DE2650484C2

DE2650484C2 - Magnetoresistiver Dünnfilm-Abtastkopf und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2650484C2
Application number: DE2650484A
Authority: DE
Inventors: Christopher Henry Goldens Bridge N.Y. Bajorek; Robert Douglas Yorktown Heights N.Y. Hempstead; Sol Katonah N.Y. Krongelb; Ashok Frank Somers N.Y. Mayadas
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-11-18
Filing date: 1976-11-04
Publication date: 1981-09-24
Also published as: GB1534735A; FR2332587B1; JPS5640406B2; CA1068412A; NL7612457A; IT1075854B; US4024489A; DE2650484A1; JPS5262417A; FR2332587A1

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Dünnfilm-Abtastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. sowie ein zweckmäßiges Verfahren zu seiner Herstellung.

Magnetoresistive Abtastköpfe dienen der Abtastung magnetischer Aufzeichnungen, insbesondere von Dalenaufzeichnungcn. wie sie bei der Massenspeicherung von Daten in der Datenverarbeitung verwendet werden. Die magnetoresistiven Abtastköpfe haben dabei den besonderen Vorteil, daß die abgegebenen Signale unabhängig von der relativen Geschwindigkeit zwi sehen dem Sensor und dem Aufzeichnungsmedium sind.

Aus der DF.-OS 24 42 566 ist ein magnetoresistor Signalwandler bekannt, bei dem eine magnetoresistive Abtastschicht über einer Isolationsschicht auf einem magnetischen Schild angeordnet im. Gemäß einer in dieser Offcnlegungsschrift beschriebenen Ausführungs form kann eine Nebenschlußschicht aus Titan auf dieser magnetoresistiven Sensorschicht direkt angebracht sein. Auf dieser Titanschichi ist dann wiederum eine Isolationsschicht, beispielsweise am Siliciumdioxid angeordnet, die ihrerseits Grundlage für die Anordnung einer magnetoresistiven Vorspannschicht aus Permalloy bildet (Permalloy ist nach Römpps ChcmicLexikon, 7. Auflage, ein eingetragenes Warenzeichen der Bell Telephone Manufacturing Comp, für eine Serie Von Eiseh-Nickeiiegierungen mit 36—31% Nickel), Die notwendige Vorspannung, um den günstigen Arbcitsptinkt in der Scnsorschieht durch Verdrehung der Magnetisicrungsachse _/u erreichen, wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch erreicht, daß der Betriebsstrom durch die Abtaslschichl ein Magnetfeld in der Vorspannschicht erzeugt, welches seinerseits durch magnetostalische Kopplung rückwirkend die notwendige Drehung der Magnetisierungsrichtung in der eigentlichen Abtastschicht bewirkt.

Bei dieser bekannten Anordnung ist die ciagnetoresistive Abtastschicht bzw. die neben ihr angeordnete ίο Nebenschlußschicht von der magnetoresistiven Vor spannschichl durch eine Isolationsschicht getrennt. E-> hat sich bei Untersuchungen herausgestellt, daß in dieser Isolationsschicht störende elektrische Durchbrüche auftreten können, Qie eine Veränderung in dem Widerstandswert mit sich bringt, was dann wiederum zu Störsignalen führen kann mit entsprechend verminderter magnetischer und elektrischer Eigenschaft der gesamten Anordnung. Es ist bislang davon ausgegangen worden, wie beispielsweise die DE-OS 24 42 565 und die bereits genannte DE-OS :4 42 566 sowie eine Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin, VoI. 15, Nr. 9, Februar 1973. Seite 2680, zeigen, daß Isolationsschichten notwendig sind, um eine Verminderung der Signale zu vermeiden und um ein Funklionieren der gesamten Anordnung überhaupt zu ermöglichen.

Bei der eingangs genannten Anordnung, die aus der DE-OS 24 42 566 bekannt ist, ist es von der Struktur her sehr schwierig, die notwendigen elektrischen Kontakte mit der am Substrat anliegenden magnetoresistiven Abtastschicht herzustellen, da die elektrischen Leiter eine Diskontinuität in der Struktur verursachen, die ihrerseits Barkhausen-Rauschen verursachen und zum Aufbau von Kurzschlußkreisen neigen.

S5 Es ist weiterhin aufgrund von Untersuchungen festgestellt worden, daß bei Verwendung von Isolation diese in einer Größenordnung von etwa 1000 Ä Schichtdicke oder mehr liegen muß, um zuverlässig zu sein. Dabei erfordert andererseits "ine magnetische

4t) Effi/ienzüberlegung. d. h. eine Kopplung über die Isolationsschichten hinweg, eine Größenordnung von maximal 200 Ä. was wiederum zur Un/uverlässigkeit und Verminderung der obengenannten Eigenschaften führt.

■ij Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen magneloresistiven DünnfilmAbiasikopf anzugeben, der im Aufbau möglichst einfach ist und bei dem die beim Stand der Technik möglichen Veränderungen der Betriebsbedingungen infolge elektrischer Durchbrüche vermieden werden, so daß die gewonnenen Signale möglichst störfrei sind.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Abtastkopf erfindungsgemäß durch die in Anspruch I gcn.innten Merkmale gelöst

v, Is hai sich herausgestellt, daß überraschenderweise durch Verzicht auf die Isolation /wischen den einzelnen Schichten irot/dcm eine sehr gute Signalausbeute /u cr/iclen isl und dies bei erheblich vereinfachtem Aufbau eines solchen Dünnfilmabtasikopfcs. Dabei wird in

fto voricilhiifler Weise auch eine ganze Reihe von iiearbeitungsschrilicn überflüssig und insbesondere die

Grundlage für einfachste Aufbringung der elektrischen

Zuleitungen geschaffen,

Vorteilhafte Ausgestaltungen des crfindungsgemiiß

gestalteten Abla.stkopfcs sowie ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren sind in den Unlerafisprüchen niedergelegt.
In der nachfolgenden speziellen Beschreibung ist

unhand der Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten magnetoresistiven Abtuslkopfes und des im Ausführungsbeispiel gezeigten erfindungsgemäß gestalteten Abtastkopf Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung näher dargelegt. Die Figur zeigt im , einzelnen

Fig. IA eine perspektivische Anischt eines Teils eines aus dem Stande der Technik bekannten magnetoresistiven Abtastkopfes, wobei dieser jedoch in gewisser Weise ergänzt ist, was insbesondere die Strukturanord- m nung der elektrischen Zuleitungen anlangt;

Fig. IB zeigt eine Draufsicht auf den Kopf gemäß Fig. IA;

Fig. IC zeigt eine Vo.deransicht des in Fig. IA dargestellten Kopfes; ti

Fig. 2A zeigt in perspektivischer Darstellung eine magnetoresislive Abtaststruktur gemäß vorliegender Erfindung,

Fig. 2B zeigt eine Draufsicht auf den Kopf gemäß Fig. 2A;

Fig. 2C zeigt eine entsprechende Vorderansicht des in F i g. 2A dargestellten Kopfes;

F i g. 3 einen äquivalenten elektrischen Schaltkreis für die in den F i g. 2A bis 2C dargestellte erhndungsgemäße Ausführung.

In den Fig. IA bis IC ist eine Modifikation der Anordnung dargestellt, die in Fig. 5 der eingangs genannten DE-OS 24 42 566 gezeigt ist. Ein Substrat 20, das gleichzeitig eine magnetische Abschirmung bildet, ist mit einer Isolationsschicht 12 bedeckt. Auf dieser jo Schicht 12 ist eine im Vakuum aufgebrachte Schicht 10 als magnetoresistives Element aufgebracht. Auf dieser magnetoresistiven Schicht ist eine Nebenschlußschicht 26 angeordnet, die nicht magnetisch ist aber einen vergleichbaren spezifischen Widerstand hat und geeignet ist, einen in etwa vergleichbaren Strom zu führen. Diese Schicht kann aus Titan sein. Auf dieser Nebenschlußschicht 26 ist eine Isolationsschicht 27, beispielsweise aus Siliciumdioxid aufgebracht, die wiederum ν η einer dünnen Vorspannschicht 16 w bedeckt ist, welche aus Permalloy sein kann. Dieses Permalloy kann beispielsweise aus ca. 80% Nickel und 20% Eisen bestehen.

Die in der genannten DE-OS 24 42 566 dargestellte Anordnung beschäftigt sich nicht detailliert mit der Anordnung 1er elektrischen Leiter 2Ά und 30. die die Sensorschicht 10 und die Nebenschlußschicht 26 mit einer Stromquelle 24 verbinden. Solche Überlegungen der Anordnung sind jedoch in der Dünnfilmtechnologie sehr wesentlich. Der bcstt Weg für die Verbindung der Schichten 10 und 26 mit den Leiiern 28 und 30 scheint der in Fig. I dargestellte zu sein.bei dem sich die Leiter

28 und 30 unterhalb der Isolalionsschicht 27 und dem Vorspannfilm 16 erstrecken. Um den notwendigen Strom den Schichten 10 und 26 zuführen /u können, y, müssen die Leiter 28 und 30 in der Größenordnung von etwa 1000 A dick scm. Diese Dicke erforden. daß die Isolalionsschicht 27 und die Vorspannschicht 16 sich stufenweise über diese Leiter erstrecken. Dies führt /u dem Problem von Kur/Nchlußkreiscn durch die ho Isolationsschicht 27, die Vorzugsweise hier etwa 200 Ä dick ist und die in ihrer Diclrt nichl sehr gut an Kanten

29 gesteuert werden kafii>, an denen gerade die Leitungen, mit ihrer Dicke van etwa 1000 Ä, dicker als der Film 27 sein müssen. Es Sei angemerkt, daß nach der 6ί genannten DE-OS 24 42 566 die Isolationsschicht etwa 2000 Ä diek ist und von iijier Trennung zwischen der magnelorcsisliven Schicht 10 und der Vorspannschicht 16 von nur 500 bis 1000 A die Rede ist, was einen Konflikt heraufbeschwört, da die Dicke der Nebenschlußschii-hl 26 nur etwa 200 Ä betragt plus einer 2000 Ä dicken Isolationsschicht 27. die die Schichten insgesamt dann um ca. 2200 Ä oder zweimal die gewünschte Dicke voneinander trennt. Abgesehen davon, tritt in jedem Fall ein zusätzliches Problem dadurch auf, daß die Erstreckung der Vorspannschicht 16 über die Leitungen 28 und 30 durch die notwendige Treppenform eine sehr schwerwiegende magnetische Diskontinuität verursacht. An den Kanten oder Stufen 29 hat die Vorspannschicht eine vertikale Neigung, die Diskontinuitäten in der magnetischen Richtungsorientierung verursacht. Dadurch können Barkhausen-Rauschen entstehen, was auf magnetische Domänen an diesen Kanten 29 zurückzuführen ist.

In den F i g. 2A bis 2C ist die gemäß der Erfindung ausgestaltete Magnetkopfanordnung in ähnlicher Weise dargestellt wie die in rten F i g. IA bis IC gezeigte bekannte Anordnung. Ein Substrat 60 ist <r<t einer dielektrischen Schicht 52 beschichtet, die vorzugsweise aus Glas besteht. Auf dieses Substrat ist eine dünne Schicht 50 als magnetoresistive Sensorschicht aufgebracht, die aus Permalloy. Nickeleisen, von ca. 200 bis 600 Ä Dicke besteht und bei einer Substrattemperatui im Bereich von 250 C aufgedampft ist. Die dielektrische Schicht 52 ist sehr glatt, um eine sehr gute magnetoresistive Widerstandsschicht zu erhalten. Eine dünne Schicht 66 von ca. 100 Ä bis 200 Ä Dicke aus einem Material, welches einen hohen spezifischen elektriscnen Widerstand als Leiter hat, andererseits ab^r nicht magnetisch ist. wie Titan, ist auf diese magnetoresisii.c Sensorschicht 50 bei Raumtemperatur aufgebracht. Die Aufbringung des Titans bei Raumtemperatur reduziert dessen Korngröße. Schließlich ist eine dritte Dünnschicht 56 von etwa 140 Ä bis 425 Ä Dicke eines hart oder weichmagnetischen Vorspannmaterials, wie beispielsweise Permalloy-Nickeleisen. oder Nickeleisen, oder CoCr auf dem Film 66 aufgebracht. Wenn diese Vorspannschicht aus demselben Material hergestellt wird wie die magnetoresistive Sensorschicht 50. sollte diese Schicht 56 etwa 0.707 der Dicke der magnetoresistiven Schicht 50 beiragen.

Durch selektives Ätzen mit Hilfe der Photoiosisttechnik kann in einem einzigen Schritt die not .vendige Form der Schichtstruktur erzielt werden, beispielsweise wie dargestellt ein auf dem Kopf stehender U-förmiger Randstreifen. Dadurch wird zum einen durch den oberen Querbalken des großen U der notwendige Sensorstreifen hergestellt und /um anderen durch die beiden Beine die AuHage für die elektrischen /uleitun gen 68 und 70. die auf diesen Beinen des auf dem Kopf stehenden U-förmigen Randstreifen aufgebracht werdeii. t.s sind jedoch auch andere Formen für die magnetoresistive Sensorsiruktur möglich, beispielsweise daß diese rechtwinklig ist und die Leitungen in Stufen über die Enden der Struktur hinweggeführi sind. Die Ablagerung der Ncbenschlußschicht 66 aus Titan bei niedriger Tcmpcrr'ur bringt vorteilhafterweise eine erhebliche Verkleinerung des Anstiegs der Koer/itiv kraft, die normalerweise bei Ablagerung magnetischen Materials über einer Schicht beobachtet wird, Weil bei dieser Temperatur die Korngröße der Nebenschluß· schicht 66 wesentlich reduziert ist.

Es sei angemerkt, ,!aß die Schicht 56 dünner als die Schicht 50 bei Verwendung von Permalloy-Nickeleisen für beide Schichten ausgewählt wird, so daß sie in die Sättigung gehl und nicht in der Lage ist den

(Tiagnctorcsistiven Elffekt /u umerbim en. Diese Sättigung wird durch das magnetische FHd erreicht, das durch den Betriebsslrom in der Scnsorschicht 50 und der Nebenschlußschichl 66 erzeugt wird.

Eine Frage die sich durch die unmittelbare Anordnung und Plazierung der Nebenschluß.« :hicht 66 und der Vorspannschicht 56 parallel und ohne elektrische Isolation neben der niagnetoresistiven Schicht 50, wie in den Fig.2A bis 2C dargestellt, ergibt, ist die, bis zu welchem Grade die parasitären Nebe lschlußwiderslände dieser Schichten den Signalausgang vermindern.

In Fig.3 ist eine äquivalente'elektrische' Blockschaltüng für die Saridwichslrükiur der Fig. 2A bis 2C dargestellt. Ein im Arbeitspunkt vorgespannter Magnciwidersiarid mit einem Widerstandswert R ohne jeden Nebenschluß besitzt eine Wechsclströniausgangsspannung von / · AR, wobei AR die durch ein magnetisches Feld verursachte Widerstandsänderung ist und wobei der Ablsisi- bzw: Bctricbsslrorn / hs^reni-ii isi durch Überlegungen, die mit der Verlustleistung (I¹R) zusammenhängen.

Ein im Arbeitspunkt vorgespannter Magnctwidcrstand mit dem Widerstand R. der mit einem Nebenschlußwiderstand ßR verbunden ist, weist eine Ausgangswechsclspafinung von l'ARß/\ + β auf. Der Strom /'kann jedoch von größcrem Wert als /sein, da

', die Kombination aus Magnetwiderstand und Ncbcnschlußschicht einem höheren Strom widerstehen kann, als der Magnetwiderstand alleinc bei gleicher Verlustleistung (JiRfII I + ß).

Für die Dimensionen und die Materialien, die im

κι Zusammenhang mit den Fig.2A bis 2G beschrieben worden sind, liegt der Wert von β nahe bei eins und /' entspricht etwa deni i,4fachcn von /. Deswegen gibt dec in den F i g. 2A bis 2G dargestellte Abtastkopf etwa 70% des maximalen Ausgangssignals eines Magnctwidcr-

standsscnsors abv der keinen Ncbcrischiiiß aufweist. Der damit verbundene Verlust an Signalaniplitude wird im Hinblick auf die' Ausschaltung von Unzuverlässigkeiten jedoch als tragbar angesehen. Unzuverlässigkeiten die durch Ausbrüche und DurGhsGhlägc in dsn dünnen

2ö Isolationsschichlen auftreten können und zu Störsighalen führen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetoresistiver Dünnfilm-Abtastkopf für die Abtastung magnetischer Aufzeichnungen, insbesondere Datenaufzeichnungen, mit auf einem Substrat aufgebrachter dünner magnetoresistiver Schicht, mit einer direkt daran anschließenden, elektrisch leitenden Nebenschlußschicht aus Titan und mit einer weiteren, der magnetischen Vorspannung dienenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die der magnetischen Vorspannung dienende Schicht (56) ohne Zwischenschaltung einer Isolationsschicht direkt auf die Nebenschluß-Schicht (6) aufgebracht ist und daß auf die der magnetischen Vorspannung dienende Schicht (56) die elektrischen Zuleitungen (68,70) direkt aufgebracht sind.

2. Magnetoresistiver Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistive Schicht (50) eine Dicke von ca. 200 bis 600 Ä, die elektrisch lebende Nebenschluß-Titanschichi (66) eine Dicke van etwa 100 bis 200 Ä und die der magnetischen Vorspannung dienende Schicht (56) eine Dicke von etwa 140 bis 425 Ä aufweist.

3. Magnetoresistiver Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der magnetischen Vorspannung dienende Schicht (56) aus weich- oder hartmagnetisctiem Material oder aus einer Kobalt-Chromlegierung besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines Abtastkopfes nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistive Schicht (50) bei einer Temperatur von etwa 250°C auf das Substrat (60, 52) aufgtbracht wird und daß die elektrisch leitende Nebe.isihluß-Titanschicht (66) bei Raumtemperatur aufgebracht /ird.