DE60200949T2 - Magnetoresistives element und dieses verwendender magnetoresistiver lesekopf, magnetisches aufnahmegerät und magnetoresistiver speicher - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element (nachfolgend als "MR-Element" abgekürzt) und magnetische Vorrichtungen, bei denen dieses verwendet wird. Das MR-Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für einen magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf zum Lesen von Informationen von Medien, wie Magnetplatten, magnetooptischen Platten und Magnetbändern, einen magnetischen Sensor, der in Automobilen oder dergleichen verwendet wird, und eine magnetoresistive Speichervorrichtung (d. h. einen magnetischen Direktzugriffsspeicher, nachfolgend als "MRAM" abgekürzt).
  • Stand der Technik
  • Ein mehrschichtiger Film, bei dem wenigstens zwei magnetische Schichten und wenigstens eine nichtmagnetische Schicht alternierend gestapelt sind, kann einen großen Magnetowiderstandseffekt bereitstellen, der als Riesen-Magnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt) bezeichnet wird. In dem mehrschichtigen Film ist die nichtmagnetische Schicht zwischen zwei magnetischen Schichten (d. h. magnetische Schicht/nichtmagnetische Schicht/magnetische Schicht/nichtmagnetische Schicht/...) positioniert. Der Magneto widerstandseffekt ist ein Phänomen des elektrischen Widerstands, das sich mit einer relativen Differenz in der Magnetisierungsrichtung zwischen den magnetischen Schichten ändert.
  • Ein GMR-Element verwendet ein leitendes Material in der Art von Cu und Au für die nichtmagnetische Schicht. Im allgemeinen fließt ein Strom parallel zur Filmoberfläche (CIP-GMR-Strom in der Ebene GMR). Andererseits wird ein GMR-Element, das das Fließen eines Stroms senkrecht zur Filmoberfläche ermöglicht, als CPP-GMR bezeichnet (der Strom fließt senkrecht zur Ebene GMR). Das CPP-GMR-Element hat ein größeres Änderungsverhältnis des Magnetowiderstands (MR-Verhältnis) und einen kleineren Widerstand als das CIP-GMR-Element.
  • Ein Spin-Valve-Element, das eines der GMR-Elemente ist, benötigt kein großes Betriebsmagnetfeld. Dieses Element weist eine freie magnetische Schicht (eine freie Schicht bzw. free layer) und eine angelenkte bzw. festgesteckte magnetische Schicht (eine festgesteckte Schicht bzw. pinned layer) auf, die eine nichtmagnetische Schicht einschließen. Das Spin-Valve-Element verwendet eine Änderung eines durch die Magnetisierungsrichtungen der zwei magnetischen Schichten gebildeten relativen Winkels, die durch eine Magnetisierungsdrehung der freien Schicht (free layer) hervorgerufen wird. Beispiele für das Spin-Valve-GMR-Element umfassen ein Element, bei dem FeMn, das ein antiferromagnetisches Material ist, für eine Magnetisierungsdrehungs-Unterdrückungsschicht verwendet wird und diese Schicht auf einen mehrschichtigen NiFe/Cu/NiFe-Film gestapelt ist. Wenngleich dieses Element ein kleines Magnetfeld benötigt und eine ausgezeichnete Linearität aufweist, ist das MR-Verhältnis klein. Es wurde über ein anderes Spin-Valve-GMR-Element berichtet, bei dem ein ferromagnetisches CoFe-Material für die magnetische Schicht und antiferromagnetische PtMn- und IrMn-Materialien für die antiferromagnetische Schicht verwendet werden, wodurch das MR-Verhältnis verbessert wird.
  • Verschiedene magnetische Materialien zur Verwendung in einem Spin-Valve-Element sind in den Druckschriften DE 198 48 776 A , EP 0 717 422 A , EP 0 871 231 A und EP 0 674 327 A beschrieben.
  • Zum Erreichen eines sogar noch höheren MR-Verhältnisses wurde auch ein Element vorgeschlagen, bei dem ein isolierendes Material für die nichtmagnetische Schicht verwendet wird. Der durch dieses Element fließende Strom ist ein Tunnelstrom, der stochastisch durch eine Isolierschicht hindurchtritt. Es wird erwartet, dass das Element (als ein TMR-Element bezeichnet) ein großes MR-Verhältnis aufweist, wenn die Spinpolarisation der magnetischen Schichten, die die Isolierschicht einschließen, zunimmt. Dementsprechend ist ein magnetisches Metall, wie Fe, eine CoFe-Legierung und eine NiFe-Legierung, ein halbmetallisches ferromagnetisches Material oder dergleichen, für die magnetische Schicht geeignet.
  • Wenn ein MR-Element mit einer Erhöhung der Aufzeichnungsdichte eines Magnetkopfs oder einer MRAM-Vorrichtung in der Zukunft immer kleiner wird, muss das MR-Element ein noch größeres MR-Verhältnis aufweisen.
  • Um ein großes MR-Verhältnis in einer Vorrichtung bereitzustellen, muss das MR-Element auch eine verringerte Beeinträchtigung der Eigenschaften durch die Wärmebehandlung aufweisen. Der Herstellungsprozess eines Magnetkopfs beinhaltet im allgemeinen eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von etwa 250°C bis 300°C. Es gab beispielsweise Untersuchungen an einer MRAM-Vorrichtung, die durch Bilden eines TMR-Elements auf CMOS hergestellt wird. Bei einem solchen CMOS-Prozess ist die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen von etwa 400°C bis 450°C unvermeidlich. Wenngleich der Grund für die Beeinträchtigung des MR-Elements durch die Wärmebehandlung gegenwärtig noch nicht vollständig geklärt ist, kann die Diffusion von Atomen in die Grenzfläche zwischen einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht die Beeinträchtigung beeinflussen.
  • Abhängig von einer zu verwendenden Vorrichtung, sollte bei den Bearbeitungstemperaturen vorsichtig vorgegangen werden. Wenn es auf einem Festplattenlaufwerk (HDD) angebracht ist, muss das MR-Element eine thermische Stabilität bei einer Temperatur von etwa 150°C aufweisen, was die Arbeitstemperatur der HDD ist.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, ist ein Element mit einem großen Magnetowiderstands-Änderungsverhältnis (MR-Verhältnis), insbesondere ein MR-Element, das selbst nach der Wärmebehandlung ein hohes MR-Verhältnis aufweisen kann, bei der praktischen Verwendung sehr wichtig. Ein herkömmliches MR-Element ist jedoch nicht ausreichend, um die vorstehende Anforderung zu erfüllen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein ferromagnetisches Material MX verwendet, das ein magnetisches Element M und ein nichtmagnetisches Element X aufweist. Ein MR-Element der vorliegenden Erfindung weist einen mehrschichtigen Film auf, der zumindest zwei magnetische Schichten und zumindest eine zwischen den beiden magnetischen Schichten angeordnete nichtmagnetische Schicht aufweist. Der Widerstandswert ändert sich mit einem durch die Magnetisierungsrichtungen der zumindest zwei magnetischen Schichten gebildeten relativen Winkel. Zumindest eine der magnetischen Schichten weist ein durch M100–aXa, insbesondere durch M100–a(X1 bX2 cX3 d)a ausgedrücktes ferromagnetisches Material MX auf.
  • Hierbei ist X1 zumindest ein aus der aus Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au bestehenden Gruppe ausgewähltes Element, X2 zumindest ein aus der aus Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Zn und Elementen der Lanthanoidreihe (Elementen mit Atomzahlen 57 bis 71) bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und X3 zumindest ein aus der aus Si, B, C, N, O, P und S bestehenden Gruppe ausgewähltes Element.
  • Weiterhin erfüllen a, b, c und d die folgenden Gleichungen 0,05 ≤ a ≤ 60, 0 ≤ b ≤ 60, 0 ≤ c ≤ 30, 0 ≤ d ≤ 20 und a = b + c + d.
  • Alle zum Angeben der Zusammensetzungen in dieser Beschreibung verwendeten Werte beruhen auf Atomprozent (at%).
  • Das MR-Element der vorliegenden Erfindung kann ein großes MR-Verhältnis bereitstellen. Es wird davon ausgegangen, dass der Grund hierfür der Folgende ist: Durch das Hinzufügen des nichtmagnetischen Elements X wird eine Änderung des Betrags eines magnetischen Moments eines magnetischen Elements hervorgerufen, was zu einer Erhöhung der Spinpolarisation führt. Um diesen Effekt beträchtlicher zu machen, ist es bevorzugt, dass a im Bereich von 0,05 bis 50 und insbesondere im Bereich von 1 bis 40 liegt.
  • Das MR-Element der vorliegenden Erfindung weist auch eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf. Der Grund hierfür ist gegenwärtig nicht ganz klar, es wird jedoch davon ausgegangen, dass er der Folgende ist: Durch das Hinzufügen des nichtmagnetischen Elements X wird die Wirkung der atomaren Diffusion an der Grenzfläche zwischen einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht verringert und auf diese Weise die Grenzfläche stabilisiert. Das MR-Element der vorliegenden Erfindung ist wegen seiner ausgezeichneten thermischen Stabilität für Anwendungen verschiedener Vorrichtungen geeignet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung, das sich von dem vorstehend erwähnten unterscheidet.
  • 7 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung, das mehrere festgesteckte Schichten (pinned layers) aufweist,
  • 8 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung, das mehrere angelenkte Schichten (pinned layers) aufweist.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung, bei dem weiter eine nichtmagnetische Schicht aufgelegt ist.
  • 10 zeigt eine Schnittansicht eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung, bei dem weiter eine Elektrode bereitgestellt ist.
  • 11 zeigt ein Beispiel eines abgeschirmten magnetoresistiven Magnetkopfs der vorliegenden Erfindung.
  • 12 zeigt ein Beispiel eines magnetoresistiven Magnetkopfs mit einem Joch der vorliegenden Erfindung.
  • 13 zeigt ein Beispiel einer magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 14 zeigt ein Beispiel einer magnetischen Speichervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 15A und 15B zeigen Beispiele für Schreib- und Lesevorgänge einer magnetischen Speichervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 16A und 16B zeigen weitere Beispiele für Schreib- und Lesevorgänge einer magnetischen Speichervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 17A und 17B zeigen weitere Beispiele für Schreib- und Lesevorgänge einer magnetischen Speichervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 18 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem Standard-MR-Verhältnis, die in einem Beispiel gemessen wurde.
  • 19 zeigt die Beziehung zwischen einem Pt-Gehalt und einem Standard-MR-Verhältnis, die in einem Beispiel gemessen wurde.
  • 20 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem Beispiel gemessen wurde.
  • 21 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem anderen Beispiel gemessen wurde.
  • 22 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem anderen Beispiel gemessen wurde.
  • 23 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem anderen Beispiel gemessen wurde.
  • 24 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem anderen Beispiel gemessen wurde.
  • 25 zeigt die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur und einem MR-Verhältnis, die in einem anderen Beispiel gemessen wurde.
  • 26A und 26B zeigen Diagramme, die zum Erklären eines Verschiebungsmagnetfelds verwendet werden.
  • Beste Art der Durchführung der Erfindung
  • Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Das nichtmagnetische Element X sollte in drei Typen X1, X2 und X3 klassifiziert werden und in einem geeigneten Bereich verwendet werden, der entsprechend jedem der Typen fest gelegt worden ist.
  • Die nichtmagnetischen Elemente X1 sind die Platingruppenelemente (Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt), die jeweils mehr Elektronen der äußeren Schale (d-Elektronen) als Fe aufweisen, und Cu, Ag und Au, die jeweils zehn d-Elektronen aufweisen. Insbesondere sind die Platingruppenelemente dadurch gekennzeichnet, dass sie einen erheblichen Magnetismus aufweisen, wenn sie zu dem magnetischen Element M hinzugefügt werden, und die Spinpolarisation verglichen mit anderen Elementen erhöhen. Daher sind sie beim Bereitstellen eines höheren MR-Verhältnisses vorteilhaft. Weil die Platingruppenelemente einen großen Atomdurchmesser aufweisen und auch chemisch stabil sind, sind sie auch beim Erreichen der Vorrichtungsprozeßstabilität in der Übergangskonfiguration des MR-Elements, d. h. einer höheren thermischen Stabilität, nützlich.
  • Die nichtmagnetischen Elemente X2 sind Übergangsmetallelemente, die jeweils weniger Elektronen der äußeren Schale als Fe aufweisen. Selbst wenn diese Elemente zu dem magnetischen Element M hinzugefügt werden, kann die Spinpolarisation erhöht werden, um das MR-Verhältnis zu verbessern.
  • Die nichtmagnetischen Elemente X3 sind nichtmetallische Elemente. Durch das Hinzufügen dieser Elemente zu dem magnetischen Element M wird ermöglicht, dass das Material mikrokristallin oder amorph wird. Wenn diese Elemente hinzugefügt werden, kann das MR-Verhältnis durch eine Änderung der Kristallstruktur erhöht werden, wodurch die Übergangskonfiguration stabilisiert wird.
  • Wenn das ferromagnetische Material MX zumindest eines von X1 und X2 (b + c > 0) aufweist, kann ein MR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis bereitgestellt werden. Wenn es insbesondere sowohl X1 als auch X2 aufweist (b > 0, c > 0), kann ein MR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis, einer ausgezeichneten thermischen Stabilität und einer gesteuerten magnetischen Anisotropie bereitgestellt werden. Wenn das ferromagnetische Material MX zumindest eines von X1 und X3 aufweist (b + d > 0), kann ein MR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis bereitgestellt werden. Wenn es insbesondere sowohl X1 als auch X3 aufweist (b > 0, d > 0), kann ein MR-Element mit einem hohen MR-Verhältnis und einer ausgezeichneten thermischen Stabilität stabil und mit guter Wiederholbarkeit bereitgestellt werden.
  • Das MR-Element der vorliegenden Erfindung kann ein Spin-Valve-Element sein. Das Spin-Valve-Element weist eine freie Schicht (free layer) und eine angelenkte bzw. festgesteckte Schicht (pinned layer) als magnetische Schichten auf, und die Magnetisierung der freien Schicht (free layer) lässt sich durch ein externes Magnetfeld leichter drehen als die Magnetisierung der festgesteckten Schicht (pinned layer). In diesem Fall kann das ferromagnetische Material in zumindest einer von der festgesteckten Schicht (pinned layer) und der freien Schicht (free layer) vorhanden sein. Wenn die freie Schicht (free layer) das ferromagnetische Material MX aufweist, lassen sich die weichmagnetischen Eigenschaften leicht verbessern und beispielsweise ein magnetisches Schiebefeld bzw. ein Verschiebungsmagnetfeld der freien Schicht (free layer) verringern und die durch eine Wärmebehandlung hervorgerufene Beeinträchtigung der weich magnetischen Eigenschaften unterdrücken. Wenn die festgesteckte Schicht (pinned layer) das ferromagnetische Material MX aufweist, ist die thermische Stabilität der MR-Eigenschaften verbessert. Insbesondere wird bei einem Spin-Valve-Film mit einem antiferromagnetischen Material auf Mn-Basis die durch Störstellendiffusion hervorgerufene Beeinträchtigung des MR-Verhältnisses unterdrückt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zwischen der Mn enthaltenden antiferromagnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht eine festgesteckte Schicht (pinned layer) mit dem ferromagnetischen Material MX abgeschieden. Dieses Element kann die nachteilige Wirkung der Diffusion von Mn aus der antiferromagnetischen Schicht unterdrücken.
  • Das ferromagnetische Material MX kann auch die weichmagnetischen Eigenschaften der freien Schicht (free layer) verbessern. Insbesondere kann der Absolutwert eines Verschiebungsmagnetfelds der freien Schicht (free layer) auf 20 Oe oder weniger, insbesondere auf 10 Oe oder weniger verringert werden.
  • Hierbei ist ein Verschiebungsmagnetfeld durch Hint = (H1 + H2)/2definiert, wobei H1 und H2 (H1 ≥ H2) zwei durch die Punkte auf einer Magnetisierungs-Magnetfeld-Kurve angegebene Magnetfelder sind, an denen die Magnetisierung null ist. Die Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem Magnetfeld und der Magnetisierung, wenn die Magnetisierung der freien Schicht (free layer) in dem Bereich des Magnetfelds umgekehrt ist, über dem die Magnetisierung der angelenkten Schicht (pinned layer) nicht umgekehrt ist. Wie in 26A dargestellt ist, ist das Verschiebungsmagnetfeld Hint ein Index, der den Verschiebungsbetrag der Magnetisierungs-Magnetfeld-Kurve (d. h. der M-H-Kurve oder der Magnetisierungskurve) darstellt. Ähnlich kann, wie in 26B dargestellt ist, das Verschiebungsmagnetfeld Hint auch anhand zweier Magnetfelder H1, H2 erhalten werden, die durch die Punkte auf einer Magnetowiderstandskurve entsprechend der M-H-Kurve angegeben sind, an denen das MR-Verhältnis um die Hälfte verringert ist. Das Verschiebungsmagnetfeld wird nachfolgend durch den Absolutwert ausgedrückt.
  • Das MR-Element der vorliegenden Erfindung kann weiter eine antiferromagnetische Schicht zum Unterdrücken der Magnetisierungsdrehung der festgesteckten Schicht (pinned layer) aufweisen. Die antiferromagnetische Schicht kann verschiedene antiferromagnetische Materialien aufweisen.
  • Die magnetische Schicht, die das ferromagnetische Material MX aufweist, kann ein einschichtiger Film oder ein mehrschichtiger Film sein. Wenn die magnetische Schicht der magnetische Filme aufweisende mehrschichtige Film ist, sollte zumindest einer der magnetischen Filme aus dem ferromagnetischen Material MX bestehen. Wenn der magnetische Film, der in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht steht, insbesondere aus dem ferromagnetischen Material MX besteht, ist die thermische Stabilität stark verbessert.
  • Die magnetische Schicht kann ein mehrschichtiger Film sein, der einen nichtmagnetischen Film und ein Paar den nichtmagnetischen Film einschließender magnetischer Filme auf weist, und sie kann insbesondere ein mehrschichtiger Film sein, der einen nichtmagnetischen Film und ein Paar magnetischer Filme aufweist, die über den nichtmagnetischen Film antiferromagnetisch oder magnetostatisch gekoppelt sind. Die magnetische Schicht kann auch ein beispielsweise durch M/MX ausgedrückter mehrschichtiger Film sein, wobei das nichtmagnetische Element X nur zu einem Teil einer aus dem magnetischen Element M hergestellten Schicht hinzugefügt ist. Alternativ kann die freie Schicht (free layer) ein mehrschichtiger Film sein, der einen magnetischen Film aus MX und einen auf dem magnetischen Film gebildeten weichmagnetischen Film aufweist, wobei der weichmagnetische Film dem magnetischen Film in seinen weichmagnetischen Eigenschaften überlegen ist. Dies liegt daran, dass sich die Magnetisierung der freien Schicht (free layer) leichter drehen läßt. Die magnetische Schicht kann einen Grenzflächen-Magnetfilm aufweisen, der an der Grenzfläche mit der nichtmagnetischen Schicht oder dem nichtmagnetischen Film zu bilden ist. Es wird erwartet, dass der Grenzflächen-Magnetfilm ein höheres MR-Verhältnis bietet. Beispiele des Grenzflächen-Magnetfilms umfassen einen Film, der aus Fe3O4, CrO2 oder dergleichen besteht und eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 nm aufweist.
  • Das MR-Element der vorliegenden Erfindung kann sowohl als ein GMR-Element als auch als ein TMR-Element verwendet werden. Die nichtmagnetische Schicht besteht aus einem leitfähigen Material für das GMR-Element und aus einem isolierenden Material für das TMR-Element. Das bevorzugte leitfähige Material ist ein Material, das zumindest eines aufweist, das aus der aus Cu, Ag, Au, Cr und Ru bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das bevorzugte isolierende Material ist ein Material, das zumindest eines aufweist, das aus einem Oxid, einem Nitrid und einem Oxynitrid von Al ausgewählt ist.
  • Wenn ein Strom senkrecht zur Filmoberfläche (des TMR-Elements und des CPP-GMR-Elements) fließt, ist es bevorzugt, dass ein Paar von Elektrodenschichten weiter so abgeschieden wird, dass der mehrschichtige Film aus der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht dadurch sandwichförmig eingefasst wird.
  • Als das magnetische Element M kann ein durch Fe1–p–qCopNiq ausgedrücktes Element verwendet werden. Daher kann das vorstehend erwähnte ferromagnetische Material auch durch eine Formel [Fe1–p–qCopNiq]100a[X1 bX2 cX3 d]a ausgedrückt werden. Hierbei werden p und q in den Bereichen 0 ≤ p ≤ 1, 0 ≤ q ≤ 1 und p + q ≤ 1 eingestellt.
  • Wenn M ein Dreikomponentensystem ist (0 < p < 1, 0 < q < 1, p + q < 1), ist es bevorzugt, dass p und q in den Bereichen 0 < p < 1 bzw. 0 < q ≤ 0,9 (bevorzugter 0 < q ≤ 0,65) liegen. Wenn M ein aus Fe und Ni bestehendes Zweikomponentensystem ist (p = 0, 0 < q < 1; Fe1–qNiq), ist es bevorzugt, dass q im Bereich 0 < q ≤ 0,95 liegt. Wenn M ein aus Fe und Co bestehendes Zweikomponentensystem ist (q = 0, 0 < p < 1; Fe1–pop), ist es bevorzugt, dass p im Bereich 0 < q ≤ 0,95 liegt.
  • Zum Erreichen eines noch höheren MR-Verhältnisses, ohne von dem magnetischen Element M abzuhängen, ist es bevorzugt, dass X zumindest ein Element ist, das aus der aus V, Cr, Mn, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir und Pt bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Weil Pt ein Element ist, das sowohl ein hohes MR-Verhältnis als auch eine ausgezeichnete thermische Stabilität ermöglicht, ist es bevorzugt, Pt als X aufzunehmen. Wenn Pt als X verwendet wird, sollte es im Bereich von 0,05 bis 50 liegen. Es ist in diesem Fall bevorzugt, dass q im Bereich 0 < q ≤ 0,9 begrenzt ist, wenn M durch Fe1–qNiq ausgedrückt wird, und dass p im Bereich 0 < p ≤ 0,9 begrenzt ist, wenn M durch Fe1–pCop ausgedrückt wird. Das zusammen mit Pt zu verwendende M kann Fe sein. Wenn Fe100–aPta für die festgesteckte Schicht (pinned layer) verwendet wird, um ein hohes magnetisches Gegenfeld, ein hohes MR-Verhältnis und eine ausgezeichnete thermische Stabilität bereitzustellen, ist es bevorzugt, dass a im Bereich von 0,05 ≤ a < 20 liegt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Beispiel für X ist Pd, Rh oder Ir. Selbst wenn diese Elemente verwendet werden, sollte a im Bereich von 0,05 bis 50 liegen.
  • Es können zumindest zwei aus der aus V, Cr, Mn, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir und Pt bestehenden Gruppe ausgewählte Elemente als X verwendet werden.
  • Wenn X durch PtbRec ausgedrückt wird, ist es bevorzugt, dass b und c die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < b < 50, 0 < c ≤ 20, a = b + cund0,05 ≤ a ≤ 50.
  • Wenn X durch Ptb1Pdb2 oder Rhb1Irb2 ausgedrückt wird, ist es bevorzugt, dass b1 und b2 die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < b1 < 50, 0 < b2 < 50, a = b1 + b2 und0,05 ≤ a ≤ 50.
  • Das ferromagnetische Material MX kann einen Zusammensetzungsgradienten in Dickenrichtung aufweisen. Es gibt keine bestimmte Beschränkung für die Einzelheiten des Zusammensetzungsgradienten. Das Elementverhältnis M(X) kann in Dickenrichtung monoton zunehmen oder abnehmen und sich periodisch ändern.
  • Das ferromagnetische Material MX kann eine Kristallstruktur aufweisen, die sich von der bevorzugten Kristallstruktur (der stabilsten Kristallstruktur) eines bei gewöhnlichen Temperaturen und Drücken aus M bestehenden Materials unterscheidet. In einem solchen Fall kann die Spinpolarisation erhöht werden, um ein großes MR-Verhältnis bereitzustellen. Es ist bevorzugt, dass die Kristallstruktur des ferromagnetischen Materials MX zumindest eine einschließt, die aus fcc (flächenzentriertes kubisches Gitter) und bcc (raumzentriertes kubisches Gitter) ausgewählt ist.
  • Fe hat gewöhnlich die bcc-Struktur. Wenn das Element X (beispielsweise Pt, Pd, Rh, Ir, Cu, Au und Ag), das gewöhnlich die fcc-Struktur hat, zu Fe hinzugefügt wird, kann die fcc-Struktur beispielsweise eines FePt-Materials erhalten werden. Wenn das Element X (beispielsweise Cr, Nb, Mo, Ta, W und Eu), das gewöhnlich die bcc-Struktur hat, zu einer NiFe-Legierung mit der fcc-Struktur hinzugefügt wird, kann die bcc-Struktur beispielsweise eines NiFeCr-Materials erhalten werden. Wenn Pd, das gewöhnlich die fcc-Struktur hat, zu Co hinzugefügt wird, das gewöhnlich eine hcp-Struktur hat, kann ein CoPd-Material mit der fcc-Struktur erhalten werden.
  • Das ferromagnetische Material MX kann aus einem Mischkristall gebildet sein, der zumindest zwei Kristalle aufweist. Der Mischkristall kann zumindest zwei einschließen, die aus der aus fcc, fct (flächenzentriertes tetragonales Gitter), bcc, bct (raumzentriertes tetragonales Gitter) und hcp (hexagonales dicht gepacktes Gitter) bestehenden Gruppe ausgewählt sind. fct und bct entsprechen Kristallstrukturen, bei denen sich eine der kristallographischen Achsen der fcc-Struktur und der bcc-Struktur von den anderen beiden Achsen jeweils unterscheiden. Das ferromagnetische Material MX kann auch ein Mischkristall sein, der zumindest zwei ausgewählte aus den ein flächenzentriertes orthorhombisches Gitter und ein raumzentriertes orthorhombisches Gitter einschließenden Kristallsystemen zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Kristallsystemen einschließt. Das orthorhombische Gitter ist ein orthorhombisches System, bei dem die drei Achsen unterschiedliche Längen aufweisen. Alternativ kann das ferromagnetische Material durch Hinzufügen des Elements X eine Struktur der Phasengrenzbereiche, beispielsweise zwischen fcc und bcc und zwischen fcc und hcp, aufweisen.
  • Der Grund, aus dem die Spinpolarisation bei einer Änderung der Kristallstruktur zunimmt, ist nicht ganz klar. Die Beziehung zwischen dem magnetischen Spin, der elektronischen Struktur und der Kristallstruktur kann diese Erhöhung beeinflussen, wie sich bei einer Invarlegierung zeigt.
  • Das ferromagnetische Material MX kann amorph, jedoch vorzugsweise kristallin sein. Es kann beispielsweise aus säulenförmigen Kristallen mit einem durchschnittlichen Kris tallkorndurchmesser von 10 nm oder weniger bestehen. Hierbei lässt sich der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser so beurteilen, dass ein Kristallkorn in Form einer Säule oder dergleichen in eine Kugel mit dem gleichen Volumen wie dasjenige des Kristallkorns umgewandelt wird, wobei der Durchmesser der Kugel als der Korndurchmesser angenommen wird.
  • Nachstehend werden die Konfigurationsbeispiele eines magnetoresistiven Elements und von magnetoresistiven Vorrichtungen (eines magnetoresistiven Kopfs und eines MRAMs) unter Verwendung dieses erfindungsgemäßen Elements anhand der Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht, in der ein Beispiel eines MR-Elements der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Bei diesem Element haben zwei magnetische Schichten 1, 3, die eine nichtmagnetische Schicht 2 sandwichförmig einschließen, unterschiedliche Magnetfelder zum Umkehren der Magnetisierung (d. h. Koerzitivkräfte). Die magnetische Schicht 1 mit einer relativ hohen Koerzitivkraft ist eine festgesteckte Schicht (pinned layer), und die magnetische Schicht 3 mit einer relativ hohen Koerzitivkraft ist eine freie Schicht (free layer). Bei diesem Element sollte zumindest ein Abschnitt der magnetischen Schichten 1, 3 aus einem ferromagnetischen Material MX bestehen. Dieses Element kann gegenüber einem herkömmlichen MR-Element, bei dem magnetische Schichten aus Fe, Co, Ni oder einer Legierung dieser Elemente verwendet werden, ein höheres MR-Verhältnis und eine bessere thermische Stabilität aufweisen.
  • Es wird davon ausgegangen, dass die Erhöhung des MR-Verhältnisses durch das ferromagnetische Material MX durch die folgenden Wirkungen hervorgerufen wird. Eine erste Wirkung besteht darin, dass die Zustandsdichte des magnetischen Elements M an einer Fermi-Fläche durch das nichtmagnetische Element X geändert wird, so dass die Spinpolarisation in der Nähe der Fermi-Fläche erhöht wird. Eine zweite Wirkung besteht darin, dass der atomare Abstand und die Elektronenanordnung das magnetische Element M bildender magnetischer Atome durch das nichtmagnetische Element X geändert werden, wodurch eine Änderung der Bandstruktur hervorgerufen wird und die Spinpolarisation erhöht wird. Eine dritte Wirkung besteht darin, dass der Übergang an der Grenzfläche zwischen der nichtmagnetischen Schicht und der magnetischen Schicht auf der atomaren Ebene durch das vorstehend erwähnte Material verbessert wird, wodurch eine Diffusion verringert wird, die nicht zum Magnetowiderstand beiträgt.
  • Der Grund für die Verbesserung der thermischen Stabilität durch das ferromagnetische Material MX wurde, wie vorstehend beschrieben wurde, noch nicht vollständig erklärt. Die folgenden Wirkungen des ferromagnetischen Materials können jedoch zu dieser Verbesserung beitragen: Aus der antiferromagnetischen Schicht oder dergleichen diffundierende Atome werden eingefangen, und die an der Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht erzeugte thermische Spannung wird verringert.
  • Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Wirkungen kann das ferromagnetische Material MX ein Demagnetisierungsfeld verringern und ein Verschiebungsmagnetfeld verkleinern. Die dieses Material aufweisende magnetische Schicht hat eine geringere Sättigungsmagnetisierung als diejenige einer herkömmlichen magnetischen Schicht aus dem Element M, und das Demagnetisierungsfeld ist dementsprechend verkleinert. Ein kleineres Demagnetisierungsfeld führt dazu, dass ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung (d. h. ein Schaltmagnetfeld), insbesondere bei einem mikroverarbeiteten Element (beispielsweise mit einer Elementfläche von 50 μm2 oder weniger und vorzugsweise 10 μm2 oder weniger), verringert wird. Ein kleineres Schaltmagnetfeld ist beim Verringern des Leistungsverbrauchs in Vorrichtungen in der Art eines MRAMs vorteilhaft.
  • Das ferromagnetische Material MX kann auch durch ein sogenanntes Verschiebungsmagnetfeld reduziert werden. Das Verschiebungsmagnetfeld (Hint) wird durch eine lokale ferromagnetische Kopplung (d. h. eine Orangenschalenkopplung) von Magnetpolen zwischen den magnetischen Schichten 1, 3, die die nichtmagnetische Schicht 2 sandwichförmig einschließen, hervorgerufen, und die lokale ferromagnetische Kopplung wird durch die Ungleichmäßigkeit der Grenzfläche induziert. Wenn das ferromagnetische Material für die freie Schicht (free layer) oder die festgesteckte Schicht (pinned layer) verwendet wird, werden, verglichen mit einer herkömmlichen magnetischen Schicht aus dem Element M, die Magnetpole geschwächt und die Grenzfläche geglättet, so dass das Verschiebungsmagnetfeld unterdrückt werden kann.
  • Zum Verbessern der weichmagnetischen Eigenschaften durch Verringern des Demagnetisierungsfelds und Unterdrücken des Verschiebungsmagnetfelds sollte das Atomverhältnis a des nichtmagnetischen Elements im Bereich von 5 bis 60 liegen.
  • Das Atomverhältnis a im Bereich von 15 bis 60 ist zum Verringern des Demagnetisierungsfelds besonders bevorzugt, und dasjenige im Bereich von 10 bis 60 ist zum Unterdrücken des Verschiebungsmagnetfelds vorteilhaft.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Anzahl der zu stapelnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten. Beispielsweise können die nichtmagnetische Schicht und die magnetische Schicht auf der Konfiguration in 1 weiter alternierend gestapelt werden. Selbst dann, wenn die Anzahl der Schichten vergrößert wird, kann die Wirkung des Verbesserns der Eigenschaften durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials für einen Abschnitt zumindest einer der magnetischen Schichten erhalten werden.
  • Die nichtmagnetische Schicht 2 kann, abhängig vom Element, aus einem leitenden oder isolierenden Material bestehen. Das für die nichtmagnetische Schicht eines GMR-Elements zu verwendende leitende Material umfaßt zumindest eines, das aus der aus Cu, Au, Ag, Ru, Cr und Legierungen dieser Elemente bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das für die nichtmagnetische Schicht (Tunnelisolationsschicht) eines TMR-Elements zu verwendende isolierende Material ist nicht besonders eingeschränkt, solange es ein Isolator oder Halbleiter ist. Das bevorzugte isolierende Material ist jedoch eine Verbindung zumindest eines Elements, das aus der Gruppe, die aus den Gruppen IIa bis VIa (den Gruppen 2 bis 6 im neuen IUPAC-System) einschließlich Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, Lanthanoid, einschließlich La und Ce und den Gruppen IIb bis IVb (den Gruppen 12 bis 14 im neuen IUPAC-System), einschließlich Zn, B, Al, Ga und Si besteht, ausgewählt ist, und zumindest einem Element, das aus der aus F, O, C, N und B bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Insbesondere ist ein Oxid, ein Nitrid oder ein Oxynitrid von Al anderen Materialien hinsichtlich der Isolationseigenschaften überlegen, kann zu einem Dünnfilm gebildet werden und gewährleistet auch eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit.
  • Zum Erhöhen eines Magnetfelds für das Umkehren der Magnetisierung der magnetischen Schicht kann weiter eine antiferromagnetische Schicht auf die magnetische Schicht gelegt werden. Bei dem in 2 dargestellten Element ist eine antiferromagnetische Schicht 8 in Kontakt mit einer festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 bereitgestellt. Die festgesteckte Schicht (pinned layer) weist infolge eines Austauschvormagnetisierungs-Magnetfelds mit der antiferromagnetischen Schicht eine unidirektionale Anisotropie auf, und das umgekehrte Magnetfeld wird daher höher. Demgemäß kann eine klare Unterscheidung zwischen einer parallelen und einer antiparallelen Magnetisierung der magnetischen Schicht vorgenommen werden, um stabile Ausgaben bereitzustellen.
  • Es ist bevorzugt, als die antiferromagnetische Schicht ein antiferromagnetisches Material auf Mn-Basis (Mn enthaltendes antiferromagnetisches Material), wie PtMn, PdPtMn, FeMn, IrMn und NiMn, zu verwenden. Für eine Unterlagsschicht kann die antiferromagnetische Schicht, Ta, Nb, Hf, Zr, Cr, Pt, Cu, Pd oder dergleichen verwendet werden. Zum Verbessern der Kristallorientierung der antiferromagnetischen Schicht kann NiFe, NiFeCr oder dergleichen als die Unterlagsschicht aufgebracht werden.
  • Wie in 3 dargestellt ist, kann eine festgesteckte Schicht (pinned layer) 1 als ein mehrschichtiger Film gebildet werden, wobei ein erster magnetischer Film 11 und ein zweiter magnetischer Film 12 in dieser Reihenfolge von der Seite einer nichtmagnetischen Schicht 2 aufeinandergelegt sind. Bei diesem Element verleihen ein Austauschvormagnetisierungs-Magnetfeld zwischen dem zweiten magnetischen Film 12 und der antiferromagnetischen Schicht 8 und eine ferromagnetische Kopplung zwischen dem zweiten magnetischen Film 12 und dem ersten magnetischen Film 11 der gesamten festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 eine unidirektionale Anisotropie. Wenn der erste magnetische Film 11 das ferromagnetische Material MX aufweist, ist der zweite magnetische Film 12 nicht besonders beschränkt, und es kann beispielsweise eine FeCoNi-Legierung verwendet werden.
  • Wie in 4 dargestellt ist, kann eine festgesteckte Schicht (pinned layer) 1 zu einem mehrschichtigen Film gebildet werden, wobei ein erster magnetischer Film 11, ein zweiter magnetischer Film 13, ein nichtmagnetischer Film 14 und ein dritter magnetischer Film 15 in dieser Reihenfolge von der Seite der nichtmagnetischen Schicht 2 aufeinandergelegt sind. Wenn der nichtmagnetische Film 14 eine geeignete Dicke aufweist, wird zwischen den magnetischen Filmen 13 und 15 eine antiferromagnetische Austauschkopplung bewirkt. Durch die Verwendung eines hartmagnetischen Materials mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung, wie CoFe, für den zweiten magnetischen Film 13 und den dritten magnetischen Film 15 wird ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 erhöht. Ein solcher mehrschichtiger Film, bei dem die antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen den magnetischen Filmen über den nichtmagnetischen Film hergestellt ist, wird als ein laminiertes ferrimagnetisches Material bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass der nichtmagnetische Film 14 in dem laminierten ferrimagnetischen Material zumindest einer ist, der aus der aus Cr, Cu, Ag, Au, Ru, Ir, Re, Os und Legierungen und Oxiden dieser Elemente bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Die bevorzugte Dicke des nichtmagnetischen Films 14 beträgt 0,2 bis 1,2 nm.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der mehrschichtige Film, bei dem zumindest zwei magnetische Filme übereinandergelegt sind, wobei sich dazwischen zumindest ein nichtmagnetischer Film befindet und die Magnetisierungsrichtungen der einander über den nichtmagnetischen Film gegenüberliegenden magnetischen Filme in einem Magnetfeld von Null antiparallel sind, das Demagnetisierungsfeld für ein mikroverarbeitetes Element verringern, wodurch das Ansprechverhalten verbessert wird.
  • Ein magnetischer Film mit einer hohen Koerzitivfeldstärke kann an Stelle des in 4 dargestellten mehrschichtigen Films (eines laminierten ferrimagnetischen Materials) 13, 14, 15 verwendet werden. Es ist bevorzugt, für den magnetischen Film mit einer hohen Koerzitivfeldstärke ein Material mit einer Koerzitivkraft von 100 Oe oder mehr (zumindest etwa 7,96 kA/m), wie CoPt, CoCrPt, CoTaPt, CoSm und FeTb zu verwenden.
  • Bei einem Spin-Valve-Element, das die in 5 dargestellte laminierte ferrimagnetische angelenkte Schicht (pinned layer) aufweist, ist eine antiferromagnetische Schicht 8 auf die festgesteckte Schicht (pinned layer) 1 in
  • 4 gelegt. Dieses Element kann ein höheres Vormagnetisierungsfeld bereitstellen als ein Element, das die antiferromagnetische Schicht allein aufweist.
  • Die magnetischen Filme 13, 15 können magnetostatisch, nicht antiferromagnetisch, gekoppelt sein. Für die magnetostatische Kopplung ist der nichtmagnetische Film 14 nicht besonders eingeschränkt, solange er aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Generell sollte der nichtmagnetische Film 14 jedoch eine Dicke von 2 nm oder mehr (und vorzugsweise von 3 nm oder weniger) aufweisen.
  • Die in den 6 und 7 dargestellten Elemente haben eine Doppel-Spin-Valve-Struktur, wobei die angelenkten Schichten (pinned layers) 1, 5 auf beiden Seiten der freien Schicht (free layer) 3 positioniert sind. Das Element in 6 verwendet die antiferromagnetischen Schichten 8a, 8b, um die Magnetisierungsrichtungen der festgesteckten Schichten (pinned layers) 1, 5 zu fixieren. Bei dem Element in 7 weist jede der festgesteckten Schichten (pinned layers) 1, 5 eine laminierte ferrimagnetische angelenkte Schicht (pinned layer) 13(53), 14(54), 15(55) auf der Seite der antiferromagnetischen Schicht auf. Wenn ein GMR-Element, das die nichtmagnetischen Schichten 2, 4 aus einem leitfähigen Material aufweist, eine Doppel-Spin-Valve-Struktur aufweist, wird die Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht, an der Elektronen einer magnetischen Streuung ausgesetzt sind, vergrößert, so dass ein größeres MR-Verhältnis erhalten werden kann. Wenn ein TMR-Element, das die aus Tunnelisolierschichten gebildeten nichtmagnetischen Schichten 2, 4 aufweist, eine Doppel-Spin-Valve-Struktur hat, wird das MR-Verhältnis nicht so sehr geändert, sondern es wird die Vorspannungsabhängigkeit der MR-Eigenschaften wegen der zwei Barrieren verbessert.
  • Wie in 8 dargestellt ist, kann weiter eine aus einem isolierenden Material bestehende nichtmagnetische Schicht 9 auf eine freie Schicht (free layer) 3 gelegt werden. Bei einem CIP-GMR-Element, das die nichtmagnetische Schicht 9 aufweist, werden Elektronen von der nichtmagnetischen Schicht reflektiert, so dass das MR-Verhältnis verbessert werden kann. Bei einem CPP-GMR-Element oder einem TMR-Element, das die nichtmagnetische Schicht 9 aufweist, sind Elektronen mit einer höheren Energie als das Fermi-Niveau unter jenen vorhanden, die durch das Element fließen, so dass die Ausgabe erhöht werden kann, um die Vorspannungsabhängigkeit zu verbessern. Beispiele der nichtmagnetischen Schicht 9 umfassen Al-Oxid, Al-Nitrid, Al-Oxynitrid, Mg-Oxid, Si-Oxid und Ta-Oxid.
  • Wie in 9 dargestellt ist, kann eine freie Schicht (free layer) 3 als ein mehrschichtiger Film gebildet werden. In diesem Fall sollte ein magnetischer Film 31 aus dem ferromagnetischen Material MX auf der Seite der nichtmagnetischen Schicht 2 positioniert werden. Wenn ein weichmagnetischer Film 32 auf den magnetischen Film 31 gelegt wird, kann ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung der freien Schicht (free layer) verkleinert werden. Für den weichmagnetischen Film 32 kann beispielsweise eine NiCoFe-Legierung verwendet werden. Wenn die Zusammensetzung dieser Legierung als NisCotFeu ausgedrückt wird, ist ein Ni-reicher weichmagnetischer Film mit 0,6 ≤ s ≤ 0,9, 0 ≤ t ≤ 0,4 und 0 ≤ u ≤ 0,3 oder ein Co-reicher weichmagnetischer Film mit 0 ≤ s ≤ 0,4, 0,2 ≤ t ≤ 0,95 und 0 ≤ u ≤ 0,5 geeignet.
  • Eine laminierte ferrimagnetische freie Schicht (free layer), die ein weichmagnetisches Material mit einer kleinen Sättigungsmagnetisierung, wie NiFe, aufweist, kann als ein Abschnitt der freien Schicht (free layer) verwendet werden. Die in den 6 und 7 dargestellten Doppel-Spin-Valve-Elemente können auch die laminierte ferrimagnetische freie Schicht (free layer) in der freien Schicht (free layer) 3 aufweisen. Beispielsweise kann die freie Schicht (free layer) 3 in zwei Schichten unterteilt sein, und die laminierte ferrimagnetische freie Schicht (free layer) aus dem magnetischen Film A/dem nichtmagnetischen Film B/dem magnetischen Film C/dem nichtmagnetischen Film D/dem magnetischen Film E kann zwischen den beiden Schichten angeordnet sein. Die Konfiguration der laminierten ferrimagnetischen freien Schicht (free layer) ist nicht auf die vorstehend erwähnte beschränkt. Wenn beispielsweise die antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen dem magnetischen Film C und jeder der unterteilten freien Schichten (free layers) hergestellt ist, können die magnetischen Filme A und E fortgelassen werden.
  • Bei den vorstehend beschriebenen MR-Elementen können die MR-Eigenschaften durch Aufnehmen des ferromagnetischen Materials MX in zumindest einem Abschnitt der magnetischen Schichten 1, 3, 5 verbessert werden. Wenn weiter eine magnetische Schicht darübergelegt wird, kann der Abschnitt der magnetischen Schicht, der kein MX aufweist, beispielsweise aus zumindest einem Metall, das aus der aus Fe, Co und Ni bestehenden Gruppe ausgewählt ist, gebildet werden, wie es bei der herkömmlichen Technik der Fall ist.
  • Als Verfahren zum Bilden von jedem der ein MR-Element bildenden Dünnfilme können verschiedene Sputterverfahren, MBE und eine Ionenplattierung verwendet werden. Die Sputterverfahren umfassen eine Impulslaserabscheidung (PLD), eine Ionenstrahlabscheidung (IBD), einen Clusterionenstrahl, RF, DC, ECR, Helicon, induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) und entgegengesetzte Targets. An Stelle dieser PVD-Verfahren können auch CVD, Plattieren, ein Sol-Gel-Prozess oder dergleichen verwendet werden. Das Verfahren zum Herstellen des ferromagnetischen Materials MX wird nachstehend unter Verwendung des Sputterns als Beispiel beschrieben. Dieses Material kann beispielsweise durch Aufbringen von Pellets des nichtmagnetischen Materials X auf ein Legierungstarget, dessen Zusammensetzung unter Berücksichtigung der Abweichung von einer gewünschten Zusammensetzung des magnetischen Elements M bestimmt worden ist, hergestellt werden. Das Target aus dem magnetischen Element M und dasjenige aus dem nichtmagnetischen Element X können gleichzeitig oder alternierend gesputtert werden. Weiterhin kann ein reaktives Sputtern durch Einbringen eines Teils des nichtmagnetischen Elements X im Gaszustand in eine Vorrichtung ausgeführt werden. Das ferromagnetische Material MX kann unter Verwendung eines Legierungstargets hergestellt werden, dessen Zusammensetzung unter Berücksichtigung der Abweichung von einer gewünschten Zusammensetzung, die von den Filmbildungsbedingungen (beispielsweise Sputtern, Gasarten, Gasdruck und Eingangsleistung) abhängt, bestimmt wurde.
  • Zum Erzeugen einer Tunnelschicht als die nichtmagnetische Schicht kann beispielsweise ein Dünnfilm-Vorläufer aus ei ner Legierung oder Verbindung hergestellt werden, die zumindest ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den Gruppen IIa bis VIa, einschließlich Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, Lanthanoid, einschließlich La und Ce, und den Gruppen IIb bis IVb, einschließlich Zn, B, Al, Ga und Si besteht, und dieser Vorläufer kann dann in einer Atmosphäre zur Reaktion gebracht (beispielsweise oxidiert, nitriert oder dergleichen) werden, die zumindest ein Element enthält, das aus der aus F, O, C, N und B bestehenden Gruppe als Moleküle, Ionen oder Radikale mit dem zumindest einen Element ausgewählt ist, während die Temperatur und die Zeit gesteuert werden. Als Dünnfilm-Vorläufer kann eine nichtstöchiometrische Verbindung hergestellt werden, die beliebige der aus F, O, C, N und B ausgewählten Elemente in einem Anteil enthält, der kleiner ist als derjenige, der durch das stöchiometrische Verhältnis definiert ist, und diese Verbindung kann dann in einer geeigneten Atmosphäre gehalten werden, die Moleküle, Ionen oder Radikale des in der Verbindung enthaltenen Elements enthält, während die Temperatur und die Zeit geeignet gesteuert werden, um eine weitere Reaktion des Elements hervorzurufen.
  • Wenn beispielsweise ein Al2O3-Film als die Tunnelisolierschicht durch Sputtern erzeugt wird, ist es bevorzugt, die Schritte des Bildens eines Al- oder AlOx-Films (X ≤ 1,5) in einer Ar- oder Ar + O2-Atmosphäre und des Oxidierens dieses Films in O2 oder in O2 + Inertgas zu wiederholen. Eine ECR-Entladung, Glühentladung, RF-Entladung, Helicon, ICP oder dergleichen kann zum Herstellen des Plasmas oder von Radikalen verwendet werden.
  • Zum Herstellen einer Vorrichtung, die ein MR-Element aufweist, das es ermöglicht, dass ein Strom senkrecht zur Filmoberfläche fließt, kann eine Mikroverarbeitung durch Kombinieren photolithographischer Techniken, bei denen beispielsweise ein physikalisches oder chemisches Ätzen, wie ein Ionenstrahlätzen, RIE und FIB, ein Stepper zur Bildung feiner Muster und ein EB-Verfahren verwendet werden, ausgeführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Element sind eine untere Elektrode 22, ein MR-Element 23 und eine obere Elektrode 24 in dieser Reihenfolge auf ein Substrat 21 gelegt, und ein Zwischenschicht-Isolierfilm 25 ist zwischen den Elektroden um das Element herum bereitgestellt. Dieses Element ermöglicht das Fließen von Strom durch das MR-Element 23 zwischen der oberen Elektrode 24 und der unteren Elektrode 22, um eine Spannung auszulesen. Es ist demgemäß bevorzugt, dass das MR-Element, das bewirkt, dass ein Strom senkrecht zur Filmoberfläche fließt, weiter ein Paar von Elektroden aufweist, die das Element in dieser Richtung sandwichförmig einschließen. Zum Abflachen der Oberfläche der Elektrode oder dergleichen in dem Element kann ein CMP- oder ein Cluster-Ionenstrahlätzen verwendet werden.
  • Es ist bevorzugt, als das Material der Elektroden 22, 24 ein Metall mit einem niedrigen Widerstand, wie Pt, Au, Cu, Ru und Al zu verwenden. Es ist bevorzugt, als Zwischenschicht-Isolierfilm 25 ein Material mit einer ausgezeichneten Isolationseigenschaft, wie Al2O3 und SiO2, zu verwenden.
  • 11 zeigt ein Beispiel eines magnetoresistiven Magnetkopfs unter Verwendung eines MR-Elements der vorliegenden Erfindung. Der magnetoresistive Magnetkopf weist zwei magnetische Abschirmungen (beispielsweise eine obere Abschirmung 35 und eine untere Abschirmung 31) auf, die aus einem magnetischen Material bestehen und das Eindringen eines anderen Magnetfelds als des zu erfassenden in das MR-Element unterdrücken. Ein MR-Elementabschnitt 33 und Elektroden 32, 34, die das Element sandwichförmig einschließen, sind in einer Wiedergabespaltlänge der beiden magnetischen Abschirmungen angeordnet. Die Aufzeichnung von magnetischen Informationen mit diesem Kopf wird folgendermaßen ausgeführt: Es fließt ein Strom durch die Wicklungsabschnitte 37, und es wird dadurch ein Streufeld von einem Aufzeichnungsspalt zwischen einem Aufzeichnungsmagnetpol 38 und der oberen Abschirmung 35 verwendet, um ein Signal auf ein Aufzeichnungsmedium zu schreiben. Ein Isolierfilm 36 ist in dem Abschnitt des Aufzeichnungsspalts ausgebildet und hat eine der Spaltlänge entsprechende Dicke. Die Wiedergabe wird durch Lesen eines Signalmagnetfelds von dem Aufzeichnungsmedium mit dem im Wiedergabespalt (Abschirmungsspalt) bereitgestellten MR-Element ausgeführt.
  • Wenn ein TMR-Element oder ein CPP-GMR-Element für den MR-Elementabschnitt 33 dieses Magnetkopfs verwendet wird, können die Elektroden überflüssig gemacht werden, indem ermöglicht wird, dass die obere und die untere Abschirmung als die obere und die untere Elektrode dienen, so dass der Wiedergabekopf einen schmaleren Spalt hat. Für ein CIP-GMR-Element sind die obere und die untere Elektrode von der oberen bzw. der unteren Abschirmung isoliert.
  • Wie in 12 dargestellt ist, kann ein MR-Element der vorliegenden Erfindung in einem Magnetkopf mit einer Magnetflußführung (Joch) aus einem magnetischen Material verwendet werden. Bei diesem magnetoresistiven Magnetkopf bringen die Joche 41a, 41b ein zu erfassendes Magnetfeld in einen MR-Elementabschnitt 43 ein. Die Joche dienen als magnetische Abschirmungen, und das untere Joch 41b unter dem MR-Element 43 dient auch als eine untere Leitung. Der Strom zum Erfassen eines Signalmagnetfelds fließt zwischen der oberen Leitung 44 und dem unteren Joch (der unteren Leitung) 41b. Die gesamte freie Schicht (free layer) des MR-Elements oder ein Abschnitt der freien Schicht (free layer) kann als das Joch verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass bei diesem Magnetkopf ein TMR-Element oder ein CPP-GMR-Element verwendet wird. Er kann jedoch auch ein CIP-GMR-Element aufweisen, das es ermöglicht, dass ein Strom parallel zur Filmoberfläche fließt, indem eine Isolation oder dergleichen zwischen dem MR-Element und dem Jochabschnitt bereitgestellt wird.
  • Diese Magnetköpfe können in einer magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung, wie bspw. einer HDD bzw. Festplatte, verwendet werden. Wie in 13 dargestellt ist, weist die HDD beispielsweise einen Magnetkopf 71, einen Arm 72 zum Halten des Magnetkopfs, einen Antriebsabschnitt 73 für den Arm und eine Platte, einen Signalverarbeitungsabschnitt 74 und ein magnetisches Aufzeichnungsmedium (eine magnetische Platte) 75, auf dem ein Signal mit dem Magnetkopf aufgezeichnet wird bzw. wiedergegeben wird, auf.
  • 14 zeigt ein Beispiel eines MRAMs, bei dem ein MR-Element der vorliegenden Erfindung als eine Speichervorrichtung verwendet wird. MR-Elemente 61 sind an jedem Schnittpunkt von Bitleitungen (Leseleitungen) 62 und Wort leitungen 63 in Form einer Matrix angeordnet. Die Bit- und die Wortleitungen können aus Cu, Al oder dergleichen bestehen. Die Bitleitung entspricht einer Leitung für das Lesen von Informationen, während die Wortleitung einem Leiter für das Aufzeichnen von Informationen entspricht. Ein künstliches Magnetfeld, das erzeugt wird, wenn ein Signalstrom durch die Bit- und die Wortleitungen fließt, ermöglicht es, dass ein Signal auf dem Element aufgezeichnet wird. Das Signal wird an dem Element aufgezeichnet, das sich an der Position befindet, an der sich die Leitungen im Einschaltzustand kreuzen (übereinstimmende Stromauswahl) (d. h. am Element 61a in 14).
  • Die Operationen des MRAMs werden anhand der 15 bis 17 in weiteren Einzelheiten beschrieben. Diese Darstellungen zeigen Beispiele von Schreib- und Leseoperationen. Hierbei wird das in 1 dargestellte MR-Element 61 (einschließlich einer festgesteckten Schicht (pinned layer) 1, einer nichtmagnetischen Schicht 2 und einer freien Schicht (free layer) 3) verwendet. Das zu verwendende Element ist jedoch nicht darauf beschränkt. Bei dem in den 15A und 15B dargestellten MRAM ist ein Schaltelement 64, wie bspw. ein FET, für jedes Element bereitgestellt, um den Magnetisierungszustand des Elements einzeln zu lesen. Dieser MRAM ist zur Bildung auf einem CMOS-Substrat geeignet. Bei dem in den 16A und 16B dargestellten MRAM ist für jedes Element ein nichtlineares oder Gleichrichterelement 65 bereitgestellt. Als das nichtlineare Element kann beispielsweise ein Varistor, ein Tunnelelement oder das vorstehend erwähnte Element mit drei Anschlüssen verwendet werden. Dieser MRAM kann auch auf einem kostengünstigen Glassubstrat gebildet werden, indem einfach der Filmbildungsprozeß für eine Diode oder dergleichen erweitert wird. Bei dem in den 17A und 17B dargestellten MRAM befindet sich das Element 61 am Schnittpunkt der Wort- und Bitleitungen, ohne dass das Schaltelement, das Gleichrichterelement oder dergleichen verwendet wird. Dieser MRAM ermöglicht das Fließen von Strom durch eine Mehrzahl von Elementen zum Lesen. Daher ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Elemente auf 10.000 oder darunter begrenzt wird, um die Lesegenauigkeit zu gewährleisten.
  • In den 15 bis 17 wird die Bitleitung 62 auch als die Leseleitung zum Lesen einer Widerstandsänderung, die hervorgerufen wird, wenn Strom durch das Element fließt, verwendet. Die Leseleitung und die Bitleitung können jedoch getrennt angeordnet werden, um eine Fehlfunktion oder Zerstörung des Elements infolge eines Bitstroms zu verhindern. Es ist in diesem Fall bevorzugt, dass die Bitleitung elektrisch von dem Element isoliert ist und parallel zur Leseleitung angeordnet ist. Zum Verringern des Leistungsverbrauchs zum Schreiben kann der Raum zwischen der Wortleitung oder der Bitleitung und der Speicherzelle (dem Element) etwa 500 nm oder weniger betragen.
  • Beispiele
  • Unter Verwendung eines Mehrtarget-Magnetronsputterns wurde ein Element mit der in jedem der folgenden Beispiele beschriebenen Konfiguration auf einem mit einem thermischen Oxidfilm versehenen Si-Substrat (mit einem Durchmesser von 3 Zoll) gebildet, und es wurden die MR-Eigenschaften untersucht.
  • Beispiel 1
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(1)/ferromagnetisches Material MX(2)/AlO(1,0)/CoFe(3)/Ta(15).
  • Hier bezeichnen die Klammern die Filmdicke (in nm, die Filmdicke wird nachstehend in der gleichen Weise ausgedrückt). Die Dicke des AlO-Films ist eine festgelegte Dicke (d. h. Gesamtdicke) von Al vor der Oxidation (diese ist nachstehend gleich und schließt eine Nitrierung und eine Oxynitrierung von AlN und AlNO ein). Das AlO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,3 bis 0,7 nm und wiederholtes Oxidieren des Al-Films in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (200 Torr (etwa 0,267 MPa), 1 min) hergestellt.
  • Das Ta(3)/Cu(50) auf dem Substrat ist eine untere Elektrode, und das Ta(3) neben dem PtMn ist eine Unterlagsschicht. Das Ta(15) ist eine Schutzschicht des MR-Films, und ein Teil des Ta(15) wirkt auch als eine obere Elektrode. Das PtMn entspricht einer antiferromagnetischen Schicht. Jeder Film wurde mesa-artig mikroverarbeitet, wie in 10 dargestellt ist, und es wurde Cu(50)/Ta(3) als die obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C über 3 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 1,5 μm × 2,5 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit der Konfiguration gemäß 3, und ein ferromagnetisches Ma terial MX wird für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 verwendet. Die MR-Eigenschaften wurden mit einem Gleichstrom-Vieranschlußverfahren untersucht, wobei ein maximales Magnetfeld von 5 kOe an das MR-Element angelegt wurde. Das MR-Verhältnis wurde als MR-Verhältnis = {(Rmax – Rmin)/Rmin} × 100(%)bestimmt, wobei Rmax der maximale Widerstand ist und Rmin der minimale Widerstand ist (dies ist im Folgenden gleich).
  • Das MR-Verhältnis ändert sich entsprechend den Materialien, dem Herstellungsverfahren und der Dicke einer Tunnelisolierschicht. Es wird auch durch die Materialien der ein Element bildenden Filme, die Dicke der Filme und die Verarbeitung des Elements beeinflusst. Daher werden die Eigenschaften des MR-Elements auf der Grundlage der Eigenschaften eines herkömmlichen Elements beurteilt, das abgesehen von der Verwendung eines Materials, das nur das magnetische Element M des ferromagnetischen Materials MX aufweist, in der gleichen Weise wie das MR-Element hergestellt wird. Dies ist in den folgenden Beispielen gleich. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis der Messung.
  • TABELLE 1
    Figure 00380001
  • Figure 00390001
  • Figure 00400001
  • In Tabelle 1 sind andere Elemente als jene, die durch das herkömmliche Beispiel und die Vergleichsbeispiele dargestellt sind, die Arbeitsbeispiele, wenngleich sie nicht angegeben sind (dies ist im Folgenden gleich). Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, wurden bei den Elementen der Arbeitsbeispiele größere MR-Verhältnisse als bei dem herkömmlichen Beispiel a01 erhalten. Überdies wiesen einige der Elemente ein sehr hohes MR-Verhältnis von 50% oder mehr auf. Die Erhöhung des MR-Verhältnisses kann sich aus einer Erhöhung der Spinpolarisation durch Hinzufügen des nichtmagnetischen Elements zu Fe ergeben.
  • Für die mit * markierten Elemente war der Grad der Erhöhung des MR-Verhältnisses nicht groß, weil der Anteil des hinzugefügten nichtmagnetischen Elements X ziemlich groß war. Zum Erreichen eines hohen MR-Verhältnisses sollten die hinzugefügten Anteile auf 50 Atomprozent für Pt, Pd, Rh und Ir (X1), 30 Atomprozent für Re (X2) und 20 Atomprozent für N (X3) beschränkt werden.
  • Weiterhin wurde die Änderung des Tunnelübergangswiderstands bei einem 3-Zoll-Wafer nach der Verarbeitung des Elements für jedes Element im herkömmlichen Beispiel und in den Arbeitsbeispielen untersucht. Die Änderung des Übergangswiderstands betrug beim herkömmlichen Beispiel etwa 18%.
  • Die Änderung des Übergangswiderstands lag bei allen Arbeitsbeispielen jedoch innerhalb von 5%. Die Wirkung der Massenproduktion der Vorrichtungen nimmt zu, wenn die Änderung kleiner wird.
  • Beispiel 2
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,9)/CoFe(1)/ferromagnetisches Material MX(2)/AlO(1,0)/ferromagnetisches Material MX(2)/NiFe(5)/Ta(15).
  • Das Verfahren zur Bildung des AlO-Films glich demjenigen in Beispiel 1. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2 μm × 3 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), das die in 5 angegebene Konfiguration aufweist, und es wird ein ferromagnetisches Material MX für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 und einen Abschnitt der freien Schicht (free layer) 3 verwendet. Die freie Schicht (free layer) 3 weist eine weichmagnetische NiFe-Schicht auf. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 2 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 2
    Figure 00420001
  • Figure 00430001
  • Wie in Tabelle 2 dargestellt ist, wurden, verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel, größere MR-Verhältnisse anhand der Elemente der Arbeitsbeispiele einschließlich des ferromagnetischen Materials MX erhalten, wenn die Zusammensetzungen der auf beiden Seiten des AlO angeordneten Materialien gleich waren oder wenn sie verschieden waren. Für die mit * markierten Arbeitsbeispiele b08, b12 war der Grad der Erhöhung des MR-Verhältnisses nicht groß, weil der Gehalt an X(Pt) ziemlich groß war. In dem herkömmlichen Beispiel b01 betrug ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung der freien Schicht (d. h. eine Koerzitivkraft) etwa 35 Oe. Die Koerzitivkraft für die Arbeitsbeispiele b08, b12 betrug jedoch etwa 10 Oe. Ein kleineres Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung der freien Schicht (free layer) ist bei Magnetköpfen und magnetischen Speichern vorteilhaft. Demgemäß kann das ferromagnetische Material MX die weichmagnetischen Eigenschaften der freien Schicht (free layer) verbessern und zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Vorrichtung beitragen.
  • Die Elemente des herkömmlichen Beispiels b01 und aller Arbeitsbeispiele wurden wiederum über 10 Stunden bei 280°C wärmebehandelt, und ihre MR-Eigenschaften wurden anschließend untersucht. Die MR-Verhältnisse des herkömmlichen Beispiels b01 und der Arbeitsbeispiele änderten sich gegenüber jenen vor dem erneuten Erwärmen relativ wenig. Wenn der Tunnelübergangswiderstand nach dem erneuten Erwärmen mit demjenigen vor dem erneuten Erwärmen verglichen wurde, lag eine Änderung des Widerstands bei allen Arbeitsbeispielen innerhalb von 5%, während eine Änderung des Widerstands bei dem herkömmlichen Beispiel b01 20% oder mehr betrug. Eine höhere Stabilität gegenüber einer thermischen Hysterese vergrößert die Vielseitigkeit und erleichtert den Elemententwurf.
  • Beispiel 3
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/ferromagnetisches Material MX(5)/AlO(0,8)/Co(3)/IrMn(15)/Ta(20).
  • Das AlO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,8 nm und Anwenden einer ICP-Oxidation auf den Al-Film hergestellt. Das IrMn entspricht einer antiferromagnetischen Schicht. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 250°C für 2 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem IrMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 3 μm × 3 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit der in 2 angegebenen Konfiguration, das umgedreht ist, und ein ferromagnetisches Material MX wird für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 3 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 3
    Figure 00450001
  • Figure 00460001
  • Wie in Tabelle 3 dargestellt ist, wurden, verglichen mit den herkömmlichen Beispielen, größere MR-Verhältnisse bei den Elementen der Arbeitsbeispiele einschließlich des ferromagnetischen Materials MX erhalten, selbst wenn eine Fe-Ni-Legierung als M verwendet wurde. Für das in Tabelle 3 mit * markierte Arbeitsbeispiel c08 wurde keine erhebliche Erhöhung des MR-Verhältnisses beobachtet.
  • Beispiel 4
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(25)/ferromagnetisches Material MX(2,5)/AlO(0,7)/CoFe(2)/NiFe(3)/Ta(20).
  • Das Verfahren zur Bildung des AlO-Films glich demjenigen in Beispiel 1. Das Ta(3)NiFeCr(4) ist eine Unterlagsschicht zum Steuern der Kristallorientierung des PtMn. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 5 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 1,5 μm × 3 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit der in 2 angegebenen Konfiguration, und ein ferromagnetisches Material MX wird für die festgesteckte Schicht (pinned layer) 1 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 4 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 4
    Figure 00480001
  • Figure 00490001
  • Wie in Tabelle 4 dargestellt ist, wurden, verglichen mit den herkömmlichen Beispielen, größere MR-Verhältnisse bei den Elementen der Arbeitsbeispiele einschließlich des ferromagnetischen Materials MX erhalten, selbst wenn eine Fe-Co-Legierung als M verwendet wurde. Für das in Tabelle 4 mit * markierte Arbeitsbeispiel d07 wurde keine erhebliche Erhöhung des MR-Verhältnisses beobachtet.
  • Beispiel 5
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoSm(80)/CoFe(3)/AlO(1,1)/ferromagnetisches Material MX(5)/Ta(20).
  • Das AlO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,3 bis 0,7 nm und Anwenden einer ICP-Oxidation auf den Al-Film hergestellt. Das CoSm entspricht einer Schicht mit einer höheren Koerzitivfeldstärke. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 150°C für 1 Stunde in einem Magnetfeld von 500 Oe wärmebehandelt, um dem CoSm eine Kristallmagnetanisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 4 μm × 5 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein TMR-Element mit einer differentiellen Koerzitivkraft, das die in 1 dargestellte Konfiguration aufweist, und ein ferromagnetisches Material MX wird für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 5 zeigt das Ergebnis zusammen mit dem Verhältnis zwischen dem MR-Verhältnis (MR(MX)) des vorstehenden Elements und dem MR-Verhältnis (MR(M)) eines Elements, bei dem ein ferromagnetisches Material M für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet wurde.
  • TABELLE 5
    Figure 00500001
  • Figure 00510001
  • Wie in Tabelle 5 dargestellt ist, wurden, verglichen mit den herkömmlichen Beispielen, größere MR-Verhältnisse bei den Elementen der Arbeitsbeispiele einschließlich des ferromagnetischen Materials MX erhalten, selbst wenn eine FeCoNi-Ternärlegierung als M verwendet wurde. Insbesondere wurde das MR-Verhältnis erhöht, wenn das Zusammensetzungsverhältnis (q) von Ni 0,65 betrug oder kleiner war.
  • Beispiel 6
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFe(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,9)/CoFe(3)/AlN(1,0)/ferromagnetisches Material MX(5)/Ta(20).
  • Das AlN wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 1,0 nm und Anwenden einer ICP-Nitrierung auf den Al-Film hergestellt. Die ICP-Nitrierung wurde in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeführt. Das Ta(3)/NiFe(3) ist eine Unterlagsschicht für das PtMn. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 10 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2 μm × 4 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferromagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), und das CoFe(3)/Ru(0,9)/CoFe(3) wirkt als eine festgesteckte Schicht (pinned layer). Ein ferromagnetisches Material MX wird für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 6 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 6
    Figure 00520001
  • Figure 00530001
  • Wie in Tabelle 6 dargestellt ist, wurden größere MR-Verhältnisse als in den herkömmlichen Beispielen selbst dann erhalten, wenn zwei nichtmagnetische Elemente als X verwendet wurden. Für das in Tabelle 6 mit * markierte Arbeitsbeispiel f10 wurde keine erhebliche Erhöhung des MR-Verhältnisses beobachtet. Es ist bevorzugt, dass Re in dem 20% nicht übersteigenden Bereich hinzugefügt werden sollte.
  • Beispiel 7
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,9)/CoFe(1,5)/ferromagnetisches Material MX(1,5)/AlO(0,8)/ferromagnetisches Material MX(1)/NiFe(5)/Ta(15).
  • Das Verfahren zur Bildung des AlO-Films glich demjenigen in Beispiel 1. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2 μm × 3 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferromagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), das die in 5 angegebene Konfiguration aufweist, und ein ferromagnetisches Material MX wird für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 und einen Abschnitt der freien Schicht (free layer) 3 verwendet. Die Zusammensetzungen des ferromagnetischen Materials MX in beiden magnetischen Schichten sind gleich. Die freie Schicht (free layer) 3 weist eine weichmagnetische NiFe-Schicht auf, um ihre Magnetisierungsdrehung einfacher zu bewirken. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 7 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 7
    Figure 00550001
  • Wie in Tabelle 7 dargestellt ist, wurden selbst dann größere MR-Verhältnisse als beim herkömmlichen Beispiel erhalten, wenn drei nichtmagnetische Elemente (X1, X2, X3) als X verwendet wurden. Wenn Al(X2) jedoch größer als 30% war, O(X3) größer als 20% war oder der Gesamtanteil (X) von Pt, Al und O größer als 60% war, wurde das MR-Verhältnis sogar noch kleiner.
  • Beispiel 8
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFe(3)/IrMn(15)/CoFe(1)/ferromagnetisches Material MX(2)/AlO(1,0)/NiFe(4)/Ru(0,8)/NiFe(3)/Ta(20).
  • Das AlO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,4 nm, Oxidieren des Al-Films in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (200 Torr, 1 min), weiteres Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,6 nm und Oxidieren des Al-Films mit einer ICP-Oxidation hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 260°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem IrMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2,5 μm × 4 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit der in 3 angegebenen Konfiguration, und ein ferromagnetisches Material MX wird für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 verwendet. Die laminierte ferrimagnetische freie Schicht (free layer) (NiFe(4)/Ru(0,8)/NiFe(3)) wird als die freie Schicht (free layer) 3 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 8 zeigt das Ergebnis zusammen mit einer Koerzitivkraft (Hc) der laminierten ferrimagnetischen freien Schicht (free layer) und einem Verschiebungsmagnetfeld (Hint) gegenüber dem Magnetfeld von Null. Wenn die Magnetfelder zum Umkehren der Magnetisierung der freien Schicht (free layer) mit H1 und H2 (H1 > H2) bezeichnet werden, wird die Koerzitivkraft (Hc) durch Hc = (H1 – H2)/2 ausgedrückt und das Verschiebungsmagnetfeld (Hint) durch Hint = (H1 + H2)/2 ausgedrückt.
  • TABELLE 8
    Figure 00570001
  • Wie in Tabelle 8 dargestellt ist, ermöglichte das ferromagnetische Material MX ein größeres MR-Verhältnis als im herkömmlichen Beispiel und eine erhebliche Verringerung der Koerzitivkraft (Hc) der laminierten ferrimagnetischen freien Schicht (free layer) und des Verschiebungsmagnetfelds (Hint) gegenüber dem Magnetfeld von Null. Durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials wurde ein Element mit einem MR-Verhältnis von 30% oder mehr, Hc von 25 Oe oder weniger und Hint von 10 Oe oder weniger erhalten. Demgemäß ist das ferromagnetische Material MX auch beim Verbessern der weichmagnetischen Eigenschaften wirksam. Ein kleineres Hint kann die Symmetrie der Wiedergabeausgabe in einem Magnetkopf und die Symmetrie eines Stromfelds zum Schreiben bei einem magnetischen Speicher verbessern. Daher kann der Elemententwurf vereinfacht werden und auch der Leistungsverbrauch verringert werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Grund für eine solche Verringerung von Hc und Hint darin besteht, dass die Grenzfläche für die Verbindung des ferromagnetischen Materials MX und der AlO-Tunnelschicht auf der atomaren Ebene verbessert wird, so dass die weichmagnetischen Eigenschaften der freien Schicht (free layer) verbessert werden.
  • Beispiel 9
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/ferromagnetisches Material MX(5)/AlO(1,0)/Co(3)/Ru(0,7)/Co(3)/IrMn(20)/Ta(25).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 10 kOe wärmebehandelt, um dem IrMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2,5 μm × 4 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), und ein ferromagnetisches Material MX wird für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet.
  • In diesem Beispiel wurden auch Elemente hergestellt, die das ferromagnetische Material MX mit einem Zusammensetzungsgradienten aufweisen. Insbesondere wurde das ferromagnetische Material MX durch die folgenden drei Verfahren gebildet.
  • Verfahren (1): Ein magnetisches Element M und ein nichtmagnetisches Element X werden gleichzeitig gesputtert, während die Abscheidungsrate beider Elemente konstant gehalten wird.
  • Verfahren (2): Ein magnetisches Element M und ein nichtmagnetisches Element X werden gleichzeitig gesputtert, während die Abscheidungsrate beider Elemente zeitlich geändert wird.
  • Verfahren (3): Ein magnetisches Element M und ein nichtmagnetisches Element X werden abwechselnd gesputtert.
  • Bei allen dieser Verfahren wird die Zusammensetzung des ferromagnetischen Materials MX so eingestellt, dass sie im gesamten Bereich der Filmdicke insgesamt die gleiche (Fe85Pt15) ist. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 9 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 9
    Figure 00600001
  • Die Elementanalyse auf der Grundlage der Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bestätigte, dass die ferromagnetischen Materialien FePt in den Arbeitsbeispielen i03 bis i05 einen dem Verhältnis der Abscheidungsrate entsprechenden Zusammensetzungsgradienten in der Filmdickenrichtung aufwiesen. Die freie Schicht (free layer) des Arbeitsbeispiels i06 änderte sich periodisch in Filmdickenrichtung. Tabelle 9 zeigt, dass das ferromagnetische Material MX das MR-Verhältnis erhöhen kann, selbst wenn es in dem Film nicht gleichmäßig ist.
  • Beispiel 10
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,7)/CoFe(2)/ferromagnetisches Material MX(a)(1)/AlO(0,7)/ferromagnetisches Material MX(b)(1)/NiFe(6)/Ta(25).
  • Das AlO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 0,7 nm und Anwenden einer ICP-Oxidation auf den Al-Film hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 10 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2,5 μm × 3,5 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pin ned layer), das die in 5 angegebene Konfiguration aufweist, und ein ferromagnetisches Material MX(a) wird für einen Abschnitt der angelenkten Schicht (pinned layer) 1 verwendet, und ein ferromagnetisches Material MX(b) wird für einen Abschnitt der freien Schicht (free layer) 3 verwendet. Die freie Schicht (free layer) 3 weist eine weichmagnetische NiFe-Schicht auf. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 10 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 10
    Figure 00620001
  • Figure 00630001
  • Wie in Tabelle 10 dargestellt ist, wurden größere MR-Verhältnisse durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials MX erhalten, selbst wenn M und X, die in den über die nichtmagnetische Schicht gegenüberliegenden magnetischen Schichten enthalten sind, verschieden waren.
  • Beispiel 11
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/ferromagnetisches Material MX(5)/AlO(0,7)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(25).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 10 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 3 μm × 4 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), und ein ferromagnetisches Material MX wird für die freie Schicht (free layer) 3 verwendet. Das MR-Verhältnis dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Weiterhin wurde die Kristallstruktur der freien Schicht (free layer) des MR-Elements durch Röntgenbeugung mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop untersucht. Tabelle 11 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 11
    Figure 00640001
  • Die freien Schichten (free layers) der Arbeitsbeispiele k02 bis k05 hatten eine andere Kristallstruktur als bcc, während Fe des herkömmlichen Beispiels k01 die bcc-Struktur aufwies. Höhere MR-Verhältnisse wurden anhand der Arbeitsbeispiele k02 und k03, die fcc aufweisen, erhalten. Ähnlich hatten die freien Schichten (free layers) der Arbeitsbeispiele k07, k08 eine andere Kristallstruktur als fcc, während FeNi des herkömmlichen Beispiels k06 die fcc-Struktur aufwies. Ein höheres MR-Verhältnis wurde bei dem bcc aufweisenden Arbeitsbeispiel k07 erhalten. Die Arbeitsbeispiele k03, k08 wiesen Mikrokristalle auf, deren durchschnittlicher Kristallkorndurchmesser 10 nm oder weniger betrug. Es wird davon ausgegangen, dass diese Ergebnisse die Korrelation zwischen Änderungen der Kristallstruktur und der Spinpolarisation zeigen. Wenn der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser hierbei 10 nm nicht übersteigt, wird die Kristallstruktur als ein Mikrokristall erkannt.
  • Beispiel 12
  • Herkömmliches Beispiel 101
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(3)/AlO(1,0)/NiFe(3)/AlO(1,0)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(15).
  • Arbeitsbeispiel 102
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(1)/FePt(2)/AlO(1,0)/FePt(3)/AlO(1,0)/FePt(2)/CoFe(1)/Ru(0,8)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(15).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 3 Stunden in einem Magnetfeld von 10 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 2 μm × 3 μm.
  • Dieses Element ist ein Doppel-Spin-Valve-TMR-Element (d. h. ein Doppel-Tunnelübergangs-TMR-Film), wie in 7 dargestellt ist. In dem Arbeitsbeispiel 102 wird ein ferromagnetisches Material MX (FePt) für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) und der freien Schicht (free layer) verwendet. Die Zusammensetzung von FePt ist Fe85Pt15.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der MR-Eigenschaften dieses Elements wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Tabelle 12 zeigt Vorspannungen (Vh), bei denen das MR-Verhältnis auf die Hälfte verringert ist. Die Vorspannungen (Vh) des Elements mit einem einzelnen Tunnelübergang (das Arbeitsbeispiel b04 und das herkömmliche Beispiel b01, siehe Beispiel 2) wurden auch gemessen. Tabelle 12 zeigt das Ergebnis.
  • TABELLE 12
    Figure 00660001
  • Wie in Tabelle 12 dargestellt ist, wurde die Vorspannung (Vh) durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials MX sowohl für den Doppel-Tunnelübergang (das Arbeitsbeispiel 102 und das herkömmliche Beispiel 101) als auch für den einzelnen Tunnelübergang (das Arbeitsbeispiel b04 und das herkömmliche Beispiel b01) erheblich verbessert. Daher ist das MR-Element der vorliegenden Erfindung beim Erreichen eines schnellen MRAMs mit hoher Kapazität überle gen.
  • Beispiel 13
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(1)/ferromagnetisches Material MX(3)/Cu(3)/ferromagnetisches Material MX(1)/NiFe(3)/Ta(15).
  • Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 5 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 0,5 μm × 0,5 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein sogenanntes CPP-GMR-Element, das eine Spin-Valve-Konfiguration mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer) entsprechend 5 und eine nichtmagnetische Schicht aus Cu (ein leitfähiges Material) aufweist. Ein ferromagnetisches Material MX wird für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 und einen Abschnitt der freien Schicht (free layer) 3 verwendet. Die freie Schicht (free layer) 3 weist eine weichmagnetische NiFe-Schicht auf. Die MR-Eigenschaften dieses Elements wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht.
  • Tabelle 13 zeigt den Änderungsbetrag des Widerstands (ΔR) zusammen mit dem Änderungsbetrag des Widerstands, wenn die Elementfläche 1 μm2 betrug.
  • TABELLE 13
    Figure 00680001
  • Wie in Tabelle 13 dargestellt ist, wurde der Änderungsbetrag des Widerstands durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials MX erhöht und auf diese Weise die Ausgabe selbst beim CPP-GMR-Element verbessert. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Streuwahrscheinlichkeit der Spinabhängigkeit zwischen FePt und der Cu-Schicht erhöht war und der Widerstand von FePt verhältnismäßig groß war.
  • Beispiel 14
  • Unter Verwendung der CPP-GMR-Filme aus den Arbeitsbeispielen m02, m06 und dem herkömmlichen Beispiel m04 wurde ein abgeschirmter magnetoresistiver Magnetkopf mit der in 11 dargestellten Struktur hergestellt. Ein Al2O3TiC-Substrat wurde als das Substrat (in 11 nicht dargestellt) verwendet, eine plattierte Ni0,8Fe0,2-Legierung wurde für den Aufzeichnungsmagnetpol 38 und die magnetischen Abschirmungen 31, 35 verwendet, Al2O3 wurde für den Isolierfilm 36 verwendet und Au wurde für die Elektroden 32, 34 verwendet.
  • Eine Anisotropie wurde dem magnetischen Film verliehen, so dass die Richtung der einfachen Magnetisierung der mit der weichmagnetischen Schicht (ferromagnetisches Material MX(1)/NiFe(3)) versehenen freien Schicht (free layer) senkrecht zur Richtung eines zu erfassenden Signalmagnetfelds war und die Achse der leichten Magnetisierung der mit der antiferromagnetischen Schicht (PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,8)/CoFe(4)/ferromagnetisches Material MX(2)) versehenen festgesteckten Schicht (pinned layer) parallel zu dieser Richtung war. Insbesondere wurde nach der Bildung des MR-Elements die Richtung der leichten Magnetisierung der festgesteckten Schicht (pinned layer) durch Ausführen einer Wärmebehandlung bei 280°C in einem Magnetfeld von 5 kOe bestimmt, und dann die Achse der leichten Magnetisierung der freien Schicht (free layer) durch Ausführen einer Wärmebehandlung bei 200°C in einem Magnetfeld von 100 Oe bestimmt, während das Magnetfeld senkrecht zur Richtung der leichten Magnetisierung der festgesteckten Schicht (pinned layer) angelegt wurde.
  • Die Spurbreite des Wiedergabeabschnitts des CPP-GMR-Elements betrug 0,1 μm, und die MR-Höhe betrug auch 0,1 μm. Ein Gleichstrom wurde diesen Köpfen als ein Lesestrom zugeführt, und die Ausgaben der Köpfe wurden durch Anlegen eines Wechselstromsignal-Magnetfelds von 50 Oe beurteilt. Wenngleich von dem herkömmlichen Beispiel m04 keine Ausgabe erhalten wurde, wurde von den Arbeitsbeispielen m02, m06 eine Ausgabe von mindestens 15 mV/μm erhalten. Ein im Handel erhältlicher GMR-Kopf (ein normaler CIP-GMR-Kopf) lie ferte eine Ausgabe von 1,3 mV/μm. Wie vorstehend beschrieben wurde, lieferten die Magnetköpfe, bei denen der GMR-Film des Arbeitsbeispiels verwendet wird, größere Ausgaben als der herkömmliche Kopf. Wenn dieser Magnetkopf in einer HDD (Festplatte) mit der in 13 dargestellten Konfiguration verwendet wird, kann eine Flächenaufzeichnungsdichte von mindestens 100 Gbit/Zoll2 erreicht werden.
  • Beispiel 15
  • Unter Verwendung der TMR-Filme der Arbeitsbeispiele a06, b04 und der herkömmlichen Beispiele a01, b01 in den Beispielen 1 und 2 wurde ein in 12 dargestellter magnetoresistiver Magnetkopf mit einem Joch hergestellt. Eine plattierte Ni0,8Fe0,2-Legierung wurde für die obere Abschirmung 41a und die untere Abschirmung 41b verwendet. In diesem Beispiel wurde der TMR-Film in umgekehrter Reihenfolge zu den vorstehenden Beispielen gebildet, nachdem das NiFe der unteren Abschirmung der CMP-Polierung unterzogen worden war. Insbesondere wurde der Film aus dem CoFe-Film (für die Proben a06, a01) und dem NiFe-Film (für die Proben b04, b01) gebildet, und es wurde schließlich der PtMn-Film abgeschieden, auf dem der Elektrodenfilm (Au) gebildet wurde. Die Elementgröße eines Wiedergabekopfabschnitts betrug 0,3 μm × 0,3 μm. Ein Gleichstrom wurde den so hergestellten Köpfen als ein Lesestrom zugeführt, und die Ausgaben der Köpfe wurden durch Anlegen eines Wechselstromsignal-Magnetfelds von etwa 50 Oe ausgewertet. Tabelle 14 zeigt das Ergebnis, worin die Ausgaben der Köpfe der Arbeitsbeispiele a06, b04 mit jenen der herkömmlichen Beispiele a01 bzw. b01 verglichen sind.
  • TABELLE 14
    Figure 00710001
  • Wie in Tabelle 14 dargestellt ist, lieferten die Magnetköpfe, bei denen der TMR-Film des Arbeitsbeispiels verwendet wird, größere Ausgaben als der herkömmliche Kopf.
  • Beispiel 16
  • Ein integrierter Speicher wurde mit Speichervorrichtungen, die eine in 15 dargestellte Grundkonfiguration aufweisen, auf einem CMOS-Substrat gebildet. Das Vorrichtungsfeld bestand aus acht Blöcken, die jeweils 16 × 16 Speichervorrichtungen aufweisen. Hierbei wurden die TMR-Elemente des Arbeitsbeispiels a07 und des herkömmlichen Beispiels a01 in Beispiel 1 als die Speichervorrichtungen verwendet. Die Querschnittsfläche des Elements jeder Probe betrug 0,2 μm × 0,3 μm. Eine Vorrichtung jedes Blocks wurde als eine Blindvorrichtung zum Aufheben des Verdrahtungswiderstands, des minimalen Widerstands der Vorrichtungen und des FET-Widerstands verwendet. Die Wortleitungen, die Bitleitungen oder dergleichen bestanden aus Cu.
  • Bei jeder der acht Vorrichtungen der acht Blöcke wurde die Magnetisierung der freien Schicht (free layer) (in diesem Fall des CoFe(3)-Films) gleichzeitig durch ein künstliches Magnetfeld von der Wortleitung und der Bitleitung um gekehrt, und es wurden dadurch 8-Bit-Signale auf den Vorrichtungen aufgezeichnet. Als nächstes wurde das Gate eines FET-Transistors, der durch CMOS hergestellt wurde, für jede Vorrichtung der jeweiligen Blöcke eingeschaltet, wodurch das Fließen eines Lesestroms bewirkt wurde. Gleichzeitig verglich ein Vergleicher eine an den Bitleitungen, den Vorrichtungen und den FETs in jedem Block erzeugte Spannung mit einer Blindspannung, und es wurden Acht-Bit-Informationen gleichzeitig von der Ausgangsspannung jeder Vorrichtung gelesen. Die Ausgabe des magnetischen Speichers, bei dem die TMR-Elemente des Arbeitsbeispiels verwendet wurden, war etwa zweimal so hoch wie diejenige des magnetischen Speichers, bei dem die TMR-Elemente des Vergleichsbeispiels verwendet wurden.
  • In den folgenden Beispielen 17 bis 19 wurde die thermische Stabilität eines ein ferromagnetisches Material MX enthaltenden MR-Elements in weiteren Einzelheiten untersucht.
  • Beispiel 17
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0,9)/CoFe(1)/ferromagnetisches Material MX(2)/AlO(1,0)/ferromagnetisches Material MX(2)/NiFe(5)/Ta(15).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig einer Mikroverarbeitung unterzogen, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 5 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 1 μm × 1,5 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer), das die in 5 angegebene Konfiguration aufweist, und ein ferromagnetisches Material MX wird für einen Abschnitt der festgesteckten Schicht (pinned layer) 1 und einen Abschnitt der freien Schicht (free layer) 3 verwendet. Die freie Schicht (free layer) 3 weist eine weichmagnetische NiFe-Schicht auf. Die Zusammensetzungen des ferromagnetischen Materials MX sind die Folgenden. Zum Vergleich wurden auch Fe und FeCo an Stelle des ferromagnetischen Materials MX enthaltende Elemente hergestellt.
  • TABELLE 15
    Figure 00730001
  • Zum Untersuchen der thermischen Stabilität dieses Spin-Valve-TMR-Elements wurde die Wärmebehandlung in einem Vakuum (1 × 10–6 Torr oder weniger) bei einer Temperatur von bis zu 450°C ausgeführt, ohne dass ein Magnetfeld angelegt wurde. Das Temperaturprofil war das Folgende: Die Temperatur wurde über einen Zeitraum von 2 Stunden von der Zimmertemperatur auf eine Zieltemperatur für die Wärmebehandlung erhöht, dann über 1,5 Stunden bei der Zieltemperatur gehalten und über einen Zeitraum von etwa 5 Stunden auf die Zimmertemperatur verringert. Nach der Wärmebehandlung wurden die MR-Eigenschaften dieses Elements in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht.
  • 18 zeigt ein Standard-MR-Verhältnis (MR(T)/MR(280°C)) in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmebehandlung. Hierbei ist MR(T) das MR-Verhältnis nach der Wärmebehandlung bei einer Temperatur von T°C und MR(280°C) das MR-Verhältnis nach der Wärmebehandlung, die über 5 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe bei 280°C ausgeführt wird, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. 19 zeigt ein Standard-MR-Verhältnis in Abhängigkeit vom Pt-Gehalt im Element (n03), bei dem FePt als das ferromagnetische Material MX verwendet wurde. In 19 beträgt der minimale Anteil des hinzugefügten Pt 0,05 Atomprozent.
  • Wie in 18 dargestellt ist, wurde das MR-Verhältnis bei einer Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur in den herkömmlichen Beispielen scharf verringert. Es wurde jedoch in den Arbeitsbeispielen eine ausgezeichnete thermische Stabilität erreicht. 19 zeigt, dass die thermische Stabilität schnell abnahm, wenn der Pt-Gehalt größer als 60% war. Wie in 19 dargestellt ist, wird durch das Hinzufügen von Pt, selbst in Spurenanteilen, die Stabilität insbesondere bei einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen verbessert. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Pt-Gehalt (X1) 0,05%, bevorzugter 1% und am bevorzugtesten 5% nicht unterschreitet. Wenn der Pt-Gehalt im Bereich von 1 bis 60 Atomprozent liegt, wird das MR-Verhältnis nach der Wärmebehandlung bei einer Temperatur von bis zu 450°C auf 20% oder weniger verringert.
  • Beispiel 18
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(20)/festgesteckte Schicht/AlNO(1,0)/NiFe(5)/Ta(15).
  • Das AlNO wurde durch Bilden eines Al-Films mit einer Dicke von 1,0 nm und Anwenden einer ICP-Oxynitrierung auf den Al-Film in einer Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Atmosphäre gebildet. Nach der Bildung der vorstehend erwähnten Filme wurde das Element in einem Magnetfeld von 5 kOe über 5 Stunden bei 260°C wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Weiterhin wurde jeder Film in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mesa-artig einer Mikroverarbeitung unterzogen, und es wurde Cu(50)/Ta(3) als eine obere Elektrode gebildet. Die Elementfläche einer Probe betrug 0,5 μm × 0,2 μm.
  • Dieses MR-Element ist ein Spin-Valve-TMR-Element mit einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer) mit der Konfiguration gemäß 2. Wie in Tabelle 16 dargestellt ist, wird eine laminierte ferrimagne tische festgesteckte Schicht (pinned layer) aus einem ferromagnetischen Material MX/einer nichtmagnetischen Schicht/einem ferromagnetischen Material MX, eine einzige festgesteckte Schicht (pinned layer) oder eine zweischichtige festgesteckte Schicht (pinned layer) als die festgesteckte Schicht (pinned layer) 1 verwendet.
  • TABELLE 16
    Figure 00760001
  • Das Substrat befindet sich links.
  • Die Figuren in Klammern bezeichnen die Filmdicke in nm.
  • Nachfolgend wurde das so hergestellte Element in einem Magnetfeld bei einer Temperatur von bis zu 450°C wärmebehandelt. Anschließend wurden die MR-Eigenschaften in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Die 20 und 21 zeigen das Ergebnis.
  • Wie in 20 dargestellt ist, wurde die thermische Stabilität des Elements durch die Verwendung des ferromagnetischen Materials MX für mindestens einen von einem Paar magnetischer Filme, die die laminierte ferrimagnetische festgesteckte Schicht (pinned layer) bilden, verbessert. Insbesondere wurde die thermische Stabilität erheblich verbessert, wenn das ferromagnetische Material zumindest für den Film auf der Seite der Tunnelisolierschicht (p02, p04 bis p06) verwendet wurde. Weiterhin wurde eine ausgezeichnete thermische Stabilität auch durch das Element p06 erreicht, bei dem die antiferromagnetische Austauschkopplung der durch Ru getrennten magnetischen Schichten durch Bereitstellen einer Co-Legierung (magnetische Grenzflächenschichten) an den Grenzflächen der nichtmagnetischen Schicht (Ru) der laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer) verstärkt wurde.
  • Wie in 21 dargestellt ist, wurde die thermische Stabilität auch verbessert, wenn eine zweischichtige magnetische Schicht als die festgesteckte Schicht (pinned layer) verwendet wurde und das ferromagnetische Material MX für eine der zwei Schichten verwendet wurde.
  • Beispiel 19
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/freie Schicht/AlO(0,8)/CoFe(2,5)/Ru(0,8)/CoFe(2,5)/PtMn(15)/Ta(15).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Nach der Bildung der vorstehend erwähnten Filme wurde das Element in einem Magnetfeld von 5 kOe über 3 Stunden bei 280°C wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Weiterhin wurde jeder Film in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mesa-artig einer Mikroverarbeitung unterzogen, und es wurde Cu(50)/Ta(3) als eine obere Elektrode gebildet. Die Elementfläche einer Probe betrug 0,1 μm × 0,2 μm. Hierbei wurden in Tabelle 17 durch q01 bis q08 bezeichnete einschichtige oder mehrschichtige Filme als die freie Schicht (free layer) verwendet. Der Magnetowiderstand dieses Elements wurde bei Zimmertemperatur gemessen, und es wurde auch die Koerzitivkraft (Hc) der freien Schicht (free layer) zu dieser Zeit untersucht. Tabelle 17 zeigt die Ergebnisse gemeinsam.
  • TABELLE 17
    Figure 00780001
  • Figure 00790001
  • Das Substrat befindet sich links.
  • Die Figuren in Klammern bezeichnen die Filmdicke in nm.
  • Nachfolgend wurde das so hergestellte Element in einem Magnetfeld bei einer Temperatur von bis zu 400°C wärmebehandelt. Anschließend wurden die MR-Eigenschaften in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. 22 zeigt das Ergebnis.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, wurde durch die Elemente, bei denen das ferromagnetische Material MX (FeNiPt) für die freie Schicht (free layer) verwendet wurde, eine erhebliche Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften der freien Schicht (free layer) und des MR-Verhältnisses erreicht.
  • Beispiel 20
  • Die folgende Probe wurde auf einem mit einem thermischen Oxidfilm versehenen Si-Substrat durch Mehrtarget-Magnetronsputtern gebildet, und es wurden die MR-Eigenschaften und die thermische Stabilität untersucht.
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/freien Schicht(4)/AlO(0,8)/festgesteckten Schicht/IrMn(20)/Ta(15).
  • Das AlO wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig einer Mikroverarbeitung unterzogen, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Anschließend wurde das Element bei 280°C für 5 Stunden in einem Magnetfeld von 5 kOe wärmebehandelt, um dem IrMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Die Elementfläche einer Probe betrug 0,5 μm × 1 μm. Dieses MR-Element hat die Konfiguration eines TMR-Elements entsprechend 2. Hierbei wurden MR-Elemente für verschiedene festgesteckte Schichten (pinned layers), die jeweils ein ferromagnetisches Material MX aufweisen, hergestellt, und die thermische Stabilität wurde untersucht. In Tabelle 18 wurde Fe0,8Ni0,2 für die freien Schichten (free layers) von r01 und r05 verwendet, und [Fe0,8Ni0,2]70Pt30 wurde für die freien Schichten (free layers) der anderen Proben verwendet. Zum Untersuchen der thermischen Stabilität wurden die Elemente in einem Vakuum wärmebehandelt, während ein Magnetfeld von 5 kOe angelegt wurde, und sie wurden dann über 5 Stunden bei ihren jeweiligen Targettemperaturen gehalten. Anschließend wurde der Magnetowiderstand bei Zimmertemperatur gemessen. 23 zeigt die Abhängigkeit des MR-Verhältnisses von der Wärmebehandlungstemperatur.
  • TABELLE 18
    Figure 00810001
  • Das Substrat befindet sich links.
  • Die Figuren in Klammern bezeichnen die Filmdicke in nm.
  • Beispiel 21
  • Die folgende Probe wurde auf einem mit einem thermischen Oxidfilm versehenen Si-Substrat durch Mehrtarget-Magnetronsputtern gebildet, und es wurden die MR-Eigenschaften und die thermische Stabilität untersucht.
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Cr(4)/einer laminierten ferrimagnetischen festgesteckten Schicht (pinned layer)/AlN(1,0)/CoFe(1)/NiFe(3)/-Ta(15).
  • Hierbei stellt die Dicke (1,0) von AlN die vorgesehene Gesamtdicke von Al vor dem Nitrieren dar. Das AlN wurde mit einer ICP-Nitrierung hergestellt. Jeder Film wurde ebenso wie in Beispiel 1 mesa-artig einer Mikroverarbeitung unterzogen, und Cu(50)/Ta(3) wurde als eine obere Elektrode gebildet. Die Elementfläche einer Probe betrug 2 μm × 4 μm. Für dieses MR-Element bestand die festgesteckte Schicht (pinned layer) aus einem laminierten ferrimagnetischen Material, das in Tabelle 19 dargestellt ist, und die freie Schicht (free layer) bestand aus einem zweischichtigen Film aus CoFe/NiFe. Das MR-Element wurde bei Temperaturen von einer Zimmertemperatur bis auf 450°C ohne Anlegen eines Magnetfelds wärmebehandelt, und es wurde dann die thermische Stabilität für ein MR-Verhältnis untersucht. Die Magnetowiderstandsmessungen wurden bei Zimmertemperatur ausgeführt, während nach jeder Wärmebehandlung ein maximales Magnetfeld von 500 Oe angelegt wurde. 24 zeigt die Abhängigkeit des MR-Verhältnisses von der Wärmebehandlungstemperatur nach der Wärmebehandlung in Abhängigkeit vom MR-Verhältnis vor der Wärmebehandlung.
  • TABELLE 19
    Figure 00820001
  • Das Substrat befindet sich links.
  • Die Figuren in Klammern bezeichnen die Filmdicke in nm.
  • Beispiel 22
  • Die folgende Probe wurde auf einem mit einem thermischen Oxidfilm versehenen Si-Substrat durch Mehrtarget-Magnetronsputtern gebildet, und es wurden die MR-Eigenschaften und die thermische Stabilität untersucht.
  • Si-Substrat mit einem thermischen Oxidfilm/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCo(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/festgesteckten Schicht (pinned layer) 1/AlO(1,0)/freien Schicht (free layer)/AlO(1,0)/festgesteckten Schicht (pinned layer) 2/CoFe(2)/PtMn(15)/Ta(15).
  • Das Verfahren zur Bildung des AlO-Films glich demjenigen in Beispiel 1. Nach der Bildung der vorstehend erwähnten Filme wurde das Element in einem Magnetfeld von 5 kOe über 3 Stunden bei 280°C wärmebehandelt, um dem PtMn eine unidirektionale Anisotropie zu verleihen. Weiterhin wurde jeder Film in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mesa-artig verarbeitet, und es wurde Ta(5)/Pt(10)/Cu(50)/Ta(3) als eine obere Elektrode gebildet. Die Elementfläche der Probe betrug 0,5 μm × 0,3 μm.
  • Dieses Element ist ein Doppel-Spin-Valve-TMR-Element, wie in 6 dargestellt ist. Tabelle 20 zeigt die für die festgesteckten Schichten (pinned layers) 1, 2 und die freie Schicht (free layer) in der vorstehend beschriebenen Filmstruktur verwendeten magnetischen Filme.
  • TABELLE 20
    Figure 00840001
  • Die Ausgaben wurden erhalten, wenn eine Vorspannung von 1 V nach der Wärmebehandlung bei 400°C an jedes Element angelegt wurde.
  • Nach der Herstellung des Mesa-TMR-Elements wurde eine Wärmebehandlung bei jeder der Temperaturen im Bereich von 280°C bis 400°C über 1 Stunde in einem Magnetfeld von 5 kOe ausgeführt, woraufhin der Magnetowiderstand und die I-V-Kennlinie bei Zimmertemperatur gemessen wurde. 25 zeigt das MR-Verhältnis bei jeder Wärmebehandlungstemperatur. Tabelle 20 zeigt die Ausgaben, die erhalten werden, wenn eine Vorspannung von 1 V nach der Wärmebehandlung bei 400°C an das Element angelegt wurde. Wie in 25 dargestellt ist, kann selbst bei dem Doppel-Spin-Valve-TMR-Element die Stabilität der MR-Eigenschaften verbessert werden, wenn das ferromagnetische Material MX verwendet wird. Weiterhin ist es auch möglich, das Element be reitzustellen, das in der Lage ist, selbst nach einer Wärmebehandlung bei 400°C eine hohe Ausgabe aufrechtzuerhalten.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung kann, verglichen mit einem herkömmlichen Element, ein MR-Element mit einem größeren MR-Verhältnis und einer ausgezeichneten thermischen Stabilität bereitstellen. Das MR-Element der vorliegenden Erfindung kann auch die Eigenschaften magnetischer Vorrichtungen, wie eines magnetoresistiven Magnetkopfs, einer magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung, die den magnetoresistiven Magnetkopf aufweist, und eines magnetischen Speichers hoher Dichte (MRAMs), verbessern.

Claims (40)

  1. Magnetoresistives Element mit: einem mehrschichtigen Film, der zumindest zwei magnetische Schichten (1, 3) und zumindest eine nichtmagnetische Schicht (2) aufweist, die zwischen den beiden magnetischen Schichten (1, 3) angeordnet ist, wobei ein Widerstandswert sich mit einem relativen Winkel ändert, der durch die Magnetisierungsrichtungen der zumindest zwei magnetischen Schichten gebildet ist, und wobei zumindest eine der magnetischen Schichten (1, 3) ein ferromagnetisches Material M-X umfasst, das durch M100-aXa ausgedrückt ist, wobei M zumindest ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Fe, Co und Ni besteht, dadurch gekennzeichnet, daß X durch X1 bX2 cX3 d ausgedrückt ist, wobei X1 zumindest ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au besteht, X2 zumindest ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Zn und Lanthanoidenreihen-Elementen besteht, X3 zumindest ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Si, B, C, N, O, P und S besteht und a, b, c, und d die folgenden Gleichungen erfüllen: 0,05 ≤ a ≤ 60, 0 ≤ b ≤ 60, 0 ≤ c ≤ 30 0 ≤ d ≤ 20,und a = b + c + d
  2. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem b und c folgendes erfüllen: b + c > 0.
  3. Magnetoresistives Element nach Anspruch 2, bei dem b und c folgendes erfüllen: b > 0 und c > 0.
  4. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem b und d folgendes erfüllen: b + d > 0.
  5. Magnetoresistives Element nach Anspruch 4, bei dem b und d folgendes erfüllen: b > 0 und d > 0.
  6. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem die magnetischen Schichten (1, 3) eine freie Schicht (3) und eine feste bzw. festgesteckte Schicht (1) umfassen und bei dem die Magnetisierung der freien Schicht relativ leichter durch ein externes magnetisches Feld als die Magnetisierung der angelenkten Schicht zu drehen ist.
  7. Magnetoresistives Element nach Anspruch 6, bei dem die freie Schicht (3) das ferromagnetische Material M-X aufweist.
  8. Magnetoresistives Element nach Anspruch 6, bei dem die festgesteckte Schicht (1) das ferromagnetische Material M-X aufweist.
  9. Magnetoresistives Element nach Anspruch 6, bei dem ein absoluter Wert eines magnetischen Schicht- bzw. Schiebe felds der freien Schicht nicht mehr als 20 Oe ist und das magnetische Schiebefeld Hint definiert ist durch: Hint = (H1 + H2)/2,wobei H1 und H2 (H1 ≥ H2) zwei magnetische Felder sind, die durch die Punkte auf einer Magnetisierung-zu-magnetisches-Feld-Kurve (M-H Kurve) angezeigt sind, bei denen die Magnetisierung Null ist, wobei die Kurve die Beziehung zwischen dem magnetischen Feld und der Magnetisierung zeigt.
  10. Magnetoresistives Element nach Anspruch 6, das weiterhin eine antiferromagnetische Schicht (8) zum Unterdrücken einer Magnetisierungsrotation der festgesteckten Schicht aufweist.
  11. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Schicht, die das ferromagnetische Material M-X aufweist, ein mehrschichtiger Film (115) mit magnetischen Filmen (1115) ist und zumindest einer der magnetischen Filme das ferromagnetische Material M-X aufweist.
  12. Magnetoresistives Element nach Anspruch 11, bei dem der magnetische Film, der das ferromagnetische Material M-X aufweist, in Kontakt mit der nichtmagnetischen Schicht (2) ist.
  13. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Schicht, die das ferromagnetische Material M-X aufweist, einen nicht magnetischen Film (14) und ein Paar magnetischer Filme (13, 15) umfasst, die den magnetischen Film (14) umgeben.
  14. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem die nichtmagnetische Schicht (2) aus einem leitfähigen Material gefertigt ist.
  15. Magnetoresistives Element nach Anspruch 14, bei dem das leitfähige Material zumindest eines aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Cu, Ag, Au, Cr und Ru besteht.
  16. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem die nichtmagnetische Schicht (2) aus einem isolierenden Material gefertigt ist.
  17. Magnetoresistives Element nach Anspruch 16, bei dem das isolierende Material zumindest eines aufweist, das ausgewählt ist aus einem Oxyd, einem Nitrid und einem Oxonitrid aus Al.
  18. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, das weiterhin ein Paar Elektrodenschichten (22, 24) aufweist, um einen Stromfluß senkrecht zu den Schichtoberflächen der Schichten zu ermöglichen.
  19. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem das ferromagnetische Material M-X einen Zusammensetzungsgradienten in einer Dickenrichtung hat.
  20. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem das ferromagnetische Material M-X eine kristalline Struktur bzw. Kristallstruktur hat, die sich von einer bevorzugten Kristallstruktur eines Materials unterscheidet, das aus M bei gewöhnlichen Temperaturen und Drücken gefertigt ist.
  21. Magnetoresistives Element nach Anspruch 20, bei dem die Kristallstruktur des ferromagnetischen Materials M-X zumindest eines aufweist, das von fcc und bcc ausgewählt ist.
  22. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem das ferromagnetische Material M-X aus einem Mischkristall gebildet ist, der zumindest zwei kristalline Strukturen umfasst.
  23. Magnetoresistives Element nach Anspruch 22, bei dem der Mischkristall zumindest zwei umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus fcc, fct, bcc, bct und hcp besteht.
  24. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem das ferromagnetische Material M-X kristallin ist.
  25. Magnetoresistives Element nach Anspruch 24, bei dem das ferromagnetische Material M-X aus säulenartigen Kristallen mit einem durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von 10 nm oder weniger gefertigt ist.
  26. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem M durch Fe1–p–qCopNiq ausgedrückt ist, wobei p und q die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < p < 1 0 < q ≤ 0,9,und p + q < 1.
  27. Magnetoresistives Element nach Anspruch 26, bei dem q folgendes erfüllt: 0 < q ≤ 0,65.
  28. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem M durch Fe1–qNiq ausgedrückt ist, wobei q die folgende Gleichung erfüllt: 0 < q ≤ 0,95.
  29. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem M durch Fe1–pCop ausgedrückt ist, wobei p die folgende Gleichung erfüllt 0 < p ≤ 0,95.
  30. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem X zumindest ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus V, Cr, Mn, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir und Pt besteht.
  31. Magnetoresistives Element nach Anspruch 30, bei dem X Pt ist und a die folgende Gleichung erfüllt: 0,05 ≤ a ≤ 50.
  32. Magnetoresistives Element nach Anspruch 30, bei dem X zumindest eines ist, das ausgewählt ist von Pd, Rh und Ir und a die folgende Gleichung erfüllt: 0,05 ≤ a ≤ 50.
  33. Magnetoresistives Element nach Anspruch 30, bei dem X zumindest zwei Elemente ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus V, Cr, Mn, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir und Pt besteht.
  34. Magnetoresistives Element nach Anspruch 33, bei dem X durch PtbRec ausgedrückt ist, wobei b und c die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < b < 50 0 < c ≤ 20, a = b + c,und 0,05 ≤ a ≤ 50.
  35. Magnetoresistives Element nach Anspruch 33, bei dem X durch Ptb1Pdb2 ausgedrückt ist, wobei b1 und b2 die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < b1 < 50, 0 < b2 < 50, a = b1 + b2,und 0,05 ≤ a ≤ 50.
  36. Magnetoresistives Element nach Anspruch 33, bei dem X durch Rhb1Irb2 ausgedrückt ist, wobei b1 und b2 die folgenden Gleichungen erfüllen: 0 < b1 < 50, 0 < b2 < 50, a = b1 + b2,und 0,05 ≤ a ≤ 50.
  37. Magnetoresistiver Magnetkopf mit: dem magnetoresistiven Element nach Anspruch 1 und einer magnetischen Schirmung (31, 35) zum Unterdrücken eines Durchdringens in das Element eines Magnetfelds, das ein anderes ist, als das durch das magnetoresistive Element zu erfassen ist.
  38. Magnetoresistiver Magnetkopf mit: dem magnetoresistiven Element nach Anspruch 1 und einem Joch (41a, 41b) zum Einführen eines magnetischen Felds, das zu erfassen ist, in das magnetoresistive Element.
  39. Magnetische Aufzeichnungsvorrichtung mit: dem magnetoresistiven Magnetkopf nach Anspruch 37 oder 38.
  40. Magnetoresistive Speichervorrichtung mit: dem magnetoresistiven Element nach Anspruch 1, einer Informationsaufzeichnungsleitung (63) zum Aufzeichnen von Informationen auf dem magnetoresistiven Element, und einer Informationsleseleitung (61) zum Lesen der Informationen.
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