DE10102933A1

DE10102933A1 - Magnetsensor und Magnetspeicher, bei dem derselbe verwendet wird

Info

Publication number: DE10102933A1
Application number: DE10102933A
Authority: DE
Inventors: Lajos Varga; Yutaka Shimizu; Shin Eguchi; Atsushi Tanaka
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2001-08-09
Also published as: CN1319900A; US20010015878A1; JP2001217482A; KR20010078004A

Abstract

Ein Magnetsensor, der ein Laminat enthält, das eine erste magnetische Schicht aus weichem ferromagnetischen Material, eine nichtmagnetische Schicht, eine zweite magnetische Schicht aus ferromagnetischem Material und eine antiferromagnetische Schicht umfaßt, und ein Konvertierungselement zum Detektieren der Veränderung eines externen Magnetfeldes als Widerstandsveränderung und zum Ausgeben derer, bei dem wenigstens ein Teil der ersten magnetischen Schicht aus einem Ni-Fe-Material gebildet ist und der Gehalt an Ni, x¶Ni¶, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von ihm der Beziehung genügen, die durch die folgende Gleichung dargestellt wird: DOLLAR F1 wobei B·Bulk·¶1¶ = -53,78 J/cm·3·, B·Bulk·¶2¶ = 0,6638 J/cm·3·, B·Surf·¶1¶ = 1,7548 x 10·-6· J/cm·2· und B·Surf·¶2¶ = -2,432 x 10·-8· J/cm·2· ist. Ein Magnetspeicher, der einen Magnetkopf und ein magnetisches Aufzeichnungsmedium umfaßt, bei welchem Magnetkopf der Magnetsensor gemäß der Erfindung verwendet wird, wird auch offenbart.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patent anmeldung Nr. 2000-26752, eingereicht am 3. Februar 2000, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme inkorporiert ist, und beansprucht deren Priorität.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Magnetsensor, und speziell einen Magnetsensor, der ein extern angewendetes Magnetfeld durch eine Widerstandsveränderung auf Grund des Magnetfeldes fühlt. Im besonderen betrifft die Erfindung einen Magnetsen sor, bei dem ein sehr dünner (< 10 Nanometer) Ni-Fe-Film verwendet wird, um ein Magnetfeld zu fühlen, wie z. B. einen Spin-Valve-Magnetoresistenzsensor. Die Erfindung betrifft auch einen Magnetspeicher, bei dem solch ein Magnetsensor verwendet wird.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Ein Magnetsensor ist in einer Reihe von Anwendungs gebieten unerläßlich. Zum Beispiel werden Magnetsensoren in den Magnetköpfen von Magnetspeichern für verschiedene Compu ter verwendet.

Ein typischer Magnetspeicher für einen Computer ist eine Festplattenvorrichtung und nutzt als Aufzeichnungs medium eine Festplatte, die einen dünnen Film aus einem magnetischen Material zur Aufzeichnung hat, der auf einem harten Substrat wie etwa einem Aluminiumsubstrat vorgesehen ist, und durch ein Antriebsmittel (Plattenlaufwerk) rotiert wird, und schreibt und liest Informationen auf das und von dem Aufzeichnungsmedium unter Verwendung eines Kopfes, der an einem Ende eines Kopfbewegungsmechanismus angebracht ist, der als Gleiter bezeichnet wird. Die Speicherkapazitäten von Festplatten nehmen Jahr für Jahr zu, und Köpfe für die Festplattenvorrichtungen müssen diesem Trend gerecht werden.

Als Lesekopf für eine Festplatte, die eine hohe Daten dichte hat, wird ein MR-Kopf, der einen Magnetoresistenz- (MR)-Effekt nutzt und die Veränderung eines externen Magnet feldes als Widerstandsveränderung fühlt und diese als Span nungsveränderung ausgibt, anstelle eines herkömmlichen Kopfes eines Induktionstyps verwendet, bei dem das Prinzip der elektrischen Induktion genutzt wird. Bei dem MR-Film wird ein einschichtiger Film (normalerweise ein Ni-Fe-Film) verwendet, der einen anisotropen Magnetoresistenzeffekt aufweist, um ein externes Magnetfeld zu fühlen.

Unlängst ist ein GMR-Kopf in der Praxis eingesetzt wor den, welcher GMR-Kopf einen gigantischen Magnetoresistenz- (GMR)-Effekt nutzt und eine höhere Empfindlichkeit als ein herkömmlicher MR-Kopf hat und dementsprechend eine größere Widerstandsveränderung anzeigt, wenn dasselbe externe Ma gnetfeld angewendet wird, um dadurch das Vorsehen einer großen Ausgabe zu ermöglichen. Der gigantische Magnetoresi stenzeffekt, der in dem GMR-Kopf entwickelt wird, stammt von einem mehrschichtigen Film. Verschiedene Typen von Filmen mit einer mehrschichtigen Konstruktion, die einen giganti schen Magnetoresistenzeffekt aufweisen, sind bekannt. Von diesen ist ein Film, der eine einfache Konstruktion aus Schichten und eine relativ große Widerstandsveränderungsrate selbst bei einem schwachen Magnetfeld hat, solch einer, der als Spin-Valve-(SV)-Film bekannt ist, der in der Praxis in den meisten GMR-Köpfen eingesetzt wird.

Im Prinzip hat ein Spin-Valve-Film eine laminierte Struktur, in der wenigstens vier Schichten, nämlich eine erste magnetische Schicht, die eine variable Magnetisie rungsrichtung hat und als freie magnetische Schicht bezeich net wird (auch einfach freie Schicht genannt), eine nicht- magnetische Schicht, eine zweite magnetische Schicht, die eine fixierte Magnetisierungsrichtung hat und als fixierte magnetische Schicht bezeichnet wird (auch einfach fixierte Schicht oder befestigte Schicht genannt), und eine antifer romagnetische Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrich tung der zweiten magnetischen Schicht (fixierte magnetische Schicht) durch Austauschkopplung mit ihr sequentiell lami niert sind. Wenn ein externes Magnetfeld auf den Spin-Valve- Film mit solch einer laminierten Struktur angewendet wird, wird die Magnetisierungsrichtung der fixierten magnetischen Schicht fixiert und nicht verändert, während die Magnetisie rungsrichtung der freien magnetischen Schicht in Abhängig keit von der Richtung des externen Magnetfeldes verändert wird, und demzufolge wird der spezifische elektrische Wider stand des Spin-Valve-Films auf Grund der Veränderung der relativen Orientierung der Magnetisierungen der zwei Schich ten verändert. Der spezifische Widerstand des Spin-Valve- Films ist minimal, wenn die Magnetisierungsrichtungen der fixierten magnetischen Schicht und der freien magnetischen Schicht dieselben sind (die Differenz zwischen ihren Magne tisierungsrichtungen beträgt null Grad), und maximal, wenn die Magnetisierungsrichtungen der zwei Schichten entgegenge setzt sind (die Differenz zwischen ihren Magnetisierungs richtungen beträgt 180 Grad). Da der spezifische elektrische Widerstand des Spin-Valve-Films durch die relative Orientie rung der Magnetisierungen der freien magnetischen Schicht und der fixierten magnetischen Schicht bestimmt wird, kann der Spin-Valve-Film somit einen sehr empfindlichen Magnet sensor vorsehen.

Solch ein Spin-Valve-Film, der in einem Kopf verwendet wird, enthält zwei magnetische Schichten, die durch eine dünne nichtmagnetische Zwischenschicht voneinander getrennt sind, und eine antiferromagnetische Schicht zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung von einer magnetischen Schicht, wie oben beschrieben. Ein Magnetkopf, der unter Verwendung dieses Spin-Valve-Films hergestellt wird, hat im allgemeinen ein Substrat, auf dem verschiedene Schichten für den Magnet sensor gebildet werden, eine Unterschicht (auch Puffer schicht genannt), die zuerst auf dem Substrat gebildet wird, den Spin-Valve-Film, der die erste magnetische Schicht (freie magnetische Schicht) aus einem weichen ferromagneti schen Material, die zweite magnetische Schicht (fixierte magnetische Schicht) aus einem ferromagnetischen Material und die antiferromagnetische Schicht umfaßt, die auf der Unterschicht sukzessive gebildet werden, und einen Schutz film (Antioxidationsfilm), der auf dem Spin-Valve-Film vorgesehen wird. Der Magnetkopf, der die Struktur hat, in der die antiferromagnetische Schicht von dem Substrat ent fernt angeordnet ist, wobei die zwei magnetischen Schichten dazwischen positioniert sind, wie oben beschrieben, wird als Magnetkopf des Decktyps bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird der Magnetkopf mit einer Struktur, in der die antiferroma gnetische Schicht dichter an dem Substrat angeordnet ist und zwischen dem Substrat und den zwei magnetischen Schichten positioniert ist, als Magnetkopf des Bodentyps bezeichnet.

Für das Substrat wird im allgemeinen ein Material wie z. B. Aluminiumoxid-TiC verwendet (oft AlTiC genannt). Die Unterschicht, die im allgemeinen aus Tantal (Ta) gebildet wird, dient dazu, die erste magnetische Schicht während ihrer Bildung in eine vorbestimmte Orientierungsebene zu orientieren, und verhindert die Diffusion von Material aus dem Substrat. Die nichtmagnetische Schicht zwischen den zwei magnetischen Schichten wird im allgemeinen aus Kupfer (Cu) gebildet.

In den meisten Fällen wird der weiche ferromagnetische Film für die freie magnetische Schicht, die in dem Spin- Valve-Film verwendet wird, aus einem Material gebildet, das 81 Gew.-% Ni und 19 Gew.-% Fe enthält, oder aus einer Schicht aus einer Legierung, die jene Zusammensetzung hat, und einer anderen Schicht aus einer unterschiedlichen ferro magnetischen Legierung. Die freie magnetische Schicht, die in dem Spin-Valve-Film verwendet wird, hat typischerweise eine Dicke von weniger als 10 Nanometern. Die Zusammenset zung aus 81 Gew.-% Ni und 19 Gew.-% Fe wird für solch eine Schicht aus dem Grund gewählt, um ausgezeichnete weichmagne tische Eigenschaften zu erhalten, d. h., eine hohe Permeabi lität, eine niedrige Anisotropie, eine niedrige Koerzitiv kraft und eine Magnetostriktion von nahezu Null.

Ein Lesekopf, der für einen Magnetspeicher wie solch eine Festplattenvorrichtung mit einer erhöhten Speicher dichte geeignet ist, hat eine Sensorsektion zum Fühlen eines Magnetfeldes, die eine sehr kleine Größe hat. Dies bedeutet, daß die laminierte Struktur, die in solch einem Lesekopf verwendet wird, dünner gebildet werden muß und schließlich die jeweiligen Schichten, die die laminierte Struktur bil den, dünner gebildet werden müssen.

In dem somit dünner gebildeten Magnetkopf werden, wenn die Schichten eine Dicke von viel weniger als 10 Nanometern haben, die Oberflächen- und Belastungseffekte immer bedeut samer. Es ist wohlbekannt, daß in dünnen Filmen aus Nickel oder Nickellegierungen die ersten Schichten unmagnetisch sind und die magnetoelastischen Eigenschaften ferner weit gehend von Schichtdicken abhängen. Ein dicker Film aus Ni₈₁Fe₁₉-Material hat eine Magnetostriktion von nahezu Null, und demzufolge wird gewöhnlich dieses Material in den her kömmlichen Magnetsensoren verwendet, bei denen der Magneto resistenzeffekt genutzt wird. Die Magnetostriktion von diesem magnetischen Material wird jedoch groß und positiv, wenn dessen Filmdicke wenige Nanometer erreicht, welche die Filmdicke der freien magnetischen Schicht in den Leseköpfen der nächsten Generation sein wird. Es ist günstig, wenn in einem Lesesensor die Magnetostriktion der freien magneti schen Schicht im Idealfall Null ist und eher einen negativen Wert als einen positiven Wert hat. Eine große positive Magnetostriktion der freien magnetischen Schicht in dem Magnetsensor aus einer laminierten Struktur, die aus Schich ten gebildet ist, die eine besonders kleine Dicke hinsicht lich der hohen Speicherdichte haben, der in einem Lesekopf verwendet wird, ist nicht wünschenswert und muß vermieden werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diese Probleme zu lösen. Speziell ist die Erfindung darauf gerichtet, einen Magnetsensor mit einer freien magnetischen Schicht vorzuse hen, die eine Magnetostriktion hat, die gleich oder kleiner als Null ist, und einen Magnetspeicher, besonders mit einer hohen Datendichte, der einen hochempfindlichen Magnetkopf hat, bei dem der Sensor verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird als freie magnetische Schicht in einem Magnetsensor ein Ni-Fe-Film verwendet, welcher Ni- Fe-Film einen Gehalt an Ni in Gew.-%, x_Ni, und eine Dicke, t, in Nanometern hat, die so selektiert sind, um der Beziehung zu genügen, die durch die folgende Gleichung dargestellt wird:

In der obigen Gleichung ist
B^Bulk ₁ = -53,78 J/cm³,
B^Bulk ₂ = 0,6638 J/cm³,
B^Surf ₁ = 1,7548 × 10^-6 J/cm² und
B^Surf ₂ = -2,432 × 10^-8 J/cm².

Somit sieht die Erfindung einen Magnetsensor vor, der ein Laminat aus einer ersten magnetischen Schicht (eine freie magnetische Schicht) aus weichem ferromagnetischen Material, einer nichtmagnetischen Schicht, einer zweiten magnetischen Schicht (eine fixierte magnetische Schicht) aus ferromagnetischem Material und einer antiferromagnetischen Schicht und ein Konvertierungselement zum Detektieren der Veränderung eines externen Magnetfeldes als Widerstandsver änderung und zum Ausgeben derer enthält, wobei wenigstens ein Teil der ersten magnetischen Schicht aus einem Ni-Fe- Material gebildet ist und der Gehalt an Ni, x_Ni, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von ihm der Beziehung genü gen, die durch die obige Gleichung dargestellt wird.

Die Erfindung sieht auch einen Magnetspeicher vor, der einen Magnetkopf und ein magnetisches Aufzeichnungsmedium umfaßt, bei welchem Magnetkopf der Magnetsensor gemäß der Erfindung verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden durch eine Person mit gewöhnlichen technischen Kennt nissen durch das Studium der folgenden eingehenden Beschrei bung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gut verstanden und erkannt, in denen:

Fig. 1 eine Konstruktion von Schichten in dem Magnet sensor der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Graph ist, der die Abhängigkeit der Sätti gungsmagnetisierung von verschiedenen Ni-Fe-Filmen von der Filmdicke zeigt;

Fig. 3 ein Graph ist, der Dicken von toten Schichten aus Ni-Fe-Filmen verschiedener Zusammensetzungen zeigt;

Fig. 4 ein Graph ist, der Sättigungsmagnetisierungen von Ni-Fe-Filmen verschiedener Zusammensetzungen als Funk tion der Magnetisierungsdicke zeigt;

Fig. 5 ein Graph ist, der die Sättigungsmagnetisierung als Funktion der Zusammensetzung des Ni-Fe-Films zeigt;

Fig. 6 ein Graph ist, der die Magnetostriktion als Funktion der magnetischen Dicke des Ni-Fe-Films zeigt;

Fig. 7 ein Graph ist, der die Magnetostriktion als Funktion der Zusammensetzung des Ni-Fe-Films zeigt;

Fig. 8 ein Graph ist, der die effektive magnetoelasti sche Kopplungskonstante als Funktion der Filmdicke zeigt;

Fig. 9 ein Graph ist, der die magmetoelastische Kopp lungskonstante von Grundmaterial und die magnetoelastische Kopplungskonstante von Oberflächen als Funktion der Zusam mensetzung zeigt;

Fig. 10 ein Graph ist, der eine Zusammensetzung, bei der die Magnetostriktion des Ni-Fe-Films Null ist, als Funktion der magnetischen Dicke zeigt;

Fig. 11 einen Magnetsensor der Erfindung zeigt;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Magnetkopf der Erfindung zeigt; und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Magnetspeicher der Erfindung zeigt.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt die Konstruktion der Schichten in dem Magnetsensor der Erfindung. Ein Laminat 10, das den Magnet sensor der Erfindung darstellt, umfaßt eine Unterschicht 12, eine freie magnetische Schicht 13, eine nichtmagnetische Schicht 14, eine fixierte magnetische Schicht 15 und eine antiferromagnetische Schicht 16, die auf einem Substrat 11 sukzessive gebildet sind. Für das Substrat 11 wird im allge meinen ein Material wie AlTiC verwendet. Die Unterschicht 12, die eine optionale Schicht in dem Laminat 10 ist, wird im allgemeinen aus einem dünnen Film aus einem Material wie z. B. Tantal (Ta) gebildet, wenn sie verwendet wird, und hat eine Dicke von etwa 1 bis 10 Nanometern. Die freie magneti sche Schicht 13 wird aus einer Ni-Fe-Legierung aus weichma gnetischem Material gebildet. Die Schicht 13 kann aus einer Subschicht 13a aus einer Ni-Fe-Legierung und einer Sub schicht 13b aus einem anderen magnetischen Material gebildet werden, wie in der Zeichnung gezeigt. Auf der freien magne tischen Schicht 13 ist die nichtmagnetische Zwischenschicht (oder einfach nichtmagnetische Schicht) 14 angeordnet, die aus einem nichtmagnetischen Material wie z. B. Kupfer (Cu) gebildet wird. Die fixierte magnetische Schicht 15 ist auf der Schicht 14 gebildet, um der freien magnetischen Schicht 13 gegenüberzuliegen, wobei die Schicht 14 zwischen den Schichten 13 und 15 angeordnet ist. Ein magnetisches Mate rial für die fixierte magnetische Schicht 15 ist im allge meinen Cobalt (Co) oder ein magnetisches Material auf Cobaltbasis wie etwa eine Co-Fe-Legierung. Auf der fixierten magnetischen Schicht 15 ist die antiferromagnetische Schicht 16 vorhanden, welche Schicht 16 aus einem antiferromagneti schen Legierungsmaterial wie z. B. Pt-Mn, Ni-Mn oder Fe-Mn oder einem antiferromagnetischen Oxidmaterial wie etwa NiO oder Fe₂O₃ gebildet wird. Im allgemeinen wird jede von diesen Schichten unter Einsatz eines physikalischen Dampfab scheidungsprozesses [physical vapor deposition (PVD) process] gebildet. Eine Schutzschicht kann auf der antifer romagnetischen Schicht 16 vorgesehen sein, obwohl sie in Fig. 1 nicht gezeigt ist. Die Schutzschicht würde im allge meinen aus Ta gebildet.

Bezüglich der weichmagnetischen Schicht aus Ni-Fe führ ten die Erfinder ein Experiment durch, bei dem verschiedene Ni-Fe-Filme mit verschiedenen Ni-Fe-Verhältnissen unter Einsatz eines Sputtersystems abgeschieden wurden, um die Abhängigkeit der Magnetostriktion von der Filmdicke bei . verschiedenen Ni-Fe-Zusammensetzungen zu untersuchen. Die Filme wuchsen auf einer Ta-Unterschicht, die eine Dicke von 5 Nanometern hatte und auf einem Glassubstrat mit einer Dicke von 150 Mikrometern gebildet war, wobei die Filmdicken zwischen 2,5 und 20 Nanometern lagen, und wurden dann mit einer Ta-Schicht mit einer Dicke von 5 Nanometern bedeckt, um die Oxidation des gewachsenen Ni-Fe-Films zu verhindern. Die Sättigungsmagnetisierung M_s von jedem der Ni-Fe-Filme wurde unter Verwendung eines Vibrationsabtastmagnetisie rungsmessers [vibrating sampling magnetization meter] (VSM) gemessen, und die in Fig. 2 gezeigten Resultate wurden erhalten. Anschließend wurden aus einer Darstellung des magnetischen Momentes in Abhängigkeit von der Filmdicke die Dicken der toten Schichten, t_dead, für die Filme verschiede ner Zusammensetzungen bestimmt und als Funktion des Ni- Gehaltes dargestellt, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Sättigungs magnetisierung M_s wurde dann für die tote Schicht durch Berechnen der effektiven (magnetischen) Dicke von jedem Ni- Fe-Film korrigiert, wie in Fig. 4 gezeigt, und ihr Wert als Funktion des Ni-Gehaltes stimmte mit Daten von Ni-Fe-Grund material überein, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Sättigungs magnetisierung M_s der Ordinate in Fig. 2, 4 und 5, die in der Einheit emu/cc ausgedrückt wurde, wird durch Multiplika tion mit 4π × 10^-4 in einen entsprechenden Wert in den SI- Einheiten Wb/m² konvertiert.

Die Magnetostriktionskonstante λ_s von jedem Ni-Fe-Film wurde unter Einsatz des Trägerkrümmungsverfahrens (bending beam method) in einem handelsüblichen Magnetostriktions tester gemessen, der durch Lafouda Co. hergestellt wurde. Die Abhängigkeit der Magnetostriktion des Ni-Fe-Films von der Dicke weist bei den untersuchten Zusammensetzungen ein ähnliches Verhalten auf, wie in Fig. 6 gezeigt, wo die Magnetostriktionskonstante λ_s in Abhängigkeit von der magne tischen Dicke dargestellt ist, und die Werte für dicke Filme stimmen mit den Daten von Grundmaterial gut überein, wie in Fig. 7 gezeigt.

Um die Abhängigkeit der Magnetostriktion von der Filmdicke zu verstehen, wurden die effektiven magnetoelasti schen Kopplungskonstanten B_eff gemäß der folgenden Gleichung aus den Meßdaten der Magnetostriktion unter Verwendung der Elastizitätskonstanten von polykristallinem Ni-Fe berechnet:

In der obigen Gleichung sind λ measured|s Meßdaten der Magneto striktion, ist E_f der Youngsche Elastizitätsmodul für Ni-Fe und ist v_f die Poissonsche Zahl für Ni-Fe.

Die effektiven magnetoelastischen Kopplungskonstanten, die so berechnet wurden, wurden dann an das Oberflächen anisotropiemodell von Néel angepaßt, um die in Fig. 8 ge zeigten Resultate zu erhalten. Die effektive magnetoelasti sche Kopplungskonstante B_eff ist die Summe aus dem Term der magnetoelastischen Kopplung von Grundmaterial (einfach Grundmaterialterm oder Volumentern) und dem Term der magne toelastischen Kopplung von Oberflächen (einfach Oberflächen term), wie es durch die folgende Gleichung dargestellt wird:

In der Gleichung ist B_Bulk die magnetoelastische Kopplungs konstante von Grundmaterial, ist B_Surf die magnetoelastische Kopplungskonstante von Oberflächen und ist t die Filmdicke.

Anschließend wurde eine Anpassung für jede der Zusam mensetzungen ausgeführt, von denen die gemessenen Sätti gungsmagnetisierungen M_s in Fig. 2 gezeigt sind, um B_Bulk und B_Surf für jede Zusammensetzung zu erhalten. Die erhalte nen Resultate sind in Fig. 9 dargestellt.

B_Bulk und B_Surf wurden für den Ni-Gehalt gemäß den fol genden Gleichungen jeweilig durch lineare Interpolation ermittelt:

B_Bulk = B^Bulk ₁ + B^Bulk ₂.x_Ni (3)

B^Surf = B^Surf ₁ + B^Surf ₂.x_Ni (4)

und diese wurden in die Gleichung (2) eingesetzt, um die folgende Gleichung zu erhalten:

In dieser Gleichung sind B^Bulk ₁, B^Bulk ₂, B^Surf ₁ und B^Surf ₂ jeweilig die folgenden Konstanten:
B^Bulk ₁ = -53,78 J/cm³,
B^Bulk ₂ = 0,6638 J/cm³,
B^Surf ₁ = 1,7548 × 10^-6 J/cm² und
B^Surf ₂ = -2,432 × 10^-8 J/cm²,
ist x_Ni der Ni-Gehalt in Gew.-% und t die Filmdicke in Nanometern.

Die folgende Gleichung wurde dann durch Lösen der obi gen Gleichung (5) für B_eff = 0 erhalten:

Daraus geht hervor, daß bei einem dünnen Ni-Fe-Film, wie er als freie Schicht in einem Spin-valve-Film verwendet wird, der Ni-Gehalt, x_Ni, des Ni-Fe-Films der folgenden Beziehung genügen muß, damit der Wert der Magnetostriktion Null oder negativ ist.

Obwohl zuvor bekannt gewesen ist, daß die magnetoela stische Kopplungskonstante eines Grundmaterials von der Zusammensetzung des Materials abhängt, ist die Abhängigkeit der magnetoelastischen Kopplungskonstante von Oberflächen von der Filmzusammensetzung nicht ermittelt worden. Die obige Gleichung (7), die durch die Erfinder erhalten wurde, ermöglicht es, den Einfluß des Oberflächenterms in einem Ni- Fe-Film, der erhöht wird, wenn die Filmdicke kleiner gebil det wird, bei jeder Ni-Fe-Filmdicke von weniger als 10 Nanometern durch geeignetes Verändern der Zusammensetzung des Ni-Fe-Materials zu unterdrücken, um den Grundmaterial term zu verändern.

Wenn angenommen wird, daß die magnetoelastischen Kopp lungskonstanten von der Zusammensetzung linear abhängen, was völlig plausibel ist, wie aus Fig. 9 hervorgeht, kann die Zusammensetzung des Ni-Fe-Materials, bei der der Magneto striktionswert Null oder negativ ist, als Funktion der Filmdicke gemäß Gleichung (7) berechnet werden. Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Zusammensetzung des Ni-Fe- Films, bei der die Magnetostriktion Null ist, und der Filmdicke, und Tabelle 1 zeigt die Beziehung zusammen mit entsprechenden Werten der Magnetostriktionskonstante λ_s. Zum Beispiel wird durch die Verwendung eines Materials mit einer Ni₈₅Fe₁₅-Zusammensetzung, das etwa 85 Gewichts-% Ni enthält, die effektive Magnetostriktion des Ni-Fe-Films, der in dem Bereich der magnetischen Dicke von 0,6 bis 1,9 Nanometern auf einer Ta-Unterschicht gewachsen ist, im Vergleich zu dem Film aus Ni₈₁Fe₁₉, der in herkömmlichen Spin-Valve-Filmen verwendet wird, verringert.

Tabelle 1

Durch die Verwendung eines Magnetsensors, der eine freie Schicht in seinem Spin-Valve-Film hat, welche freie Schicht aus einem Ni-Fe-Material gebildet ist, das so ausgewählt ist, um in Abhängigkeit von der Dicke der freien Schicht gemäß der Erfindung der Schicht eine Magnetostriktion zu verleihen, die Null oder negativ ist, ist es somit machbar, einen Kopf für einen Magnetspeicher herzustellen, der für eine hohe Datendichte besonders geeignet ist. Im allgemeinen enthält der Magnetsensor ein Laminat mit einer ersten magne tischen Schicht (freie magnetische Schicht) aus weichem ferromagnetischen Material, einer nichtmagnetischen Schicht, einer zweiten magnetischen Schicht (fixierte magnetische Schicht) aus ferromagnetischem Material und einer antiferro magnetischen Schicht und ein Konvertierungselement zum Detektieren der Veränderung eines externen Magnetfeldes und Ausgeben derer als Widerstandsveränderung, wobei wenigstens ein Teil der ersten magnetischen Schicht aus einem Ni-Fe- Material gebildet ist und der Gehalt an Ni, x_Ni, und die Dicke, t, von ihm der Beziehung genügen, die durch die obige Gleichung (7) dargestellt wird. Der Sensor ist in Fig. 11 schematisch gezeigt, wobei die erste magnetische Schicht des Laminates mit 13 bezeichnet ist und außer der Ni-Fe-Schicht 13a eine andere magnetische Schicht 13b umfassen kann, wie in der Zeichnung gezeigt. Ferner sind in Fig. 11 die nicht- magnetische Schicht, die zweite magnetische Schicht und die antiferromagnetische Schicht mit 14, 15 bzw. 16 bezeichnet. Unter dem Laminat (speziell zwischen dem Laminat und einem Substrat 11) kann eine Unterschicht 12 aus Ta oder derglei chen enthalten sein, und auf der antiferromagnetischen Schicht 16 kann eine Schutzschicht (nicht gezeigt) angeord net sein. Zusätzlich sind die ersten und zweiten magneti schen Schichten 13 und 15 mit einem Konvertierungselement 18 verbunden, das die Veränderung des externen Magnetfeldes, das durch den Sensor gefühlt wird, als Widerstandsverände rung detektiert, die im allgemeinen weiter in die Spannungs veränderung konvertiert wird, um ausgegeben zu werden. Solch eine Konfiguration eines Magnetsensors selbst ist wohlbe kannt und wird hier im Detail nicht weiter erläutert.

Ein Magnetkopf (Lesekopf), bei dem der Magnetsensor der Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 12 schematisch ge zeigt. Der Magnetkopf von dieser Zeichnung umfaßt einen Spin-Valve-Film 23, der in der Mitte zwischen zwei Schirmen 21 und 22 angeordnet ist, welcher Spin-Valve-Film 23 die laminierte Struktur hat, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben wurde. Elektroden 24, 25 sind an einem Ende mit dem Spin-Valve-Film 23 verbunden, wie in Fig. 12 ge zeigt, und an dem anderen Ende auch mit dem Konvertierungs element 18 verbunden, wie in Fig. 11 gezeigt. Solch eine Konfiguration selbst, sowie die Operation eines Magnetkop fes, ist auch wohlbekannt und wird hier im Detail nicht weiter erläutert.

Fig. 13 zeigt eine Festplattenvorrichtung 30 als Bei spiel für den Magnetspeicher, bei dem ein Magnetkopf unter Verwendung des Magnetsensors der Erfindung genutzt wird. Die Festplattenvorrichtung 30 umfaßt einen Gleiter 32, der an seinem Ende mit einem Magnetkopf 31 versehen ist, und ein magnetisches Aufzeichnungsmedium 33, wobei der Gleiter 32 und das magnetische Aufzeichnungsmedium 33 jeweilig durch Treiber angetrieben werden, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind. Die Festplattenvorrichtung 30 ist typischer weise in einem Gehäuse enthalten, das in der Zeichnung auch nicht gezeigt ist. Die Verwendung des Magnetsensors der Erfindung als Kopf gestattet es, daß die Festplattenvorrich tung 30 Daten hoher Dichte lesen kann. Solch eine Konfigura tion, sowie die Operation von einem Magnetspeicher, ist auch wohlbekannt und wird hier im Detail nicht weiter erläutert. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf ein Bei spiel speziell beschrieben, soll aber durch das Beispiel nicht eingeschränkt werden.

Auf einem Al₂O₃-TiC-Substrat, das mit einem SiO₂-Film versehen war, wurde eine Ta-Schicht als Unterschicht mit einer Dicke von 5 Nanometern gebildet, und anschließend wurden eine freie weichmagnetische Schicht von 2,5 Nano metern aus Ni₈₅Fe₁₅ (welche Zahlen Gewichtsprozente der Elemente darstellen) und 2 Nanometern Co₉₀Fe₁₀ (welche Zahlen Atomprozente der Elemente darstellen), eine Zwischen schicht aus Cu mit einer Dicke von 2,8 Nanometern, eine befestigte weichmagnetische Schicht aus Co₉₀Fe₁₀ (welche Zahlen Atomprozente darstellen) mit einer Dicke von 2,2 Nanometern, eine antiferromagnetische Schicht aus Pd₃₁Pt₁₇Mn₅₂ (welche Zahlen Atomprozente darstellen) mit einer Dicke von 15 Nanometern und eine Schutzschicht aus Ta mit einer Dicke von 5 Nanometern sukzessive gebildet, um einen Spin-Valve-Magnetoresistenzsensor herzustellen, wobei eine Gleichstrommagnetronzerstäubungsvorrichtung eingesetzt wurde.

Während der Filmbildung kann ein externes magnetisches Gleichfeld in der Größenordnung von 100 Oe (8 kA/m) in der Richtung einer Substratebene angewendet werden, in der die Magnetisierungsrichtung der freien weichmagnetischen Schicht zu der Richtung eines Abfühlstromes in dem Spin-Valve-Magne toresistenzsensor parallel ist.

Nach der Filmbildung wurde eine Wärmebehandlung in ei nem Vakuum von nicht mehr als 1 × 10^-6 Pa und bei 280°C für etwa 3 Stunden ausgeführt, während ein externes magnetisches Gleichfeld von 2,5 kOe (200 kA/m) in der Richtung der Substratebene angewendet wurde, die zu der Richtung des externen Magnetfeldes, das während der Filmbildung angewen det wurde, rechtwinklig war, um die Richtung der befestigten weichmagnetischen Schicht in der Richtung zu fixieren, die zu jener des Fühlens von Strom in dem Spin-Valve-Magneto resistenzsensor rechtwinklig war.

Nach der Wärmebehandlung wurden die Schichten durch herkömmliche Fotolithografie- und Ionenätzprozesse gemu stert, um eine gegebene Fühlelementform zu erhalten, und anschließend wurden harte Vorspannungsfilme und Elektroden filme an beiden Enden des Elementes durch einen Abhebeprozeß sukzessive gebildet. Der harte Vorspannungsfilm kann im allgemeinen aus einer Co-Cr-Pt- oder Co-Pt-Legierung gebil det werden und hat eine Dicke von etwa 20 Nanometern. Der Elektrodenfilm wird im allgemeinen aus Au gebildet und hat eine Dicke von etwa 60 Nanometern.

Nach der Bildung des Elementes wurden die harten Vor spannungsfilme an beiden Enden magnetisiert, indem ein magnetisches Gleichfeld von 3 kOe (240 kA/m) bei Raumtempe ratur in der Längsrichtung (die zu der Richtung des Abfühl stromes in dem Fühlelement parallel war) angewendet wurde. Die Messung von Magnetoresistenzeigenschaften des so erhal tenen Spin-Valve-Magnetoresistenzsensors in einem externen Wobbelmagnetfeld von ±500 Oe (40 kA/m) ergab eine Auftritts rate des Barkhausen-Rauschens von 5% oder weniger.

Zum Vergleich ergaben Proben, die ähnlich hergestellt wurden, außer daß sie eine freie magnetische Schicht hatten, die aus 2,5 Nanometer dickem Ni₈₁Fe₁₉ (welche Zahlen Ge wichtsprozente der Elemente darstellen) und aus 2 Nanometer dickem Co₉₀Fe₁₀ (welche Zahlen Atomprozente der Elemente darstellen) gebildet war, ergaben eine Auftrittsrate des Barkhausen-Rauschens von 50 bis 100.

Im großen und ganzen wird in dem Fall, wenn die Dicke einer freien Schicht in Spin-Valve-Lesesensoren bei zuneh mender Aufzeichnungsdichte reduziert wird, die Magnetostrik tion von herkömmlichen freien Ni₈₁Fe₁₉-Schichten groß und positiv sein (in der Größenordnung von +10^-6 bis +10^-5), wodurch eine Domäneninstabilität und ein zunehmendes Bark hausen-Rauschen in Leseköpfen verursacht werden. Die Erfin dung gestattet den Einsatz einer freien Schicht aus Ni-Fe mit einer Zusammensetzung, um eine Magnetostriktion vorzuse hen, die bei jeder Dicke zwischen 0,6 und 10 Nanometern Null oder negativ ist.

Obwohl die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf einen Spin-Valve-Film des Decktyps beschrieben worden ist, ist es möglich, die Erfindung auf einen Spin-Valve-Film des Bodentyps anzuwenden. Es ist auch möglich, die Erfindung gemeinsam auf Elemente mit Magnetoresistenzeffekt anzuwen den, bei denen eine laminierte Struktur verwendet wird, die eine Schicht aus Ni-Fe-Material umfaßt.

Zusätzlich ist die Erfindung auch auf Tunnelübergangs elemente anwendbar, bei denen eine laminierte Struktur verwendet wird, die eine Schicht aus Ni-Fe-Material umfaßt. Die Erfindung macht es möglich, Magnetsensoren mit einer freien magnetischen Schicht vorzusehen, die eine Magnetostriktion hat, die Null oder negativ ist, und einen Magnetspeicher, bei dem der Sensor verwendet wird, um dadurch die Verwendung von Magnetspeichern mit erhöhter Aufzeichnungsdichte zu ermöglichen.

Claims

1. Magnetsensor, der ein Laminat enthält, das eine erste magnetische Schicht aus weichem ferromagnetischen Material, eine nichtmagnetische Schicht, eine zweite magne tische Schicht aus ferromagnetischem Material und eine antiferromagnetische Schicht umfaßt, und ein Konvertierungs element zum Detektieren der Veränderung eines externen Magnetfeldes als Widerstandsveränderung und zum Ausgeben derer, bei dem wenigstens ein Teil der ersten magnetischen Schicht aus einem Ni-Fe-Material gebildet ist und der Gehalt an Ni, x_Ni, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von ihm der Beziehung genügen, die durch die folgende Gleichung dargestellt wird:
wobei
B^Bulk ₁ = -53,78 J/cm³,
B^Bulk ₂ = 0,6638 J/cm³,
B^Surf ₁ = 1,7548 × 10^-6 J/cm² und
B^Surf ₂ = -2,432 × 10^-8 J/cm² ist.

2. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die erste magnetische Schicht aus dem Ni-Fe-Material gebildet ist.

3. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die erste magnetische Schicht eine Subschicht aus dem Ni-Fe-Material und wenigstens eine Subschicht aus magnetischem Material umfaßt, das sich von dem Ni-Fe-Material unterscheidet.

4. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die erste magnetische Schicht eine Dicke von weniger als 10 Nanometern hat.

5. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die nicht- magnetische Schicht aus Kupfer gebildet ist.

6. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die zweite magnetische Schicht aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt oder einer Co-Fe-Legierung.

7. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem die antifer romagnetische Schicht aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pt-Mn-, Ni-Mn- und Fe-Mn-Legierungen, NiO und Fe₂O₃.

8. Magnetsensor nach Anspruch 1, bei dem das Laminat auf einem Substrat angeordnet ist.

9. Magnetsensor nach Anspruch 8, bei dem eine Unter schicht zwischen dem Laminat und dem Substrat angeordnet ist.

10. Magnetsensor nach Anspruch 9, bei dem die Unter schicht aus Tantal gebildet ist und eine Dicke von 1 bis 10 Nanometern hat.

11. Magnetsensor nach Anspruch 8, bei dem der Satz aus ersten und zweiten magnetischen Schichten zwischen der antiferromagnetischen Schicht und dem Substrat angeordnet ist.

12. Magnetsensor nach Anspruch 8, bei dem die antifer romagnetische Schicht zwischen dem Satz aus ersten und zweiten magnetischen Schichten und dem Substrat angeordnet ist.

13. Magnetsensor nach Anspruch 8, bei dem eine Schutz schicht auf dem Laminat vorgesehen ist.

14. Magnetspeicher mit einem Magnetkopf und einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, bei dem der Magnetkopf einen Magnetsensor umfaßt, der ein Laminat enthält, das eine erste magnetische Schicht aus weichem ferromagnetischen Material, eine nichtmagnetische Schicht, eine zweite magne tische Schicht aus ferromagnetischem Material und eine antiferromagnetische Schicht umfaßt, und ein Konvertierungs element zum Detektieren der Veränderung eines externen Magnetfeldes als Widerstandsveränderung und zum Ausgeben derer, bei dem wenigstens ein Teil der ersten magnetischen Schicht aus einem Ni-Fe-Material gebildet ist und der Gehalt an Ni, x_Ni, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von ihm der Beziehung genügen, die durch die folgende Gleichung dargestellt wird:
wobei
B^Bulk ₁ = -53,78 J/cm³,
B^Bulk ₂ = 0,6638 J/cm³,
B^Surf ₁ = 1,7548 × 10^-6 J/cm² und
B^Surf ₂ = -2,432 × 10^-8 J/cm² ist.

15. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die erste magnetische Schicht aus dem Ni-Fe-Material gebildet ist.

16. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die erste magnetische Schicht eine Subschicht aus dem Ni-Fe-Material und wenigstens eine Subschicht aus magnetischem Material umfaßt, das sich von dem Ni-Fe-Material unterscheidet.

17. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die erste magnetische Schicht eine Dicke von weniger als 10 Nanometern hat.

18. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die nichtmagnetische Schicht aus Kupfer gebildet ist.

19. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die zweite magnetische Schicht aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt oder einer Co-Fe-Legierung.

20. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die anti ferromagnetische Schicht aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pt-Mn-, Ni- Mn- und Fe-Mn-Legierungen, NiO und Fe₂O₃.

21. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem das Lami nat auf einem Substrat angeordnet ist.

22. Magnetspeicher nach Anspruch 21, bei dem eine Unterschicht zwischen dem Laminat und dem Substrat angeord net ist.

23. Magnetspeicher nach Anspruch 22, bei dem die Unterschicht aus Tantal gebildet ist und eine Dicke von 1 bis 10 Nanometern hat.

24. Magnetspeicher nach Anspruch 21, bei dem der Satz 1 aus ersten und zweiten magnetischen Schichten zwischen der antiferromagnetischen Schicht und dem Substrat angeordnet ist.

25. Magnetspeicher nach Anspruch 21, bei dem die anti ferromagnetische Schicht zwischen dem Satz aus ersten und zweiten magnetischen Schichten und dem Substrat angeordnet ist.

26. Magnetspeicher nach Anspruch 21, bei dem eine Schutzschicht auf dem Laminat vorgesehen ist.