DE19813250C2

DE19813250C2 - Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor

Info

Publication number: DE19813250C2
Application number: DE19813250A
Authority: DE
Inventors: Masashige Sato; Kazuo Kobayashi; Hideyuki Kikuchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: CN1102283C; DE19813250A1; KR100266353B1; JP2871670B1; CN1194430A; KR19980080725A; JPH11168249A; US6165287A; US5986858A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Magnetköp fe und genauer einen hochempfindlichen Magnetkopf, der einen sogenannten ferromagnetischen Tunnelübergang verwendet.

Magnetköpfe werden extensiv in magnetischen Speicher vorrichtungen verwendet, die von audiovisuellen Geräten, wie einem Videorecorder oder Bandrecorder, bis hin zu informati onsverarbeitenden Geräten reichen, wie einem Computer. Ins besondere bei informationsverarbeitenden Geräten gibt es ein Erfordernis, eine sehr große Menge von Informationen in Re lation zum Verarbeiten von Bilddaten oder Audiodaten zu ver arbeiten, und zusammenhängend damit gibt es eine Nachfrage nach einer eine hohe Kapazität aufweisenden Hochgeschwindig keits-Magnetspeichervorrichtung, die geeignet ist, Informa tionen mit einer sehr großen Aufzeichnungsdichte aufzuzeich nen.

Die Aufzeichnungsdichte von Informationen, die von ei nem Magnetkopf ausgelesen werden können, oder die Auflö sungsgrenze, ist primär durch eine Spaltweite des Magnetkop fes und einen Abstand des Magnetkopfes vom Aufzeichnungsme dium bestimmt. Bei einem Induktionstyp-Magnetkopf, bei dem ein magnetischer Kern mit einer Spule umwickelt ist, wird eine Aufzeichnungsdichte von 65 Mbits/Inch² erzielt, wenn die Spaltweite auf 1 µm eingestellt ist. Andererseits gibt es eine Vorhersage, daß ein Magnetkopf, der zum Ausführen von Lesen und Schreiben mit einer Aufzeichnungsdichte geeig net ist, die 20 Gbits/Inch² übersteigt, in Zukunft erforder lich ist. Um dies zu erzielen, ist es essentiell, einen su perhochempfindlichen Magnetsensor bereit zu stellen, der ge eignet ist, ein sehr schwaches magnetisches Signal zu detektieren, während ein derartiger Magnetsensor mit super hoher Empfindlichkeit, superhoher Auflösung und superhoher Geschwindigkeit nicht durch einen Induktionstyp-Magnetkopf realisiert werden kann, der auf dem Prinzip elektromagneti scher Induktion arbeitet.

Als ein hochempfindlicher Magnetkopf, der zum Detektie ren eines derart schwachen Magnetsignals geeignet ist, das durch einen sehr genauen magnetischen Aufzeichnungspunkt verursacht wird, gibt es einen Vorschlag, für den Magnetkopf einen sogenannten MR- (engl.: "magneto-resistance"; Magneto widerstands-)Magnetsensor, der einen anisotropen Magnetowi derstand verwendet, oder einen GMR- (engl.: "giant magneto- resistance"; Riesenmagnetowiderstands-)Magnetsensor zu ver wenden, der einen riesigen Magnetowiderstand verwendet.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau eines typischen herkömmli chen superhochauflösenden magnetischen Lese-/Schreibkopfes 10 in einer Querschnittsansicht.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ist der Magnetkopf 10 auf einem Keramiksubstrat 11 aufgebaut, das typischerweise aus Al₂O₃ . TiC und ähnlichem gebildet ist und ein unteres Ma gnetschild 12, das auf dem Substrat 11 gebildet ist, und ein oberes Magnetschild 14 enthält, das auf dem unteren Magnet schild 12 gebildet ist, wobei ein nichtmagnetischer Isolati onsfilm 13 zwischen das untere Magnetschild 12 und das obere Magnetschild 14 zwischengelegt ist. Die oberen und unteren Magnetschilder 12 und 14 bilden an einem vorderen Rand des Magnetkopfes 10 einen Lesespalt 15, und ein Magnetsensor 16 ist in dem somit gebildeten Lesespalt 15 angeordnet.

Ferner ist ein Magnetpol 18 auf dem oberen Magnetschild 14 ausgebildet, wobei ein nichtmagnetischer Isolationsfilm 17 dazwischen zwischengelegt ist, und der Magnetpol 18 und das obere Magnetschild 14 bilden zusammen einen Schreibspalt 19 an einem vorderen Randteil des Magnetkopfes 10. Ferner ist ein Schreibspulenmuster 17 in dem Isolationsfilm 12 aus gebildet.

Bei dem Magnetkopf 10 von Fig. 1 wird die Verwendung von verschiedenen GMR-Magnetsensoren, wie einem Spinventil- Magnetsensor, für den Magnetsensor 16 vorgeschlagen. Ein Spinventil-Magnetsensor ist ein Magnetsensor, der eine ge pinnte Schicht aus einem ferromagnetischen Material, wie NiFe oder Co, enthält, die nahe an einer antiferromagneti schen Schicht ausgebildet ist, die aus FeMn, IrMn, RhMn, PtMn, PdPtMnN und ähnlichem gebildet ist, und eine freie Schicht aus einem ferromagnetischem Material, wie NiFe oder Co, ist in Austauschkopplung mit der gepinnten Schicht aus gebildet, wobei eine nichtmagnetische Schicht, wie eine Cu- Schicht, dazwischen zwischengelegt ist. Es sollte beachtet werden, daß die gepinnte Schicht eine Magnetisierung hat, die durch die antiferromagnetische Schicht fixiert ist, wäh rend die freie Schicht eine Magnetisierungsrichtung in Ab hängigkeit von einem externen Magnetfeld ändert. Der Spin ventil-Magnetsensor ändert seinen Widerstand in Abhängigkeit von dem Winkel, der durch die Magnetisierung der freien Schicht und die Magnetisierung der gepinnten Schicht gebil det ist.

Jedoch haben derartige herkömmliche GMR-Magnetsensoren ein gemeinsames Problem, das mit, dem strukturellen Merkmal davon, daß eine nichtmagnetische Schicht nahe einer ferroma gnetischen Schicht ausgebildet ist, zusammenhängt, daß der Magnetkopf empfindlich für einen Wärmebehandlungsprozeß ist. Es sollte beachtet werden, daß ein Wärmebehandlungsprozeß, der typischerweise bei einer Temperatur zwischen 250°C und 300°C ausgeführt wird, bei dem Fabrikationsprozeß des Ma gnetkopfes 10 von Fig. 1 unvermeidbar ist.

Die Fig. 2A-2E zeigen einen typischen Fabrikations prozeß des Magnetkopfes 10 von Fig. 1.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2A wird ein dünner Isola tionsfilm, der dem Schreibspalt 19 entspricht, auf dem obe ren Magnetschild 14 ausgebildet, nachdem eine magnetische Struktur, die den Magnetsensor 16 enthält, und das obere Ma gnetschild 14 ausgebildet wurden, und ein Schutzmuster 17A wird weiter auf dem vorhergehenden Isolationsfilm ausgebil det.

Als nächstes wird im Schritt von Fig. 2B die Struktur von Fig. 2A bei einer Temperatur von 250-300°C angelassen, so daß der vertikale Vordere Rand des Schutz musters 17A eine Wiederverflüssigung oder ein Schmelzen durchmacht. Als Resultat des Schmelzens wird eine gekrümmt geneigte Oberfläche in dem Schutzmuster 17A an dem vorherge henden vorderen Rand gebildet.

Als nächstes wird im Schritt von Fig. 2C das Spulenmu ster 17C auf dem somit angelassenen Schutzmuster 17A gebildet, und ein weiteres Schutzmuster 17B wird auf dem Schutzmuster 17A gebildet, um das Spulenmuster 17C zu vergraben. Ferner wird ein Vergütungs- oder Annealprozeß auf die Struktur von Fig. 2C im Schritt von Fig. 2D bei einer Temperatur von 250 -300°C ähnlich dem Schritt, von Fig. 2B angewandt, und ein vertikaler vorderer Rand des Schutzmusters 17B macht eine Wiederverflüssigung oder ein Schmelzen ähnlich zum Schritt von Fig. 2B durch. Als ein Resultat des Schrittes von Fig. 2D hat das Schutzmuster 17B auch eine gekrümmt geneigte Oberfläche ähnlich zum Schutzmuster 17A.

Als nächstes wird im Schritt von Fig. 2E der magneti sche Pol 18 auf der Struktur von Fig. 2B gebildet.

Bei den vorhergehenden Prozessen der Fig. 2A-2E, bei denen Schutzmuster 17A und 17B ein Schmelzen durchmachen, nachdem der Magnetsensor 16 gebildet wurde, sollte beachtet werden, daß der Magnetsensor 16 den thermischen Anlaß- oder Annealprozeß bei der Temperatur von 250-300°C im Schritt von Fig. 2B und im Schritt von Fig. 2D zweimal durchmacht, während bekannt ist, daß der GMR-Magnetsensor das meiste der starken Magnetowiderstandsänderung, die für einen GMR-Sensor charakteristisch ist, als Resultat eines derartigen thermi schen Annealprozesses verliert. Im Fall eines Spinventilsen sors, der PtMn oder PdPtMnN oder ähnliches für insbesondere die antiferromagnetische Schicht verwendet, sollte beachtet werden, daß ein weiterer thermischer Annealprozeß bei einer Temperatur von 250°C oder höher erforderlich ist, um die antiferromagnetische Schicht zu kristallisieren.

Andererseits gibt es einen Vorschlag, einen ferromagne tischen Tunnelübergangs-Magnetsensor zu verwenden, bei dem ein Tunnelisolationsfilm zwischen einem Paar von ferromagne tischen Schichten für den Magnetsensor 16 des Magnetkopfes 10 zwischengelegt ist. Von einem ferromagnetischen Tunnel übergangs-Magnetsensor wird erwartet, eine sehr große Magne towiderstandsänderung gegen ein schwaches Magnetfeld zu zei gen, selbst größer als jene eines Spinventil-GMR-Sensors, und er wird als ein vielversprechender Magnetsensor für ei nen derartigen superhochauflösenden Magnetkopf 10 erachtet.

Die Fig. 3A und 3B zeigen das Prinzip eines ferromagne tischen Tunnelübergangssensors, wie er für den Magnetsensor 10 verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B enthält der Ma gnetsensor 16 eine untere ferromagnetische Schicht 16A aus NiFe oder Co und eine obere ferromagnetische Schicht 16B ebenfalls aus NiFe oder Co, wobei ein Tunnelisolationsfilm 16C aus AlO_x zwischen die Schichten 16A und 16B mit einer Dicke von einigen Nanometern zwischengelegt ist, und Elek tronen, die eine Aufwärtsspinnrichtung haben, und Elektro nen, die eine Abwärtsspinrichtung haben, werden veranlaßt, durch den Tunnelisolationsfilm 16C in der Form eines Tunnel stroms allgemein senkrecht zur Hauptfläche davon zu fließen.

Im Zustand von Fig. 3A, in dem es kein wesentliches ex ternes Magnetfeld gibt, kann gesehen werden, daß die Magne tisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 16A und die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 16B in einer antiparallelen Beziehung als Resultat der Aus tauschinteraktion sind, die zwischen den ferromagnetischen Schichten 16A und 16B geschaffen sind. Dagegen sind die Ma gnetisierung in der Schicht 16A und die Magnetisierung in der Schicht 16B im Zustand von Fig. 3B parallel, in welcher es ein externes Magnetfeld H gibt.

Bei dem ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor eines solchen Aufbaus sollte beachtet werden, daß sich die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen in Abhängigkeit von der Magnetisierung der oberen und unteren magnetischen Schichten 16A und 16B ändern, und ein Tunnelwiderstand R des Magnetsensors wird geändert durch das externe Magnetfeld H gemäß einer Beziehung

R = R_s + (1/2) . ΔR(1 - cosθ)

wobei Rs den Tunnelwiderstand für einen Referenzzustand re präsentiert, indem die Magnetisierungsrichtung in den magne tischen Schichten 16A und 16B parallel ist, θ den Winkel re präsentiert, der durch die Magnetisierung in der magneti schen Schicht 16A und die Magnetisierung in der magnetischen Schicht 16B gebildet ist, und ΔR die Differenz beim Tunnel widerstand R zwischen dem Zustand, in dem Magnetisierungen in den magnetischen Schichten 16A und 16B parallel sind, und in dem Magnetisierungen in den magnetischen Schichten 16A und 16B antiparallel sind, repräsentiert. Es sollte beachtet werden, daß ΔR immer einen positiven Wert hat. Dadurch wird ein Verhältnis der Tunnelwiderstandsänderung oder MR- Verhältnis definiert als ΔR/R.

Wie anhand von Gleichung (1), verstanden werden kann, wird der Tunnelwiderstand R ein Minimum, wenn die Magneti sierung der magnetischen Schicht 16A und die Magnetisierung der magnetischen Schicht 16B in einer parallelen Beziehung sind, wie im Fall von Fig. 3A. Ferner wird der Tunnelwider stand R ein Maximum, wenn die Magnetisierung der magneti schen Schicht 16A und die Magnetisierung der magnetischen Schicht 16B in einer antiparallelen Beziehung sind, wie im Fall von Fig. 3B.

Es sollte beachtet werden, daß eine derartige Änderung des Magnetowiderstandes aufgrund der Tatsache verursacht wird, daß ein Elektronenstrom allgemein sowohl Aufwärtselek tronen, die eine Aufwärtsspinrichtung haben, als auch Ab wärtselektronen, die eine Abwärtsspinrichtung haben, ent hält. In einem nichtmagnetischen Körper ist die Anzahl der Aufwärtselektronen und die Anzahl der Abwärtselektronen all gemein gleich und der nichtmagnetische Körper zeigt keinen Magnetismus. Im Fall eines ferromagnetischen Körpers sind andererseits die Anzahl der Aufwärtselektronen und die An zahl der Abwärtselektronen verschieden, und dies ist der Grund, weshalb der ferromagnetische Körper Magnetismus zeigt.

Wenn ein einzelnes Elektron durch den Tunnelisolations film 16C von der ferromagnetischen Schicht 16A nach 16B oder umgekehrt tunnelt, wird der Spinzustand des Elektrons vor und nach dem Tunneln erhalten. Dies bedeutet auch, daß es, damit das Elektron von einer ferromagnetischen Schicht er folgreich zu anderen ferromagnetischen Schicht tunnelt, er forderlich ist, daß die andere ferromagnetische Schicht ei nen freien Zustand entsprechend dem Spinnzustand es vorher gehenden Elektrons enthält. Wenn es keinen solchen freien Zustand gibt, tritt das Tunneln des Elektrons nicht auf.

Es sollte beachtet werden, daß das MR-Verhältnis ΔR/R des Tunnelwiderstands wiedergegeben ist als ein Produkt der Spinpolarisation der Elektronen in der ferromagnetischen Quellenschicht 16B und der Spinpolarisation der Elektronen in der ferromagnetischen Zielschicht 16A gemäß der Beziehung

ΔR/R = 2P₁ . P₂/(1 - P₁ . P₂)

wobei P₁ und P₂ repräsentiert sind gemäß der Beziehung

P₁, P₂ = 2(N_AUF - N_AB)/(N_AUF + N_AB)

wobei N_AUF die Anzahl von Aufwärtsspinelektronen oder die An zahl von Zuständen der Aufwärtsspinelektronen repräsentiert, während N_AB die Anzahl von Abwärtsspinelektronen oder die Anzahl von Zuständen der Abwärtsspinelektronen in der ferro magnetischen Schicht 16A oder ferromagnetischen Schicht 16B wiedergibt.

Während der Wert Spinpolarisation P₁ oder P₂ allgemein von dem ferromagnetischem Material abhängt, gibt es Fälle, in denen ein MR-Verhältnis von 50% theoretisch vorhergesagt ist, wenn ein geeignetes Materialsystem gewählt ist. Dieser Wert des MR-Verhältnisses ist viel größer als das MR-Ver hältnis, das von einem herkömmlichen GMR-Sensor erzielt wird. Somit wird von einem ferromagnetischen Tunnelüber gangssensor angenommen, daß er ein vielversprechender Ma gnetsensor zur Verwendung in einem superhochauflösenden ma gnetischen Kopf ist. Siehe zum Beispiel die offengelegte ja panische Patentpublikation 4-103014, die eine der prioritäts begründenden Schriften der US 5 390 061 A darstellt.

Im Gegensatz zur vorhergehenden Vorhersage ist das MR- Verhältnis, das in herkömmlichen ferromagnetischen Tunnel übergangssensoren erzielt wird, weit kleiner als die vorher gehende theoretische Vorhersage. Tatsächlich gibt es nur we nige Beispiele, bei denen ein erfolgreiches Erzielen des MR- Verhältnisses von 20% berichtet wurde (in Raumtemperaturum gebung). Selbst in derart erfolgreichen Beispielen gibt es eine Tendenz, daß das MR-Verhältnis mit der Zeit abnimmt und die Vorrichtung eine zu kleine Spannungsfestigkeit für eine zuverlässige Detektion der Magnetowiderstandsänderung hat. Als Grund für dieses unbefriedigende Ergebnis wird angenom men, daß es durch Defekte verursacht wird, die an der Trenn fläche zwischen der ferromagnetischen Schicht 16A oder 16B und dem extrem dünnen Tunnelisolationsfilm 16C durch eine Kontamination von Teilchen gebildet werden.

Herkömmlicherweise wird es praktiziert, den extrem dün nen Tunnelisolationsfilm 16C durch Abscheiden einer Al- Schicht auf die untere magnetische Schicht 16A durch einen Sputterprozeß mit einer Dicke von ungefähr 5 nm (50 Å) und weiter durch Anwenden eines Oxidationsprozesses zu bilden, um die abgeschiedene Al-Schicht in eine Schicht umzuwandeln, die eine Zusammensetzung von AlO_x hat (T. Miyazaki und N. Tezuka, J. Magn. Mater. 139, 1995, L231). Jedoch hat der ferromagnetische Tunnelübergang eines solchen herkömmlichen Aufbaus einen mit der Tatsache, daß die nichtmagnetische Al- Schicht, die darauf den Isolationsfilm 16C trägt, eine we sentliche Dicke hat, verbundenen Nachteil, daß das erhaltene MR-Verhältnis klein ist.

Ferner gab es ein Problem bei dem herkömmlichen Magnet kopf 10, der einen ferromagnetischen Tunnelübergangssensor für den magnetischen Sensor 16 hat und gemäß dem Prozeß der Fig. 2A-2E hergestellt wurde, indem die vorhergehende Al- Schicht eine Reaktion mit der darunterliegenden ferromagne tischen Schicht 16A beim thermischen Annealprozeß von Fig. 2B oder 2D verursachen kann. Wenn eine derartige Reaktion verursacht wird, tritt eine Bildung einer nichtmagnetischen festen Lösung in der ferromagnetischen Schicht 16A auf, wäh rend die Existenz einer derartigen nichtmagnetischen Region in der ferromagnetischen Schicht 16A das MR-Verhältnis we sentlich verschlechtert. Somit litt der vorhergehende her kömmliche ferromagnetische Tunnelübergangssensor an dem Pro blem der Empfindlichkeit gegenüber thermischer Annealprozes se ähnlich herkömmlichen GMR-Magnetsensoren.

Die Fig. 4 zeigt eine Magnetisierung M_s einer Struktur, in welcher eine Al-Schicht auf einer Co-Schicht, die eine Dicke von 3 nm hat, mit einer Dicke von 10 nm abgeschieden wurde, für den Fall, in dem die thermische Annealtemperatur verschieden geändert wurde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 ist zu sehen, daß die Magnetisierung M_s mit zunehmender thermischer Annealtempera tur abnimmt, was das Auftreten einer Auflösung von nichtma gnetischen Al-Atomen in die Co-Schicht von der Al-Schicht angibt.

Das Ergebnis der Fig. 4 gibt an, daß, wenn eine wesent liche Menge von nichtmagnetischen Atomen von dem Tunneliso lationsfilm 16C in die darunterliegende ferromagnetische Schicht 16A in dem ferromagnetischen Tunnelübergangssensor 16 der Fig. 3A und 3B als ein Resultat des thermischen An nealprozesses übergeht, die Elektronen in der oberen ferro magnetischen Schicht 16A ein Tunneln zu der unteren ferroma gnetischen Schicht 16B ungeachtet der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 16B verursachen können. Dadurch nimmt das MR-Verhältnis wesentlich ab.

Um die Hitzebeständigkeit des ferromagnetischen Tunnel übergangssensors zu verbessern, lehrt die offengelegte japa nische Patentpublikation 4-103013 eine Verwendung einer IIIb-Vb-Zusammensetzung für den Tunnelisolationsfilm. Jedoch kann der ferromagnetische Tunnelübergangssensor des vorher stehenden Standes der Technik das MR-Verhältnis von nur 5% bei 4,2 K bereitstellen.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Entsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegen den Erfindung, einen neuen und nützlichen ferromagnetischen Tunnelübergangssensor und einen Herstellungsprozeß davon zu schaffen, wobei die vorhergehenden Probleme eliminiert sind.

Ein weiteres und genaueres Ziel der vorliegenden Erfin dung ist es, einen ferromagnetischen Tunnelübergangssensor und einen Herstellungsprozeß davon zu schaffen, bei dem der ferromagnetische Tunnelübergangssensor eine verbesserte Be ständigkeit gegen thermische Annealprozesse hat und ein gro ßes und stabiles MR-Verhältnis zeigt.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch einen ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor erreicht, enthaltend:
eine erste ferromagnetische Schicht,
eine Isolationsbarrierenschicht, die auf der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet ist, welche Isolations barrierenschicht einen Tunneloxidfilm enthält, und
eine zweite ferromagnetische Schicht, die auf der Iso lationsbarrierenschicht gebildet ist,
welche Isolationsbarrierenschicht eine Metallschicht enthält, die den Tunneloxidfilm darauf trägt, welcher Tun neloxidfilm aus einem Oxid eines Metallelements gebildet ist, daß die Metallschicht bildet,
welche Isolationsbarrierenschicht eine Dicke von unge fähr 1,7 nm oder weniger hat, welche Dicke der Isolations barrierenschicht größer als eine molekulare Schicht hin sichtlich des Oxides ist, das den Tunneloxidfilm bildet.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird weiterhin durch Schaffen eines magnetischen Aufzeichnungs- und Wieder gabegerätes erreicht, enthaltend:
ein magnetisches Aufzeichnungsmedium,
einen Magnetkopf, der eine Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums abtastet,
welcher Magnetkopf einen ferromagnetischen Tunnelüber gangs-Magnetsensor enthält, enthaltend:
eine erste ferromagnetische Schicht,
eine Isolationsbarrierenschicht, die auf der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet ist, welche Isolations barrierenschicht einen Tunneloxidfilm enthält, und
eine zweite ferromagnetische Schicht, die auf der Iso lationsbarrierenschicht gebildet ist,
welche Isolationsbarrierenschicht eine Metallschicht enthält, die den Tunneloxidfilm darauf trägt, welcher Tun neloxidfilm aus einem Oxid eines Metallelements gebildet ist, das die Metallschicht bildet,
welche Isolationsbarrierenschicht eine Dicke von unge fähr 1,7 nm oder weniger hat, welche Dicke der Isolations barrierenschicht größer als eine molekulare Schicht hin sichtlich des Oxides ist, das den Tunneloxidfilm bildet.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird weiter durch Schaffen eines Herstellungsverfahrens für einen ferromagne tischen Tunnelübergangs-Magnetsensor erreicht, welcher fer romagnetische Tunnelübergangs-Magnetsensor eine erste ferro magnetische Schicht, eine Isolationsbarrierenschicht, die einen Tunneloxidfilm enthält und auf der ersten ferromagne tischen Schicht gebildet ist, und eine zweite ferromagneti sche Schicht enthält, die auf der Isolationsbarrierenschicht gebildet ist, welches Verfahren die Schritte enthält:
Abscheiden einer Metallschicht auf der ersten ferroma gnetischen Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,7 nm oder weniger, so daß die Metallschicht eine Dicke hat, die größer als eine Molekularschicht hinsichtlich eines Oxids eines Me talls ist, die die Metallschicht bildet und
Bilden des Tunneloxidfilms auf der Metallschicht durch Oxidieren einer Oberfläche der Metallschicht, und
Bilden der zweiten ferromagnetischen Schicht auf der oxidierten Oberfläche der Metallschicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verschlechte rung der Spinpolarisation in der Isolationsbarrierenschicht wirksam durch Verringern der Dicke der nichtmagnetischen Me tallschicht unterdrückt, die für ein Startmaterial verwendet wird, wenn die Isolationsschicht mit ungefähr 1,7 nm oder weniger ausgebildet wird. Als ein Resultat des erfolgreichen Unterdrückens der Verschlechterung der Spinpolarisation oder Verbesserung beim Konservieren des Spinzustandes der Elek tronen vor und nach dem Tunneln zeigt der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung ein verbessertes MR-Verhältnis. Durch Ausbilden der Dicke der nichtmagnetischen Metallschicht, so daß sie größer als eine Molekularschicht hinsichtlich der Oxidschicht der nichtmagnetischen Metallschicht ist, wird das Problem eines Kurzschlusses des Tunneloxidfilms erfolg reich vermieden.

Durch Verwenden eines Metallelementes, bei dem die Bin dungsenergie zu Sauerstoff größer als jene des Metallelemen tes ist, das die darunterliegende ferromagnetische Schicht bildet, für die vorhergehende nichtmagnetische Schicht, ab sorbiert die nichtmagnetische Metallschicht Sauerstoff von der darunterliegenden ferromagnetischen Schicht, wenn eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200°C-300°C, vorzugsweise bei ungefähr 300°C, durchgeführt wird. Dadurch wird die Spinpolarisation in der ferromagnetischen Schicht weiter verbessert, und das MR-Verhältnis des Magnetsensors ist weiter verbessert. Zusätzlich hat der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung eine verbesserte thermische Bestän digkeit hinsichtlich der vorhergehenden Verbesserung der Ausführung als ein Resultat des thermischen Annealprozesses. Somit erfährt der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung eine geringe Verschlechterung der Ausführung, selbst wenn das Schmelzen eines Widerstandsfilms in dem Fabrikationspro zeß eines Magnetkopfes ausgeführt wird, der den ferromagne tischen Tunnelübergangs-Magnetsensor enthält. Ferner erfährt der Magnetsensor der vorliegenden Erfindung eine geringe Verschlechterung der Ausführung, selbst wenn ein thermischer Annealprozeß auf eine antiferromagnetische Schicht ausgeübt wird, die über der oberen ferromagnetischen Schicht ausge bildet ist, um die Magnetisierung der oberen ferromagneti schen Schicht festzupinnen oder zu fixieren.

Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Er findung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlich, wenn sie im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen gelesen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Diagramm, das den Aufbau eines herkömm lichen Magnetkopfes zeigt,

Fig. 2A-2E sind Diagramme, die den Fabrikationsprozeß des Magnetkopfes von Fig. 1 zeigen,

Fig. 3A und 3B sind Diagramme, die das Prinzip eines herkömmlichen ferromagnetischen. Tunnelübergangssensors er klären.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das das Problem einer gegen seitigen Diffusion von Metallen erklärt, die in dem herkömm lichen ferromagnetischen Tunnelübergangssensor auftritt,

Fig. 5A und 5B sind Diagramme, die das Prinzip des fer romagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vorliegen den Erfindung erklären,

Fig. 6 ist ein anderes Diagramm, das das Prinzip des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vorlie genden Erfindung erklärt,

Fig. 7 ist ein weiteres Diagramm, das das Prinzip des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vorlie genden Erfindung erklärt,

Fig. 8A und 8B sind weitere Diagramme, die das Prinzip des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vor liegenden Erfindung erklären,

Fig. 9A und 9B sind weitere Diagramme, die das Prinzip des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vor liegenden Erfindung erklären,

Fig. 10 ist ein weiteres Diagramm, das das Prinzip des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors der vorlie genden Erfindung erklärt,

Fig. 11 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Betriebscharakteri stik des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors von Fig. 11 zeigt,

Fig. 13 ist ein Diagramm, das den Tunnelwiderstand des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors für den Fall zeigt, in welchem ein Tunneloxidfilm durch einen Plasmaoxi dationsprozeß gebildet ist,

Fig. 14 ist ein Diagramm, das die Änderung des MR- Verhältnisses des ferromagnetischen Tunnelübergangs- Magnetsensors von Fig. 11 zeigt, der einen Tunneloxidfilm von Fig. 13 hat, für den Fall, in welchem ein thermischer Annealprozeß ausgeführt wird,

Fig. 15 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Wirkung einer Diffu sionsbarrierenschicht zeigt, die in dem ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor von Fig. 15 vorgesehen ist,

Fig. 17 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 18A und 18B sind Diagramme, die das Problem des Kornwachstums und damit zusammenhängende Probleme zeigen, die auftreten, wenn ein thermischer Annealprozeß auf einen ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor angewandt wird,

Fig. 19 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 20A und 20B sind Diagramme, die die Wirkung einer Unterdrückung eines Kornwachstums zeigen, die bei dem ferro magnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor von Fig. 19 er zielt wurde,

Fig. 21 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 22A und 22B sind Diagramme, die den Aufbau eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen,

Fig. 23A und 23B sind Diagramme, die den Aufbau eines magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabegerätes zeigen, das einen Magnetkopf hat, in welchem der ferromagnetische Tunnelübergangs-Magnetkopf der vorliegenden Erfindung ver wendet ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN Prinzip

Die Fig. 5A und 5B sind Diagramme, die einen ferroma gnetischen Tunnelübergang 20, der bei der vorliegenden Er findung für einen Magnetsensor oder einen Magnetkopf verwen det wird, in einer Draufsicht bzw. in einer Querschnittsan sicht zeigen.

Unter Bezugnahme zuerst auf die Fig. 5B ist der ferro magnetische Tunnelübergang 20 auf einem Si-Substrat 20A aus gebildet, das von einem SiO₂-Film 20B bedeckt ist, und ent hält eine untere ferromagnetische Schicht 21A, die der fer romagnetischen Schicht 16A der Fig. 3A und 3B entspricht, wobei die untere ferromagnetische Schicht 21A eine NiFe- Schicht 21A₁, die eine Dicke von 17,1 nm hat, und eine Co- Schicht 21A₂ enthält, die auf der NiFe-Schicht 21A₁ mit ei ner Dicke von 3,3 nm gebildet ist. Auf der unteren ferroma gnetischen Schicht 21A ist eine Isolationsbarrierenschicht 21C entsprechend der Isolationsbarrierenschicht 16C der Fig. 3A und 3B gebildet, und eine obere ferromagnetische Schicht 21B die der ferromagnetischen Schicht 16B der Fig. 3A und 3B entspricht, ist auf der Isolationsbarrierenschicht 21C ge bildet, wobei die obere ferromagnetische Schicht 21B eine Co-Schicht 21B₁, die eine Dicke von 3,3 nm hat, und eine NiFe-Schicht 21B₂ enthält, die auf der Co-Schicht 21B₁ mit einer Dicke von 17,1 nm gebildet ist. Ferner ist eine anti ferromagnetische Schicht 22 auf der FeNi-Schicht 21B₂ zum Festpinnen oder -stecken der Magnetisierungsrichtung der oberen ferromagnetischen Schicht 21B gebildet, und eine wei tere FeNi-Schicht 23 ist auf der FeMn-Schicht 22 mit einer Dicke von 8,6 nm gebildet.

Unter Bezugnahme auf die Draufsicht der Fig. 5A bilden die untere ferromagnetische Schicht 21A und die obere ferro magnetische Schicht 21B jeweils leitende Streifen, die ein ander in der Draufsicht von Fig. 5A kreuzen, wobei die vor hergehende Isolationsbarrierenschicht 21C an der Kreuzung der zwei leitenden Streifen ausgebildet ist. Ferner sind die FeMn-Schicht 22 und die NiFe-Schicht 23 darauf in Überein stimmung mit der Form der darunterliegenden oberen ferroma gnetischen Schicht 21B gemustert.

Wie in der Fig. 5A angegeben ist, wird ein Betriebs strom durch eine Stromquelle veranlaßt, zwischen der unteren ferromagnetischen Schicht 21A und der oberen ferromagneti schen Schicht 21B über die Isolationsbarrierenschicht 21C zu fließen, und ein Tunnelwiderstand der Isolationsbarrieren schicht 21C wird durch Detektieren einer Spannungsdifferenz detektiert, die über den ferromagnetischen Schichten 21A und 21B auftritt. Es sollte beachtet werden, daß die Magnetisie rungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 21B durch die antiferromagnetische Schicht 22 fixiert ist, während sich die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 21A frei in Abhängigkeit von einem externen magnetischen Feld ändert. In Abhängigkeit von der Änderung der Magneti sierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 21A ändert der ferromagnetische Tunnelübergang 20 den Widerstand davon.

Die Fig. 6 zeigt das MR-Verhältnis des ferromagneti schen Tunnelübergangs 20 von Fig. 5A und 5B für einen Fall, in dem die Isolationsbarrierenschicht 20C aus einem Al-Film gebildet ist, der auf der ferromagnetischen Schicht 20A in verschiedenen Dicken abgeschieden wurde, um darauf einen Tunneloxidfilm zu tragen, der als ein Resultat der natürli chen Oxidation des Al-Films gebildet wurde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 hat der Al-Film 21C, der darauf einen natürlichen Al₂O₃-Film trägt, eine Zusam mensetzung, die allgemein wiedergegeben wird durch AlO_x, wo bei zu sehen ist, daß ein großes MR-Verhältnis von ungefähr 10-15% für den ferromagnetischen Tunnelübergang 20 er zielt wird, wenn die Dicke des Al-Films 21C im Bereich von ungefähr 0,5 nm-1,7 nm ist. Es sollte beachtet werden, daß der vorhergehende natürliche Al₂O₃-Film typischerweise durch Anwenden eines natürlichen Oxidationsprozesses auf die Ober fläche des Al-Films 21C für eine Dauer von 100 Stunden oder mehr gebildet wird. Wenn die Dauer des natürlichen Oxidati onsprozesses weniger als 100 Stunden ist, gibt es eine Ten denz, daß ein Kurzschluß in dem Al₂O₃-Film auf Grund unvoll ständiger Bildung des Al₂O₃-Films auftritt.

Wenn die Dicke des vorhergehenden Al₂O₃-Naturoxidfilms 1,7 nm übersteigt und 2,1 nm erreicht, fällt andererseits das MR-Verhältnis steil auf 5% oder weniger ab. Es wird an genommen, daß dieser unerwünschte Effekt durch die Ver schlechterung der Spinpolarisation verursacht wird, die in den Elektronen auftritt, die durch den Al-Film 21C fließen, der nun eine erhöhte Filmdicke hat. Wenn die Dicke des Al- Films 21C unter 0,5 nm (5 Å), entsprechend der Dicke von ei ner molekularen Schicht hinsichtlich von Al₂O₃, reduziert wird, wird andererseits die Bildung des natürlichen Al₂O₃- Films unstabil und es taucht ein Problem auf, daß der Tun nelübergang dazu neigt, einen Kurzschluß zu verursachen, wie oben angegeben wurde. Somit wird aus den vorhergehenden ex perimentellen Resultaten und Erwägungen geschlossen, daß die Dicke der Isolationsbarrierenschicht 21C vorzugsweise einge stellt ist, daß sie größer als ungefähr 0,5 nm, aber kleiner als ungefähr 1,7 nm ist.

Es sollte beachtet werden, daß das experimentelle Re sultat von Fig. 6 auch angibt, daß das erhaltene MR- Verhältnis wesentlich streut. Im Hinblick auf dieses beob achtete Streuen des MR-Wertes hat der Erfinder der vorlie genden Erfindung einen thermischen Annealprozeß bei dem fer romagnetischen Tunnelübergang 20 bei verschieden Temperatu ren in einer Vakuumumgebung ausgeführt und das MR-Verhältnis gemessen.

Die Fig. 7 zeigt das MR-Verhältnis des ferromagneti schen Tunnelübergangs 20, der somit bei verschiedenen Tempe raturen angelassen oder annealt wurde, die in der Fig. 7 an gegeben sind, unter dem Druck von 1 × 10^-5 Torr für eine Dauer von ungefähr 1 Stunde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 ist zu sehen, daß die meisten der getesteten Tunnelübergänge ein MR-Verhältnis von 5-10% zeigen, wenn die Temperatur des thermischen Anneal prozesses im Bereich von Raumtemperatur bis 200°C ist. Wenn die Temperatur des thermischen Annealprozesses auf einen Be reich von 200°C-300°C eingestellt ist, wurde anderer seits beobachtet, daß ein Teil der getesteten Tunnelübergän ge einen erhöhten Wert für das MR-Verhältnis im Bereich von 15-20% zeigen, während die anderen der getesteten Tunnel übergänge eine Abnahme des MR-Verhältnisses auf ungefähr 0% zeigten.

Ferner offenbarte ein Konduktionstest, der bei jenen ferromagnetischen Tunnelübergangs-Teststücken ausgeführt wurde, die die vorhergehende Zunahme des MR-Verhältnisses als ein Ergebnis des thermischen Annealprozesses zeigten, daß das Auftreten eines Ausfalls nur 2% nach zehn Tagen des Betriebs mit einem Betriebsstrom von 5 mA war. Wenn derselbe Konduktionstest auf jene ferromagnetische Tunnelübergangs- Teststücke angewandt wurde, die die Abnahme des MR-Verhält nisses zeigten, wurde andererseits beobachtet, daß der An teil von ausgefallenen Teststücken nach zehn Tagen 22% er reichte. Das vorherstehende Ergebnis bedeutet, daß die Test stücke, die die Abnahme des MR-Verhältnisses zeigten, be reits Potentialdefekte schon zur Zeit der Bildung des Tunnelübergangs enthielten, und daß ein derartiger thermi scher Annealprozeß für sowohl ein Erhöhen der Leistung der ferromagnetischen Tunnelübergänge, als auch Entfernen poten tiell defekter Tunnelübergänge wirksam ist.

Die Fig. 8A zeigt die Änderung des Magnetowiderstandes R des ferromagnetischen Tunnelübergangs 20, der nicht dem vorhergehenden thermischen Annealprozeß unterzogen wurde, für den Fall, in dem ein externes magnetisches Feld H ange legt und von -100 Oe bis +100 Oe und von +100 Oe bis -100 Oe geändert wurde, wobei die Vertikalachse auf der linken Seite den spezifischen Widerstand des Tunnelübergangs 20 repräsen tiert, während die Vertikalachse auf der rechten Seite das entsprechende MR-Verhältnis repräsentiert. Es sollte beach tet werden, daß zwei Kurven, die in der Fig. 8A angegeben sind, jeweils den Fällen entsprechen, in welchen das externe magnetische Feld H von -100 Oe bis +100 Oe erhöht und von +100 Oe bis -100 Oe verringert wurde. Unter Bezugnahme auf die Fig. 8A ist zu sehen, daß ein MR-Verhältnis von ungefähr 10-11% für den ferromagnetischen Tunnelübergang 20 er reicht wurde, der nicht dem thermischen Annealprozeß unter zogen wurde.

Die Fig. 8B zeigt die Änderung des Magnetowiderstandes R des ferromagnetischen Tunnelübergangs 20, der dem thermi schen Annealprozeß bei 300°C unterzogen wurde. Ähnlich der Fig. 8A zeigt die Fig. 8B den Magnetowiderstand R für beide Fälle, in welchem das magnetische Feld H von -100 Oe bis +100 Oe erhöht und von +100 Oe bis -100 Oe verringert wurde in zwei Kurven. Unter Bezugnahme auf die Fig. 8B ist zu se hen, daß das MR-Verhältnis nun einen Wert von 23-24% er reicht, was doppelt so groß wie das MR-Verhältnis für den Fall von Fig. 8A ist.

Die Verbesserung des MR-Verhältnisses, die in den Expe rimenten von Fig. 7 oder Fig. 8A und 8B der vorliegenden Er findung entdeckt wurde, ist genau entgegengesetzt zu dem, was herkömmlicherweise erwartet wurde. Es wird angenommen, daß dieses unerwartete Ergebnis durch den Mechanismus verur sacht wird, der nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und 9B erklärt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9A trägt die Co-Schicht, 21A₂, die einen Teil der unteren ferromagnetischen Schicht 21A bildet, allgemein einen sehr dünnen nichtmagnetischen natürlichen Oxidfilm aus Co auf der Oberfläche davon. Ein derartiger natürlicher Oxidfilm aus Co kann gebildet werden, wenn die Co-Schicht 21A₂ durch einen Sputterprozeß gebildet wird. Es sollte beachtet werden, daß die Bildung eines der artigen natürlichen Co-Oxidfilms unvermeidbar ist, wenn eine Sputtermaske, die zum Bilden der Co-Schicht 21A₂ mit einer gewünschten Form bei dem Sputterprozeß davon durch eine an dere Sputtermaske zum Abscheiden der Isolationsbarrieren schicht 21C durch einen weiteren Sputterprozeß ersetzt wird.

Wenn eine Al-Metallschicht auf einer derartigen Co- Schicht 21A₂ als die Isolationsbarrierenschicht 21C gebildet wird und die Oberfläche der Schicht 21C durch einen natürli chen Oxidationsprozeß oxidiert wird, um die Zusammensetzung in AlO_x umzuwandeln, sollte beachtet werden, daß das metal lische Al noch im Bodenteil der Schicht 21C verbleibt und einen direkten Kontakt mit dem natürlichen Co-Oxid her stellt, das an der Oberfläche der darunterliegenden Co- Schicht 21A₂ gebildet ist.

Wenn der ferromagnetischen Tunnelübergang 20, der darin eine solche Kontaktstruktur enthält, dem thermischen Anneal prozeß bei der Temperatur von 200°C-300°C ausgesetzt wird, wird angenommen, daß die Sauerstoffatome in dem natür lichen Oxidfilm von Co durch die Al-Schicht 21C aufgrund der größeren Bindungsenergie von Sauerstoff an Al als der Bin dungsenergie von Sauerstoff an Co absorbiert wird, wie durch Pfeile in der Fig. 9A angegeben ist, und die Konzentration von Sauerstoffatomen in der Co-Schicht 21A₂ wird verringert, wie in der Fig. 9B angegeben ist. In Verbindung damit wird angenommen, daß die Sauerstoffkonzentration in der Schicht 21C am Bodenteil der Schicht 21C zunimmt. Da die Sauerstoff konzentration in der Co-Schicht 21A₂ an dem Oberflächenteil davon verringert wird, wird das Problem der Verschlechterung der Spinpolarisation der Elektronen, die durch den natürli chen Oxidfilm der Co-Schicht 21A₂ fließen, erfolgreich un terdrückt. Es wird angenommen, daß dies der Grund ist, warum das MR-Verhältnis des Tunnelübergangs 20 als ein Resultat des thermischen Annealprozesses verbessert wird.

Um einen derartigen Transport von Sauerstoffatomen in dem ferromagnetischen Tunnelübergang 20 zu erreichen, ist es wichtig, daß das metallische Al einen Kontakt mit der Ober fläche der Co-Schicht 21B₁ macht, die eine natürliche Oxid schicht oder eine sauerstoffangereicherte Schicht trägt. Während beachtet wird, daß eine weitere Co-Schicht 21B₁ auf der Isolationsbarrierenschicht 21C in dem ferromagnetischen Tunnelübergang 20 gebildet wird, tritt der Transport von Sauerstoffatomen von der Schicht 21, die eine sauerstoffan gereicherte Zusammensetzung (Al₂O₃) an der oberen Oberfläche davon hat, zu der Co-Schicht 21B₂ im wesentlichen auf Grund der größeren Bindungsenergie von Sauerstoff an Al als der Bindungsenergie von Sauerstoff an Co nicht auf.

Ferner wird durch Einstellen der Anfangsdicke der Schicht 21C, so daß sie kleiner als 1,7 nm ist, bei einem derartigen thermischen Annealprozeß gemäß der Entdeckung von Fig. 6 die gesamte Schicht 21C oxidiert, und das Problem der Verschlechterung der Spinpolarisation, das durch das metal lische Al verursacht wird, das in der Schicht 21C verbleibt, wird wirksam unterdrückt.

Wenn die gesamte Isolationsbarrierenschicht 21C vor dem thermischen Annealprozeß oxidiert wird, wie in der Fig. 10 angegeben ist, können andererseits die Sauerstoffatome in der Schicht 21C in die darunterliegende Co-Schicht 21A₂ ein dringen als ein Ergebnis des thermischen Annealprozesses, und die magnetische Eigenschaft der Co-Schicht 21A₂ kann verschlechtert werden.

Wenn ferner die Temperatur des thermischen Annealpro zesses übermäßig hoch ist, gibt es ein Risiko, daß die Al- Atome eine Diffusion in die benachbarte Co-Schicht 21A₂ oder 21B₁ verursachen können und eine Festlösungsbildung darin verursachen. Wenn eine derartige feste Lösung von Co und Al gebildet wird, wird die magnetische Eigenschaft der Co- Schicht 21A₂ oder 21B₁ verschlechtert.

ERSTE AUSFÜHRUNG

Die Fig. 11 zeigt den Aufbau eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors 30 gemäß einer ersten Ausfüh rung der vorliegenden Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 hat der ferromagneti sche Tunnelübergangs-Magnetsensor 30 einen Aufbau ähnlich jenem des ferromagnetischen Tunnelübergangs 20, der vorher beschrieben wurde, und ist auf einem Si-Substrat 31 gebil det, das von einem SiO₂-Film 31A bedeckt ist, der eine Dicke von ungefähr 3 nm hat, wobei der Magnetsensor 30 eine untere ferromagnetische Schicht 30A enthält, die aus einer ferroma gnetischen NiFe-Schicht 32A, die eine Dicke von 17,1 nm hat, und einer ferromagnetischen Co-Schicht 32B gebildet ist, die auf der ferromagnetischen NiFe-Schicht 32A mit einer Dicke von 3,3 nm gebildet ist. Auf der unteren ferromagnetischen Schicht 30A ist eine Isolationsbarrierenschicht 30C entspre chend der Isolationsbarrierenschicht 21C von Fig. 5B gebil det, und eine obere ferromagnetische Schicht 30B entspre chend der ferromagnetischen Schicht 21B von der Fig. 5B ist auf der Isolationsbarrierenschicht 30C gebildet, wobei die obere ferromagnetische Schicht 30B eine ferromagnetische Co- Schicht 33A, die eine Dicke von 3,3 nm hat, und eine ferro magnetische NiFe-Schicht 33B enthält, die auf der ferroma gnetischen Co-Schicht 33A mit einer Dicke von 17,1 nm gebil det ist. Ferner ist eine antiferromagnetische Schicht 34 aus FeMn auf der ferromagnetischen FeNi-Schicht 33B zum Festpin nen oder -stecken der Magnetisierungsrichtung der oberen ferromagnetischen Schicht 30B ausgebildet, und eine weitere ferromagnetische FeNi-Schicht 35 ist auf der antiferromagne tischen FeMn-Schicht 34 mit einer Dicke von 8,6 nm ausgebil det.

Es sollte beachtet werden, daß die ferromagnetische NiFe-Schicht 32A und die ferromagnetische Co-Schicht 32B auf dem SiO₂-Film 31A nacheinander durch einen Sputterprozeß ge bildet wurden, während die Isolationsbarrierenschicht 30C durch Abscheiden einer metallischen Al-Schicht auf der fer romagnetischen Co-Schicht 32B durch einen Sputterprozeß ab geschieden wurde, dem ein natürlicher Oxidationsprozeß folg te, um die Oberfläche der metallischen Al-Schicht, die somit gebildet wurde, für eine Dauer von ungefähr 100 Stunden oder mehr zu oxidieren. Als ein Resultat des natürlichen Oxidati onsprozesses der metallischen Al-Schicht wird ein Tunnel oxidfilm aus Al₂O₃ auf dem Oberflächenteil der Isolations barrierenschicht 30C gebildet.

Nachdem die Isolationsbarrierenschicht 30C somit gebil det wurde, werden die ferromagnetische Co-Schicht 33A und die ferromagnetische NiFe-Schicht 33B auf der Schicht 30C nacheinander durch einen Sputterprozeß abgeschieden, um die obere ferromagnetische Schicht 30B zu bilden, und die anti ferromagnetische FeMn-Schicht 34 und die ferromagnetische NiFe-Schicht 35 werden nacheinander auf die ferromagnetische NiFe-Schicht 33B abgeschieden. Durch Verwenden einer geeig neten Sputtermaske beim Sputterprozeß ist es möglich, den Magnetsensor 30 in einer willkürlichen planaren Form zu bil den, wie die, die in der Draufsicht der Fig. 5A gezeigt ist.

Es sollte beachtet werden, daß die Co-Schicht 33A oder 32B auf der NiFe-Schicht 32A oder 33B zum Verbessern der Spinpolarisation der Elektronen vorgesehen ist, die durch die ferromagnetische Schicht 30A oder 30B hindurchgehen und in die Isolationsbarrierenschicht 30C eintreten. Beim Bilden der unteren ferromagnetischen Schicht 30A sollte beachtet werden, daß der Sputterprozeß der magnetischen Schichten 32A und 32B unter Existenz eines externen magnetischen Feldes ausgeführt wird, das senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 11 wirkt. Ferner wird der Sputterprozeß der Magnetschichten 33A und 33B zum Bilden der oberen ferromagnetischen Schicht 30B unter Existenz eines externen Magnetfeldes ausgeführt, das von links nach rechts oder von rechts nach links in der Zei chenebene von Fig. 11 wirkt.

Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 8A erklärt wurde, zeigt der somit gebildete ferromagnetische Tunnelübergangs- Magnetsensor 30 von Fig. 11 ein MR-Verhältnis, das in dem so gebildeten Zustand 10% übersteigt. Andererseits wird das MR- Verhältnis bis zu 20% oder mehr erhöht durch Anwenden eines thermischen Annealprozesses auf den so gebildeten Magnetsen sor 30 in einer Vakuumumgebung bei der Temperatur von 200- 300°C wie unter Bezugnahme auf die Fig. 8B erklärt wurde.

Wenn auf den Magnetsensor 30 der thermische Annealpro zeß bei der Temperatur von 200-300°C angewandt wird, ist es auch möglich, zusätzlich zu dem vorhergehenden vorteil haften Merkmal des Erhöhens des MR-Verhältnisses eine PdPtMn-Legierung für die antiferromagnetische Schicht 34 an Stelle von FeMn zu verwenden. Obwohl eine PdPtMn-Legierung kein magnetisches Feld mit einer Größe erzeugen kann, die ausreichend ist, um das gewünschte Festpinnen oder -stecken der ferromagnetischen Schichten 33A und 33B zu verursachen, wenn der thermische Annealprozeß bei einer Temperatur von ungefähr 200°C oder weniger ausgeführt wird, induziert der thermische Annealprozeß, der bei der Temperatur von ungefähr 300°C oder mehr ausgeführt wird erfolgreich eine Bildung einer CuAu-Typ-I-geordneten Gitterstruktur in der Kristall struktur der Legierung, während die geordnete Gitterstruktur somit das feststeckende Magnetfeld mit einer Größe von 2000 Oe erzeugt, was ausreichend zum Verursachen des Fest pinnens oder -steckens der ferromagnetischen Schichten 33A und 33B ist. Die Bildung der geordneten Gitterstruktur wird durch Röntgenstreuungsanalyse bestätigt. Es sollte beachtet werden, daß die Legierung des PdPtMn-Systems seit langem als ein vielversprechendes Material für die Feststeck- oder -pinnschicht in der Technik von Spinventil-GMR-Magnetsenso ren erkannt wurde wegen des Potentials, ein sehr großes ma gnetisches Feld zu erzeugen, das für Austauschkopplung ge eignet ist, während die Verwendung dieses vielversprechenden Materials bei den herkömmlichen GMR-Magnetsensoren auf Grund des Erfordernisses des thermischen Annealprozesses erfolglos war, der bei der Temperatur von wenigstens ungefähr 300°C ausgeführt wurde. Bei dem ferromagnetischen Tunnelübergangs- Magnetsensor 30 der vorliegenden Erfindung kann dieses viel versprechende Material ohne Probleme auf Grund der verbes serten Temperaturbeständigkeit gegen thermische Annealpro zesse verwendet werden, die bei der Temperatur ausgeführt werden, die 300°C übersteigt.

Die Fig. 12 zeigt die magnetische Detektionsleistung des ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors 30 der vorliegenden Ausführung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 12 ist zu sehen, daß der Magnetsensor 30 eine Spannungsausgabe von 2 mV für die Ände rung eines externen Magnetfeldes von ±100 Oe erzeugen kann.

Zwischenzeitlich sollte beachtet werden, daß der Tun neloxidfilm, der auf der Isolationsbarrierenschicht 30C ge bildet ist, auf keinen Fall auf einen natürlichen Oxidfilm aus Al beschränkt ist, sondern ebenfalls einen Plasmaoxid film enthält, der durch einen Plasmaoxidationsprozeß gebil det wurde.

Die Fig. 13 zeigt den spezifischen Widerstand der Iso lationsbarrierenschicht 30C für den Fall, in dem ein Tun neloxidfilm aus Al₂O₃ auf der Oberfläche der darunterliegen den Al-Schicht durch einen Plasmaoxidationsprozeß gebildet wurde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 13 ist zu sehen, daß der Tunneloxidfilm mit einer Dicke gebildet wurde, die es einem wesentlichen Tunnelstrom erlaubt, dadurch hindurchzufließen, wenn die Dauer des Plasmaoxidationsprozesses auf innerhalb ungefähr 60 Sekunden eingestellt ist. Wenn die Dauer des Plasmaoxidationsprozesses weiter ausgedehnt wird, wird die Dicke des Tunneloxidfilmes andererseits übermäßig, und der Tunnelwiderstand wird unerwünscht erhöht.

Die Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der Dauer des Plasmaoxidationsprozesses und den MR-Verhältnis für den Fall, in dem der Al₂O₃-Tunneloxidfilm durch einen Plasmaoxi dationprozeß gebildet wurde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 14 kann gesehen werden, daß das MR-Verhältnis des Magnetsensors 30 10-15% wird, wenn kein thermischer Annealprozeß angewandt wird und die Dauer der Plasmaoxidation auf ungefähr 40 Sekunden einge stellt ist. Wenn der Plasmaoxidationsprozeß für eine Dauer von 120 Sekunden durchgeführt wird, wird andererseits das MR-Verhältnis auf 1-7% verringert. In dem Fall, in dem ein thermischer Annealprozeß von 300°C ausgeführt wird, kann andererseits das MR-Verhältnis auf 20-25% erhöht werden, wenn der Plasmaoxidationsprozeß für eine Dauer von 40 Sekun den ausgeführt wurde. Wenn die Dauer des Plasmaoxidations prozesses weiter erhöht wird, fällt das MR-Verhältnis des Magnetsensors 30 steil ab und wird auf nur 1-5% verrin gert, wenn der Plasmaoxidationsprozeß für mehr als 60 Sekun den ausgeführt wird.

Das Ergebnis von Fig. 14 gibt an, daß die gesamte Al- Schicht, die die Isolationsbarrierenschicht 30C bildet, oxi diert wird, wenn der Plasmaoxidationsprozeß für eine verlän gerte Dauer ausgeführt wird, die 40 Sekunden übersteigt, und daß die Sauerstoffatome von der Isolationsbarrierenschicht 30C in die darunterliegende ferromagnetische Co-Schicht 32B als ein Resultat des thermischen Annealprozesses eindringen, der somit bei einer hohen Temperatur, wie ungefähr 300°C, ausgeführt wird. Wenn die Dauer des Plasmaoxidationsprozes ses auf innerhalb ungefähr 40 Sekunden begrenzt ist, wird andererseits angenommen, daß im wesentlichen eine metalli sche Al-Schicht am Bodenteil der Isolationsbarrierenschicht 30C verbleibt, und der Transport von Sauerstoffatomen tritt von dem Oberflächenbereich der ferromagnetischen Co-Schicht 32B zur verbleibenden metallischen Al-Schicht in der Isola tionsbarrierenschicht 30C auf, wenn ein derartiger thermi scher Annealprozeß ausgeführt wird.

ZWEITE AUSFÜHRUNG

Wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und 9B er klärt wurde, wird das Problem der Verschlechterung der ma gnetischen Eigenschaften der unteren ferromagnetischen Schicht, genauer das Problem der Verschlechterung der Spin polarisation der unteren ferromagnetischen Schicht, das durch die Existenz von Sauerstoff an der Oberfläche der un teren ferromagnetischen Schicht verursacht wird, erfolgreich durch Anwenden des thermischen Annealprozesses auf den fer romagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor kompensiert, vorausgesetzt, daß eine metallische Al-Schicht in dem Boden teil der Isolationsbarrierenschicht verblieben ist.

Dies bedeutet andererseits auch, daß ein dünner Oxid film zwischen die untere ferromagnetische Schicht und die Isolationsbarrierenschicht zwischengelegt werden kann, vor ausgesetzt, daß die Isolationsbarrierenschicht eine metalli sche Al-Schicht am Bodenteil davon enthält. Es sollte beach tet werden, daß ein derartiger dünner Oxidfilm für eine Dif fusionsbarriere zum Verhindern einer willkürlichen Diffusion von Al in die Isolationsbarrierenschicht und von Co in die untere ferromagnetische Schicht verwendet werden kann. Wenn die Verwendung einer solchen Diffusionsbarrierenschicht mög lich ist, wird die Herstellung des ferromagnetischen Tunnel übergangssensors der vorliegenden Erfindung wesentlich er leichtert.

Die Fig. 15 zeigt den Aufbau eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors 40 gemäß einer zweiten Ausfüh rung der vorliegenden Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 15 hat der ferromagneti sche Tunnelübergangs-Magnetsensor 40 der vorliegenden Aus führung einen Aufbau ähnlich jenem des ferromagnetischen Tunnelübergangs 30 der vorhergehenden Ausführung und ist auf einem Si-Substrat 41 gebildet, das von einem SiO₂-Film (nicht gezeigt) bedeckt ist, wobei der Magnetsensor 40 eine untere ferromagnetische Schicht 40A enthält, die aus einer ferromagnetischen NiFe-Schicht 42A, die eine Dicke von 17,1 nm hat, und einer ferromagnetischen Co-Schicht 42B ge bildet ist, die auf der ferromagnetischen NiFe-Schicht 42a mit einer Dicke von 3,3 nm gebildet ist. Auf der ferromagne tischen Co-Schicht 42B ist eine Diffusionsbarrierenschicht 42C aus Co-Oxid gebildet, und eine Isolationsbarrieren schicht 40C entsprechend der Isolationsbarrierenschicht 30c von Fig. 11 ist auf der Diffusionsbarrierenschicht 42C ge bildet. Ferner ist eine obere ferromagnetische Schicht 40B, die der ferromagnetischen Schicht 30B von Fig. 11 ent spricht, auf der Isolationsbarrierenschicht 40c gebildet, wobei die obere ferromagnetische Schicht 40B eine ferroma gnetische Co-Schicht 43A, die eine Dicke von 3,3 nm hat, und eine ferromagnetische NiFe-Schicht 43B enthält, die auf der ferromagnetischen Co-Schicht 43A mit einer Dicke von 17,1 nm gebildet ist. Ferner ist eine antiferromagnetische Schicht 44 aus FeMn auf der ferromagnetischen FeNi-Schicht 43B zum Festpinnen oder Fixieren der Magnetisierungsrichtung der oberen ferromagnetischen Schicht 40B ausgebildet, und eine weitere ferromagnetische FeNi-Schicht 45 ist auf der anti ferromagnetischen FeMn-Schicht 44 mit einer Dicke von 8,6 nm ausgebildet.

Bei der vorliegenden Ausführung sind ebenfalls die fer romagnetische NiFe-Schicht 42A und die ferromagnetische Co- Schicht 42B oder die ferromagnetische NiFe-Schicht 43a und die ferromagnetische Co-Schicht 43B durch einen Sputterpro zeß gebildet, während die Isolationsbarrierenschicht 40C durch Abscheiden einer metallischen Al-Schicht durch einen Sputterprozeß mit einer Dicke von ungefähr 1,3 nm gebildet ist, gefolgt von einem natürlichen Oxidationsprozeß oder Plasmaoxidationsprozeß, der auf die Oberfläche der metalli schen Al-Schicht angewandt wird, ähnlich der vorhergehenden Ausführung. Als ein Ergebnis des natürlichen Oxidationspro zesses der metallischen Al-Schicht wird ein Tunneloxidfilm aus Al₂O₃ an dem Oberflächenteil der Isolationsbarrieren schicht 40C gebildet.

Ferner wird der Co-Oxidfilm 42C, der die Diffusionsbar rierenschicht bildet, bei der vorliegenden Ausführung eben falls durch jeglichen natürlichen Oxidationsprozeß, thermi schen Oxidationsprozeß oder Plasmaoxidationsprozeß der Ober fläche der ferromagnetischen Co-Schicht 42B gebildet. Wenn die Diffusionsbarrierenschicht 42C durch einen natürlichen Oxidationsprozeß gebildet wird, kann die Oberfläche der Co- Schicht 42B einer Sauerstoffatmosphäre für eine Dauer von ungefähr 1 Stunde ausgesetzt werden. Der somit gebildete Co- Oxidfilm ist nicht auf jene begrenzt, die eine stöchiometri sche Zusammensetzung haben, die durch CoO repräsentiert ist, sondern enthält auch die Verbindung, die eine nicht stöchio metrische Zusammensetzung hat, die allgemein durch CoO_x re präsentiert ist.

Nachdem die Isolationsbarrierenschicht 40C somit gebil det wurde, werden die ferromagnetische Co-Schicht 43A und die ferromagnetische NiFe-Schicht 43B auf der Schicht 40C nacheinander durch einen Sputterprozeß abgeschieden, um die obere ferromagnetische Schicht 40B zu bilden, und die anti ferromagnetische FeMn Schicht 44 und die ferromagnetische NiFe-Schicht 45 werden nacheinander auf der ferromagneti schen NiFe-Schicht 43B abgeschieden. Durch Verwenden einer geeigneten Sputtermaske beim Sputterprozeß ist es möglich, den Magnetsensor 40 in einer willkürlichen planaren Form auszubilden, wie jene, die in der Draufsicht von Fig. 5A ge zeigt ist.

Es sollte beachtet werden, daß die Co-Schicht 43A oder 42B auf der NiFe-Schicht 42A oder 43B vorgesehen ist, um die Spinpolarisation der Elektronen, die durch die ferromagne tische Schicht 40A oder 40B hindurchgehen und in die Isola tionsbarrierenschicht 40C eintreten, zu verbessern. Beim Bilden der unteren ferromagnetischen Schicht 40A sollte be achtet werden, daß der Sputterprozeß der magnetischen Schichten 42A und 42B unter Existenz eines externen magneti schen Feldes ausgeführt wird, das senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 15 wirkt. Ferner wird der Sputterprozeß der magne tischen Schichten 43A und 43B zum Bilden der oberen ferroma gnetischen Schicht 40B unter Existenz eines externen magne tischen Feldes ausgeführt, das von links nach rechts oder von rechts nach links in der Zeichenebene der Fig. 15 wirkt.

Bei dem Magnetsensor 40 der vorliegenden Erfindung wird das Problem gegenseitiger Diffusion von Al-Atomen und Co- Atomen zwischen der Co-Schicht 42B und der metallischen Al- Schicht, die in der Isolationsbarrierenschicht 40C enthalten ist, effektiv vermieden durch Bereitstellen der Co-Oxid- Diffusionsbarrierenschicht 40C auf der Oberfläche der Co- Schicht 42B. Dadurch wird die Produktionsausbeute des Ma gnetsensors 40 wesentlich verbessert, insbesondere, wenn der Fabrikationsprozeß des Magnetsensors 40 den thermischen An nealprozeß enthält.

Die Fig. 16 zeigt die Magnetisierung M_s einer Co- Schicht, die darauf eine Al-Schicht mit einem vermittelnden Co-Oxidfilm, der auf der Oberfläche der Co-Schicht durch ei nen natürlichen Oxidationsprozeß gebildet wurde, trägt, für einen Fall, in dem eine thermische Behandlung auf die vor hergehende Struktur bei einer Temperatur im Bereich von 50- 350°C angewandt wurde.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 16 ist klar zu sehen, daß die Magnetisierung M_s der Co-Schicht sich wenig ändert, selbst wenn der vorhergehende thermische Annealprozeß auf die Struktur angewandt wird, und daß das Problem gegenseiti ger Diffusion der Co-Atome und Al-Atome wie im Fall von Fig. 4, in der sich eine Co-Schicht und eine Al-Schicht direkt berühren, ausreichend vermieden wird.

In der Struktur von Fig. 15 gibt es ein Besorgnis hin sichtlich des strukturellen Merkmals des Magnetsensors 40, daß die CoO-Schicht 42C zwischen der ferromagnetischen Schicht 42B und der ferromagnetischen Schicht 43A ferner zur Isolationsbarrierenschicht 40C hinzugefügt wird, indem die Spinpolarisation der Elektronen als ein Resultat des Hinzu fügens der nichtmagnetischen CoO-Schicht 42C herabgesetzt werden kann. Wenn ein solches Herabsetzen der Spinpolari sierung auftritt, würde das MR-Verhältnis des Magnetsensors 40 unerwünscht verringert. Um dieses Problem zu vermeiden, setzt der Magnetsensor 40 der vorliegenden Ausführung die Dicke der Al-Schicht, die zur Bildung der Isolationsbarrie renschicht 40C verwendet wird, so, daß sie weniger als unge fähr 1,7 nm, vorzugsweise weniger als ungefähr 1,3 nm, ist.

Es wird auch erwartet, daß die CoO-Schicht 42C, die so mit der Struktur von Fig. 15 hinzugefügt ist, die Dicke da von verringert oder insgesamt auflöst, wenn der thermische Annealprozeß angewandt wird, als ein Resultat des Transports von Sauerstoff zu der metallischen Al-Schicht, wie unter Be zugnahme auf die Fig. 9A und 9B oder Fig. 14 erklärt wurde. Wenn ein derartiges Verringern der Dicke oder totales Auflö sen der CoO-Schicht 42C auftritt, wird eine Zunahme, keine Abnahme, des MR-Verhältnisses, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 14 erklärt wurde, auch in dem Magnetsensor 40 der Fig. 15 beobachtet. Tatsächlich wird die Beziehung der Fig. 7, die vorher erklärt wurde, für die Struktur erhalten, in der ein natürlicher Oxidfilm auf der CoO-Schicht 21A₂ gemäß dem Film 42C von Fig. 15 als ein Resultat des Aussetzens der CoO-Schicht 21A₂ an Luft gebildet wird, wenn die Sputtermas ke gewechselt wird.

Somit ist der ferromagnetische Tunnelübergangs- Magnetsensor 40 von Fig. 15 geeignet, die gegenseitige Dif fusion von Al und Co zwischen der Isolationsbarrierenschicht 40C und der darunterliegenden Co-Schicht 42B zu unterdrücken und gleichzeitig das MR-Verhältnis zu maximieren durch Bil den des CoO-Films 42C auf der Co-Schicht 42B und durch An wenden eines thermischen Annealprozesses bei der Temperatur von 200-300°C.

DRITTE AUSFÜHRUNG

Die Fig. 17 zeigt den Aufbau eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors 50 gemäß einer dritten Ausfüh rung der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den Teilen entsprechen, die vorher beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind und die Beschreibung davon weggelassen wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 17 ersetzt die vorliegen de Erfindung die Isolationsbarrierenschicht 40C durch eine Mehrzahl von Isolationsbarrierenschichten 40Ca-40Cc, wobei jede der Isolationsbarrierenschichten 40Ca-40Cc eine Dicke von 0,4 nm oder weniger und eine Zusammensetzung von AlO_x hat und als ein Ergebnis einer Abscheidung eines Al-Film und einer Oxidation gebildet ist.

Bei der vorliegenden Ausführung wird das Innere der Isolationsbarrierenschicht 40C in AlO_x durch Bilden der Schicht 40C in der Form einer Mehrzahl von Schichten 40Ca- 40Cc umgewandelt. Dadurch wird das Problem der Verschlechte rung der Spinpolarisation, das durch die metallische Al- Schicht verursacht wird, die innerhalb der Isolationsbarrie renschicht 40C verbleibt, erfolgreich minimiert.

Es sollte beachtet werden, daß es für die vorhergehen den Isolationsbarrierenschichten 40Ca-40Cc nicht notwendi gerweise erforderlich ist, daß sie dieselbe Zusammensetzung haben, sondern sie können jeweilige verschiedene Zusammen setzungen haben. Zum Beispiel können die Schichten 40Ca und 40Cc aus AlO_x gebildet sein, und die Schicht 40Cb kann aus NbO_x gebildet sein. Ferner ist die Anzahl der Schichten 40Ca-40Cc nicht auf drei beschränkt, sondern kann zwei oder vier oder mehr sein.

VIERTE AUSFÜHRUNG

Bei dem ferromagnetischen Tunnelübergangssensor 40 von Fig. 15 ist es bevorzugt, einen thermischen Annealprozeß bei der Temperatur von 200-300°C auszuführen. Andererseits kann ein derartiger thermischer Annealprozeß ein Kornwachs tum in den ferromagnetischen Schichten 42 und 43 herausfor dern, die die vermittelnde Isolationsbarrierenschicht 40C sandwichartig umgeben, wie in der Fig. 18A gezeigt ist, und die Struktur der Fig. 18A kann sich nach dem thermischen An nealprozeß zu einer grobkörnigen Struktur ändern, wie in der Fig. 18B gezeigt ist. Bei der grobkörnigen Struktur von Fig. 18B sollte beachtet werden, daß ein grobes Kristallkorn in der Schicht 42 ein grobes Kristallkorn in der Schicht 43 be rühren kann und dort ein Kurzschluß in dem Tunnelübergang auftritt. Es wird angenommen, daß dies einer der möglichen Gründe von Defekten ist, die unter Bezugnahme auf den ther mischen Annealprozeß von Fig. 7 erklärt wurden.

Bei der vorliegenden Ausführung wird ein ferromagneti scher Tunnelübergangs-Magnetsensor 60 von Fig. 19 vorge schlagen, bei dem das vorhergehende Problem eliminiert ist. In der Fig. 19 sollte beachtet werden, daß jene Teile, die den Teilen entsprechen, die vorher beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind, und die Beschrei bung davon weggelassen wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 19 sind die ferromagneti schen Schichten 42A und 43B von Fig. 15 durch Schichten 42A' und bzw. 43B' ersetzt, wobei eine NiFe-Schicht, die eine Dicke von ungefähr 2 nm hat, und eine Fe-Schicht, die eine Dicke von ungefähr 2 nm hat, alternierend in jeder der Schichten 42A' und 43B' gestapelt sind. In dem illustrierten Beispiel sind die NiFe-Schicht und die Fe-Schicht fünfmal in jeder der Schichten 42A' und 43A' wiederholt.

In solch einer geschichteten Struktur wird das Korn wachstum wirksam unterdrückt, wie in den Fig. 20A bzw. 20B angegeben ist, die den Zustand vor und nach dem thermischen Annealprozeß wiedergeben, und das Problem des Kurzschlusses des Tunnelübergangs, das unter Bezugnahme auf die Fig. 18B erklärt wurde, ist erfolgreich eliminiert. Als ein Resultat einer derartigen gestapelten Konstruktion der Schichten 42A' und 43A' kann der ferromagnetische Tunnelübergangssensor 60 mit einer verbesserten Ausbeute hergestellt werden, selbst wenn der thermische Annealprozeß bei 200-300°C in dem Fa brikationsprozeß des Magnetsensors enthalten ist.

FÜNFTE AUSFÜHRUNG

Die Fig. 21 zeigt den Aufbau eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor 70 gemäß einer fünften Ausführ rung der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den Teilen entsprechen, die vorher beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind, und die Beschrei bung davon weggelassen wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 21 hat der Magnetsensor 70 einen Aufbau, der ähnlich jenem des Magnetsensors 60 von Fig. 19 ist, mit der Ausnahme, daß die ferromagnetische Schicht 43B', die die gestapelte NiFe/Ni-Stuktur hat, die vorher erklärt wurde, nun durch eine ferromagnetische Schicht 40B" ersetzt ist, die eine gestapelte Co/Cu-Struktur hat, in welcher eine Co-Schicht, die eine Dicke von ungefähr 1,5 nm hat, und eine Cu-Schicht, die eine Dicke von ungefähr 1,0 nm hat, alternierend gestapelt sind.

Bei der ferromagnetischen Schicht 40B", die eine solche gestapelte Struktur hat, sollte beachtet werden, daß sich dort eine antiferromagnetische Austauschinteraktion zwischen der ferromagnetischen Co-Schicht und der nicht magnetischen Cu-Schicht entwickelt. Dadurch ist die Magnetisierungsrich tung in der Schicht 43B" durch die antiferromagnetische Schicht 44, die nahe der Schicht 43B" vorgesehen ist, fi xiert, während die Schicht 43B" die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Co-Schicht 43A darunter bestimmt. Durch Bilden der ferromagnetischen Schicht 40B", um die vor hergehende gestapelte Struktur zu haben, wird das Kornwachs tum in der Schicht 40B" erfolgreich unterdrückt, ähnlich dem Kornwachstum, das unter Bezugnahme auf die Fig. 20A und 20B erklärt wurde, und das Problem eines Kurzschlusses des Tun nelübergangs wird vermieden, selbst wenn ein thermischer An nealprozeß auf den Magnetsensor angewandt wird.

SECHSTE AUSFÜHRUNG

Die Fig. 22A und 22B zeigen den Aufbau eines ferroma gnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors 80 gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung entsprechend in einer Draufsicht und einer Vorderansicht.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 22A und 22B ist der fer romagnetische Tunnelübergangssensor 80 auf einem Substrat 81 aus Al₂O₃ . TiC gebildet und enthält eine untere magnetische Schildschicht 82 aus NiFe oder FeN entsprechend der unteren magnetischen Schildschicht 12 des Magnetkopfes 10 von Fig. 1, wobei eine Spaltschicht 83 auf der unteren magnetischen Schildschicht 82 gemäß der nicht magnetischen Schicht 13 des Magnetkopfes 10 von Fig. 1 vorgesehen ist. Auf der Al₂O₃- Spaltschicht 83 ist eine untere ferromagnetische Schicht 84 mit einer Musterweite WL von ungefähr 0,8 µm vorgesehen. Es sollte beachtet werden, daß die untere ferromagnetische Schicht 84 der ferromagnetischen Schicht 30A von Fig. 11 oder der ferromagnetischen Schicht 40A von Fig. 15 ent spricht, und antiferromagnetische Schichten 85A und 85B aus CoCrPt werden an beiden seitlichen Seiten der unteren ferro magnetischen Schicht 84 in elektrischem Kontakt damit gebil det sind. Die antiferromagnetischen Schichten 85A und 85B werden magnetisiert und magnetisieren die vermittelnde fer romagnetische Schicht 84 so, daß die ferromagnetische Schicht 84 eine einzige magnetische Domäne enthält.

Auf den antiferromagnetischen Schichten 85A und 85B sind Elektrodenmuster 86A und 86B aus Ta, Ti, Cu bzw. W vor gesehen, und eine Isolationsbarrierenschicht 87, die der Isolationsbarrierenschicht 30C oder 40C der früheren Ausfüh rung entspricht, ist so vorgesehen, daß sie die Elektroden muster 86A und 86B und die untere ferromagnetische Schicht 84 bedeckt. Ferner ist eine obere ferromagnetische Schicht 88, die der oberen ferromagnetischen Schicht 30B oder 40B entspricht, auf der Isolationsbarrierenschicht 87 typischer weise mit einer Breite WH von ungefähr 0,5 µm vorgesehen, und eine obere Elektrode 89 aus Ta, Ti, Cu oder W ist auf der oberen ferromagnetischen Schicht 88 vorgesehen.

Ferner ist eine Al₂O₃-Schicht 90 auf der Isolationsbar rierenschicht 87 abgeschieden, um die oberen ferromagneti schen Schichten 88 und 89 zu bedecken, und ein magnetisches Schild 91 aus NiFe ist ferner darauf vorgesehen gemäß dem oberen magnetischen Schild 14 von Fig. 1.

Wie in der Fig. 21A angegeben ist, tastet der Ma gnetsensor 80, der in einem Magnetkopf enthalten ist, die Oberfläche eines magnetischen Aufzeichnungsmediums 100, wie eine Magnetplatte, ab und greift das Informationssignal auf, das auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 100 in der Form von magnetischen Punkten aufgezeichnet ist. Beim Lesemodus betrieb eines solchen Magnetkopfes wird ein konstanter Be triebsstrom veranlaßt, von der Elektrode 86A zur oberen Elektrode 89 oder umgekehrt zu fließen, und eine Spannung, die über die Elektrode 89 und die Elektrode 86B auftritt wird detektiert. Alternativ kann die Spannung über die Elek trode 89 und die Elektrode 86A detektiert werden.

Es sollte beachtet werden, daß der Magnetsensor 80 eine Querschnittsstruktur von jeglicher der ersten bis fünften Ausführungen für den Querschnitt längs einer Linie A-A' von Fig. 21B haben kann.

SIEBTE AUSFÜHRUNG

Die Fig. 23A zeigt die innere Struktur eines Festplat tenlaufwerkes gemäß einer siebten Ausführung der vorliegen den Erfindung in einer Draufsicht, wobei die Seite links der unterbrochenen Linie das Festplattenlaufwerk in einem Zu stand zeigt, in dem die obere Abdeckung entfernt ist, wobei die Seite rechts der unterbrochenen Linie den Aufbau einer Magnetplatte 111 und einer Armbaugruppe 112 zeigt, die mit der Platte 111 zusammenwirkt, wobei die Magnetplatte 111 und die Armbaugruppe 112 einen Teil einer Magnetplattenbaugruppe 110 bilden, in welcher eine Mehrzahl von Magnetplatten be züglich einander gestapelt sind.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 23A ist jede Magnetplatte 111 auf einer Nabe 111a montiert, die von einem Motor, der nicht dargestellt ist, angetrieben wird, und die Armbaugrup pe 112 enthält einen Schwingarm 112b, der an einer Schwing achse 112a gehalten ist, und einen Magnetkopf 112c, der an einem freien Ende des Arms 112b vorgesehen ist. Ferner ist eine Spule 112d, die einen Teil eines Schwingspulenmotors 113 bildet, an dem Arm 112b gemäß dem anderen freiem Ende entgegengesetzt dem ersten freien Ende, an dem der Magnet kopf 112c vorgesehen ist, vorgesehen, wobei die Spule 112d parallel zur Abtastoberfläche des Arms 112b gewickelt ist. Ferner sind Magnete 113a und 113b, die einen anderen Teil des Schwingspulenmotors 113 bilden, über und unter der Spule 112d angeordnet. Dadurch wird der Arm 112 um die Schwingach se 112a frei in Abhängigkeit vom Betrieb der Spule 112d ge dreht. Der Schwingspulenmotor 113 ist einer Servokontrolle ausgesetzt, so daß der Magnetkopf 112c, der an dem Arm 112b getragen ist, einen Zylinder oder einer Spur 111b richtig folgt, der/die auf der Magnetplatte 111 definiert ist.

Die Fig. 23B ist eine perspektivische Ansicht, die die interne Struktur des Festplattenlaufwerks von Fig. 23A zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 23B enthält die Magnet plattenbaugruppe 110 eine Mehrzahl von Magnetplatten 101, 101 ₂, . . ., die gemeinsam an der Drehnabe 111a gehalten sind, und die Armbaugruppe 112 enthält eine Mehrzahl von Armen entsprechend der Mehrzahl von Magnetplatten. Jeder Arm 112b ist an einem gemeinsamen drehbaren Bauteil 112e gehalten, das wiederum drehbar um die Schwingachse 112a gehalten ist, und alle Arme 112b werden gleichzeitig in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Bauteils 112e geschwungen. Natürlich wird das Bauteil 112e in Abhängigkeit vom Betrieb des Schwingspulenmotors 113 aktiviert. Ferner ist die gesamte Struktur der Festplattenvorrichtung innerhalb einer herme tisch abgedichteten Umhüllung 100A untergebracht.

Durch Verwendung des ferromagnetischen Tunnelübergangs- Magnetsensors jeglicher der ersten bis sechsten Ausführungen für den Lesekopf des Magnetkopfes 112c kann das Festplatten laufwerk eine Aufzeichnung und Wiedergabe von Informationen mit einer sehr hohen Dichte ausführen.

Bei jeder der vorhergehenden Ausführungen sollte beach tet werden, daß das Metall, das zum Bilden der Isolations barrierenschicht verwendet wird, durch nichts auf Al be schränkt ist, sondern daß jegliche Metallelemente, wie Nb, Hf oder Zr verwendet werden können.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Aus führungen, die bisher beschrieben wurden, beschränkt, son dern verschiedene Variationen und Modifikationen können durchgeführt werden, ohne den Umfang der Erfindung zu ver lassen.

Claims

1. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor, enthaltend:
eine erste ferromagnetische Schicht (21A, 30A),
eine Isolationsbarrierenschicht (21C, 30C), die auf der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet ist, welche Isola tionsbarrierenschicht einen Tunneloxidfilm enthält, und
eine zweite ferromagnetische Schicht (21B, 30B), die auf der Isolationsbarrierenschicht gebildet ist,
welche Isolationsbarrierenschicht eine Metallschicht enthält, die den Tunneloxidfilm darauf trägt, welcher Tun neloxidfilm aus einem Oxid eines Metallelementes gebildet ist, das die Metallschicht bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsbarrieren schicht eine Dicke von ungefähr 1,7 nm oder weniger hat, welche Dicke der Isolationsbarrierenschicht größer als eine molekulare Schicht in Form des Oxides ist, das den Tunne loxidfilm bildet.

2. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallele ment aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus A, Hf, Zr und Nb besteht.

3. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tun neloxidfilm ein natürlicher Oxidfilm der Metallschicht ist.

4. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tun neloxidfilm ein Plasmaoxidfilm der Metallschicht ist.

5. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht Sauerstoff mit einer Konzentration enthält, so daß die Konzentration von Sauerstoff in der Me tallschicht zu einer Grenzfläche zu der ersten ferromagneti schen Schicht hin zunimmt.

6. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement eine Bindungsenergie für Sauerstoff hat, die größer ist als eine Bindungsenergie für Sauerstoff eines Metallelements, das irgendeine der ersten und zweiten ferromagnetischen Schichten bildet.

7. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Diffusionsbarrierenschicht (42C) zwischen der Isolationsbarrierenschicht (40C) und der ersten ferroma gnetischen Schicht (40A) mit einer Dicke enthalten ist, die es einem beträchtlichen Tunnelstrom gestattet, dadurch hin durchzufließen.

8. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions barrierenschicht (42C) ein Oxidfilm ist, der auf einer Ober fläche der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet ist.

9. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsbarrierenschicht eine Mehrzahl von Metall schichten (40Ca-40Cc) und eine Mehrzahl von entsprechenden Tunneloxidfilmen enthält, und daß die Metallschichten, die einander benachbart sind, aus verschiedenen Metallelementen gebildet sind.

10. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Schichten (42A', 43B') eine Stapelung einer Mehrzahl von ma gnetischen Schichten enthält, und daß die magnetischen Schichten, die einander benachbart sind, verschiedene Zusam mensetzungen haben.

11. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine antiferromagnetische Schicht (22, 34, 44) benachbart zu einer der ersten und zweiten ferromagnetischen Schichten enthalten ist.

12. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die antiferro magnetische Schicht (22, 34, 44) wenigstens zwei Elemente enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt wurden, die aus Pd, Pt, Mn, Ir und Rh besteht.

13. Ferromagnetischer Tunnelübergangs-Magnetsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die antiferromagnetische Schicht (22, 34, 44) eine kristallogra phisch geordnete Gitterstruktur hat.

14. Magnetkopf, enthaltend einen ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensor (20, 30, 40, 50, 60, 70, 80), nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Magnetisches Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät, enthaltend ein magnetisches Aufzeichnungsmedium (110) und einen Magnetkopf (112c) nach Anspruch 14, der eine Oberflä che des magnetischen Aufzeichnungsmediums abtastet.

16. Verfahren zum Herstellen eines ferromagnetischen Tunnelübergangs-Magnetsensors, welcher ferromagnetische Tun nelübergangs-Magnetsensor eine erste ferromagnetische Schicht, eine Isolationsbarrierenschicht, die einen Tun neloxidfilm enthält und auf der ersten ferromagnetischen Schicht gebildet ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht enthält, die auf der Isolationsbarrierenschicht ge bildet ist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Auftragen einer Metallschicht (21C, 30C, 40C) auf der ersten ferromagnetischen Schicht (21A, 30A, 40A) mit einer Dicke von ungefähr 1,7 nm oder weniger, so daß die Metall schicht eine Dicke hat, die größer als eine molekulare Schicht hinsichtlich eines Oxides eines Metalls ist, das die Metallschicht bildet, und
Bilden des Tunneloxidfilms auf der Metallschicht durch Oxidieren einer Oberfläche der Metallschicht; und
Bilden der zweiten ferromagnetischen Schicht (21B, 30B, 40B) auf der oxidierten Oberfläche der Metallschicht.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß der Schritt des Oxidierens der Oberfläche der Me tallschicht so ausgeführt wird, daß die Metallschicht unter dem Tunneloxidfilm bleibt, und daß das Verfahren ferner nach dem Schritt des Oxidierens der Oberfläche der Metallschicht den Schritt des Glühens der Metallschicht bei einer Tempera tur von ungefähr 200°C-300°C enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß der Schritt des Glühens bei einer Temperatur von ungefähr 300°C ausgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schritt des Glühens in einer Vakuum umgebung ausgeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des Tun neloxidfilms den Schritt des natürlichen Oxidierens der Oberfläche der Metallschicht enthält.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des Tun neloxidfilms den Schritt der Plasmaoxidation der Oberfläche der Metallschicht enthält.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß ferner vor dem Bilden des Schrit tes der Metallschicht der Schritt des Bildens eines Oxid films auf einer Oberfläche der ersten ferromagnetischen Schicht mit einer Dicke enthalten ist, die ein beträchtli ches Tunneln von Elektronen durch den Oxidfilm gestattet.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich net, daß der Oxidfilm durch einen Plasmaoxidationsprozeß ge bildet ist.