DE10102933A1 - Magnetsensor und Magnetspeicher, bei dem derselbe verwendet wird - Google Patents
Magnetsensor und Magnetspeicher, bei dem derselbe verwendet wirdInfo
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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
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.
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.
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.
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.-%, xNi, 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
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 2 = -2,432 × 10-8 J/cm2.
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 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, xNi, 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.
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.
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 Ms 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, tdead, für die Filme verschiede
ner Zusammensetzungen bestimmt und als Funktion des Ni-
Gehaltes dargestellt, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Sättigungs
magnetisierung Ms 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 Ms 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 λs 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 λs 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 Beff 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 Ef der Youngsche Elastizitätsmodul für Ni-Fe
und ist vf 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 Beff 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 BBulk die magnetoelastische Kopplungs
konstante von Grundmaterial, ist BSurf 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 Ms in Fig. 2 gezeigt sind, um BBulk
und BSurf für jede Zusammensetzung zu erhalten. Die erhalte
nen Resultate sind in Fig. 9 dargestellt.
BBulk und BSurf wurden für den Ni-Gehalt gemäß den fol
genden Gleichungen jeweilig durch lineare Interpolation
ermittelt:
BBulk = BBulk 1 + BBulk 2.xNi (3)
BSurf = BSurf 1 + BSurf 2.xNi (4)
und diese wurden in die Gleichung (2) eingesetzt, um die
folgende Gleichung zu erhalten:
In dieser Gleichung sind BBulk 1, BBulk 2, BSurf 1 und BSurf 2
jeweilig die folgenden Konstanten:
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 2 = -2,432 × 10-8 J/cm2,
ist xNi der Ni-Gehalt in Gew.-% und t die Filmdicke in Nanometern.
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 2 = -2,432 × 10-8 J/cm2,
ist xNi der Ni-Gehalt in Gew.-% und t die Filmdicke in Nanometern.
Die folgende Gleichung wurde dann durch Lösen der obi
gen Gleichung (5) für Beff = 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, xNi, 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 λs. 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.
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, xNi, 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 (26)
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, xNi, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von
ihm der Beziehung genügen, die durch die folgende Gleichung
dargestellt wird:
wobei
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 2 = -2,432 × 10-8 J/cm2 ist.
wobei
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 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, xNi, in Gew.-% und die Dicke, t, in Nanometern von
ihm der Beziehung genügen, die durch die folgende Gleichung
dargestellt wird:
wobei
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 2 = -2,432 × 10-8 J/cm2 ist.
wobei
BBulk 1 = -53,78 J/cm3,
BBulk 2 = 0,6638 J/cm3,
BSurf 1 = 1,7548 × 10-6 J/cm2 und
BSurf 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.
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