DE19809265C2

DE19809265C2 - GMR-Magnetsensor mit verbesserter Empfindlichkeit der Magnetdetektion

Info

Publication number: DE19809265C2
Application number: DE19809265A
Authority: DE
Inventors: Makoto Iijima
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: CN1211784A; KR100298818B1; DE19809265A1; JPH1196515A; US5966275A; KR19990029127A; CN1140896C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Magnetköpfe und im besonderen einen Magnetkopf mit hoher Empfindlichkeit, bei dem der sogenannte GMR-(gigantisch magnetoresistiver)-Effekt genutzt wird.

Magnetköpfe finden breite Verwendung, angefangen von audiovisuellen Vorrichtungen wie Bandrecorder oder Video recorder bis hin zu Informationsverarbeitunsvorrichtungen wie Computer. In einer Informationsverarbeitunsvorrichtung ist im besonderen ein anhaltender Bedarf hinsichtlich des Aufzeichnens einer großen Menge von Informationssignalen bezüglich der Verarbeitung von Bilddaten oder Tondaten vorhanden. Diesbezüglich ist eine Hochgeschwindigkeits magnetspeichervorrichtung mit einer sehr großen Speicher kapazität und daher einer sehr großen Aufzeichnungsdichte erforderlich. Solch eine Magnetspeichervorrichtung mit großer Kapazität erfordert einen Magnetkopf, der zum Schrei ben und Lesen von Informationen mit einer entsprechend hohen Aufzeichnungsdichte in der Lage ist.

Die Auflösung eines Magnetkopfes, die eine maximale Aufzeichnungsdichte darstellt, die der Magnetkopf vollbrin gen kann, wird primär durch eine Spaltbreite des Magnetkop fes und den Abstand von einem Aufzeichnungsmedium bis zu dem Spalt bestimmt. In einem Induktionsmagnetkopf, in dem eine Spule um einen Magnetkern herumgewunden ist, wird eine Aufzeichnungsdichte von etwa 65 Mbits/Zoll² erreicht. Jedoch ist diese Aufzeichnungsdichte angesichts der Aufzeichnungs dichte von 20 Gbits/Zoll² oder mehr, die von künftigen Magnetspeichervorrichtungen verlangt wird, die einen sehr kleinen Aufzeichnungspunkt verwenden, unzureichend.

Um die obige Aufzeichnungsdichte von 20 Gbits/Zoll² oder mehr zu erreichen, ist es notwendig, einen Magnetkopf mit sehr hoher Empfindlichkeit vorzusehen, der ein sehr schwaches magnetisches Signal mit sehr hoher Geschwindigkeit detektieren kann. Solch eine Hochgeschwindigkeitsdetektion von schwachen magnetischen Signalen ist mit einem Indukti onsmagnetkopf, der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert, angesichts der geforderten Auflösung, Empfindlichkeit und Reaktion nicht möglich.

Als Magnetkopf mit hoher Empfindlichkeit, der solche sehr schwachen magnetischen Signale detektieren kann, die durch sehr kleine Aufzeichnungspunkte gebildet werden, wird ein Magnetkopf vorgeschlagen, der mit einem magnetoresisti ven Magnetsensor versehen ist. Siehe zum Beispiel P. Ciu reanu und Gavrila, Studies in Electrical and Electronic Engineering 39, "Magnetic Heads for Digital Recording", Kapitel 7, Elsevier Publication, 1990.

Fig. 1 zeigt einen Magnetkopf 10, der einen sogenannten GMR-(gigantisch magnetoresistiven)-Sensor enthält, in einer Querschnittsansicht, wobei ein GMR-Sensor ein magnetoresi stiver Magnetsensor ist, der zum Detektieren von extrem schwachen magnetischen Signalen am geeignetsten ist. Ferner zeigen Fig. 2A und 2B die Konstruktion eines GMR-Sensors, der für den Magnetkopf 10 verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist der Magnetkopf 10 auf einem Keramiksubstrat 11 aus Al₂O₃-TiC gebildet und enthält einen unteren Magnetschirm 12, der auf dem Substrat 11 gebildet ist, und einen oberen Magnetschirm 14, der auf dem unteren Magnetschirm 12 gebildet ist, wobei zwischen ihnen ein nichtmagnetischer Isolierfilm 13 angeordnet ist. Die oberen und unteren Magnetschirme 12 und 14 bilden einen Lesespalt 15 an einem vorderen Endteil des Magnetkopfes 10, und der Spalt enthält einen GMR-Magnetsensor 16.

Auf dem oberen Magnetschirm 14 ist ein Magnetpol 18 vorgesehen, wobei zwischen ihnen ein nichtmagnetischer Isolierfilm 17 angeordnet ist, und ein Schreibspalt 19 ist zwischen dem Magnetpol 18 und dem oberen Magnetschirm 14 an dem vorderen Endteil des Magnetkopfes 10 gebildet. Es sei erwähnt, daß eine Schreibspule 20 in dem Isolierfilm 17 angeordnet ist.

Fig. 2A und 2B zeigen den GMR-Magnetsensor 16 von Fig. 1 in einem Zustand, bei dem kein externes Magnetfeld vorhan den ist, bzw. in einem Zustand, bei dem ein externes Magnet feld H angewendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2A und 2B enthält der GMR- Magnetsensor 16 einen nichtmagnetischen Hauptkörper 16A aus einem leitfähigen nichtmagnetischen Material wie Cu oder Ag und eine Vielzahl von im allgemeinen flachen ferromagneti schen Zonen 16B, die in dem Hauptkörper 16A mit einem Durch messer von einigen zehn Nanometern und einer Dicke von 2-4 nm gebildet sind. Die ferromagnetischen Zonen 16B sind wegen einer Austauschwechselwirkung mit einem optimalen Abstand getrennt voneinander angeordnet. Als Resultat der Austausch wechselwirkung tritt zwischen den benachbarten ferromagneti schen Zonen 16B eine magnetostatische Kopplung auf, und in der Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Zonen 16B tritt, wie in Fig. 2A gezeigt, als Resultat der magneto statischen Kopplung eine Antiparallelbeziehung auf, wenn auf den Magnetsensor 16 kein externes Magnetfeld angewendet wird.

Wenn in dem Zustand von Fig. 2A ein Elektronenstrom von einer Elektrode A, die auf der oberen Oberfläche des Haupt körpers 16A vorgesehen ist, in das Innere des Hauptkörpers 16A injiziert wird, erfahren jene Elektronen in dem Elektro nenstrom, die einen aufwärtigen Spinzustand aufweisen, durch eine ferromagnetische Zone 16B, die eine erste Magne tisierungsrichtung hat, eine Streuung. Andererseits erfahren jene Elektronen in dem Elektronenfluß, die einen abwärtigen Spinzustand aufweisen, durch eine andere ferromagnetische Zone 16B, die eine zweite, entgegengesetzte Magnetisie rungsrichtung hat, auch eine Streuung. Dadurch wird die Anzahl von Elektronen, die eine Elektrode B erreichen, die auch auf der oberen Oberfläche des Hauptkörpers 16A vorgese hen ist, verringert, und der Magnetsensor 16 weist einen hohen Widerstand auf.

Wenn ein externes Magnetfeld H auf den GMR-Sensor 16 angewendet wird, wie in Fig. 2B gezeigt, wird andererseits die Magnetisierungsrichtung bei allen ferromagnetischen Zonen 16B in einer Richtung ausgerichtet, wie in Fig. 2B gezeigt, und die magnetostatische Kopplung zwischen den benachbarten ferromagnetischen Zonen 16B wird unwirksam gemacht. In solch einem Zustand erreichen jene Elektronen in dem Elektronenstrom, der von der Elektrode A injiziert wird, mit einem des aufwärtigen oder abwärtigen Spinzustandes erfolgreich die Elektrode B nach Durchlaufen des Hauptkör pers 16A, obwohl die Elektronen, die den anderen Spin zustand aufweisen, ähnlich wie im Fall von Fig. 2A zerstreut werden. Somit verringert der Magnetsensor 16 als Reaktion auf die Anwendung des externen Magnetfeldes H seinen Wider stand.

In solch einem GMR-Magnetsensor 16 ergibt sich anderer seits das Problem, daß sich dann, wenn bewirkt wird, daß ein Elektronenstrom durch das Anwenden einer Spannung quer über die Elektroden A und B auf dem Hauptkörper 16A durch den Hauptkörper 16A fließt, ein Teil der Elektronen in dem Elektronenstrom vielmehr längs eines Kurzschlußweges P2 an der Oberfläche des Hauptkörpers 16A als längs eines Nenn weges P₁, der tief in das Innere des Hauptkörpers 16A ein dringt, bewegen kann. Siehe Fig. 3. Wenn solch ein Vorbei führen des Elektronenstroms längs des Stromweges P₂ auf tritt, wird die Widerstandsveränderung des GMR-Sensors 16, die zwischen den Elektroden A und B detektiert wird, durch den Elektronenstrom maskiert, der längs des Stromweges P₂ fließt. Als Resultat solch einer Maskierung wird die Emp findlichkeit der Magnetdetektion unvermeidlich verschlech tert.

Das obige Problem des Vorbeiführungsstromweges P₂ kann eliminiert werden, indem eine andere Elektrode C auf dem Boden des Hauptkörpers 16A vorgesehen wird, wie in Fig. 3 gezeigt, und der Widerstand zwischen den Elektroden A und C detektiert wird. Solch eine Lösung ist jedoch hinsichtlich der kleinen Dicke des Hauptkörpers 16A, die am besten etwa 50 nm beträgt, erfolglos. Auf Grund der extrem kleinen Dicke des Hauptkörpers 16A wird der Widerstand quer über die Elektroden A und C im wesentlichen Null. Dadurch ist keine zuverlässige Detektion des Widerstandsabfalls möglich.

Aus der EP 0 783 112 A2 ist ein magnetoresistiver Sensor bekannt, bei dem der Meßstrom senkrecht durch die in Dickenrichtung relative niederohmigen Sensorschichten geführt werden kann. Dieser Sensor weist jedoch homogene aktive Magnetschichten auf, wie sie üblicherweise in MR- Sensoren verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und nützlichen GMR-Magnetkopf vorzu sehen, bei dem die obigen Probleme eliminiert sind.

Ein anderes und spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magnetkopf vorzusehen, der einen GMR-Magnetsensor enthält, bei dem eine klare und zuverläs sige Beobachtung einer Magnetowiderstandsveränderung möglich ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen GMR-Magnetsensor vorzusehen, mit:
einer ersten Elektrode;
einer ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht, die auf der ersten Elektrode vorgesehen ist;
einer Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen, die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind;
einer zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht, die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist;
einer dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht, die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist;
einer Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen, die in der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind;
einer zweiten Elektrode, die auf der dritten leitfähi gen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist;
welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht und welche dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austausch wechselwirkung zwischen einer ersten ferromagnetischen Zone und einer zweiten ferromagnetischen Zone verursacht; und
bei dem ein Tunnelisolierfilm zwischen der ersten leit fähigen nichtmagnetischen Schicht und der dritten leitfähi gen nichtmagnetischen Schicht angeordnet ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines GMR-Magnetsensors vorzusehen, der enthält: eine erste Elektrode; eine erste leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der ersten Elektrode vorgesehen ist; eine Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen, die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebil det sind; eine zweite leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist; eine dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist; eine Vielzahl von zweiten ferro magnetischen Zonen, die in der dritten leitfähigen nicht- magnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung von einander gebildet sind; eine zweite Elektrode, die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist; welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht und welche dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austausch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austausch wechselwirkung zwischen einer ersten ferromagnetischen Zone und einer zweiten ferromagnetischen Zone verursacht; und bei dem ein Tunnelisolierfilm zwischen der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht und der dritten leitfähigen nicht- magnetischen Schicht angeordnet ist, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bilden der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht und der ersten ferromagnetischen Zonen durch: Bilden eines ersten Metallfilms, der ein Metallelement enthält, das die erste leitfähige nichtmagnetische Schicht darstellt, und ein Metallelement, das die ersten ferromagnetischen Zonen dar stellt; und Tempern des ersten Metallfilms bei einer Tempe ratur, die so festgelegt ist, daß sich die ersten ferro magnetischen Zonen und die erste leitfähige nichtmagnetische Schicht in dem ersten Metallfilm voneinander trennen;
Bilden der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Zonen durch:
Bilden eines zweiten Metallfilms, der ein Metallelement enthält, das die dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht darstellt, und ein Metallelement, das die zweiten ferro magnetischen Zonen darstellt; und Tempern des zweiten Metallfilms bei einer Temperatur, die so festgelegt ist, daß sich die zweiten ferromagnetischen Zonen und die dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht in dem zweiten Metall film voneinander trennen; und
Bilden des Tunnelisolierfilms durch: Bilden der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht; und Bearbeiten einer Oberfläche der genannten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magnetkopf vorzusehen, mit:
einem ersten Magnetschirm;
einem zweiten Magnetschirm, der auf dem ersten Magnet schirm gebildet ist, mit einem Lesespalt, der zwischen dem ersten Magnetschirm und dem zweiten Magnetschirm gebildet ist; und
einem GMR-Magnetsensor, der in dem Lesespalt angeordnet ist, welcher GMR-Magnetsensor umfaßt:
eine erste Elektrode;
eine erste leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der ersten Elektrode vorgesehen ist;
eine Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen, die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind;
eine zweite leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorge sehen ist;
eine dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht, die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorge sehen ist;
eine Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen, die in der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind;
eine zweite Elektrode, die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht vorgesehen ist;
welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht und welche dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Aus tauschwechselwirkung zwischen einer ersten ferromagnetischen Zone und einer zweiten ferromagnetischen Zone verursacht; und
bei dem ein Tunnelisolierfilm zwischen der ersten leit fähigen nichtmagnetischen Schicht und der dritten leitfähi gen nichtmagnetischen Schicht angeordnet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Widerstand des GMR-Magnetsensors bei Nichtvorhandensein des externen Magnetfeldes erhöht, auf Grund der Verwendung des Tunnel isolierfilms zwischen der ersten leitfähigen nichtmagneti schen Schicht und der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht und daher zwischen den ersten ferromagnetischen Zonen und den zweiten ferromagnetischen Zonen. Als Resultat des erhöhten Widerstandes des Magnetsensors wird die Detek tion des Widerstandsabfalls, der als Reaktion auf die Anwen dung eines externes Magnetfeldes verursacht wird, mit hoher Präzision und verbesserter Zuverlässigkeit erreicht. Da die ersten und zweiten ferromagnetischen Zonen in den jeweiligen nichtmagnetischen Schichten in der Form von kleinen Inseln verstreut sind, ändert sich die Magnetisierungsrichtung leicht, selbst wenn das externe Magnetfeld, das auf den GMR- Magnetsensor angewendet wird, nur eine sehr kleine Stärke hat. Somit ist der Magnetkopf, bei dem der GMR-Magnetsensor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zum Detektieren von extrem schwachen Magnetfeldern wie bei der magnetischen Aufzeichnung mit superhoher Dichte geeignet.

Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines herkömmlichen Magnetkopfes unter Verwendung eines GMR- Magnetsensors zeigt;

Fig. 2A und 2B sind Diagramme, die das Prinzip eines herkömmlichen GMR-Magnetsensors zeigen;

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Problem des her kömmlichen GMR-Magnetsensors erläutert;

Fig. 4A und 4B sind Diagramme, die das Prinzip der vor liegenden Erfindung erläutern;

Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Konstruktion eines GMR-Magnetsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist ein Diagramm, das einen Teil des GMR-Magnet sensors von Fig. 5 im vergrößerten Maßstab zeigt;

Fig. 7 ist ein Diagramm, das den Magnetowiderstand des GMR-Magnetsensors von Fig. 5 zeigt;

Fig. 8A und 8B sind Diagramme, die den Herstellungspro zeß des Magnetsensors von Fig. 5 zeigen; und

Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des GMR- Magnetsensors von Fig. 5 zeigt.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN [PRINZIP]

Fig. 4A zeigt die grundlegende Konstruktion eines GMR- Magnetsensors 30 der vorliegenden Erfindung. Ferner zeigt Fig. 4B den GMR-Magnetsensor 30 in einem Zustand, wenn ein externes Magnetfeld H angewendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4A enthält der GMR-Magnetsen sor 30 eine erste leitfähige nichtmagnetische Schicht 32, die auf einer ersten Elektrode 31 vorgesehen ist, eine Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen 32A, die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht 32 mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind; eine zweite leitfähige nichtmagnetische Schicht 33, die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht 32 vorgesehen ist; eine dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht 35, die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht 33 vorgesehen ist; eine Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen 35A, die in der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht 35 mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind; eine zweite Elektrode 36, die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht 35 vorgesehen ist; und einen Tunnelisolierfilm 34, der zwischen der ersten leitfä higen nichtmagnetischen Schicht 32 und der dritten leitfähi gen nichtmagnetischen Schicht 35 vorgesehen ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Problem eines zu kleinen Widerstandes des Magnetsensors 30 zum Detektieren eines Widerstandsabfalls von ihm selbst in dem Fall erfolg reich eliminiert, wenn bewirkt wird, daß ein Elektronenstrom vertikal zu der Schichtstruktur fließt, die den Magnetsensor bildet, indem der Tunnelisolierfilm 34 zwischen der ersten ferromagnetischen Zone 32A und der zweiten ferromagnetischen Zone 35A angeordnet wird. Wenn bewirkt wird, daß der Elek tronenstrom vertikal zu der obigen Schichtstruktur fließt, tritt das Problem des Elektronenstroms, der auf dem Oberflä chenteil der Schichtstruktur fließt, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, in dem GMR-Magnetsensor der vorliegen den Erfindung nicht auf.

Durch Bilden des Tunnelisolierfilms 34 zwischen den ersten ferromagnetischen Zonen 32A und den zweiten ferro magnetischen Zonen 35A nimmt der Tunnelstrom, dessen Fließen als Resultat des ferromagnetischen Tunneleffektes bewirkt wird, wesentlich zu, wenn die Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Zonen 32A und 35A als Resultat der Anwen dung des externen Magnetfeldes H ausgerichtet wird, wie in Fig. 4B gezeigt. Dabei wird die Inversion der Magnetisierung wesentlich erleichtert, indem die obigen ersten und zweiten ferromagnetischen Zonen 32A und 35A in der Form von gegen seitig isolierten Zonen in den jeweiligen nichtmagnetischen Schichten 32 und 35 gebildet werden.

Bei dem Beispiel von Fig. 4A und 4B ist der Tunneliso lierfilm 34 zwischen der obigen zweiten nichtmagnetischen Schicht 33 und der dritten nichtmagnetischen Schicht 35 gebildet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf solch eine besondere Konstruktion begrenzt. Zum Beispiel kann der Tunnelisolierfilm 34 zwischen der ersten nicht- magnetischen Schicht 32 und der zweiten nichtmagnetischen Schicht 33 vorgesehen sein. Alternativ kann ein anderer Tunnelisolierfilm 34' innerhalb der nichtmagnetischen Schicht 33 gebildet sein, wie in Fig. 4A und 4B gezeigt.

Fig. 5 zeigt die Konstruktion eines GMR-Magnetsensors 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist der GMR-Magnetsensor 40 auf einem Si-Substrat 41 konstruiert und enthält eine untere Elektrode 42 aus Cu, die auf dem Substrat 41 mit einer Dicke von etwa 200 nm gebildet ist, und eine Magnetschichtstruktur 43, die auf der unteren Elektrode 42 gebildet ist. Auf der Magnetschichtstruktur 43 ist eine obere Elektrode 44 aus Cu mit einer Dicke von etwa 200 nm gebildet, und ein Isolier film 45 ist vorgesehen, um die Seitenwände der Magnet schichtstruktur 43 zu bedecken. Ferner ist eine Schicht aus Al₂O₃ (nicht gezeigt) zwischen dem Si-Substrat 41 und der unteren Elektrode 42 vorgesehen.

Fig. 6 zeigt einen Teil der Magnetschichtstruktur 43 von Fig. 5 im Detail.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist eine nichtmagnetische Schicht 43A aus Ag auf der unteren Elektrode 42 mit einer Dicke von etwa 1,5 nm gebildet, und eine Anzahl von ferro magnetischen Zonen 43B aus einer Co-Fe-Legierung ist in der obigen Ag-Schicht 43A in flacher, scheibenartiger Form mit einer Dicke von typischerweise 2-4 nm und einem Durchmes ser von einigen zehn Nanometern gebildet. Die nichtmagnetische Schicht 43A ist mit einer anderen nichtmagnetischen Schicht 43C aus Cu mit einer Dicke von etwa 4 nm bedeckt, und ein dünner Tunnelisolierfilm 43D aus Al₂O₃ ist auf der nichtmagnetischen Schicht 43C mit einer Dicke von etwa 0,5 nm gebildet.

Ferner ist eine nichtmagnetische Schicht 43E mit einer Konstruktion, die mit jener der Schicht 43A identisch ist, auf dem Tunnelisolierfilm 43D gebildet, und die Schichten 43C-43E wiederholen sich auf der Schicht 43E viele Male. Es sei erwähnt, daß in der Schicht 43E ferromagnetische Zonen 43F enthalten sind.

Es sei angemerkt, daß in der Schicht 43A oder 43E die ferromagnetischen Zonen 43B oder 43F als Resultat der Aus tauschwechselwirkung, wenn kein externes Magnetfeld vorhan den ist, das auf den Magnetsensor 40 angewendet wird, in einer Antiparallelbeziehung magnetisiert sind. Ferner tritt die Antiparallelbeziehung auch zwischen der Magnetisierung einer ferromagnetischen Zone 43B in der nichtmagnetischen Schicht 43A und der Magnetisierung einer entsprechenden ferromagnetischen Zone 43F in der nichtmagnetischen Schicht 43E ebenfalls als Resultat der Austauschwechselwirkung auf.

Bei solch einer Konstruktion wird die Magnetisierungs richtung, wenn ein externes Magnetfeld auf den Magnetsensor 40 angewendet wird, in einer Richtung, die zu der Richtung des externen Magnetfeldes entgegengesetzt ist, bei allen ferromagnetischen Zonen 43B und ferromagnetischen Zonen 43F ausgerichtet. Als Resultat wird der elektrische Strom, der vertikal durch den Tunnelisolierfilm 43D fließt, wesentlich erhöht, und der Widerstand des Magnetsensors 40 wird verrin gert.

In dem GMR-Magnetsensor 40 von Fig. 5 oder 6 ist der Tunnelisolierfilm 43D mit vielmaliger Wiederholung gebildet. Dadurch wird ein hoher Widerstand in dem Zustand erreicht, wenn kein externes Magnetfeld vorhanden ist. Ferner ist der Magnetsensor 40 gegenüber dem Problem des Vorbeiführungs- oder Kurzschlußstromweges, das unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wurde, inhärent immun. Dadurch weist der Magnet sensor 40 eine sehr hohe Empfindlichkeit der Magnetdetektion auf.

Fig. 7 zeigt die Widerstandsveränderung des Magnetsen sors 40.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 bewirken die gegenseitig isolierten ferromagnetischen Zonen 43B oder 43F des Magnet sensors 40 leicht eine Inversion der Magnetisierung, und es tritt eine Ausrichtung der Magnetisierung in den ferromagne tischen Zonen 43B und auch in den ferromagnetischen Zonen 43F auf, wenn ein externes Magnetfeld von nur etwa 50 Oe auf den Magnetsensor 40 angewendet wird. Als Reaktion auf solch eine Ausrichtung der Magnetisierung der ferromagnetischen Zonen 43B und 43F wird der Widerstand des Magnetsensors 40 wesentlich verringert. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, nimmt der Widerstand des Magnetsensors 40 einen Maximalwert an, wenn das externe Magnetfeld einen Wert von +8 Oe oder -8 Oe hat. Wenn die Größe des externen Magnetfeldes den obigen Wert überschreitet, wird der Widerstand des Magnetsensors 40 schnell verringert. Dadurch erreicht die Größe des Wider standsabfalls einen Wert von 0,5 Ω.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 8A und 8B der Herstellungsprozeß der Struktur von Fig. 6 beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 8A wird die untere Elektrode 42 auf einer (100)-Oberfläche des Si-Substrats (nicht ge zeigt) durch ein Zerstäuben von Cu mit einer Dicke von etwa 200 nm gebildet. Als nächstes wird eine Metallschicht 43A' des Systems Co-Fe-Ag auf der unteren Elektrode 42 in Ent sprechung zu der Schicht 43A durch einen Zerstäubungsprozeß mit einer Dicke von etwa 1,5 nm gebildet. Ferner wird die nichtmagnetische Schicht 43C aus Cu auf der Schicht 43A' durch einen Zerstäubungsprozeß mit einer Dicke von etwa 4 nm gebildet. Nach der Bildung der Schicht 43C wird der Al₂O₃- Film 43D bei dem Schritt von Fig. 8B auf der so gebildeten Schicht 43C durch einen Zerstäubungsprozeß mit einer Dicke von etwa 0,5 nm gebildet.

Die Zerstäubungsprozesse zum Bilden der Schichten 43A' -43D werden in einer Ar-Atmosphäre bei einem Druck von 2 × 10^-5 Pa ausgeführt, indem der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat auf 180 mm und die RF-Leistung auf 0,7 W/cm² eingestellt wird. Die Zerstäubungsprozesse werden zum Beispiel fünfmal wiederholt, um die obige Magnetschicht struktur 43 zu bilden.

Nach der Bildung der Magnetschichtstruktur 43 wird die obere Elektrode 44 durch einen Zerstäubungsprozeß aus Cu mit einer Dicke von etwa 200 nm gebildet, und die so gebildete Struktur wird einem thermischen Temperprozeß unterzogen, der bei einer Temperatur von etwa 280°C ungefähr 1 Stunde lang ausgeführt wird. Als Resultat von solch einem thermischen Annealprozeß tritt eine Trennung der ferromagnetischen Zonen 43B und 43F aus einer Co-Fe-Legierung in der Schicht 43A' auf, wobei die Schicht 43A oder 43E aus Ag zurückbleibt, und es wird die in Fig. 6 erläuterte Struktur erhalten.

Es sei erwähnt, daß bei dem Prozeß zum Bilden der Struktur von Fig. 6 die Abscheidung der Schichten 43A', 43C und 43D keineswegs auf den Zerstäubungsprozeß, wie oben erläutert, begrenzt ist, sondern es können auch andere Abscheidungsprozesse eingesetzt werden, wie z. B. eine Ionenstrahlzerstäubung, die molekulare Strahlenepitaxie oder die Vakuumdampfabscheidung. Ferner kann der Tunnelisolier film 43D durch Oxidation, Nitrieren oder Borierung einer Metallschicht gebildet werden. Zum Beispiel ist es möglich, die nichtmagnetische Schicht 43 aus Al zu bilden und den Tunnelisolierfilm 43D durch Oxidation, Nitrieren oder Borierung der Al-Schicht 43 zu bilden. Ferner kann solch ein Oxidations-, Nitrierungs- oder Borierungsprozeß in einer Plasmaumgebung erfolgen.

Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Struktur von Fig. 6, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen ent sprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind und deren Beschreibung weggelassen wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 werden bei der vorliegenden Ausführungsform granuläre ferromagnetische Zonen 43B' oder 43F' in der nichtmagnetischen Schicht 43A oder nichtmagneti schen Schicht 43E verwendet, wobei die granulären ferroma gnetischen Zonen 43B' oder 43F' einen Durchmesser von etwa 1 -10 nm haben. Als Resultat der granulären Struktur werden die ferromagnetischen Zonen 43B' oder 43F' leicht einer thermischen Erregung ausgesetzt, und es ist schwierig, bei der Magnetisierung der ferromagnetischen Zonen 43B' oder 43F' durch die magnetostatische Kopplung eine antiparallele Ausrichtung zu verursachen. Andererseits ändert sich die Magnetisierung dieser winzigen ferromagnetischen Zonen leicht durch ein sehr schwaches externes Magnetfeld.

Auch in der Ausführungsform von Fig. 9 ist es möglich, den Widerstand des Magnetsensors zu erhöhen, indem der Tunnelisolierfilm 43D eingefügt wird und der ferromagneti sche Tunneleffekt zwischen den ferromagnetischen Zonen 43B' und den ferromagnetischen Zonen 43F' durch den Tunneliso lierfilm 43D genutzt wird. Der erhöhte Widerstand des Ma gnetsensors nimmt leicht und steil ab, wenn ein sehr kleines externes Magnetfeld angewendet wird. Es sei erwähnt, daß die Bildung von solchen granulären ferromagnetischen Zonen in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung 09- 050614 beschrieben ist.

Unter Verwendung des GMR-Magnetsensors von Fig. 5 und 6 oder des GMR-Magnetsensors von Fig. 9 in dem Magnetkopf von Fig. 1 anstelle des herkömmlichen GMR-Magnetsensors 16 wird ein Hochempfindlichkeitsmagnetkopf erhalten, der für die magnetische Aufzeichnung mit superhoher Dichte geeignet ist.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern verschie dene Veränderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) mit:
einer ersten Elektrode (31, 42);
einer ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A), die auf der ersten Elektrode (31, 42) vorgesehen ist;
einer Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B'), die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) mit einer gegenseitigen Trennung voneinan der gebildet sind;
einer zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C), die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) vorgesehen ist;
einer dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E), die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) vorgesehen ist;
einer Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F'), die in der dritten leitfähigen nichtmagne tischen Schicht (35, 43E) mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind;
einer zweiten Elektrode (36, 44), die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) vorgesehen ist;
welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A) und welche dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E) durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austauschwechselwirkung zwischen einer ersten ferro magnetischen Zone (32A, 43B, 43B') und einer zweiten ferro magnetischen Zone (35A, 43F, 43F') verursacht; und
bei dem ein Tunnelisolierfilm (34, 43D) zwischen der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) und der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) angeordnet ist.

2. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem der Tunnelisolierfilm (34, 43D) zwischen der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) und der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) vorgesehen ist.

3. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem die zweite leitfähige nichtmagneti sche Schicht (33, 43C) aus einem nichtmagnetischen Metall gebildet ist, und bei dem der Tunnelisolierfilm (34, 43D) aus einem Oxid des nichtmagnetischen Metalls gebildet ist.

4. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem der Tunnelisolierfilm (34, 43D) zwischen der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43E) und der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) angeordnet ist.

5. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem die zweite leitfähige nichtmagneti sche Schicht (33, 43C) eine Zusammensetzung hat, die sich von einer Zusammensetzung der ersten leitfähigen nichtmagne tischen Schicht (32, 43A) unterscheidet, und bei dem die dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E) eine Zusammensetzung hat, die sich von der Zusammensetzung der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) unterscheidet.

6. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem jede der ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B') und jede der zweiten ferromagneti schen Zonen (35A, 43F, 43F') eine Dicke von etwa 2-4 nm und einen Durchmesser von einigen zehn Nanometern hat.

7. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem jede der ersten (32, 43A) und dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schichten (35, 43E) eine Dicke von etwa 0,1-3 nm hat, und bei dem der Tunnel isolierfilm (34, 43D) eine Dicke von etwa 0,1-0,5 nm hat.

8. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem jede der ersten (32A, 43B, 43B') und zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F') aus einem Metall gebildet ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Co, Fe, Ni und einer Legierung aus ihnen, und bei dem jede der ersten (32, 43A) bis dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schichten (35, 43E) aus einem Metall gebildet ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Ag, Cu, Au und einer Legierung aus ihnen.

9. Gigantisch magnetoresistiver Magnetsensor (30, 40) nach Anspruch 1, bei dem der Tunnelisolierfilm (34, 43D) aus irgendeinem von einem Oxid, Nitrid und Borid gebildet ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines GMR-Magnetsensors (30, 40), der enthält: eine erste Elektrode (31, 42); eine erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A), die auf der ersten Elektrode (31, 42) vorgesehen ist; eine Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B'), die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) mit einer gegenseitigen Trennung voneinander gebildet sind; eine zweite leitfähige nichtmagnetische Schicht (33, 43C), die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) vorgesehen ist; eine dritte leitfähige nichtmagne tische Schicht (35, 43E), die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) vorgesehen ist; eine Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F'), die in der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) mit einer gegenseitigen Trennung voneinan der gebildet sind; eine zweite Elektrode (36, 44), die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) vorgesehen ist; welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A) und welche dritte leitfähige nichtmagneti sche Schicht (35, 43E) durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austauschwechselwirkung zwischen einer ersten ferromagnetischen Zone (32A, 43B, 43B') und einer zweiten ferromagnetischen Zone (35A, 43F, 43F') verur sacht; und bei dem ein Tunnelisolierfilm (34, 43D) zwischen der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) und der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) angeordnet ist, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bilden der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) und der ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B') durch: Bilden eines ersten Metallfilms, der ein Metallelement enthält, das die erste leitfähige nichtmagne tische Schicht (32, 43A) darstellt, und ein Metallelement, das die ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B') darstellt; und Tempern des ersten Metallfilms bei einer Temperatur, die so festgelegt ist, daß sich die ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 43B, 43B') und die erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A) in dem ersten Metallfilm voneinander trennen;
Bilden der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) und der zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F') durch: Bilden eines zweiten Metallfilms, der ein Metallelement enthält, das die dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E) darstellt, und ein Metallelement, das die zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F') darstellt; und Tempern des zweiten Metallfilms bei einer Temperatur, die so festgelegt ist, daß sich die zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F') und die dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E) in dem zweiten Metallfilm voneinander trennen; und
Bilden des Tunnelisolierfilms (34, 43D) durch: Bilden der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C);
und Bearbeiten einer Oberfläche der genannten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt zum Tempern des ersten Metallfilms und der Schritt zum Tempern des zweiten Metallfilms bei einer Temperatur in dem Bereich zwischen etwa 200°C und etwa 400°C ausgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt zum Bilden des Tunnelisolierfilms (34, 43D) einen Schritt zum thermischen Bearbeiten einer Oberfläche der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) in einer reaktiven Gasumgebung enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt zum Bilden des Tunnelisolierfilms (34, 43D) einen Schritt zum Bearbeiten einer Oberfläche der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) in einer reaktiven Plasmaumgebung enthält.

14. Magnetkopf mit:
einem ersten Magnetschirm;
einem zweiten Magnetschirm, der auf dem ersten Magnet schirm gebildet ist, mit einem Lesespalt, der zwischen dem ersten Magnetschirm und dem zweiten Magnetschirm gebildet ist; und
einem GMR-Magnetsensor (30, 40), der in dem Lesespalt angeordnet ist, welcher GMR-Magnetsensor (30, 40) umfaßt:
eine erste Elektrode (31, 42);
eine erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A), die auf der ersten Elektrode (31, 42) vorgesehen ist;
eine Vielzahl von ersten ferromagnetischen Zonen (32A, 438, 43B'), die in der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) mit einer gegenseitigen Trennung voneinan der gebildet sind;
eine zweite leitfähige nichtmagnetische Schicht (33, 43C), die auf der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) vorgesehen ist;
eine dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E), die auf der zweiten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (33, 43C) vorgesehen ist;
eine Vielzahl von zweiten ferromagnetischen Zonen (35A, 43F, 43F'), die in der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) mit einer gegenseitigen Trennung voneinan der gebildet sind;
eine zweite Elektrode (36, 44), die auf der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) vorgesehen ist;
welche erste leitfähige nichtmagnetische Schicht (32, 43A) und welche dritte leitfähige nichtmagnetische Schicht (35, 43E) durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der eine Austauschwechselwirkung zwischen einer ersten ferroma gnetischen Zone (32A, 43B, 43B') und einer zweiten ferroma gnetischen Zone (35A, 43F, 43F') verursacht; und
bei dem ein Tunnelisolierfilm (34, 43D) zwischen der ersten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (32, 43A) und der dritten leitfähigen nichtmagnetischen Schicht (35, 43E) angeordnet ist.