DE2358875A1

DE2358875A1 - Magnetoresistives abfuehlelement

Info

Publication number: DE2358875A1
Application number: DE2358875A
Authority: DE
Inventors: Christopher Henry Bajorek; Sol Krongelb; Ashok Frank Mayadas
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-11-30
Filing date: 1973-11-27
Publication date: 1974-06-27
Also published as: GB1391150A; FR2209156B1; FR2209156A1; IT993903B; BE808069A; CH567785A5; ES420964A1; JPS4984631A; NL7316183A; CA960360A; SE392486B

Description

Aktenseichen der Anmelderin: YO 972 O86 Magnetoreslstlyes Abfühlelement

Öle vorliegende Erfindung betrifft ein siagnetoresistives Abfühlelement aus wenigstens einer dünnen metallischen Schicht für Abtastköpfe bei Magnetschichtspeichern.

Die Aufzeichnungsdichte in Magnetschichtspeichern jeder Art 1st in der Praxis extrem gross geworden, und es läßt sich ein weiteres Ansteigen vorhersehen. Hotgedrungen nüssen daher auch Magnetköpfe für Aufzeichnung und Abtastung entsprechend klein gehalten werden. Ein Material, das sich unter anderen dafür eignet, sehr kleine Magnetflächen abzutasten, ist weichiaagnetisches Material» wie eine Bisen-Nickel-Legierung hoher Permeabilität.

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OFTfGSNAL INSPECTED

Diese« Material wird vor allen dartm bevorzugt, weil damit ganz dünne Schichten von 2OO Ä bis lOOO St hergestellt werden können, die in schwachen Feldern ein Höchstmase an aagnetoresistiver JSmpfindlichkeit erreichen· Magnetoresistive Abfühlelemente sind bei Magnetsohlchtspeichern deshalb so stark in den Vordergrund gertickt, weil sie als Magnetfluss-Detektoren geschwlndlgkeitsunabh&ngig sind. Sie arbeiten bei kleinen Geschwindigkeiten so gut wie bei grossen, die heute in vielen Rechneranwendungen erw&nscht sind.

Dünne Permalloy-Schichten, z.B. der Grussenordnung 2OO-1OOO 8, welche brauchbare Ausgangssignale liefern sollen, müssen alt einer

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Stromdichte von iO -10 h/cm belegt werden. Diese Abfühlelemen-

te erhitzen sich bei so hoher Stroabelastung. Ist die mo erwärmte Schicht der Omgebungsatsesphlre ausgesetzt, so ergeben sich chemische Reaktionen der Nickel-Slsea-Legierung »it H20, 02, Cl und S, die u.U. besonders aggressiv sind, so daß Oxide, Chloride und Sulfide entstehen. Diese Oxidation bzw. Reaktion mit Gaskomponenten der umgebenden Atmosphäre hat eine Erhöhung der Koerzitivkraft des magnetoresistiven Abfühlelement«« zur Folge und kann schliesslich auch Diskontinuitäten in der Schicht entstehen lassen. In Legierungsschichten entstehen dann oft auch Oxidationen mit nur einer Komponente des betreffenden Materials. Damit verschlechtern sich aber dl« Eigenschaften einer magnetoresistiven Schicht, die als Abfühlelement verwendet wird, well sich so die Zusammensetzung der Metallschicht geändert hat. Beispielsweise kann aus einer Legierungsschleht mit 81 t Ni und 19 % Fe eine

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Schicht von 95 % Ml und 5 % Fe mit Eisenoxid «n der Oberfläche entstehen. Öle Vergröeserung der Koeraitlvkraft vermindert die Empfindlichkeit eines nagnetoreslstlven Abfühlelenents gegenüber einem magnetischen Streufeld, das einem gespeicherten Inforeatlonsbit entstammt. Das magnetoresistive Abfühlelement kann sogar völlig ausfallen, wenn seine Koerzitivkraft grosser wird als der Wert des abzutastenden magnetischen Streufeldes.

Die vorliegende Erfindung soll nun dazu beitragen, die erwähnten Veränderungen der auf ein Magnetfeld ansprechenden Schicht, Oxidation und andere chemische Reaktionen der Schicht oder einzelner, ihrer Komponenten, zu verhindern oder wenigstens auf ein erträgliches bzw. zulässiges Mass herabzusetzen.

Erfindungsgemäss ist hierzu vorgesehen, dass die auf magnetische Streufelder ansprechende metallische Schicht mit einer die Oxidation bzw. Reaktion des Metalles im wesentlichen verhindernden Schutzschicht überdeckt 1st.

In vorteilhafter Welse kann diese Schutzschicht aus Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid bestehen, bei einer Dicke genäse einer Weiterbildung der Erfindung von 4OO 8.

Dadurch gelingt es, wie sich zeigt, die Lebensdauer von Abfühle lernen ten, die aus solchen dünnen metallischen Schichten beste-* hen, erheblich zu verlängern. Nachstehend 1st die Erfindung im einzelnen an Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen

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erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 die Darstellung einer Anordnung zur Abtastung

von Magnetblasen mittels eines magnetoresitiven Abfühlelementes,

Flg. 2 die beispielhafte Anwendung eines magnetoresi-

stiven Abfühlelementes gemäss der Erfindung in einem aus Ottnnschlchten aufgebauten Magnetkopf, und

Fig· 3 einen vergrösserten Querschnitt durch ein

magnetoresistives Abfühlelement von Fig. 1 mit Schutzschicht aus ^Al ₂°3 ^{od#c si}3^N4^#

Die beste Anwendungemöglichkeit der vorliegenden Erfindung findet sich in Informationsspeichern auf der Basis der magnetischen Blasen. Eine solche Anordnung ist in der Fig. 1 abgebildet und deren Herstellung und Betrieb ist in der schweizerischen Patentschrift Mr. 522 937 beschrieben. Im allgemeinen weist eine magnetische Schicht 2, beispielsweise aus Orthoferrlt oder Granat, eine Vormagnetisierung der Feldstarke H senkrecht zur Ebene dieser Schicht auf. Diese

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Vormagnetisierung sorgt für Stabilisierung der magnetischen Domänen oder Blasen 4, deren Magnetisierungsrichtung der Magnetisierung Ms der Schicht 2 entgegengesetzt ist. Auf ein äusseres Vorspannfeld Hz kann verzichtet werden, wenn die Orthoferritschicht so hergestellt wird, dass ihre äusseren Oberflächen senkrecht zur Schichtebene permanent vormagnetisiert sind, und eine Austauschkopplung zum Material im Innern des Schichtkörpers ' 2 besteht. Diese Zustände sind in der US-Patentschrift Nr. 3.529.303 beschrieben. Die Blasen werden zu Beginn in der Magnetschicht 2 nach bekannten Methoden erzeugt, wie es im letztgenannten Patent erläutert ist. Darauf bewegen sie sich unter dem Einfluss verschie- · dener Treibeinrichtungen, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind aber zum. Wissens stand der Fachleute im Gebiet magnetischer Blasen gehören, in der Richtung des Pfeiles 6. "

Eine Fühleranordnung 8 für die Blasenbewegung umfasst ein magnetempfindliches Element 10 und eine damit verbundene Stromquelle Die Quelle 12 ist eine Konstant stromquelle, die" den Messtrom Is durch das Fühlerelement 10 schickt. Die Spannung, welche sich an den Klemmen des Fühlerelementes als Folge des Stromdurchflusses ausbildet, ist mit Vs bezeichnet und wird vom Messgerät 14 gemessen. Diese Spaunung zeigt an, ob in der engeren Umgebung des Fühler-

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elementes 10 eine Magnelblase vorhanden ist oder nicht.

Der Fühler 10 wird üblicherweise mit einer Achsrichtung leichter Magnetisierung hergestellt und der Stromfluss Is geht entlang dieser Richtung. Fehlt ein treibendes Magnetfeld, so verläuft die Magnetisierung M in Richtung der leichten Achse. Fehlt in der Ebene drin auch ein Magnetfeld, das auf die Existenz einer Magnetblase zurückzuführen ist, so bleibt der Vektor M in Richtung der leichten Achse des Fühlerelementes 10. Der Durchgang einer Blase 4 unter dem Fühlerelement bewirkt eine Drehung des Magnetisierungsvektors M in eine Richtung senkrecht zur leichten Magnetisierungsrichtung. Diese Drehung ihrerseits verursacht eine Widerstandsänderung des MR-Elementes und die daraus entstehende Spannungsänderung Is-AR wird vom Messinstrument 14 festgestellt. Für das MR-Fühlerelement 10 sind geeignete Materialien bekannt, von denen Permalloy in dünner Schicht von 200 - 1000 A Dicke bevorzugt wird. Die Permalloy schicht kann die Struktur eines Einkristalls haben oder polykristallin sein. * ■

Wie weiter oben schon erwähnt, verliert das ungeschützte Permalloy seine Wirksamkeit als Fühlerelement, wenn es oxidiert, weil die Oxidation eine Vergrösserung seiner Koerzitivkraft verursacht. Um

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die Magnetisierungsrichtung des MR-Elementes trotzdem zu drehen, muss demnach das in einer Blase gespeicherte Magnetfeld kräftiger sein. Foglich müssen die Magnetblasen grosser sein, um auf das Fühlerelement 10 eine Drehwirkung auszuüben, was zu einer geringeren Dichte gespeicherter Bits- führt. Erhöht die Oxidation die Koerzitivkraft tatsächlich auf einen Wert,der grosser ist als das magnetische Streufeld eines gespeicherten Bits, dann ist das MR-Element als Fühler zerstört.

In der Fig. 3 ist dargestellt, in welcher Weise das Fühlerelement 10 passiviert oder sonstwie vor dem schädlichen ,Einfluss der umgebenden Atmosphäre geschützt werden kann. Nachdem passende Anschlüsse in geeigneter Art hergestellt.worden sind, wird die Schicht 2 und das MR-Element 10 entweder mit einer Lage 18 Al O oder Si N übersprüht, deren Dicke das Doppelte des magnetoresistiven Elementes 10 ausmacht. Das MR-Element bewegt sich zwischen und 1000 A, so dass die passivierende Schicht 18 eine Dicke von 400 bis 2000 A erreichen kann. Als Trennung zwischen dem Granatmaterial 2 und dem MR-Element 10 Wird jedoch vorher ein dielektrisches Material S aufgebracht.

Die Fig. 2 zeigt nun schematisch, wie ein Abtastkopf 20, zur Ab-

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tastung von Magnetband, -platten oder ähnlichen Speichern gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut wird. Der Kopf 20 ist jenem aus der Fig. 1 in Struktur und Funktion ähnlich, ausser dass der MR-Fühler jetzt senkrecht zur Ausdehnung des Speicherraediums 22 steht. Der MR-Fühler steht durch magnetische Kopplung mit den Datenbits 24 des Speichermediums 22 in Beziehung. Die Strukturen der Fig. 1 und 2 sind einzig und allein als Illustrationen für ein Abtastelement aus metallischem MR-Material aufzufassen/ das vor schädlichen Bestandteilen der Atmosphäre geschützt werden muss. Alle Teile des Abtastkopfes 20 in Fig. 2 können durch Aufdampfen dünner Schichten hergestellt werden. Dabei wird dann das metallische MR-Element 10 während der Herstellung mittels Al₀O oder Si N passiviert. ·

Lt O O 4

Die Lehre der vorliegenden Erfindung erstreckt sich natürlich auch auf den Schutz anderei Dünnschicht-Fühler durch A1„O_

. Li

oder Si N . Auch andere Legierungen aus Ni-Fe, Ni-Fe-Co, Ni-Co oder Fe-Co können als Dünnschicht-Magnetfühler eine erheblich längere Lebensdauer erreichen, wenn sie wie hier beschrieben überdeckt werden. Es ist bekannt, dass für ein konstantes Magnetfeld eine dünne, magnetoresistive Permalloy-

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schicht in der Magnetisierungsrichtung rascher gedreht wird als eine dicke Schicht. Daher stammt auch der Bedarf an dünnen Schichten, Doch gerade sie sind der Zerstörung durch Oxidation weit mehr ausgesetzt als eine dicke Schicht MR-Material. Für letztere ist der störende Einfluss vernachlässigbar, weil die Oxidation nicht weit genug in das Metall eindringt, um dessen Koerzitivkraft zu verändern. Daher eignet sich die vorliegende Erfindung zur Passivierung dünner, metallischer Schichten von weniger als 1000 A Dicke, die für magnetische Abtastung verwendet werden. ·

Für die Anwendung dieser Erfindung ist es auch völlig belanglos, ob das Fühlerelement 10 aus Permalloy unter Ausnützung des Hall-Effektes oder seiner magnetoresistiven Eigenschaften zum Ansprechen auf ein Magnetfeld benutzt wird. Solch dünne Schichten werden meist durch eine hohe Stromdichte belastet, wodurch im Falle der Oxidation deren Zuverlässigkeit auch als Halleffekt-Fühler verlorengeht.

In vielen Halbleitervorrichtungen werden Al₂O₃ und Si-N dazu verwendet, unerwünschte Wanderungen von Ladungsträgern zu unterbinden. Desgleichen wurde in anderen Fällen verfahren, um

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mechanische Abnutzung zu verhindern. So wurde beispielsweise im Magnetspalt induktiver Aufzeichnungsköpfe AI O verwendet.. Die Notwendigkeit für dessen Verwendung, um die Oxidation von MR-Elementen zu verhindern, wurde indessen nicht erkannt. Die Wirksamkeit der Passivierung erhellt sich aus den nachstehenden Versuchen, die angestellt worden sind, um den Wert der Erfindung für Ni-Fe-Schichten zu beweisen. Abgesehen von kleineren Abweichungen gelten die erworbenen Erkenntnisse auch für andere Kombinationen von Ni-Co, Ni-Co-Fe und Fe-Co.

Eine ungeschützte, 200 A dicke Schicht aus Ni-Fe-Material wurde während 200 Stunden bei 250⁰C und einer Atmosphäre Druck in Luft geglüht.Dadurch erhöhte sich die Koerzitivkraft der Ni-Fe-Schicht in der harten Magnetisierungsrichtung von 1 auf 100 Oersted und das magnetische Moment verringerte sich um 40%. Bei Passivierung eine's ähnlichen Films mit einer 1/2 um dicken Schicht SiO„, die im Sprüh verfahren mit Quarz als Antikathode aufgebracht wurde, oder mit einer Schicht Schott-Glas von 1/2 um Dicke, die durch Verdampfen unter der Einwirkung eines Elektronenstrahls aufgebracht wurde, und nach einem Glühprozess mit den oben beschriebenen Bedingungen

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änderte sich die Koerzitivkraft von 1 auf 40 Oersted. Gleichzeitig konnte eine kleine aber messbare Verminderung des magnetischen Moments festgestellt werden. Nach Passivierung eines ähnlichen Films mit einer 1/2 um starken, aufgesprühten Schicht Al O oder Si N und anschliessendem Glühen, wie oben, konnten keine messbaren Aenderungen der magnetischen Eigenschaften bemerkt werden. Aehnliche Experimente, in einem Vakuum von 10 Torr, ausgeführt, bewiesen klar, dass Oxidation die magnetischen Eigenschaften verdirbt. Nach Glühen im Vakuum war keine Verschlechterung feststellbar.

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Claims

PATENTANSPRUCH

Magnetoresistives Abfühlelement aus wenigstens einer dünnen netalIisehen Schicht für Abtastköpfe bei Magnetschichtspeichern, dadurch gekennzeichnet, daß die auf aagnetische Streufelder ansprechende metallische Schicht nit einer die Oxidation bxw. Reaktion des Metalles In wesentlichen verhindernden Schutzschicht überdeckt ist.
2. Magnetoresistives Abfühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Al₃O₃ besteht.
3. Magnetoresistives Abfühleleraent nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daft die Schutzschicht aus Si-N^ besteht.
4. Magnetoresistives Abfühlelement nach einen der Ansprüche 1 bis 3/ dadurch gekennzeichnet« dafl die Schutzschicht wenigstens einer Dicke von 4OO R aufweist.
5. Magnetoresistives Abfühlelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht.
6. Magnetoresistives Abfühlelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht aus einer Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung besteht.

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7. Magnetoreslstives Abfühlelement nach Ansprach A, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht aus einer Eisen-Kobalt-Legierung besteht.
8. Magnetoresistives Abfühlelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dafl die aetalllsche Schicht aus einer Nickel-Kobalt-JLagierung besteht.

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