DE69219936T3 - Magnetowiderstandseffekt-Element - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein aus einem mehrlagigen Gebilde ultrafeiner Schichten oder eines sogen. künstlichen Gitterfilms gebildetes Magnetoresistanzeffektelement.
  • Der Magnetoresistanzeffekt ist ein Effekt variierender Resistanz (elektrischer Widerstand) eines Objekts, die durch Änderung in der Intensität des Magnetfeldes, das auf das Objekt einwirken gelassen wird, hervorgerufen wird. Diesen Effekt ausnutzende Magnetoresistanzeffektelemente gelangen wegen der hohen Magnetfeldempfindlichkeit und der Fähigkeit solcher Elemente, eine relativ große Leistung abzugeben, auf den verschiedensten Anwendungsgebieten einschließlich solcher für Magnetfeldsensoren und Magnetköpfe zum Einsatz. Obwohl Dünnfilme aus Permalloy-Legierungen in großem Umfang für Magnetoresistanzeffektelemente eingesetzt werden, beträgt das Magnetoresistanzverhältnis eines Permalloy-Films (ΔR/Rs mit ΔR gleich der elektrischen Resistanzänderung zwischen einem Magnetfeld 0 und dem Sättigungsmagnetfeld und Rs gleich dem Sättigungswiderstand) nur 2-3 %. Folglich besitzt er nicht die für ein Magnetoresistanzeffektelement erforderliche Empfindlichkeit gegenüber Änderungen im Magnetfeld.
  • Andererseits fanden in den letzten Jahren als neues Magnetoresistanzeffektelement eine Mehrzahl von Lagen aus abwechselnd aufeinandergestapelten magnetischen und nichtmagnetischen Schichten jeweils einer Dicke von einigen Angström bis einigen zehn Angström bzw. ein sogen. künstlicher Gitterfilm (zunehmend) Beachtung. Bekannte Typen des künstlichen Gitterfilms sind (Fe/Cr)n ("Phys. Rev. Lett.", Band 61(21), (1988), 2472), (Permalloy/Cu/Co/Cu)n ("J. Phys. Soc. Jap.", Band 59(9), (1990), 3061) und (Co/Cu)n ("J. Mag. Nat." 94, (1991) L1; "Phys. Rev. Lett." 66, (1991), 2152).
  • Ein künstlicher Gitterfilm vermag im Vergleich zu einem Permalloy-Dünnfilm zwar einen dramatisch verbesserten Magnetoresistanzeffekt zu bieten, künstliche Gitterfilme mit deutlichem Magnetoresistanzeffekt lassen sich jedoch derzeit lediglich mit einer zur Supervakuumverarbeitung fähigen Filmbildungsvorrichtung herstellen. Eine solche Vorrichtung arbeitet mit Supervakuumtechnik, z.B einer Verdampfung im ultrahohen Vakuum (UHV) oder mit Molekularstrahlepitaxie (MBE). In einer üblichen Filmbildungsvorrichtung hergestellte künstliche Gitterfilme zeigen unglücklicherweise keinen akzeptablen Magnetoresistanzeffekt.
  • Im Hinblick darauf besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Magnetoresistanzeffektelements mit großem Magnetoresistanzverhältnis, das auch bei Herstellung in einer üblichen Dünnfilmbildungsvorrichtung für den praktischen Gebrauch geeignet ist.
  • Die Verwendung magnetischer Schichten aus mindestens zwei verschiedenen magnetischen Werkstoffen, insbesondere Fe, Ni oder Co oder einer Legierung derselben, ist aus der EP-A-0 406 060 bekannt. Darüber hinaus beschreibt die JP-A-2 023 681 eine mehrlagige Struktur mit nichtmagnetischen Schichten, bei welcher keine antiferromagnetische Kopplung ausgenutzt wird. Die vorliegende Erfindung ist demgegenüber durch Anspruch 1 definiert.
  • Diese Erfindung lässt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen. In den Zeichnungen bedeuten:
  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Magnetoresistanzeffektelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke einer nichtmagnetischen Schicht eines magnetischen mehrlagigen Gebildes und dem Magnetoresistanzverhältnis des Elements;
  • 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke einer nichtmagnetischen Schicht eines magnetischen mehrlagigen Gebildes und dem Sättigungsfeld des Elements;
  • 4 eine graphische Darstellung des Magnetoresistanzverhältnisses von Beispiel 1;
  • 5 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 2;
  • 6 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 3;
  • 7 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 4;
  • 8 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 5;
  • 9 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 6;
  • 10 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Vergleichsbeispiel 1;
  • 11 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Vergleichsbeispiel 2;
  • 12 eine graphische Darstellung der Drehmomentkurve von Beispiel 12;
  • 13 eine graphische Darstellung der Magnetoresistanzkurve von Beispiel 12.
  • Als Ergebnis umfangreicher Forschungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung zur Entwicklung künstlicher Gitterfilme großen Magnetoresistanzeffekts hat es sich gezeigt, dass sich der Magnetoresistanzeffekt eines künstlichen Gitterfilms vom (Co/Cu)n-Typ deutlich verbessern lässt, wenn das Co teilweise durch Fe substituiert wird. Die Erfinder haben ferner gefunden, dass sich dieser Effekt auch einstellt, wenn die magnetischen Schichten mindestens zwei der Elemente Fe, Co und Ni enthalten, und dass der Effekt besonders groß ist, wenn irgendwelche zwei benachbarten magnetischen Schichten auch ohne nennenswerte Einwirkung eines Magnetfelds antiferromagnetisch gekoppelt sind. Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis der Erfinder.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden detailliert erläutert.
  • Ein erfindungsgemäßes Magnetoresistanzeffektelement besteht aus einem mehrlagigen Gebilde aus abwechselnd aufeinandergestapelten magnetischen und nichtmagnetischen Schichten und besitzt in typischer Weise die aus 1 ersichtliche Bauweise. Hierbei sind insgesamt n identische Kombinationen einer nichtmagnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 3 senkrecht auf einem Substrat 1 aufeinandergestapelt. Hierbei kann die unterste Schicht aus einer nichtmagnetischen oder magnetischen Schicht bestehen. Zwischen Substrat 1 und dem mehrlagigen Gebilde kann eine Pufferschicht aus einem weichen magnetischen Werkstoff eingefügt sein.
  • Die magnetischen Schichten enthalten eine Fe-Co-Legierung zur Gewährleistung einer großen Magnetoresistanzänderung. Die Legierung kann ferner Ni enthalten. Die magnetischen Schichten besitzen vorzugsweise eine in der Ebene liegende uniaxiale magnetische Anisotropie.
  • Vorzugsweise sind beliebige benachbarte magnetische Schichten in einem Zustand, in welchem auf sie praktisch kein Magnetfeld einwirken gelassen wird, antiferromagnetisch gekoppelt. Der Ausdruck "antiferromagnetisch gekoppelt" bedeutet hier und im folgenden, dass die Schichten derart miteinander gekoppelt sind, dass die magnetischen Momente irgendwelcher zwei benachbarter magnetischer Schichten umgekehrt gerichtet sind. Eine solche Kopplungsanordnung kann das Magnetoresistanzverhältnis erhöhen. Andererseits sollte die Kraft, mit der benachbarte Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind, vorzugsweise so gering wie möglich sein, da mit kleiner werdender antiferromagnetischer Kopplungskraft auch das Sättigungsfeld (HS) kleiner wird. Dies ist für Anwendungen, beispielsweise bei Magnetköpfen, vorteilhafter. Es ist von Vorteil, dass das Sättigungsmagnetfeld HS eines erfindungsgemäßen Elements im Hinblick auf eine Erhöhung des Magnetoresistanzverhältnisses (ΔR/R) bei Benutzung eines kleinen Magnetfeldes gering ist.
  • Erfindungsgemäß können für nichtmagnetische Schichten als Werkstoffe Cu, Au, Ag und Ru als Einzelwerkstoff oder in Form einer diese (Elemente) enthaltenden Legierung verwendet werden. Bei Verwendung einer Cu-Au-Legierung für eine nicht magnetische Schicht lässt sich die antiferromagnetische Kopplungskraft zwischen zwei benachbarten Schichten vermindern.
  • Obwohl magnetische Metallschichten und nichtmagnetische Schichten auf verschiedene Arten miteinander kombiniert werden können, empfehlen sich die folgenden Kombinationen aus Gründen der Gewährleistung eines großen Magnetoresistanzeffekts:
    Die magnetischen Schichten bestehen aus einer Legierung der Formel Fe1-xCox (mit 0,5 ≤ x < 1, vorzugsweise 0,5 ≤ x ≤ 0,999), während die nichtmagnetischen Schichten aus Cu bestehen.
  • Zur Gewährleistung eines ausreichend großen Magnetoresistanzverhältnisses (ΔR/R) fällt die Dicke tM (ausgedrückt als Angström oder Å) einer magnetischen Schicht vorzugsweise in den Bereich von 2 Å ≤ tM ≤ 100 Å). Die Dicke tN (ausgedrückt als Angström oder Å) einer nichtmagnetischen Schicht fällt vorzugsweise in den Bereich 2 Å ≤ tN ≤ 100 Å. Vorzugsweise fallen sie in die Bereiche 7 Å ≤ tM ≤ 90 Å bzw. 9 Å ≤ tN ≤ 50 Å.
  • Die Beziehung zwischen der Dicke einer nichtmagnetischen Schicht und dem Magnetoresistanzverhältnis lässt sich graphisch entsprechend 2 darstellen. Da sich das Magnetoresistanzverhältnis oszillatorisch als Funktion der Dicke tN der nichtmagnetischen Schicht ändert, findet sich die Dicke tN vorzugsweise innerhalb des zuvor angegebenen Bereichs, um ein großes Magnetoresistanzverhältnis sicherzustellen. Andererseits ändert sich – wie aus 3 hervorgeht – das Sättigungsmagnetfeld ebenfalls zyklisch als Funktion der Dicke der nichtmagnetischen Schicht, wobei die Peaks im wesentlichen mit denjenigen des Magnetoresistanzverhältnisses übereinstimmen. Folglich sollte die Dicke der nichtmagnetischen Schicht danach festgelegt werden, dass das Magnetoresistanzverhältnis und das Sättigungsmagnetfeld eine für die spezielle Anwendung des Elements optimale Beziehung besitzen. Die 2 und 3 veranschaulichen das Ergebnis eines bei Raumtemperatur mit einem mehrlagigen Gebilde aus 16 magnetischen Schichten aus Fe0,1Co0,9 einer Dicke von 10 Å und derselben Zahl an nichtmagnetischen Schichten aus Kupfer unterschiedlicher Dickewerte innerhalb des angegebenen Bereichs durchgeführten Versuchs.
  • Die Anzahl an (miteinander) kombinierten Schichten liegt vorzugsweise zwischen 5 und einigen 10. Während eine große Zahl im Hinblick auf das Magnetoresistanzverhältnis vorteilhaft sein kann, erreicht der Effekt einen Sättigungswert und wird durch weitere Erhöhung der Anzahl (an Schichten) nicht mehr weiterverbessert. Folglich sollte die Anzahl an kombinierten Schichten innerhalb eines Bereichs festgelegt werden, in welchem der Magnetoresistanzeffekt keinen Sättigungswert erreicht.
  • Der für das Substrat eines erfindungsgemäßen mehrlagigen Gebildes verwendete Werkstoff braucht nicht speziell definiert zu werden. Für das Substrat verwendbare Werkstoffe sind SiO, MgO-Spinell und Si.
  • Das zuvor beschriebene mehrlagige Gebilde lässt sich nach üblichen Dünnfilmbildungstechniken mit einem anfänglichen Vakuum von 1,33 × 10–5 Nm–2 (10–7 Torr) oder weniger (oder einem Druck gleich 1,33 × 10–5 Nm–2 (10–7 Torr) oder mehr) z.B. nach dem RF-Magnetronzerstäubungsverfahren, dem Ionenstrahlzerstäubungsverfahren (IBS) und dem Vakuumverdampfungsverfahren, sowie nach Techniken, die im Supervakuum arbeiten, z.B. nach dem Molekularstrahlepitaxieverfahren und dem Supervakuumzerstäubungs- bzw. -sputterverfahren, herstellen.
  • Ein Magnetoresistanzeffektelement mit einem üblichen künstlichen Gitterfilm mit magnetischen Schichten aus einem einzigen Element, wie (Co/Cu)n und (Fe/Cr)n, zeigt ein Magnetoresistanzverhältnis zwischen 20 und 50 %, wenn es mit Hilfe einer mit einem Supervakuum arbeitenden Filmbildungsvorrichtung, z.B. UHV, hergestellt wird. Das Magnetoresistanzverhältnis dieses Elements fällt jedoch auf einen inakzeptablen Wert von einigen %, wenn das Element mit Hilfe einer Vorrichtung mit üblichem anfänglichen Vakuumgrad hergestellt wird. Im Gegensatz dazu kann man ein erfindungsgemäßes Magnetoresistanzeffektelement mit einer üblichen Filmbildungsvorrichtung herstellen und diesem dabei trotzdem ein für den praktischen Gebrauch ausreichendes Magnetoresistanzverhältnis verleihen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass weder die magnetischen noch die nichtmagnetischen Schichten des erfindungsgemäßen mehrlagigen Gebildes eine identische chemische Zusammensetzung und eine identische Dicke aufzuweisen brauchen.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.
  • [Beispiel 1]
  • In diesem Beispiel wurden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,1Co0,9-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu hergestellt. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich des Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Ein Quarzsubstrat wurde in eine Kammer gelegt, worauf das Kammerinnere auf 6,65 × 10–5 Nm–2 (5 × 10–7 Torr) evakuiert wurde. Danach wurde in die Kammer zur Erhöhung des Drucks auf 1,33 × 10–2 Nm–2 (1 × 10–9 Torr) Ar-Gas eingeleitet. Der Zerstäubungsvorgang erfolgte unter Benutzung einer Beschleunigungsspannung von 500 Volt und eines Strahlstroms von 30 mA. Es wurden drei unterschiedliche Targets aus Eisen (Fe), einer Fe0,1Co0,9-Legierung und Cu verwendet. Zunächst wurde zur Bildung einer 50 Å dicken Pufferschicht auf dem Quarzsubstrat das Fe-Target zerstäubt. Danach wurden abwechselnd 15mal zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cu-Schicht einer Dicke von 9 Å und einer magnetischen Fe0,1Co0,9-Legierungsschicht einer Dicke von 7 Å das Cu-Target und das Fe0,1Co0,9-Legierungstarget zerstäubt (die Anzahl von Schichteinheiten beträgt 15). Hierbei wurde das in 1 dargestellte mehrlagige Gebilde erhalten. Dieses wird als (Fe0,1Co0,97Å/Cu9Å)15 bezeichnet.
  • Während bei der beschriebenen Ausführungsform eine Pufferschicht hergestellt wurde, bedarf es für den Erfindungszweck dieser Pufferschicht nicht unbedingt.
  • Danach wurde der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes nach einem auf dem erfindungsgemäßen Fachgebiet üblicherweise benutzten Vierpunktverfahren bestimmt. Die 4 veranschaulicht das Messergebnis. In 4 veranschaulichen die waagerechte Achse bzw. die senkrechte Achse die Magnetfeldintensität und den normalisierten elektrischen Widerstand (R/R (H=O)), wenn die Resistanz des Elements bei einer Magnetfeldintensität von 0 "1" beträgt, so dass dann die Beziehung zwischen dem Magnetoresistanzeffekt und der elektrischen Resistanz des Elements wiedergegeben wird. Zur Darstellung des Magnetoresistanzeffekts des Elements wurde aus der graphischen Darstellung das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R bestimmt. Es betrug 7,5 d.h. es zeigte einen akzeptabel hohen Wert. Es zeigte sich, dass das mehrlagige Gebilde mit einer Fe0,1Co0,9-Legierung für die magnetischen Schichten und Cu für die nichtmagnetischen Schichten für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Beispiel 2]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,25Co0,75-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Zunächst wurde auf einem Quarzsubstrat eine Fe-Pufferschicht einer Dicke von 50 Å gebildet. Danach wurden zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus nichtmagnetischen Cu-Schichten einer Dicke von 9 Å und magnetischen Fe0,25Co0,75-Legierungsschichten einer Dicke von 7 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) abwechselnd 15mal Cu- und Fe0,25Co0,75-Legierungstargets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Bedingungen bei der Filmbildung entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,25Co0,757Å/Cu9Å) 15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. 5, die der 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 11,1 d.h. sein Wert war akzeptabel hoch. Es zeigte sich, dass das mehrlagige Gebilde mit einer Fe0,25Co0,75-Legierung für die magnetischen Schichten und Cu für die nichtmagnetischen Schichten für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Beispiel 3]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,1Co0,9-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich des Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat diente mit einem Oxidfilm einer Dicke von etwa 1000 Å beschichtetes Silicium.
  • Zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cu-Schicht einer Dicke von 9 Å, und einer magnetischen Fe0,1Co0,9-Legierungsschicht einer Dicke von 15 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) wurden abwechselnd 15mal Cu- und Fe0,1Co0,9-Legierungstargets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingungen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,1Co0,915Å/Cu9Å) 15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. 6, die der 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 8,15 d.h. sein Wert war akzeptabel hoch. Es zeigte sich, dass das mehrlagige Gebilde mit einer Fe0,1Co0,9-Legierung für die magnetischen Schichten und Cu für die nichtmagnetischen Schichten für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Vergleichsbeispiel 3]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,75Co0,25-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cr. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat diente ein MgO (100)-Einkristall.
  • Zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cr-Schicht einer Dicke von 13 Å und einer magnetischen Fe0,75Co0,25-Legierungsschicht einer Dicke von 20 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) wurden abwechselnd 15mal Cr- und Fe0,75Co0,25-Legierungstargets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingungen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,75Co0,2520Å/Cr13Å)15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. 7, die der 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 6,8 %, d.h. sein Wert war akzeptabel hoch. Es zeigte sich, dass das mehrlagige Gebilde dieses Beispiels für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Beispiel 4]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Ni0,4(Fe0,5Co0,5)0,6-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat wurde mit einem Oxidfilm einer Dicke von etwa 1000 Å beschichtetes Silicium verwendet.
  • Zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cu-Schicht einer Dicke von 9 Å und einer magnetischen Ni0,4(Fe0,5Co0,5)0,6-Legierungsschicht einer Dicke von 15 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) wurden abwechselnd 15mal Cu- und Ni0,4(Fe0,5Co0,5)0,6-Legierungstargets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingungen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Ni0,4(Fe0,5Co0,5)0,615Å/Cu9Å)15 bezeichnet
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. 8, die 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 7,8 %, d.h. sein Wert war akzeptabel groß. Es zeigte sich, dass das mehrlagige Gebilde dieses Beispiels für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Vergleichsbeispiel 4]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Ni0,25(Fe0,75Co0,25)0,75-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cr. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich des Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat wurde ein MgO (100)-Einkristall verwendet.
  • Zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cr-Schicht einer Dicke von 13 Å und einer magnetischen Ni0,25(Fe0,75Co0,25)0,75-Legierungsschicht einer Dicke von 20 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) wurden abwechselnd 15mal Cr- und Ni0,25(Fe0,75Co0,25)0,75-Legierungstargets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingungen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Ni0,25(Fe0,75Co0,25)0,7520Å/Cr13Å)15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des mehrlagigen Gebildes bestimmt. 9, die 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 5,7 d.h. sein Wert war akzeptabel groß. Es zeigte sich, dass dieses mehrlagige Gebilde für ein Magnetoresistanzeffektelement geeignet war.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • In diesem Vergleichsbeispiel bestanden die magnetischen Schichten aus Co, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat diente Quarz.
  • Zunächst wurde auf dem Quarzsubstrat eine Fe-Pufferschicht einer Dicke von 50 Å gebildet. Danach wurden zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cu-Schicht einer Dicke von 9 Å und einer Co-Schicht einer Dicke von 7 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) abwechselnd 15mal Cu- und Co-Targets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingungen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Co7Å/Cu9Å)15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. Die 10, die der 4 ähnelt, veranschaulicht das Messergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 4,4 d.h. sein Wert war im Vergleich zu den vorhergehenden Beispielen recht niedrig.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • In diesem Vergleichsbeispiel bestanden die magnetischen Schichten aus Fe, die nichtmagnetischen Schichten aus Cr. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Als Substrat diente ein MgO(100)-Einkristall.
  • Zum Aufeinanderstapeln von 15 Schichteinheiten jeweils aus einer nichtmagnetischen Cr-Schicht einer Dicke von 13 Å und einer Fe-Schicht einer Dicke von 20 Å (die Anzahl der Schichteinheiten beträgt 15) wurden abwechselnd 15mal Cr- und Fe-Targets zerstäubt, wobei ein in 1 dargestelltes mehrlagiges Gebilde erhalten wurde. Die Filmbildungsbedingun gen entsprachen denjenigen des Beispiels 1. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe20Å/Cr13Å)15 bezeichnet.
  • Danach wurde nach dem üblichen Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt des erhaltenen mehrlagigen Gebildes bestimmt. 11, die 4 ähnelt, veranschaulicht das Meßergebnis. Das Magnetoresistanzverhältnis ΔR/R wurde aus der graphischen Darstellung bestimmt, um den Magnetoresistanzeffekt des Elements zu zeigen. Es betrug 2,4 d.h. sein Wert war im Vergleich zu denjenigen der vorhergehenden Beispiele recht niedrig.
  • [Beispiel 5]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,1Co0,9-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens. Die Bedingungen, unter denen das mehrlagige Gebilde hergestellt wurde, unterschieden sich von denjenigen des Beispiels 1.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass das Magnetoresistanzverhältnis des mehrlagigen Gebildes sehr empfindlich auf die Beschleunigungsspannung zum Zeitpunkt der Filmbildung reagiert. Folglich erfolgte die Filmbildung in diesem Beispiel bei der erhöhten Beschleunigungsspannung von 600 Volt und demselben Strahlstrom von 30 mA. Das erreichte Vakuum und der Ar-Partialdruck entsprachen den betreffenden Werten in Beispiel 1.
  • Zunächst wurde auf einem Substrat aus einem MgO (110)-Einkristall eine magnetische Fe0,1Co0,9-Schicht einer Dicke von 10 Å gebildet. Auf dieser wurde zur Herstellung einer Schichteinheit eine 10 Å dicke nichtmagnetische Cu-Schicht ausgebildet. Danach wurden nach und nach auf der ersten Schichteinheit 15 weitere, mit der ersten Schichteinheit identische Schichteinheiten gebildet, wobei ein mehrlagiges Gebilde mit insgesamt 16 Schichteinheiten erhalten wurde. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,1Co0,910Å/Cu10Å)16 bezeichnet.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches mehrlagiges Gebilde aus 15 Schichteinheiten jeweils aus einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt, wobei jedoch die magnetischen Schichten aus Co bestanden. Dieses mehrlagige Gebilde wird als (Co10Å/Cu10Å)16 bezeichnet.
  • Anschließend wurde nach dem bekannten Vierpunktverfahren zur Bestimmung des Magnetoresistanzverhältnisses ΔR/R des (jeweiligen) mehrlagigen Gebildes der Magnetoresistanzeffekt der einzelnen erhaltenen mehrlagigen Gebilde bestimmt. Es betrug 39,4 % für (Fe0,1Co0,910Å/Cu10Å)16 bzw. 31,5 % für (Co10Å/Cu10Å)16. Somit zeigte es sich, dass das magnetische Schichten aus einer Legierung umfassende (Fe0,1Co0,910Å/Cu10Å)16 ein höheres Magnetoresistanzverhältnis aufwies.
  • [Beispiel 6]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,1Co0,9-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus einer CuAu-Legierung. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Bei der Herstellung des mehrlagigen Gebildes wurde unter den Bedingungen des Beispiels 5 gearbeitet. Zunächst wurde auf einem Quarzsubstrat eine 50 Å, dicke Fe-Pufferschicht gebildet. Danach wurde auf dieser eine nichtmagnetische CuAu-Schicht einer Dicke von 10 Å und auf der nichtmagnetischen CuAu-Schicht eine magnetische Fe0,1Co0,9-Schicht einer Dicke von 20 Å gebildet, um eine Schichteinheit herzustellen. Auf die erste Schichteinheit wurden nach und nach 15 weitere Schichteinheiten aufgetragen, um ein mehrlagiges Gebilde mit insgesamt 16 Schichteinheiten herzustellen. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,1Co0,920Å/CuAu10Å)16 bezeichnet.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches mehrlagiges Gebilde aus 16 Schichteinheiten mit jeweils einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt, wobei jedoch die magnetischen Schichteinheiten aus Co bestanden. Dieses mehrlagige Gebilde wird als (Co20Å/CuAu10Å)16 bezeichnet.
  • Anschließend wurde zur Bestimmung des Magnetoresistanzverhältnisses ΔR/R des (jeweiligen) mehrlagigen Gebildes nach dem bekannten Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt der verschiedenen erhaltenen mehrlagigen Gebilde bestimmt. Es betrug 20,2 % für (Fe0,1Co0,920Å/CuAu10Å)16 bzw. 17,8 % für (Co20Å/CuAu10Å)16. Dadurch bestätigte sich, dass das magnetische Schichten aus einer Legierung umfassende (Fe0,1Co0,920Å/CuAu10Å)16 ein höheres Magnetoresistanzverhältnis aufwies.
  • [Beispiel 7]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Fe0,1Co0,9-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Au. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Bei der Herstellung des mehrlagigen Gebildes wurde unter den Bedingungen des Beispiels 5 gearbeitet. Zunächst wurde auf einem Quarzsubstrat eine 50 Å dicke Fe-Pufferschicht gebildet. Danach wurden zur Bildung einer Schichteinheit auf dem Substrat eine nichtmagnetische Au-Schicht einer Dicke von 10 Å und auf der nichtmagnetischen Au-Schicht eine 20 Å dicke magnetische Fe0,1Co0,9-Schicht gebildet. Auf der ersten Schichteinheit wurden dann nach und nach 15 weitere Schicht einheiten ausgebildet, um ein mehrlagiges Gebilde mit insgesamt 16 Schichteinheiten herzustellen. Das mehrlagige Gebilde wird als (Fe0,1Co0,920Å/Au10Å)16 bezeichnet.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches mehrlagiges Gebilde mit 16 Schichteinheiten aus jeweils einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt, wobei jedoch die magnetischen Schichten aus Co bestanden. Dieses mehrlagige Gebilde wird als (Co20Å/Au10Å)16 bezeichnet.
  • Danach wurde zur Bestimmung des Magnetoresistanzverhältnisses ΔR/R des (jeweiligen) mehrlagigen Gebildes nach dem bekannten Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt der verschiedenen erhaltenen mehrlagigen Gebilde bestimmt. Es betrug 15,3 für (Fe0,1Co0,920Å/Au10Å)16 bzw. 10,8 für (Co20Å/Au10Å)16. Somit bestätigte sich, dass die (Fe0,1Co0,920Å/CuAu10Å)16 umfassenden magnetischen Schichten aus einer Legierung ein höheres Magnetoresistanzverhältnis besaßen.
  • [Vergleichsbeispiel 5]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Ni0,8Fe0,2-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Bei der Herstellung des mehrlagigen Gebildes wurde unter den Bedingungen des Beispiels 5 gearbeitet. Zunächst wurde auf dem Quarzsubstrat eine 50 Å dicke Fe-Pufferschicht gebildet. Danach wurden auf der Pufferschicht eine nichtmagnetische Cu-Schicht einer Dicke von 10 Å und auf der nichtmagnetischen Cu-Schicht eine magnetische Ni0,8Fe0,2-Schicht einer Dicke von ebenfalls 10 Å gebildet, wobei eine Schichteinheit erhalten wurde. Auf der ersten Schichteinheit wurden nach und nach weitere 15 Schichteinheiten ausgebildet, um ein mehrlagiges Gebilde mit insgesamt 16 Schichteinheiten herzustellen. Das mehrlagige Gebilde wird als (Ni0,8Fe0,210Å/Cu10Å)16 bezeichnet.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches mehrlagiges Gebilde mit 16 Schichteinheiten aus jeweils einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt, wobei jedoch die magnetischen Schichten aus Ni bestanden. Dieses mehrlagige Gebilde wird als (Ni10Å/Cu10Å)16 bezeichnet.
  • Danach wurde zur Bestimmung des Magnetoresistanzverhältnisses ΔR/R des (jeweiligen) mehrlagigen Gebildes nach dem bekannten Vierpunkterfahren der Magnetoresistanzeffekt der verschiedenen erhaltenen mehrlagigen Gebilde bestimmt. Es betrug 18,3 % für (Ni0,8Fe0,210Å/Cu10Å)16 bzw. 10,1 % für (Ni10Å/Cu10Å)16. Somit zeigte es sich, dass das magnetische Schichten aus einer Legierung umfassende (Ni0,8Fe0,210Å/Cu10Å)16 ein höheres Magnetoresistanzverhältnis aufwies.
  • [Vergleichsbeispiel 6]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus einer Ni0,8Fe0,2-Legierung, die nichtmagnetischen Schichten aus Au. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Bei der Herstellung des mehrlagigen Gebildes wurde unter den Bedingungen des Beispiels 5 gearbeitet. Zunächst wurde auf dem Quarzsubstrat eine 50 Å dicke Fe-Pufferschicht gebildet. Danach wurden auf der Pufferschicht eine nichtmagnetische Au-Schicht einer Dicke von 10 Å und auf der nichtmagnetischen Au-Schicht eine 20 Å dicke magnetische Ni0,8Fe0,2-Schicht ausgebildet, um eine Schichteinheit herzustellen. Auf der ersten Schichteinheit wurden zur Herstellung eines mehrlagigen Gebildes mit insgesamt 16 Schichteinheiten nach und nach 15 weitere Schichteinheiten ausgebildet. Das Verbundgebilde wird als (Ni0,8Fe0,220Å/Au10Å)16 bezeichnet.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches mehrlagiges Gebilde mit 16 Schichteinheiten aus jeweils einer magnetischen Schicht und einer nichtmagnetischen Schicht hergestellt, wobei jedoch die magnetischen Schichten aus Ni bestanden. Dieses mehrlagige Gebilde wird als (Ni20Å/Au10Å)16 bezeichnet.
  • Danach wurde zur Bestimmung des Magnetoresistanzverhältnisses ΔR/R des (jeweiligen) mehrlagigen Gebildes nach dem bekannten Vierpunktverfahren der Magnetoresistanzeffekt der verschiedenen hergestellten mehrlagigen Gebilde bestimmt. Es betrug 13,4 für (Ni0,8Fe0,220Å/Au10Å)16 bzw. 8,2 für (Ni20Å/Au10Å)16. Somit bestätigt sich, dass die (Ni0,8Fe0,220Å/Au10Å)16 umfassenden magnetischen Schichten aus einer Legierung ein höheres Magnetoresistanzverhältnis besaßen.
  • [Vergleichsbeispiel 7]
  • In diesem Beispiel bestanden die magnetischen Schichten aus Ni0,8Fe0,2-Permalloy, die nichtmagnetischen Schichten aus Cu. Zur Herstellung des mehrlagigen Gebildes bediente man sich eines Ionenstrahlzerstäubungsverfahrens.
  • Ein MgO (110)-Einkristallsubstrat wurde in eine Kammer gelegt, worauf das Kammerinnere auf 6,65 × 10–5 Nm–2 (5 × 10–7 Torr) evakuiert wurde. Dann wurde in die Kammer zur Druckerhöhung auf 1 × 10–9 Torr gasförmiges Argon eingeleitet. Die Zerstäubung erfolgte bei einer Beschleunigungsspannung von 700 Volt und einem Strahlstrom von 30 mA. Es wurden zwei unterschiedliche Arten von Targets aus Ni0,8Fe0,2-Legierung bzw. Cu verwendet. Zunächst wurde auf dem MgO (110)-Substrat eine magnetische Ni0,8Fe0,2-Schicht gebildet. Auf letzterer wurde zur Herstellung einer Schichteinheit eine nichtmagnetische Kupfer (Cu)-Schicht ausgebildet. Anschließend wurden auf der ersten Schichteinheit zur Herstellung eines mehrlagigen Gebildes mit insgesamt 16 Schichteinheiten nach und nach 15 weitere Schichteinheiten hergestellt.
  • Die 12 zeigt eine Drehmomentkurve des mehrlagigen Gebildes. Da die Drehmomentkuve – wie aus 12 hervorgeht – von zweifacher Symmetrie ist, hat es sich gezeigt, dass die magnetischen Schichten eine in der Ebene liegende uniaxiale magnetische Anisotropie aufweisen.
  • 13 ist eine graphische Darstellung des Magnetoresistanzeffekts des Elements längs der Achse der leichten Magnetisierung der magnetischen Schichten. Es hat sich gezeigt, dass das Sättigungsmagnetfeld HS des Elements nur 1,2 kOe bei einem Magnetoresistanzverhältnis von 16,7 beträgt (vgl. 13).
  • Wird das mehrlagige Gebilde desselben Aufbaus wie ihn das zuvor beschriebene mehrlagige Gebilde aufweist, auf einem SiO2-Substrat hergestellt, zeigte es sich, dass keine uniaxiale magnetische Anisotropie erreicht wurde und dass sein Magnetoresistanzverhältnis (nur) 5,5 % betrug.
  • Wie aus 13 hervorgeht, begann sich die Resistanz des Elements bei etwa 1,0 kOe zu ändern. Bei einer (nur) geringen Änderung von etwa 20 Oe im Magnetfeld, kam es zu einer raschen Sättigung. Dies führt dazu, dass der Anstieg und Abfall (der Kurve) sehr scharf verlaufen. Unter Ausnutzung dieser scharf ansteigenden und abfallenden Bereiche dürfte sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor herstellen lassen.

Claims (12)

  1. Magnetoresistanzeffektelement, umfassend ein mehrlagiges Gebilde aus zwei benachbarten magnetischen Schichten (3) und eine nichtmagnetische Schicht (2), wobei die nichtmagnetische Schicht (2) zwischen den benachbarten magnetischen Schichten (3) so angeordnet ist, dass ein Magnetoresistanzeffekt herbeigeführt wird, der durch eine Änderung der relativen magnetischen Spinrichtung zwischen den benachbarten magnetischen Schichten verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht (2) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Cu, Au, Ru und Ag, enthält, und jede magnetische Schicht (3) eine Legierung Fe1-xCox mit 0,5 ≤ x < 1 enthält, und keine der magnetischen Schichten (NiACo1-A)BFe1-B mit 0,6 ≤ A≤ 1,0,0,7 ≤ B≤ 1,0 enthält.
  2. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich ein Substrat (1) als Träger für das mehrlagige Gebilde umfasst.
  3. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine zwischen dem Substrat und dem mehrlagigen Gebilde angeordnete Pufferschicht aus einem weichen magnetischen Werkstoff umfasst.
  4. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus SiO2, MgO oder Si besteht.
  5. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht eine Dicke von 0,2-10 Nanometer aufweist.
  6. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht eine Dicke von 0,7-9 Nanometer aufweist.
  7. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht eine Dicke von 0,2-10 Nanometer aufweist.
  8. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht eine Dicke von 0,9-5,0 Nanometer aufweist.
  9. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht eine in der Ebene liegende uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist.
  10. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht zusätzlich Ni enthält.
  11. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht Cu enthält.
  12. Magnetoresistanzeffektelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetische Schicht zusätzlich Au oder Ag enthält.
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