DE10046864A1 - Magnetsensor, Magnetkopf und Magnetplattenvorrichtung - Google Patents

Magnetsensor, Magnetkopf und Magnetplattenvorrichtung

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DE10046864A1
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ferromagnetic
magnetic sensor
magnetic
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Masashige Sato
Kazuo Kobayashi
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Abstract

In einem Magnetsensor, der mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferromagnetische Metallschicht und eine zweite ferromagnetische Metallschicht enthält, die über einer isolierenden Barrierenschicht über der ersten ferromagnetischen Metallschicht gebildet ist, ist wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung gebildet, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält. Der Magnetsensor kann ein MR-Verhältnis von wenigstens 30% vorsehen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patent­ anmeldung Nr. 11-269111, eingereicht am 22. September 1999, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme inkorporiert ist, und beansprucht deren Priorität.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Magnetsensor, das heißt, einen Magnetsensor zum Konvertieren einer Veränderung eines Magnetfeldes in eine Veränderung eines elektrischen Wider­ standes, und Vorrichtungen, bei denen der Magnetsensor verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft besonders einen Magnetkopf, der mit dem Magnetsensor als magnetoresi­ stivem Transducer versehen ist, eine Magnetplattenvorrich­ tung, die mit dem Magnetkopf versehen ist, und eine Platten­ arrayvorrichtung und eine Codierervorrichtung, die jeweils mit dem Magnetsensor versehen sind.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Dünnfilmmagnetkopf, der die hohe Aufzeichnungs­ dichte einer Magnetplattenvorrichtung und eine Verringerung seiner Größe bewältigen kann, hat in den letzten Jahren zunehmende Aufmerksamkeit auf sich gezogen, aber dennoch muß solch ein Dünnfilmmagnetkopf eine noch höhere Leistung haben. Bei Wiedergabeköpfen (MR-Köpfen), die mit einem magnetoresistiven Element oder einer MR-Vorrichtung als Transducer versehen sind, haben eine AMR-Vorrichtung, bei der ein anisotroper Magnetowiderstandseffekt genutzt wird, und eine GMR-Vorrichtung, bei der ein gigantischer Magneto­ widerstandseffekt genutzt wird und die eine hohe Ausgabe vorsieht, ohne auf die Bewegungsgeschwindigkeit eines magne­ tischen Aufzeichnungsmediums zu vertrauen, die Aufmerksam­ keit erregt. In den letzten Jahren hat eine Spin-Valve-GMR- Vorrichtung besonderes Interesse erregt, da sie relativ einfach produziert werden kann, und ferner ist das Verhält­ nis der Veränderung ihres elektrischen Widerstandes in einem schwachen Magnetfeld größer als jenes von anderen MR-Vor­ richtungen.
Verschiedene ferromagnetische Tunnelübergangsvorrich­ tungen, die ein höheres Magnetowiderstandsveränderungsver­ hältnis (oder sogenanntes "MR-Verhältnis") als die Spin- Valve-Vorrichtungen vorsehen, sind vorgeschlagen worden, wie es in der Technik wohlbekannt ist. Von den Patentveröffent­ lichungen, die in letzter Zeit für die Öffentlichkeit offen­ gelegt worden sind, beschreiben die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen (Kokai) Nr. 10-4227 und 10-162326 eine ferromagnetische Tunnelübergangsvorrichtung, die als Magnetsensor oder als Speicherzelle innerhalb eines magneti­ schen Speicherarrays mit wahlfreiem Zugriff verwendet werden kann. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 10-162327 beschreibt eine ferromagnetische Tunnelübergangsvorrichtung, die als MR-Kopf fungieren kann, und den MR-Kopf, bei dem die Übergangsvorrichtung verwendet wird. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 10-190090 beschreibt einen ferromagnetischen Tunnelübergang und eine Übergangsspeicherzelle und einen Übergangsmagnetsensor, bei denen die ferromagnetische Tun­ nelübergangsvorrichtung genutzt wird. Die ferromagnetischen Tunnelübergangsvorrichtungen, die in diesen Patentveröffent­ lichungen beschrieben sind, haben alle eine ähnliche Kon­ struktion und sind mit einer ferromagnetischen Tunnelüber­ gangsstruktur versehen, die eine untere ferromagnetische Schicht (untere Elektrode) und eine Tunnelbarriere und eine obere ferromagnetische Schicht (obere Elektrode) enthält, die der Reihe nach über der unteren ferromagnetischen Schicht gebildet sind. Die ferromagnetische Tunnelübergangs­ vorrichtung, die solch eine Spin-Valve-Struktur hat, wie sie unter Bezugnahme auf die Vorrichtung von Fig. 6 der japani­ schen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 10- 190090 erläutert ist, hat eine Schichtstruktur, die jener ähnlich ist; die in Fig. 1 gezeigt ist, die der vorliegenden Beschreibung beiliegt. Die ferromagnetische Tunnelübergangs­ vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, enthält auf einem Substrat 109 einen unteren Elektrodenstapel 110, eine Tun­ nelbarriere 120 und einen oberen Elektrodenstapel 130. Diese Vorrichtung enthält den unteren Elektrodenstapel, der auf einem Siliciumsubstrat 109 eine 5 nm dicke Ta-Schicht zuzüg­ lich einer 10 nm dicken Cu-Schicht (die auch als Keimschicht 112 fungiert) als elektrische Leitungsschicht 111 umfaßt; eine 4 nm dicke NiFe-Schicht als Schablonenschicht 114; eine 10 nm dicke MnFe-Schicht als antiferromagnetische Schicht 116; und eine 6 nm dicke NiFe-Schicht zuzüglich einer 2 nm dicken Co-Schicht als untere ferromagnetische Schicht 118. Die elektrische Leitungsschicht 111 kann anstelle der Ta- Schicht eine Au-Schicht oder Al-Schicht umfassen. Die Tun­ nelbarriere 120 umfaßt eine 1,2 nm dicke Aluminium-(Al)- Schicht, die einer Plasmaoxidation ausgesetzt wurde, das heißt, eine Aluminiumoxid-(Al2O3)-Schicht. Der obere Elek­ trodenstapel 130 umfaßt eine 20 nm dicke NiFe-Schicht als obere ferromagnetische Schicht 132 und eine 20 nm dicke Cu- Schicht als elektrische Leitungsschicht 150. Die obere ferromagnetische Schicht 132 umfaßt eine NiFe-Schicht oder dergleichen. Eine Co-(Cobalt)-Schicht kann zwischen der Tunnelbarriere 120 und der oberen ferromagnetischen Schicht 132 auf dieselbe Weise wie bei der unteren ferromagnetischen Schicht 118 sandwichartig angeordnet sein. Die elektrische Leitungsschicht 150 kann auf dieselbe Weise wie die elektri­ sche Leitungsschicht 111 die Au-Schicht oder die Al-Schicht anstelle der Cu-Schicht umfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die herkömmliche ferromagnetische Tunnelübergangsvor­ richtung mit der Spin-Valve-Struktur hat im allgemeinen, wie oben beschrieben, eine Schichtstruktur mit der ". . ./anti­ ferromagnetischen Schicht (Befestigungsschicht)/unteren ferromagnetischen Schicht (befestigte Schicht)/Tunnel­ barriere (isolierende Barrierenschicht)/oberen ferromagne­ tischen Schicht (freie Schicht)/. . .". Wenn die Befesti­ gungsschicht eine IrMn-Schicht ist und die befestigte Schicht in diesem Fall zum Beispiel eine Co-Schicht ist, unterliegt die Co-Schicht der Austauschverbindung mit der IrMn-Schicht, und die Magnetisierungsrichtung der befestig­ ten Schicht wird fixiert. Wenn ein Magnetfeld von außen auf die Vorrichtung angewendet wird, wird demzufolge nur die freie Schicht durch Magnetisierungsrotation rotiert. Dann verändert sich der Tunnelwiderstand in Abhängigkeit von der Intensität des Magnetfeldes, wie es später unter Bezugnahme auf Zahlenformeln erläutert wird.
Wenn hier jedoch die NiFe-Schicht oder die Co-Schicht für die ferromagnetische Schicht verwendet wird, kann kein ausreichend hohes Magnetowiderstandsveränderungsverhältnis (MR-Verhältnis) erreicht werden, wie es durch eine Magneto­ widerstandseffektkurve in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dem Bei­ spiel, das in der Zeichnung gezeigt ist, kann nur ein MR- Verhältnis von etwa 20% erhalten werden, und sein Maximal­ wert beträgt im allgemeinen etwa 25%. Das MR-Verhältnis muß größer oder wenigstens 30% sein, wenn solch eine Tunnel­ übergangsvorrichtung als Bildungselement des Magnetsensors, besonders als Bildungselement eines Magnetkopfes für eine Aufzeichnung mit ultrahoher Dichte verwendet wird.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetsensor vorzusehen, der ein MR-Verhältnis von wenigstens 30% vorsehen kann.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzusehen, bei der der Hochleistungs­ magnetsensor verwendet wird, der durch die vorliegende Erfindung vorgesehen wird.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Erläuterung deutlicher hervor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetsensor vorgesehen, der mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferro­ magnetische Metallschicht und eine zweite ferromagnetische Metallschicht enthält, die über der ersten ferromagnetischen Metallschicht über einer isolierenden Barrierenschicht gebildet ist, bei dem wenigstens eine von der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht aus einer CoFe-Legierung gebildet ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetkopf vorgesehen, der mit dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung als magnetoresistivem Transducer versehen ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist eine Magnetplattenvorrichtung vorgesehen, die einen Magnetkopf enthält, der mit dem Magnetsensor der vorliegen­ den Erfindung versehen ist.
Gemäß noch einem anderen Ziel der vorliegenden Erfin­ dung ist eine Plattenarrayvorrichtung vorgesehen, die den Magnetsensor der vorliegenden Erfindung enthält.
Gemäß noch einem anderen Ziel der vorliegenden Erfin­ dung ist eine Codierervorrichtung vorgesehen, die den Ma­ gnetsensor der vorliegenden Erfindung enthält.
Die obigen und andere Vorrichtungen, bei denen der Ma­ gnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, haben alle hohe Leistungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung geht aus der folgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser hervor, in denen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Magnet­ sensors ist, der mit einem ferromagnetischen Tunnelübergang nach Stand der Technik versehen ist,
Fig. 2 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen eines Magnetowiderstandsveränderungsver­ hältnisses (MR-Verhältnis) eines Magnetsensors als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes (Oe) beschrieben wird,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht ist, die ein bevorzugtes Beispiel eines Magnetsensors zeigt, der mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die ferromagnetische Tunnel­ übergangsstruktur des Magnetsensors von Fig. 3 ist,
Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die schrittweise einen Produktionsprozeß des Magnetsensors von Fig. 3 zeigt,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht ist, die ein anderes bevorzugtes Beispiel eines Magnetsensors zeigt, der mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht ist, die eine Struktur einer Sensorvorrichtung zeigt, die durch serielles Anordnen von N ferromagnetischen Tunnelübergangsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung produziert wird,
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht ist, die eine Sensorvorrichtung zeigt, die durch mehrstufiges Laminieren von N ferromagnetischen Tunnelübergangsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung produziert wird,
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht ist, die zum Erläutern der Struktur eines Magnetkopfes nützlich ist, der mit dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung verse­ hen ist,
Fig. 10 eine Draufsicht ist, die zum Erläutern der Struktur einer Magnetplattenvorrichtung nützlich ist, die mit dem Magnetsensor von Fig. 9 gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht ist, die zum Erläutern der internen Struktur der Magnetplattenvorrichtung von Fig. 10 nützlich ist,
Fig. 12 eine Draufsicht ist, die zum Erläutern der Struktur einer kontaktlosen Codierervorrichtung nützlich ist, die mit dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfin­ dung versehen ist,
Fig. 13 eine Draufsicht ist, die schrittweise einen Produktionsprozeß des Magnetsensors zeigt, der in der Codie­ rervorrichtung von Fig. 12 verwendet wird,
Fig. 14 ein Graph ist, der durch Darstellen eines MR- Verhältnisses des Magnetsensors, der eine Spin-Valve-Struk­ tur hat und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung produziert wird, als Funktion eines Fe-Zusammenset­ zungsverhältnisses × (Fe-Zusammensetzungsverhältnis von CoFex; Atom-%) erstellt wurde,
Fig. 15 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen des MR-Verhältnisses eines Magnetsensors, der ein Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 26 Atom-% in CoFex hat, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnet­ sensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes erstellt wurde,
Fig. 16 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen des MR-Verhältnisses eines Magnetsensors, der ein Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 31 Atom-% in CoFex hat, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnet­ sensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes erstellt wurde,
Fig. 17 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen des MR-Verhältnisses eines Magnetsensors, der ein Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 35 Atom-% in CoFex hat, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnet­ sensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes erstellt wurde,
Fig. 18 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen eines Fe-Zusammensetzungsverhältnisses von 40 Atom-% in CoFex, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnetsensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes erstellt wurde,
Fig. 19 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen des MR-Verhältnisses eines Magnetsensors, der ein Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 51 Atom-% in CoFex hat, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnet­ sensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion einer angewendeten Spannung erstellt wurde, und
Fig. 20 eine Magnetowiderstandseffektkurve ist, die durch Darstellen des MR-Verhältnisses eines Magnetsensors, der ein Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 57 Atom-% in CoFex hat, das die ferromagnetische Metallschicht in einem Magnet­ sensor mit einer Spin-Valve-Struktur bildet, als Funktion eines angewendeten Magnetfeldes erstellt wurde.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen­ den Erfindung erläutert. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einige begrenzte Ausführungsformen von ihr erläutert wird, versteht sich, daß verschiedene Verände­ rungen und Abwandlungen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung vorgenommen werden können, ausgenommen die Ein­ schränkung der CoFex-Legierung, die als magnetische Schicht verwendet wird, und daß die Struktur des herkömmlichen Magnetsensors als Struktur von Magnetsensoren im allgemeinen eingesetzt werden kann.
Zuerst wird der ferromagnetische Tunnelübergang erläu­ tert, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um die vorliegende Erfindung besser verstehen zu können. Bei dem Übergang, der die Struktur "Metall/Isolator/Metall" hat, fließt ein geringer Strom, wenn eine Spannung zwischen den Metallen auf beiden Seiten angewendet wird, falls der Isola­ tor dünn genug ist. Im allgemeinen läßt der Isolator das Fließen des Stromes nicht zu. Wenn der Isolator jedoch dünn genug ist (mehrere bis hin zu mehreren zehn Ångström), besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, daß der Isolator den Strom auf Grund des quantenmechanischen Effektes durch­ läßt. Dieser Strom wird als "Tunnelstrom" bezeichnet, und der Übergang, der diese Struktur hat, wird als "Tunnelüber­ gang" bezeichnet.
Im allgemeinen wird ein Metalloxidfilm als isolierende Barriere für die dielektrische Schicht verwendet. Der Oxid­ film wird durch Oxidation der Oberflächenschicht von Alumi­ nium zum Beispiel durch natürliche Oxidation, Plasmaoxida­ tion, thermische Oxidation usw. gebildet. Dabei ist es von Vorteil, den Film aus dem Aluminiumoxid (Aluminiumoxidfilm) durch das Plasmaoxidationsverfahren zu bilden. Die Alumini­ umoberfläche kann von der Oberfläche aus bis zu einer Tiefe von mehreren bis hin zu mehreren zehn Ångström zu dem Oxid­ film oxidiert werden, wenn die Oxidationsbedingung einge­ stellt wird. Da der resultierende Aluminiumoxidfilm ein Isolator ist, kann er als isolierende Barrierenschicht des Tunnelübergangs verwendet werden. Dieser Tunnelübergang hat das Merkmal, daß der Strom bezüglich der aufgedrückten Spannung anders als bei gewöhnlichen Widerständen nicht linear ist. Deshalb kann er als nichtlineare Vorrichtung verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Struktur einge­ setzt, bei der das Metall auf beiden Seiten des Tunnelüber­ gangs durch das ferromagnetische Metall ersetzt wird. Des­ halb wird diese Struktur als "ferromagnetischer Tunnelüber­ gang" bezeichnet. Es ist bekannt, daß in dem ferromagneti­ schen Tunnelübergang die Tunnelwahrscheinlichkeit (Tunnel­ widerstand) von dem Magnetisierungszustand der magnetischen Schichten auf beiden Seiten abhängt. Mit anderen Worten, der Tunnelwiderstand kann durch das Magnetfeld gesteuert werden.
Der Tunnelwiderstand R kann durch die folgende Formel (1) ausgedrückt werden, wobei das Symbol θ den relativen Magne­ tisierungswinkel darstellt.
R = Rs + 0,5ΔR(1 - cosθ) (1)
Mit anderen Worten, der Tunnelwiderstand ist klein, wenn die Magnetisierungswinkel von beiden Magnetisierungs­ schichten übereinstimmen (θ = 0°), und groß, wenn sie ent­ gegengesetzt sind (θ = 180°).
Dies resultiert daraus, daß die Elektronen innerhalb der ferromagnetischen Substanz polarisiert sind. Die Elek­ tronen nehmen im allgemeinen den Aufwärts-Spinzustand (Aufwärtselektronen) und den Abwärts-Spinzustand (Abwärts­ elektronen) ein. Innerhalb gewöhnlicher nichtmagnetischer Metalle existiert dieselbe Anzahl von beiden Zuständen dieser Elektronen, und aus diesem Grund haben die nicht­ magnetischen Metalle insgesamt keinen Magnetismus. Anderer­ seits unterscheidet sich die Anzahl der Aufwärtselektronen (Nup) von der Anzahl von Abwärtselektronen (Ndown) innerhalb der ferromagnetischen Substanz, und die magnetische Substanz hat insgesamt einen Aufwärts- oder Abwärtsmagnetismus.
Wenn die Elektronen tunneln, ist bekannt, daß diese Elektronen unter Beibehaltung ihres Spinzustandes tunneln. Falls irgendeine Leere in dem Elektronenzustand des Tunne­ lungszieles existiert, ist deshalb das Tunneln möglich. Falls jedoch am Tunnelungsziel keine Leere existiert, können die Elektronen nicht tunneln.
Das Veränderungsverhältnis ΔR des Tunnelwiderstandes ergibt sich aus dem Produkt des Polarisationsverhältnisses einer Elektronenquelle und des Polarisationsverhältnisses des Tunnelungszieles.
ΔR/Rs = 2 × P1 × P2/(1 - P1 × P2) (2)
Hierbei sind P1 und P2 Polarisationsverhältnisse von beiden magnetischen Schichten, und sie werden durch die folgende Formel (3) ausgedrückt.
P = 2(Nup - Ndown)/(Nup + Ndown) (3)
Das Polarisationsverhältnis P hängt von den Arten von ferromagnetischen Metallen ab. Das Polarisationsverhältnis von CoFe, das als ferromagnetisches Metall bei der vorlie­ genden Erfindung verwendet wird, beträgt 0,46. Dem theoreti­ schen Aspekt nach kann auch das Magnetowiderstandsverände­ rungsverhältnis (MR-Verhältnis) von 54% oder von fast 54% erwartet werden. Solch ein MR-Wert ist größer als der aniso­ trope Magnetowiderstandseffekt (AMR) oder der gigantische Magnetowiderstandseffekt (GMR) und kann deshalb auf einen Magnetsensor usw. angewendet werden.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die ein typisches Bei­ spiel des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt. Der Magnetsensor 1, der in dieser Zeich­ nung gezeigt ist, ist mit einer ferromagnetischen Tunnel­ übergangseinheit 2 versehen, die über einem Siliciumoxidfilm 7 gebildet ist, der durch Oxidieren der Oberfläche eines Siliciumsubstrates 6 erhalten wird. Die Tunnelübergangsein­ heit 2 umfaßt eine untere Elektrode 10, eine isolierende Barrierenschicht 20 und eine obere Elektrode 30. Die untere Elektrode 10 umfaßt eine NiFe-Schicht 12 (erste ferromagne­ tische Metallschicht) mit einer Filmdicke von 24 nm und eine CoFe-Schicht 11 mit einer Filmdicke von 10 nm. Die isolie­ rende Barrierenschicht 20 ist aus einer Al-Al2O3-Schicht mit einer Filmdicke von 1,6 nm gebildet. Mit anderen Worten, diese Schicht ist eine Aluminiumoxid-(Al2O3)-Schicht, die durch Plasmaoxidation einer Aluminium-(Al)-Schicht erhalten wird. Die obere Elektrode 30 umfaßt eine CoFe-Schicht 31 mit einer Filmdicke von 10 nm, eine IrMn-Schicht 32 mit einer Filmdicke von 50 nm und eine Al-Schicht 33 mit einer Filmdicke von 10 nm.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Magnetsensor 1, der in Fig. 3 gezeigt ist. Die obere Elektrode 30 ist, wie in dieser Zeichnung gezeigt, über der unteren Elektrode 10 auf solch eine Weise gebildet, um diese untere Elektrode 10 zu queren. Zwischen der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 30 sind eine Stromquelle I und ein Spannungssensor V angeordnet. Wenn sich das Magnetfeld verändert, während weiterhin ein konstanter Strom von der Stromquelle I fließt, verändert sich der Widerstandswert, so daß die Spannung geändert wird, die zwischen beiden Elektroden 10 und 30 erscheint. Der Spannungssensor V kann diese Spannungsverän­ derung messen.
Der Magnetsensor 1, der in Fig. 3 gezeigt ist, kann zum Beispiel auf folgende Weise produziert werden.
Zuerst wird das Magnetfeld in der Richtung eines Pfeils angewendet, wie in Fig. 5(A) gezeigt. In diesem Zustand wird ein NiFe-Film in einer Dicke von 24 nm auf dem Substrat durch eine Metallmaske 41 gebildet, die ein Streifenmuster hat. Anschließend wird CoFe in einer Dicke von 10 nm auf diesem NiFe-Film gebildet. Die so gebildeten zwei Schichten stellen die untere Elektrode 10 dar und bilden eine erste ferromagnetische Metallschicht, deren Magnetisierung bezüg­ lich des Magnetfeldes frei rotieren kann. Übrigens hat CoFe auch die Funktion zum Vergrößern der Veränderung des ferro­ magnetischen Tunnelwiderstandes, da es ein größeres Polari­ sationsverhältnis als NiFe hat.
Als nächstes wird, wie in Fig. 5(B) gezeigt, eine Al- Schicht 19 in einer Filmdicke von 1,6 nm durch eine Maske 42 gebildet, die ein rundes Muster hat. Anschließend wird die Oberfläche der Al-Schicht 19 einer Plasmaoxidation ausge­ setzt, wie in Fig. 5(C) gezeigt, woraus die isolierende Barrierenschicht 20 resultiert, die aus Al-Al2O3 ist.
Nachdem die Bildung der isolierenden Barrierenschicht 20 vollendet ist, erfolgt die Filmbildung der oberen Elek­ trode 30 durch eine Maske 43, während das Magnetfeld in der Richtung eines Pfeils angewendet wird, der in Fig. 5(D) gezeigt ist. Hier wird das Magnetfeld in einer Richtung angewendet, die die Richtung des Magnetfeldes kreuzt, das zum Bilden der unteren Elektrode 10 angewendet wurde. Die Maske 43 hat ein streifenförmiges Muster in der Richtung, die die untere Elektrode 10 quert. Konkret kann die obere Elektrode 30 gebildet werden, wenn CoFe und IrMn in einer Filmdicke von 10 nm bzw. einer Filmdicke von 50 nm seriell laminiert werden. Ein 10 nm dicker Al-Film wird als Oxidati­ onsverhinderungsfilm auf der so gebildeten oberen Elektrode 30 abgeschieden.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die ein anderes typi­ sches Beispiel des Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt. Der Magnetsensor 1, der in der Zeichnung gezeigt ist, ist mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangseinheit 2 versehen, die über einem Silicium­ oxidfilm 7 gebildet ist, der durch Oxidieren der Oberfläche eines Siliciumsubstrates 6 gebildet wird. Die Tunnelüber­ gangseinheit 2 umfaßt eine untere Elektrode 10, eine isolie­ rende Barrierenschicht 20 und eine obere Elektrode 30. Die untere Elektrode 10 umfaßt eine 17,1 nm dicke NiFe-Schicht (erste ferromagnetische Schicht) 12 und eine 3,3 nm dicke CoFe-Schicht 11. Die isolierende Barrierenschicht 20 umfaßt eine 1,6 nm dicke Al-Al2O3-Schicht. Mit anderen Worten, diese Schicht ist die Al2O3-Schicht, die durch Plasmaoxida­ tion der Al-Schicht gebildet wird. Die obere Elektrode 30 umfaßt eine 3,3 nm dicke CoFe-Schicht 31, eine 17,1 nm dicke NiFe-Schicht 34, eine 45 nm dicke FeMn-Schicht 35 und eine 8 nm dicke Ta-Schicht 36.
Bei dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird die CoFe-Legierung verwendet, die Fe in einem vorbe­ stimmten Zusammensetzungsverhältnis als magnetisches Mate­ rial der ferromagnetischen Metallschicht enthält, und kann das Magnetowiderstandsveränderungsverhältnis (MR-Verhältnis) von wenigstens 30% erzielt werden. Deshalb kann durch den Magnetsensor das Anwendungsgebiet des Magnetsensors auf einen breiten Bereich erweitert werden und können befriedi­ gende Resultate bei jeder Anwendung vorgesehen werden.
In dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise nur eine von den ersten und zweiten ferro­ magnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung herge­ stellt, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
Wenn die ersten und zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten andere Metalle als die CoFe-Legierung umfassen, können beliebige Metalle als Filmbildungsmaterial verwendet werden, solange diese Metalle die Operationsweise und den Effekt der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig beein­ flussen. Obwohl die geeigneten Metalle nicht besonders auf die unten genannten Metalle begrenzt sind, sind Co und NiFe bevorzugte Beispiele.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus der CoFe-Legierung hergestellt, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält. In solch einem Fall können die Fe-Zusammensetzungsverhältnisse von beiden von ihnen dieselben oder verschieden sein.
Wenn der ferromagnetische Tunnelübergangsfilm mit der Spin-Valve-Struktur für den Magnetsensor wie bei der vorlie­ genden Erfindung verwendet wird, ist die Kraft (Hua, siehe Fig. 2) der antiferromagnetischen Schicht (Befestigungs­ schicht), die die Magnetisierungsrichtung der ferromagneti­ schen Schicht (befestigte Schicht) einschränkt, vorzugsweise groß. Angesichts dieser Forderung ist es vorzuziehen, eine CoFe31-Schicht mit großer Hua für die befestigte Schicht und CoFe26, das ein hohes MR-Verhältnis aufweist, für eine freie Schicht zu verwenden und den ferromagnetischen Tunnelüber­ gangsfilm zu bilden. Dies geht aus Fig. 16 und 15 hervor, die später erläutert werden. Der auf diese Weise erhaltene ferromagnetische Tunnelübergangsfilm kann ein höheres MR- Verhältnis als der ferromagnetische Tunnelübergangsfilm vorsehen, bei dem die CoFe31-Schicht sowohl für die befe­ stigte Schicht als auch für die freie Schicht verwendet wird, und kann eine größere Hua als der ferromagnetische Tunnelübergangsfilm erzielen, bei dem die CoFe26-Schicht sowohl für die befestigte Schicht als auch für die freie Schicht verwendet wird.
Wenn der ferromagnetische Tunnelübergangsfilm mit der Spin-Valve-Struktur für den Magnetsensor verwendet wird, ist die Koerzitivkraft vorzugsweise klein. Deshalb wird bevor­ zugt, zum Beispiel NiFe als weichmagnetisches Material für die freie Schicht und CoFe für die befestigte Schicht zu verwenden. In diesem Fall ist das MR-Verhältnis kleiner als jenes des ferromagnetischen Tunnelübergangs, bei dem CoFe für die freie Schicht verwendet wird, und die Koerzitivkraft wird auch klein. Jedoch kann im Vergleich zu dem ferromagne­ tischen Tunnelübergangsfilm, bei dem NiFe sowohl für die freie Schicht als auch für die befestigte Schicht des ferro­ magnetischen Tunnelübergangs verwendet wird, ein größeres MR-Verhältnis realisiert werden.
Wenn der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung für den Codierer verwendet wird, umfaßt der Codierer vor­ zugsweise eine Vielzahl von ferromagnetischen Tunnelüber­ gangseinheiten, die seriell verbunden sind. Wenn die ferro­ magnetischen Tunnelübergangseinheiten des Magnetsensors auf diese Weise gebildet sind, teilt jede ferromagnetische Tunnelübergangsvorrichtung, die seriell verbunden ist, die aufgedrückte Spannung, und die Spannung, die auf die indivi­ duellen ferromagnetischen Tunnelübergangsvorrichtungen angewendet wird, kann verringert werden. Demzufolge kann ein Hochleistungsmagnetsensor mit einem hohen Magnetowider­ standsveränderungsverhältnis erhalten werden. Da der Wider­ standswert des Magnetsensors hoch wird, wird der Strom, der durch den Magnetsensor fließt, klein, und der Energiever­ brauch kann verringert werden.
Die serielle Verbindung der ferromagnetischen Tunnel­ übergangseinheiten kann vorzugsweise durch die folgenden zwei Verfahren erreicht werden.
Bei dem ersten Verfahren zum seriellen Verbinden wird eine Vielzahl von ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten auf einem Substrat ausgerichtet und angeordnet und werden die ersten ferromagnetischen Metallschichten, oder die zweiten ferromagnetischen Metallschichten, mit immer einer anderen zwischen den benachbarten ferromagnetischen Tunnel­ übergangseinheiten integral gebildet, um die serielle Ver­ bindung herzustellen. In dem Magnetsensor, der durch dieses Verfahren hergestellt wird, wird die serielle Verbindung der magnetischen Tunnelübergangsvorrichtung gleichzeitig mit der Filmbildungsarbeit der oberen und unteren Metallschichten ausgeführt. Deshalb kann die Operation effektiv durchgeführt werden. Eine überschüssige Anzahl von ferromagnetischen Tunnelübergangsvorrichtungen, die in der Sensorvorrichtung enthalten sind, wird hergestellt, und die obere Metall­ schicht und die untere Metallschicht werden miteinander kurzgeschlossen, um den unnötigen Übergang oder die unnöti­ gen Übergänge zu entfernen. Auf diese Weise kann der Wider­ standswert eingestellt werden, und der Produktionsausstoß des Magnetsensors kann verbessert werden.
Fig. 7 zeigt den Schnitt durch die Magnetsensorvorrich­ tung, die durch serielles Anordnen von N ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In dieser Zeichnung bezeichnet Bezugszei­ chen 1 den Magnetsensor, und N ferromagnetische Tunnelüber­ gangseinheiten liegen auf dem Substrat 6 nebeneinander. Jede Übergangseinheit 2 umfaßt die untere Elektrode 10, die isolierende Barrierenschicht 20 und die obere Elektrode 30. Die untere Elektrode 10 und die obere Elektrode 30 sind zwischen zwei benachbarten Übergangsstrukturen 2 integral miteinander gebildet. Die untere Elektrode 10 und die obere Elektrode 30 verbinden diese Übergangseinheiten 2 seriell miteinander.
Gemäß diesem Magnetsensor 1 kann die serielle Verbin­ dung der Übergangseinheiten gleichzeitig mit der Filmbildung der unteren Elektrode 10 und der oberen Elektrode 30 ausge­ führt werden. Der Gesamtwiderstandswert des Magnetsensors 1, der N ferromagnetische Tunnelübergangsstrukturen 2 umfaßt, beträgt N × R (Ω), wobei R (Ω) der Widerstandswert von einer Übergangsstruktur 2 ist.
Bei dem zweiten Verfahren zum seriellen Verbinden wird eine Vielzahl von ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten auf dem Substrat in mehreren Stufen laminiert und wird die erste ferromagnetische Metallschicht der oberen Tunnelüber­ gangseinheit auf der zweiten ferromagnetischen Metallschicht der unteren Tunnelübergangseinheit zwischen zwei ferromagne­ tischen Tunnelübergangseinheiten gebildet, die in der verti­ kalen Richtung aneinandergrenzen, um die serielle Verbindung herzustellen. Durch dieses Verfahren kann ein Magnetsensor mit einem kleinen Bereich vorgesehen werden.
Fig. 8 zeigt den Schnitt durch den Magnetsensor mit der mehrschichtigen Struktur, der durch Laminieren von N ferro­ magnetischen Tunnelübergangseinheiten auf solch eine Weise hergestellt wird, um in der vertikalen Richtung aneinander­ zugrenzen. In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 1 den Magnetsensor. Wenn N ferromagnetische Tunnelübergangseinhei­ ten 2 auf dem Substrat 6 laminiert sind, ist jede Übergangs­ einheit 2 seriell verbunden. Jede ferromagnetische Tunnel­ übergangseinheit 2 umfaßt die untere Elektrode 10, die isolierende Barrierenschicht 20 und die obere Elektrode 30. Jede Übergangseinheit 2 ist seriell verbunden, da der Film der unteren Elektrode 10 der Übergangseinheit 2 der oberen Stufe auf der oberen Elektrode 30 der Übergangseinheit 2 der unteren Stufe gebildet ist.
Gemäß diesem Magnetsensor 1 fließt der Strom in der Richtung der Filmdicke. Deshalb beträgt der Gesamtwider­ standswert des Magnetsensors N × R (Ω), wobei R den Wider­ standswert von einer Übergangseinheit darstellt.
Der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, durch das Ausnutzen seiner ausgezeich­ neten Charakteristiken vorteilhaft eingesetzt werden.
Als bevorzugtes Beispiel kann der Magnetsensor der vor­ liegenden Erfindung als magnetoresistiver Transducer in einem Magnetkopf verwendet werden. Deshalb sieht die vorlie­ gende Erfindung den Magnetkopf vor, wie es später noch genau erläutert wird, der mit dem Magnetsensor der vorliegenden Erfindung versehen ist, und eine Magnetplattenvorrichtung, die mit solch einem Magnetkopf versehen ist. Übrigens ver­ körpern der Magnetkopf und die Magnetplattenvorrichtung, die unten beschrieben werden, lediglich ein bevorzugtes Bei­ spiel, und natürlich können verschiedene andere Konstruktio­ nen zum Einsatz kommen.
Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die zum Erläutern der Konstruktion des Magnetkopfes nützlich ist, der mit dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist. Ein Magnetkopf 50 ist, wie in dieser Zeichnung gezeigt, auf einem Keramiksubstrat 51 wie z. B. aus Altic (Al2O3.TiC) gebildet. Ein unterer Magnetschirm 52, ein nichtmagnetischer Isolierfilm 53 und ein oberer Magnetschirm 54 sind in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrates 51 auf dem Keramiksubstrat 51 seriell gebildet. Die oberen und unteren Magnetschirme 52 und 54 ordnen den Magnetsensor 56 gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Lesespaltes 55 an, der am vorderen Randabschnitt des Magnetkopfes 50 definiert ist. Ein Magnetpol 58 ist an dem oberen Magnetschirm 54 über einem nichtmagnetischen Isolier­ film 57 gebildet. Der Magnetschirm 54 und der Magnetpol 58 definieren zwischen sich einen Schreibspalt 59 an dem vorde­ ren Randabschnitt des Magnetkopfes 50. Ein Schreibspulenmu­ ster 49 ist spiralig innerhalb des Isolierfilms 52 gebildet.
Fig. 10 ist eine Draufsicht, die die interne Konstruk­ tion der Magnetplattenvorrichtung zeigt, an die der Magnet­ kopf der vorliegenden Erfindung montiert ist. Um die Magnet­ platte 60 der vorliegenden Erfindung besser begreifen zu können, zeigt Fig. 10 den Zustand, wenn die obere Abdeckung auf der linken Seite der gestrichelten Linie entfernt ist, und zeigt auf der rechten Seite die Konstruktion der Magnet­ platte, die einen Teil einer Magnetplattenbaugruppe bildet, die eine mehrstufige Struktur hat, und die Konstruktion einer Armbaugruppe 72, die mit der Magnetplatte 71 koope­ riert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 ist jede Magnetplatte 71 auf einer Nabe 71a befestigt, die durch einen Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die Armbaugruppe 72 enthält einen Arm 72b, der durch eine Spindel 72a rotierbar gestützt wird, und einen Magnetkopf 72c, der an einem freien Ende des Armes 72b angeordnet ist. Eine Spule 72d, die einen Teil eines Schwingspulenmotors 73 bildet, ist parallel zu einer Scan­ oberfläche des Armes 72b um das freie Ende gewickelt, das dem freien Ende gegenüberliegt, welches den Magnetkopf 72c an dem Arm 72b stützt. Magnete 73a und 73b, die den anderen Abschnitt des Schwingspulenmotors 73 darstellen, sind über und unter der Spule 72d gebildet. Wenn die Spule 72d erregt wird, kann der Arm 72 um die Spindel 72a herum frei rotie­ ren. Der Schwingspulenmotor 73 unterliegt einer Servosteue­ rung, so daß der Magnetkopf 72c, der durch den Arm gestützt wird, dem Zylinder auf der Magnetplatte 71 oder der Spur 71b folgen kann.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die die in­ terne Konstruktion der Magnetplattenvorrichtung 60 von Fig. 10 zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 enthält die Magnetplatten­ baugruppe 70 eine Vielzahl von Magnetplatten 71 1, 71 2, . . ., die durch eine rotierende Nabe 71a gemeinsam gehalten wer­ den. Die Armbaugruppe 72 umfaßt auch eine Gruppe von Armen, um der Magnetplattenbaugruppe 70 zu entsprechen. Jeder Arm 72b wird an einem gemeinsamen rotierenden Glied 72e gehal­ ten, das gestützt wird, um um die Spindel 72a rotieren zu können. Die Arme 72b rotieren insgesamt mit der Rotation des rotierenden Gliedes 72e. Es versteht sich von selbst, daß die Rotation des rotierenden Gliedes 72e als Reaktion auf die Erregung des Schwingspulenmotors 73 auftritt. Die Ma­ gnetplattenvorrichtung ist insgesamt in einem Gehäuse 61 untergebracht, das hermetisch verschlossen ist.
Wenn bei der Magnetplattenvorrichtung 60 gemäß der vor­ liegenden Erfindung der Magnetsensor mit ferromagnetischem Tunnelübergang der vorliegenden Erfindung, der schon erläu­ tert worden ist, als Lesekopf in dem Magnetkopf 72c verwen­ det wird, kann sie eine magnetische Aufzeichnung/Wiedergabe mit einer extrem hohen Dichte ausführen.
Ein anderes bevorzugtes Anwendungsbeispiel für den Ma­ gnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Plat­ tenarrayvorrichtung. Diese Plattenarrayvorrichtung kann im wesentlichen dieselbe Konstruktion wie herkömmliche Platten­ arrayvorrichtungen haben. Mit anderen Worten, Platten (HDD), an die der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung montiert ist, können in der Arrayform angeordnet werden und durch ein Verbindungsmittel, wie zum Beispiel durch Kabel, gegenseitig verbunden werden.
Noch ein anderes bevorzugtes Anwendungsbeispiel für den Magnetsensor der vorliegenden Erfindung ist eine Codierer­ vorrichtung. Die Codierervorrichtung, auf die die vorlie­ gende Erfindung angewendet werden kann, enthält verschiedene Codierer, die auf diesem technischen Gebiet bekannt sind, und ein kontaktloser Codierer, der unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert wird, ist ein bevorzugtes Beispiel.
Fig. 12(A) zeigt ein rotierendes Magnetisierungsglied 65, das in der Codierervorrichtung verwendet wird. Der Durchmesser D des rotierenden Magnetisierungsgliedes 65 beträgt 10 mm, und der Durchmesser d des Schaftes, der in der Mitte dieses Gliedes 65 positioniert ist, beträgt 5 mm. N-Pole 62 und S-Pole 63 sind in insgesamt 16 Sätzen auf dem Umfang des Schaftes alternierend angeordnet, wie in der Zeichnung gezeigt. Der Magnetsensor 1 ist so angeordnet, daß seine Mitte an einer Zwischenposition des rotierenden Magne­ tisierungsgliedes 65 liegt. Bei dem in der Zeichnung gezeig­ ten Beispiel beträgt übrigens der Entmagnetisierungszyklus λ etwa 1,5 mm.
Fig. 12(B) zeigt den Magnetsensor 1 in der Vergröße­ rung. Vier Reihen von Sensorvorrichtungen 22 bis 25 sind linear in der diametralen Richtung des Magneten des rotie­ renden Magnetisierungsgliedes 65 parallel angeordnet, so daß der Spalt zwischen den Sensorvorrichtungen 21 λ/4 beträgt. Bei dem Beispiel, das in der Zeichnung gezeigt ist, beträgt der Winkel, der durch die Sensorvorrichtungen 22 bis 25 beschrieben wird, etwa 5,6 Grad, und der Spalt in dem Mit­ telabschnitt beträgt etwa 0,37 mm.
Fig. 13 ist eine Draufsicht, die schrittweise den Pro­ duktionsprozeß des Magnetsensors zeigt, der in der Codierer­ vorrichtung verwendet wird, die in Fig. 12 gezeigt ist. Übrigens hat der Magnetsensor, der bei diesem Beispiel verwendet wird, die serielle Verbindungsstruktur, die zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert wurde. In diesem Magnetsensor ist es möglich, daß die Tunnelübergangsstruktur nur drei Schichten aus der unteren Elektrode/isolierenden Barrierenschicht/oberen Elektrode umfaßt, und deshalb kann sie leicht produziert werden. Jede Reihe der Sensorvorrich­ tungen umfaßt 6 Sensorvorrichtungen 21, die seriell verbun­ den sind (Verbindungsbereich: 50 µm × 50 µm).
Zuerst wird NiFe auf einem Substrat 6 in Streifenform mit einer Filmdicke von 17,1 nm mit einer Maske (nicht gezeigt) gebildet, und CoFe wird kontinuierlich mit einer Filmdicke von 3,3 nm gebildet, um die untere Elektrode 10 zu bilden. Fig. 13(A) zeigt diesen Zustand.
Nachdem die Maske ausgetauscht ist, werden als nächstes zwei isolierende Barrierenschichten 20 auf den jeweiligen unteren Elektroden 10 gebildet. Diese isolierende Barrieren­ schicht 20 wird gebildet, wenn Al mit einer Filmdicke von 1,3 nm gebildet wird und dessen Oberfläche dann einer Plas­ maoxidation unterzogen wird.
Nachdem diese Plasmaoxidation vollendet ist, wird die Maske wieder ausgetauscht, um die obere Elektrode 30 zu bilden. Zu derselben Zeit werden Filme für Anschlüsse 26 bis 29 gebildet. Mit anderen Worten, CoFe, NiFe und FeMn werden mit einer Filmdicke von 3,3 nm, 17,1 nm bzw. 45 nm gebildet. Des weiteren wird sukzessive ein Ta-Film mit einer Dicke von 8 nm auf der resultierenden oberen Elektrode 30 gebildet.
Fig. 13(B) zeigt den Zustand, nachdem eine Serie der Film­ bildungsschritte vollendet ist.
Wenn eine Spannung von 3,0 V von einer Batterie auf den so hergestellten Magnetsensor 1 der Codierervorrichtung angewendet wird, beträgt die Spannung, die auf jede ferroma­ gnetische Tunnelübergangseinheit angewendet wird, 0,50 V, und sein Magnetowiderstandsveränderungsverhältnis (MR-Ver­ hältnis) beträgt 30%. Wenn das rotierende Magnetisierungs­ glied 65 eine Umdrehung vollzieht, können insgesamt 16 Ausgangsimpulse erhalten werden.
BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf ihre Verarbeitungsbeispiele weiter erläutert. Es sei jedoch erwähnt, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die Beispiele begrenzt ist.
Zuerst wird ein NiFe-Film durch Aufsputtern mit einer Filmdicke von 24 nm in einer Streifenform auf einem Silici­ umsubstrat gebildet, das mit einem Oxidfilm versehen ist, und ein CoFe-Film wird durch Aufsputtern mit einer Filmdicke von 10 nm kontinuierlich gebildet. Um den Betrag eines Zusammensetzungsverhältnisses von Fe in CoFe zu bewerten, wird das Zusammensetzungsverhältnis von Fe innerhalb des Bereiches zwischen 12 und 57 Atom-% variiert, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 14 erläutert wird. Zum Vergleich wird ein Film mit einem Fe-Zusammensetzungsverhältnis von 0 Atom- % hergestellt, das heißt, ein Film, der nur Co umfaßt. Ein Magnetfeld wird in der Längsrichtung des streifenartigen NiFe-Filmes während der Sputteroperation angewendet. Die auf diese Weise gebildete zweischichtige Struktur wird eine Magnetschicht, deren Magnetisierung in dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung frei zu dem Magnetfeld rotiert.
Nachdem die Maske ausgetauscht ist, wird ein Al-Film mit einer Dicke von 1,6 nm durch Sputtern gebildet, und seine Oberfläche wird anschließend einer Plasmaoxidation unterzogen. Nachdem die Plasmaoxidation von Al vollendet ist, wird die Maske noch einmal ausgetauscht. Während das Magnetfeld in einer Richtung angewendet wird, die die zuvor gebildete magnetische Schicht quert, wird ein CoFe-Film, der ein anderes Fe-Zusammensetzungsverhältnis in CoFe hat, mit einer Dicke von 10 nm in der Streifenform durch Sputtern auf dieselbe Weise wie bei dem oben beschriebenen Prozeß gebil­ det. Ferner wird ein IrMn-Film mit einer Dicke von 50 nm auf dem CoFe-Film durch Sputtern gebildet. Weiterhin wird ein Al-Film mit einer Dicke von 10 nm als Oxidationsverhinde­ rungsfilm auf dem IrMn-Film durch Sputtern gebildet. Schließlich wird das Siliciumsubstrat in einem Heizofen angeordnet und bei 225°C innerhalb eines Vakuummagnetfeldes wärmebehandelt.
Fig. 14 zeigt das Magnetowiderstandsveränderungsver­ hältnis (MR-Verhältnis) des Magnetsensors mit der Spin- Valve-Struktur, der bei dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, als Funktion des Fe-Zusammensetzungsver­ hältnisses × (Fe-Zusammensetzungsverhältnis von CoFex; Atom- %). Aus diesem Graph geht hervor, daß das MR-Verhältnis des ferromagnetischen Tunnelübergangsfilmes, bei dem CoFex verwendet wird, größer als jenes des Tunnelübergangsfilmes ist, der nur Co umfaßt, ungeachtet des Grades des Fe-Zusam­ mensetzungsverhältnisses x. Besonders wenn das Fe-Zusammen­ setzungsverhältnis x innerhalb des Bereiches zwischen 26 und 57 Atom-% liegt, kann ein ausgezeichnetes MR-Verhältnis von wenigstens 30% erreicht werden. Besonders wenn das Fe- Zusammensetzungsverhältnis × 26 Atom-% beträgt, kann ein besonders gutes MR-Verhältnis in einer Größe von 42% er­ reicht werden.
Anschließend wird die Beziehung zwischen dem Magneto­ widerstandsveränderungsverhältnis (MR-Verhältnis) und dem aufgedrückten Magnetfeld (Oe) bei verschiedenen Magnetsenso­ ren mit Spin-Valve-Strukturen geprüft, die verschiedene Fe- Zusammensetzungsverhältnisse von CoFex haben. Als Resultat können die Magnetowiderstandseffektkurven erhalten werden, die in Fig. 15 bis 20 gezeigt sind. Das Fe-Zusammensetzungs­ verhältnis beträgt in Fig. 15 26 Atom-%, in Fig. 16 31 Atom- %, in Fig. 17 35 Atom-%, in Fig. 18 40 Atom-%, in Fig. 19 51 Atom-% und in Fig. 20 57 Atom-%.
Wenn die Magnetowiderstandseffektkurven beurteilt wer­ den, die in Fig. 15 bis 20 gezeigt sind, haben die Magneto­ widerstandseffektkurven der Übergangsfilme, bei denen CoFex mit x = 26 bis 40 Atom-% verwendet wird, extrem gute Profile (siehe Fig. 15 bis 18). Wenn das Fe-Zusammensetzungsverhält­ nis jedoch zunimmt, ist eine Verzerrung zu erkennen, die in den Kurven auftritt. Wenn CoFex mit x = 51 Atom-% und CoFex mit x = 57 Atom-% verwendet werden (Fig. 19 bzw. 20), ist die Verzerrung der Kurven in der Nähe des aufgedrückten Magnetfeldes von 0 Oe auffallend. Solch eine unerwünschte Erscheinung tritt vermutlich deshalb auf, weil die IrMn- Schicht als Befestigungsschicht beim ausreichenden Fixieren der Magnetisierungsrichtung der CoFex-Schicht als der befe­ stigten Schicht versagt.
Der Grund für die unzureichende Fixierung der Magneti­ sierungsrichtung kann wie folgt sein. Wenn die Kristall­ struktur der Basis fcc ist, hat die IrMn-Schicht als Befe­ stigungsschicht eine γ-Kristallstruktur, und es erscheint die Kraft, die die Magnetisierungsrichtung der befestigten Schicht fixiert. Wenn die CoFex-Schicht als befestigte Schicht verwendet wird, wird die bcc-Struktur in der Kri­ stallstruktur der CoFex-Schicht bei einem Fe-Zusammenset­ zungsverhältnis x in der CoFex-Schicht von wenigstens 51 Atom-% überwiegen. In diesem Fall wird die Kristallstruktur der IrMn-Schicht (die ursprünglich die γ-Struktur sein sollte, wie oben beschrieben), die auf der CoFex-Schicht gebildet ist, verzerrt, und die Kraft zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung sinkt.
Im allgemeinen besteht das Problem, daß das Profil der Magnetowiderstandseffektkurve des Übergangsfilmes nicht das Niveau erreicht, welches das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, aber sie kommt vorzugsweise dem Profil der Magneto­ widerstandseffektkurve nahe, die zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wurde.
Wenn die oben erläuterten Fakten zusammen berücksich­ tigt werden, liegt das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von CoFex zweckmäßigerweise innerhalb des Bereiches von wenig­ stens 26 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-%, wenn der Magnetsensor mit der Spin-Valve-Struktur gemäß der vorlie­ genden Erfindung hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung kann, wie oben erläutert, einen Hochleistungsmagnetsensor vorsehen, der ein Magneto­ widerstandsveränderungsverhältnis (MR-Verhältnis) von wenig­ stens 30% hat.
Wenn der Hochleistungsmagnetsensor verwendet wird, kann die vorliegende Erfindung verschiedene ausgezeichnete Vor­ richtungen vorsehen. Typische Beispiele für solche Vorrich­ tungen sind ein Magnetkopf, der mit dem Magnetsensor als magnetoresistivem Transducer versehen ist, eine Magnetplat­ tenvorrichtung, die mit dem Magnetkopf versehen ist, eine Plattenarrayvorrichtung, die mit dem Magnetsensor versehen ist, eine Codierervorrichtung, die mit dem Magnetsensor versehen ist, und besonders eine kontaktlose Codierervor­ richtung.

Claims (18)

1. Magnetsensor, der mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferro­ magnetische Metallschicht und eine zweite ferromagnetische Schicht enthält, die über einer isolierenden Barrieren­ schicht über der ersten ferromagnetischen Metallschicht gebildet ist, bei dem wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
2. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem nur eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusam­ mensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenig­ stens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
3. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt sind, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält, wobei das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von jeder der Me­ tallschichten dasselbe oder verschieden sein kann.
4. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem eine Viel­ zahl von ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten seriell verbunden ist.
5. Magnetsensor nach Anspruch 4, bei dem eine Viel­ zahl von ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten auf einem Substrat angeordnet ist und die ersten ferromagneti­ schen Schichten oder die zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten der benachbarten ferromagnetischen Tunnelüber­ gangseinheiten integral miteinander gebildet sind, um dadurch die serielle Verbindung herzustellen.
6. Magnetsensor nach Anspruch 4, bei dem eine Viel­ zahl von ferromagnetischen Tunnelübergangseinheiten in mehreren Stufen auf dem Substrat laminiert ist und die erste ferromagnetische Metallschicht der oberen Tunnelübergangs­ einheit auf der zweiten ferromagnetischen Metallschicht der unteren Tunnelübergangseinheit gebildet ist, um die serielle Verbindung der benachbarten ferromagnetischen Tunnelüber­ gangseinheiten in der vertikalen Richtung herzustellen.
7. Magnetkopf, der mit einem Magnetsensor als magne­ toresistivem Transducer versehen ist, welcher Magnetsensor mit einer ferromagnetischen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferromagnetische Metallschicht und eine zweite ferromagnetische Metallschicht enthält, die über einer isolierenden Barrierenschicht über der ersten ferroma­ gnetischen Metallschicht gebildet ist, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusam­ mensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenig­ stens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
8. Magnetkopf nach Anspruch 7, bei dem nur eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusam­ mensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenig­ stens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
9. Magnetkopf nach Anspruch 7, bei dem die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt sind, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält, wobei das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von jeder der Metallschichten dasselbe oder verschieden sein kann.
10. Magnetplattenvorrichtung, an die ein Magnetkopf montiert ist, der mit einem Magnetsensor versehen ist, welcher Magnetsensor mit einer ferromagnetischen Tunnelüber­ gangseinheit versehen ist, die eine erste ferromagnetische Metallschicht und eine zweite ferromagnetische Metallschicht enthält, die über einer isolierenden Barrierenschicht über der ersten ferromagnetischen Metallschicht gebildet ist, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagneti­ schen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
11. Magnetplattenvorrichtung nach Anspruch 10, bei der nur eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Berei­ ches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
12. Magnetplattenvorrichtung nach Anspruch 10, bei der die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt sind, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% ent­ hält, wobei das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von jeder der Metallschichten dasselbe oder verschieden sein kann.
13. Plattenarrayvorrichtung, die mit einem Magnetsen­ sor versehen ist, welcher Magnetsensor mit einer ferromagne­ tischen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferromagnetische Metallschicht und eine zweite ferromagneti­ sche Metallschicht enthält, die über einer isolierenden Barrierenschicht über der ersten ferromagnetischen Metall­ schicht gebildet ist, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe- Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungs­ verhältnis innerhalb eines Bereiches von wenigstens 25 Atom- % bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
14. Plattenarrayvorrichtung nach Anspruch 13, bei der nur eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Berei­ ches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
15. Plattenarrayvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metall­ schichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt sind, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Berei­ ches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält, wobei das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von jeder der Metallschichten dasselbe oder verschieden sein kann.
16. Codierervorrichtung, die mit einem Magnetsensor versehen ist, welcher Magnetsensor mit einer ferromagneti­ schen Tunnelübergangseinheit versehen ist, die eine erste ferromagnetische Metallschicht und eine zweite ferromagneti­ sche Metallschicht enthält, die über einer isolierenden Barrierenschicht über der ersten ferromagnetischen Metall­ schicht gebildet ist, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe- Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungs­ verhältnis innerhalb eines Bereiches von wenigstens 25 Atom- % bis zu weniger als 51 Atom-% enthält.
17. Codierervorrichtung nach Anspruch 16, bei der nur eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschich­ ten aus einer CoFe-Legierung hergestellt ist, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb eines Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% ent­ hält.
18. Codierervorrichtung nach Anspruch 16, bei der die beiden ersten und zweiten ferromagnetischen Metallschichten aus einer CoFe-Legierung hergestellt sind, die Fe in einem Zusammensetzungsverhältnis innerhalb des Bereiches von wenigstens 25 Atom-% bis zu weniger als 51 Atom-% enthält, wobei das Fe-Zusammensetzungsverhältnis von jeder der Me­ tallschichten dasselbe oder verschieden sein kann.
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