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Diese
Anmeldung basiert auf der am 1. Oktober 1997 eingereichten JP 9-268998
A; deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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a) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Tunnelübergangsstruktur, ihr Herstellungsverfahren
und einen Magnetsensor, der eine solche Tunnelübergangsstruktur hat.
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b) Beschreibung der zugehörigen Technik
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In
einer laminierten Struktur aus einer Metallschicht, einer isolierenden
Schicht und einer Metallschicht, die in dieser Reihenfolge gestapelt
sind, fließt
ein Tunnelstrom, wenn Spannung über
die Metallschichten auf beiden Seiten angelegt ist, wenn die Dicke
der isolierenden Schicht ausreichend dünn ist (einige Ångström bis einige
zehn Ångström). Solch ein Übergang
wird ein Tunnelübergang
genannt. Ein Metalloxidfilm wird allgemein als der isolierende Film verwendet.
Zum Beispiel wird die Oberflächenschicht einer
Aluminiumschicht durch natürliche
Oxidation, Plasmaoxidation, thermische Oxidation oder ähnliches
oxidiert, um einen dünnen
Film aus Aluminiumoxid zu bilden. Durch Steuern der Oxi dationsbedingungen
kann die Dicke des Aluminiumoxid-Dünnfilms mit einigen Ångström bis einigen
zehn Ångström hergestellt
werden.
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Ein
Tunnelübergang,
bei dem die Metallschichten auf beiden Seiten aus ferromagnetischen Materialien
bestehen, wird ein ferromagnetischer Tunnelübergang genannt. Eine Tunnelwahrscheinlichkeit
(ein Tunnelwiderstand) des ferromagnetischen Tunnelübergangs
hängt von
den Magnetisierungszuständen
der magnetischen Schichten auf beiden Seiten ab. Daher kann, wenn
die Magnetisierungszustände
der magnetischen Schichten durch Anwenden eines externen magnetischen
Feldes geändert
werden, der Tunnelwiderstand gesteuert werden. Anders ausgedrückt kann
eine Änderung
im externen Magnetfeld an Hand einer Änderung in dem Tunnelwiderstand
dedektiert werden.
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Ein
Tunnelwiderstand R ist durch die folgende Gleichung gegeben: R = Rs + (1/2)ΔR(1 – cosθ) (1)wobei θ ein Winkel
zwischen Magnetisierungsrichtungen in den magnetischen Schichten
auf beiden Seiten ist. Rs ist ein Tunnelwiderstand beim Winkel θ von 0°, d.h., wenn
die Magnetisierungsrichtungen in den beiden magnetischen Schichten
parallel zueinander sind. ΔR
ist eine Differenz zwischen einem Tunnelwiderstand, wenn die Magnetisierungsrichtungen
in den beiden magnetischen Schichten parallel zueinander sind, und
einem Tunnelwiderstand, wenn sie umgekehrt parallel zueinander sind.
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Wie
von der Gleichung (1) zu sehen ist, wird der Tunnelwiderstand R
minimal, wenn die Magnetisierungsrichtungen in den beiden magnetischen Schichten
parallel zueinander sind, und wird maximal, wenn sie umgekehrt parallel
zueinander sind. Dies resultiert aus der Polarisation von Spins
von Elektronen in dem ferromagnetischen Material. Allgemein nimmt
ein Elektron entweder einen Aufwärtsspinzustand
oder einen Abwärtsspinzustand
ein. Ein Elektron im Aufwärtsspinzustand
wird ein Aufwärtsspinelektron
genannt, wohingegen ein Elektron im Abwärtsspinzustand ein Abwärtsspinelektron
genannt wird.
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In
nichtmagnetischem Material ist allgemein die Anzahl von Aufwärtsspinelektronen
gleich der Anzahl von Abwärtsspinelektronen.
Daher gibt es in dem nichtmagnetischen Material insgesamt keine Magnetisierung.
Andererseits sind in ferromagnetischem Material die Anzahlen von
Aufwärtsspin- und Abwärtsspinelektronen
verschieden. Daher gibt es in dem ferromagnetischen Material insgesamt
Aufwärts-
oder Abwärtsrichtungsmagnetisierung.
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Es
ist bekannt, daß jedes
Elektron durch das Tunnelphänomen
bewegt wird, während
es seinen Spinzustand behält.
In diesem Fall kann, obwohl ein Elektron tunneln kann, wenn es ein
leeres Energieniveau entsprechend dem Spinzustand des Elektrons, das
tunneln soll, in der Bestimmungsmagnetschicht gibt, nicht tunneln,
wenn es kein solches leeres Energieniveau gibt.
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Eine Änderungsrate ΔR/Rs des
Tunnelwiderstands ist gegeben durch ein Produkt eines Polarisationsfaktors
einer Elektronenquelle und jenem eines leeren Bestimmungsenergieniveaus,
wie folgt: ΔR/Rs = 2P1P2/(1 – P1P2) (2)wobei P1 ein Spinpolarisationsfaktor eines Elektrons einer
Elektronenquelle ist, und P2 ein Spinpolarisationsfaktor
eines leeren Energieniveaus einer Tunnelbestimmungsmagnetschicht
ist. P1 und P2 werden ausgedrückt durch P1,
P2 = 2(Nauf – Nab)/(Nauf + Nab), (3)wobei Nauf
die Anzahl von Aufwärtsspinelektronen oder
die Anzahl von Energieniveaus für
ein Aufwärtsspinelektron
ist, und Nab die Anzahl von Abwärtsspinelektronen
oder die Anzahl von Energieniveaus für ein Abwärtsspinelektron ist.
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Die
Polarisationsfaktoren P1 und P2 ändern sich
in Abhängigkeit
von der Art des ferromagnetischen Materials, und einige Materialien
nehmen einen Polarisationsfaktor von nahe 50% an. In einem solchen
Fall kann eine Widerstandsänderungsrate von
einigen zehn% größer als
eine widerstandsänderungsrate
der anisotrophen magnetoresistiven Effekte und der riesigen magnetoresistiven
Effekte erwartet werden.
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Ein
Metalloxid wird allgemein als ein isolierender Film einer ferromagnetischen
Tunnelübergangsstruktur
verwendet. Dieses Metalloxid wird durch Deponieren einer Metallschicht
und Oxidieren der Oberfläche
davon durch natürliche
Oxidation, Plasmaoxidation, thermische Oxidation oder ähnliches
gebildet. Dieses Isolationsfilmbildungsverfahren kann jedoch nur
die Oberflächenschicht
der Metallschicht oxidieren und eine unoxidierte Metallschicht in
der tiefsten Region belassen.
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Die
unoxidierte Metallschicht kann eine feste Lösung durch Reagieren mit der
magnetischen Schicht bei einem späteren Hochtemperaturprozeß bilden.
In diesem Fall wird eine Vierschichtstruktur aus magnetischer Schicht/Festlösungsschicht/Isolationsschicht/magnetischer
Schicht oder eine Fünfschichtstruktur
aus magnetischer Schicht/Festlösungsschicht/Metallschicht/Isolationsschicht/magnetischer
Schicht gebildet. Da eine feste Lösung nichtmagnetisch ist, sind
Elektronen in der festen Lösung nicht
spinpolarisiert. Daher wird der Polarisationsfaktor eines Elektrons,
das zwischen den magnetischen Schichten tunnelt, in der festen Lösung geschwächt, so
daß die
Widerstandsänderungsrate,
die durch die Gleichung (2) gegeben ist, absinkt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tunnelübergangsstruktur
zu schaffen, die eine große
Wider-standsänderungsrate
hat und zum Unterdrücken
der Bildung einer nichtmagnetischen Schicht an den Grenzflächen zwischen
den magnetischen Schichten und einer isolierenden Schicht eines
Tunnelübergangs
geeignet ist, und ihr Herstellungsverfahren und einen Magnetsensor
bereitzustellen, der eine solche Tunnelübergangsstruktur verwendet.
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Als
nächstliegender
Stand der Technik wird US-Z: J. Appl. Phys. 79, H. 8, S. 4724–4729 (1996), "Feromagnetic-Insulator-ferromagnetic
tunnelling: Spin-dependent tunneling and large magnetoresistance
in trilayer junctions (invited)" genannt.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Tunnelübergangsstruktur
zu schaffen, die gute elektrische Charakteristika hat und zum Unterdrücken einer
Interaktion zwischen der Metallschicht und isolierenden Schicht
eines Tunnelübergangs
geeignet ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Tunnelübergangsstruktur
geschaffen, enthaltend: eine erste magnetische Schicht, die über einem
Trägersubstrat
gebildet ist; eine Tunnelisolationsschicht, die über der ersten magnetischen Schicht
angeordnet ist, welche Tunnelisolationsschicht ein Metallelement
als ein Bestandteil enthält; eine
zweite magnetische Schicht, die über
der Tunnelisolationsschicht angeordnet ist; und eine Diffusionssperr-
oder -verhinderungsschicht, die zwischen der ersten magnetischen
Schicht und der Tunnelisolationsschicht angeordnet ist und aus Material
besteht, das gegenseitige Diffusion zwischen Metallatomen in der
ersten magnetischen Schicht und Metallatomen in der Tunnelisolationsschicht
unterdrückt,
wobei die Tunnelisolationsschicht und die Diffusionssperrschicht
jeweils eine Dicke haben, die es einem Tunnelstrom gestattet, zwischen
den ersten und zweiten magnetischen Schichten zu fließen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Tunnelübergangsstruktur
geschaffen, enthaltend die Schritte: Ablagern einer ersten magnetischen
Schicht auf einer Oberfläche
eines Basissubstrats; Bilden einer Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht,
die eine Dicke hat, die ausreichend ist, damit Elektronen dadurch
hindurchtunneln, durch Oxidieren oder Nitrieren einer Oberfläche der
ersten magnetischen Schicht; Deponieren einer Metallschicht auf
einer Oberfläche
der Diffusionssperrschicht, welche Metallschicht aus einem Metall
besteht, das durch Oxidation oder Nitridation in isolieren des Material
geändert
werden kann; Bilden einer Tunnelisolationsschicht durch Oxidieren
oder Nitrieren wenigstens einer Oberflächenschicht der Metallschicht;
und Ablagern einer zweiten magnetischen Schicht auf einer Oberfläche der
Tunnelisolationsschicht.
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Da
die Diffusionssperrschicht angeordnet ist, kann gegenseitige Diffusion
zwischen Metallatomen der ersten magnetischen Schicht und Metallatomen der
Tunnelisolationsschicht unterdrückt
werden, und die Bildung einer festen Lösung beider Atome kann verhindert
werden. Wenn eine feste Lösung
zwischen der magnetischen Schicht und der Tunnelisolationsschicht
gebildet wird, nimmt der Spinpolatisationsfaktor von Elektronen,
die zwischen den magnetischen Schichten tunneln, ab. Da die Bildung
einer festen Lösung
verhindert werden kann, ist es möglich,
die Elektronenspinpolarisation daran zu hindern, abgesenkt oder
verringert zu werden, und eine große Tunnelwiderstandsänderungsrate
zu erhalten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Tunnelübergangsstruktur geschaffen,
die eine erste Metallschicht, eine Tunnelisolationsschicht und eine
zweite Metallschicht hat, die in dieser Reihenfolge laminiert sind,
welche Tunnelübergangsstruktur
enthält:
eine Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht, die zwischen wenigstens
einer der ersten und zweiten Metallschichten und der Tunnelisolationsschicht
angeordnet ist, welche Diffusionsperrschicht gegenseitige Diffusion
zwischen Metallatomen der wenigstens einen der ersten und zweiten
Metallschichten und Atomen verhindert, die die Tunnelisolationsschicht
bilden.
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Da
gegenseitige Diffusion zwischen Metallatomen der Metallschicht und
Metallatomen der Tunnelisolationsschicht verhindert werden kann,
können erwartete
elektrische Charakteristika selbst bei einer hohen Temperatur erhalten
bleiben.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetsensor
geschaffen, enthaltend: eine erste magnetische Schicht, die auf
einem Trägersubstrat
ausgebildet ist; eine Tunnelisolationsschicht, die auf der ersten.
magnetischen Schicht angeordnet ist, welche Tunnelisolationsschicht
ein Metallelement als ein Bestandteil enthält; eine zweite magnetische
Schicht, die auf der Tunnelisolationsschicht angeordnet ist; eine
Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht, die zwischen der ersten
magnetischen Schicht und der Tunnelisolationsschicht angeordnet
ist und aus einem Material besteht, das gegenseitige Diffusion zwischen
Metallatomen in der ersten Magnetschicht und Metallatomen in der
Tunnelisolationsschicht verhindert; und Detektionseinrichtungen
zum Detektieren einer Änderung in
einem Tunnelwiderstand zwischen den ersten und zweiten magnetischen
Schichten, wobei die Tunnelisolationsschicht und die Diffusionssperrschicht
jeweils eine Dicke haben, die es einem Tunnelstrom gestattet, zwischen
den ersten und zweiten magnetischen Schichten zu fließen.
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Gegenseitige
Diffusion zwischen Metallatomen der ersten magnetischen Schicht
und Metallatomen der Tunnelisolationsschicht kann unterdrückt werden,
und die Bildung einer festen Lösung
beider Atome kann verhindert werden. Da die Bildung einer festen
Lösung
verhindert werden kann, ist es möglich,
die Spinpolarisation von Elektronen, die zwischen den magnetischen
Schichten tunneln, daran zu hindern, abgesenkt oder verringert zu
werden, die Tunnelwiderstandsänderungsrate
daran zu hindern, abgesenkt zu werden, und einen magnetischen Sensor
hoher Empfindlichkeit zu erhalten.
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Gemäß obigem
kann eine ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur, die gegen
Wärme höchst widerstandsfähig ist,
durch Unterdrücken
gegenseitiger Diffusion von Metallelementen, die die magnetischen
Schichten bilden, und einem Metallelement, das die Tunnelisolationsschicht
bildet, realisiert werden. Ein Magnetsensor und ein Magnetkopf hoher Wärmebeständigkeit
kann durch Verwenden solcher ferromagnetischer Tunnelübergangsstrukturen
hergestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind
eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht, die eine ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
Ausführung der
Erfindung zeigen.
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2 ist
ein Graph, der eine Externmagnetfeldabhängigkeit eines MR-Verhältnisses
der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
zeigt, die in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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3 ist
ein Graph, der eine Wärmebehandlungstemperaturabhängigkeit
eines MR-Verhältnisses
der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur zeigt,
die in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
ersten Modifikation der Ausführung
der Erfindung.
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
zweiten Modifikation der Ausführung
der Erfindung.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
dritten Modifikation der Ausführung
der Erfindung.
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7A und 7B sind
jeweils eine Draufsicht und eine Vorderansicht eines Magnetkopfes, der
die ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur der
Ausführung
oder ihre Modifikation verwendet.
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8A und 8B sind
Graphen, die eine Wärmebehandlungsabhängigkeit
auf gesättigte
Magnetisierung einer Co/Al-Laminatstruktur bzw. einer Co/CoO/Al-Laminatstruktur
zeigen.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Vor
dem Beschreiben der Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden Experimente beschrieben, die für die Evaluation
einer Reaktion zwischen Co und Al an der Grenzfläche zwischen einer Co-Schicht
und einer Al-Schicht einer Zweilagen- oder Zweischichtstruktur durchgeführt wurden.
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Die 8A ist
ein Graph, der gesättigte
Magnetisierung von Co-Schichten als eine Funktion einer Wärmebehandlungstemperatur
zeigt, welche gesättigte
Magnetisierung gemessen wurde, nachdem jede Zweilagenstruktur aus
der Co-Schicht von 3,0 μm
Dicke und einer Al-Schicht von 10 nm Dicke, die auf der Co-Schicht
gebildet wurde, thermisch behandelt wurde. Die Abszisse repräsentiert
eine Wärmebehandlungstemperatur
in der Einheit von °C,
und die Ordinate repräsentiert
gesättigte
Magnetisierung in der Einheit von emu. Eine Mehrzahl von Proben wurde
unter denselben Herstellungsbedingungen gebildet, und gesättigte Magnetisierung
jeder Probe wurde gemessen und gezeichnet oder geplottet. Wenn eine
Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 200°C
oder höher
ausgeführt
wird, nahm die gesättigte
Magnetisierung rapide ab. Dies kann fester Lösung zugeschrieben werden,
die durch gegenseitige Diffusion von Co und Al an der Grenzfläche zwischen
den Co- und Al-Schichten während
der Wärmebehandlung
gebildet wurde.
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Die 8B ist
ein Graph, der eine gesättigte Magnetisierung
als eine Funktion einer Wärmebehandlungstemperatur
zeigt, welche gesättigte
Magnetisierung gemessen wurde, nachdem jede Probenstruktur thermisch
behandelt wurde, und die Struktur wurde gebildet durch Deponieren
einer Co-Schicht, indem
sie der Atmosphäre
für 2 Stunden
ausgesetzt wurde, um einen natürlichen
Oxidfilm (CoO-Schicht) auf der Oberfläche der Co-Schicht zu bilden,
und danach durch Deponieren einer Al-Schicht. Eine Mehrzahl von
Proben wurde unter denselben Herstellungsbedingungen gebildet, und
eine gesättigte
Magnetisierung jeder Probe wurde gemessen und gezeichnet oder geplottet.
Die Dicke der Co- und Al-Schichten sind dieselben wie jene, die
in der 8A gezeigt sind. Selbst wenn
eine Wärmebehandlung
bei 350°C
ausgeführt
wurde, nahm gesättigte
Magnetisierung kaum ab. Dies kann der CoO-Schicht zugeschrieben
werden, die an der Grenzfläche zwischen
den Co- und Al-Schichten ausgebildet wurde, welche CoO-Schicht als
eine Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht fungiert.
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Als
nächstes
wird eine Ausführung
der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1A bis 3 beschrieben.
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Die 1A ist
eine Draufsicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur gemäß einer Ausführung der
Erfindung. Auf der Oberfläche
eines Si-Substrats wird eine untere magnetische Schicht 10,
die in der Vertikalrichtung in der 1A verläuft, ausgebildet.
Auf allgemein dem Zentralbereich der unteren magnetischen Schicht 10 wird
eine Zwischenschicht 20, die eine Tunnelisolationsschicht enthält, ausgebildet,
die die untere magnetische Schicht 10 bedeckt. Eine obere
magnetische Schicht 30 wird ausgebildet, die sich in der 1A in
der Horizontalrichtung erstreckt und die untere magnetische Schicht 10 in
dem Bereich kreuzt, der mit der Zwischenschicht 20 ausgebildet
ist. Zum Beispiel ist jede Schicht durch Sputtern unter Verwendung
einer Metallmaske ausgebildet, die eine Öffnung hat, die der Form jeder
Schicht entspricht.
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Ein
Spannungsmeßgerät 3 und
ein Strommeßgerät 2 sind
zwischen den unteren und oberen magnetischen Schichten 10 und 30 angeschlossen. Ein
Tunnelwiderstand kann von gemessenen Spannungen und Strömen berechnet
werden.
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Die 1B ist
eine Querschnittsansicht, die längs
der einfach punktierten Linie B1-B1 erfolgte, die in der 1A gezeigt
ist. Die untere magnetische Schicht 10, die auf der Oberfläche des
Si-Substrats 1 ausgebildet ist, hat eine la minierte Struktur,
die aus einer NiFe-Schicht 11, einer Co-Schicht 12 und einer CoO-Schicht 13 besteht.
In dieser Beschreibung ist, wenn ein Anteilsverhältnis jedes Bestandteils nicht explizit
gegeben ist, das Zusammensetzungsverhältnis nicht auf nur eine Kombination
beschränkt.
Zum Beispiel ist das Zusammensetzungsverhältnis von CoO nicht nur auf
Co/O = 1 : 1 beschränkt.
Die NiFe-Schicht 11 und Co-Schicht 12 sind in einem magnetischen
Feld parallel zur Substratebene und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
der unteren magnetischen Schicht 10 abgelagert. Die NiFe-Schicht 11 und
Co-Schicht 12 sind daher in der Richtung senkrecht zum
Zeichenblatt von 1B magnetisiert. Die Dicken
der NiFe-Schicht 11 und Co-Schicht 12 sind zum
Beispiel 17 nm bzw. 3,3 nm. Die CoO-Schicht 13 ist ein
natürlicher
Oxidfilm, der gebildet wurde, indem die Co-Schicht 12 in
der Atmosphäre
für eine
Stunde freigelegt ist. Plasmaoxidation, thermische Oxidation oder ähnliches
können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
Zwischenschicht 20, die auf der unteren magnetischen Schicht 10 gebildet
wurde, hat eine laminierte Struktur, die aus einer Al-Schicht 21 und
einer AlO-Tunnelisolationsschicht 22 besteht. Zum Beispiel
ist die Zwischenschicht 20 durch Deponieren einer Al-Schicht
von 1,3 nm Dicke und Aussetzen derselben in der Atmosphäre für 500 Stunden
zum natürlichen
Oxidieren der Oberflächenschicht
davon gebildet. Plasmaoxidation, thermische Oxidation oder ähnliches
können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
obere magnetische Schicht 30, die auf der Zwischenschicht 20 ausgebildet
wurde, hat eine laminierte Struktur, die aus einer Co-Schicht 31 von 3,3
nm Dicke, einer NiFe- Schicht
von 17 nm Dicke, einer FeMn-Schicht 33 von 45 nm Dicke
und einer NiFe-Schicht 34 von 8 nm Dicke besteht. Jede
Schicht, die die obere magnetische Schicht 30 bildet, wurde
in einem Magnetfeld parallel zur Substratebene und senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung der oberen magnetischen Schicht 30 deponiert.
Jede Schicht, die die obere magnetische Schicht 30 bildet,
ist daher in der Horizontalrichtung in der 1B magnetisiert.
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Der
Polarisationsfaktor von Co ist größer als jener von NiFe. Daher
kann durch Einfügen
der Co-Schicht 12 zwischen die NiFe-Schicht 11 und
die Zwischenschicht 20 und durch Einfügen der Co-Schicht 31 zwischen
die NiFe-Schicht 32 und die Zwischenschicht 20 die Änderungsrate ΔR/Rs eines Tunnelwiderstandes,
der durch die Gleichung (2) gegeben ist, groß gemacht werden. Die NiFe-Schicht 34 auf
der FeMn-Schicht 33 verhindert die Oxidation der FeMn-Schicht 33.
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Die
CoO-Schicht 13 verhindert die gegenseitige Diffusion zwischen
der Al-Schicht 21 und der unteren Co-Schicht 12 und
die Bildung einer festen Lösung
von Al und Co. Da die nichtmagnetische Al-Schicht 21 zwischen
die unter Co-Schicht 12 und die obere Co-Schicht 31 eingefügt ist,
wird befürchtet,
daß der
Spinpolarisationsfaktor eines Elektrons, das zwischen den oberen
und unteren Co-Schichten 12 und 31 tunnelt, herabgesetzt
ist und daher die Tunnelwiderstandsänderungsrate absinkt. Jedoch
ist die Gesamtdicke der Al-Schicht 21 und AlO-Schicht 22 sehr
dünn, wie
ungefähr
1,3 nm, so daß der
Spinpolarisationsfaktor eines Elektrons nur ein wenig abgesenkt
ist. Es wird daher angenommen, daß es bei einer praktischen
Verwendung kein Problem gibt.
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Wenn
die abgelagerte Al-Schicht über
die gesamte Dicke oxidiert wird, kann die Zwischenschicht 20 nur
durch die AlO-Schicht 22 strukturiert werden. In diesem
Fall ist die Spinpolarisation eines Elektrons nicht herabgesetzt.
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NiFe
ist ein ferromagnetisches Material, und FeMn ist ein antiferromagnetisches
Material. Die FeMn-Schicht 33 und NiFe-Schicht 32 der
oberen magnetischen Schicht 30 führen eine magnetische Austauschwechselwirkung
aus, so daß die
Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen NiFe-Schicht 32 fixiert
ist, ungeachtet eines externen Magnetfeldes. Ähnlich ist die Magnetisierungsrichtung
der Co-Schicht 31 der oberen magnetischen Schicht 30 fixiert.
Dagegen ändern
sich die Magnetisierungsrichtungen der NiFe-Schicht 11 und Co-Schicht 12 der
unteren magnetischen Schicht 10 mit einem externen magnetischen
Feld.
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Daher ändert sich,
so wie ein Magnetfeld extern auf die untere magnetische Schicht 10 angewandt
wird, ein relativer Magnetisierungswinkel der unteren Co-Schicht 12 und
der oberen Co-Schicht 31. Wenn sich der relative Magnetisierungswinkel ändert, ändert sich
der Tunnelwiderstand, wie an Hand der Gleichung (1) zu verstehen
ist. Eine Änderung
im externen magnetischen Feld kann daher durch Messen des Tunnelwiderstandes
mit dem Spannungsmeßgerät 3 und
dem Strommeßgerät 2 detektiert werden.
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Die 2 ist
ein Graph, der eine Magnetfeldabhängigkeit einer Tunnelwiderstandsänderungsrate (MR-Verhältnis) der
ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
zeigt, die in den 1A und 1B gezeigt
ist. Die Abszisse repräsentiert
ein externes magnetisches Feld in der Einheit von Oe, und die Ordinate
repräsentiert
ein MR-Verhältnis
in der Einheit von%. Zwei Kurven erscheinen, da sich ein MR-Verhältnis unterschiedlich
auf eine Weise bei einer Magnetfeldänderung von –100 Oe
bis + 100 Oe und auf andere Weise bei einer Magnetfeldänderung
von + 100 Oe bis – 100
Oe ändert.
Ein Magnetfeld wird längs
der Richtung senkrecht zum Zeichenblatt der 1B angewandt,
um die Magnetisierungsrichtung der unteren NiFe-Schicht 11 und
der unteren Co-Schicht 12 zu drehen und sie parallel oder
umgekehrt parallel zur Magnetisierungsrichtung der oberen Co-Schicht 31 zu
machen. Wenn. beide Magnetisierungsrichtungen parallel sind, wird
der Tunnelwiderstand minimal, wohingegen er, wenn sie umgekehrt
parallel sind, maximal wird. Das MR-Verhältnis ist definiert durch: MR ratio = (ρmax – ρmin)/ρmin (4)wobei ρmax und ρmin ein
maximaler Tunnelwiderstand bzw. ein minimaler Tunnelwiderstand sind.
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Wie
in der 2 gezeigt ist, wird ein MR-Verhältnis von
ungefähr
10% bei einem Magnetfeld von ungefähr 20 Oe erhalten.
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Als
nächstes
wird eine Änderung
im MR-Verhältnis
der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur,
die in den 1A und 1B gezeigt
ist, nach einer Wärmebehandlung
für eine
Stunde in einem Vakuum bei einem Druck von 1 × 10–5 Torr
beschrieben.
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Die 3 ist
ein Graph, der eine Wärmebehandlungsabhängigkeit
des MR-Verhältnisses
nach einer Wärmebehandlung zeigt.
Die Abszisse repräsentiert
eine wärmebehandlungstemperatur
in der Einheit von °C,
und die Ordinate repräsentiert
ein MR-Verhältnis
in der Einheit von%. Selbst wenn eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur
von 200 bis 300°C
ausgeführt
wird, verringert sich das MR-Verhältnis kaum. Dies kann der in
der 1B gezeigten CoO-Schicht 13 zugeschrieben
werden, die als eine Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht
fungiert, um gegenseitige Diffusion von Co und Al in der unteren
Co-Schicht 12 und Al-Schicht 21 zu verhindern und
die Bildung einer festen Lösung
von Al und Co zu verhindern.
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Eine
Zunahme im MR-Verhältnis
durch eine Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 300°C kann
dem zugeschrieben werden, daß Sauerstoffatome
in der CoO-Schicht 13 in die Al-Schicht 21 diffundieren und
eine AlO-Schicht bilden, die die nichtmagnetische Al-Schicht 21 beseitigt
oder dieses Schicht dünn
macht. Um solche Effekte sicherzustellen, ist es bevorzugt, Material
jeder Schicht auszuwählen,
so daß eine
Bindungsenergie zwischen jedem Metallelement (in diesem Fall Al),
das die Zwischenschicht 20 bildet, größer wird als eine Bindungsenergie
jedes Metallelements (in diesem Fall Co), das eine Schicht (in diesem
Fall Co-Schicht 12) in der unteren magnetischen Schicht 10 auf
der Seite der Zwischenschicht 20 bildet.
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Bei
dieser Ausführung
wird ein Co-Oxidfilm als die Diffusionssperrschicht verwendet, und
ein Al-Oxidfilm wird als die Tunnelisolationsschicht verwendet.
Die Diffusionssperrschicht und die Tunnelisolationsschicht können durch
Reagieren von Co und Al mit anderen Elementen, die von Sauerstoff verschieden
sind, gebildet werden, wenn diese Elemente mit Co und Al reagieren
und isolierendes Material bilden können. Zum Beispiel kann Nitrid
von Co und Al verwendet werden.
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Die 4 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
ersten Modifikation der Ausführung.
In der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur,
die in der 1B gezeigt ist, ist die Tunnelisolationsschicht 22 durch
natürliche
Oxidation einer Al-Schicht
gebildet. Jedoch ist es schwierig, eine Al-Schicht über die
gesamte Dicke zu oxidieren, und eine unoxidierte, Al-Schicht 21 kann
in dem tiefsten Bereich der Al-Schicht zurückbleiben.
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Bei
dieser ersten Modifikation werden Deponierung und natürliche Oxidation
einer Al-Schicht mehrmals ausgeführt.
Daher ist die Zwischenschicht 20A aus einer Mehrzahl von
AlO-Dünnschichten 20a bis 20c gebildet.
Zum Beispiel ist die Dicke jeder AlO-Dünnschicht 20a bis 20c auf
0,4 nm eingestellt. Die anderen Strukturen sind dieselben wie die
Ausführung,
die in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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Da
der Tunnelisolationsfilm 20A durch eine Mehrzahl von Prozessen
ausgebildet ist, ist die Dicke einer Al-Schicht, die durch einen
Oxidationsprozeß oxidiert
werden soll, dünn.
Daher kann die Al-Schicht über
die gesamte Dicke relativ leicht oxidiert werden. Die Tunnelisolationsschicht 10A ist
nicht darauf beschränkt,
aus drei Schichten gebildet zu sein, sondern sie kann aus zwei Schichten,
oder vier oder mehr Schichten gebildet sein.
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Eine
nichtmagnetische Al-Schicht wird nicht zwischen der unteren magnetischen
Schicht 10 und der oberen magnetischen Schicht 30 belassen,
oder selbst wenn sie zurückbleibt,
ist die verbliebene Al-Schicht sehr dünn. Ein großes MR-Verhältnis kann daher erwartet werden.
Jede Schicht, die die Zwischenschicht 20A bildet, kann
durch ein Oxid eines anderen Metallelements gebildet werden. Zum
Beispiel können
die dünnen
Schichten 20a und 20c durch AlO gebildet sein,
und die dünne
Schicht 20b kann durch NbO gebildet sein.
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Die 5 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
zweiten Modifikation der Ausführung.
Bei der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
der zweiten Modifikation sind die untere NiFe-Schicht 11 und
die obere NiFe-Schicht 32, die in der 1B gezeigt
sind, durch laminierte Strukturen 11A und 32A ersetzt,
die durch alternierendes Deponieren einer NiFe-Dünnschicht
und einer Fe-Dünnschicht
gebildet wurden. Zum Beispiel werden eine NiFe-Schicht von 2 nm
Dicke und eine Fe-Schicht von 2 nm Dicke abwechselnd in jeweils
fünf Schichten
laminiert. Die anderen Strukturen sind dieselben wie die Ausführung, die
in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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Eine
derartige Mehrlagenstruktur unterdrückt das Wachstum von Körnern während einer
Wärmebehandlung.
Wenn Körner
während
einer Wärmebehandlung
wachsen, wird die Tunnelübergangsstruktur
in einigen Fällen
gebrochen. Durch Unterdrücken des
Wachstums von Körnern
kann eine Wärmebeständigkeit
verbessert werden.
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Die 6 ist
eine Querschnittsansicht einer ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
gemäß einer
dritten Modifikation der Ausführung.
Bei der ferromagnetischen Tunnelübergangsstruktur
der dritten Modifikation ist die untere NiFe-Schicht 11,
die in der 1B gezeigt ist, durch eine laminierte
Struktur 11A ersetzt, die durch alternierendes Deponieren
einer NiFe-Dünnschicht
und einer Fe-Dünnschicht ähnlich der
zweiten Modifikation gebildet wurde, und die obere NiFe-Schicht 32 ist
durch eine laminierte Struktur 32B ersetzt, die durch alternierendes
Deponieren einer Co-Dünnschicht
und einer Cu-Dünnschicht
gebildet wurde. Zum Beispiel werden eine Co-Dünnschicht von 1,5 nm Dicke
und eine Cu-Dünnschicht
von 1 nm Dicke abwechselnd in jeweils fünf Schichten laminiert. Die
anderen Strukturen sind dieselben wie die Ausführung, die in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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Wenn
ein Mehrlagenfilm verwendet wird, der durch abwechselndes Deponieren
einer ferromagnetischen Dünnschicht
und einer nichtmagnetischen Dünnschicht
gebildet wird, und wenn die Dicke der nichtmagnetischen Dünnschicht
eingestellt ist, tritt ferromagnetische oder antiferromagnetische
Austauschwechselwirkung zwischen ferromagnetischen Dünnschichten
auf, die dann austauschgebunden sind. Bei der dritten Modifikation
treten antiferromagnetische Austauschwechselwirkungen zwischen Co-Dünnschichten
auf. Da diese laminierte Struktur 32B in Kontakt mit der
antiferromagnetischen FeMn-Schicht 33 hergestellt
ist, ist die Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Dünnschichten
der laminierten Struktur 32B fixiert, so daß dieselbe
Funktion der Ausführung,
die in den 1A und 1B gezeigt
ist, erhalten wird.
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Ferromagnetische
Austauschwechselwirkung kann ebenfalls durch Ändern der Dicke der nichtmagnetischen
Dünnschicht
der laminierten Struktur realisiert werden. Auch in diesem Fall
ist die Magnetisierungsrichtung der laminierten Struktur 32B fixiert,
und diese Struktur dient als eine Magnetisierungs fixierschicht.
Die Effekte des Unterdrückens
des Wachstums von Körnern,
die mit 5 erklärt wurden, können ebenfalls
erhalten werden.
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Die 7A ist
eine Draufsicht eines Magnetkopfes, der mit einem Festplattenlaufwerk
verwendet wird, welcher Magnetkopf die ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur
der Ausführung
oder einer der ersten bis dritten Modifikationen verwendet. Die 7B ist
eine Vorderansicht (einer Magnetplatte zugewandt) des Magnetkopfes,
der in der 7A gezeigt ist, wie er längs einer
Pfeilrichtung AR zu sehen ist. Unter Bezugnahme auf die 7A und 7B werden
die Struktur und Operation dieses Magnetkopfes beschrieben.
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Auf
einem Trägersubstrat 70 ist
eine untere Abschirmschicht 50, die aus NiFe, FeN oder ähnlichem
besteht, ausgebildet. Das Trägersubstrat 70 besteht
aus einem Basissubstrat aus Al2O3-TiC und einer Aluminium-(Al2O3-) Schicht, die darauf ausgebildet ist.
Auf der unteren Abschirmschicht 50 ist eine untere Gapschicht 51 ausgebildet,
die aus Al2O3 besteht.
Eine untere magnetische Schicht 52 ist auf einem teilweisen
Bereich der unteren Gapschicht 51 ausgebildet. Die Breite
WL der unteren magnetischen Schicht 52 ist zum Beispiel
0,8 μm.
CoCrPt-Schichten 53A und 53B sind auf beiden Seiten der
unteren magnetischen Schicht 52 ausgebildet und in Kontakt
mit den Seitenwänden
dieser Schicht 52. Die CoCrPt-Schichten 53A und 53B sind
elektrisch an die untere magnetische Schicht 52 angeschlossen.
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Auf
den CoCrPt-Schichten 53A und 53B sind Elektroden 54A und 54B,
die aus Ta, Ti, Cu, W oder ähnlichem
bestehen, ausgebildet. Die Elektroden 54A und 54B sind
elektrisch an die CoCrPt-Schichten 53A bzw. 53B angeschlossen.
Die CoCrPt-Schichten 53A und 53B sind
magnetisiert, so daß die
untere magnetische Schicht 52 eine einzelne magnetische
Domaine hat, um eine plötzliche Änderung
von Domainenwänden
zu unterdrücken
und eine Operationsinstabilität
abzuschwächen.
Eine Zwischenschicht 55 ist ausgebildet, die die untere magnetische
Schicht 52 und die Elektroden 54A und 54B bedeckt.
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Eine
obere magnetische Schicht 56 ist auf der Zwischenschicht 55 in
einem Bereich entsprechend der unteren magnetischen Schicht 52 ausgebildet.
Auf der oberen magnetischen Schicht 56 ist eine Elektrode 57,
bestehend aus Ta, Ti, Cu, W oder ähnlichem, ausgebildet. Die
Breite WH der oberen magnetischen Schicht ist zum Beispiel 0,5 μm. Eine obere
Gapschicht 58, die aus Al2O3 besteht, ist, die obere Elektrode 57 und
Zwischenschicht 55 bedeckend, ausgebildet. Auf der oberen
Gapschicht 58 ist eine obere Abschirmschicht 59,
die aus NiFe oder ähnlichem
besteht, ausgebildet.
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Die
untere magnetische Schicht 52, Zwischenschicht 55 und
obere magnetische Schicht 56 bilden eine ferromagnetische
Tunnelübergangsstruktur.
Diese ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur
ist dieselbe wie die ferromagnetische Tunnelübergangsstruktur der Ausführung oder
einer der ersten bis dritten Modifikationen.
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Wie
in der 7A gezeigt ist, ist eine Magnetplatte 60 einer
Seite zugewandt positioniert, die in der 7B gezeigt
ist. Die Magnetplatte 60 bewegt sich in einer Richtung
normal zur Ebene der unteren magnetischen Schicht 52, wobei
ein Spalt zu der in der 7B gezeigten
Seite aufrechterhalten bleibt. In Abhängigkeit von einem Magnetisierungszu stand der
Magnetplatte 60 werden die Größe und Richtung des Magnetfeldes,
das in der unteren magnetischen Schicht 52 erzeugt wird,
geändert.
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Die
oberen und unteren Abschirmschichten 50 und 59 helfen
dem Magnetkopf, nur eine Subjektmagnetisierungsinformation unter
Magnetisierungsinformationen aufzugreifen, die in der Magnetplatte 60 aufgezeichnet
sind, und entfernt den Einfluß,
der durch unnötige
nahe magnetische Informationen verursacht wird. Ein Abstand zwischen
den oberen und unteren Abschirmschichten 50 und 59 definiert
eine Aufzeichnungsdichte der Magnetplatte 60 in der Spurrichtung
(lineare Aufzeichnungsdichte).
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Beim
Lesen von Magnetisierungsinformation wird ein Konstantstrom durch
die linksseitige untere Elektrode 54A und obere Elektrode 57 geschickt,
und eine Spannung dazwischen wird detektiert. Ein Konstantstrom
kann durch die rechtsseitige untere Elektrode 54B und obere
Elektrode 57 geschickt werden, und eine Spannung zwischen
der linksseitigen unteren Elektrode 54A und oberen Elektrode 57 kann
detektiert werden. Diese Relation kann umgekehrt sein.
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Bei
der obigen Ausführung
und den Modifikationen werden Co und FeNi als ferromagnetisches Material
verwendet, und FeMn wird als antiferromagnetisches Material verwendet.
Andere Materialien können
ebenfalls verwendet werden. Obwohl isolierendes Material mit Al
als sein Bestandteilelement als der Tunnelisolationsfilm verwendet
wird, können
andere isolierende Materialien mit anderen Metallelementen als ihre
Bestandteilelemente ebenfalls verwendet werden.
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Bei
der obigen Ausführung
ist, obwohl der ferromagnetische Tunnelübergang, der eine laminierte
Struktur aus magnetischer Schicht/isolierender Schicht/magnetischer
Schicht hat, beschrieben wurde, die Erfindung ebenfalls auf einen
allgemeinen Tunnelübergang
anwendbar, der eine laminierte Struktur aus Metallschicht/Isolationsschicht/Metallschicht
hat. Durch Einsetzen einer Diffusionssperr- oder -verhinderungsschicht
zwischen der Metallschicht und der Isolationsschicht ist es möglich, eine feste
Lösung
bei einer hohen Temperatur zu bilden und eine Wärmebeständigkeit zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit den bevorzugten
Ausführungen
beschrieben. Die Erfindung ist nicht nur auf die obigen Ausführungen
beschränkt.
Es ist ersichtlich, daß verschiedene
Modifikationen, Verbesserungen, Kombinationen, und ähnliches
von Fachleuten durchgeführt werden
können.