DE69202258T2 - Magnetoresistives Element. - Google Patents

Magnetoresistives Element.

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NEC Corp
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Industrieller Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Element für dünne Filmköpfe oder Magnetfeldsensoren.
    • Stand der Technik
  • Es wurden bekanntermaßen Entwicklungen eines Magnetowiderstandssensors (nachfolgend als MR-Sensor bezeichnet) und eines Magnetowiderstandskopfes (nachfolgend als MR-Kopf bezeichnet) durchgeführt, in welchen magnetoresistive Elemente verwendet werden, wobei das Permalloy von Ni&sub0;, &sub8;Fe&sub0;,&sub2; vor allem als ein darauf aufgebrachtes, magnetisches Material verwendet wurde. Im Falle dieses Materials ist jedoch das MR (magnetischer Widerstand bzw. Magnetoresistenz) -Verhältnis (nachfolgend als ΔR/R bezeichnet) ungefähr 2,5 % und es ist daher ein Material mit einem höheren ΔR/R erforderlich, um ein magnetoresistives Element mit höherer Empfindlichkeit zu erhalten. Vor kurzem wurde entdeckt, daß ein sehr großer Magnetowiderstandseffekt durch einen Film mit einem künstlichen Supergitter induziert wird, welcher aus einem dünnen Film hergestellt ist, welcher Fe und Cr enthält (siehe Physical Review Letter, Vol. 61, S. 2472, 1988). Im Fall dieses Materials kann jedoch ein großes ΔR/R nicht erhalten werden, wenn nicht ein intensives Magnetfeld von 10 kOe oder mehr an dieses angelegt wird, wobei dies in einem Problem bei der Durchführbarkeit resultiert, 10e = 79,577 A/m.
  • Die EP-A-0 406 060 lehrt, ein magnetoresistives Element zur Verfügung zu stellen, welches eine erste magnetische Filmschicht, eine zweite magnetische Fiimschicht und eine nichtmagnetische Metallfilm-Schicht umfaßt, welche zwischen den ersten und zweiten magnetischen Filmschichten angeordnet ist. Die Dicke der ersten und zweiten magnetischen Schichten soll zwischen 9 und 90 Å liegen, wobei die nicht-magnetische Schicht eine Dicke von weniger als 30 Å aufweist. Als ein Material für die nicht-magnetische Schicht werden Mangan, Chrom, Vanadium und Titan erwähnt.
  • "Origin of Interfacial Energy in Coupled Films of Permalloy and Cobalt" lehrt die Verwendung von Ag als ein Material für den nicht-magnetischen Metallfilm. Die Dicke der nichtmagnetischen Metallfilm-Schicht wird als zwischen 500 und 600 Å liegend erwähnt, um die Koerzitivkraft der weichmagnetischen Filmschicht der magnetischen Filmschichten auf einem Minimum zu halten.
  • Die EP-A-0 304 280 beschreibt eine Vorrichtung zur Detektion von Magnetismus, umfassend Legierungen, welche ein Zusammensetzungsverhältnis von Ni-Fe von 83:17 und von Ni-Co von 76:24 aufweisen (wobei in beiden Fällen die Einheit Gew.-% ist). Der dünne Film des entsprechenden Elementes weist eine Dicke von 500 bis 1000 Å bis zu höchstens ungefähr 2000 Å auf.
  • Es ist das Ziel der Erfindung, ein magnetoresistives Element zu erhalten, welches einen großen Wechsel des magnetischen Widerstandes in einem niedrigen Magnetfeld für praktische Verwendung zeigt.
  • Gemäß der Erfindung wird das obige Ziel durch ein magnetoresistives Element gemäß Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
  • Mit anderen Worten ist ein magnetoresistives Element, welches das Ziel der Erfindung erfüllt, ein Körper mit einer mehrschichtigen Struktur, in welcher eine erste magnetische Filmschicht, welche aus Ni-reichem Ni-Co-Fe hergestellt ist und eine Dicke von 10 bis 100 Å aufweist, und eine zweite magnetische Filmschicht, welche aus einem Co-reichen Co-Ni- Fe hergestellt ist und eine Dicke von 10 bis 100 Å aufweist, welche in ihrer Koerzitivkraft voneinander verschieden sind, vollständig mit einer nicht-magnetischen Metallfilm-Schicht mit einer Dicke von 10 bis 100 Å, welche dazwischenliegend angeordnet ist, laminiert sind. Das magnetoresistive Element gemäß der Erfindung umfaßt auch einen Körper mit einer mehrschichtigen Struktur, worin die oben genannten drei Schichten eine Basiseinheit sind und eine Mehrzahl derartiger Einheiten vollständig miteinander mit nicht-magnetischen Metallfilm-Schichten, welche eine Dicke von 10 bis 100 Å aufweisen und dazwischenliegend angeordnet sind, laminiert sind.
  • Als Metall zur Ausbildung der nicht-magnetischen Metallfilm- Schicht werden Cu, Ag, Au, Pt, Ru oder Re vorgeschlagen. Mit dem magnetoresistiven Element kann ein großer Wechsel des magnetischen Widerstandes bei Raumtemperatur und in einem schwachen Magnetfeld erzeugt werden, wobei dies mit keinem der bekannten, magnetoresistiven Elemente erreicht wurde.
  • Das Material für den ersten magnetischen Film ist nicht auf das oben genannte ternäre System beschränkt. Ein binäres System von Ni-Fe oder Ni-Co kann verwendet werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen das Funktionsprinzip eines magnetoresistiven Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 ist ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einem angelegten Magnetfeld und einem MR-Verhältnis im Fall des magnetoresistiven Elementes gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 illustriert.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Eine erste magnetische Filmschicht eines magnetoresistiven Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus einem magnetischen Material gebildet, dessen primäre Komponente von einer Zusammensetzung gebildet ist, welche durch die nachfolgenden Ausdrücke 1, 2 oder 3 bezeichnet ist. Dies ist ein weichmagnetisches Material mit einem großen ΔR/R, einer geringen Magnetostriktion und einer geringen Koerzitivkraft.
  • (NiACo1-A)BFe1-B .... (1)
  • worin A und B Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung bezeichnen, welche 0,6 ≤ A ≤ 1,0 bzw. 0,7 ≤ B ≤ 1,0 erfüllen.
  • NiAFe1-A .... (2)
  • worin A ein Verhältnis der atomaren Zusammensetzung bezeichnet, welches 0,7 ≤ A ≤ 0,9 erfüllt.
  • NiACo1-A .... (3)
  • worin A ein Verhältnis der atomaren Zusammensetzung bezeichnet, welches 0,6 ≤ A ≤ 0,9 erfüllt.
  • Das Material für die erste magnetische Filmschicht wird nicht auf die Zusammensetzungen beschränkt sein, welche durch die Ausdrücke 1, 2 oder 3 bezeichnet sind. Um die Eigenschaften, wie etwa den Weichmagnetismus, den Verschleißwiderstand oder den Korrosionswiderstand, zu verbessern, kann es Nb, Mo, Cr, W, Ru, etc. als ein sekundäres Element beinhalten und es kann weiters zufällige Unreinheiten beinhalten.
  • Eine zweite magnetische Filmschicht des magnetoresistiven Elementes gemäß der Erfindung wird von einem magnetischen Material gebildet, dessen primäre Komponente eine durch den nachfolgenden Ausdruck 4 bezeichnete Verbindung ist. Dies ist ein semi-hartmagnetisches Material mit einer geringen Magnetostriktion und einer relativ großen Koerzitiv-kraft.
  • (CoCNi1-C)DFe1-D .... (4)
  • worin C und D Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung bezeichnen, welche 0,4 ≤ C ≤ 1,0 bzw. 0,8 ≤ D ≤ 1,0 erfüllen.
  • Das Material für die zweite magnetische Filmschicht wird nicht auf die durch den Ausdruck 4 bezeichnete Zusammensetzung beschränkt sein. Um die Eigenschaften, wie etwa den Korrosionswiderstand, zu verbessern, kann es Nb, Mo, Cr, W, Ru, etc. als ein sekundäres Element beinhalten und es kann weiters zufällige Unreinheiten beinhalten.
  • Die erste magnetische Filmschicht 1 und die zweite magnetische Filmschicht 3 haben unterschiedliche Koerzitivkräfte und sie sind durch eine nicht-magnetische Metallfilm-Schicht 2 getrennt. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, werden daher, wenn ein schwaches magnetisches Feld an sie angelegt wird, die Spins der ersten weichmagnetischen Filmschicht 1 zuerst in diese Richtung gedreht, während die Spins der zweiten a semi-hartmagnetischen Filmschicht 3 nicht umgekehrt werden. Daher ist in diesem Stadium die Spin-Ausrichtung der ersten magnetischen Filmschicht 1 und jene der zweiten magnetischen Filmschicht 3 antiparallel und die Spin-Streuung der Leitungselektronen sehr groß, wodurch sich eine sehr große Magnetoresistenz ergibt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Darüberhinaus werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, wenn das angelegte Magnetfeld erhöht wird, auch die Spins der zweiten magnetischen Filmschicht 3 umgekehrt und die Spin- Ausrichtung der ersten magnetischen Filmschicht 1 und jene der zweiten magnetischen Filmschicht 3 wird parallel. Daher wird die Spin-Streuung der Leitungselektronen geringer, wodurch die Magnetoresistenz abnimmt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Auf diese Weise kann ein großes ΔR/R erhalten werden. Wenn die nicht-magnetische Metallfilm-Schicht 2 nicht existiert, werden jedoch die erste magnetische Filmschicht 1 und die zweite magnetische Filmschicht 3 magnetisch gekoppelt. Da die in Fig. 1 gezeigte Bedingung nicht realisiert wird, kann ein großer Magnetoresistenzeffekt dann nicht erhalten werden. Weiters sollten vorzugsweise die erste magnetische Filmschicht 1 und die zweite magnetische Filmschicht 3 geringe Magnetostriktion aufweisen. Dies deshalb, da eine große Magnetostriktion die Erzeugung von Geräuschen induziert, wenn ein derartiges magnetoresistives Element für einen MR-Kopf oder dgl. verwendet wird.
  • Die Ni-reiche Ni-Co-Fe-Legierung des Ausdruckes 1 weist eine geringe Magnetostriktion auf und zeigt Weichmagnetismus, wenn die Verhältnisse der Zusammensetzung 0,6 ≤ A ≤ 1,0, 0,7 ≤ B ≤ 1,0 erfüllen. Typische Beispiele sind Ni&sub0;, &sub8;Co&sub0;, &sub1;Fe&sub0;,&sub1;, Ni&sub0;, &sub8;Fe&sub0;,&sub2; und dgl.. Es können auch Nb, Mo, Cr, W, Ru und dgl. zu der Zusammensetzung des Ausdruckes 1 hinzugefügt werden, um den Weichmagnetismus, den Verschleißwiderstand und den Korrosionswiderstand weiter zu verbessern. Andererseits weist die Co-reiche Co-Ni-Fe-Legierung des Ansdruckes 4 eine relativ geringe Magnetostriktion auf und zeigt Semi- Hartmagnetismus, wenn die Verhältnisse der Zusammensetzung 0,4 ≤ C ≤ 1,0, 0,8 ≤ D ≤ 1,0 erfüllen. Wenn die Zusammensetzung auf diese Weise gewählt wird, können zwei Arten von magnetischen Filmen, welche unterschiedliche Koerzitivkräfte aufweisen, erhalten werden. Diese magnetischen Filmschichten weisen Nachteile auf, wie etwa einen fall der Magnetisierung bei Raumtemperatur aufgrund eines Rückganges der Curie- Temperatur, wenn sie eine Dicke von weniger als 10 Å aufweisen. Darüberhinaus ist es zumindest notwendig, jede magnetische Filmschicht nicht mehr als 100 Å dick auszubilden, um dadurch den Laminisierungeffekt wie in der vorliegenden Erfindung auszunützen, da die Gesamtdicke eines magnetoresistiven Elementes für eine praktische Anwendung einige 100 Ångström (Å) beträgt. Daher sollte vorzugsweise die Dicke dieser magnetischen Filmschichten von 10 bis 100 Å betragen.
  • Der nicht-magnetische Metallfilm, welcher zwischen diesen ersten und zweiten magnetischen Filmen angeordnet ist, muß aus einem Material hergestellt sein, welches eine geringe Reaktion an den übergangsschichten mit den Ni-Co-Fe-Magnetfilmen bewirkt und welches nicht magnetisch ist. Cu, Ag, Au, Pt oder dgl. sind geeignet. Es sind auch Ru, Re oder dgl. geeignet, wenn dem Verschleißwiderstand große Beachtung geschenkt wird. Die optimale Dicke dieser nicht-magnetischen Metallfilm-Schicht ist ungefähr 50 Å. Wenn sie weniger als 10 Å beträgt, werden die zwei Arten der magnetischen Filmschicht magnetisch gekoppelt und es wird schwierig sein, den Zustand zu realisieren, in welchem die magnetischen Filmschichten 1 und 3 mit unterschiedlichen Koerzitivkräften eine Konfiguration mit antiparallelen Spins aufweisen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn sie 100 Å übersteigt, so bewirkt auch der Widerstand der nicht-magnetischen Metallfilm-Schicht, welche einen derartigen Magnetoresistenzeffekt nicht zeigt, daß die Änderung der Magnetoresistenz des gesamten magnetoresistiven Elementes abnimmt. Daher sollte vorzugsweise die Dicke der nicht-magnetischen Metallfilm- Schicht 10 bis 100 Å sein. Nachfolgend werden die Effekte der vorliegenden Erfindung auf der Basis eines konkreten Beispieles erläutert.
    • Beispiel
  • Magnetoresistive Elemente der folgenden Strukturen (Proben Nr. 1 bis 3) wurden auf Glassubstraten mit Hilfe einer Ultrahochvakuum-Abscheidevorrichtung ausgebildet.
  • 1: [Ni-Fe(30)/Cu(50)/Co-Ni(30)/Cu(50)]
  • 2: [Ni-Fe(30)/Au(50)/Co-Ni(30)/An(50)]
  • 3: [Ni-Fe(30)/Ag(50)/Co-Ni-Fe(30)/Ag(50)]
  • (Jeder Schrägstrich "/" zeigt an, daß ein vor dem Schrägstrich beschriebener Film und ein nach dem Schrägstrich beschriebener Film übereinander angeordnet sind. Die Anzahl in jedem Paar Klammern () zeigt die Dicke (Å) jedes Filmes an.)
  • Ni&sub0;, &sub8;Fe&sub0;,&sub2;, Co&sub0;, &sub6;&sub5;Ni&sub0;,&sub3;&sub5; und Co&sub0;, &sub8;Ni&sub0;, &sub1;Fe0,1 wurden als Verdampfungsquellen von Ni-Fe, Co-Ni bzw. Co-Ni-Fe verwendet und Filme wurden unter Verwendung einer Elektronenstrahl kanone abgeschieden. Darüberhinaus wurde die Dicke jedes Filmes durch einen Quartz-Oszillator-Monitor und eine Blende kontrolliert.
  • In gleicher Weise wurden Ni&sub0;, &sub8;Co&sub0;,&sub2;, Ni&sub0;, &sub7;Co&sub0;, &sub2;Fe&sub0;,&sub1; und Co&sub0;, &sub6;&sub5;Ni&sub0;,&sub3;&sub5; als Verdampfungsquellen verwendet und die folgenden Beispiele Nr. 4 bis 6 wurden ausgebildet.
  • 4: [Ni-Co(30)/Pt(50)/Co-Ni (30)/Pt(50)]
  • 5: [Ni-Co-Fe(30)/Cu(50)/Co-Ni(30)/Cu(50)]
  • 6: [Ni-Co-Fe(30)/Ru(50)/Co-Ni(30)/Ru(50)]
  • Eigenschaften der derart erhaltenen, magnetoresistiven Elemente sind in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 No. Änderungsrate der Magnetoresistenz ΔR/R (%) Koerzitivkraft HC (Oe)
  • Die Ablagerung jedes Filmes wurde in einem Magnetfeld durchgeführt und sein Magnetoresistenzeffekt wurde gemessen, wenn das Magnetfeld in einer Richtung der Achse der Hartmagnetisierung angelegt wurde. Eine Koerzitivkraft jedes der in Tabelle 1 gezeigten Filme ist ein Wert in einer Richtung der Achse der leichten Magnetisierung des Filmes. Wie oben gezeigt, weisen die magnetoresistiven Elemente gemäß der Erfindung praktische Eigenschaften, wie etwa ein großes ΔR/R bei Raumtemperatur und ein relativ geringes Hc auf.
  • Wie dies oben beschrieben wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung ein magnetoresistives Element, welches einen großen Magnetoresistenzeffekt bei Raumtemperatur und in einem angelegten Magnetfeld für praktische Anwendung zeigt. Das magnetoresistive Element, dessen Magnetostriktion gering ist, ist geeignet, wenn es an einem hochempfindlichen MR- Kopf oder dgl. angewandt wird.

Claims (6)

1. Magnetoresistives Element umfassend eine erste magnetische Filmschicht (1) mit einer Dicke von 10 bis 100 Å, eine zweite magnetische Filmschicht (3) mit einer Dicke von 10 bis 100 Å, deren Koerzitivkraft von jener der ersten Filmschicht (1) verschieden ist, und eine nicht-magnetische Metallfilm-Schicht (2) mit einer Dicke von 10 bis 100 Å, welche zwischen den ersten und zweiten Filmschichten (1, 3) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten magnetischen Filmschichten (1, 3) und die nicht-magnetische Metallfilm- Schicht (2) vollständig miteinander laminiert sind, worin die nicht-magnetische Metallfilm-Schicht (2) von Cu, Ag, Au, Pt, Ru oder Re gebildet ist.
2. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, worin die drei Filmschichten (1, 2, 3) eine Basiseinheit sind und eine Mehrzahl von derartigen Einheiten vollständig miteinander mit dazwischen angeordneten, nicht-magnetischen Metallfilm- Schichten (2) mit einer Dicke von 16 bis 100 Å laminiert sind.
3. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 2, worin
die erste magnetische Filmschicht (1) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ansdruck (NiACo1-A)BFe1-B erfüllt (A und B bezeichnen Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung, welche 0,6 ≤ A ≤ 1,0 bzw. 0,7 ≤ B ≤ 1,0 erfüllen), und
die zweite magnetische Filmschicht (3) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ausdruck (CoCNi1-C)DFe1-D erfüllt (C und D bezeichnen Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung, welche 0,4 ≤ C ≤ 1,0 bzw. 0,8 ≤ D ≤ 1,0 erfüllen).
4. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 2, worin
die erste magnetische Filmschicht (1) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ausdruck NiAFe1-A erfüllt (A bezeichnet ein Verhältnis der atomaren Zusammensetzung, welche 0,7 ≤ A ≤ 0,9 erfüllt), und
die zweite magnetische Filmschicht (3) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ausdruck (CoCNi1-C)DFe1-D erfüllt (C und D bezeichnen Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung, welche 0,4 ≤ C ≤ 1,0 bzw. 0,8 ≤ D ≤ 1,0 erfüllen).
5. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 2, worin
die erste magnetische Filmschicht (1) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ausdruck NiACo1-A erfüllt (A bezeichnet ein Verhältnis der atomaren Zusammensetzung, welches 0,6 ≤ A ≤ 0,9 erfüllt), und
die zweite magnetische Filmschicht (3) aus einem Material gebildet ist, dessen wesentliche Komponente von einer Verbindung gebildet ist, welche den Ausdruck (CoCNi1-C)DFe1-D erfüllt (C und D bezeichnen Verhältnisse der atomaren Zusammensetzung, welche 0,4 ≤ C ≤ 1,0 bzw. 0,8 ≤ D ≤ 1,0 erfüllen).
6. Magnetoresistives Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die nicht-magnetische Metallfilm-Schicht (2) von Cu gebildet ist.
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