. The purpose is to provide.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁気抵抗効果素子は、基板上に磁性層を有
する磁気抵抗効果素子において、前記磁性層が、マトリ
ックス状に配列された複数の島状領域と、各島状領域を
相互に連結する細線とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetoresistive element having a magnetic layer on a substrate, wherein the magnetic layers are arranged in a matrix. It is characterized by comprising a plurality of island-shaped regions and fine lines interconnecting the respective island-shaped regions.

【0015】本発明の磁気抵抗効果素子によれば、特に
低磁界領域における磁界感度を高くし、保持力、飽和磁
化、及び強磁性粒子の磁区構造等の素子特性パラメータ
を材料パラメータとはある程度独立に且つ精密に制御す
ることができる。
According to the magnetoresistive element of the present invention, the magnetic field sensitivity is increased particularly in a low magnetic field region, and the element characteristic parameters such as the coercive force, the saturation magnetization, and the magnetic domain structure of the ferromagnetic particles are somewhat independent of the material parameters. And can be controlled precisely.

【0016】ここで、島状領域が矩形状に形成されるこ
とが好ましい。この場合、矩形の短軸方向又は長軸方向
に磁界が印加できるように素子を設計することが可能に
なる。
Here, the island region is preferably formed in a rectangular shape. In this case, the element can be designed so that a magnetic field can be applied in the short axis direction or the long axis direction of the rectangle.

【0017】また、島状領域の形状及び/又は面積が相
互に異なっていることが好ましい。これにより、磁気抵
抗効果素子の保持力を調整することが可能になる。
Further, it is preferable that the shapes and / or areas of the island regions are different from each other. This makes it possible to adjust the coercive force of the magnetoresistive element.

【0018】更に好ましくは、島状領域及び細線の少な
くとも一方を多層膜積層構造に構成する。これにより、
磁気抵抗効果素子の感度を増大させることができる。
More preferably, at least one of the island region and the thin line is formed in a multilayer film laminated structure. This allows
The sensitivity of the magnetoresistive element can be increased.

【0019】好適には、島状領域及び細線の少なくとも
一方における多層膜を、相互に異なる複数種の材料から
構成する。この場合、相互に交差する矩形−細線列を夫
々異なる材料で作製することにより、保持力や飽和磁化
を自在に制御することができる。
Preferably, the multilayer film in at least one of the island region and the thin line is made of a plurality of different materials. In this case, the coercive force and the saturation magnetization can be freely controlled by manufacturing the mutually intersecting rectangular-fine line arrays from different materials.

【0020】また、島状領域及び細線の少なくとも一方
における磁化容易軸が、島状領域のパタ−ン形成面に対
して垂直方向にあることが好ましい。これにより、島状
領域が基板と垂直方向に磁化されて単位面積当たりのビ
ット数が増加するので、磁気抵抗効果素子を記録媒体と
して用いる際の記録密度を向上できる。
It is preferable that the axis of easy magnetization of at least one of the island region and the thin line is perpendicular to the pattern forming surface of the island region. Thereby, the island region is magnetized in the direction perpendicular to the substrate, and the number of bits per unit area increases, so that the recording density when the magnetoresistive element is used as a recording medium can be improved.

【0021】更に好ましくは、島状領域及び細線の少な
くとも一方の上層及び/又は下層に導電体膜が更に形成
される。この場合、各細線の相互間における磁気的カッ
プリングを弱くして磁気抵抗効果素子の保持力を増大す
ることが可能になる。
More preferably, a conductor film is further formed on an upper layer and / or a lower layer of at least one of the island region and the fine wire. In this case, it is possible to weaken the magnetic coupling between the fine wires and increase the holding force of the magnetoresistive element.

【0022】また、各島状領域夫々の形状異方性によっ
て磁気特性を制御することが好ましい。或いは、これに
代えて、島状領域及び細線の磁気相互作用によって磁気
特性を制御することも好ましい態様である。これによ
り、磁気特性の制御が簡素化する。
Further, it is preferable to control the magnetic characteristics by the shape anisotropy of each island region. Alternatively, instead of this, it is also a preferable embodiment to control the magnetic characteristics by the magnetic interaction between the island region and the fine wire. This simplifies the control of the magnetic properties.

【0023】前記磁気抵抗効果素子が記憶素子として構
成されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素
子の用途が広がり、また、例えば磁気記録媒体としての
記録密度を増大できる。
It is preferable that the magnetoresistive element is configured as a storage element. Thereby, the use of the magnetoresistive effect element is expanded, and the recording density as a magnetic recording medium can be increased.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明を更に詳細
に説明する。図1は、本発明の一実施形態例におけるド
ットネットワ−ク型の磁気抵抗効果素子の構造を示す図
であり、(a)は素子構造の1例を示す平面図、(b)は素
子構造を多層膜構造にした場合の状態を示す(a)のIb
−Ib線によって劈開した断面図である。
The present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B are diagrams showing the structure of a dot network type magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view showing an example of the element structure, and FIG. (A) showing a state in which is a multilayer film structure
It is sectional drawing cleaved by the -Ib line.

【0025】磁気抵抗効果素子11は、表面にシリコン
酸化膜14が形成されたシリコン基板10を有してお
り、シリコン酸化膜14上に、マトリックス状に配列さ
れた磁性材料から成る多数の島状領域12を有してい
る。各島状領域12は、相互に直交して縦及び横方向に
延在する多層膜状の磁性細線13によって相互に連結さ
れている。複数の島状領域12は夫々、上方から見て略
矩形状に形成されており、図1(a)の上下方向の各列に
おける矩形面積が相互に異なっている。島状領域12及
び磁性細線13は、数種類の材料から多層膜積層構造と
して形成されている。磁気抵抗効果素子11を例えば記
録媒体として用いる場合には、図1(b)に示すように、
磁気抵抗効果素子11と対向させた磁気ヘッドMHを矢
印方向に移動させて、情報の記録/再生動作を行う。な
お、図中のMLFは磁力線、Cはコイルを示す。
The magnetoresistive element 11 has a silicon substrate 10 having a silicon oxide film 14 formed on the surface thereof, and a large number of islands made of magnetic materials arranged in a matrix on the silicon oxide film 14. It has a region 12. The island-shaped regions 12 are connected to each other by magnetic thin wires 13 in the form of a multilayer film extending in the vertical and horizontal directions perpendicular to each other. The plurality of island-shaped regions 12 are each formed in a substantially rectangular shape when viewed from above, and the rectangular areas in the vertical columns in FIG. 1A are different from each other. The island regions 12 and the magnetic thin wires 13 are formed as a multilayer film structure from several kinds of materials. When the magnetoresistive element 11 is used as a recording medium, for example, as shown in FIG.
The information recording / reproducing operation is performed by moving the magnetic head MH facing the magnetoresistive element 11 in the direction of the arrow. In addition, MLF in a figure shows a line of magnetic force, and C shows a coil.

【0026】島状領域12及び磁性細線13では、島状
領域12のアレイ面(パタ−ン形成面)に対する垂直方
向(図1(a)の紙面奥-手前方向)に磁化容易軸がある。
また、島状領域12及び磁性細線13の上層部(及び/
又は下層部)には導電体膜が形成されている。このよう
な構成の磁気抵抗効果素子11では、各島状領域12夫
々の形状異方性を利用して磁気特性を制御し、或いは、
各島状領域12相互間における磁気相互作用(各領域1
2相互間のピッチ等)を利用して磁気特性を制御するこ
とができる。
In the island-shaped region 12 and the magnetic thin wire 13, there is an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the array surface (pattern forming surface) of the island-shaped region 12 (from the back to the front in FIG. 1A).
In addition, the upper layer portion (and / or
Or a lower layer portion), a conductor film is formed. In the magnetoresistive element 11 having such a configuration, the magnetic characteristics are controlled by utilizing the shape anisotropy of each of the island regions 12, or
Magnetic interaction between each island-like region 12 (each region 1
The magnetic characteristics can be controlled using the pitch between the two.

【0027】島状領域12は、略矩形状に限らず、上方
から見て円形状、楕円形状、十文字状、或いは矩形以外
の多角形状等に形成することができ、図1(a)における
上下方向に位置する各列毎に形状(及び面積)を交互に
変えること、或いは、左右方向に位置する各列毎に形状
(及び面積)を交互に変えることができる。更に、列方
向における各島状領域12毎に交互に形状(及び面積)
を変えることができる。
The island-shaped region 12 is not limited to a substantially rectangular shape, but can be formed in a circular shape, an elliptical shape, a cross shape, a polygonal shape other than a rectangular shape, or the like when viewed from above. The shape (and area) can be alternately changed for each row located in the direction, or the shape (and area) can be alternately changed for each row located in the left-right direction. Furthermore, the shape (and area) is alternately set for each island-shaped region 12 in the column direction.
Can be changed.

【0028】本実施形態例では、任意の形状に形成可能
な強磁性の島状領域12と磁性細線13とのネットワ−
クを意図的に制御することにより、磁区構造(単磁区構
造、磁壁移動構造)、及び飽和磁化値を制御することが
できる。
In the present embodiment, a network of the ferromagnetic island-like region 12 and the magnetic fine wire 13 which can be formed into an arbitrary shape is used.
By intentionally controlling the magnetic field, the magnetic domain structure (single magnetic domain structure, domain wall displacement structure) and the saturation magnetization value can be controlled.

【0029】磁気抵抗効果素子を例えば磁気記録媒体
(記憶素子)として用いる場合を考えるとき、従来の長
手記録方式ではS極及びN極が同一平面上にあり、且つ
単磁区構造と多磁区構造とが共存しており、1つの磁区
当たりの面積を良好に制御できず、記録密度の向上には
限界があった。磁気記録媒体としての記録密度を更に増
大させるには、個々の矩形パタ−ン(島状領域)が単磁
区構造を採ることが望ましく、また、各島状領域がシリ
コン基板のアレイ面に対する垂直方向に磁化した状態で
規則的に配列されることが望ましい。本実施形態例で
は、島状領域12及び磁性細線13間のネットワ−クの
周期構造を多層膜で形成したので、非強磁性体によって
隔てられた強磁性層間の結合力を任意に制御し、磁気抵
抗効果素子としての磁気感度を増大することができる。
When considering the case where the magnetoresistive effect element is used as a magnetic recording medium (storage element), in the conventional longitudinal recording method, the S pole and the N pole are on the same plane, and the single-domain structure and the multi-domain structure are different. Coexisted, and the area per magnetic domain could not be controlled satisfactorily, and there was a limit in improving the recording density. In order to further increase the recording density as a magnetic recording medium, it is desirable that each rectangular pattern (island-like region) has a single magnetic domain structure, and that each island-like region is perpendicular to the array surface of the silicon substrate. It is desirable that the magnets are regularly arranged in a magnetized state. In this embodiment, the periodic structure of the network between the island-shaped regions 12 and the magnetic fine wires 13 is formed by a multilayer film, so that the coupling force between the ferromagnetic layers separated by the non-ferromagnetic material is arbitrarily controlled. The magnetic sensitivity as a magnetoresistive element can be increased.

【0030】[0030]

【実施例】実施例1 図2は、ポジ型レジストを用いて磁気抵抗効果素子11
を形成する手順を示す図であり、(a)〜(f)は各手順を
示す図である。まず、図2(a)に示すように、シリコン
基板10の表面に形成されたシリコン酸化膜14上に、
2層のポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト
膜、つまり高感度レジスト膜15及び低感度レジスト膜
16を塗布した。上層の低感度レジスト膜16の厚さは
約50nmであり、下層の高感度レジスト膜15は約2
00nmである。高感度レジスト膜15の感度は約30
0μC/cm2とし、上層の低感度レジスト膜16の感
度400μC/cm2よりも高く設定した。これは、電
子線描画後に現像した際のレジストパタ−ンを末広がり
状とし、スパッタ及び蒸着金属を転写した後にリフトオ
フを行い易くするためである。
EXAMPLE 1 FIG. 2 shows a magnetoresistive element 11 using a positive resist.
FIGS. 4A to 4F are diagrams illustrating a procedure for forming the image. FIGS. First, as shown in FIG. 2A, on a silicon oxide film 14 formed on the surface of the silicon substrate 10,
Two layers of polymethyl methacrylate (PMMA) resist films, that is, a high-sensitivity resist film 15 and a low-sensitivity resist film 16 were applied. The upper low-sensitivity resist film 16 has a thickness of about 50 nm, and the lower high-sensitivity resist film 15 has a thickness of about 2 nm.
00 nm. The sensitivity of the high-sensitivity resist film 15 is about 30
The sensitivity was set to 0 μC / cm 2, which was higher than the sensitivity 400 μC / cm 2 of the upper low-sensitivity resist film 16. This is to make the resist pattern developed after the electron beam writing into a divergent shape, and to facilitate lift-off after transferring the sputter and the deposited metal.

【0031】次いで、図2(b)に示すように、電流10
0[pA]、加速電圧50[keV]、基本ド−ズ量4
00μC/cm2の電子線ビームを照射して(電子線リ
ソグラフィ)、矩形-細線状ネットワ−クのパタ−ンの
描画を行った。描画したパターンには、縦100nm×横5
0nm程度の面積を有する大型の島状領域12と、縦50
nm×横50nm程度の面積を有する小型の島状領域12
とが含まれ、各島状領域12を相互に連結する磁性細線
13の横サイズ(幅)を約20nmに形成した。各島状領
域12相互のピッチは約400nmである。更に、パター
ンの描画後に、メチルイソブチルケトンとイソプロピル
アルコ−ルとの混合液(混合比1:1)中で、約30秒間
の現像を行った。この後、現像液を蒸発させるため、窒
素ガス中で約30分間のベ−キングを行った。
Next, as shown in FIG.
0 [pA], acceleration voltage 50 [keV], basic dose 4
By irradiating an electron beam of 00 μC / cm 2 (electron beam lithography), a pattern of a rectangular-thin linear network was drawn. The drawn pattern has a height of 100 nm and a width of 5 nm.
A large island-shaped region 12 having an area of about 0 nm;
small island region 12 having an area of about 50 nm × width 50 nm
And the lateral size (width) of the magnetic thin wire 13 interconnecting the island regions 12 was formed to be about 20 nm. The pitch between the island regions 12 is about 400 nm. Further, after the pattern was drawn, development was performed for about 30 seconds in a mixed solution of methyl isobutyl ketone and isopropyl alcohol (mixing ratio 1: 1). Thereafter, in order to evaporate the developing solution, baking was performed in nitrogen gas for about 30 minutes.

【0032】更に、図2(c)に示すように、イオンビ−
ムスパッタリング法で強磁性膜23の成膜を行った。ま
た、スパッタリング法以外に、蒸着法でも同様の成膜が
できることも確認した。多層膜構造は、膜厚が3nm程
度のFeと1nm程度のCrとを交互に50層分積層し
た。ここでは強磁性膜23にFeを用いたが、実際には
鉄表面が酸化鉄になり、その部分で単位体積当たりの磁
気モ−メントが純鉄の約1/4になるため、厚さ3nm
程度のアルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(A
u)等を強磁性膜23の表面に保護膜22として付着し
て被覆した。
Further, as shown in FIG.
The ferromagnetic film 23 was formed by a sputtering method. In addition, it was also confirmed that a similar film could be formed by an evaporation method other than the sputtering method. In the multilayer structure, 50 layers of Fe having a thickness of about 3 nm and Cr of about 1 nm were alternately laminated. Here, Fe was used for the ferromagnetic film 23. However, the iron surface is actually iron oxide, and the magnetic moment per unit volume at that portion is about 純 of that of pure iron.
Aluminum (Al), platinum (Pt), gold (A
u) or the like was attached as a protective film 22 on the surface of the ferromagnetic film 23 to cover it.

【0033】次いで、 図2(d)に示すように、強磁性膜
23の形成後に、アセトン中でリフトオフを行い、矩形
-細線状ネットワ−クの列が設計通りに形成されている
ことを確認した。
Next, as shown in FIG. 2D, after the ferromagnetic film 23 is formed, lift-off is performed in acetone to form a rectangular
-It was confirmed that the rows of the fine-line network were formed as designed.

【0034】更に、図2(e)に示すように、試料上に、
再び膜厚1μm程度のPMMAレジストを塗布し、500
μm×500μm程度の電極パタ−ン(図2(f)の17)
が、複数(1000本)の矩形-細線状ネットワ−クの列に
跨って形成されるように、電子線ビームで電極パタ−ン
領域を露光した。現像後に、スパッタ装置を用いて、A
uを厚さ100nm程度にスパッタ成膜した。この後、
上述と同じ条件でリフトオフした。Auの膜厚は、20
0nm 程度でもよく、また、Auに代えてプラチナを
用いることもできた。
Further, as shown in FIG.
A 1 μm thick PMMA resist is applied again and 500
Electrode pattern of about μm × 500μm (17 in FIG. 2 (f))
The electrode pattern area was exposed to an electron beam so that a pattern was formed over a plurality of (1000) rows of rectangular-fine linear networks. After the development, A
u was formed by sputtering to a thickness of about 100 nm. After this,
Lift-off was performed under the same conditions as described above. The thickness of Au is 20
The thickness may be about 0 nm, and platinum may be used instead of Au.

【0035】次いで、 図2(f)に示すように、電極パタ
ーン17に電流を流した。このとき、現プロセスにおい
て電極パターン17は同一平面上にあるため、電流は磁
気抵抗効果素子11の平面方向に流れた。即ち、CIP
構造であった。更に、磁気抵抗効果素子11の感度を高
めるために、素子面と垂直な方向に電流を流すCPP構
造として電極を加工することもできる。この場合には、
シリコン酸化膜14が形成されたシリコン基板10上に
一対の下部電極を形成してから、矩形-細線状の列を形
成し、更に、一対の上部電極を磁性細線13の上側部に
形成する手法を採る。
Next, as shown in FIG. 2F, a current was applied to the electrode pattern 17. At this time, the current flowed in the plane direction of the magnetoresistive element 11 because the electrode pattern 17 was on the same plane in the current process. That is, CIP
It was a structure. Further, in order to increase the sensitivity of the magnetoresistive effect element 11, the electrode can be processed as a CPP structure in which a current flows in a direction perpendicular to the element surface. In this case,
A method in which a pair of lower electrodes is formed on the silicon substrate 10 on which the silicon oxide film 14 is formed, a rectangular-fine line is formed, and a pair of upper electrodes is formed above the magnetic wire 13. Take.

【0036】実施例2 本実施例では、ネガ型レジストを用いて矩形-細線状ネ
ットワ−クのパタ−ンを形成する。図3は、この形成方
法を示す図であり、(a)〜(f)は各手順を示す図であ
る。
Embodiment 2 In this embodiment, a rectangular-thin linear network pattern is formed using a negative resist. FIG. 3 is a diagram showing this forming method, and (a) to (f) are diagrams showing each procedure.

【0037】まず、図3(a)に示すように、シリコン基
板10の表面に形成されたシリコン酸化膜14上に、膜
厚20nm程度でFe膜18を成膜し、このFe膜18上
に、膜厚2nm程度のPt膜19をスパッタ成膜する。
Fe膜18を多層膜構造とする場合には、約3nmのF
e膜18と、Crから成る約1nmの非磁性層膜20と
を交互に周期的に多数積層する。なお、成膜には蒸着法
を用いることができる。
First, as shown in FIG. 3A, an Fe film 18 having a thickness of about 20 nm is formed on the silicon oxide film 14 formed on the surface of the silicon substrate 10, and the Fe film 18 is formed on the Fe film 18. Then, a Pt film 19 having a thickness of about 2 nm is formed by sputtering.
When the Fe film 18 has a multilayer structure, the F
A large number of e films 18 and nonmagnetic layer films 20 of about 1 nm made of Cr are alternately and periodically laminated. Note that an evaporation method can be used for film formation.

【0038】更に、図3(b)に示すように、Pt膜19
の上から高分解能ネガレジスト(カリックスクスアレ−
ン)21を1μm程度の厚さに塗布した後、電子線ビ−
ムで矩形-細線状列のパタ−ンを描画して現像を行っ
た。この場合の加速電圧は50[keV]、ビ−ム電流は
100[pA]であった。ここで、Pt膜19に代えて
Al膜を形成することもできる。
Further, as shown in FIG.
High resolution negative resist from above
After applying 21 to a thickness of about 1 μm, the electron beam
The pattern was drawn with a rectangular-thin line array using a system and developed. In this case, the acceleration voltage was 50 [keV], and the beam current was 100 [pA]. Here, an Al film can be formed instead of the Pt film 19.

【0039】次いで、図3(c)に示すように、アルゴン
(Ar)ガスでエッチングを行った。この場合のArガ
ス圧は約5×10-5[Torr]、処理に要する時間は約45
秒であった。これにより、ネガレジスト膜21、Pt膜
19、Fe膜18を順にエッチングし、シリコン基板1
0上のシリコン酸化膜14が現れた時点で処理を停止し
た。ネガレジスト膜21を1μm程度の厚めに形成し、
磁性細線13上のFeをエッチングしないようにした。
Next, as shown in FIG. 3C, etching was performed with argon (Ar) gas. In this case, the Ar gas pressure is about 5 × 10 −5 [Torr], and the time required for the treatment is about 45.
Seconds. As a result, the negative resist film 21, the Pt film 19, and the Fe film 18 are sequentially etched, and the silicon substrate 1 is etched.
The process was stopped when the silicon oxide film 14 on the zero appeared. A negative resist film 21 is formed to be about 1 μm thick,
The Fe on the magnetic fine wire 13 was not etched.

【0040】この後、図3(d)に示すように、矩形-細線
状列の上部に残存したネガレジスト膜21は、酸素プラ
ズマウォッシャで除去した。この状態の矩形-細線状列
を上方から見ると、図3(e)のようになる。
Thereafter, as shown in FIG. 3 (d), the negative resist film 21 remaining on the upper part of the rectangular-thin line was removed by an oxygen plasma washer. FIG. 3E shows the rectangular-thin linear row in this state when viewed from above.

【0041】更に、図3(f)に示すように、電子線ビ−
ムで電極パタ−ンを形成し、現像後に、Auをスパッタ
リングして電極17を形成した。パターン形成、成膜条
件は、第1実施例のポジレジストによる方法と同様に設
定した。なお、電極17へのスパッタリングには、Au
に代えてプラチナを用いることができ、また、スパッタ
リング法に代えて蒸着法を用いることができる。
Further, as shown in FIG.
An electrode pattern was formed by a system, and after development, Au was sputtered to form an electrode 17. The conditions for pattern formation and film formation were set in the same manner as in the method using the positive resist of the first embodiment. Note that Au is used for sputtering on the electrode 17.
Can be used instead of platinum, and an evaporation method can be used instead of the sputtering method.

【0042】以上、製法に従って簡単に構造を述べた
が、多層膜には、例えばCoとCrを用いて、交互に積
層した構造とすることもでき、また、パターン形成法は
電子線ビーム法に限定されることはない。
The structure has been briefly described above according to the manufacturing method. However, the multilayer film may have a structure in which Co and Cr are alternately laminated, for example, and the pattern forming method is an electron beam method. It is not limited.

【0043】次に、本発明を適用した磁気抵抗効果素子
11の磁気特性を、上記実施形態例における矩形-細線
状ネットワ−ク構造を例にとって更に詳しく説明する。
図1(a)、(b)に示すように、磁界を矩形−細線ネットワ
−クに印加した場合に、磁化測定を行うと、形状異方性
効果により、強磁性体の磁壁長と同程度のサイズ領域で
は、面積の小さい方の矩形の保磁力(磁界H1)が、面
積の大きい方の矩形の保持力(磁界H2)よりも小さく
なる。
Next, the magnetic characteristics of the magnetoresistive effect element 11 to which the present invention is applied will be described in more detail by taking the rectangular-wire network structure in the above embodiment as an example.
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), when a magnetic field is applied to a rectangular-fine wire network, the magnetization is measured. In the size region, the coercive force (magnetic field H1) of the rectangle having the smaller area is smaller than the coercive force (magnetic field H2) of the rectangle having the larger area.

【0044】この矩形-細線状構造の磁気抵抗効果素子
11に付けた二対で4個の電極(図2(f)参照)を用
い、4端子法によって磁気抵抗特性を測定した。図4
は、磁気抵抗効果素子の特性の測定結果を示すグラフで
あり、(a)は磁気特性(ヒステリシスル−プ)を示し、
(b)は磁気抵抗特性を示す。
Using two pairs of four electrodes (see FIG. 2 (f)) attached to the magnetoresistive element 11 having the rectangular-fine line structure, the magnetoresistance characteristics were measured by a four-terminal method. FIG.
Is a graph showing the measurement results of the characteristics of the magnetoresistive effect element, (a) shows the magnetic characteristics (hysteresis loop),
(b) shows magnetoresistance characteristics.

【0045】測定の結果として、磁気抵抗効果素子の磁
気特性は、約40ガウスの磁界H1で、小さい面積の島
状領域12の磁化が磁界と同じ向きに反転する。この状
況を反映して、磁気抵抗には、磁界H1で不連続的なジ
ャンプが生じた。この場合、40[Ω]から80[Ω]
に、即ちMR比100%、磁気感度1.6%/ガウスで
あった。ジャンプの大きさは、磁気抵抗効果素子全体の
強磁性体の体積における小さい方の島状領域12の全体
積に比例していた。更に、磁界を印加して大きい方の島
状領域12の磁化が反転するまで(磁界H2まで100
ガウス)素子の磁化の変化はあまりなく、磁気抵抗はな
だらかな変化を示し、磁界H2で素子中の全てのスピン
が磁界方向に揃って、80[Ω]から40[Ω]に磁気
抵抗が急激に低下した。
As a result of the measurement, the magnetic characteristics of the magnetoresistive element are such that the magnetization of the small island area 12 is reversed in the same direction as the magnetic field under a magnetic field H1 of about 40 Gauss. Reflecting this situation, the magnetic resistance has a discontinuous jump in the magnetic field H1. In this case, 40 [Ω] to 80 [Ω]
That is, the MR ratio was 100% and the magnetic sensitivity was 1.6% / Gauss. The magnitude of the jump was proportional to the total volume of the smaller island region 12 in the volume of the ferromagnetic material of the entire magnetoresistive element. Further, a magnetic field is applied until the magnetization of the larger island-shaped region 12 is reversed (100 fields up to the magnetic field H2).
Gauss) The magnetization of the element does not change much, the magnetoresistance shows a gradual change, and all the spins in the element are aligned in the direction of the magnetic field with the magnetic field H2, and the magnetoresistance suddenly changes from 80 [Ω] to 40 [Ω]. Has dropped.

【0046】図1に示した実施形態例では、相互に直交
する矩形-細線状の列が相互に同じ太さと厚みを有して
いたが、相互に直交する磁性細線13の厚みや太さを変
化させ、或いは、個々の島状領域12の磁界に対する角
度が変化するように構成することも可能である。例え
ば、磁界を矩形の長軸方向や短軸方向に印加する。或い
は、相互に交差する矩形−磁性細線列を夫々異なる材料
で作製することによって、保持力や飽和磁化を自在に制
御することができることを確認した。
In the embodiment shown in FIG. 1, the rectangular and thin linear rows which are orthogonal to each other have the same thickness and thickness, but the thickness and thickness of the magnetic thin wires 13 which are orthogonal to each other are reduced. It is also possible to change the angle or to change the angles of the individual island regions 12 with respect to the magnetic field. For example, a magnetic field is applied in a long axis direction or a short axis direction of a rectangle. Alternatively, it has been confirmed that the coercive force and the saturation magnetization can be freely controlled by manufacturing mutually intersecting rectangular-magnetic fine wire rows with different materials.

【0047】この説明中では、大小2つの長方形の長軸
方向に磁界を印加した場合を考えている。今、大きい方
(100nm×50nm、個数2×107個)と小さい方の島状
領域12(50nm×40nm、5×107個)の短軸方向に
磁界を印加した場合に、大きい方と小さい方の島状領域
12の保持力は、夫々、80ガウスと30ガウスにな
る。この磁気抵抗効果素子に電極端子を付けて磁気抵抗
を測定すると、30ガウスで磁気抵抗が40[Ω]から
70[Ω]になって、小さい方の島状領域12だけが磁
界と同じ向きにスピン反転する。このとき、抵抗値は8
0ガウスまでほぼ一定であり、80ガウスにおける抵抗
値は、70[Ω]から40[Ω]まで減少し、全てのス
ピンが磁界方向に傾く。
In this description, it is assumed that a magnetic field is applied in the long axis direction of two large and small rectangles. Now, when a magnetic field is applied in the minor axis direction of the larger (100 nm × 50 nm, 2 × 107) and the smaller island-shaped regions 12 (50 nm × 40 nm, 5 × 107), the larger and smaller islands are applied. Are 80 gauss and 30 gauss, respectively. When the magnetoresistance is measured by attaching an electrode terminal to the magnetoresistance effect element, the magnetoresistance changes from 40 [Ω] to 70 [Ω] at 30 Gauss, and only the smaller island region 12 is oriented in the same direction as the magnetic field. Spin reverse. At this time, the resistance value is 8
It is almost constant up to 0 Gauss, the resistance at 80 Gauss decreases from 70 [Ω] to 40 [Ω], and all spins tilt in the direction of the magnetic field.

【0048】磁気抵抗比は75%である。ここでは、2
種類の島状領域12の配列を考えたが、例えばN種類の
矩形-細線状の列を作製すれば、N段のデジタル的なス
テップが実現し(保持力がN種類ある)低磁界のみなら
ず、高磁界領域においても高感度な磁気抵抗効果素子が
実現できる。
The magnetoresistance ratio is 75%. Here, 2
Considering the arrangement of the island regions 12 of different kinds, for example, if N kinds of rectangular-thin lines are formed, N digital steps can be realized (if there are N kinds of coercive forces) and only a low magnetic field is used. Instead, a highly sensitive magnetoresistive element can be realized even in a high magnetic field region.

【0049】このような構造において個々の矩形を異な
る材料で作製する方法を明記する。例えば今、大小2種
類の矩形が細線で結合されている構造を考える。まず、
PMMAレジストを塗布し、電子線ビ−ムリソグラフィ
で、大きい島状領域12のネットワ−クを作製する。こ
の場合における加速電圧は50[eV]、ビ−ム電流は
100[pA]、電子線ド−ズ量は400μC/cm2
である。
A method for producing individual rectangles with different materials in such a structure will be specified. For example, consider a structure in which two types of rectangles, large and small, are connected by a thin line. First,
A PMMA resist is applied, and a network of large island regions 12 is formed by electron beam lithography. In this case, the accelerating voltage is 50 eV, the beam current is 100 pA, and the electron beam dose is 400 μC / cm 2.
It is.

【0050】現像後に、イオンビ−ムスパッタでFeを
20nm程度付着させ、アセトンでリフトオフを行う。
次いで、PMMAレジストを再度塗布し、アライナ−等
でマ−ク検出を行って、小さい方の矩形を重ねて露光す
る。この場合に、大きい方の矩形-細線状の列と接続す
る。イオンビ−ムスパッタで、今度はパ−マロイを付け
てリフトオフし、ドットネットワ−ク型磁気抵抗効果素
子が完成する。この場合には、2回のプロセスを要する
が、小さい島状領域12ではパ−マロイの素子の保持力
が下がり、素子を全てFeで作製する場合よりも感度が
向上する。この場合の保持力は、10ガウス程度にな
る。本構造を磁気記録媒体として機能させる場合には、
単位体積当たりの磁気密度が高い方が好ましい。
After development, about 20 nm of Fe is deposited by ion beam sputtering, and lift-off is performed with acetone.
Next, a PMMA resist is applied again, a mark is detected by an aligner or the like, and the smaller rectangle is overlapped and exposed. In this case, it is connected to the larger rectangular-thin line. This time, a permalloy is attached and lifted off by ion beam sputtering, and a dot network type magnetoresistive element is completed. In this case, two processes are required, but the holding power of the permalloy element is reduced in the small island region 12, and the sensitivity is improved as compared with the case where the element is entirely made of Fe. The holding force in this case is about 10 Gauss. To make this structure function as a magnetic recording medium,
A higher magnetic density per unit volume is preferred.

【0051】上記構造においては、個々の矩形を100
nm以下に作製する場合に、個々の矩形の島状領域12
は、夫々、単磁区構造をとり1ビットである。この際
に、単磁区が基板に平行方向に形成される場合よりも、
垂直方向に磁化している場合の方が、単位面積当たりの
ビット数を増加させることが可能になった。Feのアス
ペクト比を増加させ、直径約20nmで高さ約50nm
あれば、矩形パタ−ンは、シリコン基板に垂直方向に磁
化されて、記録媒体として用いる際の記録密度が向上す
る。他に、コバルトクロムの合金や、バリウムフェライ
ト等を垂直磁化素子として用いることができる。
In the above structure, each rectangle is represented by 100
nm or less, each rectangular island region 12
Each has a single magnetic domain structure and is 1 bit. At this time, compared to the case where a single magnetic domain is formed in a direction parallel to the substrate,
In the case of magnetization in the vertical direction, the number of bits per unit area can be increased. Increase the aspect ratio of Fe to about 20 nm in diameter and about 50 nm in height
If so, the rectangular pattern is magnetized in the direction perpendicular to the silicon substrate, and the recording density when used as a recording medium is improved. Alternatively, an alloy of cobalt chromium, barium ferrite, or the like can be used as the perpendicular magnetization element.

【0052】約100nmの矩形を約100nmのピッ
チで配列した磁気抵抗効果素子の場合には、相互の矩形
のダイポ−ルの相互作用が強く(距離の3乗に反比例し
相互の矩形の磁気モ−メントの積に比例する)、磁気抵
抗効果素子の保持力が小さくなる。もし、ピッチが10
0nmを越えれば、素子の保持力は徐々に大きくなる。
つまり、磁気抵抗効果素子として低磁界で感度を増加す
るためには、矩形-細線状の列のピッチを狭めると良
く、より高磁界で感度を増加させるためにはピッチを広
げる。強磁性体を用いた人工格子磁気抵抗効果素子(F
e−Cr、Co−Cu)においては、積層の回数を増加
すれば、スピン散乱の頻度が増加し更に大きな磁気抵抗
変化を得ることができる。この現象は、本発明によるナ
ノ構造素子でも見られ、多層膜構造をとることによって
磁気抵抗比、磁界感度も向上する。
In the case of a magnetoresistive element in which rectangles of about 100 nm are arranged at a pitch of about 100 nm, the mutual interaction of the rectangular dipoles is strong (inversely proportional to the cube of the distance and the mutual rectangular magnetic motors). −proportion-product), the coercive force of the magnetoresistive element is reduced. If the pitch is 10
If it exceeds 0 nm, the holding power of the element gradually increases.
In other words, in order to increase the sensitivity in a low magnetic field as a magnetoresistive effect element, it is preferable to narrow the pitch of the rectangular-thin lines, and to increase the sensitivity in a higher magnetic field, the pitch is increased. An artificial lattice magnetoresistance effect element (F
In e-Cr and Co-Cu), if the number of laminations is increased, the frequency of spin scattering is increased and a larger change in magnetoresistance can be obtained. This phenomenon is also observed in the nanostructured device according to the present invention, and by adopting the multilayer structure, the magnetoresistance ratio and the magnetic field sensitivity are improved.

【0053】次に、矩形-細線状ネットワ−クの隙間を
非磁性導体で電気的に接続した第2実施形態例を説明す
る。図5は、本実施形態例におけるFeとCrの多層膜
矩形-細線状ネットワ−クにCr膜を被覆した構造を示
す断面図である。
Next, a description will be given of a second embodiment in which the gaps between the rectangular and thin linear networks are electrically connected by non-magnetic conductors. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure in which a Cr-film is coated on a multi-layered rectangular-fine network of Fe and Cr in this embodiment.

【0054】まず、シリコン基板10のシリコン酸化膜
14上に、Feで矩形-細線状ネットワ−ク(強磁性膜
23)を作製してから、このネットワ−クを覆う導電体
膜として、膜厚20nm程度のCr膜25を上部からスパ
ッタリングによって形成した。これにより、FeとCr
の矩形-細線状ネットワ−クの周期構造を得ることがで
き、Cr両側のFeのスピンが揃った場合(H>100ガ
ウス)に磁気抵抗が最小となり、両側のスピンが反平行
の低磁界領域(40Gauss<H<100Gauss)で磁気抵抗
が最大になった。この場合に、例えば磁性細線13の間
隔が400nm程度で、矩形パタ−ン(島状領域12)
のピッチが磁気的相互作用が及ばない程大きければ、各
磁性細線13の相互間における磁気的カップリングがな
く、磁気抵抗効果素子の保持力が大きくなる。
First, on the silicon oxide film 14 of the silicon substrate 10, a rectangular-fine linear network (ferromagnetic film 23) is formed from Fe, and then a film is formed as a conductor film covering the network. A Cr film 25 of about 20 nm was formed from above by sputtering. Thereby, Fe and Cr
The periodic structure of the rectangular-fine wire network can be obtained. When the spins of Fe on both sides of Cr are aligned (H> 100 Gauss), the magnetic resistance is minimized, and the spins on both sides are antiparallel in a low magnetic field region. (40 Gauss <H <100 Gauss), the magnetic resistance became maximum. In this case, for example, the interval between the magnetic thin wires 13 is about 400 nm, and the rectangular pattern (the island region 12) is used.
Is too large to reach the magnetic interaction, there is no magnetic coupling between the magnetic thin wires 13 and the coercive force of the magnetoresistive effect element increases.

【0055】逆に、矩形のピッチを狭めればダイポ−ル
相互作用が強くなり、磁気抵抗効果素子の保持力が減少
する。今、Feのドットである島状領域12をCr膜2
5で被覆する場合を考えたが、Coの矩形細線パタ−ン
上に銅膜を被覆しても良い。また、スパッタ法を蒸着法
にしてもよいことを確認した。従来のグラニュラ−型の
磁気抵抗効果素子では、個々の強磁性体微粒子の分布や
サイズがランダムで単磁区構造と多磁区構造が共存して
いる。この磁気抵抗効果素子の代表的な作製法は、合金
を単にスパッタし、適当に熱処理を施す程度である。
Conversely, if the rectangular pitch is narrowed, the dipole interaction becomes stronger, and the coercive force of the magnetoresistive element decreases. Now, the island region 12 which is a dot of Fe is formed by the Cr film 2.
Although the case of coating with 5 is considered, a copper film may be coated on a rectangular pattern of Co thin wires. In addition, it was confirmed that the sputtering method may be replaced by a vapor deposition method. In a conventional granular-type magnetoresistive element, the distribution and size of each ferromagnetic fine particle are random, and a single domain structure and a multi-domain structure coexist. A typical method of manufacturing this magnetoresistive element is to simply sputter the alloy and perform an appropriate heat treatment.

【0056】上記方法によると、作製は容易であるが、
強磁性粒子の形状は一般に円や楕円や長方形が混在して
おり、形状異方性、保持力等の重要なパラメ−タを現時
点では制御してはいない。本発明を適用した方法では、
矩形や細線を任意のサイズ、位置に形成することが可能
であり、素子の保持力を上げる場合には、針状にFe加
工し磁化容易軸方向に磁界を印加すれば、最高2500
ガウス程度にまで保持力を高めることが可能である。ま
た、磁気抵抗効果素子の保持力を数十ガウス程度に下げ
るためには、矩形の面積を小さくし(50nm以下)、
或いは、熱処理をする。更には、矩形の短軸方向に磁界
が印加できるように素子を設計することもできる。
According to the above method, the production is easy,
The shape of ferromagnetic particles generally includes a mixture of circles, ellipses, and rectangles, and important parameters such as shape anisotropy and coercive force are not controlled at this time. In the method to which the present invention is applied,
It is possible to form a rectangle or a thin wire at any size and position. To increase the holding power of the element, a maximum of 2500 can be obtained by applying a magnetic field in the direction of the axis of easy magnetization by applying a needle-like Fe process.
It is possible to increase the holding power to about Gauss. Further, in order to reduce the coercive force of the magnetoresistive effect element to about several tens of gauss, the area of the rectangle is reduced (50 nm or less),
Alternatively, heat treatment is performed. Furthermore, the element can be designed so that a magnetic field can be applied in the direction of the short axis of the rectangle.

【0057】以上説明したように、本発明の実施形態例
及び実施例によると、矩形-細線状の列のパタ−ンを微
細加工制御することにより、磁気記録媒体として、或い
は磁気ヘッド等の記録部材として用いることができる高
感度の磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、微
細加工技術により、任意の形状に素子を加工できるため
に、磁気抵抗値を任意の値に設定することができる。例
えば、抵抗値を上げたいときには膜厚や磁性細線の幅を
減少させ、磁気抵抗効果素子の断面積を小さくして磁性
細線を長くすれば良い。これは、従来の低抵抗値のトン
ネル電流型素子(TMR構造)にはない長所を有すると
いうことである。
As described above, according to the embodiment and the examples of the present invention, by controlling the fine processing of the pattern of the rectangular-thin line array, it is possible to perform recording as a magnetic recording medium or a magnetic head or the like. A highly sensitive magnetoresistive element that can be used as a member can be obtained. In addition, since the element can be processed into an arbitrary shape by the fine processing technology, the magnetoresistance value can be set to an arbitrary value. For example, when it is desired to increase the resistance value, the film thickness or the width of the magnetic fine wire may be reduced, the cross-sectional area of the magnetoresistive element may be reduced, and the magnetic fine wire may be lengthened. This is an advantage that the conventional low resistance value tunnel current element (TMR structure) does not have.

【0058】更に、磁性細線、島状領域の形状異方性、
多層膜構造を持たせることにより、磁気抵抗効果素子の
磁気特性、特に保持力、飽和磁化、磁気抵抗(ヒステリ
シス特性も含む)の傾き(磁界感度)等を自在に制御す
ることができる。特に、低磁界におけるMR比感度が高
くなり、高抵抗領域が拡大し、且つ、飽和磁化を自由に
制御することができる。例えば、保持力を向上させたい
場合には、規則正しく配列した島状領域(長方形)の長
手方向に磁界を印加するように素子を設計し、逆に小さ
くしたい場合には、島状領域のサイズを更に微小化すれ
ばよい。また、本発明に係る技術は、ナノスケ−ルに強
磁性体を加工することによって個々のパタ−ンを単磁区
構造に形成して高密度に配列し、これにより、従来にな
い高密度な磁気記録媒体をも得ることができる。なお、
本実施例では、強磁性体として鉄を用いたが、これに限
定されることなく、他の任意の材料を強磁性体に適用す
ることができる。
Furthermore, magnetic fine wires, shape anisotropy of island-like regions,
By providing a multilayer structure, it is possible to freely control the magnetic characteristics of the magnetoresistive effect element, in particular, the coercive force, the saturation magnetization, the gradient (magnetic field sensitivity) of the magnetoresistance (including the hysteresis characteristics), and the like. In particular, the MR ratio sensitivity in a low magnetic field is increased, the high resistance region is expanded, and the saturation magnetization can be freely controlled. For example, to improve the coercive force, the element is designed so that a magnetic field is applied in the longitudinal direction of the regularly arranged island regions (rectangles). The size may be further reduced. Further, the technology according to the present invention is based on the fact that individual patterns are formed in a single magnetic domain structure by processing a ferromagnetic material on a nanoscale and arranged at a high density. A recording medium can also be obtained. In addition,
In this embodiment, iron is used as the ferromagnetic material. However, the present invention is not limited to this, and any other material can be applied to the ferromagnetic material.

【0059】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明の磁気抵抗効果素子は、上記
実施形態例及び実施例の構成にのみ限定されるものでは
なく、上記実施形態例及び実施例の構成から種々の修正
及び変更を施した磁気抵抗効果素子も、本発明の範囲に
含まれる。
Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the magnetoresistive effect element of the present invention is not limited to the configurations of the above-described embodiments and examples. Magnetoresistive elements obtained by making various modifications and changes from the configurations of the embodiment and the examples are also included in the scope of the present invention.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気抵抗
効果素子によると、特に低磁界領域における磁界感度を
向上させ、磁気特性に密接に関連する素子特性パラメー
タを、材料パラメータとはある程度独立に且つ精密に制
御することができる。
As described above, according to the magnetoresistive effect element of the present invention, the magnetic field sensitivity is improved particularly in a low magnetic field region, and the element characteristic parameters closely related to the magnetic characteristics are somewhat independent of the material parameters. And can be controlled precisely.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態例における磁気抵抗効果素子
の構造を示す図であり、(a)は素子構造の1例を示す平
面図、(b)は(a)におけるIb-Ib線による断面図であ
る。
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a structure of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view showing an example of the element structure, and FIG. It is sectional drawing.

【図2】ポジ型レジストを用いて磁気抵抗効果素子を形
成する実施例1における手順を示す図であり、(a)〜
(f)は各手順を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a procedure in Example 1 for forming a magnetoresistive element using a positive resist, and FIGS.
(f) is a diagram showing each procedure.

【図3】ネガ型レジストを用いて磁気抵抗効果素子を形
成する実施例2における手順を示す図であり、(a)〜
(f)は各手順を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a procedure in Example 2 for forming a magnetoresistive element using a negative resist, and FIGS.
(f) is a diagram showing each procedure.

【図4】磁気抵抗効果素子の特性の測定結果を示すグラ
フであり、(a)は磁気特性を示し、(b)は磁気抵抗特性
を示す。
FIGS. 4A and 4B are graphs showing measurement results of characteristics of a magnetoresistive element, wherein FIG. 4A shows magnetic characteristics and FIG. 4B shows magnetoresistive characteristics.

【図5】多層膜矩形-細線状ネットワ−クにCr膜を被
覆した構造を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure in which a Cr film is coated on a multilayer rectangular-fine network.

【図6】従来の強結合型のGMR多層膜素子におけるM
−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
FIG. 6 shows M in a conventional strong-coupling type GMR multilayer device.
4 is a graph showing -H characteristics and magnetoresistance characteristics.

【図7】従来の弱結合型のGMR多層膜素子におけるM
−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing M in a conventional weak-coupling type GMR multilayer device;
4 is a graph showing -H characteristics and magnetoresistance characteristics.

【図8】従来の非結合型のGMR多層膜素子におけるM
−H特性及び磁気抵抗特性を示すグラフである。
FIG. 8 shows M in a conventional non-coupled GMR multilayer device.
4 is a graph showing -H characteristics and magnetoresistance characteristics.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 シリコン基板 11 磁気抵抗効果素子 12 島状領域 13 磁性細線 14 シリコン酸化膜 18 Fe膜 19 Pt膜 25 Cr膜 REFERENCE SIGNS LIST 10 silicon substrate 11 magnetoresistive element 12 island region 13 magnetic wire 14 silicon oxide film 18 Fe film 19 Pt film 25 Cr film

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に磁性層を有する磁気抵抗効果素
子において、 前記磁性層が、マトリックス状に配列された複数の島状
領域と、各島状領域を相互に連結する細線とを備えるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果素子。
1. A magnetoresistive element having a magnetic layer on a substrate, wherein the magnetic layer includes a plurality of island-shaped regions arranged in a matrix and thin wires interconnecting the island-shaped regions. A magnetoresistive element comprising:
【請求項2】 前記島状領域が矩形状に形成されること
を特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein said island region is formed in a rectangular shape.
【請求項3】 前記島状領域の形状及び/又は面積が相
互に異なることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁
気抵抗効果素子。
3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the island regions have different shapes and / or areas.
【請求項4】 前記島状領域及び前記細線の少なくとも
一方が、多層膜積層構造から成ることを特徴とする請求
項1乃至3の内の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素
子。
4. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein at least one of the island region and the thin line has a multilayer structure.
【請求項5】 前記島状領域及び前記細線の少なくとも
一方における多層膜が、相互に異なる複数種の材料から
成ることを特徴とする請求項4に記載の磁気抵抗効果素
子。
5. The magnetoresistive element according to claim 4, wherein the multilayer film in at least one of the island region and the fine wire is made of a plurality of different materials.
【請求項6】 前記島状領域及び前記細線の少なくとも
一方における磁化容易軸が、前記島状領域のパタ−ン形
成面に対して垂直方向にあることを特徴とする請求項1
乃至5の内の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the axis of easy magnetization of at least one of the island region and the thin line is perpendicular to a pattern forming surface of the island region.
6. The magnetoresistive element according to any one of Items 5 to 5.
【請求項7】 前記島状領域及び前記細線の少なくとも
一方の上層及び/又は下層に導電体膜が更に形成される
ことを特徴とする請求項1乃至6の内の何れか1項に記
載の磁気抵抗効果素子。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a conductive film is further formed on an upper layer and / or a lower layer of at least one of the island region and the fine wire. Magnetoresistive element.
【請求項8】 前記各島状領域夫々の形状異方性によっ
て磁気特性を制御することを特徴とする請求項1乃至7
の内の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. The magnetic characteristics are controlled by the shape anisotropy of each of said island-shaped regions.
The magnetoresistive element according to any one of the above.
【請求項9】 前記島状領域及び前記細線の磁気相互作
用によって磁気特性を制御することを特徴とする請求項
1乃至7の内の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
9. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a magnetic characteristic is controlled by a magnetic interaction between the island region and the fine wire.
【請求項10】 請求項1乃至9の内の何れか1項に記
載の磁気抵抗効果素子であって、記憶素子として構成さ
れることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
10. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is configured as a storage element.
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